KR20190011191A - 가스 처리 장치 - Google Patents

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다카시 가미오
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 기판의 면내에 균일성 높은 가스 처리를 행할 수 있는 기술을 제공하는 것이다. 진공 분위기의 처리실(11)에 설치되어, 기판(W)이 적재되는 적재부(21)와, 적재부(21)의 상방측에 위치해서 처리실(11)의 천장부를 구성하고, 상기 처리 가스를 샤워 형상으로 공급하기 위한 복수의 가스 공급구(38)가 형성되는 가스 공급부(36)와, 가스 공급부(36)에 상방으로부터 대향하고, 처리 가스를 가로 방향으로 확산시키는 확산 공간(37)을 구획 형성하는 평탄한 대향면(34)을 구비함과 함께, 처리 가스의 공급로를 형성하는 가스 공급로 형성부(3)와, 대향면(34)의 중앙부의 둘레에 설치되는 오목부(41)와, 공급로로부터 공급된 처리 가스를 확산 공간(37)에 가로 방향으로 분산시키기 위해 둘레 방향을 따라 복수의 가스 토출구(46)가 형성되고, 대향면(37)의 중앙부의 둘레에 복수개이고, 각각 당해 대향면(37)으로부터 돌출되지 않고 상기 오목부(41) 내에 설치되는 가스 분산부(44)를 구비하는 장치를 구성한다.

Description

가스 처리 장치{GAS PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 진공 분위기로 된 처리 용기 내에서 기판에 가스 처리를 행하기 위한 가스 처리 장치에 관한 것이다.
기판인 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함)에 가스 처리로서 예를 들어 ALD(Atomic Layer Deposition)에 의한 성막이 사용되는 경우가 있다. 이 ALD에서는 진공 분위기로 된 처리 용기 내에, 웨이퍼의 표면에 흡착되는 원료 가스와, 당해 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 교대로 복수회 공급하여, 웨이퍼의 표면에 반응 생성물의 원자층을 퇴적시켜 성막한다. 원료 가스가 공급되는 시간대와 반응 가스가 공급되는 시간대의 사이에는, 퍼지 가스가 공급된다.
이 ALD를 행하는 성막 장치에 대해서는, 웨이퍼의 면내에 균일성 높은 막 두께로 성막하도록 구성될 것이 요구되고 있다. 이러한 요청에 부응하는 장치로서, 예를 들어 특허문헌 1에는, 웨이퍼의 적재대와 대향하는 대향면에 복수의 가스 공급부를 구비하는 장치가 개시되어 있다. 각 가스 공급부는, 둘레 방향으로 각 가스를 토출하는 토출구를 구비함으로써, 적재대의 상방에 구획되어 설치된 확산 공간에서 가로 방향으로 가스를 확산시킨다. 이렇게 확산된 가스는, 확산 공간의 저부를 형성하는 플레이트에 다수 개구된 토출구로부터 샤워 형상으로 웨이퍼에 공급된다.
일본 특허 공개 제2014-70249호 공보
상기 웨이퍼의 면내에서의 막 두께의 균일성에 대해서 더욱 높게 하는 것이 검토되고 있고, 그를 위해 상기 가스 공급부 및 확산 공간을 구비하는 성막 장치에 대해서는, 당해 확산 공간에 공급되는 가스의 농도의 균일성을 더욱 높게 하는 것이 검토되고 있다. 또한, 상기 가스 공급부 및 확산 공간을 구비하는 성막 장치에 대해서, 비교적 짧은 시간 내에 비교적 큰 유량으로 퍼지 가스를 가스 공급부로부터 토출하고, 원료 가스 및 반응 가스를 빠르게 퍼지하여, 장치의 스루풋을 향상시키는 것이 검토되고 있다. 그렇게 퍼지를 행하는 경우에도, 확산 공간에서의 가스의 농도의 균일성을 높게 하여, 웨이퍼에 균일성 높은 막 두께로 성막할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 사정에 기초해서 이루어진 것이며, 그 목적은, 기판의 면내에 균일성 높은 가스 처리를 행할 수 있는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명의 가스 처리 장치는, 진공 분위기인 처리실 내의 기판에 대하여 처리 가스를 공급해서 처리를 행하는 가스 처리 장치에 있어서,
상기 처리실에 설치되어, 상기 기판이 적재되는 적재부와,
상기 적재부의 상방측에 위치해서 상기 처리실의 천장부를 구성하고, 상기 처리 가스를 샤워 형상으로 공급하기 위한 복수의 제1 가스 공급구가 형성되는 가스 공급부와,
상기 가스 공급부에 상방으로부터 대향하여, 상기 처리 가스를 가로 방향으로 확산시키기 위한 제1 확산 공간을 구획 형성하는 평탄한 대향면을 구비함과 함께, 상기 처리 가스의 공급로를 형성하는 가스 공급로 형성부와,
상기 대향면의 중앙부의 둘레에 설치되는 오목부와,
상기 공급로로부터 공급된 상기 처리 가스를 상기 제1 확산 공간에 가로 방향으로 분산시키기 위해 둘레 방향을 따라 복수의 가스 토출구가 형성되고, 상기 대향면의 중앙부의 둘레에 복수개이고, 각각 당해 대향면으로부터 돌출되지 않고 상기 오목부 내에 설치되는 가스 분산부
를 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 기판에 샤워 형상으로 처리 가스를 공급하는 가스 공급부에 상방으로부터 대향하여, 당해 처리 가스를 가로 방향으로 확산시키기 위한 확산 공간을 형성하는 평탄한 대향면의 중앙부의 둘레에 오목부가 설치된다. 그리고, 둘레 방향을 따라 복수의 가스 토출구가 형성되는 가스 분산부가, 대향면의 중앙부의 둘레에, 각각 당해 대향면으로부터 돌출되지 않고 오목부 내에 복수 설치된다. 이와 같은 구성에 의해, 확산 공간에서 처리 가스의 흐름이 저해되는 것이 억제되기 때문에, 기판의 면내에서 균일성 높은 가스 처리를 행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 성막 장치의 종단 측면도이다.
도 2는 상기 성막 장치를 구성하는 유로 형성부의 사시도이다.
도 3은 상기 유로 형성부에 설치되는 대향면의 평면도이다.
도 4는 상기 유로 형성부의 종단 측면도이다.
도 5는 상기 유로 형성부에 설치되는 가스 유로의 사시도이다.
도 6은 상기 유로의 평면도이다.
도 7은 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 8은 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 9는 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 상기 성막 장치에 의해 행하여지는 처리의 타이밍 차트이다.
도 12는 상기 유로 형성부의 다른 구성예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 13은 상기 유로 형성부에 형성되는 홈의 다른 구성예를 도시하는 종단 측면도이다.
도 14는 상기 홈과 상기 유로 형성부에 설치되는 가스 분산부의 위치 관계를 도시하는 설명도이다.
도 15는 상기 대향면의 다른 구성예를 도시하는 평면도이다.
도 16은 평가 시험의 결과를 나타내기 위한 웨이퍼의 모식도이다.
도 17은 평가 시험의 결과를 나타내기 위한 웨이퍼의 모식도이다.
도 18은 평가 시험의 결과를 나타내기 위한 웨이퍼의 모식도이다.
도 19는 평가 시험의 결과를 나타내기 위한 웨이퍼의 모식도이다.
도 20은 평가 시험의 결과를 나타내는 그래프도이다.
본 발명의 가스 처리 장치의 일 실시 형태인 성막 장치(1)에 대해서, 도 1의 종단 측면도를 참조하면서 설명한다. 이 성막 장치(1)는, 편평한 원형 처리 용기(11)를 구비하고 있다. 당해 처리 용기(11) 내에는 진공 분위기가 형성됨과 함께, 예를 들어 직경이 300mm인 원형 기판인 웨이퍼(W)가 저장된다. 성막 장치(1)는, 이 웨이퍼(W)에 대하여, 원료 가스인 TiCl4(사염화티타늄) 가스와 반응 가스인 NH3(암모니아) 가스를 교대로 반복 공급해서 ALD를 행하여, TiN(질화티타늄)막을 성막한다. TiCl4 가스의 공급을 행하는 시간대와 NH3 가스의 공급을 행하는 시간대의 사이에는 불활성 가스인 N2(질소) 가스가 퍼지 가스로서 공급되어, 처리 용기(11) 내의 분위기가 TiCl4 가스 분위기 또는 NH3 가스 분위기에서 N2 가스 분위기로 치환된다. 또한, ALD에 의한 성막 처리 중에는 TiCl4 가스 및 NH3 가스를 처리 용기(11) 내에 도입하기 위한 캐리어 가스로서, N2 가스가 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급된다.
상기 처리 용기(11)의 측벽에는, 웨이퍼의 반출입구(12)와, 이 반출입구(12)를 개폐하는 게이트 밸브(13)가 설치되어 있다. 반출입구(12)보다도 상부측에는, 처리 용기(11)의 측벽의 일부를 이루고, 종단면의 형상이 각형인 덕트를 원환형으로 만곡시켜 구성한 배기 덕트(14)가 설치되어 있다. 배기 덕트(14)의 내주면에는, 둘레 방향을 따라 신장되는 슬릿 형상의 개구부(15)가 형성되어 있어, 처리 용기(11)의 배기구를 이룬다.
또한, 상기 배기 덕트(14)에는, 배기관(16)의 일단이 접속되어 있다. 배기관(16)의 타단은 진공 펌프에 의해 구성되는 배기 기구(17)에 접속되어 있다. 배기관(16)에는, 예를 들어 압력 조정용 밸브에 의해 구성되는 압력 조정 기구(18)가 개재 설치되어 있다. 후술하는 제어부(10)로부터 출력되는 제어 신호에 기초하여, 당해 압력 조정용 밸브의 개방도가 조정되어, 처리 용기(11) 내의 압력이 원하는 진공 압력이 되도록 조정된다.
도면 중 21은, 웨이퍼(W)를 적재하기 위해 처리 용기(11) 내에 설치된 원형이고 수평인 적재대이며, 웨이퍼(W)는 그 중심이 당해 적재대의 중심에 정렬되도록 적재된다. 적재부를 이루는 당해 적재대(21)에는, 히터(22)가 매설되어 있다. 이 히터(22)는, 예를 들어 400℃ 내지 700℃로 웨이퍼(W)를 가열한다. 적재대(21)의 하면측 중앙부에는 처리 용기(11)의 저부를 관통하여, 상하 방향으로 신장되는 지지 부재(23)의 상단이 접속되어 있고, 이 지지 부재(23)의 하단은 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 이 승강 기구(24)에 의해 적재대(21)는, 도 1에 쇄선으로 나타내는 하방측 위치와, 도 1에 실선으로 나타내는 상방측 위치의 사이를 승강할 수 있다. 하방측 위치는, 상기 반출입구(12)로부터 처리 용기(11) 내에 진입하는 웨이퍼(W)의 반송 기구와의 사이에서, 당해 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 전달 위치이다. 상방측 위치는, 웨이퍼(W)에 처리가 행하여지는 처리 위치이다.
도면 중 25는, 지지 부재(23)에 있어서 처리 용기(11)의 저부의 하방에 설치되는 플랜지이다. 도면 중 26은 신축 가능한 벨로우즈이며, 상단이 처리 용기(11)의 저부에, 하단이 플랜지(25)에 각각 접속되어, 처리 용기(11) 내의 기밀성을 담보한다. 도면 중 27은 3개(도에서는 2개만 표시하고 있음)의 지지 핀이며, 도면 중 28은 지지 핀(27)을 승강시키는 승강 기구이다. 적재대(21)가 전달 위치에 위치했을 때, 적재대(21)에 형성되는 관통 구멍(29)을 통해서 지지 핀(27)이 승강하고, 적재대(21)의 상면에서 돌출 함몰하여, 적재대(21)와 상기 반송 기구의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행하여진다.
상기 배기 덕트(14)의 상측에는, 처리 용기(11) 내를 상측으로부터 막도록 가스 공급로 형성부(3)가 설치되어 있다. 가스 공급로 형성부(3)는, 본체부(31)와 가스 도입부(32)를 구비하고 있다. 본체부(31)는 편평한 원형 블록으로서 구성되어 있고, 당해 본체부(31)의 주연부는, 상기 배기 덕트(14)를 따라 설치됨과 함께, 당해 배기 덕트(14)에 지지되어 있다. 가스 도입부(32)는, 본체부(31)의 상면의 직경 방향을 따른 부위가, 상방으로 솟아오름으로써 구성되어 있다.
상기 본체부(31)에 대해서 더욱 상세하게 설명하면, 당해 본체부(31)에서의 중앙 하부는, 처리 용기(11) 내를 적재대(21)를 향하도록 돌출됨으로써, 원형 돌출부(3A)를 형성하고 있고, 이 돌출부(3A)의 하면의 중앙부는, 후술하는 샤워 플레이트(36)에 상방으로부터 대향하는 원형 대향면(34)으로서 구성되어 있다. 이후, 이 대향면(34)을 나타내는 본체부(31)의 하방측 사시도인 도 2도 참조하면서 설명한다. 돌출부(3A)에 있어서 대향면(34)의 외주 영역은, 하방으로 더 돌출됨으로써 원환형 돌기부(35)를 형성하고 있고, 이 돌기부(35)의 하단은 샤워 플레이트(36)의 주연부에 접속되어 있다.
샤워 플레이트(36)는 수평으로 설치됨과 함께 원형으로 구성되어 있고, 당해 샤워 플레이트(36)의 주연은 상기 돌기부(35)를 따라 형성되어 있다. 이 샤워 플레이트(36)는 적재대(21)에 대향하고 있고, 처리 용기(11)의 천장을 구성한다. 돌기부(35), 샤워 플레이트(36) 및 대향면(34)에 둘러싸임으로써, 편평하고 원형인, 가스의 확산 공간(37)이 구획 형성되어 있다. 당해 확산 공간(37)의 중심은, 적재대(21)의 중심 상에 위치하고 있다. 상기 샤워 플레이트(36)에는, 당해 샤워 플레이트(36)의 두께 방향으로 천공된 다수의 가스 공급구(38)가 분산해서 배치되어 있고, 후술하는 바와 같이 제1 확산 공간인 확산 공간(37)에 공급된 가스는, 제1 가스 공급구를 이루는 가스 공급구(38)로부터, 적재대(21)에 적재되는 웨이퍼(W)에 샤워 형상으로 공급된다. 도면 중 39는, 샤워 플레이트(36)의 하면에 있어서, 당해 샤워 플레이트(36)의 주연부를 따라 하방으로 돌출되도록 형성된 환형 돌기이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 환형 돌기(39)는 처리 위치에서의 적재대(21)의 주연부에 근접하고, 그렇게 적재대(21)에 근접했을 때의 당해 환형 돌기(39)의 내측에서, 샤워 플레이트(36)와 적재대(21)의 사이에 있는 공간은, 웨이퍼(W)에 처리를 행하는 처리 공간(30)으로서 구성된다.
대향면(34)의 평면도인 도 3 및 가스 공급로 형성부(3)의 하부측 및 샤워 플레이트(36)의 종단 측면도인 도 4도 참조하여 설명을 계속한다. 또한, 도 4에서는 상기 확산 공간(37) 및 그 주위에서의 가스의 흐름을 화살표로 나타내고 있다. 각 도면에 도시하는 바와 같이 대향면(34)에는 원환형 홈(41), 즉 오목부가 형성되어 있다. 이 홈(41)은, 대향면(34)의 중앙부를 둘러싸도록 확산 공간(37)의 둘레 방향을 따라 형성되어 있다. 그리고, 홈(41)의 중심은 대향면(34)의 중심에 일치하고 있다. 도 3에 도시하는 홈(41)의 외경(L1)은 웨이퍼(W)의 직경보다도 작아, 예를 들어 100mm 내지 180mm이며, 홈(41)의 내경(L2)은 예를 들어 40mm 내지 100mm이다. 또한, 도 4에 도시하는 홈(41)의 깊이(H1)는, 예를 들어 3mm 내지 8mm이다.
홈(41)를 이루는 2개의 측벽면 중, 대향면(34)의 중심 부근의 측벽면(42)은, 상측을 향할수록 대향면(34)의 주연을 향하고, 대향면(34)의 주연 부근의 측벽면(43)은, 상측을 향할수록 대향면(34)의 중심을 향한다. 따라서, 홈(41)의 종단면에서 보아 측벽면(42, 43)은 수평면에 대하여 경사져 있고, 이와 같이 측벽면(42, 43)이 형성됨으로써, 홈(41)은 하방을 향함에 따라서 폭이 넓어지도록 끝이 벌어지게 구성되어 있다. 따라서, 홈(41)은 상방을 향함에 따라서 개구 폭이 작아지도록 형성되어 있다. 즉, 상방을 향함에 따라서 홈(41)은, 그 개구 면적이 작아지도록 구성되어 있다. 또한, 홈(41)을 구성하는 상면은 예를 들어 수평이다.
홈(41) 내에는, 예를 들어 8개의 가스 분산부(44)가 당해 홈(41)의 둘레 방향으로, 서로 등간격을 두고 설치되어 있다. 따라서, 가스 분산부(44)는 대향면(34)에 매설되어 있다. 이 가스 분산부(44)는, 수직인 원기둥형으로 구성되어 있다. 그리고, 예를 들어 가스 분산부(44)의 직경은, 홈(41)의 상면의 폭과 동일한 크기로 구성되어 있고, 도 1, 도 4에 도시한 바와 같이, 가스 분산부(44)의 상단부는 홈(41)의 상면에 묻히게 설치되어 있기 때문에, 상기 홈(41)의 측벽면(42, 43)은 가스 분산부(44)의 측벽으로부터 내려가게 형성되어 있다.
가스 분산부(44)에는, 그 상면의 중심부로부터 수직 하방을 향하도록 형성된 가스 도입구(45)가 설치되어 있고, 후술하는 가스 공급로(5)를 통해서 이미 설명한 각 가스가 당해 가스 도입구(45)에 도입된다. 그리고, 가스 분산부(44)의 측면에는 홈(41)의 상면보다 하방의 위치에, 가스 도입구(45)에 접속된 다수의 가스 토출구(46)가 당해 가스 분산부(44)의 둘레 방향으로 등간격으로 개구되어 있다. 가스 도입구(45)로부터 공급된 가스는, 각 가스 토출구(46)로부터 수평 방향으로 홈(41) 내에 토출된다. 또한, 도 3에서는 대표해서 1개의 가스 분산부(44)로부터 토출되는 가스의 흐름을 화살표로 나타내고 있고, 다른 7개의 가스 분산부(44)로부터도 마찬가지로 가스가 토출된다. 이렇게 가스 분산부(44)로부터 토출된 가스는, 홈(41) 내로부터 측벽면(42, 43)에 가이드되어 확산 공간(37)에 공급되고, 당해 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산하여, 샤워 플레이트(36)의 가스 공급구(38)로부터 웨이퍼(W)에 샤워 형상으로 토출된다.
그런데, 상기 가스 분산부(44)의 하면(47)은 수평이고, 대향면(34)과 동일한 높이에 위치하고 있다. 따라서, 가스 분산부(44)는 대향면(34)으로부터 돌출되지 않도록 설치되어 있다. 이렇게 가스 분산부(44)가 대향면(34)으로부터 돌출되지 않기 때문에, 하나의 가스 분산부(44)로부터 토출되어 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산되는 가스가, 다른 가스 분산부(44)에 충돌하고, 당해 가스의 흐름이 저해되어 정체가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 확산 공간(37)에 균일성 높고, 또한 빠르게 당해 가스를 확산시킬 수 있다. 또한, 가스 분산부(44)의 하면(47)이 대향면(34)과 동일한 높이이고, 확산되는 가스로부터 보아 천장면의 높이의 변화가 억제되어 있기 때문에, 확산 공간(37)에 있어서 가스 분산부(44) 부근의 영역과, 그 이외의 영역에서 가스는 마찬가지로 흐른다. 따라서, 확산 공간(37)에 있어서, 보다 균일성 높게 가스를 확산시킬 수 있다.
또한, 상기와 같이 가스 분산부(44)가 홈(41) 내에 설치되어 있음으로써, 도 4에 H2로 나타내는 확산 공간(37)의 높이는 작아, 예를 들어 8mm 이하로 된다. 이렇게 높이(H2)가 설정됨으로써, 확산 공간(37)의 용적을 비교적 작게 할 수 있기 때문에, 확산 공간(37)에 잔류하는 원료 가스 및 반응 가스를 빠르게 퍼지할 수 있다. 그에 의해, ALD를 행하는 데 있어서 후술하는 1 사이클에 필요한 시간을 억제할 수 있기 때문에, 스루풋의 향상을 도모할 수 있다. 단, 이 높이(H2)가 작아질수록, 확산 공간(37)을 흐르는 가스는 대향면(34)에서의 약간의 단차의 영향을 받기 때문에, 예를 들어 3mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
대향면(34)에 있어서 홈(41)에 둘러싸이는 영역, 즉 대향면(34)의 중앙부에는, 다수의 가스 공급구(48)가 분산해서 하방으로 개구되도록 형성되어 있다. 그리고, 제2 가스 공급구인 각 가스 공급구(48)의 상단은, 본체부(31)에 설치된 편평한 원형 확산 공간(49)의 저부에 접속되어 있다. 제2 확산 공간인 당해 확산 공간(49)은, 후술하는 직선 도입로(62)로부터 공급된 가스를 가로 방향으로 확산시키기 위해서 설치되고, 확산된 각 가스는 가스 공급구(48)로부터 확산 공간(37)에 샤워 형상으로 토출된다. 따라서, 확산 공간(49)은 각 가스 공급구(48)에 대하여 공통으로 설치된 공간이며, 확산 공간(49)의 하방에서 가스 공급구(48)가 형성되는 부위는 샤워 플레이트(40)로서 구성되어 있다.
이후, 설명의 혼란을 피하기 위해서, 샤워 플레이트(40), 확산 공간(49)을 각각 상측 샤워 플레이트(40), 상측 확산 공간(49)이라고 기재하고, 이미 설명한 샤워 플레이트(36), 확산 공간(37)에 대해서는 하측 샤워 플레이트(36), 하측 확산 공간(37)이라고 각각 기재하는 경우가 있다. 상측 샤워 플레이트(40)로부터 토출된 가스는, 가스 분산부(44)로부터 토출된 가스와 마찬가지로, 하측 샤워 플레이트(36)의 가스 공급구(38)로부터 웨이퍼(W)에 샤워 형상으로 토출된다. 또한, 상측 샤워 플레이트(40)의 가스 공급구(48)와 하측 샤워 플레이트(36)의 가스 공급구(38)는, 서로 겹치지 않도록 각각 형성되어 있다. 그렇게 가스 공급구(38, 48)를 각각 형성함으로써, 상측 샤워 플레이트(40)로부터 토출된 가스는, 하측 샤워 플레이트(36)의 상면에 충돌해서 하측 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산된 후에 하측 샤워 플레이트(36)로부터 토출되기 때문에, 당해 하측 샤워 플레이트(36)의 중앙부로부터 토출되는 가스의 농도가, 하측 샤워 플레이트(36)의 주연부로부터 토출되는 가스의 농도에 비해 높아지는 것이 억제된다.
가스 공급로 형성부(3)에는, 앞서 서술한 각 가스를 가스 분산부(44) 및 상측 확산 공간(49)에 공급하는 가스 공급로(5)가 설치되어 있다. 당해 가스 공급로(5)는, 도입로(51, 52)와, 합류로(53)와, 2개의 분기로(54)와, 가스 도입용 확산 공간(55)과, 8개의 직선 도입로(61)와, 8개의 직선 도입로(62)에 의해 구성되어 있다. 도입로(51), 도입로(52), 합류로(53) 및 분기로(54)의 상부측은, 예를 들어 상기 가스 도입부(32)에 설치되고, 분기로(54)의 하부측, 가스 도입용 확산 공간(55) 및 직선 도입로(61, 62)는, 예를 들어 상기 본체부(31)에 설치되어 있다. 또한, 이 가스 공급로(5)에 있어서, 제3 확산 공간인 가스 도입용 확산 공간(55)보다도 상류측은, 상기 가스 분산부(44) 및 상측 확산 공간(49)에 대하여 공통으로 설치되어 있다. 이 가스 도입용 확산 공간(55)의 상류측은, 도입로(51, 52), 합류로(53) 및 분기로(54)로 이루어지는 공통 유로(5A)로서 구성되어 있고, 당해 공통 유로(5A)는 가스 분산부(44) 및 상측 확산 공간(49)에 가스를 공급한다.
가스 공급로(5)에 대해서 나타낸 도 5의 사시도 및 도 6의 평면도를 참조하면서 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 도입로(51, 52)는, 각각 수평 방향으로 신장되도록 설치되어 있고, 이들 도입로(51, 52)는 서로 구획되어 있다. 도입로(51)의 상류측에는, 원료 가스와, 원료 가스의 캐리어 가스와, 퍼지 가스가 공급된다. 도입로(52)의 상류측에는, 반응 가스와, 반응 가스의 캐리어 가스와, 퍼지 가스가 공급된다. 따라서 도입로(51)는, 원료 가스용 유로 및 치환 가스용 유로를 이루고, 도입로(52)는, 반응 가스용 유로 및 치환 가스용 유로를 이룬다. 예를 들어 도입로(51)는 도입로(52)의 상방에 위치하고 있고, 도입로(51)의 하류측은 하방으로 굴곡되어, 도입로(52)에 접속됨으로써, 이들 도입로(51, 52)의 하류측은 서로 합류하여, 상기 합류로(53)로서 구성되어 있다.
합류로(53)의 하류측은 도입로(52)의 연장 방향을 따라 수평으로 신장된 후, 당해 연장 방향을 향해서 보아 좌우로 분기함으로써, 상기 2개의 분기로(54)를 형성한다. 각 분기로(54)의 하류측은 수평 방향으로 신장된 후, 수직 하방을 향하도록 굴곡되어, 편평한 가스 도입용 확산 공간(55)에서의 서로 다른 위치에 접속되어 있다. 이렇게 합류로(53)의 하류측을 분기시켜 가스 도입용 확산 공간(55)에 접속함으로써, 가스 도입용 확산 공간(55)에 균일성 높게 가스를 분포시키고, 나아가서는 상기 확산 공간(37)에서의 각 가스의 농도의 균일성이 높아지도록 하고 있다. 또한, 각 분기로(54)의 길이는 서로 동등하다.
상기 가스 도입용 확산 공간(55)은, 평면으로 보아 하나의 직선 도입로와 다른 직선 도입로가 교차해서 이루어지는 십자 유로(56)와, 4개의 분기로(57)와, 8개의 분기 단(58)에 의해 구성된다. 십자 유로(56)를 구성하는 하나의 직선형 유로에서의 일단부 상 및 타단부 상에, 상기 분기로(54)의 하류 단이 각각 접속되어 있다. 십자 유로(56)의 중심부로부터 각 분기로(54)의 하류 단까지의 길이는 각각 동등하다. 이 십자 유로(56)의 중심부는, 상기 대향면(34)의 중심부 상에 위치하고 있다. 십자 유로(56)를 구성하는 다른 직선형 유로에서의 각 단부는, 당해 다른 직선상의 유로의 신장 방향으로 보아 좌우로 분기되어, 상기 분기로(57)를 형성한다.
분기로(57)의 상류측은 상기 십자 유로(56)를 이루는 하나의 직선 도입로를 따라 신장되어 있다. 그리고 분기로(57)의 하류측은, 상류측에 대하여 굴곡되어 있고, 십자 유로(56)의 중심부로부터 멀어지게 신장되어 있다. 이 분기로(57)의 하류 단은, 당해 분기로(57)의 하류측에서의 유로의 신장 방향으로 보아 좌우로 분기되어, 상기 분기 단(58)으로서 구성되어 있다. 이들 각 분기 단(58)은, 십자 유로(56)의 중심부의 외측을 향해서 잡아 늘려진 것처럼, 평면으로 보아 광폭으로 형성되어 있다. 그리고, 이들 8개의 분기 단(58)의 하부에는 8개의 직선 도입로(61)의 상류 단이 각각 접속되어 있다. 십자 유로(56)의 중심부에서부터 각 직선 도입로(61)까지의 길이는 각각 동등하다. 이 8개의 직선 도입로(61)의 하류측은 비스듬히 하방을 향함과 함께 평면으로 보아 방사형으로 신장되도록 형성되어 있고, 당해 직선 도입로(61)의 하류 단은, 상기 가스 분산부(44)의 가스 도입구(45)에 접속되어 있다. 따라서, 직선 도입로(61)는, 가스 분산부(44)에 처리 가스를 공급하는 공급로를 이룬다. 각 직선 도입로(61)는 서로 동일한 길이를 갖는다. 그리고, 각 직선 도입로(61)의 길이 방향의 중앙부로부터, 직선 도입로(62)가 비스듬히 하방으로 연장됨과 함께, 평면으로 보아 대향면(34)의 중심부측을 향하도록 형성되어 있다. 그리고, 각 직선 도입로(62)의 하류 단은 상측 확산 공간(49)의 주연부에 상측으로부터, 서로 둘레 방향으로 등간격을 두고 접속되어 있다. 각 직선 도입로(62)도 서로 동일한 길이를 갖는다.
합류로(53)의 상류 단, 즉 도입로(51, 52)가 서로 합류하는 이들 도입로(51, 52)의 하류 단을 도 5에 점 P1로서 나타내고 있다. 또한, 직선 도입로(61)의 하류 단, 즉 가스 분산부(44)의 가스 도입구(45)의 상류 단을 도 4에 점 P2로서 나타내고 있다. 가스 공급로(5)를 구성하는 각 유로가 이미 설명한 바와 같이 구성됨으로써, 점 P1에서 각 점 P2에 이르기까지의 각 유로의 길이는 서로 동등하다. 따라서, 각 가스 분산부(44)로부터 동시 내지는 대략 동시에 원료 가스, 반응 가스, 퍼지 가스가 각각 토출되기 때문에, 확산 공간(37)의 각 부에서의 이들 가스의 농도에 차가 발생하는 것이 억제된다. 그에 의해, 막 두께의 면내 균일성을 향상시키고, 또한 퍼지에 필요한 시간을 억제함으로써, ALD의 1 사이클에 필요한 시간의 단축화를 도모할 수 있다. 또한, 이 점 P1에서부터 각 점 P2에 이르기까지의 각 유로에 대해서, 점 P1로부터의 거리가 서로 동일한 위치에서의 유로 폭에 대해서는 서로 동일한 폭이 되도록 해도 되고, 약간 상이한 폭으로 함으로써 확산 공간(37)에서의 가스의 농도 분포를 조정해도 된다.
또한, 직선 도입로(62)의 하류 단, 즉 가스 도입용 확산 공간(55)의 상단을 점 P3으로서 나타내고 있다. 가스 공급로(5)를 구성하는 각 유로가 이미 설명한 바와 같이 구성됨으로써, 점 P1에서부터 각 점 P3에 이르기까지의 유로의 길이는 각각 동등하다. 또한, 이 점 P1에서부터 점 P3에 이르기까지의 유로의 길이는, 점 P1에서부터 점 P2에 이르기까지의 유로의 길이와 동일하고, 가스 분산부(44)와 상측 샤워 플레이트(40)로부터 동시 내지는 대략 동시에 원료 가스, 반응 가스, 퍼지 가스가 각각 토출된다. 그에 의해, 확산 공간(37)의 각 부에서 가스의 농도에 차가 발생하는 것을 보다 확실하게 억제할 수 있다. 그런데 유로의 길이가 서로 동등하다는 것은, 장치의 설계상, 유로가 동등하다는 것이 포함된다. 즉, 장치를 구성하는 부재의 조립 오차나 부재의 가공 정밀도의 결과, 유로의 길이가 상이해도 유로의 길이가 동등해지도록 설계되어 있으면, 유로의 길이가 동등하다는 것에 포함된다.
도 1로 돌아가서 설명을 계속한다. 상기 가스 공급로 형성부(3)에 형성된 도입로(51, 52)의 상류 단에는, 배관(71, 81)의 하류 단이 각각 접속되어 있다. 배관(71)의 상류 단은, 밸브(V1), 가스 저류 탱크(72A), 유량 조정부(73A)를 이 순서대로 거쳐, 처리 가스인 TiCl4 가스의 공급원(74A)에 접속되어 있다. 유량 조정부(73A)는 매스 플로우 컨트롤러에 의해 구성되어 있고, 가스 공급원(74A)으로부터 공급되는 TiCl4 가스에 대해서 하류측으로 공급되는 유량을 조정한다. 또한, 후술하는 다른 각 유량 조정부(73B 내지 73F)에 대해서도, 이 유량 조정부(73A)와 마찬가지로 구성되어 있어, 배관의 하류측에 공급되는 가스의 유량을 조정한다.
가스 저류부를 이루는 가스 저류 탱크(72A)는, 가스 공급원(74A)으로부터 공급된 TiCl4 가스를 처리 용기(11) 내에 공급하기 전에 일단 저류한다. 그렇게 TiCl4 가스를 저류시켜, 가스 저류 탱크(72A) 내가 소정의 압력으로 승압된 후에, 가스 저류 탱크(72A)로부터 가스 공급로 형성부(3)에 TiCl4 가스를 공급한다. 이 가스 저류 탱크(72A)로부터 가스 공급로 형성부(3)에 대한 TiCl4 가스의 공급·단절이, 상기 밸브(V1)의 개폐에 의해 행하여진다. 이렇게 가스 저류 탱크(72A)에 TiCl4 가스를 일단 저류함으로써, 비교적 높은 유량으로 당해 TiCl4 가스를 처리 용기(11)에 공급할 수 있다. 또한, 후술하는 가스 저류부를 이루는 각 가스 저류 탱크(72B, 72D, 72E)에 대해서도, 가스 저류 탱크(72A)와 마찬가지로, 배관의 상류측의 가스 공급원으로부터 공급되는 각 가스를 일단 저류한다. 그리고, 각 가스 저류 탱크(72B, 72D, 72E)의 하류측에 설치되는 밸브(V2, V4, V5)의 개폐에 의해, 각 가스 저류 탱크(72B, 72D, 72E)로부터 가스 공급로 형성부(3)에 대한 가스의 공급·단절이 각각 행하여진다.
상기 배관(71)에 있어서 밸브(V1)의 하류측에는, 배관(75)의 하류 단이 접속되어 있다. 배관(75)의 상류 단은 밸브(V2), 가스 저류 탱크(72B), 유량 조정부(73B)를 이 순서대로 거쳐 N2 가스의 공급원(74B)에 접속되어 있다. 또한, 배관(75)에 있어서 밸브(V2)의 하류측에는, 배관(76)의 하류 단이 접속되어 있다. 배관(76)의 상류 단은, 밸브(V3), 유량 조정부(73C)를 이 순서대로 거쳐, N2 가스의 공급원(74C)에 접속되어 있다.
계속해서, 배관(81)에 대해서 설명한다. 배관(81)의 상류 단은, 밸브(V4), 가스 저류 탱크(72D), 유량 조정부(73D)를 이 순서대로 거쳐, NH3 가스의 공급원(74D)에 접속되어 있다. 배관(81)에서의 밸브(V4)의 하류측에는 배관(82)의 하류 단이 접속되어 있다. 배관(82)의 상류 단은 밸브(V5), 가스 저류 탱크(72E), 유량 조정부(73E)를 이 순서대로 거쳐, N2 가스의 공급원(74E)에 접속되어 있다. 또한, 배관(82)에 있어서 밸브(V5)의 하류측에는, 배관(83)의 하류 단이 접속되어 있다. 배관(83)의 상류 단은, 밸브(V6), 유량 조정부(73F)를 이 순서대로 거쳐, N2 가스의 공급원(74F)에 접속되어 있다.
상기 배관(76)에서의 밸브(V3)의 하류측에는 오리피스(77)가, 배관(83)에서의 밸브(V6)의 하류측에는 오리피스(78)가 각각 형성되어 있다. 오리피스(77)가 형성됨으로써, 배관(76)에서의 밸브(V3)의 하류측의 직경은, 배관(76)에서의 밸브(V3)의 상류측 및 배관(71, 75)의 직경보다도 작게 구성되어 있어, 가스 저류 탱크(72A, 72B)를 통해서 비교적 큰 유량으로 공급되는 각 가스가, 배관(76)을 역류하는 것이 억제된다. 또한, 오리피스(78)가 형성됨으로써, 배관(83)에서의 밸브(V6)의 하류측의 직경은, 배관(83)에서의 밸브(V6)의 상류측 및 배관(81, 82)의 직경보다도 작게 구성되어 있어, 가스 저류 탱크(72D, 72E)를 통해서 비교적 큰 유량으로 공급되는 각 가스가, 배관(83)을 역류하는 것이 억제된다.
그런데 상기 N2 가스 공급원(74B, 74E)으로부터 공급되는 N2 가스는, 이미 설명한 퍼지를 행하기 위해서 처리 용기(11) 내에 공급된다. N2 가스 공급원(74C, 74F)으로부터 각각 공급되는 N2 가스는, TiCl4 가스, NH3 가스에 대한 캐리어 가스이며, 이 캐리어 가스는, 상기와 같이 웨이퍼(W)의 처리 중에는 연속해서 처리 용기(11) 내에 공급되므로, 퍼지를 행할 때도 처리 용기(11) 내에 공급된다. 따라서, 당해 캐리어 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대는, 퍼지를 행하기 위해서 가스 공급원(74B, 74E)으로부터의 N2 가스가 처리 용기(11) 내에 공급되는 시간대에 겹쳐, 캐리어 가스는 퍼지에도 사용되게 되는데, 설명의 편의상, N2 가스 공급원(74B, 74E)으로부터 공급되는 가스를 퍼지 가스로서 기재하고, N2 가스 공급원(74C, 74F)으로부터 공급되는 가스는 캐리어 가스로서 기재한다.
또한, 성막 장치(1)는 제어부(10)를 구비하고 있다. 이 제어부(10)는 컴퓨터에 의해 구성되어 있고, 프로그램, 메모리, CPU를 구비하고 있다. 프로그램에는, 성막 장치(1)에서의 후술하는 일련의 동작을 실시할 수 있도록 스텝 군이 내장되어 있고, 당해 프로그램에 의해 제어부(10)는 성막 장치(1)의 각 부에 제어 신호를 출력하여, 당해 각 부의 동작이 제어된다. 구체적으로는, 각 밸브(V1 내지 V6)의 개폐, 유량 조정부(73A 내지 73F)에 의한 가스의 유량의 조정, 압력 조정 기구(18)에 의한 처리 용기(11) 내의 압력의 조정, 히터(22)에 의한 웨이퍼(W)의 온도의 조정 등의 각 동작이, 제어 신호에 의해 제어된다. 상기 프로그램은, 예를 들어 콤팩트 디스크, 하드 디스크, DVD 등의 기억 매체에 저장되어, 제어부(10)에 인스톨된다.
계속해서 성막 장치(1)에서의 성막 처리에 대해서, 각 밸브의 개폐 상태 및 각 배관에서의 가스의 유통 상태에 대해서 도시하는 도 7 내지 도 10을 참조하면서 설명한다. 도 7 내지 도 10에서는, 폐쇄되어 있는 밸브에는 해칭을 부여함으로써, 개방되어 있는 밸브와 구별해서 표시하였다. 또한, 배관(71, 75, 76, 81 내지 83)에 대해서, 가스가 하류측으로 유통하고 있는 부위는, 유통하고 있지 않은 부위에 비해서 굵게 나타내었다. 또한, 도 7 내지 도 10에서는 도의 번잡화를 방지하기 위해서, 가스 공급로(5)의 상류측을 도 1에 비해 간략화해서 나타내고 있다. 또한, 각 가스를 공급하는 시간대에 대해서 나타내는 타이밍 차트인 도 11도 적절히 참조한다.
먼저, 밸브(V1 내지 V6)가 폐쇄된 상태에서, 반송 기구에 의해 웨이퍼(W)가 처리 용기(11) 내에 반송되어, 전달 위치에서의 적재대(21)에 적재된다. 반송 기구가 처리 용기(11) 내로부터 퇴피한 후, 게이트 밸브(13)가 폐쇄된다. 적재대(21)의 히터(22)에 의해 웨이퍼(W)가 이미 설명한 온도로 가열됨과 함께 적재대(21)가 처리 위치로 상승하여, 처리 공간(30)이 형성된다. 배기관(16)에 개재 설치되는 압력 조정 기구(18)에 의해, 처리 용기(11) 내가 소정의 진공 압력으로 되도록 조정된다.
그리고 밸브(V3, V6)가 개방되고, N2 가스 공급원(74C, 74F)으로부터 각각 가스 공급로(5)에 캐리어 가스(N2 가스)가 공급된다. 한편, 가스 공급원(74A), 가스 공급원(74D)으로부터 TiCl4 가스, NH3 가스가 배관(71, 81)에 공급된다. 밸브(V1, V4)가 폐쇄되어 있음으로써, 이들 TiCl4 가스, NH3 가스는, 가스 저류 탱크(72A, 72D)에 각각 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(72A, 72D) 내가 승압된다. 그 후, 밸브(V1)가 개방되고(차트 중, 시각 t1), 가스 저류 탱크(72A)에 저류된 TiCl4 가스가 가스 공급로(5)에 공급되어, 가스 분산부(44) 및 상측 샤워 플레이트(40)로부터 하측 확산 공간(37)에 토출된다. 가스 분산부(44)로부터 토출된 TiCl4 가스에 대해서는, 상술한 바와 같이 가스 분산부(44)에 그 흐름이 방해받지 않고 하측 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산된다. 상측 샤워 플레이트(40)로부터는 TiCl4 가스가 하측 확산 공간(37)의 중앙부에 공급된다.
상기와 같이 가스 분산부(44) 및 상측 샤워 플레이트(40)로부터 TiCl4 가스가 공급됨으로써, 이 공급이 개시되고 나서 얼마 안되는 시간에, 하측 확산 공간(37)의 각 부에서 균일성 높은 농도로 TiCl4 가스가 분포하고, 당해 TiCl4 가스는 하측 샤워 플레이트(36)로부터 웨이퍼(W)에 공급되어, 웨이퍼(W)의 면내에는 균일성 높게 TiCl4 가스가 흡착된다. 이 처리 용기(11) 내의 웨이퍼(W)에 대한 TiCl4 가스의 공급에 병행하여, 가스 공급원(74B, 74E)으로부터 배관(75, 82)에 각각 퍼지 가스(N2 가스)가 공급된다. 밸브(V2, V5)가 폐쇄되어 있음으로써, 퍼지 가스는 가스 저류 탱크(72B, 72E)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(72B, 72E) 내가 승압된다(도 7, 스텝 S1).
그 후, 밸브(V1)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V2, V5)가 개방되고(시각 t2), 처리 용기(11) 내로의 TiCl4 가스의 공급이 정지함과 함께, 가스 저류 탱크(72B, 72E)에 각각 저류된 퍼지 가스가 가스 공급로(5)에 공급되어, TiCl4 가스와 마찬가지로, 가스 분산부(44) 및 샤워 플레이트(40)로부터 하측 확산 공간(37)에 토출된다. 따라서, 가스 분산부(44)로부터 토출된 퍼지 가스는, TiCl4 가스와 마찬가지로, 가스 분산부(44)에 의해 흐름이 방해받지 않고, 하측 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산된다.
상기와 같이 가스 분산부(44) 및 샤워 플레이트(40)로부터 가스가 토출됨으로써, 당해 퍼지 가스의 공급이 개시되고 나서 얼마 안되는 시간에, 하측 확산 공간(37)의 각 부에서 균일성 높은 농도로 퍼지 가스가 분포하고, 당해 퍼지 가스는 하측 샤워 플레이트(36)로부터 웨이퍼(W)에 공급된다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 흡착되지 않고 처리 공간(30)에 잔류한 TiCl4 가스가, 웨이퍼(W)의 면내의 각 부의 상방으로부터 동시 내지는 대략 동시에 제거되고, 당해 TiCl4 가스의 웨이퍼(W)에 대한 흡착이 정지된다. 이 TiCl4 가스는 배기 덕트(14)에 퍼지되어, 처리 용기(11) 내로부터 제거된다. 이렇게 퍼지가 행하여지는 한편, 밸브(V1)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(74A)으로부터 배관(71)에 공급된 TiCl4 가스가, 가스 저류 탱크(72A)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(72A) 내가 승압된다(도 8, 스텝 S2).
계속해서, 밸브(V2, V5)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V4)가 개방된다(시각 t3). 그에 의해, 가스 공급로(5)에 대한 퍼지 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(72D)에 저류된 NH3 가스가 당해 가스 공급로(5)에 공급되고, 가스 분산부(44) 및 샤워 플레이트(40)로부터 하측 확산 공간(37)에 토출된다. 이 NH3 가스에 대해서도 TiCl4 가스, 퍼지 가스와 마찬가지로 하측 확산 공간(37)의 각 부에서 농도의 균일성이 높아지도록 NH3 가스가 분포하고, 하측 샤워 플레이트(36)로부터 처리 공간(30)에 공급되어, 웨이퍼(W)의 면내의 각 부에는 균일성 높게 NH3 가스가 공급된다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 면내에서 균일성 높게 흡착된 TiCl4 가스의 질화 반응이 진행되어, 반응 생성물로서 TiN의 박층이 형성된다. 한편, 밸브(V2, V5)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(74B, 74E)으로부터 배관(75, 82)에 각각 공급된 퍼지 가스가 가스 저류 탱크(72B, 72E)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(72B, 72E) 내가 승압된다(도 9, 스텝 S3).
그 후, 밸브(V4)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V2, V5)가 개방되고(시각 t4), 처리 용기(11) 내로의 NH3 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(72B, 72E)에 각각 저류된 퍼지 가스가 가스 공급로(5)에 공급되어, 스텝 S2와 마찬가지로, 가스 분산부(44) 및 샤워 플레이트(40)로부터 하측 확산 공간(37)에 토출되고, 하측 샤워 플레이트(36)로부터 토출된다. 그 결과, 처리 공간(30)에 잔류한 미반응의 NH3 가스가, 웨이퍼(W)의 면내 각 부의 상방으로부터 동시 내지는 대략 동시에 제거되어 질화 반응이 정지함으로써, 웨이퍼(W)의 면내 각 부에서의 TiN의 박층의 두께는 정렬된다. NH3 가스는 배기 덕트(14)로 퍼지되어, 처리 용기(11) 내로부터 제거된다. 이렇게 퍼지가 행하여지는 한편, 밸브(V4)가 폐쇄됨으로써, 가스 공급원(74D)으로부터 배관(81)에 공급된 NH3 가스가, 가스 저류 탱크(72D)에 저류되어, 당해 가스 저류 탱크(72D) 내가 승압된다(도 10, 스텝 S4).
시각 t4로부터 소정의 시간 경과 후, 밸브(V2, V5)가 폐쇄됨과 함께 밸브(V1)가 개방되고(시각 t5), 처리 용기(11) 내로의 퍼지 가스의 공급이 정지됨과 함께, 가스 저류 탱크(72A)에 저류된 TiCl4 가스가, 가스 공급로(5)에 공급된다. 즉 상기 스텝 S1이 다시 행하여진다. 따라서, 상기 퍼지가 종료되는 시각 t5는, 상기 TiCl4 가스의 공급이 개시되는 시각 t1이기도 하다. 이 스텝 S1이 행하여진 후에는 상기 스텝 S2 내지 S4가 행하여지고, 그 후에는 또한 스텝 S1 내지 S4가 행하여진다. 즉, 상기 스텝 S1 내지 S4를 하나의 사이클로 하면, 이 사이클이 반복해서 행하여져, TiN의 박층이 웨이퍼(W)의 표면에 퇴적되어, TiN막이 성막된다. 그리고, 소정 횟수의 사이클이 실행되면, 처리 용기(11) 내로의 반입 시와는 역의 수순으로 웨이퍼(W)가 처리 용기(11)로부터 반출된다.
이 성막 장치(1)에 의하면, 샤워 플레이트(36)에 대향하는 대향면(34)의 중앙부를 둘러싸도록 환형 홈(41)이 형성되고, 평탄한 대향면(34)으로부터 돌출되지 않도록 홈(41) 내에 8개의 가스 분산부(44)가, 대향면(34)의 둘레 방향으로 간격을 두고 설치되어 있다. 이와 같은 구성에 의해, 하측 확산 공간(37)을 가로 방향으로 확산되는 가스의 흐름이, 가스 분산부(44)에 방해받는 것이 억제된다. 따라서, 하측 확산 공간(37)에 가스가 공급되고 나서 얼마 안되는 시간 내에, 당해 하측 확산 공간(37)의 각 부에서의 당해 가스의 농도의 균일성을 높게 할 수 있으므로, 샤워 플레이트(36)를 통해서 웨이퍼(W)의 면내에 균일성 높게 당해 가스를 공급할 수 있다. 그 결과로서, 웨이퍼(W)의 면내에서 균일성 높은 막 두께를 갖도록 TiN막을 형성할 수 있다.
그런데, 400℃ 내지 700℃의 범위 중 비교적 높은 온도로 웨이퍼(W)를 가열해서 처리하는 데 있어서, 웨이퍼(W)의 막 두께의 면내 균일성을 높게, 또한 웨이퍼(W)의 면내 각 부에서의 TiN막의 피복성을 높게 하기 위해서는, 상기 원료 가스에 대해서 처리 용기(11) 내에 공급하는 유량을 비교적 크게 하는 것이 바람직하다. 그렇게 비교적 큰 유량으로 원료 가스를 공급해도, 비교적 큰 유량의 퍼지 가스를 가스 공급로 형성부(3)에 공급함으로써 짧은 시간 내에 당해 원료 가스의 퍼지를 행할 수 있도록, 이미 설명한 가스 저류 탱크(72B, 72E)가 설치되어 있다.
후술하는 평가 시험에서 나타내는 바와 같이, 그렇게 비교적 큰 유량의 퍼지 가스가 하측 확산 공간(37)에 공급되었을 때, 대향면(34)으로부터 가스 분산부(44)가 돌출되어 있으면, 웨이퍼(W)의 면내에서의 막 두께의 균일성의 저하가 일어나기 쉽지만, 이미 설명한 바와 같이 가스 분산부(44)를 설치함으로써, 그러한 문제를 방지할 수 있다. 즉, 이렇게 가스 저류 탱크(72B, 72E)를 통해서 퍼지 가스를 공급하는 경우에 있어서, 상기와 같이 대향면(34)으로부터 돌출되지 않도록 가스 분산부(44)를 설치하는 것이 특히 유효하다. 단, 가스 저류 탱크(72B, 72E)를 통하지 않고 퍼지 가스를 공급하는 경우에도, 대향면(34)으로부터 돌출되지 않도록 가스 분산부(44)를 설치함으로써 하측 확산 공간(37)에서의 퍼지 가스의 농도의 균일성을 높게 할 수 있기 때문에 유효하다. 또한, TiCl4 가스, NH3 가스에 대해서도, 가스 공급로 형성부(3)에 비교적 큰 유량을 공급해서 스루풋의 향상을 도모하기 위해, 가스 저류 탱크(72A, 72D)를 통해서 공급하는 예를 나타냈지만, 이러한 가스 저류 탱크(72A, 72D)를 통하지 않고 공급해도 된다.
그런데 도 12에는, 가스 공급로 형성부(3)의 다른 구성예를 나타내고 있다. 도 1, 도 4 등에서 설명한 구성예와의 차이점을 들면, 이 도 12에 도시하는 가스 공급로 형성부(3)에서는, 상측 샤워 플레이트(40) 및 상측 확산 공간(49)이 설치되어 있지 않고, 홈(41)의 내측에, 당해 대향면(34)의 중심을 중심으로 하는 원환형 홈(63)이 형성되어 있다. 따라서, 홈(41, 63)은 동심원형으로 형성되어 있다. 홈(63)에 대해서는, 크기 이외는 홈(41)과 마찬가지로 구성되어 있고, 홈(63) 내에는 둘레 방향으로 등간격을 두고 복수, 예를 들어 4개의 가스 분산부(44)가 설치되어 있어, 직선 도입로(62)로부터 가스가 공급된다. 홈(63) 내의 가스 분산부(44)의 하면(47)은, 홈(41) 내의 가스 분산부(44)의 하면(47)과 마찬가지로, 수평이면서 또한 대향면(34)과 동일한 높이로 형성되어 있다. 즉 도 12에 도시하는 가스 공급로 형성부(3)에서는, 하측 확산 공간(37)의 중앙부에는 홈(41, 63)에 설치된 각 가스 분산부(44)에 의해 가스가 공급된다.
이렇게 홈(63) 내에 가스 분산부(44)를 설치한 구성으로 해도 된다. 단, 이 도 12에 도시하는 구성에 의하면, 가스 분산부(44)가 대향면(34)에서의 보다 중심에 가까운 위치에 배치되어 있음으로써, 각 가스 분산부(44)로부터 토출되는 가스의 유량의 약간의 차이에 의해, 대향면(34)의 중심부 부근에서의 가로 방향으로 흐르는 가스의 충돌, 간섭 상태가 변화하기 때문에, 그것에 기인해서 하측 확산 공간(37)의 중앙부에서의 가스의 농도의 균일성이 저하될 우려가 있다. 즉, 상측 샤워 플레이트(40)에 의해 하방에 가스를 토출하는 구성이, 이러한 가스의 충돌 및 간섭에 의한 문제를 더 억제할 수 있기 때문에, 하측 확산 공간(37)에서의 가스의 농도를 보다 균일화할 수 있어, 보다 확실하게, 웨이퍼(W)의 면내에 균일성 높은 성막 처리를 행할 수 있으므로 바람직하다.
가스 분산부(44)가 설치되는 홈(41)에 대해서 더 설명하면, 종단면으로 홈(41)을 보았을 때의 측벽면(42, 43)의 각 기울기의 크기는, 하측 확산 공간(37)에서의 가스의 분포를 조정하기 위해서 적절히 설정할 수 있다. 따라서, 이들 측벽면(42)의 기울기 크기, 측벽면(43)의 기울기 크기는 서로 동일하게 하는 것에 한정되지는 않고, 서로 상이해도 된다. 또한 종단면에서 보았을 때의 홈(41)의 측벽면(42, 43)은, 도 13에 도시하는 바와 같이, 가스 분산부(44)로부터 이격된 위치에 수직으로 형성되어 있어도 된다. 따라서, 홈(41)에 대해서는, 상술한 바와 같이 하방을 향해서 끝이 벌어지게, 즉 상측을 향함에 따라서 폭이 좁아지도록 형성하는 것에 한정되지는 않는다. 단, 그와 같이 상측을 향함에 따라서 폭이 좁아지도록 형성됨으로써, 홈(41) 내의 용적을 작게 할 수 있다. 즉 퍼지 가스에 의해, 분위기의 치환이 필요한 용적이 커지는 것을 방지할 수 있으므로, 퍼지에 필요한 시간이 길어지는 것을 억제하여, 스루풋을 향상시킬 수 있다.
또한, 대향면(34)으로부터 가스 분산부(44)가 돌출되지 않는다는 것은, 가스 분산부(44)의 하면(47)이 대향면(34)과 동일한 높이에 위치하도록 구성하는 것에 한정되지는 않고, 도 14에 도시하는 바와 같이 가스 분산부(44)의 하면(47)이, 대향면(34)보다도 상방에 위치하도록 구성하는 것도 포함된다. 단, 가스 분산부(44)의 하면(47)과 대향면(34)의 높이의 차(H3)가 너무 크면, 이 높이의 차(H3)에 의해 하측 확산 공간(37)에서의 가스의 흐름이 흐트러져버려, 웨이퍼(W)의 면내 각 부에 공급되는 가스의 균일성이 저하될 우려가 있으므로, 그것을 방지하기 위해서 높이의 차(H3)는 예를 들어 3mm 이하로 하는 것이 바람직하다.
도 15에는 다른 대향면(34)의 구성예를 도시하고 있다. 이 도 15의 대향면(34)에서는 홈(41)이 형성되어 있지 않고, 당해 대향면(34)의 둘레 방향을 따라 8개의 원형 오목부(64)가, 샤워 플레이트(40)를 둘러싸도록 간격을 두고 설치되어 있고, 각 오목부(64) 내에 가스 분산부(44)가 대향면(34)으로부터 돌출되지 않도록 설치되어 있다. 따라서, 가스 분산부(44)가 수납되는 오목부로서는, 환형 홈으로 하는 것에 한정되지는 않는다. 또한, 이 오목부(64)에 대해서는, 당해 오목부(64) 내의 용적을 억제하기 위해서, 상방을 향함에 따라서 그 직경이 좁아짐으로써, 개구 면적이 작아지도록 형성할 수 있다. 또한, 도 15에서도 도 3과 마찬가지로, 대표해서 1개의 가스 분산부(44)로부터 토출되는 가스의 흐름을 화살표로 나타내고 있고, 다른 7개의 가스 분산부(44)로부터도 마찬가지로 가스가 토출된다.
ALD를 행하는 성막 장치를 본 발명의 실시 형태로서 나타냈지만, 본 발명은 CVD를 행하는 성막 장치에 대해서도 적용할 수 있고, 그 경우도 웨이퍼(W)의 면내 각 부에 균일성 높게 처리 가스를 공급해서 성막 처리를 행할 수 있다. 또한, 사용하는 가스종에 대해서도 상기한 예에 한정되지는 않는다. 또한, 본 발명은 성막 장치에 적용되는 것에 한정되지는 않고, 웨이퍼(W)에 처리 가스를 공급해서 에칭을 행하는 에칭 장치에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 앞서 서술한 예에 한정되지는 않고, 앞서 서술한 실시 형태에 대해서는 적절히 변경하거나, 조합하거나 할 수 있다.
·평가 시험
이하, 본 발명에 관련해서 행하여진 평가 시험에 대해서 설명한다.
평가 시험 1
평가 시험 1-1로서 도 1 등에서 설명한 성막 장치(1)를 사용하여, 도 7 내지 도 10에서 설명한 스텝 S1 내지 S4에 따라서 성막 처리를 행했을 때의 웨이퍼(W)의 면내에서의 막 두께의 분포를 조사하였다. 따라서, 이 평가 시험 1-1에서 사용한 성막 장치(1)에 있어서, 가스 분산부(44)는 홈(41) 내에 설치되어 있고, 대향면(34)으로부터 돌출되어 있지 않다. 단, 퍼지 가스는 이미 설명한 가스 저류 탱크(72B, 72E)를 통하지 않고, 단위 시간당 비교적 적은 유량으로 가스 분산부(44)에 공급되도록 하였다. 또한, 1 사이클에 필요한 시간은 0.38초로 설정하였다. 또한, 평가 시험 1-2로서, 퍼지 가스는 이미 설명한 가스 저류 탱크(72B, 72E)를 통해서 공급되고, 단위 시간당 가스 공급로 형성부(3)에 공급되는 당해 퍼지 가스의 유량이, 평가 시험 1-1보다도 큰 것을 제외하고는, 평가 시험 1-1과 동일한 조건에서 성막 처리를 행하여, 웨이퍼(W)의 면내에서의 막 두께의 분포를 조사하였다.
비교 시험 1-1, 비교 시험 1-2로서, 평가 시험 1-1, 평가 시험 1-2와 각각 대략 마찬가지의 시험을 행하였다. 비교 시험 1-1, 1-2와 평가 시험 1-1, 1-2의 차이점으로서는, 비교 시험 1-1, 1-2에서 사용한 성막 장치에서는, 대향면(34)에 홈(41)이 형성되어 있지 않고, 복수의 가스 분산부(44)가 대향면(34)의 중심을 중심으로 하는 동심원을 따라 당해 대향면(34)으로부터 돌출되도록 설치되어 있는 것을 들 수 있다.
도 16, 도 17은 평가 시험 1-1, 1-2의 결과를 각각 나타내는 웨이퍼(W)의 평면도이며, 도 18, 도 19는 비교 시험 1-1, 1-2의 결과를 각각 나타내는 웨이퍼(W)의 평면도이다. 이들 도 16 내지 도 19에서는, 웨이퍼(W)의 면내에서, 소정의 막 두께로 된 점을, 실선, 점선, 쇄선으로 각각 연결해서 나타내고 있다. 실선은 비교적 높은 막 두께로 된 점을 연결하고, 쇄선은 실선을 그은 점보다도 낮은 막 두께로 된 점을 연결하고, 점선은 쇄선을 그은 점보다도 낮은 막 두께로 된 점을 연결하고 있다. 따라서, 이들 실선, 쇄선, 점선은 동일 정도의 막 두께가 된 영역을 둘러싸서 구획하여 막 두께 분포를 나타내기 위한 등고선이다. 또한, 각 시험에 대해서, 막 두께의 평균값, 막 두께의 레인지(막 두께의 최댓값-막 두께의 최솟값)를 측정하고 있다.
도 16, 도 18을 참조하여 평가 시험 1-1, 비교 시험 1-1을 비교하면, 비교 시험 1-1에서는 실선, 쇄선, 점선으로 둘러싸인 영역이 각각 나타나 있지만, 평가 시험 1-1에서는 실선, 쇄선으로 둘러싸인 영역만이 나타나 있다. 막 두께의 평균값에 대해서, 평가 시험 1-1이 104.7Å, 비교 시험 1-1이 103.8Å이었다. 막 두께의 레인지에 대해서, 평가 시험 1-1이 2.0Å, 비교 시험 1-1이 3.5Å이었다. 이렇게 평가 시험 1-1과 비교 시험 1-1의 사이에서 막 두께의 평균값에 큰 차는 없으며, 평가 시험 1-1에서는 비교 시험 1-1에 비해, 웨이퍼(W)의 면내의 막 두께에 대해서, 균일성이 높다는 것이 확인되었다. 따라서, 본 발명의 효과가 확인되었다.
또한 도 17, 도 19를 참조하여 평가 시험 1-2, 비교 시험 1-2를 비교하면, 비교 시험 1-2에서는 웨이퍼(W)의 둘레 방향으로 점선으로 둘러싸인, 막 두께가 낮은 영역이 분산되어 나타나 있다. 이 점선으로 둘러싸인 영역의 위치는, 가스 분산부(44)가 설치되는 위치에 대응하고 있었다. 즉, 가스 분산부(44)에 의해 가스의 흐름이 저해됨으로써 막 두께의 균일성이 저하된 것으로 추정된다. 이 비교 시험 1-2에 대하여, 평가 시험 1-2에서는 웨이퍼(W)의 둘레 방향으로 보아, 막 두께의 고저의 변화가 억제되어 있다는 것을 알 수 있다. 막 두께의 평균값에 대해서, 평가 시험 1-2가 101.2Å, 비교 시험 1-2가 100.8Å, 막 두께의 레인지에 대해서 평가 시험 1-2가 3.6Å, 비교 시험 1-2가 4.7Å이었다. 이렇게 평가 시험 1-2와 비교 시험 1-2의 사이에서 막 두께의 평균값에 큰 차는 없으며, 평가 시험 1-2에서는 비교 시험 1-2에 비해, 웨이퍼(W)의 면내의 막 두께에 대해서, 균일성이 높다는 것이 확인되었다.
평가 시험 2
평가 시험 2로서, 상기 평가 시험 1-2와 마찬가지로 퍼지 가스를 비교적 큰 유량으로 공급함으로써 TiN막의 성막 처리를 행하여, 웨이퍼(W)의 면내의 각 부에서의 막 두께를 측정하였다. 따라서, 평가 시험 2에서는 도 1 등에서 설명한, 가스 분산부(44)가 대향면(34)으로부터 돌출되지 않는 성막 장치(1)를 사용하고 있다. 또한, 비교 시험 2로서, 상기 비교 시험 1-2와 마찬가지로 퍼지 가스를 비교적 큰 유량으로 공급함으로써 TiN막의 성막 처리를 행하여, 웨이퍼(W)의 면내의 각 부에서의 막 두께를 측정하였다. 따라서, 비교 시험 2에서는 가스 분산부(44)가 대향면(34)으로부터 돌출된 성막 장치를 사용하고 있다. 또한, 이 비교 시험 2에서 사용한 성막 장치에서는, 평가 시험 2에서 사용한 성막 장치(1)와는 도 5에서 설명한 가스 공급로(5)의 구성이 약간 상이하여, 합류로(53)의 하류측이 분기되지 않고 가스 도입용 확산 공간(55)에 접속되어 있다. 평가 시험 2, 비교 시험 2 모두, 1 사이클에 필요한 시간은 0.38초로 설정하였다.
또한, 상기 평가 시험 2, 비교 시험 2에서의 막 두께의 측정점은, 웨이퍼(W)의 중심점, 및 이 중심점을 중심으로 하는 3개의 동심원 상에서의 점이다. 3개의 동심원에 대해서, 내측으로부터 외측을 향해서 제1 원, 제2 원, 제3 원으로 하면, 제2 원의 반경은 제1 원의 반경의 대략 2배의 크기이며, 제3 원의 반경은 제1 원의 반경의 대략 3배의 크기이다. 또한, 제3 원은 웨이퍼(W)의 주연부 상에 위치하고 있다. 제1 원, 제2 원, 제3 원에서 측정점을 각각 8개, 16개, 24개로 설정하고 있고, 동일한 원에 위치하는 측정점은, 둘레 방향으로 등간격을 두고 설정되어 있다. 각 측정점을 구별하기 위해서 번호를 붙인다. 웨이퍼(W)의 중심 측정점을 1, 제1 원의 측정점을 2 내지 9, 제2 원의 측정점을 10 내지 25, 제3 원의 측정점을 26 내지 49로 한다.
도 20의 그래프는 상기 시험 결과를 나타내고 있다. 횡축은 이미 설명한 측정점의 번호를 나타내고 있고, 종축은 막 두께(단위: Å)를 나타내고 있다. 또한, 평가 시험 2의 결과는 그래프 중에 원의 플롯을 붙이고, 각 플롯을 실선으로 연결해서 나타내고 있다. 비교 시험 2의 결과는 그래프 중에 삼각의 플롯을 붙이고, 각 플롯을 점선으로 연결해서 나타내고 있다. 그래프로부터 분명한 바와 같이, 비교 시험 2에 비해 평가 시험 2가 각 측정점 간에서의 막 두께의 변동이 더 억제되어 있다. 따라서, 이 평가 시험 2로부터도 가스 분산부(44)를 대향면(34)으로부터 돌출시키지 않도록 함으로써, 웨이퍼(W)의 면내의 막 두께 분포를 높게 할 수 있는 것으로 나타났다. 또한, 가스 공급로(5)에 대해서, 합류로(53)의 하류측을 분기시켜 가스 도입용 확산 공간(55)에 접속하는 것도, 막 두께의 균일성의 상승에 기여하고 있다고 생각된다.
1 : 성막 장치 10 : 제어부
11 : 처리 용기 17 : 배기 기구
21 : 적재대 3 : 가스 공급로 형성부
34 : 대향면 36 : 하측 샤워 플레이트
38 : 가스 공급구 37 : 하측 확산 공간
41 : 홈 44 : 가스 분산부
46 : 가스 토출구

Claims (10)

  1. 진공 분위기인 처리실 내의 기판에 대하여 처리 가스를 공급해서 처리를 행하는 가스 처리 장치에 있어서,
    상기 처리실에 설치되어, 상기 기판이 적재되는 적재부와,
    상기 적재부의 상방측에 위치해서 상기 처리실의 천장부를 구성하고, 상기 처리 가스를 샤워 형상으로 공급하기 위한 복수의 제1 가스 공급구가 형성되는 가스 공급부와,
    상기 가스 공급부에 상방으로부터 대향하고, 상기 처리 가스를 가로 방향으로 확산시키기 위한 제1 확산 공간을 구획 형성하는 평탄한 대향면을 구비함과 함께, 상기 처리 가스의 공급로를 형성하는 가스 공급로 형성부와,
    상기 대향면의 중앙부의 둘레에 설치되는 오목부와,
    상기 공급로로부터 공급된 상기 처리 가스를 상기 제1 확산 공간에 가로 방향으로 분산시키기 위해서 둘레 방향을 따라 복수의 가스 토출구가 형성되고, 상기 대향면의 중앙부의 둘레에 복수개이고, 각각 당해 대향면으로부터 돌출되지 않고 상기 오목부 내에 설치되는 가스 분산부
    를 포함하는 가스 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급로 형성부는,
    상기 대향면의 중앙부에 하방을 향해서 개구되는 제2 가스 공급구와,
    상기 공급로 및 상기 제2 가스 공급구에 상기 처리 가스를 도입하기 위해서, 당해 공급로 및 제2 가스 공급구에 공통되게 설치되어, 상류측으로부터 상기 처리 가스가 공급되는 공통 유로
    를 포함하는 가스 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 가스 공급구는 상기 처리 가스를 상기 제1 확산 공간에 샤워 형상으로 공급하기 위해 복수 설치되고,
    상기 가스 공급로 형성부는, 상기 처리 가스를 가로 방향으로 확산시켜 상기 제2 가스 공급구에 공급하기 위해서, 각 제2 가스 공급구에 공통인 제2 가스 확산 공간을 포함하고,
    상기 공통 유로는, 상기 공급로 및 상기 제2 가스 확산 공간에 상기 처리 가스를 공급하는 가스 처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급구와 상기 제2 가스 공급구는, 서로 겹치지 않는 가스 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스 처리 장치는, 상기 처리 가스인 원료 가스, 분위기를 치환하기 위한 치환 가스, 및 상기 원료 가스와 반응해서 상기 기판 상에 반응 생성물을 생성하기 위한 반응 가스를 차례로 복수 사이클 공급해서 성막하는 성막 장치이며,
    상기 처리 가스의 공급로의 상류측에는, 상기 원료 가스용 유로, 반응 가스용 유로 및 치환 가스용 유로가 접속되어 있는 가스 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 원료 가스용 유로와 상기 반응 가스용 유로의 합류점에서부터 상기 각 가스 분산부에 이르기까지의 유로의 길이가 서로 동일한 가스 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가스 공급로 형성부에는, 상기 제2 가스 공급구, 상기 제2 가스 확산 공간 및 상기 공통 유로가 설치되고,
    상기 합류점에서부터 상기 각 가스 분산부에 이르기까지의 유로의 길이와, 상기 합류점에서부터 상기 제2 가스 확산 공간에 이르기까지의 유로의 길이가 서로 동일한 가스 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 처리 가스의 공급로는 상기 가스 분산부별로 설치되고,
    상기 가스 공급로 형성부는, 상기 각 공급로에 가스를 공급하기 위해서, 가로 방향으로 상기 처리 가스를 확산시키는 제3 가스 확산 공간과,
    상기 합류점의 하류측이 분기함으로써 형성되고, 상기 처리 가스, 상기 반응 가스, 상기 치환 가스를 각각, 상기 제3 확산 공간에서의 서로 다른 위치에 공급하기 위한 분기로를 포함하는 가스 처리 장치.
  9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 치환 가스 유로에 설치되어, 상기 치환 가스를 저류하는 가스 저류부와,
    상기 치환 가스 유로에 있어서 상기 가스 저류부의 하류측에 설치되고, 상기 치환 가스가 저류되어 상기 가스 저류부 내가 승압된 후, 당해 가스 저류부로부터 상기 치환 가스가 상기 처리실에 공급되도록 개폐되는 밸브
    를 포함하는 가스 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오목부는 상방을 향함에 따라서 개구 면적이 작아지도록 형성되어 있는 가스 처리 장치.
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