KR0166418B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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KR0166418B1
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니시히라 순지
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Abstract

재료가스를 사용한 플라즈마 처리로 성막실 등의 퇴적막에서의 미분말의 발생을 억제하고, 표면결함이 적은 고품질인 박막형성 또는 에칭을 행한다.
벨자(11)와 이 벨자에 전력을 공급하기 위한 전력공급기구(12)와 벨자(11)와 공간적으로 이어지는 성막실(113)과 이 성막실의 주위에 설치되어 성막실내에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 자장생성기구(14)와 내부를 진공배기하는 배기기구(15)와 플라즈마 생성용의 원료가스를 공급하는 제1가스공급기구(16)와 재료가스를 공급하는 제2가스공급기구(17)를 갖춘 플라즈마 처리장치에 있어서 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 성막실의 내벽면(113b)이 배치되도록 구성된다. 상기 영역에 성막실의 내벽면(113b) 대신에 비자성체로 만들어진 부재(61)를 배치할 수도 있다.

Description

플라즈마 처리장치
제1도는 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치의 제1실시예의 구성도이다.
제2도는 종래의 플라즈마 처리장치에 있어서 벨자(bell jar)에서 100㎜ 아래측의 성막실(成膜室) 내부의 수평단면에 있어서 산소플라즈마의 포화이온전류밀도의 변화를 측정한 그래프이다.
제3도는 제2도에 도시한 포화이온 전류밀도를 측정한 장소와 동일장소에서 멀티커스프(multicusp) 자장의 강도를 측정한 그래프이다.
제4도는 제2도에 도시한 포화이온 전류밀도를 측정한 장소와 동일장소에서 멀티커스프 자장형성용의 영구자석의 자극면(磁極面)에 대응하는 부위와, 자극면에 대응하지 않는 부위의 각각에 퇴적·형성된 산화규소막의 완충플루오르화수소산(BHF)에 의한 에칭(etching) 레이트를 조사한 그래프이다.
제5도는 종래의 박막형성용 플라즈마 처리장치에 있어서, 성막실의 내경이 36㎝에서 24㎝까지 2㎝씩 다른 성막실을 7종류 준비하여, 각각의 경우에 대하여 기판의 성막속도분포의 불균일성을 조사한 그래프이다.
제6도는 플라즈마 원료가스로서 산소가스, 재료가스로서 모노실란가스를 사용하여, 6인치 규소반도체 기판상에 1 마이크로미터의 두께의 산화규소박막을 형성한 경우에, 반도체 기판의 처리매수에 대하여 산화규소박막이 형성된 후의 반도체 기판표면상의 미분말수의 변화를 도시한 그래프이다.
제7도는 본 발명의 제2실시예를 도시한 구성도이다.
제8도는 본 발명의 제3실시예를 도시한 구성도이다.
제9도는 제3실시예에 의한 성막실의 확대 단면도이다.
제10도는 본 발명의 제4실시예를 도시한 성막실의 확대 단면도이다.
제11도는 비자성체로 형성된 부재의 각종예를 도시한 도면이다.
제12도는 종래의 박막형성형 플라즈마 처리장치의 구성도이다.
제13도는 제12도에 있어서 A-A선 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 벨자 12 : 전력공급기구
13, 113 : 성막실 13a, 113a : 원통형 벽부
13b, 113b : 내벽면 14, 71 : 자장생성기구
15 : 배기기구 16 : 제1의 가스공급기구
17 : 제2의 가스공급기구 41 : 기판
61 : 원통 부재 74: 통형 부재
[산업상의 이용분야]
본 발명은 플라즈마 처리장치에 관하여, 특히 반도체 소자 등의 제조에서 가스상태의 원재료를 도입하여 플라즈마의 작용을 이용하여 박막(薄膜)의 형성이나 에칭을 행하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
[종래의 기술]
종래의 플라즈마 처리장치의 1 예를 제12도를 참조하여 설명한다. 이 플라즈마 처리장치는 플라즈마 생성용의 원료가스에 산소가스(O2)를 사용하고 또한 박막형성용의 재료가스에 모노실란가스(SiH4)를 사용함으로서 열산화막과 동등 또는 그것에 가까운 막질의 산화규소막을 형성하는 플라즈마 CVD 장치이다.
제12도에는 도시한 플라즈마 CVD 장치는 플라즈마 생성에 사용되는 벨자(11)와 벨자(11)에 전력을 공급하는 전력공급기구(12)와 벨자(11)와 공간적으로 이어져 있는 성막실(13)과 성막실(13)의 주위에 설치되어 또한 성막실(13)의 내부에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 자장생성기구(14)와 벨자(11) 및 성막실(13)을 진공배기하기 위한 배기기구(15)와 성막실(13)에 상기 산소가스를 공급하기 위한 제1의 가스공급기구(16)와 상기 모노실란가스를 공급하기 위한 제2의 가스공급기구(17)를 갖춘다.
상기의 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 벨자(11)는 유전체로 형성되어 플라즈마생성실로서 사용한다. 보다 구체적으로, 벨자(11)는 상단이 닫혀진 직경이 예컨대 100㎜의 석영유리관으로 만들어지고, 개방된 하단은 하부의 성막실(13)에 접속된다. 전력공급기구(12)는 고주파전원(21)과 정합기(整合器)(22)와 벨자(11)의 주위에 배치된 루프형 안테나(23)로 구성된다. 고주파전원(21)에는 예컨대 주파수 13.56㎒의 고주파를 출력하는 전원이 사용된다. 또한 전력공급기구(12)는 고주파를 공급하는 것에 한정되지 않는다. 성막실(13)은 예컨대 높이 230㎜, 내경 360㎜의 통형상의 알루미늄 합금으로 형성된다. 성막실(13)의 주위에 배치되는 자장생성기구(14)는 예컨대 12쌍 24극의 희토류 영구자석으로 형성된다. 자장생성기구(14)에 의하여 성막실(13)의 내부에 멀티커스프자장을 형성하는 것은 성막실내에 대구경을 균질한 플라즈마를 생성하기 위함이다.
더욱이 배기기구(15)는 배기용 챔버(31)의 2단의 밸브(32a, 32b)와 배기펌프(33)로 구성된다. 배기펌프(33)에서는 주배기펌프로서 터보분자펌프(33a), 보조배기펌프로서 드라이펌프(33b)가 사용되고 있다.
또 성막실(13)의 내부에는 기판(41)을 지지하는 기판홀더(42)가 설치된다. 이기판홀더(42)의 내부에는 열교환매체가 순환하는 구조(43)와 온도검출기(도시하지 않음)가 갖추어져서 원하는 온도에서의 가열·냉각과 같은 온도제어가 가능하다. 더욱 기판홀더(42)에는 기판(41)에 바이어스전력을 인가(印加)할 수 있도록 고주파전원(44)이 접속되어 있다. 고주파전원(44)에는 예컨대 주파수 400KHz의 고주파 전원이 사용된다.
제13도는 제12도중의 A-A선 단면도이다. 성막실(13)의 원통형 벽부(13a)의 외측에 외벽면을 따라서 12쌍 24극의 봉상(棒狀)의 영구자석(51)이 배치되어 있다. 12쌍 24극의 영구자석(51)은 상기 자장생성기구(14)를 구성한다. 봉상의 영구자석(51)은 원통형 벽부(13a)의 축방향으로 평행하게 배치된다. 영구자석(51)의 각쌍의 외벽면에 대향하는 면은 N극과 S극의 자극면으로 되어 있고, 외벽면의 원주방향을 따라서 N극과 S극이 교대로 배치되어 있다. 12쌍 24극의 영구자석(51)에 의하여 성막실(13)의 내부공간에는 도시된 멀티커스프자장(52)이 형성된다. 성막실(13)내에 들어온 산소플라즈마는 멀티커스프자장(52)의 형상을 따라서 성막실내에서 확산한다. 그리고, 영구자석(51)의 각 자극면(磁極面)(N극과 S극면)에 대응하는 성막실(13)의 원통형 벽부(13a)의 내벽면(13b)의 부위에서는 멀터커스프자장(52)의 형상을 반영하여 산소플라즈마가 접촉하는 상태로 되어 있다.
[발명이 해결하려고 하는 과제]
상기와 같이 종래의 플라즈마 처리장치는 성막실(13)의 주위에 배치된 자장생성기구(14)에 의하여 성막실내에 멀티커스프자장(52)을 생성하도록 구성되어 있다. 멀티커스프자장(52)에서는 성막실(13)의 원통형 벽부(13a)의 내벽면(13b)에서 산소 플라즈마가 접촉하는 부위(53)와 접촉하지 않는 부위(54)가 생기기 때문에 각각의 부위에서 내벽면(13b)에 퇴적한 산화규소박막의 막질이나 막두께가 다른 현상이 생긴다. 즉, 산소플라즈마가 접촉하는 내벽면(13b)의 부위(53)에는 산소플라즈마에서 하전입자(荷電粒子)를 받기 때문에 열산화막에 가까운 치밀한 막이 형성된다. 반대로 산소 플라즈마가 접촉하지 않는 내벽면(13b)의 부위(54)에는, 상기의 접촉하는 내벽면 부위(53)와 비교하여 거치른 막이 형성된다. 결과적으로 성막실(13)의 내벽면(13b)에는 치밀성이 다르며, 더욱이 내부응력이 다른 산화규소막이 퇴적·형성된다.
상기의 상태에서 성막실(13)의 내벽면(13b)에 산화규소박막이 계속 퇴적·형성되면 곧 박막의 내부응력의 차이에 의하여 박막은 내벽면(13b)에서 박리되어 떨어진다. 박막의 박리가 미분말의 발생원인으로 되어 기판이 파티클콘태미네이션을 받는다. 콘태미네이션을 받은 기판은 그 위에 산화규소박막을 형성하면 많은 표면결함이 형성되어 그 때문에 산화규소박막의 품질을 저하시킨다는 문제가 생긴다.
본 발명의 목적은 상기의 문제를 해결하기 위해 재료가스를 사용한 플라즈마처리에 있어서, 성막실의 내벽면에 퇴적·형성된 막에서의 미분말의 발생을 억제하여 포면결함이 적은 고품질인 박막형성 또는 에칭을 행할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것에 있다.
[과제를 해결하기 위한 수단]
제1의 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는 플라즈마 생성실과 이 플라즈마 생성실에 전력을 공급하기 위한 전력공급기구와 플라즈마 생성실과 공간적으로 이어지는 처리실과 이 처리실의 주위에 설치되어 처리실내에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 자장생성기구와 플라즈마 생성실과 처리실을 진공배기하는 배기기구와 플라즈마 생성용의 원료가스를 공급하는 제1가스공급기구와 재료가스를 공급하는 제2가스공급기구를 갖추며 더욱이 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 처리실의 내벽면이 배치되도록 구성된다.
제2의 본 발명은 제1의 본 발명에 있어서 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200가우스인 영역에 처리실의 내벽면 대신에 비자성체로 형성된 통형 부재가 배치되는 것을 특징으로 한다.
제3의 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는 플라즈마 생성실과 이 플라즈마 생성실에 전력을 공급하기 위한 전력공급기구와 플라즈마 생성실의 주위에 설치된 제1의 자장생성기구와 플라즈마 생성실과 공간적으로 이어지는 처리실과 이 처리실의 주위에 설치되어 처리실내에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 제2의 자장생성기구와 플라즈마 생성실과 처리실을 진공배기하는 배기기구와 플라즈마 생성용의 원료가스를 공급하는 제1가스공급기구와 재료가스를 공급하는 제2가스공급기구를 갖추고, 더욱이 제1의 자장생성기구에서 형성되는 자장과 멀티커스프자장에 의하여 만들어지는 합성자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 처리실의 내벽면이 배치되도록 구성된다.
제4의 본 발명은 제3의 발명에 있어서, 합성자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 처리실의 내벽면 대신에 비자성체로 형성된 통형 부재가 배치된 것을 특징으로 한다.
제5의 본 발명은 제4의 발명에 있어서, 통형 부재는 원통형 부재와 원추대형 부재로부터 이루어지는 것을 특징으로 한다.
제6의 본 발명은 상기의 제2, 제4, 제5의 발명에 있어서, 통형 부재는 전기적으로 절연상태에서 배치되어 고주파전력이 인가되는 것을 특징으로 한다.
[작용]
본 발명에서는 멀티커스프자장 또는 멀티커스프자장과 다른 자장생성기구로 형성된 자장과의 합성자장에 있어서, 그 자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 처리실의 내벽면을 배치한다. 이와 같은 배치관계는 처리실의 내벽면의 전면이 플라즈마에 접하도록 한다. 플라즈마의 전체면접촉은 내벽면 전면에 막질·막두께가 일정한 막을 퇴적시킨다. 막질·막두께가 일정한 퇴적막은 내부응력이 일정하게 되어서, 그 퇴적막의 박리를 어렵게 한다. 이와 같은 퇴적막의 생성이 내벽면에서의 미분말의 발생을 억제하게 한다. 또 처리실의 내벽면 대신에 비자성체로 만들어진 부재를 자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 배치하는 것으로 상술한 바와 같은 작용을 생기게 한다. 또한, 비자성 부재의 사용은 처리실 자체의 형태에 변경할 필요가 없다. 또 비자성 부재는 자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 맞추어서 간단한 형태로 값싸게 만들어진다.
[실시예]
이하에 본 발명의 적합한 실시예를 첨부도면에 의거하여 설명한다.
제1도는 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치의 제1의 실시예를 도시한 구성도이다. 제1도에 있어서, 제12도에서 설명한 요소와 실질적으로 동일의 요소에는 동일의 부호를 부여한다.
본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는 플라즈마 CVD 처리용 장치이다. 이 플라즈마 CVD 장치는 플라즈마 생성에 사용되는 벨자(11)와 벨자(11)에 고주파(RF)전력을 공급하는 전력공급기구(12)와 벨자(11)와 공간적으로 이어져 있는 성막실(113)과 성막실(113)의 주위에 설치되어 또한 성막실(113)의 내부에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 자장생성기구(14)와 벨자(11) 및 성막실(113)을 진공배기하기 위한 배기기구(15)와 성막실(113)에 플라즈마 생성용 원료가스로서 산소가스를 공급하기 위한 제1의 가스공급기구(16)와 박막형성용 재료가스로서 모노실란가스를 공급하기 위한 제2의 가스공급기구(17)를 갖춘다. 또 성막실(113)의 내부에는 기판(41)을 지지하는 기판홀더(42)가 설치되고, 기판홀더(42)에는 기판(41)에 바이어스 전력을 인가할 수 있도록 고주파(RF)전원(44)이 접속된다. 제2의 가스공급기구(17)의 성막실(113) 내의 공급단부 링형의 파이프부재로 되어 있다.
본 실시예에서는 플라즈마 생성용 원료가스로서 산소가스를 공급하여 이 산소가스에 고주파(RF)전력을 인가함으로써 산소플라즈마가 생성된다. 이 산소플라즈마와 모노실란가스와의 화학반응에 의하여 산화규소박막이 형성된다.
상기 구성에 관한 상세한 설명과 박막형성의 원리의 설명은 상술한 설명을 참조하는 것으로 하여 여기서는 생략한다. 또한 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는 상기 플라즈마 CVD 장치에 한정되는 것은 아니다.
제1도에 도시된 본 실시예에 의한 플라즈마 처리장치의 특징적 구성은 성막실(113)의 구조에 있다. 그의 원통형 벽부(113a)의 내벽면(113b)이 자장생성기구(14)에 의하여 성막실(113)내에 형성된 멀티스프자장에 있어서 그의 자장강도가 약 50 내지 200가우스인 영역의 내부에 배치된다. 가장 바람직한 것은 약 100 가우스의 위치에 내벽면(113b)이 배치되는 것이다. 성막실(113)의 원통형 벽부(113a)의 외벽면의 직경은 상기의 종래장치의 성막실(13)의 외경과 같다. 성막실(113)은 치수적으로 예컨대 높이 230㎜의 원통형이다. 원통형 벽부(113a) 벽두께를 크게 한 것으로 그 내직경은 종래장치의 성막실에 비해 작게 되어 있다.
이하에 성막실(113)의 내부에 형성된 멀티커스프자장에 있어서 그의 강도가 약 50 내지 200 가우스인 영역내에 상기 내벽면(113b)이 위치하는 것이 바람직한 이유를 설명한다.
제2도는 제1도에 도시한 종래의 플라즈마 처리장치에 있어서 벨자(11)에서 100㎜ 하측의 성막실 내부의 수평단면에 있어서 산소플라즈마의 포화이온 전류밀도의 변화를 측정한 그래프를 표시한다. 이 측정은 제13도에 도시한 화살표시(55)에 따라서 행하여졌다. 56은 성막실(13)의 중심을 표시한다. 이 측정의 조건은 벨자(11)에 인가된 고주파전력이 주파수 13.56㎒, 전력량이 2000W이며, 벨자(11) 및 성막실(13)의 내부압력은 1m Torr이다. 제2도의 그래프에서 가로축은 성막실(13)의 내벽면(13b)으로부터의 거리(㎝)를 표시하고 세로축은 포화이온 전류밀도를 도시한다. 가로축에 있어서 거리 0의 점(a)은 내벽면(13b)의 위치이며, 거리 18㎝의 점(b)은 성막실(13)의 중심(56)의 위치이다. 세로축에 표시한 포화이온 전류밀도는 수치가 클수록 플라즈마밀도가 높은 것을 표시한다.
제2도의 그래프에 의하면 성막실(13)의 내벽면(13b)에서 약 1㎝의 내측위치에서 포화이온전류가 관측되기 시작하여 약 6㎝의 내측위치에서 전류밀도가 거의 일정치(15㎃)로 떨어진다. 즉 성막실(13)의 내부에 생성되는 산소플라즈마는 성막실(13)의 내벽면(13b)에서 약 1㎝ 떨어진 영역의 내측에 속박되기 때문에, 성막실(13)의 내벽면(13b)에 산소플라즈마가 접촉하지 않는 것을 의미한다.
제3도는 제2도에 도시한 포화이온 전류밀도를 측정한 장소와 동일의 장소에서 멀티커스프자장의 강도를 측정한 것이다. 가로축은 내벽면(13b)에서의 거리, 세로축은 자장강도를 표시한다. 제3도에 의하면, 성막실(13)의 내벽면(13b)에서 약 1㎝떨어진 위치에서의 자장강도는 약 300 가우스이며, 내벽면(13b)에서 약 6㎝ 떨어진 위치에서의 자장강도는 약 10가우스 이하이다.
제4도는 제3도에 도시한 포화이온 전류밀도를 측정한 부위와 같은 부위로, 멀티 커스프자장 형성용의 자장생성기구(14)의 영구자석(51)의 자극면에 대응하는 부위(53)와 자극면에 대응하지 않는 부위(54)의 각각에 퇴적·형성된 산화규소막의 완충 플르오르화 수소산(BHF)에 의한 에칭 레이트를 조사한 그래프이다. 제4도에 있어서, 가로축은 성막실(13)의 내벽면(13b)으로부터의 거리, 세로축은 에칭레이트이다. 절선(A)(折線)은 영구자석의 자극면에 대응하는 부위에 퇴적한 시료에 관한 데이타, 절선(B)은 자극면에 대응하지 않는 부위에 퇴적한 시료에 관한 데이타를 각각 표시한다. 완충 플루오르화수소산에 의한 에칭 레이트가 클수록, 형성되는 산화규소막이 거치른 것을 표시한다.
제4도에서 절선(A)에서는 성막실(13)의 내벽면(13b)으로부터의 거리에 불구하고 에칭레이트의 값은 약 150㎚/min로 거의 일정한 값으로 유지된다, 열산화막의 에칭레이트는 약 100㎚/min이므로, 멀티커스프자장 형성용의 영구자석(51)의 자극면에 대응하는 부위에서는 열산화막에 필적하는 막질의 산화규소막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이것에 대하여 절선(B)에서는 성막실의 내벽면으로부터의 거리가 2㎝이내의 위치에서 에칭 레이트가 크게 되어 있으며, 거치른 막이 형성되어 있다.
상기 제2도 내지 제4도의 그래프에 의거하면, 성막실(13)의 원통형 벽부(13a)의 내벽면(13b)에 있어서 산소플라즈마의 조사가 행하여지지 않는 부위에서는 거치른 막이 형성되고 산소플라즈마의 조사가 행하여지는 부위에서는 조밀한 막이 형성되는 것을 알 수 있다. 그래서 제1도에 도시한 플라즈마 CVD 처리장치에서는 종래의 플라즈마 처리장치의 멀티커스프자장을 형성하는 자장생성기구(14)의 영구자석(51)의 배치위치는 변함없이 그대로 위치하게 하고, 성막실(13)의 내벽면의 반경을 2㎝ 이상 작게, 즉 성막실(13)의 내경을 4㎝ 이상 작게 하도록 하고 있다. 이러한 형태를 가진 성막실을 새로운 성막실(113)로 하였다. 성막실(113)의 외경(외벽면의 위치)은 변화하지 않으므로, 원통형 벽부(113a)의 벽두께가 크게 된 것이다. 이러한 형태를 가진 성막실(113)의 사용은 성막실(113) 내벽면의 전체면에 산소플라즈마를 접촉시킬 수가 있다. 이것에 의하면 내벽면(113b)에 퇴적·형성되는 산화규소막의 막질을 모두 치밀화할 수 있는 것이 증명되었다. 성막실(113)의 내벽면((113b)의 직경을 작게 함으로써 내벽면의 전체면이 사소플라즈마에 접촉할 수 있는 위치는 성막실(113)의 내부에 형성되는 멀티커스프자장의 강도가 200 가우스 이하의 영역에 대응되고 있다.
제5도는 종래의 플라즈마 CVD 처리장치에 있어서, 성막실(13)의 내경이 36㎝에서 24㎝까지 2㎝씩 다른 7종류의 성막실을 사용하여 8인치 기판(41)상에 산화규소박막을 성막한 경우에 대하여 기판(41)의 성막속도 분포의 불균일성을 조사한 결과를 나타낸다. 제5도에서 가로축은 성막실의 내경과 내경에 대응하는 내벽면의 위치를 표시하고, 세로축은 기판상에서의 성막속도 분포의 불균일성을 표시한다. 성막실의 내경이 36㎝의 경우, 제12도에 표시한 종래의 장치에서 그 내벽면의 위치는 0㎝에 대응하고, 성막실의 내경이 24㎝의 경우 그의 내벽면의 위치는 6㎝에 대응하고 있다.
제5도에서 명백한 바와 같이, 종래의 플라즈마 CVD 처리장치에서는 성막실의 내경이 28㎝ 이하로 되면, 즉 내벽면의 위치가 4㎝이상 소경화(小經化)되면, 기판상에서의 성막속도의 균일성에 악영향을 준다. 기판상에서의 성막속도의 균일성에 악영향을 주는 범위는 상기의 제3도와 비교하면, 성막실의 내부에 형성되는 멀티커스프자장의 강도가 약 50가우스 이하의 영역에 대응하고 있다.
제2도 내지 제5도의 결과에 의하여, 성막실(113)의 원통형 벽부(113a)의 내벽면(113b)의 위치를 성막실 내부에 형성된 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 배치하는 것으로, 성막실(113)의 내벽면(113b)에 퇴적·형성된 산화규소막의 막질의 균일성의 향상과 기판(41)상에서의 성막속도의 균일성의 향상을 동시에 만족시킬 수가 있는 것이 판명되었다. 따라서 성막실 내부에 형성된 멀티커스프자장의 강도가 약 50 내지 200 가우스의 영역에 성막실(113)의 내벽면(113b)을 배치하는 것이 바람직하다.
제1도에 도시한 본 실시예의 플라즈마 CVD 처리장치에 의한 박막형성을 설명한다. 최초로 제1의 가스공급기구(16)에 의하여 플라즈마 생성용 원료가스인 산소가스(O2)가 벨자(11)와 성막실(113)에 도입된다. 벨자(11)에는 고주파(RF)전력이 전력공급기구(12)에서 인가되어 산소가스분자와 고주파전력이 상호작용을 일으킴으로써 산소플라즈마가 생성된다. 벨자(11)에서 성막실(113)로 확산한 산소플라즈마는 자장생성기구(14)에 의하여 성막실(113) 내에 형성된 멀티커스프자장에 의해 플라즈마 밀도가 균일하게 된다. 다음에 제2의 가스공급기구(17)에 의해 재료가스인 모노실란가스(SiH4)가 성막실(113)에 도입되어 산소플라즈마중에 확산한다. 성막실(113)내는 균질화된 산소플라즈마로 가득차 있음으로 모노실란가스는 산소플라즈마와 화학반응을 일으켜서 산화규소와 물로 분해한다. 발생한 산화규소는 기판(41)의 표면상에 퇴적하는 동시에, 성막실(113)의 내벽면(113b)에도 퇴적한다.
본 실시예에 의한 플라즈마 CVD 처리장치에서는, 성막실(113)의 원통형 벽부(113a)의 내벽면(113b)을 성막실 내부에 형성된 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 배치되도록 하여 산소플라즈마가 내벽면(113b)에 일정하게 접하게 된다. 그 결과, 성막실(113)의 내벽면(113b)에 퇴적한 산화규소막은 내벽면 전면에 걸쳐서 일정하게 치밀한 산화규소막이 형성된다. 성막실(113)의 내벽면(113b)에 형성된 산화규소막은 내부응력 변화가 적기 때문에 상당량의 막두께까지 퇴적하여도 박리되어 떨어지는 것이 적게 된다. 즉 산소플라즈마의 내벽전면의 일정한 접촉이 미분말의 발생을 억제할 수가 있다. 장기간에 걸친 플라즈마 CVD 처리를 행하여도 표면결함이 적은 고품질인 산화규소박막을 기판(41)에 형성할 수 있다.
제6도는 플라즈마 원료가스로서 산화가스, 재료가스로서 모노실란가스를 사용하여 6인치 규소반도체 기판상에 1마이크로미터의 두께의 산화규소박막을 형성한 경우에 반도체기판의 처리매수에 대하여 산화규소박막이 형성된 후의 반도체 기판표면상의 미분말수의 변화를 표시한 그래프이다. 계측대상인 미분말은 6인치 규소반도체 기판의 직경 140㎜로부터 내측의 영역에 대하여 직경 0.3마이크로미터이상의 것을 계측하였다. 제6도에서 절선(C)은 종래의 장치를 사용한 경우의 계측특성, 절선(D)은 본실시예에 의한 장치를 사용한 경우의 계측특성이다.
절선(C)에 의하면, 반도체 기판의 처리매수가 70매의 부근에서 미분말의 수가 급진적으로 증대하고 있고, 그 수는 150개를 초과하여 수만개에 이르고 있다. 이때 성막실의 내벽면을 관찰하면 멀티커스프자장을 형성하기 위한 영구자석(51)의 복수의 N극과 S극의 각각의 자극면에 대응하는 내벽면의 부위에 퇴적막의 박리가 확인되었다. 이와 같은 성막실의 내벽면의 퇴적막의 박리현상이 미분말 발생의 급격한 원인이라고 간주할 수가 있다.
상기에 대해서 절선(D)에서는 반도체 기판의 처리매수가 300매에 이르기까지 미분말의 수는 100개 이하이다. 또 이때의 성막실의 내벽면을 관찰하면 산화규소막의 퇴적은 관측되는 것의 박리현상이 관찰되지 않았다. 이상과 같이 성막실(113)의 원통형벽부(113a)의 내벽면(113b)을 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 배치함으로써 미분말의 발생을 억제할 수가 있다.
제7도는 본 발명의 제2의 실시예를 표시한다. 제7도에 있어서, 제1도에서 설명한 요소와 동일의 요소에는 동일의 부호가 부여되어 있다. 이 실시예에서는 종래장치의 성막실(13)을 사용하며, 이 성막실(13)의 내부공간에 있어서 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 비자성체로 형성된 원통 부재(61)가 배치되는 것에 특징이 있다. 엄밀하게는 원통 부재(61)의 내면이 멀티커스프자장의 강도가 50내지 200 가우스의 영역내에 위치하는 것이 바람직하다. 원통 부재(61)는 성막실(13)의 원통형벽부(13a)의 내면에 평행하게 배치되고 또한 축방향의 길이는 원통형 벽부(13a)의 축방향의길이와 거의 같다. 비자성체로서 예컨대 알루미늄, 스텐레스, 세라믹이 사용된다. 이렇게하여 상기 영역에 상기의 내벽면(113b) 대신에 원통 부재(61)를 배치함으로써, 본 실시예에 의한 플라즈마 CVD 처리장치에 있어서도 상기 실시예와 동일한 효과를 얻을 수가 있다.
제8도는 본 발명의 제3의 실시예를 표시한다. 이 실시예에 의한 플라즈마 처리장치는 제1도에 도시한 장치의 구성에 있어서 새로이 벨자(11)의 주위에 자장생성기구(71)를 설치하였다. 그 밖의 구성은 제1도에 도시한 구성과 같으며, 동일요소에는 동일부호를 부여하여 그 설명을 생략한다.
자장생성기구(71)는 내측코일(71a)과 외측코일(71b)로 이루어진 2중 코일이며, 각 코일(71a, 71b)은 벨자(11)와 동축(同軸)의 위치에 배치된다. 내측코일(71a)가 외측코일(71b)은 서로 역방향의 자장이 형성되도록 코일의 감는 방향과 전기가 흐르는 방향이 조정된다. 자장생성기구(71)를 2중코일의 구조로 함으로써 원하는 자장을 만들기 쉽다는 이점을 가진다. 자장생성기구(71)를 단일의 코일로 구성할 수도 있다. 자장생성기구(71)에 전기를 흘러주어 자장을 발생시키면 벨자(11)내에서 생성된 플라즈마중의 하전입자를 효율적으로 성막실(113)의 내부에 수송할 수가 있다. 이 하전입자의 수송이 성막실(113)내에 있어서 플라즈마의 고밀도화를 촉진한다.
또 자장생성기구(71)에 의하여 성막실(113)의 내부에도 멀티커스프자장과는 다른 별개의 새로운 자장이 생성된다. 제9도는 자장생성기구(71)에 있어서 내측코일(71a)에 15A의 전류를 흘려주고 외측코일(71b)에 10A의 전류를 흐르게 할 때에 성막실(113)의 내부에 생기는 자장분포를 표시한 것이다. 제9도중, 72는 자장 강도가 50가우스인 등자장면, 73은 자장강도가 200 가우스인 등자장면을 도시한다. 자장강도가 50 내지 200 가우스인 영역을 주목하면 이 영역은 성막실(113)의 천정면을 포함함과 동시에 천정면에서 어느 정도 떨어진 곳까지 넓어져 있는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 벨자(11)의 주위에 자장생성기구(71)를 설치하고 자장생성기구(71)에서 형성된 자장과 자장생성기구(14)로 형성되는 멀티커스프자장이 합성된 자장에 있어서 자장강도 50 내지 200 가우스인 영역에 성막실(113)의 천정면(113c)을 포함한 내벽면(113b)을 배치한다. 본 실시예에 의한 성막실(113)의 천정부는 두꺼운 벽으로 형성되어 천정면(113c)이 자장강도 50 내지 200 가우스인 영역에 배치된다. 이 천정면(113c)은 내벽면에 포함된다. 상기 구성에 의하여 내벽면(113b)에 퇴적하는 막으로부터 미분말의 발생을 장기간에 걸쳐서 억제할 수가 있다.
제10도는 상기의 제3의 실시예를 한층 더 변경한 본 발명의 제4의 실시예를 도시하는 도면으로서 제9도와 동일한 도면이다. 제10도에 있어서, 제9도에서 설명한 요소와 실질적으로 동일의 요소에는 동일의 부호를 부여하고 있다. 이 실시예에서는 종래와 동일한 성막실(13)을 사용하는 동시에 이 성막실(13)의 내부공간에 있어서 자장생기구(71)에 의하여 발생한 자장과 멀티커스프자장이 합성된 자장에서 자장강도가 50내지 200가우스인 영역에 비자성체로 형성된 통형 부재(74)를 설치하고 있다. 즉 내벽면(113b)의 대신에 통형 부재(74)를 설치한다. 이 통형 부재(74)의 형상은 제11도의 (a) 내지 (e)에 도시된 바와 같이, 원통형과 원추대형(錐台形)의 조합, 유저원통형(有底筒形), 유저원통형과 원추대형의 조합으로 형성할 수 있다. 통형 부재(74)는 값싸게 만들 수 있기 때문에 플라즈마 처리장치의 경제적 가치를 높일 수가 있다.
상술한 원통 부재(61), 통형 부재(74)에 대하여는 전기적으로 절연상태에서 배치하여 이것에 대하여 고주파전력을 인가하는 구성을 부가할 수도 있다. 이와 같은 구성에 의하면 부재(61, 74)에 플라즈마 충격을 가할 수가 있으며 이들의 부재에 퇴적·부착한 산화규소막을 스패터에칭의 작용에 의해 제거할 수가 있다. 따라서 박막형성때 정기적으로 부재(61, 74)에 퇴적·부착된 산화규소막을 스패터에칭하는 것으로 제거할 수 있다. 부재(61, 74)의 퇴적막의 스패터에칭에 의해 미분말의 발생원을 근본적으로 제거할 수 있다. 이 결과 표면결함이 적은 산화규소박막을 기판 위에 장기간에 걸쳐서 형성할 수가 있다.
이상과 같이 상기 실시예에 의하면 기판의 표면상에 산화규소박막을 형성하는 경우에 있어서, 산화규소박막의 상품가치를 저감시키는 미립자의 발생을 억제할 수 있는 이점을 가진다.
상기 실시예에서는 6인치 규소반도체 기판상에 산화규소박막을 형성하는 경우에 대하여 설명하였으나, 기판의 종류나 크기를 바꾸어도 본 발명이 적용됨은 물론이다.
또 플라즈마 생성용 원료가스나 재료가스의 종류를 바꾸어서 다른 박막을 형성하는 경우에도 본 발명을 적용하여 미립자의 발생을 억제할 수 있다. 예컨대 원료가스에 질소가스, 재료가스에 디실란가스를 사용하여 질화규소박막을 형성하는 경우에도 미립자의 발생을 억제할 수가 있다.
본 발명은 기판재료를 에칭처리하는 플라즈마 에칭 처리장치에 적용할 수도 있다. 플라즈마 에칭 처리장치에서는 성막실의 대신에 에칭실로 이루어진다. 성막실과 에칭실은 상위 개념적으로 처리실에 포함된다.
플라즈마 에칭 처리의 경우에는 플라즈마와 기판재료와의 에칭반응때에 발생하는 생성물이 에칭실의 내벽면에 퇴적하여 성막장치의 경우와 동일하게 플라즈마 조사의 유무에 따라서 퇴적막의 내부응력차가 생겨서 곧 박리되어 떨어지고 미분말을 발생시켜 기판상의 표면결함을 형성하여 품질을 저하시킨다. 그러나 본 발명을 적용하면, 퇴적·형성되는 막의 막질을 일정하고 치밀하게 할 수가 있고, 미분말의 발생을 억제할 수가 있으며 표면결함이 적은 에칭처리를 행할 수가 있다.
[발명의 효과]
이상의 설명에서 명백한 바와 같이 본 발명에 의하면, 멀티커스프자장 또는 멀티스프자장과 다른 자장생성기구로 형성되는 자장과의 합성자장에 있어서, 그의 자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 처리실의 내벽면이 배치되도록 하였기 때문에 내벽면의 전체면이 플라즈마에 접하여 내벽면 전면에 일정하게 막이 형성되어 내부응력이 일정하게 되어 미분말의 발생이 억제되어 표면결함이 적은 고품질의 박막형성 또는 에칭처리를 행할 수가 있다.
처리실의 내벽면 대신에 비자성체로 만들어진 부재를 자장의 강도가 50 내지 200가우스인 영역에 배치하도록 하였기 때문에 상술과 동일한 효과를 발휘할 수가 있음과 동시에, 처리실 자체의 형태에 변경을 가할 필요가 없고 더욱이 상기 부재는 간단한 형태를 가지며 값싸게 만들 수가 있다.

Claims (6)

  1. 플라즈마 생성실과 이 플라즈마 생성실에 전력을 공급하기 위하 전력공급기구와 상기 플라즈마 생성실과 공간적으로 이어지는 처리실과 이 처리실의 주위에 설치되어 상기 처리실내에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 자장생성기구와 상기 플라즈마 생성실과 처리실을 진공배기하는 배기기구와 플라즈마 생성용의 원료가스를 공급하는 제1가스공급기구와 재료가스를 공급하는 제2가스공급기구를 갖춘 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 상기 처리실의 내벽면이 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 멀티커스프자장의 강도가 50 내지 200 가우스인 영역에 상기 처리실의 상기 내벽면 대신에 비자성체로 형성된 통형 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 플라즈마 생성실과 이 플라즈마 생성실에 전력을 공급하기 위한 전력공급기구와 상기 플라즈마 생성실의 주위에 설치된 제1의 자장생성기구와 상기 플라즈마 생성실과 공간적으로 이어지는 처리실과 이 처리실의 주위에 설치되어 상기 처리실내에 멀티커스프자장을 형성하기 위한 제2의 자장생성기구와 상기 플라즈마 생성실과 처리실을 진공배기하는 배기기구와 플라즈마 생성용의 원료가스를 공급하는 제1가스공급기구와 재료가스를 공급하는 제2 가스공급기구를 갖춘 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 제1의 자장생성기구로 형성되는 자장과 상기 멀티커스프자장에 의하여 만들어지는 합성자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 상기 처리실의 내벽면이 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 합성자장의 강도가 50 내지 200 가우스의 영역에 상기 처리실의 상기 내벽면 대신에 비자성체로 형성된 통형 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 통형 부재는 원통형 부재와 원추대형 부재로 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 제2, 4, 5항중 어느 한항에 있어서, 상기 통형 부재는 전기적으로 절연상태로 배치되어 고주파전력이 인가되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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