KR20230046216A - 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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processing container
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유야 다카무라
마사미 오이카와
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

기판의 중수소 농도를 한층 높이는 기술을 제공한다.
기판 처리 방법은, 처리 용기 내의 기판을 처리하는 기판 처리 방법이며, 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행한다. (a) 설정한 처리 온도로 상기 기판을 가열하는 공정, (b) 상기 처리 용기 내에 중수소를 공급하는 공정, (c) 상기 처리 용기 내에 산소를 공급하는 공정, (d) 상기 처리 용기 내에서 상기 중수소 및 상기 산소를 배출하여, 상기 처리 용기 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정. 이와 같이, 기판 처리 방법은, 중수소 및 산소를 함께 공급함으로써, 기판의 중수소 농도를 한층 높일 수 있다.

Description

기판 처리 방법 및 기판 처리 장치{SUBSTRATE PROCESSING METHOD AND SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS}
본 개시는, 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
특허문헌 1에는, 중수소 열처리를 행함으로써, 자연계에 존재하는 중수소와 수소의 비율보다도 큰 비율로 중수소를 실리콘막에 함유시킨 반도체 기억 장치가 개시되어 있다. 중수소를 함유한 반도체 기억 장치는, 디바이스 특성(예를 들어, 막의 누설 특성, 히스테리시스 특성 등)이 개선된다.
일본 특허 공개 제2000-77621호 공보
본 개시는, 기판의 중수소 농도를 한층 높일 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 처리 용기 내의 기판을 처리하는 기판 처리 방법이며, 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행하는, 기판 처리 방법이 제공된다.
(a) 설정한 처리 온도로 상기 기판을 가열하는 공정
(b) 상기 처리 용기 내에 중수소를 공급하는 공정
(c) 상기 처리 용기 내에 산소를 공급하는 공정
(d) 상기 처리 용기 내에서 상기 중수소 및 상기 산소를 배출하여, 상기 처리 용기 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정
일 양태에 의하면, 기판의 중수소 농도를 한층 높일 수 있다.
도 1은, 일 실시 형태에 관한 기판 처리 방법을 행하는 대상의 기판을 모식적으로 도시하는 설명도이다.
도 2는, 일 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치를 도시하는 개략 종단면도이다.
도 3은, 종형 열처리 장치가 실시하는 기판 처리 방법의 일례를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 4는, 실시예로서 어닐 처리를 행한 때의 웨이퍼 W의 중수소 농도를 나타내는 대수 그래프이다.
도 5의 (a)는, 실시예로서 어닐 처리를 행한 때의 처리 온도에 대한 웨이퍼 W의 중수소 농도를 나타내는 대수 그래프이다. 도 5의 (b)는, 실시예로서 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법을 행한 때의 처리 온도에 대한 산화 막 두께의 변화를 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대하여 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
도 1은, 일 실시 형태에 관한 기판 처리 방법을 행하는 대상의 기판을 모식적으로 도시하는 설명도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 일 실시 형태의 기판 처리 방법은, 기판의 일례인 웨이퍼 W에 대하여 어닐 처리(열처리)를 행한다. 처리 대상인 웨이퍼 W는, 예를 들어 반도체 메모리에 적용되고, 웨이퍼 본체 WB와, 웨이퍼 본체 WB의 표면에 성막된 절연막(하지층) WI를 갖는다. 웨이퍼 W는, 이 절연막 WI 상에 아몰퍼스 실리콘막 등이 성막된다.
웨이퍼 본체 WB는, 실리콘 등의 반도체 기판을 적용할 수 있다. 또한, 웨이퍼 본체 WB는, 먼저 복수 종류의 막을 적층한 형태여도 된다. 절연막 WI는, 예를 들어 반도체 메모리에 있어서 게이트를 절연하는 기능을 갖는다. 이 절연막 WI로서는, 실리콘 질화막(SiN막), 실리콘 산화막(SiO2막) 등을 들 수 있다. 웨이퍼 본체 WB에 절연막 WI를 적층한 형태(어닐 처리를 실시하는 상태)에 있어서, 절연막 WI는, 평탄상이어도 되고, 요철을 가져도 된다.
그리고, 기판 처리 방법에서는, 어닐 처리에 수반하여, 웨이퍼 W의 절연막 WI에 대하여 중수소(2H: D2)를 도입시킨다. 웨이퍼 W는, 절연막 WI에 중수소가 첨가됨으로써, 디바이스 특성이 크게 향상된다. 또한, 중수소를 도입시키는 대상은, 절연막 WI에 한정되는 것은 아니고, 중수소에 의해 기판의 디바이스 특성을 개선 가능한 여러가지 구조를 대상으로 할 수 있다.
도 2는, 일 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치(1)를 도시하는 개략 종단면도이다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 기판 처리 방법에서는, 기판 처리 장치인 종형 열처리 장치(1)를 사용하여 어닐 처리를 실시한다. 종형 열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)와, 웨이퍼 보트(20)와, 가스 공급부(30)와, 배출부(40)와, 가열부(50)와, 제어부(60)를 갖는다.
종형 열처리 장치(1)의 처리 용기(10)는, 처리 공간(10a)를 내부에 갖는 원통 형상으로 형성되어, 처리 공간(10a) 내에 웨이퍼 W를 수용한 상태에서 어닐 처리를 행한다. 처리 용기(10)는, 대략 반구상의 천장부를 갖는 한편으로 하단부가 개방된 원통 형상의 통 본체(11)와, 통 본체(11)의 하단부에 연결되는 매니폴드(12)와, 매니폴드(12)의 하단부에 연결되는 덮개(15)를 갖는다.
통 본체(11)는, 석영 등의 내열성 재료로 형성되어 있다. 통 본체(11)는, 연직 방향(세로 방향: 높이 방향)으로 길게 연장되어 있고, 처리 용기(10)의 처리 공간(10a)의 대부분을 구성하고 있다. 또한, 도 2 중에 있어서, 처리 용기(10)는, 1개의 통 본체(11)를 갖는 구성을 도시하고 있지만, 이것에 한정되지는 않고, 예를 들어 복수의 통(외통, 내통)을 동심원상으로 겹친 다중 구조를 채용하고 있어도 된다.
매니폴드(12) 및 덮개(15)는, 예를 들어 스테인리스강으로 형성되어 있다. 매니폴드(12)는, 플랜지부(13)를 상단에 갖고 있고, 이 플랜지부(13)에 의해 통 본체(11)의 하단을 지지하고 있다. 통 본체(11)의 하단과 플랜지부(13)는, O링 등의 시일 부재(14)를 통해 기밀하게 연결되어 있다. 마찬가지로, 매니폴드(12)의 하단과 덮개(15)는, O링 등의 시일 부재(16)를 통해 기밀하게 접촉하고 있다.
덮개(15)의 중앙부에는, 자성 유체 시일부(17)를 통해 회전축(18)이 관통하고 있다. 회전축(18)은, 상부에 웨이퍼 보트(20)를 구비함과 함께 회전 구동부(19)에 연결되어 있고, 이 회전 구동부(19)의 회전에 의해 처리 용기(10)와 상대 회전한다. 이에 의해, 웨이퍼 보트(20)가 회전한다.
회전축(18)의 하부는, 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(21)의 암(22)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전축(18)의 상단에는 회전 플레이트(23)가 마련되어 있고, 회전 플레이트(23) 상에 석영제의 보온대(24)를 통해 웨이퍼 보트(20)가 적재된다. 따라서, 덮개(15)와 웨이퍼 보트(20)는, 승강 기구(21)를 승강시킴으로써 일체로 상하 이동하고, 웨이퍼 보트(20)를 통 본체(11) 내에 대하여 수용 및 이탈할 수 있게 되어 있다.
종형 열처리 장치(1)의 웨이퍼 보트(20)는, 처리 용기(10) 내에서 연직 방향(높이 방향)으로 연장되고, 이 연직 방향을 따라서 소정 간격마다 복수의 웨이퍼 W를 보유 지지하는 기판 보유 지지구이다. 웨이퍼 보트(20)는, 승강 기구(21)의 하강에 의해 처리 용기(10)로부터 이탈한 상태에서, 각 웨이퍼 W가 적재된다. 각 웨이퍼 W의 적재 후에, 웨이퍼 보트(20)는, 승강 기구(21)의 상승에 의해 처리 용기(10) 내에 삽입된다.
그리고, 본 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치(1)의 가스 공급부(30)는, 복수 종류의 가스를 처리 공간(10a)에 도입 가능하게 구성된다. 구체적으로는, 가스 공급부(30)는, 어닐 처리에 있어서, 절연막 WI에 도입시키는 중수소 가스를 공급함과 함께, 산소 가스 및 불활성 가스(예를 들어, N2 가스)를 함께 공급한다. 이 때문에, 가스 공급부(30)는, 중수소 공급부(31), 산소 공급부(32) 및 불활성 가스 공급부(33)를 구비한다.
중수소 공급부(31)는, 처리 용기(10) 내에 중수소 공급관(311)을 구비함과 함께, 처리 용기(10)의 외부에 중수소 공급 경로(312)를 구비한다. 중수소 공급 경로(312)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향하여 순으로, 중수소 가스원(313), 매스 플로 컨트롤러(314), 중수소용 밸브(315)가 마련되어 있다. 이에 의해, 중수소 가스원(313)의 중수소 가스는, 중수소용 밸브(315)에 의해 공급 타이밍이 제어됨과 함께, 매스 플로 컨트롤러(314)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 중수소 가스는, 중수소 공급 경로(312)로부터 중수소 공급관(311)에 유입하여, 중수소 공급관(311)으로부터 처리 용기(10) 내로 토출된다.
마찬가지로, 산소 공급부(32)는, 처리 용기(10) 내에 산소 공급관(321)을 구비함과 함께, 처리 용기(10)의 외부에 산소 공급 경로(322)를 구비한다. 산소 공급 경로(322)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향하여 순으로, 산소 가스원(323), 매스 플로 컨트롤러(324), 산소용 밸브(325)가 마련되어 있다. 이에 의해, 산소 가스원(323)의 산소 가스는, 산소용 밸브(325)에 의해 공급 타이밍이 제어됨과 함께, 매스 플로 컨트롤러(324)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 산소 가스는, 산소 공급 경로(322)로부터 산소 공급관(321)에 유입하여, 산소 공급관(321)으로부터 처리 용기(10) 내로 토출된다.
또한, 불활성 가스 공급부(33)는, 처리 용기(10) 내에 불활성 가스 공급관(331)을 구비함과 함께, 처리 용기(10)의 외부에 불활성 가스 공급 경로(332)를 구비한다. 불활성 가스 공급 경로(332)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향하여 순으로, 불활성 가스원(333), 매스 플로 컨트롤러(334), 불활성 가스용 밸브(335)가 마련되어 있다. 이에 의해, 불활성 가스원(333)의 불활성 가스는, 불활성 가스용 밸브(335)에 의해 공급 타이밍이 제어됨과 함께, 매스 플로 컨트롤러(334)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 불활성 가스는, 불활성 가스 공급 경로(332)로부터 불활성 가스 공급관(331)에 유입하여, 불활성 가스 공급관(331)으로부터 처리 용기(10) 내로 토출된다.
각 가스 공급관(중수소 공급관(311), 산소 공급관(321), 불활성 가스 공급관(331))은, 예를 들어 석영으로 형성되고, 통 본체(11) 또는 매니폴드(12)에 고정된다. 각 가스 공급관은, 통 본체(11)의 근방 위치를 연직 방향을 따라서 직선상으로 연장함과 함께, 매니폴드(12) 내에 있어서 L자상으로 굴곡하여 수평 방향으로 연장함으로써, 매니폴드(12)를 관통하고 있다. 각 가스 공급관끼리는, 통 본체(11)의 주위 방향을 따라 나란히 마련되고, 서로 동일한 높이에 형성되어 있다.
중수소 공급관(311)에 있어서 통 본체(11)에 위치하는 부위에는, 복수의 중수소 토출구(316)가 마련된다. 산소 공급관(321)에 있어서 통 본체(11)에 위치하는 부위에는, 복수의 산소 토출구(326)가 마련된다. 불활성 가스 공급관(331)에 있어서 통 본체(11)에 위치하는 부위에는, 복수의 불활성 가스 토출구(336)가 마련된다. 각 토출구(중수소 토출구(316), 산소 토출구(326), 불활성 가스 토출구(336))는, 각각의 가스 공급관의 연장 방향을 따라서 소정의 간격마다 형성되고, 수평 방향을 향하여 가스를 방출한다. 각 토출구끼리의 간격은, 예를 들어 웨이퍼 보트(20)에 보유 지지되는 웨이퍼 W의 간격과 동일하게 설정된다. 또한, 각 토출구의 높이 방향의 위치는, 상하 방향에 인접하는 웨이퍼 W 사이의 중간 위치에 설정되어 있다. 이에 의해, 각 토출구는, 인접하는 웨이퍼 W 사이의 대향면에 가스를 효율적으로 공급할 수 있게 되어 있다.
또한, 가스 공급부(30)는, 복수 종류의 가스를 혼합하여 1개의 공급관에서 혼합한 가스를 토출해도 된다. 또는, 각 가스 공급관(중수소 공급관(311), 산소 공급관(321), 불활성 가스 공급관(331))은, 서로 다른 형상이나 배치여도 되고, 예를 들어 중수소의 공급량이 많은 구성에서는 중수소 공급관(311)을 산소 공급관(321)보다도 굵게 해도 된다. 또한, 중수소 가스의 공급량 및 산소 가스의 공급량에 대한 불활성 가스의 공급량은, 대폭으로 적어서 되고, 종형 열처리 장치(1)는, 불활성 가스를 공급하지 않는 구성이어도 된다. 또한, 종형 열처리 장치(1)는, 중수소 가스, 산소 가스, 불활성 가스 이외에, 다른 가스를 공급하는 구성이어도 된다.
배출부(40)는, 매니폴드(12)의 상부 측벽에 형성된 가스 출구(41)에 마련되어 있다. 배출부(40)는, 가스 출구(41)에 접속된 배기 경로(42)를 갖고 있고, 배기 경로(42)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향하여 순으로, 압력 조정 밸브(43), 펌프(44)가 마련되어 있다. 배출부(40)는, 제어부(60)의 제어에 기초하여 압력 조정 밸브(43) 및 펌프(44)를 동작하여, 펌프(44)에 의해 처리 용기(10) 내의 가스를 흡인하면서, 압력 조정 밸브(43)에 의해 처리 용기(10) 내의 압력을 조정한다.
가열부(50)는, 통 본체(11)의 직경 방향 외측에 있어서 통 본체(11)를 둘러싸는 원통 형상의 히터(51)를 갖는다. 히터(51)는, 처리 용기(10)의 측 주위 전체를 가열함으로써, 처리 용기(10) 내에 수용된 각 웨이퍼 W를 가열한다.
종형 열처리 장치(1)의 제어부(60)는, 1 이상의 프로세서(61), 메모리(62), 도시하지 않은 입출력 인터페이스 및 전자 회로를 갖는 컴퓨터를 적용할 수 있다. 프로세서(61)는, CPU, ASIC, FPGA, 복수의 디스크리트 반도체로 이루어지는 회로 등 중 1개 또는 복수를 조합한 것이다. 메모리(62)는, 휘발성 메모리, 불휘발성 메모리(예를 들어, 콤팩트 디스크, DVD, 하드 디스크, 플래시 메모리 등)를 포함하고, 종형 열처리 장치(1)를 동작시키는 프로그램, 어닐 처리의 프로세스 조건 등의 레시피를 기억하고 있다.
프로세서(61)는, 메모리(62)에 기억된 프로그램 및 레시피를 실행함으로써, 종형 열처리 장치(1)의 각 구성을 제어하여 기판 처리 방법을 실시한다. 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법에 있어서, 프로세서(61)는, 적어도 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행하도록 각 구성의 동작을 제어한다.
(a) 설정한 처리 온도로 처리 용기(10)를 가열하는 가열 공정
(b) 처리 용기(10) 내에 중수소를 공급하는 중수소 공급 공정
(c) 처리 용기(10) 내에 산소를 공급하는 산소 공급 공정
(d) 처리 용기(10) 내로부터 중수소 및 산소를 배출하여, 처리 용기(10) 내를 설정한 압력으로 하는 배출 공정
구체적으로는, 프로세서(61)는, (a)의 가열 공정에 있어서, 가열부(50)의 히터(51)의 동작을 제어하여, 처리 용기(10)를 가열함으로써, 처리 용기(10) 내에 수용된 웨이퍼 W의 온도를 조정한다. 종형 열처리 장치(1)는, (b)의 중수소 공급 공정 및 (c)의 산소 공급 공정을 함께 행함으로써, 종래의 중수소 가스만을 공급하여 어닐 처리를 행하는 방법(이하, 종래 기판 처리 방법이라고 함)보다도 낮은 온도에서 웨이퍼 W를 처리할 수 있다. 예를 들어, 종래 기판 처리 방법에 있어서의 웨이퍼 W의 처리 온도는, 약 800℃로 설정된다. 이에 비해, 본 실시 형태에 관한 (a)의 가열 공정에서의 처리 온도의 범위는, 500℃ 내지 700℃ 정도로 설정할 수 있다.
그리고, 기판 처리 방법은, (b)의 중수소 공급 공정 및 (c)의 산소 공급 공정을 실시함으로써, 처리 용기(10) 내의 웨이퍼 W에 중수소 가스 및 산소 가스를 도입한다. 중수소 가스는, 처리 공간(10a) 내를 유동하고, 가열 공정에 의해 가열되어 있는 웨이퍼 W의 절연막 WI 사이에서 라디칼 반응을 일으킨다. 한편, 산소 가스는, 처리 공간(10a) 내에서 중수소 가스와 혼합함으로써, 중수소의 라디칼 반응을 활성화시킨다. 이에 의해, 웨이퍼 W의 절연막 WI에 중수소가 원활하게 도입되어(첨가되어), 웨이퍼 W의 절연막 WI의 중수소 농도가 높아진다.
중수소 공급 공정 및 산소 공급 공정에 있어서, 프로세서(61)는, 중수소 가스의 유량과, 산소 가스의 유량을 적절하게 제어함으로써, 웨이퍼 W의 절연막 WI에 도입하는 중수소 농도를 조정할 수 있다. 예를 들어, 산소 가스의 유량에 대한 중수소 가스의 유량 비율(이하, D2/O2 비율이라고 함)로서는, 2배 내지 20배의 범위로 설정하는 것이 바람직하다(후술하는 실시예도 참조). D2/O2 비율이 2배보다도 적은 경우에는, 처리 용기(10) 내의 산소 농도가 높아짐으로써 절연막 WI의 산화 막 두께가 많아진다. 한편, D2/O2 비율이 20배보다도 많은 경우에는, 처리 용기(10) 내의 산소 농도가 낮음으로써, 절연막 WI에 대한 중수소의 도입량이 줄어들게 된다.
또한, 프로세서(61)는, (d)의 배출 공정에 있어서, 배출부(40)의 펌프(44)를 동작하여 처리 용기(10) 내의 가스를 흡인하고, 또한 압력 조정 밸브(43)의 개방도를 제어함으로써, 처리 용기(10) 내의 압력을 조정한다. 처리 용기(10) 내의 압력은, 예를 들어 1Torr(=133.32Pa) 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 본 실시 형태에서는, 0.35Torr(=46.66Pa)로 하고 있다. 또한, 종래 기판 처리 방법에서는, 처리 용기(10) 내의 압력은, 약 90Torr(=11999Pa) 정도로 설정하고 있다.
즉, 종형 열처리 장치(1)는, 이상의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행함으로써, 어닐 처리의 저온화와, 웨이퍼 W에 도입되는 중수소의 고농도화를 실현할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치(1)는, 기본적으로는 이상과 같이 구성되고, 이하, 기판 처리 방법의 동작 및 효과에 대하여 설명한다.
종형 열처리 장치(1)의 프로세서(61)는, 전원 투입 등의 기동에 따라 동작을 개시하면, 메모리(62)에 기억된 프로그램을 실행하여 기판 처리 방법을 실시한다. 예를 들어, 기판 처리 방법의 전처리로서, 프로세서(61)는, 승강 기구(21)를 동작하여, 복수의 웨이퍼 W를 적재한 웨이퍼 보트(20)를 처리 용기(10) 내에 수용한다. 승강 기구(21)에 의해 상승한 덮개(15)가 매니폴드(12)에 접촉함으로써, 처리 용기(10)는, 기밀하게 밀폐된다.
그 후, 프로세서(61)는, 기판 처리 방법에 있어서의 상기의 (a) 내지 (d)의 공정을 적당한 타이밍에서 개시한다. 도 3은, 종형 열처리 장치(1)가 실시하는 기판 처리 방법의 일례를 도시하는 타이밍 차트이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 기판 처리 방법은, 전처리에 있어서, 배출부(40)에 의해 처리 용기(10) 내의 압력을 저하시킴과 함께, 가열부(50)에 의해 처리 용기(10)를 가열한다.
상세하게는, 프로세서(61)는, 시점 t1에 있어서 (d)의 배출 공정을 개시하고, 펌프(44)에 의해 처리 용기(10)를 흡인함과 함께, 압력 조정 밸브(43)의 개방도를 개방도 0％로부터 서서히 개방해 간다. 또한 시점 t1에 있어서, 프로세서(61)는, 중수소용 밸브(315)를 개방하여, 중수소 가스원(313)으로부터 중수소 공급 경로(312) 및 중수소 공급관(311)을 통해, 처리 용기(10) 내에 중수소 가스를 공급하는 (b)의 중수소 공급 공정을 개시한다. 또한, 프로세서(61)는, 중수소 가스의 공급에 맞춰, 불활성 가스용 밸브(335)를 개방하고, 불활성 가스원(333)으로부터 불활성 가스 공급 경로(332) 및 불활성 가스 공급관(331)을 통해, 처리 용기(10) 내에 불활성 가스를 공급한다.
이 때문에, 종형 열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)로부터의 배기와 동시에, 중수소 가스 및 불활성 가스를 처리 용기(10)에 도입한다. 이때, 처리 용기(10)에 공급되는 중수소 가스 및 불활성 가스의 각 유량에 비하여, 처리 용기(10)로부터의 배기량의 쪽이 크다. 또한, 불활성 가스의 유량은, 중수소 가스의 유량에 비하여 충분히 적다. 따라서, 처리 용기(10) 내의 압력이 서서히 감압되면서, 처리 공간(10a)의 가스가 중수소 가스에 치환되게 된다. 예를 들어 시점 t1로부터 경과한 시점 t2에 있어서, 처리 용기(10) 내의 압력은, 압력 조정 밸브(43)의 개방도에 따른 압력으로 일정해진다.
또한, 전처리 중의 시점 t2에 있어서, 프로세서(61)는, 가열부(50)의 히터(51)를 동작시켜서, 처리 용기(10)를 가열하는 (a)의 가열 공정을 개시한다. 히터(51)의 가열에 의해 처리 용기(10) 내도 서서히 승온해 가고, 어닐 처리를 행하기 위한 처리 온도(예를 들어, 600℃)에 달하게 된다.
프로세서(61)는, 처리 용기(10) 내의 온도가 처리 온도에 달한 시점 t3에 있어서, 본 어닐 처리를 개시한다. 그리고, 시점 t3에 있어서, 프로세서(61)는, 산소용 밸브(325)를 개방하여, 산소 가스원(323)으로부터 산소 공급 경로(322) 및 산소 공급관(321)을 통해, 처리 용기(10) 내에 산소 가스를 공급하는 (c)의 산소 공급 공정을 개시한다. 이 때문에, 처리 용기(10) 내의 압력은, 약간 상승한 상태에서 일정(예를 들어, 0.35Torr)하게 되고, 기판 처리 방법은, 이 처리 압력을 유지하면서 본 어닐 처리를 행한다.
본 어닐 처리에 있어서, 종형 열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)의 처리 온도를 일정하게 유지하고, 또한 중수소 가스 및 산소 가스를 처리 용기(10) 내에 공급하면서, 처리 용기(10) 내의 가스를 배기함으로써, 처리 용기(10) 내의 처리 압력을 일정하게 유지한다. 즉, 기판 처리 방법은, 본 어닐 처리에 있어서 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행한다. 이에 의해, 처리 용기(10) 내에 공급된 중수소 가스는, 산소 가스에 의해 라디칼 반응이 재촉되어, 절연막 WI에 다량으로 도입된다. 본 어닐 처리의 실시 기간은, 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 30분 내지 120분 정도이면 된다. 또한, 프로세서(61)는, 본 어닐 처리에 있어서, 회전 구동부(19)를 동작하여 웨이퍼 보트(20)를 회전해도 된다. 이에 의해, 웨이퍼 W에 도입하는 중수소를 면 방향으로 한층 균일화할 수 있다. 또한, 웨이퍼 보트(20)의 회전은, 전처리로부터 실시해도 된다.
기판 처리 방법은, 소정의 실시 기간에 걸쳐 본 어닐 처리를 행하면, 본 어닐 처리를 종료하여 후처리로 이행한다. 예를 들어, 시점 t4의 후처리의 개시에 있어서, 프로세서(61)는, 가열부(50)(히터(51))에 의한 가열을 정지함과 함께, 산소용 밸브(325)를 폐색하여 처리 용기(10) 내로의 산소 가스의 공급을 정지한다. 이에 의해, 처리 용기(10)의 온도가 서서히 저하되어 가고, 또한 처리 용기(10) 내의 압력이 약간 저하된다.
그리고, 처리 용기(10)의 온도 저하된 시점 t5에 있어서, 프로세서(61)는, 압력 조정 밸브(43)의 개방도를 작게 해 간다. 이 시점 t5에서는, 중수소 가스 및 불활성 가스의 공급을 계속하고 있기 때문에, 처리 용기(10) 내의 압력이 상승해 간다. 그 후, 시점 t6에 있어서, 프로세서(61)는, 중수소용 밸브(315)를 폐색함과 함께, 불활성 가스용 밸브(335)를 폐색함으로써, 중수소 가스 및 불활성 가스의 공급을 정지한다. 이에 의해, 후처리가 완료되고, 프로세서(61)는, 기판 처리 방법을 종료한다.
또한, 기판 처리 방법은, 상기의 동작에 한정되지는 않고, 여러가지 변형예를 취할 수 있다. 예를 들어, 상기의 실시 형태에서는, 전처리에 있어서 중수소 가스를 먼저 공급하고, 후의 본 어닐 처리에 있어서 산소 가스를 공급했지만, 전처리에 있어서 산소 가스를 먼저 공급하고, 후의 본 어닐 처리에 있어서 중수소 가스를 공급해도 된다. 요컨대, 전처리에서는, 처리 용기(10) 내의 압력을 소정의 압력으로 감압하면서 가스를 치환할 수 있으면 되고, 중수소 가스 및 산소 가스를 사용하는 어닐 처리에서는, 어느 가스를 먼저 공급해도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또한, 기판 처리 방법은, 중수소 가스 및 산소 가스를 처리 용기(10) 내에 동시에 공급 해도 된다.
〔실시예〕
도 4는, 실시예로서 어닐 처리를 행한 때의 웨이퍼 W의 중수소 농도를 나타내는 대수 그래프이다. 도 4에 있어서, 횡축은, 웨이퍼 W(절연막 WI)의 표면으로부터의 깊이이고, 종축은, 중수소 농도이다. 또한, 굵은 선은, 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법을 행한 경우에 있어서의, 웨이퍼 W의 깊이 방향을 따른 중수소 농도를 나타내고 있다. 세선은, 종래 기판 처리 방법을 행한 경우에 있어서의, 웨이퍼 W의 깊이 방향을 따른 중수소 농도를 나타내고 있다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 웨이퍼 W의 절연막 WI는, 표면으로부터 18nm 정도의 막 두께를 갖고 있다. 이 절연막 WI의 중수소 농도는, 어닐 처리의 실시 전에 있어서, 1018[atoms/cc]을 하회하고 있고, 자연계의 중수소 농도와 동일 정도의 농도로 되어 있다. 어닐 처리를 실시하면, 절연막 WI에 중수소가 도입됨으로써, 중수소 농도가 증가하고 있는 것을 알 수 있다.
그리고, 웨이퍼 W의 표면으로부터의 깊이가 동일하면, 어느 깊이에서도, 종래 기판 처리 방법의 중수소 농도보다, 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법의 중수소 농도의 쪽이 크다. 즉, 기판 처리 방법은, 어닐 처리의 실시 중에 중수소 가스와 산소 가스를 함께 공급함으로써, 절연막 WI에 대하여 중수소가 보다 많이 도입된다고 할 수 있다. 또한, 실시예에서는, 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법의 처리 용기(10) 내의 처리 압력을 0.35[Torr]로 하고 있는 것에 비해, 종래 기판 처리 방법의 처리 용기 내의 처리 압력을 90[Torr]으로 하고 있다. 다른 프로세스 조건(실시 기간, 온도 등)은 동일하다. 따라서, 동일한 처리 압력으로 어닐 처리를 실시한 경우에는, 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법의 중수소 농도의 쪽이, 종래 기판 처리 방법의 중수소 농도에 비해 보다 큰 차가 발생한다고 할 수 있다.
도 5의 (a)는, 실시예로서 어닐 처리를 행한 때의 처리 온도에 대한 웨이퍼 W의 중수소 농도를 나타내는 대수 그래프이다. 도 5의 (a)에 있어서, 횡축은 처리 온도이고, 종축은 절연막 WI의 중수소 농도이다. 실시예에서는, 종래 기판 처리 방법의 처리 온도의 변화에 대한 중수소 농도의 변화를 점선으로 나타낸다. 또한, D2/O2 비율이 2배인 경우에 있어서의, 처리 온도의 변화에 대한 중수소 농도의 변화 선을 굵은 선으로 나타내고, D2/O2 비율이 20배인 경우에 있어서의, 처리 온도의 변화에 대한 중수소 농도의 변화를 굵은 2점 쇄선으로 나타낸다.
도 5의 (a)에 도시하는 바와 같이, 종래 기판 처리 방법의 경우에는, 처리 온도가 700℃ 이상에서 중수소 농도가 1020[atoms/cc]을 초과하고, 처리 온도가 800℃ 이상에서 중수소 농도가 1021[atoms/cc]을 초과하고 있다. 이에 비해, D2/O2 비율이 2배인 경우에는, 처리 온도가 500℃ 이상에서 중수소 농도가 1020[atoms/cc]을 초과하고, 또한 처리 온도가 600℃ 이상이면 중수소 농도가 1021[atoms/cc]을 초과하고 있다. 또한 D2/O2 비율이 20배인 경우에는, 처리 온도가 600℃ 이상에서 중수소 농도가 1020[atoms/cc]을 초과하고, 또한 처리 온도가 700℃ 이상에서 중수소 농도가 1021[atoms/cc]을 초과하고 있다. 따라서, 동일한 처리 온도에서는, 중수소 가스와 산소 가스를 함께 공급하는 쪽이, 중수소 농도가 높아진다고 할 수 있다. 반대로 말하면, 중수소 가스와 산소 가스를 함께 공급하는 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법은, 처리 온도를 낮게 설정해도 되는 것을 알 수 있다.
또한, D2/O2 비율이 2배인 경우의 중수소 농도가, D2/O2 비율이 20배인 경우의 중수소 농도보다도 약간 높다. 이것은, 산소 가스를 보다 많이 공급하는 쪽이, 중수소 농도가 커지기 쉬운 것을 나타내고 있다.
도 5의 (b)는, 실시예로서 본 실시 형태에 관한 기판 처리 방법을 행한 때의 처리 온도에 대한 산화 막 두께의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5의 (b)에 있어서, 횡축은 처리 온도이고, 종축은 산화 막 두께이다.
도 5의 (b)에 도시하는 바와 같이, D2/O2 비율이 2배인 경우에는, 산화 막 두께가 증가하는 한편으로, D2/O2 비율이 20배인 경우에는, 산화 막 두께가 억제되어 있는 것을 알 수 있다. 따라서, 기판 처리 방법의 실시에 있어서는, 산화 막 두께를 억제하고 싶은 경우에는, 중수소 가스의 유량에 대하여 산소 가스의 유량을 적게 하면 된다고 할 수 있다. 따라서, 기판 처리 방법은, 처리하는 웨이퍼 W에 따라, 적절한 D2/O2 비율로 중수소 가스 및 산소 가스를 공급함으로써, 중수소 농도와 산화 막 두께의 밸런스를 취할 수 있다. 예를 들어, 산화막이 발생해도 문제없는 케이스에서는, D2/O2 비율을 2배 내지 5배 정도로 하여, 처리 온도를 낮게(예를 들어, 500℃ 내지 600℃ 정도의 범위) 설정하면 된다. 한편, 산화막을 억제하고 싶은 케이스에서는, D2/O2 비율을 15배 내지 20배 정도로 하여, 처리 온도를 높게(예를 들어, 600℃ 내지 700℃ 정도의 범위) 설정하면 된다.
이상의 실시 형태에서 설명한 본 개시의 기술적 사상 및 효과에 대하여 이하에 기재한다.
본 개시의 제1 양태는, 처리 용기(10) 내의 기판(웨이퍼 W)을 처리하는 기판 처리 방법이며, 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행한다.
(a) 설정한 처리 온도로 기판을 가열하는 공정
(b) 처리 용기(10) 내에 중수소를 공급하는 공정
(c) 처리 용기(10) 내에 산소를 공급하는 공정
(d) 처리 용기(10) 내로부터 중수소 및 산소를 배출하여, 처리 용기(10) 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정
상기에 의하면, 기판 처리 방법은, 처리 용기(10)의 가열 중에, 중수소 및 산소를 처리 용기(10) 내에 공급함으로써, 중수소만을 처리 용기(10) 내에 공급하는 것보다도, 다량의 중수소를 기판(웨이퍼 W)에 도입시켜서, 기판의 중수소 농도를 한층 높일 수 있다. 이에 의해, 기판의 디바이스 특성이 보다 한층 개선된다. 예를 들어, 기판이 반도체 메모리인 경우에는, 고농도의 중수소를 포함하는 막에 의해, 디바이스의 신뢰성이 크게 향상되게 된다.
또한, 기판(웨이퍼 W)의 처리의 개시 시에, (b)의 공정 및 (c)의 공정 중 한쪽을 먼저 개시하여, 처리 용기(10) 내가 처리 압력으로 된 후에 (b)의 공정 및 (c)의 공정 중 다른 쪽을 개시한다. 이에 의해, 기판 처리 방법은, 처리 용기(10)의 처리 압력이 안정화된 상태에서, 중수소 및 산소에 의한 본 어닐 처리를 행할 수 있고, 기판에 도입하는 중수소의 분포를 균일화하는 것이 가능하게 된다.
또한, (b)의 공정 및 (c)의 공정 중 다른 쪽을 개시하는 타이밍은, (a)의 공정에 있어서 기판(웨이퍼 W)을 가열하여 처리 온도에 달한 타이밍이다. 이에 의해, 기판 처리 방법은, 처리 온도를 높인 상태에서, 중수소 및 산소에 의한 어닐 처리를 행할 수 있고, 중수소 및 산소의 낭비를 적게 할 수 있다.
또한, (a)의 공정에서는, 처리 온도를 500℃ 내지 700℃의 범위로 설정한다. 이에 의해, 기판 처리 방법은, 종래의 어닐 처리보다도 낮은 처리 온도에서 어닐 처리를 행하는 것이 가능하게 되고, 처리 시의 에너지 절약화를 촉진시킴과 함께, 기판(웨이퍼 W)의 손상 등을 억제할 수 있다.
또한, (d)의 공정에서는, 처리 압력을 1Torr 이하로 설정한다. 이에 의해, 기판 처리 방법은, 처리 용기(10) 내를 저압 환경 하로 하여 기판(웨이퍼 W)의 처리를 행할 수 있고, 중수소 및 산소의 공급량을 가급적으로 적게 할 수 있다.
(c)의 공정에서 공급하는 산소의 유량에 대하여, (b)의 공정에서 유입시키는 중수소의 유량 비율은, 2배 내지 20배의 범위이다. 이에 의해, 기판 처리 방법은, 기판(웨이퍼 W)에 대하여 중수소를 안정적으로 도입시킬 수 있다.
또한, 기판(웨이퍼 W)은, 절연막 WI를 표면에 갖는 것이고, 기판의 처리에 의해, 절연막 WI에 중수소가 도입된다. 이에 의해, 기판은, 중수소를 다량으로 포함하는 절연막 WI를 갖게 되고, 절연막 WI의 누설 특성, 히스테리시스 특성 등이 크게 향상된다.
또한, 본 개시의 제2 양태는, 기판(웨이퍼 W)을 처리하는 기판 처리 장치(종형 열처리 장치(1))이며, 기판을 내부에 수용하는 처리 용기(10)와, 기판을 가열하는 가열부(50)와, 처리 용기(10) 내에 중수소를 공급하는 중수소 공급부(31)와, 처리 용기(10) 내에 산소를 공급하는 산소 공급부(32)와, 처리 용기(10) 내로부터 중수소 및 산소를 배출하는 배출부(40)와, 가열부(50), 중수소 공급부(31), 산소 공급부(32) 및 배출부(40)를 제어하는 제어부(60)를 포함하고, 제어부(60)는, 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행한다.
(a) 설정한 처리 온도에 처리 용기(10)를 가열하는 공정
(b) 처리 용기(10) 내에 중수소를 공급하는 공정
(c) 처리 용기(10) 내에 산소를 공급하는 공정
(d) 처리 용기(10) 내로부터 중수소 및 산소를 배출하여, 처리 용기(10) 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정
이에 의해, 기판 처리 장치(종형 열처리 장치(1))는, 기판(웨이퍼 W)의 중수소 농도를 한층 높일 수 있다.
또한, 처리 용기(10)는, 기판(웨이퍼 W)을 미리 결정된 방향을 따라서 복수 배치 가능하고, 중수소 공급부(31)는, 처리 용기(10) 내에 있어서 복수의 기판의 배치 방향을 따라서 연장되는 중수소 공급관(311)을 갖고, 중수소 공급관(311)은, 연장 방향을 따라서 중수소를 토출하는 중수소 토출구(316)를 복수 갖고, 산소 공급부(32)는, 처리 용기(10) 내에 있어서 중수소 공급관(311)에 인접하고, 복수의 기판의 배치 방향을 따라서 연장되는 산소 공급관(321)을 갖고, 산소 공급관(321)은, 연장 방향을 따라서 산소를 토출하는 산소 토출구(326)를 복수 갖는다. 이에 의해, 기판 처리 장치(종형 열처리 장치(1))는, 복수의 기판을 한번에 처리하여, 중수소를 기판에 양호하게 도입시킬 수 있다.
금회 개시된 실시 형태에 관한 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치는, 모든 점에 있어서 예시이며 제한적인 것은 아니다. 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시 형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다. 본 실시 형태에 관한 기판 처리 장치로서는, 연직 방향으로 기판을 배치하여 기판 처리 방법을 행하는 종형 열처리 장치(1)를 예시했지만, 기판 처리 장치는, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기판 처리 장치는, 수평 방향으로 복수의 기판을 배치하여 기판 처리 방법을 행하는 장치를 적용해도 되고, 1개의 기판에 대하여 기판 처리 방법을 행하는 장치를 적용해도 된다.

Claims (9)

  1. 처리 용기 내의 기판을 처리하는 기판 처리 방법이며,
    이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행하는, 기판 처리 방법.
    (a) 설정한 처리 온도로 상기 기판을 가열하는 공정
    (b) 상기 처리 용기 내에 중수소를 공급하는 공정
    (c) 상기 처리 용기 내에 산소를 공급하는 공정
    (d) 상기 처리 용기 내에서 상기 중수소 및 상기 산소를 배출하여, 상기 처리 용기 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정
  2. 제1항에 있어서, 상기 기판의 처리의 개시 시에, 상기 (b)의 공정 및 상기 (c)의 공정 중 한쪽을 먼저 개시하여, 상기 처리 용기 내가 상기 처리 압력으로 된 후에 상기 (b)의 공정 및 상기 (c)의 공정 중 다른 쪽을 개시하는,
    기판 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 (b)의 공정 및 상기 (c)의 공정 중 다른 쪽을 개시하는 타이밍은, 상기 (a)의 공정에 있어서 상기 기판을 가열하여 상기 처리 온도에 달한 타이밍인,
    기판 처리 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (a)의 공정에서는, 처리 온도를 500℃ 내지 700℃의 범위로 설정하는,
    기판 처리 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (d)의 공정에서는, 상기 처리 압력을 1Torr 이하로 설정하는,
    기판 처리 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 (c)의 공정에서 공급하는 상기 산소의 유량에 대하여, 상기 (b)의 공정에서 유입시키는 상기 중수소의 유량의 비율은, 2배 내지 20배의 범위인,
    기판 처리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은, 절연막을 표면에 갖는 것이고,
    상기 기판의 처리에 의해, 상기 절연막에 상기 중수소가 도입되는
    기판 처리 방법.
  8. 기판을 처리하는 기판 처리 장치이며,
    기판을 내부에 수용하는 처리 용기와,
    상기 기판을 가열하는 가열부와,
    상기 처리 용기 내에 중수소를 공급하는 중수소 공급부와,
    상기 처리 용기 내에 산소를 공급하는 산소 공급부와,
    상기 처리 용기 내에서 상기 중수소 및 상기 산소를 배출하는 배출부와,
    상기 가열부, 상기 중수소 공급부, 상기 산소 공급부 및 상기 배출부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는, 이하의 (a) 내지 (d)의 공정을 함께 행하는, 기판 처리 장치.
    (a) 설정한 처리 온도로 상기 기판을 가열하는 공정
    (b) 상기 처리 용기 내에 중수소를 공급하는 공정
    (c) 상기 처리 용기 내에 산소를 공급하는 공정
    (d) 상기 처리 용기 내에서 상기 중수소 및 상기 산소를 배출하여, 상기 처리 용기 내를 설정한 처리 압력으로 하는 공정
  9. 제8항에 있어서, 상기 처리 용기는, 상기 기판을 미리 결정된 방향을 따라서 복수 배치 가능하고,
    상기 중수소 공급부는, 상기 처리 용기 내에 있어서 복수의 상기 기판의 배치 방향을 따라서 연장되는 중수소 공급관을 갖고,
    상기 중수소 공급관은, 연장 방향을 따라서 상기 중수소를 토출하는 중수소 토출구를 복수 갖고,
    상기 산소 공급부는, 상기 처리 용기 내에 있어서 상기 중수소 공급관에 인접하고, 상기 복수의 상기 기판의 배치 방향을 따라서 연장되는 산소 공급관을 갖고,
    상기 산소 공급관은, 연장 방향을 따라서 상기 산소를 토출하는 산소 토출구를 복수 갖는,
    기판 처리 장치.
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