KR20230041586A - 기판 처리 방법, 프로그램, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법 - Google Patents

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

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KR20230041586A
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Abstract

금속 원소를 함유하는 막의 저항의 증가를 억제하는 기술을 제공한다.
(a) 처리 용기 내에 수용된 기판에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 공정; (b) 기판에 환원 가스를 공급하는 공정; (c) (a)와 (b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 기판에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 공정; (d) (c) 후에, 막에 개질 가스를 공급하여 막의 표면에 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 공정; 및 (e) (d) 후에, 처리 용기 내 및 처리 용기에 인접하는 이재실 내를 희가스 분위기로 하여 기판을 처리 용기로부터 이재실 내로 반출하는 공정을 포함한다.

Description

기판 처리 방법, 프로그램, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법{SUBSTRATE PROCESSING METHOD, PROGRAM, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS AND METHOD OF MANUFACTURING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 개시(開示)는 기판 처리 방법, 프로그램, 기판 처리 장치 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.
3차원 구조를 가지는 NAND형 플래시 메모리나 DRAM의 워드 라인으로서 예컨대 저(低)저항인 텅스텐(W)막이 이용되고 있다. 또한 이 W막과 절연막 사이에 배리어 막으로서 예컨대 질화티타늄(TiN)막이 이용되는 경우가 있다(예컨대 특허문헌 1 및 특허문헌 2 참조).
1. 일본 특개 2011-66263호 공보 2. 국제공개 제2019/058608호 팸플릿
하지만 3차원 구조의 NAND형 플래시 메모리의 고층화에 따라 에칭이 곤란해지고 있기 때문에 워드선의 박막화가 과제가 되고 있다.
이 과제를 해결하기 위해서 전술한 바와 같은 TiN막과 W막을 이용하는 대신에 예컨대 몰리브덴(Mo)을 함유한 막을 이용하여 박막화와 저저항화를 도모하는 경우가 있지만, 제조 공정에서 Mo막에 질소(N)와 산소(O) 중 적어도 어느 하나가 혼입 또는 Mo막의 표면에 흡착하여 Mo막의 저항이 높아지는 경우가 있다.
본 개시는 금속 원소를 함유하는 막의 저항의 증가를 억제하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 형태에 따르면, (a) 처리 용기 내에 수용된 기판에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 공정; (b) 상기 기판에 환원 가스를 공급하는 공정; (c) (a)와(b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 상기 기판에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 공정; (d) (c) 후에, 상기 막에 개질 가스를 공급하고, 상기 막의 표면에 상기 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 공정; 및 (e) (d) 후에, 상기 처리 용기 내 및 상기 처리 용기에 인접하는 이재실 내를 희(希)가스 분위기로서 상기 기판을 상기 처리 용기로부터 상기 이재실에 반출하는 공정을 포함하는 기술이 제공된다.
본 개시에 따르면, 금속 원소를 함유하는 막의 저항의 증가를 억제할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 형태에 바람직하게 이용되는 기판 처리 장치를 도시하는 개략 구성도.
도 2는 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 처리로를 도시하는 단면도.
도 3은 도 2에서의 A-A선 개략 횡단면도(橫斷面圖).
도 4는 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 장치의 컨트롤러의 개략 구성도이며, 컨트롤러의 제어계를 블록도로 도시하는 도면.
도 5는 본 개시의 일 실시 형태에서의 기판 처리 공정을 도시하는 도면.
도 6의 (A)는 Mo 함유막 상에 Si 캡층을 형성하기 전의 상태를 도시하는 도면, 도 6의 (B)는 Mo 함유막 상에 Si 캡층을 형성한 후의 상태를 도시하는 도면.
<본 개시의 일 실시 형태>
이하, 도면을 참조하면서 본 개시의 일 실시 형태에 대해서 설명한다. 또한 이하의 설명에서 이용되는 도면은 모두 모식적인 것이며, 도면에 도시되는 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은 현실의 것과 반드시 일치하지 않는다. 또한 복수의 도면의 상호간에서도 각 요소의 치수 관계, 각 요소의 비율 등은 반드시 일치하지 않는다.
[기판 처리 장치의 구성]
먼저, 도 1에서 본 개시가 실시되는 기판 처리 장치(10)에 대해서 설명한다. 기판 처리 장치(10)는 광체(筐體)(111)를 구비하고, 상기 광체(111)의 정면벽(111a)의 하부에는 메인터넌스 가능하도록 설치된 개구부(開口部)로서의 정면 메인터넌스 구(口)(103)가 개설되고, 상기 정면 메인터넌스 구(103)는 정면 메인터넌스 문(104)에 의해 개폐된다.
광체(111)의 정면벽(111a)에는 포드 반입반출구(112)가 광체(111)의 내외를 연통하도록 개설되고, 포드 반입반출구(112)는 프론트 셔터(113)에 의해 개폐되고, 포드 반입반출구(112)의 정면 전방측에는 로드 포트[반송 용기 수도대(受渡臺)](114)가 설치되고, 로드 포트(114)는 재치된 포드(110)의 위치를 맞추도록 구성된다.
포드(110)는 밀폐식의 기판의 반송 용기이며, 미도시의 공정 내 반송 장치에 의해 로드 포트(114) 상에 반입되고, 또한 로드 포트(114) 상으로부터 반출되도록 이루어진다.
광체(111) 내의 전후 방향의 대략 중앙부에서의 상부에는 회전식 포드 선반(반송 용기 격납 선반)(105)이 설치되고, 회전식 포드 선반(105)은 복수 개의 포드(110)를 격납하도록 구성된다.
회전식 포드 선반(105)은, 수직으로 입설되어 간헐 회전되는 지주(116)와, 상기 지주(116)에 상중하단의 각 위치에서 방사상으로 지지된 복수 단의 선반판(반송 용기 재치 선반)(117)을 구비하고, 선반판(117)은 포드(110)를 복수 개 재치한 상태에서 격납하도록 구성된다.
회전식 포드 선반(105)의 하방(下方)에는 포드 오프너[반송 용기 개체(蓋體) 개폐 기구](121)가 설치되고, 포드 오프너(121)는 포드(110)를 재치하고, 또한 포드(110)의 덮개를 개폐 가능한 구성을 포함한다.
로드 포트(114)와 회전식 포드 선반(105), 포드 오프너(121) 사이에는 포드 반송 기구(용기 반송 기구)(118)가 설치되고, 포드 반송 기구(118)는 포드(110)를 보지(保持)하여 승강 및 수평 방향으로 진퇴 가능하도록 이루어지고, 로드 포트(114), 회전식 포드 선반(105), 포드 오프너(121) 사이에서 포드(110)를 반송하도록 구성된다.
광체(111) 내의 전후 방향의 대략 중앙부에서의 하부에는 서브 광체(119)가 후단에 걸쳐서 설치된다. 서브 광체(119)의 정면벽(119a)에는 웨이퍼(200)를 서브 광체(119) 내에 대하여 반입 반출하기 위한 웨이퍼 반입반출구(기판 반입반출구)(120)가 한 쌍, 상하 2단으로 배열되어 개설되고, 상하단의 웨이퍼 반입반출구(120)에 대하여 포드 오프너(121)가 각각 설치된다.
포드 오프너(121)는 포드(110)를 재치하는 재치대(122)와, 포드(110)의 덮개를 개폐하는 개폐 기구(123)를 구비한다. 포드 오프너(121)는 재치대(122)에 재치된 포드(110)의 덮개를 개폐 기구(123)에 의해 개폐하는 것에 의해 포드(110)의 웨이퍼 출입구를 개폐하도록 구성된다.
서브 광체(119)는 포드 반송 기구(118)나 회전식 포드 선반(105)이 배설(配設)되는 공간(포드 반송 공간)으로부터 기밀하게 이루어진 이재실(124)을 구성한다. 이재실(124)의 전측 영역에는 웨이퍼 이재 기구(기판 이재 기구)(125)가 설치되고, 웨이퍼 이재 기구(125)는 웨이퍼(200)를 재치하는 소요 매수(도시에서는 5매)의 웨이퍼 재치 플레이트(125c)를 구비하고, 웨이퍼 재치 플레이트(125c)는 수평 방향으로 직동(直動) 가능, 수평 방향으로 회전 가능, 또한 승강 가능하도록 이루어진다. 웨이퍼 이재 기구(125)는 보트(기판 보지체)(217)에 대하여 웨이퍼(200)를 장전(裝塡) 및 불출(拂出)하도록 구성된다. 포드(110)로부터 웨이퍼(200)를 보트(217)에 이재할 때, 포드(110)는 웨이퍼 반입반출구(120)와 밀착되어 포드(110) 내와 이재실(124) 내가 같은 기체 분위기가 된다.
이재실(124)의 후측 영역에는 보트(217)를 수용해서 대기시키는 대기부(126)가 구성되고, 대기부(126)의 상방(上方)에는 종형의 처리로(202)가 설치된다. 처리로(202)는 내부에 처리실(201)을 형성하고, 처리실(201)의 하단부는 노구부(爐口部)로 이루어지고, 노구부는 씰 캡(219)에 의해 개폐되도록 이루어진다.
광체(111)의 우측 단부와 서브 광체(119)의 대기부(126)의 우측 단부 사이에는 보트(217)를 승강시키기 위한 보트 엘리베이터(기판 보지구 승강 기구)(115)가 설치된다. 보트 엘리베이터(115)의 승강대에 연결된 암(128)에는 개체로서의 씰 캡(219)이 수평하게 설치되고, 씰 캡(219)은 보트(217)를 수직으로 지지하고, 보트(217)를 처리실(201)에 장입한 상태에서 노구 셔터(147)를 기밀하게 폐색(閉塞) 가능하도록 이루어진다.
보트(217)는 복수 매(예컨대 50매 내지 125매 정도)의 웨이퍼(200)를 그 중심을 맞춰서 수평 자세로 다단으로 보지하도록 구성된다.
서브 광체(119)의 배면(背面) 벽(119b)에는 이재실(124) 내의 분위기를 배기하는 배기관(131)이 설치된다. 배기관(131)에는 상류측부터 순서대로 이재실(124) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(145), APC(Auto Pressure Controller) 밸브(143), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(146)가 접속된다. APC 밸브(143)는 진공 펌프(146)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 이재실(124) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있고, 또한 진공 펌프(146)를 작동시킨 상태에서 밸브의 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 이재실(124) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로 배기관(131), APC 밸브(143) 및 압력 센서(145)에 의해 이재실(124) 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110)에 대한 배기계가 구성된다. 진공 펌프(146)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
또한 서브 광체(119)의 배면 벽(119b)에는 희(希)가스를 제외한 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(150)과, 희가스를 공급하는 가스 공급관(151)이 각각 접속된다. 가스 공급관(150)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(152) 및 개폐 밸브인 밸브(154)가 각각 설치된다. 또한 가스 공급관(151)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(153) 및 개폐 밸브인 밸브(155)가 각각 설치된다.
가스 공급관(150)으로부터는 희가스를 제외한 불활성 가스가 MFC(152) 및 밸브(154)를 개재하여 이재실(124) 내에 공급된다. 희가스를 제외한 불활성 가스로서는 예컨대 질소(N2) 가스 등을 이용할 수 있다. 가스 공급관(150)으로부터 불활성 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(150), MFC(152) 및 밸브(154)에 의해 이재실(124) 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110)에 대한 불활성 가스 공급계가 구성된다.
가스 공급관(151)으로부터는 희가스가 MFC(153) 및 밸브(155)를 개재하여 이재실(124) 내에 공급된다. 희가스로서는 예컨대 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 아르곤(Ar) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 크세논(Xe) 가스 등을 이용할 수 있다. 가스 공급관(151)으로부터 희가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(151), MFC(153) 및 밸브(155)에 의해 이재실(124) 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110)에 대한 희가스 공급계가 구성된다.
또한 이재실(124) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(163)가 설치되고, 이 온도 센서(163)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(107)로의 통전량을 조정하는 것에 의해 이재실(124) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 주로 히터(107)에 의해 이재실(124)에 대한 가열계가 구성된다.
다음으로 도 2 및 도 3에서 처리실(201)의 주변의 구성에 대해서 설명한다. 처리실(201)은 가열 수단(가열 기구, 가열계)으로서의 히터(207)가 설치된 처리로(202)를 구비한다. 히터(207)는 원통 형상이며, 보지판으로서의 히터 베이스(미도시)에 지지되는 것에 의해 수직으로 설치된다.
히터(207)의 내측에는 히터(207)와 동심원 형상으로 반응 용기(처리 용기)를 구성하는 아우터 튜브(203)가 배설된다. 아우터 튜브(203)는 예컨대 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 아우터 튜브(203)의 하방에는 아우터 튜브(203)와 동심원 형상으로 매니폴드(인렛 플랜지)(209)가 배설된다. 매니폴드(209)는 예컨대 스텐레스(SUS) 등의 금속으로 구성되고, 상단 및 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 매니폴드(209)의 상단부와, 아우터 튜브(203) 사이에는 씰 부재로서의 O링(220a)이 설치된다. 매니폴드(209)가 히터 베이스로 지지되는 것에 의해 아우터 튜브(203)는 수직으로 설치된 상태가 된다.
아우터 튜브(203)의 내측에는 반응 용기를 구성하는 이너 튜브(204)가 배설된다. 이너 튜브(204)는 예컨대 석영(SiO2), 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 구성되고, 상단이 폐색되고 하단이 개구된 원통 형상으로 형성된다. 적어도 아우터 튜브(203)와 매니폴드(209)에 의해 처리 용기(반응 용기)가 구성된다. 이너 튜브(204)를 처리 용기에 포함시켜도 좋다. 처리 용기의 통중공부(筒中空部)[이너 튜브(204)의 내측]에는 처리실(201)이 형성된다.
처리실(201)은 기판으로서의 웨이퍼(200)를 후술하는 보트(217)에 의해 수평 자세로 연직 방향에 다단으로 배열한 상태에서 수용 가능하도록 구성된다.
처리실(201) 내에는 노즐(410, 420, 430)이 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430)에는 가스 공급관(310, 320, 330)이 각각 접속된다. 단, 본 실시 형태의 처리로(202)는 전술한 형태에 한정되지 않는다.
가스 공급관(310, 320, 330)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(312, 322, 332)가 각각 설치된다. 또한 가스 공급관(310, 320, 330)에는 개폐 밸브인 밸브(314, 324, 334)가 각각 설치된다. 가스 공급관(310, 320, 330)의 밸브(314, 324, 334)의 하류측에는 희가스를 제외한 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(510, 520, 530)과, 희가스를 공급하는 가스 공급관(511, 521, 531)이 각각 접속된다.
가스 공급관(510, 520, 530)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(512, 522, 532) 및 개폐 밸브인 밸브(514, 524, 534)가 각각 설치된다. 또한 가스 공급관(511, 521, 531)에는 상류측부터 순서대로 유량 제어기(유량 제어부)인 MFC(513, 523, 533) 및 개폐 밸브인 밸브(515, 525, 535)가 각각 설치된다.
가스 공급관(310, 320, 330)의 선단부(先端部)에는 노즐(410, 420, 430)이 각각 연결 접속된다. 노즐(410, 420, 430)은 L자형의 노즐로서 구성되고, 그 수평부는 매니폴드(209)의 측벽 및 이너 튜브(204)를 관통하도록 설치된다. 노즐(410, 420, 430)의 수직부는 이너 튜브(204)의 지름 방향 외향으로 돌출하고, 또한 연직 방향으로 연재되도록 형성된 채널 형상(홈[溝] 형상)의 예비실(201a)의 내부에 설치되고, 예비실(201a) 내에서 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 상방[웨이퍼(200)의 배열 방향 상방]을 향하여 설치된다.
노즐(410, 420, 430)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 처리실(201)의 상부 영역까지 연재되도록 설치되고, 웨이퍼(200)와 대향되는 위치에 각각 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)이 설치된다. 이에 의해 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 각각 웨이퍼(200)에 처리 가스를 공급한다. 이 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부에 걸쳐서 복수 설치되고, 각각 동일한 개구 면적을 가지고, 또한 동일한 개구 피치로 설치된. 단, 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 전술한 형태에 한정되지 않는다.
예컨대 이너 튜브(204)의 하부로부터 상부를 향하여 개구 면적을 서서히 크게 해도 좋다. 이에 의해 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 공급되는 가스의 유량을 보다 균일화하는 것이 가능해진다.
노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)은 후술하는 보트(217)의 하부로부터 상부까지의 높이의 위치에 복수 설치된다. 그렇기 때문에 노즐(410, 420, 430)의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급된 처리 가스는 보트(217)의 하부로부터 상부까지 수용된 웨이퍼(200)의 모든 영역에 공급된다. 노즐(410, 420, 430)은 처리실(201)의 하부 영역으로부터 상부 영역까지 연재되도록 설치되면 좋지만, 보트(217)의 천장 부근까지 연재되도록 설치되는 것이 바람직하다.
가스 공급관(310)으로부터는 처리 가스로서 금속 원소 함유 가스가 MFC(312), 밸브(314), 노즐(410)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 금속 원소 함유 가스로서는 예컨대 몰리브덴(Mo) 함유 가스, 루테늄(Ru) 함유 가스, 텅스텐(W) 함유 가스 등을 이용할 수 있다.
가스 공급관(310)으로부터 금속 원소 함유 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(310), MFC(312), 밸브(314)에 의해 처리실(201)에 대한 금속 원소 함유 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410)을 금속 원소 함유 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
가스 공급관(320)으로부터는 처리 가스로서 환원 가스가 MFC(322), 밸브(324), 노즐(420)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 환원 가스로서는 예컨대 수소(H2) 가스, 중수소(D2) 가스, 활성화된 수소를 포함하는 가스 등을 이용할 수 있다.
가스 공급관(320)으로부터 환원 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(320), MFC(322), 밸브(324)에 의해 처리실(201)에 대한 환원 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(420)을 환원 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
가스 공급관(330)으로부터는 처리 가스로서 개질 가스가 MFC(332), 밸브(334), 노즐(430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 개질 가스로서는 예컨대 수소화실리콘 가스, 클로로실란계 가스, 산소(O) 함유 가스, 질소(N) 함유 가스, 보론(B) 함유 가스, 불소(F) 함유 가스, 인(P) 함유 가스 등 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
가스 공급관(330)으로부터 개질 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(330), MFC(332), 밸브(334)에 의해 처리실(201)에 대한 개질 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(430)을 개질 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터는 희가스를 제외한 불활성 가스가 각각 MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 노즐(410, 420, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 희가스를 제외한 불활성 가스로서는 예컨대 질소(N2) 가스 등을 이용할 수 있다.
가스 공급관(510, 520, 530)으로부터 불활성 가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(510, 520, 530), MFC(512, 522, 532), 밸브(514, 524, 534), 가스 공급관(310, 320, 330)에 의해 처리실(201)에 대한 불활성 가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410, 420, 430)을 불활성 가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
가스 공급관(511, 521, 531)으로부터는 희가스가 각각 MFC(513, 523, 533), 밸브(515, 525, 535), 노즐(410, 420, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급된다. 희가스로서는 예컨대 헬륨(He) 가스, 네온(Ne) 가스, 아르곤(Ar) 가스, 크립톤(Kr) 가스, 크세논(Xe) 가스 등을 이용할 수 있다.
가스 공급관(511, 521, 531)으로부터 희가스를 흘리는 경우, 주로 가스 공급관(511, 521, 531), MFC(513, 523, 533), 밸브(515, 525, 535), 가스 공급관(310, 320, 330)에 의해 처리실(201)에 대한 희가스 공급계가 구성되지만, 노즐(410, 420, 430)을 희가스 공급계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
본 실시 형태에서의 가스 공급의 방법은 이너 튜브(204)의 내벽과, 복수 매의 웨이퍼(200)의 단부로 정의되는 원환 형상의 세로로 긴 공간 내의 예비실(201a) 내에 배치한 노즐(410, 420, 430)을 경유해서 가스를 반송한다. 그리고 노즐(410, 420, 430)의 웨이퍼와 대향되는 위치에 설치된 복수의 가스 공급공(410a, 420a, 430a)으로부터 이너 튜브(204) 내에 가스를 분출시킨다. 보다 구체적으로는 노즐(410)의 가스 공급공(410a), 노즐(420)의 가스 공급공(420a), 노즐(430)의 가스 공급공(430a)에 의해 웨이퍼(200)의 표면과 평행 방향을 향하여 처리 가스 등을 분출시킨다.
배기공(배기구)(204a)은 이너 튜브(204)의 측벽이며 노즐(410, 420)과 대향된 위치에 형성된 관통공이며, 예컨대 연직 방향으로 가늘고 길게 개설된 슬릿 형상의 관통공이다. 노즐(410, 420)의 가스 공급공(410a, 420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 웨이퍼(200)의 표면상을 흐른 가스는 배기공(204a)을 개재하여 이너 튜브(204)와 아우터 튜브(203) 사이에 형성된 극간으로 구성된 배기로(206) 내에 흐른다. 그리고 배기로(206) 내에 흐른 가스는 배기관(231) 내에 흐르고, 처리로(202) 외로 배출된다.
배기공(204a)은 복수의 웨이퍼(200)와 대향되는 위치에 설치되고, 가스 공급공(410a, 420a)으로부터 처리실(201) 내의 웨이퍼(200)의 근방에 공급된 가스는 수평 방향을 향하여 흐른 뒤, 배기공(204a)을 개재하여 배기로(206) 내에 흐른다. 배기공(204a)은 슬릿 형상의 관통공으로서 구성되는 경우에 한정되지 않고, 복수 개의 공에 의해 구성되어도 좋다.
매니폴드(209)에는 처리실(201) 내의 분위기를 배기하는 배기관(231)이 설치된다. 배기관(231)에는 상류측부터 순서대로 처리실(201) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력 검출부)로서의 압력 센서(245), APC(Auto Pressure Controller) 밸브(243), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 접속된다. APC 밸브(243)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 밸브의 개도를 조절하는 것에 의해 처리실(201) 내의 압력을 조정할 수 있다. 주로 배기공(204a), 배기로(206), 배기관(231), APC 밸브(243) 및 압력 센서(245)에 의해 처리실(201)에 대한 배기계가 구성된다. 진공 펌프(246)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
매니폴드(209)의 하방에는 매니폴드(209)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구 개체로서의 씰 캡(219)이 설치된다. 씰 캡(219)은 매니폴드(209)의 하단에 연직 방향 하측으로부터 당접(當接)되도록 구성된다. 씰 캡(219)은 예컨대 SUS 등의 금속으로 구성되고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(219)의 상면에는 매니폴드(209)의 하단과 당접되는 씰 부재로서의 O링(220b)이 설치된다. 씰 캡(219)에서의 처리실(201)의 반대측에는 웨이퍼(200)를 수용하는 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 아우터 튜브(203)의 외부에 수직으로 설치된 승강 기구로서의 보트 엘리베이터(115)에 의해 연직 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) 및 보트(217)에 수용된 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내외로 반송하는 반송 장치로서 구성된다. 주로 보트 엘리베이터(115) 및 웨이퍼 이재 기구(125)에 의해 반송계가 구성된다
기판 지지구로서의 보트(217)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(200)를 수평 자세로, 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 연직 방향으로 간격을 두고 배열시키도록 구성된다. 보트(217)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성된다. 보트(217)의 하부에는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 단열판(218)이 수평 자세로 다단(미도시)으로 지지된다. 이 구성에 의해 히터(207)로부터의 열이 씰 캡(219)측에 전달되기 어렵도록 이루어진다. 단, 본 실시 형태는 전술한 형태에 한정되지 않는다. 예컨대 보트(217)의 하부에 단열판(218)을 설치하지 않고, 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 구성되는 통 형상의 부재로서 구성된 단열통을 설치해도 좋다.
도 3에 도시하는 바와 같이 이너 튜브(204) 내에는 온도 검출기로서의 온도 센서(263)가 설치되고, 이 온도 센서(263)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(207)로의 통전량을 조정하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 되도록 구성된다. 온도 센서(263)는 노즐(410, 420, 430)과 마찬가지로 L자형으로 구성되고, 이너 튜브(204)의 내벽을 따라 설치된다. 주로 히터(207)에 의해 처리실(201) 내의 가열계가 구성된다.
도 4에 도시하는 바와 같이 제어부인 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 버스를 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 프로그램, 후술하는 반도체 장치의 제조 방법의 순서나 조건 등이 기재된 프로세스 레시피 등이 판독 가능하도록 격납된다. 프로세스 레시피는 후술하는 반도체 장치의 제조 방법에서의 각 공정(각 스텝)을 컨트롤러(121)에 실행시켜 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로세스 레시피, 제어 프로그램 등을 총칭하여 단순히 프로그램이라고도 부른다. 본 명세서에서 프로그램이라는 단어를 사용한 경우는 프로세스 레시피 단체(單體)만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우 또는 프로세스 레시피 및 제어 프로그램의 조합을 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(152, 153, 312, 322, 332, 512, 513, 522, 523, 532, 533), 밸브(154, 155, 314, 324, 334, 514, 515, 524, 525, 534, 535), 압력 센서(145, 245), APC 밸브(143, 243), 진공 펌프(146, 246), 히터(107, 207), 온도 센서(163, 263), 회전 기구(267), 보트 엘리베이터(115), 웨이퍼 이재 기구(125) 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 레시피 등을 판독하도록 구성된다. CPU(121a)는 판독한 레시피의 내용을 따르도록 MFC(152, 153, 312, 322, 332, 512, 513, 522, 523, 532, 533)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작, 밸브(154, 155, 314, 324, 334, 514, 515, 524, 525, 534, 535)의 개폐 동작, APC 밸브(143, 243)의 개폐 동작 및 APC 밸브(143, 243)에 의한 압력 센서(145, 245)에 기초하는 압력 조정 동작, 온도 센서(163, 263)에 기초하는 히터(107, 207)의 온도 조정 동작, 진공 펌프(146, 246)의 기동 및 정지, 회전 기구(267)에 의한 보트(217)의 회전 및 회전 속도 조절 동작, 보트 엘리베이터(115)에 의한 보트(217)의 승강 동작, 웨이퍼 이재 기구(125)에 의한 포드(110)와 보트(217) 사이의 웨이퍼(200)의 이재 동작 등을 제어하도록 구성된다.
컨트롤러(121)는 외부 기억 장치[예컨대 자기(磁氣) 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광(光) 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 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 매체는 기억 장치(121c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(123) 단체만을 포함하는 경우 또는 그 양방(兩方)을 포함하는 경우가 있다. 컴퓨터로의 프로그램의 제공은 외부 기억 장치(123)를 이용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용해도 좋다.
[기판 처리 공정]
반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 웨이퍼(200) 상에 예컨대 3D NAND의 컨트롤 게이트 전극으로서 이용되는 Mo 함유막을 형성하는 공정의 일례에 대해서 도 5, 도 6의 (A) 및 도 6의 (B)를 이용하여 설명한다. 여기서는 도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이, 표면에 Mo 함유막이 형성된 웨이퍼(200) 상에, 도 6의 (B)에 도시하는 바와 같이 실리콘(Si)캡 막을 형성한다. 이하의 설명에서 기판 처리 장치(10)를 구성하는 각 부의 동작은 컨트롤러(121)에 의해 제어된다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는, (a) 처리실(201) 내에 수용된 웨이퍼(200)에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 공정; (b) 웨이퍼(200)에 환원 가스를 공급하는 공정; (c) (a)와 (b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200)에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 공정; (d) (c) 후에, 금속 원소를 함유하는 막에 개질 가스를 공급하여 막의 표면에 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 공정; 및 (e) (d) 후에, 처리실(201) 내 및 이재실(124) 내를 희가스 분위기로서 웨이퍼(200)를 처리실(201)로부터 이재실(124)에 반출하는 공정을 포함한다.
본 명세서에서 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체」를 의미하는 경우나, 「웨이퍼와 그 표면에 형성된 소정의 층이나 막 등과의 적층체」를 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「웨이퍼의 표면」이라는 단어를 사용한 경우는 「웨이퍼 그 자체의 표면」을 의미하는 경우나, 「웨이퍼 상에 형성된 소정의 층이나 막 등의 표면」을 의미하는 경우가 있다. 본 명세서에서 「기판」이라는 단어를 사용한 경우도 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우와 같은 의미다.
[웨이퍼 반입]
밸브(154, 314, 324, 334)를 열고 가스 공급관(150, 310, 320, 330) 내에 희가스 이외의 불활성 가스인 질소(N2) 가스를 흘린다. N2 가스는 MFC(152, 512, 522, 532)에 의해 유량 조정되어 처리실(201) 내, 이재실(124) 내 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110) 내에 공급된다.
처리실(201) 내, 이재실(124) 내 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110) 내를 N2 가스 분위기로 한 상태에서 복수 매의 웨이퍼(200)가 포드(110)로부터 보트(217)에 이재[웨이퍼 차지: 스텝(S10)]된다.
그 후, 도 2에 도시되는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(200)를 지지한 보트(217)는 보트 엘리베이터(115)에 의해 들어 올려져 처리실(201) 내에 반입[보트 로드: 스텝(S11)]되고, 처리 용기에 수용된다. 이 상태에서 씰 캡(219)은 O링(220)을 개재하여 아우터 튜브(203)의 하단 개구를 폐색한 상태가 된다.
그 후, 이재실(124)에 설치된 배기관(131)의 APC 밸브(143)를 열고, 진공 펌프(146)에 의해 이재실(124) 내 및 이재실(124)에 밀착된 포드(110) 내를 진공 배기하여 이재실(124) 내 및 포드(110) 내에 잔류하는 N2 가스를 이재실(124) 내 및 포드(110) 내로부터 배제한다. 다음으로 APC 밸브(143)를 닫는 것과 함께 밸브(155)를 열고 가스 공급관(151)에 희가스인 Ar 가스를 흘리고, 이재실(124) 내 및 포드(110) 내를 Ar 가스 분위기로 치환한다[분위기 치환: 스텝(S12)]. 또한 이재실(124) 내 및 포드(110) 내의 분위기 치환은 반드시 스텝(S11) 직후에 수행할 필요는 없고, 후술하는 스텝(S22)의 보트 언로드 전까지 수행하면 좋다.
[압력 조정 및 온도 조정: 스텝(S13)]
처리실(201) 내, 즉 웨이퍼(200)가 존재하는 공간이 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(246)에 의해 진공 배기된다. 이때 처리실(201) 내의 압력은 압력 센서(245)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(243)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(246)는 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다.
또한 처리실(201) 내가 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 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 이하에서 히터(207)의 온도는, 웨이퍼(200)의 온도가 예컨대 300℃ 내지 650℃의 범위 내의 온도가 될 수 있는 온도로 설정된다. 또한 히터(207)에 의한 처리실(201) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(200)에 대한 처리가 완료될 때까지, 즉 스텝(S20)까지의 동안은 계속해서 수행되고, 처리실(201) 내의 온도가 일정하게 유지된다.
[금속 원소 함유 가스 공급: 스텝(S14)]
밸브(314)를 열고 가스 공급관(310) 내에 원료 가스인 금속 원소 함유 가스를 흘린다. 금속 원소 함유 가스는 MFC(312)에 의해 유량 조정되고, 노즐(410)의 가스 공급공(410a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 금속 원소 함유 가스가 공급된다.
이때 동시에 밸브(515)를 열고 가스 공급관(511) 내에 희가스인 Ar 가스를 흘린다. 가스 공급관(511) 내를 흐른 Ar 가스는 MFC(513)에 의해 유량 조정되고, 금속 원소 함유 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. Ar 가스는 캐리어 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내로의 금속 원소 함유 가스의 공급을 촉진하는 효과를 얻을 수 있다.
이때 노즐(420) 및 노즐(430) 내로의 금속 원소 함유 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(525, 535)를 열고 가스 공급관(521, 531) 내에 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는 가스 공급관(320, 330), 노즐(420, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(312)로 제어하는 금속 원소 함유 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 1.0slm, 바람직하게는 0.1slm 내지 0.5slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(513, 523, 533)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 20slm의 범위 내의 유량으로 한다. 또한 본 개시에서의 「1Pa 내지 3,990Pa」와 같은 수치 범위의 표기는 하한값 및 상한값이 그 범위에 포함되는 것을 의미한다. 따라서 예컨대 「1Pa 내지 3,990Pa」와는 「1Pa 이상 3,990Pa 이하」를 의미한다. 다른 수치 범위에 대해서도 마찬가지이다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 금속 원소 함유 가스와 희가스인 Ar 가스만이다. 여기서 금속 원소 함유 가스로서는 Mo 함유 가스를 이용할 수 있다. Mo 함유 가스로서는 예컨대 5염화몰리브덴(MoCl5) 가스, 이산화2염화몰리브덴(MoO2Cl2) 가스, 4염화산화몰리브덴(MoOCl4) 가스를 이용할 수 있다. 금속 원소 함유 가스의 공급에 의해 웨이퍼(200) 상에 금속 원소 함유층이 형성된다. 여기서 금속 원소 함유 가스로서 MoO2Cl2 가스를 이용한 경우, 금속 원소 함유층은 Mo 함유층이다. Mo 함유층은 Cl이나 O를 포함하는 Mo층이어도 좋고, MoO2Cl2의 흡착층이어도 좋고, 그것들의 양방을 포함하고 있어도 좋다. 또한 Mo 함유층은 Mo를 주성분으로 하는 막이며, Mo 원소 외에 Cl, O, H 등의 원소를 포함할 수 있는 막이다.
[잔류 가스 제거: 스텝(S15)]
금속 원소 함유 가스의 공급을 시작하고 소정 시간이 경과한 후이며, 예컨대 0.01초 내지 10초 후에 가스 공급관(310)의 밸브(314)를 닫고 금속 원소 함유 가스의 공급을 정지한다. 즉 금속 원소 함유 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 0.01초 내지 10초의 범위 내의 시간으로 한다. 이때 배기관(231)의 APC 밸브(243)는 연 상태로 하여 진공 펌프(246)에 의해 처리실(201) 내를 진공 배기하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 금속 원소 함유층 형성에 기여한 후의 금속 원소 함유 가스를 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉 처리실(201) 내를 퍼지한다(제1 퍼지 공정).
이때 밸브(515, 525, 535)는 연 상태로 하여 Ar 가스의 처리실(201) 내로의 공급을 유지한다. Ar 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 금속 원소 함유층 형성에 기여한 후의 금속 원소 함유 가스를 처리실(201) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
[환원 가스 공급: 스텝(S16)]
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(324)를 열고 가스 공급관(320) 내에 환원 가스를 흘린다. 환원 가스는 MFC(322)에 의해 유량 조정되어 노즐(420)의 가스 공급공(420a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 환원 가스가 공급된다.
이때 동시에 밸브(525)를 열고 가스 공급관(521) 내에 희가스인 Ar 가스를 흘린다. 가스 공급관(521) 내를 흐른 Ar 가스는 MFC(523)에 의해 유량 조정되고, 환원 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. Ar 가스는 캐리어 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내로의 환원 가스의 공급을 촉진하는 효과를 얻을 수 있다.
이때 노즐(410) 및 노즐(430) 내로의 금속 원소 함유 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(515, 535)를 열고 가스 공급관(511, 531) 내에 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는 가스 공급관(310, 330), 노즐(410, 430)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 39,900Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(322)로 제어하는 환원 가스의 공급 유량은 예컨대 1slm 내지 50slm, 바람직하게는 15slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(513, 523, 533)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 환원 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 0.01초 내지 120초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 환원 가스와 희가스인 Ar 가스만이다. 여기서 환원 가스로서는 예컨대 수소(H2) 가스, 중수소(D2) 가스, 활성화된 수소를 포함하는 가스 등을 이용할 수 있다. 환원 가스로서 H2 가스를 이용한 경우, H2 가스는 스텝(S14)에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 Mo 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 즉 Mo 함유층 중의 O나 염소(Cl)가 H2와 반응하여 Mo층으로부터 탈리되고, 수증기(H2O)이나 염화수소(HCl)나 염소(Cl2) 등의 반응 부생성물로서 처리실(201) 내로부터 배출된다. 그리고 웨이퍼(200) 상에 Mo를 포함하고 Cl과 O를 실질적으로 포함하지 않는 금속 원소 함유층(Mo층)이 형성된다.
[잔류 가스 제거: 스텝(S17)]
금속 원소 함유층을 형성한 후, 밸브(324)를 닫고 환원 가스의 공급을 정지한다. 그리고 전술한 스텝(S15)(제1 퍼지 공정)과 마찬가지의 처리 순서에 의해 Ar 가스를 퍼지 가스로서 이용하여 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 금속 원소 함유층의 형성에 기여한 후의 환원 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉 처리실(201) 내를 퍼지한다(제2 퍼지 공정).
[소정 횟수 실시: 스텝(S18)]
전술한 스텝(S14) 내지 스텝(S17)의 공정을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(n회)] 수행하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상에 소정의 두께(예컨대 0.5nm 내지 20.0nm)의 금속 원소 함유막을 형성한다. 전술한 사이클은 복수 회 반복하는 것이 바람직하다. 또한 스텝(S14) 내지 스텝(S17)의 공정을 각각 적어도 1회 이상 수행해도 좋다.
[개질 가스 공급: 스텝(S19)]
처리실(201) 내의 잔류 가스를 제거한 후, 밸브(334)를 열고 가스 공급관(330) 내에 개질 가스를 흘린다. 개질 가스는 MFC(332)에 의해 유량 조정되어 노즐(430)의 가스 공급공(430a)으로부터 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(200)에 대하여 개질 가스가 공급된다.
이때 동시에 밸브(535)를 열고 가스 공급관(531) 내에 희가스인 Ar 가스를 흘린다. 가스 공급관(531) 내를 흐른 Ar 가스는 MFC(533)에 의해 유량 조정되고, 환원 가스와 함께 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다. Ar 가스는 캐리어 가스로서 작용하고, 처리실(201) 내로의 개질 가스의 공급을 촉진하는 효과를 얻을 수 있다.
이때 노즐(410) 및 노즐(420) 내로의 금속 원소 함유 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(515, 525)를 열고 가스 공급관(511, 521) 내에 Ar 가스를 흘린다. Ar 가스는 가스 공급관(310, 320), 노즐(410, 420)을 개재하여 처리실(201) 내에 공급되고 배기관(231)으로부터 배기된다.
이때 APC 밸브(243)를 조정하여 처리실(201) 내의 압력을 예컨대 1Pa 내지 3,990Pa의 범위 내의 압력으로 한다. MFC(332)로 제어하는 개질 가스의 공급 유량은 예컨대 0.1slm 내지 30slm, 바람직하게는 0.1slm 내지 10slm의 범위 내의 유량으로 한다. MFC(513, 523, 533)로 제어하는 Ar 가스의 공급 유량은 각각 예컨대 0.1slm 내지 30slm의 범위 내의 유량으로 한다. 개질 가스를 웨이퍼(200)에 대하여 공급하는 시간은 예컨대 1초 내지 1,200초의 범위 내의 시간으로 한다.
이때 처리실(201) 내에 흘리는 가스는 개질 가스와 희가스인 Ar 가스만이다. 여기서 개질 가스로서는 수소화 실리콘 가스, 클로로실란계 가스, 산소 함유 가스, 질소 함유 가스, 보론 함유 가스, 불소 함유 가스, 인 함유 가스 등 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스를 공급하는 것에 의해 웨이퍼(200) 상의 막의 표면에 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성할 수 있다. 바꿔 말하면, 막의 표면을 개질할 수 있다. 개질 가스로서 수소화 실리콘 가스를 이용한 경우, 스텝(S14)에서 웨이퍼(200) 상에 형성된 Mo 함유막의 표면에 실리콘(Si)을 포함하는 층(캡층)을 형성할 수 있다. 또한 수소화실리콘 가스로서는 모노실란(SiH4) 가스, 디실란(Si2H6) 가스, 트리실란(Si3H8) 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
도 6의 (A)에 도시하는 바와 같이 Mo 함유막이 Si 캡층으로 피복되지 않은 경우, 대기 분위기 중의 질소(N)에 의해 Mo 함유막이 질화되어 Mo 함유막의 저항이 높아지는 등의 영향이 발생하는 경우가 있다. 이에 대하여 본 실시 형태에서는 도 6의 (B)에 도시하는 바와 같이 Mo 함유막 상에 Si 캡층을 형성하기 때문에 대기 분위기중의 질소에 의한 Mo 함유막의 질화를 억제할 수 있고, 질소에 의한 영향을 적게 할 수 있다.
[잔류 가스 제거: 스텝(S20)]
캡층을 형성한 후, 밸브(334)를 닫고 개질 가스의 공급을 정지한다. 그리고 전술한 스텝(S15)(제1 퍼지 공정)과 마찬가지의 처리 순서에 의해, Ar 가스를 퍼지 가스로서 이용하여 처리실(201) 내에 잔류하는 미반응 또는 캡층의 형성에 기여한 후의 개질 가스나 반응 부생성물을 처리실(201) 내로부터 배제한다. 즉 처리실(201) 내를 퍼지한다(애프터 퍼지 공정).
[대기압 복귀: 스텝(S21)]
처리실(201) 내의 분위기가 Ar 가스로 치환된 후, 처리실(201) 내의 압력이 상압으로 복귀된다.
[웨이퍼 반출]
그 후, 보트 엘리베이터(115)에 의해 씰 캡(219)이 하강되어 아우터 튜브(203)의 하단이 개구된다. 그리고 처리 완료 웨이퍼(200)가 보트(217)에 지지된 상태에서 아우터 튜브(203)의 하단으로부터 이재실(124) 내에 반출[보트 언로드: 스텝(S22)]된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(200)는 보트(217)로부터 포드(110)에 이재[웨이퍼 디스차지: 스텝(S23)]된다. 또한 웨이퍼(200)의 반출은 바람직하게는 처리실(201) 내의 온도 설정을 성막 시부터 유지한 상태에서 수행된다. 처리실(201) 내의 온도 설정을 성막 시부터 유지한 상태에서 수행하는 것에 의해 처리실(201)의 온도의 조정에 걸리는 시간을 단축할 수 있다.
스텝(S12)에서 이재실(124) 내 및 포드(110) 내는 Ar 가스 분위기로 이루어지고, 스텝(S20)에서 처리실(201) 내도 Ar 가스 분위기로 이루어진다. 따라서 처리 완료된 웨이퍼(200)의 처리실(201)로부터 포드(110)로의 이재는 이재실(124)을 개재하여 Ar 가스 분위기 하에서 수행된다. 이러한 분위기로 하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도를 기판 처리 시부터 유지한 상태(즉 고온 상태)에서, Mo 함유막 상에 대기 분위기 중의 질소에 의한 Mo 함유막의 질화를 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서는 Mo 함유막 상에 Si 캡층을 형성하기 때문에 Mo 함유막의 표면에 대기 분위기 중의 질소가 흡착(질화)되는 것을 억제할 수 있고, 질소에 의한 영향을 적게 할 수 있지만, 이와 같이 Ar 가스 분위기 하에서 웨이퍼 디스차지를 수행하고, 웨이퍼 디스차지 시에 웨이퍼(200)가 질소에 접촉하지 않도록 하는 것에 의해 Mo 함유막의 질화를 한층 더 억제할 수 있다.
[본 실시 형태에 따른 효과]
전술한 바와 같이, 웨이퍼(200)에 형성된 금속 원소를 함유하는 막의 표면에 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 개질 처리를 수행하는 것에 의해, 웨이퍼(200)의 막의 표면에 산소가 흡착되는 것이나 질소가 흡착되는 것을 억제할 수 있다. 또한 산소의 흡착은 산화라고도 부른다. 또한 질소의 흡착은 질화라고도 부른다.
또한 웨이퍼(200)의 막뿐만 아니라, 처리실(201) 내벽의 막을 개질할 수 있다. 이에 의해 웨이퍼(200) 반입 시에 질소 가스가 처리실(201) 내에 유입되어도 질소가 처리실(201) 내벽의 막에 흡착되는 것을 억제할 수 있다. 처리실(201) 내벽의 막에 질소가 흡착된 경우, 성막 시에 이 질소가 탈리하여 웨이퍼(200)에 성막되는 막에 취입(取入)될 가능성이 있다. 그렇기 때문에 처리실(201) 내벽의 막을 개질하는 것에 의해 이러한 것들을 억제할 수 있다.
본 실시 형태에서의 반도체 장치의 제조 방법에서는 (c) 및 (d)에서의 처리실(201) 내의 온도 설정을 유지한 상태에서 수행되는 것이 바람직하다.
이와 같이 성막 시의 온도 설정을 유지한 상태에서 반출을 수행하는 것에 의해 처리실(201) 내의 온도 조정에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 그 결과로서 제조 스루풋을 향상시킬 수 있다. 또한 처리실(201) 내 및 이재실(124) 내의 일부의 온도가 저하되는 것에 의해 열응력이 발생하는 것을 억제할 수 있기 때문에 열응력에 의한 막의 박리를 발생하기 어렵게 할 수 있다.
또한 (f), (a) 전에 처리실(201) 내와 이재실(124) 내를 희가스를 제외한 불활성 가스 분위기로서 웨이퍼(200)를 이재실(124) 내로부터 처리실(201) 내로 반송하는 공정과, (g) (f) 내지 (e) 사이에 처리실(201) 내 및 이재실(124) 내를 희가스를 제외한 불활성 가스 분위기로부터 희가스 분위기로 바꾸는 공정을 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이 성막 전에는 저렴한 불활성 가스를 이용하고, 성막 후에만 고가의 희가스를 이용하는 것에 의해 고가의 희가스의 사용량을 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 수소화 실리콘 가스 또는 클로로실란계 가스를 이용하여 막의 표면에 실리콘(Si) 함유층을 형성해도 좋다. 수소화 실리콘 가스로서는 모노실란(SiH4) 가스, 디실란(Si2H6) 가스, 트리실란(Si3H8) 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다. 클로로실란계 가스로서는 헥사클로로디실란(HCDS)을 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이 가스를 이용하여 금속 원소를 함유하는 막의 표면에 실리콘(Si) 함유층을 형성하는 것에 의해, 처리실(201) 외에 존재하는 질소에 의한 막의 질화를 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 산소(O) 함유 가스를 이용하여 막의 표면에 산화층을 형성해도 좋다. 산소 함유 가스로서는 산소(O2) 가스, 수증기(H2O) 가스, 일산화질소(NO) 가스, 아산화질소(N2O) 가스, 오존(O3) 가스, 수소(H2)와 산소(O2)의 혼합 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이러한 가스를 이용하여 금속 원소를 함유하는 막의 표면을 산화시켜두거나, 막의 표면에서의 질소와 결합할 수 있는 사이트를 산소로 메워두는 것에 의해, 처리실(201) 외에 존재하는 질소가 막의 표면에 흡착(질화)되는 것을 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 질소 함유 가스를 이용하여 막의 표면에 질화층을 형성해도 좋다. 질소 함유 가스로서는 암모니아(NH3) 가스, 히드라진(N2H4) 가스, 디아젠(N2H2) 가스, 질소(N2) 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이러한 가스를 이용하여 자연 질화가 아니라 막의 표면에 완전한 개질층(질화층)을 형성해도 좋다. 또한 완전한 개질층이란 막의 표면에 다른 원소가 결합되기 어려운 상태를 의미한다. Mo막의 경우, 표면에 MoN의 층을 형성하는 것을 의미한다. 이러한 층을 형성하는 것에 의해 후에 질화층을 제거할 때의 웨이퍼(200)마다 균일성을 향상시킬 수 있다. 웨이퍼(200)마다 형성되는 개질층의 조성을 균일화할 수 있다. 개질층의 조성을 웨이퍼(200)마다 균일화하는 것에 의해 조성의 차이에 의한 개질의 제거율의 발생을 억제할 수 있다. 또한 이러한 질화층을 형성하는 것에 의해 대기 중의 산소가 막의 표면에 흡착되는 것을 억제할 수 있다. 즉 막의 표면에서의 산소와 결합할 수 있는 사이트를 질소로 메워두는 것에 의해 막 표면으로의 산소의 흡착을 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 보론(B) 함유 가스를 이용하여 막의 표면에 보론 함유층을 형성해도 좋다. 보론 함유 가스로서는 디보란(B2H6) 가스, 3염화보론(BCl3) 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이러한 가스를 이용하여 금속 원소를 함유하는 막의 표면에 보론 함유층을 형성하는 것에 의해, 처리실(201) 외에 존재하는 질소나 산소의 흡착을 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 불소(F) 함유 가스를 이용하여 막의 표면에 불소함유층을 형성해도 좋다. 불소함유 가스로서는 6불화텅스텐(WF6) 가스, 불소(F2) 가스, 3불화질소(NF3) 가스, 3불화염소(ClF3) 가스, 불화수소(HF) 가스 중 1종류의 가스 또는 적어도 1개 이상의 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이러한 가스를 이용하여 금속 원소를 함유하는 막의 표면을 불화하는 것에 의해, 처리실(201) 외에 존재하는 질소나 질소에 의한 막의 산화나 질화를 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는 개질 가스로서 인(P) 함유 가스를 이용하여 막의 표면에 인(P) 함유층을 형성해도 좋다. 인 함유 가스로서는 포스핀(PH3) 가스 또는 포스핀(PH3) 가스를 포함하는 혼합 가스를 이용할 수 있다.
개질 가스로서 이러한 가스를 이용하여 금속 원소를 함유하는 막의 표면에 인(P) 함유층을 형성하는 것에 의해, 처리실(201) 외에 존재하는 질소나 산소의 흡착이나 반응을 억제할 수 있다.
또한 (d)에서는, (a) 내지 (c)와 비교하여, 처리실(201) 내의 온도 설정을 유지하거나 또는 처리실(201) 내의 온도 설정을 낮춰도 좋다. 처리실(201) 내의 온도 설정을 유지한 경우, 제조 스루풋을 향상시킬 수 있지만, 막의 개질 공정에서 막 중까지 산화되거나 질화될 가능성이 있다. 그렇기 때문에 막의 개질 공정에서 막의 표면에 Si 함유층, 산소 함유층, 질소 함유층, 인 함유층 중 적어도 어느 하나의 층을 형성하는 것이 바람직하다.
또한 (a) 내지 (d)에서 공급되는 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서 희가스가 이용되는 것이 바람직하다. 이에 의해 성막 중 및 개질 중의 막의 질화를 억제할 수 있다.
<다른 실시 형태>
이상, 본 개시의 실시 형태를 구체적으로 설명했다. 하지만 본 개시는 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
예컨대 상기 실시 형태에서는 한 번에 복수 매의 기판을 처리하는 뱃치(batch)식의 종형(縱型) 장치인 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 예에 대해서 설명했지만 본 개시는 이에 한정되지 않고, 한번에 1매 또는 여러 매의 기판을 처리하는 매엽식(枚葉式)의 기판 처리 장치를 이용하여 성막하는 경우에도 바람직하게 적용할 수 있다.
또한 본 개시의 실시 형태에서의 기판 처리 장치는 반도체를 제조하는 반도체 제조 장치뿐만 아니라, LCD 장치의 같은 유리 기판을 처리하는 장치에도 적용 가능하다. 또한 기판에 대한 처리는 예컨대 CVD, PVD, 산화막, 질화막을 형성하는 처리, 금속을 포함하는 막을 형성하는 처리, 어닐링 처리, 산화 처리, 질화 처리, 확산 처리 등을 포함한다. 또한 노광 장치, 도포 장치, 건조 장치, 가열 장치 등의 각종 기판 처리 장치에도 적용 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.
10: 기판 처리 장치 124: 이재실
200: 웨이퍼(기판의 일례) 201: 처리실(처리 용기의 일례)

Claims (14)

  1. (a) 처리 용기 내에 수용된 기판에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 공정;
    (b) 상기 기판에 환원 가스를 공급하는 공정;
    (c) (a)와 (b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 상기 기판에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 공정;
    (d) (c) 후에, 상기 막에 개질 가스를 공급하여 상기 막의 표면에 상기 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 공정; 및
    (e) (d) 후에, 상기 처리 용기 내 및 상기 처리 용기에 인접하는 이재실 내를 희가스 분위기로 하여 상기 기판을 상기 처리 용기로부터 상기 이재실로 반출하는 공정
    을 포함하는 기판 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (e)는 (c) 및 (d)에서의 상기 처리 용기 내의 온도 설정을 유지한 상태에서 수행되는 기판 처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    (f) (a) 전에 상기 처리 용기 내와 상기 이재실 내를 희가스를 제외한 불활성 가스 분위기로 하여 상기 기판을 상기 이재실 내로부터 상기 처리 용기 내로 반입하는 공정; 및
    (g) (f) 내지 (e) 사이에서 상기 이재실 내를 상기 희가스를 제외한 불활성 가스 분위기로부터 상기 희가스 분위기로 치환하는 공정
    을 더 포함하는 기판 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 수소화 실리콘 가스 또는 클로로실란계 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 실리콘 함유층을 형성하는 기판 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 산소 함유 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 산화층을 형성하는 기판 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 질소 함유 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 질화층을 형성하는 기판 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 보론 함유 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 보론 함유층을 형성하는 기판 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 불소 함유 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 불소 함유층을 형성하는 기판 처리 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    (d)에서는 상기 개질 가스로서 인 함유 가스를 이용하여 상기 막의 표면에 인 함유층을 형성하는 기판 처리 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    (d)에서는, (a) 내지 (c)와 비교하여 상기 처리 용기 내의 온도 설정을 유지하거나 또는 상기 처리 용기 내의 온도 설정을 낮추는 기판 처리 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    (a) 내지 (d)에서 공급되는 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서 희가스가 이용되는 기판 처리 방법.
  12. (a) 처리 용기 내에 수용된 기판에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 단계;
    (b) 상기 기판에 환원 가스를 공급하는 단계;
    (c) (a)와 (b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 상기 기판에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 단계;
    (d) (c) 후에, 상기 막에 개질 가스를 공급하여 상기 막의 표면에 상기 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 단계; 및
    (e) (d) 후에, 상기 처리 용기 내 및 상기 처리 용기에 인접하는 이재실 내를 희가스 분위기로 하여 상기 기판을 상기 처리 용기로부터 상기 이재실로 반출하는 단계
    를 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 기록된 프로그램.
  13. 처리 용기;
    상기 처리 용기에 인접하는 이재실;
    기판을 반송하는 반송계;
    상기 처리 용기 내에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 금속 원소 함유 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내에 환원 가스를 공급하는 환원 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내에 개질 가스를 공급하는 개질 가스 공급계;
    상기 처리 용기 내 및 상기 이재실 내에 희가스를 공급하는 희가스 공급계;
    상기 처리 용기 내 및 상기 이재실 내를 배기하는 배기계; 및
    제1항의 각 공정을 수행하도록 상기 반송계, 상기 금속 원소 함유 가스 공급계, 상기 환원 가스 공급계, 상기 개질 가스 공급계, 상기 희가스 공급계 및 상기 배기계를 제어하는 것이 가능하도록 구성되는 제어부
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  14. (a) 처리 용기 내에 수용된 기판에 금속 원소 함유 가스를 공급하는 공정;
    (b) 상기 기판에 환원 가스를 공급하는 공정;
    (c) (a)와 (b)를 소정 횟수 수행하는 것에 의해 상기 기판에 금속 원소를 함유하는 막을 형성하는 공정;
    (d) (c) 후에, 상기 막에 개질 가스를 공급하여 상기 막의 표면에 상기 개질 가스가 함유하는 원소를 포함하는 층을 형성하는 공정; 및
    (e) (d) 후에, 상기 처리 용기 내 및 상기 처리 용기에 인접하는 이재실 내를 희가스 분위기로 하여 상기 기판을 상기 처리 용기로부터 상기 이재실로 반출하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
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