KR102360731B1 - 성막 장치 및 성막 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있는 성막 장치 및 성막 방법을 제공한다. 성막 장치는, 고주파 전원과, 정합기를 구비한다. 고주파 전원은, 주파수를 변경 가능한 고주파 전원이다. 정합기는, 고주파 전원의 내부 임피던스와, 플라스마를 포함하는 부하의 부하 임피던스를 정합시키는 정합기이며, 부하와 직렬로 접속되는 콘덴서의 정전 용량이 고정된 정합기이다. 고주파 전원은, 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인하고, 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된 제2 주파수에서, 플라스마를 유지하는 제3 주파수로 변경하고, 제3 주파수에 있어서 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 정합기에 조정을 명령한다.

Description

성막 장치 및 성막 방법{FILM FORMING APPARATUS AND FILM FORMING METHOD}
본 개시는, 성막 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 복수의 처리 가스를 전환하여, 기판에 대하여 거의 단분자층인 얇은 단위 막의 적층을 반복하는 원자층 퇴적법(ALD법: Atomic Layer Deposition)이 있다. 또한, 성막 시에 플라스마를 사용하는 PEALD(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition)법이 있다.
일본 특허 공표 제2016-528667호 공보
본 개시는, 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있는 성막 장치 및 성막 방법을 제공한다.
본 개시의 일 형태에 의한 성막 장치는, 고주파 전원과, 정합기를 구비한다. 고주파 전원은, 주파수를 변경 가능한 고주파 전원이다. 정합기는, 고주파 전원의 내부 임피던스와, 플라스마를 포함하는 부하의 부하 임피던스를 정합시키는 정합기이며, 부하와 직렬로 접속되는 콘덴서의 정전 용량이 고정된 정합기이다. 고주파 전원은, 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인하고, 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된 제2 주파수에서, 플라스마를 유지하는 제3 주파수로 변경하고, 제3 주파수에 있어서 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 정합기에 조정을 명령한다.
본 개시에 의하면, 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 형태에서의 성막 장치의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 실시 형태에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 실시 형태에서의 플라스마 착화에서부터 플라스마 유지까지의 과정의 일례를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 실시 형태에서의 플라스마 착화 시 및 플라스마 유지 시에 있어서의 주파수와 반사율의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 실시 형태에서의 플라스마 착화의 반복의 일례를 도시하는 도면이다.
도 6은 본 실시 형태에서의 착화 주파수와 규정의 주파수의 경시 변화의 일례를 도시하는 도면이다.
도 7은 변형예 1에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다.
도 8은 변형예 2에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다.
이하에, 개시하는 성막 장치 및 성막 방법의 실시 형태에 대해서, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해 개시 기술이 한정되는 것은 아니다.
PEALD법에서는, 재료 가스나 반응 가스의 고속 전환에 더하여, 반응 가스의 효과를 향상시키기 위해서 반응 가스를 플라스마화시킬 것이 요구된다. 그러나, 반응실에 있어서, 고주파를 인가해서 반응 가스를 고속으로 플라스마화시킬 경우, 서로 다른 가스종의 전환이나 압력 변동에 의해, 고주파 전원의 내부 임피던스와 부하 임피던스의 정합을 고속화하는 것이 곤란하다. 또한, 몇층씩이나 치밀한 막을 성막하는 PEALD법에서는, 1회의 성막에 요하는 시간이, 처리 전체의 스루풋에 영향을 미친다. 그래서, 1회의 성막에 요하는 시간을 단축하기 위해서, 고속으로 플라스마를 착화시키는 것이 기대되고 있다.
[성막 장치(100)의 전체 구성]
도 1은, 본 개시의 일 실시 형태에서의 성막 장치의 일례를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 성막 장치(100)는, 용량 결합형 플라스마 처리 장치이다. 성막 장치(100)는, 챔버(1)와, 챔버(1) 내에서 피처리 기판의 일례로서 웨이퍼(W)를 수평하게 지지하는 서셉터(2)와, 챔버(1) 내에 처리 가스를 샤워 형상으로 공급하기 위한 샤워 헤드(3)를 갖는다. 또한, 성막 장치(100)는, 챔버(1)의 내부를 배기하는 배기부(4)와, 샤워 헤드(3)에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구(5)와, 플라스마 생성 기구(6)와, 제어부(7)를 갖는다.
챔버(1)는, 알루미늄 등의 금속에 의해 구성되고, 대략 원통 형상으로 형성되어 있다. 챔버(1)의 측벽에는 웨이퍼(W)를 반출입하기 위한 반입출구(11)가 형성되고, 반입출구(11)는 게이트 밸브(12)로 개폐 가능하게 되어 있다. 챔버(1)의 본체 상에는, 단면이 직사각 형상을 이루는 원환형의 배기 덕트(13)가 마련되어 있다. 배기 덕트(13)에는, 내주면을 따라서 슬릿(13a)이 형성되어 있다. 또한, 배기 덕트(13)의 외벽에는 배기구(13b)가 형성되어 있다. 배기 덕트(13)의 상면에는 챔버(1)의 상부 개구를 막도록 천장벽(14)이 마련되어 있다. 천장벽(14)의 외주에는 절연 링(16)이 끼워져 있고, 절연 링(16)과 배기 덕트(13)의 사이는 시일 링(15)으로 기밀하게 시일되어 있다.
서셉터(2)는, 웨이퍼(W)보다도 큰 직경을 갖는 원판 형상을 이루고, 지지 부재(23)에 지지되어 있다. 이 서셉터(2)는, 질화알루미늄(AlN) 등의 세라믹스 재료나, 알루미늄이나 니켈기 합금 등의 금속 재료로 구성되어 있고, 내부에 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터(21)가 매립되어 있다. 히터(21)는, 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되어 발열하도록 되어 있다. 그리고, 서셉터(2)의 상면의 웨이퍼 적재면 근방에 마련된 열전쌍(도시하지 않음)의 온도 신호에 의해 히터(21)의 출력을 제어함으로써, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 제어하도록 되어 있다.
서셉터(2)를 지지하는 지지 부재(23)는, 서셉터(2)의 저면 중앙으로부터 챔버(1)의 저벽에 형성된 구멍부를 관통해서 챔버(1)의 하방으로 연장되고, 그 하단이 승강 기구(24)에 접속되어 있다. 서셉터(2)는, 지지 부재(23)를 통한 승강 기구(24)에 의해, 도 1에 도시하는 처리 위치와, 그 하방의 웨이퍼의 반송이 가능한 반송 위치의 사이에서 승강 가능하게 되어 있다. 또한, 지지 부재(23)의 챔버(1)의 하방 위치에는, 플랜지 부재(25)가 설치되어 있다. 챔버(1)의 저면과 플랜지 부재(25)의 사이에는, 챔버(1) 내의 분위기를 외기와 구획하고, 서셉터(2)의 승강 동작에 따라 신축하는 벨로우즈(26)가 마련되어 있다.
챔버(1)의 저면 근방에는, 승강판(27a)으로부터 상방으로 돌출되도록 3개(2개만 도시)의 웨이퍼 지지 핀(27)이 마련되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 챔버(1)의 하방에 마련된 승강 기구(28)에 의해 승강판(27a)을 통해서 승강 가능하게 되어 있다. 웨이퍼 지지 핀(27)은, 반송 위치에 있는 서셉터(2)에 마련된 관통 구멍(2a)에 삽입 관통되어 서셉터(2)의 상면에 대하여 돌출 함몰 가능하게 되어 있다. 이렇게 웨이퍼 지지 핀(27)을 승강시킴으로써, 웨이퍼 반송 기구(도시하지 않음)와 서셉터(2)의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행하여진다.
샤워 헤드(3)는, 금속제이며, 서셉터(2)에 대향하도록 마련되어 있다. 샤워 헤드(3)는, 챔버(1)의 천장벽(14)에 고정되고, 내부에 가스 확산 공간을 갖는 본체부(31)와, 가스 확산 공간(33)의 내부에 배치된 배플판(34)을 갖고 있다.
본체부(31)의 상벽 중앙에는, 가스 확산 공간(33)으로 연결되는 가스 도입 구멍(36)이 형성되어 있다. 또한, 가스 도입 구멍(36)은, 천장벽(14)에도 연속해서 형성되어 있다. 가스 도입 구멍(36)에는, 처리 가스 공급 기구(5)의 배관(후술)이 접속되어 있다. 본체부(31)의 하면은, 복수의 가스 토출 구멍(35)을 갖는 샤워 플레이트(32)로 구성되어 있다. 가스 확산 공간(33)은, 웨이퍼(W)의 직경보다도 큰 직경을 갖고 있는 것이 바람직하다.
배플판(34)은 원판 형상을 이루고, 본체부(31)의 상벽 하면 및 측벽 내면, 그리고 샤워 플레이트(32)의 내면에 접하지 않도록 마련되어 있다. 배플판(34)은, 중앙의 가스 도입 구멍(36)으로부터 도입된 처리 가스를 그 상면을 따라 가스 확산 공간(33)의 주연측으로 유도하는 기능을 갖는다. 가스 확산 공간(33)의 배플판(34)의 상면을 따라 주연부에 흐른 처리 가스는, 또한 주연부로부터 배플판(34)과 샤워 플레이트(32)의 사이의 공간을 중심을 향해서 흘러 가스 토출 구멍(35)으로부터 웨이퍼(W)를 향해서 토출되도록 되어 있다. 배플판(34)은, 웨이퍼(W)의 직경 이상의 직경을 갖고 있는 것이 바람직하다.
배기부(4)는, 배기 덕트(13)의 배기구(13b)에 접속된 배기 배관(41)과, 배기 배관(41)에 접속된, 진공 펌프나 압력 제어 밸브 등을 갖는 배기 기구(42)를 구비하고 있다. 처리 시에는, 챔버(1) 내의 가스는 슬릿(13a)을 통해서 배기 덕트(13)에 이르고, 배기 덕트(13)로부터 배기부(4)의 배기 기구(42)에 의해 배기 배관(41)을 통해서 배기된다.
처리 가스 공급 기구(5)는, ALD 성막할 때의 처리 가스를 공급하는 것이다. 처리 가스 공급 기구(5)는, 형성하려고 하는 막의 구성 원소를 포함하는 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급원(51)과, 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급원(52)과, 퍼지 가스를 공급하는 제1 퍼지 가스 공급원(53) 및 제2 퍼지 가스 공급원(54)을 갖는다. 또한, 처리 가스 공급 기구(5)는, 원료 가스 공급원(51)으로부터 연장되는 원료 가스 공급 배관(61)과, 반응 가스 공급원(52)으로부터 연장되는 반응 가스 공급 배관(62)을 갖는다. 또한, 처리 가스 공급 기구(5)는, 제1 퍼지 가스 공급원(53)으로부터 연장되는 제1 퍼지 가스 공급 배관(63)과, 제2 퍼지 가스 공급원(54)으로부터 연장되는 제2 퍼지 가스 공급 배관(64)을 갖는다.
원료 가스 공급 배관(61)과 반응 가스 공급 배관(62)은, 배관(66)에 합류하고 있다. 배관(66)은 상술한 가스 도입 구멍(36)에 접속되어 있다. 또한, 제1 퍼지 가스 공급 배관(63)은 원료 가스 공급 배관(61)에 접속되고, 제2 퍼지 가스 공급 배관(64)은 반응 가스 공급 배관(62)에 접속되어 있다. 원료 가스 공급 배관(61)에는, 유량 제어기인 매스 플로우 컨트롤러(71a) 및 개폐 밸브(71b)가 마련되어 있다. 반응 가스 공급 배관(62)에는, 매스 플로우 컨트롤러(72a) 및 개폐 밸브(72b)가 마련되어 있다. 제1 퍼지 가스 공급 배관(63)에는, 매스 플로우 컨트롤러(73a) 및 개폐 밸브(73b)가 마련되어 있다. 제2 퍼지 가스 공급 배관(64)에는, 매스 플로우 컨트롤러(74a) 및 개폐 밸브(74b)가 마련되어 있다. 그리고, 처리 가스 공급 기구(5)는, 개폐 밸브(71b, 72b)의 전환에 의해, 후술하는 바와 같은 원하는 ALD 프로세스를 행할 수 있도록 되어 있다.
또한, 처리 가스 공급 기구(5)는, 제1 퍼지 가스 공급 배관(63) 및 제2 퍼지 가스 공급 배관(64)으로부터 각각 분기해서 퍼지 시에만 퍼지 가스의 유량이 증가되는 배관을 마련함으로써, 퍼지 공정 시에 퍼지 가스 유량을 증가시켜도 된다. 퍼지 가스로서는, 불활성 가스, 예를 들어 Ar 가스, He 가스 등의 희가스나, N2 가스를 사용할 수 있다.
또한, 원료 가스 및 반응 가스는, 성막하려고 하는 막에 따라서 다양한 것을 사용할 수 있다. 원료 가스를 웨이퍼 표면에 흡착시키고, 반응 가스를 흡착된 원료 가스와 반응시킴으로써, 소정의 막을 성막할 수 있다.
플라스마 생성 기구(6)는, 반응 가스를 공급해서 흡착된 원료 가스와 반응시킬 때, 반응 가스를 플라스마화하기 위한 것이다. 플라스마 생성 기구(6)는, 샤워 헤드(3)의 본체부(31)에 접속된 급전선(81)과, 급전선(81)에 접속된 정합기(82) 및 고주파 전원(83)과, 서셉터(2)에 매설된 전극(84)을 갖고 있다. 전극(84)은, 접지되어 있다. 이 고주파 전원(83)으로부터 샤워 헤드(3)에 고주파 전력이 공급됨으로써, 샤워 헤드(3)와 전극(84)의 사이에 고주파 전계가 형성되고, 이 고주파 전계에 의해, 반응 가스의 플라스마가 생성된다. 정합기(82)는, 고주파 전원(83)의 내부(또는 출력) 임피던스에 플라스마를 포함하는 부하 임피던스를 정합시키는 것이다. 정합기(82)는, 챔버(1) 내에 플라스마가 생성되어 있을 때 고주파 전원(83)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다.
여기서, 도 2를 사용해서 정합기(82) 및 고주파 전원(83)에 대해서 설명한다. 도 2는, 본 실시 형태에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다. 정합기(82) 및 고주파 전원(83)과, 샤워 헤드(3)와 전극(84)의 사이에 형성되는 고주파 전계 및 플라스마를 포함하는 부하(90)는, 도 2에 도시한 바와 같은 회로를 형성하고 있다. 본 실시 형태에서는, 정합기(82)는, 부하(90)와 병렬로 접속되는 배리어블 콘덴서(이하, 배리콘이라고도 함)(C1)와, 부하(90)와 직렬로 접속되는 콘덴서(C2)를 갖는 역 L형 정합 회로이다. 배리콘(C1)은, 예를 들어 스테핑 모터를 제어함으로써 정전 용량이 변경 가능하다. 콘덴서(C2)는, 정전 용량이 고정된, 소위 고정 콘덴서이다. 정합기(82)는, 콘덴서(C2)의 정전 용량을 고정함으로써, 고주파 전원(83)과 정합기(82)가 서로 정합하려고 해서 수렴하지 않는 상태를 방지한다. 즉, 정합기(82)에서는, 종래의 정합기에 있어서 주파수를 크게 변동시키는, 부하와 직렬로 접속되는 콘덴서의 역할을, 주파수 가변 전원인 고주파 전원(83)에 맡기고 있다. 또한, 도 2에서는, 보조적인 다른 인덕터나 콘덴서 등의 소자는 생략하고 있다.
정합기(82)는, 고주파 전원(83)으로부터 출력되는 고주파 전력의 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록, 배리콘(C1)이 자동으로 조정된다. 정합기(82)는, 고주파 전원(83)이 플라스마의 착화를 판정한 후에, 예를 들어 고주파 전원(83)으로부터의 명령에 기초하여 당해 조정을 행한다. 또한, 정합기(82)는, 고주파 전원(83)이 플라스마를 착화시킬 때까지의 시간을 대기한 후에, 배리콘(C1)의 조정을 자동으로 행하도록 해도 된다. 정합기(82)는, 첫회의 조정에서는, 플라스마를 안정되게 유지할 수 있는 규정 주파수(fp)로 정합이 행하여져, 정합 위치를 유지한다. 정합기(82)는, 2회째 이후의 조정에서는, 규정 주파수(fp)에서의 정합 위치를 유지하고 있기 때문에, 규정 주파수(fp)에서의 정합 조건의 경시 변화, 예를 들어 플라스마 착화 횟수의 증가에 의한 챔버(1) 내의 장기적인 임피던스의 변화분을 보정한다. 즉, 플라스마 안정 시에는, 고주파 전원(83)으로부터 출력되는 고주파 전력의 주파수가 규정 주파수(fp)에 고정되므로, 정합기(82)는, 챔버(1) 내의 장기적인 임피던스의 변화분에 상당하는 약간의 정합 조건의 변화를 보정하게 된다.
고주파 전원(83)은, 출력하는 고주파 전력의 주파수를 변경 가능한 가변 주파수 전원(VF(Variable Frequency) 전원)이다. 고주파 전원(83)은, 스타트 주파수인 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인한다. 스타트 주파수는, 예를 들어 39MHz를 들 수 있다. 고주파 전원(83)은 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된, 착화시 주파수(fs)인 제2 주파수에서, 플라스마를 안정되게 유지할 수 있는 규정 주파수(fp)인 제3 주파수로 변경한다. 또한, 고주파 전원(83)은, 착화시 주파수(fs)에서 규정 주파수(fp)로의 변경을 μs 오더로 행할 수 있으므로 대폭적인 시간 지연은 발생하지 않는다. 고주파 전원(83)은, 규정 주파수(fp)에 있어서 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 정합기(82)에 조정을 명령한다. 규정 주파수(fp)는, 예를 들어 40.68MHz를 들 수 있다. 여기서, 고주파 전원(83)이 출력하는 고주파 전력의 주파수는, 원료 가스나 반응 가스에 따라서 450kHz 내지 100MHz의 사이에서 적절히 설정할 수 있다.
도 1의 설명으로 돌아간다. 제어부(7)는, 주제어부, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 및 기억 장치를 갖는다. 주제어부는, 성막 장치(100)의 각 구성부, 예를 들어 개폐 밸브(71b 내지 74b), 매스 플로우 컨트롤러(71a 내지 74a), 고주파 전원(83), 히터(21), 및 배기 기구(42)의 진공 펌프 등을 제어한다. 주제어부는, 예를 들어 컴퓨터(CPU: Central Processing Unit)를 사용해서 제어를 행한다. 기억 장치에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 각종 처리의 파라미터가 기억되어 있다. 또한, 기억 장치에는, 성막 장치(100)에서 실행되는 처리를 제어하기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 저장된 기억 매체가 세트되도록 되어 있다. 주제어부는, 기억 매체에 기억되어 있는 소정의 처리 레시피를 호출하고, 그 처리 레시피에 기초하여 성막 장치(100)에 의해 소정의 처리가 행해지도록 제어한다. 예를 들어, 제어부(7)는, 개폐 밸브(71b, 72b)의 개폐 시간을 제어해서 1회의 원료 가스의 공급 시간을 제어한다.
이렇게 구성된 성막 장치(100)에 있어서는, 먼저, 게이트 밸브(12)를 개방하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 반입출구(11)를 통해서 챔버(1) 내에 웨이퍼(W)를 반입하고, 서셉터(2) 상에 적재시킨다. 반송 장치를 퇴피시키고, 제어부(7)는 서셉터(2)를 처리 위치까지 상승시킨다. 그리고, 제어부(7)는, 게이트 밸브(12)를 폐쇄하여, 챔버(1) 내를 소정의 감압 상태로 유지하고, 히터(21)에 의해 서셉터(2)의 온도를 ALD 성막할 때의 성막 반응에 따라서 소정 온도로 제어한다.
이 상태에서, 제어부(7)는, 개폐 밸브(73b 및 74b)를 개방하여, 제1 퍼지 가스 공급원(53) 및 제2 퍼지 가스 공급원(54)으로부터 제1 퍼지 가스 공급 배관(63) 및 제2 퍼지 가스 공급 배관(64)을 통해서 퍼지 가스를 연속적으로 공급한다. 제어부(7)는 퍼지 가스를 연속적으로 공급하면서, 원료 가스 공급 배관(61)의 개폐 밸브(71b) 및 반응 가스 공급 배관(62)의 개폐 밸브(72b)를 교대로 간헐적으로 개폐시킨다. 또한, 제어부(7)는, 반응 가스의 공급 타이밍에 플라스마 생성 기구(6)의 고주파 전원(83)을 온으로 한다.
제어부(7)는, 원료 가스 공급 스텝(원료 가스+퍼지 가스), 퍼지 스텝(퍼지 가스만), 반응 가스 공급 스텝(반응 가스+퍼지 가스+플라스마), 퍼지 스텝(퍼지 가스만)을 순차 반복해서 행한다. 이에 의해, PEALD에 의한 소정의 성막이 행하여진다. 또한, 반응 가스가 플라스마에 의해 반응성을 갖는 것인 경우에는, 성막 기간 중, 반응 가스를 상시 흘리고, 플라스마만을 온/오프하도록 해도 된다.
이어서, 도 3 내지 도 6을 사용해서 플라스마 착화에서부터 플라스마 유지까지의 과정에 대해서 설명한다. 도 3은, 본 실시 형태에서의 플라스마 착화에서부터 플라스마 유지까지의 과정의 일례를 도시하는 도면이다. 도 3에 도시하는 그래프(110)는, 플라스마의 착화에서부터 안정될 때까지의 주파수, 고주파 전력(투하 전력) 및 반사율을 나타내는 그래프이다. 그래프(111)는, 고주파 전원(83)이 출력하는 고주파 전력의 주파수를 나타낸다. 그래프(112)는, 고주파 전원(83)이 출력하는 고주파 전력(투하 전력)을 나타낸다. 그래프(113)는, 부하(90)로부터의 고주파 전력의 반사율을 나타낸다. 여기서, 그래프(110)에서는, 오버슈트나 언더슈트는 생략하고 있다.
제어부(7)는, 시각 t1에서, 고주파 전원(83)에 고주파 전력의 출력 개시를 명령한다. 고주파 전원(83)은, 시각 t1부터 t2까지의 구간(114)에서, 공급하는 고주파 전력을 규정값까지 상승시킨다. 또한, 고주파 전원(83)은, 이 경우에 반사파에 대응하는 분의 전력을 진행파에 더한 고주파 전력을 출력하도록 해도 된다. 고주파 전원(83)은, 고주파 전력이 규정값까지 상승하면, 부하(90)로부터의 반사가 최소가 되도록 주파수를 소인한다. 그래프(110)의 예에서는, 시각 t2부터 t3까지의 구간(115)에서, 주파수를 나타내는 그래프(111)가 상승하고, 반사율을 나타내는 그래프(113)가 하강하고 있는 것을 알 수 있다.
고주파 전원(83)은, 반사율이 플라스마 착화를 판정하는 역치 미만인지 여부를 판정한다. 또한, 당해 역치는, 반사파가 진행파의 50％ 내지 10％ 정도가 되는 임의의 값으로 할 수 있다. 고주파 전원(83)은, 반사율이 역치 이상이라고 판정한 경우, 계속해서 주파수를 소인한다. 고주파 전원(83)은, 시각 t3에서, 반사율이 역치 미만이라고 판정한 경우, 판정 시의 주파수인 착화시 주파수(fs)로 플라스마가 착화되었다고 판정한다. 고주파 전원(83)은, 플라스마가 착화되었다고 판정하면, 시각 t3부터 t4까지의 구간(116)에서, 고주파 전력의 주파수를 착화시 주파수(fs)에서 규정 주파수(fp)로 변경한다.
고주파 전원(83)은, 고주파 전력의 주파수를 규정 주파수(fp)로 변경 후, 즉, 시각 t4 이후의 구간(117)에서, 정합기(82)에 대하여, 규정 주파수(fp)에 있어서 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 조정을 명령한다. 정합기(82)는, 고주파 전원(83)으로부터의 명령을 접수하면, 플라스마가 유지되고 있는 동안에, 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 배리콘(C1)의 조정을 행한다. 제어부(7)는, 플라스마를 사용하는 처리가 종료되면, 고주파 전원(83)에 고주파 전력의 출력 정지를 명령한다. 정합기(82)는, 고주파 전원(83)의 고주파 전력의 출력이 정지되었을 경우, 배리콘(C1)의 정합 위치를 유지한다. 즉, 본 실시 형태에서는, 고주파 전원(83)의 고속의 주파수 가변 응답으로 플라스마 착화를 행하고, 정합기(82)는, 고속 응답하지 않고 성막 장치(100)의 경시적 변화에 추종하게 된다.
도 4는, 본 실시 형태에서의 플라스마 착화 시 및 플라스마 유지 시에 있어서의 주파수와 반사율의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에 도시하는 그래프(120)에서는, 플라스마 착화 시의 반사율을 그래프(121)로 나타내고, 플라스마 유지 시의 반사율을 그래프(122)로 나타내고 있다. 그래프(121)로 나타내는 바와 같이, 플라스마 착화 시에는, 착화시 주파수(fs)가 가장 반사율이 낮아, 플라스마가 착화되기 쉽다. 한편, 플라스마가 착화된 후에는, 규정 주파수(fp)가 가장 반사율이 낮아, 플라스마가 안정된다. 즉, 고주파 전원(83)은, 착화시 주파수(fs)로 플라스마 착화를 행한 후에, 규정 주파수(fp)로 주파수를 변경함으로써 플라스마를 안정되게 유지할 수 있다.
도 5는, 본 실시 형태에서의 플라스마 착화의 반복의 일례를 도시하는 도면이다. 도 5에 도시하는 그래프(130)는, 상술한 반응 가스 공급 스텝(반응 가스+퍼지 가스+플라스마)에서의 플라스마 착화의 반복에 있어서의 고주파 전력을 나타내는 그래프이다. 그래프(131)는, 고주파 전원(83)으로부터 출력되는 고주파 전력을 나타낸다. 그래프(132)는 반사파의 전력을 나타낸다. 그래프(130)에서는, 시각 t1부터 플라스마가 착화되는 시각 t3까지의 구간(114, 115)에서는, 고주파 전력의 증가에 따라서 반사파의 전력도 증가하고 있다. 또한, 그래프(130)는, 플라스마 착화까지 고주파 전력의 출력을 상승시키고 있는 경우의 일례이다.
고주파 전원(83)은, 시각 t3에서 플라스마가 착화되면, 시각 t4까지의 구간(116)에서, 고주파 전력의 주파수를 착화시 주파수(fs)에서 규정 주파수(fp)로 주파수를 변경한다. 시각 t4부터 t5까지의 구간(117)은 플라스마가 유지되고 있다. 구간(117)에서는, 고주파 전력의 진행파와 반사파의 정합은 정합기(82)가 행한다. 정합기(82)는, 주로 챔버(1) 내의 경시 변화에 의한 정합 조건의 변화를 보정한다. 또한, 그래프(130)의 예에서는, 시각 t1부터 t3의 사이는 수십 ms 정도이고, 시각 t1부터 t5까지의 사이는 수초, 예를 들어 2초 내지 4초 정도이다. 이와 같이, 본 실시 형태에서는, 플라스마 착화 시의 매칭을 고주파 전원(83)이 행하므로, 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있다.
도 6은, 본 실시 형태에서의 착화 주파수와 규정의 주파수의 경시 변화의 일례를 도시하는 도면이다. 도 6에 도시하는 그래프(140)는, 챔버(1) 내의 경시 변화(플라스마 착화 횟수)에 의한 착화시 주파수(fs)의 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프(140)에 나타내는 바와 같이, 성막 처리를 반복해서 행하면, 데포지션의 퇴적 등에 의해 챔버(1) 내의 상태가 변화한다. 이 때문에, 시간이 경과함에 따라, 착화시 주파수(fs)가 규정 주파수(fp)로부터 변화해 나가게 된다. 또한, 착화시 주파수(fs)의 변화는 착화 시의 극히 단시간이므로 프로세스 특성에 영향을 주지 않는다.
[변형예 1]
정합기(82)에서의 정합 회로에서는, 배리콘(C1) 대신에 인덕턴스를 전기적으로 변경할 수 있는 배리어블 리액터를 사용할 수 있다. 도 7은, 변형예 1에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다. 도 7에 도시하는 변형예 1의 정합기(82a) 및 고주파 전원(83a)에서는, 배리콘(C1) 대신에, 콘덴서(C1')와, 배리어블 리액터(배리어블 인덕터)(L1)(이하, 배리(L1)라고도 함)를 갖는 점이 상기의 실시 형태와 다르다. 콘덴서(C1')와 배리(L1)는, 직렬로 접속되어 있다. 콘덴서(C1')는, 정전 용량이 고정된 콘덴서이다. 배리(L1)는, 예를 들어 전기적으로 제어함으로써 인덕턴스가 변경 가능한 인덕터이다.
정합기(82a)는, 고주파 전원(83a)으로부터 출력되는 고주파 전력의 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록, 고주파 전원(83a)과 함께, 고주파 전원(83a)으로부터의 명령에 기초하여 자동으로 조정된다.
고주파 전원(83a)은, 출력하는 고주파 전력의 주파수를 변경 가능한 VF 전원이다. 고주파 전원(83a)은, 스타트 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인한다. 이때, 고주파 전원(83a)은, 자신과 정합기(82a)의 배리(L1)를 일체로 해서 정합이 취해지도록 조정을 행한다. 고주파 전원(83a)은, 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된, 착화시 주파수(fs)에서, 플라스마를 안정되게 유지할 수 있는 규정 주파수(fp)로 변경한다. 또한, 고주파 전원(83a)은, 규정 주파수(fp)에 있어서 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록, 정합기(82a)에 대하여, 예를 들어 플라스마 안정 시의 값으로 조정하도록 명령한다.
변형예 1에서는, 배리어블 리액터를 전기적으로 제어하기 때문에, 고속으로 동작이 가능함과 함께, 고주파 전력의 주파수가 27MHz 정도까지인 경우에 유효하다.
[변형예 2]
정합기(82)에서의 정합 회로에서는, 배리콘(C1) 대신에 복수의 콘덴서를 전기적 스위칭으로 전환하는 솔리드 스테이트 회로를 사용할 수 있다. 도 8은, 변형예 2에서의 고주파 전원 및 정합기의 접속의 일례를 도시하는 도면이다. 도 8에 도시하는 변형예 2의 정합기(82b) 및 고주파 전원(83b)에서는, 배리콘(C1) 대신에, 솔리드 스테이트 회로(C1")를 갖는 점이 상기의 실시 형태와 다르다. 솔리드 스테이트 회로(C1")는, 복수의 콘덴서를 전기적 스위칭으로 전환함으로써, 정전 용량이 변경 가능한 콘덴서라고 간주할 수 있다.
정합기(82b)는, 고주파 전원(83b)으로부터 출력되는 고주파 전력의 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록, 고주파 전원(83b)과 함께, 고주파 전원(83b)으로부터의 명령에 기초하여 자동으로 조정된다.
고주파 전원(83b)은, 출력하는 고주파 전력의 주파수를 변경 가능한 VF 전원이다. 고주파 전원(83b)은, 스타트 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인한다. 이때, 고주파 전원(83b)은, 자신과 정합기(82b)의 솔리드 스테이트 회로(C1")를 일체로 해서 정합이 취해지도록 조정을 행한다. 고주파 전원(83b)은, 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된, 착화시 주파수(fs)에서, 플라스마를 안정되게 유지할 수 있는 규정 주파수(fp)로 변경한다. 또한, 고주파 전원(83b)은, 규정 주파수(fp)에 있어서 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록, 정합기(82b)에 대하여, 예를 들어 플라스마 안정 시의 값으로 조정하도록 명령한다.
변형예 2에서는, 솔리드 스테이트 회로(C1")를 고주파 전원(83b)과 일체적으로 제어하기 때문에, 고속으로 동작이 가능하여, 상승 시에도 반사파를 억제할 수 있다.
또한, 변형예 1, 2에서는, 정합기(82a, 82b)도 고속의 응답이 가능하기 때문에, 착화시 주파수(fs)에서 규정 주파수(fp)로 변경하지 않고, 착화시 주파수(fs)에 있어서 정합이 취해져, 착화시 주파수(fs)로 플라스마를 안정되게 유지할 수 있다. 이 경우, 고주파 전원(83a, 83b)은, 반사파에 대응하는 분만큼 진행파 전력을 증대시킴으로써, 보다 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있다. 즉, 변형예 1, 2에서는, 성막 처리에 있어서, 규정 주파수(fp)로 변경할 필요가 없을 경우에는, 착화시 주파수(fs)로 플라스마 처리를 행할 수 있다.
이상, 본 실시 형태에 따르면, 성막 장치(100)는, 고주파 전원(83)과, 정합기(82)를 구비한다. 고주파 전원(83)은 주파수를 변경 가능한 고주파 전원이다. 정합기(82)는, 고주파 전원(83)의 내부 임피던스와, 플라스마를 포함하는 부하(90)의 부하 임피던스를 정합시키는 정합기이며, 부하(90)와 직렬로 접속되는 콘덴서의 정전 용량이 고정된 정합기이다. 고주파 전원(83)은, 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인하고, 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 고주파 전력의 주파수를, 플라스마가 착화된 제2 주파수에서, 플라스마를 유지하는 제3 주파수로 변경하고, 제3 주파수에 있어서 부하(90)로부터의 반사파가 최소가 되도록 정합기(82)에 조정을 명령한다. 그 결과, 고속으로 플라스마를 착화시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 정합기(82)는, 부하(90)와 병렬로 접속된, 정전 용량이 변경 가능한 배리어블 콘덴서를 갖는다. 고주파 전원(83)은, 정합기(82)에 대하여 배리어블 콘덴서의 조정을 명령한다. 그 결과, 플라스마 유지 시의 매칭을 정합기(82)에서 행할 수 있다.
또한, 변형예 1에 의하면, 정합기(82a)는, 부하(90)와 병렬로 접속된, 정전 용량이 고정된 콘덴서, 및 인덕턴스가 변경 가능한 배리어블 리액터를 갖는다. 고주파 전원(83a)은, 정합기(82a)에 대하여 배리어블 리액터의 조정을 명령한다. 그 결과, 고속으로 동작이 가능함과 함께, 고주파 전력의 주파수가 27MHz 정도까지인 경우에 유효하다.
또한, 변형예 2에 의하면, 정합기(82b)는, 부하(90)와 병렬로 접속된, 복수의 콘덴서를 전환 가능한 솔리드 스테이트 회로를 갖는다. 고주파 전원(83b)은, 정합기(82b)에 대하여 솔리드 스테이트 회로의 조정을 명령한다. 그 결과, 고속으로 동작이 가능하여, 상승 시에도 반사파를 억제할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따르면, 제3 주파수는, 제2 주파수와 다른 주파수이다. 그 결과, 규정 주파수(fp)로 플라스마를 유지할 수 있다.
또한, 변형예 1, 2에 의하면, 제3 주파수는, 제2 주파수와 동일하고, 고주파 전원(83a, 83b)은, 제2 주파수에 있어서 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록, 정합기(82a, 82b)에 조정을 명령한다. 그 결과, 착화시 주파수(fs)로 플라스마를 유지할 수 있다.
[ALD 성막의 구체예]
본 개시의 ALD 성막에 있어서는, 성막하는 막에 특별히 제한은 없으며, 통상 ALD로 성막되는 막에는 모두 적용 가능하다. 원료 가스로서는, Si 함유 가스나 B 함유 가스, 또는 Ti, Al, Hf 등의 금속을 포함하는 금속 함유 가스가 사용된다. 반응 가스로서는, 산화 가스, 질화 가스, 탄화 가스, 환원 가스 등이 사용된다. 산화 가스를 사용한 경우에는 산화막을 형성할 수 있고, 질화 가스를 사용한 경우에는 질화막을 형성할 수 있고, 탄화 가스를 사용한 경우에는 탄화막을 형성할 수 있고, 환원 가스를 사용한 경우에는 금속막 등의 단체 막을 형성할 수 있다.
원료 가스 및 반응 가스는, 성막하려고 하는 막의 조성에 따라서 결정되며, 상기 실시 형태에서는, 1종류의 원료 가스와 1종류의 반응 가스를 교대로 공급한 예를 나타냈지만, 조성에 따라서는 이들 중 어느 것을 복수 사용해도 된다. 이 경우에는, 3종류 이상의 가스를 공급하는 처리 가스 공급 기구를 사용하면 되며, 이들 가스는, 성막하려고 하는 막의 조성에 따라서 적절한 공급 패턴으로 시퀀셜하게 공급하면 된다. 공급 패턴에 따라서는 복수 종류의 원료 가스 또는 복수 종류의 반응 가스를 계속해서 공급하는 경우도 있을 수 있는데, 이러한 경우에도, 전체로서는 원료 가스와 반응 가스의 교대 공급이 유지된다. 원료 가스 또는 반응 가스를 복수 사용하는 경우에는, 복합막을 형성할 수 있다.
성막되는 막의 구체예로서는, 산화막으로서 SiO2, TiO2, TiSiO2, Al2O3, HfO2, ZrO2 등을 들 수 있다. 질화막으로서는, TiN, SiN, TaN, BN, SiBN 등을 들 수 있다. 탄화막으로서는, SiC, TiAlC 등을 들 수 있다. 금속막과 같은 단체 막으로서는, Ti, Ta, W, Si 등을 들 수 있다. 기타, SiON, SiOCN, SiBCN 등을 들 수 있다.
금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시이며, 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기 실시 형태는, 첨부의 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 플라스마원으로서 용량 결합형 플라스마를 사용해서 웨이퍼(W)에 대하여 성막 등의 처리를 행하는 성막 장치(100)를 예로 들어 설명했지만, 개시의 기술은 이것에 한하지 않는다. 플라스마를 사용해서 웨이퍼(W)에 대하여 처리를 행하는 장치라면, 플라스마원은 용량 결합 플라스마에 한하지 않고, 예를 들어 유도 결합 플라스마, 마이크로파 플라스마, 마그네트론 플라스마 등, 임의의 플라스마원을 사용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 주파수를 변경 가능한 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원의 내부 임피던스와, 플라스마를 포함하는 부하의 부하 임피던스를 정합시키는 정합기이며, 상기 부하와 직렬로 접속되는 콘덴서의 정전 용량이 고정된 정합기를 포함하고,
    상기 고주파 전원은, 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 상기 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록, 공급하는 상기 고주파 전력의 주파수를 소인하고, 상기 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 상기 고주파 전력의 주파수를, 상기 플라스마가 착화된 제2 주파수에서, 상기 플라스마를 유지하는 제3 주파수로 변경하고, 상기 제3 주파수에 있어서 상기 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 상기 정합기에 조정을 명령하는,
    성막 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정합기는, 상기 부하와 병렬로 접속된, 정전 용량이 변경 가능한 배리어블 콘덴서를 더 포함하고,
    상기 고주파 전원은, 상기 정합기에 대하여 상기 배리어블 콘덴서의 조정을 명령하는, 성막 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정합기는, 상기 부하와 병렬로 접속된, 정전 용량이 고정된 콘덴서, 및 인덕턴스가 변경 가능한 배리어블 리액터를 더 포함하고,
    상기 고주파 전원은, 상기 정합기에 대하여 상기 배리어블 리액터의 조정을 명령하는, 성막 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 정합기는, 상기 부하와 병렬로 접속된, 복수의 콘덴서를 전환 가능한 솔리드 스테이트 회로를 더 포함하고,
    상기 고주파 전원은, 상기 정합기에 대하여 상기 솔리드 스테이트 회로의 조정을 명령하는, 성막 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 주파수는, 상기 제2 주파수와 다른 주파수인, 성막 장치.
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 제3 주파수는, 상기 제2 주파수와 동일하고, 상기 고주파 전원은, 상기 제2 주파수에 있어서 상기 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록, 상기 정합기에 조정을 명령하는, 성막 장치.
  7. 주파수를 변경 가능한 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원의 내부 임피던스와, 플라스마를 포함하는 부하의 부하 임피던스를 정합시키는 정합기이며, 상기 부하와 직렬로 접속되는 콘덴서의 정전 용량이 고정된 정합기를 포함하는 성막 장치에 의한 성막 방법이며,
    상기 고주파 전원이, 제1 주파수로 고주파 전력의 공급을 개시하면, 상기 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 주파수를 소인하는 것과,
    상기 고주파 전원이, 상기 플라스마가 착화되었다고 판정한 경우, 공급하는 상기 고주파 전력의 주파수를, 상기 플라스마가 착화된 제2 주파수에서, 상기 플라스마를 유지하는 제3 주파수로 변경하는 것과,
    상기 고주파 전원이, 상기 제3 주파수에 있어서 상기 부하로부터의 반사파가 최소가 되도록 상기 정합기에 조정을 명령하는 것
    을 포함하는 성막 방법.
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