KR100225571B1 - 디스크 재생 장치 - Google Patents

Abstract

처리실 내부에 배치한 플라즈마 발생전극의 일단을 콘덴서를 통하여 접지함으로써, 티탄계 도전성 박막의 제작에 있어서 염소혼입량이 적은 고품질의 박막을 얻는다.

1턴 루프의 형상을 한 플라즈마 발생전극(61)의 한쪽 도입단자(62)를 고주파전원(52)에 접속하고 다른쪽 도입단자(63)를 콘덴서(81)를 통하여 접지한다.

사염화티탄을 매분 20밀리리터, 수소가스를 매분 30밀리리터, 질소가스를 매분 10밀리리터의 유량으로 처리실(20)에 도입하고, 처리실(20)내의 압력을 약 1Pa로 설정하고, 기체(21)의 온도를 450℃∼600℃로 설정한다.

고주파전원(52)의 출력을 2.5kW로하여 저압고밀도의 플라즈마를 발생시키면 질화티탄의 막이 매분 약 30㎚의 속도로 퇴적한다.

얻어진 질화티탄의 막은 염소혼입량이 1%이하로 되고, 금속광택이 있는 저저항의 막으로 되었다.

Description

티탄계 도전성 박막의 제작방법

제1도는 본 발명의 방법을 실시하기 위한 플라즈마 CVD장치의 1실시형태의 구성도.

제2도는 가스도입기구의 구성도.

제3도는 플라즈마 발생전극의 평면도.

제4도는 절연링의 일부를 절단한 사시도.

제5도는 제1도의 5-5선 단면도.

제6도는 저부피복률의 기체 바이어스용 전력 의존성을 나타내는 그래프.

제7도는 본 발명에서 사용하는 플라즈마 CVD 장치의 다른 실시형태의 주요부구성도.

제8도는 접지결합기구의 다른 변경예를 나타내는 구성도.

제9도는 콘덴서의 용량과 플라즈마 발생전극의 직류 바이어스 전압의 관계를 나타내는 그래프.

제10도는 접지결합기구의 다른 변경예를 나타내는 구성도.

제11도는 플라즈마 발생전극의 변경예를 나타내는 사시도.

제12도는 플라즈마 발생전극의 다른 변경예를 나타내는 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 가스도입기구 20 : 처리실

21 : 기체 25 : 기체홀더

30 : 배기기구 50 : 전력공급원

61 : 플라즈마 발생전극 62,63 : 도입단자

71 : 절연링 80 : 접지결합기구

81 : 콘덴서 90 : 바이어스 전력공급원

[발명이 속하는 기술분야]

본 발명은 처리실 내부에 플라즈마 발생전극을 구비하는 플라즈마 CVD장치를 사용하여 티탄계 도전성 박막을 제작하는 방법에 관한 것이다.

[종래의 기술]

플라즈마 CVD법은 플라즈마를 이용하여 원료가스를 화학반응시켜서 기체상에 박막을 퇴적시키는 박막형성 방법인데, 이 플라즈마 CVD법은 반도체 집적회로 소자, 초전 도소자, 각종 전자소자, 각종 센서를 구성하고 있는 금속막, 반도체막, 절연막, 광도전체막, 확산방지막, 밀착층막의 박막을 제작하는 수법으로서 널리 사용되고 있다.

처리실내에 플라즈마를 발생시키기 위해서는 플라즈마 발생전극을 사용하는 것이 일반적이고, 전형적으로는 이 플라즈마 발생전극에 고주파 전력을 인가하고 있다.

이 플라즈마 발생전극의 형식을 분류하면, 용량결합방식과 유도결합방식으로 분류할 수 있고, 또 다른 관점으로는, 처리실 외부에 전극을 배치하는 외부 전극방식과, 처리실 내부에 전극을 배치하는 내부전극방식으로 분류할 수 있다.

이들 형식중에서 널리 사용되고 있는 것은 용량 결합방식이고 또한 내부전극방식인 평행평판형 플라즈마 CVD장치이다.

이 평행 평판형 플라즈마 CVD장치는 처리실 내부에서 2매의 전극을 대향시켜, 한쪽 전극에 고주파전력이나 저주파전력, 직류전력, 혹은 이들 전력을 시간 변조한 전력을 인가할 수 있는 구조로 되어 있다. 다른쪽 전극은 접지되어 있다. 혹은 다른쪽 전극을 콘덴서, 코일(인덕터), 콘덴서와 코일의 조합을 통하여 접지하고 있는 것도 있다. 이들 평행평판형 전극구조는 2개의 전극간의 정전계(靜電界)에 의해 하전입자를 가속 하여, 하전입자와 하전입자, 또는 하전입자와 전극의 충돌에 의한 상호작용에 따라 플라즈마를 생성, 유지하는 것이다.

이 평행평판형 플라즈마 CVD장치에서는 100mTorr 이하의 압력으로는 플라즈마를 생성 및 유지하기 어려워 저압고밀도 플라즈마를 얻을 수 없다.

한편, 저압고밀도 플라즈마를 생성하는데 뛰어난 방식중에서 널리 사용되고 있는 것은 유도결합방식의 플라즈마 발생법이다.

이를 정리한 문헌으로서 스가이 히데오저, 「저압력·고밀도 플라즈마의 새로운 전개」, 응용물리,제63권, 제6호, 1994년, pp559-567이 있다.

이 유도결합방식은 플라즈마 생성안테나에 흐르는 전류의 시간 변화에 의한 전자유도에 의해 플라즈마를 생성 및 유지시키는 것이다.

즉, 플라즈마의 생성유지기구가 전자파와 하전입자의 상호작용에 따른 것이다.

따라서, 100mTorr이하의 압력으로도 플라즈마를 생성 및 유지하는 것이 용이하여 저압고밀도 플라즈마를 얻을 수 있다.

이 유도결합방식중에서 널리 사용되고 있는 것은 처리실 외부에 플라즈마 생성안테나를 배치하는 외부안테나 방식이다.

이 방식은 유전체 재료로 만들어진 방전실의 외부주위에 코일상 또는 변형한 루프상의 플라즈마 생성안테나를 배치하고 있다. 이에 의해 저압고밀도 플라즈마를 얻고 있다.

그러나, 이 외부안테나방식은 다음의 결점이 있다.

도전체막, 반도체막 등의 도전성이 비교적 양호한 막(이하, 간단히 도전막이라 함)을 제작한 경우,유전체로 만들어진 방전실 내벽에 도전막이 퇴적하여, 방전실 주위에 설치되어 있는 플라즈마 생성 안테나에서 방사되는 전자파가 이 내벽상의 도전막으로 차폐되어 버린다.

이 때문에, 방전실내의 플라즈마 상태가 불안정하게 되거나, 심할 때는 플라즈마를 생성할 수 없게 되어 버린다. 따라서, 이 외부 안테나 방식으로 플라즈마를 발생시켜서 기체상에 도전막을 퇴적할 경우에는 방전실 내벽을 가끔 세척할 필요가 있다.

상기의 외부안테나방식의 결점을 보완하기 위하여 유도결합방식의 안테나를 처리실 내부에 설치하는 방식(이하, 간단히 내부안테나방식이라 함)이 알려져 있다.

이 내부안테나방식의 플라즈마 발생장치는 상기 스가이 히데오씨의 논문에도 제시되어 있는데, 구체적 장치구성으로서는 Hideo Sugai, Kenji Nakamura, Keiji Suzuki: Japanese Journal of Applied Physics Vol. 33(1994) pp. 2189-2193에 기재되어 있다.

또, 일본국 특개평 7-18433호 공보에는 이 종류의 내부안테나 방식을 이용한 스퍼터링 장치가 개시되어 있다.

[발명이 해결하고자 하는 과제]

상기 Hideo Sugai 등의 논문에 개시되어 있는 내부안테나 방식의 플라즈마 발생장치에서는 실질상 1턴(turn)의 루프코일로 이루어지는 안테나를 처리실내부에 배치하고 있으며, 이 안테나의 한쪽 단자를 고주파 전원에 접속하고, 다른쪽 단자를 접지하고 있다. 그리고, 플라즈마를 안정화시키기 위하여 안테나 표면에 유전체를 피복하고 있다.

이 플라즈마 발생장치를 이용하여 기체상에 막을 퇴적할 경우에는 다음의 문제가 발생한다.

플라즈마 CVD법으로 기체상에 도전막을 퇴적할 경우에는 안테나 표면에도 도전막이 퇴적한다.

이와 같은 도전막이 퇴적하여 가면, 기체상에의 박막의 제작이 진행됨에 따라 플라즈마 생성의 상태가 변화되어, 장기간에 걸쳐 박막제작을 배치처리한 경우에 박막제작의 재현성이 손상된다.

또, 플라즈마 안정화를 위한 유전체 피복의 효과가 상실되고, 플라즈마가 불안정하게 되기 쉽다.

따라서, 안테나 표면을 가끔 세척할 필요가 있다.

더욱이, 이 Hideo Sugai 등의 논문의 플라즈마 발생장치에서는 안테나에 인가되는 고주파전력에 의해 안테나의 유전체 피복표면에 음의 직류바이어스 전압이 유기된다.

그리고, 이 직류바이어스 전압과 플라즈마 전위사이의 전위차에 의해 양이온이 가속되어서, 이 양이온이 안테나 표면의 유전체 피복에 입사하여 유전체 피복을 스퍼터링해 버린다.

이 때문에, 이 종류의 플라즈마 발생장치를 막퇴적에 사용한 경우에는 퇴적하는 막안에 유전체 피복을 구성하는 물질이 혼입될 우려가 있어, 고순도의 막을 제작하는데 장애가 되기 쉽다.

또한, 이 Hideo Sugai 등의 논문의 플라즈마 발생장치에 있어서, 안테나 표면에 유전체피복을 설치하지 않으면, 상기와 같은 결점은 해소되나, 다음과 같은 다른 문제가 있다.

안테나 일단은 직류적으로 접지되어 있으므로 안테나에 직류적인 바이어스 전위가 생기지 않고, 안테나에 인가되는 고주파 전력에 의해 안테나의 전위는 접지 전위를 기준으로하여 시간과 함께 양음으로 대칭 변화한다.

이와같은 안테나전위의 시간적 변화에 따라 하전입자인 전자 또는 양이온이 안테나에 유입된다.

전자는 양이온에 비해 질량이 매우 작으므로 전계에 의한 이동도(移動渡)가 크고, 안테나에 유입하는 하전입자의 수는 양이온 보다 전자쪽이 많아진다.

한편, 안테나에는 상기와 같이 직류적인 바이어스전위가 생기지 않으므로 안테나에 유입하는 하전입자의 전전하량의 밸런스를 취하기 위하여 필연적으로 플라즈마 전위가 양의 전위방향으로 이동한다.

그 결과, 처리실 내벽과 플라즈마 사이의 전계가 커지고, 양이온이 처리실 내벽을 향하여 가속되는 에너지가 커진다.

그러면, 이 양이온이 처리실 내벽에 충돌함으로써 생기는 이차전자의 양이 커지고, 처리실 내벽의 어디에선가 국소적으로 자속(自續)방전이 발생한다.

이 자속방전에 의해 처리실 내벽이 가열되어 열음극 아크방전이 되고, 이와같은 아크방전모드가 되면, 플라즈마와 처리실내벽 사이에 큰 전류가 흐른다.

이에 따라, 플라즈마의 공간전위는 내려가서 일시적으로 자속방전은 정지되나, 재차 플라즈마의 공간전위가 상승하여 플라즈마와 처리실내벽 사이에서 자속 방전이 생긴다.

이와같이 플라즈마의 공간전위가 주기적으로 크게 변화되므로 안정된 플라즈마를 얻을 수 없다.

또한, 처리실내벽이 열음극 아크방전에 의해 국소적으로 극도 가열되기 때문에 처리실을 구성하는 금속재료가 증발하여, 피처리기체의 중금속 오염의 원인이 된다.

또, 이와같이 유전체 피복을 실시하지 않을 경우에는 투입전력을 크게 하더라도 유전체 피복을 실시한 경우에 비해 플라즈마의 전자밀도가 상당히 낮아서, 저압고밀도 플라즈마을 얻을 수 없다.

상기 특개평 7-18433호 공보의 스퍼터링장치에서는 실질상 1턴의 루프안테나를 처리실 내부에 배치하고 있으며, 이 안테나의 한쪽 단자를 고주파 전원과 바이어스용 직류 전원에 접속하고, 다른쪽 단자를 직류 저지콘덴서를 통하여 접지하고 있다.

그리고, 이 안테나 자체를 스퍼터링 장치의 타겟재로서 사용하고 있다.

이 스퍼터링 장치에서는 타겟의 역할을 하는 안테나에 직류 바이어스를 인가하기 위하여 바이어스 전원을 사용하고 있고, 이것과 병용하여 직류 저지콘덴서를 사용하고 있다.

이 스퍼터링 장치에서 사용되고 있는 플라즈마 발생수단을 플라즈마 CVD장치에 적용하는 것을 생각하면 안테나를 스퍼터링 타겟으로 해서는 안되고, 원리적으로 바이어스 전원과 직류저지 콘덴서를 제거하는 것이 된다.

이 경우는 상기의 Hideo Sugai 등의 논문의 플라즈마 발생장치에 있어서 안테나 표면을 금속으로 한 상태와 같게되고, 지금까지 설명한 것과 같은 문제가 생긴다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 저압고밀도 플라즈마를 사용하여 장기간에 걸쳐 안정하게, 플라즈마 CVD법에 의하여 티탄계 도전성 박막을 제작하는 것에 있다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명은 플라즈마 CVD법으로 티탄계 도전성 박막을 제작하는 경우에, 두개의 단자를 구비한 플라즈마 발생전극을 처리실 내부에 배치하고, 이 플라즈마 발생전극의 한쪽 단자를 고주파 전력공급원에 접속하고 다른쪽 단자를 콘덴서를 통하여 접지하여 상기 처리실의 내부에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하고 있다.

이와같은 방법을 채용함으로써 티탄계 도전성 박막의 품질이 종래방법 보다도 현저하게 향상 되었다.

본 발명은 플라즈마 발생전극을 콘덴서를 통하여 접지함으로써, 플라즈마 발생전극을 직류적으로 접지전위로 부터 뜨게 하고 있다.

이로써, 플라즈마 발생전극에 직류 바이어스 성분을 발생시킬 수가 있다.

그 결과, 플라즈마의 공간 전위를 현저하게 증가시키는 일없이 플라즈마를 안정하게 발생, 유지할 수 있다.

또 콘덴서의 용량을 변경시키면, 플라즈마 발생전극에 유기되는 직류 바이어스 성분을 제어할 수 있어 플라즈마 발생전극의 스퍼터링 현상을 최적으로하여 플라즈마 발생전극을 클리닝하면서 장기간에 걸쳐서 안정한 플라즈마 처리를 유지할 수 있다.

티탄계 도전성 박막의 예로서는 금속티탄, 질화티탄, 타탄실리사이드, 질화텅스텐을 열거할 수 있다.

어느것이든지 저항율이 100μΩ㎝ 이하이고, 예를들면 반도체 디바이스에서의 도전성박막으로 이용된다.

콘덴서의 용량으로서는 100pF.∼10μF가 적당하다.

이것 보다도 용량이 지나치게 작으면 방전이 불안정하게 되기 쉽다.

또, 이것 보다도 용량이 지나치게 크면, 고주파 특성이 양호하고 게다가 내전압이 높은 세라믹 콘덴서를 사용할 경우에 콘덴서가 지나치게 커져서 실용적이 아니다.

처리실은 접지하는 것이 보통이지만, 처리실을 직류적으로 어스로부터 뜨게하여도 좋다.

즉, 처리실과 어스 사이에 콘덴서를 삽입하여도 좋고, 이 경우에 이 콘덴서의 용량을 제어하여 처리실의 전위를 조절하여도 좋다.

[발명의 실시의 형태]

제1도는 본 발명에서 사용하는 플라즈마 CVD장치의 1실시형태의 구성도이고, 처리실의 부분은 정면 단면도를 나타내고 있다.

진공으로 유지가능한 처리실(20) 내부에는 기체홀더(25)와 플라즈마 발생전극(61)이 배치되어 있고, 기체홀도(25)에는 바이어스 전력 공급원(90)이 접속되고, 플라즈마 발생전극(61)에는 전력공급원(50)과 접지결합기구(80)가 접속되어 있다. 또 처리실(20)에는 가스도입기구(10)와 배기기구(30)가 이어져 있다.

우선, 가스도입기구(10)에 대하여 설명한다. 제2도는 가스도입기구(10)의 구성도이다. 이 가스도입기구(10)는 3종류의 원료가스를 사용할 수 있게 되어 있다.

원료용기(1a)는 상온상압에서 액체상태의 원료를 소정 온도로 가열하는 항온조이고, 이 항온조에서 증기화된 원료는 유량제어기(12a)와 밸브(13a)를 경유하여 처리실(20)에 도입된다.

원료용기(1b, 1c)는 고압가스봄베이고, 이 안에 들어 있는 원료가스는 감압밸브(11b, 11c)로 감압되고, 유량제어기(12b, 12c)로 유량제어되고, 밸브(13b, 13c)를 열면 처리실(20)에 도입된다.

가스도입기구(10)의 출구는 플라즈마 발생전극(61)의 중심부근에 개구되어 있다.

밸브(13a, 13b, 13c)는 원료가스를 도입할 때 여는 것이나, 처리실(20)내부를 대기로 할 때는 원료가스가 대기로 오염되는 것을 방지하기 위하여 밸브(13a, 13b, 13c)를 닫는다.

다음에, 제1도로 돌아가서, 기체홀더(25)의 구조를 설명한다. 기체(21)는 기체홀더(25)위에 놓인다. 기체홀더(25)내부에는 히터(26)와 열전대(27)가 있다. 기체홀더(25)의 온도는 열전대(27)로 측정되고, 도시하지 않은 기체온도조절장치에 의해 히터(26)에 전력이 공급되어 기체(21)의 온도가 제어된다.

이 기체온도 조절장치는 PID제어방법을 사용하고 있으나, 필요에 따라 퍼지회로를 병용하거나 PI제어나 단순한 ON-OFF제어를 채용하여도 된다.

다음에, 배기기구(30)을 설명한다. 거친펌프(31)는 기름회전펌프(배기속도 매분 650리터)이고, 거친 밸브(32)를 통하여 처리실(20)에 접속된다. 처리실(20)의 청결성이 대단히 중요할 경우에는 거친펌프(31)로서 오일프리 펌프를 사용할 수 있고, 또, 보전성을 향상시킬 때는 드라이펌프를 사용하여도 된다.

주펌프(35)는 가변오리피스(34)와 주밸브(33)를 통하여 처리실(20)에 접속되고, 후단에는 보조펌프(36)가 접속된다. 주펌프(35)는 복합형 터보분자펌프(배기속도 매초 1300리터)이고, 처리실(20)내의 청결성이 그다지 중요하지 않으면 기름확산펌프를 사용할 수도 있다.

보조펌프(36)는 기름회전펌프(배기속도 매분 1180리터)이고, 거친펌프(31)와 동일하게 드라이펌프를 사용하여도 된다.

처리실(20)을 대기압으로부터 배기할 때는 우선 거친밸브(32)를 열어 거친펌프(31)로 처리실(20)을 배기한다.

처리실(20)의 내부압력이 소정압력(배기계에 따라 다르나 본 실시형태에서는 약 100Pa)까지 배기된 후에 거친밸브(32)를 닫고, 주밸브(33)을 열어 주펌프(35)에 의해 다시 저압력 영역까지 배기한다.

진공계로 측정된 처리실압력을 기초로 가변오리피스(34)를 개폐하여 처리실(20)내의 압력을 소정값으로 조절할 수 있다.

재현성이 좋은 안정된 플라즈마를 얻기 위해서는 가변오리피스(34)를 사용하는 것이 유효하다.

다음에, 기체에 바이어스전력을 인가하는 기구에 대하여 설명한다.

기체홀더(25)는 임피던스 정합회로(91)를 통하여 바이어스용 고주파전원(92)에 접속되어 있다.

이 임피던스 정합회로(91)와 바이어스용 고주파전원(92)으로 바이어스전력공급원(90)이 구성되어 있다.

바이어스용 고주파전원(92)에 의해 유기된 교번전력은 임피던스 정합회로(91)로 임피던스 조정되어 기체홀더(25)에 공급되고, 기체(21)의 바이어스전압이 조정된다.

기체홀더(25)주위에는 처리실(20)에 접속된 실드판(93)이 있고, 또 기체홀더(25)는 절연체(94)에 의해 처리실(20)에서 전기적으로 절연되어 있다.

바이어스용 고주파전원(92)의 주파수는 플라즈마발생용 고주파전원(52)의 주파수와는 적어도 500Hz이상 상이한 것이 필요하다.

그렇게 하지 않으면 2개의 고주파가 간섭하여 안정된 플라즈마를 얻을 수 없다.

본 실시형태에서는 플라즈마발생용 고주파전원(51)의 주파수를 13.560MHz, 바이어스용 고주파전원(92)의 주파수를 13.562MHz로 하였다.

다음에, 자장발생기구를 설명한다. 처리실(20)주위에는 상하방향으로 가느다란 많은 영구자석이(121)이 배치되어 있다.

제5도는 제1도의 5-5선 단면도로서, 처리실(20)의 수평단면을 나타내고 있다.

24개의 영구자석(121)은 처리실(20)주위에 서로 등간격으로 배치되어 있어, 인접한 영구자석(121)은 서로 반대의 극성으로 되어 있다.

즉, 처리실(20)내부를 향하여 N극과 S극이 번갈아 배치되어 있다.

이들 영구자석(121)의 작용에 의해 처리실(20)의 내벽면 근방에는 멀티커스프자장(122)이 형성된다.

또한, 영구자석의 형상이나 개수는 이에 한정되는 것은 아니고, 처리실(20)내부를 향하여 N극과 S극이 번갈아 배치되는 한, 다른 구성으로 하여도 된다.

영구자석(121)은 란탄계 희토류자석(치수 25.4㎜×6.3㎜×12.8㎜)을 조합하여 구성하였다.

이 자석표면의 자속밀도는 1600 가우스이나, 약 400∼2200가우스 범위의 자석이 유효하다.

자속밀도가 지나치게 작으면 플라즈마의 가둠효과가 약해지고, 기체주변부에서 표면처리의 균일성이 떨어진다.

자속밀도가 지나치게 크면, 처리실 내벽에서 플라즈마가 과도하게 이격되어 플라즈마의 균일성이 유지되는 영역이, 처리실 내경에 비해 작아 진다.

자극간격은 150㎜ 이내로 하는 것이 바람직하다.

자극간이 과도하게 이격되면 자극간의 중앙부와 자속밀도가 작아져서 플라즈마의 가둠효과가 감소한다. 이 실시예에서는 자극간격이 24㎜이다.

이와같은 멀티커스프자장(122)을 사용하면, 자장에 의한 플라즈마 가둠효과에 의해 처리실(20)내벽면 근방까지 플라즈마가 확산하지 않으므로 균일한 고밀도 플라즈마를 유지할 수 있다.

이 멀티커스프 자장과 바이어스전력공급원을 병용하면 대형 기체표면에 균일하게 대전류의 이온을 유입시킬 수 있다.

다음에, 플라즈마 발생장치를 설명한다. 이 플라즈마발생장치는 처리실(20) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 것으로, 제1도에 있어서, 전력공급원(50), 플라즈마발생전극(61), 및 접지결합기구(80)를 구비하고 있다.

플라즈마발생전극(61)은 실질적으로 1턴(turn)의 코일이고, 처리실(20) 벽을 관통하는 1쌍의 도입단자(62,63)를 구비하고 있다.

플라즈마발생전극(61)은 기체(21)에 대향해 있다. 제3도는 플라즈마발생전극(61)의 평면도이다. 이 플라즈마발생전극(61)은 금속파이프를 대략 1주(周)의 원환상으로 구부린 것이다. 직경은 약 140㎜이다. 이 원환상 부분에 대하여 수직이 되게 도입단자(62,63)가 형성되어 있다.

이 금속파이프는 처리실내에 그대로 노출되어 있기 때문에 플라즈마발생전극(61)의 표면은 도전체이다.

이 금속파이프 내부에 냉각수를 유입시키면 이 전극을 수냉할 수 있다.

단, 필요에 따라 공냉으로 할 수 있고, 소전력의 경우는 냉각하지 않아도 된다.

다음에, 플라즈마 발생전극의 냉각기구를 설명한다.

이 실시형태에서는 도입단자(62,63)와 플라즈마발생전극(61)은 내부가 비어있고, 내부에 냉각수를 통과시킬 수 있다. 도입단자(62,63)에는 플루오르수지제의 통수(通水)튜브를 접속하고 있으며, 공급측 튜브에는 1평방센티미터당 약 5㎏의 압력의 물을 공급하고, 배출측 튜브는 대기압에 가까운 압력으로 하고 있다.

공급구의 냉각수 온도는 약 15℃이고, 플라즈마 발생전극(61) 내부를 흐르는 물의 유량은 매분 약 3리터이다.

냉각매체로는 큰 비열, 입수용이성, 작은 점성 등의 관점에서 물이 가장 뛰어나지만 그 이외의 매체를 사용하여도 된다. 공기냉각이나 질소가스냉각을 채용할 경우는 유량을 크게하면 된다.

질소가스냉각에서는 수분을 함유하지 않으므로 전극의 수분부식을 방지할 수 있다.

플라즈마발생전극은 플라즈마에 직접 접하기 때문에 플라즈마에 의해 그 표면이 에칭될 가능성이 있다.

실험에 따르면, 플라즈마발생전극을 수냉하면, 이 에칭을 억제할 수 있어, 플라즈마발생전극의 수명을 연장할 수 있다.

수냉하지 않을 경우에는, 플라즈마발생전극의 직경감소율은 1시간당 0.1㎜였으나 수냉하면 1시간당 0.01㎜였다. 플라즈마 발생전극이 에칭되면, 이것이 기체상의 막중에 혼입하여 불순물이 될 가능성이 있으나, 수냉하면 이 에칭량을 적게 할 수 있다.

제4도는 플라즈마발생전극의 도입단자와 처리실사이에 설치되는 절연링의 일부를 절단한 사시도이다.

이 절연링(71)은 전기절연재료인 석영유리로 되어 있다.

이 절연링(71)과 플라즈마발생전극의 도입단자(62,63)사이, 및 절연링(71)과 처리실(20)사이는 진공밀봉되어 있다.

이 절연링(71)은 원판(72)중앙에 원형의 관통구멍(73)이 형성되어 있고 원판(72) 한쪽(처리실 공간에 노출되는 쪽)에 3개의 원환상 돌기(74)가 서로 동심상으로 형성되어 있다.

이 원환상 돌기(74)사이에는 2개의 원환상홈(79)이 형성된다.

홈(79)의 개구부는 관통구멍(73)의 축선에 수직인 평면내에 있고, 홈(79)의 깊이방향은 관통구멍(73)의 축선에 평행이다.

이들 돌기(74)와 홈(79)은 모두 관통구멍(73)에 대하여 동심이다.

관통구멍(73)에는 플라즈마발생전극의 원통상 도입단자(62;제1도 참조)가 삽입된다.

3개의 원환상 돌기(74)는 모두 높이가 50㎜, 두께가 1㎜이다.

따라서, 홈(79)의 깊이도 50㎜이다.

또, 홈(79)의 폭(인접한 돌기(74)의 간격)은 1㎜이다.

원환상 돌기(74)의 전면(全面)과 원판(72)의 처리실에 노출하는 쪽의 표면(제4도 상측면)은 블라스트처리가 실시되어 조면화되어 있다. 이 조면화에 의해 절연링(71)에 부착한 막을 박리되기 어렵게 하여, 막의 박리에 의한 처리실 내부의 분진오염을 방지하고 있다.

이를 상세히 설명하면, 절연링(71)에 있어서, 홈(79)내부이외의 부분에는 막이 부착할 가능성이 있고, 가령 돌기(74)의 정면(頂面)이나 가장 외측 돌기(74)의 외주면이나, 이것 보다 외측의 원판표면에는 막이 부착할 가능성이 있다.

이들 부위에 조면화가 실시되어 있으면 이 부분에 부착한 막이 박리되기 어려워진다.

제1도로 돌아가서, 플라즈마 발생전극(61)의 한쪽의 도입단자(62)는 임피던스 정합회로(51)를 통하여 고주파전원(52)에 접속되어 있다.

이 임피던스정합회로(51)와 고주파전원(52)으로 전원공급원(50)이 구성된다.

고주파전원(52)의 주파수는 13.56MHz이고, 정격출력은 3kW이다.

단, 주파수는 이에 한정되지 않고, kHz오더나, 60MHz나, 100MHz를 사용하여도 되며, 사용가능범위는 10kHz∼1000MHz정도이다.

이 범위의 상한을 초과하면 도전체를 배선재료로서 사용할 수 없게 되고, 하한을 밑돌면 전파로서 발신하지 않게 된다.

또, 그 출력파형도 정현파(正弦波)만이 아니라 여기에 소정의 변형을 실시한 파형이라도 좋다.

임피던스정합회로(51)로는 ∏(파이)형 회로를 사용하고 있으나 이 이외의 가령 T형회로를 사용하여도 된다.

고주파전원(52)에 의해 유기된 교번전력은 임피던스정합회로(51)로 임피던스 조정되어 플라즈마발생전극(61)에 공급된다.

상기 실시형태에서는 플라즈마 발생전극(61)은 1턴 코일로 하였으나 다른 형상으로 할 수도 있다.

제11a도는 플라즈마 발생전극을 2턴 코일형상으로 한 예이다.

또한 3턴이상으로 하여도 된다.

제11b도의 플라즈마발생전극은 수평면내에서 와류 모양으로 감은 예이다.

제11도(C)의 플라즈마발생전극은 1매의 직사각형의 평판의 예이고, 제11d도는 1매의 원형의 평판의 예이다.

또, 제12a도의 플라즈마발생전극은 직선상으로 뻗은 1개의 막대상으로 한 예이다.

제12b도의 플라즈마발생전극은 3개의 막대상 전극을 수평면내에서 병렬로 나열한 예이고, 제12c도의 플라즈마발생전극은 3개의 막대상전극을 연직면내에서 병렬로 나열한 예이다.

그리고, 이들 제11도와 제12도에 도시한 어느 전극예도 2개의 단자를 구비하고 있어, 한쪽 단자가 고주파 전원에 접속되고 다른쪽이 콘덴서를 통하여 접지된다.

그리고, 어느 경우에도, 두 개의 단자는 플라즈마 발생전극의 양끝 부근에 위치하고 있다.

또, 이들 플라즈마발생전극과 그 두 개의 단자는 내부에 냉각수를 통과시켜 냉각할 수 있다.

다음에, 제1도로 돌아가서, 접지결합기구(80)를 설명한다.

이 접지결합기구(80)는 플라즈마발생전극(61)의 도입단자(63)와 처리실 사이에 설치되어 있고, 콘덴서(81)를 포함하고 있다.

이 콘덴서(81)에 의해 플라즈마발생전극(61)의 일단은 직류적으로 어스로부터 차단된다.

이 실시형태의 콘덴서(81)의 정전용량은 약 500pF이다.

단, 이 용량에 한정되지 않고, 처리조건에 따라 100pF∼10μF정도의 용량을 사용할 수 있다.

이에 대하여, 플라즈마발생전극(61)과 처리실(20)사이의 부유용량은 수 pF정도이다.

콘덴서(81)로서는 고주파특성이 우수하여 내전압성이 있는 세라믹 콘덴서가 적합하다.

처리실내에 플라즈마를 발생시키면, 접지결합기구(80)의 콘덴서(81)의 존재에 의하여 플라즈마 발생전극(61)에 직류바이어스 전압이 유기된다.

제9도는 콘덴서(81)의 정전용량과, 플라즈마발생전극(61)에 유기되는 바이어스 전압의 관계를 나타낸 그래프 이다.

이 그래프로 알 수 있듯이, 콘덴서 용량에 따라 직류바이어스전압의 절대치가 변화된다.

따라서 콘덴서의 용량을 변경함으로써 플라즈마발생전극의 직류바이어스전압을 임의의 값으로 설정하는 것이 가능해진다..

플라즈마발생전극이 스퍼터링되어버릴 경우는 콘덴서 용량을 작게하면 직류바이어스전압의 절대치가 작아져, 플라즈마발생전극의 스퍼터링을 억제할 수 있다.

그래서, 제8도에 도시하는 바와같이 접지결합기구(80a)로서 가변콘덴서(81a)를 사용하면 콘덴서의 용량변경이 간단해져, 플라즈마발생전극의 직류바이어스 전압의 제어가 용이해진다.

또, 플라즈마발생전극의 직류바이어스성분을 모니터하게 하면, 플라즈마처리를 배치처리로 행한 경우에, 배치처리회수의 증가에 의해 미묘하게 플라즈마 처리조건이 변화한 경우라도 직류바이어스성분이 일정해지도록 콘덴서용량을 제어할 수 있다.

그런데, 상기 스퍼터링의 효과를 역으로 이용할 수도 있다.

가령, 기체상에 막을 퇴적할 경우에 플라즈마발생전극에도 막이 퇴적되어 버리는 일이 있으나, 이와같은 때에는 콘덴서 용량을 적당하게 증가시켜 플라즈마발생전극상의 퇴적막만이 스퍼터링되고 플라즈마발생전극자체는 스퍼터링되지 않는 콘덴서용량을 찾을 수 있다.

제10도는 접지결합기구의 또 다른 실시형태를 나타낸다.

이 접지결합기구(80b)에서는 플라즈마발생전극(61)의 도입단자(63)와 가변콘덴서(81a)사이에 인덕터(83)를 통하여 직류전원(82)를 접속하고 있다.

이에 따라, 플라즈마발생전극(61)의 전위를 더욱 적극적으로 제어할 수 있다.

그런데, 제1도에 있어서, 플라즈마발생전극의 도입단자(63)를 콘덴서(81)를 통하여 처리실에 접속하지 않고 직접 접지하면, 처리실내의 플라즈마는 용량결합성이 강한 방전이 되어 처리실 공간 전체와 배기기구(30)의 공간까지 퍼진다.

그 결과, 플라즈마의 전자밀도가 낮아진다.

한편, 콘덴서(81)를 통하여 접지하면, 플라즈마가 처리실 내의 중앙부분에 국재화(局在化)하여 플라즈마의 전자밀도가 높아진다.

구체예를 들면, 아르곤가스를 처리실내에 도입하여, 압력을 6mTorr, 플라즈마발생전극에의 투입전력을 2kW로하여 플라즈마를 발생시켰을 때에 플라즈마의 전자밀도는 1입방센티미터당 「10의 11제곱」개에 달하였다.

다음에, 제1도의 플라즈마 CVD장치를 사용하여 박막을 제작하는 실시예를 예시한다.

제1처리예로서, 우선, 질화티탄막의 제작예를 설명한다.

제1도와 제2도에 있어서, 원료용기(1a)에 넣는 제1원료로서 사염화티탄을 사용하고, 원료용기(1b)에 넣는 제2원료로서 수소가스를, 원료용기(1c)에 넣는 제3원료로서 질소가스를 사용하였다.

유량은 사염화티탄이 매분 20밀리리터, 수소가스가 매분 30밀리리터, 질소가스가 매분 10밀리리터이다.

처리실(20)내의 압력을 약 1Pa로 설정하고, 기체(21)온도를 450℃∼600℃로 설정하였다.

고주파전원(52)의 출력은 2.5kW로 하였다. 콘덴서(81)의 용량은 500pF이다. 이 조건으로 박막을 제작하면, 질화티탄을 주성분으로 한 막이 매분 약 30㎚의 속도로 퇴적하였다.

이때 종래 장치에서 보였던 플라즈마의 시간경과에 따른 변화나, 플라즈마가 생기지 않게 되는 현상은 관측되지 않고 본 발명장치는 질화티탄과 같은 도전체 박막제작에 유효하였다.

또한 플라즈마발생전극표면에는 금속박막의 부착은 보이지 않았다.

그런데, 플라즈마 발생전극을 직류적으로 접지하여 질화티탄막을 제작하면, 질화티탄막에 염소(원료가스의 사염화티탄에 포함되어 있다)가 1%이상 혼입하여, 질화티탄막이 검게 변색하는 현상이 보였다.

이에 대하여, 본 발명에서는 제1도와 같이 콘덴서 (81)를 이용한 것으로 인하여, 질화티탄막에의 염소의 혼입량이 1％ 이하로 되고, 질화티탄막이 변색하는 일도 없어졌다.

질화티탄 박막은 예를들면 반도체 집적회로의 접촉부의 확산 방지막으로서 사용되고 있다.

이 용도에서는 직경 0.35㎛이하, 깊이 1.5㎛정도의 구멍바닥에 성막하지 않으면 안된다.

제6도는 이 경우의 저부피복률의 기체바이어스용 전력의존성을 나타낸다.

「저부피복률」이라는 용어를 설명하면, 평탄부의 막두께를 a로 하고, 접촉구멍바닥에 퇴적한 막두께를 b로 하면, 저부피복률은 다음과 같이 정의된다.

저부피복률(%)= (b/a)×100. 이 저부피복률은 그래프로 알 수 있듯이 기체바이어스용 전력을 증가시킴에 따라 급속하게 양호한 값이 되었다.

그 이유는 플라즈마내에 생기고 있는 이온이 기체(21)의 바이어스전압의 작용에 의해 기체(21)에 수직으로 입사하고, 이 사실에 따라 저부피복률이 개선되었기 때문이라 추측된다.

상기 제1의 처리예에 있어서, 플라즈마발생전극의 재질은 티탄이나 이 티탄은 퇴적막(질화티탄)의 구성원소의 하나이다.

따라서, 플라즈마발생전극이 스퍼터링되어 티탄박막에 혼입했다 하더라도 이것이 질화티탄박막의 오염물질은 되지 않는다.

처리실의 내벽면근방에 멀티커스프자장을 형성하면, 처리실내면벽에서 약 5㎝이상 떨어진 처리실 중심부에서 비교적 균일성이 좋은 플라즈마를 유지할 수 있다.

대형 기체를 균일성(막두께분포, 막질분포,저부피복률의 균일성)좋게 성막하기 위해서는 이 멀티커스프자장을 형성하는 것은 대단히 유익하다.

특히, 기체바이어스전력공급원과 병용하면, 양호한 저부피복률이 균일성 좋게 얻어져, 더 한층의 효과가 있다.

이 멀티커스프 자장을 형성함으로써 상기 질화티탄의 막제작의 처리예의 경우. 직경 6인치의 실리콘 웨이퍼내에서 ±3%이내의 막두께분포를 얻을 수 있다.

다음에, 제2의 처리예에 의한 박막제작을 예시한다.

제1원료로서 사염화티탄을, 제2원료로서 수소가스를, 제3원료로서 아르곤가스를 사용한다.

유량은 사염화티탄이 매분 20밀리리터, 수소가스가 매분 30밀리리터, 아르곤가스가 매분 35밀리리터이다.

처리실(20)내의 압력을 약 1Pa로 설정하고, 기체(21)온도를 550℃∼600℃로 설정하였다.

고주파전원(52)의 출력은 2.5kW로 하였다. 콘덴서(81)용량은 500pF이다. 기판의 밑바탕의 재질은 산화실리콘막으로 하였다. 이 조건으로 박막을 작성하면, 밑바탕의 재질에 따라 막조성이 달라진다.

가령, 밑바탕이 산화실리콘막인 경우, 얻어지는 박막은 금속티탄이다.

또, 밑바탕이 실리콘인 경우는 얻어지는 박막은 티탄실리사이드(TiSi₂)이다.

이와같은 박막제작에 있어서, 종래장치에서 볼 수 있었던 플라즈마의 시간경과에 따른 변화나, 플라즈마를 생성하기가 불가능하게 되는 현상은 본 발명 장치에서는 관측되지 않고, 안정된 재현성 좋은 도전체 박막의 퇴적을 행할 수 있다.

또한, 플라즈마발생전극 표면에서 금속박막의 부착은 볼 수 없고, 플라즈마발생전극 표면이 스퍼터링되지도 않았다.

이와같은 금속티탄박막이나 티탄실리사이드박막은 가령 반도체 집적회로의 접촉부의 접촉저항 저감막으로서 사용된다.

이 경우, 상기 멀티커스프자장이나 기체바이어스전력공급원을 사용하면 균일성이 좋고 저부피복률이 좋은 박막을 얻을 수 있다.

종래, 저밀도플라즈마를 이용하여 플라즈마 CVD법으로 금속티탄이나 티탄실리사이드박막을 제작하면, 염소가 혼입한 고저항 흑색막이 되기 쉬웠으나 본 발명의 플라즈마 CVD장치를 사용하면, 저저항으로 금속광택이 있는 막을 얻을 수 있었다.

이때의 막중 염소농도는 1%이하였다. 또, 성막중에 기체바이어스를 인가하면 염소농도를 0.1%이하로 저감할 수 있었다.

여기서, 티탄계 도전성 박막에 염소가 혼입한 경우의 문제점을 열거하면, (1)막이 금속광택이 아니고, (2)염소혼입에 의해 막 저항률이 상승하고, (3)염소가 상부배선재료를 부식시켜 심할 때는 배선의 단선을 일으키고, (4)염소함유량이 많으면, 막의 시간경과에 따른 변화가 생겨 막의 특성이 안정되지 않는다는등의 문제점이 있다.

본 발명의 플라즈마CVD법에 의하면 티탄계 도전성 박막의 염소함유량이 저하되므로 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있다.

금속티탄이나 티탄실리사이드 박막은 반도체 집적회로의 접촉부의 접촉저항 저감막으로 사용되나, 기체바이어스와 멀티커스프자장을 병용하면 균일성이 양호하고, 기체주변부에 있어서도 저부피복률이 양호한 박막을 얻을 수 있다.

티탄계 도전성 박막을 제작하는 경우, 플라즈마 발생전극으로서 금속티탄제의 파이프를 사용하면,플라즈마 발생전극이 다소 스퍼터되더라도 티탄이 불순물이 되지 않으므로 불순물의 혼입이 없는 양호한 품질의 박막을 얻을 수가 있다.

다음에 제3처리예를 설명한다. 이 처리예에서는 제8도의 장치를 사용하였다. 제8도와 제2도에 있어서 원료용기(1a)에 넣는 제1원료로서 사염화티탄을 사용하고, 원료용기(1b)에 넣는 제2원료로서 수소가스를, 원료용기(1c)에 넣는 제3원료로서 질소가스를 사용하였다.

유량은 사염화티탄이 매분 20밀리리터, 수소가스가 매분 200밀리리터, 질소가스가 매분 20밀리리터이다.

처리실(20)내의 압력을 약 1Pa로 설정하고, 기체(21)의 온도를 450℃∼600℃로 설정하였다.

고주파전원(52)의 출력은 3.0kW로 하였다. 제8도의 가변콘덴서(81a)의 용량은 100pF∼10μF로 가변하도록 하였다.

그리고 플라즈마 발생전극(61)에 유기되는 직류 바이어스 전압을 모니터하여, 직류 바이어스 전압이 마이너스 250V로 되도록 콘덴서의 용량을 조절하였다.

이 조건으로 박막을 제작하면, 질화티탄을 주성분으로 한 막이 매분 약 60㎚의 속도로 퇴적하였다.

질화티탄을 주성분으로한 막은 저항율 80μΩ㎝였다.

게다가, 100배치에 걸쳐서 박막을 제작하더라도, 재현성이 있는 대략 동일한 박막을 작성할 수 있었다.

다음에 제4의 처리예를 설명한다.

이 처리예에서는 제10도의 장치를 사용하였다.

도입가스의 종류나 유량, 기체온도, 고주파전원(52)의 출력은 상기 제5의 처리예와 같다.

다만, 접지결합기구(80b)로서 직류전원(82)를 사용하고 있는 것이 다르다.

그리고, 이 직류전원(82)를 사용하여 플라즈마 발생전극(61)의 직류 바이어스 전압이 마이너스 250V로 일정하게 되도록 제어하였다.

이때, 가변콘덴서(81a)의 용량은 500pF로 일정하게 하였다.

이 조건으로 박막을 제작하면 상기 제5의 처리예와 같이 질화티탄을 주성분으로 한 막이 매분 약 30㎚의 속도로 퇴적하였다.

제7도는 본 발명에서 사용하는 플라즈마 CVD장치의 다른 실시형태의 주요부 구성도이다.

이 실시형태에서는 플라즈마 발생전극(61)의 상방에 솔레노이드코일(130)이 배치되어 있다.

그 이외의 구성은 제1도의 실시형태와 같다.

이 솔레노이드코일(130)이 발생하는 자력선(131)은 1턴 코일의 형상의 플라즈마 발생전극(61)의 중심부근을 통과하여 발산한다.

이 자력선(131)의 작용에 의하여 처리실(20)내에 보다 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수가 있다.

또, 이 실시형태의 장치에서는 방전의 개시가 용이하게 된다.

이 장치를 사용하면, 제1도에 도시한 장치와 같이 질화티탄, 금속티탄, 티탄실리사이드, 질화텅스텐의 박막을 제작할 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명에서는 플라즈마 발생전극을 처리실 내부에 배치하고, 이 플라즈마 발생 전극의 일단을 콘덴서를 통하여 접지하였으므로, 티탄계 도전성 박막의 제작에 있어서 시간 경과에 따른 변화가 매우 적은 안정한 저압고밀도 플라즈마를 얻을 수가 있다.

그리고, 염소함유량이 적은 고품질의 티탄계 도전성 박막을 얻을 수가 있다.

또 상기 콘덴서의 용량을 조절함으로써 플라즈마 발생전극에 유기되는 직류 바이어스 성분을 최적으로 할 수 있어, 플라즈마 처리를 행하는 경우에 플라즈마 발생전극의 스퍼터링을 억제할 수가 있다.

Claims (13)

1. 처리실에 원료가스를 도입하여 플라즈마 CVD법으로 처리실내의 기체상에 티탄계 도전성 박막을 퇴적시키는 티탄계 도전성 박막의 제작방법에 있어서, 두 개의 단자를 구비한 플라즈마 발생전극을 상기 처리실 내부에 배치하고, 이 플라즈마 발생전극의 한쪽 단자를 고주파 전력공급원에 접속하고 다른쪽 단자를 콘덴서를 통하여 접지하여, 상기 처리실 내부에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 티탄계 도전성 박막의 제작방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 원료가스로서 사염화티탄, 수소가스 및 질소가스를 사용하여 질화티탄의 박막을 제작하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 원료가스로서 사염화티탄, 수소가스 및 아르곤가스를 사용하여 금속티탄의 박막을 제작하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 원료가스로서 사염화티탄, 수소가스 및 아르곤가스를 사용하여 티탄실리사이드의 박막을 제작하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 콘덴서의 정전용량은 100pF∼10∼μF인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 콘덴서는 가변콘덴서인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생전극의 표면의 재질은 티탄인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 발생전극은 1턴 코일인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 다른쪽 단자에 플라즈마 발생전극의 전위를 제어하기 위한 전위 제어기구를 접속한 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 전위제어기구는 직류전원과 인덕터를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 멀티커스프 자장을 상기 처리실 내부에 발생시킬 수 있는 멀티커스프 자장 발생 기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제1항에 있어서, 상기 배기기구가 상기 처리실내의 압력을 일정하게 제어하는 압력 제어기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항에 있어서, 상기 기체에 바이어스 전압을 인가하기 위한 바이어스 인가기구를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 방법.