KR20220127752A - 착화 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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다케시 고바야시
다케시 안도
가즈마사 이가라시
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

[과제] 안정적인 플라즈마 착화를 실현한다.
[해결수단] 가변으로 제어된 주파수의 고주파를 인가하는 고주파 전원과, 상기 고주파가 인가되는 전극을 가지고 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 고주파 전원과 상기 전극의 사이에 설치된 정합기를 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서의 착화 방법으로서, 상기 고주파 전원으로부터 제1 주파수의 고주파를 상기 전극에 인가하여 상기 플라즈마 생성부에서 플라즈마를 착화하는 공정과, 상기 고주파 전원으로부터 상기 제1 주파수의 고주파를 인가하고 나서 미리 정해진 시간 후에 상기 제1 주파수의 고주파와 다른 제2 주파수의 고주파를 인가하는 공정을 포함하는 착화 방법이다.

Description

착화 방법 및 플라즈마 처리 장치 {IGNITION METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 개시는 착화 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
예컨대 특허문헌 1은, 대향 배치되는 상부 전극과 서셉터의 사이에서 플라즈마를 발생시켜 확실하게 유지할 수 있는 플라즈마 처리 방법을 개시한다. 특허문헌 1은, 플라즈마의 착화 전후에 VF 전원으로부터 발생하는 고주파 전류가 흐르는 제1 경로 L1의 반사 최소 주파수 F1과 제2 경로 L2의 반사 최소 주파수 F2의 차를 감소시키는 보조 회로를 설치하여, 플라즈마를 착화하여 유지한다.
[특허문헌 1] 일본 특허공개 2015-122150호 공보
본 개시는 안정적인 플라즈마 착화를 실현할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 하나의 양태에 의하면, 가변으로 제어된 주파수의 고주파를 인가하는 고주파 전원과, 상기 고주파가 인가되는 전극을 가지고 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 고주파 전원과 상기 전극의 사이에 설치된 정합기를 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서의 착화 방법으로서, 상기 고주파 전원으로부터 제1 주파수의 고주파를 상기 전극에 인가하여 상기 플라즈마 생성부에서 플라즈마를 착화하는 공정과, 상기 고주파 전원으로부터 상기 제1 주파수의 고주파를 인가하고 나서 미리 정해진 시간 후에 상기 제1 주파수의 고주파와 다른 제2 주파수의 고주파를 인가하는 공정을 포함하는 착화 방법이다.
하나의 측면에 의하면, 안정적인 플라즈마 착화를 실현할 수 있다.
[도 1] 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 종단면도.
[도 2] 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 횡단면도.
[도 3] 일 실시형태에 따른 RF 전원 및 정합기의 내부 구성도.
[도 4] 일 실시형태에 따른 제어부의 하드웨어 구성도.
[도 5] 일 실시형태에 따른 조건 테이블의 일례를 도시하는 도면.
[도 6] RF 전원의 주파수와 전극 간 전압과의 상관을 도시하는 그래프.
[도 7] 일 실시형태에 따른 성막 방법을 도시하는 흐름도.
[도 8] 일 실시형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 관해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일한 구성 부분에는 동일한 부호를 붙여, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
[플라즈마 처리 장치]
처음에, 본 개시에 있어서의 플라즈마 처리 장치(100)의 구성의 일례에 관해서 도 1 및 도 2를 참조하면서 설명한다. 도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 종단면도이다. 도 2는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)의 횡단면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는 하단이 개구된 천장을 구비한 원통체형의 처리 용기(1)를 갖는다. 처리 용기(1) 전체는 예컨대 석영에 의해 형성되어 있다. 처리 용기(1) 내의 상단 근방에는 석영에 의해 형성된 천장판(2)이 마련되어 있고, 천장판(2)의 하측 영역이 밀봉되어 있다. 처리 용기(1) 하단의 개구에는, 원통체형으로 성형된 금속제 매니폴드(3)가 O 링 등의 시일 부재(4)를 통해 연결되어 있다.
매니폴드(3)는, 처리 용기(1)의 하단을 지지하고 있고, 매니폴드(3) 아래쪽으로부터 다수 매수(예컨대 25장∼150장)의 기판(W)을 다단으로 배치한 보트(5)가 처리 용기(1) 내에 삽입된다. 이와 같이 처리 용기(1) 내에는, 상하 방향을 따라 간격을 두고서 다수 매수의 기판(W)이 대략 수평으로 수용된다. 보트(5)는 예컨대 석영에 의해 형성되어 있다. 보트(5)는, 3개의 로드(6)를 가지고, 로드(6)에 형성된 홈(도시하지 않음)에 의해 다수 매수의 기판(W)이 지지된다. 기판(W)은 예컨대 반도체 웨이퍼라도 좋다.
보트(5)는 석영에 의해 형성된 보온통(7)을 통해 테이블(8) 상에 배치되어 있다. 테이블(8)은 회전축(10) 상에 지지된다. 회전축(10)은 매니폴드(3) 하단의 개구를 개폐하는 금속(스테인리스)제 덮개체(9)를 관통한다.
회전축(10)의 관통부에는 자성 유체 시일(11)이 마련되어 있어, 회전축(10)을 기밀하게 밀봉하며 또한 회전 가능하게 지지하고 있다. 덮개체(9)의 주변부와 매니폴드(3) 하단의 사이에는, 처리 용기(1) 내의 기밀성(氣密性)을 유지하기 위한 시일 부재(12)가 마련되어 있다.
회전축(10)은, 예컨대 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 아암(13)의 선단에 부착되어 있고, 보트(5)와 덮개체(9)는 일체로 승강하여, 처리 용기(1) 내부에 대하여 삽탈(揷脫)된다. 또한, 테이블(8)을 덮개체(9) 측에 고정 설치하여, 보트(5)를 회전시키는 일 없이 기판(W)의 처리를 행하도록 하여도 좋다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 처리 용기(1) 내에 처리 가스, 퍼지 가스 등의 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부(20)를 갖는다. 가스 공급부(20)는 가스 공급관(21∼23)을 갖는다.
가스 공급관(21∼23)은, 예컨대 석영에 의해 형성되어 있으며, 매니폴드(3)의 측벽을 내측으로 관통하고 위쪽으로 굴곡되어 수직으로 연장된다. 가스 공급관(21∼23)의 수직 부분에는, 보트(5)의 기판 지지 범위에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 각각 복수의 가스 구멍(21a∼23a)이 미리 정해진 간격으로 형성되어 있다(도 2 참조). 각 가스 구멍(21a∼23a)은 수평 방향으로 가스를 토출한다. 가스 공급관(24)은, 예컨대 석영에 의해 형성되어 있고, 매니폴드(3)의 측벽을 관통하여 설치된 짧은 석영관으로 이루어진다.
가스 공급관(21)은 그 수직 부분이 처리 용기(1) 내에 설치되어 있다. 가스 공급관(21)에는 가스 배관을 통해 가스 공급원으로부터 원료 가스가 공급된다. 가스 배관에는 유량 제어기 및 개폐 밸브가 마련되어 있다. 이에 따라, 원료 가스는 가스 공급원으로부터 가스 배관 및 가스 공급관(21)을 통해 소정의 유량으로 처리 용기(1) 내에 공급된다.
가스 공급관(22)은 그 수직 부분이 플라즈마 생성 공간(S)에 설치되어 있다. 가스 공급관(22)에는 가스 배관을 통해 가스 공급원으로부터 질화 가스 또는 산화 가스가 공급된다. 가스 배관에는 유량 제어기 및 개폐 밸브가 마련되어 있다. 이에 따라, 질화 가스 또는 산화 가스는, 가스 공급원으로부터 가스 배관 및 가스 공급관(22)을 통해 소정의 유량으로 플라즈마 생성 공간(S)에 공급되고, 플라즈마 생성 공간(S)에 있어서 플라즈마화되어 처리 용기(1) 내에 공급된다.
ALD(Atomic Layer Deposition)법을 이용하여 SiO2막을 성막하는 경우, 원료가스의 일례인 디프로필아미노실란(DPAS)을 가스 공급관(21)으로부터 공급하고, 산소(O2) 가스를 가스 공급관(22)으로부터 공급하여도 좋다. ALD법을 이용하여 SiN막을 성막하는 경우, 원료 가스의 일례인 트리실릴아민(TSA:(SiH3)3N)을 가스 공급관(21)으로부터 공급하고, 암모니아(NH3) 가스를 가스 공급관(22)으로부터 공급하여도 좋다.
NH3 가스를 공급한 후, TSA를 흡착시키기 전에, 사이클 레이트를 올리기 위해서, 수소 플라즈마 및 염소 플라즈마에 노출하여도 좋다. 일례에서는, 가스 공급관(21)은 TSA를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 가스 공급관(22)은 암모니아(NH3) 가스를 공급한다. 또한, 가스 공급관(22)은 수소 가스(H2) 가스를 공급한다.
가스 공급관(23)은 그 수직 부분이 플라즈마 생성 공간(S)에 설치되어 있다. 가스 공급관(23)에는 가스 배관을 통해 가스 공급원으로부터 염소(Cl2) 가스가 공급된다. 가스 배관에는 유량 제어기 및 개폐 밸브가 마련되어 있다. 이에 따라, 염소 가스는, 가스 공급원으로부터 가스 배관 및 가스 공급관(23)을 통해 소정의 유량으로 플라즈마 생성 공간(S)에 공급되고, 플라즈마 생성 공간(S)에 있어서 플라즈마화되어 처리 용기(1) 내에 공급된다.
가스 공급관(24)에는 가스 배관을 통해 퍼지 가스 공급원으로부터 퍼지가 스가 공급된다. 가스 배관에는 유량 제어기 및 개폐 밸브가 마련되어 있다. 이에 따라, 퍼지 가스는 퍼지 가스 공급원으로부터 가스 배관 및 가스 공급관(24)을 통해 소정의 유량으로 처리 용기(1) 내에 공급된다. 퍼지 가스로서는 예컨대 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 또한, 퍼지 가스는 가스 공급관(21∼23)의 적어도 하나로부터 공급되게 하여도 좋다.
처리 용기(1) 측벽의 일부에는 플라즈마 생성부(30)가 형성되어 있다. 플라즈마 생성부(30)는 NH3 가스를 플라즈마화하여 질화를 위한 활성종을 생성한다. 플라즈마 생성부(30)는 H2 가스를 플라즈마화하여 수소(H) 라디칼을 생성한다. 플라즈마 생성부(30)는 Cl2 가스를 플라즈마화하여 염소(Cl) 라디칼을 생성한다.
플라즈마 생성부(30)는 플라즈마 구획벽(32), 한쌍의 플라즈마 전극(33), 급전 라인(34), 정합기(35), 동축 케이블(36), RF 전원(37) 및 절연 보호 커버(38)를 갖는다. 플라즈마 구획벽(32)은 처리 용기(1)의 외벽에 기밀하게 용접되어 있다. 플라즈마 구획벽(32)은 예컨대 석영에 의해 형성된다. 플라즈마 구획벽(32)은 상면에서 봤을 때의 단면이 오목형을 이루고, 처리 용기(1)의 측벽에 형성된 개구(31)를 덮는다. 개구(31)는, 보트(5)에 지지되어 있는 모든 기판(W)을 상하 방향으로 커버할 수 있도록 상하 방향으로 가늘고 길게 형성된다. 플라즈마 구획벽(32)에 의해 규정됨과 더불어 처리 용기(1) 내부와 연통되는 내측 공간, 즉, 플라즈마 생성 공간(S)에는, 가스 공급관(22, 23)이 배치되어 있다. 가스 공급관(21)은, 플라즈마 생성 공간(S) 밖의 처리 용기(1)의 내측벽을 따르는 기판(W)에 가까운 위치에 설치되어 있다.
한쌍의 플라즈마 전극(33)은, 각각 가늘고 긴 형상을 가지며, 도 2에 도시하는 것과 같이 플라즈마 구획벽(32)의 오목형의 대향하는 양벽의 외면에, 상하 방향을 따라 대향 배치되어 있다. 각 플라즈마 전극(33)에는 급전 라인(34)이 접속되어 있다.
급전 라인(34)은 각 플라즈마 전극(33)과 정합기(35)를 전기적으로 접속한다. 정합기(35)는 동축 케이블(36)을 통해 RF 전원(37)에 접속된다. 각 플라즈마 전극(33)에는 RF 전원(37)으로부터 RF 전력이 공급된다. 이에 따라, 예컨대 가스 공급관(22)으로부터 토출된 NH3 가스는, RF 전력이 인가된 플라즈마 생성 공간(S) 내에 있어서 플라즈마화되고, 이에 따라 생성된 질화를 위한 활성종이 개구(31)를 통해 처리 용기(1) 내부에 공급된다. 또한, 예컨대 이어서 가스 공급관(22)으로부터 토출된 H2 가스는, RF 전력이 인가된 플라즈마 생성 공간(S) 내에 있어서 플라즈마화되고, 이에 따라 생성된 수소 라디칼이 개구(31)를 통해 처리 용기(1) 내부에 공급된다. 또한, 예컨대 이어서 가스 공급관(23)으로부터 토출된 Cl2 가스는, RF 전력이 인가된 플라즈마 생성 공간 내에 있어서 플라즈마화되고, 이에 따라 생성된 염소 라디칼이 개구(31)를 통해 처리 용기(1) 내부에 공급된다.
절연 보호 커버(38)는, 플라즈마 구획벽(32)의 외측에, 상기 플라즈마 구획벽(32)을 덮는 식으로 부착되어 있다. 절연 보호 커버(38)의 내측 부분에는 냉매 통로(도시하지 않음)가 형성되어 있고, 냉매 통로에 냉각된 N2 가스 등의 냉매를 흘림으로써 플라즈마 전극(33)이 냉각된다.
개구(31)에 대향하는 처리 용기(1)의 측벽 부분에는 처리 용기(1) 내부를 진공 배기하기 위한 배기구(40)가 형성되어 있다. 배기구(40)는 보트(5)에 대응하여 위아래로 가늘고 길게 형성되어 있다. 처리 용기(1)의 배기구(40)에 대응하는 부분에는, 배기구(40)를 덮는 식으로 단면 U자형으로 성형된 배기구 커버 부재(41)가 부착되어 있다. 배기구 커버 부재(41)는 처리 용기(1)의 측벽을 따라 위쪽으로 연장되어 있다. 배기구 커버 부재(41)의 하부에는, 배기구(40)를 통해 처리 용기(1)를 배기하기 위한 배기 배관(42)이 접속되어 있다. 배기 배관(42)에는, 처리 용기(1) 내의 압력을 제어하는 압력 제어 밸브(43) 및 진공 펌프 등을 포함하는 배기 장치(44)가 접속되어 있고, 배기 장치(44)에 의해 배기 배관(42)을 통해 처리 용기(1) 내부가 배기된다. 처리 용기(1)의 주위에는 원통체형의 가열 기구(50)가 마련되어 있다. 가열 기구(50)는 처리 용기(1) 및 그 내부의 기판(W)을 가열한다.
플라즈마 처리 장치(100)는 제어부(60)를 갖는다. 제어부(60)는 예컨대 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부의 동작을 제어함으로써 성막 방법을 실시한다.
[RF 전원/정합기]
도 3을 참조하면서 RF 전원(37) 및 정합기(35)의 내부 구성에 관해서 설명한다. RF 전원(37)은 RF(고주파)의 주파수를 가변으로 할 수 있는 기능을 갖는 가변 주파수 RF 전원으로서 실현 가능하다. RF 전원(37)은 전원(37a), 주파수 제어 회로(37b) 및 센서(37c)를 갖는다. RF 전원(37)은 가변으로 제어된 주파수의 고주파를 인가하는 고주파 전원의 일례이다.
정합기(35)는 인덕터(L), 고정 콘덴서(C), 가변 콘덴서(VC1, VC2)를 갖는다. 정합기(35)는 또한 센서(35a)를 갖는다. 인덕터(L)는 급전 라인(34) 중 한쪽의 급전 라인(34a) 및 한쪽의 플라즈마 전극(33)에 직렬로 접속된다. 고정 콘덴서(C)는 다른 쪽의 급전 라인(34b) 및 다른 쪽의 플라즈마 전극(33)에 직렬로 접속된다. 센서(35a)는, 급전 라인(34a) 및 인덕터(L)에 직렬로 접속되고, 동축 케이블(36)을 통해 RF 전원(37)에 접속된다. 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 급전 라인(34a, 34b)을 걸쳐서 플라즈마 전극(33)에 병렬로 접속된다. 가변 콘덴서(VC1, VC2)는, 인덕터(L) 및 고정 콘덴서(C)를 사이에 두고서, 가변 콘덴서(VC1)가 센서(35a)에 접속되고, 가변 콘덴서(VC2)가 플라즈마 전극(33)(즉 부하 측)에 접속된다.
가변 콘덴서(VC1)는 부하 측의 임피던스 제어를 행하고, 가변 콘덴서(VC2)는 위상 제어를 행한다. 가변 콘덴서(VC1, VC2)는, RF 전원(37)으로부터 플라즈마 전극(33)에 공급되는 RF 전력이 사용 시(플라즈마 생성 시)에 최대가 되게 임피던스가 조정되도록 기계적으로 정합 위치를 자동 조정한다. 즉, 센서(37a)가 검출하는 반사파가 최소가 되도록 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치를 맞춤으로써, RF 전력이 사용 시(플라즈마 생성 시)에 최대가 되도록 임피던스가 조정된다. 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치는 센서(35a)로 확인할 수 있게 되어 있다.
RF 전원(37)은 전원(37a), 주파수 제어 회로(37b), 센서(37c)를 갖는다. 전원(37a)은 주파수 제어 회로(37b)에 의해 가변으로 제어된 주파수의 고주파(RF)를 출력한다. 센서(37c)는 플라즈마 전극(33)에 인가한 RF 전력에 대하여 부하 측으로부터의 반사파를 검출한다. 이와 같이 RF 전원(37) 내의 센서(37c)에 의해서 반사파의 상태가 모니터된다.
정합기(35)의 제어에서는, RF를 온으로 할 때에 가변 콘덴서(VC1, VC2)를 소정의 용량으로 설정(이하, 프리셋이라고 한다.)한다. 프리셋된 정합 위치에서 RF 전력을 인가한 경우, 플라즈마 전극(33) 간의 전압이 낮아질 때에 플라즈마 착화하지 않는 경우가 있다. 이 때문에, 종래, 프리셋된 정합 위치로부터 정합 위치를 변경하여, 플라즈마 전극(33) 간의 전압이 플라즈마 착화가 가능한 전압으로 되도록 제어하고 있었다. 그러나, 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 모터 제어이기 때문에, 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치가 초기 위치에서 변경 후의 위치까지 이동하는 데 시간이 걸린다. 이 때문에, ALD 프로세스에 있어서 RF 전원(37)으로부터 RF 전력으로 RF를 온(플라즈마 전극(33)에 인가)으로 하는 타이밍에 반사파가 발생한다는 과제가 있었다.
이 과제를 해결하기 위해서, 본 개시의 제어부(60)는, 플라즈마를 생성하기위해서 RF를 온으로 할 때, 모터 제어를 위해서 정합 위치까지의 이동이 늦는 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 프리셋된 위치를 정합 위치로 하여 제어한다. 한편, 전자 제어를 위해서 주파수의 고속 가변이 가능한 RF 전원(37)은, RF를 온으로 하고 나서 수 msec 정도는 플라즈마 전극(33) 간의 전압이 높아지도록 RF의 주파수를 13.56 MHz보다 높게 제어한다. 파센의 법칙(Paschen's law)에 의해 전극 간의 전압을 높게 함으로써 플라즈마 착화를 용이하게 할 수 있다. RF 온으로부터 수 msec의 단시간에 플라즈마 착화시킨 후, 즉시 RF 전원(37)으로부터 출력하는 RF의 주파수를 13.56 MHz로 변경한다.
가변 콘덴서(VC1, VC2)가 수 msec 정도의 주파수 가변 제어를 추종하면 반사파가 커질 우려가 있다. 그러나, 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 모터 제어이기 때문에, 수 msec 정도의 주파수 가변 제어를 추종할 수 없다. 이에 따라, RF 전원(37)의 전자 제어와 정합기(35)의 기계 제어의 속도차를 이용하여 안정적인 플라즈마 착화와 반사파의 억제를 양립할 수 있다. 여기서, RF를 온으로 하고 나서 수 msec의 시간은, 13.56 MHz보다 높은 주파수를 인가하고 나서 미리 정해진 시간의 일례이다. 미리 정해진 시간은 예컨대 1 msec 이상 100 msec 이하라도 좋다. 또한, 13.56 MHz보다 높은 주파수는 제1 주파수의 고주파의 일례이며, 13.56 MHz의 주파수는 제2 주파수의 고주파의 일례이다. 이하, 이러한 제어를 행하는 제어부(60)의 구성 및 구체적 제어에 관해서 설명한다.
[제어부]
제어부(60)는, 도 4에 도시하는 것과 같이, CPU(Central Processing Unit)(101), ROM(Read Only Memory)(102), RAM(Random Access Memory)(103), I/O 포트(104), 조작 패널(105), HDD(106)(Hard Disk Drive)를 갖는다. 각 부는 버스(B)에 의해서 접속되어 있다.
CPU(101)는, RAM(103)에 읽혀진 각종 프로그램이나, 성막 처리, 클리닝 처리 등의 처리의 수순을 규정한 정보인 레시피에 기초하여, 플라즈마 처리 장치(100)가 실행하는 성막 처리 등의 기판 처리, 클리닝 처리 등을 제어한다. 레시피에는, 본 개시의 착화 방법을 포함하는 성막 방법의 처리 수순을 정의한 레시피가 포함된다. CPU(101)는, RAM(103)에 읽혀진 레시피 또는 프로그램에 기초하여, 착화 방법을 포함하는 성막 방법 등을 실행한다.
ROM(102)은 EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리, 하드디스크 등에 의해 구성되며, CPU(101)의 프로그램이나 레시피 등을 기억하는 기억 매체이다. RAM(103)은 CPU(101)의 직업 영역(work area) 등으로서 기능한다.
I/O 포트(104)는, 온도, 압력, 가스 유량 등을 검출하는 각종 센서의 값을 플라즈마 처리 장치(100)에 부착된 각종 센서로부터 취득하여, CPU(101)에 송신한다. 또한, I/O 포트(104)는 CPU(101)가 출력하는 제어 신호를 플라즈마 처리 장치(100)의 각 부에 출력한다. 또한, I/O 포트(104)에는 조작자가 플라즈마 처리 장치(100)를 조작하는 조작 패널(105)이 접속되어 있다. HDD(106)는 보조 기억 장치이며, 레시피나 프로그램 등이 저장되어도 좋다. 또한, HDD(106) 또는 RAM(103)에는 조건 테이블(110)이 기억되어 있다.
도 5는 일 실시형태에 따른 조건 테이블(110)의 일례를 도시한다. 일 실시형태에 따른 조건 테이블(110)은, 프로세스 조건 A∼E에 대한 프리셋, 역치, 동작 개시 조건, 설정 전력의 각종 정보가 설정되어, 프로세스 실행 전에 준비되어 있다. 예컨대 프로세스 조건 A∼E는, 플라즈마 처리 장치(100)에서 ALD 프로세스를 실행할 때의 각 공정(NH3 가스의 플라즈마 생성 공정 등)에 있어서의 정합기(35) 및 RF 전원(37)의 제어에 관한 조건이 미리 설정되어 있다.
프리셋 정보에는, 가변 콘덴서(VC1, VC2)가 프리셋되는 위치 VC1p, VC2p(%)와, 센서(37c)가 검출한 반사파 Pr(W)의 값(이하, 갱신 Pr치라고 한다.)이 보존된다. 역치 ΔVC1, ΔVC2(%)는 가변 콘덴서(VC1, VC2)가 프리셋되는 위치의 갱신 판정에 사용된다. 여기서, 가변 콘덴서(VC1, VC2)가 프리셋되는 위치 및 역치(ΔVC1, ΔVC2)의 단위가 % 표시되어 있는 것은 가변 용량 범위의 0%∼100%를 나타낸다.
동작 개시 조건에는, 프로세스 조건마다의 RF 전원(37)의 동작 개시 시의 주파수(MHz) 및 시간(msec)이 미리 설정되어 있다. 설정 전력에는, RF 전원(37)으로부터 출력하는 동작 개시 시의 RF 전력을 나타내는 진행파 Pr(W)의 값이 미리 설정되어 있다.
도 6은 횡축에 나타내는 RF의 주파수와 종축에 나타내는 플라즈마 전극(33) 간의 전압의 상관을 도시하는 그래프이다. RF의 주파수가 13.56 MHz인 경우, 플라즈마 전극(33) 간의 전압이 600(Vpp)보다 낮아, 가스의 종류나 압력에 따라서는 플라즈마 착화하지 않는다. 이에 대하여, RF의 주파수가 13.56 MHz보다 큰 경우, 예컨대 RF의 주파수를 14.06∼14.56(MHz)로 변경한 경우, 플라즈마 전극(33) 간의 전압을 800∼1600(Vpp)로 올릴 수 있어, 확실하게 플라즈마 착화를 실현할 수 있다. 그래서, 본 개시에 따른 착화 방법에서는, 프로세스 개시의 수 msec 정도, RF 전원(37)으로부터 출력하는 RF의 주파수를 순간적으로 높여, 확실하게 플라즈마 착화시킨다.
[성막 방법]
이어서, 도 7 및 도 8을 참조하면서 착화 방법을 포함하는 성막 방법에 관해서 설명한다. 도 7은 일 실시형태에 따른 성막 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 8은 일 실시형태에 따른 성막 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시의 성막 방법의 일례인 ALD법에 의해, 프로세스 조건 A→프로세스 조건 B→프로세스 조건 C→…의 각 처리(각 공정)를 주기적으로(cyclicly) 반복하는 성막 처리를 도시한다. 예컨대 ALD법을 이용하여 SiN막을 성막하는 경우, NH3 가스를 공급한 후, TSA를 흡착시키기 전에, 사이클 레이트를 올리기 위해서, 기판(W)을 수소 플라즈마 및 염소 플라즈마에 노출하는 경우가 있다. 이 경우, 도 7의 성막 방법을 사용하여 프로세스 조건 A에서는 가스 공급관(22)으로부터 NH3 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, NH3 가스의 플라즈마를 생성한다. 프로세스 조건 B에서는 가스 공급관(22)으로부터 H2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, H2 가스의 플라즈마를 생성한다. 프로세스 조건 C에서는 가스 공급관(23)으로부터 Cl2 가스를 처리 용기(1) 내에 공급하여, Cl2 가스의 플라즈마를 생성한다. 그 후, 가스 공급관(21)으로부터 TSA를 처리 용기(1) 내에 공급한다. 그리고, 이 처리 수순으로 주기적으로 원자층의 성막 처리를 반복한다.
또한, 본 개시의 성막 처리의 전제로서, 반사파 Pr는 RF 전원(37) 내의 센서(37c)에서 항상 모니터되고 있고, 반사파 Pr의 상태에 따라서 정합기(35) 내부의 센서(35a)로 반사를 작게 하도록 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치가 자동 제어된다.
본 처리가 개시되면, 제어부(60)는, 도 5의 조건 테이블(110)을 참조하여 프로세스 조건 A를 읽어들인다(단계 S1). 제어부(60)는, 프로세스 조건 A 중의 프리셋(프리셋 A)의 위치 C1a, C2a를 설정하여, 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치를 위치 C1a, C2a로 제어한다(단계 S2).
이어서, 제어부(60)는, 조건 테이블(110)을 참조하여 프로세스 조건 A에 정해진 동작 개시 조건의 주파수(동작 개시 주파수 fa)로 RF 전원(37)의 주파수를 제어하여, 프로세스 조건 A에 정해진 설정 전력 Pfa의 RF를 온(인가)으로 한다(단계 S3). 단계 S2 및 S3은 동시에 이루어지더라도 좋다. 이에 따라, 도 8에 도시하는 아이들(idle) 시간 Ta 경과 후, RF 전원(37)의 주파수를 동작 개시 주파수로 제어하여, 프로세스 조건 A에 정해진 설정 전력 Pfa로 RF가 온으로 된다.
이어서, 제어부(60)는, 조건 테이블(110)을 참조하여 프로세스 조건 A에 정해진 동작 개시 조건의 시간 A(조건 테이블(110)에서는 시간 ta)를 설정하고, RF를 온으로 하고 나서 시간 A가 경과했는지를 판정한다(단계 S4). 제어부(60)는, RF를 온으로 하고 나서 시간 A가 경과했다고 판정하면, RF 전원(37)의 주파수를 미리 설정된 프로세스 주파수인 13.56 MHz로 변경하고(단계 S5), 설정 전력 Pfa로 RF의 출력을 계속한다. 이에 따라, 도 8에 도시하는 착화 시간 Tb(=시간 A) 경과 후에 RF 전원(37)의 주파수가 프로세스 주파수로 제어된다.
프로세스 조건 A의 공정에서는 프로세스 조건 A에 설정된 가스 A로부터 플라즈마를 생성한다. 본 개시에 있어서 처리 용기(1) 내에 가스 A를 공급함과 더불어 RF 전원(37)으로부터 플라즈마 전극(33)에 수 msec 동안, 동작 개시 주파수의 RF 전력을 인가한다. 착화 시간 Tb는 수 msec의 단시간이다. 동작 개시 주파수는 13.56 MHz보다 높으며, 예컨대 14.06 MHz∼14.56 MHz이다. 이에 따라, A 가스를 확실하게 플라즈마화하여 A 가스의 활성종을 생성하여 기판(W)에 공급한다.
이로써, 착화 시간 Tb 동안, 13.56 MHz보다 높은 동작 개시 주파수의 RF 전력을 인가함으로써, 플라즈마 전극(33) 간의 전압을 높여, 플라즈마 착화를 확실하게 행할 수 있다. 아울러, RF를 온으로 하고 나서 1 msec 이상 100 msec 이하, 예컨대 수 msec∼약 10 msec의 단시간에 발생했던 반사파 Pr의 발생을 억제할 수 있다.
이어서, 제어부(60)는 미리 정해진 시간 경과 후의 반사파의 검출치가 이상(異常)인지를 판정한다(단계 S6). 예컨대 센서(37c)가 착화 시간 Tb 후(도 8에서는 시각 ts)에 검출한 반사파의 검출치가 이상 판정용의 역치보다 큰 경우, 제어부(60)는 반사파의 값이 이상이라고 판정한다. 이 경우, 제어부(60)는, 프로세스 종료 처리를 행하여(단계 S7), 본 처리를 종료한다. 또한, 이상 판정용의 역치에는 주파수가 13.56 MHz인 RF에 대한 이상치가 미리 설정되어 있으며, 예컨대 도 5의 조건 테이블(110) 또는 다른 테이블에 기억되어 있다.
제어부(60)는, 미리 정해진 시간 경과 후의 반사파의 검출치가 이상 판정용의 역치 이하이면, 반사파의 값은 정상이라고 판정하여, 반사파의 값이 갱신 Pr치보다 작은지를 판정한다(단계 S8). 제어부(60)는, 반사파의 값이 갱신 Pr치 이상이라고 판정한 경우, 조건 테이블(110)의 프리셋 갱신은 행하지 않는다고 판단하여, 단계 S12로 진행한다.
제어부(60)는, 반사파의 값이 갱신 Pr치보다 작은 경우, 조건 테이블(110)에 기억되어 있는 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 프리셋 위치(VC1P, VC2P)와 현재의 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 위치의 차분을 산출한다. 제어부(60)는 그 차분과 역치(ΔVC1, ΔVC2)를 비교한다(단계 S9). 도 5의 조건 테이블의 프로세스 조건 A의 경우, 제어부(60)는 역치(ΔVC1, ΔVC2)로서 역치(ΔS1a, ΔS2a)를 사용한다.
제어부(60)는, 가변 콘덴서(VC1의) 프리셋 위치(VC1P)와 현재의 정합 위치의 차분이 역치(ΔS1a)보다 크거나 또는 가변 콘덴서(VC2P)의 프리셋 위치와 현재의 정합 위치의 차분이 역치(ΔS2a)보다 큰 경우, 경고를 출력한다(단계 S11). 그리고, 단계 S12로 진행한다. 또한, 경고의 출력은 표시에 의한 경고라도 음성에 의한 경고라도 좋다.
제어부(60)는, 가변 콘덴서(VC1)의 프리셋 위치(VC1P)와 현재의 정합 위치의 차분이 역치(ΔS1a) 이상 또는 가변 콘덴서(VC2P)의 프리셋 위치와 현재의 정합 위치의 차분이 역치(ΔS2a) 이상인 경우, 프리셋 A를 갱신한다(단계 S10). 그리고, 단계 S12로 진행한다. 이때, 도 5의 조건 테이블의 프로세스 조건 A의 프리셋의 값 VC1p, VC2p, 갱신 Pr치 중, 프리셋 A에 대응하는 C1a, C2a, Pra가 갱신된다. 이에 따라, 다음 프로세스에 있어서 반사파가 보다 작은 정합 위치를 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 프리셋 위치로 할 수 있으며, 보다 반사파의 발생을 억제할 수 있다.
단계 S12에 있어서, 제어부(60)는 RF 전원(37)으로부터 출력되는 RF가 오프로 되었는지를 판정한다. 제어부(60)는 RF가 오프로 될 때까지 단계 S6∼S12의 처리를 반복한다. 제어부(60)는, RF가 오프로 되었다고 판정했을 때, 다음 프로세스 조건 B의 처리로 진행하여, 조건 테이블(110)로부터 프로세스 조건 B를 읽어들이고(단계 S13), 프로세스 조건 B에 따라서 단계 S14∼S24의 처리를 실행한다. 또한, 단계 S14∼S24의 처리는, 단계 S2∼S12의 처리에 대응하며, 프로세스 조건이 조건 테이블(110)에 설정된 프로세스 조건 A에서 프로세스 조건 B로 변한 점만이 다르다. 따라서, 단계 S14∼S24의 각 처리의 설명은 생략한다.
ALD법에 의한 성막 처리에 있어서, 프로세스 조건 A→프로세스 조건 B→프로세스 조건 C→…의 처리를 주기적으로 반복한다. 예컨대 SiN막을 성막하는 경우, 프로세스 조건 A에서는 NH3 가스의 플라즈마, 프로세스 조건 B에서는 수소 플라즈마, 프로세스 조건 C에서는 염소 플라즈마를 생성하는 경우가 있다. 이 경우, 각 플라즈마의 착화를 확실하게 행할 수 있다. 또한, 프로세스 조건 C의 처리 후, 원료 가스(예컨대 TSA)가 공급된다.
이상에 설명한 성막 방법에 의하면, 플라즈마를 생성하기 위해서 RF를 온으로 할 때, 기계 제어를 위해서 전자 제어와 비교하여 정합 위치까지의 이동이 늦는 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 미리 설정된 프리셋 위치를 정합 위치로 하여 제어한다. 또한, 전자 제어를 위해서 주파수의 고속 가변이 가능한 RF 전원(37)은, RF를 온으로 하고 나서 수 msec는 플라즈마 전극(33) 간의 전압이 높아지도록 RF의 주파수를 13.56 MHz보다 높게 제어한다. 이에 따라, 파센의 법칙에 의해 전극 간의 전압을 높게 함으로써 안정적인 플라즈마 착화를 실현할 수 있다. RF를 온으로 하고 나서 수 msec 후, RF 전원(37)으로부터 출력되는 RF의 주파수를 13.56 MHz로 변경한다.
본 개시의 제어에서는, RF의 온 시부터 수 msec 동안만 순간적으로 RF의 주파수를 13.56 MHz보다 큰 주파수로 제어하고, 수 msec 후에는 13.56 MHz로 변경한다. 가변 콘덴서(VC1, VC2)가 수 msec 정도의 주파수 가변 제어를 추종하면 반사파가 커질 우려가 있다. 그러나, 가변 콘덴서(VC1, VC2)는 모터 제어이기 때문에, 수 msec 정도의 주파수 가변 제어를 추종할 수 없다. 이 때문에, 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 정합 동작에 영향을 주지 않아, 반사파가 커질 우려가 없다. 이상으로부터, RF 전원(37)의 전자 제어와 정합기(35)의 기계 제어의 제어 스피드의 차를 이용하여 안정적인 플라즈마 착화와 반사파의 억제를 실현할 수 있다.
더욱이, 성막 처리에 의해 처리 용기(1)에 막이 퇴적한 경우나 클리닝 처리에 의해 퇴적한 막을 제거한 경우에 가변 콘덴서(VC1, VC2)의 프리셋 위치가 변화된다. 이 변화를, 조건 테이블(110)의 프리셋(VC1p, VC2p, 갱신 Pr)을 갱신함으로써 다음 RF의 온 시의 프리셋 위치로 피드백할 수 있다. 이로써, 더욱 안정적인 플라즈마 착화와 반사파의 억제를 실현할 수 있다.
이상에서는, 도 1에 도시하는 구성의 복수 매수의 동시 성막을 가능하게 하는 배치식의 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서, 복수의 플라즈마 가스 및 압력 조건으로 실행하는 ALD 프로세스에 관해서 설명했다. 그러나, 이것에 한하지 않고, 매엽식의 플라즈마 처리 장치 또는 여러 매수의 동시 성막을 가능하게 하는 세미배치식의 플라즈마 처리 장치에서 실행하는 ALD 프로세스에도 사용할 수 있다. 또한, ALD 프로세스에 한하지 않고, 이들 플라즈마 처리 장치에서 실행하는 ALE 프로세스, CVD 프로세스 등의 플라즈마 프로세스에 사용할 수 있다. 플라즈마 프로세스에는, 각종 가스를 플라즈마화하여 사용하는 에칭 프로세스, 성막 프로세스, 클리닝 프로세스가 포함된다. 본 개시의 착화 방법에서는, 이들 플라즈마 프로세스에 있어서 안정적인 플라즈마 착화를 실현하면서 또한 RF의 반사파 발생을 억제할 수 있다.
또한, 매엽식의 플라즈마 처리 장치를 사용하는 경우, RF 전원으로부터의 RF는 상부 전극에 인가하여도 좋고, 하부 전극에 인가하여도 좋고, 상부 전극과 하부 전극에 인가하여도 좋고, 하부 전극에 2개의 주파수의 RF를 인가하여도 좋다. 어느 경우나 본 개시의 착화 방법에 의해 안정적인 플라즈마 착화를 실현할 수 있다. 플라즈마 처리 장치는 Atomic Layer Deposition(ALD) 장치, Capacitively Coupled Plasma(CCP), Inductively Coupled Plasma(ICP), Radial Line Slot Antenna(RLSA), Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR), HeliconWave Plasma(HWP)의 어느 타입의 장치에서나 적용 가능하다.
이상 설명한 것과 같이, 본 개시에 따른 착화 방법 및 이 착화 방법을 실행하는 플라즈마 처리 장치에 의하면, 안정적인 플라즈마 착화 제어를 실현하면서 고주파의 반사파 발생을 억제할 수 있다.
이번에 개시된 실시형태에 따른 착화 방법 및 플라즈마 처리 장치는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실시형태는 첨부한 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고서 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.

Claims (8)

  1. 가변으로 제어된 주파수의 고주파를 인가하는 고주파 전원과, 상기 고주파가 인가되는 전극을 가지고 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 고주파 전원과 상기 전극의 사이에 설치된 정합기를 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서의 착화 방법으로서,
    상기 고주파 전원으로부터 제1 주파수의 고주파를 상기 전극에 인가하여, 상기 플라즈마 생성부에서 플라즈마를 착화하는 공정과,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 제1 주파수의 고주파를 인가하고 나서 미리 정해진 시간 후에, 상기 제1 주파수의 고주파와 다른 제2 주파수의 고주파를 인가하는 공정을 포함하는 착화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수보다 낮은 것인 착화 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 미리 정해진 시간은 1 msec 이상 100 msec 이하인 것인 착화 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 설정된 조건 테이블을 참조하여, 다른 프로세스 조건의 복수의 프로세스를 순차 실행하는 경우, 상기 플라즈마를 착화하는 공정은, 프로세스마다 상기 조건 테이블에 설정된 동작 개시 주파수로 상기 제1 주파수를 가변으로 제어하여, 플라즈마를 착화하는 것인 착화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 특정 프로세스 조건의 프로세스에 있어서의 반사파의 검출치와, 상기 조건 테이블에 보존되어 있는 상기 특정 프로세스 조건의 반사파의 갱신치를 비교하여, 상기 반사파의 검출치가 상기 반사파의 갱신치보다 작은 경우, 상기 반사파의 갱신치에 대응시켜 상기 조건 테이블에 보존하고 있는 가변 콘덴서의 프리셋 위치와 상기 반사파의 갱신치를, 상기 프로세스에 있어서의 상기 정합기 내의 가변 콘덴서의 정합 위치와 상기 반사파의 검출치에 의해 갱신하는 것인 착화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 조건 테이블에 보존하고 있는 가변 콘덴서의 프리셋 위치와 상기 프로세스에 있어서의 상기 정합기의 가변 콘덴서의 정합 위치의 차분이 미리 설정된 역치보다 큰 경우, 상기 조건 테이블에 보존하고 있는 가변 콘덴서의 프리셋 위치와 상기 반사파의 갱신치를 갱신하지 않는 것인 착화 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 차분이 상기 역치보다 큰 경우, 경고를 출력하는 것인 착화 방법.
  8. 가변으로 제어된 주파수의 고주파를 인가하는 고주파 전원과,
    상기 고주파가 인가되는 전극을 가지고 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
    상기 고주파 전원과 상기 전극 사이에 설치된 정합기와,
    제어부를 가지고,
    상기 제어부는,
    상기 고주파 전원으로부터 제1 주파수의 고주파를 상기 전극에 인가하여, 상기 플라즈마 생성부에서 플라즈마를 착화하는 공정과,
    상기 고주파 전원으로부터 상기 제1 주파수의 고주파를 인가하고 나서 미리 정해진 시간 후에, 상기 제1 주파수의 고주파와 다른 제2 주파수의 고주파를 인가하는 공정을 포함하는 처리를 실행하는 것인 플라즈마 처리 장치.
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