KR102144456B1 - 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

기판 처리 장치(10)는, 기판(s)을 수용하는 수용부(11)와, 플라즈마 생성 가스를 공급하는 가스 공급부(13)와, 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하고 수용부(11)에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급부(12)로 구성된다. 플라즈마 생성 가스는 질소 원자들 또는 산소 원자들 중 적어도 한 가지를 포함한다. 가스 공급부(13)는 수소 가스 유량에 대한 첨가 가스의 유량의 비율이 1/500 이상이 되도록 플라즈마 공급부(12)에 플라즈마 생성 가스를 공급한다.

Description

기판 처리 방법 및 기판 처리 장치
본 발명은 기판의 표면에 형성된 산화막을 환원시키는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치에 관한 것이다.
기존의 방법은 연결홀 등으로부터 노출된 금속막의 표면에 형성된 산화막을 환원시키기 위해 수소 함유 가스 및 헬륨을 포함하는 혼합 가스의 플라즈마를 사용한다. 이 방법에서는, 산화막에 포함된 산소와 플라즈마에 포함된 수소 이온 및 수소 래디컬이 반응하면 산화막이 환원된다 (예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
[특허문헌]
특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 제2001-203194호
상기와 같은 방법에 있어서, 플라즈마를 생성시키는 데 필요한 소비 전력당 산화막의 환원 속도를 증가시킬 필요가 있다.
본 발명의 목적은 소비 전력당 산화막의 환원 속도를 증가시키는 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치를 제공하는 것이다.
일 측면에 따른 기판 처리 방법은, 수소 가스와 첨가 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계, 상기 혼합 가스 또는 상기 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계, 그리고 상기 플라즈마로 기판에 형성된 산화막을 환원시키는 단계를 포함한다. 상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 포함한다. 상기 혼합 가스를 생성하는 단계는 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이 되도록 상기 첨가 가스와 상기 수소 가스를 혼합하는 것을 포함한다.
일 측면에 따른 기판 처리 장치는 기판을 수용하는 수용부와, 플라즈마 생성 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 가스 공급부에 의해 공급된 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하고 상기 플라즈마를 상기 수용부에 공급하는 플라즈마 공급부를 포함한다. 상기 플라즈마 생성 가스는 수소 가스와 첨가 가스의 혼합 가스 또는 상기 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스이다. 상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 포함한다. 상기 가스 공급부는 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이 되도록 상기 플라즈마 생성 가스를 상기 플라즈마 공급부에 공급한다.
위에서 기술한 방법 및 장치에 의하면, 수소 가스만으로 또는 수소 가스와 희유 가스를 조합한 가스만으로 플라즈마를 생성시키는 경우에 비해, 수소 가스와 첨가 가스의 혼합 가스로부터 플라즈마를 생성하는 경우, 수소 가스로부터 생성된 활성종의 불활성화가 첨가 가스에 의해 제한된다.
이는 수소 가스로부터 생성된 활성종 중에서 산화막에 도달하는 활성종의 비율을 증가시키게 된다. 결과적으로, 소비 전력당 산화막의 환원 속도가 증가하게 된다.
일실시 예에서, 상기 첨가 가스는 산소 가스이다. 바람직하게는, 상기 유량비는 1/10 이하로 설정된다.
이 방법에서 활성종의 불활성화가 제한된다. 또한, 상기 기판에 잔류하는 상기 플라즈마 내의 산소가 제한된다.
일실시 예에서, 상기 첨가 가스는 질소 가스이다. 바람직하게는, 상기 유량비는 1/10 이하로 설정된다.
이 방법에서는 활성종의 불활성화가 제한된다. 또한, 상기 기판에 잔류하는 상기 플라즈마 내의 질소가 제한된다.
본 발명의 일실시 예에 따른 상기 기판 처리 방법에 있어서, 상기 산화막 환원은 산화막을 환원시키기 위해 플라즈마를 제 1 플라즈마로서 이용하는 단계를 포함한다. 상기 기판 처리 방법은 상기 제 1 플라즈마로 상기 산화막을 환원시킨 후 상기 첨가 가스 공급을 중단함으로써 수소 가스 또는 수소 가스와 희유 가스를 조합한 가스로부터 제 2 플라즈마를 생성하는 단계, 그리고 상기 기판에 상기 제 2 플라즈마를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 기판 처리 장치에 있어서, 상기 가스 공급부는 상기 플라즈마 생성 가스를 제 1 플라즈마 생성 가스로서 공급할 수 있고, 상기 수소 가스 또는 상기 수소 가스와 상기 희유 가스의 혼합 가스를 제 2 플라즈마 생성 가스로서 공급할 수 있다. 상기 기판 처리 장치는 상기 가스 공급부로부터 상기 플라즈마 공급부로 제 1 플라즈마 생성 가스를 공급하고; 상기 플라즈마 공급부에서 상기 제 1 플라즈마 생성 가스로부터 제 1 플라즈마를 생성하여, 상기 제 1 플라즈마를 상기 수용부에 공급하고; 상기 제 1 플라즈마를 상기 수용부에 공급한 후에 상기 첨가 가스의 공급을 정지하여 상기 가스 공급부로부터 상기 플라즈마 공급부로 상기 제 2 플라즈마 생성 가스를 공급하고; 및 상기 플라즈마 공급부에서 상기 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 제 2 플라즈마를 생성하고 상기 수용부에 상기 제 2 플라즈마를 공급하는 과정을 포함하는 처리가 수행되도록 플라즈마 공급부와 가스 공급부를 제어하기 위해 구성된 제어부를 더 포함한다.
상기 방법 및 장치에 있어서, 상기 제 1 플라즈마로 상기 산화막을 환원시킨 후, 상기 기판을 처리하기 위해 제 2 플라즈마를 이용하여 상기 기판에 남아 있는 산소 원자들 및 질소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 제거 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 기판 처리 장치를 예시하는 개략적인 블록도이다.
도 2는 수소가스에 의해 구리막 표면의 산화막을 환원시켰을 때 구리막의 반사율 및 환원율의 변화를 예시한 그래프이다.
도 3은 첨가 가스로서 질소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스로 구리막 표면의 산화막을 환원시켰을 때의 구리막의 반사율 및 환원율의 변화를 예시한 그래프이다.
도 4는 첨가 가스로서 산소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스로 구리막 표면의 산화막을 환원시켰을 때의 구리막의 반사율 및 구리막의 환원율의 변화를 예시한 그래프이다.
도 5는 수소 플라즈마의 발광 스펙트럼과 발광 강도 간의 관계를 예시한 그래프이다.
도 6은 시험 예 4의 분석 기판에 대하여 SIMS를 통해 수행된 표면 분석의 결과를 예시한 그래프이다.
도 7은 시험 예 5의 분석 기판에 대하여 SIMS를 통해 수행된 표면 분석의 결과를 예시한 그래프이다.
도 8은 시험 예 6의 분석 기판에 대하여 SIMS를 통해 수행된 표면 분석의 결과를 예시한 그래프이다.
도 9는 시험 예 7의 분석 기판에 대하여 SIMS를 통해 수행된 표면 분석의 결과를 예시한 그래프이다.
도 10은 시험 예 8의 분석 기판에 대하여 SIMS를 통해 수행된 표면 분석의 결과를 예시한 그래프이다.
기판 처리 방법 및 기판 처리 장치의 일실시 예를 도 1 내지 도 10을 참조하여 설명하고자 한다. 이하의 설명에서, 기판 처리 장치의 구성, 기판 처리 방법 및 예들을 순서대로 설명하고자 한다.
[기판 처리 장치의 구성]
이하, 도 1을 참조하여 기판 처리 장치의 구성을 설명하고자 한다.
도 1에 도시 된 바와 같이, 기판 처리 장치(10)는 기판(S)을 수용하는 수용 부(11), 수용부(11)에 플라즈마를 공급하는 플라즈마 공급부(12), 및 플라즈마 공급 부(12)에 가스를 공급하는 가스 공급부(13)를 포함한다.
가스 공급부(13)는 플라즈마 공급부(12)에 플라즈마 생성 가스를 공급한다. 플라즈마 생성 가스는 혼합 가스 혹은 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스이다. 혼합 가스는 수소 가스와 첨가 가스의 혼합물이다. 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 포함한다. 플라즈마 공급부(12)에 플라즈마 생성 가스를 공급할 때, 가스 공급부(13)는 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이 되도록 혼합 가스에서 수소 가스의 유량과 첨가 가스의 유량을 조절한다. 플라즈마 공급부(12)는 가스 공급부(13)에 공급된 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 수용부(11)에 플라즈마를 공급한다.
가스 공급부(13)는 예를 들어, 수소 가스 마스터 제어기 및 첨가 가스 마스터 제어기를 포함한다. 각각의 마스터 제어기는 기판 처리 장치(10) 외부에 위치한 가스 탱크에 연결되어 있다. 바람직하게는, 가스 공급부(13)에 의해 공급되는 첨가 가스는 예를 들어, 질소 가스, 산소 가스, 일산화질소 가스, 이산화질소 가스, 암모니아 및 물 (H2O 가스)을 포함한다. 바람직하게는, 첨가 가스는 질소 가스 또는 산소 가스이다.
혼합 가스 (수소 가스 및 첨가 가스) 이외에 가스 공급부(13)는 헬륨 가스 또는 아르곤 가스와 같은 희유 가스를 플라즈마 공급부(12)에 공급할 수 있다. 희유 가스는 혼합 가스로부터 플라즈마 생성 및 혼합 가스의 유량을 보조하는 보조 가스로서 기능한다. 이 경우, 가스 공급부(13)는 보조 가스 마스터 제어기를 포함 할 수 있다.
플라즈마 공급부(12)는 플라즈마 생성 챔버(21), 플라즈마 소스(22) 및 고주파 전원(23)을 포함한다. 플라즈마 생성 챔버(21)는 수용부(11)에 연결된다. 플라즈마 생성 챔버(21)는 가스 공급부(13)에 연결되는 가스 공급구(21a)를 포함한다.
상기 플라즈마 소스(22)는 상기 플라즈마 생성 챔버(21) 주변에 배치된다. 상기 플라즈마 소스(22)는 고주파 전압을 플라즈마 소스(22)에 인가하는 고주파 전원 (23)에 연결되어 있다. 플라즈마가 혼합 가스로부터 생성될 수 있는 한, 플라즈마 소스(22)는 유도 결합형 플라즈마 소스 또는 마그네트론형 플라즈마 소스일 수 있다.
플라즈마 생성 챔버(21)에 플라즈마 생성 가스가 공급 될 때, 플라즈마 공급 부(12)는 고주파 전원(23)에서 플라즈마 소스(22)에 고주파 전압을 인가함으로써 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성한다. 다음에, 플라즈마 공급부(12)는 플라즈마 생성 챔버(21)로부터 수용부(11)로 플라즈마를 공급한다.
플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마는 수소 가스로부터 생성된 활성종을 포함한다. 활성종은 예를 들어, 환원 가능한 수소 이온 및 수소 라디칼이다.
수용부(11)는 플라즈마 생성 챔버(21)에 접속되는 플라즈마 공급구를 포함한다. 수용부(11)에서, 플라즈마 공급구에 반대되는 위치에 확산기(14)가 배치된다. 플라즈마 생성 챔버(21)로부터 수용부(11)에 공급된 플라즈마는 확산기(14)에 충돌한다. 이로써 플라즈마는 수용부(11)내에서 플라즈마 공급 포트의 반경 방향으로 확산된다.
기판(S)을 지지하는 지지부(15)가 수용부(11)의 내부에 배치된다. 지지부(15)는 예를 들어, 기판 (S)이 적재되는 스테이지 또는 기판(S)의 주위를 파지하는 클램프일 수 있다. 지지부(15)는 기판(S)을 가열하는 가열 메커니즘(도시하지 않음)을 포함한다. 예를 들면, 가열 메커니즘으로는 저항 가열과 같은 공지된 메커니즘이 채용된다. 기판(S)에는 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마가 공급된다. 기판(S)은 예를 들면, 실리콘층, 구리로 형성된 금속층과 같은 도전층, 및 도전층의 표면상에 형성된 산화막을 포함한다.
수용부(11)는 플라즈마 공급구와 반대측의 벽에 형성된 배기구(11a)를 포함한다. 배기구(11a)는 배기부(16)에 연결된다. 배기부(16)은 예를 들어, 수용부(11) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절 밸브 및 수용부(11)내의 압력을 소정의 압력으로 감압하기 위한 다른 다양한 밸브들을 포함한다.
기판 처리 장치(10)는 제어부(30)를 포함한다. 제어부(30)는 플라즈마 공급부(12) 및 가스 공급부(13)를 제어 및 구동한다.
제어부(30)는 예를 들어, 플라즈마 공급부(12)를 제어 및 구동하기 위해 고주파 전원 (23)을 제어 및 구동한다. 예를 들어, 제어부(30)는 고주파 전원(23)으로부터 플라즈마 소스(22)로 고주파 전력을 공급하기 위한 타이밍 및 고주파 전원(23)에 의해 공급되는 전력량을 제어한다.
제어부(30)는 예를 들어, 가스 공급부(13)를 제어 및 구동하기 위해 각 마스터 제어기를 제어 및 구동한다. 예를 들어, 제어부(30)는 각 마스터 제어기가 플라즈마 생성 챔버(21)에 가스를 공급하는 타이밍 및 플라즈마 생성 챔버(21)에 공급되는 가스의 유량을 제어한다.
예를 들어, 기판(S)이 수용부에 의해 수용된 때, 제어부(30)는 가스 공급부(13)로부터 플라즈마 공급부(12)로의 플라즈마 생성 가스의 공급이 시작되도록 가스 공급부(13)를 제어 및 구동한다. 또한, 제어부(30)는 플라즈마 공급부(12)에 공급된 플라즈마 생성 가스로부터 소정 시간에 걸쳐 플라즈마가 생성되도록 플라즈마 공급 부(12)를 제어 및 구동한다.
바람직하게는, 플라즈마 생성 가스의 유량이 안정화 된 후 (예를 들어, 플라즈마 생성 가스가 공급된 후 일정 시간 경과 후), 플라즈마 생성이 시작되도록 제어 부(30)가 플라즈마 공급부(12)를 제어한다.
본 실시 예에서, 플라즈마 생성 가스는 제 1 플라즈마 생성 가스에 해당한다. 또한, 수소 가스 또는 수소 가스와 희유 가스를 혼합하여 얻어진 가스 (즉, 제 1 플라즈마 생성 가스에서 첨가 가스를 제외한 가스)가 제 2 플라즈마 생성 가스에 해당한다. 제 1 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마는 제 1 플라즈마에 해당하고, 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마는 제 2 플라즈마에 해당한다.
제 1 플라즈마가 수용부(11)에 공급된 후에, 제어부(30)는 제 2 플라즈마 생성 가스의 공급이 시작되도록 가스 공급부(13)를 구동 및 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(30)는 가스 공급부(13)를 구동 및 제어하여 제 1 플라즈마 생성 가스의 첨가 가스의 유량이 점차적으로 감소되게 하는 방법으로 첨가 가스를 포함하는 가스 (즉, 제 1 플라즈마 생성 가스)가 공급되는 상태로부터 첨가 가스를 포함하지 않는 가스 (즉, 제 2 플라즈마 생성 가스)가 공급되는 상태로 전환시킨다. 선택적으로, 제어부(30)는 가스 공급부(13)를 구동 및 제어하여 제 1 플라즈마 생성 가스의 첨가 가스의 유량이 갑자기 감소되도록 하는 방법으로 첨가 가스를 포함하는 가스 (즉, 제 1 플라즈마 생성 가스)의 공급 상태로부터 첨가 가스를 포함하지 않는 가스 (즉, 제 2 플라즈마 생성 가스)의 공급 상태로 가스 공급 상태를 전환시킨다. 또한, 제어부(30)는 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 소정 시간 이상 제 2 플라즈마가 생성되도록 플라즈마 공급부(12)를 제어 및 구동한다.
제 2 플라즈마 생성시, 제어부(30)는 제 1 플라즈마 생성에 후속하여 가스 및 고주파 전력이 연속적으로 공급되게 함으로써 제 2 플라즈마 생성이 시작되도록 가스 공급부(13) 및 고주파 전원(23)을 제어할 수 있다. 이러한 방식으로, 제 1 플라즈마의 생성 및 제 2 플라즈마의 생성이 연속적으로 수행 될 수 있다. 선택적으로, 제 1 플라즈마의 생성 후, 가스의 공급을 계속하면서 고주파 전력의 공급을 일단 정지하고, 이어서 제 2 플라즈마의 생성을 개시하기 위해 고주파 전력의 공급이 재개되도록, 제어부(30)는 가스 공급부(13) 및 고주파 전원(23)을 제어할 수 있다. 또 다른 방안으로, 제 1 플라즈마의 생성 후, 가스의 공급과 고주파 전력의 공급을 동시에 일시 정지하고, 이어서 제 2 플라즈마 생성을 시작하기 위해 가스 공급과 고주파 전력의 공급이 재개되도록 제어부(30)는 가스 공급부(13) 및 고주파 전원(23)을 제어할 수 있다.
[기판처리방법]
상술한 기판 처리 장치에서 실시되는 기판 처리 방법을 설명하고자 한다.
기판 처리 방법에 있어서, 혼합 가스는 수소 가스의 유량에 대한 첨가 가스의 유량 비율인 유량비가 1/500 이상이 되도록 첨가 가스와 수소 가스를 혼합함으로써 생성된다. 그 후, 혼합 가스 또는 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스로부터 플라즈마가 생성된다. 플라즈마는 산화막을 환원시키기 위해 기판 (S)상에 형성된 산화막에 인가된다. 플라즈마 처리시, 기판(S)은 가열 될 수도 있다. 예를 들어, 기판(S)이 플라즈마 처리될 때 기판(S)의 온도가 50 ℃ 이고, 바람직하게는 150 ℃ 이상이 된다. 기판 (S)이 플라즈마 처리될 때, 기판 (S)의 온도에 대한 상한값은 없다. 상한값은 기판 (S)을 보호 할 수 있는 온도, 예컨대 350 ℃ 이하일 필요가 있다.
본 실시 예에서, 제어부(30)는 가스 공급부(13)에 의해 공급되는 혼합 가스의 유량비가 1/500 이상이 되도록 가스 공급부(13)을 제어 및 구동한다. 제어부(30)은 플라즈마 생성 챔버(21) 내의 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하기 위해 고주파 전원(23)이 플라즈마 소스(22)에 고주파 전압을 인가하도록 고주파 전원(23)을 구동 및 제어한다.
그 결과, 배기부(16)에 의해 수용부(11)에서 형성되는 가스 유량에 따라 기판(S)에 플라즈마를 인가시켜 기판(S)의 산화막을 환원시킨다. 이러한 방법 및 장치에서, 수소 가스만으로 또는 수소 가스 및 희유 가스의 혼합 가스로부터 플라즈마를 생성하는 경우와 대조적으로, 혼합 가스내의 첨가 가스는 수소 가스로부터 생성된 활성종의 불활성화를 제한한다. 이는 수소 가스로부터 생성된 활성종 중에서 산화막에 도달하는 활성종의 비율을 증가시킨다. 그 결과, 소비 전력 당 산화막의 환원 속도가 빨라진다.
또한, 상기 기판 처리 방법은, 상기 제 1 플라즈마 생성 가스에 의해 생성된 상기 제 1 플라즈마로 상기 산화막을 환원시킨 후, 상기 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 상기 제 2 플라즈마를 상기 기판(S)에 인가 할 수 있다.
이 경우, 예를 들어, 제어부(30)는 후술하는 처리를 실행하기 위해 가스 공급 부(13) 및 플라즈마 공급부(12)를 제어한다. 우선, 가스 공급부(13)는 플라즈마 생성 가스를 플라즈마 공급부(12)에 공급하고 플라즈마 공급부(12)에 의해 플라즈마 생성 가스로부터 제 1 플라즈마를 생성한다. 또한, 제 1 플라즈마는 제 1 플라즈마에 의해 산화막을 환원시키기 위해 수용부(11)에 공급된다. 그리고, 가스 공급부(13)에서 플라즈마 공급부(12)로 첨가 가스를 공급하는 것은 정지되어 플라즈마 공급부(12)에 제 2 플라즈마 생성 가스를 공급하고, 플라즈마 공급부(12)에 의해 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 제 2 플라즈마를 생성한다. 제 2 플라즈마는 수용부(11)에 공급된다.
이러한 방법 및 장치에 의하면, 제 1 플라즈마에 의한 산화막의 환원 후, 기판(S)에 제 2 플라즈마가 공급된다. 따라서, 제 1 플라즈마에 의한 산화막의 환원을 수행한 후, 기판(S)내에 남아있는 산소 원자들 및 질소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 제 2 플라즈마에 의해 기판(S)으로부터 제거 할 수 있다.
[시험 예들]
시험 예들은 도 2 내지 10 을 참조하여 설명하고자 한다.
[혼합 가스의 유량비]
도 2는 수소 가스만으로 산화막을 환원 시켰을 때의 환원율을 도시하는 그래프이다. 도 3은 첨가 가스로서 질소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스로 산화막을 환원시킬 때의 환원율을 도시하는 그래프이다. 도 4는 산소 가스를 첨가 가스로서 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스를 이용하여 산화막을 환원시킬 때의 환원율을 도시하는 그래프이다.
산화막의 환원율을 계산하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 구리막을 기판(S)의 표면에 첫번째로 형성하고, 구리막의 반사율을 파장 436nm의 광을 이용하여 측정 하였다. 구리막은 열 산화를 거쳐 강제적으로 산화시켜 강제적으로 산화된 구리막의 반사율을 측정하였다. 그 후, 구리 막의 표면에 형성된 산화막을 각 가스로부터 생성된 플라즈마에 의해 환원시키고, 환원된 산화막의 반사율을 측정 하였다. 강제 산화된 구리 막의 반사율에 대한 환원된 구리 막의 반사율의 비율이 계산되었다.
첨가 가스의 유무에 관계없이 수소 가스의 유량, 아르곤 가스의 유량, 수용 부(11) 내부의 압력 및 기판(S)의 온도는 동일하게 설정하였다. 본 실시 예에서는, 수소의 유량을 1,000 sccm, 아르곤 가스의 유량을 200 sccm, 수용부(11) 내의 압력을 70Pa, 처리 시간을 70 초, 기판 (S)의 온도는 150 ℃로 설정했다. 또한, 플라즈마 소스(22)로서 마이크로파를 사용하여 혼합 가스 (수소 가스 및 첨가 가스)를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스를 이용하여 산화 막을 환원시키는 경우, 플라즈마 소스(22)에 공급되는 고주파 전력은 첨가 가스의 종류에 관계없이 500W로 설정되었다.
도 2에 도시 된 바와 같이, 플라즈마 소스(22)에 500W의 고주파 전력을 공급하여 수소 플라즈마를 생성하였을 경우 환원율은 1.04이었다. 또한, 플라즈마 소스(22)에 1,000W의 고주파 전력을 공급하여 수소 플라즈마를 생성하였을 경우 환원율은 1.10이었다.
도 3에 도시 된 바와 같이, 질소 가스의 유량이 1 sccm이고 유량비가 1/1000 였을 때의 환원율은 1.05이다. 질소 가스 유량을 2 sccm이고 유량비를 1/500 였을 때의 환원율은 1.40이었다. 질소 가스의 유량이 5 sccm이고 유량비가 1/200 였을때의 환원율은 1.50이었다. 질소 가스의 유량이 10 sccm이고 유량비가 1/100 였을때의 환원율은 1.45이었다. 질소 가스의 유량이 50 sccm이고 유량비가 1/20였을때의 환원율은 1.38이었다.
도 4에 도시 된 바와 같이, 산소 가스의 유량이 0.5 sccm이고 유량비가 1/2000 였을때의 환원율은 1.03이었다. 산소 가스의 유량이 1 sccm, 유량비가 1/1000 였을때의 환원율은 1.18이었다. 산소 가스의 유량이 2 sccm, 유량비가 1/500 였을때의 환원율은 1.57이었다. 산소 가스의 유량이 5 sccm이고 유량비가 1/200 였을때의 환원율은 1.52이었다. 산소 가스의 유량이 10 sccm, 유량비가 1/100 였을 때의 환원율은 1.66이었다. 산소 가스의 유량이 50 sccm이고 유량비가 1/20 였을때의 환원율은 1.72이었다.
이와 같이, 첨가 가스가 질소 가스인 경우 뿐만 아니라 산소 가스인 경우에도, 유량비가 1/500 이상이기만 하면 수소 가스만으로 생성된 플라즈마로 산화막을 환원시킬 때에 비해 첨가 가스가 환원율을 현저하게 높일 수 있다. 즉, 소비 전력 당 산화막의 환원 속도가 증가하였다.
유량비가 1/500 이상이기만 하면, 플라즈마 소스(22)에 공급되는 고주파 전력이 500W이더라도, 플라즈마 소스(22)에 1,000W 또는 고주파 전력을 공급함으로써 수소 가스만으로 플라즈마를 생성할 때 보다 환원율이 높아진다. 따라서, 수소 가스에 첨가 가스를 혼합함으로써, 플라즈마 소스(22)에 공급되는 고주파 전력을 단순히 증가시킬 때 보다 산화막의 환원율을 보다 효과적으로 증가시킬 수 있다.
상기 첨가 가스가 질소 가스인 경우, 소비 전력 당 산화막의 환원 속도를 증가시키면서 환원 후에 기판에 남아있는 질소 원자들을 감소시키기 위해서는, 유량비를 1/500 이상 그리고 1/10 이하가 바람직하고, 1/500 이상 그리고 1/20 이하가 보다 바람직하고, 1/500 이상 그리고 1/100이하가 더욱 바람직하다.
첨가 가스가 산소 가스인 경우, 소비 전력 당 산화막의 환원 속도를 증가시키면서 환원 후에 기판에 남아있는 산소 원자들을 감소시키기 위해서는 유량비를 1/500 이상 그리고 1/10 이하, 보다 바람직하게는 1/500 이상 그리고 1/20 이하로하는 것이 바람직하다.
[수소 플라즈마의 발광 강도]
도 5를 참조하여, 수소 플라즈마의 발광 세기에 대해 기술하고자 한다. 도 5는 후술하는 시험 예 1 내지 3의 플라즈마 발광 모니터에 의해 측정된 수소 플라즈마의 발광 강도를 나타내는 그래프이다. 시험 예 1 내지 3의 각각에서, 플라즈마 소스 (22)로서 마이크로파가 사용되었다.
[시험 예 1]
시험 예 1에서는, 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 생성 가스로서 수소 가스를 사용하였다. 시험 예 1에서는, 수소 가스의 유량을 1,000 sccm, 아르곤 가스의 유량을 200 sccm, 플라즈마 소스 (22)에 공급하는 고주파 전력을 500W로 설정하였다.
[시험 예 2]
시험 예 2 에서는, 플라즈마를 생성하기 위해 첨가 가스로서 질소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스를 사용하였다. 시험 예 2에서는, 수소 가스의 유량을 1,000 sccm으로 설정하고, 질소 가스의 유량을 2 sccm으로 설정하여 유량비를 1/500로 하였다. 또한, 아르곤 가스의 유량을 200 sccm으로 설정하고, 플라즈마 소스 (22)에 공급하는 고주파 전력을 500W로 설정하였다.
[시험 예 3]
시험 예 3에서는, 플라즈마를 생성하기 위해 플라즈마 생성 가스로서 수소 가스를 사용하였다. 시험 예 3에서는, 수소 가스의 유량을 1,000 sccm, 아르곤 가스의 유량을 200 sccm, 플라즈마 소스(22)에 공급하는 고주파 전력을 1,000W로 설정하였다.
도 5에 도시 된 바와 같이, 시험 예 2의 발광 강도는 시험 예 1의 발광 강도보다 컸고, 시험 예 3의 발광 강도는 시험 예 2의 발광 강도보다 컸다. 또한, 시험 예 2의 발광 강도와 시험 예 3의 발광 강도간의 차이는 시험 예 1의 발광 강도와 시험 예 2의 발광 강도간의 차이보다 컸다.
도 2에 도시되고 전술한 바와 같이, 시험 예 1의 조건에서의 환원율은 1.04이고, 시험 예 3의 조건에서의 환원율은 1.10이었다. 이에 비해, 도 3에 도시되고 전술 한 바와 같이, 시험 예 2의 조건에서의 환원율은 1.40이었다. 따라서, 시험 예 2에서의 환원율은 수소 가스로부터 생성된 플라즈마 중의 활성종의 양이 시험 예1 에서 보다 많기 때문에 증가하지 않았다. 오히려, 시험 예 2에서, 첨가 가스 (질소 가스)는 수소 라디칼의 재결합을 제한하고 활성종의 불활성화를 감소시킨다. 이것은 기판 (S)의 산화막에 도달한 활성 종의 양을 증가시킨다. 그 결과, 시험 예 2의 환원율은 시험예 1 (및 시험 예 3)의 환원율보다 높았다.
[SIMS를 통해 수행된 기판 분석]
이하, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 하기 시험 예 4 내지 8의 기판을 분석하는 SIMS를 수행하여 표면 분석의 결과를 설명하고자 한다.
[시험 예 4]
기판 표면에 5nm의 두께를 가지는 탄탈륨 층을 형성하고 탄탈륨층의 표면에 150nm의 두께를 가지는 제 1 구리층을 형성함으로써 적층체가 얻어졌다. 이 적층체를 10일간 정지상태로 공기 중에 남겨둔 후, 시험 예 4의 분석 기판을 얻기 위해 제 1 구리층에 50nm의 두께를 가지는 제 2 구리층을 형성하였다.
[시험 예 5]
제 2 구리 층을 형성하기 전에 환원처리가 적층체에 수행되는 것 이외에는 시험 예 4와 동일한 방식으로 시험 예 5의 분석 기판을 얻었다. 시험 예 5의 환원 처리에서는, 수소 가스의 유량을 1,000 sccm으로, 아르곤 가스의 유량을 200 sccm으로, 첨가 가스로서의 산소 가스의 유량을 2 sccm으로, 수용부(11)의 내부 압력을 70 Pa로, 고주파 전력을 500W로, 처리 시간을 10 초로, 기판 (S)의 온도를 150 ℃로 설정하였다. 마이크로파가 플라즈마 소스(22)로서 사용되었다.
[시험 예 6]
환원 처리의 처리 시간을 60 초로 한 것 이외에는 시험 예 5와 동일한 방법으로 시험 예 6의 분석 기판을 얻었다.
[시험 예 7]
환원 처리에서 첨가 가스로서 질소 가스를 사용하는 것을 제외하고는, 시험 예 6과 동일한 방법으로 시험 예 7의 분석 기판을 얻었다.
[시험 예 8]
시험 예 5와 동일한 조건으로 제1 구리층의 표면을 환원시킨 후 제 2 구리층을 형성하기 전에 제 1 구리층의 표면이 제 2 플라즈마 생성 가스를 이용하여 처리 된 것 이외에는, 시험 예 5와 동일한 방식으로 시험 예 8의 분석 기판을 얻었다. 제 2 플라즈마 생성 가스로 제 1 구리층 표면을 처리하는 공정에서, 수소 가스의 유량은 1,000 sccm으로 설정되고, 아르곤 가스의 유량은 200 sccm으로 설정되고, 수용부(11)내의 압력은 70 Pa로 설정하고, 고주파 전력을 500W로 설정하고 처리 시간을 60초로 설정 하였다.
[분석 결과]
도 6에 도시 된 바와 같이, 시험 예 4의 분석 기판에서, 제 1 구리 층 표면의 산소 원자들 농도는 1.5×1022 atoms/cm3 이고, 질소 원자들 농도는 1.0×1019 atoms/cm3 이고, 탄소 원자들 2.0×1019 atoms/cm3, 수소 원자들 농도는 5.0×1020 atoms/cm3이었다.
도 7에 도시 된 바와 같이, 시험 예 5의 분석 기판에서, 제 1 구리 층 표면의 산소 원자들 농도는 8.0×1019 atoms/cm3이었다. 또한, 질소 원자들 농도, 탄소 원자들 농도, 수소 원자들 농도는 각각 검출 하한치와 거의 동일했다. 즉, 제 1 구리 층의 표면에 질소 원자들, 탄소 원자들 및 수소 원자들이 실질적으로 거의 존재하지 않았다.
즉, 시험 예 5의 환원 처리에서는, 제 1 구리 층의 표면에 형성된 산화막을 환원시킬 수는 있었지만 제 1 구리 층의 표면에 산소 원자들이 남아 있었다. 또한, 시험 예 5의 환원 처리에서는, 산화막이 환원되어, 질소 원자들, 탄소 원자들 및 수소 원자들이 제 1 구리 층의 표면으로부터 제거 되었다.
도 8에 도시 된 바와 같이, 시험 예 6의 분석 기판에서, 제 1 구리층 표면의 산소 원자들 농도는 9.0×1019 atoms/cm3 이었다 . 또한, 질소 원자들 농도, 탄소 원자들 농도, 수소 원자들 농도는 각 검출 하한치와 거의 동일했다. 즉, 제 1 구리 층의 표면에 질소 원자들, 탄소 원자들 및 수소 원자들이 실질적으로 거의 존재하지 않았다.
즉, 시험 예 6의 환원 처리에서 제 1 구리 층의 표면에 형성된 산화막을 시험 예 5와 거의 동일한 레벨로 환원시킬 수는 있었지만, 제 1 구리 층 표면에 산소 원자들이 남아 있었다. 또한, 시험 예 6의 환원 처리에서는, 산화막이 환원되고, 질소 원자들, 탄소 원자들 및 수소 원자들이 제 1 구리 층의 표면으로부터 제거되었다.
도 9에 도시 된 바와 같이, 시험 예 7의 분석 기판은 제 1 구리 층 표면의 산소 원자들 농도가 검출 하한치와 거의 동일한 수준이었다. 또한, 질소 농도는 6.0×1019 atoms/cm3, 탄소 원자들 농도는 2.0×1019 atoms/cm3, 수소 원자들 농도는 검출 하한치와 거의 동일한 수준이었다. 즉, 제 1 구리 층의 표면에 산소 원자들 및 수소 원자들이 실질적으로 거의 존재하지 않았다.
즉, 시험 예 7의 환원 처리에서는 제 1 구리 층의 표면에 형성된 산화막을 환원시킬 수는 있었지만 제 1 구리 층의 표면에 질소 원자들이 남아 있었다. 또한, 시험 예 7의 환원 처리에서는, 산화막이 환원되어, 수소 원자들이 제 1 구리층의 표면으로부터 제거되었다.
도 10에 도시 된 바와 같이, 시험 예 8의 분석 기판은 제 1 구리층 표면에서의 산소 원자들 농도, 질소 원자들 농도, 탄소 원자들 농도 및 수소 원자들 농도는 모두 검출 하한치와 거의 동일한 수준이었다. 즉, 제 1 구리 층의 표면에는 산소 원자들, 질소 원자들, 탄소 원자들 및 수소 원자들이 실질적으로 거의 잔존하지 않았다.
즉, 시험 예 8의 환원 처리에서, 제 1 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마를 이용하여 산화막이 환원된 후에 제 1 구리 층의 표면에 남아있는 산소 원자들은 상기 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마로 제1 구리층을 처리함으로써 제거되었다.
이러한 방식으로, 첨가 가스로 역할 하는 산소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스로부터 생성된 플라즈마를 이용한 산화막의 환원은 산화막을 환원시킨다. 제 1 플라즈마 생성 가스를 이용하여 산화막을 환원시킨 후, 제 2 플라즈마 생성 가스의 플라즈마를 이용하여 산화막을 처리함으로써, 첨가 가스에 포함된 산소 원자들을 기판 표면으로부터 제거 할 수 있다. 또한, 여기서는 설명을 생략하지만, 첨가 가스로서 질소 가스를 포함하는 제 1 플라즈마 생성 가스를 이용하여 산화막을 환원시킨 후, 제 2 플라즈마 생성 가스의 플라즈마를 이용하여 산화막을 처리하는 경우, 첨가 가스에 포함된 질소 원자들을 기판의 표면으로부터 제거 할 수 있다.
본 실시 예의 기판 처리 방법 및 기판 처리 장치는 다음과 같은 이점을 갖는다.
(1) 수소 가스만으로 플라즈마를 생성시키는 경우와는 달리, 수소 가스와 첨가 가스의 혼합 가스로부터 플라즈마를 생성시키면, 수소 가스로부터 생성된 활성종의 불활성화가 바람직하게 억제된다. 이는 수소 가스로부터 생성된 활성종 중 산화막에 도달하는 활성종의 비율을 증가시키고 결과적으로 소비 전력당 산화막의 환원 속도를 증가시킨다.
(2) 첨가 가스가 산소 가스이고, 유량비가 1/10 이하이기만 하면, 활성종의 불활성화가 억제되고, 플라즈마 중의 산소 원자들이 기판에 잔류하는 것이 억제된다.
(3) 첨가 가스가 질소 가스이고, 유량비가 1/10 이하이기만 하면, 활성종의 불활성화가 억제되고, 플라즈마 내의 질소 원자들이 기판에 잔류하는 것이 억제된다.
(4) 기판(S)은 제 1 플라즈마에 의해 산화막을 환원시킨 후에 제 2 플라즈마로 처리된다. 이는 제 1 플라즈마를 사용하기 때문에 기판 (S)에 남아있는 산소 원자들 및 질소 원자들 중 적어도 어느 한 가지를 제거 할 수 있게 한다.
상기 실시 예들은 다음과 같이 변형 될 수 있다. 첨가 가스가 질소 가스이고 기판(S)상의 산화막이 환원 될 수 있는 경우, 유량비는 1/10보다 커질 수 있다. 이 경우, 혼합 가스 중의 유량비의 상한치는, 기판(S)의 표면에 잔존하는 질소 원자들이 그 이후 공정의 처리 결과에 영향을 주지 않는 범위에서 선택된다.
첨가 가스가 산소 가스이고, 기판 (S)상의 산화막이 환원 될 수 있는 경우, 유량비는 1/10보다 커질 수 있다. 이 경우, 혼합 가스 중의 유량비의 상한치는, 기판(S)의 표면에 잔존하는 산소 원자들이 그 이후 공정의 처리 결과에 영향을 주지 않는 범위에서 선택된다.
유량 비율이 1/500 이상이면 수소 가스의 유량이 1,000 sccm일 필요는 없다. 이 경우, 혼합 가스 중의 유량비의 상한치는, 기판(S)의 표면에 잔존하는 질소 원자들 및 / 또는 산소 원자들이 그 이후 공정의 처리 결과에 영향을 주지 않는 범위에서 선택된다
플라즈마 공급부(12)는 플라즈마가 수용부(11)의 외부에서 생성되어 수용부(11)에 공급되는 구성으로 제한되지는 않는다. 플라즈마 공급부(12)는 수용부(11) 내부에서 플라즈마를 생성 시키도록 구성 될 수있다. 이러한 구성에서, 플라즈마 공급부(12)는 예를 들어, 수용부(11), 수용부(11) 주위에 배치된 유도 결합 플라즈마 (ICP) 코일, 및 ICP 코일에 고주파 전압을 인가하는 전원을 단지 포함할 필요가 있다.
10: 기판 처리 장치
11: 수용부
11a: 배기구
12: 플라즈마 공급부
13: 가스 공급부
14: 확산기
15: 지지부
16: 배기부
21: 플라즈마 생성 챔버
21a: 가스 공급구
22: 플라즈마 소스
23: 고주파 전원
30: 제어부
S: 기판

Claims (6)

  1. 수소 가스와 첨가 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계;
    상기 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계; 및
    상기 플라즈마에 의해 기판 상에 형성된 산화막을 환원시키는 단계를 포함하고,
    상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 한 가지를 포함하고,
    상기 수소 가스의 유량은 희유가스의 유량보다 크게 설정하며,
    상기 혼합 가스를 생성하는 단계는 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이고 1/20이하가 되도록 상기 첨가 가스와 상기 수소 가스를 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  2. 수소 가스와 첨가 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계;
    상기 혼합 가스 또는 상기 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스로부터 플라즈마를 생성하는 단계; 및
    상기 플라즈마에 의해 기판 상에 형성된 산화막을 환원시키는 단계를 포함하고,
    상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 한 가지를 포함하고,
    상기 혼합 가스를 생성하는 단계는 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이고 1/20 이하가 되도록 상기 첨가 가스와 상기 수소 가스를 혼합하는 단계; 및
    상기 산화막을 환원시키는 단계는, 산화막을 환원시키기 위해 제 1 플라즈마로서 플라즈마를 이용하는 단계를 포함하며,
    기판 처리 방법은,
    상기 제 1 플라즈마에 의해 상기 산화막을 환원시킨 후, 상기 첨가 가스의 공급을 정지하여 상기 수소 가스 또는 수소 가스와 상기 희유 가스를 조합한 가스로부터 제 2 플라즈마를 생성하는 단계, 및
    상기 기판에 상기 제 2 플라즈마를 인가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 또는 2항에 있어서,
    상기 첨가 가스는 질소 가스이고, 상기 유량비는 1/100 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 방법.
  5. 기판을 수용하는 수용부;
    플라즈마 생성 가스를 공급하는 가스 공급부; 및
    상기 가스 공급부에 의해 공급된 상기 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 수용부에 공급하는 플라즈마 공급부를 포함하고,
    상기 플라즈마 생성 가스는 수소 가스와 첨가 가스의 혼합 가스에 희유 가스를 조합한 가스이고,
    상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 한 가지를 포함하고,
    상기 가스 공급부는 상기 수소가스의 유량이 희유가스의 유량보다 크게 설정하고, 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이고 1/20 이하가 되도록 상기 플라즈마 공급부에 상기 플라즈마 생성 가스를 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
  6. 기판을 수용하는 수용부;
    플라즈마 생성 가스를 공급하는 가스 공급부; 및
    상기 가스 공급부에 의해 공급된 상기 플라즈마 생성 가스로부터 플라즈마를 생성하여 상기 수용부에 공급하는 플라즈마 공급부를 포함하고,
    상기 플라즈마 생성 가스는 수소 가스와 첨가가스의 혼합 가스 또는 상기 혼합 가스와 희유 가스를 조합한 가스이고,
    상기 첨가 가스는 질소 원자들 및 산소 원자들 중 적어도 한 가지를 포함하고,
    상기 가스 공급부는 상기 수소 가스의 유량에 대한 상기 첨가 가스의 유량의 비율인 유량비가 1/500 이상이고 1/20 이하가 되도록 상기 플라즈마 공급부에 상기 플라즈마 생성 가스를 공급하도록 구성되고,
    상기 가스 공급부는 상기 플라즈마 생성 가스를 제 1 플라즈마 생성 가스로서 공급할 수 있고, 상기 수소 가스 또는 상기 수소 가스와 상기 희유 가스를 조합한 가스를 제 2 플라즈마 생성 가스로서 공급할 수 있고,
    기판 처리 장치는 제어부를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 가스 공급부로부터 상기 플라즈마 공급부로 상기 제 1 플라즈마 생성 가스를 공급하고,
    상기 플라즈마 공급부에 의해 상기 제 1 플라즈마 생성 가스로부터 제 1 플라즈마를 생성하여 상기 수용부에 공급하고,
    상기 제 1 플라즈마를 상기 수용부에 공급 한 후에 상기 첨가 가스의 공급을 정지하여 상기 가스 공급부로부터 상기 플라즈마 공급부로 상기 제 2 플라즈마 생성 가스를 공급하고, 및
    상기 플라즈마 공급부에 의해 상기 제 2 플라즈마 생성 가스로부터 제 2 플라즈마를 생성하고 상기 수용부에 제 2 플라즈마를 공급하는 것을 실행하고,
    상기 플라즈마 공급부 및 상기 가스 공급부를 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
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