KR20200115247A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있는 기술을 제공한다. 본 개시의 일 형태에 의한 성막 방법은, 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 강온시키면서, 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 강온 스텝과, 상기 강온 스텝 후에 행하여지고, 상기 기판의 온도를 제3 온도로 유지하면서, 상기 처리 용기 내에 상기 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 상기 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 정온 스텝을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 개시는, 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
표면에 미세 오목부가 형성된 기판에, 실란계 가스 및 실리콘계 염소 함유 화합물 가스를 공급해서 실리콘막을 성막하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2017-152426호 공보
본 개시는, 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 의한 성막 방법은, 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 강온시키면서, 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 강온 스텝과, 상기 강온 스텝 후에 행하여지고, 상기 기판의 온도를 제3 온도로 유지하면서, 상기 처리 용기 내에 상기 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 상기 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 정온 스텝을 갖는다.
본 개시에 의하면, 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다.
도 1은 일 실시 형태의 성막 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 시드층을 형성하는 공정에서의 온도 제어의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 종형 열처리 장치의 구성예를 도시하는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 종형 열처리 장치의 처리 용기를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 평가 샘플을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 막 두께의 면내 분포의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시예 1의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 8은 비교예 1의 평가 결과를 도시하는 도면이다.
도 9는 실시예 2 및 비교예 2의 평가 샘플을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 막 두께의 면내 분포의 측정 결과를 도시하는 도면이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 실시 형태에 대해서 설명한다. 첨부의 전체 도면 중, 동일하거나 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일하거나 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
〔성막 방법〕
일 실시 형태의 성막 방법에 대해서 설명한다. 도 1은, 일 실시 형태의 성막 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1에 도시되는 바와 같이, 일 실시 형태의 성막 방법은, 기판을 준비하는 공정 S10과, 기판 상에 시드층을 형성하는 공정 S20과, 시드층 상에 비정질 실리콘막을 형성하는 공정 S30을 갖는다. 이하, 각 공정에 대해서 설명한다.
(기판을 준비하는 공정 S10)
기판을 준비하는 공정 S10에서는, 비정질 실리콘막을 형성하는 기판을 준비한다. 기판으로서는, 표면이 평활한 기판이어도 되고, 표면에 트렌치, 홀 등의 오목부가 형성되어 있는 기판이어도 된다. 기판은, 예를 들어 실리콘 기판 등의 반도체 기판이면 된다. 또한, 기판의 표면에는, 예를 들어 실리콘 산화막(SiO2막), 실리콘 질화막(SiN막) 등의 절연막이 형성되어 있어도 된다.
(시드층을 형성하는 공정 S20)
시드층을 형성하는 공정 S20에서는, 기판에 시드층용 실리콘 원료 가스를 공급해서 기판 상에 시드층을 형성한다. 도 2는, 시드층을 형성하는 공정 S20에서의 온도 제어의 일례를 도시하는 도면이다. 도 2 중, 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 설정 온도를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 시드층을 형성하는 공정 S20은, 제1 승온 스텝 S21과, 강온 스텝 S22와, 제2 승온 스텝 S23과, 정온 스텝 S24를 갖는다.
제1 승온 스텝 S21은, 감압 가능한 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 초기 온도(T0)에서 제1 온도(T1)로 승온시키는 스텝이다. 제1 승온 스텝 S21은, 예를 들어 처리 용기 내를 진공 펌프 등에 의한 진공 상태에서 행하여진다. 또한, 제1 승온 스텝 S21은, 예를 들어 처리 용기 내에 불활성 가스, 혹은 수소 가스를 공급하면서 행하여져도 된다. 제1 온도(T1)는, 초기 온도(T0)보다도 높은 온도이다. 초기 온도(T0) 및 제1 온도(T1)는, 후술하는 강온 스텝 S22, 정온 스텝 S24에서 처리 용기 내에 공급하는 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 종류에 따라 정해진다. 또한, 제1 승온 스텝 S21은, 온도 안정 스텝으로 해도 되고, 그 경우, 초기 온도(T0)=제1 온도(T1)로 해도 된다.
강온 스텝 S22는, 감압 가능한 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 강온시키면서, 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 스텝이다. 이 스텝의 목적은 이하와 같다. 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급할 때 기판의 중앙부와 주연부의 온도가 대략 동일한 경우, 원료 가스 농도가 높은 기판 주연부의 핵 형성의 진행이 빨라, 기판면 내에서 핵 형성의 진행에 변동이 발생한다. 강온함으로써 기판면 내 온도를 중앙부>주연부로 할 수 있어, 핵 형성의 진행을 면 내에서 고르게 하는 것이 가능하게 된다. 강온 스텝 S22는, 시드층을 형성하는 공정 S20의 초기에 행하여지는 스텝이며, 정온 스텝 S24에 앞서 행하여진다.
강온 스텝 S22에서는, 예를 들어 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 강온 도중부터 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 공급을 개시한다. 이에 의해, 기판의 중앙부와 주연부에 온도 차가 발생하고 나서 원료 가스의 공급을 개시하게 되어, 기판의 중앙부와 주연부의 핵 형성의 진행을 효율적으로 고르게 할 수 있다는 효과가 발휘된다.
또한, 강온 스텝 S22에서는, 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로의 강온 개시와 동시에 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 공급을 개시해도 된다.
제2 온도(T2)는, 예를 들어 초기 온도(T0) 및 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도이다. 단, 제2 온도(T2)는, 제1 온도(T1)보다도 낮은 온도이면 되며, 예를 들어 초기 온도(T0) 이상의 온도이어도 된다. 제2 온도(T2)는, 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 종류에 따라 정해진다.
강온 스텝 S22의 시간은, 기판에 대한 실리콘막의 인큐베이션 타임과 동일하거나 또는 대략 동일한 시간인 것이 바람직하다. 또한, 인큐베이션 타임이란, 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 공급을 개시한 후, 실제로 기판 상에 막의 형성이 시작될 때까지의 핵 형성의 시간을 말한다. 또한, 기판의 표면에 절연막이 형성되어 있는 경우에는, 강온 스텝 S22의 시간은, 절연막에 대한 실리콘막의 인큐베이션 타임과 동일하거나 또는 대략 동일한 시간인 것이 바람직하다. 또한, 강온 스텝 S22의 시간은, 예를 들어 정온 스텝 S24의 시간보다도 짧게 설정된다. 단, 강온 스텝 S22의 시간은, 정온 스텝 S24의 시간보다도 길게 설정되어도 된다.
할로겐 비함유 실리콘 원료 가스로서는, 예를 들어 아미노실란계 가스, 수소화 실리콘 가스를 이용할 수 있다. 아미노실란계 가스로서는, 예를 들어 DIPAS(디이소프로필아미노실란), 3DMAS(트리스디메틸아미노실란), BTBAS(비스터셔리부틸아미노실란)를 들 수 있다. 수소화 실리콘 가스로서는, 예를 들어 SiH4, Si2H6, Si3H8, Si4H10을 들 수 있다.
할로겐 함유 실리콘 원료 가스로서는, 예를 들어 불소 함유 실리콘 가스, 염소 함유 실리콘 가스, 브롬 함유 실리콘 가스를 이용할 수 있다. 불소 함유 실리콘 가스로서는, 예를 들어 SiF4, SiHF3, SiH2F2, SiH3F를 들 수 있다. 염소 함유 실리콘 가스로서는, 예를 들어 SiCl4, SiHCl3, SiH2Cl2(DCS), SiH3Cl, Si2Cl6을 들 수 있다. 브롬 함유 실리콘 가스로서는, 예를 들어 SiBr4, SiHBr3, SiH2Br2, SiH3Br을 들 수 있다.
제2 승온 스텝 S23은, 감압 가능한 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제2 온도(T2)에서 제3 온도(T3)로 승온시키는 스텝이다. 제2 승온 스텝 S23은, 예를 들어 처리 용기 내에 수소 가스를 공급한 상태에서 행하여진다. 또한, 제2 승온 스텝 S23은, 예를 들어 처리 용기 내를 진공 펌프 등에 의한 진공 상태에서 행하여져도 되고, 처리 용기 내에 불활성 가스를 공급하면서 행하여져도 된다. 제3 온도(T3)는, 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 종류에 따라 정해진다. 제3 온도(T3)는, 예를 들어 제2 온도(T2) 이상, 제1 온도(T1) 이하의 온도이면 된다. 그러나, 그것에 한하지는 않는다. 제3 온도(T3)는, 제2 온도(T2) 이하, 혹은 제1 온도(T1) 이상의 온도이어도 된다.
정온 스텝 S24는, 감압 가능한 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제3 온도(T3)로 유지하면서, 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 스텝이다. 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스로서는, 예를 들어 강온 스텝 S22와 마찬가지의 가스를 이용할 수 있다.
또한, 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스로서 SiH4 가스, 할로겐 함유 실리콘 원료 가스로서 DCS 가스를 사용하는 경우의 초기 온도(T0), 제1 온도(T1), 제2 온도(T2) 및 제3 온도(T3)의 적합한 온도 범위는 이하와 같다. 중심 온도를 베이스로, 각각의 원료 가스 공급량, 공급량비, 혹은 처리 용기 내의 압력 등에 따라서 정해진다.
초기 온도(T0): 400 내지 500℃(중심 온도: 450℃)
제1 온도(T1): 430 내지 530℃(중심 온도: 480℃)
제2 온도(T2): 390 내지 490℃(중심 온도: 440℃)
제3 온도(T3): 420 내지 520℃(중심 온도: 470℃)
(비정질 실리콘막을 형성하는 공정 S30)
비정질 실리콘막을 형성하는 공정 S30에서는, 기판에 실리콘 원료 가스를 공급해서 시드층 상에 비정질 실리콘막을 형성한다. 일 실시 형태에서는, 예를 들어 화학 기상 퇴적(CVD: Chemical Vapor Deposition)법에 의해, 기판을 미리 결정된 온도(예를 들어, 400 내지 550℃)로 가열한 상태에서 실리콘 원료 가스를 공급해서 시드층 상에 비정질 실리콘막을 컨포멀하게 성막한다. 비정질 실리콘막은, 논 도프 실리콘막이어도 되고, 불순물을 도프한 실리콘막이어도 된다. 불순물로서는, 예를 들어 보론(B), 인(P), 비소(As), 산소(O), 탄소(C)를 들 수 있다.
실리콘 원료 가스로서는, CVD법에 적용 가능하면 되며, 예를 들어 수소화 실리콘 가스, 할로겐 함유 실리콘 가스, 아미노실란계 가스 중 1개 또는 복수를 조합해서 이용할 수 있다. 또한, 불순물을 도프할 경우의 불순물 함유 가스로서는, 예를 들어 B2H6, BCl3, PH3, AsH3을 들 수 있다.
그런데, 기판면 내의 온도가 대략 동일한 상태에서 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급해서 막을 형성하는 경우, 기판 중앙부에 대하여 기판 주연의 막 두께가 두꺼워진다. 그러한 막 형성 분포가 되는 요인으로서 이하를 생각할 수 있다. 첫번째는 인큐베이션 타임 차이며, 두번째는 막 형성의 진행의 차(성막 레이트 차)이다. 예의 검토를 행한 결과, 주요인은 인큐베이션 타임 차인 것에 상도했다. 특히, 표면에 홀이나 트렌치 등의 오목부(오목 패턴)가 형성된 기판, 즉, 표면적이 큰 기판의 경우, 기판의 면 내에서의 인큐베이션 타임 차가 커진다. 인큐베이션 타임이 짧은 영역에서는, 인큐베이션 타임이 긴 영역보다도 기판 상에 성막이 시작될 때까지의 시간이 짧기 때문에, 막 두께가 두꺼워진다. 그 때문에, 막 두께의 면내 균일성이 악화된다.
그래서, 일 실시 형태의 성막 방법에서는, 시드층을 형성하는 공정 S20에서, 성막 초기에 강온 스텝 S22를 행하고, 강온 스텝 S22 후에 정온 스텝 S24를 행한다. 강온 스텝 S22는, 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제1 온도(T1)에서 제2 온도(T2)로 강온시키면서, 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 스텝이다. 정온 스텝 S24는, 기판의 온도를 제3 온도(T3)로 유지하면서, 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 스텝이다. 이에 의해, 면내 균일성이 악화되는 주요인인 인큐베이션 타임 차를 작게 하고, 그 후에는 성막 레이트를 확보해서 막 형성을 행하게 된다.
일 실시 형태의 성막 방법에서는, 시드층을 형성하는 공정 S20에서, 강온 스텝 S22를 행하는 것은 성막 초기만이다. 이에 의해, 생산성의 악화를 억제하고, 또한 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다.
〔성막 장치〕
상기 성막 방법을 실시할 수 있는 성막 장치에 대해서, 다수매의 기판에 대하여 일괄적으로 열처리를 행하는 뱃치식 종형 열처리 장치를 예로 들어 설명한다. 단, 성막 장치는, 뱃치식 장치에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 기판을 1매씩 처리하는 매엽식 장치이어도 된다.
도 3은, 종형 열처리 장치의 구성예를 도시하는 종단면도이다. 도 4는, 도 3의 종형 열처리 장치의 처리 용기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 종형 열처리 장치(1)는, 처리 용기(34)와, 덮개(36)와, 웨이퍼 보트(38)와, 가스 공급부(40)와, 배기부(41)와, 가열부(42)를 갖는다.
처리 용기(34)는, 웨이퍼 보트(38)를 수용하는 처리 용기이다. 웨이퍼 보트(38)는, 다수매의 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼(W)」라고 함)를 상하 방향으로 미리 결정된 간격을 두고 선반 형상으로 보유 유지하는 기판 보유 지지구이다. 처리 용기(34)는, 하단이 개방된, 천장이 있는 원통 형상의 내부관(44)과, 하단이 개방되고 내부관(44)의 외측을 덮는 천장이 있는 원통 형상의 외부관(46)을 갖는다. 내부관(44) 및 외부관(46)은, 석영 등의 내열성 재료에 의해 형성되어 있고, 동축형으로 배치되어 이중관 구조로 되어 있다.
내부관(44)의 천장부(44A)는, 예를 들어 평탄하게 되어 있다. 내부관(44)의 일측에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 가스 공급관을 수용하는 노즐 수용부(48)가 형성되어 있다. 예를 들어 도 4에 도시된 바와 같이, 내부관(44)의 측벽의 일부를 외측을 향해서 돌출시켜 볼록부(50)를 형성하여, 볼록부(50) 내를 노즐 수용부(48)로서 형성하고 있다. 노즐 수용부(48)에 대향시켜서 내부관(44)의 반대측 측벽에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 폭 L1의 직사각 형상의 개구(52)가 형성되어 있다.
개구(52)는, 내부관(44) 내의 가스를 배기할 수 있도록 형성된 가스 배기구이다. 개구(52)의 길이는, 웨이퍼 보트(38)의 길이와 동일하거나, 또는 웨이퍼 보트(38)의 길이보다도 길게 상하 방향으로 각각 연장되도록 해서 형성되어 있다. 즉, 개구(52)의 상단은, 웨이퍼 보트(38)의 상단에 대응하는 위치 이상의 높이로 연장되어 위치되고, 개구(52)의 하단은, 웨이퍼 보트(38)의 하단에 대응하는 위치 이하의 높이로 연장되어 위치되어 있다. 구체적으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 웨이퍼 보트(38)의 상단과 개구(52)의 상단의 사이의 높이 방향의 거리 L2는 0mm 내지 5mm 정도의 범위 내이다. 또한, 웨이퍼 보트(38)의 하단과 개구(52)의 하단의 사이의 높이 방향의 거리 L3은 0mm 내지 350mm 정도의 범위 내이다.
처리 용기(34)의 하단은, 예를 들어 스테인리스강에 의해 형성되는 원통 형상의 매니폴드(54)에 의해 지지되어 있다. 매니폴드(54)의 상단에는 플랜지부(56)가 형성되어 있고, 플랜지부(56) 상에 외부관(46)의 하단을 설치해서 지지하도록 되어 있다. 플랜지부(56)와 외부관(46)의 하단과의 사이에는 O링 등의 시일 부재(58)를 개재시켜 외부관(46) 내를 기밀 상태로 하고 있다.
매니폴드(54)의 상부의 내벽에는, 원환 형상의 지지부(60)가 마련되어 있고, 지지부(60) 상에 내부관(44)의 하단을 설치해서 이것을 지지하도록 되어 있다. 매니폴드(54)의 하단의 개구에는, 덮개(36)가 O링 등의 시일 부재(62)를 개재해서 기밀하게 설치되어 있어, 처리 용기(34)의 하단의 개구, 즉, 매니폴드(54)의 개구를 기밀하게 막도록 되어 있다. 덮개(36)는, 예를 들어 스테인리스강에 의해 형성된다.
덮개(36)의 중앙부에는, 자성유체 시일부(64)를 개재해서 회전축(66)이 관통되어 마련되어 있다. 회전축(66)의 하부는, 보트 엘리베이터로 이루어지는 승강부(68)의 암(68A)에 회전 가능하게 지지되어 있다.
회전축(66)의 상단에는 회전 플레이트(70)가 마련되어 있고, 회전 플레이트(70) 상에 석영제의 보온 대(72)를 통해서 웨이퍼(W)를 보유 지지하는 웨이퍼 보트(38)가 적재되도록 되어 있다. 따라서, 승강부(68)를 승강시킴으로써 덮개(36)와 웨이퍼 보트(38)는 일체로서 상하 이동하여, 웨이퍼 보트(38)를 처리 용기(34) 내에 대하여 삽입 분리할 수 있도록 되어 있다.
가스 공급부(40)는, 매니폴드(54)에 마련되어 있고, 내부관(44) 내에 성막 가스, 에칭 가스, 퍼지 가스 등의 가스를 도입한다. 가스 공급부(40)는, 복수(예를 들어 3개)의 석영제의 가스 공급관(76, 78, 80)을 갖고 있다. 각 가스 공급관(76, 78, 80)은, 내부관(44) 내에 그 길이 방향을 따라서 마련됨과 함께, 그 기단부가 L자형으로 굴곡되어 매니폴드(54)를 관통하도록 해서 지지되어 있다.
가스 공급관(76, 78, 80)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 내부관(44)의 노즐 수용부(48) 내에 둘레 방향을 따라 일렬로 되도록 설치되어 있다. 각 가스 공급관(76, 78, 80)에는, 그 길이 방향을 따라 미리 결정된 간격으로 복수의 가스 구멍(76A, 78A, 80A)이 형성되어 있다. 각 가스 구멍(76A, 78A, 80A)은, 수평 방향을 향해서 각 가스를 방출한다. 이에 의해, 웨이퍼(W)의 주위로부터 웨이퍼(W)의 주면과 대략 평행하게 각 가스가 공급된다. 미리 결정된 간격은, 예를 들어 웨이퍼 보트(38)에 지지되는 웨이퍼(W)의 간격과 동일해지도록 설정된다. 또한, 높이 방향의 위치는, 각 가스 구멍(76A, 78A, 80A)이 상하 방향으로 인접하는 웨이퍼(W)간의 중간에 위치하도록 설정되어 있어, 각 가스를 웨이퍼(W)간의 공간부에 효율적으로 공급할 수 있도록 되어 있다. 가스의 종류로서는, 성막 가스, 에칭 가스 및 퍼지 가스가 사용되고, 각 가스를 유량 제어하면서 필요에 따라 각 가스 공급관(76, 78, 80)을 통해서 공급할 수 있도록 되어 있다. 성막 가스는, 예를 들어 상술한 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 포함한다.
매니폴드(54)의 상부의 측벽이며, 지지부(60)의 상방에는, 가스 출구(82)가 형성되어 있어, 내부관(44)과 외부관(46)의 사이의 공간부(84)를 통해서 개구(52)로부터 배출되는 내부관(44) 내의 가스를 배기할 수 있게 되어 있다. 가스 출구(82)에는, 배기부(41)가 마련된다. 배기부(41)는, 가스 출구(82)에 접속된 배기 통로(86)를 갖고 있으며, 배기 통로(86)에는, 압력 조정 밸브(88) 및 진공 펌프(90)가 순차 개재 설치되어, 처리 용기(34) 내를 진공화할 수 있도록 되어 있다.
외부관(46)의 외주측에는, 외부관(46)을 덮도록 원통 형상의 가열부(42)가 마련되어 있다. 가열부(42)는, 처리 용기(34) 내에 수용되는 웨이퍼(W)를 가열한다.
종형 열처리 장치(1)의 전체의 동작은, 제어부(95)에 의해 제어된다. 제어부(95)는, 예를 들어 컴퓨터 등이면 된다. 또한, 종형 열처리 장치(1)의 전체의 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체(96)에 기억되어 있다. 기억 매체(96)는, 예를 들어 플렉시블 디스크, 콤팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이면 된다.
이러한 종형 열처리 장치(1)에 의해, 웨이퍼(W)에 비정질 실리콘막을 형성하는 성막 방법의 일례를 설명한다. 먼저, 승강부(68)에 의해 다수매의 웨이퍼(W)를 보유 지지한 웨이퍼 보트(38)를 처리 용기(34) 내에 반입하고, 덮개(36)에 의해 처리 용기(34)의 하단의 개구를 기밀하게 막아 밀폐한다. 계속해서, 제어부(95)에 의해, 상술한 성막 방법을 실행하도록, 가스 공급부(40), 배기부(41), 가열부(42) 등의 동작이 제어된다. 이에 의해, 웨이퍼(W) 상에 비정질 실리콘막이 형성된다.
그런데, 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스가 웨이퍼(W)의 주위로부터 웨이퍼(W)의 주면과 대략 평행하게 공급되는 경우, 웨이퍼 주연부의 막 두께가 웨이퍼 중앙부의 막 두께보다도 두꺼워지기 쉽다. 특히, 다수매의 웨이퍼(W)가 상하 방향으로 미리 결정된 간격을 두고 선반 형상으로 보유 지지되어 있는 경우, 해당 간격이 좁아질수록 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이에 발생하는 막 두께 차가 커진다. 그 때문에, 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이에 발생하는 막 두께 차를 작게 하기 위해서, 해당 간격을 넓히는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 해당 간격을 넓히면, 처리 용기 내에 수용 가능한 웨이퍼(W)의 매수가 적어지기 때문에, 생산성이 저하된다.
그래서, 일 실시 형태의 성막 방법에서는, 시드층을 형성하는 공정 S20에서, 성막 초기에 강온 스텝 S22를 행하고, 강온 스텝 S22 후에 정온 스텝 S24를 행한다. 그 결과, 웨이퍼(W)의 면 내에서의 인큐베이션 타임 차가 작아져, 웨이퍼(W) 상에 형성되는 비정질 실리콘막의 막 두께의 면내 균일성이 개선되므로, 해당 간격을 넓히지 않고, 비정질 실리콘막의 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다. 바꾸어 말하면, 생산성을 악화시키지 않고, 비정질 실리콘막의 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다.
〔실시예〕
이어서, 일 실시 형태의 성막 방법의 효과를 확인하기 위해서 행한 실시예에 대해서 설명한다.
실시예 1에서는, 표면이 평활하고, 표면에 SiO2막(502)이 형성된 실리콘 웨이퍼(501)(도 5 참조) 상에 상술의 시드층을 형성하는 공정 S20을 실행함으로써, 막 두께가 상이한 복수의 비정질 실리콘막(503)을 형성했다. 또한, 성막 장치로서 상술한 종형 열처리 장치(1)를 사용했다. 시드층을 형성하는 공정 S20에서의 처리 조건은 이하와 같다.
초기 온도(T0): 450℃
제1 온도(T1): 480℃
제2 온도(T2): 440℃
제3 온도(T3): 470℃
할로겐 비함유 실리콘 원료 가스: SiH4 가스
할로겐 함유 실리콘 원료 가스: DCS 가스
또한, 실시예 1의 비교를 위해서, 웨이퍼 온도를 일정(470℃)하게 유지하면서, 실시예 1과 마찬가지의 실리콘 웨이퍼(501) 상에, 막 두께가 상이한 복수의 비정질 실리콘막(503)을 형성했다(비교예 1). 또한, 비교예 1에서의 웨이퍼 온도 이외의 처리 조건은, 실시예 1의 처리 조건과 마찬가지이다.
계속해서, 실시예 1 및 비교예 1에서 각각 형성한 비정질 실리콘막(503)에 대해서, 웨이퍼의 면 내에서의 막 두께 분포를 측정했다.
도 6은, 막 두께의 면내 분포의 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 6 중, 횡축은 웨이퍼 위치[mm]를 나타내고, 종축은 비정질 실리콘막(503)의 막 두께[nm]를 나타낸다. 또한, 도 6 중, 실시예 1의 측정 결과를 원(●) 표시로 나타내고, 비교예 1의 측정 결과를 삼각(▲) 표시로 나타낸다. 또한, 웨이퍼 위치 0mm는 웨이퍼 중심을 나타내고, 웨이퍼 위치 -150mm, +150mm는 웨이퍼 단부를 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1에서는, 웨이퍼 주연부의 막 두께가 웨이퍼 중앙부의 막 두께보다도 두껍게 되어 있다. 이에 반해, 실시예 1에서는, 비교예 1과 비교하여, 웨이퍼 중앙부의 막 두께가 두꺼워져, 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이의 막 두께 차가 작아져 있다. 구체적으로는, 실시예 1에서는 막 두께의 면내 균일성은 ±1.7％인 것에 반해, 비교예 1에서는 막 두께의 면내 균일성은 ±3.6％였다. 이러한 결과로부터, 실시예 1에 관한 성막 방법에 의하면, 비교예 1에 관한 성막 방법과 비교하여, 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다고 할 수 있다.
계속해서, 실시예 1 및 비교예 1에서 형성한 복수의 비정질 실리콘막(503)의 웨이퍼 중앙부 및 웨이퍼 주연부에서의 막 두께를 측정함으로써, 웨이퍼 중앙부 및 웨이퍼 주연부에서의 인큐베이션 타임을 산출했다.
도 7은, 실시예 1의 평가 결과를 도시하는 도면이다. 도 8은, 비교예 1의 평가 결과를 도시하는 도면이다. 도 7 및 도 8 중, 횡축은 시드층을 형성하는 공정 S20의 처리 시간[min]을 나타내고, 종축은 비정질 실리콘막(503)의 막 두께[nm]를 나타낸다. 또한, 도 7 및 도 8 중, 웨이퍼 중앙부의 측정 결과를 원(○) 표시로 나타내고, 웨이퍼 주연부의 측정 결과를 삼각(△) 표시로 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실시예 1에서는, 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이의 인큐베이션 타임 차(ΔTi)는 1.5min이었다. 한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 비교예 1에서는, 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이의 인큐베이션 타임 차(ΔTi)는 2.8min이었다. 즉, 실시예 1에 관한 성막 방법에서는, 비교예 1에 관한 성막 방법과 비교하여, 인큐베이션 타임 차(ΔTi)가 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 비교예 1의 인큐베이션 타임은 웨이퍼 주연부가 짧은 것에 반해, 실시예 1의 인큐베이션 타임은 웨이퍼 중앙부가 짧게 되어 있다. 이로부터, 성막 초기의 강온 스텝 S22에서 강온시키면서 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급함으로써 인큐베이션 타임 차를 제어할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 성막 레이트(그래프의 기울기)는 웨이퍼 중앙부와 주연부에서 마찬가지인 것을 알 수 있다.
이상의 실시예 1 및 비교예 1의 결과로부터, 시드층을 형성하는 공정 S20에서, 강온 스텝 S22 및 정온 스텝 S24를 이 순번으로 행함으로써, 웨이퍼면 내에서의 인큐베이션 타임 차(ΔTi)를 작게 할 수 있다고 할 수 있다. 그 결과, 평활한 표면을 갖는 기판 상에 비정질 실리콘막을 형성할 때의 막 두께의 면내 균일성을 효율적으로 개선할 수 있다고 할 수 있다.
실시예 2에서는, 표면에 오목부(901a)가 형성되고, 오목부(901a)의 표면에 SiO2막(902)이 형성된 실리콘 웨이퍼(901)(도 9 참조) 상에 상술한 시드층을 형성하는 공정 S20을 실행함으로써, 비정질 실리콘막(903)을 형성했다. 또한, 성막 장치로서 상술한 종형 열처리 장치(1)를 사용했다. 시드층을 형성하는 공정 S20에서의 처리 조건은 실시예 1과 마찬가지이다.
또한, 실시예 2의 비교를 위해서, 웨이퍼 온도를 일정(470℃)하게 유지하면서, 실시예 2와 마찬가지의 실리콘 웨이퍼(901) 상에 비정질 실리콘막(903)을 형성했다(비교예 2). 또한, 비교예 2에서의 웨이퍼 온도 이외의 처리 조건은, 실시예 2의 처리 조건과 마찬가지이다.
계속해서, 실시예 2 및 비교예 2에서 각각 형성한 비정질 실리콘막(903)에 대해서, 웨이퍼의 면 내에서의 막 두께 분포를 측정했다.
도 10은, 막 두께의 면내 분포의 측정 결과를 도시하는 도면이다. 도 10 중, 횡축은 웨이퍼 위치[mm]를 나타내고, 종축은 비정질 실리콘막(903)의 막 두께[nm]를 나타낸다. 또한, 도 10 중, 실시예 2의 측정 결과를 원(●) 표시로 나타내고, 비교예 2의 측정 결과를 삼각(▲) 표시로 나타낸다. 또한, 웨이퍼 위치 0mm는 웨이퍼 중심을 나타내고, 웨이퍼 위치 -150mm, +150mm는 웨이퍼 단부를 나타낸다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 실시예 2 및 비교예 2의 어느 경우든, 웨이퍼 주연부의 막 두께가 웨이퍼 중앙부의 막 두께보다도 두껍게 되어 있지만, 실시예 2에서는, 비교예 2와 비교하여, 웨이퍼 중앙부와 웨이퍼 주연부의 사이의 막 두께 차가 작게 되어 있다. 구체적으로는, 실시예 2에서는 막 두께의 면내 균일성은 ±5.1％였던 것에 반해, 비교예 2에서는 막 두께의 면내 균일성은 ±7.8％였다. 이러한 결과로부터, 실시예 2에 관한 성막 방법에 의하면, 비교예 2에 관한 성막 방법과 비교하여, 막 두께의 면내 균일성을 개선할 수 있다고 할 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
상기 실시 형태에서는, 기판이 반도체 기판일 경우를 예로 들어 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 기판은 플랫 패널 디스플레이(FPD: Flat Panel Display)용 대형 기판, EL 소자 또는 태양 전지용 기판이어도 된다.

Claims (10)

  1. 처리 용기 내에 수용된 기판의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 강온시키면서, 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 강온 스텝과,
    상기 강온 스텝 후에 행하여지고, 상기 기판의 온도를 제3 온도로 유지하면서, 상기 처리 용기 내에 상기 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 상기 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 정온 스텝
    을 포함하는, 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 상기 할로겐 함유 실리콘 원료 가스는, 상기 기판의 주위로부터 공급되는, 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 상기 할로겐 함유 실리콘 원료 가스는, 상기 기판의 주면과 대략 평행하게 공급되는, 성막 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강온 스텝에서는, 강온 도중부터 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 공급을 개시하는, 성막 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강온 스텝에서는, 강온 개시와 동시에 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스의 공급을 개시하는, 성막 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 온도는, 상기 제2 온도 이상, 상기 제1 온도 이하인, 성막 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강온 스텝의 시간은, 상기 정온 스텝의 시간보다도 짧은, 성막 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판의 표면에는, 오목부가 형성되어 있는, 성막 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 용기 내에는, 복수의 기판이 상하 방향으로 미리 결정된 간격을 두고 선반 형상으로 수용되는, 성막 방법.
  10. 기판을 수용하는 처리 용기와,
    상기 기판을 가열하는 가열부와,
    상기 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 기판의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 강온시키면서, 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 강온 스텝과,
    상기 강온 스텝 후에 행하여지고, 상기 기판의 온도를 일정하게 제어하면서, 상기 처리 용기 내에 할로겐 비함유 실리콘 원료 가스 및 할로겐 함유 실리콘 원료 가스를 공급하는 정온 스텝
    을 실행하도록 상기 가열부 및 상기 가스 공급부를 제어하는, 성막 장치.
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