KR20080020458A - 기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents

기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 Download PDF

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KR20080020458A
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Abstract

본 발명은, 평행 평판형 플라즈마 처리장치에서, 기판을 가공하기에 적합한 이온 에너지를 갖도록 하고, 또 그 이온 에너지 폭을 작게 해서, 가공 형상을 정밀하게 제어할 수 있는 기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법을 제공한다.
내부가 진공으로 유지된 챔버 내에서, 대향 전극에 대해 대향하도록 배치된 RF 전극에 대해, 제1주파수의 제1RF 전압 및 상기 제1주파수의 1/2 정수 배로서, 상기 제1주파수와 다른 제2주파수의 제2RF 전압을, 각각 제1RF 전압 인가수단 및 제2RF 전압 인가수단으로부터 게이트 트리거 장치에 의해 상호 위상을 제어, 중첩시켜 인가할 수 있도록 해서, 목적으로 하는 기판의 플라즈마 처리장치를 구성한다.

Description

기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법{APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA TREATING THE SUBSTRATE}
도 1은, 기판의 플라즈마 처리장치(비교예)의 1예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는, 도 1에 도시된 장치를 이용한 경우의, RF 파워와 Vdc(평균의 기판 입사 에너지)와의 관계를 나타낸 그래프,
도 3은, 50mTorr의 Ar 가스압으로, 전극 간 30mm, 300mm 웨이퍼를 3MHz, Vrf = 160V의 RF를 이용해서 가공한 경우의 평행 평판형 Ar 플라즈마를 연속체 모델 플라즈마 시뮬레이터[G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Phys. 96, 6073(2004)]로 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프,
도 4는, 마찬가지로, 50mTorr의 Ar 가스압에서, 전극간 30mm, 300mm 웨이퍼를 3MHz, Vrf=160V의 RF를 이용해서 가공한 경우의 평행 평판형 Ar 플라즈마를 연속체 모델 플라즈마 시뮬레이터[G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Phys. 96, 6073(2004)]로 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프,
도 5는, 기판(S)에 대해 적합한 이온 에너지의 분포상태를 나타낸 그래프,
도 6은, 본 발명의 기판의 플라즈마 처리장치의 1예의 구성을 개략적으로 나 타낸 도면,
도 7은, 도 6에 도시된 장치를 이용한 경우의 RF 전극에 인가되는 전압의 중첩 파형을 개략적으로 나타낸 도면,
도 8은, 실시예에서의, 중첩 RF 파형, 이온 에너지의 시간 변화, 이온 에너지 분포를 나타낸 그래프,
도 9는, 실시예에서의, 위상 제어와 평균 이온 에너지, 이온 에너지 폭[△E(eV)]의 관계를 나타낸 그래프,
도 10은, 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치의 변형예를 나타낸 구성도,
도 11은, 마찬가지로, 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치의 변형예를 나타낸 구성도이다.
10, 20 - - - (기판의)플라즈마 처리장치
11, 21 - - - - 챔버
12, 22 - - - - RF 전극
13, 23 - - - - 대향 전극
14, 24 - - - - 가스 도입관
15, 25 - - - - 배기구
16 - - - - 정합기
17 - - - - RF 전원
26-1 - - - - 제1정합기
26-2 - - - - 제2정합기
27-1 - - - - 제1RF 전원
27-2 - - - - 제2RF 전원
28 - - - - 게이트 트리거 장치
31 - - - - 중첩 파형 모니터링 장치
32 - - - - 이온 에너지 모니터
S - - - - 기판
P - - - - 플라즈마
본 발명은, 진공 챔버 내에서 RF 전극과 대향 전극이 상호 대향하도록 배치시켜, 그들의 사이에 생성된 플라즈마에 의해 상기 RF 전극 상에 보유지지된 기판을 가공하는, 이른바 평행 평판형 플라즈마 처리장치 및 그 플라즈마 처리방법에 관한 것이다
반도체 웨이퍼 등의 기판에 대해 배선 등을 실행할 때는, 기판에 대해 미세한 가공 처리를 할 필요가 있고, 그 때문에 종래에는 플라즈마를 이용한 처리장치가 빈번히 사용되고 있다.
종래의 플라즈마 처리장치에서는, 미리 소정의 진공도까지 배기시킨 진공 챔 버 내에, 고주파(RF) 전극과 대향 전극이 상호 대향(對向)하도록 배치되고서, RF 전극의 대향 전극과 대향하는 주면(主面) 상에 처리에 제공될 기판이 보유지지되도록 되어 있는, 이른바 평행 평판형 플라즈마 처리장치를 구성하도록 되어 있다. 상기 가스 도입관으로부터는 플라즈마 생성 및 그에 의해 기판의 가공에 제공해야 할 가스를 화살표로 나타내도록 해서 챔버 내로 도입함과 더불어, 도시되지 않은 진공 펌프를 이용해서 배기구로부터 챔버 내를 진공 배기하도록 구성되어 있다.
다음에, 13.56MHz의 상업용 RF 전원으로부터 정합기(整合器)를 거쳐 RF 전극으로 RF(전압)를 인가함으로써, RF 전극 및 대향 전극 사이에 플라즈마를 생기게 하도록 되어 있다.
이때, 플라즈마 중의 정(正) 이온은 RF 전극 상에 생기는 부(負)의 자기(自己) 바이어스 전위(Vdc)에 의해 RF 전극 상의 기판으로 고속으로 입사하게 된다. 그 결과, 그때의 기판 입사에너지를 이용해서 기판 상의 표면 반응을 유발시켜, 리액티브 이온 에칭(RIE), CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링, 이온 인프라 등의 플라즈마 기판 처리가 실행된다. 특히, 기판을 가공한다고 하는 관점에서는, 주로 RIE가 쓰이게 된다. 따라서, 이하에서는, 특히 RIE를 이용한 기판 처리를 중심으로 해서 상세히 설명한다.
앞에서 설명한 바와 같은 플라즈마 처리장치에서는, RF 파워 증대와 함께 Vdc(평균의 기판 입사에너지)가 증대되기 때문에, 처리 레이트의 조정, 가공 형상의 조정을 위해 주로 RF 파워에 의한 Vdc의 조정이 행해지고 있다. 또, Vdc가 의존하는 압력이나 전극 형상에 대해서도 일부 조정을 할 수가 있다.
그러나, 앞에서 설명한 바와 같이 해서 장치 내에 생성된 플라즈마 내의 이온 에너지는, 저에너지 측 피크와 고에너지 측 피크의 2가지로 분할되는바, 그 에너지 폭(△E)은 플라즈마 발생 조건에 따라 수 10 ~ 수 100[eV]로 된다. 따라서, Vdc를 기판 처리에 최적인 에너지로 조정한 경우에도, 기판으로 입사되는 이온에는 에너지가 지나치게 높은 이온(고에너지 측 피크)과 지나치게 낮은 이온(저에너지 측 피크)이 존재하게 된다.
따라서, 예컨대 RIE에서는, 고에너지 측 피크에 상당하는 에너지의 이온으로 기판 처리를 한 경우는, 불균일 처리가 유발되어 가공 형상을 악화시키는 경향이 있다. 한편, 저에너지 측 피크에 상당하는 에너지의 이온으로 기판 처리를 실시한 경우는, 표면 반응의 임계치 이하가 되어 기판 처리에 완전히 기여하지 못하거나, 또는 이방성(異方性) 열화(이온 입사각도가 열속도에 의해 넓혀지는)에 수반해서 가공 형상을 악화시키는 경향이 있다.
최근의 반도체 프로세스에서는, 점점 소형화되어 가는 반도체장치·여러 가지의 막·복합막의 RIE에 대응해서 가공 형상을 정밀하게 제어하기 위해, 이온 에너지의 협대역화(작은 △E의 실현)와 평균에너지 값의 최적 조정(Vdc의 최적화)을 필요로 한다.
이온 에너지 협대역화(狹帶域化)를 위해서는, RF 주파수의 고주파화(일본국 특허공개 평2003-234331호 공보)나 펄스 플라즈마화[J. Appl. Phys. Vo186 No2 643(2000)]가 검토되고 있다.
또, 플라즈마 생성은 크게 나누어 유도결합형(誘導結合型)과 용량결합형(容 量結合型)으로 대별되지만, 가공 형상의 정밀 제어의 관점에서, 부차적인 반응을 억제하기 위해 플라즈마 체적을 작게 해서 체류 시간을 작게 하는 것이 유효한데, 이와 같은 관점에서는, 체적이 큰 유도결합형 플라즈마에 비해 용량결합형 평행 평판형 플라즈마가 유리하다.
또, Vdc와 플라즈마 밀도의 제어성 향상을 목적으로 평행 평판의 전극에 2 가지 다른 주파수의 RF를 도입해서, 높은 주파수(예컨대, 100MHz)의 RF에서 플라즈마 밀도를 제어하고, 낮은 주파수(예컨대 3MHz)의 RF에서 Vdc를 독립적으로 제어하는 방법도 고안되어 있다(일본국 특허공개 평2003-234331호 공보). 이 경우는, 고주파용 전원 및 고주파용 정합기(整合器)에 더해 저주파용 전원 및 저주파용 정합기를 설치해서, 앞에서 설명한 고주파의 RF 및 저주파의 RF가 RF 전극에 대해 중첩될 수 있도록 하고 있다.
한편, 청정(淸淨) 프로세스와 프로세스 안정의 관점에서 대향 전극은 접지 전위인 것이 유리하다. 대향 전극에 RF를 인가하면 대향 전극 면에서 생성되는 Vdc에 의해 대향 전극이 부식이 되어, 먼지의 원인 및 프로세스를 불안정하게 하는 원인으로 된다. 그 때문에, 2가지 RF가 기판이 설치된 RF 전극에 중첩되는 일도 있게 된다.
특허문헌 1 ; 일본국 특허공개 평2003-234331호
비특허문헌 1 ; G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Phys. 96, 6073(2004)
비특허문헌 2 ; J.Appl.Phys.Vo186 No2 643(2000)
이온 에너지의 협대역화를 위해 검토되고 있는 고주파화 기술은, 이온이 전계(電界)에 추종하는 일이 없기 때문에, △E의 협대역화에 효과는 크지만, 에너지(Vde)는 작아진다. 예컨대, 100MHz, 2.5kW(300mm 서셉터, 50mTorr, Ar 플라즈마)에서는 Vdc의 절대치가 산화막이나 질화막의 임계치(약 70eV) 이하로 되어, 레이트가 극단적으로 지연되어 실용 범위를 넘게 된다.
한편, RF 파워를 크게 해서 평균에너지를 크게 하면, RF 파워에 의한 조정시에는 Vdc와 △E가 대략 비례하기 때문에, 에너지의 협대역화 효과는 작아진다. 그리고, 100MHz에서 Vdc 100V를 달성하기 위해 대략 7kW의 큰 RF 파워가 필요하게 되는바, 시판되는 고주파전원의 출력 상한(5 ~ 10kW)으로부터 충분히 큰 이온 에너지로 조정하는 것은 곤란하다. 즉, RF 고주파화 기술은, 표면 반응에너지 임계치가 작은 플라즈마 처리에는 대응할 수 있어도, 임계치 에너지가 큰(70eV 이상) 플라즈마 처리에는 Vdc 조정이 어려워 대응이 곤란하다.
또, 2주파 RF 중첩에서는, 낮은 주파수에 기인하는 이온 에너지 폭(△E)이 커서 협대역화는 바랄 수가 없다.
한편, 펄스 기술은 주기적 DC 전위에 의해 이온 에너지를 보다 직접적으로 제어하기 때문에, 에너지의 협대역화 및 에너지값의 조정에 유리하지만, 급격한 인가전압의 변화, 전압 OFF 시의 플라즈마 밀도 저하, 재전압인가 시의 큰 전류에 의해 플라즈마는 불안정해지게 된다. 특히, 절연물이 기판 표면에 있는 플라즈마 처리의 경우는, 쌓인 표면 전하가 1주기 사이에 빠져나가기가 어려워 플라즈마가 불 안정하게 되어, 플라즈마 소멸에 이르게 된다. 또, 간헐적인 큰 전류의 유입으로 디바이스에 전기적 대미지도 일어나게 된다. 그 때문에, 안정된 평행 평판형 펄스 플라즈마를 생성하는 것이 곤란해지게 된다.
본 발명은, 앞에서 설명한 문제를 감안해서 이루어진 것으로, 진공 챔버 내에서, RF 전극과 대향 전극이 상호 대향하도록 배치시켜, 그들 사이에 생성된 플라즈마에 의해 상기 RF 전극 상에 보유지지된 기판을 가공하는, 이른바 평행 평판형 플라즈마 처리장치에서, 상기 기판을 가공하기에 적합한 이온 에너지를 갖게 하고, 또 그 이온 에너지 폭을 작게 해서, 가공 형상을 정밀하게 제어할 수가 있는 기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 1 실시예인 기판의 플라즈마 처리장치는,
내부가 진공으로 유지된 챔버와,
상기 챔버 내에 배치되고서, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유지지하도록 구성된 RF 전극과,
상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 배치된 대향 전극과,
상기 RF 전극에 대해, 상호 다른 주파수를 가진 제1 및 제2RF 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2RF 전압 인가수단과,
상기 제1RF 전압 인가수단과 상기 제2RF 전압 인가수단을 접속하여, 상기 제1전압 및 상기 제2전압이 상기 RF 전극에 대해 중첩해서 인가되도록 위상 제어하기 위한 게이트 트리거 장치를 구비하되,
상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기판의 플라즈마 처리방법은,
내부가 진공으로 유지된 챔버 내에, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유지지하도록 구성된 RF 전극을 배치하는 공정과,
상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 대향 전극을 배치하는 공정과,
상기 RF 전극에 대해 상호 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전압을 인가하는 공정과,
상기 복수의 RF 전압을 상호 중첩시킴과 더불어, 그 중첩 파형이 부 펄스 형상으로 됨과 더불어 상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배(整數倍)로 되도록 상기 복수의 RF 전압을 동기(同期)시켜, 그 위상 제어를 실시하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시예인 기판의 플라즈마 처리방법은,
내부가 진공으로 유지된 챔버 내에, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유 지지하도록 구성된 RF 전극을 배치하는 공정과,
상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 대향 전극을 배치하는 공정과,
상기 RF 전극에 대해 상호 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전압을 인가하는 공정과,
상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배로 되도록 하고, 상기 복수의 RF 전압이 상기 RF 전극에 인가됨으로써 생긴, 상기 기판에 입사시키는 평균의 이온 에너지를 상기 기판의 가공에 적합한 에너지값으로 설정함과 더불어 그 에너지 폭을 상기 기판의 가공에 적합하도록 협대역화하는 공정을 구비한 것을 특징으로 한다.
(실시예)
이하, 본 발명의 기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서는, RF 전극에 대해, 상기 RF 전극에 대해 상호 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전압을 인가하고, 상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배로 되도록 해서, 상호 중첩하도록 하여 인가하고 있다. 이 경우, 상기 복수의 RF 전압에 대해 적당한 위상 제어를 해서 동기되도록 하면, 이들 RF 전압의 중첩 파형은 부(負) 펄스 형상으로 될 수가 있다. 따라서, 상기 RF 전극에는 실질적으로 부 펄스의 전압이 인가되는 것으로 된다.
이 경우, 상기 선택된 1가지 RF 전압에 대해 기타의 RF 전압의 주기나 RF 전압치를 여러 가지로 제어함으로써, 종래와 같은 이온 에너지의 저에너지 측 피크를 고에너지 측 피크와 비교해서, 기판 가공에 기여하지 못하도록 하는 극히 낮은 에너지 범위로 쉬프트 시키거나, 상기 저에너지 측 피크와 상기 고에너지 측 피크를 극히 근접시키거나 할 수가 있게 된다.
전자의 경우는, 특히 이온 에너지의 고에너지 측 피크만을 최적의 에너지 범위 내로 설정함으로써, 이 고에너지 측 피크만을 이용해서 기판의 처리(가공)를 실행할 수 있다. 즉, 그 고에너지 측 피크가 본래적으로 가진 협대역화 특성을 이용함과 더불어, 앞에서 설명한 에너지 범위의 최적화를 실시하면, 기판의 가공 형상을 정밀하게 제어할 수가 있게 된다(제1가공방법).
후자의 경우는, 저에너지 측 피크와 상기 고에너지 측 피크가 극히 근접하게 되기 때문에, 이들을 일체화된 에너지 피크로 간주할 수가 있다. 즉, 저에너지 측 피크와 상기 고에너지 측 피크가 극히 근접해서 존재하게 됨으로써, 이들을 일괄해서 협대역화한 에너지 폭을 가진 단일 에너지 피크로 취급할 수가 있다. 따라서, 이 단일화된 에너지 피크의 에너지 범위의 최적화와, 상기 저에너지 측 피크 및 상기 고에너지 측 피크의 근접 정도, 즉 상기 단일화된 에너지 피크의 협대역화 정도의 최적화를 실행하면, 상기 단일화된 에너지 피크를 이용해서 기판의 가공 형상을 정밀하게 제어할 수가 있게 된다(제2가공방법).
또, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 RF 주파수를 50MHz 이상으로 하는 것에 의해, 상기 RF 전압에 기인한 입사 이온 에너지(Vdc)가 기판 처리에 영향을 주지 않는 레벨 이하로까지 감소하게 된다. 따라서, 상기 RF 전압의 주파수의 1/2의 주파수를 가진 다른 RF 전압을 제어하는 것만으로 기판 처리를 실행할 수 있음을 알 수가 있다. 따라서, 기판 처리 조작을 간이화할 수가 있다.
한편, 본 발명의 1예에서는, 상기 RF 전극과 상기 RF 전압 인가수단과의 사이에, 상기 복수의 RF 전압의 중첩 파형을 모니터링 하기 위한 중첩 파형 모니터링 장치를 구비하도록 할 수가 있다. 이 경우, 상기 복수의 RF 전압에서의 중첩의 상태를 적절히 모니터링 할 수가 있어서, 그 중첩 정도에 따라 상기 복수의 RF 전압의 위상을 적절히 조정해서, 상기 중첩 정도가 원하는 상태가 되도록 할 수가 있다.
또, 본 발명의 1예에서는, 상기 챔버 내의, 적어도 상기 RF 전극과 상기 대향 전극과의 사이에 존재하는 이온의 에너지 상태를 모니터링 하기 위한 이온 에너지 검지 수단을 구비토록 할 수가 있다. 이 경우, 예컨대 프로세스의 진행 상황 또는 프로세스의 절환에 대응해서, 상기 기판에 입사시키는 이온 에너지 및 그 이온 에너지 폭의 적어도 한쪽을 변화시킬 것이 요구되는 경우, 상기 복수의 RF 전압의 주파수 및/또는 전압치 등을 적절히 변경시켜, 그 변경에 수반되는 상기 에너지 상태를 순차적으로 모니터링할 수가 있다.
한편, 이와 같은 변경을 실행할 때는, 상기 복수의 RF 전압의 중첩 정도 도 변화되고마는 경우가 있기 때문에, 이와 같은 경우는, 상기 중첩 파형 모니터링 장 치에 의해 순서대로 중첩 정도도 모니터링을 해서 조정할 필요가 있다.
또 한편, 본 발명에서의 「RF 전압 인가수단」이라 함은, 당업자가 당연히 생각해낼 수 있는 RF 제너레이터 및 임피던스(impedance) 정합기가 포함될 수가 있다. 또, 필요에 따라 증폭기가 포함될 수가 있다.
그리고, 본 발명에서의 「펄스 인가수단」이란, 당업자에서 당연히 생각할 수 있는 펄스 제너레이터 외에, 적절한 증폭기 및 로우 패스 필터(low pass filter)가 포함될 수가 있다.
다음에는, 이상과 같은 본 발명의 추가의 특징도 함께 감안해서, 본 발명의 기판의 플라즈마 처리장치 및 방법을 다른 기판의 플라즈마 처리장치 및 방법과 대비하면서 설명한다.
(기판의 플라즈마 처리장치를 이용한 비교예)
도 1은, 종래의 기판의 플라즈마 처리장치의 비교예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 기판의 플라즈마 처리장치(10)에서는, 미리 소정의 진공도까지 배기시킨 진공 챔버(11) 내에, 고주파(RF) 전극(12)과 대향 전극(13)이 상호 대향하도록 배치되고, RF 전극(12)의, 대향 전극(13)과 대향하는 주면 상에 처리에 제공될 기판(S)이 보유지지되어 있는, 이른바 평행 평판형의 플라즈마 처리장치를 구성하도록 되어 있다. 가스 도입관(14)으로부터는 플라즈마 생성 및 그에 의해 기판(S)의 가공에 제공해야 할 가스를 화살표로 나타낸 것과 같이 챔버(11) 내로 도입함과 더불어, 도시되지 않은 진공 펌프를 이용해서 배기구(15)로부터 챔버(11) 내를 진공 배기하도록 구성되어 있다. 이때, 챔버(11) 내의 압력은 예컨대 약 1Pa 정도가 되도록 한다.
다음에, 13.56MHz의 상업용 RF 전원(17)으로부터 정합기(16)를 매개로 RF 전극(12)에 RF(전압)를 인가함으로써, RF 전극(12) 및 대향 전극(13) 사이에 플라즈마(P)를 생겨나게 하도록 되어 있다.
이때, 플라즈마(P) 중의 정(正) 이온은 RF 전극(12) 상에 생기는 부(負)의 자기(自己) 바이어스 전위(Vdc)에 의해 RF 전극(12) 상의 기판(S)으로 고속으로 입사하게 된다. 그 결과, 그때의 기판 입사에너지를 이용해서 기판(S) 상의 표면 반응을 유발시켜, 리액티브 이온 에칭(RIE), CVD(Chemical Vapor Deposition), 스퍼터링, 이온인프라 등의 플라즈마 기판처리가 실행된다. 특히, 기판을 가공한다고 하는 관점에서는, 주로 RIE가 쓰이게 된다. 따라서, 이하에서는 특히 RIE를 이용한 기판 처리를 중심으로 해서 상세히 설명한다.
도 l에 도시되어 있는 것과 같은 플라즈마 처리장치에서는, 도 2에 도시된 것과 같이, RF 파워 증대와 함께 Vdc(평균의 기판 입사에너지)가 증대하기 때문에, 처리 레이트의 조정과 가공 형상의 조정을 위해 주로 RF 파워에 의한 Vdc의 조정이 행해지고 있다. 또, Vdc가 의존하는 압력이나 전극 형상에 대해서도 일부 조정을 할 수가 있다.
도 3 및 도 4는 3MHz, Vrf=160V, 50mTorr, 전극 간 30mm, 300mm 웨이퍼 사이즈의 평행 평판형 Ar 플라즈마를 연속체 모델 플라즈마 시뮬레이터[G. Chen, L. L. Raja, J. Appl. Ph ys. 96, 6073(2004)]로 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이 다. 또한 도 5는, 기판(S)에 대해 적합한 이온 에너지의 분포 상태를 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 것과 같이, RF 전극 전위가 주기적으로 변동하기 때문에, 이온의 기판 입사에너지도 주기적으로 변동하게 된다. 단, 이온 질량에 의한 전위에의 추종 지연이 있기 때문에, Vrf 보다 작은 진폭 Vrf'으로 이온 에너지는 시간 변동하게 된다. 이온 에너지는 정확하게는 Vdc와 플라즈마 포텐셜(Vp)과의 합으로 되지만, Vp의 값 및 시간변화가 상대적으로 작기 때문에 설명 및 도 3에서는 생략되어 있다. 그 때문에, 기판(S)에의 입사에너지는, 도 3에 도시된 그래프를 시간 적분함으로써 도 4에 나타낸 것과 같은 분포로 된다.
도 4로부터 알 수 있듯이, 도 1에 도시된 것과 같은 장치 내에 생성된 플라즈마 내의 이온 에너지는, 저에너지 측 피크와 고에너지 측 피크의 2가지로 분할되고서, 그 에너지 폭(△E)은 플라즈마 발생 조건에 따라 수 10 ~ 수 100[eV]로 된다. 따라서, Vdc를 기판 처리에 최적인 에너지로 조정한 경우에도, 도 5에 도시된 것과 같이 기판으로 입사하는 이온에는 에너지가 지나치게 높은 이온(고에너지 측 피크)과 지나치게 낮은 이온(저에너지 측 피크)이 존재하게 된다.
따라서, 예컨대 RIE에서는, 고에너지 측 피크에 상당하는 에너지의 이온으로 기판 처리를 한 경우에는 불균일 절삭을 유발시켜 가공 형상을 악화시키는 경향이 있다. 한편, 저에너지 측 피크에 상당하는 에너지의 이온으로 기판 처리를 한 경우는, 표면 반응의 임계치 이하가 되어 기판 처리에 전혀 기여하지 않거나, 또는 이방성 열화(이온 입사각도가 열속도에 의해 넓혀지는)에 수반해서 가공 형상을 악화 시키는 경향이 있다.
(본 발명의 기판의 플라즈마 처리장치를 이용한 구체 예)
도 6은, 본 발명의 기판의 플라즈마 처리장치의 1예의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7은, 도 6에 도시된 장치를 이용한 경우의 RF 전극에 인가되는 전압의 중첩 파형을 개략적으로 나타낸 것이다. 한편, 상기 플라즈마 처리장치를 이용한 경우의 플라즈마 처리방법에 관해서는, 주로 RIE를 중심으로 해서 설명한다.
도 6에 도시된 것과 같이, 본 예의 기판의 플라즈마 처리장치(20)에서는, 미리 소정의 진공도까지 배기시킨 진공 챔버(21) 내에, 고주파(RF) 전극(22)과 대향 전극(23)이 상호 대향하도록 배치되고서, RF 전극(22)의 대향 전극(23)과 대향하는 주면 상에 처리에 제공될 기판(S)이 보유지지되어 있어서, 이른바 평행 평판형의 플라즈마 처리장치를 구성하도록 되어 있다. 가스 도입관(24)으로부터는 플라즈마 생성 및 그에 의해 기판(S)의 가공에 제공해야 할 가스를 화살표로 나타낸 것과 같이 챔버(21) 내로 도입함과 더불어, 도시되지 않은 진공펌프를 이용해서 배기구(25)로부터 챔버(21) 내를 진공 배기하도록 구성되어 있다.
상기 가스로는, Ar, Kr, Xe, N2, 02, CO, H2 등의 가스 외에, 적절히 SF6나 CF4, C2F6, C4F8, C5F8, C4F6, Cl2, HBr, SiH4, SiF4 등의 프로세스 가스도 이용할 수가 있다.
다음에, 제1RF 전원(27-1)으로부터 제1정합기(26-1)를 거쳐 RF 전극(22)으로 제1주파수의 제1RF(전압)를 인가함과 더불어, 제2RF 전원(27-2)으로부터 제2정합기(26-2)를 거쳐 마찬가지로 RF 전극(22)으로 제2주파수의 제2RF(전압)를 인가하도록 하고 있다. 한편, 제1RF 전원(27-1) 및 제2RF 전원(27-2)은 각각 게이트 트리거 장치(28)에 접속되어, 이 장치(28)에 의해 제1RF 전압과 제2RF 전압을 위상 제어한다.
한편, 본 예에서, 제2RF 전압의 제2주파수는, 제1RF 전압의 제1주파수의 1/2 배, 또는 그 정수 배로서, 상기 제1주파수와 다르게 설정한다. 주파수를 상기와 같은 관계가 되도록 하면, 위상 관계가 주기마다 어긋나는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
지금, 제2RF 전압의 제2주파수가 제1RF 전압의 제1주파수의 1/2 배가 되도록 한 경우를 고려하면, RF 전극(22)에는, 이들의 RF 전압이 중첩된 도 7에 도시되어 있는 것과 같은 상태의 의사(擬似) 펄스전압이 인가된다. 이에 의해, RF 전극(22) 및 대향 전극(23) 사이에는 플라즈마(P)가 생성되어, 이 플라즈마(P) 중의 정 이온이 RF 전극(22) 상의 부 전압에 의해 RF 전극(22) 상의 기판(S)에 고속으로 입사해서, 기판(S)에 대해 가공처리를 하게 된다.
한편, RF 전원(27-1 및 27-2) 내에는, 필요에 따라 이들 전원에서 발생된 RF 전압 및 펄스전압을 증폭하기 위한 증폭기가 내장될 수 있다.
또, 정합기(26-1 및 26-2) 내에는 신호가 역류하지 않도록 상호 간의 신호를 커트해서 각각의 신호만 통과하도록 하는 필터회로를 내장시킬 수가 있다.
에너지 분포의 에너지값, 에너지 폭, 이온 플럭스(flux)량 분포를 최적화함 으로써 이온 에너지의 폭을 작게 할 수가 있다. 한편, 상기 에너지 분포는, 제1 및 제2RF의 진폭(전압치) 및 위상을 제어함으로써, 적절히 조정할 수가 있다.
또, 플라즈마 에칭을 생각했을 때, 예컨대 실리콘의 에칭으로는 프로세스의 시초에는 자연 산화막을 제거하기 위해 200eV 정도의 큰 이온 에너지가 필요하고, 다음의 에칭 단계에서는 l00eV 정도의 비교적 작은 이온 에너지가 바람직하고, 산화막 등의 스토퍼가 만들어진 최종 단계에서는 70eV 정도의 더 작은 이온 에너지로 에칭하는 것이 정밀 가공의 관점에서 바람직하다. 이들에 필요한 이온 에너지는, 본 발명에서의 제2RF 전압의 주파수(ω2), 또는 진폭(전압치; VRF2)의 적어도 1가지를 변경시켜 프로세스의 변경과 함께 이온 에너지를 제어, 절환하는 것이 가능하다.
(구체 실시예)
이하, 구체적인 실시예에 의해 본 발명을 더 구체적으로 설명하는바, 본 발명은 당연히 이하의 내용으로 한정되는 것은 아니다. 한편, 이하에 도시된 구체적인 결과는, 모두 소정의 시뮬레이션에 근거한 것이다.
본 실시예에서는, 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치를 이용했을 때의, 구체적인 동작특성에 대해 조사하였다.
최초로, 챔버(21) 내에 C4F8 가스 및 산소가스를 도입해서, 그 압력을 2 ~ 200mTorr로 유지시켰다. 다음에, RF 전극(22)에 대해, 제1RF 전원(27-1)으로부터 4MHz, 전압 VRFl=100V의 제1RF 전압을 인가함과 더불어, 제2RF 전원(27-2)으로부터 2MHz, 전압 VRF2=200V의 제2RF 전압을 상기 제1RF 전압에 중첩되도록 해서 인가하였다. 한편, 제1RF 전압과 제2RF 전압은 게이트 트리거 장치(28)를 이용해서 위상이 제어되도록 하였다.
도 8은, 본 실시예에서의, 중첩 RF 파형, 이온 에너지의 시간 변화, 이온 에너지 분포의 시물레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 제2RF 전압[Vrf2 = sin(ω2·t + δ2)]의 위상을 기준으로 했을 때의 제1RF 전압[Vrf1 = sin(ω1·t + δ1)]과의 위상차(δ2 - δ1)를 위에서부터 순차로 -π/2, 0, +π/2, +π로 바꾸었을 때의 입력 중첩 Vrf와, 이온이 감수(感受), 추종하는 전압(즉, eV 단위로 해서 이온의 기판 입사에너지; 왼쪽 도면) 및 이온 에너지 분포를 나타낸다(오른쪽 도면).
도 9는, 본 실시예에서의, 위상 제어와 평균 이온 에너지, 이온 에너지 폭[△E(eV)]과의 관계를 나타낸 그래프이다. averageE는 도 4에서의 Vdc에 상당하고, 이온 에너지 분포의 평균(에너지 중 점)이다.
도 8로부터, 위상차 π/2에서 위로 볼록한 유사 펄스를, 위상차 -π/2에서 아래로 볼록한 유사 펄스를 각각 만들 수 있음을 알 수 있다(왼쪽 도면). 그 결과, 유사 펄스 시에 △E가 작아지게 된다(도 9에 명시). 또, 위상 제어에서 이온 에너지 분포의 형이 바꿔져(고에너지 플럭스 중시형(重視型), 저에너지 플럭스 중시형 등), 프로세스 제어가 쉬워지게 된다.
플라즈마 밀도가 No = 5 x l0l6[개/m3J, 자기 바이어스 전압 -200V의 경우, 도 8, 도 9에 도시된 것과 같이, 2가지 RF의 위상을 제어, 조정함으로써(위상차 ± π/2) 중첩 파형은 유사 펄스화 되어, 유사 펄스화 되지 않은 경우와 비교해서 △E는 약 30eV, 단주파 RF(2MHz)와 비교해서는 약 150eV를 협대역화한다. 또, 평균의 이온 에너지도 위상차에 의존해서 약 100eV의 변경이 가능하다.
그리고, 도 8의 오른쪽 도면에 도시된 것과 같이, 이온 에너지 분포의 형태도 위상차에 의존해서 바뀌게 된다. 프로세스에 적당한 에너지의 플럭스량이 많은 형상이 되도록 위상을 제어할 수도 있다. 또, 이온 에너지 모니터를 이용해서 관측, 감시함으로써, 프로세스에 적당한 이온 에너지 분포 형상으로 제어할 수도 있다.
또, 도 10 및 도 11은, 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치의 변형예를 나타낸 구성도이다. 도 10에 도시된 플라즈마 처리장치는, RF 전극(22)과 RF 전원(27-1 및 27-2) 사이에 중첩 파형 모니터링 장치(31)가 설치되어 있는 점에서 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치와 다르고, 도 11에 도시된 플라즈마 처리장치는, RF 전극(22) 내에 이온 에너지 모니터(32)가 설치되어 있는 점에서 도 6에 도시된 플라즈마 처리장치와 다르다. 한편, 이와 같은 관점에서, 도 6, 도 10 및 도 11에 도시된 플라즈마 처리장치에서는, 동일한 구성요소에 관해서는 동일한 참조 숫자를 이용해서 나타내고 있다.
도 10에 도시된 플라즈마 처리장치(20)에서는, 상기 제1RF 전압과 상기 제2RF 전압과의 중첩 상태를 적절히 모니터링할 수가 있어서, 그 중첩 정도에 의해 상기 제lRF 전압 및 상기 제2RF 전압의 위상을 적절히 조정해서, 상기 중첩 정도가 원하는 상태로 되도록 할 수가 있다.
또, 도 11에 도시된 플라즈마 처리장치(20)에서는, 이온 에너지 모니터(32)에 의해, 적어도 RF 전극(22)과 대향 전극(23) 사이에 존재하는 이온의 에너지 상태를 모니터링할 수가 있게 된다. 따라서, 플라즈마 중의 예컨대 프로세스의 진행상황 또는 프로세스의 절환에 대응해서, 상기 기판에 입사시킬 이온 에너지 및 그 이온 에너지 폭의 적어도 한쪽을 변화시킬 것이 요구되는 경우, 상기 제1RF 전압 및/또는 상기 제2RF 전압의 주파수 및/또는 전압치 등을 적절히 변경시켜, 그 변경에 수반하는 상기 에너지 상태를 순서대로 모니터링할 수가 있다.
한편, 이와 같은 변경을 실행할 때는, 상기 제1RF 전압 및 상기 제2RF 전압의 중첩 정도도 변해버릴 경우가 있기 때문에, 이와 같은 경우는 상기 중첩 파형 모니터링 장치에 의해 순서대로 중첩 정도도 모니터링을 해서 조정할 필요도 있다.
이상, 본 발명을 상기 구체예를 기초로 상세히 설명하였으나, 본 발명은 상기 구체예로 한정되지 않고, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 한 모든 변형이나 변경이 가능하다.
예컨대, 상기 구체예에서는, RIE를 중심으로 해서 기판 가공에 대한 플라즈마 처리장치 및 방법에 대해 설명하였으나, 기타의 처리장치 및 방법에 대해서도 적절히 사용할 수가 있다.
또, 예컨대 3형상의 RF 인가수단을 이용함으로써, 중첩 RF 파형을 보다 급준한 부 펄스 형상으로 할 수 있어서, 이온 에너지의 협대역화를 진척시킬 수가 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 진공 챔버 내에서, RF 전극과 대향 전극이 상호 대향하도록 배치되어, 그들 사이에 생성된 플라즈마에 의해 상기 RF 전극 상에 보유지지된 기판을 가공하는, 이른바 평행 평판형 플라즈마 처리장치에서, 상기 기판의 가공에 적합한 이온 에너지를 갖도록 하고, 또 그 이온 에너지 폭을 작게 해서, 가공 형상을 정밀하게 제어할 수가 있는 기판의 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법을 제공할 수가 있다.

Claims (5)

  1. 내부가 진공으로 유지된 챔버와,
    상기 챔버 내에 배치되어, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유지지하도록 구성된 RF 전극과,
    상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 배치된 대향 전극과,
    상기 RF 전극에 대해, 상호 다른 주파수를 가진 제1 및 제2RF 전압을 인가하기 위한 제1 및 제2RF 전압 인가수단과,
    상기 제1RF 전압 인가수단과 상기 제2RF 전압 인가수단을 접속시켜, 상기 제1 전압 및 상기 제2 전압이 상기 RF 전극에 대해 중첩해서 인가되도록 위상을 제어하기 위한 게이트 트리거 장치를 구비하되,
    상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배인 것을 특징으로 하는 기판의 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 RF 전극과 상기 RF 전압 인가수단 사이에, 상기 제1 및 제2RF 전압의 중첩 파형을 모니터링하기 위한 중첩 파형 모니터링 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 챔버 내의 적어도 상기 RF 전극으로 입사되는 이온의 에너지 상태를 모니터링하기 위한 이온 에너지 검지수단을 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 플라즈마 처리장치.
  4. 내부가 진공으로 유지된 챔버 내에, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유지지하도록 구성된 RF 전극을 배치하는 공정과,
    상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 대향 전극을 배치하는 공정과,
    상기 RF 전극에 대해 상호 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전압을 인가하는 공정과,
    상기 복수의 RF 전압을 상호 중첩시킴과 더불어, 그 중첩 파형이 부 펄스 형상으로 됨과 더불어 상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배로 되도록 상기 복수의 RF 전압을 동기시켜, 그 위상 제어를 실시하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 플라즈마 처리방법.
  5. 내부가 진공으로 유지된 챔버 내에, 주면 상에서 처리되어야 할 기판을 보유 지지하도록 구성된 RF 전극을 배치하는 공정과,
    상기 챔버 내에서, 상기 RF 전극과 대향하도록 대향 전극을 배치하는 공정과,
    상기 RF 전극에 대해 상호 다른 주파수를 가진 복수의 RF 전압을 인가하는 공정과,
    상기 복수의 RF 전압에서 선택된 1가지 RF 전압의 주파수에 대해, 나머지의 RF 전압의 주파수가, 상기 선택된 1가지 RF 전압의 상기 주파수의 1/2의 정수 배로 되도록 하고, 상기 복수의 RF 전압의, 상기 RF 전극에의 인가에 의해 생긴, 상기 기판에 입사시키는 평균의 이온 에너지를 상기 기판의 가공에 적합한 에너지값으로 설정함과 더불어, 그 에너지 폭을 상기 기판의 가공에 적합하도록 협대역화 하는 공정을 구비한 것을 특징으로 하는 기판의 플라즈마 처리방법.
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