KR100443471B1 - 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

진공 용기(2) 내에서, 웨이퍼(10)와 대향하는 영역을 둘러싸도록 가스 공급부(51)를 설치하여 여기에서부터 웨이퍼(10)를 향해 처리 가스가 분출하도록 한다. 고주파 전력 발생부(6)로부터 진공 용기(2) 내에 플라즈마 발생용 마이크로파를 30 Hz 내지 500 Hz의 주파수로 온ㆍ오프하여 단속적으로 공급한다. 이것에 의해, 마이크로파의 오프 시간 중에 웨이퍼(10)상의 잔류 가스가 새로운 처리 가스와 교체되도록 한다. 그것에 의해, 웨이퍼(10)의 중심부와 주변부에서 가스의 해리 정도에 그다지 차가 생기지 않도록 하여 균일한 플라즈마처리를 행한다.

Description

플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING METHOD}
최근에 있어서, 박막 형성 처리나 에칭 등에 플라즈마를 이용하는 기법의 하나로서 ECR(전자 사이클로트론 공명: Electron Cyc1otron Resonance) 플라즈마 처리 방법이 주목받고 있다. 이 방법에 따르면, 자장 중에서의 전자 사이클로트론 운동과 마이크로파(교류 전계)와의 공명 현상을 이용하여 마이크로파 방전을 일으킴으로써 고진공에서 고밀도의 플라즈마를 무전극 방전으로 생성할 수 있다. 이 때문에, 고속의 표면 처리를 실현할 수 있고, 또한, 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라 함) 등의 오염의 우려가 없는 등의 이점이 있다.
이 ECR 플라즈마에 의한 종래의 플라즈마 처리 방법의 일례를, 박막 형성 처리를 예로 들어 도 12에 기초하여 설명한다. 도 12에 도시된 플라즈마 처리 장치에 있어서, 플라즈마 생성실(1A) 내에 도시하지 않은 도파관을 통해 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 공급한다. 이와 동시에 전자 코일(10)에 의해, 소정의 크기, 예컨대 875 가우스의 자계가 인가되도록 한다. 이들 마이크로파와 자계와의 상호 작용(공명)에 의해 플라즈마 생성용 가스, 예컨대 Ar 가스 및 O2가스를 고밀도로 플라즈마화한다. 이 플라즈마에 의해 박막 형성실(1B) 내로 도입된 반응성 가스를 활성화시켜 활성종을 형성한다.
여기서, 박막 형성실(1B) 내에는 고주파 전원부(12)에 접속된 적재대(11)가 설치되고, 이 적재대(11)상에 웨이퍼(W)가 적재되어 있다. 그리고, 상기 활성종에 의해 웨이퍼(W) 표면에 스퍼터 에칭과 증착을 동시 진행으로 실시하도록 되어 있다. 이들 상반되는 스퍼터 에칭 조작과 증착 조작은 거시적으로 보면 증착 조작 쪽이 우세해지도록 제어되고, 전체적으로는 증착에 의해 웨이퍼(W) 표면에 박막 형성이 행해진다.
그런데, 반도체 디바이스의 미세화, 고속화가 요청되고 있는 가운데 비유전률이 작은 유효한 절연막으로서 CF막(불소 첨가 카본막)이 주목받고 있다. 그리고, 웨이퍼 표면에 CF막을 증착하는 경우에는 반응성 가스로서 C4F8등의 CF계 가스가 이용된다.
그러나, 도 12에 도시된 처리 장치를 이용한 종래의 플라즈마 처리 방법에서는 도 13에 도시된 바와 같이, 얻어지는 CF막은 웨이퍼의 주변부에서 두꺼워지고, 중심부에서 얇아진다고 하는 문제점이 있다. 이 문제는 웨이퍼가 대구경화할수록 현저해진다.
도 13에 도시된 바와 같은 막 두께 분포가 생기는 원인은 지금으로서는 분명하지 않지만, 그 원인에 대해서 본 발명자는 다음과 같이 추측하고 있다. 즉, 도 14에 도시된 바와 같이, 박막 형성실(1B) 내에 있어서 CF계 가스가 웨이퍼의 위쪽 외측에서 중심측을 향해 공급되기 때문에, 플라즈마 내에 있어서 CF계 가스가 웨이퍼 중심에 근접함에 따라 가스의 해리(解離)가 진행된다. 이 때문에, 예컨대 동 도 A점보다 B점 쪽이 F(불소) 성분이 많아진다. 이것은 웨이퍼가 대구경화하고, 그것에 따라 플라즈마의 존재 영역이 넓어질수록 현저해 진다.
여기서, 가스의 해리에 의해 생성된 불소는 웨이퍼 표면에 증착된 CF막을 에칭하도록 작용한다. 이 때문에, 엣지부보다 불소 성분이 많아지는 센터부에서의 에칭 작용이 강해진다. 또한, 가스의 해리의 진행에 의해 웨이퍼 중심으로 가까워질수록 박막 형성에 관여하는 CF계 가스의 원래의 성분이 감소한다. 이들 원인에 의해 웨이퍼 중심부에서 CF막이 얇아진다고 하는 것이다.
본 발명은 예컨대 전자 사이클로트론 공명을 이용하여 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하기 위한 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 방법의 실시 형태에 이용되는 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 방법의 실시 형태에 있어서의 마이크로파의 출력 파형을 도시한 도면.
도 3a는 도 1에 도시된 장치에 있어서, 마이크로파 공급(온)시의 장치 내의 상태를 설명하는 모식도.
도 3b는 도 1에 도시된 장치에 있어서, 마이크로파 정지(오프)시의 장치 내의 상태를 설명하는 모식도.
도 4는 실험예 1의 결과를 도시한 도표.
도 5는 실험예 2에 있어서의 조건 (1)의 경우의 결과를 도시한 그래프.
도 6은 실험예 2에 있어서의 조건 (2)의 경우의 결과를 도시한 그래프.
도 7은 실험예 2에 있어서의 조건 (3)의 경우의 결과를 도시한 그래프.
도 8은 본 발명을 적용할 수 있는 ICP식 플라즈마 처리 장치의 일반적인 구성을 도시한 개략도.
도 9는 본 발명을 적용할 수 있는 헬리콘파 플라즈마 처리 장치의 일반적인구성을 도시한 개략도.
도 10은 본 발명을 적용할 수 있는 마그네트론 플라즈마 처리 장치의 일반적인 구성을 도시한 개략도.
도 11은 본 발명을 적용할 수 있는 평행 평판형 플라즈마 처리 장치의 일반적인 구성을 도시한 개략도.
도 12는 종래의 플라즈마 처리 방법에 이용되는 박막 형성 장치의 모식도.
도 13은 종래의 플라즈마 처리 방법에 의해 형성된 CF막의 막 두께 분포를 도시한 도면.
도 14는 도 13의 막 두께 분포의 발생 기구를 설명한 모식도.
본 발명은 이러한 사정에 따라 이루어진 것으로, 그 목적은 웨이퍼 등의 피처리 기판의 표면에 대하여, 박막 형성 처리 등의 플라즈마 처리를 균일하게 행할 수 있도록 한 플라즈마 처리 방법을 제공하는 데 있다.
이 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 진공 용기 내의 적재부에 피처리 기판을 얹어 놓고, 이 피처리 기판에 대하여 가스 공급부로부터 적어도 불소를 포함하는 화합물을 포함하는 가스를 포함하는 증착 가스를 공급하여 이 증착 가스를 적어도 전계에 기초하여 플라즈마화하며, 그 플라즈마에 의해 피처리 기판을 증착 처리하는 방법에 있어서, 상기 가스 공급부로부터의 증착 가스의 공급 중에 상기 전계의 온ㆍ오프를 단속적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
이러한 플라즈마 처리 방법에 따르면, 전계가 오프로 되어 있는 동안에 피처리 기판상의 증착 가스가 새롭게 교체되기 때문에, 이것을 단속적으로 반복함으로써 피처리 기판의 표면에 대하여 균일한 플라즈마 증착 처리를 행할 수 있다.
이 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 전계를 오프하고 있는 시간은 상기 가스 공급부로부터 분출된 증착 가스가 피처리 기판의 표면을 덮는 데 요하는 시간으로 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 전계가 오프되어 있는 동안에 새로운 증착 가스를 피처리 기판의 표면상에 확실하게 골고루 미치게 하여 피처리 기판의 표면에 대하여 한층 더 균일하게 플라즈마 증착 처리를 행할 수 있다.
또한, 본 발명은 진공 용기 내의 적재부에 피처리 기판을 얹어 놓고, 이 피처리 기판과 대향하는 가스 공급부로부터 적어도 불소를 포함하는 화합물을 포함하는 가스를 포함하는 증착 가스를 공급받는 동시에 상기 진공 용기 내로 도입된 마이크로파에 의한 전계와 자계와의 상호 작용에 의해 전자 사이클로트론 공명을 일으키고, 이것에 기초하여 증착 가스를 플라즈마화하며, 그 플라즈마에 의해 피처리 기판을 증착 처리하는 방법에 있어서, 주파수 50 Hz 내지 100 Hz의 펄스에 의해 변조한 상기 마이크로파를 상기 진공 용기 내로 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
이러한 플라즈마 처리 방법에 따르면, 펄스에 의해 변조된 마이크로파가 주파수 50 Hz 내지 100 Hz에서 온ㆍ오프를 반복한다. 이에 의해, 전자 사이클로트론 공명을 이용한 플라즈마 처리에 있어서, 마이크로파가 오프로 되어 있는 동안에 피처리 기판상의 증착 가스가 새롭게 교체되고, 피처리 기판의 표면에 대하여 균일하게 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
이상의 플라즈마 처리 방법은 증착 가스로서 탄소 및 불소를 포함하는 화합물의 가스를 이용하여 피처리 기판에 불소 첨가 카본막을 박막 형성하는 경우에 적합하다.
또한, 이상의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 전계와 동기하여 온ㆍ오프되는 바이어스 전압을 상기 적재부에 인가함으로써 바이어스 전압을 인가할 때의 이상(異常) 방전의 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 방법의 실시 형태에 이용되는 플라즈마 처리 장치의 일례로서의 ECR 플라즈마 박막 형성 장치를 도시한 개략도이다. 도 1에 도시된 장치에 있어서는, 진공 용기(2) 내의 적재대(4)에 피처리 기판으로서의 웨이퍼(W)를 얹어 놓고, 이 웨이퍼(W)에 대하여, 그 위쪽 외측의 가스 공급부(51)로부터 반응성의 박막 형성 가스가 공급되도록 되어 있다. 또한, 웨이퍼(W)에 대하여 위쪽으로부터 마이크로파가 소정의 주기로 단속적으로 공급되도록 되어 있다.
진공 용기(2)는 예컨대 알루미늄에 의해 형성되고, 접지되어 제로 전위로 되어 있다. 이 진공 용기(2)는 그 상부에 위치하여 플라즈마를 발생시키는 원통형의 제1 진공실(21)과, 제1 진공실(21)의 아래쪽으로 연결되어 통해져 설치된 제1 진공실(21)보다 구경이 큰 원통형의 제2 진공실(22)로 이루어져 있다.
이 진공 용기(2)에 있어서의 제1 진공실(21)의 상단은 개방되어 있다. 이 개구 부분에는 마이크로파를 투과하는 예컨대 석영 등의 재료로 형성된 투과창(23)이 기밀하게 설치되고, 진공 용기(2) 내의 진공 상태를 유지하도록 되어 있다. 이 투과창(23)의 외측에는 도파관(25)이 설치되어 있다. 이 도파관(25)은 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 펄스형으로 단속적으로 발생하는 고주파 전력 발생부(6)에 접속되어 있다. 도파관(25)은 고주파 전력 발생부(6)에서 발생한 마이크로파를 예컨대 TE(Transverse Electric) 모드에 의해 안내하거나 또는 TE 모드에 의해 안내된 마이크로파를 TM(Transverse magnetic) 모드로 변환하여 투과창(23)으로부터 제1 진공실(21) 내로 도입할 수 있도록 되어 있다.
제1 진공실(21)의 상단부 근방, 즉, 투과창(23)의 바로 밑에는 제1 진공실(21) 내에 플라즈마 생성용 가스(예컨대 Ar 가스)를 공급하기 위한 복수의 가스 노즐(31)이 설치되어 있다. 이들 가스 노즐(31)은 제1 진공실(21)을 구획하는 측벽을 관통하여 도시하지 않은 가스원, 예컨대 Ar 가스원에 접속되어 있다.
상기 제2 진공실(22) 내에는 상기 제1 진공실(21)과 대향하도록 웨이퍼의 적재대(4)가 설치되어 있다. 이 적재대(4)는 전극(도시하지 않음)을 가진 정전 척(electrostatic chuck)(41)을 표면부에 갖고 있다. 이 정전 척(41)의 전극에는 웨이퍼(W)에 이온을 인입하기 위한 바이어스 전압을 인가하도록 고주파 전원부(42)가 접속되고, 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 직류 전원부(도시하지 않음)가 더 접속되어 있다.
한편, 상기 제2 진공실(22)의 상부, 즉, 제1 진공실(21)과 연결되어 통해 있는 부분에는 링형의 박막 형성 가스 공급부(51)가 설치되어 있다. 이 박막 형성 가스 공급부(51)에는 예컨대, 가스 공급관(52, 53)으로부터 2 종류의 박막 형성 가스가 공급되도록 되어 있다. 그리고, 박막 형성 가스 공급부(51)는 이들 박막 형성 가스의 혼합 가스를 내주면에 형성된 가스 구멍(54)으로부터 진공 용기(2) 내로 공급하도록 구성되어 있다.
상기 제1 진공실(21)을 구획하는 측벽의 외주 근방에는 자장 형성 수단으로서, 예컨대 링형의 주 전자 코일(26)이 배치되어 있다. 또한, 제2 진공실(22)의 아래쪽에는 링형의 보조 전자 코일(27)이 배치되어 있다. 또한, 제2 진공실(22)의 저부에는 예컨대 그 진공실(22)의 중심축에 대칭인 2 곳의 위치에 각각 배기관(28)이 접속되어 있다.
상기 고주파 전력 발생부(6)는 고주파 전원부(61), 변조파 발생부(62), 변조부(63) 및 출력부(64)를 구비하고 있다. 이 중 고주파 전원부(61)는 예컨대 2.45 GHz의 연속한 마이크로파를 발생하도록 되어 있다. 또한, 변조파 발생부(62)는 소정의 주파수(예컨대 50 Hz)로 소정의 듀티비(duty ratio)(예컨대 1)를 갖는 변조파를 발생하도록 되어 있다. 또한, 변조부(63)는 고주파 전원부(61)에서 발생된 마이크로파에 변조파 발생부(62)에서 발생된 변조파로 변조를 걸어 도 2에 도시된 바와 같은 펄스형의 마이크로파(이하, "펄스 마이크로파"라 함)를 생성하도록 되어 있다. 그리고, 출력부(64)는 변조부(63)에서 생성된 펄스 마이크로파를 도파관(25)으로 출력하도록 되어 있다.
다음에, 이상과 같은 구성의 처리 장치를 이용하여 피처리 기판으로서 작용하는, 예컨대 표면에 알루미늄 배선이 형성된 웨이퍼(W)상에 예컨대 CF막으로 이루어지는 층간 절연막(박막)을 형성하는 방법에 대해서 주로 도 1을 참조하여 설명한다. 우선, 진공 용기(2)의 측벽에 설치한 게이트 밸브(도시하지 않음)를 개방하여 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 웨이퍼(W)를 로드록 실(load-lock chamber)(도시하지 않음)로부터 반입하여 적재대(4)상에 얹어 놓는다.
다음에, 마이크로파, 바이어스 전압, 흡착 전압 및 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키고, 웨이퍼(W)를 박막 형성 처리한다. 구체적으로는, 우선 적재대(4)에 있어서의 정전 척(41)의 전극 사이에 직류 전압을 인가하고, 정전 척(41)에 웨이퍼(W)를 정전 흡착한다. 계속해서, 상기 게이트 밸브를 폐쇄하여 진공 용기(2) 내를 밀폐한 후, 배기관(28)으로부터 내부 분위기를 배기하여 소정의 진공도까지 탈기한다. 그리고, 플라즈마 가스 노즐(31)로부터 제1 진공실(21) 내로 플라즈마 발생용 가스, 예컨대 Ar 가스를 소정의 유량으로 도입한다. 또한, 박막 형성 가스 공급부(51)로부터 제2 진공실(22) 내로 CF계의 가스를 포함하는 박막 형성 가스, 예컨대 C4F8가스 및 C2H4가스를 소정의 유량으로 도입한다. 그리고, 진공 용기(2) 내를 소정의 프로세스압으로 유지한다. 또한, 적재대(4)의 표면 온도를 대략 400℃로 설정한다.
또한, 고주파 전력 발생부(6)(의 출력부(64))로부터는 출력이 2.0 kW이고 주파수가 2.45 GHz인 펄스 마이크로파가 출력된다. 이 펄스 마이크로파는 도 2에 도시된 바와 같은 파형을 갖고 있고, 그 온 시간(마이크로파 전력이 온 상태인 시간) (T_on) 및 오프 시간(같은 오프 상태의 시간)(T_off)은 예컨대 모두 10 ms(밀리초)이다. 즉, 이 경우의 펄스 마이크로파는 주파수(1/(T_on+T_off))=50 Hz, 듀티비(T_on:T_off)=1의 펄스 파형을 갖고 있다.
이 펄스 마이크로파는 도파관(25)을 지나 진공 용기(2)의 천정부에 이르고, 이곳 투과창(23)을 투과하여 제1 진공실(21) 내로 도입된다. 한편, 전자 코일(26, 27)에 의해 진공 용기(2) 내에 제1 진공실(21)의 상부로부터 제2 진공실(22)의 하부로 향하는 자계가 형성된다. 이 경우, 예컨대 제1 진공실(21)의 하부 부근에서 자계의 강도가 875 가우스가 된다. 이것에 의해, 펄스 마이크로파에 의한 전계와 자계와의 상호 작용에 의해 전자 사이클로트론 공명이 생기고, 이 공명에 의해 Ar 가스가 플라즈마화되며, 또한 고밀도화된다.
제1 진공실(21)로부터 제2 진공실(22) 내로 유입된 플라즈마의 흐름은 여기에 공급되어 있는 상기 CF계 가스를 활성화하여 활성종을 형성한다. 여기서, 고주파 전원부(42)에 의해 적재대(4)에 예컨대 13.56 MHz, 1.5 kW의 고주파 바이어스 전압을 인가한다. 이 바이어스 전압에 의해 이온이 웨이퍼(W)에 가까이 끌어 당겨지고, 상기 활성종 등과 반응하여 웨이퍼(W)상에 CF막이 박막 형성된다. 이 경우, 고주파 전원부(42)에 의해 인가되는 바이어스 전압은 이상 방전의 발생을 막기 위해 펄스 마이크로파와 동기하여 온ㆍ오프된다.
또, 실제의 반도체 디바이스를 제작하는 경우에는, 그 후, 웨이퍼(W)상의 CF막에 대하여 소정 패턴의 에칭을 행하여 홈부를 형성하고, 그 홈부에 예컨대 텅스텐막을 매립하여 텅스텐 배선이 형성된다.
여기서, 이상과 같은 플라즈마 처리에 있어서의 펄스 마이크로파와 플라즈마의 흐름과의 관계에 대해서 설명한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 펄스 마이크로파의 온 시간 중에는 그 마이크로파에 의한 전계가 공급되어 있기 때문에, 상기 플라즈마 생성용 가스가 플라즈마화되어 플라즈마의 흐름(P)이 된다. 이 경우, 그 온 시간 직전의 오프 시간 중에 박막 형성 가스 공급부(51)로부터 웨이퍼(W)상에 박막 형성 가스가 공급되어 있다. 그리고, 이 박막 형성 가스가 상기 플라즈마류(P)에 의해 활성화되어 활성종을 형성하고, 웨이퍼(W)상에 박막이 행해된다. 이 박막 형성에 의해, 웨이퍼(W)상의 박막 형성 가스가 소비되어 웨이퍼(W)상에 박막 형성 가스의 원래의 성분이 충분히 존재하지 않게 되어 버린다.
한편, 도 3b에 도시된 바와 같이, 펄스 마이크로파의 오프 시간 중에는 그 마이크로파에 의한 전계가 공급되지 않기 때문에 플라즈마의 흐름이 생성되지 않는다. 따라서, 그 오프 시간 중에는 박막 형성 가스 공급부(51)로부터 웨이퍼(W)상에 새로운 박막 형성 가스가 공급되고, 웨이퍼(W)상에 박막 형성 가스의 원래의 성분이 충분히 존재하게 된다. 즉, 이 오프 시간 중에 웨이퍼(W)상의 반응 후의 잔류 가스를 새로운 박막 형성 가스와 교체하여 다음 온 시간 중에 플라즈마에 의해 박막 형성 가스를 해리시켜 다시 박막이 형성되도록 한다. 행한다. 이와 같이, 펄스 마이크로파를 이용하여 진공 용기(2) 내로 도입되는 마이크로파(전계)의 온 및 오프를 단속적으로 반복함으로써 박막 형성 처리가 진행된다.
여기서, 예컨대 8 인치 직경의 웨이퍼에 대하여 CF계의 박막 형성 가스를 이용하여 박막 형성 처리를 행하는 경우의 처리 조건의 일례는 다음과 같다. 즉, 진공실(21) 내의 압력이 O.03 Pa, CF계 가스(예컨대 C6F6)의 유량이 40 sccm, 유속이20 m/s일 때에는, 예컨대 변조파의 주파수는 50 Hz이며, 그 듀티비는 1인 것이 타당하다. 이 경우, 고주파 전력 발생부(6)로부터 출력되는 펄스 마이크로파의 온 시간(T_on)과 오프 시간(T_off)은 모두 10 ms가 된다.
그 이유는 본 발명자가 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션을 행한 결과에 기초하고 있다. 즉, 박막 형성 가스 공급부(51)의 가스 구멍(54)으로부터 분출될 때의 박막 형성 가스의 유속은 수백 m/s로 빠르지만, 제2 진공실(22) 내로 분출된 가스는 즉시 팽창하여 감속한다. 그 평균적인 유속은 진공실 내의 압력이 0.01 Pa 내지 1 Pa에서는 수 m/s 정도이며, 빨라도 10 m/s이다. 따라서, 전술한 펄스 마이크로파의 오프 시간(T_off)의 10 ms라는 시간 길이는 웨이퍼(W)상의 가스가 교체되는 시간, 즉, 박막 형성 가스 공급부(51)로부터 분출된 박막 형성 가스가 웨이퍼(W)의 표면을 (충분한 균일성으로)덮는 데 요하는 시간과 거의 일치하고 있다.
그 때, 온 시간(T_on)이 너무 길면, 종래의 경우와 마찬가지로 웨이퍼(W)상에 박막 형성 가스의 원래의 성분이 충분히 존재하지 않는 상태에서 웨이퍼 주변부에 새로운 박막 형성 가스가 공급되게 된다. 이 때문에, 웨이퍼의 중심부와 주변부에 있어서의 가스의 해리 정도의 차가 큰 상태로 박막 형성이 진행되고, 웨이퍼 면 내의 막 두께 분포에 변동이 생겨 버린다. 이것에 대하여, 본 실시 형태에서는, 펄스 마이크로파의 온 시간(T_on)을 오프 시간(T_off)(상기 가스의 교체 시간)과 같은 비교적 짧은 시간으로 설정하고 있기 때문에, 웨이퍼(W)의 중심부와 주변부에 있어서의 가스의 해리 정도에 그다지 차가 생기지 않게 되어 결과적으로 막 두께의 면 내 균일성이 향상된다.
또, 펄스 마이크로파의 온 시간(T_on) 및 오프 시간(T_off)은 모두 상기 10 ms에 한정되지 않는다. 즉, 펄스 마이크로파의 주파수 및 듀티비는 각각 상기 50 Hz 및 1로 한정되지 않는다. 예컨대, 후술한 실험예로부터도 알 수 있듯이, 본 실시 형태에 있어서의 펄스 마이크로파의 적합한 주파수는 30 Hz 내지 500 Hz이다(도 4 참조).
그 이유는 펄스 마이크로파의 주파수가 지나치게 낮으면, 그 온 시간 T_on이 너무 길어지고, 그 결과로서 막 두께의 면 내 균일성이 나빠진다고 생각되기 때문이다. 또, 원래는 마이크로파가 공급되고 있지 않을 때에도 가스 해리에 그다지 영향을 미치지 않는 약한 플라즈마가 형성되어 있지만, 주파수가 너무 낮으면, 그러한 약한 플라즈마가 사라지게 되고, 장치가 불안정해지기 때문에 바람직하지 못하다. 한편, 펄스 마이크로파의 주파수가 지나치게 높으면, 종래와 마찬가지로 웨이퍼상에서의 가스의 교체가 없는 상태로 플라즈마가 연속적으로 발생하는 것과 실질적으로 변하지 않게 되어 버리기 때문이다.
(실험예 1)
다음에, 본 발명자가 행한 실험예에 대해서 설명한다. 이 실험에서는, 전술한 실시 형태에 있어서, 펄스 마이크로파의 주파수를 변화시켜 다른 주파수마다 8 인치 직경의 웨이퍼(W)상에 CF막의 박막을 형성시켰다. 구체적으로는, 펄스 마이크로파를 생성하는 변조파의 듀티비를 1로 하고, 주파수를 10 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1000 Hz 및 60000 Hz로 하였다. 또, 마이크로파를 연속적으로 온한 채로의 상태 CW(Continuous Wave)에 대해서도 마찬가지로 박막 형성을 행하였다.
기타 처리 조건은 어느 주파수(상기 CW를 포함함)에 대해서나 다음과 같다.
박막 형성 장치: ECR 플라즈마 처리 장치(마이크로파: 2.45 GHz/2.0 kW,
고주파 바이어스 전압: 13.56 MHz/1.5 kW, 주 전자 코일
/보조 전자 코일 전류=200/160 A)
박막 형성 가스: C6F6
플라즈마 생성용 가스: Ar
가스 유량: C6F6/Ar=40/30 sccm
진공 용기 내의 압력: 0.03 Pa
박막 형성 온도: 360℃
이러한 실험에 의해 얻어진 CF막 두께의 면 내 균일성을 조사한 결과를 도 4의 표에 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 막 두께의 면 내 균일성은 변조파의 주파수가 30 Hz(T_on=T_off=16.5 ms) 내지 500 Hz(T_on=T_off=1 ms)의 범위에서 양호하며, 50 Hz(T_on=T_off=10 ms) 내지 100 Hz(T_on=T_off=5 ms)의 범위에서 특히 양호함을 알 수 있다. 이것은 박막 형성 가스 공급부(51)로부터 분출된 박막 형성 가스가 웨이퍼(W)의 표면을 덮을 때까지의 시간이 10 ms 정도이기 때문이라고 생각된다.
이 실험 결과로부터도 알 수 있는 바와 같이, 전술한 실시 형태에 따르면, 펄스 마이크로파를 30 Hz 내지 500 Hz의 주파수로 단속적으로 공급함으로써 웨이퍼면 내에서 보다 균일한 막 두께의 박막, 예컨대 CF막이 형성된다. 즉, 그 마이크로파의 오프 시간(T_off) 중에 웨이퍼(W)상의 잔류 가스를 새로운 박막 형성 가스와 교체함으로써 웨이퍼(W)의 중심부와 주변부에서 가스의 해리 정도에 그다지 차가 생기지 않게 되어 있는 것이라고 생각된다. 그리고, 박막 형성 가스의 해리에 의해 생긴 활성종이 웨이퍼면상에 균일하게 공급되어 있다고 생각된다.
(실험예 2)
다음에, 본 발명자가 수행한 다른 실험예에 대해서 설명한다. 이 실험에서는, 이하의 (1) 내지 (3)의 3개의 조건하에 있어서, 각각 펄스 마이크로파의 주파수 및 진공 용기 내의 압력을 변화시켜 다른 주파수 및 압력마다 웨이퍼(W)상에 CF막의 박막 형성을 행하고, 막 두께의 면 내의 균일성의 변화를 조사하였다. 또, 펄스 마이크로 파의 듀티비는 모두 1이다.
(1) 박막 형성 장치: ECR 플라즈마 처리 장치(마이크로파:2.45 GHz/2.0 kW,
고주파 바이어스 전압: 13.56 MHz/1.5 kW, 주 전자
코일/보조 전자 코일 전류=200/160 A)
박막 형성 가스: C6F6(분자량 186)
플라즈마 생성용 가스: Ar
가스 유량: C6F6/Ar=40/30 sccm
진공 용기 내의 압력: 0.03 Pa
박막 형성 온도: 360℃
(2) 박막 형성 가스: C2F6(분자량 138) 및 C2H4(분자량 28)
가스 유량: C6F6/C2H4/Ar=40/40/30 sccm
기타 조건은 (1)과 동일.
(3) 박막 형성 장치: 평행 평판형 플라즈마 처리 장치(도 11에 의해 후술)
(상부 전극 고주파: 13.56 MHz/3.0 kW, 하부 전극
고주파: 800 kHz/1.5 kW, 전극간 거리: 20 mm)
기타 조건은 (1)과 동일.
이들 (1) 내지 (3)의 조건에 있어서의 실험 결과가 각각 도 5 내지 도 7의 그래프에 표시되어 있다. 이들 결과로부터, 일반적으로 펄스 마이크로파의 주파수가 높아짐에 따라 양호한 막 두께의 면 내 균일성을 얻을 수 있도록 압력이 낮아지는 것을 알 수 있다.
또한, 상기 (2)의 조건(도 6)에 있어서는, 어떤 주파수에서도, 상기 (1)의 조건(도 5)의 경우에 비하여 양호한 막 두께의 면 내 균일성이 얻어지는 압력이 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 그 이유는 박막 형성 가스의 분자량이 작아졌으므로, 보다 높은 압력하에서도 동등한 유속을 얻을 수 있기 때문이라고 생각된다. 즉, 양호한 막 두께의 면 내 균일성이 얻어지는 적절한 오프 시간은 박막 형성 가스 공급부로부터 분출된 박막 형성 가스가 웨이퍼(W)의 표면을 덮는 데 요하는 시간에 대응한다고 생각되지만, 이 시간은 박막 형성 가스의 유속에 의존한다. 따라서, 보다 높은 압력하에서 동등한 유속를 얻을 수 있다는 것은 상기한 적절한 오프 시간(주파수)이 보다 높은 압력에 대응한다는 것이다. 그리고, 이것을 반대로 생각하면, 어떤 주파수에 대하여 양호한 막 두께의 면 내 균일성이 얻어지는 압력이 높아지게 된다는 것이다.
또한, 상기 (3)의 조건(도 7)에 있어서도, 어떤 압력으로도 상기 (1)의 조건(도 5)의 경우에 비하여 양호한 막 두께의 면 내 균일성이 얻어지는 주파수가 높게 되어 있음을 알 수 있다(도 7에서는 대상이 되는 주파수가 도 5 및 도 6과 다른 점에 주의). 그 이유는 평행 평판형 플라즈마 처리 장치의 구조상, ECR 플라즈마 처리 장치에 비하여 박막 형성 가스 공급부에서 웨이퍼(W)까지의 거리가 짧게 되어 있기 때문이라고 생각된다. 즉, 박막 형성 가스 공급부에서 웨이퍼(W)까지의 거리가 짧아짐으로써 박막 형성 가스 공급부로부터 분출된 박막 형성 가스가 웨이퍼(W)의 표면을 덮는 데 요하는 시간이 상대적으로 줄어들고, 이것에 따라 적절한 오프 시간도 줄어들기(주파수가 높아지기) 때문이라고 생각된다.
(변형예)
또, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 것이 아니라 적재대(4)에 바이어스 전압을 계속해서 인가도록 하여도 좋고, 박막 형성 가스를 웨이퍼 중앙에 대향하는 위치와 웨이퍼 주위의 양쪽으로부터 도입하여도 좋다. 또한, 제2 진공실(22)의 저부의 측면 방향에서 배기관을 접속하여도 좋고, 도파관(25)의 가로에 자장 형성용 전자 코일을 설치하여도 좋다. 또한, 본 발명은 박막 형성 처리에 한정되지 않고, 플라즈마를 이용하여 피처리 기판의 처리를 행하는 각종 처리 방법, 예컨대 CF계의 가스를 플라즈마화하여 피처리 기판을 에칭하는 방법 등에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서의 피처리 기판은 웨이퍼에 한정되지 않고, 액정 모니터용 유리 기판 등에도 적용될 수 있다.
또한, 전계의 온ㆍ오프를 여러번 단속적으로 반복하는 경우에 대해서 설명하였지만, 처리 조건에 따라서는 전계가 오프로 되는 것이 한번만, 즉, 전계가 온으로부터 일정 시간 오프로 되어 다시 온이 되도록 하는 것 만으로도 동일한 효과를 얻을 수 있는 경우도 있다.
또한, 본 발명은 ECR에 의해 플라즈마를 생성하는 경우에 한정되지 않고, 가스 해리에 영향을 미치게 하는 정도의 강도의 플라즈마를 단속적으로 생성할 수 있는 것이라면, 예컨대 ICP(유도결합 플라즈마: Inductive Coupled Plasma), 헬리콘파 플라즈마, 마그네트론 플라즈마, 또는 평행 평판형 플라즈마 발생 장치에 의한 것 등, 여러 가지 플라즈마 생성 방식에 대해서도 적용할 수 있다.
여기서, 상기 ICP에 의한 플라즈마 처리 장치로서는, 도 8에 도시된 바와 같은 것이 알려져 있다. 도 8에 도시된 ICP 처리 장치는 돔형의 세라믹 용기(70)에 감긴 코일(74)을 구비하고 있다. 그리고, 이 코일(74)로부터 공급되는 전계 및 자계에 의해 진공 용기(72) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성되어 있다. 또, 진공 용기(72)에는 터보 분자 펌프(76)가 접속되어 있다.
또한, 상기 헬리콘파 플라즈마에 의한 플라즈마 처리 장치로서는, 도 9에 도시된 바와 같은 것이 알려져 있다. 도 9에 도시된 헬리콘파 플라즈마 처리 장치는 예컨대 13.56 MHz의 헬리콘파를 공급하는 안테나(84)를 구비하고 있다. 그리고, 이 안테나(84)로부터의 헬리콘파와 자기 코일(86)로부터의 자계와의 상호 작용에 의해 진공 용기(82) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성되어 있다.
또한, 상기 마그네트론 플라즈마에 의한 플라즈마 처리 장치로서는, 도 10에도시된 바와 같은 것이 알려져 있다. 도 10에 도시된 마그네트론 플라즈마 처리 장치는 자기 코일(94)에 의해 캐소드(90)에 평행한 자계를 인가함으로써 진공 용기(92) 내에 플라즈마를 생성하도록 구성되어 있다.
그리고, 상기 평행 평판형의 플라즈마 처리 장치로서는, 도 11에 도시된 바와 같은 것이 알려져 있다. 도 11에 도시된 평행 평판형 플라즈마 처리 장치는 진공 용기(102) 내에서 한 쌍의 평행 평판 전극(상부 전극(104) 및 하부 전극(106)) 사이에 고주파 전력을 인가함으로써 양 전극(104, 106) 사이에서 플라즈마를 생성하도록 구성되어 있다.

Claims (5)

  1. 진공 용기 내의 적재부에 피처리 기판을 얹어 놓고,
    상기 피처리 기판에 대하여 가스 공급부로부터 적어도 불소를 포함하는 화합물을 포함하는 가스를 포함하는 증착 가스를 공급하여 적어도 전계에 기초하여 상기 증착 가스의 플라즈마를 생성하며,
    상기 생성된 플라즈마에 의해 상기 피처리 기판에 박막을 증착하고,
    상기 가스 공급부로부터의 상기 증착 가스를 연속적으로 공급하면서 상기 전계를 온ㆍ오프하며,
    상기 전계가 다시 온으로 돌아가기 직전에 상기 증착 가스의 일부가 소비되어진 상기 기판의 표면을 상기 가스 공급부로부터 공급되는 새로운 증착 가스가 급속히 덮는 데 필요한 전계 오프 시간을 설정하는 것
    을 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 삭제
  3. 진공 용기 내의 적재부에 피처리 기판을 얹어 놓고,
    상기 피처리 기판을 향하는 가스 공급부로부터 적어도 불소를 포함하는 화합물을 포함하는 가스를 포함하는 증착 가스를 연속적으로 공급하며,
    상기 진공 용기 내로 도입된 마이크로파에 의한 전계와 자계와의 상호 작용에 의해 전자 사이클로트론 공명을 일으켜 상기 증착 가스의 플라즈마를 생성하고,
    상기 생성된 플라즈마로 상기 피처리 기판에 박막을 증착하며,
    주파수가 50 Hz 내지 100 Hz인 펄스에 의해 변조된 상기 마이크로파를 상기 진공 용기 내로 도입하는 것을 포함하고,
    상기 주파수는, 상기 펄스가 다시 온으로 돌아기기 직전에 상기 증착 가스의 일부가 이전에 소비되어진 상기 기판의 표면을 상기 가스 공급부로부터의 새로운 증착 가스가 급속히 덮을 수 있도록 하는 것인 플라즈마 처리 방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 증착 가스는 탄소 및 불소를 포함하는 화합물의 가스이며, 상기 피처리 기판에 불소 첨가 카본막을 박막 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 전계와 동기하여 온ㆍ오프되는 바이어스 전압을 상기 적재부에 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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