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KR20150112804A - 가스 공급 기구 및 가스 공급 방법, 및 그것을 사용한 성막 장치 및 성막 방법 - Google Patents

가스 공급 기구 및 가스 공급 방법, 및 그것을 사용한 성막 장치 및 성막 방법 Download PDF

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KR20150112804A
KR20150112804A KR1020150035985A KR20150035985A KR20150112804A KR 20150112804 A KR20150112804 A KR 20150112804A KR 1020150035985 A KR1020150035985 A KR 1020150035985A KR 20150035985 A KR20150035985 A KR 20150035985A KR 20150112804 A KR20150112804 A KR 20150112804A
Authority
KR
South Korea
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raw material
gas
gas supply
supply pipe
flow rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
KR1020150035985A
Other languages
English (en)
Inventor
마사유키 모로이
하지메 야마나카
야스시 아이바
다카노부 홋타
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 filed Critical 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Publication of KR20150112804A publication Critical patent/KR20150112804A/ko
Ceased legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02225—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer
    • H01L21/0226—Forming insulating materials on a substrate characterised by the process for the formation of the insulating layer formation by a deposition process
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Abstract

액체 원료 또는 고체 원료로부터 생성된 원료 가스를 단시간이면서 또한 대유량으로 공급하고, 또한 원료의 낭비를 피한다. 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 수용하는 원료 용기(1)와, 원료 용기(1)에 있어서 원료를 가열하는 히터(2)와, 원료 용기(1) 내에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관(3)과, 캐리어 가스의 유량을 제어하는 매스 플로우 컨트롤러(4)와, 원료 가스를 챔버(10)에 공급하는 원료 가스 공급 배관(5)과, 원료 가스 공급 배관(5)의 챔버(10) 근방에 설치된 원료 가스 공급·차단 밸브(6)와, 매스 플로우 컨트롤러(4)를 제어하고, 또한 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄한 상태에서, 캐리어 가스를 흘림으로써, 원료 용기(1) 및 원료 가스 공급 배관(5)을 고압 상태로 한 후, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방하도록 제어하는 가스 공급 컨트롤러(8)를 구비한다.

Description

가스 공급 기구 및 가스 공급 방법, 및 그것을 사용한 성막 장치 및 성막 방법{GAS SUPPLY MECHANISM, GAS SUPPLYING METHOD, FILM FORMING APPARATUS AND FILM FORMING METHOD USING THE SAME}
본 발명은, 원자층 퇴적(Atomic Layer Deposition; ALD)법 등과 같은, 원료 가스를 간헐적으로 챔버에 공급하는 용도에 사용되는 가스 공급 기구 및 가스 공급 방법, 및 그것을 사용한 성막 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 디바이스의 미세화가 진행되어, 성막 공정에서는, 성막 온도가 낮고, 스텝 커버리지가 양호한 ALD법이 주목받고 있다.
ALD법에 의해 성막하는 경우, 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하, 간단히 웨이퍼라 기재함)를 수용한 챔버에 복수종의 원료 가스를 교대로 공급한다. 이 가스 공급 시에, 성막 원료로서 증기압이 낮은 액체 원료나 고체 원료를 사용하는 경우에는, 용기 내에 수용한 원료를 캐리어 가스로 버블링하여 챔버에 공급하는 방법이 알려져 있다. 또한, 액체 원료를 기화기에 의해 기화시켜서, 캐리어 가스에 의해 챔버에 공급하는 방법도 알려져 있다(예를 들어 특허문헌 1의 배경기술에 기재). 또한, 특허문헌 1에는, 액체 원료를 용기 내에서 증발시켜서, 자동 압력 조정기로 원료 가스의 공급압을 원하는 압력으로 제어하면서, 설정 유량의 원료 가스를 챔버에 공급함으로써, 캐리어 가스를 사용하지 않고, 원하는 유량을 공급하는 기술이 나타나 있다.
일본 특허 공개 제2013-19003호 공보
그런데, ALD법의 경우, 단시간에 원료 가스를 온·오프하고, 또한 원료 가스를 대유량으로 공급 할 필요가 있다. 그러나, 저증기압의 액체 원료나 고체 원료를 상기 방식으로 공급하는 경우에는, 이하와 같은 문제가 있다.
즉, 캐리어 가스로 버블링하여 원료 가스를 공급하는 방식의 경우, 종래에는, 버블링하기 위한 용기로부터 송출되는 원료 가스를 개폐 밸브로 온·오프하는데, 단시간의 온·오프로 대유량의 원료 가스를 공급하는 것은 곤란하다. 또한, 캐리어 가스를 사용하지 않고 자동 압력 제어기로 원료 가스의 공급압을 제어하는 경우도, 단시간의 온·오프로 대유량의 원료 가스를 공급하는 것은 곤란하다. 또한, 기화기에 의해 기화된 원료 가스를 캐리어 가스에 의해 공급하는 방식의 경우에는, 기화기의 후단측의 2차 압력이 높으면 원료를 기화할 수 없기 때문에, 챔버에 원료 가스를 유도하는 가스 공급 배관에 설치된 개폐 밸브와, 기화기로부터 배기 라인에 바이패스하는 바이패스 배관에 설치된 개폐 밸브를 교대로 온·오프함으로써 원료 가스를 온·오프하는데, 그때에 기화기 내의 압력 변동을 수반하기 때문에, 최대한의 기화 분압까지 압력을 올릴 수 없어, 가스 공급량에 자연히 한계가 있다. 또한, 원료 가스를 챔버 내에 공급하고 있지 않은 기간은, 원료 가스를 폐기하게 되어, 원료가 낭비되어버린다.
본 발명은 액체 원료 또는 고체 원료로부터 원료 가스를 생성하여 챔버에 공급할 때에 단시간에 대유량의 원료 가스를 공급하는 것이 가능하고, 또한 원료의 낭비를 피할 수 있는 가스 공급 기구 및 가스 공급 방법, 및 그것을 사용한 성막 장치 및 성막 방법을 제공한다.
본 발명의 제1 관점은, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 얻어진 원료 가스를, 피처리체에 대하여 성막 처리를 행하는 챔버에 공급하는 가스 공급 기구이며, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 수용하는 원료 용기와, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시키는 히터와, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관과, 상기 캐리어 가스 공급 배관에서의 캐리어 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 원료 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 상기 챔버에 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에 설치되고, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위하여 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브와, 상기 유량 제어기에 의한 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 가스 공급 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 기구를 제공한다.
상기 본 발명의 제1 관점에서, 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 제어함과 함께, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관에 설치된 압력계를 더 구비하는 구성이어도 된다. 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값을 모니터하고, 그 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어해도 된다. 또한, 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다.
또한, 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개폐하여 상기 원료 가스를 간헐적으로 공급하도록 제어하는 구성이어도 된다.
또한, 상기 원료 가스 공급 배관은 상기 원료 용기에 삽입되어 있고, 상기 원료 가스 공급 배관의 상기 원료 용기 내의 선단 부분을 덮는 트랩 기구와, 상기 트랩 기구를 가열하는 히터를 더 구비하는 구성이어도 된다.
본 발명의 제2 관점은, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 원료 용기 내에 수용시키고, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시켜, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스 공급 배관을 통해 캐리어 가스를 공급하고, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 원료 가스를, 상기 캐리어 가스와 함께, 원료 가스 공급 배관을 통해 피처리체에 대하여 성막 처리를 행하는 챔버에 공급하는 가스 공급 방법이며, 상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위하여 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브를 설치하여, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하는 것을 특징으로 하는 가스 공급 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 제2 관점에서, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 흘리고, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하여, 그 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 해도 된다. 또한, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하고, 그 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다.
또한, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개폐하여 상기 원료 가스를 간헐적으로 공급하도록 해도 된다.
본 발명의 제3 관점은, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 생성한 원료 가스인 제1 가스와, 환원 가스인 제2 가스를 교대로 공급하여 이들을 반응시키는 원자층 퇴적법에 의해 피처리체 위에 소정의 막을 성막하는 성막 장치이며, 피처리체를 수용하는 챔버와, 상기 챔버 내에 원료 가스인 상기 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내에 환원 가스인 상기 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급 기구와, 상기 챔버를 배기하는 배기 기구와, 상기 제1 가스 공급 기구 및 상기 제2 가스 공급 기구가, 상기 제1 가스와, 상기 제2 가스를 교대로 공급하도록 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제1 가스 공급 기구는, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 수용하는 원료 용기와, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시키는 히터와, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관과, 상기 캐리어 가스 공급 배관에서의 캐리어 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 원료 가스인 상기 제1 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 상기 챔버에 공급하는 원료 가스 공급 배관과, 상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에 설치되고, 성막 처리 시에 원료 가스인 상기 제1 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위하여 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브와, 상기 유량 제어기에 의한 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 가스 공급 컨트롤러를 갖는 것을 특징으로 하는 성막 장치를 제공한다.
상기 제3 관점에서, 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 제어함과 함께, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관에 설치된 압력계를 더 갖는 구성으로 할 수 있다. 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값을 모니터하고, 그 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어해도 된다. 또한, 상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다.
본 발명의 제4 관점은, 피처리체를 수용한 챔버에, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 생성한 원료 가스인 제1 가스를 공급하는 공정과, 상기 챔버에 환원 가스인 제2 가스를 공급하는 공정을 교대로 행함으로써, 원자층 퇴적법에 의해 피처리체 위에 소정의 막을 성막하는 성막 방법이며, 상기 제1 가스를 공급하는 공정은, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 원료 용기 내에 수용시키고, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시켜, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스 공급 배관을 통해 캐리어 가스를 공급하고, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 원료 가스인 상기 제1 가스를, 상기 캐리어 가스와 함께 원료 가스 공급 배관을 통해 상기 챔버에 공급함으로써 행해지고, 상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위하여 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브를 설치하여, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하여 상기 제1 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 성막 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 제4 관점에서, 상기 제1 가스를 공급하는 공정은, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 흘리고, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 할 수 있다. 또한, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하고, 그 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하여, 상기 제1 가스를 공급하는 공정을 중지하도록 해도 된다. 또한, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하고, 그 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다.
본 발명의 제5 관점은, 컴퓨터상에서 동작하고, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체이며, 상기 프로그램은, 실행 시에, 상기 제4 관점의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 것을 특징으로 하는 기억 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 원료 가스 공급·차단 밸브가 폐쇄되었을 때에 원료 용기 내 및 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 할 수 있고, 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방함으로써, 높은 압력으로 원료 가스를 챔버 내에 도입할 수 있다. 또한, 원료 가스 공급 시에 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방함으로써, 원료 용기 내 및 원료 가스 공급 배관 내의 압력이 저하되지만, 원료 가스 공급·차단 밸브가 폐쇄되면 다시 단시간에 압력이 상승한다. 이 때문에, 간헐적인 원료 가스 공급 시의 단시간의 원료 가스 공급 시에도, 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방한 시점에서 높은 압력으로 대유량의 원료 가스를 챔버 내에 도입할 수 있다. 또한, 원료 가스를 배기 라인에 바이패스할 필요가 없기 때문에, 원료의 낭비를 피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 공급 기구를 도시하는 개략도이다.
도 2는 가스 공급 기구의 다른 예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 공급 기구를 갖는 성막 장치를 도시하는 단면도이다.
도 4는 도 3의 성막 장치에서의 성막 레시피를 도시하는 도면이다.
도 5는 ALD 성막 시의 원료 가스 공급 배관의 압력 변동을 도시하는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 구체적으로 설명한다.
<가스 공급 기구>
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 공급 기구를 도시하는 개략도이다. 본 실시 형태의 가스 공급 기구는, 증기압이 낮은 고체 상태나 액체 상태의 성막 원료를 원료 가스로 하여 캐리어 가스에 의해 성막 장치의 챔버에 간헐적으로 공급하는 것이며, ALD 성막 처리에 적합한 것이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 가스 공급 기구(100)는, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료(S)를 수용하는 원료 용기(1)와, 원료 용기(1)를 가열하여 원료를 승화 또는 기화시키는 히터(2)와, 원료 용기(1)의 상방으로부터 그 안에 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 공급 배관(3)과, 캐리어 가스 공급 배관(3)에 설치된 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(4)와, 원료 용기(1) 내에서 발생한 원료 가스를 캐리어 가스와 함께, 챔버(10)에 공급하는 원료 가스 공급 배관(5)과, 원료 가스 공급 배관(5)의 챔버(10) 근방 위치에 설치되어, 성막 처리 시에 원료 가스를 챔버(10)에 공급 및 차단하기 위하여 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브(6)와, 원료 가스 공급 배관(5) 내의 가스 압력을 검출하는 압력 게이지(7)와, 매스 플로우 컨트롤러(4) 및 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 제어하는 가스 공급 컨트롤러(8)를 갖고 있다.
캐리어 가스 공급 배관(3)의 원료 용기(1) 근방 위치에는 개폐 밸브(11)가 설치되어 있고, 원료 가스 공급 배관(5)의 원료 용기(1) 근방 위치에는 개폐 밸브(12)가 설치되어 있으며, 이것들은 성막 처리를 행하고 있을 때에는 개방된 상태가 된다. 또한, 원료 가스 공급 배관(5)의 주위에는 원료 가스의 응축 방지를 위한 히터(13)가 설치되어 있다.
또한, 캐리어 가스 공급 배관(3)의 매스 플로우 컨트롤러(4)의 전후에는 개폐 밸브(14)가 설치되어 있다. 또한, 가스 공급 컨트롤러(8)는, 원료 가스 공급·차단 밸브(6) 이외의 밸브(개폐 밸브(11, 12, 14) 등)의 개폐도 제어한다.
이렇게 구성되는 가스 공급 기구(100)에 있어서, 원료 가스를 공급할 때에는, 개폐 밸브(11, 12) 및 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄한 상태에서, 히터(2)에 의해 원료 용기(1) 내의 원료를 임의의 온도(예를 들어 80 내지 300℃)로 가열하여 원료(S)를 승화 또는 기화시킨다. 계속해서, 개폐 밸브(11, 12)를 개방함과 함께, 가스 공급 컨트롤러(8)로부터의 지령에 기초해서 개폐 밸브(14)를 열어, 매스 플로우 컨트롤러(4)에 의해 유량 제어하여 캐리어 가스 공급 배관(3)을 통해 원료 용기(1) 내에 캐리어 가스를 임의의 유량으로 흘려서 버블링하여, 원료 용기(1) 내에서 원료를 승화 또는 기화시켜서 원료 가스를 생성시킨다. 그리고, 원료 가스가 캐리어 가스와 함께 원료 가스 공급 배관(5)에 공급되어, 원료 용기(1) 및 원료 가스 공급 배관(5)이 고압 상태가 된다. 이 상태에서 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방하여, 챔버(10) 내에 원료 가스를 공급하는 조작을 행한다. 이 조작과, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄하여, 원료 가스의 공급을 차단하는 조작을 임의의 주기로 행하여, 챔버(10)에 원료 가스를 간헐적으로 공급한다. 이때의 구체적인 제어로서는, 예를 들어, 가스 공급 컨트롤러(8)가 캐리어 가스의 유량을 소정 유량으로 제어하고, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후에 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방하여, 챔버(10) 내에 원료 가스를 공급하는 조작을 행하도록 제어하고, 상술한 바와 같이 원료 가스를 공급하는 조작과 공급을 차단하는 조작을 임의의 주기로 행하는 제어를 들 수 있다. 이때의 원료 가스의 공급 주기는, 예를 들어 0.01 내지 10sec 정도이다. 원료 가스 공급 배관(5)의 압력은 압력 게이지(7)로 검출할 수 있다. 그리고, 가스 공급 컨트롤러(8)는, 압력 게이지(7)에 의해 원료 가스 공급 배관(5)의 압력을 모니터하여, 압력 게이지(7)의 검출값이 미리 설정된 설정값을 초과한 경우에, 개폐 밸브(11)를 폐쇄하여 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어할 수 있다. 또한, 가스 공급 컨트롤러(8)는, 원료 가스 공급 배관(5)의 압력을 소정의 설정값으로 설정해 두고, 압력 게이지(7)의 검출값과 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 매스 플로우 컨트롤러(4)에 제어 지령을 내려 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다. 이때의 제어는, 고정밀도의 제어를 행하는 관점에서 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어가 바람직하다. 또한, 압력 게이지를 원료 용기(1)에 설치하여 원료 용기(1) 내의 압력을 검출해도 된다.
이와 같이, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)가 폐쇄될 때에 원료 용기(1) 내 및 원료 가스 공급 배관(5) 내가 고압 상태로 되어 있어, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방함으로써, 높은 압력으로 원료 가스를 챔버(10) 내에 도입할 수 있다. 또한, 원료 가스 공급 시에 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방함으로써, 원료 용기(1) 내 및 원료 가스 공급 배관(5) 내의 압력이 저하되지만, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)가 폐쇄되면 다시 단시간에 압력이 상승한다. 이 때문에, 간헐적인 원료 가스 공급 시에도, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방한 시점에서 높은 압력으로 대유량의 원료 가스를 챔버(10) 내에 도입할 수 있다. 이때, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄했을 때, 개방했을 때에, 각각 소정의 압력이 되도록 매스 플로우 컨트롤러(4)를 제어해도 된다.
이때의 원료 가스의 압력은 임의이며, 원료의 가열 온도에 있어서 최대한의 증기압, 즉 포화 증기압까지 상승시킬 수 있고, 이에 의해 원료 가스의 유량을 최대한으로 할 수 있다. 또한, 기화기를 사용하여 원료 가스를 기화시켜서 공급하는 경우와 같이, 원료 가스를 챔버에 공급하고 있지 않을 때에 원료 가스를 폐기할 필요가 없으므로 원료가 낭비되지 않는다.
본 실시 형태와 같은, 버블링 방식으로 고체 원료 또는 액체 원료를 공급하는 가스 공급 기구는 종래부터 존재하고 있었지만, 종래에는 원료 용기를 단순한 버블러로서 사용하고 있어, 원료 용기와 원료 가스 공급 배관의 압력을 증대시켜서 원료 가스를 챔버에 공급한다는 발상은 존재하지 않았고, ALD법으로 성막할 때에 있어서의 간헐적인 원료 가스 공급은, 기본적으로 원료 용기로부터 송출되는 원료 가스의 온·오프에 따라 행해지고 있었다. 그러나, 이 경우에는, 원료 가스를 대유량으로 챔버에 공급하기 위해서는, 원료의 가열 온도를 고온으로 하거나 또는 저압으로 할 필요가 있는데, 원료의 화학적 구조를 유지하는 관점 및 장치의 보전 관점에서 가열 온도에는 자연히 상한이 있고, 또한 저압 조건에서는, 간헐적인 원료 가스 공급과 같은 단시간의 가스 공급에서는 대유량으로 하는 것이 곤란하다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 성막 처리 시에, 캐리어 가스를 원료 용기(1) 내에 소정 유량으로 계속해서 흘려서, 원료 용기(1) 내와 원료 가스 공급 배관(5) 내의 압력을 고압으로 유지하고, 원료 가스 공급 배관(5)의 챔버(10) 근방 위치에 설치된 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개폐하는, 종래와는 완전히 다른 발상으로 원료 가스를 공급하므로, 간헐적인 원료 가스 공급과 같은 경우에도, 단시간에 대유량의 원료 가스를 챔버(10) 내에 공급할 수 있다.
이어서, 가스 공급 기구의 다른 예에 대하여 설명한다. 도 2는 가스 공급 기구의 다른 예를 나타내는 개략 구성도이다. 본 예에서는, 원료 용기(1) 중에, 상방으로부터 삽입된 원료 가스 공급 배관(5)의 선단 부분을 덮는 트랩 기구(필터)(15)를 갖고 있다. 또한, 트랩 기구(15)에는 히터(16)가 설치되어 있다.
트랩 기구(15)를 설치함으로써, 원료(S)가 분체(粉體)인 경우에는, 캐리어 가스에 의해 날아오른 분체 그 자체를 트랩할 수 있고, 원료(S)가 액체인 경우에는, 비산된 미스트를 트랩할 수 있다. 또한, 히터(16)에 의해, 트랩 기구(15)에 부착된 분체나 미스트를 승화 또는 기화시킬 수 있어, 트랩 기구(15)의 눈막힘(clogging)을 방지할 수 있다.
<성막 장치>
이어서, 상기 가스 공급 기구를 적용한 성막 장치에 대하여 설명한다.
여기에서는, 고체 원료인 WCl6을 원료(S)로서 사용하고, 환원 가스로서 H2 가스를 사용하여, 피처리체인 웨이퍼(W)에 텅스텐막을 성막하는 성막 장치를 예로 들어서 설명한다.
도 3은, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 가스 공급 기구를 갖는 성막 장치를 도시하는 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 성막 장치(200)는 기밀하게 구성된 대략 원통 형상의 챔버(21)를 갖고 있으며, 그 안에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 서셉터(22)가 후술하는 배기실의 저부로부터 그 중앙 하부에 달하는 원통 형상의 지지 부재(23)에 의해 지지된 상태로 배치되어 있다. 이 서셉터(22)는, 예를 들어 AlN 등의 세라믹스로 이루어져 있다. 또한, 서셉터(22)에는 히터(25)가 매립되어 있고, 이 히터(25)에는 히터 전원(26)이 접속되어 있다. 한편, 서셉터(22)의 상면 근방에는 열전쌍(27)가 설치되어 있고, 열전쌍(27)의 신호는 히터 컨트롤러(28)에 전송되도록 되어 있다. 그리고, 히터 컨트롤러(28)는, 열전쌍(27)의 신호에 따라서 히터 전원(26)에 지령을 송신하여, 히터(25)의 가열을 제어하여 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 제어하도록 되어 있다. 또한, 서셉터(22)에는 3개의 웨이퍼 승강 핀(도시하지 않음)이 서셉터(22)의 표면에 대하여 돌출 및 함몰 가능하게 설치되어 있어, 웨이퍼(W)를 반송할 때에, 서셉터(22)의 표면으로부터 돌출된 상태가 된다. 또한, 서셉터(22)는, 승강 기구(도시하지 않음)에 의해 승강 가능하게 되어 있다.
챔버(21)의 천장벽(21a)에는, 원형의 구멍(21b)이 형성되어 있고, 그곳으로부터 챔버(21) 내에 돌출되도록 샤워 헤드(30)가 감입되어 있다. 샤워 헤드(30)는, 원료 가스인 WCl6 가스와, 환원 가스인 H2 가스와, 퍼지 가스를 챔버(21) 내에 토출하기 위한 것이고, 그 상부에는, WCl6 가스 및 퍼지 가스로서 N2 가스를 도입하는 제1 도입로(31)와, 환원 가스로서의 H2 가스 및 퍼지 가스로서 N2 가스를 도입하는 제2 도입로(32)를 갖고 있다.
샤워 헤드(30)의 내부에는 상하 2단으로 공간(33, 34)이 형성되어 있다. 상측의 공간(33)에는 제1 도입로(31)가 연결되어 있어, 이 공간(33)으로부터 제1 가스 토출로(35)가 샤워 헤드(30)의 저면까지 연장되어 있다. 하측의 공간(34)에는 제2 도입로(32)가 연결되어 있어, 이 공간(34)으로부터 제2 가스 토출로(36)가 샤워 헤드(30)의 저면까지 연장되어 있다. 즉, 샤워 헤드(30)는, 성막 원료 가스로서의 WCl6 가스와 환원 가스인 H2 가스가 각각 독립하여 가스 토출로(35, 36)로부터 토출되도록 되어 있다.
챔버(21)의 저벽에는, 하방을 향해 돌출된 배기실(41)이 설치되어 있다. 배기실(41)의 측면에는 배기관(42)이 접속되어 있고, 이 배기관(42)에는 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 장치(43)가 접속되어 있다. 그리고 이 배기 장치(43)를 작동시킴으로써 챔버(21) 내를 소정의 감압 상태로 하는 것이 가능하게 되어 있다.
챔버(21)의 측벽에는, 웨이퍼(W)의 반출입을 행하기 위한 반출입구(44)와, 이 반출입구(44)를 개폐하는 게이트 밸브(45)가 설치되어 있다. 또한, 챔버(21)의 벽부에는, 히터(46)가 설치되어 있고, 성막 처리 시에 챔버(21)의 내벽 온도를 제어 가능하게 되어 있다.
성막 장치(200)는, WCl6 가스를 챔버(21)의 샤워 헤드(30)에 공급하기 위한, 도 1에 도시한 구성을 갖는 가스 공급 기구(100)를 갖고 있다. 가스 공급 기구(100)는, 원료 용기(1) 내에 원료(S)로서 상온에서 고체인 WCl6을 수용하고 있고, 히터(2)에 의해 원료(S)를 승화시킴과 함께 캐리어 가스 공급 배관(3)으로부터 공급되는 캐리어 가스에 의해 버블링하여, 원료 용기(1) 내에서 생성된 WCl6 가스를, 캐리어 가스와 함께 원료 가스 공급 배관(5)을 통해 챔버(21)의 샤워 헤드(30)에 공급한다. 이때의 가스 공급은, 가스 공급 컨트롤러(8)에 의해 제어된다. 상세 구성은 도 1과 마찬가지이기 때문에 상세한 설명은 생략한다. 또한, 본 예에서는, 캐리어 가스 공급 배관(3)을 통해 공급되는 캐리어 가스로서 N2 가스를 사용하고, 캐리어 가스 공급 배관(3)에는 N2 가스 공급원(18)이 접속되어 있다. 또한, 원료 용기(1) 내는, 히터(2)로부터, 예를 들어 80 내지 300℃의 범위의 적당한 온도에서 가열되게 되어 있다.
원료 가스 공급 배관(5)에는, 퍼지 가스 배관(94)을 통해 N2 가스 공급원(91)이 접속되어 있다. 퍼지 가스 배관(94)에는, 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(92) 및 그 전후의 개폐 밸브(93)가 개재 장착되어 있다. N2 가스 공급원(91)으로부터의 N2 가스는, 원료 가스 라인 측의 퍼지 가스로서 사용된다.
샤워 헤드(30)의 제2 도입로(32)에는, 환원 가스인 H2 가스 라인이 되는 배관(60)이 접속되어 있고, 배관(60)에는, 환원 가스인 H2 가스를 공급하는 H2 가스 공급원(62)과, 퍼지 가스 배관(84)을 통해 N2 가스 공급원(81)이 접속되어 있다. 또한, 배관(60)에는, 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(64) 및 그 전후의 개폐 밸브(65)가 개재 장착되고, 퍼지 가스 배관(84)에는 유량 제어기로서의 매스 플로우 컨트롤러(82) 및 그 전후의 개폐 밸브(83)가 개재 장착되어 있다. N2 가스 공급원(81)으로부터의 N2 가스는 H2 가스 라인측의 퍼지 가스로서 사용된다.
또한, 캐리어 가스 및 퍼지 가스로서는, N2 가스에 한정되지 않고, Ar 가스 등의 다른 불활성 가스이어도 된다. 또한, 환원 가스로서는, H2 가스에 한정되지 않고, NH3 가스, SiH4 가스, B2H6 가스를 사용할 수 있다. H2 가스, NH3 가스, SiH4 가스, B2H6 가스 중 2개 이상을 공급할 수 있도록 해도 된다. 또한, 이들 이외의 다른 환원 가스를 사용해도 된다.
이 성막 장치(200)는, 각 구성부, 구체적으로는, 전원, 히터 컨트롤러(28), 가스 공급 컨트롤러(8), 개폐 밸브(65, 83, 93), 펌프 등을 제어하는 제어부(70)를 갖고 있다. 이 제어부(70)는, 마이크로프로세서(컴퓨터)를 구비한 프로세스 컨트롤러(71)와, 유저 인터페이스(72)와, 기억부(73)를 갖고 있다. 프로세스 컨트롤러(71)에는, 성막 장치(200)의 각 구성부가 전기적으로 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 유저 인터페이스(72)는, 프로세스 컨트롤러(71)에 접속되어 있고, 오퍼레이터가 성막 장치(200)의 각 구성부를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 행하는 키보드나, 성막 장치의 각 구성부의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어져 있다. 기억부(73)도 프로세스 컨트롤러(71)에 접속되어 있고, 이 기억부(73)에는, 성막 장치(200)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(71)의 제어로 실현하기 위한 제어 프로그램이나, 처리 조건에 따라서 성막 장치(200)의 각 구성부에 소정의 처리를 실행시키기 위한 제어 프로그램, 즉 처리 레시피나, 각종 데이터베이스 등이 저장되어 있다. 처리 레시피는 기억부(73) 중 기억 매체(도시하지 않음)에 기억되어 있다. 기억 매체는, 하드 디스크 등의 고정적으로 설치되어 있는 것이어도 되고, CDROM, DVD, 플래시 메모리 등의 가반성의 것이어도 된다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들어 전용 회선을 통해 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 된다.
그리고, 필요에 따라, 유저 인터페이스(72)로부터의 지시 등으로 소정의 처리 레시피를 기억부(73)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(71)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(71)의 제어하에서, 성막 장치(200)에서의 원하는 처리가 행하여진다.
이어서, 이상과 같이 구성된 성막 장치(200)를 사용하여 행하여지는 성막 처리 동작에 대하여 설명한다.
먼저, 게이트 밸브(45)를 열어, 웨이퍼(W)를 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 반출입구(44)를 통해 챔버(21) 내에 반입하고, 히터(25)에 의해 소정 온도로 가열된 서셉터(22) 위에 적재하여, 소정의 진공도까지 감압한 후, 이하와 같이 하여 ALD법에 의해 텅스텐막의 성막을 행한다. 웨이퍼(W)로서는, 예를 들어 열산화막의 표면, 또는 트렌치나 홀 등의 오목부를 갖는 층간 절연막의 표면에 하지막으로서 배리어 금속막(예를 들어 TiN막)이 형성된 것을 사용할 수 있다.
그리고, 도 4에 도시하는 처리 레시피에 기초하여 ALD법에 의한 텅스텐막의 성막을 행한다.
최초로, 가스 공급 기구(100)의 개폐 밸브(11, 12) 및 원료 가스 공급·차단 밸브(6), 및 환원 가스인 H2 가스 라인이 되는 배관(60)의 개폐 밸브(65)를 폐쇄한 상태 그대로 두고, 개폐 밸브(83, 93)를 개방하여, N2 가스 공급원(81, 91)으로부터 퍼지 가스로서의 N2 가스(원료 가스 라인측의 퍼지 가스 및 H2 가스 라인측의 퍼지 가스)를 챔버(21) 내에 공급하여 압력을 상승시키고, 서셉터(22) 위의 웨이퍼(W)의 온도를 안정시킨다.
한편, 가스 공급 기구(100)에 있어서는, 상술한 바와 같이 개폐 밸브(11, 12) 및 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄한 상태에서, 히터(2)에 의해 원료 용기(1) 내의 원료를 임의의 온도(예를 들어 80 내지 300℃)로 가열하여 원료(S)를 승화시킨다. 계속해서, 개폐 밸브(11, 12, 14)를 개방함과 함께, 매스 플로우 컨트롤러(4)에 의해 유량 제어하여 캐리어 가스 공급 배관(3)을 통해 원료 용기(1) 내에 캐리어 가스인 N2 가스를 임의의 유량으로 흘려서 버블링하여, 원료 용기(1) 내에서 고체 상태의 WCl6을 승화시켜서 원료 가스인 WCl6 가스를 생성시킨다. 그리고, WCl6 가스가 캐리어 가스와 함께 원료 가스 공급 배관(5)에 공급되어, 원료 용기(1) 내 및 원료 가스 공급 배관(5) 내가 고압 상태가 된다. 이 상태에서 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방하여, 챔버(21) 내에 원료 가스인 WCl6 가스를 공급하는 조작을 행하여, 웨이퍼(W) 표면에 형성된 하지막 위에 WCl6 가스를 흡착시킨다(WCl6 가스 공급 스텝). 이때의 구체적인 제어로서는, 예를 들어, 가스 공급 컨트롤러(8)가 캐리어 가스의 유량을 소정 유량으로 제어하고, 그 유량에 대응한 소정 시간 경과 후에 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방하여 챔버(21) 내에 원료 가스를 공급하는 조작을 행하는 제어를 들 수 있다. 또한, 이 경우에도, 상술한 바와 같이, 가스 공급 컨트롤러(8)는, 압력 게이지(7)에 의해 원료 가스 공급 배관(5)의 압력을 모니터하여, 압력 게이지(7)의 검출값이 미리 설정된 설정값을 초과한 경우에, 개폐 밸브(11)를 폐쇄하여 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어할 수 있다. 또한, 가스 공급 컨트롤러(8)는, 원료 가스 공급 배관(5)의 압력을 소정의 설정값으로 설정해 두고, 압력 게이지(7)의 검출값과 그 설정값의 차를 구하여, 그 차를 없애도록, 매스 플로우 컨트롤러(4)에 제어 지령을 내려 캐리어 가스의 유량을 제어해도 된다. 이때의 제어는, 고정밀도의 제어를 행하는 관점에서 PID 제어가 바람직하다.
계속해서, 퍼지 가스인 N2 가스를 흘린 채, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄하여, WCl6 가스의 공급을 정지하고, 챔버(21) 내의 잉여 WCl6 가스를 퍼지한다(퍼지 스텝).
계속해서, 퍼지 가스인 N2 가스를 흘린 채, 개폐 밸브(65)를 개방하여 H2 가스 공급원(62)으로부터 H2 가스를 단시간 챔버(21) 내에 공급하여, 웨이퍼(W) 위에 흡착된 WCl6과 반응시킨다(H2 가스 공급 스텝).
계속해서, 퍼지 가스인 N2 가스를 흘린 채, 개폐 밸브(65)를 폐쇄하여 H2 가스의 공급을 정지하고, 챔버(21) 내의 잉여 H2 가스를 퍼지한다(퍼지 스텝).
이상의 WCl6 가스 공급 스텝, 퍼지 스텝, H2 가스 공급 스텝, 퍼지 스텝의 1 사이클에 의해, 얇은 텅스텐 단위막이 형성된다. 그리고, 이 스텝을 복수 사이클 반복함으로써 원하는 막 두께의 텅스텐막을 성막한다. 텅스텐막의 막 두께는, 상기 사이클의 반복 수에 의해 제어할 수 있다.
이 경우에, 원료 가스인 WCl6 가스를 공급할 때에는, 상술한 바와 같이, 원료 용기(1) 내 및 원료 가스 공급 배관(5) 내를 높은 압력으로 유지할 수 있고, 또한, 원료 가스 공급 시에 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방함으로써, 원료 용기(1) 내 및 원료 가스 공급 배관(5) 내의 압력이 저하되어도, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)가 폐쇄되면 다시 단시간에 압력이 상승한다. 이 때문에, ALD법에 의한 성막 시에 있어서의 원료 가스의 간헐적인 공급 시에도, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방한 시점에서 높은 압력으로 원료 가스를 챔버(21) 내에 도입할 수 있어, 대유량으로 원료 가스를 공급하는 것이 가능하다. 따라서, 캐리어 가스로 공급할 필요가 있는 상온에서 고체인 WCl6을 원료로서 사용해도, 짧은 사이클의 ALD법에 의한 성막이 가능하게 되어, 높은 스루풋으로 텅스텐막을 성막할 수 있다.
텅스텐 원료로서 WCl6을 사용한 경우의 조건으로서는, 하지막의 종류에 따라 다르지만, 웨이퍼 온도(서셉터 표면 온도): 400℃ 이상, 챔버내 압력: 10Torr(1333Pa) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이것은, 웨이퍼 온도가 400℃보다 낮은 온도이면 성막 반응이 발생하기 어렵고, 또한, 압력이 10Torr보다 낮으면 400℃ 이상에서 에칭 반응이 발생하기 쉬워지기 때문이다. 장치의 제약이나 반응성의 관점에서, 사실상의 상한은 800℃ 정도이다. 보다 바람직하게는 400 내지 700℃, 더욱 바람직하게는 400 내지 650℃이다. 또한, 압력에 대해서는, 마찬가지로 장치의 제약이나 반응성의 관점에서, 사실상의 상한은 100Torr(13333Pa)이다. 보다 바람직하게는 10 내지 30Torr(1333 내지 4000)Pa)이다.
또한, 이러한 텅스텐막의 성막에 있어서, 캐리어 가스인 N2 가스의 유량은 50 내지 5000sccm(mL/min)의 임의의 범위이며, 원료 용기(1) 및 원료 가스 공급 배관(5) 내의 압력은 50 내지 200Torr(6.65 내지 26.6kPa)의 범위이며, 이에 의해 원료 가스인 WCl6 가스의 유량을 포함한 캐리어 가스의 유량을, 공급된 캐리어 가스의 유량과 거의 동일한 50 내지 5000sccm(mL/min)과 같은 종래보다 대유량으로 챔버(21)에 흘릴 수 있다. 이상과 같은 ALD법에 의한 성막에 있어서, WCl6 가스 공급 시간(1회당): 0.5 내지 10sec, H2 가스 유량: 500 내지 5000sccm(mL/min), H2 가스 공급 시간: (1회당): 0.5 내지 10sec, 원료 용기의 가온 온도: 130 내지 170℃인 것이 바람직하다.
또한, 환원 가스로서, H2 가스 외에, 상술한 바와 같이 SiH4 가스, B2H6 가스를 사용할 수 있고, 이들을 사용한 경우에도 마찬가지의 조건에서 바람직한 성막을 행할 수 있지만, 막 내의 불순물을 보다 저감하는 관점에서는, H2 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
<실험예>
이어서, 실험예에 대하여 설명한다.
(실험예 1)
여기에서는, 하지막으로서 TiN막을 갖는 웨이퍼에 대하여 원료 가스로서 WCl6 가스, 환원 가스로서 H2 가스를 사용하고, 이하의 조건에서 텅스텐막을 성막하였다.
챔버내 압력: 30Torr(4000Pa)
웨이퍼 온도: 500℃
캐리어 가스(N2 가스) 유량: 500sccm(mL/min)
H2 가스 유량: 4500sccm(mL/min)
WCl6 가스 공급/퍼지/H2 가스 공급/퍼지 시간: 0.3/0.3/0.3/0.3(sec)
이때의, 원료 가스 공급 배관에 설치된 압력 게이지의 압력을 도 5에 도시한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 폐쇄했을 때(즉, 원료 가스가 충진될 때)의 압력이 100Torr가 되고, 원료 가스 공급·차단 밸브(6)를 개방했을 때(즉, 원료가스가 흐를 때)의 압력이 50Torr가 되어, 고속으로의 ALD 레시피에 있어서도 원료 공급 시의 압력이 고압으로 유지되어, 대유량으로 원료 가스의 공급이 가능한 것이 확인되었다. 그리고, 이러한 고속으로의 ALD 레시피에 있어서, 텅스텐막을 높은 스텝 커버리지로 성막할 수 있음이 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, WCl6 가스를 사용하여 텅스텐막을 성막할 때에 본 발명을 적용한 예에 대하여 나타냈지만, 이에 한정하지 않고, 고체 원료나 액체 원료를 캐리어 가스를 사용하여 공급할 때에 적용할 수 있음은 물론이다.
또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예로 들어 설명했지만, 반도체 웨이퍼는 실리콘이거나, GaAs, SiC, GaN 등의 화합물 반도체이어도 되고, 또한, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 액정 표시 장치 등의 FPD(플랫 패널 디스플레이)에 사용하는 유리 기판이나, 세라믹 기판 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
1 : 원료 용기 2 : 히터
3 : 캐리어 가스 공급 배관 4 : 매스 플로우 컨트롤러
5 : 원료 가스 공급 배관 6 : 원료 가스 공급·차단 밸브
7 : 압력 게이지 8 : 가스 공급 컨트롤러
18 : N2 가스 공급원(캐리어 가스 공급원)
21 : 챔버 22 : 서셉터
25 : 히터 30 : 샤워 헤드
62 : H2 가스 공급원 70 : 제어부
81, 91 : N2 가스 공급원(퍼지 가스 공급원)
100 : 가스 공급 기구 200 : 성막 장치
S : 원료 W : 반도체 웨이퍼

Claims (22)

  1. 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 얻어진 원료 가스를, 피처리체에 대하여 성막 처리를 행하는 챔버에 공급하는 가스 공급 기구로서,
    상기 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 수용하는 원료 용기와,
    상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시키는 히터와,
    상기 원료 용기 내에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관과,
    상기 캐리어 가스 공급 배관에서의 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와,
    상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 상기 원료 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 상기 챔버에 공급하는 원료 가스 공급 배관과,
    상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에 설치되어, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위해 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브와,
    상기 유량 제어기에 의한 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 가스 공급 컨트롤러
    를 구비하는 가스 공급 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 제어함과 함께, 상기 소정 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는, 가스 공급 기구.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관에 설치된 압력계를 더 구비하는, 가스 공급 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값을 모니터하여, 상기 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어하는, 가스 공급 기구.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 상기 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는, 가스 공급 기구.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개폐하여 상기 원료 가스를 간헐적으로 공급하도록 제어하는, 가스 공급 기구.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급 배관은 상기 원료 용기에 삽입되어 있고,
    상기 원료 가스 공급 배관의 상기 원료 용기 내의 선단 부분을 덮는 트랩 기구와, 상기 트랩 기구를 가열하는 히터를 더 구비하는 가스 공급 기구.
  8. 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 원료 용기 내에 수용시키고, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시켜, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스 공급 배관을 통해 캐리어 가스를 공급하고, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 원료 가스를, 상기 캐리어 가스와 함께, 원료 가스 공급 배관을 통해 피처리체에 대하여 성막 처리를 행하는 챔버에 공급하는 가스 공급 방법으로서,
    상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위해 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브를 설치하고,
    상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하는 가스 공급 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 흘리고, 상기 소정 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하는, 가스 공급 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하여, 상기 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하는, 가스 공급 방법.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하여, 상기 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 상기 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는, 가스 공급 방법.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개폐하여 상기 원료 가스를 간헐적으로 공급하는, 가스 공급 방법.
  13. 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 생성한 원료 가스인 제1 가스와, 환원 가스인 제2 가스를 교대로 공급하여 이들을 반응시키는 원자층 퇴적법에 의해 피처리체 위에 소정의 막을 성막하는 성막 장치로서,
    피처리체를 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 상기 원료 가스인 상기 제1 가스를 공급하는 제1 가스 공급 기구와,
    상기 챔버 내에 상기 환원 가스인 상기 제2 가스를 공급하는 제2 가스 공급 기구와,
    상기 챔버를 배기하는 배기 기구와,
    상기 제1 가스 공급 기구 및 상기 제2 가스 공급 기구가, 상기 제1 가스와, 상기 제2 가스를 교대로 공급하도록 제어하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 제1 가스 공급 기구는,
    상기 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 수용하는 원료 용기와,
    상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시키는 히터와,
    상기 원료 용기 내에 캐리어 가스를 공급하는 캐리어 가스 공급 배관과,
    상기 캐리어 가스 공급 배관에서의 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는 유량 제어기와,
    상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 상기 원료 가스인 상기 제1 가스를 상기 캐리어 가스와 함께 상기 챔버에 공급하는 원료 가스 공급 배관과,
    상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에 설치되고, 성막 처리 시에 상기 원료 가스인 상기 제1 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위해 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브와,
    상기 유량 제어기에 의한 상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는 가스 공급 컨트롤러를 갖는 성막 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 제어함과 함께, 상기 소정 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하도록 제어하는, 성막 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 제1 가스 공급 기구는, 상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관에 설치된 압력계를 더 갖는, 성막 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값을 모니터하여, 상기 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하도록 제어하는, 성막 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 가스 공급 컨트롤러는, 상기 압력계에 의한 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하여, 상기 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는, 성막 장치.
  18. 피처리체를 수용한 챔버에, 고체 상태 또는 액체 상태의 원료로부터 생성한 원료 가스인 제1 가스를 공급하는 공정과, 상기 챔버에 환원 가스인 제2 가스를 공급하는 공정을 교대로 행함으로써, 원자층 퇴적법에 의해 피처리체 위에 소정의 막을 성막하는 성막 방법으로서,
    상기 제1 가스를 공급하는 공정은,
    상기 고체 상태 또는 액체 상태의 원료를 원료 용기 내에 수용시키고, 상기 원료 용기에 있어서 상기 원료를 가열하여 승화 또는 기화시키고, 상기 원료 용기 내에 캐리어 가스 공급 배관을 통해 캐리어 가스를 공급하고, 상기 원료 용기 내에서 승화 또는 기화되어 생성된 상기 원료 가스인 상기 제1 가스를, 상기 캐리어 가스와 함께 원료 가스 공급 배관을 통해 상기 챔버에 공급함으로써 행하여지고,
    상기 원료 가스 공급 배관의 상기 챔버 근방에, 성막 처리 시에 상기 원료 가스를 상기 챔버에 공급 및 차단하기 위해 개폐하는 원료 가스 공급·차단 밸브를 설치하고,
    상기 캐리어 가스의 유량을 제어함과 함께, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 폐쇄한 상태에서, 상기 캐리어 가스를 흘림으로써, 상기 원료 용기 내 및 상기 원료 가스 공급 배관 내를 고압 상태로 한 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하여 상기 제1 가스를 공급하는 성막 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 가스를 공급하는 공정은, 상기 캐리어 가스를 소정 유량으로 흘리고, 상기 소정 유량에 대응한 소정 시간 경과 후, 상기 원료 가스 공급·차단 밸브를 개방하는, 성막 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하여, 상기 검출값이 설정값을 초과한 경우에, 상기 캐리어 가스의 공급을 정지하여, 상기 제1 가스를 공급하는 공정을 중지하는, 성막 방법.
  21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 원료 용기 또는 상기 원료 가스 공급 배관의 압력을 검출하여, 상기 검출값과 미리 설정된 설정값의 차를 구하고, 상기 차를 없애도록, 상기 캐리어 가스의 유량을 제어하는, 성막 방법.
  22. 컴퓨터상에서 동작하고, 성막 장치를 제어하기 위한 프로그램이 기억된 기억 매체이며, 상기 프로그램은, 실행 시에, 제18항 또는 제19항의 성막 방법이 행해지도록, 컴퓨터에 상기 성막 장치를 제어시키는 기억 매체.
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