KR101117929B1 - 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어난 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치를 제공한다.
플라스마에 의해 타겟(31)으로부터 이탈된 스파타 입자를 기판(W)의 표면에 퇴적시킬 때, 그 스파타 입자를 플라스마로 분해하여 활성종을 생성한 후, 기판 표면에 퇴적시킨다. 이에 의해, 플라스마 CVD와 유사한 성막 형태를 얻을 수 있어 커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어난 스파타 성막이 가능하다. 특히, 플라스마 소스로 고주파 전기장과 원형태 자기 중성선(25)을 이용하고 있기 때문에, 자기장 제로 영역에서 매우 높은 밀도의 플라스마를 효율 좋게 발생시킬 수 있다. 이 플라스마는, 자기 중성선의 형성 위치, 크기를 임의로 조정 함으로써 면내 균일성이 높은 플라스마 처리가 실현 가능하다.

Description

플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, NLD(자기 중성선 방전)를 이용한 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 분야의 박막 제조 공정에서는, 기판의 표면에 배선용의 박막이나 절연성 박막을 형성하는 성막 공정을 수행한다. 성막 장치에는, 플라스마 CVD 장치나 스파타(spatter) 장치가 넓게 이용되고 있다.
스파타 장치로서는, 타겟 이면에 전자석이나 영구자석을 배치하고, 타겟 표면 상에 링 형상의 마그네트론 방전 플라스마를 발생시켜 타겟을 스파타하며, 상기 스파타된 물체를 기판에 퇴적시켜 성막하는 마그네트론 스파타 장치가 공지되어 있다(특허문헌 1 참조). 마그네트론 스파타 장치는, 효율 좋은 플라스마를 형성할 수 있기 때문에, 비교적 저온, 저가스 압력 하에서의 성막이 가능하고, 성막 레이트도 높다하는 이점이 있다.
또, 종래 실리콘 기판 표면의 가공에는, 플라스마 에칭(드라이 에칭) 방법이 넓게 이용되고 있다. 실온에서 원자 상태(래디컬) 불소와 실리콘의 반응은 자발적이고, 비교적 높은 에칭 레이트를 얻을 수 있기 때문에, 실리콘 기판의 에칭에는, 에칭 가스로서 SF6, NF3, COF2, XeF2등의 불소를 포함한 가스가 많이 이용되고 있다. 그런데, 불소를 포함한 에칭 가스를 이용한 실리콘 기판의 드라이 에칭은 등방적이기 때문에, 형성된 요철 패턴(에칭 패턴)의 오목부의 측면에도 에칭이 진행한다. 이 때문에, 스투홀(through-hole)이나 딥 트렌치(deep Trench) 등이 미세하여 애스펙트비가 높은 비아를 고정밀도로 형성하는 것이 곤란하였다.
따라서, 근래에는 패턴의 측면에 보호막을 형성하면서 에칭을 실시 함으로써, 에칭의 골방향의 확장을 억제하고, 패턴 측면의 수직성을 유지할 수 있는 실리콘 기판의 딥 에칭(deep etching) 기술이 제안되고 있다.
예컨대 특허문헌 2, 3에는, 에칭 공정과 보호막 형성 공정을 교대로 반복하여 실시 함으로써, 에칭 공정으로 노출된 패턴의 아랫부 및 측면에 폴리머 층으로 이루어지는 보호막을 형성하면서 에칭을 실시하는 방법이 개시되고 있다. 보호막 형성 공정에서 오목부의 측면에 형성된 폴리머 층은, 패턴의 아랫부에 형성된 폴리머 층에 비해, 에칭 공정에서 제거되는 양이 적기 때문에, 이 패턴의 측면에 형성된 폴리머 층이 에칭 보호막으로서 기능하고, 에칭 방향을 패턴의 깊이 방향에 제한하는 이방성 에칭이 실현 가능하게 된다.
특히, 특허문헌 2에는, 보호막의 성막 방법으로서 CHF계 가스를 이용한 CVD법이 개시되고 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 보호막의 성막 방법으로서 기판에 대향 배치된 스파타 타겟에 대해 아르곤 가스를 이용한 스파타 법이 개시되고 있다.
특허문헌1;일본특허공개2001-271163호공보 특허문헌2:미국특허제제5,501,893호명세서 특허문헌3:WO2006/003962호공보
일반적으로, 스파타 장치에서는, 플라스마 안 이온과의 충돌로 인해 타겟 표면으로부터 이탈된 스파타 입자(스파타 물체)가 기판에 대해 직선적으로 입사 하기 때문에, 기판 표면의 단차 부분이나 높은 애스펙트비의 홀, 또는 골의 측벽에 대한 성막 정밀도가, 기판과 타겟 사이의 기하학적 배치 관계에 큰 영향이 된다. 이 때문에, 기판 표면의 성막 영역 전체에 걸쳐 균일한 커버리지(coverage) 성질을 확보할 수 없다라는 문제가 있다. 특히 마그네트론 스파타 장치에서는, 플라스마 밀도의 분포에 기인한 타겟의 에로-존 속도가 서로 달라, 균일성 확보가 보다 곤란하게 된다.
한편, 실리콘 기판의 딥 가공 기술 분야에 있어서는, 가공 정밀도의 향상과 생산성의 개선이 요구되고 있다. 딥 가공 기술의 가공 정밀도 향상에는, 에칭 패턴의 고정밀도 형상 제어가 필수가 된다. 이 때문에, 형성된 비아의 사이드 에칭을 보호막으로 방지하면서, 비아의 형상 정밀도를 향상시키도록 하고 있다.
이 경우, 에칭 패턴의 오목부를 피복하는 보호막의 커버리지 성질이 중요한 요소가 된다. 커버리지 성질은, 일반적으로 패턴의 형상이 미세할수록, 패턴의 깊이가 깊어질수록, 제어가 곤란해진다. 또, 생산성의 개선에는, 커버리지 성질의 면내 분포 향상을 도모하여야 한다. 따라서, 원하는 패턴 형상을 갖는, 비아를 포함하는 기판을 높은 생산성으로 얻기 위해서는, 보호막의 커버리지 성질 향상과 그 면내 분포를 고도로 컨트롤할 수 있는 기술이 불가결하게 된다.
이상과 같은 사정에 따라, 본 발명의 목적은, 커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어난 플라스마 처리 방법 및 플라스마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 플라스마 처리 방법은, 진공 챔버 내부에서 플라스마를 발생시키고, 기판을 에칭하는 공정과, 에칭 패턴의 측벽부에 보호막을 형성하는 공정을 교대로 반복한다.
상기 보호막의 형성 공정은, 상기 기판과 상기 기판에 대향하여 배치된 타겟재 사이에서 고주파 전기장과 자기 중성선을 형성하여 플라스마를 발생시키는 것을 포함한다. 상기 타겟재는 스파타 되고, 그 스파타 물체는 상기 플라스마로 분해하여 상기 기판으로 퇴적하게 한다.
본 발명의 일 형태에 관한 플라스마 처리 장치는, 진공 챔버와, 스테이지와, 타겟재와, 플라스마 소스를 구비한다.
상기 스테이지는, 기판을 지지하기 위한 것이기 때문에, 상기 진공 챔버의 내부에 설치된다. 상기 타겟재는, 상기 스테이지와 대향하여 설치된다. 상기 플라스마 소스는, 상기 진공 챔버 내에 고주파 전기장을 형성하는 전기장 형성 수단과, 상기 진공 챔버 안에 자기 중성선을 형성하는 자기장 형성 수단을 포함한다. 상기 플라스마 소스는, 상기 전기장 형성 수단 및 상기 자기장 형성 수단에 의해 상기 스테이지와 상기 타겟재 사이에 발생시킨 플라스마로, 상기 기판을 에칭하거나 또는 상기 타겟재를 스파타하고, 그 스파타 물체를 해당 플라스마로 분해하여 상기 기판에 퇴적시킨다.
본 발명의 일실시 형태에 관한 플라스마 처리 방법은, 진공 챔버의 내부에서 플라스마를 발생시키고, 기판을 에칭하는 공정과, 에칭 패턴의 측벽부에 보호막을 형성하는 공정을 교대로 반복한다.
상기 보호막의 형성 공정은, 상기 기판과 상기 기판에 대향하여 배치된 타겟재와의 사이에 고주파 전기장과 자기 중성선을 형성하여 플라스마를 발생 시키는 것을 포함한다. 상기 타겟재는 스파타되고, 그 스파타 물체는 상기 플라스마로 분해하여 상기 기판에 퇴적하게 한다.
상기 플라스마 처리 방법에서는, 플라스마에 의해 타겟으로부터 이탈된 스파타 물체를 기판 표면에 퇴적 시킬 때에, 그 스파타 물체를 플라스마로 분해하고, 다시 여기하여 이온이나 활성 종류를 생성한다. 이에 따라, 플라스마 CVD와 유사한 성막 형태를 얻을 수 있고, 커버리지 성질이 높고 면내 균일성이 뛰어난 스파타 성막이 가능하게 된다.
특히, 플라스마 소스에 고주파 전기장과 자기 중성선을 이용하고 있기 때문에, 자기장 제로 영역에서 매우 고밀도의 플라스마를 높은 효율로 발생 시킬 수 있다. 이 플라스마는, NLD(자기 중성선 방전)로 일컫는 고밀도 플라스마의 한 형태이며, 자기 중성선의 형성 위치, 크기를 임의로 조정 함으로써 면내 균일성이 높은 플라스마 처리가 실현 가능하다.
상기 플라스마 처리 방법은, 타겟의 스파타 물체를 플라스마로 분해하고, 기판 상으로 퇴적 시키도록 하고 있다. 이에 따라, 커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어난 스파타 성막이 가능하다.
상기 플라스마 처리 방법에서, 타겟재는 합성수지, 규소, 탄소, 탄화규소, 산화규소, 질화규소 등, 성막해야 할 재료의 종류에 따라 적당하게 선택할 수 있다. 또한, 처리 가스는, 아르곤 등의 비활성기체(inert gas)를 포함한 불활성가스, C4F8, CHF3 등의 불소 함유 가스, 혹은 이들 혼합 가스를 이용할 수 있다. 불소 함유 가스는 그 자체가 성막 가스로서 기능 시킬 수 있고, 예컨대 해당 가스의 분해 생성 물질과 스파타 물체의 반응물을 기판 위에 퇴적 시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일실시 형태에 관한 플라스마 처리 장치는, 진공 챔버, 스테이지, 타겟재, 플라스마 소스를 구비한다.
상기 스테이지는, 기판을 지지하기 위한 것이기 때문에, 상기 진공 챔버 내부에 설치된다. 상기 타겟재는, 상기 스테이지와 대향하여 설치된다. 상기 플라스마 소스는, 상기 진공 챔버 내에서 고주파 전기장을 형성하는 전기장 형성 수단고, 상기 진공 챔버 내에서 자기 중성선을 형성하는 자기장 형성 수단을 포함한다. 상기 플라스마 소스는, 상기 전기장 형성 수단 및 상기 자기장 형성 수단에 의해 상기 스테이지와 상기 타겟재 사이에 발생 시킨 플라스마로, 상기 기판을 에칭하거나, 또는 상기 타겟재를 스파타하고, 그 스파타 물체를 해당 플라스마로 분해하여 상기 기판에 퇴적 시킨다.
상기 플라스마 처리 장치에서는, 플라스마에 의해 타겟으로부터 이탈된 스파타 물체를 기판 표면에 퇴적시킬 때에, 그 스파타 물체를 플라스마로 분해, 다시 여기하여 이온이나 활성종을 생성 한다. 이에 따라, 플라스마 CVD와 유사한 성막 형태를 얻을 수 있고, 커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어난 스파타 성막이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 플라스마 처리 장치의 개략 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라스마 처리 장치의 일 동작예를 나타내는 타이밍 플로우이다.
도 3은 NLD 스파타와 ICP 스파타에 의한 패턴의 구멍폭과 커버리지 비율과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 스파타 용 타겟재(PTFE)의 C1s 파형 분리 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 5는 ICP 스파타 막의 C1s 파형 분리 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 6은 NLD 스파타 막의 C1s 파형 분리 스펙트럼을 나타내는 도면이다.
도 7은 ICP 스파타 및 NLD 스파타의 스파타 레이트의 면내 분포를 나타내는 도면이다.
도 8은ICP 에칭 및 NLD 에칭의 에칭 레이트의 면내 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 ICP 및 NLD를 이용한 실리콘 기판의 딥 가공을 실시할 때의 면내의 패턴 형상을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 스파타 장치의 개략 구성도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 스파타 장치의 개략 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 스파타 장치의 개략 구성도이다.
도 13은 도 1에 도시한 플라스마 처리 장치 구성의 변형예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 각 실시 형태에 대해서 도면을 참조하여 설명 한다.
＜제1 실시 형태＞
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 플라스마 처리 방법을 실시하기 위한 플라스마 처리 장치(11)의 개략 구성도이다. 도시한 플라스마 처리 장치(11)는, NLD(자기 중성선 방전：magnetic Neutral Loop Discharge) 형의 플라스마 에칭 장치로서의 기능과 NLD를 이용한 스파타 장치로서의 기능을 가지고 있다.
도 1에서, 진공조(21)는, 플라스마 형성 공간(21a)를 포함한 진공 챔버를 형성한다. 진공조(21)에는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프(P)가 중첩 되고, 진공조(21)의 내부가 소정의 진공도로 진공 배기 되고 있다.
플라스마 형성 공간(21a)의 주위는, 진공조(21)의 일부를 구성하는 통 모양벽(22)에 의해서 구획되고 있다. 통 모양벽(22)는 석영 등의 투명 절연재료로 구성 되고 있다. 통 모양벽(22)의 외주 측에는, 제1 고주파전원(RF1)에 접속된 플라스마 발생용의 고주파 코일(안테나, 23, 전기장 형성 수단)과, 이 고주파 코일(23)의 외주측에 배치된 3개의 자기코일(24A, 24B, 24C)로 구성되는 자기코일 군(24, 자기장 형성 수단)가 각각 배치 되고 있다.
자기코일(24A)와 자기코일(24C)에는 각각 동일 방향으로 전류가 공급되고, 자기코일(24B)에는 다른 자기코일(24A, 24C)과 역방향으로 전류가 공급 된다. 그 결과, 플라스마 형성 공간(21a)에서, 자기장 제로가 되는 자기 중성선(25)이 원 형상으로 연속하여 형성된다. 그리고, 고주파 코일(23)에 의해 자기 중성선(25)을 따라 유도 전기장(고주파 전기장)이 형성 됨으로써, 방전 플라스마가 발생 된다.
특히, NLD 방식의 플라스마 처리 장치에서는, 자기코일(24A~24C)에 흐르는 전류의 크기에 따라, 자기 중성선(25)의 형성 위치 및 크기를 조정 할 수 있다. 즉, 자기코일(24A, 24B, 24C)에 흐르는 전류를 각각 IA, IB, IC로 하는 경우, IA>IC이면 자기 중성선(25)의 형성 위치는 자기코일(24C) 측으로 내려오고, 반대로, IA<IC이면 자기 중성선(25)의 형성 위치는 자기코일(24A)측으로 올라간다. 또한, 중간의 자기코일(24B)에 흐르는 전류 IB를 증가시키면, 자기 중성선(25)의 링 지름은 작아지는 것과 동시에, 자기장 제로 위치에서의 자기장 슬로프(slope)가 완만하게 된다. 이러한 특성을 이용 함으로써, 플라스마 밀도 분포의 최적화를 도모할 수 있다.
한편, 진공 챔버의 내부에는, 반도체 웨이퍼(예컨대 실리콘 기판)나 유리 기판 등의 피처리 기판(W)를 지지하는 스테이지(26)가 설치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 피처리 기판(W)으로서 실리콘 기판이 이용되고 있다. 스테이지(26)는 도전체로 구성되어 있고, 콘덴서(27)를 통해 제2 고주파전원(RF2)에 연결되고 있다. 또한, 스테이지(26)에는, 기판(W)을 소정 온도로 가열하기 위한 히터 등의 가열 소스가 내장되어 있어도 무방하다.
플라스마 형성 공간(21a)의 상부에는, 천판(28)이 설치되어 있다. 천판(28)은, 스테이지(26)의 대향 전극으로 구성되어 있고, 콘덴서(29)를 통해 제3 고주파전원(RF3)이 접속되고 있다. 천판(28)의 플라스마 형성 공간(21a) 측의 면에는, 스파타에 의해 기판(W)을 성막하기 위한 타겟재(31)가 부착되어 있다. 타겟재(31)는, 본 실시 형태에서는, polytetrafluoroethylene(PTFE) 등의 불소수지재가 이용되고 있지만, 이외의 합성수지 재료, 또는 규소재, 탄소재, 탄화규소재, 산화규소재, 질화규소재 등이 적용 가능하다.
천판(28)의 주위에는, 진공조(21)의 내부에 프로세스 가스를 도입하기 위한 가스 도입 부재(30)이 설치되어 있다. 스파타 용도의 프로세스 가스로는, 아르곤이나 질소 등의 비활성가스 혹은 불활성가스 외, C4F8, CHF3 등의 불소 함유 가스, 혹은 이들 불활성가스와 불소 함유 가스와의 혼합 가스가 이용된다. 특히, 프로세스 가스로서 C4F8, CHF3 등의 프로로카본계 가스는 그 자체를 성막 가스로 기능시킬 수 있고, 예컨대 해당 가스의 분해 생성 물건과 타겟재(31)의 스파타 물체의 반응물을 기판(W) 상으로 퇴적 시킬 수 있다. 에칭 가스로는, SF6, NF3, SiF4, XeF2, COF2 중 적어도 어느 하나의 종 또는 불활성가스와의 혼합 가스가 이용된다. 본 실시 형태에서는, 에칭 가스로서 SF6와 Ar의 혼합 가스가 이용되고 있다.
이상과 같이 구성되는 본 실시 형태의 플라스마 처리 장치(11)에 대해서는, 스테이지(26) 상에 거치된 기판(W)에 대해 에칭 공정과 보호막 형성 공정을 교대로 반복하여 실시 함으로써, 기판 표면에 높은 에스펙트비의 구멍 또는 딥 도랑 등으로 구성되는 비아를 형성한다.
도 2는, 본 실시 형태의 플라스마 처리 장치(11)의 일 동작예를 나타내는 타이밍 차트이다. 도 2에서, A는 스테이지(26)에 인가되는 제2 고주파전원(RF2)의 인가 타이밍, B는, 천판(28)에 인가되는 제3 고주파전원(RF3)의 인가 타이밍, C는, 진공조(21)의 내부에서 압력 변화를 나타내고 있다. 이 예에서는, 에칭 공정의 처리 압력(프로세스 가스 도입량)은, 보호막 형성 공정의 처리 압력 보다 높게 설정 되어 있다. 또한 제1 고주파전원(RF1)은, 에칭 공정 및 보호막 형성 공정을 통해, 고주파 코일(23)에 상시 입력 되고 있다.
기판(W)의 표면에는 미리 레지스트 마스크가 형성되어 있다. 이 레지스트 마스크에는, 유기 레지스트나 메탈 마스크 등이 이용되고 있다. 에칭 공정 및 보호막 형성 공정에서는, 플라스마 형성 공간(21a)에, 자기코일군(24)에 의한 환 형태의 자기 중성선(25)이 형성되는 것과 동시에, 제1 고주파전원(RF1)으로부터 고주파 코일(23)로의 전력 투입에 의해, 자기 중성선(25)을 따라 유도 결합 플라즈마가 형성된다.
에칭 공정에서, 진공조(21) 내부에 도입된 에칭 가스(예컨대 Ar과 SF6)는, 플라스마 형성 공간(21a)에서 플라스마화 하고, 생성된 이온과 래디컬에 의해 스테이지(26) 상의 기판(W)를 에칭 처리 한다. 이때, 제2 고주파전원(RF2)으로부터의 전력 투입으로 기판 바이어스가 ON이 되고, 이온을 스테이지(26) 측으로 가속시키며, 기판 상의 래디컬 생성물을 스파타 제거하여 에칭 성질을 높인다. 즉, 불소 래디컬이 실리콘과 반응하여 래디컬 생성물을 형성하고, 이를 플라스마 내의 이온에 의한 스파타 동작으로 제거 함으로써, 실리콘 기판의 에칭 처리가 진행한다.
한편, 에칭 공정을 소정 시간 수행한 후, 진공조(21)의 내부에 잔류하는 에칭 가스가 배기된다. 그리고, 성막용의 프로세스 가스(예컨대 Ar)가 진공조(21) 내부에 도입됨에 따라 보호막 형성 공정이 개시된다. 도입된 프로세스 가스는, 플라스마 형성 공간(21a)에서 플라스마화한다. 이 때, 기판 바이어스(RF2)는 OFF가 되고, 대신 제3 고주파전원(RF3)로부터의 전력 투입으로 천판 바이어스가 ON이 된다. 그 결과, 천판(28)에 설치된 타겟재(31)는 플라스마 내의 이온에 의해 스파타 되고, 그 스파타 물체가 기판(W)의 표면 및 상술한 에칭 공정에서 형성된 오목부에 부착 한다. 이상과 같이 에칭 오목부의 아랫부 및 측면에, 보호막으로서 기능하는 폴리머 층이 형성 된다.
여기서, 타겟재(31)으로부터 이탈된 스파타 입자는, 플라스마 형성 공간(21a)에 형성되어 있는 NLD 플라스마를 통과하여 기판(W)에 도달한다. 이 때, 스파타 입자는, 자기 중성선(25)이 형성되는 고밀도 플라스마 영역으로 분해, 재여기 됨으로써 화학적 증착법(CVD법)과 유사한 성막 형태로, 기판(W)의 표면에 대해 등방적으로 입사한다. 따라서, 본 실시 형태에 의해서 얻을 수 있는 에칭 패턴의 단차 피막(보호막)은, 자기 중성선(25)이 형성되지 않는 ICP 플라스마 만에 의한 스파타 프로세스에 비해, 커버리지 성질이 높고, 면내 균일성이 뛰어나다.
보호막 형성 공정을 소정 시간 수행한 후, 다시 상술한 에칭 공정을 수행한다. 이 에칭 공정의 초기 단계는, 에칭 오목부의 바닥면을 피복하는 보호막의 제거 작용으로 이루어진다. 그 후, 보호막 제거에 따라 노출된 에칭 오목부의 바닥면에 대한 에칭 처리가 재개 된다. 이 때, 플라스마 내 에칭 가스의 이온은, 기판 바이어스 작용에 의해서 기판에 대해서 수직 방향으로 입사한다. 이 때문에, 에칭 오목부의 측면을 피복하는 보호막에 도달하는 이온은, 에칭 오목부의 바닥면에 도달하는 이온에 비해 적다. 따라서, 에칭 공정의 사이, 에칭 오목부의 측면을 피복하는 보호막은 완전하게 제거되지 않고 잔류 한다. 이에 의해, 에칭 오목부의 측면과 불소 래디컬과의 접촉이 회피 되고, 오목부의 측면 에칭에 의한 침식이 방지된다.
이후, 상술의 에칭 공정과 보호막 형성 공정이 교대로 반복하여 수행 됨으로써, 기판 표면에 대해서 수직 방향의 이방성 에칭이 실현된다. 이상과 같이 하여, 기판(W) 내부에 높은 에스펙트비의 비아(컨택트 홀, 트렌치(trench)가 제작된다.
본 실시 형태에 의하면, 기판(W) 상의 마스크패턴을 포함한 에칭 패턴을 덮는 단차 피막으로서 보호막을 형성할 때에, ICP 플라스마를 이용한 스파타 처리를 자기 중성선(25) 존재하에서 실시함으로써, 자기 중성선을 형성하지 않고 ICP 플라스마 만을 이용하여 스파타 처리를 실시한 경우에 비해, 높은 커버리지 성질을 얻을 수 있다.
도 3은, 본 발명과 관련되는 NLD를 이용한 스파타 처리에서의 마스크패턴의 구멍폭과 커버리지 비율과의 관계를 나타내는 일실험 결과이다. 또한 비교로서 자기 중성선을 형성하지 않고 ICP 플라스마 만을 이용하여 스파타 처리를 실시한 경우(이하, 간략하게 「ICP 스파타」라 함.)의 커버리지 특성도 도 3에 나타낸다.
커버리지 비율은, 도 3에 도시한 것과 같이, 실리콘 기판(직경 20 cm(8인치))의 표면에 형성된 두께 1μm의 마스크패턴 PR를 피복하는 단차 피막에 대해, 마스크 상면(요철 패턴의 볼록부 상면)의 막 두께(데포 두께, A)에 대한 마스크 측면(요철 패턴의 오목부 측면)의 막 두께(데포 두께, B)의 비(B/A)로 정의 된다. 타겟재는 PTFE로 한다. NLD 및 ICP의 스파타 조건은 각각 이하와 같다.
(NLD 스파타 조건)
- 프로세스 가스 : Ar 30［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 3000［W］ 13.56［MHz］
RF2 : 0［W］
RF3 : 500［W］ 12.50［MHz］
- 처리시간 : 4［sec］
- 처리압력 : 2.6［Pa］
- 자기코일 전류 자기 전기코일(24A) : 30.6［A］
자기코일(24B) : 49.3［A］
자기코일(24C) : 30.6［A］
원형태 자기 중성선의 반경 : 146［mm］
(ICP 스파타 조건)
- 프로세스 가스 : Ar　30［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 3000［W］　13.56［MHz］
RF2 : 0［W］
RF3 : 500［W］　12.50［MHz］
- 처리시간 : 4［sec］
- 처리압력 : 2.6［Pa］
도 3의 결과로부터 알 수 있는 것과 같이, 마스크패턴의 오목부의 폭(구멍폭)이 100μm 이하일 경우, ICP 스파타의 경우에는 커버리지 비율이 0.8(80%)을 밑돌고 있는데 대해, NLD 스파타의 경우에는 0.8을 넘는 커버리지 비율을 얻을 수 있었다. 그 이유는, NLD 스파타 쪽이, ICP 스파타에 비해, 플라스마에 의한 스파타 입자의 재여기 효율이 높고, 따라서 전기적으로 중성인 래디컬의 발생양이 NLD 스파타 쪽이 많아, 기판 상의 마스크패턴에 대해 등방적으로 입사하는 스파타 물체가 증가하기 때문으로 생각할 수 있다.
플라스마에 의한 스파타 입자의 재여기 효율 차이는, 기판 상에 형성되는 스파타 막의 재료 조성의 차이로 나타난다. 도 4, 도 5 및 도 6은, 타겟재, ICP 스파타 막, 및 NLD 스파타 막에 대해 측정한 C1s 파형 분리 스펙트럼을 각각 나타내고 있다. ICP에 의한 스파타 막의 파형분리 결과(도 5)와, NLD에 의한 스파타 막의 파형분리 결과(도 6)를 비교하면, 「CF2」, 「CF」 및 「C－C」의 피크 크기의 상관이 다르고, 양 스파타 막의 조성이 상이하게 나타난다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, NLD 스파타의 경우, 패턴 오목부의 구멍폭이 5μm이하가 되면 커버리지 비율이 큰폭으로 향상하는 것을 알 수 있다. 그리고, 구멍폭 2μm 시의 0.97이라 하는 매우 높은 커버리지 비율을 얻을 수 있다. 이와 같이, 요철 패턴이 미세 피치가 되는 만큼, NLD 스파타에 의한 효과가 현저하게 되고, 미세 패턴에 대해 뛰어난 커버리지 특성을 얻는 것이 가능하다.
다음으로, 에칭 공정과 스파타 공정(보호막 형성 공정)을 교대로 반복하여 실리콘 기판을 딥 가공할 때의 패턴 형상의 면내 균일성 평가 결과에 대해 설명 한다.
실리콘 기판(직경 20 cm(8인치))의 표면에 레지스트 패턴을 형성하고, 이 저항 패턴을 마스크로서 에칭 공정과 보호막 형성 공정(스파타 공정)을 교대로 반복하며, 실리콘 기판의 딥 가공을 실시한다. 프로세서는, 자기 중성선을 형성 하지 않는 ICP 에칭(이하, 간략하게 「ICP 에칭」이라 칭한다.) 및 ICP 스파타의 조합과, NLD 에칭 ,및 NLD 스파타의 조합으로 수행한다.
ICP 에칭 조건 및 ICP 스파타 조건은 각각 이하와 같다.
(ICP 에칭 조건)
- 프로세스 가스 : Ar 30［sccm］
SF6 300［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 1500［W］　13.56MHz
RF2 : 60［W］ 12.50MHz
RF3 : 0［W］
- 처리시간 ： 7［sec］
- 처리압력 : 10［Pa］
(ICP 스파타 조건)
- 프로세스 가스 : Ar 30［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 3000［W］ 13.56MHz
RF2 : 0［W］
RF3 ： 500［W］ 12.50MHz
- 처리시간 : 4［sec］
- 처리압력 : 2.6［Pa］
NLD 에칭 조건 및 NLD 스파타 조건은 각각 이하와 같다.
(NLD 에칭 조건)
- 프로세스 가스 : Ar 30［sccm］
SF6　300［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 1500［W］ 13.56［MHz］
RF2 : 60［W］ 12.50［MHz］
RF3 : 0［W］
- 처리시간 : 7［sec］
- 처리압력 : 10［Pa］
- 자기코일 전류 자기 전기코일(24A) : 30.6［A］
자기코일(24B) : 54.0［A］
자기코일(24C) : 30.6［A］
(NLD 스파타 조건)
- 프로세스 가스 : 아르곤(Ar) 30［sccm］
- 고주파전력　RF1 : 3000［W］ 13.56［MHz］
RF2 : 0［W］
RF3 ： 500［W］ 12.50［MHz］
- 처리시간 : 4［sec］
- 처리압력 : 2.6［Pa］
- 자기코일 전류 자기 전기코일(24A) : 30.6［A］
자기코일(24B) : 49.3［A］
자기코일(24C) : 30.6［A］
원형태 자기 중성선의 반경 : 146［mm］
도 7은, ICP 스파타 및 NLD 스파타 각각에 대해 측정한 스파타 레이트의 면내 분포를 나타내고 있다. 그리고, 도 8은, ICP 에칭 및 ICP 에칭 각각에 대해 측정한 에칭 레이트의 면내 분포를 나타내고 있다. 도 7, 도 8에서의 X축, Y축은, 기판 면내에서 직교하는 2축 방향을 나타내고 있다. 또, 도 9에 ICP 및 NLD 각각에 실리콘 기판의 가공부(웨이퍼 중심 위치와 지름 방향의 양 엣지부로부터 10 mm 안쪽 측의 위치)의 단면 SEM 사진을 나타낸다.
도 9에 도시한 바와 같이, ICP 에칭의 경우는, 레지스트 마스크의 직하부에서 실리콘 기판의 사이드 에칭이 허용될 수 있다. 이에 대해, NLD 에칭의 경우, 실리콘 기판의 사이드 에칭은 거의 허용되지 않고, 기판 표면에 대해 수직으로 균일한 구멍 폭으로 패턴이 형성되고 있는 것이 확인된다. 이는, 상술한 바와 같이 ICP 스파타에 비해 NLD 스파타 쪽이 보호막의 커버리지 특성이 높고, 그 결과, 패턴의 측벽을 사이드 에칭으로부터 효과적으로 방지할 수 있기 때문으로 생각할 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, ICP 스파타에 의한 스파타 레이트의 면내 분포에 관하여서는 웨이퍼 중심부가 엣지부보다 높고, ICP 에칭에 의한 에칭 레이트의 면내 분포에 관하여서는 웨이퍼 중심부가 엣지부보다 낮다. 그 결과, 도 9에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 중심부에 비해 엣지부가, 패턴의 사이드 에칭 정도가 크고, 특히 레지스트 마스크의 직하부에서 패턴이 세밀하게 작성될 수 있다. NLD 에칭의 경우에 비해, ICP 에칭의 경우에는 에칭 깊이의 면내 불균형이 크다.
이상의 결과로부터 알 수 있듯이, ICP에 비해, NLD가 스파타 레이트 및 에칭 레이트가 뛰어난 면내 균일성을 얻을 수 있고, 기판 표면에 수직한 에칭 패턴의 측벽으로의 균일한 보호막의 형성과, 기판 표면에 수직한 에칭 가공을 실현할 수 있다. 또, 본 실시 형태에 의하면, 실리콘 기판의 딥 가공 기술에 있어, 가공 정밀도의 향상과 생산성의 개선을 도모할 수 있다.
＜제2 실시 형태＞
도 10은, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 플라스마 처리 장치로서의 스파타 장치(12)의 개략 구성도이다. 또한 도면에서 상술한 제1 실시 형태와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 형태의 스파타 장치(12)는, 진공조(21)와 천판(28) 사이에 통 모양벽(22, 도 1)이 설치되지 않고, 천판(28)이 직접, 진공조(21)의 상부에 설치된 구성을 가지고 있다. 스테이지(26)와 천판(28) 사이는 플라스마 형성 공간(21a)으로 되어 있다. 스테이지(26)와 천판(28) 사이의 갭 D는, 10 mm이상 40 mm이하로 설정되어 있다.
플라스마의 발생에 필요한 고주파 전기장은, 스테이지(26)와 그 대향 전극인 천판(28)에 의해서 형성 된다. 즉, 스테이지(26)와 천판(28) 사이의 용량 결합에 의해서 플라스마 형성 공간(21a)에 고주파 전기장이 형성 된다. 또한, 진공조(21)의 상부에 배치된 자기코일군(24)에 의해서 플라스마 형성 공간(21a)에 원형태의 자기 중성선(25)이 형성 된다. 또한 이 원형태 자기 중성선(25)은, 자기코일(24A)을 흐르는 전류(IA)가, 자기코일(24C)를 흐르는 전류(IC) 보다 크게 함으로써, 플라스마 형성 공간(21a)의 소정 위치에 형성 된다.
플라스마 형성 공간(21a)은, 도입된 프로세스 가스의 플라스마를 발생 시킨다. 천판(28)에 설치된 타겟재(31)는 플라스마에 의해 스파타되고, 타겟재(31)로부터 이탈된 스파타 입자는 플라스마로 분해하여 기판(W) 상에 퇴적 된다. 이에 따라, 상술의 제1 실시 형태와 동일하게, 기판(W)의 표면에 대해 균일성이 뛰어난 스파타 막이 형성 된다.
＜제3 실시 형태＞
도 11은, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 플라스마 처리 장치로서의 스파타 장치(13)에 관한 개략 구성도이다. 또한, 도면에서 상술한 제1 실시 형태와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 형태의 스파타 장치(13)에서, 천판(28)은, 중앙부에 구멍을 갖는 링 상태를 나타내고, 이에 맞추어 타겟재(31)도 원형태로 형성되고 있다. 천판(28)의 구멍에는, 절연부재(34)를 통해 전극부재(33)가 설치되어 있고, 이 전극부재(33)에는 콘덴서(32)를 통해 제4 고주파전원(RF4)이 접속되어 있다. 제4 고주파전원(RF4)는 전극부재(33)로 소정의 고주파전력을 인가하고, 플라스마 형성 공간(21a)에 고주파 전기장을 형성하는 것과 동시에, 자기코일군(24)에 의해서 형성되는 자기 중성선과 협동하고, 플라스마 형성 공간(21a)에 고밀도 플라스마를 발생시킨다.
본 실시 형태에 있어서도, 상술한 제2 실시 형태와 같은 동작 효과를 얻을 수 있다. 특히 본 실시 형태에서는, 플라스마 형성용의 제4 고주파전원(RF4)과 천판(28)에 대하여 바이어스 인가용의 제3 고주파전원(RF3)을 각각 별도 전원으로 구성하고 있다. 이에 의해, 플라스마를 유지하면서 천판(28)에 대한 전력 공급의 ON/OFF를 주기적으로 바꾸고, 또한 천판(28)에 대한 전력 공급의 정지시에 프로세스 가스로서 에칭 가스(예컨대 SF6와 Ar과의 혼합 가스)를 도입 함으로써, 기판(W)에 대한 성막 프로세스와 에칭 프로세스를 교대로 실시하는 플라스마 처리 장치를 구성하는 것이 가능하다. 이 경우, 성막 공정은, 에칭에 의해 기판 상에 형성된 오목한 부분의 측벽 보호막의 형성 공정으로서 실시된다. 상기 구성에 의해, 제1 실시 형태와 동일하게 가공 정밀도 및 생산성이 뛰어난 실리콘 기판의 딥 가공을 실현할 수 있기 때문에, 기판 표면에 높은 에스펙트비의 구멍 또는 틈을 형성하는 것이 가능하다.
＜제4 실시 형태＞
도 12는, 본 발명의 제4 실시 형태에 의한 플라스마 처리 장치로서의 스파타 장치(14)에 대한 개략 구성도이다. 또한, 도면에서 상술한 제1 실시 형태와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
본 실시 형태의 스파타 장치(14)에서, 천판(28)은, 중앙부에 구멍을 갖는 링 상태를 나타내고, 이에 맞추어 타겟재(31)도 원형태로 형성되고 있다. 천판(28)의 구멍에는, 석영 등의 투명 절연재료로 구성되는 창 부재(35)가 설치되고 있고, 이 창 부재(35)에는, 제4 고주파전원(RF4)과 접속된 안테나코일(36)이 설치되어 있다. 제4 고주파전원(RF4)은 안테나코일(36)로 소정의 고주파전력을 인가하고, 플라스마 형성 공간(21a)에 유도 전기장을 형성하는 것과 동시에, 자기코일군(24)에 의해 형성되는 자기 중성선과 협동하고, 플라스마 형성 공간(21a)에 고밀도 플라스마를 발생시킨다.
본 실시 형태에서도, 상술의 제2 실시 형태와 동일한 동작 효과를 얻을 수 있다. 또, 플라스마 형성용의 제4 고주파전원(RF4)과 천판(28)에 대한 바이어스 인가용의 제3 고주파전원(RF3)이 각각 별도 전원으로 구성되고 있기 때문에, 상술의 제3 실시 형태와 같게, 에칭 공정과 성막 공정을 교대로 실시 가능한 플라스마 처리 장치를 구성할 수 있다.
더욱이 투명한 창 부재(35)의 윗쪽으로 기판(W)의 피처리면을 검출하는 센서(도시하지 않음)를 설치 함으로써, 기판(W)의 스파타 막 두께 혹은 에칭 깊이를 검출하는 것이 가능하다. 이에 의해, 기판을 횡방향으로부터 검출하는 경우와 달리, 기판의 표면 변화를 리얼타임으로 검출하는 것이 가능하다.
이상, 본 발명의 각 실시 형태에 대해서 설명하였지만, 물론 본 발명은 이들에 의해 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상에 근거하여 여러가지의 변형이 가능하다.
예컨대 이상의 제1 실시 형태에서는, 플라스마 발생용의 제1 고주파전원(RF1)과 타겟 바이어스용의 제3 고주파전원(RF3)을 각각 별도 전원으로 구성한 예에 대해 설명하였지만, 이에 한정하지 않고, 도 13에 도시한 바와 같이, 단일의 고주파전원(RF)을 이들 2개의 고주파전원으로서 구성하는 것도 가능하다. 또한 부호 37은, 고주파전원(RF)와 천판(28) 사이에 설치된 가변 콘덴서이다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 보호막 형성용의 프로세스 가스로서 Ar 가스 단체를 이용한 예에 대해 설명하였지만, 이에 한정되지 않는다. 예컨대 보호막 형성 공정의 프로세스 가스로, Ar과 반응성 가스(C4F8, CHF3 등)의 혼합 가스를 이용하여도 무방하다. 이 경우, 프로세스 가스 중 반응성 가스가 플라스마 형성 공간(21a)에 대해 플라스마화하고, 그 래디컬 생성물이 기판 표면에 퇴적 됨에 따라, 보호막으로서 기능하는 폴리머 층을 형성 한다. 프로세스 가스로서 상기 혼합 가스를 이용 함으로써, Ar 가스 만을 프로세스 가스로서 이용하는 경우에 비해 스파타 레이트의 향상을 도모하는 것이 가능하다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 자기 중성선(25)의 형성에 자기코일군(24)을 이용하였지만, 이를 대신하여, 진공 챔버의 외부에 배치한 복수의 영구자석을 이용하여 자기 중성선을 형성하도록 하여도 무방하다.
또한, 이상의 실시 형태에서는, 본 발명과 관련되는 스파타 장치를, 실리콘 기판에 대한 딥 가공용의 플라스마 처리 장치에 적용한 예에 대해 설명하였지만, 이에 한정하지 않고, 에칭 처리를 동반하지 않는 통상의 성막용의 스파타 장치에도 적용 가능이다.
11 - 14 : 스파타 장치(플라스마 처리 장치)
21 : 진공 조
21a : 플라스마 형성 공간(진공 챔버)
23 : 고주파 전기코일(전기장 형성 수단)
24 : 자기코일(자기장 형성 수단)
25 : 자기 중성선
26 : 스테이지
28 : 천판(대향 전극)
30 : 가스 도입부
31 : 타겟재
33 : 전극 부재(전기장 형성 수단)
35 : 창 부재
36 : 안테나코일(전기장 형성 수단)

Claims (12)

  1. 진공 챔버의 내부에서 플라스마를 발생시키고, 표면에 레지스트 마스크가 형성된 기판을 에칭하는 공정과, 에칭 패턴의 측벽부에 보호막을 형성하는 공정을 교대로 반복하는 플라스마 처리 방법에 있어서,
    상기 기판을 에칭하는 공정은, 상기 진공 챔버의 내부에 에칭 가스를 도입하고, 고주파 전기장과 자기 중성선을 형성하여 상기 에칭 가스의 플라스마를 발생시켜, 스테이지에 고주파 전력을 인가 함으로써, 마스크 패턴을 통해 상기 기판의 표면을 에칭하고,
    상기 보호막을 형성하는 공정은, 상기 진공 챔버의 내부에 성막용의 프로세스 가스를 도입하고, 고주파 전기장과 자기 중성선을 형성하여 상기 프로세스 가스의 플라스마를 발생시켜, 상기 기판에 대향하여 배치되는 타겟재에 고주파 전력을 인가 함으로써, 상기 타겟재를 스파타하고, 그 스파타 물체를 상기 플라스마로 분해하고, 상기 기판에 형성된 에칭 오목부의 측면 및 저면에 상기 스파타 물체를 퇴적시키는,
    플라스마 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 표면에는,
    오목부의 폭이 100μm이하인 요철 패턴이 상기 레지스트 마스크로서 형성 되고 있고, 상기 요철 패턴의 볼록부의 상면에 형성되는 피막의 두께에 대한 상기 오목부의 측면에 형성되는 피막의 두께의 비가 0.8이상이 되도록, 상기 자기 중성선의 형성을 제어하는, 플라스마 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오목부의 폭이 10μm 이하인, 플라스마 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기 중성선은,
    상기 진공 챔버의 외부에 배치된 복수의 자기코일 또는 영구자석에 의해 형성되는, 플라스마 처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 전기장은,
    상기 진공 챔버의 주위 또는 상부에 배치된 고주파 전기코일에 고주파전력을 인가하는 것에 의해서 형성되는, 플라스마 처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고주파 전기장은,
    상기 진공 챔버의 상부에 설치되어 상기 타겟재를 지지하는 대향 전극에 고주파전력을 인가하는 것에 의해서 형성되는, 플라스마 처리 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 타겟재는,
    합성수지, 규소, 탄소, 탄화규소, 산화규소 또는 질화규소로 구성되는, 플라스마 처리 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플라스마를 발생시키기 위한 프로세스 가스는,
    불활성가스, 불소 함유 가스 또는 이들의 혼합 가스인, 플라스마 처리 방법.
  9. 진공 챔버와,
    상기 진공 챔버 내부에 설치된, 기판을 지지하기 위한 스테이지와,
    상기 스테이지와 대향하여 설치된 타겟재와,
    상기 진공 챔버 내에서 고주파 전기장을 형성하는 전기장 형성 수단과, 상기 진공 챔버 내에서 자기 중성선을 형성하는 자기장 형성 수단을 포함하고, 상기 전기장 형성 수단 및 상기 자기장 형성 수단에 의해, 상기 스테이지와 상기 타겟재 사이에 발생시킨 플라스마로, 상기 기판을 에칭하거나, 또는 상기 타겟재를 스파타하고, 그 스파타 물체를 해당 플라스마로 분해하여 상기 기판에 퇴적시키는 플라스마 소스를 구비하고,
    상기 스테이지에 고주파 전력을 인가하고, 상기 진공 챔버 내로 도입된 에칭 가스의 플라스마를 발생 시킴으로써, 상기 기판의 표면을 에칭하고,
    상기 타겟재에 고주파 전력을 인가하고, 상기 진공 챔버 내로 도입된 성막용의 프로세스 가스의 플라스마를 발생 시킴으로써, 상기 타겟재의 스파타 물체를 상기 플라스마로 분해하여 상기 기판 상에 에칭 오목부의 측면 및 저면에 퇴적시키는
    플라스마 처리 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기장 형성 수단은, 상기 진공 챔버 외부에 배치된 복수의 자기코일을 포함하는, 플라스마 처리 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전기장 형성 수단은,
    상기 진공 챔버의 주위 또는 상부에 배치된 고주파 전기코일을 포함하는, 플라스마 처리 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 전기장 형성 수단은,
    상기 진공 챔버의 상부에 배치되어 상기 타겟재를 지지하는 대향 전극과,
    상기 대향 전극에 접속된 고주파전원
    을 포함하는, 플라스마 처리 장치.
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