KR100505903B1 - 플라즈마처리장치 및 이것을 사용한 플라즈마처리방법 - Google Patents

플라즈마처리장치 및 이것을 사용한 플라즈마처리방법 Download PDF

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Abstract

반도체디바이스의 미세화에 따라 플라즈마처리에 의한 손상이 심각해지고 있다. 이를 해결하기 위하여 본 발명은 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 이 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지고 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 고주파바이어스에 의한 고주파전류경로중 상기 웨이퍼의 바깥 둘레 부근에 있어서의 전류경로부분을 상기 대향전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 교정하는 전류경로 교정수단을 설치하였다.

Description

플라즈마처리장치 및 이것을 사용한 플라즈마처리방법{PLASMA-PROCESSING APPARATUS AND PLASMA-PROCESSING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 반도체장치의 제조공정에 있어서, 알루미늄, 구리, 백금 등의 금속재료, 산화실리콘, 질화실리콘 등의 절연재료나, 저유전율막(low-k 막) 등의 유기재료를 플라즈마를 사용하여 에칭 등의 처리를 행하기에 가장 적합한 플라즈마처리방법 및 처리장치에 관한 것으로, 특히 미세한 패턴이더라도 손상없이 처리하는 플라즈마처리장치 및 이것을 사용한 플라즈마처리방법에 관한 것이다.
DRAM이나, 마이크로프로세서, ASIC 등의 반도체장치의 제조공정에 있어서, 약전리 플라즈마를 사용한 플라즈마프로세싱이 널리 사용되고 있다. 플라즈마공정에서는 플라즈마에 의해 생성한 이온이나 래디컬을 피처리 웨이퍼에 조사함으로써 웨이퍼의 처리를 행하고 있다. 반도체장치의 미세화에 따른 배선이나 게이트전극, 콘택트홀 등의 가공에 사용되는 플라즈마 에칭장치에는 또 다른 미세가공성, 높은 선택성, 높은 처리균일성, 저손상성능 등이 요구되고 있다.
이들 에칭장치용 플라즈마원으로서 전부터 사용되어 온 것으로 평행평판형 플라즈마원이 있다. 평행평판형 플라즈마는 플라즈마와 전원의 결합이 용량적이기 때문에 CCP(Capacitive Coupled Plasma)라 불리우고 있다. 평행평판형 플라즈마원은 장치체계가 비교적 단순하고, 또 블록킹콘덴서를 애노드전극측에 넣음으로써 생기는 비교적 높은 자기 바이어스를 사용하여 이방성 에칭을 행하고 있었다. 그러나 반도체장치의 패턴치수가 미세해짐에 따라 저압으로 고밀도 플라즈마를 생성하는 것이 곤란하게 되어 왔다.
따라서 일본국 특개평7-297175호 공보에 기재된 바와 같이 협전극 평행평판타입 리액터의 상부전극에 수십 MHz의 고주파를 인가함으로써 비교적 고밀도의 플라즈마를 생성시키고, 또 피처리 웨이퍼 탑재용 하부전극에는 수백 KHz의 바이어스를 인가함으로써 처리웨이퍼에 입사하는 이온량을 콘트롤하는(IEM : Ion Energy Modulation) 것이 제안되어 있다. 이 IEM을 사용하여 안정되게 플라즈마를 생성가능한 압력은 수십 Pa 내지 5 Pa 정도라는 높은 압력이다. 그러나 패턴치수의 또 다른 미세화에 대응하여 가기 위해서는 플라즈마생성을 더욱 낮은 압력으로 행할 수 있는 것이 바람직하다.
최근에는 유전체 용기의 측면, 또는 상면에 코일을 감아 이 코일에 교번전류를 흘림으로써 생기는 유도전계로 플라즈마를 유지한다. 유도결합형 플라즈마 (ICP:Inductively Coupled Plasma)도 개발되었다. ICP는 저압으로 고밀도의 플라즈마를 생성할 수 있다.
또 저압으로 또한 고밀도의 플라즈마를 생성가능한 플라즈마원으로서 전자사이크로트론공명(ECR:Electron Cyclotron Resonance)을 사용한 유자장 마이크로파형 플라즈마원이 있다. 875 G의 자속밀도로서 전자의 라머 주파수가 2.45 GHz가 되어 전원주파수와 공명함으로써 저압에서도 효율적으로 플라즈마를 생성할 수 있다.
또한 저전자온도로 고밀도 플라즈마의 새로운 플라즈마원이 제안되어 있다. 예를 들면 일본국 특개평9-321031호 공보에 기재되어 있는 바와 같이 플라즈마의 여기에 마이크로파가 아니라, 주파수 30O MHz 내지 1 GHz의 UHF대를 이용한 UHF-ECR 장치이다. UHF대의 전자파로 여기된 플라즈마는 전자온도가 낮고 처리용 가스의 해리를 최적의 상태로 유지할 수 있으며, 또한 ECR 공명을 일으키기 위한 자속밀도가 낮게 억제되기 때문에 손상의 점에서도 유리하다.
상기 ICP는 저압으로 고밀도의 플라즈마를 생성가능하나, 공정에 따라서는 고밀도가 화근이 되어 처리용 가스의 해리가 지나치게 진행되어 마스크재나 바탕재료와의 선택비를 취할 수 없다는 문제도 발생하고 있다.
상기 ECR은 공정에 따라서는 고밀도, 고전자온도가 화근이 되어 처리용 가스의 해리가 지나치게 진행되어 마스크재나, 바탕재료와의 선택비를 취할 수 없다는 문제도 발생하고 있다. 또 자장에 기인하는 바이어스의 불균일이나 충전손상의 문제도 무시할 수 없게 되어 있다.
또 상기한 종래의 각 플라즈마원을 사용하여 에칭처리를 행할 때, 웨이퍼면내에서의 처리속도가 균일한 조건에서는 균일한 것은 처리속도뿐이며, 플라즈마밀도, 전자온도, 플라즈마전위 등의 플라즈마 파라미터는 대략 균일하나, 엄밀하게 균일하다고는 할 수 없었다.
에칭속도는 플라즈마에 의해 발생한 이온과, 래디컬과, 에칭에 의해 발생하는 반응생성물과의 조화에 의해 결정한다. 웨이퍼 근방에서의 반응생성물 농도는 웨이퍼에서의 에칭속도가 균일하면 반드시 웨이퍼중심부가 높아지기 때문에 이것을 상쇄하기 위하여 처리속도 균일조건에서의 이온분포는 반드시 약간 중고(中高)로 되어 있다.
이와 같이 처리속도를 균일하게 하기 위하여 일부러 플라즈마분포를 약간 불균일하게 조정하는 것이 행하여지고 있었다. 또 플라즈마밀도는 균일하더라도 전자온도나 플라즈마전위에 불균일이 생기는 경우도 당연히 있을 수 있었다.
그런데 반도체디바이스의 미세화에 따라 디바이스를 제조할 때의 최소 가공치수는 해마다 작아지고 있고, 이에 따라 게이트산화막의 막두께는 수 nm 정도까지 얇아져 있다.
게이트산화막이 매우 얇아지면 산화막의 내전압이 낮아지기 때문에 반도체디바이스는 플라즈마에 노출되었을 때의 손상에 매우 민감해진다. 플라즈마에 기인하는 충전손상의 하나로 매크로손상이라 부르고 있는 것이 있다. 이것을 도 14를 사용하여 설명한다.
에칭을 행할 때는 통상 플라즈마를 착화한 후에 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가한다. 고주파 바이어스에 의해 웨이퍼에 인입한 이온을 사용함으로써 이방성이 높은 에칭이 가능해진다. 고주파 바이어스를 걸 때, 전자와 이온의 이동도의 차이에 의해 도 14(a)에 나타내는 바와 같이 웨이퍼상에는 자기 바이어스(Vdc)가 발생한다.
앞서 설명한 바와 같이 에칭처리는 웨이퍼면내에서의 처리속도가 균일한 조건으로 행하여지나, 균일한 것은 처리속도뿐이며, 플라즈마파라미터는 반드시 균일하다고는 할 수 없다. 따라서 상기 자기 바이어스(Vdc)가 도 14(b)에 나타내는 바와 같이 웨이퍼의 위치에 따라 다른 경우가 생긴다.
웨이퍼면내에서 자기 바이어스전압(Vdc)이 게이트산화막의 내전압을 넘으면 도 14(c)에 나타내는 바와 같이 플라즈마를 회로의 일부로서 전류가 흘러 디바이스가 파괴된다. 즉, 매크로손상을 일으킨다.
도 15에 게이트산화막의 전류전위 특성의 일례를 나타낸다. 게이트산화막의 막두께 등의 조건에 의해서도 다르나, 대체로 게이트산화막에 7 V 내지 8 V 정도의 전압이 걸리면 게이트산화막은 절연파괴에 이른다. 또 산화막의 막두께가 더욱 얇아지면 당연히 내압은 내려 간다. 웨이퍼면내에서 자기 바이어스전위의 차가 7 V 이상 있으면 매크로손상이 발생한다.
도 14(b)에 나타낸 바와 같은 자기 바이어스의 불균일은 플라즈마에 자장을 인가한 경우에 흔히 볼 수 있다. 이는 전자의 움직임이 자장에 의해 구속되어 자장을 횡단하는 방향과, 자장과 평행한 방향에서의 플라즈마의 임피던스가 다르기 때문이다. 이것을 모식도를 사용하여 설명한다.
도 16에 고주파 바이어스에서 본 플라즈마의 등가회로를 나타낸다. 자장은 도 16에 나타내는 바와 같이 웨이퍼에 대하여 대체로 세로방향으로 들어가 있다. 플라즈마중을 흐르는 전류는 그 대부분을 전자가 담당하고 있으나, 자장이 존재하면 전자는 자력선의 주위를 라머 선회하기 때문에 자력선을 횡단하는 방향으로는 운동하기 어렵다. 따라서 자력선을 횡단하는 방향의 플라즈마의 임피던스는 자장과 평행한 경우와 비교하여 커진다. 이 때문에 도 16의 가로방향에는 전위차가 발생하기 쉬워지고, 이것이 바이어스의 불균일로 되어 나타나 매크로손상을 야기한다. 이하에 바이어스의 불균일이 생기는 메커니즘을 설명한다.
도 13(a)는 종래예에 의한 처리방법의 개념을 나타내는 도면으로, 웨이퍼에 인가하는 고주파 바이어스의 전류경로가 대향전극에 한정되어 있지 않다. 일반적으로 하부전극에 고주파 바이어스를 인가한 경우, 음의 자기 바이어스가 발생한다. 이는 처리실 측벽 등이 하부전극에 대하여 어스(전극)로서 작용하고 하부전극의 면적에 대하여 어스(전극)의 면적이 커지기 때문이다. 또 고주파 바이어스의 전류경로가 대향전극에 한정되어 있지 않고, 웨이퍼 바깥 둘레부는 처리실 측벽 등의 어스의 영향을 받기 때문에, 고주파 바이어스에서 본 실효적인 어스면적이 웨이퍼 중앙부에 대하여 웨이퍼 바깥 둘레부쪽이 커진다. 즉, 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 불균일하게 되고, 이 임피던스 바꿔 말하면 음의 자기 바이어스는 웨이퍼면내의 안쪽보다 바깥쪽에서 커진다.
또 처리실에 세로방향으로 자장이 인가되어 있는 경우에는 자장을 횡단하는 방향의 플라즈마 임피던스가 크다. 이와 같은 자화플라즈마에 고주파 바이어스전위가 인가된 경우, 고주파 바이어스의 전류경로가 대향전극에 한정되어 있지 않으면 웨이퍼의 중심부에서는 대향전극에만 고주파 바이어스전류가 흐르고, 웨이퍼 바깥 둘레부에서는 대향전극과 처리실 측벽 등에도 고주파 바이어스전류가 흐른다. 처리실 측벽측에 고주파 바이어스전류가 흐른 경우, 상기한 바와 같이 자장을 횡단하는 방향의 플라즈마 임피던스가 크기 때문에 더욱 큰 전압강하를 일으킨다. 즉 도 13(b)와 같이 웨이퍼 중심부에 발생하는 자기 바이어스와, 웨이퍼 바깥 둘레부에서 발생하는 자기 바이어스가 다르고, 도 14(b)와 같이 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 자기 바이어스전위의 절대치쪽이 커진다. 이 때문에 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 불균일하게 되어 도 14(c)와 같이 플라즈마를 거쳐 디바이스에 전류가 흐른다. 그 때문에 도 13(a)에 나타내는 처리방법은 매크로손상이 일어나기 쉽다.
또 설명을 위해 자장에 의한 플라즈마 임피던스의 불균일을 상정하였으나, 자장이 인가되어 있지 않은 경우에도 전자온도 등의 불균일에 의해 동일한 일이 일어날 수 있다. 앞에서도 설명한 바와 같이 처리속도가 균일한 조건은 반드시 플라즈마가 균일하다고는 한정하지 않으며, 플라즈마밀도, 전자온도 등의 공간적인 불균일에 의해 플라즈마 임피던스에 지름방향 분포가 생기면 이것이 바이어스의 불균일이 되어 매크로손상을 야기한다.
본 발명의 목적은 상기 바이어스의 불균일을 해소하고 매크로손상이 없는 플라즈마처리방법과 매크로손상이 없는 플라즈마처리장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은 가공치수 0.2㎛ 이하의 미세한 패턴이라도 손상없이 처리할 수 있는 플라즈마처리방법 및 처리장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 특징은 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 이 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지며 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 고주파 바이어스에 의한 고주파전류경로중 상기 웨이퍼의 바깥 둘레 부근에서의 전류경로부분을 상기 대향전극의 웨이퍼대향면을 향하도록 교정하는 전류경로교정수단을 설치한 데에 있다.
본 발명의 다른 특징은 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 이 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지며 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 어스와, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 고주파 바이어스에서 본 상기 어스까지의 임피던스가 상기 웨이퍼면내에서 대략 균일하게 되도록 하는 임피던스 조정수단을 구비한 데에 있다.
본 발명의 다른 특징은 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 이 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지며 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비하고, 상기 고주파 바이어스에 의한 고주파전류경로중 상기 웨이퍼의 바깥 둘레 부근에 있어서의 전류경로부분을 상기 대향전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 교정하는 전류경로교정수단을 설치한 플라즈마처리장치에 의한 플라즈마처리방법으로서, 진공처리실로 처리용 가스를 도입하는 공정과, 전력을 투입하여 플라즈마를 착화시켜 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하고, 상기 전류경로교정수단에 의해 상기 고주파 바이어스투입시에 균일한 자기 바이어스전위를 상기 웨이퍼상에 발생시키는 공정과, 이 플라즈마로 상기 웨이퍼를 처리하는 공정으로 이루어지는 플라즈마처리방법에 있다.
매크로손상은 플라즈마를 착화한 후, 웨이퍼에 이온을 인입하기 위한 고주파 바이어스를 인가하였을 때 발생하는 자기 바이어스의 웨이퍼면내에서의 불균일에 기인하여 발생한다. 따라서 가령 플라즈마가 약간의 불균일성을 가지고 있더라도 본 발명과 같이 자기 바이어스를 균일하게 하면 매크로손상은 방지할 수 있게 된다.
즉, 본 발명에 의하면 플라즈마를 거쳐 디바이스에 전류가 흐르지 않기 때문에, 매크로손상은 방지할 수 있다. 또 본 발명의 다른 특징에 의하면 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상은 방지할 수 있다.
여기서 본 발명의 개념을 설명한다. 도 1, 도 2에 본 발명의 특징인 고주파 바이어스에 의한 고주파전류경로중 웨이퍼의 바깥 둘레 부근에서의 전류경로부분을 대향전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 교정하는 전류경로 교정수단의 개요를 나타내고 있다. 도 1, 도 2는 또 본 발명의 특징인 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 대략 균일하게 되도록 하는 임피던스 조정수단을 나타내고 있다.
먼저, 도 1(a)의 처리방법에서는 대향전극의 바깥 둘레에 유전체의 구조물을 구비함으로써 플라즈마를 웨이퍼 상부에만 가둠으로써 처리실 측벽 근방의 플라즈마밀도를 내려 측벽으로의 고주파 바이어스전류경로를 차단하고 있다. 또한 도면에 있어서 화살표는 RF 바이어스의 전류경로를 나타내고 있다.
이에 의하여 웨이퍼 바깥 둘레부에 걸리는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정하고 있다. 이 때문에 중심부에 발생하는 자기 바이어스와, 웨이퍼바깥 둘레부에서 발생하는 자기 바이어스의 차가 작아지고, 도 13(a)에 나타낸 종래 예와 비교하여 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 본 설명에서는 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스전류를 대향전극에 한정하는 수단으로서, 처리실 측벽 근방에서의 플라즈마밀도를 내리는 예를 들었으나,본 특허는 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어 측벽 전체를 고주파 바이어스를 저지하는 데 충분한 두께의 유전체로 덮음으로써 고주파 바이어스전류를 대향전극에 한정하더라도 상관없다. 또 처리실 측벽 근방에서의 플라즈마밀도를 내리는 수단도 어떠한 것이더라도 상관없다.
도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예로서, 유전체부재의 하부에 도전성부재를 배치한 것이다. 이와 같이 구성함으로써 도전성부재 하부에 방사되는 UHF 전자파를 저지하여 벽 근방에서의 플라즈마생성을 억제함으로써 플라즈마를 웨이퍼상부에만 가둘 수 있다. 도전성부재 하부의 재질로서는 웨이퍼에 중금속 오염을 야기하지 않도록 실리콘, 실리콘 카바이트, 표면을 알루마이트처리한 알루미늄 등이 바람직하다.
또한 웨이퍼의 바깥 둘레에 웨이퍼와는 절연된 대략 둥근고리형상의 유전체 또는 도체로 이루어지는 포커스링을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서는, (1) 진공처리실에 처리용 가스를 도입하는 공정과, (2) 플라즈마를 착화시키는 공정과, (3) 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가함과 동시에 웨이퍼의 바깥 둘레에 설치한 포커스링에도 고주파 바이어스를 인가하는 공정과, (4) 포커스링에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향어스 이외로 하는 공정과, (5) 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스의 고주파전류경로가 웨이퍼 대향면에 위치하는 대향전극에 한정되는 공정으로 이루어지는 플라즈마처리방법을 사용함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상은 방지할 수 있다.
즉, 도 1(c)에 나타내는 바와 같이 포커스링에 고주파 바이어스를 인가함으로써 포커스링으로부터의 고주파전류가 처리실 측벽으로 흐르고, 웨이퍼 바깥 둘레부에 걸리는 고주파 바이어스의 전류경로가 웨이퍼 대향면에 위치하는 대향전극에 한정된다. 이 때문에 웨이퍼 중심부에 발생하는 자기 바이어스와, 웨이퍼 바깥 둘레부에서 발생하는 자기 바이어스의 차가 작아지고, 도 13(a)와 비교하여 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 도 2(a)에 나타내는 바와 같이 도 1(a)와 도 1(c)의 처리방법을 병용하여 사용하면 또 다른 효과를 기대할 수 있음은 물론이다. 이 예에서도 웨이퍼 중심부에 발생하는 자기 바이어스와, 웨이퍼 바깥 둘레부에서 발생하는 자기 바이어스의 차가 작아지고, 도 2b에 나타내는 바와 같이 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상을 방지할 수 있다. 또한 도 2(b)중 δVdc는 이해를 돕기 위하여 과장하여 나타내고 있다. 웨이퍼의 중심으로부터 8인치 범위에서의 자기 바이어스를 측정한 바, 본 발명을 사용함으로써 δVdc를 0 내지 1 V 정도까지 저감할 수 있었다.
지금까지의 설명에서는 플라즈마중을 흐르는 고주파 바이어스전류경로의 관점에서 자기 바이어스전위를 균일화하여 매크로손상을 방지하는 처리방법을 설명하였으나, 플라즈마측 뿐만 아니라, 웨이퍼 탑재용 스테이지나 대향전극을 포함하여 고주파 바이어스에 대한 임피던스를 조절함으로써 자기 바이어스전위가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 하더라도 상관없다.
즉, (1) 진공처리실에 처리용 가스를 도입하는 공정과, (2) 플라즈마를 착화시키는 공정과, (3) 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 공정과, (4) 고주파 바이어스에서 본 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 하는 공정으로 이루어지는 플라즈마처리방법을 사용함으로써, 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위가 균일하게 되어 매크로손상을 방지할 수 있다.
예를 들어 앞서 설명한 처리법을 사용하지 않고, 고주파 바이어스에 대한 플라즈마 임피던스가 웨이퍼중심부와 웨이퍼 바깥 둘레부에서 다른 경우에도 웨이퍼 탑재용 스테이지 또는 대향전극의 중심부와 바깥 둘레부의 고주파 바이어스에 대한 임피던스를 의도적으로 다르게 설계하여, 플라즈마 임피던스의 차이를 상쇄하 도록 하면 좋다.
또 상기 방법과 플라즈마중을 흐르는 고주파 바이어스전류경로를 대향전극에 한정하여 자기 바이어스전위를 균일하게 하는 처리방법을 병용하여도 상관없다.
이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 대하여 설명한다. 도 3은 UHF 형 ECR 플라즈마 에칭장치에 도 2(a)에 나타낸 본 발명의 구성을 적용한 일례이다. 진공처리실(1)의 내부에, 웨이퍼 탑재용 스테이지(2)와, 웨이퍼(3)와, 이 웨이퍼와는 전기적으로 절연된 대략 둥근고리형상의 포커스링(4)이 설치되어 있다. 또 처리실의 내벽을 일정한 온도로 유지하기 위한 제 1 온도조절장치(5)가 설치되어 있다. 처리실의 바깥쪽에는 전자사이크로트론공명(ECR)을 처리실내에 일으키기 위한 자장을 발생시키기 위하여 코일(6)이 설치되어 있다.
웨이퍼(3)에 대향하는 위치에는 UHF대의 전자파를 방사하는 대략 원판형상의 안테나(7)와 처리용 가스를 처리실로 균일하게 도입하기 위한 가스분산판(8)이 배치되어 있다. 안테나와 처리실 천정과의 사이에는 안테나 유전체(9)가 배치되어 있다. 가스분산판에는 지름이 0.3 내지 0.6 mm 정도의 미세한 구멍이 수백개 정도뚫어져 있고, 또 가스분산판과 안테나 사이는 처리용 가스의 버퍼실로 되어 있다. 처리용 가스는 가스공급계(10)로부터 소정의 유량으로 조절된 후, 가스분산판(8)을 거쳐 처리실로 도입된다.
또 가스분산판(8)과 안테나(7)는 고주파 바이어스에 대한 대향 어스전극의 역할도 겸하고 있다. 따라서 가스분산판은 고주파 바이어스에 대하여 큰 임피던스를 가지지 않는 재질, 두께로 설정되어 있다. 구체적인 재질로서는 실리콘, 흑연, 유리형상 탄소, 알루미늄합금, 표면을 알루마이트처리한 알루미늄합금 등을 사용할수 있다. 그 밖의 재료로서 금속이면 사용가능하나, 철, 니켈, 크롬 등 중금속 오염을 야기하는 재료는 바람직하지 않다. 본 실시예에서는 두께 4 mm 내지 8 mm의 실리콘으로 하였다[이하, 본 실시예에서는 안테나(7)와 가스분산판(8)을 아울러 대향전극이라 함].
안테나(7)에는 플라즈마를 생성시키기 위한 전력을 처리실로 투입하기 위한 UHF전원(11)이 제 1 정합기(12)를 거쳐 접속되어 있다. 또 가스분산판(8)과 안테나(7)를 대향 어스전극으로서 기능시키기 위하여 안테나는 필터(13)를 거쳐 접지되어 있다. 필터(13)는 플라즈마를 여기하기 위한 UHF 대의 전자파는 통과시키지 않고, 웨이퍼 바이어스에 사용하는 대역의 주파수만을 통과시키도록 설계되어 있다.
UHF전원의 주파수는 처리용 가스의 지나친 해리를 막기 위하여, 플라즈마의 전자온도를 낮게 할 수 있도록 300 MHz 내지 1 GHz의 대역이 바람직하다. 본 실시형태에서는 450 MHz 부근의 주파수를 이용하였다.
안테나와 가스분산판으로 이루어지는 대향전극의 바깥 둘레부는 대략 둥근고리형상을 한 유전체링(14)에 의해 덮여져 있다. 이 유전체링은 생성한 플라즈마를 처리실 중앙부에 가두어 처리실 측벽 근방에서의 플라즈마밀도를 내림으로써 웨이퍼에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정하는 역할을 담당하고 있다. 유전체링(14)의 재질로서는 석영, 알루미나, 질화알루미늄 등, 플라즈마에 노출되더라도 열화하지 않고 오염을 야기하기 어려운 재질이 바람직하다.
또한 대향전극의 바깥 둘레부의 유전체 표면은 하부전극으로부터의 RF 바이어스전류를 차단하기 위하여 대향전극면보다도 3 mm 내지 20 mm 정도 대향전극면에 직각인 방향으로 돌출하고 있다.
웨이퍼 탑재용 스테이지(2)에는 제 2 정합기(15)를 거쳐 제 1 고주파전원(16)이 접속되어 있고, 웨이퍼(3)에 고주파 바이어스를 걸음으로써 플라즈마에 의해 생성한 이온을 웨이퍼에 인입할 수 있다. 동시에 포커스링(4)에도 고주파 바이어스를 걸 수 있게 되어 있다.
고주파 바이어스의 주파수는 UHF-ECR에 의해 생성한 플라즈마분포에 그다지 영향을 주지 않도록 400 KHz 내지 3 MHz 사이에서 선정된다. 이 정도의 주파수이면 바이어스에 의한 플라즈마생성은 무시할 수 있고, 투입한 전력의 대부분을 웨이퍼에 이온을 인입하는 데 이용할 수 있다. 본 실시예에서는 800 KHz의 주파수를 사용하였다.
또 포커스링에 거는 고주파 바이어스는 에칭에 기여하는 래디컬의 양을 제어함과 더불어 웨이퍼(3)에 거는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정하는 역할을 담당하고 있다.
또 웨이퍼 탑재용 스테이지(2)에는 에칭을 행하는 동안 웨이퍼온도를 일정하게 유지할 수 있도록 제 2 온도조절장치(17)가 설치되어 있다.
진공처리실(1)에는 배기속도가 2000 내지 3000 L/s 정도의 터보분자펌프(18)와 컨덕턴스조절밸브(19)가 설치되어 있고, 처리용 가스를 흘린 상태에서 처리실을 소정의 압력으로 할 수 있다. 또 처리실을 대기 개방할 때에 처리실과 터보분자펌프를 격리하기 위한 밸브(20)를 설치하고 있다.
다음으로, 본 발명의 플라즈마 에칭장치를 사용한 에칭처리의 실시예에 대하여 설명한다.
에칭처리되는 웨이퍼는 고진공으로 배기된 상태의 진공처리실(1)에 도시 생략한 반송실로부터 반송아암에 의해 반입되어 스테이지(2)의 위에 얹어 놓여진다. 반송아암이 후퇴하여 진공처리실(1)과 반송실 사이의 밸브가 폐쇄된 후, 스테이지 (2)가 상승하여 처리에 알맞은 위치에서 정지한다.
다음으로, 가스공급계(10)로부터 소정의 유량으로 조절된 처리용 혼합가스가 처리실(1)로 도입되고, 처리실의 압력은 컨덕턴스조절밸브(19)에 의해 소정의 값으로 조절된다. 본 실시예에서는 처리용 가스로서 Ar, C4F8, O2의 혼합가스를 사용하고 압력은 2 Pa로 하였다.
다음으로, 코일(6)에 전류를 흘려 처리실내에 UHF의 전자파에 의해 ECR를 일으키도록 자장을 발생시킨다. 다음에 UHF전원(11)으로부터 정합기(12)를 거쳐 처리실(1)에 전력이 투입되고, 전자사이크로트론공명에 의해 대향전극과 스테이지 사이에 처리에 알맞은 밀도의 플라즈마를 발생시킨다. 본 실시예에서는 UHF전원의 주파수로서 450 MHz를 사용하였다. 이 때 ECR를 일으키는 자속밀도는 0.16 T 이다.
플라즈마를 착화시킨 후에, 도면에는 나타내지 않았으나 고주파전원(16)에 병렬로 접속된 직류전원으로부터 직류고전압이 웨이퍼 탑재용 스테이지(2)에 인가되고, 웨이퍼(3)는 스테이지에 정전흡착된다. 웨이퍼(3)의 이면에 헬륨가스가 도입되어 온도조절된 스테이지(3)에 의해 웨이퍼는 처리중 일정한 온도로 유지된다.
다음으로 고주파전원(16)을 동작시켜 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가함으로써 에칭은 개시된다. 플라즈마에 의해 발생한 이온은 바이어스에 의해 웨이퍼에 인입되기 때문에 이방성이 높은 에칭이 가능해진다.
소정시간 에칭을 행한 후, 또는 플라즈마로부터의 발광을 모니터하여 에칭의 종점을 검출하고 소정의 오버에칭을 행한 후, 고주파 바이어스의 인가를 정지함으로써 에칭은 종료한다.
에칭종료후 방전은 유지된 상태로 웨이퍼의 정전흡착에 사용한 직류전압의 공급을 정지하고, 직류전압의 공급에 사용되고 있는 라인을 접지함으로써 플라즈마를 거쳐 웨이퍼의 제전(除電)을 행한다. 이에 의하여 웨이퍼 탑재용 스테이지에 흡착되어 있는 웨이퍼는 용이하게 탈착가능해진다.
상기 제전행정종료후, UHF전원, 코일전원은 정지되고 방전도 정지된다. 그 후 처리용 가스의 공급도 정지된다. 또 처리에 알맞은 위치까지 상승시키고 있던 스테이지를 웨이퍼반송시의 위치까지 하강시킨다.
그런 다음에 처리실(1)의 공정가스를 배기한 후, 처리실 - 반송실 사이의 밸브를 개방하여 웨이퍼를 반송실까지 반출한다. 다음으로 처리해야 할 웨이퍼가 있는 경우는 다음 웨이퍼를 상기 순서에 따라 다시 처리한다.
이상이 대표적인 에칭공정의 흐름이다.
본 실시예에서는 유전체링(14)에 의해 리액터 바깥 둘레부의 플라즈마밀도를 내리고, 또한 포커스링(4)으로부터의 고주파 바이어스전류를 리액터 벽면을 흐르게 함으로써 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에만 한정하는 것이 가능해지고 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 하는 것이 가능해진다. 이에 의하여 플라즈마를 거쳐 전류가 디바이스로 흐르지 않게 되기 때문에 손상이 없는 에칭처리가 가능해진다.
유전체링의 재질은 웨이퍼에 오염을 야기하지 않는 재질, 즉 석영 또는 산화알루미늄 또는 질화알루미늄 또는 폴리이미드 등이 바람직하다. 또 유전체링의 내경, 두께, 내벽의 테이퍼각을 변화시킴으로써 그 효과를 조절할 수 있음은 물론이다.
일례로서 유전체링의 내경을 Φ1, 스테이지(2)의 외경을 Φ2, 웨이퍼의 외경 Φ3, 웨이퍼와 대향전극 사이의 거리를 H, 유전체링의 두께를 t 라 하면,
도 1(a)에 나타낸 유전체만의 경우,
0.7Φ3 < Φ1 < Φ2 ; 0.05H < t < 0.5H
또 도 2A에 나타낸 유전체와 포커스링(또는 어스)의 조합의 경우,
0.8 Φ3 < Φ1 < Φ2 ; 0.05H < t < 0.3H의 범위가 바람직하다.
또 이물(異物)을 줄이려는 관점에서는, 유전체링의 각진 부는 R = 0.5 mm 이상의 라운드를 붙이는 것이 바람직하다. 또 유전체링을 분할구조로 하고 열용량을 작게 함으로써 에칭공정의 경시 변화를 억제할 수 있다.
본 실시형태에서는 상기 유전체링(14)에 더하여 포커스링(4)에도 고주파 바이어스를 인가하고, 이 포커스링에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향 어스 이외를 향함으로써, 웨이퍼 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정할 수 있다.
이 포커스링을 포함한 전극 주위의 구조를 도 4에 나타낸다. 하부전극(103)의 상면은 티타니아, 폴리이미드 등의 절연막(101)으로 덮여져 있고, 플라즈마를 착화한 후, 전극(2)에 도시 생략한 DC전원보다 DC 고전압을 인가함으로써 웨이퍼 (3)를 정전흡착한다. 또 도시는 생략하였으나, 이 절연막(101)에는 냉각용 헬륨가스를 흘리기 위한 가스홈이 새겨져 있다.
또 전극의 바깥 둘레부에는 포커스링(4)이 배치되어 있다. 포커스링은 상기한 바와 같이 웨이퍼 바이어스의 전류경로를 제어하는 외에 에칭중의 래디컬농도를 제어하는 것을 겸하고 있기 때문에 그 재질로서는 실리콘, 탄소, 탄화규소, 석영 등이 바람직하다.
포커스링의 재질이 석영 등의 유전체인 경우, 그 두께나 폭을 바꿈으로써 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스전력과 포커스링 자체에 걸리는 고주파 바이어스전력의 비율을 변화시킬 수 있다. 또 포커스링의 재질이 탄소나 도프된 실리콘과 같이 도전율이 높은 재질의 경우는 전극(2)과 포커스링(4) 사이에 링형상의 유전체판 (102)을 배치하고, 그 재질, 두께를 바꿈으로써 포커스링에 분기되어 걸리는 고주파 바이어스전력을 제어할 수 있다.
또한 절연막(101)의 두께를 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 웨이퍼의 반경방향에 대하여 분포를 가지게 하고 있다. 플라즈마의 임피던스가 지름방향에 대하여 분포를 가지고 있는 경우에도 이것을 상쇄하도록 절연막(101)의 두께를 설정함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고 손상을 방지할 수 있다.
예를 들면 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 자기 바이어스전위의 절대치가 중심부보다도 큰 경우는, 바깥 둘레부에서의 절연막(101)의 두께를 두껍게 하면 좋다. 중심부와 비교하여 바깥 둘레부의 절연막에 의한 전압강하가 약간 커지는 만큼 자기 바이어스전위의 발생을 억제할 수 있다. 도 4에서는 제작의 용이함을 배려하여 절연막(101)의 두께를 계단형상으로 막두께를 변화시키고 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이 절연막(101)의 두께를 원활하게 변화시킨 쪽이 보다 세밀한 제어성을 기대할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같은 절연막(101)의 두께로 분포를 가지게 하여 자기 바이어스전위를 제어할 수 있는 전극을 이후 바이어스 보상전극이라 한다.
다음으로, 본 발명의 효과를 실험적으로 검증한 결과를 설명한다. 먼저, 본 발명에 의한 처리방법을 사용하지 않은 경우, 웨이퍼상의 각 위치에 있어서의 자기 바이어스전위(Vdc)를 측정하고 웨이퍼 중심부와 바깥 둘레부에서의 Vdc의 차 δVdc를 산출한 바, δVdc의 값은 파워, 압력 등의 조건에 따라 약간의 차이는 있었으나, 9 내지 11V 정도였다.
계속해서 유전체링(14)을 설치하고 처리장치 측벽을 향하는 웨이퍼 바이어스의 전류경로를 차단함으로써 웨이퍼 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정하는 처리방법을 사용한 경우, δVdc는 3 내지 8V로 저감되었다. 또한 이에 더하여 포커스링(14)의 사이즈를 최적화하고 포커스링에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향 어스 이외로 함으로써, 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스의 고주파전류경로가 웨이퍼 대향면에 위치하는 대향전극에 한정되는 처리방법을 병용한 경우, δVdc는 0 내지 5V로 저감되었다.
다음으로, 손상 TEG를 플라즈마에 노출하여 TEG의 파괴율을 조사하였다. 본 발명에 의한 처리방법을 사용하지 않은 경우의 TEG 파괴율은 21% 이었으나, 상기한 δVdc가 0 내지 5V로 저감된 처리방법을 사용한 경우, TEG 파괴율은 4% 까지 감소하였다. 또한 이것에 바이어스보상전극을 병용하여 고주파 바이어스에서 본 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 한 처리방법을 사용한 경우, TEG 파괴율은 0% 이었다.
상기한 바이어스보상전극의 구조로서는 포커스링(4)에 걸리는 고주파 바이어스는 포커스링 자체의 두께나 폭, 링형상의 유전체판(102)의 두께에 의하여 제어할 수 있었으나, 도 6에 나타내는 바와 같이 포커스링(4)에 제 3 정합기(112)를 거쳐 제 2 고주파전원(111)을 접속하여 다이렉트로 고주파전력을 급전함으로써 하드의 변경없이 포커스링 바이어스량을 제어할 수 있다.
여기서 도 2의 고주파전원(111)의 주파수는 제 1 고주파전원(16)과 동일하게 하고, 또 위상조절기(105)에 의해 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스와, 포커스링에 걸리는 고주파 바이어스의 위상은 대략 동일한 상이 되도록 한다. 또 도면에는 나타내지 않았으나, 고주파전원 1개로도 전력분배기를 사용함으로써 포커스링의 폭을 변경하는 등의 하드의 변경없이 포커스링 바이어스량을 제어할 수 있다.
또 도 7에 나타내는 바와 같이 포커스링(4)을 인덕턴스(114), 커패시턴스 (115), 가변저항(116)으로 이루어지는 필터를 거쳐 접지함으로써 포커스링 자체에 발생하는 고주파전압파형이나 자기 바이어스의 크기를 제어함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있다.
본 실시형태에서는 인덕턴스(114)와 커패시턴스(115)의 병렬공진에 의해 고주파 바이어스가 직접 어스로 흘러 들어 오는 것을 방지하고 가변저항(116)에 의해 포커스링 자체에 발생하는 자기 바이어스를 제어하는 구조로 되어 있다. 단, 상기한 필터구조는 어디까지나 일례를 나타내고 있는 것에 지나지 않으며, 동일한 효과를 주는 필터이면 어떠한 것을 이용하더라도 상관없다.
또 도 8에 나타내는 바와 같이 안테나(7)와 가스분산판(8) 사이에 안테나 하유전체(121)를 배치하여 상기 유전체의 두께를 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 웨이퍼의 반경방향에 대하여 분포를 가지게 함으로써, 손상을 방지할 수 있다. 즉, 바이어스보상전극과 같이 플라즈마의 임피던스가 지름방향에 대하여 분포를 가지고 있는 경우에도 이것을 상쇄하도록 유전체(121)의 두께를 설정함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고 손상을 방지할 수 있다.
예를 들어 웨이퍼 바깥 둘레부에서의 자기 바이어스전위의 절대치가 중심부보다도 큰 경우는 바깥 둘레부에서의 안테나 하유전체(121)의 두께를 두껍게 하면좋다. 중심부와 비교하여 바깥 둘레부에서의 안테나 하유전체에 의한 전압강하가 약간 커지는 만큼 자기 바이어스전위의 발생을 억제할 수 있다.
도 9는 도 8의 바이어스보상안테나의 등가회로이다. 웨이퍼 바깥 둘레부에서는 중심부와 비교하여 RF 바이어스에 대한 실효적인 어스면적이 넓어져 자기 바이어스는 더욱 크게 발생한다. 이것을 보상하기 위해서는 Cc = Ce + Cw 가 되도록 Cw를 정하면 좋다. 즉, 안테나 하유전체의 주변부에서의 막두께를 중심부와 비교하여 두껍게 설정하면 좋다.
지금까지 설명한 바와 같이 웨이퍼 바이어스의 고주파전류경로를 대향전극에 한정하고 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 하기 위하여 본 실시형태에서는 유전체링(14)이나 포커스링(4)에 바이어스를 분기하여 인가하는 수단을 사용하고 있고, 또 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스를 웨이퍼면내에서 균일하게 하기 위하여 바이어스보상전극, 바이어스보상안테나라는 수단을 사용하 고 있으나, 이들은 어디까지나 예에 불과하며, 본 발명은 이들의 수단에 한정되는 것이 아니다. 중요한 것은 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 하는 처리방법을 사용하는 점에 있다. 또 상기한 수단을 단독으로 사용하더라도 몇개인가의 복수를 조합시켜 사용하여도 상관없다.
또 본 실시형태에서는 UHF-ECR 플라즈마원을 사용하고 있으나, 이것도 어디까지나 일례에 불과하며, 평행평판타입의 플라즈마원이나 대향전극을 가진 유도결합형 플라즈마원 등, 그 밖의 플라즈마원에도 적용가능하다.
다음에 본 발명의 제 2 실시형태에 대하여 설명한다. 단, 제 1 실시형태에서 설명한 부분에 있어서는 설명을 생략한다. 도 10은 평행평판형 플라즈마 에칭장치의 일례이다. 진공처리실(1)의 내부에 웨이퍼 탑재용 스테이지(2)와, 웨이퍼(3)와, 이 웨이퍼와는 전기적으로 절연된 대략 둥근고리형상의 포커스링(4)이 설치되어 있다.
또 웨이퍼 탑재용 스테이지에 대향하는 위치에는 안테나(7)와, 가스분산판(8)과, 안테나 하유전체(121)로 이루어지는 바이어스보상안테나가 배치되어 있다. 안테나(7)에는 정합기(12)를 거쳐 제 3 고주파전원(131)이 접속되어 있다.
고주파전원의 주파수로서는 지금까지는 상용주파수인 13.56 MHz를 사용하는 일이 많았으나, 미세한 패턴을 좋은 형상으로 가공하기 위해서는 압력을 내리는 것이 필수가 된다. 또한 스루풋을 올리기 위해서는 빠른 처리속도가 필요하게 된다. 이 때문에 전원주파수는 저압력영역에서의 플라즈마밀도를 올리기 위하여 20 MHz 내지 100 MHz 정도로 하는 것이 바람직하다.
무자장 평행평판형 에칭장치에서는 자장을 사용하고 있지 않기 때문에 손상 에 대해서는 유리하도록 생각된다. 그러나 저압으로 구동한 경우 자장에 의한 플라즈마의 가둠(confinement)효과도 없고, 또 저압이기 때문에 플라즈마의 확산속도가 매우 빨라 생성한 플라즈마는 처리실의 측벽이나, 웨이퍼 탑재용 스테이지의 아래 쪽까지 플라즈마가 넓어지는 경우가 종종 생긴다. 이와 같은 현상은 처리효율의 저하를 초래할 뿐만 아니라, 손상의 관점에서도 바람직하지않다.
본 실시형태에서는 대향전극의 바깥 둘레부는 대략 둥근고리형상을 한 유전체링(14)에 의해 덮여져 있다. 이 유전체링은 생성한 플라즈마를 처리실 중앙부에 가두고 처리실 측벽 근방에서의 플라즈마밀도를 내림으로써 웨이퍼에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극으로 한정하는 역할을 담당하고 있다. 이에 따라 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 손상을 방지할 수 있다.
또한 본 실시형태에서는 바이어스보상안테나 구조를 채용하고 있고, 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지기 때문에 손상은 방지할 수 있다. 이에 더하여 바이어스보상전극을 병용하여도 상관없다.
여기서 주의하지 않으면 안되는 것은 바이어스보상안테나, 바이어스보상전극모두 UHF-ECR 플라즈마에 적용하는 경우와 비교하여 그 보상효과를 약하게 설계하여야 하는 점이다. 왜냐하면 원래 무자장이기 때문에 지름방향의 플라즈마 임피던스가 그다지 크지 않기 때문이다. 보상효과가 지나치게 강한 경우에는 손상을 반대로 증대시키는 결과가 된다. 중요한 것은 어디까지나, 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지는 점에 있다. 가령 플라즈마밀도, 전자온도 등의 플라즈마파라미터의 지름방향 분포가 웨이퍼상에서 대략 균일하고, 처리실 측벽 근방의 플라즈마밀도가 충분히 작아지면 바이어스보상안테나 등을 사용할 필요는 없다.
다음으로 본 발명의 제 3 실시형태에 대하여 설명한다. 단, 제 1 실시형태에서 설명한 부분에 대해서는 설명을 생략한다. 도 11은 유도결합형 플라즈마 에칭장치의 일례이다. 진공처리실(1)의 내부에 웨이퍼 탑재용 스테이지(2)와, 웨이퍼(3)와, 이 웨이퍼와는 전기적으로 절연된 대략 둥근고리형상의 포커스링(4)이 설치되어 있다.
또 웨이퍼 탑재용 스테이지에 대향하는 위치에는 천정부재(144)와, 대향어스전극(143)과, 스파이럴안테나(142)가 설치되어 있다. 또 대향어스전극(143)의 주변부는 대략 둥근고리형상의 유전체링(14)으로 덮여져 있다. 대향어스전극의 재질로서는 실리콘, 흑연, 유리형상 탄소, 알루미늄합금, 표면을 알루마이트처리한 알루미늄합금 등을 사용하는 것이 바람직하다.
스파이럴안테나(142)에는 정합기(12)를 거쳐 제 4 고주파전원(141)이 접속되어 있다. 본 실시형태의 플라즈마처리장치에서는 스파이럴안테나(141)에 고주파전류를 흘림으로써 처리실 상부에 교번자계를 발생시키고, 이를 따라 유도되는 둘레방향의 전계에 의해 플라즈마의 생성, 유지를 행하고 있다.
고주파전원의 주파수로서는 400 KHz 내지 30 MHz 정도의 주파수를 사용하는 것이 바람직하다. 주파수가 이것보다 높으면 스파이럴안테나에서는 안테나의 인덕턴스가 너무 커져 정합을 취하기가 매우 곤란해지기 때문이다.
유전체링(14)은 생성한 플라즈마를 처리실 중앙부에 가두고, 처리실 측벽 근방에서의 플라즈마밀도를 내림으로써 웨이퍼에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향어스전극(143)에 한정하는 역할을 담당하고 있다. 이에 의하여 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 손상을 방지할 수 있다.
또 천정부재의 재질로서 불순물 농도가 작은 실리콘을 사용하면 도 12에 나타내는 바와 같이 천정부재를 대향 어스전극으로서 작용시킬 수 있다. 불순물 농도가 작은 실리콘의 도전율은 매우 작고, 유전체에 가까운 성질을 가지기 때문에 스파이럴안테나(142)에 의해 발생한 전자계는 처리실까지 도달할 수 있어 플라즈마의 생성, 유지를 행하는 것이 가능하게 된다. 한쪽에서 상기 천정부재를 접지함으로써 고주파 바이어스에 있어서는 대향어스로 간주하는 것이 가능하게 된다.
상기한 바와 같은 장치구성에 의해 웨이퍼에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향 어스전극의 역활을 하고 있는 천정부재(144)에 한정함으로써, 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 손상을 방지할 수 있다. 또 대향 어스전극(143)이 불필요하게 되고 부품점수가 적어지고, 비용절감에 도움이 된다．
또 유전체링(14)의 재질을 실리콘으로 하여 천정부재(144)와 일체구조로 함 으로써 이에 따른 부품점수의 삭감과 장치구조의 간략화가 도모되고, 메인티넌스성도 향상한다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 이하가 효과를 가진다.
대향전극을 가지는 플라즈마처리장치에 있어서, 웨이퍼 바이어스투입시에 발생하는 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 함으로써, 플라즈마를 거쳐 디바이스에 전류가 흐르지 않기 때문에 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 웨이퍼에 투입하는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 웨이퍼의 바깥 둘레에 웨이퍼와는 절연된 대략 둥근고리형상의 유전체 또는 도체로 이루어지는 포커스링을 가지고, 웨이퍼에 대향하는 위치에 대향전극을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서는 포커스링에 인가되는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극 이외로 하고, 웨이퍼에 걸리는 고주파 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정함으로써, 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 고주파 바이어스에서 본 어스까지의 임피던스가 웨이퍼면내에서 균일해지도록 함으로써 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 매크로손상을 방지할 수 있다.
또 대향전극을 가지는 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 대향전극의 바깥 둘레부를 절연물로 덮음으로써 리액터 바깥 둘레부에서의 플라즈마밀도를 내려 측벽으로의 고주파 바이어스전류경로를 차단함으로써, 웨이퍼 바이어스의 전류경로를 대향전극에 한정할 수 있다. 이에 의하여 웨이퍼상에서의 자기 바이어스전위를 균일하게 할 수 있고, 매크로손상을 방지할 수 있다. 또 바깥 둘레부에서의 플라즈마밀도가 감소한 만큼, 웨이퍼 바로 위에서의 플라즈마밀도가 증가하기 때문에 플라즈마생성에 사용되는 전력의 이용효율을 올릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 고주파 바이어스의 전류경로를 나타내는 모식도,
도 2는 본 발명의 다른 예에 의한 고주파 바이어스의 전류경로를 나타내는 모식도,
도 3은 본 발명에 의한 플라즈마처리장치의 제 1 실시형태를 나타내는 단면도,
도 4는 도 3도의 실시형태에 있어서의 바이어스 보상전극의 일례를 나타내는 단면도,
도 5는 도 3의 실시형태에 있어서의 바이어스 보상전극의 다른 예를 나타내는 단면도,
도 6은 포커스링에 대한 급전방법의 일례를 나타내는 단면도,
도 7은 도 3의 실시형태에 있어서의 포커스링에 발생하는 자기 바이어스전위를 제어하는 수단의 일례를 나타내는 단면도,
도 8은 도 3의 실시형태에 있어서의 바이어스 보상안테나의 일례를 나타내는 단면도,
도 9는 도 8의 바이어스 보상안테나의 등가 회로도,
도 10은 본 발명에 의한 플라즈마처리장치의 제 2 실시형태를 나타내는 단면도,
도 11은 본 발명에 의한 플라즈마처리장치의 제 3 실시형태를 나타내는 단면도,
도 12는 도 11의 제 3 실시형태에서 천정부재가 대향 어스전극을 겹쳐 있는 경우를 나타내고 있는 단면도,
도 13은 종래예에 있어서의 고주파 바이어스의 전류경로를 나타내는 모식도,
도 14는 종래예에 있어서의 매크로 손상발생의 메커니즘을 나타내는 모식도,
도 15는 게이트산화막의 전류전압 특성의 일례를 나타내는 도,
도 16은 고주파 바이어스에서 본 플라즈마의 등가회로를 나타내는 모식도이다.

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  8. 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지고 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비한 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 고주파 바이어스에 의한 고주파전류경로중 상기 웨이퍼의 바깥 둘레 부근에 있어서의 전류경로부분을 상기 대향전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 교정하는 전류경로교정수단을 설치하고,
    상기 대향전극 바깥 둘레부의 상기 웨이퍼 대향면을 유전체로 덮고,
    상기 대향전극의 외경은 상기 웨이퍼 외경(Φ3)보다도 크고, 상기 대향전극의 플라즈마 접촉부분의 외경(Φ1)은 0.7 Φ3 내지 1.3 Φ3의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
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  15. 진공처리실과, 진공배기수단과, 플라즈마생성수단과, 플라즈마생성용 가스공급수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지고, 상기 스테이지에 대향하는 위치에 대향전극을 가지는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 대향전극의 고주파 바이어스에 대한 임피던스를 상기 웨이퍼의 반경방향 안쪽보다도 바깥쪽에 있어서 크게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 대향전극이 도전체, 유전체, 도전체의 적층구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    상기 대향전극의 유전체의 두께가 상기 웨이퍼의 지름방향에서 다른 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 대향전극의 재질이 실리콘, 또는 탄소, 또는 알루미늄, 또는 알루마이트가공된 알루미늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  19. 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지고 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 가지는 플라즈마처리장치에 있어서,
    상기 고주파 바이어스전원의 투입시에 발생하는 상기 웨이퍼면상에서의 자기 바이어스전위의 차를 5V 이하로 하기 위하여, 포커스링에 접속된 제 2의 고주파전원의 전력을 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  20. 진공처리실과, 플라즈마생성수단과, 상기 진공처리실내에서 처리되는 웨이퍼를 얹어 놓기 위한 스테이지와, 상기 웨이퍼와 대략 동등하거나 또는 상기 웨이퍼보다도 넓은 면적을 가지고 상기 스테이지에 대향하여 설치된 대향전극과, 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하는 바이어스전원을 구비하고, 상기 고주파 바이어스에 의한 고주파전류경로중 상기 웨이퍼의 바깥 둘레부근에 있어서의 전류경로부분을 상기 대향전극의 웨이퍼 대향면을 향하도록 교정하는 전류경로교정수단을 설치한 플라즈마처리장치에 의한 플라즈마처리방법으로서,
    진공처리실에 처리용 가스를 도입하는 공정과,
    전력을 투입하여 플라즈마를 착화시켜 상기 웨이퍼에 고주파 바이어스를 인가하고 상기 전류경로교정수단에 의해 상기 고주파 바이어스투입시에 균일한 자기 바이어스전위를 상기 웨이퍼상에 발생시키는 공정과,
    상기 플라즈마에 의해 상기 웨이퍼를 처리하는 공정으로 이루어지는 플라즈마처리방법.
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