KR20240006440A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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노부오 마츠키
히로유키 마츠우라
다로 이케다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 구획벽에 막이 퇴적되어도 방전을 유지할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 측벽에 개구를 갖는 처리 용기와, 상기 개구를 덮고 상기 처리 용기의 내부와 연통되는 내부 공간을 형성하는 구획벽과, 상기 구획벽을 관통하여 상기 내부 공간에 기밀하게 삽입되고, RF 전력이 공급되는 내부 전극을 구비하며, 상기 구획벽과 상기 내부 전극 사이에 제1 간극이 마련된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 개시는, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
세로형의 플라즈마 처리 장치에서, 처리 용기의 측벽에 형성된 개구를 덮도록 하여 플라즈마 구획벽을 설치하고, 플라즈마 구획벽으로 덮인 내부 공간에서 플라즈마를 생성하는 기술이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 제2004-343017호 공보
본 개시는, 구획벽에 막이 퇴적되어도 방전을 유지할 수 있는 기술을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 측벽에 개구를 갖는 처리 용기와, 상기 개구를 덮고 상기 처리 용기의 내부와 연통되는 내부 공간을 형성하는 구획벽과, 상기 구획벽을 관통하여 상기 내부 공간에 기밀하게 삽입되고, RF 전력이 공급되는 내부 전극을 구비하며, 상기 구획벽과 상기 내부 전극 사이에 제1 간극이 마련된다.
본 개시에 따르면, 구획벽에 막이 퇴적되어도 방전을 유지할 수 있다.
도 1은 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 수평 단면도이다.
도 3은 플라즈마 생성부의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 4는 내부 전극 및 외부 전극의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 5는 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 6은 실시형태의 변형례에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타낸 수평 단면도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 개시의 한정적이지 않은 예시의 형태에 대해서 설명한다. 첨부한 전체 도면 중, 동일 또는 대응하는 부재 또는 부품에 대해서는 동일 또는 대응하는 참조 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.
[플라즈마 처리 장치]
도 1∼도 4를 참조하여, 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에 대해서 설명한다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 복수(예컨대 50장∼200장)의 기판(W)에 대하여 한번에 처리를 행하는 배치식(batch type) 장치이다. 기판(W)은, 예컨대 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 웨이퍼이다. 플라즈마 처리 장치(1)는, 리액터(10)와, 가스 공급부(30)와, 플라즈마 생성부(40)와, 배기부(50)와, 가열부(60)와, 제어부(90)를 구비한다.
리액터(10)는, 하단부가 개방된 천장이 있는 원통 형상을 갖는다. 리액터(10)는, 내부를 감압할 수 있다. 리액터(10)는, 다단으로 배열된 복수의 기판(W)을 내부에 수용하는 처리 용기로서 기능한다. 리액터(10)는, 예컨대 석영에 의해 형성된다.
리액터(10)의 하단부에는, 하부 플랜지(bottom flange)(11)가 형성된다. 하부 플랜지(11)는, 메탈 플랜지(21)에 의해 지지된다. 메탈 플랜지(21)는, O링 등의 시일 부재(22)(도 3)를 통해 하부 플랜지(11)의 외연을 사이에 두도록 설치된다. 메탈 플랜지(21)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성된다. 하부 플랜지(11)의 하면에는, 덮개체(12)가 O링 등의 시일 부재(13)를 통해 기밀하게 부착된다. 이에 따라, 리액터(10)의 하단 개구가 기밀하게 막힌다. 덮개체(12)는, 예컨대 스테인리스강에 의해 형성된다. 덮개체(12)의 중앙부에는, 자성 유체 시일(14)을 통해 회전축(15)이 관통되어 설치된다. 회전축(15)은, 덮개체(12)에 대하여 상대적으로 회전 가능하다. 덮개체(12) 및 회전축(15)은, 리액터(10)에 대하여 상대적으로 승강 가능하다. 회전축(15)의 상단에는 회전대(16)가 설치된다. 회전대(16) 위에는, 보온통(17)을 통해 보트(18)가 배치된다. 보온통(17) 및 보트(18)는, 예컨대 석영에 의해 형성된다. 보온통(17)은, 리액터(10)의 하단 개구로부터의 방열을 방지한다. 보트(18)는, 덮개체(12)와 일체로서 승강 가능하다. 보트(18)는, 회전축(15)과 일체로서 회전 가능하다. 보트(18)는, 복수의 기판(W)을 상하 방향으로 다단으로 배열하여 유지한다.
리액터(10)의 측벽에는, 그 길이 방향(상하 방향)을 따라 직사각 형상의 개구(19)가 마련된다. 개구(19)의 상하 방향의 길이는, 보트(18)의 길이와 같거나 또는 보트(18)의 길이보다 길게 상하 방향으로 각각 연장되도록 하여 형성된다. 개구(19)는, 후술하는 구획벽(41)으로 덮인다. 구획벽(41)은, 내부 공간(P)을 형성한다. 내부 공간(P)은, 개구(19)를 통해 리액터(10)의 내부와 연통된다.
리액터(10)의 측벽의 하부에는, 배기 포트(20)가 마련된다. 리액터(10)의 내부는, 배기 포트(20)를 통해 후술하는 배기부(50)에 의해 배기된다.
가스 공급부(30)는, 원료 가스 공급부(31)와, 반응 가스 공급부(32)와, 퍼지 가스 공급부(33)를 포함한다.
원료 가스 공급부(31)는, 리액터(10) 내에 삽입 관통되는 원료 가스 공급관(31a)을 구비하고, 리액터(10)의 외부에 원료 가스 공급 경로(31b)를 구비한다. 원료 가스 공급 경로(31b)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향해 차례로 원료 가스원(31c), 매스 플로우 컨트롤러(31d), 밸브(31e)가 설치된다. 이에 따라, 원료 가스원(31c)의 원료 가스는, 밸브(31e)에 의해 공급 타이밍이 제어되고, 매스 플로우 컨트롤러(31d)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 원료 가스는, 원료 가스 공급 경로(31b)로부터 원료 가스 공급관(31a)으로 유입되고, 원료 가스 공급관(31a)으로부터 리액터(10) 내로 토출된다. 원료 가스는, 예컨대 금속 함유 가스, 실리콘 함유 가스여도 좋다. 금속 함유 가스로서는, 예컨대 사염화티탄(TiCl4) 가스를 들 수 있다. 실리콘 함유 가스로서는, 예컨대 디클로로실란(DCS) 가스를 들 수 있다.
반응 가스 공급부(32)는, 내부 공간(P)에 삽입 관통되는 반응 가스 공급관(32a)을 구비하고, 리액터(10)의 외부에 반응 가스 공급 경로(32b)를 구비한다. 반응 가스 공급 경로(32b)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향해 차례로 반응 가스원(32c), 매스 플로우 컨트롤러(32d), 밸브(32e)가 설치된다. 이에 따라, 반응 가스원(32c)의 반응 가스는, 밸브(32e)에 의해 공급 타이밍이 제어되고, 매스 플로우 컨트롤러(32d)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 반응 가스는, 반응 가스 공급 경로(32b)로부터 반응 가스 공급관(32a)으로 유입되어, 반응 가스 공급관(32a)으로부터 내부 공간(P)으로 토출된다. 반응 가스는, 원료 가스와 반응하여 반응 생성물을 생성하는 가스이며, 예컨대 질화 가스여도 좋다. 질화 가스로서는, 예컨대 암모니아(NH3) 가스를 들 수 있다.
퍼지 가스 공급부(33)는, 후술하는 도입관(42)에 접속되는 퍼지 가스 공급관(33a)을 구비하고, 리액터(10)의 외부에 퍼지 가스 공급 경로(33b)를 구비한다. 퍼지 가스 공급 경로(33b)에는, 가스의 유통 방향의 상류측에서 하류측을 향해 차례로 퍼지 가스원(33c), 매스 플로우 컨트롤러(33d), 밸브(33e)가 설치된다. 이에 따라, 퍼지 가스원(33c)의 퍼지 가스는, 밸브(33e)에 의해 공급 타이밍이 제어되고, 매스 플로우 컨트롤러(33d)에 의해 소정의 유량으로 조정된다. 퍼지 가스는, 퍼지 가스 공급 경로(33b)로부터 퍼지 가스 공급관(33a)으로 유입되어, 퍼지 가스 공급관(33a)으로부터 도입관(42) 내부로 토출된다. 도입관(42) 내부로 토출되는 퍼지 가스는, 내부 공간(P)으로부터 도입관(42) 내부로 유입되는 원료 가스 및 반응 가스에 대한 카운터 플로우로서 기능한다. 이 때문에, 도입관(42) 내부로의 원료 가스 및 반응 가스의 유입이 억제된다. 퍼지 가스의 유량은, 예컨대 100 sccm 이상이어도 좋다. 이 경우, 도입관(42) 내부로의 원료 가스 및 반응 가스의 유입을 억제하기 쉽다. 반응 가스 공급관(32a)으로부터 토출되는 반응 가스의 유량에 대한 퍼지 가스의 유량의 비는, 20% 이하가 바람직하고, 10% 이하가 보다 바람직하다. 퍼지 가스로서는, 예컨대 질소(N2) 가스, 아르곤(Ar) 가스 등의 불활성 가스를 들 수 있다.
각 가스 공급관[원료 가스 공급관(31a), 반응 가스 공급관(32a), 퍼지 가스 공급관(33a)]은, 예컨대 석영에 의해 형성된다. 원료 가스 공급관(31a)은, 리액터(10)의 내면 근방에서 상하 방향을 따라 직선형으로 연장되고, 리액터(10)의 하부에서 L자형으로 굴곡되고, 리액터(10)의 측면을 관통하여 리액터(10)의 외부까지 연장된다. 반응 가스 공급관(32a)은, 구획벽(41)의 내면 근방에서 상하 방향을 따라 직선형으로 연장되고, 구획벽(41)의 바닥면을 관통하여 리액터(10)의 외부까지 연장된다. 퍼지 가스 공급관(33a)은, 리액터(10)의 외부에서 수평 방향을 따라 직선형으로 연장되어, 도입관(42)의 관벽에 접속된다.
원료 가스 공급관(31a)에서 리액터(10)의 내부에 위치하는 부위에는, 복수의 원료 가스 토출구(31f)가 마련된다. 반응 가스 공급관(32a)에서 내부 공간(P)에 위치하는 부위에는, 복수의 반응 가스 토출구(32f)가 마련된다. 각 토출구[원료 가스 토출구(31f), 반응 가스 토출구(32f)]는, 각각의 가스 공급관의 연장 방향을 따라 소정의 간격마다 형성된다. 각 토출구는, 수평 방향을 향해 가스를 토출한다. 각 토출구끼리의 간격은, 예컨대 보트(18)에 유지되는 기판(W)의 간격과 동일하게 설정된다. 각 토출구의 높이 방향의 위치는, 상하 방향에 인접한 기판(W) 사이의 중간 위치로 설정된다. 이에 따라, 각 토출구는 인접한 기판(W) 사이의 대향면에 가스를 효율적으로 공급할 수 있다.
가스 공급부(30)는, 복수 종류의 가스를 혼합하여 하나의 공급관으로부터 혼합한 가스를 토출하여도 좋다. 예컨대, 원료 가스 공급관(31a)은 리액터(10)의 내부에 불활성 가스를 토출할 수 있도록 구성되어도 좋다. 예컨대, 반응 가스 공급관(32a)은 내부 공간(P)에 불활성 가스를 토출할 수 있도록 구성되어도 좋다. 가스 공급부(30)는, 원료 가스 공급관(31a), 반응 가스 공급관(32a) 및 퍼지 가스 공급관(33a) 외에, 다른 가스를 공급하는 공급관을 더 구비하여도 좋다.
플라즈마 생성부(40)는, 구획벽(41)과, 도입관(42)과, 내부 전극(43)과, 외부 전극(44)과, 시일부(45)와, RF 전원(46)을 갖는다.
구획벽(41)은, 리액터(10)의 측벽의 일부에 설치된다. 구획벽(41)은, 복수의 기판(W)의 배열 방향을 따라 연장된다. 구획벽(41)은, 리액터(10)의 측벽에 기밀하게 용접된다. 구획벽(41)은, 수평 단면에서 오목형을 갖는다. 구획벽(41)은, 개구(19)를 덮고 리액터(10)의 내부와 연통되는 내부 공간(P)을 형성한다. 내부 공간(P)에는, 반응 가스 공급관(32a)이 설치된다. 구획벽(41)은, 예컨대 석영에 의해 형성된다. 구획벽(41)의 바닥면에는, 내부 전극(43)이 삽입되는 도입 개구(41a)가 마련된다.
도입관(42)은, 구획벽(41)의 바닥면에 기밀하게 용접된다. 도입관(42)은, 예컨대 석영에 의해 형성된다. 도입관(42)은, 원통 형상을 가지며, 도입 개구(41a)를 덮고 내부가 도입 개구(41a)를 통해 내부 공간(P)과 연통된다.
내부 전극(43)은, 구획벽(41)을 관통하여 내부 공간(P)에 착탈 가능하게 또한 기밀하게 삽입된다. 내부 전극(43)은, 절연관(43a)과, 막대형 전극(43b)을 갖는다.
절연관(43a)은, 상단이 밀봉된 가늘고 긴 원통 형상을 갖는다. 절연관(43a)은, 구획벽을 관통하여 내부 공간(P)에 기밀하게 삽입되고, 복수의 기판(W)의 배열 방향을 따라 연장된다. 절연관(43a)의 재질은, 예컨대 알루미나 등의 세라믹스, 석영이어도 좋다. 기판(W)에 대하여 플라즈마 처리를 행할 때의 플라즈마에 의한 이온 손상이나, 리액터(10)의 내부를 드라이 클리닝할 때의 불소계 가스에 의한 부식을 억제한다는 관점에서는, 절연관(43a)의 재질은 석영이 바람직하다. 절연관(43a) 내부의 분위기는, 예컨대 대기 또는 불활성 가스여도 좋다. 절연관(43a) 내부의 압력은, 예컨대 대기압이어도 좋다. 절연관(43a)의 외경(外徑)은, 도입 개구(41a)의 내경(內徑) 및 도입관(42)의 내경보다 작다. 이 경우, 절연관(43a)은, 구획벽(41)과의 사이에 제1 간극(G1)을 형성하여 내부 공간(P)에 삽입 가능하고, 또한 도입관(42)의 내부에 제2 간극(G2)을 형성하여 삽입 가능하다. 제1 간극(G1)은, 예컨대 제2 간극(G2)보다 좁다. 이 경우, 내부 공간(P)으로부터 도입관(42) 내부로의 원료 가스 및 반응 가스의 유입을 억제하기 쉽다. 제1 간극(G1)은, 예컨대 0.1 mm 이상 3.0 mm 이하이다. 이 경우, 도입관(42)의 내부에 공급되는 퍼지 가스의 유량을 저감할 수 있다. 제1 간극(G1)은, 도입관(42)의 내부에 공급되는 퍼지 가스의 유량을 최대한 줄인다는 관점에서, 0.3 mm 이상 2.0 mm 이하가 바람직하다. 퍼지 가스의 유량을 줄임으로써, 퍼지 가스가, 각 기판(W)에 흡착되는 원료 가스의 양이나 내부 공간(P)에 생성되는 플라즈마의 상태에 영향을 주는 것을 억제할 수 있다.
막대형 전극(43b)은, 가늘고 긴 원기둥 형상을 가지며, 절연관(43a)의 내부에 삽입된다. 막대형 전극(43b)은, 하단부가 절연관(43a)의 하단부로부터 대기 중으로 인출되고, 도시하지 않은 급전 라인 및 정합기를 통해 RF 전원(46)에 접속된다. 막대형 전극(43b)에는, RF 전원(46)으로부터 RF 전력이 공급된다. 막대형 전극(43b)은, 내부 공간(P)에 설치되기 때문에, 플라즈마 처리 온도(예컨대 400℃) 이상에서 사용된다. 막대형 전극(43b)의 재질은, 저저항률의 금속이 바람직하여, 구리나 철을 사용할 수 있지만, 구리나 철은 석영 내의 확산 계수가 크기 때문에, 리액터(10) 내부로의 금속 오염을 피한다는 관점에서, 내열성 및 내산화성이 높은 니켈 합금이 바람직하다.
외부 전극(44)은, 제1 외부 전극(44a)과, 제2 외부 전극(44b)을 갖는다. 제1 외부 전극(44a) 및 제2 외부 전극(44b)은, 각각 상하 방향을 길이 방향으로 하는 가늘고 긴 직사각형 판상을 갖는다. 제1 외부 전극(44a) 및 제2 외부 전극(44b)은, 구획벽(41)의 측벽의 외면에 고정된다. 제1 외부 전극(44a)과 제2 외부 전극(44b)은, 대향 배치된다. 이 경우, 내부 전극(43)에 RF 전력이 공급되면, 내부 전극(43)과 제1 외부 전극(44a) 사이 및 내부 전극(43)과 제2 외부 전극(44b) 사이에 용량 결합형 플라즈마(capacitively coupled plasma: CCP)가 생성된다. 이 때문에, 내부 공간(P)의 넓은 범위에서 플라즈마를 생성할 수 있다. 단, 외부 전극(44)은, 제1 외부 전극(44a)과 제2 외부 전극(44b) 중 어느 한쪽만을 갖고 있어도 좋다. 제1 외부 전극(44a) 및 제2 외부 전극(44b)은, 예컨대 접지된다. 이 경우, 구획벽(41)의 측벽 내면으로의 플라즈마에 의한 손상을 억제할 수 있다.
시일부(45)는, 도입관(42)의 하단부에서 제2 간극(G2)을 기밀하게 시일한다. 시일부(45)는, 내통 부재(45a)와, 시일 부재(45b)와, 슬리브(45c)와, 외통 부재(45d)를 갖는다.
내통 부재(45a)는, 메탈 플랜지(21)의 바닥벽을 관통하여 설치된다. 내통 부재(45a)는, 예컨대 메탈 플랜지(21)와 일체로 형성된다. 내통 부재(45a)는, 외주면에 수나사부를 갖는다.
시일 부재(45b)는, 절연관(43a), 슬리브(45c) 및 하부 플랜지(11)의 사이에 설치된다. 시일 부재(45b)는, 예컨대 O링이다.
슬리브(45c)는, 내통 부재(45a)의 내부에 삽입된다. 슬리브(45c)는, 위쪽으로 이동함으로써, 상단에서 시일 부재(45b)를 압궤(壓潰)한다. 이에 따라, 절연관(43a), 슬리브(45c) 및 하부 플랜지(11)의 3점에 시일 부재(45b)가 압착됨으로써 제2 간극(G2)이 기밀하게 시일된다.
외통 부재(45d)는, 내주면에 내통 부재(45a)의 수나사부와 나사 결합하는 암나사부를 갖는다. 외통 부재(45d)의 암나사부를 내통 부재(45a)의 수나사부에 나사 결합시킴으로써, 슬리브(45c)가 위쪽으로 이동한다. 외통 부재(45d)는, 예컨대 너트이다.
RF 전원(46)은, 막대형 전극(43b)에 RF 전력을 공급한다. 이에 따라, 내부 공간(P)에 공급되는 반응 가스로부터 플라즈마가 생성된다. RF 전력의 주파수는, 예컨대 13.56 MHz이다.
배기부(50)는, 배기 통로(51)와, 압력 조정 밸브(52)와, 진공 펌프(53)를 갖는다. 배기 통로(51)는, 배기 포트(20)에 접속된다. 배기부(50)는, 진공 펌프(53)에 의해 리액터(10) 내부를 배기하면서, 압력 조정 밸브(52)에 의해 리액터(10) 내부의 압력을 조정한다.
가열부(60)는, 리액터(10) 주위에 설치된다. 가열부(60)는, 천장이 있는 원통 형상의 히터 챔버(61)와, 히터 챔버(61)의 내면에 나선형으로 설치되는 히터선(62)을 갖는다. 가열부(60)는, 히터선(62)의 발열에 의해 리액터(10)의 내부에 수용된 각 기판(W)을 가열한다.
제어부(90)는, 예컨대 플라즈마 처리 장치(1)의 각부의 동작을 제어함으로써, 후술하는 플라즈마 처리 방법을 실시한다. 제어부(90)는, 예컨대 컴퓨터여도 좋다. 플라즈마 처리 장치(1)의 각부의 동작을 행하는 컴퓨터의 프로그램은, 기억 매체에 기억된다. 기억 매체는, 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, 플래시 메모리, DVD 등이어도 좋다.
도 5를 참조하여, 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)를 이용하여 행해지는 플라즈마 처리 방법에 대해서 설명한다. 실시형태에 따른 플라즈마 처리 방법은, 제어부(90)가 플라즈마 처리 장치(1)의 각부의 동작을 제어함으로써 행해진다. 이하에서는, 플라즈마 처리로서, 플라즈마 ALD(plasma-enhanced atomic layer deposition: PEALD)에 의해, 기판(W) 위에 질화티탄(TiN)막을 형성하는 경우를 예를 들어 설명한다. TiN막은, 예컨대 반도체 디바이스의 비아, 플러그, 컨택트 등의 도전성 기능막으로서 이용된다. TiN막은, 예컨대 DRAM에서의 커패시터 전극, DRAM, 3차원 NAND, 논리용 컨택트 배리어 금속으로서 이용된다.
우선, 복수의 기판(W)을 유지한 보트(18)를 미리 소정의 온도의 조정된 리액터(10)의 내부에 그 아래쪽으로부터 상승시켜 반입하고, 덮개체(12)에 의해 리액터(10)의 하단 개구를 폐쇄함으로써 리액터(10)의 내부를 밀폐한다. 계속해서, 배기부(50)에 의해 리액터(10)의 내부를 진공화하여 프로세스 압력으로 유지하고, 가열부(60)에 의해 기판 온도를 상승시켜 프로세스 온도로 유지하고, 회전축(15)의 회전에 의해 보트(18)를 회전시킨다.
다음에, 제어부(90)는, 도 5에 도시된 단계 S1∼S5를 실시하여 각 기판(W) 위에 TiN막을 형성한다.
단계 S1에서는, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10)의 내부에 TiCl4 가스를 공급하여, 각 기판(W) 위에 TiCl4 가스를 흡착시킨다. 단계 S1에서는, 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)으로 불활성 가스를 공급하여도 좋다. 이 경우, 리액터(10)의 내부에 공급되는 TiCl4 가스의 내부 공간(P)으로의 침입을 억제할 수 있다.
단계 S2는, 단계 S1 후에 실시된다. 단계 S2에서는, 배기부(50)에 의해 리액터(10)의 내부를 진공화하면서, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10)의 내부에 불활성 가스를 공급하고 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)에 불활성 가스를 공급한다. 이에 따라, 리액터(10)의 내부 및 내부 공간(P)에 남는 TiCl4 가스가 배출된다. 단계 S2에서는, 배기부(50)에 의한 리액터(10) 내부의 진공화와, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10) 내부로의 불활성 가스의 공급 및 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)으로의 불활성 가스의 공급을 교대로 행하여도 좋다. 단계 S2에서는, 원료 가스 공급부(31)와 반응 가스 공급부(32) 중 어느 한쪽만으로부터 불활성 가스를 공급하여도 좋다.
단계 S3은, 단계 S2 후에 실시된다. 단계 S3에서는, 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)에 NH3 가스를 공급하고, RF 전원(46)으로부터 내부 전극(43)에 RF 전력을 인가함으로써, 내부 공간(P)에서 NH3 가스로부터 플라즈마를 생성한다. 생성된 플라즈마에 포함되는 활성종은 내부 공간(P)으로부터 리액터(10)의 내부로 확산되고, 각 기판(W) 위에 흡착된 TiCl4 가스가 질화되어 TiN막이 형성된다. 단계 S3에서는, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10)의 내부에 불활성 가스를 공급하여도 좋다. 이 경우, 원료 가스 공급관(31a) 내부로의 활성종의 침입을 억제할 수 있다. 이 때문에, 원료 가스 공급관(31a)의 내부에 TiN막이 퇴적되는 것을 억제할 수 있다.
단계 S4는, 단계 S3 후에 실시된다. 단계 S4에서는, 배기부(50)에 의해 리액터(10)의 내부를 진공화하면서, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10)의 내부에 불활성 가스를 공급하고 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)에 불활성 가스를 공급한다. 이에 따라, 리액터(10)의 내부 및 내부 공간(P)에 남는 NH3 가스가 배출된다. 단계 S4에서는, 배기부(50)에 의한 리액터(10) 내부의 진공화와, 원료 가스 공급부(31)로부터 리액터(10) 내부로의 불활성 가스의 공급 및 반응 가스 공급부(32)로부터 내부 공간(P)으로의 불활성 가스의 공급을 교대로 행하여도 좋다. 단계 S4에서는, 원료 가스 공급부(31)와 반응 가스 공급부(32) 중 어느 한쪽으로부터만 불활성 가스를 공급하여도 좋다.
단계 S5는, 단계 S4 후에 실시된다. 단계 S5에서는, 단계 S1∼S4를 설정 횟수 실시하였는지 여부를 판정한다. 실시 횟수가 설정 횟수에 도달하지 않은 경우(단계 S5의 NO), 단계 S1∼S4를 다시 실시한다. 한편, 실시 횟수가 설정 횟수에 도달한 경우(단계 S5의 YES), TiN막의 막 두께가 목표 막 두께에 도달하였으므로, 처리를 종료한다. 이와 같이, 실시 횟수가 설정 횟수에 도달할 때까지 단계 S1∼S4를 반복함으로써, 각 기판(W) 위에 TiN막이 형성된다. 단계 S5의 설정 횟수는, 예컨대 TiN막의 목표 막 두께에 따라 설정된다. 단계 S5의 설정 횟수는, 1회여도 좋고, 복수회여도 좋다.
이상으로 설명한 바와 같이, 실시형태의 플라즈마 처리 장치(1)에 따르면, 구획벽(41)을 관통하여 내부 공간(P)에 기밀하게 삽입되고, RF 전력이 공급되는 내부 전극(43)을 구비하며, 구획벽(41)과 내부 전극(43) 사이에 제1 간극(G1)이 마련된다. 이 경우, 내부 공간(P)에서 생성되는 플라즈마에 의해 구획벽(41)의 내면이나 내부 전극(43)의 외면에 도전막이 퇴적되어도, 내부 전극(43)과 구획벽(41)이 전기적으로 도통하지 않는다. 이 때문에, 내부 공간(P)에서 방전을 유지할 수 있다. 그 결과, 배치식 장치에서, PEALD에 의해 복수의 기판(W) 위에 한번에 도전막을 형성할 수 있다.
예컨대, PEALD에 의해 TiN막을 형성하는 경우, 열 ALD에 의해 형성되는 TiN막과 동등한 막질을 갖는 TiN막을 형성하는 데 필요한 시간을 단축화하거나, 성막 온도를 저온화할 수 있게 된다. 또한, 열 ALD에 의해 TiN막을 형성할 때의 성막 온도와 동일한 온도에서 PEALD에 의해 TiN막을 형성함으로써, 보다 저저항률의 TiN막을 형성할 수 있다.
예컨대, TiN막의 저항률을 100 μΩcm로 하면, 13.56 MHz에 대한 표피 깊이는 137 ㎛가 된다. 그래서, 내부 전극(43)의 표면에 퇴적되는 TiN막이 표피 깊이보다 충분히 작은 범위에서 플라즈마 처리를 실시하면, 내부 전극(43)에 공급되는 RF 전력은 거의 TiN막에 의해 감쇠되지 않기 때문에, 내부 공간(P)에서 안정된 플라즈마를 생성할 수 있다.
이에 반해, 내부 공간(P)을 형성하는 구획벽(41)의 2개의 측벽의 외면에 대향 배치되는 한쌍의 전극(이하 「평행 평판 전극」이라고 함)을 설치하고, 평행 평판 전극 사이에 RF 전력을 공급하여 내부 공간(P)에서 플라즈마를 생성하는 경우를 생각한다. 이 경우, 구획벽(41)의 측벽의 내면에 도전막이 퇴적되고, 퇴적된 도전막의 막 두께가 일정 막 두께를 초과하면, 도전막의 도전율이 내부 공간(P)에서 생성되는 플라즈마의 도전율에 가까워진다. 이 때문에, 평행 평판 전극에 공급되는 RF 전력이 주로 도전막을 흐르는 전류에 의해 소비되게 된다. 그러면, 내부 공간(P)에 플라즈마를 생성하기 위한 RF 전력이 부족하게 되어, 기판(W)에 형성되는 도전막이 목표 막 두께에 도달하기 전에 내부 공간(P)에서의 플라즈마의 방전이 곤란해진다. 즉, 기판(W)에 도전막을 형성하고 있는 도중에 내부 공간(P)에서 플라즈마를 생성하기 어려워진다.
구체적으로는, 예컨대 주파수가 13.56 MHz, 출력이 200 W인 RF 전력을 평행 평판 전극 사이에 공급하고, 내부 공간(P)에 500℃에서 아르곤 가스로부터 플라즈마를 생성하는 경우의 플라즈마 밀도를 1×1016/m3라고 가정한다. 이 플라즈마의 저항값을 산출하면, 66.5 Pa에서 1.9 Ω이 된다. 한편, 예컨대 PEALD에 의해 막 두께가 10 nm인 TiN막을 각 기판(W) 위에 형성하는 경우, 동일한 막 두께의 TiN막이 구획벽(41)의 측벽의 내면에도 퇴적되는 것이라고 가정한다. 막 두께가 10 nm인 TiN막의 저항률을 100 μΩcm라고 가정하면, 평행 평판 전극 사이를 최단 거리로 단락하는 구획벽(41)의 측벽의 내면에 퇴적되는 TiN막의 저항값은 2.5 Ω 정도가 되어, 플라즈마의 저항값과 비슷한 값이 된다. 암모니아 가스로부터 생성되는 플라즈마의 저항값도 아르곤 가스로부터 생성되는 플라즈마의 저항값과 비슷한 값이라고 가정한다. 이 경우, 평행 평판 전극 사이에 공급되는 RF 전력은, 주로 구획벽(41)의 측벽의 내면에 퇴적되는 TiN막을 흐르는 전류에 의해 소비되게 되어, 내부 공간(P)에서의 플라즈마의 방전이 곤란해진다.
[플라즈마 처리 장치의 변형례]
도 6을 참조하여, 실시형태의 변형례에 따른 플라즈마 처리 장치(1A)에 대해서 설명한다. 도 6에 도시된 플라즈마 처리 장치(1A)는, 플라즈마가 생성되는 내부 공간(P)이 2개 있는 점에서, 플라즈마 처리 장치(1)와 상이하다. 또한, 그 밖의 구성에 대해서는 플라즈마 처리 장치(1)와 동일하여도 좋다. 이하, 플라즈마 처리 장치(1)와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
2개의 내부 공간(P)은, 각각 구획벽(41)에 의해 형성된다. 2개의 구획벽(41)은, 리액터(10)의 둘레 방향에서의 상이한 위치에 설치된다. 예컨대, 2개의 구획벽(41)은, 리액터(10)의 둘레 방향에서 원료 가스 공급관(31a)을 사이에 두도록 설치된다.
플라즈마 처리 장치(1A)에서도, 플라즈마 처리 장치(1)와 동일한 작용 효과가 얻어진다. 또한, 내부 공간(P)은 3개 이상 설치되어도 좋다.
이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기한 실시형태는, 첨부한 청구범위 및 그 취지를 일탈하는 일없이, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 좋다.

Claims (12)

  1. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    측벽에 개구를 갖는 처리 용기와,
    상기 개구를 덮고 상기 처리 용기의 내부와 연통되는 내부 공간을 형성하는 구획벽과,
    상기 구획벽을 관통하여 상기 내부 공간에 기밀하게 삽입되고, RF 전력이 공급되는 내부 전극
    을 포함하고,
    상기 구획벽과 상기 내부 전극 사이에 제1 간극이 마련되는, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구획벽은, 상기 내부 전극이 삽입되는 도입 개구를 가지며,
    상기 구획벽에 고정되고, 상기 도입 개구와 내부가 연통되는 통 형상의 도입관을 더 포함하고,
    상기 내부 전극은, 상기 도입관의 내부에 제2 간극을 형성하여 삽입되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도입관에는, 상기 제2 간극에 퍼지 가스를 공급하는 가스 공급관이 접속되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 간극은, 상기 제2 간극보다 좁은 것인, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 제2 간극은, 상기 도입관의 하단부에서 기밀하게 시일되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 내부 전극은, 통 형상의 절연관과, 상기 절연관의 내부에 삽입되는 막대형 전극을 갖는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 구획벽의 외부에 설치되고, 접지되는 외부 전극을 더 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 외부 전극은, 상기 구획벽의 대향하는 2개의 측면에 설치되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기의 내부에 원료 가스를 공급하는 원료 가스 공급부와,
    상기 내부 공간에 상기 원료 가스와 반응하는 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부
    를 더 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 처리 용기는, 다단으로 배열된 복수의 기판을 수용하도록 구성되고,
    상기 구획벽 및 상기 내부 전극은, 상기 복수의 기판의 배열 방향을 따라 연장되는 것인, 플라즈마 처리 장치.
  11. 측벽에 개구를 갖는 처리 용기와, 상기 개구를 덮고 상기 처리 용기의 내부와 연통되는 내부 공간을 형성하는 구획벽과, 상기 구획벽을 관통하여 상기 내부 공간에 기밀하게 삽입되고, RF 전력이 공급되는 내부 전극을 포함하고, 상기 구획벽과 상기 내부 전극 사이에 제1 간극이 마련되는 플라즈마 처리 장치에서, 상기 처리 용기의 내부에 수용된 기판에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 플라즈마 처리는, 상기 내부 전극에 상기 RF 전력을 인가함으로써, 상기 내부 공간에 공급되는 가스로부터 플라즈마를 생성하는 것을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 플라즈마 처리는, 상기 기판 위에 도전막을 형성하는 것을 포함하는 것인, 플라즈마 처리 방법.
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