KR20230002063A - 성막 장치 - Google Patents

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KR20230002063A
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유야 다카무라
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

막의 면내 분포에 대한 제어성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공하기 위해, 본 개시 내용의 일 양태에 따른 성막 장치는, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 연장되어 배치되고, 복수 개의 가스 구멍을 갖는 가스 공급관과, 상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 복수 개의 제품 기판을 포함하는 기판을 수용하도록 구성된 보트를 포함하고, 상기 복수 개의 가스 구멍으로부터 공급되는 가스에 의해 상기 복수 개의 가스 구멍의 각각에 대응하는 상기 기판의 각각에 막을 형성하는 성막 장치로서, 상기 복수 개의 가스 구멍 중 상기 복수 개의 제품 기판이 존재하는 높이의 범위에 대응하여 배치된 복수 개의 가스 구멍은, 상기 복수 개의 제품 기판 각각의 중심을 통과하는 중심축과, 상기 가스 공급관의 중심축을 연결하는 가상선에 대해 상기 가스 공급관의 중심축 상의 점으로부터 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구되는 복수 개의 제 1 가스 구멍을 포함한다.

Description

성막 장치{DEPOSITION APPARATUS}
본 개시 내용은 성막 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 처리 대상물, 예를 들어 반도체 웨이퍼에 산화, 확산, CVD, 어닐링(annealing) 등의 열처리를 실시하기 위해서 다양한 열처리 장치가 사용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
일본국 공개특허공보 특개2012-209517호
본 개시 내용은 막의 면내(面內) 분포에 대한 제어성을 향상시킬 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시 내용의 일 양태에 따른 성막 장치는, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 연장되어 배치되고 복수 개의 가스 구멍을 갖는 가스 공급관과, 상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 복수 개의 제품 기판을 포함하는 기판을 수용하도록 구성된 보트(boat)를 포함하고, 상기 복수 개의 가스 구멍으로부터 공급되는 가스에 의해 상기 복수 개의 가스 구멍의 각각에 대응하는 상기 기판의 각각에 막을 형성하는 성막 장치로서, 상기 복수 개의 가스 구멍 중 상기 복수 개의 제품 기판이 존재하는 높이의 범위에 대응하여 배치된 복수 개의 가스 구멍은, 상기 복수 개의 제품 기판 각각의 중심을 통과하는 중심축과 상기 가스 공급관의 중심축을 연결하는 가상선에 대해 상기 가스 공급관의 중심축 상의 점으로부터 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구되는 복수 개의 제 1 가스 구멍을 포함한다.
본 개시 내용의 일 측면에 따르면, 막 면내 분포에 대한 제어성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시형태의 성막 장치의 구성예를 나타내는 단면도이다.
도 2는 처리 용기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 막 두께의 면내 균일성에 대한 과제를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시형태에 따른 각종 가스 구멍의 위치 및 각도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시형태에 따른 복수 개의 구역과 가스 구멍 각도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시형태에 따른 가스 구멍 각도와 막 면내 분포 측정 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시형태에 따른 가스 구멍 각도와 막 면내 분포 측정 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시형태에 따른 가스 구멍 각도와 사이클 레이트 측정 결과의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시형태에 따른 복수 개의 가스 공급관의 배치예를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시형태에 따른 가스 구멍 각도와 막 면내 분포 제어의 일 예를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여, 본 개시 내용의 한정적이지 않은 예시의 실시형태에 대해 설명한다. 첨부한 전체 도면에 있어, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는, 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙이며 중복되는 설명을 생략한다.
[성막 장치]
실시 형태의 성막 장치에 대하여 설명한다. 도 1은 실시형태에 따른 성막 장치의 구성예를 나타내는 단면도이다. 도 2는 처리 용기를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 성막 장치(1)는, 세로로 긴 처리 용기(10)를 포함한다. 처리 용기(10)는, 하단이 개방된 천장이 있는 원통 형상의 내관(12)과, 하단이 개방되어 내관(12)의 외측을 덮는 천장이 있는 원통 형상의 외관(14)을 갖는다. 내관(12) 및 외관(14)은, 석영 등의 내열성 재료로 형성되며, 동축형으로 배치되어 이중관 구조로 되어 있다. 내관(12)에는 웨이퍼 보트(16)가 수용된다. 웨이퍼 보트(16)는, 상하 방향을 따라 미리 정해진 간격을 가지며 기판(W)을 대략 수평으로 유지하는 슬롯을 포함하는 기판 홀더이다. 기판(W)의 일 예로서는, 직경이 300 ㎜인 웨이퍼를 들 수 있다.
내관(12)의 천장부는, 예를 들면 평탄하게 되어 있다. 내관(12)의 일측에는, 내관(12)의 길이 방향(상하 방향)을 따라 가스 공급관을 수용하는 노즐 수용부(18)가 형성되어 있다. 노즐 수용부(18)는, 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이, 내관(12)의 측벽의 일부를 외측으로 향해 돌출시켜 형성된 볼록부(20) 내의 부분이다. 노즐 수용부(18)에 대향시켜 내관(12)의 반대쪽 측벽에는, 내관(12)의 길이 방향(상하 방향)을 따라 직사각 형상의 개구부(22)가 형성되어 있다.
개구부(22)는 내관(12) 내의 가스를 배기할 수 있도록 형성된 가스 배기구이다. 개구부(22)의 길이는 웨이퍼 보트(16)의 길이와 동일하거나 웨이퍼 보트(16)의 길이보다 길게 상하 방향으로 각각 연장되도록 하여 형성되어 있다.
처리 용기(10)의 하단은, 예를 들면 스테인리스강으로 형성되는 원통 형상의 매니폴드(24)에 의해 지지되어 있다. 매니폴드(24)의 상단에는 플랜지부(24a)가 형성되어 있으며, 외관(14)의 하단이 플랜지부(24a) 위에 설치되어서 지지된다. 플랜지부(24a)와 외관(14)의 하단 사이에는 O링 등의 씰 부재(26)를 배치하여 외관(14) 내부가 기밀 상태가 되도록 한다.
매니폴드(24) 상부의 내벽에는 고리 모양의 지지부(24b)가 구비되어 있으며, 내관(12)의 하단이 지지부(24b) 위에 설치되어서 지지된다. 매니폴드(24) 하단의 개구부에는, 덮개(30)가 O링 등의 씰 부재(32)를 통해 기밀하게 부착되어 있으며, 처리 용기(10) 하단의 개구부, 즉, 매니폴드(24)의 개구를 기밀하게 덮고 있다. 덮개(30)는, 예를 들면 스테인리스강으로 형성된다.
덮개(30)의 중앙부에는 자성 유체 씰(34)을 통해 회전축(36)이 관통하게 하여 구비되어 있다. 보트 엘리베이터로 이루어지는 승강부(38)의 아암(38a)에는 회전축(36) 하부가 회전 가능하도록 지지되어 있다.
회전축(36) 상단에는 회전판(40)이 구비되어 있으며, 회전판(40) 상에 석영제인 보온대(42)를 사이에 두고 기판(W)을 홀딩하는 웨이퍼 보트(16)가 배치되어 있다. 따라서, 승강부(38)를 승강시킴으로써 덮개(30)와 웨이퍼 보트(16)가 일체로 상하 이동하며, 이로써 웨이퍼 보트(16)를 처리 용기(10) 내부로 삽탈(揷脫)할 수 있다.
가스 공급부는 매니폴드(24)에 구비되어 있으며, 내관(12) 내로 가스를 도입한다. 가스 공급부는 복수 개(도시한 예에서는 3개)의 석영제인 가스 공급관(50a, 50b, 50c)을 포함한다. 각 가스 공급관(50a, 50b, 50c)은, 내관(12) 내부에서 그 길이 방향을 따라 수직 방향으로 연장됨과 더불어, 그 기단이 L자 형상으로 굴곡되어 매니폴드(24)를 관통하도록 하여 지지되어 있다. 가스 공급관(50a, 50b, 50c)을 총칭하여 가스 공급관(50)이라고도 한다.
가스 공급관(50a, 50b, 50c)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 내관(12)의 노즐 수용부(18) 내에 둘레 방향을 따라 일렬로 설치되어 있다. 각 가스 공급관(50a, 50b, 50c)에는, 그 길이 방향을 따라 미리 정해진 간격으로 배치되는 복수 개의 가스 구멍(51a, 51b, 51c)이 형성되어 있다. 가스 구멍(51a)은 2개, 가스 구멍(51b)은 1개, 가스 구멍(51c)은 2개이다. 가스 구멍(51a, 51b, 51c)을 총칭하여 가스 구멍(51)이라고도 한다. 각 가스 구멍(51a, 51b, 51c)에 대한 상세한 내용은 후술한다.
각 가스 구멍(51a, 51b, 51c)은 수평 방향을 향해 각 가스를 토출한다. 미리 정해진 간격은, 예를 들면 웨이퍼 보트(16)에 지지되는 기판(W)의 간격과 동일하게 설정된다. 또한, 높이 방향의 위치는, 각 가스 구멍(51a, 51b, 51c)이 상하 방향으로 인접한 기판(W) 사이의 중간에 위치하도록 설정되어 있으며, 각 가스를 기판(W) 사이의 공간에 효율적으로 공급할 수 있도록 되어 있다. 가스 공급관(50a, 50b, 50c) 각각에는, 도시하지 않은 유량 제어기, 밸브 등을 통하여 가스 공급원(52b, 54b, 56b)이 접속되어 있다. 가스 공급원(52b, 54b, 56b)은 각각 성막 가스, 에칭 가스 및 퍼지 가스의 공급원이다. 가스 공급원(52b, 54b, 56b)으로부터의 각 가스는, 유량 제어기에 의해 유량이 제어되며, 필요에 따라 각 가스 공급관(50a, 50b, 50c)을 통하여 처리 용기(10) 내로 공급된다.
매니폴드(24) 상부의 측벽으로서, 지지부(24b)의 상방에는 가스 출구(60)가 형성되어 있으며, 내관(12)과 외관(14) 사이의 공간을 통해 개구부(22)로부터 배출되는 내관(12) 내의 가스를 배기할 수 있다. 가스 출구(60)는 내관(12)의 둘레 방향에 있어서 개구부(22)와 다른 위치에 구비되어 있다. 도시한 예에서는, 가스 출구(60)는, 내관(12)의 둘레 방향에서 개구부(22)의 위치로부터 반시계 방향으로 120도 어긋난 위치에 구비되어 있다. 가스 출구 (60)에는 배기부(62)가 구비되어 있다. 배기부(62)는 가스 출구(60)에 접속된 배기 통로(64)를 가지며, 배기 통로(64)에는 압력 조절 밸브(66) 및 진공 펌프(68)가 순차적으로 개설(介設)되어, 처리 용기(10) 내부를 진공으로 할 수 있도록 되어 있다. 또한, 배기 통로(64)의 압력 조절 밸브(66)의 상류 측에는, 처리 용기(10) 내부의 압력을 검출하기 위한 압력 센서(69)가 구비되어 있다.
외관(14) 주위에는 외관(14)을 덮도록 원통 형상인 히터(70)가 구비되어 있다. 히터(70)는 처리 용기(10) 내에 수용되는 기판(W)을 가열한다. 또한, 히터(70)에 대해서도, 상하 방향을 따라 단위 영역과 1:1로 대응하도록 히터(70a, 70b, 70c, 70d, 70e)로 분할되어 있다. 히터(70a ~ 70e)는 각각 전력 제어기(72a ~ 72e)에 의해 독립적으로 출력이 제어된다.
또한, 처리 용기(10) 내부의 공간에는 온도를 검출하기 위한 온도 센서(80a ~ 80e)가 구비되어 있다. 온도 센서(80a ~ 80e)는 상하 방향을 따른 온도 분포를 검출하기 위해 온도를 검출한다. 온도 센서(80a ~ 80e)는, 예를 들면 석영제인 보호관(82) 내에 수용되어 내관(12)과 외관(14) 사이에 구비되어 있다. 온도 센서(80a ~ 80e) 및 온도 센서(80a ~ 80e)를 수용하는 보호관(82)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 내관(12)의 둘레 방향에서 개구부(22)의 위치로부터 미리 정해진 각도(θ) 어긋난 위치에 구비되어 있다. 이것에 의해, 온도 센서(80a ~ 80e)가 가스 공급관(50a, 50b, 50c)으로부터 사각(死角)이 되기 때문에, 가스 공급관(50a, 50b, 50c)으로부터 토출되는 가스로 인해 온도 센서(80a ~ 80e)의 검출 온도가 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 온도 센서(80a ~ 80e)로는, 예를 들면 열전대, 측온 저항체를 이용할 수 있다.
온도 센서(80a ~ 80e)로부터의 검출 신호는 신호선(84)을 통해 후술하는 제어부(100)에 입력된다. 검출 신호가 입력된 제어부(100)에서는 전력 제어기(72a ~ 72e)의 설정 값을 계산하며, 계산된 설정 값을 전력 제어기(72a ~ 72e) 각각으로 출력한다. 예를 들면, PID 제어에 의해 전력 제어기(72a ~ 72e)의 설정 값을 계산함으로써, 제어부(100)는 전력 제어기(72a ~ 72e) 각각에 대한 출력, 즉 히터(70a ~ 70e) 각각의 발열량을 제어한다.
성막 장치(1)는, 성막 장치(1)의 전체 동작을 제어하기 위한 컴퓨터 등의 제어부(100)를 포함한다. 제어부(100)에는, 성막 장치(1)에서 실행되는 각종 처리를 제어부(100)에서 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라 성막 장치(1)의 각 부에 처리를 실행시키기 위한 각종 프로그램이 저장된 기억부(102)가 접속되어 있다. 각종 프로그램은 저장매체에 기억되고, 기억부(102)에 저장될 수 있다. 기억 매체는 하드 디스크, 반도체 메모리일 수 있으며, CD-ROM, DVD, 플래시 메모리 등의 휴대용일 수도 있다. 또한, 유선 또는 무선 등의 통신 수단에 의해, 다른 장치나 호스트 컴퓨터로부터 기억부(102)로 적절히 전송될 수도 있다. 또한, 제어부(100)는 성막 장치(1)와는 별도로 구비되는 제어 장치일 수도 있다. 또한, 기억부(102)는 성막 장치(1)와는 별도로 구비되는 기억 장치일 수도 있다.
[성막 방법]
다음으로, 실시형태의 성막 방법에 대하여, 전술한 성막 장치(1)를 이용하여 원자층 퇴적(ALD:Atomic Layer Deposition)법에 의해, 박막을 성막하는 경우를 예로 들어 설명한다. 실시형태의 성막 방법에 의해 성막 가능한 박막으로는, 예를 들면 SiO2, ZrO2, HfO2, TiO2, Al2O3 등의 산화막, SiN, HfN, TiN, AlN의 질화막, ZrAlO, HfAlO, HfSiON 등의 상기 화합물을 조합한 복합막, SiN과 SiO2 적층막 등을 들 수 있다.
이하에서는, 원료 가스로서 실리콘 함유 가스 및 질화 가스를 이용하여 기판(W) 상에 실리콘 질화막(SiN)을 형성하는 경우에 대해 설명한다.
먼저, 성막 준비 공정에서는, 승강부(38)에 의해 복수 개의 기판(W)을 홀딩하는 웨이퍼 보트(16)를 처리 용기(10) 내로 반입하고, 덮개(30)에 의해 처리 용기(10) 하단의 개구부를 기밀하게 막아 밀폐한다. 또한, 성막 준비 공정에서는, 처리 용기(10) 하단의 개구부가 개방됨으로써, 처리 용기(10) 내의 온도가 저하된다. 따라서, 제어부(100)는, 저하된 처리 용기(10) 내의 온도가 미리 레시피 등으로 정해진 설정 온도(예를 들면, 300 ~ 700 ℃)로 유지되도록, 온도 센서(80a ~ 80e)의 검출 온도에 기초하여 히터(70a ~ 70e)의 출력을 제어한다.
이어서, 처리 용기(10) 내로 공급되는 전체 가스의 평균 유량과 동일한 유량으로 불활성 가스를 연속적으로 공급하고, 또한 처리 용기(10) 내를, 처리 용기(10) 내의 평균 압력과 동일한 압력으로 유지한다. 성막 준비 공정에서는, 히터(80)에 의해 처리 용기(10) 내의 기판(W)을 가열하여 온도를 안정시킨다. 이들은, 예를 들면 웨이퍼 보트(16)를 회전시키면서 행해진다. 또한, 성막 준비 공정에서는, 제어부(100)는, 저하된 처리 용기(10) 내의 온도가 미리 레시피 등으로 정해진 설정 온도(예를 들면, 300 ~ 700 ℃)로 유지되도록, 온도 센서(80a ~ 80e)의 검출 온도에 기초하여, 히터 (70a ~ 70e)의 출력을 제어한다. 상기 설정 온도는, 성막 준비 공정으로부터 후술하는 성막 공정으로 이행할 때의 온도 변동이 작아진다고 하는 관점에서, 성막 공정의 설정 온도와 동일한 것이 바람직하다.
이어서, 성막 공정에 있어서 ALD법에 의해, 처리 용기(10) 내에 수용된 기판(W) 상에 실리콘 질화막을 형성한다. 실시형태에서는, 가스 공급관(50a)으로부터의 실리콘 함유 가스, 가스 공급관(50c)으로부터의 불활성 가스, 가스 공급관(50b)으로부터의 질화 가스 및 가스 공급관(50c)으로부터의 불활성 가스를 이 순서로 간헐적으로 공급한다. 이에 따라, 처음의 실리콘 함유 가스를 공급하는 단계에서 기판(W) 상에 실리콘 함유 가스가 흡착되고(흡착 단계), 다음 불활성 가스를 공급하는 단계에서 여분의 실리콘 함유 가스가 퍼지된다. 그리고, 다음 질화 가스를 공급하는 단계에서 공급된 질화 가스를 실리콘 함유 가스와 반응시키고(질화 단계), 다음 불활성 가스를 공급하는 단계에 의해 여분의 질화 가스가 퍼지되며, 거의 단분자층인 얇은 단위막이 형성된다. 이 일련의 사이클을 미리 정해진 횟수 행하여, 원하는 막두께의 실리콘 질화막을 형성한다. 제어부(100)는, 처리 용기(10) 내의 온도가 미리 레시피 등으로 정해진 설정 온도(예를 들면, 300 ~ 700 ℃)로 유지되도록, 온도 센서(80a ~ 80e)의 검출치에 기초하여, 히터(70a ~ 70e)의 출력을 제어한다.
[막두께의 면내 균일성]
다음에, 기판에 성막된 막의 면내 균일성에 대해서, 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 막두께의 면내 균일성에 대한 과제를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서는 웨이퍼 보트(16)를 눕힌 상태가 도시되어 있다. 웨이퍼 보트(16)의 상단이 왼쪽에, 웨이퍼 보트(16)의 하단이 오른쪽에 그려진다. 도 3은 웨이퍼 보트(16) 내의 복수 개의 슬롯 중 복수 개의 제품 기판(Production)이 배치되는 높이의 범위를 A로 나타낸다. 양단(상단, 하단)에는 더미 기판(Dummy)이 배치되어 있다.
처리 용기(10) 내의 복수 개의 제품 기판이 배치되는 웨이퍼 보트(16) 내의 공간(A)에서, 예를 들면, 가스 공급관에서는, 제품 기판의 중심축과 가스 공급관의 중심축을 연결하는 가상선과 동일한 방향으로 개구되는 가스 구멍이 세로 방향으로 하나씩 나란히 배치되어 있다. 가스 공급관(50a ~ 50c)으로부터 가스를 공급할 때, 바닥으로부터 순서대로 정상 쪽으로 가스가 공급된다. 이 때문에, 바닥에 위치하는 가스 구멍으로부터 공급되는 가스의 유량이 가장 많아지고, 정상에 가까워질수록 가스 구멍으로부터 공급되는 가스의 유량은 적어진다. 도 3의 그래프는, 가로축이 웨이퍼 보트(16)의 기판(제품 기판 및 더미 기판을 포함함)이 거치되는 슬롯 번호이며, 세로축이 각 기판에 형성된 막의 면내 균일성을 백분율로 나타낸 것을 도시한다. 막의 면내 균일성의 값이 클수록 균일성이 높은 것을 나타낸다. 이에 따르면, 웨이퍼 보트(16) 내의 공간(A)에서는, 바닥쪽이 정상쪽보다 공급되는 가스의 유량이 많기 때문에 막 두께가 두꺼워짐으로써, 면내 균일성이 높아졌다. 이에 따라, 바닥에서부터 정상까지의 영역에서 생성된 막의 면내 균일성에 B에 도시된 바와 같은 차이가 생겼다. 도 3의 그래프에서는 가스 공급관으로부터 Si 가스를 흘려보낸 결과이다. 또한, 막 면내 분포는, 바닥에서부터 정상에 걸쳐 어느 슬롯에서 기판에 형성된 막에 있어서도, 중심이 두껍고, 주변이 얇았다.
[가스 구멍의 위치와 각도]
본 실시형태에 따른 가스 공급관 (50)에서는 가스 구멍(51)에 소정 각도를 부여하여 배치한다. 가스 구멍의 위치와 각도에 대해 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 실시형태에 따른 각종 가스 구멍의 위치와 각도의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4에서는, 가스 공급관(50)에 형성되는 가스 구멍으로 사용할 수 있는 구멍의 타입을 예시한다. 구멍 타입 (a) 내지 (d)의 가스 구멍(51)의 개구의 각도는, 복수 개의 제품 기판의 각각의 중심을 통과하는 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)에 대해, 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)으로부터 0°, 30°, 60°, 90°이다.
도 4의 (a)의 가스 구멍 타입 1은 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)과 동일한 방향으로 개구되는 가스 구멍(51)이다. 가스 구멍 타입 1의 가스 구멍(51)에서는, 가스 공급관(50)으로부터 제품 기판(W)의 중심을 향하여 가스를 일직선으로 공급할 수 있다.
도 4의 (b)의 가스 구멍 타입 2는, 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)에 대하여, 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)으로부터 동일한 각도 30°로 동일한 높이로 개구되는 2 개의 가스 구멍(51)이다.
도 4의 (c)의 가스 구멍 타입 3은, 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)에 대하여, 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)으로부터 동일한 각도 60°로 동일한 높이로 개구되는 2 개의 가스 구멍(51)이다.
도 4의 (d)의 가스 구멍 타입 4는, 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)에 대하여, 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)으로부터 동일한 각도 90°로 동일한 높이로 개구되는 2 개의 가스 구멍(51)이다. 가스 구멍 타입 2 ~ 4의 가스 구멍(51)에서는, 제품 기판(W)의 중심에 대하여 상기의 각 각도로 양쪽으로 가스가 공급된다.
가스 구멍 타입 2 ~ 4의 가스 구멍(51)은, 복수 개의 제품 기판(W)의 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)으로부터, 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 중심으로 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구되는 복수 개의 제 1 가스 구멍의 일 예이다. 가스 구멍 타입 1의 가스 구멍은, 복수 개의 제품 기판(W)의 중심축 상의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축상의 점(E)을 연결하는 가상선(D)과 동일 방향으로 개구되는 제2 가스 구멍의 일 예이다.
본 실시 형태에 따른 가스 공급관(50)에서는, 정상으로부터 바닥을 향해 높이 방향으로 복수 개 배치되는 가스 구멍(51)의 개구 각도(이하, 간단히 "가스 구멍(51)의 각도"라고도 함)를 변경한다. 이에 따라, 바닥으로부터 정상에 걸친 영역에서 생성된 막의 면내 균일성을 균등하게 할 수 있다.
도 5는 실시 형태에 따른 복수 개의 구역과 가스 구멍(51)의 각도의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 5에서는 가스 구멍(51)의 각도를 화살표로 나타내고 있다. 도 5의 예에서는, 복수 개의 제품 기판(W)이 존재하는 높이의 범위(A)에 있어서, 위에서부터 순서대로 "TOP", "TC-1", "TC-2", "CTR", "CB-1", "CB-2", "BTM"의 높이에서 복수 개의 구역으로 분할된다.
"TOP" ~ "TC-1" 영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 복수 개의 제품 기판(W)의 중심축 상의 임의의 점(C)과 가스 공급관(50)의 중심축 상의 임의의 점(E)을 연결하는 선(도 4의 가상선(D))에 대해 점(E)으로부터 ± 22.5°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"TC-1" ~ "TC-2" 영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 25°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"TC-2" ~ "CTR" 영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 25°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"CTR" ~ "CB-1" 영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 27.5°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"CB-1" ~ "CB-2"영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 30°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"CB-2" ~ "BTM"의 영역에 세로 방향으로 배치된 각 높이의 2 개의 가스 구멍(51)은, 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 52.5°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
"BTM" 보다 하부 영역에 세로 방향으로 배치된 2 개의 가스 구멍(51)은 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 55°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다. "TOP" 보다 상부 영역에 세로 방향으로 배치된 2 개의 가스 구멍(51)은 가상선(D)에 대해 점(E)으로부터 ± 22.5°의 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구된다.
이와 같은 가스 공급관(50)에 따르면, "TOP"에서 "BTM"에 걸쳐 가스 공급관(50)의 중심축 상의 점(E)을 중심으로 동일한 각도로 개구되는 가스 구멍(51)의 각도를 서서히 넓게 한다. 이에 따라, 복수 개의 제품 기판(W)이 존재하는 높이의 범위(A)에서 제품 기판(W)에 형성되는 막 두께의 면내 균일성을 균등하게 할 수 있다.
그러나, 도 5에 도시된 가스 구멍 (51)의 각도는 일 예이며, 이에 한정되지 않는다. 또한, 가스 공급관(50)의 각 높이에 위치하는 가스 구멍(51)의 각도를 변경함으로써, 막 면내 분포를 조절해도 된다. 예를 들면, 가스 공급관(50)의 각 높이에 배치된 가스 구멍(51)의 각도를 변경함으로써, 막 면내 분포의 조절이 가능하다. 예를 들면, 가스 구멍(51)의 각도를 변경함으로써, 막 면내 분포를 볼록형(중심의 막 두께가 주변의 막 두께보다 두꺼움), 오목형(중심의 막 두께가 주변의 막 두께보다 얇음), 또는 플랫(flat)형으로 조절할 수 있다.
도 6은 실시 형태에 따른 가스 공급관(50)의 가스 구멍(51)의 각도와 막 면내 분포의 측정 결과의 일 예를 나타내는 그래프이다. 이와 같은 그래프는 실리콘 가스를 공급하고 각 각도의 가스 구멍 (51)을 사용하여 기판의 막 면내 분포를 측정한 결과의 일 예이다.
그래프의 가로축이 가스 구멍 각도(°)이고, 세로축이 면내 균일성을 백분율로 나타낸 것이다. 이에 따르면, 가스 구멍(51)의 각도를 0° ~ 90°까지 변경할 때에, 막 면내 분포가, 기판의 중심이 엣지(edge)보다 두꺼운 볼록형으로부터, 중심이 엣지보다 얇은 오목형으로 점차 변화했다. 또한, 가스 구멍(51)의 각도를 0° ~ 90°까지 변경할 때에, "TOP"에서부터 "BTM"까지의 면내 균일성의 값의 변화의 경향은 대체로 동일하였다. 막의 면내 균일성의 값이 클수록 균일성이 높은 것을 나타낸다.
도 7은 실시형태에 따른 가스 구멍(51)의 각도와 막 면내 분포의 측정 결과의 일 예를 나타내는 표이다. 도 7의 "± 1.5% 볼록형"은, 도 6의 선 P와 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 선의 교점의 각도를 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각각의 가스 구멍(51)의 각도로 나타낸 것이다. 이에 따르면, 면내 균일성이 ± 1.5%인 볼록형 면내 분포로 막 두께를 조절하고 싶은 경우, 도 7의 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에서 동일한 높이로, 표에 나타낸 각도를 갖는 2 세트의 가스 구멍(51)을 배치한 가스 공급관(50)을 제작하여, 성막 장치(1)에 배치한다. 이에 따라, "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에 있어서 면내 균일성이 ± 1.5％인 볼록형 면내 분포의 막을 성막할 수 있다.
마찬가지로, 도 7의 "± 1.0 % 볼록형"은, 도 6의 선 Q와 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 선의 교점의 각도를 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각각의 가스 구멍(51)의 각도로 나타낸 것이다. 이에 따르면, 면내 균일성이 ± 1.0%인 볼록형 면내 분포로 막 두께를 조절하고 싶은 경우, 도 7의 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에서 동일한 높이로, 표에 나타낸 각도를 갖는 2 세트의 가스 구멍(51)을 배치한 가스 공급관(50)을 제작하여, 성막 장치(1)에 배치한다. 이에 따라, "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에 있어서 면내 균일성이 ± 1.0％인 볼록형 면내 분포의 막을 성막할 수 있다.
마찬가지로, 도 7의 "± 1.0% 오목형"은, 도 6의 선 R과 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 선의 교점의 각도를 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각각의 가스 구멍(51)의 각도로 나타낸 것이다. 이에 따르면, 면내 균일성이 ± 1.0%인 오목형 면내 분포로 막 두께를 조절하고 싶은 경우, 도 7의 "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에서 동일한 높이로, 표에 나타낸 각도를 갖는 2 세트의 가스 구멍(51)을 배치한 가스 공급관(50)을 제작하여, 성막 장치(1)에 배치한다. 이에 따라, "TOP"에서부터 "BTM"까지의 각 슬롯에 있어서 면내 균일성이 ± 1.0％인 오목형 면내 분포의 막을 성막할 수 있다.
도 8은 실시형태에 따른 가스 구멍(51)의 각도와 사이클 레이트의 측정 결과의 일 예를 나타내는 그래프이다. 가로축은 (a)가 도 4의 (a)의 가스 구멍 타입 1인 경우, (b)가 도 4 의 (b)의 가스 구멍 타입 2인 경우, (c)가 도 4의 (c)의 가스 구멍 타입 3의 경우, (d)가 도 4의 (d)의 가스 구멍 타입 4인 경우이며, 도 8의 세로축의 사이클 레이트는 성막 속도를 나타낸다.
도 4의 (a)의 가스 구멍 타입 1의 경우, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도 사이클 레이트는 다른 가스 구멍 타입보다도 높다. 또한, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도, 막 면내 분포는 제품 기판의 중심 영역이 엣지 영역보다 두꺼운 볼록형이다.
도 4의 (b)의 가스 구멍 타입 2의 경우, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도 사이클 레이트는 가스 구멍 타입 1보다 약간 낮아진다. 또한, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도, 막 면내 분포는 제품 기판의 중심 영역이 엣지 영역보다 약간 두꺼운 볼록형이다.
도 4의 (c)의 가스 구멍 타입 3의 경우, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도 사이클 레이트가 가스 구멍 타입 1보다 약간 낮아진다. 또한, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도, 막 면내 분포는 제품 기판의 중심 영역과 엣지 영역 사이의 중간 영역이 약간 두꺼운 플랫형이다.
도 4의 (d)의 가스 구멍 타입 4의 경우, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도 사이클 레이트가 가스 구멍 타입 1보다 약간 낮아진다. 또한, "TOP", "CTR", "BTM"의 어느 경우에도, 막 면내 분포는 제품 기판의 엣지 영역이 중심 영역보다 두꺼운 오목형이다.
이와 같이 도 6의 플래그 또는 도 7의 표를 참조하여, 원하는 막 면내 분포로 할 수 있는 가스 공급관(50)을 제작한다. 이 가스 공급관(50)을 이용하여 복수 개의 제품 기판(W)이 존재하는 높이의 범위(A)에서 제품 기판(W)에 형성되는 막 두께의 면내 균일성을 균등하게 하거나, 면내 분포를 조절할 수 있다. 예를 들면, 가스 구멍(51)의 각도를 변경함으로써, 막 면내 분포를 볼록형(중심 영역의 막 두께가 외주 영역의 막 두께보다 두꺼움), 오목형(중심 영역의 막 두께가 외주 영역의 막 두께보다 얇음) 또는 플랫형으로 조절할 수 있다.
예를 들면, 기판(W)에 전자 디바이스가 형성되어 기판(W)의 표면적이 커지면, 가스가 엣지로부터 중앙으로 공급되기 어려워진다. 이 경우, 볼록한 막 면내 분포인 것이 바람직하다. 이 경우, 볼록형의 막 면내 분포로 조절할 수 있는 각도로 개구되는 가스 구멍(51)을 갖는 가스 공급관(50)을 사용한다. 그 이유는, 기판(W)의 표면적이 크기 때문에 기판(W)의 중심에서의 가스의 농도가 떨어지더라도, 원래 중심의 막 두께가 두꺼웠기 때문에, 이러한 가스 공급관(50)을 사용함으로써 막의 면내 균일성을 유지할 수 있다. 예를 들면, 기판(W)을 에칭하는 경우, 기판(W)의 엣지측이 중심측보다도 깎이기 쉬운 경향이 있기 때문에, 오목형 막 면내 분포가 바람직하다. 이 경우, 오목형 막 면내 분포로 조절할 수 있는 각도로 개구되는 가스 구멍(51)을 갖는 가스 공급관(50)을 사용한다.
［변형예］
도 9는 실시형태에 따른 복수 개의 가스 공급관(50)의 배치 예시를 나타내는 도면이다. 도 9에서는, 실시형태에 따른 막 면내 분포를 볼록형(예를 들면, 면내 균일성 ± 1.0% 볼록형, ± 1.5% 볼록형)으로 조절하는 가스 공급관(58, 59) 및 막 면내 분포를 오목형(예를 들어, 면내 균일성 ± 1.0% 오목형)으로 조절하는 가스 공급관(57)이 처리 용기(10) 내에 배치된다. 가스 공급관(57 ~ 59) 각각은 가스 공급 라인을 통해 가스 공급원 (53)에 접속되어 있다. 가스 공급관(57 ~ 59) 각각은 가스 공급 라인에 구비된 각 밸브(V1, V2, V3)의 온/오프에 따라 가스 공급관(57 ~ 59) 중 어느 하나로부터 가스를 처리 용기 (10) 내로 공급한다. 이에 따라, 프로세스의 종류나 조건에 맞추어 기판(W)에 성막하는 막 두께의 면내 분포를, 소정 값의 면내 균일성을 갖는 볼록형 또는 오목형으로 조절할 수 있다. 이에 따라, 프로세스에 의해 그때마다 가스 구멍(51)의 각도를 변경하지 않더라도 밸브의 스위칭에 의해 막 면내 분포를 제어할 수 있다.
[가스 종류, 프로세스에 따른 가스 공급관]
복수 개의 제품 기판 각각에 형성해야 할 막 면내 분포에 따라 설정되는 각도로서, 각 가스 종류별로 설정되는 각도를 갖는 복수 개의 가스 구멍(51)이 형성된 가스 공급관(50)이 복수의 가스 종류에 대응하여 처리 용기(10)내에 복수 개 배치되어도 좋다. 이 경우, 복수의 가스 종류에 따라 사용되는 가스 공급관(50)을 스위칭하는 스위칭부를 갖는다. 밸브(V1, V2, V3)는, 복수 개의 가스 공급관(50)으로부터 제품 기판(W)에 사용되는 가스에 따라 사용되는 가스 공급관(50)을 스위칭하는 스위칭부의 일 예이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 제품 기판(W)(production)에 따라 배치된 가스 공급관(50)의 가스 구멍(51)의 각도를 각 슬롯에서 변경함으로써, 상이한 제품을 동시에 처리할 수 있는 경우가 있다. 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼 보트(16) 내의 복수 개의 제품 기판(W)이 존재하는 높이의 범위(A)의 상반부가 가스 구멍 타입 a인 가스 구멍(51), 하반부가 가스 구멍 타입 b인 가스 구멍 51인 가스 공급관(50)이 처리 용기(10) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라, 상반부의 가스 구멍 타입 a인 가스 구멍(51)에서는 하나의 프로세스에 따른 처리를 실행하고, 하반부의 가스 구멍 타입 b인 가스 구멍(51)에서는 다른 프로세스에 따른 처리를 실행할 수 있다. 이에 따라, 유지보수를 행하지 않고도 다양한 제품 기판(W)의 처리를 한번에 행할 수 있다.
또한, 동일한 높이에 배치된 가스 구멍의 수는 2개에 한정되지 않으며, 3개 이상으로 해도 된다. 가스 공급관(50)은, 석영뿐만 아니라, SiO2, SiC, 금속 부재 및 스테인리스(SUS) 등의 다른 부재에서도 마찬가지로 복수 개의 가스 구멍(51)을 형성할 수 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 성막 방법의 일 예로서 ALD법을 설명했지만, 이에 한정되지 않으며, 예를 들면 화학 기상 퇴적(CVD : Chemical Vapor Deposition)법에 있어서도 마찬가지로 적용될 수 있다. 또한, 성막 공정에 한정되지 않고, 클리닝 가스를 공급하여 CVD법에 의해 처리 용기(10) 내를 클리닝하는 처리에도 적용될 수 있다. 예를 들면, 각도가 다른 가스 구멍으로부터 클리닝 가스를 공급함으로써, 가스 공급관(50a, 50b, 50c) 뒷면의 클리닝이나, BTM부의 중점적인 가스 공급 등에 적용될 수 있다. 나아가, 에칭 가스를 공급하여 CVD 법에 의해 처리 용기(10) 내를 에칭하는 처리에도 적용될 수 있다. 원료 가스 및 반응 가스에 의한 성막뿐만 아니라, 원료 가스만으로 폴리실리콘막을 성막하는 등 형성하는 막의 종류는 한정되지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 성막 장치에 의하면, 막 면내 분포의 제어성을 높일 수 있다.
이번에 개시된 실시형태에 관한 성막 장치는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니다. 실시형태는 첨부의 청구범위 및 그 취지를 일탈하지 않으면서 다양한 형태로 변형 및 개선될 수 있다. 상기 복수 개의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성을 취할 수 있으며, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합될 수 있다.
본원은 일본 특허청에 2021년 6월 29일에 출원된 특허출원 2021-107391호에 기초하는 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체 내용을 참조로써 여기에 원용한다.

Claims (9)

  1. 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 연장되어 배치되고, 복수 개의 가스 구멍을 갖는 가스 공급관과,
    상기 처리 용기 내에 연직 방향으로 복수 개의 제품 기판을 포함하는 기판을 수용하도록 구성된 보트를 포함하고,
    상기 복수 개의 가스 구멍으로부터 공급되는 가스에 의해 상기 복수 개의 가스 구멍의 각각에 대응하는 상기 기판의 각각에 막을 형성하는 성막 장치로서,
    상기 복수 개의 가스 구멍 중 상기 복수 개의 제품 기판이 존재하는 높이의 범위에 대응하여 배치된 복수 개의 가스 구멍은, 상기 복수 개의 제품 기판 각각의 중심을 통과하는 중심축과 상기 가스 공급관의 중심축을 연결하는 가상선에 대해 상기 가스 공급관의 중심축 상의 점으로부터 동일한 각도 및 동일한 높이로 개구되는 복수 개의 제 1 가스 구멍을 포함하는 것인 성막 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍의 각도는 상기 처리 용기의 높이에 따라 설정되는 것인 성막 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍의 각도는 상기 복수 개의 제 1 가스 구멍에 대응하는 상기 복수 개의 제품 기판의 각각에 형성해야 할 막의 면내 분포에 따라 설정되는 것인 성막 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍의 각도는, 상기 복수 개의 제품 기판이 존재하는 높이의 범위를 복수 개의 구역으로 나눴을 때에 상기 복수 개의 제품 기판의 각각에 형성해야 할 막의 면내 분포에 따른 각도가 구역 별로 설정되는 것인 성막 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍의 각도는 막의 형성에 사용할 가스 종류 별로 설정되는 것인 성막 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍은 동일 높이의 2 개의 상기 개구를 하나의 세트로 하여 구비되는 것인 성막 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제 1 가스 구멍은 서로 다른 높이의 복수 개의 세트가 구비되는 것인 성막 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제품 기판이 존재하는 높이의 범위에 배치된 상기 복수 개의 가스 구멍은, 상기 복수 개의 제품 기판의 중심축과 상기 가스 공급관의 중심축을 연결하는 가상선과 동일한 방향으로 개구되는 제 2 가스 구멍을 포함하는 것인 성막 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제품 기판 각각에 형성해야 할 막의 면내 분포에 따라 설정되는 각도이면서 또한 가스 종류 별로 설정되는 각도를 갖는 상기 복수 개의 제 1 가스 구멍이 형성된 상기 가스 공급관이, 복수 개의 가스 종류에 대응하여 상기 처리 용기 내에 복수 개 배치되고,
    복수 개의 상기 가스 공급관으로부터 공급되는 가스 종류에 따라, 사용할 상기 가스 공급관을 스위칭하는 스위칭부를 더 포함하는 성막 장치.
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