KR20230009302A - 성막 방법 및 열처리 장치 - Google Patents

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야스아키 기쿠치
츠바사 요코이
다츠야 야마구치
게이스케 스즈키
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 온도 제어성을 개선하는 것을 목적으로 한다.
처리 용기와, 상기 처리 용기 내의 관형 부재와, 상기 처리 용기 내를 가열하는 가열부와, 가스 공급부를 갖는 열처리 장치에 있어서 실행되는 성막 방법으로서, 상기 관형 부재 내에 기판을 준비하는 공정과, 상기 가열부에 의해 상기 관형 부재 내의 온도를 조정하는 공정과, 상기 온도를 조정한 후, 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 성막 가스를 포함한 가스를 공급하고, 기판에 막을 성막하는 공정을 가지며, 상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 성막 방법이 제공된다.

Description

성막 방법 및 열처리 장치{FILM FORMING METHOD AND HEAT TREATMENT APPARATUS}
본 개시는, 성막 방법 및 열처리 장치에 관한 것이다.
예컨대, 반도체 제조 장치의 처리 용기 내의 온도를 측정하고, 측정 결과를 처리 용기 내에서 실행하는 기판 처리의 프로세스 조건의 제어에 사용하는 것이 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-172409호 공보
진공 상태의 처리 용기 내에서는 열의 전달에 시간이 걸려, 온도 제어에 영향을 주는 경우가 있다.
본 개시는, 온도 제어성을 개선할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내의 관형 부재와, 상기 처리 용기 내를 가열하는 가열부와, 가스 공급부를 갖는 열처리 장치에 있어서 실행되는 성막 방법으로서, 상기 관형 부재 내에 기판을 준비하는 공정과, 상기 가열부에 의해 상기 관형 부재 내의 온도를 조정하는 공정과, 상기 온도를 조정한 후, 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 성막 가스를 포함한 가스를 공급하고, 기판에 막을 성막하는 공정을 가지며, 상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 성막 방법이 제공된다.
일 측면에 따르면, 온도 제어성을 개선할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 열처리 장치의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 처리 용기 내의 과승온의 과제를 설명하기 위한 도면.
도 3은 실시형태에 따른 제어 장치의 기능 구성의 일례를 나타낸 도면.
도 4는 실시형태에 따른 제어 장치의 하드웨어 구성의 일례를 나타낸 도면.
도 5는 실시형태에 따른 열전달 가스의 공급 효과를 설명하기 위한 도면.
도 6은 실시형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타낸 흐름도.
도 7은 실시형태에 따른 성막 방법에 의한 열전달 가스의 공급 효과의 일례를 나타낸 도면.
도 8은 도 6의 성막 처리의 상세의 일례를 나타낸 흐름도.
도 9는 실시형태에 따른 성막 방법에 의한 열전달 가스의 공급 효과의 일례를 나타낸 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
[열처리 장치]
도 1을 참조하면서, 실시형태의 열처리 장치(1)에 대해서 설명한다. 도 1은 실시형태의 열처리 장치(1)의 일례를 나타낸 개략도이다.
열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)와 관형 부재(2)를 갖는다. 처리 용기(10)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 관형 부재(2)는, 처리 용기(10)의 내측에 배치되며, 내측관(11) 및 외측관(12)을 갖는다. 내측관(11)은, 대략 원통 형상을 갖는다. 내측관(11)은, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 내측관(11)은 기판(W)을 수용한다. 내측관(11)은 이너 튜브라고도 부른다.
외측관(12)은, 천정이 있는 대략 원통 형상을 가지며, 내측관(11) 주위에 동심적으로 설치되어 있다. 외측관(12)은, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 외측관(12)은, 아우터 튜브라고도 부른다. 열처리 장치(1)는, 관형 부재(2)와 처리 용기(10)에 의해 이중 구조로 되어 있다.
열처리 장치(1)는, 매니폴드(13), 가스 공급관(21, 22, 23), 가스 출구(15), 덮개체(16) 등을 갖는다. 매니폴드(13)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 매니폴드(13)는, 내측관(11) 및 외측관(12)의 하단을 지지한다. 매니폴드(13)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성되어 있다.
가스 공급부(20)는, 매니폴드(13)에 마련되어 있고, 내측관(11) 내로 가스를 도입한다. 가스 공급부(20)는, 복수(도시한 예에서는 3개)의 석영제 가스 공급관(21, 22, 23)을 갖고 있다. 각 가스 공급관(21, 22, 23)은, 내측관(11) 내에 그 길이 방향을 따라 연장되어 있음과 더불어, 그 기단이 L자형으로 굴곡되어 매니폴드(13)를 관통하도록 하여 지지되어 있다.
가스 공급관(21, 22, 23)은, 내측관(11)의 노즐 수용부(27) 내에 둘레 방향을 따라 일렬이 되도록 설치되어 있다. 각 가스 공급관(21, 22, 23)에는, 그 길이 방향을 따라 소정 간격으로 복수의 가스 구멍(h)이 형성되어 있다. 각 가스 구멍(h)은, 수평 방향을 향해 각 가스를 토출한다. 소정 간격은, 예컨대 웨이퍼 보트(18)에 지지되는 기판(W)의 간격과 동일해지도록 설정된다. 또한, 높이 방향의 위치는, 각 가스 구멍(h)이 상하 방향으로 인접한 기판(W) 사이의 중간에 위치하도록 설정되어 있고, 각 가스를 기판(W) 사이의 공간에 효율적으로 공급할 수 있도록 되어 있다. 가스 공급관(21, 22, 23)에는, 각각 유량 제어기, 밸브 등을 통해 가스 공급원(24, 25, 26)이 접속되어 있다. 가스 공급원(24, 25, 26)은, 각각 성막 가스, 클리닝 가스 및 열전달 가스의 공급원이다. 가스 공급원(24, 25, 26)으로부터의 각 가스는, 유량 제어기에 의해 유량이 제어되고, 필요에 따라 각 가스 공급관(21, 22, 23)을 통해 처리 용기(10) 내에 공급된다.
본 실시형태에 있어서, 성막 가스는, 몰리브덴(Mo)막 등의 금속막을 성막하기 위해 이용되는 가스이다. 또한, 도 1의 예에서는, 가스 공급관(21, 22, 23)이 1개씩 배치된 경우를 나타내고 있지만, 가스 공급관(21, 22, 23)은 복수개여도 좋다.
가스 출구(15)는, 매니폴드(13)에 형성되어 있다. 가스 출구(15)에는, 배기 배관(32)이 접속되어 있다. 처리 용기(10) 내에 공급되는 가스는, 가스 출구(15)를 통해 배기부(30)에 의해 배기된다.
덮개체(16)는, 매니폴드(13)의 하단 개구를 기밀하게 막는다. 덮개체(16)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성되어 있다. 덮개체(16) 상에는 보온통(17)을 통해 웨이퍼 보트(18)가 배치되어 있다. 보온통(17) 및 웨이퍼 보트(18)는, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 웨이퍼 보트(18)는, 복수의 기판(W)을 연직 방향으로 소정 간격을 두고 대략 수평으로 유지한다. 웨이퍼 보트(18)는, 승강부(19)가 덮개체(16)를 상승시킴으로써 처리 용기(10) 내로 반입(로드)되어, 처리 용기(10) 내에 수용된다. 웨이퍼 보트(18)는, 승강부(19)가 덮개체(16)를 하강시킴으로써 처리 용기(10) 내로부터 반출(언로드)된다. 기판(W)의 일례로는 웨이퍼를 들 수 있다.
열처리 장치(1)는, 배기부(30), 가열부(40), 냉각부(50), 제어 장치(90) 등을 갖는다. 배기부(30)는, 배기 장치(31), 배기 배관(32) 및 압력 제어기(33)를 포함한다. 배기 장치(31)는, 예컨대 드라이 펌프, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프이다. 배기 배관(32)은, 가스 출구(15)와 배기 장치(31)를 접속한다. 압력 제어기(33)는, 배기 배관(32)에 개재되어 있고, 배기 배관(32)의 컨덕턴스를 조정함으로써 처리 용기(10) 내의 압력을 제어한다. 압력 제어기(33)는, 예컨대 자동 압력 제어 밸브이다.
가열부(40)는, 단열재(41), 히터(42) 및 외피(43)를 포함한다. 단열재(41)는, 대략 원통 형상을 가지며, 외측관(12)의 주위에 설치되어 있다. 단열재(41)는, 실리카 및 알루미나를 주성분으로서 형성되어 있다. 히터(42)는, 발열체의 일례이며, 단열재(41)의 내주에 설치되어 있다. 히터(42)는, 처리 용기(10)의 높이 방향에 복수의 존으로 나누어 온도 제어가 가능하도록 처리 용기(10)의 측벽에 선형 또는 면형으로 설치되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 외주를 덮도록 설치되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 형상을 유지함과 더불어 단열재(41)를 보강한다. 외피(43)는, 스테인리스강 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 또한, 가열부(40)의 외부에 대한 열 영향을 억제하기 위해, 외피(43)의 외주에 수냉 재킷(도시하지 않음)을 설치하여도 좋다. 이러한 가열부(40)는, 히터(42)에 공급되는 파워에 의해 히터(42)의 발열량이 정해지고, 이에 따라, 처리 용기(10) 내를 원하는 온도가 될 때까지 가열한다.
냉각부(50)는, 처리 용기(10)를 향해 에어(공기)를 공급하고, 처리 용기(10) 내의 기판(W)을 냉각한다. 에어는, 냉각 유체의 일례이다. 냉각부(50)는, 예컨대 열처리 후에 기판(W)을 급속 강온시킬 때에 처리 용기(10)를 향해 에어를 공급한다. 냉각부(50)는, 유체 유로(51), 분출 구멍(52), 분배 유로(53), 유량 조정부(54), 배열구(55)를 갖는다.
유체 유로(51)는, 단열재(41)와 외피(43) 사이에 높이 방향으로 복수 형성되어 있다. 유체 유로(51)는, 예컨대 단열재(41)의 외측에 둘레 방향을 따라 형성된 유로이다.
분출 구멍(52)은, 각 유체 유로(51)로부터 단열재(41)를 관통하여 형성되어 있고, 외측관(12)과 단열재(41) 사이의 공간으로 에어를 분출한다.
분배 유로(53)는, 외피(43)의 외부에 형성되어 있고, 에어를 각 유체 유로(51)에 분배하여 공급한다. 유량 조정부(54)는, 분배 유로(53)에 개재되어 있고, 유체 유로(51)에 공급되는 에어의 유량을 조정한다.
배열구(55)는, 복수의 분출 구멍(52)보다 위쪽에 마련되어 있고, 외측관(12)과 단열재(41) 사이의 공간에 공급된 에어를 열처리 장치(1)의 외부로 배출한다. 열처리 장치(1)의 외부로 배출된 에어는, 예컨대 열교환기에 의해 냉각되어 다시 분배 유로(53)에 공급된다. 단, 열처리 장치(1)의 외부로 배출된 에어는, 재이용되지 않고 배출되어도 좋다.
온도 센서(60)는, 관형 부재(2) 내의 온도를 검출한다. 온도 센서(60)는, 예컨대 내측관(11) 내에 설치되어 있다. 단, 온도 센서(60)는, 관형 부재(2) 내의 온도를 검출할 수 있는 위치에 설치되어 있으면 좋고, 예컨대 내측관(11)과 외측관(12) 사이의 공간에 설치하여도 좋다. 온도 센서(60)는, 복수의 존에 대응하여 높이 방향이 상이한 위치에 설치된 복수의 측온부(61∼65)를 갖는다. 측온부(61∼65)는, 각각 존 「TOP」, 「C-T」, 「CTR」, 「C-B」 및 「BTM」에 대응하여 마련되어 있다. 복수의 측온부(61∼65)는, 예컨대 열전대, 측온 저항체여도 좋다. 온도 센서(60)는, 복수의 측온부(61∼65)에서 검출한 온도를 제어 장치(90)에 송신한다.
온도 센서(71∼75)[이하, 총칭하여 「온도 센서(70)」라고도 함]는, 처리 용기(10)의 외부로부터 처리 용기(10)와 관형 부재(2) 사이의 공간으로 삽입된다. 이에 따라, 온도 센서(70)의 측온부는, 존 「TOP」, 「C-T」, 「CTR」, 「C-B」 및 「BTM」에 대응하여 측온부(61∼65)와 대략 동일한 높이로 배치된다. 온도 센서(70)의 측온부 각각은 예컨대 열전대, 측온 저항체여도 좋다. 온도 센서(70)는, 복수의 측온부에서 검출한 온도를 제어 장치(90)에 송신한다.
온도 센서(60, 70)의 측온부는 5개로 한정되지 않고, 7개 또는 그 밖의 1 이상의 개수여도 좋다. 히터(42) 근처에 온도 센서(70)가 있고, 히터(42)와, 온도 센서(70) 및 온도 센서(60)의 측온부는 쌍으로 되어 있다. 온도 센서(60)가 측정하는 관형 부재(2) 내의 온도를 「Inner 온도」라고 표기한다. 온도 센서(70)가 측정하는 관형 부재(2) 밖이며 처리 용기(10) 내의 온도를 「Outer 온도」라고도 표기한다.
제어 장치(90)는, 열처리 장치(1)의 동작을 제어한다. 제어 장치(90)는, 예컨대 컴퓨터여도 좋다. 열처리 장치(1)의 전체 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이어도 좋다.
[Outer 온도의 과승온]
통상, 열처리 장치(1)에서는, 관형 부재(2) 내의 영역(이하, 「Inner 영역」이라고도 함)의 온도(Inner 온도)를 레시피에 설정된 타겟 온도까지 상승시켜 기판(W)에 원하는 성막 처리를 행한다. 이때, 관형 부재(2) 밖이며 처리 용기(10) 내의 영역(이하, 「Outer 영역」이라고도 함)에 설치된 히터(42)의 파워를 제어함으로써 Outer 영역에서 Inner 영역으로 열을 전달하여 Inner 온도를 타겟 온도까지 상승시킨다. 본 명세서에 있어서 타겟 온도는, 온도 제어의 대상이 되는 Inner 영역의 목표 온도이다.
그런데, 열처리 장치(1)로써 기판(W)에, 예컨대 몰리브덴막 등의 반사율이 높은 금속막을 성막하는 경우, 몰리브덴막의 성막시에 관형 부재(2)[내측관(11)의 표면 및 외측관(12)의 내면]의 몰리브덴막이 부착된다. 몰리브덴막의 반사율은 약0.97로 높기 때문에 관형 부재(2)의 내측에 부착된 몰리브덴막은 반사막으로서 기능한다. 내측관(11)의 표면 및 외측관(12)의 내면이 반사율이 높은 막으로 덮이면, 관형 부재(2)의 이중 구조에 의한 단열 효과가 높아져서, Outer 영역에서 Inner 영역까지의 열의 전달에 시간이 걸린다.
도 2는 처리 용기(10) 내의 과승온의 과제를 설명하기 위한 그래프이다. 도 2의 (a)는 Inner 온도의 일례를 나타낸 그래프이며, 그래프의 횡축은 시간, 종축은 온도이다. 도 2의 (b)에 도시된 히터(42)의 파워를 제어함으로써 Inner 온도는 서서히 상승하고 있다.
그런데, 관형 부재(2)의 내측에 부착된 몰리브덴막이 반사막으로서 기능하고, 관형 부재(2)의 이중 구조에 의해 Outer 영역에서 Inner 영역으로의 열의 전달에 시간이 걸려, 히터(42)의 파워를 높여도 Inner 온도는 곧바로는 올라가지 않는다. 이 때문에, 히터(42)의 파워를 더 높인다. 도 2의 (b)의 예에서는, 시간이 30분이 조금 안 되었을 때에 히터(42)의 파워를 더 높일 수 있다.
이에 따라 Outer 온도가 미리 설정된 초과 온도를 넘는 과승온이 발생하고 있는 상태를 도 2의 (c)의 P에 나타낸다. 도 2의 (c)는 Outer 온도의 일례를 나타낸 그래프이며, 그래프의 횡축은 시간, 종축은 온도이다. 히터(42)의 파워의 상승에 의해 30분이 조금 안 되었을 때에 Outer 온도가 초과 온도(1050℃)를 넘었다. 초과 온도를 넘으면 안전상의 문제로 인해 히터(42)를 셧다운하여, 히터(42)에 의한 가열을 정지시킨다.
이상으로 설명한 Outer 온도의 과승온을 회피하기 위해, Inner 온도를 천천히 상승시키도록 히터(42)의 파워를 제어하는 것도 생각할 수 있다. 그렇게 하면 Outer 온도는 초과 온도를 넘지 않지만, Inner 온도가 타겟 온도까지 상승하기 위한 시간이 걸려, 생산성이 저하된다. 생산성을 고려하여, 과승온을 회피하면서 Inner 온도를 가능한 한 빨리 타겟 온도로 제어하는 것이 중요하다.
그래서, 본 개시에서는, Inner 온도를 타겟 온도로 제어하는 시간을 단축할 수 있는 성막 방법을 제안한다. 실시형태에 따른 성막 방법은, 제어 장치(90)에 의해 제어되고, 열처리 장치(1)에 의해 실행된다. 이하, 제어 장치(90)의 기능 구성 및 하드웨어 구성에 대해서 도 3 및 도 4를 참조하면서 설명하고, 그 후에 실시형태에 따른 성막 방법에 대해서 설명한다. 도 3은 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 기능 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 4는 실시형태에 따른 제어 장치(90)의 하드웨어 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 이하의 설명에서는, 실시형태에 따른 성막 방법에 있어서 몰리브덴막을 성막하는 예를 설명한다.
도 3을 참조하면, 제어 장치(90)는, 제어부(150)와 기억부(160)를 갖는다. 기억부(160)는, 기판(W)에 몰리브덴막을 성막할 때의 절차가 설정된 레시피를 기억한다. 레시피에는, 1 또는 복수의 단계마다 가스종, 가스 유량, 압력, 온도, 처리 시간 등의 프로세스 조건이 설정된다.
제어부(150)는, 취득부(151), 온도 제어부(152), 성막 제어부(153), 히터 제어부(154) 및 가스 제어부(155)를 갖는다. 취득부(151)는, 온도 센서(60)(Inner TC)로부터 Inner 온도를 취득한다.
온도 제어부(152)는, 취득한 Inner 온도에 기초하여 Inner 영역이 타겟 온도가 되도록 제어한다. 히터 제어부(154)가 히터(42)의 파워를 제어하고, 이에 따라 온도 제어부(152)는 Inner 온도를 조정한다. 성막 제어부(153)는, 레시피에 설정된 프로세스 조건에 의해 기판(W)에 몰리브덴막을 성막한다. 가스 제어부(155)는, 성막 가스, 클리닝 가스 등을 공급한다. 또한, 가스 제어부(155)는, Inner 영역의 온도 안정화, 승온, 강온의 온도 제어일 때에 열전달 가스를 공급한다.
제어 장치(90)의 하드웨어 구성의 일례에 대해서, 도 4를 참조하면서 설명한다. 제어 장치(90)는, CPU(Central Processing Unit)(101), ROM(Read Only Memory)(102), RAM(Random Access Memory)(103), I/O 포트(104), 조작 패널(105), HDD(106)(Hard Disk Drive)를 갖는다. 각부는 버스(B)에 의해 접속되어 있다.
CPU(101)는, RAM(103)에 읽어들여진 각종 프로그램이나, 성막 처리, 클리닝 처리 등의 처리의 절차를 규정한 레시피에 기초하여, 열처리 장치(1)의 각종 동작 및 성막 처리, 클리닝 처리 등의 처리를 제어한다. 프로그램에는, 실시형태에 따른 성막 방법을 실행하는 프로그램이 포함된다. CPU(101)는, RAM(103)에 읽어들여진 이들 프로그램에 기초하여, 실시형태에 따른 성막 방법을 실행한다.
ROM(102)은, EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리, 하드 디스크 등에 의해 구성되고, CPU(101)의 프로그램이나 레시피 등을 기억하는 기억 매체이다. RAM(103)은, CPU(101)의 작업 영역 등으로서 기능한다.
I/O 포트(104)는, 온도, 압력, 가스 유량 등을 검출하는 각종 센서의 값을 열처리 장치(1)에 부착된 각종 센서로부터 취득하여, CPU(101)에 송신한다. 또한, I/O 포트(104)는, CPU(101)가 출력하는 제어 신호를 열처리 장치(1)의 각부로 출력한다. 또한, I/O 포트(104)에는, 조작자(사용자)가 열처리 장치(1)를 조작하는 조작 패널(105)이 접속되어 있다.
HDD(106)에는, 보조 기억 장치로서, 프로세스 레시피나 프로그램 등이 저장되어도 좋다. 또한, HDD(106)에는, 각종 센서가 계측한 측정값의 로그 정보가 저장되어도 좋다.
기억부(160)는, ROM(102), RAM(103), EEPROM, 플래시 메모리, HDD(106) 중 어느 하나에 의해 실현될 수 있다. 취득부(151)는, I/O 포트(104)에 의해 실현될 수 있다. 온도 제어부(152), 성막 제어부(153), 히터 제어부(154) 및 가스 제어부(155)는, CPU(101)에 의해 실행될 수 있다.
[온도 제어성의 개선]
다음에, 도 5를 참조하여, 실시형태에 따른 H2 가스에 의한 온도 제어성의 개선 방법에 대해서, 참고예와 비교하여 설명한다. 도 5의 (a) 및 (c)는 참고예의 N2 가스에 의한 온도 제어이다. 도 5의 (b) 및 (d)는 실시형태의 H2 가스에 의한 온도 제어이다. 도 5의 (a)∼(d)는 Inner 영역의 온도가 타겟 온도가 될 때까지의 시간을 나타낸다. 도 5의 (a)는 가스 공급부(20)로부터 처리 용기(10) 내에 N2 가스를 공급하면서, 온도 센서(60)로부터 취득한 Inner 온도에 기초하여 Inner 영역이 타겟 온도가 되도록 제어한 경우이다. 이 경우, 온도가 타겟 온도로 안정될 때까지 언더 슈트, 오버 슈트가 발생하고 있다.
한편, 도 5의 (b)는 가스 공급부(20)로부터 처리 용기(10) 내에 H2 가스를 공급하면서, 온도 센서(60)로부터 취득한 Inner 온도에 기초하여 Inner 영역이 타겟 온도가 되도록 제어한 경우이다. 이 경우, 언더 슈트가 발생한 후, 타겟 온도로 제어되었다. 이에 따라, 오버 슈트를 억제하여, 타겟 온도에 도달할 때까지의 시간을 단축할 수 있었다.
도 5의 (c)는 가스 공급부(20)로부터 처리 용기(10) 내에 N2 가스를 공급하면서, Inner 영역을 타겟 온도까지 강온시킨 경우이다. 한편, 도 5의 (d)는 가스 공급부(20)로부터 처리 용기(10) 내에 H2 가스를 공급하면서, Inner 영역을 타겟 온도까지 강온시킨 경우이다. 이 결과, 도 5의 (d)에 도시된 H2 가스를 공급한 경우, 도 5의 (c)에 도시된 N2 가스를 공급한 경우와 비교하여 강온 시간을 약 1/4로 단축할 수 있었다.
H2 가스의 500℃일 때의 열전도율은, 267 mW/(m·K)이다. N2 가스의 500℃일 때의 열전도율은, 38.64 mW/(m·K)이다. H2 가스는, N2 가스에 비해 열전도율이 약 7배이다. 이와 같이 H2 가스 등의 열전도율이 높은 가스를 처리 용기(10) 내에 공급함으로써 열전도가 대폭 개선되고, Inner 영역의 온도 조정(온도 안정화) 시간을 대폭 단축할 수 있다.
[성막 방법]
다음에, 실시형태에 따른 온도 조정을 포함하는 성막 방법에 대해서, 열처리 장치(1)를 이용하여 기판에 막을 성막하는 경우를 예를 들어 설명한다. 도 6은 실시형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다.
우선, 승강부(19)에 의해 복수의 기판(W)을 유지한 웨이퍼 보트(18)를 상승시켜 로딩 영역에 반입(로드)하고, 덮개체(16)에 의해 처리 용기(10)의 하단 개구를 기밀하게 막아 밀폐하고, 기판(W)을 준비한다(공정 S1). 다음에, 처리 용기(10) 내를 진공화한다(공정 S3).
공정 S1에서는, 처리 용기(10)의 하단 개구가 개방되어, 비교적 온도가 낮은 기판(W)이 로딩 영역으로 반입됨으로써, Inner 영역의 온도가 저하된다. 히터 제어부(154)는, 저하된 처리 용기(10) 내의 온도가 미리 레시피 등에 의해 정해진 설정 온도(예컨대, 300∼700℃)로 유지되도록, 온도 센서(60)의 측온부(61∼65)의 검출 온도에 기초하여 히터(42)의 파워를 제어하고, 이에 따라 온도 제어부(152)는, Inner 영역의 온도를 타겟 온도로 조정한다(공정 S5). 또한, 가스 제어부(155)는, 처리 용기(10) 내에 H2 가스를 공급한다(공정 S7). 또한, 공정 S5와 공정 S7은, 동시여도 좋고, 공정 S7이 시작된 후에 공정 S5가 시작되어도 좋다.
다음에, 온도 제어부(152)는, Inner 영역의 온도가 타겟 온도가 되었는지를 판정한다(공정 S9). 온도 제어부(152)는, 타겟 온도가 되지 않았다고 판정하면 공정 S5로 되돌아가고, 타겟 온도가 될 때까지 공정 S5∼S9를 반복한다. 공정 S9에 있어서 타겟 온도가 되었다고 판정하면, 온도 제어부(152)는 Inner 영역의 온도가 안정화되었다고 판단하여 온도의 조정을 완료하고, 성막 제어부(153)는 몰리브덴막의 성막 처리를 실행한다(공정 S11).
공정 S11의 성막 처리의 일례는, 나중에 도 8의 흐름도를 참조하여 설명한다. 공정 S11의 성막 처리 후, 승강부(19)에 의해 복수의 기판(W)을 유지한 웨이퍼 보트(18)를 처리 용기(10) 밖으로 반출(언로드)하고, 본 처리를 종료한다(공정 S13).
이상, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 대해서 설명하였다. 본 실시형태에 따른 성막 방법에서는, 처리 용기 내에 기판을 준비하는 공정과, 가열부에 의해 처리 용기 내의 온도를 조정하는 공정과, 온도를 조정한 후, 가스 공급부로부터 처리 용기 내에 가스를 공급하고, 기판에 막을 성막하는 공정을 가지며, 온도를 조정하는 공정에 있어서 가스 공급부로부터 처리 용기 내에 열전달 가스를 포함한 가스를 공급한다. 이에 따라, 온도 조정시의 열전달 가스의 공급에 의해, 전열 효과를 높여, 온도 제어성을 개선할 수 있다.
[효과의 일례]
이상으로 설명한 실시형태에 따른 성막 방법의 효과의 일례에 대해서, 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 7은 실시형태에 따른 성막 방법에 의한 열전달 가스의 공급 효과의 일례를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)∼(c)는 참고예이다. 도 7의 (a)∼(c)는 로드→진공화→온도 조정(온도 안정화)→성막의 흐름에 있어서, 온도 조정의 공정 동안에 Ar 가스를 처리 용기 내에 공급한 경우의 시간(횡축)에 대한 온도 센서(60)의 측온부(61, 63, 65)에 의한 검출 온도(종축)를 나타낸다. 도 7의 (d)∼(f)는 본 실시형태이다. 도 7의 (f)는 로드→진공화→온도 조정(온도 안정화)→성막의 흐름에 있어서, 온도 조정의 공정 동안에 H2 가스를 처리 용기 내에 공급한 경우의 시간(횡축)에 대한 온도 센서(60)의 측온부(61, 63, 65)에 의한 검출 온도(종축)를 나타낸다.
도 7에서는, 존 「TOP」, 「CTR」 및 「BTM」의 타겟 온도를 「Target TOP」, 「Target CTR」, 「Target BTM」으로 나타낸다. 이들 타겟 온도는 동일 온도로 설정되어도 좋고, 상이한 온도로 설정되어도 좋다. 도 7의 예에서는, 「Target TOP」, 「Target CTR」, 「Target BTM」은 370℃이다.
상기 각 존의 Inner 영역의 온도를, 「Inner TOP」, 「Inner CTR」, 「Inner BTM」으로 나타낸다. 또한, 각 존의 히터(42)의 파워를 「Power TOP」, 「Power CTR」, 「Power BTM」으로 나타낸다. 에어의 출력을 「Power Air」로 나타낸다.
도 7의 (a) 및 도 7의 (d)를 참조하면, 로드 개시(0분)부터 약 6분까지는 웨이퍼 보트(18)를 로딩 영역에 반입하였기 때문에, 반입한 예컨대 100장의 기판(W)의 온도에서 Inner 영역의 온도가 내려갔다. 이 때문에, 온도 센서(60)[측온부(61, 63, 65)]가 측정한 검출 온도가 내려갔다.
그래서, 도 7의 (c) 및 도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 「Power CTR」, 「Power BTM」으로 나타낸 각 존의 히터의 출력이 6분 정도부터 커지고, 지연되어 「Power TOP」의 히터가 출력되어, Inner 영역을 승온시킬 수 있도록 제어되었다. 그러나, 6분 정도부터 배기부(30)에 의한 배기(진공화)가 시작되어, 처리 용기(10) 내부가 감압 분위기가 되었기 때문에 열전도가 나빠졌다. 또한, 에어는, 「Power Air」로 나타낸 바와 같이 처리 개시로부터 출력되었다. 에어는, 온도 조정과 Ar 가스 또는 H2 가스의 배기를 촉진하는 효과를 갖는다. 단, 에어는 공급하여도 좋고, 공급하지 않아도 좋다.
26분 정도에서 각 존의 히터의 출력이 급격히 커져 온도의 하락이 멈추고, 그 후의 각 존의 타겟 온도로의 온도 조정에 의해 각 존의 온도가 상승하기 시작하였다. 도 7에서는 30분 정도부터 Ar 가스 또는 H2 가스의 공급이 시작되었다.
참고예의 온도 제어에서는, 도 7의 (c)에 도시된 바와 같이, 온도 조정(온도 안정화) 중, 「Power BTM」의 히터의 출력이 커서, 「Power TOP」, 「Power CTR」의 히터(42)의 파워가 거의 출력되지 않았다. 이것은, Outer 영역에서 Inner 영역으로 열이 전달되기 어렵기 때문에, 「Power BTM」의 히터의 출력이 지나치게 커진 것에 기인한다. 이 결과, 도 7의 (b)에 확대하여 나타낸 바와 같이, 오버 슈트가 발생하여, 센터와 톱의 Inner 영역의 온도가 타겟 온도를 상회해 버렸다.
실시형태의 온도 제어에서는, 도 7의 (f)에 도시된 바와 같이, 온도 조정(온도 안정화) 중, 「Power TOP」, 「Power CTR」, 「Power BTM」의 히터(42)의 파워가 모두 출력되고 있다. 이것은, H2 가스에 의해 Outer 영역에서 Inner 영역으로의 전열 효과가 높아졌기 때문에, 각 존의 히터(42)의 파워가 정상으로 출력되었다고 생각된다. 이 결과, 도 7의 (e)에 확대하여 도시된 바와 같이, 오버 슈트가 발생하지 않고, 각 존의 Inner 영역의 온도가 각 존의 타겟 온도를 상회하지 않았다. 이상의 결과로부터, 실시형태에 따른 성막 방법에서는, 온도 제어성을 개선하고, 온도 안정화의 시간을 단축할 수 있다.
[성막 처리]
다음에, 도 6의 공정 S11에 있어서 실행되는 성막 처리의 상세에 대해서, 도 8을 참조하면서 설명한다. 도 8은 도 6의 공정 S11의 성막 처리의 상세의 일례를 나타낸 흐름도이다. 성막 처리에서는, 가스 공급부(20)는, H2 가스의 공급을 정지하고, 성막 가스를 공급한다(공정 S21).
다음에, 성막 제어부(153)는, 레시피에 기초하여 기판(W)에 몰리브덴막을 성막한다(공정 S23). 다음에, 성막 제어부(153)는, 다음 단계가 있는지를 판정하고(공정 S25), 다음 단계가 있다고 판정된 경우, 온도 제어부(152)는, 다음 단계의 성막을 행하기 전에 Inner 영역을 승온 또는 강온으로 제어할지를 판정한다(공정 S27). 공정 S27에 있어서, 온도 제어부(152)는, Inner 영역을 승온 또는 강온으로 제어한다고 판정한 경우, 온도 센서(60)의 측온부(61∼65)의 검출 온도에 기초하여히터(42)의 파워를 제어하고, H2 가스를 공급한다(공정 S29).
다음에, 온도 제어부(152)는, 타겟 온도가 되었는지를 판정하고(공정 S31),타겟 온도가 되지 않았다고 판정하면 공정 S29로 되돌아가, 타겟 온도가 될 때까지 공정 S29∼S31을 반복한다. 온도 제어부(152)는 타겟 온도가 되었을 때, 공정 S21로 되돌아가, 공정 S21∼S23에 있어서 기판(W)을 성막한다.
공정 S27에 있어서, 온도 제어부(152)는, Inner 영역을 승온 또는 강온으로 제어하지 않는다고 판정한 경우, Inner 영역의 온도 안정화의 제어를 행할지를 판정한다(공정 S33). 공정 S33에 있어서, 온도 제어부(152)는, Inner 영역의 온도 안정화의 제어를 행한다고 판정한 경우, 온도 센서(60)의 측온부(61∼65)의 검출 온도에 기초하여 히터(42)의 파워를 제어하고, H2 가스를 공급한다(공정 S29). 다음에, 온도 제어부(152)는, 타겟 온도가 되었는지를 판정하고(공정 S31), 타겟 온도로 되지 않았다고 판정하면 공정 S29로 되돌아가, 타겟 온도가 될 때까지 공정 S29∼S31을 반복한다. 온도 제어부(152)는 타겟 온도가 되었을 때, 공정 S21로 되돌아가, 공정 S21∼S23에 있어서 기판(W)을 성막한다.
공정 S31에 있어서, 온도 제어부(152)는, Inner 영역의 온도 안정화의 제어를 행하지 않는다고 판정한 경우, 공정 S21로 되돌아가, 공정 S21∼S23에 있어서 기판(W)을 성막한다. 공정 S25에 있어서 다음 단계가 없다고 판정했을 때, 본 처리를 종료한다.
이상, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 대해서 설명하였다. 본 실시형태에 따른 성막 방법에서는, 기판(W)을 성막하는 공정이 복수의 단계를 갖는 경우에 각 단계의 실행 전에 온도를 조정하는 공정을 갖는지를 판정하는 공정과, 이 판정하는 공정에 있어서 온도를 조정하는 공정을 갖는다고 판정된 경우, 온도를 조정하는 공정에 있어서 소정 시간, 열전달 가스를 포함한 가스를 공급한다. 온도를 조정하는 공정에 있어서 Inner 영역의 온도의 안정화 중뿐만 아니라, Inner 영역의 승온 또는 강온 중에도 열전달 가스를 포함한 가스를 공급함으로써 온도 제어성을 개선할 수 있다.
[효과의 일례]
이상으로 설명한 실시형태에 따른 성막 방법의 효과의 일례에 대해서, 도 9를 참조하면서 설명한다. 도 9는 실시형태에 따른 성막 방법에 의한 열전달 가스의 공급 효과의 일례를 나타낸 도면이다.
도 9의 (a)는 참고예이며, 도 9의 (b)는 본 실시형태이다. 도 9의 (a)는 Inner 영역의 온도를 타겟 온도로 강온 제어하는 공정 동안에 Ar 가스를 처리 용기 내에 공급한 경우의 시간(횡축)에 대한 온도 센서(60)의 측온부(61, 63, 65)에 의한 검출 온도(종축)를 나타낸다. 도 9의 (b)는 Inner 영역의 온도를 타겟 온도로 강온 제어하는 공정 동안에 H2 가스를 처리 용기 내에 공급한 경우의 시간(횡축)에 대한 온도 센서(60)의 측온부(61, 63, 65)에 의한 검출 온도(종축)를 나타낸다.
이것에 따르면, 「Inner TOP」, 「Inner CTR」, 「Inner BTM」의 각 존에 있어서 강온시에 H2 가스를 공급하면, 강온시에 Ar 가스를 공급했을 때와 비교하여 타겟 온도에 도달할 때까지 약 150분 단축할 수 있었다. 즉, H2 가스에 의한 전열 효과가 높아졌기 때문에, 이 예에서는 온도 조정 시간을 약 1/4로 단축할 수 있었다.
승온에 대해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 단시간에 Inner 영역을 타겟 온도까지 승온 또는 강온시킬 수 있다. 예컨대, 성막 전이나 성막 중인 단계 사이에서 Inner 영역의 온도 안정화, 승온 및 강온이 필요한 타이밍에 H2 가스 등의 열전달 가스를 공급함으로써, 열전달 가스가 히터(42)의 열을 Outer 영역에서 Inner 영역으로 전달하는 효율을 높일 수 있다. 이에 따라, 전열 효과의 향상에 따른 온도 조정 시간의 단축 등, 온도 제어성의 개선이 가능해진다.
열전달 가스는, H2 가스에 한정되지 않고, 예컨대 He 등의 열전도율이 높은 가스를 사용할 수 있다. 열전달 가스는, H2 가스, He 등의 열전도율이 높은 가스만으로도 좋고, 그 이외의 가스를 포함한 혼합 가스여도 좋다.
또한, 이하의 실시형태에서는, 성막 방법의 일례로서 화학 기상 퇴적(CVD: Chemical Vapor Deposition)법에 의한 성막 방법을 설명하였으나, 이것에 한정되지 않고, 예컨대 원자층 퇴적(ALD: Atomic Layer Deposition)법에 있어서도 동일하게 적용할 수 있다.
예컨대, ALD법에 의한 성막 방법으로써, 성막 중에 H2 가스, 성막 가스(예컨대 반응 가스), H2 가스, 성막 가스(예컨대 환원 가스)···를 교대로 공급하는 것을 반복하여도 좋다. 이에 따라, 성막 가스에 의한 성막 전의 온도 조정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 실시형태에 따른 성막 방법은, 몰리브덴막에 한정되지 않고, 텅스텐막, 니오븀막 등의 금속막을 성막하여도 좋다. 혹은, 금속막 이외의 막을 성막하여도 좋다.
이번에 개시된 실시형태에 따른 성막 방법 및 열처리 장치는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 실시형태는, 첨부한 청구범위 및 그 주지를 일탈하는 일없이, 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있으며, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.

Claims (9)

  1. 처리 용기와, 상기 처리 용기 내의 관형 부재와, 상기 처리 용기 내를 가열하는 가열부와, 가스 공급부를 갖는 열처리 장치에 있어서 실행되는 성막 방법에 있어서,
    상기 관형 부재 내에 기판을 준비하는 공정과,
    상기 가열부에 의해 상기 관형 부재 내의 온도를 조정하는 공정과,
    상기 온도를 조정한 후, 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 성막 가스를 포함한 가스를 공급하고, 기판에 막을 성막하는 공정을 포함하며,
    상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 것인 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 관형 부재 내의 온도 안정화, 승온, 강온의 온도 제어 중 적어도 어느 하나에 있어서 상기 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 것인 성막 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판을 성막하는 공정 사이, 또는 상기 기판을 성막하는 공정 전의 미리 정해진 시간에 상기 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 것인 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판을 성막하는 공정이 복수의 단계를 갖는 경우, 상기 복수의 단계 중 상기 온도를 조정하는 공정을 갖는 단계에 있어서 미리 정해진 시간, 상기 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 것인 성막 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열전달 가스는, H2 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것인 성막 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판을 성막하는 공정은, 기판에 금속막을 성막하는 것인 성막 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 용기 내를 진공 상태로 한 후, 상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하는 것인 성막 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 처리 용기 내에 상기 열전달 가스를 포함한 가스 및 에어를 공급하는 것인 성막 방법.
  9. 처리 용기와, 상기 처리 용기 내의 관형 부재와, 상기 처리 용기 내를 가열하는 가열부와, 가스 공급부와, 제어부를 갖는 열처리 장치에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관형 부재 내에 기판을 준비하는 공정과,
    상기 가열부에 의해 상기 관형 부재 내의 온도를 조정하는 공정과,
    상기 온도를 조정한 후, 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 성막 가스를 포함한 가스를 공급하고, 기판에 막을 성막하는 공정을 제어하며,
    상기 온도를 조정하는 공정에 있어서 상기 가스 공급부로부터 상기 처리 용기 내에 열전달 가스를 포함한 가스를 공급하도록 제어하는 것인 열처리 장치.
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