KR20130018457A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 웨이퍼 상의 이온 에너지를 원하는 범위의 값으로 조절하여, 고정밀도의 가공 또는 장기간 안정적으로 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다. 진공 용기 내에 배치되어 내부에서 플라즈마가 형성되는 처리실과, 이 처리실 내에 배치되어 그 상부의 탑재면에 처리 대상의 웨이퍼가 탑재되는 스테이지와, 이 스테이지 내부에 배치된 전극에 바이어스 전위를 형성하기 위한 고주파 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 전원으로부터 상기 고주파 전력을 공급하면서 상기 플라즈마를 이용하여 상기 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 스테이지의 상기 탑재면의 외주측에 배치되어 그 상방에 형성되는 상기 바이어스의 전압의 값으로부터 최대값 및 최소값과의 차이의 성분 Vpp와 직류의 성분 Vdc를 검출하는 검출기와, 이 검출기로부터의 출력에 기초하여 상기 처리 중 Vpp/2+│Vdc│의 값을 일정해지도록 고주파 바이어스 전력의 출력을 조절하는 제어기를 구비하였다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA TREATMENT}
본 발명은, 진공 용기 내의 처리실 내에 형성한 플라즈마를 이용하여 당해 처리실 내에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것으로서, 특히, 처리 중에 처리실 내의 시료대의 탑재면에 탑재된 시료 상에 고주파 전력에 의한 바이어스 전위를 형성하여 시료를 처리하는 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 양산 공정에 있어서, 플라즈마 에칭, 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 애싱 등의 플라즈마 처리가 널리 이용되고 있다. 플라즈마 처리는, 감압한 상태의 처리용 가스에 고주파 전력이나 마이크로파 전력을 투입함으로써 플라즈마를 발생시키고, 이온이나 라디칼을 웨이퍼에 조사함으로써 행해진다. 특히 플라즈마 에칭에서는, 웨이퍼에 수100kHz 내지 수10MHz의 고주파 바이어스를 인가하고, 플라즈마 중의 이온을 웨이퍼에 적극적으로 끌어들임으로써, 이방성이 높은 가공을 행하고 있다.
또한 반도체 디바이스의 미세화는 앞으로도 진행되어, 국제 반도체 기술 로드맵(International Technology Roadmap for Semiconductors ; ITRS)에 의하면, 2014년부터 2016년 사이에는 22nm 노드의 양산이 시작될 것으로 예상되고 있다. 이때의 트랜지스터 구조는, 현재의 주류인 플레이너형(평면형)부터, 더블게이트형, 트라이게이트형 등의 3D 구조를 가진 FinFET형이 주류가 될 것으로 예상된다. 이들 장래의 반도체 디바이스의 제조에 사용되는 플라즈마 처리 장치, 특히 미세화의 요점인 플라즈마 에칭 장치에는 극한의 미세 가공 성능이나 제어성, 안정성이 요구되고 있다.
일반적으로 플라즈마 에칭 장치는, 에칭 형상이나 에칭 속도, 마스크 선택비, 하지(下地) 선택비 등에 관하여 원하는 성능을 얻기 위해, 플라즈마 생성용의 소스 전력, 바이어스 전력, 각종 가스 유량, 가스 압력 등의 파라미터(외부 파라미터)를 소기의 값의 범위로 조절하여 처리를 행하고 있었다. 한편, 에칭 성능에 직접 관계되는 플라즈마의 밀도나 라디칼 밀도의 값이나 그 분포, 웨이퍼에 입사되는 이온 에너지 등의 파라미터(내부 파라미터)를 검출하여 이것을 원하는 값의 범위로 조절하여 처리를 행하는 연구는 충분히 검토되어 있지 않았다.
종래의 기술의 예로서, 일본 공개특허공보 제2000-269195호(특허문헌 1)에는, 웨이퍼 바이어스용의 정합기의 출구와 웨이퍼를 유지하는 전극 사이에, 바이어스 전압의 Peak to Peak값 Vpp, 자기 바이어스 전압 Vdc, 장치계의 임피던스 Z 중 적어도 하나를 측정하고, 그 측정값에 기초하여 바이어스 전원의 출력을 제어하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 1은, 외부 파라미터인 바이어스 전력을 일정하게 제어하지 않고, 바이어스 전압의 Vpp, Vdc 등이 일정해지도록 바이어스 전력을 피드백 제어하여, 에칭 장치의 장기간에 걸친 안정적인 가동, 즉, 장기간 운용하였을 때의 에칭 특성의 시간 경과적 변화를 억제할 수 있고, 나아가서는 플라즈마 처리 챔버의 적절한 세정 시기를 판정하는 것이다.
또한, 일본 공개특허공보 제2005-277270호(특허문헌 2)에는, 플라즈마 처리 중의 웨이퍼 바이어스 Vpp를 측정하는 공정과, 웨이퍼 유지 전극과 고주파 바이어스 전원 사이의 정전 용량을 조절하는 공정에 의해, 웨이퍼 바이어스 Vpp를 원하는 일정값으로 유지하는 기술이 개시되어 있다. 본 종래 기술은, 이러한 구성에 의해, 웨이퍼마다 플라즈마의 상태 변화를 저감시켜 균일화하여, 처리의 불균일함을 저감시키는 것이다.
나아가서는, 일본 공개특허공보 제2008-244429호(특허문헌 3)는, FinFET과 같은 단차를 가지는 막 구조를 고정밀도로 에칭하는 방법으로서, 복수의 주파수의 바이어스 전력을 웨이퍼에 공급함으로써, 웨이퍼에 입사되는 이온의 평균 에너지와, 에너지 분포(Ion Energy Distribution Function ; IEDF)를 독립적으로 제어하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평10-74481호(특허문헌 4)에는, 고주파 전력이 인가되어 있는 측정 대상물 상의 이온 에너지를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 제2000-269195호 일본 공개특허공보 제2005-277270호 일본 공개특허공보 제2008-244429호 일본 공개특허공보 평10-74481호
금후의 디바이스의 미세화에 대응해 가기 위해서는, 각 에칭 조건에서, 요구되는 가공 스펙에 있던 이온 에너지 분포 제어가 필요 불가결이 된다. 이러한 과제에 대하여, 상기 종래의 기술에서는 이하의 점에 대해 검토가 불충분하였기 때문에 문제가 발생하고 있었다.
예를 들어, 특허문헌 3에 개시된 기술에서는, 실제의 에칭 중에는 에칭 챔버의 벽의 상태나 기상(氣相)의 분위기가 시시각각 변화되어, 이에 따라 이온 에너지 분포도 시간적으로 변화되기 때문에, 이와 같은 변화에 적합하게 한 복수의 주파수의 바이어스 전력을 웨이퍼 또는 시료대 내의 전극에 공급하기가 곤란하게 되어 있던 점에 대해서는 고려되어 있지 않았다. 또한, 특허문헌 4의 기술을 이용하여, 이온의 에너지 분포를 검출하고 이에 기초하여 웨이퍼 바이어스 전원의 출력을 조절하고자 하여도, 이온 에너지 분포의 모니터의 구조가 원리적으로 복잡해져 매우 큰 비용이 들어, 산업용 반도체 디바이스 제조용의 장치로서 제공하기는 곤란하게 되어 있었다.
또한, 특허문헌 1, 2에 개시된 것에서는, 웨이퍼를 유지하는 전극에서의 바이어스 전압, 즉, 바이어스 Vpp나 Vdc를 측정하고, 이들이 일정해지도록 바이어스 전원 출력이나 정전 용량을 제어하고 있다. 그러나, 발명자들의 검토에 의하면, Vpp, 혹은 Vdc를 일정해지도록 조절하는 것만으로는 웨이퍼 상면에서의 이온 에너지의 분포가 반드시 일정해지지는 않는다는 지견이 얻어졌다.
도 5를 이용하여, 웨이퍼 상의 바이어스 전압 파형과 IEDF의 관계를 모식적으로 나타낸다. 본 도면은, 임의의 형상의 웨이퍼 표면에 있어서의 바이어스 전압의 파형과 이온 에너지 분포 함수(Ion Energy Distribution Function)를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
도 5(a)에 나타낸 바와 같이, 통상, 시료대 내의 전극에 공급되는 고주파 전력에 의한 바이어스 전압의 파형은 대체로 정현파의 형태를 하고 있다. 또한, 정(正) 이온에 비하여 전자의 이동도가 압도적으로 크기 때문에, 마이너스의 자기 바이어스 전압 Vdc가 발생한다.
한편, 이러한 파형을 가지는 바이어스 전압에 의해 가속되어 웨이퍼에 입사되는 플라즈마 중의 이온의 에너지 분포는, 일반적으로, IEDF로서 도 5(b)에 나타낸 바와 같이 복수(본 예에서는 2개)의 형상이 된다. 에칭 처리의 경우, 패턴의 수직성이나, 하지와의 선택비 등의 특성에 가장 영향이 큰 것은, 본 도면에 나타내는 IEDF의 고에너지 피크인 것이 발명자들의 검토의 결과 지견이 얻어졌다.
또한, 본 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 고에너지 피크의 값과 이것에 대응하는 이온 에너지의 값은 Vpp/2+│Vdc│의 값에 의해 좌우되기 때문에, 상기 종래 기술에서는 이온 에너지를 조절하여 충분히 높은 처리, 가공의 정밀도를 얻기는 곤란하였다. 특히, 실제의 에칭 중에는, 에칭 챔버의 벽의 상태나 기상의 분위기가 시시각각 변화되기 때문에, 처리 중에 항상 Vpp와 Vdc 사이에 일정한 상관이 있다고는 한정할 수 없고, Vpp 혹은 Vdc를 일정하게 할 뿐인 조절에서는 원하는 이온 에너지의 분포를 얻기가 곤란하였던 점에 대해, 이들 종래 기술에서는 고려되어 있지 않았다.
또한, 종래의 기술에서는 웨이퍼 상의 Vpp는 계측이 이루어져 왔으나, 웨이퍼 상의 Vdc를 실제로 계측하기는 매우 곤란하였다. 왜냐하면, 현재의 에칭 처리 장치나 플라즈마 처리 장치는, 웨이퍼를 전극 상에 유지하기 위해 정전기에 의해 흡착하는 정전 척을 사용하고 있는 것이 일반적으로서, 이러한 정전 척을 구비한 장치에서는, 웨이퍼 상에 발생한 자기 바이어스 전압 Vdc는 정전 척 상의 절연막에 의해 차단되기 때문에, 특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 바이어스용 정합기의 출구와 웨이퍼를 유지하는 전극 사이에 Vdc의 측정 수단을 설치하였다고 해도 Vdc를 측정하기는 곤란하였다.
본 발명의 목적은, 이러한 과제를 해결하여, 웨이퍼 상의 이온 에너지를 원하는 범위의 값으로 조절하여, 고정밀도의 가공 또는 장기간 안정적으로 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적은, 처리실 내에서 웨이퍼 상에 발생하는 Vdc를 간편하게 검출할 수 있는 수단을 가지고, Vpp/2+│Vdc│의 값을 소정의 범위 내가 되도록 조절함으로써, IEDF의 에너지 피크의 변동을 저감시키는 것에 의해 달성된다. 보다 상세하게는, 진공 배기 수단에 의해 배기된 진공 처리실과, 진공 처리실에 가스를 공급하기 위한 가스 공급 수단과, 상기 가스를 플라즈마화하기 위한 소스 전원과, 웨이퍼를 탑재하기 위한 기판 스테이지와, 상기 기판 스테이지를 거쳐 웨이퍼에 고주파 바이어스 전력을 인가하기 위한 고주파 바이어스 전원을 구비한 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기한 기판 스테이지의 기재부(基材部)로부터 용량적으로 결합하여, 플라즈마에 직접 접촉하는 도전체 부재를 구비하고, 상기한 도전체 부재의 표면은 웨이퍼와 대략 동일 높이로 웨이퍼의 최외주부보다 외측에 있고, 상기한 도전체 부재에 발생하는 바이어스 전압 파형의 Peak to Peak 성분 Vpp와 DC 성분 Vdc를 검출하는 수단을 구비하고, 플라즈마 처리 중에 Vpp/2+│Vdc│의 값이 일정해지도록 고주파 바이어스 전력의 출력을 피드백 제어하는 것을 특징으로 한 플라즈마 처리 장치에 의해 달성된다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다.
도 2는, 도 1에 나타내는 실시예에 관련된 전압 검출 헤드의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다.
도 3은, 도 2에 나타내는 전압 검출부의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는, 도 2에 나타내는 전압 검출 헤드가 서셉터 내부에 배치되어 있는 상태를 위에서 본 평면도이다.
도 5는, 임의의 형상의 웨이퍼 표면에 있어서의 바이어스 전압의 파형과 이온 에너지 분포 함수(Ion Energy Distribution Function)를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 이용하여 본 발명에 관련된 플라즈마 처리 장치의 실시형태를 설명한다.
〔실시예〕
본 발명의 실시예를 도 1 내지 도 4를 이용하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다. 본 실시예의 플라즈마 처리 장치는, 진공 용기를 구비하여 구성되어 있고, 진공 용기의 상방에는 진공 용기 내에 배치된 진공 처리실(1) 내에 플라즈마를 형성하기 위한 전계 또는 자계를 공급하는 전자계 공급 수단이 배치되고, 하방에는 진공 처리실(1) 내를 배기하기 위한 배기 수단이 배치되어 있다. 또한, 진공 용기 내의 진공 처리실(1)은 대략 원통형을 가지며 그 하방의 진공 용기 내에는, 웨이퍼(4)가 그 상면의 탑재면에 탑재되어 유지되는 기판 스테이지(5)가 구비되어 있다.
배기 수단은 진공 처리실(1) 하방에 배치된 배기구에 연결되고, 진공 처리실과 터보 분자 펌프(19) 등의 진공 펌프의 입구가 통로에 의해 연통되어 있다. 진공 펌프와 배기구 사이에는, 회전하여 배기의 통로 내 유로의 단면적을 가변으로 조절하는 컨덕턴스 조절 밸브(18)가 배치되고, 배기 펌프의 동작과 컨덕턴스 조절 밸브(18)에 의한 유로의 단면적의 조절에 의해, 진공 처리실(1) 내의 배기의 양, 속도가 조절된다.
진공 처리실(1)의 기판 스테이지(5)의 상방에는 플라즈마 형성을 위한 공간이 배치되고, 그 천정면은 원판 형상을 가진 석영 등의 유전체제의 마이크로파 투과창(6)이 구비되어 있다. 마이크로파 투과창(6)의 상방에는 원통 공동(空洞)(7)이 구비되고, 마이크로파 투과창(6)의 상면이 원통 공동(7)의 바닥면을 구성하고 있다. 원통 공동(7)은, 상방으로부터 플라즈마를 형성하기 위한 전계(본 실시예에서는 마이크로파의 전계)가 공급되고, 원통 공동(7)의 높이는, 원통 공동 중에서 원형 TE01 모드의 마이크로파가 공진하도록 조정되어 있다.
마이크로파 투과창(6)의 하방이며 이것과 간극을 두고 기판 스테이지(5)와 대향하는 위치에 샤워 플레이트(8)가 구비되어 있다. 마이크로파 투과창(6)과의 사이의 간극은, 진공 처리실(1) 외부의 가스원과 연결된 도시하지 않은 가스 공급 경로와 연결되고, 가스원으로부터의 가스가 간극에 도입되어 간극 내에 확산된 후, 샤워 플레이트(8)의 중앙부에서 기판 스테이지(5)와 대향하는 영역에 배치된 관통 구멍을 통해 진공 처리실(1) 내에 처리용 가스를 분산시켜 도입된다.
원통 공동(7)의 상부에 배치된 링 형상의 판을 구비한 천정면은 원형 도파관(11)이 연결되고, 원형 도파관(11) 내를 전파해 온 마이크로파가 원통 공동(7) 내에 도입된다. 본 실시예에서는, 마이크로파의 주파수로서, 예를 들어, 공업 주파수인 2.45GHz를 이용하고 있다. 원형 도파관(11)을 지나 전파해 온 마이크로파의 전계는, 원통 공동(7) 내에서 소정의 모드로 공진된 전계는, 마이크로파 투과창(6) 및 하방의 샤워 플레이트(8)를 투과하여 하방의 진공 처리실(1) 내에 공급된다.
또한 진공 처리실(1)의 외부이며, 원통 공동(7)의 상방 및 진공 처리실(1) 또는 원통 공동(7)의 측방 외주를 둘러싸고 1계통 내지 3계통의 솔레노이드 코일(2)과, 요크(3)를 가진 자계 형성 수단이 구비되어 있다. 솔레노이드 코일(2)에는 웨이퍼(4)의 처리 중에 직류 전력이 공급되어 발생된 자계가 진공 처리실(1) 내에 공급된다.
웨이퍼(4)의 처리시에, 진공 용기에 배치된 개구를 가진 게이트 내를 통하여 실질적으로 원판 형상을 가진 웨이퍼(4)가 진공 처리실(1) 내에 반송되고, 기판 스테이지(5)에 전달되어 그 원형을 가지는 기판의 탑재면에 탑재되고 정전기에 의해 흡착, 유지된다. 이 상태에서, 배기구로부터 진공 펌프 및 컨덕턴스 조절 밸브(18)의 동작에 의한 배기가 되면서 진공 처리실(1)에 샤워 플레이트(8)를 거쳐 처리용 가스가 도입되고, 배기와 샤워 플레이트(8)를 거친 처리용 가스 도입의 유량 속도의 밸런스에 의해 원하는 값으로 진공 처리실(1) 내의 압력이 조정된다. 본 실시예에서는 웨이퍼(4)의 처리 조건에 따라 0.05Pa 내지 10Pa 사이의 압력으로 조절 가능하게 구성되어 있다.
마이크로파 투과창(6) 및 샤워 플레이트(8)와 투과시켜 마이크로파의 전계가 진공 처리실(1) 내에 공급되고, 또한 자계 공급 수단으로부터 자계가 공급된다. 이들 전계, 자계의 상호 작용의 결과 처리용 가스가 여기되어 플라즈마화된다. 이때, 솔레노이드 코일(2)에 의해 진공 처리실(1) 내부에 ECR 공명을 야기하는 강도인 875가우스의 자계가 공급되고 있어, 0.05Pa 내지 5Pa 정도의 압력의 범위에서 안정적인 플라즈마를 생성할 수 있다.
기판 스테이지(5) 내에는 금속제의 전극이 배치되고, 이 전극에 고주파 바이어스 전력이 인가되어 기판 스테이지(5)의 상면에 탑재된 웨이퍼(4)의 상방에 고주파 바이어스 전위를 형성하는 수단이 구비되어 있다. 이 고주파 바이어스 전위와 플라즈마의 전위차에 의해 플라즈마 중의 이온을 웨이퍼에 끌어들여 에칭 처리를 촉진시킨다. 본 실시예에서는, 또한, 기판 스테이지(5)에는, 고주파 바이어스 전압의 파형을 정확하게 검출하기 위한 전압 검출 헤드(30)가 분압기(31)와 접속되어 구비되어 있다.
진공 처리실(1)을 구성하는 진공 용기는 알루미늄 등의 금속제이며 전기적으로는 접지되어 있다. 또한, 진공 처리실(1)의 내벽을 구성하는 부분에는, 내플라즈마성이 있고, 또한 디바이스에 금속 오염을 시키기 어려운 절연 재료, 즉, 이트리아(Y2O3), 알루미나(Al2O3), 불화이트륨(Y2F3), 불화알루미늄(Al2F3), 질화알루미늄(AlN), 석영(SiO2) 등의 세라믹스 또는 이들 화합물의 재료에 의한 피막이 50㎛ 내지 500㎛ 정도의 두께로 피복되어 있다.
또한, 진공 처리실(1)의 온도를 조절할 수 있는 구조로 함으로써, 양산시의 처리 안정성을 향상시킬 수 있다. 진공 처리실(1)의 온도의 조절은, 진공 처리실(1)의 측벽의 내부에 액체가 흐르는 유로를 형성해 두고, 칠러 등으로 온도 조절된 액체를 당해 유로에 흘려보냄으로써 실현할 수 있다. 혹은, 진공 처리실(1)의 대기측에 히터를 구비해도 상관없다. 이들 온도 조절 수단에 의해 진공 처리실은 30℃ 내지 100℃ 사이의 원하는 온도로 온도 조절된다. 또한, 진공 처리실(1)의 금속벽 부분에 백금 온도계 등의 온도 모니터 수단을 매립하여, 진공 처리실의 온도를 피드백 제어함으로써, 추가적인 처리의 안정화를 기대할 수 있다.
원판 형상을 가진 마이크로파 투과창(6)의 직경은 상기 진공 처리실(1)의 내경보다 약간 크게 되어 있고, 외주부를 O링 등으로 시일함으로써 진공 처리실(1) 내와 외부의 대기압의 외기 사이를 기밀하게 밀봉하고 있다. 마이크로파 투과창(6)의 재질로는, 마이크로파의 손실이 작고, 오염을 일으키지 않는 재질, 즉, 석영, 알루미나, 이트리아 등의 재질이 바람직하다.
마이크로파 투과창(6)의 하방에 배치된 대략 원판 형상의 유전체제의 샤워 플레이트(8)의 재질은, 마이크로파 투과창(6)의 재질과 마찬가지로, 마이크로파의 손실이 작고, 오염을 일으키지 않는 재질, 즉, 석영, 알루미나, 이트리아 등의 재질이 바람직하다. 샤워 플레이트(8)에는 직경 0.1mm 내지 0.8mm 정도의 관통 구멍이, 5mm 피치 내지 20mm 피치 정도의 간격으로 뚫려 있고, 또한, 그 두께는 5mm 내지 15mm 사이에서 적절히 설정된다.
샤워 플레이트(8)와 마이크로파 투과창(6) 사이에는, 0.1mm 내지 1mm 정도의 틈인 간극이 형성되어, 처리용 가스가 공급되어 확산되는 가스 버퍼실로 되어 있고, 이 가스 버퍼실의 외주부로부터 도입된 처리용 가스는 확산된 결과 관통 구멍으로부터 진공 처리실(1) 내로 유입되는 유량의 불균일이 억제된다. 또한, 가스 버퍼실과 샤워 플레이트(8)를 내주부와 외주부의 2개의 영역으로 나누고, 각각에 다른 계통의 가스 공급계(도시 생략)를 연결하여, 내주부와 외주부에 흘려보내는 처리용 가스의 종류, 조성, 유량을 적절히 조절함으로써, 웨이퍼에 도달하는 라디칼종의 분포를 제어하는 것이 가능하게 된다.
이에 의해, 보다 높은 웨이퍼면 내의 처리 균일성을 달성할 수 있다. 또한, 처리용 가스로는, Cl2, HBr, HCl, CF4, CHF3, SF6, BCl3, O2, CH4 등의 반응성 가스 중에서 1종류 내지는 4종류 정도를, 피에칭막의 종류에 따라 적절히 선택하여, 각각의 유량이나 혼합비를 적절히 조절한다. 또한, 이들 혼합한 반응성 가스에, Ar이나 Xe 등의 희석 가스를 적절한 유량으로 더해도 상관없다.
원통 공동(7)의 바닥면은 마이크로파 투과창(6)의 상면이 구성하고 있고, 천정면은 링 형상의 금속제 원판이 구성한다. 그 중앙부에는 원형 도파관(11)이 연결되어 있으며, 마이크로파 공급 경로를 구성한다. 마이크로파 공급 경로는, 도파관과 도파관 축 방향의 경로 상에 경로의 하단에서 상단을 향하여, 상하 방향으로 축을 가지는 원형 도파관(11), 원편파 발생기(12), 직사각형 원형 도파관 변환부(13), 수평 방향으로 축을 가지는 직사각형 도파관(14), 마이크로파용 자동 정합기(15), 아이솔레이터(16), 마그네트론(17)이 배치되어 있다.
마그네트론(17)으로부터 발진된 소정의 주파수의 마이크로파에 의한 전계는, 마이크로파용 자동 정합기(15)를 거쳐 직사각형 TE10 모드로 직사각형 도파관을 전파하고, 직사각형 원형 도파관 변환부(13)에서 원형 TE11 모드로 변환되어 원편파 발생기(12)를 거쳐 원통 공동(7)에 도입된다. 원편파 발생기(12)에서 원형 TE11 모드의 편파면을 회전시켜, 오른쪽으로 도는 원편파를 발생시킴으로써, 둘레 방향에서의 전계 분포를 균일화할 수 있다. 또한, 마이크로파용 자동 정합기(15)로 부하와의 매칭을 취함으로써, 마이크로파 전력을 플라즈마 부하에 효율적으로 투입하여, 반사 전력을 억제할 수 있다. 또한, 아이솔레이터(16)는, 마이크로파용 자동 정합기(15)로 전부 취할 수 없었던 반사파가 마그네트론으로 되돌아가는 것을 막고 있다.
진공 처리실(1)의 외부에는, 1계통 내지 3계통의 솔레노이드 코일(2)과, 요크(3)가 구비되어 있다. 본 실시예에서는, 도시하지 않았으나, 솔레노이드 코일(2)에 흐르는 직류의 전류를 적절히 조절함으로써, ECR면(875가우스의 등자장면)의 높이나, ECR면의 형상, 자력선의 발산 정도 등을 조절할 수 있는 구성을 구비하고 있다. 또한, ECR 공명을 이용함으로써, 미세 가공에 유리한 0.05Pa 내지 5Pa 정도의 저압력 영역에서 안정적인 플라즈마를 생성할 수 있고, ECR 높이나 ECR면의 형상, 자력선의 발산 정도가 제어되어, 플라즈마의 밀도 분포가 원하는 것으로 조절된다.
진공 처리실(1)의 하방에는, 웨이퍼(4)를 탑재하기 위한 기판 스테이지(5)가 구비되어 있다. 기판 스테이지(5)의 기재는 알루미늄이나 티탄 등의 금속제이며, 진공 용기의 바닥부를 구성하는 하부 부재와의 사이는 절연재(29)에 의해 절연되어 있다.
기판 스테이지(5) 내에는, 정합기(22)를 거쳐 고주파 바이어스 전원(23)과 전기적으로 접속된 전극이 배치되어 있고, 본 실시예에서는 기재가 상도한다. 기재의 상면에는, 두께 200㎛ 내지 2000㎛ 정도의 절연막층(26)이 배치되어 있고, 웨이퍼(4)가 기재의 상면의 원형 탑재면 상에 탑재된 상태에서 고주파 전력이 공급되어 웨이퍼(4)에 고주파 바이어스 전위가 형성된다. 고주파 바이어스 전원(23)의 전력의 주파수는 200kHz 내지 13.56MHz 사이에서 적절히 선택된다.
또한, 기판 스테이지(5)의 탑재면의 외주측은, 탑재면의 절연막층(26)의 상면 높이보다 낮게 된 링 형상의 단차부가 배치되어 있고, 이 단차부의 절연막층(26)에 덮인 부분의 상방에는, 세라믹스 등 유전체제의 대략 원고리 형상의 부재인 서셉터(27)가 배치되어, 진공 처리실(1) 내에 형성되는 플라즈마에 대하여 기판 스테이지(5)를 덮고 있다. 또한, 기판 스테이지(5)의 측벽부는 대략 원통형을 한 유전체제의 전극 커버(28)로 덮여 있다. 또한, 서셉터(27), 전극 커버(28)의 재질은, 내플라즈마성이 높고 오염을 야기하기 어려운 재질, 즉, 석영, 고순도 알루미나, 이트리아 등이 바람직하다.
상기한 절연막층(26)의 재질은 Al2O3, Y2O3, AlN, 혹은 Al2O3에 Ti2O3을 10％ 전후 함유한 것으로서, 용사 혹은 소결체를 기재의 상면에 접착시킴으로써 형성된다. 또한, 절연막층(26)의 내부에는 복수의 막 형상의 전극이 배치되고, 직류의 압원이 전기적으로 접속되어 있다. 웨이퍼(4)가 탑재면의 절연막층(26) 상면에 탑재된 상태에서, 전극에 수백V 내지 수kV의 직류 전력을 인가함으로써, 절연막층(26)의 상부에 정전기력으로 웨이퍼(4)가 흡착된다.
또한, 기판 스테이지(5)의 원판 또는 원통 형상을 가지는 기재의 내부에는 기재의 온도를 조절하기 위한 냉매가 통류하는, 나선 형상 또는 동심(同心)으로 다른 반경 위치에 복수의 원호 형상으로 배치된 냉매 통로(25)가 배치되어 있다. 냉매 통로(25)는 진공 처리실(1) 외부에 배치된 칠러 등의 온도 조절기(20)와 관로에 의해 연결되고, 온도 조절기(20) 내에서 소정의 온도로 조절된 냉매가 냉매 통로(25)를 지나 순환된다. 이 냉매의 통류에 의해 기판 스테이지(5)의 온도가 처리에 적절한 원하는 값의 범위로 유지된다.
또한, 웨이퍼(4)가 탑재면의 절연막층(26)에 탑재되어 유지된 상태에서, 그 상면에 배치된 개구와 연통된 유로에 전열 가스원(21)으로부터 He 등의 전열 가스가 절연층(26)의 상면과 웨이퍼(4)의 이면 사이의 간극에 도입된다. 이 전열 가스에 의해 웨이퍼(4)와 온도 조절된 기판 스테이지(5) 또는 기재 사이의 온도 전달이 촉진되어, 웨이퍼(4)의 온도가 처리에 적합한 원하는 값의 범위 내로 유지된다.
본 실시예에서는, 기판 스테이지(5)의 탑재면의 외주에 배치된 단차부에 탑재된 서셉터(27) 내부에, 고주파 바이어스를 인가하였을 때에 서셉터(27) 또는 웨이퍼(4)의 상방에 발생하는 바이어스 전압의 피크 투 피크(Peak to Peak, 최대값 및 최소값의 차이)의 값 Vpp 및 자기 바이어스 전압 Vdc의 값을 검출하는 전압 검출 헤드(30)가 배치되어 있다. 전압 검출 헤드(30)는 서셉터(27)의 상면에 배치되어 상방의 진공 처리실(1) 내에 형성되는 플라즈마에 면하는 개구의 내부에 배치되고, 그 상면은 서셉터(27)의 상면과 같은 위치에 유지되어 있고, 또한 기판 스테이지(5)의 탑재면 상의 절연막층(26)의 상면 또는 이것에 탑재된 상태의 웨이퍼(4)의 상면과 실질적으로 같은 높이가 되도록 배치되어 있다.
본 실시예의 전압 검출 헤드(30)는, 전극인 기재의 탑재면의 외주측 부분인 링 형상의 단차부의 상방에 배치되어 있고, 웨이퍼(4)과 동일하게 기재에 공급된 고주파 전력에 의한 바이어스 전위가 상방에 형성된다. 또한, 전압 검출 헤드(30)는 진공 처리실(1)의 외측에서 기판 스테이지(5)의 바로 아래에 구비된 분압기(31)의 입력측에 전기적으로 접속되어 있다. 전압 검출 헤드(30)에 발생하는 고주파 바이어스의 전압의 파형 및 직류의 전압을 흩뜨리지 않고 계측하기 위해서는, 분압기(31)의 입력 임피던스는 1MΩ 이상, 입력 용량은 50pF 이하가 바람직하다.
전압 검출 헤드(30) 상에 발생한 바이어스의 전압의 파형은 분압기(31)에 입력되어, 1/100 정도로 감쇠된 후, 진공 처리실(1) 외부에 배치된 제어 PC(101)의 입출력 인터페이스의 하나인 AD 보드에 출력된다. 제어 PC는 내부의 연산기에 의해 입력된 신호로부터 전압의 파형을 연산함으로써 전압의 파형의 Vpp 성분 및 Vdc 성분을 추출한다.
또한, 제어 PC는, 내부 또는 통신 수단에 의해 통신 가능한 기억 장치에 저장된 소프트 웨이퍼나 데이터에 기초하여, 에칭 중에 Vpp/2+│Vdc│의 값이 일정해지는 고주파 바이어스 전원(23)의 출력값을 연산기에 의해 검출하고, 그 값이 출력되도록 고주파 바이어스 전원(23)에 지령을 발신한다. 제어 PC는 본 실시예의 제어부로서, 도시하지 않았으나 본 실시예의 플라즈마 처리 장치의 전자계 공급 수단, 배기 수단, 기판 스테이지(5), 온도 조절기(20), 분압기(31) 등의 각 동작 부위나 센서 등 검지 수단과 통신 수단을 거쳐 통신 가능하게 접속되고, 수신한 검지 수단으로부터의 신호로부터 연산기에 의해 검출된 플라즈마 처리 장치의 동작의 상태에 기초하여 각 동작 부위에 적절한 동작의 지령을 발신하여, 플라즈마 처리 장치의 동작을 조절한다.
전술한 바와 같이, 웨이퍼에 입사되는 이온 에너지 분포 IEDF의 고에너지 피크 성분은 Vpp/2+│Vdc│로 어림잡을 수 있기 때문에, 에칭이 진행되어, 챔버의 벽의 상태나 분위기가 변화되어도, 상기한 제어를 행함으로써 IEDF의 고에너지 피크 성분은 변화되지 않는다. 이에 의해, IEDF의 고에너지 피크를 시간적으로 일정하게 제어하여, 차세대의 미세화에 대응한 고정밀도 가공과 장기 안정성을 실현할 수 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 4를 이용하여 전압 검출 헤드(30)의 구조를 상세하게 설명한다. 도 2는, 도 1에 나타내는 실시예에 관련된 전압 검출 헤드(30)가 기판 스테이지(5)에 실장되어 있는 상태를 나타내는 단면도이다. 특히, 도 1에 파선의 부분으로 나타내는 서셉터(27)와 그 주변 부분을 확대하여 나타내는 도면이다. 도 3은, 도 2에 나타내는 전압 검출 헤드(30)의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 사시도이다. 도 4는, 전압 검출 헤드(30)가 서셉터(27) 내부에 배치되어 있는 상태를 위에서 본 평면도이다.
도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이, 전압 검출 헤드(30)는 분할되어 교환 가능한 상부 피스(32)와, 하부 피스(33)를 구비하여 구성되어 있다. 기판 스테이지(5)의 탑재면의 외주부에 배치되어 있는 단차부에는, 직경 5mm 내지 10mm의 관통 구멍이 배치되고, 이 관통 구멍의 내부에는 절연 파이프(34)가 삽입되어, 내외를 전기적으로 절연하고 있다. 하부 피스(33)는 금속제의 직경이 큰 원판을 가지고, 절연 파이프(34)의 상단부의 개구 내에 하부 피스(33) 하부가 삽입되어 유지되는 구성을 구비하고 있다.
하부 피스(33)는, 직경 10mm 내지 50mm, 두께 1mm 내지 5mm 정도의 대략 원판 형상의 금속판을 가지고, 그 하면에 링 형상 또는 원통 형상의 소켓(35)이 접합된 구조로 되어 있다. 또한, 소켓(35) 내부에는 플러그(36)가 관입되어 유지되고 금속판과 전기적으로 접속되어 있다. 플러그(36)는 하단부가 신호선(37)의 선단과 접속되고 신호선(37)의 타단부는 분압기(31)의 입력측에 접속되어 있다.
하부 피스(33)의 상부에는, 착탈 가능한 상부 피스(32)가 구비되어 있다. 상부 피스(32)는, 하부 피스의 원판부와 대략 동일한 직경의 원판 위에, 그것보다 작은 직경의 원기둥을 동심으로 겹친 형상으로 일체 형성되어 있다. 상부 피스(32)의 원기둥 부분의 상면의 직경은 4mm 내지 40mm이다.
상부 피스(32)에는 웨이퍼(4)와 동일하게 고주파 전력이 인가되어 상방에 바이어스 전위가 형성되기 때문에, 장기간 사용하면 하전 입자와의 충돌에 의해 소모된다. 이 때문에, 상부 피스(32)는 착탈, 교환이 용이한 구조로 하고 있다. 또한, 본 실시예의 상부 피스의 재질은 웨이퍼에 금속 오염을 일으키기 어렵고, 또한 도전율이 높은 재질, 즉, 보론 혹은 인을 도프한, 저항률이 1Ωcm 이하인 실리콘이 사용된다.
또한, 상부 피스(32)의 대직경의 원판부 하면에, 알루미늄을 스퍼터 증착하고 열처리를 실시함으로써, 하부 피스(33)와 접촉시킨 경우의 직류의 전기 접촉이 보다 확실해진다. 또한, 서셉터(27)는, 상부 피스(32), 하부 피스(33)가 접촉시킨 상태의 형상에 맞추어 단차 형성된 관통 구멍이 배치되어 있고, 상부 피스(32)를 하부 피스(33)에 겹친 상태에서, 서셉터(27)의 관통 구멍에 감합하여 유지된다. 이 상태에서, 상부 피스(32)의 상부의 원기둥부 상면은 서셉터(27)의 상면과 같은 높이로 되어 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 상부 피스(32)는 웨이퍼(4)의 외주연(外周緣)에 대하여 적절한 위치에 배치할 필요가 있으나, 상부 피스(32)가 웨이퍼(4)의 외연(에지)에 지나치게 가까우면, 상부 피스(32)의 영향으로 웨이퍼(4)의 에지부 근방의 에칭의 특성(속도, 수직성 등)이 악화될 가능성이 있다. 또한, 상부 피스(32)가 웨이퍼(4)의 에지에서 지나치게 멀면, 웨이퍼(4) 상의 플라즈마 상태와 전압 검출 헤드(30)의 상부 피스(32) 상의 플라즈마 상태의 차이가 커져, Vpp, Vdc를 고정밀도로 계측하기가 곤란해진다.
본 실시예에서는, 상부 피스(32)는 이하의 관계를 만족시키는 위치에 배치된다.
0.5×B < A < 3.0×B
여기서 A는, 웨이퍼(4)의 에지부터 전압 검출 헤드(30)의 상부 피스(32) 상부의 원기둥부 상단까지의 거리이며, 본 실시예에서는 서셉터(27)의 관통 구멍과 연통된 상면의 개구와의 거리이다. 또한 B는, 전압 검출 헤드(30)의 상부 피스(32) 상부의 원기둥부 직경이며, 본 실시예에서는 상기 개구의 직경과 동등하다. 즉, 상기 조건은, 웨이퍼(4) 또는 플라즈마에 면하는 전압 검출 헤드(30)의 상단과 웨이퍼(4)의 수평 방향의 거리는 전압 검출 헤드(30)의 상단부 직경의 1/2 내지 3배의 범위 내가 된다.
이와 같은 전압 검출 헤드(30)를 사용하여 고주파 바이어스의 Vpp와 Vdc를 정밀하게 측정하기 위해서는 웨이퍼(4) 바로 위쪽의 플라즈마의 밀도와 전압 검출 헤드(30) 바로 위쪽의 플라스마 밀도가 크게 다르지 않은 것에 더하여, 전압 검출 헤드(30)에 인가되는 바이어스가 웨이퍼(4)와 동등해지게 할 필요가 있다.
웨이퍼(4)는 기판 스테이지(5)의 기재와는 절연층(26)을 거쳐 용량적으로 커플링되어 있다. 본 실시예에서는, 이 정전 용량을 C1(pF)로 하고, 또한, 웨이퍼(4)의 면적을 S1(㎠), 전압 검출 헤드의 상면의 면적을 S2(㎠)로 하면, 전압 검출 헤드(30) 또는 그 도전성 부재의 부분이 기판 스테이지(5) 또는 전극인 기재와 커플링되는 정전 용량 C2를, C2=S2×C1/S1로 한다. 만일, C2가 이 값보다 충분히 작은 경우에는 전압 검출 헤드(30)에는 고주파의 바이어스는 거의 인가되지 않게 된다. 반대로 C2가 이 값보다 충분히 크면, 웨이퍼(4)에 인가되는 바이어스 전압 이상의 전압이, 검출 헤드(30)에 인가되게 된다.
상기 실시예에 의하면, 전압 검출 헤드(30)에 의해 검출된 결과를 이용하여 웨이퍼(4) 상에 발생하는 바이어스 전압의 파형을 고정밀도로 예측할 수 있다. 즉, 웨이퍼(4) 상에 발생하는 Vdc를 간편하게 In-situ로 검출할 수 있다. 이 검출한 결과를 이용하여, Vpp/2+│Vdc│를 일정해지도록 조절하고, IEDF의 고에너지 피크에 대응하는 이온 에너지를 일정하게 제어함으로써, 차세대의 미세화에 대응한 고정밀도의 가공과 장기 안정성을 겸비한 플라즈마 에칭 장치를 제공할 수 있다.
또한, 이제까지의 설명은, 플라즈마원으로서 유자장(有磁場) 마이크로파 ECR 장치를 예로 설명해 왔으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 웨이퍼에 바이어스를 인가하는 타입이면, 다른 플라즈마 소스, 즉, 평행 평판형, 유도 결합형이어도, 본 발명의 효과는 전혀 변하지 않는다.
1 진공 처리실
2 솔레노이드 코일
3 요크
4 웨이퍼
5 기판 스테이지
6 마이크로파 투과창
7 원통 공동
8 샤워 플레이트
11 원형 도파관
12 원편파 발생기
13 직사각형 원형 도파관 변환부
14 직사각형 도파관
15 마이크로파용 자동 정합기
16 아이솔레이터
17 마그네트론
18 컨덕턴스 조절 밸브
19 터보 분자 펌프
20 온도 조절기
21 전열 가스원
22 정합기
23 고주파 바이어스 전원
25 냉매 통로
26 절연막층
27 서셉터
28 전극 커버
29 절연재
30 전압 검출 헤드
31 분압기
32 상부 피스
33 하부 피스
34 절연 파이프
35 소켓
36 플러그
37 신호선

Claims (6)

  1. 진공 용기 내에 배치되어 내부에서 플라즈마가 형성되는 처리실과, 이 처리실 내에 배치되어 그 상부의 탑재면에 처리 대상의 웨이퍼가 탑재되는 스테이지와, 이 스테이지 내부에 배치된 전극에 바이어스 전위를 형성하기 위한 고주파 전력을 공급하는 전원을 구비하고, 상기 전원으로부터 상기 고주파 전력을 공급하면서 상기 플라즈마를 이용하여 상기 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 스테이지의 상기 탑재면의 외주측에 배치되어 그 상방에 형성되는 상기 바이어스의 전압의 값으로부터 최대값 및 최소값과의 차이의 성분 Vpp와 직류의 성분 Vdc를 검출하는 검출기와, 이 검출기로부터의 출력에 기초하여 상기 처리 중 Vpp/2+│Vdc│의 값을 일정해지도록 고주파 바이어스 전력의 출력을 조절하는 제어기를 구비한 플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는, 그 상단은 상기 탑재면의 상면 또는 이것에 탑재된 상태에서 상기 웨이퍼 상면과 실질적으로 동일한 높이가 되어 상기 플라즈마에 면하고, 상기 스테이지와 상기 검출기의 단위 면적당의 정전 결합 용량이 상기 스테이지와 상기 웨이퍼의 단위 면적당의 정전 결합 용량과 동등하게 된 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 검출기의 상기 플라즈마에 면하는 부분은 상기 웨이퍼가 상기 탑재면에 탑재되어 유지된 상태에서 이 웨이퍼의 외주연(外周緣)과의 거리가 상기 플라즈마에 면하는 부분의 1/2 내지 3배의 범위 내가 된 플라즈마 처리 장치.
  4. 진공 용기 내의 처리실에 배치된 스테이지의 상부의 탑재면 상에 처리 대상의 웨이퍼를 탑재하고, 상기 처리실 내부에서 플라즈마를 형성하여, 상기 스테이지 내부에 배치된 전극과 전기적으로 접속된 전원으로부터 바이어스 전위를 형성하기 위한 고주파 전력을 공급하고 상기 플라즈마를 이용하여 상기 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리 방법에 있어서,
    상기 스테이지의 상기 탑재면의 외주측에 배치되어 그 상방에 형성되는 상기 바이어스의 전압의 값으로부터 최대값 및 최소값과의 차이의 성분 Vpp와 직류의 성분 Vdc를 검출하는 검출기로부터의 출력에 기초하여 상기 처리 중 Vpp/2+│Vdc│의 값을 일정해지도록 고주파 바이어스 전력의 출력을 조절하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 검출기는, 그 상단은 상기 탑재면의 상면 또는 이것에 탑재된 상태에서 상기 웨이퍼 상면과 실질적으로 동일한 높이가 되어 상기 플라즈마에 면하고, 상기 스테이지와 상기 검출기의 단위 면적당의 정전 결합 용량이 상기 스테이지와 상기 웨이퍼의 단위 면적당의 정전 결합 용량과 동등하게 된 플라즈마 처리 방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 검출기의 상기 플라즈마에 면하는 부분은 상기 웨이퍼가 상기 탑재면에 탑재되어 유지된 상태에서 이 웨이퍼의 외주연과의 거리가 상기 플라즈마에 면하는 부분의 1/2 내지 3배의 범위 내가 된 플라즈마 처리 방법.
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