KR100852200B1 - 플라즈마 ｃⅴｄ 장치 - Google Patents

플라즈마 ｃⅴｄ 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피처리 기판에 가해지는 전압의 증가가 억제되어, 기판의 데미지를 방지하고, 양품률을 개선하는 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명은 상기의 과제를, 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와, 상기 스테이지에 매설된 접지 전극과, 상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과, 상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 갖는 플라즈마 CVD 장치를 이용해서 해결한다.

Description

플라즈마 ＣⅤＤ 장치 {PLASMA CVD EQUIPMENT}
본 발명은 플라즈마를 이용해서 화학기상성장(CVD)에 의한 성막 처리를 피처리 기판에 실시하는 플라즈마 CVD 장치에 관한 것이다.
플라즈마 CVD는 감압된 챔버내에서 플라즈마의 에너지에 의해 반응성의 처리 가스를 화학적으로 활성인 이온이나 래디컬로 분해해서, 피처리 기판상의 표면반응에 의해 막을 형성하는 성막법이다.
일반적으로, 메탈성막 예를 들면 Ti 성막용의 플라즈마 CVD 장치에서는 챔버내의 스테이지상에서 기판을 유지하고, 기판에 스테이지측으로부터 열(히터열)을 부가하여 표면반응을 촉진하기 때문에, 기판상의 성막에 수반해서 기판의 주위(특히 스테이지의 상면이나 측면)에도 데포지션(deposition)이 생성된다.
그리고, 그러한 기판주위에 생성되는 데포지션은 플라즈마 상태에 영향을 주거나, 벗겨져 파티클의 원인으로 된다. 이것으로부터, 예를 들면 500회(500장)의 성막 처리 회수(기판 처리 개수)마다 챔버내를 드라이클리닝해서, 챔버내의 각 부를 데포지션이 없는 초기 상태로 되돌리도록 하고 있다.
그러나, 상기와 같이 챔버내를 정기적으로 드라이클리닝하는 방식에 있어서도, 프로세스 조건이나 디바이스 조건 수순에서는 드라이클리닝 사이클의 후반(예를 들면 200개 이후)에 기판에 데미지가 발생해서, 양품률이 저하하는 경우가 있다.
본 발명자가 원인을 조사한 결과, 성막 처리의 회수를 거듭함에 따라서 챔버내에서 데포지션이 누적 또는 증대하여 임피던스가 변화하고, 그 중에서 기판에 가해지는 전압(기판 전위차)이 점차 상승한다. 그 때문에, 성막 처리의 회수를 거듭하면 기판이 이상 방전 등에 의해 데미지를 받는 상태에 이르는 것과의 결론이 얻어졌다.
이 문제에 대해서는 드라이클리닝 사이클을 짧게 하는 것이 대처법중의 하나이다. 그러나, 드라이클리닝은 긴 시간(통상 5시간 이상)을 요한다. 드라이클리닝 사이클을 짧게 하는(즉 드라이클리닝의 빈도가 증대하는) 것은 생산효율의 면에서 바람직하지 않다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안해서 이루어진 것으로, 드라이클리닝 사이클 중에서 성막 처리의 회수를 거듭해도 피처리 기판에 가하는 전압의 증가가 억제되도록 해서 기판의 데미지를 방지하여, 양품률을 개선하는 플라즈마 CVD 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 1 플라즈마 CVD 장치는 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와, 상기 스테이지에 매설된 접지 전극과, 상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과, 상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 갖는다.
상기 제 1 플라즈마 CVD 장치에 있어서는 드라이클리닝 사이클 중에서 스테이지 임피던스가 저하해도, 고정 콘덴서에 의한 임피던스 삽입 효과 내지 분압 효과에 의해 스테이지 임피던스의 저하를 보상하여, 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제할 수 있다.
바람직한 하나의 형태에 따르면, 성막 처리가 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클내에서 사이클종료시의 콘덴서의 임피던스와 스테이지 임피던스와의 합성 임피던스가 사이클 개시시의 스테이지 임피던스에 실질적으로 일치 내지 근사하도록, 콘덴서의 캐패시턴스가 선정된다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 2 플라즈마 CVD 장치는 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와, 상기 스테이지에 마련된 접지 전극과, 상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 매설된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과, 상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 갖는다.
상기 제 2 플라즈마 CVD 장치에 있어서는 드라이클리닝 사이클 중에서 챔버 임피던스가 저하해도, 고정 콘덴서에 의한 임피던스 삽입 효과 내지 분압 효과에 의해 챔버 임피던스의 저하를 보상하여, 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제할 수 있다. 바람직한 하나의 형태에 따르면, 성막 처리가 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클내에서 사이클종료시의 콘덴서의 임피던스와 챔버 임피던스와의 합성 임피던스가 사이클 개시시의 챔버 임피던스와 실질적으로 일치 내지 근사하도록, 콘덴서의 캐패시턴스가 선정된다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 제 3 플라즈마 CVD 장치는 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와, 상기 스테이지에 매설된 접지 전극과, 상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와, 상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 갖는다.
상기 제 3 플라즈마 CVD 장치에 있어서는 드라이클리닝 사이클 중에서 스테이지 임피던스가 저하해도, 가변 콘덴서에 의한 임피던스 삽입 효과 내지 분압 효과에 의해 스테이지 임피던스의 저하를 보상하여, 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제할 수 있다. 바람직한 하나의 형태에 따르면, 성막 처리가 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클을 통해서 콘덴서의 임피던스와 스테이지 임피던스와의 합성 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 제어부가 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어한다.
본 발명의 제 4 플라즈마 CVD 장치는 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와, 상기 스테이지에 마련된 접지 전극과, 상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 매설된 고주파 전극과, 상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와, 상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 갖는다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 상기 제 4 플라즈마 CVD 장치에 있어서는 드라이클리닝 사이클 중에서 챔버 임피던스가 저하해도, 가변 콘덴서에 의한 임피던스 삽입 효과 내지 분압 효과에 의해 챔버 임피던스의 저하를 보상하여, 기판에 가해지는 전압의 상승 또는 증가를 억제할 수 있다. 바람직한 하나의 형태에 따르면, 성막 처리가 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클을 통해 콘덴서의 임피던스와 챔버 임피던스와의 합성 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 제어부가 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어한다.
본 발명의 플라즈마 CVD 장치에서는 절연체 스테이지의 위에 기판이 탑재됨으로써, 접지 전극과 기판의 사이에 캐패시턴스(스테이지 캐패시턴스)가 형성된다. 스테이지의 재질로서는 열전도율이 높은 AlN이 바람직하다. 스테이지에 있어서 바람직하게는 접지 전극의 아래에는 발열체가 마련되고, 발열체로부터 발생한 열이 메쉬 형상의 접지 전극을 통해서 스테이지상의 절연체에 전달된다. 플라즈마 생성용 고주파는 임의의 주파수로 선정할 수 있지만, 바람직하게는 기판, 전극, 기판주위의 데포지션(도전막)을 실질적으로 무시할 수 있는 450 ㎑ ∼ 2 ㎒의 범위내로 선정되면 좋다. 본 발명에 따르면, 특히 Ti 등의 메탈 성막용의 플라즈마 CVD 장치에 있어서 큰 이점이 얻어진다.
본 발명의 플라즈마 CVD 장치에 따르면, 상기한 바와 같은 구성과 작용에 의해, 드라이클리닝 사이클 중에서 성막 처리의 회수를 거듭해도 피처리 기판에 가해지는 전압의 증가를 효과적으로 억제해서, 기판의 데미지를 방지하고, 양품률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 1실시형태에 있어서의 플라즈마 CVD 장치의 주요한 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 CVD 장치에 있어서의 챔버내 고주파 임피던스의 등가 회로를 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 등가 회로에 있어서의 전위분포와 본 발명의 작용을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 참고예로서, 본 발명에 의거하지 않는 도 2의 등가 회로에 있어서의 전위분포를 참고예로 해서 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 플라즈마 CVD 장치에 있어서의 콘덴서의 캐패시턴스선정 방법(일예)을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 1실시형태에 있어서의 플라즈마 CVD 장치의 주요한 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 플라즈마 CVD 장치에 있어서의 콘덴서의 캐패시턴스 가변 제 어 방법(일예)을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 6의 플라즈마 CVD 장치에 있어서의 본 발명의 작용을 모식적으로 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1O…챔버
12…스테이지
18…접지 전극
20…히터
22…콘덴서
24…히터 전원
26…상부 전극(샤워헤드)
28…가스공급기구
34…고주파 전원
36…정합기
44…배기 장치
50…제어부
이하, 첨부 도면을 참조해서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
실시예 1
도 1에, 본 발명의 일실시형태에 의한 플라즈마 CVD 장치의 주요부의 구성을 나타낸다. 이 플라즈마 CVD장치는 Ti 성막용의 용량 결합형 평행평판 플라즈마 CVD 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속제의 원통형챔버(10)를 갖고 있다.
챔버(10)내에는 피처리 기판으로서 예를 들면 반도체 웨이퍼 W를 탑재하는 원반형상의 스테이지(12)가 마련되어 있다. 도시한 구성예에서는 스테이지(12)를 소정의 높이 위치로 수평으로 지지하기 위해 챔버(10)의 바닥으로부터 수직 위쪽으로 연장하는 다리형상의 지지부(14)가 마련되어 있다. 스테이지(12)의 상면 주연부(둘레가장자리부)에는 웨이퍼 로딩시에 반도체 웨이퍼 W를 웨이퍼 탑재면(12a)으로 안내하기 위한 가이드링(미도시)이 마련되어 있다. 도시는 생략하지만, 웨이퍼 로딩/언로딩시에 스테이지(12)상에서 반도체 웨이퍼 W를 올리고 내리기 위한 리프트기구(리프트핀, 승강 구동부 등)도 구비되어 있다.
스테이지(12)는 주로 절연체로 이루어지며, 적어도 웨이퍼 탑재면(12a)을 열전도율이 높은 절연체 예를 들면 AlN으로 구성하고, 웨이퍼 탑재면(12a)의 아래에 메쉬형상의 접지 전극(18)을 마련하고, 또 그 아래에 예를 들면 저항 발열 소자로 이루어지는 히터(20)를 내장하고 있다. 본 발명에 따라, 접지 전극(18)은 콘덴서(22)를 거쳐서 그라운드 전위로 접지되어 있다. 이 실시형태에 있어서의 콘덴서(22)는 캐패시턴스가 일정한 고정 콘덴서이다.
히터(20)는 히터 전원(24)으로부터의 급전 또는 통전으로 발열된다. 히 터(20)에서 발생한 열은 메쉬형상의 접지 전극(18)을 빠져 나가 웨이퍼 탑재면(12a) 상의 반도체 웨이퍼 W에 전달되도록 되어 있다.
스테이지(12) 위쪽의 챔버 천장에는 접지 전극(18)과 대향하는 상부 전극(26)이 마련되어 있다. 이 상부 전극(26)은 스테이지(12)상의 반도체 웨이퍼 W를 향해서 처리 가스를 공급하는 샤워헤드를 겸하고 있으며, 다수의 가스 분출 구멍(26a)과 가스매니폴드(버퍼실)(26b)를 갖고 있다. 이 샤워헤드(26)의 가스도입구(26c)에는 가스공급기구(28)로부터의 가스 공급관(30)이 절연성의 커넥터부재(27)를 거쳐서 접속되어 있다. 가스 공급관(30)의 도중에는 개폐 밸브(32)가 마련되어 있다.
가스공급기구(28)는 Ti 성막용의 가스를 공급하는 처리 가스 공급계와, 드라이클리닝용의 클리닝 가스를 공급하는 클리닝 가스 공급계를 갖고 있다. 처리 가스 공급계에는 Ti 함유 가스(통상은 Ti 화합물 가스 예를 들면 TiC1 가스) 공급부 이외에, 환원 가스(예를 들면 H2 가스) 공급부, 희소가스(예를 들면 Ar 가스) 공급부 등이 포함된다. 클리닝가스 공급계에는 클리닝 가스로서 예를 들면 ClF3 가스를 공급하는 ClF3 가스 공급부에 부가해서, 희석 가스로서 예를 들면 N2 가스를 공급하는 N2 가스 공급부 등이 포함된다. 각 가스 공급부는 개별적으로 개폐밸브나 매스플로 콘트롤러(MFC)를 구비하고 있다.
상부 전극(26)에는 성막 처리시에 고주파 전원(34)으로부터 정합기(36)를 거쳐서 소정 주파수, 예를 들면 450 ㎑의 고주파가 소정의 파워로 인가되도록 되어 있다. 상부 전극(26)에 고주파 전원(34)으로부터의 고주파가 인가되면, 접지 전극(18)과의 사이의 글로우 방전으로 스테이지(12) 위쪽의 공간에 반응 가스의 플라즈마가 생성된다. 본 실시형태에 있어서의 플라즈마 생성용의 고주파는 임의의 주파수로 선정할 수 있지만, 바람직하게는 기판, 전극, 기판주위의 데포지션(도전막)을 실질적으로 무시할 수 있는 450 ㎑ ∼ 2 ㎒의 범위내로 선정되면 좋다. 상부 전극(26)은 링형상의 절연체(38)에 의해서 챔버(10)로부터 전기적으로 절연되어 있다.
챔버(10)의 바닥에는 배기구(40)가 마련되고, 이 배기구(40)에 배기관(42)을 통해서 배기 장치(44)가 접속되어 있다. 배기 장치(44)는 진공 펌프를 갖고 있으며, 챔버(10)내의 처리공간을 원하는 진공도로 감압할 수 있다. 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼 W의 반입출구를 개폐하는 게이트밸브(46)가 부착되어 있다.
이 플라즈마 CVD 장치에 있어서, 스테이지(12)상의 반도체 웨이퍼 W에 Ti 성막 처리를 실시할 때는 가스공급기구(28)로부터 상기와 같은 처리가스(TiCl4 가스, H2 가스, Ar가스 등)를 소정의 혼합비 및 유량으로 챔버(10)내에 도입하고, 배기 장치(44)에 의해 챔버(10)내의 압력을 설정값으로 한다. 또한, 고주파 전원(34)으로부터 고주파를 소정의 파워로 상부 전극(26)에 급전한다. 또한, 히터 전원(24)에 의해 스테이지(12)내의 히터(20)를 통전 발열시켜서, 웨이퍼 탑재면(12a)을 소정 온도(예를 들면 350∼700 ℃)로 가열한다. 상부 전극(샤워헤드)(26)의 가스토출구멍(26a)으로부터 토출된 처리 가스는 상부 전극(26)과 하부 전극(접지 전극)(18) 사이의 글로우 방전중에서 플라즈마화되고, 이 플라즈마로 생성되는 래디컬이나 이온 등이 반도체 웨이퍼 W의 주면(상면)에 입사해서 표면반응(TiCl4와 H2의 환원반응)에 의해, Ti의 막이 형성된다.
이 플라즈마 CVD장치에 의한 Ti 성막의 대표적인 적용예는 배선 접속 구멍(콘택트 홀, 비어홀 등)의 매립에 앞서는 배리어 메탈이다. 이러한 종류의 배리어 메탈은 배선 접속 구멍의 내벽에 고애스펙트비로 성막될 필요가 있다. 그 때문에, 가스유량, 압력, 온도 등의 프로세스 파라미터가 최적값으로 제어된다.
그러나, 반도체 웨이퍼 W상의 Ti 성막에 수반해서 챔버(10)내의 각 부, 특히 웨이퍼와 동등하게 가열되는 스테이지(12)에 원하지 않는 데포지션이 생성된다. 그들 데포지션은 웨이퍼 처리 개수가 증가할수록, 즉 성막 처리의 회수를 거듭할수록 축적해서 증대하고, 벗겨지면 파티클 발생의 원인이 된다. 그래서, 이 플라즈마 CVD 장치에서는 정기적으로, 예를 들면 500회(500개)의 성막 처리 회수(기판 처리 개수)마다, 챔버내를 드라이클리닝해서 챔버내의 각 부를 데포지션이 없는 초기 상태로 되돌리도록 하고 있다.
드라이클리닝 처리에서는 스테이지(12)상에 반도체 웨이퍼 W가 탑재되어 있지 않은 상태하에서, 가스공급기구(28)로부터 상기한 바와 같은 클리닝가스(ClF3 가스, N2 가스 등)를 소정의 혼합비 및 유량으로 챔버(10)내에 도입하고, 배기 장치(44)에 의해 챔버(10)내의 압력을 설정값으로 한다. ClF3 가스를 이용하는 드라이클리닝은 플라즈마를 필요로 하지 않기 때문에, 고주파 전원(34)은 오프로 해 두어 도 좋다. 처리온도는 히터(20)를 통전발열시켜서 스테이지(12)를 적당한 온도로 가열하는 것이 바람직하지만, 실온 상태여도 좋다.
샤워헤드(26)의 가스토출구멍(26a)으로부터 토출된 ClF3 가스는 챔버(10)내의 구석구석까지 널리 퍼지며, 각 부의 데포지션 또는 퇴적막과 반응해서 에칭한다. 에칭에 의해서 각 부로부터 증발한 반응 생성물은 배기 가스로서 배기구(40)로부터 챔버(10)의 밖으로 배출된다.
이러한 드라이클리닝을 정기적으로 실행함으로써, 챔버(10)내에 생성되는 원하지 않는 데포지션이 허용 한도를 넘을 때까지 성장하는 사태를 회피할 수 있다.
그러나, 드라이클리닝 사이클 즉 500회의 성막 처리 동안에 챔버(10)내에서는 데포지션이 성장함에 따라서 고주파 전원(34)으로부터의 고주파에 대한 임피던스가 서서히 저하하고, 그것에 의해서 반도체 웨이퍼 W에 가해지는 전압(웨이퍼 전위차)이 점차 증대한다. 그러한 챔버내의 임피던스저하 중, 스테이지(12)의 임피던스 즉 반도체 웨이퍼 W와 접지 전극(18)의 사이의 임피던스(스테이지 임피던스)의 저하가 현저하며 지배적이다.
이 실시형태의 플라즈마 CVD 장치에서는 그러한 챔버내 임피던스의 저하, 특히 스테이지 임피던스의 저하를 보상하기 위해, 접지 전극(18)과 그라운드 전위의 사이에 콘덴서(22)를 삽입하고 있다. 이 콘덴서(22)가 스테이지 임피던스와 직렬 접속됨으로써, 그 합성 임피던스는 스테이지 임피던스 단독보다도 커져, 스테이지 임피던스의 저하가 보상된다.
도 2 및 도 3에 대해, 이 실시형태에 있어서의 콘덴서(22)의 작용을더욱 상세하게 설명한다.
도 2에, 이 플라즈마 CVD 장치에 있어서의 챔버(10)내의 고주파 임피던스의 등가 회로를 나타낸다. 이 등가 회로에 있어서, Zp는 스테이지(12) 위쪽의 공간(상부 전극(26)과 반도체 웨이퍼(W)의 사이의 공간)에 생성되는 플라즈마의 임피던스이다. Zw는 플라즈마와 스테이지(12)의 사이의 반도체 웨이퍼 W의 임피던스로서, 용량성의 부하(캐패시터) Cw로서 근사할 수 있다. Zs는 반도체 웨이퍼 W와 접지 전극(18)의 사이의 스테이지 임피던스로서, 용량성의 부하(캐패시터) Cs로서 근사할 수 있다. 또한, Z22는 콘덴서(22)의 임피던스로서, 용량성의 부하(캐패시터) C22로서 근사할 수 있다. 정합기(36)는 고주파 전원(34)측의 출력 또는 전송 임피던스와 부하측의 임피던스의 사이에서 정합을 취하도록 기능한다.
도 3에, 상기 등가 회로에 있어서의 전위분포를 모식적으로 나타낸다. 정합기(36)에 있어서의 전압강하를 무시하면, 고주파 전원(34)으로부터의 고주파 전압 VRF(피크 투 피크값)은 직렬 접속의 플라즈마 임피던스 Zp, 웨이퍼 임피던스 Zw, 스테이지 임피던스 Zs 및 콘덴서(22)에서 각각 Vp, Vw, Vs, V22로 분압된다. 즉, Vp는 플라즈마에 가해지는 전압, Vw는 반도체 웨이퍼(W)에 가해지는 전압, Vs는 스테이지(12)의 웨이퍼 탑재면(12a)에 가해지는 전압, V22는 콘덴서(22)에 가해지는 전압 이다.
상기와 같이, 드라이클리닝 사이클 중에서 성막 처리의 회수를 거듭하면, 챔버(10)내에서 데포지션이 축적 내지 성장한다. 이 때, 챔버(10)내의 임피던스 중에서는 스테이지 임피던스 Zs가 현저하게 저하한다. 즉, 스테이지(12) 주위에 부착되는 Ti계의 퇴적막이 증가하면, 스테이지 임피던스 Zs의 용량(캐패시턴스 Cs)이 증대해서, 스테이지 임피던스 Zs가 감소한다.
스테이지 임피던스 Zs의 변화(감소)에 비해 플라즈마 임피던스 Zp나 웨이퍼 임피던스 Zw의 변화는 무시할 수 있을 정도로 작다. 또한, 정합기(36)에 의한 임피던스 정합도 주로 플라즈마 임피던스 Zp에 가해지는 전압 Vp를 대략 일정하게 유지하도록 작용한다.
이 플라즈마 CVD 장치에서는 접지 전극(18)과 그라운드전위의 사이에서 스테이지 임피던스 Zs와 직렬로 콘덴서(22)가 삽입됨으로써, 전체의 직렬 임피던스에 차지하는 스테이지 임피던스 Zs의 분압비가 작게 되어 있다. 이 때문에, 스테이지 임피던스 Zs의 저하에 수반되는 분압 전압 Vs의 감소율이 적다. 또, 스테이지 임피던스 Zs에 가해지는 전압 Vs의 감소에 의해서 다른 임피던스에 돌려지는 전압증가분을 웨이퍼 임피던스 Zw와 콘덴서(22)에서 나눈다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼 W에 가해 지는 전압(웨이퍼 전위차) Vw의 증가 또는 상승이 현저하게 억제되어, 반도체 웨이퍼 W가 이상 방전 등으로 데미지를 받는 것과 같은 일은 없다.
도 3에 있어서, 실선은 드라이클리닝 사이클 개시시의 초기 상태에 있어서의 전위분포를 나타내고, 점선은 드라이클리닝 사이클의 종료시에 있어서의 전위분포를 나타낸다. 드라이클리닝 사이클 중에서 스테이지 임피던스 Zs에 가해지는 전압이 Vs에서 Vs′로 감소하면, 반도체 웨이퍼 W 및 콘덴서(22)에 가해지는 전압 V22가 각각 Vw, V22에서 Vw′, V22′로 증대한다. 그 중에서, 반도체 웨이퍼 W에 가해지는 전압의 증가(Vw→Vw′)는 그다지 크지 않은 것을 알 수 있다.
도 4에, 비교예로서, 콘덴서(22)를 생략한 경우의 챔버(10)내의 고주파 임피던스에 있어서의 전위분포를 모식적으로 나타낸다. 실선은 드라이클리닝 개시시의 초기 상태에 있어서의 전위분포이며, 점선은 드라이클리닝의 종료시에 있어서의 전위분포이다.
접지 전극(18)과 그라운드 전위의 사이에 콘덴서(22)를 삽입하지 않는 경우에는 전체의 직렬 임피던스에 차지하는 스테이지 임피던스 Zs의 분압비가 크다. 이 때문에, 스테이지 임피던스 Zs의 저하에 수반하는 분압 전압 Vs의 감소율이 크고, 전압 Vs의 감소에 의해서 다른 임피던스에 돌려지는 전압증가분의 대부분이 웨이퍼 임피던스 Zw에 집중하여, 반도체 웨이퍼 W에 가해지는 전압 Vw가 크게 증대하는 것 을 알 수 있다.
이 실시형태에서는 콘덴서(22)에 고정 콘덴서를 이용하기 때문에, 그 캐패시턴스(일정값)의 선정이 중요하다. 이하, 일실시예에 의한 콘덴서(22)의 캐패시턴스 선정 방법을 설명한다.
상기와 같이, 스테이지 임피던스 Zs는 실질적으로 용량성의 부하(캐패시터)이고, 그 캐패시턴스 Cs는 드라이클리닝 사이클 중에서 성막 처리 회수에 비례하여 증대한다. 예를 들면, 도 5에 나타내는 바와 같이, 드라이클리닝 사이클의 개시시에 7000 pF였던 것이, 드라이클리닝 사이클의 종료시에는 20000 pF까지 상승한다. 본 발명에서는 스테이지 임피던스 Zs에 콘덴서(22)가 직렬 접속되기 때문에, 콘덴서(22)의 캐패시턴스를 C22로 하면, 합성 캐패시턴스 C0은 하기의 수학식 1로 나타내어진다.
C0= Cs×C22/(Cs+C22)
콘덴서(22)의 캐패시턴스 C22가 작을수록 합성 캐패시턴스 C0도 작아지며, 스테이지 캐패시턴스 Cs의 증가분을 강하게 캔슬할 수 있다. 그러나, 합성 캐패시턴스 C0이 너무 작으면, 임피던스가 너무 과대하게 되어, 플라즈마 생성 효율이나 플라즈 마 분포 상태, 더 나아가서는 프로세스에 악영향을 주어 버린다. 즉, 챔버 임피던스의 용량에 의해 플라즈마가 불안정하게 되는 영역이 있으며, 그러한 영역을 피할 필요가 있다.
본 발명의 하나의 관점에 따르면, 드라이클리닝 사이클의 종료시(500개째)에 있어서의 합성 캐패시턴스 C0이 드라이클리닝 사이클의 개시 시(1개째)에 있어서의 스테이지 캐패시턴스 Cs와 실질적으로 동일 내지 근사하도록, 콘덴서(22)의 캐패시턴스 C22가 선정된다. 따라서, 도 5의 예에서는 Cs= 2000O pF에서 C0= 7000 pF로 하면, 상기의 식(1)을 변형한 하기의 식(2)로부터 콘덴서(22)의 캐패시턴스 C22는 약 1OOOO pF로 구해진다.
C22= Cs×C0/(Cs-C0)
= 7000×20000/(20000-7000)
= 10769
상기와 같은 방법으로 콘덴서(22)의 캐패시턴스 C22를 선정함으로써, 플라즈마나 프로세스에 영향을 주지 않고 드라이클리닝 사이클의 개시부터 종료까지 스테이지 캐패시턴스 Cs의 증대(스테이지 임피던스 Zs의 감소)를 보상하여, 반도체 웨이 퍼 W에 가해지는 전압 Vw의 증가를 억제할 수 있다.
상기의 실시형태에서는 콘덴서(22)에 캐패시턴스가 일정한 고정 콘덴서를 이용하였지만, 도 6에 나타내는 실시형태와 같이, 콘덴서(22)에 상당하는 콘덴서(22A)에, 캐패시턴스가 가변인 가변 콘덴서를 이용하는 것도 가능하다. 또, 도 6의 도면 중, 콘덴서(22A) 이외는 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
이 경우, 제어부(50)가 드라이클리닝 사이클에 연동시켜, 가변 콘덴서로 이루어지는 콘덴서(22A)의 캐패시턴스 C22를 가변 제어한다. 예를 들면, 상기의 식(2)에서 합성 캐패시턴스 C0을 일정값(정수)으로 하고, 콘덴서(22A)의 캐패시턴스 C22를 스테이지 캐패시턴스 Cs(더 나아가서는 성막 처리 회수)의 함수로 함으로써, 드라이클리닝 사이클을 통해 합성 캐패시턴스 C0을 일정하게 유지하기 위한 캐패시턴스 C22의 가변 제어 특성을 구할 수 있다.
도 7에 그 일예를 나타낸다. 또한, 성막 처리 회수에 따라서 콘덴서(22A)의 캐패시턴스 C22를 적절히 가변 제어함으로써, 드라이클리닝 사이클을 통해 합성 캐패시턴스 C0을 스테이지 캐패시턴스 Cs의 초기값(700O pF)으로 유지하는 것도 가능하며, 혹은 임의의 함수로 변화시키는 것도 가능하다.
이와 같이 콘덴서(22A)의 캐패시턴스 C22를 가변 제어하는 방식에 의하면, 도 8에 나타내는 바와 같이 드라이클리닝 사이클 중에서 스테이지 임피던스 Zs에 가해지는 전압이 Vs에서 Vs′로 감소해도, 그것에 의해서 다른 임피던스에 돌려지는 전압증가분의 전부를 실질적으로 콘덴서(22A)에만 부가시키고, 반도체 웨이퍼 W에 가해지는 전압 VW를 거의 일정하게 유지하는 것도 가능하다.
이상, 바람직한 일실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명의 기술사상의 범위내에서 각종의 변형, 변경이 가능하다.
예를 들면, 챔버(10)내의 각 부, 특히 스테이지(12)나 상부 전극(26) 등은 각종의 구성이나 방식을 채용하는 것이 가능하며, 드라이클리닝 사이클도 임의의 길이(처리회수 또는 처리개수)로 설정할 수 있다. 콘덴서(22)에 고정 콘덴서를 사용하는 방식(도 1)에 있어서는 접지 전극(18)과 그라운드 전위의 사이에 콘덴서(22)를 선택적으로 삽입하기 위한 스위치를 마련하는 것도 가능하다. 이 경우에는 예를 들면 드라이클리닝 사이클의 개시직후는 당분간 콘덴서(22)를 삽입하지 않고 접지 전극(18)을 그라운드 전위에 직접 접속해 두고, 도중(예를 들면 150개째)부터 콘덴서(22)를 삽입하는 것도 가능하다. 마찬가지로 해서, 콘덴서(22)에 가변 콘덴서를 사용하는 경우에도, 마찬가지의 스위치식으로 할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시형태와 같이 Ti 성막용의 플라즈마 CVD 장치에 있어서 큰 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 본 발명은 Ti 이외의 메탈 성막용의 플라즈마 CVD 장치도 적용 가능하며, 더 나아가서는 Si, 금속화합물, 귀금속산화물 등의 도전막을 형성하기 위한 플라즈마 CVD 장치 등에도 적용 가능하다.
따라서, 상기의 실시형태에서는 스테이지 임피던스를 챔버내 임피던스의 주된 변동 부분으로 했지만, 성막재료나 챔버 구조 등에 따라서 챔버내외의 다른 부분의 임피던스를 챔버내 임피던스의 주된 변동 부분으로 해서, 상기 실시형태와 마찬가지로 본 발명의 콘덴서 분압 방식을 적용하는 것도 가능하다. 본 발명에 있어서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않으며, FPD용의 각종 기판이나, 포토 마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.
본 발명의 플라즈마 CVD 장치에 따르면, 상기와 같은 구성과 작용에 의해, 드라이클리닝 사이클 중에서 성막 처리의 회수를 거듭해도 피처리 기판에 가해지는 전압의 증가를 효과적으로 억제해서, 기판의 데미지를 방지하여, 양품률을 향상시킬 수 있다.

Claims (15)

  1. 감압 가능한 챔버내에서 금속을 포함하는 처리 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 금속막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 갖는
    플라즈마 CVD 장치.
  2. 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 가지며,
    상기 성막 처리가 상기 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클내에서 사이클종료시의 상기 콘덴서의 임피던스와 상기 스테이지 임피던스와의 합성 임피던스가 사이클 개시시의 상기 스테이지 임피던스에 실질적으로 일치 내지 근사하도록, 상기 콘덴서의 캐패시턴스가 선정되는
    플라즈마 CVD 장치.
  3. 감압 가능한 챔버내에서 금속을 포함하는 처리 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 금속막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 갖는
    플라즈마 CVD 장치.
  4. 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 고정 콘덴서를 가지며,
    상기 성막 처리가 상기 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클내에서 사이클종료시의 상기 콘덴서의 임피던스와 상기 챔버 임피던스와의 합성임피던스가 사이클 개시시의 상기 챔버 임피던스에 실질적으로 일치 내지 근사하도록, 상기 콘덴서의 캐패시턴스가 선정되는
    플라즈마 CVD 장치.
  5. 감압가능한 챔버내에서 금속을 포함하는 처리 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 금속막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 갖는
    플라즈마 CVD 장치.
  6. 감압가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 접지 전극과 상기 기판의 사이의 스테이지 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 가지며,
    상기 성막 처리가 상기 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클을 통해 상기 콘덴서의 임피던스와 상기 스테이지 임피던스와의 합성 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 상기 제어부가 상기 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는
    플라즈마 CVD 장치.
  7. 감압 가능한 챔버내에서 금속을 포함하는 처리 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 금속막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 갖는
    플라즈마 CVD 장치.
  8. 감압 가능한 챔버내에서 원료 가스를 플라즈마 방전으로 분해해서 피처리 기판상에 도전막을 형성하고, 성막 처리의 누적회수가 소정값에 도달하면 상기 챔버내를 드라이클리닝해서 초기 상태로 되돌리는 플라즈마 CVD 장치에 있어서,
    상기 챔버내에서 피처리 기판을 탑재하는 절연체 스테이지와,
    상기 스테이지에 매설된 접지 전극과,
    상기 챔버내에 상기 접지 전극과 대향해서 마련된 고주파 전극과,
    상기 고주파 전극에 플라즈마 생성용의 고주파를 공급하는 고주파 전원과,
    상기 접지 전극과 그라운드 전위의 사이에 삽입된 가변 콘덴서와,
    상기 초기 상태부터 상기 성막 처리의 누적회수가 증대함에 따라서 상기 고주파 전극과 상기 접지 전극의 사이의 챔버 임피던스가 저하하는 것에 의한 상기 기판에 가해지는 전압의 증가를 억제하기 위해, 상기 가변 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는 제어부를 가지며,
    상기 성막 처리가 상기 소정값의 회수만큼 반복되는 1사이클을 통해서 상기 콘덴서의 임피던스와 상기 챔버 임피던스와의 합성 임피던스가 실질적으로 일정하게 유지되도록, 상기 제어부가 상기 콘덴서의 캐패시턴스를 가변 제어하는
    플라즈마 CVD 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지가 AlN으로 이루어지는
    플라즈마 CVD 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이지에 상기 기판을 가열하기 위한 가열부가 마련되는
    플라즈마 CVD 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가열부가 상기 접지 전극의 아래에 마련된 발열체를 갖는
    플라즈마 CVD 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 접지 전극이 메쉬 형상으로 형성되어 있는
    플라즈마 CVD 장치.
  13. 삭제
  14. 제 1 항, 제3항, 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스가 TiC14를 포함하고, 상기 기판상에 Ti막이 형성되는
    플라즈마 CVD 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파의 주파수가 450 ㎑ ∼ 2 ㎒의 범위내로 선택되는
    플라즈마 CVD 장치.
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