KR100342014B1 - 플라즈마처리장치 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 에칭 장치(2)는 처리 용기(4)내에 가스 배출 구멍(36)으로부터 불활성 가스와 반응성 가스를 공급함과 동시에, 이들 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마 상태로 하고, 이 플라즈마를 이용해서 서셉터(8)상의 반도체 웨이퍼 W에 대해 에칭을 행한다. 처리 용기(4)내에 고주파 유도 전계를 형성하기 위해, 처리 용기(4)의 측벽의 주위에 솔레노이드 코일(26)로 이루어진 안테나가 제공된다. 플라즈마의 침투 두께 영역내 전자의 평균 자유 행정을 제한하기 위해, 처리 용기(4)의 측벽으로부터 침투 두께 영역으로 돌출되도록 다수의 장벽(32A)이 제공된다. 장벽(32A)은 임의의 에칭 선택비를 얻기 위해, 반응성 가스의 해리가 과도하게 진행되는 것을 억제하도록 침투 두께 영역내의 저 에너지 전자의 밀도를 저하시킨다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 고주파(RF) 방전에 의해 발생된 플라즈마를 이용해서 반도체 웨이퍼, LCD 기판 등의 피처리체에 대해 에칭 및 디포지션등의 소정의 처리를 행하기 위한 장치에 관한 것으로, 특히, 처리 가스의 과도한 해리를 억제해서 안정된 처리를 행할 수 있도록 하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
예를 들어, 반도체 소자의 제조 공정에서는 처리 용기 내에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 분위기 중에서 피처리체, 예를 들어 반도체 웨이퍼에 대한 에칭 처리를 비롯하여 각종 플라즈마 처리가 행해진다. 최근에는 이러한 종류의 피처리체에 행해지는 패턴을 미세화함에 따라, 1/4 미크론 이하의 설계 규칙하에서 고정밀도의 플라즈마 처리가 행해지도록 요구되고 있다.
이러한 수평방향의 고미세화의 요구와 더불어, 반도체 소자의 입체화가 요구되고 있다. 예를 들어, 캐패시터 소자에서는 정전 용량을 확보하기 위해 구조가 수직 방향으로 확대되고, 또한, 배선에 있어서는 배선 저항을 줄이기 위해 배선 구조의 수직 방향 치수가 증대하고 있다. 이에 따라, 피에칭부는 점점 더 깊어지고 에칭부의 깊이와 포토레지스트의 두께의 비도 커진다. 이 경우, 포토레지스트의 후퇴로 인해 치수가 증가되는 것을 방지하기 위해, 포토레지스트에 대한 피에칭부 재료의 에칭 선택비를 높여야 한다.
이러한 요구에 응하기 위해, 고밀도의 플라즈마를 발생하는 플라즈마 소스에대한 개발이 진행되고 있다. 최근에는 헤리콘파, ECR(Electron Cyclotron Resonance), TCP(Transformer Coupled Plasma), ICP(Inductively Coupled Plasma) 등의 발생 방식에 따른 고밀도 플라즈마를 이용해서, 예를 들어 반도체 웨이퍼의 산화막을 고선택비로 에칭 처리하는 것이 시도되고 있다.
종래의 경우, 자외선 영역의 i 선에 대해 이용되고 있는 포토레지스트는, 101l/cm3전후의 통상 밀도의 플라즈마에 대해 레지스트에 대한 SiO2의 에칭 선택비가 7∼8 정도가 되어 바람직하다. 그러나, ICP 등의 방식에 의한 고밀도 플라즈마 하에서는 에칭 선택비가 3∼4 정도까지 저하된다. 즉, 이 포토레지스트는 고밀도 플라즈마에 대해 충분한 내구성을 갖고 있지 않다.
또한, 고미세화의 요구에 따라, i 선보다 더욱 짧은 파장을 갖는 자외선, 예를 들어, KrF 엑시머 레이저광을 이용해서 노광을 행하는 것도 제안되고 있다. 이 엑시머 레이저광용의 포토레지스트는 단파장용에 대응하여 고분자의 중합도를 낮게 억제하고 있기 때문에, 플라즈마에 대한 내성이 i 선용 레지스트보다 낮다. 이 때문에 이 레지스트에 대한 SiO2의 에칭 선택비는 더욱 떨어진다.
또한, TCP 방식에 의한 고밀도 플라즈마에서는 해리 생성된 라디칼(radical)이 처리 용기 내벽에 퇴적하고, 퇴적된 라디칼이 다시 플라즈마 내에 되돌아가는 사이클을 반복함으로써 서서히 평형 상태가 되도록 수행한다. 이와 같은 고밀도 플라즈마에서는 에칭을 반복하면, 내벽의 디포지션은 초기의 상태보다 두껍게 퇴적된 상태가 되어, 이에 따라 플라즈마 내의 라디칼의 조성도 변동된다. 이 때문에,이와 같은 라디칼 조성의 변동에 의해 에칭 특성의 재현성을 획득할 수 없게 된다. 처리 용기 내벽을 히터로 가열함으로써 표면 상태를 안정화시키는 연구가 행해지고 있지만 제어는 곤란하다.
본 발명의 목적은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 안정된 처리를 효율적으로 행할 수 있는 TCP, ICP 등의 유도 결합 방식의 플라즈마 처리 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 고에칭 선택비로 안정된 에칭을 행할 수 있는 유도 결합 방식의 에칭 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치인 플라즈마 에칭 장치를 도시한 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 장치의 천정의 수평 단면을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 고 에너지 전자의 에너지의 저하 공정을 도시한 도면,
도 4는 도 1에 도시된 장치에 정전 실드를 제공한 구조를 도시한 부분 구성도,
도 5는 도 4에 도시된 정전 실드를 도시한 사시도,
도 6은 장벽을 전도체로 형성했을 때의 장착 상태를 도시한 부분 구성도,
도 7은 도 6에 도시된 장벽을 도시한 사시도,
도 8은 선단에 방해판을 제공한 장벽을 도시한 평면도,
도 9는 상부 전극에 고주파 전력을 인가하는 경우의 상부 전극의 구조를 도시한 도면,
도 10a∼10c는 고주파 유도 수단의 회로 구성의 예를 도시한 회로도,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고주파 유도 수단으로서 평면형의 안테나를 이용한 플라즈마 에칭 장치를 도시한 구성도,
도 12는 도 11에 도시된 장치의 안테나와 장벽과의 관계를 도시한 평면 구성도,
도 13은 다수의 막대 자석을 도시한 구성도,
도 14는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 고주파 유도 수단으로서 방사 형상의 안테나를 이용한 플라즈마 에칭 장치를 도시한 구성도,
도 15는 도 14에 도시된 장치의 안테나와 장벽의 관계를 도시한 평면 구성도,
도 16은 평행 평판 방식의 플라즈마 처리 장치 및 유도 결합 방식의 플라즈마 처리 장치의 반응성 가스의 해리 상태를 도시한 그래프,
도 17은 종래의 유도 결합 방식의 플라즈마 처리 장치에서 생성되는 고밀도 플라즈마중의 전자의 에너지 분포를 개략적으로 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 플라즈마 에칭 장치4 : 처리 용기
6 : 절연판8 : 서셉터
18 : 가스 통로24 : 고주파 투과창
26 : 솔레노이드 코일30 : 정합기
32 : 제한 수단32A : 장벽
34 : 상부 전극36 : 배출 구멍
본 발명의 제 1 측면은 피처리체에 대하여 플라즈마를 이용해서 처리를 행하는 장치로서, 기밀한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 제공된 상기 피처리체를 지지하기 위한 탑재대와, 상기 처리 용기 내를 배기(排氣)함과 동시에 상기 처리 용기 내를 진공으로 설정하기 위한 배기 수단과, 해리의 진행에 따라 다른 활성종을 제공하는 처리 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 공급 수단과, 상기 처리 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마 상태로 하기 위해 고주파 유도 전계를 상기 처리 용기 내에 발생시키기 위한 전계 발생 수단과, 상기 플라즈마의 침투 두께(skin depth) 영역내의 전자의 평균 자유 행정(平均 自由 行程)을 제한하고, 상기 처리에서 상기 처리 가스의 해리 상태가 임의의 처리 조건에 대해 최적화되도록 상기 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자 에너지 분포를 변경하기 위한 제한 수단을 포함한다.
본 발명의 제 2 측면은 피처리체에 대한 플라즈마를 이용해서 에칭을 행하기 위한 장치로서, 기밀한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 제공된 상기 피처리체를 지지하기 위한 탑재대와, 상기 처리 용기 내를 배기함과 동시에 상기 처리 용기 내를 진공으로 설정하기 위한 배기 수단과, 해리의 진행에 따라 다른 활성종을 제공하는 반응성 가스를 포함하는 처리 가스를 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 공급 수단과, 상기 처리 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마 상태로 하기 위해 고주파 유도 전계를 상기 처리 용기 내에 발생시키기 위한 전계 발생 수단과, 상기 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자의 평균 자유 행정을 제한하고, 상기 에칭시에 상기 반응성 가스의 해리 상태가 임의의 처리 조건에 대해 최적화되도록 상기 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자에너지 분포를 변경하기 위한 제한 수단을 포함한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에서는 전계 발생 수단에 의한 처리 용기내의 고주파 유도 전계를 플라즈마의 침투 두께 영역까지 침투시켜 여기에 존재하는 전자를 가속시킨다. 침투 두께 영역에는 전자의 평균 자유 행정을 제한하기 위한 제한 수단을 제공하여, 처리시 처리 가스의 해리 상태가 임의의 처리 조건에 대해 최적화되도록 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자 에너지 분포를 변경한다. 따라서, 예를 들어, 플라즈마 에칭 장치에서는 반응성 가스가 과도한 해리를 억제하고 에칭선택비를 높게 유지하면서 높은 처리 효율을 얻도록 설정할 수 있다.
이러한 제한 수단은 침투 두께 영역내의 전자의 지배적인 운동방향에서 소정의 간격으로 분산하여 배치된 다수의 장벽에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 장벽의 표면을 전술한 전자의 지배적인 운동 방향에 대해 거의 직교하게 제공함으로써, 전자와 장벽을 효율적으로 충돌시켜 전자 에너지의 분포를 효율적으로 바꿀 수 있다.
전계 발생 수단이 처리 용기의 측벽을 에워싸는 솔레노이드 코일로 이루어진 안테나를 갖는 경우, 장벽은 처리 용기의 측벽으로부터 침투 두께 영역에 돌출되도록 제공할 수 있다. 또한, 전계 발생 수단이 처리 용기의 천정에 제공된 평면형의 안테나를 갖는 경우, 장벽은 처리 용기의 천정측으로부터 침투 두께 영역에 돌출되도록 제공할 수 있다.
안테나와 장벽 사이에 정전 실드(shield)를 제공하면, 플라즈마 표면에 대해 수직인 전계만을 통과시킬 수 있기 때문에, 처리 용기 내벽이 플라즈마에 의해 스퍼터링되는 것을 억제할 수 있다. 장벽의 선단에 방해판을 제공하면, 장벽과 방해판으로 구획되는 영역에 존재하는 고 에너지 전자의 에너지를 더욱 효율적으로 저하시킬 수 있다. 장벽을 전도체로 하여, 이곳에, 예를 들어, 직류 전위를 인가하면, 장벽과 플라즈마간의 전위차를 억제할 수 있고, 장벽의 스퍼터링의 양을 억제할 수 있다. 장벽에 온도 조정 수단을 제공하고, 예를 들어, 가열하면, 장벽에 퇴적물이 부착되는 것을 억제할 수 있다. 침투 두께 영역에 불활성 가스를 도입하고, 그보다 내측의 플라즈마 영역에 반응성 가스를 직접 도입하면, 반응성 가스의과도한 해리를 더욱 억제할 수 있다.
TCP, ICP 등의 유도 결합 방식의 플라즈마 에칭 장치에 있어서, 에칭 선택비의 저하 및 처리의 편차 등의 문제가 생기는 원인에 관해서, 본 발명자가 연구해본 결과 처리 가스의 해리가 과도하게 진행되는 것이 이들 문제의 원인들중 하나인 것을 발견하였다.
도 17은 종래의 TCP, ICP 등의 유도 결합 방식의 플라즈마 처리 장치에서 생성되는 고밀도 플라즈마내 전자의 에너지 분포를 개략적으로 도시한 도면이다. 이와 같은 전자에서, 저 에너지 영역 LE의 전자는 처리 가스의 해리에 기여하고, 고에너지 영역 HE의 전자는 처리 가스의 전리에 기여하는 것으로 생각된다. 즉, 본 도면에 도시한 바와 같이, 이 플라즈마 처리 장치에 있어서는 고밀도 플라즈마를 생성하기 위해 저 에너지측 LE의 전자를 고밀도로 생성한다.
TCP, ICP 등의 유도 결합 방식에서, 전계는 처리 용기벽에 대해 평행하게 진동하기 때문에 전자는 처리 용기내벽에 거의 충돌하지 않고 왕복 운동한다. 이 때, 전계가 플라즈마에 침투하는 깊이는 침투 두께로서 정의되며, 예를 들어 반경 300mm의 처리 용기의 경우, 5m Torr 압력 및 5×1011/cm3플라즈마 밀도의 조건에서 침투 두께 영역의 두께는 약 17mm이다. 이 침투 두께 영역에서 전자는 저 에너지로 효율적으로 가속된다. 가속된 전자는 침투 두께 영역의 내측의 벌크 플라즈마 영역으로 확산된다.
이와 같이, 처리 가스의 해리를 진행시키는 에너지에 해당되는 저 에너지 전자가 많이 생성되면, 이들 전자에 의해 여기(勵起)되는 플라즈마 내에서 예를 들어 평행 평판 방식의 플라즈마와 비교해 보면 라디칼의 해리가 진행된다. 이러한 현상을 플라즈마로부터의 발광 스펙트럼에 의해 확인된 데이터가 도 16에 도시된다. 도 16에 도시된 데이터는 같은 처리 용기에서 진공도, 가스의 종류, 가스 유량, 플라즈마 밀도를 같게 하여, 평행 평판 방식의 플라즈마와 종래의 유도 결합 방식의 플라즈마의 발광을 비교한 것이다. 도면에서, 특성 La는 평행 평판 방식을 나타내고, 특성 Lb는 유도 결합 방식을 나타낸다. 평행 평판 방식과 비교해서, 유도 결합 방식의 경우에는 CF2의 발광이 감소되고 F의 발광이 강해지는 것을 알 수 있고 해리가 훨씬 진행되고 있음을 알 수 있다.
예를 들어, CF계 가스에 의한 실리콘 산화막 에칭인 경우에, F 라디칼과 CFx 라디칼의 흡착 계수를 비교해 보면 F 라디칼쪽이 흡착계수가 적다. 이로 인해, F 라디칼은 플라즈마에 잔류하여 플라즈마의 F 라디칼 농도가 증가한다. 그 결과, 피처리체인 반도체 웨이퍼 표면에 퇴적하는 막내의 F/C 비가 평행 평판 방식인 경우 0.8 정도인 것이 1. 8 전후까지 상승한다. 이로 인해, 전술한 바와 같이 포토레지스트의 에칭 속도가 빨라지고, 실리콘 산화막의 레지스트에 대한 선택비가 저하된다.
이러한 고해리의 상태를 피하기 위해, 플라즈마 발생원으로부터 피처리체를 분리하거나, 혹은 플라즈마를 생성하는 RF 전력을 수십 마이크로초 정도 폭의 펄스에 의해 온/오프함으로써, 해리되어 있는 라디칼을 재결합시켜서 플라즈마 처리를행하는 방법이 제안되어 있다. 그렇지만, 어떠한 방법을 이용해도 피처리체 근방의 플라즈마 밀도를 저하시키며, 이 때문에 처리 속도가 저하되고 당초의 고밀도 플라즈마를 사용하는 목적을 달성할 수 없게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치인 플라즈마 에칭 장치(2)를 도시한 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 장치의 천정의 수평 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
플라즈마 에칭 장치(2)는 예를 들어 내벽 표면이 알루마이트(alumite) 처리된 알루미늄 등으로 이루어진 원통 형상으로 가공된 처리 용기(4)를 갖는다. 처리 용기(4)는 처리실을 기밀하게 유지시키고 이와 동시에 접지된다.
처리 용기(4)내에 형성되는 처리실의 저부에는 세라믹 등의 절연판(6)을 통해 피처리체 예를 들어 반도체 웨이퍼 W를 위치시키기 위한 거의 원주 형상의 서셉터(8)가 제공된다. 서셉터(8)는 예를 들어 알루마이트처리된 알루미늄 등으로 형성된다.
서셉터(8)의 내부에는 냉매실(10)이 제공된다. 냉매실(10)에는 예를 들어 액체 플루오로카본(fluoro carbon) 등의 온도 조정용 냉매가 냉매 도입관(12)을 통해 도입가능하고, 도입된 냉매는 냉매실(10)내를 순환한다. 이 냉매의 냉열은 냉매실(10)로부터 서셉터(8)를 통해 웨이퍼 W에 대해 열전도되어, 웨이퍼 W를 냉각한다. 열교환을 수행한 냉매는 냉매 배출관(14)으로부터 처리실외로 배출된다.
절연판(6) 및 서셉터(8)의 내부에는 이하 기술될 정전 척(chuck)(16)을 통해서 피처리체인 웨이퍼 W의 이면에, 열전도 매체, 예를 들어 He 가스를 공급하기 위한 가스 통로(18)가 형성된다. 이 열전도 매체에 의해 서셉터(8)로부터 웨이퍼 W로의 열전도 경로가 확보되어, 전술한 냉매에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도에 유지하는 것이 가능해진다.
서셉터(8)는 그 상면 중앙부가 볼록한 원반 형태로 성형되고, 그 위에 웨이퍼 W와 거의 같은 지름의 정전척(16)이 제공된다. 정전척(16)은 2 장의 고분자 폴리이미드 필름 사이에 전도층이 끼워진 구성을 갖는다. 이 전도층에 대해, 처리 용기(4)의 외부에 배치되는 직류 고압 전원(20)으로부터 예를 들어 1.5kV의 직류 전압을 인가함으로써, 정전척(16)의 상면에 위치된 웨이퍼 W는 쿨롱의 힘에 의해 그 위치에서 흡착유지된다. 고분자 폴리이미드 필름대신에 2 층의 알루미나 세라믹 사이에 전도층이 끼워진 구조를 이용하면, 정전척(16)의 내압 불량 등의 문제를 방지하여 수명을 연장시킬 수 있다.
서셉터(8)의 상단(上端) 주변부에는 정전척(16)상에 위치된 웨이퍼 W를 에워싸도록 환형의 포커스링(22)이 배치된다. 포커스링(22)은 전계를 차단하는 절연체 재질로 이루어진다. 포커스링(22)상에서는 반응성 이온은 가속되지 않기 때문에, 플라즈마에 의해 발생된 반응성 이온은 그 내측의 웨이퍼 W에만 효과적으로 입사(入射)된다.
처리 용기(4)의 측벽은 그 상부의 일부가 예를 들어 석영 등의 절연체로 이루어진 고주파 투과창(24)으로 구성된다. 투과창(24)의 외측에 고주파 유도 수단으로서, 예를 들어 링 형태로 감겨진 안테나, 즉 솔레노이드 코일(26)이 배치된다. 도시된 실시예에서는 1 회전(turn)의 코일이지만, 이 회전수는 다수일 수 있다.고주파가 밖으로 누설되지 않도록, 솔레노이드 코일(26)의 외측은, 예를 들어, 알루미늄 등의 전도체로 이루어지는 접지된 외측 실드(28)로 에워싸인다. 솔레노이드 코일(26)의 한쪽 단부는 절연된 접속 구멍(도시되지 않음)에 의해 외부로 꺼내지며, 이하 기술될 RF 전력 공급 수단에 접속된다. 안테나, 즉, 솔레노이드 코일(26)은 관 형태이며, 그 내부에는 냉각을 위한 냉각수가 순환된다. 솔레노이드 코일(26)은 간격을 두고 배치된 절연체의 스페이서(도시되지 않음)에 의해 외측 실드(28)에 고정된다.
코일(26)에는 리액턴스를 줄이기 위해 외측 실드(28) 사이에 분산적으로 콘덴서(도시되지 않음)가 삽입될 수 있다. 또한, 외측 실드(28)의 내부를 액체 유전체(도시되지 않음)로 채움으로써 접지(ground)와의 사이에 분포 캐퍼시턴스를 제공할 수 있고, 코일(26)의 리액턴스를 감소시킬 수 있다. 액체 유전체로는 냉매를 이용하여, 코일(26)의 냉각을 겸할 수 있다.
코일(26)에는 예를 들어 디커플링 콘덴서를 포함한 정합기(30)를 통해 예를 들면 13.(56) MHz의 고주파를 출력하는 고주파전원(31)이 접속된다. 코일(26)로부터 고주파 투과창(24)을 통해 처리 용기(4)내에 플라즈마발생용의 고주파자계를 도입할 수 있다.
고주파 투과창(24)의 내측에는, 본 발명의 특징인, 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자의 평균 자유 행정을 제한하기 위한 제한 수단(32)이 제공된다. 침투 두께 영역 내에서 제한 수단(32)에 의해 전자의 평균 자유 행정이 짧아지면, 도 17에 도시된 전자의 에너지 분포는, 고 에너지 및 저 에너지 전자의 밀도가 저하되고중 에너지 전자의 밀도가 높아지도록 변화된다. 즉, 에너지 분포의 밀도의 피크는 화살표 M1로 도시된 바와 같이 고 에너지측으로 이동된다.
그 이유는 제한 수단(32)에 의해 전자의 평균 자유 행정이 제한됨으로써 고 에너지 전자의 밀도가 저하되고, 저하된 분량의 대부분에 해당하는 에너지가 저 에너지 전자로 이동하여 에너지가 상승되어 저 에너지 전자의 밀도도 저하되기 때문인 것으로 생각된다. 다른 관점에서 설명하면, 이러한 현상은 제한 수단(32)에 의해 침투 두께 영역을 포함하는 플라즈마의 임피던스가 상승하기 때문에, 소정의 일정 전력하에서 전계 강도가 높아지는 것에 기인하는 것으로 생각된다. 즉, 침투 두께 영역내의 전자가 높은 전계 강도에 의해 가속되기 때문에, 에너지 분포의 밀도의 피크가 고 에너지측으로 이동한다.
이렇게 하여, 저 에너지 전자의 밀도를 저하시키면, 처리 가스의 해리가 과도하게 진행되는 것을 억제할 수 있다. 그 이유는 전술한 바와 같이, 도 17의 저 에너지 영역 LE에 속하는 저 에너지 전자가 처리 가스의 해리에 기여하고 있기 때문이다.
구체적으로, 제한 수단(32)은 투과창(24)의 둘레를 따라 소정의 등간격으로 분산적으로 제공된 다수의 장벽(32A)으로 이루어진다. 예를 들어, 웨이퍼W가 지름 200mm(8 인치 웨이퍼)이고, 처리 용기(4)의 내부 반경이 300mm인 경우, 장벽(32A)은 간격이 120mm 이하가 되도록 8개 이상 제공된다(도 2참조). 장벽(32A)의 선단은 용기중심측을 향해서 침투 두께 영역(P2)의 도중까지 돌출한다. 각 장벽(32A)은 침투 두께 영역내의 전자의 지배적인 운동 방향에 대하여 대략 직각으로 넓어지는 면을 갖는다.
도 2에 있어서, 플라즈마 영역(P1) 전체는 일점 쇄선으로 표시되고, 침투 두께 영역(P2)은 일점 쇄선과 그 내측의 파선으로 둘러싸인 링형상의 부분이다. 또한, 침투 두께 영역(P2)과 용기 내벽과의 사이는 플라즈마 덮개(sheath) 영역(P3)이 된다. 침투 두께 영역(P2)의 두께 (L1)는 프로세스 조건에도 따르지만, 예를 들어 17mm 정도이며 이 두께의 도중까지 장벽(32A)이 돌출된다.
침투 두께는 전술한 바와 같이 고주파 전계가 침입할 수 있는 영역을 나타내고, 이 이상 중심측으로는 표피 효과에 의해 고주파 전계가 더이상 침입할 수 없다. 따라서, 침투 두께 영역(P2)에 존재하는 전자는 용기(4)의 둘레방향에서 고속으로 시계방향 및 반시계방향으로 반전하면서 진동한다. 이 때, 둘레방향 즉, 전자의 지배적인 운동 방향에 대하여 직교하도록 분산적으로 제공된 장벽(32A)에는 고 에너지 전자가 충돌한다. 이로 인해, 고 에너지 전자의 밀도가 저하되고, 그 저하분의 대부분에 해당되는 에너지는 저 에너지 전자로 이동하여 에너지를 상승시키기 때문에, 저 에너지 전자의 밀도가 저하된다. 장벽(32A)의 수 및 침투 두께 영역(P2)에 대한 돌출 길이 (L2)는 처리 조건에 맞게 적절히 선택하면 좋고, 여기서는 10∼20mm 정도로 설정된다.
장벽(32A)의 재질은 예를 들어 고주파 투과창(24)과 같은 재질의 석영 등을 이용할 수 있다. 이 경우, 투과창(24)의 내측을 돌출 길이 (L2)의 높이로 볼록 형상으로 함으로써 양부재를 일체 성형할 수 있다.
서셉터(8)의 위쪽에는 상부전극(34)이 제공된다. 서셉터(8)의 상면과 상부전극(34)의 하면은 평행하고 또한 20∼40mm 정도 이격된다. 상부전극(34)은 처리 용기(4)의 천정을 형성함과 동시에 다수의 처리 가스 배출 구멍(36)을 갖는 전극판(38)과, 이 전극판(38)상에 제공된 헤드 커버(40)로 구성된다. 전극판(38)은 SiC, 무정형 탄소 등의 전도성 재료로 이루어지고, 헤드 커버(40)는 표면이 알루마이트처리된 알루미늄 등의 전도성 재료로 이루어진다.
헤드 커버(40)는 내부가 오목한 용기 형상으로서, 전극판(38)과 함께 확산실(43)을 형성한다. 따라서, 처리 가스를 확산실(43)로부터 배출 구멍(36)을 통해서 처리실내에 균일하게 공급할 수 있다. 이와 같이 상부전극(34)은 샤워 헤드 기능도 겸한다.
헤드 커버(40)의 내부에는 냉매실(42)이 제공된다. 냉매실(42)에는 예를 들면 액체 플루오로카본 등의 온도 조정용의 냉매가 냉매 도입관(도시되지 않음)을 통해 도입가능하고, 도입된 냉매는 냉매실(42)내를 순환한다. 이 냉매의 냉열은 냉매실(42)로부터 전극판(38)에 대해 열전도되어, 전극판(38)을 소망하는 온도까지 냉각시킬 수 있다. 열교환을 행한 냉매는 냉매 배출관(도시되지 않음)으로부터 처리실 밖으로 배출된다. 전극판(38)은, 라디칼의 흐름이 웨이퍼 W로 향하여 전극판(38)의 표면상에 라디칼이 퇴적하지 않도록 웨이퍼 W의 표면보다 고온으로 설정된다.
상부전극(34)의 헤드 커버(40)의 중앙에는 가스 도입구(39)가 제공되고, 가스 도입구(39)에 가스 도입관(44)이 접속된다. 가스 도입관(44)은 라인(46)을 통해 3개의 라인으로 분기된다. 3개의 라인은 각각 밸브(48, 50, 52) 및 매스플로우콘트롤러(54, 56, 58)를 통해 각각 대응하는 처리 가스를 저장하는 처리 가스 공급원(60, 62, 64)과 연결된다.
본 실시예에 있어서, C4F8은 처리 가스 공급원(60)으로부터 제공되고, Ar은 처리 가스 공급원(62)으로부터 제공되고, 불활성 퍼지 가스(purge gas)인 N2가스는 처리 가스 공급원(64)으로부터 각각 제공된다.
처리 용기(4)의 하부에는 터보 분자 펌프 등의 진공 배기 수단(도시되지 않음)으로 통하는 배기관(66)이 접속된다. 이 배기 수단에 의해 처리 용기(4)내의 처리실을 소정의 감압 분위기까지 진공으로 끌어낼 수 있다.
또한, 처리 용기(4)의 측벽에는 기밀하게 개폐 가능하게 이루어진 게이트 밸브(68)를 통해 로드록(load rock)실(70)이 접속된다. 로드록실(70)내에 제공된 반송 암(arm) 등의 반송 수단(도시되지 않음)에 의해 피처리체인 웨이퍼 W는 처리 용기(4)와 로드록실(70) 사이에 반송된다.
서셉터(8)는 급전봉(給電棒)(72)과 접속된다. 급전봉(72)에는 디커플링 콘덴서를 내장하는 정합기(74)를 통해 예를 들어 13.56 MHz의 고주파 전력을 발생하는 고주파 전원(76)이 접속된다. 이에 따라, 서셉터(8)에 이온을 끌어당기는 자기 바이어스를 인가할 수 있다.
또한, 필요에 따라서 상부전극(34)에도 예를 들면 13.56 MHz의 고주파 전력을 인가하여도 좋다.
본 실시예에 있어서는 고주파(RF) 전력 주파수는 모두 13.56 MHz로 했지만,다른 주파수를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 실리콘 산화막의 에칭 처리와 같이 비교적 고 에너지의 이온 충돌을 필요로 하는 처리의 경우는 이온이 이 주파수에 따르는 수 MHz 이하, 예를 들어 800 KHz 정도 주파수의 RF 전력을 서셉터(8)에 인가하면 효율이 좋다. 또한, 폴리 실리콘막의 에칭 처리와 같이 비교적 저 에너지의 이온 충돌에 의해 처리를 하고 싶은 경우는 10 MHz 이상, 공업용 주파수의 관점에서 바람직하게는 13.56 MHz의 RF 전력을 이용한다. 이 경우, 이온은 고주파에 따르지 않고 자기 바이어스 전압에서 가속되기 때문에, 이온 충돌이 작게 억제되고, 처리 속도를 보다 정밀히 제어하기가 쉽다.
상부전극(34)에 RF 전력을 인가하는 것은 일반적으로 플라즈마 밀도를 높이는데 그 목적이 있다. 이 목적을 위해, 전자의 가속 효율이 좋은, 주파수가 높은 고주파를 사용하는 것이 바람직하고, 예를 들어 10 MHz에서 100 MHz의 주파수를 이용한다.
솔레노이드 코일(26)에 인가되는 RF 전력은 유도 결합에 의해 플라즈마 생성 효율이 높기 때문에 다른 관점에서 선택된다. 예를 들어, 침투 두께 영역의 폭은 솔레노이드 코일(26)에 인가되는 RF 주파수에 의존한다. 침투 두께 영역은 주파수가 낮을 수록 커지기 때문에, 플라즈마 밀도의 균일성을 향상시키기 위해 보다 저주파, 예를 들어, 2 MHz의 저주파를 이용한다.
솔레노이드 코일(26), 서셉터(8) 또는 상부전극(34)에는 각각 독립된 RF 전원에 의해 고주파 전력이 인가된다. 따라서, 솔레노이드 코일(26), 서셉터(8), 상부전극(34)에 인가되는 전력값은 각각 독립적으로 가변된다.
다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 플라즈마 에칭 장치(2)의 동작에 관해 설명한다.
먼저, 플라즈마 에칭 장치(2)를 이용해서 실리콘 기판을 갖는 웨이퍼 상에 실리콘 산화막의 에칭을 실시하는 것에 대해서 설명될 것이다. 우선, 피처리체인 웨이퍼 W는 게이트 밸브(68)가 개방된 후, 반송 수단에 의해 로드록실(70)로부터 처리 용기(4)내로 반입되고 정전척(16)상에 위치된다. 그리고, 직류 고압 전원(20)의 인가에 의해 웨이퍼 W는 정전척(16)상에 흡착유지된다. 그 후, 반송 수단이 로드록 실내로 후퇴된 뒤, 처리 용기(4)내는 배기 수단에 의해 진공 상태로 된다.
한편, 밸브(48)가 개방되어 매스플로우 콘트롤러(54)에 의해 그 유량이 조정되면서, 처리 가스 공급원(60)으로부터 C4F8가스가 공급된다. 또한, 밸브(50)가 개방되어 매스플로우 콘트롤러(56)에 의해 그 유량이 조정되면서 처리 가스 공급원(62)으로부터 Ar 가스가 공급된다. 이들 가스는 가스 라인(46), 가스 도입관(44), 가스 도입구(39)를 통하여 상부 전극(34)으로 제공된다. 더욱이, 가스는 전극판(38)의 배출 구멍(36)을 통하여 도 1에 화살표로 나타난 바와 같이 처리실에 대해 균일하게 배출된다.
그리고, Ar 가스 및 C4F8가스 공급 동안, 처리 용기(4)가 배기되어 처리공간내의 압력은, 예를 들어, 1 Pa 정도의 소정의 압력으로 유지된다.
이와 같은 상태 하에서, 플라즈마 발생용의 고주파 전력이 솔레노이드코일(26)에 인가되는 한편, 자기바이어스용의 고주파 전력이 서셉터(8)로 인가된다. 이렇게 해서 서셉터(8) 상부전극(34)과의 사이에 발생하는 전계에 의해 가스가 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼 표면의, 예를 들어, SiO2가 에칭된다.
이와 같이 솔레노이드 코일(26)에 고주파 전력을 인가함으로써, 고주파 유도자계가 발생하고 이와 동시에, 용기 둘레 방향을 따라 교번 고주파 유도 전계가 발생한다. 이에 따라, 전계가 침투하는 침투 두께 영역(P2)에 존재하는 전자는 고 에너지화해서 전계의 진동에 따라 왕복 진동하고, 처리 가스와 충돌하여 플라즈마를 여기한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 링형상의 침투 두께 영역(P2)에는 소정의 간격으로 분산하여 장벽(32A)이 제공된다. 이 때문에, 고 에너지 전자 E는 장벽(32A)과 충돌하는 경우가 많이 생기고 에너지가 감소된다. 도 3의 외곽선 화살표는 임의의 순간의 고주파 유도 전계의 방향을 도시한다. 또한, 이 경우, 2차 전자를 방출하는 경우도 있지만, 결과적으로 이 전자도 그 에너지 레벨이 저하한다.
고주파 전계의 반주기 동안에 전자가 가속되어 이동하는 거리는 전계가 강하면 길어지고 주파수가 높으면 짧아진다. 장벽(32A)간의 간격은 이들의 조건에 대하여 최적화된다.
이에 따라, 고 에너지 전자의 밀도가 저하하여, 그 저하분의 대부분에 해당하는 에너지가 저 에너지 전자로 이동하여 에너지를 높이기 때문에, 저 에너지 전자의 밀도도 저하된다. 즉, 해리에 기여하는 저 에너지 레벨을 갖는 전자의 밀도가 저하하고, 처리 가스의 해리가 과도하게 진행되는 것이 억제된다. 따라서, 플라즈마 밀도를 높게 유지하면서 안정된 플라즈마 처리를 하는 것이 가능해진다. 즉, 실리콘 산화막의 에칭 처리에서는 C4F8가스의 과도한 해리가 억제되고(도 16의 F 라디칼 및 F 이온의 발생량이 적어지고, 해리 중간 생성물의 CF2라디칼 및 CF2이온 등의 양이 상대적으로 증가한다), 웨이퍼 상에 부착된 막중의 F/C 비를, 예를 들어, 0. 8정도로 억제할 수 있다.
또한, 처리 용기(4)내로의 폴리머의 퇴적의 영향도 적어지고, 장시간 안정된 처리를 행할 수 있게 된다. 또한, 서셉터(8)에 자기 바이어스 전력을 인가함으로써, 플라즈마 덮개에 전압이 제공되어, 이 덮개 속에서 이온은 웨이퍼 W에 대해 가속된다.
이상과 같이, 본 실시예에 의하면, 과도하게 해리되지 않은 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있고, 또한 플라즈마 밀도와 독립적으로 웨이퍼 W에 대한 이온 입사에너지를 억제할 수 있다. 이에 따라, 안정된 처리를 얻을 수 있는 조건이 종래보다 확대되고, 처리속도, 레지스트에 대한 에칭 선택비, 형상, 재현성 등을 동시에 만족시킬 수 있는 프로세스 조건을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 솔레노이드 코일(26)과 고주파 투과창(24) 사이에 아무것도 제공되어 있지 않지만, 도 4에 도시된 바와 같이 여기에 정전 실드(78)를제공하여도 좋다. 도 5는 정전 실드(78)를 도시한 사시도이다. 실드(78)는, 예를 들어, 링형상으로 형성된 동판 등으로 이루어진 도전판(80)에 그의 둘레 방향을 따라 소정의 등간격으로 다수의 슬릿(82)을 형성하여 구성된다. 실드(78)는 접지된 상태로 코일(26)과 고주파 투과창(24) 사이에 배치된다.
실드(78)는 플라즈마 표면에 대하여 평행한 전계를 차단하고, 플라즈마 표면에 대하여 수직인 전계만을 통과시킨다. 이 때문에, 플라즈마 덮개에 바람직하지 않은 방향의 전압이 인가되는 것을 차단할 수 있고, 고주파 투과창(24)의 내면이 플라즈마로 스퍼터링되는 것을 억제할 수 있다. 슬릿(82)의 폭 및 피치는 코일(26)에 인가되는 고주파 전력의 주파수 등에 의존하여 설정된다. 본 실시예와 같이 13.56 MHz의 고주파 전력의 경우, 상기 폭 및 피치는 각각 2mm 및 20mm 정도로 설정된다.
또한, 본 실시예에서는 침투 두께 영역에서 돌출하는 제한 수단(32)으로서, 장벽(32A)을 석영 등의 절연체로 형성하고 있다. 그러나, 이것을 동이나 표면이 알루마이트(alumite) 처리된 알루미늄 등의 전도성 재료로 형성하여도 좋다. 이 경우, 도 6및 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 각 장벽(32A)의 외측 단부를 도체의 접속링(84)으로 연결하고, 접속링(84)을 도 6에 도시된 바와 같이 처리 용기(4)의 측벽과 천정에 끼워 넣음으로써 전체를 고정시킨다. 또한, 접속링(84)의 고정 방식은 이것으로 한정되지 않는다. 그리고, 장벽(32A)에 직류 전원(86)으로부터, 예를 들어, 플러스 또는 마이너스 전압을 조정 가능하게 인가함으로써 장벽(32A)과 플라즈마간의 전위차를 억제한다. 이에 따라, 이온에 의한 장벽 표면의 스퍼터의 정도를 제어하고, 디포지션으로부터의 입자의 발생 및 장벽의 소모를 억제할 수 있다.
또한, 장벽(32A)에 세라믹 히터나 저항 가열 히터 등으로 이루어진 온도 조정 수단(88)을 매립할 수 있다. 그리고, 장벽(32A)을 디포지션이 발생하지 않는 온도, 예를 들어 처리 조건에도 따르지만, 150℃∼200℃ 정도로 가열한다. 이에 따라, 장벽(32A)에 플라즈마 처리 중에 해리 가스 방출의 원인이 되는 박막이 퇴적되는 것을 방지할 수 있고, 플라즈마 처리의 재현성을 향상할 수 있을 뿐만 아니라, 입자의 발생도 억제할 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 각 장벽(32A)의 선단에 처리 용기(4)의 중심 즉, 플라즈마의 중심으로 향하는 전자의 양을 억제하기 위한 방해판(90)을 제공할 수 있다. 방해판(90)은 침투 두께 영역내의 전자가 지배적인 운동 방향에 대하여 거의 평행하게 넓어지는 면을 갖는다. 그리고, 방해판(90)과 장벽(32A)과 투과창(24)에 의해 구획되는 영역을 공동화(空洞化)하여, 이로부터 새어나가는 전자량을 억제한다. 이 경우, 전계에 가속된 전자가 장벽(32A) 및 방해판(90)과 충돌할 확률이 커진다. 이 때문에, 효율적으로 전자 에너지 분포를 바꿀 수 있고, 처리 가스의 과도한 해리를 보다 효율적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 상부전극(34)을 처리 용기(4)의 천정에 도통 상태로 부착하고 있다. 그러나, 도 9에 도시된 바와 같이 상부전극(34)과 처리 용기(4)의 천정 사이에 절연체(94)를 개재시켜도 좋다. 그리고, 상부전극(34)에 정합기(96)를 통해 예를 들어 13.56 MHz의 고주파 전원(98)을 접속하고, 상부전극(34)에 고주파 전력을 인가할 수 있도록 구성한다. 도 9의 파선(95)은 고주파 누출 방지용의 실드를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 구조에 따르면, 상부전극(34)에 대하여 독립적으로 RF 전력을 인가할 수 있다. 따라서, RF 유도 결합 방식에 의한 플라즈마와 평행 평판 방식의 용량 결합에 의한 플라즈마를 합성하여 2 종류의 플라즈마 각각의 특징 중에서 중간 특징을 가진 플라즈마를 생성할 수 있다.
솔레노이드 코일(26)과 정합기(30)와 플라즈마 발생용의 고주파 전원(31)간의 접속형태는 여러 가지 방식을 채용할 수 있으며, 이들의 예가 도 10a∼10c에 도시되어 있다.
또한, 본 실시예에서는 고주파 유도 수단으로서 솔레노이드 코일(26)로 이루어진 안테나를 이용해서 이것을 처리 용기의 측벽에 제공하고 있다. 이 대신, 고주파 유도 수단으로서 처리 용기의 천정에 평면형의 안테나를 설치한 구성으로 해도 좋다.
다음으로, 이러한 구성의 장치에 대하여 설명한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 관한 평면형의 안테나를 이용한 플라즈마 처리 장치인 플라즈마 에칭 장치를 도시한 구성도이고, 도 12는 그 평면형의 안테나와 제한 수단의 위치 관계를 도시한 평면도이다. 또한, 전술한 장치의 구성 부분과 동일 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙여, 그 설명을 생략한다.
고주파 유도 수단으로서, 예를 들어 동심원 형상 또는 나선 형상의 평면형의 안테나(100)를 사용하는 본 실시예에 있어서는 안테나(100)에 대응하는 용기 천정에, 예를 들어, 석영 등의 유전체로 이루어진 고주파 투과창(102)이 기밀하게 제공된다. 이 경우, 가스 도입 수단에 대해서도 RF 전계를 피하도록, 처리 용기(4)의 측벽에 가스도입 노즐(104)이 배치되어 이로부터 소정의 가스가 처리실내로 도입된다.
안테나(100)의 전체는 예를 들어 알루미늄 등의 접지된 전도체로 이루어진 커버(106)에 의해 기밀하게 감싸진다. 투과창(102)의 면적이 너무 커서 대기압을 견딜 수 없는 경우에는 커버(106)내를 진공 흡입함으로써, 투과창(102)에 가해지는 인장 응력과 선단 응력을 줄일 수 있다. 커버(106)에는 냉매실(108)이 제공되어, 이것에 냉매를 흐르게 함으로써 냉각할 수 있다.
안테나(100)의 한끝은 절연된 접속구멍(도시되지 않음)에 의해 외부로 꺼내져서 RF 전력 공급 수단에 접속되고 다른 끝은 접지된다. 또한, 이 다른 끝은 개방되어도 좋다. 이 전력 공급 수단은 도 10a∼10c에 도시된 바와 같이 여러 가지 방식을 채용할 수 있다.
안테나(100)는 관형상으로 할 수도 있고, 이 경우 그 안쪽에 냉각을 위한 냉각수를 순환시킬 수 있다. 안테나(100)는, 간격을 두고 배치된 절연체의 스페이서(도시되지 않음)에 의해 커버(106)에 고정된다.
안테나(100)에는 리액턴스를 줄이기 위해 커버(106)와의 사이에 분산적으로 콘덴서를 삽입할 수 있다. 이에 따라, 국부적인 전압 상승에 의한 방전의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 대신에, 커버(106)내를 액체 유전체로 채우고, 접지와의 사이에 분포 캐퍼시턴스를 제공함으로써 안테나의 리액턴스를 줄일 수 있다. 이경우, 액체 유전체로서 냉매를 이용하면 안테나(100)의 냉각을 겸할 수 있다.
또한, 안테나(100)와 투과창(102) 사이에는 슬릿이 붙은 접지된 유전체의 판으로 이루어진 정전 실드(도시되지 않음)를 삽입할 수 있다. 이 실드는 플라즈마 표면에 대해 평행한 전계를 차단하고, 플라즈마 표면에 대하 수직인 전계만 통과시킨다. 이에 따라, 플라즈마 덮개에 바람직하지 않은 방향의 전압이 걸리는 것을 방지하여, 투과창(102) 내벽의 스퍼터링을 억제할 수 있다. 이것은 상기 실시예에서 설명한 것과 동일하다.
투과창(102)의 하면은 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자의 평균 자유 행정을 제한하기 위한 제한 수단으로서, 아래쪽으로 돌출되도록 장벽(110)이 제공된다. 장벽(110)은 석영 등의 절연체로 형성되고 또한 방사 형태로 복수개 제공된다. 나선형상의 안테나(100)에서 발생되는 고주파 유도 전계는 원주 방향으로 발생되기 때문에, 장벽(110)은 이 방향과 직교하도록 방사 형태로 제공된다. 장벽(110)의 돌출 길이 (L2)는, 프로세스 조건에도 따르지만, 10∼20 mm 정도로 설정된다.
평면형의 나선형상의 안테나(100)에 고주파 전력을 인가하면 용기의 둘레 방향을 따라 고주파 유도 전계가 발생되고, 그 방향으로 전자가 가속된다. 전계 내에서 가속된 전자는 침투 두께 영역(P2)에서 방사 형상으로, 즉, 전자의 지배적인 운동 방향과 거의 직교하도록 제공된 장벽(110)과 충돌한다. 그 결과, 전술한 바와 같이, 전자의 에너지 분포가 바뀔 수 있고, 처리 가스가 과도한 해리를 억제할 수 있게 된다. 따라서, 전술한 실시예와 같이, 과도하게 해리되지 않은 고밀도의플라즈마가 획득될 수 있고, 또한, 처리속도, 포토레지스트에 대한 에칭 선택비, 형상, 재현성 등을 동시에 충족시킬 수 있는 프로세스 조건을 실현할 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 자석의 N극과 S극이 교대로 배치된 링형상의 다수의 막대 자석(92)을 형성하여, 이것을 처리 용기(4)의 외주에 배치할 수 있다. 다수의 막대 자석(92)을 배치함으로써 플라즈마를 폐쇄할 수 있다. 이에 따라, 처리 용기(4)의 내벽을 플라즈마 충격으로부터 보호하고 이와 동시에 하전 입자가 처리 용기의 내벽에서 소멸되는 것을 억제하여, 플라즈마 밀도를 더욱 높일 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 실시예에 있어서는 나선형상의 평면형의 안테나(100)를 이용했지만, 이것 대신에, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이 방사 형상의 안테나(112)를 사용할 수 있다.
본 실시예에 있어서는 안테나(112)가 고주파 투과창(114)의 상면에 방사 형상으로 제공된다. 이에 대해, 장벽(116)은 동심원 형상으로 안테나(112)에 대하여 거의 직교하도록 다수로 배치된다. 또한, 각 장벽(116)의 하단 선단부에는 각각 링형상의 방해판(118)이 제공되고, 이웃하는 방해판(118) 사이에 개구(121)가 형성된다. 고주파 투과창(114)과 장벽(116)과 방해판(118)은 예를 들어, 절연체에 의해 일체적으로 성형되고, 따라서 상기 각 부재로 구획된 영역은 링형상의 공동(空洞)(120)으로서 구성된다. 장벽(116)의 선단이 침투 두께 영역(P2)의 도중까지 돌출되는 것은 전술한 각 실시예와 동일하다.
본 실시예에서, Ar 가스등의 해리의 대상이 되지 않는 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 수단(122)은 각 공동(129)으로 향하게 하여 제공된 불활성 가스 공급 노즐(124)을 포함한다. 이에 대하여, C4F8등의 해리의 대상이 되는 반응성 가스를 공급하는 반응성 가스 공급 수단(126)은 침투 두께 영역(P2)보다 아래쪽의 플라즈마 영역 내에 반응성 가스를 직접 공급하는 반응성 가스 공급 노즐(128)을 포함한다.
안테나(112)에 고주파 전압을 인가하면, 방사상으로 용기의 반경 방향으로 진동하도록 고주파 유도 전계가 발생되고, 이로 인해 침투 두께 영역(P2)내의 전자도 용기의 반경 방향으로 진동한다. 전계 내에서 가속되어 진동하는 전자는 침투 두께 영역(P2)에서 동심원 형상으로, 즉, 전자의 지배적 운동 방향과 거의 직교하도록 제공된 장벽(116)과 충돌한다. 그 결과, 전술한 바와 같이, 전자의 에너지 분포가 변화될 수 있다.
또한, 장벽(116)의 선단에는 방해판(118)이 제공되고 공동(129)이 형성된다. 이 때문에, 공동(120)의 내벽에 고 에너지 전자가 충돌하여 충돌 회수가 증가함으로써 전자의 에너지 분포가 효율적으로 변화될 수 있다. 개구(121)로부터는 주로 저 에너지 전자가 아래쪽으로 방출되게 된다. 따라서, 상기 각 실시예와 같이 반응성 가스의 과도한 해리를 억제할 수 있다. 특히, 이 실시예에서, 공동(120)내의 침투 두께 영역(P2)에서는 해리되지 않은 불활성 가스만이 도입되기 때문에, 그 만큼 반응성 가스의 해리는 억제된다. 따라서, 과도한 해리의 억제 효과를 더욱 향상시킬 수 있고, 에칭 선택비를 향상시킬 수 있다. 또한, 이 경우에도 필요에 따라 공동(120)내를 냉각 또는 가열하도록 해도 좋다.
상기 각 실시예에 있어서는 실리콘 산화막(SiO2)을 에칭하기 위해 C4F8가스에 Ar가스를 첨가한 가스를 이용하여 에칭한 예를 기술하였다. 그러나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 예를 들어 실리콘 질화막에 대하여도 적용할 수 있다.
또한, 처리 가스로서는, 탄소(C), 불소(F), 수소(H) 또는 산소(O)로 이루어진 군으로부터 선택된 임의의 원소의 조합으로 된 단량체 가스 또는 화합물 가스로서, 동시에 상기 군을 구성하는 모든 원소가 처리실내에 도입되도록 선택된 1또는 2 이상의 단량체 가스 또는 화합물 가스를 이용할 수 있다. 예를 들어, 주 가스 성분으로서 CF계 가스, 예를 들어 CH4, CHF3, CH2F2, CH3F, C2F6, C2H2F2, C3F3, C4F8을 사용하고, 혼합 가스 성분으로서 H2, CO, O2, CH4, C2H4, Ar, He, Xe, Kr 가스를 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 기초하여 구성된 플라즈마 처리 장치는 에칭 장치로 한정되지 않으며, CVD장치, 어싱 장치, 스퍼터 장치 등에도 적용할 수 있다. 또한, 피처리체는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않으며, 예를 들어 LCD 기판을 처리 대상으로 하는 처리에도 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명은 유도 결합 방식의 플라즈마 처리 장치 및 유도 결합 방식의 에칭 장치를 제공하여 안정된 처리를 효율적으로 수행하고 고에칭 선택비로 안정된 에칭를 행할 수 있는 이점이 있다.

Claims (18)

  1. 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하기 위한 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되어 상기 피처리체를 지지하기 위한 탑재대와,
    상기 처리 용기 내를 배기하고, 이와 동시에 상기 처리 용기 내를 진공으로 설정하기 위한 배기 수단과,
    해리의 진행에 따라 다른 활성종을 제공할 수 있는 처리 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 공급 수단과,
    고주파 전원 및 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 수신하는 안테나를 갖고, 상기 처리 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마 상태로 하기 위한 고주파 유도 전계를 상기 처리 용기 내에 발생시키기 위한 전계 발생 수단과,
    상기 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자의 평균 자유 행정을 제한하고, 상기 처리시 상기 처리 가스의 해리 상태가 임의의 처리 조건에 대해 최적화되도록 상기 플라즈마의 상기 침투 두께 영역내의 전자 에너지 분포를 변경하기 위한 제한 수단을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제한 수단은 상기 처리 가스의 해리의 진행을 억제하도록 상기 침투 두께 영역내의 저 에너지 전자의 밀도를 저하시키는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제한 수단은 상기 침투 두께 영역내의 전자가 충돌하도록 마련된 장벽을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 장벽은 상기 침투 두께 영역내 전자의 지배적인 운동 방향에 대하여 직각으로 넓어지는 면을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 처리 용기의 측벽의 주위에 마련된 솔레노이드 코일 안테나를 포함하고, 상기 장벽은 상기 측벽으로부터 상기 침투 두께 영역으로 돌출되도록 마련된 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나는 상기 처리 용기의 천정 상에 배치된 평면형의 안테나를 포함하고, 상기 장벽은 상기 천정으로부터 상기 침투 두께 영역으로 돌출되도록 배치된 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 안테나와 상기 장벽 사이에 배치하여 마련된 정전 실드를 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 장벽의 선단에 배치되고 상기 플라즈마의 중심 측으로 향하는 전자를 억제하기 위한 방해판을 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 방해판은 상기 침투 두께 영역내 전자의 상기 지배적인 운동 방향에 대하여 평행하게 넓어지는 면을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 장벽은 절연체로 이루어진 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 3 항에 있어서,
    상기 장벽은 전도체로 이루어지고, 직류 전원으로부터 전위를 제공받는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 3 항에 있어서,
    상기 장벽의 온도를 조정하기 위한 온도 조정 수단을 더 포함하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 가스는 불활성 가스 및 반응성 가스를 포함하고, 상기 처리 가스 공급 수단은 상기 침투 두께 영역으로 상기 불활성 가스를 공급하기 위한 수단과, 상기 플라즈마내의 상기 침투 두께 영역이외의 부분에 상기 반응성 가스를 직접 공급하기 위한 수단을 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 플라즈마를 이용하여 피처리체를 에칭하기 위한 플라즈마 에칭 장치에 있어서,
    기밀한 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되어 상기 피처리체를 지지하기 위한 탑재대와,
    상기 처리 용기 내를 배기하고, 이와 동시에 상기 처리 용기 내를 진공으로 설정하기 위한 배기 수단과,
    해리의 진행에 따라 다른 활성종을 제공할 수 있는 반응성 가스를 포함하는 처리 가스를 상기 처리 용기 내에 공급하기 위한 처리 가스 공급 수단과,
    고주파 전원, 및 상기 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 수신하는 안테나를 갖고, 상기 처리 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마 상태로 하기 위해, 고주파 유도 전계를 상기 처리 용기 내에서 발생시키기 위한 전계 발생 수단과,
    상기 플라즈마의 침투 두께 영역내의 전자의 평균 자유 행정을 제한하고, 상기 에칭시에 상기 반응성 가스의 해리 상태가 임의의 처리 조건에 대하여 최적화되도록 상기 플라즈마의 상기 침투 두께 영역의 전자 에너지 분포를 변경하기 위한 제한 수단을 포함하는 플라즈마 에칭 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제한 수단은 상기 반응성 가스의 해리의 진행을 억제하도록 상기 침투두께 영역내의 저 에너지 전자의 밀도를 저하시키는 플라즈마 에칭 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제한 수단은 상기 침투 두께 영역내의 전자가 충돌하도록 배치된 장벽을 포함하는 플라즈마 에칭 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 장벽 각각은 상기 침투 두께 영역내 전자의 지배적인 운동 방향에 대하여 거의 직각으로 넓어지는 면을 갖는 플라즈마 에칭 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리 가스는 불활성 가스를 포함하고, 상기 처리 가스 공급 수단은 상기 침투 두께 영역에 상기 불활성 가스를 공급하기 위한 수단과, 상기 플라즈마내의 상기 침투 두께 영역이외의 부분에 상기 반응성 가스를 직접 도입하기 위한 수단을 구비하는 플라즈마 에칭 장치.
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