KR20180105587A - 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 - Google Patents

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법 Download PDF

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Abstract

처리 가스와 치환 가스를 교대로 복수회 처리 용기 내의 기판에 공급하고 기판을 처리할 때에, 처리 가스의 유량을 많게 하지 않고 처리 용기 내의 처리 가스의 분압을 높게 하고, 연속성이 양호한 극박막의 성막을 실시한다. 성막 장치(1)는, 배기관(34)이 접속되고, 웨이퍼(W)를 수용한 처리 용기(11) 내에, 웨이퍼(W)를 처리하기 위한 처리 가스와, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 교대로 공급하고, 웨이퍼(W)의 처리를 실시하는 것이며, 처리 가스의 공급시에, 배기관(34)에 밸러스트 가스를 도입하는 가스 유로(80)를 구비한다.

Description

기판 처리 장치 및 기판 처리 방법{SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은, 기판을 수용한 처리 용기 내에, 기판을 처리하기 위한 처리 가스와 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 교대로 공급하고, 기판의 처리를 실시하는 기판 처리 장치 및 기판 처리 방법에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 디바이스 등의 제조 프로세스에 있어서는, 기판으로서의 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 "웨이퍼"라고 한다)에 대해서 에칭 처리, 성막 처리 등의 각종 처리를 행한다. 웨이퍼에 대해서 성막을 행하기 위한 수법으로서는, 소위 ALD(Atomic Layer Deposition)로 불리는 처리가 이용되는 일이 있다. 이 ALD 처리에서는, 진공 분위기로 된 처리 용기 내에, 웨이퍼의 표면에 흡착하는 원료 가스와 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스(환원 가스라고도 말한다)를 교대로 복수회 공급하고, 웨이퍼의 표면에 반응 생성물의 원자층을 퇴적시켜 성막한다. 또한, 처리 용기 내에 있어서 웨이퍼의 표면 이외의 영역에서 원료 가스와 반응 가스가 기상 반응해서 파티클이 발생해 버리는 것을 막기 위해서, 원료 가스와 반응 가스는 서로 간격을 두고서 공급된다. 그리고, 원료 가스의 공급을 실시하는 시간대와 반응 가스의 공급을 실시하는 시간대와의 사이에는, 불활성 가스가 공급되는 것에 의해서 처리 용기 내의 분위기가 퍼지되고, 상기 불활성 가스 분위기로 치환된다.
상기와 같이 퍼지를 실시할 필요가 있기 때문에, 예를 들면 ALD를 실시하는 동안, 처리 용기 내에는 소정의 유량으로 불활성 가스의 공급이 연속해서 행해지는 경우가 있다. 이 불활성 가스는 원료 가스 또는 반응 가스가 공급되는 동안은 이러한 가스의 캐리어 가스로서 작용하고, 원료 가스 및 반응 가스의 공급을 하지 않는 동안은 퍼지 가스로서 작용한다.
특허문헌 1에는, 처리 가스(원료 가스 및 반응 가스)에 대한 캐리어 가스 및 퍼지 가스인 N2(질소) 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 가스 유로에, 바이패스 유로를 구비하고, ALD를 실시하는 성막 장치가 개시되어 있다. 이 성막 장치에서는, 처리 가스를 처리 용기 내에 공급할 경우에는 바이패스 유로에 개재하는 밸브가 폐쇄되고, 퍼지를 실시할 때는 처리 용기 내에 공급되는 N2 가스의 유량이 비교적 많아지도록 상기 밸브가 개방된다.
특허문헌 2에는, 원료 가스의 공급원과 처리 용기를 접속하는 원료 가스 유로와, 상기 원료 가스 유로로부터 분기한 제 1 N2 가스 유로와, 원료 가스 유로 및 제 1 N2 가스 유로와는 독립해서 처리 용기에 퍼지 가스인 N2 가스를 공급하는 제 2 N2 가스 유로를 구비하고, 퍼지를 실시할 때 처리 용기 내에 공급되는 N2 가스의 양을 많게 해서, ALD를 실시하는 성막 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제 2016-023324 호 공보 일본 특허 공개 제 2014-198872 호 공보
그런데, 배선의 미세화를 위해서, 연속성이 양호한 극박막의 생성을 확보할 수 있도록 ALD를 실시하는 것이 요구되고 있다. 연속성이 양호한 극박막의 생성을 확보하는 방법으로서, 반응 가스를 공급하는 단계의 1회당의 시간을 길게 하는 방법이나, 반응 가스의 유량을 증가시키고, 처리 용기 내에 있어서의 반응 가스의 분압을 높게 하는 방법을 고려할 수 있다.
그러나, 전자의 방법에서는 생산성이 저하하고, 후자의 방법과 같이 반응 가스의 유량을 증가시켜 이 분압을 높게 하면, 상기의 파티클의 발생을 막기 위해서 퍼지를 실시하는 시간을 연장할 필요가 있으므로, 성막 처리에 필요로 하는 시간이 길어져 버린다. 특허문헌 1이나 특허문헌 2와 같이, 퍼지를 실시할 때 처리 용기 내에 공급되는 N2 가스의 양을 많게 하면, 퍼지를 실시하는 시간의 장기화를 막을 수 있다. 그러나, 반응 가스의 유량이 크면 처리 용기 내나 배기계에 퇴적하는 반응 부생성물이 증가하고, 또한 가스 코스트가 증대한다. 이러한 사정으로부터, 반응 가스의 유량이 비교적 작아도, 연속성이 양호한 극박막의 성막을 실시할 수 있고, 또한 처리 용기 내의 퍼지를 신속하게 실시할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 사정에 근거해서 이뤄진 것이며, 그 목적은, 처리 가스와 치환 가스를 교대로 복수회 처리 용기 내의 기판에 공급해서 기판을 처리할 때에, 처리 가스의 유량을 많게 하지 않고 처리 용기 내의 처리 가스의 분압을 높게 하고, 연속성이 양호한 극박막의 성막을 실시하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 배기관이 접속되고, 기판을 수용한 처리 용기 내에, 상기 기판을 처리하기 위한 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 공정과, 상기 처리 용기 내에, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 공급하는 치환 가스 공급 공정을 교대로 복수회 실시하고, 상기 기판의 처리를 실시하는 기판 처리 방법에 있어서, 상기 처리 가스 공급 공정을 실시할 때에, 상기 배기관에 밸러스트 가스(ballast gas)를 도입하는 밸러스트 가스 도입 공정을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 기판의 처리는 ALD 처리이며, 상기 기판 처리 방법은, 금속 함유 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정과, 상기 치환 가스 공급 공정과, 환원 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정과, 상기 치환 가스 공급 공정을 이 순서로 복수회 실시하고, 상기 밸러스트 가스 도입 공정은, 상기 환원 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정을 실시할 때에만, 상기 배기관에 밸러스트 가스를 도입하는 것이 바람직하다.
상기 밸러스트 가스 도입 공정은, 상기 배기관에 있어서의 개방도 가변 밸브의 상류에, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 공정인 것이 바람직하다.
상기 밸러스트 가스 도입 공정에 있어서의 상기 밸러스트 가스의 도입 개시 타이밍은, 상기 처리 가스의 공급원과 상기 처리 용기의 사이에 설치된 밸브를 개방하는 타이밍보다 늦은 것이 바람직하다.
다른 관점에 의한 본 발명에 의하면, 배기관이 접속되고, 기판을 수용한 처리 용기 내에, 상기 기판을 처리하기 위한 처리 가스와, 상기 처리 용기 내의 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 교대로 공급하고, 상기 기판의 처리를 실시하는 기판 처리 장치에 있어서, 상기 처리 가스의 공급시에, 상기 배기관에 밸러스트 가스를 도입하는 밸러스트 가스 도입부를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 기판의 처리는 ALD 처리이며, 상기 기판 처리 장치는, 상기 처리 가스로서의 금속 함유 가스, 상기 치환 가스, 상기 처리 가스로서의 환원 가스, 상기 치환 가스를 이 순서로 복수회, 상기 처리 용기 내에 공급하고, 상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 처리 가스로서의 환원 가스의 공급시에만, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것이 바람직하다.
상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 배기관에 있어서의 개방도 가변 밸브의 상류에, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것이 바람직하다.
상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 처리 가스의 공급원과 상기 처리 용기의 사이에 설치된 밸브를 개방하는 타이밍보다 늦게, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 처리 가스와 치환 가스를 교대로 복수회 처리 용기 내의 기판에 공급해 기판을 처리함에 있어서, 처리 가스의 유량을 많게 하지 않고 처리 용기 내의 처리 가스의 분압을 높게 할 수 있고, 연속성이 양호한 극박막의 생성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 실시형태에 관한 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 도 1의 성막 장치에 의해서 행해지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 1의 성막 장치에 의해서 행해지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4는 도 1의 성막 장치에 의해서 행해지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 1의 성막 장치에 의해서 행해지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 도 1의 성막 장치에 의한 처리로 공급되는 가스의 양의 변화를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 7은 평가 시험으로 공급한 가스의 양의 변화를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 8은 다른 평가 시험으로 공급한 가스의 양의 변화를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 9는 평가 시험의 결과를 도시하는 도면이다.
도 10은 러프층비의 산출 방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 실시예와 비교예의 러프층비가 최소가 되는 위치에서의 막 두께를 도시하는 도면이다.
도 12는 실시예 및 비교예에 관한 TiN막의 잔류 염소의 깊이 방향의 농도 분포를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조해 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여하는 것으로 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 관한 기판 처리 장치로서의 성막 장치를 개략적으로 도시한 종단면도이다.
도면의 성막 장치(1)는, 기판으로서의 웨이퍼(W)에 ALD법에 의해 TiN막의 성막 처리를 실시하고, 보다 구체적으로는, 웨이퍼(W)를 처리하기 위한 처리 가스와, 후술의 처리 용기(11) 내의 처리 가스 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 즉 퍼지 가스를 처리 용기(11) 내에 교대로 공급하고, TiN막의 성막 처리를 실시한다. 또한 구체적으로는, 성막 장치(1)는, 처리 가스인 금속 함유 가스로서의 TiCl4(4염화 티탄) 가스, 퍼지 가스인 불활성 가스로서의 N2(질소) 가스, 처리 가스인 반응 가스로서의 NH3(암모니아) 가스, 퍼지 가스인 N2 가스를 이 순서로 복수회, 처리 용기(11) 내에 공급하고, TiN막의 성막 처리를 실시한다. 또한, ALD에 의한 성막 처리중은, TiCl4 가스 및 NH3 가스를 처리 용기(11) 내에 도입하기 위한 캐리어 가스로서 N2 가스가 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급된다.
성막 장치(1)는, 진공 분위기가 형성되는 원형 형상의 공간을 내부에 갖는 처리 용기(11)를 구비하고, 상기 처리 용기(11) 내에는 웨이퍼(W)가 수용된다. 웨이퍼(W)의 표면에는, 배선을 형성하기 위해서 예를 들면 요철이 형성되어 있다.
처리 용기(11)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반송구인 개구(12)와, 상기 개구(12)를 개폐하는 게이트 밸브(13)가 설치되어 있다.
또한, 성막 장치(1)는 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재대(21)를 처리 용기(11) 내에 구비한다. 탑재대(21)에는, 히터(22)가 내장되어 있고, 탑재대(21)에 탑재된 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열할 수 있다.
또한, 성막 장치(1)는, 탑재대(21)를 둘러싸도록 설치된 통 형상의 커버 부재(23)와, 탑재대(21)의 하부를 지지하는 수직인 지주(24)를 구비한다. 지주(24)의 하단은, 처리 용기(11)의 바닥부에 설치된 개구부(14)를 관통해서 처리 용기(11)의 외부로 연장되어, 승강 기구(25)에 접속되어 있다. 지주(24)에는, 플랜지(26)가 설치되어 있다. 플랜지(26)와 개구부(14)의 연부에 벨로우즈(27)가 접속되고, 처리 용기(11) 내의 기밀성이 확보되어 있다.
승강 기구(25)는, 처리 용기(11) 내의 상방측에 있어서의 웨이퍼(W)의 처리 위치와, 처리 용기(11) 내의 하방측에 있어서의 웨이퍼(W)의 주고받음 위치에 탑재대(21)를 승강시킬 수 있다. 주고받음 위치에 있어서는, 압력 기구(28)에 의해, 탑재대(21)에 형성된 구멍(29)을 통과해 웨이퍼(W)를 밀어 올리는 핀(20)과, 개구(12)를 거쳐서 처리 용기(11) 내에 삽입된 도시하지 않은 반송 기구와의 사이에서 웨이퍼(W)의 주고받음을 행한다. 핀(20)의 개수는 예를 들면 3개(도면에서는 2개만 도시되어 있다)이다.
처리 용기(11)의 천정면은, 중앙부로부터 주연부로 향함에 따라 하강하도록 형성되어 있고, 웨이퍼(W)가 상기의 처리 위치가 되는 위치에 탑재대(21)가 이동되어 있을 때, 상기 탑재대(21)의 표면, 커버 부재(23)의 표면 및 처리 용기(11)의 천정면에 의해서 둘러싸이는 평평한 원추형의 처리 공간(10)이 형성된다. 상기 천정면을 형성하는 처리 용기(11)의 천판(15)의 중앙부에는, 상기 천판(15)을 두께 방향으로 관통하는 2개의 가스 공급로(31, 32)가 형성되어 있고, 상기 가스 공급로(31, 32)의 하방에는, 가스 공급로(31, 32)로부터 토출되는 가스를 처리 공간(10) 내에 분산시키기 위한 분산판(33)이 예를 들면 수평으로 설치되어 있다.
처리 용기(11)의 내부에는, 개구(12)의 상방에 있어서 처리 용기(11)의 내벽이 돌출하도록 형성된 환상 부재(16)가 설치되어 있다. 상기 환상 부재(16)는, 상기 처리 위치에 있어서의 탑재대(21)의 커버 부재(23)의 외측에 근접해서 둘러싸도록 배치되어 있다. 또한, 처리 용기(11)에는, 상기 용기(11)의 측벽을 형성하도록 원환상으로 만곡시켜 구성된 배기 덕트(17)가 설치되어 있다. 이 배기 덕트(17)의 내주면측은, 환상 부재(16)상에 있어서 둘레 방향에 걸쳐서 개구되어 있고, 커버 부재(23)와 처리 용기(11)의 천판(15)과의 사이에 형성된 간극(18)을 거쳐서, 처리 공간(10)의 분위기를 배기할 수 있다.
배기 덕트(17)에는, 배기관(34)의 일단이 접속되어 있고, 배기관(34)의 타단은 진공 배기 펌프(35)에 접속되어 있다. 배기관(34)에 있어서의 배기 덕트(17)와 진공 배기 펌프(35)와의 사이에는, 배기량을 조정해서 처리 공간(10)의 진공압을 조정하기 위한 개방도 가변 밸브 등을 갖는 압력 조정부(APC: Auto Pressure Controller)(36)와, 밸브(37)가 상류측으로부터 순서로 설치되어 있다.
상기의 가스 공급로(31, 32)에는, 가스 유로(41, 61)의 하류단이 각각 접속되어 있다.
가스 유로(41)의 상류단은, 밸브(V1), 가스 저장 탱크(42), 유량 조정부(43)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, 금속 함유 가스인 TiCl4 가스의 공급원(44)에 접속되어 있다. 유량 조정부(43)는, 매스 플로우 콘트롤러에 의해 구성되고, 가스 공급원(44)으로부터 공급되는 TiCl4 가스에 대해 하류측에 공급되는 유량을 조정한다. 또한, 후술하는 다른 각 유량 조정부(47, 52, 63, 67, 72, 82)에 대해서도, 이 유량 조정부(43)와 마찬가지로 구성되어 있고, 유로의 하류측에 공급되는 가스의 유량을 조정한다.
또한, TiCl4 가스 공급원(44)은 액체 상태로 TiCl4를 저장하는 탱크를 구비하고, 상기 탱크를 가열해서 탱크 내의 TiCl4를 기화시키고, 이와 같이 기화시킨 TiCl4를 가스 유로(41)에 공급한다. 또한. 각 유량 조정부는 유량을 조정하는 가스의 온도에 따라 적절한 것이 이용된다. TiCl4에 관한 유량 조정부(43)에 대해서는, 이와 같이 가열되는 것으로 비교적 고온인 TiCl4 가스의 유량을 조정할 수 있도록 설계된 것이 이용된다.
가스 저장 탱크(42)는, 가스 공급원(44)으로부터 공급된 TiCl4 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하기 전에 일단 저장한다. 이와 같이 TiCl4 가스를 저장시켜, 가스 저장 탱크(42) 내가 소정의 압력에 승압한 후에, 가스 저장 탱크(42)로부터 처리 용기(11)에 TiCl4 가스를 공급한다. 이 가스 저장 탱크(42)로부터 처리 용기(11)에의 TiCl4 가스의 공급·차단이 상기의 밸브(V1)의 개폐에 의해 행해진다. 이와 같이 가스 저장 탱크(42)에 TiCl4 가스를 일단 저장하는 것으로, 비교적 높은 유량으로 안정적으로 상기 TiCl4 가스를 처리 용기(11)에 공급할 수 있다.
또한, 후술하는 각 가스 저장 탱크(46, 62, 66, 81)에 대해서도, 가스 저장 탱크(42)와 마찬가지로, 가스 유로의 상류측의 가스 공급원으로부터 공급되는 각 가스를 일단 저장하는 것으로, 처리 용기(11) 또는 배기관(34)에 공급되는 각 가스의 유량을 안정화시키는 역할을 갖는 가스 저장부이다. 그리고, 각 가스 저장 탱크(46, 62, 66, 81)의 하류측에 설치되는 밸브(V2, V4, V5, V10)의 개폐에 의해서, 각 가스 저장 탱크(46, 62, 66, 81)로부터 처리 용기(11) 또는 배기관(34)에의 가스의 공급·차단이 각각 행해진다.
가스 유로(41)의 설명으로 돌아간다. 가스 유로(41)에 있어서의 밸브(V1)의 하류측에는, 가스 유로(45)의 하류단이 접속되어 있다. 가스 유로(45)의 상류단은, 밸브(V2), 가스 저장 탱크(46), 유량 조정부(47)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, N2 가스의 공급원(48)에 접속되어 있다.
또한, 가스 유로(45)에 있어서의 밸브(V2)의 하류측에는, 가스 유로(51)의 하류단이 접속되어 있다. 가스 유로(51)의 상류단은, 밸브(V3), 유량 조정부(52)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, N2 가스의 공급원(53)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(51)에 있어서의 밸브(V3)의 하류측에는, 구멍(54)이 형성되어 있다. 즉, 가스 유로(51)에 있어서의 밸브(V3)의 하류측의 직경은 가스 유로(51)에 있어서의 밸브(V3)의 상류측 및 가스 유로(41, 45)의 직경보다 작다. 가스 저장 탱크(42, 46)에 의해서, 가스 유로(41, 45)에는 비교적 큰 유량으로 가스가 공급되지만, 구멍(54)에 의해서 이들 가스 유로(41, 45)에 공급된 가스가 가스 유로(51)를 역류하는 것을 억제할 수 있다.
그런데, N2 가스 공급원(48)으로부터 가스 유로(45)에 공급되는 N2 가스는 퍼지를 실시하기 위해서 처리 용기(11) 내에 공급된다. 한편, N2 가스 공급원(53)으로부터 가스 유로(51)에 공급되는 N2 가스는 TiCl4 가스에 대한 캐리어 가스이다. 이 캐리어 가스는, 상기와 같이 웨이퍼(W)의 처리중은 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급되므로, 퍼지를 실시할 때에도 처리 용기(11) 내에 공급된다. 따라서, 상기 캐리어 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대는, 퍼지를 실시하기 위해서 가스 공급원(48)으로부터의 N2 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대와 겹쳐지고, 캐리어 가스는 퍼지에도 이용되게 되지만, 설명의 편의상, N2 가스 공급원(48)으로부터 가스 유로(45)에 공급되는 가스를 퍼지 가스로서 기재하고, N2 가스 공급원(53)으로부터 가스 유로(51)에 공급되는 가스는 캐리어 가스로서 기재한다. 또한, 이 캐리어 가스는 TiCl4 가스가 가스 유로(51)를 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용의 가스이기도 하다.
이어서, 처리 용기(11)의 가스 공급로(32)에 접속되는 가스 유로(61)에 대해 설명한다. 가스 유로(61)의 상류단은, 밸브(V4), 가스 저장 탱크(62), 유량 조정부(63)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, 처리 가스인 NH3 가스의 공급원(64)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(61)는 반응 가스 유로이며, 원료 가스 유로인 가스 유로(41)에 대해서 독립해서 형성되어 있다.
가스 유로(61)에 있어서의 밸브(V4)의 하류측에는 가스 유로(65)의 하류단이 접속되어 있다. 가스 유로(65)의 상류단은 밸브(V5), 가스 저장 탱크(66), 유량 조정부(67)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, N2 가스의 공급원(68)에 접속되어 있다. 또한, 가스 유로(65)에 대해 밸브(V5)의 하류측에는, 가스 유로(71)의 하류단이 접속되어 있다. 가스 유로(71)의 상류단은, 밸브(V6), 유량 조정부(72)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, N2 가스의 공급원(73)에 접속되어 있다. 이 가스 유로(71)에 있어서의 밸브(V6)의 하류측에는, 구멍(74)이 형성되어 있다. 즉, 가스 유로(71)에 있어서의 밸브(V6)의 하류측의 직경은 가스 유로(71)에 있어서의 밸브(V6)의 상류측 및 가스 유로(61, 65)의 직경보다 작다. 이 구멍(74)은, 구멍(54)과 마찬가지로, 가스 유로(61, 65)에 비교적 큰 유량으로 공급된 가스가, 가스 유로(71)를 역류하는 것을 억제하기 위해서 형성되어 있다.
상기의 N2 가스 공급원(68)으로부터 가스 유로(65)에 공급되는 N2 가스는 퍼지를 실시하기 위해서 처리 용기(11) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(73)으로부터 가스 유로(71)에 공급되는 N2 가스는 NH3 가스에 대한 캐리어 가스이며, TiCl4 가스에 대한 캐리어 가스와 마찬가지로 퍼지에도 이용되는 것으로 되지만, 설명의 편의상, N2 가스 공급원(68)으로부터 가스 유로(65)에 공급되는 가스를 퍼지 가스로서 기재하고, N2 가스 공급원(73)으로부터 가스 유로(71)에 공급되는 가스는 캐리어 가스로서 기재한다. 또한, 상기 캐리어 가스는 NH3 가스가 가스 유로(71)를 역류하는 것을 방지하기 위한 역류 방지용의 가스이기도 하다.
이상과 같이 각 가스 유로가 형성되어 있는 것으로, 가스 유로(51)는, 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V3) 및 유량 조정부(52)를 구비하고 있고, 가스 유로(45)에는, 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개인 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V2) 및 유량 조정부(47)가 설치되어 있는 것으로 된다. 또한, 가스 유로(71)는 다른 캐리어 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V6) 및 유량 조정부(72)를 구비하고 있고, 가스 유로(65)는 다른 캐리어 가스의 공급 제어 기기와는 별개인 다른 퍼지 가스의 공급 제어 기기로서 밸브(V5) 및 유량 조정부(67)를 구비하고 있다.
그런데, 상기와 같이 퍼지 가스는 가스 유로(45, 65)의 양쪽 모두로부터 처리 용기(11)에 공급되도록 구성되어 있다. 이것은, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스 및 NH3 가스 뿐만 아니라, 가스 유로(41)에 대해 밸브(V1)의 하류측에 잔류하는 TiCl4 가스 및 가스 유로(61)에 대해 밸브(V4)의 하류측에 잔류하는 NH3 가스에 대해서도 퍼지하기 위함이다. 즉, 보다 확실히 이들 TiCl4 가스 및 NH3 가스를 퍼지하기 위해서, 퍼지 가스의 유로가 2개 형성되어 있다.
또한, 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 상류측에는, 가스 유로(80)의 하류단이 접속되어 있다. 가스 유로(80)의 상류단은, 밸브(V10), 가스 저장 탱크(81), 유량 조정부(82)를 하류측으로부터 이 순서로 거쳐서, 밸러스트 가스인 불활성 가스로서의 N2 가스의 공급원(83)에 접속되어 있다. 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 공급하는 밸러스트 가스의 양 등에 의해서, 처리 공간(10)의 진공압을 조정할 수 있다.
밸브(V10)에는, 상기 밸브(V10)를 개방 상태로 하도록 제어 신호가 입력되고 나서 실제로 밸브(V10)가 개방 상태가 될 때까지의 시간이 매우 짧은 고속 밸브가 이용된다. 또한, 상기 제어 신호가 입력되고 나서 실제로 개방 상태가 될 때까지의 밸브(V10)의 시간은 예를 들면 약 10 msec이다. 밸브(V10)를 개방 상태로 할 때까지의 시간의 단축은, 예를 들면 밸브(V10)를 에어 오퍼레이터 밸브로 구성하고, 에어 오퍼레이터 밸브의 스프링의 힘을 크게 하는 것으로, 도모할 수 있다.
또한, 성막 장치(1)는 제어부(100)를 구비하고 있다. 제어부(100)는, 예를 들면 컴퓨터이며, 프로그램 격납부(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 프로그램 격납부에는, 히터(2)나 밸브(V1~V6, V10, 37), 유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72, 82), 압력 조정부(36) 등의 각 기기를 제어하고, 성막 장치(1)를 동작시키기 위한 프로그램도 격납되어 있다.
또한, 상기의 프로그램은, 예를 들면 컴퓨터 판독 가능한 하드 디스크(HD), 플랙시블 디스크(FD), 콤팩트 디스크(CD), 마그넷 옵티컬 데스크(MO), 메모리 카드 등의 컴퓨터에 판독 가능한 기억 매체에 기록되어 있던 것이며, 그 기억 매체로부터 제어부(100)에 인스톨된 것이어도 좋다.
이어서, 성막 장치(1)에 있어서의 성막 처리에 대해서, 각 밸브의 개폐 상태 및 각 가스 유로에 있어서의 가스의 유통 상태에 대해 나타내 보이는 도 2 내지 도 5를 이용해 설명한다. 이러한 도 2 내지 도 5에서는, 개방 상태의 밸브를 흰색으로, 폐쇄 상태의 밸브를 흑색으로 표시하고, 가스가 하류측에 유통하고 있는 가스 유로를 굵은선으로 도시한다. 또한, 도 2 내지 도 5에서는, 도 1에 비해 처리 용기(11) 및 처리 용기(11) 내의 각 부(部)를 간략화해서 표시하고 있다. 또한, 이하의 성막 처리의 설명에서는 도 6의 타이밍 차트도 적당 참조한다. 이 타이밍 차트에 있어서는, TiCl4 가스, NH3 가스, 캐리어 가스, 퍼지 가스가 각각 흐르는 시간대를, 서로 간격이 상이한 빗금을 표시한 직사각형 영역으로 도시하고 있다. 각 직사각형 영역의 높이는 처리 용기(11) 내에 공급되는 가스의 양에 대응하고 있고, 상기 직사각형 영역의 높이가 큰 만큼 공급되는 가스의 양이 많다.
우선, 밸브(V1~V6, V10)가 폐쇄된 상태로, 반송 기구에 의해 웨이퍼(W)가 처리 용기(11) 내에 반송되고, 주고받음 위치에 있어서의 탑재대(21)에 탑재된다. 반송 기구가 처리 용기(11) 내로부터 퇴피한 후, 게이트 밸브(13)가 폐쇄된다. 탑재대(21)의 히터(22)에 의해 웨이퍼(W)가 예를 들면 460℃로 가열됨과 동시에 탑재대(21)가 처리 위치까지 상승하고, 처리 공간(10)이 형성된다. 배기관(34)에 개설되는 압력 조정부(36)에 의해, 처리 용기(11) 내가 소정의 진공 압력이 되도록 조정된다. 그리고 밸브(V3, V6)가 개방되어 N2 가스 공급원(53, 73)으로부터 각각 가스 유로(51, 71)에 예를 들면 500 sccm의 캐리어 가스(N2 가스)가 공급된다. 즉, 합계 1000 sccm의 캐리어 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다. 그 한편으로, 밸브(V1, V4, V10)가 폐쇄된 상태로, 가스 공급원(44, 64, 83)으로부터 TiCl4 가스, NH3 가스, N2 가스가 각각 가스 유로(41, 61, 80)에 각각의 타이밍에 공급된다. 이것에 의해, TiCl4 가스, NH3 가스, N2 가스는 가스 저장 탱크(42, 62, 81)에 각각 저장되고, 가스 저장 탱크(42, 62, 81) 내가 승압한다.
캐리어 가스의 공급 개시부터 소정 시간 경과 후, 도 2에 도시하는 바와 같이, 밸브(V1, V10)가 개방되고(도 6의 시각 t1), 가스 저장 탱크(81)에 저장된 N2 가스가 배기관(34) 내에 공급됨과 동시에, 가스 저장 탱크(42)에 저장된 TiCl4 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되어 웨이퍼(W)의 표면에 TiCl4 가스가 흡착된다. 이와 같이, TiCl4 가스의 처리 용기(11)에의 공급시에, 배기관(34)에 N2 가스, 즉 밸러스트 가스를 도입하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 소망의 값까지 신속히 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 가스 저장 탱크(42)로부터의 TiCl4 가스의 유량이 크지 않아도, 밸러스트 가스의 도입을 하지 않는 경우에 비해, 처리 용기(11) 내에 있어서의 TiCl4 가스의 분압을 신속히 높게 할 수 있다.
또한, 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급 등에 병행해서, 가스 공급원(48, 68)으로부터 밸브(V2, V5)가 폐쇄된 상태로 가스 유로(45, 65)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)가 공급된다. 이것에 의해, 퍼지 가스는 가스 저장 탱크(46, 66)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(46, 66) 내가 승압한다(단계 S1).
시각 t1로부터 예를 들면 0.05초 경과 후, 도 3에 도시하는 바와 같이, 밸브(V1, V10)가 폐쇄됨과 동시에 밸브(V2, V5)가 개방되고(도 6의 시각 t2), 처리 용기(11) 내에의 TiCl4 가스의 공급 및 배기관(34) 내에의 N2 가스의 공급이 정지함과 동시에, 가스 저장 탱크(46, 66)에 각각 저장된 퍼지 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다.
TiCl4 가스의 처리 용기(11)에의 공급의 정지에 맞춰서, 배기관(34)에의 N2 가스, 즉 밸러스트 가스의 공급을 정지하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 밸러스트 가스의 공급전 상태로 신속히 되돌릴 수 있다. 따라서, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 압력 조정부(36)에 의해 조정하는 경우에 비해, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스가 신속하게 배기관(34)으로 배기되고, 처리 용기(11) 내가 TiCl4 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다.
또한, 상기와 같이 압력이 상승한 상태의 가스 저장 탱크(46, 66)로부터 퍼지 가스가 공급되는 것으로, 처리 용기(11) 내에는 비교적 큰 유량, 예를 들면 캐리어 가스의 유량보다 큰 1500 sccm 내지 5000 sccm으로 퍼지 가스가 공급된다. 따라서, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 TiCl4 가스가 보다 신속하게 배기관(34)으로 배기되고, 처리 용기(11) 내가 TiCl4 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다.
이와 같이 처리 용기(11) 내의 퍼지를 행하는 한편으로, 밸브(V1)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(44)으로부터 가스 유로(41)에 공급된 TiCl4 가스가 가스 저장 탱크(42)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(42) 내가 승압한다. 또한, 밸브(V10)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(83)으로부터 가스 유로(80)에 공급된 N2 가스가 가스 저장 탱크(81)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(81) 내가 승압한다(단계 S2).
시각 t2로부터 예를 들면 0.2초 경과 후, 도 4에 도시하는 바와 같이, 밸브(V2, V5)가 폐쇄됨과 동시에 밸브(V4, V10)가 개방된다(도 6의 시각 t3). 이것에 의해, 처리 용기(11) 내에의 퍼지 가스의 공급이 정지함과 동시에, 가스 저장 탱크(81)에 저장된 N2 가스가 배기관(34) 내에 공급되고, 가스 저장 탱크(62)에 저장된 NH3 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되고, 웨이퍼(W)의 표면에 흡착한 TiCl4 가스와 반응하여, 반응 생성물인 TiN의 원자층이 형성된다. 이와 같이, NH3 가스의 처리 용기(11)에의 공급시에, 배기관(34)에 밸러스트 가스로서의 N2 가스를 도입하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 소망의 값까지 신속히 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 가스 저장 탱크(62)로부터의 NH3 가스의 유량이 크지 않아도, 밸러스트 가스의 도입을 하지 않는 경우에 비해, 처리 용기(11) 내에 있어서의 NH3 가스의 분압을 신속히 높게 할 수 있다.
그 한편으로, 밸브(V2, V5)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(48, 68)으로부터 가스 유로(45, 65)에 각각 공급된 퍼지 가스가 가스 저장 탱크(46, 66)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(46, 66) 내가 승압한다(단계 S3).
시각 t3으로부터 예를 들면 0.3초 경과 후, 도 5에 도시하는 바와 같이, 밸브(V4, V10)가 폐쇄됨과 동시에 밸브(V2, V5)가 개방되고(도 6의 시각 t4), 처리 용기(11) 내에의 NH3 가스의 공급 및 배기관(34) 내에의 N2 가스의 공급이 정지함과 동시에, 가스 저장 탱크(46, 66)에 각각 저장된 퍼지 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다.
NH3 가스의 처리 용기(11)에의 공급의 정지에 맞춰서, 배기관(34)에의 N2 가스, 즉 밸러스트 가스의 공급을 정지하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 밸러스트 가스의 공급전 상태로 신속히 되돌릴 수 있다. 따라서, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 압력 조정부(36)에 의해 조정하는 경우에 비해, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 NH3 가스가 신속하게 배기관(34)으로 배기되고, 처리 용기(11) 내가 NH3 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다.
또한, 상기와 같이 압력이 상승한 상태의 가스 저장 탱크(46, 66)로부터 퍼지 가스가 공급되는 것으로, 처리 용기(11) 내에는 예를 들면 1500 sccm 내지 5000 sccm으로 퍼지 가스가 공급된다. 따라서, 처리 용기(11) 내에 잔류하는 NH3 가스가 보다 신속하게 배기관(34)으로 배기되고, 처리 용기(11) 내가 NH3 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 치환된다. 이와 같이 처리 용기(11) 내의 퍼지를 하는 한편으로, 밸브(V4)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(64)으로부터 가스 유로(41)에 공급된 NH3 가스가 가스 저장 탱크(62)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(62) 내가 승압한다. 또한, 밸브(V10)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(83)으로부터 가스 유로(80)에 공급된 N2 가스가 가스 저장 탱크(81)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(81) 내가 승압한다(단계 S4).
이와 같이 퍼지를 행하는 한편으로, 밸브(V1)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(44)으로부터 가스 유로(41)에 공급된 TiCl4 가스가 가스 저장 탱크(42)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(42) 내가 승압한다. 또한, 밸브(V10)가 폐쇄된 것에 의해, 가스 공급원(83)으로부터 가스 유로(80)에 공급된 N2 가스가 가스 저장 탱크(81)에 저장되고, 상기 가스 저장 탱크(81) 내가 승압한다.
시각 t4로부터 예를 들면 0.3초 경과 후, 밸브(V2, V5)가 폐쇄됨과 동시에 밸브(V1, V10)가 개방되고(도 6의 시각 t5), 처리 용기(11) 내에의 퍼지 가스의 공급이 정지함과 동시에, 가스 저장 탱크(81)에 저장된 N2 가스가 배기관(34) 내에 공급되고, 가스 저장 탱크(42)에 저장된 TiCl4 가스가 처리 용기(11) 내에 공급된다. 즉, 상기의 단계 S1이 재차 행해진다. 따라서, 상기의 퍼지가 종료하는 시각 t5는 상기의 TiCl4 가스의 공급이 개시되는 시각 t1이기도 하다. 이 단계 S1을 행한 다음은 상기의 단계 S2 내지 S4를 행하고, 그 다음은 또한 단계 S1 내지 S4를 행한다. 즉, 상기의 단계 S1 내지 S4를 하나의 사이클로 하면, 이 사이클이 반복해서 행해져 TiN의 원자층이 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적하고, TiN막이 성막된다. 그리고, 소정의 회수의 사이클이 실행되면, 처리 용기(11) 내에의 반입시와는 반대의 순서로 웨이퍼(W)가 처리 용기(11)로부터 반출된다.
상기의 성막 장치(1)에서는, 배기관(34)에 대해서 밸러스트 가스의 가스 유로(80)가 접속되어 있고, NH3 가스의 공급시에, 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급한다. 따라서, 처리 용기(11) 내의 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 신속히 낮게 할 수 있다. 따라서, 가스 저장 탱크(62)로부터의 NH3 가스의 유량이 크지 않아도, 처리 용기(11) 내에 있어서의 NH3 가스의 분압을 신속히 높게 할 수 있고, 연속성이 양호한 극박막을 생성할 수 있다.
또한, NH3 가스의 처리 용기(11)에의 공급의 정지에 맞춰서, 배기관(34)에의 밸러스트 가스의 공급을 정지하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 밸러스트 가스의 공급전 상태로 신속히 되돌릴 수 있다. 따라서, 처리 용기(11) 내를 NH3 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 신속하게 치환할 수 있다.
성막 장치(1)에서는, 위에서 설명한 바와 같이, TiCl4 가스의 공급시에도, 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급한다. 따라서, TiCl4 가스의 공급시에도, 처리 용기(11) 내의 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 신속히 낮게 할 수 있다. 따라서, 가스 저장 탱크(42)로부터의 TiCl4 가스의 유량이 크지 않아도, 처리 용기(11) 내에 있어서의 TiCl4 가스의 분압을 신속히 높게 할 수 있고, 또한 연속성이 양호한 극박막을 생성할 수 있다.
또한, TiCl4 가스의 처리 용기(11)에의 공급의 정지에 맞춰서, 배기관(34)에의 밸러스트 가스의 공급을 정지하고 있기 때문에, 처리 공간(10)으로부터의 배기량을 밸러스트 가스의 공급전 상태로 신속히 되돌릴 수 있다. 따라서, 처리 용기(11) 내를 TiCl4 가스 분위기로부터 N2 가스 분위기로 신속하게 치환할 수 있다.
또한, 성막 장치(1)에서는, 연속성이 양호한 극박막을 생성하기 위해서 필요한 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 유량의 상승을 억제할 수 있으므로, 이들 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 가스 유로(41, 61)에의 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 부착을 억제하고, 메인터넌스의 빈도를 저하시킬 수 있다. 견해를 바꾸면, 가스 유로(41, 61)에의 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 부착을 충분히 억제할 수 있는 범위에서, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 처리 용기(11)에 공급하는 유량을 증가시키고, 처리 용기(11) 내에 있어서의 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 분압을 높게 하고, 연속성이 양호한 극박막으로 이뤄지는 TiN막을 형성할 수 있다.
또한, 성막 장치(1)에서는, TiCl4 가스 및 NH3 가스의 캐리어 가스를 공급하기 위한 가스 유로(51, 71)에 개설되는 유량 조정부(52, 72) 및 밸브(V3, V6)와는 다른 유량 조정부(47, 67) 및 밸브(V2, V5)를 구비하도록 처리 용기(11) 내에 퍼지 가스를 공급하기 위한 가스 유로(45, 65)가 설치되어 있다. 그리고, 이러한 퍼지 가스의 가스 유로(45, 65)에는 밸브(V2, V5)의 개폐에 의해, 퍼지 가스가 저장되어 내부가 승압한 후, 상기 퍼지 가스를 처리 용기(11)에 공급하는 가스 저장 탱크(46, 66)가 각각 설치되어 있다. 따라서, 퍼지 가스를 비교적 큰 유량으로 처리 용기(11) 내에 공급하고, 처리 용기(11) 내의 분위기의 치환을 보다 신속하게 실시할 수 있다. 그 때문에, 스루풋의 향상을 도모할 수 있다. 또한, 이와 같이 캐리어 가스와는 독립해서 유량이 제어되는 퍼지 가스에 의해서 처리 용기(11) 내의 분위기의 치환을 실시하므로, 캐리어 가스의 유량이 커지는 것을 한층 더 억제할 수 있다. 따라서, 연속성이 양호한 극박막을 생성하기 위해서 필요한 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 유량의 상승을 한층 더 억제할 수 있으므로, 이들 TiCl4 가스 및 NH3 가스의 가스 유로(41, 61)에의 부착을 억제하고, 메인터넌스의 빈도를 저하시킬 수 있다.
상기의 성막 처리에 있어서, 퍼지 가스에 대해 비교적 큰 유량이 처리 용기(11) 내에 공급되는 것으로 기재했지만, TiCl4 가스, NH3 가스에 대해서도 가스 저장 탱크(42, 62)에 각각 저장된 다음에 처리 용기(11) 내에 공급되므로, 퍼지 가스와 마찬가지로 비교적 큰 유량으로 처리 용기(11) 내에 공급된다. 따라서, 이들 TiCl4 가스, NH3 가스가 각각 공급되는 시간대의 단축화를 도모할 수 있기 때문에, 보다 확실히 스루풋의 향상을 도모할 수 있다.
그런데, 퍼지 가스의 가스 유로(51, 71)는 TiCl4 가스, NH3 가스를 각각 공급하는 가스 유로(41, 61)에 접속되는 것에는 한정되지 않고, 예를 들면 처리 용기(11)의 천판(15)에 가스 공급로(31, 32)와는 독립해서 처리 용기(11) 내에 가스를 공급하기 위한 가스 공급로를 마련하고, 상기 가스 공급로에 접속되도록 설치해도 좋다. 또한, 그 경우, 가스 유로(51, 71)의 2개를 마련하는 것에 한정되지 않고, 가스 유로(51, 71) 중 하나를 마련하면 좋다. 다만, 상기와 같이 가스 유로(41, 61)의 퍼지를 실시하기 위해서, 퍼지 가스의 가스 유로(51, 71)의 2개를 가스 유로(41, 61)에 각각 접속하도록 마련하는 것이 바람직하다.
이상의 설명에서는, 성막 장치(1)는, TiCl4 가스의 공급시와 NH3 가스의 공급시의 양쪽 모두에, 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급하고 있다. 성막 장치(1)는, TiCl4 가스의 공급시와 NH3 가스의 공급시의 어느 한쪽에만, 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급해도 좋다. 특히, TiCl4 가스의 공급시와 NH3 가스의 공급시에 밸러스트 가스의 공급량을 공통으로 했을 때에, TiCl4 가스 등의 분압을 소망의 속도에서 소망의 압력으로 할 수 없는 경우는, 상기 어느 한쪽에만 밸러스트 가스를 공급해도 좋다. TiCl4 가스의 공급시와 NH3 가스의 공급시에 밸러스트 가스의 공급량을 상이하게 할 필요가 있을 때는, 밸러스트 가스의 가스 공급로를 복수 마련할 필요가 생기는 일이 있고, 복수 마련하면 성막 장치(1)의 제조 코스트나 치수가 커지기 때문이다.
위에서 설명한 바와 같이 TiCl4 가스의 공급시와 NH3 가스의 공급시의 어느 한쪽에만, 가스 유로(80)로부터 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급하는 경우는, NH3 가스의 공급시에만 밸러스트 가스를 공급하는 것이 바람직하다. 후술하는 바와 같이, NH3 가스의 공급시가 연속성이 양호한 극박막을 생성할 수 있기 때문이다.
또한, 이상의 설명에서는, 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 상류에 밸러스트 가스를 도입하도록 하고 있었지만, 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 하류에 도입하도록 해도 좋다. 다만, 후술하는 바와 같이, 상류에 마련하는 것으로, 연속성이 양호한 극박막을 생성할 수 있다. 또한, 동일한 배기량을 얻기 위한 압력 조정부(36)의 개방도는, 배기관(34) 등에의 반응 생성물의 부착에 의해 시간과 함께 변화하기 때문에, 압력 조정부(36)의 하류에 밸러스트 가스를 도입하는 경우, 상기 개방도에 맞춰서 밸러스트 가스의 공급량을 변경할 필요가 있지만, 압력 조정부(36)의 상류에 밸러스트 가스를 도입하는 경우, 상기 개방도에 의하지 않고 밸러스트 가스의 공급량을 일정으로 할 수 있다.
또한, 배기관(34)에의 밸러스트 가스의 도입 개시 타이밍과 TiCl4 가스나 NH3 가스의 공급 개시 타이밍은 동시여도 좋고 상이해도 좋다. 구체적으로는, 밸러스트 가스에 대한 밸브(V10)를 개방 상태로 하는 타이밍과 TiCl4 가스나 NH3 가스의 밸브(V1, V4)를 개방 상태로 하는 타이밍은 동일해도 좋고 상이해도 좋다. 특히, 밸브(V10)를 개방 상태로 하는 타이밍을, 밸브(V1, V4)를 개방 상태로 하는 타이밍보다 늦추어도 좋다. 밸브(V10)로부터 배기관(34)까지의 거리보다, 밸브(V1), 밸브(V4)로부터 배기관(34)까지의 거리가 길기 때문이다.
또한, 캐리어 가스와 퍼지 가스와 밸러스트 가스의 가스 공급원은 공통으로 해도 좋다.
(평가 시험)
이어서, 본 발명에 관련해 행해진 평가 시험에 대해 설명한다. 또한, 이하에서는, 각 가스의 유량은 유량 조정부(43, 47, 52, 63, 67, 72, 82)에 있어서의 가스 유량이 아니고, 처리 용기(11) 내 또는 배기관(34)에의 가스 유량이다.
이 평가 시험에서는 상기의 성막 장치(1)를 이용해서 도 7 또는 도 8에 도시하는 타이밍 차트에서 가스를 공급했다.
평가 시험 A에서는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 캐리어 가스로서의 N2 가스를 1000 sccm으로 설정해 계속 공급했다. 또한, 평가 시험 A에서는, TiCl4 가스를 150 sccm으로 설정하고 밸러스트 가스를 10000 sccm으로 설정하고 각각 동시에 0.05초 공급하는 공정과, 그 후, 캐리어 가스로서도 이용된 N2 가스에 의해 0.80초 퍼지하는 공정을 이 순서로 300회 반복했다.
평가 시험 B에서는, 도 8에 도시하는 바와 같이, 캐리어 가스로서의 N2 가스를 1000 sccm으로 설정해 계속 공급했다. 또한, 평가 시험 B에서는, NH3 가스를 6000 sccm으로 설정하고 밸러스트 가스를 10000 sccm으로 설정하고 각각 동시에 0.30초 공급하는 공정과, 그 후, 캐리어 가스로서도 이용된 N2 가스에 의해 0.55초 퍼지하는 공정을 이 순서로 300회 반복했다.
비교 시험 X에서는, 상기의 성막 장치(1)를 이용하고, 캐리어 가스로서의 N2 가스를 1000 sccm으로 설정해 계속 공급했다. 또한, 비교 시험 X에서는, 밸러스트 가스의 공급은 실시하지 않고 TiCl4 가스를 평가 시험 A와 동일 유량인 150 sccm으로 설정하고 0.05초 공급하는 공정과, 캐리어 가스로서도 이용된 N2 가스에 의해 0.20초 퍼지하는 공정과, 밸러스트 가스의 공급은 실시하지 않고 NH3 가스를 평가 시험 B와 동일 유량인 6000 sccm으로 설정하고 0.30초 공급하는 공정과, 캐리어 가스로서도 이용된 N2 가스에 의해 0.3초 퍼지하는 공정을 이 순서로 300회 반복했다.
도 9는 TiCl4 가스나 NH3 가스를 공급하고 있는 기간을 도시하는 그래프이며, 구체적으로는 TiCl4 가스나 NH3 가스에 대한 밸브(V1, V4)에 개방 상태로 하는 제어 신호를 주고 있는 기간을 도시하는 그래프에, 평가 시험 A, B 및 비교 시험 X의 결과를 겹쳐서 표시하고 있다. 도 9의 횡축은 캐리어 가스로서의 N2 가스의 공급 개시부터의 경과 시간을 나타내고, 종축은 배기 덕트(17)에 설치된 압력계로 측정한 처리 공간(10) 내의 압력을 나타내고 있다.
도면에 도시하는 바와 같이, 비교 시험 X에서는, TiCl4 가스의 공급 기간중의 처리 공간(10)의 압력은 약 3 Torr로 작고, NH3 가스의 공급 기간중의 처리 공간(10)의 압력도 약 3.7 Torr로 작다. 즉, 비교 시험 X에서는, 각 처리 가스 공급 기간에 있어서의 처리 공간(10) 내의 처리 가스의 분압은 낮다.
그에 대해, 밸러스트 가스를 공급한 평가 시험 A에서는, TiCl4 가스의 공급 기간중의 처리 공간(10)의 압력은 공급 개시 직후부터 상승해 약 8 Torr까지 상승한다. 또한, 밸러스트 가스를 공급한 평가 시험 B에서는, NH3 가스의 공급 기간중의 처리 공간(10)의 압력은, 공급 개시 직후부터 평가 시험 A보다는 완만하게 상승하고, 평가 시험 A와 마찬가지로 약 8 Torr까지 상승한다. 즉, 평가 시험 A, B에서는, 각 처리 가스 공급 기간에 있어서의 처리 공간(10) 내의 처리 가스의 분압은 비교 시험 X에 비해 2배 이상 높게 할 수 있다.
따라서, 평가 시험 A, B와 같이 처리 가스 공급시에 배기관(34)에 밸러스트 가스를 공급하는 것으로, 비교 시험 X와 동일 처리 가스의 공급량이어도, 각 처리 가스 공급 기간에 있어서의 처리 공간(10) 내의 처리 가스의 분압을 신속히 상승시킬 수 있는 것을 알았다.
[실시예]
실시예 1 내지 3으로서 상기의 성막 장치(1)를 이용해 TiN막의 성막을 실시했다. 이 때, 실시예 1, 2에서는, 밸러스트 가스의 가스 유로(80)를 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 하류에 접속하고 성막을 실시하고, 실시예 3에서는, 밸러스트 가스의 가스 유로(80)를 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 상류에 접속하고 성막을 실시했다. 또한, 실시예 1, 3에서는, TiCl4 가스와 NH3 가스의 공급 기간 중, NH3 가스의 공급 기간에서만 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급하고, 실시예 2에서는, TiCl4 가스의 공급 기간에서만 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급했다.
비교예로서 상기의 성막 장치(1)를 이용하여, 어느 처리 가스의 공급 기간에 있어서도 밸러스트 가스의 공급은 행하지 않고 TiN막의 성막을 행했다.
또한, 실시예 1 내지 3 및 비교예에서는, 캐리어 가스로서의 N2 가스를 1000 sccm으로 설정해 계속 공급했다. 또한, 실시예 1 내지 3 및 비교예에서는, TiCl4 가스를 150 sccm으로 설정하고 0.05초 공급하는 원료 가스 공급 공정과, 퍼지 가스로서의 N2 가스를 8000 sccm으로 설정하고 0.20초 공급해고 TiCl4 가스를 퍼지하는 공정과, NH3 가스를 6000 sccm으로 설정하고 0.30초 공급하는 반응 가스 공급 공정과, 퍼지 가스로서의 N2 가스를 8000 sccm으로 설정하고 0.30초 공급하고 NH3 가스를 퍼지하는 공정을 300회 반복했다.
또한, 실시예 1, 3에서는, 상기 반응 가스 공급 공정시에, 밸러스트 가스를 10000 sccm으로 설정하고 반응 가스와 동시에 0.30초 공급했다. 실시예 2에서는, 상기 원료 가스 공급 공정시에, 밸러스트 가스를 10000 sccm으로 설정하고 원료 가스와 동시에 0.05초 공급했다.
그리고, 실시예 1 내지 3 및 비교예에 대해서, 도 10에 도시하는, 성막한 TiN막의 평탄한 벌크 부분의 두께 T1과 요철 부분의 두께 T2를 엘립소메터(ellipsometer)를 이용하여, 복수의 개소에서 측정했다. 또한, 상기 복수의 개소 각각에 있어서, 측정한 막 두께 T1, T2에 근거하여, 러프층비 R(Roughness Layer Ratio)을 산출했다. 러프층비 R은 R=T2/(T1＋T2)로 주어진다.
또한, 실시예 1, 2 및 비교예에 대해서, 성막한 TiN막의 잔류 염소의 깊이 방향의 농도 분포로서 티탄(Ti)에 대한 염소(Cl)의 비율(Cl/Ti)의 깊이 방향의 분포를, XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy)와 XRF(X-ray Fluorescence)를 이용해 측정했다.
도 11은 실시예 1 내지 3과 비교예의 러프층비 R이 최소가 되는 위치에서의 막 두께를 도시하는 도면이다.
도면에 도시하는 바와 같이, 비교예에 비해서, 실시예 1 및 실시예 2가 러프층비 R이 최소가 되는 위치에서의 막 두께가 작다. 이것으로부터, 처리 공간(10)에의 처리 가스의 공급시에, 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급하는 것으로, 연속성이 양호한 박막을 생성할 수 있는 것을 알았다.
또한, 실시예 2에 비해서, 실시예 1이 러프층비 R이 최소가 되는 위치에서의 막 두께가 작다. 이것으로부터, TiCl4 가스의 공급 및 NH3 가스의 공급 중 어느 하나의 때에, 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급한다면, 후자가 연속성이 양호한 박막을 생성할 수 있고, 매우 적합하다라고 하는 것을 알았다.
또한, 실시예 1에 비해서, 실시예 3이 러프층비 R이 최소가 되는 위치에서의 막 두께가 작다. 이것으로부터, 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급한다면, 배기관(34)에 있어서의 압력 조정부(36)의 상류 부분에 밸러스트 가스를 도입하는 것이, 하류 부분에 도입하는 것에 비해서, 연속성이 양호한 박막을 생성할 수 있고, 매우 적합하다라고 하는 것을 알았다.
도 12는 실시예 1, 2 및 비교예에 관한 TiN막의 티탄에 대한 염소의 비율의 깊이 방향의 분포를 도시하는 도면이다. 도면 중, 횡축은 TiN막 표면으로부터의 깊이를 나타내고, 종축은 상기 비율을 나타낸다.
비교예에 비해서, 실시예 1, 2가 TiN막의 표면으로부터 0.5㎚ 이하인 표면 부근에 있어서의 티탄에 대한 염소의 비율, 즉 상기 표면 부근에 있어서의 잔류 염소 농도가 낮다. 이것으로부터, 처리 공간(10)에의 처리 가스의 공급시에, 밸러스트 가스를 배기관(34)에 공급하는 것으로, 막 표면 부근의 잔류 염소 농도를 낮게 할 수 있고, 즉, 막 표면 부근에 있어서 비 저항이 작은 양질인 TiN막을 생성할 수 있는 것을 알았다. 또한. TiN막을 반도체 디바이스에 이용할 때 중요해지는 것은 막 표면 부근의 비 저항이다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 매우 적합한 실시형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는다. 당업자라면, 특허청구의 범위에 기재된 사상의 범주 내에 있어서, 각종의 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하고, 그것들에 대해서도 당연하게 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다. 본 발명은 이 예에 한정하지 않고 여러 가지의 태양을 채용할 수 있는 것이다. 예를 들면, 본 발명은 TiN막을 형성하는 경우에 한정되지 않고, 예를 들면 WN(질화 텅스텐) 막을 형성하는 경우에도 이용할 수 있다. 이 경우는, 원료 가스로서는 예를 들면 염화 텅스텐 가스가, 반응 가스로서는 예를 들면 NH3 가스가 각각 이용된다. 또한, TiN막이나, WN막을 성막함에 있어서, 원료 가스를 질화하기 위한 가스는 NH3 가스에 한정되지 않고, 예를 들면 히드라진 등의 질소를 포함한 가스여도 좋다.
또한, 이상의 실시형태는 성막 처리 이외의 처리, 예를 들면 에칭 처리에도 적용 가능하다.
1: 성막 장치
10: 처리 공간
11: 처리 용기
34: 배기관
35: 진공 배기 펌프
36: 압력 조정부
80: (밸러스트 가스의) 가스 유로
100: 제어부

Claims (8)

  1. 배기관이 접속되고, 기판을 수용한 처리 용기 내에, 상기 기판을 처리하기 위한 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 공정과, 상기 처리 용기 내에, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 공급하는 치환 가스 공급 공정을 교대로 복수회 실시하고, 상기 기판의 처리를 실시하는 기판 처리 방법에 있어서,
    상기 처리 가스 공급 공정을 실시할 때에, 상기 배기관에 밸러스트 가스를 도입하는 밸러스트 가스 도입 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판의 처리는 ALD 처리이며,
    상기 기판 처리 방법은, 금속 함유 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정과, 상기 치환 가스 공급 공정과, 환원 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정과, 상기 치환 가스 공급 공정을 이 순서로 복수회 실시하고,
    상기 밸러스트 가스 도입 공정은, 상기 환원 가스를 상기 처리 가스로 한 상기 처리 가스 공급 공정을 실시할 때에만, 상기 배기관에 밸러스트 가스를 도입하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸러스트 가스 도입 공정은, 상기 배기관에 있어서의 개방도 가변 밸브의 상류에, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 공정인 것을 특징으로 하는
    기판 처리 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸러스트 가스 도입 공정에 있어서의 상기 밸러스트 가스의 도입 개시 타이밍은, 상기 처리 가스의 공급원과 상기 처리 용기의 사이에 설치된 밸브를 개방하는 타이밍보다 늦은 것을 특징으로 하는
    기판 처리 방법.
  5. 배기관이 접속되고, 기판을 수용한 처리 용기 내에, 상기 기판을 처리하기 위한 처리 가스와, 상기 처리 용기 내의 분위기를 치환하기 위한 치환 가스를 교대로 공급하고, 상기 기판의 처리를 실시하는 기판 처리 장치에 있어서,
    상기 처리 가스의 공급시에, 상기 배기관에 밸러스트 가스를 도입하는 밸러스트 가스 도입부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 기판의 처리는 ALD 처리이며,
    상기 기판 처리 장치는, 상기 처리 가스로서의 금속 함유 가스, 상기 치환 가스, 상기 처리 가스로서의 환원 가스, 상기 치환 가스를 이 순서로 복수회, 상기 처리 용기 내에 공급하고,
    상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 처리 가스로서의 환원 가스의 공급시에만, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 배기관에 있어서의 개방도 가변 밸브의 상류에, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 밸러스트 가스 도입부는, 상기 처리 가스의 공급원과 상기 처리 용기의 사이에 설치된 밸브를 개방하는 타이밍보다 늦게, 상기 밸러스트 가스를 도입하는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
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