KR20020020979A - 플라즈마환경의 동적 감지를 사용하는 플라즈마처리방법및 장치 - Google Patents

플라즈마환경의 동적 감지를 사용하는 플라즈마처리방법및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력의 적어도 하나의 제어파라미터를 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 전체의 플라즈마처리시간과 비교하여 매우 짧은 시간 변동시키고, 그 때에 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 모니터하는 것이다.
이 모니터법에 의하여 얻어진 신호를 이용하여 플라즈마처리의 제어를 행함으로써, 미세한 에칭가공이나 고품질의 성막가공, 표면처리 등이 가능하게 된다.

Description

플라즈마환경의 동적감지를 사용하는 플라즈마처리방법 및 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND APPARATUS USING DYNAMIC SENSING OF A PLASMA ENVIRONMENT}
본 발명은 반도체, 액정 디스플레이용 기판 등의 제조에 있어서 유용한 플라즈마처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 특히 이들 공정 파라미터를 제어하기위하여 유용한 장치인 공정모니터기술에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 미세화에 대응하여 플라즈마공정에 있어서는 웨이퍼내에서 균일한 처리결과를 실현할 수 있는 공정조건의 범위, 즉 공정윈도우(processwindow)가 해마다 좁아지고 있고, 이 때문에 플라즈마공정장치에는 더욱 완전한 공정상태의 제어가 요구되고 있다. 이를 실현하기 위해서는 플라즈마의 분포와 공정가스의 해리 및 리액터내의 표면반응을 매우 높은 정밀도로 제어할 수 있는 장치가 필요하게 된다.
이와 같은 높은 정밀도의 플라즈마처리의 제어를 실현하기 위하여 최근의 플라즈마처리장치에서는 플라즈마처리중의 현상의 모니터장치가 몇가지 장비되어 있고, 이들 신호를 이용하여 플라즈마처리의 제어가 행하여지고 있다. 플라즈마에칭장치를 예로 들면, 가장 일반적인 공정모니터장치는 발광모니터이고, 예를 들면 1997년 6월 27일 발행의 일본국 특허 제 2666768호(특개평8-298259호) 공보와 같이 발광모니터에 의한 신호를 사용하여 RF파워, 처리압력, 가스유량 등의 각종 파라미터를 제어함으로써 에칭상태를 제어하는 방법이 개시되어 있다. 또 현재 시판되고 있는 대부분의 플라즈마 에칭장치에 있어서, 특정한 파장의 발광강도의 변화나 복수의 파장의 발광강도의 비 등을 사용하여 소망의 막 두께의 에칭처리가 종료된 것을 판단하는 에칭종점판정이 행하여지고 있다. 또 더욱 고도의 플라즈마처리와 장치관리를 위해, 발광모니터 외에, 플라즈마를 생성하는 고주파 회로의 전류, 전압, 플라즈마를 포함하는 부하의 임피던스를 측정하는 임피던스 모니터와, 질량분석기 등, 다양한 공정모니터의 유용성이 검토되고 있다. 실제의 제조라인에서 사용되고 있는 예는 드물긴 하나 실험실 레벨에서는 레이저나 적외광의 흡수를 사용한 공정모니터도 있다.
이들 공정모니터는 다양한 면에서 유용하나, 처리챔버내의 플라즈마에 의해 발생하는 현상은 매우 복잡하므로, 이들 모니터로부터 얻어지는 정보량은 충분치 않다. 예를 들면 발광모니터의 경우, 동일파장에 복수의 해리종(解離種)에 의한 발광이 겹쳐진 경우, 그 변화가 어느 해리종에 의해 발생한 것인 지 판단하기가 어려울 때가 있다. 복수의 파장을 사용한 연산처리 등에 의해 해결되는 경우도 있으나, 반드시 모든 경우에 흔한 연산처리방법에 의해 이와 같은 문제가 해결되는 것은 아니다.
현재, 실제로 반도체제조라인에서 사용되고 있는 플라즈마처리장치에 장비되는 대부분의 공정모니터의 공통점은, 모두 패시브 모니터(passive monitor)라는 점이다. 액티브 모니터링방법으로서는 예를 들면 상기한 레이저 흡수법 등을 들 수 있다. 레이저 흡수방법에서는 레이저를 조사하는 등의 능동적인 행위에 의해 얻어지는 정보량이 늘어나는 추세이다. 그러나 비용면, 장치의 구조적인 제약 등으로이를 실현하는 것은 매우 곤란하다.
본 발명의 목적은 장치의 제조상의 제약을 받지 않고 제어 파라미터에 대한 액티브 모니터결과를 얻기 위한 플라즈마처리용 공정모니터방법 및 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도,
도 2는 종래기술을 나타내는 도,
도 3은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도,
도 4는 전력 차단시에 있어서의 발광강도의 변화를 나타내는 모식도,
도 5는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예를 나타내는 도면이다.
상기 목적을 실현하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에 의하면, 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력중의 적어도 하나의 플라즈마공정 제어파라미터를, 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 플라즈마처리시간과 비교하여 매우 짧은 시간 변동시키고, 이 때에 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 모니터한다. 플라즈마상태를 변화시킨다는 능동적인 행위에 의해 야기된 플라즈마상태의 비정상성을 검출함으로써, 종래와 동일한 공정모니터를 사용하여도 시간축에 대한 정보가 증가하게 되어, 얻어진 데이터가 포함하는 정보량이 비약적으로 증대한다.
이하에 본 발명의 실시예에 대하여 첨부도면을 참조하여 설명한다.
본 발명은 반도체 디바이스의 제조분야에 한정되는 것은 아니고, 액정 디스플레이의 제조나 각종 플라즈미표면처리 등, 다양한 분야에 적용이 가능하다.
여기서는 반도체 디바이스제조용 플라즈마 에칭장치를 예로 들어 실시예를 나타내기로 한다.
도 1에 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 도면중 처리챔버(1)는 예를 들면 진공용기이고, 나비형 밸브(variable conducance valve: 2)를 거쳐 펌프(3)가 접속된다. 처리챔버(1)중에는 반도체 웨이퍼(15)를 얹어 놓기 위한 스테이지 전극(5)이 설치되고, 이 전극에 의해 웨이퍼에는 고주파가 인가되고, 그것에 의해 웨이퍼에 입사하는 이온 에너지를 제어한다. 한편 웨이퍼와 대향하는 위치에는 고주파 전원(14)과 전류, 전압, 임피던스 모니터(12)와 정합기(13)를 거쳐 접속되는 플라즈마소스(4)가 있어 플라즈마(11)를 생성한다. 이 고주파 전원(14)은 펄스변조되어 간헐적으로 반복하여 전력을 차단할 수 있다. 이 펄스변조에 동기한 트리거신호(16)는 뷰포트(6)를 거쳐 플라즈마의 발광을 받아 들이는 검지기, 센서(7A)를 포함하는 플라즈마 발광모니터(7), 플라즈마소스전원 또는 바이어스의 라인에 설치된전류전압 임피던스 모니터(12, 8)에 입력되고, 이들 모니터를 펄스 타이밍에 동기하여 측정시킬 수 있다. 상기 바이어스라인은 고주파 전원(9)과 정합기(10)를 포함하고, 스테이지전극(5)에 접속되어 있다. 이들 모니터에 의해 측정된 신호는 데이터 해석장치(17)에 의해 그 시간응답 특성이 해석되고, 장치제어계(18)에 피드백되거나 반도체 공장내에서의 각 반도체제조장치의 관리용 컴퓨터시스템(18) 등에 데이터로서 보내져 장치진단의 데이터원이 된다. 이 실시예는 발광모니터와 전류전압 임피던스 모니터를 플라즈마공정모니터의 예로서 나타내었으나, 그외 광학적, 전기적, 자기적, 기계적, 열적, 압력, 온도, 또는 그외 물리적, 화학적센서를 포함하는 모니터수단이 본 발명에 포함된다.
도 2는 종래방법에 의한 플라즈마에칭중의 플라즈마소스전원의 투입전력의 변화를 나타낸다. 통상, 플라즈마를 발생시키고, 에칭종료하여 차단될 때까지 파워는 일정하게 유지된다. 도 3은 본 발명에 의한 일 실시예에 의한 플라즈마에칭중의 운전방법의 모식도를 나타낸다. 플라즈마에 대한 투입전력은 예를 들면 1초 간격마다 10-100㎲ 시간폭으로 펄스적으로 차단된다. 에칭시간을 대충 100초로 하면 약 100회의 차단시간이 있고, 발광 등의 공정모니터(센서)는 이 차단시간에 동기되는 타이밍에 측정을 행한다. 차단시간 10㎲일 때, 투입시간과 차단시간의 비는 100000이고, 100㎲일 때 10000으로, 충분히 큰 값이다. 따라서 플라즈마를 차단하는 영향은 제품의 에칭결과에 대하여 그다지 없다고 할 수 있다.
도 4는 플라즈마에 대한 투입전력의 차단시간중의 플라즈마의 발광강도의 변화의 파형 특성을 나타낸다. 이 특성으로부터 다른 파장에 의해 전력을 차단한 후의 감쇠형태, 즉 감쇠패턴이 다른 것을 알 수 있다. 통상 이 정도의 시간에서는 해리종의 밀도 자체는 실질적으로 감소하지 않으므로 전력 차단후의 발광강도의 감쇠는 플라즈마중의 전자밀도 및 에너지 감소에 대응하고 있다. 예를 들면 원자의 발광은 일반적으로 여기 에너지가 높으므로 감쇠가 빠르다. 그러나 분자의 발광은 여기 에너지가 낮고 감쇠가 완만하다. 따라서 이들 발광강도의 반응을 봄으로써 해리종의 판별을 할 수 있다. 또 이들 변화로부터 전자의 손실추이를 알 수 있다. 공정가스가 그다지 전기적으로 음성이 아닌 경우, 전자의 손실은 챔버의 벽 표면상태에 의한 바가 크기 때문에, 챔버의 벽 표면 상태를 알 수 있다는 장점도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 운전방법의 일례를 나타낸다. 플라즈마생성방법에 따라서는 완전히 투입전력을 차단하면 생성플라즈마의 불안정성이 증가하는 일이 있다. 이 대책으로서, 공정모니터측의 감도는 떨어지나, 도 5에 나타내는 바와 같이 완전하게는 투입전력을 차단하지 않고 파워를 변화시키는 것만으로도 동일한 효과가 있다. 또한 도 3 및 도 5에 있어서 플라즈마소스 전원의 투입전력을 대신하여 바이어스전원의 전력을 변화시켜도 된다.
종래의 운전방법에 있어서도 플라즈마점화시 및 차단시에 있어서의 공정모니터의 데이터에는, 플라즈마가 정상적으로 발생하고 있는 시간에 있어서의 공정모니터의 데이터보다도 많은 정보가 포함되는 일이 있다. 도 6은 이것을 겨냥한 모니터방법을 나타낸다. 이 방법은 2점 밖에 모니터를 취할 수 없는 어려운 점이 있으나, 특히 플라즈마를 차단하는 타이밍에 있어서의 발광이나 플라즈마소스의 전류전압의 변화에 의해 리액터의, 특히 표면상태의 안정성을 체크할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 압력이나 유량, 유량비라는 비교적 반응이 느린 파라미터를 변동시킨 예를 나타낸다. 이 경우, 소스전력과 같이 짧은 펄스를 인가할 수 없으므로, 에칭결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 인가신호를 진동시키고, 공정모니터에 의해 이 진동에 기인하는 측정량의 변화를 측정함으로써, 종래의 방법보다도 고감도로 리액터내의 플라즈마상태를 알 수 있다.
다음에 본 발명에 의한 구체적인 센서출력과 그 처리제어방법에 대하여 절연막 에칭을 예로 들어 설명한다. 절연막 에칭공정에 있어서는 Ar가스를 주체로 C4F8가스를 첨가한다. C4F8가스는 에칭 및 퇴적성을 얻기 위하여 첨가된다. 절연막 에칭에 있어서는 이 C4F8가스에 의해 폴리머가 퇴적한 챔버벽의 상태가 플라즈마에칭에 강하게 영향을 미치는 것이 알려져 있고, 챔버벽의 상태를 아는 것이 많은 웨이퍼처리에 대하여 안정된 플라즈마 에칭처리를 하기 위하여 필요하다.
따라서 뒤에서 설명하는 도 6의 실시예의 운전, 모니터방법에 의해 플라즈마차단시의 Ar 발광의 감쇠곡선을 검출한다. 이 발광감쇠는 전자의 소실이 주된 기인이고, 플라즈마를 차단하였을 때, 전자는 주로 챔버의 벽에 충돌하여 소실하므로, 이 감쇠곡선은 벽의 상태에 강하게 영향을 미친다. 도 1에 있어서의 데이터 해석장치(17)가 Ar의 발광강도(I)를 I = Io·exp(-kt)로 하여 피팅을 행하고, 이 k의 값이 미리 설정한 적정한 범위에 있는 지의 여부로 웨이퍼 처리의 착공개시 또는 챔버의 청소시간을 판단하여 장치제어계 또는 장치관리컴퓨터(18)에 지령을 낸다. 즉, k가 클 때는 챔버벽이 지나치게 청정한 상태이므로 에칭이 필요하고, k가너무 작을 때에는 챔버벽이 과도하게 오염된 것이므로, 청소가 필요하다고 판단한다. 이 판단결과에 따라 챔버에 대한 대응처리를 행한다.
또 다른 구체적인 예로서는 절연막 에칭에 있어서는 CF2래디컬을 주로하여 에칭이 진행되므로, 가장 중요한 해리종이다. CF2의 발광은 200 내지 300nm의 자외영역에 다수의 피크로서 나타나나, 이 피크를 얻기 위해서는 고분해능의 분광기가 필요하다. 고분해능의 분광기는 대형이고, 보통 제조장치에 장비되는 분광기는 소형으로 분해능이 낮으며 이와 같은 CF2피크를 판별할 수 없고 그 주변에 나온 예를 들면 Si의 피크 등과 판별할 수 없다. 따라서 본 발명에 의한 도 3의 실시예에 의한 운전방법으로, CF2와 Si의 겹침인 발광의 감쇠곡선과 레퍼런스로서 Ar 피크와 같이 단독으로 측정할 수 있는 원자의 발광을 발광모니터(7)를 사용하여 검출한다. 상기와 같이 원자의 발광은 분자의 발광보다도 감쇠가 빠르기 때문에, 이들 감쇠곡선으로부터 데이터 해석장치(17)가 CF2의 발광량의 기여를 해석한다. 그리고 해석하여 얻어진 CF2의 양이 일정해지도록 제어장치(18)에 지령을 내고, 예를 들면 C4F8의 유량을 제어한다. 그 결과, CF2의 해리상태가 일정하게 유지되어 양호한 에칭결과를 많은 웨이퍼에 대하여 접속할 수 있다.
이상, 본 발명에 의하면 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼의 고주파 바이어스전력이라는 제어파라미터를, 웨이퍼의 플라즈마처리결과에영향을 미치지 않는 범위에서 전체의 플라즈마처리시간과 비교하여 매우 짧은 시간 변동시키고, 그 때 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 모니터함으로써, 종래와 동일한 공정모니터를 사용하여도 시간축에 대한 정보가 증가하게 되어, 얻어진 데이터가 포함하는 정보량이 비약적으로 증대한다. 이 방법에 의해 얻어진 신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어를 행함으로써 미세한 에칭가공이나 고품질의 성막가공, 표면처리 등이 가능하게 된다.

Claims (8)

  1. 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력중의 적어도 하나의 플라즈마공정 제어파라미터를 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 변동시키는 수단과, 이 때에 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 나타내는 신호를 검출하는 광학적 모니터수단을 포함하고, 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    플라즈마에 대한 투입전력 또는 상기 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스를 간헐적으로 반복하여 차단하면서 운전하는 수단과,
    상기 차단 직후의 플라즈마상태의 시간적인 변화를 나타내는 신호를 검출하기 위한 모니터수단을 포함하고, 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  3. 플라즈마처리장치의 플라즈마 착화 직후, 또는 차단 직후에 있어서의 플라즈마상태의 시간적인 변화를 나타내는 신호를 광학적, 전기적, 자기적, 기계적, 열적, 압력, 온도, 또는 그 외에 물리적, 화학적으로 검출하기 위한 모니터수단과, 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
  4. 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력중의 적어도 하나의 공정을 제어하는 파라미터를 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 변동시키는 트리거수단과, 이 트리거에 응답하여 발생하는 플라즈마의 발광상태의 비정상성을 나타내는 신호를 검출하는 수단과, 이 검출된 신호에 의거하는 플라즈마발광의 시간적인 변화를 이용하여 플라즈마상태, 공정상태를 해석하는 수단과, 이 해석수단으로부터의 해석결과 데이터를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방치.
  5. 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력의 적어도 하나의 공정을 제어하는 파라미터를 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 변동시키는 단계와; 그 때에 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 나타내는 신호를 광학적, 전기적, 자기적, 기계적, 열적, 압력, 온도, 또는 그 외 물리적, 화학적인 모니터수단으로 검출하는 단계와; 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  6. 플라즈마에 대한 투입전력을 간헐적으로 반복하여 차단하면서 운전하는 단계와; 차단 직후의 플라즈마상태의 시간적인 변화를 나타내는 신호를 광학적, 전기적, 자기적, 기계적, 열적, 압력, 온도, 또는 그 외의 물리적, 화학적인 모니터수단으로 검출하는 단계와; 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  7. 플라즈마 착화 직후, 또는 차단 직후에 있어서의 플라즈마상태의 시간적인 변화를 나타내는 신호를 모니터 검출기를 사용하여 검출하는 단계와; 상기 검출신호를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
  8. 플라즈마에 대한 투입전력, 처리압력, 가스유량, 웨이퍼에 대한 고주파 바이어스전력의 적어도 하나의 공정을 제어하는 파라미터를 웨이퍼의 플라즈마처리결과에 영향을 미치지 않는 범위에서 변동시키는 단계와; 상기 단계의 실행에 응답하여 발생하는 플라즈마상태의 비정상성을 나타내는 신호를 검출하는 단계와; 이 검출신호의 플라즈마발광의 시간적인 변화를 이용하여 플라즈마상태, 공정상태를 해석하고, 이 해석결과를 나타내는 데이터를 사용하여 플라즈마처리의 제어, 장치의 진단을 행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
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