KR20220110802A - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록매체 - Google Patents

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 기록매체 Download PDF

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KR20220110802A
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유노스케 사카이
다카시 오자키
게이고 니시다
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

기판 상에 형성된 막의 면내 막 두께 균일성을 향상시키는 구성을 제공한다. 기판을 처리하는 처리실에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 노즐과, 처리 가스 노즐과 기판의 둘레 방향에 있어서 소정 거리 이격되어 배치되어, 처리실에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 노즐과, 내부에 처리실을 구성하고, 처리 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제1 돌출부와, 불활성 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제2 돌출부를 갖는 반응관을 구비하고, 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 불활성 가스는, 처리 가스가 흐르는 방향을 기판측을 향하게 하도록 처리 가스 노즐을 향해서 공급되도록 구성된다.

Description

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램
본 개시는, 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서, 처리실 내의 기판(웨이퍼)에 대하여 처리 가스를 공급하여, 기판 상에 막을 형성하는 처리가 행하여진다. 반도체 디바이스의 고미세화, 고심층화에 수반하여, 처리실 내의 웨이퍼가 패턴 웨이퍼인 경우, 웨이퍼의 중심 부근에 있어서 처리 가스의 공급량이 부족했기 때문에, 웨이퍼 상에 형성된 막의 면내 막 두께 균일성이 악화하는 경우가 있다. 이에 대해, 처리 가스를 웨이퍼 중심에 공급하고, 웨이퍼 상의 면내 막 두께 균일성을 향상시키는 경우가 있다(예를 들어 특허문헌 1 및 2 참조).
국제 공개 제2018/154823호 팸플릿 국제 공개 제2016/157401호 팸플릿
본 개시는, 기판 상에 형성된 막의 면내 막 두께 균일성을 향상시키는 구성을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 의하면,
기판을 처리하는 처리실에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 노즐과,
상기 처리 가스 노즐과 상기 기판의 둘레 방향에 있어서 소정 거리 이격되어 배치되어, 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 노즐과,
내부에 상기 처리실을 구성하고, 상기 처리 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제1 돌출부와, 상기 불활성 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제2 돌출부를 갖는 반응관을 구비하고,
상기 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 상기 불활성 가스는, 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 상기 기판측을 향하게 하도록 상기 처리 가스 노즐을 향해서 공급되는 기술이 제공된다.
본 개시에 의하면, 기판 상에 형성된 막의 면내 막 두께 균일성을 향상시키는 구성을 제공할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면도로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 처리로의 일부를 도 1의 A-A선 단면도로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 성막 시퀀스를 도시하는 도면이다.
도 5의 (A)는, 본 개시의 일 실시 형태에서 적합하게 사용되는 기판 처리 장치의 처리로 내에서의 원료 라디칼의 농도 분포를 도시하는 도면이며, 도 5의 (B)는, 도 5의 (A)에서의 카운터 노즐 부근의 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 형태(본 실시예)에 관한 기판 처리 장치와, 비교예 1에 관한 기판 처리 장치와, 비교예 2에 관한 기판 처리 장치를 각각 사용해서 기판 상에 형성한 막의 면내 막 두께 분포의 해석 결과를 도시하는 도면이다.
도 7의 (A)는, 비교예 2에 관한 기판 처리 장치를 사용해서 기판 상에 막을 형성한 경우의 카운터 노즐에서의 불활성 가스의 유량과 면내 막 두께 분포의 관계를 도시한 도면이다. 도 7의 (B)는, 본 개시의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치를 사용해서 기판 상에 막을 형성한 경우의 카운터 노즐에서의 불활성 가스의 유량과 면내 막 두께 분포의 관계를 도시한 도면이다.
이하, 본 개시의 일 실시 형태에 대해서, 도 1 내지 도 4를 사용해서 설명한다. 단, 이하의 설명에 있어서, 동일 구성 요소에는 동일 부호를 붙이고 반복 설명을 생략하는 경우가 있다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리로(202)는 가열 수단(가열 기구)으로서의 히터(207)를 갖는다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보유 지지판에 지지됨으로써 수직으로 거치되어 있다. 히터(207)는, 가스를 열로 활성화(여기)시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
히터(207)의 내측에는, 히터(207)와 동심원상으로 반응관(203)이 배치되어 있다. 반응관(203)은, 예를 들어 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성되어 있다. 반응관(203)의 하방에는, 반응관(203)과 동심원상으로 매니폴드(209)가 배치되어 있다. 매니폴드(209)는, 예를 들어 니켈 합금 등의 금속으로 이루어지고, 상단 및 하단이 개구된 짧은 원통형으로 형성되어 있다. 매니폴드(209)의 상단부는, 반응관(203)의 하단부에 걸림 결합하고 있어, 반응관(203)을 지지한다. 매니폴드(209)와 반응관(203)의 사이에는, 시일 부재로서의 O링(220a)이 마련되어 있다. 반응관(203)은 히터(207)와 마찬가지로 수직으로 거치되어 있다. 주로, 반응관(203)과 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 처리 용기의 내부에는 처리실(201)이 형성된다. 처리실(201)은, 기판으로서의 웨이퍼(200)를 수용 가능하게 구성된다.
처리실(201)에는, 제1 가스 노즐로서 성막 가스(처리 가스)를 공급하는 노즐(249a), 제2 가스 노즐로서 성막 가스(처리 가스)를 공급하는 노즐(249b), 제3 가스 노즐로서 불활성 가스를 공급하는 노즐(249c), 제4 가스 노즐로서 불활성 가스를 공급하는 노즐(249d)이, 각각 매니폴드(209)의 측벽을 관통하도록 마련되어 있다. 노즐(249a 내지 249d)에는, 가스 공급관(232a 내지 232d)이 각각 접속되어 있다.
노즐(249a)과 노즐(249b)은, 처리실(201)에 성막 가스(처리 가스)를 공급하는 처리 가스 노즐로서 사용된다. 또한, 노즐(249c)과 노즐(249b)은, 처리실(201)에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 노즐로서 사용된다. 노즐(249c)과 노즐(249d)은, 각각 성막 가스와는 별도 계통으로부터 불활성 가스만을 공급하는 카운터 노즐로서 사용된다. 카운터 노즐은, 처리실(201)에 2개 배치되어 있다. 카운터 노즐은, 각각 처리 가스 노즐과 웨이퍼(200)의 둘레 방향에 있어서 소정 거리 이격되어 배치된다.
가스 공급관(232a 내지 232d)에는, 가스류의 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로 컨트롤러(MFC)(241a 내지 241d) 및 개폐 밸브인 밸브(243a 내지 243d)가 각각 마련되어 있다. 가스 공급관(232a, 232b)의 밸브(243a, 243b)보다도 하류측에는, 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(232e, 232f)이 각각 접속되어 있다. 가스 공급관(232e, 232f)에는, 가스류의 상류측부터 순서대로 MFC(241e, 241f) 및 밸브(243e, 243f)가 각각 마련되어 있다.
반응관(203)에는, 노즐(249a)과 노즐(249b)을 수용하도록 외측에 돌출된 제1 돌출부(302)와, 노즐(249c)을 수용하도록 외측에 돌출된 제2 돌출부(303)와, 노즐(249d)을 수용하도록 외측에 돌출된 제3 돌출부(304)가 형성되어 있다. 제1 돌출부(302)는, 노즐(249a)과 노즐(249b)을 각각 수용하도록 복수로 분할되어 있어도 된다.
제1 돌출부(302)는, 배기구(233)와 대향하는 위치에 형성되어 있다. 제2 돌출부(303)와 제3 돌출부(304)는, 각각 제1 돌출부(302)로부터 반응관(203)의 둘레 방향으로 소정 거리 이격된 위치에 형성되어 있다. 여기서, 소정 거리란, 제1 돌출부(302)로부터 반응관(203)의 둘레 방향으로 15° 이상 120° 이하의 범위 내의 원호의 거리이다. 바꿔 말하면, 반응관(203)의 제1 돌출부(302)의 중심과 웨이퍼(200) 중심을 연결하는 직선과, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304) 각각의 중심과 웨이퍼(200) 중심을 연결하는 직선이 이루는 각(θ)이 각각 15° 이상 120° 이하의 범위 내의 원호의 거리이다. 제2 돌출부(303)와 제3 돌출부(304)는, 제1 돌출부(302)의 중심과 배기구(233)의 중심을 연결하는 직선에 대하여 선 대칭으로 배치된다.
도 2에 도시하는 예에서는, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304)는, 각각 제1 돌출부(302)로부터 반응관(203)의 둘레 방향으로 90° 이격된 위치에 형성되어 있다. 즉, 제2 돌출부(303)는, 제3 돌출부(304)와 대향하는 위치에 형성되어 있다.
제1 돌출부(302)는, 내부에 처리실(201)의 일부를 구성하고, 노즐(249a, 249b)을 수용하도록 구성되어 있다. 제2 돌출부(303)는, 내부에 처리실(201)의 일부를 구성하고, 노즐(249c)을 수용하도록 구성되어 있다. 제3 돌출부(304)는, 내부에 처리실(201)의 일부를 구성하고, 노즐(249d)을 수용하도록 구성되어 있다.
노즐(249a)과 노즐(249b)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제1 돌출부(302) 내에, 반응관(203)의 하방으로부터 상방을 향해서 웨이퍼(200)의 배열 방향을 따라서 각각 마련되어 있다. 노즐(249a)과 노즐(249b)은, 제1 돌출부(302) 내에서 인접해서 배치되어 있다. 노즐(249a, 249b)은, 처리실(201) 내에 반입되는 웨이퍼(200)의 중심을 사이에 두고, 후술하는 배기구(233)와 대향하도록 배치되어 있다.
노즐(249c)과 노즐(249d)은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 제2 돌출부(303)와 제3 돌출부(304) 내에, 반응관(203)의 하방으로부터 상방을 향해서 웨이퍼(200)의 배열 방향을 따라서 각각 마련되어 있다. 즉, 노즐(249c)과 노즐(249d)은, 노즐(249a, 249b)과, 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 각각 소정 거리를 유지하는 위치에 마련된다. 여기서, 소정 거리란, 반응관(203)의 내벽면과 웨이퍼(200)의 주연부의 사이의 거리인 갭(G)의 배 이상의 원호의 거리이며, 노즐(249a, 249b)로부터, 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 15° 이상 120° 이하의 범위 내의 원호의 거리이다. 바꿔 말하면, 처리 가스 노즐의 중심과 웨이퍼(200) 중심을 연결하는 직선과, 노즐(249c), 노즐(249d) 각각의 중심과 웨이퍼(200) 중심을 연결하는 직선이 이루는 각(θ)이 각각 15° 이상 120° 이하의 범위 내의 원호의 거리이다. 즉, 노즐(249c, 249d)은, 노즐(249a, 249b)로부터, 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 갭(G)의 배 이상의 원호의 거리이며, 처리 가스 노즐의 중심과 웨이퍼 중심을 연결하는 직선으로부터 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 15° 이상 120° 이하의 위치에 배치된다. 또한, 노즐(249c)과 노즐(249d)은, 처리 가스 노즐의 중심과 배기구(233)의 중심을 연결하는 직선에 대하여 선 대칭으로 배치된다. 즉, 노즐(249d)은, 처리 가스 노즐의 중심과 배기구(233)의 중심을 연결하는 선을 직선으로 해서 구획되는 영역 중, 노즐(249c)이 설치되는 영역의 반대측 영역에 마련된다. 여기서, 처리 가스 노즐의 중심이란, 노즐(249a)의 중심, 노즐(249b)의 중심, 또는 노즐(249a)의 중심과 노즐(249b)의 중심의 중간점이다.
여기서, 노즐(249a 내지 249d)로부터 공급되는 가스는, 각각 가스 공급 구멍(250a 내지 250d)이 향하고 있는 방향으로 가스를 분출하는 분출과, 그 주위에 흐르는 인입이 생겨서, 이에 의해 와류가 순환한다. 노즐(249c, 249d)을, 처리 가스 노즐의 중심과 웨이퍼 중심을 연결하는 직선으로부터 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 15°보다 작은 위치에 배치하면, 노즐(249a, 249b)과, 노즐(249c, 249d)이 각각 근접하여, 노즐(249a, 249b)로부터 공급되는 처리 가스의 와류와, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 불활성 가스의 와류가 합류해버린다. 즉, 처리 가스가 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 불활성 가스에 의해 희석되어버린다.
또한, 노즐(249c, 249d)을, 처리 가스 노즐의 중심과 웨이퍼 중심을 연결하는 직선으로부터 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 120°보다 큰 위치에 배치하면, 노즐(249a, 249b)로부터 공급되는 처리 가스와, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 불활성 가스가 간섭할 수 있는 범위가 작아져버리기 때문에, 웨이퍼(200) 상에 영향을 미치지 않고, 불활성 가스의 와류에 의한 영향 정도가 옅어져버린다. 따라서, 노즐(249c, 249d)은, 노즐(249a, 249b)과, 갭(G)의 배 이상의 원호의 거리를 유지하는 위치이며, 처리 가스 노즐의 중심과 웨이퍼 중심을 연결하는 직선으로부터 반입되는 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 15° 이상 120° 이하의 위치에 배치되도록 하는 것이 바람직하다.
노즐(249a 내지 249d)의 측면에는, 가스를 공급하는 가스 공급 구멍(250a 내지 250d)이 각각 마련되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은, 각각이 웨이퍼(200)의 중심 방향을 향해서 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 가스 공급 구멍(250a, 250b)은, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 각각의 웨이퍼(200)의 중심을 향해서 개구되도록 복수 마련되어 있다.
가스 공급 구멍(250c, 250d)은, 각각이 노즐(249a, 249b)을 향해서 불활성 가스를 공급하는 것이 가능하게 되어 있다. 즉, 가스 공급 구멍(250c, 250d)은, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 각각 노즐(249a, 249b)을 향해서 개구되도록 복수 마련되어 있다.
구체적으로는, 가스 공급 구멍(250c, 250d)은, 각각이 웨이퍼 중심으로부터 예를 들어 45°노즐(249a, 249b)측을 향해서 개구되도록 형성되어, 제1 돌출부(302)의 벽에 스치는 방향을 향해서 불활성 가스를 공급하는 것이 가능하게 되도록 형성된다. 즉, 가스 공급 구멍(250c, 250d)은, 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐 각각 웨이퍼 중심으로부터 예를 들어 45°노즐(249a, 249b)측을 향해서 개구되도록 형성되어, 제1 돌출부(302)의 벽에 스치는 방향을 향해서 불활성 가스를 공급하는 것이 가능하게 되도록, 제1 돌출부(302)의 벽의 내측을 향해서 개구되도록 복수 마련된다. 이 가스 공급 구멍(250c, 250d)으로부터의 불활성 가스의 공급에 의해, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304) 부근에서 각각 불활성 가스의 와류가 형성되고, 이 불활성 가스의 와류가 갭(G) 영역의 상류측으로부터 흐르는 처리 가스의 흐름을 막는다. 즉, 갭(G) 영역의 상류측을 흐르는 처리 가스의, 갭(G) 영역의 하류측에의 유입을 저지한다. 또한, 갭(G) 영역의 상류측을 흐르는 처리 가스는, 불활성 가스의 와류에 의해, 불활성 가스에 혼합하지 않고, 웨이퍼(200) 중심 방향을 향해서 유입된다.
여기서, 가스 공급 구멍(250c, 250d)의 방향을, 벽에 스치는 방향보다도 노즐(249a, 249b)측을 향하게 하면, 노즐(249c, 249d)로부터 공급된 불활성 가스가, 제1 돌출부(302) 내에 충돌하여, 불활성 가스의 와류 직경이 작아져버려, 상술한 효과가 옅어진다. 또한, 가스 공급 구멍(250c, 250d)의 방향을, 벽에 스치는 방향보다도 노즐(249a, 249b)과는 반대측(배기측)을 향하게 하면, 불활성 가스가 제1 돌출부(302)측의 와류에 말려들어서 처리 가스에 혼합되어버리기 때문에, 상술한 효과가 옅어진다.
가스 공급관(232a)으로부터는, 원료 가스(처리 가스)로서, 예를 들어 소정 원소(주 원소)로서의 Si 및 할로겐 원소를 포함하는 할로실란계 가스가, MFC(241a), 밸브(243a), 노즐(249a)을 통해서 처리실(201)에 공급된다.
가스 공급관(232b)으로부터는, 처리 가스이며, 상술한 원료와는 화학 구조(분자 구조)가 다른 반응체(리액턴트)로서, 예를 들어 질화 가스인 질화수소계 가스가, MFC(241b), 밸브(243b), 노즐(249b)을 통해서 처리실(201)에 공급된다. 질화수소계 가스는, N 소스로서 작용한다. 질화수소계 가스로서는, 예를 들어 암모니아(NH3) 가스를 사용할 수 있다.
가스 공급관(232c 내지 232f)으로부터는, 불활성 가스로서, 예를 들어 질소(N2) 가스가, 각각 MFC(241c 내지 241f), 밸브(243c 내지 243f), 가스 공급관(232c, 232d, 232a, 232b), 노즐(249c, 249d, 249a, 249b)을 통해서 처리실(201)에 공급된다. N2 가스는, 퍼지 가스, 캐리어 가스로서 작용하고, 또한, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 분포를 제어하는 막 두께 분포 제어 가스로서 작용한다.
주로, 가스 공급관(232a, 232b), MFC(241a, 241b), 밸브(243a, 243b)에 의해 처리 가스 공급계가 구성된다. 또한, 주로, 가스 공급관(232c 내지 232f), MFC(241c 내지 241f), 밸브(243c 내지 243f)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다.
반응관(203)에는, 처리실(201)의 분위기를 배기하는 배기부로서의 배기구(233)가 마련되어 있다. 도 2에 도시되는 수평 단면으로 보았을 때와 같이, 배기구(233)는, 웨이퍼(200)를 사이에 두고 노즐(249a, 249b)(가스 공급 구멍(250a, 250b))과 대향(대면)하는 위치에 마련된다. 배기구(233)에는 배기관(231)이 접속된다. 배기관(231)은, 처리실(201)의 압력을 검출하는 압력 검출기로서의 압력 센서(245)가 구비되고, 또한 압력 조정기로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(244)를 통해서 진공 펌프(진공 배기 장치)(246)에 접속된다. APC 밸브(244)는, 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐함으로써, 처리실(201)의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 행할 수 있고, 또한, 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서, 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 개방도를 조절함으로써, 처리실(201)의 압력을 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 주로, 배기관(231), APC 밸브(244), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)도 배기계에 포함될 수 있다.
매니폴드(209)의 하방에는, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 덮개로서의 시일 캡(219)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)은, 예를 들어 금속제로 원반상으로 형성되어 있다. 시일 캡(219)의 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 시일 부재로서의 O링(220b)이 마련되어 있다. 시일 캡(219)의 하방에는, 후술하는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치되어 있다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은, 시일 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속되어 있다. 회전 기구(267)는, 보트(217)를 회전시킴으로써 웨이퍼(200)를 회전시킨다.
시일 캡(219)은, 반응관(203)의 외부에 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성되어 있다. 보트 엘리베이터(115)는, 시일 캡(219)을 승강시킴으로써, 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출(반송)하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성되어 있다. 또한, 매니폴드(209)의 하방 또는 측방에는, 시일 캡(219)을 강하시켜 보트(217)를 완전히 처리실(201) 내로부터 반출하고 있는 동안에, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색하는 노구 덮개로서의 셔터(221)가 마련되어 있다. 셔터(221)는, 시일 캡(219)과 마찬가지로 원반상으로 형성되고, 그 상면에는, 매니폴드(209)의 하단과 맞닿는 O링(220c)이 마련되어 있다. 셔터(221)의 개폐 동작(승강 동작이나 회동 동작 등)은, 셔터 개폐 기구(222)에 의해 제어된다.
기판 지지구로서의 보트(217)는, 복수매, 예를 들어 25 내지 200매의 웨이퍼(200)를, 수평 자세이면서 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜 다단으로 지지하도록, 즉, 간격을 두고 배열시키도록 구성되어 있다. 보트(217)는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어진다. 보트(217)의 하부에는, 예를 들어 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열판(218)이 다단으로 지지되어 있다.
반응관(203) 내에는, 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되어 있다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전 정도를 조정함으로써, 처리실(201)의 온도가 원하는 온도 분포로 된다. 온도 센서(263)는, 반응관(203)의 내벽을 따라 마련되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(121)는, CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는, 내부 버스(121e)를 통해서 CPU(121a)와 데이터 교환 가능하게 구성되어 있다. 컨트롤러(121)에는, 예를 들어 터치 패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속되어 있다.
기억 장치(121c)는, 예를 들어 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성되어 있다. 기억 장치(121c) 내에는, 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 기판 처리의 수순이나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 기판 처리에서의 각 수순을 컨트롤러(121)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여, 단순히 프로그램이라고도 한다. 또한, 프로세스 레시피를, 단순히 레시피라고도 한다. 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우는, 레시피 단체만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은, CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보유되는 메모리 영역(워크 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(121d)는, 상술한 MFC(241a 내지 241f), 밸브(243a 내지 243f), 압력 센서(245), APC 밸브(244), 진공 펌프(246), 온도 센서(263), 히터(207), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 셔터 개폐 기구(222) 등에 접속되어 있다.
CPU(121a)는, 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행함과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(121c)로부터 레시피를 판독하도록 구성되어 있다. CPU(121a)는, 판독한 레시피의 내용을 따르도록, MFC(241a 내지 241f)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a 내지 243f)의 개폐 동작, APC 밸브(244)의 개폐 동작 및 압력 센서(245)에 기초하는 APC 밸브(244)에 의한 압력 조정 동작, 진공 펌프(246)의 기동 및 정지, 온도 센서(263)에 기초하는 히터(207)의 온도 조정 동작, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 셔터 개폐 기구(222)에 의한 셔터(221)의 개폐 동작 등을 제어하도록 구성되어 있다.
컨트롤러(121)는, 외부 기억 장치(예를 들어, 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리 등의 반도체 메모리)(123)에 저장된 상술한 프로그램을, 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성되어 있다. 이하, 이들을 총칭하여, 단순히 기록 매체라고도 한다. 본 명세서에서 기록 매체라는 말을 사용한 경우는, 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그들 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 또한, 컴퓨터에의 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(123)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
(2) 성막 처리
상술한 기판 처리 장치를 사용하여, 반도체 장치의 제조 공정의 일 공정으로서, 기판으로서의 웨이퍼(200) 상에 실리콘 질화막(SiN막)을 형성하는 시퀀스 예에 대해서, 도 4를 사용해서 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 기판 처리 장치를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
도 4에 도시하는 성막 시퀀스는,
웨이퍼(200)에 대하여 노즐(249a)로부터 HCDS 가스를 공급함으로써 제1층으로서의 Si 함유층을 형성하는 스텝 A와,
웨이퍼(200)에 대하여 노즐(249b)로부터 NH3 가스를 공급함으로써 제2층으로서의 실리콘 질화층(SiN층)을 형성하는 스텝 B
를 비동시에 행하는 사이클을 n회(n은 소정수) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 Si 및 N을 포함하는 막, 즉, SiN막을 형성한다.
본 명세서에서는, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스를, 편의상 이하와 같이 나타내는 경우도 있다.
(HCDS→NH3)×n ⇒ SiN
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 말을 사용한 경우는, 웨이퍼 그 자체를 의미하는 경우나, 웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막의 적층체를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 말을 사용한 경우는, 웨이퍼 그 자체의 표면을 의미하는 경우나, 웨이퍼 상에 형성된 소정의 층 등의 표면을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」은 「웨이퍼」의 의미를 포함한다.
(웨이퍼 차지 및 보트 로드)
복수매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 셔터 개폐 기구(222)에 의해 셔터(221)가 이동되어, 매니폴드(209)의 하단 개구가 개방된다(셔터 오픈). 그 후, 도 1에 도시하는 바와 같이, 복수매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는, 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져서 처리실(201)에 반입(보트 로드)된다. 반입 완료 후, 시일 캡(219)은, O링(220b)을 개재해서 매니폴드(209)의 하단을 시일한 상태로 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(201), 즉, 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)으로 되도록, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201)이 진공 배기(감압 배기)된다. 이때, 처리실(201)의 압력은 압력 센서(245)에서 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(244)가 피드백 제어된다. 또한, 처리실(201)의 웨이퍼(200)가 원하는 성막 온도로 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때, 처리실(201)이 원하는 온도 분포로 되도록, 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)에의 통전 정도가 피드백 제어된다. 또한, 회전 기구(267)에 의한 웨이퍼(200)의 회전을 개시한다. 처리실(201)의 배기, 웨이퍼(200)의 가열 및 회전은, 모두 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 종료될 때까지의 동안에는 계속해서 행하여진다.
(성막 스텝)
그 후, 다음의 스텝 A, B를 순차 실행한다.
[스텝 A]
이 스텝에서는, 처리실(201)의 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스를 공급한다.
구체적으로는, 밸브(243a)를 개방하여, 가스 공급관(232a) 내에 HCDS 가스를 흘린다. HCDS 가스는, MFC(241a)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249a)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기구(233)로부터 배기된다. 즉, 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스가 공급된다. 이때, 밸브(243e)를 개방하여, 가스 공급관(232e) 내에 N2 가스를 흘리도록 해도 된다. N2 가스는, MFC(241e)에 의해 유량 조정되어, HCDS 가스와 함께 노즐(249a)을 통해서 처리실(201)에 공급되어, 배기구(233)로부터 배기될 수 있다. 또한, 스텝 A에서는, 노즐(249a)을 통해서 처리실(201)에 HCDS 가스를 공급한 상태에서, 노즐(249c, 249d)을 통해서 각각 처리실(201)에 N2 가스를 공급한다. 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 N2 가스가, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304) 부근에 각각 불활성 가스의 와류를 형성하도록 노즐(249a)을 향해서 공급된다. 그 상세에 대해서는 후술한다.
스텝 A에서, 노즐(249a)로부터 공급하는 HCDS 가스의 유량은, 예를 들어 1sccm 이상 2000sccm 이하, 바람직하게는 10sccm 이상 1000sccm 이하의 범위 내이다. 또한 노즐(249c, 249d)로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 예를 들어 각각 500sccm이며, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 포함하는 HCDS 가스의 총 유량의 약 1/4 이상 2/3 이하의 소정의 유량으로 한다.
노즐(249a)로부터 공급되는 HCDS 가스의 총 유량에 대하여, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 N2 가스의 유량이, HCDS 가스의 총 유량의 1/4보다 적은 경우에는, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 N2 가스가, HCDS 가스에 밀려나버린다. 즉, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스는 희석되지 않고 하류측으로 흘러, 웨이퍼(200) 중심에 도달하는 원료 가스의 총량이 줄어들어버린다. 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 막 두께 분포가 오목형으로 되어, 면내 막 두께 균일성이 악화되어버린다.
또한, 노즐(249a)로부터 공급되는 HCDS 가스의 총 유량에 대하여, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 N2 가스의 유량이, HCDS 가스의 총 유량의 2/3보다 많은 경우에는, 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 N2 가스에 의해 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스의 희석 효과가 커져버려, 웨이퍼 중심에 도달하는 원료 가스의 총량이 지나치게 증가해버린다. 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막의 막 두께 분포는 볼록형으로 되어, 면내 막 두께 균일성이 악화되어버린다.
따라서, 노즐(249c, 249d)로부터 공급하는 N2 가스의 유량을, 노즐(249a)로부터 공급되는 N2 가스를 포함하는 HCDS 가스의 총 유량의 약 1/4 내지 2/3의 소정의 유량으로 하도록 한다. 또한, 이들의 유량 조건은, 웨이퍼(200)의 표면적, 웨이퍼 피치, 갭(G)의 폭, 노즐(249c, 249d)의 위치, 노즐(249c, 249d)의 가스 공급 구멍(250c, 250d)의 방향, 가스종, 성막 온도, 처리 압력 등에 따라 다르다.
HCDS 가스의 공급 시간은, 예를 들어 1초 이상 120초 이하, 바람직하게는 1초 이상 60초 이하의 범위 내의 소정의 시간으로 한다. 처리실(201)의 압력은, 예를 들어 1Pa 이상 2666Pa 이하, 바람직하게는 67Pa 이상 1333Pa 이하의 범위 내의 소정의 압력으로 한다. 웨이퍼(200)의 온도(성막 온도)는, 예를 들어 250℃ 이상 800℃ 이하, 바람직하게는 400℃ 이상 750℃ 이하, 보다 바람직하게는 550℃ 이상 700℃ 이하의 범위 내의 소정의 온도로 한다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 HCDS 가스 및 N2 가스를 공급함으로써, 웨이퍼(200)의 최표면 상에 제1층으로서, 예를 들어 1원자층 미만 내지 수 원자층(1분자층 미만 내지 수분자층) 정도의 두께의 Cl을 포함하는 Si 함유층이 형성된다. Cl을 포함하는 Si 함유층은, Cl을 포함하는 Si층이어도 되고, HCDS의 흡착층이어도 되고, 그들 양쪽을 포함하고 있어도 된다.
HCDS 가스가 자기 분해(열분해)하는 조건 하에서는, 웨이퍼(200) 상에 Si가 퇴적됨으로써 Cl을 포함하는 Si층이 형성된다. HCDS 가스가 자기 분해(열분해)하지 않는 조건 하에서는, 웨이퍼(200) 상에 HCDS가 흡착됨으로써 HCDS의 흡착층이 형성된다. HCDS의 흡착층을 형성하는 것보다도, Cl을 포함하는 Si층을 형성하는 쪽이, 성막 레이트의 관점에서는 바람직하다. 이하, Cl을 포함하는 Si 함유층을, 편의상 단순히 Si 함유층이라고도 칭한다.
스텝 A에서는, 노즐(249a)로부터 HCDS 가스를 공급한 상태에서, 밸브(243c 내지 243f)를 개방하여, 가스 공급관(232c, 232d, 232b) 내에 N2 가스를 흘리고, 노즐(249c, 249d, 249b)로부터 처리실(201) 내에 N2 가스를 공급한다. 노즐(249b)로부터 소량의 N2 가스의 공급을 유지하는 것은, 필수는 아니지만, 노즐(249b) 내에의 HCDS 가스의 침입을 억제하는 관점에서 바람직하다. 그 목적에 있어서, 노즐(249b)로부터의 N2 가스의 공급은, 스텝 A와 동시, 혹은 그 전에 개시하는 것이 바람직하다.
스텝 A에서, 노즐(249a, 249b)로부터 공급하는 N2 가스의 각 유량(제1 유량)은 각각, 노즐(249c, 249d)로부터 공급하는 N2의 유량보다도 작은 유량으로 한다. 또한, 노즐(249c, 249d)로부터 공급하는 N2 가스의 각 유량은, 그들의 합계 유량이, 노즐(249a)로부터 공급하는 HCDS 가스와 N2 가스의 총 유량보다도 작은 유량으로 되는 유량으로 한다.
원하는 두께 및 면내 두께 분포를 갖는 제1층이 형성된 후, 밸브(243a)를 닫아, HCDS 가스의 공급을 정지한다. 이때, APC 밸브(244)는 개방한 채로 두어, 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제1층의 형성에 기여한 후의 HCDS 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 노즐(249a 내지 249d)로부터 공급되는 N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하여, 이에 의해 처리실(201) 내가 퍼지된다(퍼지 스텝).
[스텝 B]
스텝 A가 종료된 후, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200), 즉, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층에 대하여 NH3 가스를 공급한다.
이 스텝에서는, 밸브(243b, 243c 내지 243f)의 개폐 제어를, 스텝 A에서의 밸브(243a, 243c 내지 243f)의 개폐 제어와 마찬가지의 수순으로 행한다. NH3 가스는, MFC(241b)에 의해 유량 조정되어, 노즐(249b)을 통해서 처리실(201) 내에 공급되어, 배기구(233)로부터 배기된다. 이때, 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스가 공급된다.
스텝 B에서, 노즐(249b)로부터 공급하는 NH3 가스의 공급 유량은, 예를 들어 1000 내지 10000sccm의 범위 내의 소정의 유량으로 한다. 이때 동시에 노즐(249c, 249d)로부터 공급하는 N2 가스의 유량은, 노즐(249b)로부터 공급되는 N2 가스를 포함하는 NH3 가스의 총 유량의 약 1/4 이상 2/3 이하의 소정의 유량으로 한다. 이렇게 설정함으로써, 상술한 스텝 A에서 설명한 효과와 마찬가지의 효과가 얻어진다.
NH3 가스의 공급 시간은, 예를 들어 1초 이상 120초 이하, 바람직하게는 1초 이상 60초 이하의 범위 내의 소정의 시간으로 한다. 처리실(201)의 압력은, 예를 들어 1Pa 이상 4000Pa 이하, 바람직하게는 1Pa 이상 3000Pa 이하의 범위 내의 소정의 압력으로 한다. 스텝 A보다도 높은 압력으로 함으로써, 플라스마가 아니라 열적으로 활성화된 NH3 가스를 사용했다고 해도, 소정의 속도로 제1층과 화학 반응시켜서 제2층을 형성시킬 수 있다. 다른 처리 조건은, 스텝 A와 마찬가지의 처리 조건으로 한다. 또한 스텝 B에서는, 스텝 A에 비해, 노즐(249c, 249d)로부터의 N2 가스 공급의 중요성은 낮아, 필요하지 않을 경우도 있다.
상술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 NH3 가스 및 N2 가스를 공급하면, 웨이퍼(200) 상에 형성된 제1층의 적어도 일부가 질화(개질)된다. 이에 의해, 웨이퍼(200) 상에 Si 및 N을 포함하는 제2층, 즉, SiN층이 형성된다. 제2층을 형성할 때, 제1층에 포함되어 있던 Cl 등의 불순물은, NH3 가스에 의한 제1층의 개질 반응의 과정에서, 적어도 Cl을 포함하는 가스 상태 물질을 구성하여, 처리실(201)로부터 배출된다. 즉, 제1층 내의 Cl 등의 불순물은, 제1층 내로부터 인발되거나, 탈리하거나 함으로써, 제1층으로부터 분리된다. 이에 의해, 제2층은, 제1층에 비하여 Cl 등의 불순물이 적은 층으로 된다.
제2층이 형성된 후, 밸브(243b)를 닫아, NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고, 스텝 A의 퍼지 스텝과 마찬가지의 처리 수순, 처리 조건에 의해, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 혹은 제2층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다.
[소정 횟수 실시]
스텝 A, B를 비동시에, 즉, 동기시키지 않고 행하는 사이클을 1회 이상(n회) 행함으로써, 웨이퍼(200) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiN막을 형성할 수 있다. 상술한 사이클은, 복수회 반복하는 것이 바람직하다. 즉, 상술한 사이클을 1회 행할 때 형성되는 제2층의 두께를 원하는 막 두께보다도 얇게 하여, 제2층을 적층함으로써 형성되는 SiN막의 막 두께가 원하는 막 두께로 될 때까지, 상술한 사이클을 복수회 반복하는 것이 바람직하다.
(애프터 퍼지 내지 대기압 복귀)
웨이퍼(200) 상에 원하는 조성, 원하는 막 두께의 막이 형성되면, 노즐(249a 내지 249d) 각각으로부터 퍼지 가스로서의 N2 가스를 처리실(201)에 공급하여, 배기구(233)로부터 배기한다. 이에 의해, 처리실(201)이 퍼지되어, 처리실(201) 내에 잔류하는 가스나 반응 부생성물이 처리실(201)로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(201)의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201)의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(보트 언로드 및 웨이퍼 디스차지)
보트 엘리베이터(115)에 의해 시일 캡(219)이 하강되어, 매니폴드(209)의 하단이 개구된다. 그리고, 처리가 끝난 웨이퍼(200)가, 보트(217)에 지지된 상태에서 매니폴드(209)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부로 반출(보트 언로드)된다. 보트 언로드 후에는 셔터(221)가 이동되어, 매니폴드(209)의 하단 개구가 O링(220c)을 개재해서 셔터(221)에 의해 시일된다(셔터 클로즈). 처리가 끝난 웨이퍼(200)는, 반응관(203)의 외부로 반출된 후, 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지).
(3) 시뮬레이션
상술한 도 1에 도시하는 기판 처리 장치의 처리로(202)를 사용하여, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서의 처리를 행하여, 베어 웨이퍼의 70배의 표면적의 패턴 웨이퍼 상에 SiN막을 형성했다. 도 5의 (A)는, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에서의 스텝 A 시의 처리로(202) 내의 원료 라디칼의 농도 분포를 도시하는 도면이며, 도 5의 (B)는, 도 5의 (A)에서의 제2 돌출부(303) 부근의 가스의 흐름을 도시하는 도면이다.
도 5의 (A)에 도시하는 바와 같이, 노즐(249c, 249d)의 가스 공급 구멍(250c, 250d)은, 각각 웨이퍼 중심 방향이 아니라, 처리 가스 노즐측의, N2 가스를 제1 돌출부(302)의 벽부에 스치는 방향을 향하고 있다. 또한, 노즐(249d)은, 노즐(249c)과 마찬가지의 구성이며 마찬가지의 효과를 발휘하기 때문에, 이하에서 노즐(249c)을 사용해서 설명한다.
본 시뮬레이션에 있어서, 노즐(249a)로부터 공급하는 원료 가스인 HCDS 가스의 유량은 200sccm, 노즐(249a)로부터 공급하는 N2 가스의 유량은 12000sccm으로 했다. 이때 동시에 노즐(249c, 249d)로부터 각각 공급하는 N2 가스의 유량은 6250sccm으로 했다. 이때의 처리실(201) 내의 압력은 140Pa, 성막 온도는 700℃로 하고, 그 밖의 처리 조건은, 상술한 스텝 A와 마찬가지의 조건으로 했다.
여기서, 대표면적의 웨이퍼 상에 막을 형성하는 경우에는, 노즐(249a)로부터 공급되는 원료 가스의 대부분이, 좁은 웨이퍼(200)간(웨이퍼 피치간)이 아니라, 웨이퍼(200)의 주연부와 반응관(203)의 내벽의 사이의 갭(G) 영역으로 흘러가버린다. 이에 의해, 웨이퍼 주연부에 있어서 원료 가스가 확산되어, 웨이퍼 상에 흐르는 원료 가스의 총량이 줄어들어, 웨이퍼 중심부에 도달하는 원료 가스가 고갈되어버린다. 또한, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스에 의해 웨이퍼의 주연부가 증막되어, 결과적으로 웨이퍼 상에 막이 오목형으로 형성되어버린다.
본 실시 형태와 같이, 노즐(249c)로부터 공급된 N2 가스가, 노즐(249a)을 향해서, 제1 돌출부(302)의 벽을 스치는 방향으로 공급되면, 도 5의 (B)에 도시하는 바와 같이, 제2 돌출부(303) 부근의 웨이퍼(200)의 주연부의 일부와 겹치는 위치에 불활성 가스(N2 가스)의 와류가 형성된다. 이 불활성 가스의 와류에 의해, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스는, 제2 돌출부(303) 부근에서 막혀, 원료 가스를 노즐(249c)보다도 하류측의 갭(G) 영역으로 유출시키지 않도록 할 수 있다. 이와 같이 하여, 웨이퍼(200)의 주연부의 일부에서 원료 가스의 농도가 저감되어, 희석된다. 결과적으로 웨이퍼(200)의 주연부의 증막이 억제된다.
또한, 이 불활성 가스의 와류에 의해, 제2 돌출부(303) 부근에서 막힌 원료 가스는, N2 가스와 혼합되지 않고, 웨이퍼(200) 중심 방향을 향해서 유도된다. 이 불활성 가스의 와류와 원료 가스는 혼합하지 않고 반발하여, 원료 가스가 흐르는 방향은, 불활성 가스의 와류가 흐르는 방향으로 변화한다. 즉, 웨이퍼(200) 중심부에 원료 가스가 공급되어 웨이퍼(200) 중심부가 증막된다.
또한, 노즐(249c)로부터 공급된 N2 가스는, 이 불활성 가스의 와류에 의해, 각각 배기구(233)를 향해서 하류측의 갭(G) 영역을 흘러서 배출된다. 즉, 제2 돌출부(303)의 하류측의 갭(G) 영역은 N2 가스에 의해 희석되어, 웨이퍼(200)의 주연부의 증막이 억제된다.
즉, 노즐(249c, 249d)에 의한 불활성 가스의 공급에 의해 불활성 가스의 와류를 형성함으로써, 웨이퍼(200) 상의 원료 가스의 희석 효과 범위를 조정할 수 있다.
또한, 불활성 가스의 와류의 크기는, 노즐(249c, 249d)의 위치나, 노즐(249c, 249d)의 가스 공급 구멍(250c, 250d)의 방향, 반응관(203)의 벽면 형상, 혹은 원료 가스의 총 유량에 대한 노즐(249c, 249d)로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 조정함으로써 제어 가능하다. 따라서, 웨이퍼의 주연부로부터 임의의 거리까지의 희석에 의해 막 두께를 제어하는 것이 가능하다.
따라서, 면내 막 두께 분포를 제어하는 것이 가능하게 되어, 처리 표면적이 큰 패턴 웨이퍼에 있어서도 막 두께 면내 균일성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
이하, 실시예에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
도 6에서의 본 실시예는, 도 1 및 도 2에 도시하는 기판 처리 장치를 사용하여, 도 4에 도시하는 성막 시퀀스에 의해 SiN막을 형성한 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성을 평가한 것이다. 도 6에서의 비교예 1은, 처리실에 카운터 노즐이 없는 기판 처리 장치를 사용해서 SiN막을 형성한 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성을 평가한 것이다. 도 6에서의 비교예 2는, 처리실에 2개의 카운터 노즐을 갖는 기판 처리 장치를 사용해서 SiN막을 형성한 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성을 평가한 것이다. 비교예 2에서는, 2개의 카운터 노즐이, 각각 처리 가스 노즐로부터 웨이퍼(200)의 둘레 방향으로 90° 이격된 위치에 배치되고, 각각의 카운터 노즐의 가스 공급 구멍이 웨이퍼(200)의 중심을 향하고 있다.
본 실시예에 의해 형성된 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성은 ±0.18％, 비교예 1에 의해 형성된 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성은 ±10.6％, 비교예 2에 의해 형성된 웨이퍼의 면내 막 두께 균일성은 ±4.45％이었다.
카운터 노즐이 없는 비교예 1에서는, 카운터 노즐을 사용한 비교예 2, 본 실시예와 비교하여, 웨이퍼의 주연부(양단부)에서의 막 두께가 웨이퍼의 중심부에서의 막 두께와 비교해서 두껍게 형성되어버려, 면내 막 두께 균일성이 나쁜 것이 확인되었다. 또한, 본 실시예에 관한 카운터 노즐을 사용한 경우에는, 비교예 2에 관한 카운터 노즐을 사용한 경우와 비교하여, 웨이퍼(200)의 주연부(양단부)에서의 증막이 억제되어, 면내 막 두께 균일성이 개선되어 있는 것이 확인되었다.
비교예 2에서는, 사이드 카운터에 의해 공급되는 N2 가스가 원료 가스와 혼합되어버려, 웨이퍼 주연부에서의 원료 가스의 희석 효과가 옅어져버린다. 또한, 원료 가스가 희석되어버림으로써, 웨이퍼 중심부에 도달하는 원료 가스의 총량이 줄어들어버린다. 또한, 하류측의 갭(G) 영역에 원료 가스가 유출되고, 그 유출된 원료 가스의 확산에 의해 웨이퍼 주연부가 증막되어버린다. 결과적으로, 면내 막 두께 분포가 오목형으로 되어버린다.
이에 반해, 본 실시예에서는, 사이드 카운터에 의해 공급되는 N2 가스에 의해 형성된 불활성 가스의 와류가, 원료 가스와 혼합되지 않고, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스의 흐름을 변경한다. 이에 의해, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스의 농도가 저감되어, 웨이퍼 주연부의 증막이 억제된다. 또한, 이 불활성 가스의 와류에 의해, 갭(G) 영역을 흐르는 원료 가스가, 웨이퍼 중심 방향을 향해서 유도되어, 웨이퍼 중심부에 도달하는 원료 가스의 유량이 증가된다. 또한, 불활성 가스의 와류에 의해, 하류측의 갭(G) 영역이 희석되어, 웨이퍼(200)의 주연부의 증막이 억제된다.
따라서, 카운터 노즐의 가스 공급 구멍의 방향을, 웨이퍼 중심측보다도 처리 가스 노즐측을 향하게 함으로써, 면내 막 두께 균일성이 개선되는 것이 확인되었다.
[실시예 2]
이어서, 막 두께의 카운터 노즐에서의 불활성 가스의 유량 의존성을 비교했다. 도 7의 (A)는, 상술한 비교예 2의 카운터 노즐에 의한 불활성 가스의 유량과 면내 막 두께 분포의 관계를 도시한 도면이다. 도 7의 (B)는, 상술한 본 실시예의 카운터 노즐에 의한 불활성 가스의 유량과 면내 막 두께 분포의 관계를 도시한 도면이다.
도 7의 (A)에 도시하는 바와 같이, 비교예 2에서는, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스의 유량이 적으면, 웨이퍼 주연부의 막 두께가 증막되어버린다. 이것은, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스가, 갭(G)을 흐르는 원료 가스를 충분히 희석시킬 수 없어, 웨이퍼 중심부에 원료 가스를 도달시킬 수 없기 때문이라고 생각된다. 또한, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스의 유량을 많게 하면, 웨이퍼 주연부의 막 두께를 감소시킬 수 있지만, 주연부 바로 근처에서 국소적인 증막이 일어나는 것이 확인되었다. 이것은, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스에 의해 웨이퍼 주연부가 희석되지만, 갭(G)을 흐르는 원료 가스와의 농도차에 의해, 주연부 바로 근처에서 농도 확산이 일어나기 때문이라고 생각된다. 이렇게 주연부 바로 근처에서의 국소적인 증막에 대하여, 비교예 2는 유효하지 않다. 여기서, 웨이퍼 주연부란, 웨이퍼 중심으로부터의 거리가, 80mm 이상 120mm 이하이고, 웨이퍼 주연부 바로 근처란, 웨이퍼 중심으로부터의 거리가, 120mm 이상 150mm 이하로 하고 있다. N2 가스의 유량을 더욱 많게 하면, 웨이퍼 중심부에서 막이 증막되어버리는 것이 확인되었다. 이것은, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스의 유량이 많으면, N2 가스가 웨이퍼 중심부를 향해서 공급되기 때문에, 웨이퍼의 주연부에서의 원료 가스가 희석되지만, 카운터 노즐로부터 공급된 N2 가스에 의해 갭(G)의 원료 가스가 웨이퍼 중심부로 많이 흘렀기 때문이라고 생각된다.
도 7의 (B)에 도시하는 바와 같이, 본 실시예에서는, 카운터 노즐로부터 공급되는 N2 가스의 유량을 많게 하면, 웨이퍼 주연부 바로 근처의 국소적인 증막을 억제하면서, 웨이퍼 중심부에서 증막되는 것이 확인되었다. 이에 의해, 웨이퍼 에지의 국소적 증막을 일으키지 않고, 면 내의 요철을 제어할 수 있어, 웨이퍼의 면내 막 두께 분포가 W형의 분포로 되지 않는다. 즉, 카운터 노즐로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 조정함으로써, 면내 막 두께 분포가 제어되어, 면내 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있는 것이 확인되었다.
(4) 본 실시 형태에 의한 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과가 얻어진다.
(a) 웨이퍼에 대하여 처리 가스 노즐로부터 처리 가스를 공급할 때, 처리 가스 노즐로부터 웨이퍼의 둘레 방향에 있어서 소정 거리 이격되어 설치되어 있는 카운터 노즐로부터 불활성 가스를 처리 가스 노즐을 향해서 공급함으로써, 불활성 가스의 와류를 형성함으로써, 웨이퍼 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
(b) 이 불활성 가스의 와류에 의해, 웨이퍼의 주연부와 반응관의 내벽의 사이의 갭(G) 영역을 흐르는 처리 가스가, 불활성 가스와 혼합하지 않고 반발하여, 불활성 가스의 와류가 흐르는 방향으로 변화하여, 웨이퍼의 중심 방향을 향해서 흐른다. 따라서, 웨이퍼의 중심부에 공급하는 원료 가스를 증가시켜, 웨이퍼 중심부를 증막시킬 수 있다.
(c) 또한, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304) 부근에 불활성 가스의 와류를 형성함으로써, 웨이퍼의 주연부와 반응관의 내벽의 사이의 갭(G) 영역에의 처리 가스의 유입을 억제하여, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304)의 하류측의 갭(G) 영역으로 흐르는 처리 가스를 저감시켜, 웨이퍼의 주연부에서의 증막을 억제할 수 있다.
(d) 또한, 웨이퍼의 주연부의 일부와 겹치도록 불활성 가스의 와류를 형성함으로써, 웨이퍼의 주연부의 일부에서 원료 가스의 농도가 저감되어, 희석된다. 이에 의해, 웨이퍼의 주연부에서의 증막을 억제할 수 있다.
(e) 또한, 카운터 노즐에 의해 공급된 불활성 가스가, 제2 돌출부(303), 제3 돌출부(304) 부근의 불활성 가스의 와류에 의해, 배기구를 향해서 하류측의 갭(G) 영역을 흘러서 배출됨으로써, 제2 돌출부(302), 제3 돌출부(304)의 하류측의 갭(G) 영역이 희석되어, 웨이퍼(200)의 주연부의 증막이 억제된다. 이에 의해, 처리실(201)의 하류측의 갭(G) 영역에 마련되는 온도 센서(263)에 불활성 가스가 공급되는 한편, 처리 가스가 현저하게 저감되므로, 처리 가스에 의한 부착물이 억제된다. 따라서, 온도 센서(263)의 부착물에 의한 오염이 보호되므로, 온도 센서(263)의 메인터넌스 주기가 개선된다.
(f) 카운터 노즐에 의해 공급된 불활성 가스의 유량을 제어하여, 불활성 가스의 와류를 형성함으로써, 웨이퍼(200) 상의 처리 가스의 희석 효과 범위를 조정할 수 있다.
(g) 또한, 2개의 카운터 노즐을, 처리 가스 노즐의 중심과 배기구의 중심을 연결하는 직선에 대하여 선 대칭으로 배치함으로써, 웨이퍼 상에 형성되는 막의 면내 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
(h) 카운터 노즐의 설치 위치나, 카운터 노즐에 형성하는 가스 공급 구멍의 방향, 처리 가스의 총 유량에 대한 카운터 가스 노즐에 의해 공급되는 불활성 가스의 유량 등을 조정함으로써, 웨이퍼 상에 형성되는 면내 막 두께 분포를 제어할 수 있어, 면내 막 두께 균일성을 향상시킬 수 있다.
이상, 본 개시의 일 실시 형태를 구체적으로 설명했다. 단, 본 개시는 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양하게 변경 가능하다.
상술한 실시 형태에서는, 카운터 노즐로서 노즐(249c)과 노즐(249d)의 2개를 사용하는 예를 사용해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것이 아니며, 카운터 노즐은 어느 1개이어도, 2개 이상이어도 된다. 또한, 카운터 노즐이 1개일 경우에는, 카운터 노즐이 없는 측에서의 웨이퍼의 둘레단부가 증막되어버리기 때문에, 2개 이상이 바람직하다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 기판 처리 공정으로서 웨이퍼(200) 상에 SiN막을 형성하는 예를 사용해서 설명했지만, 본 개시는 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, SiN막 외에, Si를 포함하는 실리콘 화합물을 포함하는 막이나, 텅스텐(W), 티타늄(Ti), 하프늄(Hf) 등의 금속 화합물 등을 포함하는 막을 형성하는 경우에도 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태는, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition), PVD(Physical Vapor Deposition), 산화막, 질화막을 형성하는 처리 및 금속을 포함하는 막을 형성하는 처리를 포함하는 성막 처리에 있어서 적합하게 적용할 수 있다.
또한, 기판 처리에 사용되는 레시피는, 처리 내용에 따라 개별로 준비하여, 전기 통신 회선이나 외부 기억 장치(123)를 통해서 기억 장치(121c) 내에 저장해 두는 것이 바람직하다. 그리고, 처리를 개시할 때, CPU(121a)가, 기억 장치(121c) 내에 저장된 복수의 레시피 중에서, 기판 처리의 내용에 따라 적정한 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 1대의 기판 처리 장치에서 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 막을 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한, 오퍼레이터의 부담을 저감할 수 있어, 조작 미스를 회피하면서 처리를 신속하게 개시할 수 있게 된다.
또한, 상술한 레시피는, 새롭게 작성하는 경우에 한하지 않고, 예를 들어 기판 처리 장치에 이미 인스톨되어 있던 기존의 레시피를 변경함으로써 준비해도 된다. 레시피를 변경하는 경우는, 변경 후의 레시피를, 전기 통신 회선이나 당해 레시피를 기록한 기록 매체를 통해서 기판 처리 장치에 인스톨해도 된다. 또한, 기존의 기판 처리 장치가 구비하는 입출력 장치(122)를 조작하여, 기판 처리 장치에 이미 인스톨되어 있던 기존의 레시피를 직접 변경하도록 해도 된다.
또한, 상술한 기판 처리 장치와 같은 반도체 웨이퍼를 처리하는 반도체 제조 장치 등에 한하지 않고, 유리 기판을 처리하는 LCD(Liquid Crystal Display) 제조 장치에도 적용할 수 있다.
200: 웨이퍼(기판)
201: 처리실
233: 배기구
249a: 노즐(처리 가스 노즐)
249b: 노즐(처리 가스 노즐)
249c: 노즐(불활성 가스 노즐)
249d: 노즐(불활성 가스 노즐)
302: 제1 돌출부
303: 제2 돌출부
304: 제3 돌출부

Claims (13)

  1. 기판을 처리하는 처리실에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 노즐과,
    상기 처리 가스 노즐과 상기 기판의 둘레 방향에 있어서 소정 거리 이격되어 배치되어, 상기 처리실에 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 노즐과,
    내부에 상기 처리실을 구성하고, 상기 처리 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제1 돌출부와, 상기 불활성 가스 노즐을 수용하도록 외측에 돌출된 제2 돌출부를 갖는 반응관을 구비하고,
    상기 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 상기 불활성 가스는, 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 상기 기판측을 향하게 하도록 상기 처리 가스 노즐을 향해서 공급되는, 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 상기 불활성 가스는, 상기 제2 돌출부 부근에 상기 불활성 가스의 와류를 형성하도록 상기 처리 가스 노즐을 향해서 공급되는, 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 처리 가스 노즐로부터 공급되어 상기 기판의 단부와 상기 반응관의 내벽의 사이를 흐르는 상기 처리 가스는, 상기 불활성 가스의 와류에 의해, 상기 기판 중심 방향을 향해서 흐르는, 기판 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 처리실의 분위기를 배기하는 배기부를 갖고,
    상기 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 상기 불활성 가스는, 상기 제2 돌출부 부근의 상기 불활성 가스의 와류에 의해, 상기 배기부를 향해서 상기 기판의 단부와 상기 반응관의 내벽의 사이를 흐르는, 기판 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 불활성 가스의 와류는, 상기 기판의 주연부의 일부와 겹치도록 형성되는, 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 처리 가스의 농도는, 상기 불활성 가스의 와류가 형성되는 상기 기판의 주연부의 일부에서 저감되는, 기판 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 불활성 가스 노즐은 2개 배치되는, 기판 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 처리실의 분위기를 배기하는 배기부를 갖고,
    상기 2개의 불활성 가스 노즐은, 상기 처리 가스 노즐과 상기 배기부를 연결하는 직선에 대하여 선 대칭으로 배치되는, 기판 처리 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 불활성 가스의 와류와 상기 처리 가스는 혼합하지 않고 반발하여, 상기 처리 가스가 흐르는 방향은, 상기 불활성 가스의 와류가 흐르는 방향으로 변화하는, 기판 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스 노즐은, 상기 처리 가스 노즐의 중심과 상기 기판 중심을 연결하는 직선으로부터 상기 기판의 둘레 방향으로 15도 이상 120도 이하의 위치에 배치되는, 기판 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 불활성 가스 노즐로부터 공급되는 상기 불활성 가스의 유량은, 상기 처리 가스 노즐로부터 공급되는 상기 처리 가스의 총 유량의 1/4 이상 2/3 이하인, 기판 처리 장치.
  12. 기판을 처리하는 처리실에 상기 기판을 반입하는 공정과,
    처리 가스 노즐로부터 처리 가스를 상기 처리실에 공급하여, 상기 기판을 처리하는 공정을 갖고,
    상기 기판을 처리하는 공정에서는, 불활성 가스 노즐로부터 상기 처리실에 불활성 가스를 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 상기 기판측을 향하게 하도록 상기 처리 가스 노즐을 향해서 공급하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 기판 처리 장치의 처리실에 기판을 반입하는 수순과,
    처리 가스 노즐로부터 처리 가스를 상기 처리실에 공급하여, 상기 기판을 처리하는 수순과,
    상기 기판을 처리하는 수순에 있어서, 불활성 가스 노즐로부터 상기 처리실에 불활성 가스를 상기 처리 가스가 흐르는 방향을 상기 기판측을 향하게 하도록 상기 처리 가스 노즐을 향해서 공급하는 수순
    을 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램.
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