KR100274307B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

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KR100274307B1
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Abstract

플라즈마 막형성장치는, 처리실내에 처리가스를 공급하는 가스공급수단과, 처리실내의 피처리물에 대향된 제 1 전극과, 피처리물을 사이에 두고 제 1 전극에 대향되고, 평면형상의 코일로 이루어진 제 2 전극과, 처리실내의 압력을 0.1Torr 이하로 유지하는 압력조정수단과, 피처리물을 소정온도로 가열하는 가열수단과, 제 1 및 제 2 전극간에 고주파전력을 인가하고, 그 결과, 처리가스가 플라즈마화되어서 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 피처물의 표면에 박막이 형성되는 인가수단을 구비하고 있다. 한쌍의 전극간에 고주파전력을 인가하면 고주파전계가 형성되는데, 전극의 한편이 평면형상의 코일이기 때문에, 자장이 형성된다.
그 결과, 처리가스는 전기에너지와 자기에너지에 의하여 플라즈마화 한다. 따라서, 처리가스는 낮은 압력으로 플라즈마화하고, 그 압력이 0.1Torr이하로 되어 있어도, 고밀도의 플라즈마가 생성된다. 그 때문에, 피처리물 표면에 있어서의 이오 조사효율이 높고, 불순물의 제거효과가 높다.

Description

플라즈마 처리장치
본 발명은 플라즈마 막형성방법과 장치 및 플라즈마 처리장치에 관한 것이다. 반도체 디바이스의 고집적화에 따라서, 회로구조가 3차원 방향으로 복잡화되어 오고 있다. 이에 의하여, 하프미크론 혹은 서브미크론의 패턴폭의 초미세회로를 다층구조로 하는 것이 요구되고 있다. 이와 같은 상황하에서, 디바이스의 성능 및 기능을 좌우하는 것으로서, 다층배선 기술은 대단히 중요한 위치를 점하고 있다.
다층배선을 구성하는 층간 절연막으로서 사용되는 실리콘 산화막에서는, 이 실리콘 산화막으로부터 방출되는 수분이, 예로서 알루미늄배선의 부식에 의한 열화, 또는 알루미늄 배선 사이의 내압의 저하등 문제를 야기시킨다. 이 때문에, 실리콘 산화막의 막형성법으로서는, 수분 함유량이 적은, 플라즈마 CVD법이 적합하다.
이 플라즈마 CVD법에 의하여 실리콘 산화막을 막형성하는 한 예에 관해서 설명한다. 유기 실리콘 소스, 즉 TEOS(테트라에틸오소실리케이트)와 산소가스(O2가스)가 평행평판형 CVD장치내로 도입된다. 그 결과, 플라즈마가 발생되어서 막형성되고 있다. 즉, 이 평행평판형 CVD장치에서는, 웨이퍼 얹어놓는대를 겸용하는 전극과 여기에 평행으로 대향하는 대향전극을 갖춘 기밀구조의 처리실 내에, 상술한 처리가스가 도입된다. 이들 전극사이에 고주파(RF)전계가 발생되어서, 처리가스가 플라즈마화 된다.
동시에, 웨이퍼 얹어놓는대에 내장된 히터에 의하여 웨이퍼가 가열되고, 처리가스가 분해되며, 그결과, 실리콘 산화막이 막형성된다.
한편, 이와 같이 TEOS를 사용하여 플라즈마 CVD법에 의거 형성된 실리콘 산화막(이하, [P-TEOS막]이라 한다)은, 함유 수분량이 매우 적으나, 반면, 오목부의 매립형상이 나쁘다는 문제가 있다.
DRAM이 64M, 256M, 1G와 같이 대용량화 함에 따라, 배선간격 패턴이 0.35μM, 0.25μM, 0.13μM로 초미세화하고 있다. 평행평판형 CVD장치로는, 이와 같은 초미세한 패턴의 오목부는 보이드를 발생시키지 않고 매립되는 것이 곤란하다.
그래서, 종래에는, 제 16 도와 같이, 우선, 절연특성이 뛰어난, P-TEOS막(11)에 의하여 오목부가 매입된다. 그 위에, 평탄성 확보를 위하여 SOG(스핀온그라스)(12)가 도포된다. 다시, 그 위에, SOG(12)를 봉입하기 위하여, 재차 P-TEOS막(11)이 막형성된다. 또한, 상단과의 사이의 배선구조를 분리하기 위하여, TiN막(13)이 형성되어 있다.
또, P-TEOS막에 의하여 오목부가 어느 정도 매립된 후에, SOG를 도포하는 방법 이외에도, TEOS와 오존을 사용하여 열 CVD법에 의하여 실리콘 산화막([TEOS-O3막])이 막형성되어서, 오목부를 매립하는 방법도, 검토되고 있다. 이 TEOS-O3막은 수분함유량이 많으나, 반면에 매립형상이 양호하므로, 이것을 사용하는 방법도 유효한 방법이다.
이와 같은 플라즈마 CVD막을 막형성하는 방법은, 플라즈마중의 이온이 불순물을 제거하고, 불순물이 막 속에 들어가는 것을 억제하는 효과도 있다. 예로서, P-TEOS막을 막형성하는 경우, TEOS가 분해되어 웨이퍼 상에 막형성할 때 탄소(C)나 수산기(OH)가 생성되고, 불순물로서 P-TEOS막 중에 들어간다.
그러나, 이들 불순물은, 플라즈마 중의 산소이온 충돌에 의하여 탄산가스나 물의 분자로 되어서 막 속으로부터 이탈하여 계 밖으로 방출된다.
그러나, 종래의 평행평판형 CVD장치에서는, 웨이퍼표면에 악영향을 미치지 않는 정도의 범위에서 고주파전력이 설정된 경우, 플라즈마 생성시의 전체가스압력이 1 Torr정도이거나, 아무리 낮아도 10-1Torr 급의 압력으로 설정되지 않으면 방전되지 않는다. 이 때문에, 생성된 이온 상호의 기상(氣相)에서의 충돌확율이 높고, 재결합하여 가스분자가 되며, 플라즈마 밀도가 1×1010/cm3정도로 낮다. 따라서, 이온의 양이 적으며, 웨이퍼 표면에 대한 이온의 조사효율이 나쁘다.
그 결과, 불순물의 제거효과가 작고, P-TEOS막 중에 불순물로서 들어가는 C 및 OH의 양이 많아져서 막 질이 불량하게 되며, 또, 알루미늄 배선의 부식을 촉진시키게 된다. 그 결과, P-TEOS막의 두께는, 대단히 얇으며, 배선간의 전류리크, 내압의 저하 등의 야기되기 쉽다. 이에 의하여, 디바이스의 신뢰성이 저하한다는 문제가 있었다.
그리고, 웨이퍼 표면에 대한 이온 조사효율을 높인다는 점에서는, 1×1012cm-3정도의 높은 플라즈마 밀도가 얻어지는 ECR 플라즈마원이 유효하다. 그러나, ECR 플라즈마 장치는, 대형의 마그네트 등의 필요성 때문에 구조상 제조단가가 높아진다고 하는 결점이 있다.
또, 평행 평면형 CVD 장치에서는, 위 설명과 같이, 가스의 압력을 높게하지 않으면 안된다. 그 때문에, 처리실 내의 입자의 양이 많고, SiO2및 불순물이 처리실 내벽에 부착한다. 그 결과, 높은 빈도로, 예로서 1회의 막형성을 행할 때마다 세정작업을 하지 않으면 안되므로, 수율의 저하의 한 요인으로 되고 있었다.
또한, OH기를 많이 함유하는 SOG는, 막 질이 나쁘고, 알루미늄의 부식 또는 크랙 및 스트레스 마이그레이션(stress migration) 발생의 원인이 되고 있었다. SOG의 도포공정이 행하여지면, 베이크 공정, 도포공정, 소결공정 등이 필요하게 될 뿐만 아니라, P-TEOS 막형성공정이 2회 이루어지지 않으면 안된다. 그 때문에, 공정수가 많아진다는 문제가 있다. 이와 같은 문제는, TEOS-O3막을 사용하는 경우에도 해당된다.
본 발명의 목적은, 처리가스의 압력이 저압이라도, 고밀도의 플라즈마를 얻을 수가 있으며, 이에 의하여 매립 특성이 양호하고 고품질인 박막을 막형성할 수 있는 플라즈마 막형성 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 저압력이라도, 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는데 있다.
제1도는 제 1 실시예에 관한 플라즈마 막형성장치를 나타내는 개략 단면도,
제2도는 제1도에 도시하는 플라즈마 막형성장치의 요부를 나타내는 개략사시도,
제3도는 고주파전력의 인가방식의 다른 예를 나타내는 설명도,
제4도는 고주파전력의 인가방식의 또 다른 예를 나타내는 설명도,
제5도는 고주파전력의 인가방식의 또 다시 다른 예를 나타내는 설명도,
제6도는 제 2 실시예에 관한 플라즈마 막형성장치를 나타내는 개략 사시도,
제7도는 제 2 실시예에 관한 플라즈마 막형성장치를 나타내는 단면도,
제8도는 오목부의 매립 상태를 나타내는 설명도,
제9도는 오목부를 매립한 상태를 나타내는 설명도,
제10도는 오목부의 매립 정도를 지표를 나타내는 설명도,
제11도는 압력과 매립의 정도 및 에칭 속도비와의 관계를 나타내는 특성도,
제12도는 바이어스전력과 매립정도와의 관계를 나타내는 특성도,
제13도는 평행평판형의 플라즈마장치에 의하여 오목부를 매립한 상태를 나타내는 설명도,
제14도는 제 1 및 제 2 실시예에서의 막형성속도와 막질을 나타내는 특성도,
제15도는 웨이퍼 표면의 수직선에 대한 오목부의 각이 이루는 각도 θ의 설명, 및 θ와 막형성속도, 스퍼터 에칭 속도와의 관계를 나타내는 설명도,
제16도는 층 사이의 다층 절연막의 한 예를 나타내는 설명도,
제17도는 제 3 실시예에 관한 플라즈마 처리장치를 나타내는 부분판단 개략 구성도,
제18도는 제18도에 도시하는 장치의 처리용기내의 전자 등의 동작을 나타내는 모식도,
제19도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 1 변형예를 나타내는 평면도,
제20도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 2 변형예를 나타내는 평면도,
제21도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나 부재의 제 3 변형예를 나타내는 평면도,
제22도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 4 변형예를 나타내는 평면도,
제23도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 5 변형예를 나타내는 평면도,
제24도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 6 변형예를 나타내는 평면도,
제25도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 7 변형예를 나타내는 평면도,
제26도는 제 3 실시예에 사용하는 안테나부재의 제 8 변형예를 나타내는 평면도,
제27도는 저압분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 없는 안테나 부재를 나타내는 평면도,
제28도는 저압분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 없는 안테나 부재를 나타내는 평면도,
제29도는 저압분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 없는 안테나 부재를 나타내는 평면도,
제30도는 저압분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 없는 안테나 부재를 나타내는 평면도,
제31도는 제 3 실시예의 플라즈마 처리장치의 변형예를 나타내는 부분 단면도.
제32도는 제 3 실시예의 플라즈마 처리장치의 다른 변형예를 나타내는 부분 단면도.
제33도는 제 3 실시예의 플라즈마 처리장치의 또다른 변형예를 나타내는 부분 단면도.
제34도는 제 4 실시예에 관한 플라즈마 처리장치를 나타내는 개략사시도,
제35도는 제34도에 도시하는 장치에 적용 가능한 고주파 전원의 한예를 나타내는 회로도,
제36도는 제35도의 실시예의 변형예를 나타내는 개략 사시도,
제37도는 제36도에 도시하는 장치의 영구자석의 배열을 나타내는 도면,
제38도는 제 4 실시예의 다른 변형예를 나타내는 개략 사시도,
제39a,39b,39c,39d도는, 제 5 실시예에 관한 반도체 막형성방법의 한예를 설명하기 위한 설명도,
제40a,40b,40c,40d,40e 도는 종래의 반도체 막형성방법을 설명하기 위한 설명도,
제41도는 반도체 막형성시에 보이드가 발생한 상태를 나타내는 도면,
제42도는 바이어스용 고주파 전원의 전력에 관한 실험 결과를 나타내는 도면,
제43도는 바이어스용 고주파 전원의 전력에 관한 실험결과를 나타내는 도면.
제44도는 바이어스용 고주파전원의 전력에 관한 실험결과를 나타낸 도면이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 처리실 2 : 얹어놓는대
3 : 히터 4 : 히터전원
5 : 온도계 6 : 온도제어회로
7 : 버블판 8 : 포커스링
9, 14 : 매칭회로 10, 15 : 고주파전원
11 : 절연부재 12 : 석영판
13 ; 전극 16 ; 가스분사구멍
17 : 샤워헤드 18,24,39 : 가스도입관
22,25,28 : 밸브 20,23,26,29 : 매스플로오콘트롤러
21 : A1탱크 27 : TEOS탱크
30 : SiH4탱크 31 : 배기관
32 : 게이트밸브 33 : 터보모리큘러펌프
34 : 드라이펌프 35 : 압력센서
36 : 오토프레셔콘트롤 37, 38 : 게이트 밸브
39 : 가스도입관 40 : 가열수단 또는 냉각수단
41 : 매칭회로 42 : 고주파 전원
43, 44 : 스위치 45 : 터미널
46 : 전자 또는 음이온 47 : 안테나부재
48 : 절연체 49 : 절연재
50 : 절연체 51 : 가스분출구멍
52 : 가스공급관 53 : 하부절연판
54 : 상부 절연판 55 : 가스통로
56 : 가스분출구 58 : 코일
59 : 고주파전원 60 : 콘덴서
61 : 매칭회로 62 : 보조 고주파전원
63 : 직류전원 64 : 트랜스
64A, 64B, 64C : 탭 65 : 위상시프터
66 : 파이프 67 : 영구자석
68 : 자장 71 : 제 1 의 챔버
72 : 제 2 의 챔버 80 : 급전선
82 : 금속배선 84 : 오목부
86, 96 : P-SiO2막 88 : 저부
90 : 보이드 92 : 공극
94 : SOG 막 100 : 바닥
102 : 적층부 오목부
제 1 의, 본 발명에 관한 플라즈마 막형성장치는, 처리실내에 처리가스를 공급하는 가스공급수단과, 처리실내의 피처리물에 대향된 제 1 전극과, 피처리물을 사이에 두고 제 1 전극에 대향되고, 평면형상의 코일로서 이루어지는 제 2 전극과, 처리실 내의 압력을 0.1Torr이하로 유지하는 압력조정수단과, 피처리물을 소정온도로 가열하는 가열수단과, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 고주파 전력을 인가하여, 그 결과, 처리가스가 플라즈마화 되어서 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 피처리물의 표면에 박막이 형성되는 인가수단을 구비하고 있다.
이 제 1 의 발명에서는, 한쌍의 전극 사이에 고주파 전력을 인가하면 고주파 전계가 형성되는데, 전극의 한쪽이 평면형상의 코일이므로, 자장이 형성된다. 그 결과, 처리가스는 전기에너지와, 자기에너지에 의해서 플라즈마화 한다. 따라서, 처리가스는 낮은 압력으로 플라즈마화하고, 그 압력이 0.1Torr이하로 되어 있어도, 고밀도의 플라즈마가 생성된다.
그 때문에, 피처리물 표면에서의 이온 조사효율이 높고, 불순물 제거 효과가 높다. 또, 제 2 의 본 발명에 관한 플라즈마 막형성장치는, 처리실내에 처리가스를 공급하는 가스공급수단과, 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대에 대향된 유도수단과, 처리실내의 압력을 0.1Torr이하로 유지하는 압력조정수단과, 피처리물을 소정온도로 가열하는 가열수단과, 상기 유도수단에 고주파전류를 공급하고, 그 결과 처리실내에 전자장이 형성되고, 이 전자장에 의하여 처리가스가 플라즈마화 되어서 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 피처리물의 표면에 박막이 형성되는 고주파 전류 공급수단을 구비하고 있다.
이 제 2 의 발명에 의하면, 유도 수단에 고주파 전류가 흐르면, 처리실내에 전자장이 형성되고, 이 전자장 공간내에서 흐르는 전자가 처리가스의 중성입자와 충돌하여 플라즈마가 형성된다.
따라서, 처리가스는 낮은 압력으로 플라즈마화하며, 그 압력이 0.1 Torr 이하로 되어 있어도, 고밀도의 플라즈마가 생성된다.
그 때문에 피처리물 표면에서의 이온 조사효율이 높고, 불순물의 제거효과가 높다.
또한, 제 3 의 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는, 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대와 대향되고 또한 일단이 개방되고 있는 평면 형상의 코일과, 이 코일의 다른 일단과, 얹어놓는대 또는 처리실의 용기와의 사이에 고주파를 인가하고, 그 결과, 플라즈마가 생겨서, 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 플라즈마 처리를 실시하는 인가수단을 구비하고 있다.
이 제 3 의 발명에 의하면, 평탄한 소용돌이 형상 코일에 고주파 전압이 인가되면, 코일로부터의 전파 및 이 코일과 처리실과의 전계의 작용에 의하여 처리용기 내에 플라즈마가 발생하게 된다. 이 플라즈마는 1×10-3Torr이하의 저압력상태에서도 발생하며, 따라서, 예컨데 에칭시의 방향성을 개선하는 것이 가능하게 된다.
제 4 의 본 발명에 관한 플라즈마 처리장치는, 상기 처리실의 외벽 바깥측에 배치되며, 또한, 처리실내의 플라즈마 밀도를 높이기 위한 플라즈마 고밀도화 수단을, 또한 구비하고 있다.
이 제 4 의 발멍에 의하면, 플라즈마 밀도를 높이는 수단은, 이로부터 발생하는 전계나 자계의 작용에 의하여, 플라즈마를 보조적으로 발생시키거나 혹은 플라즈마를 가두어 넣는 작용을 하여, 결과적으로 처리용기내의 플라즈마 밀도가 높여진다. 이에 의하여, 1×10-3Torr이하 즉, 1×10­6Torr의 고진공하에 있어서도 밀도가 높은 플라즈마가 발생될 수 있다.
또한, 제 5 의 본 발명에 관한 플라즈마 막형성방법에서는, 고주파를 인가하는 공정은, 플라즈마 막형성처리에 의해서, 피처리물의 오목부에 박막을 형성하여 이 오목부를 매립하는 공정과, 오목부에 형성된 박막 표면에 이온에 의한 스퍼터링처리를 실시하는 공정을 포함하고 있다.
또, 고에너지 이온에 의한 스퍼터 막형성처리도 실시된다. 이에 의하여, P-SiO2막의 표면의 요철이 고르게 되여, 그 표면이 대략 완전한 평탄면이 된다. 진공 분위기 중에서 발생한 플라즈마를 사용한 막형성에 의하여 오목부 저면에 대해서 벽의 비율이 높은 오목부의 매립이 행하여지며, 그후의 스퍼터처리에 의해서도, 상기 오목부의 평탄화가 행하여질 수 있다.
특히, 막형성이 층간 절연막의 경우에는, 종래에 필요로 한 막질이 떨어지는 SOG막을 상기 평탄화에 의하여 불필요하게 할 수가 있고, SOG막의 결점을 가지지 않고 막질의 대폭적인 향상을 도모할 수가 있으며, 절연성이 높은 층간 절연막을 형성할 수가 있다.
또, SOG막의 형성공정이나 그 절삭공정을 없앨 수 있으므로 제조공정수를 삭감할 수가 있으며, 제조단가의 대폭적인 삭감을 도모할 수가 있을 뿐만 아니라, 수율의 향상도 도모할 수가 있다.
[본 발명의 양호한 실시예]
[제 1 실시예]
제 1 도 내지 제 5 도를 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예에 관한 플라즈마 막형성 방법 및 장치를 설명한다.
제 1 도는, 본 발명에 관한 CVD장치의 한 예를 나타내는 도면이다, 제 1 도에서, 부호 1은, 예컨데 스테인레스로서 이루어지는 기밀구조의 처리실이다. 이 처리실(1)내의 저면부 중앙에는, 전극을 겸용한 웨이퍼 얹어놓는대(2)가 배열 설치되어 있다. 이 웨이퍼 얹어놓는대(2) 사이에는, 피처리체인 웨이퍼(W)를 소정온도로 가열하기 위한 피복저항 발열선으로서 이루어지는 히터(3)가 설치되어 있다. 이 히터(3)의 양단에는, 히터 전원(4)에 접속되어 있다. 또, 웨이퍼 얹어놓는대(2)내에는, 웨이퍼(W)의 온도를 측정하기 위한 온도계(5), 예로서 열전쌍이 설치되어 있다. 이 온도계(5)는, 온도제어회로(6)에 온도검출신호를 보내며, 제어회로(6)는, 이 신호에 의거해서 히터(3)의 온도를 제어한다.
또한, 얹어놓는대(2)에는, 예로서 직경 3mm의 구멍이 3mm간격으로 설치된 버블판(7)이 설치되어 있다.이 버블판(7) 내측에는, 플라즈마를 분산시켜서 웨이퍼(W)로 모이도록 하기 위한 포커스링(8)이 설치되고, 이 포커스링(8)중앙에, 웨이퍼(W)가 얹어놓여 있다.
웨이퍼 얹어놓은대(2)는, 일단이 접지된 고주파(RF)전원(10)에, 매칭회로(9)를 통해서 접속되고 있다. 웨이퍼 얹어놓는대(2)와 처리실(1)의 저면벽과의 사이에는, 절연부재(11)가 장착되어 있다. 이 고주파전원(10)의 주파수는, 50KHz로부터 40KHz이다.웨이퍼 얹어놓은대(2)와 대향하는 처리실(1)의 천정벽부분에는, 유전체, 예로서 석영판(12)에 의해서 구성되어 있다. 이 석영판(12)은 상방(처리실(1) 바깥측)에는, 석영판(12)과 대향해서 전극(13)이 배열설치되어 있다. 이 전극(13)은, 제 2 도와 같이, 웨이퍼 얹어놓은대(2)와 평행으로 평면에서 소용돌이 형상으로 형성된 코일이다. 전극(13)은, 예로서 직경 6.35mm(1/4인치)의 선재가 3∼4회 정도, 소용돌이 형상으로 감아서 구성되어 있다. 그 재질은, 도전성 금속 또는 반도체이며, 적합한 것은 동(銅)이다. 전극(13)의 끝은, 매칭회로(14) 및 고주파전원(15)을 통해서 접지되어 있다. 이 고주파 전원(15)의 주파수는, 예로서, 1MHz로부터 100MHz이며, 적절하게는 13.56MHz이다. 이에 의하여, 고주파 전력이 전극(13)과 얹어놓는대(2)와의 사이에 인가되면, 이들 사이에 자장이 형성된다.
또, 이 전극(코일:13)은, 중공으로 형성되고, 이 전극(13)내에, 냉매가 흐르도록 형성하여도 좋다. 이에 의하여, 코일(13)의 발열이 억제된다. 또한, 이 전극(코일:13)의 지름은, 웨이퍼(W)의 지름보다 크게 형성되고, 웨이퍼(W)를 피복할 정도의 크기가 되는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 플라즈마 보다 더 한층 균일화 된다.
또한, 코일(13)은, 도시예에서는, 석영판(12)위에 다이렉트로 얹어놓여 있다. 그러나, 코일(13)은, 석영판(12)으로부터 간격을 두고 배치되어 있는 편이 바람직하다. 이 경우에는, 유전체인 석영판(12)으로의 스퍼터가 적다고 하는 잇점이 있고, 또, 석영판(12)이 가열에 의하여 깨지는 것이 방지된다.
처리실(1)내에는, 예컨대 하면에 가스 분사구멍(16)을 갖춤과 동시에 자장이 투과하도록 유전체, 예로서 세라믹스로 구성된 처리가스 도입부 즉 샤워헤드(17)가 얹어놓는대(3)와 대향해서 배치되어 있다. 이 샤워헤드(7)에서, 가스도입관(39)이 접속되어 있다.
이 가스도입관(39)에는, 밸브(25) 및 매스플로우콘트롤러(26)를 통해서, 예로서 TEOS의 탱크(27)가 접속되어 있다. 또한, 가스도입관(24)에는, 밸브(28) 및 매스플로우콘트롤러(29)를 통해서, 가령 SiH4의 탱크(30)가 접속되어 있다. 또한, 처리실(1)내에 노즐을 노출시킨 가스도입관(18)이 설치되어 있다. 이 가스도입관(18)에는, 밸브(19) 및 매스플로우콘트롤러(20)를 통해서, 예로서 Ar의 탱크(21)가 접속되어 있다. 또, 가스도입관(18)에는, 밸브(22) 및 매스플로우콘트롤러(23)를 통해서, 예로서 O2의 탱크(24)가 접속되어 있다. 도시한 예에서는 포스트믹스이나, 프리믹스일지라도 좋다.
또, 처리실(1)의 저면부에는, 처리실((1)내를 진공배기하기 위한 배기관(31)이 접속되어 있다. 이 배기관(31)에는, 게이트밸브(32)가 사이에 장착되어 있다. 또한, 이 배기관(31)에는, 10-6Torr이상으로 진공배기하기 위한 터보모리큘러펌프(33)가 설치되어 있으며, 또한, 10-3Torr이상으로 진공배기하기 위한 터보모리큘러펌프(33)가 설치되어 있다. 또, 처리실(1) 측벽에는, 압력센서(35)가 설치되고, 이 압력센서(35)의 출력신호는, 오토프레셔콘트롤(36)에 의하여, 처리실(1)내를 소정압력으로 유지하도록 제어된다. 처리실(1)의 측벽에는, 도시하지 아니한 로드록실과의 사이를 개폐하는 게이트 밸브(37, 38)가 설치되어 있다. 또한 처리실(1)의 외벽면 전체에는 벽면의 온도를 제어하는 가열수단 또는 냉각수단(40)이 설치되어 있다. 이 가열수단 및 냉각수단(40)은 벽면내에 막형성, 불순물 등이 부착하는 것을 방지하기위한 것이다.
다음에 상기 장치를 사용한 플라즈마 막형성 방법의 제 1 실시예에 대하여 기술한다.
먼저 도시하지 아니한 로드록실로부터 웨이퍼(W)가 처리실 (1)내에 반입되어 얹어놓는대(2)상에 얹어놓인다. 히터(3)에 의하여 웨이퍼(W)가 예를 들면, 300∼400℃로 가열됨과 동시에 터보 모리큐러 펌프(33) 및 드라이 펌프(34)에 의하여 처리실(1)내가 예를 들면 10-7Torr의 압력까지 진공배기된다.
이어서, 가스도입관(18, 39)을 통하여 처리실(1)내에 처리가스, 예를 들면, TEOS를 포함하는 가스와 O2가스가, 각각 유량 10 SCCM 및 50 SCCM으로 도입된다.
처리실(1)내의 압력이 0.1 Torr 이하의 압력 예를 들면, 1×10-2Torr로 유지됨과 동시에, 고주파 전원(10)이 주파수 13.56MHz, 전력 200W로, 또 고주파 전원(15)이 주파수 13.56MHz, 전력 200W로 각각 동작된다. 이것에 의하여 전극(13)과 얹어놓는대(2)와의 사이에 고주파 전계가 발생된다. 여기에서 전극(13)은 웨이퍼 얹어놓는대(전극)(2)에 평행하게 배치되고, 또 평탄한 스파이어럴 코일이다. 이 때문에 자력선이 상하로 발생하고, 전극(13)에 평행한 평면에 있어서 균일한 자장이 처리실(1)내에 형성된다.
그 결과, TEOS 및 O2가스가 전계 에너지 외에 자계 에너지도 가하여져 방전한다. 이것에 의하여 밀도가 높은 예를 들면, 1×1012/cm3정도의 플라즈마(P)가 형성된다. 이 플라즈마(P)중의 활성종의 반응에 의하여 P-TEOS막(실리콘산화막)이, 예를 들면, 절연막으로서 웨이퍼(W)의 오목부내에 두께 2000 옹그스트롬으로 형성된다. 이와같이 P-TEOS막이 형성된 웨이퍼(W)에는, 그후 예를 들면, TEOS-O3막 및 P-TEOS막이 적층되고, 3층 절연막이 형성된다(이 구조의 도면은 제 16 도에서 SOG 대신에 TEOS-O3막이 막형성된 것과 동등함).
이 막형성시의 처리실(1)내의 압력은, 10-1Torr 이하이고, 바람직하게는 10-1Torr로부터 10-3Torr의 범위이다. 이것은 10-4Torr이하의 경우에는 막형성 속도를 확보할 수가 없고, 10-1Torr 이상의 경우에는 이방성의 막형성이 곤란하게 되기 때문이다. 이때 바람직한 막형성 속도는 3000 옹구스트롬/분이다.
이 제 1 실시예에서는 편평한 코일에 의하여 전극(3)이 구성되어 처리실(1)내에 자장이 형성되어있다. 이것에 의하여 처리가스에 인가되는 전력이 막형성에 악영향을 주지 않는 정도의 크기로 되고, 더구나 처리실(1)내의 가스압력이 0.1 Torr이하의 압력이면서, 플라즈마(P)가 발생된다. 이 때문에 플라즈마 밀도가 1×1011/cm∼1×1012/cm3의 고밀도로 되고, 종래의 평행 평판형 CVD 장치에 비하여 2 자리수 이상이나 높게된다.
따라서, 웨이퍼(W)에 대한 이온 조사효율이 높다. 이 때문에 처리가스의 반응시에 생성되는 불순물 예를 들면, TEOS의 분해 생성물인 C 및 OH가 산소의 이온에 의하여 CO2나 H2O로 되어 제거된다. 이 때문에 실리콘 산화막중에 집어넣어진 불순물이 적게되고, 양질의 실리콘 산화막이 얻어진다. 특히 상술한 2 층 절연막중의 P-TEOS 막(실리콘산화막)은 대단히 얇은막이지만, 높은 절연성이 요구되기 때문에 제 1 실시예에 관한 장치를 사용하여 막형성하는 것은 대단히 유효하다.
또 제 1 실시예에 의하면, ECR장치와 같은 대형의 자석을 사용하지 않아도 좋다. 이 때문에 대규모 구조의 장치를 필요로 하는일 없이 간단한 구성이면서 양질인 박막을 얻을 수가 있다. 또한 처리실(1)내의 가스가 10-1Torr의 낮은 압력이기 때문에, 처리실(1)내에는 가스 입자가 적다. 그 때문에, 처리실(1)의 내벽(2)의 실리콘 산화막 및 불순물의 부착이 억제되고, 세정작업의 빈도가 현저하게 적게된다.
이상에 있어서, 전극(코일:13)과 전극(얹어놓는대:2)과의 사이에 고주파 전력을 인가하는 방식으로서는 제 3 도에 나타낸 바와 같이 전극(13)의 양단사이에 고주파 전원(15)을 접속하고, 또 전극(얹어놓는대:2)과 어스와의 사이에 다른 고주파 전원(10)을 접속하는 것이다. 또 제 4 도에 나타낸 바와 같이 전극(13)의 한쪽 끝단을 접지함과 동시에 그 다른 끝단과 전원(2)과의 사이에 고주파 전원(15)을 접속하는 방식이 있다. 또한 제 5 도에 나타낸 바와 같이 전극(13)의 양끝단을 접속하고, 이 접속라인과 전극(2)과의 사이에 고주파 전원(15)을 접속하는 방식이 있다.
이들 어느쪽의 방식을 채용하여도 좋다. 전극(13, 2)에 각각 고주파 전원(10, 15)을 접속하는 경우 이들 고주파 전원(10, 15)의 주파수는 서로 다르게 하여도 좋다.
[제 2 실시예]
제 6 도 내지 제 15 도를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 관한 플라즈마 막형성 방법 및 장치를 설명한다.
이 제 2 실시예에 관한 막형성 장치에서는 재 6 도 및 제 7 도에 나타낸 바와 같이, 처리실(1)의 석영판(12)의 위에 유도수단 예를 들면, 스파이어럴 형상으로 형성된 코일(13)이 얹어놓여 있다. 이 코일(13)의 양단자 사이(안쪽 끝단 및 바깥쪽 끝단)에는 플라즈마 생성용의 고주파 전원(15)이 매칭회로(14)를 통하여 접속되어 있다. 또 웨이퍼 얹어놓는대(2)에는 매칭회로(9)를 통하여 바이어스 인가용의 고주파 전원(10)의 끝단이 접속되고, 고주파전원(10)의 다른 끝단은 접지되어 있다. 또 제 6 도, 제 7 도중, 제 1 도와 동일부호의 것은 동일부분 또는 상당하는 부분을 나타낸다.
웨이퍼(W)가 얹어놓는대(2)상에 얹어놓이고, 히터(3)에 의하여 예를 들면, 300∼400℃로 가열된다. 처리실(1)내로 TEOS가스 O2가스 및 Ar 가스가 예를들면, 1.5SCCM, 12 SCCM 및 20 SCCM의 유량으로 제공된다. 처리실(1)내의 압력은 0.05 Torr로 유지된다. 고주파 전원(15)이 고주파 13.56 MHz, WJSFUR 400W 로 동작되고, 코일(7)에 고주파 전류가 흐른다. 고주파 전원(10)이 주파수 예를 들면, 100KHz∼2MHz, 예를 들면, 400KHz, 전력 500W로 동작되어 웨이퍼(W)에 고주파 바이어스가 인가된다.
제 7 도에 플라즈마 생성의 상태를 모식적으로 나타내면, 코일(13)의 주위에 교번자계(B)가 발생한다. 이것에 의하여, 코일(13)의 바로 아래에서 대략 동심원 형상으로 교번자계(E)가 유기된다. 이 교번자계(E)에 의하여 처리실(1)의 주위방향에 가속된 전자가 상술한 가스에 충돌하여 플라즈마(P)가 생성된다. 이 경우에도 처리실(1)내의 가스에 부여되는 에너지는 막형성에 악영향을 주지 않는 정도의 크기로 이루어지면서 0.1 Torr 이하의 낮은 압력으로 플라즈마가 발생되고있다.
웨이퍼(W)에 고주파 바이어스가 인가되면, 웨이퍼(W)→ 고주파전원(10)→ 처리실(1)의 벽부→ 플라즈마→ 웨이퍼(W)의 루프로 회로가 형성된다. 웨이퍼(W)가 음의 전위로 된 때에 Ar+이 웨이퍼(W)에 향하여 들어간다. 처리실(1)내가 저압이기 때문에 이온의 방향성, 즉 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 수직성이 크게된다. 여기서, Ar가스가 플라즈마화하면, 제 8a 도∼제 8c 도에 나타낸 바와 같다. Ar+가 오목부(예를 들면, 알루미늄 배선 사이의 골짜기 사이)의 개구를 깍으면서 실리콘 산화막(P-TEOS막)이 오목부내에 막형성된다. 이 때문에 오목부의 개구의 폐쇄가 방지되고, 보이드가 없는 매립이 달성될 수 있다.
이것에 대하여 종래의 평행 평판형 플라즈마 장치에서는 코일(13)을 사용한 경우와 같이 낮은 압력으로 할 수가 없고, 실제적으로는, 예를 들면, 0.3Torr정도의 높은 압력이 필요하다. 이 경우 플라즈마중의 활성중 및 가스분자의 밀도가 높기때문에 이들이 산란하고, 웨이퍼에 바이어스가 인가하여도 Ar+의 방향이 정해지지 않는다. 이 때문에 후술한 실험예로부터 알 수 있는 바와같이 오목부가 그 개구로부터 메워지고, 오목부의 폭이 좁고, 또한 어스펙트비(홈폭/두께)가 클 경우에는 보이드가 형성된다.
다만, 웨이퍼(W)에 인가되는 바이어스에 대하여는, 직류전원을 사용하여 웨이퍼(W)의 전위를 음으로 하여도 좋다. 또 처리실(1)내에 도입하는 불활성 가스로서는 Ar+이온의 지름이 크기때문에 커다란 스퍼터링 효과가 얻어진다는 잇점이 있다. 그러나, Ar 가스 이외의 다른 불활성 가스를 도입하여도 좋다. 또 O2가스의 전리에 의하여 생성한 O+에 대하여도 스퍼터링 효과는 있기 때문에 반드시 불활성가스를 사용하지 않아도 좋다.
다음에 구체적인 실험결과에 대하여 기술한다. TEOS 가스, O2가스 및 Ar 가스의 유량이 각각 1.5 SCCM, 12 SCCM 및 20 SCCM, 플라즈마 생성용의 전력 및 주파수가 각각 400W, 13.56MHz, 바이어스 전력 및 주파수가 각각 400W, 400KHz, 압력이 0.05Torr, 코일(13) 및 웨이퍼(W)사이의 갭이 7cm로 하고, 웨이퍼의 온도가 300℃로 한다. 10 분간 막형성이 행하여졌다. 이 프로세스 조건을 [프로세스 조건 A]로 한다. 제 9 도에 나타낸 바와같이 폭(a) 및 깊이(b)가 각각 0.5μm의 및 1.0μm의 오목부에 대하여 보이드가 없는 양호한 매립 할 수가 있었다. 따라서 이 방법에 의하면, 차세대의 디바이스의 초미세한 층간 절연막의 형성에 대단히 유효한 것으로 이해된다.
또 플라즈마 생성용의 전력이 250W, 압력을 0.03Torr, 코일(13)및 웨이퍼(W)의 갭이 8.5cm로 하고, 그 외는 상기 조건(A)과 동일하게 하여 막형성을 하였다. 동일하게 양호한 매립을 할 수가 있었다.
또한 압력이 0.03 Torr로 하고, 웨이퍼로 바이어스가 인가되지 않도록(바이어스 전력=0) 상술한 프로세스 조건(A)에서 막형성을 하였던 바 보이드가 발생하였다.
또한 바이어스 전력이 250W로 되고, 압력이 0.02 Torr, 0.1 Torr, 1 Torr의 3 종류로 설정되었다. 그 외는 상술한 프로세스 조건(A)과 동일한 조건으로 막형성이 행해졌다. 압력과 에칭 속도비 및 압력과 제 10 도에 나타낸 매립 도중의 d/c(바닥부로부터의 매립의 정도)와의 관계는 제 11 도에 나타낸 것과 같다. 다만 에칭 속도비로서는 실리콘을 약 1000℃로 산화시켜서 막형성한 산화막을 열산화막이라고 부른다고 하면 1%의 희석불산을 사용하여 습식 에칭을 한때의 (P-TEOS막의 에칭속도)/(열산화막의 에칭속도)로 나타내는 비이다. 이 값의 적을수록 열산화막에 가까운, 즉 막중에 불순물이 적은 막질의 양호한 막이다.
제 11 도로부터 알 수 있는 바와 같이 압력이 0.2 Torr 인 때에는 에칭속도비는 5.5 이상으로 크다. 그러나 0.1 Torr이하에서는 4.5보다도 적게되고 0.1Torr이하에서 얻어진 산화막의 막질이 좋은 것이 이해된다. d/c값(바닥부로부터의 매립정도)은 0.1 Torr이하의 압력에서는 2를 넘는 값이다. 이것은 큰 어스팩트비의 매립이 가능하다고 하는 것을 뒷받침하고 있다.
이상으로부터 코일(13)을 사용하여 저압으로 막형성을 하면, 상술한 바와같이 웨이퍼 표면에 대한 이온 조사 효율이 높아지므로, 실리콘 산화막중에 들어가는 불순물이 적게 되고, 양질의 실리콘 산화막이 얻어진다. 그러나 패턴을 좁게하여 어스펙트비(깊이/폭)가 큰 오목부를 양호하게 매립하기 위하여는 웨이퍼에 바이어스가 인가되는 것이 필요하다. 제 12 도는 압력을 0.02 Torr로 한 외에는 상술한 프로세스 조건(A)과 동일하게 하고 바이어스의 전력을 0, 250, 500W로 변하여 상기 매립도중의 d/c의 값(제 10 도 참조)을 조사한 결과이다. 이 결과로부터 알 수 있는 바와 같이 바이어스를 크게 하는데 대하여 커다란 어스펙트비의 오목부의 매립이 가능하게 되는 것을 뒷받침하고 있다.
또한 제 2 실시예의 방법과 비교하기 위한 비교실험으로서 평행평판형 플라즈마 장치를 사용하여 TEOS가스, N2가스의 유량이 각각 4 SCCM, 40 SCCM, 전극 사이에서의 인가전력이 150W, 그 주파수가 13.56MHz, 압력이 0.3 Torr로 되어 제 13 도에 나타낸 바와 같이 깊이 0.8μm, 폭0.8μm의 오목부가 매립되었다. 그 결과 제 13 도에 나타낸 바와 같이 보이드가 형성되었다. 또 제 9 도, 제 13 도는 SEM의 사진에 따라서 작성한 설명도이다. 따라서 평행 평판형 플라즈마장치에서는 패턴 폭이 0.8μm에서 어스펙트비 1 인 오목부에 대하여 조차도 보이드가 형성되기 때문에 차세대의 디바이스의 층간 절연막의 막형성에 적용하는 것이 매우 곤란하다는 것을 알았다.
여기에서 플라즈마 생성 용전력이 1000W, 바이어스 전력이 500W, 압력이 0.05 Torr, Ar가스가 20 SCCM의 유량으로 공급되고, TEOS가스의 유량이 3 SCCM으로 되고, O2의 유량이 12 SCCM, 50 SCCM의 2종류로 설정되고, 또한 갭이 5 cm로 하여 실리콘 산화막이 막형성되었다. 그 막형성속도와 선택된 산화막의 막질(에칭 속도비)을 조사하였다. 제 14 도에 나타낸 결과를 얻었다. 이 결과로부터 제 2 실시예에 관한 방법에 있어서는 막형성속도 및 막질에 대하여 충분하게 프로세스에 적용할 수 있는 것이 뒷받침되었다.
이상에 있어서, 제 15a 도는 오목부의 각과 웨이퍼면의 수직선과 이루는 각도(θ)를 나타내는 도면이고, 제 15b 도의 a, b는 각각 이 각도(θ)와 막형성 속도 및 스퍼터에 의한 에칭속도와의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면으로부터 θ가 45∼50 도인때에 에칭속도가 최대로 되고, 오버행(overhang) 형상으로 되지 않게 매립하는 것이 가능하게 된다고 말할 수 있다.
코일(13)에 대하여 예를 들면, 권수가 1의 것으로도 좋고, 또한 예를 들면, 표면의 내식성이 큰 재질로 코팅하여 처리실(1)내에 설치하여도 좋다.
또한, 제 1 도, 제 2 도의 제 1 실시예에 있어서 전극(2)쪽 또는 양전극(13, 2)이 코일로 되어도 좋다.
이상에 있어서 층간 절연막을 형성하기 위해서는 유기계 실리콘 소오스서 TEOS를 사용하는 대신에 예를 들면, TMOS(데트라메틸 오소 시리케이트)나 OMCTS(옥타메틸시클로테트라실록산)나 TMCTS(테트라메틸 시클로테트라실록산)등을 사용하여도 좋고, 또 유기계 실리콘소오스대신에 모노실란(SiH4) 등을 사용하여도 좋고, 또한 O2가스 대신에 오존 (O3)가스를 사용하여 이것과 유기계 실리콘 소오스를 반응시키도록 하여도 좋다. 또 제 1 및 제 2 실시예의 발명은 실리콘 산화막 이외의 층간 절연막 또는 그외의 박막 예를 들면, 질화 실리콘(Si3N4)막을 형성하는 경우에 적용 할 수가 있다. 또 질화 실리콘막은 실란계의 가스 예를 들면, 클로로실란가스와 질소 원소를 포함하는 가스 예를 들면, 암모니아 가스를 반응시켜서 얻어질 수 있다.
[제 3 실시예]
제 17 도 내지 제 33 도를 참조하여 본 발명의 제 3 실시예에 관한 플라즈마 처리장치를 설명한다.
제 3 실시예에 관한 플라즈마 처리장치는 구체적으로는 제 1 및 제 2 실시예에 나타낸 플라즈마 생성장치이다. 그러므로 중복하는 기재는 생략한다. 또 이 플라즈마 처리장치는 에칭장치 등이어도 좋다.
석영판(12)위에 설치된 평평한 스파이어럴 코일(안테나부재 또는 전극)(13)은 제 1 및 제 2 실시예와 동일하다. 제 3 실시예에서는 코일(13)의 바깥 끝단에 터미널(45)이 설치되어있다. 이 터미널(45)과 처리실(1)과의 사이에 임피던스 정합을 하기 위하여 매칭회로(41) 및 플라즈마 발생용의 예를 들면, 13.56MHz의 고주파 전원(41)이 직렬로 접속되어있다. 이 고주파 전원(41)의 다른 끝단은 스위치(43) 또는 스위치 (44)를 통하여 각각 처리실(1)까지 서셉터(2)에 대하여 접속되어있다. 따라서 이 안테나 부재(13)로부터 처리실(1)로 향하여 전파가 발사된다. 동시에 이 안테나 부재(13)와 처리실(1) 또는 서셉터(2)와의 사이에 전계가 발생되고, 이것에 의하여 처리실(1)에 플라즈마가 발생하도록 구성되어 있다.
즉, 제 3 실시예에 있어서의 플라즈마 발생의 회로구성은 안테나 부재(13)의 임피던스에 의한 유도결합과 이 안테나 부재(13)와 처리실(1)과의 사이에 형성된 용량결합과의 조합회로로 되어 있다. 또 이 안테나 부재(13)의 위쪽에 이것을 피복하는 시일드 금속망(도시생략)이 설치되고, 이것에 의하여 외부로 전파가 누설하는 것이 방지되어도 좋다.
또 서셉터(2)와 석영판(12)과의 사이의 거리는 약 100cm 이하로 설정되고,석영판 (12)의 두께 및 직경은 각각 1cm∼10cm 정도 및 100cm이하로 설정된다. 안테나 부재(13)의 최대구경은 웨이퍼(W)의 직경과 대략 동일하고, 10cm∼30cm정도로 설정된다. 이 안테나 부재(13)의 전체의 직경은 플라즈마가 발생하는 범위내이면 웨이퍼의 직경에 대하여 더욱 크게 설정하여도 좋고, 또 작게 설정하여도 좋다.
또 서셉터(2)에 인가하는 전압이 안테나 부재(13)에 가해지는 고주파와 역상의 고주파 전압이어도 좋다. 또한 이 서셉터(2)의 전위가 그라운드로 떨어져도 좋고, 또는 로딩 상태로 하여도 좋다. 또한 이 서셉터(2)에 수백 KV의 바이어스 전압을 인가하도록 하여도 좋다.
다음에 제 3 실시예의 작용에 대하여 설명한다.
이 처리실(1)내는 미리 진공상태로 되게두고, 가스 공급관로(18)를 통하여 처리가스가 공급된다. 이 처리실(16)내가 프로세스압 예를 들면, 1×103Torr정도의 꽤 낮은 압력상태로 유지된다. 동시에 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42)으로부터 예를 들면, 13.56MHz 고주파가 안테나 부재(13)와 처리실(1)과의 사이에 인가된다. 즉 안테나부재(13)의 인덕턴스 성분의 유도작용에 의하여 처리실(1)로 향하여 전파가 발사된다. 동시에 안테나 부재(13)와 처리실(1)과의 사이의 용량성분의 작용에 의하여 교번전류가 생긴다. 그 결과, 처리실(1)에는 처리가스가 이온화하여 플라즈마가 일어난다. 이것에 의하여 예를 들면, 플라즈마 방전 여기에 의하여 생기는 활성종에 의하여 웨이퍼 표면에 이방성이 매우 높은 에칭을 실시할 수가 있다.
제 18 도는 이때의 처리실(1)에 있어서의 전자나 음이온(46)의 동작을 모식적으로 나타내고 있다. 음이온(46)은 전파와 전계의 작용에 의하여 나선형상으로 선회하면서 서셉터(2)쪽으로 이동한다. 종래의 평행평판 전극형의 장치와 비교하여 음이온(46)의 이동할 수 있는 거리가 길게되고, 이 사이에 가스 분자와 충돌하여 맣은 음이온이 생기는 것이 된다. 따라서 예를 들면, 그 부분 에칭비율을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또 플라즈마는 1×10-3Torr∼1×10-6Torr 사이의 꽤 낮은 압력에서도 발생하기 때문에 에칭시 활성종의 산란도 적게 방향성이 구비되어 있다. 따라서, 예를 들면, 이방성이 높은 가공을 실시할 수가 있고, 예를 들면, 64 M 나 256 M 비트 DRAM에 요구되는 미세가공을 실시하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예와 같이 안테나 부재(13)의 인덕턴스에 의한 유도결합과 이 안테나 부재(18)와 처리실(1)과 사이의 용량결합을 조립한 결과 실제적으로 1×10-6Torr 것의 초진공도하에 있어서도 플라즈마를 발생시킬 수가 있었다.
다음에 안테나 부재(13)의 재료, 크기 등은 제 3 실시예에 한정되지 아니한다. 이하에 나타낸 바와같이 제 19 도 내지 제 26 도에 나타내는 안테나 부재도 채용할 수가 있다.
제 19 도에 나타내는 안테나부재(13)는, 제 17 도에 나타낸 안테나 부재와 동일하게 스파이어럴 형상으로 감겨서 구성되어 있다. 이 안테나 부재(13)의 안쪽끝단에 터미널(45)이 설치되고, 이 터미널(45)에 플라즈마 발생용의 고주파전원(42)이 접속되어 있다.
제 20 도에 나타내는 안테나 부재(13)는, 선재를 제 19 도에 나타낸 바와 같이 복수회 감는 것이 아니고, 1회만 비교적 큰 직경으로 예를 들면, 웨이퍼 직경에 대응시켜 감겨져 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 21 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 지그재그형상으로 복수회 감아서 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미털(45)이 설치되어 있다.
제 22 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 비교적 긴 선재가 무정형으로 구부려져 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 23 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 강이나 스테인레스 등의 도전성 재료로 이루어지는 긴 속이 빈 파이프가 스파이어럴 형상으로 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 24 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 약 200mm의 비교적 긴 도전성 재료로 이루어지는 속이 빈 파이프가 성형되어 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 25 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 비교적 긴 도전성 재료로 이루어지는 속이 빈 파이프가 1회 또는 2회, U자 형상으로 구부려져 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 26 도에 나타낸 안테나 부재(13)는, 폭 20mm 정도의 스테인레스 등의 도전성재료로 이루어지는 도전판이 1회 반 또는 2회정도 스파이어럴 형상으로 감겨서 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
이 제 19 도 내지 제 26 도에서 나타낸 안테나 부재(13)를 이용하여 실험을 하였는 바, 5.0~1.0×10-10Torr의 저압에서 플라즈마가 모두 발생하였음을 확인할 수 잇었다. 이 실험에서는, 플라즈마발생용의 고주파전원(42)의 다른 끝단은 스위치(43, 44)의 전환에 의하여 처리실(1) 또는 서셉터(2)중 어느 한쪽 또는 처리실(1)과 서셉터(2)에 동시에 접속되어 있다. 유도결합과 용량 결합이 조합되어 있는 것은 물론이다.
이것에 대하여, 제 17 도 또는 제 19 도에 나타내는 안테나 부재를 사용하여도, 처리실(1) 또는 서셉터(2)중 어느 쪽에도 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42)의 다른 끝단이 접속된 경우에는, 5.0~1.0×10-4Torr의 저압하에서는, 플라즈마를 발생시키는 것은 불가능하였다. 또 마찬가지로, 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42)의 다른 끝단이 처리실(1) 또는 서셉터(2)에 접속된 경우에 있어서도, 제 27 도 내지 제 30 도에 나타낸 안테나 부재를 사용한 경우에 있어서는, 5.0~1.0×10-4Torr의 저아하에서는, 플라즈마를 발생시키는 것은 불가능하였다.
즉, 제 27 도에 나타내는 안테나 부재(47)는, 가로 세로가 각각 90mm 정도의 도전성 재료로 이루어진 평판으로 되어 있다. 그 코너에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 28 도에 나타내는 안테나 부재(47)는, 10mm정도의 비교적 짧고 폭이 좁은 스테인레스판이 한변 90mm 정도의 약 사각형상으로 구부려져 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 29 도에 나타내는 안테나 부재(47)는, 길이 100mm 정도의 비교적 짧은 강등의 도전성 재료로 이루어지는 속이 빈 파이프가 직선형상으로 성형하여 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
제 30 도에 나타내는 안테나 부재(47)는, 길이 100mm 정도의 비교적 짧은 속이 빈 파이프의 선단이 구부려져 구성되어 있다. 그 끝단부에 터미널(45)이 설치되어 있다.
상술한 바와 같이, 제 27 도 내지 제 30 도에 나타내는 안테나 부재(47)를 사용하여도, 5.0~1.0×10-4Torr의 저압하에서는, 플라즈마를 발생시키는 것은 불가능하였다.
다음에, 상기 실시예에 있어서는, 안테나 부재(13)가 처리실(1)의 바깥쪽에 설치할 경우에, 대해 설명하였으나, 그것에 한정되지 않고, 제 31 도에 나타낸 바와같이, 이 안테나 부재(13)가 처리실(1)내에 수용되도록 구성되어 있어도 좋다.
이 경우에는, 안테나 부재(13)를 구성하는 예를 들면, 선재가 금속 오염의 방지를 위하여 세라믹스, 폴리이미드 고분자 또는 SiC(탄화규소) 등으로 이루어진 절연체(48)로 피복되어 있다. 이와 같은 안테나 부재(13)가 처리실(1)내의 천정쪽으로 부착된다. 그 때문에, 처리실(1)의 천정은, 측벽과 동일하게 예를들면, 스테인레스에 의하여 일체적으로 성형하면 좋고, 제 1 도 또는 제 17 도에 나타내는 석영판(12)을 사용할 필요가 없다.
또, 고주파 전원(42)으로부터의 결전선은, 처리실(1)의 천정에 설치된 절연재(49)를 개재하여 처리실(1)내에 끼워 통하고, 안테나 부재(13)에 접속되어 있다.
이와 같이 안테나 부재(6)가 처리실(14)내에 수용되어 있기 때문에, 웨이퍼(W)와 안테나 부재(13)사이의 거리가 짧게되고, 플라즈마의 발행효율이 향상된다.
다음에, 제 32 도의 변형예에서는, 안테나 부재(13)는, 스파이어럴 형상의 속이 빈 파이프로 이루어지며, 그 바깥쪽에 절연체(50)가 피복되어 있다. 이 속이 빈 파이프 및 절연체(50)를 관통하여 다수의 가스 분출구멍(51)이 형성되어 있다. 이 스파이어럴 감김 형상의 속이 빈 파이프의 한 끝단에, 천정의 절연재(40)를 개재하여, 도체로 이루어진 가스공급관(52)이 접속되어 있다.
이 가스공급관(52)에 처리가스가 흘러서, 각 가스분출구멍(50)으로부터 처리가스가 샤워형상으로 처리실(1)에 공급된다.
이 가스공급관(52)에, 터미널(45)이 설치되고, 이 터미널(45)에, 플라즈마 발생용의 고주파전원(42)이 접속되어 있다.
이와같이, 안테나 부재(13)가 처리가스의 공급 헤드를 겸용하고 있기 때문에 효율적인 처리가스의 공급이 가능하게 된다.
다음에, 제 33 도의 변형예에서는, 처리실(1)내의 윗쪽에 상부 절연판(54)과 하부절연판(53)이 설치되어 있다.
이 상부절연판(54)과 하부절연판(53)사이에 감김 형상으로 형성된 안테나 부재(13)가 끼워 넣어져 있다.
이 안테나 부재(13)에는, 고주파 전원(42)으로부터 급전선(80)이 접속되어 있다. 상부 및 하부절연판(54, 53)에는, 각각 다수의 가스통로(55)가 형성되어 있다.
이 가스통로(55)에는, 처리가스용의 가스공급관(52)이 접속되어 있다. 가스통로(55)로부터 처리실(1)내에 가스를 분출하기 위한 가스분출구(56)가 하부 절연판(53)에 형성되어 있다.
제 34 도 내지 제 38 도를 참조하여, 본 발명의 제 4 실시예에 관한 플라즈마 처리장치를 설명한다.
상기 제 3 실시예에서는, 한 끝단이 개방된 안테나 부재에 의하여, 1×10-6Torr의 고진공상태에서도 플라즈마를 일으키는 것이 가능하게 되어 있다. 제 4 실시예에서는, 이 발생한 플라즈마 밀도를 높이기 위하여 플라즈마 고밀도화 수단이 설치되어 있다. 제 4 실시예에 관한 플라즈마 처리장치는, 구체적으로는, 제 1 내지 제 3 실시예에 나타낸 플라즈마 막형성장치이다. 그 때문에, 중복되는 기재는 생략한다. 또, 이 플라즈마 처리장치는, 에칭처리 장치 등이라도 좋다.
제 34 도, 제 4 실시예에 관한 플라즈마 처리장치를 나타내는 개략 사시도이다.
이 플라즈마 처리장치에서는, 서셉터(2)에는, 예를 들면, 수 100 KHz의 고주파전원(59)이 콘덴서(60)를 개재하여 접속되어 있다. 이것에 의하여, 플라즈마에 의하여 생성되는 활성종이 웨이퍼(W)쪽이 흡인된다.
처리실(1)의 측벽에, 플라즈마 밀도를 높이기 위한 플라즈마 고밀도화 수단이 배치되어 있다. 구체적으로는, 이 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실(1)의 측벽 바깥둘레를, 따라서 복수회 감긴 코일(58)과, 이 코일(58)의 양 끝단의 단자(B, C)에 매칭회로(61)를 통하여 접속된 예를 들면, 13.56KHz의 보조 고주파전원(62)으로 구성되어 있다.
이 보조고주파전원(62)에 의하여 코일(58)의 양 끝단에, 고주파 전압이 인가된다. 이것에 의하여, 이 코일(58)과 서셉터(2) 사이에서도, 플라즈마가 발생한다. 이것에 의하여 처리실(1)내의 플라즈마 밀도를 향상시키는 것이 가능하게 된다. 코일(58)로서는, 헬리칼 공명형의 것을 이용하면 전달 운반하는 저주파 헬리콘파의 작용에 의하여 전자만을 가속할 수 있고, 플라즈마 밀도를 한층 향상시킬 수 있다.
이 경우, 플라즈마의 발생을 효율적으로 행하기 위해서는, 코일(58)이 서셉터(2)의 윗쪽에 위치하는 측벽전역에 걸쳐서 감는 것이 바람직하다.
다음에, 실시예의 작용에 대하여 설명한다.
먼저, 가스공급관(8)에 의하여 처리가스가 흐르면서, 고주파 전원(42)에 의하여 안테나 부재(13)에 고주파 전압이 인가된다.
이것에 의하여, 이 안테나 부재(13)로부터 방출되는 전파 등이 작용하고, 그 결과, 1×10-3이하, 예를 들면, 1×10-6Torr 정도의 높은 진공감압하에서도, 플라즈마가 발생한다. 이 안테나 부재(13)는, 이 제 4 실시예에서는, 플라즈마에 대한 소위 착화원으로서의 기능을 가지게 된다.
이 경우, 이 안테나 부재(13)에 의하여 발생하는 플라즈마만으로는, 나머지 플라즈마 밀도를 높일 수 없다. 그러나, 이 실시예에 있어서는, 플라즈마 고밀도화수단이 처리실(1)의 측벽에 설치되어 있기 때문에, 이 플라즈마 밀도가 높게 유지된다. 즉, 보조고주파전원(62)으로부터 측벽에 감긴 코일(58)에 고주파 전압이 인가되면, 처리실(1)내에는, 교번자계가 생긴다. 이 교번자계에 의하여 안테나 부재(13)의 작용에 의하여 발생하고 있은 플라즈마의 유인작용에 의하여 더욱 플라즈마가 상승적으로 발생한다.
따라서, 처리실(1)내의 플라즈마의 밀도를 높일 수 있다.
그 결과, 예를 들면, 에칭의 경우에는, 이 플라즈마 방전 여기에 의하여 생긴 할성종 등의 산란이 억제되어, 웨이퍼 표면에 이방성이 매우 높은 에칭을 할 수 있다.
이 경우, 특히 플라즈마 밀도를 높일 수 있기 때문에,이방성을 한층 향상시켜서 처리효율을 높이는 것이 가능하게 된다. 본 실시예에서는 플라즈마 밀도를 1×1010/cm3이상으로 할 수 있었다.
본 실시예에 있어서의 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42) 및 보조 고주파 전원(62)의 고주파로서, 13.56KHz에 한정되지 않고, 예를 들면, 2-50MHz의 넓은 범위에 걸쳐서 사용할 수 있다.
본 실시예에서는, 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42)과 보조 고주파전원(62)이 따로 따로 설치되어 있다. 그러나 이들 전원은, 이것에 한정되지 않으며, 예를 들면, 제 35 도에 나타낸 바와 같이 구성되어 있어도 좋다. 즉, 한 개의 고주파전원(42)의 양 끝단에 3개의 탭(64A, 64B, 64C)을 가지는 트랜스(64)가 접속되어 있다. 이 탭(64A)이 매칭회로(41)를 통하여 안테나 부재(13)의 단자(A)에 접속되어 있다. 또, 중간탭(64B)이 코일(58)의 단자(B)에 접속되어 있다.
다른 끝단이 탭(64C)이 매칭회로(61)를 통하여 코일(58)의 단자(C)에 접속되어 있다.
안테나부재(13)와 코일(58)에 인가되는 고주파전압이 위상을 조정하기 위하여, 안테나부재(13)에 접속되는 회로중에 위상시프터(65)가 끼워 설치되어 있다.
이것에 의하여, 고주파전원의 수량을 줄일 수 있고, 제조 코스트도 삭감할 수 있다.
또, 제 34 도에 나타낸 바와같이, 보조고주파전원(62) 및 매칭회로(61) 대신에 가변의 직류전원(63)이 설치되고, 코일(58)에 직류전압이 인가되도록 하여도 좋다. 이것에 의하면, 직류전원(63)의 극성에 따라서 처리실(1)내에 윗쪽 또는 아래쪽을 향하는 자장이 형성된다. 따라서 안테나 부재(13)에 의해 생긴 플라즈마가 이 자장에 구속되어 처리실(1)내에 체류하는 시간이 그만큼 길게 되어 소멸하기 곤란하게 된다. 그 결과, 처리실(1)내의 플라즈마밀도가 향상된다. 이 경우, 직류전원(63)의 전압으로서는, 0∼500V 정도 범위의 전압을 설정하는 것이 바람직하다. 또 장치 불사용시에 있어서는, 도시하지 않은 스위치수단을 개방함으로써 코일(58)로의 직류 전압의 인가가 정지되어 주변기기 등으로의 자장의 영향이 억제된다.
본 실시예에서는, 플라즈마 고밀도화 수단으로서, 보조 고주파전원(62) 또는 직류전원(63)과 이것에 접속되는 코일(58)로 구성되어 있다. 그러나 이것에 한정되지 않으며, 예를 들면, 제 36 도 및 제 37 도에 나타낸 바와같이 구성하여도 좋다.
제 36 도 및 제 37 도는, 제 4 실시예의 변형예를 나타낸다.
이 변형예에서는, 코일(58) 및 보조고주파전원(62) 대신에 플라즈마 고밀도화 수단으로서 처리실(1)의 측벽 바깥쪽에는, 복수의 영구자석(67)이 배치되어 있다.
구체적으로는, 이 영구자석(67)은, 처리실(1)의 높이 방향을 따라서 늘어나는 봉형상으로 성형되어 있다.
도시예에서는, 8개의 영구자석(67)이 처리실(1)의 측벽 둘레방향을 따라서 등간격으로 배치되어 있다.
또한, 이 자석(67)의 수량은 8개로 한정되지 않는다.
또, 영구자석(67)은, N극 또는 S극이 처리실의 측벽을 따르도록 하여 배치되어 있다. 또한, 이웃하는 영구자석(67)의 극성은, 교호로 처리실(1)의 중심방향에 대하여 반대로 되어 있다.
이와같이, 플라즈마 고밀화수단으로서, 영구자석(67)에 의하여 처리실(1)내에 영구자석(67)의 N극으로부터 S극으로 향하는 강력한 자장(68)이 생긴다. 안테나 부재(13)의 작용에 의하여, 고진공하에서 발생한 플라즈마가 자장(68)의 작용에 의하여 처리실(1)내에 구속되어 가두어지고, 그 결과, 이것의 소실이 억제된다. 이 결과는, 자장(68)의 크기가 크면 클수록 강하게 발휘된다. 자장은, 예를 들면, 1×10-6Torr의 고진공하에서는, 5가우스 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
이와 같은 자장(68)에 의한 플라즈마의 가두어짐 효과에 의하여 1×10-6Torr의 저압 분위기하에서도, 플라즈마 밀도를 상당히 높게 유지하는 것이 가능하게 되고, 이방성이 매우 높은 에칭 등을 할 수 있다.
다음에, 제 4 실시예의 다른 변형예에 대하여 설명한다.
제 38 도는, 제 4 실시예의 다른 변형예를 나타내는 도면이며, 이 변형예에서는, 플라즈마 고밀도화 수단의 구성은, 제 34 도에 나타내는 구성과 동일한 구성이나, 처리실(1)의 형상 및 안테나 부재(13)의 형상이 다르다.
구체적으로는, 처리실은, 석영 등의 유전체에 의하여, 예를 들면, 벨져형상으로 성형되어 용량이 적은 제 1 의 챔버(71)와, 이 아래쪽에 연결되는 용량이 큰 제 2 의 챔버(72)로 구성되어 있다.
이 제 2 의 챔버(72)는, 처리실로서 구성되며, 이 내부에 서셉터 어셈블리(2)가 수용되어 있다. 제 2 의 챔버(72)의 측벽에, 제 34 도에 나타내면 동일한 구성의 예를 들면, 헤리칼 공명형의 코일(58)이 보조 고주파 전원(62)으로 이루어진 플라즈마 고밀도화수단이 배치되어 있다.
또, 제 1 의 챔버(71)의 측벽에는, 선형상 매체로 이루어진 안테나 부재(13)가 나선형상으로 복수회 감겨져 있다.
그 끝단은, 개방끝단으로 되어 있는 동시에 다른 끝단에는, 매칭회로(41)를 통하여 플라즈마 발생용의 고주파 전원(42)이 접속되어 있다. 이 제 1 의 챙버(71)의 천정에 처리가스등을 공급하기 위한 가스공급관(18)이 접속되어 있다.
이것으로부터 도입된 처리가스는, 안테나 부재(13)로부터의 전자파의 작용에 의하여 1×10-6Torr 정도의 저전압 분위기하에서도, 플라즈마화된다.
여기서 발생한 플라즈마는, 아랫쪽의 제 2 의 챔버(72)내에 이동하고, 이 제 2 의 챔버(72)의 측벽에 감겨져 있는 코일(58)의 양 끝단에는, 예를 들면, 13.56MHz의 고주파전압이 인가되어 있다. 그 때문에, 윗쪽의 제 1 의 챔버(71)로부터 유입되어 온 플라즈마에 유인되어 제 2 의 챔버(72)내에서도 처리가스 등이 여기되고, 플라즈마의 발생이 촉진되게 된다. 즉, 단독으로는 1×10-3Torr 이하의 저압에서의 플라즈마의 발생이 곤란한 제 2 의 챔버(72)내로, 제 1 의 챔버(71)내에서 발생시킨 플라즈마가 공급된다. 그 때문에, 이것에 유인시켜서 제 2 의 챔버(72)내에서도, 플라즈마가 발생되는 것이 가능하게 된다. 따라서, 결과적으로 처리실(1)내에 있어서의 플라즈마 밀도가 1×10-6Torr의 저압 분위기하에 있어서도, 매우 높게 되는 것이 가능하고, 예를 들면, 이방성의 매우 높은 에칭 등을 행할 수 있다.
이 경우, 제 1 의 챔버(71)내의 압력이 제 2 의 챔버(72)내의 압력보다 약간 양압으로 되면, 제 1 의 챔버(71)내에서 발생한 플라즈마나 활성종이 제 2 의 챔버(72)내로 원활하게 이행시키는 것이 가능하다. 또한 역으로, 제 2 의 챔버(72)내에서 발생한 플라즈마 등이 제 1 의 챔버(71)내로 역류하는 것을 저지하는 것이 가능하고, 플라즈마의 밀도를 한층 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 안테나 부재(13)와 그 아래쪽의 코일(58)로의 에너지 공급원으로서 다른 고주파 전원(42, 62)이 이용됨에 의하여, 이들을 별개로 제어하는 것이 가능하고, 결이 가는 플라즈마 제어가 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 있어서는, 코일(58)에 접속한 보조고주파전원(62) 및 매칭회로(61) 대신에, 제 34 도에 나타낸 구성에서 설명한 것과 마찬가지로 가변직류전원을 이용하도록 하여도 좋으며, 또한, 이 코일(58)과 보조고주파전원(62)으로 이루어지는 플라즈마 밀도 고도화수단에 대신하여, 제 36 도 및 제 37 도에서 설명한 바와 마찬가지의 구성의 복수의 영구자석(67)으로 이루어지는 플라즈마 밀도 고도화수단을 이용하도록 하여도 좋다.
또한, 제 4 실시예에 있어서, 플라즈마 CVD 장치를 예로 들어 설명하였으나, 이것에 한정되지 않는다. 다른 모든 플라즈마 처리장치, 예를 들면 플라즈마 에칭처리장치에도 적용할 수 있다.
제 39 도 내지 제 41 도를 참조하여, 본 발명의 제 5 실시예에 관한 플라즈마 막형성 방법 및 장치를 설명한다.
일반적으로, 반도체집적회로와 같은 반도체장치는, 반도체웨이퍼 기판의 표면에 막형성과 에칭이 반복하여 행해진다. 그 결과, 트랜지스터, 저항, 콘덴서 등의 소자나 이들을 접속하는 배선 등이 평면적으로 형성되어 있다.
근래, 반도체장치의 거듭되는 고밀도화, 미세화 및 소형화가 요청되고 있다. 이러한 요구에 따른 하나의 수단으로서, 반도체소자 등이 웨이퍼상에 2단 혹은 그 이상의 다층화되고, 그 결과 점유면적이 적게되는 것이 제안되고 있다.
이러한 반도체장치가 다층화되는 경우에는, 금속배선간의 층간절연막의 막질을 양호하고, 또한, 상층에 형성되는 금속배선의 단선 등의 발생을 억제하기 위하여, 이 절연막이 간으하면 평탄하게 형성될 필요가 있다.
여기에서, 제 40 도에 기초하여 종래의 반도체 막형성 평탄화방법을 설명한다. 제 40a 도에 나타낸 바와 같이, W는 반도체웨이퍼로서, 이 표면에는 이미 도시되지 않은 각종 소자가 평면적으로 형성되어 있다. 이 아래에 알루미늄 등의 금속배선(82)이 패턴화되어 형성되어 있다. 이 경우, 배선(82, 82)사이에, 골짜기 사이로 되는 오목부(84)가 형성된다. 도시예로서는, 단순화를 위하여, 오목부(84)는 한개만 나타낸다.
다음에, 제 40b 도에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 처리가스로서 SiH4(실란)등을 이용한 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 의하여, P-SiO2막(플라즈마에 의한 실리콘 산화막)(86)이 증착된다. 이 경우, 평행평판형 플라즈마 CVD 장치에 의한 플라즈마 CVD의 프로세스 압력은, 종래 1×10-3Torr 정도가 하한으로서, 그 이하의 압력에서는, 플라즈마가 발생하지 않는다. 따라서, 프로세스압력이 비교적 낮은 경우에는, 분자 및 이온의 사란 등에 기인하여, 오목부(84)의 저부(88)로의 증착이 오목부(84)의 측벽에 비교하여 얇게 된다. 그 결과, 보이드(90)가 발생한다. 여기서, 플라즈마 CVD 조작이 과도하게 행해지면, 제 41 도에 나타낸 바와 같이, 보이드(90)의 개구부가 폐쇄되고 만다. 그 결과, 공극(92)이 발생하여 절연막의 질이 극단적으로 저하하고, 충분한 절연성을 확보하는 것이 불가능하다.
그 때문에, 보이드(90)의 개구부가 폐쇄하기 전에 플라즈마 CVD 조작이 종료된다. 다음에, 제 40c 도에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(W)가 스핀되면서, 유기 또는 무기의 액상의 글래스가 웨이퍼(W)에 떨어진다. 이것에 의하여, 웨이퍼(W)에 SOG(Spin On Glass) 막(94)이 균일하게 형성된다. 이 때, 액상의 글래스는, 보이드(90)에도 침입하여, 이것을 매립하는 것으로 된다.
이 SOG는, 액상이므로 P-SiO2보다, 스텝커버리지가 좋다. 그러나, 막질은, 수분(OH기)을 포함하고 있기 때문에, 반도체집적회로에 취해서는, 바람직하다고 할 수 없다.
그 때문에, 제 40d 도에 나타낸 바와 같이, SOG 막(94)의 표면이 기계적으로 평탄하게 깎여, 보이드(90)부를 없애고, SOG 막(14)이 제거된다. 그 위에, 제 40e 도에 나타낸 바와 같이, 다시, 플라즈마 CVD에 의하여, P-SiO2막(96)이 형성된다. 이것에 의하여, 보이드 (90)내의 SOG가, P-SiO2막(96)에 의하여 둘러싸이고, OH 기의 누설이 방지되고 있다. 이와 같이 하여, 금속배선의 층간절연막이 제조되고 있다.
이후, 마찬가지로 하여, 2층째 또는 3층째의 배선 등이 적층되고 있다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 반도체막형성 평탄화방법으로는, P-SiO2의 막형성과 SOG의 막형성이 반복하여 행해진다. SOG 막(94)의 절삭도 행해져야 한다. 그 결과, 공정수가 매우 많아지고, 제조단가의 앙등이 초래된다고 하는 문제가 있었다.
또한, P-SiO2의 막형성과 SOG의 막형성은, 다른 처리장치로 행해져야 하는 것으로부터, 웨이퍼의 옮겨싣기도 필요하게 되고, 수율도 저하한다고 하는 문제가 있었다.
또한, 수분을 포함하는 보이드(90)내의 SOG는, P-SiO2막(6, 16)에 의하여 둘러싸여있어서, OH 기의 누출의 우려도 있고, 막질의 신뢰성의 저하를 초래한다고 하는 문제도 잇었다.
제 5 실시예의 목적은, 피처리체의 표면의 플라즈마에 의한 막형성이 오목부에 있어서 매립되지 않는 경우에, 이온에 의한 스퍼터링으로 평탄화를 행하는 반도체막형성 평탄화 방법을 제공하는 것에 있다.
이 제 5 실시예의 막형성으로는, 제 1 내지 제 4 실시예에 관한 플라즈마 CVD 장치가 이용된다. 이 플라즈마 CVD 장치의 설명은 생략한다.
제 39a 도에 나타낸 바와 같이, 웨이퍼(W)상에, 예를 들면 알루미늄 등에 의하여 구성되는 금속배선(82)이 볼록형상으로 패턴화되어 형성되어 있다. 이 배선(82, 82) 사이에는, 오목부(84)가 생성되어 있다.
제 1 도에 나타낸 바와 같이, 처리실(1)내에, 처리가스, 예를 들면 실란 가스 및 산 소등이 공급되고, 처리실(1)내가 프로세스압력, 예를 들면 1×10-3Torr 정도의 매우 낮은 압력상태로 유지된다. 동시에, 플라즈마 발생용의 고주파전원 (15)등에 의하여, 예를 들면 100 W로 13.56 MHz의 고주파가 안테나부재(13)에 인가된다.
이 경우, 실란가스 및 산소의 유량은, 각각 예를 들면 40 SCCM 및 80 SCCM 으로 설정되어 있다. 웨이퍼(W)가 알루미늄의 금속배선(2)이 녹지 않는 범위의 온도, 예를 들면 400℃ 이하까지 가열된다.
바이어스용의 고주파전원(10)으로부터, 얹어놓는대(2)는, 인가되지 않고, 전위적으로 플로팅상태로 된다.
플라즈마 발생용의 고주파전원(15)으로부터 고주파전윈이 인가되면, 안테나부재(13)의 인덕턴스 성분의 유도작용에 의하여 처리실(1)내로 향하여 전파가 발사된다. 동시에, 안테나부재(13)와 처리실(1)의 사이의 용량성분의 작용에 의하여 처리실(1)내에는, 교번자계가 발생한다. 이 결과, 처리실(1)내에는, 처리가스가 이온화하고, 1℃10-3Torr의 높은 진공상태로 있어도, 플라즈마가 일어나고, 제 39b 도에 나타낸 바와 같이, 플라즈마에 의한 실리콘산화막 (P-SiO2)(86)의 막형성이 행해진다. 이러한 높은 진공상태에 있어서의 플라즈마는, 고밀도 상태로 되고, 제 39b 도에 나타낸 바와 같이, 어스펙트비가 높은 오목부(84)의 매립이 행해진다.
즉, 이러한 저압상태의 고밀도 플라즈마에 의한 CVD에 있어서는, 오목부(84)의 저부(88)의 적층막의 두께(H1)는, 비교적 두껍게 된다. 이것에 대하여, 오목부(84)의 측벽의 적층막의 두께(H2)는, 비교적 얇게 된다. 이들의 두께의 비(H1/H2)는 1 이상으로 되어, 이 오목부(84)내로 보이드가 발생하는 일이 없이 매립이 행해진다. 매립형상은, 제 39c 도에 나타낸 바와 같이, 이방성의 형상을 나타낸다.
이러한 플라즈마 CVD에 의한 오목부(84)의 매립은, 제 39c 도에 나타낸 바와 같이, P-SiO2막의 적층부의 바닥(100)이 금속배선(82)의 높이를 넘는 곳까지 행해진다. 결과적으로, P-SiO2막의 적층부의 표면에는, 금속배선(82, 82)의 사이의 오목부(84)에 대응한 적층부 오목부(82)가 형성된다.
이와 같이 하여, 소정의 시간만큼 플라즈마 CVD 조작을 종료하면서, 다음에 스퍼터 CVD로 이행한다. 이 경우에는, 바이어스 인가용의 고주파전원(10)으로부터, 예를 들면 -200V의 음의 바이어스전압이 서셉터(2)로 인가된다. 이것에 의하여, 스퍼터 CVD 조작이 행해진다. 이 경우, 처리가스, 처리압력, 처리온도 등은, 앞 공정의 플라즈마 CVD와 완전히 같게 설정한다. 또한, 처리가스로서, 실란가스와 산소의 대신에, 예를 들면 유량 50 SCCM 정도의 아르곤(Ar)가스가 공급되도록 하여도 좋다.
이와 같이, 스퍼터 CVD 조작이 행해지면, P-SiO2막의 표면에는, 플라즈마로부터의 높은 에너지 이온이 조사된다. 이 조사이온은 P-SiO2막의 적층부 오목부(102)의 측벽 및 측벽과 평탄부의 경계로 도는 각이 진 부분을 선택적으로 삭감한다. 동시에, 삭감된 산화막 (SiO2)의 일부는, 적층부 오목부(102)내로 바닥(100)에 부착한다. 이것에 의하여, 이 바닥 (100)이 매립되고, 최종적으로 퇴적막의 평탄화가 행해진다.
이 때의 상황은, 제 39d 도에 나타내어져 있다. 스퍼터 처리가 진행함에 따라서, 적층부 오목부(102)는, 제 39d 도에서 1 점쇄선 및 2점쇄선으로 나타낸 바와 같이, 곧 매립되어가고, 표면전체가 평탄화하는 것으로 된다. 이것에 의하여, 웨이퍼(W)의 표면의 오목부(84)의 매립조작이 종료한다.
다층구조의 IC를 만드는 경우에는, 이 평탄화된 절연층의 위에, 2층째, 3층째의 소자나 배선이 만들어지고, 마찬가지로 하여 평탄화처리가 행해지는 것으로 된다.
이와 같이, 본 실시예에 있어서는, 어스펙트비, (H1/H2)가 1 보다 큰 높은 진공분위기하에 있어서, 플라즈마 CVD에 의하여 산화막의 적층이 어느 정도 행해지고, 그 후, 서셉터(2)에 음의 바이어스가 인가되어 스퍼터 CVD에 의하여 퇴적막의 평탄화처리가 행해진다. 그 때문에, 막질이 양호한 플라즈마에 의한 산화막(P-SiO2)만으로 평탄화가 행해지는 것이 가능하다. 따라서, 종래 이용되고 있던 막질의 양호하지 않은 SOG 막을 사용하는 것이 아니므로, 전체의 막질이 대폭으로 향상되는 것이 가능하고, 알루미늄 전극 등에 대해서 절연성이 높은 층간 절연막이 형성되는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기한 바와 같이, 산화막의 적층 및 평탄화처리가 동일 처리장치내에서 행하는 것이 가능할 뿐아니라, SOG 막의 형성공정이나 절삭공정도 불필요하며, 공정수도 대폭으로 감소시키는 것이 가능하다. 따라서, 수율을 향상시키는 것이 가능할 뿐 아니라, 코스트의 삭제도 행하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기 실시예로서는, 처리압력을 1×10-3Torr 정도로 설정하였으나. 이것에 한정되지 않고, 플라즈마 CVD 조작시의 어스펙트비 (H1/H2)가 1 이상으로 되는 압력, 예를 들면 1×10-2Torr 보다 낮으면 그러한 처리압력으로도 좋다.
또한, 상기 실시예로는, 처리가스로서 실란가스와 산소를 이용한 경우에 대하여 설명하였으나. 이것에 한정되지 않고, 다른 실란계의 가스 또는 TEOS와 산소 등을 이용하도록 하여도 좋다.
또한, 플라즈마 서퍼터시에 있어서의 바이어스 인가용의 전원으로서, 고주파전원(10)이 이용되고 있다. 그러나, 이것 대신에 예를 들면 -200V 정도의 직류전원이 이용되도록 하여도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, P-SiO2막을 형성하는 경우에 대하여 설명하였으나. 이것에 한정되지 않고, 다른 막형성, 예를 들면 TiN 막이나 SiN 막 등을 형성하는 경우에도 적용하는 것이 가능하다. 일예로서, TiN 막을 형성하는 경우에는 Ti의 알루미늄화공물이나 환원제로서 히드라진을 이용하는 것이 가능하다.
다음에, 스퍼터 CVD 시에 있어서의 바이어스 인가용 전원의 출력에 대하여 설명한다.
바이어스 인가용 전원의 출력에 관하여, 이하와 같은 실험을 행하였다.
다음에, 스퍼터 CVD 시에 있어서의 바이어스 인가용 전원의 출력에 대하여 설명한다. 바이어스 인가용 전원의 출력에 관하여 이하와 같은 실험을 행하였다. 시료는 5 인치 실리콘 웨이퍼이며, 그 사양은, 이하와 같았다.
TEOS 10 sccm
O220 sccm
Ar 25 sccm
기판 온도 실온
RF 전력(13.56MHz) 600 W
노즐 100 mm
갭 105 mm
전체 압력 20 mTorr
바이어스RF전력(400kHz)100∼500W
실험에서는, 바이어스 인가용의 고주파전원(10)(제 1 도)에, 100W, 300W, 및 500W의 출력이 부여되었다. 이 실험결과는, 제 42 도에 100W의 출력인 경우, 제 43 도에 300W의 출력인 경우, 및 제 44 도에 500W의 출력인 경우를 나타낸다.
이들 제 42 도 내지 제 44 도로부터 분명한 바와 같이, 제 42 도의 100W의 출력인 경우에는, 보이드가 발생되고 있는 한편, 제 44 도의 500W의 출력인 경우에는, 산소가 없어지고 있다. 제 43 도의 300W의 출력의 경우에는, 오목부가 SiO2막에 의하여 완전하게 매립되어 있다. 이 실험결과로부터, 바이어스인 가용의 고주파 전원의 출력이 작은 경우에는, 스퍼터 CVD 시에 스퍼터링의 효과가 충분히 나타나지 않고, 오목부의 측벽이 스퍼터링에 의하여 없어지지 않기 때문이라고 생각된다. 한편, 이 고주파전원의 출력이 큰 경우에는, 스퍼터링의 효과가 지나치게 크므로, 배선까지도 없어지는 것으로 생각된다. 그러므로, 바이어스 인가용의 고주파 전원의 출력과 스퍼터링 효과와는, 상관관계가 있고, 고주파전원의 출력은, 소정의 범위에 유지될 필요가 있다.
또한, 제 1 내지 제 5 실시예에 있어서, 플라즈마 막형성장이, 플라즈마 처리장치에 있어서 플라즈마 CVD 장치를 예시하였으나, 본 발명은, 이것에 한정되지 않고, 플라즈마 스퍼터링, 플라즈마 에칭 등에도 적용된다.
본 발명에 의하면, 막형성이 층간 절연막의 경우에는, 종래에 필요로 한 막질이 떨어지는 SOG막을 상기 평탄화에 의하여 불필요하게 할 수가 있고, SOG막의 결점을 가지지 않고 막질의 대폭적인 향상을 도모할 수가 있으며, 절연성이 높은 층간 절연막을 형성할 수가 있다.
또, SOS막의 형성공정이나 그 절삭공정을 없앨 수 있으므로 제조공정수를 삭감할 수가 있으며, 제조단가의 대폭적인 삭감을 도모할 수가 있을 뿐만 아니라, 수율이 향상도 도모할 수가 있다.

Claims (17)

  1. 기밀한 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대에 평행하게 대향하는 평면상에 배치되고, 또한 한 끝단이 개방되어 있는 평면형상의 코일과, 이 코일의 다른 끝단과, 얹어놓는대 또는 처리실의 용기와의 사이에 고주파를 인가하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 상기 피처리물에 플라즈마처리를 하는 인가수단을 구비하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 잇어서, 상기 코일은, 처리실의 외벽에 인접하여 배치되고, 이 코일이 인접하는 외벽의 부분운, 유전체로 형성되어 있는 플라즈마 처리장치.
  3. 제3항에 있어서, 처리실내의 압력을 10-6Torr∼10Torr의 범위로 유지하는 압력조정수단을 더욱 구비하고 있는 플라즈마 처리장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 처리실의 외벽의 바깥쪽에 배치되고, 또한, 처리실 내의 플라즈마 밀도를 높이기 위한 플라즈마 고밀도화수단을 더욱 구비하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실 바깥쪽에 감긴 코일과, 이 코일에 접속된 보조 고주파전원을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실 바깥쪽에 감긴 코일과, 이 코일에 접속된 직류전원을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실의 바깥쪽에 배치된 영구자석을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  8. 기밀한 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대에 대향 배치되고, 개방된 한 끝단과, 개방된 중간부와, 다른 끝단을 가지며, 그의 지름이 피처리물의 지름보다 큰 평면형상의 코일과, 이 코일의 다른 끝단과, 얹어놓는대 또는 처리실의 용기와의 사이에 고주파를 인가하여 그 결과, 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 플라즈마처리를 하는 인가수단을 구비하는 플라즈마 처리장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 코일은, 처리실의 외벽에 인접하여 배치되고, 이 코일이 인접하는 외벽의 부분은, 유전체로 형성되어 있는 플라즈마 처리장치.
  10. 제8항에 있어서, 처리실내의 압력을 10-6Torr∼10Torr의 범위로 유지하는 압력조정수단을 더욱 구비하고 있는 플라즈마 처리장치.
  11. 기밀한 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대에 대향 배치되고, 개방된 한 끝단과, 개방된 중간부와, 다른 끝단을 가지며, 그의 지름이 피처리물의 지름보다 큰 평면형상의 코일과, 이 코일의 다른 끝단과, 얹어놓는대 또는 처리실의 용기와의 사이에 고주파를 인가하여 그 결과, 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 플라즈마처리를 하는 인가수단과, 상기 처리실의 외벽의 바깥쪽에 배치되고, 또한, 처리실내의 플라즈마밀도를 높이기 위한 플라즈마 고밀도화수단을 구비하고 있는 플라즈마 처리장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실외벽의 바깥쪽에 감긴 코일과, 이 코일에 접속된 보조 고주파전원을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실의 외벽의 바깥쪽에 감긴 코일과, 이 코일에 접속된 직류전원을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 고밀도화수단은, 처리실외벽에 배치된 영구자석을 포함하고 있는 플라즈마 처리장치.
  15. 기밀한 처리실내에서 피처리물을 얹어놓는 얹어놓는대와, 이 얹어놓는대에 대향 배치되고, 개방된 한 끝단과, 개방된 중간부와, 다른 끝단을 가지며, 그의 지름이 피처리물의 지름보다 크고, 처리실내에 수납되어 있는 평면형상의 코일과, 이 코일의 다른 끝단과, 얹어놓는대 또는 처리실의 용기와의 사이에 고주파를 인가하여 그 결과, 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마의 이온 또는 활성종의 반응에 의하여 플라즈마처리를 하는 인가수단을 구비하는 플라즈마 처리장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 평면형상의 코일은 외부가 절연체로 피복되고, 그를 통하여 가스가 처리실내로 도입되는 스파이어럴형의 중공형상의 형성되는 플라즈마 처리장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 평면형상의 코일은 처리실내부의 상부에 배치된 상부판과 하부판의 사이에 끼워져 있는 플라즈마 처리장치.
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