KR20060004698A - 불소 첨가 카본막의 형성 방법 - Google Patents

불소 첨가 카본막의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 불소 첨가 카본막과 하지막과의 밀착성을 개선하는 것을 과제로 하고 있다. 이 과제를 해결하기 위해서, 본 발명은, 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법으로서, 기판 처리 장치에 의해서 희가스를 플라즈마 여기하여, 플라즈마 여기된 상기 희가스에 의해서 상기 피처리 기판의 표면 처리를 실시하는 제1 공정과, 상기 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 제2 공정을 포함하며, 상기 기판 처리 장치는, 전기적으로 접속된 마이크로파 안테나를 구비하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.

Description

불소 첨가 카본막의 형성 방법{METHOD OF FORMING FLUORINATED CARBON FILM}
본 발명은, 절연막의 형성 방법에 관한 것으로, 특히 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 관한 것이다.
최근의 반도체 장치의 고성능화에 따라, 반도체 장치의 배선 사이의 부유 용량을 저감하여 반도체 장치의 동작 속도를 고속화하는 것이 시도되고 있다. 배선 사이의 부유 용량을 저감하기 위해서는, 예컨대 반도체 장치의 배선 사이에 형성되는 층간 절연막에, 유전률이 낮은 재료를 이용하는 방법이 채용되고 있다.
전술한 층간 절연막에는, 비유전률이 4 정도인 실리콘 산화막(SiO2막)이 이용되어 왔지만, 최근에는 비유전률이 3∼3.5 정도인 불소 첨가 실리콘 산화막(SiOF막)을 이용함으로써, 반도체 장치의 고속화가 도모되어 왔다.
그러나, 전술한 SiOF막에서는 비유전률을 저하시키는 데에 한계가 있어, 비유전률 3 이하를 달성하는 것은 곤란했다.
비유전률이 낮은, 소위 저유전률 층간 절연막에는 여러 가지 후보 재료가 있지만, 비유전률이 낮고, 또 반도체 장치에 이용하는 데에 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖는 것이 필요 조건이다. 그래서, 충분한 기계적 강도를 갖고, 또 비유전률 이 2.5 정도 혹은 그 이하로 하는 것이 가능한 불소 첨가 카본막(CF막)이 주목을 받아, 차세대의 저유전률 층간 절연막으로서 반도체 장치에 이용하는 시도가 이루어져 왔다.
특허문헌 1 : WO 99/35684호 공보
그러나, 전술한 불소 첨가 카본막을 반도체 장치의 층간 절연막으로서 이용하는 경우, 불소 첨가 카본막과 그 불소 첨가 카본막의 하지부와의 밀착력이 약하다고 하는 문제가 있었다.
도 1(a)∼도 1(c)에는 실리콘 질화막(SiN막) 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 경우의 예를 도시한다. 불소 첨가 카본막을 반도체 장치의 층간 절연막으로서 이용하는 경우, 그 반도체 장치의 배선층인 Cu층의 캡층인 SiN막 위에 불소 첨가 카본막을 성막하는 경우가 많다.
도 1(a)를 참조하면, 도시하지 않는 피처리 기판 상에, SiN막(101)이 형성되어 있다. 또한, 상기 SiN막(101) 상에는 상기 SiN막(101)과 비교하여 매우 얇고, 예컨대 수분, 유기물, 자연 산화막 등으로 이루어지는 부착층(102)이 형성되어 있다. 상기 부착층(102)은 예컨대, 상기 SiN막(101)이 형성된 후에 피처리 기판을 대기에 노출시키거나 하여 형성되어 버리는 경우가 많다.
이어서 도 1(b)에 있어서, 예컨대 플라즈마 CVD(화학기상퇴적)법 등에 의해서 불소 첨가 카본막(103)을 형성한다.
그러나, 전술한 것과 같이, SiN막(101) 상에는 부착층(102)이 존재하기 때문에, 도 1(c)에 도시한 바와 같이, 상기 불소 첨가 카본막(103)이 상기 부착층(102) 과 함께 상기 SiN막(101)으로부터 박리되어 버리거나 혹은 상기 불소 첨가 카본막(103)이 상기 부착층(102)으로부터 박리되어 버리는 경우가 생긴다.
또한, 상기 불소 첨가 카본막(103)의 형성 직후에는 전술한 것과 같은 박리가 생기지 않는 경우라도, 예컨대 반도체 장치의 제조 공정에는, 열 응력이 걸리는 열처리 공정이나, 나아가서는 전단 응력 등이 걸리는 CMP(화학기계연마)의 공정 등에 있어서 불소 첨가 카본막이 박리되어 버리는 경우가 있어, 이러한 요구를 만족하는, 하지막과 불소 첨가 카본막과의 충분한 밀착력을 확보하는 것이 곤란했다.
또한, 밀착력을 확보하기 위해서 상기 부착층(102)을 제거하는 경우, 예컨대 플라즈마 처리 장치에 의한 스퍼터 에칭으로 제거하는 방법이 있다. 그러나, 스퍼터 에칭의 이온 충격에 의해서, 불소 첨가 카본막의 하지막이 되는 상기 SiN막(101)이 손상을 받아 버린다고 하는 문제가 있었다.
그래서, 본 발명에서는 전술한 과제를 해결한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 구체적인 과제는, 불소 첨가 카본막의 하지막에 손상을 주지 않고, 불소 첨가 카본막과 상기 하지막과의 밀착력을 양호하게 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해서, 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법으로서, 기판 처리 장치에 의해서 희가스를 플라즈마 여기하여, 플라즈마 여기된 상기 희가스에 의해서 상기 피처리 기판의 표면 처리를 실시하는 제1 공정과, 상기 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 제2 공정을 포함하며, 상기 기판 처리 장치는, 상기 피처리 기판에 대면하도록 설치된 마이크로파 투과창을 구비하고, 상기 마이크로파 투과창 상에 마련된, 마이크로파 전원이 전기적으로 접속된 마이크로파 안테나로부터, 상기 피처리 기판 상의 프로세스 공간에, 상기 마이크로파창을 통해 마이크로파를 도입하여, 상기 희가스를 포함하는 플라즈마 가스를 플라즈마 여기하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 이용했다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 처리 장치에 의해서, 피처리 기판의 표면 처리를 실시함으로써, 그 표면 처리한 후에 형성되는 불소 첨가 카본막과 피처리 기판 표면과의 밀착력을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 플라즈마 처리 장치는, 고밀도 또 낮은 전자 온도의 마이크로파 플라즈마를 이용하고 있기 때문에, 피처리 기판 표면에 손상을 주지 않고서 상기 표면 처리를 하는 것이 가능하게 된다.
도 1(a)∼도 1(c)는 불소 첨가 카본막이 박리되는 상태를 도시한 도면이다.
도 2(a)∼도 2(c)는 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 도시한 흐름도(그 1)이다.
도 4(a), 도 4(b)는 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 실시하 는 플라즈마 처리 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4의 플라즈마 처리 장치에서 이용하는 처리 가스 공급 구조의 저면도이다.
도 6은 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 도시한 흐름도(그 2)이다.
도 7은 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 도시한 흐름도(그 3)이다.
도 8은 불소 첨가 카본막의 밀착력의 측정 방법을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 9는 불소 첨가 카본막의 밀착력의 측정 결과를 도시한 도면이다.
[원리]
우선, 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 의해서, 상기 불소 첨가 카본막이 형성되는 하지막과 상기 불소 첨가 카본막의 밀착력이 개선되는 원리를, 도 2(a)∼도 2(c)에 기초하여 설명한다.
불소 첨가 카본막은 반도체 장치의 배선층 사이에 형성되는 층간 절연막으로서 이용되며, 예컨대 반도체 장치의 배선층인 Cu층의 캡층인 실리콘질화막(SiN막) 상에 형성되는 경우가 많다.
우선, 도 2(a)를 참조하면, 도시하지 않는 피처리 기판 상에, 불소 첨가 카본막의 하지막이 되는 SiN막(실리콘질화막)(201)이 형성되어 있다. 상기 SiN막 (201) 상에는 예컨대 수분, 유기물, 자연 산화막 등으로 이루어지는 부착층(202)이 형성되어 있다. 상기 부착층(202)은 전형적으로는 0.1∼1 nm 정도의 극히 박층이다.
상기 부착층(202)은 예컨대 상기 SiN막(202)을, 수분이나 유기물이 존재하는 대기에 노출시키거나 하여 형성되어 버리는 경우가 많다. 통상, 상기 SiN막(201)을 형성하는 장치와, 상기 SiN막(201) 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 장치는 다르기 때문에, 상기 SiN막(201)이 형성된 피처리 기판을, 대기 속을 통해 반송할 필요가 있기 때문에, 전술한 것과 같은 부착층의 형성을 방지하는 것은 매우 곤란하다.
그래서, 본 발명에서는, 도 2(b)에 도시한 바와 같이, 희가스를 마이크로파 플라즈마 여기한 이온, 라디칼 등의 반응종(203)에 의해서, 상기 SiN막(201) 상의 상기 부착층(202)을 제거하는 하지막의 표면 처리를 실시한다. 또한, 그 때는 플라즈마의 전자 온도가 높고, 상기 반응 반응종 중의 이온의 에너지가 높으면, 상기 SiN막(201)에 이온이 충돌하는 에너지가 커져, 상기 SiN막(201)에 손상을 주게 되어 버리는 경우가 있다. 그 때문에, 하지막인 상기 SiN막(201)에 손상을 주지 않으며, 또한 상기 부착층(202)을 제거할 필요가 있어, 본 발명에서는, 후술하는 마이크로파 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리 장치로, 낮은 전자 온도가 되는 마이크로파 플라즈마에 의해 처리하여, 상기 SiN막(201)에 손상을 주지 않고서 처리하는 것이 가능하게 된다.
도 2(b)의 공정에서 상기 부착층(202)을 제거한 후에는, 도 2(c)에 도시한 바와 같이, 불소 첨가 카본막(204)을 형성한다. 전술한 것과 같이, 도 2(b)의 공정 에 있어서, 상기 SiN막(201)과 상기 불소 첨가 카본막(204)의 밀착력을 저하시키는 원인이 되는 부착층(202)이 제거되기 때문에, 상기 SiN막(201)과 상기 불소 첨가 카본막(204)은 양호한 밀착력을 유지하는 것이 가능해진다.
이어서, 본 발명의 실시형태에 관해서, 도면에 기초하여 설명한다.
<실시예 1>
도 3에는 본 발명의 실시예 1에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법의 흐름도를 도시한다. 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막 형성 방법에서는, 우선 단계 100(도면에서 S100이라 표기, 이하 마찬가지)에 있어서 처리가 시작되면, 단계 200에 있어서, 전술한 것과 같이 피처리 기판에 형성된, 불소 첨가 카본막의 하지막의 표면 처리를 실시하여, 하지막의 표면에 형성된 부착층을 제거한다.
이어서, 단계 300에 있어서, 부착층이 제거된 하지막 상에, 불소 첨가 카본막을 형성하여, 단계 400에서 처리를 종료한다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 불소 첨가 카본막의 형성 방법에서는, 크게 나누어, 하지막의 표면의 부착층을 제거하는 표면 처리 공정(P)과, 불소 첨가 카본막을 형성하는 성막 공정(D)으로 이루어진다.
이어서, 상기 표면 처리 공정(P) 및 상기 성막 공정(D)을 실시하는 플라즈마 처리 장치에 관해서 설명한다.
<실시예 2>
우선, 상기 표면 처리 공정(P) 및 상기 성막 공정(D)을 행하는 플라즈마 처 리 장치(10)를, 도 4(a), 도 4(b), 도 5에 기초하여 설명한다.
우선, 도 4(a)를 참조하면, 상기 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(11)와, 상기 처리 용기(11) 내에 설치되어, 피처리 기판(12)을 정전 척에 의해 유지하는 바람직하게는 열간등방압가압법(HIP)에 의해 형성된 AlN 혹은 Al2O3로 이루어지는 유지대(13)를 갖는다.
상기 처리 용기(11) 안은 대략 원통형의 내부 격벽(15)에 의해서 상기 유지대(13)의 중심에 가까운 중심부의 공간과, 상기 내부 격벽(15)과 상기 처리 용기 사이에 형성되는 공간(11C)으로 분할된다. 또한, 전술한 중심부의 공간은 후술하는 처리 가스 공급 구조(24)의 격자형의 가스 통로(24A)에 의해서, 상기 유지대(13)에 가까운 쪽의 공간(11B)과, 상기 공간(11B)에 상기 처리 가스 공급 구조(24)를 사이에 두고 대향하는 공간(11A)으로 대별된다.
상기 처리 용기(11) 안을 형성하는 상기 공간(11A, 11B 및 11C)은 상기 유지대(13)를 둘러싸도록 등간격으로, 즉 상기 유지대(13) 상의 피처리 기판(12)에 대하여 대략 축 대칭인 관계로 적어도 2곳, 바람직하게는 3곳 이상에 형성된 배기 포트(11D)를 통해 진공 펌프 등의 배기 수단에 의해, 배기·감압된다.
상기 처리 용기(11)는 바람직하게는 Al를 함유하는 오스테나이트 스테인리스강으로 이루어지며, 내벽면에는 산화 처리에 의해 산화알루미늄으로 이루어지는 보호막이 형성되어 있다. 또한 상기 처리 용기(11)의 외벽 중 상기 피처리 기판(12)에 대응하는 부분에는 마이크로파를 투과하는 마이크로파 투과창(17)이 설치되고, 또한 상기 마이크로파 투과창(17)과 상기 처리 용기(11) 사이에는 플라즈마 가스를 도입하는 플라즈마 가스 도입 링(14)이 삽입되어, 각각 상기 처리 용기(11)의 외벽을 구획하고 있다.
상기 마이크로파 투과창(17)은 그 주연부에 단차 형상을 지니고, 이 단차 형상부가 상기 플라즈마 가스 도입 링(14)에 형성된 단차 형상과 결합되며, 또한 시일링(16A)에 의해서 상기 처리 공간(11) 내의 기밀이 유지되는 구조로 되어 있다.
상기 플라즈마 가스 도입 링에는 플라즈마 가스 도입구(14A)로부터 플라즈마 가스가 도입되어, 대략 환상으로 형성되어 있는 가스 홈(14B) 내부에서 확산된다. 상기 가스 홈(14B) 중의 플라즈마 가스는 상기 가스 홈(14B)에 연통하는 복수의 플라즈마 가스 구멍(14C)으로부터, 또한 상기 플라즈마 가스 도입 링(14)에 부착된 상기 내부 격벽(15)에 형성된 플라즈마 가스 공급 구멍(15A)을 통해 상기 공간(11A)에 공급된다.
상기 내부 격벽(15)은 대략 원통형의 도전체, 예컨대 스테인리스 합금으로 이루어지며, 상기 내부 격벽(15)의 외측, 즉 상기 처리 용기(11)의 외벽에 대향하는 면에는 히터(15B)가 설치되어 상기 내부 격벽(15)을 가열하는 것이 가능하게 되고 있다. 또한 상기 내부 격벽(15)은 전기적으로 상기 플라즈마 가스 도입 링(14)에 접속되어 이 플라즈마 가스 도입 링(14)을 통해 접지되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 마이크로파 투과창(17)은 HIP법에 의해 형성된 치밀한 Al2O3로 이루어진다. 이러한 HIP법에 의해 형성된 Al2O3의 마이크로파 투과창(17)은 Y2O3을 소결 조제로서 사용하여 형성되며, 기공율이 0.03% 이하로 실질적으로 기공이나 핀홀을 포함하고 있지 않고, 30 W/m·K에 달하는, AlN에는 못 미치지만, 세라믹으로서는 매우 큰 열전도율을 갖는다.
상기 마이크로파 투과창(17) 상에는 상기 마이크로파 투과창(17)에 밀접하고 도 4(b)에 도시하는 다수의 슬롯(18a, 18b)이 형성된 디스크형의 슬롯판(18)과, 상기 슬롯판(18)을 유지하는 디스크형의 안테나 본체(22)와, 상기 슬롯판(18)과 상기 안테나 본체(22) 사이에 협지된 Al2O3, SiO2 혹은 Si3N4의 저손실 유전체 재료로 이루어지는 지상판(遲相板; 19)으로 구성된 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)가 설치되어 있다.
상기 레이디얼 슬롯 라인 안테나(30)는 상기 처리 용기(11) 상에 상기 플라즈마 가스 도입 링(14)을 통해 장착되어 있고, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)에는 동축 도파관(21)을 통해 외부의 마이크로파원(도시하지 않음)으로부터 주파수가 2.45 GHz 혹은 8.3 GHz인 마이크로파가 공급된다.
공급된 마이크로파는 상기 슬롯판(18) 상의 슬롯(18a, 18b)으로부터 상기 마이크로파 투과창(17)을 통해 상기 처리 용기(11) 중에 방사되어, 상기 마이크로파 투과창(17) 바로 아래의 공간(11A)에서, 상기 플라즈마 가스 공급 구멍(15A)으로부터 공급된 플라즈마 가스 중에 플라즈마를 여기한다. 여기된 플라즈마는 상기 처리 용기(11)에 설치된 예컨대 석영, 사파이어 등으로 이루어지는 측정창(25)으로부터 관찰 또는 발광의 분광 등의 측정이 가능한 구조로 되어 있다.
상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)와 상기 플라즈마 가스 도입 링 사이는 시일링(16B)에 의해서 밀봉되어 있고, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)와 상기 마이크로파 투과창(17)과의 밀착성을 향상시키기 위해서, 상기 슬롯판(18)과 상기 마이크로파 투과창(17) 사이에 형성된 간극을 진공 펌프(도시하지 않음)로 감압함으로써, 대기압에 의해서 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)를 상기 마이크로파 투과창(17)에 확실하게 꽉 누를 수 있게 된다.
상기 동축 도파관(21A) 중, 외측의 도파관(21A)은 상기 디스크형의 안테나 본체(22)에 접속되고, 중심 도체(21B)는 상기 지파판(遲波板; 19)에 형성된 개구부를 통해 상기 슬롯판(18)에 접속되어 있다. 그래서 상기 동축 도파관(21A)에 공급된 마이크로파는 상기 안테나 본체(22)와 슬롯판(18) 사이를 직경 방향으로 진행하면서, 상기 슬롯(18a, 18b)으로부터 방사된다.
도 4(b)는 상기 슬롯판(18) 상에 형성된 슬롯(18a, 18b)을 도시한다.
도 4(b)를 참조하면, 상기 슬롯(18a)은 동심원형으로 배열되어 있고, 각각의 슬롯(18a)에 대응하며, 이것에 직행하는 슬롯(18b)이 마찬가지로 동심원형으로 형성되어 있다. 상기 슬롯(18a, 18b)은 상기 슬롯판(18)의 반경 방향으로, 상기 지상판(19)에 의해 압축된 마이크로파의 파장에 대응한 간격으로 형성되어 있고, 그 결과 마이크로파는 상기 슬롯판(18)으로부터 대략 평면파로 되어 방사된다. 그 때, 상기 슬롯(18a 및 18b)을 서로의 직교하는 관계로 형성하고 있기 때문에, 이와 같이 하여 방사된 마이크로파는 2개의 직교하는 편파 성분을 포함하는 원편파를 형성한다.
또한 도 4(a)의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기 안테나 본체(22) 상에, 냉각수 통로(20A)가 형성된 냉각 블록(20)이 형성되어 있고, 상기 냉각 블록(20)을 상기 냉각수 통로(20A) 중의 냉각수에 의해 냉각함으로써, 상기 마이크로파 투과창(17)에 축적된 열을, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)를 통해 흡수한다. 상기 냉각수 통로(20A)는 상기 냉각 블록(20) 상에 있어서 스파이럴형으로 형성되어 있고, 바람직하게는 H 가스를 버블링함으로써 용존 산소를 배제하고 또 산화 환원 전위를 제어한 냉각수가 통하게 된다.
또한, 도 4(a)의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 상기 처리 용기(11) 중, 상기 마이크로파 투과창(17)과 상기 유지대(13) 상의 피처리 기판(12) 사이에, 도체로 이루어지고, 처리 가스 도입로(23)에 지지되어 기립하도록 형성된 처리 가스 공급 구조(24)가 설치되어 있다. 상기 처리 가스 도입로(23)에는 상기 처리 용기(11)의 외벽에 설치된 처리 가스 주입구(도시하지 않음)로부터 처리 가스가 도입되는 구조로 되어 있다.
상기 처리 가스 공급 구조(24)는 처리 가스 도입로(23)에 연통하는 격자형의 처리 가스 통로(24A)를 갖고, 또한 상기 처리 가스 통로(24A)에서 상기 공간(11B)으로 연통하는 다수의 처리 가스 공급 구멍(24B)으로부터 처리 가스를 상기 공간(11B)에 공급하여, 상기 공간(11B)에 있어서, 원하는 균일한 기판 처리가 이루어질 수 있다.
도 5는 도 4(a)의 처리 가스 공급 구조(24)의 구성을 도시하는 저면도이다.
도 5를 참조하면, 상기 처리 가스 공급 구조(24)는 예컨대 Mg를 포함한 Al 합금이나 Al 첨가 스테인리스 스틸 등의 도전체로 구성되어 있고, 격자형의 상기 처리 가스 통로(24A)는 상기 처리 가스 도입로(23)에 접속되어 처리 가스를 공급받아, 하면 형성된 다수의 상기 처리 가스 공급 구멍(24B)으로부터 처리 가스를 상기 공간(11B)에 균일하게 방출한다. 또한, 상기 처리 가스 도입로(23)는 도체로 이루어지며, 상기 처리 가스 공급 기구(24)는 전기적으로 상기 처리 가스 도입로(23)에 접속되어 이 처리 가스 도입로(23)를 통해 접지되는 구조로 되어 있다.
또한, 상기 처리 가스 공급 구조(24)에는 인접하는 처리 가스 통로(24A) 사이에 플라즈마나 가스를 통과시키는 개구부(24C)가 형성되어 있다. 상기 처리 가스 공급 구조(24)를 Mg 함유 Al 합금에 의해 형성하는 경우에는, 표면에 불화물막을 형성해 두는 것이 바람직하다. 또한 상기 처리 가스 공급 구조(24)를 Al 첨가 스테인리스 스틸에 의해 형성하는 경우에는, 표면에 산화알루미늄의 부동태막을 형성해 두는 것이 바람직하다. 본 발명에 의한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 여기되는 플라즈마 중의 전자 온도가 낮기 때문에 플라즈마의 입사 에너지가 작고, 이러한 처리 가스 공급 구조(24)가 스퍼터링되어 피처리 기판(12)에 금속 오염이 생기는 문제를 피할 수 있다.
상기 격자형의 처리 가스 통로(24A) 및 처리 가스 공급 구멍(24B)은 도 5에 파선으로 나타낸 피처리 기판(12)보다도 약간 큰 영역을 커버하도록 설치되어 있다. 이러한 처리 가스 공급 구조(24)를 상기 마이크로파 투과창(17)과 피처리 기판(12) 사이에 설치함으로써, 상기 처리 가스를 플라즈마 여기하여, 이러한 플라즈마 여기된 처리 가스에 의해, 균일하게 처리하는 것이 가능하게 된다.
상기 처리 가스 공급 구조(24)를 금속 등의 도체에 의해 형성하는 경우에는, 상기 격자형 처리 가스 통로(24A) 서로의 간격을 상기 마이크로파의 파장보다도 짧게 설정함으로써, 상기 처리 가스 공급 구조(24)는 마이크로파의 단락면을 형성한다.
이 경우에는 플라즈마의 마이크로파 여기는 상기 공간(11A) 중에 있어서만 생기며, 상기 피처리 기판(12)의 표면을 포함하는 공간(11B)에 있어서는 상기 여기 공간(11A)으로부터 확산하여 온 플라즈마에 의해, 처리 가스가 활성화된다. 또한, 플라즈마 착화시에 상기 피처리 기판(12)이 직접 마이크로파에 노출되는 것을 막을 수 있기 때문에, 마이크로파에 의한 기판의 손상도 막을 수 있다.
본 실시예에 의한 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 처리 가스 공급 구조(24)를 사용함으로써 처리 가스의 공급이 한결같이 제어되기 때문에, 처리 가스의 피처리 기판(12) 표면에 있어서의 과잉 해리의 문제를 해소할 수 있어, 피처리 기판(12)의 표면에 종횡비가 큰 구조가 형성되어 있는 경우라도, 원하는 기판 처리를, 이러한 높은 종횡 구조 속에까지 실시하는 것이 가능하다. 즉, 플라즈마 처리 장치(10)는 설계 룰이 다른 다수 세대의 반도체 장치의 제조에 유효하다.
<실시예 3>
이어서, 상기 플라즈마 장치(10)를 이용한 구체적인 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 관해서, 도 6의 흐름도에 도시한다. 도 6은 도 2(a)∼도 2(c) 및 도 3에 도시한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을, 구체적으로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법은 전술한 것과 같이, 피처리 기판의 표면 처리 공정(P) 및 표면 처리한 후의 피처리 기판 표면에 불소 첨가 카본막의 성막을 실시하는 성막 공정(D)으로 이루어진다.
우선, 단계 500에서 처리가 시작되면, 단계 510에서, 제1 플라즈마 가스로서, 상기 플라즈마 가스 공급 링(14)으로부터, Ar 가스가, 400 sccm 도입된다.
이어서, 단계 520에서, 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)로부터, 상기 마이크로파 도입창(17)을 통해 상기 처리 용기(11) 내에 마이크로파가 도입되어, 마이크로파 플라즈마가 여기된다. 그 때에, 마이크로파는 상기 레이디얼 라인 슬롯 안테나(30)를 이용하고 있기 때문에, 상기 슬롯판(18)으로부터 대략 평면파로 되어 방사되고, 또한 2개의 직행하는 편파 성분을 포함하는 원편파를 형성하기 때문에, 고밀도이며 또 전자 온도가 낮은 플라즈마를 여기하는 것이 가능하게 된다.
그 때문에, 단계 530에서, 기판 표면 처리에 필요한 Ar 이온을 포함하는 반응종이 충분히 생성되어, 주로 Ar 이온에 의한 스퍼터링에 의해서 상기 SiN 층(201) 상의 상기 부착층(202)을 제거하는 것이 가능하게 된다. 또한 전자 온도가 낮으므로 상기 Ar 이온이 상기 SiN막(201)에 충돌하는 에너지가 낮게 억제되기 때문에, 상기 SiN막(201)에 손상을 주는 일이 없다. 이와 같이, 예컨대 SiN막 등의 불소 첨가 카본막의 하지막에 손상을 주지 않기 위해서는, 이온의 에너지가 6 eV 정도 이하가 되는 것과 같은 낮은 전자 온도의 플라즈마가 필요하게 된다.
본 단계에 있어서는, 마이크로파 파워 1800 W, Ar 유량 400 sccm, 압력 133 Pa(1 Torr)으로 20초간 처리를 함으로써, 상기 SiN막(201)에 손상을 주는 일없이, 상기 SiN막(201) 상의 수분이나 유기물, 자연 산화막 등의 상기 부착층(202)을 제 거하는 것이 가능해진다. 이 경우의 Ar 이온의 에너지는 5.6 eV이며, SiN막에 손상을 주는 일이 없다.
이어서, 단계 540에서 마이크로파 도입과, 플라즈마 가스 공급을 정지하여 표면 처리 공정(P)을 종료한다.
이어서, 표면 처리를 종료하여 청정하게 된 상기 SiN막(201) 상에, 불소 첨가 카본막을 형성하는 성막 공정(D)을 시작한다.
단계 550에 있어서 성막 공정(D)이 시작되면, 우선, 제2 플라즈마 가스로서, Ar과 H2가 각각 600 sccm, 40 sccm, 상기 플라즈마 가스 공급 링(14)으로부터 상기 처리 용기(11) 내로 도입된다.
이어서, 단계 560에서 마이크로파를 도입하여, 상기 단계 520에 전술한 것과 같이 플라즈마를 여기한 후, 단계 570에 있어서, 상기 처리 가스 공급 구조(24)로부터, 처리 가스인 플루오르카본계의 가스, 예컨대 C4F8를 30 sccm 도입하여, 불소 첨가 카본막의 성막이 시작된다.
단계 580에서는, Ar 유량 600 sccm, H 유량 40 sccm, CF 유량 30 sccm, 마이크로파 파워 2000 W로, 성막 처리를 실시함으로써, 성막 속도 340 nm/min로, 상기 SiN막(201) 상에, 유전률 2.1 정도의 불소 첨가 카본막(204)을 형성한다. 그 때, 전술한 것과 같이, 고밀도이며 또한 낮은 전자 온도의 마이크로파 플라즈마를 이용함으로써, 유전률이 낮은, 막질이 양호한 불소 첨가 카본막을 형성하는 것이 가능하게 된다. 다음에, 단계 590에서 플라즈마 가스, 처리 가스 및 마이크로파의 도입 을 정지하고, 단계 600에서 처리를 종료한다.
전술한 것과 같이, 불소 첨가 카본막이 형성되는 하지막이 되는 상기 SiN막(201) 상에서, 상기 부착층(202)이 제거되기 때문에, 단계 590에서 형성되는 불소 첨가 카본막(204)과 상기 SiN막(201)의 밀착성은 양호하게 되고, 또한 전술한 것과 같이 불소 첨가 카본막의 하지부에는 손상의 영향이 없다.
전술한 이유에 의해, 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 의해 형성된 불소 첨가 카본막은 반도체 장치의 제조 공정에 있어서의 열처리 공정이나 CMP 공정에 견딜 수 있는 밀착력을 확보하여, 저유전률 층간 절연막으로서 반도체 장치에 이용하는 것이 가능해진다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 단계 510에서 Ar을 도입하고 있지만, 플라즈마 여기한 경우에 더욱 이온의 에너지를 낮게 억제하는 것이 가능한, Kr나 Xe를 이용하더라도 좋다. 예컨대, 본 실시예에 있어서 Ar 대신에 Kr를 이용한 경우, 이온 에너지가 3.9 eV, Xe를 이용한 경우에는 2.9 eV로 억제하는 것이 가능하여, SiN막에 미치는 손상을 억제하는 데에 더욱 유효하다.
또한, 본 발명에 의해서 불소 첨가 카본막과의 밀착성이 개선되는 하지막은 SiN막(실리콘질화막)에 한하지 않는다. 하지막으로서 예컨대, Si, SiO2, SiON, SiOC, SiCO(H), W, WN, Ta, TaN, Ti, TiN, Cu, Al, 기타 스핀코트법으로 형성되는 절연막(SOD막) 등의 절연막이나, 금속막, 금속질화막, 금속산화막 등을 이용하여, 그 하지막 위에 불소 첨가 카본막을 형성하는 경우에 있어서도, 본 실시예와 같이 하지막에 손상을 받는 일없이, 불소 첨가 카본막과 하지막의 밀착력을 향상시키는 것이 가능하다.
<실시예 4>
또, 도 6에 도시한 불소 첨가 카본막의 형성 방법은 이어서 도 7에 도시한 바와 같이 변경하더라도, 실시예 3에 도시한 경우와 동일한 효과를 발휘한다.
도 7은 본 발명의 실시예 4에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법을 도시하는 흐름도이다. 다만 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명을 생략한다.
본 실시예의 단계 500∼530 및 단계 570∼600까지는 도 6에 도시한 경우와 동일하다.
본 실시예에서는, 단계 560A에 있어서, 플라즈마 가스를 교체 하고 있다. 이것은 앞의 단계 530에 있어서, 상기 부착층(202)을 제거하는 표면 처리가 종료되면, 다음 불소 첨가 카본막의 성막 처리를 위해, 상기 제1 플라즈마 가스에서 상기 제2 플라즈마 가스로 교체하는 처리를 하고 있음을 나타내고 있다.
구체적으로는, 앞의 단계 530에 있어서 제1 플라즈마 가스로서 Ar을 400 sccm 공급하고 있었던 상태에서, 제2 플라즈마 가스로서 Ar과 함께 H2를 도입하도록 하여, Ar와 H2의 유량을 각각, 600 sccm, 40 sccm로 하고 있다. 그 후, 연속적으로 불소 첨가 카본막의 성막으로 이행하고 있다.
이와 같이, 플라즈마를 여기한 채로 가스를 전환함으로써, 연속적으로, 표면 처리 공정(P)에서 성막 공정(D)으로 이행하는 것이 가능하며, 기판 처리 시간을 단축하여 효율적으로 불소 첨가 카본막을 형성하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에 있어서도, 불소 첨가 카본막의 하지막에 손상을 주는 일없이, 또 상기 하지막과 밀착력이 양호한 불소 첨가 카본막을 형성하는 것이 가능해진다.
<실시예 5>
이어서, 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 의해, 하지막과 불소 첨가 카본막의 밀착력이 향상된 결과를 이하에 설명한다.
우선, 도 8에는 불소 첨가 카본막의 밀착력의 측정 방법을 도시한다. 다만 도면에서, 앞서 설명한 부분에는 동일한 참조 부호를 붙여, 설명을 생략한다. 예컨대, 도 2(c)에 전술한, 피처리 기판 상의 SiN막 상에 형성된 불소 첨가 카본막의 밀착력을 측정하는 경우, 우선 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 불소 첨가 카본막(204) 상에, 소정의 접착제로 시험 막대(205)를 고정한다. 그리고, 피처리 기판을 고정한 상태로, 상기 시험 막대(205)에, 피처리 기판으로부터 멀어지는 방향의 힘을 가하여 불소 첨가 카본막(204)이 박리되었을 때의 힘을 밀착력으로 했다.
도 9에는, 도 8에 도시한 밀착력 측정 방법에 의해서 측정한 불소 첨가 카본막과 하지막의 밀착력의 측정 결과를 도시한다. 실험은 도 6에 도시한 본 발명에 의한 불소 첨가 카본막의 형성 방법에 의해서 형성한 경우와, 도 6에 있어서의 단계 500∼550의 공정을 실시하지 않은 경우, 즉 하지막의 표면 처리를 하지 않은 경우에 대해서 실시하여, 이들의 결과를 비교했다.
또한, 실험은 상기 2가지의 경우에 관해서, Si 기판 상에 형성된 SiN막 상에 불소 첨가 카본막을 형성한 경우와, Si 기판 상에 직접 불소 첨가 카본막을 형성한 경우에 관해서, 각각 실시했다.
도 9를 참조하면, SiN막 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 경우 및 Si 기판 상에 직접 불소 첨가 카본막을 형성하는 경우의 각각의 경우에 있어서, 도 6의 단계 500∼550에 나타낸 표면 처리를 실시함으로써, 불소 첨가 카본막과 하지부의 밀착력이 대폭 개선되고 있음을 알 수 있다.
예컨대, SiN막 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 경우, SiN막의 표면 처리를 하지 않는 경우는 밀착력이 32 MPa인 데 대하여, 표면 처리를 하면, 밀착력이 48 MPa로 향상되고 있음을 알 수 있다.
이것은, 전술한 것과 같이 불소 첨가 카본막의 하지부 상의 수분이나 유기물, 자연 산화막 등이 제거됨으로써 불소 첨가 카본막과 SiN막의 밀착력이 향상되기 때문이라고 생각된다.
또한, 하지막은 SiN막이나 Si에 한하지 않고, 예컨대 다른 절연막, 산화막, 질화막, 산질화막, 금속막, 금속산화막, 금속질화막 등을 하지막에 이용한 경우도, 하지막이 손상을 받는 일없이, 불소 첨가 카본막과 하지막의 밀착력을 향상시키는 것이 가능해진다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예에 관해서 설명했지만, 본 발명은 전술한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 청구의 범위에 기재한 요지 내에서 여러 가지 변형·변경이 가능하다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 처리 장치에 의해서, 피처리 기판의 표면 처리를 실시함으로써, 그 표면 처리한 후에 형성되는 불소 첨가 카본막과 피처리 기판 표면과의 밀착력을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 상기 플라즈마 처리 장치는 고밀도이며 또한 낮은 전자 온도의 마이크로파 플라즈마를 이용하고 있기 때문에, 피처리 기판 표면에 손상을 주지 않고서, 상기 표면 처리를 실시하는 것이 가능해진다.

Claims (12)

  1. 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법으로서,
    기판 처리 장치에 의해서 희가스를 플라즈마 여기하여, 플라즈마 여기된 상기 희가스에 의해서 상기 피처리 기판의 표면 처리를 실시하는 제1 공정과,
    상기 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막을 형성하는 제2 공정을 포함하고,
    상기 기판 처리 장치는,
    상기 피처리 기판에 대면하도록 설치된 마이크로파 투과창을 구비하며, 상기 마이크로파 투과창 상에 설치된, 마이크로파 전원이 전기적으로 접속된 마이크로파 안테나로부터, 상기 피처리 기판 상의 프로세스 공간에, 상기 마이크로파 투과창을 통해 마이크로파를 도입하여, 상기 희가스를 포함하는 플라즈마 가스를 플라즈마 여기하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 공정에서는, 상기 제1 공정에서 상기 표면 처리가 이루어진 상기 피처리 기판 상에 불소 첨가 카본막이 형성되는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 기판 처리 장치는,
    외벽에 의해 구획되어, 상기 피처리 기판을 유지하는 유지대를 구비한 처리 용기와,
    상기 처리 용기를 배기하는 배기구를 구비하고,
    상기 마이크로파 투과창은 상기 처리 용기 상에 설치되어, 상기 플라즈마 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급부가, 상기 처리 용기와 상기 마이크로파 투과창 사이에 삽입되어, 상기 외벽의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 안테나는 동축 도파관에 의해 급전(給電)되며, 개구부를 갖는 안테나 본체와, 상기 안테나 본체 상에 상기 개구부를 덮도록 설치된 복수의 슬롯을 갖는 마이크로파 방사면과, 상기 안테나 본체와 상기 마이크로파 방사면 사이에 설치된 유전체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 희가스는 Ar을 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 희가스는 Kr를 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 희가스는 Xe를 포함하는 것을 특징으로 하는 불소 첨 가 카본막의 형성 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프로세스 공간은 도전 재료 구조물에 의해 상기 마이크로파 투과창을 향해 있는 제1 공간과, 상기 피처리 기판을 향해 있는 제2 공간으로 분할되고, 상기 제2 공간에 불소 첨가 카본막을 형성하는 원료가 되는 처리 가스가 공급되어, 상기 기판 처리 장치에 의해 상기 제2 공정이 이루어지는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 도전 재료 구조물은 상기 처리 가스를 상기 제2 공간에 공급하는 처리 가스 공급부인 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 처리 가스 공급부는 상기 처리 용기 내에 형성된 플라즈마를 통과시키는 복수의 개구부와, 처리 가스 통로와, 상기 처리 가스 통로에서 상기 처리 용기 내로 연통된 복수의 처리 가스 공급 구멍을 구비한 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 제1 공정과 상기 제2 공정은, 상기 기판 처리 장치에 있어서 연속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제2 공정은 상기 제1 공정 후에 실행되고, 상기 제1 공정은, 상기 기판 처리 장치의 상기 처리 가스의 공급을 차단한 상태로 실시되는 것을 특징으로 하는 불소 첨가 카본막의 형성 방법.
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