KR100645423B1 - 처리장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

피처리체에 플라즈마처리를 실시하는 처리장치에 있어서, 상기 피처리체를 수납해서 플라즈마를 발생하는 처리실과, 해당 처리실에 가스를 도입하는 가스도입부와, 플라즈마발생영역보다도 가스의 흐름의 상류쪽에 피처리체를 배치하는 기구를 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

처리장치 및 방법{PROCESSING APPARATUS AND METHOD}
도 1은 본 발명의 일실시예의 마이크로파 플라즈마처리장치의 개략단면도
도 2는 본 발명의 제 1, 제 4 및 제 5실시예의 마이크로파 플라즈마처리장치의 개략단면도
도 3은 본 발명의 제 2실시예의 마이크로파 플라즈마처리장치의 개략단면도
도 4는 본 발명의 제 3실시예의 마이크로파 플라즈마처리장치의 개략단면도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 100A ~ 100C: 처리장치
101, 101A ~ 101C: 플라즈마처리실
102, 102A: 피처리기체
105, 105A, 105B: 가스도입부
106: 배기로 또는 배기관
107: 유전체창
108: 마이크로파공급부
109: 컨덕턴스조정수단(또는 제어밸브)
본 발명은, 일반적으로 처리장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 플라즈마처리에 사용되는 처리가스로부터 생성한 활성종과 피처리체와의 반응의 제어에 관한 것이다. 본 발명은, 예를 들면, 수개의 분자층의 극히 얇은 막(이하, "극박막"이라 칭함)을 제어성 양호하게 형성하는 플라즈마처리에 적합하다.
마이크로파를 플라즈마생성용의 여기원으로서 사용하는 마이크로파 플라즈마처리장치로서는, CVD장치, 에칭장치, 애싱장치(asher), 표면개질장치 등이 알려져 있다. 이러한 마이크로파 플라즈마처리장치를 사용한 피처리체의 처리에 있어서는, 전형적으로, 처리실내에 처리용 가스를 도입하고, 처리실의 외부에 설치한 마이크로파공급장치로부터 마이크로파를 유전체창을 통해서 처리실에 공급해서 플라즈마를 발생시키고, 가스를 여기, 해리, 반응시켜, 처리실내에 배치된 피처리체를 표면처리한다. 마이크로파 플라즈마처리장치를 이용한 막형성처리(즉, 성막처리)는, 예를 들면, 일본국 공개특허 평 3-1531호 공보에 제안되어 있다.
그러나, 마이크로파 플라즈마처리장치를 이용해서 막형성 혹은 표면개질에 의해 예를 들면, 2nm이하의 극박막을 형성할 경우, 예를 들면, 실리콘기판에 게이트산화막을 형성하고자 할 경우, 처리시간이, 안정한 제어가 가능한 시간, 예를 들면, 5초와 비교해서 1초이하로 극히 짧아져, 막두께제어성이 저하한다.
따라서, 본 발명의 예시적 목적은, 이러한 종래기술의 문제를 해결하고, 극박막 형성시의 막두께 제어성을 향상시키는 처리장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
피처리체에 플라즈마처리를 실시하는 본 발명의 일측면으로서의 처리장치는, 상기 피처리체를 수납해서 플라즈마를 발생하는 처리실과, 해당 처리실에 가스를 도입하는 가스도입부를 지닌 것을 특징으로 한다. 상기 장치는, 또한, 상기 플라즈마의 발생영역보다도 상기 가스의 흐름의 상류쪽에 상기 피처리체를 배치하는 기구, 상기 피처리체보다도 상기 플라즈마발생영역에 가깝게 배치된 배기기구, 또는 활성종의 농도를 109 내지 1011㎝-3으로 유지하는 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 처리장치는, 상기 피처리체와 플라즈마 발생영역사이에, 상기 피처리체를 에워싸는 처리공간내의 활성종의 농도를 소정의 범위로 유지하기 위한 컨덕턴스조정수단을 또 구비해도 된다. 이 경우, 컨덕턴스조정수단은 상기 유지기구로서 기능한다. 상기 컨덕턴스조정수단은, 복수의 구멍이 뚫린 평판이어도 된다.
상기 처리장치에는, 상기 컨덕턴스조정수단에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 배기기구를, 상기 컨덕턴스조정수단에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 가스도입부를 배치해도 된다. 또, 상기 가스도입부는, 상기 피처리체를 플라즈마처리하기 위한 처리가스를 상기 처리실에 도입하는 제 1가스도입구와, 불활성 가스를 상기 처리실에 도입하는 제 2가스도입구를 포함하고, 상기 컨덕턴스조정수단에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 상기 제 1가스도입구와 배기기구를 배치하고, 상기 컨덕턴스조정수단에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 제 2가스도입구를 배치해도 된다.
상기 플라즈마처리는, 예를 들면, 상기 피처리체의 표면을 산화 또는 질화하는 처리이다.
본 발명에 의한 다른 측면으로서의 처리방법은, 처리실에 피처리체를 수납하는 동시에 산소를 함유하는 가스를 도입해서 상기 피처리체에 8nm이하의 막두께의 산화막을 형성하는 플라즈마처리를 실시하는 방법에 있어서, 상기 피처리체상의 활성종의 농도를 109 내지 1011㎝-3으로 유지하는 공정과, 상기 플라즈마처리를 5초이상의 처리시간만큼 행하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 목적 및 기타의 특징은, 이하, 첨부도면을 참조해서 설명되는 바람직한 실시예에 의해서 명백하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 일실시예로서의 마이크로파 플라즈마처리장치(이하, 간단히 "처리장치"라 칭함)(100)를 첨부도면을 참조해서 상세히 설명한다. 여기서, 도 1은, 처리장치(100)의 개략단면도이다. 처리장치(100)는, 도면에 표시된 바와 같이, 마이크로파 발진기 혹은 발생원에 접속되어, 플라즈마처리실(101), 피처리기판(102), 지지체(susceptor)(또는 지지대)(103), 온도제어부(104), 가스도입부(105), 배기로(106), 유도체창(107), 마이크로파공급부(108)를 지니고, 피처리체(102)에 대해서 플라즈마처리를 실시한다.
마이크로파발진기는, 예를 들면, 마그네트론이며, 예를 들면, 2.45㎓의 마이크로파를 발생한다. 단, 본 발명은, 0.8㎓ 내지 20㎓의 범위의 적절한 마이크로 파주파수를 선택하는 것이 가능하다. 마이크로파는, 그 후, 도시하지 않은 모드변환기에 의해 TM, TE 또는 TEM모드 등으로 변환되어서 도파관을 전파한다. 마이크로파의 도파경로에는, 아이솔레이트, 임피던스정합기 등이 설치되어 있다. 아이솔레이터는, 반사된 마이크로파가 마이크로파발진기로 되돌아가는 것을 방지하고, 그와 같은 반사파를 흡수한다. 임피던스정합기는, 마이크로파발진기로부터 부하에 공급되는 진행파와 부하에 의해 반사되어서 마이크로파발진기로 되돌아가는 반사파의 각각의 강도와 위상을 검지하는 파워메터를 지니고, 마이크로파발진기와 부하측과의 정합을 취하는 기능을 하는 것으로, 4E튜너, EH튜너나 스탭(stab)튜너 등으로 구성된다.
플라즈마처리실(101)은, 피처리기판(102)을 수납해서 진공 또는 감압환경하에서 피처리기판(102)에 플라즈마처리를 실시하는 진공용기이다. 또, 도 1에 있어서는, 피처리기판(102)을 로드록실(load lock chamber)(도시생략)과의 사이에서 주고 받기 위한 게이트밸브 등은 생략되어 있다.
피처리기판(102)은, 반도체, 도전성 혹은 전기절연성 것이어도 된다. 도전성 기판으로서는, Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, Pb 등의 금속 또는 이들의 합금, 예를 들면, 황동, 스테인레스강 등을 들 수 있다. 절연성 기판으로서는, SiO2계의 석영이나 각종 유리, Si3N4, NaCl, KCl, LiF, CaF2 , BaF2, Al2O3, AlN, MgO 등의 무기물, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 셀룰로스아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리이미드 등의 유기물의 필름, 창 등을 들 수 있다.
피처리기판(102)은, 지지체(103)에 놓인다. 필요하다면, 지지체(103)는, 높이조절이 가능하게 구성해도 된다. 지지체(103)는, 플라즈마처리실(101)에 수납되어, 피처리기판(102)을 지지한다.
온도제어부(104)는, 히터 등으로 구성되고, 예를 들면, 200℃이상 400℃이하의 처리에 적합한 온도로 제어된다. 온도제어부(104)는, 예를 들면, 지지체(103)의 온도를 측정하는 온도계와, 전원(도시생략)으로부터 히터선에의 통전을 제어하는 제어기를 지닌다.
가스도입부(105)는, 플라즈마처리실(101)의 하부에 설치되어, 플라즈마처리용의 가스를 플라즈마처리실(101)에 공급한다. 가스도입부(105)는, 가스공급수단의 일부이며, 해당 가스공급수단은, 가스공급원과, 밸브와, 매스 플로 컨트롤러(mass flow controller)와, 이들을 접속하는 가스관을 포함하고, 마이크로파에 의해 여기된 소정의 플라즈마를 얻기 위한 처리가스나 방전가스를 공급한다. 플라즈마의 신속한 착화(着火)를 위해 적어도 착화시에 Xe나 Ar, He 등의 불활성 가스를 첨가해도 된다. 불활성 가스는 전리하기 쉬우므로 마이크로파투입시의 플라즈마착화성을 향상시키는 것이 가능하다. 후술하는 바와 같이, 가스도입부(105)를, 예를 들면, 처리가스를 도입하는 도입부와 불활성 가스를 도입하는 또하나의 도입부로 분리해서, 이들 도입부를 개별의 위치에 배치해도 된다. 예를 들면, 처리가스도입부를 상부에 설치하고, 불활성 가스도입부를 하부에 설치하고, 불활성 가스가 처리가스로부터 생성된 활성종이 피처리기판(102)에 도달하는 것을 방지하도록 불활성 가스의 흐름을 아래로부터 위로 향하게 하는 등이다.
가스도입부(105)의 방향은, 도 1에 표시한 바와 같이, 밑에서부터 위쪽으로 향한다. 이 결과, 플라즈마가 발생하는 유전체창(107)의 처리실(101)쪽의 표면 또는 플라즈마발생영역(P)보다도 피처리기판(102)은 가스의 흐름의 상류쪽에 배치된다. 이 결과, 가스는, 유전체창(107)근방에 발생하는 플라즈마발생영역(P)을 경유한 후에 피처리기판(102)의 표면에 공급되고, 피처리기판상의 가스로부터 생성되는 활성종의 농도는, 종래와 같이, 가스도입부가 도 1에 표시한 소자(106)부근에 배치되는 경우와 비교해서 109 내지 1011㎝-3정도로 현저하게 저하한다.
CVD법에 의해 기판상에 박막을 형성할 경우에 이용되는 가스로서는, 일반적으로 공지의 가스가 사용될 수 있다.
a-Si, poly-Si, SiC 등의 Si계 반도체박막을 형성할 경우의 원료로서는, SiH4, Si2H6 등의 무기실란류, 테트라에틸실란(TES), 테트라메틸실란(TMS), 디메틸실란(DMS), 디메틸디플루오로실란(DMDFS), 디메틸디클로로실란(DMDCS) 등의 유기실란류, SiF4, Si2F6, Si3F8, SiHF3, SiH 2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2 Cl2, SiH3Cl, SiCl2F2 등의 할로겐화 실란류 등, 실온·상압에서 가스상태인 것 또는 용이하게 가스화할 수 있는 것을 들 수 있다. 또, 이 경우의 Si원료가스와 혼합해서 도입해도 되는 첨가가스 또는 캐리어가스로서는, H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 등을 들 수 있다.
Si3N4, SiO2 등의 Si화합물계 박막을 형성하는 데 이용되는 원료로서는, SiH4, Si2H6 등의 무기실란류, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 옥타메틸시클로테트라실란(OMCTS), 디메틸디플루오로실란(DMDFS), 디메틸디클로로실란(DMDCS) 등의 유기실란류, SiF4, Si2F6, Si3F8, SiHF3, SiH2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl, SiCl2F2 등의 할로겐화 실란류 등, 실온·상압에서 가스상태인 것 또는 용이하게 가스화할 수 있는 것을 들 수 있다. 또, 이 경우의 동시에 도입하는 질소원료가스 또는 산소원료가스로서는, N2, NH3, N2H4 , 헥사메틸디실라잔(HMDS), O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2 등을 들 수 있다.
Al, W, Mo, Ti, Ta 등의 금속박막을 형성하는 데 이용되는 원료로서는, 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리에틸알루미늄(TEAl), 트리이소부틸알루미늄(TIBAl), 디메틸알루미늄하이드라이드(DNAlH), 텅스텐카르보닐화합물(W(CO)6), 몰리브덴카르보닐화합물(Mo(CO)6), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa) 등의 유기금속, AlCl3, WF6, TiCl3, TaCl5 등의 할로겐화 금속 등을 들 수 있다. 또, 동시에 도입되는 첨가가스 또는 캐리어가스로서는, H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn 등을 들 수 있다.
Al2O3, AlN, Ta2O5, TiO2, TiN, WO3 등의 금속화합물박막을 형성하는 데 이용되는 원료로서는, 트리메틸알루미늄(TMAl), 트리에틸알루미늄(TEAl), 트리이소부틸알루미늄(TIBAl), 디메틸알루미늄하이드라이드(DNAlH), 텅스텐카르보닐화합물(W(CO)6), 몰리브덴카르보닐화합물(Mo(CO)6), 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa) 등의 유기금속, AlCl3, WF6, TiCl3, TaCl5 등의 할로겐화 금속 등을 들 수 있다. 또, 동시에 도입되는 질소원료가스 또는 산소원료가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 등을 들 수 있다.
피처리기판(102)의 표면을 에칭하는 에칭용 가스로서는, F2, CF4, CH2F 2, C2F6, C3F8, C4F8, CF2Cl 2, SF6, NF3, Cl2, CCl4, CH2Cl2 , C2Cl6 등을 들 수 있다. 포토레지스트 등의 피처리기판(102)의 표면상의 유기성분을 에싱제거하는 에싱용 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, H2 등을 들 수 있다.
피처리기판(102)을 표면개질할 경우, 사용하는 가스를 적절하게 선택함으로써, 예를 들면, 기판 혹은 표면층의 산화처리 혹은 질화처리, 나아가서는 B, As, P 등의 도핑처리 등이 가능하다. 또, 본 발명에 있어서 채용하는 막형성기술은 클리닝방법에도 적용할 수 있다. 그 경우 산화물 혹은 유기물이나 중금속 등의 클리닝에 사용하는 것도 가능하다.
피처리기판(102)의 표면을 산화처리하는 산화성 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2 등을 들 수 있고, 피처리기판(102)의 표면을 질화처리하는 질화성 가스로서는, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 등을 들 수 있다.
피처리기판(102)의 표면의 유기물을 클리닝할 경우, 또는 포토레지스트 등 피처리기판(102)의 표면상의 유기성분을 애싱제거할 경우의 처리용 가스도입구(105)로부터 도입하는 클리닝/애싱용 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, H2 등을 들 수 있다. 또, 기판표면의 무기물을 클리닝할 경우의 처리용 가스도입구(105)로부터 도입하는 클리닝용 가스로서는, F2, CF4, CH2F2 , C2F6, C4F8, CF2Cl2, SF6, NF3 등을 들 수 있다.
배기로 또는 배기관(106)은, 특징적으로, 플라즈마처리실(101)의 상부주위에 설치되어, 진공펌프(도시생략)에 접속되어 있다. 즉, 배기로(106)는, 플라즈마발생영역과 피처리기판(102)사이에 배치되어 있다. 이것에 의해, 생성되는 활성종을 배기해서 피처리기판(102)상의 활성종 농도를 저하하는 것이 가능하다. 배기로(106)는, 압력조정밸브, 압력센서, 진공펌프 및 제어기와 함께 압력조정기구를 구성한다. 즉, 제어기(도시생략)는, 진공펌프를 운전하면서, 플라즈마처리실(101)의 압력을 검출하는 압력센서가 소정의 값을 검출하도록, 플라즈마처리실(101)의 압력을 밸브의 개폐의 정도로 조정하는, VAT사(VAT Vakuumventile A.G.) 제품의 압력조정기능부착 게이트밸브나 MKS사(MKS Instruments, Inc.) 제품의 배기슬롯밸브 등의 압력조정밸브를 제어함으로써 조절한다. 그 결과, 배기로(106)를 개재해서, 플라즈마처리실(101)의 내부압력을 처리에 적합한 압력으로 제어한다. 압력은, 바람직하게는, 13mPa 내지 1330Pa의 범위, 보다 바람직하게는, 665mPa 내지 665Pa의 범위가 적당하다. 진공펌프는, 예를 들면, 터보분자펌프(TMP)에 의해 구성되어, 컨덕턴스밸브(도시생략) 등의 압력조정밸브를 개재해서 플라즈마처리실(101)에 접속되어 있다.
유전체창(107)은, 마이크로파발진기로부터 공급되는 마이크로파를 플라즈마처리실(101)에 투과하는 동시에 플라즈마처리실(101)의 격벽으로서 기능한다.
슬롯부착 평판형상 마이크로파공급부(108)는, 마이크로파를 유전체창(107)을 개재해서 플라즈마처리실(101)에 도입하는 기능을 지니고, 슬롯부착 무종단 환형상 도파관이어도, 동축도입평판 멀티슬롯 안테나이어도, 마이크로파를 판형상으로 공급할 수 있는 것이면 적용가능하다. 본 발명의 마이크로파플라즈마처리장치(100)에 이용되는 평판형 마이크로파공급부(108)의 재질은, 도전체이면 사용가능하나, 마이크로파의 전파손실을 가능한 한 억제하기 위한, 도전율이 높은 Al, Cu, Ag/Cu도금한 SUS 등이 최적이다.
예를 들면, 슬롯부착 평판형 마이크로파공급부(108)가 슬롯부착 무종단 환형상 도파관인 경우, 냉각수로와 슬롯 안테나가 설치되어 있다. 슬롯 안테나는 유전체창(107)의 진공측 표면에 표면파 간섭에 의한 표면정재파를 형성한다. 슬롯 안테나는, 예를 들면, 반경방향의 슬롯, 원주방향을 따른 슬롯, 대략 T자형상의 동심원형상 또는 나선형상으로 배치된 다수의 슬롯, 또는 V자형상의 슬롯을 4쌍 지닌 금속제의 원판이다. 또, 피처리기판(102)면내에 있어서, 편차가 없는 균일한 처리를 전면에 걸쳐 행하기 위해서는, 피처리기판(102)상에 있어서 면내균일성이 양호한 활성종이 공급되는 것이 중요하다. 슬롯 안테나는 적어도 1개이상의 슬롯을 배치함으로써, 대면적에 걸쳐 플라즈마를 생성시키는 것이 가능해져, 플라즈마강도 ·균일성의 제어도 용이해진다.
이하, 처리장치(100)의 동작에 대해서 설명한다. 먼저, 진공펌프(도시생략)를 개재해서 플라즈마처리실(101)내를 진공배기한다. 이어서, 가스도입부(105)가 밸브(도시생략)를 열어, 매스 플로 컨트롤러를 개재해서 처리가스를 소정의 유량으로 플라즈마처리실(101)에 도입한다. 다음에, 압력조정밸브를 조정해서, 플라즈마처리실(101)내를 소정의 압력으로 유지한다. 또, 마이크로파발진기로부터 마이크로파를, 마이크로파공급부(108) 및 유전체창(107)을 개재해서 플라즈마처리실(101)에 공급하고, 플라즈마처리실(101)내에서 플라즈마를 발생시킨다. 마이크로파공급부내에 도입된 마이크로파는, 자유공간보다도 긴 관내 파장을 가지고 전파되어, 슬롯으로부터 유전체창(107)을 개재해서 플라즈마처리실(101)에 도입되어, 유전체창(107)의 표면을 표면파로서 전파한다. 이 표면파는, 인접하는 슬롯간에 간섭해서, 표면정재파를 형성한다. 이 표면정재파의 전계에 의해 고밀도플라즈마를 생성한다. 플라즈마발생영역(P)의 전자밀도가 높으므로 처리가스를 효율좋게 여기, 해리, 반응시킬 수 있다. 또, 전계가 유전체창(107)근방에 국한되어 있어, 전자온도는 플라즈마발생부로부터 멀어지면 급속히 저하하므로, 디바이스에의 손상도 억제할 수 있다. 플라즈마중의 활성종은, 피처리기판(102)가까이에 확산 등으로 전송되어, 피처리기판(102)의 표면에 도달한다. 그러나, 배기로(106)가 피처리기판(102)보다도 플라즈마발생영역(P)에 가깝게 배치되고, 또, 가스도입부(105)가 도입하는 가스흐름으로부터 보아서 피처리기판(102)은 플라즈마발생영역(P)보다도 상류에 배치되어 있으므로, 피처리기판(102)상의 활성종(예를 들면, 산소라디칼)농도는 109 내지 1011㎝-3으로 유지될 수 있다. 그러므로, 예를 들면, 5초이상의 안정한 제어가 가능한 시간의 플라즈마처리를 실시함으로써, 예를 들면, 막두께가 2nm이하의 극히 얇은 (예를 들면, 게이트산화)막을 피처리기판(102)상에 형성하는 것이 가능하다.
막형성처리의 경우, 사용하는 가스를 적절하게 선택함으로써 Si3N4, SiO2, SiOF, Ta2O5, TiO2, TiN, Al2O3, AlN, MgF2 등의 절연막, a-Si, poly-Si, SiC 등의 Si계 반도체박막, Al, W, Mo, Ti, Ta 등의 금속막 등, 각종 퇴적막을 효율좋게 형성하는 것이 가능하다.
종래는, 피처리기판(102)상의 활성종 농도는 쓰루풋(throughput)을 확보하는 관점에서 소정량 이하로 제어되지 않았으므로, 막두께가 0.6nm 내지 2nm인 극박막을 피처리기판(102)상에 형성하고자 하면, 처리시간이 1초이하로 매우 단시간으로 되어, 안정한 막형성 혹은 표면개질을 행하는 것이 가능하지 않았다. 이것에 대해서, 본 실시형태는, 활성종 농도를 저하시킴으로써, 처리시간을 제어가능한 시간으로 확보하는 것이 가능해져, 플라즈마처리의 품질을 향상시키는 것을 가능하게 하고 있다.
처리장치(100)에 있어서, 보다 저압으로 처리하기 위해, 자계발생수단을 이용해도 된다. 본 발명의 플라즈마처리장치 및 처리방법에 있어서 이용되는 자계로서는, 코일이외에도, 영구자석이어도 사용가능하다. 코일을 이용할 경우에는, 수냉이나 공냉 등 기타의 냉각수단을 이용해도 된다.
이하, 마이크로파 플라즈마처리장치(100)의 구체적인 적용에를 설명하나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
제 1실시예
처리장치(100)의 일례로서, 도 2에 표시한 마이크로파 플라즈마처리장치(100A)를 사용해서, 반도체소자의 극히 얇은 게이트산화막의 형성을 행하였다. 여기서, (108A)는 마이크로파를 유전체창(107)을 개재해서 플라즈마처리실(101A)에 도입하기 위한 슬롯부착 무종단 환형상 도파관이며, (109)는 석영제의 컨덕턴스제어판이다. 또, 도 2에 있어서, 도 1과 동일한 부재는 동일한 참조부호로 표시하고, 도 1의 것과 대응하는 부재의 변형예 또는 구체예에는 동일한 참조부호에 알파벳을 붙여 표기하고 있다.
기판(102A)으로서, 세정에 의해 표면의 자연산화막을 제거한 φ8" P형 단결정 실리콘기판(면방위<100>, 저항률 10Ωm)을 사용하였다.
슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)은, TE10모드로, 내벽단면의 치수가 27㎜×96㎜(관내파장 158.8㎜), 도파관의 중심직경이 151.6㎜(1둘레길이는 관내파장의 3배)인 것을 사용하였다. 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)의 재질은, 마이크로파의 전파손실을 억제하기 위해, 모두 알루미늄합금으로 이루어져 있다. 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)의 H면에는, 마이크로파를 플라즈마처리실(101A)에 도입하기 위한 슬롯이 형성되어 있다. 슬롯은 길이 40㎜, 폭 4㎜의 직사각형으로, 중심직경이 151.6㎜인 위치에, 방사형상으로 60°간격 으로 6개 형성되어 있다. 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)에는, 4E튜너, 방향성 결합기, 아이솔레이터 및 2.45㎓의 주파수를 지닌 마이크로파전원(도시생략)이 순차 접속되어 있다.
처리장치(100A)에는, 컨덕턴스조정수단의 일례로서, 피처리기판(102A)과 유전체창(107)의 진공측의 면에 형성되는 플라즈마발생영역(P)과의 사이에 컨덕턴스제어판(109)이 설치되어 있어, 기판(102A)이 배치되는 처리공간의 활성종 농도를 소정의 범위로 유지한다. 컨덕턴스제어판(109)은, 예를 들면, φ6 ~φ16의 구멍이 20㎜피치로 형성되어 있는 복수의 구멍이 뚫린 원반 또는 평판이고, 석영으로 이루어져 있다. 물론, 컨덕턴스조정수단의 재질은 석영으로 한정되지 않고, MOS-FET의 게이트산화·질화 등의 금속오염이 문제로 될 경우에는 석영, 질화실리콘 등의 Si계 절연체 재료를 사용하고, 금속오염이 문제로 되지 않고, 기판에의 전자파조사를 차단하고자 할 경우에는, 후술하는 바와 같이, 알루미늄 등의 금속을 사용해도 된다. 금속오염도 전자파조사도 문제로 될 경우에는, 금속을 내장한 Si계 절연체를 이용하는 수단도 있다.
플라즈마로 여기된 중성 라디칼 등의 활성종의 다수는, 기판에 도달하는 일없이 배기되고, 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 역류해서 기판까지 확산되어온 일부의 활성종만이 처리에 기여한다. 가스유량과 배기컨덕턴스를 변화시켜 유속을 변화시킴으로써, 처리속도를 고정밀도로 제어가능하여, 수개의 분자의 극박막도 형성가능하게 된다.
동작에 있어서, 기판(102A)을 지지체(103)상에 설치하고, 배기계(도시생략) 를 개재해서 플라즈마처리실(101A)을 진공배기하여, 10-5Pa까지 감압시켰다. 이어서, 온도제어부(104)에 통전하고, 기판(102A)을 280℃로 가열하고, 기판(102A)을 이 온도로 유지하였다. 가스도입부(105)를 개재해서 질소가스를 300sccm의 유량으로 처리실(101A)내에 도입하였다. 이어서, 배기계(도시생략)에 설치된 컨덕턴스밸브(도시생략)를 조정하여, 처리실(101A)내를 133Pa로 유지하였다. 다음에, 2.45㎓의 마이크로파전원(도시생략)으로부터 1.0kW의 전력을 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)을 개재해서 공급하였다. 이와 같이 해서, 플라즈마처리실(101A)내에 플라즈마를 발생시켜, 20초간 처리를 행하였다.
이 때, 가스도입부(105)를 개재해서 도입된 산소가스는, 여기, 분해되어, O2 +이온이나 O·중성라디칼 등의 활성종으로 되어, 그중 일부의 활성종은, 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 통해 역류해서 기판(102A)표면에 도달해서, 해당 기판(102A)의 표면을 산화하였다. 산화처리중의 기판상의 산소활성종 농도는 8×109㎝-3였다.
처리후, 산화막두께, 균일성, 내압, 누설전류 등의 막질에 대해서 평가하였다. 산화막두께는 0.6nm, 막두께균일성은 ±1.8%, 내압은 9.8MV/㎝, 누설전류는 2.1㎂/㎠로 양호하였다.
제 2실시예
처리장치(100)의 일례로서, 도 3에 표시한 마이크로파 플라즈마처리장치(100B)를 사용해서, 반도체소자의 극히 얇은 게이트산화막의 형성을 행하였다. 처리장치(100B)는, 처리가스를 도입하는 도입부(105A)와, 불활성 가스를 도입하는 도입부(105B)를 지닌 가스도입부를 지니고, 컨덕턴스제어판(109)에 의해서 분리된 플라즈마처리실(101B)의 플라즈마발생영역(P)쪽에 상기 도입부(105A)와 배기로(106B)를 배치하고, 피처리기판(102)쪽에 상기 도입부(105B)를 배치하고 있다. 또, 도 3에 있어서, 도 2와 동일한 부재는 동일한 참조부호로 표시하고, 도 1의 것과 대응하는 부재의 변형예 또는 구체예에는 동일한 참조부호에 알파벳을 붙여 표기하고 있다.
플라즈마처리실(101B)의 상부주변으로부터 도입부(105A)를 개재해서 도입된 처리가스는, 발생한 플라즈마에 의해 여기·이온화·반응해서 활성화하고, 지지체(103)상에 놓인 피처리기판(102A)의 표면을 저속 또 고품질로 처리한다. 이 때, 플라즈마로 여기된 중성라디칼 등의 활성종의 대부분은, 기판(102A)에 도달하는 일없이 배기되고, 도입부(105B)로부터 도입되는 불활성 가스에도 관계없이 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 통해 역류해서 기판(102A)까지 확산해온 일부의 활성종만이 처리에 기여한다. 가스유량·유량비나 배기컨덕턴스를 변화시켜 유속을 변화함으로써, 처리속도를 고정밀도로 제어할 수 있어, 수개의 분자의 극박막도 형성가능하게 된다.
기판(102A)을 지지체(103)에 설치해서, 배기계(도시생략)를 개재해서 플라즈마처리실(101B)을 진공배기하여, 10-5Pa까지 감압시켰다. 이어서, 온도제어부(104)에 통전하고, 기판(102A)을 450℃로 가열하고, 기판(102A)을 이 온도로 유지하였다. 도입부(105A)를 개재해서 산소가스를 10sccm의 유량으로, 도입부(105B)를 개재해서 Ar가스를 190sccm의 유량으로, 플라즈마처리실(101B)에 도입하였다. 이어서, 배기계(도시생략)에 설치된 컨덕턴스밸브(도시생략)를 조정하여, 플라즈마처리실(101B)내를 13.3Pa로 유지하였다. 다음에, 2.45㎓의 마이크로파전원(도시생략)으로부터 1.0kW의 전력을 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)을 개재해서 공급하였다. 이와 같이 해서, 플라즈마처리실(101B)내에 플라즈마를 발생시켰다. 도입부(105A)를 개재해서 도입된 산소가스는 플라즈마처리실(101B)내에 여기, 분해되어, O2 +이온이나 O·중성라디칼 등의 활성종으로 되어, 그중 매우 소량의 일부의 활성종은, Ar가스의 퍼지에도 관계없이 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 통해서 역류해서(즉, 기판(102A)을 향해서), 기판(102A)표면에 도달해서, 기판(102A)의 표면이 0.6nm정도 산화되었다. 산화처리중의 기판상의 산소활성종 농도는 6×109㎝-3였다.
처리후, 균일성, 내압, 누설전류 및 플랫 밴드 시프트(flat band shift)(ΔVfb)에 대해서 평가하였다. 균일성은 ±1.8%, 내압은 8.9MV/㎝, 누설전류는 5.0㎂/㎠, ΔVfb는 0.1V로 양호하였다.
제 3실시예
처리장치(100)의 일례로서, 도 4에 표시한 마이크로파 플라즈마처리장치(100C)를 사용해서, 반도체소자의 커패시터-절연용 산화탄탈막의 형성을 행하였다. 여기서, (109A)는, 알루미늄제의 컨덕턴스제어판이며, (108B)는 동축도입 멀티슬롯 안테나이다. 또, 도 4에 있어서, 도 2와 동일한 부재는 동일한 참조부호로 표시하고, 도 1의 것과 대응하는 부재의 변형예 또는 구체예에는 동일한 참조부호에 알파벳을 붙여 표기하고 있다.
컨덕턴스제어판(109A)의 재질은 알루미늄으로, 처리가 균일하게 되도록 φ6 ~φ16의 구멍이 20㎜피치로 형성되어 있다. 동축도입 멀티슬롯 안테나(108B)는 마이크로파전력을 공급하는 중심축과 안테나원판상에 배치된 다수의 슬롯으로 구성된다. 동축도입 멀티슬롯 안테나(108B)의 재질은, 마이크로파의 전파손실을 억제하기 위해, 중심축은 Cu를, 안테나원판은 Al을 이용하고 있다. 각 슬롯의 형상은, 길이 12㎜, 폭 1㎜의 직사각형이고, 이러한 슬롯이 12㎜ 간격의 동심원형상으로, 원의 접선방향으로 다수 형성되어 있다. 동축도입 멀티슬롯 안테나(108B)에는, 4E튜너, 방향성 결합기, 아이솔레이터 및 2.45㎓의 주파수를 지닌 마이크로파전원(도시생략)이 순차 접속되어 있다.
기판(102A)을 지지체(103)에 설치해서, 배기계(도시생략)를 개재해서 플라즈마처리실(101C)내를 진공배기하여, 10-5Pa까지 감압시켰다. 이어서, 온도제어부(104)에 통전하고, 기판(102A)을 300℃로 가열하고, 기판(102A)을 이 온도로 유지하였다. 가스도입부(105)를 개재해서 산소가스를 200sccm의 유량으로, 또, TEOT가스를 10sccm의 유량으로 처리실(101C)내에 도입하였다. 이어서, 배기계(도시생략)에 설치된 컨덕턴스밸브(도시생략)를 조정하여, 플라즈마처리실(101C) 내를 6.65Pa로 유지하였다. 다음에, 2.45㎓의 마이크로파전원(도시생략)으로부터 2.0kW의 전력을 동축도입 멀티슬롯 안테나(108B)를 개재해서 플라즈마처리실(101C)에 공급하였다. 이와 같이 해서, 플라즈마처리실(101C)내에 플라즈마를 발생시켰다. 가스도입부(105)를 개재해서 도입된 산소가스는 여기, 분해되어, 활성종으로 되어, 기판(102A)의 방향으로 전송되어, TEOT가스와 반응해서 산화탄탈막이 기판(102A)상에 5nm의 두께로 형성되었다. 막형성중의 기판상의 산소활성종 농도는 3×1010㎝-3였다.
처리후, 균일성, 내압, 누설전류 및 플랫 밴드 시프트(ΔVfb)에 대해서 평가하였다. 균일성은 ±3.1%, 내압은 7.3MV/㎝, 누설전류는 4.6㎂/㎠, ΔVfb는 0.1V로 양호하였다.
제 4실시예
도 2에 표시한 마이크로파 플라즈마처리장치(100A)를 사용해서, 반도체소자의 극히 얇은 게이트질화막의 형성을 행하였다. 기판(102A)을 지지체(103)상에 설치한 후, 배기계(도시생략)를 개재해서 플라즈마처리실(101A)을 진공배기하여, 10-5Pa까지 감압시켰다. 이어서, 온도제어부(104)에 통전하고, 기판(102A)을 380℃로 가열하고, 기판(102A)을 이 온도로 유지하였다. 가스도입부(105)를 개재해서 질소가스를 700sccm의 유량으로 처리실(101A)에 도입하였다. 이어서, 배기계(도시생략)에 설치된 컨덕턴스밸브(도시생략)를 조정하여, 처리실(101A)내를 13.3Pa로 유지하였다. 다음에, 2.45㎓의 마이크로파전원(도시생략)으로부터 1.0kW의 전력을 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)을 개재해서 공급하였다. 이와 같이 해서, 플라즈마처리실(101A)내에 플라즈마를 발생시켜, 60초간 처리를 행하였다.
이 때, 가스도입부(105)를 개재해서 도입된 질소가스는 플라즈마처리실(101A)내에 여기, 분해되어, N+, N2 +이온이나 N·중성라디칼 등의 활성종으로 되어, 그중 일부의 활성종은, 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 통해서 역류해서, 기판(102A)표면에 도달해서, 해당 기판(102A)의 표면을 질화하였다. 질화처리중의 기판상의 질소활성종 농도는 8×109㎝-3였다.
처리후, 질화막두께, 균일성, 내압, 누설전류 등의 막질에 대해서 평가하였다. 질화막두께는 1.2nm, 막두께균일성은 ±1.7%, 내압은 9.5MV/㎝, 누설전류는 2.1㎂/㎠로 양호하였다.
제 5실시예
도 2에 표시한 마이크로파 플라즈마처리장치(100A)를 사용해서, 반도체소자의 극히 얇은 게이트질화막의 형성을 행하였다. 기판(102A)을 지지체(103)상에 설치한 후, 배기계(도시생략)를 개재해서 플라즈마처리실(101A)을 진공배기하여, 10-5Pa까지 감압시켰다. 이어서, 온도제어부(104)에 통전하고, 기판(102A)을 350℃로 가열하고, 기판(102A)을 이 온도로 유지하였다. 가스도입부(105)를 개재해서 질소가스를 1000sccm의 유량으로 처리실(101A)에 도입하였다. 이어서, 배기계(도시생략)에 설치된 컨덕턴스밸브(도시생략)를 조정하여, 처리실(101A)내를 26.6Pa로 유지하였다. 다음에, 2.45㎓의 마이크로파전원(도시생략)으로부터 1.5kW의 전력을 슬롯부착 무종단 환형상 도파관(108A)을 개재해서 공급하였다. 이와 같이 해서, 플라즈마처리실(101A)내에 플라즈마를 발생시켜, 20초간 처리를 행하였다.
이 때, 가스도입부(105)를 개재해서 도입된 질소가스는 플라즈마처리실(101A)내에 여기, 분해되어, N+, N2 +이온이나 N·중성라디칼 등의 활성종으로 되어, 그중 일부의 활성종은, 컨덕턴스제어판(109)의 구멍을 통해서 역류해서, 기판(102A)의 표면에 도달해서, 해당 기판(102A)의 표면을 질화하였다. 질화처리중의 기판상의 질소활성종 농도는 3×1010㎝-3였다.
처리후, 질화막두께, 균일성, 내압, 누설전류 등의 막질에 대해서 평가하였다. 산화막환산막두께는 1.0nm, 막두께균일성은 ±2.2%, 내압은 10.4MV/㎝, 누설전류는 1.8㎂/㎠로 양호하였다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니고, 그 요지의 범위내에서 각종 변형 및 변경이 가능하다.
이상, 본 발명에 의하면, 극박막 형성시의 막두께 제어성을 향상시키는 플라즈마처리장치 및 방법을 제공하는 것이 가능하다.

Claims (19)

  1. 피처리체에 플라즈마처리를 실시하는 처리장치에 있어서,
    상기 피처리체를 수납해서 플라즈마를 발생하는 처리실과;
    해당 처리실에 가스를 도입하는 가스도입부와;
    플라즈마발생영역보다도 가스의 흐름의 상류쪽에 상기 피처리체를 배치하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피처리체와 플라즈마 발생영역사이에, 상기 피처리체를 에워싸는 처리공간내의 활성종의 농도를 소정의 범위내로 유지하기 위한 컨덕턴스조정기를 또 구비한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기는 복수의 구멍이 뚫린 평판인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 플라즈마 발생영역쪽에 배기기구를 또 구비하고, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 가스도입부를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 가스도입부는, 상기 피처리체를 플라즈마처리하기 위 한 처리가스를 상기 처리실에 도입하는 제 1가스도입구와, 불활성 가스를 상기 처리실에 도입하는 제 2가스도입구를 포함하고,
    상기 처리장치는, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 배기기구를 또 구비하고,
    상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 상기 제 1가스도입구를 배치하고, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 제 2가스도입구를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마처리는, 상기 피처리체의 표면을 산화 또는 질화하는 처리인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  7. 피처리체에 플라즈마처리를 실시하는 처리장치에 있어서,
    상기 피처리체를 수납해서 플라즈마를 발생하는 처리실과;
    해당 처리실에 가스를 도입하는 가스도입부와;
    상기 피처리체보다도 플라즈마발생영역에 가깝게 배치된 배기기구를 구비한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 피처리체와 플라즈마 발생영역사이에, 상기 피처리체를 에워싸는 처리공간내의 활성종의 농도를 소정의 범위내로 유지하기 위한 컨덕턴 스조정기를 또 구비한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기는 복수의 구멍이 뚫린 평판인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  10. 제 8항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 상기 배기기구를 배치하고, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 가스도입부를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  11. 제 8항에 있어서, 상기 가스도입부는, 상기 피처리체를 플라즈마처리하기 위한 처리가스를 상기 처리실에 도입하는 제 1가스도입구와, 불활성 가스를 상기 처리실에 도입하는 제 2가스도입구를 포함하고,
    상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 상기 배기기구 및 상기 제 1가스도입구를 배치하고,
    상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 제 2가스도입구를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  12. 제 7항에 있어서, 상기 플라즈마처리는, 상기 피처리체의 표면을 산화 또는 질화하는 처리인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  13. 피처리체에 플라즈마처리를 실시하는 처리장치에 있어서,
    상기 피처리체를 수납해서 플라즈마를 발생하는 처리실과;
    해당 처리실에 가스를 도입하는 가스도입부와;
    활성종의 농도를 109 내지 1011㎝-3으로 유지하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 유지수단은 상기 피처리체와 플라즈마 발생영역사이에, 상기 피처리체를 에워싸는 처리공간내의 활성종의 농도를 소정의 범위내로 유지하기 위한 컨덕턴스조정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 처리장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기는 복수의 구멍이 뚫린 평판인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 배기기구를 또 구비하고, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 가스도입부를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 가스도입부는, 상기 피처리체를 플라즈마처리하기 위한 처리가스를 상기 처리실에 도입하는 제 1가스도입구와, 불활성 가스를 상기 처리실에 도입하는 제 2가스도입구를 포함하고,
    상기 처리장치는, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 배기기구를 또 구비하고,
    상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 플라즈마 발생영역쪽에 상기 제 1가스도입구를 배치하고, 상기 컨덕턴스조정기에 의해 분리된 상기 처리실의 상기 피처리체쪽에 상기 제 2가스도입구를 배치한 것을 특징으로 하는 처리장치.
  18. 제 13항에 있어서, 상기 플라즈마처리는, 상기 피처리체의 표면을 산화 또는 질화하는 처리인 것을 특징으로 하는 처리장치.
  19. 처리실에 피처리체를 수납하는 동시에 산소를 함유하는 가스를 도입해서 상기 피처리체에 8nm이하의 두께의 산화막을 형성하는 플라즈마처리를 실시하는 방법에 있어서,
    상기 피처리체상의 활성종의 농도를 109 내지 1011㎝-3으로 유지하는 공정과;
    상기 플라즈마처리를 5초이상의 처리시간동안 행하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 처리방법.
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