KR102375658B1 - 다층막을 에칭하는 방법 - Google Patents

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미츠노리 오하타
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

일 실시형태에 따른 방법은, (a) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해, 상부 자성층을 에칭하는 공정으로서, 상부 자성층의 에칭을 절연층의 표면에서 종료시키는, 상부 자성층을 에칭하는 공정과, (b) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해, 상부 자성층의 에칭에 의해서 마스크 및 상부 자성층의 표면에 형성된 퇴적물을 제거하는 공정과, (c) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해 절연층을 에칭하는 공정을 포함한다. 퇴적물을 제거하는 공정에서는, 피처리체를 유지한 지지 구조체를 경사지게 하고 또한 회전시켜, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압을 지지 구조체에 인가한다.

Description

다층막을 에칭하는 방법{METHOD FOR ETCHING MULTILAYER FILM}
본 발명의 실시형태는 다층막을 에칭하는 방법에 관한 것이다.
자기 저항 효과 소자를 이용한 메모리 소자의 일종으로서 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조를 갖는 MRAM(Magnetic Random Access Memory) 소자가 주목을 받고 있다.
MRAM 소자는 강자성체 등의 금속을 함유하는 난(難)에칭 재료로 구성된 다층막을 포함하고 있다. 이러한 MRAM 소자의 제조에서는, 다층막이 Ta(탄탈), TiN과 같은 금속 재료로 구성된 마스크를 이용하여 에칭된다. 이러한 에칭에서는, 일본 특허공개 2012-204408호 공보에 기재되어 있는 것과 같이, 종래부터 할로겐 가스가 이용되고 있다.
일본 특허공개 2012-204408호 공보
본원 발명자들은, 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 이용한 에칭에 의해 다층막을 에칭하는 시도를 했다. 이 에칭에서는, 희가스에서 유래하는 이온의 스퍼터링 효과에 의해서 다층막이 에칭된다. 그러나, 이 에칭에서는, 에칭된 금속이 그 에칭에 의해서 형성된 형상의 표면에 부착되어 퇴적물을 형성한다. 이에 따라, 상기 형상은 적층 방향으로 마스크로부터 멀어질수록 두꺼워진다. 즉, 상기 형상은 테이퍼 형상으로 된다. 따라서, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성을 높일 필요성이 있다. 또한, 이러한 에칭에서는, 에칭 대상의 막을 마스크 및 그 하지(下地)에 대하여 선택적으로 에칭할 것도 요구된다.
일 양태에서는, 플라즈마 처리 장치가 제공된다. 이 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 가스 공급계, 플라즈마원, 지지 구조체, 및 배기계를 구비한다. 처리 용기는 피처리체에 대하여 플라즈마 처리를 행하는 공간을 제공한다. 가스 공급계는 처리 용기 내에 가스를 공급한다. 플라즈마원은 가스 공급계에 의해서 공급되는 가스를 여기시킨다. 지지 구조체는 처리 용기 내에서 피처리체를 유지한다. 배기계는 처리 용기 내 공간의 배기를 위해서 설치되어 있다. 이 배기계는 지지 구조체의 바로 아래에 설치되어 있다. 가스 공급계는, 처리 용기 내에 제1 처리 가스를 공급하는 제1 가스 공급부, 및 처리 용기 내에 제2 처리 가스를 공급하는 제2 가스 공급부를 갖고 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기 내의 플라즈마 생성 시 또는 플라즈마 소멸 시의 플라즈마 상태에 따라서, 제1 처리 가스의 공급량 및 상기 제2 처리 가스의 공급량을 개별적으로 조정하도록 제1 가스 공급부 및 제2 가스 공급부를 제어하는 제어기를 더 구비한다. 지지 구조체는, 피처리체를 회전 가능하며 또한 경사 가능하게 지지하도록 구성되어 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서, 펄스 변조된 직류 전압을 지지 구조체에 인가하는 바이어스 전력 공급부를 더 구비한다.
이 플라즈마 처리 장치에서는, 지지 구조체를 경사지게 한 상태, 즉, 피처리체를 플라즈마원에 대하여 경사지게 한 상태에서 플라즈마 에칭을 행하는 것이 가능하다. 이에 따라, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면을 향해서 이온을 입사시킬 수 있다. 또한, 지지 구조체를 경사지게 한 상태에서 상기 지지 구조체를 회전시키는 것이 가능하다. 이에 따라, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면의 전체 영역을 향해서 이온을 입사시킬 수 있고, 또한, 피처리체에 대한 이온의 입사의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면의 전체 영역에 있어서, 그 측면에 부착된 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 되어, 그 형상의 수직성을 높일 수 있게 된다. 또한, 퇴적물을 피처리체의 면내에서 균일하게 제거할 수 있어, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 면내 균일성이 향상된다.
또한, 이 플라즈마 처리 장치에서는, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압을 사용할 수 있다. 펄스 변조된 직류 전압에 따르면, 비교적 낮은 에너지이면서 또한 좁은 에너지 대역의 이온을 피처리체에 인입하는 것이 가능하다. 이에 따라, 특정 물질로 구성된 영역(막 또는 퇴적물 등)을 선택적으로 에칭할 수 있게 된다.
일 실시형태에서는, 제1 처리 가스는 희가스라도 좋고, 제2 처리 가스는 수소 함유 가스라도 좋다. 수소 함유 가스로서는 CH4 가스, NH3 가스가 예시된다. 이들 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 플라즈마원에 의해서 여기되어도 좋다.
일 실시형태에서는, 제1 처리 가스는 수소, 산소, 염소, 또는 불소를 함유하는 가스라도 좋다. 이들 원소의 활성종이 에칭 대상의 막 및/또는 퇴적물에 포함되는 물질과 반응함으로써, 제2 처리 가스와 반응하기 쉬운 물질을 형성할 수 있다. 또한, 제2 처리 가스는, 에칭 대상의 막 및/또는 퇴적물에 포함되는 물질과의 반응이 배치대의 온도에 의존하는 가스를 포함하고 있어도 좋다. 혹은, 제2 처리 가스는 전자 공여성의 가스라도 좋다. 제2 처리 가스는 여기되지 않아도 좋다.
일 실시형태에 있어서, 지지 구조체는 경사 축부를 가질 수 있다. 이 경사 축부는 연직 방향에 직교하는 방향으로 뻗는 제1 축선 상에서 연장된다. 또한, 플라즈마 처리 장치는 구동 장치를 더 구비할 수 있다. 이 구동 장치는, 경사 축부를 피봇 지지하여 지지 구조체를 제1 축선을 중심으로 회전시키는 장치이며, 처리 용기의 외부에 설치된다. 또한, 지지 구조체는, 그 중공의 내부를 대기압으로 유지할 수 있는 밀봉 구조를 갖는다. 이 실시형태에 따르면, 지지 구조체의 내부와 처리 용기 내의 플라즈마 처리를 위한 공간을 분리하여, 그 지지 구조체 내에 다양한 기구를 설치하는 것이 가능하다.
일 실시형태에서는, 지지 구조체는 유지부, 용기부, 자성 유체 시일부, 및 회전 모터를 가질 수 있다. 유지부는 피처리체를 유지하는 유지부이며, 제1 축선에 직교하는 제2 축선을 중심으로 회전 가능하다. 일 실시형태에서는 유지부는 정전 척을 가질 수 있다. 용기부는 지지 구조체의 중공의 내부를 유지부와 함께 형성한다. 자성 유체 시일부는 지지 구조체를 밀봉한다. 회전 모터는 용기부 내에 설치되어 있으며, 유지부를 회전시킨다. 이 실시형태에 따르면, 피처리체를 유지한 유지부를 경사지게 하면서 상기 유지부를 회전시킬 수 있다.
일 실시형태에서는, 지지 구조체는, 용기부 내에 설치되어, 회전 모터와 유지부를 연결하는 전도 벨트를 더 가질 수도 있다.
일 실시형태에서는, 경사 축부는 통 형상을 가져도 좋다. 이 실시형태에서는, 바이어스 전력 공급부는, 경사 축부의 안쪽 구멍을 지나 용기부의 내측으로 뻗는 배선을 통해 유지부에 전기적으로 접속될 수 있다.
일 실시형태에서는, 지지 구조체가 경사지지 않은 상태에서, 제2 축선은 플라즈마원의 중심 축선과 일치할 수 있다.
일 실시형태에서는, 경사 축부는, 지지 구조체의 중심과 유지부 사이의 위치를 포함하는 상기 제1 축선 상에서 연장되어 있어도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 지지 구조체의 경사 시에, 플라즈마원에서부터 피처리체의 각 위치까지의 거리차를 저감할 수 있다. 따라서, 에칭의 면내 균일성이 더욱 향상된다. 일 실시형태에서는, 지지 구조체는 60도 이내의 각도로 경사질 수 있다.
일 실시형태에서는, 경사 축부는, 지지 구조체의 무게중심을 포함하는 상기 제1 축선 상에서 연장되어 있어도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 구동 장치에 요구되는 토크가 작아져, 상기 구동 장치의 제어가 용이하게 된다.
다른 양태에 있어서는, 피처리체의 다층막을 플라즈마 처리 장치를 이용하여 에칭하는 방법이 제공된다. 피처리체는, 하지층, 이 하지층 상에 설치된 하부 자성층, 이 하부 자성층 상에 설치된 절연층, 이 절연층 상에 설치된 상부 자성층, 및 상기 상부 자성층 상에 설치된 마스크를 갖는다. 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 이 처리 용기 내에 가스를 공급하는 가스 공급계, 플라즈마 생성용의 고주파 전원, 및 피처리체를 지지하는 지지 구조체를 구비한다. 이 방법은, (a) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해, 상부 자성층을 에칭하는 공정(이하, 「공정 a」라고 한다)이며, 상부 자성층의 에칭을 절연층의 표면에서 종료시키는, 상기 공정과, (b) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해, 상부 자성층의 에칭에 의해서 마스크 및 상부 자성층의 표면에 형성된 퇴적물을 제거하는 공정(이하, 「공정 b」라고 한다)과, (c) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해 절연층을 에칭하는 공정(이하, 「공정 c」라고 한다)을 포함한다. 이 방법의 공정 b에서는, 피처리체를 유지한 지지 구조체를 경사지게 하고 또한 회전시켜, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압을 지지 구조체에 인가한다.
이 방법에서는, 공정 b에서 지지 구조체를 경사지게 하기 때문에, 이온이 상부 자성층의 측면 및 마스크의 측면을 향해서 입사한다. 또한, 공정 b에서 지지 구조체를 회전시키기 때문에, 상부 자성층의 측면의 전체 영역 및 마스크의 측면의 전체 영역을 향해서 이온을 입사시킬 수 있다. 또한, 피처리체의 면내에 대략 균일하게 이온을 입사시킬 수 있다. 따라서, 상부 자성층의 측면의 전체 영역 및 마스크의 측면의 전체 영역에서 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 되어, 상부 자성층에 형성되는 형상의 수직성을 높일 수 있게 된다. 또한, 상부 자성층에 형성되는 형상의 면내 균일성을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 공정 b에서는, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압이 사용된다. 펄스 변조된 직류 전압에 따르면, 비교적 낮은 에너지이면서 또한 좁은 에너지 대역의 이온을 피처리체에 인입하는 것이 가능하다. 이에 따라, 특정 물질로 구성된 영역(막 또는 퇴적물 등)을 선택적으로 에칭할 수 있게 된다.
일 실시형태의 공정 b에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마가 생성되어도 좋다. 이러한 희가스는 예컨대 Kr(크립톤) 가스라도 좋다.
일 실시형태에서는, 공정 a와 공정 b가 교대로 반복되어도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 다량의 퇴적물이 형성되기 전에 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 된다.
일 실시형태에서는, 펄스 변조된 직류 전압은, 1 주기에 있어서 하이 레벨을 취하는 기간과 로우 레벨을 취하는 기간을 가지며, 상기 직류 전압이 1 주기에 있어서 하이 레벨을 취하는 기간의 비율인 듀티비는 10%~90%의 범위 내에 있어도 좋다.
일 실시형태의 공정 a에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마를 발생시켜, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압이 지지 구조체에 인가되어도 좋다. 이 희가스는 예컨대 Kr 가스이다. 이 실시형태에 따르면, 하지의 절연층을 대략 에칭하지 않게 상부 자성층을 에칭하는 것이 가능하게 된다.
일 실시형태의 공정 c에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마가 생성되어, 상부 자성층을 에칭하는 공정에서 지지 구조체에 인가되는 직류 전압보다 더 높은 전압의 펄스 변조된 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 지지 구조체에 인가된다. 이 실시형태에 따르면, 공정 a에 있어서 절연층을 에칭하지 않게 설정된 전압보다 더 높은 바이어스 전압을 이용함으로써 절연층을 에칭하는 것이 가능하게 된다.
일 실시형태에 있어서, 방법은 (d) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해 하부 자성층을 에칭하는 공정과, (e) 처리 용기 내에서 발생시킨 플라즈마에 의해 PtMn층을 포함하는 하지층을 에칭하는 공정(이하, 「공정 e」라고 한다)을 더 포함할 수 있다.
일 실시형태의 공정 e에서는, 희가스의 플라즈마가 생성되어, 상부 자성층을 에칭하는 공정에서 지지 구조체에 인가되는 상기 직류 전압보다 더 높은 전압의 펄스 변조된 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 상기 지지 구조체에 인가될 수 있다. 이 실시형태에 따르면, 공정 a에서 설정된 전압보다 더 높은 바이어스 전압을 이용함으로써 PtMn층을 포함하는 하부 자성층을 에칭하는 것이 가능하게 된다.
일 실시형태의 공정 e는, 지지 구조체를 비경사의 제1 상태로 설정하는 공정과, 경사지면서 또한 회전하는 제2 상태로 지지 구조체를 설정하는 공정을 포함하여도 좋다. 이 실시형태에 따르면, 하부 자성층의 에칭에 의해서 형성된 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 된다.
일 실시형태의 공정 e는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 제1 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 제1 공정과, 아르곤의 원자 번호보다 작은 원자 번호를 갖는 제2 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 제2 공정을 포함하여도 좋다. 일 실시형태에서는, 제1 공정 및 제2 공정에 있어서, 지지 구조체에 고주파 바이어스 전력이 공급되어도 좋다. 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호의 희가스, 즉 제1 희가스의 플라즈마는 높은 스퍼터 효율, 즉, 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마는, 아르곤 가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마보다 더 수직성이 높은 형상을 형성할 수 있게 하여, 퇴적물을 많이 제거하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 제1 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 뒤떨어진다. 한편, 아르곤의 원자 번호보다 작은 원자 번호의 희가스, 즉 제2 희가스의 플라즈마는 낮은 스퍼터 효율, 즉, 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마는 낮은 에칭 효율을 갖는다. 그러나, 제2 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 우수하다. 이 실시형태에 따르면, 제1 공정에 있어서, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성을 향상시키고, 또한, 상기 형상의 측벽면에 대한 퇴적물을 적게 할 수 있다. 또한, 제2 공정에 있어서, 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 퇴적물의 제거, 형상의 수직성 및 마스크에 대한 선택성을 만족하는 에칭이 가능하게 된다.
일 실시형태에서는, 제1 공정 및 제2 공정의 적어도 한쪽에 있어서, 지지 구조체를 경사지게 하고 또한 회전시키더라도 좋다. 이 형태에 따르면, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면에 부착된 퇴적물을 보다 효율적으로 제거할 수 있게 된다.
이상 설명한 것과 같이, 에칭에 의해서 형성된 형상의 표면에 부착된 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 되고, 또한, 에칭 대상의 막을 마스크 및 그 하지에 대하여 선택적으로 에칭하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 펄스 변조된 바이어스 전압을 도시하는 도면이다.
도 4는 피처리체의 일례를 도시하는 단면도이다.
도 5는 일 실시형태의 플라즈마원을 도시하는 도면이다.
도 6은 일 실시형태의 플라즈마원을 도시하는 도면이다.
도 7은 일 실시형태에 따른 지지 구조체를 도시하는 단면도이다.
도 8은 일 실시형태에 따른 지지 구조체를 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지를 이온 에너지 애널라이저를 이용하여 실측한 결과를 도시하는 그래프이다.
도 10은 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 전압값의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 변조 주파수의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 12는 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 온 듀티비의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 13은 일 실시형태에 따른 다층막을 에칭하는 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 14는 1000 eV의 이온 에너지를 갖는 희가스 원자의 이온에 의한 각종 금속 또는 금속 화합물의 스퍼터 일드(sputter yield)(SY)를 도시하는 도면이다.
도 15는 300 eV의 이온 에너지를 갖는 희가스 원자의 이온에 의한 각종 금속 또는 금속 화합물의 스퍼터 일드(SY)를 도시하는 도면이다.
도 16은 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 17은 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 18은 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 19는 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 20은 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다.
도 21은 공정 ST9의 일 실시형태를 도시하는 흐름도이다.
도 22는 공정 ST9의 다른 실시형태를 도시하는 흐름도이다.
이하 도면을 참조하여 여러 가지 실시형태에 관해서 상세히 설명한다. 한편, 각 도면에 있어서 동일하거나 또는 상당하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하기로 한다.
도 1 및 도 2는 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 도면으로, 연직 방향으로 뻗는 축선(PX)을 포함하는 한 평면에 있어서 처리 용기를 파단하여 상기 플라즈마 처리 장치를 보여주고 있다. 이 때 도 1에서는, 후술하는 지지 구조체가 경사지지 않은 상태의 플라즈마 처리 장치가 도시되어 있고, 도 2에서는, 지지 구조체가 경사져 있는 상태의 플라즈마 처리 장치가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시하는 플라즈마 처리 장치(10)는, 처리 용기(12), 가스 공급계(14), 플라즈마원(16), 지지 구조체(18), 배기계(20), 바이어스 전력 공급부(22) 및 제어부(Cnt)를 구비하고 있다. 처리 용기(12)는 대략 원통 형상을 가진다. 일 실시형태에서는, 처리 용기(12)의 중심 축선은 축선(PX)과 일치한다. 이 처리 용기(12)는, 피처리체(이하 「웨이퍼(W)」라고 하는 경우가 있다)에 대하여 플라즈마 처리를 행하기 위한 공간(S)을 제공하고 있다.
일 실시형태에서는, 처리 용기(12)는, 그 높이 방향의 중간 부분(12a), 즉 지지 구조체(18)를 수용하는 부분에 있어서 대략 일정한 폭을 갖고 있다. 또한, 처리 용기(12)는, 상기 중간 부분의 하단에서부터 바닥부로 향함에 따라서 서서히 폭이 좁아지는 테이퍼형을 하고 있다. 또한, 처리 용기(12)의 바닥부는 배기구(12e)를 제공하고 있고, 상기 배기구(12e)는 축선(PX)에 대하여 축 대칭으로 형성되어 있다.
가스 공급계(14)는 처리 용기(12) 내에 가스를 공급하도록 구성되어 있다. 가스 공급계(14)는 제1 가스 공급부(14a) 및 제2 가스 공급부(14b)를 갖는다. 제1 가스 공급부(14a)는 제1 처리 가스를 처리 용기(12) 내에 공급하도록 구성되어 있다. 제2 가스 공급부(14b)는 제2 처리 가스를 처리 용기(12) 내에 공급하도록 구성되어 있다. 여기서, 가스 공급계(14)의 상세한 점에 관해서는 후술한다.
플라즈마원(16)은 처리 용기(12) 내에 공급된 가스를 여기시키도록 구성되어 있다. 일 실시형태에서는, 플라즈마원(16)은 처리 용기(12)의 천장부에 설치되어 있다. 또한, 일 실시형태에서는, 플라즈마원(16)의 중심 축선은 축선(PX)과 일치한다. 여기서, 플라즈마원(16)의 일례에 관한 상세한 점에 관해서는 후술한다.
지지 구조체(18)는 처리 용기(12) 내에서 웨이퍼(W)를 유지하도록 구성되어 있다. 이 지지 구조체(18)는 축선(PX)에 직교하는 제1 축선(AX1) 중심으로 회전 가능하게 구성되어 있다. 지지 구조체(18)는, 제1 축선(AX1) 중심의 회전에 의해, 축선(PX)에 대하여 경사지는 것이 가능하다. 지지 구조체(18)를 경사지게 하기 위해서, 플라즈마 처리 장치(10)는 구동 장치(24)를 갖는다. 구동 장치(24)는 처리 용기(12)의 외부에 설치되어 있으며, 제1 축선(AX1) 중심의 지지 구조체(18)의 회전을 위한 구동력을 발생시킨다. 또한, 지지 구조체(18)는, 제1 축선(AX1)에 직교하는 제2 축선(AX2) 중심으로 웨이퍼(W)를 회전시키도록 구성되어 있다. 이 때, 지지 구조체(18)가 경사지지 않은 상태에서는, 도 1에 도시하는 것과 같이, 제2 축선(AX2)은 축선(PX)에 일치한다. 한편, 지지 구조체(18)가 경사져 있는 상태에서는, 제2 축선(AX2)은 축선(PX)에 대하여 경사진다. 이 지지 구조체(18)의 상세한 점에 관해서는 후술한다.
배기계(20)는 처리 용기(12) 내의 공간을 감압하도록 구성되어 있다. 일 실시형태에서는, 배기계(20)는 자동 압력 제어기(20a), 터보 분자 펌프(20b), 및 드라이 펌프(20c)를 갖는다. 터보 분자 펌프(20b)는 자동 압력 제어기(20a)의 하류에 설치되어 있다. 드라이 펌프(20c)는 밸브(20d)를 통해 처리 용기(12) 내의 공간에 직결되어 있다. 또한, 드라이 펌프(20c)는 밸브(20e)를 통해 터보 분자 펌프(20b)의 하류에 설치되어 있다.
자동 압력 제어기(20a) 및 터보 분자 펌프(20b)를 포함하는 배기계는 처리 용기(12)의 바닥부에 부착되어 있다. 또한, 자동 압력 제어기(20a) 및 터보 분자 펌프(20b)를 포함하는 배기계는 지지 구조체(18)의 바로 아래에 설치되어 있다. 따라서, 이 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 지지 구조체(18)의 주위에서부터 배기계(20)까지의 균일한 배기의 흐름을 형성할 수 있다. 이에 따라, 효율 좋은 배기를 달성할 수 있다. 또한, 처리 용기(12) 내에서 생성되는 플라즈마를 균일하게 확산시킬 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 처리 용기(12) 내에는 정류 부재(26)가 설치되어 있어도 좋다. 정류 부재(26)는 하단이 닫힌 대략 통 형상을 가진다. 이 정류 부재(26)는, 지지 구조체(18)를 옆쪽 및 아래쪽에서 둘러싸도록, 처리 용기(12)의 내벽면을 따라서 연장되어 있다. 일례에 있어서, 정류 부재(26)는 상부(26a) 및 하부(26b)를 갖는다. 상부(26a)는, 일정한 폭의 원통 형상을 가지며, 처리 용기(12)의 중간 부분(12a)의 내벽면을 따라서 연장되어 있다. 또한, 하부(26b)는 상부(26a)의 아래쪽에서 상기 상부(26a)에 연속되어 있다. 하부(26b)는 처리 용기(12)의 내벽면을 따라서 서서히 폭이 좁아지는 테이퍼 형상을 가지며, 그 하단이 평판형을 이루고 있다. 이 하부(26b)에는 다수의 개구(관통 구멍)가 형성되어 있다. 이 정류 부재(26)에 따르면, 상기 정류 부재(26)의 내측, 즉 웨이퍼(W)가 수용되는 공간과, 상기 정류 부재(26)의 외측, 즉 배기 측의 공간 간에 압력차를 형성할 수 있어, 웨이퍼(W)가 수용되는 공간에서의 가스의 체류 시간을 조정할 수 있게 된다. 또한, 균등한 배기를 실현할 수 있다.
바이어스 전력 공급부(22)는, 웨이퍼(W)에 이온을 인입하기 위한 바이어스 전압 및 고주파 바이어스 전력을 선택적으로 지지 구조체(18)에 인가하도록 구성되어 있다. 일 실시형태에서는, 바이어스 전력 공급부(22)는 제1 전원(22a) 및 제2 전원(22b)을 갖고 있다. 제1 전원(22a)은 지지 구조체(18)에 인가하는 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압(이하, 「변조 직류 전압」이라고 한다)을 발생시킨다. 도 3은 펄스 변조된 직류 전압을 도시하는 도면이다. 도 3에 도시하는 것과 같이, 변조 직류 전압은, 전압값이 하이 레벨을 취하는 기간 TH과 로우 레벨을 취하는 기간 TL이 교대로 반복되는 전압이다. 변조 직류 전압은, 예컨대 0 V~1200 V 범위 내의 전압값으로 설정될 수 있다. 변조 직류 전압의 하이 레벨의 전압값은, 상기 전압값의 범위 내에서 설정되는 전압값이며, 변조 직류 전압의 로우 레벨의 전압값은 상기 하이 레벨의 전압값보다 더 낮은 전압값이다. 도 3에 도시하는 것과 같이, 기간 TH과 이 기간 TH에 연속되는 기간 TL의 합계가 1 주기 TC를 구성한다. 또한, 변조 직류 전압의 펄스 변조의 주파수는 1/TC이다. 펄스 변조의 주파수는 임의로 설정될 수 있는데, 이온의 가속을 가능하게 하는 시스를 형성할 수 있는 주파수이며, 예컨대 400 kHz이다. 또한, 온 듀티비, 즉, 1 주기 TC에 있어서 기간 TH이 차지하는 비율은 10%~90% 범위 내의 비율이다.
제2 전원(22b)은, 웨이퍼(W)에 이온을 인입하기 위한 고주파 바이어스 전력을 지지 구조체(18)에 공급하도록 구성되어 있다. 이 고주파 바이어스 전력의 주파수는 이온을 웨이퍼(W)에 인입하기에 알맞은 임의의 주파수이며, 예컨대 400 kHz이다. 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 제1 전원(22a)으로부터의 변조 직류 전압과 제2 전원(22b)으로부터의 고주파 바이어스 전력을 선택적으로 지지 구조체(18)에 공급할 수 있다. 변조 직류 전압과 고주파 바이어스 전력의 선택적인 공급은 제어부(Cnt)에 의해서 제어될 수 있다.
제어부(Cnt)는 예컨대 프로세서, 기억부, 입력 장치, 표시 장치 등을 구비하는 컴퓨터이다. 제어부(Cnt)는, 입력된 레시피에 기초한 프로그램에 따라서 동작하여, 제어 신호를 송출한다. 플라즈마 처리 장치(10)의 각 부는 제어부(Cnt)로부터의 제어 신호에 의해 제어된다.
이하, 가스 공급계(14), 플라즈마원(16), 지지 구조체(18)의 각각에 관해서 상세히 설명한다.
[가스 공급계]
가스 공급계(14)는 전술한 바와 같이, 제1 가스 공급부(14a) 및 제2 가스 공급부(14b)를 갖는다. 제1 가스 공급부(14a)는 1 이상의 가스 토출 구멍(14e)을 통해 처리 용기(12) 내에 제1 처리 가스를 공급한다. 또한, 제2 가스 공급부(14b)는 1 이상의 가스 토출 구멍(14f)을 통해 처리 용기(12) 내에 제2 처리 가스를 공급한다. 가스 토출 구멍(14e)은 가스 토출 구멍(14f)보다 더 플라즈마원(16)에 가까운 위치에 설치되어 있다. 따라서, 제1 처리 가스는 제2 처리 가스보다 더 플라즈마원(16)에 가까운 위치에 공급된다. 또한, 도 1 및 도 2에서는, 가스 토출 구멍(14e) 및 가스 토출 구멍(14f) 각각의 개수는 「1」이지만, 복수의 가스 토출 구멍(14e) 및 복수의 가스 토출 구멍(14f)이 형성되어 있어도 좋다. 복수의 가스 토출 구멍(14e)은 축선(PX)에 대하여 둘레 방향으로 균등하게 배열되어 있어도 좋다. 또한, 복수의 가스 토출 구멍(14f)도 축선(PX)에 대하여 둘레 방향으로 균등하게 배열되어 있어도 좋다.
일 실시형태에서는, 가스 토출 구멍(14e)에 의해서 가스가 토출되는 영역과 가스 토출 구멍(14f)에 의해서 가스가 토출되는 영역의 사이에, 칸막이판, 소위 이온 트랩이 설치되어 있어도 좋다. 이에 따라, 제1 처리 가스의 플라즈마에서 웨이퍼(W)로 향하는 이온의 양을 조정할 수 있게 된다.
제1 가스 공급부(14a)는, 1 이상의 가스 소스, 1 이상의 유량 제어기, 1 이상의 밸브를 가질 수 있다. 따라서, 제1 가스 공급부(14a)의 1 이상의 가스 소스로부터의 제1 처리 가스의 유량은 조정할 수 있게 되어 있다. 또한, 제2 가스 공급부(14b)는, 1 이상의 가스 소스, 1 이상의 유량 제어기, 1 이상의 밸브를 가질 수 있다. 따라서, 제2 가스 공급부(14b)의 1 이상의 가스 소스로부터의 제2 처리 가스의 유량은 조정할 수 있게 되어 있다. 제1 가스 공급부(14a)로부터의 제1 처리 가스의 유량 및 상기 제1 처리 가스의 공급 타이밍, 그리고 제2 가스 공급부(14b) 로부터의 제2 처리 가스의 유량 및 상기 제2 처리 가스의 공급 타이밍은 제어부(Cnt)에 의해서 개별로 조정된다.
이하, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스에 관해서 세 가지 예를 설명한다. 이들 세 가지 예에 따른 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 이용 양태를 설명하기 위해서, 우선 피처리체의 예에 관해서 도 4를 참조하면서 설명한다. 도 4는 피처리체의 일례를 도시하는 단면도이다. 도 4에 도시하는 웨이퍼(W)는, 이 웨이퍼(W)로부터 MTJ 구조를 갖는 MRAM 소자를 작성할 수 있는 피처리체이며, MRAM 소자를 구성하는 다층막을 포함한다. 구체적으로 웨이퍼(W)는 하지층(L1), 하부 자성층(L2), 절연층(L3), 상부 자성층(L4), 및 마스크(MSK)를 갖는다.
하지층(L1)은 하부 전극층(L11), 반강자성층(L12), 강자성층(L13), 및 비자성층(L14)을 포함한다. 하부 전극층(L11)은 예컨대 Ta로 구성될 수 있다. 반강자성층(L12)은 하부 전극층(L11) 상에 설치되어 있고, 예컨대 PtMn로 구성될 수 있다. 즉, 하지층(L1)은 PtMn층을 포함할 수 있다. 강자성층(L13)은 반강자성층(L12) 상에 설치되어 있고, 예컨대 CoFe로 구성될 수 있다. 또한, 비자성층(L14)은 강자성층(L13) 상에 설치되어 있고, 예컨대 Ru로 구성될 수 있다.
하부 자성층(L2), 절연층(L3), 및 상부 자성층(L4)은 MTJ 구조를 형성하는 다층막이다. 하부 자성층(L2)은 비자성층(L14) 상에 설치되어 있고, 예컨대 CoFeB로 구성될 수 있다. 여기서, 강자성층(L13), 비자성층(L14), 및 하부 자성층(L2)은 자화 고정층을 구성한다. 절연층(L3)은 하부 자성층(L2)과 상부 자성층(L4) 사이에 설치되어 있고, 예컨대 산화마그네슘(MgO)으로 구성될 수 있다. 또한, 상부 자성층(L4)은 절연층(L3) 상에 설치되어 있고, 예컨대 CoFeB로 구성될 수 있다.
마스크(MSK)는 상부 자성층(L4) 상에 설치되어 있다. 마스크(MSK)는 제1 층(L21) 및 제2 층(L22)을 포함할 수 있다. 제1 층(L21)은 상부 자성층(L4) 상에 설치되어 있고, 예컨대 Ta로 구성될 수 있다. 제2 층(L22)은 제1 층(L21) 상에 설치되어 있고, 예컨대 TiN로 구성될 수 있다. 이 웨이퍼(W)는, 마스크(MSK)에 덮여 있지 않은 영역에 있어서 상부 자성층(L4)에서부터 반강자성층(L12)까지의 다층막이 에칭된다. 이하, 이러한 웨이퍼(W)를 예로 들어, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 세 가지 예에 관해서 설명한다.
제1 예에 있어서, 제1 처리 가스는 희가스일 수 있다. 희가스는 He 가스, Ne 가스, Ar 가스, Kr 가스, 또는 Xe 가스이다. 또한, 제1 처리 가스는 He 가스, Ne 가스, Ar 가스, Kr 가스, 및 Xe 가스 중에서 선택되는 가스일 수 있다. 예컨대, 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 도 4에 도시한 웨이퍼(W)의 다층막을 에칭할 때는 각 층의 에칭에 알맞은 희가스가 선택된다.
또한, 제1 예에 있어서, 제2 처리 가스는 수소 함유 가스일 수 있다. 수소 함유 가스로서는 CH4 가스 또는 NH3 가스가 예시된다. 이러한 제2 처리 가스에서 유래하는 수소의 활성종은, 다층막 중에 포함되는 물질, 즉 금속을 환원 작용에 의해서 에칭하기 쉬운 상태로 개질한다. 또한, CH4 가스에 포함되는 탄소, 또는 NH3 가스에 포함되는 질소는, 마스크(MSK)를 구성하는 재료와 결합하여 금속 화합물을 형성한다. 이에 따라, 마스크(MSK)가 강고하게 되어, 다층막의 에칭 레이트에 대하여 상기 마스크(MSK)의 에칭 레이트가 작아진다. 그 결과, 웨이퍼(W)에 있어서의 마스크(MSK) 이외의 다층막을 구성하는 층의 에칭 선택성을 향상시킬 수 있게 된다.
이러한 제1 예에서는, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 플라즈마원(16)에 의해서 여기될 수 있다. 이 제1 예에서는, 제어부(Cnt)에 의한 제어에 의해, 플라즈마 생성 시의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 공급량이 개별로 제어된다.
제2 예에서는, 제1 처리 가스는, 플라즈마원(16)에 의해서 발생한 플라즈마에 의해서 해리되어 라디칼을 생성하는 분해성 가스일 수 있다. 제1 처리 가스에서 유래하는 라디칼은 환원 반응, 산화 반응, 염화 반응 또는 불화 반응을 일으키는 라디칼이라도 좋다. 제1 처리 가스는 수소 원소, 산소 원소, 염소 원소 또는 불소 원소를 함유하는 가스라도 좋다. 구체적으로는, 제1 처리 가스는 Ar, N2, O2, H2, He, BCl3, Cl2, CF4, NF3, CH4, 또는 SF6 등이라도 좋다. 환원 반응의 라디칼을 생성하는 제1 처리 가스로서는 H2 등이 예시된다. 산화 반응의 라디칼을 생성하는 제1 처리 가스로서는 O2 등이 예시된다. 염화 반응의 라디칼을 생성하는 제1 처리 가스로서는 BCl3, Cl2 등이 예시된다. 불화 반응의 라디칼을 생성하는 제1 처리 가스로서는 CF4, NF3, SF6 등이 예시된다.
또한, 제2 예에서는, 제2 처리 가스는 플라즈마에 노출되는 일없이 에칭 대상의 물질과 반응하는 가스일 수 있다. 이 제2 처리 가스로서는, 예컨대, 에칭 대상 물질과의 반응이 지지 구조체(18)의 온도에 의존하는 가스를 포함하여도 좋다. 구체적으로 이러한 제2 처리 가스에는 HF, Cl2, HCl, H2O, PF3, F2, ClF3, COF2, 시클로펜타디엔 또는 Amidinato 등이 이용된다. 또한, 제2 처리 가스는 전자 공여성 가스를 포함할 수 있다. 전자 공여성 가스란, 일반적으로는, 전기 음성도 또는 이온화 포텐셜이 크게 상이한 원자로 구성되는 가스, 혹은 고립 전자쌍을 갖는 원자를 포함하는 가스를 말한다. 전자 공여성 가스는 다른 화합물에 전자를 부여하기 쉬운 성질을 갖는다. 예컨대, 전자 공여성 가스는, 금속 화합물 등과 배위자로서 결합하여 증발하는 성질을 갖는다. 전자 공여성 가스로서는 SF6, PH3, PF3, PCl3, PBr3, PI3, CF4, AsH3, SbH3, SO3, SO2, H2S, SeH2, TeH2, Cl3F, H2O, H2O2 등, 또는 카르보닐기를 함유하는 가스가 예시된다.
이 제2 예의 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는, 도 4에 도시한 웨이퍼(W)의 다층막의 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물의 제거에 이용할 수 있다. 구체적으로는, 상기 퇴적물을 제1 처리 가스에서 유래하는 라디칼에 의해서 개질하고, 이어서, 개질된 퇴적물과 제2 처리 가스와의 반응을 일으킨다. 이에 따라, 퇴적물을 용이하게 배기할 수 있게 된다. 이러한 제2 예에서는, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 교대로 공급될 수 있다. 제1 처리 가스의 공급 시에는 플라즈마원(16)에 의해서 플라즈마가 생성되고, 제2 처리 가스의 공급 시에는 플라즈마원(16)에 의한 플라즈마의 생성이 정지된다. 이러한 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스의 공급은 제어부(Cnt)에 의해서 제어된다. 즉, 제2 예에서는, 플라즈마 생성 시 및 플라즈마 소멸 시의 플라즈마 상태에 따른 제1 처리 가스의 공급량 및 제2 처리 가스의 공급량은, 제어부(Cnt)에 의한 제1 가스 공급부(14a) 및 제2 가스 공급부(14b)의 제어에 의해서 실현될 수 있다.
[플라즈마원]
도 5는 일 실시형태의 플라즈마원을 도시하는 도면이며, 도 1의 Y 방향에서 본 플라즈마원을 도시하는 도면이다. 또한, 도 6은 일 실시형태의 플라즈마원을 도시하는 도면이며, 연직 방향에서 본 플라즈마원을 도시하고 있다. 도 1 및 도 5에 도시하는 것과 같이, 처리 용기(12)의 천장부에는 개구가 형성되어 있고, 이 개구는 유전체판(194)에 의해서 닫혀 있다. 유전체판(194)은 판 형상체이며, 석영 유리 또는 세라믹으로 구성되어 있다. 플라즈마원(16)은 이 유전체판(194) 상에 설치되어 있다.
보다 구체적으로는 도 5 및 도 6에 도시하는 것과 같이, 플라즈마원(16)은 고주파 안테나(140) 및 실드 부재(160)를 갖는다. 고주파 안테나(140)는 실드 부재(160)에 의해서 덮여 있다. 일 실시형태에서는, 고주파 안테나(140)는 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)를 포함한다. 내측 안테나 소자(142A)는 외측 안테나 소자(142B)보다 더 축선(PX) 근처에 설치되어 있다. 환언하면, 외측 안테나 소자(142B)는, 내측 안테나 소자(142A)를 둘러싸도록, 상기 내측 안테나 소자(142A)의 외측에 설치되어 있다. 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)의 각각은, 예컨대 구리, 알루미늄, 스테인리스 등의 도체로 구성되어 있고, 축선(PX)을 중심으로 나선형으로 연장되어 있다.
내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)는 함께 복수의 협지체(144)에 협지되어 일체로 되어 있다. 복수의 협지체(144)는 예컨대 막대 형상의 부재이며, 축선(PX)에 대하여 방사상으로 배치되어 있다.
실드 부재(160)는 내측 실드벽(162A) 및 외측 실드벽(162B)을 갖고 있다. 내측 실드벽(162A)은 연직 방향으로 연장되는 통 형상을 가지며, 내측 안테나 소자(142A)와 외측 안테나 소자(142B)의 사이에 설치되어 있다. 이 내측 실드벽(162A)는 내측 안테나 소자(142A)를 둘러싸고 있다. 또한, 외측 실드벽(162B)는 연직 방향으로 연장되는 통 형상을 가지며, 외측 안테나 소자(142B)를 둘러싸도록 설치되어 있다.
내측 안테나 소자(142A) 상에는 내측 실드판(164A)이 설치되어 있다. 내측 실드판(164A)은 원반 형상을 가지며, 내측 실드벽(162A)의 개구를 막도록 설치되어 있다. 또한, 외측 안테나 소자(142B) 상에는 외측 실드판(164B)이 설치되어 있다. 외측 실드판(164B)은 환형의 판이며, 내측 실드벽(162A)과 외측 실드벽(162B) 사이의 개구를 막도록 설치되어 있다.
내측 안테나 소자(142A), 외측 안테나 소자(142B)에는 각각 고주파 전원(150A), 고주파 전원(150B)이 접속되어 있다. 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)은 플라즈마 생성용의 고주파 전원이다. 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)은 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)의 각각에 동일한 주파수 또는 상이한 주파수의 고주파 전력을 공급한다. 예컨대, 내측 안테나 소자(142A)에 고주파 전원(150A)으로부터 소정 주파수(예컨대 40 MHz)의 고주파 전력을 소정의 파워로 공급하면, 처리 용기(12) 내에 형성된 유도 자계에 의해서, 처리 용기(12) 내에 도입된 처리 가스가 여기되어, 웨이퍼(W) 상의 중앙부에 도넛형의 플라즈마가 생성된다. 또한, 외측 안테나 소자(142B)에 고주파 전원(150B)으로부터 소정 주파수(예컨대 60 MHz)의 고주파를 소정의 파워로 공급하면, 처리 용기(12) 내에 형성된 유도 자계에 의해서, 처리 용기(12) 내에 도입된 처리 가스가 여기되어, 웨이퍼(W) 상의 주연부에 다른 도넛형의 플라즈마가 생성된다. 이들 플라즈마에 의해서 처리 가스로부터 라디칼이 생성된다.
한편, 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)으로부터 출력되는 고주파 전력의 주파수는 전술한 주파수에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)으로부터 출력되는 고주파 전력의 주파수는, 13.56 MHz, 27 MHz, 40 MHz, 60 MHz와 같은 다양한 주파수라도 좋다. 단, 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)으로부터 출력되는 고주파에 따라서 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)의 전기적 길이를 조정할 필요가 있다.
이 플라즈마원(16)은, 1 mTorr(0.1333 Pa)의 압력 환경 하에서도 처리 가스의 플라즈마를 착화하는 것이 가능하다. 저압 환경 하에서는 플라즈마 중의 이온의 평균 자유 행정이 커진다. 따라서, 희가스 원자의 이온의 스퍼터링에 의한 에칭이 가능하게 된다. 또한, 저압 환경 하에서는, 에칭된 물질이 웨이퍼(W)에 재부착되는 것을 억제하면서 상기 물질을 배기하는 것이 가능하다.
[지지 구조체]
도 7 및 도 8은 일 실시형태에 따른 지지 구조체를 도시하는 단면도이다. 도 7에는 Y 방향(도 1 참조)에서 본 지지 구조체의 단면도가 도시되어 있고, 도 8에는 X 방향(도 1 참조)에서 본 지지 구조체의 단면도가 도시되어 있다. 도 7 및 도 8에 도시하는 것과 같이, 지지 구조체(18)는 유지부(30), 용기부(40), 및 경사 축부(50)를 갖는다.
유지부(30)는 웨이퍼(W)를 유지하며, 제2 축선(AX2) 중심으로 회전함으로써 웨이퍼(W)를 회전시키는 기구이다. 또한, 전술한 바와 같이, 제2 축선(AX2)은 지지 구조체(18)가 경사지지 않은 상태에서는 축선(PX)과 일치한다. 이 유지부(30)는 정전 척(32), 하부 전극(34), 회전 축부(36), 및 절연 부재(35)를 갖는다.
정전 척(32)은 그 상면에 있어서 웨이퍼(W)를 유지하도록 구성되어 있다. 정전 척(32)은, 제2 축선(AX2)을 그 중심 축선으로 하는 대략 원반 형상을 가지며, 절연막의 내층으로서 설치된 전극막을 갖고 있다. 정전 척(32)은 전극막에 전압이 인가됨으로써 정전력을 발생시킨다. 이 정전력에 의해, 정전 척(32)은 그 상면에 배치된 웨이퍼(W)를 흡착한다. 이 정전 척(32)과 웨이퍼(W)의 사이에는, He 가스와 같은 전열 가스가 공급되게 되어 있다. 또한, 정전 척(32) 내에는, 웨이퍼(W)를 가열하기 위한 히터가 내장되어 있어도 좋다. 이러한 정전 척(32)은 하부 전극(34) 상에 설치되어 있다.
하부 전극(34)은, 제2 축선(AX2)을 그 중심 축선으로 하는 대략 원반 형상을 가진다. 일 실시형태에서는, 하부 전극(34)은 제1 부분(34a) 및 제2 부분(34b)을 갖고 있다. 제1 부분(34a)은 제2 축선(AX2)을 따라서 연장되는 하부 전극(34)의 중앙 측의 부분이고, 제2 부분(34b)은 제1 부분(34a)보다 더 제2 축선(AX2)으로부터 떨어져, 즉, 제1 부분(34a)보다 더 외측에서 연장되는 부분이다. 제1 부분(34a)의 상면 및 제2 부분(34b)의 상면은 연속되어 있고, 제1 부분(34a)의 상면 및 제2 부분(34b)의 상면에 의해서 하부 전극(34)의 대략 평탄한 상면이 구성되어 있다. 이 하부 전극(34)의 상면에는 정전 척(32)이 접하고 있다. 또한, 제1 부분(34a)은 제2 부분(34b)보다 더 아래쪽으로 돌출되어 원주형을 이루고 있다. 즉, 제1 부분(34a)의 하면은 제2 부분(34b)의 하면보다 더 아래쪽에 있어서 연장되어 있다. 이 하부 전극(34)은 알루미늄과 같은 도체로 구성되어 있다. 하부 전극(34)은 전술한 바이어스 전력 공급부(22)와 전기적으로 접속된다. 즉, 하부 전극(34)에는, 제1 전원(22a)으로부터의 변조 직류 전압 및 제2 전원(22b)으로부터의 고주파 바이어스 전력이 선택적으로 공급 가능하게 되어 있다. 또한, 하부 전극(34)에는 냉매 유로(34f)가 마련되어 있다. 이 냉매 유로(34f)에 냉매가 공급됨으로써 웨이퍼(W)의 온도가 제어되게 되어 있다. 이 하부 전극(34)은 절연 부재(35) 상에 설치되어 있다.
절연 부재(35)는 석영, 알루미나와 같은 절연체로 구성되어 있고, 중앙이 개구된 대략 원반 형상을 가진다. 일 실시형태에서는, 절연 부재(35)는 제1 부분(35a) 및 제2 부분(35b)을 갖고 있다. 제1 부분(35a)은 절연 부재(35)의 중앙 측의 부분이고, 제2 부분(35b)은 제1 부분(35a)보다 더 제2 축선(AX2)으로부터 떨어져, 즉, 제1 부분(35a)보다 더 외측에서 연장되는 부분이다. 제1 부분(35a)의 상면은 제2 부분(35b)의 상면보다 더 아래쪽으로 연장되어 있고, 또한, 제1 부분(35a)의 하면도 제2 부분(35b)의 하면보다 더 아래쪽으로 연장되어 있다. 절연 부재(35)의 제2 부분(35b)의 상면은 하부 전극(34)의 제2 부분(34b)의 하면에 접하고 있다. 한편, 절연 부재(35)의 제1 부분(35a)의 상면은 하부 전극(34)의 하면으로부터 이격되어 있다.
회전 축부(36)는 대략 원주 형상을 가지며, 하부 전극(34)의 하면에 결합되어 있다. 구체적으로는 하부 전극(34)의 제1 부분(34a)의 하면에 결합되어 있다. 회전 축부(36)의 중심 축선은 제2 축선(AX2)과 일치한다. 이 회전 축부(36)에 대하여 회전력이 주어짐으로써 유지부(30)가 회전하게 되어 있다.
이러한 여러 가지 요소에 의해서 구성되는 유지부(30)는, 용기부(40)와 함께 지지 구조체(18)의 내부 공간으로서 중공의 공간을 형성하고 있다. 용기부(40)는 상측 용기부(42) 및 외측 용기부(44)를 포함한다. 상측 용기부(42)는 대략 원반 형상을 가진다. 상측 용기부(42)의 중앙에는 회전 축부(36)가 지나는 관통 구멍이 형성되어 있다. 이 상측 용기부(42)는, 절연 부재(35)의 제2 부분(35b)의 아래쪽에 있어서, 상기 제2 부분(35b)에 대하여 약간의 간극을 제공하도록 설치되어 있다. 또한, 상측 용기부(42)의 하면 주연부에는 외측 용기부(44)의 상단이 결합되어 있다. 외측 용기부(44)는 하단이 폐색된 대략 원통 형상을 가진다.
용기부(40)와 회전 축부(36)의 사이에는 자성 유체 시일부(52)가 설치되어 있다. 자성 유체 시일부(52)는 내륜부(52a) 및 외륜부(52b)를 갖는다. 내륜부(52a)는 회전 축부(36)와 동축으로 연장되는 대략 원통 형상을 가지며, 회전 축부(36)에 대하여 고정되어 있다. 또한, 내륜부(52a)의 상단부는 절연 부재(35)의 제1 부분(35a)의 하면에 결합한다. 이 내륜부(52a)는 회전 축부(36)와 함께 제2 축선(AX2) 중심으로 회전하게 되어 있다. 외륜부(52b)는 대략 원통 형상을 가지며, 내륜부(52a)의 외측에 있어서 상기 내륜부(52a)과 동축으로 설치되어 있다. 외륜부(52b)의 상단부는 상측 용기부(42)의 중앙 측 부분의 하면에 결합한다. 이들 내륜부(52a)와 외륜부(52b)의 사이에는 자성 유체(52c)가 개재해 있다. 또한, 자성 유체(52c)의 아래쪽에 있어서, 내륜부(52a)와 외륜부(52b)의 사이에는 베어링(53)이 설치되어 있다. 이 자성 유체 시일부(52)는 지지 구조체(18)의 내부 공간을 기밀하게 밀봉하는 밀봉 구조를 제공한다. 이 자성 유체 시일부(52)에 의해, 지지 구조체(18)의 내부 공간은 플라즈마 처리 장치(10)의 공간(S)으로부터 분리된다. 이 때, 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 지지 구조체(18)의 내부 공간은 대기압으로 유지된다.
일 실시형태에서는, 자성 유체 시일부(52)와 회전 축부(36)의 사이에 제1 부재(37) 및 제2 부재(38)가 마련되어 있다. 제1 부재(37)는, 회전 축부(36)의 외주면의 일부분, 즉, 후술하는 제3 통형부(36d)의 상측 부분의 외주면 및 하부 전극(34)의 제1 부분(34a)의 외주면을 따라서 연장되는 대략 원통 형상을 가진다. 또한, 제1 부재(37)의 상단은, 하부 전극(34)의 제2 부분(34b)의 하면을 따라서 연장되는 환형의 판 형상을 가진다. 이 제1 부재(37)는, 제3 통형부(36d)의 상측 부분의 외주면, 그리고 하부 전극(34)의 제1 부분(34a)의 외주면 및 제2 부분(34b)의 하면에 접해 있다.
제2 부재(38)는, 회전 축부(36)의 외주면, 즉, 제3 통형부(36d)의 외주면 및 제1 부재(37)의 외주면을 따라서 연장되는 대략 원통 형상을 가진다. 제2 부재(38)의 상단은, 절연 부재(35)의 제1 부분(35a)의 상면을 따라서 연장되는 환형의 판 형상을 가진다. 제2 부재(38)는, 제3 통형부(36d)의 외주면, 제1 부재(37)의 외주면, 절연 부재(35)의 제1 부분(35a)의 상면, 및 자성 유체 시일부(52)의 내륜부(52a)의 내주면에 접해 있다. 이 제2 부재(38)와 절연 부재(35)의 제1 부분(35a)의 상면의 사이에는 O 링과 같은 밀봉 부재(39a)가 개재해 있다. 또한, 제2 부재(38)와 자성 유체 시일부(52)의 내륜부(52a)의 내주면의 사이에는 O 링과 같은 밀봉 부재(39b 및 39c)가 개재해 있다. 이러한 구조에 의해, 회전 축부(36)와 자성 유체 시일부(52)의 내륜부(52a)의 사이가 밀봉된다. 이에 따라, 회전 축부(36)와 자성 유체 시일부(52) 사이에 간극이 존재하더라도, 지지 구조체(18)의 내부 공간이 플라즈마 처리 장치(10)의 공간(S)으로부터 분리된다.
외측 용기부(44)에는 제1 축선(AX1)을 따라서 개구가 형성되어 있다. 외측 용기부(44)에 형성된 개구에는 경사 축부(50)의 내측 단부가 감입되어 있다. 이 경사 축부(50)는 대략 원통 형상을 가지며, 그 중심 축선은 제1 축선(AX1)과 일치한다. 경사 축부(50)는, 도 1에 도시하는 것과 같이, 처리 용기(12)의 외측까지 연장되어 있다. 경사 축부(50)의 한쪽의 외측 단부에는 전술한 구동 장치(24)가 결합되어 있다. 이 구동 장치(24)는 경사 축부(50)의 한쪽의 외측 단부를 피봇 지지하고 있다. 이 구동 장치(24)에 의해서 경사 축부(50)가 회전됨으로써, 지지 구조체(18)가 제1 축선(AX1) 중심으로 회전하고, 그 결과, 지지 구조체(18)가 축선(PX)에 대하여 경사지도록 되어 있다. 예컨대, 지지 구조체(18)는, 축선(PX)에 대하여 제2 축선(AX2)이 0도~60도 이내 범위의 각도를 이루도록 경사질 수 있다.
일 실시형태에서는, 제1 축선(AX1)은 제2 축선(AX2) 방향에 있어서의 지지 구조체(18)의 중심 위치를 포함한다. 이 실시형태에서는, 경사 축부(50)는 지지 구조체(18)의 상기 중심을 지나는 제1 축선(AX1) 상에서 연장되어 있다. 이 실시형태에서는, 지지 구조체(18)가 경사져 있을 때에, 상기 지지 구조체(18)의 상부 가장자리와 처리 용기(12)(또는 정류 부재(26)) 사이의 최단 거리 WU(도 2 참조)와, 지지 구조체(18)의 하부 가장자리와 처리 용기(12)(또는 정류 부재(26)) 사이의 최단 거리 WL(도 2 참조) 중 최소 거리를 크게 하는 것이 가능하다. 즉, 지지 구조체(18)의 외곽과 처리 용기(12)(또는 정류 부재(26)) 사이의 최소 거리를 최대화할 수 있다. 따라서, 처리 용기(12)의 수평 방향의 폭을 작게 하는 것이 가능하게 된다.
다른 실시형태에서는, 제1 축선(AX1)은, 제2 축선(AX2) 방향에 있어서의 지지 구조체(18)의 중심과 유지부(30)의 상면 사이의 위치를 포함한다. 즉, 이 실시형태에서는 경사 축부(50)는, 지지 구조체(18)의 중심보다 더 유지부(30) 측으로 치우친 위치에서 연장되어 있다. 이 실시형태에 따르면, 지지 구조체(18)의 경사 시에, 플라즈마원(16)에서부터 웨이퍼(W)의 각 위치까지의 거리차를 저감할 수 있다. 따라서, 에칭의 면내 균일성이 더욱 향상된다. 또한, 지지 구조체(18)는 60도 이내의 각도로 경사 가능하여도 좋다.
또 다른 실시형태에서는, 제1 축선(AX1)은 지지 구조체(18)의 무게중심을 포함한다. 이 실시형태에서는, 경사 축부(50)는 상기 무게중심을 포함하는 제1 축선(AX1) 상에서 연장되어 있다. 이 실시형태에 따르면, 구동 장치(24)에 요구되는 토크가 작아져, 상기 구동 장치(24)의 제어가 용이하게 된다.
도 7 및 도 8로 되돌아가면, 경사 축부(50)의 안쪽 구멍에는, 다양한 전기 계통용의 배선, 전열 가스용의 배관, 및 냉매용의 배관이 통과한다. 이들 배선 및 배관은 회전 축부(36)에 연결되어 있다.
회전 축부(36)는 주상부(柱狀部)(36a), 제1 통형부(36b), 제2 통형부(36c), 및 제3 통형부(36d)를 갖는다. 주상부(36a)는 대략 원주 형상을 가지며, 제2 축선(AX2) 상에서 연장되어 있다. 주상부(36a)는, 정전 척(32)의 전극막에 전압을 인가하기 위한 배선이다. 주상부(36a)는, 슬립 링과 같은 로터리 커넥터(54)를 통해 배선(60)에 접속되어 있다. 배선(60)은, 지지 구조체(18)의 내부 공간에서부터 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 지나 처리 용기(12)의 외부까지 연장되어 있다. 이 배선(60)은, 처리 용기(12)의 외부에 있어서 스위치를 통해 전원(62)(도 1 참조)에 접속되어 있다.
제1 통형부(36b)는, 주상부(36a)의 외측에서 상기 주상부(36a)와 동축으로 설치되어 있다. 제1 통형부(36b)는, 하부 전극(34)에 변조 직류 전압 및 고주파 바이어스 전력을 공급하기 위한 배선이다. 제1 통형부(36b)는 로터리 커넥터(54)를 통해 배선(64)에 접속되어 있다. 배선(64)은, 지지 구조체(18)의 내부 공간에서부터 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 지나 처리 용기(12)의 외부까지 연장되어 있다. 이 배선(64)은, 처리 용기(12)의 외부에 있어서 바이어스 전력 공급부(22)의 제1 전원(22a) 및 제2 전원(22b)에 접속되어 있다. 또한, 제2 전원(22b)과 배선(64) 사이에는 임피던스 매칭용의 정합기가 설치될 수 있다.
제2 통형부(36c)는, 제1 통형부(36b)의 외측에서 상기 제1 통형부(36b)와 동축으로 설치되어 있다. 일 실시형태에서는, 전술한 로터리 커넥터(54) 내에는 베어링(55)이 설치되어 있고, 이 베어링(55)은 제2 통형부(36c)의 외주면을 따라서 연장되어 있다. 이 베어링(55)은 제2 통형부(36c)를 통해 회전 축부(36)를 지지하고 있다. 전술한 베어링(53)은 회전 축부(36)의 상측 부분을 지지하고 있는 데 대하여, 베어링(55)은 회전 축부(36)의 하측 부분을 지지하고 있다. 이와 같이 2개의 베어링(53) 및 베어링(55)에 의해서, 회전 축부(36)가 그 상측 부분 및 하측 부분 양쪽에서 지지되기 때문에, 회전 축부(36)를 제2 축선(AX2) 중심으로 안정적으로 회전시킬 수 있다.
제2 통형부(36c)에는 전열 가스 공급용의 가스 라인이 형성되어 있다. 이 가스 라인은, 스위블 조인트와 같은 회전 조인트를 통해 배관(66)에 접속되어 있다. 배관(66)은 지지 구조체(18)의 내부 공간에서부터 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 지나 처리 용기(12)의 외부까지 연장되어 있다. 이 배관(66)은 처리 용기(12)의 외부에서 전열 가스의 소스(68)(도 1 참조)에 접속되어 있다.
제3 통형부(36d)는, 제2 통형부(36c)의 외측에서 상기 제2 통형부(36c)와 동축으로 설치되어 있다. 이 제3 통형부(36d)에는, 냉매 유로(34f)에 냉매를 공급하기 위한 냉매 공급 라인 및 냉매 유로(34f)에 공급된 냉매를 회수하는 냉매 회수 라인이 형성되어 있다. 냉매 공급 라인은 스위블 조인트와 같은 회전 조인트(70)를 통해 배관(72)에 접속되어 있다. 또한, 냉매 회수 라인은 회전 조인트(70)를 통해 배관(74)에 접속되어 있다. 배관(72) 및 배관(74)은 지지 구조체(18)의 내부 공간에서부터 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 지나 처리 용기(12)의 외부까지 뻗어 있다. 그리고, 배관(72) 및 배관(74)은 처리 용기(12)의 외부에 있어서 칠러 유닛(76)(도 1 참조)에 접속되어 있다.
또한, 도 8에 도시하는 것과 같이, 지지 구조체(18)의 내부 공간에는 회전 모터(78)가 설치되어 있다. 회전 모터(78)는 회전 축부(36)를 회전시키기 위한 구동력을 발생시킨다. 일 실시형태에서는, 회전 모터(78)는 회전 축부(36)의 측방에 설치되어 있다. 이 회전 모터(78)는, 회전 축부(36)에 부착된 풀리(80)에 전도 벨트(82)를 통해 연결되어 있다. 이에 따라, 회전 모터(78)의 회전 구동력이 회전 축부(36)에 전달되어, 유지부(30)가 제2 축선(AX2) 중심으로 회전한다. 유지부(30)의 회전수는 예컨대 48 rpm 이하의 범위 내에 있다. 예컨대, 유지부(30)는 프로세스 중에 20 rpm의 회전수로 회전된다. 또한, 회전 모터(78)에 전력을 공급하기 위한 배선은, 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 지나 처리 용기(12)의 외부까지 인출되어, 처리 용기(12)의 외부에 설치된 모터용 전원에 접속된다.
이와 같이 지지 구조체(18)는, 대기압으로 유지할 수 있는 내부 공간에 다양한 기구를 설치하는 것이 가능하다. 또한, 지지 구조체(18)는, 그 내부 공간에 수용한 기구와 처리 용기(12)의 외부에 설치한 전원, 가스 소스, 칠러 유닛 등의 장치를 접속하기 위한 배선 또는 배관을 처리 용기(12)의 외부까지 인출하는 것이 가능하게 구성되어 있다. 또한, 전술한 배선 및 배관에 더하여, 처리 용기(12)의 외부에 설치된 히터 전원과 정전 척(32)에 설치된 히터를 접속하는 배선이 지지 구조체(18)의 내부 공간에서부터 처리 용기(12)의 외부까지 경사 축부(50)의 안쪽 구멍을 통해 인출되어 있어도 좋다.
여기서, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서의 이온 에너지의 실측 결과에 관해서 설명한다. 도 9는 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지를 이온 에너지 애널라이저를 이용하여 실측한 결과를 도시하는 그래프이다. 도 9에 도시하는 이온 에너지는, 이하에 나타내는 조건으로 플라즈마를 생성하여, 이온 에너지 애널라이저를 이용하여 실측한 것이다.
<조건>
처리 가스: Kr 가스, 50 sccm
처리 용기(12) 내의 압력: 5 mTorr(0.1333 Pa)
고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)의 전력: 50 W
변조 직류 전압의 전압값: 200 V
변조 직류 전압의 변조 주파수: 400 kHz
변조 직류 전압의 온 듀티비: 50%
도 9에 있어서 횡축은 이온 에너지를 나타내고 있고, 좌측의 종축은 이온 전류를 나타내고 있고, 우측의 종축은 IEDF(Ion Energy Distribution Function), 즉, 이온의 카운트수를 나타내고 있다. 도 9에 도시하는 것과 같이, 상기한 조건 하에서 이온 에너지를 실측한 바, 약 153.4 eV를 중심으로 하는 좁은 에너지 대역의 이온이 생성되고 있었다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서 희가스의 플라즈마를 발생시켜, 이온 인입을 위해서 변조 직류 전압을 이용함으로써, 좁은 에너지 대역을 가지면서 또한 비교적 낮은 에너지를 갖는 이온을 웨이퍼(W)에 입사시킬 수 있다는 것이 확인된다.
한편, 변조 직류 전압이 아니라, 제2 전원(22b)의 고주파 바이어스 전력을 지지 구조체(18)에 공급하는 경우에는, 고주파 바이어스 전력의 크기를 조정하여도 이온 에너지는 600 eV보다 커진다.
이어서, 플라즈마 처리 장치(10)에 있어서의 이온 에너지의 제어성에 관해서 실측 결과와 함께 설명한다. 도 10은 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 전압값의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 11은 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 변조 주파수의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 12는 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치에 있어서의 이온 에너지와 펄스 변조된 직류 전압의 온 듀티비의 관계를 도시하는 그래프이다. 도 10, 도 11, 도 12에 도시하는 이온 에너지는, 하기의 조건 하에서 플라즈마를 생성하여, 이온 에너지 애널라이저를 이용하여 실측한 것이다. 또한, 도 10에 도시하는 이온 에너지는, 변조 직류 전압의 전압값(횡축)을 여러 가지 다른 전압값으로 설정하여 취득한 것이다. 또한, 도 11에 도시하는 이온 에너지는, 변조 직류 전압의 변조 주파수(횡축)를 여러 가지 다른 주파수로 설정하여 취득한 것이다. 또한, 도 12에 도시하는 이온 에너지의 취득에 있어서는, 변조 직류 전압의 온 듀티비(횡축)를 여러 가지 다른 비로 설정하여 취득한 것이다. 또한, 도 10~도 12에 도시하는 이온 에너지(종축)는 IEDF가 피크인 이온 에너지를 나타내고 있다.
<조건>
처리 가스: Kr가스, 50 sccm
처리 용기(12) 내의 압력: 5 mTorr(0.1333 Pa)
고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)의 전력: 50 W
변조 직류 전압의 전압값: 200 V(도 10의 실측에서는 가변)
변조 직류 전압의 변조 주파수: 400 kHz(도 11의 실측에서는 가변)
변조 직류 전압의 펄스 변조의 온 듀티비: 50%(도 12의 실측에서는 가변)
도 10에 도시하는 것과 같이, 지지 구조체(18)(즉, 하부 전극(34))에 인가하는 변조 직류 전압의 전압값을 변화시키면, 이온 에너지를 크게 또한 선형적으로 변화시키는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 또한, 도 11 및 도 12에 도시하는 것과 같이, 지지 구조체(18)(즉, 하부 전극(34))에 인가하는(즉, 하부 전극(34)의) 변조 주파수 또는 온 듀티비를 변화시키면, 작은 변동이기는 하지만, 이온 에너지를 선형적으로 변화시킬 수 있다. 이로부터, 플라즈마 처리 장치(10)에 따르면, 이온 에너지의 제어성이 우수하다는 것이 확인된다.
여기서, 도 4에 도시한 다층막의 각 층을 구성하는 물질에는, 그 물질을 선택적으로 에칭하기에 알맞은 이온 에너지가 존재한다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(10)에 따르면, (즉, 하부 전극(34))을 이용함으로써, 그 전압값, 변조 주파수 및 온 듀티비 중 하나 이상을 다층막 중의 각 층에 따라서 조정함으로써, 마스크(MSK) 및 하지에 대하여 에칭 대상의 층을 선택적으로 에칭하는 것이 가능하게 된다.
또한, 도 4에 도시한 다층막의 각 층의 에칭 중에는, 에칭에 의해서 깎인 물질(즉, 금속)이 배기되지 않고서, 에칭에 의해서 형성된 형상의 표면, 특히 측면에 부착된다. 플라즈마 처리 장치(10)에 따르면, 이와 같이 측면에 형성된 퇴적물을 제거할 때에, 지지 구조체(18)를 경사지게 하고 또한 웨이퍼(W)를 유지한 유지부(30)를 제2 축선(AX2) 중심으로 회전시킬 수 있다. 이에 따라, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면의 전체 영역을 향해서 이온을 입사시킬 수 있어, 웨이퍼(W)에 대한 이온 입사의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 에칭에 의해서 형성된 형상의 측면의 전체 영역에 있어서, 상기 측면에 부착된 퇴적물을 제거하는 것이 가능하게 되어, 상기 형상의 수직성을 높일 수 있다. 또한, 퇴적물의 제거를 웨이퍼(W)의 면내에서 균일하게 행할 수 있고, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 면내 균일성이 향상된다.
이하, 도 4에 도시한 웨이퍼(W)의 다층막을 에칭하는 방법의 일 실시형태에 관해서 설명한다. 도 13은 일 실시형태에 따른 다층막을 에칭하는 방법을 도시하는 흐름도이다. 도 13에 도시하는 방법(MT)은, 도 1 등에 도시한 플라즈마 처리 장치(10)를 이용하여 실시하는 것이 가능하다. 이 방법은, 도 4에 도시한 다층막 중의 각 층을 그 에칭에 알맞은 에너지를 갖는 이온을 이용하여 에칭하는 것이다. 여기서는, 방법(MT)의 설명에 앞서서, 희가스의 종류 및 이온 에너지와, 여러 가지 금속 또는 금속 화합물의 스퍼터 일드(SY)의 관계를 설명한다.
도 14는 1000 eV의 이온 에너지를 갖는 희가스 원자의 이온에 의한 각종 금속 또는 금속 화합물의 스퍼터 일드(SY)를 도시하는 도면이다. 도 15는 300 eV의 이온 에너지를 갖는 희가스 원자의 이온에 의한 각종 금속 또는 금속 화합물의 스퍼터 일드(SY)를 도시하는 도면이다. 도 14 및 도 15에 있어서, 횡축은 금속 또는 금속 화합물의 종별을 나타내고 있고, 종축은 스퍼터 일드(SY)를 나타내고 있다. 또한, 스퍼터 일드(SY)는, 하나의 이온이 에칭 대상의 층에 입사했을 때에, 그 층으로부터 방출되는 구성 원자의 개수이다. 이 때, 1000 eV라는 비교적 높은 이온 에너지는, 고주파 바이어스 전력 또는 비교적 높은 전압값의 변조 직류 전압을 이용함으로써 얻어진다. 한편, 300 eV라는 비교적 낮은 이온 에너지는, 비교적 낮은 전압값의 변조 직류 전압을 이용함으로써 얻어진다.
도 14에 도시하는 것과 같이, 1000 eV의 Kr 이온은 Co 및 Fe에 대하여 약 2의 스퍼터 일드(SY)를 갖고, Ta, Ti 및 MgO에 대하여 1에 가까운 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 따라서, 1000 eV의 Kr 이온을 웨이퍼(W)에 조사하는 조건에서는, 상부 자성층(L4)을 에칭하고, 또한 상부 자성층(L4)의 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물을 제거할 수 있다. 그러나, 상부 자성층(L4) 및 이 상부 자성층(L4)로부터 발생한 퇴적물의 제거보다는 레이트가 낮지만, 마스크(MSK) 및 하지의 절연층(L3)도 에칭된다.
한편, 도 15에 도시하는 것과 같이, 300 eV의 Kr 이온은 Co 및 Fe에 대하여 1에 가까운 스퍼터 일드(SY)를 갖고, Ta, Ti 및 MgO에 대하여 약 0.4 이하의 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 따라서, 300 eV의 Kr 이온을 웨이퍼(W)에 조사하는 조건에서는, 상부 자성층(L4)을 에칭하고, 또한 상부 자성층(L4)의 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물을 제거할 수 있으며, 더욱이, 마스크(MSK) 및 하지의 절연층(L3)을 대략 에칭하지 않는 것이 가능하게 된다. 즉, 비교적 낮은 이온 에너지를 갖는 이온을 조사할 수 있는 변조 직류 전압을 이용함으로써, 상부 자성층(L4) 및 이 상부 자성층(L4)으로부터 발생한 퇴적물의 제거를, 마스크(MSK) 및 하지의 절연층(L3)에 대하여 선택적으로 행하는 것이 가능하다.
또한, 도 15에 도시하는 것과 같이 300 eV의 Kr 이온은 MgO에 대하여 약 0.4의 스퍼터 일드(SY)를 갖고, 한편, 도 14에 도시하는 것과 같이, 1000 eV의 Kr 이온은 MgO에 대하여 1에 가까운 스퍼터 일드를 갖는다. 따라서, 비교적 높은 이온 에너지를 갖는 이온을 조사할 수 있는 변조 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력을 이용함으로써 절연층(L3)을 에칭하는 것이 가능하다.
또한, 희가스만을 이용한 경우의 절연층(L3)의 스퍼터 일드는 비교적 낮지만, 희가스에 더하여 환원 작용을 발휘하는 수소 함유 가스를 이용함으로써, 절연층(L3)의 MgO를, 높은 스퍼터 일드(SY)를 얻을 수 있는 Mg로 개질할 수 있다(도 14 참조의 Mg의 스퍼터 일드(SY)를 참조). 이에 따라, 절연층(L3)을 높은 에칭 레이트로 에칭하는 것이 가능하다.
마찬가지로, 절연층(L3)보다 더 하층의 하부 자성층(L2) 및 하지층(L1)도 절연층(L3)의 에칭과 같은 조건을 이용하여 에칭할 수 있다. 단, 도 14에 관련하여 전술한 바와 같이, 1000 eV의 Kr 이온은 마스크(MSK)도 에칭할 수 있다. 이 때문에, 특히 하지층(L1)의 에칭에 있어서는, Kr 가스와 Ne 가스를 교대로 이용하여도 좋다. 1000 eV의 Kr 이온은, 하지층(L1)을 구성하는 Co, Fe, Ru, Pt, Mn 등에 대하여 높은 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 즉, Kr 가스와 같은 제1 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하여, 비교적 높은 에너지를 갖는 Kr 이온을 조사할 수 있는 변조 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력을 이용함으로써, 수직성이 높은 형상을 형성할 수 있게 되고, 퇴적물을 많이 제거할 수 있게 된다.
한편, 1000 eV의 Ne 이온은, 하지층(L1)을 구성하는 Co, Fe, Ru, Pt, Mn 등에 대하여 낮지만 1에 가까운 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 또한, 1000 eV의 Ne 이온은, 마스크(MSK)를 구성할 수 있는 Ti 또는 Ta에 대하여, 1보다 작은 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 즉, Ne 가스와 같은 제2 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하여, 비교적 높은 에너지를 갖는 Ne 이온을 조사할 수 있는 변조 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력을 이용함으로써, 마스크(MSK)를 실질적으로 에칭하지 않도록 하지층(L1)을 에칭하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 비교적 높은 이온 에너지의 이온이 웨이퍼(W)에 조사되는 조건에서도, 제1 희가스 및 제2 희가스를 교대로 이용함으로써, 하지층(L1)을 선택적으로 에칭하는 것이 하게 된다. 또한, 하지층(L1)에 형성되는 형상의 수직성을 높일 수 있게 되어, 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물을 제거하는 것도 가능하게 된다.
다시 도 13을 참조한다. 도 13에 도시하는 방법(MT)은, 도 14 및 도 15를 참조하여 설명한 상기한 특성을 적어도 부분적으로 이용한다. 이하, 도 13과 함께 도 16~도 20을 참조하면서 방법(MT)에 관해서 상세히 설명한다. 도 16~도 20은, 방법(MT)의 각 공정 중 또는 각 공정 후의 피처리체의 상태를 도시하는 단면도이다. 또한 이하의 설명에서는, 플라즈마 처리 장치(10)가 방법(MT)의 실시에 이용되는 것으로 한다. 그러나, 지지 구조체를 경사지게 하며 또한 웨이퍼(W)를 유지하는 유지부를 회전시킬 수 있고, 바이어스 전력 공급부로부터 변조 직류 전압을 지지 구조체에 인가시킬 수 있는 플라즈마 처리 장치라면, 임의의 플라즈마 처리 장치를 방법(MT)의 실시에 이용하는 것이 가능하다.
방법(MT)에서는, 우선, 공정 ST1에 있어서, 도 4에 도시한 웨이퍼(W)가 준비되어, 플라즈마 처리 장치(10)의 처리 용기(12) 내에 수용된다. 그리고, 유지부(30)의 정전 척(32)에 의해서 웨이퍼(W)가 유지된다.
이어지는 공정 ST2에서는 상부 자성층(L4)이 에칭된다. 공정 ST2에서는, 처리 용기(12) 내에 희가스 및 수소 함유 가스가 공급된다. 일 실시형태에 있어서, 희가스는 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스이며, 예컨대 Kr 가스이다. 또한, 수소 함유 가스는 예컨대 CH4 가스 또는 NH3 가스이다.
또한, 공정 ST2에서는, 배기계(20)에 의해, 처리 용기(12) 내의 공간(S)의 압력이 소정의 압력으로 감압된다. 예컨대, 처리 용기(12) 내의 공간(S)의 압력은 0.4 mTorr(0.5 Pa)~20 mTorr(2.666 Pa) 범위 내의 압력으로 설정된다. 또한, 공정 ST2에서는, 플라즈마원(16)에 의해서 희가스 및 수소 함유 가스가 여기된다. 이 때문에, 플라즈마원(16)의 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)은 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)에, 예컨대, 27.12 MHz 또는 40.68 MHz의 주파수, 또한, 10 W~3000 W 범위 내의 전력치의 고주파 전력을 공급한다. 또한, 공정 ST2에서는, 변조 직류 전압이 지지 구조체(18)(하부 전극(34))에 인가된다. 이 직류 전압의 전압값은, 마스크(MSK) 및 절연층(L3)의 에칭을 억제하기 위해서, 비교적 낮은 전압값으로 설정된다. 예컨대, 이 직류 전압의 전압값은, 300 V 이하의 전압값, 예컨대 200 V로 설정된다. 또한, 이 직류 전압의 변조 주파수는, 예컨대 400 kHz로 설정된다. 더욱이, 이 직류 전압의 펄스 변조의 온 듀티비는 10%~90% 범위의 비로 설정된다.
또한, 공정 ST2에서는, 지지 구조체(18)는 비경사 상태로 설정될 수 있다. 즉, 공정 ST2에서는, 지지 구조체(18)는 축선(PX)에 제2 축선(AX2)이 일치하게 배치된다. 또한, 공정 ST2의 전체 기간 중 또는 일부 기간 중에, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어도 좋다. 즉, 공정 ST2의 전체 기간 중 또는 일부 기간 중에, 축선(PX)에 대하여 제2 축선(AX2)이 경사지도록 지지 구조체(18)가 배치되어도 좋다. 예컨대, 지지 구조체(18)는, 공정 ST2의 기간 중에, 교대로 비경사 상태와 경사 상태로 설정되어도 좋다.
공정 ST2에서는, 전술한 조건으로 생성된 이온이, 변조 직류 전압에 의해서 발생하는 시스에 의해 가속되어 상부 자성층(L4)에 입사한다. 이 이온의 에너지는, Co 및 Fe로 구성되는 상부 자성층(L4)을 에칭하지만, Ta 및 TiN으로 구성되는 마스크(MSK) 및 MgO로 구성되는 절연층(L3)을 실질적으로는 에칭하지 않는다. 따라서, 공정 ST2에서는, 상부 자성층(L4)을 마스크(MSK) 및 절연층(L3)에 대하여 선택적으로 에칭할 수 있다. 또한, 공정 ST2에서는, 수소 함유 가스에서 유래하는 수소의 활성종이 상부 자성층(L4)의 표면을 개질한다. 이에 따라, 상부 자성층(L4)의 에칭이 촉진된다. 또한, 공정 ST2에서는, 수소 함유 가스 중의 질소 또는 탄소와 마스크(MSK)의 반응에 의해 금속 화합물이 형성된다. 이에 따라, 마스크(MSK)가 강고하게 되어, 마스크(MSK)의 에칭이 억제된다.
이러한 공정 ST2의 실행에 의해, 도 16의 (a)에 도시하는 것과 같이 상부 자성층(L4)은 에칭되지만, 상부 자성층(L4)의 구성 물질, 예컨대 Co 및 Fe가 배기되지 않고서 웨이퍼(W)의 표면에 부착할 수 있다. 이 구성 물질은, 예컨대 마스크(MSK)의 측면, 상부 자성층(L4)의 측면, 및 절연층(L3)의 상면에 부착된다. 그 결과, 도 16의 (a)에 도시하는 것과 같이 퇴적물(DP1)이 형성된다.
이어지는 공정 ST3에서는 퇴적물(DP1)이 제거된다. 공정 ST3에서는, 마스크(MSK)의 측면 및 상부 자성층(L4)의 측면에 부착된 퇴적물(DP1)을 제거하기 위해서, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정된다. 즉, 제2 축선(AX2)이 축선(PX)에 대하여 경사지도록 지지 구조체(18)의 경사가 설정된다. 이 경사의 각도, 즉 제2 축선(AX2)이 축선(PX)에 대하여 이루는 각도는 임의로 설정될 수 있는데, 예컨대 0도보다 크고 60도 이하의 각도이다. 또한, 공정 ST3에서는, 유지부(30)가 제2 축선(AX2) 중심으로 회전된다. 이 회전의 회전수는 임의로 설정될 수 있는데, 예컨대 20 rpm이다. 그 밖의 공정 ST3에서의 조건은 공정 ST2의 조건과 같더라도 좋다. 즉, 공정 ST3에서는, 처리 용기(12) 내에 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스, 예컨대 Kr 가스와, 수소 함유 가스가 공급된다. 또한, 플라즈마원(16)에 의해서 희가스 및 수소 함유 가스가 여기된다. 또한, 공정 ST3에서는, 지지 구조체(18)(하부 전극(34))에 변조 직류 전압이 인가된다.
이 공정 ST3에서는, 도 16의 (b)에 도시하는 것과 같이, 이온(도면 중, 원형으로 나타낸다)의 인입 방향(도면 중, 하향의 화살표로 나타낸다)에 교차하도록 퇴적물(DP1)이 배치된다. 즉, 이온이 상부 자성층(L4)의 측면 및 마스크(MSK)의 측면을 향해서 입사하도록 웨이퍼(W)가 배치된다. 또한, 공정 ST3에서는 유지부(30)가 회전되기 때문에, 이온이 상부 자성층(L4)의 측면의 전체 영역 및 마스크(MSK)의 측면의 전체 영역을 향해서 입사한다. 또한, 이온은 웨이퍼(W)의 면내에서 대략 균일하게 입사하게 된다. 따라서, 도 16의 (c)에 도시하는 것과 같이, 상부 자성층(L4)의 측면의 전체 영역 및 마스크(MSK)의 측면의 전체 영역에 있어서, 퇴적물(DP1)을 제거하는 것이 가능하게 되어, 상부 자성층(L4)에 형성되는 형상의 수직성을 높일 수 있게 된다. 또한, 상부 자성층(L4)에 형성되는 형상의 면내 균일성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 공정 ST3에서는, 수소 함유 가스에서 유래하는 수소의 활성종이 퇴적물(DP1)을 개질한다. 이에 따라, 퇴적물(DP1)의 제거가 촉진된다.
또한, 공정 ST2 및 공정 ST3은 교대로 여러 번 실행되어도 좋다. 이에 따라, 퇴적물(DP1)이 다량으로 형성되기 전에, 상기 퇴적물(DP1)을 제거하면서 상부 자성층(L4)을 에칭하는 것이 가능하게 된다.
이어지는 공정 ST4에서는 절연막(IL)이 형성된다. 이 절연막(IL)은, 하부 자성층(L2)과 상부 자성층(L4)의 도통을 방지하기 위해서 형성된다. 구체적으로 공정 ST4에서는, 성막 장치에 웨이퍼(W)가 반송되고, 상기 성막 장치 내에서 도 17의 (a)에 도시하는 것과 같이 웨이퍼(W)의 표면 상에 절연막(IL)이 형성된다. 이 절연막(IL)은 예컨대 질화실리콘 또는 산화실리콘으로 구성될 수 있다. 이어서, 마스크(MSK)의 상면을 따르는 영역 및 절연층(L3)의 상면을 따르는 영역에서 절연막(IL)이 에칭된다. 이 에칭에는 임의의 플라즈마 처리 장치를 이용할 수 있다. 예컨대, 이 에칭에는 플라즈마 처리 장치(10)를 이용할 수 있다. 또한, 이 에칭에는, 하이드로플루오로카본 가스 또는 플루오로카본 가스를 포함하는 처리 가스를 이용할 수 있다. 이 에칭 결과, 도 17의 (b)에 도시하는 것과 같이, 마스크(MSK)의 측면 및 상부 자성층(L4)의 측면을 따라서 절연막(IL)이 남겨진다.
이어지는 공정 ST5에서는 절연층(L3)이 에칭된다. 공정 ST5에서는, 처리 용기(12) 내에 희가스 및 수소 함유 가스가 공급된다. 희가스는 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스이며, 예컨대 Kr 가스이다. 또한, 수소 함유 가스는 예컨대 CH4 가스 또는 NH3 가스이다. 또한, 공정 ST5에서는, 배기계(20)에 의해 처리 용기(12) 내의 공간(S)의 압력이 소정의 압력으로 감압된다. 예컨대, 처리 용기(12) 내의 공간(S)의 압력은 0.4 mTorr(0.5 Pa)~20 mTorr(2.666 Pa) 범위 내의 압력으로 설정된다. 또한, 공정 ST5에서는, 플라즈마원(16)에 의해서 희가스 및 수소 함유 가스가 여기된다. 이 때문에, 플라즈마원(16)의 고주파 전원(150A) 및 고주파 전원(150B)은 내측 안테나 소자(142A) 및 외측 안테나 소자(142B)에, 예컨대, 27.12 MHz 또는 40.68 MHz의 주파수, 또한, 10 W~3000 W 범위 내의 전력치의 고주파 전력을 공급한다.
전술한 바와 같이, 절연층(L3)의 에칭에서는, 비교적 높은 이온 에너지의 이온을 웨이퍼(W)에 입사시킬 필요가 있다. 이 때문에, 공정 ST5에서는, 공정 ST2에서 지지 구조체(18)(하부 전극(34))에 인가되는 변조 직류 전압보다 더 높은 전압값의 변조 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 지지 구조체(하부 전극(34))에 공급된다. 변조 직류 전압이 이용되는 경우에는, 상기 변조 직류 전압의 펄스 변조의 온 듀티비 및 변조 주파수는 공정 ST2에 있어서의 직류 전압의 펄스 변조의 온 듀티비 및 변조 주파수와 같더라도 좋지만, 상기 직류 전압의 전압값은 300 V보다 더 큰 전압값으로 설정된다. 한편, 고주파 바이어스 전력이 이용되는 경우에는, 그 고주파 바이어스 전력은 100 W~1500 W로 설정되고, 그 주파수는 400 kHz로 설정될 수 있다. 또한 공정 ST5에서는, 지지 구조체(18)는 비경사 상태로 설정될 수 있다. 즉, 공정 ST5에서는, 지지 구조체(18)는 축선(PX)에 제2 축선(AX2)이 일치하게 배치된다. 또한, 공정 ST5의 전체 기간 중 또는 일부 기간 중에, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어도 좋다. 즉, 공정 ST5의 전체 기간 중 또는 일부 기간 중에, 축선(PX)에 대하여 제2 축선(AX2)이 경사지도록 지지 구조체(18)가 배치되어도 좋다. 예컨대, 지지 구조체(18)는, 공정 ST5 기간 중에, 교대로 비경사 상태와 경사 형태로 설정되어도 좋다.
공정 ST5에서는, 전술한 조건으로 생성된 이온이 절연층(L3)에 입사한다. 이 이온은, 절연층(L3)을 에칭할 수 있는 에너지를 가질 수 있다. 또한, 공정 ST5에서 이용되는 수소 함유 가스에서 유래하는 수소의 활성종에 의해 절연층(L3)의 구성 물질이 환원된다. 예컨대 MgO가 환원된다. 이에 따라, 도 14를 참조하여 설명한 바와 같이, 절연층(L3)은 높은 스퍼터 일드(SY)를 얻을 수 있게 개질된다. 그 결과, 절연층(L3)의 에칭 레이트가 높아진다. 이러한 공정 ST5에 의해, 도 18의 (a)에 도시하는 것과 같이 절연층(L3)이 에칭된다. 이 공정 ST5에서는, 절연층(L3)의 구성 물질이 배기되지 않고서 웨이퍼(W)의 표면에 부착할 수 있다. 예컨대, 상기 구성 물질은 마스크(MSK)의 측면, 상부 자성층(L4)의 측면, 절연층(L3)의 측면, 및 하부 자성층(L2)의 표면에 부착된다. 그 결과, 퇴적물(DP2)이 형성된다.
이어지는 공정 ST6에서는 퇴적물(DP2)이 제거된다. 공정 ST6에서는, 퇴적물(DP2)을 제거하기 위해서 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정된다. 즉, 제2 축선(AX2)이 축선(PX)에 대하여 경사지도록 지지 구조체(18)의 경사가 설정된다. 이 경사의 각도, 즉 제2 축선(AX2)이 축선(PX)에 대하여 이루는 각도는 임의로 설정될 수 있는데, 예컨대 0도보다 크고 60도 이하의 각도이다. 또한, 공정 ST6에서는, 유지부(30)가 제2 축선(AX2) 중심으로 회전된다. 이 회전의 회전수는 임의로 설정될 수 있는데, 예컨대 20 rpm이다. 그 밖의 공정 ST6에서의 조건은 공정 ST5의 조건과 마찬가지다. 이러한 공정 ST6에 따르면, 이온을 효율적으로 퇴적물(DP2)에 입사시킬 수 있기 때문에, 도 18의 (b)에 도시하는 것과 같이 퇴적물(DP2)을 제거하는 것이 가능하게 된다. 또한, 수소 함유 가스를 이용함으로써 퇴적물(DP2)을 개질하여, 이 퇴적물(DP2)의 제거를 촉진할 수 있게 된다.
여기서, 공정 ST5과 공정 ST6은 교대로 복수 횟수 실행되어도 좋다. 이에 따라, 퇴적물(DP2)이 다량으로 형성되기 전에, 상기 퇴적물(DP2)을 제거하면서 절연층(L3)을 에칭하는 것이 가능하게 된다.
이어지는 공정 ST7에서는, 도 19의 (a)에 도시하는 것과 같이, 하부 자성층(L2)이 에칭되고, 이어지는 공정 ST8에서는, 공정 ST7의 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물(DP3)이 도 19의 (b)에 도시하는 것과 같이 제거된다. 하부 자성층(L2)은 상부 자성층(L4)과 같은 물질로 구성되어 있기 때문에, 일 실시형태에서는, 공정 ST7의 조건은 공정 ST2와 같은 조건이라도 좋다. 또한, 공정 ST8의 조건은 공정 ST3과 같은 조건이라도 좋다. 또한, 공정 ST7과 공정 ST8은 교대로 여러 번 실행되어도 좋다. 즉, 공정 ST7 및 공정 ST8 양쪽에서, 희가스(예컨대, Kr 가스) 및 수소 함유 가스의 플라즈마가 생성되어, 지지 구조체(18)의 하부 전극(34)에 변조 직류 전압이 인가된다. 변조 직류 전압의 전압값은, 300 V 이하, 예컨대 200 V이다. 또한, 공정 ST8에서는, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어, 유지부(30)가 회전된다. 또한, 공정 ST7의 전체 기간 중 일부에 있어서, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어, 유지부(30)가 회전되어도 좋다.
혹은 다른 실시형태에서는, 공정 ST7의 조건은 공정 ST5와 같더라도 좋고, 공정 ST8의 조건은 공정 ST6과 같더라도 좋다. 즉, 공정 ST7 및 공정 ST8 양쪽에서, 희가스(예컨대, Kr 가스) 및 수소 함유 가스의 플라즈마가 생성되어, 지지 구조체(18)의 하부 전극(34)에 비교적 높은 전압값, 예컨대, 300 V보다 더 큰 변조 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 공급된다. 또한, 공정 ST8에서는, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어, 유지부(30)가 회전된다. 또한, 공정 ST7의 전체 기간 중 일부에 있어서, 지지 구조체(18)가 경사 상태로 설정되어, 유지부(30)가 회전되어도 좋다. 이 실시형태에서는, 절연층(L3)과 하부 자성층(L2)을 같은 조건으로 일괄적으로 에칭하는 것이 가능하게 된다.
이어지는 공정 ST9에서는 하지층(L1)이 에칭된다. 일 실시형태에서는, 하지층(L1)의 비자성층(L14)에서부터 반강자성층(L12)이 하부 전극층(L11)의 표면(상면)까지 에칭된다.
도 21은 공정 ST9의 일 실시형태를 도시하는 흐름도이다. 도 21에 도시하는 것과 같이 일 실시형태의 공정 ST9에서는, 우선 공정 ST91에서 처리 용기(12) 내에서 플라즈마가 생성된다. 공정 ST91에서 플라즈마를 생성하기 위한 조건은 공정 ST5의 조건과 마찬가지다. 즉, 이 실시형태에서는, 공정 ST5의 조건을 이용하여, 절연층(L3), 하부 자성층(L2) 및 비자성층(L14)부터 반강자성층(L12)까지의 층을 일괄적으로 에칭할 수 있다. 또한, 공정 ST9에서는, 공정 ST91에서 설정된 플라즈마 생성 조건을 유지하면서 공정 ST92 및 공정 ST93이 실행된다. 공정 ST92에서는, 지지 구조체(18)가 제1 상태, 즉 비경사 상태로 설정된다. 이어지는 공정 ST93에서는, 지지 구조체(18)가 제2 상태, 즉 경사 형태로 유지되어, 유지부(30)가 회전된다. 지지 구조체(18)의 경사 각도는 예컨대, 0도보다 크고 60도 이하의 각도이다. 또한, 유지부(30)의 회전수는 예컨대 20 rpm이다.
도 21에 도시하는 실시형태에 따르면, 공정 ST92에 있어서, 도 20의 (a)에 도시하는 것과 같이, 비자성층(L14)에서부터 반강자성층(L12)까지의 각 층이 에칭되고, 이 에칭에 의해서 발생한 퇴적물(DP4)이 공정 ST93에서 제거된다(도 20의 (b)를 참조). 이에 따라, 웨이퍼(W)에 있어서 에칭에 의해서 형성되는 형상의 측면에 부착된 퇴적물이 상기 형상의 측면의 전체 영역으로부터 제거되며 또한 웨이퍼(W)의 면내에서도 균일하게 제거된다. 따라서, 웨이퍼(W)에 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성이 높아진다.
도 22는 공정 ST9의 다른 실시형태를 도시하는 도면이다. 도 22에 도시하는 공정 ST9은 공정 ST95 및 공정 ST96을 포함한다. 공정 ST95에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 제1 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마가 생성된다. 제1 희가스는 예컨대 Kr 가스이다. 공정 ST96에서는, 아르곤의 원자 번호보다 작은 원자 번호를 갖는 제2 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마가 생성된다. 제2 희가스는 예컨대 Ne 가스이다. 또한, 이 실시형태에서는, 공정 ST95 및 공정 ST96 양쪽에서, 고주파 바이어스 전력이 지지 구조체(18)(하부 전극(34))에 공급될 수 있다. 또한, 공정 ST95 및 공정 ST96 중 적어도 한쪽의 전체 기간 또는 일부 기간에 있어서, 지지 구조체(18)가 경사져서, 유지부(30)가 회전된다.
전술한 바와 같이, 비교적 높은 에너지의 Kr 이온은, 하지층(L1)을 구성하는 Co, Fe, Ru, Pt, Mn 등에 대하여 높은 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 따라서, Kr 가스와 같은 제1 희가스를 포함하는 처리 가스는, 하지층(L1)에 수직성이 높은 형상을 형성하는 것을 가능하게 하여, 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물을 효율적으로 제거할 수 있다. 한편, 비교적 높은 에너지의 Ne 이온은, 하지층(L1)을 구성하는 Co, Fe, Ru, Pt, Mn 등에 대하여 낮지만 1에 가까운 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 또한, 비교적 높은 에너지의 Ne 이온은, 마스크(MSK)를 구성할 수 있는 Ti 또는 Ta에 대하여 1보다 작은 스퍼터 일드(SY)를 갖는다. 따라서, Ne와 같은 제2 희가스를 포함하는 처리 가스는, 마스크(MSK)는 실질적으로 에칭하지 않지만, 하지층(L1)은 에칭할 수 있다. 이러한 제1 희가스 및 제2 희가스를 교대로 이용함으로써 하지층(L1)을 마스크(MSK)에 대하여 선택적으로 에칭할 수 있게 되어, 하지층(L1)에 형성되는 형상의 수직성을 높일 수 있게 되고, 에칭에 의해서 발생하는 퇴적물의 제거도 가능하게 된다.
이상 여러 가지 실시형태에 관해서 설명하였지만, 전술한 실시형태에 한정되지 않고 다양한 변형 양태를 구성할 수 있다. 예컨대, 도 21에 도시한 실시형태에서는, 공정 ST92에 있어서 고주파 바이어스 전력이 지지 구조체(18)(즉, 하부 전극(34))에 공급되고, 공정 ST93에서는, 변조 직류 전압이 지지 구조체(18)(즉, 하부 전극(34))에 인가되어도 좋다. 즉, 공정 ST92에서는 비자성층(L14)에서부터 반강자성층(L12)까지의 메인 에칭에 고주파 바이어스 전력을 이용하고, 상기 메인 에칭에서 생긴 퇴적물의 제거, 즉, 오버에칭에 있어서 변조 직류 전압을 이용하여도 좋다.
10: 플라즈마 처리 장치, 12: 처리 용기, 14: 가스 공급계, 14a: 제1 가스 공급부, 14b: 제2 가스 공급부, 16: 플라즈마원, 18: 지지 구조체, 20: 배기계, 20b: 터보 분자 펌프, 22: 바이어스 전력 공급부, 22a: 제1 전원, 22b: 제2 전원, 24: 구동 장치, 26: 정류 부재, 30: 유지부, 32: 정전 척, 34: 하부 전극, 34f: 냉매 유로, 36: 회전 축부, 40: 용기부, 50: 경사 축부, 52: 자성 유체 시일부, 54: 로터리 커넥터, 60: 배선, 62: 전원, 64: 배선, 66: 배관, 68: 전열 가스의 소스, 70: 회전 조인트, 72: 배관, 74: 배관, 76: 칠러 유닛, 78: 회전 모터, 80: 풀리, 82: 전도 벨트, 150A, 150B: 고주파 전원, AX1: 제1 축선, AX2: 제2 축선, Cnt: 제어부, W: 웨이퍼, L1: 하지층, L11: 하부 전극층, L12: 반강자성층, L13: 강자성층, L14: 비자성층, L2: 하부 자성층, L3: 절연층, L4: 상부 자성층, MSK: 마스크, MT: 방법

Claims (16)

  1. 플라즈마 처리 장치를 이용하여 피처리체의 다층막을 에칭하는 방법에 있어서,
    상기 피처리체는, 하지층, 상기 하지층 상에 설치된 하부 자성층, 상기 하부 자성층 상에 설치된 절연층, 상기 절연층 상에 설치된 상부 자성층, 및 상기 상부 자성층 상에 설치된 마스크를 포함하고,
    상기 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기, 상기 처리 용기 내에 희가스 및 수소 함유 가스를 공급하는 가스 공급계, 플라즈마 생성용의 고주파 전원, 및 상기 피처리체를 지지하는 지지 구조체를 포함하고,
    상기 방법은,
    상기 수소 함유 가스에 의해, 상기 상부 자성층, 상기 절연층, 상기 하부 자성층, 및 상기 하지층 중 에칭되고 있는 하나를 개질하면서, 상기 처리 용기 내에 공급된 상기 희가스로부터 발생된 플라즈마에 의해, 상기 상부 자성층, 상기 절연층, 상기 하부 자성층, 및 상기 하지층을 순차적으로 에칭하는 공정으로서, 상기 상부 자성층의 에칭을 상기 절연층의 표면에서 종료시키고, 상기 절연층의 에칭을 상기 하부 자성층의 표면에서 종료시키며, 상기 하부 자성층의 에칭을 상기 하지층의 표면에서 종료시키는 것인, 상기 순차적으로 에칭하는 공정을 포함하고,
    상기 에칭하는 공정 각각은 상기 피처리체의 표면 상에 형성된 퇴적물을 생성하고,
    상기 상부 자성층, 상기 절연층, 상기 하부 자성층, 및 상기 하지층을 에칭하는 각각의 공정 후에, 상기 순차적으로 에칭하는 공정은,
    상기 지지 구조체를 수평으로 통과하는 제1 축에 직교하여 연장되는 제2 축에 대하여 사전결정된 각도로 상기 지지 구조체가 경사지게 되도록, 상기 제1 축을 중심으로 상기 지지 구조체를 회전시키면서, 상기 희가스의 이온이, 상기 피처리체의 표면 상에 형성된 상기 퇴적물과 입사 방향에서 교차하도록 상기 제2 축을 중심으로 상기 피처리체를 동시에 회전시킴으로써, 상기 퇴적물을 제거하는 공정을 포함하고,
    상기 퇴적물을 제거하는 공정에서는, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압이 지지 구조체에 인가되며,
    상기 방법은,
    상기 절연층을 에칭하는 공정 전에 그리고 상기 상부 자성층을 에칭하는 공정 동안에 생성된 상기 퇴적물을 제거하는 공정 후에, 성막 장치에 상기 피처리체를 반송하고 상기 피처리체의 표면 상에 절연막을 형성하는 공정과,
    상기 절연막을 형성하는 공정 후에, 하이드로플루오로카본 가스 또는 플루오로카본 가스 중 하나로부터 생성된 플라즈마에 의해 상기 플라즈마 처리 장치 내에서 상기 마스크의 상면과 상기 절연층의 상면을 에칭하는 공정
    을 더 포함하는 다층막을 에칭하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 퇴적물을 제거하는 공정에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마가 생성되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부 자성층을 에칭하는 공정과 상기 퇴적물을 제거하는 공정이 교대로 반복되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 펄스 변조된 직류 전압은, 1 주기에 있어서 하이 레벨을 취하는 기간과 로우 레벨을 취하는 기간을 가지며, 상기 직류 전압이 1 주기에서 하이 레벨을 취하는 기간의 비율인 듀티비는, 10%~90%의 범위 내에 있는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부 자성층을 에칭하는 공정에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마를 발생시켜, 이온 인입을 위한 바이어스 전압으로서 펄스 변조된 직류 전압이 상기 지지 구조체에 인가되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 절연층을 에칭하는 공정에서는, 아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 희가스의 플라즈마가 생성되어, 상기 상부 자성층을 에칭하는 공정에서 상기 지지 구조체에 인가되는 상기 직류 전압보다 더 높은 펄스 변조된 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 상기 지지 구조체에 인가되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하지층을 에칭하는 공정에서는, 희가스의 플라즈마가 생성되어, 상기 상부 자성층을 에칭하는 공정에서 상기 지지 구조체에 인가되는 상기 직류 전압보다 더 높은 펄스 변조된 직류 전압 또는 고주파 바이어스 전력이 상기 지지 구조체에 인가되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 하지층을 에칭하는 공정은,
    상기 지지 구조체를 비경사의 제1 상태로 설정하는 공정과,
    상기 지지 구조체를 경사지면서 또한 회전하는 제2 상태로 설정하는 공정
    을 포함하는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지지 구조체를 경사지면서 또한 회전하는 제2 상태로 설정하는 공정에서는, 상기 피처리체가 동시에 상기 제2 축을 중심으로 회전되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 하지층을 에칭하는 공정은,
    아르곤의 원자 번호보다 큰 원자 번호를 갖는 제1 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 제1 공정과,
    아르곤의 원자 번호보다 작은 원자 번호를 갖는 제2 희가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 제2 공정
    을 포함하는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하지층을 에칭하는 공정에서는, 상기 지지 구조체에 고주파 바이어스 전력이 공급되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 공정 및 상기 제2 공정 중 적어도 한쪽에서는, 상기 지지 구조체를 경사지게 하고 또한 회전시키는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 희가스는 Kr 가스를 포함하고, 상기 제2 희가스는 Ne 가스를 포함하는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 사전결정된 각도는 0도~60도의 범위 내에서 설정되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 펄스 변조된 직류 전압은 0V~1200V의 범위 내에서 설정되는 것인 다층막을 에칭하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 펄스 변조된 직류 전압의 변조 주파수는 400 kHz인 것인 다층막을 에칭하는 방법.
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