KR20100109478A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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KR20100109478A
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아키오 모리사키
유키노리 하나다
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

종래에 비해 플라즈마의 안정화를 도모할 수 있어 안정된 플라즈마 처리를 행할 수가 있고 또한, 정합기를 구성하는 가변 콘덴서의 수명의 장기화를 도모할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다. 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 제 1 파워와 그 제 1 파워보다 높은 제 2 파워로 펄스 형상으로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행하는 파워 변조 수단과, 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 임피던스 정합시켜 인가하기 위한 정합기를 가지고, 이 정합기가 파워 변조 수단에 의한 파워 변조 시에 제 1 파워 인가시 및 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 정합 동작을 정지 가능하게 구성된 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 기판에 에칭 처리 등의 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
종래부터 예를 들면 반도체 장치의 제조 분야 등에서는, 반도체 웨이퍼 또는 액정 표시 장치용 글라스 기판 등에 에칭 처리 또는 성막 처리 등의 소정의 플라즈마 처리를 실시하기 위한 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다.
상기한 플라즈마 처리 장치 중 하나로서, 처리 챔버 내에 평행 평판형 대향 전극이 설치되고 이들 대향 전극 간에 고주파 전력을 인가하여 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 용량(容量) 결합형 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 또한, 상기 플라즈마 처리 장치에서 고주파 전력을 제 1 파워와 이 제 1 파워보다 높은 파워인 제 2 파워로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행하도록 구성된 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
일본특허공개공보 2009-33080호
상기한 파워 변조를 행하는 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 보다 고파워인 제 2 파워 인가 시에만 정합기에 의한 정합 동작을 행하고 저파워인 제 1 파워 인가 시에는 정합기에 의한 정합 동작을 행하지 않도록 하고 있다. 그러나, 이러한 플라즈마 처리 장치에서는 파워 변조에 의해 고주파 전력을 펄스 형상 등으로 인가하면, 고주파 전력의 펄스 상승 시에 과도한 플라즈마 상태의 변동이 발생하여 플라즈마가 안정될 때까지 얼마간의 시간이 걸린다. 이 때, 정합기가 플라즈마 상태의 변동에 따라 정합 동작을 행하고자 하기 때문에, 정합기를 구성하는 배리어블 콘덴서(가변 콘덴서)가 미동을 반복하는 동작이 발생하여 플라즈마의 안정화를 저해하여 플라즈마 처리 상태가 불안정해지고 또한, 가변 콘덴서의 수명을 단축시킨다고 하는 문제가 발생한다는 것이 판명되었다.
본 발명은 상기 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래에 비해 플라즈마의 안정화를 도모할 수 있어 안정된 플라즈마 처리를 행할 수 있고 또한, 정합기를 구성하는 가변 콘덴서 수명의 장기화를 도모할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.
청구항 1의 플라즈마 처리 장치는, 기판을 수용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내로 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 처리 가스 공급 기구와, 상기 처리 챔버 내에 설치되고 상기 기판을 재치하기 위한 재치대를 겸한 하부 전극과, 상기 하부 전극의 상방에 배설된 상부 전극으로 이루어지는 평행 평판형인 한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일방에 고주파 전력을 인가하기 위한 고주파 전원과, 상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 임피던스 정합시켜 상기 일방의 전극에 인가하기 위한 정합기와, 상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 제 1 파워와 당해 제 1 파워보다 높은 제 2 파워로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행하고 또한, 상기 제 1 파워 인가시 및 상기 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 상기 정합기의 정합 동작을 정지시키는 마스크 제어를 행하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 2의 플라즈마 처리 장치는 청구항 1에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 고주파 전원은 상기 하부 전극에 접속되고 이온 주입용 고주파 전력을 출력하는 이온 주입용 고주파 전원이며, 상기 제어 수단은 상기 이온 주입용 고주파 전력을 상기 파워 변조하고, 또한 상기 정합기의 상기 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
청구항 3의 플라즈마 처리 장치는 청구항 2에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 상부 전극에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 생성용 고주파 전원을 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 4의 플라즈마 처리 장치는 청구항 2에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 하부 전극에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 생성용 고주파 전원을 더 구비한 것을 특징으로 한다.
청구항 5의 플라즈마 처리 장치는 청구항 3 또는 4에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 플라즈마 생성 전원용 정합기를 구비하고, 상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 정합기의 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 6의 플라즈마 처리 장치는 청구항 3 또는 4에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 플라즈마 생성 전원용 정합기를 구비하고, 상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상기 파워 변조와 동기시켜 제 3 파워와 당해 제 3 파워보다 높은 제 4 파워로 전환하고 또한, 상기 플라즈마 생성 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 7의 플라즈마 처리 장치는 청구항 1에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 고주파 전원은 플라즈마 생성용 고주파 전력을 출력하는 플라즈마 생성용 고주파 전원이며, 상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상기 파워 변조하고 또한, 상기 정합기의 상기 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
청구항 8의 플라즈마 처리 장치는 청구항 7에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 플라즈마 생성용 고주파 전원은 상기 상부 전극에 접속되는 것을 특징으로 한다.
청구항 9의 플라즈마 처리 장치는 청구항 7에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 플라즈마 생성용 고주파 전원은 상기 하부 전극에 접속되는 것을 특징으로 한다.
청구항 10의 플라즈마 처리 장치는 청구항 8 또는 9에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 하부 전극에 이온 주입용 고주파 전력을 인가하기 위한 이온 주입용 고주파 전원과, 상기 이온 주입용 고주파 전원으로부터의 이온 주입용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 이온 주입 전원용 정합기를 구비하고, 상기 제어 수단은 상기 이온 주입 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 정합기의 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 한다.
청구항 11의 플라즈마 처리 장치는 청구항 1 내지 10 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 기판에 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.
청구항 12의 플라즈마 처리 장치는 청구항 1에 기재된 플라즈마 처리 장치로서, 상기 제어 수단은 상기 고주파 전원으로부터 일정 파워의 고주파 전력을 인가하여 상기 기판에 소정 시간 플라즈마 처리를 행한 후, 상기 파워 변조를 행하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
청구항 13의 플라즈마 처리 방법은, 기판을 수용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 처리 챔버와, 상기 처리 챔버 내로 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 처리 가스 공급 기구와, 상기 처리 챔버 내에 설치된 평행 평판형인 한 쌍의 전극과, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일방에 고주파 전력을 인가하기 위한 고주파 전원과, 상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 임피던스 정합시켜 상기 일방의 전극에 인가하기 위한 정합기를 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 제 1 파워와 당해 제 1 파워보다 높은 제 2 파워로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행함과 동시에, 상기 제 1 파워 인가시 및 상기 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 상기 정합기의 정합 동작을 정지시키는 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 한다.
청구항 14의 플라즈마 처리 방법은 청구항 13에 기재된 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 기판에 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 한다.
청구항 15의 플라즈마 처리 방법은 청구항 14에 기재된 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 고주파 전원으로부터 일정 파워의 고주파 전력을 인가하여 상기 기판에 소정 시간 플라즈마 처리를 행한 후, 상기 파워 변조를 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 종래에 비해 플라즈마의 안정화를 도모할 수 있어 안정된 플라즈마 처리를 행할 수 있고 또한, 정합기를 구성하는 가변 콘덴서의 수명의 장기화를 도모할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 종단면 구성을 도시한 도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 제 1 정합기의 구성을 도시한 도이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 에칭 장치에서의 파워 변조의 예를 설명하기 위한 도이다.
도 4는 도 1의 플라즈마 에칭 장치에서의 파워 변조의 예를 설명하기 위한 도이다.
도 5는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 제 2 정합기의 구성을 도시한 도이다.
도 6은 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 제 2 정합기의 동작을 설명하기 위한 도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 실시예에서의 효과를 설명하기 위한 도이다.
도 8은 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 종단면 구성을 도시한 도이다.
이하, 본 발명을 플라즈마 에칭 장치에 적용한 일실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 구성을 도시한 도이다. 이 플라즈마 에칭 장치는 용량 결합형 평행 평판 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있다. 도 1에 도시한 바와 같이 이 플라즈마 에칭 장치는, 예를 들면 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어지는 대략 원통 형상의 처리 챔버(10)를 구비하고 있고, 이 처리 챔버(10)는 보안(保安) 접지되어 있다.
처리 챔버(10)의 저부(底部)에는 세라믹 등으로 이루어지는 절연판(12)을 개재하여 원기둥 형상의 서셉터 지지대(14)가 배치되고, 이 서셉터 지지대(14) 상에, 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 서셉터(16)가 설치되어 있다. 서셉터(16)는 하부 전극을 구성하고, 그 위에 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)가 재치된다.
서셉터(16)의 상면에는 반도체 웨이퍼(W)를 정전력으로 흡착 보지(保持)하는 정전 척(18)이 설치되어 있다. 이 정전 척(18)은 도전막으로 이루어지는 전극(20)을 한 쌍의 절연층 또는 절연 시트로 샌드위치한 구조를 가지고 있으며, 전극(20)에는 직류 전원(22)이 전기적으로 접속되어 있다. 그리고, 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압에 의해 발생한 쿨롱력 등의 정전력에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 정전 척(18)에 흡착 보지된다.
정전 척(18)(반도체 웨이퍼(W))의 주위이며 서셉터(16)의 상면에는, 예를 들면 실리콘 등으로 고리 형상으로 형성된 포커스 링(24)이 배치되어 있다. 서셉터(16) 및 서셉터 지지대(14)의 측면에는, 예를 들면 석영으로 이루어지는 원통 형상의 내벽 부재(26)가 설치되어 있다.
서셉터 지지대(14)의 내부에는 냉매실(28)이 설치되어 있다. 이 냉매실(28)에는 외부에 설치된 도시하지 않은 칠러 유닛(chiller unit)으로부터 배관(30a, 30b)을 개재하여 소정 온도의 냉매 예를 들면 냉각수가 순환 공급되어 냉매의 온도를 조정함으로써, 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 온도를 제어할 수 있도록 되어 있다.
또한, 도시하지 않은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급 라인(32)을 개재하여 정전 척(18)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면 사이로 공급되도록 되어 있다.
하부 전극인 서셉터(16)의 상방에는 서셉터(16)와 대향하도록 평행하게 상부 전극(34)이 설치되어 있고, 상부 전극(34) 및 서셉터(하부 전극)(16) 사이의 공간이 플라즈마 생성 공간이 된다. 상부 전극(34)은 하부 전극인 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)와 대향하여 플라즈마 생성 공간과 접하는 면, 즉 대향면을 형성한다.
상기 상부 전극(34)은 절연성 차폐 부재(42)를 개재하여 처리 챔버(10)의 상부에 지지되어 있고, 서셉터(16)와의 대향면을 구성하고 또한 다수의 토출홀(37)을 가지는 전극판(36)과, 이 전극판(36)을 착탈 가능하게 지지하고, 도전성 재료, 예를 들면 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄으로 이루어지는 수냉 구조의 전극 지지체(38)에 의해 구성되어 있다. 전극판(36)은 줄(Joule) 열(熱)의 발생이 적은 저저항의 도전체 또는 반도체로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 레지스트를 강화시키는 관점에서는 실리콘 함유 물질이 바람직하다. 이러한 관점에서, 전극판(36)은 실리콘 또는 SiC로 구성되는 것이 바람직하다. 전극 지지체(38)의 내부에는 가스 확산실(40)이 설치되고, 이 가스 확산실(40)로부터는 가스 토출홀(37)에 연통되는 다수의 가스 통류홀(41)이 하방으로 연장되어 있다.
전극 지지체(38)에는 가스 확산실(40)로 처리 가스를 유도하는 가스 도입구(62)가 형성되어 있고, 이 가스 도입구(62)에는 가스 공급관(64)이 접속되고, 가스 공급관(64)에는 처리 가스 공급원(66)이 접속되어 있다. 가스 공급관(64)에는 상류측으로부터 차례로 매스플로우 콘트롤러(MFC)(68) 및 개폐 밸브(70)가 설치되어 있다. 그리고, 처리 가스 공급원(66)으로부터 에칭을 위한 처리 가스로서, 예를 들면 C4F8 가스와 같은 플루오르 카본 가스(CxFy)가 공급되고, 이 처리 가스가 가스 공급관(64)을 거쳐 가스 확산실(40)에 달하여 가스 확산실(40)로부터 가스 통류홀(41) 및 가스 토출홀(37)을 거쳐 샤워 형상으로 플라즈마 생성 공간으로 토출된다. 즉, 상부 전극(34)은 처리 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드로서 기능한다.
상부 전극(34)에는 제 1 정합기(46) 및 급전봉(給電棒)(44)을 개재하여 제 1 고주파 전원(48)이 전기적으로 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(48)은 비교적 높은 주파수, 예를 들면 27 ~ 100 MHz의 주파수(본 실시예에서는 60 MHz)의 고주파 전력을 출력한다. 제 1 정합기(46)는 제 1 고주파 전원(48)의 출력 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 것으로, 처리 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되고 있을 때에 제 1 고주파 전원(48)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다. 제 1 정합기(46)의 출력 단자는 급전봉(44)의 상단(上端)에 접속되어 있다.
한편, 상기 상부 전극(34)에는 제 1 고주파 전원(48) 외에 가변 직류 전원(50)이 전기적으로 접속되어 있다. 가변 직류 전원(50)은 바이폴라 전원이어도 좋다. 구체적으로는, 이 가변 직류 전원(50)은 상기 제 1 정합기(46) 및 급전봉(44)을 개재하여 상부 전극(34)에 접속되어 있고 온·오프 스위치(52)에 의해 급전의 온·오프가 가능해진다. 가변 직류 전원(50)의 극성 및 전류·전압 그리고 온·오프 스위치(52)의 온·오프는 콘트롤러(51)에 의해 제어되도록 되어 있다.
제 1 정합기(46)는 도 2에 도시한 바와 같이, 제 1 고주파 전원(48)의 급전 라인(49)으로부터 분기하여 설치된 제 1 가변 콘덴서(가변 콘덴서)(54)와, 급전 라인(49)의 그 분기점의 하류측에 설치된 제 2 가변 콘덴서(가변 콘덴서)(56)를 가지고 있다. 제 1 가변 콘덴서(54)는 스테핑 모터(54a)에 의해 구동되고 제 2 가변 콘덴서(56)는 스테핑 모터(56a)에 의해 구동되어 상기의 정합 동작을 실행하도록 되어 있다. 또한, 스테핑 모터(54a) 및 스테핑 모터(56a)의 구동은 정합기 제어부(46a)에 의해 제어되고, 이 정합기 제어부(46a)에는 후술하는 바와 같이 RF 제어기(95)로부터의 신호가 입력되도록 되어 있다.
또한, 제 1 정합기(46)에는 직류 전압 전류(이하, 간단히 직류 전압이라고 함)가 상부 전극(34)으로 효과적으로 공급 가능하고 또한, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력(예를 들면 60 MHz) 및 후술하는 제 2 고주파 전원으로부터의 고주파 전력(예를 들면 13.56 MHz)을 트랩하는 필터(58)가 설치되어 있다. 즉, 가변 직류 전원(50)으로부터의 직류 전류가 필터(58)를 통하여 급전 라인(49)으로 흐른다. 이 필터(58)는 코일(59)과 콘덴서(60)로 구성되어 있고, 이들에 의해 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력 및 후술하는 제 2 고주파 전원으로부터의 고주파 전력이 트랩된다.
도 1에 도시한 바와 같이, 처리 챔버(10)의 측벽으로부터 상부 전극(34)의 높이 위치보다 상방으로 연장되도록 원통 형상의 접지 도체(10a)가 설치되어 있고, 이 원통 형상 접지 도체(10a)의 천벽(天壁) 부분은 통 형상의 절연 부재(44a)에 의해 상부 급전봉(44)으로부터 전기적으로 절연되어 있다.
하부 전극인 서셉터(16)에는 제 2 정합기(88)를 개재하여 제 2 고주파 전원(90)이 전기적으로 접속되어 있다. 이 제 2 고주파 전원(90)으로부터 하부 전극 서셉터(16)로 고주파 전력이 공급됨으로써, 반도체 웨이퍼(W)에 바이어스가 인가되어 반도체 웨이퍼(W)에 이온이 주입된다. 제 2 고주파 전원(90)은 제 1 고주파 전원(48)보다 낮은 주파수, 예를 들면 400 kHz ~ 13.56 MHz의 범위 내의 주파수(본 실시예에서는 13.56 MHz)의 고주파 전력을 출력한다.
상기 제 2 고주파 전원(90)에는 제 2 고주파 전원(90)을 제어하는 RF 제어기(95)가 접속되어 있다. 이 RF 제어기(95)는 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력이 제 1 파워와 이 제 1 파워보다 높은 제 2 파워의 사이에서 소정 주기로 파워 변조하도록 파워 제어를 행하는 것이 가능하도록 되어 있으며, 통상의 연속 모드와 파워 제어 모드간에 전환 가능하도록 되어 있다.
파워 변조의 전형예로서는 도 3에 도시한 바와 같은 펄스 파형을 들 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도 3에 도시한 예에서는 펄스의 듀티비가 50%로 되어 있다. 또한, 이 때의 출력 전압 파형은 도 4에 도시한 바와 같다. 일주 기(一周期) 중의 최대 전압치와 최소 전압치의 차이가 Vpp가 된다. 또한, 도 4 의 Pset는 설정 전압을 나타낸다.
또한 이 RF 제어기(95)는 제 2 정합기(88)에도 접속되어 있어 제 2 정합기(88)도 제어한다. 또한, RF 제어기(95)는 제 1 고주파 전원(48) 및 제 1 정합기(46)에도 접속되어 있어 이들도 제어 가능하도록 되어 있다.
제 2 정합기(88)는 제 2 고주파 전원(90)의 출력 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키기 위한 것으로, 처리 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되고 있을 때에 제 2 고주파 전원(90)의 출력 임피던스와 처리 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다. 이 제 2 정합기(88)는 도 5에 도시한 바와 같이, 제 2 고주파 전원(90)의 급전 라인(96)으로부터 분기하여 설치된 제 1 가변 콘덴서(97)와, 급전 라인(96)의 그 분기점의 제 2 고주파 전원(90)측에 설치된 제 2 가변 콘덴서(98)와, 분기점의 반대측에 설치된 코일(99)을 가지고 있다. 제 1 가변 콘덴서(97)는 스테핑 모터(97a)에 의해 구동되고, 제 2 가변 콘덴서(98)는 스테핑 모터(98a)에 의해 구동되어 상기의 정합 동작을 실행하도록 되어 있다. 또한, 스테핑 모터(97a) 및 스테핑 모터(98a)의 구동은 정합기 제어부(88a)에 의해 제어되고, 이 정합기 제어부(88a)에는 상기한 RF 제어기(95)로부터의 신호가 입력되게 되어 있다.
본 실시예의 경우, 통상의 플라즈마 에칭과 달리 제 2 고주파 전원(90)은 고주파 전력이 소정 주기로 파워 변조되는 파워 변조 모드로 동작하기 때문에, 이 파워 변조 모드 시에 RF 제어기(95)가 제 2 정합기(88)에서의 정합 동작을 파워 변조에 동기시켜 전환하도록 제어한다. 이 RF 제어기(95)로부터의 제어 신호는 도 5에 도시한 바와 같이 제 2 정합기(88)의 정합기 제어부(88a)에 입력된다.
이 경우에, RF 제어기(95)는 제 2 고주파 전력 공급 유닛(90)을 파워 변조모드로 동작시키고 있을 때에, 제 1 파워 시에는 제 2 정합기(88)의 동작을 행하지 않도록 제어하고, 제 2 파워 시에는 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 제 2 정합기(88)의 동작을 행하지 않도록 제어한다(마스크 제어). 그리고, 소정 기간이 경과된 후에 제 2 정합기(88)가 제 2 고주파 전원(90)의 출력 임피던스와 처리 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스를 일치시키는 정합 동작을 행하도록 제어한다.
구체적으로는, 도 6에 도시한 바와 같이, 상대적으로 파워가 큰 제 2 파워일 때에만, 또한 제 2 파워의 인가 개시(도 6에 도시한 펄스의 기동)로부터 소정 기간(도 6에 도시한 T1) 경과 후에만 제 1 가변 콘덴서(97)의 용량(C1)과 제 2 가변 콘덴서(98)의 용량(C2)을 독립하여 제어한다. 그리고, 제 1 파워시 및 제 2 파워의 인가 개시(도 6에 도시한 펄스의 기동)로부터 소정 기간(도 6에 도시한 T1)은 용량(C1), 용량(C2)을 각각 고정시킨다.
도 6에 도시한 파워 변조 모드에서는 펄스 형상으로 파워 변조를 행하고 있고, 펄스의 듀티비는 50%가 된다. 그리고, 주파수는 15 Hz, 주기 약 66 밀리초(ms)이며, 제 2 파워가 인가되는 1 개의 펄스 폭(도 6에 도시한 T2)은 약 33 밀리초가 된다. 그리고, 제 2 파워가 인가되는 1 개의 펄스 폭(33 밀리초) 중, 제 2 파워의 인가 개시(도 6에 도시한 펄스의 기동)로부터 펄스 폭의 0 ~ 98.5%의 범위에서 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지하도록 설정할 수 있게 되어 있다. 또한 제 2 파워의 인가 개시로부터 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지(마스크)하는 기간(펄스 폭의 0 ~ 98.5%)에 대해서는, RF 제어기(95)로 설정하고 이 설정치에 따라 RF 제어기(95)가 제 2 정합기(88)의 동작을 제어하도록 되어 있다.
도 6의 하부에 도시한 것은 처리 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스의 변화이다. 이 부하 임피던스는 상대적으로 파워가 큰 제 2 파워 인가 개시에 기초한 플라즈마 상태의 변화에 따라 변동하며 점차 수속(收束)된다. 그리고, 이와 같이 부하 임피던스가 변동되는 기간에 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 행하면, 도 7(a)에 도시한 바와 같이 제 1 가변 콘덴서(97)(C1)와 제 2 가변 콘덴서(98)(C2)의 미동을 반복하여 조작하는 동작이 발생한다. 또한 도 7(a), 도 7(b)에서, 세로축은 제 1 가변 콘덴서(97)를 구동하는 스테핑 모터(97a)의 스텝 수 및 제 2 가변 콘덴서(98)를 구동하는 스테핑 모터(98a)의 스텝 수, 가로축은 시간을 나타내고 있다.
제 2 정합기(88)에 상기 도 7(a)에 나타낸 바와 같은 동작이 발생하면, 플라즈마의 안정화를 저해하고 또한 제 1 가변 콘덴서(97) 및 제 2 가변 콘덴서(98)의 수명을 단축시킨다고 하는 문제가 발생한다. 이에 반해, 본 실시예에서는, 제 2 파워의 인가 개시로부터 소정 기간(도 6에 도시한 T1) 경과 후에만 제 1 가변 콘덴서(97)의 용량(C1)과 제 2 가변 콘덴서(98)의 용량(C2)을 독립하여 제어하므로, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 제 1 가변 콘덴서(97) 및 제 2 가변 콘덴서(98)가 미동을 반복하지 않고 그 제어가 원활히 행해져 플라즈마의 안정화를 도모할 수 있고 또한, 제 1 가변 콘덴서(97) 및 제 2 가변 콘덴서(98)의 수명을 단축시키는 일은 없다.
또한, 도 6에서 점선으로 둘러싸인 부분이 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시키고 있는 기간, 즉 마스크 제어하고 있는 기간을 나타내고 있다. 제 2 파워인가 시에서의 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시키는 기간(도 6에 도시한 T1)은 파워 변조에서의 제 1 파워와 제 2 파워의 차이, 파워 변조의 주파수 및 듀티비 등에 따라 상이하지만, 제 2 파워가 인가되는 기간(펄스 폭)의 50% 이상 정도로 하는 것이 바람직하다. 또한 도 7에 나타낸 데이터는, 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력(13.56 MHz)을 2000 W와 150 W로 파워 변조하고, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력(60 MHz)을 150 W로 고정시킨 경우에 얻어진 데이터이다.
또한 본 실시예에서는, 하부 전극(16)에 인가되는 고주파 전력을 출력하는 제 2 고주파 전원(90)을 파워 변조하는 한편, 상부 전극(34)에 인가되는 고주파 전력을 출력하는 제 1 고주파 전원(48)을 파워 변조하지 않고 일정한 파워를 인가하는 연속 모드로 하고 있다. 이 연속 모드의 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대하여, 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력에 대해서와 마찬가지로 상기의 마스크 제어를 행하는 것이 바람직하다.
제 1 고주파 전원(48)이 연속 모드의 고주파 전력을 출력한다고는 하지만, 제 1 정합기(46)가 제 1 고주파 전원(48)의 출력 임피던스와 정합시키는 것은 도 6의 하부에 도시한 바와 같이 변동하는 부하 임피던스이다. 처리 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스는 제 1 정합기(46)일 때도 제 2 정합기(88)일 때도 공통이기 때문이다. 따라서, 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시키는 기간과 완전히 동일한 기간·타이밍으로 제 1 정합기(46)의 정합 동작을 정지시키는 것이 바람직하다. 이에 의해, 플라즈마의 안정화를 확실히 도모하고 또한, 제 1 정합기(46)를 구성하는 제 1 가변 콘덴서(54)와 제 2 가변 콘덴서(56)의 수명의 장기화를 도모할 수 있다.
상기와 같이 파워 변조를 행하는 경우에 통상의 정합기와 같이 순방향 파워(Pf)만의 제어로는 헌팅(hunting)이 발생하기 때문에, 제 2 정합기(88)로서 반사 파워(Pr)도 가미한 로드 파워(PL (= Pf - Pr)) 제어가 부착된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 제 2 고주파 전원(90)이 출력하는 파워치(Pf)와 처리 챔버(10) 내의 플라즈마를 포함한 부하 임피던스에 의해 반사되는 파워치(Pr)의 차분인 하부 전극인 서셉터(16)에 공급되는 파워치(PL)가 항상 일정해지도록 제 2 고주파 전원(90)을 제어한다. 제 1 고주파 전원(46)에 대해서도 제 2 고주파 전원으로부터의 고주파 전력이 파워 변조되고 있는 영향을 받기 때문에, 마찬가지로 로드 파워가 부착된 것으로 하여 동일한 제어를 행하는 것이 바람직하다.
상부 전극(34)에는, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력(60 MHz)은 통과시키지 않고 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력(13.56 MHz)을 그라운드로 통과시키기 위한 로우패스 필터(LPF)(92)가 전기적으로 접속되어 있다. 이 로우패스 필터(LPF)(92)는 바람직하게는 LR 필터 또는 LC 필터로 구성되지만, 하나의 도선만으로도 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력(60 MHz)에 대해서는 충분히 큰 리액턴스를 줄 수 있으므로, 더 설치하지 않아도 된다. 한편, 하부 전극인 서셉터(16)에는 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력(60 MHz)을 그라운드로 통과시키기 위한 하이패스 필터(HPF)(94)가 전기적으로 접속되어 있다.
처리 챔버(10)의 저부(底部)에는 배기구(80)가 설치되고, 이 배기구(80)에 배기관(82)을 개재하여 배기 장치(84)가 접속되어 있다. 배기 장치(84)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있어, 처리 챔버(10) 내를 원하는 진공도까지 감압 가능하도록 되어 있다. 또한, 처리 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구(85)가 설치되어 있고, 이 반입출구(85)는 게이트 밸브(86)에 의해 개폐 가능하게 되어 있다.
또한, 처리 챔버(10)의 내벽을 따라 처리 챔버(10)에 에칭 부생물(퇴적물)이 부착되는 것을 방지하기 위한 퇴적물 실드(deposition shield)(11)가 착탈 가능하게 설치되어 있다. 즉, 퇴적물 실드(11)가 처리 챔버 벽을 구성하고 있다. 또한, 퇴적물 실드(11)는 내벽 부재(26)의 외주에도 설치되어 있다. 처리 챔버(10) 저부의 처리 챔버 벽측의 퇴적물 실드(11)와 내벽 부재(26)측의 퇴적물 실드(11) 사이에는 배기 플레이트(83)가 설치되어 있다. 퇴적물 실드(11) 및 배기 플레이트(83)로서는 알루미늄재에 Y2O3 등의 세라믹을 피복한 것을 바람직하게 이용할 수 있다.
퇴적물 실드(11)의 처리 챔버 내벽을 구성하는 부분의 웨이퍼(W)와 거의 동일한 높이인 부분에는 그라운드에 DC적으로 접속된 도전성 부재(GND 블록)(91)가 설치되어 있고, 이에 의해 후술하는 이상 방전 방지 효과를 발휘한다. 또한, 이 도전성 부재(91)는 플라즈마 생성 영역에 설치되어 있으면 그 위치는 도 1에 도시한 위치에 한정되지 않고, 예를 들면 서셉터(16) 주위에 설치하는 등 서셉터(16) 측에 설치해도 좋고, 또한 상부 전극(34)의 외측에 링 형상으로 설치하는 등 상부 전극(34) 근방에 설치해도 좋다.
플라즈마 에칭 장치의 각 구성부, 예를 들면 전원계 또는 가스 공급계, 구동계, 또한 RF 제어기(95) 등은 제어부(전체 제어 장치)(100)에 접속되어 제어되는 구성으로 되어 있다. 또한, 제어부(100)에는 공정 관리자가 플라즈마 에칭 장치를 관리하기 위하여 커멘드의 입력 조작 등을 행하는 키보드, 또는 플라즈마 에칭 장치의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 이루어지는 유저 인터페이스(101)가 접속되어 있다.
또한, 제어부(100)에는 플라즈마 에칭 장치에서 실행되는 각종 처리를 제어부(100)의 제어로 실현시키기 위한 제어 프로그램, 또는 처리 조건에 따라 플라즈마 에칭 장치의 각 구성부에 처리를 실행시키기 위한 프로그램, 즉 처리 레시피가 저장된 기억부(102)가 접속되어 있다. 레시피는 기억부(102) 중의 기억 매체에 기억되어 있다. 기억 매체는 하드 디스크 또는 반도체 메모리여도 좋고, CDROM, DVD, 플래쉬 메모리 등의 가반성의 것이어도 좋다. 또한, 다른 장치로부터, 예를 들면 전용 회선을 통하여 레시피를 적절히 전송시키도록 해도 좋다.
그리고, 필요에 따라 유저 인터페이스(101)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(102)로부터 호출하여 제어부(100)에 실행시킴으로써, 제어부(100)의 제어 하에 플라즈마 에칭 장치에서의 원하는 처리가 행해진다. 또한, 본 발명의 실시예에서 서술하는 플라즈마 에칭 장치는 이 제어부(100)를 포함하는 것으로 한다.
이와 같이 구성된 플라즈마 에칭 장치에서 에칭 처리를 행할 때는, 우선 게이트 밸브(86)를 열린 상태로 하고, 반입출구(85)를 거쳐 에칭 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 처리 챔버(10) 내로 반입하여 서셉터(16) 상에 재치한다. 그리고, 처리 가스 공급원(66)으로부터 에칭을 위한 처리 가스를 소정의 유량으로 가스 확산실(40)로 공급하여, 가스 통류홀(41) 및 가스 토출홀(37)을 거쳐 처리 챔버(10) 내로 공급하면서 배기 장치(84)에 의해 처리 챔버(10) 내를 배기하고, 그 중의 압력을, 예를 들면 0.1 ~ 150 Pa의 범위 내의 설정치로 한다.
상기 처리 가스로서는 종래 이용되고 있는 다양한 것을 채용할 수 있고, 예를 들면 C4F8 가스와 같은 플루오르카본 가스(CxFy)로 대표되는 할로겐 원소를 함유하는 가스를 바람직하게 이용할 수 있다. 또한, Ar 가스 또는 O2 가스 등의 다른 가스가 포함되어 있어도 좋다.
이와 같이 처리 챔버(10) 내에 에칭 가스를 도입한 상태로 제 1 고주파 전원(48)으로부터 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상부 전극(34)에 인가하고 또한, 제 2 고주파 전원(90)으로부터 이온 주입용 고주파 전력을 하부 전극인 서셉터(16)에 인가한다. 그리고, 가변 직류 전원(50)으로부터 소정의 직류 전압을 상부 전극(34)에 인가한다. 또한, 정전 척(18)을 위한 직류 전원(22)으로부터 직류 전압을 정전 척(18)의 전극(20)에 인가하여, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 척(18)에 고정시킨다.
상부 전극(34)의 전극판(36)에 형성된 가스 토출홀(37)로부터 토출된 처리 가스는 고주파 전력에 의해 생긴 상부 전극(34)과 하부 전극인 서셉터(16) 간의 글로우 방전 중에 플라즈마화되고, 이 플라즈마로 생성되는 래디컬 또는 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 피처리면이 에칭된다.
본 실시예에서는, 이와 같이 하여 플라즈마가 형성될 때에 상부 전극(34)으로 27 MHz 이상의 높은 주파수 영역의 고주파 전력을 공급하고 있으므로, 플라즈마를 바람직한 상태로 고밀도화할 수 있으며 보다 저압의 조건 하에도 고밀도 플라즈마를 형성할 수 있다.
또한, 이와 같이 플라즈마가 형성될 때에 콘트롤러(51)에 의해 가변 직류 전원(50)으로부터 상부 전극(34)에 인가되는 직류 전압의 극성 및 크기를 제어함으로써, 인가 전극인 상부 전극(34)의 표면, 즉 전극판(36)의 표면에 대한 소정의(적당한) 스퍼터링 효과가 얻어지는 정도로 그 표면의 자기(自己) 바이어스 전압(Vdc)이 깊어지도록, 즉 상부 전극(34) 표면에서의 Vdc의 절대치가 커지도록 할 수 있다.
제 1 고주파 전원(48)으로부터 인가되는 고주파 전력의 파워가 낮은 경우에, 상부 전극(34)에 폴리머가 부착되지만 가변 직류 전원(50)으로부터 적절한 직류 전압을 인가함으로써 상부 전극(34)에 부착된 폴리머를 스퍼터링하여 상부 전극(34)의 표면을 청정화할 수 있고, 또한 반도체 웨이퍼(W) 상에 최적인 양의 폴리머를 공급할 수 있다. 이에 의해 포토레지스트막의 표면 거칠기를 해소할 수 있으며 또한, 하지(下地)막과의 사이의 에칭 선택비를 높일 수 있다. 또한, 가변 직류 전원(50)으로부터의 인가 전압을 제어하는 대신에 인가 전류 또는 인가 전력을 제어하도록 해도 좋다.
이와 같이 상부 전극(34)에 직류 전압을 인가함으로써 다양한 효과를 얻을 수 있고, 특히 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)에 적절히 폴리머를 공급하는 효과에 의해 피에칭막과 하지의 에칭 스토퍼막의 선택비를 크게 하는 것이 가능해지지만, 저유전율 배리어막인 SiC막을 하지 에칭 스토퍼막으로서 사용하여 상층의 피에칭막인 SiOC계 Low-k막을 에칭할 경우에는 양자의 조성이 매우 근접하기 때문에, 이와 같이 직류 전압을 인가해도 충분한 에칭 선택비를 확보할 수 있는 조건의 마진이 매우 좁다.
처리 챔버(10) 내에 플라즈마를 생성하면 상부 전극(34)으로부터 반도체 웨이퍼(W)로 폴리머가 공급되어, 바이어스가 인가되어 있지 않으면 반도체 웨이퍼(W)에 퇴적물이 생기지만, 자기 바이어스 전압(Vdc)의 절대치를 높이면 에칭이 진행되게 된다. 이 때, SiOC계 Low-k막을 고밀도로 에칭하기 위해서는 SiOC계 Low-k막이 에칭되고 하지의 SiC막은 에칭되지 않는 Vdc가 요구된다. 그러나, SiOC계 Low-k막과 SiC막은 조성이 근접하기 때문에 에칭 거동이 유사하므로, 통상의 에칭에서는 고선택비의 에칭을 행할 수 있는 마진은 매우 좁아, 에칭 레이트를 높일 수 없다.
에칭은 에칭 대상막에 바이어스를 인가하여 이온을 주입함으로써 진행되지만, 상술한 바와 같이 에칭 대상막에는 폴리머가 공급되어 퇴적되기 때문에, 에칭을 진행시키기 위해서는 폴리머의 두께보다 이온 침입 깊이가 커지도록 Vdc(웨이퍼에 입사되는 이온 에너지)를 선택하는 것이 필요하다. 한편, 에칭 대상막이 에칭된 후에는 하지막에 퇴적된 폴리머의 두께가 이온 침입 깊이보다 두꺼우면 하지막의 에칭이 정지되어 선택성이 높은 에칭이 실현된다. 그러나, 에칭 거동이 피에칭막과 하지막에 근접한 경우에는, 높은 에칭 레이트로 피에칭막을 에칭한 후에 연속적으로 오버 에칭을 행하면, 피에칭막이 제거된 시점에서 하지막 상의 폴리머 두께가 이온 침입 깊이보다 얇아져서 하지막이 에칭된다.
그래서 본 실시예에서는, 피에칭막이 제거되는 시점, 즉 피에칭막이 에칭되어 오버 에칭으로 이행하는 시점에서의 폴리머 두께가 이온 침입 깊이보다 두꺼워지도록, 피에칭막에 폴리머가 퇴적되는 제 1 파워와 피처리 기판의 피에칭막이 에칭되는 제 2 파워의 사이에서 소정 주기로 파워 변조를 행한다. 이 때에는 제어부(100)의 지령에 의해 RF 제어기(95)가 제 2 고주파 전원(90)을 통상 모드에서 파워 변조 모드로 전환한다. 이에 따라 제 1 파워로 폴리머를 퇴적시키고, 제 2 파워로 에칭을 진행시켜 오버 에칭 개시시에 이온 침입 깊이보다 두꺼운 폴리머층이 형성되도록 하여 에칭 스토퍼막을 크게 침식시키지 않고 에칭을 정지시킬 수 있다.
본 실시예에서 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력을 파워 변조할 때의 파형의 전형예로서는, 상술한 바와 같이 펄스 형상을 들 수 있다. 단 이에 한정되지 않고, 제 1 파워와 제 2 파워로 변조되어 있으면 사인 커브 등 다른 파형이어도 좋다.
파워 변조 시에는 파워가 낮은 쪽인 제 1 파워는 0보다 큰 것이 바람직하다. 파워를 0으로 하는 것보다 어느 정도의 파워를 유지하고 있는 편이 폴리머의 퇴적물을 효과적으로 공급할 수 있다. 제 1 파워 및 제 2 파워는 다른 에칭 조건 또는 막의 조건 등에 의해 적절히 설정되지만, 제 1 파워는 10 ~ 500 W의 범위가 바람직하고, 제 2 파워는 100 ~ 5000 W의 범위가 바람직하다. 또한, 제 2 파워는 100 ~ 1000 W의 범위가 보다 바람직하다.
또한, 파워 변조의 주파수는 0.25 ~ 100 Hz가 바람직하다. 이 범위에서 폴리머층의 생성이 적당한 범위가 된다. 즉, 파워 변조(펄스)의 듀티비가 50%인 경우에 주파수가 100 Hz를 넘으면 폴리머의 퇴적물이 발생되는 제 1 파워의 시간이 1 주기에 10 밀리초 미만이 되어 충분한 퇴적물이 형성되기 어려워질 우려가 있고, 주파수가 0.25 Hz 미만이면 1 주기당 제 1 파워의 시간이 2초를 넘어 폴리머층이 지나치게 두꺼워질 우려가 있다.
파워 변조(펄스)의 듀티비(제 2 파워의 시간 / 1 주기 전체의 시간)는 전형예로서 50%를 들 수 있지만, 에칭의 조건 또는 피에칭막 및 하지막의 조건 등에 따라 1 ~ 99%의 사이에서 적절히 조정할 수 있다.
에칭에 있어서는, 우선, 바이어스 파워를 변조하지 않은 통상 모드에서 고(高)에칭 레이트로 피에칭막을 에칭하고 피에칭막의 에칭 종료 전에 바이어스 파워를 상술한 파워 변조 모드로 전환하지만, 이 전환은 피에칭막이 에칭되어 하지막이 보였을 때에 적절한 양의 폴리머층이 형성되는 것과 같은 타이밍에 행할 필요가 있다. 오버 에칭에 들어가기 직전에 파워 변조 모드로 전환하면 오버 에칭 시에 폴리머층의 두께가 불충분해지고, 반대로 지나치게 빨리 전환한 경우에는 에칭 레이트가 저하된다. 따라서, 하지막이 보였을 때에 적절한 양의 폴리머층이 형성될 수 있는 시간을 확보할 수 있도록 오버 에칭에 들어가는 시점에 가능한 한 가까운 타이밍에 전환을 행하는 것이 바람직하고, 에칭 조건 등에 따라서도 다르지만 피에칭막의 잔막이 20 ~ 30 nm인 시점에 전환하는 것이 바람직하다.
이러한 파워 변조 모드로 에칭할 때에는, 상부 전극(34)에 가변 직류 전원(50)으로부터 직류 전압을 인가함으로써 상술한 폴리머 공급의 효과가 얻어지기 때문에, 폴리머층을 확보하는 관점에서 유리하다. 또한, 직류 전압을 인가하지 않을 때는, 바이어스 파워가 변조함으로써 상부 전극(34)에 제 1 고주파 전원(48)으로부터 인가되는 플라즈마 생성용 고주파 전력의 반사파가 증대되어 플라즈마가 불안정해질 우려가 있다. 그래서, 가변 직류 전원(50)으로부터 상부 전극(34)에 직류 전압을 인가함으로써 상부 전극(34)측에 형성되는 플라즈마 시스의 두께가 고정되므로, 상부 전극(34)에 인가되는 플라즈마 생성용 고주파 전력의 반사파가 감소하여 플라즈마를 안정시킬 수 있다. 따라서, 프로세스의 안정성 또는 제 1 고주파 전원(48)의 수명을 향상시킬 수 있고, 그 점에서도 직류 전압을 인가하는 것이 유리하다.
상부 전극(34)에 인가되는 직류 전압은 에칭 조건에 따라 적절히 설정되지만, 통상의 연속 모드의 경우에도 파워 변조 모드의 경우에도 -300 ~ -2 kV의 범위가 바람직하다.
이어서, 제 2 고주파 전원(90)과 함께 제 1 고주파 전원(48)도 파워 변조 모드로 한 예에 대하여 설명한다. 플라즈마의 안정성 등의 관점에서, 제 2 고주파 전원(90)을 파워 변조 모드로 했을 때에 그에 대응하여 제 1 고주파 전원(48)도 파워 변조 모드로 하는 것이 바람직한 경우도 생각된다. 이 때는, RF 제어기(95)에 의해 제 2 고주파 전원(90)뿐만 아니라 제 1 고주파 전원(48)도 파워 변조하도록 제어한다.
구체적으로는, 제 1 고주파 전원(48)을 제 2 고주파 전원(90)의 파워 변조 모드에 동기시켜, 제 3 파워와 이 제 3 파워보다 큰 제 4 파워의 사이에서 파워 변조하도록 제어한다. 이 경우에, 제 1 고주파 전원(48)과 제 2 고주파 전원(90)으로 고파워와 저파워를 동일한 타이밍이 되도록 해도 좋고, 제 1 고주파 전원(48)과 제 2 고주파 전원(90)에서 고파워와 저파워를 반대 타이밍으로 해도 좋다. 또한, 어느 경우에도 제 3 파워 인가시 및 고파워인 제 4 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 제 1 고주파 전원(48)에 대한 제 1 정합기(46)의 정합 동작을 정지하는 것이 바람직한 것은, 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력의 파워 변조 모드인 경우와 동일하다.
또한, 제 2 고주파 전원(90)을 통상의 연속 모드로 하고 제 1 고주파 전원(48)을 파워 변조 모드로 해도 좋지만, 이 경우에는 상기의 마스크 제어를 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대하여 적용하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 제 3 파워 인가시 및 고파워인 제 4 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 제 1 정합기(46)의 정합 동작을 정지시킨다.
또한, 이 연속 모드의 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력에 대하여, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대해서와 마찬가지로 상기의 마스크 제어를 행하는 것이 바람직하다. 즉, 제 1 정합기(46)의 정합 동작을 정지시키는 기간과 완전히 동일한 기간·타이밍으로 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시킨다.
이어서, 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명한다. 도 8은, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치의 단면(斷面) 구성을 도시한 도이다.
이 플라즈마 에칭 장치는, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 플라즈마 생성용 고주파 전력이 하부 전극인 서셉터(16)에 인가되게 되어 있는 점이 도 1에 도시한 실시예에 따른 플라즈마 에칭 장치와는 상이하지만, 다른 구성에 대해서는 기본적으로 도 1의 플라즈마 에칭 장치와 동일하기 때문에, 도 8에서 도 1과 대응되는 부분에는 동일 부호를 부여하고 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에서는, 하부 전극인 서셉터(16)에 플라즈마를 생성하기 위한 제 1 고주파 전원(48) 및 바이어스를 인가하여 이온을 주입하기 위한 제 2 고주파 전원(90)의 양방이 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(48)은 제 1 정합기(89)를 개재하여 서셉터(16)에 접속되어 있고, 제 1 정합기(89)는 제 2 정합기(88)와 동일한 구성을 가지며, 처리 챔버(10) 내에 플라즈마가 생성되고 있을 때에 제 1 고주파 전원(48)의 출력 임피던스와 부하 임피던스가 외관상 일치하도록 기능한다. 도 1에 도시한 실시예의 경우와 마찬가지로 제 1 고주파 전원(48)의 주파수는 27 ~ 100 MHz의 범위가 바람직하다.
제 2 고주파 전원(90)은, RF 제어기(95)로부터의 제어에 의해 상술한 바와 같이 파워 변조 모드에 의한 고주파 전력의 인가가 가능하도록 되어 있다. 또한 이 파워 변조 모드에서는, 제 1 파워 시에는 제 2 정합기(88)의 동작을 행하지 않도록 제어하고, 제 2 파워 시에는 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 제 2 정합기(88)의 동작을 행하지 않도록 제어하여 소정 기간 경과 후에 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 행하도록 제어하는 점은 상술한 실시예와 동일하다. 또한, 제 1 고주파 전원(48)도 RF 제어기(95)로부터의 제어에 의해 상술한 바와 같이. 파워 변조 모드에 의한 고주파 전력의 인가가 가능하며, 이 파워 변조 모드에서는 제 1 정합기(89)에 대해서도 상기 제 2 정합기(88)와 동일한 제어가 행해지는 점도 상술한 실시예와 동일하다.
또한, 연속 모드의 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대하여, 파워 변조 모드의 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력에 대해서와 마찬가지로 상기의 마스크 제어를 행하는 것이 바람직한 것도 상술한 실시예와 동일하며, 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시키는 기간과 완전히 동일한 기간·타이밍으로 제 1 정합기(89)의 동작을 정지시킨다.
한편, 상부 전극(34)에 고주파 전원이 접속되어 있지 않고, 가변 직류 전원(50)은 로우패스 필터(LPF)(46a)를 통하여 상부 전극(34)에 접속되어 있다. 로우패스 필터(LPF)(46a)는 제 1 및 제 2 고주파 전원으로부터의 고주파를 트랩하는 것이며 바람직하게는 LR 필터 또는 LC 필터로 구성된다.
본 실시예에서는 하부 전극인 서셉터(16)에 플라즈마 형성용의 제 1 고주파(RF) 전력 및 이온 주입용의 제 2 고주파(RF) 전력을 인가하는 하부 RF 2 주파 인가형의 플라즈마 에칭 장치를 도시하고 있지만, 그 외의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치에 대한 우위점으로서 이하의 점을 들 수 있다.
우선, 본 실시예와 같이 하부 전극인 서셉터(16)에 플라즈마 형성용 고주파 전력을 인가함으로써 반도체 웨이퍼(W)에 보다 가까운 곳에서 플라즈마를 형성할 수 있고, 또한 플라즈마가 넓은 영역으로 확산되지 않고 처리 가스의 해리(解離)를 억제할 수 있으므로, 처리 챔버(10) 내의 압력이 높고 플라즈마 밀도가 낮은 조건에서도 반도체 웨이퍼(W)에 대한 에칭 레이트를 상승시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 형성용의 고주파 전력의 주파수가 높은 경우에도 비교적 큰 이온 에너지를 확보할 수 있으므로 고효율이다.
또한, 하부 전극에 1주파의 고주파 전력만을 인가하는 타입의 장치와는 달리, 플라즈마 에칭에 필요한 플라즈마 형성의 기능과 이온 주입의 기능을 독립하여 제어하는 것이 가능해진다. 따라서, 높은 미세 가공성이 요구되는 에칭 조건을 만족시키는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, 이러한 기능을 가지는 2주파 인가형의 플라즈마 에칭 장치를 기본으로 하고, 상부 전극에 직류 전압을 인가함으로써 상술한 기능을 발휘하므로 근래의 에칭 미세 가공에 적합한 보다 고성능의 에칭이 가능해지고 또한, 바이어스용 고주파의 파워 변조를 행함으로써 예를 들면 SiOC계 Low-k막과 SiC막의 조합과 같이 피에칭막과 하지막의 조성이 근접한 경우에도 피에칭막을 고선택비 및 고에칭 레이트로 에칭할 수 있다.
또한, 제 2 고주파 전원(90)을 연속 모드로 하고 제 1 고주파 전원(48)을 파워 변조 모드로 해도 좋지만, 이 경우에는 상기의 마스크 제어를 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대해서도 적용하는 것이 바람직한 것도 상술한 실시예와 동일하다. 즉, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 제 3 파워 인가시 및 고파워인 제 4 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 제 1 정합기(46)의 정합 동작을 정지시킨다.
또한, 이 연속 모드인 제 2 고주파 전원(90)으로부터의 고주파 전력에 대하여, 제 1 고주파 전원(48)으로부터의 고주파 전력에 대해서와 마찬가지로 상기의 마스크 제어를 행하는 것이 바람직한 것도 상술한 실시예와 동일하다. 즉, 제 1 정합기(89)의 정합 동작을 정지시키는 기간과 완전히 동일한 기간·타이밍으로 제 2 정합기(88)의 정합 동작을 정지시킨다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명했지만 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 다양하게 변형 가능하다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 상부 전극에 직류 전압을 인가하는 예에 대하여 나타냈지만, 직류 전압의 인가는 필수는 아니다.
10 : 처리 챔버
16 : 서셉터(하부 전극)
34 : 상부 전극
46 : 제 1 정합기
48 : 제 1 고주파 전원
66 : 처리 가스 공급원
88 : 제 2 정합기
90 : 제 2 고주파 전원
95 : RF 제어기
W : 반도체 웨이퍼

Claims (15)

  1. 기판을 수용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내로 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 처리 가스 공급 기구와,
    상기 처리 챔버 내에 설치되고 상기 기판을 재치하기 위한 재치대를 겸한 하부 전극과, 상기 하부 전극의 상방에 배설된 상부 전극으로 이루어지는 평행 평판형인 한 쌍의 전극과,
    상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일방에 고주파 전력을 인가하기 위한 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 임피던스 정합시켜 상기 일방의 전극에 인가하기 위한 정합기와,
    상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 제 1 파워와 당해 제 1 파워보다 높은 제 2 파워로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행하고 또한, 상기 제 1 파워 인가시 및 상기 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 상기 정합기의 정합 동작을 정지시키는 마스크 제어를 행하는 제어 수단
    을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 전원은 상기 하부 전극에 접속되고 이온 주입용 고주파 전력을 출력하는 이온 주입용 고주파 전원이며,
    상기 제어 수단은 상기 이온 주입용 고주파 전력을 상기 파워 변조하고, 또한 상기 정합기의 상기 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 상부 전극에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 생성용 고주파 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 플라즈마 생성용 고주파 전력을 인가하기 위한 플라즈마 생성용 고주파 전원을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 플라즈마 생성 전원용 정합기를 구비하고,
    상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 정합기의 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 플라즈마 생성 전원용 정합기를 구비하고,
    상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상기 파워 변조와 동기시켜 제 3 파워와 상기 제 3 파워보다 높은 제 4 파워로 전환하고 또한, 상기 플라즈마 생성 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 고주파 전원은 플라즈마 생성용 고주파 전력을 출력하는 플라즈마 생성용 고주파 전원이며,
    상기 제어 수단은 상기 플라즈마 생성용 고주파 전력을 상기 파워 변조하고 또한, 상기 정합기의 상기 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성용 고주파 전원은 상기 상부 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성용 고주파 전원은 상기 하부 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 하부 전극에 이온 주입용 고주파 전력을 인가하기 위한 이온 주입용 고주파 전원과, 상기 이온 주입용 고주파 전원으로부터의 이온 주입용 고주파 전력을 임피던스 정합시키기 위한 이온 주입 전원용 정합기를 구비하고,
    상기 제어 수단은 상기 이온 주입 전원용 정합기의 정합 동작을 상기 정합기의 상기 마스크 제어에 따라 정지시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기판에 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 상기 고주파 전원으로부터 일정 파워의 고주파 전력을 인가하여 상기 기판에 소정 시간 플라즈마 처리를 행한 후, 상기 파워 변조를 행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 기판을 수용하여 플라즈마 처리를 실시하기 위한 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버 내로 소정의 처리 가스를 공급하기 위한 처리 가스 공급 기구와,
    상기 처리 챔버 내로 설치된 평행 평판형인 한 쌍의 전극과,
    상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일방에 고주파 전력을 인가하기 위한 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 임피던스 정합시켜 상기 일방의 전극에 인가하기 위한 정합기를 구비한 플라즈마 처리 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 고주파 전원으로부터의 고주파 전력을 제 1 파워와 당해 제 1 파워보다 높은 제 2 파워로 일정 주기로 전환하는 파워 변조를 행하고 또한, 상기 제 1 파워 인가시 및 상기 제 2 파워 인가 개시로부터 소정 기간 동안 상기 정합기의 정합 동작을 정지시키는 마스크 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기판에 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 고주파 전원으로부터 일정 파워의 고주파 전력을 인가하여 상기 기판에 소정 시간 플라즈마 처리를 행한 후, 상기 파워 변조를 행하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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