KR20040014113A

KR20040014113A - 플라즈마 처리장치

Info

Publication number: KR20040014113A
Application number: KR1020020055623A
Authority: KR
Inventors: 쿠리하라마사루; 코후지나오유키; 이타바시나오시; 츠츠미타카시
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼; 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-02-14
Also published as: US20040026040A1; TW589926B; US7604709B2; JP3854909B2; JP2004071778A

Abstract

본 발명은 광범위한 가스 종류, 압력, 밀도에 있어서, 대구경의 균일성을 유지하면서 안정하고 연속적인 플라즈마 생성 특성을 얻고, 적용범위가 넓으며 생산효율이 높은 플라즈마 처리장치를 제공함을 과제로 하며, 그 해결 수단으로서 유전체창에 의해 전자파를 감압용기 내에 도입하는 플라즈마 생성장치에 있어서, 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자를 가지고, 각 안테나 소자는 편단이 접지되고, 타단은 주파수의 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 급전된 안테나를 구비한다.

Description

플라즈마 처리장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 원료 가스를 플라즈마화 하여, 활성화한 입자의 물리 또는 화학적 상호작용에 의해 반도체 등의 고체 재료의 표면을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

반도체 재료의 표면을 처리하기 위한 플라즈마의 균일성 및 안정화 등, 성능 향상을 목적으로 한 플라즈마 처리장치가 이하와 같이 알려져 있다.

일본국 특허공개공보 1994년 제111996호에는 N개의 전극을 회전대칭으로 배치하고, 각 전극에 위상이 360도/N 씩 다른 RF대(13.56MHz)의 고주파를 인가하는 방법이 기재되어 있다.

일본국 특허공개공보 1999년 제135438호에는 중심으로부터 방사상으로 배치되어, 외주부를 접지한 직선 형상 도체에 RF대의 고주파를 인가하는 방법이 기재되어 있다.

일본국 특허공개공보 1998년 제125663호에는 중심으로부터 나선 형상으로 연장된 도전성 권선에 RF대의 고주파를 인가하는 방법이 기재되어 있다.

일본국 특허공개공보 2000년 제111996호에는 인가하는 고주파의 파장의 1/4의 길이의 회전대칭으로 배치한 N개의 안테나 소자에 각각 360도/N 씩 위상이 다른 UHF대의 고주파를 인가하는 방법이 기재되어 있다.

일본국 특허공개공보 1998년 제70108호에는 인가하는 고주파의 파장의 1/4의 길이의 방사상으로 연장된 봉 형상 도체와, 외주원 환상 도체로부터 중심으로 향해 늘어진 봉 형상 도체에 의해 안테나 소자에 각각 180도 위상이 다른 UHF대의 고주파를 인가하는 발명이 기재되어 있다.

수 MHz부터 100MHz의 고주파대의 방전방식으로서는, 지금까지 평행평판형의 용량결합방식이나 루프 코일을 이용한 ICP 등의 유도결합방식 등이 있다.

압력과 전극간 거리의 곱과 절연파괴전압의 관계를 나타낸 파센 측에 의해, 에칭 프로세스에 필요한 압력 영역에서는 저압으로 될수록 높은 방전유지전압이 필요하게 된다(S.Kakuta 등의 공동저술, 일본, J.Appl.Phys. 33(1994) 페이지4335-4339). 그 때문에, 상기 수MHz부터 100MHz의 주파수대에 있어서, 평행평판형에서는 저압력 영역에서 균일, 고밀도의 플라즈마를 유지하는 것은 곤란하여, 저압력 영역의 프로세스 윈도우가 제약된다.

유도결합방식은 루프 안테나에 전류를 흘리고, 유기된 유도자계에 의해 프라즈마 내부에 유도전계를 생성하는 방식이다. 평행평판형은 전자의 궤적이 전극간 거리로 규정되는 것에 대해, 유도결합형에서는 전자의 궤적이 원을 나타내기 때문에 전자의 이동거리가 연장되고, 원리적으로 평행평판형에 비하여 저압력에서 높은 플라즈마 밀도를 실현할 수 있다.

그러나, 고주파 전원으로서 수 MHz부터 100 MHz의 낮은 주파수대를 사용한 경우, 루프 안테나 바로 아래에서 플라즈마 내에 강한 시스전계가 형성되고, 유전체창의 루프 안테나 바로 아래 부근에 고 에너지 이온이 입사되어, 유전체창이 마모되는 원인으로 된다.

한편, 100MHz 이상의 주파수대에서는, 전자는 시간에 따라 변화하는 전계에 포획되고, 확산에 의한 손실이 감소함으로 인해, 100MHz 이하의 주파수대를 사용한 경우에 비하여 저압력 영역에서도 플라즈마를 안정하게 유지하는 것이 가능하며,프로세스 윈도우를 저압력 영역에 확대시킬 수 있다. (S. Kakuta 등의 공동저술, 일본, J.Appl.Phys.33(1994) 페이지4335-4339).

또, 100MHz 이상에서는 시스전계가 약해지고, 유전체창에 입사하는 이온의 에너지가 감소하기 때문에, 유전체창의 마모도 저감할 수 있다. (T.Kitajima 등의 공동저술, Appl.Phys.Lett.77(2000) 페이지489-491).

또, 100MHz 이상의 주파수대를 이용한 방전형식도 포함하여 고려하면, 종래의 평행평판형 방식이나 유도결합 방식에 더하여, 복수 안테나 소자에 다른 위상의 전력을 인가하는 방식(위상제어형)이나, 안테나장을 인가하는 고주파의 파장의 1/4의 정수배로 하는 방식(안테나장 제어형) 등이 있다.

100MHz 이상의 주파수대를 이용하여도, 평행평판형과 같이 전극간 방향의 전계가 프라즈마 생성전계의 주성분인 경우, 플라즈마 밀도의 증가와 함께 플라즈마 경계면에 수직인 성분은 차폐되기 때문에, 고밀도 영역의 프로세스 윈도우가 제약된다. 한편, 고밀도 영역까지 프로세스 윈도우를 확대하는 것에는, 루프 전류에 의한 유도자계로부터, 루프 형상 유도전계를 생성하는 유도결합 방식을 이용하는 것이 바람직하지만, 종래의 루프 안테나에 100MHz 이상의 주파수대를 적용한 경우, 안테나 내에 정재파가 여기되기 때문에, 루프 상 유도전계가 생성할 수 없다. 또, 복수의 소자에 다른 위상의 고주파를 인가하는 방식에 있어서도, 루프 형상 유도전계를 형성할 수 없다.

최근, 반도체의 제조에서 이용하는 플라즈마에 대해, 대구경으로 균일한 처리성능은 예전보다, 게이트 전극, 금속막이나 절연막의 가공을 대상으로 한, 이방성이나 선택비가 크고 미세화에 대응할 수 있는 에칭가공을 시작으로, 에칭 전의 BARC(Bottom Anti-reflective Coating)이나 BARL(Bottom Anti-reflective layer) 등의 반사방지막 가공공정, 산화막이나 질화막 등으로 이루어지는 하드마스크의 가공공정, 마스크의 치수를 제어하기 위한 세선화공정, 형상의 각도나 원형 등의 폭넓은 제어성이 필요하게 되는 트랜치가공공정, 또는, 가공 후의 레지스트, 에칭 침전물이나 다메지층을 제거하는 후처리공정이나, 스퍼터링 등에 이르기까지 폭넓은 응용이 요구된다.

예를 들면, 트랜지스터의 게이트 형성에 관한 주변의 에칭공정만으로도, 상술한 트랜치 가공, 반사방지막 가공, 마스크 가공, 이에 수반하는 마스크의 세선화 가공, 게이트 그 자체의 가공, 그 후의 스페이서 가공에 이루기까지 많은 공정이 있고, 또 스루풋 향상, 대기에 의한 열화방지를 위해, 이들 전부를 행할 수 있는 능력을 가지는 장치가 요구되고 있다.

또, 배선층 형성에 관한 에칭 공정에서는, 배선층의 다층화에 의해 막두께가 두꺼운 상층부 금속막의 고속가공이 요구되고 있다. 또, 금속막 가공에서도 반사방지막 가공, 확산방지막 가공, 마스크 가공 등의 공정이 있고, 게이트 전극 형성과 마찬가지로 이들 전부를 행할 수 있는 능력을 가지는 장치가 요구되고 있다.

더욱이, 최근의 소량 다품종 생산의 요구나, 시스템 LSI와 같이 복수의 소자구조가 동일 웨이퍼 상에 혼재한 품종에 대한 적용의 필요성에서도, 여러가지 가스 종에 대해, 처리압력으로는 0.1Pa~10Pa, 웨이퍼로 향하는 이온입사전류로는0.3~3mA/Cm²으로 한 행을 가지는 넓은 조건범위에서, 대구경의 웨이퍼를 처리하기 위한 지극히 균일성이 높은 플라즈마 생성이 필요하게 된다.

광범위한 가스 종류, 밀도, 압력에서 대구경의 균일성을 유지하면서 안정하고 연속적인 플라즈마 생성 특성을 얻기 위해서는, UHF대(100MHz부터 3GHz)의 고주파전원을 이용하고, 저전자온도에서 저해리 플라즈마를 생성하는 것이 바람직하고, 또 광범위한 프로세스 윈도우가 필요하게 된다. 그러나, 종래의 RF대(13.56MHz)를 이용한 유도결합 방식의 루프 안테나에 UHF 전력을 공급한 경우, 루프 안테나 내에 정재파가 여기되어, 루프 전류를 생성할 수 없고 유도전계를 형성할 수 없기 때문에, 고밀도 영역의 플라즈마를 생성할 수 없다.

본 발명의 목적은 광범위한 밀도, 압력, 가스 종류에서, 대구경의 균일성을 유지하면서 한정하고 연속적인 플라즈마 생성특성이 얻어지고, 장기적인 양산처리에도 견뎌낼 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것에 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 안테나 소자의 설명도,

도 2는 본 발명의 실시형태 1에 관한 안테나 소자 요부의 변형예를 나타내는 평면도,

도 3은 본 발명의 실시형태 1에 관한 안테나 소자 요부의 변형예를 나타내는 평면도,

도 4는 본 발명의 실시형태 1에 관한 안테나 소자 요부의 변형예를 나타내는 평면도,

도 5는 본 발명의 실시형태 1에 관한 안테나 소자 요부의 변형예를 나타내는 평면도,

도 6은 본 발명의 실시형태 1에 관한 플라즈마 처리장치를 나타내는 설명도,

도 7은 종래의 플라즈마 처리장치의 특성을 설명하기 위한 도면,

도 8은 본 발명의 실시형태 1에 관한 플라즈마 처리장치의 특성을 설명하기 위한 도면,

도 9는 본 발명의 실시형태 1에 관한 플라즈마 처리장치에서 ICF 분포의 자계 벡터방향 의존성을 나타내는 설명도,

도 10은 본 발명의 실시형태 1에 관한 플라즈마 처리장치에서 ICF 분포의 균일성과 UHF 전력에 대한 선형성을 설명하기 위한 특성도,

도 11은 본 발명의 실시형태 1에 관한 플라즈마 처리장치에서 ICF 분포의 가스계 의존성을 설명하기 위한 특성도,

도 12는 본 발명의 실시형태 2에 관한 반도체 장치의 제조과정을 나타내는 단면도,

도 13은 본 발명의 실시형태 3에 관한 반도체 장치의 제조과정을 나타내는 단면도이다.

(도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명)

101...안테나 소자, 102...접속단자, 103...도체봉,

104...도전성 원반, 105...도체봉, 106...고주파 분배부,

107...고주파 도입부,

201...고주파 도입부, 202...안테나 소자의 위치, 203...접속단자,

204...원반형 고주파 분배부, 205...성형(星型) 고주파 분배부,

206...동축선에 의한 고주파 분배부, 301...접속단자,

302...원호형 안테나 소자, 303...각도가 다른 안테나 소자,

304...회전대칭 중심부터 접지단자까지의 거리,

401...접속단자,

402...타원형 안테나 소자, 403...다각형 안테나 소자,

404...봉 형상의 안테나 소자, 501...나선 형상으로 배치된 안테나 소자,

502...다중의 동심원 상에 배치된 안테나 소자,

601...플라즈마 에칭용 리액터,

602...플라즈마용 f=450MHz 고주파 전원, 603...플라즈마용 튜너,

604...안테나 소자, 605...자장제어부, 606...석영천판,

607...정재파 제어부, 608...프로세스 가스 도입부,

609...샤워 플레이트, 610...진공배기장치, 611...베이스 프레임,

612...처리대, 613...φ300mm 웨이퍼, 614...바이어스용 400kHz전원,

615...바이어스용 매칭박스,

616...플라즈마 에칭용 리액터,

617...플라즈마 어싱용 리액터,

618...웨이퍼 카세트 장진장소,

619...웨이퍼 반송로봇, 701...안테나 소자,

1201...포토레지스트, 1202...반사방지막, 1203...질화실리콘,

1204...폴리실리콘, 1205...산화실리콘, 1301...포토레지스트,

1302...반사방지막, 1303...질화티탄, 1304...알루미늄,

1305...산화실리콘.

본 발명에 의하면, 갑암 분위기가 보호되는 용기와, 상기 용기 내에 위치한 피가공물을 재치하는 처리대와, 상기 피가공물과 대면하도록 배치된 유전체창과, 상기 유전체창의 배면에 위치하여, 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 가지고,

상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며,

상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.

본 발명에서는 복수의 안테나 소자(특히 소자의 길이가 고주파 전력의 파장의 1/4보다 짧다)를 이용함으로써,정재파의 발생을 억제하고, 루프 형상 유도전계를 생성할 수 있게 되었다.

또, 본 발명에 의해, 저압력 영역, 고밀도 영역으로의 프로세스 윈도우의 확대 및 용량결합성분에 의한 내벽부재의 마모 저감을 양립할 수 있게 되었다.

[발명의 실시형태]

(실시형태 1)

먼저 첫번째로, 본 발명의 특징으로 하고 있는 안테나 소자구조에 대해, 도 1부터 도 5를 참조하여 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 길이가 고주파의 파장 λ의 1/4보다 짧은, 적어도 2개 이상의 안테나 소자(101)는 도체판(104)에 회전대칭으로 배치되어 있다. 각 안테나 소자는 두개의 단자(102a,102b)를 각각 가진다. 한쪽 단자(102a)는 도체봉(103)을 통해 도체판(104)에 접지된다. 다른 쪽의 단자(102b)는 도체판(104)에 열려있는 홀을 통하여 도체봉(105)에서 고주파 분배부(106)에 의해 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속되어 있다. 즉, 본 발명의 안테나 소자 구성에 의하면, 각 안테나 소자(101)에 흐르는 전류가 전체로서 1개의 루프 전류를 형성하도록, 각 안테나 소자(101)에 대해 위상이 일치하는 고주파 전원을 접속하고 있다. 이와 같이 하여, 고주파(UHF대)에서 유도결합 플라즈마를 생성하는 것을 가능하게 하였다.

본 발명의 안테나 소자는 고주파 전원으로부터의 고주파를 동위상 또는 거의 동위상으로 각 안테나 소자에 급전하기 위하여, 제작이 용이한 도체판으로 전력을 분배하는 방식을 채용했기 때문에, 복잡한 위상제어기구가 불필요하다

도 2(a),(b),(c)에 고주파 전원(201)으로부터 각 안테나 소자(202)에 접속단자(203)를 통하여 전력을 분배하는 디바이더(devider)의 예를 각각 나타낸다. 도 2(a)와 같이 원반형(204)의 구성이 단순하여 바람직하다. 그러나, 도 2(b)와 같이 성형(星型;205)에서도 마찬가지의 효과가 얻어진다. 또, 도 2(c)와 같이 각 안테나 소자에 흐르는 전류가 동위상으로 되도록 전송경로를 설계한 동축 케이블(206)에 의해 전력을 분배하여도 마찬가지의 효과가 얻어진다.

도 1을 다시 보면, 도체판(106)을 사용한 경우, 도체판으로부터도 전자파가 방사되어 각 안테나 소자로부터 방시되는 전자파가 어지럽게 된다. 이 때문에, 각 안테나 소자(101)와 도체판(106)의 사이에 접지된 도체판(104)을 끼우고, 안테나 소자에는 그 접지된 도전성 평판에 열린 홀을 통해 고주파가 인가되는 구조를 채용하고 있다. 이로써 도체판(106)으로부터의 전자파를 차단하였다.

각 안테나 소자는 루프 전류를 형성하기 때문에 도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 두개의 단자(301)를 가지는 원호형(302)의 형상으로 회전대상에 배지하는 것이 바람직하다. 그러나, 도 3(b)와 같이 회전대상 중심부터 접지단자간(304)에서의 거리와 급전단자(305)까지의 거리가 각각 다른 안테나 소자(303)를 회전대상에 배치하여도 마찬가지의 효과가 얻어진다.

또, 각 안테나 소자의 형상은 두개 이상의 접지단자(401)를 구비하고 있으면 전류를 흘리는 것이 가능하기 때문에, 도 4(a),(b),(c)에 각각 나타내는 바와 같이, 타원형의 안테나 소자(402), 다각형의 안테나 소자(403), 봉 형상의 안테나 소자(404)에서도 동일한 효과가 얻어진다.

또, 각 안테나 소자의 배치의 일례로서, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이 나선구조(501)나, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이 다중구조(502)에서도 같은 효과가 얻어진다.

다음에, 에칭 시스템의 전체구성을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6(a)에서, 플라즈마 에칭용 리액터(용기)(601) 내에 플라즈마용 튜너(603)를 통하여, 플라즈마용 f=450MHz 고주파 전원(602)에서 발생한 전자파를 안테나 소자(604)에 도입한다. 그리고, 자장발생제어부(605)에 의해 발생한 자장을 작용시킴으로써, 고효율로 플라즈마를 생성한다.

안테나 구조는, 도 1에 나타내는 바와 같이 길이가 고주파의 파장 λ의 1/4보다 짧고, 적어도 두개 이상의 안테나 소자(101)를 회전대칭으로 배치되고 있다. 각 안테나 소자에 있는 두개의 단자(102)의 한 쪽은 도체봉(103)을 통하여 도체판(104)에 접속되고, 다른 쪽을 도체판(104)에 열린 홀을 통하여, 도체봉(105)에 의해 고주파 분배부(106)에 의해 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 접속되어 있다.

석영천판(유전체창)(606)의 상부 주변에 배치된 정재파 제어부(607)는 측벽근방의 플라즈마 분포를 제어한다.

프로세스 가스는 가스 도입부(608)에 의해, 샤워 플레이트(609)를 통하여 플라즈마 에칭용 리액터(601)에 도입된다.

플라즈마 에칭용 리액터(601)와 자장발생제어부(604)는, 배기설비(610)를 가지는 베이스 프레임(611)상에 탑재되어 있다. 구체적인 배기설비(610)로서는 터보분자펌프와 같은 진공배기장치에 의해 이루어진다. 이 진공배기장치(610)에 의해 플라즈마 에칭용 리액터(용기)(601) 안은 소정의 압력으로 갑압된다.

이 감압이 유지된 플라즈마 에칭용 리액터(용기)(601) 안에는 처리될 웨이퍼(직경 300mm)(613)가 반송되고, 상하 기구를 가지는 처리대(612) 위에 장진된다. 그리고, 그 웨이퍼(613)는 바이어스용 매칭박스(615)를 통하여 바이어스용 400kHz 전원(614)에서 발생한 고주파가 인가된다.

도 6(b)는 베이스 프레임 전체를 상방향에서 본 개략도를 나타낸다. 도 6(a)에 나타낸 플라즈마 에칭용 리액터(601)는 베이스 프레임(616) 위에 재치되어 있다. 두개의 플라즈마 에칭용 리액터(601)를 가지는 에칭 시스템에 의해, 양산에 있어서는 효율 좋은 병렬처리가 가능하게 되어 있다. 본 실시형태에서는, 한쪽의 리액터를 이용하여 에칭의 평가를 행한다.

또, 같은 베이스 프레임 상에 플라즈마 액싱용 리액터(617)가 두개 탑재되어 있고, 레지스트 마스크나 에칭 후의 표면 폴리머의 제거를 행한다.

또, 웨이퍼 카세트 장진장소(618)에는, 에칭 전의 웨이퍼의 대기장소와 에칭 후의 웨이퍼의 대기장소가 있다. 웨이퍼는 웨이퍼 반송 로봇(619)에 의해 각 장소에 반송된다.

여기서, UHF대를 사용한 종래방식과 본 실시형태 1과의 구성 및 특성(플라즈마 생성부에서의 전계성분의 분포)의 대비를 설명한다.

먼저, 도 7(a)에 UHF대를 사용한 종래방식의 일례로서 UHF-ECR 플라즈마 처리장치의 개략을 나타낸다.

석영천판(유전체창)(700)의 상부에는 도전성 평판으로 구성된 안테나 소자(701)와 알루미나(Al₂O₃)제의 안테나 스페이서(702)가 설치되어 있다. 또, 안테나 소자 주변부에는 L자형의 도전성 척(703)과 알루미나(Al₂O₃)제의 링(704)으로 구성된 정재파 제어부가 설치되어 있다. 이로써 측벽 근방의 플라즈마 분포가 제어가능하게 된다.

도 7(b)는 도 7(a)에 나타낸 샤워 플레이트(705) 바로 아래에 있는 플라즈마 생성부(706)의 전계성분의 분포를 계산에 의해 적산한 예가 나타나 있다.

플라즈마 밀도가 4.5×10¹⁰cm^-3(입사 이온전류(ICF)로 1.2mA/cm²상당)의 조건에서는, 중심 부근은 z축 방향전계(707)가 주성분이고, r방향성분(708)은 안테나 소자단에서 극대치를 가지며, 중앙부에 치우친 영역에 전계강도가 강한 부분이 나타나는 것을 알 수 있다. 또, θ방향전계는 원리적으로 존재하지 않는다. 이 강한 전계부분에서 플라즈마가 초기생성되고, 그 플라즈마는 확산에 의해 외측으로 퍼지고, 웨이퍼 상에는 균일한 이온전류가 입사된다.

그런데, 플라즈마 밀도를 9.0×10¹⁰cm^-3(ICF에서 2.5mA/cm²상당)으로 증가시키면, 플라즈마 경계면에 수직의 z축 방향전계(709)가 플라즈마에 반사되게 되어, 안테나 소자로부터의 전자파가 플라즈마 중에 전파되지 않게 된다. 이로써, 높은 파워영역에서는 플라즈마 밀도가 입력전력에 대해 포화경향을 나타내고, 높은 플라즈마 밀도영역에 제약을 받는다.

한편, 본 실시형태 1의 플라즈마 처리장치를 도 8(a)에 나타낸다. 그리고, 샤워 플레이트(801)의 바로 아래에 있는 플라즈마 생성부(802)의 전계성분 분포를 계산에 의해 적산한 본 실시형태에서의 예를 도 8(b)에 나타낸다. 이 예에서는 도 1에 나타낸 안테나 성분이 이용되고 있다. 또, 석영천판(800)의 주변부에 정재파 제어부를 가지고 있지 않다.

각 안테나 소자(101)에서 도체봉(103,105)의 배치의 위상이 일치하기 때문에, 각 안테나 소자면에는 동일한 회전방향으로 전류가 흐른다. 각 안테나 소자에 인가되는 전자파의 위상은 동위상인 것이 바람직하지만, 위상차가 ±10도의 범위에서도 같은 효과가 얻어진다. 또, 금속소자의 열팽창이나 가공정밀도에 의해 회전대칭의 오차가 있어도, 각 안테나 소자에 흐르는 전류의 회전방향이 같으면 같은 효과가 얻어진다. 이 회전방향으로 흐르는 전류에 의해, z축 방향으로 유도자계가 생성되고, 그 유도전계에 의해 θ방향의 유도전계가 형성된다. 플라즈마 밀도가 4.5×10¹⁰cm^-3(입사 이온전류(ICF)인 1.2mA/cm²상당)의 조건에서는 안테나 소자의 바로 아래에서 θ방향전계(805)가 극대치로 된다.

또, 도 7(a)에 나타낸 종래방식과는 대조적으로 중심 부근에서 z축 방향전계(806)가 거의 없고, 측벽에 가까와 짐에 따라 r방향전계(807)가 증가한다.

또, 플라즈마 밀도를 9.0×10¹⁰cm^-3(ICF에서 2.5mA/cm²상당)으로 증가시키면, 플라즈마 경계면에 평행한 θ방향전계(808)가 플라즈마에 반사되지 않고 전파하기 때문에, 플라즈마는 이 θ방향전계에 의해 생성된다. 이로 인해, 본 방식은 θ방향전계에 의해 높은 파워영역까지 플라즈마를 제어가능하고, 높은 플라즈마 밀도를 생성가능한 방식임을 알 수 있다.

도 8(a)에 나타낸 플라즈마 처리장치에서, 웨이퍼(803) 면으로 입사 이온전류(ICF) 측정에 의해 θ방향전계의 존재를 확인하였다. 본 장치에서는 외부 코일(804)에 의해 자장을 인가가능하다. 그 코일자장의 방향을 반전함으로써 관측된 ICF분포를 도 9에 나타낸다.

본 실시형태에 의해 생성되는 전계는 도 8(b)에 나타낸 바와 같이 θ방향전계(805)와 r방향전계(807)가 존재하기 때문에, 실제 플라즈마 중에서의 전계 벡터는 소용돌이 모양으로 감고 있다.

도 9(a)에 나타내는 바와 같이, 자계(901)가 아래 방향인 경우, 플라즈마 중의 하전입자는 직경 방향으로 진동하는 외력(902)을 받기 때문에, 고저차가 있는 ICF 분포(903)로 된다. 어떤 일부분(904)의 하전입자의 거동에 주목하면, 소용돌이 모양으로 감고있는 전계(905)와 수직인 방향으로 로렌츠의 힘(906)이 작용한다. 그 결과, 플라즈마 중의 하전입자는 바깥 방향의 힘(907)을 받는다.

다음에, 전자파의 위상이 180도 다른 때는, 소용돌이 모양으로 감고 있는 전계(908)는 역방향을 향하고, 그것과 수직인 방향으로 로렌츠의 힘(909)이 작용하여, 플라즈마 중의 하전입자는 자계(901)가 아래 방향의 경우와는 반대로, 중심 방향의 힘(910)을 받는다.

결과적으로, 자계(901)가 아래 방향인 경우, 플라즈마 중의 하전입자는 반경 방향으로 진동하도록 힘(902)을 받기 때문에 ICF 분포(903)는 확산분포로 된다.

한편, 도 9(b)에 나타내는 바와 같이, 자계(911)가 위 방향인 경우, 플라즈마 중의 하전입자는 회전방향으로 진동하는 외력(912)을 받기 때문에, M형의 ICF 분포(913)로 된다. 어떤 일부분(914)의 하전입자의 거동에 주목하면, 소용돌이 모양으로 감고 있는 전계(915)와 수직인 방향으로 로렌츠의 힘(916)이 작용한다. 그 결과, 플라즈마 중의 하전입자는 회전방향의 힘(917)을 받는다.

다음에, 전자파의 위상이 180도 다른 때는, 소용돌이 모양으로 감고 있는 전계(918)는 역방향을 향하고, 그것과 수직인 방향으로 로렌츠의 힘(919)이 작용하고, 플라즈마 중의 하전입자는 자계(911)가 윗 방향인 경우와는 반대로 회전방향의 힘(920)을 받는다.

결과적으로, 자계(911)가 위 방향인 경우, 플라즈마 중의 하전입자는 회전방향으로 진동하도록 힘(912)을 받기 때문에, ICF 분포(913)는 플라즈마 생성부의 분포를 반영한 M형 분포가 얻어졌다.

이상과 같이, 본 발명에 의해 θ방향전계를 생성할 수 있다는 것이 실증되었다. ICF 분포를 자장의 강약 뿐 아니라 자계 벡터의 정부(+,-)의 방향, 즉 코일전류의 정부에 의해 선택가능하다. 또, 영구자석에 의해 솔레노이드 코일과 같은 자장을 생성한 경우에도 같은 효과가 얻어진다.

다음에, 도 6에 나타낸 장치구성에 의해 얻어지는 플라즈마 특성을, 종래의 UHF-ECR(도 7)과 비교하기 위하여, 가스로서 CL₂, HBr 및 O₂를 이용하고, 압력을 0.4 Pa로 설정한 경우의 ICF의 균일성과 전자파의 전력에 대한 선형성(linearity)을 조사한 예를 도 10에 나타낸다.

종래의 UHF-ECR에 의해 얻어지는 ICF분포(1001)(도 10(a))는 500W부터 800W로 전자파의 전력을 증가시키면, 다소 M형의 분포이지만, 거의 균일한 ICF 분포인 채로 포화경향을 나타내면서 전류밀도가 증가한다.

한편, 본 발명을 이용한 도 6에 나타내는 플라즈마 처리장치에 의해 얻어지는 ICF 분포(1002)(도 10(b))에서는, 500W부터 800W까지 전자파의 전력을 증가시키면, 다소 고저차인 ICF 분포로부터 중심 부근이 거의 편평한 분포로 되어, 전류밀도가 증가한다.

양 방식(1001,1002)에서 전력에 대한 ICF의 선형성을 확인하기 위하여, 횡축에 전력을, 종축에 f300mm 면 내의 ICF의 평균치를 플롯한 결과를 도 10(c)에 나타낸다. 종래 방식의 UHF-ECR에서의 ICF 분포(1004)는 500W 이상인 포화경향을 나타내지만, 본 실시형태의 ICF 분포(1005)는 지수계수적으로 증가하는 경향을 볼 수 있고, 800W 이상에서도 플라즈마 밀도가 증가하여 높은 플라즈마 밀도를 생성할 수 있다.

다음에, 도 6에 나타내는 플라즈마 처리장치에서, 다른 가스계에서의 ICF 분포를 도 11에 나타내고, 상술한 다공정 시리즈 처리능력을 검토하였다.

도 11(a)은 폴리-실리콘의 에칭조건(가스로서는 CL₂, HBr 및 O₂)(1101), 도 11(b)는 BARC의 에칭조건(가스로서는 Ar, CF₄, HBr 및 O₂)(1102)를 이용한 경우의 ICF 분포의 측정결과를 나타낸다. 어느 쪽의 가스계라도 유사한 분포가 얻어지고, 그 가스계가 다름에 따른 ICF 분포의 변화가 적기 때문에, 다종 재료가공으로의 넓은 프로세스 윈도우를 가진다고 기대할 수 있다.

(실시형태 2)

본 발명의 실시형태 2인 반도체 장치의 제조방법을 이하에 설명한다.

도 6에 나타내는 플라즈마 처리장치에서, 게이트 전극 가공공정의 일례로서, 단일의 감압용기를 이용한 게이트 형성에 관한 에칭의 일관된 처리에 대해 검토하였다. 게이트 전극가공 후의 형상을 도 12에 나타낸다.

먼저, 02와 할로겐 혼합계에 의한 ArF 레지스트(1201)의 세선화 및 CF4 베이스에 의한 BARC(1202)의 에칭에서는 고선택비가 요구되고, 하드 마스크인 질화실리콘(1203)의 에칭에서는 비교적 에칭되기 어려운 막질이기 때문에 높은 플라즈마 밀도가 필요하다. 또, 폴리실리콘(1204)의 에칭에서는 수직형상을 얻기 위하여 저압력 하의 처리가 필요하게 된다. 한편, 오버에칭에서는 폴리실리콘(1204)과 하지산화(下地酸化) 실리콘(1205)의 높은 선택비가 요구되기 때문에, 고압력 하에서의 처리가 필요하게 된다. 이와 같이 각 층마다 적절한 조건이 크게 다르기 때문에, 폭넓은 프로세스 윈도우가 필요하게 된다.

본 발명을 적용한 플라즈마 처리장치에 의해, 고밀도 영역까지 프로세스 윈도우가 확대하였기 때문에, 상기 다공정의 시리즈 처리를 효율 좋게 행하는 것이 가능하게 되고, 마스크재, 반사방지막, 게이트 재료의 동일 챔버 내의 일관처리를 고스루풋으로 실현할 수 있다. 일련의 가공을 각각의 공정이 전용장치를 이용하여, 장치간에서 웨이퍼가 왕래하는 경우나 복수의 전용 감압용기를 가지는 장치에서 행하는 경우에 비하여, 각각의 전용장치 혹은 감압용기에 웨이퍼를 출입하기 위한 여분의 시간을 절약할 수 있다.

또, 레지스트 막이나 반사방지막의 종류가 달라도 그 시간단축의 효과는 똑같이 얻어진다. 이와 같이 단일의 감압용기의 구성에 의해, 여러가지의 프로세스 조건으로의 대응이 광범위하게 가능하게 된다. 이 것은, 양산의 효율을 향상시킴에 있어서 극히 우위로 된다.

(실시형태 3)

본 발명의 실시형태 3인 반도체 장치의 제조방법을 이하에 설명한다.

본 발명을 적용한 구성의 장치(도 6)를 이용하여, 웨이퍼 표면의 금속(알루미늄)배선을 에칭 형성한 예를 도 13에 나타낸다. 배선층은 위에서부터 레지스트(1301), 반사방지막(1302), 질화티탄(1303), 알루미늄(1304), 질화티탄(1303), 산화 실리콘(1305)로 이루어진 적층구조이다. 에칭 가스로서는 염소, 산염화 붕소가 사용된다.

먼저, 반사방지막인 BARL(1302)의 가공에서는 상부 레지스트(1301)의 선택비가 요구되고, 또, 질화티탄(1303)의 가공에서는 높은 바이어스가 필요하다. 또, 알루미늄(1304)의 가공에서는 높은 수직 가공정밀도와 함께 고밀도 플라즈마에 의한 고속 에칭이 요구되고 있다. 그래서, 다시 오버에칭에서는 하지산화막(1305)의 고선택비가 필요하게 된다.

본 발명을 적용한 플라즈마 처리장치에 의해, 고밀도 영역까지 프로세스 윈도우가 확대하고, 상기 다공정의 시리즈 처리에 의해 마스크재, 반사방지막, 금속배선재료의 고스루풋인 동일 챔버 내의 일관처리가 가능하게 된다.

본 발명을 적용한 플라즈마 처리장치에서는, 성막 CVD나 스퍼터링 등, 플라즈마에 의해 발생한 종의 물리적, 화학적 작용을 이용한, 기타 반도체 처리에 있어서도 광범위한 조건에서 균일한 처리성능을 발휘할 수 있다.

상기 실시형태 2 및 실시형태 3에 의해 도출되는 반도체 장치의 제조방법의 특징을 열거하면 이하와 같다.

(1) 감압 분위기가 보호되는 용기와, 상기 용기 내에 위치한 웨이퍼(반도체 웨이퍼)를 재치하기 위한 처리대와, 웨이퍼와 대면하도록 배치된 유전체창과, 상기 유전체창의 배면에 위치하여, 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 가지고, 상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며, 상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속된 플라즈마 처리장치를 준비하여, 상기 처리대 상에 처리될 웨이퍼를 장진시키고, 상기 용기 안테나 소자에 흐르는 루프 형상의 전류를 제어함으로써, 상기 웨이퍼에대하여 연속 혹은 단속적인 표면처리를 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.

(2) 상기 (1)항에 있어서, 안테나 소자에 흐르는 루프 형상의 전류를 제어함으로써, 적어도 2종 이상의 막종 또는 처리조건에 대한 연속 혹은 단속적인 처리를 단일 감압용기에 의해 행하는 것을 특징으로 한다.

(3) 상기 (1)항에 있어서, 안테나 소자 근방의 루프 형상의 전계를 제어함으로써, 적어도 2종 이상의 막종 또는 처리조건에 대한 연속 또는 단속적인 처리를 행한다.

(4) 상기 (1)항에 있어서, 안테나 소자 근방의 루프 형상의 전계를 제어함으로써, 적어도 2종 이상의 막종 또는 처리조건에 대한 연속 혹은 단속적인 처리를 단일의 감압용기에 의해 행한다.

(5) 갑암 분위기가 보호되는 용기와, 상기 용기 내에 위치한 웨이퍼를 재치하기 위한 처리대와, 웨이퍼와 대면하도록 배치된 유전체창과, 상기 유전체창의 배면에 위치하여 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 구비하고, 상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며, 상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속된 플라즈마 처리장치를 준비하고, 상기 처리대 위에 게이트 전극가공할 웨이퍼를 장진시키고, 상기 용기 안테나 소자에 흐르는 루프 형상의 전류를 제어함으로써, 상기 웨이퍼에 대하여 연속 혹은 단속적인 표면처리를 행하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.

본 발명에 의한 고주파를 이용한 플라즈마 제조장치에 있어서, 유도결합방식으로 플라즈마를 생성함으로써, 광범위한 가스 종류, 압력, 밀도조건에서, 피처리시료에 균일한 가공을 실시할 수 있고, 특히 저압력영역 및 고플라즈마 밀도영역에 프로세스 윈도우를 확대할 수 있었다. 또, 게이트 전극가공이나 금속배선가공 등의 다층막 및 다수 공정에 대하여, 단일의 감압용기에서 일관하여 적용함으로써, 생산효율을 높일 수 있고, 반도체 장치의 제조방법의 스루풋 향상에 유효하다.

Claims

갑암 분위기가 보호되는 용기와,

상기 용기 내에 위치한 피가공물을 재치하기 위한 처리대와,

상기 피가공물과 대면하는 유전체창과,

상기 유전체창의 배면에 위치하여, 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 가지고,

상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며,

상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항에 있어서,

고주파 전원의 주파수가 100MHz 이상 3GHz 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

각 안테나 소자의 길이가 고주파 전원의 파장 λ의 1/4보다 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자의 급전단과 접지단의 거리가 7mm보다 길고 750mm보다 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자의 길이가 7mm보다 길고 750mm보다 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

회전대칭 중심으로부터 각 안테나 소자의 접지단까지의 거리가 각각 거의 같고, 또 상기 중심부터 각 안테나 소자의 급전단까지의 거리가 각각 거의 같은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자가 적어도 다중으로 동심원 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자가 나선 형상으로으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자의 형상이 원호의 일부인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자의 형상이 봉 또는 타원 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자가 접지된 도체판의 홀을 통하여 고주파 전원에 급전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자가 평판형 도체를 통하여, 고주파 전원에 급전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

각 안테나 소자가 동축선을 통하여, 고주파 전원에 급전되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

감압용기 내에 자장을 인가할 수 있는 자장제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유전체창의 재질이 알루미나(Al₂O₃), 석영(SiO₂)의 어느 하나, 또는 이들의 복합에 의한 구성을 이용하고 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
갑암 분위기가 보호되는 용기와,

상기 용기 내에 위치한 반도체 웨이퍼를 재치하기 위한 처리대와,

상기 반도체 웨이퍼와 대면하는 유전체창과,

상기 유전체창의 배면에 위치하여, 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 가지고,

상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며,

상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
제16항에 있어서,

상기 유전체창은 석영판에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배선가공용 플라즈마 에칭장치.
용기와,

상기 용기 내를 감압분위기로 보호하기 위하여 상기 용기에 접속된 진공배기장치와,

상기 용기 내에 위치한 반도체 웨이퍼를 재치하기 위한 처리대와,

상기 반도체 웨이퍼와 대면하는 유전체창과,

상기 유전체창의 배면에 위치하여, 소정의 가스를 플라즈마화하기 위한 전자파를 상기 용기내에 도입하는 안테나 소자를 가지고,

상기 안테나 소자는 회전대칭으로 배치된 적어도 두개 이상의 안테나 소자로 구성되며,

상기 안테나 소자의 각각은 편단이 접지되고, 타단은 고주파 전원에 동위상 또는 거의 동위상으로 전기적 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.
제18항에 있어서,

고주파 전원의 주파수가 100MHz 이상 3GHz 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제18항에 있어서,

각 안테나 소자의 길이가 고주파 전원의 파장 λ의 1/4보다 짧은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제18항에 있어서,

회전대칭중심으로부터 각 안테나 소자의 접지단까지의 거리가 각각 거의 같고, 또 상기 중심으로부터 각 안테나 소자의 급전단까지의 거리가 각각 거의 같은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제18항에 있어서,

각 안테나 소자가 적어도 다중으로 동심원 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제18항에 있어서,

각 안테나 소자가 나선 형상으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
제18항에 있어서,

상기 유전체창은 석영판에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭장치.