KR100293033B1 - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents

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토모미 무라카미
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Abstract

대규모 집적회로(LSI) 및 액정 디스플레이(LCD)의 제조 등에서, 에칭, 애싱, CVD 등에 이용되는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.
이 플라즈마 처리장치는 마이크로파 도파로용의 유전체판(誘電體板), 유전체판에 대향하여 설치되어 있는 마이크로파 도입창 및 이 마이크로파 도입창에 대면하도록 내부에 시료대가 배치되어 있는 반응용기를 구비한 플라즈마 처리장치이며, 마이크로파 도입창의 시료대와 대면하는 영역에 오목부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 또, 이 플라즈마 처리방법은 이 플라즈마 처리장치를 이용하여 시료에 플라즈마 처리를 실시하는 것을 특징으로 하고 있다.
시료와 대면하는 영역의 플라즈마 밀도를 높일 수 있고, 시료의 플라즈마 처리속도를 향상시킬 수 있다. 또, 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 미세한 패턴을 필요로 하는 반도체 소자의 제조를 가능하게 함과 동시에 소자 등의 제조 수율(收率)을 향상시킬 수 있다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법
반응성 가스의 플라즈마에 의한 처리가 LSI 및 LCD 등의 제조 프로세스에서는 넓게 채용되고 있다. 특히 플라즈마를 이용한 드라이 에칭(DRY ETCHING)기술은 LSI 및 LCD 등의 제조 프로세스에서 없어서는 안될 기본기술로 되어 있다.
최근, 마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 장치가 이들의 플라즈마 처리에 이용되어 오고 있다. 마이크로파를 이용하는 편이 종래 13.56MHz 전후의 고주파를 이용하는 것에 비해서, 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 것이 용이하기 때문이다.
그렇지만, 일반적으로 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리장치에서는 넓은 영역에 균일하게 플라즈마를 발생시키는 것이 어렵다고 하는 문제가 있다. 그래서, 본 출원인은 이 문제를 해결하고자 유전체판을 이용한 플라즈마 처리장치를 제안하고 있다(특개소62-5600호 공보).
도1은 종래의 유전체판을 이용한 플라즈마 처리장치를 나타내는 모식적 종단면도이다.
반응용기(11)(반응실 (12))의 내부에는 시료대(15)가 설치되어 있다.
반응실(12)의 상부에는 마이크로파 도입창(14)이 시료대(15)와 대면하도록 설치되고, 반응실(12)은 기밀 상태로 밀봉되어 있다. 그리고, 마이크로파 도입창(14)에 대향하여 중공부(31)를 끼워서 유전체판(32)이 설치되어 있다. 마이크로파 도입창(14)으로는 석영글라스(SiO2)나 알루미나(Al2O3) 평판이 사용된다.
마이크로파는 마이크로파 발진기(35)에서 발진되어, 도파관(34)을 통해 유전체판(32)으로 도입된다. 유전체판(32)을 전파하는 마이크로파에 의해 유전체판(32)의 하방에 전계가 형성되고, 이 전계가 마이크로파 도입창(14)을 투과하여 반응실(12)에 도입되며, 이 전계에 의해 가스 도입관(25)으로부터 도입되는 가스가 여기(勵起)되어서 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마에 의해서, 시료(S)의 표면에 에칭 등의 플라즈마 처리가 실시된다.
이 장치는 마이크로파 도입창(14) 및 유전체판(32)의 면적을 크게 함으로써, 넓은 평면영역에 균일하게 플라즈마를 발생시킬 수 있다고 하는 이점을 가지고 있다.
하지만, 종래의 유전체판을 이용한 플라즈마 처리장치에서는 플라즈마 처리속도의 시료면 내의 균일성을 확보하기 위해, 시료에 비해 넓은 영역에서 플라즈마를 발생시키는 구성으로 하고 있다. 그 때문에, 플라즈마 밀도가 전체적으로 저하하여 시료의 플라즈마 처리속도가 저하한다고 하는 문제와, 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 홀 저부까지 수직인 에칭이 가능하지 않다(패턴의 에칭성 악화)고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출한 것으로, 시료에 조사(照射)되는 영역의 플라즈마 밀도를 높임으로써 시료의 플라즈마 처리속도를 향상시키고, 또 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시키는 것이 가능한 플라즈마 처리장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명은 대규모 집적회로(LSI) 및 액정 디스플레이(LCD)의 제조 등에서, 에칭, 애싱(ASHING), CVD 등에 이용되는 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.
도1은 종래의 유전체판을 이용한 플라즈마 처리장치를 나타내는 모식적 종단면도,
도2는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제1 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도,
도3은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 마이크로파 도입창의 1예를 나타내는 모식 종단면도,
도4는 그의 저면도,
도5, 도6, 도7 및 도8은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 마이크로파 도입창의 다른 예를 나타내는 모식적 종단면도,
도9는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제2 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도,
도10은 도9의 마이크로파 도입창 부분의 확대도,
도11은 마이크로파 도입창의 1예를 나타내는 모식적 종단면도,
도12는 그의 모식적 저면도,
도13 및 도14는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 마이크로파 도입창 부분의 다른 예를 나타내는 모식적 종단면도,
도15는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제3 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도,
도16은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 마이크로파 조정판의 1예를 나타내는 모식적 평면도,
도17은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제4 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도,
도18은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 마이크로파 도입창의 일부를 구성하는 환상부의 1예를 나타내는 모식적 평면도,
도19는 오목부 깊이가 다른 마이크로파 도입창에 대한 에칭율의 측정결과를 나타내는 도면,
도20A, 도20B, 도20C는 창B(본 발명예)에 대한 에칭부 단면형상의 관찰사진의 모식도로, 도20A는 플라즈마 방전 20분 후, 도20B는 플라즈마 방전 570분 후, 도20C는 플라즈마 방전 970분 후에 에칭한 것을 나타내는 도면,
도21A, 도21B, 도21C는 창G(비교예)에 대한 에칭부 단면형상의 관찰사진의 모식도로, 도21A는 플라즈마 방전 20분 후, 도21B는 플라즈마 방전 570분 후, 도21C는 플라즈마 방전 970분 후에 에칭한 것을 나타내는 도면,
도22는 마이크로파 도입창의 오목부 직경DA1에 대한 에칭율 균일성의 측정결과를 나타내는 도면,
도23은 파티클 수의 플라즈마 방전시간에 대한 변화를 나타내는 도면,
도24 및 도25는 웨이퍼 면 내의 에칭 속도의 분포를 나타내는 도면으로, 도24는 본 발명예의 결과를 나타내는 도면이고, 도25는 비교예의 결과를 나타내는 도면,
도26은 플라즈마 밀도의 측정결과를 나타내는 그래프.
본 발명의 플라즈마 처리장치는 마이크로파 도파로(導波路)용의 유전체판, 유전체판에 대향하여 설치되어 있는 마이크로파 도입창 및 이 마이크로파 도입창에 대면하도록 내부에 시료대가 배치되어 있는 반응용기를 구비한 플라즈마 처리장치로, 마이크로파 도입창의 시료대와 대면하는 영역의 두께가 그 외측에 비해서 얇은 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 여기서 말하는 「시료대와 대면하는 영역」은 「시료대의 시료가 재치되는 영역과 대면하는 영역」을 의미하고 있다.
통상의 유전체판을 이용한 장치에서는 유전체판의 유전율(誘電率)이 대기의 유전율에 비해 크기 때문에 마이크로파는 주로 유전체판을 진행하여 정재파(定在波)를 형성한다. 이 마이크로파의 전계강도(電界强度)는 유전체판으로부터의 거리에 대하여 지수 함수적으로 감쇠한다. 즉, 유전체판을 이용한 장치는 유전체판으로부터 새어 나오는(유전체판으로부터의 거리에 대해 지수 함수적으로 감쇠함) 마이크로파를 마이크로파 도입창을 통해서 반응실로 도입하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하고 있다. 그 결과, 마이크로파 도입창의 아래에 균일하게 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 유전체판을 이용한 장치는 유전체판으로부터의 거리에 대해 지수 함수적으로 감쇠하는 마이크로파를 마이크로파 도입창으로부터 반응실로 도입하는 점이, 마이크로파를 마이크로파 도입창을 통해 직접 반응실로 도입하는 통상의 ECR 플라즈마 장치 등과는 다른 점이다.
본 발명의 플라즈마 처리장치에서는 시료대 위의 시료와 직접 대면하는 영역의 마이크로파 도입창의 두께를 그 외측에 비해서 얇게 하고 있다. 그 때문에, 시료대 위의 시료에 조사되는 이 영역의 플라즈마를 그 이외의 영역에 조사되는 영역의 플라즈마에 비해서 강하게 발생시켜, 시료 처리에 효율적인 플라즈마 밀도분포로 할 수 있다. 그 결과, 시료의 플라즈마 처리속도를 향상시키고, 또 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 플라즈마 처리장치는 시료와 대면하는 부분을 중심으로 하여 마이크로파 도입창의 두께를 위치에 따라 다르게 함으로써, 플라즈마 밀도분포를 변화시키는 것이다. 그러므로, 이 마이크로파 도입창의 단면형상을 적절하게 선택함으로써, 시료를 균일하게 플라즈마 처리할 뿐만아니라, 반대로 필요에 따라서 시료 중앙부의 플라즈마 처리속도를 높인다든지 하는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관해 제1 로부터 제4의 실시형태 및 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 시험결과에 대해서 도면에 기초하여 설명한다.
(제1 실시형태)
(1) 장치의 전체 구성
도2는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제1 형태를 나타내는 모식적 종단면도이다.
반응용기(11)는 형태가 직육면체로 내부가 중공(中空)이고, 통상 알루미늄이나 스테인레스 강 등의 금속으로 제작된다. 반응용기(11)의 내부에는 원통형의 반응실(12)이 설치되어 있다.
반응실(12)의 상부에는 마이크로파 도입창(14)이 O링(20)을 개재하여 설치되어 있고, 반응실(12)은 기밀상태로 밀봉된다. 마이크로파 도입창(14)의 시료(S)와 대면하는 부분에는 오목부(14a)가 형성되어 있다. 마이크로파 도입창(14)에 대해서는 후술한다.
시료대(15)가 마이크로파 도입창(14)과 대면하는 위치에 배설되어 있고, 시료(S)는 시료대(15)에 재치된다. 시료대(15)는 시료(S)를 유지하기 위한 정전 척(靜電 CHUCK) 등의 기구(도시않음)와 시료(S)를 소정온도로 유지하기 위한 항온매체 순환기구(도시않음) 등을 구비하고 있다. 또, 시료대(15)는 기대(基臺)(16) 위에 고정되며, 절연부재(18)에 의해 반응용기(11)와 절연되어 있다. 시료대(15)의 주위는 플라즈마 실드부재(17)로 덮게 된다.
반응용기(11)에는 반응실(12) 내에 가스를 도입하기 위한 가스 도입공(25) 및 배기장치(도시 않음)에 접속되는 배기구(26)가 설치되어 있다. 반응용기(11)의 벽은 히터 등에 의해 소정의 온도로 가열할 수 있는 구성 등이어도 된다.
반응용기(11)의 상방에는 알루미늄 등의 금속판(33)으로 상부를 덮게 된 유전체판(32)이 마이크로파 도입창(14)과 대향하도록 설치되어 있다. 유전체판(32)은 도파관(34)을 통해서 마이크로파 발진기(35)와 연결되어 있다. 유전체판(32)의 재료는 유전손실(誘電損失)이 작은 재료, 예를 들면 테프론(등록상표) 등의 불소수지나 폴리에틸렌이나 폴리스틸렌 등이 적당하다. 마이크로파의 주파수는, 예를 들면 2.45GHz이다.
(2) 마이크로파 도입창
마이크로파 도입창(14)의 재료는 내열성과 마이크로파 투과성을 가지고 동시에 유전손실이 작은 유전체, 예를 들면 석영글라스(SiO2)나 알루미나(Al2O3) 등이 적당하다.
마이크로파 도입창(14) 중에서 시료(S)와 대면하는 부분은 그 외측부분에 비해서 두께를 얇게 한다. 즉, 마이크로파 도입창(14)은 시료(S)와 대면하는 면에 오목부(凹部)를 구비하고 있다. 오목부를 형성하는데는 예를 들면 그 부분을 깍으면 된다.
오목부의 형상은 평면적으로는 원형이나 직사각형 등과 같은 형상이어도 좋고, 시료의 형상이나 플라즈마 처리속도의 시료면 내 균일성을 고려하여 결정하면 좋다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼를 처리하는 것과 같은 경우는 통상 원형으로 하는 것이 바람직하다.
오목부의 직경은 균일한 플라즈마 처리를 목적으로 하는 경우나, 시료 중앙부의 플라즈마 처리속도를 높이는 것을 목적으로 하는 경우 등, 그 목적에 따라서 결정하면 된다. 플라즈마 밀도를 높이고 동시에 균일성을 개선하는데에는 시료의 직경에 대해 1.0-1.2배 정도로 하는 것이 바람직하다. 시료 중앙부의 플라즈마 처리속도를 특히 높이고 싶은 경우에는 시료의 직경에 대해 0.9배정도 이하로 하는 것이 바람직하다.
오목부의 깊이는 목적으로 하는 플라즈마 처리의 플라즈마 처리속도 및 그의 균일성을 고려하여 결정하면 된다. 예를 들면 플라즈마 처리속도의 향상을 목적으로 하는 경우, 통상 마이크로파 도입창의 두께가 30mm인 경우 오목부의 깊이는 4mm이상으로 하는 것이 바람직하고, 마이크로파 도입창의 두께가 20mm인 경우 오목부의 깊이는 2mm 이상으로 하는 것이 바람직하다. 즉, 오목부의 깊이는 마이크로파 도입창의 두께에 대해 0.1배정도 이상으로 하는 것이 바람직하다. 다만, 어느 두께의 마이크로파 도입창도 나머지의 두께가 10mm이하로 되면 강도상의 문제가 생기기 때문에, 이것 이상의 두께가 남도록 오목부의 깊이를 결정하는 것이 바람직하다.
도3은 마이크로파 도입창의 1예를 나타내는 모식적 종단면도이고, 도4는 그의 저면도이다.
이 예의 마이크로파 도입창(14)은 시료(S)와 대면하는 중앙부에 원형의 오목부(14a)(직경DA, 깊이HA)를 가지고 있다.
도5는 마이크로파 도입창의 다른 예를 나타내는 모식적 종단면도이다.
마이크로파 도입창(14)은 창 본체(14d)와 환상부(環狀部)(14e)로 구성되어 있다. 이 도면에서 보는 바와 같이, 마이크로파 도입창은 복수의 부재로 구성되어도 좋다. 또한, 마이크로파 도입창은 복수의 부재로 구성할 경우, 각각 부재의 재질을 다르게 해도 좋다.
또한, 이 예에 대해서는 제4 실시형태에서 상술한다.
도6 및 도7은 마이크로파 도입창의 또다른 예를 나타내는 모식적 종단면도이다.
마이크로파 도입창의 오목부(14a)의 측면은 도6에서 보는 바와 같이 계단 상으로 해도 좋고, 또 도7에서 보는 바와 같이 테이퍼상으로 해도 좋다. 또, 오목부(14a)의 측면은 원호상(곡선)으로 해도 좋다.
도8은 반응실에 면하는 면과 반대측의 면에 오목부를 형성한 마이크로파 도입창의 예를 나타내는 모식적 종단면도이다. 전술한 바와 같이, 오목부는 반응실(12)에 면하는 면에 설치하는 편이 효과가 있지만, 반응실(12)에 면하는 면과 반대측의 면에 설치해도 좋다.
(3) 플라즈마 처리방법
시료(S)를 에칭하는 경우를 예로 들어서, 플라즈마 처리방법에 대해서 도2에 기초하여 설명한다.
① 반응실(12)을 배기구(26)로부터 배기하고, 가스 도입공(25)으로부터 반응실(12)에 가스를 공급한다.
② 마이크로파 발진기(35)에서 마이크로파를 발생시켜, 도파관(34)을 통해서 유전체판(32)에 마이크로파를 도입한다. 유전체판(32)에서 새어 나오는 마이크로파가 마이크로파 도입창(14)을 투과하여 반응실(12)로 도입되어, 플라즈마가 발생한다. 이 플라즈마에 의해 시료(S)가 에칭된다.
본 발명의 플라즈마 처리방법은 마이크로파 도입창(14)에 시료(S)와 대면하는 부분에 오목부(14a)가 설치되어 있는 장치를 이용하고 있다. 그 결과, 시료(S) 바로 위부분의 마이크로파의 전계강도를 강하게 하고, 플라즈마 밀도를 높여 시료(S)의 플라즈마 처리속도를 높일 수 있다.
또, 본 발명의 플라즈마 처리방법에 의하면, 마이크로파 도입창의 오목부(14a) 형상을 바꿈(마이크로파 도입창(14)의 단면형상을 바꿈)으로써, 플라즈마 밀도분포를 변화시킬 수 있다. 그 결과, 보다 균일하게 시료를 플라즈마 처리한다든지, 반대로 필요에 따라서 시료(S) 중앙부의 플라즈마 처리속도를 높인다든지 하는 것도 가능하다.
(제2 실시형태)
(1) 장치의 전체구성
도9는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제2 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도이다.
이 장치는 고주파를 인가하면서 시료(S)를 플라즈마 처리하는 장치이다. 고주파 전원(28) 및 대향전극(21)이 도2의 장치 구성에 부가되어 있다.
대향전극(21)은 마이크로파 도입창(14)의 주연부에 반응용기(11)의 주위 벽으로부터 돌출한 것과 같은 형상으로 설치되어 있으며, 고주파가 인가되는 시료대(15)에 대한 접지전극의 역할을 달성한다. 또한, 여기서 말하는 마이크로파 도입창의 주연부로는 시료의 바로 위에 해당하는 부분을 중앙부로 하여 그 외측부분인 곳이다.
이와 같은 위치에 대향전극(21)을 설치함으로써, 시료(S)에의 파티클 부착이나 금속오염을 저감한다. 또, 시료(S)에 안정한 바이어스 전위를 발생시킬 수 있다. 이 대향전극(21)은 표면이 알마이트 처리된 알루미늄 등이 적당하다.
또한, 고주파 전원(28)의 주파수는 400KHz나 13.56MHz 등이다.
(2) 마이크로파 도입창 부분
도10은 도9의 마이크로파 도입창 부분의 확대도이다.
마이크로파 도입창(14)은 환상의 볼록부(凸部)(14b)(내경 DA1, 외경 DA2)에 의해, 원형의 오목부(14a)(직경 DA1, 깊이 HA1)가 형성되어 있다.
또, 환상의 철부(14b)는 대향전극의 선단(21a)을 플라즈마로부터 보호하고 있다.
도11은 마이크로파 도입창의 모식적 종단면도이고, 도12는 그의 모식적 저면도이다.
마이크로파 도입창(14)을 이와 같은 형상으로 함으로써, 시료(S)와 대면하는 영역의 플라즈마 밀도를 높일 수 있다. 더욱이, 대향전극의 선단(21a)의 표면이 스퍼터(sputter)되지 않으므로, 파티클의 발생수를 더욱더 저감시킬 수도 있다.
도13은 마이크로파 도입창 부분의 다른 예를 나타내는 모식적 종단면도이다.
대향전극의 선단(21a)을 플라즈마로부터 보호하는데에는 마이크로파 도입창(14)을 이 도면에 도시하는 바와 같은 형상으로 해도 좋다.
도14는 마이크로파 도입창 부분의 또다른 예를 나타내는 모식적 종단면도이다.
파티클의 발생이 특히 문제가 되지 않는 경우는, 이 도면에서 보는 바와 같이, 대향전극의 선단(21a)을 플라즈마로부터 보호할 수 있는 구조로 하지 않아도 좋다.
(3) 플라즈마 처리방법
이 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리방법에 대해서, 시료(S)를 에칭하는 경우를 예로 들어, 도9에 기초하여 설명한다.
① 반응실(12)을 배기구(26)로부터 배기하고, 가스 도입공(25)으로부터 반응실(12)에 가스를 공급한다.
② 마이크로파 발진기(35)에서 마이크로파를 발생시켜 도파관(34)을 통해 유전체판(32)에 마이크로파를 도입한다. 유전체판(32)으로부터 새어 나오는 마이크로파가 마이크로파 도입창(14)을 투과하여 반응실(12)에 플라즈마를 발생시킨다.
③ 플라즈마 발생과 거의 동시에 고주파 전원(28)을 이용하여 시료대(15)에 고주파를 인가하여, 시료(S) 표면에 바이어스 전압을 발생시킨다. 이 바이어스 전압에 의해서 플라즈마 속의 이온 에너지를 제어함과 동시에 시료(S)의 표면에 이온을 조사(照射)시켜서 시료(S)를 에칭한다.
본 발명의 플라즈마 처리방법은 제1 형태와 마찬가지로, 마이크로파 도입창(14)에 시료(S)와 대면하는 부분에 오목부(14a)가 설치되어 있는 장치를 이용하고 있다. 그 결과, 제1 형태와 마찬가지로 시료(S) 바로 위부분의 마이크로파의 전계강도를 강하게 하고, 이 영역의 플라즈마 밀도를 높여 시료(S)의 플라즈마 처리속도를 향상할 수 있다. 또 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시킬 수 있다.
또한, 마이크로파 도입창의 오목부의 형상을 적절한 것으로 함으로써, 플라즈마 처리속도의 균일성을 높일 수 있다.
또, 마이크로파 도입창의 형상을 대향전극의 표면을 보호하는 형상으로 하면, 대향전극의 선단이 스퍼터되는 것을 방지하여 파티클의 발생수를 저감시킬 수도 있다.
(제3 실시형태)
도15는 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제3 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도이다.
이 장치에서는 도9에 나타낸 장치 구성에 부가하여, 새로이 마이크로파 조정판(23)이 마이크로파 도입창(14)의 위에 설치되어 있다.
도16은 마이크로파 조정판의 1예를 나타내는 모식적 평면도이다.
마이크로파 조정판(23)은 알루미늄 등의 금속판의 중앙부에 구멍(23a)을 설치한 것이다.
마이크로파 조정판(23)은 마이크로파를 반응실(12)에 도입하는 영역을 제한하여, 플라즈마의 발생영역을 제한하는 것이다. 그 결과, 시료(S) 상부의 플라즈마 밀도를 보다 높인다든지, 플라즈마 밀도의 분포를 조정한다든지 하는 것이 가능하다.
(제4 실시형태)
도17은 본 발명의 플라즈마 처리장치의 제4 실시형태를 나타내는 모식적 종단면도이다.
마이크로파 도입창은 도5에 도시한 바와 같이, 창 본체(14d)와 환상부(환상의 유전체)(14e)로 구성되어 있다.
도18은 환상부(14e)의 1예를 나타내는 모식적 평면도이다.
이 예는 동심원 형태의 완전한 환상의 것이다. 환상부(14e)는 예를 들면 석영이나 알루미나 등으로 제작하면 좋다.
이 장치는 제2 실시형태에서 설명한 장치와 마찬가지로 시료(S)에 고주파를 인가하면서 플라즈마 처리를 실시하는 것이다. 이 장치에는 고주파 전원(28) 및 대향전극(21)이 설치되어 있다. 이 장치는 대향전극(21)의 외주(外周)부분에 알루미나 등으로 제작되는 대향전극 외연절연판(外緣絶緣板)(22)을 가지고 있어, 대향전극(21)과 반응용기(11)의 측벽이 절연체로 분리되어 있다. 환상부(14e)는 대향전극(21)에 의해 창 본체(14d)에 단단히 눌러져 있다.
이 장치는 제3 실시형태에서 설명한 장치와 마찬가지로, 시료(S)와 대면하는 영역의 플라즈마 밀도를 보다 높인다든지 플라즈마 밀도분포를 조정한다든지 하는 목적에서, 마이크로파 조정판(23)을 구비하고 있다.
이와 같이 창 본체(14d)에 환상부(14e)를 부가함으로써, 마이크로파 도입창(14)의 시료와 대면하는 영역의 두께에 따라 그 주연의 두께를 두껍게 하는 것에 의해서도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 즉, 시료(S)와 대면하는 영역의 플라즈마 밀도를 높이고, 시료(S)의 플라즈마 처리속도를 향상시키며, 또 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시킬 수 있다.
또한, 플라즈마를 중앙에 집속(集束)시키는 환상부(환상의 유전체)(14e)의 형상은, 목적한 플라즈마 처리에 따라서 적절히 설계하면 된다는 것은 말할 필요도 없다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리장치는 예를 들면 실리콘 산화막(SiO2)의 홀 패턴 에칭공정과 같이 이온 제어가 특히 중요한 처리에 적당하다.
시험결과에 대해 이하에서 설명한다.
시험1에서 시험4에는 도11 및 도12에 나타낸 마이크로파 도입창 및 도16에 나타낸 마이크로파 조정판을 구비한 도15에 나타낸 구성의 플라즈마 처리장치를 이용하였다. 마이크로파 도입창은 석영으로 제작하고, 표1에 나타내는 7종류의 형상의 것을 사용하였다.
창 깊이HA1(mm) 직경DA1(mm) 직경DA2(mm) 두께TW1(mm) 두께TW2(mm)
A 12 150 258 30 20 본발명예
B 2 150 - 20 20 본발명예
C 12 130 258 30 20 본발명예
D 12 170 258 30 20 본발명예
E 12 190 258 30 20 본발명예
F 0 - 258 30 20 비교예
G 0 - - 20 20 비교예
시험5 및 시험6은 도18에 나타낸 환상부(14e) 및 도16에 나타낸 마이크로파 조정판을 구비한 도17에 나타낸 구성의 플라즈마 처리장치를 이용하였다.
이하의 시험에서 이용한 마이크로파의 주파수는 2.45 GHz, 고주파의 주파수는 400KHz 이다.
(시험1)
오목부의 깊이(HA1)가 다른 마이크로파 도입창을 구비한, 도15에 도시한 구성의 플라즈마 처리장치를 이용하여 실리콘 산화막의 에칭율을 측정하였다.
마이크로파 도입창은 표 1의 창A(HA1=12mm), 창B(HA1=2mm) 및 창G(HA1=0mm)의 3종류를 이용하였다. 시료는 실리콘 산화막이 두께 1μｍ 성막(成膜)된 6인치 실리콘 웨이퍼이다. 에칭 조건은 다음과 같다. 가스는 CHF3, 마이크로파 전력은 1300W, 고주파 전력은 600W로 하였다.
도19는 각각의 창에 대한 에칭율의 측정결과를 나타내는 도면이다.
마이크로파 도입창의 오목부 깊이(HA1)를 깊게 함으로써, 에칭율을 증가시킬 수 있는 것을 확인하였다.
(시험2)
오목부가 설치된 마이크로파 도입창과 오목부를 설치하지 않은 마이크로파 도입창을 구비한 플라즈마 처리장치를 이용하여, 실리콘 산화막에 대해 직경이 0.4μｍ 홀 패턴인 에칭을 하였다. 에칭부의 단면형상을 관찰하는 것에 의해 패턴 에칭성을 평가하였다. 에칭부 단면형상의 관찰은 소정의 누계 플라즈마 방전시간의 매 시점마다, 시료를 에칭하여 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 수행하였다.
마이크로파 도입창은 표 1의 창B(오목부 있음) 및 창G(오목부 없음)를 이용하였다. 시료는 실리콘 산화막이 두께 1.5μｍ 성막되고, 더욱이 그 위에 직경이 0.4μｍ 홀인 레지스트 패턴이 형성된 6인치 실리콘 웨이퍼이다. 에칭 조건은 다음과 같다. 가스는 CHF3및 CO, 마이크로파 전력은 1300W, 고주파 전력은 600W로 하였다.
도20A, 도20B 및 도20C는 창B(본발명예)를 이용하였을 때의 시료의 에칭부 단면형상을 관찰하여 촬영한 사진의 모식도이다. 도20A는 플라즈마 방전 20분 후, 도20B는 플라즈마 방전 570분 후, 도20C는 플라즈마 방전 970분 후에 에칭한 시료의 에칭부 단면형상의 관찰사진 모식도이다.
실리콘 웨이퍼(43) 위에 실리콘 산화막(42) 및 레지스트(41)가 적층되어 있고, 실리콘 산화막(42)에는 홀(44)이 형성되어 있다. 또, 중심은 웨이퍼 중심위치의 에칭부의 단면형상이고, 주연은 웨이퍼 끝으로부터 10mm 위치에서의 에칭부의 단면형상인 것을 나타내고 있다.
도21A, 도21B 및 도21C는 창G(비교예)를 이용하였을 때의 에칭부 단면형상의 관찰사진 모식도이다. 전술한 도20A, 도20B, 도20C와 마찬가지로 도21A는 플라즈마 방전 20분 후, 도21B는 플라즈마 방전 570분 후, 도21C는 플라즈마 방전 970분 후에 에칭한 것의 에칭부 단면형상의 관찰사진의 모식도이다. 중심 및 주연은 전술한 도면과 마찬가지 부분을 나타내고 있다.
도20A, 도20B 및 도20C로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명 예에서는 플라즈마 방전시간이 길어져도 수직형상의 홀을 형성할 수 있고, 패턴 에칭성은 양호하였다. 한편, 도21A, 도21B 및 도21C에서 알 수 있는 바와 같이, 비교 예에서는 플라즈마 방전시간이 짧을 때(도21A)는 수직형상의 홀을 형성할 수 있었지만, 플라즈마 방전시간이 길어짐에 따라(도21B,도21C) 홀의 형상은 끝이 가늘어져 패턴 에칭성이 악화하고 있었다.
즉, 마이크로파 도입창에 오목부를 설치함으로써, 에칭시의 패턴 에칭성을 향상시키게 되는 것을 확인하였다.
(시험3)
오목부의 직경(DA1)이 다른 마이크로파 도입창을 구비한 플라즈마 처리장치를 이용하여 실리콘 산화막을 에칭하고, 에칭율의 웨이퍼 면 내 균일성(에칭율 균일성)을 측정하였다.
표 1의 창A, 창C, 창D, 창E 및 창F의 5종류의 마이크로파 도입창에 대해서 시험을 실시하였다. 시료 및 에칭 조건은 시험1의 경우와 마찬가지이다.
도22는 마이크로파 도입창의 오목부 직경(DA1)에 대한 에칭율 균일성의 측정결과를 나타내는 도면이다. 또한, 도면중의 점선은 오목부가 없는 창F(비교예)의 결과이다.
오목부 직경(DA1)이 150mm-180mm의 범위인 경우에는 오목부가 없는 창F(비교예)에 비해서 에칭율의 균일성이 개선되는 것을 확인하였다.
(시험4)
대향전극의 선단이 보호되고 있는 창A와 대향전극의 선단이 보호되고 있지 않는 창G(비교예)을 구비한 플라즈마 처리장치를 이용하여, 플라즈마를 발생시켜 파티클 수의 시간변화를 측정하였다. 파티클 수는 6인치 웨이퍼 위(全面)에서 크기가 0.2μｍ 이상인 파티클을 카운트한 값이다.
플라즈마 발생조건은 다음과 같다. 가스는 CHF3및 CO, 마이크로파 전력은 1300W, 고주파 전력은 600W로 하였다.
도23은 파티클 수의 플라즈마 방전시간에 대한 변화를 나타내는 도면이다.
창A(본 발명예)에서는 웨이퍼 위의 파티클 수가 50개 미만으로 적고, 또한 안정해 있다. 한편, 창G(비교예)에서는 소정의 시간을 경과하면, 웨이퍼 위의 파티클 수가 100개를 초과하였다.
즉, 마이크로파 도입창을 대향전극의 선단을 보호하는 형상으로 함으로써, 파티클 수의 증가를 억제할 수 있는 것을 확인하였다.
(시험5)
도17에 나타낸 장치를 이용하여, 창 본체(14d)에 부가된 플라즈마 집속수단인 환상부(14e)에 의한 플라즈마 처리속도의 향상 및 균일화의 효과를 평가하였다. 평가는 6인치 실리콘 웨이퍼 위의 BPSG막의 에칭 속도의 균일성으로 평가하였다. 또한, 마이크로파 조정판(23)은 도16에 나타낸 마이크로파의 투과영역을 중앙의 직사각형 영역으로 제한하는 것으로 하였다.
에칭 조건은 이하와 같다. CHF3유량은 20sccm, 압력은 30mTorr, 마이크로파 전력은 1300W, 고주파 전력은 600W, 시료대 온도는 0℃로 하였다. 비교 예로서 환상부(14e)를 이용하지 않는 경우에 대해서 마찬가지의 측정을 수행하였다.
도24 및 도25는 웨이퍼 면내의 에칭속도의 분포를 나타내는 도면으로, 도24는 환상부(14e)를 이용하는 본 발명예의 결과이고, 도25는 환상부(14e)를 이용하지 않는 비교예의 결과이다. 단위는 ㎚／min이다. 또한, 도24중의 「＋」는 에칭 속도가 800 ㎚／min 이상인 영역을, 「－」는 에칭 속도가 800 ㎚／min 미만인 영역을 나타내고 있다.
본 발명예(도24)는 비교예(도25)에 비해, 에칭 속도를 향상시킬 수 있고, 게다가 그 분포를 균일하게 할 수도 있다.
(시험6)
플라즈마 집속수단인 환상부(14e)가 플라즈마 밀도에 미치는 영향을 측정하였다. 플라즈마 밀도의 측정위치는 시료대의 중심위치이고, 마이크로파 도입창으로부터 40mm인 위치로 하였다. 플라즈마 밀도의 측정에는 랑뮤어 프루브(Langmuir probe)를 이용하였다.
플라즈마 발생조건은 이하와 같다. CHF3유량은 20sccm이고, 마이크로파 전력은 1300W로 하고, 압력은 10mTorr-80mTorr의 범위에서 변화시켰다. 다만, 고주파 전력은 인가하지 않았다.
도26은 플라즈마 밀도의 측정결과를 나타내는 그래프이다. 기호□는 환상부(14e)를 이용하는 본 발명예의 결과이고, 기호△는 환상부(14e)를 이용하지 않는 비교예의 결과이다.
플라즈마 집속수단을 설치하는 것(□)에 의해, 플라즈마 밀도를 현저히 높이게 되는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법은 특정영역의 플라즈마 밀도를 높이는 것에 의해, 시료의 플라즈마 처리속도를 향상시킬 수 있다. 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법은 미세한 홀 패턴의 에칭에서는 패턴의 에칭성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법은 마이크로파 도입창에 설치하는 오목부의 형상을 최적화 함으로써 플라즈마 처리속도의 균일성을 향상시킬 수 있다. 더욱이, 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법은 마이크로파 도입창 근방에 전극 등을 설치할 필요가 있는 경우에는 마이크로파 도입창의 형상을 전극 선단부를 보호하는 형상으로 함으로써, 파티클 수를 저감시키는 것도 가능하다.
그러므로, 본 발명의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법을 대규모 집적회로(LSI) 및 액정 디스플레이(LCD)의 제조공정 등에 적용한 경우, 소자의 수율(收率)을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 마이크로파 도파관용의 유전체판, 유전체판에 대향하여 설치되어 있는 마이크로파 도입창 및 이 마이크로파 도입창에 대면하도록 내부에 시료대가 배치되어 있는 반응용기를 구비하는 플라즈마 처리장치로서, 마이크로파 도입창의 시료대와 대면하는 내측영역의 두께가 그 외측에 비해서 얇고, 이 내측영역의 직경이 상기 시료대에 재치되는 시료지름의 1.0 ~ 1.2배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 도입창이 시료대와 대면하는 영역의 외주부에 환상(環狀)의 유전체를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 시료대에 고주파를 인가하는 수단과, 시료대에 대향하는 전기적으로 접지된 대향전극을 구비하고, 상기 대향전극이 반응용기내의 내측에 있어서 마이크로파 도입창의 주연부에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
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