KR20210044849A - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 - Google Patents

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

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히데나리 요시다
타카후미 사사키
유사쿠 오카지마
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가부시키가이샤 코쿠사이 엘렉트릭
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Abstract

기판 처리 장치에 적층되는 복수의 기판(41)에서 각 기판의 면간의 막 두께 균형을 조정하는 것을 가능하게 한다. 복수의 기판을 수납하는 처리실; 처리실 내의 기판에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 처리실로부터 처리 가스를 배출하는 가스 배기부와 복수의 기판 사이이자 기판의 이면 부근에 설치되는 원판을 포함한다.

Description

기판 처리 장치
본 개시(開示)는 기판 처리 장치, 기판 보지구, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기록 매체등의 기판 처리 기술에 관한 것이다.
종형(縱型) 성막 장치 등의 기판 처리 장치에서는 다공 노즐을 이용하여 가스 공급해 성막한 경우, 보트 상부측에 장전(裝塡)된 피처리 기판 상의 막 두께와, 보트 하부측에 장전된 기판 상의 막 두께에 차이가 발생하여 기판 간 균일성이 악화되는 경우가 있다. 예컨대 특허문헌 1, 특허문헌 2, 특허문헌 3에 기재되어 있다.
1. 특허 제3819660호 2. 일본 특개 2003-303782호 공보 3. 국제공개번호 WO2017/138185
종래의 기판 처리 장치에서 기판 품질의 저하를 방지하기 위해서 다양한 구성이 제안되고 있지만, 기판 표면으로의 가스의 균일한 공급이 불충분했다.
본 개시에서는 복수의 기판을 수납하는 처리실; 처리실 내의 기판에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부; 및 처리실로부터 처리 가스를 배출하는 가스 배기부와 복수의 기판 사이에서 기판의 이면(裏面) 부근에 설치되는 원판을 포함하는 기술을 제공한다.
본 개시에 따르면, 처리실 내에 적층된 복수의 기판에서 각 기판의 면간의 막 두께 균형을 조정하는 것이 가능하다.
도 1은 기판 처리 장치의 기본 구성을 도시하는 종단면도(縱斷面圖).
도 2는 기판 처리 장치의 컨트롤러의 일 구성예를 도시하는 도면.
도 3은 기판 처리 장치의 처리 동작의 일례를 설명하기 위한 흐름도.
도 4는 실시예 1에 따른 기판 처리 장치의 일 구성예를 도시하는 단면도.
도 5는 실시예 1에 따른 처리실 내의 구성 요소 간의 거리를 설명하기 위한 도면.
도 6은 실시예 1에 따른 기판 처리 장치의 다른 구성을 도시하는 단면도.
도 7a는 실시예 1에 따른 제트 플로우를 설명하기 위한 사시도.
도 7b는 실시예 1에 따른 제트 플로우를 설명하기 위한 평면도.
도 8a는 실시예 2에 따른 기판 처리 장치의 일 구성예를 도시하는 사시도.
도 8b는 실시예 2에 따른 기판 처리 장치의 일 구성예를 도시하는 단면도.
이하, 실시 형태를 도면을 따라 설명한다. 우선 도 1 내지 도 3을 이용하여 기판 처리 장치의 일 구성 및 동작예를 종형 열처리 장치를 사용해서 설명한다.
(1) 기판 처리 장치의 기본 구성
도 1에 도시하는 기판 처리 장치(1)인 종형 열처리 장치(2)는 처리실(6)을 균일하게 가열하기 위해서 복수의 히터 유닛으로 이루어지는 히터(3)를 포함한다. 히터(3)는 원통 형상이며, 보지판(保持板)으로서의 히터 베이스(미도시)에 지지되는 것에 의해 종형 열처리 장치의 설치 바닥에 대하여 수직으로 설치된다. 히터(3)는 처리 가스를 열로 활성화[여기(勵起)]시키는 활성화 기구(여기부)로서도 기능한다.
히터(3)의 내측에 반응관(4)이 배설(配設)된다. 반응관(4)은 예컨대 석영(SiO2) 또는 탄화실리콘(SiC) 등의 내열성 재료로 이루어지고, 상단이 폐색(閉塞)되고 하단이 개구(開口)된 원통 형상으로 형성된다. 반응관(4)은 하단의 플랜지부(4C)에서 서로 결합된 외관(4A)과 내관(4B)을 포함하는 이중관 구조를 가진다. 외관(4A)과 내관(4B)의 상단은 닫히고, 파선으로 둘러싼 처리실(6)을 형성하는 내관(4B)의 하단은 개구된다. 플랜지부(4C)는 외관(4A)보다 큰 외경을 가지고, 외측으로 돌출된다. 반응관(4)의 하단 부근에는 외관(4A) 내와 연통하는 배기 포트(4D)가 설치된다. 이것들을 포함하는 반응관(4) 전체는 단일 재료로 일체적으로 형성된다. 외관(4A)은 내측을 진공으로 했을 때의 압력 차이를 견딜 수 있도록 비교적 두껍게 구성된다.
매니폴드(5)는 원통 또는 원추대 형상으로 금속제 또는 석영제이며, 반응관(4)의 하단을 지지하도록 설치된다. 매니폴드(5)의 내경은 반응관(4)의 내경[플랜지부(4C)의 내경]보다 크게 형성된다. 이에 의해 반응관(4)의 하단[플랜지부(4C)]과 후술하는 씰 캡(19) 사이에 원환(圓環) 형상의 공간이 형성된다.
내관(4B)은 배기 포트(4D)보다 반응관의 안쪽에서, 그 측면에서 내측과 외측을 연통시키는 주 배기구(4E)를 포함하고, 또한 주 배기구(4E)와 반대 위치에서 공급 슬릿(4F)을 포함한다. 주 배기구(4E)는 웨이퍼(7)가 배치되는 영역에 대하여 개구되는 단일의 세로로 긴 개구다. 공급 슬릿(4F)은 원주 방향으로 연장된 슬릿이며, 각 웨이퍼(7)에 대응하도록 수직 방향으로 복수 배열되어 설치된다.
또한 내관(4B)은 배기 포트(4D)보다 반응관(4)의 안쪽에서 또한 주 배기구(4E)보다 개구측의 위치에 처리실(6)과 배기 공간(S)[외관(4A)과 내관(4B) 사이의 공간을 배기 공간(S)이라고 부른다.]을 연통시키는 복수의 부 배기구(4G)가 설치된다. 또한 플랜지부(4C)에도 처리실(6)과 배기 공간(S) 하단을 연통시키는 복수의 저(底) 배기구(4H)가 형성된다. 바꿔 말하면, 배기 공간(S)의 하단은 플랜지부(4C)에 의해 저 배기구(4H)나 노즐 도입공을 제외하고 폐색된다. 부 배기구(4G), 저 배기구(4H)는 후술하는 축 퍼지 가스를 배기하도록 기능한다.
배기 공간(S)에는 공급 슬릿(4F)의 위치에 대응시켜서 원료 가스 등의 복수 종류의 처리 가스를 공급하는 1개 이상의 노즐(8)이 설치된다. 1개 이상의 노즐(8) 각각에는 TiCl4 가스나 NH3 등의 처리 가스를 공급하는 가스 공급관(9)이 매니폴드(5)를 관통해서 각각 접속된다. 각각의 가스 공급관(9)의 유로 상에는 상류 방향부터 순서대로 유량 제어기인 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(10) 및 개폐 밸브인 밸브(11)가 설치된다. 또한 밸브(11)보다 하류측에서는 N2 가스 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(12)이 가스 공급관(9)에 접속된다. 가스 공급관(12)에는 상류 방향부터 순서대로 MFC(13) 및 밸브(14)가 설치된다. 주로 가스 공급관(9), MFC(10), 밸브(11)에 의해 처리 가스 공급계인 처리 가스 공급부가 구성된다.
1개 이상의 노즐(8)은 반응관(4) 내에 반응관(4)의 하부로부터 상승[立上]하도록 설치된다. 각각의 노즐(8)의 측면이나 상단에는 가스를 공급하는 1 내지 복수의 노즐 공(8H)이 설치된다. 복수의 노즐 공(8H)은 공급 슬릿(4F)의 각각의 개구에 대응시켜서 반응관(4)의 중심을 향하도록 개구시키는 것에 의해 내관(4B)을 통과하여 웨이퍼(7)를 향하여 가스를 분사할 수 있다.
배기 포트(4D)에는 반응관(4) 내의 분위기를 배기하는 배기관(15)이 접속된다. 배기관(15)에는 반응관(4) 내의 압력을 검출하는 압력 검출기(압력계)로서의 압력 센서(16) 및 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller)밸브(17)를 개재하여 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(18)가 접속된다. APC 밸브(17)는 진공 펌프(18)를 작동시킨 상태에서 밸브를 개폐하는 것에 의해 반응관(6) 내의 진공 배기 및 진공 배기 정지를 수행할 수 있다. 또한 진공 펌프(18)를 작동시킨 상태에서 압력 센서(16)에 의해 검출된 압력 정보에 기초하여 밸브 개도(開度)를 조절하는 것에 의해 반응관(6) 내의 압력을 조정할 수 있도록 구성된다. 주로 배기관(15), APC 밸브(17), 압력 센서(16)에 의해 배기계가 구성된다. 진공 펌프(18)를 배기계에 포함시켜서 생각해도 좋다.
매니폴드(5)의 하방(下方)에는 매니폴드(5)의 하단 개구를 기밀하게 폐색 가능한 노구(爐口) 개체(蓋體)로서의 씰 캡(19)이 설치된다. 씰 캡(19)은 예컨대 스텐레스나 니켈 합금 등의 금속으로 이루어지고, 원반 형상으로 형성된다. 씰 캡(19)의 상면에는 매니폴드(5)의 하단과 당접(當接)하는 씰 부재로서의 O링(19A)이 설치된다.
또한 씰 캡(19) 상면에는 매니폴드(5)의 하단내주보다 내측의 부분에 대하여 씰 캡(19)을 보호하는 커버 플레이트(20)가 설치된다. 커버 플레이트(20)는 예컨대 석영, 사파이어 또는 SiC 등의 내열 내식성 재료로 이루어지고, 원반 형상으로 형성된다. 커버 플레이트(20)는 기계적 강도가 요구되지 않기 때문에 얇은 두께로 형성될 수 있다. 커버 플레이트(20)는 씰 캡(19)과 독립해서 준비되는 부품에 한정되지 않고, 씰 캡(19)의 내면에 코팅된 또는 내면이 개질된 질화물 등의 박막 또는 층이어도 좋다. 커버 플레이트(20)는 또한 원주의 가장자리로부터 매니폴드(5)의 내면을 따라 상승하는 벽을 포함해도 좋다.
기판 보지구로서의 보트(21)는 복수 매, 예컨대 25매 내지 200매의 웨이퍼(7)를, 수평 자세로, 또한 서로 중심을 맞춘 상태에서 수직 방향으로 정렬시켜서 다단으로 지지한다. 거기서 웨이퍼(7)는 일정한 간격을 두고 배열시킨다. 보트(21)는 예컨대 석영이나 SiC 등의 내열성 재료로 이루어진다. 반응관(4)은 보트(21)를 안전하게 반입출 가능한 최소한의 내경을 포함하는 것이 바람직하다.
보트(21)의 하부에는 단열 어셈블리(22)가 배설된다. 단열 어셈블리(22)는 상하 방향의 열의 전도 또는 전달이 작아질 수 있는 구조를 가지고, 통상적으로 내부에 공동(空洞)을 포함한다. 내부는 축 퍼지 가스에 의해 퍼지될 수 있다. 반응관(4)에서 보트(21)가 배치되는 윗부분을 처리 영역, 단열 어셈블리(22)가 배치되는 아랫부분을 단열 영역이라고 부른다.
씰 캡(19)의 반응관(4)과 반대측에는 보트(21)를 회전시키는 회전 기구(23)가 설치된다. 회전 기구(23)에는 축 퍼지 가스의 가스 공급관(24)이 접속된다. 가스 공급관(24)에는 상류 방향부터 순서대로 MFC(25) 및 밸브(26)가 설치된다. 이 퍼지 가스의 하나의 목적은 회전 기구(23)의 내부(예컨대 축받이)를 반응관(4) 내에서 이용되는 부식성 가스등으로부터 보호하는 것이다. 퍼지 가스는 회전 기구(23)로부터 축을 따라 배출되고, 단열 어셈블리(22) 내에 인도된다.
보트 엘리베이터(27)는 반응관(4)의 외부 하방에 수직으로 구비되고, 씰 캡(19)을 승강시키는 승강 기구(반송 기구)로서 동작한다. 이에 의해 씰 캡(19)에 지지된 보트(21) 및 웨이퍼(7)가 처리실(6) 내외로 반입출된다. 또한 씰 캡(19)이 최하 위치에 강하되는 동안, 씰 캡(19) 대신에 반응관(4)의 하단 개구를 폐색하는 셔터(미도시)가 설치될 수 있다.
외관(4A)의 외벽에는 온도 검출기(28)가 설치된다. 온도 검출기(28)는 상하에 배열된 복수의 열전대에 의해 구성될 수 있다. 온도 검출기(28)에 의해 검출된 온도 정보에 기초하여 히터(3)로의 통전 상태를 조정하는 것에 의해 반응관(4) 내의 온도가 원하는 온도 분포가 된다.
컨트롤러(29)는 기판 처리 장치(1) 전체를 제어하는 컴퓨터이며, MFC(10, 13), 밸브(11, 14), 압력 센서(16), APC 밸브(17), 진공 펌프(18), 히터(3), 온도 검출기(28), 회전 기구(23), 보트 엘리베이터(27) 등과 전기적으로 접속되고, 그것들로부터 신호를 수취하거나, 그것들을 제어한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 도 1에 도시한 컨트롤러(29)는 MFC(10, 13, 25), 밸브(11, 14, 26), 압력 센서(16), APC 밸브(17), 진공 펌프(18), 히터(3), 온도 검출기(28), 회전 기구(23), 보트 엘리베이터(27) 등의 각 구성과 전기적으로 접속되고, 그것들을 자동 제어한다. 컨트롤러(29)는 CPU(Central Processing Unit)(212), RAM(Random Access Memory)(214), 기억 장치(216), I/O 포트(218)를 구비한 컴퓨터로서 구성된다. RAM(214), 기억 장치(216), I/O 포트(218)는 내부 버스(220)를 개재하여 CPU(212)와 데이터 교환 가능하도록 구성된다. I/O 포트(218)는 전술한 각 구성에 접속된다. 컨트롤러(29)에는 예컨대 터치패널 등과의 입출력 장치(222)가 접속된다.
기억 장치(216)는 예컨대 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성된다. 기억 장치(216) 내에는 기판 처리 장치(100)의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라 기판 처리 장치(100)의 각 구성에 성막 처리 등을 실행시키기 위한 프로그램(프로세스 레시피나 클리닝 레시피 등의 레시피)이 판독 가능하도록 격납된다. RAM(214)은 CPU(212)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 보지되는 메모리 영역(work area)으로서 구성된다. CPU(212)은 기억 장치(216)로부터 제어 프로그램을 판독해서 실행하는 것과 함께, 입출력 장치(222)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라 기억 장치(216)로부터 레시피를 판독하고, 레시피를 따르도록 각 구성을 제어한다.
컨트롤러(29)는 예컨대 USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리, CD나 DVD등 의 광(光) 디스크, HDD 등의 외부 기억 장치(224)에 지속적으로 격납된 전술한 프로그램을 컴퓨터에 인스톨하는 것에 의해 구성할 수 있다. 기억 장치(216)나 외부 기억 장치(224)는 컴퓨터 판독 가능한 유체(有體)의 매체로서 구성된다. 이하, 이들을 총칭하여 단순히 기록 매체라고도 부른다. 또한 컴퓨터로의 프로그램의 제공은 외부 기억 장치(224)를 이용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 이용하여 수행해도 좋다.
(2)기판 처리 공정(성막 공정)
도 3을 이용하여 반도체 장치(디바이스)의 제조 공정의 일 공정으로서 웨이퍼(7) 상에 금속막을 형성하는 공정의 일례로서 TiN층을 형성하는 공정에 대해서 설명한다. TiN층 등의 금속막을 형성하는 공정은 전술한 기판 처리 장치의 반응관(4)의 처리실(6)을 이용하여 실행된다. 전술한 바와 같이 도 3의 제조 공정의 실행은 컨트롤러(29)의 CPU(212)의 프로그램 실행에 의해 이루어진다.
본 실시 형태에 의한 기판 처리 공정(반도체 장치의 제조 공정)에서는, (a) 처리실(6) 내에 수용된 웨이퍼(7)에 대하여 TiCl4 가스를 공급하는 공정; (b) 처리실(6) 내의 잔류 가스를 제거하는 공정; (c) 처리실(6) 내에 수용된 웨이퍼(7)에 대하여 NH3을 공급하는 공정; 및 (d) 처리실(6) 내의 잔류 가스를 제거하는 공정을 포함하고, 상기 (a) 내지 (d)를 복수 회 반복하여 TiN층을 형성하는 것에 의해서, TiN층을 웨이퍼(7) 상에 형성한다.
또한 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 경우)가 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. 또한 본 명세서에서 「기판」이라는 단어를 사용한 경우도 「웨이퍼」라는 단어를 사용한 경우와 같은 의미이다.
(웨이퍼 반입)
복수 매의 웨이퍼(7)가 보트(21)에 장전(웨이퍼 차지)되면, 도 1에 도시되는 바와 같이 복수 매의 웨이퍼(7)를 지지한 보트(21)는 보트 엘리베이터(27)에 의해 들어 올려져 반응관(4)의 처리실(6) 내에 반입(보트 로드)된다. 이 상태에서 씰 캡(19)은 O링(19A)을 개재하여 반응관(4)의 하단 개구를 폐색한 상태가 된다.
(압력 조정 및 온도 조정)
처리실(6) 내가 원하는 압력(진공도)이 되도록 진공 펌프(18)에 의해 진공 배기된다. 이때 처리실(6) 내의 압력은 압력 센서(16)로 측정되고, 이 측정된 압력 정보에 기초하여 APC 밸브(17)가 피드백 제어된다(압력 조정). 진공 펌프(18)는 적어도 웨이퍼(7)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 상시 작동시킨 상태를 유지한다. 또한 처리실(6) 내가 원하는 온도가 되도록 히터(3)에 의해 가열된다. 이때 처리실(6) 내가 원하는 온도 분포가 되도록 온도 검출기(28)가 검출한 온도 정보에 기초하여 히터(3)로의 통전량이 피드백 제어된다(온도 조정). 히터(3)에 의한 처리실(6) 내의 가열은 적어도 웨이퍼(7)에 대한 처리가 완료될 때까지의 동안은 계속해서 수행된다.
[TiN층 형성 공정]
계속해서 제1 금속층으로서 예컨대 금속질화층인 TiN층을 형성하는 스텝을 실행한다.
<TiCl4 가스 공급[스텝(S10)]>
밸브(11)를 열고 가스 공급관(9) 내에 원료 가스인 TiCl4 가스를 흘린다. TiCl4 가스는 MFC(10)에 의해 유량 조정되어 노즐(8)의 가스 공급공(8H)으로부터 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(7)에 대하여 TiCl4 가스가 공급된다. 이때 동시에 밸브(14)를 열고 가스 공급관(12) 내에 N2 가스 등의 불활성 가스를 흘린다. 가스 공급관(12) 내를 흐른 N2 가스는 MFC(13)에 의해 유량 조정되어 TiCl4 가스와 함께 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. N2 가스는 가스 공급관(12), 노즐(8)을 개재하여 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. 이때 히터(3)의 온도는 웨이퍼(7)의 온도가 예컨대 250℃ 내지 550℃의 범위 내의 온도가 될 수 있는 온도로 설정한다.
처리실(6) 내에 흘리는 가스는 TiCl4 가스와 N2 가스만이며, TiCl4 가스의 공급에 의해 웨이퍼(7)[표면의 하지막(下地膜)] 상에 예컨대 1원자층 미만 내지 수원자층 정도의 두께의 Ti 함유층이 형성된다.
<잔류 가스 제거[스텝(S11)]>
Ti 함유층이 형성된 후, 밸브(11)를 닫고 TiCl4 가스의 공급을 정지한다. 이때 배기관(15)의 APC 밸브(17)는 연 상태로 하여 진공 펌프(18)에 의해 처리실(6) 내를 진공 배기하고, 처리실(6) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(6) 내로부터 배제한다. 이때 밸브(14)는 연 상태로 하여 N2 가스의 처리실(6) 내로의 공급을 유지한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 처리실(6) 내에 잔류하는 미반응 또는 Ti 함유층 형성에 기여한 후의 TiCl4 가스를 처리실(6) 내로부터 배제하는 효과를 높일 수 있다.
<NH3 가스 공급[스텝(S12)]>
처리실(6) 내의 잔류 가스를 제거한 후, NH3 가스 공급용 밸브(11)를 열고 NH3 가스 공급용 가스 공급관(9) 내에 반응 가스로서 N 함유 가스인 NH3 가스를 흘린다. NH3 가스는 NH3 가스 공급용 MFC(10)에 의해 유량 조정되어 NH3 가스 공급용 노즐(8)의 가스 공급공(8H)으로부터 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. 이때 웨이퍼(7)에 대하여 NH3 가스가 공급된다. 이때 NH3 가스 공급용 밸브(14)는 닫은 상태로 하여 N2 가스가 NH3 가스와 함께 처리실(6) 내에 공급되지 않도록 한다. 즉 NH3 가스는 N2 가스로 희석되지 않고 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. 이때 TiCl4 가스 공급용 노즐(8) 내로의 NH3 가스의 침입을 방지하기 위해서 밸브(14)를 열고 가스 공급관(12) 내에 N2 가스를 흘린다. N2 가스는 NH3 가스 공급용 가스 공급관(12), 노즐(8)을 개재하여 처리실(6) 내에 공급되고, 배기관(15)으로부터 배기된다. 이 경우, 반응 가스인 NH3 가스를, N2 가스로 희석하지 않고 처리실(6) 내에 공급하므로, TiN층의 성막 레이트를 향상시키는 것이 가능하다. 또한 웨이퍼(7) 근방에서의 N2 가스의 분위기 농도도 조정 가능하다. 이때의 히터(3)의 온도는 TiCl4 가스 공급 스텝과 마찬가지의 온도로 설정한다.
이때 처리실(6) 내에 흘리는 가스는 NH3 가스와 N2 가스만이다. NH3 가스는 TiCl4 가스 공급 스텝에서 웨이퍼(7) 상에 형성된 Ti 함유층의 적어도 일부와 치환 반응한다. 치환 반응 시에는 Ti 함유층에 포함되는 Ti와 NH3 가스에 포함되는 N이 결합하여 웨이퍼(7) 상에 Ti와 N을 포함하는 TiN층이 형성된다.
<잔류 가스 제거[스텝(S13)]>
TiN층을 형성한 후, NH3 가스 공급용 밸브(11)를 닫고 NH3 가스의 공급을 정지한다. 그리고 스텝(S11)과 마찬가지의 처리 순서에 의해 처리실(6) 내에 잔류하는 미반응 또는 TiN층의 형성에 기여한 후의 NH3 가스나 반응 부생성물을 처리실(6) 내로부터 배제한다.
(소정 횟수 실시)
전술한 스텝(S10) 내지 스텝(S13)을 순서대로 수행하는 사이클을 1회 이상[소정 횟수(n회)] 수행하는 것에 의해 웨이퍼(7) 상에 소정의 두께(예컨대 0.1nm 내지 2nm)의 TiN층을 형성한다. 전술한 사이클은 복수 회 반복하는 것이 바람직하고, 예컨대 10회 내지 80회 정도 수행하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10회 내지 15회 정도 수행한다.
(애프터 퍼지 및 대기압 복귀)
가스 공급관(12)의 각각으로부터 N2 가스를 처리실(6) 내에 공급하고, 배기관(15)으로부터 배기한다. N2 가스는 퍼지 가스로서 작용하고, 이에 의해 처리실(6) 내가 불활성 가스로 퍼지되어 처리실(6) 내에 잔류하는 가스나 부생성물이 처리실(6) 내로부터 제거된다(애프터 퍼지). 그 후, 처리실(6) 내의 분위기가 불활성 가스로 치환되고(불활성 가스 치환), 처리실(6) 내의 압력이 상압으로 복귀된다(대기압 복귀).
(웨이퍼 반출)
그 후, 보트 엘리베이터(27)에 의해 씰 캡(19)이 하강되어 반응관(4)의 하단이 개구된다. 그리고 처리 완료된 웨이퍼(7)가 보트(21)에 지지된 상태에서 반응관(4)의 하단으로부터 그 외부에 반출(보트 언로드)된다. 그 후, 처리 완료된 웨이퍼(7)는 보트(21)로부터 취출(取出)된다(웨이퍼 디스차지).
[실시예 1]
실시예 1은 장전하는 복수의 기판의 매수에 의한 막 두께 변동을 억제하는 것이 가능한 기판 처리 장치의 실시예다. 즉 실시예 1은 복수의 기판을 수납하는 처리실과, 처리실 내의 기판에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 처리실로부터 처리 가스를 배출하는 가스 배기부를 구비하고, 인접하는 기판 사이이며 기판의 이면 부근에 원판을 설치한 구성의 기판 처리 장치의 실시예이다.
도 4는 실시예 1의 기판 처리 장치의 일 구성예의 단면도다. 도 4에 도시하는 바와 같이 일중관인 제1 반응관(34) 내에 설치된 기판 보지구인 보트(31)에는 석영 플레이트 등의 복수의 원판(39)이 수직 방향으로 설치되고, 더미레스 운용이 가능한 처리 영역을 형성한다. 복수의 원판(39)은 보트(31)의 복수의 지주(42)에 고정된다. 즉 보트(31)는 기판을 지지하는 기판 지지부를 포함하는 복수의 지주를 구비하고, 복수의 원판은 지주에 고정된다. 바람직하게는 보트(31)의 복수의 지주(42)와 복수의 원판(39)은 일체형으로 구성한다. 처리 영역의 하부에는 단열 영역(37)이 설치된다. 단열 영역(37)을 처리 영역과 격리하고, 처리(프로세스) 가스가 흐르는 공간을 한정하는 것에 의해 가스의 공급·배기 효율을 높일 수 있다. 즉 제1 반응관(34)의 보트(31)가 설치된 처리 영역의 하부에 처리 영역에서 격리된 단열 부재로 이루어지는 단열 영역을 구비하는 것에 의해, 처리 가스가 흐르는 공간을 한정하여 가스의 공급 및 배기 효율을 높이고 있다. 또한 보트(31)의 주위는 가열용 히터(33)로 피복되고, 보트(31)의 클리닝은 보트 교환으로 실현해도 좋다. 또한 제1 반응관(34) 내에 클리닝 가스를 공급하는 것에 의해 보트(31)를 클리닝해도 좋다.
또한 도 4의 구성에서는 제1 반응관(34)에는 2개의 배기구(35)가 설치되지만, 도 6에 도시하는 바와 같이 적어도 1개의 배기구(35)를 구비하면 된다. 제1 반응관(34)에는 적어도 1개의 노즐(38)을 삽입하고, 처리 영역에 처리 가스를 도입한다. 보트(31)의 복수의 지주(42)의 각각에 복수의 기판 지지부(32)가 설치된다. 보트 지주를 3개로 하고 120°로 균등하게 배치하는 것에 의해, 형성되는 막 두께의 편심(偏芯)을 회피할 수 있다.
또한 도 4에서는 일중관 구성의 기판 처리 장치를 예시했지만, 본 실시예의 구성은 도 6에 도시하는 바와 같은 이중관 구성의 기판 처리 장치에도 적용 가능하다. 이중관 구성의 경우, 히터(33)의 내측에 아우터 튜브로서의 제1 반응관(34)이 배설되고, 그 내부에 이너 튜브인 제2 반응관(36)이 설치된다. 그리고 제2 반응관(36)의 내측에 처리 영역을 구성하는 보트(31)가 설치되는 것 외에, 도 4에 도시한 일중관 구성과 마찬가지의 구성을 구비한다.
이하, 일중관 구성의 기판 처리 장치를 예로 들어 기판 보지구의 바람직한 일 구성을 설명하지만, 이중관 구성에도 마찬가지로 적용할 수 있다. 본 실시예에서는 기판 지지부(32)에서 지지되는 기판의 상면측의 공간이 기판의 하면측의 공간보다 크게 될 수 있는 위치에 기판 지지부(32)가 설치되고, 이에 의해 기판 표면에 가스를 균일하게 공급할 수 있다. 즉 기판의 표면측의 공간이 기판의 이면측의 공간보다 크게 되도록 기판 지지부(32)가 복수의 지주에 설치된다.
도 5는 본 실시예의 구성의 기판 보지구인 보트(31)의 지주(42)에 설치한 복수의 기판 지지부(32)에 각각 기판(41)을 배치한 상태를 도시한다. 도면 중의 A 내지 G는 반응관(34) 내의 구성 요소 간의 거리를 나타낸다. A는 기판(41)의 가장자리와 제1 반응관(34)의 벽간의 거리를 나타내고, A'은 원판(39)의 가장자리와 제1 반응관의 벽간의 거리를 나타내고, B는 기판 간 거리 즉 웨이퍼 피치를 나타내고, C는 기판(41)의 가장자리와 제1 반응관의 다른 벽간의 거리를 나타내고, C'은 원판(39)의 가장자리와 제1 반응관의 다른 벽간의 거리를 나타내고, D는 복수의 원판 간의 거리를 나타낸다. 또한 E, E'은 인접하는 각각의 원판(39)과 기판(41)의 거리를 나타내고, D=E+E'이다. 바람직하게는 D=E+E'+기판(41)의 두께+플레이트 두께가 된다. 또한 기판의 이면과 원판의 거리(E')가 원판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리(A')에 대해 넓다.
또한 F, F'은 인접하는 원판(39)의 이면으로부터 노즐(38)의 공(孔)까지의 거리를 나타낸다. 도 5의 구성에서는 F=E'+(E/2), 혹은 F'=E/2이다. 구멍의 위치는 하나밖에 도시하지 않았지만, 복수의 공의 각각이 상기 위치에 설치된다. 즉 노즐(38)의 복수의 공의 각각이 기판과 원판 사이의 거의 중간에 위치하도록, 원판(39), 기판 지지부(32)를 구성한다. 이에 의해 기판 표면에 반응 가스를 균일하게 공급할 수 있다. G, G'은 각각 노즐(38)과 기판(41)의 가장자리, 원판(39)의 가장자리 사이의 거리를 도시한다. 또한 도 6에 도시한 이중관 구성의 경우, 구성 요소 간의 거리(A, A', C, C')는 이너 튜브인 제2 반응관(36)의 벽으로부터의 거리이다.
본 실시예의 기판 처리 장치가 공통인 구성으로서 노즐(38)로부터 도입되는 처리 가스의 종류와 상관없이, B>C', A>C', A≒C, A'≒C'로 한다. 기판 간 거리(B)의 값은 처리 가스의 반응 메커니즘, 즉 분해성에 의해 변화시킨다.
반응관 내에 도입한 처리 가스를 분해하지 않고 기판(41)에 공급하는 경우 등, 처리 가스의 분해량이 적은 반응이 메인의 반응의 성막인 경우, B>A, B>C로 한다. 즉 처리 가스의 분해량이 적은 반응의 성막인 경우, 인접하는 기판 사이의 거리(B)를, 기판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리(A, C)에 대해 넓게 한다. 예컨대 전술한 TiN층의 성막 프로세스에서 TiCl4 가스를 공급하는 경우이다.
한편, 처리 가스를 분해해서 기판에 공급하는 경우 등, 처리 가스의 분해량이 많은 반응이 메인의 반응의 성막인 경우, A
Figure pct00001
B, B
Figure pct00002
C, B>C'로 한다. 즉 인접하는 기판 간의 거리(B)를, 기판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리에 대해 좁거나 동등하게 한다. 예컨대SiO의 성막 프로세스에서 Si2Cl6 가스를 공급하는 경우이다.
이와 같이 각 치수를 변화시키는 것에 의해 기판 상에 공급되는 가스의 상태를 변화시키는 것이 가능해진다.
이하, 도 5에 도시한 거리(A 내지 F)의 구체적인 수치 예를 나타낸다. 먼저 처리 가스의 종류와 상관없이, 공통의 구성으로서 C는 A와 동등한 거리, A', C'은 5mm 내지 7.5mm, D는 B와 동등한 거리, E는 20mm 내지 50mm, E'은 최저한 트위저가 들어가는 극간으로서 10mm를 하한으로 한다. 따라서 E는 최대(B-10)mm이 되고, E'>A'이 된다. B는 30mm 내지 80mm, A는 20mm 내지 50mm, 바람직하게는 30mm 내지 40mm으로 한다.
TiN 성막에서 TiCl4을 이용하는 경우, B는 약 60mm, A는 약 30mm 내지 40mm으로 한다. 성막 조건은 처리실인 반응관 내 압력을 10Pa 내지 20Pa, 가스 공급 유량을 300ccm 내지 500ccm으로 한다.
SiO 성막에서 Si2Cl6 가스를 이용하는 경우, B는 약 30mm, A는 약 30mm 내지 40mm로 한다. 성막 조건은 반응관 내 압력을 30Pa, 가스 공급 유량을 100ccm 내지 300ccm 정도로 한다.
또한 도 5에 도시하는 기판 처리 장치의 구성에서 기판(41)의 표면(상면)과 원판(39) 간의 거리(E)가 작은 경우, 기판의 표면측의 공간이 좁고, 기판 상의 컨덕턴스가 작아져 제트 플로우(분류)의 효과를 얻기 어려워진다. 여기서 제트 플로우는 어느 일정한 확장 폭을 가지면서 점차 평탄한 유속 분포가 되는 흐름이며, 본 실시예의 경우, 노즐(38)로부터 분사된 반응 가스의 흐름이 기판의 가장자리(웨이퍼 에지)에 걸리지 않고 기판 중심까지 유지되는 것을 제트 플로우라고 부른다. 이 제트 플로우에 의해 가스 공급 개선, 즉 기판 중심으로의 가스의 고농도 공급을 도모할 수 있고, 더미레스 운용이 가능해진다. 이러한 제트 플로우를 얻고 더미레스 운용을 도모하기 위해서는 전술한 구성 요소 간의 거리에서 B>A>A'로 하면 좋다. D>A>A'로 해도 좋다. 어느 경우에서도 인접하는 기판 간의 거리(B)가 기판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리(A)에 대하여 넓고, 또한 기판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리(A)가 원판의 가장자리와 처리실의 벽 사이의 거리(A')에 대해 넓다.
또한 각각 기판(41)의 표면과 원판(39) 사이의 거리(E), 기판(41)의 이면과 원판(39) 사이의 거리(E')에서 E>E'의 관계로 하면, 제트 플로우를 형성하기 쉬워져 기판 표면에 반응 가스를 균일하게 공급할 수 있고, 더미레스 운용을 보다 실현하기 쉬워진다. 또한 기판으로의 이면 성막을 억제할 수 있고, 또한 기판을 균일하게 가열하기 쉽게 할 수 있다. 본 발명자의 검토에 따르면, 도 5의 구성에서 기판 중심부에서 가스 농도를 최대로 하기 위해서는 기판 간 거리(B)를 50mm 내지 60mm 이상으로 하는 것이 바람직했다. 이와 같이 실시예 1의 기판 처리 장치에서는 기판 간 거리(B)를 종래에 비해 넓게 하고, 기판과 제1 반응관의 내벽의 거리(A)에 대하여 충분히 넓은 구성으로 하는 것에 의해 기판 중심까지 충분한 반응 가스를 공급할 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 실시예에 따른 기판 처리 장치의 원판(39) 상에 설치된 기판(41)의 표면상의 제트 플로우를 설명하기 위한 사시도와 평면도다. 또한 도 7b의 하단은 제트 플로우(40)의 종단면도를 도시한다. 도 7b에 도시하는 바와 같이 본 실시예의 구성에 따르면, 제트 플로우(40)는 기판 중심까지 일정한 확장 폭H를 가지면서 점차 평탄한 유속 분포로 할 수 있다.
이상, 전술한 실시예 1의 구성에 따르면, 복수의 기판 간에 원판(39)을 설치할 수 있고, 장전 매수에 따른 막 두께 변동을 억제하고, 더미레스 운용으로 1매 처리든 5매 처리든 마찬가지의 성막 결과를 얻을 수 있다.
[실시예 2]
실시예 2는 충전하는 복수의 기판의 매수에 따른 막 두께 변동을 억제하는 것이 가능한 기판 처리 장치의 다른 실시예다. 실시예 1과 실시예 2의 차이는 기판 보지구인 보트의 구성에 있으며, 본 실시예의 보트에서는 복수의 원판이 보트 지주의 외측에 돌출하지 않은 구성을 포함한다. 원주의 가장자리가 보트의 지주보다 반응관의 벽측에 돌출하면 더미레스 운용을 하기 쉽지만, 돌출하지 않은 구성이어도 복수의 기판 표면으로의 가스의 균일 공급의 개선을 도모할 수 있다.
도 8a, 도 8b에 본 실시예의 기판 처리 장치의 보트의 일 구성예의 사시도와 단면도를 도시한다. 기판 처리 장치로서의 기타의 구성 요소는 실시예 1과 마찬가지이므로 설명을 생략한다. 보트(31)의 3개의 지주(42)를 120°로 균등하게 배치하는 것에 의해 형성되는 막 두께의 편중심을 회피할 수 있다. 120°로 균등하게 배치된 3개의 지주(42)에는 복수의 원판(39)이 일체화된다.
도 8a, 도 8b에 도시하는 바와 같이, 복수의 원판(39)의 가장자리가 보트(31)의 지주(42)의 위치에 있다. 그렇기 때문에 본 실시예의 구성에서는 도 5에서 설명한 구성 요소 간의 거리 중, 원판(39)의 가장자리와 제1 반응관(34)의 2개의 벽 사이의 거리(A' C') 및 원판(39)의 가장자리와 노즐(38) 사이의 거리 G'은 보트(31)의 지주(42)와 제1 반응관(34)의 2개의 벽 사이의 거리 및 보트(31)의 지주(42)와 노즐(38) 사이의 거리가 된다. 보트(31)의 지주(42)의 두께를 5mm으로 한 경우, A, C가 30mm 내지 40mm, A' C'이 5mm 내지 7.5mm으로 하면, 본 실시예의 구성에 따르면, 지주(42)를 기판(41)의 가장자리로부터 17.5mm 내지 30mm 정도 이간시키는 것이 가능해지고, 보트(31)의 지주(42)에 의한 부분 감막(減膜)의 억제를 도모할 수 있다. 보다 바람직하게는 거의 26mm 내지 30mm 이간되거나, 즉 복수의 지주는 기판의 가장자리로부터 거의 26mm 내지 30mm 이간되면, 높은 감막 억제 효과를 얻을 수 있다.
이상, 본 개시의 각종 실시 형태를 설명해왔지만, 본 발명은 그것들의 실시 형태 및 실시예에 한정되지 않고, 적절히 조합해서 이용할 수도 있다. 또한 본 발명은 기판 처리 장치에서 형성 내지 사용되는 모든 막종, 가스종에 적용가능하며, 또한 본 명세서는 기판 처리 장치의 발명을 주로 설명해 왔지만, 그 보트, 반도체 장치의 제조 방법, 프로그램 및 기록 매체의 발명도 개시했다.
또한 전술에서는 5장의 기판을 처리 가능한 기판 처리 장치 구성에 대해서 기재했지만, 이에 한정되지 않는다. 제트 플로우가 형성되는 구성이라면 좋다. 구체적으로는 예컨대 1매 내지 15매 정도로 변경 가능하다.
또한 전술에서는 성막 처리가 수행되는 기판 처리 장치에 대해서 기재했지만, 기판 처리 장치는 다른 처리에도 적용 가능하다. 예컨대 플라즈마를 이용한 확산 처리, 산화 처리, 질화 처리, 산질화 처리, 환원 처리, 산화 환원 처리, 에칭 처리, 가열 처리 등이 있다. 또한 예컨대 반응 가스만을 이용하여 기판 표면이나 기판에 형성된 막을 플라즈마 산화 처리나, 플라즈마 질화 처리할 때도 본 발명을 적용할 수 있다. 또한 반응 가스만을 이용한 플라즈마 어닐링 처리에도 적용할 수 있다.
또한 전술에서는 원료 가스로서 티타늄 함유 가스, 반응 가스로서 질소 함유 가스를 이용하고, 질화막으로서의 질화티타늄 막을 형성하는 예를 제시했지만, 다른 가스를 이용한 성막에도 적용 가능하다. 예컨대 산화막, 산소 함유막, 질소 함유막, 탄소 함유막, 붕소 함유막, 금속 함유막과 이을 원소가 복수 함유된 막 등이 있다. 또한 이 막으로서는 예컨대 SiO막, SiN막, AlO막, ZrO막, HfO막, HfAlO막, ZrAlO막, SiC막, SiCN막, SiBN막, TiC막, TiAlC막 등이 있다.
1: 기판 처리 장치 2: 종형 열처리 장치
3, 33: 히터 4: 반응관
5: 매니폴드 6: 처리실
7, 41: 기판(웨이퍼) 8, 38: 노즐
9, 12, 24: 가스 공급관 10, 13, 25: 매스 플로우 컨트롤러
11, 14, 26: 밸브 15: 배기관
16: 압력 센서 17: APC 밸브
18: 진공 펌프 19: 씰 캡
20: 커버 플레이트 21, 31: 보트
22: 단열 어셈블리 23: 회전 기구
27: 보트 엘리베이터 28: 온도 검출기
29: 컨트롤러 32: 기판 지지부
34: 제1 반응관 35: 배기구
36: 제2 반응관 37: 단열 영역
39: 원판 40: 제트 플로우
42: 보트의 지주

Claims (12)

  1. 복수의 기판을 수납하는 처리실;
    상기 처리실 내의 상기 기판에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부;
    상기 처리실로부터 상기 처리 가스를 배출하는 가스 배기부; 및
    상기 복수의 기판 사이이자 상기 기판의 이면(裏面) 부근에 설치되는 원판
    을 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 기판이 재치되는 기판 보지구; 및
    상기 기판 보지구는 상기 기판을 지지하는 기판 지지부를 포함하는 복수의 지주를 구비하고,
    복수의 상기 원판은 상기 지주에 고정되는 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기판의 표면측의 공간이 상기 기판의 이면측의 공간보다 크게 되도록, 상기 기판 지지부가 복수의 상기 지주에 설치되는 기판 처리 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    복수의 상기 지주는 상기 기판의 가장자리로부터 거의 26mm 내지 30mm 이간된 기판 처리 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    인접하는 상기 기판 간의 거리가 상기 원판의 가장자리와 상기 처리실의 벽 사이의 거리에 대해 넓은 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    인접하는 상기 기판 간의 거리가 거의 50mm 내지 60mm 이상인 기판 처리 장치.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스의 분해량이 적은 반응의 성막인 경우, 상기 기판 보지구와 상기 처리실은 인접하는 상기 기판 간의 거리를, 상기 기판의 가장자리와 상기 처리실의 벽 사이의 거리에 대하여 넓게 구성되는 기판 처리 장치.
  8. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스의 분해량이 많은 반응의 성막인 경우, 상기 기판 보지구와 상기 처리실은 인접하는 상기 기판 간의 거리를, 상기 기판의 가장자리와 상기 처리실의 벽 사이의 거리에 대해 좁게 구성되는 기판 처리 장치.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 상기 기판에 반응 가스를 공급하는 복수의 공이 설치된 노즐을 포함하고, 상기 가스 공급부와 상기 기판 보지구는 복수의 상기 공의 각각이 상기 기판의 상기 원판 사이의 거의 중간에 위치하도록 구성되는 기판 처리 장치.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리실은 상기 기판 보지구가 설치된 처리 영역의 하부에 상기 처리 영역으로부터 격리된 단열 부재를 포함하는 단열 영역을 구비하는 기판 처리 장치.
  11. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 보지구와 상기 처리실은 인접하는 상기 원판 간의 거리가 상기 원판의 가장자리와 상기 처리실의 벽 사이의 거리에 대해 넓어지도록 구성되는 기판 처리 장치.
  12. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판 보지구는 상기 기판의 이면과 상기 원판의 거리가 상기 원판의 가장자리와 상기 처리실의 벽 사이의 거리에 대하여 넓어지도록 구성되는 기판 처리 장치.
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