KR100226366B1 - 플라즈마장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents
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Abstract
플라즈마프로세스중의 여러 특성에 영향을 줌이 없이 전자 셰딩 효과를 저감하고, 챠지 대미지를 억제하는 플라즈마 장치 및 반도체 장치의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
기판 바이어스 전극 2 와 대향전극 3과의 사이의 거리를 전자의 평균자유행정의 2 배이하로 설정한다. 그리하여, 기판 바이어스 전극 2에 100kHz~1MHz 의 고주파 전력을 공급하고, 대향전극 3에 1MHz~100MHz의 고주파 전력을 제공한다.
Description
제1도는 본 발명의 제1의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제2도는 기판 바이어스 전극과 대향전극과의 거리와 전자의 평균자유행정과의 관계를 표시한 도.
제3a도 는 기판 바이어스 전극 및 대향전극에 공급하는 고주파 전력의 파형의 일예를 표시한 도, b는 기판 바이어스 전극 및 대향전극에 공급하는 고주파 전력의 파형의 다른 예를 표시한 도.
제4도는 대향전극에 공급하는 고주파전력을 온·오프하는 제어기구를 설치한 플라즈마 장치를 표시한 도.
제5도는 제4도의 A점, B점 및 C점에서의 파형을 표시한 도.
제6도는 기판 바이어스 전극의 상하기구를 표시한 도.
제7도는 랭뮤어프로브법에 의한 플라즈마의 전자온도 측정방법을 표시한 도.
제8도는 전자온도와 챠지 대미지의 관계를 표시한 도.
제9a도는 등방적인 속도성분을 가진 전자를 표시한 개념도, b는 반도체 웨이퍼에 향하는 방향으로 큰 이방성을 가진 전자를 표시한 개념도.
제10도는 전자의 평균자유행정과 챠지업과의 관계를 조사하는데 사용한 플라즈마 장치를 표시한 모식도.
제11도는 전자의 평균자유행정과 챠지업과의 관계를 조사하는데 사용한 샘플을 표시한 단면도.
제12a도는 전극사이의 거리와 챠지업의 저감 전압과의 관계를 표시한 도, (b)는 시료인가전압과 자기 바이어스 전압과의 관계를 표시한 도.
제13도는 애스펙트비가 2인 홀 패턴과 오픈 스페이스의 셀 바이어스 전압을 표시한 도.
제14도는 애스펙트 비가 2인 홀 패턴과 오픈 스페이스의 셀 바이어스 전압의 차를 표시한 도.
제15도는 본 발명의 제 2 의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 도.
제16도는 제 1 의 전극에 공급하는 고주파 전력의 주파수와 전자온도와의 관계를 표시한 도.
제17도는 본 발명의 제 3 의 실시의 형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제18도는 제 3 의 실시의 형태에 관계되는 플라즈마 장치의 대향전극을 표시한 단면도.
제19도는 대향전극이 매립된 뚜껑부를 표시하는 단면도.
제20도는 본 발명의 제 4의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제21도는 제1 및 제2의 전극에 공급되는 고주파 전력의 위상차와 전압차와의 관계를 표시한 도.
제22도는 본 발명의 제5의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제23도는 마찬가지로 그 상면도.
제24도는 마찬가지로 그 대향전극을 표시한 상면도.
제25도는 제5의 실시의 형태의 변형예를 표시한 모식도.
제26도는 본 발명의 제6의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제27a도는 마찬가지로 그 제1의 고주파전원 및 제2의 고주파 전원의 출력파형의 일예를 표시한 도, b는 마찬가지로 그 제1의 고주파 전원 및 제2의 고주파 전원의 출력파형의 다른 예를 표시한 도.
제28도는 본 발명의 제7의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제29도는 본 발명의 제8의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제30도는 제8의 실시형태의 변형예의 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제31a도는 벨쟈 상부의 만곡부에 코일이 배치된 플라즈마 장치의 일예를 표시한 단면도, b는 벨쟈 상부의 만곡부에 코일이 배치된 플라즈마장치의 다른 예를 표시한 단면도.
제32도는 플라즈마 CVD법에 의해서 TiN막을 형성한 반도체 장치를 표시한 도.
제33도는 종래의 플라즈마 장치를 표시한 단면도.
제34도는 플라즈마 장치내에서 플라즈마 에칭중의 반도체 웨이퍼의 일부를 표시한 단면도.
제35도는 전자 셰딩 효과를 표시한 모식도.
제36도는 챠지 대미지의 발생을 표시한 모식도.
제37도는 애스펙트비가 다른부분에서의 셀프바이어스 전압을 표시한 도.
본 발명은, MOS반도체장치등의 제조에 사용되는 플라즈마와 그 플라즈마장치를 사용하여 에칭 또는 성막을 행하는 플라즈마 처리방법에 관하여, 특히 플라즈마 처리시에 챠지업에 기인하여 발생하는 게이트 산화막등의 손상을 회피할 수 있는 플라즈마 장치와 플라즈마 처리방법에 관한다.
제 33도는 종래의 플라즈마 장치를 표시하는 단면도이다.
챔버 21은 챔버본체 21a와, 이 챔버본체 21a에 대하여 착탈 자재한 벨쟈(bell jar) 21b에 의하여 구성되어 있다. 이 챔버 21내에는 기판바이어스 전극 22가 배치되어 있고, 이 기판 바이어스 전극 22에는 고주파 전원에서 필터 25와 블로킹 캐퍼시터 26을 통하여 고주파 전력이 공급된다. 반도체 웨이퍼 9는, 기판 바이어스 전극 22상에 탑재된다.
또, 기판 바이어스 전극 22의 위쪽에는 대향전극 23이 배설되어 있고, 이 대향전극 23은 접지 전위로 유지된다. 챔버 21은 가스봄베와 마스프로콘트롤러등으로서 구성되는 가스 공급부 27에 접속되어 있고, 이 가스 공급부 27에서 챔버 21내에 소정의 에칭가스 또는 성막용가스가 공급된다. 또 챔버 21은, 배기 펌프 28에 접속되어 있다.
제 34 도는 이와같이 구성된 플라즈마 장치내에서 플라즈마 에칭중인 반도체 웨이퍼의 일부를 표시하는 단면도이다.
반도체 웨이퍼 31에는 예를들면 소스와 드레인으로 되는 1 쌍의 확산 영역 31a가 형성되어 있고, 이 1 쌍의 확산 영역 31a의 사이의 반도체 31 위에는 게이트 산화막 32를 통하여 게이트 전극 33이 형성되어 있다. 이 게이트 전극 33막 절연막 38에 피복되어 있고, 이 절연막 38위에는 배선을 형성하기 위한 알루미늄 막 35가 형성되어 있다. 이 알루미늄막 35는 콘택트홀 34를 통하여 게이트 전극 33에 전기적으로 접속되어 있다. 또, 알루미늄 막 35위에는, 소정의 개구된 개구부 36a를 가지는 레지스트 36이 형성되어 있다. 더우기, 부호 37은 반도체 웨이퍼 31위에 설치된 스크라이브라인이다. 반도체웨이퍼 31은 후공정에서 이 스크라이브라인 37을 따라 절단되고, 복수의 반도체칩에 분리된다.
플라즈마 에칭시에는, 배기 펌프 28로 챔버 21내를 배기한후, 가스 공급부 27에서 챔버21내에, CF4,SF6또는 Cl2등의 에칭가스를 공급하고, 고주파 전원 24에서 블록킹 캐퍼시터 26을 통하여 기판 바이어스 전극 22에 고주파 전력을 공급 한다. 그리하면, 챔버 21내의 가스가 플라즈마 상태로 되고, 플라즈마 중의 양이온이 레지스트 개구부 36a를 통하여 알루미늄막 35에 도달하여 알루미늄막 35가 에칭된다.
그런데, 이와같은 에칭시에는, 게이트 전극 33과 반도체 웨이퍼 31이 전위가 다르고, 양자의 전위차로 게이트 산화막 32에 리크 전류가 흐르고, 그 결과, 게이트 산화막 32의 특성이 열화하거나 극단의 경우에는 게이트 산화막 32가 절연파괴되는 경우가 있다. 이와같은 현상을 챠지 대미지(charge damage)라고 한다.
이하, 챠지 대미지에 대하여 다시금 자세히 설명한다. 제 35 도, 제 36 도에 표시하는 바와같이, 에칭중에 플라즈마중의 전자 e가 레지스트 36에 충돌하여 레지스트 36에 음의 전하가 축적된다. 이 음의 전하에 의하여, 플라즈마중의 전자 e가 반발되어 레지스트 개구부 36a내에 진입하기 어렵게 되는 이른바 전자 셰딩 효과가 발생한다 (Jpn. J. Appl. Phys. Vol.33(1994).pp6013-6018). 한편, 질량이 큰 양이온 I는 레지스트 개구부 36a를 통하여 알루미늄막 35에 도달하므로 알루미늄막 35와 게이트 전극 33에는 양의 전하가 축적된다. 이때에 스크라이브라인 37에는 레지스트 36에 축적된 음전하의 영향을 거의 받지 않으므로, 양이온 I 와 전자 e가 거의 같은 비율로 반도체 웨이퍼 31에 도달한다. 이에 의하여, 게이트 전극 33과 반도체 웨이퍼 31과의 사이에 큰 전위차가 발생하고, F-N주입 (Fowler-Nordheim tunnelling injection)이 생겨서 게이트 산화막 32를 통하여 리크 전류 L이 흐른다. 그결과, 게이트 산화막 32의 열화 또는 파괴가 발생한다.
제 37 도는 횡축에 반도체 웨이퍼(Si)에 인가하는 고주파 바이어스 전압치(Vp-p)를 취하고 종축에 홀패턴과 오픈 스페이스 패턴과의 셀프 바이어스를 취하여 에스펙트비(Aspect ratio)가 2, 4.4 및 8일때의 양자의 관계를 표시한 도이다.
홀 패턴 또는 오픈 스페이스의 패턴은 SiO2막을 가공하여 형성하였다. 또 고주파 (RF) 전원의 고주파는 400kHz이다. 제 37 도에서 명백한 것처럼, 고주파전원의 전압이 비교적으로 높은 경우에는, 전자의 셰딩 효과에 의하여, 에스펙트비가 2의 경우, 홀패턴과 오픈 스페이스와는 약 95V와 비교적으로 큰전압차가 발생한다. 더우기, 에스펙트 비는, 레지스트 개구부의 폭에 대한 레지스트 개구부의 높이의 비율을 말한다.
레지스트에 의한 전자 셰딩 효과는 에스펙트 비가 커질수록 크게 작용한다. 따라서, 반도체 웨이퍼상에 에스펙트 비가 다른 복수의 홀 패턴이 설치되어 있는 경우에도 각 홀 패턴의 아래쪽의 도전막등에 축적되는 전하량이 서로 다르고, 이 전하량의 차이로 반도체 웨이퍼 표면의 얇은 절연막을 통하여 리크전류가 흘러서, 그 절연막에 대미지를 줄 수도 있다.
챠지 대미지는 애스펙트비가 큰 개구부를 형성하는 배선의 에칭공정, 비어홀 (Via Hole)의 에칭공정, 비어홀의 플라즈마 크리닝공정과 플라즈마 CVD 공정등으로 발생하기 쉽다. 또, 절연막의 국소챠지업에 의하여, 에칭으로 패턴 형상의 악화나 에스펙트비로 에칭 레이트가 변화하는등의 부적당함이 발생한다.
제 37 도는 횡축에 반도체웨이퍼 (Si)에 인가하는 고주파 바이어스 전압치(Vp-p)를 취하고 종축에 셀프바이어스 전압을 취하여, 에스펙트비가 2, 4.4와 8일때의 양자의 관계를 표시하는 도이다. 이 제 37 도에서 명백한바와같이, 고주파 바이어스 전압 Vp-p가 약 200V이상이 되면, 에스펙트비에 의하여 셀프바이어스 전압의 값이 다르고, 그 결과, 에스펙트비가 다른 홀패턴의 아래의 도전막사이에서 리크 전류가 흐를 염려가 있다.
더우기, 상술한 전자 셰딩 효과는 플라즈마 중의 전자온도(electron temperature)가 높을수록 커진다. 이는, 전자온도가 커질수록 레지스트에 전자가 축적되기 쉽고, 레지스트 측벽부의 전위가 높아지기 때문이라고 생각되고 있다.
또, 통상, 플라즈마 프로세스에는 CF4, SF6,Cl2와HBr등의 가스가 사용되었으나, 이들의 가스는 분자에 전자가 부착함으로써 음이온을 생성하기 쉬운 기체이고, 전기적 음성가스라 일컬어지고 있다. 이들의 가스를 사용하면, 플라즈마밀도에 대하여 전자밀도의 비율이 낮으므로, 전자온도가 필연적으로 높아진다. 따라서 이들의 가스를 사용한 플라즈마 프로세스로는 전자 셰딩효과에 의한 챠지 대미지가 발생하기 쉽다.
또, 플라즈마 장치에서는, 기판 바이어스 전극에 공급하는 고주파전력의 주파수 또는 전압이 너무 높아지면 플라즈마중의 전자온도가 상승하고, 전자 셰딩 효과에 의한 챠지 대미지가 일어나기 쉽게 된다.
이때문에, 종래는 챠지 대미지를 방지 하기 위하여, 플라즈마에 인가하는 고주파 전원의 파워를 내려서 플라즈마 밀도를 감소시켰다. 이에 의하여, 전자 셰딩 효과가 감소하고, 챠지 대미지를 억제할수가 있다.
그러나, 플라즈마에 인가하는 고주파 전원의 파워를 내리면 챠지 대미지는 회피할수 있으나, 에칭레이트도 감소하여 버리는 문제점이 있다.
더우기, 특개소 57-131374호에는, 반도체 웨이퍼를 재치하는 캐소드 전극에 고주파전압을 공급하고, 전기 캐소드전극에 대향하는 애노드 전극에, 캐소드 전극보다 높은 주파수의 고주파 전압을 공급하는 플라즈마 에칭장치가 개시되어 있다. 그러나 이 장치는 반도체 웨이퍼에 도달하는 이온의 전류밀도와 반도체 웨이퍼에 도달하는 이온의 전류밀도와, 반도체 웨이퍼에 입사하는 이온의 에너지를 독립으로 제어함으로써 에칭레이트를 상승 시킬 것이고, 챠지 대미지에 대해서는 고려되어 있지않다.
특개평 2-312231호에는, 반도체 웨이퍼를 재치하는 캐소드 전극에 고주파 전력을 공급하고, 캐소드 전극에 대향하는 애노드 전극에, 캐소드 전극보다 낮은 주파수의 고주파전력을 공급하는 플라즈마 에칭 장치가 개시되어 있다. 그러나 이 장치에서는 애노드 전극의 바이어스 전원 주파수가 캐소드 전극에 주어지는 주파수 보다 낮게 설정되어 있다. 또, 이 장치는, 기판의 근방에서 자장을 웨이퍼에 수직으로 형성하고 있으므로 전자의 실질적인 평균자유행정이 현저히 저하해 버린다. 따라서, 대향전극에 의한 챠지업 억제효과가 거의 기대될수 없다.
특개평 3-74844호에도, 반도체 웨이퍼를 재치하는 캐소드 전극에 고주파전력을 공급하고, 캐소드 전극에 대향하는 애노드 전극에, 캐소드 전극보다 낮은 주파수의 고주파 전극을 공급하는 플라즈마 에칭 장치가 개시되어 있다. 그러나 이 장치에서는 2개의 전원을 동시에 사용하고 있지 않다. 또, 애노드 전극의 바이어스 전원의 주파수가 캐소드 전극에 주어지는 주파수보다 낮게 되어 있다. 더우기 동작압력이 1torr로 높기 때문에 대향전극에 의한 챠지업 제어효과가 거의 기대되지 않는다.
특개평 5-62935호에는, 반도체 웨이퍼를 재치하는 캐소드 전극에 이온을 가속하기 위한 고주파 전력을 공급하고, 캐소드 전극의 주위의 전극에 플라즈마 생성을 위한 고주파 전력을 공급하는 플라즈마 에칭 장치가 개시되어 있다. 그러나 이 장치에서는, 캐소드 전극에 대향하는 전극에, 전자를 가속하기 위한 고주파 전력을 공급하고 있지 않다. 또, 이 장치에서는, 기판의 근방에서 자장을 형성하고 있으므로 전자의 실질적인 평균 자유 행정이 현저하게 저하해 버린다. 따라서, 대향전극에 의한 챠지업 제어효과가 거의 기대되지 않는다.
본 발명은 플라즈마 프로세스중의 여러 특성에 영향을 줌이 없이 전자 셰딩 효과를 저감하고, 챠지 대미지를 제어 할수 있는 플라즈마 장치와 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기한 과제는, 챔버와, 상기 챔버내에 배치되어 반도체 웨이퍼가 탑재되는 제 1 의 전극과, 전기 제 1 의 전극에 대향하고 또한 전기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배이하의 거리를 두고 배치된 제 2 의 전극과 전기 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 1 의 고주파 전원과, 전기 제 2 의 전극에 전기 제 1 의 주파수보다 주파수가 높은 제 2 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 2 의 고주파 전원과 상기 챔버내를 배기하는 배기펌프를 가지는 것을 특징으로하는 플라즈마 장치에 의해서 해결한다.
또, 상기한 과제는, 챔버와 상기 챔버내에 배치되어 반도체 웨이퍼가 탑재되는 제 1 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 또한 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 배치된 제 2 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 접속되는 제 1 의 전원과 상기 제 2 의 전극에 접속되는 제 2 의 전원을 가지고, 그 제 1 의 전원과 그 제 2 의 전원의 적어도 한쪽은 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원이고, 상기 챔버내에 가스를 공급하는 가스 공급수단과, 상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과, 상기 가스에 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개재함이 없이 에너지를 투입하여 플라즈마를 생성하는 에너지 투입수단을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치에 의해서 해결한다.
또, 상기한 과제는, 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 그 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배이하의 거리를 두어 그 제 1 의 전극에 대향시켜서 제 2 의 전극을 배치하고, 상기 챔버내에 가스를 공급하고, 상기 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 제 1 고주파전력을 공급함과 동시에, 상기 제 1 의 주파수 보다 주파수가 높은 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 상기 제 2 의 전극에 공급 하여 상기 챔버내에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로하는 플라즈마 처리에 의해서 해결한다.
또, 상기한 과제는, 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 상기 제 1 의 전극에 제 1의 주파수의 제 1 고주파 전력을 공급하고, 상기 제 1 의 전극에 대향시켜서 제 2 의 전극에 배치하고, 상기 챔버내에 가스를 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개재함이 없이 상기 가스에 에너지를 투입하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로하는 플라즈마 처리방법에 의해서 해결한다.
또, 다음에, 상기한 과제는, 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 또한 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 제 2 의 전극을 배치하고, 상기 챔버내에 가스를 공급하고, 상기 가스에 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개재함이 없이 에너지를 투입하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 제 2 의 전극에 제 1 의 주파수의 제 1 고주파전력을 공급하는 것을 특징으로하는 플라즈마 처리방법에 의해서 해결한다.
다음에, 본 발명의 작용에 대하여 설명한다.
본 발명에 있어서는 제 1 과 제 2 의 전극을 대향시켜서 배치하고, 제 1 의 전극에 예를들면 100kHz~1MHz의 고주파 전력을 공급하여 챔버내에 플라즈마를 발생 시킨다. 또, 제 2 의 전극에 예를들면 10MHz~40MHz의 고주파 전력을 공급한다. 이 제 2 의 전극에 공급하는 고주파 전력의 주파수는 높은 쪽이 바람직하고, 10MHz~100MHz의 범위에서 설정하여도 좋다. 이 제 2 의 전극에 공급되는 고주파 전력으로 발생하는 플라즈마시스전계에 의하여 제 2 의 전부의 근방의 전자가 제 1 의 전극에 향하여 가속된다. 이에 의하여, 플라즈마 중의 전자의 제 1 의 전극에 향하는 속도성분이 증가하고, 전자가 레지스트 개구부의 저부까지 도달하여 양의 전하가 중화되고, 챠지업이 억제되도록 되어 있다.
이 경우에 제 2 의 전극에 공급된 고주파 전력으로 가속된 전자는, 제 1 의 전극에 향하는 사이에 가스와 충돌하고, 제 1 의 전극에 향하는 방향의 속도성분이 감소한다. 그리하여, 제 1 의 전극과 제 2 의 전극과의 간격이 전자의 평균자유행정의 2 배를 넘으면, 제 1 의 전극에 향하는 방향의 속도성분이 현저히 감소하여, 레지스트 개구부의 저부까지 도달하는 전자가 적어지고, 챠지업을 방지하는 효과가 충분히 얻을수 없게 된다. 이때문에, 제 1 과 제 2 의 전극의 거리는 전자의 평균자유행정의 2배이하로 한다. 더우기, 전자의 평균자유행정은 가스의 종류와 압력과의 관계하여, 압력이 작을수록 평균자유행정은 커진다. 가스의 압력이 약 10mTorr 이하의 경우, 평균자유행정은 수 10mm로 된다. 예를들면, 알루미늄막의 에칭에 사용하는 Cl2가스의 경우, 가스의 압력이 3mTorr라고 한다면, 전자의 평균자유행정은 약 50mm가 된다. 종래의 평행평판형플라즈마 장치의 경우, 약 50mTorr가 압력의 하한치이고, 그때의 전자의 평균자유행정은 약 3mm이하이다.
또, 본원의 다른 발명에 있어서는, 반도체 웨이퍼 탑재하는 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 고주파전력을 공급하고, 전기 제 1 의 전극에 대향하는 대향전극에 전기 제 1 의 주파수보다 고주파의 제 2 의 고주파 전력을 공급한다. 그리하여 코일에 제 3 의 고주파전력을 공급하여 챔버내에 고주파의 자계를 발생시켜, 이 자계로 챔버내에 플라즈마를 발생시킨다. 그렇게하면, 플라즈마중의 이온은 제 1 의 전극이 캐소드의 기간에 반도체 웨이퍼에 도달하고, 전자는 제 1 의 전극 애노드이고, 또한 제 2 의 전극이 음의 기간에 반도체 웨이퍼에 도달한다. 이에 의하여, 양의 전하가 중화되어서 챠지 대미지를 회피할수 있도록 된다.
더우기, 전기 코일에 고주파 전력을 공급하여 챔버내에 가스를 플라즈마상태로 하는 대신에 챔버내에 마이크로파를 방출하여, 이 마이크로파로 챔버내에 플라즈마를 발생시켜도 좋다. 또, 제 2 의 전극을 일정한 전위로 하고, 제 1 의 전극에 제 1 의 고주파전력과 제 2 의 고주파전력을 동시에 공급하여도, 상기와 마찬가지의 효과를 얻게된다. 다만 이 경우는 플라즈마와 챔버내측의 측벽과의 전기적 결합을 저감하기 위하여, 챔버내측의 측벽에 절연막을 두껍게 형성해두는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 첨부의 도면을 참조하여 설명한다.
제 1 도는 본 발명의 제 1 의 실시의 형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시하는 단면도이다. 챔버 1 은, 챔버본체 1a와, 이 챔버 본체1a에 착탈가능케 설치된 벨쟈 1b로서 구성되어 있다. 이 챔버 1 내에는 기판 바이어스 전극 2가 설치 되어 있고, 이 기판 바이어스 전극 2상에 반도체웨이퍼 9를 재치한다. 이 기판 바이어스 전극 2에는, 고주파전원 4에서 필터 5와 블로킹 캐퍼시터 6을 통하여 주파수 RF1의 고주파전력이 공급된다. 주파수RF1은 100kHz~1MHz의 범위에서 설정한다. 이 기판바이어스전극 2의 상방에는 , 대향전극 3이 기판 바이어스 전극 2에 대향하여 배치되어있다. 이 대향전극 3에는, 고주파전원 7에서 필터 8을 통하여 주파수RF2의 고주파전력이 공급된다. 주파수RF2는 예를들면 10MHz~100MHz의 범위에서 설정한다.
챔버 1은, 가스봄베와 마스프로콘트롤러등으로서 구성되는 가스공급부 10에 접속되어있어, 이 가스공급부 10에서 챔버 1내에 소정의 에칭가스 또는 성막용 가스가 설정된 유량으로 공급된다. 또, 챔버 1은, 배기 펌프 13에 접속되어있다.
본 실험의 형태에 있어서는, 제 2도에 표시하는 바와같이, 기판 바이어스 전극 2와 대향전극 3과의 간격L은, 전자e의 평균자유행정Le의 2배이하(2LeL)로 설정된다. 예를들면 에칭가스로서 Cl2를 사용하고, 챔버 1내의 가스압력이 3mTorr라 하면, 전자 e의 평균자유행정 Le는 약 50mm이므로, 기판바이어스전극 2와 대향전극 3과의 간격을 100mm이하로 설정한다.
이하, 본 실험의 형태의 플라즈마 장치의 동작에 대하여 설명하기전에, 기판 바이어스 전극 2와 대향전극 3과의 사이의 거리를 전자의 평균자유행정의 2배 이하로 한 이유에 대하여 설명한다.
본원 발명자등은, 플라즈마프로세스중에서의 챠지 대미지와 전자온도와의 관계를 조사하기 위하여, ECR(Electron Cyclotron Resonance : 전자사이크로트론공명) 플라즈마에칭장치를 사용하여, CMOS의 알루미늄배선의 에칭을 행하여, 챠지 대미지정도를 조사함과 동시에, 랭뮤어프로브(Langmuir Probe) 법에 의하여 반도체 웨이퍼상부의 플라즈마의 전자온도를 측정하고, 양자의 관계를 조사하였다. 제 7도는 량뮤어프로브법으로 플라즈마의 전자온도의 측정방법을 표시한 도이다.
기판바이어스전극 41상에 반도체웨이퍼 42를 재치하고, 이 반도체웨이퍼 42의 상방, 즉 전극 41에서 40mm상방에 랭뮤어프로브43을 배치하였다. 이 랭뮤어프로브 43은, 반도체 웨이퍼 42의 표면에 평행으로 배치된 침상의 프로브 43a와, 반도체웨이퍼 42의 표면에 수직으로 배치된 형상의 프로브 43b를 가지고 있다. 프로브 43a는 반도체웨이퍼 42의 표면에 평행방향의 전자온도를 측정하는 것이고, 프로브 43b는 반도체 유에퍼 42의 표면에 수직방향의 전자온도를 측정하는 것이다. 이들의 프로브 43a, 43b에는 전원 45a, 45b에서 전류계 44a, 44b를 통하여 소정의 전압을 인가한다. 전류계 44a, 44b에 흐르는 전류를 측정함으로써, 반도체 웨이퍼 표면에 평행방향과 수직방향의 플라즈마의 전자온도를 알 수가 있다.
반도체 웨이퍼 42상에는 두께가 8nm의 게이트산화막을 통하여 복수의 게이트전극이 배열되어있다(제 32도 참조). 각 게이트전극은, 1변이 1㎛의 정방형이다. 이들의 게이트전극은 절연막에 피복되어 있고, 이 절연막상에 두께가 0.8㎛의 알루미늄막이 형성되어있다. 이 알루미늄막은, 상기 절연막에 선택적으로 설치된 콘택트홀을 통하여 상기 게이트전극에 전기적으로 접속되어 있다. 더우기, 안테나비, 즉 게이트전극의 면적과 알루미늄막의 면적과의 비는, 104~106오더이다. 또, 알루미늄막 위에는 두께가 1.6㎛의 포토레지스트패턴이 형성되어있다.
그리하여, Cl2와 BCl3과의 혼합가스를 사용하여, 압력이 4.5mTorr, 마이크로파의 파워가 800W, 기판 바이어스 전극에 공급하는 고주파전력의 파워가 150W의 조건으로 플라즈마에칭을 행함과 동시에, 랭뮤어프로브 43을 반도체 웨이퍼표면에 대하여 수평으로 이동시켜서, 전자온도와 대미지와의 관계를 조사하였다.
제 8도는, 횡축에 반도체 웨이퍼상의 위치(상대위치)를 취하고, 종축에 전자온도를 취하여, 전자온도와 챠지 대미지와의 관계를 조사한 결과를 표시하는 도이다. 이 제8도에서, 반도체 웨이퍼에 평행방향의 전자온도가, 반도체웨이퍼에 수직 방향의 전자온도보다 높은 장소에서 대미지가 커져 있는것을 알 수 있다. 반도체 웨이퍼 표면에 평행방향의 전자온도가 높으면 패턴 측벽의 전위가 음으로 커져버리므로, 전자 셰딩 효과가 커진다고 생각될 수 있다.
역으로, 반도체 웨이퍼표면에 수직방향의 전자온도가 높으면, 패턴개구부의 저부에 입사하는 전자가 증대하므로, 전자 셰딩 효과가 작아진다고 생각될 수 있다.
이들의 결과에서, 본원발명자들은 플라즈마 장치내부에 있어서, 전자온도에 이방성을 갖게하는 것이, 전자 셰딩 효과의 저감에 유효하다는 지견을 얻었다. 즉, 9(a)도에 그 개념도를 표시하는 바와같이 전자에 등방적인 속도분포를 주는 것이 아니고, 제 9(b)에 그 개념도를 표시하는 바와같이 전자에 반도체 웨이퍼에 향하는 대향으로 대향이 큰 전자온도의 이방성을 갖게 함으로써, 상대적으로 레지스트측벽의 챠지업을 저감할 수가 있다. 본 발명은, 이와같이 반도체 웨이퍼에 향하는 방향으로 큰 전자온도의 이방성을 전자에 부여함으로써, 챠지 대미지를 억제하는 것이다.
이하, 제 1과 제 2의 전극간의 거리가 전자의 평균자유행정의 1~4배 일때의 챠지업의 저감정도를 조사한 결과에 대하여 설명한다.
제 10도는 실험에 사용한 플라즈마장치를 표시하는 도이다. 다만, 제 10도에 있어서는, 가스공급부와 배기펌프의 도시를 생략하고 있다. 챔버51은, 원통상의 유리로서되는 벨쟈 51a를 가지고, 기타의 부분은 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 형성되어있다. 그리하여, 이 챔버 51의 금속부분은 접지되어있다. 더우기, 벨쟈 51a의 외형은 500mm, 두께는 5mm, 높이는 200mm이다.
챔버 51내에는 제 1 의 전극 52가 배치되어있고, 이 제 1의 전극 52상에 후술하는 샘플 59a, 59b를 탑재한다. 이 제 1의 전극 52에는 고주파전원 61에서 캐퍼시터 62를 통하여 주파수가 400kHz의 고주파전력이 공급된다. 제 1의 전극 52의 상방에는 제 2의 전극 53이 배치되어있다. 이 제 2의 전극 53에는, 고주파전원 63에서 캐퍼시터 64를 통하여 주파수가 13.56MHz의 고주파전력이 공급된다. 또, 벨쟈 51a의 외주에는 코일 56이 감겨져있어, 이 코일 56에는 고주파전원 65에서 고주파전력이 공급된다. 이 코일 56으로, 챔버 51내에 고주파의 자계가 발생하고, 이 고주파의 자계로 발생하는 전계에 의하여 챔버 51내의 가스가 여기되어서 플라즈마가 발생한다.
샘플 59a로서, 제 11도에 표시하는 바와같이 실리콘기판 71상에 두께가 약 2㎛의 SiO2막 72를 형성하고, 이 SiO2막 72에 직경이 1㎛의 복수의 구멍으로서되는 홀패턴(Hole pattern) 73을 형성한 것을 준비하였다. 또, 샘플 59b로서, 홀 패턴으로 바꾸어서 SiO2막에 충분히 큰 개구부(open-space)를 형성한 것을 준비하였다. 이들의 샘플 59a를 전압계 76a에 접속하고, 샘플 59b를 전압계 76b에 접속하였다.
그리하여, 챔버 51내에 Ar(아르곤)가스를 도입하고, 챔버 51내의 압력을 2.5mTorr~10mTorr까지 변화시켜서 전자의 평균자유행정을 바꾸어, 전극 52, 53사이의 거리가 전자의 평균자유행정의 1~4배 일때의 샘플의 챠징전압을 전압계 76a,76b로 측정하였다. 더우기, 기타의 측정조건은, 플라즈마밀도가 2~3×1010㎝-3, 제 1의 전극 52에 인가한 전압 Vp-p가 400V, 제 2의 전극 53에 인가한 전압Vp-p가 600V이다.
제 12 (a)도는, 횡축에 적극사이의 거리를 전자의 평균자유행정에 대한 비율로 나타낸값을 취하고, 종축에 저감한 전압을 취하여, 양자의 관계를 나타내는 도이다. 다만 제 2 의 전극 53에 고주파전력을 공급하지 않는 경우의 차징 전압은 100V이다. 이제 12(a)에서 명백한 바와같이, 전극 52, 53사이의 거리가 전자의 평균자유행정의 4배일때는 차징 전압을 저감하는 효과를 볼수 없고, 전극 52, 53 사이의 거리가 전자의 평균자유행정의 2배이하일때에 차징 전압은 17V 이상 저감 하였다.
이들의 실험 결과에서, 제 1 도에 표시하는 플라즈마 장치에 있어서, 기판 바이어스 전극 2 와 대향전극 3 과의 사이의 거리는 전자의 자유평균행정의 2 배이하로 하였다. 제 1 에 표시하는 플라즈마 장치에 있어서 예를들면 제 34에 표시하는 바와같이 배선용 알루미늄 막 35와 레지스트 36이 형성된 반도체 웨이퍼 9상의 알루미늄 막을 에칭하는 경우, 배기 펌프 13으로 챔버 1 내에 배기한후, 가스 공급부 10에서 챔버 1 내에 에칭가스로서 예를들면, C12가스를 공급한다.
또, 챔버 1 내의 압력을 약 3mTorr로 유지한다. 그리하여, 기판 바이어스 전극 2에 고주파 전원 4에서 100kHz~1MHz의 고주파 전력을 공급함과 동시에, 대향전극 3에 고주파 전원 7에서 10MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급한다. 그렇게 하면, 챔버 1 내에 플라즈마가 발생하고, 플라즈마중의 이온이 반도체 웨이퍼 9상의 레지스트 개구부 36a를 통하여 알루미늄 막 35에 도달하고 알루미늄 막 35가 에칭된다.
이때, 대향전극 3측에서는, 대향전극 3에 공급된 고주파 전력으로 플라즈마중의 전자가 기판 바이어스 전극 2측에 향하여 가속된다. 이 전자는, 반도체 웨이퍼 9에 도달할때까지의 사이의 가스에 충돌하고, 전자온도의 이방성이 감쇠한다. 그러나, 본 실시의 형태에 있어서는, 기판바이어스 전극 2와 대향전극 3과의 사이폭이 전자의 평균 자유행정의 2 배이하로 좁게 설정되어 있으므로, 제 9 (b)도의 개념도에 표시하는 바와같이, 전자는 충분한 전자온도 이방성을 보지한채로, 레지스트 개구부를 통하여, 레지스트 개구부의 저부에 까지 도달한다. 이에 의하여, 알루미늄 막 35와 게이트 전극에 축적된 정의 전하가 중화되어, 챠지업 대미지를 회피할수 있다.
이하, 기판 바이어스 전극 및 대향전극에 인가하는 전압 챠지업 억제효과 와의 관계를 조사한 결과에 대하여 설명한다. 실험에는, 제 10 도에 표시하는 플라즈마 장치를 사용하였다. 샘플 59로서, 실리콘 기판상에 두께가 약 2.0㎛의 SiO2막을 형성하고, 이 SiO2막에 애스펙트 비가 2의 복수의 구멍으로서 되는 홀 패턴을 형성한 것을 준비하였다. 또, 샘플 59b로서, 홀 패턴으로 바꾸어서 SiO2막으로 충분히 큰 개구부(Open-space)를 형성한 것을 준비하였다.
그리하여, 챔버 51내에 Ar(아르곤) 가스를 도입하고, 챔버 51내의 압력을 2.5mTorr로 하였다. 제 1 의 전극 52에는 주파수가 400kHz 의 고주파 전력을 공급하였다. 또, 제 2 의 전극 53에는, 플라즈마내에 고 에너지의 전자를 발생시키기 위하여, 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하였다. 더우기 코일 56에는, 주파수가 3.4MHz로 1.5kW의 전력을 공급하였다. 이에 의하여, 챔버내의 플라즈마가 발생하였다. 플라즈마의 밀도는, 1×1011㎝-3이고, 전자온도는 160mm이고, 이 거리는 전자의 평균자유행정과 거의 같다.
제 1 의 전극 52에 인가하는 고주파 전압 Vp-p를 400V로 하고, 제 2 의 전극 53에 인가하는 고주파 전압 Vp-p를 0에서 1000V로 변화시켜서, 에스펙트비 2의 홀패턴을 가지는 샘플 및 오픈 스페이스를 가지는 샘플의 자기 바이어스 전위를 조사하였다. 제 13도에 대향 바이어스 인가 전압에 의한 자기 바이어스 전압을 표시한다. 에스펙트 비 2의 홀패턴에서는, 대향 바이어스 전압을 인가 시켜가면, 홀 패턴의 자기 바이어스 전위가 내려간다. 이때, 오픈 스페이스 패턴에서는 약간 전위가 상승할 뿐이다. 제 14도에 대향 바이어스인가 전압에 의한 홀패턴과 오프 스페이스의 전위차를 표시한다. 대향 바이어스에 의해서 자기 바이어스 전위차를 감소하고, 챠지업이 억제 되는 것을 알수 있다.
제 2의 전극 53에 인가하는 고주파 전압 Vp-p를 0V, 476V와 840V로 하여, 제 1 의 전극 52에 인가하는 고주파 전압 Vp-p를 100~900V로 변화 시켜서, 홀 패턴을 가지는 샘플과 오픈 스페이스를 가지는 샘플의 경우, 자기바이어스 전압을 조사하였다. 제 12(b) 도는 횡축에 시료인가전압 (substrate RF bias voltage)을 취하고, 종축에 자기 바이어스 전압을 취하여 양자의 관계를 표시한 도이다. 또, 홀패턴을 가지는 샘플의 경우, 제 12(b) 도에서, 샘플에 인가하는 전압이 증가함에 수반하여 챠지업을 억제하는 효과가 저감하는 것을 알수 있다. 이는 샘플에 인가하는 전압을 증가시키면 전자 셰딩 효과가 커지기 때문이다. 또한, 제2의 전극 53에 인가하는 전압을 높게하면 샘플에 인가하는 전압이 높더라도 챠지업을 제어효과를 볼수 있다. 이는, 제 2 의 전극 53 에 인가하는 전압이 높을수록, 기판에 향하는 전자의 에너지가 높아지기 때문이다. 이 실험결과에서, 제 1의 전극 52에 인가하는 전압이 높은 경우에는, 제 2의 전극 53에 인가하는 전압을 높히면 좋다는 것을 알수 있다.
더우기, 대향전극 3에 공급하는 전압의 주파수는, 기판 바이어스 전극 2에 공급하는 전압의 주파수의 정수배로 하는것이 바람직하다. 이에 의하여, 기판 바이어스 전극 2와 대향전극 3에 인가되는 고주파 전압의 동기를 취할수 있고, 기판 바이어스 전극 2에 인가되는 것을 고주파 전압의 1 주기 때마다 전계의 상태를 균일하게 할수 있다.
또, 대향전극 2에 공급하는 고주파 전력의 상위는, 기판 바이어스 전극 2로부터의 거리에 응하여 제어될수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이는, 후술하는 제 4의 실시의 형태에 표시와 같이, 기판 바이어스 전극 2 로부터의 거리에 따라 대향전극 3에 공급하는 고주파전력의 위상을 변경함으로서 챠지업이 제어될 수 있기 때문이다.
또 제 3 (a), (b)에 파형도를 표시하는 바와같이 기판 바이어스 전극 2가 애노드의 기간, 즉 플라즈마 공간 전위에 대하여 양의 기간에 대향전극 3에 고주파 전력이 주어지고, 기판 바이어스 전극 2가 캐소드의 기간, 즉 플라즈마 공간 전위에 대하여 음의 기간은 대향전극 3에 고주파 전력이 주어지지 않도록, 제 2 의 고주파 전원 7의 출력을 제어하는 것이 바람직하다. 전자는 기판바이어스 전극 2가 애노드의 기간일때에 레지스트 개구부에 진입 하므로, 이와같이 제 2 의 고주파 전원 7의 출력을 제어 함으로써, 플라즈마 중의 전자온도의 상승을 억제하면서 전자를 유효하게 레지스트 개구부에 진입 시킬수가 있다.
제 4 도는, 제 2 의 고주파 전원의 출력을 온·오프 하는 제어기구를 설치한 플라즈마 장치를 표시하는 도이다. 이 제 4 도에 있어서, 제 1 도와 동일물에는 동일부호를 붙여서, 그 상세한 설명은 생략한다. 또, 제 5 도는 제 4 도 중의 A점, B점과 C 점의 전압 파형을 표시하는 도이다.
고주파 발진기 158은, 제 5 도의 B점의 파형에 표시하는 바와같이 정현파의 고주파신호를 출력한다. 이 고주파 신호는, 온·오프 변조기 157에 입력된다. 온·오프 변조기 157은, 펄스 발진기 159에서 출력되는 신호로 온·오프 한다.
펄스 발진기 159로 부터는, 제 5의 A점의 파형에 표시하는 바와같이 파고치가 5V의 구형의 펄스가 출력된다. 펄스 발진기 159의 출력은 고주파 전원4의 출력에 동기하고 있다. 온·오프 변조기 157은 펄스 발진기 159에서 출력되는 신호가 H 레벨일때는 발진기 158의 출력을 앰프 156에 전달하고, L레벨일때는 발진기 158의 출력을 차단한다. 이에 의하여, 앰프 156에는 제 5 도의 C점의 파형으로서 표시하는 신호가 입력된다. 앰프 156은, 이 입력신호를 증폭하여, 매칭복스 155를 개입하여 대향전극 3에 고주파 전력을 단속적으로 공급한다. 이와같이 하여, 기판 바이어스 전극 2가 애노드의 기간에 대향전극 3에 고주파 전력을 공급하는 플라즈마 장치가 실현된다.
또, 제 1 도에 표시하는 장치에 있어서, 사용하는 가스의 종류 또는 압력에 따라, 기판 바이어스 전극 2 또는 대향전극 3의 위치를 상하 방향으로 용이하게 변경될수 있도록 하여도 좋다. 예를들면 제 6 도는 기판 바이어스 전극 2의 상하 기구를 표시하는 도이다. 베이스 30은 그 중앙부에 모터와 기어등으로서 구성되는 구동부 30a를 가지고, 모터의 정전과 역전으로 샤프트 30c가 상하 방향으로 이동한다. 또 베이스 30의 4구석에는 가이드 구멍 30b가 형성되어 있다. 한편, 기판 바이어스 전극 2의 하측 4 구석에는 롯드 2a가 설치되어 있고, 이들의 롯드 2a가 베이스 30의 가이드 구멍30b에 삽입된다. 또, 기판 바이어스 전극 2는, 하면중앙부에서 구동축 30c에 결합되어 있다.
예를들면 스텝에칭으로는, 동일 챔버내에서 복수의 가스종과 가스 압력으로 에칭을 행하나, 가스종과 가스압이 변화하면 전자의 평균자유 행정이 변화한다.
이 제 6 도에 표시하는 바와같이, 기판 바이어스 전극 2 의 상하 기구를 설치함으로써, 스텝 에칭하는 경우라도, 가스의 종류와 압력에 따라 전극 2, 3 의 간폭을 조정함으로써, 챠지 대미지를 방지하면서, 스텝에칭을 행할수가 있다.
제 15도는 본 발명의 제 2 의 실시의 형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시하는 모식도이다. 더우기, 본 실시의 형태는, 본 발명을 유도결합형 플라즈마 (ICP : Inductively Coupled Plasma) 장치에 적용한 것이다. 또, 제 15 도에 있어서, 제 1 도와 동일물에는 동일부호를 붙여서, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시의 형태에 있어서는, 벨쟈 1b의 외주에 코일 11이 감겨져 있다. 이 코일 11에는, 고주파전원 12에서 주파수 RF3이 3.4MHz의 고주파 전력이 공급되고, 이에 의하여, 챔버 1 내의 전극 2, 3 사이에는 상하 방향의 고주파의 자계가 발생한다. 더우기 벨쟈 1b의 코일 11이 감겨져 있는 부분은 유리로 형성되어있다. 또, 챔버 본체 1a는 알루미늄으로 형성되어 있고, 접지된다.
본실시의 형태에 있어서는, 제 1 의 실시의 형태와 마찬가지의 효과를 얻게됨에 부가하여, 코일 11에 의하여 발생한 고주파의 자계에 의하여 발생한 전계로 플라즈마를 가열하므로, 가스압이 낮아도 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는 이점이 있다.
이점을 보다 상세히 설명한다. 제 1 의 실시의 형태의 제 1 도에 표시한 장치와 같이, 전극을 통한 용량결합에 의해서 챔버내의 가스에 에너지를 투입하는 방식의 장치인 경우에는, 가스압이 낮으면 플라즈마밀도가 낮아지고, 가스압이 너무 낮으면, 플라즈마의 형성 및 유지가 될수없게 된다. 이에 대하여, 본 실시의 형태에서는, 제 15도에 표시와 같이 전극을 통하지 않은 에너지를 투입하도록 하였으므로, 가스압이 낮아도 높은 플라즈마 밀도가 얻어진다. 이때문에, 본실시예의 형태에서는, 가스압을 낮게할수있고, 결과로서, 전자의 평균자유행정이 커져서, 간격의 제한이 없어지는 이점이 있음과 동시에, 종래부터 알려져 있는바와 같이 에칭 특성이 개선되는등의 이점도 있다.
이하, 본 실시예의 형태의 플라즈마장치를 사용하고, 고주파전원의 주파수와 챠지 대미지와의 관계를 조사한 결과에 대하여 설명한다.
본 발명자들은, 제 15도에 표시하는 장치를 사용하고, 기판 바이어스 전극 2 에 인가한 고주파 전력으로 플라즈마 시스 전계의 전자의 가속효과를 조사 하였다. 사용한 가스는 아르곤(Ar)이고, 가스유량은 50sccm, 압력은 10mTorr, ICP입력파워 즉, 코일 11에 입력하는 전력은 500W이다. 기판 바이어스 전극 2에 공급하는 고주파 전력의 주파수는, 13.56MHz, 1MHz, 600kHz, 400kHz, 200kHz 또는 100kHz로 하였다. 더우기 이때, 대향전극 3에는 고주파 전력을 공급되지 않는다.
플라즈마의 전자온도는, 제 7도에 표시하는 랭뮤어프로브법으로, 기판바이어스 전극2의 중앙부의 상방 20mm의 위치에서 측정하였다. 제 16도는, 횡축에 주파수를 취하고, 종축에 전자온도를 취하여 그 측정결과를 표시하는 도이다. 이 제 16 도에서 명백한 바와같이 플라즈마 시즈 전계에 의한 전자의 가속효과는, 기판 바이어스 전극에 공급하는 고주파 전력의 주파수에 관계하고, 주파수가 100kHz에서 1MHz 의 범위에서는 전자온도의 상승은 거의 없다. 한편, 기판 바이어스 전극 2에 13.56MHz의 고주파 전력을 인가한 경우에는, 전자온도가 현저히 증가하였다. 이로부터 기판 바이어스 전극 2에 공급하는 고주파 전력의 주파수는, 100kHz~1MHz로 하는것이 바람직한 것을 알수 있다.
다음에, 알루미늄 배선 에칭 후의 반도체 웨이퍼를 플라즈마에 노출시킴으로써, 본 실시의 형태의 플라즈마 장치에 의한 챠지 대미지의 저감효과를 조사한 결과에 대하여 설명한다.
플라즈마 장치의 챔버 1 (벨쟈)는, 직경이 500mm, 높이가 200mm, 두께가 5mm의 석영 또는 유리제이고, 이 챔버 1의 주위에는 코일 11로서 두께가 0.2mm, 폭이 10mm, 길이가 10m의 동띠 (銅帶)가 5회 감겨져 있다. 기판 바이어스 전극 2 와 대향 전극 3 과의 거리는 5㎝이다.
한편, 샘플인 반도체 웨이퍼 9상에는 두께가 8nm의 게이트 산화막을 통하여 형성된 복수의 게이트 전극이 배열되어 있다. 각 게이트 전극은, 1 변이 1㎛의 정방형이다. 이들의 게이트 전극은 절연막이 피복되어 있고, 이 절연막 상에는 두께가 0.8㎛의 알루미늄 막이 형성되어 있다. 이 알루미늄 막은 전기 절연막에 선택적으로 형성된 콘택트 홀을 통하여 전기 게이트 전극에 전기적으로 접속되어 있다. 그 위에 안테나 비가 104, 105또는 106오더의 3종류의 샘플을 준비 하였다. 또, 알루미늄 막 위에는, 두께가 1.6㎛의 포토레지스터 패턴이 형성되어있다.
먼저 Cl2와 BCl3의 혼합 가스 중에서 게이트 전극에 챠지 대미지를 주지않도록 하여 반도체 웨이퍼 9상에 알루미늄 막을 에칭하였다.
그후, 이 반도체 웨이퍼 9를 제전 플라즈마에 쬐였다. 이때의 조건은, 코일11에 주파수가 3.4MHz의 고주파전력을 공급하고, 대향전극 3에는 주파수가 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하고, 기판 바이어스 전극 2에는 주파수가 400kHz의 고주파 전력을 공급하였다. 또, 가스는 Ar이고, 가스 용량은 50sccm, 압력은 10mTorr, ICP입력 파워는 1kW이다. 기판 바이어스 전극 2에 인가된 고주파 전력은 50W이다. 그리하여, 대향전극 3에 인가하는 고주파 전력의 파워를 50W, 100W, 150W로 하여, 챠지 대미지에 의한 게이트 산화막의 파괴율을 조사 하였다. 그 결과, 고주파전력의 파워가 50W의 일때의 게이트 산화막의 파괴율은 34%, 100W일때의 게이트 산화막의 파괴율은 18%, 150W 일때의 게이트 파괴율은 4%이고, 대향전극에 공급 하는 고주파 전력의 파워가 클수록 파괴율은 감소하였다.
더우기, 대향전극 3에 공급하는 고주파 전력의 주파수는, 기판 바이어스 전극 2 에 공급하는 고주파수전력의 주파수보다 높은 것이 바람직하다. 그러나, 대향전극 3 에 공급하는 고주파수전력의 주파수가 기판 바이어스 전극 2에 공급하는 고주파 전력의 주파수 보다 약간 낮은 경우라도, 투입 전력의 크기에 따라서 상술의 결과를 얻을 수가 있다.
제 17 도는 본 발명의 제 3 의 실시의 형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시한 단면도이다.
챔버 101은, 챔버 본체 103과, 이 챔버 본체 103에 대하여 착탈가능한 석영 또는 유리판으로서 되는 뚜껑부 102 로서 구성되어 있다. 이 챔버 101에서는, 반도체 웨이퍼 109가 재치되는 기판 바이어스 108이 설치되어 있다. 이 기판 바이어스 108에는 고주파 전원 114에서 매칭 회로 115와 필터 116을 통하여 고주파 전력이 공급된다. 또, 뚜껑부 102의 상면에는, 대향전극 110이 장치되어 있다. 이 대향 전극 110은, 예를들면 18 도에 평면도를 표시하는 바와같이 복수의 구형의 개구부 110을 가지고 있다. 이 대향 전극 110에는, 고주파 전력 111에서 매칭 회로 112와 필터 113을 통하여 고주파 전력이 공급된다.
더우기, 기판 바이어스 전극 108과 대향전극 110과의 간격은, 전자의 평균 자유 행정의 2 배이하로 설정되어 있다. 또, 대향전극 110에 설치된 개구부 110a의 형태는, 마이크로파가 통하는 것이라면 어떠한 형상이라도 좋다.
챔버 101은, 가스 봄베와 마스프로콘트롤러등으로서 구성되는 가스 공급부 106에 접속되고, 이 가스 공급부 106에서 소정의 가스가 공급된다. 또, 챔버 101은 배기 펌프 107에 접속되어 있다. 이 유전체판 153은, 도피관 152를 통하여 마이크로파 발진기 151에 접속되어 있다.
이와같이, 구성된 플라즈마 장치를 사용하여, 반도체 웨이퍼 109상의 알루미늄막 (제 34 도 참조)을 에칭하는 경우에 대하여 설명한다. 먼저 배기 펌프 107로서 챔버 101내를 배기한 후, 가스 공급 후 106에서 챔버 101내에 예를들면 에칭가스로서 Cl2가스를 공급한다. 그리하여, 챔버 101 내의 압력을 약 3 mTorr로 유지한다.
다음에, 마이크로파발전기 151을 작동시킨다. 그리하면 마이크로파발진기 151에서 출력된 마이크로 파는 도파관 152를 통하여, 유전체판 153에 도달하여, 이 유전체판 153중에 정재파가 발생한다. 이 정재파는 뚜껑부 102 와 대향전극 110의 개구부 110을 통하여 챔버 101내에 침투한다. 이 상태에서 기판 바이어스 전극 108에 고주파 전원 114에서 100KHz~1MHz의 고주파 전력을 공급하고, 대향전극 110에 고주파 전원 111에서 10MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급한다. 이 경우에, 뚜껑부 102를 통하여 챔버 101내에 침투한 마이크로파로서 플라즈마가 가열하므로 저압에서도 플라즈마 밀도가 높아진다.
이 플라즈마 중의 이온이 반도체 웨이퍼 109의 레지스트 개구부를 통하여 알루미늄막에 도달하여, 알루미늄막이 에칭된다. 이때, 대향전극 110측에서는, 대향전극 110에 공급된 고주파 전력으로서 플라즈마 중의 전자가 기판 바이어스 전극 108측을 향하여 가속된다. 이 전자는 반도체 웨이퍼 109에 도달하기까지의 사이에 플라즈마 중의 분자에 충돌하여, 전자온도의 이방성이 감쇠한다. 그러나, 본 실시예의 형태에 있어서는, 기판 바이어스 전극 108과 대향전극 110과의 간격이 전자의 평균자유행정의 2 배 이하로 설정되 있으므로 제 9 (b)도의 개념도에 표시하는바와 같이 충분한 전자온도 이방성을 보지한채, 레지스트 개구부 36a의 저부에까지 도달한다. 이에 의하여, 레지스트 개구부 36a의 저부에 축적된 정전하가 중화되어서 챔버 대미지를 회피할 수가 있다.
더우기, 본 실시예의 형태에 있어서도, 제 3 (a) (b)도에 표시하는 바와같이, 기판 바이어스 전극 108이 애노드의 기간은 대향전극 110에 주어지는 고주파 전력이 온(on)으로 되고, 기판바이어스 108이 캐소드의 기간은 대향전극 110에 주어지는 고주파 전력이 오프(off)가 되도록 제 2 의 고주파 전원 111의 출력을 제어하는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 전자 온도의 상승을 억제하면서 전자를 효과적으로 레지스트 개구부에 침입시킬수가 있다.
또, 본 실시예의 형태에 있어서도, 기판 바이어스 전극 108과 대향전극 110과의 간폭을 변경가능케 하여도 좋다.
더우기, 대향전극 110은, 제 19 도에 표시하는 바와같이, 석영 또는 유리로서 되는 뚜껑부 102에 매립하여도 좋다. 제 17도에 표시하는 대향전극 110에서는 에칭으로 발생한 파티클(particle)이 개구부 110a내에 부착되어 마이크로파가 쳄버 101 내에 침투하는 것을 저해할 염려가 있다. 그러나, 제 19도에 표시하는 대향 전극 110은 뚜껑부 102에 매립되어 있으므로, 대향전극 110의 개구부 110a의 사이에 파티클이 부착하는 일이 없다. 또, 뚜껑부 102a의 표면에 요철이 없으므로 뚜껑부 102에 부착한 파티클을 용이하게 제거할 수가 있다.
제 20 도는 본 발명의 제 4 도의 실시형태의 플라즈마 장치를 표시하는 도이다. 다만, 이 제 20 도에서는, 가스의 공급부와 배기 펌프의 도시를 생략하고 있다.
챔버 51내에는 제 1 의 전극 52, 즉 기판 바이어스 전극이 배치되어 있고, 이 제 1 의 전극 52상에 반도체 웨이퍼를 탑재한다. 이 제 1 의 전극 52의 상방에는 제 2 의 전극 53의 즉, 대향전극이 배치되어 있다. 또, 챔버 51의 외주에는 코일 56이 감겨져 있어 이 코일 56에는 고주파 전원 65에서 고주파 전력이 공급 된다.
제 1 의 전극 52에는 고주파 전원119a에서 캐퍼시터 62를 통하여 고주파 전력이 공급된다. 이 고주파 전원 119a는, 신호 발생기 117에서 출력되는 신호에 동기한 주파수의 고주파 전력을 출력한다. 신호 발생기 117은 예를들면 주파수가 13.5 MHz의 신호를 출력한다. 또, 제 2 의 전극 53에는 고주파 전원 119b에서 캐퍼시터 64를 통하여 고주파 전력이 공급된다.
이 고주파 전력 119b 도 신호 발생기 117에서 출력되는 신호에 동기한 주파수의 고주파 전력을 출력한다. 다만 고주파 전원 119b와 신호 발생기 117과의 사이에는 위상 쉬프터 118이 접속되어 있고, 이 위상 쉬프터 118로서 고주파 전원 119b에 주어지는 신호의 위싱을 제어 할수가 있다.
이하, 이와같이 구성된 플라즈마 장치에 있어서, 챠지업의 저감의 정도를 조사한 결과에 대하여 설명한다.
전술한 제 10도에 표시하는 실험에 사용한 것과 마찬가지의 샘플 59a, 59b를 제 1 의 전극 52 상에 탑재하였다. 제 1 의 전극 52와 제 2 의 전극 53과의 간격은 160mm이다. 그리하여 샘플 59a를 전압계 76a에 접속하고, 샘플 59b를 전압계 76b에 접속하였다.
챔버 51 내에 Ar가스를 도입하여, 챔버 51 내의 압력을 2.5mTorr로 유지하였다. 또, 제 1 의 전극 52에 전압 (Vp-p)이 200v로 주파수가 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하고, 제 2 의 전극 53에 전압(Vp-p)이 360V로 주파수가 13.56MHz의 고주파 전력을 공급하였다.
그리하여, 위상 쉬프터 118로서, 고주파 전원 119b에서 출력되는 고주파 전력의 위상을 변화시켜서 샘플 59a, 59b의 전압차를 조사 하였다.
제 21도는, 횡축에 제 1 의 전극 52에 공급되는 고주파 전력과 제 2 의 전극 53에 공급되는 고주파 전력과의 위상차를 취하고, 종축에 샘플 59a, 59b의 전압차 (DC self-bias potential difference) 를 취하여, 양자의 관계를 표시하는 도이다.
다만, 제 2 의 전극 53에 공급하는 고주파 전력을 공급하지 않은 경우의 차징 압력 (without counter bias)은 약 44V 이었다. 이 제 21 도에서, 제 1 의 전극 52와 제 2 의 전극 53에 공급하는 고주파 전력의 위상차를 제어함으로써, 챠지업이 저감되는 것을 알수 있다. 또, 이 도에서, 본래, 제 2 의 전극 53이 애노드 일때에는 고 에너지의 전자가 제 1 의 전극 52측에 이동하지 않을 것임에도 불구하고 챠지업의 저감효과가 있음을 알수 있다. 이로부터, 고주파 전력의 1 주기의 시간에 대하여, 전극 사이를 전자가 이동하는데 걸리는 시간이 무시될수 없음을 알수 있다. 다시 말해서, 전극 사이의 거리에 따라 챠지업을 저감하는 최적의 위상차는 변화한다.
제 22 도는 본 발명의 제 5도의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시하는 단면도, 제 23 도는 마찬가지로 그 상면도, 제 24 도는 마찬가지로 그 대향전극을 표시하는 상면도이다. 본 실시형태는, 본 발명을 TCP(Transformer Coupled Plasma) 장치에 적용한 것이다.
챔버 121은, 챔버본체 121a와, 이 챔버 본체 121a에 대하여 착탈가능한 벨쟈 121b로서 구성되어 있다. 또, 벨쟈 121b의 상면부 121c는 유전체 재료로서 형성되어있다. 이 챔버 121내에는 기판 바이어스 전극 122가 설치되어 있고, 이 기판 바이어스 전극 122상에 반도체 웨이퍼 9를 탑재한다. 이 기판 바이어스 122에는, 고주파 전원 124에서 매칭 회로 125와 캐퍼시터 126을 통하여 주파수 RF1의 고주파 전력이 공급 된다. 주파수 RF1은 100kHz~1MH의 범위에 설정된다.
벨쟈 121b위에는 원판상의 대향전극 123이 기판 바이어스 전극 122에 대향 하도록 배치되어 있다. 이 대향전극 123은 동판(銅版)으로 되고, 제 24 도에 표시하는 바와같이 방사상으로 다수의 슬리트 123a가 형성되어 있다. 이 대향 전극 123에는, 고주파전원 127에서 매칭회로 128을 통하여 주파수 RF2의 고주파 전력이 공급된다. 주파수 RF2는 10MHz~100MHz의 범위로 설정된다. 또, 기판 바이어스 전극 122와 대향전극 123과의 거리는 약 50mm로 설정되어있다.
대향전극 123의 상방에는 소용돌이무늬상의 코일 131이 배치되어 있다. 이 코일 131은, 대향전극 123에서 전기적으로 분리되어 있고, 고주파전원 132에서 매칭 회로 134를 통하여 주파수 RF3의 고주파 전력이 공급된다. 주파수 RF3은 1MHz~27MHz의 범위로 설정된다.
챔버 121은, 가스봄베와 마스프로콘트롤러로서 구성되는 가스 공급부 130에 접속되어 있어, 이 가스 공급부 130에서 소정의 가스가 설정된 유량으로 공급된다. 또, 챔버 121은, 배기 펌프 133에 접속되어 있다.
이와같이 구성된 플라즈마 장치에 있어서, 가스 공급부 130에서 챔버 121내에 예를들면 에칭 가스로서 Cl2등의 가스를 공급하고, 배기 펌프 133으로 챔버 121내를 배기하여, 챔버 121내의 압력을 1mTorr~30mTorr로 한다. 여기서는 챔버 121내의 압력을 5mTorr로 유지하는 것으로 한다.
또, 고주파 전원 132에서 코일 131에 주파수 RF3이 1MHz~27MHz의 고주파 전력을 공급 한다. 또, 고주파 전원 124에서 기판 바이어스 전극 122에 주파수 RF1이 100KHz~1MHz의 고주파 전력을 공급함과 동시에, 고주파 전원 127에서 대향전극 123에 주파수 RF2가 10MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급한다.
코일 131에 공급된 고주파 전력으로, 챔버 121내에 고주파의 자계가 발생한다. 이 고주파의 자계로 발생한 자계에 의하여 플라즈마가 가열된다.
한편, 기판 바이어스 전극 121에 공급된 고주파 전력으로 반도체 웨이퍼 9의 전위가 바이어스 되어 플라즈마중의 이온이 반도체 웨이퍼 9를 향하여 가속되고, 반도체 웨이퍼 9상의 알루미늄막등이 에칭된다.
또, 대향전극 123에 공급된 고주파 전력으로, 상벽부 121a와 플라즈마시스와의 사이의 시즈폭이 주파수RF3로 경시적으로 변동한다. 이에 의하여, 플라즈마중의 전자가 반도체 웨이퍼 9에 향하여 가속된다. 챔버 121내의 압력을 3mTorr로 하면 전자의 평균자유 행정은 약 50mm이고, 5mTorr로 한 전자의 평균자유행정은 약 30mm이고, 전극사이의 거리는 그 2배 이내로 설정되어 있으므로, 가속된 전자의 대부분이 산람됨이 없이 반도체 웨이퍼 9에 도달한다. 이에 의하여, 챠지 대미지나 에칭 특성의 열화를 저감할수가 있다.
본 실시의 형태에 있어서는, 코일 131에서 발생한 고주파의 자계가 대향전극 123을 통과할때에 대향전극 123에 전류가 발생하나, 제 24 도에 표시하는 바와같이, 대향전극 123에는 방사판으로 슬리트 123a가 설치되어 있으므로 전류에 의한 손실이 비교적 적다.
더우기, 대향전극 123은, 제 25 도에 표시하는 바와같이, 유전체재료로서 구성되는 상벽부 121c에 매립되어도 좋다. 이 경우도, 상기와 마찬가지의 효과를 얻을수 있다.
제 26 도는 본 발명의 제 6 의 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시하는 단면도이다. 더우기 본 실시예의 형태에 있어서, 제 22 도와 동일물에는 동일부호를 붙여서 그 상세한 설명은 생략한다.
챔버 121의 상벽부 121c는 유전체 재료로서 형성되어있고, 대향전극 123은 상벽부 121c내에 매립되어 있다. 이 대향전극 123은 접지되어 있다.
또, 챔버 121의 내측에는 절연막 147이 피복되어 있다. 이 절연막 147의 두께는 대향전극 123 보다 하측에 존재하는 상벽부 121c의 두께에 비하여 충분히 두껍고, 예를들면 10배 정도로 설정되어 있다.
반도체 웨이퍼 9가 재치되는 기판 바이어스 전극 122에는, 고주파 전원 124에서 매칭 회로 125와 캐퍼시터 126을 통하여 주파수 RF1이 100kHz~1MHz의 고주파전력이 공급됨과 동시에, 고주파 전원 144에서 매칭 회로 145와 캐퍼시터 146을 통하여 주파수 RF2가 10MHz~100MHz의 고주파 전력이 공급된다.
이와같이 구성된 본실시형태의 플라즈마 처리장치에 있어서, 기판 바이어스 전극 122상에 반도체 웨이퍼 9를 탑재하고,. 챔버 121내에 에칭가스로서 예를들면, Cl2를 도입하고, 배기 펌프 133을 작동시켜서 챔버 121내의 압력을 예를들면 5mTorr로 유지한다. 그리하여, 기판 바이어스 전극 122에 고주파 전원 124, 144에서 주파수 RF1,RF2의 고주파 전력을 공급함과 동시에 코일 131에 고주파 전원 132에서 주파수 RF3의 고주파 전력을 공급한다. 그렇게하면, 코일 121로서 발생한 고주파의 자계에 의하여, 챔버 121내에 플라즈마가 발생한다. 이로서 플라즈마의 전위는 고주파 전원 144에서 공급되는 고주파 전력에 의하여 변조되고, 접지전위에 유지된 대향전극 123의 근방의 전자가 기판 바이어스 전극 122에 향하여 가속된다. 이에 의하여, 본 실시의 형태에 있어서도, 제 5 의 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻게된다.
본 실시형태에 있어서는, 챔버 121내측에 절연막 147이 두껍게 형성되어있으므로, 플라즈마와 챔버 측벽과의 사이의 전기적 결합을 작게할 수가 있다.
또, 본 실시형태에 있어서, 제 27(a)도에 표시하는 바와같이, 제 1 의 고주파 전원 124의 전력전압이 정의 기간에 제 2 의 고주파 전원 144의 출력이 온(on)이 되도록, 제 2 의 고주파 전원 144의 출력을 제어하여도 좋다. 또, 제 27(b) 도에 표시하는 바와같이, 고주파전원 124에 의한 기판 바이어스 전압이 플라즈마 공간전위에 대하여 정이되는 기간에 고주파 전원 144의 출력이 온이 되도록, 고주파 전원 144의 출력을 제어하여도 좋다. 이에 의하여, 플라즈마의 가열을 제어하고, 전자를 유효하게 반도체 웨이퍼에 도달시킬수가 있다.
제 28 도는 본 발명의 제 8의 실시형태에 관계하는 플라즈마 장치를 표시하는 단면도이다. 더우기 제 28 도에 있어서, 제 26도와 동일물에는 동일부호를 붙여서 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시형태에 있어서는, 반도체 웨이퍼 9가 탑재되는 전극 122를 접지하고, 전극 122에 대향하는 전극 123에, 고주파 전원 124에서 매칭 회로 125a를 통하여 주파수가 100kHz~1MHz의 고주파 전력을 공급함과 동시에, 고주파 전원 144에서 매칭회로 145를 통하여 주파수가 10MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급한다.
본 실시형태에 있어서도, 제 6의 실시형태와 마찬가지의 효과를 얻을수 있다.
제 29는 본 발명의 제 8의 본 실시형태에 관계되는 플라즈마 장치를 표시하는 단면도이다. 본 실시형태에 있어서, 제 15 도와 동일물에는 동일부호를 붙여서 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시형태에 있어서는, 챔버 1의 외주의, 예를들면 4개소에, 헬리콘파 플라즈마 발생부 160이 설치되어 있다. 이 헬리콘파 플라즈마 발생부 160은 챔버 1에 접속한 통부 163과, 이 통부 163의 주위에 배치된 안테나 161과 통부 163과 챔버 1과의 접속부의 근방에 배치되어서 자장을 발생시키는 코일 162로서 구성되어있다. 이 코일 162에는, 전원 (도시하지않음)에서 직류전류가 공급된다. 그리하여, 안테나 161에는 매칭 박스 167을 통하여 고주파 전원 168에 접속되어 있다.
본 실시형태의 플라즈마 장치에 있어서, 가스 공급부 10에서 챔버 1 내에 공급된 가스는, 헬리콘파 플라즈마 발생부 160의 통부 163내에 진입한다. 한편, 고주파 전원 168에서 매칭 박스 167을 통하여 안테나 161에 고주파 신호가 공급 되고, 안테나 161에서 통부 163의 내측에 전자파가 방출되고, 통부 163의 내측에서 헬리콘파가 발생한다. 이 플라즈마는, 코일 162로서 발생한 자장의 작용에 의하여 챔버 1 내측의 전극 2, 3사이에 유출된다. 대향전극 3에는 고주파전원 7에서 고주파 전력이 공급되어 있으므로, 제 2 의 실시형태와 마찬가지로, 반도체 웨이퍼 9의 에칭시에서의 챠지업을 회피 할수가 있다.
더우기, 챔버 1 내에 가스를 공급하는 가스 공급부 10으로 바꾸어서 또는 가스공급부 10과 동시에, 제 30 도에 도시하는 바와같이, 헬리콘과 플라즈마 발생부 106의 내측에 직접 가스를 공급하는 수단을 설치하여도 좋다.
상술한 각 실시형태에 있어서는, 플라즈마 생성수단으로서 ICP, TCP, 마크로파, 헬리콘파에 의하여 플라즈마를 생성하는 경우에 대하여 설명하였으나, 그 외에, ECR, UHF(Ultra High Frequency)등에 의해서 플라즈마를 생성하는 것이라도 좋다.
또, 제 15도에 표시하는 바와같이, 챔버에 자계를 발생시키기 위한 코일 11a는, 벨쟈 11의 측부에 감겨져도 좋고, 제 31(a), (b)의 표시와 같이, 돔상의 벨쟈 170, 171의 상부의 만곡한 부분에 배치되어도 좋다.
더우기, 상술의 각 실시형태에서는, 기판에 고주파 전력을 공급함으로써 바이어스 전압을 인가 하였으나, 바이어스를 필요로 하지않는 플라즈마 클리닝등의 프로세스에서는, 기판 바이어스전압을 인가하지 않아도, 대향전극에의 바이어스로 전자를 기판에 타격하는 작용효과는 마찬가지이다.
더우기, 상술의 각 실시형태에 있어서는 어느 경우에도 플라즈마 에칭의 경우에 대하여 설명하였으나, 본 발명은, 플라즈마 CVD법에 적용하는 것도 가능하다. 제 32 도는 플라즈마 CVD법에 의해서 TiN막을 형성한 반도체 장치를 표시한 도이다.
이 반도체장치는, 실리콘 기판 15상에 절연막 16을 통하여 알루미늄(A1) 전극 18을 형성하고, 이들의 알루미늄 전극 18을 피복하도록 절연막 17을 형성한 후, 그 절연막 17에 개구부 17a를 설치하고, 그후 플라즈마 CVD법에 의해서 전면에 TiN막 19를 형성한 것이다. 이 TiN막 19를 형성할때에, 전술의 각 실시형태의 어느것인가에 표시하는 플라즈마 장치를 사용한다. 이에 의하여, TiN막 19의 형성시에 막 16, 17에 챠지 대미지가 발생하는 것을 방지 할 수 있다.
이상 설명한 바와같이, 본 발명에 의하면, 제 1 및 제 2 의 전극을 대향시켜서 배치하고, 제 1 의 전극에 예를들면 100kHz~1MHz의 고주파 전력을 공급하여 챔버내에 플라즈마를 발생시킨다. 또, 제 2 의 전극에 예를들면 10MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급한다. 이 제 2 의 전극에 공급되는 고주파 전력에 의해 발생하는 플라즈마 시스 전계에 의해 제 2 전극의 근방의 전자가 제 1 의 전극을 향하여 가속된다. 이에 의하여, 플라즈마 중의 전자의 제 1 의 전극을 향하는 속도성분이 증가하고, 전자가 레지스트 개구부의 저부까지 도달하여 양의 전하가 중화되고, 챠지업이 억제되고, 에칭이 균일하게 되는 효과를 이룬다.
또, 본원의 다른 발명에 의하면, 반도체 웨이퍼를 탑재하는 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 고주파 전력을 공급하고, 전기 1의 전극에 대향하는 대향전극에 전기 제 1 의 주파수보다 고주파의 제 2 의 고주파 전력을 공급한다. 그리하여, 코일에 제 3 의 고주파 전력을 공급하여 챔버내에 고주파의 자계를 발생시켜, 이 자계에 의하여 챔버내에 플라즈마를 발생시킨다. 그렇게 하면 플라즈마중의 이온은 제 1 의 전극이 캐소드의 기간에 반도체 웨이퍼에 도달하고, 전자는 제 1 의 전극이 애노드이고 제 2 의 전극이 음의기간에 반도체 웨이퍼에 도달한다. 이에 의하여, 양의 전하가 중화되어 챠지 대미지를 회피하고, 에칭이 균일하게 되는 효과를 이룬다.
Claims (49)
- 챔버와 상기 챔버내에 배치되어서 반도체 웨이퍼가 탑재되는 제 1 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 배치된 제 2 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 고주파전력을 공급하는 제 1 의 고주파전원과, 상기 제 2 의 전극에 상기 제 1 의 주파수 보다 주파수가 높은 제 2 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 2 의 고주파 전원과, 상기 챔버내에 가스를 공급하는 가스 공급수단과, 상기 챔버내를 배기하는 배기펌프를 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제 1 의 주파수는, 100kHz 내지 1MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 10MHz~40MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 40MHz~100MHz 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 상기 제 1 의 주파수의 정배수인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 제 1 과 제 2 의 전극사이의 거리가 변경가능 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 챔버와, 상기 챔버내에 배치되어 반도체 웨이퍼가 탑재되는 제 1 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 배치된 제 2 의 전극과, 상기 제 1 의 전극에 접속되는 제 1 의 전원과 상기 제 2 의 전극에 접속되는 제 2 의 전원을 가지고, 그 제 1 의 전원과 그 제 2 의 적어도 한쪽은 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원이고, 상기 챔버내에 가스를 공급하는 가스 공급 수단과, 상기 챔버내를 배기하는 배기 수단과, 상기 가스에 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개재함이 없이 에너지를 투입하여 플라즈마를 생성하는 에너지 투입수단을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 1 의 전원은, 100kHz 내지 1MHz의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 2 의 전원은, 10MHz~40MHz의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 2 의 전극은 40MHz~100MHz의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 1 의 전원은, 제 1 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원이고, 전기 제 2 의 전원은 제 2 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파전원이고, 그 제 2 의 주파수는, 그 제 1 의 주파수의 정배수 인것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 의 전극 사이의 거리가 변경가능한 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 제 1 의 전원은, 제 1 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원이고, 상기 제 2 의 전원은, 상기 제 1 의 전극 애노드의 기간에 상기 제 2 의 전극에 제 2 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 고주파전력을 공급하는 고주파 전원인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 에너지의 투입 수단은, 상기 챔버내에 마이크로파를 방출하는 마이크로파 방출기 인것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제15항에 있어서, 상기 챔버의 상부는 유전체 재료로서 되고, 상기 제 2 의 전극은 슬릿트 또는 구멍이 설치되어 있는 상기 챔버의 상부에 매립되고, 상기 마이크로파 방출기는 상기 챔버의 상부에 접속되어있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 에너지투입 수단은, 상기 챔버내에 고주파의 자계를 발생시키는 도전성 코일이고, 상기 도전성 코일에는, 제 3 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 3 의 전원이 접속되어 있는 것을 특징으로하는 플라즈마 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 도전성 코일은 상기 챔버의 주위에 감겨져있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 도전성 코일은 상기 챔버의 상방과 상기 제 2 의 전극의 측방에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 도전성 코일은, 상기 제 2 의 전극의 상방에 배치되고, 상기 제 2 의 전극에는 구멍 또는 슬릿트가 설치되어 있는것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 제 1의 전원은 정전압 전원이고, 상기 제 2 의 전원은 고주파 전원이고, 상기 제 2의 전극에는 제 4 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 4 의 전원이 더 접속되어 있는것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제20항에 있어서, 상기 챔버의 내벽면중 적어도 전기 제 1 및 제 2 의 전극 사이의 측방의 내벽면을 덮는 절연막을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제16항에 있어서, 상기 제 2 의 전원은 정전압 전원이고, 상기 제 1 읜 전원은 고주파전원이고, 상기 제 1 의 전극에는 제 4 의 주파수의 고주파 전력을 공급하는 제 4 의 전극이 더 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제22항에 있어서, 상기 챔버의 내벽면중 적어도 상기 제 1 및 제 2 의 전극사이의 측방의 내벽면을 덮는 절연막을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 플라즈마 발생수단은, 상기 제 1 및 제 2 의 전극사이의 측방에 설치된 전자파발생기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 챔버의 상부는 유전체 재료로서되고, 상기 제 2 의 전극은 상기 챔버의 상부에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 장치.
- 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 그 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유공정의 2배 이하의 거리를 두어 그 제 1 의 전극에 대향시켜서 제 2 의 전극을 배치하고, 상기 챔버내의 가스를 공급하고, 상기 제 1 의 전극에 제 1 의 주파수의 제 1 고주파전력을 공급함과 동시에, 전기 제 1 의 주파수보다 주파수가 높은 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 상기 제 2 의 전극에 공급하여 상기 챔버내에 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제 1 의 주파수는 100KHz 내지 1MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 10MHz~40MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 40MHz~100MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제26항에 있어서, 상기 제 2 의 고주파 전력은, 상기 제 1 의 전극이 애노드의 기간에 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 상기 제 1 의 전극 제 1 의 주파수의 제 1 고주파 전력을 공급하고, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 제 2 의 전극을 배치하고, 상기 챔버내의 가스를 공급하고, 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개재함이 없이 상기 가스에 에너지를 투입하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제31항에 있어서, 상기 제 1 의 주파수는, 100KHz 내지 1MHz 인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제31항에 있어서, 상기 제 2 의 전극에는 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제34항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 10MHz~40MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 40MHz~100MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는, 상기 제 1의 주파수의 정수배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제 2 의 주파수는 상기 제 1 의 주파수 보다 높은것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제33항에 있어서, 상기 제 2 의 고주파 전력은, 상기 제 1 의 전극이 애노드의 기간에 공급되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제31항에 있어서, 상기 에너지의 투입은, 상기 챔버내에 고주파의 자계를 발생시키는 것이고, 상기 제 2 의 전극에 제 2 의 주파수의 제 2 고주파전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제31항에 있어서, 상기 에너지의 투입은 상기 챔버내에 고주파의 자계를 발생시키는 것이고, 상기 제 2 의 전극을 일정하게 보지하고, 상기 제 1 의 전극에 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제40항에 있어서, 상기 제 2 의 전극을 접지 전위로 보지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제31항에 있어서, 상기 에너지의 투입은, 상기 제 1 의 전극과 상기 제 2 의 전극의 측방의 영역에서 행해지고, 그 영역에서 생성된 플라즈마를 상기 제 1 의 전극과 상기 제 2 의 전극의 사이의 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 챔버내의 제 1 의 전극상에 반도체 웨이퍼를 탑재하고, 상기 제 1 의 전극에 대향하고 상기 제 1 의 전극에서 전자의 평균자유행정의 2배 이하의 거리를 두고 제 2 의 전극을 배치하고, 상기 챔버내에 가스를 공급하고, 상기 가스에 상기 제 1 및 제 2 의 전극을 개입함이 없이 에너지를 투입하여 플라즈마를 발생시켜, 상기 제 2 의 전극에 제 1 의 주파수의 제 1 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제43항에 있어서, 상기 제 1 의 주파수는, 10KHz~40MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제43항에 있어서, 상기 제 1 의 주파수는, 40MHz~100MHz인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제43항에 있어서, 상기 에너지의 투입은, 상기 챔버내에 고주파의 자계를 발생시키는 것이고, 상기 제 1 의 전극을 일정한 전위로 보지하고, 상기 제 2 의 전극에 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제43항에 있어서, 상기 에너지의 투입은 상기 챔버내에 고주파의 자계를 발생시키는 것이고, 상기 제 1 의 전극을 일정한 전위로 보지하고, 상기 제 2 의 전극에 제 2 의 주파수의 제 2 고주파 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제47항에 있어서, 상기 제 1 의 전극을 접지전위에 보지하는것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
- 제43항에 있어서, 상기 에너지의 투입은, 상기 제 1 의 전극과 상기 제 2 의 전극 측방의 영역에서 행해지고, 그 영역에서 생성된 플라즈마를 상기 제 1 의 전극과 상기 제 2 의 전극사이에 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
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