KR20120022648A

KR20120022648A - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR20120022648A
Application number: KR1020110083310A
Authority: KR
Inventors: 요시노부 오오야; 아키라 다나베; 요시노리 야스타
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2012-03-12
Also published as: TWI585834B; TW201643950A; TW201234442A; JP5916056B2; US20140102638A1; KR101841585B1; CN102376559B; CN102376559A; JP2012069921A; US9478387B2; TWI587379B; US8642478B2; EP2423944B1; CN104599930B; US20120214313A1; CN104599930A; EP2423944A1

Abstract

RF 바이어스 기능의 제어성을 향상시켜, 미세 가공의 다양한 요구 조건에 대하여 플라즈마 프로세스의 최적화를 실현한다. 이 플라즈마 에칭 장치는, 제 3 고주파 전원(66)으로부터 용량 결합의 플라즈마 생성에 적합한 고주파(RF_H)를 상부 전극(48)(또는 하부 전극(16))에 인가하고, 플라즈마로부터 반도체 웨이퍼(W)에 입사하는 이온의 에너지를 제어하기 위하여, 제 1 및 제 2 고주파 전원(36, 38)으로부터 이온 인입에 적합한 2 종류의 고주파(RF_L1(0.8 MHz), RF_L2(13 MHz))를 서셉터(16)에 중첩하여 인가한다. 프로세스의 사양, 조건 또는 레시피에 따라 제어부(88)가 두 고주파(RF_L1, RF_L2)의 토탈 파워 및 파워비를 제어한다.

Description

플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은 피처리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기술에 관한 것으로, 특히 플라즈마 공간에 배치되는 기판에 이온 인입용의 고주파를 인가하는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

반도체 디바이스 또는 FPD(Flat Panel Display)의 제조 프로세스에서의 에칭, 퇴적, 산화, 스퍼터링 등의 처리에서는 처리 가스에 비교적 저온에서 양호한 반응을 행하게 하기 위하여 플라즈마가 많이 이용되고 있다. 이 종류의 플라즈마 프로세스에서는 진공의 처리 용기 내에서 처리 가스를 방전 또는 전리시키기 위하여 고주파(RF) 또는 마이크로파가 사용되고 있다.

예를 들면, 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치에서는 처리 용기 내에 상부 전극과 하부 전극을 평행하게 배치하고, 하부 전극 상에 피처리 기판(반도체 웨이퍼, 글라스 기판 등)을 재치(載置)하고, 상부 전극 혹은 하부 전극에 플라즈마 생성에 적합한 주파수(통상적으로 13.56 MHz 이상)의 고주파를 인가한다. 이 고주파의 인가에 의해 서로 대향하는 전극 간에 생성된 고주파 전계에 의해 전자가 가속되고, 전자와 처리 가스의 충돌 전리에 의해 플라즈마가 발생된다. 그리고, 이 플라즈마에 포함되는 라디칼 또는 이온의 기상(氣相) 반응 혹은 표면 반응에 의해, 기판 상에 박막이 퇴적되거나, 혹은 기판 표면의 소재 또는 박막이 깎인다.

이와 같이, 플라즈마 프로세스에서는 기판에 입사하는 라디칼과 이온이 중요한 역할을 한다. 특히, 이온은 기판에 입사할 때의 충격에 의해 물리적인 작용을 나타낸다는 점이 중요하다.

종래부터, 플라즈마 프로세스에서는 기판을 재치하는 하부 전극에 비교적 낮은 주파수(통상적으로 13.56 MHz 이하)의 고주파를 인가하고, 하부 전극 상에 발생되는 음의 바이어스 전압 또는 시스 전압에 의해 플라즈마 중의 이온을 가속하여 기판에 인입시키는 RF 바이어스법이 많이 이용되고 있다. 이와 같이, 플라즈마로부터 이온을 가속하여 기판 표면에 충돌시킴으로써, 표면 반응, 이방성(異方性) 에칭 혹은 막의 개질 등을 촉진시킬 수 있다.

일본특허공개공보 평7-302786호

상기와 같은 RF 바이어스 기능을 탑재하는 종래의 플라즈마 처리 장치는 하부 전극에 인가하는 이온 인입용의 고주파를 1 종류(단일 주파수)로 한정하고, 이 고주파의 파워, 하부 전극 상의 자기 바이어스 전압 혹은 시스 전압을 제어 파라미터로 하고 있다.

그러나, 본 발명자가 플라즈마 프로세스의 기술 개발 중에서 RF 바이어스의 작용에 대하여 연구를 거듭한 결과, 이온 인입용으로 단일의 고주파를 이용하는 종래 방식은 복합적인 프로세스 특성이 요구되는 최첨단의 플라즈마 프로세스에서는 이온 에너지 분포의 제어성에 어려움이 있다는 것을 알게 되었다.

보다 상세하게는, 이온 인입용으로 단일의 고주파를 이용했을 때에 기판에 입사되는 이온의 에너지 분포(IED： Ion Energy Distribution)를 해석하면, 도 19a ~ 도 19c 및 도 20a ~ 도 20c에 나타낸 바와 같이, 정형적(定型的)으로 연속한 에너지 밴드 내에 모든 입사 이온의 에너지가 분포되고, 최대 에너지 부근 및 최소 에너지 부근에 이온이 많이 집중된다(피크가 나타남). 따라서, 이온 에너지의 평균치뿐만 아니라, 이온이 많이 집중되는 최대 에너지 및 최소 에너지를 자유롭게 가변할 수 있으면, 플라즈마 프로세스에서 요구되는 RF 바이어스 기능의 제어성의 향상이 예상되지만, 그렇게는 되지는 않는다.

종래 방식에 따르면, 이온 인입용으로 비교적 낮은 주파수, 예를 들면 0.8 MHz의 고주파를 이용했을 경우, 그 RF 파워를 가변하면, 이온 에너지 분포 특성은 도 19a(저파워), 도 19b(중파워), 도 19c(고파워)에 나타낸 바와 같이 변화한다. 즉, 최소 에너지가 대략 0 eV로 고정된 채로, 최대 에너지가 RF 파워에 비례하여 1000 eV(도 19a), 2000 eV(도 19b), 3000 eV(도 19c)로 변화한다.

그러나, 이온 인입용으로 비교적 높은 주파수, 예를 들면 13 MHz의 고주파를 이용했을 경우에는 그 RF 파워를 가변하면, 이온 에너지 분포 특성은 도 20a(저파워), 도 20b(중파워), 도 20c(고파워)에 나타낸 바와 같이 변화한다. 즉, 최대 에너지가 RF 파워에 비례하여 650 eV, 1300 eV, 1950 eV로 변화하는 한편, 최소 에너지도 RF 파워에 비례하여 350 eV, 700 eV, 1050 eV로 변화한다.

또한, 도 19a ~ 도 19c 및 도 20a ~ 도 20c의 이온 에너지 분포 특성은 아르곤(Ar⁺) 이온에 대한 것이지만, 다른 이온에서도 동일한 특성(패턴)이 보여진다.

이와 같이, 종래 방식에서는 이온 에너지 분포의 최대 에너지 또는 평균 에너지를 임의로 가변할 수는 있어도, 최대 에너지로부터 독립하여 최소 에너지를 임의로 가변할 수는 없다. 따라서, 예를 들면 도 20c의 가상선(일점 쇄선)(K)으로 나타내는 이온 에너지 분포 특성을 실현할 수는 없다. 이에 따라, 본 발명의 실시예의 설명 중에서, 후술하는 바와 같이, 예를 들면 HARC(High Aspect Ratio Contact)의 플라즈마 에칭에서 에칭 속도 및 선택비와 에칭 형상과의 사이의 트레이드 오프를 능숙하게 회피할 수 없는 것이 문제가 되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하는 것이며, RF 바이어스 기능의 제어성을 향상시켜, 미세 가공의 다양한 요구 조건에 대하여 플라즈마 프로세스의 최적화를 실현할 수 있는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.

본 발명의 플라즈마 처리 방법은, 진공 배기 가능한 처리 용기 내에 배치된 제 1 전극 상에 피처리 기판을 재치(載置)하는 공정과, 상기 처리 용기 내에서 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하는 공정과, 상기 플라즈마로부터 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 주파수가 상이한 제 1 및 제 2 고주파를 상기 제 1 전극에 중첩하여 인가하는 공정과, 상기 플라즈마 하에서 상기 기판에 원하는 플라즈마 처리를 실시하는 공정을 가지고, 상기 플라즈마 처리에 있어서, 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지에 의존하는 적어도 1 개의 프로세스 특성을 최적화하도록, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 제어한다.

또한, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는, 피처리 기판을 반입?반출 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 처리 용기와, 상기 처리 용기 내로 원하는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와, 상기 처리 용기 내에서 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와, 상기 처리 용기 내에서 상기 기판을 재치하여 보지(保持)하는 제 1 전극과, 상기 플라즈마로부터 상기 제 1 전극 상의 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 제 1 주파수를 가지는 제 1 고주파를 상기 제 1 전극에 인가하는 제 1 고주파 급전부와, 상기 플라즈마로부터 상기 제 1 전극 상의 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 상기 제 1 주파수보다 높은 제 2 주파수를 가지는 제 2 고주파를 상기 제 1 전극에 인가하는 제 2 고주파 급전부와, 상기 플라즈마로부터 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지에 의존하는 적어도 1 개의 프로세스 특성을 최적화하도록, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 제어하는 제어부를 가진다.

본 발명에서는, 피처리 기판을 재치하는 제 1 전극에 이온 인입에 적합한 제 1 및 제 2 주파수를 각각 가지는 제 1 및 제 2 고주파를 중첩하여 인가하고, 이들 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 가변 제어한다. 이에 따라, 플라즈마로부터 기판에 입사하는 이온의 에너지 분포에서, 최소 에너지 및 최대 에너지를 독립적으로 제어하는 것이 가능하며, 또한 이온 에너지 분포 특성의 형상을 오목 형상 또는 플랫 형상으로 하는 것도 가능하고, 다종 다양한 프로세스 특성 혹은 복합적인 프로세스 특성에 대하여 이온 에너지 분포 특성을 최적화하고, 나아가서는 프로세스 특성을 최적화할 수 있다.

본 발명의 플라즈마 처리 방법 또는 플라즈마 처리 장치에 따르면, 상기와 같은 구성 및 작용에 의해 RF 바이어스 기능의 제어성을 향상시켜, 미세 가공의 다양한 요구 조건에 대하여 플라즈마 프로세스의 최적화를 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시예의 2 주파 RF 바이어스법에서의 시스 전압 및 이온 응답 전압의 파형을 나타낸 도이다.
도 3은 실시예에서 이용하는 변환 함수를 나타낸 도이다.
도 4는 단주파 RF 바이어스법에서의 이온 에너지 분포 및 이온 응답 전압을 나타낸 도이다.
도 5는 2 주파 RF 바이어스법에서의 이온 에너지 분포 및 이온 응답 전압을 나타낸 도이다.
도 6a는 실시예에서, 이온 에너지 분포의 최대 에너지를 고정한 채로, 최소 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 6b는 이온 에너지 분포의 최대 에너지를 고정한 채로, 최소 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 6c는 이온 에너지 분포의 최대 에너지를 고정한 채로, 최소 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 7a는 실시예에서, 이온 에너지 분포의 최소 에너지를 고정한 채로, 최대 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 7b는 이온 에너지 분포의 최소 에너지를 고정한 채로, 최대 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 7c는 이온 에너지 분포의 최소 에너지를 고정한 채로, 최대 에너지를 일정 범위 내에서 임의로 조절할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 8a는 실시예에서, 에너지 중심치를 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭을 일정 범위 내에서 임의로 가변할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 8b는 에너지 평균치(중심치)를 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭을 일정 범위 내에서 임의로 가변할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 8c는 에너지 평균치를 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭을 일정 범위 내에서 임의로 가변할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 8d는 에너지 평균치를 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭을 일정 범위 내에서 임의로 가변할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 8e는 에너지 평균치를 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭을 일정 범위 내에서 임의로 가변할 수 있는 기능을 나타낸 도이다.
도 9는 실시예의 2 주파 바이어스법에서의 주파수의 조합 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 10은 HARC 프로세스의 에칭 가공을 모식적으로 도시한 종단면도이다.
도 11a는 SiO₂막의 에칭에서, C₄F₈ 가스의 유량을 변화시켰을 때의 에칭 속도 및 CF 중합막의 두께를 나타낸 그래프도이다.
도 11b는 SiN막의 에칭에서, C₄F₈ 가스의 유량을 변화시켰을 때의 에칭 속도 및 CF 중합막의 두께를 나타낸 그래프도이다.
도 12는 HARC 프로세스에서의 네킹을 모식적으로 도시한 종단면도이다.
도 13은 HARC 프로세스에서의 산화막 및 유기막의 에칭 일드의 이온 에너지 의존성과, 이에 종래 방식의 단주파 바이어스로 대응하는 경우의 이온 에너지 분포 특성을 나타내는 특성을 나타낸 도이다.
도 14는 HARC 프로세스에서의 산화막 및 유기막의 에칭 일드의 이온 에너지 의존성과, 이에 실시예의 2 주파 바이어스로 대응하는 경우의 이온 에너지 분포 특성을 나타내는 특성을 나타낸 도이다.
도 15는 HARC 프로세스에서, 마스크(유기막)의 각 부에 이온이 입사할 때의 입사 각도를 도시한 도이다.
도 16은 2 주파 바이어스법에 의한 HARC 프로세스에서 얻어진 패턴 단면 형상 및 특성 데이터를 나타낸 도이다.
도 17은 2 주파 바이어스법에 의한 HARC 프로세스에서 얻어진 패턴 단면 형상(확대도) 및 특성 데이터를 나타낸 도이다.
도 18은 다른 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 종단면도이다.
도 19a는 비교적 낮은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에서, RF 파워를 낮게 했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.
도 19b는 비교적 낮은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에서, RF 파워를 중위치로 선택했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.
도 19c는 비교적 낮은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에 있어서, RF 파워를 높게 했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.
도 20a는 비교적 높은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에서, RF 파워를 낮게 했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.
도 20b는 비교적 높은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에서, RF 파워를 중위치로 선택했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.
도 20c는 비교적 높은 주파수를 이용하는 종래의 단주파 바이어스법에서, RF 파워를 높게 했을 때에 얻어지는 이온 에너지 분포를 나타낸 도이다.

이하에, 도 1 ~ 도 18을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 설명한다.

［장치 전체의 구성］

도 1에 본 발명의 일 실시예에서의 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한다. 이 플라즈마 처리 장치는 하부 2 주파 / 상부 1 주파 인가 방식의 용량 결합형 플라즈마 에칭 장치로서 구성되어 있고, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리(양극 산화 처리)된 알루미늄으로 이루어진 원통 형상의 진공 챔버(처리 용기)(10)를 가지고 있다. 챔버(10)는 보안 접지되어 있다.

챔버(10)의 저부(底部)에는 세라믹 등의 절연판(12)을 개재하여 원기둥 형상의 서셉터 지지대(14)가 배치되고, 이 서셉터 지지대(14) 상에, 예를 들면 알루미늄으로 이루어진 서셉터(16)가 설치되어 있다. 서셉터(16)는 하부 전극을 구성하고, 이 위에 피처리 기판으로서, 예를 들면 반도체 웨이퍼(W)가 재치(載置)된다.

서셉터(16)의 상면에는 반도체 웨이퍼(W)를 정전 흡착력으로 보지(保持)하기 위한 정전 척(18)이 설치되어 있다. 이 정전 척(18)은 도전막으로 이루어진 전극(20)을 한 쌍의 절연층 또는 절연 시트의 사이에 샌드위치한 것으로, 전극(20)에는 직류 전원(22)이 스위치(24)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 직류 전원(22)으로부터의 직류 전압에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 정전기력으로 정전 척(18)에 흡착 보지할 수 있도록 되어 있다. 정전 척(18)의 주위이면서 서셉터(16)의 상면에는 에칭의 면내 균일성을 향상시키기 위한, 예를 들면 실리콘으로 이루어진 포커스 링(26)이 배치되어 있다. 서셉터(16) 및 서셉터 지지대(14)의 측면에는, 예를 들면 석영으로 이루어진 원통 형상의 내벽 부재(28)가 부착되어 있다.

서셉터 지지대(14)의 내부에는, 예를 들면 원주 방향으로 연장되는 냉매실 또는 냉매 통로(30)가 형성되어 있다. 이 냉매 통로(30)에는 외부에 설치된 칠러 유닛(도시하지 않음)으로부터 배관(32a, 32b)을 거쳐 소정 온도의 냉매, 예를 들면 냉각수(cw)가 순환 공급된다. 냉매(cw)의 온도에 따라 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 처리 온도를 제어할 수 있도록 되어 있다. 또한, 전열 가스 공급 기구(도시하지 않음)로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급 라인(34)을 거쳐 정전 척(18)의 상면과 반도체 웨이퍼(W)의 이면과의 사이로 공급된다.

서셉터(16)에는 이온 인입용의 제 1 고주파 전원(36) 및 제 2 고주파 전원(38)이 각각 하부 정합기(40, 42) 및 하부 급전 도체(44, 46)를 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 하부 급전 도체(44, 46)는 공통의 도체, 예를 들면 급전봉이어도 좋다.

제 1 고주파 전원(36)은 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 플라즈마의 이온을 인입하는 데에 적합한 비교적 낮은 주파수, 예를 들면 0.8 MHz의 제 1 고주파(RF_L1)를 가변의 파워로 출력하도록 구성되어 있다. 한편, 제 2 고주파 전원(38)은 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)에 플라즈마의 이온을 인입하는 데에 적합한 비교적 높은 주파수, 예를 들면 13 MHz의 제 2 고주파(RF_L2)를 가변의 파워로 출력하도록 구성되어 있다.

서셉터(16)의 상방에는 이 서셉터와 평행하게 대향하여 상부 전극(48)이 설치되어 있다. 이 상부 전극(48)은 다수의 가스 분출홀(50a)을 가지는, 예를 들면 Si, SiC 등의 반도체 재료로 이루어진 전극판(50)과, 이 전극판(50)을 착탈 가능하게 지지하는 도전 재료, 예를 들면 표면이 알루마이트 처리된 알루미늄으로 이루어진 전극 지지체(52)로 구성되어 있고, 챔버(10)의 상부에 링 형상의 절연체(54)를 개재하여 장착되어 있다. 이 상부 전극(48)과 서셉터(16)의 사이에 플라즈마 생성 공간 또는 처리 공간(PS)이 설정되어 있다. 링 형상 절연체(54)는, 예를 들면 알루미나(Al₂O₃)로 이루어지고, 상부 전극(48)의 외주면과 챔버(10)의 측벽과의 사이의 간극을 기밀하게 막고 있으며, 상부 전극(48)을 비접지로 물리적으로 지지하고 있다.

전극 지지체(52)는 그 내부에 가스 버퍼실(56)을 가지고, 그 하면에 가스 버퍼실(56)로부터 전극판(50)의 가스 분출홀(50a)과 연통하는 다수의 가스 통기홀(52a)을 가지고 있다. 가스 버퍼실(56)에는 가스 공급관(58)을 개재하여 처리 가스 공급원(60)이 접속되어 있고, 가스 공급관(58)에 매스 플로우 콘트롤러(MFC) (62) 및 개폐 밸브(64)가 설치되어 있다. 처리 가스 공급원(60)으로부터 소정의 처리 가스가 가스 버퍼실(56)로 도입되면, 전극판(50)의 가스 분출홀(50a)로부터 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)를 향하여 처리 공간(PS)으로 처리 가스가 샤워 형상으로 분출되도록 되어 있다. 이와 같이, 상부 전극(48)은 처리 공간(PS)으로 처리 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드를 겸하고 있다.

상부 전극(48)에는 플라즈마 여기용의 제 3 고주파 전원(66)이 상부 정합기(68) 및 상부 급전 도체, 예를 들면 급전봉(70)을 개재하여 전기적으로 접속되어 있다. 제 3 고주파 전원(66)은 처리 가스의 용량 결합에 의한 고주파 방전, 즉 플라즈마 생성에 적합한 주파수, 예를 들면 60 MHz의 제 3 고주파(RF_H)를 가변의 파워로 출력하도록 구성되어 있다. 또한, 플라즈마 생성용의 제 3 고주파(RF_H)의 주파수는 통상적으로 27 MHz ~ 300 MHz의 범위 내에서 선택된다.

서셉터(16) 및 서셉터 지지대(14)와 챔버(10)의 측벽과의 사이에 형성되는 환상(環狀)의 공간은 배기 공간으로 되어 있고, 이 배기 공간의 바닥에는 챔버(10)의 배기구(72)가 형성되어 있다. 이 배기구(72)에 배기관(74)을 개재하여 배기 장치(76)가 접속되어 있다. 배기 장치(76)는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지고 있고, 챔버(10)의 실내, 특히 처리 공간(PS)을 원하는 진공도까지 감압할 수 있도록 되어 있다. 또한, 챔버(10)의 측벽에는 반도체 웨이퍼(W)의 반입출구(78)를 개폐하는 게이트 밸브(80)가 장착되어 있다.

챔버(10)의 외부에 설치되는 가변 직류 전원(82)의 출력 단자는 스위치(84) 및 직류 급전 라인(85)을 개재하여 상부 전극(48)에 전기적으로 접속되어 있다. 가변 직류 전원(82)은, 예를 들면 -2000 ~ ＋1000 V의 직류 전압(V_DC)을 출력할 수 있도록 구성되어 있다.

직류 급전 라인(85)의 도중에 설치되는 필터 회로(86)는 가변 직류 전원(82)으로부터의 직류 전압(V_DC)을 바로 상부 전극(48)에 인가하는 한편, 서셉터(16)로부터 처리 공간(PS) 및 상부 전극(48)을 거쳐 직류 급전 라인(85)으로 들어 온 고주파를 접지 라인으로 흐르게 하여, 가변 직류 전원(82)측으로는 흐르지 않도록 구성되어 있다.

또한, 챔버(10) 내에서 처리 공간(PS)에 면하는 적당한 개소에, 예를 들면 Si, SiC 등의 도전성 재료로 이루어진 DC 그라운드 파트(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 이 DC 그라운드 파트는 접지 라인(도시하지 않음)을 개재하여 상시 접지되어 있다.

제어부(88)는 마이크로 컴퓨터로 이루어지고, 이 플라즈마 에칭 장치 내의 각 부, 예를 들면 정전 척용의 스위치(24), 제 1, 제 2 및 제 3 고주파 전원(36, 38, 66), 정합기(40, 42, 68), 처리 가스 공급원(60), 배기 장치(76), DC 바이어스용의 가변 직류 전원(82) 및 스위치(84), 칠러 유닛, 전열 가스 공급부 등의 동작을 개별적 및 통괄적으로 제어한다. 또한, 제어부(88)는 맨?머신?인터페이스용의 터치패널(도시하지 않음) 및 각종 프로그램 또는 설정치 등의 데이터를 저장하는 기억 장치(도시하지 않음) 등과 접속되어 있다. 또한, 이 실시예에서는 제어부(88) 및 DC 콘트롤러(83)가 DC 바이어스 제어부를 구성하고 있다.

이 플라즈마 에칭 장치에서 에칭 가공을 행하기 위해서는 우선 게이트 밸브(80)를 열린 상태로 하고, 가공 대상인 반도체 웨이퍼(W)를 챔버(10) 내로 반입하여 정전 척(18) 상에 재치한다. 그리고, 처리 가스 공급원(60)으로부터 소정의 처리 가스, 즉 에칭 가스(일반적으로 혼합 가스)를 소정의 유량 및 유량비로 챔버(10) 내로 도입하고, 배기 장치(76)에 의한 진공 배기로 챔버(10) 내의 압력을 설정치로 한다. 또한, 제 3 고주파 전원(66)으로부터 소정의 파워로 플라즈마 생성용의 제 3 고주파(RF_H(60 MHz))를 상부 전극(48)에 인가한다. 한편, 제 1 및 제 2 고주파 전원(36, 38)으로부터 각각 소정의 파워로 이온 인입용의 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz)) 및 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))를 서셉터(하부 전극)(16)에 인가한다. 또한, 스위치(24)를 온으로 하여, 정전 흡착력에 의해 정전 척(18)과 반도체 웨이퍼(W) 간의 접촉 계면에 전열 가스(He 가스)를 가둔다. 또한, 필요에 따라, 스위치(84)를 온으로 하여, 가변 직류 전원(82)으로부터의 소정의 직류 전압(V_DC)을 상부 전극(48)에 인가한다. 샤워 헤드(상부 전극)(48)로부터 토출된 에칭 가스는 양 전극(16, 48)의 사이에서 고주파의 방전에 의해 플라즈마화되고, 이 플라즈마에 포함된 라디칼 또는 이온에 의해 반도체 웨이퍼(W)의 주면(主面)의 막이 에칭된다.

이 실시예의 플라즈마 에칭 장치는 프로세스 중에 플라즈마로부터 반도체 웨이퍼(W)에 입사하는 이온의 에너지를 제어하기 위하여, 2 개의 고주파 전원(36, 38)으로부터 이온 인입에 적합한 2 종류의 고주파(RF_L1(0.8 MHz), RF_L2(13 MHz))를 서셉터(16)에 중첩하여 인가하는 하드웨어 구성(36 ~ 46)을 가지고, 에칭 가공의 사양, 조건 또는 레시피에 따라 제어부(88)가 두 주파수(RF_L1, RF_L2)의 토탈 파워 및 파워비를 제어하도록 되어 있다.

［실시예에서의 RF 바이어스 기능］

이 실시예의 플라즈마 에칭 장치에서는, 상기한 바와 같이, 프로세스 중에는 제 1 고주파 전원(36) 및 제 2 고주파 전원(38)으로부터 이온 인입용의 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz)) 및 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))가 중첩하여 서셉터(하부 전극)(16)에 인가된다. 그러면, 플라즈마 생성 공간(PS)에 접하는 서셉터(16) 또는 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 생기는 이온 시스에는 도 2에 나타낸 바와 같은 두 고주파(RF_L1, RF_L2)가 중첩된 음극성의 시스 전압(V_S(t))이 발생한다. 또한, 도 2에서는 이온 시스 내에서 두 고주파(RF_L1, RF_L2)가 중첩되어 있는 상태를 알기 쉽게 하기 위하여, 제 1 고주파(RF_L1)의 전압(파워)에 비해 제 2 고주파(RF_L2)의 전압(파워)이 현저하게 작은 경우를 나타내고 있다.

플라즈마로부터의 이온은 이러한 시스 전압(V_S(t))에 의해 가속되어 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 입사한다. 이때, 입사 이온의 가속도 또는 에너지는 그 때의 시스 전압(V_S(t))의 순간치(절대치)에 의존한다. 즉, 시스 전압(V_S(t))의 순간치(절대치)가 클 때에 이온 시스 내로 들어온 이온은 큰 가속도 또는 운동 에너지로 웨이퍼 표면에 입사하고, 시스 전압(V_S(t))의 순간치(절대치)가 작을 때에 이온 시스 내로 들어온 이온은 작은 가속도 또는 운동 에너지로 웨이퍼 표면에 입사한다.

단, 이온 시스 내에서 이온은 시스 전압(V_S(t))에 대하여 100%(계수 1) 이하인 소정 감도로 응답(가속 운동)한다. 이 응답 감도 또는 변환 함수(α(f))는, 도 3에 나타낸 바와 같이, RF 바이어스에 이용되는 고주파의 주파수(f)에 의존하여(역비례하여) 변하고, 다음의 식(1)으로 나타낸다.

α(f) = 1 / {(cfτ_i)^p ＋ 1}^{1 / p} … (1)

단, c = 0.3 × 2π, p = 5, τ_i = 3s (M / 2 eV_s), M은 이온의 질량수, s는 이온의 시스 통과시간, V_s는 시스 전압이다.

따라서, 이온 시스 내의 이온의 가속에 기여하는 순량의 시스 전압, 즉 이온 응답 전압(V_i(t))은 다음의 식(2)으로 나타낸다.

V_i(t) = α(f) V_S(t) … (2)

도 2에 나타낸 이온 응답 전압(V_i(t)) 및 도 3에 나타낸 변환 함수(α(f))는 Ar⁺ 이온에 대한 것이지만, 다른 이온도 시스 전압(V_S(t)) 및 RF 바이어스의 주파수에 대하여 동일한 특성을 나타낸다.

도 3의 전압 파형으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 이온 시스 내의 이온은 주파수가 비교적 낮은 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz))에 대해서는 대략 100%의 감도(α(f) ≒ 1)로 응답(가속 운동)하고, 주파수가 비교적 높은 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))에 대해서는 대략 50%의 감도(α(f) ≒ 0.5)로 응답(가속 운동)한다.

상기와 같은 이온 응답 전압(V_i(t))에 기초하여, 하기의 식(3)으로부터 도 4 및 도 5에 나타낸 바와 같은 방식으로 이온 에너지 분포(IED)를 계산으로 구할 수 있다.

IED(E_i) ∝ Σ_i(dV_i / dt_i) … (3)

도 4는 RF 바이어스에 비교적 낮은 주파수를 가지는 단일의 고주파를 이용했을 경우의 IED 및 이온 응답 전압(V_i(t))을 나타내고 있다. 한편, 도 5는 RF 바이어스에 비교적 낮은 주파수 및 비교적 높은 주파수를 각각 가지는 2 개의 고주파를 이용했을 경우의 IED 및 이온 응답 전압(V_i(t))을 나타내고 있다.

RF 바이어스에 단일의 고주파를 이용하는 단주파 바이어스법에 따르면, 도 19a ~ 도 19c 및 도 20a ~ 도 20c에 대하여 상술한 바와 같이, 이온 에너지 분포(IED)가 정형적으로 최대 에너지 부근 및 최소 에너지 부근에 이온이 많이 집중되는 (피크가 나타나는) 분포 형상이 되며, RF 파워를 어떻게 가변하더라도 최소 에너지를 임의로 가변할 수 없다고 하는 제약이 따른다.

이에 대하여, 이 실시예에서와 같이 RF 바이어스에 2 개의 고주파 (RF_L1(0.8 MHz), RF_L2(13 MHz))를 이용하는 2 주파 바이어스법에 따르면, 두 고주파(RF_L1, RF_L2)의 토탈 파워 및/또는 파워비를 조정함으로써, 이온 에너지 분포(IED)의 최대 에너지 및 최소 에너지의 각각을 독립적으로 제어할 수 있다.

즉, 이 실시예에서는, 도 6a ~ 도 6c에 나타낸 바와 같이, 최대 에너지를, 예를 들면 약 2000 eV로 고정한 채로, 최소 에너지를, 예를 들면 약 0 eV ~ 1000 eV의 범위 내에서 임의로 조절할 수 있다.

또한, 도 7a ~ 도 7c에 나타낸 바와 같이, 최소 에너지를, 예를 들면 약 350 eV로 고정한 채로, 최대 에너지를, 예를 들면 약 650 eV ~ 2650 eV의 범위 내에서 임의로 조절할 수 있다.

또한, 도 6a ~ 도 6c 및 도 7a ~ 도 7c에서의 IED 특성은 Ar⁺ 이온에 대하여 계산한 것이다. 다른 이온에서도 패턴적으로는 동일한 특성이 얻어진다. 또한, 두 고주파(RF_L1(0.8 MHz), RF_L2(13 MHz))의 전압치는 각각의 주파수의 바이어스 전압의 진폭치이며, RF 파워로도 환산 가능하다.

또한, 이 실시예에서는 도 6b[RF_L1(0.8 MHz) = 340 V, RF_L2(13 MHz) = 1000 V］, 도 7b［RF_L1(0.8 MHz) = 500 V, RF_L2(13 MHz) = 500 V］에 나타낸 바와 같이, 2 주파의 RF 바이어스에 의해 에너지 밴드의 전 영역에 걸쳐 이온을 대략 균일하게 분포시키는 것도 가능하다. 또한, 도 7c［RF_L1(0.8 MHz) = 1000 V, RF_L2(13 MHz) = 500 V］에 나타낸 바와 같이, 최소 에너지 및 최대 에너지의 이온 입사수보다 중간 에너지의 이온 입사수를 많게 하는 것도 가능하다.

또한, 이 실시예에서는 도 8a［RF_L1(0.8 MHz) = 1500 V, RF_L2(13 MHz) = 0 V］, 도 8b［RF_L1(0.8 MHz) = 1125 V, RF_L2(13 MHz) = 375 V］, 도 8c［RF_L1(0.8 MHz) = 750 V, RF_L2(13 MHz) = 750 V］, 도 8d［RF_L1(0.8 MHz) = 375 V, RF_L2(13 MHz) = 1125 V］, 도 8e［RF_L1(0.8 MHz) = 0 V, RF_L2(13 MHz) = 1500 V］에 나타낸 바와 같이, 2 주파의 RF 바이어스에 의해 에너지 평균치 또는 중심치를, 예를 들면 1500 eV로 고정한 채로, 에너지 밴드의 폭(E_W)을, 예를 들면 약 1000 eV 내지 약 3000 eV의 범위 내에서 임의로 가변하는 것도 가능하다.

이와 같이, 이 실시예에서는 RF 바이어스에 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz))만을 이용했을 경우의 IED 특성(도 8a)과, RF 바이어스에 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))만을 이용했을 경우의 IED 특성(도 8e)과의 사이에서, 에너지 밴드의 폭(E_W)을 임의로 조절하여 중간의 IED 특성을 얻을 수 있다.

또한, 중간 IED 특성 중에서도 제 1 고주파(RF_L1)에 대한 제 2 고주파(RF_L2)의 파워비가 1125 V ： 375 V = 3 ： 1 일 때에 얻어지는 도 8b의 IED 특성은 특징적인 오목 형상의 분포 형상을 나타내고 있다. 즉, 최소 에너지 및 그 부근의 에너지 영역(약 250 eV ~ 약 750 eV)과 최대 에너지 및 그 부근의 에너지 영역(약 2250 eV ~ 약 2750 eV)에 이온이 띠 형상으로 집중되고, 중간의 에너지 영역(약 750 eV ~ 약 2250 eV)에서는 균일하게 이온 분포수가 적다. 이 오목 형상의 IED 특성은 두 고주파(RF_L1, RF_L2)의 어느 일방을 이용했을 경우와 같이 최소 에너지 및 최대 에너지에 이온이 첨두적(尖頭的)으로 집중되는 U 형상의 IED 특성(도 8a, 도 8e)과도 상이하다.

또한, 도시는 생략하지만, 도 8d［RF_L1(0.8 MHz) = 375 V, RF_L2(13 MHz) = 1125 V］와 도 8e［RF_L1(0.8 MHz) = 0 V, RF_L2(13 MHz) = 1500 V］의 중간에서도, 즉 제 1 고주파(RF_L1)에 대한 제 2 고주파(RF_L2)의 파워비가 약 1 ： 30 일 때도 도 8b와 동일한 오목 형상의 중간 IED 특성이 얻어진다.

이와 같이, 이 실시예에서는 RF 바이어스에 주파수가 상이한 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)를 조합하여 사용하고, 이들의 토탈 파워 및/또는 파워비를 제어함으로써, 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 입사하는 이온의 에너지 분포(IED)에 관하여, 에너지 밴드 폭 및 분포 형상을 다종 다양하게 제어할 수 있다.

여기서, 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)의 주파수는 상기의 값(0.8 MHz, 13 MHz)에 한정되는 것은 아니며, 일정한 범위 내에서 임의로 선정해도 좋다. 도 8a의 IED 특성과 도 8e의 IED 특성과의 대비로부터 알 수 있는 바와 같이, 단주파 바이어스에서의 이온 에너지 분포의 폭(에너지 밴드)(E_W)은 주파수가 낮을수록 넓고, 주파수가 높을수록 좁아진다.

이는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 주파수와 변환 함수(α(f))의 관계에 대응하고 있다. 따라서, 에너지 밴드(E_W)의 가변 범위를 크게 하기 위해서는 에칭 프로세스에서 지배적인 작용을 나타내는 이온의 종류(F⁺, Ar⁺, C₄F₆ ⁺ 등)에도 의존하지만, 기본적으로는 제 1 고주파(RF_L1)의 주파수를 비교적 낮은 값(바람직하게는, 100 kHz ~ 6 MHz)으로 선정하고, 제 2 고주파(RF_L2)의 주파수를 비교적 높은 값(바람직하게는, 6 MHz ~ 40 MHz)으로 선정하는 것이 좋다. 특히, 제 2 고주파(RF_L2)의 주파수가 너무 높아지면, 즉 40 MHz 이상이 되면, 플라즈마 생성 효과가 강해져 RF 바이어스로서는 부적합하게 되므로, 40 MHz 이하의 주파수가 바람직하다.

［프로세스에 관한 실험예］

상기한 바와 같이, 이 실시예에서의 플라즈마 에칭 장치는 이 종류의 종래 장치에 비해 RF 바이어스 기능의 제어성을 현저하게 향상시키고 있고, 특히 이방성 에칭에서 큰 프로세스 성능을 발휘할 수 있다.

여기서, 이 실시예의 플라즈마 에칭 장치를 적합하게 사용할 수 있는 에칭 가공으로서 도 10에 도시한 바와 같은 HARC(High Aspect Ratio Contact) 프로세스를 예로 든다. HARC 프로세스는 절연막 또는 산화막(전형적으로는 SiO₂막)(90)에 좁고 깊은 컨택트 홀(또는 비아 홀)(92)을 형성하는 에칭 가공 기술이며, 대규모 집적회로의 제조 프로세스에서의 BEOL(Back End Of Line)의 컨택트 에칭(또는 비아 홀 에칭)에 이용되고 있다.

HARC 프로세스에서는 고애스펙트비의 미세홀(92)을 형성하기 위하여, 고정밀도의 이방성 형상과 마스크(94)(및 하지막(96))에 대한 높은 선택비가 요구된다. 이를 위해, 에천트 가스로 플루오르카본계의 가스가 이용되고, CF_x 라디칼에 의해 마스크(94) 및 SiO₂막(90)의 홀(92)의 측벽(98)에 중합막을 측벽 보호막으로서 퇴적시키면서, RF 바이어스에 의해 CF_x ⁺ 또는 Ar⁺ 등의 이온을 SiO₂막(90)의 홀(92) 내로 수직으로 인입하여 수직 에칭을 행하는 기법이 채택되고 있다. 이 경우, 화학적으로 활성도가 높은 F 라디칼은 이방성 및 선택성의 양방을 저하시키므로, F 라디칼의 생성이 적고 C / F비가 큰 C₄F₈, C₅F₈, C₄F₆ 등의 가스가 널리 이용되고 있다.

이러한 HARC 프로세스에서, SiO₂막의 에칭 속도를 높이기 위해서는 (1) 이온 입사량의 증가, (2) 라디칼 내의 F 총량의 증가 및 (3) 충분한 이온 에너지가 필요하다. 이를 위해, 상기 (1)의 요구 조건에 대해서는［1］플라즈마 생성용 고주파의 파워를 조정하고, 상기 (2)의 요구 조건에 대해서는［2］플루오르카본 가스(예를 들면, C₄F₈)의 유량을 조정하고, 상기 (3)의 요구 조건에 대해서는［3］이온 인입용 고주파의 파워를 조정하는 방법이 채택되고 있다.

또한, 마스크(94)(및 하지막(96))에 대한 SiO₂막(90)의 선택비를 높이기 위해서는 (4) 적정한 O₂ / C₄F₈ 유량비 및 (5) Ar 희석에 의한 전체 가스 유량의 증가가 필요하다. 이를 위해, 상기 (4)의 요구 조건에 대해서는［4］O₂ 가스 유량을 조정하고, 상기 (5)의 요구 조건에 대해서는［5］Ar 가스 유량을 조정하는 방법이 채택되고 있다.

또한, 선택비에 관한 상기 (4), (5)의 요구 조건은 다음과 같은 에칭 메커니즘에 기초하고 있다. 즉, 에칭 중의 정상 상태에서는 플루오르카본 라디칼이 항상 SiO₂막의 표면에 조사되므로, 그 표면 상에 수 분자층의 CF막이 존재한다. 이 CF막의 두께는 에칭 속도와 밀접한 관계가 있다.

도 11a 및 도 11b에, 에칭 가스로서 C₄F₈ / Ar / O₂의 혼합 가스를 이용했을 경우에, Ar 가스와 O₂ 가스의 유량을 고정하고 C₄F₈ 가스의 유량을 변화시켰을 때의 SiO₂막 및 SiN막의 각각의 에칭 속도와 이들의 막 표면에 각각 퇴적하는 CF 중합막의 두께를 나타낸다.

도 11a에 나타낸 바와 같이, SiO₂의 에칭에서는 C₄F₈ 유량을 증가시키면 에칭 속도(E / R)가 11 sccm까지는 증대하고, 11 sccm에서 극대치를 나타낸 후, CF막 두께의 증가에 반비례하여 감소하고, 22 sccm 이상에서는 거의 변동이 없다. 여기서, C₄F₈ 유량이 11 sccm일 때의 SiO₂ 상의 CF막 두께는 1 nm로 얇은데, 이는 SiO₂ 에칭 시에 방출되는 산소가 CF막과 반응하여 휘발성의 물질을 생성하기(즉, CF막을 제거하기) 때문이다.

한편, 도 11b에 나타낸 바와 같이, SiN의 에칭에서는 산소의 방출이 없고 대신에 질소가 방출되지만, 그 CF막 제거 능력은 산소보다 현격히 작기 때문에, SiN 상의 CF막 두께는 5 nm로 두꺼워져 에칭이 억제된다.

또한, SiO₂ 에칭 및 SiN 에칭 모두에 있어서도, 첨가 가스인 O₂는 CF막 제거 레이트를 조절하는 기능을 가지고 있다.

상기와 같은 HARC 프로세스에서, 하지막(96)에는 SiN이 이용되고, 마스크(94)에는 일반적으로 유기막이 이용되고 있다. 유기막도 상기와 같은 조건에서 C₄F₈ 가스의 유량을 변화시켰을 때의 에칭 속도 및 CF막 두께에 대해서는 SiN과 동일한 특성을 나타낸다.

이와 같이, 에칭 시의 산소 방출의 유무 또는 방출량의 차이에 기초하는 CF막의 두께의 차이, 나아가서는 에칭 속도의 차이를 이용하고, ［4］O₂ / C₄F₈ 유량비를 조정함으로써, 또한［5］선택비를 악화시키는 F 원자 라디칼을 Ar 희석(전체 가스 유량의 증가)으로 저감시킴으로써, 하지막(96)의 SiN 또는 마스크(94)의 유기막(상층의 포토레지스트를 포함하는 경우도 있음)에 대한 SiO₂막의 선택비를 충분히 높일 수 있다.

상기한 바와 같이, 일반적인 플라즈마 에칭 장치에서는 ［1］플라즈마 생성용 고주파의 파워, ［2］플루오르카본 가스(예를 들면, C₄F₈)의 유량, ［3］이온 인입용 고주파의 파워, ［4］O₂ / C₄F₈ 유량비(특히, O₂ 유량), ［5］Ar 유량에 대한 각 조정 기술을 구사함으로써, HARC 프로세스에서도 높은 에칭 속도와 고선택비를 달성할 수 있다. 단, HARC 프로세스에서는 매우 높은 선택비를 필요로 하기 때문에, 퇴적성이 매우 강한 조건을 이용해야 하고, 결과적으로 부착율이 높은 라디칼을 이용하게 된다.

이 경우, 도 12의 (b)에 도시한 바와 같이, 측벽(98) 상의 퇴적막(100)의 피복성(커버리지)이 악화되고 홀(92)의 입구 부근이 좁아져, 네킹(necking)(100)이 발생하기 쉬워진다. 네킹(100)이 발생하면 홀(92) 바닥으로의 라디칼 또는 이온의 공급이 불충분해지고, 이에 따라 홀 바닥 CD(Critical Dimension)의 축소 또는 홀 바닥을 수직으로 깎는 에칭 레이트의 저하로 이어진다. 또한, 네킹(100)의 상방에서 입사 이온이 반사되고, 네킹(100)의 하방에서 측벽(98)의 변형(보잉)을 발생시키는 경우도 있다.

이와 같이, 높은 선택비를 얻기 위해서는 부착율이 높은 라디칼(C_xF_y 라디칼)을 사용할 필요가 있지만, 그로 인해 네킹(100)이 발생하기 쉬워진다. 그렇다고 해도, 네킹(100)을 회피하기 위하여 부착율이 낮은 라디칼을 사용하면, 도 12의 (a)에 도시한 바와 같이, 마스크(94) 상의 퇴적막(100)이 너무 얇아져 충분한 선택비를 얻을 수 없게 된다.

상기한 바와 같이, HARC 프로세스에서는 블랭킷 특성(에칭 속도, 선택비)과 에칭 형상 간에 트레이드 오프의 관계가 있어, 이온 인입용으로 단일 주파수의 고주파를 이용하는 종래의 RF 바이어스 기술 하에서는 이 트레이드 오프의 문제를 해결할 수 없었다.

도 13의 (a)에 HARC 프로세스에서 부착율이 높은 라디칼을 사용했을 경우의 입사 이온의 에너지에 대한 산화막(SiO₂) 및 유기막의 에칭 일드(yield)의 특성을 나타낸다. 상기한 바와 같이 부착율이 높은 라디칼을 사용하면, 낮은 이온 에너지 영역에서는 마스크(유기막)의 표면이 퇴적막으로 보호되고, 산화막만이 선택적으로 에칭된다. 그리고, 이온 에너지가 특정 임계치(E_t)를 넘은 후, 이온 조사에 의한 물리적 에칭이 퇴적막의 보호를 능가하여 마스크(유기막)가 깎이게 된다. 물론, 입사 이온의 에너지가 커짐으로써, 산화막의 에칭 일드도 단조롭게 증대한다.

선택비를 높게 하는 관점에서는 임계치(E_t) 부근의 에너지 영역에 이온이 집중적으로 분포하는 것과 같은 이온 에너지 분포 특성이 바람직하다. 그러나, 종래 방식(단주파 바이어스법)과 같이 단주파의 RF 바이어스로 대응하게 되면, 도 13의 (b)에 나타낸 바와 같이, 이온 에너지 분포가 임계치(E_t)보다 낮은 영역에 위치하게 된다. 이 경우, 최소 에너지 부근에 집중되는 이온은 산화막의 에칭에 거의 기여하지 않는다. 그래도, 최대 에너지 부근에 집중되는 이온의 작용에 의해 어떻게든 높은 선택비를 얻고자 하더라도, 상기와 같은 네킹(100)을 회피 또는 억제할 수 없다.

본 발명자가 도 15에 도시한 바와 같은 HARC 프로세스의 모델에서, 유기막 표면의 법선(N)에 대한 입사각(θ)이 0°인 개소(마스크 상면)와 입사각(θ)이 80°인 개소(네킹 경사면(102))에서 이온 에너지에 대한 에칭 일드의 특성을 비교한 바, 다음과 같이 판명되었다. 즉, 도 14의 (a)에 나타낸 바와 같이, 마스크 상면(θ = 0°)이 네킹 개소(θ = 80°)보다 에칭 일드의 시작은 빠르지만, 입사 이온의 에너지가 소정치(E_s)보다 커지면 양자의 관계가 역전하여, 네킹 경사면(102)(θ = 80°)이 마스크 상면(θ = 0°)보다 에칭되기 쉬워진다. 즉, 이온 작용에 의해 마스크 상면도 깎이지만, 그 이상으로 네킹 경사면(102)이 효율적으로 깎여, 네킹 CD가 확대된다고 하는 개선 효과가 얻어진다.

이러한 HARC 프로세스에서의 산화막 및 유기막(마스크)의 에칭 일드 / 이온 에너지 특성을 감안하면, 도 14의 (b)에 나타낸 바와 같이, 상기 임계치(E_t)의 근방에서 그보다 낮은 제 1 에너지 영역과 상기 소정치(E_s)의 근방에서 그보다 높은 제 2 에너지 영역에 걸친 이극화된 오목 형상의 IED 특성이 매우 좋다는 것을 알 수 있다.

즉, 상기 제 1 에너지 영역에 이온이 집중적으로 분포됨으로써 선택비가 높아지고, 상기 제 2 에너지 영역에 이온이 집중적으로 분포됨으로써 네킹(100)이 효과적으로 회피 또는 억제된다.

또한, 상기 제 1 에너지 영역과 상기 제 2 에너지 영역 사이의 에너지 영역은 선택비 향상 및 네킹 억제의 모든 관점에서도 바람직하지 않은 영역이며, 이 중간 영역에 분포하는 이온이 적은 것이 이익에 적합하다.

본 발명자가 상기와 같은 HARC 프로세스의 실험에 실시예의 플라즈마 에칭 장치를 사용하고, 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz)) 및 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))의 파워비를 바꾸어 에칭 특성을 비교한 바, 도 16 및 도 17에 나타낸 바와 같은 결과가 얻어졌다. 주된 에칭 조건은 하기와 같다.

웨이퍼 구경 ： 300 mm

에칭 가스 ： C₄F₆O₂ = 60 / 200 / 60 sccm

챔버 내의 압력 ： 20 mTorr

온도 ： 상부 전극 / 챔버 측벽 / 하부 전극 = 60 / 60 / 20℃

고주파 전력 ： 플라즈마 생성용 고주파(60 MHz) = 1000 W

이온 인입용 고주파(13 MHz / 0.8 MHz) =

4500 / 0 W, 4000 / 500 W, 3000 / 150

0 W, 2000 / 2500 W, 1000 / 3500 W,

0 / 4500 W (6 가지)

직류 전압 ： V_DC = －300 V

에칭 시간 ： 2 분

이 실험에서는 이온 인입용의 제 1 고주파(RF_L1(0.8 MHz)) 및 제 2 고주파(RF_L2(13 MHz))의 토탈 파워를 일정(4500 W)하게 고정하고, 파워비를 파라미터로서 4500 / 0 W부터 0 / 4500 W까지 6 단계 선택했다.

HARC 프로세스에서 바람직한 에칭 특성은 SiO₂막의 에칭 속도가 큰 것, 마스크 선택비가 큰 것, 네킹 CD와 보잉 CD의 차가 작은 것, 마스크 측벽 경사각이 큰 것이다. 이러한 관점에서 평가하면, 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)의 파워를 RF_L1 = 1000 W, RF_L2 = 3500 W로 선택했을 경우의 에칭 특성이 종합적으로 가장 좋은 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이 경우, 두 고주파(RF_L1, RF_L2)의 파워비는 RF_L2 ： RF_L1 = 3.5 ： 1이며, 도시는 생략하지만 도 8b와 동일한 오목 형상의 IED 특성이 얻어진다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 2 주파 바이어스법에 따르면, HARC 프로세스에서의 트레이드 오프를 능숙하게 해결할 수 있다. 이 외에도, 본 발명의 2 주파 바이어스법에 따르면, 홀 형성 에칭 가공에서의 선택비와 톱 CD / 보잉 CD / 보텀 CD의 트레이드 오프 또는 플라즈마 CVD에서의 성장 속도와 심리스 형상의 트레이드 오프 등도 상기와 마찬가지로 해결할 수 있다.

또한, 상기와 같은 HARC 프로세스에 대해서는 본 발명의 2 주파 바이어스법에 의해 얻어지는 오목 형상의 IED 특성이 유효하게 작용했다. 그러나, 본 발명의 2 주파 바이어스법에 의해 얻어지는 플랫형의 IED 특성(도 6b, 도 7b, 도 8c) 또는 산 형상의 IED 특성(도 7c)도 종래의 단주파 바이어스법에 의해서는 얻을 수 없는 독특한 특성으로서, 소정 프로세스 특성을 최적화할 수 있는 가능성을 가지고 있다.

[실시예에서의 DC 바이어스 기능]

본 실시예의 플라즈마 에칭 장치는 필요에 따라 스위치(84)를 온으로 하여, 가변 직류 전원(82)으로부터의 직류 전압(V_DC)을 상부 전극(48)에 인가하도록 되어 있다. 이와 같이, 상부 전극(48)에 적합한 직류 전압(V_DC), 특히 음극성으로 적합한 크기(절대치)의 직류 전압(V_DC)을 인가함으로써, 플라즈마 에칭의 마스크에 사용되는 포토레지스트막(특히, ArF 레지스트막)의 에칭 내성을 강화할 수 있다.

즉, 가변 직류 전원(82)으로부터 직류 전압(V_DC)을 음극성의 고압(바람직하게는 제 3 고주파(RF_H)의 인가에 의해 상부 전극(48)에 발생하는 자기 바이어스보다 절대치가 큰 음극성의 전압)으로 상부 전극(48)에 인가하면, 상부 전극(48)과 플라즈마의 사이에 형성되는 상부 이온 시스가 두꺼워진다. 이에 따라, 플라즈마 중의 이온이 상부 이온 시스의 전계에서 가속되어 상부 전극(48)의 전극판(50)에 부딪칠 때의 이온 충격 에너지가 증가하고, γ 방전에 의해 전극판(50)으로부터 방출되는 2 차 전자가 증가한다. 그리고, 전극판(50)으로부터 방출된 2 차 전자는, 상부 이온 시스의 전계에서 이온과는 반대 방향으로 가속되어 플라즈마(PR)를 통과하고, 또한 하부 이온 시스를 횡단하여 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W) 표면의 레지스트 마스크에 소정의 고에너지로 주입된다. 이리 하여 레지스트 마스크의 고분자가 전자의 에너지를 흡수하면, 조성 변화 또는 구조 변화, 가교 반응 등을 일으켜 개질층이 형성되고, 에칭 내성(플라즈마 내성)이 강해진다. 상부 전극(48)에 인가하는 음극성의 직류 전압(V_DC)의 절대치를 크게 할수록, 레지스트 마스크로 주입되는 전자의 에너지가 증가하여, 레지스트 마스크에서의 에칭 내성 증강의 효과가 커진다.

한편, 본 실시예의 플라즈마 에칭 장치에서는, 상술한 바와 같이, 서셉터(16)측의 RF 바이어스에 주파수가 상이한 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)를 조합하여 사용하고, 이들의 토탈 파워 및/또는 파워비를 제어함으로써, 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 입사하는 이온의 에너지 분포(IED)에 관하여, 에너지 밴드 폭 및 분포 형상, 나아가서는 입사 에너지의 총량을 다종 다양하게 제어할 수 있다. 특히, 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)의 각각의 파워를 유의(有意)값으로 선택하여 조합하면, 에너지 분포(IED) 중에서 중간 에너지의 이온 입사수가 비약적으로 증가하여, 입사 에너지의 총량이 증대한다. 그러나, 입사 에너지의 총량이 증가하면, 레지스트 마스크가 데미지를 받아 그 표면이 거칠어지거나, 이른바 LER(Line Edge Roughness) 또는 LWR(Line Width Roughness) 등의 요철 변형 또는 사행 변형을 초래하기 쉬워진다.

따라서, 본 실시예에서는 제어부(88)에서 제 1 고주파(RF_L1) 및 제 2 고주파(RF_L2)의 토탈 파워 및 파워비의 설정치로부터 입사 에너지의 총량을 산출하여(개산 가능), 입사 에너지의 총량이 많을 때는, DC 콘트롤러(83)를 통하여 상부 전극(48)에 인가하는 음극성의 직류 전압(V_DC)의 절대치를 크게 하여 레지스트 마스크의 에칭 내성을 강화한다. 그러나 입사 에너지의 총량이 적을 때는, 레지스트 마스크의 에칭 내성을 강화할 필요성이 적을 뿐만 아니라, 다음의 이유에서 상부 전극(48)에 인가하는 음극성의 직류 전압(V_DC)의 절대치를 비교적 작게 제어하는 것이 바람직하다.

즉, 본 실시예의 플라즈마 에칭 장치에서는, 에칭 가스의 고주파 방전에 의해, 플루오르카본 가스(C_xF_y)가 해리하여 F 원자 또는 CF₃ 등의 반응종이 생성된다. 이들 반응종은 반도체 웨이퍼(W) 표면의 피가공막과 반응하여, 휘발성의 생성물(예를 들면 SiF₄)을 만들고, 또한 디포지션이 되는 중합막(예를 들면, (CF₂)_n)도 만든다. 상부 전극(48)의 전극판(50)이 Si 함유 도전재일 경우는, 반도체 웨이퍼(W) 표면뿐만 아니라 전극판(50) 표면에서도 동일한 반응이 일어나, 쌍방에서 반응종이 소비된다. 여기서, 상부 전극(48)에 음극성(≤ 0 V)의 직류 전압(V_DC)이 인가되면, 이온 어시스트 효과가 작용하여 전극판(50) 표면의 에칭 반응(즉, 반응종의 소비)이 촉진되고, C 리치인 CF_x가 다량으로 발생하여, 반도체 웨이퍼(W) 표면에서는 에칭 레이트가 저하되어 디포지션이 강화된다. 음극성 직류 전압(V_DC)의 절대치를 크게 할수록, 전극판(50) 표면에서의 이온 어시스트 효과가 커지고, 상기의 작용에 기초한 반도체 웨이퍼(W) 표면에서의 에칭 레이트의 감속과 디포지션의 증속이 강화된다. 이는, 서셉터(16) 상의 반도체 웨이퍼(W)의 표면에 입사하는 이온의 에너지 총량이 적을 경우에는 바람직하지 않다. 따라서 이 경우, 제어부(88)는 DC 콘트롤러(83)를 통하여 상부 전극(48)에 인가하는 음극성의 직류 전압(V_DC)의 절대치를 비교적 작게 제어한다.

[다른 실시예 또는 변형예]

상기한 실시예에서는 제 3 고주파 전원(66)으로부터 출력되는 플라즈마 생성용의 제 3 고주파(RF_H)를 상부 전극(48)에 인가했다. 다른 실시예로서, 도 18에 도시한 바와 같이, 제 3 고주파 전원(66) 및 정합기(68)를 서셉터(하부 전극)(16)에 전기적으로 접속하고, 플라즈마 생성용의 제 3 고주파(RF_H)를 서셉터(16)에 인가해도 좋다.

상기 실시예는 챔버 내에서 평행 평판 전극 간의 고주파 방전에 의해 플라즈마를 생성하는 용량 결합형 플라즈마 처리 장치에 관한 것이었다. 그러나, 본 발명은 챔버의 상면 또는 주위에 안테나를 배치하여 고주파의 유도 전자계 하에서 플라즈마를 생성하는 유도 결합형 플라즈마 처리 장치 또는 마이크로파의 파워를 이용하여 플라즈마를 생성하는 마이크로파 플라즈마 처리 장치 등에도 적용 가능하다.

본 발명은 플라즈마 에칭 장치에 한정되지 않으며, 플라즈마 CVD, 플라즈마 산화, 플라즈마 질화, 스퍼터링 등의 다른 플라즈마 처리 장치에도 적용 가능하다. 또한, 본 발명에서의 피처리 기판은 반도체 웨이퍼에 한정되지 않고, 플랫 패널 디스플레이, EL 소자 또는 태양 전지용의 각종 기판 또는 포토마스크, CD 기판, 프린트 기판 등도 가능하다.

10： 챔버
16： 서셉터(하부 전극)
36： 제 1 고주파 전원
38： 제 2 고주파 전원
48： 상부 전극
60： 처리 가스 공급원
76： 배기 장치
82： 가변 직류 전원
88： 제어부

Claims

진공 배기 가능한 처리 용기 내에 배치된 제 1 전극 상에 피처리 기판을 재치(載置)하는 공정과,
상기 처리 용기 내에서 처리 가스를 여기하여 플라즈마를 생성하는 공정과,
상기 플라즈마로부터 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 주파수가 상이한 제 1 및 제 2 고주파를 상기 제 1 전극에 중첩하여 인가하는 공정과,
상기 플라즈마 하에서 상기 기판에 원하는 플라즈마 처리를 실시하는 공정
을 가지고,
상기 플라즈마 처리에서, 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지에 의존하는 소정의 프로세스 특성을 최적화하도록, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 제어하는 플라즈마 처리 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지에 의존하는 복수의 프로세스 특성을 동시에 최적화하도록, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 제어하는 플라즈마 처리 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포의 최소 에너지 및 최대 에너지를 독립적으로 제어하는 플라즈마 처리 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포에서, 최소 에너지 및 그 부근의 에너지 영역이 제 1 프로세스 특성을 지배적으로 좌우하고, 최대 에너지 및 그 부근의 에너지 영역이 제 2 프로세스 특성을 지배적으로 좌우하는 플라즈마 처리 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포에서, 최소 에너지 및 그 부근의 에너지 영역과 최대 에너지 및 그 부근의 에너지 영역에 상대적으로 많은 이온이 분포하고, 중간의 에너지 영역에 분포되는 이온이 상대적으로 적은 플라즈마 처리 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포에서, 최소 에너지부터 최대 에너지까지의 전 영역에 이온이 거의 균일하게 분포하는 플라즈마 처리 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 고주파의 주파수는 100 kHz ~ 6 MHz의 범위 내에 있고, 상기 제 2 고주파의 주파수는 6 MHz ~ 40 MHz의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포의 폭을 조절하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워를 조정하는 플라즈마 처리 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 분포의 폭을 조절하기 위하여, 상기 제 2 고주파의 파워에 대한 상기 제 1 고주파의 파워의 비를 조정하는 플라즈마 처리 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 최소 에너지를 제어하기 위하여, 상기 제 2 고주파의 파워를 조정하는 플라즈마 처리 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 기판에 인입되는 이온의 최대 에너지를 제어하기 위하여, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워를 조정하는 플라즈마 처리 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 용기 내에 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 사이에 두고 평행하게 마주하는 제 2 전극이 설치되고, 상기 처리 가스를 방전시키기 위한 제 3 고주파를 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 인가하는 플라즈마 처리 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 3 고주파의 주파수는 27 MHz ~ 300 MHz의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 제 2 전극에 음극성의 직류 전압을 인가하고, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비에 따라 상기 직류 전압의 절대치를 제어하는 플라즈마 처리 방법.
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비로부터 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 총량을 구하고, 상기 에너지 총량을 증가시키는 만큼 상기 직류 전압의 절대치를 크게 하고, 상기 에너지 총량을 감소시키는 만큼 상기 직류 전압의 절대치를 작게 하는 플라즈마 처리 방법.
피처리 기판을 반입?반출 가능하게 수용하는 진공 배기 가능한 처리 용기와,
상기 처리 용기 내로 원하는 처리 가스를 공급하는 처리 가스 공급부와,
상기 처리 용기 내에서 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성부와,
상기 처리 용기 내에서 상기 기판을 재치(載置)하여 보지(保持)하는 제 1 전극과,
상기 플라즈마로부터 상기 제 1 전극 상의 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 제 1 주파수를 가지는 제 1 고주파를 상기 제 1 전극에 인가하는 제 1 고주파 급전부와,
상기 플라즈마로부터 상기 제 1 전극 상의 상기 기판에 이온을 인입하기 위하여 상기 제 1 주파수보다 높은 제 2 주파수를 가지는 제 2 고주파를 상기 제 1 전극에 인가하는 제 2 고주파 급전부와,
상기 플라즈마로부터 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지에 의존하는 적어도 1 개의 프로세스 특성을 최적화하도록, 상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비를 제어하는 제어부
를 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 주파수는 100 kHz ~ 6 MHz의 범위 내이고, 상기 제 2 주파수는 6 MHz ~ 40 MHz의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 장치.
제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
상기 플라즈마 생성부가,
상기 처리 용기 내에서 상기 제 1 전극과 소정의 간격을 사이에 두고 평행하게 마주하는 제 2 전극과,
상기 처리 가스를 방전시키기 위하여 상기 제 2 주파수보다 높은 제 3 주파수를 가지는 제 3 고주파를 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극에 인가하는 제 3 고주파 급전부
를 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 제 3 주파수는 27 MHz ~ 300 MHz의 범위 내에 있는 플라즈마 처리 장치.
제 18 항에 있어서,
상기 제 2 전극에 음극성의 직류 전압을 인가하기 위한 가변 직류 전원과,
상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비에 따라 상기 직류 전압의 절대치를 제어하는 DC 바이어스 제어부
를 가지는 플라즈마 처리 장치.
제 20 항에 있어서,
상기 DC 바이어스 제어부는,
상기 제 1 및 제 2 고주파의 토탈 파워 및 파워비로부터 상기 기판에 인입되는 이온의 에너지 총량을 구하는 연산부와,
상기 에너지 총량을 증가시키는 만큼 상기 직류 전압의 절대치를 크게 하고, 상기 에너지 총량을 감소시키는 만큼 상기 직류 전압의 절대치를 작게 하는 콘트롤러
를 가지는 플라즈마 처리 장치.