KR100385532B1 - 플라즈마 처리방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 플라즈마 에칭장치(2)는 샤워헤드(30)의 가스 분출면(34)으로부터 불활성 가스와 반응성 가스를 공급함과 동시에, 이들 가스를 고주파방전을 통하여 플라즈마화하고, 이 플라즈마를 이용하여 서셉터(8)상의 반도체 웨이퍼 W를 에칭한다. 불활성 가스는, 가스 분출면(34)의 거의 전면에 걸쳐 형성된 불활성 가스 분출구멍(38)으로부터 연속적으로 공급된다. 반응성 가스는 가스 분출면(34)의 거의 전면에 걸쳐 형성되고 또한 복수의 그룹으로 분할된 반응성 가스 분출구멍(36A∼36D)으로부터 그룹마다 시분할적으로 반복하여 공급된다.

Description

플라즈마 처리방법 및 그 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND APPARATUS}
본 발명은, 고주파(RF)방전으로 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 반도체웨이퍼, LCD기판 등의 피처리체를 처리하기 위한 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히, 큰 면적의 피처리체에 대하여 높은 면 균일성(a high planar uniformity)으로, 또한 고속으로 플라즈마 에칭 또는 플라즈마 디포지션(deposition)을 행하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
예를 들면, 반도체 소자의 제조과정에 있어서, 처리용기내에 플라즈마를 발생시켜 이 플라즈마 분위기 속에서 피처리체, 예를 들면, 반도체웨이퍼에 대하여 에칭처리를 비롯한 각종 플라즈마 처리가 행해지고 있다. 최근에는, 피처리체의 면적당 가공비용을 절감하기 위해, 예를 들면, 6인치웨이퍼로부터 8인치 혹은 12인치(300mm) 웨이퍼로 이행하는 등, 피처리체의 대구경화, 대면적화가 진행되고 있다.
이러한 요구에 부응하기 위해, 큰 면적의 피처리체에 부합한 플라즈마 처리장치에 관한 연구가 행해지고 있다. 이러한 종류의 플라즈마 처리장치에서의 플라즈마 발생방식으로서는, 평행평판방식 혹은 ICP(Inductively Coupled Plasma) 방식이 바람직하다. 왜냐하면, ECR(Electron Cyclotron Resonance) 방식, 헬리콘(helicon) 방식 등의 다른 플라즈마 발생방식은 피처리체에 따라 플라즈마원을 크게 하면 복수의 모드가 발생하기 쉬워 균일한 플라즈마를 얻기가 어려워지기 때문이다.
또한, 이러한 종류의 플라즈마 처리장치에 있어서는, 자석이 매우 커지게 되는 것으로부터 기인하는 문제가 있다. 이 경우, 플라즈마원(源)을 크게하지 않으면서 자장의 차이(gradient of a magnetic field)에 따른 확산(diffusion)을 이용해 플라즈마를 확대시키고자 하면, 주변부분에서 전자가 가속되어 플라즈마의 특성이 중앙과 주변에서 상이하게 된다.
또한, 예를 들면, 200mm(8인치) 직경의 웨이퍼에 대한 처리속도, 선택비, 가공형상 등의 특성과 동일한 특성을 더 큰 면적의 웨이퍼에 대하여 얻고자 한다면, 처리가스의 유량을 거의 피처리면의 면적증가에 비례해서 늘리지 않으면 안된다.플라즈마공간의 높이, 예를 들어, 평행 평판 방식에서는 상하전극간의 간격이 종래와 같다고 했을 경우, 피처리면의 면적이 증가함에 따라 플라즈마공간의 종횡비(aspect ratio)는 커지게 되고 가스배기의 컨덕턴스는 작아진다. 따라서, 현상황의 진공흡입펌프 등의 능력으로 비추어보아, 소정의 많은 양의 처리가스를 유출하면서 플라즈마처리에 적합한 높은 진공을 얻기는 상당히 어려워진다. 예를 들면, 8인치웨이퍼로부터 300mm웨이퍼로 이행하면, 피처리면의 면적이 2.24배가 되므로 처리가스량도 2.24배가 필요하게 되어 진공으로 만드는 것이 곤란해진다. 또한, 피처리면의 중앙과 주변에서 반응성 가스의 배기성에 차이가 있기 때문에, 처리속도 등의 프로세스특성이 피처리면의 중앙과 주변 사이에서 균일하지 않게 된다.
진공을 용이하게 만들기 위해, 전극간격을 넓혀 배기 컨덕턴스를 향상시키는 것도 고려된다. 하지만, 이 경우, 플라즈마 밀도의 저하를 방지하고 또한 가스의 해리상태(dissociated gas state) 등을 종래와 같게 하기 위해서는, 플라즈마 공간에서의 가스의 체류시간(residence time)을 동일하게 할 필요가 있다. 이를 위해서는 가스유량을 더 증가시켜야 하므로, 진공으로 만드는 것이 더욱 어려워진다.
따라서, 본 발명의 주된 목적은, 기존의 진공 펌프 등의 배기능력을 그대로 이용하고, 면내의 높은 균일성 및 고속으로 큰 면적의 피처리체를 처리할 수 있는 플라즈마처리방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명자는 플라즈마 처리 장치에 있어서의 반응성 가스의 공급 방법에 대해서 연구한 결과 다음과 같은 지식을 얻는 것에 의해 본 발명에 이르게 되었다. 즉, 본 발명에서는, 플라즈마 처리를 개시하고 또한 균일하게 유지하기 위해, 불활성 가스에 대해서는 피처리면의 전면을 향해 항상 공급하여 높은 플라즈마 밀도를 유지하도록 하고, 반응성 가스에 대해서는 피처리면의 부분적 영역에 시분할적으로 공급함으로써, 단위시간 동안에 전체 가스공급량을 작게하여도 플라즈마처리시에 있어서 면 내의 균일성을 높게 유지할 수 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따르면, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 있어서, 밀봉된 처리용기와, 상기 처리용기내에 설치된 상기 피처리체를 지지하기 위한 받침대와, 상기 처리용기내를 배기시킴과 동시에, 상기 처리 용기내를 진공상태로 설정하기 위한 배기시스템과, 상기 처리용기내에 설치되며 상기 받침대와 대향하는 가스 분출면을 갖는 샤워헤드와, 상기 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 형성된 불활성 가스 분출구멍을 가지고,상기 처리용기내에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급시스템과, 상기 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 형성되어 복수 그룹으로 분할된 반응성 가스 분출구멍을 가지며, 이때 상기 반응성 가스 분출구멍의 각 그룹들은 상호 독립적으로 반응성 가스를 공급 및 정지시킬 수 있도록 되어 있는, 상기 처리 용기내에 반응성 가스를 공급하기 위한 반응성 가스 공급시스템과, 상기 불활성 가스 및 상기 반응성 가스를 고주파방전을 통해 플라즈마 상태로 만들기 위한 전계를 상기 처리용기내에 발생시키기 위한 전계발생시스템과, 상기 반응성 가스 분출구멍으로부터의 상기 반응성 가스 공급이, 상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 각 그룹마다 시분할적으로 반복하여 행해지도록상기 반응성 가스 공급시스템을 제어하기 위한 제어부를 구비한다.
본 발명의 제 2 측면에 따르면, 플라즈마를 이용하여 300mm 이상의 직경을 갖는 반도체웨이퍼를 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 있어서, 밀봉된 처리용기와, 상기 처리용기내에 설치된 상기 웨이퍼를 지지하기 위한 받침대와, 상기 처리용기내를 배기시킴과 동시에, 상기 처리용기내를 진공상태로 설정하기 위한 배기시스템과, 상기 처리용기내에 설치되며 상기 받침대와 대향하는 가스 분출면을 갖는 샤워헤드와, 상기 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 형성된 처리가스 분출구멍을 가지며, 상기 처리용기내에 처리가스를 공급하기 위한 처리가스 공급시스템과, 상기 처리가스를 고주파방전을 통해 플라즈마 상태로 만들기 위한 전계를 상기 처리용기내에 발생시키기 위한 전계발생시스템으로서, 상기 받침대 및 상기 샤워헤드로 각각 조합된 제 1 및 제 2 전극과, 상기 제 1 및 제 2 전극중 적어도 한쪽에 정합기(a matching circuit)를 통해 접속되는 고주파전원을 구비하고, 상기 고주파전원과 상기 정합기가, 50Ω 미만의 특성임피던스를 갖는 배선으로 접속되는 상기 전계 발생 시스템을 포함한다.
본 발명의 제 3 측면에 따르면, 플라즈마를 이용하여 피처리체를 처리하기 위한 플라즈마 처리방법에 있어서, 상기 처리용기내에 설치된 받침대상에 상기 피처리체를 위치시키는 공정과, 상기 처리용기내를 배기시키면서, 상기 받침대와 대향하는 가스 분출면으로부터 불활성 가스 및 반응성 가스를 상기 처리용기내에 공급하는 공정으로서, 이때, 상기 불활성 가스를 상기 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 형성된 불활성 가스 분출구멍으로부터 연속적으로 공급하는 한편, 상기 반응성가스를, 상기 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 형성되고 또한 복수의 그룹으로 분할된 반응성 가스 분출구멍으로부터 상기 그룹마다 시분할적으로 반복하여 공급하는 상기 공정과, 상기 처리용기내에서 상기 불활성 가스 및 상기 반응성 가스를 고주파방전을 통해 플라즈마 상태로 만드는 공정과, 상기 플라즈마를 이용하여 상기 피처리체를 처리하는 공정을 구비한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치인 플라즈마 에칭장치를 도시한 구성도
도 2는 도 1에 도시한 장치의 샤워헤드의 가스 분출면을 도시한 평면도
도 3은 반응성 가스 헤드홈을 따라 절단한 샤워헤드의 횡단평면도
도 4는 샤워헤드의 변형 예를 도시한 종단측면도
도 5a은 가스공급의 제 1 패턴에 있어서, 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도
도 5b은 도 5a에 따른 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면
도 6a은 가스공급의 제 2 패턴에 있어서, 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도
도 6b은 도 6a에 따른 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면
도 7a은 가스공급의 제 3 패턴에 있어서, 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도
도 7b은 도 7a에 따른 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면
도 8a은 가스공급의 제 4 패턴에 있어서, 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도
도 8b은 도 8a에 따른 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 샤워헤드를 도시한 구성도
도 10a 및 도 10b은 도 9에 도시한 샤워헤드를 이용하여 행해지는 가스공급패턴의 다른 예를 도시한 도면
도 11은 반응성 가스 분출구멍의 그룹분리의 또 다른 실시예를 도시한 설명도
도 12는 반응성 가스 분출구멍의 그룹분리의 또 다른 실시예를 도시한 설명도
도 13은 반응성 가스 분출구멍의 그룹분리의 또 다른 실시예를 도시한 설명도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 플라즈마 에칭장치4 : 처리용기
6 : 절연부8 : 서셉터
10, 82 : 냉매실12 : 냉매도입관
14 : 냉매배출관16 : 정전 처크
18, 46, 64 : 통로20 : 직류고압전원
22 : 포커스링24, 84 : 전력공급봉
26, 86 : 정합기28 : 고주파전원
30 : 샤워헤드32 : 절연재
34 : 가스 분출면36 : 반응성가스 분출구멍
38 : 불활성 가스 분출구40 : 전극판
42 : 헤드본체44A∼44D : 반응성 가스 헤드홈
48A∼48D : 반응성 가스 공급라인50A∼50D : 시분할개폐밸브
52A∼52D, 70 : 매스플로우 콘트롤러54, 74, 78 : 통상의 개폐밸브
56 : 가스관58 : 처리가스원
60 : 가스공급제어블럭62 : 불활성 가스헤드홈
68 : 개폐밸브72A, 72B : 라인
76 : Ar가스원80 : N2가스원
82 : 냉매실88 : 고주파전원
90 : 배선92 : 배기관
94 : 게이트밸브96 : 로드록실
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리장치로서의 플라즈마 에칭장치(2)를 도시한 구성도이다.
플라즈마 에칭장치(2)는, 예를 들면, 내벽표면이 알루마이트(alumite) 처리된 알루미늄 등으로 이루어진 원통형상으로 가공된 처리용기(4)를 갖는다. 처리용기(4)는 밀봉된 처리실을 형성함과 동시에 접지된다.
처리용기(4)내에 형성되는 처리실의 바닥부분에는 세라믹 등의 절연판(6)을 통해, 피처리체, 예를 들면, 반도체웨이퍼 W를 위치시키기 위한 거의 원주형상의 서셉터(8)가 설치된다. 서셉터(8)는, 예를 들면, 알루마이트 처리된 알루미늄 등으로 구성된다. 서셉터(8)의 직경은, 8인치 사이즈의 웨이퍼 W를 처리할 경우에는, 예를 들면, 250mm정도로 설정되고, 300mm(12인치)사이즈의 웨이퍼 W를 처리할 경우에는, 예를 들면, 410mm정도로 설정된다.
서셉터(8)의 내부에는 냉매실(10)이 설치된다. 냉매실(10)에는, 예를 들면, 액체 플루오로카본(fluorocarbon) 등의 온도조정용 냉매가 냉매도입관(12)을 통하여 유입될 수 있고, 유입된 냉매는 냉매실(10)내를 순환한다. 이러한 냉매의 냉열은 냉매실(10)로부터 서셉터(8)를 통해 웨이퍼 W에 열전도됨으로써 웨이퍼 W를 냉각시킨다. 열교환이 행해진 냉매는 냉매배출관(14)으로부터 처리실 외부로 배출된다.
절연판(6) 및 서셉터(8)의 내부에는, 후술하는 정전 처크(chuck)(16)를 통해 피처리체인 웨이퍼 W의 뒷면에 전열매체, 예를 들면, He가스 등을 공급하기 위한 가스통로(18)가 형성된다. 이 전열매체에 의해 서셉터(8)로부터 웨이퍼 W로의 전열로가 확보되고, 상술한 냉매에 의해 웨이퍼 W를 소정의 온도로 유지할 수 있게 된다.
서셉터(8)는 상면중앙부가 볼록형상의 원반형으로 형성되고, 그 위에 웨이퍼 W과 거의 같은 지름의 정전 처크(16)가 설치된다. 정전 처크(16)는 2장의 고분자 폴리이미드 필름(polyimide films)사이에 도전층이 삽입된 구성으로 형성된다. 이 도전층에 대하여, 처리용기(4)의 외부에 배치된 직류고압전원(20)으로부터, 예를 들면, 1.5kV의 직류전압을 인가함으로써, 정전 처크(16)의 상면에 위치된 웨이퍼 W는, 쿨롱의 힘에 의해 그 위치에서 흡착유지된다. 고분자 폴리이미드 필름 대신에 2층의 알루미나 세라믹(alumina ceramics)사이에 도전층이 삽입된 구조를 이용하면, 정전 처크(chuck)(16)의 내압불량 등으로 인한 문제를 극복하여 수명을 연장시킬 수 있다.
서셉터(8)의 상단주변부에는, 정전 처크(16)상에 위치된 웨이퍼 W를 둘러싸도록, 환형 포커스링(22)이 배치된다. 포커스링(22)은 전계를 차단하는 절연체 재질로 이루어진다. 포커스링(22)상에서 반응성이온은 가속되지 않으므로, 플라즈마에 의해 발생된 반응성이온은 그 내측의 웨이퍼 W에만 효과적으로 입사하게 된다.
또한, 서셉터(8)에는 아래방향으로 절연상태를 유지하여 관통하는 전력공급봉(24)이 접속된다. 전력공급봉(24)에는, 예를 들면, 디커플링 콘덴서를 포함한 정합기(26)를 통하여, 예를 들면, 13.65MHz의 고주파(RF) 전력을 출력하는 고주파 전원(28)이 배선(29)에 의해 접속됨으로써, 이온을 웨이퍼측으로 끌어당기기 위한 셀프 바이어스(a self bias)를 서셉터(8)에 인가할 수 있게 된다.
반도체웨이퍼 W이 8인치일 경우, 고주파전력에 대한 서셉터(8)의 임피던스는 수 Ω정도인데, 이에 대응하여 고주파전원(28)과 정합기(26)간의 배선(29)의 특성 임피던스는 50Ω 정도로 설정된다. 그러나, 웨이퍼 W이 300mm일 경우, 서셉터(8)의 면적이 수 배(several times)로 커지므로, 서셉터(8)의 임피던스는 그만큼 대폭적으로 감소한다. 이 때문에, 만약, 300mm 웨이퍼의 경우에 있어서도, 고주파전원(28)과 정합기(26)간의 배선(29)의 특성 임피던스를 50Ω으로 설정하면, 정합기(26)속의 리액터의 저항성분에 의한 전력손실 등이 커진다.
따라서, 웨이퍼 W이 300mm 이상일 경우에는, 고주파전원(28)과 정합기(26)간배선(29)의 특성 임피던스를 50Ω보다 낮은 값으로 설정함으로써, 리액터에서의 전력손실을 억제할 수 있다. 예를 들면, 300mm 웨이퍼용의 서셉터(8)에서는, 고주파전원(28)의 출력 임피던스 및 배선(29)의 특성 임피던스를 20∼30Ω 정도로 설정한다.
처리용기(4)의 천정에는, 상부전극으로도 겸용되는 원반형의 샤워헤드(30)가절연재(32)를 통해 지지 및 고정된다. 샤워헤드(30)는, 서셉터(8)의 상면과 평행하고 또한 이것에 대해 20∼40mm정도 떨어져서 대향하는 하부표면, 즉 가스 분출면(34)을 갖는다. 서셉터(8)와 대향하는 가스 분출면(34)에는, 다수의 반응성 가스 분출구멍(36) 및 불활성 가스 분출구멍(38)이 형성된다.
샤워헤드(30)는, 가스 분출면(34)을 갖는 전극판(40)과, 이 전극판(40)을 지지하는 헤드본체(42)로 구성된다. 전극판(40)은 SiC, 비결정 탄소(amorphous carbon) 등의 도전성 재료로 구성되고, 헤드본체(42)는 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄 등의 도전성 재료로 구성된다.
도 2는, 샤워헤드(30)의 가스 분출면(34)을 도시한 평면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 있어서는, 불활성 가스 분출구멍(38)과 반응성 가스 분출구멍(36)은 동심원 형상(coaxially)으로 배치된다. 불활성 가스 분출구멍(38)과 반응성 가스 분출구멍(36)은, 원반형의 샤워헤드(30)의 반경방향(radial directions)으로 교대로 배치된다. 또한, 도 2에서 불활성 가스 분출구멍(38)은 흑색원으로, 반응성 가스 분출구멍(36)는 백색원으로 표시된다.
특히, 본 실시예에 있어서는, 반응성 가스 분출구멍(36)은, 동심원 형상으로 복수의 그룹(예를 들면, 4개의 그룹)으로 분할된다. 반응성 가스분출구멍(36)의 동심원 형상의 각 그룹 사이에는, 불활성 가스 분출구멍(38)이 동심원 형상으로 배치된다. 여기에서는 편의상, 반응성 가스 분출구멍(36)의 그룹을 그 내측으로부터 제 1 그룹(36A), 제 2 그룹(36B), 제 3 그룹(36C) 및 제 4 그룹(36D)으로 분류한다.
각 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36A∼36D)은, 헤드본체(42)내에 동심원 형상으로 독립적으로 구획하여 형성된 각각의 속이 빈(hollow) 반응성 가스 헤드홈(44A∼44D)(도 3참조)에 통로(46)를 통해 각각 연결된다. 도 3은 반응성 가스 헤드홈(44A∼44D)을 따라 절단한 샤워헤드(30)의 횡단평면도이다. 각 반응성 가스 헤드홈(44A∼44D)에는, 반응성 가스 공급라인(48A∼48D)이 개별적으로 연결된다. 가스공급라인(48A∼48D)에는, 고속밸브로 이루어진 시분할개폐밸브(time-sharing open/close valves)(50A∼50D) 및 매스플로우 콘트롤러(mass-flow controller)(52A∼52D)가 각각 설치된다.
가스공급라인(48A∼48D)은 한개의 라인으로 합류된 뒤, 통상의 개폐밸브(54)가 설치된 관의 통로(56)을 통해 반응성 가스, 예를 들면, C4F8가스를 저장하고 있는 처리가스원(58)에 접속된다. 매스플로우 콘트롤러(52A∼52D) 및 시분할 개폐밸브(50A∼50D)는, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 마이크로컴퓨터 등으로 이루어진 가스공급 제어부(60)에 의해 제어된다. 특히, 시분할 개폐밸브(50A∼50D)는 그 개폐, 즉 공급 및 정지가 시분할적으로 개별적이고 독립적으로 제어된다.
또한, 동심원 형상으로 배열된 각각의 불활성 가스 분출구멍(38)은, 동일하게 헤드본체(42)내에 4개의 동심원 형상으로 형성된 불활성 가스 헤드홈(62)에 통로(64)를 통하여 각각 연결된다. 4개의 불활성 가스 헤드홈(62)은, 하나의 불활성 가스 공급라인(66)에 공통적으로 연결된다. 가스 공급라인(66)은 도중에 개폐밸브(68) 및 매스플로우 콘트롤러(70)을 통해 두개의 라인(72A, 72B)으로 분기된다. 하나의 분기라인(72A)에는 통상의 개폐밸브(74)를 통하여, 플라즈마 처리를개시하고 또한 균일하게 유지하기 위한 불활성 가스, 예를 들면, Ar가스를 저장하고 있는 Ar가스원(76)이 접속된다. 다른 분기라인(72B)에는 통상의 개폐밸브(78)를 통하여 퍼지용의 불활성 가스, 예를 들면, N2가스를 저장하고 있는 N2가스원(80)이 접속된다. 개폐밸브(68) 및 매스플로우 콘트롤러(70)도 가스공급 제어부(60)에 의해 제어된다.
또한, 본 실시예에서는, 불활성 가스 헤드홈(62)를 동심원 형상으로 4개 형성하였지만, 다른 구조로 가스 분출면의 거의 전면에 걸쳐 불활성 가스를 분출할 수도 있다. 예를 들면, 도 4에 도시한 바와같이, 불활성 가스 헤드홈을 하나로 통합하여 하나의 얇은 속이 빈 원반형의 불활성 가스 헤드홈(62)으로 하는 것도 가능하다. 혹은, 불활성 가스 헤드홈을 헤드의 중심으로부터 방사형(radially)으로 설치할 수도 있다.
헤드본체(42)의 내부에는 냉매실(82)이 설치된다. 냉매실(82)에는, 예를 들면, 액체 플루오로카본 등의 온도조정용의 냉매가 냉매도입관(도시하지 않음)을 통해 유입될 수 있고, 냉매실(82)내에 유입된 냉매는 그 안을 순환한다. 이 냉매의 냉열은 냉매실(82)로부터 전극판(40)에 열전도되고, 전극판(40)을 원하는 온도까지 냉각시킬 수 있다. 열교환된 냉매는, 냉매배출관(도시하지 않음)을 통해 처리실 바깥으로 배출된다. 전극판(40)은 라디컬(radicals)의 흐름을 웨이퍼 W로 향하게 하고 전극판(40)의 표면상에 라디컬이 퇴적되지 않도록, 웨이퍼 W의 표면보다 고온으로 설정된다.
이와 같은 구조의 샤워헤드(30)는, 이를 복수개의 분할블럭으로 나눔으로써 쉽게 형성할 수 있다.
헤드본체(42)에는 전력공급봉(84)이 접속된다. 전력공급봉(84)에는, 예를 들면, 디커플링 콘덴서를 포함한 정합기(86)을 통하여, 예를 들면 13.56MHz의 고주파전력을 출력하는 플라즈마 발생용 고주파전원(88)이 배선(90)에 의해 접속된다.
고주파전원(88)과 정합기(86)간 배선(90)의 특성 임피던스는, 서셉터(8)측과 마찬가지로, 웨이퍼 W이 8인치일 경우에는 50Ω 정도로 설정된다. 그러나, 웨이퍼 W의 면적이 커지면, 상부전극(헤드)의 (-)측의 임피던스는 감소된다. 따라서, 웨이퍼 W이 300mm이상일 경우에는, 고주파전원(88)과 정합기(86)간의 배선(90)의 특성 임피던스는 50Ω 미만으로 낮게 설정된다. 예를 들면, 300mm웨이퍼일 경우에는, 고주파전원(88)의 출력 임피던스 및 배선(90)의 특성 임피던스는 20∼30Ω정도로 설정된다.
즉, 웨이퍼 W의 면적이 커지게 되고 서셉터(8)측의 임피던스가 저하된 경우에는, 샤워헤드(30)측의 배선(90)의 임피던스도 저하시킨다. 이와 같이 해서, 서셉터측과의 임피던스를 정합시켜, 전력손실을 억제할 수 있다.
처리용기(4)의 측벽에는, 터보 분자 펌프(a turbo molecular pump) 등의 진공 배기계(도시하지 않음)로 통하는 배기관(92)이 접속된다. 이 배기계에 의해, 처리용기(4)내의 처리실을 소정의 감압분위기까지 진공시킬 수 있다.
또한, 처리용기(4)의 측벽에는 기밀 개폐가능하게 구성된 게이트 밸브(94)를 통하여 로드록실(load lock chamber)(96)이 접속된다. 로드록실(96)내에 설치된 반송 암(arm) 등의 반송수단(도시하지 않음)에 의해, 피처리체인 웨이퍼 W은 처리용기(4)와 로드록실(96) 사이에서 반송된다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 플라즈마 에칭장치(2)의 동작에 대하여 설명한다.
여기에서는, 플라즈마 에칭장치(2)를 이용하여 실리콘기판을 갖는 웨이퍼상의 실리콘산화막 에칭을 행하는 경우에 대하여 설명한다. 우선, 피처리체인 웨이퍼 W는, 게이트 밸브(94)가 열린 후, 반송수단에 의해 로드록실(96)로부터 처리용기(4)내로 반입되어, 정전 처크(16)상에 놓여진다. 그리고, 직류고압전원(20)의 공급에 의해 웨이퍼 W는, 정전 처크(16)상에 흡착 및 유지된다. 그 후, 반송수단이 로드록실내로 후퇴한 후, 처리용기(4)내는 배기계에 의해 진공흡입된다.
한편, 통상의 개폐밸브(54)가 개방됨과 동시에 시분할개폐밸브(50A∼50D)가 시분할적으로 개폐되고, 매스플로우 콘트롤러(52A∼52D)에 의해 그 유량이 조정되면서, 처리가스원(58)으로부터 C4F8가스가 공급된다. 또한, 개폐밸브(68) 및 통상의 개폐밸브(74)가 개방되고, 매스플로우 콘트롤러(70)에 의해 그 유량이 조정되면서 Ar가스원(76)으로부터 Ar가스가 공급된다.
플라즈마 처리를 개시하고 또한 균일하게 유지하기 위한 Ar가스는, 불활성 가스 공급라인(66)을 통하여 샤워헤드(30)에 도달하고, 또한 동심원 형상의 각 불활성 가스 헤드홈(62)에 유입된다. 그리고, Ar가스는 통로(64)를 통하여 가스 분출면(34)의 전면에 걸쳐 마련된 불활성 가스 분출구멍(38)으로부터 헤드(30)와 서셉터(8) 사이에 형성되는 처리공간내에 연속적으로 유입된다.
다른 한편, 에칭용의 반응성 가스인 C4F8가스는 각각의 반응성 가스 공급라인(48A∼48D)를 거쳐, 대응하는 반응성 가스 헤드홈(44A∼44D)으로 흘러들어간다. 그리고, C4F8가스는 통로(46)를 통해 그룹마다의 반응성 가스 분출구멍(36A∼36D)으로부터 처리 공간내로 시분할적으로 도입된다.
그리고, Ar가스 및 C4F8가스의 공급중에 처리용기(4)가 배기되어, 처리공간내의 압력은, 예를 들면, 1Pa정도의 소정 압력으로 유지된다.
이와 같은 상태하에서, 플라즈마발생용 고주파 전력이 고주파전원(88)로부터 샤워헤드(30)에 공급되는 한편, 셀프 바이어스용 고주파 전력이 고주파전원(28)로부터 서셉터에 인가된다. 이렇게해서 서셉터(8)과 샤워헤드(30) 사이에 발생하는 전계에 의해 가스가 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 의해 웨이퍼표면의, 예를 들면, SiO2가 에칭된다. 에칭중에 서셉터(8)와 샤워헤드(30)는 각각을 흐르는 냉매에 의해 소정의 온도로 냉각된다.
여기에서, 플라즈마 처리를 개시하고 또한 균일하게 유지하기 위한 최소한의 Ar가스는 처리 과정동안 연속적으로 모든 불활성 가스 분출구멍(38)으로부터 처리실내로 유입되고, 처리공간 전역에 걸쳐 플라즈마가 안정적으로 형성되도록 한다. 이에 대하여, 반응성 가스는 그룹마다 설치한 시분할 개폐밸브(50A∼50D)가 가스공급 제어부(60)의 제어에 의해 전기신호 혹은 공기압에 의해 시분할적으로 개폐구동됨으로써, 처리공간에 공급된다. 따라서, 단위시간에 공급되는 전체 가스량이 적게 소모되므로, 배기시스템의 능력에 한계가 있을지라도 문제가 발생하지 않는다.
즉, 같은 배기능력일지라도, 처리공간에서의 단위면적당의 가스 체류시간(rasidence time)을, 300mm 웨이퍼를 처리할 경우와, 8인치 웨이퍼를 처리할 경우 거의 같은 시간으로 처리할 수 있다. 이 때문에, 처리속도를 저하시키지 않고, 플라즈마처리면의 균일성을 높게 유지할 수 있다.
다음으로, 반응성 가스의 공급상태에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 5a에는 가스공급의 제 1 패턴에서의 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도가 도시되어 있고, 도 5b에는 그 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면이 각각 도시되어 있다. 도 5a에 도시한 바와 같이, Ar가스의 개폐밸브(68)는, 에칭중에 연속적으로 개방상태로 되어 가스 분출면 전면으로부터 Ar가스가 연속적으로 공급된다. 이에 대하여, 시분할 개폐밸브(50A∼50D)는 3초 간격으로 소정의 시간 T, 예를 들면, 1초동안만 열리도록 시분할 개폐조작이 반복됨에 따라서, 반응성 가스는 시분할적으로 공급된다. 이 때, 도 5b에 도시한 바와 같이, 제 1 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36A) → 제 2 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36B)→ 제 3 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36C)→ 제 4 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36D)의 순서로 반경방향의 바깥쪽을 향해 반복주사된다.
또한, 도 5b내의 숫자는 반응성 가스의 공급순서를 나타내고, 불활성 가스는 연속적으로 전체 면에서 공급되기 때문에, 여기에서는 기재하지 않는다. 다음에 설명하는 도면에 있어서도 마찬가지이다. 또한, 각 그룹마다 시분할 개폐밸브가 열려져 있는 간격이나 유량은, 에칭속도, 선택비, 형상 및 처리의 균일성 등에 대해 가장 적합하게 설정된다.
도 6a는 가스공급의 제 2 패턴에서의 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도이고, 도 6b는 그 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면이다.
이 제 2 패턴에서는 제 1 패턴과는 역조작이 행해진다. 즉, 제 1∼제 4 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36A∼36D)은, 반경방향의 바깥쪽으로부터 안쪽을 향해 순차적으로 반복 및 주사된다.
도 7a은 가스공급의 제 3 패턴에서의 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도이고, 도 7b은 그 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면이다.
이 제 3 패턴에 있어서는, 동심원 형상의 그룹을 하나씩 건너 뛰어 선택하도록, 반응성 가스가 반응성 가스 분출구멍의 그룹의 인접순서에 대하여 비순차적으로 공급된다. 즉, 도시한 바와 같이, 예를 들면, 제 1 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36A) → 제 3 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36C) → 제 2 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36B) → 제 4 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36D)와 같은 순서로 반복주사된다.
도 8a는 가스공급의 제 4 패턴에서의 각 밸브의 동작을 도시한 타이밍도이고, 도 8b는 그 반응성 가스의 분출순서를 도시한 도면이다.
이 제 4 패턴에 있어서는, 샤워헤드(30)의 중심방향의 바깥쪽으로 향하는 주사와 중심방향의 안쪽으로 향하는 주사가 동시에 실행됨으로써, 반응성 가스가 공급된다. 설명하면, 제 1 그룹과 제 4 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36A, 36D) →제 2 그룹과 제 3 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36B, 36C) → 제 3 그룹과 제 2 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36C, 36B) → 제 4 그룹과 제 1 그룹의 반응성 가스 분출구멍(36D, 36A)의 순서로 반복주사된다. 이 경우에는, 항상 2개 그룹의 반응성 가스 분출구멍으로부터 가스가 공급되게 된다.
또한, 상기 실시예에서는 반응성 가스 분출구멍은 4개 그룹으로 분할할 경우를 예로서 설명하였지만, 이것은 단순히 일예를 든 것에 불과하다. 즉, 반응성 가스 분출구멍을 4개 이외의 수의 그룹으로 분할하여 시분할적으로 공급 및 정지를 제어하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 실시예에서는 각 가스분출구멍을 동심원 형상으로 배열한 경우를 예를 들어 설명했지만, 이에 제한되지 않고 반응성 가스를 시분할적으로 공급할 수 있는 구조라면 어떻게 배열하여도 무방하다.
도 9는 가스 분출구멍의 그룹을 직선형으로 배열한 경우의 샤워헤드의 가스 분출면을 도시한 구성도이다. 도 9에 있어서, 불활성 가스 분출구멍(38)은 흑색원이고, 반응성 가스 분출구멍(36)은 백색원으로 도시된다.
각 가스 분출구멍(36,38)은, 도면상에서 상하방향으로 직선형으로 배열되고, 횡방향으로는 반응성 가스 분출구멍(36)과 불활성 가스 분출구멍(38)이 교대로 배치되도록 배열된다. 각 반응성 가스 분출구멍(36)은, 도면상의 상하방향을 따라 배열되는 열마다 8개의 그룹(36A∼36H)으로 나뉘어진다. 8개의 그룹(36A∼36H)은, 각각 독립적으로 제어가능한 시분할 개폐밸브(50A∼50H)와 매스플로우 콘트롤러(52A∼52H)의 사이에 설치된 반응성 가스 공급라인(48A∼48H)에 연결된다. 따라서, 시분할 개폐밸브(50A∼50H)를 임의의 순서로 시분할 개폐제어함으로써, 반응성 가스의 공급을 그룹마다 시분할적으로 공급할 수 있다. 이 경우에도, 플라즈마 처리를 개시하고 또한 균일하게 유지하기 위한 최소한의 불활성 가스는 가스 분출면의 전면으로부터 연속적으로 균일하게 방출된다.
도 10a, 도 10b는 도 9에 도시한 샤워헤드를 이용하여 행해지는 가스공급패턴의 다른 예를 도시한다. 도 10a에 도시한 패턴에서는, 가스가 분출되고 있는 반응성 가스 분출구멍(36)의 각 그룹의 선택상태를 도시한 직선(98)이, 헤드의 중심방향을 향해 수평방향으로 평행이동된다. 도 10b에 도시한 패턴에 있어서는, 직선(98)은, 헤드의 중심측으로부터 좌우 양방향을 향해 수평방향으로 평행이동된다.
본 발명에 있어서는, 또한, 도 11∼도 13에 도시한 바와 같이, 반응성 가스 분출구멍의 복수의 그룹이 시분할적으로 선택되도록 설계할 수 있다. 도 12 및 도 13에 있어서 부호(1∼4)는, 반응성 가스를 분출시키는 순서를 나타낸다.
또한, 도 11∼도 13의 실시예에 있어서, 동시에 선택되어 가스를 분출하는 분출구멍의 수는 항상 같아지도록 설정된다. 또한, 플라즈마 처리를 개시하고 또한 균일하게 유지하기 위한 최소한의 불활성 가스는 가스 분출면의 전면으로부터 연속적으로 균일하게 방출된다.
도 11에 도시한 샤워헤드(30)는, 반응성 가스 분출구멍(36)의 각 그룹의 선택상태를 나타내는 직선(98)이 가스 분출면(34)의 중심을 축으로 하여 회전하는 모양을 도시한 도면으로, 반응성 가스 분출구멍의 복수의 그룹이 시분할적으로 선택된다.
도 12에 도시한 샤워헤드(30)에는, 가스 분출면(34)이 각도 방향(an angular direction)으로 복수의 영역, 예를 들면, 4개의 영역(99)으로 실질적으로 균등하게 분할된다. 각 영역(99)에 속하는 다수의 반응성 가스 분출구멍이 각각 1개의 그룹을 구성하고, 이들 그룹이 시분할적으로 선택된다.
도 13에 도시한 샤워헤드(30)에 있어서는, 가스 분출면(34)이 매트릭스형으로 배열된 복수의 영역(100)에 실질적으로 균등하게 분할된다. 도 13에 있어서는 하나의 영역(100)을 빗금으로 도시한다. 시분할적으로 선택되는 반응성 가스 분출구멍의 복수의 그룹, 예를 들면, 4개의 그룹이 각 영역(100)마다 하나씩 분출구멍을 갖는다.
또한, 상기 실시예에서는, 반응성 가스로서 C4F8를 이용하였는데, 반응성 가스로서 다른 CF계 가스, 예를 들면 CH4, CHF3, CH2F2, CH3F, C2F6, C2H2F2, C3F3를 사용할 수 있다. 또한, 반응성 가스에는 CO 및 O2를 포함시킬 수 있다. 또한, 반응성 가스는 Ar 등의 불활성 가스로 희석될 수도 있다.
한편, 플라즈마 처리를 개시하고 균일하게 유지하기 위한 불활성 가스로서는, Ar가스 외에, He, Xe, Kr가스가 사용가능하다.
또한, 본 실시예에서는 평행 평판형(the parallel plate type)의 플라즈마 처리장치를 예로들어 설명하였는데, 이것에 한정되지 않고, ICP방식, ECR방식 등의 장치에도 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 기초하여 구성된 플라즈마 처리장치는, 에칭장치에 한정되지 않고, CVD장치, 에싱(ashing)장치, 스퍼터장치에도 적용할 수 있다. 또한, 피처리체는 반도체 웨이퍼 외에, 예를 들면, LCD기판을 처리대상으로 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 따르면, 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
플라즈마 처리중에 있어서, 플라즈마 처리를 개시하고 또한 유지하기 위한 최소한의 불활성 가스는 연속적으로 공급하여 플라즈마의 밀도가 편재되지 않도록 균일하게 하고, 이와 동시에 반응성 가스는 시분할적으로 공급하여 가스 분출면 전면을 소정의 패턴으로 주사하도록 했기 때문에, 단위시간당 전체 가스공급량을 줄일 수 있다.
따라서, 피처리체의 면적이 커지더라도 플라즈마처리에 충분한 고진공도를 유지하면서, 처리공간의 단위면적당의 가스 체류시간을 충분히 확보할 수 있고, 플라즈마처리의 면 균일성 및 처리속도를 높게 유지할 수 있다.

Claims (13)

  1. 피처리체에 대하여 플라즈마를 이용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 처리방법에 있어서,
    ① 처리용기내에 설치된 받침대상에 상기 피처리체를 탑재시키는 공정과,
    ② 상기 처리용기내를 배기시키면서, 상기 받침대와 대향하는 가스 분출면으로부터 불활성 가스 및 반응성 가스를 상기 처리용기내로 공급하는 공정으로서, 여기서, 상기 불활성 가스를, 불활성 가스 분출구멍으로부터 공급하는 한편, 상기 반응성 가스를, 상기 가스 분출면상에 형성되어 복수의 그룹으로 분할된 반응성 가스 분출구멍으로부터, 시분할 방식으로 간헐적으로 상기 그룹을 개폐(intermittently opening and closing)시킴으로써 공급하는 공정과,
    ③ 상기 처리용기내에서 상기 불활성 가스 및 상기 반응성 가스를 고주파 방전을 통해 플라즈마로 하는 공정과,
    ④ 상기 플라즈마를 이용하여 상기 피처리체에 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 구비하는,
    플라즈마 처리방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스 분출구멍은 상기 가스 분출면에 다수개 형성되며, 상기 불활성 가스 분출구멍과 상기 반응성 가스 분출구멍은, 소정의 방향에서 교대로 배치되는 플라즈마 처리방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹은, 각각 실질적으로 동일한 수의 구멍을 가지는 플라즈마 처리방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍으로부터의 상기 반응성 가스의 공급이, 상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹의 인접순서에 대하여 순차적(a sequential order)으로 행하여지는 플라즈마 처리방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍으로부터의 상기 반응성 가스의 공급이, 상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹의 인접순서에 대하여 비순차적(a non-sequential order)으로 행하여지는 플라즈마 처리방법.
  6. 피처리체에 대하여 플라즈마를 이용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 처리장치에 있어서,
    ① 밀봉된 처리용기와,
    ② 상기 처리용기내에 설치된 상기 피처리체를 지지하기 위한 받침대와,
    ③ 상기 처리용기내를 배기시키고, 또한 진공으로 설정하기 위한 배기계와,
    ④ 상기 처리용기내에 설치되며, 상기 받침대와 대향하는 가스 분출면을 가지는 샤워헤드와,
    ⑤ 상기 처리용기내에 불활성 가스를 공급하기 위한 불활성 가스 공급계로서, 상기 불활성 가스 공급계는 상기 처리용기내로 개구되는 불활성 가스 분출구멍을 가지는 불활성 가스 공급계와,
    ⑥ 상기 처리용기내에 반응성 가스를 공급하기 위한 반응성 가스 공급계로서, 상기 반응성 가스 공급계는, 상기 가스 분출면의 전면에 걸쳐 형성되어 복수의 그룹으로 분할된 반응성 가스 분출구멍과, 반응성 가스 공급원과 상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹의 각각을 개별적으로 접속하는 복수의 가스 공급라인을 가지며, 상기 가스 공급라인의 각각에는 개폐밸브가 설치되어 있는, 반응성 가스 공급계와,
    ⑦ 상기 불활성 가스 및 상기 반응성 가스를 고주파방전을 통해 플라즈마로 하기 위한 전계를 상기 처리용기내에 발생시키기 위한 전계발생계와,
    ⑧ 상기 반응성 가스 분출구멍으로부터의 상기 반응성 가스의 공급이, 상기반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹마다 독립하여 행하여지도록, 상기 개폐 밸브를 제어하는 제어부를 구비하는,
    플라즈마 처리장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 불활성 가스 분출구멍은 상기 가스 분출면에 다수개 형성되며, 상기 불활성 가스 분출구멍과 상기 반응성 가스 분출구멍은, 소정의 방향에서 교대로 배치되는 플라즈마 처리장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍의 각 그룹은 원호를 따라 배열된 복수개의 구멍을 구비하고, 또한 상기 그룹은 동심원 형상(coaxially)으로 배열되는 플라즈마 처리장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 불활성 가스 분출구멍은, 상기 반응성 가스 분출구멍의 그룹 사이에 동심원 형상으로 배열되는 플라즈마 처리장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍의 각 그룹은 직선을 따라 배열된 복수개의 구멍을 구비하고, 또한 상기 그룹은 횡방향으로 나란히 배열되는 플라즈마 처리장치.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹은 동일한 수의 구멍을 갖는 플라즈마 처리장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 분출면이 복수의 영역으로 균등하게 분할되며, 상기 각 영역에 속하는 반응성 가스 분출구멍은 각각 상기 그룹의 하나를 구성하는 플라즈마 처리장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 가스 분출면이 복수의 영역으로 균등하게 분할되며, 상기 반응성 가스 분출구멍의 상기 그룹의 각각은, 상기 영역마다에 하나의 구멍을 갖는 플라즈마 처리장치.
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