KR100733241B1 - 플라즈마 에칭 장치 - Google Patents
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Abstract
반도체 웨이퍼(W)가 수용되는 챔버(2)와, 챔버(2)내에 설치된 상부 전극(21) 및 하부 전극(서셉터)(5)과, 상부 전극(21)에 50㎒ 이상의 주파수의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가기구(100)와, 상부 전극(21) 및 하부 전극(55), 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 제 1 고주파 인가기구(100)의 인가 주파수보다 낮게, 서로 실질적으로 역위상으로 동일 주파수의 고주파를 인가하는 제 2 고주파 인가기구(200)와, 챔버(2)내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 장치(35)와, 챔버(2)내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 공급기구(30)를 구비한다. 제 2 고주파 인가기구(200)로부터 상부 전극(21)에 인가되는 고주파 전력에 의해서 상부 전극(21)에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워진다.
Description
본 발명은 반도체 기판 등의 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 에칭 장치에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 프로세스에서는 피처리 기판인 반도체 웨이퍼에 대하여, 플라즈마에 의해서 에칭을 실시하는 플라즈마 에칭이 많이 사용되고 있다. 플라즈마 에칭 장치로서는 여러가지의 것이 이용되고 있지만, 그 중에서도 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치(capacitance coupling type parallel plate plasma processing apparatus)가 주류이다.
용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치는 챔버내에 한 쌍의 평행 평판 전극(상부 및 하부 전극)을 배치하고, 처리 가스를 챔버내에 도입함과 동시에, 전극의 한쪽에 고주파를 인가하여 전극 사이에 고주파 전계를 형성하며, 이 고주파 전계에 의해서 처리 가스의 플라즈마를 형성하여 반도체 웨이퍼에 대해 플라즈마 처리를 실시한다.
이러한 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치에 의해서 반도체 웨이퍼상의 막, 예컨대 산화막을 에칭하는 경우에는 챔버내를 중압으로 하고, 중밀도 플 라즈마를 형성함으로써 최적 래디컬 제어가 가능하고, 그것에 의하여 적절한 플라즈마 상태를 얻을 수 있어, 높은 선택비로 안정성 및 재현성이 우수한 에칭을 실현하고 있다.
구체적으로는 상부 전극에 플라즈마 형성용 27.12㎒의 고주파를 인가하여 플라즈마를 형성하고, 하부 전극에 800㎑의 고주파를 인가하여 플라즈마에 의해서 발생된 이온을 하부 전극으로 인입하고, 20 내지 100 mTorr의 압력으로 양호한 에칭이 실현 가능한 것이 "1997 DRY PROCESS SYMPOSIUM"(P385 내지 390)에 개시되어 있다.
그러나, 최근 USLI에서의 디자인 룰의 미세화가 점점 더 진행하여, 구멍 형상의 종횡비(aspect rate)도 보다 높은 것이 요구되고 있어, 종래의 조건으로는 충분하다고는 말할 수 없게 되었다.
또한, 에칭시에는 도 7에 도시하는 바와 같이, 플라즈마 시스(plasma sheath)(S) 근방의 레지스트층(111)의 부분은 마이너스로 대전되기 때문에, 플라즈마(P)의 전자는 가로 방향의 운동량이 보다 커져, 종횡비가 큰 콘택트 홀이 형성되어 있는 부분에서는 전자는 콘택트 홀(101)내에 도달하기 어려워지지만, 플러스 이온은 플라즈마 시스에 의해서 가속되어 콘택트 홀에 도달하기 때문에, 콘택트 홀(101)내의 바닥부(103)가 플러스로 대전된다. 한편, 콘택트 홀이 형성되어 있지 않은 공간 부분(105)에는 곤란성이 없이 전자와 이온이 도달한다. 이 결과, 게이트 전극(116)의 하방의 얇은 절연막(117)에 강한 전계가 걸려, 소위 셰이딩 손상(shading damage)이라고 불리는 절연파괴가 발생한다. 또한, 도 7중 참조부호(112, 114)는 절연막(SiO2)이며, 참조부호(113)는 알루미늄 배선, 참조부호(115)는 게이트 배선이다.
본 발명의 목적은 적절한 플라즈마 상태를 얻을 수 있고, 또한 미세화에 대응 가능하고, 또한 셰이딩 손상이 발생하기 어려운 플라즈마 에칭 장치를 제공하는 것이다.
본 발명자는 요구되고 있는 미세화에 대응 가능한 플라즈마 에칭에 대하여 검토를 거듭한 결과, 상부 전극 및 하부 전극에 인가하는 고주파의 주파수를 상승시켜, 예컨대 상부 전극에 60㎒, 하부 전극에 2㎒의 주파수의 고주파를 인가함으로써, 보다 저압의 조건으로 플라즈마를 형성할 수 있고, 종래의 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치와 동등한 래디컬 해리 제어성을 유지하면서, 보다 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있어, 보다 미세화에 대응 가능한 것을 찾아내었다.
그러나, 이와 같이 상부 전극에 인가하는 고주파의 주파수를 상승시키면, 에칭의 균일성이 떨어진다고 하는 새로운 문제가 발생하는 것이 밝혀졌다. 즉, 도 1a에 도시하는 바와 같이, 상부 전극(80)의 플라즈마 시스가 전극 중앙부에서 매우 얇아지고, 하부 전극(81)의 플라즈마 시스가 전극 중앙부에서 두꺼워져 플라즈마의 불균일이 발생한다.
이것은 고주파를 인가했을 때에 반드시 발생하는 고주파가 상부 전극(80)의 면내에 정재파를 형성하는 것에 기인한다. 즉, 정재파는 전극의 중앙에서 진폭이 커지므로, 정재파가 상부 전극 근방의 플라즈마에 기여함으로써, 상부 전극 중앙부의 시스가 단부에 비하여 얇아진다. 그러나, 상부 전극에 인가하는 주파수가 종래와 같이 비교적 낮은 경우, 예컨대 50㎒ 미만인 경우에는 플라즈마 밀도가 높지 않고, 따라서 플라즈마 시스가 두껍기 때문에 정재파가 플라즈마의 균일성에 끼치는 영향은 작다. 또한, 50㎒ 미만에서는 고주파의 파장이 상부 전극의 직경에 비하여 크기 때문에 정재파의 영향은 작아진다.
상부 전극에 인가하는 고주파의 주파수가 높아져 플라즈마 밀도가 상승하면 플라즈마 시스의 두께가 전체적으로 얇아지므로, 전극의 중앙부의 플라즈마 시스가 정재파의 영향을 받으면, 극단적인 경우에는 도시하는 바와 같이 전극 중앙부의 플라즈마 시스가 매우 얇아져 플라즈마의 균일성이 나빠진다.
한편, 하부 전극(81)의 플라즈마 시스에 대해서는 상부 전극의 중앙부에서 플라즈마 시스가 얇아짐으로써, 그 부분의 정전 용량이 커지고 집중되어 전류가 2㎒ 필터로 흘러, 결과적으로 플라즈마 시스가 두꺼워진다. 이 때문에, 중앙부의 플라즈마중의 이온이 한층 더 가속되어 웨이퍼 중앙부에서의 에칭율이 웨이퍼 주변부보다 높아져 에칭의 균일성이 저하한다.
따라서, 이러한 새로운 결점을 해결하기 위해서 더욱 검토한 결과, 양 전극에 특정한 고주파를 인가함으로써 플라즈마 시스 두께를 두껍게 할 수 있어, 플라즈마 시스 두께의 변동을 작게 하는 것이 가능한 것을 알아냈다. 그리고, 이와 같이 플라즈마 시스 두께를 두껍게 하여 그 변동을 작게 하기 위해서는, 양 전극에 특정한 주파수로 또한 동일 주파수의 고주파 전력을 실질적으로 역위상으로 또는 그 근방의 위상으로 인가하면 좋은 것을 알아냈다.
또한, 이와 같이 양 전극에 특정한 주파수로 또한 동 주파수의 고주파 전력을 실질적으로 역위상으로, 또는 그 근방의 위상으로 인가하면 셰이딩 손상도 발생하기 어려워지는 것을 알아냈다.
또한, 일본 특허 공개 공보 제 1995-302786 호 및 일본 특허 공개 공보 제 1996-31596 호에 있어서도, 서로 역위상의 저주파를 상부 전극 및 하부 전극에 인가함과 동시에 상부 전극에 고주파를 인가하는 플라즈마 처리 장치가 개시되어 있다. 그러나, 이러한 장치는 본 발명의 과제를 해결하는 것이 아니다.
본 발명은 이들의 지견에 근거하여 이루어진 것으로, 본 발명의 제 1 관점에 의하면,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
상기 챔버내에 소정 간격을 갖고 서로 대향하도록 설치된 제 1 및 제 2 전극과,
상기 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과,
상기 제 2 전극에 고주파 전력을 인가하는 제 2 고주파 인가 수단과,
상기 챔버내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 수단과,
상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 도입 수단을 포함하고,
상기 제 2 전극에 피처리 기판을 지지시킨 상태로, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 고주파 전계를 형성함으로써 처리 가스의 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마에 의해서 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하며,
상기 제 2 고주파 인가 수단은 상기 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지도록 상기 제 1 전극에도 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치가 제공된다.
본 발명의 제 2 관점에 의하면,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
상기 챔버내에 소정 간격을 갖고 서로 대향하도록 설치된 제 1 및 제 2 전극과,
상기 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극에, 주파수가 2㎒ 이상으로 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮게, 서로 실질적으로 역위상으로 동일 주파수의 고주파 전력을 인가하는 제 2 고주파 인가 수단과,
상기 챔버내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 수단과,
상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 도입 수단을 포함하고,
상기 제 2 전극에 피처리 기판을 지지시킨 상태로, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 고주파 전계를 형성함으로써 처리 가스의 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마에 의해서 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하고,
상기 제 2 고주파 인가 수단으로부터 상기 제 1 전극에 인가되는 고주파 전력에 의해서, 상기 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치가 제공된다.
본 발명의 제 3 관점에 의하면,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
피처리 기판이 수용되는 챔버와,
상기 챔버내에 소정 간격을 갖고 서로 대향하도록 설치된 제 1 및 제 2 전극과,
상기 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극에, 주파수가 2㎒ 이상으로 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 동일 주파수의 고주파 전력을 180 ±45°의 위상 차이로 각각 인가하는 제 2 고주파 인가 수단과,
상기 챔버내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 수단과,
상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 도입 수단을 포함하고,
상기 제 2 전극에 피처리 기판을 지지시킨 상태로, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 고주파 전계를 형성함으로써 처리 가스의 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마에 의해서 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하고,
상기 제 2 고주파 인가 수단으로부터 상기 제 1 전극에 인가되는 고주파 전력에 의해서, 상기 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치가 제공된다.
본 발명에 있어서는 제 1 전극에 50㎒ 이상의 주파수의 고주파를 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과, 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지도록, 제 2 전극 뿐만 아니라 제 1 전극에도 고주파 전력을 인가하는 제 2 고주파 인가 수단을 구비하고 있기 때문에, 플라즈마 시스가 정재파의 영향을 받더라도, 그 두께의 변동 비율이 상대적으로 작아져, 플라즈마를 보다 균일하게 할 수 있다. 구체적으로는, 제 2 고주파 인가 수단은 제 1 전극 및 제 2 전극에 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 제 1 고주파 인가 수단보다 낮도록, 서로 실질적으로 역위상으로 동일 주파수의 고주파를 인가하기 때문에, 제 1 전극에는 제 1 고주파 인가 수단에 의한 고주파 외에 제 2 고주파 인가 수단에 의한 비교적 주파수가 낮은 고주파도 인가된다. 따라서, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 상부 전극의 플라즈마 시스는 제 1 고주파 인가 수단의 주파수(예컨대 60㎒)에 대응하는 플라즈마 시스에, 보다 주파수가 낮은 제 2 고주파 인가 수단의 주파수(예컨대 2㎒)에 대응하는 플라즈마 시스가 중첩되어 두꺼워지고, 또한 2㎒에 대응하는 플라즈마 시스가 60㎒에 대응하는 플라즈마 시스보다 두껍기 때문에, 플라즈마 시스가 정재파의 영향을 받더라도 그 두께의 변동 비율은 작고, 플라즈마의 균일성이 저하되는 정도가 작아진다. 또한, 이와 같이 상부 전극의 플라즈마 시스가 두꺼워짐으로써, 정재파의 영향에 의한 정전 용량의 변화는 작고 하부 전극에 흐르는 전류가 균일하게 되어, 도시하는 바와 같이 하부 전극의 플라즈마 시스는 거의 균일하게 된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 고밀도의 플라즈마에 의해서 미세화에 대응 가능함과 동시에, 균일한 플라즈마에 의해서 에칭의 균일성을 확보하는 것이 가능해진다. 또한, 도 1b는 제 2 고주파 인가 수단으로서 파워 스플리터(power splitter)(82)를 이용하여 상부 전극 및 하부 전극에 서로 역위상의 고주파(주파수 2㎒)를 인가한 상태를 도시하는 것이다.
또한, 더구나 제 2 고주파 인가 수단으로부터 제 1 및 제 2 전극에 인가되는 고주파 전력은 실질적으로 역위상이므로, 시스 부분의 전계강도가 항상 일정치 이상의 높은 값이 되기 때문에, 플라즈마의 공간 전위를 높게 할 수 있고, 또한 전리율(ionization rate)이 상승하여 플라즈마 밀도가 높아져, 이온 및 전자가 고에너지화된다. 또한, 전극 근방에서의 전리율을 증가시킬 수 있으므로 고속 전자 융제(high speed electron flux)가 증가한다. 따라서, 플라즈마중의 전자가 콘택트 홀의 바닥부에 용이하게 도달하게 되어, 구멍내의 플러스 전하를 중화할 수 있으므로, 셰이딩 손상을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
여기서, 상술한 바와 같이 제 1 및 제 2 전극에 서로 실질적으로 역위상의 고주파 전력을 인가함으로써, 상술한 바와 같이 효과가 현저한 것으로 되지만, 이들 효과는 서로 역위상이 아니더라도 그것에 가까운 것이면 된다. 구체적으로는 양자의 위상 차이가 180±45°이면 소기의 효과를 얻을 수 있다.
제 1 고주파 인가 수단의 주파수를 50㎒ 이상으로 한 것은, 이것보다 낮으면 소망의 고밀도 플라즈마를 얻기 어렵고, 요구되고 있는 미세화에 대응할 수가 없게 되고, 또한 50㎒ 미만에서는 본 발명이 해결하고자 하는 과제 자체가 발생하지 않기 때문이다.
상기 본 발명의 제 2 관점에 있어서, 상기 제 2 고주파 인가 수단은 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 고주파 전원과, 상기 고주파 전원의 전력을 상기 제 1 및 제 2 전극으로 분배하는 변압기를 갖는 구성으로 할 수 있다.
상기 본 발명의 제 2 관점 및 제 3 관점에 있어서, 상기 제 2 고주파 인가 수단의 주파수를 2㎒ 이상으로 한 것은, 주파수가 2㎒ 이상이 되면 이온이 추종하기 어렵게 되기 때문에 피처리 기판에 이온이 인입되었을 때의 손상을 작게 할 수 있기 때문이다.
상기 본 발명의 제 2 관점 및 제 3 관점에 있어서, 상기 제 2 고주파 인가 수단은 주파수가 2㎒ 이상이고, 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 고주파 발진기와, 이 고주파를 증폭하여 소정의 고주파 전력을 각각 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가하는 증폭 수단과, 상기 제 1 전극 또는 제 2 전극에 인가되는 고주파의 위상을 시프트시키는 위상 시프트 수단을 갖는 구성으로 할 수 있다.
또한, 제 2 관점 및 제 3 관점에 있어서, 제 2 고주파 인가 수단의 주파수는 2 내지 27㎒ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 제 1 및 제 2 고주파 인가 수단의 주파수의 바람직한 예로서, 제 1 고주파 인가 수단의 주파수가 약 60㎒, 제 2 고주파 인가 수단의 주파수가 약 2㎒를 들 수 있다. 또한, 상기 제 2 고주파 인가 수단은 상기 제 1 전극으로 공급하는 전력과, 상기 제 2 전극으로 공급하는 전력의 비가 6 : 4 내지 4 : 6인 것이 바람직하다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면이며, 도 1a는 종래 기술에 관계되고, 도 1b는 본 발명에 관계된다.
도 2는 본 발명의 1 실시예에 관한 에칭 장치를 개략적으로 도시하는 단면도,
도 3은 플라즈마의 전위분포를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면,
도 4는 플라즈마의 공간 전위를 도시하는 그래프,
도 5a 및 도 5b는 각각 플라즈마의 전극 근방 및 벌크에서의 전리율을 도시하는 그래프,
도 6은 제 2 고주파 인가기구의 다른 예를 도시하는 도면,
도 7은 셰이딩 손상의 개념을 도시하는 도면.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 관한 에칭 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이 에칭 장치(1)는 전극판이 상하 평행하게 대향하고, 한쪽에 플라즈마 형성용 전원이 접속된 용량형 평행 평판 에칭 장치로서 구성되어 있다.
이 에칭 장치(1)는, 예컨대 내면이 알루마이트 처리(양극 산화 처리)된 알루미늄으로 이루어지는 원통형 형상으로 성형된 챔버(2)를 갖고 있고, 이 챔버(2)는 보안 접지되어 있다. 상기 챔버(2)내의 바닥부에는 세라믹 등의 절연판(3)을 거쳐서, 피처리체, 예컨대 반도체 웨이퍼(이하, 웨이퍼라고 칭함)(W)를 탑재하기 위한 대략 원주형상의 서셉터 지지대(4)가 설치되어 있다. 이 서셉터 지지대(4)상에는 하부 전극을 구성하는 서셉터(5)가 설치되어 있다. 이 서셉터(5)는 고주파 통과 필터(HPF)(6)를 거쳐서 접지되어 있다.
상기 서셉터 지지대(4)의 내부에는 냉매실(7)이 설치되어 있고, 이 냉매실(7)에는 액체 질소 등의 냉매가 냉매 도입관(8)을 거쳐서 도입되어 냉매 배출관(9)에서 배출되고 순환하여, 그 냉열이 상기 서셉터(5)를 거쳐서 상기 지지대상에 지지된 웨이퍼(W)에 전열되어, 이것에 의해서 웨이퍼(W)의 처리면이 소망 온도로 제어된다.
상기 서셉터(5)는 원판형상을 하고 있고, 그 위에 웨이퍼(W)와 대략 동일 형태의 정전 척(11)이 설치되어 있다. 정전 척(11)은 절연재 사이에 전극(12)이 개재하도록 구성되어 있고, 전극(12)에 접속된 직류 전원(13)으로부터 예컨태 1.5㎸의 직류 전압이 인가됨으로써, 쿨롱력(Coulomb force) 또는 존선-라벡력(Johnson-Rahbeck force)에 의해서 웨이퍼(W)를 위로 정전흡착한다.
상기 절연판(3), 서셉터 지지대(4), 서셉터(5), 또한 상기 정전 척(11)에는 피처리체인 웨이퍼(W)의 이면에 전열 매체, 예컨대 He 가스 등을 공급하기 위한 가스통로(14)가 형성되어 있고, 이 전열 매체를 거쳐서 서셉터(5)의 냉열이 웨이퍼(W)에 전달되어 웨이퍼(W)가 소정의 온도로 유지되도록 되어 있다.
상기 서셉터(5)의 상단 둘레부에는 정전 척(11)상에 탑재된 웨이퍼(W)를 둘러싸도록, 환상의 포커스 링(15)이 배치되어 있다. 이 포커스 링(15)은 실리콘 등의 도전성 재료로 이루어져 있고, 에칭의 균일성을 향상시키는 기능을 갖는다.
상기 서셉터(5)의 위쪽에는 이 서셉터(5)와 평행하게 또한 소정 간격을 갖고 대향하여 상부 전극(21)이 설치되어 있다. 이 상부 전극(21)은 절연재(22)를 거쳐서 챔버(2)의 상부에 지지되어 있고, 서셉터(5)와의 대향면을 구성하고, 다수의 토출 구멍(23)을 갖는 전극판(24)과, 이 전극판(24)을 지지하는 전극 지지체(25)에 의해서 구성되어 있다. 전극판(24)을 구성하는 재료로서는 실리콘 또는 비결정 카본이 예시된다. 또한, 전극 지지체(25)는 도전성 재료로 구성되어 있고, 그 재료로는 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄이 예시된다. 또한, 서셉터(5)와 상부 전 극(21)은 10 내지 60㎜ 정도 간격을 두고 있다.
상기 상부 전극(21)의 전극 지지체(25)의 중앙에는 가스 도입구(26)가 설치되고, 또한 이 가스 도입구(26)에는 가스 공급관(27)이 접속되어 있고, 또한 이 가스 공급관(27)에는 밸브(28) 및 질량 흐름 콘트롤러(29)를 거쳐서 처리 가스 공급원(30)이 접속되어 있다. 처리 가스 공급원(30)으로부터 에칭을 위한 처리 가스가 공급된다. 이러한 처리 가스로서는 CF4가스가 예시된다.
상기 챔버(2)의 바닥부에는 배기관(31)이 접속되어 있고, 이 배기관(31)에는 배기 장치(35)가 접속되어 있다. 배기 장치(35)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 구비하고 있고, 이것에 의해서 챔버(2)내를 1mTorr(0.133Pa) 정도의 감압분위기까지 진공 가능하도록 구성되어 있다. 또한, 챔버(2)의 측벽에는 게이트밸브(32)가 설치되어 있고, 이 게이트밸브(32)를 개방한 상태에서 웨이퍼(W)가 인접하는 로드록실(도시안함)과의 사이에서 반송되도록 되어 있다.
다음에, 플라즈마를 형성하기 위한 기구에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는 상대적으로 높은 주파수의 고주파를 상부 전극에 인가하는 제 1 고주파 인가기구(100)와, 하부 전극으로서의 서셉터(5)와 상부 전극(21)의 양방에 대하여 서로 실질적으로 역위상의 상대적으로 낮은 주파수의 고주파를 인가하는 제 2 고주파 인가기구(200)가 설치되어 있다. 제 2 고주파 인가기구(200)는 서셉터(5)와 상부 전극(21)과 동일 주파수의 고주파를 인가하도록 되어 있다.
본 실시예에서는 상대적으로 높은 주파수의 고주파를 상부 전극에 인가하는 제 1 고주파 인가기구(100)와, 하부 전극으로서의 서셉터(5)와 상부 전극(21)의 양방에 대하여 서로 실질적으로 역위상의 상대적으로 낮은 주파수의 고주파를 인가하는 제 2 고주파 인가기구(200)가 설치되어 있다. 제 2 고주파 인가기구(200)는 서셉터(5)와 상부 전극(21)과 동일 주파수의 고주파를 인가하도록 되어 있다.
제 1 고주파 인가기구(100)는 제 1 고주파 전원(50)을 갖고 있고, 이 제 1 고주파 전원(50)은 정합기(51) 및 고주파 통과 필터(HPF)(52)를 거쳐서 상부 전극(21)에 접속되어 있다. 이 제 1 고주파 전원(50)은 50㎒ 이상의 주파수를 갖고 있고, 이와 같이 고주파수를 인가함으로써 챔버(2)내에 저압 조건하에서 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있다. 또한, 사실상의 상한 주파수는 200㎒ 정도이다. 이 제 1 고주파 전원(50)의 주파수 및 출력의 바람직한 예는 60㎒, 2000W이다.
제 2 고주파 인가기구(200)는 제 2 고주파 전원(40)을 갖고 있고, 이 고주파 전원(40)은 정합기(41)를 거쳐서 파워 스플리터를 구성하는 변압기(42)의 1차측에 접속되어 있고, 이 변압기(42)의 2차측에는 접지 단자(43)가 설치되어 있다. 이 변압기(42)의 2차측은 각각 저주파 통과 필터(LPF)(44, 45)를 거쳐서 서셉터(5)와 상부 전극(21)에 각각 접속되어 있다. 따라서, 접지 단자(43)를 이동시킴으로써, 고주파 전원(40)의 파워는, 예컨대 1000W의 출력중 서셉터(5)로는 600W, 상부 전극(21)으로는 400W와 같이 임의의 비율로 분배시킬 수 있도록 되어 있다. 또한 서셉터(5)와 상부 전극(21)에는 서로 실질적으로 역위상의(위상이 180°다른) 고주파 전력이 인가된다. 제 2 고주파 전원(40)은 제 1 고주파 전원(50)보다도 낮게, 또한 2㎒ 이상의 주파수를 갖고 있다. 이와 같이, 2㎒ 이상의 주파수를 갖고 있으면, 서셉터(5)에 인입되는 이온이 웨이퍼(W)에 미치는 손상이 작다. 제 2 고주파 전원(40)의 주파수는 27㎒ 이하인 것이 바람직하고, 2 내지 13.56㎒의 범위가 특히 바람직하다. 이 제 2 고주파 전원(40)의 주파수의 바람직한 예로는 2㎒를 들 수 있다. 후술하는 바와 같이, 셰이딩 손상을 유효하게 방지하는 관점에서는, 상부 전극(21)과 하부 전극인 서셉터(5)와의 분배비는 4 : 6 내지 6 : 4가 바람직하다.
이와 같이 구성되는 에칭 장치(1)에 있어서, 예컨대 실리콘 기판을 갖는 웨이퍼(W)상의 실리콘 산화막(Si02)의 에칭을 실시하는 경우에는, 우선 피처리체인 웨이퍼(W)는 게이트 밸브(32)가 개방된 후에 도시하지 않은 로드록실에서 챔버(2)내로 반입되어 정전 척(11)상에 탑재된다. 그리고, 고압 직류 전원(13)으로부터 직류 전압이 인가됨으로써, 웨이퍼(W)가 정전 척(11)상에 정전흡착된다. 이어서, 게이트 밸브(32)가 폐쇄되고, 배기기구(35)에 의해서 챔버(2)내가 소정의 진공도까지 진공상태로 된다.
그 후, 밸브(28)가 개방되어, 처리 가스 공급원(30)으로부터 예컨대 CF4가스가 질량 흐름 콘트롤러(29)에 의해서 그 유량이 조정되면서 처리 가스 공급관(27), 가스 도입구(26)를 통하여 상부 전극(21)의 중공부로 도입되고, 또한 전극판(24)의 토출 구멍(23)을 통하여, 도 2에서 화살표로 도시하는 바와 같이 웨이퍼(W)에 대하여 균일하게 토출된다.
챔버(2)내의 압력이, 예컨대 20mTorr(2.66Pa)로 유지된 후, 제 1 고주파 인가기구(100)의 고주파 전원(50)으로부터 예컨대 60㎒의 고주파를 상부 전극(21)에 인가한다. 이것에 의해서, 상부 전극(21)과 하부 전극으로서의 서셉터(5) 사이에 고주파 전계가 발생하고, 처리 가스가 해리하여 플라즈마화한다. 한편, 제 2 고주파 인가기구(200)의 고주파 전원(40)으로부터는 변압기(42)를 거쳐서 서셉터(5)와 상부 전극(21)에 서로 실질적으로 역위상인(위상이 180°다른) 예컨대 2㎒의 고주 파 전력이 인가된다.
이 제 2 고주파 인가기구(200)로부터 상부 전극(21)에 인가된 성분은, 제 1 고주파 인가기구(100)로부터 상부 전극에 공급된 예컨대 60㎒의 고주파가 상부 전극(21)측에 형성하는 플라즈마 시스를 두껍게 하는 기능을 갖고 있고, 이것에 의해서 정재파를 구성하는 고조파(higher harmonic wave)에 의한 상부 전극(21) 표면에서의 플라즈마 시스의 불균일의 영향을 완화하여 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
한편, 제 2 고주파 인가기구(200)로부터 하부 전극인 서셉터(5)에 인가된 성분은 플라즈마화한 가스분자중의 주로 이온을 서셉터(5)측으로 적극적으로 인입하는 작용을 갖고, 이 이온 어시스트에 의해서 웨이퍼(W)의 산화막에 대하여 보다 이방성(anisotropy)이 큰 에칭을 실시하는 것이 가능해진다. 이 경우에, 그 주파수가 2㎒ 이상이므로 웨이퍼(W)에 손상을 줄 위험은 작다.
이와 같이, 상부 전극(21)에 예컨대 60㎒라는 비교적 고주파수의 고주파를 인가하므로써, 저압이고 고밀도인 플라즈마를 형성할 수 있고, 또한 서셉터(5)에 예컨대 2㎒를 인가함으로써 에칭의 선택성 및 이방성을 보다 높일 수 있기 때문에, 미세가공이 가능하고, 그것에 더하여 상부 전극(21)에 예컨대 60㎒라는 비교적 높은 주파수의 고주파를 인가한 경우에 발생하는 플라즈마의 불균일을 해소할 수 있기 때문에, 플라즈마 처리의 균일성을 확보하는 것이 가능해진다.
제 2 고주파 인가기구(200)로부터, 상부 전극(21) 및 하부 전극인 서셉터(5)에 2㎒의 고주파 전력을 서로 실질적으로 역위상이 되도록 인가함으로써 시스 폭의 변동이 작아지는 결과, 시스 부분의 전계강도가 항상 일정치 이상의 높은 값이 되기 때문에 플라즈마의 공간 전위를 높게 할 수 있고, 또한 전리율이 상승하여 플라즈마 밀도가 높아지고, 이온 및 전자가 고에너지화된다. 또한, 전극 근방에서의 전리율을 증가시킬 수 있으므로 고속 전자 융제가 증가한다. 따라서, 플라즈마중의 전자가 콘택트 홀의 바닥부에 용이하게 도달하기 쉬워져, 구멍내의 플러스 전하를 중화할 수 있기 때문에, 셰이딩 손상을 발생하기 어렵게 하는 것이 가능해진다.
또한, 제 2 고주파 전원(40)의 변압기(42)의 2차측과, 서셉터(5) 및 상부 전극(21) 사이의 인가 경로에는 각각 저주파 통과 필터(LPF)(44, 45)가 개재되어 있기 때문에, 이 인가 경로에 제 1 고주파 전원(50)으로부터의 높은 주파수, 예컨대 60㎒의 고주파가 침입할 우려가 없다. 또한, 제 1 고주파 전원(50)의 인가 경로에는 고주파 통과 필터(HPF)(52)가 개재되어 있기 때문에, 이 인가 경로에 제 2 고주파 전원(40)으로부터의 낮은 주파수, 예컨대 2㎒의 고주파가 침입할 우려가 없다. 따라서, 안정적인 프로세스를 실현할 수 있다. 또한, 이러한 차단기능에 비추어 보면, 저주파 통과 필터(LPF)(44, 45) 및 고주파 통과 필터(HPF)(52)에 한정되지 않고, 다른 차단 수단을 이용하더라도 무방하다.
다음에, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에 의해서 형성되는 플라즈마를 시뮬레이션한 결과에 대하여 설명한다.
도 3은 상부 전극에 60㎒의 고주파 전력을 인가하고, 또한 상부 전극과 하부 전극에 4 : 6의 분배비로 2㎒의 고주파 전력을 인가한 본 발명에 대응하는 경우와, 상부 전극에 60㎒의 고주파 전력을 인가하고 하부 전극에 2㎒의 고주파 전력을 인가한 비교예의 경우에 있어서의 웨이퍼 중심 상방 공간의 전위분포를 도시하는 도면이다. 또한, 이 도면에 있어서, 횡축은 전극에 수직인 방향의 거리를 나타내고, 종축은 2㎒ 고주파의 1주기분의 시간을 나타낸다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 경우에는 비교예의 경우보다도 시스 폭이 안정되어, 시스 부분의 전위의 경사로 도시되는 전계의 강도가 일정치 이상의 값을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 이 때의 플라즈마 전위는 도 4에 도시하는 바와 같이, 본 발명이 더 높고, 또한 변동량이 적다. 또한, 이 때의 전리율은 도 5a 및 도 5b에 도시하는 바와 같이, 벌크에 있어서도 전극 근방에 있어서도 본 발명이 더 크다. 즉, 본 발명이 플라즈마 밀도가 더 높다는 것을 알 수 있다. 또한, 이것에 동반하여 이온 및 전자가 고에너지화되어, 고속 전자 융제가 증가하는 것도 시뮬레이션으로 도시되었다. 또한, 전자가 플라즈마 시스에서 웨이퍼로 도달하는 시간을 시뮬레이션한 결과, 비교예의 경우가 3.3nsec인데 비하여, 본 발명의 경우에는 3.2nsec였다. 즉, 본 발명이 플라즈마 시스에서 웨이퍼에 도달하는 시간이 짧고, 전자가 고속화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 도 7에 도시하는 콘택트 홀(101)내의 바닥부(103)에 도달하는 전자가 증가하고, 그 부분에 있어서의 플러스의 대전이 완화되어 셰이딩 손상이 발생하기 어렵게 된다.
이상에서, 본 발명에 의해서 플라즈마 시스의 두께가 변동하기 어렵고, 또한 셰이딩 손상이 발생하기 어렵게 되는 것이 확인되었다.
또한, 실제로 셰이딩 손상의 가속실험을 한 결과, 비교의 경우에는 양품률이 59%인데 비하여, 본 발명에서는 98%였다. 또한, 상부 전극과 하부 전극의 고주파 전력의 분배비가 4 : 6 내지 6 : 4인 경우에, 특히 셰이딩 손상 방지 효과가 높은 것이 확인되었다. 또한, 상부 전극과 하부 전극의 고주파 전력의 분배비를 6 : 4로 한 경우에는 비교의 경우 및 분배비를 4 : 6으로 한 경우보다 에칭 선택비가 높아졌다. 이것은 상부 전극으로의 인가 전력을 높게 함으로써 래디컬 분포가 웨이퍼 근방에서 높아지기 때문이라고 생각된다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 여러가지 변형 가능하다. 예컨대, 상기 실시예에서는 제 2 고주파 인가기구(200)에 소위 파워 스플리터를 이용했지만, 이것에 한정되지 않고 양방의 전극에 서로 역위상의 고주파를 인가할 수 있는 것이면 무방하다. 예컨대, 도 6에 도시하는 바와 같이 예컨대 2㎒의 고주파를 발진하는 고주파 발진기(60)를 설치하고, 이것을 상부 전극(21)에는 증폭기(61), 정합기(62) 및 전술한 저주파 통과 필터(44)를 거쳐서 접속하고, 서셉터(5)에는 위상 시프트 회로(63), 증폭기(64), 정합기(65) 및 상술한 저주파 통과 필터(45)를 거쳐서 접속하도록 하여, 위상 시프트 회로(63)로 위상을 180°시프트시켜서 역위상으로 해도 무방하다. 주파수가 높아지면 변압기가 기능하지 않기 때문에, 도 6의 구성은 고주파수에서 특히 유효하다.
또한, 상기 실시예에서는 상부 전극과 하부 전극에 서로 역위상의 고주파 전력을 인가했지만, 반드시 역위상이 아니더라도 그 근방의 위상이면 무방하다. 구체적으로는, 180 ±45°의 위상 시프트이면 소기의 효과를 얻을 수 있다. 이러한 구성은 상기 도 6의 위상 시프트 회로(63)의 시프트량을 조정함으로써 실현할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용하여 이것에 에칭을 실시하는 경우에 대해서 설명했지만, 이것에 한정되지 않고 처리 대상으로서 액정 표시 장치(LCD) 기판 등의 다른 기판이더라도 무방하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과, 제 2 전극에 고주파 전력을 인가하는 제 2 고주파 인가 수단을 구비하고, 제 2 고주파 인가 수단은 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 커지도록 제 1 전극에도 고주파 전력을 인가하기 때문에, 플라즈마 시스가 정재파의 영향을 받더라도 그 두께의 변동비율이 상대적으로 작아져 플라즈마를 보다 균일하게 할 수 있다. 구체적으로는 제 1 전극에 50㎒ 이상의 주파수의 고주파를 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과, 제 1 전극 및 제 2 전극에 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 제 1 고주파 인가 수단보다 낮게, 각각 서로 역위상으로 동일 주파수의 고주파를 인가하는 제 2 고주파 인가 수단을 구비하고 있기 때문에, 제 1 전극에는 제 1 고주파 인가 수단에 의한 고주파 외에 제 2 고주파 인가 수단에 의한 비교적 주파수가 낮은 고주파도 인가된다. 따라서, 상부 전극의 플라즈마 시스는 제 1 고주파 인가 수단의 주파수에 대응하는 부분에, 보다 주파수가 낮은 제 2 고주파 인가 수단의 주파수에 대응하는 부분이 중첩되어 두꺼워져, 플라즈마 시스가 정재파의 영향을 받더라도 플라즈마의 균일성이 거의 악화하지 않고, 또한 이것에 의해서 하부 전극의 플라즈마 시스는 거의 균일하게 된다. 따라서, 고밀도의 플라즈마에 의해서 미세화에 대응 가능함과 동시에, 균일한 플라즈마에 의해서 플라즈마 처리의 균일성을 확보하는 것이 가능해진다.
또한, 이와 같이 제 1 및 제 2 전극에 상술한 바와 같이 고주파 전력을 인가함으로써 플라즈마 시스 두께의 변동이 작아짐으로써, 시스 부분의 전계 강도가 항상 일정치 이상의 높은 값이 되기 때문에 플라즈마의 공간 전위를 높게 할 수 있고, 또한 전리율이 상승하여 플라즈마 밀도가 높아져 이온 및 전자가 고에너지화된다. 또한, 전극 근방에서의 전리율을 증가시킬 수 있으므로 고속 전자 융제가 증가한다. 따라서, 플라즈마중의 전자가 콘택트 홀의 바닥부에 용이하게 도달하기 쉬워지고, 구멍내의 플러스의 전하를 중화할 수 있기 때문에, 셰이딩 손상을 발생하기 어렵게 할 수 있다.
상술한 바와 같이 제 1 및 제 2 전극에 서로 실질적으로 역위상의 고주파 전력을 인가함으로써, 상술한 바와 같이, 효과가 현저한 것으로 되지만, 양자의 위상차가 180 ±45°이면 소기의 효과를 얻는 것이 가능하다.
Claims (8)
- 삭제
- 피처리 기판이 수용되는 챔버와,상기 챔버내에 소정 간격을 갖고 서로 대향하도록 설치된 제 1 및 제 2 전극과,상기 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과,상기 제 1 전극 및 제 2 전극에, 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮게, 서로 실질적으로 역위상으로 동일 주파수의 고주파 전력을 인가하는 제 2 고주파 인가 수단과,상기 챔버내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 수단과,상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 도입 수단을 포함하고,상기 제 2 전극에 피처리 기판을 지지시킨 상태로, 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 고주파 전계를 형성함으로써 처리 가스의 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마에 의해서 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하고,상기 제 2 고주파 인가 수단으로부터 상기 제 1 전극에 인가되는 고주파 전력에 의해서, 상기 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 제 2 고주파 인가 수단은 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 고주파 전원과, 상기 고주파 전원의 전력을 상기 제 1 및 제 2 전극에 분배하는 변압기를 구비하는 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 피처리 기판이 수용되는 챔버와,상기 챔버내에 소정 간격을 갖고 서로 대향하도록 설치된 제 1 및 제 2 전극과,상기 제 1 전극에 50㎒ 이상의 고주파 전력을 인가하는 제 1 고주파 인가 수단과,상기 제 1 전극 및 제 2 전극에, 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 동일 주파수의 고주파 전력을 180 ±45°의 위상차로 인가하는 제 2 고주파 인가 수단과,상기 챔버내를 소정의 감압 상태로 유지하는 배기 수단과,상기 챔버내에 처리 가스를 도입하는 처리 가스 도입 수단을 포함하고,상기 제 2 전극에 피처리 기판을 지지시킨 상태로, 상기 제 1 및 제 2 전극사이에 고주파 전계를 형성함으로써 처리 가스의 플라즈마를 형성하고, 이 플라즈마에 의해서 피처리 기판에 에칭 처리를 실시하고,상기 제 2 고주파 인가 수단으로부터 상기 제 1 전극에 인가되는 고주파 전력에 의해서 상기 제 1 전극에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 두꺼워지는 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 제 2 고주파 인가 수단은 주파수가 2㎒ 이상이고 또한 상기 제 1 고주파 인가 수단보다도 낮은 고주파 발진기와, 이 고주파를 증폭하여 소정의 고주파 전력을 각각 상기 제 1 및 제 2 전극에 인가하는 증폭 수단과, 상기 제 1 전극 또는 제 2 전극에 인가되는 고주파의 위상을 시프트시키는 위상 시프트 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 제 2 고주파 인가 수단의 주파수가 2 내지 27㎒인 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 제 1 고주파 인가 수단의 주파수가 약 60㎒이며, 상기 제 2 고주파 인가 수단의 주파수가 약 2㎒인 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
- 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 제 2 고주파 인가 수단은 상기 제 1 전극으로 공급하는 전력과, 상기 제 2 전극으로 공급하는 전력의 비가 6 : 4 내지 4 : 6인 것을 특징으로 하는플라즈마 에칭 장치.
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