KR20070033930A - 처리 장치 - Google Patents

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KR20070033930A
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유스케 후쿠치
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캐논 가부시끼가이샤
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Abstract

라디칼 처리에 있어서, 라디칼 플럭스를 광범위하고 정밀하게 제어하는 것이 가능한 처리 장치를 제공한다. 처리실(101)은, 반도체 등의 피처리 기판(102)의 표면의 라디칼 처리를 실시하는 실이다. 가스 도입구(105)는, 라디칼 생성 수단(108)에 의해 생성되는 라디칼 발생 영역(111)과 피처리 기판 지지체(103)와의 사이에 설치된다. 제1의 가스 배기구(106a)는, 가스 도입구(105)보다 라디칼 발생 영역(111) 측에 설치된다. 제2의 가스 배기구(106b)는, 가스 도입구(105)보다 기판 지지체(103) 측에 설치된다.
가스 도입구, 기판, 라디칼, 플라스마.

Description

처리 장치{PROCESSING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 제1 실시예의 처리 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관을 이용한 플라스마 처리 장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자외광 여기 라디칼원을 이용한 처리 장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 불활성 가스 도입구를 구비한 플라스마 처리 장치의 구성도,
도 5의 (a)는 본 발명의 제5 실시예에 따른 처리 장치의 구성도,
도 5의 (b)는 본 발명의 제5 실시예에 따른 내부에 가열 기구를 가지는 컨덕턴스 제어판을 이용한 플라스마 처리 장치의 구성도,
도 6은 종래 예의 처리 장치의 구성도이다.
본 발명은, 반도체소자의 게이트 절연막을 형성하기 위해서 매우 적합한 처리 장치에 관한 것이다.
반도체소자 제조 공정에 있어서, 라디칼을 처리에 이용하는 것이 널리 알려져 있다. 예를 들면, 에칭, 애싱, 성막 처리 등 폭넓은 프로세스에 대해 이용되고 있다.
또, 근래에는 반도체소자의 미세화의 요구에 따를 수 있도록 극박의 게이트 절연막 형성이나 표면 개질에 라디칼 처리가 이용되고 있다. 이러한 극박막 형성, 표면 개질 프로세스에 대해서는, 형성하는 막 두께나 개질 정도를 제어하기 위해서, 피처리 기판에 입사시키는 라디칼 플럭스를 정밀하게 제어할 필요가 있다.
여기서, 피처리 기판으로의 입사하는 플럭스를 제어하는 종래의 플라스마 여기 처리 장치를 도 6을 참조해서 설명한다.
이 종래의 플라스마 여기 처리 장치는, 처리실(601), 피처리 기판(602), 라디칼 발생 영역(611)과의 거리가 가변인 피처리 기판(602)을 지지하는 피처리 기판 지지체(603)를 가진다. 게다가, 피처리 기판(602)의 히터(604), 처리실(601)의 배기를 실시하는 배기구(606), 플라스마 반응 가스의 가스 도입구(605)를 가진다. 게다가, 전력을 처리실(601)에 도입하는 전력 도입 수단(608), 표면에 복수의 관통구멍을 가지는 평판 모양의 플럭스 제어판(609)을 가진다.
피처리 기판(602)의 플라스마 처리는, 우선 배기구(606)에 의해 처리실(601) 내를 진공 상태로 배기한다. 계속해서, 반응 가스를 처리실(601)의 하부에 설치된 가스 도입구(605)를 통해서 소정의 유량으로 도입한다. 다음에, 배기구(606)에 설 치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 조절해서, 처리실(601) 내를 소정의 압력으로 유지한다. 전력 도입 수단(608)을 통해서 소망의 전력을 처리실(601)에 도입해서, 플라스마를 발생시킨다. 도입된 반응 가스는, 발생한 플라스마에 의해 여기 및 이온화 반응해서 라디칼 발생 영역(611)에서 라디칼이 생성되어 피처리 기판 지지체(603) 상에 탑재된 피처리 기판(602)의 표면을 처리한다.
이때, 피처리 기판(602)으로의 라디칼 플럭스는, 이하의 방법에 의해 제어할 수가 있다. 즉,
(a) 라디칼 발생 영역(611)과 피처리 기판(602)과의 물리적인 거리를 피처리 기판 지지대(603)에 의해 변화시킨다. 이에 의해, 라디칼 발생 영역(611)으로부터 피처리 기판(602)으로 수송되는 동안에 생기는 라디칼의 비활성화 정도에 근거해서 플럭스를 제어한다.
(b) 라디칼 발생 영역(611)과 피처리 기판(602)을 가지는 라디칼 처리실(601)과의 사이에 설치된 관통구멍을 가지는 판에 의해 라디칼의 통과를 제어한다. 예를 들면, 복수의 관통구멍을 가지는 판 모양의 컨덕턴스 제어판(609)의 컨덕턴스를 변화시키는 것으로 라디칼 플럭스를 제어한다.
(c) 라디칼 생성을 위한 전력 도입 수단(608)의 인가 전력을 변화시키는 것으로, 생성되는 라디칼 밀도를 변화시키고 플럭스를 제어한다.
(d) 라디칼 처리실(601) 내의 압력을 변화시키는 것으로, 처리실(601) 내의 라디칼 밀도를 변화시키고 플럭스를 제어한다.
그러나, 상기의 라디칼 플럭스 제어 방법에 대해 몇 가지 문제가 있다.
예를 들면, (a) 방법에서는, 광범위하게 라디칼 플럭스를 제어하려 할 경우, 라디칼 발생 영역(611)과의 거리를 충분히 취할 필요가 있어, 장치의 대형화를 부른다.
또, (b) 방법에서는 플럭스의 제어를 위해서는 그때마다 컨덕턴스가 다른 제어판으로 교환될 필요가 있다.
또, (c) 및 (d) 방법에서는 플라스마의 생성 조건과 라디칼의 플럭스를 독립적으로 제어할 수가 없다.
또한, 상기 (a)~(d) 모든 방법에 대해 피처리 기판 표면의 몇 분자 층 정도의 처리를 실시하도록 극저 플럭스로 제어하는 것이 매우 곤란하다는 문제점이 있었다.
또, 마이크로파 플라스마에 의해 여기한 라디칼의 피처리 기판으로의 미소 입사 플럭스를 정밀 제어하는 플라스마 처리 장치 및 방법이 특개 2005-142234호 공보(미국 특허 제2005-092243호)로 제안되고 있다.
본 발명은, 라디칼 처리에 있어서, 라디칼 플럭스를 광범위하고 정밀하게 제어하는 것이 가능한 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 처리 장치는, 피처리 기판을 수용하는 처리실과, 처리실 내의 라 디칼 발생 영역에 라디칼을 생성하는 라디칼 생성 수단과, 처리실 내에서 피처리 기판을 지지하는 지지체와, 지지체와 라디칼 발생 영역 사이에 배치되어 반응 가스를 도입하는 가스 도입구와, 가스 도입구보다 라디칼 발생 영역 측에 배치되는 제1의 가스 배기구와, 가스 도입구보다 지지체 측에 배치되는 제2의 가스 배기구를 구비한다.
본 발명에 따른 처리 장치는, 라디칼 발생 영역과 가스 도입구와의 사이에 적어도 1개 이상의 제1의 컨덕턴스 제어판을 갖춘다.
게다가, 처리 장치는, 기판 지지체와 가스 도입구와의 사이에 적어도 1개 이상의 제2의 컨덕턴스 제어판을 갖춘다.
본 발명에 따른 처리 장치는, 라디칼을 기판이 탑재된 처리실 내의 영역으로 수송하는 유로 중에 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 제어 수단을 갖춘다.
제어 수단은, 라디칼 발생 영역과 처리실 사이의 영역 내의 처리실의 벽면을 가열 또는 냉각하는 온도 조절 수단이다.
본 발명에 따른 처리 장치는, 가스 도입구와 기판 지지체와의 사이에 불활성 가스 도입구를 갖춘다.
본 발명에 따른 처리 장치에 있어서, 라디칼 생성 수단은 자외광 여기에 의해 라디칼을 생성한다.
본 발명에 따른 처리 장치에 있어서, 라디칼 생성 수단은 플라스마 여기에 의해 라디칼을 생성한다.
본 발명의 그 밖의 목적 또는 특징은, 이하 첨부 도면을 참조해서 설명되는 바람직한 실시예에 의해 밝혀질 것이다.
(실시예)
본 발명의 처리 장치에 의하면, 제1의 가스 배기구는, 가스 도입구로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역을 통과한 후에 라디칼 처리실로부터 배기되도록 설치된다. 게다가, 제2의 가스 배기구는, 가스 도입구로부터 도입된 반응 가스가 피처리 기판 지지체 표면 근방을 통과한 후에 처리실로부터 배기되도록 설치된다.
이 때문에, 제1의 가스 배기구와 제2의 가스 배기구의 배기 컨덕턴스의 비를 조절함으로써, 처리실 내의 라디칼 밀도를 광범위하게 제어할 수 있다.
한편, 제2의 가스 배기구의 컨덕턴스 밸브를 완전하게 닫을 경우, 처리실 내의 반응 가스는 피처리 기판측으로부터 반응 가스가 도입된다. 게다가, 라디칼 발생 영역으로 흐르고, 제1의 가스 배기구로부터 배기된다.
　이 때문에, 반응 가스의 흐름에 역행해서 라디칼 발생 영역으로부터 확산하는 라디칼만이 피처리 기판 주변의 영역에 존재할 수 있다.
이 결과, 종래의 장치에서는 수행할 수 없는 극저 플럭스의 라디칼을 피처리 기판에 공급하는 것이 가능해진다.
또, 그 플럭스는 반응 가스의 유량을 조절해서, 용이하게 제어하는 것이 가능하고, 제1의 가스 배기구, 제2의 가스 배기구의 배기 컨덕턴스의 비를 변화시키는 것에 의해서도 제어 가능하다.
이하, 본 발명을 그 실시예에 근거해서 도면을 참조해 설명한다.
(제1 실시예)
도 1을 참조해서 본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 설명한다.
처리실(101)에서는, 반도체 등의 피처리 기판(102)의 표면의 라디칼 처리를 실시한다. 라디칼 생성 수단(108)은, 처리실(101) 내의 상부의 라디칼 발생 영역(111)에 라디칼을 생성하는 수단이다.
가스 도입구(105)는, 라디칼 생성 수단(108)의 하부에 설치되어 처리실(101)에 반응 가스를 도입하는 수단이다.
피처리 기판 지지체(103)는, 가스 도입구(105)의 하부에 설치되어 피처리 기판(102)을 탑재하는 수단이다.
본 제1 실시예에서는 라디칼 생성 수단의 하부에 가스 도입구가 설치되고, 가스 도입구의 하부에 피처리 기판 지지체가 설치되고 있다. 하지만, 그러한 상대적인 위치는 가스 도입구(105)가 라디칼 생성 수단(108)과 기판 지지체(103) 사이에 배치된다면 변화될 수 있다.
히터(104)는, 피처리 기판 지지체(103) 상에 탑재된 피처리 기판(102)의 온도를 조절한다.
제1의 가스 배기구(106a)는, 가스 도입구(105)로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역(111)을 통과한 후에 처리실(101)의 상부로부터 배기되도록 설치된다.
제2의 가스 배기구(106b)는, 가스 도입구(105)로부터 도입된 반응 가스가 피 처리 기판 지지체(103) 표면 근방을 통과한 후에 처리실(101)의 하부로부터 배기되도록 설치된다.
제1의 컨덕턴스 제어판(109a)은, 라디칼 발생 영역(111)과 가스 도입구(105)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(109a)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제2의 컨덕턴스 제어판(109b)은, 피처리 기판 지지체(103)와 가스 도입구(105)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(109b)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
본 제1 실시예의 처리 장치를 이용한 피처리 기판(102)의 표면의 라디칼 처리는 이하와 같이 실시한다.
우선, 제1의 가스 배기구(106a)와 제2의 가스 배기구(106b)를 통해서 라디칼 처리실(101) 내를 진공 상태로 배기한다.
계속해서, 반응 가스를 라디칼 발생 영역(111)과 피처리 기판 지지체(103)와의 사이에 설치된 가스 도입구(105)를 통해서 소정의 유량으로 처리실(101) 내에 도입한다.
다음에, 제1의 가스 배기구(106a)와 제2의 가스 배기구(106b)에 설치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 각각 조절해서, 처리실(101) 내를 소정의 압력으로 유지한다.
라디칼 생성 수단(108)에 소망의 전력을 인가해서, 처리실(101)에 도입한 반응 가스를 여기해서 라디칼을 발생시킨다.
이때, 제1의 가스 배기구(106a)와 제2의 가스 배기구(106b)의 배기 컨덕턴스의 비를 조절함으로써, 처리실(101) 내의 라디칼 밀도를 광범위하게 제어할 수 있다.
예를 들면, 제1의 가스 배기구(106a)의 컨덕턴스 밸브를 완전하게 닫을 경우, 처리실(101) 내의 가스는 라디칼 발생 영역(111)으로부터 피처리 기판(102)으로 흐른 후에 처리실(101)의 하부에 있는 제2의 가스 배기구(106b)로부터 배기된다. 이때, 소위 다운 플로우로 불리는 상태가 되어 종래의 처리 장치와 같은 대량의 라디칼 플럭스에 의한 처리, 프로세스 제어를 실시하는 것이 가능해진다.
한편, 제2의 가스 배기구(106b)의 컨덕턴스 밸브를 완전하게 닫을 경우, 라디칼 처리실(101) 내의 반응 가스는 피처리 기판(102)측으로부터 라디칼 발생 영역(111)으로 흐르고, 제1의 가스 배기구(106a)로부터 배기된다.
이 때문에, 반응 가스의 흐름에 역행해서 라디칼 발생 영역(111)으로부터 확산하는 라디칼만이 피처리 기판(102) 주변의 영역에 존재할 수 있다.
이 때문에, 종래의 장치에서는 수행할 수 없는 극저 플럭스의 라디칼을 피처리 기판(102)에 공급하는 것이 가능해진다.
또, 그 플럭스는 반응 가스의 유량을 조절해서, 용이하게 제어하는 것이 가능하고, 제1의 가스 배기구(106a)와 제2의 가스 배기구(106b)의 배기 컨덕턴스의 비를 변화시키는 것에 의해서도 제어 가능하다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치에는, 라디칼을 피처리 기판(102)이 탑재된 처리실(101)로 수송하는 유로 중에 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 제어 수단 을 설치해도 좋다. 이 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 제어 수단은, 라디칼 발생 영역(111)에 대면하는 처리실(101)의 벽면을 가열 또는 냉각하는 온도 조절 수단이다.
이 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 제어 수단은, 라디칼 발생 영역(111)으로부터 하부에 흐르는 반응 가스의 유로에 대면하는 처리실(101)의 벽면의 적어도 일부를 가열 또는 냉각하는 온도 조절 수단이다.
이 수단에 의해, 확산 수송중의 라디칼의 재결합 반응속도가 제어되고, 플럭스 제어성이 향상한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 처리 장치에는, 보다 제어성을 향상시키기 위해서, 가스 도입구(105)와 피처리 기판 지지체(103)와의 사이에 불활성 가스 도입구를 설치해도 좋다.
도입하는 불활성 가스로서는, He, Ne, Ar, Kr, Xe 등의 희가스, N2, 혹은 이들의 혼합 가스 등이 이용된다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치에 이용되는 라디칼 생성 수단(108)은 고주파 플라스마 여기, 자외광 여기의 어느 여기 수단을 이용하는 것이 가능하고, 그것들을 병용하는 것도 가능하다.
고주파 플라스마 여기로서는, CCP(capacitively coupled plasma), ICP(inductively coupled plasma), 헬리콘파, ECR(electron cyclotron resonance), 마이크로파, 표면파, 표면파 간섭형 플라스마원 등의 소정의 플라스마 여기 수단을 적용 가능하다.
또, 자외광 여기 수단으로서는 소망한 라디칼 상태로 여기 가능한 에너지를 가지는 광을 방사 가능한 것이면 어느 광원도 적용 가능하다.　
예를 들면, 크세논 쇼트 아크 램프, 크세논 플래시 램프, 쇼트 아크형 초고압 수은 램프, 캐필러리 램프, 롱 아크 램프가 이용된다.
게다가, 저압 수은 램프, DeepUV 램프, 메탈 할라이드 램프, 엑시머 램프, 질소 레이저, 엑시머 레이저 등의 광원이 이용된다.
엑시머 램프를 이용했을 경우, F2, Cl2, Br2, I2, ArBr, KrBr, XeBr, ArCl, KrCl, XeCl, ArF, KrF, XeF, XeI 등 봉지 가스에 따라 발광 중심 파장이 다르다.
이 때문에, 이들로부터 소망의 라디칼의 생성에 가장 적합한 파장의 광을 효율적으로 발광시킬 수가 있는 것을 선택하는 것이 바람직하다.
컨덕턴스 제어판의 재질은, 라디칼 처리의 대상이 MOS-FET의 게이트 산화/질화막형성 등 금속 오염이 문제가 되는 경우에는 석영, 질화 실리콘 등의 Si계 절연체 재료를 사용한다.
금속 오염이 문제가 되지 않고, 기판으로의 전자파 조사를 중단하고 싶은 경우에는, 알루미늄 등의 금속을 사용해도 좋다. 금속 오염과 전자파 조사 모두가 문제가 되는 경우에는, 금속을 내장한 Si계 절연체를 이용하는 수단도 있다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 이용한 라디칼 처리 방법에 있어서의 라디칼 처리실 내의 압력은 1.3×10-2Pa 내지 1333Pa의 범위이다.
중간류로부터 점성류 영역에 있어서의 1.3Pa에서 667Pa의 범위가 적당하고, 몇 분자 층 정도의 표면 처리를 실시하는 경우, 133Pa에서 400Pa의 범위가 더 적합하다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 이용하는 처리 방법에 의해 처리하는 피처리 기판(102)은, 반도체나, 도전성의 것이어도, 혹은 절연성의 것이어도 관계없다. 도전성 기판으로서는, Fe, Ni, Cr, Al, Mo, Au, Nb, Ta, V, Ti, Pt, Pb 등의 금속 또는 이러한 합금, 예를 들면 놋쇠, 스텐레스강 등이 이용된다. 절연성 기판으로서는, SiO2계의 석영이나 각종 유리, Si3N4, NaCl, KCl, LiF, CaF2, BaF2, Al2O3, AlN, MgO 등의 무기물이 이용된다. 게다가, 폴리에틸렌, 폴리에스텔, 폴리카보네이트, 셀룰로오스 아세테이트, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리이미드 등의 유기물의 막이 이용된다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 이용한 처리 방법을 피처리 기판(102)의 표면 개질에 적용하는 경우, 사용하는 가스를 적당히 선택한다.
예를 들면, 피처리 기판(102) 혹은 표면층으로서 Si, Al, Ti, Zn, Ta 등을 사용해서, 피처리 기판(102) 혹은 표면층의 산화 처리 혹은 질화 처리와 B, As, P 등의 도핑 처리 등이 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 이용한 처리 방법에 대해 채용하는 성막 기술은 세정 방법에도 적용할 수 있다. 그 경우, 산화물 혹은 유기물이나 중금속 등의 세정에 사용할 수도 있다.
피처리 기판(102)을 산화 표면 처리하는 경우의 반응 가스 도입구(105)를 통해서 도입하는 산화성 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2 등이 이용된다. 또, 피처리 기판(102)을 질화 표면 처리하는 경우의 가스 도입구(105)를 통해서 도입하는 질화성 가스로서는, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 등이 이용된다.
피처리 기판(102) 표면의 유기물을 세정하는 경우 또는 감광제 등 피처리 기판(102)의 표면상의 유기 성분을 애싱 제거하는 경우에는, 이하의 반응 가스가 이용된다. 가스 도입구(105)로부터 도입하는 세정/애싱용 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, H2 등이 이용된다. 또, 피처리 기판(102)의 표면의 무기물을 세정하는 경우의 가스 도입구(105)로부터 도입하는 세정용 가스로서는, F2, CF4, CH2F2, C2F6, C4F8, CF2Cl2, SF6, NF3 등이 이용된다.
본 발명의 제1 실시예의 처리 장치를 이용하는 처리 방법에 따르는 퇴적 막의 형성은, 사용하는 가스를 적당히 선택한다.
이 선택에 의해, Si3N4, SiO2, SiOF, Ta2O5, TiO2, TiN, Al2O3, AlN, MgF2 등의 절연막, a-Si, poly-Si, SiC, GaAs 등의 반도체막을 효율적으로 형성하는 것이 가능하다.
게다가, Al, W, Mo, Ti, Ta 등의 금속 막 등 각종의 퇴적 막을 효율적으로 형성하는 것이 가능하다.
CVD법에 의해 기판상에 박막을 형성하는 경우에 이용되는 가스로서는, 일반 적으로 공지의 가스를 사용할 수 있다.
a-Si, poly-Si, SiC 등의 Si계 반도체 박막을 형성하는 경우의 가스 도입구(105)를 통해서 라디칼 처리실(101)에 도입하는 Si 원자를 함유하는 가스로서는, 이하의 것이 이용된다.
우선, SiH4, Si2H6 등의 무기 실란류가 이용된다. 게다가, 테트라에틸실란(TES), 테트라메틸실란(TMS), 디메틸실란(DMS), 디메틸디플로르실란(DMDFS), 디메틸디클로로실란(DMDCS) 등의 유기 실란류가 이용된다.
게다가, SiF4, Si2F6, Si3F8, SiHF3, SiH2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl, SiCl2F2 등의 할로겐화 실란류 등이 이용된다.
게다가, 상온 상압에서 가스 상태인 것 또는 용이하게 가스화할 수 있는 것이 이용된다. 또, 이 경우의 Si 가스와 혼합해 도입해도 괜찮은 첨가 가스 또는 캐리어 가스로서는, H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn가 이용된다.
Si3N4, SiO2 등의 Si 화합물계 박막을 형성하는 경우의 반응 가스 도입구(105)를 통해서 도입하는 Si 원자를 함유하는 원료로서는, 이하의 것이 이용된다. 우선, SiH4, Si2H6 등의 무기 실란류와, 테트라에톡시실란(TEOS), 테트라메톡시실란(TMOS), 옥타메틸시클로테트라실란(OMCTS), 디메틸디플로로실란(DMDFS), 디메틸디클로로실란(DMDCS) 등의 유기 실란류와, SiF4, Si2F6, Si3F8, SiHF3, SiH2F2, SiCl4, Si2Cl6, SiHCl3, SiH2Cl2, SiH3Cl, SiCl2F2 등의 할로겐화 실란류 등과, 상온 상압에서 가스 상태인 것 또는 용이하게 가스화할 수 있는 것이 이용된다.
또, 이 경우의 동시에 도입하는 질소 가스 또는 산소 가스로서는, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실라잔(HMDS), O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2 등이 이용된다.
Al, W, Mo, Ti, Ta 등의 금속 박막을 형성하는 경우의 반응 가스 도입구(105)를 통해서 도입하는 금속 원자를 함유하는 원료로서는, 이하의 것이 이용된다.
트리메틸 알루미늄(TMAl), 트리에틸 알루미늄(TEAl), 트리이소부틸 알루미늄(TIBAl), 디메틸알루미늄 할라이드(DMAlH) 등의 유기 금속과, 텅스텐카보닐(W(CO)6), 몰리브덴카보닐(Mo(CO)6), 트리메틸 갈륨(TMGa), 트리에틸 갈륨(TEGa) 등의 유기 금속과, AlCl3, WF6, TiCl3, TaCl5 등의 할로겐화 금속 등이 이용된다.
또, 이 경우의 Si 가스와 혼합해서 도입해도 괜찮은 첨가 가스 또는 캐리어 가스로서는, H2, He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn가 이용된다.
Al2O3, AlN, Ta2O5, TiO2, TiN, WO3 등의 금속 화합물 박막을 형성하는 경우의 반응 가스 도입구(105)를 통해서 도입하는 금속 원자를 함유하는 반응 가스로서는, 이하의 것이 이용된다.
트리메틸 알루미늄(TMAl), 트리에틸 알루미늄(TEAl), 트리이소부틸알루미늄(TIBAl), 디메틸알루미늄 할라이드(DMAlH) 등의 유기 금속이 이용된다.
게다가, 텅스텐카보닐(W(CO)6), 모리브덴카보닐(Mo(CO)6), 트리메틸 갈 륨(TMGa), 트리에틸 갈륨(TEGa) 등의 유기 금속과, AlCl3, WF6, TiCl3, TaCl5 등의 할로겐화 금속 등이 이용된다.
또, 이 경우의 동시에 도입하는 산소 가스 또는 질소 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, N2, NH3, N2H4, 헥사메틸디실라잔(HMDS) 등이 이용된다.
기판 표면을 에칭하는 경우의 반응 가스 도입구(105)로부터 도입하는 에칭용 가스로서는, F2, CF4, CH2F2, C2F6, C3F8, C4F8, CF2Cl2, SF6, NF3, Cl2, CCl4, CH2Cl2, C2Cl6 등이 이용된다. 포토레지스트 등 피처리 기판(102)의 표면상의 유기 성분을 애싱 제거하는 경우의 반응 가스 도입구(105)로부터 도입하는 애싱용 가스로서는, O2, O3, H2O, NO, N2O, NO2, H2 등이 이용된다.
(제2 실시예)
다음에, 도 2를 참조해서 본 발명의 제2 실시예의 처리 장치인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관을 이용한 마이크로파 여기 표면파 간섭형 플라스마 처리 장치에 대해 설명한다.
라디칼 처리실(201)은, 반도체 등의 피처리 기판(202) 표면의 라디칼 처리를 실시하는 실이다.
라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)은, 마이크로파 투과 수단(207)을 통해 마이크로파를 처리실(201)에 도입하기 위한 수단이다.
이 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)은, 처리실(201) 내의 상부의 라디칼 발생 영역(211)에 라디칼을 생성하는 수단이다.
가스 도입구(205)는, 무종단 환상 도파관(208: 라디칼 생성 수단)의 하부에 설치되어 처리실(201)에 반응 가스를 도입하는 수단이다.
피처리 기판 지지체(203)는, 가스 도입구(205)의 하부에 설치되어 피처리 기판(202)을 탑재하는 수단이다.
히터(204)는, 피처리 기판 지지체(203) 상에 탑재된 피처리 기판(202)의 온도를 조절한다.
제1의 가스 배기구(206a)는, 가스 도입구(205)로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역(211)을 통과한 후에 처리실(201)의 상부로부터 배기되도록 설치된다.
제2의 가스 배기구(206b)는, 가스 도입구(205)로부터 도입된 반응 가스가 기판 지지체(203)를 통과한 후에 처리실(201)의 하부로부터 배기되도록 설치된다.
제1의 컨덕턴스 제어판(209a)는, 라디칼 발생 영역(211)과 가스 도입구(205)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(209a)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은, 피처리 기판 지지체(203)와 가스 도입구(205)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(209b)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제1의 컨덕턴스 제어판(209a) 및 제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은 평판 형상이며, 직경 1~3mm 구멍이 대략 20mm 피치로 형성되어 도입된 반응 가스의 흐름 및 라디칼 확산을 제어한다.
단, 본 제2 실시예에 대해 소망의 컨덕턴스를 얻을 수 있는 것이면 임의의 구멍 형상 및 배치의 것을 적당히 선택할 수 있다.
또, 제1의 컨덕턴스 제어판(209a) 및 제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은 동일하거나 달라도 된다. 이에 따라, 제1의 컨덕턴스 제어판(209a) 및 제2의 컨덕턴스 제어판(209b) 모두는 구멍 직경이나 배치가 동일하거나 달라도 된다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)은, TE10 모드로, 내벽 단면의 치수가 27mm×96mm(관내 파장 158.8mm), 도파관의 중심 직경이 151.6mm(원주 길이는 관내 파장의 3배)의 것을 이용했다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)의 재질은, 마이크로파의 전파 손실을 억제하기 위해서, 모두 Al 합금을 이용하고 있다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)의 H면에는, 마이크로파를 라디칼 처리실(201)에 도입하기 위한 슬롯이 형성되고 있다.
슬롯은, 길이 40mm, 폭 4mm의 직사각형으로, 중심 직경이 151.6mm의 위치에, 방사상으로 60° 간격으로 6개 형성되고 있다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)에는, 4E 튜너, 방향성 결합기, 아이솔레이터, 도시 생략의 마이크로파 전원이 순차적으로 접속되고 있다.
마이크로파 발생원은, 예를 들면 마그네트론으로 이루어지고, 예를 들면, 2.45GHz의 마이크로파를 발생한다.
단, 본 제2 실시예에 대해서는, 0.8GHz 내지 20GHz의 범위로부터 마이크로파 주파수를 적당히 선택할 수 있다.
본 제2 실시예를 구성하는 라디칼 처리실(201)은, 피처리 기판(202)을 수용(유지)해서 진공 또는 감압 환경하에서 피처리 기판(202)에 라디칼 처리를 가하는 진공 용기이다.
도 2에 나타나는 본 제2 실시예에 대해서는, 도시하지 않는 로드록실과의 사이에서 피처리 기판(202)을 주고 받기 위한 게이트 밸브 등은 생략되어 있다.
피처리 기판(202)은 지지체(203)에 탑재된다. 피처리 기판 지지체(203)는, 처리실(201)에 수용되어 피처리 기판(202)을 지지한다.
히터(204)는, 예를 들면 200℃ 이상 400℃ 이하의 처리에 적합한 온도로 제어한다.
히터(204)는, 피처리 기판 지지체(203)의 온도를 측정하는 온도계와 기판 지지체(203)의 온도를 소정 온도로 제어하는 제어부를 가질 수 있다. 제어부는 도시 생략의 전원으로부터 히터선으로의 전원 분배를 제어하는 온도 조절부이다.
가스 도입구(205)는, 라디칼 발생 영역(211)과 피처리 기판 지지체(203)와의 사이에 설치되어 반응 가스를 처리실(201)에 공급한다.
가스 도입구(205)는, 가스 공급 수단의 일부이다. 가스 공급 수단은, 가스 공급원과 밸브와 매스 플로우 콘트롤러와 이것들을 접속하는 가스 도입관 등으로 구성된다.
가스 도입구(205)는, 마이크로파에 의해 여기되어 소정의 플라스마를 얻기 위한 반응 가스나 방전 가스를 공급한다. 플라스마의 신속한 발화를 위해서, 적어 도 발화시에 Xe나 Ar, He 등의 희가스를 첨가해도 관계없다. 희가스는 반응성이 없기 때문에 피처리 기판(202)에 악영향을 주지 않고, 또 전리하기 쉽기 때문에 마이크로파 인가시의 플라스마 발화 속도를 상승할 수 있다.
게다가, 가스 도입구(205)를, 예를 들면 반응 가스를 도입하는 도입부와 불활성 가스를 도입하는 도입부로 나누며, 이러한 도입부를 다른 위치에 배치해도 관계없다.
라디칼 플럭스를 제어하는 제1의 컨덕턴스 제어판(209a)은 가스 도입구(205)와 라디칼 발생 영역(211)과의 사이에 설치된다. 제1의 컨덕턴스 제어판(209a)은, 라디칼 발생 영역(211)으로부터 확산하는 라디칼 플럭스를 제어함과 함께 가스의 정류 작용을 가진다.
또, 제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은 가스 도입구(205)와 피처리 기판(202)이 탑재된 피처리 기판 지지체(203)와의 사이에 설치된다.
제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은, 라디칼 발생 영역(211)으로부터 확산하는 라디칼 플럭스를 제어하고 가스를 정류한다.
제1의 가스 배기구(206a)는 라디칼 발생 영역(211) 주변에 설치된다. 제2의 가스 배기구(206b)는 피처리 기판(202)의 처리 영역 주변에 설치된다. 제1의 가스 배기구(206a)와 제2의 가스 배기구(206b)는, 도시 생략의 압력계, 제어부, 압력 조절 기구, 진공 펌프로 구성된다.
도시 생략의 압력계는 처리실(201) 내의 압력을 검출하고, 도시 생략의 제어부는 진공 펌프를 운전하면서, 처리실(201)의 압력을 소정의 값이 되도록 제어한 다.
처리실(201) 내의 압력은, 압력 조절 밸브(예를 들면, VAT사 제조의 압력 조절 기를 갖춘 게이트 밸브나 MKS사 제조 배기 슬롯 밸브)의 개방도를 조절하는 것에 의해 실시한다.
이 결과, 압력 조절 기구를 통해서, 처리실(201)의 내부 압력을 처리에 적합한 압력으로 제어한다.
각 가스 배기구의 가스 배기량은 독립적으로 제어 가능하다. 그러므로, 각각의 배기구로부터 배기를 실시하는 가스 배기량의 비를 변경함으로써, 가스 도입구(205)로부터 도입된 가스 흐름의 방향을 제어할 수가 있다.
예를 들면, 제1의 가스 배기구(206a)로부터의 가스 배기량이 제2의 가스 배기구(206b)로부터의 가스 배기량보다 큰 경우, 가스 도입구(205)로부터 라디칼 발생 영역(211)으로 흐른 후 배기되도록 강한 가스의 흐름을 발생한다.
본 제2 실시예에 의한 플라스마 처리는 이하와 같이 실시한다.
제1의 가스 배기구(206a)와 제2의 가스 배기구(206b)를 통해서 처리실(201) 내를 진공 배기한다.
계속해서, 반응 가스를, 가스 도입구(205)를 통해서 소정의 유량으로 처리실(201) 내에 도입한다.
다음에, 제1의 가스 배기구(206a), 제2의 가스 배기구(206b)에 접속된 배관에 설치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 조절해서, 처리실(201) 내를 소정의 압력으로 유지하는 동시에 처리실(201) 내에서 발생하는 가스의 흐름을 제어한다.
도시 생략의 마이크로파 전원으로부터 소망의 전력을, 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)과 마이크로파 투과 수단(207)을 통해서 처리실(201) 내에 공급한다.
가스 도입구(205)로부터 도입된 반응 가스는, 발생한 플라스마에 의해 여기 및 이온화 반응해서 활성인 라디칼이 라디칼 발생 영역(211)에 생성된다.
발생한 라디칼은 확산에 의해 수송된다. 피처리 기판 지지체(203) 상에 탑재된 피처리 기판(202)의 표면에 도달한 라디칼만이 라디칼 처리에 기여한다.
　이때, 라디칼이 확산하는 방향은 제1의 가스 배기구(206a)와 제2의 가스 배기구(206b)로부터 배기되는 가스의 배기량의 비에 의해 형성되는 가스의 흐름에 강하게 의존한다.
또한, 도입하는 가스의 유량이나, 처리실(201) 내의 압력을 다양한 조건으로 변경함으로써, 피처리 기판(202) 표면에 도달하는 라디칼의 플럭스를 임의로 제어할 수 있다.
예를 들면, 제1의 가스 배기구(206a)로부터의 가스의 배기를 완전히 정지했을 경우, 가스 도입구(205)로부터 도입된 반응 가스는, 피처리 기판(202)의 처리 영역을 흘러 제2의 가스 배기구(206b)로부터 배기되는 가스의 흐름이 형성된다.
라디칼 발생 영역(211)에서 생성된 라디칼은, 이 가스의 흐름에 따라 기판을 향해 수송된다. 결과적으로, 대량의 라디칼 플럭스를 피처리 기판(202)의 처리 영역에 공급할 수가 있다.
제2의 가스 배기구(206b)로부터의 가스의 배기를 완전히 정지했을 경우, 가 스 도입구(205)로부터 도입된 반응 가스는, 라디칼 발생 영역(211)을 흘러, 제1의 가스 배기구(206a)로부터 배기되는 가스의 흐름이 형성된다.
라디칼 발생 영역(211)에서 생성된 라디칼은, 이 가스의 흐름에 따라 대부분이 피처리 기판(202)에 도달하는 일 없이 배기된다. 따라서, 피처리 기판(202)의 처리 영역에는 가스의 흐름을 역행해서 확산된 극저 플럭스의 라디칼을 공급할 수가 있다.
이상과 같이, 제1의 가스 배기구(206a)와 제2의 가스 배기구(206b)로부터 배기하는 가스의 배기량을 제어하고, 이에 의해 종래 장치에서는 달성할 수 없는 극저 플럭스로부터 대 플럭스까지의 광범위에 걸친 라디칼 플럭스를 피처리 기판에 공급해서, 처리하는 것이 가능해진다.
다음에, 도 2에 나타나는 본 발명의 제2 실시예의 처리 장치인 마이크로파 플라스마 처리 장치를 사용해서, 실리콘 반도체 기판의 산화를 실시해서, 매우 얇은 산화 막의 형성을 행했다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)은, 유전체 윈도우(207: 마이크로파 투과 수단)를 통해서 마이크로파를 처리실(201)에 도입하는 수단이다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)은, TE10 모드로, 내벽 단면의 치수가 대략 27mm×96mm(관내 파장 158.8mm), 도파관의 중심 직경이 151.6mm(원주 길이는 관내 파장의 3배)의 것을 이용했다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)의 재질은, 마이크로파의 전파 손실을 억제하기 위해서, 모두 알루미늄 합금을 이용하고 있다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)의 H면에는, 마이크로파를 처리실(201)에 도입하기 위한 슬롯이 형성되고 있다.
슬롯은, 길이 40mm, 폭 4mm의 직사각형으로, 중심 직경이 151.6mm의 위치에, 방사상으로 60° 간격으로 6개 형성되고 있다.
슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208)에는, 4E 튜너, 방향성 결합기, 아이솔레이터, 2.45GHz의 주파수를 가지는 도시 생략의 마이크로파 전원이 순차적으로 접속되고 있다.
제1의 컨덕턴스 제어판(209a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(209b)은 5mm 두께의 석영제의 평판이고, 대략 15mm 피치로 대략 1mm 직경의 구멍이 형성된다.
피처리 기판(202)으로서는 8인치 P형 단결정 실리콘 기판(면방위: <100>, 저항율: 10Ωcm)을 사용했다.
우선, 피처리 기판(202)인 실리콘 기판을 처리실(201)에 반송해서, 피처리 기판 지지대(203) 상에 위치시켰다.
이때, 피처리 기판(202)인 실리콘 기판을 히터(204)에 의해 300℃로 가열해서, 그 온도로 유지했다.
제1의 가스 배기구(206a)와 제2의 가스 배기구(206b)를 통해서 처리실(201) 내를 진공 배기해고, 10-7Torr의 값까지 감압시켰다.
다음에, 처리실(201) 내에 O2 가스를 2000sccm의 유량으로 도입했다. 계속해서, 제2의 가스 배기구(206b)에 설치된 컨덕턴스 밸브를 풀 클로우즈했다.
또한, 제1의 가스 배기구(206a)에 설치된 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 처리실(201) 내의 압력을 400Pa로 유지했다.
그 후, 2.45GHz, 3kW의 마이크로파 전력을 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208) 및 유전체 윈도우(207)를 통해서 처리실(201) 내에 인가해서, 플라스마를 발생시켰다. 이때, 발생한 원자 길이 산소 라디칼의 극히 일부는 도입 가스 흐름에 역행해서 실리콘 기판(202)의 방향으로 수송되어 피처리 기판(202)인 실리콘 기판의 표면을 산화한다.
이 상태로 실리콘 기판(202)을 3분간 노출해서, 실리콘 산화 막의 형성을 행했다. 이때, 형성된 실리콘 산화 막의 막 두께를 에립스미터로 측정한 결과 1.6nm의 막 두께였다.
처리 후, 막의 균일성, 내압, 리크 전류 밀도에 대해 평가한 결과, 균일성은 ±1.7%, 내압은 12.3MV/cm, 리크 전류 밀도는 1V에서 9.5×10-4A/cm2로 양호했다.
다음에, 도 2에 나타나는 본 발명의 제2 실시예의 처리 장치인 마이크로파 플라스마 처리 장치를 사용해서, 실리콘 반도체 기판의 산화를 실시해서 두꺼운 산화 막의 형성을 행했다.
피처리 기판(202)으로서는 8인치 P형 단결정 실리콘 기판(면방위: <100>, 저항율: 10Ωcm)을 사용했다.
우선, 피처리 기판(202)인 실리콘 기판을 처리실(201)에 반송해서, 피처리 기판 지지대(203) 상에 위치시켰다.
이때, 피처리 기판(202)인 실리콘 기판을 히터(204)에 의해 400℃로 가열해서 그 온도로 유지했다.
제1의 가스 배기구(206a), 제2의 가스 배기구(206b)를 통해서 라디칼 처리실(201) 내를 진공 배기해서, 10-7Torr의 값까지 감압시켰다.
다음에, 가스 도입부(205)를 통해서 처리실(201) 내에 O2 가스를 250sccm, 아르곤 가스를 250sccm의 유량으로 각각 도입했다.
계속해서, 제1의 가스 배기구(206a)에 설치된 컨덕턴스 밸브를 풀 클로우즈했다.
또한, 제2의 가스 배기구(206b)에 설치된 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 처리실(201) 내의 압력을 13.3Pa로 유지했다.
그 후, 2.45GHz, 3kW의 마이크로파 전력을 마이크로파 공급 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(208) 및 유전체 윈도우(207)를 통해서 처리실(201) 내에 인가해서, 플라스마를 발생시켰다.
이때 발생한 원자 길이 산소 라디칼은 도입 가스 흐름에 따라 피처리 기판(202)인 실리콘 기판의 방향으로 수송되어 피처리 기판(202)인 실리콘 기판의 표면을 산화한다. 이 상태로 피처리 기판(202)인 실리콘 기판을 5분간 노출해서, 실리콘 산화 막의 형성을 행했다.
이때 형성된 실리콘 산화 막의 막 두께를 에립스미터로 측정한 결과 10.5nm의 막 두께였다.
처리 후, 막의 균일성, 내압, 계면 준위 밀도에 대해 평가한 결과, 균일성은 ±2.6%, 내압은 14.1MV/cm, 계면 준위 밀도는 9.9×10-10cm-2eV- 1으로 양호했다.
(제3 실시예)
다음에, 도 3을 참조해서, 본 발명의 제3 실시예의 처리 장치인 자외광 여기 처리 장치를 설명한다.
　처리실(301)은, 반도체 등의 피처리 기판(302) 표면의 라디칼 처리를 실시하는 실이다. 라디칼 생성 수단인 자외광 광원(308)은, 전력을 인가함으로써, 자외광을 방사한다. 반응 가스는 이 자외광에 의해 여기되어 처리실(301) 내의 상부의 라디칼 발생 영역(311)에 라디칼을 발생한다.
가스 도입구(305)는, 라디칼 생성 수단(308)의 하부에 설치되어 처리실(301)에 반응 가스를 도입하는 수단이다.
피처리 기판 지지체(303)는, 가스 도입구(305)의 하부에 설치되어 피처리 기판(302)을 탑재하는 수단이다.
히터(304)는, 피처리 기판 지지체(303) 상에 탑재된 피처리 기판(302)의 온도를 조절한다.
제1의 가스 배기구(306a)는, 가스 도입구(305)로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역(311)을 통과한 후에 처리실(301)의 상부로부터 배기되도록 설치된다.
제2의 가스 배기구(306b)는, 가스 도입구(305)로부터 도입된 반응 가스가 피 처리 기판 지지체(303)를 통과한 후에 처리실(301)의 하부로부터 배기되도록 설치된다.
제1의 컨덕턴스 제어판(309a)은, 라디칼 발생 영역(311)과 가스 도입구(305)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(309a)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제2의 컨덕턴스 제어판(309b)은, 피처리 기판 지지체(303)와 가스 도입구(305)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(309b)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제1의 컨덕턴스 제어판(309a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(309b)은 알루미늄제의 판형상이며, 3~5mm 직경의 구멍이 15mm 피치로 형성되고 있다.
본 제3 실시예를 이용하는 라디칼 처리는 이하와 같이 실시한다.
도시 생략의 배기계를 통해서 처리실(301) 내를 진공 배기한다.
계속해서, 가스 도입구(305)를 통해서 소정의 유량으로 처리실(301) 내에 반응 가스를 도입한다.
다음에, 배기계에 설치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 조절해서, 라디칼 처리실(301) 내를 소정의 압력으로 유지한다. 소망의 전력을 자외광 광원(308)에 인가해 자외광을 방사시킨다.
가스 도입구(305)로부터 도입된 반응 가스는, 자외광 광원(308)으로부터 방사된 자외광의 에너지를 흡수, 여기해서 활성인 라디칼이 생성된다.
발생한 라디칼은 확산에 의해 수송된다. 피처리 기판 지지체(303) 상에 탑 재된 피처리 기판(302)의 표면에 도달한 라디칼만이 라디칼 처리에 기여한다.
이때, 라디칼이 확산하는 방향은 제1의 가스 배기구(306a)와 제2의 가스 배기구(306b)로부터 배기되는 가스의 배기량의 비에 의해 형성되는 가스의 흐름에 강하게 의존한다.
또한, 도입하는 가스의 유량이나, 라디칼 처리실(301) 내의 압력을 다양한 조건으로 변경함으로써, 피처리 기판(302) 표면에 도달하는 라디칼의 플럭스를 임의로 제어할 수가 있다.
본 제3 실시예에서는 제1의 컨덕턴스 제어판(309a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(309b)에 알루미늄판을 이용하고 있다.
이 때문에, 자외광 광원(308)으로부터 방사된 자외광이 제1의 컨덕턴스 제어판(309a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(309b)에 의해 차폐된다. 그 결과, 피처리 기판(302)이 직접 노출하는 일이 없게 된다.
이 때문에, 피처리 기판(302)의 표면에 형성되고 있는 막이 높은 에너지를 가지는 자외광에 의한 손상되는 일이 없고, 고품질의 성막이나 표면 처리가 가능해진다.
도 3에 나타나는 본 발명의 제3 실시예의 처리 장치인 자외광 여기 처리 장치를 사용해서, 실리콘 반도체 기판의 산화를 실시해서 매우 얇은 산화 막의 형성을 행했다.
자외광 광원(308)으로서는 산소 가스를 활성인 원자 길이 라디칼로 여기 가능한 저압 수은 램프를 이용했다.
제1의 컨덕턴스 제어판(309a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(309b)은 표면이 석영제의 커버로 덮인 평판이다.
이 때문에, 자외광 광원(308)으로부터 방사된 자외광은 피처리 기판(302)까지 투과할 일이 없다. 따라서, 피처리 기판(302)에 대해서 악영향을 미치는 것은 없게 된다.
또, 제1의 컨덕턴스 제어판(309a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(309b)의 표면에는 15mm 피치로 1mm 직경의 구멍을 형성할 수 있다. 피처리 기판(302)으로서는, 8인치 P형 단결정 실리콘 기판(면방위: <100>, 저항율: 10Ωcm)을 사용했다.
우선, 피처리 기판(302)인 실리콘 기판(302)을 기판 지지체(303) 상에 위치시켰다. 제1의 가스 배기구(306a)와 제2의 가스 배기구(306b)를 통해서 처리실(301) 내를 진공 배기해서, 10-7Torr의 값까지 감압시켰다.
계속해서, 히터(304)를 통전해서, 피처리 기판(302)인 실리콘 기판(302)을 400℃로 가열해서, 피처리 기판(302)인 실리콘 기판(302)을 이 온도로 유지했다.
라디칼 반응 가스의 가스 도입구(305)를 통해서 산소 가스를 1000sccm의 유량으로, 라디칼 처리실(301)에 도입했다.
계속해서, 제2의 가스 배기구(306b)에 설치된 컨덕턴스 밸브를 풀 클로우즈했다.
또한, 제1의 가스 배기구(306a)에 설치된 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 처리실(301) 내의 압력을 400Pa로 유지했다.
그 다음에, 자외광 광원(308: 저압 수은 램프)으로 300W의 전력을 공급해서 자외광을 발광시켰다. 저압 수은 램프(308)로부터 방사된 254nm 파장을 갖는 자외광은 산소 가스를 활성인 단일 산소 원자로 이온화할 수가 있다.
따라서, 원자 길이 산소 라디칼을 처리실(301) 내에 발생시켰다. 생성된 원자 길이 산소 라디칼의 극히 일부는 도입 가스 흐름에 역행해서 피처리 기판(302)인 실리콘 기판(302)의 방향으로 수송된다. 실리콘 기판(302)의 표면은 대략 0.8nm 두께로 산화되었다.
처리 후, 막의 균일성, 내압에 대해 평가한 결과, 균일성은 ±1.3%, 내압은 10.9MV/cm로 양호했다.
(제4 실시예)
다음에, 도 4를 참조해서 본 발명의 제4 실시예의 처리 장치인 기판 지지체가 존재하는 측에 불활성 가스 도입구를 구비한 처리 장치에 대해 설명한다.
처리실(401)은, 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판(402) 표면의 라디칼 처리를 실시하는 실이다.
라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(408)은 마이크로파 투과 수단(407)을 통해 마이크로파를 처리실(401)에 도입하는 수단이다.
라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(408)은, 처리실(401) 내의 상부의 라디칼 발생 영역(411)에 라디칼을 생성하는 수단이다.
가스 도입구(405a)는, 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(408)의 하부에 설치되어 처리실(401)에 반응 가스를 도입하는 수단이다.
피처리 기판 지지체(403)는, 가스 도입구(405a)의 하부에 설치되어 피처리 기판(402)을 탑재하는 수단이다.
히터(404)는, 피처리 기판 지지체(403) 상에 탑재된 피처리 기판(402)의 온도를 조절한다.
제1의 가스 배기구(406a)는, 가스 도입구(405a)로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역(411)을 통과한 후에 처리실(401)의 상부로부터 배기되도록 설치된다.
　제2의 가스 배기구(406b)는, 가스 도입구(405a)로부터 도입된 반응 가스가 피처리 기판 지지체(403)를 통과한 후에 처리실(401)의 하부로부터 배기되도록 설치된다.
제1의 컨덕턴스 제어판(409a)은, 라디칼 발생 영역(411)과 가스 도입구(405)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(409a)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제2의 컨덕턴스 제어판(409b)은, 피처리 기판 지지체(403)와 가스 도입구(405)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(409b)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제1의 컨덕턴스 제어판(409a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(409b)은, 석영으로 형성된다.
제4실시예에 있어서, 가스 도입구(405a)와 피처리 기판 지지체(403)와의 사이에, 제2의 컨덕턴스 제어판(409b)의 하부에 불활성 가스 도입구(405b)가 설치된 다.
본 제4 실시예에 의한 플라스마 처리는 이하와 같이 실시한다.
제1의 가스 배기구(406a)와 제2의 가스 배기구(406b)를 통해서 처리실(401) 내를 진공 상태로 배기한다.
계속해서, 가스 도입구(405a)를 통해서, 반응 가스를 소정의 유량으로 처리실(401) 내에 도입한다.
또, 불활성 가스 도입구(405b)를 통해서, 불활성 가스를 소정의 유량으로 처리실(401) 내에 도입한다.
다음에, 제1의 가스 배기구(406a)와 제2의 가스 배기구(406b)에 설치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 조절해서, 처리실(401) 내를 소정의 압력으로 유지한다. 이와 동시에, 처리실(401) 내에서 발생하는 가스의 흐름을 제어한다.
다음에, 도시 생략의 마이크로파 전원으로부터 소망의 전력을, 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(408)과 마이크로파 투과 수단(407)을 통해서 처리실(401) 내에 공급한다.
가스 도입구(405a)로부터 도입된 반응 가스는, 발생한 플라스마에 의해 여기 및 이온화 반응해서 활성인 라디칼이 라디칼 발생 영역(411)에서 생성된다.
발생한 라디칼은 확산에 의해 수송된다. 피처리 기판 지지체(403) 상에 탑재된 피처리 기판(402)의 표면에 도달한 라디칼만이 라디칼 처리에 기여한다.
이때, 라디칼이 확산하는 방향은 제1의 가스 배기구(406a)와 제2의 가스 배기구(406b)로부터 배기되는 가스의 배기량의 비에 의해 형성되는 가스의 흐름에 강 하게 의존한다.
또한, 도입하는 가스의 유량이나, 처리실(401) 내의 압력을 다양한 조건으로 변경함으로써, 피처리 기판(402) 표면에 도달하는 라디칼의 플럭스를 임의로 제어할 수가 있다.
또, 불활성 가스를 처리실(401) 내의 가스 도입구(405a)보다 기판(402) 측에 설치된 불활성 가스 도입구(405b)를 통해 도입해서, 희석, 퍼지 효과를 얻을 수 있다. 또한, 저플럭스의 라디칼을 피처리 기판(402)에 공급하는 것이 가능해진다.
다음에, 도 4에 나타나는 본 발명의 제4 실시예의 처리 장치인 마이크로파 플라스마 처리 장치를 사용해서, 실리콘 반도체 기판의 질화를 실시해서 질화막의 형성을 행했다.
피처리 기판(402)으로서는 8인치 P형 단결정 실리콘 기판(면방위: <100>, 저항율: 10Ωcm)을 사용했다.
우선, 피처리 기판(402)인 실리콘 기판(402)을 처리실(401)에 반송해서, 피처리 기판 지지체(403) 상에 위치시켰다. 이때, 피처리 기판(402)인 실리콘 기판(402)을 히터(404)에 의해 300℃로 가열해서, 그 온도로 유지했다.
처리실(401) 내에 가스 도입부(405a)로부터 N2 가스를 100sccm, 불활성 가스 도입부(405b)로부터 He 가스를 1000sccm의 유량으로 각각 도입했다.
계속해서, 제1의 가스 배기구(406a)와 제2의 가스 배기구(406b)로부터 배기되는 가스의 배기량이 거의 같아지도록 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 라디 칼 처리실(401) 내의 압력을 400Pa로 유지했다.
그 후, 2.45GHz, 3kW의 마이크로파 전력을 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관인 마이크로파 공급 수단(408) 및 마이크로파 투과 수단인 유전체 윈도우(407)를 통해서 처리실(401) 내에 인가해서, 플라스마를 발생시켰다.
이때 발생한 질소 라디칼을 피처리 기판(402)인 실리콘 기판(402)에 5분간 노출해서, 2.0nm의 실리콘 질화막의 형성을 행했다.
처리 후, 막의 균일성, 내압, 리크 전류 밀도에 대해 평가한 결과, 균일성은 ±2.0%, 내압은 15.8MV/cm, 리크 전류 밀도는 1V에서 6.8×10-6A/cm2로 양호했다.
(제5 실시예)
다음에, 도 5의 (a)를 참조해서 본 발명의 제5 실시예의 가스의 온도 조절 수단을 구비한 처리 장치를 설명한다.
처리실(501)은, 반도체 등의 피처리 기판(502)의 표면의 라디칼 처리를 실시하는 실이다. 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(508)은 마이크로파 투과 수단(507)을 통해 마이크로파를 처리실(501)에 도입하기 위한 수단이다.
이 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(508)은, 처리실(501) 내의 상부의 라디칼 발생 영역(511)에 라디칼을 생성하는 수단이다.
가스 도입구(505)는, 무종단 환상 도파관(508: 라디칼 생성 수단)의 하부에 설치되어 처리실(501)에 반응 가스를 도입하는 수단이다.
피처리 기판 지지체(503)는, 가스 도입구(505)의 하부에 설치되어 피처리 기 판(502)을 탑재하는 수단이다.
히터(504)는, 피처리 기판 지지체(503) 상에 탑재된 피처리 기판(502)의 온도를 조절한다.
제1의 가스 배기구(506a)는, 가스 도입구(505)로부터 도입된 반응 가스가 라디칼 발생 영역(511)을 통과한 후에 처리실(501)의 상부로부터 배기되도록 설치된다.
제2의 가스 배기구(506b)는, 가스 도입구(505)로부터 도입된 반응 가스가 피처리 기판 지지체(503)를 통과한 후에 처리실(501)의 하부로부터 배기되도록 설치된다.
제1의 컨덕턴스 제어판(509a)은, 라디칼 발생 영역(511)과 가스 도입구(505)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(509a)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제2의 컨덕턴스 제어판(509b)은, 피처리 기판 지지체(503)와 가스 도입구(505)와의 사이에 적어도 1개 이상 설치되어, 판(509b)을 통과하는 반응 가스를 가열함으로써 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 기능도 겸비한다.
제1의 컨덕턴스 제어판(509a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(509b)은, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 가열 수단(510)을 외측 부재(512)로 덮은 평판으로, 관통구멍(513)이 형성되고 있다. 가열 수단은 도시 생략의 온도 검지 수단 및 도시 생략의 제어 수단에 의해 소망의 온도로 조절 가능하다.
제5 실시예를 이용한 플라스마 처리는 이하와 같이 실시한다.
제1의 가스 배기구(506a)와 제2의 가스 배기구(506b)를 통해서 라디칼 처리실(501) 내를 진공 상태로 배기한다.
계속해서, 가스 도입구(505)를 통해서 소정의 유량으로 반응 가스를 라디칼 처리실(501) 내에 도입한다.
제1의 가스 배기구(506a)와 제2의 가스 배기구(506b)에 설치된 도시 생략의 컨덕턴스 밸브를 조절해서, 처리실(501) 내를 소정의 압력으로 유지하는 것과 동시에 처리실(501) 내에 발생하는 가스의 흐름을 제어한다.
도시 생략의 마이크로파 전원으로부터 소망의 전력을, 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(508)을 통해서 마이크로파 투과 수단(507)을 통해서 처리실(501) 내에 공급한다.
가스 도입구(505)로부터 도입된 반응 가스는, 발생한 플라스마에 의해 여기 및 이온화 반응해서 활성인 라디칼이 라디칼 발생 영역(511)에서 생성된다.
발생한 라디칼은 확산에 의해 수송된다. 피처리 기판 지지체(503) 상에 탑재된 피처리 기판(502)의 표면에 도달한 라디칼만이 라디칼 처리에 기여한다.
이때, 라디칼이 확산하는 방향은 제1의 가스 배기구(506a)와 제2의 가스 배기구(506b)로부터 배기되는 가스의 배기량의 비에 의해 형성되는 가스의 흐름에 강하게 의존한다.
따라서, 도입하는 가스의 유량이나, 처리실(501) 내의 압력을 다양한 조건으로 변경함으로써, 피처리 기판(502) 표면에 도달하는 라디칼의 플럭스를 임의로 제어할 수가 있다.
제1의 컨덕턴스 제어판(509a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(509b)에 내장된 가열 수단에 의해 확산 수송중의 라디칼을 가열한다. 따라서, 원자 길이 라디칼끼리의 재결합에 의한 비활성화 속도를 제어할 수가 있다. 이에 의해, 피처리 기판(502)에 공급하는 라디칼 플럭스를 제어하는 것이 가능해진다.
다음에, 도 5의 (a)에 나타나는 본 발명의 제5 실시예의 처리 장치인 마이크로파 플라스마 처리 장치를 사용해서, 피처리 기판(502)인 실리콘 반도체 기판의 산화 및 질화를 실시해서 산질화막의 형성을 행했다.
제1의 컨덕턴스 제어판(509a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(509b)은, 도 5의 (b)에 나타낸 바와 같이 내부에 가열용의 히터를 내장하고 있어, 200~400℃로 가열한다. 그리고, 이 온도를 유지한다.
피처리 기판(502)으로서는 8인치 P형 단결정 실리콘 기판(면방위: <100>, 저항율: 10Ωcm)을 사용했다.
우선, 피처리 기판(502)인 실리콘 기판(502)을 처리실(501)에 반송해서, 피처리 기판 지지체(503) 상에 위치시켰다.
이때, 피처리 기판(502)인 실리콘 기판(502)을 히터(504)에 의해 300℃로 가열해서 그 온도로 유지했다.
제1의 가스 배기구(506a)와 제2의 가스 배기구(506b)를 통해서 처리실(501) 내를 진공 배기해서, 10-7Torr의 값까지 감압시켰다.
다음에, 처리실(501) 내에 가스 도입부(505)로부터 O2가스를 2000sccm 도입 했다.
계속해서, 제2의 가스 배기구(506b)에 설치된 컨덕턴스 밸브를 풀 클로우즈했다. 또한, 제1의 가스 배기구(506a)에 설치된 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 처리실(501) 내의 압력을 400Pa로 유지했다.
그 후, 2.45GHz, 3kW의 마이크로파 전력을 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(508)인 마이크로파 공급 수단(508) 및 유전체 윈도우(507)를 통해서 처리실(501) 내에 인가해서, 플라스마를 발생시켰다.
플라스마 중의 산소 라디칼은 확산에 의해 피처리 기판(502)이 있는 영역으로 수송되어 그 도중에 설치된 제1의 컨덕턴스 제어판(509a)과 제2의 컨덕턴스 제어판(509b)을 통과할 때에 가열된다.
가열 온도에 의해 원자 길이의 산소 라디칼끼리가 재결합해서 라디칼의 비활성화 속도가 변화해서, 라디칼 플럭스가 제어된다.
플럭스 제어한 라디칼을 피처리 기판(502)인 실리콘 기판(502)에 3분간 노출해서, 실리콘 산화 막의 형성을 행했다.
다음에, 처리실(501) 내를 제1의 가스 배기구(506a)와 제2의 가스 배기구(506b)를 통해서 10-3Pa까지 충분히 배기를 행한 후에, N2 가스를 1000sccm의 유량으로 각각 도입했다.
제1의 가스 배기구(506a)에 설치된 컨덕턴스 밸브를 풀 클로우즈했다. 또한, 제2의 가스 배기구(506b)에 설치된 컨덕턴스 밸브의 개방도를 조절해서, 처리 실(501) 내의 압력을 133Pa로 유지했다.
그 후, 2.45GHz, 3kW의 마이크로파 전력을 라디칼 생성 수단인 슬롯 첨부 무종단 환상 도파관(508)인 마이크로파 공급 수단(508) 및 유전체 윈도우(507)를 통해서 처리실(501) 내에 인가해서 플라스마를 발생시켰다.
이때 발생한 질소 라디칼을 피처리 기판(502)인 실리콘 기판(502) 상에 형성된 실리콘 산화 막에 1분간 노출해서 질화 처리를 실시했다.
처리 후, 막의 균일성, 내압, 리크 전류 밀도에 대해 평가한 결과, 막의 균일성은 ±2.3%, 리크 전류 밀도는 1V에서 5.2×10-5A/cm2로 양호했다. 균등 산소 두께(EOT)는 대략 1.5nm였다.
　이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없고, 그 요지의 범위 내에서 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
본 발명에 의하면, 피처리 기판 표면의 라디칼 처리에 있어서, 대 유량으로부터 극히 낮은 유량에 이르기까지의 광범위한 라디칼 플럭스를 정밀하게 제어할 수 있는 처리 장치를 제공할 수가 있다.

Claims (10)

  1. 피처리 기판을 수용하는 처리실과,
    처리실 내에서 피처리 기판을 지지하는 지지체와,
    처리실 내의 라디칼 발생 영역에 라디칼을 생성하는 라디칼 생성 수단과,
    지지체와 라디칼 발생 영역 사이에 배치되어 반응 가스를 도입하는 가스 도입구와,
    가스 도입구보다 라디칼 발생 영역 측에 배치되는 제1의 가스 배기구와,
    가스 도입구보다 지지체 측에 배치되는 제2의 가스 배기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1의 가스 배기구와 제2의 가스 배기구 각각은 컨덕턴스 밸브를 갖는 배관에 접속되는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    제2의 가스 배기구는, 제2가스 배기구와 가스 도입구 사이의 거리가 지지체와 가스 도입구 사이의 거리보다 길도록 배치되는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
    　
  4. 제1항에 있어서,
    라디칼 발생 영역과 가스 도입구와의 사이에 배치된 제1의 컨덕턴스 제어판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    지지체와 가스 도입구와의 사이에 배치된 제2의 컨덕턴스 제어판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    라디칼 발생 영역과 지지체와의 사이에 라디칼의 운동 에너지를 제어하는 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    제어 수단은, 라디칼 발생 영역과 지지체 사이의 영역에서 처리실의 벽면의 적어도 일부를 가열 또는 냉각하는 온도 조절 수단인 것을 특징으로 하는 처리 장 치.
  8. 제1항에 있어서,
    가스 도입구와 지지체와의 사이에 불활성 가스 도입구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    라디칼 생성 수단은 자외광 여기로 라디칼을 생성하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    라디칼 생성 수단은 플라스마 여기로 라디칼을 생성하는 것을 특징으로 하는 처리 장치.
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