KR0170419B1

KR0170419B1 - 플라즈마 처리방법

Info

Publication number: KR0170419B1
Application number: KR1019930007016A
Authority: KR
Inventors: 잇세이 이마하시; 노부오 이시이; 지시오 고시미즈
Original assignee: 이노우에 아키라; 도오교오 에레구토론 가부시끼 가이샤
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1993-04-26
Publication date: 1999-03-30
Also published as: JP3157605B2; JPH05304118A; US5374327A; KR930022482A

Abstract

반도체 웨이퍼의 ECR에칭장치에 있어서, 에칭가스로서 HBr, CL2, 캐리어 가스로서 Ar가 사용된다.

생성 플라즈마의 발광광이 제1 및 제2 분광기에 의해 분광되어, 플라즈마의 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도가 검출된다. 양 스펙트럼은 Ar원자의 스펙트럼에서 선택된다. CPU는 검출한 스펙트럼 강도의 비의 형상치를 미리 입력된 이 비의 선택치와 비교하여, 형상치가 선택치에 가까워지도록 자장강도를 조정한다. 자장강도의 조정은 전자코일의 통전류치를 변경함으로써 행해진다. 자장강도는, 플라즈마의 전자온도를 조정하는 파라미터이며, 자장강도의 조정에 의해 플라즈마의 전자온도가 조정된다.

Description

플라즈마 처리방법

제1도는 본 발명의 제1실시예에 관계되는 ECR에칭장치의 개략 설명도.

제2도는 제1도에 도시한 장치에 있어서의 자장조정용 코일전류와 플라즈마 중의 평균 전자온도와의 관계를 나타낸 특성도.

제3(a)도 내지 제3(c)도는 각각, 평균전자 온도가 변한 경우의, Ar원자의 다른 2개의 파장의 스펙트럼의 강도를 나타낸 특성도.

제4도는 본 발명의 제2실시예에 관계되는 반응성 이온에칭장치를 나타낸 개략설명도.

제5도는 제4도에 도시한 장치에 있어서의 수소원자 외 다른 3개의 파장에서의 200mTorr의 강도를 분모로 한 상대발광강도의 압력의존 특성을 나타낸 특성도.

제6도는 수소원자의 656.3nm에 대한 486.1과 434.0nm의 상대발광 강도와 압력 및 RF파워와의 관계를 나타낸 특성도.

제7도는 전자온도에 대한 전자의 존재밀도의 분포를 나타낸 특성도.

제8도는 제1도에 도시한 장치에 있어서의 플라즈마의 전자밀도와, Ar원자스펙트럼 및 전자온도와의 관계를 나타낸다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 프로세스 챔버 12 : 지지대

14 : 가스도입관 16a~16c : 매스프로콘트롤러

18 : 가스배기관 20 : 압력콘트롤러

22 : 마이크로파 투과창 24 : O링

26 : 직사각형 도파관 28 : 마이크로파 흡수체

30 : 마이크로파 도입구 32 : RF전원

40 : 상부자극 50 : 하부자극

42,52 : 영구자석 44,54 : 코일

46 : 요크 60 : 검출창

62 : 렌즈 64 : 제1 분광기

66 : 제2 분광기 70 : CPU

80 : 챔버 82 : 재치전극

84 : 대항전극 86 : RF전원

90 : CPU

92 : 온도콘트롤러

본 발명은 플라즈마 처리방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 발광 스펙트럼 강도에 의거하여, 플라즈마를 소망의 상태(state or conditions: up to you)로 유지 혹은 변경하는 방법에 관한 것이다.

예를 들면 플라즈마 에칭장치에서는, 동일 프로세스로 있는 한, 플라즈마를 생성하는 파라미터군, 예를 들면 RF파워, 처리실(Process Chamber)내의 진공도, 처리가스의 유량비 등을 일정하게 설정하고, 일정한 설정치하에서 복수의 피처리체, 예를 들면 반도체웨이퍼를 연속하여 에칭처리하고 있다. 그러나, 이와 같이 에칭장치에 대하여 파라미터군을 일정하게 설정하더라도, 시간이 경과함에 따라 실제의 에칭조건은 변화하고 있다. 이것은, 처리실내에 퇴적하는 막 등의 부생성물에 의해 처리실내의 상황이 시간 경과적으로 변화하기 때문이다.

이 때문에, 정기적으로 처리실의 클리닝이 필요하게 되고, 보다 치밀한 처리를 행하는 것일 수록, 클리닝을 빈번히 행하지 않을 수 없었다. 또, 가령 클리닝을 행하였다고 하더라도, 클리닝 직후의 처리실내의 상황과, 클리닝직전의 처리실내의 상황은 달라져 있다.

따라서, 가령 파리미터군의 설정치를 일정하게 해도, 처리실내의 상황의 시간 경과적 변화에 의해 플라즈마 상태도 처리마다 달라지고 있으며, 피처리체간에서 치밀한 처리의 균일성을 확보하는데도 한도가 있었다.

또한, 1회의 에칭처리를 관찰하더라도, 예를 들면 RF전원의 주파수 혹은 가스의 조성의 변동이나 전극이나 챔버벽의 온도상승에 의해 플라즈마 상태가 변화하는 일이 있다.

이와 같이, 플라즈마 상태는, 복수의 처리간에 있어서도, 또한, 각 처리마다에서도 변동한다. 이와같이 변동하는 플라즈마상태에서는, 미세한 처리가 요구되는 반도체 디바이스 예를 들면 64M, 256M이상의 메모리를 제조하는 데는 대응할 수 없다. 이 때문에, 근년, 반도체의 미세화가 진행됨에 따라서 플라즈마 상태를 보다 엄밀히 제어하는 것이 필요하게 되어오고 있다.

그런데, 종래부터, 에칭종점의 검출을 하기 위하여, 플라즈마 상태를 모니터 하는 것이 행해지고 있다. 이 경우, 에칭 종점의 검출을 행하기 위하여, 플라즈마 중의 특정파장의 발광 스펙트럼 강도를 검출하고 있다.

이 특정파장이란, 에칭의 진행상황에 의존하는 파장이며, 일반적으로는 에칭되는 물질 및 에칭반응생성물을 구성하는 원자, 분자의 양쪽의 발광 파장이다. 또, 플라즈마의 드리프트에 기인한 종점의 오검출을 방지하기 위해, 복수의 특정파장의 발광스펙트럼 강도를 검출하는 것도 행해지고 있다. 이러한 것은, 예를 들면 일본국 특공 소57-12529, 특개소 56-133466 등에 개시되어 공지인 것이다.

그러나, 종래 플라즈마 상태를 모니터하고, 그것에 의거하여 플라즈마 상태를 제어하는 것은 행해지지 않았고, 반대로 플라즈마 상태를 정하는 파라미터군을 항상 고정한 값으로 유지함으로써 플라즈마상태를 안정시키는 시도가 행해져 오고 있었다.

그래서, 본 발명은, 플라즈마의 발광을 모니터하고, 그것을 플라즈마 제어로 피이드백하는 것으로, 플라즈마상태를 소망의 상태로 유지 혹은 변경하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

본 발명에서 제공되는 프로세스챔버내에서 플라즈마를 발생시켜 또한 이것을 사용하여 상기 챔버내에서 기판을 처리하는 방법은:

상기 챔버내에서 생성하는 플라즈마의 원료가스를 선택하는 공정과,

상기 선택 플라즈마를 생성하기 위한 조건으로 되는 제1의 파라미터를 선택하는 공정과, 상기 제1파라미터를 변경함으로써 상기 선택 플라즈마의 전자온도 또는 전자밀도가 변경가능한 것과,

상기 선택플라즈마의 발광에서의, 다른 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도를 함수로 한 수식과, 상기 선택플라즈마의 전자온도 or 전자밀도와의 관계를 제1데이터로서 얻는 공정과,

상기 선택 플라즈마의 전자온도 or 전자밀도와, 상기 제1파라미터와의 관계를 제2데이터로서 얻는 공정과,

상기 제1 및 제2데이터에서, 상기 수식과 상기 제1파라미터와의 관계를 제3데이터로서 얻고, 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과,

상기 수식의 선택치를 상기 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과,

상기 기판을 상기 챔버내에 로드하는 공정과,

상기 챔버내를 진공분위기로 설정하는 공정과,

상기 챔버를 배기하면서 여기에 상기 선택원료가스를 도입하는 공정과,

상기 가스를 플라즈마화하여 플라즈마를 생성하는 공정과,

상기 생성플라즈마의 발광광을 제1 및 제2분광기에 도입하는 공정과,

상기 분광기에 의해 상기 생성플라즈마의 상기 제1 및 제2의 파장의 스펙트럼의 강도를 검출하는 공정과,

상기 검출한 스펙트럼 강도에서, 상기 생성 플라즈마에서의 상기 수식의 현상치를 상기 제어장치에 의해 산출하는 공정과,

상기 현상치를 모니터하면서 상기 현상치가 상기 선택치에 가까워지도록, 상기 제어수단에 의해 제1파라미터를 조정하는 공정과,

상기 생성플라즈마를 사용하여 상기기판을 처리하는 공정을 구비한다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 발광 광 중의 복수의 다른 파장의 스펙트럼 강도를 검출하고 있다. 각 스펙트럼 강도는 플라즈마의 상태에 의해 변화한다. 플라즈마상태의 지표의 하나로서 예를 들면 플라즈마온도를 예로서 들 수가 있다.

플라즈마 온도는, 전자온도, 이온온도, 라디칼온도의 총화이지만, 특히 플라즈마 중의 평균 전자 온도와 플라즈마 발광광의 스펙트럼 강도는 밀접한 관계에 있다. 1예로서, 비교적 단파장의 스펙트럼 강도는, 평균전자 온도가 높으면 커지게 되고, 반대로 평균전자온도가 낮으면 작아진다. 한편, 비교적 장파장의 스펙트럼 강도는 평균 전자온도가 높으면 작아지고, 반대로 평균전자온도가 낮으면 커지게 된다.

만약, 하나의 특정파장의 스펙트럼 강도만을 모니터한 경우에는, 백그라운드 전체에 대한 노이즈나 변동의 영향이, 오(誤)제어의 원인이 된다. 그러나, 다른 복수파장의 스펙트럼강도를 모니터하고, 그 상호관계 예를들면 비의 변화에 주목하면, 그 비가 변화한 경우에는 반드시 플라즈마 온도도 변화하고 있고, 결국 플라즈마 상태를 올바르게 모니터할 수 있다.

그리고, 그 복수파장의 스펙트럼의 상호관계에 의거, 예를 들면 그것을 일정하게 되돌고, 플라즈마 생성의 파라미터군 가운데 적어도 하나를 가변 제어하여, 플라즈마 상태를 거의 일정하게 제어할 수 있고, 혹은 플라즈마 상태를 소망의 상태로 설정할 수 있다.

다른 파장의 스펙트럼이, 플라즈마처리의 진행에 기여하지 않는 원자 or 분자의 것, 예를 들면, 기판에 대하여 실질적으로 또한 화학적으로 작용하지 않는 원자 또는 분자를 나타내는(represent) 것이 바람직하다.

이것에 의해 안정한 플라즈마 제어가 가능하게 된다.

전자 사이클로크론 공명현상을 이용하여 플라즈마를 생성할 경우는, 자장강도를 바꾸어서 플라즈마를 제어하는 것이 간편하다.

평행평판 전극간에 플라즈마를 생성할 경우는, 플라즈마처리 분위기의 진공도 즉 가스압력을 변경하는 것으로, 효과적으로 플라즈마 상태를 제어할 수 있다.

또한, 플라즈마 온도 특히 평균전자온도와 이온 생성량, 라디칼 생성량과는 밀접하게 관계하고 있다.

예를 들면, 평균전자온도가 비교적 높은 경우는, 라디칼에 비하여 이온의 생성이 증대되고, 평균 전자온도가 낮아지면 그 반대의 경향으로 된다.

따라서, 복수의 다른 파장의 스펙트럼 강도의 상호관계에 의거, 플라즈마 온도를 변경하도록 플라즈마 생성의 플라즈마 생성의 파라미터군의 적어도 하나를 제어하는 것으로, 이온, 라디칼의 생성비율을 변화시킬 수가 있다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 발광 광 중의 다른 파장의 스펙트럼 강도를 모니터하고, 그것을 플라즈마제어에 피이드 백하는 것으로 플라즈마 상태를 거의 일정하게 유지하고, 혹은 플라즈마 상태를 소망하는 변경할 수가 있다. 따라서, 처리실의 상황에 불구하고 균일한 혹은 적정한 플라즈마처리를 행할 수가 있다.

[실시예]

먼저, 본 발명을 전자사이클로트론 공명(ECR)을 사용하여 플라즈마 에칭장치에 적용한 제1실시예에 대해서 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

제1도에서, 프로세스챔버(10)는 전자 사이클로트론 공명에 의해 플라즈마를 발생시키기 위한 방전공간을 형성한다. 챔버(10)는, 예를 들면 직경 600mm의 원통형상으로 형성되어 있고, 이 벽부는 예를 들면 알루미늄 합금 혹은 스테인레스 등으로 구성된다. 챔버(10)내에는, 피처리체인 반도체웨이퍼(W)를 지지하기 위한 도전성의 지지대(12)가 배설된다. 대(12)에는 RF 전원(32)이 접속되어 있다.

챔버(10)에는, 처리가스를 도입하기 위한 가스도입관(14)이 접속되어 있다. 본 실시예에서는, 에칭가스로서 예를 들면 HBr, Cl₂와, 캐리어가스로서 Ar의 합계 3종류의 가스가 도입가능하며, 각각의 유량을 조정하기 위한 매스프로콘트롤러(16a)~(16c)가 설치되어 있다. 챔버(10)는 소정의 진공분위기, 예를 들면 5×10^-4Torr로 유지가능하게 되어 있다. 이를 위해, 챔버(10)에는, 배기펌프(도시않음)에 접속된 가스 배기관(18)이 접속되어 있다. 배기관(18)도중에는, 배기압력을 조정하는 압력콘트롤러(20)가 접속되어 있다. 또, 챔버(10)의 상면은, 예를 들면 석영글라스로 되는 마이크로파 투과창(22)으로 구성되고, 이 창(22)은 챔버(10)의 벽부의 상단에 O링(24)을 통하여 장착된다.

챔버(10)의 윗쪽에는, 중공형상의 직4각형 도파관(26)이 배설되어 있다. 도파관(26)은, 도시않는 마이크로파, 공급원에 접속되어, 챔버(10)의 윗쪽에는, 예를 들면 2.45GHz의 마이크로파를 유도하도록 되어 있다. 도파관(26)의 선단부 하면에는 복수의 슬릿형상의 마이크로파 도입구(30)가 설치되고, 도입구(30)는, 창(22)의 상면에 위치하고 있다. 도입구(30)의 슬릿폭은, λt/2(λt는 도파관(26)내의 마이크로파의 파장)cm 의 크기가 된다. 또한, 도파관(26)의 선단부에는, 관내에서 발생한 반사파를 흡수하기 위한 마이크로파 흡수체(28)가 설치되어, 반사파가 마이크로파 공급원으로 되돌아옴을 방지한다. 또, 흡수체(28)를 냉각하는 것으로 도파관(26)의 가열을 억제하고 있다.

도입구(30)로부터 대(12)의 지지면까지의 영역은, 마이크로파 공동 공진기 구조로 되어 있다. 이들간의거리는, 도입구(30)로부터 챔버(10)쪽에 도입된 마이크로파의 파장을 λg으로 하면, (λg/2)×n(n는 정수), 예를 들면 (λg/2)×2의 크기로 설정된다. 챔버(10)의 윗쪽에는, 도파관(26)의 바깥쪽에 상부자극(40)이 설치되어 있다. 또, 챔버(10)의 아래 쪽에는 하부자극(50)이 설치되어 있다. 이들 상부, 하부자극(40),(50)은, 각각 영구자석(42),(52)을 통하여 예를 들면 연철로 되는 요크(46)에 의해 자기 결합되어 있다. 또한, 자극 (40),(50)의 주위에는 각각 자장발생용 코일(44),(54)이 두루감겨 있다. 본 실시예에서는, 자극(40),(50), 영구자석(42),(52), 코일(44),(54) 및 요크(46)로 자장형성 수단을 구성하고 있다.

이 자장형성수단은, 챔버(10)내에 자속밀도의 크기가 똑같고, 자력선(a)의 반도체웨이퍼(W)에 대하여 수직상태로 위에서 아래로 향하는 자장을 형성한다.

상기의 실시예 장치에서는, 상기 마이크로파 공급원으로부터 예를 들면 전력 800W, 주파수 2.45GHz의 마이크로파를 도파관(26)내에 전송시켜, 도입구(30)로부터 창(22)을 통하여, 예를들면 TE(transverse electric) 모우드로 챔버(10)내에 도입한다. 또한, 영구자석(42),(52) 및 코일(44),(54)의 여자에 의해. 예를들면 자속밀도가 875가우스, 자력선(A)의 방향이 하향이고 또한 대(12)상의 웨이퍼(W)에 대하여 수직인 자장을 챔버(10)내에 형성한다. 또한, 도입관(14)으로부터, HBr, Cl₂ 및 Ar을 소정의 유량비로 도입하여, 배기관(18)으로부터 배기하는 것으로 챔버(10)내를 예를 들면 5×10^-4Torr 정도의 압력으로 유지하여, 웨이퍼(W)의 에칭을 실시한다.

챔버(10)에서 발생하는 플라즈마의 상태를 모니터하기 위하여, 챔버(10)측벽에 예를 들면 석영 글라스 등으로 되는 검출창(60)이 설치된다.

창(60)으로부터 외부로 꺼내어진 플라즈마의 광은, 렌즈(62)를 통하여 집광되어, 제1, 제2 분광기(64),(66)로 각각 입사된다. 제1, 제2 분광기(64),(66)는, 에칭의 진행상황에 의존하지 않는 발광 스펙트럼, 예를 들면 Ar의 다른 2개의 파장의 스펙트럼 강도를 측정한다. 제1, 제2 분광기(64),(66)의 출력을 입력하는 CPU(70)는, 제1, 제2의 분광기(64),(66)의 출력의 상관관계에서, 챔버(10)내의 플라즈마 상태를 제어한다.

본 실시예장치의 사용에 즈음하여서는, 먼저, 챔버(10)내의 대(12)상에 웨이퍼(W)를, 얹어놓고, 챔버내를 소정의 진공분위기. 예를들면 5×10^-4Torr로 한다. 다음에, 챔버(10)의 배기를 계속하면서, 챔버(10)내에 에칭가스, 예를들면 HBr, Cl₂를, 캐리어가스, 예를 들면 Ar과 함께 도입한다.

이 상태에서, 대(12)에 RF파워를 부여하여, 챔버(10)내에 자장을 형성하고, 또한 챔버(10)내에 마이크로파를 공급하면, 상기 가스가 플라즈마화(be made into plasma)된다. 대(12)상의 웨이퍼(W)는 플라즈마 중의 에칭가스원자의 활성종에 의한 화학적 작용, 및 이온종의 물리적 작용을 받아 에칭된다.

본 발명에서는, 이 에칭때에, 플라즈마로부터의 발광광을 분광하고, 하기의 태양으로 플라즈마상태를 제어한다. 플라즈마상태를 제어하는 파라미터로서는 여러 가지가 있고, 예를 들면 가스의 유량비, 챔버(10)내의 진공도, 공급되는 RF파워 및 자장강도 등이다. CPU(70)는 그들 각종 파라미터를 제어할 수 있도록, 매스프로콘트롤러(16a)~(16c), 압력 콘크롤러(20), RF전원(32) 및 코일(44),(54)에 접속되어 있다.

다음에, 자장강도 이외의 파라미터를 일정하게 하고, CPU(70)은 제1, 제2분광기(64),(66)의 출력에 의거, 코일(44),(54)에 통전하는 코일 전류를 가변하는 경우에 대해서 기술한다.

먼저, 본 발명자(S)는, 플라즈마 상태의 1요소인 전자온도에 주목하였다. 제7도는 전자온도(t)를 횡측에 취하고, 전자의 존재밀도(P)를 종축에 취하여, 전자온도(t)에 대한 전자밀도의 분포를 나타낸다. 동도와 같이, 이 분포는 볼쯔만분포를 나타낸다. 동도의 실선 분포에 비하여 온도의 낮은 분포상태가 쇄선으로 도시된다. 실선 또는 쇄선내를 적분한 값이 전자의 총온도가 된다. 플라즈마의 발광 스펙트럼의 강도는, 전자온도와 상관이 있다.

플라즈마의 전자온도와, 자장강도를 조정하는 코일(44),(54)의 통전류와의 관계는 제2도에 나타낸 대로이다. 제2도에서, 횡축은 코일전류, 종축은 플라즈마의 전자온도를 나타낸다. 도시와 같이, 이 특성곡선은 마이크로파와 전자와의 커플링시(마이크로파의주파수와, 자장강도에 의존하는 전자의 사이클로트론 운동이 공명할시)를 피크로 하는 가우스 분포의 커브를 그린다. 따라서, 코일전류의 값을 변화시키는 것으로 전자온도를 제어하고, 플라즈마상태를 일정하게 유지하는 것이 가능하다.

제3(a)도~제3(c)도는, 상기 HBr, Cl₂,Ar 혼합가스의 플라즈마로 부터의 발광광을 분광하여 얻은, 아르곤(Ar)원자의 파장이 다른 2개의 스펙트럼의 강도를, 다른 전자온도의 조건하에서 측정한 특성을 나타낸다. 여기서, 비교적 단 파장(a)의 스펙트럼은 Ar 이온의, 비교적 장파장(b)의 스펙트럼은 Ar 라디칼의 그것을 나타낸다. 도면의 비교로 분명하듯이, 스펙트럼 강도는 전자온도에 따라서 다르다.

단파장(a)의 스펙트럼강도는 전자온도가 높을수록 크고, 반대로, 장파장(b)의 스펙트럼강도는 전자온도가 높을수록 작아진다.

CPU(70)는, 제1, 제2의 분광기(64),(66)에서 출력되는 각 파장(a),(b)의 스펙트럼강도를 입력한다. 예를들면, 플라즈마의 상태를 제3(b)도 도시의 전자온도는 T2로 일정하게 유지하는 경우에는, 이 때의 각파장(a),(b) 스펙트럼 강도 A2, B2의 관계, 예를 들면, 그의 비=A2/B2를 기준치로서, CPU(70)의 메모리에 기억해둔다.

만약, 관찰하고 있는 플라즈마로부터의 각 파장(a),(b)의 스펙트럼 강도가 제3(a)도에 나타낸 바와 같이, A1, B1인 경우에는, 그의 비A1/B1는 기억치 A2/B2보다 커진다. 이것은, 플라즈마의 전자온도(T1)가 설정온도(T2)보다도 높은 것을 나타내고 있다. 그래서, 예를 들면, 제2도에 나타낸 특성곡선의 좌측부분을 사용하여 전자온도의 제어를 행하고 있는 경우에는, 코일전류의 값을 현재에보다도 작게 하는 것으로 플라즈마의 전자온도를 내리는 것이 가능하다.

반대로, 플라즈마로부터의 각 파장(a),(b)의 발광스펙트럼 강도가 제3(c)도에 나타낸 바와 같이, A3,B3인 경우에는 그의 비 A3/B3은 기억치 A2/B2보다 작아진다. 이것은, 플라즈마의 전자온도(T1)가 설정온도(T2)보다도 낮은 것을 나타내고 있다. 그래서, 상술한 바와 같이, 제2도에 나타낸 특성곡선의 좌측부분을 사용하여 전자온도의 제어를 행하고 있는 경우에는 코일 전류의 값을 현재보다도 크게하는 것으로 플라즈마의 전자온도를 올리는 것이 가능하다.

Ar 원자의 다른 2개의 파장이 스펙트럼으로서는, Ar 이온의 2개의 스펙트럼, Ar 라디칼의 2개의 스펙트럼 등, 임의로 선택이 가능하다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 플라즈마로 부터의 발광광을 분광하여 얻어지는 다른 2개의 파장의 스펙트럼의 강도의 비를 일정하게 하도록 코일(44),(46)에 통전해야 할 코일전류의 값을 제어한다. 이것에 의해 플라즈마의 전자온도를 거의 일정하게 유지할 수 있고, 즉, 플라즈마 상태를 거의 일정하게 유지하는 것이 가능하게 된다. 특히, Ar 원자는 에칭개시시로부터 종점에 이르는 동안에 걸쳐서, 화학적 작용이 에칭에 기여하지 않는 것이기 때문에, 오검출이 적은 신뢰성 높은 플라즈마제어를 행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 에칭의 진행상황에 의존하지 않는 원자는 반드시 캐리어 가스로부터 얻는 것으로 한정되지 않는다. 예를 들면, 모니터용의 가스를 도입하여 그 발광스펙트럼을 모니터하여도 된다.

플라즈마 상태를 일정하게 하기 위한 제어는 코일전류 이외의 다른 파라미터를 변화시키는 것도 가능하다. 그러나, 특히 ECR 에칭장치에 있어서는 코일 전류를 가변제어하는 것이 가장 간이하게 또한 안정되게 플라즈마 상태를 제어할 수 있는 것이다.

이것은 전자사이클로트론 공명에 있어서는, 마이크로파의 전자와의 커플링에 자장이 기여하고 있고, 자장강도를 변화시키는 것으로 커플링 상태에 가까이 혹은 멀리 하는 것이 가능하기 때문이다. 커플링상태에 가까이 하면, 전자온도는 높아지고, 반대로 그 상태로부터 멀리하면 전자온도는 낮아진다.

따라서, 전자온도를 제어하는 것으로 플라즈마의 상태를 제어하는 데는 자장형성수단을 구성하는 코일(44),(54)에 통전해야 할 코일전류를 가변하는 것이 가장 간편한 방법이다.

상기, 실시예는, 플라즈마 상태를 일정하게 유지하기 위한 제어였지만, 상기의 피이드 백제어를 이용하여, 최적의 플라즈마 상태를 설정하는 것도 가능하다.

그 1 예로서 챔버(10)내에 생성되는 이온 및 라디칼의 양을 제어하여, 최적의 에칭조건을 설정하는 것이다. 일반적으로 전자온도가 높을수록 이온의 여기되기 쉽고, 챔버(10)내에서의 이온량이 증대된다. 반대로, 전자온도를 낮게 하면, 라디칼의 생성량에 비하여 이온의 생성량이 감소된다. 이와 같은 이온생성량/라디칼 생성량을 변화시켜서 최적의 에칭을 하는 1 예로서 에칭종점에 가까이 왔을 대에 웨이퍼 손상을 저감시키기 위해, 이온생성량을 적게 하여서 에칭하는 것을 들 수 있다. 예를 들면, 에칭개시시부터 종점이 이르는 동안은 제3(b)도에 나타낸 전자온도(T2)를 얻을 수 있도록 코일 전류의 값을 제어하고, 에칭종점이 검출된 후는 제3(c)도에 나타낸 전자온도(T3)가 되도록 코일전류를 조정하여 웨이퍼 대미지를 방지한다. 이밖에 에칭가스, 에칭제로, 혹은 구할 수 있는 에칭등방성, 이방성 등의 특성에 따라서, 이온생성량/라디칼 생성량을 코일전류에 의거 조정하여, 최적의 에칭조건을 설정하는 것이 가능하다.

제8도는 상술한 태양에서 제1실시예 장치에 의해 생성한 플라즈마에서의 플라즈마 상태의 다른 요소인 전자밀도와, Ar 원자 스펙트럼 및 전자온도와의 관계를 나타낸다.

여기서, 전자밀도는 마이크로파 파워를 조정함으로서 변경하였다. 전자밀도는 마이크로파 파워가 작을 때는 작고, 마이크로파 파워의 증가에 따라 증가하였다. 이것에 대하여, 전자온도는 마이크로파 파워의 변경에 관계치 않고, 너무 변화하지 않는 것이었다. 플라즈마의 발광광을 분광하여 얻어진 Ar 원자의 스펙트럼은 파장 360, 65nm 및 750nm의 것을 선택하였다.

양 스펙트럼 공히, 전자밀도의 증가에 따라 강도가 증가하였다. 이와 같이, 마이크로파 파워와 전자밀도와의 사이 및 전자밀도와 스펙트럼강도와의 사이 및 전자밀도와 스펙트럼강도와의 사이에는 밀접한 관계가 있다. 따라서, 스펙트럼 강도를 모니터에 의해 얻어진 정보에 의거, 소정의 전자밀도를 얻기 위한 마이크로파 파워의 조정을 행할 수가 있다. 보다 구체적으로는, 먼저 선택된 스펙트럼에 관하여, 상기의 관계 데이터를 미리 얻어, CPU(70)의 메모리에 기억시켜 둔다. 예를 들면, 제8도에 도시한 바와 같이, 비교적 장파장의 스펙트럼은, 단 파장의 스펙트럼에 비하여 전자밀도 의존성이 높다. 따라서, 양 스펙트럼의 강도의 비와 마이크로파 파워의 관계를 제어용 데이터로서 사용할 수가 있다.

그리고, 에칭중에 플라즈마의 발광광을 분광하고, 선택된 스펙트럼의 강도를 측정한다. CPU(70)에 의해 측정치에서 플라즈마의 현시점에서의 전자밀도를 산출시켜, 소정의 전자밀도에 가까와 지도록 마이크로파 파워를 조정한다.

다음에, 본 발명을 평행평판을 구비한 에칭장치, 특히 반응성 이온 에칭장치에 적용한, 제4도에 도시한 제2실시예를 설명한다.

제4도에서, 프로세스 챔버(80)내에는 반도체 웨이퍼(W)를 얹어 놓는 재치전극(82)과 그 대항전극(84)이 설치되어 있다. 재치전극(82)에는 RF전원(86)이 접속되고, 한편 대향전극(84)은 접지된다. 플라즈마 상태를 모니터하기 위한 구성으로서, 제1도에 도시한 실시예와 같이, 검출창(60), 렌즈(62)를 통하여 플라즈마의 발광광을 제1, 제2 분광기(64),(66)에 유도하고 있다.

CPU(90)는 플라즈마 상태를 제어하기 위한 제어수단이며, 플라즈마 상태를 가변할 수 있는 각종 파라미터의 변경이 가능하다. 예를들면, RF전원(86)에서의 RF파워조정에 더하여, 챔버(80)의 벽온도 및 각 전극(82),(84)의 온도를 조정가능하며, 이를 위하여 CPU(90)는 RF전원(86) 및 온도콘트롤러(92)에 접속된다. 그 위에 더하여, CPU(90)는 챔버(80)내의 진공도의 조정이 가능하다. 이를 위하여 가스도입관(14)에 접속된 각종 가스의 유량을 조정하는 매스프로콘트롤러(16a)~(16c)의 제어와, 가스배기관(18)에 접속된 압력콘트롤러(20)의 제어를 CPU(90)에 의해 행하고 있다.

본 실시예장치를 사용함에 있어서는 먼저, 챔버(80)내의 전극(82)상에 웨이퍼(W)를 얹어 놓고, 챔버 내를 소정의 진공분위기로 한다. 다음에 챔버(80)의 배기를 계속하면서, 챔버(10)내에 에칭가스, 예를들면, CHF₃를 도입한다. 이 상태에서, 전극(82)에 RF 파워를 부여하면, 상기 가스가 플라즈마화된다. 전극(82) 상의 웨이퍼(W)는 플라즈마 중의 에칭가스 원자의 활성중에 의한 화학적 작용, 및 이온종의 물리적 작용을 받아 에칭된다.

다음에, 챔버(80)내의 압력과, 에칭가스 CHF₃에서 생성되는 플라즈마로부터의 발광광을 분광하여 얻어지는 수소의 스펙트럼 강도와의 관계에 대해서, 제5도 및 제6도를 참조하여 설명한다. 여기서, CHF₃의 도입유량을 50SCCM 로 설정함과 동시에, RF 파워를 600W로 하고, 챔버(80)내의 압력을 10mTorr~200mTorr로 바꾸어서, 플라즈마를 생성하였다. 제5도는 플라즈마 발광광을 분광하여 얻어진 수소원자(H)의 다른 3개의 파장 434.0nm, 486.1nm 및 656.3nm의 스펙트럼의 상대발광 광도를 나타낸다. 상대발광강도는 챔버(80)내의 압력이 200mTorr 일 때의 각파장의 스펙트럼 강도를 기준치 1.0으로 한다.

제6도는 상기 플라즈마의 발광광을 분광하여 얻어진 수소원자(H)의 2개의 파장 434.0nm, 및 486.1nm 의 스펙트럼의 강도를 다른 파장 656.3nm의 스펙트럼 강도를 나눈 비의 압력의존특성을 나타내고 있다. 각 발광 스펙트럼 강도는 RF파워를 400W,600W 및 800W로 변화시켜서 측정하였다. 동도에서 명확하듯이 RF파워를 변화시키더라도, 상술한 발광 스펙트럼 강도의 비압력 의존특성은 거의 변하지 않는 것을 알 수 있다.

그런데, 각 파장에서의 스펙트럼 강도는 그 원자핵을 둘러싸고 있는 전자의 에너지 준위에 의존하고 있다. 이 에너지 준위는 n의 값을 일반적으로 나타내고 있다. 예를 들면, 656.3nm의 발광은, 에너지 준위n=3에서 n=2상태로 이행할 때에 생긴다.

486.1nm의 발광은, 에너지 단위 n=4에서 n=2로 이행할 때에 일어난다. 또한, 434.0nm의 발광은, 에너지 준위 n=5에서 n=2로 이행할 때에 일어난다. 따라서, 플라즈마 중의 수소원자의 에너지 준위가 어느 상태에 있는지는 예를 들면, 3개의 파장의 스펙트럼 강도의 관계를 측정하는 것을 판명된다.

제5도, 제6도에서 명확하듯이, 수소원자의 스펙트럼강도는 챔버(80)내의 압력(진공도)에 의하여 변하며, 압력을 내리면, 즉 진공도를 올리면 플라즈마중의 평균전자온도는 오르고, 반대로 압력을 올리면, 즉 진공도를 내리면, 플리즈마 중의 평균 전자온도는 내린다. 따라서, 제1 실시예의 ECR플라즈마 에칭장치의 경우에는 자장조정용의 코일전류를 변경하여 플라즈마 상태를 제어하였으나, 제2 실시예의 반응성이온 에칭장치에서는, 다른 복수의 스펙트럼 강도의 관계 때문에, 챔버(80)내의 진공도를 변경하여 동일하게 플라즈마의 상태를 제어한다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 플라즈마로부터의 발광광을 분광하여 얻어지는 다른 복수의 파장의 스펙트럼의 강도를 검출하여 그의 관계, 예를 들면, 비율에서 플라즈마의 상태를 파악할 수가 있다. 그리고, 챔버(80)내의 압력(진공도)을 조정하는 것으로 일정한 플라즈마 상태로 유지하고, 혹은 최적의 플라즈마 상태를 파악할 수가 있다. 그리고, 챔버(80)내의 압력(진공도)을 조정하는 것으로 일정한 플라즈마 상태로 유지하고, 혹은 최적의 플라즈마 상태로 조정하는 것이 가능하게 된다. 특히, 수소원자가 에칭개시시부터 종점에 이르는 동안에 걸쳐서, 화학적 작용의 에칭에 기여하지 않는 경우, 신뢰성 높은 플라즈마 제어를 행하는 것이 가능하게 된다. 또, 압력에 한정되지 않고, 플라즈마를 생성하는 다른 파라미터군중의 어느 하나의 가변제어에 의해서도 플라즈마 상태를 제어할 수 있다.

이상 기술한 바와 같이, 본 발명에서는 복수의 예를 들면, 2개의 다른 스펙트럼을 사용함으로써 백그라운드 전체에 대한 노이즈나 변동의 영향을 검출정보로부터 배제할 수가 있다. 따라서, 검출정보에 의해, 플라즈마의 상태를 보다 확실한 제어를 행할 수가 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지의 범위내에서, 여러 가지의 변형실시가 가능하다. 본 발명의 적용되는 플라즈마 처리장치로서는 상술한 정치이외에 직교하는 전계 및 자계를 형성하여 플라즈마를 생성하는 자장어시스트의 마그네트론 에칭장치를 예로 들 수가 있다. 또 에칭장치에 한하지 않고, 플라즈마 CVD장치 등의 플라즈마 처리장치에서도 동일하게 적용할 수가 있다.

또, 플라즈마 상태를 모니터를 보다 정확하게 하기 위해 플라즈마 발광광을 수집하는 렌즈의 초점을 이동시키는 기구, 혹은 검출창에 막이 붙지 않도록 온도조정하는 기구 등을 부가하여도 된다.

Claims

프로세스 챔버(10)내에서 플라즈마를 발생시켜 또한 이것을 사용하여 상기 챔버(10)내에서 기판을 처리하는 방법으로서, 상기 챔버(10)내에서 생성하는 플라즈마의 원료가스를 선택하는 공정과, 상기 선택 플라즈마를 생성하기 위한 조건으로 되는 제1 파라미터를 선택하고, 상기 제1 파라미터를 변경함으로써, 상기 선택플라즈마의 전자온도를 변경가능하도록 하는 공정과, 상기 선택 플라즈마의 발광광에 있어서의, 다른 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도를 함수로 한 수식과, 상기 선택 플라즈마의 전자온도와의 관계를 제1 데이터로서 얻는 공정과, 상기 선택 플라즈마의 전자온도와, 상기 제1의 파라미터와의 관계를 제2 데이터로서 얻는 공정과, 상기 제1 및 제2 데이터에서 상기 수식과 상기 제1 파라미터와의 관계를 제3 데이터로서 얻고, 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과, 상기 수식의 선택치를 상기 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과, 상기 기판을 상기 챔버(10)내에 로드 하는 공정과, 상기 챔버(10)내를 진공분위기로 설정하는 공정과, 상기 챔버(10)를 배기하면서, 여기에 상기 선택 원료가스를 도입하는 공정과, 상기 가스를 플라즈마화하여 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 생성 플라즈마의 발광광을 제1 및 제2 분광기에 도입하는 공정과, 상기 분광기에 의해 상기 생성 플라즈마의 상기 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도를 검출하는 공정과, 상기 검출한 스펙트럼 강도에서, 상기 생성 플라즈마에 있어서의 상기 수식의 현상치를 상기 제어장치에 의해 산출하는 공정과, 상기 현상치를 모니터하면서 상기 현상치가 상기 선택치에 가까워지도록 상기 제어수단에 의해 제1 파라미터를 조정하는 공정과, 상기 생성 플라즈마를 사용하여 상기 기판을 처리하는 공정을 구비하는 플라즈마 처리방법.
제1항에 있어서, 각각 제1 및 제2 파장의 스펙트럼이, 상기 처리 중, 상기 기판에 대하여 실질적으로 또한 화학적으로 작용하지 않는 제1의 원자 또는 분자를 나타내는 플라즈마 처리방법.
제2항에 있어서, 상기 수식이 상기 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도의 비를 나타내는 플라즈마 처리방법.
제3항에 있어서, 상기 원료가스가 상기 기판을 화학적 작용으로 에칭하는 원자를 함유하는 가스를 포함하는 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 제1 원자, 또는 분자가 아르곤인 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 제1 원자 또는 분자가 소수인 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 제1 원자 또는 분자가 He인 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 제1 원자 또는 분자가 N2인 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 원료가스가 모니터 전용의 가스를 포함하여 상기 제1원자 또는 분자의 상기 모니터 전용가스에 함유되는 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 플라즈마가, 상기 챔버(10)내에 형성되는 자장과, 상기 챔버(10)내에 부여되는 마이크로파에 의한 전자사이클로트론 공명에 의해 여기되는 플라즈마 처리방법.
제10항에 있어서, 상기 제1 파라미터가 상기 자장의 강도인 플라즈마 처리방법.
제4항에 있어서, 상기 플라즈마가, 상기 챔버(10)내에 배설된 평행평판전극간에 형성되는 고주파 전계에 의해 여기되는 플라즈마 처리방법.
제12항에 있어서, 상기 제1 파라미터가 상기 챔버(10)내의 압력인 플라즈마 처리방법.
프로세스 챔버(10)내에서 플라즈마를 발생시켜 또한 이것을 사용하여 상기 챔버(10)내에서 기판을 처리하는 방법으로서, 상기 챔버(10)내에서 생성하는 플라즈마의 원료가스를 선택하는 공정과, 상기 선택 플라즈마를 생성하기 위한 조건으로 되는 제1 파라미터를 선택하고, 상기 제1 파라미터를 변경함으로써, 상기 선택 플라즈마의 전자밀도를 변경가능하도록 하는 공정과, 상기 선택 플라즈마의 발광광에 있어서의, 다른 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도를 함수로 한 수식과, 상기 선택 플라즈마의 전자밀도와의 관계를 제1 데이터로서 얻는 공정과, 상기 선택 플라즈마의 전자밀도와 상기 제1 파라미터와의 관계를 제2 데이터로서 얻는 공정과, 상기 제1 및 제2 데이터에서, 상기 수식과 상기 제1 파라미터와의 관계를 제3 데이터로서 얻고, 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과, 상기 수식의 선택치를 상기 제어장치의 메모리에 기억하는 공정과, 상기 기판을 상기 챔버(10)내에 로드 하는 공정과, 상기 챔버(10)내를 진공분위기로 설정하는 공정과, 상기 챔버(10)를 배기하면서, 여기에 상기 선택 원료가스를 도입하는 공정과, 상기 가스를 플라즈마화하여 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 생성 플라즈마의 발광광을 제1 및 제2 분광기(64),(66)에 도입하는 공정과, 상기 분광기(64),(66)에 의해 상기 생성 플라즈마의 상기 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도를 검출하는 공정과, 상기 검출한 스펙트럼 강도에서, 상기 생성 플라즈마에 있어서의 상기 수식의 현상치를 상기 제어장치에 의해 산출하는 공정과, 상기 현상치를 모니터하면서 상기 현상치가 상기 선택치에 가까워지도록 상기 제어수단에 의해 제1 파라미터를 조정하는 공정과, 상기 생성 플라즈마를 사용하여 상기 기판을 처리하는 공정을 구비하는 플라즈마 처리방법.
제14항에 있어서, 각각 상기 제1 및 제2 파장 스펙트럼이, 상기 처리 중, 상기 기판에 대하여 실질적으로 또는 화학적으로 작용하지 않는 제1의 원자 또는 분자를 나타내는 플라즈마 처리방법.
제14항에 있어서, 상기 원료가스가 상기 기판을 화학적 작용으로 에칭하는 원자를 함유하는 가스를 포함하는 플라즈마 처리방법.
제15항에 있어서, 상기 수식이, 상기 제1 및 제2 파장의 스펙트럼의 강도의 비를 나타내는 플라즈마 처리방법.
제17항에 있어서, 상기 제1 원자 또는 분자가 아르곤인 플라즈마 처리방법.
제17항에 있어서, 상기 플라즈마가, 상기 챔버(10)내에 형성되는 자장과, 상기 챔버(10)내에 부여되는 마이크로파에 의한 전자사이클로트론 공명, 및 상기 챔버(10)내에 형성되는 고주파 전계에 의해 여기되는 플라즈마 처리방법.
제19항에 있어서, 상기 제1 파라미터가 상기 고주파 전계의 강도인 플라즈마 처리방법.