KR20150046736A

KR20150046736A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법

Info

Publication number: KR20150046736A
Application number: KR20140140744A
Authority: KR
Inventors: 다케나오 네모토; 도시히사 노자와
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US20150110973A1; TW201523703A; JP2015082546A

Abstract

본 발명은, 플라즈마 처리 장치 내의 처리 가스를 정류하고, 플라즈마 처리를 적절히 행하는 것을 목적으로 한다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 웨이퍼(W)를 수용하는 처리 용기(10)와, 처리 용기(10)의 바닥면에 설치되고, 웨이퍼(W)를 배치하는 배치대(20)와, 처리 용기(10)의 천장면 중앙부에 설치되고, 이 처리 용기(10)의 내부에 제1 처리 가스(T1)를 공급하는 제1 처리 가스 공급관(60)과, 처리 용기(10)의 측면에 설치되고, 이 처리 용기(10)의 내부에 제2 처리 가스(T2)를 공급하는 제2 처리 가스 공급관(70)과, 처리 용기(10)의 측면으로서, 제2 처리 가스 공급관(70)의 위쪽에 설치되고, 처리 용기(10)의 내부에 아래쪽을 향하는 정류 가스(R)를 공급하는 정류 가스 공급관(80)과, 처리 용기(10)의 내부에 마이크로파를 방사하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)를 갖는다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING}

본 발명은, 처리 가스를 플라즈마화시켜 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 이 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

종래부터, 예컨대 반도체 웨이퍼 등의 피처리체에 대하여 미리 정해진 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 용기 내에 있어서 저압 하에서 전자 온도가 낮은 고밀도의 플라즈마를 생성시키는 것이 가능하고, 생성된 플라즈마에 의해, 예컨대 성막 처리나 에칭 처리 등이 행해진다.

상기 플라즈마 처리 장치로서는, 예컨대 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 처리 장치가 제안되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 플라즈마 처리 장치(100)는, 처리 용기(110), 배치대(111), 배기부(112), 마이크로파 공급부(113), 제1 처리 가스 공급부(114), 제2 처리 가스 공급부(115)를 갖고 있다. 배치대(111)는, 처리 용기(110)의 바닥면에 설치되며, 웨이퍼(W)를 배치한다. 배기부(112)는, 처리 용기(110)의 바닥면에 있어서 배치대(111)의 바깥쪽에 설치되며, 처리 용기(110) 내의 분위기를 배기한다. 마이크로파 공급부(113)는, 처리 용기(110)의 천장면 개구부에 설치되고, 처리 용기(110)의 내부에 마이크로파를 공급한다. 제1 처리 가스 공급부(114)는, 처리 용기(110)의 천장면 중앙부[마이크로파 공급부(113)의 중앙부]에 설치되고, 처리 용기(110)의 내부에 처리 가스를 공급한다. 제2 처리 가스 공급부(115)는, 처리 용기(110)의 측면에 설치되고, 처리 용기(110)의 내부에 처리 가스를 공급한다. 이상의 구성을 갖는 플라즈마 처리 장치에서는, 제1 처리 가스 공급부(114)와 제2 처리 가스 공급부(115)의 각각으로부터 공급된 처리 가스가, 마이크로파 공급부(113)로부터 공급된 마이크로파에 의해 플라즈마화된다. 그리고, 이 플라즈마화된 처리 가스를 이용하여, 배치대(111)에 배치된 웨이퍼(W)에 대하여 플라즈마 처리가 행해진다.

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2010-118549호 공보

그러나, 특허문헌 1에 기재된 플라즈마 처리 장치(100)를 이용한 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 처리 가스 공급부(114)로부터 공급된 처리 가스와, 제2 처리 가스 공급부(115)로부터의 처리 가스는, 배치대(111)에 배치된 웨이퍼(W) 상에서 충돌하고, 처리 용기(110) 내부에서 위쪽을 향해 더 흐른다. 즉, 플라즈마 처리가 종료된 처리 가스는, 배기부(112)로부터 배기되지 않고, 처리 용기(110) 내부에서 위쪽으로 흐르게 된다.

이와 같이 처리 용기(110) 내의 처리 가스의 흐름이 흐트러지면, 예컨대 웨이퍼(W)에 대하여 처리 가스가 면내 불균일하게 공급되거나, 혹은 처리 가스가 필요 이상으로 처리 용기(110) 내에 체재하여, 이 처리 가스가 지나치게 해리되는 등으로 인해 웨이퍼(W)에 대하여 면내 균일한 플라즈마 처리를 행할 수 없다.

또한, 예컨대 처리 용기(110) 내의 상부 외주부(도 6 중의 점선 영역)에 가스가 체류하여, 파티클이 발생하는 원인이 될 수 있다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 플라즈마 처리 장치 내의 처리 가스를 정류하고, 플라즈마 처리를 적절히 행하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 처리 가스를 플라즈마화시켜 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치로서, 피처리체를 수용하는 처리 용기와, 상기 처리 용기의 바닥면에 설치되고, 피처리체를 배치하는 배치부와, 상기 처리 용기의 천장면 중앙부에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하는 제1 처리 가스 공급부와, 상기 처리 용기의 측면에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하는 제2 처리 가스 공급부와, 상기 제1 처리 가스 공급부의 바깥쪽이면서 상기 제2 처리 가스 공급부의 위쪽에 설치되고, 상기 처리 용기의 내부에 아래쪽을 향하는 정류 가스를 공급하는 정류 가스 공급부와, 상기 제1 처리 가스 공급부와 상기 제2 처리 가스 공급부의 각각으로부터 공급되는 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성부를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 플라즈마 처리 장치에서는, 제1 처리 가스 공급부로부터 처리 가스가 공급되고, 제2 처리 가스 공급부로부터 처리 가스가 공급되며, 정류 가스 공급부로부터 처리 용기 내에 아래쪽을 향하는 정류 가스가 더 공급된다. 이와 같이 정류 가스가 처리 용기 내에 아래쪽을 향해 흐르기 때문에, 종래와 같이 처리 가스가 배치부측으로부터 처리 용기 내에서 상승하는 것을 억제할 수 있어, 처리 용기 내의 처리 가스를 정류할 수 있다. 그렇게 하면, 배치부에 배치된 피처리체 상에 적절하게 처리 가스를 공급할 수 있기 때문에, 상기 피처리체에 대한 플라즈마 처리를 면내 균일하게 행할 수 있다. 또한, 처리 용기 내에 가스가 체류하지 않아, 파티클의 발생을 억제할 수도 있다. 이상과 같이 본 발명에 따르면, 플라즈마 처리를 적절하게 행할 수 있다.

상기 정류 가스 공급부는, 상기 처리 용기의 측면에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 정류 가스를 공급하여도 좋다.

상기 정류 가스 공급부로부터 공급되는 정류 가스의 유량은, 상기 제2 처리 가스 공급부로부터 공급되는 처리 가스의 유량보다도 커도 좋다.

상기 제2 처리 가스 공급부는, 상기 배치부에 배치된 피처리체를 향해 처리 가스를 공급하여도 좋다.

상기 처리 용기의 천장면과 상기 배치부의 상면 사이의 거리는, 100 ㎜∼200 ㎜여도 좋다.

별도의 관점에 따른 본 발명은, 처리 용기 내에서 처리 가스를 플라즈마화시켜 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 처리 용기의 천장면 중앙부에 설치된 제1 처리 가스 공급부로부터, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하고, 상기 처리 용기의 측면에 설치된 제2 처리 가스 공급부로부터, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하며, 상기 제1 처리 가스 공급부의 바깥쪽이면서 상기 제2 처리 가스 공급부의 위쪽에 설치된 정류 가스 공급부로부터 상기 처리 용기의 내부에 아래쪽을 향하는 정류 가스를 더 공급하고, 상기 처리 용기의 내부에 있어서, 상기 제1 처리 가스 공급부와 상기 제2 처리 가스 공급부의 각각으로부터 공급된 처리 가스를 플라즈마화시켜, 상기 처리 용기 내의 배치부에 배치된 피처리체를 처리하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 처리 장치 내의 처리 가스를 정류하고, 플라즈마 처리를 적절히 행할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 2는 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 가스와 정류 가스의 흐름을 도시한 설명도이다.
도 3은 정류 가스 공급관의 배치를 도시한 횡단면도이다.
도 4는 제2 처리 가스의 유량과 정류 가스의 유량을 변화시킨 경우의 웨이퍼 상에 형성되는 SiN막의 막 두께 분포를 도시한 설명도이다.
도 5는 다른 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다.
도 6은 종래의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 처리 가스와 정류 가스의 흐름을 도시한 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 도 1은 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 구성의 개략을 도시한 종단면도이다. 또한, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 피처리체로서의 웨이퍼(W)의 표면에 대하여 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposiotion) 처리를 행하고, 이 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막(실리콘 질화막)을 형성한다.

플라즈마 처리 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10)는, 천장면이 개구된 대략 원통 형상을 가지며, 이 천장면 개구부에는 후술하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)가 배치되어 있다. 또한, 처리 용기(10)의 측면에는 웨이퍼(W)의 반입출구(11)가 형성되고, 이 반입출구(11)에는 게이트 밸브(12)가 설치되어 있다. 그리고, 처리 용기(10)는 그 내부가 밀폐 가능하게 구성되어 있다. 또한, 처리 용기(10)에는 알루미늄 또는 스테인리스강 등의 금속이 이용되며, 처리 용기(10)는 접지되어 있다.

처리 용기(10)의 바닥면에는, 웨이퍼(W)를 배치하는 배치부로서의 배치대(20)가 설치되어 있다. 배치대(20)는 원통 형상을 가지며, 또한, 배치대(20)에는 예컨대 알루미늄이 이용된다.

배치대(20)의 상면에는 정전척(21)이 설치되어 있다. 정전척(21)은, 절연재 사이에 전극(22)이 끼워진 구성을 갖고 있다. 전극(22)은 처리 용기(10)의 외부에 설치된 직류 전원(23)에 접속되어 있다. 이 직류 전원(23)에 의해 배치대(20)의 표면에 쿨롱력을 발생시켜, 웨이퍼(W)를 배치대(20) 상에 정전 흡착할 수 있다.

또한, 배치대(20)에는, 콘덴서(24)를 통해, RF 바이어스용의 고주파 전원(25)이 접속되어 있어도 좋다. 고주파 전원(25)은, 웨이퍼(W)에 인입하는 이온의 에너지를 제어하는 데 알맞은 일정한 주파수, 예컨대 13.56 MHz의 고주파를 미리 정해진 파워로 출력한다.

또한, 배치대(20)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 온도 조절 기구(26)가 설치되어 있다. 온도 조절 기구(26)는, 냉각 매체의 온도를 조정하는 액온 조절부(27)에 접속되어 있다. 그리고, 액온 조절부(27)에 의해 냉매 매체의 온도가 조절되어, 배치대(20)의 온도를 제어할 수 있고, 이 결과, 배치대(20) 상에 배치된 웨이퍼(W)를 미리 정해진 온도로 유지할 수 있다. 또한, 배치대(20)에는, 웨이퍼(W)의 이면에 전열 매체, 예컨대 He 가스 등을 미리 정해진 압력(백 프레셔)으로 공급하기 위한 가스 통로(도시하지 않음)가 형성되어 있다.

배치대(20)의 상면에는, 정전척(21) 상의 웨이퍼(W)를 둘러싸도록 환상의 포커스링(28)이 설치되어 있다. 포커스링(28)에는 예컨대 세라믹스 혹은 석영 등의 절연성 재료가 이용되며, 포커스링(28)은 플라즈마 처리의 균일성을 향상시키도록 작용한다.

또한, 배치대(20)의 아래쪽에는, 웨이퍼(W)를 아래쪽에서 지지하여 승강시키기 위한 승강핀(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 승강핀은, 배치대(20)에 형성된 관통 구멍(도시하지 않음)을 삽입 관통하여 배치대(20)의 상면으로부터 돌출 가능하게 되어 있다.

배치대(20)의 주위에 있어서, 이 배치대(20)와 처리 용기(10)의 측면 사이에는, 환상의 배기 공간(30)이 형성되어 있다. 배기 공간(30)의 상부에는, 처리 용기(10) 내를 균일하게 배기하기 위해서, 복수의 배기 구멍이 형성된 환상의 배플판(31)이 설치되어 있다. 배기 공간(30)의 바닥부로서, 처리 용기(10)의 바닥면에는, 배기관(32)이 접속되어 있다. 배기관(32)의 수는 임의로 설정할 수 있고, 원주 방향으로 복수 형성되어 있어도 좋다. 배기관(32)은, 예컨대 진공 펌프를 구비한 배기 장치(33)에 접속되어 있다. 배기 장치(33)는, 처리 용기(10) 내의 분위기를 미리 정해진 진공도까지 감압할 수 있다.

처리 용기(10)의 천장면 개구부에는, 플라즈마 생성용의 마이크로파를 공급하는 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)(radial line slot antenna)가 설치되어 있다. 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)는, 마이크로파 투과판(41), 슬롯판(42), 지파판(遲波板; 43), 실드 덮개(44)를 갖고 있다.

마이크로파 투과판(41)은, 예컨대 O링 등의 시일재(도시하지 않음)를 통해 처리 용기(10)의 천장면 개구부에 빽빽하게 설치되어 있다. 따라서, 처리 용기(10)의 내부는 기밀하게 유지된다. 마이크로파 투과판(41)에는 유전체, 예컨대 석영, Al₂O₃, AlN 등이 이용되며, 마이크로파 투과판(41)은 마이크로파를 투과시킨다.

슬롯판(42)은, 마이크로파 투과판(41)의 상면으로서, 배치대(20)와 대향하도록 설치되어 있다. 슬롯판(42)에는 복수의 슬롯이 형성되며, 슬롯판(42)은 안테나로서 기능한다. 슬롯판(42)에는, 도전성을 갖는 재료, 예컨대 구리, 알루미늄, 니켈 등이 이용된다.

지파판(43)은, 슬롯판(42)의 상면에 설치되어 있다. 지파판(43)에는 저손실 유전체 재료, 예컨대 석영, Al₂O₃, AlN 등이 이용되며, 지파판(43)은 마이크로파의 파장을 단축시킨다.

실드 덮개(44)는, 지파판(43)의 상면에 있어서, 지파판(43)과 슬롯판(42)을 덮도록 설치되어 있다. 실드 덮개(44)의 내부에는, 예컨대 냉각 매체를 유통시키는 원환형의 유로(45)가 복수 설치되어 있다. 유로(45)를 흐르는 냉각 매체에 의해, 마이크로파 투과판(41), 슬롯판(42), 지파판(43), 실드 덮개(44)가 미리 정해진 온도로 조절된다.

실드 덮개(44)의 중앙부에는 동축 도파관(50)이 접속되어 있다. 동축 도파관(50)은, 내부 도체(51)와 외부관(52)을 갖고 있다. 내부 도체(51)는, 슬롯판(42)과 접속되어 있다. 내부 도체(51)의 슬롯판(42)측은 원추형으로 형성되어, 슬롯판(42)에 대하여 마이크로파를 효율적으로 전파하도록 되어 있다.

동축 도파관(50)에는, 마이크로파를 미리 정해진 진동 모드로 변환하는 모드 변환기(53), 직사각형 도파관(54), 마이크로파를 발생하는 마이크로파 발생 장치(55)가 동축 도파관(50)측에서부터 이 순서로 접속되어 있다. 마이크로파 발생 장치(55)는, 미리 정해진 주파수, 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 발생시킨다.

이러한 구성에 의해, 마이크로파 발생 장치(55)에 의해 발생된 마이크로파는, 직사각형 도파관(54), 모드 변환기(53), 동축 도파관(50)을 순차 전파하여, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40) 내로 공급되고, 지파판(43)으로 압축되어 단파장화되며, 슬롯판(42)으로 원편파를 발생시킨 후, 슬롯판(42)으로부터 마이크로파 투과판(41)을 투과하여 처리 용기(10) 내로 방사된다. 이 마이크로파에 의해 처리 용기(10) 내에서는 처리 가스가 플라즈마화하고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리가 행해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40), 동축 도파관(50), 모드 변환기(53), 직사각형 도파관(54) 및 마이크로파 발생 장치(55)가, 본 발명에 있어서의 플라즈마 생성부를 구성하고 있다.

처리 용기(10)의 천장면, 즉 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)의 중앙부에는, 제1 처리 가스 공급부로서의 제1 처리 가스 공급관(60)이 설치되어 있다. 제1 처리 가스 공급관(60)은 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)를 관통하고, 이 제1 처리 가스 공급관(60)의 일단부는 마이크로파 투과판(41)의 하면에 있어서 개구되어 있다. 또한, 제1 처리 가스 공급관(60)은 동축 도파관(50)의 내부 도체(51)의 내부를 관통하고, 모드 변환기(53) 내부를 더 삽입 관통하여, 이 제1 처리 가스 공급관(60)의 타단부는 제1 처리 가스 공급원(61)에 접속되어 있다. 제1 처리 가스 공급원(61)의 내부에는, 처리 가스로서, 예컨대 TSA(트리실릴아민), N₂ 가스, H₂ 가스, Ar 가스가 각각 개별로 저류되어 있다. 이 중, TSA, N₂ 가스, H₂ 가스는 SiN막의 성막용 원료 가스이며, Ar 가스는 플라즈마 여기용 가스이다. 또한, 이하에 있어서, 이 처리 가스를 「제1 처리 가스」라고 하는 경우가 있다. 또한, 제1 처리 가스 공급관(60)에는, 제1 처리 가스의 흐름을 제어하는 밸브나 유량 조절부 등을 포함하는 공급 기기군(62)이 설치되어 있다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 제1 처리 가스 공급원(61)으로부터 공급된 제1 처리 가스(T1)는, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터 처리 용기(10) 내로 공급된다. 이 제1 처리 가스(T1)는, 처리 용기(10) 내에 있어서, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)를 향해 수직 아래쪽으로 흐른다.

도 1에 도시된 바와 같이 처리 용기(10)의 측면에는, 제2 처리 가스 공급부로서의 제2 처리 가스 공급관(70)이 설치되어 있다. 제2 처리 가스 공급관(70)은, 처리 용기(10)의 측면의 원주 상에서 등간격으로 복수, 예컨대 24개 설치되어 있다. 제2 처리 가스 공급관(70)의 일단부는 처리 용기(10)의 측면에 있어서 개구되고, 타단부는 버퍼부(71)에 접속되어 있다. 제2 처리 가스 공급관(70)은, 그 일단부가 타단부보다 아래쪽에 위치하도록 비스듬하게 배치되어 있다.

버퍼부(71)는, 처리 용기(10)의 측면 내부에 환상으로 설치되고, 복수의 제2 처리 가스 공급관(70)에 공통으로 설치되어 있다. 버퍼부(71)에는, 공급관(72)을 통해 제2 처리 가스 공급원(73)이 접속되어 있다. 제2 처리 가스 공급원(73)의 내부에는, 처리 가스로서, 예컨대 TSA(트리실릴아민), N₂ 가스, H₂ 가스, Ar 가스가 각각 개별로 저류되어 있다. 또한, 이하에 있어서, 이 처리 가스를 「제2 처리 가스」라고 하는 경우가 있다. 또한, 공급관(72)에는, 제2 처리 가스의 흐름을 제어하는 밸브나 유량 조절부 등을 포함하는 공급 기기군(74)이 설치되어 있다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 제2 처리 가스 공급원(73)으로부터 공급된 제2 처리 가스(T2)는, 공급관(72)을 통해 버퍼부(71)에 도입되고, 버퍼부(71) 내에서 주회(周回) 방향의 압력을 균일화하고 나서 제2 처리 가스 공급관(70)을 통해 처리 용기(10) 내로 공급된다. 이 제2 처리 가스(T2)는, 처리 용기(10) 내에 있어서, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)의 외주부를 향해 비스듬하게 아래쪽으로 흐른다.

이와 같이 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터의 제1 처리 가스(T1)는 웨이퍼(W)의 중심부를 향해 공급되고, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터의 제2 처리 가스(T2)는 웨이퍼(W)의 외주부를 향해 공급된다.

또한, 제1 처리 가스 공급관(60)과 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 처리 용기(10) 내로 각각 공급되는 처리 가스(T1, T2)는, 동종의 가스여도 좋지만, 다른 종류의 가스여도 좋고, 각각 독립된 유량으로, 혹은 임의의 유량비로 공급할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 처리 용기(10)의 측면으로서, 제2 처리 가스 공급관(70)의 위쪽에는, 정류 가스 공급부로서의 정류 가스 공급관(80)이 설치되어 있다. 정류 가스 공급관(80)은, 그 축 방향이 수평 방향으로 연신하여 설치되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 정류 가스 공급관(80)은, 처리 용기(10)의 측면의 원주 상에서 등간격으로 복수, 예컨대 32개 설치되어 있다. 정류 가스 공급관(80)의 일단부는 처리 용기(10)의 측면에 있어서 개구되고, 타단부는 버퍼부(81)에 접속되어 있다. 버퍼부(81)는, 처리 용기(10)의 측면 내부에 환상으로 설치되고, 복수의 정류 가스 공급관(80)에 공통으로 설치되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 버퍼부(81)에는, 공급관(82)을 통해 정류 가스 공급원(83)이 접속되어 있다. 정류 가스 공급원(83)의 내부에는, 정류 가스로서, 예컨대 불활성 가스인 Ar 가스가 저류되어 있다. 또한, 공급관(82)에는, 정류 가스의 흐름을 제어하는 밸브나 유량 조절부 등을 포함하는 공급 기기군(84)이 설치되어 있다. 이 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 정류 가스(Ar 가스)의 유량은, 적어도 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량보다 크고, 보다 바람직하게는, 제1 처리 가스 공급관(60)과 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 합계 유량보다 크다. 또한, 처리 가스에 있어서는, Ar 가스의 유량이 지배적이다.

그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 정류 가스 공급원(83)으로부터 공급된 정류 가스(R)는, 공급관(82)을 통해 버퍼부(81)에 도입되고, 버퍼부(81) 내에서 주회 방향의 압력을 균일화하고 나서 정류 가스 공급관(80)을 통해 처리 용기(10) 내로 공급된다. 이 정류 가스 공급관(80)으로부터의 정류 가스(R)는, 처리 용기(10) 내에 있어서 수평 방향으로 흐른다.

다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(1)에서 행해지는 웨이퍼(W)의 플라즈마 처리에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 웨이퍼(W)에 플라즈마 성막 처리를 행하여, 이 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막을 형성한다.

우선, 게이트 밸브(12)를 개방하고, 처리 용기(10) 내에 웨이퍼(W)를 반입한다. 웨이퍼(W)는, 승강핀에 의해 배치대(20) 상에 배치된다. 이 때, 직류 전원(23)을 온으로 하여 정전척(21)의 전극(22)에 직류 전압을 인가하고, 정전척(21)의 쿨롱력에 의해 웨이퍼(W)를 정전척(21) 상에 정전 흡착한다. 그리고, 게이트 밸브(12)를 폐쇄하고, 처리 용기(10) 내를 밀폐한 후, 배기 장치(33)를 작동시켜, 처리 용기(10) 내를 미리 정해진 압력, 예컨대 400 mTorr(=53 Pa)로 감압한다.

그 후, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터 처리 용기(10) 내에 제1 처리 가스(T1)를 공급하고, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 처리 용기(10) 내에 제2 처리 가스(T2)를 공급하며, 정류 가스 공급관(80)으로부터 처리 용기(10) 내에 정류 가스(R)를 공급한다. 이 때, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은 예컨대 100 sccm(㎖/min)이고, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은 예컨대 750 sccm(㎖/min)이며, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은 예컨대 1000 sccm(㎖/min)이다. 즉, 본 실시형태에서는, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은, 제1 처리 가스 공급관(60)과 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 합계 유량보다 크다.

도 2에 도시된 바와 같이 정류 가스 공급관(80)으로부터 처리 용기(10) 내로 공급된 정류 가스(R)는, 수평 방향으로 흐른 후, 수직 아래쪽으로 흐른다. 이와 같이 정류 가스(R)가 수직 아래쪽으로 흐르는 것은, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터의 제1 처리 가스(T1)의 수직 아래쪽의 흐름을 따르기 때문이다. 수직 아래쪽으로 흐르는 정류 가스(R)는, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W) 위쪽 부근에 도달한 후, 배기 장치(33)에 의해 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측으로 배기 공간(30)을 향해 흐른다.

제1 처리 가스 공급관(60)으로부터 처리 용기(10) 내로 공급된 제1 처리 가스(T1)는, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)의 중심부를 향해 수직 아래쪽으로 흐른다. 제1 처리 가스(T1)는, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)의 중심부 위쪽에 도달한 후, 종래라면, 웨이퍼(W)에 충돌하여 처리 용기(10) 내부에서 위쪽을 향해 흐르고 있었다(도면 중의 점선). 이 점, 본 실시형태에서는, 전술한 정류 가스(R)에 의한 하강류에 의해, 이 제1 처리 가스(T1)의 상승류가 억제된다. 그리고 제1 처리 가스(T1)는, 정류 가스(R)에 의해 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측으로 배기 공간(30)을 향해 흐른다.

제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 처리 용기(10) 내로 공급된 제2 처리 가스(T2)는, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)의 외주부를 향해 비스듬하게 아래쪽으로 흐른다. 제2 처리 가스(T2)는, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W)의 외주부 위쪽에 도달한 후, 종래라면, 웨이퍼(W)에 충돌하여 처리 용기(10) 내부에서 위쪽을 향해 흐르고 있었다(도면 중의 점선). 이 점, 본 실시형태에서는, 전술한 정류 가스(R)에 의한 하강류에 의해, 이 제2 처리 가스(T2)의 상승류가 억제된다. 그리고 제2 처리 가스(T2)는, 정류 가스(R)에 의해 웨이퍼(W)의 직경 방향 외측으로 배기 공간(30)을 향해 흐른다.

이상과 같이 제1 처리 가스(T1)와 제2 처리 가스(T2)는 정류 가스(R)에 의해 적절하게 정류되고, 배치대(20) 상의 웨이퍼(W)에 공급된 후, 처리 용기(10) 내에서 상승하지 않고 배기관(32)으로부터 배기된다. 이 때문에, 처리 용기(10) 내에 가스가 체류하지 않아, 파티클의 발생이 억제된다.

이와 같이 처리 용기(10) 내에 제1 처리 가스(T1), 제2 처리 가스(T2), 정류 가스(R)가 공급될 때, 마이크로파 발생 장치(55)를 작동시키고, 이 마이크로파 발생 장치(55)에 있어서, 예컨대 2.45 GHz의 주파수로 미리 정해진 파워의 마이크로파를 발생시킨다. 마이크로파는, 직사각형 도파관(54), 모드 변환기(53), 동축 도파관(50), 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)를 통해 처리 용기(10) 내에 방사된다. 이 마이크로파에 의해 처리 용기(10) 내에서는 처리 가스(T1, T2)가 플라즈마화하고, 플라즈마 내에서 처리 가스(T1, T2)의 해리가 진행되며, 그 때에 발생한 활성종에 의해 웨이퍼(W) 상에 성막 처리가 이루어진다. 이 때, 처리 가스(T1, T2)는 정류 가스(R)에 의해 정류되며, 웨이퍼(W) 상에서 직경 방향 외측을 향해 똑같이 흐르기 때문에, 처리 가스(T1, T2)에 의한 플라즈마 처리를 웨이퍼(W)의 면내 균일하게 행할 수 있다. 이렇게 해서, 웨이퍼(W)의 표면에 SiN막이 형성된다.

웨이퍼(W)에 플라즈마 성막 처리를 행하고 있는 동안, 고주파 전원(25)을 온으로 하여, 예컨대 13.56 MHz의 주파수로 미리 정해진 파워의 고주파를 출력시켜도 좋다. 이 고주파는 콘덴서(24)를 통해 배치대(20)에 인가되고, RF 바이어스가 웨이퍼(W)에 인가된다. 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 플라즈마의 전자 온도를 낮게 유지할 수 있기 때문에, 막에의 손상이 없고, 게다가, 고밀도 플라즈마에 의해, 처리 가스의 분자가 해리되기 쉽기 때문에, 반응이 촉진된다. 또한, 적절한 범위에서의 RF 바이어스의 인가는, 플라즈마 내의 이온을 웨이퍼(W)에 인입하도록 작용하기 때문에, SiN막의 조밀성을 향상시킴과 더불어, 막 중의 트랩을 증가시키도록 작용한다.

그 후, SiN막이 성장하고, 웨이퍼(W)에 미리 정해진 막 두께의 SiN막이 형성되면, 제1 처리 가스(T1), 제2 처리 가스(T2), 정류 가스(R)의 공급과, 마이크로파의 조사가 정지된다. 그 후, 웨이퍼(W)는 처리 용기(10)로부터 반출되어, 일련의 플라즈마 성막 처리가 종료된다.

이상의 실시형태에 따르면, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터 제1 처리 가스(T1)가 공급되고, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 제2 처리 가스(T2)가 공급되며, 정류 가스 공급관(80)으로부터 정류 가스(R)가 더 공급된다. 이 정류 가스(R)는, 처리 용기(10) 내에 있어서 수평 방향으로 흐른 후, 수직 아래쪽으로 흐르기 때문에, 종래와 같이 처리 가스가 배치대(20)측으로부터 처리 용기(10) 내에서 상승하는 것을 억제할 수 있어, 처리 용기(10) 내의 처리 가스(T1, T2)를 정류할 수 있다. 그렇게 하면, 배치대(20)에 배치된 웨이퍼(W) 상에 적절하게 처리 가스(T1, T2)를 공급할 수 있기 때문에, 이 웨이퍼(W)에 대한 플라즈마 처리를 면내 균일하게 행할 수 있다. 또한, 처리 용기(10) 내에 가스가 체류하지 않아, 파티클의 발생을 억제할 수도 있다. 따라서, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마 처리를 적절히 행할 수 있다.

본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 마이크로파 투과판(41)의 하면[처리 용기(10)의 천장면]과 정전척(21)의 상면[배치대(20)의 상면] 사이의 거리는 100 ㎜∼200 ㎜이다. 즉, 처리 용기(10)의 내부의 플라즈마 처리 공간이 크다. 이와 같이 플라즈마 처리 공간이 크면, 처리 가스의 흐름이 복잡해지고, 예컨대 종래와 같이 처리 가스의 상승류가 발생하기 쉬워진다. 그래서, 정류 가스(R)에 의해 처리 가스(T1, T2)를 정류하는 본 발명은, 플라즈마 처리 공간이 큰 플라즈마 처리 장치, 예컨대 본 실시형태와 같이 레이디얼 라인 슬롯 안테나(40)를 이용한 플라즈마 처리 장치(1)에 특히 유용해진다.

또한, 본 실시형태에 따르면, 제1 처리 가스 공급관(60)으로부터의 제1 처리 가스(T1)는 웨이퍼(W)의 중심부를 향해 공급되고, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터의 제2 처리 가스(T2)는 웨이퍼(W)의 외주부를 향해 공급된다. 즉, 웨이퍼(W)의 중심부는 청신(淸新)한 제1 처리 가스(T1)에 의해 성막 처리되고, 웨이퍼(W)의 외주부는 청신한 제2 처리 가스(T2)에 의해 성막 처리된다. 그렇게 하면, 웨이퍼(W) 면내의 모든 개소에 대하여 청신한 처리 가스가 공급되기 때문에, 웨이퍼(W)에 대한 플라즈마 처리의 면내 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 예컨대 웨이퍼(W)의 일부에 처리 가스를 공급하고, 이 처리 가스를 웨이퍼(W) 상에서 확산시키는 경우에 비하여, 본 실시형태와 같이 제1 처리 가스(T1)와 제2 처리 가스(T2)를 각각 웨이퍼(W)의 중심부와 외주부에 직접 공급함으로써, 웨이퍼(W) 상에 형성되는 SiN막의 치밀함을 보다 적확하게 제어할 수 있다.

또한, 이 제2 처리 가스(T2)의 유량을 조절함으로써, 웨이퍼(W)의 외주부에 형성되는 SiN막의 막 두께를 적절히 제어할 수 있고, 웨이퍼(W) 전체면에 있어서의 SiN막의 막 두께를 자유자재로 제어할 수 있다.

또한, 본 실시형태에 따르면, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량은, 제1 처리 가스 공급관(60)과 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 합계 유량보다 크기 때문에, 정류 가스(R)에 의해 처리 가스(T1, T2)의 상승을 보다 확실하게 억제할 수 있다. 또한, 발명자들이 예의 검토한 결과, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량이, 적어도 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 Ar 가스의 유량보다 크면, 정류 가스(R)에 의해 처리 가스(T1, T2)의 상승을 억제할 수 있는 것을 알 수 있다.

여기서, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 정류 가스(R)의 유량에 대해서 설명한다. 도 4는, 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 제2 처리 가스 공급관(70)으로부터 공급되는 제2 처리 가스(T2)의 Ar 가스의 유량과, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 정류 가스(R)(Ar 가스)의 유량을 각각 변화시킨 경우에 플라즈마 처리를 행한 결과를 나타내고 있다. 도 4 중의 도면에 대해서는, 웨이퍼(W)의 표면에 형성되는 SiN막의 막 두께의 면내 분포를 나타내고, 도 4 중의 숫자%는, 원하는 막 두께에 대한 웨이퍼(W) 면내의 최대 막 두께와 최소 막 두께와의 막 두께차의 비율을 나타내고 있다. 제2 처리 가스(T2)의 Ar 가스의 유량은, 250 sccm, 500 sccm, 750 sccm, 1000 sccm, 1250 sccm으로 변화시켰다. 정류 가스(R)의 Ar 가스의 유량은, 500 sccm, 1000 sccm, 1500 sccm으로 변화시켰다. 또한, 그 밖의 플라즈마 처리 조건은 공통되어 있기 때문에 설명을 생략한다.

도 4를 참조하면, 막 두께차의 비율이 최소가 되는 것은, 즉 SiN막의 면내 균일성이 가장 높은 것은, 제2 처리 가스(T2)의 Ar 가스의 유량이 750 sccm이고, 정류 가스(R)의 유량이 1000 scccm인 경우이다. 따라서, 본 프로세스 처리 조건에 있어서의 정류 가스(R)의 최적 유량은 1000 sccm이 된다.

또한, 전술한 정류 가스(R)의 최적 유량은 일례로서, 이 정류 가스(R)의 최적 유량은, 플라즈마 처리 조건에 따라 결정되는 것이다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는다. 당업자라면, 특허청구범위에 기재된 사상의 범주 내에서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 분명하며, 이들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것으로 양해된다.

이상의 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서, 정류 가스 공급관(80)은 처리 용기(10)의 측면에 설치되어 있었지만, 정류 가스 공급관(80)의 위치는, 제1 처리 가스 공급관(60)의 바깥쪽이면서 제2 처리 가스 공급관(70)의 위쪽이라면, 이것에 한정되지 않는다.

예컨대 도 5에 도시된 바와 같이, 정류 가스 공급관(80)은 처리 용기(10)의 천장면, 즉 마이크로파 투과판(41)의 하면에 설치되어 있어도 좋다. 정류 가스 공급관(80)의 일단부는 마이크로파 투과판(41)의 하면으로 개구되고, 타단부는 버퍼부(81)에 접속되어 있다. 또한, 정류 가스 공급관(80)은, 제1 처리 가스 공급관(60)의 주위에 복수, 예컨대 32개 설치되어 있다. 또한, 이들 복수의 정류 가스 공급관(80)과, 이들에 부수되는 버퍼부(81), 공급관(82), 정류 가스 공급원(83), 공급 기기군(84)의 구성은 상기 실시형태와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

이러한 경우에 있어서도, 상기 실시형태와 동일한 효과를 향수할 수 있다. 즉, 정류 가스 공급관(80)으로부터의 정류 가스(R)는, 처리 용기(10) 내에 있어서 수직 아래쪽으로 흐르기 때문에, 종래와 같이 처리 가스가 배치대(20)측으로부터 처리 용기(10) 내에서 상승하는 것을 억제할 수 있어, 처리 용기(10) 내의 처리 가스(T1, T2)를 정류할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마 처리를 적절히 행할 수 있다.

또한, 이상의 실시형태에서는, 정류 가스 공급관(80)으로부터 공급되는 정류 가스(R)는 Ar 가스였지만, 이에 부가하여, 처리 가스(T1, T2)와 동일한 TSA, N₂ 가스, H₂ 가스를 포함하고 있어도 좋다. 이러한 경우, 정류 가스(R)는 처리 가스(T1, T2)의 정류에 기여할 뿐만 아니라, 웨이퍼(W)에 대한 플라즈마 성막 처리에도 기여한다. 따라서, 웨이퍼(W) 상에 형성되는 SiN막의 막 두께의 면내 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 이상 실시형태에서는, 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리를 예를 들어 설명하였으나, 이것에 한정되지 않고, 고주파 전압을 이용한 플라즈마 처리에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있는 것은 물론이다. 또한, 이상의 실시형태에서는, 본 발명을 성막 처리를 행하는 플라즈마 처리에 적용하였지만, 본 발명은, 성막 처리 이외의 기판 처리, 예컨대 에칭 처리나 스퍼터링을 행하는 플라즈마 처리에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 플라즈마 처리에 의해 처리되는 피처리체는, 유리 기판, 유기 EL 기판, FPD(플랫 패널 디스플레이)용의 기판 등 중 어느 것이어도 좋다.

본 발명은, 예컨대 반도체 웨이퍼 등의 플라즈마 처리에 유용하며, 특히 레이디얼 라인 슬롯 안테나를 이용한 플라즈마 처리에 유용하다.

1 : 플라즈마 처리 장치
10 : 처리 용기
20 : 배치대
32 : 배기관
40 : 레이디얼 라인 슬롯 안테나
50 : 동축 도파관
60 : 제1 처리 가스 공급관
70 : 제2 처리 가스 공급관
80 : 정류 가스 공급관
R : 정류 가스
T1 : 제1 처리 가스
T2 : 제2 처리 가스
W : 웨이퍼

Claims

처리 가스를 플라즈마화시켜 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
피처리체를 수용하는 처리 용기와,
상기 처리 용기의 바닥면에 설치되고, 피처리체를 배치하는 배치부와,
상기 처리 용기의 천장면 중앙부에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하는 제1 처리 가스 공급부와,
상기 처리 용기의 측면에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하는 제2 처리 가스 공급부와,
상기 제1 처리 가스 공급부의 바깥쪽이면서 상기 제2 처리 가스 공급부의 위쪽에 설치되고, 상기 처리 용기의 내부에 아래쪽을 향하는 정류 가스를 공급하는 정류 가스 공급부와,
상기 제1 처리 가스 공급부와 상기 제2 처리 가스 공급부의 각각으로부터 공급되는 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 생성부를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 정류 가스 공급부는, 상기 처리 용기의 측면에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 정류 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정류 가스 공급부로부터 공급되는 정류 가스의 유량은, 상기 제2 처리 가스 공급부로부터 공급되는 처리 가스의 유량보다도 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제2 처리 가스 공급부는, 상기 배치부에 배치된 피처리체를 향해 처리 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 처리 용기의 천장면과 상기 배치부의 상면 사이의 거리는, 100 ㎜∼200 ㎜인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
처리 용기 내에서 처리 가스를 플라즈마화시켜 피처리체를 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
상기 처리 용기의 천장면 중앙부에 설치된 제1 처리 가스 공급부로부터, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하고,
상기 처리 용기의 측면에 설치된 제2 처리 가스 공급부로부터, 이 처리 용기의 내부에 처리 가스를 공급하며,
상기 제1 처리 가스 공급부의 바깥쪽이면서 상기 제2 처리 가스 공급부의 위쪽에 설치된 정류 가스 공급부로부터 상기 처리 용기의 내부에 아래쪽을 향하는 정류 가스를 더 공급하고,
상기 처리 용기의 내부에 있어서, 상기 제1 처리 가스 공급부와 상기 제2 처리 가스 공급부의 각각으로부터 공급된 처리 가스를 플라즈마화시켜, 상기 처리 용기 내의 배치부에 배치된 피처리체를 처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제6항에 있어서, 상기 정류 가스 공급부는, 상기 처리 용기의 측면에 설치되고, 이 처리 용기의 내부에 정류 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 정류 가스 공급부로부터 공급되는 정류 가스의 유량은, 상기 제2 처리 가스 공급부로부터 공급되는 처리 가스의 유량보다도 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 제2 처리 가스 공급부는, 상기 배치부에 배치된 피처리체를 향해 처리 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.