KR101860592B1 - 플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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Abstract

이 플라즈마 평가 방법에서는, 원자층 퇴적법에 있어서 질화막을 형성하기 위한 플라즈마(P)를 평가한다. 우선, 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스(G)로부터 생성되는 플라즈마(P)로부터의 발광을 검출한다. 다음으로, 검출된 발광의 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크와의 강도비를, 미리 강도비와 질화막의 막질을 나타내는 지표와의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 플라즈마(P)의 평가를 행한다.

Description

플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA EVALUATION METHOD, PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 CVD법에 의해 질화막을 형성할 때, 플라즈마 발광을 검출하고, 파장 324.01 nm에서 검출되는 NH 라디칼의 발광 강도가 최대가 되도록 전극에 공급하는 전력의 크기를 설정하는 방법이 알려져 있다(예컨대, 일본 특허 공개 평성3-243772호 공보 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 평성3-243772호 공보
한편, 질화막을 형성하는 방법으로서, 원자층 퇴적법(Atomic Layer Deposition; ALD법)이 있다. 이 방법에서는, 하기 (1)∼(4)의 단계를 반복하여 기판 상에 질화막을 형성한다.
(1) 처리 챔버 내에 있어서 성막 재료를 기판 상에 흡착시킨다.
(2) 여분으로 흡착한 성막 재료를 퍼지 가스에 의해 제거한다.
(3) 질소 원자를 포함하는 가스로부터 생성되는 플라즈마를 이용하여 성막 재료를 플라즈마 질화 처리한다.
(4) 처리 챔버 내에 잔존하는 가스를 퍼지 가스에 의해 제거한다.
원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하는 경우, 플라즈마 CVD법에 의한 경우와 비교해서 긴 시간을 요한다. 특히 상기 (2) 및 (4)의 퍼지 공정에서 긴 시간을 요하기 때문이다.
또, 원자층 퇴적법에 의해 양호한 막질의 질화막(막의 치밀성이 높은 질화막)을 형성하기 위해서는, 플라즈마 조건의 최적화가 필요하게 된다. 그것을 위해서는, 각 플라즈마 조건에 대하여 질화막을 형성하여, 얻어진 질화막의 막질을 정밀하게 평가할 필요가 있다. 보다 정밀한 막질의 평가를 행하기 위해서는, 피평가막의 질화막의 막두께를 적어도 10 nm 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, 원자층 퇴적법(ALD)을 이용하여 막두께 10 nm 이상의 질화막을 형성하기 위해서는, 플라즈마 CVD법과 비교해서 매우 긴 시간(예컨대, 1∼2시간)을 요하기 때문에 비효율적으로 된다. 또, 각 플라즈마 조건에 있어서 형성된 질화막의 막질은, 예컨대 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 웨트 에칭 레이트를 측정함으로써 막의 치밀함을 평가할 수 있다는 것이 알려져 있다. 그러나, 이 플루오르화수소산 수용액에 대한 웨트 에칭 레이트를 측정하는 작업은 번거럽고, 상당한 작업 시간을 요한다. 그 때문에, 질화막의 형성뿐만 아니라, 이 질화막의 막질 평가에도 긴 시간을 요한다고 하는 평가 효율상의 과제가 있다.
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 단시간에 결정할 수 있는 플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 평가 방법은, 원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하기 위한 플라즈마를 평가하는 플라즈마 평가 방법으로서, 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스로부터 생성되는 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 공정과, 검출된 상기 발광의 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 상기 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크와의 강도비를, 미리 상기 강도비와 상기 질화막의 막질을 나타내는 지표와의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 공정을 포함한다.
본 발명자들은, 원자층 퇴적법에서는, 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 2개의 피크의 강도비가, 상기 플라즈마에 의해 형성되는 질화막의 막질과 밀접하게 관련되어 있는 것을 발견했다. 상기 플라즈마 평가 방법에서는, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마가 생성되어 있는지의 여부를, 수소 원자에 기인하는 2개의 피크의 강도비로부터 평가할 수 있다. 이 때문에, 각 플라즈마 조건에 관해 실제로 질화막을 형성하거나, 상기 질화막의 평가를 행하거나 할 필요가 없다. 따라서, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 단시간(예컨대, 10분 이내)에 결정할 수 있다.
상기 제1 피크의 피크 파장은 656.2 nm이고, 상기 제2 피크의 피크 파장은 486.1 nm이어도 좋다.
상기 플라즈마 평가 방법은, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 공정 후에, 상기 강도비가 상기 기준치보다 작은 경우에, 상기 강도비가 상기 기준치 이상이 되도록 상기 플라즈마의 조건을 변경하는 공정을 더 포함해도 좋다. 이에 따라, 플라즈마 조건을, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건으로 변경할 수 있다.
상기 플라즈마의 조건을 변경하는 공정 후에, 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 공정으로 되돌아가도 좋다. 이에 따라, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 유지하도록 제어할 수 있다.
상기 플라즈마는, 마이크로파에 의해 생성되어도 좋다. 마이크로파를 플라즈마원으로서 이용하면, 용량 결합이나 유도 결합 등에 의해 생성되는 다른 플라즈마원을 이용한 경우와 비교해서, 전자 온도가 낮고, 전자 밀도가 높은 플라즈마를 얻을 수 있다. 이 때문에, 질화막을 형성할 때, 데미지를 작게 하면서 플라즈마 질화 처리의 처리 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 마이크로파를 플라즈마원으로서 이용하면, 다른 플라즈마원을 이용한 경우와 비교해서, 플라즈마 질화 처리의 처리 압력 범위를 넓게 취할 수 있다.
상기 플라즈마는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나에 의해 생성되어도 좋다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용하면, 마이크로파를 처리 챔버 내에 균일하게 도입할 수 있기 때문에, 그 결과, 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 방법은, 상기 플라즈마 평가 방법에 의해 평가된 상기 플라즈마를 이용하여, 기판 상에 흡착된 층에 대하여 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 포함한다. 이에 따라, 기판 상에 양호한 막질의 질화막이 형성된다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하기 위한 플라즈마 처리 장치로서, 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내에, 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급원과, 상기 처리 챔버 내에, 상기 가스로부터 생성되는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기와, 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 광검출기와, 검출된 상기 발광의 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 상기 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크와의 강도비를, 미리 상기 강도비와 상기 질화막의 막질을 나타내는 지표와의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 제어부를 구비한다.
상기 플라즈마 처리 장치에서는, 상기 플라즈마 평가 방법을 행할 수 있다. 따라서, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 단시간에 결정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 단시간에 결정할 수 있는 플라즈마 평가 방법, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
도 1은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 일실시형태에 따른, 헤드부가 수납부에 수납된 상태의 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 슬롯판을 Z 방향에서 본 도면이다.
도 4는 일실시형태에 따른 플라즈마 평가 방법의 각 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 5에 나타낸 분광 스펙트럼의 일부를 나타내는 확대 그래프이다.
도 7은 도 5에 나타낸 분광 스펙트럼의 일부를 나타내는 확대 그래프이다.
도 8은 도 5에 나타낸 분광 스펙트럼의 일부를 나타내는 확대 그래프이다.
도 9는 수소 원자에 기인하는 2개의 피크의 강도비와 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 10은 수소 원자에 기인하는 하나의 피크의 강도와 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 11은 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 12는 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법을 모식적으로 나타내는 타이밍차트이다.
도 13은 실리콘 질화막을 형성할 때의 가스 유량의 일례를 나타내는 도표이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서, 동일 또는 동등한 요소에는 동일 부호를 이용하고, 중복되는 설명을 생략한다.
도 1 및 도 2는, 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 2에서는, 도 1에서의 헤드부(44)가 수납되어 있다. 도 1 및 도 2에는 XYZ 직교 좌표계가 나타내어져 있다. 도 1 및 도 2에 나타낸 플라즈마 처리 장치(10)는, 원자층 퇴적 장치(ALD 장치)이다. 플라즈마 처리 장치(10)는, 처리 챔버(12)와, 처리 챔버(12) 내에 가스(G)를 공급하는 가스 공급원(36)과, 처리 챔버(12) 내에 가스(G)로부터 생성되는 플라즈마(P)를 발생시키는 플라즈마 발생기(16)를 구비한다. 가스(G)는, 질소 원자 및 수소 원자를 포함한다. 가스(G)는, 예컨대 암모니아 가스를 포함한다. 가스(G)는, Ar 가스, 질소 가스 등의 불활성 가스를 포함해도 좋다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 처리 챔버(12) 내에 있어서 기판(W)을 유지하는 기판 홀더(14)를 구비해도 좋다. 기판(W)은, 예컨대 실리콘 기판 등의 반도체 기판이며, XY 평면에 대략 평행한 표면을 갖고 있다. 플라즈마(P)는, 예컨대 실리콘 질화막 등의 질화막을 기판(W) 상에 형성한다.
플라즈마 발생기(16)는, 플라즈마 여기용 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(18)와, 마이크로파를 처리 챔버(12) 내에 도입하기 위한 레이디얼 라인 슬롯 안테나(Radial Line Slot Antenna)(26)를 구비한다. 마이크로파 발생기(18)는, 도파관(20)을 통해, 마이크로파의 모드를 변환하는 모드 변환기(22)에 접속되어 있다. 모드 변환기(22)는, 내측 도파관(24a) 및 외측 도파관(24b)을 갖는 동축 도파관(24)을 통해 레이디얼 라인 슬롯 안테나(26)에 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생기(18)에 의해 발생한 마이크로파는, 모드 변환기(22)에 있어서 모드 변환되어, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(26)에 도달한다. 마이크로파 발생기(18)가 발생하는 마이크로파의 주파수는, 예컨대 2.45 GHz이다.
레이디얼 라인 슬롯 안테나(26)는, 처리 챔버(12)에 형성된 개구(12a)를 막는 유전체창(34)과, 유전체창(34)의 외측에 설치된 슬롯판(32)과, 슬롯판(32)의 외측에 설치된 냉각 재킷(30)과, 슬롯판(32)과 냉각 재킷(30) 사이에 배치된 유전체판(28)을 구비한다. 유전체창(34)은, 기판(W)에 대향 배치되어 있다. 유전체창(34)은, 예컨대 알루미늄산화물(Al2O3) 등의 세라믹 재료로 이루어진다. 슬롯판(32)의 중앙에는 내측 도파관(24a)이 접속되어 있고, 냉각 재킷(30)에는 외측 도파관(24b)이 접속되어 있다. 냉각 재킷(30)은 도파관으로서도 기능한다. 이에 따라, 마이크로파는, 내측 도파관(24a)과 외측 도파관(24b) 사이에 전파되고, 슬롯판(32)과 냉각 재킷(30) 사이의 유전체판(28)에 전파되고, 슬롯(32c)으로부터 유전체창(34)을 투과하여 처리 챔버(12) 내에 도달한다.
도 3은, 플라즈마 처리 장치(10)의 슬롯판(32)을 Z 방향에서 본 도면이다. 도 3에는 XYZ 직교 좌표계가 나타내어져 있다. 슬롯판(32)은, 예컨대 원반형이다. 슬롯판(32)에는, 제1 방향으로 연장되는 슬롯(32a)과, 제1 방향에 교차하는 제2 방향으로 연장되는 슬롯(32b)으로 이루어진 한쌍의 슬롯(32c)이 동심원형으로 복수개 형성되어 있다.
예컨대, 한쌍의 슬롯(32c)에 착안하면, 제1 방향은 제2 방향과 직교한다. 슬롯 쌍들(32c)은, 슬롯판(32)의 중심으로부터 직경 방향으로 정해진 간격으로 배치되고, 슬롯판(32)의 둘레 방향으로 정해진 간격으로 배치되어 있다. 유전체창(34)을 투과한 마이크로파는, 슬롯 쌍들(32c)을 통과하여 처리 챔버(12) 내에 도입된다. 마이크로파의 파장은, 유전체판(28)(지파판) 내를 투과할 때에 짧아진다. 이 때문에, 슬롯(32c)보다 효율적으로 마이크로파를 처리 챔버(12) 내에 도입할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조한다. 처리 챔버(12)의 측벽에는, 플라즈마 처리용 가스 공급구(12b)가 형성되어 있다. 가스 공급구(12b)는, 유전체창(34)에 형성되어도 좋고, 처리 챔버(12) 내로 연장되는 가스 공급 수단에 형성되어도 좋다. 가스 공급구(12b)에는, 가스 공급원(36)이 접속되어 있다. 처리 챔버(12) 내에 공급된 가스(G)에 마이크로파가 조사됨으로써, 처리 챔버(12) 내의 유전체창(34)측에 플라즈마(P)가 생성된다. 생성된 플라즈마(P)는, 기판(W)을 향해서 확산된다. 처리 챔버(12)의 바닥부에는, 처리 챔버(12) 내의 가스를 배기하기 위한 배기구(12c)가 형성되어 있다. 배기구(12c)에는, APC(Auto Pressure Control) 밸브(38)를 통해 진공 펌프(40)가 접속되어 있다. 기판 홀더(14)에는, 기판 홀더(14)의 온도를 조절하기 위한 온도 조절기(42)가 접속되어 있다. 기판 홀더(14)의 온도는, 예컨대 200∼500℃가 바람직하고, 보다 바람직하게는 300∼400℃로 조절된다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 원자층 퇴적용 원료 가스(프리커서(precursor)) 및 퍼지 가스를 기판(W) 상에 공급하기 위한 가스 공급구(44a)가 형성된 헤드부(44)를 구비한다. 헤드부(44)는, 헤드부(44)를 지지하는 지지부(46)에 의해 구동 장치(48)에 접속되어 있다. 구동 장치(48)는, 처리 챔버(12)의 외측에 배치되어 있다. 구동 장치(48)에 의해, 헤드부(44) 및 지지부(46)는 X 방향으로 이동 가능하다. 처리 챔버(12)에는, 헤드부(44)를 수납하기 위한 수납부(12d)가 설치되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 헤드부(44)가 수납부(12d)에 수납되는 경우에는, 셔터(50)가 Z 방향으로 이동함으로써 수납부(12d)는 격리된다. 또한, 도 1 및 도 2에 나타낸 플라즈마 처리 장치(10)는, 헤드부(44)가 수납부(12d)에 수납되어 있는지의 여부를 제외하고는 동일하다.
중공의 지지부(46)에는, 원자층 퇴적용 원료 가스 공급원(52)과, 퍼지 가스 공급원(54)이 접속되어, 연통하고 있다. 원료 가스 및 퍼지 가스는, 각각 원료 가스 공급원(52) 및 퍼지 가스 공급원(54)으로부터 지지부(46)를 경유하여, 헤드부(44)로부터 기판(W) 상에 공급된다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 플라즈마(P)로부터의 발광을 검출하는 광검출기(70)를 구비한다. 광검출기(70)는, 처리 챔버(12)의 측벽에 설치된 창(60)에 대향 배치된 집광 렌즈(62)를 구비한다. 플라즈마(P)로부터의 발광은, 창(60)을 통과하여 집광 렌즈(62)에 입사된다. 집광 렌즈(62)에는, 광파이버(64)를 통해 분광기(66)가 접속되어 있다. 분광기(66)에 있어서 분광된 광은, 광전자 증배관(68)에 도입된다. 광검출기(70)는, 예컨대 발광 분광 분석 장치(OES)이다. 광검출기(70)는, 플라즈마(P)로부터의 발광을 검출할 수 있는 위치라면 어떤 위치에 배치되어도 좋다.
플라즈마 처리 장치(10)는, 장치 전체를 제어하는 제어부(56)를 구비한다. 제어부(56)는, 마이크로파 발생기(18), 진공 펌프(40), 온도 조절기(42), 구동 장치(48), 플라즈마 처리용 가스 공급원(36), 원자층 퇴적용 원료 가스 공급원(52), 퍼지 가스 공급원(54), 광검출기(70)에 각각 접속되어 있다. 이에 따라, 제어부(56)는, 마이크로파 출력, 처리 챔버(12) 내의 압력, 기판 홀더(14)의 온도, 헤드부(44)의 X 방향의 이동, 플라즈마 처리용 가스, 원자층 퇴적용 원료 가스 및 퍼지 가스의 가스 유량 및 가스를 흘리는 시간을 각각 제어할 수 있다. 제어부(56)는, 예컨대 컴퓨터이며, CPU 등의 연산 장치(56a)와, 메모리나 하드디스크 등의 기억 장치(56b)를 구비한다. 기억 장치(56b)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이어도 좋다. 기록 매체는, 예컨대 CD, NAND, BD, HDD, USB 등이다. 기억 장치(56b)에는, 광검출기(70)로부터의 데이터가 기록된다. 제어부(56)에는, 제어 대상이 되는 여러가지 데이터를 표시하는 표시 장치(58)가 접속되어도 좋다.
제어부(56)는, 후술하는 바와 같이, 검출된 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크와의 강도비를, 미리 강도비와 질화막의 막질을 나타내는 지표와의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 플라즈마(P)의 평가를 행한다. 기억 장치(56b)에는, 컴퓨터에 하기 플라즈마 평가 순서를 실행시키는 프로그램이 기록되어 있다.
도 4는, 일실시형태에 따른 플라즈마 평가 방법의 각 공정을 나타내는 흐름도이다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 평가 방법에서는, 원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하기 위한 플라즈마(P)를 평가한다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 평가 방법은, 전술한 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 실시 가능하고, 예컨대 도 2에 있어서 기판(W)이 없는 상태로 이하와 같이 실시된다.
(플라즈마로부터의 발광을 검출하는 공정)
우선, 도 2에 나타낸 광검출기(70)에 의해서, 가스(G)로부터 생성되는 플라즈마(P)로부터의 발광을 검출한다(공정 S1). 광검출기(70)에 의해 얻어진 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼 데이터는, 기억 장치(56b)에 기록된다.
(플라즈마의 평가를 행하는 공정)
공정 S1 후에, 제어부(56)에 의해서, 검출된 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크와의 강도비를 산출한다. 한편, 상기 강도비와 질화막의 막질을 나타내는 지표(예컨대, 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 질화막의 웨트 에칭 레이트)와의 관계로부터, 미리 질화막의 막질이 양호한지의 여부의 임계치에 대응하는 기준치를 산출해 둔다. 그 후, 제어부(56)에 의해서, 강도비를 기준치와 비교한 결과를 이용하여 플라즈마(P)의 평가를 행한다(공정 S2). 공정 S2에서는, 예컨대 강도비가 기준치 이상인지의 여부를 판단한다.
여기서, 제1 피크의 피크 파장은 예컨대 656.2 nm이고, 제2 피크의 피크 파장은 예컨대 486.1 nm이다. 제1 피크의 피크 강도를 I656, 제2 피크의 피크 강도를 I486으로 한 경우, 강도비는 예컨대 I656/I486으로 표시된다. 강도비 I656/I486이 기준치(예컨대, 4.5) 이상인 경우, 플라즈마(P)의 플라즈마 조건이, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건인 것을 나타내고 있다. 강도비 I656/I486이 기준치보다 작은 경우, 플라즈마(P)의 플라즈마 조건이, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건이 아닌 것을 나타내고 있다. 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건이 아닌 경우, 표시 장치(58)에 알람 등을 표시시켜도 좋다. 이와 같이 하여, 플라즈마(P)를 평가할 수 있다. 이러한 플라즈마 평가는, 광검출기를 플라즈마 처리 장치에 내장시켜 이용하여 질화막을 성막하는 경우에 유효하다.
(플라즈마의 조건을 변경하는 공정)
공정 S2 후에, 강도비 I656/I486이 기준치보다 작은 경우, 강도비 I656/I486이 기준치 이상이 되도록 플라즈마(P)의 조건을 변경해도 좋다(공정 S3). 이에 따라, 플라즈마 조건을, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건으로 변경할 수 있다. 변경 가능한 플라즈마(P)의 조건으로는, 마이크로파 발생기(18)로부터 공급되는 마이크로파 출력, 처리 챔버(12) 내의 압력, 기판 홀더(14)의 온도, 가스(G)의 가스종, 가스 유량, 유량비 및 가스를 흘리는 시간, 가스(G)를 공급하는 장소 등을 들 수 있다. 이들 중에서 플라즈마(P)의 상태에 미치는 영향이 큰 것은, 마이크로파 발생기(18)로부터 공급되는 마이크로파 출력, 처리 챔버(12) 내의 압력이다.
공정 S3 후에, 상기 공정 S1로 되돌아가도 좋다. 이에 따라, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 유지하도록 피드백 제어할 수 있다.
본 실시형태의 플라즈마 평가 방법에서는, 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마(P)가 생성되어 있는지의 여부를, 수소 원자에 기인하는 2개의 피크와의 강도비로부터 평가할 수 있다. 이 때문에, 각 플라즈마 조건에 관해서 질화막을 형성하거나, 상기 질화막의 평가를 행하거나 할 필요가 없다. 따라서, 치밀한 양호한 막질의 질화막을 형성할 수 있는 플라즈마 조건을 단시간(예컨대, 10분 이내)에 결정할 수 있다. 그 결과, 질화막 형성 프로세스의 작업 처리량이 향상된다.
또, 본 실시형태의 플라즈마 평가 방법에서는, 플라즈마(P)의 상태의 경시 변화를 모니터링할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 처리 장치(10)의 구성 부품을 교환하는 타이밍을 알 수 있다. 이 플라즈마 평가 방법은, 플라즈마 처리 장치(10)의 구성 부품 중 특히 열화되기 쉬운 유전체창(34)의 교환 타이밍을 판정하는 데 유효하다.
또한, 도 2에 있어서 기판(W)이 있는 상태로 본 실시형태에 따른 플라즈마 평가 방법을 실시해도 좋다. 그 경우, 원자층 퇴적법에 의해 기판(W) 상에 질화막을 형성하면서 플라즈마(P)의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 따라서, 양호한 막질의 질화막을 안정적으로 형성할 수 있다. 또, 마이크로파에 의해 생성되는 플라즈마(P)를 이용하면, 플라즈마(P)의 전자 온도가 1.5 eV 이하로 낮기 때문에, 질화막을 형성할 때, 데미지를 작게 하면서 플라즈마 질화 처리의 처리 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(26)를 이용하면, 마이크로파를 처리 챔버(12) 내에 균일하게 도입할 수 있기 때문에, 그 결과, 광범위하고 균일한 플라즈마(P)를 생성할 수 있다.
이하, 수소 원자에 기인하는 2개의 피크의 강도비와 질화막의 막질과의 관계에 관해서, 예를 들어 설명한다.
도 5는, 플라즈마 발광 강도의 분광 스펙트럼의 일례를 나타내는 그래프이다. 종축은 발광 강도를 나타낸다. 횡축은 파장(nm)을 나타낸다. 도 5에는, 플라즈마(P)를 생성하기 위한 가스(G)로서 하기 가스 1∼6을 각각 이용한 경우에 관해, 200∼800 nm에서의 분광 스펙트럼이 나타나 있다.
가스 1 : NH3, Ar 및 N2의 혼합 가스
가스 2 : NH3 및 Ar의 혼합 가스
가스 3 : NH3 및 N2의 혼합 가스
가스 4 : NH3
가스 5 : N2 및 Ar의 혼합 가스
가스 6 : N2
또한, 플라즈마 처리중인 처리 챔버(12) 내의 압력을 5 Torr(666.5 Pa)로 하여 기판(W) 상에 흡착한 실리콘 함유 화합물을 플라즈마 질화 처리했다. NH3가 포함되어 있는 가스 1∼4에서는 실리콘 질화막이 형성되고(실리콘 함유 화합물이 플라즈마 질화 처리되기 쉽고), NH3이 포함되어 있지 않은 가스 5 및 6에서는, 실리콘 질화막이 형성되기 어렵다(실리콘 함유 화합물이 플라즈마 질화 처리되기 어렵다).
도 6∼8은, 도 5에 나타낸 분광 스펙트럼의 일부를 확대하여 나타내는 그래프이다. 도 6의 그래프에는, 460∼510 nm에서의 분광 스펙트럼이 나타나 있다. 도 7의 그래프에는, 600∼800 nm에서의 분광 스펙트럼이 나타나 있다. 도 8의 그래프에는, 320∼345 nm에서의 분광 스펙트럼이 나타나 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 가스 1∼4에 있어서, 피크 파장 486.1 nm의 수소 원자에 기인하는 피크가 검출되어 있다. 또, 도 7에 나타낸 바와 같이, 가스 1∼4에 있어서, 피크 파장 656.2 nm의 수소 원자에 기인하는 피크가 검출되어 있다. 이들 피크는, NH3이 해리되어 생성한 수소 원자에 기인한다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 피크 파장 337.1 nm의 N2에 기인하는 피크는 검출되어 있지만, 피크 파장 336.0 nm의 NH에 기인하는 피크는 검출되지 않았다. NH에 기인하는 피크가 검출되지 않았기 때문에, NH3는 H와 NH2 라디칼로 해리되어 있다고 추측된다.
즉, NH3을 효율적으로 해리시켜 수소 원자를 생성시키기 위해서는, NH3에 N2나 Ar을 혼합하는 것이 유효하다. 이 경우, 플라즈마 중에서 N2 및 Ar이 여기할 때 고속 전자가 생성되기 때문에, 이 전자가 NH3을 해리하기 쉬워, 효율적으로 수소 원자가 생성된다고 생각된다.
도 9는, 수소 원자에 기인하는 2개의 피크의 강도비와 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 종축은, 강도비([수소 원자에 기인하는 피크 파장 656.2 nm의 피크 강도]/[수소 원자에 기인하는 피크 파장 486.1 nm의 피크 강도])를 나타낸다. 횡축은, 플라즈마(P)를 생성하기 위한 가스(G)의 종류를 나타낸다. 도 9 중에는, 형성된 실리콘 질화막을 0.5% 플루오르화수소산 수용액으로 웨트 에칭했을 때의 웨트 에칭 레이트가 나타내어져 있다. 이 값은, WVG(Wet Vapor Generator)를 이용하여 950℃에서 실리콘을 열산화하여 얻어지는 열산화막의 웨트 에칭 레이트를 1로 한 경우의 상대치이다. 고품질의 치밀한 실리콘 질화막의 경우, 웨트 에칭 레이트의 값은 1 이하가 된다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 가스 1에서는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.53이고, 강도비가 4.65이다. 가스 2에서는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.48이고, 강도비가 5.02이다. 가스 3에서는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.49이고, 강도비가 4.70이다. 가스 4에서는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 1.1이고, 강도비가 4.33이다. 도 9의 그래프로부터, 강도비가 커짐에 따라서 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 작아지는(실리콘 질화막의 막질이 향상되어 치밀해지는) 것을 알 수 있다. 즉, 강도비가 커지면, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트는 단조 감소한다. 이 강도비가 크면 클수록, NH2 라디칼이 보다 많이 생성되어 있다고 생각된다. 이 NH2 라디칼에 의해 질화 프로세스가 진행됨으로써, 실리콘 질화막의 막질이 향상된다고 생각된다.
이 경우, 플라즈마 가스(Ar+N2)에 대한 NH3 가스의 유량비는, 가스 1에서는 0.15, 가스 2에서는 0.5, 가스 3에서는 0.5, 가스 4에서는 1이다. 바람직한 유량비는 1 미만이고, 보다 바람직하게는 0.8 이하이고, 0.5 이하 0.05 이상이 좋다.
또, FT-IR 분석 결과로부터, 원자층 퇴적법에 의해 형성되는 실리콘 질화막은, 감압 화학 기층 성장(LPCVD)법에 의해 형성되는 실리콘 질화막에 비해서 Si-NH기의 결합을 많이 포함하는 것을 알 수 있다. 또, SIMS 분석 결과로부터, 원자층 퇴적법에 의해 형성되는 실리콘 질화막 내의 수소 원자 함유량은, LPCVD법에 의해 형성되는 실리콘 질화막 내의 수소 원자 함유량에 비해서 많다는 것을 알 수 있다. 한편, LPCVD법에 의해 형성되는 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트는, 원자층 퇴적법에 의해 형성되는 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트보다 작다. 따라서, 실리콘 질화막 내의 수소 원자 함유량이 많아지면, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 커진다(실리콘 질화막의 막질이 저하된다)는 것을 알 수 있다.
도 10은, 수소 원자에 기인하는 하나의 피크의 강도와 0.5% 플루오르화수소산 수용액에 대한 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트와의 관계의 일례를 나타내는 그래프이다. 종축은, 수소 원자에 기인하는 피크 파장 656.2 nm의 피크 강도를 나타낸다. 횡축은, 플라즈마 생성용 가스(G)의 종류를 나타낸다. 도 10에서는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 1.1이 되는 가스 4와 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.49가 되는 가스 3 사이에서 피크 강도가 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다. 또, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.53이 되는 가스 1의 피크 강도는, 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트가 0.49가 되는 가스 3의 피크 강도보다 커져 있다. 즉, 피크 강도와 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트 사이에는, 도 9와 같은 강도비와 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트 사이의 상관 관계가 없다. 따라서, 수소 원자에 기인하는 피크 파장 656.2 nm의 피크 강도만으로 실리콘 질화막의 막질을 예측하는 것은 어렵다고 생각된다.
수소 원자에 기인하는 피크 파장 486.1 nm의 피크 강도에 관해서도, 도 10과 동일한 경향을 보였다. 따라서, 수소 원자에 기인하는 피크 파장 486.1 nm의 피크 강도만으로 실리콘 질화막의 막질을 예측하는 것은 어렵다고 생각된다. 또, 도 8에 나타낸 N2에 기인하는 피크 파장 337.1 nm의 피크 강도와 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트 사이에도, 도 9와 같은 강도비와 실리콘 질화막의 웨트 에칭 레이트 사이의 상관 관계가 없다. 따라서, N2에 기인하는 피크 파장 337.1 nm의 피크 강도만으로 실리콘 질화막의 막질을 예측하는 것은 어렵다고 생각된다.
도 11은, 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 모식적으로 나타내는 단면도이다. 도 11에 나타낸 플라즈마 처리 장치(10A)는, 이하의 점을 제외하고 플라즈마 처리 장치(10)와 동일한 구성을 구비한다.
플라즈마 처리 장치(10A)는, 헤드부(44) 대신에 도우넛형의 헤드부(44b)를 구비한다. 헤드부(44b)는, 지지부(46a)에 의해 지지된다. 헤드부(44b)를 XY 평면에 있어서 회전시키도록 해도 좋다.
헤드부(44b)는, 원자층 퇴적용 원료 가스(프리커서) 및 퍼지 가스를 기판(W) 상에 공급하기 위한 가스 공급구가 기판(W)의 중앙을 향해서 형성된 링부(44r)를 갖는다. 링부(44r)는 예컨대 석영으로 이루어진다. 원료 가스는, 예컨대 실리콘 함유 화합물을 포함한다. 퍼지 가스는, 예컨대 Ar 가스, 질소 가스 등의 불활성 가스를 포함한다. 링부(44r)는, 기판(W)의 외주를 따라서 배치된다. 링부(44r)에는, 원자층 퇴적용 원료 가스 공급원(52)과, 퍼지 가스 공급원(54)이 접속되어, 연통하고 있다. 원료 가스 및 퍼지 가스는, 각각 원료 가스 공급원(52) 및 퍼지 가스 공급원(54)으로부터 헤드부(44b)에 공급되고, 링부(44r)로부터 내측을 향해서 기판(W) 상에 공급된다.
플라즈마 처리 장치(10A)에서는, 유전체창(34)의 하면에 오목부(34a)가 형성된다. 마이크로파의 정재파가 억제되는 것에 의해, 효율적으로 마이크로파가 유전체창(34)을 투과하여 처리 챔버(12) 내에 도입된다. 그 결과, 균일한 플라즈마(P)가 생성된다. 유전체창(34)에는, 플라즈마 처리용 가스 공급구(12d)가 형성되어 있다. 가스 공급구(12d)는, 유전체창(34) 및 슬롯판(32)의 중앙을 관통하여 내측 도파관(24a)과 연통한다. 가스 공급원(36)으로부터 공급되는 가스(G)는, 내측 도파관(24a) 내를 경유하여, 가스 공급구(12d)로부터 처리 챔버(12) 내에 공급되어도 좋다. 가스 공급구(12d)로부터는, NH3 가스, N2 가스, Ar 가스 등의 질화 가스, 플라즈마 생성용 가스, 퍼지용 가스가 공급된다.
플라즈마 처리 장치(10A)에서는, 복수의 플라즈마 처리용 가스 공급구(12b)가, 처리 챔버(12)의 측벽의 고리형 영역을 따라서 형성된다. 가스 공급구(12b)는, 처리 챔버(12)의 측벽의 내부에 형성되는 링형의 공극에 연통되도록, 처리 챔버(12)의 외측으로부터 중심으로 균등하게 방사형으로 형성된다. 가스 공급구(12b)로부터는, N2 가스, Ar 가스 등의 플라즈마 생성용 가스, 퍼지용 가스가 공급된다. NH3 가스 등의 질화 가스가 공급되어도 좋다.
플라즈마 처리 장치(10A)는, 플라즈마 처리용 가스 공급구가 고리형의 링부재에 형성된 엣지링(12e)를 구비한다. 엣지링(12e)에서는, 가스 공급구(12b)가, 기판(W)을 향하여, 처리 챔버(12) 내 중앙을 향하여 균등하게 형성된다. 엣지링(12e)은 예컨대 석영으로 이루어진다. 가스 공급원(36)으로부터 공급되는 가스(G)는, 엣지링(12e)으로부터 처리 챔버(12) 내에 공급되어도 좋다. 가스 공급구(12b)로부터는, NH3 가스, N2 가스, Ar 가스 등의 질화 가스, 플라즈마 생성용 가스, 퍼지용 가스가 공급된다.
가스 공급구(12b, 12d) 및 엣지링(12e)으로부터 공급되는 가스(G)의 가스종, 가스 유량, 유량비 및 가스를 흘리는 시간 등은 각각 독립적으로 제어될 수 있다.
도 12는, 일실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법을 모식적으로 나타내는 타이밍차트이다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법은, 상기 플라즈마 평가 방법에 의해 평가된 플라즈마(P)를 이용하여, 기판(W) 상에 흡착된 층에 대하여 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 포함한다. 이에 따라, 기판(W) 상에 양호한 막질의 질화막이 형성된다.
상기 플라즈마 처리 방법은, 예컨대 플라즈마 처리 장치(10A)를 이용하여, 하기의 단계 1∼4를 반복하여 행해진다. 이에 따라, 예컨대 1∼15 nm의 두께를 갖는 질화막이 형성되어 있다.
(단계 1) 처리 챔버(12) 내에 있어서, 예컨대 디클로로실란 등의 원료 가스를 기판(W) 상에 흡착시켜 실리콘 함유 화합물을 생성한다(시각 t1∼t2). 일례에 있어서, 원료 가스는, Ar(가스 공급구(12b)로부터의 유량 : 900 sccm), N2(가스 공급구(12b)로부터의 유량 : 900 sccm) 및 디클로로실란(링부(44r)로부터의 유량 : 280 sccm)을 포함한다.
(단계 2) 필요에 따라서 처리 챔버(12) 내를 진공 상태(시각 t2∼t3)로 한 후, 여분으로 흡착한 원료 가스를 퍼지 가스에 의해 제거한다(시각 t3∼t4). 일례에 있어서, 퍼지 가스는, Ar(가스 공급구(12b)로부터의 유량 : 900 sccm, 가스 공급구(12d) 및 엣지링(12e)으로부터의 유량 : 500 sccm, 링부(44r)로부터의 유량 : 500 sccm), N2(가스 공급구(12b)로부터의 유량 : 900 sccm) 및 암모니아(가스 공급구(12d) 및 엣지링(12e)으로부터의 유량 : 400 sccm)를 포함한다.
(단계 3) 예컨대 암모니아 등의 가스(G)로부터 생성되는 플라즈마(P)를 이용하여, 기판(W) 상에 흡착된 원료 가스(실리콘 함유 화합물)로 이루어진 층을 플라즈마 질화 처리한다(시각 t4∼t5). 플라즈마(P)는, 마이크로파의 파워(예컨대, 4000 W)를 ON으로 함으로써 생성된다.
(단계 4) 필요에 따라서 처리 챔버(12) 내를 진공 상태(시각 t5∼t6)로 한 후, 처리 챔버(12) 내에 잔존하는 가스를 퍼지 가스에 의해 제거한다(시각 t6∼t7). 단계 4의 퍼지 가스는 단계 2의 퍼지 가스와 동일해도 좋다.
이상과 같은 단계 1∼4를 1 사이클로 하여, 원하는 막두께(예컨대, 1∼15 nm)의 실리콘 질화막이 형성된다.
상기 단계 1∼4를 행하기 전에, 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스(G)로부터 생성되는 플라즈마(P)를 이용하여 기판(W)을 미리 플라즈마 질화 처리해도 좋다.
도 9 및 도 10의 실험예에서의 실리콘 질화막은, 도 11의 플라즈마 처리 장치(10A)에 의해 형성되어 있다. 도 13은, 실리콘 질화막을 형성할 때의 가스 유량의 일례를 나타낸 도표이다. 도 13에는, 실험예 1∼6에 관해, 후술하는 단계 3에 있어서 가스 공급구(12b, 12d) 및 엣지링(12e)으로부터 공급되는 가스(G)에 포함되는 각 가스의 유량이 나타내어져 있다. 일례에서는, 플라즈마 처리중의 처리 챔버(12) 내의 압력이 5 Torr, 온도가 400℃이다. 실험예 1∼6에 있어서, 링부(44r)로부터의 Ar 유량은 예컨대 100 sccm이다. 실험예 1∼4는, 도 9 및 도 10의 실험예에서의 실리콘 질화막을 형성할 때의 가스 유량에 대응한다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 관해서 상세히 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태로 한정되지 않는다.
10 : 플라즈마 처리 장치, 12 : 처리 챔버, 16 : 플라즈마 발생기, 26 : 레이디얼 라인 슬롯 안테나, 36 : 가스 공급원, 56 : 제어부, 70 : 광검출기, G : 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스, P : 플라즈마.

Claims (8)

  1. 원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하기 위한 플라즈마를 평가하는 플라즈마 평가 방법으로서,
    질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스로부터 생성되는 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 공정과,
    검출된 상기 발광의 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 상기 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크의 강도비를, 미리 상기 강도비와 상기 질화막의 막질을 나타내는 지표의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 공정
    을 포함하고,
    상기 지표는, 플루오르화수소산 수용액에 대한 질화막의 웨트 에칭 레이트(wet etching rate)를 포함하는 것인 플라즈마 평가 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 피크의 피크 파장은 656.2 nm이고, 상기 제2 피크의 피크 파장은 486.1 nm인 것인 플라즈마 평가 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 공정 후에, 상기 강도비가 상기 기준치보다 작은 경우에, 상기 강도비가 상기 기준치 이상이 되도록 상기 플라즈마의 조건을 변경하는 공정을 더 포함하는 플라즈마 평가 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 플라즈마의 조건을 변경하는 공정 후에, 상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 공정으로 되돌아가는 플라즈마 평가 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라즈마는 마이크로파에 의해 생성되는 것인 플라즈마 평가 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마는 레이디얼 라인 슬롯 안테나에 의해 생성되는 것인 플라즈마 평가 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 기재된 플라즈마 평가 방법에 의해 평가된 상기 플라즈마를 이용하여, 기판 상에 흡착된 층에 대하여 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 포함하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  8. 원자층 퇴적법에 의해 질화막을 형성하기 위한 플라즈마 처리 장치로서,
    처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내에, 질소 원자 및 수소 원자를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급원과,
    상기 처리 챔버 내에, 상기 가스로부터 생성되는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기와,
    상기 플라즈마로부터의 발광을 검출하는 광검출기와,
    검출된 상기 발광의 강도의 분광 스펙트럼에 있어서 수소 원자에 기인하는 제1 피크와 상기 제1 피크와는 다르며 수소 원자에 기인하는 제2 피크의 강도비를, 미리 상기 강도비와 상기 질화막의 막질을 나타내는 지표의 관계로부터 산출된 기준치와 비교한 결과를 이용하여, 상기 플라즈마의 평가를 행하는 제어부
    를 구비하고,
    상기 지표는, 플루오르화수소산 수용액에 대한 질화막의 웨트 에칭 레이트를 포함하는 것인 플라즈마 처리 장치.
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