KR101094982B1 - 플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법 Download PDF

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Abstract

플라즈마 에칭 처리 장치(11)는, 그 위에 반도체 기판(W)을 보지하는 보지대(14)와, 보지대(14)에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터(18a)와, 보지대(14)에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터(18b)와, 보지대(14)에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부의 영역을 향하여 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부(13)와, 보지대(14)에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)를 제어하여 반도체 기판(W)의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 제어부(20)를 구비한다.

Description

플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법{PLASMA ETCHING APPARATUS AND PLASMA ETCHING METHOD}
본 발명은, 플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법에 관한 것으로, 특히 마이크로파를 플라즈마원으로 하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법에 관한 것이다.
LSI(Large Scale Integrated circuit) 등의 반도체 장치는, 피처리 기판인 반도체 기판(웨이퍼)에 에칭 또는 CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링 등의 복수의 처리를 실시하여 제조된다. 에칭 또는 CVD, 스퍼터링 등의 처리에 대해서는, 그 에너지 공급원으로서 플라즈마를 이용한 처리 방법, 즉 플라즈마 에칭 또는 플라즈마 CVD, 플라즈마 스퍼터링 등이 있다.
여기서, 플라즈마의 발생원으로서 마이크로파를 이용한 플라즈마 처리 장치가 일본특허공개공보 2005-100931 호에 개시되어 있다. 일본특허공개공보 2005-100931 호에 따르면, 플라즈마 처리 장치에 설치된 천판(유전체판)의 하면측에는 테이퍼 형상의 볼록부 또는 오목부가 설치되어 있다. 마이크로파 발생기에 의해 발생된 마이크로파에 의해, 천판의 하면측의 테이퍼 형상의 볼록부 또는 오목부에서, 전계가 최적인 공진 영역을 형성하여 챔버(처리 용기) 내에 안정된 플라즈마를 발생시키고, 상기한 에칭 처리 등을 행하는 것으로 하고 있다.
또한, 처리 대상이 되는 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하는 방법이 일본특허공개공보 평 11-121385 호에 개시되어 있다. 일본특허공개공보 평 11-121385 호에 따르면, 서셉터를 가열하는 히터 블록은 적어도 3 개 이상의 레지스터 블록을 구비하고 있고, 각 레지스터 블록의 온도를 제어함으로써 서셉터의 온도를 단시간에 균일하게 유지하고, 이에 따라 반도체 기판의 온도를 균일하게 유지하는 것으로 하고 있다.
여기서, 피처리 기판에 대하여 에칭 처리를 행할 때에, 피처리 기판의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하는 센터 가스 도입 방식을 채용하는 경우가 있다. 센터 가스 도입 방식에서, 에칭에 이용되는 반응 가스는 먼저 피처리 기판의 중앙부측으로 공급된다. 그 후, 중앙부측의 영역과 중앙부의 주변에 위치하는 단부(端部)측의 영역에서 소정의 유량비가 되도록 나뉘어진 반응 가스 중, 단부측의 에칭에 이용되는 반응 가스가 중앙부측으로부터 피처리 기판의 단부측으로 흘러 단부측의 에칭 처리를 행한다. 이와 같이 하여 피처리 기판 전체의 에칭 처리를 행한다.
이러한 센터 가스 도입 방식에서 통상의 에칭 처리를 행했을 경우, 피처리 기판의 중앙부와 단부에서 CD(Critical Dimension) 바이어스가 상이해진다.
여기서, CD 바이어스에 대하여 간단히 설명한다. 도 11은 에칭 처리 전의 피처리 기판(101)의 일부를 도시한 단면도이다. 도 11을 참조하여 피처리 기판(101)은 박층(102)을 덮도록 박층(102) 상에 박층(103)이 형성되어 있고, 패터닝에 의한 폭(x)의 박층(104)이 박층(103) 상에 형성되어 있다. 여기서, 피처리 기판(101)에 에칭 처리를 행하여 박층(103)을 제거할 경우, 도 12에 도시한 바와 같이 패터닝에 의해 형성한 박층(104) 및 그 하층에 위치하는 박층(103)의 폭(y)이 에칭에 의해 짧아진다. 이 에칭 전후의 폭의 차이(y-x)가 CD 바이어스이다.
센터 가스 도입 방식의 플라즈마 에칭에 따르면, 피처리 기판(101)의 중앙부측에서는 반응 가스만이 적극적으로 공급되지만, 피처리 기판(101)의 단부측에서는 중앙부측으로부터 흘러나온 반응 가스에 더하여, 피처리 기판(101)의 중앙부측의 에칭 처리에 의해 발생한 반응 생성물의 가스도 단부측으로 흘러 가게 된다. 여기서 예를 들면, 반응 가스로서 HBr / Ar / O2와 같은 혼합 가스를 이용하여 폴리 실리콘층을 에칭할 경우, SiBrO와 같은 부착성이 높고 쉽게 휘발되지 않는 반응 생성물이 생성된다. 그러면, 도 13에 도시한 바와 같이, 에칭 처리 대상이 되는 박층(103)의 측벽 부분에 반응 생성물(105)이 부착하여 퇴적되어 박층(103)의 폭이 넓어진다. 이러한 현상에 의해, 피처리 기판(101)의 중앙부에서의 CD 바이어스와 단부에서의 CD 바이어스가 상이해진다.
도 14는, 종래의 센터 가스 도입 방식의 플라즈마 에칭 처리 장치에 의해 에칭 처리한 피처리 기판의 각 위치에서의 CD 바이어스의 일례를 나타낸 그래프이다. 또한, 가로축은 피처리 기판의 중심 0으로부터의 거리를 나타내고, 세로축은 CD 바이어스의 값이다. 도 14를 참조하여 피처리 기판의 중앙부, 즉 0 mm 부근의 영역에서의 CD 바이어스는 - 12 nm 정도인데 반해, 단부, 즉 ± 125 mm 부근의 영역에서의 CD 바이어스는 - 5 nm 또는 그 이하이며, 중앙부측으로부터 단부측을 향하여 서서히 CD 바이어스가 낮아지고 있다. 이와 같이, 중앙부측과 단부측의 CD 바이어스가 상이하면, 피처리 기판 내에서 에칭에 의해 형성되는 형상을 균일한 형상으로 할 수 없다. 이 경우, 일본특허공개공보 2005-100931 호와 같이, 피처리 기판의 각 부를 균일하게 유지하도록 제어하더라도 동일한 경향이다. 또한, 중앙부측으로 공급하는 반응 가스와 단부측으로 공급되는 반응 가스의 비율을 제어하더라도, 주로 중앙부측의 CD 바이어스의 값을 제어하는 것이 가능할 뿐이다.
본 발명의 목적은, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있는 플라즈마 에칭 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있는 플라즈마 에칭 처리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 에칭 처리 장치는, 그 내부에서 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기와, 처리 용기 내에 배치되고 그 위에 피처리 기판을 보지하는 보지대(保持臺)와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 영역을 향하여 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제 1 및 제 2 히터를 제어하여 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 제어 수단을 구비한다.
CD 바이어스는 피처리 기판의 온도 조건에 따라서도 좌우된다. 따라서, 이러한 플라즈마 에칭 처리 장치에 따르면, 피처리 기판의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하여 에칭 처리를 행할 때에, 피처리 기판의 중앙부측과 단부측의 온도를 상이하게 하여, 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 따라서, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있다.
바람직하게는, 제어 수단은 반응 가스 공급부에 의한 반응 가스에 따라 제 1 및 제 2 히터를 제어한다.
더욱 바람직한 일실시예로서, 제어 수단은 단부의 영역의 온도가 중앙부의 영역의 온도보다 높아지도록 제 1 및 제 2 히터를 제어한다.
여기서, 피처리 기판은 에칭 대상이 되는 폴리 실리콘층을 가지고, 제어 수단은 폴리 실리콘층의 플라즈마 에칭 처리를 행하도록 해도 좋다.
바람직한 일실시예로서, 제 1 및 제 2 히터는 보지대의 내부에 설치되어 있다. 이렇게 함으로써, 보다 확실하게 반도체 기판의 중앙부 및 단부의 온도를 제어할 수 있다.
또한 바람직한 일실시예로서, 보지대는 원판 형상이며, 제 2 히터는 고리 형상이다. 이렇게 함으로써, 보지대의 형상에 맞추어 보다 적절히 단부의 온도를 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 국면에서는, 플라즈마 에칭 처리 방법은, 피처리 기판을 플라즈마 에칭 처리하기 위한 플라즈마 에칭 처리 방법으로서, 처리 용기 내에 설치된 보지대 상에 피처리 기판을 보지시키는 공정과, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 영역과 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역의 온도를 상이하게 하여, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 영역을 향하여 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하고, 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 공정을 포함한다.
이러한 플라즈마 에칭 처리 방법에 따르면, 피처리 기판의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하여 에칭 처리를 행할 때에, 피처리 기판의 중앙부측과 단부측의 온도를 상이하게 하여, 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 따라서, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있다.
즉, 이러한 플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법에 따르면, 피처리 기판의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하여 에칭 처리를 행할 때에, 피처리 기판의 중앙부측과 단부측의 온도를 상이하게 하여, 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 따라서, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 그 내부에서 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기와, 처리 용기 내에 배치되고 그 위에 피처리 기판을 보지하는 보지대와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터와, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와, 보지대와 대향하는 위치에 설치되고 마이크로파를 처리 용기 내에 도입하는 유전체판과, 처리 용기 내에 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제 1 및 제 2 히터를 제어하여 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 제어 수단을 구비한다. 보지대는 그 위에 보지된 피처리 기판의 주위에 배치되는 포커스 링을 포함한다. 반응 가스 공급부는 유전체판의 중앙부에 설치되어 있고, 보지대 상에 보지된 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부와, 보지대 상에 보지된 피처리 기판의 직상 영역을 피한 위치이고 또한 보지대의 직상 영역에 설치되어 있고, 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부를 포함한다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부와, 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부에 의해 피처리 기판 전체에 균일하게 반응 가스를 공급할 수 있다. 또한, 피처리 기판의 중앙 영역 및 포커스 링을 향하여 공급된 반응 가스들이 머문 영역을 피처리 기판의 직상 영역을 피한 위치로 할 수 있다. 또한, 제 2 반응 가스 공급부에 의해 피처리 기판에 도달하는 플라즈마의 흐름을 차폐할 일도 없다. 따라서, CD 바이어스의 적절한 제어도 포함하여 피처리 기판의 처리에서의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 여기서 말하는 직상 영역이란, 피처리 기판의 수직 상방측의 영역을 가리키는데, 엄밀하게 수직 상방측의 영역을 의미하는 것이 아니라 대체로 수직 상방측의 영역을 가리킨다.
바람직하게는, 제 2 반응 가스 공급부는 보지대의 근방에 배치되어 있다.
더욱 바람직하게는, 제 2 반응 가스 공급부는 고리 형상부를 포함하고, 고리 형상부에는 반응 가스를 공급하는 공급홀이 설치되어 있다.
더욱 바람직하게는, 피처리 기판은 원판 형상이며, 고리 형상부는 원환 형상으로서, 고리 형상부의 내경은 피처리 기판의 외경보다 크다.
더욱 바람직하게는, 포커스 링은 원환 형상으로서, 공급홀은 포커스 링의 외경측보다 내경측에 가까운 위치에 설치되어 있다.
본 발명의 또 다른 국면에서, 플라즈마 처리 방법은 피처리 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 처리 방법으로서, 처리 용기 내에 설치되고 그 위에 피처리 기판을 보지했을 때에 피처리 기판의 주위에 배치되는 포커스 링을 포함한 보지대 상에 피처리 기판을 보지시키는 공정과, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 공정과, 유전체판을 이용하여 마이크로파를 처리 용기 내에 도입하는 공정과, 보지대에 보지된 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제어하는 공정과, 유전체판의 중앙부로부터 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하고 또한, 보지대 상에 보지된 피처리 기판의 직상 영역을 피한 위치이고 또한 보지대의 직상 영역으로부터 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 공정을 포함한다.
즉, 이러한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 따르면, 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부와, 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부에 의해, 피처리 기판 전체에 균일하게 반응 가스를 공급할 수 있다. 또한, 피처리 기판의 중앙 영역 및 포커스 링을 향하여 공급된 반응 가스들이 머문 영역을 피처리 기판 상을 피한 위치로 할 수 있다. 또한, 제 2 반응 가스 공급부에 의해 피처리 기판에 도달하는 플라즈마의 흐름을 차폐할 일도 없다. 따라서, CD 바이어스의 적절한 제어도 포함하여 피처리 기판의 처리에서의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 처리 장치의 주요부를 도시한 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 처리 방법으로 에칭 처리된 반도체 기판의 일부를 도시한 개략 단면도이다.
도 3은 반도체 기판의 중앙부 및 단부(端部)의 온도를 변화시켜 플라즈마 처리했을 경우의 CD 바이어스와 측정 위치의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 3에 도시한 그래프의 측정 위치를 도시한 도면이다.
도 5는 종래에서, 처리 용기 내로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부를 2 개소 설치한 플라즈마 처리 장치의 일부를 도시한 개략 단면도이다.
도 6은 피처리 기판(W)의 직상 영역에 제 2 반응 가스 공급부를 설치한 플라즈마 처리 장치의 일부를 도시한 개략 단면도이며, 도 5에 도시한 단면에 상당한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 주요부를 도시한 개략 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시한 플라즈마 처리 장치에 구비된 제 2 반응 가스 공급부에 포함되는 고리 형상부 부근을, 도 7 중의 화살표(VII)의 방향에서 본 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에서, 피처리 기판(W)을 성막했을 때의 막두께와 피처리 기판(W)에서의 위치와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 피처리 기판(W)에서의 도 9 중에 나타낸 X 축, Y 축, V 축, W 축을 도시한 도면이다.
도 11은 에칭 처리 전의 반도체 기판의 일부를 도시한 개략 단면도이다.
도 12은 에칭 처리 후의 반도체 기판의 일부를 도시한 개략 단면도이다.
도 13은 에칭 처리에서, 반응 생성물이 퇴적한 반도체 기판의 일부를 도시한 개략 단면도이다.
도 14는 종래의 센터 가스 도입 방식의 플라즈마 에칭 처리 장치에 의해 에칭 처리한 피처리 기판의 각 위치에서의 CD 바이어스의 일례를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 처리 장치의 주요부를 도시한 개략 단면도이다. 또한 이하에 도시한 도면에서는, 지면 상을 상 방향으로 한다.
도 1을 참조하여, 플라즈마 에칭 처리 장치(11)는 센터 가스 도입 방식이다. 플라즈마 에칭 처리 장치(11)는, 그 내부에서 피처리 기판인 반도체 기판(W)에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기(12)와, 반응 가스의 공급구가 되는 인젝터(15)를 포함하고, 반도체 기판(W)의 중앙부측을 향하여 플라즈마 에칭 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부(13)와, 처리 용기(12) 내에 배치되고 그 위에 반도체 기판(W)을 보지하는 원판 형상의 보지대(14)와, 고주파 전원(도시하지 않음) 등으로 구성되어 있고 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(도시하지 않음)와, 보지대(14)와 대향하는 위치에 배치되고 마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(12) 내에 도입하는 유전체판(16)과, 플라즈마 에칭 처리 장치(11) 전체를 제어하는 제어부(20)를 구비한다. 제어부(20)는, 반응 가스 공급부(13)에서의 가스 유량, 처리 용기(12) 내의 압력 등, 반도체 기판(W)을 에칭 처리하기 위한 프로세스 조건을 제어한다. 반응 가스 공급부(13)에 의해 공급되는 반응 가스는, 반도체 기판(W)에서 중앙부와 중앙부의 주변에 위치하는 단부(端部)가 소정의 유량비가 되도록 공급된다.
보지대(14)는 처리 용기(12) 내에서 처리 용기(12)의 하부측으로부터 상방으로 연장되는 지지 기둥(19)의 상부에 장착되어 있다. 보지대(14)는 그 위에 재치되는 반도체 기판(W)을 흡착하는 정전 척 구조를 가진다. 또한, 용이한 이해의 관점에서, 보지대(14)의 정전 척 구조에 대해서는 도시를 생략하고 있다. 또한, 보지대(14)에는 바이어스 전압을 부여하는 고주파 전원(17)이 접속되어 있다.
플라즈마 에칭 처리 장치(11)는 진공 펌프 및 배기관(모두 도시하지 않음) 등을 가지고, 감압에 의해 처리 용기(12) 내의 압력을 진공 등, 소정의 압력으로 할 수 있다. 처리 용기(12)의 상부측은 개구되어 있고, 처리 용기(12)의 상부측에 배치되는 유전체판(16) 및 씰링 부재(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(12)는 밀봉 가능하도록 구성되어 있다.
플라즈마 에칭 처리 장치(11)는 보지대(14)를 가열하는 제 1 히터(18a) 및 제 2 히터(18b)를 구비한다. 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)는 보지대(14)의 내부에 설치되어 있다. 제 1 히터(18a)는 원판 형상의 보지대(14) 중 중앙부측에 배치되고, 제 2 히터(18b)는 제 1 히터(18a)보다 외주측, 즉 직경 방향 외측에 배치되어 있다. 제 1 히터(18a)는 원판 형상이고 제 2 히터(18b)는 고리 형상이지만, 제 1 히터(18a)에 대해서도 고리 형상이어도 좋다. 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)는, 제어부(20)에 의해 각각 상이한 온도 설정을 할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같이 상이한 온도 제어가 가능한 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)를 구비함으로써, 보지대(14) 상에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부 및 단부를 상이한 온도로 조정할 수 있다.
플라즈마 에칭 처리 장치(11)는, 마이크로파 발생기에 의해 발생된 마이크로파를 처리 장치 내에 도입하는 도파관(21)과, 마이크로파를 전파(傳播)하는 지파판(遲波板)(22)과, 복수 형성된 슬롯홀(23)로부터 마이크로파를 유전체판(16)에 도입하는 박판 원판 형상의 슬롯 안테나(24)를 구비한다. 유전체판(16)은 원판 형상으로서 유전체로 구성되어 있다. 유전체판(16)의 하면측에는, 도입된 마이크로파에 의한 정상파의 발생을 용이하게 하기 위한 테이퍼 형상으로 패인 고리 형상의 오목부(25)가 설치되어 있다.
마이크로파 발생기에 의해 발생시킨 마이크로파는 도파관(21)을 통과하여 지파판(22)으로 전파되어 슬롯 안테나(24)에 설치된 복수의 슬롯홀(23)로부터 유전체판(16)에 도입된다. 그리고, 처리 용기(12) 내에 전계를 발생시켜 플라즈마 착화에 의해 플라즈마를 발생시킨다.
이어서, 상기한 플라즈마 에칭 처리 장치(11)를 이용하여 본 발명의 일실시예에 따른 반도체 기판(W)의 플라즈마 에칭 처리 방법에 대하여 설명한다.
우선, 상기한 바와 같이 보지대(14) 상에 반도체 기판(W)을 보지시킨다. 이어서, 진공 펌프 등에 의한 감압 등을 행한다.
그 후, 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)를 상이한 온도로 설정하여 가열한다. 여기서는, 제 2 히터(18b)의 설정 온도를 제 1 히터(18a)의 설정 온도보다 높아지도록 설정한다. 그러면, 보지대(14) 상에 보지된 반도체 기판(W)의 단부측이 중앙부측보다 높은 온도가 되도록 조정된다.
이어서, 반응 가스 공급부(13)에 설치된 인젝터(15)로부터 반도체 기판(W)의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하고 또한, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 마이크로파 발생기에 의해 발생시키고, 유전체판(16)을 개재하여 처리 용기(12) 내에 마이크로파를 도입하여 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 에칭 처리를 행한다. 처리 용기(12) 내로 공급된 반응 가스는 도 1 중의 화살표로 나타낸 방향을 따라 흐른다. 그리고, 반도체 기판(W) 전체의 에칭 처리를 행한다.
이 경우, 반도체 기판(W)의 단부측의 온도를 중앙부측의 온도보다 높아지도록 상이하게 하고 있기 때문에, 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 구체적으로는, 단부측의 CD 바이어스는 상기한 바와 같이 중앙부측의 에칭 처리에 의해 생성되는 반응 생성물의 영향이 있는데, 이 반응 생성물의 부착에 의한 영향을 고려하여 중앙부측의 CD 바이어스가 단부측의 CD 바이어스와 동일해지는 것과 같은 온도 설정으로 함으로써, 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 따라서, 반도체 기판(W)의 중앙측과 단부측에서 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있다. 또한 이 온도 설정은, 반응 가스의 유량 또는 반응 가스의 종류 등에 따라 정해지는 것이다.
도 2는, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 처리 방법을 포함한 제조 방법으로 제조된 반도체 기판(31)의 일부를 도시한 개략 단면도이다. 반도체 기판(31)은 플라즈마 에칭 처리 또는 플라즈마 CVD 처리 등, 복수의 처리 공정에 의해 제조되는데, 상기한 플라즈마 에칭 처리는 도 2에 도시한 반도체 기판(31)에서 게이트 산화막(32) 상에 형성된 폴리 실리콘층을 HBr / Ar / O2의 혼합 가스를 이용하여 에칭하여 게이트 전극(33)을 형성하는 경우 등에 적용된다.
도 3은, 반도체 기판(W)의 중앙부 및 단부의 온도를 변화시켜 플라즈마 처리했을 경우의 CD 바이어스와 측정 위치의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3에서, ○ 표시는 중앙부의 온도를 60℃, 단부의 온도를 75℃로 했을 경우, △ 표시는 중앙부의 온도와 단부의 온도를 모두 60℃로 했을 경우, □ 표시는 중앙부의 온도를 60℃, 단부의 온도를 50℃로 했을 경우를 나타낸다. 세로축은 CD 바이어스(-nm), 가로축은 반도체 기판에서의 위치를 나타낸다. 여기서, 반도체 기판(W)에서의 측정 위치에 대해서는 도 4에 도시한 바와 같다. 도 4는, 보지대(14)를 상측에서 봤을 경우의 CD 바이어스의 측정 위치를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하여, 보지대(14) 상에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부의 영역을 중심 0으로 하고, 중심 0으로부터 양단부측을 향하여 각각 5 단계로 그 영역을 나누고, 0에서 + 5의 각 포인트에서의 CD 바이어스를 측정하고 있다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 단부의 온도를 50℃, 중앙부의 온도를 60℃로 하여 단부의 온도를 중앙부의 온도보다 낮게 했을 경우, 및 단부의 온도를 60℃, 중앙부의 온도를 60℃로 하여 단부와 중앙부의 온도를 동일하게 했을 경우는 모두, 도 3중의 △ 표시, □ 표시로 나타낸 바와 같이 단부로부터 중앙부를 향하여 CD 바이어스는 낮아진다. 그러나, 단부의 온도를 75℃, 중앙부의 온도를 60℃로 하여 단부의 온도를 중앙부의 온도보다 높게 했을 경우, 도 3 중의 ○ 표시로 나타낸 바와 같이, 단부로부터 중앙부를 향하여 CD 바이어스는 거의 동일한 값이다. 즉, 단부와 중앙부를 포함한 반도체 기판(W)의 전체면에서 CD 바이어스는 거의 동일한 값이 되고, 반도체 기판(W)의 면 내에서 CD 바이어스는 거의 동일해진다.
이와 같이, 반도체 기판(W)의 중앙부측을 향하여 반응 가스를 공급하여 에칭 처리를 행할 때에, 반도체 기판(W)의 단부측의 온도를 중앙부측의 온도보다 높게 하여 중앙부측의 CD 바이어스와 단부측의 CD 바이어스를 맞출 수 있다. 따라서, 에칭 처리 시에서의 반도체 기판(W)의 CD 바이어스를 적절히 제어할 수 있다.
이 경우, 제 1 및 제 2 히터(18a, 18b)는 보지대(14)의 내부에 설치되어 있기 때문에, 보다 확실히 보지대(14) 상에 보지된 반도체 기판(W)의 중앙부측 및 단부측의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 보지대(14)는 원판 형상으로서, 제 2 히터(18b)는 고리 형상이기 때문에, 보지대(14)의 형상에 맞추어 보다 적절히 단부측의 온도를 제어할 수 있다.
또한 상기의 실시예에서는, 단부측의 온도를 중앙부측의 온도보다 높게 하도록 제어하는 것으로 했지만, 이에 한정되지 않고, 반응 가스의 종류 등 그 외의 조건에 따라 단부측의 온도를 중앙부측의 온도보다 낮게 하도록 제어하여 CD 바이어스를 맞추도록 해도 좋다. 즉, 발생시키는 플라즈마 상태에 따라서는, 단부측과 중앙부측의 온도를 동일한 온도로 하면, 단부측의 CD 바이어스가 중앙부측의 CD 바이어스보다 높아지는 경우가 있다. 이러한 경우에는, 예를 들면 단부측의 온도를 중앙부측의 온도보다 낮아지도록 하여 플라즈마 에칭 처리를 행함으로써, 반도체 기판(W)의 면 내의 각 부에서 CD 바이어스가 균일해지도록 제어할 수 있다.
또한 상기의 실시예에서는, 폴리 실리콘층을 에칭하는 경우에 대하여 설명했지만, 이에 한정되지 않고, 반도체 기판에 형성되는 SiO2층 또는 메탈층 등을 처리 대상으로 하여 에칭하는 경우에 대해서도 적용된다.
또한 에칭 처리에 제공되는 반응 가스로서, 예를 들면 하프늄(Hf)을 포함한 가스 또는, 하프늄 옥사이드계의 가스, 루테늄(Ru)을 포함한 가스를 사용할 때에도 적용된다.
또한 상기의 실시예에서는, 제 1 및 제 2 히터를 보지대의 내부측에 설치하는 것으로 했지만, 이에 한정되지 않고, 보지대의 외부측, 예를 들면 보지대의 외주 부분 또는 하부측에 설치하는 것으로 해도 좋다.
또한 상기의 실시예에서는, 보지대는 원판 형상이었지만, 이에 한정되지 않고 다른 형상의 보지대여도 좋다. 또한 제 1 및 제 2 히터에 대하여, 둘레 방향으로 분단되어 있어도 좋고, 제 1 또는 제 2 히터가 복수의 히터로 구성되어 있어도 좋다. 또한 제 2 히터는, 둘레 방향으로 2 중 이상의 구조여도 좋다. 즉, 예를 들면 제 2 히터는, 제 1 히터의 외주측에 배치되는 복수의 직경이 상이한 히터에 의해 구성되어 있어도 좋다. 또한 제 1 히터에 대해서도, 둘레 방향으로 2 중 이상의 구조여도 좋다.
또한 상기의 실시예에서, 플라즈마 에칭 처리 장치는 피처리 기판이 되는 반도체 기판(W)의 중앙부측을 향해서만 반응 가스를 공급하는 구성을 가지는 것으로 했지만, CD 바이어스의 적절한 제어도 포함하여 피처리 기판이 되는 반도체 기판의 처리에서의 면내 균일성을 향상시키는 관점에서, 플라즈마 에칭 처리 장치는 반도체 기판의 중앙부측 및 단부측을 향하여 반응 가스를 공급하는 구성으로 하는 것을 생각할 수 있다.
여기서, 플라즈마 에칭 처리 장치에서, 반도체 기판의 중앙부측 및 단부측으로 반응 가스를 공급하는 구성으로 하는 것에 대하여 생각한다. 도 5는, 처리 용기 내로 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부를 2 개소에 설치한 플라즈마 처리 장치(201)의 일부를 도시한 개략 단면도이다. 도 5에 도시한 플라즈마 처리 장치(201)에서는, 원판 형상의 피처리 기판(W)의 중앙 영역으로 반응 가스를 공급하기 위하여, 처리 용기(202) 내에 마이크로파를 도입하는 유전체판(203)의 중앙부에 제 1 반응 가스 공급부(204)를 설치하고 있다. 제 1 반응 가스 공급부(204)에서는, 피처리 기판(W)의 중앙 영역으로 분출하도록 하여 반응 가스를 공급하고 있다. 또한, 피처리 기판(W)의 단부 영역으로 반응 가스를 공급하기 위하여, 처리 용기(202)의 측벽(205)의 상부측에 제 2 반응 가스 공급부(206)를 설치하고 있다. 또한 처리 중인 플라즈마 처리 장치(201)에서는, 도 5 중의 하방측에 위치하는 배기 장치(도시하지 않음)에 의해 하 방향으로 배기되고 있다.
이와 같이 반응 가스 공급부를 2 개소 설치한 플라즈마 처리 장치(201)에서, 처리 용기(202) 내에 점성류의 압력 영역(대략 50 mTorr 이상)에서 반응 가스를 공급했을 경우, 제 2 반응 가스 공급부(206)로부터 공급된 반응 가스는 제 1 반응 가스 공급부(204)의 영향으로 도 5 중의 화살표 X로 나타낸 중앙 방향으로 흐른다. 즉, 제 2 반응 가스 공급부(206)로부터 공급된 반응 가스는, 제 1 반응 가스 공급부(204)로부터 공급된 반응 가스와 동일한 공급로가 된다. 이 때문에, 제 2 반응 가스 공급부(206)로부터 반응 가스를 공급하는 효과는 인정되지 않고, 피처리 기판(W)의 중앙 영역으로 공급된 반응 가스는 피처리 기판(W)의 중앙 영역으로부터 단부 영역을 향하여 방사 형상으로 퍼져, 단부로 향함에 따라 반응 가스가 소비되고 또한 반응 생성물이 증가하여, 피처리 기판(W)의 직경 방향으로 처리 상태에 분포가 생겨, 그 결과 면내의 불균일을 발생시킨다.
한편, 분자류의 압력 영역(대략 50 mTorr 이하)의 경우, 제 2 반응 가스 공급부(206)로부터 공급된 반응 가스는, 배기 장치에 의한 배기에 의해 도 5 중의 화살표 Y로 나타낸 하 방향으로 흐른다. 그러면, 제 2 반응 가스 공급부(206)로부터 공급된 반응 가스는 피처리 기판(W)에 도달하지 않고 배기된다. 이 때문에, 피처리 기판(W)에 도달하는 반응 가스는 제 1 반응 가스 공급부(204)로부터의 공급밖에 없어, 상기와 마찬가지로 피처리 기판(W)의 처리 상태에 면내의 불균일이 발생하게 된다.
이와 같이, 상기한 구성의 플라즈마 처리 장치(201)에서는, 처리 용기(202) 내의 압력 영역을 변경하여 제 2 가스 공급부(206)로부터 공급하는 가스 공급량을 조정하더라도 피처리 기판(W)으로 균일하게 반응 가스를 공급할 수 없으므로, 피처리 기판(W)의 처리에서의 면내 균일성을 확보하는 것이 곤란하다.
여기서, 피처리 기판(W)에 균일하게 반응 가스를 공급하기 위하여 피처리 기판(W)의 직상 영역에 제 2 반응 가스 공급부를 설치했을 경우, 이하의 문제가 발생할 우려가 있다. 도 6은, 이 경우에서의 플라즈마 처리 장치(211)의 일부를 도시한 개략 단면도이며, 도 5에 도시한 단면에 상당한다. 도 6에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(211)에는 유전체판(212)의 중앙부에 제 1 반응 가스 공급부(213)가 설치되어 있고, 보지대(214)에 보지된 피처리 기판(W)의 직상 영역에 고리 형상의 제 2 반응 가스 공급부(215)가 설치되어 있다. 제 2 반응 가스 공급부(215)에 의해 피처리 기판(W)의 단부 영역으로 반응 가스를 공급하는 것으로 하고 있다.
그러나, 이러한 구성으로 하면, 제 1 반응 가스 공급부(213)로부터 공급된 반응 가스와 제 2 반응 가스 공급부(215)로부터 공급된 반응 가스가, 피처리 기판(W)의 중앙 영역과 단부 영역의 직경 방향의 사이의 영역(216)에서 서로 부딪치게 된다. 도 6 중 영역(216)은 점선으로 도시하고 있다. 그러면, 이 영역(216)에서 반응 가스가 머무는 상태가 발생하여 디포지션(반응 생성물)이 쉽게 체류되게 된다.
또한 도 6에 도시한 바와 같이, 피처리 기판(W)의 직상 영역에 제 2 반응 가스 공급부(215)를 설치하면, 피처리 기판(W) 상에서 플라즈마의 흐름을 차폐하는 차폐물이 존재하게 된다. 이러한 플라즈마 차폐물은 피처리 기판(W) 상에서의 플라즈마의 불균일을 발생시키게 된다.
상기한 바와 같은 디포지션의 체류 및 플라즈마 차폐물의 영향에 의해, 영역(216)에서의 피처리 기판(W)의 에칭 레이트와 중앙 영역 또는 단부 영역에서의 피처리 기판(W)의 에칭 레이트가 상이하여, 피처리 기판(W)의 처리에서의 면내 균일성을 해치게 된다.
따라서, 이러한 문제를 해소하기 위해서는 이하와 같은 구성으로 하는 것이 좋다. 도 7은, 이 경우에서의 플라즈마 에칭 처리 장치의 일부를 도시한 단면도이다. 도 7을 참조하여, 플라즈마 처리 장치(111)는, 그 내부에서 피처리 기판(W)에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기(112)와, 처리 용기(112) 내로 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부(113)와, 그 위에 피처리 기판(W)을 보지하는 원판 형상의 보지대(114)와, 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터(151)와, 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터(152)와, 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기(115)와, 보지대(114)와 대향하는 위치에 배치되고 마이크로파 발생기(115)에 의해 발생시킨 마이크로파를 처리 용기(112) 내에 도입하는 유전체판(116)과, 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제 1 및 제 2 히터(151, 152)를 제어하여 피처리 기판(W)의 플라즈마 에칭 처리를 행하고 또한, 플라즈마 처리 장치(111) 전체를 제어하는 제어부(도시하지 않음)를 구비한다. 제어부는, 반응 가스 공급부(113)에서의 가스 유량, 처리 용기(112) 내의 압력 등 피처리 기판(W)을 플라즈마 처리하기 위한 프로세스 조건을 제어한다.
처리 용기(112)는, 보지대(114)의 하방측에 위치하는 저부(底部)(117)와, 저부(117)의 외주로부터 상 방향으로 연장되는 측벽(118)을 포함한다. 측벽(118)은 원통 형상이다. 처리 용기(112)의 저부(117)에는 배기용의 배기홀(119)이 형성되어 있다. 처리 용기(112)의 상부측은 개구되어 있고, 처리 용기(112)의 상부측에 배치되는 유전체판(116), 및 유전체판(116)과 처리 용기(112)의 사이에 개재하는 씰링 부재로서의 O 링(120)에 의해 처리 용기(112)는 밀봉 가능하게 구성되어 있다.
매칭(121)을 가지는 마이크로파 발생기(115)는, 모드 변환기(122) 및 도파관(123)을 거쳐 마이크로파를 도입하는 동축 도파관(124)의 상부에 접속되어 있다. 예를 들면, 마이크로파 발생기(115)에서 발생된 TE 모드의 마이크로파는 도파관(123)을 통과하여 모드 변환기(122)에 의해 TEM 모드로 변환되어 동축 도파관(124)를 전파한다. 동축 도파관(124)은 직경 방향 중앙에 설치되는 중심 도체(125)와, 중심 도체(125)의 직경 방향 외측에 설치되는 외주 도체(126)를 포함한다. 중심 도체(125)의 상단부(上端部)는 모드 변환기(122)의 천장 구획벽에 접속되어 있다. 마이크로파 발생기(115)에서 발생시키는 마이크로파의 주파수로서는, 예를 들면 2.45 GHz가 선택된다. 또한 도파관(123)으로서는, 단면(斷面)이 원형 형상인 것 또는 단면이 직사각형 형상인 것이 사용된다.
유전체판(116)은 원판 형상으로서, 유전체로 구성되어 있다. 유전체판(116)의 하방측에는, 도입된 마이크로파에 의한 정상파의 발생을 용이하게 하기 위한 테이퍼 형상으로 오목한 고리 형상의 오목부(127)가 설치되어 있다. 이 오목부(127)에 의해, 유전체판(116)의 하부측에 마이크로파에 의한 플라즈마를 효율적으로 생성할 수 있다. 또한 유전체판(116)의 구체적인 재질로서는, 석영 또는 알루미나 등을 들 수 있다.
또한 플라즈마 처리 장치(111)는, 동축 도파관(124)에 의해 도입된 마이크로파를 전파하는 지파판(128)과, 복수 형성된 슬롯홀(129)로부터 마이크로파를 유전체판(116)에 도입하는 박판 원판 형상의 슬롯판(130)을 구비한다. 마이크로파 발생기(115)에 의해 발생시킨 마이크로파는 동축 도파관(124)을 통과하여 지파판(128)에 전파되고, 슬롯판(130)에 형성된 복수의 슬롯홀(129)로부터 유전체판(116)에 도입된다. 유전체판(116)을 투과한 마이크로파는, 유전체판(116)의 직하에 전계를 발생시켜 처리 용기(112) 내에 플라즈마를 생성시킨다.
보지대(114)는 고주파 전극을 겸하고 있고, 저부(117)로부터 수직 상방으로 연장되는 절연성의 통 형상 지지부(131)에 지지되어 있다. 통 형상 지지부(131)의 외주를 따라 처리 용기(112)의 저부(117)로부터 수직 상방으로 연장되는 도전성의 통 형상 지지부(132)와 처리 용기(112)의 측벽(118)과의 사이에는, 고리 형상의 배기로(133)가 형성된다. 이 배기로(133)의 상부에는 복수의 관통홀이 형성된 고리 형상의 배플판(134)이 장착되어 있다. 배기홀(119)의 하부에는 배기관(135)을 개재하여 배기 장치(136)가 접속되어 있다. 배기 장치(136)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있다. 배기 장치(136)에 의해 처리 용기(112) 내를 원하는 진공도까지 감압할 수 있다.
보지대(114)에는 RF 바이어스용의 고주파 전원(137)이 매칭 유닛(138) 및 급전봉(139)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 이 고주파 전원(137)은 피처리 기판(W)으로 인입하는 이온의 에너지를 제어하는데 적합한 일정한 주파수, 예를 들면 13.56 MHz의 고주파를 소정의 파워로 출력한다. 매칭 유닛(138)은 고주파 전원(137)측의 임피던스와, 주로 전극, 플라즈마, 처리 용기(112)라고 하는 부하측의 임피던스와의 사이에 정합을 취하기 위한 정합기를 수용하고 있고, 이 정합기 내에 자기 바이어스 생성용의 블로킹 콘덴서가 포함되어 있다.
보지대(114)의 상면에는, 피처리 기판(W)을 정전 흡착력으로 보지하기 위한 정전 척(141)이 설치되어 있다. 또한 정전 척(141)의 직경 방향 외측에는, 피처리 기판(W)의 주위를 고리 형상으로 둘러싸는 포커스 링(142)이 설치되어 있다. 즉, 보지대(114)는 보지대(114) 상에 보지된 피처리 기판(W)의 주위에 배치되는 포커스 링(142)을 포함한다. 포커스 링(142)은 원환 형상이다. 정전 척(141)은 도전막으로 이루어지는 전극(143)을 한쌍의 절연막(144, 145)의 사이에 샌드위치한 것이다. 전극(143)에는 고압의 직류 전원(146)이 스위치(147) 및 피복선(148)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(146)으로부터 인가되는 직류 전압에 의해 쿨롱력으로 피처리 기판(W)을 정전 척(141) 상에 흡착 보지할 수 있다.
보지대(114)의 내부에는 제 1 히터(151)와 제 2 히터(152)가 설치되어 있다. 제 1 히터(151)는, 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 중앙부의 영역을 가열하여 피처리 기판(W)의 중앙부를 소정의 온도로 조정한다. 이 경우, 제 1 히터(151)는 직경 방향으로 3 중 구조이다. 제 2 히터(152)는 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 단부의 영역을 가열하여 피처리 기판(W)의 단부를 소정의 온도로 조정한다. 이 경우, 제 2 히터(152)는 직경 방향으로 2 중 구조이다. 제 1 및 제 2 히터(151, 152)에는 각각 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(도시하지 않음)을 거쳐 소정 온도의 냉매나 전열 가스가 순환 공급된다. 이와 같이 하여, 피처리 기판(W)의 중앙부 및 단부를 각각 상이한 온도가 되도록 제어한다.
이어서, 처리 용기(112) 내로 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부(113)의 구체적인 구성에 대하여 설명한다. 반응 가스 공급부(113)는, 피처리 기판(W)의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부(161)와, 포커스 링(142)을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부(162)를 구비한다. 구체적으로는, 제 1 반응 가스 공급부(161)는 도 7 중의 화살표 F1의 방향을 향하여 반응 가스를 공급하고, 제 2 반응 가스 공급부(162)는 도 7 중의 화살표 F2의 방향을 향하여 반응 가스를 공급한다.제 1 반응 가스 공급부(161) 및 제 2 반응 가스 공급부(162)에는, 동일한 반응 가스 공급원(도시하지 않음)으로부터 동일한 종류의 반응 가스가 공급된다.
제 1 반응 가스 공급부(161)는 유전체판(116)의 직경 방향 중앙으로서, 보지대(114)와 대향하는 대향면이 되는 유전체판(116)의 하면(163)보다 유전체판(116)의 내방측으로 후퇴한 위치에 설치되어 있다. 이렇게 함으로써, 제 1 반응 가스 공급부(161)에 대한 전계 집중에 의한 이상 방전을 회피할 수 있다. 유전체판(116)에는 제 1 반응 가스 공급부(161)를 수용하는 수용부(164)가 설치되어 있다. 제 1 반응 가스 공급부(161)와 수용부(164)의 사이에는 O 링(165)이 개재되어 있고, 처리 용기(112) 내의 밀봉성을 확보하는 것으로 하고 있다.
제 1 반응 가스 공급부(161)에는 피처리 기판(W)의 중앙 영역을 향하여 분출하도록 하여 반응 가스를 직하 방향으로 공급하는 복수의 공급홀(166)이 형성되어 있다. 공급홀(166)은 보지대(114)에 대향하는 벽면(167) 중 처리 용기(112) 내에 노출되는 영역에 형성되어 있다. 또한, 벽면(167)은 평평하다. 또한, 제 1 반응 가스 공급부(161)에는 공급홀(166)이 유전체판(116)의 직경 방향 중앙에 위치하도록 설치되어 있다.
플라즈마 처리 장치(111)에는 동축 도파관(124)의 중심 도체(125), 슬롯판(130) 및 유전체판(116)을 각각 관통하여 공급홀(166)에 이르도록 하여 형성된 가스 유로(168)가 형성되어 있다. 중심 도체(125)의 상단(上端)부에 형성된 가스 입구(169)에는, 도중에 개폐 밸브(170) 또는 매스플로우 콘트롤러와 같은 유량 제어기(171) 등이 개설된 가스 공급계(172)가 접속되어 있다. 가스 공급계(172)에 의해 유량 등을 조정하면서 반응 가스를 공급한다.
제 2 반응 가스 공급부(162)는 원환 형상의 고리 형상부(173)를 포함한다. 고리 형상부(173)는 관 형상 부재로 구성되어 있고, 그 내부가 반응 가스의 유로가 된다. 고리 형상부(173)는, 처리 용기(112) 내에서 보지대(114)와 유전체판(116)의 사이에 배치된다. 제 2 반응 가스 공급부(162)는, 보지대(114) 상에 보지된 피처리 기판(W)의 직상 영역을 피한 위치이고 또한 보지대(114)의 직상 영역에 설치되어 있다. 구체적으로는, 원환 형상의 고리 형상부(173)의 내경을 D1로 하고, 피처리 기판(W)의 외경을 D2로 하면, 고리 형상부(173)의 내경(D1)은 피처리 기판(W)의 외경(D2)보다 크게 구성되어 있다. D1의 값으로서 구체적으로는 예를 들면, 400 mm가 선택된다. 또한 고리 형상부(173)는, 포커스 링(142)의 직상 영역에 설치되어 있다. 고리 형상부(173)는, 처리 용기(112)의 측벽(118)으로부터 바로 내경측으로 연장되는 지지부(174)에 의해 지지되어 있다. 지지부(174)는 중공(中空) 형상이다.
고리 형상부(173)에는, 피처리 기판(W)의 외경측에 배치되는 포커스 링(142)을 향하여 분출하도록 하여 반응 가스를 직하 방향으로 공급하는 복수의 공급홀(175)이 형성되어 있다. 공급홀(175)은 둥근홀 형상이다. 공급홀(175)은 고리 형상부(173)의 하부측에 형성되어 있다. 복수의 공급홀(175)은 고리 형상부(173)에서 둘레 방향으로 균일 배치되어 형성되어 있다. 또한 도 8은, 도 7에 도시한 제 2 반응 가스 공급부(162)에 포함되는 고리 형상부(173) 부근을, 도 7 중의 화살표(VII)의 방향에서 본 도면이다. 이 실시예에서, 공급홀(175)은 8 개 형성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(111)의 외부로부터 공급된 반응 가스는, 지지부(174)의 내부를 통과하여 고리 형상부(173)에 형성된 공급홀(175)로부터 처리 용기(112) 내로 공급된다. 지지부(174)의 외방측에서도, 상기한 개폐 밸브 또는 유량 제어기가 개설된 가스 공급계(도시하지 않음)가 설치되어 있다.
제 2 반응 가스 공급부(162)는 보지대(114)의 근방에 설치되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 처리 용기(112) 내에서 제 1 반응 가스 공급부(161)로부터 공급되는 반응 가스의 흐름의 영향을 받지 않는 다운 플로우 영역으로 불리는 플라즈마 밀도가 낮은 영역에 고리 형상부(173)가 설치되어 있으면 좋다. 보지대(114)에 보지된 피처리 기판(W)의 상면(177)으로부터 도 7 중의 일점 쇄선으로 도시한 고리 형상부(173)의 상하 방향의 중심(178)까지의 거리(L1)로서는, 예를 들면 200 mm가 선택된다.
또한, 고리 형상부(173)에 형성되는 복수의 공급홀(175)은, 포커스 링(142)의 외경측보다 내경측에 가까운 위치에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이어서, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(111)를 이용하여 피처리 기판(W)의 플라즈마 처리를 행하는 방법에 대하여 설명한다.
우선, 처리 용기(112) 내에 설치된 보지대(114) 상에, 상기한 정전 척(141)을 이용하여 피처리 기판(W)을 보지시킨다. 이 경우, 포커스 링(142)은 피처리 기판(W)의 주위에 위치하게 된다. 그리고, 제 1 및 제 2 히터(151, 152)에 의해 피처리 기판(W)의 중앙부 및 단부를 각각 상이한 온도가 되도록 제어한다. 이어서, 마이크로파 발생기(115)에 의해 플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시킨다. 그 후, 유전체판(116) 등을 이용하여 마이크로파를 처리 용기(112) 내에 도입한다. 그리고, 유전체판(116)의 중앙부로부터 피처리 기판(W)의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 제 1 반응 가스 공급부(161)에 형성된 공급홀(166)로부터 반응 가스를 공급하고 또한, 제 2 반응 가스 공급부(162)의 고리 형상부(173)에 형성된 공급홀(175)로부터 포커스 링(142)을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급한다. 이와 같이 하여, 피처리 기판(W)에 대하여 플라즈마 처리를 행한다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치(111) 및 플라즈마 처리 방법에 따르면, 피처리 기판(W)의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부(161)와, 포커스 링(142)을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부(162)에 의해 피처리 기판(W) 전체에 균일하게 반응 가스를 공급할 수 있다. 또한, 피처리 기판(W)의 중앙 영역 및 포커스 링(142)을 향하여 공급된 반응 가스들이 머문 영역을, 피처리 기판(W) 상을 피한 위치, 구체적으로는 예를 들면, 피처리 기판(W)의 단부 영역의 외경측 부분으로 할 수 있다. 또한, 제 2 반응 가스 공급부(162)에 의해 피처리 기판(W)에 도달하는 플라즈마의 흐름을 차폐할 일도 없다. 따라서, CD 바이어스의 적절한 제어도 포함하여 피처리 기판(W)의 처리에서의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(111)에서, 피처리 기판(W)을 성막했을 때의 막두께와 피처리 기판(W)에서의 위치와의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 9에서, 세로축은 막두께(Å)를 나타내고, 가로축은 중심 0로부터의 거리(mm)를 나타낸다. 또한 도 10에서, 피처리 기판(W)에서의 도 9 중에 도시한 X 축, Y 축, V 축, W 축을 도시한다. 도 9는, 제 1 반응 가스 공급부(161)로부터의 가스 공급량과 제 2 반응 가스 공급부(162)로부터의 가스 공급량의 비율을 22 : 78로 했을 경우를 나타낸다. 또한, 이 경우에서의 고리 형상부(173)의 중심 직경은 400 mm이며, 도 7에 도시한 거리(L1)는 90 mm이다. 또한 다른 프로세스 조건으로서, 압력을 100 mTorr, 아르곤 가스의 유량을 1000 sccm, HBr 가스의 유량을 600 sccm, 산소 가스의 유량을 4 sccm, 칠러 온도를 10℃로 하여 중앙 영역의 온도를 60℃, 단부 영역의 온도를 80℃로 하고 있다. 즉, 형상이 상대적으로 굵어지는 경향이 있는 단부 영역에서 온도를 높여 반응 생성물의 부착을 감소시키고, CD 바이어스를 증가, 즉 형상을 가늘게 하도록 제어한다. 또한, 형상이 상대적으로 가늘어지는 경향이 있는 중앙 영역에서 온도를 낮추어 반응 생성물의 부착을 증가시키고, CD 바이어스를 감소, 즉 형상을 굵게 하도록 제어한다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 피처리 기판(W)의 중앙 영역의 막두께가 단부 영역의 막두께보다 약간 두꺼워져 있지만, 비교적 평평하고 거의 균일하다. 즉, 면내 균일하게 처리되어 있다.
여기서, 종래의 도 6 등에 도시한 플라즈마 처리 장치의 구성에서는, 가스 공급량의 비율의 조정에 따라 피처리 기판(W)의 면내에서의 처리를 바꿀 수는 없다. 즉, 종래의 도 6 등에 도시한 플라즈마 처리 장치의 구성에서는, 가스 공급량의 비율을 변경하더라도, 피처리 기판(W)의 면내에서의 처리의 정도는 거의 변함없다.
또한 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치에서는, 제 2 반응 가스 공급부(162)를 구성하는 각 부재에 대하여 피처리 기판(W)의 직상 영역을 피한 위치에 설치되어 있기 때문에, 제 2 반응 가스 공급부(162)를 구성하는 각 부재의 플라즈마에 의한 피로를 저감시킬 수 있다. 따라서, 제 2 반응 가스 공급부(162)의 수명 장기화를 도모할 수 있다.
이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명했지만, 본 발명은 도시한 실시예의 것에 한정되지 않는다. 도시한 실시예에 대하여, 본 발명과 동일한 범위 내에서 혹은 균등한 범위 내에서 다양한 수정이나 변형을 가하는 것이 가능하다.
산업상의 이용 가능성
본 발명에 따른 플라즈마 에칭 처리 장치 및 플라즈마 에칭 처리 방법에 따르면, 에칭 처리 시에서의 피처리 기판의 CD 바이어스의 적절한 제어가 요구할 경우에 유효하게 이용된다.

Claims (13)

  1. 내부에서 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고 상부에 상기 피처리 기판을 보지(保持)하는 보지대와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 영역으로 상기 피처리 기판의 중앙부와 중앙부의 주변에 위치하는 단부가 미리 정해진 유량비가 되도록 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하여, 상기 중앙부의 영역의 CD(Critical Dimension) 바이어스와 상기 단부의 영역의 CD 바이어스가 맞추어지도록, 상기 제 1 및 제 2 히터를 제어하여 상기 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 제어 수단을 구비하는 플라즈마 에칭 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 반응 가스 공급부에 의한 반응 가스에 따라 상기 제 1 및 제 2 히터를 제어하는 플라즈마 에칭 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 단부의 영역의 온도가 상기 중앙부의 영역의 온도보다 높아지도록 상기 제 1 및 제 2 히터를 제어하는 플라즈마 에칭 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 피처리 기판은 에칭 대상이 되는 폴리 실리콘층을 가지고,
    상기 제어 수단은 상기 폴리 실리콘층의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 플라즈마 에칭 처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 히터는 상기 보지대의 내부에 설치되어 있는 플라즈마 에칭 처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 보지대는 원판 형상이며,
    상기 제 2 히터는 고리 형상인 플라즈마 에칭 처리 장치.
  7. 피처리 기판을 플라즈마 에칭 처리하기 위한 플라즈마 에칭 처리 방법으로서,
    처리 용기 내에 설치된 보지대 상에 상기 피처리 기판을 보지시키는 공정과,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 영역과 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역과의 온도를 상이하게 하여, 상기 중앙부의 영역의 CD(Critical Dimension) 바이어스와 상기 단부의 영역의 CD 바이어스가 맞추어지도록 하고, 상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 영역으로 상기 피처리 기판의 중앙부와 중앙부의 주변에 위치하는 단부가 미리 정해진 유량비가 되도록 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하고, 상기 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 공정을 포함한 플라즈마 에칭 처리 방법.
  8. 내부에서 피처리 기판에 플라즈마 처리를 행하는 처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 배치되고 상부에 상기 피처리 기판을 보지하는 보지대와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 영역을 가열하는 제 1 히터와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부의 주변에 위치하는 단부의 영역을 가열하는 제 2 히터와,
    플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생기와,
    상기 보지대와 대향하는 위치에 설치되고 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하는 유전체판과,
    상기 처리 용기 내에 플라즈마 처리용의 반응 가스를 공급하는 반응 가스 공급부와,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 상기 제 1 및 제 2 히터를 제어하여 상기 피처리 기판의 플라즈마 에칭 처리를 행하는 제어 수단을 구비하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 보지대는 상부에 보지된 상기 피처리 기판의 주위에 배치되는 포커스 링을 포함하고,
    상기 반응 가스 공급부는 상기 유전체판의 중앙부에 설치되어 있고, 상기 보지대 상에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 1 반응 가스 공급부와,
    상기 보지대 상에 보지된 상기 피처리 기판의 직상 영역을 피한 위치이고 또한 상기 보지대의 직상 영역에 설치되어 있고, 상기 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 제 2 반응 가스 공급부를 포함한 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스 공급부는 상기 보지대의 근방에 배치되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 반응 가스 공급부는 고리 형상부를 포함하고,
    상기 고리 형상부에는 반응 가스를 공급하는 공급홀이 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피처리 기판은 원판 형상이고,
    상기 고리 형상부는 원환 형상으로서,
    상기 고리 형상부의 내경은 상기 피처리 기판의 외경보다 큰 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 포커스 링은 원환 형상으로서,
    상기 공급홀은 상기 포커스 링의 외경측보다 내경측에 가까운 위치에 형성되어 있는 플라즈마 처리 장치.
  13. 피처리 기판을 플라즈마 처리하기 위한 플라즈마 처리 방법으로서,
    처리 용기 내에 설치되고 상부에 피처리 기판을 보지했을 때에 피처리 기판의 주위에 배치되는 포커스 링을 포함한 보지대 상에 피처리 기판을 보지시키는 공정과,
    플라즈마 여기용의 마이크로파를 발생시키는 공정과,
    유전체판을 이용하여 마이크로파를 상기 처리 용기 내에 도입하는 공정과,
    상기 보지대에 보지된 상기 피처리 기판의 중앙부 및 단부의 영역의 온도를 상이하게 하도록 제어하는 공정과,
    상기 유전체판의 중앙부로부터 상기 피처리 기판의 중앙 영역을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하고 또한, 상기 보지대 상에 보지된 상기 피처리 기판의 직상 영역을 피한 위치이고 또한 상기 보지대의 직상 영역으로부터 상기 포커스 링을 향하여 직하 방향으로 반응 가스를 공급하는 공정을 포함한 플라즈마 처리 방법.
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