KR100934512B1 - 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 보다 미세화에 대응 가능한 고밀도 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리에 있어서, 전극 표면에서의 전계 분포의 불균일을 작게 하기 위해서, 이면 중앙부에 공급되는 고주파 전력의 주파수에 의해서 공진을 발생시키고, 또한 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록, 그 치수 및 유전율이 결정되어 있는 유전체 부재 또는 공동부가 마련되어 있는 상부 전극과, 하부 전극인 서셉터가 서로 대향하도록 배치되어 있는 전극판을 갖는 플라즈마 처리 장치이다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 반도체 기판 등의 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
종래, 반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼에 대하여 에칭이나 스퍼터링, CVD(화학 기상 성장) 등의 플라즈마 처리가 다용되고 있다.
이러한 플라즈마 처리를 실행하기 위한 플라즈마 처리 장치로서는, 여러 가지의 것이 이용되고 있지만, 그 중에서도 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치(이하, 플라즈마 처리 장치라 함)가 주류로 되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치는, 챔버내에 한 쌍의 평행 평판 전극(상부 및 하부 전극)을 배치하며, 배기계가 연결되고, 또한 평행 평판 전극에는 고주파 전원이 접속되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치는 배기에 의해 진공 상태로 된 챔버내로 처리 가스를 도입하고, 또한 전극 중 적어도 한쪽에 고주파 전압을 인가하여 전극 사이에 고주파 전계를 형성하며, 이 고주파 전계에 의해 처리 가스 분위기의 플라즈 마를 형성시켜 반도체 웨이퍼에 대하여 플라즈마 처리를 실시한다.
이러한 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 처리 장치를 이용하여, 반도체 웨이퍼상에 형성된 막, 예컨대 산화막을 에칭하는 경우에는, 챔버내를 저진공도로 하여 중(中)밀도의 플라즈마를 형성함으로써, 최적 래디컬 제어가 가능하다. 이것에 의해서, 적절한 플라즈마 상태를 얻을 수 있기 때문에, 높은 선택비로 안정성 및 재현성이 높은 에칭을 실현할 수 있다.
최근, ULSI에서의 디자인 룰의 미세화가 점점더 진행되어, 홀 형상의 종횡(aspect)비도 보다 높은 것이 요구되고 있다. 예컨대, 산화막의 에칭 등에서의 종래의 조건으로는, 반드시 충분하게 이 요구를 만족시키고 있다고는 말할 수 없게 되어 있다.
그래서, 전술한 평행 평판 전극으로 인가하는 고주파 전력의 주파수를 상승시켜, 양호한 플라즈마의 해리 상태를 유지하면서 고밀도 플라즈마를 형성하는 것이 시도되고 있다. 이것에 의해, 보다 저압의 조건하에서 적절한 플라즈마를 형성할 수 있기 때문에, 한층더 디자인 룰의 미세화에 적절히 대응하는 것이 가능해진다.
그런데, 본 발명자의 검토 결과에 따르면, 이러한 플라즈마 처리 장치에서는 상부 전극의 재료가 도전체 또는 반도체로 형성되어 있기 때문에, 이하와 같은 문제가 발생하는 것이 판명되었다.
전술한 바와 같이, 고밀도 플라즈마를 형성하기 위해서 인가 주파수를 상승시킨 경우, 고주파가 인가되는 전극 표면의 인덕턴스를 무시할 수가 없게 되어, 전 극 중앙에서의 전계가 강해져 직경 방향에서의 전계 분포가 불균일하게 된다. 이와 같이 전계 분포가 불균일하게 되면 플라즈마 밀도가 불균일하게 되어, 에칭 레이트 분포도 불균일하게 된다. 이 때문에, 전계 분포 불균일을 초래하는 원인을 제거하여 에칭 레이트 분포를 균일하게 하는 것이 필요하게 된다.
그러나, 종래의 고밀도 플라즈마를 이용한 방법의 문제점이 반드시 명확히 인식되어 있지 않아, 상기한 바와 같은 전계 분포 불균일을 해소하고자 하는 시도는 아직 충분히 이루어지고 있지 않은 것이 현 상태이다.
발명의 개시
그래서, 본 발명은, 보다 미세화에 대응 가능한 고밀도 플라즈마를 이용한 플라즈마 처리에 있어서, 전극 표면에서의 전계 분포의 불균일을 작게 하는 것이 가능하고, 균일한 플라즈마를 생성할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 배기계에 의해 감압되고, 평행하게 대향하도록 마련된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 처리 가스 분위기내에서, 고주파 전력에 의해 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 상기 제 2 전극에 유지되는 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 전극은, 상기 챔버내에 절연체를 개재시켜 유지되고, 처리 가스의 도입·확산 기능 및 고주파 전력의 도입 기능을 갖는 도전성의 지지체와, 상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 대향측의 면에 접합된 도전체 또는 반도체로 형성된 평판으로 이루어지는 전극판과, 상기 지지체에서의 상기 전극판과 접합하는 면측의 중앙에 형성된 오목부에 감입된 유전체 부재로 구성되며, 상기 유전체 부재는, 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진을 발생시키고, 또한 상기 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록, 해당 유전체 부재의 치수 및 유전율이 결정되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 배기계에 의해 감압되고, 평행하게 대향하도록 마련된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 처리 가스 분위기내에서, 고주파 전력에 의해 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 상기 제 2 전극에 유지되는 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 제 1 전극은, 상기 챔버내에 절연체를 개재시켜 유지되고, 처리 가스의 도입·확산 기능 및 고주파 전력의 도입 기능을 갖는 도전성의 지지체와, 상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 대향측의 면에 접합된 도전체 또는 반도체로 형성된 평판으로 이루어지는 전극판과, 상기 지지체에서의 상기 전극판과 접합하는 면측의 중앙에 형성된 공동부로 구성되며, 상기 공동부는, 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진을 발생시키고, 또한 상기 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록, 해당 공동부의 치수가 결정되는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
상기 플라즈마 장치에 있어서, 전극판에서의 이하의 수학식 1로 표현되는 침투 깊이(skin depth) δ가 전극판의 두께보다도 큰 것이 바람직하다.
(수학식 1)
Figure 712008006138826-pct00001
단, ω: 고주파 전력의 각(角) 주파수(= 2πf(f : 주파수)), ρ: 전극판의 저항률(resistivity), μ: 전극판의 투자율(透磁率)로 한다. 이때에, 전극판의 저항률이 0.1Ω·m 이상, 또는 0.3∼0.8Ω·m인 것이 바람직하다. 또한, 상기 유전체 부재의 비유전율이 1∼10인 것이 바람직하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도,
도 2는 상부 전극의 제 1 예를 모식적으로 나타내는 단면도,
도 3은 상부 전극의 제 2 예를 모식적으로 나타내는 단면도,
도 4는 종래의 상부 전극에서의 고주파 전력의 공급계로를 모식적으로 나타내는 단면도,
도 5는 종래의 상부 전극에서의 고주파 전력의 공급계로를 모식적으로 나타내는 저면도,
도 6은 공진 주파수와 Q값과의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 7은 전극판 및 유전체 부재 또는 공동(空洞)부의 전계 강도를 설명하기 위한 도면,
도 8은 주파수와 전계 강도비 E2/E0과의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면,
도 9는 공동부의 직경과 전극판 중심 위치에서의 전계 감쇠비 E1/E0과의 관계의 시뮬레이션 결과의 일례를 나타내는 도면,
도 10은 공동부의 두께를 변화시킨 경우의 전계 강도 분포를 나타내는 도면,
도 11은 유전체 부재의 두께를 변화시킨 경우의 전해 강도 분포를 나타내는 도면,
도 12는 본 실시예에 따른 에칭 레이트 분포의 제 1 예를 나타내는 도면,
도 13은 본 실시예에 따른 에칭 레이트 분포의 제 2 예를 나타내는 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면 구성예를 나타내는 도면이다. 이 플라즈마 처리 장치(1)는, 전극판이 상하 평행하게 대향하고, 한쪽에 플라즈마 형성용 전원이 접속된 용량 결합형 평행 평판 에칭 장치로서 구성되어 있다.
이 플라즈마 처리 장치(1)는, 예컨대 표면이 알루마이트 처리(양극 산화 처리)된 알루미늄으로 이루어지는, 예컨대 원통형 형상으로 성형된 챔버(2)를 갖고 있다. 이 챔버(2)는 접지되어 있다. 물론, 챔버(2)는 원통형 형상으로 한정된 것은 아니며, 입방체(立方體) 형상이더라도 무방하다.
챔버(2)내의 바닥부에는, 세라믹 등의 절연판(3)을 거쳐서 피처리체, 예컨대 반도체 웨이퍼(이하, 「웨이퍼」라고 함) W를 탑재하기 위한 대략 원주 형상의 서셉터 지지대(4)가 마련되어 있다. 또, 이 서셉터 지지대(4)상에는 하부 전극을 구 성하는 서셉터(5)가 마련되어 있다. 이 서셉터(5)에는 하이패스 필터(HPF)(6)가 접속되어 있다.
이 서셉터 지지대(4)의 내부에는 냉매실(7)이 마련된다. 이 냉매실(7)에는, 냉매가 냉매 도입관(8)을 통해 도입되어, 냉매 배출관(9)으로부터 배출되어 순환하고 있으며, 그 냉열(冷熱)이 하부 전극 전체를 냉각하고, 나아가서는 웨이퍼 W에 전열되어 웨이퍼 W의 처리면이 소망 온도로 제어된다.
서셉터(5)는, 원판 형상으로 성형되고 그 위에 웨이퍼 W와 대략 동일 형태의 정전척(11)이 마련되어 있다. 정전척(11)은, 절연재내에 전극(12)이 마련되어 구성되고, 직류 전원(13)으로부터 전극(12)으로, 예컨대 1.5㎸의 직류 전압이 인가되면, 클론력이 발생하여 웨이퍼 W가 서셉터측으로 정전 흡착된다. 또한, 절연판(3), 서셉터 지지대(4), 서셉터(5) 및 정전척(11)의 내부를 관통하는 가스 통로(14)가 형성되어 있고, 전열 매체, 예컨대 He 가스 등이 공급된다. 이 전열 매체에 의해 웨이퍼 W(처리면)는 이면(裏面)측으로부터 직접적으로 온도 제어된다.
서셉터(5)의 상단 주연(周緣)부에는, 정전척(11)상에 탑재된 웨이퍼 W를 둘러싸도록, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한 고리 형상의 포커스 링(15)이 배치되어 있다. 이 포커스 링(15)은 실리콘 등의 도전성 재료에 의해 형성되어 있다.
이 서셉터(5)와 평행하게 대향하도록 상부 전극(21)이 윗쪽에 마련되고 있다. 이 상부 전극(21)은, 외주측에 배치된 절연재(25)에 의해 챔버(2) 내부에 고정되어 있고, 하부 전극인 서셉터(5)와의 대향면을 구성하고 있다. 이 상부 전극(21)은, 다수의 토출 구멍(24)을 갖는 전극판(23)과, 이 전극판(23)의 서셉터(5)측과는 반대측의 면에 마련되고, 전극판(23)을 지지하며, 도전성 재료, 예컨대 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어지는 수냉 구조의 전극 지지체(22)에 의해 구성되어 있다. 이 전극(21)의 상세한 구성에 대해서는 후술한다. 또, 서셉터(5)와 상부 전극(21)은, 예컨대 10∼60㎜ 정도의 간격으로 떨어져 있다.
상기 상부 전극(21)에서의 전극 지지체(22)에는, 가스 도입구(26)가 마련되고 가스 공급관(27)이 접속되어 있다. 이 가스 공급관(27)은 밸브(28) 및, 매스플로우 제어기(29)를 경유하여 처리 가스 공급원(30)에 접속되어, 가스 공급 라인을 구성하고 있다. 처리 가스 공급원(30)으로부터 상부 전극(21)으로 플라즈마 처리, 예컨대 에칭 처리에 이용하는 처리 가스가 공급된다.
처리 가스로서는, 종래부터 이용되고 있는 주지(周知)의 가스를 채용할 수 있고, 예컨대 플로로카본 가스(CxFy)나 하이드로플로로카본 가스(CpHq Fr)와 같은 할로겐 원소를 함유하는 가스를 이용할 수 있다. 그 외에도 Ar, He 등이나 N2를 첨가하더라도 무방하다. 또한, 도 1에서는 하나의 가스 공급 라인을 기재하고 있지만, 사용하는 가스 종류에 따라 가스 공급 라인수를 늘리는 수 있고, 또한 가스 공급 라인은 처리 가스마다 개별적으로 마련되며, 챔버(2)내에서 혼합되는 경우가 있다.
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 있으며, 이것에 의해 챔버(2)내를 소정의 감압한 분위기, 예컨대 1 Pa 이하의 소정의 압력까지 진공 배기 가능하도록 구성되어 있다. 또한, 도시하지 있 지 않지만, 이 배기관(31)의 도중 또는 배기 장치내에 압력 조정용 밸브를 구비하고 있으며, 그 밸브의 개구 상태에 따라 챔버(2)내의 진공도가 조정되어 있다. 또한, 챔버(2)의 측벽에는 게이트 밸브(32)가 마련되어 있고, 이 게이트 밸브(32)를 개방한 상태에서 웨이퍼 W가 인접하는 로드록실(도시하지 않음)과의 사이에서 반송되도록 되어 있다.
상부 전극(21)에는, 내부 상면의 중앙부에는 급전봉(33)이 마련되고, 외부 상면에 마련한 정합기(41)를 거쳐서 제 1 고주파 전원(40)이 접속되어, 상부 전극(21)으로 고주파 전압이 인가된다. 또한, 상부 전극(21)에는 로우패스 필터(LPF)(42)가 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(40)은 27∼150 ㎒의 범위의 주파수를 갖고 있으며, 높은 주파수를 인가함으로써 챔버(2)내에 적합한 해리 상태로 또한 고밀도의 플라즈마를 형성할 수 있어, 저압 조건하에서의 플라즈마 처리가 가능해진다. 이 예에서는 고주파 전원(40)으로서 60 ㎒의 전원을 이용하고 있다.
서셉터(5)는 급전선에 의해 정합기(51)를 경유하여 제 2 고주파 전원(50)에 접속되어 있다. 이 제 2 고주파 전원(50)은 1∼4 ㎒의 범위의 주파수를 갖는 전원 전압을 출력하고 있으며, 이 범위의 주파수를 이용함으로써, 웨이퍼 W로의 손상(damage)을 주는 일없이 적절한 이온 작용을 부여할 수 있다. 이 예에서는 제 2 고주파 전원(50)으로서 2 ㎒의 것을 이용하고 있다.
다음에, 상기 상부 전극(21)의 구성에 대하여 상세히 설명한다. 도 2는 상부 전극(21)의 제 1 구성예의 단면도이다. 이 예에서는, 전극판(23)의 이면(서셉터(5)에 대하여 반대측의 면)에 마련된 전극 지지체(22)의 중앙에 오목부의 구멍이 형성되고, 이 오목부내에 전극판(23)과 접하도록 유전체 부재(61)가 감입되어 있다. 이 유전체 부재(61)는, 상부 전극(21)에 공급되는 고주파 전력의 주파수에 대하여 공진을 발생하고, 또한 전극판(23)에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록, 그 치수 및 유전율이 결정된다.
이와 같이 유전체 부재(61)에 공진이 발생하여 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생한 경우에는, 유전체 부재(61)의 전계와 전극판(23)의 전계가 결합하여, 유전체 부재(61)의 전계에 의해서 전극판(23)에서의 유전체 부재(61) 바로 아래, 즉 전극 중심부의 전계를 제어할 수 있다. 유전체 부재(61)로서는 비(比)유전율이 1∼10인 것이 바람직하다. 이 범위의 비유전율을 나타내는 것으로서, 석영(비유전율 3∼10), 알루미나나 질화알루미늄 등의 세라믹(비유전율 5∼10), 테프론이나 폴리이미드 등의 수지(비유전율 2∼3)를 들 수 있다.
도 3은 상부 전극(21)의 제 2 구성예의 단면도이다. 이 예에서는, 전극 지지체(22)에 지지되어 있는 전극판(23)의 이면측의 중앙부에 전극판(23)에 접하도록 공동부(62)가 마련되어 있다. 이 공동부(62)는 유전체(비유전율 = 1)로서 기능하며, 상부 전극(21)에 공급되는 고주파 전력의 주파수에 대해 공진이 발생하고, 또한 그 중에 전극판(23)에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록, 그 치수가 결정된다. 이와 같이 공동부(62)에 공진이 발생하고, 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생하는 경우에는, 공동부(62)의 전계와 전극판(23)의 전계가 결합하여, 공동부(62)의 전계에 의해서 전극판(23)에서의 공동부(62) 바로 아래, 즉 전극 중심부의 전계를 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)의 전계와, 전극판(23)의 전계를 결합시키기 위해서는, 전극판(23)에서의 고주파 전력이 공급되는 부분의 전극판 표면(전극판의 하면)으로부터의 두께, 즉 이하의 수학식 1로 표현되는 침투 깊이(skin depth) δ가 전극판(23)의 두께보다도 큰 것이 바람직하다.
(수학식 1)
Figure 712008006138826-pct00002
단, ω: 고주파 전력의 각(角) 주파수(= 2πf(f : 주파수)), ρ: 전극판의 저항률, μ: 전극판의 투자율
전극판(23)은 Si나 SiC 등의 도전체 또는 반도체로 형성되어 있다. 상기 침투 깊이 δ는, 전극판(23)의 저항이 클수록 커지기 때문에, 침투 깊이(6)를 전극판(23)의 두께보다도 크게 하는 관점에서, 전극판(23)은 0.1Ω·m 이상의 저항률을 갖고 있는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3∼0.8Ω·m이다. 이와 같이 전극판(23)을 비교적 고저항으로 하기 위해서는, 전극판(23)이 Si제인 경우에는, 예컨대 B의 도펀트량을 조정하고, SiC제인 경우에는, 예컨대 소결시의 압력을 조정한다.
다음에, 이상과 같은 상부 전극(21)을 구비한 플라즈마 처리 장치(1)에서의 처리 동작에 대해, 웨이퍼 W에 형성된 산화막을 에칭하는 경우를 예로 들어 설명한다.
먼저, 피처리체인 웨이퍼 W는, 게이트 밸브(32)가 개방된 후에, 로드록실(도시하지 않음)로부터 챔버(2)내로 반입되어, 정전척(11)상에 탑재된다. 그리고, 고 압 직류 전원(13)으로부터 직류 전압이 인가됨으로써, 웨이퍼 W가 정전척(11)상에 정전 흡착된다. 다음으로, 게이트 밸브(32)가 닫혀지고, 배기 장치(35)에 의해서 챔버(2) 내부가 소정의 진공도까지 진공 배기된다.
그 후, 밸브(28)가 개방되어, 처리 가스 공급원(30)으로부터 처리 가스가 매스플로우 제어기(29)에 의해서 유량이 조정되면서, 처리 가스 공급관(27), 가스 도입구(26)를 통해 상부 전극(21)의 내부로 도입된다. 또한, 처리 가스는 전극판(23)의 토출 구멍(24)을 통해, 도 1에 나타내는 화살표와 같이, 웨이퍼 W에 대하여 균일하게 토출되어, 챔버(2) 내부는 소정의 압력으로 유지된다. 그리고, 제 1 고주파 전원(40)으로부터 27∼150 ㎒, 예컨대 60 ㎒의 고주파가 상부 전극(21)에 인가된다. 이것에 의해, 상부 전극(21)과 하부 전극으로서의 서셉터(5)와의 사이에 고주파 전계가 발생해서, 처리 가스가 해리하여 플라즈마화된다.
한편, 제 2 고주파 전원(50)으로부터는 1∼4 ㎒, 예컨대 2 ㎒의 고주파가 하부 전극인 서셉터(5)에 인가된다. 이것에 의해, 플라즈마중의 이온이 서셉터(5)측으로 인입되어, 이온 어시스트에 의해 에칭의 이방성이 높여진다.
이와 같이, 상부 전극(21)에 인가하는 고주파의 주파수를 27 ㎒보다도 높게 함으로써 플라즈마 밀도를 높일 수 있지만, 종래의 상부 전극 구조에서는 인가 주파수를 상승시켰을 때에 전극 표면의 직경 방향의 인덕턴스의 영향을 받아 전극판 하면에서의 전계의 불균일이 발생한다.
이러한 전계의 불균일이 발생하는 원인에 대해 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 종래의 전극(71)의 전극판(73)은 저항률이 0.02Ω·m 정도이며, 고주파 전원으로부터 급전봉(74)을 거쳐서 공급되는 고주파 전류가 고주파수화되면, 표피 효과에 의해 전극의 표면밖에 전력이 공급되지 않는다. 그 통로로서, 도 4에 나타내는 바와 같이, 고주파 전력은 급전봉(74)의 표면, 전극 지지체(72)의 상면, 전극 지지체(72)의 측면, 전극판(73)의 측면을 통해 플라즈마 접촉면인 전극판(73)의 하면에 도달한다.
이 경우에, 급전봉(74)는 상부 전극의 중심에 존재하고 있기 때문에, 전극판(73) 하면의 에지부에서는 어디나 전력이 동일한 위상이며, 도 5에 나타내는 바와 같이, 전극판(73)의 에지부로부터 동일 위상에서 중심 방향으로 서서히 전력이 공급되므로, 전극판(73)의 중심과 에지부에서 위상차 d/λ(λ는 전극 표면파의 파장, d는 전극의 반경)가 발생한다. 인가하는 주파수가 높아지면, 전극판(73) 하면의 직경 방향의 인덕턴스를 무시할 수 없게 되어, 상기 위상차에 따른 간섭 작용에 의해서 전극판(73) 하면의 중심 부분의 전계 강도가 에지 부분의 전계 강도보다도 높아진다. 또, 중심 위치는 플라즈마와 접하고 있기 때문에, RF 등가 회로적으로는 개방단으로 되어 있다. 따라서, 전극판(72) 하면에서 중심부의 전계가 강하게 되어 전계 분포에 정재파(定在波)적인 불균일이 발생한다. 이것에 의해 플라즈마로 공급되는 전계 분포가 불균일하게 되어, 불균일한 플라즈마가 형성된다.
이것에 반하여, 본 실시예에서는, 상부 전극(21)의 제 1 예로서, 전술한 도 2에 나타내는 바와 같이, 전극판(23)의 이면측의 면의 중앙부에 유전체 부재(61)를 마련하고, 상부 전극(21)에 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진이 발생하고, 또한 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생하도록 유전체 부재(61)의 치수 및 유전율이 결정된다. 또한, 상부 전극(21)의 제 2 예로서, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전극 지지체(22)의 전극판(23)의 이면측의 중앙부에 공동부(62)를 마련하고, 상부 전극(21)에 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진이 발생하고, 또한 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생하도록, 공동부(62)의 치수가 결정되도록 하고 있다. 이와 같이 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)에 공진이 발생하여 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생하는 경우에는, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)의 전계와 전극판(23)의 전계가 결합해서, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)의 전계에 의해서 전극판(23)에서의 유전체 부재(61) 바로 아래, 즉 전극 중심부의 전계를 제어할 수 있어, 전극판(23)의 하면에서의 전계 분포를 균일하며, 그로 인해 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다.
이 점에 대하여 더 상세히 설명한다.
침투 깊이 δ가 전극판(23)의 두께보다도 커지면, 전계가 전극판(23)을 투과한다. 예컨대, 고주파 전력의 주파수가 60 ㎒, 전극판(23)의 두께가 10㎜인 경우, 저항률이 0.1Ω·m 이상으로 되면, 침투 깊이 δ가 10㎜ 이상으로 된다. 이때 제 1 예의 유전체 부재(61) 및 제 2 예의 공동부(62)는 모두 도전체로 둘러싸인 상태로 된다. 이와 같이 도전체로 둘러싸인 유전체가 존재하면, 그 치수 및 유전율에 의해서 결정되는 주파수에서 공진이 발생한다. 또한, 공동의 경우에도 비유전율 1의 유전체로서 기능하고, 그 치수에 의해서 결정되는 주파수에서 공진이 발생한다.
예컨대, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)가 원반 형상인 경우, 공진 주파수 는 그 직경과 두께에 의해서 결정된다. 여기서, 전극판(23)의 이면에 높이 L, 반경 a의 원통 형상의 공동부를 형성하는 경우를 생각하면, 공진에 있어서의 각 주파수 ω0은 이하의 수학식 2에 의해서 구해진다.
(수학식 2)
Figure 712008006138826-pct00003
단, c는 매질중의 광속도, k1은 TE 모드시의 Jm'(k1a) = 0, TM 모드시의 Jm(k1a) = 0의 근으로부터 구해진다. 여기서, Jm은 베셀 함수이며, Jm'는 베셀 함수의 미분이다.
지금, 공동부(62)의 공진을, TM 모드 중, 얇은 원반 형상의 공동의 상하면에 전계가 직교하고, 원반의 중앙에서 전계 강도가 최대로 되는 TM010 모드라고 생각하면, n=0이고 k1a=2.4이므로, 이하의 수학식 3이 성립한다.
(수학식 3)
Figure 712008006138826-pct00004
공진 주파수를 f0이라고 하면, ω0 = 2πf0이므로, 수학식 3으로부터 이하의 수학식 4가 성립한다.
(수학식 4)
Figure 712008006138826-pct00005
공동부의 매질을 진공으로 하면, 반경 a가 100㎜ 정도에서는 공진 주파수 f0 이 ㎓ 오더로 된다.
공동부(62) 대신에 유전체 부재(61)를 이용하는 경우에는, 공진 주파수 f0은 상기 수학식 4의 c 대신에 v = 1/(εμ)1/2로 표현되는 v를 이용한 이하의 수학식 5로 표현된다.
(수학식 5)
Figure 712008006138826-pct00006
단, ε는 유전체 부재(61)의 비유전율, μ은 유전체 부재(61)의 투자율이다.
그러나, 유전체 부재(61) 및 공동부(62)는 저항체(고저항의 전극)에 둘러싸여져 있기 때문에, 전자파의 전파 속도가 시간이 늦어, 공진 주파수는 낮아진다. 또한, TM010 모드의 Q값은 이하의 수학식 6으로 인가되어, 본 실시예와 같이 침투 깊이 δ가 큰 경우에는, Q값이 작게 된다.
(수학식 6)
Figure 712008006138826-pct00007
한편, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)에 형성되는 전계 강도는 공진 주파수 f0을 중심으로 하여, 예컨대 도 6과 같이 분포되지만, Q값은 이 그래프에서 절반값 폭을 Δf라고 하면, 이하의 수학식 7로 표현된다.
(수학식 7)
Figure 712008006138826-pct00008
따라서, 절반값 폭 Δf가 클수록 Q값은 작아진다. 즉, 침투 깊이 δ가 크고 Q값이 작은 경우에는, 도 6에 나타내는 그래프의 절반값 폭 Δf가 커져, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)에 형성되는 전계 강도 분포가 넓어진다. 따라서, 공진 주파수 f0보다도 지극히 낮은 60 ㎒ 정도의 주파수에서도 TM010의 공진 모드의 전자계가 여기되어 온다고 생각된다.
유전체 부재(61) 또는 공동부(62)내에서 공진이 발생하여, 전극판(23)에 대해 직교하는 전계가 발생하면, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62) 내부의 전계와 전극판(23) 표리의 전계가 결합한다. 이 경우에, 도 7에 나타내는 바와 같이, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)를 마련하지 않은 경우의 전극판(23) 표면의 전계 강도를 E0으로 하고, 전극판(23)에서의 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)가 존재하는 부분 바로 아래에서의 전극판(23) 표면의 전계 강도를 E1로 하며, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)에 발생하는 전계 강도를 E2라고 하면, 대수적으로 E1 = E0 + E2로 나타낼 수 있으므로, 전극판(23)에서, 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)가 존재하는 부분 바로 아래의 전계 강도를 다른 부분보다도 억제할 수 있다. 이 경우의 전계 강도 E2는 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)의 두께 L, 직경 a, 전극판의 저항률, 유전체 부재의 비유전율 등에 의해서 조정하는 것이 가능하다.
이렇게 하여 유전체 부재(61) 또는 공동부(62)의 전계를 조정하면, 전극판(23)에서의 유전체 부재(61) 바로 아래, 즉 전극 중심부의 전계를 제어할 수 있어, 전극판(23)의 하면에서의 전계 분포를 균일하게 할 수 있는 것이다.
이와 같이, 상기 구조의 상부 전극(21)을 이용하여, 인가하는 고주파의 주파수가 상승해서, 플라즈마 밀도가 상승했을 때에 발생하는 전계 분포의 불균일의 문제를 해소할 수 있기 때문에, 고밀도이면서 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다. 따라서, 본 실시예와 같은 플라즈마 에칭 장치의 경우에는, 에칭의 균일성이 향상하고, 더욱더의 디자인 룰의 미세화에 적절히 대응하는 것이 가능해진다. 특히, 인가 주파수가 27 ㎒ 이상이고, 플라즈마 밀도가 1 ×1011개/㎤ 이상인 경우에 상기 문제가 발생하기 쉽고, 이상과 같은 상부 전극 구조는 이러한 경우에 특히 유효하다.
다음에, 상부 전극의 전극판 이면에 공동부를 형성한 경우의 시뮬레이션 결과에 대하여 설명한다.
먼저, φ140㎜이고 두께 1㎜의 공동부(진공)를 형성한 경우에 대하여, 전극판의 저항률을 각각 0.1Ω·m 및 0.9Ω·m로 한 경우에서의 주파수와 전계 강도와의 관계에 대하여 시뮬레이션하였다. 그 결과를 도 8에 나타낸다. 도 8은 횡축에 주파수를 취하고, 종축에 공동부 형성 부분에서의 전계 강도비 E2/E0(도 7 참조)을 취하여, 이들의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터, 저항률값을 높게 함으로써, 공동에 발생하는 전계의 비율이 커지는 주파수가 저주파수측으로 시프트하는 것을 알 수 있다.
또한, 전극의 저항률값 및 공동부의 직경을 변화시킨 경우에서의 공동부 직경과 전극 중심 위치에서의 전계의 감쇠와의 관계를 시뮬레이션하였다. 이때에, 고주파 전력의 주파수를 60 ㎒, 비유전율을 1, 공동부의 두께를 1㎜로 하였다. 그 결과를 도 9에 나타낸다. 도 9는 횡축에 공동부의 직경을 취하고, 종축에 전극판 중심 위치에서의 전계 감쇠비 E1/E0(도 7 참조)을 취하며, 전극의 저항률값을 0.3, 0.5, 0.75Ω·m로 한 경우에서의 이들의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터, 전극의 저항률이 높을수록, 전극판 중심 위치에서의 전계 감쇠능이 크고, 또한 전계 감쇠가 보다 작은 공동부 직경으로부터 전계의 감쇠가 발생하고 있는 것이 확인되었다.
또한, 공동부의 두께를 변화시켰을 때의 전극 표면의 전계 강도 분포를 시뮬레이션하였다. 이때에, 공동부의 직경을 140㎜, 공동부의 비유전율을 1, 전극판의 저항률을 0.75Ω·m, 주파수를 60 ㎒로 하였다. 그 결과를 도 10에 나타낸다. 도 10은 횡축에 전극 중심으로부터의 거리를 취하고, 종축에 전극판의 전계 강도 E1(도 7 참조)을 취하여, 공동부의 두께를 변화시킨 경우의 전계 강도 분포를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터 전계의 억제 효과는 전극 중심으로부터 80㎜까지의 사이에서 얻어지며, 공동부의 두께에 따라 전계 강도를 억제하는 효과가 변화되는 것을 알 수 있다. 여기서는, 공동부의 두께가 0.1∼3㎜에서 효과가 있고, 0.3∼0.5㎜에서 가장 효과가 크다고 하는 결과가 얻어졌다.
또한, 공동부 대신에 유전체 부재를 이용하여, 유전체의 두께를 변화시켰을 때의 전극 표면의 전계 강도 분포를 시뮬레이션하였다. 이때에, 유전체 부재의 직경을 140㎜, 유전체 부재의 비유전율을 10, 전극판의 저항률을 0.75Ω·m, 주파수를 60 ㎒로 하였다. 그 결과를 도 11에 나타낸다. 도 11은 횡축에 전극 중심으로부터의 거리를 취하고, 종축에 전극판의 전계 강도 E1(도 7 참조)을 취하여, 유전체 부재의 두께를 변화시킨 경우의 전계 강도 분포를 나타내는 그래프이다. 이 도면으로부터, 전계의 억제 효과는 전극 중심으로부터 60㎜까지의 사이에서 얻어지고, 공동부의 두께에 따라 전계 강도를 억제하는 효과가 변화되는 것을 알 수 있다. 여기서는 유전체 부재의 두께가 1∼3㎜로 공동부보다도 두꺼운 두께 영역에서 효과가 크다고 하는 결과가 얻어졌다. 따라서, 유전체 부재의 두께는 바람직하게는 1㎜ 이상, 더 바람직하게는 1∼3㎜으로 한다. 또한, 공동부 및 유전체 부재의 직경은 50㎜보다 크고 웨이퍼의 직경보다도 작다.
다음에, 본 발명에 근거하여 작성한 상부 전극을 이용해서 실험을 한 결과에 대해 설명한다. 도 1에 나타낸 장치를 이용하고, 전극판의 저항률값을 0.5Ω·m, 0.75Ω·m로 하며, 전극판 이면측의 공동부를 형성하지 않은 전극 및 공동부의 두께를 1㎜로 고정하며 그 직경을 50㎜, 100㎜, 140㎜, 240㎜로 한 전극을 이용하여 200㎜ 웨이퍼의 산화막을 C4H8 가스로 에칭하였다. 고주파 전력의 주파수는 60 ㎒로 하였다.
그 결과를 도 12 및 도 13에 나타낸다. 이들 도면은, 각각 전극판의 저항률이 0.5Ω·m 및 0.75Ω·m인 경우에서의 에칭 레이트 분포를 나타내는 그래프이다. 이들 도면에 도시하는 바와 같이, 전극판 이면에 공동부를 형성하지 않은 경우에는, 웨이퍼의 중앙부에서 에칭 레이트가 높아지지만, 전극판 이면에 직경이 50㎜ 이상의 공동부를 형성하는 것에 의해 웨이퍼 중앙부에서의 에칭 레이트가 저하하는 경향이 있는 것을 확인하였다. 그리고, 어느 경우에도, 공동부의 직경이 100㎜인 경우에, 에칭 레이트가 거의 균일하고, 또한 에칭 레이트가 높은 것이 확인되었다. 공동부의 직경이 웨이퍼의 직경보다도 큰 240㎜인 경우, 웨이퍼 중앙에서의 에칭 레이트가 웨이퍼 주변부의 에칭 레이트보다 저하한다는 것을 확인하였다.
또, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 일없이, 여러 가지 변형 가능하다. 예컨대, 상기 실시예에서는 상하 전극에 고주파를 인가했지만, 상부 전극에만 고주파를 인가하는 타입이더라도 무방하다. 또한, 상부 전극에 27∼150 ㎒의 고주파를 인가한 경우에 대하여 나타내었지만, 이 범위에 한정되는 것은 아니다. 또한, 피처리 기판으로서 반도체 웨이퍼를 이용하고, 이것에 에칭을 실시하는 경우에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 처리 대상으로서는 액정 표시 장치(LCD) 기판 등의 다른 기판이더라도 되고, 또한 플라즈마 처리도 에칭에 한정되지 않고, 스퍼터링, CVD 등의 다른 처리이더라도 무방하다.
또한, 본 실시예에서는, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이 유전 부재(61) 및 공동부(62)를 전극 지지체(22)의 중앙에 마련했지만, 이것에 한정되지 않고, 전극 지지체(22)에 접하는 전극판(23)측(전극 지지체(22)에 접하는 면측)의 중앙에 마련하더라도 된다. 또한, 본 실시예에서는, 유전 부재(61)는 전극 지지체(22)의 한쪽 면에 노출하도록 형성되어 있지만, 노출되지 않도록 내부에 형성하더라도 된다. 공동부(62)에 있어서도 전극 지지체(22)에 개구하는 구멍에 형성하여 전극판(23)을 결합함으로써 공동부(62)를 형성하고 있지만, 전극 지지체(22) 내부에 공동부를 형성하더라도 된다. 전극판(23)측에 이들을 형성하는 경우도 마찬가지이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 전극판의 제 2 전극측과 반대측의 면에 마련된 도전성의 지지체의 중앙부의 오목부에, 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진이 발생하고, 또한 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록 치수 또는 유전율이 결정된 유전체 부재를 마련하거나, 또는 전극판의 제 2 전극측과 반대측의 면에 마련된 도전성의 지지체의 중앙부에 공동부를 마련하고, 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진이 발생하고, 또한 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록 치수가 결정되는 공동부를 마련한다. 이러한 유전체 부재 또는 공동부에서 공진이 발생하여, 전극판에 대해 직교하는 전계가 발생하는 경우에는, 유전체 부재 또는 공동부의 전계와 전극의 전계가 결합하여, 유전체 부재 또는 공동부의 전계에 의해서 전극판에서의 유전체 부재 바로 아래 또는 공동부 바로 아래의 전계 강도, 즉 전극 중심부의 전계를 제어할 수 있다. 따라서, 전극 표면의 전계 분포를 균일하게 할 수 있어, 플라즈마의 균일성을 높일 수 있다.
본 발명은, 보다 미세화에 적합한 고밀도 플라즈마를 이용하여 반도체 기판 등에 플라즈마 처리를 실행하는 플라즈마 처리 장치에 이용되는 기술이다. 이 플라즈마 처리 장치는, 전극에 공급되는 고주파 전력의 주파수에 대하여 공진이 발생 하고, 또한 전극판에 대하여 직교하는 전계를 발생시키는 유전체 또는 공동부를 전극내에 배치하여, 고밀도 플라즈마를 사용했을 때에 플라즈마의 균일화를 도모해서, 보다 미세한 플라즈마 처리 기술을 가능하게 한다.

Claims (21)

  1. 배기계에 의해 감압되고, 평행하게 대향하도록 마련된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 처리 가스 분위기중에서, 고주파 전력에 의해 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 상기 제 2 전극에 유지되는 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    상기 챔버내에 절연체를 개재시켜 유지되고, 처리 가스의 도입·확산 기능 및 고주파 전력의 도입 기능을 갖는 도전성의 지지체와,
    상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 대향측의 면에 접합된 도전체 또는 반도체로 형성된 평판으로 이루어지는 전극판과,
    상기 지지체에서의 상기 전극판과 접합하는 면측의 중앙에 균일한 두께로 형성된 공동부로 구성되고,
    상기 공동부의 치수는, 공급되는 고주파 전력의 주파수에서 공진을 발생시키고, 또한 상기 전극판에 대하여 직교하는 전계가 발생하도록 결정되는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    (수학식 1)
    Figure 712008006138826-pct00010
    [단, ω: 고주파 전력의 각 주파수(= 2πf(f : 주파수)), ρ: 전극판의 저항률(resistivity), μ: 전극판의 투자율(magnetic permeability)]
    상기 수학식 1로 표현되는 침투 깊이 δ가 전극판의 두께보다도 두꺼운 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률(resistivity)이 0.1Ω·m∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률이 0.3∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극판은, 원반의 평판 형상을 이루고, 상기 피처리 기판의 피처리면을 초과하는 면적의 대향면을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극으로의 고주파 전력은 27∼150 ㎒의 범위내의 주파수이며, 상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 비대향측의 면의 중앙으로부터 공급되는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동부의 두께는 균일하며, 0.3∼0.5㎜의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공동부의 직경은 50㎜ 이상 상기 지지체의 직경 미만인 플라즈마 처리 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 배기계에 의해 감압되고, 평행하게 대향하도록 마련된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 처리 가스 분위기중에서, 고주파 전력에 의해 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 상기 제 2 전극에 유지되는 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    상기 챔버내에 절연체를 개재시켜 유지되고, 처리 가스의 도입·확산 기능 및 고주파 전력의 도입 기능을 갖는 도전성의 지지체와,
    상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 대향측의 면에 접합된 도전체 또는 반도체로 형성된 평판으로 이루어지는 전극판과,
    상기 지지체에서의 상기 전극판과 접합하는 면측의 중앙에 형성된 공동부로 구성되고,
    (수학식 1)
    Figure 712008006138826-pct00025
    [단, ω : 고주파 전력의 각(角) 주파수(= 2πf(f : 주파수)), ρ: 전극판의 저항률, μ: 전극판의 투자율(透磁率)]
    상기 수학식 1로 표현되는 침투 깊이(skin depth) δ가 상기 전극판의 두께보다도 두꺼운 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률이 0.1Ω·m∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률이 0.3∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  14. 배기계에 의해 감압되고, 평행하게 대향하도록 마련된 제 1 전극 및 제 2 전극 사이의 처리 가스 분위기중에서, 고주파 전력에 의해 발생시킨 플라즈마를 이용하여, 상기 제 2 전극에 유지되는 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하기 위한 챔버를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 제 1 전극은,
    상기 챔버내에 절연체를 개재시켜 유지되고, 처리 가스의 도입·확산 기능 및 고주파 전력의 도입 기능을 갖는 도전성의 지지체와,
    도전체 또는 반도체로 형성되어, 상기 제 2 전극과의 대향면을 구성하는 전극판과,
    상기 제 1 전극에 형성된 공동부로서, 그 공동부 아래 부분의 전계 강도를 억제하도록 균일한 두께로 형성된 상기 공동부로 구성되고
    하기 수학식 1로 표현되는 침투 깊이(skin depth) δ가 상기 전극판의 두께보다도 두꺼운
    플라즈마 처리 장치.
    (수학식 1)
    Figure 112009042308493-pct00026
    [단, ω : 고주파 전력의 각(角) 주파수(= 2πf(f : 주파수)), ρ: 전극판의 저항률, μ: 전극판의 투자율(透磁率)]
  15. 삭제
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률이 0.1Ω·m∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전극판의 저항률이 0.3∼0.8Ω·m인 플라즈마 처리 장치.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 전극판은 원반의 평판 형상을 이루고, 상기 피처리 기판의 피처리면을 초과하는 면적의 대향면을 갖는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 전극으로의 고주파 전력은 27∼150 ㎒의 범위내의 주파수이고, 상기 지지체의 상기 제 2 전극과의 비대향측의 면의 중앙으로부터 공급되는 플라즈마 처리 장치.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 공동부의 두께는 균일하며, 0.3㎜∼0.5㎜의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 장치.
  21. 제 14 항에 있어서,
    상기 공동부의 직경은 50㎜ 이상 상기 지지체의 직경 미만인 플라즈마 처리 장치.
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