KR20070096875A - 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 Download PDF

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KR20070096875A
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plasma
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vertical
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히로유끼 마쯔우라
도시끼 다까하시
쥰 사또오
가쯔요시 아이까와
가쯔또시 이시이
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도쿄 엘렉트론 가부시키가이샤
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Abstract

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기에 일체적으로 부설된 절연성의 내면을 갖는 케이싱에 의해 형성된 기밀한 부속실을 포함한다. 부속실은 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 플라즈마 발생 영역을 갖는다. 처리 영역과 플라즈마 발생 영역과의 사이에 절연성의 표면을 갖는 구획판이 배치된다. 구획판은 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 형성된 가스 유로를 갖는다. 처리 가스는 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 가스 유로를 통해 처리 영역에 공급된다.
플라즈마 처리 장치, 케이싱, 부속실, 구획판, 가스 유로

Description

반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치 {VERTICAL PLASMA PROCESSING APPARATUS FOR SEMICONDUCTOR PROCESS}
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도.
도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도.
도3은 도1에 도시한 장치에 있어서 사용되는 구획판을 도시하는 도면.
도4는 도1에 도시한 장치에 있어서 사용되는 가스 여기부와 구획판과의 관계를 도시하는 도면.
도5는 도1에 도시한 장치에 있어서 사용되는, 변형예에 관한 가스 여기부와 구획판과의 관계를 도시하는 도면.
도6은 도1에 도시한 장치에 있어서 사용되는, 다른 변형예에 관한 가스 여기부와 구획판과의 관계를 도시하는 도면.
도7은 실험에 의해 얻어진, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐로부터 공급하는 NH3 가스 유량과, 각 영역의 압력과의 관계를 나타내는 그래프.
도8은 실험에 의해 얻어진, 플라즈마 발생 영역의 압력과 플라즈마 밀도와의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도.
도10은 도9에 도시한 장치에 있어서의, 처리 용기의 플랜지에 대한 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐의 설치 상태를 도시하는 도면.
도11은 실험에 의해 얻어진, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐로부터 공급하는 NH3 가스 유량과, 각 영역의 압력과의 관계를 나타내는 그래프.
도12는 실험에 의해 얻어진, RF 전원의 전압과 플라즈마 밀도와의 관계를 나타내는 그래프.
도13은 실험에 의해 얻어진, NH3 가스 유량과 플라즈마 발생 영역의 압력과 가스 유동 컨덕턴스와의 관계를 나타내는 그래프.
도14는 도13 중의 데이터의 일부를 플롯한 그래프.
도15는 실험에 의해 얻어진, 석영벽 에칭량의 압력 의존성을 나타내는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 성막 장치
4 : 처리 용기
8 : 매니폴드
10, 24 : 밀봉 부재
12 : 웨이퍼 보트
12A : 지지 기둥
14 : 보온 통
18 : 덮개
20 : 회전축
22 : 자성 유체 밀봉재
25 : 승강 기구
26 : 아암
28, 30 : 처리 가스 공급계
34, 36, 38 : 가스 분산 노즐
34A, 36A, 38A : 가스 분사 구멍
42, 44, 46 : 가스 공급 라인
42A, 44A, 46A : 개폐 밸브
42B, 44B, 46B : 유량 제어부
50 : 가스 여기부
54 : 구획판
55 : 가스 유로
56 : 커버
58 : 전극
60 : 고주파 전원
62 : 급전 라인
66 : 배기 커버 부재
68 : 가스 출구
84 : 배기 유로
86 : 밸브 유닛
88 : 진공 펌프
[문헌 1] US 2003/0224618 Al
[문헌 2] 일본 특허 출원 공개 평6-45256호 공보
[문헌 3] 일본 특허 출원 공개 평11-87341호 공보
본 출원은 2006년 3월 24일에 출원된 일본 특허 출원 제2006-083579호 및 2006년 3월 28일에 출원된 일본 특허 출원 제2006-089210호에 기초하며 그로부터 우선권을 주장하고, 그 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있다.
본 발명은 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 예를 들어 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판 상에 실리콘 함유 절연막 등의 박막을 형성하는 종형 플라즈마 성막 장치에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용 글래스 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으 로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
반도체 집적 회로를 구성하는 반도체 디바이스의 제조에 있어서는, 피처리 기판, 예를 들어 반도체(예를 들어, 실리콘) 웨이퍼에, 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질, 어닐, 자연 산화막의 제거 등의 각종 처리가 실시된다. US 2003/0224618 Al은, 종형의[이른바 배치(batch)식의] 열 처리 장치에 있어서의 이러한 종류의 반도체 처리 방법을 개시한다. 이 방법에서는, 우선 반도체 웨이퍼가 웨이퍼 카세트로부터 종형의 웨이퍼 보트 상에 이동 탑재되고, 다단으로 지지된다. 웨이퍼 카세트에는, 예를 들어 25매의 웨이퍼를 수용할 수 있고, 웨이퍼 보트에는 30 내지 150매의 웨이퍼를 적재할 수 있다. 다음에, 웨이퍼 보트가 처리 용기의 하방으로부터 그 내부에 로드되는 동시에, 처리 용기가 기밀하게 폐색된다. 다음에, 처리 가스의 유량, 처리 압력, 처리 온도 등의 각종 처리 조건이 제어된 상태에서, 소정의 열 처리가 행해진다.
최근, 반도체 집적 회로의 가일층의 고집적화 및 고미세화의 요구에 수반하여, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서의 열 이력을 경감하고, 디바이스의 특성을 향상시키는 것이 요망되고 있다. 종형의 처리 장치에 있어서도, 이러한 요구에 따른 반도체 처리 방법의 개량이 이루어지는 것이 요망되고 있다. 예를 들어, 성막 처리의 일종인 CVD(Chemical Vapor Deposition)에 있어서, 원료 가스 등을 간헐적으로 공급하면서, 원자 혹은 분자 레벨의 두께의 층을, 1층 혹은 수 층씩 반복 하여 성막하는 방법이 있다(예를 들어, 일본 특허 출원 공개 평6-45256호 공보, 일본 특허 출원 공개 평11-87341호 공보). 이러한 성막 방법은 일반적으로는 ALD(Atomic layer Deposition)라 칭해지고, 이에 의해 웨이퍼를 그 정도의 고온에 노출하지 않아도 목적으로 하는 처리를 행하는 것이 가능해진다.
또한, WO 2004/066377(Dec. 15, 2004)(US 7,094,708 B2에 대응)은, ALD를 행하는 종형의 처리 장치에 있어서, 플라즈마의 어시스트를 이용하여 처리 온도를 더욱 낮추기 위한 구조를 개시한다. 이 장치에 따르면, 예를 들어 실란계 가스인 디클로로실란(DCS)과 질화 가스인 NH3을 이용하여 실리콘질화막(SiN)을 형성하는 경우, 이하와 같은 처리가 행해진다. 즉, 처리 용기 내에, DCS와 NH3 가스가, 퍼지 기간을 사이에 두고 번갈아 간헐적으로 공급된다. NH3 가스를 공급할 때에 RF(고주파)가 인가됨으로써, 플라즈마가 생성되어 질화 반응이 촉진된다. 여기서, 우선 DCS가 처리 용기 내에 공급됨으로써, 웨이퍼 표면 상에 DCS가 분자 레벨로 한층 혹은 복수층 흡착한다. 여분의 DCS는, 퍼지 기간 중에 배제된다. 다음에, NH3이 공급되어 플라즈마가 생성됨으로써, 저온에서의 질화에 의해 실리콘 질화막이 형성된다. 이러한 일련의 공정이 반복하여 행해져, 소정의 두께의 막이 완성된다.
본 발명은 처리 영역에 악영향을 미치는 일 없이, 플라즈마의 발생 효율을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치이며,
간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와,
상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
상기 처리 용기에 일체적으로 부설된 절연성의 내면을 갖는 케이싱에 의해 형성된 기밀한 부속실과, 상기 부속실은, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 플라즈마 발생 영역을 갖는 것과,
상기 플라즈마 발생 영역에 고주파 전계를 형성하기 위해, 상기 처리 용기에 부설된 전계 형성 기구와,
상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역과의 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판과, 상기 구획판은, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 형성된 가스 유로를 갖는 것과,
상기 부속실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급계와, 상기 처리 가스는, 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 가스 유로를 통해 상기 처리 영역에 공급되는 것을 구비한다.
본 발명의 제2 시점은, 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치이며,
간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와,
상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
상기 처리 용기에 일체적으로 부설된 절연성의 내면을 갖는 케이싱에 의해 형성된 기밀한 부속실과, 상기 부속실은, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 플라즈마 발생 영역을 갖는 것과,
상기 플라즈마 발생 영역에 고주파 전계를 형성하기 위해, 상기 처리 용기에 부설된 전계 형성 기구와,
상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역과의 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판과, 상기 구획판은, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 형성된 가스 유로를 갖는 것과,
상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위해, 상기 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스를, 선택적으로 상기 처리 영역에 공급하는 처리 가스 공급계와, 상기 제1 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽은, 상기 부속실 내에 공급되고, 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 가스 유로를 통해 상기 처리 영역에 공급되는 것과,
상기 장치의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 제어부는, 상기 피처리 기판 상에 상기 박막을 형성하기 위해, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 복수회 반복하여 실행하는 것을 구비한다.
본 발명의 추가 목적 및 이점들은 다음의 상세한 설명에 개시될 것이며, 부 분적으로는 상세한 설명으로부터 명백할 것이고 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수도 있다. 본 발명의 목적 및 이점들은 특별히 이후에 지시되는 수단들 및 조합들에 의해 인식되고 얻어질 수도 있다.
본 명세서에 합체되고 일부로 구성되는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 나타내고 있고, 상기한 일반적인 설명과 함께 하기되는 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 설명하는 것으로 제공된다.
본 발명자들은, 본 발명의 개발의 과정에서, 전술한 WO 2004/066377에 개시되는 바와 같은 종형의 플라즈마 처리 장치에 있어서 발생하는 문제점에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 바와 같은 지견을 얻었다.
WO 2004/066377에 개시되는 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 웨이퍼를 수납하는 처리 영역과 플라즈마 발생 영역 사이의 가스 유동 컨덕턴스가 매우 커, 양 영역의 압력이 대략 동일해진다. 처리 영역의 압력은, 웨이퍼에 퇴적되는 막 두께의 면내 균일성 및 면간 균일성이 모두 높아지도록, 낮은 값으로 설정된다. 이로 인해, 이 플라즈마 처리 장치에서는, 플라즈마 발생 영역의 압력은 처리 영역의 압력에 종속하여 낮은 값이 된다. 그러나, 플라즈마의 발생 효율은 플라즈마 발생 영역의 압력에 의존하여, 압력이 지나치게 저하하면 발생 효율은 저하한다. 또한, 플라즈마 발생 영역의 압력이 낮으면, 플라즈마 발생 영역을 구획하는 석영 등의 벽면이 전계에 의해 가속되는 플라즈마 이온에 의해 스퍼터되어 손상된다.
플라즈마 발생 영역의 압력(플라즈마실 내의 압력)은, 플라즈마용 가스인 NH3 가스의 공급량을 많게 함으로써 높게 할 수 있다. 상기 플라즈마 처리 장치에서는, 그러나 NH3 가스의 공급량을 많게 하면, 처리 영역의 압력도 상승하고, 웨이퍼에 퇴적되는 막 두께의 면내 균일성 및 면간 균일성이 저하할 가능성이 있다. 또한, NH3 가스의 공급량을 많게 하면, 필요없는 가스 소비량이 증대하여 운전 비용이 대폭 상승한다.
이하에, 이러한 지견을 기초로 하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일 부호를 부여하고 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
<제1 실시 형태>
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도이다. 도2는 도1에 도시한 장치의 일부를 도시하는 횡단 평면도이다.
이 성막 장치(2)는, 실란계 가스인 디클로로실란(DCS) 가스를 포함하는 제1 처리 가스와, 질화 가스인 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 제2 처리 가스와, N2 가스 등의 불활성 가스로 이루어지는 퍼지 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역을 구비한다. 성막 장치(2)는 이러한 처리 영역 내에서, 피처리 기판 상에 CVD에 의해 실리콘 질화막을 형성하도록 구성된다.
성막 장치(2)는, 간격을 두고 적층된 복수의 반도체 웨이퍼(피처리 기판)를 수납하여 처리하는 처리 영역(5)을 내부에 규정하는, 하단부가 개방된 천장이 있는 원통체 형상의 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4)의 전체는, 예를 들어 석영에 의해 형성된다. 처리 용기(4) 내의 천장에는, 석영제의 천장판(6)이 배치되어 밀봉된다. 처리 용기(4)의 하단부 개구에는, 원통체 형상으로 성형된 매니폴드(8)가 O링 등의 밀봉 부재(10)를 통해 연결된다. 또한, 매니폴드(8)를 별도 설치하지 않고, 전체를 원통체 형상의 석영제의 처리 용기로 구성할 수도 있다.
매니폴드(8)는 예를 들어 스테인리스 스틸로 이루어지고, 처리 용기(4)의 하단부를 지지한다. 매니폴드(8)의 하단부 개구를 통해, 석영제의 웨이퍼 보트(12)가 상승되고, 이에 의해 처리 용기(4)에 대해 웨이퍼 보트(12)가 로드/언로드된다. 웨이퍼 보트(12)에는, 피처리 기판으로서 다수매의 반도체 웨이퍼(W)가 다단으로 적재된다. 예를 들어, 본 실시 형태의 경우에 있어서, 웨이퍼 보트(12)의 지지 기둥(12A)에는, 예를 들어 50 내지 100매 정도의 직경이 300 mm인 웨이퍼(W)가 대략 등피치로 다단으로 지지 가능해진다.
웨이퍼 보트(12)는 석영제의 보온 통(14)을 통해 테이블(16) 상에 적재된다. 테이블(16)은 매니폴드(8)의 하단부 개구를 개폐하는 예를 들어 스테인리스 스틸제의 덮개(18)를 관통하는 회전축(20) 상에 지지된다.
회전축(20)의 관통부에는, 예를 들어 자성 유체 밀봉재(22)가 개재 설치되고, 회전축(20)을 기밀하게 밀봉하면서 회전 가능하게 지지한다. 덮개(18)의 주변부와 매니폴드(8)의 하단부에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(24) 가 개재 설치되어 용기 내의 밀봉성을 유지한다.
회전축(20)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(25)에 지지된 아암(26)의 선단부에 설치된다. 승강 기구(25)에 의해, 웨이퍼 보트(12) 및 덮개(18) 등이 일체적으로 승강된다. 또한, 테이블(16)을 덮개(18)측에 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(12)를 회전시키는 일 없이 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.
매니폴드(8)의 측부에는, 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 가스 공급부가 접속된다. 가스 공급부는 제2 처리 가스 공급계(28), 제1 처리 가스 공급계(30) 및 퍼지 가스 공급계(32)를 포함한다. 제1 처리 가스 공급계(30)는, 실란계 가스로서 DCS(디클로로실란) 가스를 포함하는 제1 처리 가스를 공급한다. 제2 처리 가스 공급계(28)는, 질화 가스로서 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 공급한다. 퍼지 가스 공급계(32)는 퍼지 가스로서 불활성 가스, 예를 들어 N2 가스를 공급한다. 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스에는, 필요에 따라서 적당한 양의 캐리어 가스가 혼합되지만, 이하에서는 설명을 용이하게 하기 위해 캐리어 가스에 대해서는 언급하지 않는다.
구체적으로는, 제2 처리 가스 공급계(28), 제1 처리 가스 공급계(30) 및 퍼지 가스 공급계(32)는, 매니폴드(8)의 측벽을 내측으로 관통하여 상부 방향으로 굴곡되어 연장되는 석영관으로 이루어지는 가스 분산 노즐(34, 36, 38)을 각각 갖는다(도2 참조). 각 가스 분산 노즐(34, 36, 38)에는 그 길이 방향(상하 방향)을 따 라 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 복수의 가스 분사 구멍(34A, 36A, 38A)이 소정의 간격을 두고 형성된다.
노즐(34, 36, 38)은 가스 공급 라인(가스 통로)(42, 44, 46)을 통해, NH3 가스, DCS 가스 및 N2 가스의 가스원(28S, 30S, 32S)에 각각 접속된다. 가스 공급 라인(42, 44, 46) 상에는, 개폐 밸브(42A, 44A, 46A)와 매스 플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(42B, 44B, 46B)가 배치된다. 이에 의해, NH3 가스, DCS 가스 및 N2 가스가 각각 유량 제어하면서 공급 가능해진다.
처리 용기(4)의 측벽의 일부에는, 그 높이 방향을 따라 가스 여기부(50)가 배치된다. 가스 여기부(50)에 대향하는 처리 용기(4)의 반대측에는, 이 내부 분위기를 진공 배기하기 위해 처리 용기(4)의 측벽을, 예를 들어 상하 방향으로 깎아냄으로써 형성한 가늘고 긴 배기구(52)가 배치된다.
구체적으로는, 가스 여기부(50)는 처리 용기(4)의 측벽을 상하 방향을 따라 소정의 폭으로 깎아냄으로써 형성한 상하로 가늘고 긴 개구를 갖는다. 이 개구는 가스 유로(55)를 갖는 구획판(54)에 의해 폐쇄되는 동시에, 처리 용기(4)의 외벽에 기밀하게 접합된 석영제의 커버(56)에 의해 덮인다. 커버(56)는 처리 용기(4)의 외측으로 돌출하도록 단면 오목부 형상을 이루고, 동시에 상하로 가늘고 긴 형상을 갖는다.
이 구성에 의해, 처리 용기(4)의 측벽으로부터 돌출하고 또한 일측이 처리 용기(4) 내에 접속된 가스 여기부(50)가 형성된다. 즉, 가스 여기부(50)의 내부 공간은, 구획판(54)의 가스 유로(55)를 통해 처리 용기(4) 내의 처리 영역(5)에 연통한다. 구획판(54)은 웨이퍼 보트(12)에 보유 지지되는 모든 웨이퍼(W)를 높이 방향에 있어서 커버 가능하도록 상하 방향으로 충분히 길게 형성된다.
커버(56)의 양 측벽의 외측면에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 서로 대향하도록 하여 가늘고 긴 한 쌍의 전극(58)이 배치된다. 전극(58)에는 플라즈마 발생용 고주파 전원(60)이 급전 라인(62)을 통해 접속된다. 전극(58)에 예를 들어 13.56 ㎒의 고주파 전압을 인가함으로써, 한 쌍의 전극(58) 사이에 플라즈마를 여기하기 위한 고주파 전계가 형성된다. 또한, 고주파 전압의 주파수는 13.56 ㎒에 한정되지 않고, 다른 주파수, 예를 들어 400 ㎑ 등을 이용해도 좋다.
제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34)은, 웨이퍼 보트(12) 상의 최하 레벨의 웨이퍼(W)보다도 아래 위치에서, 처리 용기(4)의 반경 방향 외측으로 굴곡되고, 구획판(54)을 관통한다. 그 후, 가스 분산 노즐(34)은 가스 여기부(50) 내의 가장 안쪽[처리 용기(4)의 중심으로부터 가장 떨어진 부분]의 위치에서, 수직으로 기립한다. 가스 분산 노즐(34)은, 도2에도 도시한 바와 같이 한 쌍의 대향하는 전극(58) 사이에 배치된 영역(고주파 전계가 가장 강한 위치), 즉 주된 플라즈마가 실제로 발생하는 플라즈마 발생 영역(PS)보다도 외측으로 떨어진 위치에 설치된다. 가스 분산 노즐(34)의 가스 분사 구멍(34A)으로부터 분사된 NH3 가스를 포함하는 제2 처리 가스는, 플라즈마 발생 영역(PS)을 향해 분사되고, 여기서 여기(분해 혹은 활성화)되고, 그 상태에서 구획판(54)의 가스 유로(55)를 통해 웨이퍼 보트(12) 상 의 웨이퍼(W)에 공급된다.
커버(56)의 외측에는, 이것을 덮도록 하여 예를 들어 석영으로 이루어지는 절연 보호 커버(64)가 설치된다. 절연 보호 커버(64)의 내측이며 전극(58)과 대향하는 부분에는, 냉매 통로로 이루어지는 냉각 기구(도시하지 않음)가 배치된다. 냉매 통로에, 냉매로서 예를 들어 냉각된 질소 가스를 흘림으로써 전극(58)이 냉각된다. 또한, 절연 보호 커버(64)의 외측에는, 이것을 덮어 고주파의 누설을 방지하기 위해 실드(도시하지 않음)가 배치된다.
가스 여기부(50)의 구획판(54)의 외측 근방, 즉 구획판(54)의 외측[처리 용기(4) 내]의 양측에, 제1 처리 가스 및 퍼지 가스의 가스 분산 노즐(36, 38)이 서로 대향하도록 수직으로 기립시켜 배치된다. 가스 분산 노즐(36, 38)에 형성된 가스 분사 구멍(36A, 38A)으로부터 처리 용기(4)의 중심 방향을 향해 DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스 및 N2 가스로 이루어지는 퍼지 가스가 각각 분사된다. 가스 분사 구멍(36A, 38A)은 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)의 각 사이에 배치되고, 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 수평 방향으로 대략 균일하게, 제1 처리 가스(DCS를 포함함) 및 퍼지 가스(N2)를 각각 공급한다.
한편, 가스 여기부(50)에 대향시켜 설치한 배기구(52)에는, 이것을 덮도록 하여 석영으로 이루어지는 단면 역ㄷ자 형상으로 성형된 배기구 커버 부재(66)가 용접에 의해 설치된다. 배기 커버 부재(66)는 처리 용기(4)의 측벽을 따라 상방으로 연장되고, 처리 용기(4)의 상방에 가스 출구(68)가 형성된다. 가스 출구(68)에 는, 진공 펌프 등을 배치한 진공 배기계(GE)가 접속된다. 진공 배기계(GE)는, 가스 출구(68)에 연결된 배기 통로(84)를 갖고, 그 상류측으로부터 차례로 밸브 유닛(개방도 조정용 밸브)(86), 진공 펌프(88), 불필요 물질을 제거하는 제해 유닛(89)이 배치된다.
처리 용기(4)를 포위하도록, 처리 용기(4) 내의 분위기 및 웨이퍼(W)를 가열하는 히터(70)가 배치된다. 처리 용기(4) 내의 배기구(52)의 근방에는, 히터(70)를 제어하기 위한 열전대(thermoelectric couple)(도시하지 않음)가 배치된다.
또한, 성막 장치(2)는 장치 전체의 동작을 제어하는 컴퓨터 등으로 이루어지는 주 제어부(48)를 구비한다. 주 제어부(48)는, 이에 부수되는 기억부에 미리 기억된, 성막 처리의 처리 레시피, 예를 들어 형성되는 막의 막 두께나 조성에 따라서 후술하는 성막 처리를 행한다. 이 기억부에는 또한, 처리 가스 유량과 막의 막 두께나 조성과의 관계가 미리 제어 데이터로서 기억된다. 따라서, 주 제어부(48)는 이들 기억된 처리 레시피나 제어 데이터를 기초로 하여 승강 기구(25), 가스 공급계(28, 30, 32), 배기계(GE)[밸브 유닛(86)을 포함함], 가스 여기부(50), 히터(70) 등을 제어할 수 있다.
도3은 구획판(54)을 도시하는 도면이다. 도4는 가스 여기부(50)와 구획판(54)과의 관계를 도시하는 도면이다. 도4에 있어서, 가스 여기부(50)는 횡단 평면도로 도시되고, 구획판(54)은 정면도로 도시된다. 본 실시 형태에 있어서, 처리 용기(4), 구획판(54), 가스 여기부(50)의 커버(56)는 동일한 절연성 재료(여기서는, 석영)로 이루어지고, 용접에 의해 서로 접속된다. 구획판(54)은 처리 용기(4) 에 형성된 개구의 구획벽에 고정되고, 커버(56)는 처리 용기(4)의 외측에 고정된다.
구획판(54)에는, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)을 연통시키는 가스 유로(55)가 형성된다. 가스 유로(55)는, 도3 및 도4에 도시한 바와 같이 다수의 원형의 가스 확산 구멍(55A)으로 이루어진다. 가스 확산 구멍(55A)은 구획판(54)의 길이 방향(상하 방향)을 따라 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격을 두고 2개의 수직열을 따라 배열된다. 가스 확산 구멍(55A)은, 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)의 피치와 동일 피치(P1)로, 웨이퍼(W)의 각 사이에 위치하도록 형성된다. 가스 확산 구멍(55A)은, 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록, 수평 방향으로 대략 균일하게 플라즈마에 의해 활성화된 제2 처리 가스(NH3 포함함)를 통과시킨다.
구획판(54)에 의해, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)과의 사이의 가스 유동 컨덕턴스가 낮아진다. 이에 의해, 처리 영역(5)에 대해 압력에 관한 악영향을 미치는 일 없이, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 설정할 수 있다. 이 목적을 위해, 가스 유로(55)의 개구율은 7.3 ％ 이하, 바람직하게는 2.0 ％ 이하로 설정된다. 여기서 개구율이라 함은, 가스 여기부(부속실)(50)가 처리 용기(4)에 대향하는 면의 면적[구획판(54)의 면적과 대략 동일]에 대한 가스 유로(55)의 총합의 면적의 비율로 정의된다.
구체적으로는, 가스 여기부(부속실)(50)의 폭(L1)은 25 내지 35 mm 정도, 깊 이(L2)는 45 내지 60 mm 정도, 상하 방향의 길이는 500 내지 1000 mm 정도로 설정된다. 가스 확산 구멍(55A)의 직경(D1)은, 구멍 개수에도 따르지만, 예를 들어 5 mm 이하, 바람직하게는 1 mm 정도이다. 이 직경(D1)이 1 mm보다도 작아지면, 전계 집중에 의한 홀로캐소드 방전이 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다.
플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 비교적 높게 함으로써, 플라즈마의 발생 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 유지할 수 있으므로, 그만큼 분자의 평균 자유 공정이 짧아진다. 이에 의해, 가스 여기부(50)를 구획하는 벽면이 플라즈마 이온에 의해 스퍼터되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 구획판(54)은 플라즈마 발생 영역(SP)으로부터 처리 영역(5)에 침입하는 이온 등의 하전 입자의 양을 감소시키는 역할을 한다. 이에 의해, 웨이퍼(W) 상에 형성되는 막에 대해 활성종을 보다 우선적으로 작용시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34)의 가스 분사 구멍(34A)은, 수직 방향에 있어서 구획판(54)의 가스 확산 구멍(55A)의 각 사이에 배치된다. 가스 분사 구멍(34A)은 가스 확산 구멍(55A)으로부터 어긋난 높이 위치에 있어서, 구획판(54)을 향해 수평 방향으로 대략 균일하게, 제2 처리 가스(NH3 포함함)를 공급한다.
도5는 변형예에 관한 가스 여기부(50)와 구획판(54)과의 관계를 도시하는 도면이다. 도6은 다른 변형예에 관한 가스 여기부(50)와 구획판(54)과의 관계를 도시하는 도면이다. 도5, 도6에 있어서, 가스 여기부(50)는 횡단 평면도로 도시되고, 구획판(54)은 정면도로 도시된다. 도5의 변형예에 있어서, 가스 유로(55)는 구획판(54)의 길이 방향(상하 방향)을 따라, 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격을 두고 1개의 수직열을 따라 형성된 가스 확산 구멍(55A)으로 이루어진다. 도6의 변형예에 있어서, 가스 유로(55)는 구획판(54)의 길이 방향(상하 방향)을 따라, 또한 웨이퍼 보트(12) 상의 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격을 두고 1개의 수직열을 따라 형성된, 상하 방향으로 긴 슬릿(55B)으로 이루어진다.
다음에, 도1에 도시한 장치를 이용하여 행해지는 성막 방법[이른바, ALD(Atomic Layer Deposition) 성막]에 대해 설명한다. 개략적으로는, 이 성막 방법에서는 웨이퍼(W)를 수납한 처리 영역(5) 내에, 실란계 가스인 디클로로실란(DCS) 가스를 포함하는 제1 처리 가스와, 질화 가스인 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 선택적으로 공급하고, CVD에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막을 형성한다.
우선, 복수매, 예를 들어 50 내지 100매의 300 mm 사이즈의 웨이퍼(W)를 보유 지지한 상온의 웨이퍼 보트(12)를, 소정의 온도로 설정된 처리 용기(4) 내에 로드한다. 다음에, 처리 용기(8) 내를 진공 배기하여 소정의 처리 압력으로 유지하는 동시에, 웨이퍼 온도를 상승시켜 성막용 처리 온도로 안정될 때까지 대기한다. 다음에, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스와 NH3 가스를 포함하는 제2 처리 가스와 N2 가스로 이루어지는 퍼지 가스를, 각각 유량 제어하면서 가스 분산 노즐(36, 34, 38)로부터 간헐적으로 공급한다.
구체적으로는, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스는 가스 분산 노즐(36)의 가스 분사 구멍(36A)으로부터, 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 공급된다. 그 동안에, DCS 가스의 분자 혹은, 그 분해에 의해 발생한 분해 생성물의 분자 혹은 원자가 웨이퍼 상에 흡착된다.
한편, NH3 가스를 포함하는 제2 처리 가스는 가스 분산 노즐(34)의 가스 분사 구멍(34A)으로부터, 구획판(54)을 향해 수평인 가스류를 형성하도록 공급된다. 제2 처리 가스는 한 쌍의 전극(58) 사이의 플라즈마 발생 영역(PS)을 통과할 때에 선택적으로 여기되어 일부가 플라즈마화된다. 이때, 예를 들어 N*, NH*, NH2 *, NH3 * 등의 래디컬(활성종)이 생성된다(기호「*」는 래디컬인 것을 나타냄). 이들 래디컬은, 가스 여기부(50)의 구획판(54)의 가스 유로(55)로부터 처리 용기(4)의 중심을 향해 유출되고, 웨이퍼(W) 상호간에 층류 상태로 공급된다.
상기 래디컬은, 웨이퍼(W)의 표면에 부착되어 있는 DCS 가스의 분자 등과 반응하고, 이에 의해 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막이 형성된다. 또한, 이와는 반대로, 웨이퍼(W)의 표면에 래디컬이 부착되어 있는 장소에 DCS 가스가 흘러 온 경우에도, 동일한 반응이 발생되고 웨이퍼(W) 상에 실리콘 질화막이 형성된다.
또한, DCS 가스를 포함하는 제1 처리 가스를 공급하는 공정 직후, 및 NH3 가스를 포함하는 제2 처리 가스를 공급하는 공정 직후에, N2 가스로 이루어지는 퍼지 가스가 처리 영역(5) 내에 공급된다. 퍼지 가스는 가스 분산 노즐(38)의 가스 분 사 구멍(38A)으로부터, 웨이퍼 보트(12) 상의 복수의 웨이퍼(W)에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 공급된다. 이 퍼지 가스류에 의해, 처리 영역(5) 내에 잔류하는 DCS 가스나 그 분해 성분, 혹은 NH3 가스나 그 분해 성분이 제거된다.
구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 성막 방법에 있어서는, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)을 번갈아 반복한다. 즉, 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)으로 이루어지는 사이클을 다수회 반복하고, 사이클마다 형성되는 실리콘 질화막의 박막을 적층함으로써, 최종적인 두께의 실리콘 질화막이 얻어진다.
제1 공정(T1)에서는, 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스(DCS를 포함함)의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제2 처리 가스(NH3을 포함함) 및 퍼지 가스(N2)의 공급을 정지한다. 제2 공정(T2)에서는, 처리 영역(5)에 대한 퍼지 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제3 공정(T3)에서는, 처리 영역(5)에 대한 제2 처리 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제1 처리 가스 및 퍼지 가스의 공급을 정지한다. 또한, 제3 공정(T3)에서는, 도중으로부터 RF 전원(60)을 온(ON)하여 가스 여기부(50)에서 제2 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 서브 공정(T3b)의 사이만 제2 처리 가스를 여기한 상태에서 처리 영역(5)에 공급한다. 제4 공정(T4)에서는, 처리 영역(5)에 대한 퍼지 가스의 공급을 행하는 한편, 처리 영역(5)에 대한 제1 및 제2 처리 가스의 공급을 정지한다. 제1 공정 내지 제4 공정에 걸쳐, 처리 영역(5)은 배기 통로(84)를 통해 진공 배기계(GE)에 의해 계속적으로 진공 배기된다.
제1 공정(T1)은 약 1 내지 120초, 예를 들어 약 5초, 제2 공정(T2)은 약 1 내지 30초, 예를 들어 약 5초, 제3 공정(T3)은 약 1 내지 120초, 예를 들어 약 10초, 서브 공정(T3b)은 약 1 내지 120초, 예를 들어 약 8초, 제4 공정(T4)은 약 1 내지 30초, 예를 들어 약 5초로 설정된다. 또한, 통상적으로 제1 내지 제4 공정(T1 내지 T4)의 1사이클에 의해 형성되는 막 두께는 0.05 내지 0.11 nm 정도이다. 따라서, 목표 막 두께가 예를 들어 70 nm이면, 이 사이클을 600 정도 반복하게 된다. 단, 이들 시간이나 두께는 단순히 일예를 나타낸 것에 불과하며, 이 수치에 한정되지 않는다.
DCS 가스의 유량은 50 내지 2000 sccm의 범위 내, 예를 들어 1000 sccm(1 slm : standard liter per minute)이다. NH3 가스의 유량은 100 내지 5000 sccm의 범위 내, 예를 들어 3000 sccm이다. N2 가스의 유량은 300 내지 5000 sccm의 범위 내, 예를 들어 3000 sccm이다. 처리 온도는 통상의 CVD 처리보다도 낮은 온도이며, 구체적으로는 250 내지 700 ℃의 범위 내, 바람직하게는 350 내지 600 ℃의 범위 내이다. 처리 온도가 250 ℃보다도 낮으면, 반응이 일어나지 않아 거의 막이 퇴적하지 않는다. 처리 온도가 700 ℃보다도 높으면, 막질이 열화되는 CVD에 의한 퇴적막이 형성되는 동시에, 이미 형성되어 있는 금속막 등에 열적 손상을 부여해 버린다.
처리 압력[처리 영역(5)의 압력]은, 0.2 내지 1 Torr[27 내지 133 Pa(1 Torr = 133.3 Pa)]의 범위 내로 설정된다. 이에 의해, 플라즈마 성막에 의한 막 두께의 면내 균일성 및 면간 균일성을 높게 할 수 있다. 처리 압력이 1.0 Torr를 넘으면 활성종의 활성 저하가 급격하게 많아진다. 한편, 처리 압력이 0.2 Torr보다도 작은 경우에는 성막률이 실용 레벨 이하가 된다.
이에 대해, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력[가스 여기부(부속실)(50)의 압력]은, 예를 들어 0.7 내지 5.0 Torr(93 내지 667 Pa)의 범위 내로 설정된다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 비교적 높게 유지함으로써, 플라즈마 발생 효율을 향상시켜 플라즈마 밀도를 높게 할 수 있다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력이 5.0 Torr를 넘으면, 플라즈마의 착화가 급격하게 악화된다. 한편, 이 압력이 0.7 Torr보다도 작은 경우에는, 플라즈마의 발생 효율이 급격하게 저하한다.
구획판(54)에 의해, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)과의 사이의 가스 유동 컨덕턴스가 낮아지므로, 처리 영역(5)에 대해 압력에 관한 악영향을 미치는 일 없이, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 설정할 수 있다. 환언하면, 플라즈마 발생 영역(SP)은 플라즈마의 고효율 발생에 적합한 압력으로 유지할 수 있는 동시에, 처리 영역(5)은 스루풋이 높고, 또한 양호한 면간 및 면내 균일성을 얻는 데 적합한 압력으로 유지할 수 있다.
<플라즈마 발생 영역 및 처리 영역의 압력>
도1에 도시하는 장치를 사용하여, 플라즈마 발생 영역(SP) 및 처리 영역(5)의 압력의 관계에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, 도3에 도시한 바와 같이 구획판(54)의 가스 유로(55)로서, 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격을 두고 2개의 수직열을 따라 가스 확산 구멍(55A)을 형성하였다. 확산 구멍(55A) 의 직경(D1)은 0.7 mm로 설정하고, 구획판(54)에 대한 확산 구멍(55A)의 개구율은 0.4 ％로 하였다. 처리 용기(4) 내는, 최대 120 리터/초의 배기 속도로 진공화를 행하였다.
도7은 이 실험에 의해 얻어진, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34)로부터 공급하는 NH3 가스 유량과, 각 영역의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도7에 있어서, 횡축은 NH3 가스 유량(slm), 종축은 압력(Torr)을 나타낸다. 또한, 특성선 A는 처리 영역(5)의 압력을 나타내고, 특성선 B는 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 나타낸다. 도7에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력은 처리 영역(5)의 압력보다도 충분히 높아졌다. 또한, 가스의 공급량을 많게 할수록, 양자간의 압력차가 커졌다. 또한, 구획판(54)을 설치하지 않는 경우(종래 장치)에는, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)의 압력은 대략 동일해져, 특성선 A와 같이 되었다.
<플라즈마 발생 효율>
도1에 도시하는 장치를 사용하여, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력과 플라즈마 밀도와의 관계에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, 히터(70)에 의한 가열 온도를 450 ℃로 설정하였다. 플라즈마 발생용 RF 전원(60)은 다른 3개의 값 150, 200, 250 와트로 설정하였다. 참조로서, 구획판(54)을 설치하지 않는 경우(종래 장치)에는, 플라즈마 발생 영역의 압력은 처리 영역과 동일한 0.6 Torr인 것으로 하였다. 플라즈마 밀도에 대해서는 플라즈마 압력 환산으로 측정하였다.
도8은 본 실험에 의해 얻어진, 플라즈마 발생 영역의 압력과 플라즈마 밀도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도8에 있어서, 횡축은 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력(Torr), 종축은 플라즈마 밀도(cm-3 : Torr 환산)를 나타낸다. 또한, 특성선 C1은 150와트의 경우를 나타내고, 특성선 C2는 200와트인 경우를 나타내고, 특성선 C3은 250와트인 경우를 나타낸다. 도8에 나타내는 바와 같이, 각 특성선 C1, C2, C3의 피크치는 구획판(54)을 설치하지 않는 경우(종래 장치 : Ref = 0.6 Torr)보다도 훨씬 높아졌다. 특히, 특성선 C3의 경우에는 플라즈마 밀도는, 구획판(54)을 설치하지 않는 경우의 약 2배가 되었다. 따라서, 구획판(54)을 설치함으로써, 플라즈마 발생 효율을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 특성선 C1, C2의 경우, 플라즈마 발생 영역의 압력이 대략 0.9 Torr일 때에 플라즈마 밀도는 피크치를 나타냈다. 이 경우, 0.9 Torr보다도 압력이 낮아지면 플라즈마 밀도는 급격하게 작아지고, 0.9 Torr보다도 압력이 높아지면 플라즈마 밀도는 완만하게 작아졌다. 특성선 C3의 경우, 플라즈마 발생 영역의 압력이 대략 1.1 Torr일 때에 플라즈마 밀도는 피크치를 나타냈다. 이 경우, 1.1 Torr보다도 압력이 낮아지면 플라즈마 밀도는 앞의 특성선 C1, C2보다도 급격하게 낮아지고, 1.1 Torr보다도 압력이 높아지면 플라즈마 밀도는 앞의 특성선 C1, C2보다도 더욱 완만하게 작아졌다.
각 피크치의 80 ％의 플라즈마 밀도를 하한치로 하면, 플라즈마 발생 영역의 압력의 범위는 다음과 같은 것이 되었다. 즉, 전력 150와트인 특성선 C1의 경우 압력의 범위는, 바람직하게는 0.7 내지 2.0 Torr이고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.4 Torr였다. 전력 200와트인 특성선 C2의 경우 압력의 범위는, 바람직하게는 0.7 내지 2.2 Torr이고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.5 Torr였다. 전력 250와트인 특성선 C3의 경우 압력의 범위는, 바람직하게는 0.7 내지 4 Torr이고, 보다 바람직하게는 0.8 내지 2.5 Torr였다. 또한, 압력이 5.0 Torr를 넘으면 플라즈마의 착화가 곤란해진다.
이상의 결과로부터, 투입하는 RF 전력에 의해 플라즈마 밀도, 즉 플라즈마의 발생 효율은 1 Torr의 근변을 피크로서 변동하는 것이 판명되었다. 또한, 플라즈마 발생 영역(SP) 내의 압력을 0.7 내지 5.0 Torr의 범위 내로 설정함으로써, 플라즈마 발생 효율을 높게 유지할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
<구획판(54)의 개구율>
도1에 도시하는 장치를 사용하여, 구획판(54)의 개구율과 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)과의 사이의 압력차와의 관계에 대해 실험을 행하였다. 또한, 개구율이라 함은 구획판의 면적에 대한 가스 유로(55)의 면적의 총합의 비율을 말한다. 본 실험에 있어서, 구획판(54)에 형성하는 가스 유로(55)의 크기 등을 다양하게 변경하고, 다른 개구율을 설정하였다. 각 개구율로 설정된 구획판(54)에 대해, 가스 분산 노즐(34)로부터 가스를 공급하고, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)과의 사이의 압력차를 측정하였다.
그 결과, 개구율이 100 ％(구획판은 없음) 내지 7.3 ％ 정도까지는 압력차가 거의 발생하지 않았다. 그러나, 개구율을 7.3 ％ 이하로 하면, 점차 압력차가 발 생하였다. 따라서, 가스 유로(55)[확산 구멍(55A)]의 개구율은 7.3 ％ 이하가 바람직한 것이 판명되었다. 또한, 개구율이 과도하게 작은 경우에는, 처리 영역(5) 내에 유입되는 활성종(가스를 포함함)이 적어지므로, 그 하한은 0.3 ％ 정도였다.
<제2 실시 형태>
도9는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 종형 플라즈마 처리 장치(종형 플라즈마 성막 장치)를 도시하는 단면도이다. 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(2X)는, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34X)의 배치 구조가 다른 점을 제외하고, 제1 실시 형태에 관한 성막 장치(2)와 동일한 구조를 갖는다. 따라서, 이하에서는 상위점을 중심으로 제2 실시 형태에 관한 성막 장치(2X)를 설명한다.
성막 장치(2X)의 처리 용기(4X)는, 도1에 도시하는 스테인레스 스틸제의 매니폴드(8)를 갖고 있지 않고, 전체가 원통체 형상인 석영제의 용기로 구성된다. 처리 용기(4X)의 하단부 개구부에는, 반경 방향 외측으로 연장되는 두꺼운 링 형상 플랜지(92)가 일체적으로 형성된다. 플랜지(92)의 주위에는 예를 들어 스테인레스 스틸제의 링 형상 보강 부재(94)가 장착된다. 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34X)은, 이 플랜지(92)를 이용하여 설치된다. 또한, 가스 분산 노즐(34X)에 있어서의 복수의 가스 분사 구멍(34A)의 태양은 제1 실시 형태에 관한 성막 장치(2)와 동일하다.
도10은 처리 용기의 플랜지에 대한 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐의 설치 상태를 도시하는 도면이다. 도10에 도시한 바와 같이, 가스 분산 노즐(34X)은 석영으로 이루어지는 직관 형상의 노즐 본체(100)와, 노즐 본체(100)의 하단부에 설 치한 석영으로 이루어지는 용기 형상의 가스 헤드(102)로 이루어진다. 가스 헤드(102)의 측부에는 개구부(104)가 형성된다. 처리 용기(4X)의 플랜지(92)의 하부에는, 보강 부재(94)의 관통 구멍과 정합하도록 장착 오목부(106)가 형성된다.
장착 오목부(106)의 천장부의 중심으로 개구부(107)가 형성되는 동시에, 가스 여기부(50)를 구획하는 커버(56)의 바닥부(56A)에도 개구부(108)가 형성되고, 이들 개구부(107, 108)의 위치는 정합한다. 개구부(107, 108)를 연통하도록, 보조 삽입 관통관(110)이 수직으로 접속 고정된다. 본 실시 형태에 있어서, 처리 용기(4X), 가스 여기부(50)의 커버(56), 보조 삽입 관통관(110)은 동일한 절연성 재료(여기서는, 석영)로 이루어지고, 용접에 의해 서로 접속된다.
보조 삽입 관통관(110)의 내경은, 노즐 본체(100)의 외경보다도 크게 설정된다. 노즐 본체(100)는 플랜지(92)의 하방으로부터 보조 삽입 관통관(110) 내에 삽입 관통되고, 가스 여기부(50) 내에 배치된다. 가스 헤드(102)가 장착 오목부(106) 내에 수용된 상태에서, 리테이너(112)를 통해 그 하방으로부터 나사 부재(114)에 의해 압박 고정된다. 리테이너(112)는, 예를 들어 불소 수지(테프론 : 등록 상표)와 스테인레스 스틸로 이루어지는 탄발성이 있는 구조를 갖는다.
즉, 가스 분산 노즐(34X)은 플랜지(92)의 하방으로부터 가스 여기부(50)에 대해 삽입 탈거 가능해진다. 장착 오목부(106) 내의 기밀성을 유지하기 위해, 가스 헤드(102)의 상측이나 하측 등의 적당한 부위에는, 예를 들어 O링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(116, 118)가 개재 설치된다. 이와 같은 구조에 의해 가스 분산 노즐(34X)은, 처리 용기(4X) 내를 통과하는 일 없이 가스 여기부(50)에 직접적으로 삽입 탈거 가능해진다.
플랜지(92)의 측부 및 보강 부재(94)의 측부에는, 장착 오목부(106)에 연통하도록 관통 구멍(120)이 형성된다. 관통 구멍(120)의 도중에는 단차부(120A)가 형성되고, 단차부(120A)까지 제2 처리 가스 공급계(28)의 스테인레스 스틸제의 가스 라인(42)의 선단부가 삽입된다. 가스 라인(42)의 선단에, O링 등의 밀봉 부재(122)가 배치되어, 장착 오목부(106) 내가 기밀 상태로 유지된다. 가스 라인(42) 내를 흐르는 NH3 가스는, 가스 헤드(102)를 통해 노즐 본체(100) 내에 흐른다. 보강 부재(94)에는 냉매를 흘리기 위한 2개의 냉매 통로(124)가 그 원주 방향을 따라 형성된다. 냉매가 냉매 통로(124)에 공급됨으로써, 웨이퍼의 열 처리시에 플랜지(92)의 근방이 냉각된다.
상술한 바와 같이, 가스 분산 노즐(34X)은 처리 용기(4X) 내를 경유하는 일 없이 플랜지(92)의 하방측으로부터 직접적으로 가스 여기부(50) 내에 삽입 관통된다. 이로 인해, 구획판(54)에는 컨덕턴스를 증대시키는 원인이 되는 노즐 삽입 관통용 개구를 설치할 필요가 없다. 이로 인해, 처리 영역(5)에 대해 압력에 관한 악영향을 미치는 일 없이, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 설정할 수 있다.
<플라즈마 발생 영역 및 처리 영역의 압력>
도9에 도시하는 장치를 사용하여, 플라즈마 발생 영역(SP) 및 처리 영역(5)의 압력의 관계에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, 도5에 도시한 바와 같이 구획판(54)의 가스 유로(55)로서, 웨이퍼(W)의 전체에 걸치도록 소정의 간격 을 두고 1개의 수직렬을 따라 가스 확산 구멍(55A)을 형성하였다. 확산 구멍(55A)의 직경(D1)은 1 mm로 설정하고, 구획판(54)에 대한 확산 구멍(55A)의 개구율은 0.3 ％로 하였다. 처리 용기(4X) 내는 25 ℃로 설정하고, 30 리터/초의 배기 속도로 연속적으로 진공화를 행하였다.
도11은 본 실험에 의해 얻어진, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34X)로부터 공급하는 NH3 가스 유량과, 각 영역의 압력과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도11에 있어서, 횡축은 NH3 가스 유량(slm), 종축은 압력(Torr)을 나타낸다. 또한, 특성선 A는 처리 영역(5)의 압력을 나타내고, 특성선 B는 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 나타낸다. 도11에 도시한 바와 같이, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력은 처리 영역(5)의 압력보다도 충분히 높아졌다. 또한, 가스의 공급량을 많게 할수록, 양자간의 압력차가 커졌다. 또한, 구획판(54)을 설치하지 않는 경우(종래 장치)에는, 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5)의 압력은 대략 동일해져, 특성선 A와 같이 되었다.
<플라즈마 발생 효율>
도9에 도시하는 장치를 사용하여, 플라즈마 발생용 RF 전원(60)의 전압과 플라즈마 밀도와의 관계에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, 히터(70)에 의한 가열 온도를 450 ℃로 설정하였다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력[가스 여기부(50) 내의 압력]은, 다른 3개의 값 0.58, 0.99, 3.16 Torr로 설정하였다. 플라즈마 밀도에 대해서는 플라즈마 압력 환산으로 측정하였다.
도12는 본 실험에 의해 얻어진, RF 전원의 전압과 플라즈마 밀도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도12에 있어서, 횡축은 RF 전원(60)의 전압(kV), 종축은 플라즈마 밀도(cm-3 : Torr 환산)를 나타낸다. 또한, 특성선 C1은 0.58 Torr인 경우를 나타내고, 특성선 C2는 0.99 Torr인 경우를 나타내고, 특성선 C3은 3.16 Torr인 경우를 나타낸다. 도12에 나타낸 바와 같이, 각 특성선 C1, C2, C3에 있어서, RF 전압이 증가함에 따라서, 각 특성선 C1, C2, C3은 대략 2차 함수적으로 플라즈마 밀도가 증가하였다. 또한, 압력이 높을수록 플라즈마 밀도의 상승의 정도가 커졌다. 따라서, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 높게 설정할수록 플라즈마 밀도가 증가하여, 플라즈마 발생 효율을 높게 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
<NH3 유량과 플라즈마 발생 영역의 압력과 가스 유동 컨덕턴스>
도9에 도시하는 장치를 사용하여, NH3 가스 유량과 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력과 구획판(54)의 가스 유로(55)의 컨덕턴스와의 관계에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, 처리 영역(5)의 압력을 0.1 Torr로 유지하는 동시에, 온도를 450 ℃로 유지하였다. 구획판(54)의 가스 유로(55)의 개구율은, 다른 3개의 값 0.85 ％, 0.54 ％, 0.31 ％로 설정하였다(컨덕턴스는, 15.2 × 10-5, 9.26 × 10-5, 4.96 × 10-5 m3/초에 각각 대응함). 또한, NH3 가스 유량은 다른 2개의 값 2.0, 4.0 slm으로 설정하였다.
도13은 본 실험에 의해 얻어진, NH3 가스 유량과 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력과 가스 유동 컨덕턴스와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도13에 있어서, 횡축은 NH3 가스 유량(slm)을 나타내고, 종축 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력(Torr)을 나타낸다. 또한, 특성선 E1은 개구율이 0.85 ％(15.2 × 10-5 m3/초)인 경우를 나타내고, 특성선 E2는 개구율이 0.54 ％(15.2 × 10-5 m3/초)인 경우를 나타내고, 특성선 E3은 개구율이 0.31 ％(4.96 × 1O-5 m3/초)인 경우를 나타낸다. 도14는 도13 중의 데이터의 일부를 플롯한 그래프이다. 도14에 있어서, 횡축은 플라즈마 발생 영역(SP)과 처리 영역(5) 사이의 가스 유동 컨덕턴스(m3/초)를 나타내고, 종축은 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력(Torr)을 나타낸다. 또한, 특성선 F1은 NH3 유량이 2.0 slm인 경우를 나타내고, 특성선 F2는 NH3 유량이 4.0 slm인 경우를 나타낸다.
도13에 나타낸 바와 같이, NH3 가스의 유량을 증가시키면, 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력은 대략 직선적으로 상승하였다. 플라즈마 발생 영역(SP)의 압력을 2 내지 5 Torr의 범위 내로 유지하기 위해서는, 이 유량은 특성선 E1의 경우에는 1.5 내지 약 6 slm 정도의 범위 내, 특성선 E2의 경우에는 0.5 내지 3 slm 정도의 범위 내, 특성선 E3의 경우에는 0.2 내지 1.2 slm 정도의 범위 내로, 각각 설정하는 것이 바람직한 것을 확인할 수 있었다.
<석영벽 에칭량의 압력 의존성>
도9에 도시하는 장치를 사용하여, 가스 여기부(50)를 구획하는 석영제의 커 버(56)의 에칭량의 압력 의존성에 대해 실험을 행하였다. 본 실험에 있어서, RF(고주파) 파워를 500 W(와트), N2 가스 공급량(NH3 대신 공급)을 4 slm, 프로세스 시간을 10분으로 각각 설정하였다. 가스 여기부(50) 내의 압력[플라즈마 발생 영역(SP)의 압력]은, 다른 3개의 값 0.5, 2.0, 5.0, 10.0 Torr로 설정하였다.
도15는 본 실험에 의해 얻어진, 석영벽 에칭량의 압력 의존성을 나타내는 그래프이다. 도15에 있어서, 종축은 석영벽이 에칭된 두께(nm)를 나타낸다. 도15에 나타낸 바와 같이, 가스 여기부(50) 내의 압력을 증가시킬수록 에칭량이 적어졌다. 특히, 압력 2 내지 5 Torr의 범위에서는, 에칭량은 30 nm 이하에서 양호한 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
<변형예>
상기 제2 실시 형태에 있어서, 제2 처리 가스의 가스 분산 노즐(34X)은, 가스 여기부(50)의 하방으로부터 착탈 가능하게 삽입된다. 이 대신에, 가스 분산 노즐(34X)은 가스 여기부(50)의 상방으로부터 착탈 가능하게 삽입되도록 할 수 있다.
상기 제1 및 제2 실시 형태에 있어서, 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스(DCS를 포함함)는 플라즈마화되지 않고, 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스(NH3을 포함함)가 플라즈마화된다. 그러나, CVD의 타입에 따라서는, 박막의 주원료를 제공하는 가스만이 플라즈마화되는 경우나, 박막의 주원료를 제공하는 가스와 이와 반응하는 가스의 양자가 플라즈마화되는 경우가 있다. 어느 쪽이든, 플라즈마 발생 영역(SP) 및 처리 영역(5)의 압력이 각각의 최적의 압력 범위로 설정할 수 있으면 좋다.
또한, 본 발명은 상술한 플라즈마 성막 처리 이외의 플라즈마 처리, 예를 들어 플라즈마 에칭 처리, 플라즈마 산화 확산 처리, 플라즈마 개질 처리 등에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은 상술한 반도체 웨이퍼 이외의 피처리 기판, 예를 들어 유리 기판, 세라믹 기판 등에도 적용할 수 있다.
추가적인 이점 및 변경들은 해당 기술 분야의 숙련자들에게 용이하게 발생할 것이다. 따라서, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 설명 및 대표적인 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위 및 그와 균등한 것에 의해 한정된 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 기술 사상 또는 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경들이 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따르면, 처리 영역에 악영향을 미치는 일 없이, 플라즈마의 발생 효율을 향상시키는 것이 가능한 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.

Claims (20)

  1. 간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
    상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 플라즈마 발생 영역을 갖고, 상기 처리 용기에 일체적으로 부설된 절연성의 내면을 갖는 케이싱에 의해 형성된 기밀한 부속실과,
    상기 플라즈마 발생 영역에 고주파 전계를 형성하기 위해, 상기 처리 용기에 부설된 전계 형성 기구와,
    상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 형성된 가스 유로를 갖고, 상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역과의 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판과,
    상기 부속실 내에 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급계를 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치이며,
    상기 처리 가스는, 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 가스 유로를 통해 상기 처리 영역에 공급되는 것을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기와 상기 부속실의 케이싱과 상기 구획판은, 동일한 절연성 재료로 이루어지고 또한 용접에 의해 서로 접속되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 유로는, 상기 복수의 피처리 기판에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 상기 복수의 피처리 기판에 걸쳐 상하 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 가스 확산 구멍을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 가스 확산 구멍의 각 구멍은, 상기 복수의 피처리 기판 중 인접하는 2개의 기판의 사이에 위치하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 복수의 가스 확산 구멍은, 복수의 수직열을 따라 배열되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가스 유로는 상하 방향으로 긴 슬릿을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 처리 가스 공급계는, 상기 처리 가스를 공급하기 위해 상기 부속실에 착탈 가능하게 접속된 노즐을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 노즐은 상기 부속실 내를 상하 방향으로 연장되는 동시에, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 간격을 두고 형성된 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 부속실은 상기 처리 용기로부터 측방으로 돌출 설치되고, 상기 처리 용기는 하부에 플랜지를 갖고, 상기 부속실과 상기 플랜지와의 사이에 보조 삽입 관통관이 기밀하게 접속되고, 상기 노즐은, 상기 플랜지의 하방으로부터 상기 보조 삽입 관통관을 통해 상기 부속실 내에 삽입되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플랜지와 상기 부속실의 케이싱과 상기 보조 삽입 관통관은, 동일한 절연성 재료로 이루어지고 또한 용접에 의해 서로 접속되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 처리 장치.
  11. 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치이며,
    간격을 두고 적층된 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와,
    상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판을 지지하는 지지 부재와,
    상기 처리 영역 내의 상기 피처리 기판을 가열하는 히터와,
    상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와,
    상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 플라즈마 발생 영역을 갖고, 상기 처리 용기에 일체적으로 부설된 절연성의 내면을 갖는 케이싱에 의해 형성된 기밀한 부속실과,
    상기 플라즈마 발생 영역에 고주파 전계를 형성하기 위해, 상기 처리 용기에 부설된 전계 형성 기구와,
    상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 형성된 가스 유로를 갖고, 상기 처리 영역과 상기 플라즈마 발생 영역과의 사이에 배치된 절연성의 표면을 갖는 구획판과,
    상기 피처리 기판 상에 박막을 퇴적하기 위해, 상기 박막의 주원료를 제공하는 제1 처리 가스와, 상기 제1 처리 가스와 반응하는 제2 처리 가스를, 선택적으로 상기 처리 영역에 공급하는 처리 가스 공급계와,
    상기 피처리 기판 상에 상기 박막을 형성하기 위해, 상기 처리 영역에 대한 상기 제1 처리 가스의 공급과, 상기 처리 영역에 대한 상기 제2 처리 가스의 공급을 복수회 반복하여 실행하여, 상기 장치의 동작을 제어하는 제어부를 구비하고,
    상기 제1 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽은, 상기 부속실 내에 공급되고, 상기 플라즈마 발생 영역을 통과할 때에 여기되고, 상기 가스 유로를 통해 상기 처리 영역에 공급되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 처리 용기와 상기 부속실의 케이싱과 상기 구획판은,
    동일한 절연성 재료로 이루어지고 또한 용접에 의해 서로 접속되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 가스 유로는, 상기 복수의 피처리 기판에 대해 평행한 가스류를 형성하도록 상기 복수의 피처리 기판에 걸쳐 상하 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 가스 확산 구멍을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복수의 가스 확산 구멍의 각 구멍은, 상기 복수의 피처리 기판 중 인접하는 2개의 기판의 사이에 위치하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 가스 유로는, 상하 방향으로 긴 슬릿을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 박막의 퇴적 중, 상기 처리 영역을 0.2 내지 1 Torr의 압력, 상기 플라즈마 발생 영역을 0.7 내지 5 Torr이고 또한 상기 처리 영역보다 높은 압력으로 설정하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장 치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 처리 가스 공급계는, 상기 제1 및 제2 처리 가스 중 적어도 한쪽을 공급하기 위해 상기 부속실에 착탈 가능하게 접속된 노즐을 구비하는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 노즐은 상기 부속실 내를 상하 방향으로 연장되는 동시에, 상기 복수의 피처리 기판에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 간격을 두고 형성된 복수의 가스 분사 구멍을 갖는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 부속실은 상기 처리 용기로부터 측방으로 돌출 설치되고, 상기 처리 용기는 하부에 플랜지를 갖고, 상기 부속실과 상기 플랜지와의 사이에 보조 삽입 관통관이 기밀하게 접속되고, 상기 노즐은, 상기 플랜지의 하방으로부터 상기 보조 삽입 관통관을 통해 상기 부속실 내에 삽입되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 플랜지와 상기 부속실의 케이싱과 상기 보조 삽입 관통관은, 동일한 절연성 재료로 이루어지고 또한 용접에 의해 서로 접속되는 반도체 처리용 종형 플라즈마 성막 장치.
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