KR20190110039A - 성막 방법 및 성막 장치 - Google Patents

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KR20190110039A
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Abstract

본 발명은, 처리실 내의 기판을 교환해서 성막 장치의 운전을 개시할 때, 플라스마 착화 지연을 방지하고, 안정적으로 플라스마 착화를 행하면서, 각 운전간의 플라스마의 착화 시간을 대략 일정하게 할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 처리실 내의 미리 결정된 플라스마 처리 영역에서 플라스마원에 의해 생성된 산소 라디칼을 사용해서 기판 상에 성막된 산화막을 개질하는 개질 공정과, 상기 기판 상에 대한 산화막의 성막이 종료되면, 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역 내를 플라스마가 착화하기 쉬운 상태로 하는 착화 준비 공정을 갖는다.

Description

성막 방법 및 성막 장치{FILM FORMING METHOD AND FILM FORMING APPARATUS}
본 발명은 성막 방법 및 성막 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 웨이퍼 등의 기판 상에, 실리콘 산화막 등의 박막을 성막하는 방법의 하나로서, 서로 반응하는 복수 종류의 처리 가스를 기판의 표면에 순번으로 공급해서 반응 생성물의 원자층을 퇴적시키는 ALD(Atomic Layer Deposition)가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조). 예를 들어, 특허문헌 1에는, 기판을 적재하는 회전 테이블을 회전시켜 ALD에 의해 성막을 행하는 회전 테이블식 ALD 성막 장치가 기재되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에 기재된 성막 장치에서는, 회전 테이블 상에 5매 또는 6매의 웨이퍼를 둘레 방향을 따라 적재하고, 회전 테이블의 회전에 의해 이동(공전)하는 웨이퍼의 궤도에 대향하도록, 원료 가스 공급부나 가스를 플라스마화하기 위한 안테나를 배치하고 있다.
이러한 특허문헌 1에 기재된 ALD 성막 장치를 사용해서 고품질의 실리콘 산화막(SiO2막)을 성막하는 경우, 회전 테이블의 회전 방향을 따라서 원료 가스 흡착 영역, 산화 영역, 플라스마 처리 영역을 형성한다. 그리고, 원료 가스 흡착 영역에서는 3DMA(트리스디메틸아미노실란, tris(dimethylamino)silane), 유기 아미노실란 가스 등의 실리콘 함유 가스, 산화 영역에서는 오존 등의 산화 가스, 플라스마 처리 영역에서는 아르곤, 산소, 수소 등의 혼합 가스 플라스마를 공급하고, 회전 테이블의 회전에 의해, 웨이퍼가 원료 가스 흡착 영역, 산화 영역, 플라스마 처리 영역을 고속으로 순서대로 통과하도록 하여, 고품질의 실리콘 산화막을 성막하고 있다. 이러한 성막 방법에서는, 원료 가스 흡착 영역에서 웨이퍼에 흡착된 Si 소스는, 산화 영역에서 1층분 산화되어 SiO2 분자층이 퇴적되고, 퇴적된 SiO2 분자층이 플라스마 처리 영역에서 플라스마에 의해 개질된다. 그리고, 회전 테이블의 계속적인 회전에 의해 다시 동일한 사이클이 반복되어, 실리콘 산화막이 성막된다. 특허문헌 1에 기재된 성막 장치에서는, 예를 들어 1분간 100 내지 300회 정도의 1층별 플라스마 개질을 행하는 고속 ALD 성막이 가능하다.
일본 특허 공개 제2013-45903호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 ALD 성막 장치에서는, 상술한 원료 가스 흡착 영역, 산화 영역, 플라스마 처리 영역을, 완전히 벽 등으로 분리하고 있는 것이 아니라, 분리 가스의 압력 벽으로 각 영역을 분리하고 있다. 구체적으로는, 원료 가스 흡착 영역과 산화 영역의 사이, 및 플라스마 처리 영역과 원료 가스 흡착 영역의 사이에, 처리실의 천장면으로부터 하방으로 돌출되어 천장면과 회전 테이블의 상면의 사이를 좁게 한 분리 영역을 형성함과 함께, 분리 영역의 중앙 부근으로부터 분리 가스를 회전 테이블을 향해서 공급하여, 분리 가스에 의한 고압의 압력 벽을 형성해서 각 영역을 분리하고 있다. 따라서, 1개의 처리실 내에, 복수의 처리 영역이 압력 벽을 사이에 두고 형성되어 있는 구성이므로, 원료 가스 흡착 영역을 흡착에 유리한 수Torr 레벨의 고압대로 설정하고, 플라스마 처리 영역을 플라스마 방전 및 개질에 유리한 수10mmTorr 레벨의 저압대로 설정하는 압력의 제어는 곤란하다. 실제로는, 플라스마 처리 영역도 1Torr 이상의 고압대로 사용되고 있는 경우가 많다. 1Torr 이상의 고압대에서는, 유도 결합 플라스마(ICP, Inductively-Coupled Plasma)와 같은 고밀도 플라스마의 경우, 방전에 불리하게 작용하는 경우가 많다. 또한, 플라스마에 의한 디바이스 웨이퍼에 대한 차지 업 대미지 대책으로서, 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같은 패러데이 실드를 설치하고, 전계 성분을 커트해서 자계 성분 주체의 유도 결합 플라스마를 이용하는 경우에는, 더욱 고압 방전이 곤란해진다.
이 때문에, 처리실 내에서 웨이퍼를 처리해서 반출하고, 다음 웨이퍼를 처리실 내에 반입해서 처리를 개시할 때, 플라스마의 착화 시간이 길어지는 경우가 있었다. 이러한 착화 지연은, 스루풋을 저하시켜, 생산성을 악화시켜버린다. 또한, 특허문헌 1에 기재한 회전 테이블식 ALD 성막 장치 이외의 성막 장치의 경우에도, 플라스마 처리 영역의 방전 환경이 양호하지 않을 경우에는, 마찬가지의 현상이 발생할 수 있다.
그래서, 본 발명은, 처리실 내의 기판을 교환해서 성막 장치의 운전을 개시할 때, 플라스마 착화 지연을 방지하고, 안정적으로 플라스마 착화를 행하면서, 각 운전간의 플라스마의 착화 시간을 대략 일정하게 할 수 있는 성막 방법 및 성막 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 형태에 관한 성막 방법은, 처리실 내의 미리 결정된 플라스마 처리 영역에서 플라스마원에 의해 생성된 산소 라디칼을 사용해서 기판 상에 성막된 산화막을 개질하는 개질 공정과,
상기 기판 상에 대한 산화막의 성막이 종료되면, 상기 플라스마 처리 영역 내를 플라스마가 착화하기 쉬운 상태로 하는 착화 준비 공정을 갖는다.
본 발명의 다른 형태에 관한 성막 장치는, 처리실과, 처리실 내에 마련되고, 둘레 방향을 따라 상면에 기판을 적재 가능한 회전 테이블과, 해당 회전 테이블에 원료 가스를 공급 가능한 원료 가스 공급부와, 상기 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블에 산화 가스를 공급 가능한 산화 가스 공급부와, 상기 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블에 플라스마 처리 가스를 공급 가능한 플라스마 처리 가스 공급부와, 해당 플라스마 처리 가스 공급부를 상방 및 측방으로부터 둘러싸는 플라스마 처리 영역과, 해당 플라스마 처리 영역 내에서 플라스마를 발생시키는 플라스마원과, 상기 회전 테이블을 회전시키면서 상기 원료 가스 공급부로부터 원료 가스, 상기 산화 가스 공급부로부터 산화 가스를 공급해서 상기 기판 상에 산화막을 성막하는 성막 공정과, 상기 플라스마원을 구동해서 상기 플라스마 처리 가스 공급부로부터 산소 가스를 포함하는 플라스마 처리 가스를 공급해서 상기 산화막을 개질하는 개질 공정을 교대로 실시하고, 상기 성막 공정 및 상기 개질 공정 종료 후에, 상기 원료 가스 및 상기 산화 가스의 공급을 정지시킴과 함께, 상기 플라스마원을 구동한 채 상기 플라스마 처리 가스 공급부로부터 산소 가스의 공급을 정지시키고, 수소 원자 함유 가스를 공급시키는 플라스마 착화 준비 공정을 실시하는 제어를 행하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 성막 장치를 연속 운전할 때, 각 운전에서의 플라스마 착화 지연을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 일례의 개략 종단면도를 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시 형태에 따른 성막 장치의 일례의 개략 평면도를 도시한 도면이다.
도 3은 분리 영역으로부터 제1 처리 영역을 거쳐서 분리 영역까지의 단면도이다.
도 4는 본 실시 형태에서의 플라스마원의 일례의 종단면도이다.
도 5는 본 실시 형태에서의 플라스마원의 일례의 분해 사시도이다.
도 6은 본 실시 형태에서의 플라스마원에 마련되는 하우징의 일례의 사시도를 나타낸다.
도 7은 회전 테이블의 회전 방향을 따라서 진공 용기를 절단한 종단면도를 도시한 도면이다.
도 8은 플라스마 처리 영역에 마련된 플라스마 처리 가스 노즐을 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 9는 플라스마원의 일례의 평면도이다.
도 10은 플라스마원에 마련되는 패러데이 실드의 일부를 도시하는 사시도를 나타낸다.
도 11은 아르곤 가스의 이온화 전자 에너지를 도시한 도면이다.
도 12는 산소 가스의 이온화 전자 에너지를 도시한 도면이다.
도 13은 본 실시 형태에 따른 성막 방법의 처리 흐름도이다.
도 14는 본 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시한 실시예 1 내지 4에 대한 실시 조건과 결과를 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명을 실시하기 위한 형태의 설명을 행한다.
[성막 장치]
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치의 일례의 개략 종단면도를 도시한다. 또한, 도 2에, 본 실시 형태에 따른 성막 장치의 일례의 개략 평면도를 나타낸다. 또한, 도 2에서는, 설명의 편의상, 천장판(11)의 묘화를 생략하였다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 장치는, 평면 형상이 대략 원형인 진공 용기(1)와, 이 진공 용기(1) 내에 마련되고, 진공 용기(1)의 중심에 회전 중심을 가짐과 함께 웨이퍼(W)를 공전시키기 위한 회전 테이블(2)을 구비하고 있다.
진공 용기(1)는, 웨이퍼(W)를 수용해서 웨이퍼(W)의 표면 상에 성막 처리를 실시하여, 박막을 퇴적시키기 위한 처리실이다. 진공 용기(1)는, 회전 테이블(2)의 후술하는 오목부(24)에 대향하는 위치에 마련된 천장판(천장부)(11)과, 용기 본체(12)를 구비하고 있다. 또한, 용기 본체(12)의 상면의 주연부에는, 링 형상으로 마련된 시일 부재(13)가 마련되어 있다. 그리고, 천장판(11)은, 용기 본체(12)로부터 착탈 가능하게 구성되어 있다. 평면으로 보면 진공 용기(1)의 직경 치수(내경 치수)는 한정되지 않지만, 예를 들어 1100mm 정도로 할 수 있다.
진공 용기(1) 내의 상면측에서의 중앙부에는, 진공 용기(1) 내의 중심부 영역(C)에서 서로 다른 처리 가스끼리 혼합되는 것을 억제하기 위해서 분리 가스를 공급하는, 분리 가스 공급관(51)이 접속되어 있다.
회전 테이블(2)은, 중심부에서 대략 원통 형상의 코어부(21)에 고정되어 있고, 이 코어부(21)의 하면에 접속됨과 함께 연직 방향으로 신장되는 회전축(22)에 대하여, 연직축 주위, 도 2에 도시하는 예에서는 시계 방향으로, 구동부(23)에 의해 회전 가능하게 구성되어 있다. 회전 테이블(2)의 직경 치수는, 한정되지 않지만, 예를 들어 1000mm 정도로 할 수 있다.
회전축(22) 및 구동부(23)는, 케이스체(20)에 수납되어 있고, 이 케이스체(20)는, 상면측의 플랜지 부분이 진공 용기(1)의 저면부(14)의 하면에 기밀하게 설치되어 있다. 또한, 이 케이스체(20)에는, 회전 테이블(2)의 하방 영역에 Ar 가스 등을 퍼지 가스(분리 가스)로서 공급하기 위한 퍼지 가스 공급관(72)이 접속되어 있다.
진공 용기(1)의 저면부(14)에서의 코어부(21)의 외주측은, 회전 테이블(2)에 하방측으로부터 근접하도록 링 형상으로 형성되어 돌출부(12a)를 이루고 있다.
회전 테이블(2)의 표면부에는, 직경 치수가 예를 들어 300mm인 웨이퍼(W)를 적재하기 위한 원 형상의 오목부(24)이 기판 적재 영역으로서 형성되어 있다. 이 오목부(24)는, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라서, 복수 개소, 예를 들어 5군데에 마련되어 있다. 오목부(24)는, 웨이퍼(W)의 직경보다도 약간, 구체적으로는 1mm 내지 4mm 정도 큰 지름을 갖는다. 또한, 오목부(24)의 깊이는, 웨이퍼(W)의 두께와 거의 동등하거나, 또는 웨이퍼(W)의 두께보다도 크게 구성된다. 따라서, 웨이퍼(W)가 오목부(24)에 수용되면, 웨이퍼(W)의 표면과, 회전 테이블(2)의 웨이퍼(W)가 적재되지 않는 평탄 영역의 표면이 동일한 높이로 되거나, 웨이퍼(W)의 표면이 회전 테이블(2)의 표면보다도 낮아진다. 또한, 오목부(24)의 저면에는, 웨이퍼(W)를 하방측으로부터 밀어올려 승강시키기 위한 예를 들어 후술하는 3개의 승강 핀이 관통하는, 도시하지 않은 관통 구멍이 형성되어 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라서, 제1 처리 영역(P1)과, 제2 처리 영역(P2)과, 제3 처리 영역(P3)이 서로 이격해서 마련된다. 또한, 회전 테이블(2)에서의 오목부(24)의 통과 영역과 대향하는 위치에는, 예를 들어 석영으로 이루어지는 복수개, 예를 들어 7개의 가스 노즐(31, 32, 33, 34, 35, 41, 42)이 진공 용기(1)의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 방사형으로 배치되어 있다. 이들 각각의 가스 노즐(31 내지 35, 41, 42)은, 회전 테이블(2)과 천장판(11)의 사이에 배치된다. 또한, 이들 각각의 가스 노즐(31 내지 34, 41, 42)은, 예를 들어 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심부 영역(C)을 향해서 회전 테이블(2)에 대향해서 수평하게 신장되도록 설치되어 있다. 한편, 가스 노즐(35)은, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심 영역(C)을 향해서 연장된 후, 굴곡되어 직선적으로 중심부 영역(C)을 따르도록 반시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향의 반대 방향)으로 연장되어 있다. 도 2에 도시하는 예에서는, 후술하는 반송구(15)로부터 시계 방향(회전 테이블(2)의 회전 방향)으로, 플라스마 처리 가스 노즐(33, 34), 플라스마 처리 가스 노즐(35), 분리 가스 노즐(41), 제1 처리 가스 노즐(31), 분리 가스 노즐(42), 제2 처리 가스 노즐(32)이 이 순번으로 배열되어 있다. 또한, 제2 처리 가스 노즐(32)에서 공급되는 가스는, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)에서 공급되는 가스와 동질의 가스가 공급되는 경우가 많지만, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)에서 당해 가스의 공급이 충분할 경우에는, 반드시 마련되지 않아도 된다.
또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)은, 하나의 플라스마 처리 가스 노즐로 대용해도 된다. 이 경우, 예를 들어 제2 처리 가스 노즐(32)과 마찬가지로, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 중심 영역(C)을 향해서 연장된 플라스마 처리 가스 노즐을 마련하도록 해도 된다.
제1 처리 가스 노즐(31)은, 제1 처리 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 제2 처리 가스 노즐(32)은, 제2 처리 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)은, 각각 플라스마 처리용 가스 공급부를 이루고 있다. 또한, 분리 가스 노즐(41, 42)은, 각각 분리 가스 공급부를 이루고 있다.
각 가스 노즐(31 내지 35, 41, 42)은, 유량 조정 밸브를 통해서, 도시하지 않은 각각의 가스 공급원에 접속되어 있다.
이들 가스 노즐(31 내지 35, 41, 42)의 하면측(회전 테이블(2)에 대향하는 측)에는, 상술한 각 가스를 토출하기 위한 가스 토출 구멍(36)이 회전 테이블(2)의 반경 방향을 따라서 복수 개소에 예를 들어 등간격으로 형성되어 있다. 각 가스 노즐(31 내지 35, 41, 42) 각각의 하단 에지와 회전 테이블(2)의 표면의 이격 거리가 예를 들어 1 내지 5mm 정도로 되도록 배치되어 있다.
제1 처리 가스 노즐(31)의 하방 영역은, 원료 가스를 웨이퍼(W)에 흡착시키기 위한 제1 처리 영역(P1)이며, 제2 처리 가스 노즐(32)의 하방 영역은, 원료 가스를 산화해서 산화물을 생성 가능한 산화 가스를 웨이퍼(W)에 공급하는 제2 처리 영역(P2)이다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)의 하방 영역은, 웨이퍼(W) 상의 막의 개질 처리를 행하기 위한 제3 처리 영역(P3)이 된다.
또한, 제1 처리 가스 노즐(31)은, 실리콘 산화막을 성막하는 경우에는 실리콘 함유 가스, 금속 산화막을 성막하는 경우에는 금속 함유 가스와 같이, 박막의 주성분이 되는 원료를 포함한 원료 가스(전구체)를 공급하는 노즐이다. 따라서, 제1 처리 가스 노즐(31)을, 원료 가스 노즐(31)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 제1 처리 영역(P1)은, 원료 가스를 웨이퍼(W) 상에 흡착시키는 영역이기 때문에, 원료 가스 흡착 영역(P1)이라고 칭해도 되는 것으로 한다.
마찬가지로, 제2 처리 가스 노즐(32)은, 산화막을 성막하는 경우에, 산소, 오존, 물, 과산화수소와 같은 산화 가스를 웨이퍼(W)에 공급하므로, 산화 가스 노즐(32)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 제2 처리 영역(P2)은, 제1 처리 영역(P1)에서 원료 가스가 흡착된 웨이퍼(W)에 산화 가스를 공급해서 웨이퍼(W)에 흡착된 원료 가스를 산화하는 영역이므로, 산화 영역(P2)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 산화 영역(P2)에서, 산화막의 분자층이 웨이퍼(W) 상에 퇴적된다.
또한, 제3 처리 영역(P3)은, 제2 처리 영역(P2)에서 형성된 산화막의 분자층을 플라스마 처리하여, 산화막을 개질하는 영역이므로, 플라스마 처리 영역(P3)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 산화막을 성막하므로, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)로부터 공급되는 플라스마 처리 가스는, 적어도 산소 가스를 포함한 가스이다.
분리 가스 노즐(41, 42)은, 제1 처리 영역(P1)과 제3 처리 영역(P3) 및 제2의 처리 영역(P2)과 제1 처리 영역(P1)을 분리하는 분리 영역(D)을 형성하기 위해서 마련된다. 분리 가스 노즐(41, 42)로부터 공급되는 분리 가스는, 질소 등의 불활성 가스, 헬륨, 아르곤 등의 희가스이다. 분리 가스는, 퍼지 가스로서도 기능하므로, 분리 가스를 퍼지 가스라고 칭해도 되고, 분리 가스 노즐(41, 42)을 퍼지 가스 노즐(41, 42)이라고 칭해도 되는 것으로 한다. 또한, 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3)의 사이에는 분리 영역(D)은 마련되어 있지 않다. 제2 처리 영역(P2)에서 공급하는 산화 가스와, 제3 처리 영역(P3)에서 공급하는 혼합 가스는, 혼합 가스에 포함되어 있는 산소 가스가 공통으로 산소 원자를 포함하고 있어, 양쪽 모두 산화제로서 기능하고 있으므로, 분리 가스를 사용해서 제2 처리 영역(P2)과 제3 처리 영역(P3)을 분리할 필요가 없기 때문이다.
또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)은, 회전 테이블(2) 상의 상이한 영역에 가스를 공급하는 구조로 되어 있으므로, 영역별로, 혼합 가스의 각 성분의 유량비를 상이하게 하여, 개질 처리가 전체적으로 균일하게 행해지도록 공급해도 된다.
도 3에, 본 실시 형태에 따른 성막 장치의 회전 테이블의 동심원을 따른 단면도를 도시한다. 또한, 도 3은, 분리 영역(D)으로부터 제1 처리 영역(P1)을 거쳐서 분리 영역(D)까지의 단면도이다.
분리 영역(D)에서의 진공 용기(1)의 천장판(11)에는, 대략 부채형의 볼록 형상부(4)가 마련되어 있다. 볼록 형상부(4)는, 천장판(11)의 이면에 설치되어 있고, 진공 용기(1) 내에는, 볼록 형상부(4)의 하면인 평탄한 낮은 천장면(44)(제1 천장면)과, 이 천장면(44)의 둘레 방향 양측에 위치하는, 천장면(44)보다도 높은 천장면(45)(제2 천장면)이 형성된다.
천장면(44)을 형성하는 볼록 형상부(4)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 정상부가 원호 형상으로 절단된 부채형의 평면 형상을 갖고 있다. 또한, 볼록 형상부(4)에는, 둘레 방향 중앙에 있어서, 반경 방향으로 신장되도록 형성된 홈부(43)가 형성되고, 분리 가스 노즐(41, 42)이 이 홈부(43) 내에 수용되어 있다. 또한, 볼록 형상부(4)의 주연부(진공 용기(1)의 내연측의 부위)는, 각 처리 가스끼리의 혼합을 저지하기 위해서, 회전 테이블(2)의 외측 단부면에 대향함과 함께 용기 본체(12)에 대하여 약간 이격하도록, L자형으로 굴곡되어 있다.
제1 처리 가스 노즐(31)의 상방측에는, 제1 처리 가스를 웨이퍼(W)를 따라 통류시키기 위해서, 또한 분리 가스가 웨이퍼(W)의 근방을 피해서 진공 용기(1)의 천장판(11)측을 통류하도록, 노즐 커버(230)가 마련되어 있다. 노즐 커버(230)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 제1 처리 가스 노즐(31)을 수납하기 위해서 하면측이 개구되는 대략 상자형의 커버체(231)와, 이 커버체(231)의 하면측 개구단부에서의 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측 및 하류측에 각각 접속된 판상체인 정류판(232)을 구비하고 있다. 또한, 회전 테이블(2)의 회전 중심측에서의 커버체(231)의 측벽면은, 제1 처리 가스 노즐(31)의 선단부에 대향하도록 회전 테이블(2)을 향해서 연장되어 있다. 또한, 회전 테이블(2)의 외연측에서의 커버체(231)의 측벽면은, 제1 처리 가스 노즐(31)에 간섭하지 않도록 절결되어 있다. 또한, 노즐 커버(230)는, 필수가 아니며, 필요에 따라서 마련되어도 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)의 상방측에는, 진공 용기(1) 내로 토출되는 플라스마 처리용 가스를 플라스마화하기 위해서, 플라스마원(80)이 마련되어 있다.
도 4에, 본 실시 형태에 따른 플라스마원(80)의 일례의 종단면도를 도시한다. 또한, 도 5에, 본 실시 형태에 따른 플라스마원(80)의 일례의 분해 사시도를 나타낸다. 또한, 도 6에, 본 실시 형태에 따른 플라스마원(80)에 마련되는 하우징의 일례의 사시도를 나타낸다.
플라스마원(80)은, 금속선 등으로 형성되는 안테나(83)를 코일 형상으로 예를 들어 연직축 주위로 3중으로 권회해서 구성되어 있다. 또한, 플라스마원(80)은, 평면으로 보아 회전 테이블(2)의 직경 방향으로 신장되는 띠 형상체 영역을 둘러싸도록, 또한 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)의 직경 부분을 걸치도록 배치되어 있다.
안테나(83)는, 정합기(84)를 거쳐서 주파수가 예를 들어 13.56MHz 및 출력 전력이 예를 들어 5000W인 고주파 전원(85)에 접속되어 있다. 그리고, 안테나(83)는, 진공 용기(1)의 내부 영역으로부터 기밀하게 구획되도록 마련되어 있다. 또한, 도 4 및 도 5에서, 안테나(83)와 정합기(84) 및 고주파 전원(85)을 전기적으로 접속하기 위한 접속 전극(86)이 마련되어 있다.
또한, 안테나(83)는, 상하로 절곡 가능한 구성, 안테나(83)를 자동적으로 상하로 절곡 가능한 상하 이동 기구, 회전 테이블(2)의 중심측의 개소를 상하 이동 가능한 기구를 필요에 따라서 구비해도 된다. 도 4에서는 그것들의 구성은 생략되어 있다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)의 상방측에서의 천장판(11)에는, 평면으로 보아 대략 부채형으로 개구되는 개구부(11a)가 형성되어 있다.
개구부(11a)에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 개구부(11a)의 개구 에지부를 따라, 이 개구부(11a)에 기밀하게 마련되는 환형 부재(82)가 형성된다. 후술하는 하우징(90)은, 이 환형 부재(82)의 내주면측에 기밀하게 마련된다. 즉, 환형 부재(82)는, 외주측이 천장판(11)의 개구부(11a)의 내주면(11b)과 접촉함과 함께, 내주측이 후술하는 하우징(90)의 플랜지부(90a)에 접촉해서 기밀하게 마련된다. 그리고, 이 환형 부재(82)가 개재되어, 개구부(11a)에는, 안테나(83)를 천장판(11)보다도 하방측에 위치시키기 위해서, 예를 들어 석영 등의 유도체에 의해 구성된 하우징(90)이 마련된다. 하우징(90)의 하면은, 플라스마 처리 영역(P3)의 천장면(46)을 구성한다.
하우징(90)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상방측의 주연부가 둘레 방향에 걸쳐서 플랜지 형상으로 수평하게 신장되어 플랜지부(90a)를 이룸과 함께, 평면으로 보아, 중앙부가 하방측의 진공 용기(1)의 내부 영역을 향해서 오목해지도록 형성되어 있다.
하우징(90)은, 이 하우징(90)의 하방에 웨이퍼(W)가 위치한 경우에, 회전 테이블(2)의 직경 방향에서의 웨이퍼(W)의 직경 부분을 걸치도록 배치되어 있다. 또한, 환형 부재(82)와 플랜지부(90a)의 사이에는, O-링 등의 시일 부재(11c)가 마련된다(도 4 참조).
진공 용기(1)의 내부 분위기는, 환형 부재(82) 및 하우징(90)가 개재되어 기밀하게 설정되어 있다. 구체적으로는, 환형 부재(82) 및 하우징(90)을 개구부(11a) 내에 끼워 삽입하고, 이어서 환형 부재(82) 및 하우징(90)의 상면이며, 환형 부재(82) 및 하우징(90)의 접촉부를 따르도록 프레임 형상으로 형성된 압박 부재(91)에 의해 하우징(90)을 하방측을 향해서 둘레 방향에 걸쳐 압박한다. 또한, 이 압박 부재(91)를 도시하지 않은 볼트 등에 의해 천장판(11)에 고정한다. 이에 의해, 진공 용기(1)의 내부 분위기는 기밀하게 설정된다. 또한, 도 5에서는, 도시의 간소화를 위해서, 환형 부재(82)를 생략해서 나타내고 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(90)의 하면에는, 당해 하우징(90)의 하방측의 플라스마 처리 영역(P3)을 둘레 방향을 따라 둘러싸도록, 회전 테이블(2)을 향해서 수직으로 신장되는 돌기부(92)가 형성되어 있다. 그리고, 이 돌기부(92)의 내주면, 하우징(90)의 하면 및 회전 테이블(2)의 상면에 의해 둘러싸인 영역에는, 상술한 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)이 수납되어 있다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)의 기단부(진공 용기(1)의 내벽측)에서의 돌기부(92)는, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)의 외형을 따르도록 대략 원호 형상으로 절결되어 있다.
하우징(90)의 하면(플라스마 처리 영역(P3)측)측에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 돌기부(92)가 둘레 방향에 걸쳐서 형성되어 있다. 시일 부재(11c)는, 이 돌기부(92)에 의해, 플라스마에 직접 노출되지 않고, 즉, 플라스마 처리 영역(P3)으로부터 격리되어 있다. 그 때문에, 플라스마 처리 영역(P3)으로부터 플라스마가 예를 들어 시일 부재(11c)측에 확산하려고 해도, 돌기부(92)의 하방을 경유해 나가게 되므로, 시일 부재(11c)에 도달하기 전에 플라스마가 실활하게 된다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 하우징(90)의 하방의 제3 처리 영역(P3) 내에는, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)이 마련되고, 아르곤 가스 공급원(140), 수소 가스 공급원(141), 산소 가스 공급원(142) 및 암모니아 가스 공급원(143)에 접속되어 있다. 여기서, 수소 가스 공급원(141)과 암모니아 가스 공급원(143)은, 어느 한쪽이 마련되어 있으면 되며, 반드시 양쪽 모두 마련되어 있지 않아도 된다.
또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)과 아르곤 가스 공급원(140), 수소 가스 공급원(141), 산소 가스 공급원(142) 및 암모니아 가스 공급원(143)의 사이에는, 각각에 대응하는 유량 제어기(130, 131, 132, 133)가 마련되어 있다. 아르곤 가스 공급원(140), 수소 가스 공급원(141), 산소 가스 공급원(142) 및 암모니아 가스 공급원(143)으로부터 각각 유량 제어기(130, 131, 132, 133)를 통해서 Ar 가스, H2 가스, O2 가스 및 NH3 가스가 미리 결정된 유량비(혼합비)로 각 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)에 공급되고, 공급되는 영역에 따라서 Ar 가스, H2 가스, O2 가스 및 NH3 가스의 혼합비가 정해진다. 단, 상술한 바와 같이, 수소 가스 공급원(141) 및 암모니아 가스 공급원(143) 중, 어느 한쪽만이 마련되는 경우에는, 유량 제어기(131, 133)도, 마련되는 쪽의 한쪽에 맞춰서 마련되면 충분하다. 또한, 유량 제어기(130 내지 133)에는, 예를 들어 매스 플로우 컨트롤러가 사용되어도 된다.
또한, 플라스마 처리 가스 노즐이 1개인 경우에는, 예를 들어 상술한 Ar 가스, H2 가스 또는 NH3 가스, 및 O2 가스의 혼합 가스를 1개의 플라스마 처리 가스 노즐에 공급하도록 한다.
도 7은, 회전 테이블(2)의 회전 방향을 따라서 진공 용기(1)를 절단한 종단면도를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 플라스마 처리 중에는 회전 테이블(2)이 시계 방향으로 회전하므로, Ar 가스가 이 회전 테이블(2)의 회전에 연동되어 회전 테이블(2)과 돌기부(92)의 사이의 간극으로부터 하우징(90)의 하방측에 침입하려고 한다. 그 때문에, 간극을 통해서 하우징(90)의 하방측에의 Ar 가스의 침입을 저지하기 위해서, 간극의 위치에 대하여 하우징(90)의 하방측으로부터 가스를 토출시키고 있다. 구체적으로는, 플라스마 처리 가스 노즐(33)의 가스 토출 구멍(36)에 대해서, 도 4 및 도 7에 도시하는 바와 같이, 이 간극을 향하도록, 즉 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측이면서 또한 하방을 향하도록 배치하고 있다. 연직축에 대한 플라스마 처리 가스 노즐(33)의 가스 토출 구멍(36)이 향하는 각도 θ는, 도 7에 도시하는 바와 같이 예를 들어 45° 정도이어도 되고, 돌기부(92)의 내주면에 대향하도록, 90° 정도이어도 된다. 즉, 가스 토출 구멍(36)이 향하는 각도 θ는, Ar 가스의 침입을 적절하게 방지할 수 있는 45° 내지 90° 정도의 범위 내에서 용도에 따라 설정할 수 있다.
도 8은, 플라스마 처리 영역(P3)에 마련된 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)을 확대해서 도시한 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 플라스마 처리 가스 노즐(33)은, 웨이퍼(W)가 배치되는 오목부(24)의 전체를 커버할 수 있어, 웨이퍼(W)의 전체면에 플라스마 처리용 가스를 공급 가능한 노즐이다. 한편, 플라스마 처리 가스 노즐(34)은, 플라스마 처리 가스 노즐(33)보다도 약간 상방으로, 플라스마 처리 가스 노즐(33)과 대략 겹치게 마련된, 플라스마 처리 가스 노즐(33)의 절반 정도의 길이를 갖는 노즐이다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(35)은, 진공 용기(1)의 외주벽으로부터 부채형의 플라스마 처리 영역(P3)의 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측의 반경을 따르도록 연장되어, 중심 영역(C) 부근에 도달하면 중심 영역(C)을 따르도록 직선적으로 굴곡된 형상을 갖고 있다. 이후, 구별의 용이를 위해서, 오목부 전체를 커버하는 플라스마 처리 가스 노즐(33)을 베이스 노즐(33), 해당 오목부의 외측만 커버하는 플라스마 처리 가스 노즐(34)을 외측 노즐(34), 중심 영역(C)까지 연장된 플라스마 처리 가스 노즐(35)을 축측 노즐(35)이라고 칭해도 되는 것으로 한다.
베이스 노즐(33)은, 플라스마 처리용 가스를 웨이퍼(W)의 전체면에 공급하기 위한 가스 노즐이며, 도 7에서 설명한 바와 같이, 플라스마 처리 영역(P3)을 구획하는 측면을 구성하는 돌기부(92)쪽을 향해서 플라스마 처리용 가스를 토출한다.
한편, 외측 노즐(34)은, 웨이퍼(W)의 외측 영역에 중점적으로 플라스마 처리용 가스를 공급하기 위한 노즐이다.
축측 노즐(35)은, 웨이퍼(W)의 회전 테이블(2)의 회전축에 가까운 중심 영역에 플라스마 처리용 가스를 중점적으로 공급하기 위한 노즐이다.
또한, 플라스마 처리 가스 노즐을 하나로 할 경우에는, 베이스 노즐(33)만을 마련하도록 하면 된다.
이어서, 플라스마원(80)의 패러데이 실드(95)에 대해서, 보다 상세하게 설명한다. 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 하우징(90)의 오목한 중앙부에는, 당해 하우징(90)의 내부 형상을 대략 따르도록 형성된 도전성의 판상체인 금속판 예를 들어 구리 등으로 이루어지는, 접지된 패러데이 실드(95)가 수납되어 있다. 이 패러데이 실드(95)는, 하우징(90)의 저면을 따르도록 수평하게 걸림 지지된 수평면(95a)과, 이 수평면(95a)의 외측 종단부로부터 둘레 방향에 걸쳐서 상방측으로 신장되는 수직면(95b)을 구비하고 있고, 평면으로 보아 예를 들어 대략 육각형이 되도록 구성되어 있어도 된다.
도 9는, 안테나(83)의 구조의 상세 및 상하 이동 기구를 생략한 플라스마원(80)의 일례의 평면도이다. 도 10은, 플라스마원(80)에 마련되는 패러데이 실드(95)의 일부를 도시하는 사시도를 나타낸다.
회전 테이블(2)의 회전 중심에서 패러데이 실드(95)를 본 경우의 우측 및 좌측에서의 패러데이 실드(95)의 상단 에지는, 각각, 우측 및 좌측으로 수평하게 신장되어 지지부(96)를 이루고 있다. 그리고, 패러데이 실드(95)와 하우징(90)의 사이에는, 지지부(96)를 하방측으로부터 지지함과 함께 하우징(90)의 중심부 영역(C)측 및 회전 테이블(2)의 외측 에지부측의 플랜지부(90a)에 각각 지지되는 프레임 형상체(99)가 마련되어 있다(도 5 참조).
전계가 웨이퍼(W)에 도달할 경우, 웨이퍼(W)의 내부에 형성되어 있는 전기 배선 등이 전기적으로 대미지를 받아버리는 경우가 있다. 그 때문에, 도 10에 도시하는 바와 같이, 수평면(95a)에는, 안테나(83)에서 발생하는 전계 및 자계(전자계) 중 전계 성분이 하방의 웨이퍼(W)를 향하는 것을 저지함과 함께, 자계 성분을 웨이퍼(W)에 도달시키기 위해서, 다수의 슬릿(97)이 형성되어 있다.
슬릿(97)은, 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 안테나(83)의 권회 방향에 대하여 직교하는 방향으로 신장되도록, 둘레 방향에 걸쳐서 안테나(83)의 하방 위치에 형성되어 있다. 여기서, 슬릿(97)은, 안테나(83)에 공급되는 고주파에 대응하는 파장의 1/10000 이하 정도의 폭 치수가 되도록 형성되어 있다. 또한, 각각의 슬릿(97)의 길이 방향에서의 일단측 및 타단측에는, 이들 슬릿(97)의 개구단부를 막도록, 접지된 도전체 등으로 형성되는 도전로(97a)가 둘레 방향에 걸쳐서 배치되어 있다. 패러데이 실드(95)에 있어서 이들 슬릿(97)의 형성 영역으로부터 벗어난 영역, 즉, 안테나(83)가 권회된 영역의 중앙측에는, 당해 영역을 통해서 플라스마의 발광 상태를 확인하기 위한 개구부(98)가 형성되어 있다. 또한, 도 7에서는, 간단화를 위해서, 슬릿(97)을 생략하고 있으며, 슬릿(97)의 형성 영역 예를, 일점쇄선으로 나타내고 있다.
도 5에 도시한 바와 같이, 패러데이 실드(95)의 수평면(95a) 상에는, 패러데이 실드(95)의 상방에 적재되는 플라스마원(80)과의 사이의 절연성을 확보하기 위해서, 두께 치수가 예를 들어 2mm 정도의 석영 등으로 형성되는 절연판(94)이 적층되어 있다. 즉, 플라스마원(80)은, 하우징(90), 패러데이 실드(95) 및 절연판(94)을 통해서 진공 용기(1)의 내부(회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W))를 덮도록 배치되어 있다.
다시, 본 실시 형태에 따른 성막 장치의 다른 구성 요소에 대해서 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전 테이블(2)의 외주측에 있어서, 회전 테이블(2)보다도 하방의 위치에는, 커버체인 사이드 링(100)이 배치되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 사이드 링(100)의 상면에는, 서로 둘레 방향으로 이격하도록 예를 들어 2군데에 배기구(61, 62)가 형성되어 있다. 다른 표현으로 하면, 진공 용기(1)의 저면에는, 2개의 배기구가 형성되고, 이들 배기구에 대응하는 위치에서의 사이드 링(100)에는, 배기구(61, 62)가 형성되어 있다.
본 실시 형태에서는, 배기구(61, 62) 중 한쪽 및 다른 쪽을, 각각 제1 배기구(61), 제2 배기구(62)라고 칭한다. 여기서는, 제1 배기구(61)는, 제1 처리 가스 노즐(31)과, 이 제1 처리 가스 노즐(31)에 대하여, 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측에 위치하는 분리 영역(D)과의 사이에서, 분리 영역(D)측에 치우친 위치에 형성되어 있다. 또한, 제2 배기구(62)는, 플라스마원(80)과, 이 플라스마원(80)보다도 회전 테이블(2)의 회전 방향 하류측의 분리 영역(D)과의 사이에서, 분리 영역(D)측에 치우친 위치에 형성되어 있다.
제1 배기구(61)는, 제1 처리 가스나 분리 가스를 배기하기 위한 것이고, 제2 배기구(62)는, 플라스마 처리용 가스나 분리 가스를 배기하기 위한 것이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 이들 제1 배기구(61) 및 제2 배기구(62)는, 각각 버터플라이 밸브 등의 압력 조정부(65)가 개재 설치된 배기관(63)에 의해, 진공 배기 기구인 예를 들어 진공 펌프(64)에 접속되어 있다.
상술한 바와 같이, 중심부 영역(C)측으로부터 회전 테이블(2)의 외연측에 걸쳐서 하우징(90)을 배치하고 있기 때문에, 처리 영역(P2)에 대하여 회전 테이블(2)의 회전 방향 상류측으로부터 통류해 오는 가스는, 이 하우징(90)에 의해 배기구(62)를 향하려고 하는 가스류에 의해 규제되어버리는 경우가 있다. 그 때문에, 하우징(90)보다도 외주측에서의 사이드 링(100)의 상면에는, 가스가 흐르기 위한 홈 형상의 가스 유로(101)가 형성되어 있다.
천장판(11)의 하면에서의 중앙부에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 볼록 형상부(4)에서의 중심부 영역(C)측의 부위와 연속해서 둘레 방향에 걸쳐 대략 링 형상으로 형성됨과 함께, 그 하면이 볼록 형상부(4)의 하면(천장면(44))과 동일한 높이로 형성된 돌출부(5)가 마련되어 있다. 이 돌출부(5)보다도 회전 테이블(2)의 회전 중심측에서의 코어부(21)의 상방측에는, 중심부 영역(C)에서 각종 가스가 서로 혼합되는 것을 억제하기 위한 래비린스 구조부(110)가 배치되어 있다.
상술한 바와 같이 하우징(90)은, 중심부 영역(C)측에 치우친 위치까지 형성되어 있으므로, 회전 테이블(2)의 중앙부를 지지하는 코어부(21)는, 회전 테이블(2)의 상방측 부위가 하우징(90)을 피하도록 회전 중심측에 형성되어 있다. 그 때문에, 중심부 영역(C)측에서는, 외연측보다도, 각종 가스끼리 혼합되기 쉬운 상태로 되어 있다. 그 때문에, 코어부(21)의 상방측에 래비린스 구조부(110)을 형성함으로써, 가스의 유로를 확보하여, 가스끼리 혼합되는 것을 방지할 수 있다.
회전 테이블(2)과 진공 용기(1)의 저면부(14)의 사이의 공간에는, 도 1에 도시한 바와 같이, 가열 기구인 히터 유닛(7)이 마련되어 있다. 히터 유닛(7)은, 회전 테이블(2)을 통해서 회전 테이블(2) 상의 웨이퍼(W)를 예를 들어 실온 내지 700℃ 정도로 가열할 수 있는 구성으로 되어 있다. 또한, 도 1에, 히터 유닛(7)의 측방측에 커버 부재(71a)가 마련됨과 함께, 히터 유닛(7)의 상방측을 덮는 덮개 부재(7a)가 마련된다. 또한, 진공 용기(1)의 저면부(14)에는, 히터 유닛(7)의 하방측에서, 히터 유닛(7)의 배치 공간을 퍼지하기 위한 퍼지 가스 공급관(73)이, 둘레 방향에 걸쳐서 복수 개소에 마련되어 있다.
진공 용기(1)의 측벽에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 반송 암(10)과 회전 테이블(2)의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달을 행하기 위한 반송구(15)가 형성되어 있다. 이 반송구(15)는, 게이트 밸브(G)보다 기밀하게 개폐 가능하게 구성되어 있다.
회전 테이블(2)의 오목부(24)가 이 반송구(15)에 대향하는 위치에서 반송 암(10)과의 사이에서 웨이퍼(W)의 전달이 행하여진다. 그 때문에, 회전 테이블(2)의 하방측의 전달 위치에 대응하는 개소에는, 오목부(24)를 관통해서 웨이퍼(W)를 이면으로부터 들어올리기 위한 도시하지 않은 승강 핀 및 승강 기구가 마련되어 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 장치에는, 장치 전체의 동작을 제어하기 위한 컴퓨터로 이루어지는 제어부(120)가 마련되어 있다. 이 제어부(120)의 메모리 내에는, 후술하는 기판 처리를 행하기 위한 프로그램이 저장되어 있다. 이 프로그램은, 장치의 각종 동작을 실행하도록 스텝 군이 짜여져 있고, 하드 디스크, 콤팩트 디스크, 광자기 디스크, 메모리 카드, 플렉시블 디스크 등의 기억 매체인 기억부(121)로부터 제어부(120) 내에 인스톨된다.
제어부(120)는, 성막 장치가 실시하는 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 방법의 제어를 행한다. 구체적으로는, 플라스마 처리 영역(P3)이 다음 운전에서 플라스마의 착화가 용이하게 되는 상태를 만들어 내는 가스 공급 시퀀스를 실시한다. 제어부(120)는, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)에 접속되어 있는 밸브, 유량 제어기(130 내지 133)를 제어함과 함께, 원료 가스 노즐(31), 산화 가스 노즐(32)에 접속되어 있는 유량 제어기(도시하지 않음)도 제어하여, 그러한 플라스마 착화 준비 공정을 실시하는 제어를 행한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법의 상세에 대해서는 후술한다.
[성막 방법]
이하, 이러한 본 발명의 실시 형태에 따른 성막 장치를 사용한 성막 방법에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 성막 방법으로 성막 가능한 박막은, 실리콘 산화막(SiO2) 외에, TiO2, ZrO2, HfO2 등의 금속 산화막도 포함되지만, 본 실시 형태에서는, 설명의 용이를 위하여, 원료 가스로서 실리콘 함유 가스를 사용한 예를 들어서 설명한다. 산화 가스는, 상술한 바와 같이, 산소, 오존, 물, 과산화수소 등을 사용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 오존을 사용한 예에 대해서 설명한다. 또한, 플라스마 처리 가스로서는, 개질 시에는 산소를 함유하는 가스, 개질을 종료할 때는 수소 원자를 함유하는 가스라면, 다양한 가스를 사용할 수 있지만, 본 실시 형태에는, 아르곤, 산소, 수소의 혼합 가스를 플라스마 처리 가스로서 사용한 예에 대해서 설명한다. 또한, 분리 가스는, 질소 등의 불활성 가스, 또는 헬륨, 아르곤 등의 희가스를 사용할 수 있지만, 본 실시 형태에서는, 아르곤을 사용한 예에 대해서 설명한다.
먼저, 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내에 반입한다. 웨이퍼(W) 등의 기판의 반입 시에는, 우선, 게이트 밸브(G)를 개방한다. 그리고, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시키면서, 반송 암(10)에 의해 반송구(15)를 통해서 회전 테이블(2) 상에 적재한다.
이어서, 게이트 밸브(G)를 폐쇄하고, 진공 펌프(64) 및 압력 조정부(65)에 의해 진공 용기(1) 내를 미리 결정된 압력으로 한 상태에서, 회전 테이블(2)을 회전시키면서, 히터 유닛(7)에 의해 웨이퍼(W)를 미리 결정된 온도로 가열한다. 이때, 분리 가스 노즐(41, 42)로부터는, 분리 가스로서 Ar 가스가 공급된다. 이러한 일련의 제어는, 제어부(120)가 행한다.
계속해서, 제1 처리 가스 노즐(31)로부터는 실리콘 함유 가스를 공급하고, 제2 처리 가스 노즐(32)로부터는 오존 가스를 공급한다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)로부터도, 미리 결정된 유량으로 아르곤, 산소, 수소의 혼합 가스로 이루어지는 플라스마 처리 가스를 공급한다. 또한, 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)로부터 플라스마 처리 가스를 공급함과 함께, 고주파 전원(85)으로부터 안테나(83)에 고주파 전력을 공급하여, 플라스마를 생성한다.
웨이퍼(W)의 표면에서는, 회전 테이블(2)의 회전에 의해 제1 처리 영역(P1)에서 실리콘 함유 가스가 흡착되고, 이어서 제2 처리 영역(P2)에서 웨이퍼(W) 상에 흡착된 실리콘 함유 가스가, 오존 가스에 의해 산화된다. 이에 의해, 박막 성분인 실리콘 산화막(SiO2)의 분자층이 1층 또는 복수층 형성되어 웨이퍼(W) 상에 퇴적된다.
또한 회전 테이블(2)이 회전하면, 웨이퍼(W)는 플라스마 처리 영역(P3)에 도달하여, 플라스마 처리에 의한 실리콘 산화막의 개질 처리가 행하여진다. 플라스마 처리 영역(P3)에서는, 베이스 노즐(33), 외측 노즐(34), 축측 노즐(35)로부터 Ar/O2/H2의 혼합 가스를 플라스마 처리 가스로서 공급한다. 또한, 필요에 따라, 베이스 노즐(33)로부터의 공급을 기준으로 하여, 각속도가 느려 플라스마 처리량이 많아지기 쉬운 중심축측의 영역에서는, 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 혼합 가스보다도 개질력이 약해지도록 산소의 유량을 낮게 하고, 각속도가 빨라, 플라스마 처리량이 부족한 경향이 있는 외주측의 영역에서는, 베이스 노즐(33)로부터 공급되는 혼합 가스보다도 개질력이 강해지도록 산소의 유량을 높게 해도 된다. 이에 의해, 회전 테이블(2)의 각속도 영향을 적절히 조정할 수 있다.
이러한 상태에서, 회전 테이블(2)의 회전을 계속함으로써, 웨이퍼(W) 표면에의 실리콘 함유 가스의 흡착, 웨이퍼(W) 표면에 흡착된 실리콘 함유 가스 성분의 산화, 및 반응 생성물인 실리콘 산화막의 플라스마 개질이, 이 순번으로 다수회에 걸쳐서 행하여진다. 즉, ALD법에 의한 성막 처리와, 형성된 막의 개질 처리가, 회전 테이블(2)의 회전에 의해, 다수회에 걸쳐서 행하여진다.
또한, 본 실시 형태에 따른 성막 장치에서의 제1 및 제2 처리 영역(P1, P2)의 사이와, 제3 및 제1 처리 영역(P3, P1)의 사이에는, 회전 테이블(2)의 둘레 방향을 따라 분리 영역(D)을 배치하고 있다. 그 때문에, 분리 영역(D)에 있어서, 처리 가스와 플라스마 처리용 가스의 혼합이 저지되면서, 각 가스가 배기구(61, 62)를 향해서 배기되어 간다.
이러한 성막 처리 및 개질 처리를 반복하여, 실리콘 산화막이 미리 결정된 막 두께에 도달하면, 실리콘 함유 가스, 오존 가스 및 플라스마 처리 가스의 공급을 정지한다. 또는, 실리콘 함유 가스 및 오존 가스의 공급을 정지하고, 플라스마 처리 가스의 공급만을 계속한다. 이것은, 실리콘 산화막의 개질 처리만을 계속하여, 고품질의 실리콘 산화막을 성막하기 위해서이다.
이후, 일반적인 성막 방법에서는, 플라스마 처리 가스의 공급도 정지하고, 회전 테이블(2)의 회전을 정지하고 나서, 처리 완료된 웨이퍼(W)를 진공 용기(1)로부터 반출한다.
그러나, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 플라스마원(80)을 운전한 상태에서, 성막 처리 및 개질 처리가 종료된 후, 플라스마 처리 가스의 산소 가스의 공급만을 정지하고, 아르곤 가스 및 수소 가스만을 공급한 상태에서, 플라스마 처리를 행한다. 이에 의해, 플라스마 처리 영역(P3) 내의 표면에 부착된 산소가 환원되어, 플라스마 처리 영역(P3) 내를 전하적 중립인 상태로 되돌릴 수 있다.
즉, 산소 플라스마를 플라스마 처리 영역(P3)에 공급한 상태에서 전체의 처리를 종료하면, 플라스마 처리 영역(P3) 내의 표면에 산소(산소 라디칼도 포함함)가 부착된 상태에서 처리가 종료되게 된다. 이 상태에서, 처리 완료된 웨이퍼(W)를 반출하고, 다음으로 성막 처리를 실시하는 새로운 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내에 반입하여, 플라스마를 착화시키려고 하면, 플라스마 착화의 시간 지연이 발생하는 경우가 있다. 즉, 1회째의 성막 처리 시에는, 플라스마의 착화는 원활하지만, 2회째 이후의 성막 처리 시에는, 플라스마의 착화가 원활하게 진행되지 않을 경우가 있다.
이것은, 산소의 전기 음성도가 매우 높아, 전자를 포획하는 능력이 매우 높은 것에 기인한다고 생각된다. 플라스마가 착화하기 쉬운 상태는, 전자, 양이온 등의 전하가 공간 중에 발생하기 쉬운 상태라고 생각된다. 플라스마란, 기체를 구성하는 분자가 전리하여, 양이온과 전자로 나뉘어서 운동하고 있는 상태이며, 전리에 의해 발생한 하전 입자를 포함하는 기체이기 때문에, 하전 입자가 발생하기 쉬운 환경은, 당연히 플라스마가 발생하기 쉽다. 즉, 하전 입자가 발생하기 쉬운 환경은, 착화하기 쉬운 환경이라고 생각된다.
플라스마 처리 영역(P3), 구체적으로는, 하우징(90)의 천장면, 돌기부(92)의 내주면(도 5 참조) 등의 표면에 산소가 부착된 상태이면, 플라스마 처리 가스를 공급하고, 안테나(83)에 고주파 전력을 공급해서 플라스마 방전을 발생시키려고 해도, 전리한 전자가 바로 표면의 산소에 포획되어버려, 플라스마 처리 영역(P3)에 충분한 하전 입자가 축적되기 어려워질 것으로 생각된다.
이러한 메커니즘에 대해서, 도 11 및 도 12를 사용해서 설명한다. 도 11은, 아르곤 가스의 이온화 전자 에너지를 도시한 도면이다. 도 11에서, 횡축은 아르곤 가스의 이온화에 있어서 소비되는 전자의 에너지를 나타내고 있는데, 10eV 미만의 저에너지 영역에서는, 이온화를 위해서 전자는 소비되지 않는다. 따라서, 방전 초기의 저전자 에너지 상태에서의 방전에 대해서는, 방전이 저해되지 않아, 방전이 발생하기 쉬운 상태로 되어 있다.
도 12는, 산소 가스의 이온화 전자 에너지를 도시한 도면이다. 도 12에서, 횡축은 산소 가스의 이온화에 있어서 소비되는 전자의 에너지를 나타내고 있는데, 10eV 미만의 저에너지 영역에서, 전자를 소비(포획)하는 반응이 다수 보인다. 구체적인 반응으로서는, 산소의 로테이션(Qrot로서 표시), 바이브레이션(Qv1 내지 Qv4로서 표시), O2와 전자 충돌에 의한 O-의 생성(Qatt로서 표시)이 이온화 전의 저에너지 영역(10eV 미만, 0.08 내지 3eV 부근)에서 확인된다. 즉, 플라스마 착화 초기와 같은 저전자 에너지 영역에서는, 전자가 산소에 포획되기 쉬운 상태로, 산소가 존재하면 매우 효율이 나쁜 것을 알 수 있다.
이러한 관점에서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에서는, 성막 공정 및 개질 공정이 종료되면, 플라스마가 생성된 상태에서, 수소 원자 함유 가스를 플라스마화하여, H 플라스마 및 H 라디칼로 산소 및 산소 라디칼을 환원한다. 이에 의해, 플라스마 처리 영역(P3) 내의 표면에 부착된 산소 및 산소 라디칼을 제거할 수 있고, 전자가 포획되기 쉬운 상태에서 중립인 통상의 상태로 되돌릴 수 있어, 플라스마 착화 지연을 방지할 수 있다.
또한, 플라스마 착화 지연이란, 고주파 전원(85)으로부터 안테나(83)에 고주파 전력 공급 후(플라스마 인화 후)에 0.1초 이상의 플라스마 미착화 상태가 계속되는 것을 말한다.
이러한 상태로 하고 나서 성막 처리 전체를 종료하고, 웨이퍼(W)를 반출하면, 플라스마 처리 영역(P3)은 전하적으로 중립인 상태가 되어 있으므로, 다음에 새로운 웨이퍼(W)를 진공 용기(1) 내에 반입하여, 성막 처리를 행하면, 착화 지연을 발생시키지 않고 플라스마 착화를 행할 수 있다.
도 13은, 본 실시 형태에 따른 성막 방법의 처리 흐름도이다. 본 실시 형태에 따른 성막 방법의 처리의 상세에 대해서는, 위에서 설명한 바와 같은데, 플라스마 착화를 포함한 전체의 처리 플로우에 대해서 도 13을 사용해서 설명한다. 또한, 공급하는 가스 등에 대해서도 일반화하여 설명한다.
스텝 S100에서는, 기판 반입 공정이 실시된다. 구체적으로는, 반송구(15)로부터, 복수매 또는 1매의 웨이퍼(W)가 진공 용기(1) 내에 반입되어, 회전 테이블(2)의 오목부(24) 상에 적재된다. 이후, 진공 용기(1) 내에서 가열, 회전 테이블(2)의 회전, 분리 가스의 공급 등이 행하여진다.
스텝 S110에서는, 플라스마 착화가 행하여진다. 구체적으로는, 플라스마 처리 가스가 플라스마 처리 가스 노즐(33 내지 35)로부터 공급되고, 플라스마원(80)의 안테나(83)에 고주파 전원(85)으로부터 고주파 전력이 공급된다. 동시, 또는 그 전후에, 원료 가스 및 산화 가스가 원료 가스 노즐(31) 및 산화 가스 노즐(32)로부터 각각 공급된다.
스텝 S120에서는, 원료 가스, 산화 가스, 플라스마 처리 가스가 공급된 상태에서 회전 테이블(2)이 계속해서 회전하여, 성막 공정 및 개질 공정이 반복해서 행하여진다. 또한, 원료 가스 흡착 영역(P1) 및 산화 영역(P2)에서 성막 공정이 실시되고, 플라스마 처리 영역(P3)에서 개질 공정이 실시된다. 개질 공정에서는, 산소 플라스마 또는 산소 라디칼이 산화막에 공급되어, 산화막을 치밀화하여 고밀도로 한다. 따라서, 플라스마 처리 가스는, 적어도 산소 가스를 포함한다. 이러한 성막 공정 및 개질 공정의 반복에 의해, 산화막이 개질되면서 웨이퍼(W) 상에 퇴적된다.
산화막이 미리 결정된 막 두께에 도달하면, 원료 가스 및 산화 가스의 공급을 정지한다. 필요에 따라, 개질 공정만 계속해서 실시한다. 개질 공정만을 계속할 경우에는, 원료 가스 및 산화 가스의 공급을 정지하고, 안테나(83)에 대한 고주파 전력의 공급을 계속한 상태에서 플라스마 처리 가스의 공급을 계속한다. 분리 가스의 공급은, 이어서 계속한다.
스텝 S130에서는, 플라스마 착화 준비 공정이 행하여진다. 플라스마 착화 준비 공정에서는, 플라스마 처리 영역(P3)의 표면(하우징(90)의 천장면 및 내측면)에 부착된 산소 및 산소 라디칼을 환원해서 제거하고자, 산소 가스의 공급을 정지함과 함께, 수소 원자 함유 가스를 플라스마화 및/또는 라디칼화하여 공급한다. 수소 원자 함유 가스로서는, 예를 들어 수소 가스, 암모니아 가스 등을 들 수 있다. 또한, 수소 원자 함유 가스는, 수소 원자를 함유하고 있는 물질의 가스 단체 외에, 혼합 가스도 포함하는 것을 의도하고 있으며, 수소 가스, 암모니아 가스 외에도, 아르곤 가스 등, 환원을 방해하지 않는 가스라면, 수소 원자를 함유하지 않는 가스를 포함하고 있어도 된다. 또한, 수소, 암모니아 등의 수소 원자를 포함하는 물질의 단체의 가스를 가리킬 경우에는, 수소 원자 함유 물질, 또는 수소 원자 함유 물질 가스라고 구별해서 칭하는 것으로 한다.
개질 공정에서 사용한 플라스마 처리 가스에, 수소, 암모니아 등의 수소 원자 함유 가스가 포함되어 있지 않은 경우에는, 플라스마 착화 준비 공정 S130에서 수소 원자 함유 가스를 새롭게 플라스마 처리 영역(P3) 내에 공급하게 된다. 예를 들어, 수소 및 암모니아의 적어도 한쪽을 포함하는 플라스마 처리 가스를 공급한다. 이 경우, 상술한 바와 같이, 필요에 따라, 아르곤 가스를 동시에 공급해도 된다.
한편, 수소 가스 및/또는 암모니아 가스가, 개질 공정에서의 플라스마 처리 가스에 포함되어 있는 경우에는, 산소 가스의 공급만을 정지해도 된다. 수소 가스와 암모니아 가스는, 적어도 어느 한쪽을 공급하면 충분하지만, 단시간에 환원을 행하고자 하는 경우에는, 양쪽을 공급해도 된다. 양쪽을 공급하는 경우이며, 성막 시의 플라스마 처리 가스에 수소 또는 암모니아의 한쪽밖에 포함되어 있지 않은 경우에는, 새롭게 수소 또는 암모니아의 처리 가스에 포함되어 있지 않은 쪽을 추가 공급해도 된다. 이와 같이, 플라스마 처리 영역(P3)에서의 플라스마 착화 준비 공정 S130은, 개질 공정 S120에서 공급한 플라스마 처리 가스의 성분을 고려하여, 적절한 조합으로 할 수 있다.
플라스마 착화 공정 S110은, 0.1초 내지 10초 정도의 수초이어도 된다. 수소 원자 함유 물질 가스의 유량을 100sccm 정도로 설정할 경우, 수소 원자 함유 물질 가스를 0.5초 정도 공급하면, 다음의 플라스마 착화에서 착화 지연이 발생하지 않는 것이 실험으로 확인되었다. 즉, 플라스마 미착화 상태가 0.1초 미만이 되는 것이 확인되었다. 한편, 수소 원자 함유 물질 가스의 유량을 45sccm 정도의 설정으로 하면, 2초 정도의 시간을 요하는 것도 확인되었다. 이들 실험 결과의 상세에 대해서는 후술한다.
이와 같이, 플라스마 처리 영역(P3)의 표면에 부착된 산소 및 산소 라디칼을 수소 라디칼 및/또는 수소 플라스마로 환원함으로써, 다음의 새로운 웨이퍼(W)의 성막 처리 시, 플라스마 착화 지연의 발생을 방지하고, 플라스마 착화 시간을 각 운전간에서 일정하게 할 수 있다.
또한, 플라스마 착화 지연이란, 고주파 전원(85)으로부터 안테나(83)에 고주파 전력 공급 개시 후(플라스마 인화 후)에 0.1초 이상의 플라스마 미착화 상태가 계속되는 것을 말하는 것은 상술한 바와 같다.
스텝 S140에서는, 플라스마화를 정지하고, 플라스마 착화 준비 공정을 종료한다. 구체적으로는, 플라스마 착화 준비 공정의 플라스마 처리 가스의 공급을 정지함과 함께, 안테나(83)에 대한 고주파 전력의 공급을 정지한다.
스텝 S150에서는, 플라스마 착화 준비 공정을 포함하는 성막 처리 전체가 종료된 웨이퍼(W)를 진공 용기(1)로부터 반출한다. 웨이퍼(W)의 반출은, 회전 테이블(2)을 간헐적으로 회전시켜, 반송구(15)에 대향한 웨이퍼(W)를 승강 핀으로 밀어올려, 반송 암(10)을 사용해서 행해진다. 이에 의해, 성막 처리의 1운전이 종료된다. 이와 같이, 1운전이란, 기판(웨이퍼(W))의 처리실(진공 용기(1))에 대한 반입부터, 플라스마 착화 준비 공정을 포함한 성막 처리 전체를 종료해서 기판(웨이퍼(W))을 처리실(진공 용기(1))로부터 반출할 때까지를 의미한다. 또한, 1운전을, 1런이라고 칭해도 되는 것으로 한다.
또한, 웨이퍼(W)의 반출은, 복수매(예를 들어, 5매 또는 6매)의 웨이퍼(W)를 모두 반출해도 되고, 1매의 웨이퍼(W)를 반출할 때마다, 빈 오목부(24) 상에 새로운 웨이퍼(W)를 교환해서 반입하는, 반입·반출을 동시에 행하는 반송 처리이어도 된다. 이 경우에는, 앞의 1운전의 종료와 다음의 1운전의 개시가 겹치는 상태가 된다.
다음의 웨이퍼(W)를 모두 진공 용기(1) 내에 반입한 후에는, 스텝 S100 내지 S150을 반복하면 된다. 이러한 처리를 행함으로써, 일정한 플라스마 착화 시간으로, 성막 처리의 1운전을 계속적으로 안정되게 실시할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 방법에 의하면, 각 운전에 있어서, 플라스마 착화 지연을 없앰과 함께, 플라스마 착화 시간을 일정하게 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서, 원료 가스는, 실리콘 산화막을 성막하는 경우에는, 다양한 실리콘 함유 가스를 사용할 수 있으며, 예를 들어 DIPAS[디이소프로필아미노실란], 3DMAS[트리스디메틸아미노실란] 가스, BTBAS[비스터셔리부틸아미노실란], DCS[디클로로실란], HCD[헥사클로로디실란] 등을 사용해도 된다.
또한, 금속 산화막을 성막하는 경우에는, TiCl4[사염화티타늄], Ti(MPD)(THD)[티타늄메틸펜탄디오나토비스테트라메틸헵탄디오나토], TMA[트리메틸알루미늄], TEMAZ[테트라키스에틸메틸아미노지르코늄], TEMHF[테트라키스에틸메틸아미노하프늄], Sr(THD)2[스트론튬비스테트라메틸헵탄디오나토] 등의 금속 함유 가스를 사용해도 된다.
산화 가스는, 상술한 바와 같이, O2, O3, H2O, H2O2 등을 사용할 수 있다. 개질용 플라스마 처리 가스로서는, 산소를 포함하고 있으면 다양한 가스를 사용해도 되지만, 예를 들어 Ar/O2/H2, Ar/O2/NH3, Ar/O2/H2/NH3 등의 혼합 가스를 사용할 수 있다. 또한, 플라스마 착화 준비 공정의 환원용 플라스마 처리 가스로서는, 수소 가스, 암모니아 가스 등의 수소 원자 함유 물질 가스를 포함하고 있고, 산소를 포함하고 있지 않으면, 다양한 가스를 사용할 수 있지만, 예를 들어 Ar/H2, Ar/NH3, Ar/H2/NH3 등의 혼합 가스를 사용할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 산화 공정에서의 산화 가스와, 개질 공정에서의 산소가 각각 다른 처리 영역(P2, P3)에서 공급되고 있는 예를 들어 설명했지만, 개질 공정에서 행하고 있는 플라스마 처리로 산화와 개질을 겸용하는 프로세스에도 적용 가능하다. 이 경우에는, 제2 처리 영역(P2)이 없어지고, 제3 처리 영역(P3)에서 산화와 개질 양쪽을 행하는 장치 구성 및 성막 방법으로 된다. 이러한 경우에도, 플라스마 처리 영역(P3)에서 행하는 처리는 동일하기 때문에, 도 13에서 설명한 처리 플로우를 그대로 적용할 수 있다.
[실시예]
이어서, 본 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시한 실시예에 대해서 설명한다.
도 14는, 본 실시 형태에 따른 성막 방법을 실시한 실시예 1 내지 4에 관한 실시 조건과 결과를 도시한 도면이다. 실시예 1에 관한 성막 방법은, 도 1 내지 10에서 설명한 본 실시 형태에 따른 ALD 성막 장치를 사용해서 실시하였다.
도 14의 (a)는 실시예 1 내지 5에 관한 성막 방법의 조건을 도시한 도면이다. 도 14의 (a)에서, 스텝 번호, 시간, 프로세스 상태, 플라스마 처리 영역(P3)에서의 수소, 암모니아, 산소의 유량, 산화 영역(P2)에서의 오존의 유량이 도시되어 있다. 스텝 번호는, 도 13에서 도시한 처리 플로우의 스텝 번호와 대응시키고 있다.
도 14의 (a)에 도시된 바와 같이, 스텝 S120의 성막·개질 공정에서는, 산화 영역(P2)에서의 오존의 유량은 6000sccm으로 설정하고, 플라스마 처리 영역(P3)에서의 수소의 유량은 45sccm, 산소의 유량은 75sccm으로 설정하였다. 암모니아는, 성막·개질 공정에서는 공급하지 않았다. 고주파 전원(85)은, 4000W의 출력으로 하였다. 또한, 영향이 없는 요소이므로, 플라스마 처리 영역(P3)에 공급되어 있는 아르곤 가스는 특별히 도시하지 않았지만, 일정한 유량으로 아르곤도 공급하였다.
스텝 S130A, 130B가 플라스마 착화 준비 공정에 상당한다. 플라스마 착화 준비 공정에서, 수소 및 암모니아의 유량을 다양하게 변경해서 실험을 행하였다. 스텝 S130A에서는, 산화 영역(P2)의 오존 가스의 공급 밸브를 폐쇄로 전환하여, 오존 가스의 공급을 정지하였다. 또한, 플라스마 처리 영역(P3)에서의 산소 가스의 공급을 정지하였다. 스텝 S130A는, 고정으로 0.5초의 시간을 확보하였다. 고주파 전원(85)의 출력은, 4000W를 유지하였다.
스텝 S130B에서는, 산화 영역(P2)에서의 오존의 공급을 정지한 후, 아르곤 가스를 6000sccm으로 공급하였다. 수소 및 암모니아는, 스텝 S130A, S130B에서 공통의 유량으로 하였다. 산소 가스의 공급은 제로를 유지하였다.
스텝 S140에서는, 플라스마화를 정지하였다. 즉, 고주파 전원(85)으로부터 안테나(83)에 대한 고주파 전력의 공급을 정지함과 함께, 플라스마 처리 영역(P3)에의 모든 가스의 공급을 정지하였다. 그리고, 웨이퍼(W)의 반출 및 반입을 행하여, 다음의 운전을 실시하는 것을, 30운전(런)에 대해서 행하였다.
도 14의 (b)는, 구체적인 플라스마 착화 준비 공정의 조건과 결과를 도시한 도면이다. 먼저, 플라스마 착화 준비 공정을 마련하지 않은 경우를 기준이 되는 비교 조건으로 해서, 이것을 비교예로 하였다. 비교예에서는, 플라스마 착화 준비 공정은 존재하지 않으므로, 스텝 S130A, S130B의 시간은 제로이며, 플라스마원(80)의 동작도 정지시키고 있다. 단, 수소 및 암모니아에 대해서는, 유량 제어기(131, 133)(도 4)의 눈금을 최대로 해서 가스의 공급은 계속하였다.
그 결과, 비교예에서는, 30런(운전) 중, 28런에서 플라스마 착화의 지연이 관찰되었다.
실시예 1에서는, 수소를 45sccm, 암모니아를 100sccm, 스텝 S130A의 0.5초간만 공급하였다. 스텝 S130B는 0초로 해서, 마련하지 않았다. 이 경우, 30런 중, 11런에서 플라스마 착화 지연이 관찰되었다. 0.5초라는 단시간이기는 하지만, 플라스마 착화 준비 공정을 마련으로써, 비교예보다도 플라스마 착화 지연을 감소시킬 수 있었다.
실시예 2에서는, 수소를 유량 45sccm으로 계속 공급함과 함께, 암모니아를 추가적으로 100sccm 공급하였다. 스텝 S130B는 6초 마련하였다. S130A와 S130B의 합계 6.5초간, 수소를 45sccm의 유량, 암모니아를 100sccm의 유량으로 공급하였다. 그 결과, 30런 중, 1런도 플라스마 착화 지연은 발생하지 않았다.
실시예 3에서는, 수소만을 45sccm의 유량으로 계속 공급하고, 암모니아는 추가 공급하지 않았다. 스텝 S130B의 시간은 6초간으로 하였다. 따라서, 플라스마 착화 준비 공정의 합계 시간은 6.5초로 하였다. 이 경우도, 30런에서 1런도 플라스마 착화 지연은 발생하지 않아, 양호한 결과가 얻어졌다.
실시예 4에서는, 실시예 3과 마찬가지로 수소만을 45sccm의 유량으로 계속 공급하고, 암모니아는 추가 공급하지 않았다. 스텝 S130B의 시간은 2초간으로 단축하였다. 따라서, 플라스마 착화 준비 공정의 합계 시간은 2.5초로 하였다. 이 경우도, 30런에서 1런도 플라스마 착화 지연은 발생하지 않아, 양호한 결과가 얻어졌다. 이와 같이, 실시예 4에서는, 수소만의 공급을 성막·개질 공정부터 2.5초 계속한 것만으로, 플라스마 착화 지연을 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 5에서는, 수소 및 암모니아 양쪽을 유량 제어기(131, 133)의 최대 눈금, 즉 상한으로 공급하였다. 그 대신에, 스텝 S130B는 0초로서 마련하지 않고, 스텝 S130A의 0.5초만의 단시간의 공급으로 하였다. 이 경우도, 30런에서 1런도 플라스마 착화 지연은 발생하지 않아, 양호한 결과가 얻어졌다. 이와 같이, 실시예 5에서는, 플라스마 착화 준비 공정이 단시간이어도, 수소 원자 함유 물질 가스의 유량을 매우 크게 하면, 플라스마 착화 지연을 확실하게 방지할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 4 및 5의 결과로부터, 플라스마 처리 영역(P3)의 표면에 부착된 산소를 환원하기 위해서는, 어느 정도의 양의 수소 플라스마 또는 수소 라디칼을 공급하는 것이 필요해서, 용도에 따라, 시간으로 조정할지, 유량으로 조정할지를 선택할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 플라스마 착화 준비 공정에서의 수소의 유량은, 30sccm 내지 무한대로 설정할 수 있고, 바람직하게는 45sccm 내지 무한대로 설정할 수 있고, 더욱 바람직하게는 45sccm 내지 200sccm으로 설정할 수 있다. 마찬가지로, 플라스마 착화 준비 공정에서의 암모니아의 유량은, 50sccm 내지 무한대로 설정할 수 있고, 바람직하게는 100sccm 내지 무한대로 설정할 수 있고, 더욱 바람직하게는 100sccm 내지 200sccm으로 설정할 수 있다. 또한, 플라스마 착화 준비 공정의 시간은, 0.3 내지 10초로 설정할 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 8초로 설정할 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 6.5초로 설정할 수 있고, 최적으로는 2.5 내지 6.5초로 설정할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따른 성막 장치 및 성막 방법에 의하면, 플라스마 처리 영역에 부착된 산소 라디칼을 포함하는 산소를 플라스마 착화 준비 공정에서 간단하면서도 또한 확실하게 제거할 수 있어, 플라스마 착화 지연을 방지할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 회전 테이블식 ALD 성막 장치를 예로 들어 설명했지만, 플라스마 처리 영역을 갖고, 산화막을 성막하는 프로세스를 실시하는 성막 장치라면, 본 실시 형태에 따른 성막 장치 및 성막 방법을 적합하게 적용할 수 있다. 예를 들어, 플라스마를 사용한 CVD(Chemical Vapor Deposition)를 실시하는 장치에도 적합하게 적용할 수 있고, 회전 테이블 이외의 양태의 서셉터나, 웨이퍼를 세로로 적재하는 웨이퍼 보트를 사용해서 성막 처리를 행하는 장치 및 방법에도 적합하게 본 실시 형태에 따른 성막 장치 및 성막 방법을 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태 및 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태 및 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고, 상술한 실시 형태 및 실시예에 다양한 변형 및 치환을 가할 수 있다.
1 : 진공 용기 2 : 회전 테이블
24 : 오목부 31, 32 : 처리 가스 노즐
33 내지 35 : 플라스마 처리 가스 노즐
36 : 가스 토출 구멍 41, 42 : 분리 가스 노즐
80 : 플라스마원 83 : 안테나
85 : 고주파 전원 95 : 패러데이 실드
120 : 제어부 130 내지 133 : 유량 제어기
140 내지 143 : 가스 공급원
P1 : 제1 처리 영역(원료 가스 흡착 영역)
P2 : 제2 처리 영역(산화 영역)
P3 : 제3 처리 영역(플라스마 처리 영역)

Claims (12)

  1. 처리실 내의 미리 결정된 플라스마 처리 영역에서 플라스마원에 의해 생성된 산소 라디칼을 사용해서 기판 상에 성막된 산화막을 개질하는 개질 공정과,
    상기 기판 상에 대한 산화막의 성막이 종료되면, 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역 내를 플라스마가 착화하기 쉬운 상태로 하는 착화 준비 공정을 포함하는 성막 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 착화 준비 공정은, 플라스마가 생성된 상태에서, 상기 플라스마 처리 영역 내에 산소 가스를 공급하는 대신에 수소 원자 함유 가스를 공급하는 공정인 성막 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수소 원자 함유 가스는, 수소 가스 및 암모니아 가스의 적어도 하나를 포함하는 성막 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수소 원자 함유 가스는, 아르곤 가스를 더 포함하는 혼합 가스인 성막 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 개질 공정은, 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역 내에 공급된 아르곤 가스, 수소 가스, 산소 가스를 포함하는 플라스마 처리 가스를 상기 플라스마원에 의해 활성화함으로써 행하여지고,
    상기 착화 준비 공정은, 상기 플라스마 처리 가스 중, 상기 산소 가스의 상기 플라스마 처리 영역 내에의 공급을 정지하고, 상기 아르곤 가스 및 상기 수소 가스의 공급을 계속함으로써 행하여지는 성막 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 개질 공정 전에,
    상기 기판 상에 원료 가스를 흡착시키는 흡착 공정과,
    상기 기판 상에 흡착된 상기 원료 가스를 산화해서 상기 산화막의 분자층을 퇴적시키는 산화 공정으로 이루어진 성막 공정을 더 포함하는 성막 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기판은 회전 테이블 상에 둘레 방향을 따라 적재되고,
    상기 회전 테이블의 상방에, 상기 회전 테이블의 회전 방향을 따라서 원료 가스 흡착 영역, 산화 영역, 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역이 서로 이격해서 배치되고, 상기 회전 테이블을 상기 회전 방향으로 복수회 회전시켜, 상기 회전 테이블 상의 상기 기판을 상기 원료 가스 흡착 영역, 상기 산화 영역, 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역을 순서대로 통과시킴으로써 상기 성막 공정 및 상기 개질 공정을 반복하여, 상기 산화막의 막 두께가 미리 결정된 막 두께로 되었을 때 상기 산화막의 성막을 종료하고, 상기 착화 준비 공정을 행하는 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 원료 가스 흡착 영역과 상기 산화 영역의 사이, 및 상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역과 상기 원료 가스 흡착 영역의 사이에, 상기 기판 상에 퍼지 가스를 공급하는 퍼지 가스 공급 영역이 각각 마련되고, 상기 흡착 공정과 상기 산화 공정의 사이, 및 상기 개질 공정과 상기 흡착 공정의 사이에, 상기 퍼지 가스를 상기 퍼지 가스 공급 영역에 공급하는 퍼지 공정을 더 포함하는 성막 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역은, 천장면 및 측벽으로 둘러싸인 영역이며,
    상기 플라스마원은, 상기 천장면의 상방의 상기 처리실 밖에 마련된 유도 결합형 플라스마원인 성막 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 산화막은, 실리콘 산화막 또는 금속 산화막인 성막 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 착화 준비 공정 후, 상기 산화막의 성막이 종료된 상기 기판을 상기 처리실로부터 반출하는 기판 반출 공정과,
    새로운 기판을 상기 처리실 내에 반입하는 반입 공정과,
    상기 미리 결정된 플라스마 처리 영역에서 플라스마를 착화시키는 플라스마 착화 공정을 더 포함하는 성막 방법.
  12. 처리실과,
    처리실 내에 마련되고, 둘레 방향을 따라 상면에 기판을 적재 가능한 회전 테이블과,
    해당 회전 테이블에 원료 가스를 공급 가능한 원료 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블에 산화 가스를 공급 가능한 산화 가스 공급부와,
    상기 회전 테이블의 회전 방향 하류측에 마련되고, 상기 회전 테이블에 플라스마 처리 가스를 공급 가능한 플라스마 처리 가스 공급부와,
    해당 플라스마 처리 가스 공급부를 상방 및 측방으로부터 둘러싸는 플라스마 처리 영역과,
    해당 플라스마 처리 영역 내에서 플라스마를 발생시키는 플라스마원과,
    상기 회전 테이블을 회전시키면서 상기 원료 가스 공급부로부터 원료 가스, 상기 산화 가스 공급부로부터 산화 가스를 공급해서 상기 기판 상에 산화막을 성막하는 성막 공정과, 상기 플라스마원을 구동해서 상기 플라스마 처리 가스 공급부로부터 산소 가스를 포함하는 플라스마 처리 가스를 공급해서 상기 산화막을 개질하는 개질 공정을 교대로 실시하고,
    상기 성막 공정 및 상기 개질 공정 종료 후에, 상기 원료 가스 및 상기 산화 가스의 공급을 정지시킴과 함께, 상기 플라스마원을 구동한 채 상기 플라스마 처리 가스 공급부로부터 산소 가스의 공급을 정지시키고, 수소 원자 함유 가스를 공급시키는 플라스마 착화 준비 공정을 실시하는 제어를 행하는 제어부를 포함하는 성막 장치.
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