KR20180114925A - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록 매체 - Google Patents

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록 매체 Download PDF

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다케오 하나시마
츠카사 가마쿠라
다카후미 사사키
히데나리 요시다
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

[과제] 면간 균일성을 향상시키는 기술을 제공한다. [해결 수단] 복수매의 기판을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지구를 내부에 수용하여, 기판을 처리하는 처리실과, 처리실에 인접하는 공급 버퍼부와, 공급 버퍼부 내에 설치되는 원료 가스 공급부와, 공급 버퍼부 내에 설치되는 반응 가스 공급부를 구비하고, 원료 가스 공급부는, 기판 보유 지지구의 최하단의 기판의 높이 이하의 위치로부터 공급 버퍼부 내에 원료 가스를 공급하도록 구성된다.

Description

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록 매체
본 발명은 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록 매체에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정에서의 기판 처리에서는, 예를 들어 복수매의 기판을 기판 보유 지지구에 보유 지지해서 일괄하여 처리하는 종형 기판 처리 장치가 사용되고 있다. 종형 기판 처리 장치에서는, 기판 보유 지지구의 상하 방향에 있어서 기판의 막의 균일성(면간 균일성)에 변동이 발생하는 경우가 있다(예를 들어, 특허문헌 1).
일본 특허 공개 제2011-249407호 공보
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은, 면간 균일성을 향상시키는 것이 가능한 기술을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 형태에 의하면,
복수매의 기판을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지구를 내부에 수용하여, 상기 기판을 처리하는 처리실과,
상기 처리실에 인접하는 공급 버퍼부와,
상기 공급 버퍼부 내에 설치되는 원료 가스 공급부와,
상기 공급 버퍼부 내에 설치되는 반응 가스 공급부를 구비하고,
상기 원료 가스 공급부는, 상기 기판 보유 지지구의 최하단의 상기 기판의 높이 이하의 위치로부터 상기 공급 버퍼부 내에 상기 원료 가스를 공급하도록 구성되는 기술이 제공된다.
본 발명에 따르면, 면간 균일성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 일례를 개략적으로 도시하는 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 일례를 개략적으로 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 반응관의 일례를 개략적으로 도시하는 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태의 성막 처리에서의 가스 공급의 타이밍을 도시하는 도면이다.
도 5의 (a)는 실시예에서의 성막 결과를 도시하는 도면이며, (b)는 비교예에서의 성막 결과를 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해서 설명한다. 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 구성에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
본 실시 형태에서, 기판 처리 장치는, 반도체 장치(디바이스)의 제조 방법에서의 제조 공정의 일 공정으로서 열처리 등의 기판 처리 공정을 실시하는 종형 기판 처리 장치(이하, 처리 장치라고 칭함)(2)로서 구성되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 처리 장치(2)는, 원통 형상의 반응관(10)과, 반응관(10)의 외주에 설치된 가열 수단(가열 기구)으로서의 히터(12)를 구비한다. 반응관은, 예를 들어 석영이나 SiC에 의해 형성된다. 반응관(10)의 내부에는, 기판으로서의 웨이퍼(W)를 처리하는 처리실(14)이 형성된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 반응관(10)에는, 외측으로 돌출되도록 공급 버퍼부(10A)와 배기 버퍼부(10B)가 대면해서 형성되어 있다. 공급 버퍼부(10A) 내 및 배기 버퍼부(10B) 내는, 각각 격벽(10C)에 의해 복수의 공간으로 구획되어 있다. 공급 버퍼부(10A)는, 노즐(44a) 설치 공간과 노즐(44b) 설치 공간으로 구획되어, 후술하는 노즐(44a, 44b)이 각각 설치된다. 반응관(10)에는, 온도 검출기로서의 온도 검출부(16)가 설치된다. 온도 검출부(16)는, 반응관(10)의 외벽을 따라 세워 설치되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 공급 버퍼부(10A) 및 배기 버퍼부(10B)의 내벽(처리실(14)측)에는, 복수의 슬릿(10D)이 형성되어 있다. 복수의 슬릿(10D)은, 후술하는 보트(26)에 보유 지지되는 웨이퍼(W) 각각에 대응하는 높이 위치에, 적어도 웨이퍼(W)와 동일수의 슬릿이 복수단 형성된다. 공급 버퍼부(10A)의 내벽의 하단에는, 메인터넌스 입구(10E)가 형성된다. 메인터넌스 입구(10E)를 설치함으로써, 노즐(44a, 44b)의 설치가 용이하게 되어, 메인터넌스성을 향상시킬 수 있다. 또한, 배기 버퍼부(10B)의 내벽이며, 배기관(46)과 대면하는 위치에는, 배기구(10F)가 형성된다. 배기구(10F)를 설치함으로써, 단열부(24) 주변의 분위기를 배기할 수 있다.
반응관(10)의 하단 개구부에는, 원통형의 매니폴드(18)가, O링 등의 시일 부재(20)를 개재해서 연결되어, 반응관(10)의 하단을 지지하고 있다. 매니폴드(18)는, 예를 들어 스테인리스 등의 금속에 의해 형성된다. 매니폴드(18)의 하단 개구부는 원반 형상의 덮개부(22)에 의해 개폐된다. 덮개부(22)는, 예를 들어 금속에 의해 형성된다. 덮개부(22)의 상면에는 O링 등의 시일 부재(20)가 설치되어 있고, 이에 의해, 반응관(10) 내와 외기가 기밀하게 시일된다. 덮개부(22) 상에는, 중앙에 상하에 걸쳐서 구멍이 형성된 단열부(24)가 적재된다. 단열부(24)는, 예를 들어 석영이나 SiC에 의해 형성된다.
처리실(14)은, 복수매, 예를 들어 25 내지 150매의 웨이퍼(W)를 수직으로 선반 형상으로 지지하는 기판 보유 지지구로서의 보트(26)를 내부에 수납한다. 보트(26)는, 예를 들어 석영이나 SiC로 형성된다. 보트(26)는, 덮개부(22) 및 단열부(24)를 관통하는 회전축(28)에 의해, 단열부(24)의 상방에 지지된다. 덮개부(22)의 회전축(28)이 관통하는 부분에는, 예를 들어 자성 유체 시일이 설치되고, 회전축(28)은 덮개부(22)의 하방에 설치된 회전 기구(30)에 접속된다. 이에 의해, 회전축(28)은 반응관(10)의 내부를 기밀하게 시일한 상태로 회전 가능하게 구성된다. 덮개부(22)는 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(32)에 의해 상하 방향으로 구동된다. 이에 의해, 보트(26) 및 덮개부(22)가 일체적으로 승강되고, 반응관(10)에 대하여 보트(26)가 반출입된다.
처리 장치(10)는, 기판 처리에 사용되는 가스를 처리실(14) 내에 공급하는 가스 공급 기구(34)를 구비하고 있다. 가스 공급 기구(34)가 공급하는 가스는, 성막되는 막의 종류에 따라 바꿀 수 있다. 여기에서는, 가스 공급 기구(34)는, 원료 가스 공급부, 반응 가스 공급부 및 불활성 가스 공급부를 포함한다.
원료 가스 공급부는, 가스 공급관(36a)을 구비하고, 가스 공급관(36a)에는, 상류 방향에서부터 순서대로, 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(38a) 및 개폐 밸브인 밸브(40a)가 설치되어 있다. 가스 공급관(36a)은 매니폴드(18)의 측벽을 관통하는 노즐(44a)에 접속된다. 노즐(44a)은, 공급 버퍼부(10A)의 노즐(44a) 설치 공간(원료 가스 노즐 설치 공간) 내에 상하 방향을 따라서 세워 설치한다. 노즐(44a)의 선단부에는, 공급 구멍(45a)이 상방을 향해서 개구되도록 형성되어 있다. 노즐(44a)은 짧은 관 형상(쇼트 노즐)으로 구성되어, 후술하는 노즐(44b)보다도 전체 길이가 짧게 형성된다. 이와 같은 구성에 의해, 공급 버퍼부(10A) 내에 원료 가스를 균일하게 확산시킬 수 있다. 원료 가스는, 노즐(44a)의 공급 구멍(45a)을 통해서 공급 버퍼부(10A)의 원료 가스 노즐 설치 공간 내에 확산된 후, 공급 버퍼부(10A)의 슬릿(10D)을 통해서 웨이퍼(W)에 대하여 공급된다. 즉, 원료 가스는, 공급 버퍼부(10A) 내와 처리실(14) 내의 2단계로 공급(확산)된다.
반응 가스 공급부는, 가스 공급관(36b)을 구비하고, 가스 공급관(36b)에는, 상류 방향에서부터 순서대로, MFC(38b) 및 밸브(40b)가 설치되어 있다. 가스 공급관(36b)은 매니폴드(18)의 측벽을 관통하는 노즐(44b)에 접속된다. 도 3에 도시한 바와 같이, 노즐(44b)은, 공급 버퍼부(10A)의 노즐(44b) 설치 공간(반응 가스 노즐 설치 공간) 내에 상하 방향을 따라서 세워 설치한다. 또한, 노즐(44b)에는, 보트(26)에 보유 지지되는 웨이퍼(W)를 향해서 개구되는 복수개의 공급 구멍(45b)이 형성되어 있다. 이와 같이, 노즐(44b)은 긴 관 형상(롱 노즐)으로 구성된다. 노즐(44b)의 공급 구멍(45b)을 통해서 공급 버퍼부(10A)의 반응 가스 노즐 설치 공간 내에 반응 가스가 확산되어, 공급 버퍼부(10A)의 슬릿(10D)으로부터 웨이퍼(W)에 대하여 반응 가스가 공급된다.
이하, 마찬가지의 구성으로, 불활성 가스 공급부로부터는, 공급관(36c, 36d), MFC(38c, 38d), 밸브(40c, 40d), 노즐(44a, 44b) 및 슬릿(10D)을 통해서, 웨이퍼(W)에 대하여 불활성 가스가 공급된다.
상술한 각종 공급계 중 어느 것, 또는 모든 공급계는, 밸브(243a 내지 243d)나 MFC(241a 내지 241d) 등이 집적되어 이루어지는 집적형 가스 공급 시스템(100)으로서 구성되어 있어도 된다. 집적형 가스 공급 시스템(100)은, 가스 공급관(232a 내지 232d) 각각에 대하여 접속되어, 가스 공급관(232a 내지 232d) 내에 대한 각종 가스의 공급 동작, 즉, 밸브(243a 내지 243d)의 개폐 동작이나 MFC(241a 내지 241d)에 의한 유량 조정 동작 등이, 후술하는 컨트롤러(100)에 의해 제어되도록 구성되어 있다. 집적형 가스 공급 시스템(100)은, 일체형, 또는 분할형의 집적 유닛으로서 구성되어 있고, 가스 공급관(232a 내지 232d) 등에 대하여 집적 유닛 단위로 착탈을 행할 수 있어, 가스 공급 시스템의 메인터넌스, 교환, 증설 등을 집적 유닛 단위로 행하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반응관(10)에는, 배기 버퍼부(10B)에 연통되도록 배기관(46)이 설치되어 있다. 배기관(46)에는, 처리실(14) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(48) 및 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(40)를 거쳐, 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(52)가 접속되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 처리실(14) 내의 압력을 처리에 따른 처리 압력으로 할 수 있다.
회전 기구(30), 보트 엘리베이터(32), 가스 공급 기구(34)의 MFC(38a 내지 38d) 및 밸브(40a 내지 40d), APC 밸브(50)에는, 이들을 제어하는 컨트롤러(100)가 접속된다. 컨트롤러(100)는, 예를 들어 CPU를 구비한 마이크로프로세서(컴퓨터)로 이루어지고, 처리 장치(2)의 동작을 제어하도록 구성된다. 컨트롤러(100)에는, 예를 들어 터치 패널 등으로서 구성된 입출력 장치(102)가 접속되어 있다.
컨트롤러(100)에는 기억 매체로서의 기억부(104)가 접속되어 있다. 기억부(104)에는, 처리 장치(10)의 동작을 제어하는 제어 프로그램과, 처리 조건에 따라서 처리 장치(2)의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램(레시피)이 판독 가능하게 저장된다.
기억부(104)는, 컨트롤러(100)에 내장된 기억 장치(하드 디스크나 플래시 메모리)이어도 되고, 외부 기록 장치(자기 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리)이어도 된다. 또한, 컴퓨터에 대한 프로그램의 제공은, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다. 프로그램은, 필요에 따라, 입출력 장치(102)로부터의 지시 등으로 기억부(104)로부터 판독되고, 판독된 레시피에 따른 처리를 컨트롤러(100)가 실행함으로써, 처리 장치(2)는, 컨트롤러(100)의 제어 하에 원하는 처리를 실행한다.
(2) 성막 처리
상술한 기판 처리 장치를 사용하여, 반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판 상에 막을 형성하는 시퀀스 예에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(100)에 의해 제어된다.
도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서는, 처리 용기 내(처리실(14) 내)에 수용된 웨이퍼(W)에 대하여 원료 가스로서 Si 함유 가스인 HCDS(Si2Cl6: 헥사클로로디실란) 가스를 공급하는 스텝 1과, 가열된 대기압 미만의 압력 하에 있는 처리 용기 내에 반응 가스로서 NH3(암모니아) 가스를 공급하는 스텝 2를 비동시에, 즉, 동기시키지 않고 행하는 사이클을 소정 횟수(n회 이상) 행함으로써, 웨이퍼(W) 상에 SiN(실리콘 질화)막을 형성한다.
본 명세서에서는, 상술한 성막 처리를, 편의상, 이하와 같이 나타내는 경우도 있다. 또한, 이하의 다른 실시 형태의 설명에서도 마찬가지의 표기를 사용하기로 한다.
(HCDS→NH3)×n⇒SiN
본 명세서에서 「웨이퍼(기판)」라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체(집합체)」를 의미하는 경우, 즉, 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등을 포함해서 웨이퍼라 칭하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면)」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면」을 의미하는 경우가 있다.
따라서, 본 명세서에서 「웨이퍼에 대하여 소정의 가스를 공급한다」라고 기재했을 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면에 대하여 소정의 가스를 직접 공급한다」는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되어 있는 층이나 막 등에 대하여, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면에 대하여 소정의 가스를 공급한다」는 것을 의미하는 경우가 있다. 또한, 본 명세서에서 「웨이퍼 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」라고 기재했을 경우에는, 「웨이퍼 그 자체의 표면 상에 소정의 층(또는 막)을 직접 형성한다」는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되어 있는 층이나 막 등의 위, 즉, 적층체로서의 웨이퍼의 최표면 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」는 것을 의미하는 경우가 있다.
(웨이퍼 차지 및 보트 로드)
복수매의 웨이퍼(W)가 보트(26)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 보트(26)는, 보트 엘리베이터(32)에 의해 처리실(14) 내에 반입(보트 로드)되고, 반응관(10)의 하부 개구는 덮개부(22)에 의해 기밀하게 폐색(시일)된 상태가 된다.
(압력 조정·온도 조정 스텝)
처리실(14) 내가 소정의 압력(진공도)이 되도록, 진공 펌프(52)에 의해 진공 배기(감압 배기)된다. 처리실(14) 내의 압력은, 압력 센서(48)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(50)가 피드백 제어된다. 또한, 처리실(14) 내의 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 되도록, 히터(12)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(14)이 소정의 온도 분포가 되도록, 온도 검출부(16)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(12)에 대한 통전 상태가 피드백 제어된다. 또한, 회전 기구(30)에 의한 보트(26) 및 웨이퍼(W)의 회전을 개시한다. 히터(12)에 의한 처리실(14) 내의 가열은, 적어도 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다. 또한, 회전 기구(30)에 의한 보트(26) 및 웨이퍼(W)의 회전을 개시한다. 회전 기구(30)에 의한 보트(26) 및 웨이퍼(W)의 회전은, 적어도 웨이퍼(W)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다.
(성막 스텝)
처리실(14) 내의 온도가 미리 설정된 처리 온도로 안정되면, 이하의 스텝 1, 2를 순차 실행한다.
[스텝 1]
이 스텝에서는, 처리실(14) 내의 웨이퍼(W)에 대하여 HCDS 가스를 공급한다.
밸브(40a)를 개방하고, 가스 공급관(36a) 내에 HCDS 가스를 흘린다. HCDS 가스는, MFC(38a)에 의해 유량 조정되어, 노즐(44a)을 통해서 공급 버퍼부(10A) 내에 확산되고, 슬릿(10D)을 통해서 처리실(14) 내에 공급되어, 배기관(46)으로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(W)에 대하여 HCDS 가스가 공급되게 된다. 이때 동시에 밸브(40c)를 개방하고, 가스 공급관(36c) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, MFC(38c)에 의해 유량 조정되어, 가스 공급관(36a), 노즐(44a)을 통해서 공급 버퍼부(10A) 내에 확산되고, 슬릿(10D)을 통해서 처리실(14) 내에 공급되어, 배기관(46)으로부터 배기된다. 또한, 노즐(44b) 내에 대한 HCDS 가스의 침입을 방지하기 위해서, 밸브(40d)를 개방하여, 가스 공급관(36d) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는, 가스 공급관(36b), 노즐(44b), 공급 버퍼부(10A), 슬릿(10D)을 통해서 처리실(14) 내에 공급되고, 배기관(46)으로부터 배기된다.
이때, 처리실(14) 내의 압력은, 예를 들어 1 내지 4000Pa, 바람직하게는 67 내지 2666Pa, 보다 바람직하게는 133 내지 1333Pa의 범위 내의 압력으로 한다. HCDS 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1 내지 2000sccm, 바람직하게는 10 내지 1000sccm의 범위 내의 유량으로 한다. 각 가스 공급관으로부터 공급하는 N2 가스의 공급 유량은, 각각 예를 들어 100 내지 10000sccm의 범위 내의 유량으로 한다. HCDS 가스의 공급 시간은, 예를 들어 1 내지 120초, 바람직하게는 1 내지 60초의 범위 내의 시간으로 한다. 히터(12)의 온도는, 웨이퍼(W)의 온도가, 예를 들어 250 내지 700℃, 바람직하게는 300 내지 650℃, 보다 바람직하게는 350 내지 600℃의 범위 내의 온도가 되는 온도로 설정한다.
웨이퍼(W)의 온도가 250℃ 미만이 되면, 웨이퍼(W) 상에 HCDS가 화학 흡착되기 어려워져, 실용적인 성막 속도가 얻어지지 않게 되는 경우가 있다. 웨이퍼(W)의 온도를 250℃ 이상으로 함으로써 이것을 해소하는 것이 가능하게 된다. 웨이퍼(W)의 온도를 300℃ 이상, 나아가 350℃ 이상으로 함으로써 웨이퍼(W) 상에 HCDS를 보다 충분히 흡착시키는 것이 가능하게 되어, 보다 충분한 성막 속도가 얻어지게 된다.
웨이퍼(W)의 온도가 700℃를 초과하면, 과잉의 기상 반응이 발생함으로써, 막 두께 균일성이 악화되기 쉬워져, 그 제어가 곤란해져버린다. 웨이퍼(W)의 온도를 700℃ 이하로 함으로써, 적정한 기상 반응을 발생시킬 수 있음으로써, 막 두께 균일성의 악화를 억제할 수 있고, 그 제어가 가능하게 된다. 특히 웨이퍼(W)의 온도를 650℃ 이하, 나아가 600℃ 이하로 함으로써, 기상 반응보다도 표면 반응이 우세해져, 막 두께 균일성을 확보하기 쉬워지고, 그 제어가 용이하게 된다. 이들로부터, HCDS 가스의 활성화 온도는 약 600℃ 부근이라고 생각된다.
따라서, 웨이퍼(W)의 온도는 250 내지 700℃, 바람직하게는 300 내지 650℃, 보다 바람직하게는 350 내지 600℃의 범위내의 온도로 하는 것이 좋다. 즉, HCDS 가스의 활성화 온도 부근을 포함하는 범위 내의 온도로 하는 것이 좋다.
여기서, 도 1, 3에 도시하는 바와 같이, 노즐(44a)은, 보트(26)의 최하단의 웨이퍼(W)의 높이 이하에 공급 구멍(45a)이 위치하도록 설치되어 있다. 바꿔 말하면, 노즐(44a)은, 슬릿(10D)의 최하단의 슬릿의 높이 이하에 공급 구멍(45a)이 위치하도록 설치되어 있다.
공급 구멍(45a)의 높이가 보트(26)의 최하단의 웨이퍼(W)의 높이보다도 위인 경우, 노즐(44a) 내의 압력이 상승함으로써, 노즐(44a) 내에서 HCDS 가스의 분해 반응(Si2Cl6⇒SiCl2+SiCl4)이 발생하기 쉬워진다. 이에 의해, 공급 버퍼부(10A) 내의 HCDS 가스의 상태(분해 상태)가 상하 방향에서 상이해져버려, 면간 균일성을 악화시켜버린다. 공급 구멍(45a)의 높이를 보트(26)의 최하단의 웨이퍼(W)의 높이 이하로 함으로써, 노즐(44a) 내에서의 HCDS 가스의 분해를 억제할 수 있어, 공급 버퍼부(10A) 내의 HCDS 가스의 상태를 상하 방향에서 균일하게 할 수 있다.
따라서, 공급 구멍(45a)의 높이는, 보트(26)의 최하단의 웨이퍼(W)의 높이 이하로 하는 것이 좋다. 이와 같은 구성에 의해, 노즐(44a) 내의 압력을 HCDS 가스가 분해하지 않는 압력으로 할 수 있다. 여기서, HCDS 가스가 분해한다는 것은, HCDS 가스가 모두 분해하는 경우 외에, HCDS 가스가 약간 분해하지 않지만, HCDS 가스가 모두 분해하는 경우와 실질적으로 동등한 경우도 포함하는 것으로 한다.
또한, 노즐(44a)은, 공급 버퍼부(10A) 내의 격벽(10C)의 하단의 높이보다 위에 공급 구멍(45a)이 위치하도록 구성되어 있다. 즉, 노즐(44a)은, 단열부(24)의 하단의 높이보다 위에 공급 구멍(45a)이 위치하도록 구성되어 있다. 보다 적합하게는, 공급 구멍(45a)의 높이가 메인터넌스 입구(10E)의 상단의 높이보다 높게 하는 것이 좋다.
공급 구멍(45a)의 높이가 격벽(10C)의 하단의 높이 이하인 경우, 공급 버퍼부(10A)의 하부로부터 처리실(14) 내에 HCDS 가스가 유출되거나, 노즐(44b) 설치 공간에 HCDS 가스가 유출되거나 해버린다. 이에 의해, 공급 버퍼부(10A) 내(노즐(44a) 설치 공간 내)에 충분한 양의 HCDS 가스를 확산시킬 수 없게 되어버려, 면내·면간 균일성을 악화시켜버린다. 또한, 노즐(44b) 설치 공간의 내벽이나 단열부(24)에 부생성물이 부착되어버린다. 공급 구멍(45a)의 높이 위치를 격벽(10C)의 하단의 높이 위치보다 높게 함으로써, 면간 균일성을 향상시키고, 부생성물의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 공급 구멍(45a)의 높이를 메인터넌스 입구(10F)의 상단의 높이보다 높게 함으로써, 처리실(14) 내에 대한 HCDS 가스의 유출을 보다 억제할 수 있다.
따라서, 공급 구멍(45a)의 높이는, 공급 버퍼부(10A) 내의 격벽(10C)의 하단의 높이보다 높은 위치로 하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 공급 구멍(45a)의 높이를 메인터넌스 입구(10E)의 상단의 높이보다 높게 하는 것이 좋다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(W)에 대하여 HCDS 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(W)의 최표면 상에, 제1층(초기층)으로서, 예를 들어 1 원자층 미만 내지 수 원자층(1 분자층 미만 내지 수 분자층) 정도의 두께의 Si 함유층이 형성된다. Si 함유층은, Cl을 포함하는 Si층이어도 되고, HCDS의 흡착층이어도 되고, 그것들 양쪽을 포함하고 있어도 된다.
제1층이 형성된 후, 밸브(40a)를 폐쇄하고, HCDS 가스의 공급을 정지한다. 이때, APC 밸브(50)는 개방한 채 그대로 두고, 진공 펌프(52)에 의해 처리실(14) 내를 진공 배기하여, 처리실(14) 내에 잔류하는 미반응 또는 제1층 형성에 기여한 후의 HCDS 가스를 처리실(14) 내로부터 배제한다. 이때, 밸브(40c, 40d)는 개방한 채 그대로 두어, N2 가스의 처리실(14) 내에 대한 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용한다. 이때, 처리실(14) 내에 잔류하는 가스는 완전히 배제하지 않아도 되고, 처리실(14) 내를 완전히 퍼지하지 않아도 된다.
원료 가스로서는, HCDS 가스 외에, 예를 들어 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS) 가스, 테트라클로로실란(SiCl4, 약칭: STC) 가스, 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS) 가스, 트리실란(Si3H8, 약칭: TS) 가스, 디실란(Si2H6, 약칭: DS) 가스, 모노실란(SiH4, 약칭: MS) 가스 등의 무기 원료 가스나, 테트라키스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]4, 약칭: 4DMAS) 가스, 트리스디메틸아미노실란(Si[N(CH3)2]3H, 약칭: 3DMAS) 가스, 비스디에틸아미노실란(Si[N(C2H5)2]2H2, 약칭: BDEAS) 가스, 비스tert-부틸아미노실란(SiH2[NH(C4H9)]2, 약칭: BTBAS) 가스, 디이소프로필아미노실란(SiH3N[CH(CH3)2]2, 약칭: DIPAS) 가스 등의 유기 원료 가스를 사용할 수 있다.
불활성 가스로서는, N2 가스 외에, 예를 들어 Ar 가스, He 가스, Ne 가스, Xe 가스 등의 희가스를 사용할 수 있다.
[스텝 2]
스텝 1이 종료된 후, 처리실(14) 내에 NH3 가스를 공급한다.
이 스텝에서는, 밸브(40b 내지 40d)의 개폐 제어를, 스텝 1에서의 밸브(40a, 40c, 40d)의 개폐 제어와 마찬가지의 수순으로 행한다. NH3 가스는, MFC(38b)에 의해 유량 조정되어, 노즐(44b)을 통해서 처리실(14) 내에 공급된다.
이때, 처리실(14) 내의 압력은, 대기압 미만, 예를 들어 1 내지 1333Pa의 범위 내의 압력으로 한다. NH3 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1000 내지 10000sccm의 범위 내의 유량으로 한다. NH3 가스의 공급 시간은, 예를 들어 1 내지 120초의 범위 내의 시간으로 한다. 다른 처리 조건은, 예를 들어 스텝 1과 마찬가지의 처리 조건으로 한다.
상술한 조건 하에서 NH3 가스를 처리실(14) 내에 공급함으로써, 스텝 1에서 웨이퍼(W) 상에 형성된 제1층에 대하여 질화 처리가 행하여지고, 제1층은, 제2층, 즉, SiN층으로 변화된다(개질된다).
(잔류 가스 제거)
제1층을 제2층(SiN층)으로 변화시킨 후, 밸브(40b)를 폐쇄하고, NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 스텝 1과 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(14) 내에 잔류하는 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(14) 내로부터 배제한다.
반응 가스로서는, NH3 가스 외에, O2(산소) 가스 등을 사용할 수 있다. 불활성 가스로서는, N2 가스 외에, 예를 들어 스텝 1에서 예시한 각종 희가스를 사용할 수 있다.
[소정 횟수 실시]
상술한 스텝 1, 2를 비동시에, 즉, 동기시키지 않고 행하는 사이클을 소정 횟수(n회) 행함으로써, 웨이퍼(W) 상에 소정 막 두께의 SiN막을 형성할 수 있다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 1 사이클당 형성되는 제2층의 두께를 원하는 막 두께보다도 작게 하여, 제2층을 적층함으로써 형성되는 막의 막 두께가 원하는 막 두께로 될 때까지, 상술한 사이클을 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
소정 막 두께의 막을 형성한 후, 불활성 가스 공급부로부터 N2 가스가 공급되어, 처리실(14) 내가 N2 가스로 치환됨과 함께, 처리실(14)의 압력이 상압으로 복귀된다. 그 후, 보트 엘리베이터(32)에 의해 덮개부(22)가 강하되어, 보트(26)가 반응관(10)으로부터 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리가 끝난 웨이퍼(W)는 보트(26)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
<본 실시 형태에 의한 효과>
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과가 얻어진다.
(a) 원료 가스를 처리실에 공급할 때, 공급 버퍼부와 처리실의 2단계로 원료 가스를 공급함으로써, 공급 버퍼부 내에서 원료 가스를 상하 방향에 있어서 균일하게 확산시킬 수 있고, 상하 방향에 있어서 유량을 고르게 해서 처리실 내에 원료 가스를 공급할 수 있다. 이에 의해, 면간 균일성을 향상시킬 수 있다.
(b) 원료 가스를 공급하는 노즐을 쇼트 노즐로 함으로써, 노즐 내압의 상승을 억제할 수 있고, 노즐 내에서의 원료 가스 분해를 억제할 수 있어, 면내·면간 균일성을 향상시킬 수 있다.
성막 처리의 온도가 원료 가스의 활성화 온도 근방일 경우, 온도의 영향만으로 원료 가스가 분해되기 쉬운 상태에 있다. 이러한 상태에서, 원료 가스 공급에 롱 노즐을 사용한 경우, 롱 노즐의 내압의 영향도 더해짐으로써, 롱 노즐 내에서의 원료 가스 분해를 촉진해버려, 면간 균일성에 악영향을 미치는 경우가 있다.
이에 반해, 본 실시 형태에 따르면, 쇼트 노즐로부터 원료 가스를 공급함으로써, 노즐 내압의 영향을 억제할 수 있고, 원료 가스의 노즐 내에서의 분해를 억제할 수 있다.
(c) 원료 가스를 공급하는 노즐을 쇼트 노즐로 함으로써, 노즐 내의 원료 가스의 잔류량을 저감할 수 있다. 이에 의해, 노즐 내의 정체의 발생을 억제할 수 있으므로, 노즐 내의 부생성물의 발생을 억제할 수 있어, 막질을 향상시킬 수 있다.
(d) 원료 가스를 공급하는 노즐을 쇼트 노즐로 해서, 공급 버퍼부 내에 원료 가스를 확산시킴으로써, 공급 버퍼부 내에서 원료 가스의 분해 상태를 상하 방향에서 균일하게 할 수 있다. 이에 의해, 면간의 막 두께 분포 경향을 고르게 할 수 있고, 면간의 면내 균일성의 값을 일정하게 할 수 있다. 또한, 원료 가스 공급 유량 등의 성막 조건의 폭을 넓힐 수 있다.
(e) 원료 가스를 공급하는 노즐을 쇼트 노즐로 해서, 공급 버퍼부 내에 원료 가스를 확산시킴으로써, 웨이퍼의 막 두께에 따라서 히터의 설정을 그때마다 조정하지 않고, 면간 균일성을 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 온도 조정에 기인하는 전기 특성의 변동을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 구체적으로 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, 원료 가스로서 HCDS 가스를 사용하는 예에 대해서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 성막 처리의 온도대가 활성화 온도 근방인 원료 가스를 사용할 수 있다. 즉, 성막 처리의 온도대에 있어서, 반응성이 높은 원료 가스를 사용할 수 있다.
또한 예를 들어, 상술한 실시 형태에서는, SiN막을 형성하는 예에 대해서 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이러한 양태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 이것들 외에, 또는 이들에 더해서, 산소(O2) 가스 등의 산소(O) 함유 가스(산화 가스), 프로필렌(C3H6) 가스 등의 탄소(C) 함유 가스, 삼염화붕소(BCl3) 가스 등의 붕소(B) 함유 가스 등을 사용하여, SiO막, SiON막, SiOCN막, SiOC막, SiCN막, SiBN막, SiBCN막 등을 형성할 수 있다. 이들의 성막을 행하는 경우에도, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 처리 조건에서 성막을 행할 수 있으며, 상술한 실시 형태와 마찬가지의 효과가 얻어진다. 이때, 산소(O2) 가스 등의 산소(O) 함유 가스(산화 가스), 프로필렌(C3H6) 가스 등의 탄소(C) 함유 가스, 삼염화붕소(BCl3) 가스 등의 붕소(B) 함유 가스 등의 가스는 노즐(44b)로부터 공급한다.
또한, 상술한 실시 형태나 변형예는, 적절히 조합해서 사용할 수 있다. 이때의 처리 조건은, 예를 들어 상술한 실시 형태나 변형예와 마찬가지의 처리 조건으로 할 수 있다.
실시예
이하, 상술한 실시 형태에서 얻어지는 효과를 뒷받침하는 실험 결과에 대해서 설명한다.
실시예로서, 상술한 실시 형태에서의 기판 처리 장치를 사용하여, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에 의해, 복수매의 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하는 성막 처리를 행하였다. 원료 가스로서는 HCDS 가스를, 반응 가스로서는 NH3 가스를 사용하였다. 성막 처리의 처리 조건은, 상술한 실시 형태에 기재된 처리 조건 범위 내의 조건으로 하였다.
비교예로서, 노즐(44a)로서 쇼트 노즐이 아니라 노즐(44b)과 마찬가지의 롱 노즐을 사용하여, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에 의해, 복수매의 웨이퍼 상에 SiN막을 형성하는 성막 처리를 행하였다. 처리 수순이나 처리 조건은 실시예의 처리 수순, 처리 조건과 마찬가지로 하였다.
도 5의 (a)는 실시예에서의 성막 분포를 도시하는 도면이며, 도 5의 (b)는 비교예에서의 성막 분포를 도시하는 도면이다.
도 5의 (a), 도 5의 (b)에 의하면, 비교예보다도 실시예가, 면내 균일성(WinW) 및 면간 균일성(WtW)을 더 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
비교예에서는, HCDS 가스를 공급하는 노즐로서, 반응 가스 공급 노즐(44b)과 마찬가지의 구성의 롱 노즐을 사용하고 있다. 롱 노즐을 사용하면, 롱 노즐의 내압이 높아짐으로써, 롱 노즐 내에서 HCDS 가스의 분해 반응이 촉진되는 것을 생각할 수 있다. 즉, 롱 노즐을 사용함으로써, 노즐 내압이, HCDS 가스가 분해하는 압력 이상의 압력으로 되어 있다고 생각된다. 롱 노즐의 내압은 약 100 내지 1000Pa이라고 생각된다. 롱 노즐 상부를 향할수록 롱 노즐의 내압이 높아지기 때문에, 롱 노즐 상부일수록 HCDS 가스가 분해 상태로 된다. 바꿔 말하면, 롱 노즐 상부일수록 분해 상태의 HCDS 가스의 양이 많은 상태가 된다. 즉, 롱 노즐 내의 상하 방향에 있어서, HCDS 가스의 분해 상태에 차가 발생하고 있다. 그 때문에, 공급 버퍼부(10A) 내에 롱 노즐로부터 HCDS 가스를 확산시키면, 공급 버퍼부(10A) 내의 상하 방향에 있어서, HCDS 가스의 분해 상태에 차가 발생해버린다. 그 결과, 슬릿(10D)을 통해서 처리실(14) 내에 공급된 HCDS 가스는, 상하 방향에서 HCDS 가스의 분해 상태가 상이하기 때문에, 즉, 상하 방향에서 HCDS 가스의 조성이 상이하기 때문에, 면간 균일성이 악화되어버린다고 생각된다.
비교예에서는, 공급 버퍼부(10) 내의 상방은 분해된 상태의 HCDS 가스가 많고, 하방은 미분해의 상태의 HCDS 가스가 많다. 이에 의해, Top 영역의 기판에는 분해 상태의 HCDS 가스가 많이 공급되기 때문에, 기판의 외주측일수록 막 두께가 두꺼운 오목형의 막 두께 분포가 된다. 또한, Bottom 영역의 기판에는 미분해 상태의 HCDS 가스가 많이 공급되기 때문에, 기판의 내주측일수록 막 두께가 두꺼운 볼록형의 막 두께 분포가 된다.
이에 반해 실시예에서는, HCDS 가스를 공급하는 노즐로서 쇼트 노즐을 사용하고 있다. 쇼트 노즐을 사용하면, 노즐의 내압이 높아지는 것을 억제할 수 있기 때문에, 노즐 내에서 HCDS 가스의 분해 반응을 억제할 수 있다. 즉, 쇼트 노즐을 사용함으로써, 노즐 내압을 HCDS 가스가 분해하는 압력보다 낮은 압력으로 유지할 수 있다.
또한, 쇼트 노즐을 통해서 공급 버퍼부(10A) 내에 상측 방향으로 HCDS 가스를 확산시킴으로써, 공급 버퍼부(10A) 내에서 HCDS 가스의 농도 분포를 상하 방향에서 균일하게 할 수 있다. 또한, 공급 버퍼부(10A) 내의 전체에 있어서, HCDS 가스를 미분해 상태로 할 수 있다. 이에 의해, HCDS 가스를 상하 방향에서 균일하게 한 상태에서 슬릿(10D)으로부터 처리실(14) 내에 HCDS 가스를 공급할 수 있다. 즉, 슬릿(10D)을 통과하는 시점에서 상하 방향에 있어서 HCDS 가스의 상태를 고르게 할 수 있고, HCDS 가스의 상태를 처리실(14) 내에서도 상하 방향에서 균일하게 할 수 있기 때문에, 면간 균일성을 향상시킬 수 있다.
또한, 슬릿(10D)으로부터 미분해 상태로 처리실(14) 내에 공급된 HCDS 가스는, 웨이퍼 중앙을 향함에 따라서 서서히 열의 영향을 받는다. 이에 의해, 웨이퍼 중앙 부근에서 HCDS 가스의 분해 반응을 발생시킬 수 있고, 특히, Top 영역의 기판의 오목형 분포를 개선시킬 수 있어, 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
2 : 기판 처리 장치 10 : 반응관
44a, 44b : 노즐

Claims (13)

  1. 복수매의 기판을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지구를 내부에 수용하여, 상기 기판을 처리하는 처리실과,
    상기 처리실에 인접하는 공급 버퍼부와,
    상기 공급 버퍼부 내에 설치되는 원료 가스 공급부와,
    상기 공급 버퍼부 내에 설치되는 반응 가스 공급부를 구비하고,
    상기 원료 가스 공급부는, 상기 기판 보유 지지구의 최하단의 상기 기판의 높이 이하의 위치로부터 상기 공급 버퍼부 내에 상기 원료 가스를 공급하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급부는, 상방을 향해서 개구되는 공급 구멍을 선단에 갖는 원료 가스 노즐을 구비하는, 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 원료 가스 노즐은, 상기 공급 구멍의 높이가, 상기 기판 보유 지지구에 보유 지지되는 최하단의 상기 기판의 높이 이하로 되도록 설치되는, 기판 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공급 버퍼부와 상기 처리실의 사이에 내벽을 구비하고,
    상기 내벽에는 상기 기판 보유 지지구에 보유 지지된 상기 기판에 대응하도록 복수단의 슬릿이 형성되고,
    상기 원료 가스 노즐은, 상기 공급 구멍의 높이가 상기 복수단의 슬릿의 최하단의 슬릿의 높이 이하로 되도록 설치되는, 기판 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 내벽의 하단에 메인터넌스 입구를 더 갖고,
    상기 원료 가스 노즐은, 상기 공급 구멍의 높이가 상기 메인터넌스 입구의 상단의 높이보다 높아지도록 설치되는, 기판 처리 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 반응 가스 공급부는, 상기 기판 보유 지지구를 따라 세워 설치하고, 상기 기판 보유 지지구에 보유 지지되는 상기 기판을 향해서 개구되는 복수개의 공급 구멍을 갖는 반응 가스 노즐을 구비하는, 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원료 가스 노즐 내의 압력은 상기 원료 가스가 상기 원료 가스 노즐 내에서 분해하지 않는 압력인, 기판 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 반응 가스 노즐 내의 압력은, 상기 원료 가스가 분해하는 압력인, 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 처리실 내를 가열하는 가열부를 더 갖고,
    상기 가열부는, 상기 처리실 내를 상기 원료 가스의 활성화 온도 근방으로 가열하는, 기판 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 원료 가스는 Si 함유 가스인, 기판 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 원료 가스는 HCDS 가스인, 기판 처리 장치.
  12. 복수매의 기판을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지구를 처리실 내에 반입하는 공정과,
    상기 처리실 내에서 상기 복수매의 기판을 처리하는 공정을 갖고,
    상기 기판을 처리하는 공정은,
    상기 처리실에 인접하는 공급 버퍼부 내에 설치된 원료 가스 공급부로부터, 상기 기판 보유 지지구의 최하단의 상기 기판의 높이 이하의 위치로부터 상기 공급 버퍼부 내에 원료 가스를 공급하고, 상기 공급 버퍼부로부터 상기 처리실 내의 상기 복수의 기판에 대하여 상기 원료 가스를 공급하는 스텝과,
    상기 공급 버퍼부 내에 설치된 반응 가스 공급부로부터, 상기 처리실 내의 상기 복수의 기판에 대하여 반응 가스를 공급하는 스텝을 갖는 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 복수매의 기판을 다단으로 보유 지지하는 기판 보유 지지구를 처리실 내에 반입하는 수순과,
    상기 처리실 내에서 상기 복수매의 기판을 처리하는 수순을 갖고,
    상기 기판을 처리하는 수순에서는,
    상기 처리실에 인접하는 공급 버퍼부 내에 설치된 원료 가스 공급부로부터, 상기 기판 보유 지지구의 최하단의 상기 기판의 높이 이하의 위치로부터 상기 공급 버퍼부 내에 원료 가스를 공급하고, 상기 공급 버퍼부로부터 상기 처리실 내의 상기 복수의 기판에 대하여 상기 원료 가스를 공급하는 수순과,
    상기 공급 버퍼부 내에 설치된 반응 가스 공급부로부터, 상기 처리실 내의 상기 복수의 기판에 대하여 반응 가스를 공급하는 수순,
    을 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램을 기록하는 기록 매체.
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