KR20130018822A - 플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치 - Google Patents

플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20130018822A
KR20130018822A KR1020127028430A KR20127028430A KR20130018822A KR 20130018822 A KR20130018822 A KR 20130018822A KR 1020127028430 A KR1020127028430 A KR 1020127028430A KR 20127028430 A KR20127028430 A KR 20127028430A KR 20130018822 A KR20130018822 A KR 20130018822A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
processing
plasma
gas
processing container
flow rate
Prior art date
Application number
KR1020127028430A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101432415B1 (ko
Inventor
고이치 다카츠키
가즈요시 야마자키
히데유키 노구치
다이스케 다무라
도모히로 사이토
Original Assignee
도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 filed Critical 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Publication of KR20130018822A publication Critical patent/KR20130018822A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101432415B1 publication Critical patent/KR101432415B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • H01L21/02321—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer
    • H01L21/02329—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer introduction of nitrogen
    • H01L21/02332—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment introduction of substances into an already existing insulating layer introduction of nitrogen into an oxide layer, e.g. changing SiO to SiON
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32192—Microwave generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02107—Forming insulating materials on a substrate
    • H01L21/02296—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer
    • H01L21/02318—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment
    • H01L21/02337—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment treatment by exposure to a gas or vapour
    • H01L21/0234—Forming insulating materials on a substrate characterised by the treatment performed before or after the formation of the layer post-treatment treatment by exposure to a gas or vapour treatment by exposure to a plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/32—Processing objects by plasma generation
    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/338—Changing chemical properties of treated surfaces
    • H01J2237/3387—Nitriding

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1)에, 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스의 유량을, 처리 용기의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내로 되도록 도입하고, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 플라즈마를 생성시켜, 웨이퍼(W)를 교환하면서 연속해서 질화 처리한다. 질소 가스와 희가스의 체적 유량비(질소 가스/희가스)는 0.05 이상 0.8 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

Description

플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치{PLASMA NITRIDING TREATMENT METHOD AND PLASMA NITRIDING TREATMENT DEVICE}
본 발명은 플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마를 이용해서 성막 등의 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치는, 예컨대, 실리콘이나 화합물 반도체로 제작되는 각종 반도체 장치, 액정 표시 장치(LCD)로 대표되는 FPD(Flat Panel Display) 등의 제조 과정에서 사용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치에 있어서는, 처리 용기 내의 부품으로서, 석영 등의 유전체를 재질로 하는 부품이 많이 사용되고 있다. 예컨대, 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나에 의해 처리 용기 내에 마이크로파를 도입해서 플라즈마를 발생시키는 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 이 마이크로파 여기 플라즈마 처리 장치에서는, 평면 안테나까지 안내된 마이크로파를 석영제의 마이크로파 투과판(천정판 혹은 투과창으로 불리는 경우도 있음)을 거쳐 처리 용기 내의 공간에 도입함으로써, 처리 가스와 반응시켜 고밀도 플라즈마를 생성시키는 구성으로 되어 있다(예컨대, 특허 문헌 1).
그런데, 각종 반도체 장치나 FPD 등의 제품을 제조할 때는, 제품 관리상 허용되는 처리 결과의 면간 균일성(기판과 기판 사이의 균일성) 및 파티클 개수의 기준값(허용 파티클 개수)이 설정되어 있다. 그 때문에, 처리 결과의 면간 균일성의 향상 및 파티클 개수의 감소를 도모하는 것은 양품률을 향상시키는데 있어서 매우 중요하다. 여기에서, 「처리 결과의 면간 균일성」이란, 예컨대, 동일한 플라즈마 처리 장치를 이용하여 피처리체 표면의 실리콘을 질화 처리하는 플라즈마 질화 처리에 있어서는, 처리 대상인 복수의 기판 사이에 질화막의 막 두께나 질소 도즈량 등의 편차가 일정한 범위 내인 것을 의미한다. 그러나, 임의의 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 플라즈마 질화 처리를 복수의 피처리체에 대하여 반복 실시하는 동안에, 질소 도즈량의 면간 균일성이 나빠지고, 또한 처리 장치로부터 발생하는 파티클 개수가 증가하여, 상기 기준값을 초과하는 경우가 있다.
(선행 기술 문헌)
특허 문헌 1: 일본 공개 특허 공보 제2008-34579호 (도 1 등)
본 발명은 동일한 처리 용기 내에서 복수의 피처리체에 대하여 연속적으로 플라즈마 질화 처리를 실행해도, 질소 도즈량의 면간 균일성이 유지되고, 또한 처리 장치로부터의 파티클의 발생을 억제할 수 있는 플라즈마 질화 처리 방법을 제공한다.
본 발명자들은, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 복수의 피처리체에 대하여 플라즈마 질화 처리를 반복하는 동안에 면간 균일성이 나빠짐과 동시에 처리 장치로부터의 파티클 개수가 증가하는 현상에 대하여 원인 구명을 실행했다. 그 결과, 처리 조건에 의해 플라즈마 처리 장치 내의 부재(예컨대, 석영 부재)의 표면 상태가 변화하고, 그것이 면간 균일성의 악화와 파티클의 발생에 깊게 관여하고 있다는 지견을 얻었다. 본 발명은, 이러한 지견에 근거하여 이루어진 것이다.
즉, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은, 플라즈마 처리 장치의 처리 용기 내에, 질소 가스와 희(希) 가스를 포함하는 처리 가스의 유량을, 처리 용기의 용적 1L당 처리 가스의 합계 유량 [mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내로 되도록 도입하여, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 플라즈마를 생성시키고, 해당 질소 함유 플라즈마에 의해, 산소 함유막을 갖는 피처리체를 교환하면서, 복수의 피처리체의 산소 함유막에 대해 질화 처리를 실행하는 것이다.
본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 상기 질소 가스와 희가스의 체적 유량비(질소 가스/희가스)가 0.05 이상 0.8 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 질소 가스의 유량이 4.7mL/min(sccm) 이상 225mL/min(sccm) 이하의 범위 내이며, 또한, 상기 희가스의 유량이 95mL/min(sccm) 이상 275mL/min(sccm) 이하의 범위 내인 것이 더 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 상기 처리 용기 내의 압력이 1.3Pa 이상 133Pa 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 상기 플라즈마 질화 처리에 있어서 1매의 피처리체에 대한 처리 시간이 10초 이상 300초 이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 장치 방법에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는 상부에 개구를 갖는 상기 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대에 대향하여 마련되고, 상기 처리 용기의 개구를 덮고, 또한 마이크로파를 투과시키는 투과판과, 상기 투과판보다 바깥쪽에 마련되고, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 처리 용기 내에 가스 공급 장치로부터 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 가스 도입부와, 상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치를 구비하되, 상기 질소 플라즈마는 상기 처리 가스와 상기 평면 안테나에 의해 상기 처리 용기 내에 도입되는 마이크로파에 의해 형성되는 마이크로파 여기 플라즈마인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 상기 마이크로파의 파워 밀도가 상기 투과판의 면적당 0.6W/㎠ 이상 2.5W/㎠ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 처리 온도가 상기 탑재대의 온도로서, 25℃(실온) 이상 600℃ 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 상부에 개구를 갖는 상기 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어 피처리체를 탑재하는 탑재대와, 상기 탑재대에 대향하여 마련되고, 상기 처리 용기의 개구를 막으며, 또한 마이크로파를 투과시키는 투과판과, 상기 투과판보다 바깥쪽에 마련되어 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 처리 용기 내에 가스 공급 장치로부터 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 가스 도입부와, 상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치와, 상기 처리 용기 내에서 피처리체에 대하여 플라즈마 질화 처리를 실행하도록 제어하는 제어부를 구비하되, 상기 제어부는 상기 처리 용기 내를 상기 배기 장치에 의해 배기하여 소정의 압력으로 감압하는 단계, 상기 처리 용기 내에 상기 가스 공급 장치로부터 상기 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를, 상기 처리 용기의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내에서 상기 가스 도입부를 거쳐 도입하는 단계, 상기 처리 용기 내에 상기 마이크로파를 상기 평면 안테나 및 상기 투과판을 거쳐 도입하고, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 플라즈마를 생성시키는 단계, 및 상기 질소 함유 플라즈마에 의해, 산소 함유막을 갖는 피처리체의 해당 산소 함유막을 질화 처리하는 단계를 실행시키는 것이다.
본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법은 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스의 총유량을 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내로 되도록 처리 용기에 도입한다. 이에 따라, 피처리체 사이의 처리의 균일성(면간 균일성)을 향상시킬 수 있고, 또한, 처리 용기 내의 석영 부재의 산화를 억제하며, 처리 용기 내에서의 파티클의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 상기 총유량으로 처리함으로써， 다른 종류의 웨이퍼 사이의 메모리 효과에 의한 질소 도즈량의 변동도 억제할 수 있다. 따라서 파티클 발생이 적고, 신뢰성의 높은 플라즈마 질화 처리를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법의 실시에 적합한 플라즈마 질화 처리 장치의 구성예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 평면 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 제어부의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 4는 플라즈마 질화 처리에 있어서의 석영 부재의 표면 변화를 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4에 계속되는 석영 부재의 표면 상태를 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5에 계속되는 석영 부재의 표면 상태를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 6에 계속되는 석영 부재의 표면 상태를 설명하는 도면이다.
도 8은 실험예 1의 소유량 조건 1A로 형성한 실리콘 질화막의 질소 도즈량과, 그 웨이퍼 사이에서의 균일성의 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 실험예 1의 대유량 조건 1B로 형성한 실리콘 질화막의 질소 도즈량과, 그 웨이퍼 사이에서의 균일성의 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 실험예 1의 대유량 조건 1C로 형성한 실리콘 질화막의 질소 도즈량과, 그 웨이퍼 사이에서의 균일성의 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 실험예 2의 웨이퍼 처리 매수와 파티클 개수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 실험예 3에서 형성한 실리콘 질화막의 질소 도즈량과 그 웨이퍼면 내에서의 균일성을 나타내는 도면이다.
도 13은 실험예 4에서, 소(小)유량 조건과 대(大)유량 조건에서의 플라즈마 질화 처리 후의 투과판의 상태를 비교한 도면이다.
도 14는 제 1 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝 전후의 웨이퍼 표면의 오염(contamination)량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 제 1 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝 전후의 웨이퍼 이면의 오염량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 제 2 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝 전후의 웨이퍼 표면의 오염량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 제 2 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝 전후의 웨이퍼 이면의 오염량 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 18은 제 3 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝 후의 웨이퍼 표면 및 이면의 오염량의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 일실시예에 관한 플라즈마 질화 처리 방법에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선, 도 1 내지 도 3을 참조하면서, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법에 이용 가능한 플라즈마 질화 처리 장치의 구성에 대해서 설명한다. 도 1은 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 또한, 도 2는 도 1의 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 평면 안테나를 나타내는 평면도이며, 도 3은 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 제어 계통의 구성을 설명하는 도면이다.
플라즈마 질화 처리 장치(100)는 복수의 슬롯 형상의 구멍을 갖는 평면 안테나, 특히 RLSA(Radial Line Slot Antenna; 레디얼 라인 슬롯 안테나)에 의해 처리 용기에 마이크로파를 도입하여 처리 용기 내에서 플라즈마를 발생시키는 RLSA 마이크로파 플라즈마 처리 장치로 구성되어 있다. 이에 따라, 플라즈마 질화 처리 장치(100)에 있어서는, 고밀도이고 또한 저전자 온도의 마이크로파 여기 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 플라즈마 질화 처리 장치(100)에서는, 예컨대, 1×1010～5×1012/㎤의 플라즈마 밀도이고, 또한 0.7～2eV의 저전자 온도를 갖는 플라즈마에 의한 처리가 가능하다. 따라서 플라즈마 질화 처리 장치(100)는, 각종 반도체 장치의 제조 과정에 있어서, 산화 규소막이나 실리콘을 질화하여 질화 산화 규소막(SiON막)이나 질화 규소막(SiN막) 등을 형성할 목적으로 적절히 이용할 수 있다.
플라즈마 질화 처리 장치(100)는, 주요한 구성으로서, 피처리체인 반도체 웨이퍼(이하, 단지 「웨이퍼」라고 함)(Ｗ)를 수용하는 처리 용기(1)와, 처리 용기(1) 내에 웨이퍼(W)를 탑재하는 탑재대(2)와, 처리 용기(1) 내에 가스를 도입하는 가스 공급 장치(18)에 접속된 가스 도입부(15)와, 처리 용기(1) 내를 감압 배기하기 위한 배기 장치(24)와, 처리 용기(1)의 상부에 마련되어, 처리 용기(1) 내에 마이크로파를 도입해서 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성 수단으로서의 마이크로파 도입 장치(27)와, 이들 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 각 구성부를 제어하는 제어부(50)를 구비하고 있다. 또, 피처리체(웨이퍼(W))라고 할 때는, 그 표면에 성막된 각종 박막, 예컨대, 폴리 실리콘층이나, 산화 규소막 등도 포함하는 의미로 이용한다. 또한, 가스 공급 장치(18)는 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 구성 부분에 포함시켜도 좋고, 구성 부분에 포함시키지 않고 외부의 가스 공급 장치를 가스 도입부(15)에 접속해서 사용하는 구성으로 하여도 좋다.
처리 용기(1)는 접지된 대략 원통 형상의 용기에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(1)의 용적은 적절히 조정 가능하지만, 본 실시예에서는, 예컨대, 55L 용적을 가지고 있다. 또, 처리 용기(1)는 각통(角筒) 형상의 용기로 형성해도 좋다. 처리 용기(1)는 상부가 개구되어 있고, 알루미늄 등의 재질로 이루어지는 저벽(1a)과 측벽(1b)을 가지고 있다. 측벽(1b)의 내부에는, 열 매체 유로(1c)가 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 내부에는, 피처리체인 웨이퍼(W)를 수평으로 탑재하기 위한 탑재대(2)가 마련되어 있다. 탑재대(2)는, 예컨대, AlN, Al2O3 등의 세라믹으로 구성되어 있다. 그 중에서도 특히 열전도성이 높은 재질, 예컨대, AlN이 바람직하게 이용된다. 이 탑재대(2)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장되는 원통 형상의 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 지지 부재(3)는, 예컨대, AlN 등의 세라믹으로 구성되어 있다.
또한, 탑재대(2)에는, 그 외주 가장자리부 또는 전면을 커버하고, 또한 웨이퍼(W)를 안내하기 위한 커버 부재(4)가 마련되어 있다. 이 커버 부재(4)는 링 형상으로 형성되어, 탑재대(2)의 탑재면 및/또는 측면을 커버하고 있다. 커버 부재(4)에 의해, 탑재대(2)와 플라즈마의 접촉을 차단하고, 탑재대(2)가 스퍼터링되는 것을 방지하며, 웨이퍼(W)에의 불순물의 혼입 방지를 도모할 수 있다. 커버 부재(4)는, 예컨대, 석영, 단결정 실리콘, 폴리 실리콘, 비정질 실리콘, 질화 규소 등의 재질로 구성되고, 이들 중에서도 플라즈마와의 상성(相性)이 좋은 석영이 가장 바람직하다. 또한, 커버 부재(4)를 구성하는 상기 재질은 알칼리 금속, 금속 등의 불순물의 함유량이 적은 고순도인 것이 바람직하다.
또한, 탑재대(2)에는, 저항 가열형의 히터(5)가 매설되어 있다. 이 히터(5)는 히터 전원(5a)으로부터 급전됨으로써 탑재대(2)를 가열하고, 그 열로 피처리체인 웨이퍼(W)를 균일하게 가열한다.
또한, 탑재대(2)에는, 열전대(TC)(6)가 배치되어 있다. 이 열전대(6)에 의해 온도 계측을 행함으로써， 웨이퍼(W)의 가열 온도를, 예컨대, 실온으로부터 900도까지의 범위에서 제어 가능하게 되어 있다.
또한, 탑재대(2)에는, 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내에 반입할 때에 웨이퍼(W)의 교환에 이용하는 웨이퍼 지지 핀(도시하지 않음)이 마련되어 있다. 각 웨이퍼 지지 핀은 탑재대(2)의 표면에 대하여 돌출 및 함몰 가능하게 마련되어 있다.
처리 용기(1)의 내주에는, 석영으로 이루어지는 원통 형상의 라이너(7)가 마련되어 있다. 또한, 탑재대(2)의 외주 측에는, 처리 용기(1) 내로의 균일한 배기를 실현하기 위해, 다수의 배기 구멍(8a)을 갖는 석영제의 링 형상의 배플 플레이트(8)가 마련되어 있다. 이 배플 플레이트(8)는 복수의 지주(9)에 의해 지지되어 있다.
처리 용기(1)의 저벽(1a)의 대략 중앙부에는, 원형의 개구부(10)가 형성되어 있다. 저벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연결되고, 아래쪽을 향해 돌출하는 배기실(11)이 마련되어 있다. 이 배기실(11)에는, 배기관(12)이 접속되고 있고, 이 배기관(12)은 배기 장치(24)에 접속되어 있다. 이와 같이 하여, 처리 용기(1) 내를 진공 배기할 수 있게 구성되어 있다.
처리 용기(1)의 상부는 개구되어 있다. 처리 용기(1)의 상부에는, 개폐 기능(덮개(Lid)로서의 기능)을 갖고, 프레임 형상을 한 플레이트(13)가 배치되어 있다. 프레임 형상의 플레이트(13)의 내주는 내측(처리 용기(1) 내의 공간)을 향해 돌출하여, 링 형상의 지지부(13a)를 형성하고 있다. 이 지지부(13a)와 처리 용기(1) 사이는 밀봉 부재(14)를 통해 기밀하게 밀봉되어 있다.
처리 용기(1)의 측벽(1b)에는, 플라즈마 질화 처리 장치(100)와 이것에 인접하는 반송실(도시하지 않음) 사이에서, 웨이퍼(W)의 반출입을 실행하기 위한 반입출구(16)와 이 반입출구(16)를 개폐하는 게이트 밸브(17)가 마련되어 있다.
또한, 처리 용기(1)의 측벽(1b)에는, 링 형상을 이루는 가스 도입부(15)가 마련되어 있다. 이 가스 도입부(15)는 희가스나 질소 가스를 공급하는 가스 공급 장치(18)에 접속되어 있다. 또, 가스 도입부(15)는 노즐 형상 또는 샤워 형상으로 마련해도 좋다.
가스 공급 장치(18)는 가스 공급원과, 배관(예컨대, 가스 라인(20a, 20b, 20c))과, 유량 제어 장치(예컨대, 매스플로우 컨트롤러(21a, 21b))와, 밸브(예컨대, 개폐 밸브(22a, 22b))를 가지고 있다. 가스 공급원으로는, 예컨대, 희가스 공급원(19a) 및 질소 가스 공급원(19b)을 가지고 있다. 또, 가스 공급 장치(18)는 상기한 것 이외의 도시하지 않는 가스 공급원으로서, 예컨대, 처리 용기(1) 내의 분위기를 치환할 때에 이용하는 퍼지 가스 공급원 등을 가지고 있어도 좋다.
도 1에서는, 희가스 공급원(19a)으로부터 Ar 가스가 공급되는 구성으로 되어 있다. 희가스로는, 그 외에, 예컨대, Kr 가스, Xe 가스, He 가스 등을 이용할 수 있다. 희가스 중에서도, Ar 가스는 경제성이 우수한 점에서 특히 바람직하다.
희가스 및 질소 가스는 가스 공급 장치(18)의 희가스 공급원(19a) 및 질소 가스 공급원(19b)으로부터, 각각 가스 라인(배관)(20a, 20b)을 거쳐 공급된다. 가스 라인(20a, 20b)은 가스 라인(20c)에서 합류하고, 이 가스 라인(20c)에 접속된 가스 도입부(15)로부터 처리 용기(1) 내로 도입된다. 각 가스 공급원에 접속하는 각각의 가스 라인(20a, 20b)에는, 각각 매스플로우 컨트롤러(21a, 21b) 및 그 전후에 1조의 개폐 밸브(22a, 22b)가 마련되어 있다. 이러한 가스 공급 장치(18)의 구성에 의해, 공급되는 가스의 전환이나 유량 등을 제어할 수 있게 되어 있다.
배기 장치(24)는, 예컨대, 터보 분자 펌프 등의 고속 진공 펌프를 구비하고 있다. 상기와 같이, 배기 장치(24)는 배기관(12)을 통해 처리 용기(1)의 배기실(11)에 접속되어 있다. 처리 용기(1) 내의 가스는 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 흐르고, 배기 장치(24)를 작동시킴으로써, 더욱 공간(11a)로부터 배기관(12)을 통해 외부로 배기된다. 이에 따라, 처리 용기(1) 내를 소정의 진공도, 예컨대, 0.133Pa까지 고속으로 압력을 낮추는 것이 가능하게 된다.
처리 용기(1)의 측벽(1b) 내에 열 매체 유로(1c)가 형성되어 있다. 이 열 매체 유로(1c)에는 열 매체 도입관(25a) 및 열 매체 배출관(25b)을 통해 칠러 유닛(26: chiller unit)이 접속되어 있다. 칠러 유닛(26)은 소정의 온도로 조절한 열매체를 열매체 유로(1c)로 유통시킴으로써, 처리 용기(1) 측벽(1b)의 온도를 조절하고 있다.
다음에, 마이크로파 도입 장치(27)의 구성에 대해 설명한다. 마이크로파 도입 장치(27)는, 주요한 구성으로서, 투과판(28), 평면 안테나(31), 지파재(33), 금속제 커버 부재(34), 도파관(37), 매칭 회로(38) 및 마이크로파 발생 장치(39)를 구비하고 있다. 마이크로파 도입 장치(27)는 처리 용기(1) 내에 전자파(마이크로파)를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단이다.
마이크로파를 투과시키는 기능을 갖는 투과판(28)은 플레이트(13)에서 내주 측으로 돌출한 지지부(13a) 위에 배치되어 있다. 투과판(28)은 유전체, 예컨대, 석영 등의 재질로 구성되어 있다. 이 투과판(28)과 지지부(13a) 사이는 O링 등의 밀봉 부재(29)를 거쳐 기밀하게 밀봉되어 있다. 따라서 처리 용기(1) 내는 기밀하게 유지된다.
평면 안테나(31)는 투과판(28)의 상방(처리 용기(1)의 바깥쪽)에서 탑재대(2)와 대향하도록 마련되어 있다. 평면 안테나(31)는 원판 형상을 이루고 있다. 또, 평면 안테나(31)의 형상은 원판 형상에 한정되지 않고, 예컨대, 사각판 형상이라도 좋다. 이 평면 안테나(31)는 플레이트(13)의 상단에 계지(係止)되어 있다.
평면 안테나(31)는, 예컨대, 표면이 금 또는 은도금된 동판, 알루미늄판, 니켈판 및 그들의 합금 등의 도전성 부재로 구성되어 있다. 평면 안테나(31)는 마이크로파를 방사하는 복수의 슬롯 형상의 마이크로파 방사 구멍(32)을 가지고 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)은 소정의 패턴으로 평면 안테나(31)를 관통하여 형성되어 있다.
각각의 마이크로파 방사 구멍(32)은, 예컨대, 도 2에 도시하는 바와 같이, 가늘고 긴 직사각형 형상(슬롯 형상)을 이루고 있다. 그리고 전형적으로는 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)이 「L」자 형상으로 배치되어 있다. 또한, 이와 같이 소정의 형상(예컨대, L자 형상)으로 조합하여 배치된 마이크로파 방사 구멍(32)은 전체적으로 동심원 형상으로 배치되어 있다. 마이크로파 방사 구멍(32)의 길이나 배열 간격은 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정된다. 예컨대, 마이크로파 방사 구멍(32)의 간격은 λg/4～λg가 되도록 배치된다. 도 2에서는, 동심원 형상으로 형성된 인접하는 마이크로파 방사 구멍(32)끼리의 간격을 Δr로 나타내고 있다. 또, 마이크로파 방사 구멍(32)의 형상은 원 형상, 원호 형상 등의 다른 형상이라도 좋다. 또한, 마이크로파 방사 구멍(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원 형상 외에, 예컨대, 나선 형상, 방사상 등으로 배치할 수도 있다.
평면 안테나(31)의 상면(평면 안테나(31)와 금속제 커버 부재(34) 사이에 형성되는 편평 도파로)에는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 지파재(33)가 마련되어 있다. 이 지파재(33)는 진공 중에서는 마이크로파의 파장이 길어지기 때문에, 마이크로파의 파장을 짧게 하여 플라즈마를 조정하는 기능을 가지고 있다. 지파재(33)의 재질로는, 예컨대, 석영, 폴리테트라플루오로에틸렌 수지, 폴리이미드 수지 등을 이용할 수 있다. 또, 평면 안테나(31)와 투과판(28) 사이, 또한, 지파재(33)와 평면 안테나(31) 사이는 각각 접촉시켜도 이격시켜도 좋지만, 접촉시키는 것이 바람직하다.
처리 용기(1)의 상부에는, 이들 평면 안테나(31) 및 지파재(33)를 덮도록 금속제 커버 부재(34)가 마련되어 있다. 금속제 커버 부재(34)는, 예컨대, 알루미늄이나 스테인리스강 등의 금속 재료로 구성되어 있다. 금속제 커버 부재(34)와 평면 안테나(31)에 의해 편평 도파로가 형성되어, 처리 용기(1) 내에 마이크로파를 균일하게 공급할 수 있다. 플레이트(13)의 상단과 금속제 커버 부재(34)는 밀봉 부재(35)에 의해 밀봉되어 있다. 또한, 금속제 커버 부재(34)의 벽체의 내부에는 유로(34a)가 형성되어 있다. 이 유로(34a)는 도시하지 않는 배관에 의해 칠러 유닛(26)에 접속되어 있다. 유로(34a)에 칠러 유닛(26)으로부터 냉각수 등의 열매체를 유통시킴으로써, 금속제 커버 부재(34), 지파재(33), 평면 안테나(31) 및 투과판(28)을 냉각할 수 있게 되어 있다. 또, 금속제 커버 부재(34)는 접지되어 있다.
금속제 커버 부재(34) 상벽(천장부)의 중앙에는, 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부(36)에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 도파관(37)의 타단 쪽에는, 매칭 회로(38)를 거쳐 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다.
도파관(37)은 상기 금속제 커버 부재(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장하는 단면 원 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 거쳐 접속된 수평 방향으로 연장하는 직사각형 도파관(37b)을 가지고 있다. 모드 변환기(40)는 직사각형 도파관(37b) 내를 TE 모드로 전파하는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 가지고 있다.
동축 도파관(37a)의 중심에는 내부 도체(41)가 연장되어 있다. 이 내부 도체(41)는 그 하단부에서 평면 안테나(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이러한 구조에 의해, 마이크로파는 동축 도파관(37a)의 내부 도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)와 금속제 커버 부재(34)에 의해 형성되는 편평 도파로에 방사상으로 효율 좋고 균일하게 전파된다.
이상과 같은 구성의 마이크로파 도입 장치(27)에 의해, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한 마이크로파가 도파관(37)을 통해 평면 안테나(31)에 전파되고, 또한 마이크로파 방사 구멍(32)(슬롯)으로부터 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1) 내에 도입되도록 되어 있다. 또, 마이크로파의 주파수로는, 예컨대, 2.45㎓가 바람직하게 이용되고, 그 외에 8.35㎓, 1.98㎓ 등을 이용할 수도 있다.
플라즈마 질화 처리 장치(100)의 각 구성부는 제어부(50)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 제어부(50)는 통상 컴퓨터이며, 예컨대, 도 3에 나타내는 바와 같이, CPU를 구비한 프로세스 컨트롤러(51)와, 이 프로세스 컨트롤러(51)에 접속된 유저 인터페이스(52) 및 기억부(53)를 구비하고 있다. 프로세스 컨트롤러(51)는 플라즈마 질화 처리 장치(100)에서, 예컨대, 온도, 압력, 가스 유량, 마이크로파 출력 등의 처리 조건에 관계되는 각 구성부(예컨대, 히터 전원(5a), 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39) 등)를 총괄 제어하는 제어 수단이다.
유저 인터페이스(52)는 공정 관리자가 플라즈마 질화 처리 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작 등을 실행하는 키보드나, 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등을 가지고 있다. 또한, 기억부(53)에는 플라즈마 질화 처리 장치(100)를 통해 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(51)의 제어 하에 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기록된 레시피 등이 보존되어 있다.
그리고 필요에 따라， 유저 인터페이스(52)로부터의 지시 등을 통해 임의의 레시피를 기억부(53)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(51)로 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(51)에 의한 제어를 기초로 하여 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내에서 소망하는 처리가 실행된다. 또한, 상기 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는 컴퓨터 판독 가능한 기억 매체, 예컨대, CD-ROM, 하드 디스크, 플렉시블디스크, 플래시 메모리, DVD, 블루레이 디스크 등에 저장된 상태의 것을 이용할 수 있다. 또한, 상기 레시피를 다른 장치로부터, 예컨대, 전용 회선을 거쳐 전송받아 이용하는 것도 가능하다.
이와 같이 구성된 플라즈마 질화 처리 장치(100)에서는, 예컨대, 실온(25℃ 정도) 이상 600℃ 이하의 저온에서 웨이퍼(W)에 손상을 미치지 않는 플라즈마 처리를 실행할 수 있다. 또한, 플라즈마 질화 처리 장치(100)는 플라즈마의 균일성이 우수하기 때문에, 대구경의 웨이퍼(W)에 대하여도 양호한 면내 균일성 및 면간 균일성을 실현할 수 있다.
다음에, RLSA 방식의 플라즈마 질화 처리 장치(100)를 이용한 플라즈마 질화 처리의 일반적인 순서에 대해서 설명한다. 우선, 게이트 밸브(17)를 열어 반입출구(16)로부터 웨이퍼(W)를 처리 용기(1) 내에 반입하고, 탑재대(2) 위에 탑재한다. 다음에, 처리 용기(1) 내를 감압 배기하면서, 가스 공급 장치(18)의 희가스 공급원(19a) 및 질소 가스 공급원(19b)으로부터 희가스 및 질소 가스를 소정 유량으로 각각 가스 도입부(15)를 거쳐 처리 용기(1) 내에 도입한다. 이와 같이 하여, 처리 용기(1) 내를 소정의 압력으로 조절한다. 또한, 칠러 유닛(26)에 의해, 소정의 온도로 조절한 열매체를 열매체 유로(1c)에 유통시켜 처리 용기(1)의 측벽(1b)을 소정의 온도로 조절한다.
다음에, 마이크로파 발생 장치(39)로부터 소정의 주파수, 예컨대, 2.45㎓의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 거쳐 도파관(37)으로 안내한다. 도파관(37)으로 안내된 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 및 동축 도파관(37a)을 순차적으로 전파하여, 내부 도체(41)를 거쳐 평면 안테나(31)에 공급된다. 마이크로파는 직사각형 도파관(37b) 내에서는 TE 모드로 전파하고, 이 TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에서 TEＭ 모드로 변환되어, 동축 도파관(37a) 내를 지나 평면 안테나(31)를 향해 전파되어 간다. 그리고 마이크로파는 평면 안테나(31)에 관통 형성된 슬롯 형상의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1) 내에서 웨이퍼(W)의 위쪽 공간으로 방사된다.
평면 안테나(31)로부터 투과판(28)을 거쳐 처리 용기(1) 내로 방사된 마이크로파에 의해, 처리 용기(1) 내로 전자계가 형성되어, 희가스 및 질소 가스 등의 처리 가스가 플라즈마화 된다. 이와 같이 하여 생성하는 마이크로파 여기 플라즈마는 마이크로파가 평면 안테나(31)의 다수의 마이크로파 방사 구멍(32)으로부터 방사됨으로써, 거의 1×1010～5×1012/㎤의 고밀도이고, 또한 웨이퍼(W) 근방에서는, 거의 1.2eV 이하의 저전자 온도 플라즈마가 된다.
플라즈마 질화 처리 장치(100)에서 실시되는 플라즈마 질화 처리의 조건은 제어부(50)의 기억부(53)에 레시피로 보존해 둘 수 있다. 그리고 프로세스 컨트롤러(51)가 그 레시피를 판독해서 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 각 구성부, 예컨대, 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39), 히터 전원(5a) 등에 제어 신호를 송출함으로써, 소망하는 조건에서의 플라즈마 질화 처리를 실현한다.
<플라즈마 질화 처리의 조건>
여기서, 플라즈마 질화 처리 장치(100)에서 실행되는 플라즈마 질화 처리의 바람직한 조건에 대해 설명한다. 본 실시예의 플라즈마 질화 처리에서는, 하기의 조건 중, 특히 처리 가스의 유량과 유량비가 중요하고, 이들을 고려함으로써 처리 용기(1) 내의 산소를 효율적으로 배제하고, 질소 도즈량의 면간 균일성 및 파티클의 발생 원인을 제거할 수 있다.
[처리 가스]
처리 가스로는, N2 가스와 Ar 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스의 유량을 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내가 되도록 한다. 이에 따라 처리 용기(1) 내의 산소를 효율적으로 배제하고, 플라즈마 질화 처리 장치(100)에서의 질소 도즈량의 면간 균일성 및 파티클의 발생 원인을 제거할 수 있다. 처리 가스의 총유량이 1.5(mL/min)/L보다 적으면, 처리 용기(1) 내로부터의 산소 배출이 진행되지 않아, 웨이퍼(W)를 반복 처리하는 동안에 처리 용기(1) 내의 부품(특히 천장판(天板) 등의 석영 부재)이 산화되어 응력 박리됨으로써 파티클 발생 원인이 된다. 또, 처리 가스의 총유량이 13(mL/min)/L을 넘으면, 마찬가지로 산소를 배출할 수 없으므로 석영 부재가 산화되어 파티클 발생의 원인이 된다. 또, 총유량의 단위[(mL/min)/L]는 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]을 뜻하고 있다. 예컨대, 처리 용기(1)의 용적이 55L일 경우, 처리 가스의 합계 유량은 82.5mL/min(sccm) 이상 715mL/min(sccm) 이하로 된다. 이 경우, N2 가스의 유량은, 예컨대, 4.7mL/min(sccm) 이상 225mL/min(sccm) 이하의 범위 내인 것이 바람직하다. 또한, Ar 가스의 유량은, 예컨대, 95mL/min(sccm) 이상 275mL/min(sccm) 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.
전(全) 처리 가스 중에 포함되는 Ｎ2 가스와 Ar 가스의 체적 유량비(N2 가스/Ar 가스)는 플라즈마의 질화력을 강하게 하여 처리 용기(1) 내의 부품(특히, 석영 부재)의 산화를 억제하고, 파티클 원인이 되는 것을 방지하는 관점에서 볼 때, 예컨대, 0.05 이상 0.8 이하의 범위 내가 바람직하고, 0.2 이상 0.8 이하의 범위 내가 더 바람직하다.
[처리 압력]
처리 압력은 플라즈마의 질화력을 강하게 하는 관점에서 볼 때, 1.3Pa 이상 133Pa 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하고, 1.3Pa 이상 53.3Pa 이하의 범위 내가 더 바람직하다. 처리 압력이 1.3Pa 미만에서는 하지막에의 손상이 있고, 133Pa를 넘으면, 충분한 질화력을 얻을 수 없어, 처리 용기(1) 내의 석영 부재의 산화를 억제해 파티클 원인을 배제하는 효과가 저하된다.
[처리 시간]
처리 시간은, 예컨대, 10초 이상 300초 이하로 설정하는 것이 바람직하고, 30초 이상 180초 이하로 설정하는 것이 더 바람직하다. 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]이 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하인 범위 내에서 생성한 질소 함유 플라즈마에 의한 산소의 제거 효과는 어느 정도 시간까지는 처리 시간에 비례해서 커지지만, 처리 시간이 너무 길어지면 그 효과가 제한되어, 스루풋이 저하된다. 따라서 소망하는 산소 배출 효과를 얻을 수 있는 범위에서, 될 수 있는 한 처리 시간을 짧게 설정하는 것이 바람직하다.
[마이크로파 파워]
플라즈마 질화 처리에서의 마이크로파의 파워 밀도는 안정하고 또한 균일하게 질소 플라즈마를 생성시킴과 동시에, 처리 용기(1) 내의 온도를 낮게 유도해서 열응력에 의해 발생하는 석영 부재(예컨대, 투과판(28))로부터의 파티클을 저감하는 관점에서 볼 때, 예컨대, 0.6W/㎠ 이상 2.5W/㎠ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다. 또, 본 발명에 있어서 마이크로파의 파워 밀도는 투과판(28)의 면적 1㎠당 마이크로파 파워를 의미한다.
[처리 온도]
처리 온도(웨이퍼(W)의 가열 온도)는 처리 용기(1) 내의 온도를 낮게 유도하여 열응력에 의해 발생하는 석영 부재(예컨대, 투과판(28))로부터의 파티클을 저감하는 관점에서 볼 때, 탑재대(2)의 온도로서, 예컨대, 25℃(실온 정도) 이상 600℃ 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하고, 100℃ 이상 500℃ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 더 바람직하다. 처리 온도를 낮게 하면, 질소 도즈량은 저하한다. 그러나 처리 가스의 유량을, 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내의 큰 유량으로 함으로써， 온도 저하에 의한 질화 도즈의 저하를 억제하여 고(高) 도즈로 질화 처리 할 수 있다.
[칠러 온도]
플라즈마 질화 처리 동안, 플라즈마에 의해 고온화된 챔버를, 칠러 유닛(26)으로부터 처리 용기(1)의 측벽(1b) 및 금속제 커버 부재(34)의 유로(34a)에 열매체를 공급함으로써 냉각한다. 그 온도는, 처리 용기(1) 내의 온도를 낮게 유도하여 열응력에 의해 발생하는 석영 부재(예컨대, 투과판(28)) 표면으로부터의 파티클을 감소시키는 관점에서 볼 때, 예컨대, 5℃ 이상 25℃ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하고, 10℃ 이상 15℃ 이하의 범위 내로 설정하는 것이 더 바람직하다.
이상의 플라즈마 질화 처리의 조건은 제어부(50)의 기억부(53)에 레시피로서 보존해 둘 수 있다. 그리고 프로세스 컨트롤러(51)가 그 레시피를 판독해서 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 각 구성부, 예컨대, 가스 공급 장치(18), 배기 장치(24), 마이크로파 발생 장치(39), 히터 전원(5a) 등에 제어 신호를 송출함으로써, 소망하는 조건에서의 플라즈마 질화 처리를 실현한다.
<작용>
도 4 내지 도 7은 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내에서, 플라즈마 질화 처리를 실행했을 때의 석영 부재(예컨대, 투과판(28))의 표면의 상태 변화를 나타내고 있다. 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내에서, 플라즈마 질화 처리를 실행하면, 투과판(28) 등의 석영 부재의 표면이 질소 플라즈마에 노출된다. 그 때문에, 석영 부재의 표면에서 SiO2가 질화되어 SiON이 되고, 더욱 질화가 진행되어, 도 4에 도시하는 바와 같이, 석영 부재의 표면에 얇은 SiN층(101)이 형성된다.
도 4의 상태에서, 여러 장의 웨이퍼(W)에 대하여 연속적으로 플라즈마 질화 처리를 계속해 가면, 예컨대, 도 5에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내에 존재하는 산소가 여기되어 원자 상태 산소(O＊)가 되고, 그 원자 상태 산소(O＊)가 처리 용기(1) 내로 확산되어 투과판(28) 등의 석영 부재의 표면을 산화시킨다. 처리 용기(1) 내에서 산소가 증가해 가는 요인으로는, 처리 대상의 웨이퍼(W)의 표면에, 산소를 방출하기 쉬운 산소 함유막(예컨대, 이산화 규소막, 금속 산화막, 금속 실리콘 산화막 등)이 존재하고 있을 경우를 들 수 있다. 산소 함유막, 예컨대, SiO2막을 질소 플라즈마로 질화하면 산소와 질소가 치환하고, 해당 막으로부터 산소 원자(O＊)가 쫓겨나, 그것이 처리 용기(1) 내로 방출되어 석영 부재의 표면이 산화된다. 또한, 웨이퍼(W)에 부착된 대기 중의 수분 등, 처리 용기(1)의 외부로부터 유입된 산소에 의해서도, 마찬가지로 석영 부재 표면의 산화가 발생한다. 또한, 1매의 웨이퍼(W)에 대한 처리 시간이 짧을 경우, 웨이퍼(W)로부터 방출된 산소가 배기 가스와 함께 배출되지 않고, 조금씩 처리 용기(1) 내에 잔류하여, 웨이퍼(W)의 처리 매수가 증가함에 따라, 처리 용기(1) 내에 축적되기 쉬워진다.
상기한 바와 같은 기구의 산화가 진행되면, 도 6에 나타내는 바와 같이, 처리 용기(1) 내의 투과판(28) 등의 석영 부재의 표면에 형성된 SiN층(101)의 표면이 산화되어 질화 산화 규소층(SiON층)(102)이 형성된다. 즉 석영 부재의 표면 부근은 내부로부터 표면 측으로, SiO2/SiN/SiON의 층 구성으로 된다. 또, 플라즈마 여기를 위한 마이크로파 파워가 작을 경우에는 질화력이 저하하므로, 상대적으로 산소의 영향력이 강해져 산소에 의한 석영 부재의 산화가 진행되기 쉬워진다.
도 6에 나타내는 바와 같이, SiON층(102)이 형성된 상태에서, 다수의 웨이퍼(W)에 대하여 플라즈마 질화 처리를 계속해 가는 동안에, 열응력이 가해지면, SiON층(102)과 SiN층(101)의 열팽창율의 차이에 의해 SiON층(102)에 크랙이 발생하여, 도 7에 나타내는 바와 같이, SiON층(102)이 박리된다. 이것이, 파티클(P)의 원인이라고 생각된다.
본 실시예의 플라즈마 질화 처리 방법에서는, 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여, 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내가 되도록 대유량의 처리 가스를 처리 용기(1)에 도입하고, 배기 장치(24)에 의해 배기하면서 플라즈마 질화 처리를 실행한다. 이에 따라, 웨이퍼(W)로부터 방출된 산소 원자(산소 래디컬), 산소 이온이나, 처리 용기(1) 내에 부착 혹은 체류하고 있는 산소원을 조속히 처리 용기(1) 외부로 배출시킬 수 있다. 그 결과, 처리 용기(1) 내에서 플라즈마 질화 처리를 반복해서 하여도, 항상 석영 부재의 표면을 도 4에 나타내는 상태(SiN층(101)이 형성된 상태)로 유지할 수 있다. 즉 대유량의 처리 가스의 도입과 배기에 의해, 처리 용기(1) 내로부터 석영 부재 등의 표면 산화의 원인이 되는, 산소 원자(산소 래디컬), 산소 이온이나, 처리 용기(1) 내에 존재하는 산소원을 배출하고, SiON층(102)의 형성을 억제함으로써, 열응력에 의한 박리가 발생하기 어려운 상태를 유지한다. 따라서 상기한 바와 같이, 석영 부재의 표면이 박리되어 파티클 원인으로 되는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 상기 석영 부재로부터의 SiON층(102)의 박리는 주로 열응력에 의해 발생하기 때문에 처리 용기(1) 내의 온도를 낮게 유도함으로써, 파티클 발생을 보다 확실하게 감소시킬 수 있다. 이러한 관점으로부터, 예컨대, 처리 온도(탑재대(2)의 히터(5)에 의한 웨이퍼(W)의 가열 온도), 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생되는 마이크로파의 파워, 칠러 유닛(26)에 의한 열 매체의 온도를 낮게 설정하는 것이 효과적이다. 이 경우, 처리 용기(1) 내의 온도가 저하하면, 질화율도 저하하는 경향이 있지만, 상기와 같이 처리 가스의 유량을 대유량으로 함으로써, 질화 레이트의 극단적인 저하를 회피할 수 있다. 즉, 처리 용기(1)의 온도 저하에 의한 질화 레이트의 저하를 처리 가스의 유량 증가에 의해 보충할 수 있다.
또한, 처리 용기(1) 내로, 처리 가스의 유량을, 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여, 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하 범위의 대유량으로 함으로써, 처리된 웨이퍼(W)로부터 발생한 가스가 1매의 처리마다 처리 용기(1) 내로부터 쉽게 배출된다. 그 때문에, 다음에 처리되는 웨이퍼(W)에, 이전의 웨이퍼(W)로부터 발생한 가스가 영향을 미치는 것을 배제할 수 있으므로, 웨이퍼(Ｗ)간의 처리의 균일성이 대폭 개선된다.
다음에, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해서 설명한다.
실험예 1:
도 1의 플라즈마 질화 처리 장치(100)와 마찬가지 구성의 장치를 이용하고, 하기의 소(小)유량의 질화 조건 1A, 대(大)유량의 질화 조건 1B 및 1C에서, 각각 25매의 웨이퍼(W)에 대하여 반복 플라즈마 질화 처리를 하였다. 웨이퍼(W)는 표면에 실리콘 산화막을 갖는 것을 사용했다. 플라즈마 질화 처리 후의 산화막이 형성된 웨이퍼에 대하여, 실리콘 산화막 중 질소 도즈량을 측정하고, 웨이퍼간의 질소 도즈량의 균일성을 평가했다. 소유량의 질화 조건 1A의 결과를 도 8에, 대유량의 질화 조건 1B의 결과를 도 ９에, 대유량의 질화 조건 1C의 결과를 도 10에 나타냈다. 도 8 내지 도 10에 있어서, 가로축은 웨이퍼 번호를 나타내고, 좌측의 세로축은 웨이퍼(Ｗ) 상의 9곳의 평균 질소 도즈량을 나타내고, 우측의 세로축은 균일성 지표인 레인지(Range)/2×평균(Ave.)(%)[즉, (질소 도즈량의 최대값-질소 도즈량의 최소값)/(2×평균 질소 도즈량)의 백분율]을 나타내고 있다.
<질화 조건 1A>
처리 압력: 20Pa
Ar 가스 유량: 60mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
총유량: 80mL/min(sccm)
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 1500W(파워 밀도 0.76W/㎠)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 90초
웨이퍼 직경: 300㎜
처리 용기 용적: 55L(소유량: 1.45(mL/min)/L)
<질화 조건 1B>
처리 압력: 20Pa
Ar 가스 유량:255mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 70mL/min(sccm)
총유량: 325mL/min(sccm)
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 1500W(파워 밀도 0.76W/㎠)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 90초
웨이퍼 직경: 300㎜
처리 용기 용적: 55L(대유량: 5.91(mL/min)/L)
<질화 조건 1C>
처리 압력: 20Pa
Ar 가스 유량: 195mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 130mL/min(sccm)
총유량; 325mL/min(sccm)
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 2000W(파워 밀도 1.01W/㎠)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 90초
웨이퍼 직경: 300㎜
처리 용기 용적: 55L(대유량: 5.91(mL/min)/L)
도 8 내지 도 10에 나타내는 바와 같이, 평균 질소 도즈량(흑색 마름모꼴의 플롯)은 소유량의 조건 1A(도 8)보다, 대유량의 조건 1B(도 ９), 조건 1C(도 10) 쪽이 상회하고 있다. 또한, Range/2Ave.(백색 사각형의 플롯)에 관해서는, 웨이퍼간의 비교에서, 소유량의 조건 1A(도 8)가 3.800%, 대유량의 조건 1B(도 ９)가 2.338%이며, 대유량의 조건 1C(도 10)가 1.596%였다. 대유량의 조건 1B(도 ９), 조건 1C(도 10) 쪽이 웨이퍼간의 질소 도즈량의 격차가 적고, 웨이퍼간의 처리의 균일성(면간 균일성)이 높은 것이 확인되었다. 따라서 플라즈마 질화 처리에서, 소유량의 조건 1A에 비해, 대유량의 조건 1B, 1C 쪽이 질소 도즈량의 웨이퍼간 균일성이 우수한 것이 확인되었다.
실험예 2:
도 1의 플라즈마 질화 처리 장치(100)와 마찬가지 구성의 장치를 이용하고, 하기의 질화 조건 2A 및 질화 조건 2B로 각각 약 30,000매의 더미 웨이퍼에 대하여 반복 플라즈마 질화 처리를 실행하는 러닝 시험을 실시했다. 더미 웨이퍼로는, 표면에 실리콘 산화막을 갖는 것을 사용했다. 플라즈마 질화 처리 후의 더미 웨이퍼에 대하여, 파티클 카운터에서 파티클 개수를 계측했다. 그 결과를 도 11에 나타냈다. 또, 질화 조건 2A는 상대적으로 처리 가스의 유량이 소유량이며, 질화 조건 2B는 상대적으로 처리 가스의 유량이 대유량이다.
<질화 조건 2-A>
처리 압력: 20Pa
Ar 가스 유량: 48mL/min(sccm)
N2가스 유량: 32mL/min(sccm)
총유량: 80mL/min(sccm)
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 1500W(파워 밀도 0.76W/㎠)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 90초
웨이퍼 직경: 300㎜
처리 용기 용적: 55L(소유량: 1.45(mL/min)/L)
<질화 조건 2-B>
처리 압력: 20Pa
Ar 가스 유량: 271mL/min(sccm)
N2가스 유량: 54mL/min(sccm)
총유량: 325mL/min(sccm)
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 1500W(파워 밀도 0.76W/㎠)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 90초
웨이퍼 직경: 300㎜
처리 용기 용적: 55L(대유량: 5.91(mL/min)/L)
도 11에 나타내는 바와 같이, 소총유량의 질화 조건 2-A에서는 플라즈마 질화 처리를 함으로써, 15000매 전후에서 파티클 개수가 대폭 증가했다. 한편， 대유량의 질화 조건 2-B에서는 대략 30000매의 처리가 종료한 시점에서도 파티클 개수의 증가는 거의 발생하지 않았다. 이것은 대유량의 질화 조건 2-B에서는 처리 용기 내에서 발생하는 산소가 빨리 배출되어 처리 용기 내에 머물지 않기 때문에, 석영 부재 등의 산화가 억제되어, 파티클 원인이 되는 SiON층이 형성되기 어렵기 때문이라고 생각된다. 따라서 대유량의 플라즈마 질화 처리에 의해, 처리 용기 내에 발생하는 파티클을 효과적으로 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3:
다음에, 마이크로파 파워를 1000W(투과판 1㎠당 파워 밀도(이하, 「파워 밀도」라고 함): 0.5W/㎠)로부터 2000W(파워 밀도: 1.0W/㎠)까지 100W씩 단계적으로 변화시킨 것 외에는 실험예 2의 조건 2B와 마찬가지로 해서, 표면에 6㎚의 SiO2막을 갖는 웨이퍼 25매에 대하여, 각각 플라즈마 질화 처리를 실행했다. 그리고 SiO2막 중의 질소 도즈량과, 그 웨이퍼면 내에서의 Range/2Ave.(%)을 평가했다. 그 결과를 도 12에 나타냈다. 마이크로파 파워가 1200W(파워 밀도: 0.6W/㎠) 이상 2000W(파워 밀도: 1.0W/㎠) 이하의 범위 내에서는, 질소 도즈량의 웨이퍼 내의 균일성(면내 균일성)이 양호했다.
실험예 4:
도 1의 플라즈마 질화 처리 장치(100)와 마찬가지 구성의 장치를 이용하고, 실험예 2와 같은 조건 2A, 조건 2B로, 표면에 SiO2막을 갖는 다수의 웨이퍼에 대하여, 연속해서 플라즈마 질화 처리를 실행하는 러닝 시험을 실시했다. 조건 2A로 대략 30,000매 미만, 조건 2B로 대략 85,000매 미만의 웨이퍼(W)를 처리했다. 그 후, 투과판(28) 표면 부근의 단면을 전자 현미경으로 확인함과 아울러, 에너지 분산형 X선 분석 장치(EDS)에 의해 같은 부분의 원소 존재비를 분석했다. 그 결과를 도 13에 나타냈다.
도 13으로부터, 소유량의 조건 2A의 경우, EDS 분석에 의한 질소의 존재 깊이가 0.2㎛였다. 이 깊이 범위에서는 산소를 포함하기 때문에, 대략 30,000매 미만의 처리 매수에서 투과판(28)의 표면에 SiON층이 형성되어 있는 것이 확인되었다. 이것은 산화막을 질화했을 때, 막으로부터 방출된 산소가 투과판(28)의 표면을 산화시켰기 때문이라고 생각된다.
한편, 조건 2B의 경우, EDS 분석에 의한 질소의 존재 깊이가 1㎛였다. 이 깊이 범위에는 산소를 포함하지 않기 때문에, 대략 85,000매 미만의 웨이퍼를 처리한 후에도, SiN층이 유지되어 있는 것이 확인되었다. 따라서 대유량의 조건 2B에 의한 플라즈마 질화 처리를 행함으로써, 처리 매수가 85,000매에 도달해도, 처리 용기(1) 내의 석영 부재 표면에 파티클 발생 원인이 되는 SiON층의 형성을 억제할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
이상과 같이, 본 실시예의 플라즈마 질화 처리 방법에 의하면， 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를, 처리 용기(1)의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내가 되도록 처리 용기(1) 내에 도입한다. 이것에 의해, 처리 용기(1) 내의 석영 부재 표면의 산화를 억제하고, 처리 용기(1) 내에서의 파티클의 발생을 효과적으로 억제할 수 있음과 아울러, 웨이퍼(W) 사이에서의 처리의 균일성을 확보할 수 있다. 따라서 플라즈마 질화 처리 장치(100)에 있어서, 파티클 발생이 적고, 신뢰성이 높은 플라즈마 질화 처리를 실현할 수 있다.
다음에, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법과 조합해서 실시할 수 있는 전 처리로서의 플라즈마 컨디셔닝 방법에 대해서 설명한다. 이 플라즈마 컨디셔닝 방법은 파티클이나, 오염(금속 원소, 알칼리 금속 원소 등에 의한 오염)을 감소시키기 위해, 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 처리 용기(1) 내의 컨디셔닝을 실행하는 방법에 관한 것이다. 종래, 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 작업 개시 시나, 분해, 부품 교환 등의 유지 보수를 실행한 후에는, 공통의 조건에 의한 플라즈마 컨디셔닝을 실시하고 있었다. 종래의 플라즈마 컨디셔닝에서는, 처리 용기(1) 내에서 산소 플라즈마 및 질소 플라즈마를 생성시키고 있었다. 이 플라즈마 컨디셔닝에는, 예컨대, 13～14시간 정도를 필요로 하고 있었다. 그러나 처리 용기(1) 내의 상태와 관계없이, 일률적으로 같은 조건, 같은 시간에서 플라즈마 컨디셔닝을 실행하고 있었기 때문에, 장치의 작업 중단 시간이 길어지고, 또한, 장시간의 플라즈마 조사에 의해, 처리 용기(1) 내의 부품(예컨대, 투과판(28))의 수명을 단축한다고 하는 폐해도 있었다.
따라서 플라즈마 컨디셔닝의 레시피를 재검토하고, 처리 용기(1) 내의 상태(특히, 오염 레벨)에 따라， 3단계의 플라즈마 컨디셔닝 레시피(제 1 내지 제 3 레시피)를 준비했다. 제 1 레시피는 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 작업 개시 시에 실시하는 것이다. 제 2 레시피는 비교적 대규모의 유지 보수 후에 실시하는 것이다. 여기에서, 비교적 대규모의 유지 보수로는, 예컨대, 탑재대(2)의 교환이나, 탑재대(2)를 분리하는 유지 보수를 실행했을 경우를 들 수 있다. 제 3 레시피는 비교적 경미한 유지 보수를 실시한 후에 실행하는 것이다. 여기에서, 비교적 경미한 유지 보수로는, 예컨대, 투과판(28)의 교환, 배기 장치(24)의 터보 분자 펌프의 교환, 게이트 밸브(17)의 Ｏ링이나 밸브 본체의 교환 등을 들 수 있다.
제 1 내지 제 3 레시피의 내용을 예시한다. 제 1 레시피>제 2 레시피>제 3 레시피의 순서로 플라즈마 컨디셔닝의 정도가 높고, 제 1 레시피에 의하면， 종래의 플라즈마 컨디셔닝과 같은 내용으로, 가장 철저한 내용으로 플라즈마 컨디셔닝이 실행된다.
[제 1 레시피]
이하의 고압 산화 컨디셔닝, 저압 산화 컨디셔닝, 웨이퍼리스 직사 컨디셔닝(Waferless Direct Conditioning) 및 질화 컨디셔닝의 순서로 실시된다. 플라즈마 컨디셔닝에 필요한 시간은 합계 13～14시간 정도이다. 또, 본 명세서에 있어서, “고압”, “저압”의 단어는, 어디까지나 진공 조건에서의 압력의 차이를 구별하기 위한 상대적인 의미로 이용한다. 이하에 각 컨디셔닝의 프로세스 조건을 나타낸다.
<고압 산화 컨디셔닝>
처리 압력: 400Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3800W(파워 밀도;1.95W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수:60초×10사이클
사용 웨이퍼: 3매
<저압 산화 컨디셔닝>
처리 압력: 67Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3200W(파워 밀도;1.64W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×30사이클
사용 웨이퍼: 10매
<웨이퍼리스 직사 컨디셔닝>
처리 압력: 67Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3200W(파워 밀도;1.64W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×10사이클
사용 웨이퍼: 없음
<질화 컨디셔닝>
처리 압력: 20Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 2000W(파워 밀도;1.0W/㎠)
Ar 가스 유량: 48mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 32mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×10사이클
사용 웨이퍼: 5매
[제 2 레시피]
이하의 웨이퍼리스 직사 컨디셔닝을 실시한 후, 고압 산화 컨디셔닝과 저압 산화 컨디셔닝을 교대로 반복하고, 그 후, 질화 컨디셔닝을 실시한다. 플라즈마 컨디셔닝에 필요한 시간은 합계 7～8시간 정도이다. 이하에 각 컨디셔닝의 프로세스 조건을 나타낸다.
<웨이퍼리스 직사 컨디셔닝>
처리 압력: 67Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3200W(파워 밀도;1.64W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×30사이클
사용 웨이퍼: 없음
<고압 산화 컨디셔닝>
처리 압력: 400Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3800W(파워 밀도;1.95W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간: 60초/1사이클
<저압 산화 컨디셔닝>
처리 압력: 67Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 3200W(파워 밀도;1.64W/㎠)
Ar 가스 유량: 200mL/min(sccm)
H2 가스 유량: 20mL/min(sccm)
O2 가스 유량: 80mL/min(sccm)
처리 온도:500℃
처리 시간·회수: 60초/1사이클
고압 산화 컨디셔닝과 저압 산화 컨디셔닝은 1매의 웨이퍼를 사용해서 30사이클을 교대로 반복한다.
<질화 컨디셔닝>
처리 압력: 20Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 2000W(파워 밀도;1.0W/㎠)
Ar 가스 유량: 48mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 32mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×50 사이클
사용 웨이퍼: 1매
[제 3 레시피]
이하의 웨이퍼리스 직사 컨디셔닝을 실시한 후, 질화 컨디셔닝만을 실시한다. 플라즈마 컨디셔닝에 필요한 시간은 합계 2～3시간 정도이다. 이하에 각 컨디셔닝의 프로세스 조건을 나타낸다.
<웨이퍼리스 직사 컨디셔닝>
처리 압력: 20Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 2000W(파워 밀도;1.0W/㎠)
Ar 가스 유량: 48mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 32mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×30 사이클
사용 웨이퍼: 없음
<질화 컨디셔닝>
처리 압력: 20Pa
마이크로파의 주파수: 2.45㎓
마이크로파 파워: 2000W(파워 밀도;1.0W/㎠)
Ar 가스 유량: 48mL/min(sccm)
N2 가스 유량: 32mL/min(sccm)
처리 온도: 500℃
처리 시간·회수: 60초×50 사이클
사용 웨이퍼: 1매
다음에, 상기의 제 1 내지 제 3 레시피에 의해 플라즈마 컨디셔닝을 실행하고, 플라즈마 컨디셔닝 전후의 웨이퍼(W)의 오염량을 측정했다. 오염량의 측정은 Al, Cu, Na, Cr, Fe, K에 대해서 행한다. 도 14 및 도 15는 제 1 레시피의 경우이며, 도 14는 웨이퍼(W)의 표면, 도 15는 웨이퍼(W)의 이면에 대한 오염량의 측정 결과를 나타내고 있다. 마찬가지로, 도 16 및 도 17은 제 2 레시피의 경우이며, 도 16은 웨이퍼(W)의 표면, 도 17은 웨이퍼(W)의 이면에 대한 오염량의 측정 결과를 나타내고 있다. 또한, 도 18은 제 3 레시피의 경우이며, 플라즈마 컨디셔닝 후의 웨이퍼(W)의 표면 및 이면의 오염량의 측정 결과를 나타내고 있다. 이 실험에서는, 오염량의 기준값을, 10×1010 [atoms/㎠]로 설정했다.
도 14 내지 도 18을 참조하면, 제 2 레시피(도 16 및 도 17), 제 3 레시피(도 18)에 의한 플라즈마 컨디셔닝에 의해, 웨이퍼(W)의 표면 및 이면의 오염량이 모두 기준값을 하회하고 있었다. 즉 제 2 레시피, 제 3 레시피에 의한 플라즈마 컨디셔닝에 의해, 제 1 레시피의 플라즈마 컨디셔닝의 경우(도 14 및 도 15)와 동일 레벨까지 오염량을 감소시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 플라즈마 컨디셔닝에 필요한 시간은 제 1 레시피의 플라즈마 컨디셔닝의 시간을 100이라고 하면, 제 2 레시피에서는 41(즉, 1/2 이하), 제 3 레시피에서는 19(약1/5)까지 단축할 수 있었다. 즉 처리 용기(1) 내의 오염 레벨에 따라 제 1 내지 제 3 레시피 중 어느 하나를 선택 함으로써， 플라즈마 컨디셔닝 시간을 단축할 수 있기 때문에, 플라즈마 질화 처리 장치(100)의 작업 정지 시간을 짧게 해, 생산 효율을 높이는 것이 가능하게 되었다. 또한, 플라즈마 컨디셔닝 시간을 단축할 수 있게 됨으로써, 처리 용기(1) 내의 소모 부품에 관한 플라즈마 조사 시간을 삭감할 수 있으므로, 예컨대, 투과판(28) 등의 석영 부재의 수명을 장기화할 수 있게 되었다.
이상의 플라즈마 컨디셔닝 방법을, 전 처리 방법으로서, 본 발명의 플라즈마 질화 처리 방법과 조합하여 실시함으로써, 파티클량 및 오염량의 저감을 도모하는 것이 가능하게 된다. 따라서 파티클 오염이나 오염이 확실하게 억제된 반도체 프로세스를 실현하고, 신뢰성의 높은 반도체 장치를 제공할 수 있게 된다. 또한, 플라즈마 처리 장치에 있어서, 본 플라즈마 컨디셔닝을 실행한 후, 플라즈마 질화 처리를 함으로써 스루풋의 향상이 가능하다.
이상, 본 발명의 실시예를 예시의 목적으로 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 제한되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 일탈하지 않고도 많은 변형을 취할 수 있고, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함된다. 예컨대, 상기 실시예에서는, RLSA방식의 플라즈마 질화 처리 장치(100)를 사용했지만, 다른 방식의 플라즈마 처리 장치, 예컨대, 평행 평판 방식, 전자 사이클로트론 공명(ECR) 플라즈마, 마그네트론 플라즈마, 표면파 플라즈마(SWP) 등의 방식의 플라즈마 처리 장치를 이용해도 좋다.
또한, 상기 실시예에서는, 반도체 웨이퍼를 피처리체로 하는 플라즈마 질화 처리를 예로 들어 설명했지만, 피처리체로서의 기판은, 예컨대, FPD(Flat Panel Display)용 기판이나 태양 전지용 기판 등이라도 좋다.
본 국제 출원은, 2010년 3월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제201081989호에 근거하는 우선권을 주장하는 것이며, 해당 출원의 전체 내용을 여기에 원용한다.
1 : 처리 용기 2 : 탑재대
3 : 지지 부재 5 : 히터
12 : 배기관 15 : 가스 도입부
16 : 반입출구 17 : 게이트 밸브
18 : 가스 공급 장치 19a : 희가스 공급원
19b : 질소 가스 공급원 24 : 배기 장치
28 : 투과판 29 : 밀봉 부재
31 : 평면 안테나 32 : 마이크로파 방사 구멍
37 : 도파관 37a : 동축 도파관
37b : 직사각형 도파관 39 : 마이크로파 발생 장치
50 : 제어부 51 : 프로세스 컨트롤러
52 : 유저 인터페이스 53 : 기억부
100 : 플라즈마 질화 처리 장치 W : 웨이퍼( 반도체 기판)

Claims (9)

  1. 플라즈마 처리 장치의 처리 용기 내에, 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스의 유량을, 처리 용기의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내로 되도록 도입하고, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 플라즈마를 생성시켜, 해당 질소 함유 플라즈마에 의해, 산소 함유막을 갖는 피처리체를 교환하면서, 복수의 피처리체의 산소 함유막에 대하여 질화 처리를 실행하는 플라즈마 질화 처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 질소 가스와 희가스의 체적 유량비(질소 가스/희가스)가 0.05 이상 0.8 이하의 범위 내인 플라즈마 질화 처리 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 질소 가스의 유량은 4.7mL/min(sccm) 이상 225mL/min(sccm) 이하의 범위 내이며, 또한, 상기 희가스의 유량은 95mL/min(sccm) 이상 275mL/min(sccm) 이하의 범위 내인 플라즈마 질화 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 용기 내의 압력이 1.3Pa 이상 133Pa 이하의 범위 내인 플라즈마 질화 처리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 질화 처리에 있어서의 1매의 피처리체에 대한 처리 시간은 10초 이상 300초 이하인 플라즈마 질화 처리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치는 상부에 개구를 갖는 상기 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리체를 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대에 대향하여 마련되고, 상기 처리 용기의 개구를 덮고, 또한 마이크로파를 투과시키는 투과판과, 상기 투과판보다 바깥쪽에 마련되고, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 처리 용기 내에 가스 공급 장치로부터 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 가스 도입부와,
    상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치
    를 구비하되,
    상기 질소 플라즈마는 상기 처리 가스와, 상기 평면 안테나에 의해 상기 처리 용기 내에 도입되는 마이크로파에 의해 형성되는 마이크로파 여기 플라즈마인 플라즈마 질화 처리 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 마이크로파의 파워 밀도는 상기 투과판의 면적당 0.6W/㎠ 이상 2.5W/㎠ 이하의 범위 내인 플라즈마 질화 처리 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    처리 온도는 상기 탑재대의 온도로서, 25℃(실온) 이상 600℃ 이하의 범위 내인 플라즈마 질화 처리 방법.
  9. 상부에 개구를 갖는 상기 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되어, 피처리체를 탑재하는 탑재대와,
    상기 탑재대에 대향하여 마련되고, 상기 처리 용기의 개구를 덮고, 또한 마이크로파를 투과시키는 투과판과,
    상기 투과판보다 바깥쪽에 마련되고, 상기 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하기 위한 복수의 슬롯을 갖는 평면 안테나와,
    상기 처리 용기 내에 가스 공급 장치로부터 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를 도입하는 가스 도입부와,
    상기 처리 용기 내를 감압 배기하는 배기 장치와,
    상기 처리 용기 내에서 피처리체에 대하여 플라즈마 질화 처리를 실행하도록 제어하는 제어부
    를 구비한 플라즈마 질화 처리 장치에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 처리 용기 내를 상기 배기 장치에 의해 배기하여 소정의 압력으로 압력을 낮추는 단계,
    상기 가스 공급 장치로부터 상기 질소 가스와 희가스를 포함하는 처리 가스를, 상기 처리 용기의 용적 1Ｌ당 처리 가스의 합계 유량[mL/min(sccm)]으로 하여 1.5(mL/min)/Ｌ 이상 13(mL/min)/Ｌ 이하의 범위 내에서 상기 가스 도입부를 거쳐서 상기 처리 용기 내로 도입하는 단계,
    상기 마이크로파를 상기 평면 안테나 및 상기 투과판을 거쳐 상기 처리 용기 내로 도입하고, 상기 처리 용기 내에 질소 함유 플라즈마를 생성시키는 단계, 및
    상기 질소 함유 플라즈마에 의해, 산소 함유막을 갖는 피처리체의 해당 산소 함유막을 질화 처리하는 단계
    를 실행시키는 것인 플라즈마 질화 처리 장치.
KR1020127028430A 2010-03-31 2011-03-30 플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치 KR101432415B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2010-081989 2010-03-31
JP2010081989 2010-03-31
PCT/JP2011/057958 WO2011125705A1 (ja) 2010-03-31 2011-03-30 プラズマ窒化処理方法及びプラズマ窒化処理装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130018822A true KR20130018822A (ko) 2013-02-25
KR101432415B1 KR101432415B1 (ko) 2014-09-22

Family

ID=44762648

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127028430A KR101432415B1 (ko) 2010-03-31 2011-03-30 플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130017690A1 (ko)
JP (1) JP5860392B2 (ko)
KR (1) KR101432415B1 (ko)
CN (1) CN102725834B (ko)
TW (1) TWI529774B (ko)
WO (1) WO2011125705A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130189838A1 (en) * 2012-01-20 2013-07-25 Makoto Honda Semiconductor manufacturing apparatus and method of manufacturing semiconductor device
JP6022785B2 (ja) * 2012-03-26 2016-11-09 株式会社日立国際電気 半導体装置の製造方法、基板処理装置、及びプログラム
US20150118416A1 (en) * 2013-10-31 2015-04-30 Semes Co., Ltd. Substrate treating apparatus and method
US10299121B2 (en) * 2014-06-24 2019-05-21 Reliance Jio Infocomm Limited System and method for providing differential service scheme
US10768128B2 (en) * 2014-07-22 2020-09-08 The Boeing Company Systems and methods of monitoring a thermal protection system
CN110752147B (zh) * 2019-10-30 2021-11-26 上海华力微电子有限公司 基底的氮化处理方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101399198A (zh) * 2001-01-22 2009-04-01 东京毅力科创株式会社 电子器件材料的制造方法
US7560396B2 (en) * 2002-03-29 2009-07-14 Tokyo Electron Limited Material for electronic device and process for producing the same
KR101122347B1 (ko) * 2006-05-31 2012-03-23 도쿄엘렉트론가부시키가이샤 절연막의 형성 방법 및 반도체 장치의 제조 방법
JP5425361B2 (ja) * 2006-07-28 2014-02-26 東京エレクトロン株式会社 プラズマ表面処理方法、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置
WO2008041601A1 (fr) * 2006-09-29 2008-04-10 Tokyo Electron Limited Procédé d'oxydation par plasma, appareil d'oxydation par plasma et support de stockage
US8158535B2 (en) 2006-12-28 2012-04-17 Tokyo Electron Limited Method for forming insulating film and method for manufacturing semiconductor device
JP5313547B2 (ja) * 2008-05-09 2013-10-09 東京エレクトロン株式会社 半導体装置の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101432415B1 (ko) 2014-09-22
JPWO2011125705A1 (ja) 2013-07-08
TW201207890A (en) 2012-02-16
TWI529774B (zh) 2016-04-11
US20130017690A1 (en) 2013-01-17
CN102725834B (zh) 2015-04-01
JP5860392B2 (ja) 2016-02-16
CN102725834A (zh) 2012-10-10
WO2011125705A1 (ja) 2011-10-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10017853B2 (en) Processing method of silicon nitride film and forming method of silicon nitride film
JP4979389B2 (ja) プラズマ処理装置
JP5390379B2 (ja) プラズマ窒化処理におけるチャンバ内の前処理方法、プラズマ処理方法、および記憶媒体
US20130022760A1 (en) Plasma nitriding method
US20130012033A1 (en) Silicon oxide film forming method and plasma oxidation apparatus
KR101432415B1 (ko) 플라즈마 질화 처리 방법 및 플라즈마 질화 처리 장치
JP5396180B2 (ja) 選択酸化処理方法、選択酸化処理装置およびコンピュータ読み取り可能な記憶媒体
US7857984B2 (en) Plasma surface treatment method, quartz member, plasma processing apparatus and plasma processing method
US9257271B2 (en) Semiconductor device manufacturing method, substrate processing apparatus, and non-transitory recording medium
JP5479013B2 (ja) プラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板
JP2007250569A (ja) プラズマ処理装置およびプラズマに曝される部材
US20120252209A1 (en) Plasma nitriding method, plasma nitriding apparatus and method of manufacturing semiconductor device
JP2009224455A (ja) 平面アンテナ部材およびこれを備えたプラズマ処理装置
KR20160078890A (ko) 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 장치의 부재의 교환 판단 방법
JP2011216593A (ja) プラズマ窒化処理方法
JP5728565B2 (ja) プラズマ処理装置及びこれに用いる遅波板
KR101123538B1 (ko) 석영제부재
JP2011029250A (ja) マイクロ波プラズマ処理装置およびマイクロ波プラズマ処理方法
JP2010238739A (ja) プラズマ処理方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170720

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180801

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190730

Year of fee payment: 6