KR20120100815A

KR20120100815A - 플라즈마 처리 장치

Info

Publication number: KR20120100815A
Application number: KR1020120021927A
Authority: KR
Inventors: 유키 호사카; 나오카즈 후루야; 미츠노리 오아타
Original assignee: 도쿄엘렉트론가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-09-12
Also published as: US9589771B2; KR101894598B1; US20120222814A1; JP5661513B2; JP2012186223A

Abstract

본 발명은 종래에 비해서 보다 미세한 플라즈마 제어를 가능하게 할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
내부에서 기판을 처리하는 처리 챔버에, 기판을 배치하기 위한 배치대와 대향하도록 설치되고, 배치대와 대향하는 대향면에 복수 마련된 가스 토출 구멍을 통하여 기판을 향해서 가스를 샤워형으로 공급하는 샤워 헤드를 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 샤워 헤드의 대향면과 반대측의 면을 관통하는 복수의 배기 구멍과, 반대측의 면측의 배기 구멍과 연통하는 배기 공간 내에, 반대측의 면과 평행하게 배치되고, 도전성 재료로 이루어지는 환상의 판체와, 판체를 이동시켜 배기 구멍과의 거리를 변경하기 위한 이동 수단을 구비하고 있다.

Description

플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

종래부터, 반도체 장치의 제조 분야 등에 있어서는, 반도체 웨이퍼 등의 기판에 플라즈마를 작용시켜 에칭 처리나 성막 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다.

이러한 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 챔버의 주위에 설치한 자석에 의해서 처리 공간 내에 자장을 형성하여, 처리 공간 내의 플라즈마를 제어하는 것이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조). 또한, 처리 챔버로부터 배기하는 부위에 자석에 의해서 자장을 형성하여, 가스의 통과를 허용하면서 플라즈마의 통과를 저지하여 플라즈마를 처리 공간 내에 가두는 기술이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).

일본 특허 공개 2003-86580호 공보 일본 특허 공표 2003-514386호 공보

전술한 바와 같이, 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 처리 공간 내에 형성한 자장에 의해서 플라즈마를 제어하거나, 플라즈마를 가두는 것이 실행되고 있다.

그러나 반도체 장치의 제조 분야에서는, 최근 다층막 구조의 일괄 에칭이 주류가 되고 있기 때문에, 하나의 처리 챔버 내에서 복수의 공정을 실시할 필요성이 있다. 이 때문에, 개개의 프로세스 조건에 맞는 보다 미세한 플라즈마 제어를 가능하게 하는 것이 요구되고 있다.

본 발명은, 상기 종래의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 종래에 비해서 보다 미세한 플라즈마 제어를 가능하게 하는 플라즈마 처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 내부에서 기판을 처리하는 처리 챔버에, 상기 기판을 배치하기 위한 배치대와 대향하도록 마련되고, 상기 배치대와 대향하는 대향면에 복수 마련된 가스 토출 구멍으로부터 상기 기판을 향해서 가스를 샤워형으로 공급하는 샤워 헤드를 구비한 플라즈마 처리 장치로서, 상기 샤워 헤드의 상기 대향면과 반대측의 면을 관통하는 복수의 배기 구멍과, 상기 반대측의 면측의 상기 배기 구멍과 연통하는 배기 공간 내에 상기 반대측의 면과 평행하게 배치되며, 도전성 재료로 이루어지는 환상의 판체와, 상기 판체를 이동시켜 상기 배기 구멍과의 거리를 변경하기 위한 이동 수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 종래에 비해서 보다 미세한 플라즈마 제어를 가능하게 할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성을 모식적으로 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 처리 장치의 주요부 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 도 1의 플라즈마 처리 장치의 주요부 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 발명의 플라즈마 처리 장치의 일 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치(200)의 단면 구성을 모식적으로 도시하는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 에칭 장치(200)는, 예컨대 표면이 양극 산화처리된 알루미늄 등으로 이루어지고 원통 형상으로 형성된 처리 챔버(처리 용기; 201)를 구비하고, 이 처리 챔버(201)는 접지되어 있다. 처리 챔버(201) 내에는, 피처리 기판으로서의 반도체 웨이퍼를 배치하고, 또한 하부 전극을 구성하는 배치대(202)가 설치된다. 이 배치대(202)에는, 하나 또는 복수의 도시하지 않는 플라즈마 형성용 전원이 접속되어 있다.

배치대(202)의 상측에는, 그 위에 반도체 웨이퍼를 정전 흡착하기 위한 정전척(203)이 설치된다. 정전척(203)은, 절연재의 사이에 전극을 배치함으로써 구성되며, 이 전극에 직류 전압을 인가함으로써, 쿨롱력에 의해서 반도체 웨이퍼를 정전 흡착한다. 또한, 배치대(202)에는, 온도 조절 매체를 순환시키기 위한 유로(204)가 형성되어, 정전척(203) 상에 흡착된 반도체 웨이퍼를 소정의 온도로 온도 조정할 수 있게 되어 있다. 또한, 처리 챔버(201)의 측벽부에는, 반도체 웨이퍼를 처리 챔버(201) 내에 반입, 반출하기 위한 개구(205)가 형성되어 있고, 여기에는, 개구(205)를 기밀하게 폐색하기 위한 개폐 기구(206)가 설치된다.

배치대(202)의 상측에, 배치대(202)와 소정 간격을 두고 대향하도록, 샤워 헤드(100)가 배치되어 있다. 그리고 샤워 헤드(100)가 상부 전극으로 되고, 배치대(202)가 하부 전극으로 되는 한 쌍의 대향 전극이 형성되어 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 샤워 헤드(100)는, 하측 부재(1)와, 이 하측 부재(1)의 상측에 배치된 상측 부재(2)의 2장의 판형 부재를 적층시킨 적층체(10)로 구성되어 있다. 이들 하측 부재(1) 및 상측 부재(2)는, 예컨대, 표면에 양극 산화처리를 한 알루미늄 등으로 구성되어 있다.

적층체(10) 중, 배치대(202)와 대향하는 대향면(14)을 형성하는 하측 부재(1)에는, 가스 토출 구멍(11)이 다수 형성되어 있고, 하측 부재(1)와 상측 부재(2)의 사이에는, 이들 가스 토출 구멍(11)에 연통하는 가스 유로(12)가 형성되어 있다. 이들 가스 토출 구멍(11)은, 도 1, 도 2에 화살표로 나타낸 바와 같이, 기판(도 1, 도 2의 하측)을 향해서 가스를 샤워형으로 공급하기 위한 것이다. 또한, 적층체(10)의 주연부에는, 가스 유로(12) 내에 가스를 도입하기 위한 가스 도입부(12a)가 설치된다.

또한, 적층체(10)에는, 이 적층체(10), 즉 하측 부재(1)와 상측 부재(2)를 관통하여 배기 구멍(13)이 다수 형성되어 있다. 이들 배기 구멍(13)은, 도 1, 도 2에 점선의 화살표로 나타낸 바와 같이, 기판측(도면 중 하측)으로부터 기판과 반대측(도면 중 상측)을 향해서 가스의 흐름이 형성되도록 배기를 행하는 배기 기구를 구성하고 있다. 배기 구멍(13)은, 도 2에 도시하는 하측 부재(1) 부분에 형성된 세경(細徑) 부분(13a)의 직경이 예컨대 0.5?1.5 mm 정도로 되어 있고, 상측 부재(2) 부분에 형성된 대경 부분(13b)의 직경이 예컨대 2.0?5.0 mm 정도로 되어 있다.

도 3은, 샤워 헤드(100)를 상측으로부터 본 평면 구성을 나타내고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 배기 구멍(13)은, 샤워 헤드(100)의 주연부[처리 챔버(201)에 고정하기 위한 고정부로 됨)를 제외하고, 그 전체 영역에 걸쳐 대략 균등하게 설치된다. 배기 구멍(13)의 수는, 예컨대 12인치(300 mm) 직경의 반도체 웨이퍼를 처리하기 위한 샤워 헤드(100)의 경우, 2000?2500개 정도이다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 샤워 헤드(100)의 외형은, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼의 외형에 맞추어 원판형으로 구성되어 있다. 또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 샤워 헤드(100)의 상측에는, 후술하는 판체(16a) 및 판체(16b)가 배치되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 샤워 헤드(100)의 가스 도입부(12a)는, 처리 챔버(201)에 설치된 가스 공급부(207)에 접속되어 있다. 가스 공급부(207)에는, 도시하지 않는 가스 공급 기구로부터 소정의 처리 가스(에칭 가스)가 공급된다.

또한, 샤워 헤드(100)의 상부에는, 통형상체(210)가 설치되어 있고, 이 통형상체(210)에는, 개폐 제어 밸브 및 개폐 기구 등을 통해 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프(도시 생략)가 접속되어 있다. 이와 같이, 통형상체(210)의 내측이 배기로가 되고, 이 통형상체(210)의 내측의 배기로 내에, 도전성 재료[예컨대, 실리콘, 탄화규소, 알루미늄의 무구재)로 환상으로 형성된 복수(본 실시형태에서는 2개)의 판체(16a) 및 판체(16b)가 샤워 헤드(100)의 이면[15; 배치대(202)와 대향하는 대향면(14)과는 반대측의 면]과 대향하도록 배치되어 있다. 이들 판체(16a) 및 판체(16b)는, 도 3에 도시한 바와 같이 동심형으로 배치되어 있다.

샤워 헤드(100)의 주연부에 위치하도록 설치된 판체(16a)는, 연결 부재(17a)를 통해 도 1의 좌측에 표시되는 구동 기구(161a)에 접속되어 있다. 그리고 판체(16a)는, 이 구동 기구(161a)에 의해서 판체(16b)와는 독립적으로 상하 이동 가능하게 되어 있다.

한편, 판체(16a)보다 중앙부에 설치된 판체(16b)는, 연결 부재(17b)를 통해, 도 1의 우측에 표시되는 구동 기구(161b)에 접속되어 있다. 그리고 판체(16b)는, 이 구동 기구(161b)에 의해서 판체(16a)와는 독립적으로 상하 이동 가능하게 되어 있다.

또한, 판체(16a)에는 전환 스위치(18a)가 전기적으로 접속되고, 판체(16b)에는 전환 스위치(18b)가 전기적으로 접속되어 있다. 이들 전환 스위치(18a) 및 전환 스위치(18b)에 의해서, 판체(16a) 및 판체(16b)를 전기적으로 접지된 상태와, 부유 상태(플로우팅 상태)로 설정할 수 있게 되어 있다.

상기한 바와 같이 판체(16a) 및 판체(16b)는, 구동 기구(161a) 및 구동 기구(161b)에 의해서 상하 이동하여, 샤워 헤드(100)의 배기 구멍(13)과의 사이의 거리를 조절할 수 있게 되어 있다. 또한, 전환 스위치(18a) 및 전환 스위치(18b)에 의해서 전기적인 상태를, 접지 상태와 부유 상태(플로우팅 상태)로 설정할 수 있게 되어 있다. 이것에 의해서, 처리 챔버(201) 내의 샤워 헤드(100)와 배치대(202) 사의 처리 공간 내에서, 샤워 헤드(100)의 이면(15)측의 배기 공간으로의 플라즈마의 누설 상태를 조정할 수 있다.

즉, 예컨대, 판체(16a) 및 판체(16b)를, 도 1의 하측에 위치시켜 배기 구멍(13)에 근접시킨 때는, 물리적 및 전기적으로 배기 구멍(13)으로부터의 플라즈마의 누설이 억제된 상태로 된다. 한편, 판체(16a) 및 판체(16b)를, 도 1의 상측에 위치시켜 배기 구멍(13)으로부터 이격시킨 때는, 배기 구멍(13)으로부터의 플라즈마의 누설이 보다 허용되는 상태로 된다. 또한, 판체(16a) 및 판체(16b)와 배기 구멍(13) 사이의 거리가 멀어질수록, 플라즈마의 누설 영역이 확대되도록 플라즈마의 상태를 제어할 수 있다.

또한, 예컨대 판체(16a)를 도 1의 상측에 위치시켜 배기 구멍(13)으로부터 이격시키고, 판체(16b)를 도 1의 하측에 위치시켜 배기 구멍(13)에 근접시킨 때는, 샤워 헤드(100)의 중앙부에서는 플라즈마의 누설이 억제된 상태로 되고, 샤워 헤드(100)의 주연부에서는 플라즈마의 누설이 허용된 상태로 된다. 이것에 의해서, 중앙부와 주연부에서 각각 부분적으로 플라즈마 밀도 등의 플라즈마의 상태를 제어할 수 있다.

예컨대, 처리 공간에서의 주연부의 플라즈마 밀도 등은, 중앙부에 비해서 저하되는 경향이 있는 경우가 많다. 이러한 경우, 예컨대, 주연부에서의 플라즈마의 누설을 생기게 하고, 중앙부에서의 플라즈마의 누설을 생기지 않도록 하면, 처리 공간 내의 중앙부의 전자나 이온이 주연부 방향으로 이동하여, 처리 공간 내에서의 플라즈마 밀도 등의 균일화를 도모할 수 있다.

또한, 플라즈마를 제어하기 위하여, 처리 공간 내의 플라즈마에 직류 전압을 인가하는 경우, 예컨대, 처리 공간 내에 직류 전극을 배치하고 이 직류 전극에 직류 전압을 인가한 경우는, 판체(16a) 및 판체(16b)를 접지 전위에 접속하여, 직류 전압에 대한 접지 전극으로서 작용시킬 수도 있다.

플라즈마 에칭 장치(200)에 의해서, 반도체 웨이퍼의 플라즈마 에칭을 행하는 경우에, 우선, 반도체 웨이퍼가 개구(205)로부터 처리 챔버(201) 내로 반입되어, 정전척(203) 상에 배치된다. 그리고 반도체 웨이퍼가 정전척(203) 상에 정전 흡착된다. 계속해서, 개구(205)가 폐쇄되고, 진공 펌프 등에 의해서, 처리 챔버(201)의 내부가 소정의 진공도까지 진공 상태로 된다.

그 후, 소정 유량의 소정의 처리 가스(에칭 가스)가, 가스 공급부(207)로부터 샤워 헤드(100)의 가스 도입부(12a)에 공급되고, 이 처리 가스는, 샤워 헤드(100)의 가스 유로(12)를 지나서 가스 토출 구멍(11)을 통하여 샤워형으로 배치대(202) 상의 반도체 웨이퍼에 공급된다.

그리고 처리 챔버(201) 내의 압력이, 소정의 압력으로 유지된 후, 배치대(202)에 플라즈마 생성용의 높은 주파수의 고주파 전력으로서, 예컨대 40 MHz의 고주파 전력이 인가된다. 이에 따라, 상부 전극으로서의 샤워 헤드(100)와 하부 전극으로서의 배치대(202)의 사이에 고주파 전계가 생겨, 에칭 가스가 해리되어 플라즈마화 한다. 또한, 이와 동시에, 이온 인입용(바이어스용)의 낮은 주파수의 고주파 전력으로서, 예컨대 3.2 MHz의 고주파 전력이 배치대(202)에 인가된다. 이것에 의해서, 플라즈마로부터 인출된 이온 등에 의해서, 반도체 웨이퍼에 소정의 에칭 처리가 행해진다.

상기 에칭 처리에 있어서, 샤워 헤드(100)의 가스 토출 구멍(11)을 통하여 샤워형으로 공급된 처리 가스는, 샤워 헤드(100)에 분산되어 다수 형성된 배기 구멍(13)을 통하여 배기되기 때문에, 처리 챔버(201)의 하부로부터 배기하는 경우와 같이, 반도체 웨이퍼의 중앙부로부터 주변부를 향하는 가스의 흐름이 형성되는 일이 없다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼에 공급되는 처리 가스를 보다 균일화할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 판체(16a) 및 판체(16b)의 위치의 조정과, 전기적인 상태의 변경에 의해서, 처리 챔버(201)의 처리 공간 내의 플라즈마를, 통형상체(210)의 내측의 배기 공간 내에 누설시키지 않도록 하여, 또는 통형상체(210)의 내측의 배기 공간 내에 누설시킴으로써, 처리 공간 내의 플라즈마의 상태를 제어할 수 있다. 이것에 의해서, 처리 공간 내의 플라즈마를 균일화할 수 있어, 반도체 웨이퍼의 각 부분에 균일한 에칭 처리를 실시할 수 있다. 즉, 처리의 면내 균일성을 향상시킬 수 있다.

이러한 플라즈마의 제어는, 처리 챔버(201) 내의 플라즈마의 상태를 계측하는 계측 수단, 예컨대, 플라즈마의 발광 상태로부터 플라즈마의 상태를 검지하는 플라즈마 모니터에 의한 계측 결과에 기초하여, 구동 기구(161a, 161b)에 의한 판체(16a) 및 판체(16b)의 이동과, 전환 스위치(18a) 및 전환 스위치(18b)의 전환을 제어하는 제어 기구를 설치함으로써, 자동적으로 행할 수도 있다.

그리고, 소정의 플라즈마 에칭 처리가 종료하면, 고주파 전력의 인가 및 처리 가스의 공급이 정지되어, 전술한 순서와는 역의 순서로, 반도체 웨이퍼가 처리 챔버(201) 내로부터 반출된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 플라즈마 에칭 장치(200)에 따르면, 처리 공간 내의 플라즈마의 상태를, 프로세스 조건에 의해서 보다 미세하게 제어할 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 에칭 장치(200)에서는, 샤워 헤드(100)에 설치한 배기 구멍(13)을 통하여 배기를 하기 때문에, 종래의 장치와 같이, 배치대(202)의 주위 또는 샤워 헤드(100)의 주위에 배기 경로를 마련할 필요가 없다. 이 때문에, 처리 챔버(201)의 직경을 피처리 기판인 반도체 웨이퍼의 외경에 보다 근접시킬 수 있어, 장치의 소형화를 꾀할 수 있다. 또한, 진공 펌프를 처리 챔버(201)의 상측에 설치하고, 처리 챔버(201)의 처리 공간에 보다 가까운 부분으로부터 배기하기 때문에, 효율적으로 배기할 수 있어, 진공 펌프의 용량을 적게 하여 더욱 소형화를 꾀할 수 있다.

이상, 본 발명을, 실시형태에 관해서 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시형태로 한정되지 않으며, 물론 각종의 변형이 가능하다. 예컨대, 상기 실시형태에서는, 2개의 판체(16a) 및 판체(16b)를 배치한 예에 관해서 설명했지만, 판체의 수는 2개로 한정되지 않고, 몇 개라도 좋으며, 판체의 형상도 환상의 것으로 한정되지 않는다.

11 …… 가스 토출 구멍, 13 …… 배기 구멍, 16a, 16b…… 판체, 17a, 17b…… 연결 부재, 18a, 18b…… 전환 스위치, 100 …… 샤워 헤드, 161a, 161b……구동 기구, 200 ……플라즈마 에칭 장치, 201…… 처리 챔버, 202 …… 배치대.

Claims

내부에서 기판을 처리하는 처리 챔버에, 상기 기판을 배치하기 위한 배치대와 대향하도록 설치되고, 상기 배치대와 대향하는 대향면에 복수 마련된 가스 토출 구멍을 통하여 상기 기판을 향해서 가스를 샤워형으로 공급하는 샤워 헤드를 구비하는 플라즈마 처리 장치로서,
상기 샤워 헤드의 상기 대향면과 반대측의 면을 관통하는 복수의 배기 구멍과,
상기 반대측의 면측의 상기 배기 구멍과 연통하는 배기 공간 내에, 상기 반대측의 면과 평행하게 배치되고, 도전성 재료로 이루어지는 환상의 판체와,
상기 판체를 이동시켜 상기 배기 구멍과의 거리를 변경하기 위한 이동 수단
을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 판체의 전기적인 상태를 전환하기 위한 전환 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제2항에 있어서, 상기 전환 스위치는, 상기 판체를 전기적으로 접지된 상태와 부유 상태로 전환하도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 동심형으로 배치된 복수의 상기 판체를 구비하며, 이들 판체는, 각각 다른 상기 이동 수단에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 동심형으로 배치된 복수의 상기 판체를 구비하며, 이들 판체는, 각각 다른 상기 이동 수단에 접속되고, 다른 상기 전환 스위치에 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 판체는 실리콘, 탄화규소, 알루미늄의 무구재 중 어느 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제4항에 있어서, 상기 판체는 실리콘, 탄화규소, 알루미늄의 무구재 중 어느 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제5항에 있어서, 상기 판체는 실리콘, 탄화규소, 알루미늄의 무구재 중 어느 것으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 처리 챔버 내에 발생시킨 플라즈마에 대하여 직류 전압을 인가하는 직류 전압 인가 기구를 구비하며, 상기 판체는 상기 직류 전압에 대한 접지 전극으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.