KR102454251B1 - 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 - Google Patents

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램 Download PDF

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다케시 야스이
마사키 무로바야시
고이치로 하라다
다다시 데라사키
마사노리 나카야마
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Abstract

플라스마 생성 공간과 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 기판이 적재되도록 구성되는 기판 적재대와, 플라스마 생성 공간의 외주에 권회하도록 설치되는 코일을 구비하고, 코일의 전기적 길이가 코일에 공급되는 고주파 전력의 파장의 정수배이며, 코일의 직경이 기판의 직경보다 커지도록 구성되는 유도 결합 구조와, 기판 적재대를 승강시키도록 구성되는 기판 적재대 승강부와, 플라스마 생성 공간에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 기판을 처리할 때, 기판 적재대에 적재된 기판이 코일의 하단보다 하방의 높이에 위치하도록, 기판 적재대 승강부를 제어하도록 구성되는 제어부를 갖는 기판 처리 장치를 제공한다. 이에 의해, 기판을 처리할 때, 기판의 면 상에 생성되는 플라스마의 밀도의 치우침을 저감하여, 기판 처리의 면내 균일성을 향상시킨다.

Description

기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 프로그램{SUBSTRATE PROCESSING DEVICE, MANUFACTURING METHOD OF SEMICONDUCTOR DEVICE AND PROGRAM}
본 발명은 기판 처리 장치, 반도체 장치의 제조 방법 및 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
최근 몇년간, 플래시 메모리 등의 반도체 장치는 고집적화의 경향이 있다. 그에 수반하여, 패턴 사이즈가 현저하게 미세화되어 있다. 이들 패턴을 형성할 때, 제조 공정의 일 공정으로서, 기판에 산화 처리나 질화 처리 등의 소정의 처리를 행하는 공정이 실시될 경우가 있다.
예를 들어, 특허문헌 1에는, 플라스마 여기한 처리 가스를 사용해서 기판 상에 형성된 패턴 표면을 개질 처리하는 것이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2014-75579호 공보
그러나, 처리 가스를 플라스마 여기함으로써 기판을 처리할 때, 기판의 면 상에 생성되는 플라스마의 밀도에 치우침이 발생하면, 기판의 면내에 대하여 균일하게 처리가 실시되지 않아, 당해 기판으로부터 제조되는 반도체 장치의 성능에 변동이 발생해버리는 경우가 있다.
본 발명은, 처리 가스를 플라스마 여기함으로써 기판을 처리할 때, 기판의 면 상에 생성되는 플라스마의 밀도의 치우침을 저감하여, 기판 처리의 면내 균일성을 향상시키는 기술을 제공한다.
본 발명의 일 형태에 의하면, 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실과, 상기 기판 처리 공간 내에 설치되어, 기판이 적재되도록 구성되는 기판 적재대와, 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 권회하도록 설치되는 코일을 구비하고, 상기 코일의 전기적 길이가 상기 코일에 공급되는 고주파 전력의 파장의 정수배이며, 상기 코일의 직경이 상기 기판의 직경보다 커지도록 구성되는 유도 결합 구조와, 상기 기판 적재대를 승강시키도록 구성되는 기판 적재대 승강부와, 상기 플라스마 생성 공간에 상기 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 기판을 처리할 때, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판이 상기 코일의 하단보다 하방의 높이에 위치하도록, 상기 기판 적재대 승강부를 제어하도록 구성되는 제어부를 포함하는 기판 처리 장치가 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 기판 처리 장치의 플라스마 생성 원리를 설명하는 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 장치의 제어부(제어 수단)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 공정을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 기판 처리 공정에서 처리되는 홈(트렌치)이 형성된 기판의 설명도이다.
도 6은 검증 예에서의, 플라스마 생성 공간 및 기판 처리 공간 내에 설치된 프로브의 높이 위치를 도시하는 도면이다.
도 7은 검증 예에서의, 높이 위치 각각에서의 프로브의 설치 위치를 도시하는 도면이다.
도 8은 검증 예에서의, 높이 위치에서의 플라스마 밀도의 분포를 측정한 값을 도시하는 도면이다.
도 9는 검증 예에서의, 높이 위치에서의 플라스마 밀도의 분포를 측정한 결과를 그래프로 도시하는 도면이다.
<본 발명의 제1 실시 형태>
(1) 기판 처리 장치의 구성
본 발명의 제1 실시 형태에 관한 기판 처리 장치에 대해서, 도 1 및 도 2를 사용해서 이하에 설명한다. 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치는, 주로 기판면 상에 형성된 막에 대하여 산화 처리를 행하도록 구성되어 있다.
(처리실)
처리 장치(100)는, 웨이퍼(200)를 플라스마 처리하는 처리로(202)를 구비하고 있다. 처리로(202)에는, 처리실(201)을 구성하는 처리 용기(203)가 설치되어 있다. 처리 용기(203)는, 제1 용기인 돔형의 상측 용기(210)와, 제2 용기인 사발형의 하측 용기(211)를 구비하고 있다. 상측 용기(210)가 하측 용기(211) 상에 덮임으로써, 처리실(201)이 형성된다. 상측 용기(210)는, 예를 들어 산화알루미늄(Al2O3) 또는 석영(SiO2) 등의 비금속 재료로 형성되어 있고, 하측 용기(211)는, 예를 들어 알루미늄(Al)으로 형성되어 있다.
또한, 하측 용기(211)의 하부 측벽에는, 게이트 밸브(244)가 설치되어 있다. 게이트 밸브(244)는, 개방되어 있을 때, 반송 기구(도시하지 않음)를 사용하여, 반출입구(245)를 통해서 처리실(201) 내에 웨이퍼(200)를 반입하거나, 처리실(201) 밖으로 웨이퍼(200)를 반출하거나 할 수 있도록 구성되어 있다. 게이트 밸브(244)는, 닫혀 있을 때는, 처리실(201) 내의 기밀성을 유지하는 구획 밸브가 되도록 구성되어 있다.
처리실(201)은, 주위에 공진 코일(212)이 설치되어 있는 플라스마 생성 공간(201a)과, 플라스마 생성 공간(201a)에 연통하여, 웨이퍼(200)가 처리되는 기판 처리 공간(201b)을 갖는다. 플라스마 생성 공간(201a)은 플라스마가 생성되는 공간이며, 처리실 중, 공진 코일(212)의 하단보다 상방이며, 또한 공진 코일(212)의 상단보다 하방의 공간을 말한다. 한편, 기판 처리 공간(201b)은, 기판이 플라스마를 사용해서 처리되는 공간이며, 공진 코일(212)의 하단보다 하방의 공간을 말한다. 본 실시 형태에서는, 플라스마 생성 공간(201a)과 기판 처리 공간(201b)의 수평 방향의 직경은 대략 동일해지도록 구성되어 있다.
(서셉터)
처리실(201)의 바닥측 중앙에는, 웨이퍼(200)를 적재하는 기판 적재부(적재대)로서의 서셉터(217)가 배치되어 있다. 서셉터(217)는 예를 들어 질화알루미늄(AlN), 세라믹스, 석영 등의 비금속 재료로 형성되어 있고, 웨이퍼(200) 상에 형성되는 막 등에 대한 금속 오염을 저감할 수 있도록 구성되어 있다.
서셉터(217)의 내부에는, 가열 기구로서의 히터(217b)가 일체적으로 매립되어 있다. 히터(217b)는, 전력이 공급되면, 웨이퍼(200) 표면을 예를 들어 25℃ 내지 750℃ 정도까지 가열할 수 있도록 구성되어 있다.
서셉터(217)는, 하측 용기(211)와는 전기적으로 절연되어 있다. 임피던스 조정 전극(217c)은, 서셉터(217)에 적재된 웨이퍼(200) 상에 생성되는 플라스마의 밀도의 균일성을 보다 향상시키기 위해서, 서셉터(217) 내부에 설치되어 있고, 임피던스 조정부로서의 임피던스 가변 기구(275)를 통해서 접지되어 있다. 임피던스 가변 기구(275)는 코일이나 가변 콘덴서로 구성되어 있고, 코일의 인덕턴스 및 저항 그리고 가변 콘덴서의 용량값을 제어함으로써, 임피던스를 약 0Ω부터 처리실(201)의 기생 임피던스 값의 범위 내에서 변화시킬 수 있도록 구성되어 있다. 이에 의해, 임피던스 조정 전극(217c) 및 서셉터(217)를 통해서, 웨이퍼(200)의 전위(바이어스 전압)를 제어할 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 후술하는 바와 같이 웨이퍼(200) 상에 생성되는 플라스마의 밀도의 균일성을 향상시킬 수 있으므로, 이 플라스마의 밀도의 균일성이 원하는 범위에 들어갈 경우, 임피던스 조정 전극(217c)을 사용한 바이어스 전압 제어는 행하지 않는다. 또한, 당해 바이어스 전압 제어를 행하지 않는 경우에는, 서셉터(217)에 전극(217c)을 설치하지 않도록 해도 된다. 단, 당해 균일성을 보다 향상시킬 것을 목적으로 당해 바이어스 전압 제어를 행해도 된다.
서셉터(217)에는, 서셉터를 승강시키는 구동 기구를 구비하는 서셉터 승강 기구(268)가 설치되어 있다. 또한, 서셉터(217)에는 관통 구멍(217a)이 설치됨과 함께, 하측 용기(211)의 저면에는 웨이퍼 밀어올림 핀(266)이 설치되어 있다. 관통 구멍(217a)과 웨이퍼 밀어올림 핀(266)은 서로 대향하는 위치에, 적어도 각 3군데씩 설치되어 있다. 서셉터 승강 기구(268)에 의해 서셉터(217)가 하강되었을 때는, 웨이퍼 밀어올림 핀(266)이 서셉터(217)와는 비접촉의 상태에서, 관통 구멍(217a)을 관통하도록 구성되어 있다.
주로, 서셉터(217) 및 히터(217b), 전극(217c)에 의해, 본 실시 형태에 따른 기판 적재부가 구성되어 있다.
(가스 공급부)
처리실(201)의 상방, 즉 상측 용기(210)의 상부에는, 가스 공급 헤드(236)가 설치되어 있다. 가스 공급 헤드(236)는, 캡 모양의 덮개(233)와, 가스 도입구(234)와, 버퍼실(237)과, 개구(238)와, 부가적인 차폐 플레이트(240)와, 가스 분출구(239)를 구비하여, 반응 가스를 처리실(201) 내에 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 버퍼실(237)은, 가스 도입구(234)로부터 도입되는 반응 가스를 분산하는 분산 공간으로서의 기능을 갖는다.
가스 도입구(234)에는, 산소 함유 가스로서의 산소(O2) 가스를 공급하는 산소 함유 가스 공급관(232a)의 하류단과, 수소 함유 가스로서의 수소(H2) 가스를 공급하는 수소 함유 가스 공급관(232b)의 하류단과, 불활성 가스로서의 아르곤(Ar) 가스를 공급하는 불활성 가스 공급관(232c)의 하류단이 합류하도록 접속되어 있다. 산소 함유 가스 공급관(232a)에는, 상류측부터 순서대로 O2 가스 공급원(250a), 유량 제어 장치로서의 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(252a), 개폐 밸브로서의 밸브(253a)가 설치되어 있다. 수소 함유 가스 공급관(232b)에는, 상류측부터 순서대로 H2 가스 공급원(250b), MFC(252b), 밸브(253b)가 설치되어 있다. 불활성 가스 공급관(232c)에는, 상류측부터 순서대로 Ar 가스 공급원(250c), MFC(252c), 밸브(253c)가 설치되어 있다. 산소 함유 가스 공급관(232a)과 수소 함유 가스 공급관(232b)과 불활성 가스 공급관(232c)이 합류한 하류측에는, 밸브(243a)가 설치되고, 가스 도입구(234)의 상류단에 접속되어 있다. 밸브(253a, 253b, 253c, 243a)를 개폐시킴으로써, MFC(252a, 252b, 252c)에 의해 각각의 가스의 유량을 조정하면서, 가스 공급관(232a, 232b, 232c)을 통해서, 산소 함유 가스, 수소 가스 함유 가스, 불활성 가스 등의 처리 가스를 처리실(201) 내에 공급할 수 있도록 구성되어 있다.
주로, 가스 공급 헤드(236)(덮개(233), 가스 도입구(234), 버퍼실(237), 개구(238), 부가적인 차폐 플레이트(240), 가스 분출구(239)), 산소 함유 가스 공급관(232a), 수소 함유 가스 공급관(232b), 불활성 가스 공급관(232c), MFC(252a, 252b, 252c), 밸브(253a, 253b, 253c, 243a)에 의해, 본 실시 형태에 따른 가스 공급부(가스 공급계)가 구성되어 있다.
또한, 가스 공급 헤드(236), 산소 함유 가스 공급관(232a), MFC(252a), 밸브(253a, 243a)에 의해, 본 실시 형태에 따른 산소 함유 가스 공급계가 구성되어 있다. 또한, 가스 공급 헤드(236), 수소 함유 가스 공급관(232b), MFC(252b), 밸브(253b, 243a)에 의해, 본 실시 형태에 따른 수소 가스 공급계가 구성되어 있다. 또한, 가스 공급 헤드(236), 불활성 가스 공급관(232c), MFC(252c), 밸브(253c, 243a)에 의해, 본 실시 형태에 따른 불활성 가스 공급계가 구성되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치는, 산소 함유 가스 공급계로부터 산소 함유 가스로서의 O2 가스를 공급함으로써 산화 처리를 행하도록 구성되어 있지만, 산소 함유 가스 공급계 대신에, 질소 함유 가스를 처리실(201) 내에 공급하는 질소 함유 가스 공급계를 설치할 수도 있다. 이렇게 구성된 기판 처리 장치에 의하면, 기판의 산화 처리 대신에 질화 처리를 행할 수 있다. 이 경우, O2 가스 공급원(250a) 대신에, 예를 들어 질소 함유 가스 공급원으로서의 N2 가스 공급원이 설치되어, 산소 함유 가스 공급관(232a)이 질소 함유 가스 공급관으로서 구성된다.
(배기부)
하측 용기(211)의 측벽에는, 처리실(201) 내로부터 반응 가스를 배기하는 가스 배기구(235)가 설치되어 있다. 가스 배기구(235)에는, 가스 배기관(231)의 상류단이 접속되어 있다. 가스 배기관(231)에는, 상류측부터 순서대로 압력 조정기(압력 조정부)로서의 APC(Auto Pressure Controller)(242), 개폐 밸브로서의 밸브(243b), 진공 배기 장치로서의 진공 펌프(246)가 설치되어 있다.
주로, 가스 배기구(235), 가스 배기관(231), APC(242), 밸브(243b)에 의해, 본 실시 형태에 따른 배기부가 구성되어 있다. 또한, 진공 펌프(246)를 배기부에 포함해도 된다.
(플라스마 생성부)
처리실(201)의 외주부, 즉 상측 용기(210)의 측벽의 외측에는, 처리실(201)을 둘러싸도록, 제1 전극으로서의, 나선형 공진 코일(212)이 설치되어 있다. 공진 코일(212)에는, RF 센서(272), 고주파 전원(273), 고주파 전원(273)의 임피던스나 출력 주파수의 정합을 행하는 정합기(274)가 접속된다.
고주파 전원(273)은, 공진 코일(212)에 고주파 전력(RF 전력)을 공급하는 것이다. RF 센서(272)는 고주파 전원(273)의 출력측에 설치되어, 공급되는 고주파의 진행파나 반사파의 정보를 모니터하는 것이다. RF 센서(272)에 의해 모니터된 반사파 전력은 정합기(274)에 입력되고, 정합기(274)는, RF 센서(272)로부터 입력된 반사파의 정보에 기초하여, 반사파가 최소가 되도록, 고주파 전원(273)의 임피던스나 출력되는 고주파 전력의 주파수를 제어하는 것이다.
고주파 전원(273)은, 발진 주파수 및 출력을 규정하기 위한 고주파 발진 회로 및 프리 앰프를 포함하는 전원 제어 수단(컨트롤 회로)과, 소정의 출력으로 증폭하기 위한 증폭기(출력 회로)를 구비하고 있다. 전원 제어 수단은, 조작 패널을 통해서 미리 설정된 주파수 및 전력에 관한 출력 조건에 기초하여 증폭기를 제어한다. 증폭기는, 공진 코일(212)에 전송 선로를 통해서 일정한 고주파 전력을 공급한다.
공진 코일(212)은, 소정의 파장의 정재파를 형성하기 위해서, 일정한 파장에서 공진하도록 권취 직경, 권회 피치, 권취수가 설정된다. 즉, 공진 코일(212)의 전기적 길이는, 고주파 전원(273)으로부터 공급되는 고주파 전력의 소정 주파수에서의 1 파장의 정수배(1배, 2배, …)에 상당하는 길이로 설정된다.
구체적으로는, 인가하는 전력이나 발생시키는 자계 강도 또는 적용하는 장치의 외형 등을 감안하여, 공진 코일(212)은, 예를 들어 800kHz 내지 50MHz, 0.5 내지 5KW의 고주파 전력에 의해 0.01 내지 10가우스 정도의 자장을 발생할 수 있도록, 50 내지 300mm2의 유효 단면적이면서 또한 200 내지 500mm의 코일 직경으로 되고, 플라스마 생성 공간(201a)을 형성하는 방의 외주측에 2 내지 60회 정도 권회된다.
적합한 실시예로서는, 예를 들어 주파수가 13.56MHz인 경우, 1 파장의 길이는 약 22미터, 주파수가 27.12MHz인 경우, 1 파장의 길이는 약 11미터이며, 공진 코일(212)의 전기적 길이는 이들 1 파장의 길이(1배)가 되도록 설치된다. 본 실시 형태에서는, 고주파 전력의 주파수를 27.12MHz, 공진 코일(212)의 전기적 길이를 1 파장의 길이(약 11미터)로 설정하고 있다. 공진 코일(212)의 권회 피치는, 예를 들어 24.5mm 간격으로 등간격이 되도록 설치된다. 또한, 공진 코일(212)의 권취 직경(직경)은 웨이퍼(200)의 직경보다도 커지도록 설정된다. 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(200)의 직경을 300mm로 하고, 공진 코일(212)의 권취 직경은 웨이퍼(200)의 직경보다도 큰 500mm가 되도록 설치된다.
공진 코일(212)을 구성하는 소재로서는, 구리 파이프, 구리의 박판, 알루미늄 파이프, 알루미늄 박판, 중합체 벨트에 구리 또는 알루미늄을 증착한 소재 등이 사용된다. 공진 코일(212)은, 절연성 재료로 평판 형상으로 형성되고, 또한 베이스 플레이트(248)의 상단면에 수직으로 세워 설치된 복수의 서포트(도시하지 않음)에 의해 지지된다.
공진 코일(212)의 양단은 전기적으로 접지되고, 그 중 적어도 일단은, 장치의 최초의 설치 시 또는 처리 조건의 변경 시에 당해 공진 코일의 전기적 길이를 미세 조정하기 위해서, 가동 탭(213)을 통해서 접지된다. 도 1 중의 부호 214는 다른 쪽의 고정 그라운드를 나타낸다. 가동 탭(213)은, 공진 코일(212)의 공진 특성을 고주파 전원(273)과 대략 동등하게 하도록 위치가 조정된다. 또한, 장치의 최초의 설치 시 또는 처리 조건의 변경 시에 공진 코일(212)의 임피던스를 미세 조정하기 위해서, 공진 코일(212)의 접지된 양단의 사이에는, 가동 탭(215)에 의해 급전부가 구성된다.
공진 코일(212)이 가변식 그라운드부 및 가변식 급전부를 구비하고 있음으로써, 후술하는 바와 같이, 처리실(201)의 공진 주파수 및 부하 임피던스를 조정하는 데 있어서, 보다 한층 간편하게 조정할 수 있다.
또한, 위상 및 역위상 전류가 공진 코일(212)의 전기적 중점에 대해서 대칭으로 흐르도록, 공진 코일(212)의 일단(또는 타단 또는 양단)에는, 코일 및 실드로 이루어지는 파형 조정 회로(도시하지 않음)가 삽입된다. 파형 조정 회로는, 공진 코일(212)의 단부를 전기적으로 비접속 상태로 하거나 또는 전기적으로 등가의 상태로 설정함으로써 개로로 구성한다. 또한, 공진 코일(212)의 단부는, 초크 직렬 저항에 의해 비접지로 하고, 고정 기준 전위에 직류 접속되어도 된다.
차폐판(223)은, 공진 코일(212)의 외측의 전계를 차폐함과 함께, 공진 회로를 구성하는 데 필요한 용량 성분(C 성분)을 공진 코일(212)과의 사이에 형성하기 위해서 설치된다. 차폐판(223)은, 일반적으로는, 알루미늄 합금 등의 도전성 재료를 사용해서 원통형으로 구성된다. 차폐판(223)은, 공진 코일(212)의 외주로부터 5 내지 150mm 정도 이격해서 배치된다. 통상, 차폐판(223)은 공진 코일(212)의 양단과 전위가 동등해지도록 접지되지만, 공진 코일(212)의 공진수를 정확하게 설정하기 위해서, 차폐판(223)의 일단 또는 양단은, 탭 위치를 조정 가능하게 구성되어 있다. 또는, 공진수를 정확하게 설정하기 위해서, 공진 코일(212)과 차폐판(223)의 사이에 트리밍 캐패시턴스를 삽입해도 된다.
주로, 공진 코일(212), RF 센서(272), 정합기(274)에 의해, 본 실시 형태에 따른 플라스마 생성부가 구성되어 있다. 또한, 플라스마 생성부로서 고주파 전원(273)을 포함해도 된다.
여기서, 본 실시 형태에 따른 장치의 플라스마 생성 원리 및 생성되는 플라스마의 성질에 대해서 도 2를 사용해서 설명한다.
공진 코일(212)에 의해 구성되는 플라스마 발생 회로는 RLC의 병렬 공진 회로로 구성된다. 고주파 전원(273)으로부터 공급되는 고주파 전력의 파장과 공진 코일(212)의 전기적 길이가 동일한 경우, 공진 코일(212)의 공진 조건은, 공진 코일(212)의 용량 성분이나 유도 성분에 의해 만들어지는 리액턴스 성분이 상쇄되어, 순 저항이 되는 것이다. 그러나, 상기 플라스마 발생 회로에서는, 플라스마를 발생시킨 경우, 공진 코일(212)의 전압부와 플라스마의 사이의 용량 결합의 변동이나, 플라스마 생성 공간(201a)과 플라스마의 사이의 유도 결합의 변동, 플라스마의 여기 상태 등에 의해, 실제의 공진 주파수는 약간이지만 변동된다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 플라스마 발생 시의 공진 코일(212)에서의 공진의 어긋남을 전원측에서 보상하기 위해서, 플라스마가 발생했을 때의 공진 코일(212)로부터의 반사파 전력을 RF 센서(272)에서 검출하고, 검출된 반사파 전력에 기초하여 정합기(274)가 고주파 전원(273)의 출력을 보정하는 기능을 갖는다.
구체적으로는, 정합기(274)는, RF 센서(272)에서 검출된 플라스마가 발생했을 때의 공진 코일(212)로부터의 반사파 전력에 기초하여, 반사파 전력이 최소가 되도록 고주파 전원(273)의 임피던스 또는 출력 주파수를 증가 또는 감소시킨다. 임피던스를 제어하는 경우, 정합기(274)는, 미리 설정된 임피던스를 보정하는 가변 콘덴서 제어 회로에 의해 구성되고, 주파수를 제어하는 경우, 정합기(274)는, 미리 설정된 고주파 전원(273)의 발진 주파수를 보정하는 주파수 제어 회로에 의해 구성된다. 또한, 고주파 전원(273)과 정합기(274)는 일체로서 구성되어도 된다.
이러한 구성에 의해, 본 실시 형태에서의 공진 코일(212)에서는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 플라스마를 포함하는 당해 공진 코일의 실제의 공진 주파수에 의한 고주파 전력이 공급되므로(또는, 플라스마를 포함하는 당해 공진 코일의 실제의 임피던스에 정합하게 고주파 전력이 공급되므로), 위상 전압과 역위상 전압이 항상 상쇄되는 상태의 정재파가 형성된다. 공진 코일(212)의 전기적 길이가 고주파 전력의 파장과 동일한 경우, 코일의 전기적 중점, 코일의 전기적 상단 및 전기적 하단(전압이 제로인 노드)에 가장 높은 위상 전류가 생성된다. 따라서, 전기적 중점의 근방에서는, 처리실 벽이나 서셉터(217)와의 용량 결합이 거의 없어, 전기적 포텐셜이 매우 낮은 도넛 형상의 유도 플라스마가 형성된다.
(제어부)
제어부로서의 컨트롤러(221)는, 신호선 A를 통해서 APC(242), 밸브(243b) 및 진공 펌프(246)를, 신호선 B를 통해서 서셉터 승강 기구(268)를, 신호선 C를 통해서 히터 전력 조정 기구(276) 및 임피던스 가변 기구(275)를, 신호선 D를 통해서 게이트 밸브(244)를, 신호선 E를 통해서 RF 센서(272), 고주파 전원(273) 및 정합기(274)를, 신호선 F를 통해서 MFC(252a 내지 252c) 및 밸브(253a 내지 253c, 243a)를, 각각 제어하도록 구성되어 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제어부(제어 수단)인 컨트롤러(221)는, CPU(Central Processing Unit)(221a), RAM(Random Access Memory)(221b), 기억 장치(221c), I/O 포트(221d)를 구비한 컴퓨터로서 구성되어 있다. RAM(221b), 기억 장치(221c), I/O 포트(221d)는, 내부 버스(221e)를 통해서, CPU(221a)와 데이터 교환 가능하게 구성되어 있다. 컨트롤러(221)에는, 예를 들어 터치 패널이나 디스플레이 등으로서 구성된 입출력 장치(222)가 접속되어 있다.
기억 장치(221c)는, 예를 들어 플래시 메모리, HDD(Hard Disk Drive) 등으로 구성되어 있다. 기억 장치(221c) 내에는, 기판 처리 장치의 동작을 제어하는 제어 프로그램이나, 후술하는 기판 처리의 수순이나 조건 등이 기재된 프로그램 레시피 등이 판독 가능하게 저장되어 있다. 프로세스 레시피는, 후술하는 기판 처리 공정에서의 각 수순을 컨트롤러(221)에 실행시켜, 소정의 결과를 얻을 수 있게 조합된 것이며, 프로그램으로서 기능한다. 이하, 이 프로그램 레시피나 제어 프로그램 등을 총칭하여, 간단히 프로그램이라고도 한다. 또한, 본 명세서에서 프로그램이라는 말을 사용한 경우에는, 프로그램 레시피 단체만을 포함하는 경우, 제어 프로그램 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 또한, RAM(221b)은, CPU(221a)에 의해 판독된 프로그램이나 데이터 등이 일시적으로 유지되는 메모리 영역(워크 에어리어)으로서 구성되어 있다.
I/O 포트(221d)는, 상술한 MFC(252a 내지 252c), 밸브(253a 내지 253c, 243a, 243b), 게이트 밸브(244), APC(242), 진공 펌프(246), RF 센서(272), 고주파 전원(273), 정합기(274), 서셉터 승강 기구(268), 임피던스 가변 기구(275), 히터 전력 조정 기구(276) 등에 접속되어 있다.
CPU(221a)는, 기억 장치(221c)로부터의 제어 프로그램을 판독해서 실행함과 함께, 입출력 장치(222)로부터의 조작 커맨드의 입력 등에 따라서 기억 장치(221c)로부터 프로세스 레시피를 판독하도록 구성되어 있다. 그리고, CPU(221a)는, 판독된 프로세스 레시피의 내용을 따르도록, I/O 포트(221d) 및 신호선 A를 통해서 APC(242)의 개방도 조정 동작, 밸브(243b)의 개폐 동작, 및 진공 펌프(246)의 기동·정지를, 신호선 B를 통해서 서셉터 승강 기구(268)의 승강 동작을, 신호선 C를 통해서 히터 전력 조정 기구(276)에 의한 히터(217b)에 대한 공급 전력량 조정 동작(온도 조정 동작)이나, 임피던스 가변 기구(275)에 의한 임피던스 값 조정 동작을, 신호선 D를 통해서 게이트 밸브(244)의 개폐 동작을, 신호선 E를 통해서 RF 센서(272), 정합기(274) 및 고주파 전원(273)의 동작을, 신호선 F를 통해서 MFC(252a 내지 252c)에 의한 각종 가스의 유량 조정 동작 및 밸브(253a 내지 253c, 243a)의 개폐 동작 등을 제어하도록 구성되어 있다.
컨트롤러(221)는, 외부 기억 장치(예를 들어, 자기 테이프, 플렉시블 디스크나 하드 디스크 등의 자기 디스크, CD나 DVD 등의 광 디스크, MO 등의 광자기 디스크, USB 메모리나 메모리 카드 등의 반도체 메모리)(224)에 저장된 상술한 프로그램을 컴퓨터에 인스톨함으로써 구성할 수 있다. 기억 장치(221c)나 외부 기억 장치(224)는, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체로서 구성되어 있다. 이하, 이들을 총칭하여, 간단히 기록 매체라고도 한다. 본 명세서에서, 기록 매체라는 말을 사용한 경우에는, 기억 장치(221c) 단체만을 포함하는 경우, 외부 기억 장치(224) 단체만을 포함하는 경우, 또는 그 양쪽을 포함하는 경우가 있다. 또한, 컴퓨터에 대한 프로그램의 제공은, 외부 기억 장치(224)를 사용하지 않고, 인터넷이나 전용 회선 등의 통신 수단을 사용해서 행해도 된다.
(2) 기판 처리 공정
이어서, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 공정에 대해서, 주로 도 4를 사용해서 설명한다. 도 4는, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 공정을 나타내는 흐름도이다. 본 실시 형태에 따른 기판 처리 공정은, 예를 들어 플래시 메모리 등의 반도체 디바이스의 제조 공정의 일 공정으로서, 상술한 처리 장치(100)에 의해 실시된다. 이하의 설명에서, 처리 장치(100)를 구성하는 각 부의 동작은, 컨트롤러(221)에 의해 제어된다.
또한, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 공정에서 처리되는 웨이퍼(200)의 표면에는, 예를 들어 도 5에 도시한 바와 같이, 적어도 표면이 실리콘의 층으로 구성되고, 애스펙트비가 높은 요철부를 갖는 트렌치(301)가 미리 형성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 트렌치(301)의 내벽에 노출된 실리콘층에 대하여, 플라스마를 사용한 처리로서 산화 처리를 행한다. 트렌치(301)는, 예를 들어 웨이퍼(200) 상에 소정의 패턴을 실시한 마스크층(302)을 형성하고, 웨이퍼(200) 표면을 소정 깊이까지 에칭함으로써 형성되어 있다.
(기판 반입 공정 S110)
먼저, 상기 웨이퍼(200)를 처리실(201) 내에 반입한다. 구체적으로는, 서셉터 승강 기구(268)가 웨이퍼(200)의 반송 위치까지 서셉터(217)를 하강시켜, 서셉터(217)의 관통 구멍(217a)에 웨이퍼 밀어올림 핀(266)을 관통시킨다. 그 결과, 웨이퍼 밀어올림 핀(266)이, 서셉터(217) 표면보다도 소정의 높이 분만큼 돌출된 상태가 된다.
계속해서, 게이트 밸브(244)를 개방하고, 처리실(201)에 인접하는 진공 반송실로부터, 웨이퍼 반송 기구(도시하지 않음)를 사용해서 처리실(201) 내에 웨이퍼(200)를 반입한다. 반입된 웨이퍼(200)는, 서셉터(217)의 표면으로부터 돌출된 웨이퍼 밀어올림 핀(266) 상에 수평 자세로 지지된다. 처리실(201) 내에 웨이퍼(200)를 반입하면, 웨이퍼 반송 기구를 처리실(201) 밖으로 후퇴시키고, 게이트 밸브(244)를 폐쇄해서 처리실(201) 내를 밀폐한다. 그리고, 서셉터 승강 기구(268)가 서셉터(217)를 상승시킴으로써, 웨이퍼(200)는 서셉터(217)의 상면에 지지된다.
(승온·진공 배기 공정 S120)
계속해서, 처리실(201) 내에 반입된 웨이퍼(200)의 승온을 행한다. 히터(217b)는 미리 가열되어 있고, 히터(217b)가 매립된 서셉터(217) 상에 웨이퍼(200)를 보유 지지함으로써, 예를 들어 150 내지 750℃의 범위 내의 소정 온도로 웨이퍼(200)를 가열한다. 여기에서는, 웨이퍼(200)의 온도가 600℃가 되도록 가열한다. 또한, 웨이퍼(200)의 승온을 행하는 동안에, 진공 펌프(246)에 의해 가스 배기관(231)을 통해서 처리실(201) 내를 진공 배기하여, 처리실(201) 내의 압력을 소정의 값으로 한다. 진공 펌프(246)는, 적어도 후술하는 기판 반출 공정 S160이 종료될 때까지 작동시켜 둔다.
(반응 가스 공급 공정 S130)
이어서, 반응 가스로서, 산소 함유 가스인 O2 가스와 수소 함유 가스인 H2 가스의 공급을 개시한다. 구체적으로는, 밸브(253a 및 253b)를 열고, MFC(252a 및 252b)로 유량 제어하면서, 처리실(201) 내에 O2 가스 및 H2 가스의 공급을 개시한다. 이때, O2 가스의 유량을, 예를 들어 20 내지 2000sccm, 바람직하게는 20 내지 1000sccm의 범위 내의 소정값으로 한다. 또한, H2 가스의 유량을, 예를 들어 20 내지 1000sccm, 바람직하게는 20 내지 500sccm의 범위 내의 소정값으로 한다. 보다 적합한 예로서, O2 가스와 H2 가스의 합계 유량을 1000sccm으로 하고, 유량비는 O2/H2≥950/50으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 처리실(201) 내의 압력이, 예를 들어 1 내지 250Pa, 바람직하게는 50 내지 200Pa의 범위 내의 소정 압력, 보다 바람직하게는 약 150Pa이 되도록, APC(242)의 개방도를 조정해서 처리실(201) 내의 배기를 제어한다. 이와 같이, 처리실(201) 내를 적절하게 배기하면서, 후술하는 플라스마 처리 공정 S140의 종료 시까지 O2 가스 및 H2 가스의 공급을 계속한다.
(플라스마 처리 공정 S140)
처리실(201) 내의 압력이 안정되면, 공진 코일(212)에 대하여 고주파 전원(273)으로부터 RF 센서(272)를 통해서, 고주파 전력의 인가를 개시한다. 본 실시 형태에서는, 고주파 전원(273)으로부터 공진 코일(212)에 27.12MHz의 고주파 전력을 공급한다. 공진 코일(212)에 공급하는 고주파 전력은, 예를 들어 100 내지 5000W의 범위 내의 소정의 전력이며, 바람직하게는 100 내지 3500W이며, 보다 바람직하게는 약 3500W로 한다. 전력이 100W보다 낮은 경우, 플라스마 방전을 안정적으로 발생시키는 것이 어렵다.
이에 의해, O2 가스 및 H2 가스가 공급되어 있는 플라스마 생성 공간(201a) 내에 고주파 전계가 형성되고, 이러한 전계에 의해, 플라스마 생성 공간의 공진 코일(212)의 전기적 중점에 상당하는 높이 위치에, 가장 높은 플라스마 밀도를 갖는 도넛 형상의 유도 플라스마가 여기된다. 플라스마 형상의 O2 가스 및 H2 가스는 해리되어, 산소를 포함하는 산소 라디칼(산소 활성종)이나 산소 이온, 수소를 포함하는 수소 라디칼(수소 활성종)이나 수소 이온 등의 반응종이 생성된다.
상술한 바와 같이, 공진 코일(212)의 전기적 길이가 고주파 전력의 파장과 동일한 경우, 플라스마 생성 공간(201a) 내에는, 공진 코일(212)의 전기적 중점의 근방에서, 처리실 벽이나 기판 적재대와의 용량 결합이 거의 없어, 전기적 포텐셜이 매우 낮은 도넛 형상의 유도 플라스마가 여기된다. 전기적 포텐셜이 매우 낮은 플라스마가 생성되므로, 플라스마 생성 공간(201a)의 벽이나, 서셉터(217) 상에 시스가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 플라스마 중의 이온은 가속되지 않는다.
기판 처리 공간(201b)에서 서셉터(217) 상에 유지되어 있는 웨이퍼(200)에는, 유도 플라스마에 의해 생성된 라디칼과 가속되지 않는 상태의 이온이 트렌치(301) 내에 균일하게 공급된다. 공급된 라디칼 및 이온은 측벽(301a 및 301b)과 균일하게 반응하여, 표면의 실리콘층을 스텝 커버리지가 양호한 실리콘 산화층으로 개질한다.
또한, 이온의 가속이 방지되기 때문에, 가속된 이온에 의해 웨이퍼(200)가 대미지를 받는 것을 억제할 수 있고, 또한 플라스마 생성 공간의 둘레벽에 대한 스퍼터링 작용을 억제하여, 플라스마 생성 공간(201a)의 둘레벽에 손상을 끼치지도 않는다.
또한, 고주파 전원(273)에 부설된 정합기(274)가 공진 코일(212)에서 발생하는 임피던스의 부정합에 의한 반사파 전력을 고주파 전원(273)측에서 보상하여, 실효 부하 전력의 저하를 보완하기 때문에, 공진 코일(212)에 대하여 항상 초기 레벨의 고주파 전력을 확실하게 공급할 수 있어, 플라스마를 안정시킬 수 있다. 따라서, 기판 처리 공간(201b)에서 보유 지지된 웨이퍼(200)를 일정한 레이트로 또한 균일하게 처리할 수 있다.
여기서 본 실시 형태의 경우, 서셉터 승강 기구(268)는, 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼(200)의 수직 방향에서의 위치가, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 38mm 이상 이격된 위치가 되도록 제어된다. 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼(200)의 위치를 이렇게 설정함으로써, 후술하는 바와 같이, 플라스마 생성 공간(201a) 내에 형성되는 도넛 형상의 유도 플라스마와 충분히 거리를 취할 수 있기 때문에, 웨이퍼(200)의 면 상에 생성되는 플라스마의 밀도가, 면 방향(수평 방향)에서 균일해져, 웨이퍼(200)의 면내에서의 당해 플라스마 처리를 균일하게 행할 수 있다. 즉, 웨이퍼(200)의 면내에서, 당해 플라스마 처리에 의해 형성되는 층(본 실시 형태에서는 실리콘 산화층)의 두께의 균일성을 향상시킬 수 있다.
본 실시 형태와 같이, 웨이퍼(200)의 직경보다도 공진 코일(212)의 권취 직경(직경)이 커지도록 구성되어 있는 경우(예를 들어, 웨이퍼(200)의 직경 300mm에 대하여 공진 코일(212)의 권취 직경이 500mm), 웨이퍼(200)의 바로 위에는 도넛 형상의 유도 플라스마가 생성되지 않기 때문에, 웨이퍼(200)의 면 상에 생성되는 플라스마 밀도에 치우침이 발생하기 어려워, 웨이퍼(200)의 면내에서의 당해 플라스마 처리의 균일성을 향상시키는 데 있어서 보다 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 웨이퍼(200)를 서셉터(217)의 상면에 지지시키기 때문에, 웨이퍼(200)의 수직 방향에서의 위치가 웨이퍼 밀어올림 핀(266)의 선단보다도 높은 위치가 되도록, 서셉터(217)를 상승시키는 것이 바람직하다.
또한, 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼(200)의 수직 방향에서의 위치가 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 지나치게 이격되면, 플라스마에 의해 생성된 라디칼이나 이온이 실활해버리기 때문에, 처리 레이트가 실용적인 값을 하회하는 경우가 있다. 따라서, 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼(200)의 수직 방향에서의 위치는, 적어도 플라스마에 의해 생성된 라디칼이나 이온이 실활하지 않는 위치일 필요가 있다. 발명자에 의한 검증에 의하면, 본 실시 형태에서, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 138mm 이내의 범위라면, 실용적인 처리 레이트를 유지한 채, 웨이퍼 면내에서의 플라스마 처리의 균일성을 충분히 확보할 수 있음이 확인되었다.
그 후, 소정의 처리 시간, 예를 들어 10 내지 300초가 경과하면, 고주파 전원(273)으로부터의 전력의 출력을 정지하고, 처리실(201) 내에서의 플라스마 방전을 정지한다. 또한, 밸브(253a 및 253b)를 닫고, O2 가스 및 H2 가스의 처리실(201) 내에 대한 공급을 정지한다. 이상에 의해, 플라스마 처리 공정 S140이 종료된다.
(진공 배기 공정 S150)
O2 가스 및 H2 가스의 공급을 정지하면, 가스 배기관(231)을 통해서 처리실(201) 내를 진공 배기한다. 이에 의해, 처리실(201) 내의 O2 가스나 H2 가스, 이들 가스의 반응에 의해 발생한 배기 가스 등을 처리실(201) 밖으로 배기한다. 그 후, APC(242)의 개방도를 조정하여, 처리실(201) 내의 압력을 처리실(201)에 인접하는 진공 반송실(웨이퍼(200)의 반출처. 도시하지 않음)과 동일한 압력(예를 들어 100Pa)으로 조정한다.
(기판 반출 공정 S160)
처리실(201) 내가 소정의 압력으로 되면, 서셉터(217)를 웨이퍼(200)의 반송 위치까지 하강시켜, 웨이퍼 밀어올림 핀(266) 상에 웨이퍼(200)를 지지시킨다. 그리고, 게이트 밸브(244)를 개방하고, 웨이퍼 반송 기구를 사용해서 웨이퍼(200)를 처리실(201) 밖으로 반출한다. 이상에 의해, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 공정을 종료한다.
또한, 본 실시 형태에서는 O2 가스와 H2 가스를 플라스마 여기해서 기판의 플라스마 처리를 행하는 예를 나타냈지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들어 O2 가스 대신에 N2 가스를 처리실(201) 내에 공급하여, N2 가스와 H2 가스를 플라스마 여기해서 기판에 대하여 질화 처리를 실행해도 된다. 이 경우, 상술한 산소 함유 가스 공급계 대신에 상술한 질소 함유 가스 공급계를 구비하는 처리 장치(100)를 사용할 수 있다.
(본 실시 형태의 효과)
본 실시 형태의 효과에 대해서, 발명자가 행한 검증 결과를 기초로 설명한다. 본 검증에서는, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서의 플라스마 생성 공간(201a) 및 기판 처리 공간(201b) 내의 소정의 위치에, 당해 위치에서의 전자 밀도를 측정하는 프로브를 설치함으로써, 플라스마 생성 공간(201a) 및 기판 처리 공간(201b) 내에서의 플라스마나, 라디칼, 이온 등의 반응종의 밀도(이하, 간단히 「플라스마 밀도」라고 칭함)의 분포를 측정하였다. 본 측정을 행했을 때의 플라스마 생성 조건은 이하와 같다. 또한, 측정 시에는, 서셉터(217) 상에 베어 실리콘 웨이퍼를 적재하였다.
·공급 가스 유량: O2 가스=950sccm, H2 가스=50sccm
·처리실 내 압력: 150Pa
·RF 주파수: 27.12MHz
·RF 전력: 3500W
도 6은, 플라스마 생성 공간(201a) 및 기판 처리 공간(201b) 내에 설치된 프로브의 높이 위치를 도시하는 도면이다. 본 검증에서는, 높이 위치 (a) 내지 (d) 각각에 대하여 프로브를 수평 방향으로 5군데씩 설치하였다. 즉, 본 검증에서는, 총 20군데에 프로브를 설치하여, 플라스마 밀도의 분포를 측정하였다.
높이 위치 (b)는 공진 코일(212)의 하단 위치이다. 이하, 높이 위치 (b)를 기준 위치(0mm)로 하고, 높이 위치 (a) (c) (d)를 설명한다. 높이 위치 (a)는 공진 코일(212)의 상단과 하단의 중간 위치이며, 공진 코일(212)의 하단으로부터 100mm 상방이다. 높이 위치 (b)는 공진 코일(212)의 전기적 중점의 근방이며, 가장 높은 플라스마 밀도를 갖는 도넛 형상의 유도 플라스마가 여기되는 위치이다. 높이 위치 (c)는 공진 코일(212)의 하단으로부터 38mm 하방의 위치이다. 높이 위치 (d)는 공진 코일(212)의 하단으로부터 88mm 하방의 위치이다.
또한, 높이 위치 (d)보다 더 50mm 하방에는 베어 실리콘 웨이퍼가 적재되어 있다.
도 7은, 높이 위치 (a) 내지 (d) 각각에서의 프로브의 설치 위치를 도시하는 도면이다. 각 높이 위치에서의 프로브의 설치 위치는 모두 동일하다. 도면 중의 M, L1, L2, R1, R2는 각각 프로브의 선단 위치(플라스마 밀도의 측정 위치)를 나타내고 있다. M은 적재되는 웨이퍼의 중심 위치에 상당하는 위치이다. L1은 프로브를 M으로부터 좌측으로 30° 이동한 위치이다. L2는 프로브를 M으로부터 좌측으로 60° 이동한 위치이며, 웨이퍼의 한쪽 외측 테두리부에 상당하는 위치이다. R1은 프로브를 M으로부터 우측으로 30° 이동한 위치이다. R2는 프로브를 M으로부터 우측으로 60° 이동한 위치이며, 웨이퍼의 다른 한쪽 외측 테두리부에 상당하는 위치이다. 즉, M, L1, L2, R1, R2에서의 플라스마 밀도를 측정함으로써, 웨이퍼 면 방향(수평 방향)에서의 플라스마 밀도 분포를 측정하였다.
도 8은, 상술한 플라스마 생성 조건에서의, 높이 위치 (a) 내지 (d)에서의 플라스마 밀도의 분포를 각각 측정한 결과를 나타내는 표이다. 또한, 도 9는, 도 8에 나타내는 결과의 값을 그래프로 나타낸 도면이다. 본 도면에서는, 플라스마 밀도를, 1cm3당 전자의 개수(전자 밀도)로 나타내고 있다. 높이 위치 (a)에서는, 가장 높은 플라스마 밀도를 갖는 도넛 형상의 유도 플라스마가 여기되기 때문에, 공진 코일(212)의 근방(즉, 웨이퍼의 외측 테두리부)에서 플라스마 밀도가 높아지고, 공진 코일(212)의 권취 직경 방향의 중심부에서 플라스마 밀도가 상대적으로 낮아진다.
또한, 본 실시 형태에서의 공진 코일(212)에서는, 공진 코일의 하단부인 높이 위치 (b)에서도, 도넛 형상의 유도 플라스마가 여기된다. 그 때문에, 높이 위치 (b)에서도, 공진 코일(212)의 근방(즉, 웨이퍼의 외측 테두리부)에서 플라스마 밀도가 높아지고, 공진 코일(212)의 권취 직경 방향의 중심부에서 플라스마 밀도가 상대적으로 낮아지는 경향이 있다.
이와 같이, 공진 코일(212)의 하단부 및 하단부보다도 상방에 위치하는 높이 위치 (a) 내지 (b)의 사이에는, 웨이퍼 면 방향에서의 플라스마 밀도에 치우침이 있어(즉, 웨이퍼 면 상의 처리 대상 막과 반응하는 반응종의 밀도에 치우침이 발생하여), 이들 높이 위치에서 웨이퍼의 면내 균일성을 유지하면서 기판의 플라스마 처리를 행하는 것은 곤란함을 알 수 있다.
한편, 높이 위치 (c) 및 (d)에서는, 모두 웨이퍼 면 방향에서 플라스마 밀도의 분포에 치우침이 거의 나타나지 않는다. 즉, 높이 위치 (c) 및 (d)에서의 플라스마 밀도의 분포를 감안하면, 적어도 높이 위치 (c)보다도 하방의 위치라면, 웨이퍼의 면 방향에서의 플라스마 밀도에 치우침은 실질적으로 발생하지 않을 것으로 추측된다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치를 사용한 플라스마 처리에서 웨이퍼의 면내 균일성을 확보하기 위해서는, 높이 위치 (c), 즉, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 38mm 이상 이격된 높이 위치에서 웨이퍼를 처리하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이, 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼의 위치가 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 지나치게 이격되면, 플라스마 여기에 의해 생성된 라디칼이나 이온이 실활해버리기 때문에, 처리 레이트가 실용적인 값을 하회하는 경우가 있다. 따라서, 플라스마 처리 공정에서의 웨이퍼(200)의 수직 방향에서의 위치는, 적어도 플라스마 여기에 의해 생성된 라디칼이나 이온이 실활하지 않는 위치일 필요가 있다. 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치를 사용한 다른 검증에 의하면, 본 검증에서 서셉터(217) 상에 적재된 베어 웨이퍼의 높이 위치, 즉 공진 코일(212)의 하단으로부터 138mm 하방으로 이격된 높이 위치에서도, 높이 위치 (c) (d)와 마찬가지로, 실용적인 처리 레이트가 실현될 정도로 높은 플라스마 밀도의 분포를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 기판 처리 장치에서는, 적어도 공진 코일(212)의 하단으로부터 38 내지 138mm의 범위의 위치에서 웨이퍼를 처리함으로써, 플라스마 처리에서의 웨이퍼의 면내 균일성을 유지하면서, 실용적인 처리 레이트를 실현하는 것이 가능하다.
또한, 발명자는 다른 검증으로서, 상술한 검증을 행한 조건에 대하여, 공급되는 RF 전력의 전력 값을 실용적인 범위(예를 들어 3000W나 2500W)로 변화시킨 경우에 대해서도 검증을 행하였다. 이 경우, 전력 값이 클수록 웨이퍼(200)의 면 방향 전체에 걸쳐서 플라스마 밀도가 증대하여, 웨이퍼의 면 방향에서의 플라스마 밀도의 치우침에 대해서도 변화가 발생하는 경우가 있지만, 한편, 상술한 높이의 범위에서는, 웨이퍼의 면 방향에서의 플라스마 밀도의 치우침의 경향에 큰 변화는 발생하지 않음을 확인하였다. 즉, 상술한 높이의 범위에서는, 공급되는 RF 전력의 전력 값을 변화시킨 경우에도, 플라스마 처리에서의 웨이퍼의 면내 균일성을 확보할 수 있을 것으로 추측된다.
또한 마찬가지로, 발명자는 다른 검증으로서, 상술한 검증을 행한 조건에 대하여, 처리실 내 압력을 실용적인 범위에서 변화(예를 들어 50Pa)시킨 경우, 웨이퍼의 면 방향 전체에 걸쳐서 플라스마 밀도가 변화하는 한편(예를 들어 150Pa의 경우보다도 50Pa의 경우에는 플라스마 밀도가 증대함), 웨이퍼의 면 방향에서의 플라스마 밀도의 치우침의 경향에 유의미한 변화는 발생하지 않는다는 것을 확인하였다. 즉, 상술한 높이의 범위에서는, 공급되는 RF 전력의 전력 값이나 처리실 내 압력을 변화시킨 경우에도, 플라스마 처리에 대한 웨이퍼의 면내 균일성을 확보할 수 있을 것으로 추측된다.
또한, 상술한 검증에서는, 공급 가스를 O2 가스와 H2 가스의 혼합 가스로 하는 실시 형태에 대한 것이었지만, 발명자에 의한 다른 검증에 의하면, N2 가스와 H2 가스의 혼합 가스를 사용하는 경우에도, 상술한 높이 범위에서는, 플라스마 처리에 대한 웨이퍼의 면내 균일성을 확보할 수 있음이 확인되었다.
발명자에 의한 다른 검증에 의하면, 상술한 검증을 행한 조건에 대하여, 가스 유량, 공진 코일의 높이 폭, 권회 피치, 권취수, 공급되는 고주파 전력의 주파수 등의 파라미터를 실용상의 범위에서 변화시킨 경우에도, 플라스마 밀도의 균일성과 높이 위치의 관계에 대해서는 마찬가지의 검증 결과를 얻을 수 있을 것으로 추측된다.
또한, 플라스마 밀도의 균일성과 높이 위치의 관계는, 주로 플라스마 생성부의 구성에 의존한다고 생각된다. 따라서, 상술한 본 실시 형태에서는, 처리실(201)의 상부에 설치된 가스 공급 헤드(236)로부터 처리 가스를 공급하도록 구성되어 있지만, 처리실에 처리 가스를 도입하기 위한 도입구의 형상이나 위치가 상이한 경우에도, 마찬가지의 검증 결과를 얻을 수 있을 것으로 추측된다.
또한, 도 9에 도시된 높이 위치 (a) 및 (b)에서의 플라스마 밀도의 분포에 의하면, 본 실시 형태의 경우, 웨이퍼의 면 방향에서, 웨이퍼의 중심으로부터 좌우 30°의 범위의 영역 내에서는, 플라스마 밀도에 큰 치우침이 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 즉, 공진 코일(212)로부터 중심 방향에 대하여 충분히 이격된 소정의 영역에 웨이퍼를 적재하는 것으로도, 플라스마 처리에서의 웨이퍼의 면내 균일성을 확보할 수 있다. 바꾸어 말하면, 공진 코일(212)의 권취 직경을, 웨이퍼의 직경에 대하여 충분히 큰 소정의 크기가 되도록 구성하면 된다. 또는, 공진 코일(212)의 권취 직경에 대하여 충분히 작은 소정의 직경을 갖는 웨이퍼를 사용하면 된다. 예를 들어, 본 실시 형태에서는, 500mm의 권취 직경을 갖는 공진 코일(212)에 대하여, 중심으로부터 좌우 30°의 범위에 들어가는 웨이퍼, 즉 직경 약 127mm 이하의 웨이퍼를 사용하면 된다.
단, 공진 코일(212)의 권취 직경을 크게 하는 것에는, 비용이나 스페이스 등의 관점에서 한계가 있다. 또한, 소정 크기 이하의 권수를 갖는 공진 코일을 사용하는 경우에는, 보다 대형의 웨이퍼를 처리할 수 없다. 따라서, 공진 코일(212)의 권취 직경을 크게 하지 않고, 보다 직경이 큰 웨이퍼를 처리하기 위해서는, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 소정의 범위(본 실시 형태에서는 38 내지 138mm의 범위)의 위치에서 웨이퍼를 처리하도록 구성하는 것이 보다 바람직하다. 예를 들어, 500mm의 권취 직경을 갖는 공진 코일(212)을 사용하여, 직경이 약 127mm보다 큰 웨이퍼를 처리하는 경우, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 소정의 범위의 위치에서 웨이퍼를 처리하도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 공진 코일(212)의 하단으로부터 하방으로 38 내지 138mm의 범위의 위치에서 웨이퍼를 처리하는 예를 나타냈지만, 이 범위에 한하지 않고, 공진 코일(212)의 하단보다 하방의 위치이며, 웨이퍼 면 상의 면 방향에서의 플라스마 밀도의 치우침(면내 편차)이 소정의 허용 범위 내가 되는 높이 위치에 웨이퍼(200)를 위치시키도록, 서셉터(217)(기판 적재부)의 높이를 제어하도록 하면 된다. 예를 들어, 공진 코일(212)의 하단 위치에 대한 복수의 높이 위치에서의 플라스마 밀도의 면내 편차를 미리 취득해 둔다. 그리고, 웨이퍼에 대한 처리별로 설정되는 면내 편차의 허용 범위에 따라, 당해 면내 편차의 허용 범위에 들어가는 면내 편차가 되는 높이 위치에 웨이퍼(200)를 위치시키도록 서셉터(217)의 높이를 제어하면 된다. 이때, 플라스마 밀도는 공진 코일(212)의 하단 위치에 가까울수록 높은 경향이 있기 때문에, 처리 속도 향상의 관점에서는, 면내 편차의 허용 범위 내에서 가장 공진 코일(212)의 하단 위치에 가까운 위치에 웨이퍼(200)를 위치시키는 것이 보다 바람직하다.
또한, 공진 코일(212)에 공급되는 RF 전력의 전력 값을 변화시켰을 때 플라스마 밀도의 면내 편차가 변화하는 것을 고려하여, RF 전력의 전력 값에 따라서 웨이퍼(200)의 높이 위치가 최적이 되도록 서셉터(217)를 제어해도 된다. 예를 들어, RF 전력의 전력 값마다, 공진 코일(212)의 하단 위치에 대한 복수의 높이 위치에서의 플라스마 밀도의 면내 편차를 미리 취득해 둔다. 그리고, 설정되는 RF 전력의 전력 값에 따라, 허용되는 면내 편차가 되는 높이 위치에 웨이퍼(200)를 위치시키도록 서셉터(217)의 높이를 제어하면 된다. 이때도, 처리 속도 향상의 관점에서는, 면내 편차의 허용 범위 내에서 가장 공진 코일(212)의 하단 위치에 가까운 위치에 웨이퍼(200)를 위치시키는 것이 보다 바람직하다. 마찬가지로 처리 속도 향상의 관점에서는, 플라스마 밀도가 높은 것이 일반적으로 바람직하기 때문에, 플라스마 밀도의 면내 편차의 허용 범위 내에서, RF 전력의 전력 값을 가장 높아지도록 설정하는 것이 적합하다.
<본 발명의 다른 실시 형태>
상술한 실시 형태에서는, 플라스마를 사용해서 기판 표면에 대하여 산화 처리나 질화 처리를 행하는 예에 대해서 설명했지만, 이들 처리에 한하지 않고, 플라스마를 사용해서 기판에 대하여 처리를 실시하는 모든 기술에 적용할 수 있다. 예를 들어, 플라스마를 사용해서 행하는 기판 표면에 형성된 막에 대한 개질 처리나 도핑 처리, 산화막의 환원 처리, 당해 막에 대한 에칭 처리, 레지스트의 애싱 처리 등에 적용할 수 있다.
[산업상 이용 가능성]
본 발명에 따르면, 처리 가스를 플라스마 여기함으로써 기판을 처리할 때, 기판 면 상에 생성되는 플라스마의 밀도의 치우침을 저감하여, 기판 처리의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
100 : 처리 장치 200 : 웨이퍼
201 : 처리실 212 : 공진 코일
217 : 서셉터

Claims (20)

  1. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실과,
    상기 기판 처리 공간 내에 설치되어, 기판이 적재되도록 구성되는 기판 적재대와,
    상기 플라스마 생성 공간의 외주에 설치되며, 고주파 전력이 공급되는 유도 결합 구조와,
    상기 기판 적재대를 승강시키도록 구성되는 기판 적재대 승강부와,
    상기 플라스마 생성 공간에 상기 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    설정된 상기 유도 결합 구조에 공급되는 상기 고주파 전력의 전력값에 기초하여, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판의 위치가 상기 전력값 각각에 따라서 다른 소정의 높이로 되도록, 상기 기판 적재대 승강부를 제어하는 것이 가능하도록 구성되는 제어부
    를 포함하는 기판 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도 결합 구조는, 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 권회하는 코일에 의해 구성되는, 기판 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일의 전기적 길이는, 상기 코일에 공급되는 고주파 전력의 파장의 정수배인, 기판 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 코일의 직경은, 상기 기판의 직경보다도 큰, 기판 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 기초하여, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판이, 상기 기판을 처리할 때에 생성되는 플라스마의 밀도가 상기 기판의 면방향에 있어서 균일하게 되는 높이에 위치하도록, 상기 기판 적재대 승강부를 제어하는 것이 가능하도록 구성되는, 기판 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기판을 처리할 때에 생성되는 플라스마의 밀도가 상기 기판의 면방향에 있어서 균일하게 되는 높이는, 상기 유도 결합 구조의 하단보다 하방의 높이인, 기판 처리 장치.
  7. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과,
    상기 기판 처리 공간 내에 설치되는 기판 적재대에 상기 기판을 적재하는 공정과,
    설정된 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 설치되는 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 따라서, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판의 위치가 상기 전력값 각각에 따라서 다른 소정의 높이로 되도록, 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 공정과,
    상기 처리 가스를 상기 플라스마 생성 공간에 공급하는 공정과,
    상기 유도 결합 구조에 고주파 전력을 공급함으로써, 상기 플라스마 생성 공간에 공급된 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 공정과,
    여기된 플라스마에 의해 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판을 처리하는 공정을 갖는 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유도 결합 구조는, 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 권회하는 코일에 의해 구성되는, 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코일의 전기적 길이는, 상기 코일에 공급되는 고주파 전력의 파장의 정수배인, 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 코일의 직경은, 상기 기판의 직경보다도 큰, 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 공정에서는, 상기 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 기초하여, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판이, 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 공정에 있어서 생성되는 플라스마의 밀도가 상기 기판의 면방향에 있어서 균일하게 되는 높이에 위치하도록 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 공정에 있어서 생성되는 플라스마의 밀도가 상기 기판의 면방향에 있어서 균일하게 되는 높이는, 상기 유도 결합 구조의 하단보다 하방의 높이인, 반도체 장치의 제조 방법.
  13. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과,
    상기 기판 처리 공간 내에 설치되는 기판 적재대에 상기 기판을 적재하는 공정과,
    설정된 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 설치되는 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 따라서, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판의 위치가 상기 전력값 각각에 따라서 다른 소정의 높이로 되도록, 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 공정과,
    상기 처리 가스를 상기 플라스마 생성 공간에 공급하는 공정과,
    상기 유도 결합 구조에 고주파 전력을 공급함으로써, 상기 플라스마 생성 공간에 공급된 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 공정과,
    여기된 플라스마에 의해 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판을 처리하는 공정을 갖는 기판 처리 방법.
  14. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실 내에 기판을 반입하는 수순과,
    상기 기판 처리 공간 내에 마련되는 기판 적재대에 상기 기판을 적재하는 수순과,
    설정된 상기 플라스마 생성 공간의 외주에 설치되는 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 따라서, 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판의 위치가 상기 전력값 각각에 따라서 다른 소정의 높이로 되도록, 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 수순과,
    상기 처리 가스를 상기 플라스마 생성 공간에 공급하는 수순과,
    상기 유도 결합 구조에 고주파 전력을 공급함으로써, 상기 플라스마 생성 공간에 공급된 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 수순과,
    여기된 플라스마에 의해 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판을 처리하는 수순을 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는, 기록 매체에 기록된 프로그램.
  15. 제1항에 있어서, 상기 소정의 높이는, 상기 유도 결합 구조에 공급되는 상기 고주파 전력의 전력값에 따라서 변화하는 상기 기판의 면방향에 있어서의 상기 처리 가스의 플라스마의 밀도의 편차가 소정의 허용 범위 내가 되는 높이인, 기판 처리 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 유도 결합 구조의 하단의 높이에 형성되는 상기 처리 가스의 플라스마의 밀도는, 상기 기판의 면방향에 있어서 불균일한 분포를 갖고 있는, 기판 처리 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 유도 결합 구조의 하단의 높이에 형성되는 상기 처리 가스의 플라스마의 밀도는, 상기 기판의 외측 테두리부의 상방에 있어서의 밀도가 상기 기판의 중심부의 상방에 있어서의 밀도보다도 큰, 기판 처리 장치.
  18. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통되는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실과,
    상기 기판 처리 공간 내에 설치되어, 기판이 적재되도록 구성되는 기판 적재대와,
    상기 플라스마 생성 공간의 외주에 설치되며, 고주파 전력이 공급되는 유도 결합 구조와,
    상기 기판 적재대를 승강시키도록 구성되는 기판 적재대 승강부와,
    상기 플라스마 생성 공간에 상기 처리 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 유도 결합 구조에 공급되는 상기 고주파 전력의 전력값에 따라서 변화하는 상기 처리 가스의 플라스마 밀도의 상기 기판의 면방향에 있어서의 편차의 크기에 기초하여, 상기 기판 적재대 승강부를 제어하는 것이 가능하도록 구성되는 제어부를 포함하는 기판 처리 장치.
  19. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통하는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실 내에 기판을 반입하는 공정과,
    상기 기판 처리 공간 내에 마련되는 기판 적재대에 상기 기판을 적재하는 공정과,
    상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 공정과,
    상기 처리 가스를 상기 플라스마 생성 공간에 공급하는 공정과,
    상기 플라스마 생성 공간의 외주에 마련되는 유도 결합 구조에 고주파 전력을 공급함으로써, 상기 플라스마 생성 공간에 공급된 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 공정과,
    여기된 플라스마에 의해 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판을 처리하는 공정을 갖고,
    상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 공정에서는, 상기 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 따라서 변화하는 상기 플라스마의 밀도의 상기 기판의 면방향에 있어서의 편차의 크기에 기초하여, 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는, 반도체 장치의 제조 방법.
  20. 처리 가스가 플라스마 여기되는 플라스마 생성 공간과, 상기 플라스마 생성 공간에 연통하는 기판 처리 공간을 갖는 기판 처리실 내에 기판을 반입하는 수순과,
    상기 기판 처리 공간 내에 마련되는 기판 적재대에 상기 기판을 적재하는 수순과,
    상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 수순과,
    상기 처리 가스를 상기 플라스마 생성 공간에 공급하는 수순과,
    상기 플라스마 생성 공간의 외주에 마련되는 유도 결합 구조에 고주파 전력을 공급함으로써, 상기 플라스마 생성 공간에 공급된 상기 처리 가스를 플라스마 여기하는 수순과,
    여기된 플라스마에 의해 상기 기판 적재대에 적재된 상기 기판을 처리하는 수순을 포함하고,
    상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 수순에서는, 상기 유도 결합 구조에 공급되는 고주파 전력의 전력값에 따라서 변화하는 상기 플라스마의 밀도의 상기 기판의 면방향에 있어서의 편차의 크기에 기초하여, 상기 기판 적재대의 높이를 조정하는 수순을, 컴퓨터에 의해 기판 처리 장치에 실행시키는, 기록 매체에 기록된 프로그램.
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