KR101341534B1 - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 저마이크로파 전력으로부터 고마이크로파 전력의 광범위에 있어서, 안정적인 프로세스 영역을 확보할 수 있는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역에서, 플라즈마의 생성을 용이하게 함과 함께 상기 용이하게 발생된 플라즈마에 의해 피처리물을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서, 온과 오프를 반복하는 펄스 방전에 의해 상기 플라즈마를 용이하게 생성하고, 상기 펄스 방전을 생성하는 고주파 전력의 온 기간의 전력은, 상기 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 용이해지는 전력으로 하며, 상기 펄스 방전의 듀티비는, 상기 고주파 전력의 1주기당의 평균 전력이 상기 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역의 전력이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이다.

Description

플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 에칭에 관한 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
현재 반도체 소자의 양산이 이용되고 있는 플라즈마 에칭 장치의 하나로 Electron Cyclotron Resonance(이하 ECR이라고 칭한다)형의 장치가 있다. 이 플라즈마 에칭 장치에서 플라즈마에 자장을 인가하여 마이크로파의 주파수와 전자의 사이클로트론 주파수가 공진하도록 자장 강도를 설정함으로써 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 특징이 있다.
최근의 반도체 소자의 미세화에 수반하여, 게이트 산화막의 두께는 2㎚ 이하가 되어 있다. 그 때문에, 플라즈마 에칭 가공의 제어성, 게이트 산화막과 실리콘막의 고선택비의 실현이 필요하게 되어 있다.
이러한 고정밀도의 플라즈마 에칭을 실현하는 기술의 하나로서, 펄스 방전을 이용한 플라즈마 에칭 방법이 있고, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 플라즈마 중의 라디칼 밀도를 측정하면서, 플라즈마를 펄스 변조하여 라디칼 밀도를 제어함으로써 고정밀도 에칭을 달성하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 플라즈마를 펄스 변조함과 동시에 웨이퍼에 인가하는 고주파 바이어스의 위상 플라즈마의 온 오프와 동기를 취함으로써 플라즈마 중의 전자 온도를 제어하여, 처리 웨이퍼 상의 산화막의 절연 파괴를 방지하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는 플라즈마를 10-100㎲로 펄스 변조하고 또한 웨이퍼에 600㎑ 이하의 고주파 바이어스를 인가함으로써 산화막의 절연 파괴를 방지함과 동시에 고속 이방성 에칭을 달성하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 4에는 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파를 펄스 변조하여 라디칼을 제어하고 또한 플라즈마의 불안정성을 억제하여 이온 온도를 저하시키는 방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 평09-185999호 일본 공개특허공보 평09-092645호 일본 공개특허공보 평08-181125호 일본 공개특허공보 평06-267900호
일반적으로, ECR형 플라즈마 에칭 장치에서는, 이하에 나타내는 바와 같은 세가지 과제가 있다.
첫 번째로서, 수직성 향상 등 가공에 따라 더욱 저밀도 영역(저마이크로파 전력)이 필요하게 되는 경우가 있는데, 플라즈마 밀도를 낮추기 위하여 마이크로파 전력을 작게 하면, 플라즈마의 생성이 곤란해지는 과제가 있다.
두 번째로서, 마이크로파의 전력을 바꾸어 방전 시험을 행하였을 때, 마이크로파 전력에 의존하여 플라즈마의 발광이 육안 혹은 포토다이오드 등의 측정에 있어서, 깜빡거려 보이는 불안정 영역이 존재한다는 과제가 있다. 이 영역에서는, 에칭 속도 등의 특성도 재현성이 없기 때문에, 에칭 조건은 불안정 영역을 피해 설정, 즉, 프로세스 개발을 행함에 있어서 프로세스 윈도우를 좁게 설정하고 있었다.
또한, 본 발명에서 대상으로 하고 있는 방전의 깜빡거림은, 마이크로파 전력에 의존하여 챔버 내의 전계 강도 분포가 변화되고, 챔버 형상과 관련하여, 예를 들면, 시료대 근방 혹은 마이크로파 투과창 근방에서 이상 방전이 발생하여, 육안으로 점멸을 관측할 수 있는 현상이다.
세 번째로서, 고마이크로파 전력측(고밀도 영역)에 고선택비 영역이 존재하는데, 고마이크로파 전력측에서는, 플라즈마 밀도의 상승에 수반하여 컷오프 현상이 발생하고, 플라즈마 밀도의 챔버 내에서의 분포가 변화되는 모드 점프가 발생한다. 이 현상이 발생하면 플라즈마의 발광 강도나 바이어스 전압의 피크값(Vpp 전압)이 급격히 변화되고 이에 수반하여 에칭 속도의 웨이퍼면 내 분포도 크게 바뀌기 때문에 모드 점프 전후의 전력은 사용할 수 없는 과제가 있었다.
이들 세가지 과제는, 펄스 방전을 이용한 ECR형 플라즈마 에칭 장치에서도 공통적인 과제이지만, 상기 서술한 종래 기술에서는, 이들 세가지 과제가 고려되어 있지 않다.
이 때문에, 본 발명에서는, 저마이크로파 전력으로부터 고마이크로파 전력의 광범위에 있어서, 안정적인 프로세스 영역을 확보할 수 있는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
본 발명은, 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역에서, 플라즈마의 생성을 용이하게 함과 함께 상기 용이하게 발생된 플라즈마에 의해 피처리물을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서, 온과 오프를 반복하는 펄스 방전에 의해 상기 플라즈마를 용이하게 생성하고, 상기 펄스 방전을 생성하는 고주파 전력의 온 기간의 전력은, 상기 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 용이해지는 전력으로 하며, 상기 펄스 방전의 듀티비는, 상기 고주파 전력의 1주기당의 평균 전력이 상기 연속 방전에 의한 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역의 전력이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법이다.
또한, 본 발명은, 내부에 플라즈마를 생성하는 처리실과, 상기 플라즈마를 생성하는 플라스마 생성 수단과, 상기 처리실 내에 설치되어 웨이퍼를 재치(載置)하는 시료대를 구비하고, 상기 웨이퍼를 상기 플라즈마에 의해 에칭하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라스마 생성 수단은, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 전원의 상기 전력을 온 오프 변조함과 함께 온일 때의 피크 전력을 연속 방전으로 플라즈마를 발생시킨 경우에 플라즈마의 불안정이 생기지 않는 값으로 설정하여, 상기 온 오프 변조의 듀티비를 변경함으로써 상기 전력의 시간 평균값을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
또한, 본 발명은, 내부를 진공으로 하여 반응성 가스를 도입할 수 있는 챔버와 상기 챔버 안에 방전 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성용 전원과 상기 챔버 내에 웨이퍼를 설치하는 시료대를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 플라즈마 생성용 전원의 출력 전력을 펄스 변조하고, 또한, 온일 때의 피크 전력을 연속 방전으로 모드 점프 영역보다 충분히 높은 전력값으로 설정하여, 펄스 변조의 듀티비를 변경함으로써 전력의 시간 평균값을 제어하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치이다.
본 발명에 의해, 저마이크로파 전력으로부터 고마이크로파 전력의 광범위에 있어서, 안정적인 프로세스 영역을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 에칭 방법을 실시하기 위한 플라즈마 에칭 장치의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 장치의 마그네트론(106)의 출력 파형이다.
도 3은 본 발명의 선택비 향상의 효과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 산소 원자의 발광 강도의 마이크로파의 시간 평균 출력 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 4의 웨이퍼마다 펄스 방전의 듀티비를 변경하는 피드백 제어를 하는 플라즈마 에칭 장치의 개략 단면도이다.
도 6은 가공 대상인 웨이퍼 상의 미세 패턴의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 4의 마이크로파 전력(듀티비)과 CD의 상관 관계의 데이터를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예 5의 플라즈마 에칭 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 마이크로파에 대한 O(산소)/Br(브롬)의 발광 강도비를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 펄스 마이크로파에 대한 폴리실리콘/실리콘 산화막의 선택비를 나타내는 그래프이다.
도 11은 모드 점프가 생기는 전력의 측정을 자동화하는 장치의 처리의 흐름도이다.
가장 먼저, 본 발명을 실시하기 위한 플라즈마 에칭 장치의 일례로부터 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 플라스마 생성 수단에 마이크로파와 자장을 이용한 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치의 개략 단면도이다.
마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치는, 내부를 진공 배기할 수 있는 챔버(101)와 피처리물인 웨이퍼(102)를 배치하는 시료대(103)와 챔버(101)의 상면에 설치된 석영 등의 마이크로파 투과창(104)과, 그 상방에 설치된 도파관(105), 마그네트론(106)과, 챔버(101)의 주변에 설치된 솔레노이드 코일(107)과, 시료대(103)에 접속된 정전 흡착 전원(108), 고주파 전원(109)으로 이루어진다.
웨이퍼(102)는 웨이퍼 반입구(110)로부터 챔버(101) 내에 반입된 후, 정전 흡착 전원(108)에 의해 시료대(103)에 정전 흡착된다. 다음으로 프로세스 가스가 챔버(101)에 도입된다. 챔버(101) 안은, 진공 펌프(도시 생략)에 의해 감압 배기되고, 소정의 압력(예를 들면, 0.1Pa∼50Pa)으로 조정된다. 다음으로, 마그네트론(106)으로부터 주파수 2.45㎓의 마이크로파가 발진되고, 도파관(105)을 통과하여 챔버(101) 내에 전파된다. 마이크로파와 솔레노이드 코일(107)에 의해 발생된 자장의 작용에 의해 처리 가스가 여기되고, 웨이퍼(102) 상부의 공간에 플라즈마(111)가 형성된다. 한편, 시료대(103)에는, 고주파 전원(109)에 의해 바이어스가 인가 되고, 플라즈마(111) 중의 이온이 웨이퍼(102) 상에 수직으로 가속되어 입사한다. 또한, 고주파 전원(109)은, 연속적인 고주파 전력 또는, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 시료대(103)에 인가할 수 있다.
플라즈마(111)로부터의 라디칼과 이온의 작용에 의해 웨이퍼(102)가 이방적으로 에칭된다. 또한, 마그네트론(106)에는 펄스 제너레이터(112)가 장착되어 있고, 이것에 의해 마이크로파를 도 2에 나타내는 바와 같이 임의로 설정 가능한 반복 주파수에서 펄스 형상으로 펄스 변조할 수 있다.
또한, 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치가 웨이퍼(102)를 플라즈마 처리할 때는, 제어부(113)가, 상기 마그네트론(106), 펄스 제너레이터(112), 솔레노이드 코일(107), 고주파 전원(109), 정전 흡착 전원(108)을 각각 제어하고 있다.
본 발명과 관련되는 이하 설명하는 실시예에서 사용한 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치는, 직경 300㎜의 웨이퍼를 처리하는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치이고, 챔버(101)의 내경은 44.2㎝, 웨이퍼(102)와 마이크로파 투과창(104)의 거리는 24.3㎝(플라즈마가 발생하는 공간의 체적 37267㎤)이다.
다음으로, 첫 번째 과제인, 플라즈마 밀도를 낮추기 위하여 마이크로파 전력을 작게 하면, 플라즈마의 생성이 곤란해진다는 과제를 해결하기 위한 본 발명을 실시예 1 및 실시예 2로 설명한다.
[실시예 1]
도 1에 나타내는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치를 사용하여, 표 1에 나타내는 조건으로 듀티비와 마이크로파의 시간 평균 출력에 의한 플라즈마의 착화성에 대하여 조사하였다. 또한, 표 1의 Vpp는, 시료대(103)에 인가되는 고주파 전압의 피크값에서 피크값까지의 전압차이다.
또한, 표 2에 플라스마 생성의 조사 결과를 나타낸다. 또한, 표 2의 "○"는 플라즈마를 안정적으로 생성할 수 있었음을 나타내고, "×"는 플라즈마를 생성할 수 없었음을 나타낸다.
Figure 112012005607803-pat00001
Figure 112012005607803-pat00002
표 2로부터 연속 방전의 경우, 마이크로파의 시간 평균 출력을 챔버(101) 내벽의 체적으로 나눈 값이 0.011W/㎤(약 400W) 이상이면 플라즈마가 안정적으로 생성되고, 미만이면 플라즈마가 생성되지 않게 된다. 플라즈마가 생성되지 않게 되는 이유는 자유 전자가 에칭 가스의 분자를 전리시키는데 필요한 에너지가 공급되지 않기 때문이다. 그러나, 펄스 마이크로파에 의한 방전의 경우, 마이크로파의 시간평균 출력을 플라즈마가 생성되는 체적으로 나눈 값이 0.011W/㎤보다 작아도 플라즈마가 생성된다.
이 연속 방전과 펄스 마이크로파 방전에서의 플라스마 생성의 차이는, 이하의 이유에 의한 것이다.
마이크로파가 온인 기간의 수 μsec의 사이에, 자유 전자는 마이크로파로부터 획득한 에너지로 다른 원자, 분자를 전리, 또는 해리시켜, 플라즈마(111)를 생성시킨다. 그리고 마이크로파가 오프인 기간이 되면, 자유 전자는 수 μsec의 사이에 대부분이 원자, 분자에 포박되고, 플라즈마(111)는 그 대부분이 음이온과 양이온이 된다. 음이온과 양이온은 전자에 비해 질량이 크기 때문에 충돌하여 중화되고, 플라즈마(111)가 소실되기까지 수십 ms의 시간이 걸린다. 따라서, 마이크로파의 오프 시간이 10ms보다 짧으면, 플라즈마(111)가 소실되기 전에 마이크로파의 온 기간이 시작되어, 플라즈마(111)가 유지된다.
따라서, 표 2에 나타내진 결과를 바꿔 말하면, 펄스 마이크로파의 온 기간의 출력을 연속 방전으로 플라즈마를 안정적으로 생성시키는데 최저한 필요한 출력 이상(즉, O.011W/㎤ 이상)으로 하면, 펄스 마이크로파의 시간 평균 출력이 0.011W/㎤ 이하이어도 안정적으로 방전을 생성시킬 수 있다고 말할 수 있다. 또한, 펄스 마이크로파의 오프 기간을 10ms 이하로 하면, 펄스 마이크로파의 시간 평균 출력이 0.011W/㎤ 이하의 영역에서도 상기 서술한 플라즈마 처리 방법보다 더욱 안정적으로 방전을 생성시킬 수 있다고 말할 수 있다.
또한, 아르곤 가스(Ar : 이온화 에너지 1520.6kJ/mol), 질소 가스(N2 : 이온화 에너지 1402kJ/mol) 등의 불활성한 가스를 첨가하거나, 상기 불활성한 가스 이외의 이온화하기 쉬운 가스를 첨가함으로써 안정적으로 방전을 생성하기 쉽다. 그 외의 가스의 종류나, 각 가스의 유량, 처리 압력, RF 바이어스값 등은, 본 실시예의 효과에 특별한 제한을 주지 않는다.
다음으로, 표면 전체가 폴리실리콘막인 웨이퍼와 표면 전체가 실리콘 산화막인 웨이퍼를 표 1의 조건으로 에칭 처리하고, 각각의 절삭량의 비로부터 선택비를 구하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다. 또한, 도 3의 「%」는, 펄스 방전한 경우의 듀티비를 의미한다.
도 3으로부터, 듀티비를 50% 이하로 하여 마이크로파 시간 평균 출력을 400W(0.011W/㎤) 이하로 하면, 연속 방전보다 선택비가 증대하는 것을 알 수 있다.
이 이유는, 마이크로파의 시간 평균 출력이 작으면 챔버(101) 내의 자유 전자의 개수가 감소하고, 이 감소한 만큼의 전자는 원자나 분자를 여기하기 때문에, 라디칼종의 밀도가 높아져서, 선택비가 향상된 것으로 생각된다.
또한, 표 1 조건의 산소 가스를 1ml/min 이상 10ml/min 이하로 제어함으로써 더욱 선택비가 증대된다.
또한, 본 실시예는, 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치에 적용한 예이었지만, 용량 결합 방식 혹은 유도 결합 방식 플라즈마 에칭 장치에도 동일하게 적용할 수 있다. 이상, 상기 서술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 처리 방법은, 펄스 방전의 온 기간의 고주파 전력을 연속 방전의 플라즈마가 안정적으로 생성될 수 있는 고주파 전력으로 함과 함께, 펄스 방전의 오프 기간을 10ms 이하로 한 펄스 방전에 의해, 피처리물을 처리하는 방법이다. 이러한 본 발명의 플라즈마 처리 방법에 의해, 플라즈마를 안정적으로 생성시키는 것이 곤란한 플라즈마 생성용 전력이 작은 영역에서도 안정적으로 플라즈마를 생성시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 처리 방법에 있어서, 펄스 방전의 듀티비를 50% 이하로 하면, 연속 방전시보다, 실리콘 산화막에 대한 폴리실리콘막의 에칭 레이트의 선택비를 향상시킬 수 있다.
[실시예 2]
다음으로, 실시예 1에 있어서 설명한 본 발명의 다른 실시예에 대하여 설명한다.
표 3에 나타내는 조건으로 펄스 방전의 플라즈마 처리를 행하면, 연속 방전보다, 탄소계 퇴적물의 제거나, 레지스트의 제거 성능이 향상된다.
Figure 112012005607803-pat00003
표 3에 나타내는 조건에 아르곤 가스를 5ml/min 첨가하여 아르곤의 발광 강도에 대한 산소의 발광 강도의 비를 측정한 결과를 도 4에 나타낸다.
도 4로부터 마이크로파의 시간 평균 출력을 플라즈마가 발생하는 체적으로 나눈 값인 0.011W/㎤를 하회하는 점에서 산소 원자의 발광 강도가 강해져 있는 것을 알 수 있다.
즉, 표 3에 나타내는 조건으로 본 발명의 펄스 방전을 행하면, 산소 라디칼 밀도가 높아져서, 탄소계 퇴적물의 제거나 레지스트 제거의 효과가 향상된 것이다.
다음으로, 두 번째 과제인, 마이크로파의 전력을 변경하여 방전 시험을 행하였을 때, 마이크로파 전력에 의존하여 플라즈마의 발광이 육안 혹은 포토다이오드 등의 측정에 있어서, 깜빡거려 보이는 불안정 영역이 존재한다는 과제를 해결하기 위한 본 발명을 실시예 3 내지 실시예 5로 설명한다.
[실시예 3]
본 실시예의 플라즈마 에칭 처리는, 도 1에 나타내는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치를 사용하였다. 다음으로, 폴리실리콘막(302)을 에칭하는 조건의 예를 표 4에 나타낸다. 본 조건에 의해 폴리실리콘막(302)을 바탕인 산화막(303)에 대하여 고선택비로 에칭할 수 있다.
Figure 112012005607803-pat00004
표 4에 나타내는 조건으로 플라즈마를 발생시키기 위한 마이크로파를 변경하고, 플라즈마(111)로부터의 발광을 포토다이오드로 검출하여 그 깜빡거림을 측정한 결과를 표 5에 나타낸다. 마이크로파의 전력은 연속 방전시킨 경우와 마이크로파의 온 기간의 전력을 1500W로 하여 반복 주파수 1㎑에서 온 오프 변조하고, 듀티비를 변경함으로써 전력 제어한 경우를 비교하고 있다. 표 5에서 "○"는 방전 깜빡거림 없음, "×"는 방전 깜빡거림 있음을 나타낸다. 방전이 깜빡거리는 상태에서는 에칭을 행할 수 없다.
Figure 112012005607803-pat00005
연속 방전에서는, 900W로부터 1100W에서 깜빡거림이 생기나, 마이크로파의 온 오프 제어에 의해, 방전의 깜빡거림을 해소할 수 있다. 원인은 순간적인 전력으로 발생하는 플라즈마(111)는 안정 영역이 되도록 설정되어 있고, 또한, 할로겐 가스와 같이 음이온이 되기 쉬운 가스의 플라즈마(111)로 펄스 방전을 하면, 오프시에 전자는 수십 ㎲에서 소멸하고 그 후 수 ms의 사이 음이온과 양이온이 방전 유지에 관여하기 때문에, 챔버벽과 플라즈마(111)의 계면에 생성되는 플라즈마(111)의 시스의 상태가 연속 방전과는 달리, 깜빡거림이 해소된다고 추정된다.
플라즈마(111)가 소실될 때까지의 시간은, 수십 ms이기 때문에, 오프 시간을 10ms 이하로 하면 플라즈마(111)가 소실되기 전에 온이 시작되어, 플라즈마가 유지된다.
플라즈마(111)가 깜빡거리는 전력 영역은, 조건에 의존한다. 따라서, 다른 조건의 에칭에서는, 먼저 연속 방전으로 마이크로파 전력을 변경하고, 표 5와 마찬가지로, 방전이 깜빡거리는 영역을 확인하여, 마이크로파의 온 기간의 전력을 깜빡거림이 생기는 전력보다 충분히 크게 설정하며, 또한, 오프 시간이 10ms 이하가 되는 주파수에서 마이크로파를 온 오프의 펄스 변조하면, 깜빡거림을 해소할 수 있다.
또한, 표 5에 나타내는 마이크로파의 전력은 챔버(101)의 크기가 바뀌면, 그 체적에 따라 변하고, 1500W는 단위 체적당의 마이크로파 전력으로 환산하면 약 0.04W/㎤에 상당한다.
또한, 방전에 불안정 영역이 존재하는 것은, 마이크로파 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않고, 유도 결합형 혹은 용량 결합형의 플라즈마 에칭 장치에서도 동일한 과제가 있으며, 이들 장치에서도 본 발명으로 방전 불안정을 회피할 수 있다.
[실시예 4]
다음으로, 플라즈마(111)의 온 오프 변조에 의해 가능하게 되는 에칭 가공 치수(이후, 「CD」라고 부른다.)의 제어 방법에 관한 실시예를 설명한다. 도 5는, 플라즈마(111)의 발광 강도 혹은 발광 강도의 변화로부터 구해지는 에칭 처리 종료 시간 등을 측정하고, 이 모니터 값을 기초로 처리 중의 웨이퍼(102) 혹은 다음에 처리하는 웨이퍼(102)의 에칭 조건을 변경하는 구조가, 도 1에 나타내는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치에 부가된 플라즈마 에칭 장치의 개략도를 나타낸다.
도 5에 나타내는 수광부(202), CD 연산부(203), 레시피 연산부(205), 제1 데이터 베이스(206), 제2 데이터 베이스(204), 에칭 제어용 PC(207)는, 통신 수단을 통해 통신 가능하게 연결되어 있다. 도 6은, 가공 대상인 웨이퍼(102) 상의 미세 패턴의 단면도로, 실리콘 기판(304)과 바탕인 산화막(303) 상에 있는 폴리실리콘막(302)을 미세 패턴 형상으로 가공된 질화 실리콘 등의 마스크(301)와 동일한 패턴 형상으로 에칭하는 모습을 나타내고 있다.
드라이 에칭에서는, 통상, 도 6에 나타내는 바와 같은 가공을 1로트(25장) 연속 처리한다. 가공된 선폭(이후 「CD」라고 부른다.)은 연속 처리 중, 어떤 허용값 내에 들어갈 필요가 있다. 그러나, 에칭의 반응 생성물 등이 챔버(101) 내에 부착되거나 하여 시간과 함께 플라즈마 상태가 변화되어 CD의 변동이 허용값 내에 들어가지 않는 경우가 있다.
이 실시예에서는, 플라즈마(111)를 온 오프 변조하여, 그 듀티비를 웨이퍼마다 변경함으로써 CD의 변동을 허용값 내로 억제한다. 통상, CD는 웨이퍼(102)에 인가하는 바이어스 전력이나 플라즈마 밀도 즉 마이크로파 전력에 의존하여 변화되기 때문에, 마이크로파 전력을 변화시킴으로써 CD를 변경할 수 있다.
다음으로, 구체적인 방법을 설명한다. 도 6에 나타내는 폴리실리콘막(302)의 에칭의 종점은, 플라즈마(111) 중의 반응 생성물의 발광, 예를 들면, 실리콘의 426㎚의 광을 광 파이버(201)와 수광부(202)에서 검출된다. 에칭의 종료 시간과 CD에는 상관이 있고, 에칭 종료 시간과 CD의 관계가 제2 데이터 베이스(204)에 저장되어 있다. CD 연산부(203)는 에칭 종료 시간으로부터 이 웨이퍼(102)의 CD의 추정 값을 산출한다. 산출된 CD와 CD 목표값의 차분을 계산하고, 이 차분의 값은 레시피 연산부(205)로 보내진다.
레시피 연산부(205)는, 도 7에 나타내는 마이크로파 전력(듀티비)과 CD의 상관 관계의 데이터가 저장된 제1 데이터 베이스(206)를 가지고 있고, CD의 목표값으로부터의 차분을 제로로 하는데 필요한 마이크로파 전력의 변량(變量)을 산출한다.
예를 들면, 도 7과 같이 목표 CD가 30㎚에서 n장째의 CD가 30+a(nm)이었다고 하면, n+1장째는 목표 CD로 하기 위하여, 즉 a(㎚) 가늘게 하기 위하여, 평균 마이크로파의 전력을 즉 듀티비를 d(%)만큼 증가시킨다.
제1 데이터 베이스(206)로부터 산출된 듀티비는, 에칭 제어용 PC(207)로 보내지고, 다음의 웨이퍼(102)를 처리할 때에, 이 값으로 설정하여 에칭을 행한다. 이때, 플라즈마(111)를 연속 방전하고 있으면, CD 차분이 제로가 되도록 수정된 마이크로파 전력값이, 표 5에 나타내는 플라즈마(111)의 불안정 영역에 들어가는 경우가 있어, 에칭에 지장을 초래한다. 실시예 3에서 설명한 바와 같이, 플라즈마(111)를 온 오프 변조하여, 그 듀티비를 변경함으로써 마이크로파 전력을 제어하면 플라즈마(111)의 불안정의 과제를 해소할 수 있다.
[실시예 5]
다음으로, 방전 불안정을 방지하기 위하여, 본 발명과 병용하면 더욱 안정적인 마진이 넓어지는 방법을 도 8에 의해 설명한다. 먼저, 플라즈마(111)의 전위를 안정시키기 위하여, 직류 전류가 흐르는 어스면(401)을 플라즈마(111)와 접하는 부분에 설치하는 것이 바람직하다.
통상, 챔버(101)의 내벽은, 알루마이트나 이트륨 산화물 등의 안정화 처리가 되어 있는데, 이들 재료는 절연물이기 때문에, 직류 전류가 흐르지 않는다. 플라즈마(111)와 접하는 부분을 일부 이들의 절연막을 벗기거나, 혹은 도체를 삽입하거나 하여, 더욱 도체 부분을 어스 전위로 함으로써 플라즈마(111)의 전위가 안정되기 때문에 방전이 더욱 안정된다. 직류적 어스면(401)의 면적은 10㎠ 이상이 바람직하다.
다음으로, 프로세스 가스의 압력은 0.1∼10Pa의 사이로 설정하는 것이 바람직하다. 압력이 너무 낮으면, 전자의 평균 자유 행정(行程)이 길어지고, 전리를 발생시키기 전에 벽에서 소실되는 기회가 증가하여 플라즈마(111)의 불안정의 원인이 된다. 또한, 압력이 너무 높으면, 착화성이 나빠져서 불안정이 생기기 쉽다.
또한, 챔버(101) 및 시료대(103)의 형상은, 국소적으로 전계가 강해지는 부분을 최대한 줄이는 것이 바람직하다. 즉, 예리한 요철을 만들지 않고, 모서리 부분(402)은 반경 5㎜ 이상의 곡선으로 하면 된다.
다음으로, 세 번째 과제인, 고마이크로파 전력측(고밀도 영역)에 고선택비 영역이 존재하는데, 고마이크로파 전력측에서는, 플라즈마 밀도의 상승에 수반해 컷오프 현상이 발생하고, 플라즈마 밀도의 챔버 내에서의 분포가 변화되는 모드 점프가 발생한다는 과제를 해결하기 위한 본 발명을 실시예 6 및 실시예 7로 설명한다.
또한, 실시예 6 및 실시예 7에 있어서의 플라즈마 에칭 처리는, 도 1에 나타내는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치를 이용하여 행하였다.
[실시예 6]
도 3에 나타내는 바와 같이 폴리실리콘과 실리콘 산화막 선택비는 평균 마이크로파 전력이 큰(800W 이상) 영역에서도 증가한다. 이 이유를 설명하기 위하여 도 9에 마이크로파 전력과, O(산소)와 Br(브롬)의 발광 강도비의 관계를 나타낸다. 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이 고마이크로파 측에서는 O(산소)의 발광 강도, 즉 O 라디칼의 밀도가 높아진다. 이 때문에 실리콘 산화막의 절삭이 억제되어 선택비가 향상된다고 생각된다.
그러나, 마이크로파 전력값을 더욱 높이면, 도 9에 나타내는 바와 같이, CW(연속 방전)에서는, 마이크로파 전력값 900W 이상에서, 발광 강도의 급격한 변화, 즉, 상기 모드 점프 현상(CW시) 500이 발생한다. 이 때문에, 연속 방전에서는 고마이크로파 영역을 사용할 수 없다.
그래서, 본 발명에서는, 마이크로파를 펄스화하고, 온일 때의 피크 전력을 모드 점프가 생기는 전력값보다 충분히 높게 설정하여, 듀티비를 제어한다. 듀티 65% 이하에서는, 발광 강도비(도 9)는 급격한 변화가 없어, 즉 모드 점프를 회피하고 있는 것을 알 수 있다.
이 이유를 다음과 같이 추정한다. CW(연속 방전)에서는, 마이크로파 전력값과 함께 전자 밀도가 상승하고, 플라즈마(111)의 진동과 전자파의 주파수가 공명하는 밀도에 도달하는 전력값으로부터 모드가 변화된다. 한편, 펄스화한 마이크로파에서는, 오프일 때에 자유 전자는 수 μsec 사이에 대부분이 원자, 분자에 포박되어, 플라즈마(111)는, 그 대부분이 음이온과 양이온이 된다. 이 때문에, 온 오프를 반복하는 펄스 마이크로파에서는, 전자 밀도의 상승이 일어나지 않는다.
도 10에, 표 1의 조건을 이용하여, 고마이크로파 전력측을 평가한 선택비 결과를 나타낸다. CW(연속 방전)에서는 마이크로파 전력값 900W 이상에서 모드 점프의 영향으로부터 선택비가 저하되는(불안정하게 되는) 것에 대하여, 마이크로파를 펄스화 함으로써, 고마이크로파 전력측이 사용되어, 고선택비를 얻을 수 있다.
일반적으로, 펄스 방전에서는, 전력 오프 후 50㎲에서 전자 밀도는 1자리수 이상 감쇠되는 것이 알려져 있다. 따라서, 방전을 펄스화하고, 그 오프 시간이 50㎲ 이상이 되도록 펄스의 반복 주파수와 듀티비를 설정하면, 충분히 모드 점프를 회피할 수 있다.
이상, 본 발명에서는, 마이크로파를 펄스 변조함으로써, 고마이크로파 전력측에서 발생하는 모드 점프를 회피할 수 있어, 에칭에 유효한 프로세스 영역을 확대할 수 있다.
[실시예 7]
다음으로, 이 모드 점프 영역을 자동적으로 회피하는 방법 및 장치에 대하여 설명한다. 모드 점프는 도 9에 나타내는 바와 같이, 대략 마이크로파 전력 900W 이상의 고전력 영역에서 발생하나, 가스의 압력이나 가스의 종류에 따라 플라즈마(111)의 밀도는 다르기 때문에, 모드 점프가 생기는 전력도 이러한 조건에 의존하여 다르다.
이것을 회피하는 방법은 먼저, 미리 사용하는 조건으로 모드 점프가 생기는 전력값을 측정해 두고, 장치는 에칭 조건과 그 조건으로 모드 점프가 생기는 전력을 기억해 두며, 그 조건을 사용할 때는, 자동적으로 마이크로파 전력을 펄스 변조하는 기능을 구비하도록 한다. 이 기능이 있는 장치에서는, 잘못하여 모드 점프 영역을 사용하는 오조작을 방지할 수 있다.
또한, 미리 모드 점프가 생기는 전력의 측정을 자동화하는 장치에 대하여 설명한다. 도 11에 모드 점프가 생기는 전력의 측정을 자동화하는 장치의 처리의 흐름도를 나타낸다. 통상, 에칭은 로트(25장) 단위로 처리를 하는데, 로트를 처리하기 전에 더미 웨이퍼 처리(501)를 앞으로 처리하는 조건과 동일한 조건으로 행한다.
그 후, 로트 처리(502), 산소의 플라즈마(111) 등에 의한 챔버(101)의 클리닝(503)으로 이어진다. 더미 웨이퍼 처리(501)는, 마이크로파 전력을 설정한 값, 예를 들면, 800W에서 1200W까지 자동으로 스캔하여 이 기간의 플라즈마(111)의 발광 강도를 포토 다이오드 등으로 측정하는 단계인 마이크로파 전력 자동 스캔 측정(504)을 포함한다.
다음으로, 에칭 장치 제어용 퍼스널 컴퓨터(507)는, 이 데이터로부터 발광 강도가 급격하게 변하는 영역을 추출, 기억하는 모드 점프 전력 식별(505)을 행하고, 또한 레시피를 입력하였을 때에 마이크로파 전력이 모드 점프하는 영역에 상당한 경우에 자동적으로 펄스 변조를 하는, 자동 레시피 생성(506)을 행하는 기능을 구비한다. 이 기능에 의해, 작업자는 모드 점프 영역에 방해받지 않고, 에칭을 행할 수 있다.
또한, 마이크로파 전력을 스캔하였을 때에 측정하는 물리량은 발광 강도에 한정되지 않고, 바이어스 전압의 피크값(Vpp) 등 모드 점프에 대응하여 급격히 변화되는 양이면 동일한 기능을 할 수 있다. 또한, 본 발명에서 설명한 마이크로파 전력의 절대값은 주로 챔버(101)의 크기 즉 처리 대상의 웨이퍼(102)의 직경에 따라 크게 변한다. 기준으로서는 챔버(101)의 체적으로 규격화한 값을 이용하면 챔버(101)의 체적에 의존하지 않는 양으로 변환할 수 있다. 예를 들면, 이상의 실시예에서는 900W는 0.024W/㎤에 상당한다.
101 : 챔버 102 : 웨이퍼
103 : 시료대 104 : 마이크로파 투과창
105 : 도파관 106 : 마그네트론
107 : 솔레노이드 코일 108 : 정전 흡착 전원
109 : 고주파 전원 110 : 웨이퍼 반입구
111 : 플라즈마 112 : 펄스 제너레이터
113 : 제어부 201 : 광 파이버
202 : 수광부 203 : CD 연산부
204 : 제2 데이터 베이스 205 : 레시피 연산부
206 : 제1 데이터 베이스 207 : 에칭 제어용 PC
301 : 마스크 302 : 폴리실리콘막
303 : 산화막 304 : 실리콘 기판
401 : 어스면 402 : 모서리 부분
500 : 모드 점프 현상(CW시) 501 : 더미 웨이퍼 처리
502 : 로트 처리 503 : 클리닝
504 : 마이크로파 전력 자동 스캔 측정
505 : 모드 점프 전력 식별 506 : 자동 레시피 생성

Claims (7)

  1. 연속 방전의 경우, 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역에서, 플라즈마의 생성을 용이하게 함과 함께 상기 용이하게 생성된 플라즈마에 의해 피처리물을 플라즈마 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    연속 방전의 경우, 플라즈마가 생성되지 않는 고주파 전력과 플라즈마의 생성이 용이해지는 고주파 전력을 미리 구하고,
    온과 오프를 반복하는 펄스에 의해 조절된 방전에 의해 상기 연속 방전의 경우의 플라즈마의 생성이 곤란해지는 영역에서 플라즈마를 용이하게 생성하고,
    상기 펄스의 온 기간의 고주파 전력은, 상기 미리 구해진, 연속 방전의 경우의 플라즈마의 생성이 용이해지는 고주파 전력으로 하며,
    상기 펄스의 듀티비는, 상기 펄스의 1주기당의 평균 고주파 전력이 상기 미리 구해진, 연속 방전의 경우의 플라즈마가 생성되지 않는 고주파 전력이 되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄스의 오프 기간을 10ms 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평균 고주파 전력을 상기 피처리물 상의 플라즈마가 생성되는 공간의 체적으로 나눈 값이 0.011W/㎤ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 피처리물은, 폴리실리콘막과 실리콘 산화막을 가지고,
    상기 펄스 변조된 플라즈마는, 브롬화 수소 가스와 산소 가스를 사용하여 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산소 가스의 유량을 1ml/min∼10ml/min으로 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  6. 내부에 플라즈마가 생성되는 처리실과, 상기 플라즈마를 생성하는 플라스마 생성 수단과, 상기 처리실 내에 설치되어 웨이퍼를 재치하는 시료대를 구비하고, 상기 웨이퍼를 상기 플라즈마에 의해 에칭하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 플라스마 생성 수단은, 상기 플라즈마를 생성하기 위한 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하고, 상기 고주파 전력을 온과 오프를 반복하는 펄스에 의해 변조함과 함께 온일 때의 피크 전력을 제1 값 ― 상기 제1 값은 연속 방전으로 플라즈마를 생성시킨 경우에 플라즈마의 불안정이 생기지 않는 값임 ― 으로 설정하여, 상기 펄스 변조의 듀티비를 변경함으로써 상기 펄스 변조된 고주파 전력의 시간 평균값을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 내부를 진공으로 하여 반응성 가스가 도입되는 챔버와, 상기 챔버 안에 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성용 전원과, 상기 챔버 내에 배치되어 웨이퍼를 재치하는 시료대를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 플라즈마 생성용 전원의 출력 전력을 온과 오프를 반복하는 펄스에 의해 변조함과 함께 상기 펄스의 온일 때의 피크 전력을 제1 값 ― 상기 제1 값은 연속 방전으로 플라즈마를 발생시킨 경우에 모드 점프가 발생하는 영역에 대응하는 전력 값보다 높은 전력값 ― 으로 설정하고, 상기 펄스 변조의 듀티비를 변경함으로써 상기 펄스 변조된 고주파 전력의 시간 평균값을 제어하는 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
KR1020120006752A 2011-07-27 2012-01-20 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 KR101341534B1 (ko)

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