KR20180001473A - 플라즈마 성막 장치 및 기판 배치대 - Google Patents

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미노루 혼다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 원하는 막두께 균일성을 갖는 막을 얻을 수 있는 플라즈마 성막 장치 및 그것에 이용하는 기판 배치대를 제공하는 것을 목적으로 한다.
기판이 수용되는 챔버(1)와, 챔버(1) 내에서 기판(W)이 배치되는 기판 배치대(2)와, 챔버 내에 성막 가스를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급 기구(16)와, 챔버(1) 내부를 배기하는 배기 기구(24)와, 챔버(1) 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 기구를 포함하는 플라즈마 성막 장치(100)에 있어서, 기판 배치대(2)는, 기판(W)보다 직경이 작고 배치면(201a)을 갖는 배치대 본체(201)와, 배치대 본체(201)의 외측에 배치되는 환형을 이루는 조정 부재(202)를 구비하며, 조정 부재(202)는 교환 가능하게 설치되고, 또한 조정 부재(202)로서, 기판(W)의 외측 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용된다.

Description

플라즈마 성막 장치 및 기판 배치대{PLASMA FILM-FORMING APPARATUS AND SUBSTRATE PEDESTAL}
본 발명은, 플라즈마 성막 장치 및 기판 배치대에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 절연막, 보호막, 전극막 등으로서 여러 막의 성막이 행해진다. 이러한 각종 막의 성막 방법으로서, 플라즈마에 의해 성막 가스를 여기하여 기판 상에 소정의 막을 퇴적시키는 플라즈마 CVD가 알려져 있다.
예컨대, 특허문헌 1에는, 챔버 내에 설치된 서셉터 상에, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 배치하고, 챔버 내에 성막 가스로서 규소 원료 가스 및 질소 함유 가스를 공급하고, 또한 플라즈마 생성 가스(희석 가스)를 공급하여, 마이크로파 플라즈마를 이용한 플라즈마 CVD에 의해, 반도체 웨이퍼 상에 질화규소막을 성막하는 것이 기재되어 있다.
한편, 플라즈마 처리를 행하는 경우, 기판의 최외주부에서는 다른 부분과는 플라즈마의 상황이 상이하기 때문에, 기판 최외주부에서의 처리 레이트는 기판의 다른 부분과는 상이한 것이 알려져 있다(예컨대 특허문헌 2).
이 때문에 플라즈마 CVD 등의 플라즈마 성막 처리에 있어서는, 종래, 성막 가스나 플라즈마 생성 가스(희석 가스)의 흐름을 제어하거나, 플라즈마의 분포를 제어하거나 하여 면내 막두께 균일성을 확보하고 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2009-246129호 공보 [특허문헌 2] 국제 공개 제2009/008474호 팜플렛
그러나, 최근, 반도체 소자의 미세화가 진행되고, 성막 처리에 있어서의 막두께 균일성에 대한 요구가 높아지고 있어, 성막 가스나 플라즈마 생성 가스(희석 가스)의 흐름의 제어나 플라즈마의 분포의 제어만으로는, 원하는 막두께 균일성을 얻기 어려워지고 있다.
따라서, 본 발명은, 원하는 막두께 균일성을 갖는 막을 얻을 수 있는 플라즈마 성막 장치 및 그것에 이용하는 기판 배치대를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태는, 기판이 수용되는 챔버와, 상기 챔버 내에서 기판이 배치되는 기판 배치대와, 상기 챔버 내에 성막 가스를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급 기구와, 상기 챔버 내부를 배기하는 배기 기구와, 상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단을 가지며, 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 생성된 플라즈마에 의해 상기 성막 가스를 여기시켜 상기 기판 상에 소정의 막을 성막하는 플라즈마 성막 장치로서, 상기 기판 배치대는, 상기 기판보다 직경이 작고 배치면을 갖는 배치대 본체와, 상기 배치대 본체의 외측에 배치되는 환형을 이루는 조정 부재를 가지며, 상기 조정 부재는 교환 가능하게 설치되고, 또한 상기 조정 부재로서, 기판의 외측의 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치를 제공한다.
본 발명의 제2 양태는, 기판에 대하여 소정의 막을 성막하는 플라즈마 성막 장치의 챔버 내에서 기판을 배치하는 기판 배치대로서, 상기 기판보다 직경이 작고 배치면을 갖는 배치대 본체와, 상기 배치대 본체의 외측에 배치되는 환형을 이루는 조정 부재를 가지며, 상기 조정 부재는 교환 가능하게 설치되고, 또한 상기 조정 부재로서, 기판의 외측의 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 생성 수단으로서는, 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 것을 적합하게 이용할 수 있다. 상기 플라즈마 생성 수단으로서는, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치와, 마이크로파를 방사하는 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하는 유전체로 이루어진 마이크로파 투과판을 가지며, 상기 평면 안테나의 상기 슬롯 및 상기 마이크로파 투과판을 통해 마이크로파를 상기 챔버 내로 방사시켜, 상기 챔버 내에 마이크로파를 공급함으로써, 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 것을 이용할 수 있다.
상기 배치대 본체는, 상기 기판을 가열하기 위한 가열 수단을 갖고 있어도 좋다. 상기 가스 공급 기구는, 상기 성막 가스로서 수소 함유 가스를 이용할 수 있다. 이 경우에, 상기 성막 가스로서는, 상기 수소 함유 가스로서 수소 함유 실리콘 원료를 포함하고, 상기 소정의 막으로서 규소 함유막이 성막되는 것으로 할 수 있다. 또한, 상기 성막 가스로서, 상기 수소 함유 실리콘 원료 및 질소 함유 가스를 공급하고, 상기 소정의 막으로서 질화규소막이 성막되는 것이어도 좋다. 이 경우에, 상기 기판의 온도를 250℃~550℃의 범위로 제어하는 것이 바람직하다.
상기 가스 공급 기구는, 상기 챔버 내에 상기 성막 가스와 함께 플라즈마 생성 가스로서 헬륨 가스를 공급하는 것으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 기판 배치대로서, 상기 기판보다 직경이 작고 배치면을 갖는 배치대 본체와, 상기 배치대 본체의 외측에 배치된 환형을 이루는 조정 부재를 갖는 것을 이용하며, 상기 조정 부재는 교환 가능하게 설치되고, 또한 상기 조정 부재로서, 기판의 외측의 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용되기 때문에, 원하는 막두께 균일성을 갖는 막을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 성막 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 성막 장치에 있어서, 기판을 배치하는 서셉터(기판 배치대)를 나타낸 단면도이다.
도 3은 기판을 배치하는 서셉터(기판 배치대)로서 단차 0의 것을 이용한 예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 기판을 배치하는 서셉터(기판 배치대)로서 단차가 도 2와 도 3 사이의 것을 이용한 예를 나타낸 단면도이다.
도 5는 종래의 플라즈마 성막 장치에 있어서의 서셉터(기판 배치대)를 나타낸 단면도이다.
도 6은 실험예에 이용한 서셉터를 나타낸 도면으로서, (a)는 종래의 서셉터이고, (b)는 단차(X ㎜)가 형성된 조정 부재를 갖는 서셉터이다.
도 7은 도 6의 (a)의 서셉터를 이용한 경우와, 도 6의 (b)의 서셉터를 이용하여 단차(X)를 -4 ㎜ 및 -8 ㎜로 한 경우에 대해서, 웨이퍼의 중심으로부터의 위치와 규격화한 SiN막의 막두께의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 He 가스 무첨가 및 He 가스 유첨가인 경우에 있어서의 막두께 레인지의 평균치(%)와 굴절률(RI) 레인지를 플롯하고, He 가스 유첨가인 경우에 조정 부재의 단차마다, 막두께 레인지의 평균치(%)와 굴절률(RI) 레인지를 비교하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다.
<플라즈마 성막 장치의 구성>
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 성막 장치를 나타낸 단면도이다. 도 1의 플라즈마 성막 장치는, RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 성막 장치로서 구성되어 있고, 피처리 기판인 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼(이하 단순히 「웨이퍼」라고 기재함)에 플라즈마 CVD에 의해 질화규소(SiN)막을 성막하는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 성막 장치(100)는, 기밀하게 구성되며, 접지된 대략 원통형의 챔버(1)를 갖고 있다. 챔버(1)의 바닥벽(1a)의 대략 중앙부에는 원형의 개구부(10)가 형성되어 있고, 바닥벽(1a)에는 이 개구부(10)와 연통하고, 아래쪽을 향해 돌출되는 배기실(11)이 마련되어 있다.
챔버(1) 내에는 피처리 기판인 웨이퍼(W)를 수평으로 지지하기 위한 기판 배치대로서의 서셉터(2)가 설치되어 있다. 서셉터(2)는 서셉터 본체(201)와 그 외주에 설치된 환형을 이루는 조정 부재(202)를 갖는다. 서셉터 본체(201)는 배기실(11)의 바닥부 중앙으로부터 위쪽으로 연장되는 원통형을 이루는 지지 부재(3)에 의해 지지되어 있다. 서셉터 본체(201)에는 저항 가열형의 히터(5)가 매립되어 있고, 이 히터(5)는 히터 전원(6)으로부터 급전됨으로써 서셉터 본체(201)를 가열하고, 서셉터 본체(201)를 통해 웨이퍼(W)를 가열한다. 또한 서셉터 본체(201)에는 전극(7)이 매립되어 있고, 전극(7)에는 정합기(8)를 통해 바이어스 인가용의 고주파 전원(9)이 접속되어 있다. 또한, 서셉터(2)의 상세한 내용은 이하에 설명한다.
챔버(1)의 측벽에는 환형을 이루는 가스 도입부(15)가 마련되어 있고, 이 가스 도입부(15)에는 균등하게 가스 방사 구멍(15a)이 형성되어 있다. 이 가스 도입부(15)에는 가스 공급 기구(16)가 접속되어 있다.
가스 공급 기구(16)는, 수소(H)를 포함하는 가스인 Si 원료 가스, 질소 함유 가스 및 플라즈마 생성 가스를 공급하도록 되어 있다. H를 포함하는 Si 원료 가스로서는 모노실란(SiH4)이나 디실란(Si2H6), 질소 함유 가스로서는 N2 가스나 암모니아(NH3), 플라즈마 생성 가스로서는 Ar 가스나 He 가스 등의 희가스가 예시된다. 이들 가스는, 각각의 가스 공급원으로부터, 별개의 배관에 의해 매스 플로우 컨트롤러 등의 유량 제어기에 의해 독립적으로 유량 제어되고, 가스 도입부(15)로 공급된다.
또한, 가스 도입부(15)보다 아래쪽에, 예컨대 샤워 플레이트 등의 별도의 가스 도입부를 마련하고, 실리콘 원료 가스 등의 플라즈마에 의해 완전히 해리되지 않는 편이 바람직한 가스를 별도의 가스 도입부로부터, 보다 웨이퍼(W)에 가까운 전자 온도가 보다 낮은 영역에 공급하여도 좋다.
상기 배기실(11)의 측면에는 배기관(23)이 접속되어 있고, 이 배기관(23)에는 진공 펌프나 자동 압력 제어 밸브 등을 포함하는 배기 기구(24)가 접속되어 있다. 배기 기구(24)의 진공 펌프를 작동시킴으로써 챔버(1) 내의 가스가, 배기실(11)의 공간(11a) 내로 균일하게 배출되고, 배기관(23)을 통해 배기되며, 자동 압력 제어 밸브에 의해 챔버(1) 내부를 소정의 진공도로 제어 가능하게 되어 있다.
챔버(1)의 측벽에는, 플라즈마 성막 장치(100)에 인접한 반송실(도시 생략)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 반입출을 행하기 위한 반입출구(25)와, 이 반입출구(25)를 개폐하는 게이트 밸브(26)가 설치되어 있다.
챔버(1)의 상부는 개구부로 되어 있고, 그 개구부의 주연부가 링 형상의 지지부(27)로 되어 있다. 이 지지부(27)에 유전체, 예컨대 석영이나 Al2O3 등의 세라믹스로 이루어진 원판형의 마이크로파 투과판(28)이 시일 부재(29)를 통해 기밀하게 설치되어 있다. 따라서, 챔버(1) 내는 기밀하게 유지된다.
마이크로파 투과판(28)의 위쪽에는, 마이크로파 투과판(28)에 대응하는 원판형을 이루는 평면 안테나(31)가 마이크로파 투과판(28)에 밀착하도록 설치되어 있다. 이 평면 안테나(31)는 챔버(1)의 측벽 상단에 걸려져 있다. 평면 안테나(31)는 도전성 재료로 이루어진 원판으로 구성되어 있다.
평면 안테나(31)는, 예컨대 표면이 은 또는 금 도금된 구리판 또는 알루미늄판으로 이루어지고, 마이크로파를 방사하기 위한 복수의 슬롯(32)이 관통하도록 형성된 구성으로 되어 있다. 슬롯(32)의 패턴의 예로서는, T자형으로 배치된 2개의 슬롯(32)을 한 쌍으로 하여 여러 쌍의 슬롯(32)이 동심원상으로 배치되어 있는 것을 들 수 있다. 슬롯(32)의 길이나 배열 간격은, 마이크로파의 파장(λg)에 따라 결정되며, 예컨대 슬롯(32)은, 이들의 간격이 λg/4, λg/2 또는 λg가 되도록 배치된다. 또한, 슬롯(32)은, 원 형상, 원호형 등의 다른 형상이어도 좋다. 또한, 슬롯(32)의 배치 형태는 특별히 한정되지 않고, 동심원상 외에, 예컨대 나선형, 방사상으로 배치할 수도 있다.
이 평면 안테나(31)의 상면에는, 진공보다 큰 유전율을 갖는 유전체, 예컨대 석영, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리이미드 등의 수지로 이루어진 지파판(33)이 밀착하여 설치되어 있다. 지파판(33)은 마이크로파의 파장을 진공중보다 짧게 하여 평면 안테나(31)를 작게 하는 기능을 갖고 있다.
평면 안테나(31)와 마이크로파 투과판(28) 사이가 밀착된 상태로 되어 있고, 또한 지파판(33)과 평면 안테나(31) 사이도 밀착되어 있다. 또한, 지파판(33), 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28) 및 플라즈마로 형성되는 등가 회로가 공진 조건을 충족시키도록 마이크로파 투과판(28), 지파판(33)의 두께가 조정되어 있다. 지파판(33)의 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 위상을 조정할 수 있고, 평면 안테나(31)의 접합부가 정재파의 「파복(波腹)」이 되도록 두께를 조정함으로써, 마이크로파의 반사가 극소화되고, 마이크로파의 방사 에너지가 최대가 된다. 또한, 지파판(33)과 마이크로파 투과판(28)을 동일한 재질로 함으로써, 마이크로파의 계면 반사를 방지할 수 있다.
또한, 평면 안테나(31)와 마이크로파 투과판(28) 사이, 또한 지파판(33)과 평면 안테나(31) 사이는 이격되어 있어도 좋다.
챔버(1)의 상면에는, 이들 평면 안테나(31) 및 지파판(33)을 덮도록, 예컨대 알루미늄이나 스테인리스강, 구리 등의 금속재로 이루어진 실드 덮개(34)가 설치되어 있다. 챔버(1)의 상면과 실드 덮개(34)는 시일 부재(35)에 의해 시일되어 있다. 실드 덮개(34)에는, 냉각수 유로(34a)가 형성되어 있고, 거기에 냉각수를 통류시킴으로써, 실드 덮개(34), 지파판(33), 평면 안테나(31), 마이크로파 투과판(28)을 냉각시키도록 되어 있다. 또한, 실드 덮개(34)는 접지되어 있다.
실드 덮개(34)의 상부벽의 중앙에는 개구부(36)가 형성되어 있고, 이 개구부에는 도파관(37)이 접속되어 있다. 이 도파관(37)의 단부에는, 매칭 회로(38)를 통해 마이크로파 발생 장치(39)가 접속되어 있다. 이에 따라, 마이크로파 발생 장치(39)에서 발생한 예컨대 주파수 2.45 ㎓의 마이크로파가 도파관(37)을 통해 상기 평면 안테나(31)에 전파되도록 되어 있다. 또한, 마이크로파의 주파수로는, 8.35 ㎓, 1.98 ㎓, 860 ㎒, 915 ㎒ 등, 여러 주파수를 이용할 수 있다.
도파관(37)은, 상기 실드 덮개(34)의 개구부(36)로부터 위쪽으로 연장되는 단면 원 형상의 동축 도파관(37a)과, 이 동축 도파관(37a)의 상단부에 모드 변환기(40)를 통해 접속된 수평 방향으로 연장되는 직사각형 도파관(37b)을 갖고 있다. 직사각형 도파관(37b)과 동축 도파관(37a) 사이의 모드 변환기(40)는, 직사각형 도파관(37b) 내부를 통해 TE 모드로 전파되는 마이크로파를 TEM 모드로 변환하는 기능을 갖고 있다. 동축 도파관(37a)의 중심에는 내부 도체(41)가 연장되어 있고, 이 내부 도체(41)의 하단부는, 평면 안테나(31)의 중심에 접속 고정되어 있다. 이에 따라, 마이크로파는, 동축 도파관(37a)의 내부 도체(41)를 통해 평면 안테나(31)에 균일하게 효율적으로 전파된다.
플라즈마 성막 장치(100)는 제어부(50)를 갖고 있다. 제어부(50)는, 플라즈마 성막 장치(100)의 각 구성부, 예컨대 마이크로파 발생 장치(39), 히터 전원(6), 고주파 전원(9), 배기 기구(24), 가스 공급 기구(16)의 밸브나 유량 제어기 등을 제어하는 CPU(컴퓨터)를 갖는 주제어부와, 입력 장치(키보드, 마우스 등), 출력 장치(프린터 등), 표시 장치(디스플레이 등), 기억 장치(기억 매체)를 갖고 있다. 제어부(50)의 주제어부는, 예컨대 기억 장치에 내장된 기억 매체, 또는 기억 장치에 세트된 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 기초하여, 플라즈마 성막 장치(100)에, 소정의 동작을 실행시킨다.
<서셉터(기판 배치대)의 구성>
전술한 바와 같이, 서셉터(기판 배치대)(2)는, 서셉터 본체(201)와, 그 외주에 교환 가능하게 설치된 환형을 이루는 조정 부재(202)로 이루어진다. 서셉터 본체(201) 및 조정 부재(202)는 모두 동일한 재질로 구성되어 있고, 예컨대 AlN 등의 세라믹스로 이루어진다.
도 2에 도시된 바와 같이, 서셉터 본체(201)는, 그 주연부가 링 형상으로 절취되어 있고, 상면에 웨이퍼(W)보다 작은 직경의 배치면(201a)을 갖고 있다. 웨이퍼(W)는, 그 외연부가 배치면(201a)으로부터 돌출되도록 배치된다. 이때, 웨이퍼(W)는 도시하지 않은 스페이서에 의해 배치면으로부터 수 ㎜ 정도 이격되어 배치되어도 좋다.
환형을 이루는 조정 부재(202)는, 서셉터 본체(201)의 주위에 배치되고, 서셉터 본체(201)의 주연부에 형성된 플랜지부(201b) 상에 지지되도록 되어 있고, 미리 형상이 상이한 것이 복수 종류 준비되며, 처리에 따른 원하는 형상의 것이 선택되도록 되어 있다.
조정 부재(202)는, 서셉터 본체(201)의 배치면(201a)에 대한 단차(X)가 상이한 복수 종류의 것이 준비된다. 단차(X)는, 예컨대 -15 ㎜~+1 ㎜의 범위에서 조정 가능하다. -15 ㎜는 서셉터(201)의 배치면(201a)보다 15 ㎜ 낮은 위치이며, +1 ㎜는 배치면(201a)보다 1 ㎜ 높은 위치이다. 단차(X)가 0 ㎜인 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 배치면(201a)과 동일한 높이로 웨이퍼(W)의 외측까지 연장되며, 종래의 서셉터와 동일한 기능을 갖는다. 도 4는 단차(X)가 도 2보다 작은 예이다. 웨이퍼(W)의 최외주부의 막두께를 적절히 제어하기 위해서는 단차(X)는 배치면(201a)보다 낮은 것이 바람직하고, -15 ㎜~-4 ㎜ 정도가 바람직하다. 단차(X)가 배치면(201a)보다 낮은 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 조정 부재(202)는, 배치면(201a)과 동일한 높이를 갖는 내주부(202a)와, 그것보다 X만큼 낮은 높이의 외주부(202b)를 가지며, 이들 사이에 단차(X)가 형성되어 있다. 단차의 위치는 웨이퍼(W)의 외연보다 1 ㎜~2 ㎜ 외측이 바람직하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 종래, SiN막 등의 막을 성막할 때에 이용되는 서셉터(2)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 웨이퍼보다 큰 직경을 가지며, 배치면(201a)이 웨이퍼(W)의 외측까지 연장되어 있고, 단차 조정은 할 수 없다. 이 경우, 서셉터(2)는, 히터에 의해 250℃~550℃, 예컨대 320℃로 승온되어 있고, 플라즈마가 없는 상태에서는, 서셉터(2)보다 웨이퍼(W) 쪽이 저온의 상태로 되어 있다. 한편, 플라즈마가 생성되었을 때에는, 플라즈마로부터의 입열(入熱)에 의해 웨이퍼(W) 쪽이 서셉터(2)보다 온도가 상승한다. 그 때문에, 웨이퍼(W)와 서셉터(2) 사이에는 온도차가 생기고, Si 원료 가스의 분자가 웨이퍼(W)의 외주로부터 서셉터로 열확산되며, 소레(soret) 효과에 의해, 웨이퍼 외주부에 있어서 Si 원료가 저농도가 되는 농도 구배가 발생한다. 이러한 소레 효과는, 수소(H)에 있어서 현저하며, 본 실시형태에서 이용되고 있는 SiH4나 Si2H6 등의 H 함유 원료에서 발생하기 쉽다.
이러한 소레 효과 등에 의한 웨이퍼(W)의 최외주부의 막두께의 불균일은, 서셉터(2)의 최외주부의 단차를 조정하는 것에 의해 열확산을 제어함으로써 억제하는 것이 가능하다.
이 때문에, 본 실시형태에서는, 서셉터(2)로서, 웨이퍼(W)보다 직경이 작은 서셉터 본체(201)와, 그 외주에 교환 가능하게 설치된 환형을 이루는 조정 부재(202)로 이루어지는 것을 이용하고, 조정 부재(202)로서 단차(X)가 상이한 것이 복수 종류 준비되며, 처리에 따라 원하는 단차(X)를 갖는 것이 선택되도록 하였다.
<플라즈마 성막 장치의 동작>
다음에, 이와 같이 구성되는 플라즈마 성막 장치(100)의 처리 동작에 대해서 설명한다.
우선, 게이트 밸브(26)를 개방으로 하여 반입출구(25)로부터 피처리체인 웨이퍼(W)를 챔버(1) 내로 반입하고, 서셉터(2)의 서셉터 본체(201) 상에 배치한다. 이때, 서셉터 본체(201)는 소정의 온도로 제어된다.
계속해서, 챔버(1) 내부를 소정 압력으로 조정하여, 가스 공급 기구(16)로부터 가스 도입부(15)를 통해, 챔버(1) 내에, Si 원료 가스로서 예컨대 SiH4 가스, 질소 함유 가스로서 예컨대 N2 가스를 도입하고, 또한 필요에 따라 플라즈마 생성 가스로서 Ar 가스나 He 가스 등의 희가스를 도입한다. 그리고, 마이크로파 발생 장치(39)로부터 소정 파워의 마이크로파를 챔버(1) 내에 도입하여 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 CVD에 의해 웨이퍼(W) 상에 SiN막을 성막한다.
구체적으로는, 마이크로파 발생 장치(39)로부터의 소정 파워의 마이크로파를, 매칭 회로(38)를 거쳐 도파관(37)으로 유도한다. 도파관(37)으로 유도된 마이크로파는, 직사각형 도파관(37b)을 통해 TE 모드로 전파된다. TE 모드의 마이크로파는 모드 변환기(40)에 의해 TEM 모드로 모드 변환되고, TEM 모드의 마이크로파가 동축 도파관(37a)을 통해 TEM 모드로 전파된다. 그리고, TEM 모드의 마이크로파는, 지파판(33), 평면 안테나(31)의 슬롯(32) 및 마이크로파 투과판(28)을 투과하여, 챔버(1) 내로 방사된다.
마이크로파는 표면파로서 마이크로파 투과판(28)의 직하 영역으로만 확산되고, 이에 따라 표면파 플라즈마가 생성된다. 그리고, 플라즈마는 아래쪽으로 확산되고, 웨이퍼(W)의 배치 영역에서는, 전자 밀도가 높고 전자 온도가 낮은 플라즈마가 된다.
Si 원료 가스 및 질소 함유 가스는, 플라즈마에 의해 여기되며, 예컨대 SiH나 NH 등의 활성종으로 해리되고, 이들이 웨이퍼(W) 상에서 반응하여 SiN막이 성막된다.
이때 전술한 바와 같이, 서셉터(2)는, 히터에 의해 250℃~550℃, 예컨대 320℃로 승온되어 있고, 플라즈마가 없는 상태에서는, 서셉터(2)보다 웨이퍼(W) 쪽이 저온의 상태로 되어 있다. 한편, 플라즈마가 생성되었을 때에는, 플라즈마로부터의 입열에 의해 웨이퍼(W) 쪽이 서셉터(2)보다 온도가 상승한다. 이 때문에, 웨이퍼(W)와 서셉터(2) 사이에는 온도차가 생겨, 서셉터(2)의 외주부의 단차 조정을 하지 않는 경우에는, Si 원료 가스의 분자가 웨이퍼(W)의 외주로부터 서셉터로 열확산되고, 소레 효과에 의해, 웨이퍼 외주부에 있어서 Si 원료가 저농도가 되는 농도 구배가 발생하는 경우가 있다. 이러한 소레 효과는, 본 실시형태와 같이 원료 가스로서 SiH4나 Si2H6 등의 H 함유 원료를 이용하는 경우에 현저하다. 이러한 농도 구배가 발생함으로써, 대부분의 경우에는, 웨이퍼(W)의 최외주부의 막두께가 얇아진다.
종래에는, 이러한 웨이퍼(W)의 최외주부의 막두께의 조정을 성막 가스나 플라즈마 생성 가스(희석 가스)의 흐름의 제어나 플라즈마의 분포의 제어에 의해 행하고 있었지만, 그것만으로는 최근의 높은 막두께 균일성의 요구를 충족시키는 것이 곤란해지고 있다.
이러한 소레 효과 등에 의한 웨이퍼(W)의 최외주부의 막두께의 불균일은, 서셉터(2)의 최외주부의 단차를 조정함으로써 열확산을 제어함으로써 억제하는 것이 가능하지만, 서셉터(2)의 최외주부에 소정의 단차를 형성한 것만으로는, 처리에 따른 적절한 막두께 제어는 곤란하다.
그래서, 본 실시형태에서는, 서셉터(2)를, 서셉터 본체(201)와, 그 외주에 교환 가능하게 설치된 환형을 이루는 조정 부재(202)로 이루어진 것으로 하고, 조정 부재(202)로서 단차(X)가 상이한 것을 복수 종류 준비하여, 처리에 따라 원하는 단차(X)를 갖는 것을 선택하도록 하였다.
이와 같이, 웨이퍼(W)의 최외주부에서의 막두께의 불균일에 따라 적절한 조정 부재(202)를 선택함으로써, 처리 조건에 관계없이 웨이퍼(W)의 막두께를 균일하게 할 수 있다.
그런데, 성막 가스와 함께 공급되는 희가스로 이루어진 플라즈마 생성 가스는, 플라즈마를 안정적으로 생성하기 위해 종래부터 이용되고 있고, 희가스 중에서도 비용적 및 공업적으로 유리한 Ar 가스가 다용되어 왔다. 다른 희가스에 대해서는, Ar 가스와 동일한 기능을 갖는다고 간주되고 있고, 종래, Ar 가스 이외의 희가스는 거의 이용되지 않았다.
그러나, 플라즈마 생성 가스로서 Ar 가스를 이용한 경우에는, Ar 가스는 원자량이 크기 때문에, 균일하게 확산되기 어려워, 플라즈마가 불균해지기 쉬운 것이 판명되었다. 이에 비하여, He 가스는, 이온화하기 쉬워 플라즈마 생성 가스로서의 기능을 수행할 뿐만 아니라, 원자량이 작은 가벼운 원소이기 때문에, 확산되기 쉽고, 플라즈마를 확산시켜 균일화하는 효과가 있으며, 막두께를 균일화하기 쉽다.
이 때문에, 전술한 바와 같이 서셉터(2)의 조정 부재(202)로서 단차(X)가 적절한 것을 선택하고, 플라즈마 생성 가스로서 He 가스를 이용함으로써, 막두께의 균일성을 보다 높일 수 있다.
또한, 플라즈마 생성 가스로서 Ar 가스를 이용한 경우에는, 원자량이 크기 때문에 플라즈마 손상에 의해 막질이 악화될 우려가 있지만, He 가스는, Ar 가스보다 원자량이 작기 때문에 Ar 가스와 같은 플라즈마 손상을 부여하기 어렵다. 이 때문에 플라즈마 생성 가스로서 He 가스를 공급함으로써, 막질 균일성도 기대된다.
Si 원료 가스로서 SiH4 가스를 이용하고, 질소 함유 가스로서 N2 가스를 이용했을 때의 다른 조건의 바람직한 범위는, 이하와 같다.
처리 온도[서셉터(2) 표면의 온도]: 200℃~400℃
처리 압력: 6.7 Pa~100 Pa(50 mTorr~750 mTorr)
SiH4 가스 유량: 10 ㎖/min(sccm)~200 ㎖/min(sccm)
N2 가스 유량: 10 ㎖/min(sccm)~200 ㎖/min(sccm)
플라즈마 생성 가스 유량: 0 ㎖/min(sccm)~1000 ㎖/min(sccm)
마이크로파 파워 밀도: 2.43 W/㎠~3.34 W/㎠
<실험예>
다음에, 실험예에 대해서 설명한다.
여기서는, 도 1에 도시된 플라즈마 성막 장치에, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같은 종래의 서셉터를 적용한 경우와, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같은 단차(X ㎜)가 형성된 조정 부재를 갖는 서셉터를 적용한 경우에 대해서, 플라즈마 CVD에 의해 실리콘 웨이퍼 상에 SiN막을 성막하였다. 조정 부재의 단차는 -4 ㎜, -8 ㎜로 하였다.
또한, 실리콘 웨이퍼로서는 300 ㎜를 이용하고, 서셉터의 직경은 340 ㎜로 하였다.
또한, 처리 조건은, 이하와 같이 하였다.
SiH4 가스 유량: 90 sccm
N2 가스 유량: 70 sccm
플라즈마 생성 가스: 0 sccm
마이크로파 파워 밀도: 3.2 W/㎠
처리 시간: 60 sec
도 7에 이들의 경우의 웨이퍼의 중심으로부터의 위치와 규격화한 SiN막의 막두께의 관계를 나타낸다. 이 도면에 도시된 바와 같이, 종래의 서셉터를 이용한 경우에는, 웨이퍼 최외주부에서의 SiN막의 막두께 균일성 저하가 큰 데 반하여, 웨이퍼의 외측 부분에 단차(X ㎜)를 형성한 조정 부재를 배치함으로써, 웨이퍼 최외주부에서의 SiN막의 막두께 균일성 저하를 억제할 수 있고, 조정 부재의 단차(X)가 -4 ㎜인 경우보다 -8 ㎜인 경우 쪽이 웨이퍼 최외주부에서의 SiN막의 막두께 균일성 저하를 억제하는 효과가 높은 것이 확인되었다.
다음에, 플라즈마 생성 가스로서 He 가스를 첨가한 경우, 첨가하지 않는 경우에 대해서, 조정 부재의 단차(X)를 변화시켜, 여러 처리 조건으로 SiN막을 성막했을 때의, 막두께 균일성과 막질 균일성에 대해서 조사하였다.
처리 조건은 이하의 범위에서 조정하였다. 또한, He 가스 첨가가 있는 경우에는, He 가스 유량을 200 sccm~400 sccm으로 하였다.
·성막 조건
SiH4 가스 유량: 10 sccm~200 sccm
N2 가스 유량: 5 sccm~200 sccm
마이크로파 파워 밀도: 2.43 W/㎠~3.44 W/㎠
처리 시간: 15 sec~200 sec
막두께의 균일성은, 막두께 레인지의 평균치(%)에 의해 구하였다. 또한, 막질의 지표로서는 막의 굴절률(RI)을 이용하고, 막질의 균일성은 굴절률 레인지에 의해 구하였다. 도 8은 각 케이스에서의 막두께 레인지의 평균치(%)와 굴절률(RI) 레인지를 플롯한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, He 가스를 첨가한 경우에는, He 가스 첨가가 없는 경우에 비하여, 막두께 레인지의 평균치 및 굴절률 레인지 모두 작아지는 경향이 있고, 또한 He 가스를 첨가한 경우에는, 조정 부재의 단차에 의해 막두께 레인지의 평균치 및 굴절률 레인지가 변화되며, He 가스를 첨가한 후에, 조정 부재의 단차의 조정을 행함으로써, SiN막의 막두께 균일성을 더욱 양호하게 할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 조정 부재의 단차의 조정과 He 가스 첨가를 조합함으로써, 막두께의 균일성뿐만 아니라, 막질의 균일성을 높일 수 있는 것이 확인되었다.
<다른 적용>
이상, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명하였으나, 본 발명은, 상기한 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상의 범위 내에서 여러 변형이 가능하다.
예컨대, 상기 실시형태에서는, RLSA(등록상표) 마이크로파 플라즈마 성막 장치를 이용하여 플라즈마 CVD에 의해 SiN막을 성막하는 경우를 예를 들어 설명하였지만, 플라즈마로는, 다른 방식의 마이크로파 플라즈마여도 좋고, 유도 결합 플라즈마 등의 마이크로파 플라즈마 이외의 플라즈마여도 좋다. 또한, 본 발명은, 소레 효과가 큰 H를 포함하는 가스를 이용한 성막 처리, 예컨대 Si 함유막의 성막 처리에 적합하며, 상기 실시형태에서는, H를 포함하는 Si 원료 가스를 이용한 SiN막의 성막에 본 발명을 적용한 경우에 대해서 나타내었지만, 이것에 한정되지 않고, 다른 원료를 이용한 다른 막의 성막에 적용하여도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용한 경우에 대해서 나타내었지만, 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 유리 기판이나 세라믹스 기판 등의 다른 기판이어도 좋다.
1 : 챔버 2 : 서셉터
5 : 히터 15 : 가스 도입부
16 : 가스 공급 기구 24 : 배기 기구
28 : 마이크로파 투과판 31 : 평면 안테나
32 : 슬롯 33 : 지파판
37 : 도파관 38 : 매칭 회로
39 : 마이크로파 발생 장치 40 : 모드 변환기
50 : 제어부 100 : 플라즈마 성막 장치
201 : 서셉터 본체 201a : 배치면
201b : 플랜지부 202 : 조정 부재
202a : 내주부 202b : 외주부
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)

Claims (18)

  1. 기판이 수용되는 챔버와,
    상기 챔버 내에서 기판이 배치되는 기판 배치대와,
    상기 챔버 내에 성막 가스를 포함하는 가스를 공급하는 가스 공급 기구와,
    상기 챔버 내부를 배기하는 배기 기구와,
    상기 챔버 내에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단
    을 포함하고,
    상기 플라즈마 생성 수단에 의해 생성된 플라즈마에 의해 상기 성막 가스를 여기시켜 상기 기판 상에 정해진 막을 성막하는 플라즈마 성막 장치로서,
    상기 기판 배치대는, 상기 기판보다 직경이 작고 배치면을 갖는 배치대 본체와, 상기 배치대 본체의 외측에 배치되는 환형을 이루는 조정 부재를 구비하며,
    상기 조정 부재는 교환 가능하게 설치되고, 상기 조정 부재로서, 기판의 외측 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 수단은, 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 수단은, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치와, 마이크로파를 방사하는 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하는 유전체로 이루어진 마이크로파 투과판을 가지며, 상기 평면 안테나의 상기 슬롯 및 상기 마이크로파 투과판을 통해 마이크로파를 상기 챔버 내로 방사시켜 상기 챔버 내에 마이크로파를 공급함으로써, 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치대 본체는, 상기 기판을 가열하기 위한 가열 수단을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 기구는, 상기 성막 가스로서 수소 함유 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 성막 가스는, 상기 수소 함유 가스로서 수소 함유 실리콘 원료를 포함하고, 상기 정해진 막으로서 규소 함유막이 성막되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 성막 가스로서, 상기 수소 함유 실리콘 원료 및 질소 함유 가스를 공급하고, 상기 정해진 막으로서 질화규소막이 성막되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판 배치대는, 상기 기판의 온도를 250℃~550℃의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공급 기구는, 상기 챔버 내에 상기 성막 가스와 함께 플라즈마 생성 가스로서 헬륨 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 성막 장치.
  10. 기판에 대하여 정해진 막을 성막하는 플라즈마 성막 장치의 챔버 내에서 기판을 배치하는 기판 배치대로서,
    상기 기판보다 직경이 작고 배치면을 갖는 배치대 본체와, 상기 배치대 본체의 외측에 배치되는 환형을 이루는 조정 부재를 구비하며,
    상기 조정 부재는 교환 가능하게 설치되고, 상기 조정 부재로서, 기판의 외측 위치에 여러 단차를 갖는 복수의 것이 준비되며, 이들 중에서 플라즈마 처리의 처리 조건에 따라 선택된 것이 이용되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  11. 제10항에 있어서, 상기 플라즈마 성막 장치는, 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 생성 수단을 구비하며, 상기 플라즈마 생성 수단에 의해 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마가 생성되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 생성 수단은, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생 장치와, 마이크로파를 방사하는 슬롯을 갖는 평면 안테나와, 상기 챔버의 천장벽을 구성하는 유전체로 이루어진 마이크로파 투과판을 구비하며, 상기 평면 안테나의 상기 슬롯 및 상기 마이크로파 투과판을 통해 마이크로파를 상기 챔버 내로 방사시켜, 상기 챔버 내에 마이크로파를 공급함으로써, 상기 챔버 내에 마이크로파 플라즈마를 생성시키는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치대 본체는, 상기 기판을 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  14. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 성막 처리는, 성막 가스로서 수소 함유 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  15. 제14항에 있어서, 상기 성막 가스는, 상기 수소 함유 가스로서 수소 함유 실리콘 원료를 포함하고, 상기 정해진 막으로서 규소 함유막이 성막되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  16. 제15항에 있어서, 상기 성막 가스로서, 상기 수소 함유 실리콘 원료 및 질소 함유 가스를 공급하고, 상기 정해진 막으로서 질화규소막이 성막되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  17. 제16항에 있어서, 상기 기판 배치대는, 상기 기판의 온도를 250℃~550℃의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
  18. 제14항에 있어서, 상기 플라즈마 성막 처리에 있어서, 상기 챔버 내에 상기 성막 가스와 함께 플라즈마 생성 가스로서 헬륨 가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 기판 배치대.
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