KR20120111867A - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 광범위한 반복 주파수 대역에서 고정밀도로 제어 가능한 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치 및 상기 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리방법을 제공한다.
진공용기와, 당해 진공용기 안에 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성수단과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 상기 시료대에 인가하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 고주파 전원은, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 고주파 전력을 시간 변조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치이다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것으로서, 특히 반도체 소자 등의 시료를 가공하기 위하여, 플라즈마를 이용하여 미세 패턴을 고정밀도로 에칭 처리를 실시하는 데 적합한 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법에 관한 것이다.
종래, 반도체 소자의 표면을 처리하는 방법으로서, 반도체 소자를 플라즈마로 에칭하는 장치가 알려져 있다. 여기서는, 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance : ECR, 이하, ECR이라고 약칭한다) 방식의 플라즈마 에칭장치를 예로, 종래 기술을 설명한다. 이 ECR 방식에서는, 외부로부터 자장을 인가한 진공용기 중에서 마이크로파에 의해 플라즈마를 발생한다. 자장에 의해 전자는 사이클로트론 운동을 하고, 이 주파수와 마이크로파의 주파수를 공명시킴으로써 효율적으로 플라즈마를 생성할 수 있다. 반도체 소자에 입사하는 이온을 가속하기 위하여, 고주파 전력을 개략 정현파로 연속파형으로 시료에 인가하고 있다. 여기서, 시료에 인가하는 고주파 전력을 이하, 고주파 바이어스라고 칭한다. 또, 플라즈마가 되는 가스에는 염소나 불소 등의 할로겐 가스가 널리 사용되고 있다.
플라즈마에 의해 발생한 라디칼이나 이온과 피에칭재가 반응함으로써 에칭이 진행된다.
에칭에 의해 발생하는 반응 생성물은 패턴에 대한 재부착을 일으키고, 에칭 형상을 테이퍼로 한다. 따라서, 에칭 가공의 고정밀도를 도모하기 위해서는 에칭시에 발생하는 반응 생성물의 제어가 중요하게 된다. 반응 생성물 농도를 적게 하기 위해서는, 반응 생성물의 체재 시간을 짧게 하는 방법이 있다. 플라즈마 처리실 내의 가스의 체재 시간을 τ라고 하면, τ는 P를 처리 압력, V를 플라즈마 처리실의 용량, Q를 가스 유량이라고 한 경우, τ=PV/Q의 관계가 있고, 장치 구성에서 상기 P, V, Q의 한계가 규정된다. 이 관계로부터 가스가 된 반응 생성물의 체재 시간은 처리 압력을 낮추거나 가스 유량을 증가시킴으로써 짧게 할 수 있으나, 가스 유량을 증가시키는 것과, 처리 압력을 낮추는 것은 트레이드 오프의 관계에 있어 개선이 곤란하다.
또, 특허문헌 1에는, 반응 생성물을 제어하고, 에칭 가공 정밀도를 높이는 방법으로서는, 플라즈마나 고주파 바이어스의 시간 변조가 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2에는, 고주파 바이어스를 2개 이상으로 나누어 이온 에너지를 고정밀도로 제어하는 시간 변조된 고주파 바이어스의 제어 방법이 개시되어 있다.
일본 특허공개공보 평8-250479호 일본 특허공개공보 제2001-85395호
고주파 바이어스 전원의 시간 변조를 제어하는 파라미터로서, 반복 주파수 및 1주기에 대한 온 시간의 비(이하, 듀티비라고 칭한다)가 있다. 에칭을 실시할 때, 반복 주파수와 듀티비 및 에칭 가스나 압력 등의 에칭 조건을 입력수단에 의해 제어부에 설정한다. 설정된 값은 제어부 안에서는 디지털 신호로서 취급되나, 제어부와 고주파 바이어스 전원이 아날로그로 접속되어 있는 경우, 제어부 내의 디지털-아날로그 컨버터(이하, D/A 컨버터라고 칭한다)에서 아날로그 신호로 변환한 후, 송신할 필요가 있다. 아날로그 신호의 송신시, 신호에 대한 노이즈 등으로 오차가 생기면 설정값에 대하여, 출력값이 달라지게 된다. 예를 들면, 0?2000㎐의 신호를 1㎐ 단위로 입력할 수 있는 경우, 12비트의 디지털 신호 처리에서는, 1디지트당 약 0.98㎐의 분해능이 된다. 여기서 디지트란 2진수의 자릿수를 의미한다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 12비트의 디지털 신호 처리에 대하여, 아날로그 신호가 ±10V로 사용되는 경우, 1디지트당 전압은 약 4.9㎷이다. 아날로그 신호가 노이즈 등의 이유로 4.9㎷ 이상 어긋난 경우에는 디지털 신호 변환 후에 1디지트 이상의 어긋남이 생길 가능성이 있다. 이 경우, 분해능은 1디지트당 약 0.98㎐(약 1㎐)이기 때문에, 1㎐ 이상의 오차가 생길 가능성이 있다.
예를 들면, 반복 주파수가 10㎐이고 듀티비가 10%일 때, 고주파 바이어스의 오프 시간은 90㎳이다. 반복 주파수가 11㎐이고 듀티비가 10%인 경우, 오프 시간은 81.8㎳이다. 제어 정밀도의 오차가 ±1㎐인 경우, 10㎐가 결과적으로 11㎐가 될 가능성이 있다. 이 경우, 오프 시간의 오차는 8.2㎳이다. 오프 시간에는 반응 생성물이 배기되나, 일반적인 플라즈마 에칭에서의 반응 생성물의 체재 시간은 50㎳?500㎳ 정도이기 때문에, 고주파 바이어스의 오프 시간의 8.2㎳의 오차는 반응 생성물의 체재 시간에 대하여 영향이 크고, 형상 제어의 정밀도에 영향을 준다. 또, 반복 주파수가 1000㎐이고 듀티비가 10%인 경우, 오프 시간은 0.9㎳이지만, 노이즈에 의한 오차가 생기고, 1001㎐의 신호로서 처리된 경우에도, 오프 시간은 0.899㎳로 오차는 0.001㎳가 되어, 0.1%의 오차밖에 생기지 않는다. 즉, 반복 주파수가 낮은 경우에는 신호의 제어 정밀도나 분해능을 높일 필요가 있지만, 반복 주파수가 높은 경우에는 주파수 분해능은 낮아도 영향이 적다. 이 때문에, 에칭 형상 가공 제어성을 향상시키기 위해서는, 반복 주파수의 저주파수 대역의 분해능을 향상시켜, 반응 생성물 농도를 고정밀도로 제어하는 것이 필수가 된다.
사용하는 반복 주파수 영역을 좁게 함으로써, 분해능을 높이는 것이 가능하지만, 에칭 가스나 피에칭 대상 구조에 의해, 최적의 반복 주파수가 다르다. 그 때문에, 각종 에칭 가스나 각종 피에칭 대상 구조에 대응하기 위해서는, 가능한 한 넓은 주파수대의 반복 주파수가 필요하게 된다. 이 때문에, 반복 주파수의 사용 가능 영역의 광역화와 주파수 분해능 향상의 양립은 곤란해지는 문제가 있었다.
또, 플라즈마의 해리를 제어하는 방법으로서 알려져 있는 펄스 플라즈마에 대해서도, 상기 과제에 관해서는, 동일하게 말할 수 있다. 펄스 플라즈마를 생성하기 위하여 인가되는 고주파는 시간 변조되고, 펄스화되어 있으나, 이 제어에 있어서도, 정밀도가 높은 제어를 행하기 위해서는, 주파수 분해능을 높이는 것이 필요하다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 광범위한 반복 주파수 대역에서 고정밀도로 제어 가능한 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치 및 상기 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리방법을 제공한다.
본 발명은, 진공용기와, 상기 진공용기 안에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전원과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치(載置)하는 시료대와, 상기 시료대에 전압을 인가하는 제2 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 제1 및 제2 고주파 전원의 적어도 하나는, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 공급하는 것으로서, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 상기 고주파 전력을 시간 변조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치이다.
또, 진공용기와, 상기 진공용기 안에 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성수단과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 상기 시료대에 인가하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 고주파 전원은, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 고주파 전력을 시간 변조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치이다.
또, 본 발명은, 진공용기와, 당해 진공용기 안에 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성수단과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 상기 시료대에 인가하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리방법에 있어서, 상기 고주파 전원은, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 고주파 전력을 시간 변조하고, 상기 주파수 대역의 어느 주파수로 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 인가하면서 상기 시료를 에칭하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법이다.
본 발명에 의해, 광범위한 반복 주파수 대역에서 고정밀도로 제어 가능한 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을, 플라즈마를 생성하는 고주파 전원과 시료대에 전압을 인가하는 고주파 전원의 적어도 하나의 전원으로부터 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예와 관련되는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭장치의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련되는 제어부와 고주파 바이어스 전원의 개략도이다.
도 3은 아날로그 신호의 송신을 나타낸 도면이다.
도 4는 A/D 컨버터의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련되는 제어부와 고주파 바이어스 전원의 개략도이다.
도 6은 채널의 설정예를 나타낸 도면이다.
도 7은 반응 생성물 농도의 에칭 처리 시간 의존성을 나타낸 도면이다.
도 8은 반복 주파수 또는 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력의 오프 시간에 대한 에칭 형상의 테이퍼 각도 의존성을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예와 관련되는 제어부와 고주파 전원의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련되는 제어부와 고주파 바이어스 전원의 개략도이다.
도 11은 종래의 아날로그 신호 설정예를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1에 본 발명의 일 실시예와 관련되는 마이크로파를 이용한 ECR 플라즈마 에칭장치의 개략 종단면도를 나타낸다. 또한, 동일 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
상부가 개방된 진공용기(101)의 상부에, 진공용기(101) 안에 에칭 가스를 도입하기 위한 샤워 플레이트(102)(예를 들면, 석영제)와, 유전체창(103)(예를 들면, 석영제)을 설치하고, 밀봉함으로써 처리실(104)을 형성한다. 샤워 플레이트(102)에는 에칭 가스를 흐르게 하기 위한 가스공급장치(105)가 접속된다. 또, 진공용기(101)에는 배기용 개폐 밸브(117) 및 배기 속도 가변 밸브(118)를 거쳐 진공배기장치(106)가 접속되어 있다. 처리실(104) 안은 배기용 개폐 밸브(117)를 개방으로 하고, 진공배기장치(106)를 구동함으로써 감압되어, 진공상태가 된다. 처리실(104) 안의 압력은 배기 속도 가변 밸브(118)에 의해 원하는 압력으로 조정된다. 에칭 가스는, 가스공급장치(105)로부터 샤워 플레이트(102)를 통해 처리실(104) 안으로 도입되고, 배기 속도 가변 밸브(118)를 통해 진공배기장치(106)에 의해 배기된다. 또, 샤워 플레이트(102)에 대향하여 진공용기(101)의 하부에 시료대인 시료 재치용 전극(111)이 설치된다.
플라즈마를 생성하기 위한 전력을 처리실(104)에 전송하기 위하여, 유전체창(103)의 상방에는 전자파를 전송하는 도파관(107)이 설치된다. 도파관(107)으로 전송되는 전자파는 전자파 발생용 전원(109)으로부터 발진시킨다. 또한, 본 실시예의 효과는, 전자파의 주파수에 특별히 한정되지 않지만, 본 실시예에서는 2.45G㎐의 마이크로파를 사용한다. 처리실(104)의 외부에는, 자장을 형성하는 자장 발생 코일(110)이 설치되어 있고, 전자파 발생용 전원(109)으로부터 발진된 전자파는, 자장 발생 코일(110)에 의해 형성된 자장과의 상호 작용에 의해, 처리실(104) 안에 고밀도 플라즈마를 생성하고, 시료 재치용 전극(111) 상에 배치된, 시료인 웨이퍼(112)에 에칭 처리를 실시한다. 샤워 플레이트(102), 시료 재치용 전극(111), 자장 발생 코일(110), 배기용 개폐 밸브(117), 배기 속도 가변 밸브(118) 및 웨이퍼(112)는 처리실(104)의 중심축 상에 대하여 동축에 배치되어 있기 때문에, 에칭 가스의 흐름이나 플라즈마에 의해 생성된 라디칼 및 이온, 나아가서는 에칭에 의해 생성된 반응 생성물은 웨이퍼(112)에 대하여 동축에 도입, 배기된다. 이 동축 배치는 에칭 레이트, 에칭 형상의 웨이퍼 면 내 균일성을 축대칭에 근접하게 하여, 웨이퍼 처리 균일성을 향상시키는 효과가 있다. 시료 재치용 전극(111)은 전극 표면이 용사막(溶射膜)(도시 생략)으로 피복되어 있고, 고주파 필터(115)를 거쳐 직류 전원(116)이 접속되어 있다. 또한, 시료 재치용 전극(111)에는, 매칭 회로(113)를 거쳐 고주파 바이어스 전원(114)이 접속된다. 고주파 바이어스 전원(114)은, 고주파 바이어스 출력부(126)와 펄스 발생기(108)를 구비하고(도 2 참조), 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력 또는, 연속적인 고주파 전력을 선택적으로 시료 재치용 전극(111)에 공급할 수 있다. 또. 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력은 고주파 바이어스 전력을 인가하는 기간(온 기간)과 인가하지 않는 기간(오프 기간)을 단위 시간당 반복 횟수인 반복 주파수와, 1주기(반복 주파수의 역수)당 온 기간인 듀티비에 의해, 제어된다.
상기 서술한 ECR 에칭장치를 이용한 에칭 처리를 제어하는 제어부(120)는, 입력수단(도시 생략)에 의해 입력된 반복 주파수, 듀티비, 에칭을 실시하는 가스 유량, 처리 압력, 마이크로파 전력, 코일 전류 등의 에칭 파라미터의 처리를 행하는 퍼스널 컴퓨터(121)와, 신호 처리를 행하는 마이크로 컴퓨터(122)와, 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터[이하, D/A 컨버터(123)라고 칭한다]를 구비한다(도 2 참조).
또, 고주파 바이어스 전원(114)은, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터[이하, A/D 컨버터(124)라고 칭한다]와, 마이크로 컴퓨터(122)로부터 송신된 신호와 A/D 컨버터(124)로부터 송신된 신호를 처리하는 신호 처리부(125)와, 신호 처리부(125)로부터 지시된 반복 주파수와 듀티비의 펄스 파형을 발생하는 펄스 발생기(108)와, 신호 처리부로부터 지시된 고주파 바이어스를 출력하는 고주파 바이어스 출력부(126)를 구비한다(도 2 참조).
이하에, 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 시료 재치용 전극에 공급하는 경우의 제어부(120)의 기능에 대하여, 도 2를 이용하여 설명한다.
입력수단(도시 생략)에 의해, 퍼스널 컴퓨터(121)에 입력된 반복 주파수와 듀티비는, 디지털 신호로서 마이크로 컴퓨터(122)에서 처리되고, D/A 컨버터(123)를 통하여, 아날로그 신호로 변환되어 고주파 바이어스 전원(114)으로 송신된다. 고주파 바이어스 전원(114)이 수신한 아날로그 신호는, A/D 컨버터(124)로 디지털 신호로 변환되고, 신호 처리부(125)에 의해 처리되어 고주파 바이어스 출력부(126)와 펄스 발생기(108)로부터 각각 고주파 바이어스 전력과 펄스 파형이 출력된다. 출력된 고주파 바이어스 전력에 출력된 펄스 파형이 중첩되어, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 시료 재치용 전극(111)에 공급된다.
다음으로, 고주파 바이어스 전원(114)의 반복 주파수는, 1~2000㎐의 범위를 1㎐ 단위로 사용되고, 특히 1~119㎐의 주파수 대역을 고분해능으로 제어하는 경우에 대하여, 설명한다.
1?119㎐의 주파수 대역을 채널 1, 120?2000㎐의 주파수 대역을 채널 2라고 한다. 또, 12비트의 D/A 컨버터(123) 및 A/D 컨버터(124)를 사용하고, 아날로그 신호의 전압값은 ±10V의 범위로 하고 있다. 또한, 아날로그 신호가 ±10V의 범위인 경우, 아날로그 신호는, 일반적으로 0?10V가 사용된다.
예를 들면, 퍼스널 컴퓨터(121)에 60㎐의 반복 주파수가 입력되면, 도 3에 나타내는 바와 같이 마이크로 컴퓨터(122)로부터 D/A 컨버터(123)를 거쳐 채널 1과 채널 2의 신호가 양쪽 모두 시간을 엇갈리게 하여 주기적으로 A/D 컨버터(124)에 송신된다. 신호 처리부(125)는, 마이크로 컴퓨터(122)로부터 송신된 채널 1을 선택하기 위한 채널 교체 신호에 따라, 타이밍 A(채널 1)와 신호 수신을 동기시킴으로써, A/D 컨버터(124)로부터 송신된 채널 1과 채널 2의 신호로부터 채널 1의 신호를 선택한다. 채널 1의 신호를 선택한 신호 처리부(125)는, 펄스 발생기(108)로부터 60㎐의 펄스 파형을 발생시키고, 60㎐의 반복 주파수의 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 출력한다.
또, 신호처리부(125)의 채널 선택의 다른 방법으로서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, A/D 컨버터(124)에 복수의 입출력 단자(이하, 포트라고 한다)가 있는 경우, 채널 교체 신호로 어느 채널을 선택할지 판단하고, 특정한 포트의 신호를 취하는 방법이어도 된다. 예를 들면, 60㎐의 반복 주파수의 경우, 포트 1을 선택하도록 신호 처리부(125)에 판단시키면 된다(도 4).
또, 사용하는 채널만을 마이크로 컴퓨터(122)로부터 D/A 컨버터(123)를 통해, A/D 컨버터(124)로 송신하여도 된다. 예를 들면, 10㎐의 반복 주파수를 설정하는 경우, 채널 1의 신호만을 송신하고, 채널 2의 신호는 송신하지 않도록 한다. A/D 컨버터(124)가 도 4와 같은 구성인 경우, 신호 처리부(125)가 포트의 수신 신호의 유무를 판정함으로써, 포트 1에는 신호 있음, 포트 2에는 신호 없음의 상태이면, 신호 처리부(125)는, 포트 1, 즉 채널 1을 선택할 수 있다. 이 경우, 채널 교체 신호는 필요 없기 때문에, 도 5의 구성이어도 된다.
그러나, 에칭 처리는, 복수 단계에서 연속으로 처리하는 경우가 있고, 각 단계 사이에서 서로 다른 주파수 대역의 주파수(서로 다른 채널)를 사용하는 경우에는, 송신 타이밍을 엇갈리게 한 상태에서 항상 주기적으로, 서로 다른 채널의 신호를 송신한 상태에서, 교체 신호에 의해 채널을 선택하는 방법(도 4)이 교체 신호가 불필요한 방법보다, 채널의 변경을 빠르게 행하는 것이 가능하기 때문에, 도 4와 같은 채널 선택 방법이 적합하다.
다음으로, 본 실시예에서의 채널 1과 채널 2의 주파수 분해능에 대하여 설명한다.
통상, D/A 컨버터(123) 및 A/D 컨버터(124)의 처리 능력과 주파수 대역의 범위에 의해 주파수 분해능이 결정된다. 12 비트의 D/A 컨버터(123) 및 A/D 컨버터(124)의 경우, 4096디지트의 신호를 취급할 수 있다. 디지트란 2진수의 자릿수이다. 이 경우, 아날로그 신호가 ±10V의 범위에서 4096 종류의 신호의 값을 취급할 수 있게 된다. 아날로그 신호는 일반적으로 0?10V가 사용되기 때문에, 2048 종류의 신호의 값을 취급할 수 있게 된다. 본 실시예에서는, 채널 1의 반복 주파수의 사용 범위가 1?119㎐이기 때문에, 약 0.058㎐의 분해능이 된다. 또, 채널 2의 반복 주파수의 사용 범위가 120?2000㎐이기 때문에, 약 0.92㎐의 분해능이 된다. 또, 아날로그 신호의 사용 범위가 10V에서 2048디지트의 신호를 취급할 수 있기 때문에, 1디지트는 약 4.9㎷에 상당한다. 즉, 아날로그 신호가 약 4.9㎷이면, 채널 1의 경우에는, 약 0.058㎐의 반복 주파수, 채널 2의 경우에는, 약 0.92㎐의 반복 주파수를 나타내게 된다. 이 때문에, 아날로그 신호에 4.9㎷의 오차가 발생하면, 채널 1의 경우에는, 약 0.058㎐의 오차, 채널 2의 경우에는 약 0.92㎐의 오차가 생기게 된다.
예를 들면, 반복 주파수가 10㎐(채널 1)이고 듀티비가 10%인 경우, 오프 시간은 90㎳가 된다. 아날로그 신호에 약 0.05%(5㎷)의 노이즈가 발생한 경우, 반복 주파수에 약 0.058㎐ 이상의 오차가 생기게 된다. 반복 주파수가 10.058㎐이고 듀티비가 10%인 경우, 오프 시간은 89.5㎳가 되어, 오차는 불과 0.56%이다. 또, 반복 주파수가 1000㎐(채널 2)이고 듀티비가 10%인 경우, 오프 시간은 0.9㎳가 된다. 노이즈에 의해 아날로그 신호에 약 0.05%(5㎷)의 노이즈가 발생한 경우, 약 1001㎐의 신호로서 처리되게 되는데, 오프 시간은 0.899㎳이고 오차는 0.001㎳가 되어, 0.1%의 오차밖에 되지 않는다.
따라서, 본 실시예는, 상기 서술한 바와 같이, 반복 주파수의 사용 주파수 범위를 분해능의 정밀도가 요구되는 주파수 대역과 분해능의 정밀도가 그다지 요구되지 않는 주파수 대역으로 분할함으로써, 반복 주파수의 높은 범위의 주파수 대역에 있어서, 반복 주파수를 고정밀도로 제어할 수 있다.
또, 본 실시예에서는 반복 주파수의 설정 단위를 1㎐로 하고 있기 때문에, 채널 1의 주파수 대역을 선택한 경우, 1㎐에 약 20디지트를 할당할 수 있어, 노이즈 등에 의한 오차를 배제하는 것을 가능하게 하고 있다.
또, 채널 1의 분해능은, 0.058㎐이기 때문에, 채널 1의 반복 주파수의 설정 단위를 1㎐ 이하로 하여 제어하는 것은 가능하다.
또, 본 실시예에서는, 반복 주파수의 주파수 대역을 2개로 분할한 예이었지만, 2개 이상으로 분할해도 된다. 분할 수를 늘릴수록, 각 주파수 대역의 분해능을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시예에서는, 반복 주파수의 주파수 대역을 2개로 분할한 예이었지만, 도 6에 나타내는 바와 같이, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 조합함으로써, 반복 주파수의 사용 주파수 범위를 넓혀도 된다. 이와 같이, 서로 다른 주파수 대역을 조합하는 것에 의해, 반복 주파수의 사용 주파수 범위를 넓힘으로써, 각각의 주파수 대역의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
또, 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력의 온 시간이 짧은 경우에는, 고주파 바이어스 전력의 매칭이 곤란해진다는 문제가 있다. 온 시간은 듀티비와 반복 주파수에 의해 규정되지만, 듀티비가 20% 이하와 같은 낮은 듀티비인 경우, 채널 2의 고주파 대역의 반복 주파수는 온 시간이 너무 짧아지기 때문에, 고주파 바이어스 전력을 시료 재치용 전극(111)에 인가할 수 없게 되는 경우가 있다. 이 때문에, 채널 2의 주파수 대역의 반복 주파수를 사용하는 경우에는, 듀티비를 20% 이상으로 사용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 실시예와 관련되는 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭장치를 이용하여, 웨이퍼(112)에 에칭 처리를 실시하는 플라즈마 처리방법에 대하여 설명한다.
또, 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스의 반복 주파수의 사용 주파수 범위가, 2개의 주파수 대역으로 분할되어, 채널 1(1?119㎐)과 채널 2(120?2000㎐)의 2개의 주파수 대역으로 구성되어 있는 경우의 플라즈마 처리방법에 대하여 설명한다.
시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스는 반응 생성물 농도를 제어하고, 에칭 성능을 제어하는 것에 이용되나, 오프 시간이 반응 생성물의 체재 시간과 동등한 정도일 때, 특히 큰 효과가 얻어진다. 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스의 온 시간의 기간은 에칭이 진행되고, 반응 생성물이 계속 발생한다. 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스가 오프되면, 에칭은 진행되지 않게 되어, 반응 생성물은 배기된다. 일반적인 플라즈마 에칭장치의 경우, 처리 압력 0.1Pa?10Pa에서는 반응 생성물의 체재 시간은 10㎳?1000㎳이다. 일례로서, 반응 생성물의 체재 시간이 80㎳인 경우를 설명한다. 연속 고주파 바이어스에서는 반응 생성물 농도는 에칭 개시시부터 단조롭게 증가해 간다. 반응 생성물의 체재 시간을 80㎳, 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스의 온 시간을 10㎳, 오프 시간을 10㎳로 한 경우의 반응 생성물 농도의 에칭 처리 시간 의존성을 도 7(a)에 나타낸다. 오프 시간이 반응 생성물의 체재 시간과 비교하여 짧은 경우에는, 반응 생성물이 잔류하기 때문에, 반응 생성물 농도는 시간의 경과와 함께 증가해 간다. 다음으로, 반응 생성물의 체재 시간을 80㎳, 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스의 온 시간을 10㎳, 오프 시간을 80㎳로 하여, 반응 생성물의 체재 시간과 오프 시간을 동일하게 하였을 때의 반응 생성물 농도의 에칭 처리 시간 의존성을 도 7(b)에 나타낸다. 온 시간 내에 발생한 반응 생성물은 오프 시간에 배기되어, 잔류하지 않기 때문에, 반응 생성물 농도가 낮은 상태를 만들어 내는 것이 가능하다. 오프 시간을 반응 생성물의 체재 시간 이상으로 함으로써, 반응 생성물 농도를 낮출 수 있다.
다음으로, 도 8(a)에 듀티비를 20%로 고정하여, 실리콘 질화막의 라인을 에칭한 경우의 반복 주파수에 대한 라인의 에칭 형상의 테이퍼 각도의 의존성을 나타낸다. 반복 주파수가 낮아질수록, 에칭 형상이 수직에 가까워진다. 반복 주파수와 듀티비에 의해, 오프 시간이 규정되지만, 도 8(a)의 결과는, 오프 시간이 길어짐으로써, 반응 생성물 농도가 낮아져, 반응 생성물의 부착이 적어졌기 때문이다. 도 8(a)의 반복 주파수에 대한 테이퍼 각도의 의존성을, 오프 시간에 대한 테이퍼 각도의 의존성으로 재기록한 것이 도 8(b)이지만, 도 8(b)보다, 오프 시간을 길게 함으로써 테이퍼 각도를 제어하는 것이 가능함을 알 수 있다. 특히, 오프 시간이, 10?1000㎳의 범위에서 수직의 에칭 형상을 얻을 수 있다.
이와 같이, 오프 시간을 반응 생성물의 체재 시간 이상으로 함으로써, 반응 생성물 농도를 감소시킬 수 있다. 오프 시간을 길게 하기 위해서는, 반복 주파수를 낮게 하고, 또한, 듀티비를 낮게 할 필요가 있다. 예를 들면, 도 7(b)는, 반복 주파수가 11.1㎐, 듀티비가 11.1%의 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력을 시료 재치용 전극(111)에 인가하여 웨이퍼(112)를 플라즈마 에칭한 예이다.
따라서, 본 실시예는, 오프 시간을 길게 할 수 있는 저주파의 반복 주파수 대역에서도, 정밀도 높은 주파수 제어가 가능하기 때문에, 반응 생성물 농도를 고정밀도로 제어할 수 있다. 이 때문에, 에칭 형상을 고정밀도로 제어할 수 있다.
또, 피에칭막의 종류나 대상 에칭 공정, 에칭 조건 등에 따라서는, 고주파의 반복 주파수 대역을 이용할 필요가 있는 경우가 있다. 그러나, 고주파의 반복 주파수의 경우에는, 온 시간 및 오프 시간이 매우 짧기 때문에, 저주파에 비해 주파수 분해능은 그다지 높지 않아도 되는 경우가 많다.
또, 에칭 공정은 여러가지 종류가 있고, 공정에 따라서는, 수직 가공이 아니라, 테이퍼 형상이 필요한 경우가 있다. 일례로서는, 소자 분리부(Shallow Trench Isolation : STI, 이하 STI라고 칭한다)의 에칭이 있다. STI 에칭 후에는, 매립을 하기 위하여, 일반적으로, 테이퍼 형상이 필요하게 된다. 테이퍼 형상으로 가공할 때, 도 8(a)에 나타내는 바와 같은 에칭 특성을 가지는 경우에는, 반복 주파수를 높게 하면 된다. 이와 같이 반도체 제조의 여러가지 공정에 넓게 대응하기 위해서는, 반복 주파수는 광범위하게 사용할 수 있는 것이 바람직하다.
또, 상기 서술한 플라즈마 처리방법은, 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스의 반복 주파수의 사용 주파수 범위가, 2개의 주파수 대역으로 분할된 예이었지만, 반복 주파수의 사용 주파수 범위가 2개 이상으로 분할되어 있는 경우에도, 상기 서술한 플라즈마 처리방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또, 반복 주파수의 사용 주파수 범위가 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역의 조합으로 이루어지는 경우에도, 상기 서술한 플라즈마 처리방법과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은, 상기 서술한 바와 같은 구성을 구비하기 위하여, 광범위한 주파수 대역에서 고정밀도로 제어된 반복 주파수의 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력을 재치용 전극에 공급할 수 있기 때문에, 다양한 에칭 공정에 있어서, 높은 정밀도의 에칭 가공이 가능하다.
또, 상기 서술한 실시예에서는, 반복 주파수의 주파수 대역의 복수 채널의 교체는, 채널 교체 신호를 사용하였으나, 고주파 바이어스 전원을 복수 사용하는 방법이어도 된다. 예를 들면, 도 9에 나타내는 바와 같이, 2개의 채널의 경우, 각각, 서로 다른 주파수 대역의 반복 주파수의 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력을 출력하는 고주파 전원을 2개 설치하고, 고주파 전원 선택 신호에 의해 제1 고주파 전원(127)과 제2 고주파 전원(128)을 전환함으로써, 광범위한 주파수 대역에서 고정밀도로 제어된 반복 주파수의 시간 변조된 간헐적인 고주파 바이어스 전력을 재치용 전극에 공급할 수 있다. 또, 도 10에 나타내는 바와 같이, 상기 복수의 고주파 전원 대신, 서로 다른 주파수 대역의 반복 주파수의 펄스 파형을 각각 발생시키는 복수의 펄스 발생기[제1 펄스 발생기(129), 제2 펄스 발생기(130) 등]를 고주파 바이어스 전원으로 형성해도 된다.
또, 상기 서술한 실시예의 고주파 바이어스 전원의 구성은, 플라즈마를 생성하는 고주파 전원에도 적용할 수 있다. 이 때문에, 본 발명은, 광범위한 반복 주파수 대역에서 고정밀도로 제어 가능한 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을, 플라즈마를 생성하는 고주파 전원과, 고주파 바이어스 전원의 적어도 어느 하나의 전원으로부터 공급하는 플라즈마 처리장치이다.
또, 본 실시예에서는, 마이크로파 ECR 플라즈마를 일 실시예로 하여 설명하였으나, 용량 결합형 플라즈마나 유도 결합형 플라즈마 등의 다른 플라즈마 생성방식에 있어서의 플라즈마 처리장치에 있어서도 본 실시예와 동일한 효과가 얻어진다.
101 : 진공용기 102 : 샤워 플레이트
103 : 유전체창 104 : 처리실
105 : 가스공급장치 106 : 진공배기장치
107 : 도파관 108 : 펄스 발생기
109 : 전자파 발생용 전원 110 : 자장 발생 코일
111 : 웨이퍼 재치용 전극 112 : 웨이퍼
113 : 매칭 회로 114 : 고주파 바이어스 전원
115 : 고주파 필터 116 : 직류 전원
117 : 배기용 개폐 밸브 118 : 배기 속도 가변 밸브
120 : 제어부 121 : 퍼스널 컴퓨터
122 : 마이크로 컴퓨터 123 : D/A 컨버터
124 : A/D 컨버터 125 : 신호 처리부
126 : 고주파 바이어스 출력부 127 : 제1 고주파 전원
128 : 제2 고주파 전원 129 : 제1 펄스 발생기
130 : 제2 펄스 발생기

Claims (9)

  1. 진공용기와, 상기 진공용기 안에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전원과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 전압을 인가하는 제2 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고주파 전원의 적어도 하나는, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 공급하는 것으로서, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 상기 고주파 전력을 시간 변조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고주파 전원의 적어도 하나는, A/D 컨버터와 펄스 발생기를 구비하고,
    상기 A/D 컨버터는, 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 각각 다른 타이밍으로 수신하고,
    상기 펄스 발생기는, 상기 A/D 컨버터가 수신한 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역의 각각으로부터 주파수 대역 교체 신호에 의해 선택된 주파수 대역의 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 고주파 전원의 적어도 하나는, 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역의 수와 동일한 수의 고주파 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  4. 진공용기와, 상기 진공용기 안에 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성수단과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 상기 시료대에 인가하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 고주파 전원은, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 상기 고주파 전력을 시간 변조하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고주파 전원은, A/D 컨버터와 펄스 발생기를 구비하고,
    상기 A/D 컨버터는, 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 각각 다른 타이밍으로 수신하고,
    상기 펄스 발생기는, 상기 A/D 컨버터가 수신한 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역의 각각으로부터 주파수 대역 교체 신호에 의해 선택된 주파수 대역의 펄스를 발생하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고주파 전원은, 상기 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역의 수와 동일한 수의 고주파 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
  7. 진공용기와, 상기 진공용기 안에 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성수단과, 상기 진공용기 안에 설치되어 시료를 재치하는 시료대와, 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 상기 시료대에 인가하는 고주파 전원을 구비하는 플라즈마 처리장치를 이용한 플라즈마 처리방법에 있어서,
    상기 고주파 전원은, 2개 이상의 서로 다른 주파수 대역을 가지고, 상기 주파수 대역의 각각이 사용하는 아날로그 신호의 범위가 동일한 반복 주파수에 의해 고주파 전력을 시간 변조하고,
    상기 주파수 대역의 어느 주파수로 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력을 인가하면서 상기 시료를 에칭하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력이 인가되지 않는 기간은, 10?1000㎳인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 시간 변조된 간헐적인 고주파 전력이 인가되지 않는 기간이 반응 생성물의 체재 시간 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리방법.
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