KR20230005905A - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램, 보조 플레이트 및 기판 보지구 - Google Patents

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KR20230005905A
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츠요시 타케다
다이스케 하라
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

기판 처리의 균일성을 향상시키는 것을 가능하게 하는 기술을 제공하는 데 있다.
복수의 기판을 처리하는 처리실; 복수의 기판을 적재하는 기판 보지구; 및 처리실 내에 플라즈마를 형성하는 전극을 포함하고, 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 보조 플레이트를 복수의 기판 사이에 설치하는 기술이 제공된다.

Description

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램, 보조 플레이트 및 기판 보지구
본 개시(開示)는 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램, 보조 플레이트 및 기판 보지구(保持具)에 관한 것이다.
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 기판 처리 장치의 처리실 내에 기판을 반입하고, 처리실 내에 원료 가스와 반응 가스를 공급해서 기판 상에 절연막이나 반도체막, 도체막 등의 각종 막을 형성하거나, 각종 막을 제거하는 기판 처리가 수행되는 경우가 있다.
미세 패턴이 형성되는 양산 디바이스에서는 불순물의 확산을 억제하거나, 유기 재료와 같은 내열성이 낮은 재료를 사용할 수 있도록 하기 위해서 저온화가 요구되고 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2007-324477호 공보
이러한 문제를 해결하기 위해서 플라즈마를 이용하여 기판 처리를 수행하는 것이 일반적으로 수행되고 있지만, 처리하는 기판의 표면적이 현저하게 증대하면, 플라즈마에 의해 생성되는 이온이나 래디컬 등의 활성종의 공급량이 필요량에 비해 부족해지기 때문에 기판 중앙부에서 그 처리 능력이 저하되고, 즉 기판에 대한 처리를 균일하게 수행하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.
본 개시의 목적은 기판 처리의 균일성을 향상시키는 것을 가능하게 하는 기술을 제공하는 데 있다.
본 개시의 일 형태에 따르면, 복수의 기판을 처리하는 처리실; 상기 복수의 기판을 적재하는 기판 보지구; 및 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하는 전극을 포함하고, 상기 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 보조 플레이트를 상기 복수의 기판 사이에 설치하는 기술이 제공된다.
본 개시에 따르면, 기판 처리의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다.
도 1은 본 개시의 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치의 종형(縱型) 처리로의 개략 구성도이며, 처리로 부분을 종단면(縱斷面)으로 도시하는 도면.
도 2는 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에서의 A-A 단면도.
도 3의 (a)는 본 개시의 실시 형태의 외부 전극을 석영 커버에 설치했을 때의 사시도, 도 3의 (b)는 본 개시의 실시 형태의 히터, 석영 커버, 외부 전극, 외부 전극을 고정하는 돌기부, 반응관의 위치 관계를 도시하기 위한 도면.
도 4의 (a)는 본 개시의 실시 형태의 외부 전극의 정면도, 도 4의 (b)는 외부 전극을 석영 커버에 고정하는 점을 설명하는 도면.
도 5의 (a)는 본 개시의 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 보조 플레이트의 정면도, 도 5의 (b)는 다른 실시 형태에서 바람직하게 이용되는 보조 플레이트의 정면도.
도 6의 (a)는 보조 플레이트가 없는 경우의 전위(곡선)와 전계(화살표)의 분포도, 도 6의 (b)는 보조 플레이트가 있는 경우의 전위(곡선)와 전계(화살표)의 분포도.
도 7은 도 1에 도시하는 기판 처리 장치에서의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계의 일례를 도시하는 블록도.
도 8은 도 1에 도시하는 기판 처리 장치를 이용한 기판 처리 프로세스의 일례를 도시하는 흐름도.
<본 개시의 실시 형태>
이하, 본 개시의 실시 형태에 대해서 도 1 내지 도 8을 참조하면서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 구성
(가열 장치)
도 1에 도시하는 바와 같이, 처리로(202)는 가열 장치(가열부)로서의 히터(207)를 포함한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판으로서의 히터 베이스(미도시)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다. 히터(207)는 후술하는 바와 같이, 가스를 열로 활성화[여기(勵起)]시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
(처리실)
히터(207)의 내측에는 후술하는 외부 전극 고정 치구로서의 석영 커버(301)가 배설(配設)되고, 또한 석영 커버(301)의 내측에는 후술하는 플라즈마 생성부의 외부 전극(300)이 배설된다. 또한 외부 전극(300)의 내측에는 히터(207)와 동심원 형상으로 반응관(203)이 배설된다. 반응관(203)은 예컨대 석영(SiO2)이나 탄화실리콘(SiC)이나 질화실리콘(SiN) 등의 내열성 재료에 의해 구성되고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 반응관(203)의 하방(下方)에는 반응관(203)과 동심원 형상으로 매니폴드(209)가 배설된다. 매니폴드(209)는 예컨대 스텐레스(SUS) 등의 금속에 의해 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 매니폴드(209)의 상단부는 반응관(203)의 하단부에 계합(係合)되고, 반응관(203)을 지지하도록 구성된다. 매니폴드(209)와 반응관(203) 사이에는 씰 부재로서의 O링(220a)이 설치된다. 매니폴드(209)가 히터 베이스로 지지되는 것에 의해 반응관(203)은 수직으로 설치된 상태가 된다. 주로 반응관(203)과 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 처리 용기의 통중공부(筒中空部)에는 처리실(201)이 형성된다. 처리실(201)은 복수 매의 기판으로서의 웨이퍼(200)와, 후술하는 복수 개의 보조 플레이트(315)를 수용 가능하도록 구성되고, 웨이퍼(200)와 보조 플레이트(315)는 교호(交互)적으로 배치된다. 바꿔 말하면, 보조 플레이트(315)는 복수의 웨이퍼(200) 사이에 설치된다. 보조 플레이트(315)는 복수의 웨이퍼(200) 각각의 상부에 설치되는 것이 바람직하다. 또한 처리 용기는 상기 구성에 한정되지 않고, 반응관(203)만을 처리 용기라고 부르는 경우도 있다.
(가스 공급부)
처리실(201) 내에는 노즐(249a, 249b)이 매니폴드(209)의 측벽을 관통하도록 설치된다. 노즐(249a, 249b)에는 가스 공급관(232a, 232b)이 각각 접속된다. 이와 같이 처리 용기에는 2개의 노즐(249a, 249b)과, 2개의 가스 공급관(232a, 232b)이 설치되고, 처리실(201) 내에 복수 종류의 가스를 공급하는 것이 가능하도록 이루어진다. 또한 반응관(203)만을 처리 용기로 한 경우, 노즐(249a, 249b)은 반응관(203)의 측벽을 관통하도록 설치되어도 좋다.
가스 공급관(232a, 232b)에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(241a, 241b) 및 개폐 밸브인 밸브(243a, 243b)가 각각 설치된다. 가스 공급관(232a, 232b)의 밸브(243a, 243b)보다 하류측에는 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(232c, 232d)이 각각 접속된다. 가스 공급관(232c, 232d)에는 상류 방향부터 순서대로 MFC(241c, 241d) 및 밸브(243c, 243d)가 각각 설치된다.
노즐(249a, 249b)은 반응관(203)의 내벽과 웨이퍼(200) 사이에서의 평면시에서 원환 형상의 공간에 반응관(203)의 내벽의 하부로부터 상부를 따라, 웨이퍼(200)의 적재 방향 상방(上方)을 향하여 상승하도록 각각 설치된다. 즉 노즐(249a, 249b)은 처리실(201) 내에 반입된 각 웨이퍼(200)의 단부(주연부)의 측방에 웨이퍼(200)의 표면(평탄면)과 수직으로 각각 설치된다. 노즐(249a, 249b)의 측면에는 가스를 공급하는 가스 공급공(250a, 250b)이 각각 설치된다. 가스 공급공(250a)은 반응관(203)의 중심을 향하도록 개구되고, 웨이퍼(200)를 향하여 가스를 공급하는 것이 가능하도록 이루어진다. 가스 공급공(250a, 250b)은 각각 반응관(203)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치된다.
이와 같이 본 실시 형태에서는 반응관(203)의 측벽의 내벽과 반응관(203) 내에 배열된 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부(주연부)로 정의되는 평면시에서 원환 형상의 세로로 긴 공간 내, 즉 원통 형상의 공간 내에 배치한 노즐(249a, 249b)을 경유해서 가스를 반송한다. 그리고 노즐(249a, 249b)에 각각 개구된 가스 공급공(250a, 250b)으로부터 웨이퍼(200)의 근방에서 처음으로 반응관(203) 내에 가스를 분출시킨다. 그리고 반응관(203) 내에서의 가스의 주된 흐름을 웨이퍼(200)의 표면과 평행한 방향, 즉 수평 방향으로 한다. 이러한 구성으로 하는 것에 의해 각 웨이퍼(200)에 균일하게 가스를 공급할 수 있고, 각 웨이퍼(200)에 형성되는 막의 막 두께의 균일성을 향상시키는 것이 가능해진다. 웨이퍼(200)의 표면상을 흐른 가스, 즉 반응 후의 잔류 가스는 배기구, 즉 후술하는 배기관(231)의 방향을 향하여 흐른다. 단, 이 잔류 가스가 흐르는 방향은 배기구의 위치에 의해 적절히 특정되고, 수직 방향으로 한정되지 않는다.
가스 공급관(232a)으로는 소정 원소를 포함하는 원료로서 예컨대 소정 원소로서의 실리콘(Si)을 포함하는 실란 원료 가스가 MFC(241a), 밸브(243a), 노즐(249a)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다.
실란 원료 가스란 기체 상태의 실란 원료, 예컨대 상온 상압 하에서 액체 상태인 실란 원료를 기화하는 것에 의해 얻어지는 가스나, 상온 상압 하에서 기체 상태인 실란 원료 등이다. 본 명세서에서 「원료」라는 단어를 사용한 경우는 「액체 상태인 액체 원료」를 의미하는 경우, 「기체 상태인 원료 가스」를 의미하는 경우, 또는 그것들의 양방(兩方)을 의미하는 경우가 있다.
실란 원료 가스로서는 예컨대 Si 및 아미노기(基)(아민기)를 포함하는 원료 가스, 즉 아미노실란 원료 가스를 이용할 수 있다. 아미노실란 원료란 아미노기를 포함하는 실란 원료이며, 또한 메틸기나 에틸기나 부틸기 등의 알킬기를 포함하는 실란 원료이며, 적어도 Si, 질소(N) 및 탄소(C)를 포함하는 원료다. 즉 여기서 말하는 아미노실란 원료는 유기계의 원료라고도 말할 수 있으며, 유기 아미노실란 원료라고도 말할 수 있다.
아미노실란 원료 가스로서는 예컨대 비스터셔리부틸아미노실란{SiH2[NH(C4H9)]2, 약칭: BTBAS} 가스를 이용할 수 있다. BTBAS는 1분자 중에 1개의 Si를 포함하고, Si-N 결합, N-C 결합을 포함하고, Si-C 결합을 포함하지 않는 원료 가스라고도 말할 수 있다. BTBAS 가스는 Si 소스로서 작용한다.
BTBAS와 같이 상온 상압 하에서 액체 상태인 액체 원료를 이용하는 경우는 액체 상태의 원료를 기화기나 버블러 등의 기화 시스템에 의해 기화하고, 실란 원료 가스(BTBAS 가스 등)로서 공급하게 된다.
가스 공급관(232b)으로부터는, 원료와는 화학 구조가 다른 반응체(리액턴트)로서 예컨대 산소(O) 함유 가스가 MFC(241b), 밸브(243b), 노즐(249b)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다.
O 함유 가스는 산화제(산화 가스), 즉 O 소스로서 작용한다. O 함유 가스로서는 예컨대 산소(O2) 가스나 수증기(H2O) 가스 등을 이용할 수 있다. 산화제로서 O가스 가스를 이용하는 경우에는 예컨대 후술하는 플라즈마원(源)을 이용하여 이 가스를 플라즈마 여기하고, 여기 가스(O2 * 가스)로서 공급하게 된다.
가스 공급관(232c, 232d)으로부터는 불활성 가스로서 예컨대 질소(N2) 가스가 각각 MFC(241c, 241d), 밸브(243c, 243d), 노즐(249a, 249b)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다.
주로 가스 공급관(232a), MFC(241a), 밸브(243a)에 의해 제1 가스 공급계로서의 원료 공급계가 구성된다. 주로 가스 공급관(232b), MFC(241b), 밸브(243b)에 의해 제2 가스 공급계로서의 반응체 공급계(리액턴트 공급계)가 구성된다.
주로 가스 공급관(232c, 232d), MFC(241c, 241d), 밸브(243c, 243d)에 의해 불활성 가스 공급계가 구성된다. 원료 공급계, 반응체 공급계 및 불활성 가스 공급계를 단순히 가스 공급계(가스 공급부)라고도 부른다.
(기판 보지구)
도 1에 도시하는 바와 같이 기판 보지구로서의 보트(217)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(200) 및 복수의 보조 플레이트(315)를 수평 자세로, 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜서 다단으로 지지하도록, 즉 간격을 두고 배열시키도록 구성된다. 보트(217)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성된다. 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어지는 단열판(218)이 다단으로 지지된다. 이 구성에 의해 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219)측에 전달되기 어렵도록 이루어진다. 단, 본 실시 형태는 이러한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 설치하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료에 의해 구성되는 통 형상의 부재로서 구성된 단열통을 설치해도 좋다.
(플라즈마 생성부)
다음으로 플라즈마 생성부에 대해서 도 1 내지 도 5를 이용하여 설명한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 플라즈마는 용량 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, 약칭: CCP)를 이용하고, 반응 가스 공급 시에 석영 등으로 제작된 진공 격벽인 반응관(203)의 내부에서 생성한다.
도 2 및 도 3의 (a)에 도시하는 바와 같이, 외부 전극(300)은 웨이퍼(200)의 배열 방향으로 긴 직사각형 형상[矩形]을 포함하는 박판(薄板)으로 구성된다. 외부 전극(300)은 미도시의 정합기를 개재하여 고주파 전원(320)이 접속되어 임의의 전위가 인가되는(임의의 전압이 인가되는) 제1 외부 전극(Hot 전극)(300-1)과, 기준 전위 0V이며 어스에 접지(接地)되는 제2 외부 전극(Ground 전극)(300-2)이 등간격으로 배치된다. 본 개시에서는 특히 구별해서 설명할 필요가 없는 경우에는 외부 전극(300)으로서 기재해서 설명한다. 외부 전극(300)은 반응관(203)과 히터(207) 사이에, 즉 처리실(201)의 외측에 반응관(203)의 외벽을 따르도록 대략 원호 형상으로 배치되고, 예컨대 중심각이 30° 이상 240° 이하가 되는 원호 형상으로 형성된 후술하는 석영 커버의 내벽면에 고정되어 배치된다. 외부 전극(300)에는 고주파 전원(320)으로부터 미도시의 정합기를 개재하여 예컨대 주파수 13.56MHz의 고주파가 입력되는 것에 의해 반응관(203)[처리실(201)] 내에 플라즈마 활성종(302)이 생성된다. 이와 같이 생성된 플라즈마에 의해 웨이퍼(200)의 주위로부터 기판 처리를 위한 플라즈마 활성종(302)을 웨이퍼(200)의 표면에 공급하는 것이 가능해진다. 주로 외부 전극(300)과, 고주파 전원(320)에 의해 플라즈마 생성부가 구성된다. 미도시의 정합기나 후술하는 외부 전극 고정 치구로서의 석영 커버(301)를 포함해서 플라즈마 생성부라고 생각해도 좋다.
외부 전극(300)은 알루미늄이나 구리, 스텐레스 등의 금속으로도 구성할 수 있지만, 니켈 등의 내산화 재료로 구성하는 것에 의해 전기 전도율의 열화를 억제하면서 기판 처리가 가능해진다. 특히 알루미늄이 첨가된 니켈 합금 재료로 구성하는 것에 의해 내열성 및 내부식성이 높은 산화 피막인 AlO막이 전극 표면에 형성된다. 이 피막 형성의 효과에 의해 전극 내부로의 열화의 진행을 억제할 수 있기 때문에, 전기 전도율의 저하에 의한 플라즈마 생성 효율의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.
또한 외부 전극(300)에는, 도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이 후술하는 돌기 두부(頭部)(311)를 통과시키는 원형 노치부(303)와, 돌기 축부(312)를 슬라이드 시키는 슬라이드 노치부(304)로 이루어지는 노치부(305)가 형성된다. 외부 전극(300)은 충분한 강도를 가지고, 또한 열원에 의한 웨이퍼 가열의 효율을 현저하게 낮추지 않도록 두께는 0.1mm 이상 1mm 이하, 폭은 5mm 이상 30mm 이하가 되는 범위에서 구성되는 것이 바람직하다.
종형 기판 처리 장치에서 고주파 전원(320)의 주파수를 13.56MHz로 실시하고, 길이가 1m, 전극 폭이 10mm, 두께가 1mm로 이루어지는 전극을 채택하고, 튜브 형상의 반응관의 외벽에 전극 피치(중심간 거리)를 20mm로 복수 개의 제1 외부 전극(300-1)과 제2 외부 전극(300-2)을, 도 3의 (b)에 도시하는 바와 같이 제1 외부 전극(300-1), 제1 외부 전극(300-1), 제2 외부 전극(300-2), 제1 외부 전극(300-1), 제1 외부 전극(300-1), ···의 순서로 배치하고 CCP 모드의 플라즈마를 생성했다.
(외부 전극 고정 치구)
다음으로 외부 전극(300)을 고정하는 외부 전극 고정 치구로서의 석영 커버(301)에 대해서 도 3 내지 도 4를 이용하여 설명한다. 도 3의 (a) 및 (b), 도 4의 (a) 및 (b)에서 도시하는 바와 같이, 복수 개 설치된 외부 전극(300)은 그 노치부(305)를 만곡 형상의 외부 전극 고정 치구인 석영 커버(301)의 내벽면에 설치된 돌기부(310)에 걸어서 슬라이드 시켜 고정하고, 이 석영 커버(301)와 일체가 되도록 유닛화(걸이형 외부 전극 유닛)하여 반응관(203)의 외주에 설치된다. 여기서 외부 전극(300)과 외부 전극 고정 치구인 석영 커버(301)를 포함해서 외부 전극 고정 유닛이라고 부른다. 또한 석영 커버(301)와 외부 전극(300)의 재료로서 각각 석영과 니켈 합금을 채택한다.
석영 커버(301)는 충분한 강도를 가지고, 또한 히터(207)에 의한 웨이퍼 가열의 효율을 현저하게 낮추지 않도록 두께는 1mm 이상, 5mm 이하의 범위가 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 석영 커버(301)의 두께가 1mm 미만이 되면 석영 커버(301)의 자중(自重)이나 온도 변화 등에 대한 소정의 강도를 얻을 수 없게 되고, 5mm보다 크게 구성하면 히터(207)로부터 방사되는 열 에너지를 흡수해버리기 때문에 웨이퍼(200)로의 열처리를 적절하게 수행할 수 없게 된다.
또한 석영 커버(301)는 반응관측인 내벽면에 외부 전극(300)을 고정하기 위한 압정 형상의 고정부로서의 돌기부(310)를 복수 포함한다. 이 돌기부(310)는 돌기 두부(311)와 돌기 축부(312)로부터 구성된다. 돌기 두부(311)의 최대 폭은 외부 전극(300)의 노치부(305)의 원형 노치부(303)의 지름보다 작고, 돌기 축부(312)의 최대 폭은 슬라이드 노치부(304)의 폭보다 작게 이루어진다. 외부 전극(300)의 노치부(305)는 열쇠 구멍과 같은 형상을 하고, 이 슬라이드 노치부(304)는 상기 돌기 축부(312)를 슬라이드 시에 유도할 수 있고, 또한 이 돌기 두부(311)는 이 슬라이드 노치부(304)로 빠지지 않는 구조로 이루어진다. 즉 외부 전극 고정 치구는 외부 전극(300)이 계지(係止)되는 기둥 형상부인 돌기 축부(312)로부터 빠지는 것을 억제하는 선단부(先端部)인 돌기 두부(311)를 구비한 고정부를 포함한다고 할 수 있다. 또한 전술한 노치부(305)와 돌기 두부(311)의 형상은 외부 전극(300)이 석영 커버(301)에 계지할 수 있으면, 도 3, 도 4에 도시한 형상에 한정되지 않는 것은 명확하다. 예컨대 돌기 두부(311)는 햄머나 가시와 같은 철(凸) 형상을 포함해도 좋다.
석영 커버(301) 또는 반응관(203)과 외부 전극(300)의 거리를 일정하게 이간하기 위해서 양자 간에 스페이서나 용수철 등의 탄성체를 석영 커버(301) 또는 외부 전극(300)에 포함해도 좋고, 또한 이것들은 석영 커버(301) 또는 외부 전극(300)과 일체가 된 구조를 가져도 좋다. 본 실시 형태에서는 도 4의 (b)에서 도시하는 바와 같은 스페이서(330)가 외부 전극(300)과 일체가 된 구조를 가진다. 이 스페이서(330)는 1개의 외부 전극(300)에 대하여 복수 개를 포함하는 것이 양자 간의 거리를 일정하게 해서 고정하는 데 있어서는 효과적이다.
기판 온도 500℃ 이하로 높은 기판 처리 능력을 얻기 위해서는 석영 커버(301)의 점유율을 중심각 30° 이상 240° 이하의 대략 원호 형상으로 하고, 또한 파티클의 발생을 피하기 위해서 배기구인 배기관(231)이나 노즐(249a, 249b) 등을 피한 배치가 바람직하다. 즉 외부 전극 고정 치구인 석영 커버(301)는 반응관(203) 내에 설치된 가스 공급부인 노즐(249a, 249b)과 가스 배기부인 배기관(231)이 설치된 위치 이외의 반응관(203)의 외주에 배치된다. 본 실시 형태에서는 중심각 110°의 석영 커버(301)를 2대(臺)로 좌우 대칭으로 설치한다.
(스페이서)
다음으로 외부 전극 고정 치구인 석영 커버(301)나 반응관(203)의 외벽에 대하여 외부 전극(300)을 일정한 거리로 고정하기 위한 스페이서(330)에 대해서 도 4의 (a) 및 (b)를 이용하여 설명한다. 예컨대 스페이서(330)는 원주 형상의 석영 재료로 석영 커버(301)와 일체화되고, 외부 전극(300)과 당접(當接)되는 것에 의해 외부 전극(300)은 석영 커버(301)에 고정된다. 석영 커버(301)나 반응관(203)에 대하여 외부 전극(300)을 일정한 거리로 고정할 수 있다면, 외부 전극(300)이나 스페이서(330)는 어떤 형태이어도 외부 전극(300)과 석영 커버(301) 중 어느 하나와 일체화되어도 좋다. 예컨대 스페이서(330)는 반원주(半圓柱) 형상의 석영 재료로 석영 커버와 일체화하여 외부 전극(300)을 고정해도 좋고, 또한 스페이서(330)는 SUS 등의 금속제 판재로서 외부 전극(300)과 일체화하여 외부 전극(300)을 고정해도 좋다. 석영 커버에 외부 전극 고정 치구와 스페이서가 설치되기 때문에 외부 전극(300)의 위치 결정이 용이해지고, 또한 외부 전극(300)이 열화된 경우에 외부 전극(300)만을 교환할 수 있기 때문에 비용 저감이 된다. 여기서 스페이서(330)는 전술한 외부 전극 고정 유닛에 포함시켜도 좋다.
(보조 플레이트)
다음으로 보조 플레이트(315)에 대해서 도 5를 이용하여 설명한다. 도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 보조 플레이트(315)는 예컨대 SiC 등의 절연 재료(절연 부재)에 의해 구성되는 원반 형상의 중심 플레이트(316)에, 마찬가지로 SiC 등의 절연 재료에 의해 구성되는 부채 형상의 12매의 핀 플레이트(317)가 접합되어 일체적으로 구성된다. 핀 플레이트(317)는 중심 플레이트(316)와 같은 두께의 판 형상이며, 중심 플레이트(316)의 중심으로부터 방사상으로 연장되도록 형성된다. 보조 플레이트(315)는 절연 부재로 구성되기 때문에 히터(207)로부터의 열을 흡수하여 웨이퍼(200)에 복사열을 공급한다. 중심 플레이트(316)는 웨이퍼(200)보다 작은 지름이다. 웨이퍼(200)와 교호적으로 설치된 복수의 보조 플레이트(315)는 외부 전극(300)으로부터 방사되는 전계(전장)를 인접하는 핀 플레이트(317) 사이에서 강화하는 것에 의해 플라즈마를 발생시키고, 대향되는 웨이퍼(200)의 중앙 부근에서 활성종의 생성을 보조해서 그 공급량을 증가시킬 수 있다. 이에 의해 처리하는 웨이퍼(200)의 표면적이 현저하게 증대해도, 플라즈마에 의해 생성되는 이온이나 래디컬 등의 활성종의 공급량이 필요량에 비해 부족해지는 경우가 없어지고, 웨이퍼(200)의 중앙부에서 그 처리 능력이 저하되는 경우가 없어지고, 즉 웨이퍼(200)에 대한 처리를 균일하게 수행하는 것이 가능해진다. 복수의 핀 플레이트(317)는 동일 형상인 것이 바람직하다. 핀 플레이트(317) 간의 면적은 핀 플레이트(317)의 면적과 동일하거나 또는 보다 넓게 구성하는 것이 바람직하다. 이에 의해 전계[전장(電場)]가 발생하는 영역을 확보할 수 있다.
보조 플레이트(315)는, 도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이 웨이퍼(200)의 지름과 동등한 외경을 가지고, SiC 등의 절연 재료(절연 부재)에 의해 구성되는 링 형상의 링 플레이트(318)와, 마찬가지로 SiC 등의 절연 재료에 의해 구성되는 부채 형상의 12매의 핀 플레이트(317)로 구성해도 좋다.
전자계 해석에 의해 얻어진 이때의 전계 분포의 일례에 대해서 도 6을 이용하여 설명한다. 도 6의 (a)에 도시하는 바와 같은 보조 플레이트(315)가 없는 경우보다, 도 6의 (b)에 도시하는 바와 같은 보조 플레이트(315)가 있는 경우에서, 중심 플레이트(316) 부근에서의 전계가 강해진다(화살표의 크기가 크다). 또한 보조 플레이트(315)는 히터(207)로부터의 열을 흡수해서 복사열을 웨이퍼(200)에 공급할 수 있다. 또한 1매의 보조 플레이트(315)를 구성하는 핀 플레이트(317)의 매수는 12매에 한정되지 않고, 4매 이상 20매 이하라면 좋고, 또한 중심 플레이트(316)의 중심부는 도려낸 구멍을 포함해도 좋다. 보조 플레이트(315)는 높은 산화 내성이 있는 재료인 것이 바람직하고, SiO, SiN, GaO, GaN, AlO, AlN, ZrO 등을 이용해도 좋다.
(배기부)
반응관(203)에는 도 1에 도시하는 바와 같이 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 배기관(231)에는 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245) 및 배기 밸브(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller) 밸브(244)를 개재하여 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속된다. APC 밸브(244)는 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 처리실(201) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(246)를 작동시킨 상태에서 압력 센서(245)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 밸브의 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성되는 밸브다. 주로 배기관(231), APC 밸브(244), 압력 센서(245)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다. 배기관(231)은 반응관(203)에 설치하는 경우에 한정되지 않고, 노즐(249a, 249b)과 마찬가지로 매니폴드(209)에 설치해도 좋다.
여기서 기판 처리 시의 노(爐) 내 압력은 10Pa 이상, 300Pa 이하의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다. 이는 노 내의 압력이 10Pa보다 낮을 경우, 플라즈마의 데바이 길이보다 가스 분자의 평균 자유 공정이 길어져, 화로 벽을 직접 치는 플라즈마가 현저화되므로 파티클의 발생을 억제하는 것이 곤란해지기 때문이다. 또한 노 내의 압력이 300Pa보다 높을 경우, 플라즈마의 생성 효율이 포화되므로 반응 가스를 공급해도 플라즈마의 생성량은 변화하지 않고, 반응 가스를 불필요하게 소비하게 됨과 동시에, 가스 분자의 평균 자유 공정이 짧아지는 것에 의해 웨이퍼까지의 플라즈마 활성종의 수송 효율이 악화되기 때문이다.
(주변 장치)
매니폴드(209)의 하방에는 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구(爐口) 개체(蓋體)로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 매니폴드(209)의 하단에 수직 방향 하측으로부터 당접되도록 구성된다. 씰 캡(219)은 예컨대 SUS 등의 금속으로 이루어지고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(219)의 상면에는 매니폴드(209)의 하단과 당접되는 씰 부재로서의 O링(220b)이 설치된다.
씰 캡(219)의 처리실(201)과 반대측에는 보트(217)를 회전시키는 회전 기구(267)가 설치된다. 회전 기구(267)의 회전축(255)은 씰 캡(219)을 관통해서 보트(217)에 접속된다. 회전 기구(267)는 보트(217)를 회전시키는 것에 의해 웨이퍼(200)를 회전시키도록 구성된다. 씰 캡(219)은 반응관(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 수직 방향으로 승강되도록 구성된다. 보트 엘리베이터(115)는 씰 캡(219)을 승강시키는 것에 의해 보트(217)를 처리실(201) 내외로 반입 및 반출하는 것이 가능하도록 구성된다.
보트 엘리베이터(115)는 보트(217), 즉 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치(반송 기구)로서 구성된다. 또한 매니폴드(209)의 하방에는 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)을 강하시키는 동안, 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 개체로서의 셔터(219s)가 설치된다. 셔터(219s)는 예컨대 SUS 등의 금속에 의해 구성되고, 원반 형상으로 형성된다. 셔터(219s)의 상면에는 매니폴드(209)의 하단과 당접되는 씰 부재로서의 O링(220c)이 설치된다. 셔터(219s)의 개폐 동작(승강 동작이나 회동 동작 등)은 셔터 개폐 기구(115s)에 의해 제어된다.
반응관(203)의 내부에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치된다. 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 된다. 온도 센서(263)는 노즐(249a, 249b)과 마찬가지로 반응관(203)의 내벽을 따라 설치된다.
(제어 장치)
다음으로 제어 장치에 대해서 도 7을 이용하여 설명한다. 도 7에 도시하는 바와 같이 제어부(제어 장치)인 컨트롤러(121)는 CPU(Central Processing Unit)(121a), RAM(Random Access Memory)(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(121b), 기억 장치(121c), I/O 포트(121d)는 내부 버스(121e)를 개재하여 CPU(121a)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. 컨트롤러(121)에는 예컨대 터치패널 등으로서 구성된 입출력 장치(122)가 접속된다.
기억 장치(121c)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(121c) 내에는 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 성막 처리의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 프로세스 레시피는 후술하는 각종 처리(성막 처리)에서의 각 순서를 컨트롤러(121)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있도록 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 프로세스 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히, 프로그램이라고도 부른다. 또한 프로세스 레시피를 단순히 레시피라고도 부른다. 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 사용한 경우는 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그것들의 양방을 포함하는 경우가 있다. RAM(121b)은 CPU(121a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다.
I/O 포트(121d)는 전술한 MFC(241a 내지 241d), 밸브(243a 내지 243d), 압력 센서(245), APC 밸브(244), 진공 펌프(246), 히터(207), 온도 센서(263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 셔터 개폐 기구(115s), 고주파 전원(320) 등에 접속된다.
CPU(121a)는 기억 장치(121c)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(122)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(121c)로부터 레시피를 판독하도록 구성된다. CPU(121a)는 판독한 레시피의 내용을 따르도록 회전 기구(267)의 제어, MFC(241a 내지 241d)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(243a 내지 243d)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 역회전, 회전 각도 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 셔터 개폐 기구(115s)에 의한 셔터(219s)의 개폐 동작, 고주파 전원(320)의 전력 공급 등을 제어하도록 구성된다.
컨트롤러(121)는 외부 기억 장치[예컨대 하드 디스크 등의 자기(磁氣) 디스크, CD 등의 광(光) 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리 등의 반도체 메모리](123)에 격납된 전술한 프로그램을 컴퓨터에 인스톨하는 것에 의해 구성할 수 있다. 기억 장치(121c)나 외부 기억 장치(123)는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 본 명세서에서 기록 매체라는 단어를 사용한 경우는 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그것들의 양방을 포함하는 경우가 있다. 또한 컴퓨터로의 프로그램의 제공은 외부 기억 장치(123)를 이용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 수행해도 좋다.
(2) 기판 처리 공정
전술한 기판 처리 장치를 이용하여 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 기판 상에 막을 형성하는 프로세스 예에 대해서 도 8을 이용하여 설명한다. 이하의 설명에서 기판 처리 장치를 구성하는 각(各) 부(部)의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 명세서에서는 도 8에 도시하는 성막 처리의 시퀀스를 편의상 다음과 같이 나타내는 경우도 있다. 이하의 변형예나 다른 실시 형태의 설명에서도 마찬가지의 표기를 이용하기로 한다.
(BTBAS→O2 *)×n ⇒ SiO
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우는 「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 포함시켜서 웨이퍼라고 부르는 경우가 있다. 또한 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면)」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면, 즉 적층체로서의 웨이퍼의 최표면(最表面)」을 의미하는 경우가 있다.
따라서 본 명세서에서 「웨이퍼에 대하여 소정의 가스를 공급한다」라고 기재한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면)에 대하여 소정의 가스를 직접 공급한다」라는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되는 층이나 막 등에 대하여, 즉 적층체로서의 웨이퍼의 최표면에 대하여 소정의 가스를 공급한다」라는 것을 의미하는 경우가 있다. 또한 본 명세서에서 「웨이퍼 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」라고 기재한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면(노출면) 상에 소정의 층(또는 막)을 직접 형성한다」라는 것을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성되는 층이나 막 등의 상, 즉 적층체로서의 웨이퍼의 최표면 상에 소정의 층(또는 막)을 형성한다」라는 것을 의미하는 경우가 있다.
또한 본 명세서에서 「기판」이라는 단어를 사용한 경우도 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우와 같은 의미다.
(반입 스텝: S1)
복수 매의 웨이퍼(200)가 보트(217)에 장전(裝塡)(웨이퍼 차지)되면, 셔터 개폐 기구(115s)에 의해 셔터(219s)가 이동되고 매니폴드(209)의 하단 개구가 개방된다(셔터 오픈). 그 후, 도 1에 도시하는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져 처리실(201) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서 씰 캡(219)은 O링(220b)을 개재하여 매니폴드(209)의 하단을 밀봉한 상태가 된다.
(압력·온도 조정 스텝: S2)
처리실(201)의 내부, 즉 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기(감압 배기)된다. 이때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(244)가 피드백 제어된다. 진공 펌프(246)는 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다.
또한 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)가 원하는 온도가 되도록 히터(207)에 의해 가열된다. 이때 처리실(201) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 센서(263)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전 상태가 피드백 제어된다. 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다. 단, 성막 스텝을 실온 이하의 온도 조건 하에서 수행하는 경우에는 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 수행하지 않아도 좋다. 또한 이러한 온도 하에서의 처리만을 수행하는 경우에는 히터(207)는 불필요해지므로 히터(207)를 기판 처리 장치에 설치하지 않아도 좋다. 이 경우, 기판 처리 장치의 구성을 간소화할 수 있다.
계속해서 회전 기구(267)에 의한 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전을 시작한다. 회전 기구(267)에 의한 보트(217) 및 웨이퍼(200)의 회전은 적어도 후술하는 성막 스텝이 종료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
(성막 스텝: S3, S4, S5, S6)
그 후, 스텝(S3), S4, S5, S6을 순차 실행하는 것에 의해 성막 스텝을 수행한다.
(원료 가스 공급 스텝: S3, S4)
스텝(S3)에서는 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스를 공급한다.
밸브(243a)를 열고 가스 공급관(232a) 내에 BTBAS 가스를 흘린다. BTBAS 가스는 MFC(241a)에 의해 유량 조정되고, 노즐(249a)을 개재하여 가스 공급공(250a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(243c)를 열고 가스 공급관(232c) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 MFC(241c)에 의해 유량 조정되어 BTBAS 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
또한 노즐(249b) 내로의 BTBAS 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(243d)를 열고 가스 공급관(232d) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 가스 공급관(232d), 노즐(249b)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
MFC(241a)로 제어하는 BTBAS 가스의 공급 유량은 예컨대 1sccm 이상, 2,000sccm 이하, 바람직하게는 10sccm 이상, 1,000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(241c, 241d)로 제어하는 N2 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 100sccm 이상, 10,000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. 처리실(201) 내의 압력은, 전술한 바와 같이 예컨대 1 이상, 2,666Pa 이하, 바람직하게는 67Pa 이상, 1,333Pa 이하의 범위 내의 압력으로 한다. BTBAS 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 1초 이상, 100초 이하, 바람직하게는 1초 이상, 50초 이하의 범위 내의 시간으로 한다.
히터(207)의 온도는 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 0℃ 이상, 150℃ 이하, 바람직하게는 실온(25℃) 이상, 100℃ 이하, 보다 바람직하게는 40℃ 이상, 90℃ 이하의 범위 내의 온도가 될 수 있는 온도로 설정한다. BTBAS 가스는 웨이퍼(200) 등에 흡착하기 쉽고 반응성이 높은 가스다. 그러므로 예컨대 실온 정도의 저온 하이어도 웨이퍼(200) 상에 BTBAS 가스를 화학 흡착시킬 수 있고, 실용적인 성막 레이트를 얻을 수 있다. 본 실시 형태와 같이, 웨이퍼(200)의 온도를 150℃ 이하, 또한 100℃ 이하, 또한 90℃ 이하로 하는 것에 의해 웨이퍼(200)에 가해지는 열량을 저감시킬 수 있고, 웨이퍼(200)가 받는 열 이력의 제어를 양호하게 수행할 수 있다. 또한 0℃ 이상의 온도라면, 웨이퍼(200) 상에 BTBAS를 충분히 흡착시킬 수 있고, 충분한 성막 레이트를 얻을 수 있게 된다. 따라서 웨이퍼(200)의 온도는 0℃ 이상, 150℃ 이하, 바람직하게는 실온 이상, 100℃ 이하, 보다 바람직하게는 40℃ 이상, 90℃ 이하의 범위 내의 온도로 하는 것이 좋다.
전술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 BTBAS 가스를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 예컨대 1원자층(1분자층) 미만 내지 수 원자층(수 분자층) 정도의 두께의 Si 함유층이 형성된다. Si 함유층은 Si층이어도 좋고, BTBAS의 흡착층이어도 좋고, 그것들의 양방을 포함해도 좋다.
Si층이란 Si에 의해 구성되는 연속적인 층 외에 불연속적인 층이나, 이들이 중첩되어 이루어지는 Si 박막도 포함하는 총칭이다. Si층을 구성하는 Si는 아미노기와의 결합이 완전히 분리되지 않은 것이나, H와의 결합이 완전히 분리되지 않은 것도 포함한다.
BTBAS의 흡착층은 BTBAS 분자로 구성되는 연속적인 흡착층 외에 불연속적인 흡착층도 포함한다. BTBAS의 흡착층을 구성하는 BTBAS 분자는 Si와 아미노기의 결합이 일부 분리된 것이나, Si와 H의 결합이 일부 분리된 것이나, N과 C의 결합이 일부 분리된 것 등도 포함한다. 즉 BTBAS의 흡착층은 BTBAS의 물리 흡착층이어도 좋고, BTBAS의 화학 흡착층이어도 좋고, 그것들의 양방을 포함해도 좋다.
여기서 1원자층(1분자층) 미만의 두께의 층이란 불연속적으로 형성되는 원자층(분자층)을 의미하고, 1원자층(1분자층)의 두께의 층이란 연속적으로 형성되는 원자층(분자층)을 의미한다. Si 함유층은 Si층과 BTBAS의 흡착층의 양방을 포함할 수 있다. 단, 전술한 바와 같이 Si 함유층에 대해서는 「1원자층」, 「수 원자층」등의 표현을 사용하기로 하고, 「원자층」을 「분자층」과 같은 의미로 사용한다.
BTBAS가 자기분해(自己分解)(열분해)하는 조건 하, 즉 BTBAS의 열 분해 반응이 발생하는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 Si가 퇴적하는 것에 의해 Si층이 형성된다. BTBAS가 자기분해(열분해)하지 않는 조건 하, 즉 BTBAS의 열 분해 반응이 발생하지 않는 조건 하에서는 웨이퍼(200) 상에 BTBAS가 흡착하는 것에 의해 BTBAS의 흡착층이 형성된다. 단, 본 실시 형태에서는 웨이퍼(200)의 온도를 예컨대 150℃ 이하의 저온으로 하기 때문에 BTBAS의 열 분해는 발생하기 어렵다. 결과적으로 웨이퍼(200) 상에는 Si층이 아니라, BTBAS의 흡착층이 더 형성되기 쉬워진다.
웨이퍼(200) 상에 형성되는 Si 함유층의 두께가 수 원자층을 초과하면, 후술하는 개질 처리에서의 개질의 작용이 Si 함유층의 전체에 전달되지 않는다. 또한 웨이퍼(200) 상에 형성 가능한 Si 함유층의 두께의 최소값은 1원자층 미만이다. 따라서 Si 함유층의 두께는 1원자층 미만 내지 수 원자층 정도로 하는 것이 바람직하다. Si 함유층의 두께를 1원자층 이하, 즉 1원자층 또는 1원자층 미만으로 하는 것에 의해 후술하는 개질 처리에서의 개질의 작용을 상대적으로 높일 수 있고, 개질 처리의 개질 반응에 소요되는 시간을 단축할 수 있다. 또한 성막 처리의 Si 함유층의 형성에 소요되는 시간도 단축할 수 있다. 결과적으로 1사이클 당의 처리 시간을 단축할 수 있고, 토탈에서의 처리 시간을 단축하는 것도 가능해진다. 즉 성막 레이트를 높게 하는 것도 가능해진다. 또한 Si 함유층의 두께를 1원자층 이하로 하는 것에 의해 막 두께 균일성의 제어성을 높이는 것도 가능해진다.
Si 함유층이 형성된 후, 밸브(243a)를 닫고 처리실(201) 내로의 BTBAS 가스의 공급을 정지한다. 이때 APC 밸브(244)를 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 Si 함유층의 형성에 기여한 후의 BTBAS 가스나 반응 부생성물 등을 처리실(201) 내로부터 배제한다(S4). 또한 밸브(243c, 243d)는 연 상태로 하여 처리실(201) 내로의 N2 가스의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용한다. 또한 이 스텝(S4)을 생략하고 원료 가스 공급 스텝으로 이행해도 좋다.
원료 가스로서는 BTBAS 가스 외에 테트라키스디메틸아미노실란{Si[N(CH3)2]4, 약칭: 4DMAS} 가스, 트리스디메틸아미노실란{Si[N(CH3)2]3H, 약칭: 3DMAS} 가스, 비스디메틸아미노실란{Si[N(CH3)2]2H2, 약칭: BDMAS) 가스, 비스디에틸아미노실란{Si[N(C2H5)2]2H2, 약칭: BDEAS} 가스 등을 바람직하게 이용할 수 있다. 이 외에 원료 가스로서는 디메틸아미노실란(DMAS) 가스, 디에틸아미노실란(DEAS) 가스, 디프로필아미노실란(DPAS) 가스, 디이소프로필아미노실란(DIPAS) 가스, 부틸아미노실란(BAS) 가스, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 가스 등의 각종 아미노실란 원료 가스나, 모노클로로실란(SiH3Cl, 약칭: MCS) 가스, 디클로로실란(SiH2Cl2, 약칭: DCS) 가스, 트리클로로실란(SiHCl3, 약칭: TCS) 가스, 테트라클로로실란, 즉 실리콘테트라클로라이드(SiCl4, 약칭: STC) 가스, 헥사클로로디실란(Si2Cl6, 약칭: HCDS) 가스, 옥타클로로트리실란(Si3Cl8, 약칭: OCTS) 가스 등의 무기계 할로실란 원료 가스나, 모노실란(SiH4, 약칭: MS) 가스, 디실란(Si2H6, 약칭: DS) 가스, 트리실란(Si3H8, 약칭: TS) 가스 등의 할로겐기 비함유의 무기계 실란 원료 가스를 바람직하게 이용할 수 있다.
불활성 가스로서는 N2 가스 외에 Ar 가스, He 가스, Ne 가스, Xe 가스 등의 희(希) 가스를 이용할 수 있다.
(반응 가스 공급 스텝: S5, S6)
성막 처리가 종료된 후, 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)에 대하여 반응 가스로서의 플라즈마 여기시킨 O2 가스를 공급한다(S5).
이 스텝에서는 밸브(243b 내지 243d)의 개폐 제어를 스텝(S3)에서의 밸브(243a, 243c, 243d)의 개폐 제어와 마찬가지의 순서로 수행한다. O2 가스는 MFC(241b)에 의해 유량 조정되고, 노즐(249b)을 개재하여 가스 공급공(250b)으로부터 처리실(201) 내에 공급된다. 이때 고주파 전원(320)으로부터 외부 전극(300)에 고주파 전력(본 실시 형태에서는 주파수 13.56MHz)을 공급(인가)한다. 처리실(201) 내에 공급된 O2 가스는 처리실(201)의 내부에서 플라즈마 상태로 여기되고, 활성종(O*,O2 *,O3)으로서 웨이퍼(200)에 대하여 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 또한 플라즈마 상태로 여기된 O2 가스를 산소 플라즈마라고도 부른다.
MFC(241b)로 제어하는 O2 가스의 공급 유량은 예컨대 100sccm 이상, 10,000sccm 이하의 범위 내의 유량으로 한다. 고주파 전원(320)으로부터 외부 전극(300)에 인가하는 고주파 전력은 예컨대 50W 이상, 1,000W 이하의 범위 내의 전력으로 한다. 처리실(201) 내의 압력은 예컨대 10Pa 이상, 300Pa 이하의 범위 내의 압력으로 한다. 플라즈마를 이용하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 이러한 비교적 낮은 압력대로 해도 O2 가스를 활성화하는 것이 가능해진다. O2 가스를 플라즈마 여기하는 것에 의해 얻어진 활성종을 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 1초 이상, 100초 이하, 바람직하게는 1초 이상, 50초 이하의 범위 내의 시간으로 한다. 그 외의 처리 조건은 전술한 스텝(S3)과 마찬가지의 처리 조건으로 한다.
산소 플라즈마 중에 생성된 이온과 전기적으로 중성인 활성종은 웨이퍼(200)의 표면에 형성된 Si 함유층에 대하여 후술하는 산화 처리를 수행한다.
전술한 조건 하에서 웨이퍼(200)에 대하여 O2 가스를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 형성된 Si 함유층이 플라즈마 산화된다. 이때 플라즈마 여기된 O2 가스의 에너지에 의해 Si 함유층이 포함하는 Si-N 결합, Si-H 결합이 절단된다. Si와의 결합이 분리된 N, H 및 N에 결합되는 C는 Si 함유층으로부터 탈리된다. 그리고 N 등이 탈리되는 것에 의해 미결합수(댕글링 본드)를 포함하게 된 Si 함유층 중의 Si가 O2 가스에 포함되는 O와 결합하여 Si-O 결합이 형성된다. 이 반응이 진행되는 것에 의해, Si 함유층은 Si 및 O를 포함하는 층, 즉 실리콘산화층(SiO층)으로 변화된다(개질된다).
또한 Si 함유층을 SiO층으로 개질하기 위해서는 O2 가스를 플라즈마 여기하여 공급할 필요가 있다. O2 가스를 논 플라즈마의 분위기 하에서 공급해도, 전술한 온도대에서는 Si 함유층을 산화시키는 데 필요한 에너지가 부족하며, Si 함유층으로부터 N이나 C를 충분히 탈리시키거나, Si 함유층을 충분히 산화시켜서 Si-O 결합을 증가시키는 것은 곤란하기 때문이다.
Si 함유층을 SiO층으로 변화시킨 후, 밸브(243b)를 닫고 O2 가스의 공급을 정지한다. 또한 외부 전극(300)으로의 고주파 전력의 공급을 정지한다. 그리고 스텝(S4)과 마찬가지의 처리 순서, 처리 조건에 의해 처리실(201) 내에 잔류하는 O2 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다(S6). 또한 이 스텝(S6)을 생략하고 반응 가스 공급 스텝으로 이행해도 좋다.
산화제, 즉 플라즈마 여기시키는 O 함유 가스로서는 O2 가스 외에 아산화질소(N2O) 가스, 일산화질소(NO) 가스, 이산화질소(NO2) 가스, 오존(O3) 가스, 과산화수소(H2O2) 가스, 수증기(H2O), 수산화암모늄[NH4(OH)] 가스, 일산화탄소(CO) 가스, 이산화탄소(CO2) 가스 등을 이용해도 좋다.
불활성 가스로서는 N2 가스 외에 예컨대 스텝(S4)에서 예시한 각종 희가스를 이용할 수 있다.
(소정 횟수 실시: S7)
전술한 스텝(S3, S4, S5, S6)을 이 순서를 따라 비동시에, 즉 동기시키지 않고 수행하는 것을 1사이클로 하여, 이 사이클을 소정 횟수(n회), 즉 1회 이상 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정 조성 및 소정 막 두께의 SiO막을 형성할 수 있다. 전술한 사이클은 복수 회 반복하는 것이 바람직하다. 즉 1사이클 당 형성되는 SiO층의 두께를 원하는 막 두께보다 작게 하고, SiO층을 적층하는 것에 의해 형성되는 SiO막의 막 두께가 원하는 막 두께가 될 때까지 전술한 사이클을 복수 회 반복하는 것이 바람직하다.
(대기압 복귀 스텝: S8)
전술한 성막 처리가 완료되면, 가스 공급관(232c, 232d)의 각각으로부터 불활성 가스로서의 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하고 배기관(231)으로부터 배기한다. 이에 의해 처리실(201) 내가 불활성 가스로 퍼지되고, 처리실(201) 내에 잔류하는 O2 가스 등이 처리실(201) 내로부터 제거된다(불활성 가스 퍼지). 그 후, 처리실(201) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀: S8).
(반출 스텝: S9)
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되어 매니폴드(209)의 하단이 개구되는 것과 함께, 처리 완료된 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 매니폴드(209)의 하단으로부터 반응관(203)의 외부에 반출(보트 언로드)된다. 보트 언로드 후에는 셔터(219s)가 이동되어 매니폴드(209)의 하단 개구가 O링(220c)을 개재하여 셔터(219s)에 의해 밀봉된다(셔터 클로즈). 처리 완료된 웨이퍼(200)는 반응관(203)의 외부에 반출된 후, 보트(217)로부터 취출된다(웨이퍼 디스차지). 또한 웨이퍼 디스차지 후에는 처리실(201) 내에 빈 보트(217)를 반입하도록 해도 좋다.
여기서 기판 처리 시의 노 내 압력은 10Pa 이상, 300Pa 이하의 범위에서 제어되는 것이 바람직하다. 이는 노 내의 압력이 10Pa보다 낮을 경우, 플라즈마의 데바이 길이보다 가스 분자의 평균 자유 공정이 길어져 화로벽을 직접 치는 플라즈마가 현저화되므로 파티클의 발생을 억제하는 것이 곤란해지기 때문이다. 또한 노 내의 압력이 300Pa보다 높을 경우, 플라즈마의 생성 효율이 포화되므로 반응 가스를 공급해도 플라즈마의 생성량은 변화하지 않고, 반응 가스를 불필요하게 소비하게 됨과 동시에, 가스 분자의 평균 자유 공정이 짧아지는 것에 의해 웨이퍼까지의 플라즈마 활성종의 수송 효율이 악화되기 때문이다.
(3) 본 실시 형태에 따른 효과
본 실시 형태에 따르면, 이하에 나타내는 하나 또는 복수의 효과를 얻을 수 있다.
(a) 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 대향면에 도입된 보조 플레이트(315)는 외부 전극(300)으로부터 방사되는 전계(전장)를 인접하는 핀 플레이트(317) 간에서 강화하는 것에 의해 웨이퍼(200)의 중앙 부근에서도 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
(b) 상기 플라즈마의 발생에 의해 웨이퍼(200)의 중앙부에서 활성종의 생성을 보조해서 그 공급량을 증가시킬 수 있다.
(c) 핀 플레이트(317) 간의 면적은 핀 플레이트(317)의 면적과 동일하거나 또는 보다 넓은 것에 의해 전계(전장)가 발생하는 영역을 확보할 수 있다.
(d) 또한 보조 플레이트(315)를 절연 부재로 구성하는 것에 의해 히터(207)로부터의 열을 흡수해서 복사열을 웨이퍼(200)에 공급할 수 있다.
(e) 상기 (a) 내지 (d)의 작용에 의해 표면적이 큰 웨이퍼(200)에 대해서도 균일하고 양질의 처리를 수행할 수 있다.
이상, 본 개시의 실시 형태에 대해서 구체적으로 설명했다. 하지만 본 개시는 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
또한 예컨대 전술한 실시 형태에서는 원료를 공급한 후에 반응체를 공급하는 예에 대해서 설명했다. 본 개시는 이러한 형태에 한정되지 않고, 원료, 반응체의 공급 순서는 반대이어도 좋다. 즉 반응체를 공급한 후에 원료를 공급해도 좋다. 공급 순서를 바꾸는 것에 의해, 형성되는 막의 막질이나 조성비를 변화시키는 것이 가능해진다.
전술한 실시 형태 등에서는 웨이퍼(200) 상에 SiO막을 형성하는 예에 대해서 설명했다. 본 개시는 이러한 형태에 한정되지 않고, 웨이퍼(200) 상에 실리콘 산탄화막(SiOC막), 실리콘산탄질화막(SiOCN막), 실리콘산질화막(SiON막) 등의 Si계 산화막을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용 가능하다.
예컨대 전술한 가스 외에, 혹은 이들 가스에 더해서 암모니아(NH3) 가스 등의 질소(N) 함유 가스, 프로필렌(C3H6) 가스 등의 탄소(C) 함유 가스, 3염화붕소(BCl3) 가스 등의 붕소(B) 함유 가스 등을 이용하여 예컨대 SiN막, SiON막, SiOCN막, SiOC막, SiCN막, SiBN막, SiBCN막, BCN막 등을 형성할 수 있다. 또한 각 가스를 흘리는 순서는 적절히 변경할 수 있다. 이들 성막을 수행하는 경우에도 전술한 실시 형태와 마찬가지의 처리 조건으로 성막을 수행할 수 있고, 전술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 반응 가스로서의 산화제에는 전술한 반응 가스를 이용할 수 있다.
또한 본 개시는 웨이퍼(200) 상에 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 니오브(Nb), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W) 등의 금속 원소를 포함하는 금속계 산화막이나 금속계 질화막을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용 가능하다. 즉 본 개시는 웨이퍼(200) 상에 TiO막, TiOC막, TiOCN막, TiON막, TiN막, TiSiN막, TiBN막, TiBCN막, ZrO막, ZrOC막, ZrOCN막, ZrON막, ZrN막, ZrSiN막, ZrBN막, ZrBCN막, HfO막, HfOC막, HfOCN막, HfON막, HfN막, HfSiN막, HfBN막, HfBCN막, TaO막, TaOC막, TaOCN막, TaON막, TaN막, TaSiN막, TaBN막, TaBCN막, NbO막, NbOC막, NbOCN막, NbON막, NbN막, NbSiN막, NbBN막, NbBCN막, AlO막, AlOC막, AlOCN막, AlON막, AlN막, AlSiN막, A1bN막, A1bCN막, MoO막, MoOC막, MoOCN막, MoON막, MoN막, MoSiN막, MoBN막, MoBCN막, WO막, WOC막, WOCN막, WON막, WN막, WSiN막, WBN막, WBCN막 등을 형성하는 경우에도 바람직하게 적용하는 것이 가능해진다.
이 경우, 예컨대 원료 가스로서 테트라키스(디메틸아미노)티타늄{Ti[N(CH3)2]4, 약칭: TDMAT} 가스, 테트라키스(에틸메틸아미노)하프늄{Hf[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAH} 가스, 테트라키스(에틸메틸아미노)지르코늄{Zr[N(C2H5)(CH3)]4, 약칭: TEMAZ} 가스, 트리메틸알루미늄[Al(CH3)3, 약칭: TMA] 가스, 티타늄테트라클로라이드(TiCl4) 가스, 하프늄테트라클로라이드(HfCl4) 가스 등을 이용할 수 있다.
즉 본 개시는 반금속 원소를 포함하는 반금속계 막이나 금속 원소를 포함하는 금속계 막을 형성하는 경우에 바람직하게 적용할 수 있다. 이러한 성막 처리의 처리 순서, 처리 조건은 전술한 실시 형태나 변형예에 나타내는 성막 처리와 마찬가지의 처리 순서, 처리 조건으로 할 수 있다. 이 경우에서도 전술한 실시 형태와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
성막 처리에 이용되는 레시피는 처리 내용에 따라 개별로 준비하고, 전기 통신 회선이나 외부 기억 장치(123)를 개재하여 기억 장치(121c) 내에 격납해두는 것이 바람직하다. 그리고 각종 처리를 시작할 때, CPU(121a)가 기억 장치(121c) 내에 격납된 복수의 레시피 중에서 처리 내용에 따라 적절한 레시피를 적절히 선택하는 것이 바람직하다. 이에 의해 1대의 기판 처리 장치로 다양한 막종, 조성비, 막질, 막 두께의 박막을 범용적으로, 또한 재현성 좋게 형성할 수 있게 된다. 또한 오퍼레이터의 부담을 저감할 수 있고, 조작 실수를 회피하면서 각종 처리를 신속하게 시작할 수 있게 된다.
전술한 레시피는 새로 작성하는 경우에 한정되지 않고, 예컨대 기판 처리 장치에 이미 인스톨된 기존의 레시피를 변경하는 것에 의해 준비해도 좋다. 레시피를 변경하는 경우에는 변경 후의 레시피를 전기 통신 회선이나 상기 레시피를 기록한 기록 매체를 개재하여 기판 처리 장치에 인스톨해도 좋다. 또한 기존의 기판 처리 장치가 구비하는 입출력 장치(122)를 조작하여, 기판 처리 장치에 이미 인스톨된 기존의 레시피를 직접 변경해도 좋다.
200: 웨이퍼(기판) 201: 처리실
207: 히터(가열부) 217: 보트(기판 보지구)
300: 외부 전극 315: 보조 플레이트

Claims (21)

  1. 복수의 기판을 처리하는 처리실;
    상기 복수의 기판을 적재하는 기판 보지구(保持具); 및
    상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하는 전극
    을 포함하고,
    상기 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 보조 플레이트를 상기 복수의 기판 사이에 설치하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는 상기 복수의 기판 각각의 상부에 설치되는 기판 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는, 상기 기판보다 작은 지름의 중심 플레이트와 복수의 핀 플레이트로 구성되는 기판 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는, 상기 기판의 지름과 동등한 링 형상의 링 플레이트와, 복수의 핀 플레이트로 구성되는 기판 처리 장치.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는 상기 복수의 핀 플레이트로 상기 전극으로부터의 전장(電場)을 강화하여 상기 처리실 내에서 플라즈마를 형성하는 기판 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는 절연 부재로 구성되는 기판 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는 SiC, SiO, SiN, GaO, GaN, AlO, AlN, ZrO 중 어느 하나로 구성되는 기판 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 기판을 가열하는 가열부를 구비하는 기판 처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 보조 플레이트는 상기 가열부로부터의 열을 흡수하여 상기 기판에 복사열을 공급하는 기판 처리 장치.
  10. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀 플레이트는 4매 이상 20매 이하인 기판 처리 장치.
  11. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀 플레이트는 동일 형상인 기판 처리 장치.
  12. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핀 플레이트는 부채 형상인 기판 처리 장치.
  13. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    2매의 상기 핀 플레이트간의 면적은 1매의 상기 핀 플레이트의 면적과 동일 또는 보다 넓은 기판 처리 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 처리실의 외측에 설치되는 기판 처리 장치.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 전극은 상기 처리실과 상기 가열부 사이에 설치되는 기판 처리 장치.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 임의의 전위가 인가되는 전극과 기준 전위가 주어지는 전극에 의해 구성되는 기판 처리 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리실에 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하는 기판 처리 장치.
  18. 복수의 기판을 처리하는 처리실과, 상기 복수의 기판을 적재하는 기판 보지구와, 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하는 전극을 포함하고, 상기 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 보조 플레이트를 상기 복수의 기판 사이에 설치하는 기판 처리 장치의 상기 처리실에 상기 기판 보지구를 반입하는 공정;
    상기 처리실 내에 가스를 공급하는 공정; 및
    상기 전극 및 상기 보조 플레이트에 의해 플라즈마를 생성하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  19. 복수의 기판을 처리하는 처리실과, 상기 복수의 기판을 적재하는 기판 보지구와, 상기 처리실 내에 플라즈마를 형성하는 전극을 포함하고, 상기 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 보조 플레이트를 상기 복수의 기판 사이에 설치하는 기판 처리 장치의 상기 처리실에 상기 기판 보지구를 반입하는 단계;
    상기 처리실 내에 가스를 공급하는 단계; 및
    상기 전극 및 상기 보조 플레이트에 의해 플라즈마를 생성하는 단계
    를 컴퓨터에 의해 상기 기판 처리 장치에 실행시키는 프로그램.
  20. 전극이 생성하는 플라즈마를 보조하고, 기판 보지부에 적재되는 복수의 기판 사이에 설치되는 보조 플레이트.
  21. 복수의 기판과, 상기 복수의 기판 사이에 전극에 의한 플라즈마의 형성을 보조하는 복수의 보조 플레이트를 적재하도록 구성되는 기판 보지구.
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