KR20230024205A - 플라즈마 처리 장치 및 성막 방법 - Google Patents

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KR20230024205A
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히로유키 마츠우라
다케시 안도
다케시 고바야시
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 플라즈마 밀도를 높이는 것을 목적으로 한다.
기판에 막을 성막하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기 내에 설치된 반응관과, 기판을 유지하고, 상기 반응관 내로 반입 및 반출되는 보트와, 상기 반응관에 연통하며, 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부에 상기 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 플라즈마 생성부를 사이에 두도록 설치되고, 전극을 갖는 전극 설치부와, 상기 전극에 접속되며, 상기 전극에 고주파를 공급하는 RF 전원과, 상기 전극 설치부 내에 상기 전극과 이격되어 설치된 코일과, 상기 코일에 접속되고, 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 전원을 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 성막 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND FILM FORMING METHOD}
본 개시는 플라즈마 처리 장치 및 성막 방법에 관한 것이다.
성막 공정시, 플라즈마 처리 장치의 내벽 등에 소망 막이 부착되어, 퇴적된다. 소망 막의 누적 막두께가 미리 설정된 임계값을 초과하면, 막이 박리되어, 누적 막두께에 비례하여 기판 상에 발생하는 파티클량이 증가한다.
기판 상에 발생하는 파티클량이 관리값을 초과하지 않도록, 미리 정해진 누적 막두께에 도달한 시점에서, 플라즈마 처리 장치의 내벽에 퇴적된 막을 드라이클리닝에 의해 제거한다. 생산성을 높이기 위해서는, 하나의 드라이클리닝으로부터 다음 드라이클리닝까지의 기간, 즉, 드라이클리닝 사이클을 가능한 한 길게 하는 것이 요구된다.
기판 상에 발생하는 파티클은, 플라즈마 생성부로부터 발생하는 것이 많다. 기판 상에 발생하는 파티클을 감소시키는 방법의 하나로서, 예컨대, 특허문헌 1은, 성막된 막 중에 발생하는 응력을 제어하는 방법을 제안한다. 단, 성막 공정에 이 막 응력 제어 공정을 포함시킴으로써 생산성의 저하가 우려된다.
[특허문헌 1] 일본 특허 제4607637호 공보
본 개시는 플라즈마 밀도를 높이는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따르면, 기판에 막을 성막하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기 내에 설치된 반응관과, 기판을 유지하고, 상기 반응관 내로 반입 및 반출되는 보트와, 상기 반응관에 연통하며, 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 플라즈마 생성부에 상기 가스를 공급하는 가스 공급부와, 상기 플라즈마 생성부를 사이에 두도록 설치되고, 전극을 갖는 전극 설치부와, 상기 전극에 접속되며, 상기 전극에 고주파를 공급하는 RF 전원과, 상기 전극 설치부 내에 상기 전극과 이격되어 설치된 코일과, 상기 코일에 접속되고, 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 전원을 갖는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
일 측면에 따르면, 플라즈마 밀도를 높일 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 열처리 장치의 일례를 나타낸 단면 모식도.
도 2는 실시형태에 따른 전극 설치부의 일례를 나타낸 단면 모식도(도 3의 B-B 단면).
도 3은 도 1의 A-A 단면을 나타낸 도면.
도 4는 실시형태에 따른 코일의 입체 개략도.
도 5는 실시형태에 따른 코일이 만드는 자장의 발생 예상도.
도 6은 실시형태에 따른 전극 설치부의 다른 예를 나타낸 단면 모식도.
도 7은 실시형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타낸 흐름도.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해서 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
[열처리 장치]
도 1을 참조하면서, 실시형태의 플라즈마 처리 장치의 일례로서 플라즈마 생성부를 갖는 열처리 장치에 대해서 설명한다. 도 1은 실시형태의 열처리 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
열처리 장치(1)는, 처리 용기(10)와 반응관(3)을 갖는다. 처리 용기(10)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 반응관(3)은, 처리 용기(10)의 내측에 배치된다. 반응관(3)은, 천장이 있는 대략 원통 형상을 갖는다. 반응관(3)은, 예컨대 석영 등의 내열 재료에 의해 형성되어 있다. 반응관(3)은 기판을 수용한다. 열처리 장치(1)는, 반응관(3)과 처리 용기(10)에 의해 이중 구조로 되어 있다.
열처리 장치(1)는, 매니폴드(13), 인젝터(14, 15), 덮개체(16), 가스 출구(19) 등을 갖는다. 매니폴드(13)는, 대략 원통 형상을 갖는다. 매니폴드(13)는, 반응관(3)의 하단을 지지한다. 매니폴드(13)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성되어 있다.
매니폴드(13)의 아래쪽에서부터 다수장(예컨대, 25장∼150장)의 기판(W)을 다단으로 배치한 보트(18)가 반응관(3) 내에 삽입(로드)된다. 이와 같이 반응관(3) 내에는, 성막시, 상하 방향을 따라 간격을 두고 다수장의 기판(W)이 대략 수평으로 수용된다. 보트(18)는, 예컨대 석영에 의해 형성되어 있다. 보트(18)는, 3개의 로드(6)를 가지며(도 1에서는 2개만 표시), 로드(6)에 형성된 홈(도시하지 않음)에 의해 다수장의 기판(W)이 지지된다. 기판(W)은, 예컨대 반도체 웨이퍼여도 좋다. 또한, 보트(18)가 반응관(3) 내에 반입(로드)되고, 기판(W)에 소망 막이 형성된 후, 보트(18)는 반응관(3)으로부터 반출(언로드)된다.
보트(18)는, 석영에 의해 형성된 보온통(17)을 통해 테이블(5) 상에 배치되어 있다. 테이블(5)은, 매니폴드(13)의 하단 개구를 개폐하는 금속(스테인리스)제의 덮개체(16)를 관통하는 회전축(7) 상에 지지된다.
회전축(7)의 관통부에는, 자성 유체 시일이 설치되어 있어, 회전축(7)을 기밀하게 밀봉하고, 또한 회전 가능하게 지지하고 있다. 덮개체(16)의 주변부와 매니폴드(13)의 하단 사이에는, 처리 용기(10) 내의 기밀성을 유지하기 위한 시일 부재(8)가 설치되어 있다.
회전축(7)은, 예컨대 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(도시하지 않음)에 지지된 아암(2)의 선단에 부착되어 있고, 보트(18)와 덮개체(16)는 일체로서 승강하며, 처리 용기(10) 내에 대하여 삽탈된다. 또한, 테이블(5)을 덮개체(16) 측으로 고정하여 설치하고, 보트(18)를 회전시키지 않고 기판(W)에 처리를 행하도록 하여도 좋다.
처리 장치(1)는, 처리 용기(10) 내로 처리 가스, 퍼지 가스 등의 소정의 가스를 공급하는 가스 공급부(20)를 갖는다. 가스 공급부(20)는, 가스 공급관인 인젝터(14, 15)를 갖는다. 인젝터(14, 15)는, 예컨대 석영에 의해 형성되어 있고, 매니폴드(13)의 측벽을 내측으로 관통하여 위쪽으로 굴곡되어 수직 방향으로 연장된다. 인젝터(14, 15)의 수직 부분에는, 보트(18)의 기판 지지 범위에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐 각각 복수의 가스 구멍(14a, 15a)이 소정 간격으로 형성되어 있다. 각 가스 구멍(14a, 15a)은 수평 방향으로 가스를 토출한다. 인젝터(14, 15)는, 예컨대 석영에 의해 형성되어 있고, 매니폴드(13)의 측벽을 관통하여 설치된 석영관으로 이루어진다. 또한, 도 1의 예에서는, 인젝터(14, 15)가 1개인 경우를 나타내고 있지만, 인젝터(14, 15)는 복수개여도 좋다.
인젝터(14)에는, 가스 배관을 통해 원료 가스 공급원(21)으로부터 성막을 위한 실리콘 함유 가스가 공급된다. 본 실시형태에서는, 디클로로실란(SiH2Cl2)이 공급되는 예를 들어 설명하였으나, 실리콘 함유 가스는 이것에 한정되지 않는다. 가스 배관에는, 유량 제어기(22) 및 개폐 밸브(V0)가 설치되어 있다. 디클로로실란은, 원료 가스 공급원(21)으로부터 출력되고, 유량 제어기(22)로써 그 유량이 제어되어 개폐 밸브(V0)의 개폐에 의해 반응관(3) 내로의 공급이 온·오프된다.
인젝터(15)는, 그 수직 부분이 플라즈마 생성부(60) 내에 설치되어 있다. 인젝터(15)에는, 가스 배관을 통해 암모니아 가스 공급원(23)으로부터 암모니아(NH3) 가스가 공급된다. 가스 배관에는, 유량 제어기(25) 및 개폐 밸브(V1)가 설치되어 있다. NH3 가스는, 암모니아 가스 공급원(23)으로부터 출력되고, 유량 제어기(25)로써 그 유량이 제어되어, 개폐 밸브(V1)의 개폐에 의해 플라즈마 생성부(60) 내로의 공급이 온·오프된다. NH3 가스는, 플라즈마 생성부(60)에서 플라즈마화되어 반응관(3) 내에 공급된다. 또한, 인젝터(15)에는, 가스 배관을 통해 수소 가스 공급원(24)으로부터 수소(H2) 가스가 공급된다. 가스 배관에는, 유량 제어기(25) 및 개폐 밸브(V2)가 설치되어 있다. H2 가스는, 수소 가스 공급원(24)으로부터 출력되고, 유량 제어기(25)로써 그 유량이 제어되어, 개폐 밸브(V2)의 개폐에 의해 플라즈마 생성부(60) 내로의 공급이 온·오프된다. H2 가스는, 플라즈마 생성부(60)에 있어서 플라즈마화되어 반응관(3) 내에 공급된다.
도시하고 있지 않지만, 가스 배관을 통해 퍼지 가스 공급원으로부터 퍼지 가스를 공급하는 인젝터를 설치하여도 좋다. 가스 배관에는, 유량 제어기 및 개폐 밸브가 설치되어 있다. 이에 따라, 퍼지 가스는, 퍼지 가스 공급원으로부터 가스 배관을 통해 소정의 유량으로 반응관(3) 내에 공급된다. 퍼지 가스로는, 예컨대 질소(N2), 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 이용할 수 있다. 또한, 퍼지 가스는, 인젝터(14, 15) 중 적어도 하나로부터 공급하여도 좋다. 본 실시형태에서는, 퍼지 가스는, 인젝터(14, 15)로부터 공급된다. 이러한 구성에 의해, 가스 공급부(20)는, 플라즈마 생성부(60) 내에 암모니아 가스, 수소 가스 및 퍼지 가스를 공급한다. 또한, 가스 공급부(20)는, 반응관(3) 내에 디클로로실란 및 퍼지 가스를 공급한다. 처리 가스는, 예컨대 성막 가스, 클리닝 가스, 퍼지 가스를 포함한다. 본 실시형태에 있어서, 성막 가스는, 질화실리콘(SiN)막을 성막하기 위해 이용되는 가스이며, 디클로로실란 등의 실리콘 함유 가스, 암모니아 가스 및 수소 가스를 포함한다.
열처리 장치(1)는, 배기부(30), 가열부(40), 냉각부(50), 제어 장치(90) 등을 더 갖는다. 처리 용기(10) 내에 공급되는 처리 가스는, 가스 출구(19)를 통해 배기부(30)에 의해 배기된다. 가스 출구(19)는, 매니폴드(13)에 형성되어 있다. 배기부(30)는, 배기 장치(31), 배기 배관(32) 및 압력 제어기(33)를 포함한다. 배기 장치(31)는, 예컨대 드라이 펌프, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프이다. 배기 배관(32)은, 가스 출구(19)와 압력 제어기(33)와 배기 장치(31)를 접속한다. 압력 제어기(33)는, 배기 배관(32)에 개재되어 있고, 배기 배관(32)의 컨덕턴스를 조정함으로써 처리 용기(10) 내의 압력을 제어한다. 압력 제어기(33)는, 예컨대 자동 압력 제어 밸브이다.
가열부(40)는, 단열재(41), 히터(42) 및 외피(43)를 포함한다. 단열재(41)는, 대략 원통 형상을 가지며, 반응관(3)의 주위에 설치되어 있다. 단열재(41)는, 실리카 및 알루미나를 주성분으로 형성되어 있다. 히터(42)는, 발열체의 일례이며, 단열재(41)의 내주에 설치되어 있다. 히터(42)는, 처리 용기(10)의 높이 방향으로 복수의 존으로 나누어 온도 제어가 가능하도록 처리 용기(10)의 측벽에 선형 또는 면형으로 설치되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 외주를 덮도록 설치되어 있다. 외피(43)는, 단열재(41)의 형상을 유지함과 더불어 단열재(41)를 보강한다. 외피(43)는, 스테인리스강 등의 금속에 의해 형성되어 있다. 또한, 가열부(40)의 외부에의 열영향을 억제하기 위해, 외피(43)의 외주에 수냉 재킷(도시하지 않음)을 설치하여도 좋다. 이러한 가열부(40)는, 히터(42)에 공급되는 파워에 의해 히터(42)의 발열량이 정해지고, 이에 따라, 처리 용기(10) 내를 소망의 온도가 될 때까지 가열한다.
냉각부(50)는, 처리 용기(10)를 향해 냉각 유체를 공급하고, 처리 용기(10) 내의 웨이퍼(W)를 냉각한다. 냉각 유체는, 예컨대 공기여도 좋다. 냉각부(50)는, 예컨대 열처리의 후에 웨이퍼(W)를 급속 강온시킬 때에 처리 용기(10)를 향해 냉각 유체를 공급한다. 냉각부(50)는, 유체 유로(51), 분출 구멍(52), 분배 유로(53), 유량 조정부(54), 배열구(55)를 갖는다.
유체 유로(51)는, 단열재(41)와 외피(43) 사이에 높이 방향으로 복수 형성되어 있다. 유체 유로(51)는, 예컨대 단열재(41)의 외측에 둘레 방향을 따라 형성된 유로이다. 분출 구멍(52)은, 각 유체 유로(51)로부터 단열재(41)를 관통하여 형성되어 있고, 반응관(3)과 단열재(41) 사이의 공간으로 냉각 유체를 분출한다.
분배 유로(53)는, 외피(43)의 외부에 설치되어 있고, 냉각 유체를 각 유체 유로(51)에 분배하여 공급한다. 유량 조정부(54)는, 분배 유로(53)에 개재되어 있고, 유체 유로(51)에 공급되는 냉각 유체의 유량을 조정한다.
배열구(55)는, 복수의 분출 구멍(52)보다 위쪽에 설치되어 있고, 반응관(3)과 단열재(41) 사이의 공간에 공급된 냉각 유체를 열처리 장치(1)의 외부로 배출한다. 열처리 장치(1)의 외부로 배출된 냉각 유체는, 예컨대 열교환기에 의해 냉각되어 다시 분배 유로(53)에 공급된다. 단, 열처리 장치(1)의 외부로 배출된 냉각 유체는, 재이용되지 않고 배출되어도 좋다.
제어 장치(90)는, 열처리 장치(1)의 동작을 제어한다. 제어 장치(90)는, 예컨대 컴퓨터여도 좋다. 열처리 장치(1)의 전체 동작을 행하는 컴퓨터 프로그램은, 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는, 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이어도 좋다.
[플라즈마 생성부 및 전극 설치부]
반응관(3)의 측벽의 일부에는, 플라즈마 생성부(60)가 형성되어 있다. 플라즈마 생성부(60)는, 반응관(3)에 설치된 개구(81)를 통해 반응관(3)으로 연통한다. 플라즈마 생성부(60) 및 전극 설치부의 구성의 일례에 대해서, 도 1에 더하여, 도 2 및 도 3을 참조하면서 설명한다. 도 2는 실시형태에 따른 전극 설치부(70)의 일례를 나타낸 단면 모식도이며, 도 3의 B-B 단면 및 정합 회로(27), RF 전원(28), 직류 전원(63)을 나타낸다. 도 3은 도 1의 A-A 단면을 나타낸 도면이다.
도 1∼도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성부(60)는, 반응관(3)의 측벽의 일부에 반응관(3)의 길이 방향(수직 방향)을 따라 설치되고, 가스로부터 플라즈마를 생성한다. 도 3을 참조하면, 플라즈마 생성부(60)는, 반응관(3)의 길이 방향을 따라 반응관(3)으로부터 직사각 형상으로 돌출되는 플라즈마 구획벽(60a)(도 4 참조)을 갖는다. 플라즈마 구획벽(60a)은, 반응관(3)에 용접되고, 플라즈마 생성부(60)의 내부 공간은 개구(81)(도 1, 도 3 참조)를 통해 반응관(3)으로 연통되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 반응관(3) 내에는 실리콘 프리커서(예컨대 디클로로실란 SiH2Cl2) 공급용 인젝터(14)가 설치된다. 가스 공급부(20)의 원료 가스 공급원(21)은, 수직 방향으로 복수 형성된 가스 구멍(14a)으로부터 반응관(3) 내에 디클로로실란 가스를 공급한다.
플라즈마 생성부(60)의 내부에는, NH3 가스 및 H2 가스 공급용 인젝터(15)가 설치된다. 가스 공급부(20)의 암모니아 가스 공급원(23)은, 수직 방향으로 복수 형성된 가스 구멍(15a)으로부터 플라즈마 생성부(60) 내에 NH3 가스를 공급하고, 수소 가스 공급원(24)은, 수직 방향으로 복수 형성된 가스 구멍(15a)으로부터 플라즈마 생성부(60) 내에 H2 가스를 공급한다.
개구(81)에 대향하는 반응관(3)의 측벽 하부에는, 반응관(3) 내를 진공 배기하기 위한 가스 출구(19)(도 1, 도 3 참조)가 설치되고, 인젝터(14, 15)로부터 공급된 가스를 배기한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극 설치부(70)는, 플라즈마 생성부(60)를 사이에 두도록 설치되고, 내부에 고주파 전극(26) 및 코일(61, 62)을 갖는다. 전극 설치부(70)는, 플라즈마 생성부(60)의 플라즈마 구획벽(60a) 중, 대향하는 플라즈마 구획벽(60a1, 60a2)에 인접하여 설치된다. 2장이 1쌍인 고주파 전극(26)은 플라즈마 생성부(60)를 사이에 두도록 플라즈마 생성부(60)의 양측 벽(60a1, 60a2)에 설치된다. 플라즈마 생성부(60)는 진공 공간이며, 전극 설치부(70)는 대기 공간이다.
도 2에는, 플라즈마 생성부(60)의 한쪽 전극 설치부(70)에 설치된 고주파 전극(26) 및 코일(61, 62)을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 고주파 전극(26)은, 대향하는 플라즈마 구획벽(60a1, 60a2)[이하, 벽(60a1, 60a2)이라고도 함]의 한쪽을 따라 길이 방향으로 연장되어 있다. 고주파 전극(26)은, 다른 쪽 전극 설치부(70)에서 벽(60a1, 60a2)의 다른 쪽을 따라 길이 방향으로 연장되어 있는 고주파 전극(26)과 1쌍으로 되어 있다. 코일(61, 62)은 벽(60a1, 60a2)을 따라 권취된다(도 4 참조).
1쌍의 고주파 전극(26)은, 정합 회로(27)를 통해 RF 전원(28)에 접속되고, RF 전원(28)으로부터 고주파(RF)가 공급된다. 플라즈마 생성부(60)는, 고주파의 전력에 의해 NH3 가스를 플라즈마화하여 플라즈마 생성부(60) 내에서 막을 질화하기 위한 활성종을 생성한다. 또한, 플라즈마 생성부(60)는, 고주파의 전력에 의해 H2 가스를 플라즈마화하여 플라즈마 생성부(60) 내에서 수소(H) 라디칼을 생성한다.
코일(61, 62)은, 고주파 전극(26)과 이격되어 설치되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 코일(61, 62)은 직류 전원(63)에 접속된다. 직류 전원(63)은, 코일(61, 62)에 직류 전류를 공급한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전극 설치부(70) 내에는 석영 등의 절연 부재(36)가 매립되고, 플라즈마 구획벽(60a)의 대향하는 벽(60a1, 60a2)을 따라 설치된 1쌍의 고주파 전극(26)과 코일(61, 62)을 전기적으로 절연한다.
코일(61, 62)은, 대향하는 벽(60a1, 60a2)을 따라 1회 이상 권취된다. 도 4는, 자장 인가용 코일(61, 62)의 입체 개략도이다. 2개의 코일(61, 62)은, 플라즈마 생성부(60)의 외측에 권취된다. 반응관(3)으로부터 먼 쪽이 코일(61)이며, 반응관(3)에 가까운 쪽이 코일(62)이다. 도 4에 도시된 바와 같이 코일(61)과 코일(62)은 플라즈마 생성부(60)의 아래쪽에서 연결되어 있고, 전체적으로 일체의 코일로 되어 있다. 이들 코일에 직류 전원(63)을 접속하고, 직류 전원(63)으로부터 직류 전류를 공급한다. 또한, RF 전원(28)으로부터 고주파 전극(26)에 고주파를 인가한다. 이에 따라, 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부(60)의 내부에 자장을 인가한다. 코일(61)과 코일(62)이 분리되어, 각각 개별적으로 전용 직류 전원에 접속하여도 좋다. 도 4에서는 코일(61, 62)은, 벽(60a1, 60a2)을 따라 1회 권취되어 있지만, 코일(61, 62)은 복수회 권취되어도 좋다.
도 5는 실시형태에 따른 코일(61, 62)이 만드는 자장의 발생 예상도를 나타낸다. 플라즈마 생성부(60)에 있어서의 플라즈마 밀도를 크게 하고, 필요한 반응 활성종의 생성량의 증대화를 실현함으로써 성막시의 플라즈마 처리 공정의 시간을 단축할 수 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 플라즈마 밀도를 크게 하고, 반응 활성종의 생성량을 증대시키기 위해, 고주파 전극(26)(평행 평판 전극) 근방에 코일(61, 62)을 설치하고 있다. 그리고, 코일(61, 62)에 직류 전류를 흐르게 하여 자장을 발생시킨다. 그리고, 발생시킨 자장을, 고주파에 의해 NH3 가스 및 H2 가스로부터 생성한 플라즈마에 작용시킨다.
2개의 코일(61, 62)에 의해 형성되는 자장은, 도 5에 화살표로 나타낸 자장의 방향과 범위를 갖는다. 도 4 및 5의 예에서는, 직류 전류는, 앞쪽 코일(61, 62)을 아래에서 위로 흐르고, 상부에서 뒤쪽으로 흐르며, 뒤쪽 코일(61, 62)을 위에서 아래로 흐른다. 이에 따라, 도 5에 도시된 자장이 생성된다. 단, 직류 전류의 방향은 반대여도 좋다. 플라즈마(P) 내의 전자는 자장의 영향을 받아 원 운동(사이클로트론 운동)한다. 이에 따라, 플라즈마(P) 내의 중성 입자에 전자가 부딪히는 횟수(충돌 주파수)를 늘릴 수 있다. 이에 따라, 고주파 전극(26)에 동일한 파워의 고주파를 공급한 경우여도 자장이 형성되어 있는 본 실시형태에서는, 자장이 형성되어 있지 않은 경우에 비해 플라즈마(P)의 밀도를 높일 수 있다.
도 5에 도시된 a점, b점 및 c점은, 플라즈마 생성부(60)의 중앙부[벽(60a1, 60a2)으로부터 대략 동일 거리]에 위치한다. a점은 고주파 전극(26) 바로 아래의 영역으로부터 인젝터(15)측에 위치하는 점으로, 도 5에 도시된 바로 앞과 뒤의 코일(61)을 잇는 라인의 중간에 위치하고, 코일(61)이 만드는 자장의 영향을 받는다. b점은 고주파 전극(26) 바로 아래의 영역보다 반응관(3)측에 위치하는 점으로, 바로 앞과 뒤의 코일(62)을 잇는 라인의 중간에 위치하며, 코일(62)이 만드는 자장의 영향을 받는다. c점은 고주파 전극(26) 바로 아래의 영역, 즉, 고주파 전극(26) 사이의 중앙에 위치하고, 코일(61) 및 코일(62)이 만드는 합성된 자장이 기판(W)측으로부터 인젝터(15)측을 향해 발생한다. c점에서의 자장은 a점이나 b점의 자장에 비해 작아, 자장 인가의 효과가 작은 영역이다.
코일(61)과 코일(62), 또는, 코일(62)만을 설치하고, 코일에 직류 전류를 흐르게 하여 발생하는 자장을 플라즈마에 인가하여 플라즈마 밀도를 증가시킨다. 각각의 코일의 권취수 1회∼10회 정도이다. 코일에 공급하는 직류 전류는 1 A에서 10 A 정도이다. 코일(61, 62) 중 어느 하나만 설치하여도 좋다. 단, 코일(61, 62) 중 어느 하나를 설치하는 경우, 기판(W)으로부터 먼 쪽의 코일(61)보다 기판(W)에 가까운 쪽의 코일(62)을 설치하는 것이 바람직하다.
코일(61, 62)은 히터(42)가 배치된 처리 용기(10) 내에 설치되기 때문에, 내열성이 높고 도전율이 큰 금속 재료가 사용된다. 도전율이 큰 재료를 이용함으로써 큰 자장을 발생시킬 수 있다.
자속 밀도(B)의 자장 내의 전자(질량 me, 전하 e)는, 자장에 수직인 평면 내에서 일정한 각속도(각주파수) ωc=eB/me로 선회(사이클로트론) 운동을 행한다. ωc를 사이클로트론 주파수라고 부르고, 이것과 같은 각주파수의 전자파를 공명 흡수한다. 이 현상은 전자 사이클로트론 공명(ECR: Electron Cyclotron Resonance)이라 불린다.
사이클로트론 주파수 ωc가 고주파 주파수 ω와 같을 때, 전자의 속도는 시간에 정비례하고, 전자는 시간과 함께 가속된다. 전자는, 고주파 전극이 만드는 전계에 의해 에너지를 계속해서 흡수하기 때문에, 이 조건이 전자 사이클로트론 공명이 된다.
예컨대, RF 전원(28)으로부터 출력되는 플라즈마 생성용 고주파의 주파수를 13.56 MHz로 했을 경우, b점에 있어서의 플라즈마 내의 전자의 사이클로트론 주파수를 ωc[rad/s]로 한다. ωc/2π=fc[s-1]가 RF 전원(28)의 주파수인 13.56 MHz와 일치하는 자속 밀도는 0.48 mT이다. 코일(62)만을 설치하고, b점에 있어서의 자속 밀도를 0.48 mT로 하기 위해서는, 코일(62)의 권취수를 5회, 전류를 5 A 정도 흐르게 할 필요가 있다.
코일(61, 62)에 흐르게 하는 전류는, 제어 장치(90)에 의해 0 A∼10 A의 범위에서 임의로 설정할 수 있고, 플라즈마의 생성 조건에 대응하여 알맞은 자장을 인가할 수 있도록 한다. 코일(61, 62)의 전류의 크기는, 본 실시형태의 성막 방법에 있어서 사용되는 성막용 레시피 내에서 설정 가능한 프로세스 파라미터의 하나로서 설정 가능하다.
코일은, 전극 설치부(70)의 내부에 1개 이상 설치되고, 최대 2개 설치할 수 있다. 단, 이것에 한정되지 않고, 코일은, 인젝터(15)가 설치되는 플라즈마 구획벽(60a)의 벽(60a3)을 따라 플라즈마 생성부(60)의 외측에 부착되어도 좋다. 도 6은 벽(60a3)을 따라 플라즈마 생성부(60)의 외측에 코일(64)을 형성한 예를 나타낸다. 이 경우, 코일(61, 62, 64) 3개가 설치되어도 좋고, 코일(61, 62, 64) 중 적어도 하나가 설치되어도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 1회 권취 코일(61, 62)을 나란히 배치하였으나, 이것에 한정되지 않고, 코일(61, 62) 각각을 상하로 2개로 나누어 상부 코일(61, 62)과 하부 코일(61, 62)을 따로따로 설치하여도 좋다.
플라즈마 생성부(60)의 중앙의 RF 전원(28)이 대향하는 위치에 있어서 플라즈마의 밀도가 가장 높아지는 것이 바람직하다. 그래서, 도 6에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성부(60)의 벽(60a1, 60a2)의 고주파 전극(26)의 양측에 오목부를 설치하고, 오목부에 코일(61, 62)을 배치하여도 좋다. 이에 따라, 플라즈마 생성부(60)의 중앙의 RF 전원(28)이 대향하는 위치에 보다 근접하여 코일(61, 62)을 설치할 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 생성부(60)의 중앙 부근에 강한 자장을 형성하여, 플라즈마 밀도를 더 높일 수 있다.
[성막 방법]
이상으로 설명한 배치식 플라즈마 처리 장치인 열처리 장치(1)에 기판(W)을 투입하여, 성막하는 방법에 대해서 설명한다. 본 실시형태에서는, 질화실리콘막(이하 「SiN막」이라고 기재함)의 ALD(Atomic layer deposition)법에 의한 성막 공정을 행한다. 단, 성막 방법은 ALD법에 의한 성막에 한정되지 않는다. 예컨대, CVD법에 의한 성막에 적용할 수 있다.
성막 공정시에 열처리 장치(1)의 처리 용기(10)의 내벽 등에 퇴적된 SiN막의 누적 막두께가 미리 설정된 임계값을 초과하면, SiN막이 박리되어 누적 막두께에 비례하여 기판 상에 발생하는 파티클량이 증가한다. 예컨대, 반응관(3) 내를 500℃∼600℃로 유지하고, 플라즈마를 이용하여 ALD법에 의해 SiN막을 성막하는 경우, 누적 막두께가 1.0 ㎛ 전후에서 파티클 증가량의 관리값을 초과하는 경우가 있다.
기판 상에 발생하는 파티클량이 관리값을 초과하지 않도록, 미리 정해진 누적 막두께에 도달한 시점에서, 열처리 장치(1)의 처리 용기(10)의 내벽에 성막된 SiN막은 드라이클리닝에 의해 제거된다. 그 후, 다시 정해진 누적 막두께에 도달할 때까지, SiN막의 ALD법에 의한 성막 공정이 반복하여 실시된다. 처리 용기(10)의 드라이클리닝으로부터 다음 드라이클리닝까지의 기간을 「드라이클리닝 사이클」이라고 부르고, 통상 그 길이를 누적 막두께(㎛)로 나타낸다. 최근, 열처리 장치(1)의 가동률의 향상을 위해 드라이클리닝 사이클의 연장이 중요 과제 중 하나로 되어 있다.
열처리 장치(1)에 있어서의 ALD법에 의한 SiN막의 성막의 경우, 기판 상에 발생하는 파티클은 주로 기판 근방에 설치된 플라즈마 생성부(60)로부터 발생하는 것이 많다. 플라즈마 생성부(60)에 성막된 SiN막이, 플라즈마의 작용에 의해 그 일부가 박리되어 미소한 파티클로서 기판(W)의 표면에 부착된다고 생각된다.
기판(W) 상에 발생하는 파티클을 감소시키는 방법은 몇 가지 있지만, 유효한 방법의 하나로서, 성막되는 SiN막 중에 발생하는 응력을 제어하는 방법이 있다. 이 경우, SiN막 중에 발생하는 응력을 제어하기 위해, ALD 시퀀스(ALD 사이클) 중에 수소 라디칼 퍼지 공정(Hydrogen radical purge, HRP)을 추가한다.
그러나, HRP 공정을 추가하면 ALD 사이클 시간이 길어져 생산성이 저하된다고 하는 문제가 발생한다. 그래서, 생산성과 막 응력 제어를 양립시키기 위해, 바꿔 말하면, ALD 사이클 시간을 단축하면서 HRP의 효과를 유지, 향상시키기 위해, 플라즈마 밀도를 크게 하고, 필요한 반응 활성종의 생성량을 증대화시키는 것이 가능한 열처리 장치(1)를 사용하여 성막을 행한다.
열처리 장치(1)를 사용한 SiN막의 ALD 사이클은, (1) 플라즈마 어시스트를 사용한 암모니아 가스의 플라즈마에 의한 질화, (2) 진공 퍼지, (3) 실리콘 프리커서의 흐름, (4) 진공 퍼지, (5) HRP의 순으로 (1)∼(5) 공정을 반복한다. 또한, (3) 실리콘 프리커서의 흐름의 일례로는, 예컨대 디클로로실란 가스를 반응관(3) 내에 흐르게 하여 열반응을 일으킨다. (3)에서는 플라즈마는 사용하지 않는다.
생산성을 향상시키기 위해서는, (1) 및 (5)의 플라즈마를 사용하는 공정의 시간을 단축하는 것이 유효하다. 그 때문에, 플라즈마 생성부(60)에 있어서의 플라즈마 밀도를 크게 하고, 필요한 반응 활성종의 생성량을 증대시킨다. 필요한 반응 활성종의 생성량을 증대시키기 위해 단순히 인가하는 고주파 전력을 증대시키면, 그것에 비례하여 파티클의 발생량이 증가하는 것이 알려져 있다. 따라서 본 실시형태에 따른 열처리 장치(1)에서는, 고주파 전력을 증대시키는 방법이 아니라, 생성시킨 용량 결합의 플라즈마(P)에 직류 자장을 인가함으로써 생산성 향상의 목적을 달성시킨다. 이하, 본 실시형태에 따른 성막 방법에 대해서, 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 7은 실시형태에 따른 성막 방법의 일례를 나타낸 흐름도이다. 도 7의 성막 방법은, 제어 장치(90)에 의해 제어된다.
본 처리가 시작되면, 제어 장치(90)는, 코일(61, 62)에 직류 전류를 공급하고, 플라즈마 생성부(60)에 자장을 발생시킨다. 또한, 인젝터(15)로부터 NH3 가스를 공급하고, 고주파 전극(26)에 고주파 전력을 인가한다. 이에 따라, 고주파 전력에 의해 NH3 가스로부터 플라즈마를 생성한다. 이에 따라, 반응관(3) 내에서는, 플라즈마 생성부(60)로부터 보내진 NH3 가스의 플라즈마에 기판(W)을 노출시키고, 기판(W) 상의 막을 질화시키는 질화 공정이 실행된다(공정 S1). 또한, 질소 함유 가스는 NH3 가스에 한정되지 않고, N2 가스 등이어도 좋다.
다음에, 제어 장치(90)는, 인젝터(14, 15)로부터 Ar 가스 등의 불활성 가스를 공급하고, 배기 장치(31)에 의해 반응관(3) 내를 배기하여, 진공 퍼지 공정을 실행한다(공정 S3).
다음에, 제어 장치(90)는, 인젝터(14)로부터 SiH2Cl2 가스를 반응관(3) 내에 흐르게 하여, 열반응을 일으킨다(공정 S5). 이때 플라즈마는 사용하지 않는다. 이에 따라, 기판(W)을, 실리콘을 포함하는 성막 가스에 노출시키고, SiN막을 성막한다. 다음에, 제어 장치(90)는, 인젝터(14, 15)로부터 Ar 가스 등의 불활성 가스를 공급하고, 배기 장치(31)에 의해 반응관(3) 내를 배기하여, 진공 퍼지 공정을 실행한다(공정 S7).
다음에, 제어 장치(90)는, 코일(61, 62)에 직류 전류를 공급하고, 플라즈마 생성부(60)에 자장을 발생시킨다. 또한, 인젝터(15)로부터 H2 가스를 공급하고, 고주파 전극(26)에 고주파 전력을 인가한다. 이에 따라, 고주파 전력에 의해 H2 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 생성된 H2 가스의 플라즈마에 기판(W)을 노출시킨다(공정 S9). 이에 따라, 수소 라디칼 퍼지(HRP) 공정을 실행한다. 이에 따라, 성막된 SiN막 중에 발생하는 응력을 제어한다. 이 결과, 막 중의 응력의 제어에 의해 기판(W) 상에 발생하는 파티클을 감소시킬 수 있다.
다음에, 제어 장치(90)는, 인젝터(14, 15)로부터 Ar 가스 등의 불활성 가스를 공급하고, 배기 장치(31)에 의해 반응관(3) 내를 배기하여, 진공 퍼지 공정을 실행한다(공정 S11). 또한, 공정 S11은 생략하여도 좋다.
다음에, 제어 장치(90)는, 미리 정해진 소정 횟수 반복하였는지를 판정한다(공정 S13). 제어 장치(90)는, 소정 횟수 반복하지 않았다고 판정하면, 공정 S1로 되돌아가서 공정 S1∼S11의 공정을 이 순서로 반복한다. 제어 장치(90)는, 공정 S13에 있어서 소정 횟수 반복하였다고 판정하면, 본 처리를 종료한다.
본 실시형태에 따른 성막 방법에 의하면, 공정 S1 및 공정 S9에서 플라즈마를 생성한다. 이때, 플라즈마 생성부(60)를 따라 배치된 전극 설치부(70)에 설치되는 고주파 전극(26)에 고주파 전력을 공급하고, 전극 설치부(70)에 설치된 코일(61, 62)에 직류 전류를 공급한다.
이에 따라, 성막 성능을 유지한 채로, 공정 S1의 시간(질화 시간)을 약 10∼20% 단축하고, 공정 S9의 시간(HRP 시간)을 약 10∼30% 단축할 수 있다. 성막 성능이란, 막질, 막두께 균일성, ALD 사이클 레이트(공정 S1∼S11의 1사이클로 생성되는 막의 두께)를 말한다.
또한, 본 실시형태에서는 코일(61, 62)을 배치한 열처리 장치(1)를 사용한다. 이에 따라, 코일(61, 62)을 배치하지 않는 열처리 장치와 비교하여 드라이클리닝 사이클의 시간을, 1.5배 정도까지 길게 할 수 있다. 그 결과, 열처리 장치(1)의 가동률을 상승시킬 수 있다. 또한, 품질 관리를 위한 공수나 재료 비용의 삭감이 가능해진다.
이상으로 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치 및 성막 방법에 따르면, 플라즈마 생성부(60)에서 생성하는 플라즈마 밀도를 높일 수 있다. 또한, 성막 방법에 있어서 파티클의 발생을 억제하면서, 생산성을 향상시킬 수 있다. 예컨대, ALD법에 의한 본 실시형태의 성막 방법에 있어서 사용되는 성막용 레시피의 시간(ALD 사이클 시간)의 범위 내에서, NH3 가스의 플라즈마에 의한 질화 시간 및 H2 가스의 플라즈마에 의한 HRP 시간을 단축할 수 있다. 이에 따라, 생산성을 향상시키면서, 성막되는 SiN막 중에 발생하는 응력을 최적화함으로써 파티클의 발생을 억제할 수 있다. 이에 따라, 드라이클리닝 사이클을 현상의 1.5배 정도까지 길게 할 수 있다.
이번에 개시된 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치 및 성막 방법은, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 실시형태는, 첨부한 청구범위 및 그 주지를 일탈하지 않고 다양한 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있으며, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
본 성막 방법은 SiN막의 성막에 한정되지 않고, 다른 성막시에도 사용할 수 있다. 또한, 예컨대, 본 성막 방법은 소망 막의 표면 처리에도 사용할 수 있어, 막의 표면 상태를 바꿀 수 있다. 예컨대, 산화실리콘막(SiO2)이 성막된 기판(W)을 플라즈마 처리 장치에 반입하여, NH3 가스의 플라즈마를 생성하고, 기판(W)을 플라즈마 처리하면, 산화실리콘막의 표면이 질화한다. 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치에 의하면, NH3 가스의 플라즈마의 밀도를 높일 수 있고, 이에 따라, 표면 처리의 시간을 단축할 수 있다.

Claims (8)

  1. 기판에 막을 성막하는 플라즈마 처리 장치로서,
    처리 용기 내에 설치된 반응관과,
    기판을 유지하고, 상기 반응관 내로 반입 및 반출되는 보트와,
    상기 반응관에 연통하며, 가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
    상기 플라즈마 생성부에 상기 가스를 공급하는 가스 공급부와,
    상기 플라즈마 생성부를 사이에 두도록 설치되고, 전극을 갖는 전극 설치부와,
    상기 전극에 접속되며, 상기 전극에 고주파를 공급하는 RF 전원과,
    상기 전극 설치부 내에 상기 전극과 이격되어 설치된 코일과,
    상기 코일에 접속되고, 상기 코일에 직류 전류를 공급하는 직류 전원
    을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는 상기 반응관으로부터 직사각 형상으로 돌출되고,
    상기 전극 설치부는 상기 직사각 형상으로 돌출된 플라즈마 생성부의 플라즈마 구획벽을 따라 설치되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코일은 상기 플라즈마 생성부의 대향하는 플라즈마 구획벽을 따라 1회 이상 권취되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 전극 설치부의 내부에 대향하여 설치되고,
    상기 코일은 대향하는 상기 전극과 나란히 1개 이상 설치되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 전극 설치부의 내부에 대향하여 설치되고,
    상기 코일은 대향하는 상기 전극의 양측에 복수 설치되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 코일은 적어도 하나가 상기 전극보다 상기 반응관측에 설치되는 것인 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치에 있어서의 기판의 성막 방법으로서,
    (a) 기판을, 질소 함유 가스로부터 생성된 플라즈마에 노출시키는 공정과,
    (b) 상기 기판을, 실리콘을 포함하는 성막 가스에 노출시키는 공정과,
    (c) 상기 기판을, 수소 가스로부터 형성된 플라즈마에 노출시키는 공정과,
    (d) 상기 공정 (a)에서 상기 공정 (c)까지를 이 순서로 반복하는 공정
    을 포함하고,
    상기 공정 (a) 및 상기 공정 (c)에 있어서 상기 플라즈마를 생성할 때, 플라즈마 생성부를 따라 배치된 전극 설치부에 설치되어 전극에 고주파를 공급하고 상기 전극 설치부에 설치된 코일에 직류 전류를 공급하는 성막 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 공정 (a)와 상기 공정 (b) 사이, 및 상기 공정 (b)와 상기 공정 (c) 사이에 상기 반응관 내부를 퍼지하는 공정을 포함하는 성막 방법.
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