KR20010041608A

KR20010041608A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법

Info

Publication number: KR20010041608A
Application number: KR1020007009805A
Authority: KR
Inventors: 아마노히데아키; 오카신스케; 나카세리사; 아오키다케시; 아카호리다카시
Original assignee: 히가시 데쓰로; 동경 엘렉트론 주식회사
Priority date: 1998-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2001-05-25
Also published as: WO1999045585A1; EP1063690A4; IL138264A0; EP1063690A1; KR100370440B1

Abstract

처리 가스를 처리실(22)로 도입시키는 복수개의 처리 가스 구멍(55)을 구비하는 처리 가스 공급부(5)와 면에 대해 비스듬히 교차하는 축선(A)을 갖는 처리 가스 공급부(5)로 이루어진 플라즈마 처리 장치는 소정의 θ각도에서 적재대(4) 상에 얹힌 기판(W)의 피처리 면을 포함하고, 처리 가스 도입 구멍(55)의 축선은 기판(W)의 피처리 면의 중심(C)에 대해 법선(B)이 되며, 상기 피처리 면에서 소정의 거리 L만큼 플라즈마실(21)로 향하는 이격된 위치에서 서로 교차하므로 기판(W)상의 처리 가스 분포도가 균일해 진다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

반도체 웨이퍼에 대하여 박막 증착 처리나 에칭을 행하는 방법의 하나로서 플라즈마를 이용하는 처리가 있다. 이 처리는 웨이퍼 적재대를 구비한 진공 용기내에 처리 가스를 도입하여 예컨대 전자 에너지를 이 처리 가스에 공급하여 플라즈마화함으로써 행해진다. 전자 에너지의 공급 방법으로는 마이크로파와 자계(Mf)의 상상호 작용인 전자 사이클로트론 공명(ECR)을 이용하는 방법이나 돔형의 용기에 감긴 코일로부터 전계 및 자계(Mf)를 처리 가스에 부여하는 ICP(Inductive Coupled Plasma)라 불리는 방법 등이 알려져 있다.

ECR을 이용하는 종래의 플라즈마 처리 장치의 일례로써 CF막(불소 첨가 카본막)을 박막 증착하는 처리 예를 도 24에 기초하여 설명한다. 우선, 플라즈마 생성실(11)내에 도시되지 않은 도파관을 통해 2.45 GHz의 마이크로파를 공급하면서 동시시에 도시되지 않은 전자 코일에 의해 자계를 인가하여 마이크로파와 자계(Mf)의의 상호 작용에 의해 Ar 가스(플라즈마용 가스)를 고밀도로 플라즈마화한다. 그리고, 이 플라즈마에 의해 박막 증착실(12)내로 도입된 박막 증착 가스(C₄F₈가스, C₂H₄가스)는 활성화되어 활성종을 형성하므로, 적재대(13)상의 반도체 웨이퍼(W)(이하 "웨이퍼(W)"라고 함) 표면에 CF막이 형성된다.

이 때, 박막 증착 가스는 박막 증착 가스 공급부(14)를 통해 공급된다. 박막 증착 가스 공급부(14)는 중앙이 비어 있는 링형으로 형성되고, 그 내주면에는 둘레 방향으로 거의 균등 분할한 위치에 복수의 가스 공급 구멍(15)이 형성되어 있다. 각 가스 공급 구멍(15)은 웨이퍼(W)의 피처리면에 대하여 거의 평행하게 또 출구측이 박막 증착실(12)의 중심을 향하도록 설치되어 있다. 각 가스 공급 구멍(15)의 입구측에서 출구측까지는 같은 직경으로 구성되어 있다. 도 26는 종래의 박막 증착 가스 공급계를 나타낸다. 이 가스 공급계에 있어서, 박막 증착 가스는 도시되지 않은 박막 증착 가스 공급원으로부터 가스 공급관(17)을 통해 공급된다. 가스 공급관(17)에는 박막 증착 가스의 유량을 조정하기 위한 유량 제어 장치(mass flow controller: 16)가 설치되어 있다. 가스 공급관(17)은 유량 제어 장치(16)의 하부에서 2 개로 분기된다. 그리고, 분기된 가스 공급관(17A, 17B)이 180°상반된 위치에서 각각 박막 증착 가스 공급부(14)에 접속되어 있다. 가스 공급관(17A, 17B)의 길이는 장치의 레이아웃의 형편상, 통상 서로 동일하지는 않다.

최근, 웨이퍼(W)의 대구경화(大口徑化)에 따른 웨이퍼(W)에 의해 균일한 막을 생성할 수 있는 장치가 요구되고 있다. 박막 증착된 막의 면내 균일성을 확보하기 위해서는 박막 증착 가스를 가능한 한 균등하게 웨이퍼(W)의 피처리면 상방(上方)의 공간으로 유도하는 것이 중요하다. 그러나, 종래의 플라즈마 처리 장치는 아래과 같은 문제를 안고 있다.

우선, 가스 공급 구멍(15)이 입구측에서 출구측까지가 같은 직경으로 구성되어 있기 때문에, 박막 증착 가스는 가스 공급 구멍(15)으로부터 수평 방향으로 가늘고 길게 신장하는 빔형으로 확산되고, 가스 공급 구멍(15)의 축선을 중심으로 한 방사 방향으로는 확산되지 않는다. 따라서, 웨이퍼(W)의 피처리면에 수직인 방향에서 본 경우, 박막 증착 가스의 분포는 도 25에 도시된 바와 같은 불균일하게 된다.

또한, 가스 공급관(17A, 17B)의 길이의 차이로 인해 흐름 저항이 가스 공급관(17A, 17B)에서 서로 다르기 때문에, 가스 공급관(17A, 17B)으로부터 각각 박막 증착 가스 공급부(14)로 공급되는 가스의 양이 서로 다르다. 이 때문에, 각 가스 공급 구멍(15)에서의 박막 증착 가스의 배출량이 구멍마다 달라지게 된다.

더욱이, 서로 종류가 다른 가스인 C₄F₈가스 및 C₂H₄가스를 공급하는 경우, 상대적으로 비중이 가벼운 C₂H₄가스 쪽이 빔형의 협 지향성을 갖는다. 한편, 상대적으로 비중이 무거운 C₄F₈가스는 가스 공급 구멍(15)의 축선을 중심으로 한 방사 방향으로 확산되기 쉽다. 이러한 확산 지향성의 차이에 따라 웨이퍼(W)의 피처리면 상방에서의 가스 분포가 불균일해진다.

이상과 같은 이유에 의해 종래의 플라즈마 처리 장치에서는 막 두께 및 막 질의 면내 균일성이 충분히 확보되어 있지 않다. 또, 에칭 처리를 행하는 경우에도 피처리면 상방에서의 가스 분포의 불균일으로 인한 같은 문제가 발생한다.

본 발명은 피처리 기판에 대하여, 박막 증착 처리 또는 혹은 에칭 처리 등의 처리를 행하기 위한 플라즈마 처리 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히, 박막 증착 가스 및 에칭 가스 등의 처리 가스를 진공 용기내로 공급하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 제1 실시 형태를 도시한 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 플라즈마 처리 장치에 따른, 가스 공급부의 구성 및 기판과 가스 공급 구멍과의 기하학적 배치 관계를 설명하는 확대 단면도.

도 3은 도 2에 도시된 가스 공급 구멍과 기판과의 기하학적 배치 관계를 설명하는 평면도.

도 4는 도 2에 도시된 가스 공급 구멍의 단면 형상을 도시한 확대 단면도.

도 5는 가스 공급 구멍의 다른 형태를 도시한 확대 단면도.

도 6은 처리 가스 공급부의 버퍼실의 구조의 다른 예를 도시한 확대 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 가스 공급 구멍에 의해 분사되는 박막 증착 가스의 지향성을 설명하는 측방에서의 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 가스 공급 구멍에 의해 분사되는 박막 증착 가스의 지향성을 설명하는 도 7의 Z 방향에서 본 모식적 평면도.

도 9는 가스 공급 구멍의 방향이 틀린 다른 실시 형태를 설명하는 도면.

도 10은 처리 가스 공급부와 플라즈마 발광 영역의 관계가 특정된 플라즈마 처리 장치의 다른 실시 형태를 설명한 주요부 단면도.

도 11은 처리 가스 공급부의 구성이 변경된 플라즈마 처리 장치의 다른 실시 형태를 도시한 단면도.

도 12는 도 11에 도시된 플라즈마 처리 장치의 처리 가스 공급부의 구성을 도시한 단면도.

도 13은 도 12에 도시된 처리 가스 공급부를 이용한 경우의 처리 가스의 분출(blow-off) 상태를 설명하는 모식도.

도 14는 도 13에 도시된 바와 같이 처리 가스가 분출한 경우의 웨이퍼 직상부에서의 처리 가스의 농도 분포를 설명하는 모식도.

도 15는 여러 종류의 처리 가스를 처리 가스 공급부내에서 혼합하여 공통의 가스 공급 구멍으로부터 분출시킨 경우(비교예)의 가스의 분출 상태를 설명하는 모식도.

도 16은 도 15에 도시된 바와 같이 처리 가스가 분출한 경우의 웨이퍼 직상(直上)부에서의 처리 가스의 농도 분포를 설명하는 모식도.

도 17은 처리 가스 공급부에 처리 가스를 공급하는 공급계가 변경된 플라즈마 처리 장치의 다른 실시 형태를 도시한 모식적 평면도.

도 18a, 도 18b, 도 18c 및 도 18d는 실험예에서 이용한 플라즈마 처리 장치의 처리 가스 공급계를 설명하는 모식적 평면도.

도 19는 도 18a 내지 도 18d의 플라즈마 처리 장치에 의한 실험 결과를 설명하는 도면으로서, 막 두께의 면내 균일성을 설명한 그래프.

도 20은 처리 가스의 일부를 플라즈마실로 도입할 수 있도록 구성된 플라즈마 처리 장치의 다른 실시 형태를 도시한 단면도.

도 21은 도 20에 도시된 플라즈마 처리 장치를 이용하여 CF막을 형성하는 경우에, 플라즈마에 의해 C₄F₈가스가 해리되는 상태를 도시한 설명도.

도 22는 종래의 플라즈마 처리 장치를 이용하여 CF막을 형성하는 경우에, 플라즈마에 의해 C₄F₈가스가 해리되는 상태를 도시한 설명도.

도 23은 본 발명을 ICP 방식의 플라즈마 처리 장치에 적용한 예를 도시한 단면도.

도 24는 종래의 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도.

도 25는 도 24에 도시된 플라즈마 처리 장치의 가스 공급 구멍에 의해 분사되는 처리 가스의 지향성을 설명한 도 24의 Z 방향에서 본 모식적 평면도.

도 26은 종래의 플라즈마 처리 장치의 처리 가스 공급계의 구성을 설명한 모식적 평면도.

본 발명의 목적은 가스 공급 구멍으로부터 처리 가스를 기판에 공급하여 플라즈마 처리를 수행하는 데 있어서, 피처리면 상방에서의 처리 가스 분포의 균일성을 높여 플라즈마 처리의 면내 균일성을 향상시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마실과, 상기 플라즈마실로 연통하고, 상기 플라즈마실에서 발생한 플라즈마가 도입되는 처리실과, 상기 플라즈마실내에 플라즈마 가스를 도입하기 위한 플라즈마 가스 도입 수단과, 상기 처리실내에 설치되어, 처리가 실시되는 기판을 얹어 놓기 위한 적재대와, 상기 처리실에 처리 가스를 공급하기 위한 복수의 처리 가스 도입구를 포함하여 이루어진 처리실용 처리 가스 도입 수단을 구비하며, 상기 각 처리 가스 도입구는 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 소정의 교차 각도를 이루어 비스듬하게 교차하는 축선을 갖고 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.

상기 각 처리 가스 도입구의 단면적은 처리실과 면하는 출구단에 근접함에 따라 커지도록 구성하는 것이 가능하다.

또한, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선은 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면 중심에 대해 법선이며, 또, 상기 피처리면에서 상기 플라즈마실로 향하는 방향으로 소정의 거리만큼 이격된 위치에 있어서, 서로 교차하도록 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 이루는 상기 각도는 15∼65 (deg)이고, 또 상기 피처리면에서 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 서로 교차하는 위치까지의 상기 거리는 5∼15 (mm)로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 이루는 상기 각도는 30∼45 (deg), 상기 피처리면에서 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 서로 교차하는 위치까지의 상기 거리는 5∼10 (mm)가 된다.

또한, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선은 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면 중심의 법선과 교차하지 않도록 하는 것도 가능하다.

또한, 상기 각 처리 가스 도입구의 출구단은 플라즈마 발광 영역의 외부에 위치시킬 수 있다.

또한, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단은 상기 적재대에 얹히는 기판의 피처리면 중심의 법선을 중심축으로 하는 링 형상으로 형성됨과 동시에 내주면을 갖는 중앙이 비어 있는 링형으로 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 링형의 내부에는 이것의 원주 방향을 따라 연장되는 처리 가스를 통과시키기 위한 처리 가스 통로가 형성되고, 상기 링형의 처리 가스 통로는 상기 각 처리 가스 도입구와 연결되어 통하고 동시에 상기 내주면을 향해 개구된다.

또한, 상기 플라즈마 처리 장치는 상기 링형의 처리 가스 통로의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 접속된 복수의 가스 도입로와, 상기 각 가스 도입로에 설치된 유량 조절 장치를 추가로 구비하여 구성할 수도 있다.

또한, 상기 플라즈마 처리 장치는 상기 플라즈마실에 처리 가스를 공급하기 위한 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단을 추가로 구비하고, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급된 처리 가스는 상기 플라즈마실에서 활성종으로 되도록 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급되는 처리 가스는 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 처리실에 공급되는 처리 가스와 동일하게 조성할 수도 있고, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급되는 처리 가스는 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 처리실에 공급되는 처리 가스와 다르게 조성할 수도 있다.

또한, 상기 플라즈마 처리 장치가 상기 플라즈마실에 마이크로파를 공급하는 수단과, 상기 플라즈마실에 자장을 형성하는 수단을 구비한 ECR 플라즈마 처리 장치인 경우, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단의 각 가스 도입구의 출구단이 상기 플라즈마실 안의 전자 사이클로트론 공명 조건이 성립하는 영역을 사이에 두어 상기 처리실과 반대측에 위치하도록 구성할 수 있다.

또한, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단의 가스 도입구를 제1 가스 도입구와, 상기 제1 가스 도입구보다 상방측에 위치하는 제2 가스 도입구로서, 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면 중심의 법선으로부터의 제2 가스 도입구의 출구단의 거리가 상기 법선으로부터의 상기 제1 가스 도입구의 출구단의 거리보다 커지는 위치에 배치된 제2 가스 도입구를 포함하여 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 가스 도입구로부터 공급되는 처리 가스의 비중은 상기 제2 가스 도입구로부터 공급되는 처리 가스의 비중보다 크게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단은 상기 적재대에 얹히는 기판의 피처리면 중심에 대한 법선을 중심축으로 하여 링 형상으로 형성됨과 동시에 상기 법선 방향에 대하여 경사지는 내주면을 갖도록 중앙이 비어 있는 링형으로도 구성할 수 있다. 이 경우, 상기 링형의 내부에는 링형의 원주 방향을 따라 연장되는 제1 처리 가스 통로 및 제2 처리 가스 통로가 설치되고, 상기 제1 및 제2 처리 가스 통로는 상호간에 가스 이동이 불가능하도록 서로 독립적이며, 또한 상기 제1 가스 도입구는 상기 제1 처리 가스 통로로 연결되어 통하면서 동시에 상기 링형의 내주면으로 개구되고, 상기 제2 가스 도입구는 상기 제2 처리 가스 통로와 연결되어 통하면서 동시에 상기 링형의 내주면으로 개구되도록 구성할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 제2 관점에 따르면, 처리실 내에 배치된 적재대에 처리해야 할 기판을 얹어 놓는 공정과, 상기 기판의 피처리면에 대하여 복수의 위치로부터 상기 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 비스듬하게 교차하는 방향으로 처리 가스를 공급하는 공정과, 상기 처리 가스를 플라즈마화하여 그 플라즈마에 의해 상기 기판에 대하여 처리를 행하는 공정을 포함하는 플라즈마 처리 방법이 제공된다.

상기 플라즈마 처리 장치에 의해 상기 피처리 기판에 대하여 수행하는 처리는 박막 증착 처리 및 에칭 처리 중 어느 것이라도 좋다.

이하에 도 1∼도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치의 제1 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 처리 장치는 알루미늄 등에 의해 형성된 진공 용기(2)를 갖는다. 진공 용기(2)는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마실(21)과, 플라즈마실(21)의 아랫 방향에 배치되면서 플라즈마실(21)과 연결되어 통하는 처리실(22)을 포함하여 구성된다. 진공 용기(2)는 접지되어 전위는 영(0)이다.

이 진공 용기(2)는 그 상단에 개구를 갖고 있고, 이 개구에는 고주파(마이크로파)를 투과하는 부재에 의해 형성된 투과창(23)이 기밀하게 설치되어 있다. 투과창(23)은 예컨대 질화알루미늄(AlN)에 의해 형성된다. 투과창(23)은 지지링(23a)에 의해 그 외주연(外周緣)이 기밀하게 지지된다. 투과창(23)과 지지링(23a)에 의해 진공 용기(2)내의 진공 상태가 유지된다.

투과창(23)의 외측에는 플라즈마실(21) 내부로 예컨대 2.45 GHz의 마이크로파를 공급하기 위한 도파관(25)이 설치되어 있다. 도파관(25)은 직사각형 도파관과 원통형 도파관과 원추형 도파관을 조합하여 구성할 수 있다. 도파관(25)의 출구측 단부는 투과창(23)의 상면에 접속되어 있고, 도파관(25)의 입구측 단부는 플라즈마 발생용 고주파 전원부(24)에 접속되어 있다. 도파관(25)은 고주파 전원부(24)에서 발생한 마이크로파를 TE 모드로 유도하거나 또는 TE 모드로 유도된 마이크로파를 TM 모드로 변환하여 투과창(23)을 통해 플라즈마실(21)내로 도입한다.

플라즈마실(21)을 구획하는 측벽의 상부측에는 플라즈마 가스를 공급하기 위한 가스 노즐(26)이 둘레 방향을 따라 균등하게 배치되어 있다. 이들 가스 노즐(26)에는 도시되지 않은 플라즈마 가스원이 접속되어 있다. 이들 가스 노즐(26)은 플라즈마실(21)내의 상부에 Ar 가스나 O₂가스 등의 플라즈마 가스를 얼룩 없이 균등하게 공급할 수 있다. 또, 도면의 번잡화를 피하기 위해 도면에는 가스 노즐(26)을 2 개 밖에 기재되어 있지 않지만, 실제로는 그 이상의 가스 노즐(26)이 설치되어 있다.

플라즈마실(21)을 구획하는 측벽의 외주 근방에는 플라즈마실(21)을 둘러싸 도록 링형의 주 전자 코일(27)이 배치되어 있다. 또한, 처리실(22)의 하방측에는 도시되지 않은 링형의 보조 전자 코일이 배치되어 있다. 이들 코일에 의해, 플라즈마실(21)로부터 처리실(22)에 걸쳐 위에서 아래로 향하는 자계(Mf: 예컨대 875 가우스의 자계)를 형성할 수 있다.

또한, 처리실(22)내에는 웨이퍼(W)를 유지시키는 적재대(4)가 원주형 지지 부재(40)의 상부에 설치되어 있다. 적재대(4)는 적재대 본체(41) 위에 히터(43)와 전극(44)을 내장한 유전체 플레이트(42)를 설치함으로 구성된다. 적재대(4)의 적재면은 정전 척(chuck)으로 구성되어 있다. 전극(44)에는 정전 척용의 도시되지 않은 직류 전원이 접속되면서 동시에 웨이퍼(W)에 이온을 인입하는 바이어스 전압을 인가하기 위한 고주파 전원부(45)가 접속되어 있다. 처리실(22)의 밑부분에는 배기관(28)이 추가로 접속되어 있다. 적재대(4)로서는, 승강(昇降) 불능의 고정 형식을 이용한다. 피처리 기판, 즉 웨이퍼(W)는 도시되지 않은 자유롭게 승강할 수 있는 반송 아암에 의해 적재대(4)상에 얹어 놓을 수 있다.

또, 적재대는 처리 위치와 웨이퍼(W)의 교환 위치 사이에서 승강 가능하게 구성할 수도 있다. 이 경우, 이 지지 부재(40)는 진공 용기(2)의 밑벽을 관통하고, 진공 용기(2)에 대하여 기밀성을 유지하면서 승강할 수 있도록 구성되어 있다(후술하는 도 11∼도 20에 도시된 실시 형태를 참조).

한편, 처리실(22)의 상부 즉 플라즈마실(21)과 연결되어 통하는 부분에는 처리실(22)로 처리 가스를 도입하기 위한 중앙이 비어 있는 링형의 처리 가스 공급부(5)가 설치되어 있다. 처리 가스 공급부(5)의 내부 공간은 도 2에 도시된 바와 같이, 가스 구멍(51a)이 설치된 버퍼판(51)에 의해 직경 방향으로 2 분할되어 있고, 이에 따라, 처리 가스 공급부(5)의 내부에는 외측에 버퍼실(52), 그 내측에 가스실(53)이 형성되어 있다. 버퍼실(52)에는 처리 가스 공급관(54(54a, 54b))이 접속되어 있다. 이들 처리 가스 공급관(54a, 54b)에 의해 도시되지 않은 처리 가스원으로부터, 처리 가스(본 예에서는 박막 증착을 행하기 위한 박막 증착 가스)를 버퍼실(52)로 공급할 수 있다. 버퍼실(52) 및 가스실(53)은 원주 방향으로 연장되어 있고, 처리 가스 공급관으로부터 공급된 처리 가스를 처리 가스 공급부(5)의 원주 방향으로 흐르게 하기 위한 처리 가스 통로의 역할도 한다.

처리 가스 공급부(5)는 아랫쪽으로 감에 따라 서서히 넓어지도록 경사지는 내주면(50)을 갖는다. 본 예에서는 내주면(50)은 적재대(4)상에 얹힌 웨이퍼(W)의 피처리면을 포함하는 평면을 아랫면으로 하고, 또, 웨이퍼(W)의 피처리면 중심(C)에 대한 법선(B)상에 정점을 갖는 원추의 방추면의 일부를 이룬다. 또, 이하, 본 명세서에 있어서, 기재의 간략화를 위해 "웨이퍼(W)의 피처리면 중심에 대한 법선"을 웨이퍼의 중심축이라 한다.

내주면(50)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 이 내주면을 둘레 방향으로 거의 균등하게 복수 분할(본 예에서는 6 분할)한 위치에 복수의 가스 공급 구멍(55)이 형성되어 있다. 이들 가스 공급 구멍(55), 즉 처리 가스 도입구는 도 2에서 점선으로 도시된 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 적재대(4)상에 얹힌 웨이퍼(W)의 피처리면에 대하여 θ각도로 비스듬하게 교차하고, 또, 축선(A)들은 도면에서 일점쇄선(＿ . ＿.)으로 도시된 웨이퍼(W)의 중심축상에서 웨이퍼(W)의 상방측(가스 공급 구멍(55)측)으로부터 거리 L만큼 떨어진 위치에서 교차되게 설치된다. 상기의 배치에 의해 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)은 각각 그 가스 공급 구멍(55)으로부터의 거리가 웨이퍼(W)의 피처리면 중심점(C)보다 먼 위치(P)에서 웨이퍼와 교차한다. 그리고 축선(A)들은 웨이퍼(W)상에서 교차하지 않는다.

또, 도 2에 도시된 실시 형태에 있어서, 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)은 웨이퍼(W)의 피처리면과 교차하고 있지만, 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼(W)의 피처리면 외방에서 웨이퍼(W)의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 상기 형태로 교차되어도 좋다.

가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼(W)의 피처리면과 교차하는 각도(θ)와, 웨이퍼(W)의 피처리면에서 축선(A)들끼리 교차하는 점까지의 거리(L)와의 조합은 바람직하게는 15(deg)≤θ≤65(deg), 5(mm)≤L≤15(mm), 보다 바람직하게는 30(deg)≤θ≤45(deg), 5(mm)≤L≤10(mm)이다(후술하는 실시예 참조). 이 조건에 적합하도록 처리 가스 공급부(5)의 내주면(50)의 경사와 가스 공급 구멍(55)의 위치가 설정된다.

특히, 도 4에 상세히 도시된 바와 같이, 각 가스 공급 구멍(55)은 내주면(50) 벽부의 두께(D)의 거의 중앙의 위치로부터 출구단(처리실(22)의 중심측)으로 향함에 따라 α각도로 확대 개방되고, 또, 상기 두께(D)의 거의 중앙 위치로부터 입구단으로 향할수록 확대 개방되도끔 구성되어 있다. 즉, 각 가스 공급 구멍(55)은 2 개의 원추대를 결합한 형상을 갖는다.

도 4에 도시된 실시 형태에 있어서는, 두께(D)는 4 mm 정도, 두께(D)의 거의 중앙 위치에 대해 가스 공급 구멍(55)의 내경은 2 mm 정도로 설정되어 있다. 또, 각도(α)는 30∼150(deg)로 설정하는 것이 바람직하고, 범위내에서 가스 공급 구멍(55)에서 분사되는 처리 가스의 확산 특성에 따라 적당한 값으로 설정할 수 있다.

또, 가스 공급 구멍(55)의 형상은 도 4에 도시한 것 대신에 도 5에 도시한 바와 같이 내주면(50) 벽부의 두께(D)의 거의 중앙 위치로부터 입구단으로 향하는 부분이 같은 직경이 되도록 원주 형상으로 구성하여도 좋다. 이 경우도 가스 공급 구멍(55)의 출구측의 형상은 도 4에 도시된 것과 동일하다.

또한, 도 2에 도시된 실시 형태에 있어서, 버퍼판(51)이 내주면(50)과 평행하도록 설치하고, 버퍼실(52)을 가스실(53)의 외측에 설치하였지만, 이 대신에 도 6에 도시된 바와 같이, 처리 가스 공급부(5)의 내부 공간을 버퍼판(51)에 의해 상하로 구획하여 상측에 버퍼실(52)을 형성하고, 그 하측에 가스실(53)을 형성하여도 좋다.

다음에 설명할 플라즈마 처리 장치의 작용에 대해서, 피처리 기판인 웨이퍼(W)상에 예컨대 불소 첨가 카본막(이하 "CF막"이라 함)으로 이루어진 층간 절연막을 박막 증착하는 경우를 예로써 설명한다.

우선, 진공 용기(2)의 측벽에 설치한 도시하지 않은 게이트 밸브를 개방한다. 계속해서, 반송 아암(도시하지 않음)에 의해 표면에 알루미늄 배선이 형성된 예컨대 8 인치 사이즈의 웨이퍼(W)를 로드 록실(도시되지 않음)로부터 진공 용기(2)내로 반입하여 적재대(4)상에 얹어 놓는다.

계속해서, 게이트 밸브를 폐쇄하여 내부를 밀폐한다. 이어서, 배기관(28)에 의해 내부 분위기(雰圍氣)를 배출하여 소정의 진공도까지 탈기한다. 그리고, 가스 노즐(26)로부터 Ar 가스(플라즈마 가스)를 소정의 유량으로 플라즈마실(21)내로 도입한다. 또한, 처리 가스 공급부(5)로부터 박막 증착 가스로서 C₄F₈가스 및 C₂H₄가스를 각각 소정의 유량으로 처리실(22)로 도입한다. 그리고 진공 용기(2)내를 소정의 프로세스 압력으로 유지한 상태에서 고주파 전원부(45)에 의해 적재대(4)에 13.56 MHz의 바이어스 전압을 인가하는 동시에 적재대(4)의 표면 온도를 예컨대 400℃로 설정한다.

고주파 전원부(24)로부터의 2.45 GHz의 고주파(마이크로파: Mw)가 진공 용기(2)의 천정부에 이르고, 투과창(23)을 통해 플라즈마실(21)내로 도입된다. 한편, 진공 용기(2)내에는 주 전자 코일(27)과 도시하지 않은 보조 전자 코일에 의해 자계(Mf)가 형성된다. 자계(Mf)의 강도는 875 가우스가 된 포인트에서 자계(Mf)와 마이크로파(Mw)의 상호 작용에 의해 전자 사이클로트론 공명이 생긴다. 전자 사이클로트론 공명에 의해 플라즈마 가스가 플라즈마화되고, 또 고밀도화된다. 또, 플라즈마 가스를 이용함으로써 플라즈마가 안정된다.

생성한 플라즈마는 플라즈마실(21)로부터 처리실(22)을 향해 플라즈마류로서 유입되어 간다. 처리실(22)에 공급되어 있는 C₄F₈가스 및 C₂H₄가스는 플라즈마류에 의해 활성화(플라즈마화)되어 활성종(플라즈마)을 형성한다. 한편, 플라즈마 이온은 바이어스 전압에 의해 웨이퍼(W)에 인입되고, 웨이퍼(W) 표면의 패턴(오목부)에 퇴적된 CF막의 모난 부분을 플라즈마 이온의 스퍼터 에칭 작용에 의해 잘라내어 개구를 넓힌다. 이 스퍼터 에칭 작용과 병행하여 박막 증착 가스의 플라즈마에 의해 CF막이 박막 증착되어 오목부내에 매립된다. 이와 같이 하여 CF막으로 이루어진 층간 절연막이 형성된다.

이하에, 처리 가스 공급부(5)로부터 처리실(22)로 공급되는 박막 증착 가스의 공급의 상태에 관해서 도 2를 이용하여 상세히 설명한다. 우선, 처리 가스 공급관(54a, 54b)로부터 각각 버퍼실(52)로 공급된 C₄F₈가스 및 C₂H₄가스는 버퍼판(51)의 가스 구멍(51a)을 통해 가스실(53)로 향하여 확산되어 나가고, 가스 공급 구멍(55)로부터 처리실(22)내로 분출된다.

이 때, 각 가스 공급 구멍(55)은 출구측 직경이 확장되도록 형성되어 있기 때문에, 박막 증착 가스는 가스 공급 구멍(55)의 축선(A) 방향뿐만 아니라 축선(A)을 중심으로 한 방사 방향으로도 확산되기 쉬워진다. 즉, 박막 증착 가스는 팽창되면서 넓어지는 지향성, 즉 광 지향성으로써 확산된다. 또한, 축선(A)이 웨이퍼(W)에 대하여 θ각도로 비스듬하게 교차되므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 박막 증착 가스는 전술한 광 지향성으로써, 각 가스 공급 구멍(55)으로부터 경사 하방측으로 향하여 분출해 나간다. 또한, 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼(W)의 중심축(B)상으로서 웨이퍼(W)보다 L 거리만큼 상방측의 위치에서 교차하도록 설치되어 있기 때문에, 각 가스 공급 구멍(55)으로부터 분출된 박막 증착 가스는 축선(A)이 서로 교차하는 위치에서 교차하면서 웨이퍼(W) 표면의 위치(P)에 도달하도록 공급된다(도 2 참조).

이와 같이 박막 증착 가스를 공급하면, C₄H₈가스와 C₂H₄가스는 버퍼실(52)에서 가스실(53)로 흐를 때에 버퍼판(51)에 의해 확산되고, 가스실(53)에서 가스 공급 구멍(55)을 통해 처리실(22)로 흐를 때에 더욱 확산되기 때문에, 버퍼실(52)을 설치하지 않는 구성에 비하여 이들 여러 종류의 박막 증착 가스가 충분히 혼합된 상태에서 처리실(22)로 공급되게 된다.

이 때문에 웨이퍼 상방에 있어서, 이들 박막 증착 가스가 충분히 혼합되지 않는 경우에 발생하는 현상, 즉, 어떤 부분에서는 C₄F₈가스의 농도가 높고 C₂H₄가스의 농도가 낮으며, 별도의 어떤 부분에서는 C₄H₈가스의 농도가 낮고 C₂H₄가스의 농도가 높다는 현상이 쉽게 발생하지 않게 된다. 이것에 의해 웨이퍼(W)상에 형성된 CF막 속의 탄소나 불소의 농도 분포가 면내에서 거의 균일해지기 때문에, CF막의 막 질의 면내 균일성을 높일 수 있다. C₄F₈가스와 C₂H₄가스는 혼합된 것만으로는 반응하지 않기 때문에, 이러한 구성은 유효하다.

또한, 박막 증착 가스는 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)을 중심으로 하는 방사 방향으로도 넓어지면서 확산되기 때문에, 박막 증착 가스는 도 8에 도시된 바와 같은 형태로 확산된다. 이 때문에 박막 증착 가스가 가늘고 길게 빔형으로 신장되는 지향성, 즉 협 지향성으로 확산하는 경우(도 24 및 도 25 참조)에 비하여 넓은 영역에 박막 증착 가스가 확산된다. 이 때문에, 웨이퍼의 주연(周緣)부에도 박막 증착 가스가 널리 퍼지기 쉬워지므로, 박막 증착 가스 농도의 분포가 균일해진다. 이에 따라, 형성되는 CF막의 막 두께 및 막 질의 면내 균일성이 향상된다.

또한, 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼 표면상에서 교차하지 않기 때문에 웨이퍼 표면에서 박막 증착 가스가 집중하는 특이점이 발생하지 않는다. 이 때문에, 웨이퍼(W)상의 특정 부분의 막 두께가 다른 부분에 비하여 극단적으로 두껍게 되어 버리는 일은 없다. 즉, 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)은웨이퍼(W)의 중심축(B)상의 웨이퍼(W)보다 L 거리만큼 상방측의 위치에서 중합되기 때문에, 각 가스 공급 구멍(55)으로부터 분출하는 박막 증착 가스는 웨이퍼(W) 표면의 도달 위치(P)에는 집중하지 않으며, 더구나 팽창되면서 넓어지는 지향성에 의해 각 가스 공급 구멍(55)으로부터의 가스가 겹치는 부분이 상당히 넓어지기 때문에, 이 겹치는 부분의 직하부에 웨이퍼(W)상의 점이 CF막의 막 두께의 특이점이 될 염려는 없다. 이와 같이 박막 증착 가스가 겹치는 부분에 대응하는 웨이퍼(W)상의 점이 막 두께의 특이점이 되어 버리는 일이 없기 때문에, 이 점에서도 CF막의 막 두께의 면내 균일성이 향상된다.

또, 본 발명의 발명자들은 후술하는 실험예에 의해 상기 거리(L)가 5 mm보다 작아지거나 15 mm보다 커지면, 박막 증착 가스가 겹치는 부분이 웨이퍼(W)의 상방측이어도 막 두께에 영향을 주는 것을 확인하고 있기 때문에, 거리(L)는 5 mm 이상 15 mm 이하인 것이 바람직하다.

그런데, 막 두께의 면내 균일성을 높이기 위해서 박막 증착 가스가 서로 중합되지 않도록 하는 것도 생각할 수 있다. 그러기 위해서는, 예컨대, 상기 축선(A)과 웨이퍼 표면이 웨이퍼(W)의 중심(C)보다 그 가스 공급 구멍(55)에서 보아 전방측에서 교차하도록 하면 좋다. 그러나, 이러한 구성에서는 웨이퍼(W) 중심으로의 가스 공급량이 적어져 CF막의 막 두께가 중심 부분에서 얇아지게 되고, 결국 막 두께의 면내 균일성이 악화되게 된다.

계속해서, 실제로 본 발명의 발명자들이 상기 제1 실시 형태의 이점을 확인하기 위해서 행한 실험예에 대해서 설명한다. 진공 처리 장치로서, 전술한 도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 것을 이용하였다. CF막을 8인치 사이즈의 웨이퍼(W)상에 박막 증착하는 시험을 행하였다.

그 때, Ar 가스를 소정의 유량으로 플라즈마실(21)내로 도입함과 동시에 C₄F₈가스 및 C₂H₄가스를 소정의 유량으로 처리실(22)내로 도입하였다. 고주파 전력은 2500 W, 바이어스 전력은 1500 W, 진공 용기(2)내의 압력은 0.2 Pa로 하였다.

처리 가스 공급부(5)의 가스 공급 구멍(55)을, 각도(θ)를 10∼80(deg)의 범위에서 변화시키고, 또 L을 0∼20 mm의 범위에서 변화시킨 복수의 샘플을 작성하였다. 그리고, 얻어진 샘플의 막 두께 분포를 옵티 프로브에 의해 측정하여 박막 증착 프로파일을 조사하였다.

이 실험 결과, 각도(θ)가 작아지면 중심부의 막 두께가 주연부에 비하여 커지고, 각도(θ)가 커지면 주연부의 막 두께가 중심부에 비하여 커지는 경향이 있는 것이 확인되었다. 또한, 이 실험을 거리(L)의 크기를 바꾸어 행한 결과, L이 5 mm보다 작아지면 중심의 박막 증착량이 많아지는 것이 확인되고, 또한 L이 15 mm보다 커지면 주연부의 박막 증착량이 많아지는 것이 확인되었다. 이 현상은 L이 5 mm보다 작아지면 박막 증착 가스의 합류점이 웨이퍼 표면에 너무 가까워서 결국 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼 표면상에서 교차하도록 한 경우와 거의 같은 조건으로 각 가스 공급 구멍(55)으로부터의 가스가 겹치게 되어 버리고, 중앙부에 특이점이 쉽게 생기게 되는 것에 기인하는 것으로 여겨진다. 한편, L이 15 mm보다 커지면 웨이퍼의 중심점(C)과 위치(P)와의 거리가 너무 커져서 중앙부의 구멍난 상태가 되기 쉬워지기 때문이라고 생각된다.

각 조건에서 막 두께의 면내 균일성을 평가한 결과를 표 1에 나타낸다. 면내 균일성의 평가는 웨이퍼의 피처리면상에 균등하게 분포되도록 설정한 복수의 측정점(이번에는 49점으로 함)에 있어서, 막 두께의 평균치 및 표준 편차(σ)를 구하여, "3σ/평균치(%)"로써 면내 균일성을 나타내는 지표로 하였다. 또, 웨이퍼(W)의 외주 둘레로부터 3 mm의 범위는 측정점에서 제외하고 있다.

각도 θ(deg)	L=0 mm	L=5 mm	L=10 mm	L=15 mm	L=20 mm
10	10.3	8.3	9.1	8.1	11.3
15	9.8	4.8	5.3	5.7	10.2
30	9.1	4.6	4.1	5.5	9.3
45	8.5	4.5	4.2	6.2	8.2
60	8.9	4.2	5.1	6.3	7.9
63	9.6	5.0	5.2	6.9	8.1
65	10.4	5.8	5.4	7.1	8.5
70	12.5	9.2	5.8	7.3	9.1
80	30.1	22.0	10.0	10.5	12.1

상기 해석 결과를 근거로 하여 표 1을 보면, 막 두께의 면내 균일성 향상을 위해서는 각도(θ)와 거리(L)의 조합은 15(deg)≤θ≤65(deg) 또 5(mm)≤L≤15(mm)로 하는 것이 바람직하고, 30(deg)≤θ≤45(deg) 또 5(mm)≤L≤10(mm)로 하는 것이 더욱 바람직함을 알 수 있다.

다음에, 계속해서 가스 공급 구멍(55)의 다른 실시 형태에 대해서 도 9를 참조하여 설명한다. 도 9에 도시된 형태에 있어서, 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)이 웨이퍼(W)의 중심축(B)을 통과하지 않게 웨이퍼(W)의 중심축(B) 방향에서 본 경우, 가스 공급 구멍(55)과 웨이퍼(W)의 중심점을 연결하는 직선에 대하여, ε각도만큼 어긋난 방향을 향하고 있다. 그리고 각 가스 공급 구멍(55)의 축선(A)은 그 가스 공급 구멍(55)으로부터의 거리가 웨이퍼(W)의 피처리면의 중심점(C)보다 먼 위치(P')에서 웨이퍼와 교차한다.

이와 같이 구성하여도 웨이퍼(W) 표면에서는 축선(A) 끼리는 교차하지 않고, 또한, 웨이퍼 표면과 축선(A)이 웨이퍼의 중심점(C)의 전방으로 교차하지 않기 때문에, 특정 부위의 박막 증착 가스의 농도가 높아지거나 낮아 적어지는 일이 없다. 이 때문에, CF막의 막 두께의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

다음에, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 대해서 도 10을 참조하여 설명한다. 본 실시 형태에 있어서는, 가스 공급 구멍을 플라즈마 발광 영역(Pz)의 외측에 설치하고 있다. 여기서 플라즈마 발광 영역(Pz)은 플라즈마실(21)에서 발생된 플라즈마가 처리실(22)내에 플라즈마류가 되어 유입되는 영역으로서 밖에서 보면 발광이 보이는 영역이고, 도 10에 부호 Pz로 도시된 바와 같이, 플라즈마실(21)에서 처리실(22)에 걸쳐 적재대(4) 상방측에 형성된다.

이 예에서는 처리 가스 공급부(5)는 전술한 제1 실시 형태의 처리 가스 공급부(5)와 동일하게 구성되고, 가스 공급 구멍(55)은 처리 가스 공급부(5)의 내주면(50)에 형성되어 있다. 그러나, 본 예에서는, 내주면(50)은 플라즈마 발광 영역(Pz)에서 떨어진 위치에 위치하고 있다. 따라서, 가스 공급 구멍(55)은 내주면(50)상으로서 플라즈마 발광 영역(P)의 외측의 위치에 설치되어 있다.

이러한 구성을 채택하여, 가스 공급 구멍(55)에 플라즈마가 맞닿지 않도록 할 수 있다. 이 때문에, 가스 공급 구멍(55)에 처리 가스의 부착을 억제할 수 있고, 박막 증착 처리를 행하는 경우에는 박막 증착 처리 전체의 작업 처리량을 향상시킬 수 있다. 즉, 만일, 가스 공급 구멍(55)을 플라즈마 발광 영역(P)의 내측에 설치하면, 박막 증착 가스를 공급할 때, 박막 증착 가스가 가스 공급 구멍(55)으로부터 분출한 순간 플라즈마에 맞닿아 버리기 때문에, 가스 공급 구멍(55) 부근에 대량으로 막이 부착되어 버린다. 여기서 부착되는 막의 양이 많아지면, 막이 박리되어 파티클의 원인이 되므로, 이 파티클 발생을 억제하기 위해서는 대량으로 부착된 막을 제거하기 위해 장시간의 클리닝이 필요하게 되어 결국 박막 증착 처리 전 체의 작업 처리량이 저하되어 버린다.

그런데, 이와 같이 플라즈마 발광 영역(Pz)의 외측에 가스 공급 구멍(55)을 형성하면, 가스 공급 구멍(55)으로부터 분출한 박막 증착 가스가 확산되기 시작하여 가스 공급 구멍(61)으로부터 떨어진 곳에서 플라즈마와 맞닿기 때문에, 가스 공급 구멍(55) 부근으로의 막의 부착이 억제된다. 따라서, 가스 공급 구멍(55) 부근으로의 막의 부착량이 상당히 적어지기 때문에 총 클리닝 시간이 단축되고, 박막 증착 처리 전체의 작업 처리량이 향상된다.

다음에, 도 11∼도 16을 참조하여 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 다른 실시 형태에 대해서 설명한다. 도 11∼도 14에 기재된 실시 형태가 도 1∼도 8에 기재된 실시 형태와 다른 점은 2 종류의 처리 가스가 링형의 처리 가스 공급부의 내부에서 혼합되지 않고 처리실로 공급된다는 것이다. 그러나, 처리 가스 공급부(6)의 외형은 도 2에 도시된 처리 가스 공급부(5)와 동일하다.

특히, 도 12에 상세히 도시된 바와 같이, 중앙이 비어 있는 링 형상의 처리 가스 공급부(6)의 내부는 구획벽(6A)에 의해 상하로 분할되어 2 개의 가스실이 형성되어 있다. 이들 2 개의 가스실은 처리 가스 공급부(6)에서 처리 가스 통로의 역할을 한다. 구획벽(6A)의 상방이 제1 가스실(61), 하방이 제2 가스실(62)이다.

내주면(60)의 제1 가스실(61) 및 제2 가스실(62)에 대응하는 위치에는 둘레 방향으로 거의 균등하게 복수개의 제1 가스 공급 구멍(61a) 및 복수개의 제2 가스 공급 구멍(62a)이 각각 형성되어 있다. 본 예에서, 제1 가스 공급 구멍(61a) 및 제2 가스 공급 구멍(62a)은 각각 원주를 8등분한 위치에 설치되어 있다. 제1 가스 공급 구멍(61a)은 제2 가스 공급 구멍(62a)보다도 링 형상의 반경 방향에 대해 내측에 위치하고 있다. 각 가스 공급 구멍(61a, 62a)의 축선은 경사 하방을 향하고 있다.

처리 가스 공급부(6)의 내주면(60) 상단의 직경(L1)은 300 mm, 처리 가스 공급부(6)의 내주면(60)의 경사각(β)은 45°, 제1 가스 공급 구멍(61a)과 제2 가스 공급 구멍(62a)의 높이 방향의 거리(L2)는 15 mm로 설정되어 있다. 제1 가스 공급 구멍(61a)은 박막 증착 가스 공급부(6)의 상단에서 15 mm 하방측에 형성되어 있다. 제1 가스 공급 구멍(61a)은 제2 가스 공급 구멍(62a)보다도 15 mm 정도 반경 방향 내측에 위치한다. 이에 따라 제1 가스 공급 구멍(61a)은 종래의 가스 공급 구멍보다 7.5 mm 반경 방향 내측에 위치하고, 제2 가스 공급 구멍(62a)은 종래의 가스 공급 구멍보다 7.5 mm 반경 방향 외측에 위치한다.

또한, 처리 가스 공급부(6)의 외주면의 각 가스실(61, 62)에 각각 대응하는 위치에는 둘레 방향에 거의 균등하게 복수 라인 예컨대 2 라인의 가스 도입로를 이루는 가스 공급관(63, 64)의 일단측이 각각 접속되어 있다. 이들 가스 공급관(63, 64)의 타단측은 도시되지 않은 가스 공급원에 접속되어 있다.

또, 도면 중에는 2 종류의 박막 증착 가스를 처리실(22)에 공급하는 경우에 따라 가스실을 2 실로 하였지만, 처리실(22)에 공급하는 처리 가스의 종류에 대응하여 처리 가스 공급부(6)에 더욱 많은 가스실을 설치하여도 좋다.

이 경우, C₄F₈가스 및 C₂H₄가스 2 종류의 박막 증착 가스를 이용하여 박막 증착 처리를 수행한다. C₄F₈가스 및 C₂H₄가스는 각각 공급관(63, 64)을 통해 동시에 박막 증착 가스 공급부(6)로 도입된다. 이 때, 박막 증착 가스 중에서 상대적으로 비중이 큰 C₄F₈가스는 가스 공급관(63)을 통해 상방측의 가스실(61)로 도입한다. 상대적으로 비중이 작은 C₂H₄가스는 가스 공급관(64)을 통해 하방측의 가스실(62)로 도입한다. C₄F₈가스와 C₂H4 가스는 각 가스실(61, 62)내를 둘레 방향으로 흐르면서, 각각 제1 가스 공급 구멍(61a) 및 제2 가스 공급 구멍(62a)으로부터 박막 증착 가스 공급부(6)의 반경 방향 내측의 영역을 향하여 둘레 방향에 대해 거의 균일하게, 웨이퍼(W)를 향하여 경사 하방으로 분출된다.

도 13에 C₂H₄가스와 C₄F₈가스의 분출 분포를 실선과 점선으로 각각 도시한다. 비중이 작은 C₂H₄가스는 가스 공급 구멍의 축선을 중심으로 한 방사 방향보다도 오히려 웨이퍼(W)의 직경 방향으로 확산되기 쉽고, 경사 하방측으로 가늘고 길게 신장되는 빔형의 분출 분포로써 분출해 나간다. 한편, 비중이 큰 C₄F₈가스는 웨이퍼(W)의 반경 방향보다 가스 공급 구멍의 축선을 중심으로 한 방사 방향으로 확산되기 쉽고, C₂H₄가스보다 팽창된 상태로 넓어지는 형상의 분출 분포로 분출해 나간다.

여기서, C₂H₄가스는 종래의 가스 공급 구멍보다도 외측의 위치로부터 분출되고 있기 때문에, 각 제2 가스 공급 구멍(62a)으로부터 분출된 C₂H₄가스의 각 빔은 선단끼리 겹치지 않거나 겹치더라도 그 정도가 작고, 웨이퍼 상방의 면내에 거의 전체가 덮히도록 분출된다. 도 14에서 웨이퍼 상방의 C₂H₄가스의 농도 분포가 실선으로 도시된다. C₂H₄가스는 웨이퍼 상방에서 거의 균일한 농도 분포를 이룬다.

한편, C₄F₈가스는 종래의 가스 공급 구멍보다도 내측의 위치로부터 분출된다. 따라서, 가스 공급 구멍(61a)과 링형의 처리 가스 공급부(6)의 중심축 사이의 거리는 작아진다. 또한, 제1 가스 공급 구멍(61a)이 높은 곳에 위치하고 있기 때문에 박막 증착 가스가 웨이퍼 표면에 내릴 때까지 시간이 걸린다. 이에 따라, 박막 증착 가스의 분출 분포가 팽창된 형상이라도 박막 증착 가스의 분출 선단부는 웨이퍼의 높이 위치까지 내렸을 때에는 웨이퍼의 중심부까지 이르고, 박막 증착 가스가 웨이퍼의 전체에 걸치게 된다. 도 14에는 웨이퍼 상방의 C₄F₈가스의 농도 분포가 점선으로 도시된다. C₄F₈가스는 웨이퍼 상방에서 거의 균일한 농도 분포을 이룬다.

본 실시 형태에 따른 처리 가스 공급부에 의해 얻어지는 C₄F₈가스와 C₂H₄가스의 웨이퍼 상방에서의 농도 분포는 본 실시 형태에 따르지 않는 처리 가스 공급부에 의해 얻어지는 농도 분포에 비해 더 균일하다. 즉, 도 15에 도시된 바와 같이 C₄F₈가스와 C₂H₄가스를 같은 가스 공급 구멍에서 처리실(12)내로 공급하는 것 같은 방식으로 처리 가스 공급부(15)를 이용한 경우, 각 가스의 지향성의 차이로 인해 각 가스의 웨이퍼 상방의 농도 분포가 불균일하게 된다(도 16 참조).

이와 같이 미리 각 박막 증착 가스의 분출 분포(지향성)를 파악하고, 그 분출 분포에 맞추어 처리 가스 공급부(6)의 내주면(60)의 경사각이나 제1 가스 공급 구멍(61a) 및 제2 가스 공급 구멍(62a)의 위치를 설정함으로써, 비중이 다른 2 종의 박막 증착 가스를 박막 증착 가스 공급부(6)로부터 처리실(22)내로 동시에 공급하여도 각 박막 증착 가스의 웨이퍼 상방에서의 농도 분포를 거의 균일하게 할 수 있다.

웨이퍼(W)의 상방측에 공급된 박막 증착 가스는 플라즈마에 의해 플라즈마화되어 활성종이 되지만, 각 박막 증착 가스의 농도 분포가 균일하기 때문에 플라즈마화에 따라 발생한 탄소나 불소의 활성종의 양이 웨이퍼의 면내에서 거의 균일하게 된다. 이 결과 웨이퍼상에 형성되는 CF막 속의 탄소나 불소의 농도 분포가 면내에서 거의 균일해지기 때문에 CF막의 막 질의 면내 균일성을 높일 수 있다.

또, 도 12에 도시된 실시 형태에 있어서, 링 형체로 이루어진 박막 증착 가스 공급부가 이용되고 있지만, 이 대신에, 파이프에 의해 박막 증착 가스 공급부를 구성하여도 좋다. 즉, C₄F₈가스 공급용 가스 공급관과 C₂H₄가스 공급용 가스 공급관을 웨이퍼의 둘레 방향을 따라 설치하여도 좋다. 이 경우, C₄F₈가스 공급용 가스 공급관과 C₂H₄가스 공급용 가스 공급관의 출구부, 즉 가스 공급 구멍을 도 12에 도시된 가스 공급 구멍(61a, 62a)과 동일한 기하학적 배치로 하면 좋다.

계속해서 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위해 수행한 실험예에 대해서 설명한다. 도 12에 도시된 처리 가스 공급부(6)를 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용하여 Ar 가스를 플라즈마실(21)에 150 sccm의 유량으로 공급함과 동시에 C₄F₈가스와 C₂H₄가스를 각각 40 sccm, 30 sccm의 유량으로 처리 가스 공급부(6)의 제1 및 제2 가스실(61, 62)로부터 각각 처리실(22)내로 공급하고, 고주파 전원부(24)로부터의 고주파 전력을 2700 W, 바이어스 전력을 1500 W, 박막 증착 온도 400℃로 하여 전술한 실시 형태와 동일한 프로세스 조건에 의해 막 두께가 2 μm인 CF막을 웨이퍼상에 박막 증착하였다.

본 실험에 이용한 플라즈마 처리 장치에서는 박막 증착 가스 공급부(6)의 내주면 상단의 직경(L1)은 300 mm, 박막 증착 가스 공급부(6)의 내주면(60)의 경사각(β)은 45°, 제1 가스 공급 구멍(61a)과 제2 가스 공급 구멍(62a)의 높이 방향의 거리(L2)는 15 mm, 제1 가스 공급 구멍(61a)은 박막 증착 가스 공급부(6)의 상단으로부터 15 mm 하방측에 형성되고, 제2 가스 공급 구멍(61a)이 가스 공급 구멍(62a)보다 15 mm 정도 내측에 위치하도록 구성되어 있다.

그리고, 박막 증착된 CF막의 막 질의 면내 균일성을 옵티 프로브(서머웨이브사에서 제조)에 의해 측정하였다. 또한, 비교예로서 도 15에 도시된 본 실시 형태에 따르지 않는 처리 가스 공급부를 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 동일한 프로세스 조건에서 CF막을 박막 증착한 경우에 대해서도 동일하게 막 질의 면내 균일성을 측정하였다. 그 결과, 도 12에 도시된 장치에 의해 처리된 막은 도 15에 도시된 종래의 장치에 의해 처리된 막보다 명확히 높은 면내 균일성을 나타낸다.

다음에, 도 17을 참조하여 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 또 다른 실시 형태에 대해서 설명한다. 본 실시 형태는 링형의 가스 공급부에 대한 가스의 도입 방법을 개선하여 처리 가스 공급부에 설치되는 각 가스 공급 구멍으로부터의 가스의 분출량의 균일화를 도모하는 것이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에 있어서, 처리 가스 공급부(5) 외주면의 둘레 방향으로 거의 균등한 위치에 복수 라인 예컨대 4 라인의 가스 공급관(56) 즉 가스 도입로가 접속되어 있다. 그리고, 각 가스 공급관(56)에 각각 유량 제어 장치(57(57a∼57d))가 설치되어 있다.

처리 가스 공급부(5)의 내부에는 환상(環狀)의 가스실 즉 처리 가스 통로가 설치되어 있다. 그 내주면에는 예컨대 둘레 방향에 거의 균등한 16 곳의 위치에 가스실로 연결되어 통하는 가스 공급 구멍(53) 즉 가스 도입구가 형성되어 있다. 각 가스 공급관(56)의 타단측은 도시되지 않은 공통의 박막 증착 가스원에 접속되어 있다.

또, 도 17에 있어서, 가스 공급관(56)은 1 종류의 박막 증착 가스를 처리실(22)로 공급하는 경우에 대해서 도시되고 있지만, 처리실(22)에 공급하는 처리 가스의 종류에 대응하여 다른 종류의 처리 가스용 가스 공급관(56)을 설치하여도 좋다. 이 경우, 가스 공급관(56)마다 유량 제어 장치가 설치된다.

이 실시의 형태에서는, 예컨대 모든 박막 증착 가스(예컨대 C4F8 가스 및 C2H4 가스)는 처리 가스 공급부(5)를 통해 처리실(22)로 공급되지만, 이 경우 박막 증착 가스는 유량 제어 장치(52)에 의해 유량이 조절된 상태로 처리 가스 공급부(5)로 공급되고, 처리 가스 공급부(5)내를 확산하면서 흘러가고, 각 가스 공급 구멍(53)으로부터 박막 증착실(22)내로 거의 균일한 유량으로 분출된다.

즉, 각 가스 공급관(56)마다 유량 제어 장치(57)가 설치되어 있기 때문에, 만일 박막 증착 가스를 100 sccm의 유량으로 공급하는 경우에, 각 유량 제어 장치(57)에 의해 박막 증착 가스의 유량을 25 sccm으로 조절하면, 박막 증착 가스는 각 가스 공급관(56)을 그 조절된 유량으로 흘러가고, 박막 증착 가스 공급부(5)의 외주면의 둘레 방향으로 균등한 4 곳의 위치에서부터 25 sccm씩 공급된다.

이와 같이 본 실시 형태에 따르면, 장치의 구조상 각 가스 공급관(56)의 가스 라인의 길이가 다른 경우에도 각 가스 공급관(56)의 유량 제어 장치(57)의 하부측에서의 박막 증착 가스의 유량은 일정량으로 제어되고 있기 때문에, 각 가스 공급관(56)으로부터 동일한 유량으로 박막 증착 가스 공급부(5)에 박막 증착 가스가 공급된다. 이 때문에 종래의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 유량 제어 장치의 하부측에서 가스 공급관을 2 라인으로 분기하는 경우(도 26 참조)와 같이, 각 가스 공급관에서 공급되는 박막 증착 가스의 유량이 가스 라인의 길이에 따라 다른 경우에 비해 가스 공급 구멍(53)에서의 박막 증착 가스의 분출 분포의 균일성을 높일 수 있다.

또, 본 실시 형태에 있어서, 가스 공급관(56)의 수를 많게 하면, 박막 증착 가스 공급부(5)에는 둘레 방향으로 균등한 다수의 위치로부터 동일한 유량으로 박막 증착 가스가 공급되기 때문에, 박막 증착 가스 공급부(5)내의 박막 증착 가스의 압력이 둘레 방향으로 쉽게 균일하게 되므로, 가스 공급 구멍(56)에서의 박막 증착 가스의 분출 분포가 보다 균일하게 된다.

따라서, 예컨대 웨이퍼(W)의 대구경화에 따른 가스 유량을 많게 할 필요가 생겼다고 해도, 처리 가스 공급부(5)에서의 박막 증착 가스의 분출 분포의 균일성을 높일 수 있다. 또한, 이와 같이 박막 증착 가스의 분출 분포가 균일해짐으로 인해, 플라즈마류에 의해 플라즈마화되어 형성된 박막 증착 가스의 플라즈마가 웨이퍼(W)의 직상부에서 쉽게 균일화되고, 이에 따라 웨이퍼(W)상에 형성되는 CF막의 막 두께의 면내 균일성을 높일 수 있다.

계속해서, 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위해 행한 실험예에 대해서 설명한다.

가스 공급부 및 이것에 접속되는 가스 공급관(56)의 구성을 변경한 4 종류의 플라즈마 장치(도 18a 내지 도 18d 참조)를 준비하였다. 또, 이하, 도 18a, 도 18b, 도 18c, 도 18d에 나타낸 가스 공급 수단을 구비한 플라즈마 장치를 각각 장치 A, 장치 B, 장치 C, 장치 D라고 한다.

장치 A 및 장치 B의 가스 공급부(5)의 구조는 도 2에 도시된 가스 공급부(5)의 구조와 실질적으로 동일하다. 이들 장치 A, B에 있어서, 가스 공급부의 각 가스 공급 구멍의 축선과 웨이퍼(W)의 기하학적 위치 관계는 도 2에 도시된 실시 형태와 동일하다. 또, 가스 공급 구멍의 수는 8 개로 하였다.

또한, 장치 C 가스 공급부의 구조는 도 9에 도시된 가스 공급부와 동일한 구성을 갖는다. 가스 공급부(5)의 내부에는 단지 하나의 환상(環狀) 공간이 형성되어 있다.

다음에, 장치 A∼D에 있어서의 가스 공급 방식에 대해서 설명한다.

우선, 장치 A에서는, 도시하지 않은 C₄F₈가스 공급원 및 C₂H₄가스 공급원에 각각 접속된 한 쌍의 가스 공급관(58a, 58b)에 각각 유량 제어 장치(57)가 설치된다. 유량 제어 장치(57)의 하부측에서 양 가스 공급관(58a, 58b)이 합류하여 1 라인의 가스 공급관(58c)으로 되어 있다. 가스 공급관(58c)은 그 하부측에서 2 개로 더 분기하고, 분기된 가스 공급관(58d, 58e)은 180° 상반 위치에서 가스 공급부에 접속되어 있다. 이 구성은 종래의 구성과 실질적으로 동일하다.

장치 B 및 장치 C에 있어서는, 가스 공급관(58c)은 유량 제어 장치(58)의 하부측에서 분기하지 않고 180° 상반 위치에서 링형의 가스 공급부(5)에 접속된다. 즉, 가스 공급관과 링형의 가스 공급부의 접속 개소의 갯수(본 예에서는 2)에, 이용되는 처리 가스의 종류의 갯수(본 예에서는 2)를 곱한 수(본 예에서는 4)만큼의 유량 제어 장치(57)가 설치되어 있다.

또한, 장치 D의 가스 공급부는 도 12에 도시된 실시 형태에 기초하여 형성되어 있다. 즉, 가스 공급부(5)의 내부에는 2개의 가스실(도 18d에는 도시하지 않음)이 형성되어 있고, 상방의 가스실은 C₄F₈가스를 공급하기 위해, 하방의 가스실은 C₂H4 가스를 공급하기 위해 이용된다. 여기서는, 한 쌍의 C₄F₈가스 전용의 가스 공급관(58f, 58f)이 180° 상반 위치에서 링형의 가스 공급부에 접속되고, 또한, 한 쌍의 C₂F₄가스 전용의 가스 공급관(58g, 58g)이 180° 상반 위치에서 링형의 가스 공급부에 접속되어 있다. 가스 공급부(5)에 대한 C₄F₈가스 전용의 가스 공급관(58f)의 접속 위치는 C₂F₄가스 전용의 가스 공급관(58g)의 접속 위치에 대하여 90° 어긋나 있다. 각 가스 공급관(58f, 58g)에는 각각 유량 제어 장치(57)가 설치되어 있다. 또, 가스 공급부(6)의 내주면에 설치된 가스 공급 구멍의 수는 C₄F₈가스용으로 8 개, C₂F₄가스용으로 8 개로 합계 16 개이다.

장치 A∼D에 나타내는 박막 증착 가스 공급부(5)를 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용하여 Ar 가스를 플라즈마실(21)에 150 sccm의 유량으로 공급하면서 동시에 C₄F₈가스와 C₂H₄가스를 각각 40 sccm, 30 sccm의 유량으로 박막 증착 가스 공급부(5 또는 6)로부터 처리실(22)내로 공급하고, 고주파 전원부(24)로부터 고주파 전력을 2700 W, 바이어스 전력을 1500 W, 박막 증착 온도 400℃로 하여 전술한 실시 형태와 동일한 프로세스 조건에 의해 막 두께가 2 μm인 CF막을 웨이퍼상에 박막 증착하였다.

그리고, 박막 증착된 CF막의 막 두께의 면내 균일성을 옵티 프로브(서머웨이브사에서 제조)에 의해 측정하였다. 그 결과에 기초하여 전술한 3 시그마법을 이용하여 면내 균일성을 평가한 결과를 도 19에 나타낸다. 또, 도 19에 있어서, 부호 A, B, C, D는 장치 A, B, C, D를 이용한 경우의 결과를 각각 나타내고 있다.

도 19의 그래프에 도시된 바와 같이, 종래의 구성을 갖는 장치 A에 비하여 본 실시 형태에 기초하는 가스 공급 수단을 갖는 장치 쪽이 막 두께의 면내 균일성이 향상되어 있다. 즉, 각 가스 공급관에 유량 제어 장치를 설치하면, 박막 증착 가스 공급부로부터의 박막 증착 가스의 분출 분포가 균일하게 되고, CF막의 막 두께의 면내 균일성을 높일 수 있는 것을 확인할 수 있다.

또한, 장치 C 및 D에 의해 박막 증착된 CF막의 막 두께의 면내 균일성은 장치 B에 의한 것보다 더욱 향상되었다.

이하에 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 또 다른 실시 형태에 대해서 설명한다. 이하의 실시 형태는 CF막의 열적 안정성을 높이는 것에 주목한 것으로, 플라즈마실에 박막 증착 가스의 일부를 공급하는 것을 특징으로 한다.

도 20에 도시된 플라즈마 처리 장치에 있어서, 복수의 가스 노즐(26) 중의 일부는 플라즈마 가스 공급용으로, 그 외는 박막 증착 가스 공급용으로 할당된다. 각 가스 노즐(26)에는 그 용도에 따라, 도시되지 않은 박막 증착 가스 혹은 플라즈마 가스원이 접속되어 있다. 가스 노즐(26)은 플라즈마실(21)내의 상부에 Ar 가스나 O₂가스 등의 플라즈마 가스와, C_nF_m가스 예컨대 C₄F₈가스나 C_kH_s가스 예컨대 C₂H₄가스 등의 박막 증착 가스의 일부 또는 전부를 얼룩없이 균등하게 공급할 수 있다. 그 밖의 부분의 구성은 도 1 및 도 11의 플라즈마 처리 장치와 동일하다.

진공 용기(2)내에 소정의 강도 및 방향을 갖는 자계(Mf)를 형성하고, 플라즈마실(21)내에 주파수가 제어된 마이크로파(Mw)를 도입함으로써, 이들 상호 작용에 의해 플라즈마가 발생하고, 이 플라즈마의 플라즈마 밀도는 예컨대 플라즈마실(21)내의 처리실(22)과의 경계 근방 부근의 ECR 포인트 Pe로써 가장 커진다. 이 ECR 포인트 Pe란 ECR 플라즈마 조건이 성립하는 영역을 말한다. 그리고, 이 플라즈마에 의해 도입된 Ar 가스에 공명 작용이 발생하여 플라즈마가 높은 밀도로 형성된다.

다음에, 전술한 장치의 작용에 대해서, 피처리 기판인 웨이퍼(W)상에 CF막으로 이루어진 층간 절연막을 형성하는 경우에 의해 설명한다. 우선, 진공 용기(2)의 측벽에 설치된 도시되지 않은 게이트 밸브를 개방하여 도시하지 않은 반송 아암에 의해, 예컨대 표면에 알루미늄 배선이 형성된 웨이퍼(W)를 도시하지 않은 로드 록실로부터 반입하여 적재대(4)상에 얹어 놓는다.

계속해서, 게이트 밸브를 폐쇄하여 내부를 밀폐한 후, 배기관(28)에 의해 내부 분위기를 배출하여 소정의 진공도까지 탈기하고, 가스 노즐(26)로부터 플라즈마 가스 예컨대 Ar 가스를 150 sccm, 박막 증착 가스 내의 C_nF_m가스 예컨대 C₄F₈가스를 40 sccm의 유량으로 플라즈마실(21)내로 도입한다. 그리고, 처리 가스 공급부(5)로부터 박막 증착 가스 내의 C_kH_s가스 예컨대 C₂H₄가스를 30 sccm의 유량으로 처리실(22)로 도입한다.

도입된 가스는 배기관(28)의 배기에 의해 플라즈마실(21)내를 하방측을 향하여 흘러간다. 그리고, 진공 용기(2)내를 예컨대 0.16 Pa의 프로세스압으로 유지하고, 또 고주파 전원부(45)에 의해 적재대(4)에 13.56 MHz, 1500 W의 바이어스 전압을 인가함과 동시에 적재대(4)의 표면 온도를 400℃로 설정한다.

한편, 플라즈마실(21)내에는 고주파 전원부(24)로부터 2.45 GHz, 2700 W의 고주파(마이크로파: Mw)를 도파관(25), 투과창(23)을 통해 도입하면서 전자 코일(27)과 보조 전자 코일에 의해 예컨대 875 가우스, 상방에서 하방으로 향하는 자계(Mf)를 인가한다. 이에 따라 플라즈마실(21)내에서는 자계(Mf)와 마이크로파(Mw)의 상호 작용에 의해 E(전계)×H(자계(Mf))를 유발하여 전자 사이클로트론 공명이 생겨, 플라즈마가 발생하고, ECR 포인트(P)에서 플라즈마 밀도가 가장 커진다. 그리고, 이 공명에 의해 Ar 가스가 플라즈마화, 또 고밀도화된다. 이와 같이 Ar 가스를 이용함으로써 플라즈마가 안정화된다.

생성한 플라즈마는 플라즈마실(21)에서 처리실(22)로 향하여 플라즈마류로서 유입되어 간다. 이 때, C₄F₈가스는 ECR 포인트(P)의 상방측에서 하방측으로 향하여 플라즈마를 통과하여 흘러간다. 그리고 C₄F₈가스는 플라즈마를 통과할 때, 이 플라즈마에 의해 활성화(플라즈마화)되어 활성종(플라즈마)을 형성한다. 또한 C₂H₄가스는 처리실(22)로 유입된 플라즈마류에 의해 활성화되어 활성종을 형성한다. 한편, 플라즈마 이온, 이 예에서는 Ar 이온은 바이어스 전압에 의해 웨이퍼(W)로 인입되고, 웨이퍼(W) 표면의 패턴(오목부)의 모난 부분을 잘라내어 개구를 넓히고, 이 스퍼터 에칭 작용과 평행하여 박막 증착 가스의 플라즈마에 의해 CF막이 박막 증착되어 오목부내에 매립되고, 이렇게 해서 CF막으로 이루어진 층간 절연막이 형성된다.

C₄F₈가스는 발생한 ECR 포인트(P)의 상방측으로부터 도입되어 있기 때문에, 박막 증착 가스가 웨이퍼(W) 표면에 도달할 때까지, 플라즈마와 함께 웨이퍼(W)를 향하여 흐르면서 ECR 포인트(Pe)를 통과해 나가게 된다. 따라서, C₄F₈가스는 가장 플라즈마 밀도가 큰 ECR 포인트(Pe)를 통과한다. 또한, C₄F₈가스와 플라즈마가 접촉하는 영역은 플라즈마가 발생하는 영역에서 웨이퍼(W)의 바로 상방측에 이르는 넓은 영역이기 때문에, C₄F₈가스와 플라즈마가 접촉하는 시간이 길어진다. 이 때문에, C₄F₈가스의 플라즈마에 의한 플라즈마화가 충분히 진행하고, 이에 따라 웨이퍼(W)상에 형성된 CF막의 열적 안정성을 높일 수 있다.

실제로 전술한 장치에 의해 박막 증착한 CF막에 대해서, 425 ℃에서 아닐 공정을 2 시간 행한 결과, 가스로서 빠진 불소는 2 % 정도이며, 종래에 비하여 열적 안정성이 높은 것이 확인되었다.

이와 같이, CF막의 열적 안정성이 높아지는 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다. 즉, 박막 증착 가스의 일부인 C₄F₈가스가 이미 상술한 바와 같이 플라즈마에 의해 충분히 플라즈마화되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마에 의해 C₄F₈분자의 C-C 결합이나 C-F 결합이 절단되므로, C₄F₈분자의 해리도가 커진다(도 21의 a 참조).

이 때문에 도 21의 b에 도시된 바와 같이 미결합류를 갖는 탄소나 불소 등의 활성종이 많아지고, 이러한 상태에서는 웨이퍼(W)상에 형성되는 CF막에서는 탄소끼리가 결합하기 쉬우며, C-C 결합이 3차원 메쉬형적으로 형성된 네트워크 구조를 만들기 쉽다(도 21의 c 참조).

또한, 이와 같이 네트워크 구조를 생성함으로써 CF막 속의 활성종의 수가 적어지고 동시에 CF막은 보다 강고한 막이 되기 때문에, 나중의 공정에서 CF막을 박막 증착 온도 이상의 온도 예컨대 425℃ 정도까지 가열할 경우, 불안정한 활성종으로부터 분리되는 불소의 양이 적으므로, 이 열에 의해 C-F 결합의 일부가 해리되었다고 해도, 해리된 불소(도 21의 c에서 점선으로 둘러싸는 불소)가 메쉬형의 네트워크 구조를 빠져 밖으로 나가기 어렵기 때문에 CF막의 열적 안정성이 향상된다고 할 수 있다.

여기서, 종래의 플라즈마 처리 장치에 의해 형성되는 CF막과 비교한다. 종래에는 박막 증착 가스의 모든 처리실에 도입되어 있고, 플라즈마실에서 발생한 플라즈마류가 처리실로 유입되며, 여기에 도입되어 있는 박막 증착 가스와 접촉하기 때문에 박막 증착 가스가 플라즈마화되었다. 따라서, C₄F₈가스는 ECR 포인트(P)를 통과할 수 없으므로, 플라즈마와 접촉하는 영역이 처리실내의 웨이퍼의 상방측의 영역에 한정되어 버리기 때문에, C₄F₈가스가 플라즈마와 접촉하는 시간이 본 실시 형태에 비하여 상당히 줄어들어 버린다.

이 때문에, C₄F₈가스가 충분히 플라즈마화되지 않고, 이 충분히 플라즈마화되어 있지 않은 C₄F₈가스가 CF막에 도입된다. 플라즈마화가 진행되지 않고 C₄F₈분자의 해리도가 작으면, 예컨대 도 22의 a에 도시된 예와 같이, 플라즈마화되어도 C-C 결합이 1 곳밖에 해리되지 않는 경우에는 C-C 결합이 직쇄상으로 배열되는 구조(도 22의 b 참조)를 취하기 쉽다.

이러한 직쇄상 구조에서는, 말단의 미결합류를 갖는 탄소에 불소나 탄소가 결합하지만, 말단의 탄소에 결합할 수 있는 활성종의 수가 적기 때문에, CF막 속의 미결합 활성종이 상당수 존재하게 된다. 이 때문에, CF막을 고온으로 가열하면, 불안정한 활성종으로부터 불소가 이탈하기 쉬우므로, C-C 결합이나 C-F 결합이 절단되어 불소의 분해나 이탈이 일어나면, 직쇄상의 1층 구조이기 때문에 이탈한 불소(도 22의 c에 점선으로 둘러싸는 불소)를 CF막내에 가두어 두기 어렵다. 이 때문에 본 실시 형태에 비하여 불소가 빠지기 쉽고, 열적 안정성이 나쁘다고 생각할 수 있다.

계속해서 본 실시 형태의 효과를 확인하기 위해서 행한 실험예에 대해서 설명한다. 도 20에 도시된 플라즈마 박막 증착 장치를 이용하여 Ar 가스, C₄F₈가스, C₂H₄가스를 각각 150 sccm, 40 sccm, 30 sccm의 유량으로 고주파 전원부(24)로부터의 고주파 전력을 2700 W, 바이어스 전력을 1500 W, 박막 증착 온도 400℃로 하여 전술한 실시 형태와 동일한 프로세스 조건에 의해 막 두께가 2 μm인 CF막을 웨이퍼상에 박막 증착하였다. 처리 가스는 플라즈마실(21) 또는 처리실(22)에 이하의 표 2에 나타낸 바와 같이 공급하였다.

이 후 일단 실온까지 냉각한 후, CF막이 형성된 웨이퍼를 425℃의 질소 분위기 속에서 2 시간 유지하여 열처리를 행하고, 이어서 실온까지 자연 냉각하고, 열처리 전후의 CF막의 막 감소율을(열처리전의 CF막의 무게)-(열처리후의 CF막의 무게)/(열처리전의 CF막의 무게)×100으로 정의하고, 이 막 감소율에 의해 열적 안정성을 비교하였다. 이 경우 막 감소율이 낮을수록 불소의 빠짐이 적고, 열적 안정성이 높은 것으로 된다.

여기서,

실시예 1은 플라즈마실(21)에 Ar 가스와 C₄F₈가스를 공급하고, 처리실(22)에 C₂H₄가스를 공급하는 경우,

실시예 2는 플라즈마실(21)에 Ar 가스와 C₂H₄가스를 공급하고, 박막 증착실(22)에 C₄F₈가스를 공급하는 경우,

실시예 3은 플라즈마실(21)에 Ar 가스와 C₄F₈가스, C₂H₄가스를 공급하는 경우,

비교예 1은 플라즈마실(21)에 Ar 가스를 공급하고, 박막 증착실(22)에 C₄F₈가스와 C₂H₄가스를 공급하는 경우로 하였다.

이 결과를 표 2에 나타낸다.

	가스 도입구	막 감소율(%)
	플라즈마실	막 감소율(%)	박막 증착실
실시예 1	Ar,C₄F₈	C₂H₄	2.2
실시예 2	Ar, C₂H₄	C₄F₈	3.5
실시예 3	Ar, C₂H₄, C₄F₈	＿	1.8
비교예 1	Ar	C₄F₈, C₂H₄	4.1

표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에 비하여 박막 증착 가스의 일부를 플라즈마실로 도입하는 경우(실시예 1, 2)에는 막 감소율이 낮아지기 때문에, 박막 증착 가스의 일부를 플라즈마실로 도입하면 열처리시의 불소의 빠짐이 적고 열적 안정성이 높아지는 것이 확인되었다. 이 경우 실시예 1, 2를 비교하면 실시예 1에서 막 감소율이 낮아지기 때문에, 박막 증착 가스 내의 적어도 C_nF_m가스는 플라즈마실(21)로 도입하는 것이 바람직하다. 또한, 박막 증착 가스 전부를 플라즈마실(21)로 도입한 경우(실시예 3)는 막 감소율이 1.8%가 되기 때문에, 박막 증착 가스 전부를 플라즈마실(21)로 도입하는 것이 보다 바람직하다.

이상에서 본 실시 형태에서는, C_nF_m가스(n은 1 이상의 정수, m은 2 이상의 정수)로서는, CF₄가스, C₄F₆가스, C₄F₈가스, C₆F₁₀가스, C₆F₆가스, C₇F₈가스 등을 이용할 수 있고, C_kH_s가스(k는 1 이상의 정수 혹은 0, s는 2 이상의 정수)로서는, H₂가스, C₂H₂가스, C₂H₄가스, CH₄가스 등을 이용할 수 있다. 또, 박막 증착 가스내의 C_kH_s가스를 플라즈마실(21)내로 공급하고, C_nF_m가스를 박막 증착실 즉, 처리실(22)내로 공급하도록 하여도 좋고, 모든 박막 증착 가스를 플라즈마실(21)내로 공급하도록 하여도 좋다. 또한, 예컨대, C₄F₈가스의 40 sccm 중의 30 sccm을 플라즈마실(21)로, 10 sccm을 처리실(22)로 하는 식으로 박막 증착 가스를 플라즈마실(21) 및 처리실(22)에 임의의 비율로 나누어 동시에 공급하여도 좋다.

이상에 기술된 제1∼제6 실시 형태에 있어서, 플라즈마 처리 장치가 ECR 플라즈마 처리 장치인 경우에 대해서 설명하였지만, 플라즈마의 발생 방식은 ECR에 제한되지 않는다. 즉, 도 23에 도시된 바와 같은, 유도 결합 플라즈마 처리 장치도 좋다. 도 23에 나타낸 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서, 플라즈마실(21B)은 반구형의 돔(70)에 의해 구획되어 있다. 돔(70)의 외면을 따라 유도 코일(71)이 감겨져 있다. 유도 코일(71)은 정합기(72)를 통해 고주파 전원(73)에 접속되어 있다. 돔(70)의 꼭대기부에는 애노드(74)를 설치할 수 있다.

도 23에 기재된 유도 결합 플라즈마 처리 장치의 처리실(22)측은 지금까지 설명한 ECR 플라즈마 처리 장치에 준하여 구성할 수 있다. 따라서, 도 23에 기재된 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서, 처리 가스 공급부로서, 전술한 링형의 처리 가스 공급부(5, 5A, 6(도 2 내지 도 6, 도 9, 도 10, 도 12))의 구성을 적용할 수 있다. 또한 가스 공급관의 배치로서, 도 17 및 도 18의 구성을 적용할 수 있다.

또한, 돔(70)의 꼭대기부에 플라즈마 가스의 일부를 공급하기 위한 도입구(75)를 설치할 수도 있다.

더욱이, 돔(70)의 꼭대기부에 처리 가스의 일부를 공급하기 위한 도입구(75)를 더 추가하여 설치할 수도 있다. 그리고 CF막의 박막 증착 처리를 행하는 경우, 이 도입구(75)로부터 플라즈마 가스와, 박막 증착 가스의 일부, 적합하게는 C_nF_m가스(n은 1 이상의 정수, m은 2 이상의 정수)를 플라즈마실(21B)로 도입함으로써, 도 20에 의해 설명한 실시 형태와 같이, C_nF_m가스의 플라즈마화를 보다 촉진하여 열적 안정성이 높은 CF막을 얻을 수도 있다.

본 발명을 도 23에 도시된 바와 같은 유도 결합 플라즈마 처리 장치에 적용한 경우에도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또, 상기 설명은 플라즈마 처리 장치에 의해 박막 증착 처리를 행하는 경우에 대한 것이지만, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는 에칭 처리를 행하는 경우, 예컨대 CF계의 가스에 의해 실리콘 산화막을 에칭하는 경우에도 적용할 수 있다.

지금까지, 도 1 내지 도 23을 참조하여 본 발명의 각종 실시 형태에 대해서 설명했지만, 각 도면에 나타난 특징적 사항을 적절하게 조합하여 플라즈마 처리 장치를 구성하는 것도 또한 가능하다.

Claims

플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마실과,

상기 플라즈마실과 연결되어 통하고, 상기 플라즈마실에서 발생한 플라즈마가 도입되는 처리실과,

상기 플라즈마실내에 플라즈마 가스를 도입하기 위한 플라즈마 가스 도입 수단과,

상기 처리실내에 설치되어, 처리가 실시되는 기판을 얹어 놓기 위한 적재대와,

상기 처리실에 처리 가스를 공급하기 위한 복수의 처리 가스 도입구를 포함하여 이루어진 처리실용 처리 가스 도입 수단을 구비하고,

상기 각 처리 가스 도입구는 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 소정의 교차 각도를 이루어 비스듬하게 교차하는 축선을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구는 상기 처리실에 면한 출구단을 가지며,

상기 각 처리 가스 도입구의 단면적은 상기 출구단에 근접함에 따라 커지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 내부 공간은 원추대 형상을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선은 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면 중심의 법선상이며, 또, 상기 피처리면에서 상기 플라즈마실로 향하는 방향으로 소정의 거리만큼 이격된 위치에서, 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제4항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 이루는 상기 각도는 15∼65(deg)이며,

상기 피처리면으로부터 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 서로 교차하는 위치까지의 상기 거리는 5∼15(mm)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제4항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 상기 기판의 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 이루는 상기 각도는 30∼45(deg)이며,

상기 피처리면으로부터 상기 각 처리 가스 도입구의 축선이 서로 교차하는 위치까지의 상기 거리는 5∼10(mm)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 축선은 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면의 중심의 법선과 교차하지 않는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 각 처리 가스 도입구의 출구단은 플라즈마 발광 영역의 외부에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단은 상기 적재대에 얹히는 기판의 피처리면의 중심의 법선을 중심축으로 하는 링형으로 형성됨과 동시에 내주면을 갖는 중앙이 비어 있는 링형로 이루어지고,

상기 링형의 내부에는 상기 링형의 원주 방향을 따라 연장되는 처리 가스를 통과시키기 위한 처리 가스 통로가 형성되며,

상기 링형의 처리 가스 통로는 상기 각 처리 가스 도입구와 연결되어 통하면서 동시에 상기 내주면으로 개구하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제9항에 있어서, 상기 링형의 처리 가스 통로의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 접속된 복수의 가스 도입로와,

상기 각 가스 도입로에 설치된 유량 조절 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 플라즈마실에 처리 가스를 공급하기 위한 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단을 더 구비하고, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실로 공급된 처리 가스는 상기 플라즈마실에서 활성종이 되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급되는 처리 가스는 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 처리실에 공급되는 처리 가스와 조성이 동일한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급되는 처리 가스는 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 처리실에 공급되는 처리 가스와 조성이 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단에 의해 상기 플라즈마실에 공급되는 처리 가스는 C_nF_m가스(n은 1 이상의 정수·m은 2 이상의 정수)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제11항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치는 상기 플라즈마실에 마이크로파를 공급하는 수단과, 상기 플라즈마실에 자장을 형성하는 수단을 구비한 ECR 플라즈마 처리 장치로서,

상기 플라즈마실용 처리 가스 도입 수단의 각 가스 도입구의 출구단은 상기 플라즈마실 안의 전자 사이클로트론 공명 조건이 성립하는 영역을 사이에 두고 상기 처리실과 반대측에 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단의 가스 도입구는 제1 가스 도입구와, 상기 제1 가스 도입구보다 하방측에 위치하는 제2 가스 도입구로서, 상기 적재대에 얹히는 상기 기판의 피처리면 중심의 법선에서 제2 가스 도입구의 출구단의 거리가 상기 법선으로부터 상기 제1 가스 도입구의 출구단의 거리보다 커지는 위치에 배치된 제2 가스 도입구를 포함하여 구성되고,

상기 제1 가스 도입구로부터 공급되는 처리 가스는 상기 제2 가스 도입구로부터 공급되는 처리 가스보다도 비중이 큰 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제16항에 있어서, 상기 처리실용 처리 가스 도입 수단은 상기 적재대에 얹히는 기판의 피처리면 중심의 법선을 중심축으로 하여 링형으로 형성되면서 동시에, 상기 법선 방향에 대해 경사지는 내주면을 갖는 중앙이 비어 있는 링형로 이루어지고,

상기 링형의 내부에는 상기 링형의 원주 방향을 따라 연장되는 제1 처리 가스 통로 및 제2 처리 가스 통로가 설치되어, 상기 제1 및 제2 처리 가스 통로는 상호간에 가스의 이동이 불가능하도록 서로 독립적이며,

상기 제1 가스 도입구는 상기 제1 처리 가스 통로에 연결되어 통하면서 동시에 상기 링형의 내주면으로 개구되고, 상기 제2 가스 도입구는 상기 제2 처리 가스 통로와 연결되어 통하면서 동시에 상기 링형 내주면으로 개구되고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
처리실내에 배치된 적재대에 처리해야 할 기판을 얹어 놓은 공정과,

상기 기판의 피처리면에 대하여, 복수의 위치로부터, 상기 피처리면을 포함하는 평면에 대하여 비스듬하게 교차하는 방향으로 처리 가스를 공급하는 공정과,

상기 처리 가스를 플라즈마화하여 그 플라즈마에 의해 상기 기판에 대하여 처리를 행하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제18항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치에 의해 상기 피처리 기판에 대하여 행하는 처리는 박막 증착 처리인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
제18항에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치에 의해 상기 피처리 기판에 대하여 행하는 처리는 에칭 처리인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.