KR101192613B1 - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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고에키자이단호진 고쿠사이카가쿠 신고우자이단
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Abstract

고가의 크립톤, 크세논 가스의 소비량을 가능한 한 억제함과 함께 플라즈마 처리시의 피처리물에 대한 데미지를 저감시키는 것. 희가스를 사용하여 실시하는 기판의 플라즈마 처리에 있어서, 2 종류 이상의 상이한 희가스를 사용하고, 희가스의 하나를 저렴한 아르곤 가스로 하고, 그 이외의 가스가 아르곤 가스보다 전자와의 충돌 단면적이 큰 크립톤, 크세논의 일방 또는 양방으로 하고, 고가의 크립톤, 크세논 가스의 소비량을 가능한 한 억제함과 함께 플라즈마 처리시의 피처리물에 대한 데미지를 저감시킨다.
Figure R1020087007522
희가스, 플라즈마 처리

Description

플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 반도체 소자, 반도체 칩 탑재 기판, 배선 기판, 플랫 패널 디스플레이 장치 기판 등 전자 장치의 기판 또는 피처리물을 플라즈마 처리하는 방법 및 그 처리 장치, 이러한 플라즈마 처리에 의해 전자 장치를 제조하는 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 플라즈마를 사용하여 실리콘 반도체 등의 피처리물 표면을 산화, 질화, 산질화하거나 피처리물 표면 상에 산화막, 질화막, 산질화막, 폴리실리콘막, 유기 EL 막 등을 성막하거나 피처리물 표면을 에칭하거나 할 때의 플라즈마 처리에서는, 단일한 희가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키고 있었다. 희가스로서는, 피처리물에 대한 플라즈마의 데미지를 작게 하기 위해, 전자와의 충돌 단면적이 크고, 플라즈마의 전자 온도가 낮은 크립톤 (Kr) 가스나 크세논 (Xe) 가스가 사용되고 있다 (예를 들어, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 에는, 산화막 및 질화막 형성을 위해, Kr 을 플라즈마 여기 가스로서 사용한 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 처리실인 진공 용기 상부에 외측에서부터 순서대로 동축 도파관, 래디얼 라인 슬롯 안테나, 마이크로파 도입창을 형성하고, 진공 용기 내부에 샤워 플레이트를 형성하고, 그 하부에 피처리물을 탑재하기 위한 가열 기구 부착 스테이지를 배치한 구성이다. 플라즈마 처리 방법으로서는, 진공 용기 내를 진공으로 배기하고, 샤워 플레이트로부터 Ar 가스를 도입하고, 다음으로 Ar 가스로부터 Kr 가스로 전환하여 압력을 133Pa 로 한다. 다음으로, 희불화 수소산 세정이 실시된 실리콘 기판 (피처리물) 을 처리실 내에 도입하여 스테이지에 탑재하고, 피처리물이 400℃ 로 유지되도록 피처리물을 가열한다. 동축 도파관으로부터 마이크로파를 예를 들어, 1 분간 래디얼 슬롯 안테나에 공급하고, 마이크로파를 유전체판 (마이크로파 도입창 및 샤워 플레이트) 을 개재하여 처리실 내에 도입한다. 이와 같이 하여, 처리실 내에 생성된 고밀도 Kr 플라즈마에, 실리콘 기판의 표면을 노출함으로써, 표면 종단 수소를 제거한다. 다음으로, 처리실 내의 압력을 133Pa 정도로 유지한 상태에서, 샤워 플레이트로부터 미리 정해진 분압비의 Kr/O2 혼합 가스를 도입하고, 실리콘 기판 표면에 나노 단위의 두께의 실리콘 산화막을 형성한다. 다음으로 마이크로파의 공급을 일시 정지하여, O2 가스의 도입을 정지하고, 처리실 내를 Kr 로 퍼지한 후, 샤워 플레이트로부터 Kr/NH3 혼합 가스를 도입하고, 처리실 내의 압력을 133Pa 정도로 설정한 상태에서, 다시 마이크로파를 공급하고, 처리실 내에 고밀도 플라즈마를 생성하여, 실리콘 산화막 표면에 나노 단위의 두께의 실리콘 질화막을 형성한다. 또한, 실리콘 질화막이 형성된 바, 마이크로파 파워의 도입을 정지하여, 플라즈마 여기를 종료하고, 또한, Kr/NH3 혼합 가스를 Ar 가스로 치환하여 산화 질화 공정을 종료한다. 이와 같이, 상기 장치를 사용하여 반도체 집적 회로 장치의 제조를 실시한다.
그러나, Kr 가스, Xe 가스는 통상적으로 플라즈마 처리에 사용되는 Ar 가스에 비하면 자연계에 있어서의 존재량이 적고 비싸, 산업에 사용하는 것은 곤란하였다.
특허 문헌 1 : 일본 공개특허공보 2002-261091호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명에서는, 고가의 크립톤 가스, 크세논 가스의 소비량을 가능한 한 억제함과 함께 플라즈마 처리시의 피처리물에 대한 데미지를 저감시키는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 플라즈마 중의 전자 온도는 전자와의 충돌 단면적이 큰 희가스로 정의되고, 가스의 희석은 그것보다 저렴한 희가스로 실시하고, 이들의 2 종류 이상의 희가스로 플라즈마 중의 가스를 구성하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.
즉, 본 발명에 의하면, 희가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키고, 그 플라즈마를 사용하여 피처리물의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 희가스로서 2 종류 이상의 상이한 희가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 상이한 희가스는 전자와의 충돌 단면적이 서로 상이한 희가스인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 2 종류 이상의 상이한 희가스 중의 하나로서 아르곤 가스를 사용하고, 그 이외의 가스로서 아르곤 가스보다 전자와의 충돌 단면적이 큰 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 2 종류 이상의 상이한 희가스 중의 하나로서 아르곤 가스를 사용하고, 그 이외의 가스로서 크립톤 및 크세논의 일방 또는 양방을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 마이크로파 여기에 의해 상기 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 처리는 상기 기판 표면의 적어도 일부의 산화, 질화 혹은 산질화, 상기 기판 표면의 적어도 일부에 대한 성막, 또는 상기 기판 표면의 적어도 일부의 에칭인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 플라즈마를 사용하여 상기 기판 표면의 적어도 일부를 산화, 질화 또는 산질화 하기 위해서, 질화성의 가스 또는 산화성의 가스를 상기 플라즈마 중에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 기판 표면의 적어도 일부에 성막을 실시하기 위해, 성막에 필요한 가스를 상기 플라즈마 중에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 성막이 절연막의 형성인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 에칭에 필요한 가스를 상기 플라즈마 중에 도입하여 상기 기판 표면의 선택된 부분 또는 전체면을 에칭하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 2 종류 이상의 상이한 희가스 중 전자와의 충돌 단면적이 큰 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역에 도입하고, 충돌 단면적이 작은 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역 외에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 희가스의 일부 또는 모두를 재이용하기 위해서 회수하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 방법에 의해 피처리물을 처리하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 반도체 장치나 플랫 패널 디스플레이 장치나 컴퓨터나 휴대 전화 단말 등의 전자 장치의 제조 방법이 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 플라즈마 처리실에 2 종류 이상의 상이한 희가스를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 희가스의 전자와의 충돌 단면적이 상이한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 희가스의 하나가 아르곤 가스이고, 그 이외의 가스가 아르곤 가스보다 전자와의 충돌 단면적이 큰 가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 희가스의 하나가 아르곤 가스이며, 그 이외의 것이 크립톤, 크세논의 어느 하나, 또는 양방인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마를 마이크로파 여기로 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 처리실에 희가스에 더하여, 질화성의 가스 또는 산화성의 가스를 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 처리실에 희가스에 더하여, 원하는 가스를 추가하고, 피처리물 상에 성막을 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 처리실에 희가스에 더하여, 피처리물의 일부 또는 전체면을 에칭하기 위한 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 희가스의 전자와의 충돌 단면적이 큰 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역에 도입하고, 충돌 단면적이 작은 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역 외에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 상기 어느 하나의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 희가스 회수 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치가 얻어진다.
또한, 본 발명에 있어서는, 사용 후의 희가스를 회수 재생 사용함으로써, 더욱 고효율적으로 고가의 희가스를 사용할 수 있도록 하는 플라즈마 처리 방법이 얻어진다.
본 발명에 따르면 Xe, Kr 의 일방 또는 양방에 Ar 가스를 추가한 가스를 사용하는데, 그 혼합 가스 중의 Xe, Kr 의 필요 비율은 다양한 조건에 따라 변화하지만, 많은 경우 최저 20 체적% 가 필요하고, 40% 정도에서 100% 의 경우의 효과의 차이가 그다지 보이지 않고, 50% 이상이면 문제가 없다. 물론 100% 미만으로 한다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, Kr, Xe 의 일방 또는 양방에 Ar 가스를 추가한 가스를 사용하여 플라즈마 발생을 실시하므로, 플라즈마 처리 중의 데미지를 저감시킴과 함께 고가의 Kr, Xe 가스의 사용량의 삭감을 도모할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 실시양태 1 에서 사용하는 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
도 2 는 각 희가스의 전자 온도와 충돌 단면적을 나타내는 설명도와 Ar, Kr, Xe 가스의 여기 에너지, 이온화 에너지, 전자 온도를 각각 나타내는 도면이다.
도 3 은 플라즈마 계측 방법을 나타내는 단면도이다.
도 4 는 Ar/Xe 혼합 플라즈마의 발광 강도를 나타내는 도면으로서, (a) 는 Xe＋(466.8nm) 의 20mTorr (2.66Pa) 에 있어서의 상대 강도, (b) 는 Xe＋(466.8nm) 의 40mTorr (5.33Pa) 에 있어서의 상대 강도, (c) 는 Ar (750.4nm) 의 20mTorr (2.66Pa) 에 있어서의 상대 강도, (d) 는 Ar (750.4nm) 의 40mTorr (5.33Pa) 에 있어서의 상대 강도를 각각 나타내고 있다.
도 5 는 플라즈마 전자 밀도를 나타내는 도면으로서, (a) 는 Ar 의 동작 압력 (mTorr = ×0.133Pa) 과, 전자수 (1012cm-3) 의 관계를 나타내는 도면이고, (b) 는 Xe 의 동작 압력 (mTorr = 0.133Pa) 과 전자수 (1012cm-3) 의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6(a), (b), (c), 및 (d) 는 Ar/Xe 혼합 플라즈마의 전자 밀도, VSWR, 이 온 전류, 전자 온도를 각각 나타내는 도면이다.
도 7(a) 는 혼합 가스 압력을 변화시켰을 때의 이온 전류 밀도를 나타내는 도면이고, (b) 는 혼합 가스의 압력을 변화시켰을 때의 전자 온도를 나타내는 도면이다.
도 8 은 본 발명의 실시양태 2 및 3 에서 사용하는 2 단 샤워 플레이트 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치의 단면도이다.
부호의 설명
1 마이크로파 조사용 안테나
2 절연체
3 샤워 플레이트
4 웨이퍼
5 배기 포트
6 배기 덕트
7a, 7b 소형 펌프 유입관 (배기관)
11 처리실
13 가스 도입관
15 장착 부재
19 가스의 흐름
21 상단 샤워 플레이트
22 하단 샤워 플레이트
25 RF 바이어스 전원
101 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치
102 2 단 샤워 플레이트 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
(제 1 의 실시예)
본 발명의 제 1 의 실시예에서는, 플라즈마 처리가 실리콘의 직접 산화/질화 프로세스인 경우의 형태에 대해 설명한다.
도 1 은 마이크로파 여기의 플라즈마 처리 장치의 단면도이다. 도 2 는 전자 에너지와 전체 이온화 단면적의 관계를 나타내는 도면이다. 도 3 은 플라즈마 계측 방법을 나타내는 단면도이다. 도 4 는 Ar/Xe 혼합 플라즈마의 발광 강도를 나타내는 도면으로서, (a) 는 Xe＋(466.8nm) 의 2.66Pa (20mTorr) 에 있어서의 상대 강도, (b) 는 Xe＋(466.8nm) 의 5.33Pa (40mTorr) 에 있어서의 상대 강도, (c) 는 Ar (750.4nm) 의 2.66Pa (20mTorr) 에 있어서의 상대 강도, (d) 는 Ar (750.4nm) 의 5.33Pa (40mTorr) 에 있어서의 상대 강도를 각각 나타내고 있다. 또, 도 5 는 플라즈마 전자 밀도를 나타내는 도면으로서, (a) 는 Ar 의 동작 압력 (mTorr = ×0.133Pa) 과 전자수 (1012cm-3) 의 관계를 나타내는 도면이고, (b) 는 Xe 의 동작 압력 (mTorr = ×0.133Pa) 과 전자수 (1012cm-3) 의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6(a), (b), (c), (d) 는 Ar/Xe 혼합 플라즈마의 전자 밀도, VSWR, 이온 전류, 전자 온도를 각각 나타내는 도면이다. 도 7(a) 는 Ar/Xe 혼합 가스 중의 Xe 의 비율을 0 에서 1 까지 변화시켰을 때의 이온 전류 밀도를 나타내는 도면이고, 도 7(b) 는 Ar/Xe 혼합 가스 중의 Xe 의 비율 (압력) 을 동일하게 변화시켰을 때의 전자 온도를 나타내는 도면이다.
도 1 을 참조하면, 마이크로파는 플라즈마 처리 장치 (101) 의 상부에 절연 체판 (2) 을 개재하여 설치된 안테나 (1) 에 의해 처리실 (11) 내에 방사된다. Ar 가스와 Kr 가스 (또는 Xe 가스) 및 산소 가스 (질화 처리의 경우에는 N2/H2 또는 NH3 가스, 산질화 프로세스의 경우에는, O2/NH3 또는 O2/N2O, O2/NO 가스 등의 산화성 가스와 질화성 가스의 혼합 가스) 는, 가스 도입관 (13) 으로부터 샤워 플레이트 (3) 를 거쳐 장치 내부 (11) 에 도입되고, 그곳에 상기 서술한 바와 같이 조사되어 있는 마이크로파에 의해 장치 내부 (11), 피처리물 (4) 의 상부에서 플라즈마가 여기된다.
도 1 로 돌아오면, 피처리물의 기판인 실리콘 웨이퍼 (4) 는 처리실 (11) 내에서 플라즈마로부터 직접 조사되는 장소에 설치되고, 플라즈마에 의해 여기된 산소 라디칼 등에 의해 산화된다. 이 때 피처리물 (4) 은, 처리실 (11) 내에서도 플라즈마가 여기되는 공간이 아닌, 플라즈마가 확산되어 있는 공간에 설치되는 것이 바람직하다.
또, 처리실 (11) 내의 배기 가스는 배기 포트 (5) 를 개재하여 배기 덕트 (6) 내를 통과하고, 파선의 화살표 (19) 로 나타내는 바와 같이, 소형 펌프로의 어느 하나의 유입관 (7a, 7b) 로부터, 도시되지 않은 소형 펌프로 각각 유도된다.
여기된 플라즈마를 계측하려면, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 처리실 (11) 내에 선단부가 돌입되도록 프로브 (9) 가 형성되고, 이 프로브 (9) 는 장착 부재 (15) 에 의해 고정된다. 발광 계측은, 다른 창으로부터 화살표 (14) 와 같이 실시된다.
여기서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, Ar 에 비해 Kr, Xe 가스는 전자 온도가 낮은 곳에서 전자와의 충돌 단면적이 작고, 이온화 에너지도 작기 때문에, Ar 과 Kr (혹은 Xe) 의 혼합 가스에 마이크로파가 조사되면 선택적으로 Kr (혹은 Xe) 가 이온화되어 플라즈마가 형성되고, 플라즈마의 전자 온도는 Kr (혹은 Xe) 로 정의되며, 성막 중에서의 혹은 형성된 SiO2막 (Si3N4막, SiON막) 에 대한 데미지를 억제할 수 있음과 함께 고가의 Kr (혹은 Xe) 가스의 사용을 억제할 수 있다.
또, 도 4(a), (b) 및 (c), (d) 를 참조하면, Xe＋ 의 발광 강도 (상대 강도) 는, 20mTorr (2.66Pa) 보다 40mTorr (5.33Pa) 인 쪽이 크지만, Ar 의 발광 강도는, Xe 의 분압 (몰분율) 이 0.2 이상에 있어서는, 압력에 의존하지 않는다는 것을 알 수 있다.
또, 도 5 를 참조하면, Ar 의 전자 밀도는, Xe 의 유량비 (즉, 분압) 가 커지면 증가되지만, Xe 의 전자 밀도는 유량비가 증가하면, 감소되는 것을 알 수 있 다.
또, 도 6 을 참조하면, 전자 밀도는, Xe 의 구성 비율이 20% 에서부터 증가되고, 이후에는 구성 비율이 커짐으로써 단조롭게 증가되고, VSWR 은 Xe 의 구성 비율이 커짐으로써 단조롭게 약간 감소된다. 이온 전류는 Xe 의 구성 비율이 20% 에서 급격히 증가되고, 전자 온도는 Xe 의 구성 비율이 20% 까지 급격히 감소되고, 그 이후에는 구성 비율이 커짐으로써 단조 감소되어 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 7(a) 를 참조하면, 이온 전류 밀도는, 전체 유량이 20mTorr (2.66Pa) 인 경우에는, Xe 의 유량비 0.75 부근에서 급격히 증가되는 것을 알 수 있다. 또, 전체 유량이 40mTorr (5.33Pa) 인 경우에는, Xe 의 유량비가 0.2 를 초과하면 급격히 증가되는 것을 알 수 있다. 또, 전체 유량이 100mTorr (13.33Pa) 인 경우에는, 거의 단조 증가 경향이 있다는 것을 알 수 있다.
또, 도 7(b) 를 참조하면, 전자 온도는, Xe 의 유량비가 커짐으로써 전체 유량이 20mTorr (2.66Pa), 40mTorr (5.33Pa), 100mTorr (13.33Pa) 가 됨으로써, 작아짐과 함께, 각각 Xe 의 유량비가 0.2 에서부터 증가함으로써 단조 감소되어 있는 것을 알 수 있다.
이상의 데이터는 모두, Xe 의 구성 비율이 100% 가 아니라도, 20% 이상, 바람직하게는 50% 이상이면, 100% 의 경우와 거의 동일한 효과가 얻어진다는 것을 나타내고 있다. 즉, 80% 정도, 바람직하게는 50% 정도를 저렴한 Ar 으로 해도, 플라즈마 처리 중의 데미지를 저감시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 이 결과, 본 발명에 의하면 고가의 Kr, Xe 가스의 사용량의 삭감을 도모할 수 있다.
(제 2 의 실시예)
다음으로, 본 발명에 의한 플라즈마 처리를 성막에 적용한 예를 나타낸다. 제 2 의 실시예에서는, 성막으로서 CVD (Chemical Vapor Deposition) 프로세스에 의한 SiO2막을 형성하였다.
도 8 은 본 발명의 제 2 의 실시예에 사용되는 2 단 샤워 플레이트 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치의 개략 단면도이다. 도 8 의 장치는, 도 1 에 나타낸 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치의 확산 플라즈마 영역에 하단 샤워 플레이트 (22) 를 설치한 구조로 되어 있다. 상단의 샤워 플레이트 (21) 로부터는 플라즈마 여기용의 Kr (또는 Xe) 및 Ar 과 O2 가스를 도입한다. 하단 샤워 플레이트 (22) 로부터는 성막용의 반응성 가스인 SiH4 가스를 도입한다. 상단의 샤워 플레이트 (21) 와 하단 샤워 플레이트 (22) 사이의 공간에서 고밀도 플라즈마가 여기되고, 그 플라즈마는 하단 샤워 플레이트 (22) 의 격자 형상 파이프 (반응성 가스를 방출하는 다수의 구멍을 갖는) 의 간극으로부터 실리콘 웨이퍼 (4) 표면 상에 확산되고, 그곳에 공급된 반응성 가스에 의해 피처리물 (4) 의 표면에 SiO2막이 형성된다.
이 때, 상단 샤워 플레이트 (21) 로부터 Kr (또는 Xe) 및 Ar 과 NH3 (또는 N2/H2 혼합) 가스를, 하단 샤워 플레이트 (22) 로부터 SiH4 가스를 흘려 보내면, Si3N4 막을 형성할 수 있다.
또, 상단 샤워 플레이트 (21) 로부터 Kr (또는 Xe) 및 Ar 을, 하단 샤워 플레이트 (22) 로부터 CxFy (C5F8, C4F8 등) 가스를 흘려 보내면, 플로로카본막을 형성할 수 있다.
또, 상단 샤워 플레이트 (21) 로부터 Kr (또는 Xe) 및 Ar 을, 하단 샤워 플레이트 (22) 로부터 SiH4 가스를 흘려 보내면, 실리콘막을 형성할 수 있다.
이상, 어느 경우에도, 도 2, 도 6 및 도 7 에서 명확한 바와 같이, Ar 에 비해 Kr, Xe 가스는 전자 온도가 낮은 곳에서 전자와의 충돌 단면적이 작고 이온화 에너지도 작기 때문에, Ar 과 Kr (혹은 Xe) 의 혼합 가스에 마이크로파가 조사되면 선택적으로 Kr (Xe) 가 이온화되어 플라즈마가 형성되고, 플라즈마의 전자 온도는 Kr (Xe) 로 정의되며, 성막 중에서의 또는 형성된 각종 막에 대한 데미지를 억제할 수 있음과 함께 고가의 Kr (Xe) 가스의 사용을 억제할 수 있다.
(제 3 의 실시예)
다음으로, 본 발명의 플라즈마 처리를 에칭 프로세스에 적용했을 경우의 예를 나타낸다. 도 8 을 참조하면, 상단의 샤워 플레이트 (21) 로부터는 플라즈마 여기용의 Kr (또는 Xe) 및 Ar 가스를 도입한다. 하단 샤워 플레이트 (22) 로부터는 반응성 가스인 CxHy 가스를 도입한다. 여기서, 기판 (4) 에 바이어스 (RF)(25) 를 인가함으로써, 실리콘 웨이퍼 (4) 측에 마이너스의 DC 바이어스가 가해져 실리콘 기판 (4) 상에 있는 SiO2 가 에칭된다. 또한, 부호 (17) 로 나 타나는 백색 화살표 (17) 는, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 나타내고, 부호 (26) 은 고밀도 플라즈마 영역을 나타내고 있다.
이 때에도, 도 2 및 도 6, 7 에서 명확한 바와 같이, Ar 에 비해, Kr, Xe 가스는 전자 온도가 낮은 곳에서 전자와의 충돌 단면적이 작고 이온화 에너지도 작기 때문에 Ar 과 Kr (혹은 Xe) 의 혼합 가스에 마이크로파가 조사되면 선택적으로 Kr (Xe) 가 이온화되어 플라즈마가 형성되고, 플라즈마의 전자 온도는 Kr (Xe) 로 정의되며, 에칭 중에서의 실리콘 기판 (4) 표면 및 실리콘 기판 상에 형성되어 있는 막에 대한 데미지를 억제할 수 있음과 함께 고가의 Kr (Xe) 가스의 사용을 억제할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관련된 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법은, 반도체 제조 프로세스는 물론, 전자·전기 기기의 제조, 각종 기계 부품의 제조에 적용할 수 있다.

Claims (22)

  1. 희가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마를 사용하여 피처리물의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 희가스로서 2 종류 이상의 상이한 희가스를 사용하고, 상기 상이한 희가스는 전자와의 충돌 단면적이 서로 상이한 희가스이고, 상기 2 종류 이상의 상이한 희가스 중 전자와의 충돌 단면적이 큰 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역에 도입하고, 충돌 단면적이 작은 쪽의 가스를 플라즈마 여기 영역 외에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리는 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 산화, 질화 또는 산질화, 상기 피처리물 표면의 적어도 일부에 대한 성막, 또는 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 에칭인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 희가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키고 상기 플라즈마를 사용하여 피처리물의 처리를 실시하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 희가스로서, 아르곤 가스와, 크세논 가스 및 크립톤 가스 중 어느 하나를, 상기 크세논 가스 및 상기 크립톤 가스 중 어느 하나가 상기 희가스 전체의 20 체적% 이상이 되도록 혼합하고, 전체 혼합 가스 압력이 2.66 내지 5.33 Pa가 되도록 조정한 혼합 가스를 사용하고, 마이크로파 여기에 의해 상기 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마 중에 반응성 가스를 공급하여, 상기 피처리물을 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 처리는,
    (a) 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 산화,
    (b) 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 질화,
    (c) 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 산질화,
    (d) 상기 피처리물 표면의 적어도 일부에 대한 성막, 및
    (e) 상기 피처리물 표면의 적어도 일부의 에칭 중 어느 하나의 공정인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 플라즈마를 사용하여 상기 피처리물 표면의 적어도 일부를 (a) 산화, (b) 질화, 및 (c) 산질화 중 어느 하나의 처리를 하기 위해, 산화성의 가스, 질화성의 가스, 또는 산화성의 가스 및 질화성의 가스의 양방을 각각 상기 플라즈마 중에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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