KR20140116811A - 플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치 - Google Patents

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쇼이치로 마츠야마
아키타카 시미즈
스스무 노가미
키요히토 이토
토쿠히사 오히와
카츠노리 야하시
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

에칭률의 국소적인 치우침의 발생을 억제할 수 있고, 차지업 손상의 발생을 억제할 수 있는 플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치를 제공한다. 플라즈마 에칭 장치를 이용하여, 피처리 기판의 실리콘층을 에칭하는 플라즈마 에칭 방법으로서, 처리 챔버내의 압력을 13.3 Pa 이상으로 하고, 하부 전극에 제1 주파수의 제1 고주파 전력과, 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 제2 고주파 전력으로서 1 MHz 이하의 주파수의 제2 고주파 전력을 인가한다.

Description

플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치{PLASMA ETCHING METHOD AND PLASMA ETCHING APPARATUS}
관련 출원에 대한 상호참조
본 출원은, 2013년 3월 25일에 출원된 일본 출원, 일본 특허 출원 2013-061361에 의한 우선권의 이익에 기초한다. 따라서 그것에 의한 우선권의 이익을 주장한다. 상기 일본 출원의 내용 모두는 여기에 참조 문헌으로서 포함된다.
본 발명은 플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 장치의 제조 공정에서는, 에칭 가스를 플라즈마화하여 피처리 기판(반도체 웨이퍼)에 작용시켜, 피처리 기판의 실리콘층 등을 에칭하는 플라즈마 에칭이 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 에칭에서는, 피처리 기판의 일부에 전하가 축적되어 방전(아킹)이 발생하고, 절연 파괴가 생기는 등의 소위 차지업 손상이 생기는 경우가 있고, 이러한 차지업 손상의 발생을 억제하기 위한 기술이 종래부터 개발되고 있다(예컨대 일본 특허 공개 제2009-71292호 공보 참조).
실리콘 에칭으로 높은 에칭률을 얻는 방법으로서, 라디칼이 많은 플라즈마 상태로 플라즈마 에칭을 행하는 방법이 일반적이다. 또한, 이러한 플라즈마 에칭에서는, 피처리 기판상의 디바이스의 금속 오염을 저감하기 위해, 피처리 기판과 대향하는 대향 전극(상부 전극)의 대향면을 석영 부재 등으로 덮는 것이 행해지고 있다.
그러나, 이와 같이 상부 전극에 유전체를 배치하면, 실효적인 애노드 캐소드 면적비가 저하되어, 피처리 기판에 걸리는 자기 바이어스 전압(Vdc)이 작아진다. 이 때문에 피처리 기판 바로 위의 시스가 얇아져, 플라즈마중의 전자가 시스를 뛰어넘어 피처리 기판에 입사하기 쉬워진다. 이 때문에 피처리 기판은 플라즈마의 불균일 분포의 영향을 받기 쉬워져, 예컨대 피처리 기판의 중앙부의 에칭률이 높아지는 등 에칭률의 국소적인 치우침이 발생하는 경우, 차지업 손상이 발생하는 경우가 많아진다.
또한, 플라즈마 에칭 장치에서는, 프로세스 성능의 향상을 위해, 진공 처리 용기의 상부 상판에 설치한 상부 전극을 구동시켜, 진공 처리 용기의 하부에 설치한 하부 전극과의 간격(프로세스 갭)을 제어하는 구성으로 하는 것이 요구되고 있다. 일반적으로, 상부 전극을 구동시키는 구동 기구부에는, 대기와 진공을 차폐하는 금속 소재로 이루어지는 시일재로서 벨로우즈를 이용하고 있다. 이 경우, 진공 처리 용기의 접지(그라운드)와, 상부 전극을 포함한 상부 상판 전체 사이의 임피던스가 커지는 경향이 있다. 이 때문에 실효적인 애노드 캐소드 면적비가 더 저하되어, 한층 더 에칭률의 국소적인 치우침이나 차지업 손상을 유발한다고 하는 문제가 있다.
최근의 반도체 디바이스의 제조공정에서는, 전술한 바와 같은 차지업 손상을 유발하기 쉬운 장치 구성에서의, 프로세스 조건의 최적화 등 프로세스 성능의 향상이 필수로 되고 있다.
이하에 설명하는 실시형태는, 상기한 사정에 대처하여 이루어진 것으로, 에칭률의 국소적인 치우침의 발생을 억제할 수 있고, 차지업 손상의 발생을 억제할 수 있는 플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치를 제공하고자 하는 것이다.
실시형태에 따른 플라즈마 에칭 방법의 일 양태는, 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 처리 챔버내에 정해진 에칭 가스를 공급하는 에칭 가스 공급 기구와, 상기 처리 챔버 안을 배기하는 배기 기구를 구비한 플라즈마 에칭 장치를 이용하여, 상기 피처리 기판의 실리콘층을 에칭하는 플라즈마 에칭 방법으로서, 상기 처리 챔버내의 압력을 13.3 Pa 이상으로 하고, 상기 하부 전극에 제1 주파수의 제1 고주파 전력과, 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 제2 고주파 전력으로서 1 MHz 이하의 주파수의 제2 고주파 전력을 인가하는 것을 특징으로 한다.
실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치의 일 양태는, 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 처리 챔버내에 정해진 에칭 가스를 공급하는 에칭 가스 공급 기구와, 상기 처리 챔버 안을 배기하는 배기 기구와, 상기 하부 전극에 80 MHz 이상 150 MHz 이하의 주파수의 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원과, 상기 하부 전극에 1 MHz 이하의 주파수의 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 전원을 구비하고, 상기 피처리 기판의 실리콘층을 에칭하는 것을 특징으로 한다.
실시형태에 의하면, 에칭률의 국소적인 치우침의 발생을 억제할 수 있고, 차지업 손상의 발생을 억제하할 수 있는 플라즈마 에칭 방법 및 플라즈마 에칭 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 2는 제2 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 도면.
도 3은 차지업 손상의 평가 방법을 설명하는 도면.
도 4는 주파수가 100 MHz와 40 MHz인 경우의 Vdc와 전자 밀도의 관계를 도시하는 그래프.
도 5a는 종래 기술에서의 에칭률의 면내 분포의 예를 도시하는 도면.
도 5b는 실시형태에서의 에칭률의 면내 분포의 예를 도시하는 도면.
(제1 실시형태)
이하, 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 제1 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치의 개략 구성을 모식적으로 도시하는 도면이다. 도 1에 도시한 플라즈마 에칭 장치(100)는 기밀하게 구성되고, 전기적으로 접지 전위로 된 처리 챔버(1)를 갖고 있다.
이 처리 챔버(1)는 원통형이 되고, 예컨대 표면에 양극 산화 피막이 형성된 알루미늄 등으로 구성되어 있다. 처리 챔버(1)내에는, 피처리 기판인 반도체 웨이퍼(W)가 대략 수평으로 배치되는 배치대(2)가 설치되어 있다. 이 배치대(2)는 하부 전극을 겸한 것이며, 예컨대 알루미늄 등의 도전성 재료로 구성되어 있고, 절연판(3)을 통해 도체의 지지대(4)에 지지되어 있다. 또한 배치대(2)상의 외주 부분에는, 반도체 웨이퍼(W)의 주위를 둘러싸도록, SiC 등으로 환형으로 형성된 포커스링(5)이 설치되어 있다.
배치대(2)에는, 제1 매칭 박스(11a)를 통해 제1 고주파 전원(10a)이 접속되고, 제2 매칭 박스(11b)를 통해 제2 고주파 전원(10b)이 접속되어 있다. 제1 고주파 전원(10a)으로부터는, 주파수가 높은, 예컨대 80 MHz 내지 150 MHz의 주파수(본 실시형태에서는 100 MHz)의 고주파 전력이 배치대(2)에 공급되도록 되어 있다. 한편, 제2 고주파 전원(10b)으로부터는, 제1 고주파 전원(10a)보다 낮고 1 MHz 이하인 주파수(본 실시형태에서는 0.4 MHz)의 고주파 전력이 배치대(2)에 공급되도록 되어 있다.
한편, 배치대(2)에 대향하는 그 위쪽에는, 샤워 헤드(16)가 배치대(2)와 평행하게 대향하여 설치되어 있고, 이 샤워 헤드(16)는 접지 전위로 되어 있다. 따라서, 이들의 샤워 헤드(16)와 배치대(2)는 한 쌍의 대향 전극(상부 전극과 하부 전극)으로서 기능하도록 되어 있다.
배치대(2)의 상면에는, 반도체 웨이퍼(W)를 정전 흡착하기 위한 정전척(6)이 설치되어 있다. 이 정전척(6)은 절연체(6b) 사이에 전극(6a)을 개재시켜 구성되어 있고, 전극(6a)에는 직류 전원(12)이 접속되어 있다. 그리고 전극(6a)에 직류 전원(12)으로부터 직류 전압이 인가됨으로써, 쿨롱력 등에 의해 반도체 웨이퍼(W)가 흡착되도록 구성되어 있다.
배치대(2)의 내부에는, 도시하지 않은 냉매 유로가 형성되어 있고, 그 안에 적절한 냉매를 순환시켜 그 온도를 제어할 수 있게 되어 있다. 또한 배치대(2)에는, 반도체 웨이퍼(W)의 이면측에 헬륨 가스 등의 백사이드 가스(이면측 전열 가스)를 공급하기 위한 백사이드 가스 공급 배관(30a, 30b)이 접속되어 있고, 백사이드 가스 공급원(31)으로부터 반도체 웨이퍼(W)의 이면측에 백사이드 가스를 공급할 수 있게 되어 있다. 또한 백사이드 가스 공급 배관(30a)은 반도체 웨이퍼(W)의 중앙부에, 백사이드 가스 공급 배관(30b)은 반도체 웨이퍼(W)의 주연부에 백사이드 가스를 공급하기 위한 것이다. 이러한 구성에 의해, 반도체 웨이퍼(W)를 정해진 온도로 제어 가능하게 되어 있다. 또한, 포커스링(5)의 외측 아래쪽에는 배기링(13)이 설치되어 있다. 배기링(13)은 지지대(4)를 통해 처리 챔버(1)와 도통하고 있다.
처리 챔버(1)의 상벽 부분에, 배치대(2)에 대향하도록 설치된 샤워 헤드(16)에는, 그 하면에 다수의 가스 토출 구멍(18)이 형성되어 있고, 그 상부에 가스 도입부(16a)가 설치되어 있다. 그리고, 그 내부에는 공간(17)이 형성되어 있다. 가스 도입부(16a)에는 가스 공급 배관(15a)이 접속되어 있고, 이 가스 공급 배관(15a)의 타단에는, 플라즈마 에칭용의 처리 가스(에칭 가스) 등을 공급하는 처리 가스 공급계(15)가 접속되어 있다. 또한 샤워 헤드(16)에는, 배치대(2)와의 대향면을 덮도록, 석영 부재(16b)가 배치되어 있다.
처리 가스 공급계(15)로부터 공급되는 가스는 가스 공급 배관(15a), 가스 도입부(16a)를 통해 샤워 헤드(16) 내부의 공간(17)에 이르고, 가스 토출 구멍(18)으로부터, 반도체 웨이퍼(W)를 향해 토출된다.
처리 챔버(1)의 하부에는, 배기 포트(19)가 형성되어 있고, 이 배기 포트(19)에는 배기계(20)가 접속되어 있다. 그리고 배기계(20)에 설치된 진공 펌프를 작동시킴으로써 처리 챔버(1) 안을 정해진 진공도까지 감압할 수 있게 되어 있다. 한편, 처리 챔버(1)의 측벽에는, 반도체 웨이퍼(W)의 반입 반출구를 개폐하는 게이트 밸브(24)가 설치되어 있다.
상기 구성의 플라즈마 에칭 장치(100)는, 제어부(60)에 의해, 그 동작이 통괄적으로 제어된다. 이 제어부(60)는, CPU를 구비하여 플라즈마 에칭 장치(100)의 각 부를 제어하는 프로세스 컨트롤러(61)와, 사용자 인터페이스부(62)와, 기억부(63)를 구비하고 있다.
사용자 인터페이스부(62)는, 공정 관리자가 플라즈마 에칭 장치(100)를 관리하기 위해 커맨드의 입력 조작을 행하는 키보드나, 플라즈마 에칭 장치(100)의 가동 상황을 가시화하여 표시하는 디스플레이 등으로 구성되어 있다.
기억부(63)에는, 플라즈마 에칭 장치(100)에서 실행되는 각종 처리를 프로세스 컨트롤러(61)의 제어로써 실현하기 위한 제어 프로그램(소프트웨어)이나 처리 조건 데이터 등이 기억된 레시피가 저장되어 있다. 그리고, 필요에 따라, 사용자 인터페이스부(62)로부터의 지시 등으로 임의의 레시피를 기억부(63)로부터 호출하여 프로세스 컨트롤러(61)에 실행시킴으로써, 프로세스 컨트롤러(61)의 제어 하에서, 플라즈마 에칭 장치(100)에서의 원하는 처리가 행해진다. 또한, 제어 프로그램이나 처리 조건 데이터 등의 레시피는, 컴퓨터로 판독 가능한 컴퓨터 기록 매체(예컨대 하드디스크, CD, 플렉시블 디스크, 반도체 메모리 등) 등에 저장된 상태의 것을 이용하거나, 또는 다른 장치로부터, 예컨대 전용 회선을 통해 수시 전송시켜 온라인으로 이용하거나 하는 것도 가능하다.
다음에, 상기 구성의 플라즈마 에칭 장치(100)에서, 반도체 웨이퍼(W)를 플라즈마 에칭하는 수순에 대해서 설명한다. 우선, 게이트 밸브(24)가 개방되고, 반도체 웨이퍼(W)가 도시하지 않은 반송 로봇 등에 의해 도시하지 않은 로드록실을 통해 처리 챔버(1) 안으로 반입되며 배치대(2)상에 배치된다. 이 후, 반송 로봇을 처리 챔버(1) 밖으로 후퇴시키고, 게이트 밸브(24)를 폐쇄한다. 그리고, 배기계(20)의 진공 펌프에 의해 배기 포트(19)를 통해 처리 챔버(1) 안이 배기된다.
처리 챔버(1) 안이 정해진 진공도가 된 후, 처리 챔버(1)내에는 처리 가스 공급계(15)로부터 정해진 에칭 가스가 도입되어, 처리 챔버(1) 안이 정해진 압력, 예컨대 13.3 Pa(100 mTorr) 이상으로 유지되고, 이 상태에서 제1 고주파 전원(10a), 제2 고주파 전원(10b)으로부터 배치대(2)에 고주파 전력이 공급된다. 이 때, 직류 전원(12)으로부터 정전척(6)의 전극(6a)에 정해진 직류 전압이 인가되고, 반도체 웨이퍼(W)는 쿨롱력 등에 의해 정전척(6)에 흡착된다.
이 경우에, 전술한 바와 같이 하여 하부 전극인 배치대(2)에 고주파 전력이 인가됨으로써, 상부 전극인 샤워 헤드(16)와 하부 전극인 배치대(2) 사이에는 전계가 형성된다. 이것에 의해, 반도체 웨이퍼(W)가 존재하는 처리 공간에는 방전이 생기고, 그것에 의해 플라즈마화한 에칭 가스에 의해, 반도체 웨이퍼(W)에 정해진 플라즈마 에칭이 실시된다.
그리고, 정해진 플라즈마 처리가 종료하면, 고주파 전력의 공급 및 에칭 가스의 공급이 정지되고, 상기한 수순과는 반대의 수순으로, 반도체 웨이퍼(W)가 처리 챔버(1)내에서 반출된다.
(제2 실시형태)
다음에, 도 2를 참조하여, 제2 실시형태에 따른 플라즈마 에칭 장치(110)의 구성을 설명한다. 도 2에 도시한 플라즈마 에칭 장치(110)는, 예컨대 직경이 300 ㎜의 웨이퍼(W)를 수용하는 원통형의 처리 챔버(111)(통형상 용기)를 가지며, 처리 챔버(111)내의 아래쪽에는 반도체 웨이퍼(W)를 배치하는 원판 형상의 배치대(112)가 배치되어 있다. 처리 챔버(111)는 원관형의 측벽(113)과, 측벽(113)의 위쪽 단부를 덮는 원판형의 덮개(114)를 갖는다.
처리 챔버(111)에는, 도시하지 않은 TMP(Turbo Molecular Pump) 및 DP(Dry Pump) 등의 배기 기구가 접속되어 있고, 처리 챔버(111)내의 압력을 정해진 감압 분위기로 유지할 수 있게 되어 있다.
배치대(112)에는, 제1 고주파 전원(115)이 제1 정합기(116)를 통해 접속되고, 제2 고주파 전원(117)이 제2 정합기(118)를 통해 접속되어 있다. 제1 고주파 전원(115)은 플라즈마 생성용의 비교적 높은 주파수, 예컨대 80 MHz 이상 150 MHz 이하(본 실시형태에서는, 100 MHz)를 배치대(112)에 인가한다. 또한 제2 고주파 전원(117)은 제1 고주파 전원(115)보다 낮은 주파수의 바이어스 전력을 배치대(112)에 인가한다. 본 실시형태에서, 제2 고주파 전원(117)의 고주파 전력의 주파수는, 1 MHz 이하, 예컨대 0.4 MHz로 되어 있다.
배치대(112)의 상부에는, 전극판(119)을 내부에 갖는 정전척(120)이 배치되어 있다. 정전척(120)은 원판형의 세라믹 부재로 구성되고, 전극판(119)에는, 직류 전원(121)이 접속되어 있다. 전극판(119)에 양의 직류 전압이 인가되면, 반도체 웨이퍼(W)에서의 정전척(120)측의 면(이면)에는 음의 전위가 생겨 전극판(119) 및 웨이퍼(W)의 이면 사이에 전계가 생기고, 이 전계에 기인하는 쿨롱력 등에 의해, 반도체 웨이퍼(W)는 정전척(120)에 흡착 유지된다.
또한, 배치대(112)에는, 흡착 유지된 반도체 웨이퍼(W)를 둘러싸도록, 포커스링(122)이 배치되어 있다. 포커스링(122)은, 예컨대 SiC 등으로 구성된다.
처리 챔버(111)내의 위쪽에는, 배치대(112)와 대향하도록 샤워 헤드(123)(이동 전극)가 배치되어 있다. 샤워 헤드(123)는, 다수의 가스 구멍(124)을 갖는 원판형의 도전성의 상부 전극판(125)과, 이 상부 전극판(125)을 착탈 가능하게 매달아 지지하는 쿨링 플레이트(126)와, 쿨링 플레이트(126)를 더 매달아 지지하는 샤프트(127)와, 샤프트(127)의 상단에 배치되는 처리 가스 수용부(128)를 갖는다. 샤워 헤드(123)는, 덮개(114) 및 측벽(113)을 통해 접지되고, 처리 챔버(111)내에 인가되는 플라즈마 생성 전력에 대한 접지 전극으로서 기능한다. 또한 상부 전극판(125)에는, 배치대(112)와의 대향면을 덮도록, 석영 부재(125a)가 배치되어 있다.
샤프트(127)는 내부를 상하 방향으로 관통하는 가스 유로(129)를 가지며, 쿨링 플레이트(126)는 내부에 버퍼실(130)을 갖는다. 가스 유로(129)는 처리 가스 수용부(128)와 버퍼실(130)을 접속하고, 각 가스 구멍(124)은 버퍼실(130)과 처리 챔버(111) 안을 연통한다. 샤워 헤드(123)에서, 가스 구멍(124), 처리 가스 수용부(128), 가스 유로(129) 및 버퍼실(130)은 처리 가스 도입계를 구성하고, 이 처리 가스 도입계는 처리 가스 수용부(128)에 공급된 처리 가스(에칭 가스)를 처리 챔버(111)내의, 샤워 헤드(123)와 배치대(112) 사이에 존재하는 처리 공간에 도입한다.
샤워 헤드(123)에서, 상부 전극판(125)의 외경은 처리 챔버(111)의 내경보다 약간 작게 설정되기 때문에, 샤워 헤드(123)는 측벽(113)에 접촉하지 않는다. 즉, 샤워 헤드(123)는 처리 챔버(111)내에 유동 가능하게 끼우도록 배치된다. 또한 샤프트(127)는 덮개(114)를 관통하고, 이 샤프트(127)의 상부는, 플라즈마 에칭 장치(110)의 위쪽에 배치된 리프트 기구(도시 생략)에 접속된다. 리프트 기구는 샤프트(127)를 도면중 상하 방향으로 이동시키지만, 이 때, 샤워 헤드(123)는 처리 챔버(111)내에서 이 처리 챔버(111)의 중심축을 따라, 피스톤과 같이 상하 이동한다. 이것에 의해, 샤워 헤드(123)와 배치대(112) 사이에 존재하는 처리 공간의 거리인 갭을 조정할 수 있다. 또한 샤워 헤드(123)의 도면중 상하 방향에 관한 이동량의 최대값은 예컨대 70 ㎜ 정도이다.
벨로우즈(131)는, 예컨대 스테인리스로 이루어지는 신축 가능한 압력 칸막이 벽이며, 그 일단은 덮개(114)에 접속되고, 타단은 샤워 헤드(123)에 접속된다. 그리고, 벨로우즈(131)는 처리 챔버(111) 안을 처리 챔버(111) 외부로부터 차폐하는 시일 기능을 갖는다.
플라즈마 에칭 장치(110)에서는, 처리 가스 수용부(128)에 공급된 에칭 가스가 처리 가스 도입계를 통해 처리 공간에 도입되고, 도입된 에칭 가스는 처리 공간에 인가된 플라즈마 생성 전력에 의해 여기되어 플라즈마가 된다. 플라즈마중 양이온은, 배치대(112)에 인가되는 바이어스 전력에 기인하는 음의 바이어스 전위에 의해 배치대(112)에 배치된 반도체 웨이퍼(W)를 향해 인입되어, 반도체 웨이퍼(W)에 에칭 처리를 실시한다.
전술한 플라즈마 에칭 장치(110)의 각 구성 부품, 예컨대 제1 고주파 전원(115)이나 제2 고주파 전원(117)의 동작은, 플라즈마 에칭 장치(110)가 구비하는 제어부(도시 생략)의 CPU가, 에칭 처리에 대응하는 프로그램에 따라 제어한다.
여기서, 플라즈마 에칭 장치(110)에서는, 샤워 헤드(123)가 측벽(113)과 접촉하지 않기 때문에, 처리 공간에 인가된 플라즈마 생성 전력에 기인하는 고주파 전류는 샤워 헤드(123)를 흐른 후, 벨로우즈(131), 덮개(114) 및 측벽(113)을 흘러 접지에 도달하지만, 벨로우즈(131)의 임피던스[주로 인덕턴스(L) 성분]가 크기 때문에 샤워 헤드(123) 및 덮개(114) 사이에서 전위차가 생긴다.
전술한 플라즈마 에칭 장치(100) 및 플라즈마 에칭 장치(110)에서, 반도체 웨이퍼(W)의 실리콘층을 플라즈마 에칭할 때, 라디칼 에칭을 주체로 하는 에칭에서 높은 에칭률을 얻는 방법으로서, 고압[예컨대 13.3 Pa(100 mTorr) 이상]으로 하고, 고할로겐 분압 영역에서 플라즈마 에칭을 행하는 방법이 있다. 이 경우, 예컨대 제1 고주파 전력의 주파수로서 100 MHz, 제2 고주파 전력의 주파수로서 13 MHz를 이용하면, 반도체 웨이퍼 중앙부의 에칭률이 높아지는 등 에칭률의 국소적인 치우침이 발생하거나, 차지업 손상이 발생하거나 하는 경우가 많아진다.
또한, 디바이스에의 금속 오염을 저감하기 위해, 반도체 웨이퍼(W)와 대향하는 대향 전극(상부 전극)에 석영 부재(16b), 석영 부재(125a)를 이용하고 있다. 이 때문에 실효적인 애노드 캐소드 면적비가 저하되어, 반도체 웨이퍼(W)에 걸리는 Vdc가 작아지는 경향이 있다. Vdc가 작아지면, 반도체 웨이퍼 바로 위의 시스도 얇아져, 플라즈마중의 전자가 시스를 뛰어넘어 반도체 웨이퍼(W)에 입사하기 쉬워진다. 이 때문에 반도체 웨이퍼(W)의 에칭 처리의 상태가, 플라즈마의 불균일한 분포의 영향을 받기 쉬워져 버린다. 또한, 일반적으로, 고압 조건으로 플라즈마 에칭을 행하는 경우나, 할로겐 원소를 함유하는 가스를 이용하는 등 음이온이 많이 발생하는 조건으로 에칭을 행하는 경우는, 시스가 얇아져 버리는 것도 알려져 있다.
또한, 플라즈마 에칭 장치(110)와 같이, 상부 전극을 구동시켜 프로세스 갭(상부 전극과 하부 전극 사이의 간격)을 변경할 수 있는 구성의 경우, 전술한 바와 같이, 구동 기구부에 벨로우즈(131)를 이용함으로써 상부 유닛과 그라운드 사이의 임피던스(L 성분)가 커지기 때문에, 실효적인 애노드 캐소드 면적비가 더 저하되고, 그 결과, 에칭률의 국소적인 치우침이나 차지업 손상을 유발하기 쉬워진다.
제2 고주파 전력의 주파수로서, 종래 사용되고 있는 13 MHz, 3 MHz 등을 이용하면, 질량이 큰 양이온 및 음이온은 제2 고주파 전력의 주기에 추종할 수 없고, 주로 정상적으로 형성되어 있는 Vdc에 의해 양이온만이 반도체 웨이퍼에 수송된다. 한편, 본 실시형태와 같이, 제2 고주파 전력의 주파수로서, 1 MHz 이하, 예컨대 0.4 MHz를 이용한 경우에는, 질량이 큰 이온도 제2 고주파 전력의 주기에 추종할 수 있기 때문에 플라즈마로부터 본 반도체 웨이퍼의 전위가 음의 시간대는 양이온이 수송되고, 반대로, 플라즈마로부터 본 반도체 웨이퍼의 전위가 양이 되는 시간대에는, 음이온이 웨이퍼에 수송된다. 이것에 의해, 음이온의 소멸이 증가하고, 전자에 대한 음이온의 비율이 저하함으로써 Vdc가 커진다고 생각된다.
이것에 의해, 두꺼운 시스가 형성되고, 전자가 시스를 넘어 반도체 웨이퍼에 입사하는 것을 저지할 수 있기 때문에, 반도체 웨이퍼면내에 현저한 전위차가 생기지 않게 된다. 그 결과로서, 에칭률의 국소적인 치우침이나 차지업 손상의 발생을 억제할 수 있다.
또한, 상기 조건의 플라즈마 에칭에서는, 보다 높은 전자 밀도를 낮은 파워로 실현하는 것이 바람직하고, 제1 고주파 전력의 주파수는 80 MHz 내지 150 MHz로 하는 것이 바람직하며, 100 MHz로 하는 것이 보다 바람직하다.
상기한 바와 같이, 제1 고주파 전력의 주파수를 80 MHz 내지 150 MHz로 하는 것은, 이하와 같은 관점에서도 바람직하다. 즉, 최근, 생산성 향상의 관점에서 반도체 웨이퍼를 처리 챔버내에 반입하지 않고 처리 챔버내에서 플라즈마를 생성하고, 처리 챔버 내벽에 부착된 부착물을 제거하는 소위 웨이퍼리스 클리닝이 행해지고 있다. 이 때에 중요해지는 것이, 배치대의 소모이며, 배치대에 입사하는 이온의 에너지가 낮은 것이 요구되고 있다. 저손상의 부착물 제거 프로세스를 얻기 위해서는 Vdc이 낮고, 고전자 밀도(고라디칼 밀도)가 얻어지는 높은 주파수에서의 플라즈마 생성이 바람직하다. 이를 위해서는, 제1 고주파 전력의 주파수를 80 MHz 이상으로 하는 것이 필요하다.
도 4의 그래프는, 종축을 전자 밀도, 횡축을 Vdc로 하여, 제1 고주파 전력의 주파수를 100 MHz로 한 경우와, 40 MHz로 한 경우에 대해서, 이들의 관계를 도시한 것이다. 이 그래프에 도시되는 바와 같이, 동일한 플라즈마 밀도를 달성하는 경우, 제1 고주파 전력의 주파수를 높이는 것에 의해 Vdc를 감소시킬 수 있다. 한편, 제1 고주파 전력의 주파수가 너무 높으면 에칭률의 균일성이 나빠지기 때문에, 150 MHz보다 높은 주파수로 하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 80 MHz 내지 150 MHz의 대역의 주파수를 제1 고주파 전력의 주파수로서 선택함으로써, 효율적인 플라즈마 생성, 배치대의 소모가 적은 챔버 내벽의 부착물 제거, 에칭률의 균일성이라는 요구를 만족시킬 수 있다.
또한, 제1 고주파 전력의 주파수를 100 MHz 정도의 높은 주파수로 하고, 제2 고주파 전력의 주파수를 13 MHz로 하여 실리콘의 플라즈마 에칭을 행하는 경우, 압력을 높혀 에칭률을 높이면, 반도체 웨이퍼의 중앙부에서 에칭률이 높아지는 경향이 있었다. 이것은, 일반적으로, 고압으로 음이온이 많은 조건 하에서의 에칭에서는, 음이온과 그것에 수반하여 양이온이 반도체 웨이퍼 중앙부에 체류하기 쉬워지기 때문에, 반도체 웨이퍼 중앙부에서의 에칭률이 증대하기 때문이라고 생각된다. 제1 고주파 전력의 주파수를 100 MHz, 제2 고주파 전력의 주파수를 13 MHz, 압력을 20.0 Pa(150 mTorr)로 하여 플라즈마 에칭을 행한 경우의 에칭률의 면내 분포의 예를 도 5A의 그래프에 도시한다. 이 그래프에 도시되는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 중앙부에서의 에칭률이 국소적으로 높아져 있다.
한편, 전술한 실시형태에 의하면, 제2 고주파 전력의 주파수를, 질량이 큰 이온도 추종할 수 있는 주파수인 1 MHz 이하(0.4 MHz)로 하고 있기 때문에, 플라즈마로부터 본 반도체 웨이퍼의 전위가 양이 되는 시간대에는, 음이온이 반도체 웨이퍼에 수송된다. 이것에 의해, 음이온의 소멸이 증가하고, 전자에 대한 음이온의 비율이 저하한다. 이 때문에 제1 고주파 전력의 주파수를 100 MHz로 하여도, 중앙부에 양이온이 체류하기 쉬워지는 상태로는 되지 않는다. 그 결과, 반도체 웨이퍼의 중앙부의 에칭률이 높아지는 것이 억제된다. 본 실시형태에 의해, 제1 고주파 전력의 주파수를 100 MHz, 제2 고주파 전력의 주파수를 0.4 MHz, 압력을 20.0 Pa(150 mTorr)로 하여 플라즈마 에칭을 행한 경우의 산화막의 에칭률의 면내 분포의 예를 도 5B의 그래프에 도시한다. 이 그래프와, 도 5A의 그래프를 비교하면 명백한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 반도체 웨이퍼 중앙부에서의 에칭률의 국소적 상승이 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 테스트 웨이퍼를 이용하여, 플라즈마에 의한 차지업 손상의 발생의 상태를 평가한 결과를 설명한다. 평가에는, 도 3에 도시한 구조의 소자를 이용했다. 즉, Si 기판(반도체 웨이퍼)(74)상에, 두께 4 ㎚의 게이트 산화막 상당 부분(76a) 및 두께 500 ㎚의 소자 분리 영역(76b)을 갖는 SiO2막(76)을 형성하고, 폴리실리콘막(78)을 더 형성하며, 이러한 소자를 Si 기판(74)상에 매트릭스의 셀형으로 다수 형성하였다. 또한, 폴리실리콘막(78)의 면적(C)을, 게이트산화막 상당 부분(76a)의 면적(D)의 1만배(10 k) 또는 10만배(100 k)로 통상의 소자보다 크게 설정하여, 통상의 스트레스 시험과 마찬가지로 차지업 손상이 발생하기 쉬운 구조로 하였다. 그리고, 일정 시간 플라즈마에 노출시킨 후, 각 소자의 누설 전류를 측정하여, 누설 전류가 1×10-9 A/㎛2 이상인 경우를 절연 파괴가 생긴 것으로 하고, 그보다 작은 값의 경우에는 절연 파괴 없음으로 하였다.
(실시예 1)
실시예 1로서, 도 1에 도시한 플라즈마 에칭 장치(100)를 사용하고, Si 기판(반도체 웨이퍼)으로서는 직경 300 ㎜의 것을 사용하며, 이하의 플라즈마 에칭 조건으로 차지업 손상의 발생 상황을 평가하였다.
처리 챔버내 압력: 20.0 Pa(150 mTorr)
처리 가스: HBr/NF3/O2=250/20/10 sccm
제1 고주파: 주파수 100 MHz, 전력 500 W
제2 고주파: 주파수 0.4 MHz, 전력 1000, 2000, 3000 W
처리 시간: 10초
갭: 35 ㎜
의 조건으로 플라즈마에 반도체 웨이퍼를 노출시켰다.
이 평가 결과를 이하에 나타낸다. 제2 고주파 전력이 각각 1000, 2000, 3000 W인 경우에 대해서, 10 k 및 100 k마다 절연 파괴가 일어나지 않는 소자의 전체 소자에 대한 %(수율에 상당함)로 나타내고 있다.
1000 W: 10 k=100%, 100 k=100%
2000 W: 10 k=100%, 100 k=100%
3000 W: 10 k=100%, 100 k=87%
비교예 1로서, 제2 고주파의 주파수 13 MHz로 한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 처리 조건으로 유사한 평가를 행하였다. 이 평가 결과를 이하에 나타낸다.
1000 W: 10 k=95%, 100 k=49%
2000 W: 10 k=79%, 100 k=49%
3000 W: 10 k=71%, 100 k=57%
비교예 2로서, 제2 고주파의 주파수 3 MHz로 한 점 이외는, 실시예 1과 동일한 처리 조건으로 유사한 평가를 행하였다. 이 평가 결과를 이하에 나타낸다.
1000 W: 10 k=88%, 100 k=32%
2000 W: 10 k=58%, 100 k=3%
이상과 같이, 실시예 1에서는, 제2 고주파 전력이 1000 W, 2000 W인 경우, 100%의 소자에 대해서, 절연 파괴가 생기지 않았다. 또한 3000 W인 경우, 10 k에서는, 절연 파괴가 생기지 않았지만, 100 k에서는, 13%의 소자에 절연 파괴가 생기고, 절연 파괴가 생기지 않은 소자(수율)는 87%였다.
이것에 대하여, 비교예 1에서는, 상당한 수의 소자에 절연 파괴가 생기고, 특히 100 k인 경우는, 반정도 개수의 소자에 절연 파괴가 생겼다. 또한 비교예 2에서는, 비교예 1의 경우 이상의 수의 소자에 절연 파괴가 생겼다.
(실시예 2)
다음에, 실시예 2로서, 도 2에 도시한 플라즈마 에칭 장치(110)를 사용하고, Si 기판(반도체 웨이퍼)으로서는 직경 300 ㎜의 것을 사용하며, 이하의 플라즈마 에칭 조건으로 차지업 손상의 발생 상황을 평가하였다.
처리 챔버내 압력: 20.0 Pa(150 mTorr)
처리 가스: HBr/NF3/O2=250/20/10 sccm
제1 고주파: 주파수 100 MHz, 전력 500 W
제2 고주파: 주파수 0.4 MHz, 전력 2000 W
처리 시간: 10초
갭: 35 ㎜
의 조건으로 플라즈마에 반도체 웨이퍼를 노출시켰다.
이 평가 결과를 이하에 나타낸다. 10 k 및 100 k마다 절연 파괴가 일어나지 않은 소자의 전체 소자에 대한 %(수율에 상당)로 나타내고 있다.
2000 W: 10 k=100%, 100 k=85%
상기한 실시예 2에서는, 실시예 1에 비교하면 100 k인 경우의 차지업 손상의 발생이 보이지만, 비교예 1, 비교예 2에 비교하면, 차지업 손상의 발생이 명백하게 억제되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 상기한 실시예 1, 비교예 1,비교예 2에서의 산화막의 에칭률을 반도체 웨이퍼의 면내의 직경 방향으로 이격된 복수 포인트에서 측정하고, 그 평균값과 변동을 산출한 바, 에칭률의 평균값 및 그 변동은, 이하와 같았다.
(실시예 1)
1000 W: 33.2 ㎚/min, ±47.4%
2000 W: 51.4 ㎚/min, ±24.6%
3000 W: 67.6 ㎚/min, ±17.7%
(비교예 1)
1000 W: 25.4 ㎚/min, ±44.8%
2000 W: 45.2 ㎚/min, ±37.3%
3000 W: 67.3 ㎚/min, ±23.9%
(비교예 2)
1000 W: 31.2 ㎚/min, ±45.2%
2000 W: 60.7 ㎚/min, ±22.6%
상기한 바와 같이, 실시예 1에서는, 에칭률 및 에칭률의 면내 균일성은, 비교예 1과 비교하여 양호했다. 한편, 비교예 2와 실시예 1은 대략 동일한 에칭률 및 에칭률의 면내 균일성이 얻어져 있지만, 비교예 2는 전술한 바와 같이 절연 파괴의 발생 즉 차지업 손상의 영향이 커져 있다. 이와 같이, 실시예 1에서는, 비교예 1, 비교예 2에 비해, 차지업 손상의 발생을 대폭 억제할 수 있고, 에칭률 및 에칭률의 면내 균일성도 양호한 것을 확인할 수 있었다.
다음에, 전술한 차지업 손상과 압력 의존성을 조사하기 위해, 도 2에 도시한 바와 유사한 구조의 장치(단, 제2 고주파 전력의 주파수는 13 MHz)를 이용하여, Si 기판(반도체 웨이퍼)으로서는 직경 300 ㎜의 것을 사용하고, 이하의 플라즈마 에칭 조건으로 차지업 손상의 발생 상황을 평가하였다.
처리 챔버내 압력: 3.99 Pa(30 mTorr), 13.3 Pa(100 mTorr), 20.0 Pa(150 mTorr)
처리 가스: HBr/NF3/O2=250/20/10 sccm
제1 고주파: 주파수 100 MHz, 전력 0 W
제2 고주파: 주파수 13 MHz, 전력 3000 W
처리 시간: 10초
갭: 35 ㎜
의 조건으로 플라즈마에 반도체 웨이퍼를 노출시켰다.
이 평가 결과를 이하에 나타낸다. 처리 챔버내 압력이 각각 3.99 Pa(30 mTorr), 13.3 Pa(100 mTorr), 20.0 Pa(150 mTorr)의 경우에 대해서, 10 k 및 100 k마다 절연 파괴가 일어나지 않은 소자의 전체 소자에 대한 %(수율에 상당함)로 나타내고 있다.
압력 3.99 Pa(30 mTorr): 10 k=100%, 100 k=100%
압력 13.3 Pa(100 mTorr): 10 k=90%, 100 k=68%
압력 20.0 Pa(150 mTorr): 10 k=67%, 100 k=48%
상기한 평가결과에 나타나는 바와 같이, 처리 챔버내 압력이 13.3 Pa(100 mTorr) 이상의 고압이 되면, 차지업 손상이 현저히 나타나는 것을 알 수 있었다.
특정 실시예들이 기재되었지만, 이들 실시예는 단지 예로써 제시된 것이며 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것이 아니다. 실제로, 여기에 기재된 신규의 실시예들은 다양한 다른 형태로 구현될 수 있고, 또한 여기에 기재된 실시예 형태에 있어서 다양한 생략, 치환 및 변경이 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고서 행해질 수 있다. 첨부한 청구항 및 이의 등가물은 본 발명의 범위 및 사상 내에 속하는 것으로 이러한 형태 또는 수정을 포함하도록 의도된다.

Claims (8)

  1. 피처리 기판의 실리콘층을 에칭하는 플라즈마 에칭 방법에 있어서,
    상기 피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과, 상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 처리 챔버내에 정해진 에칭 가스를 공급하는 에칭 가스 공급 기구와, 상기 처리 챔버 안을 배기하는 배기 기구를 구비한 플라즈마 에칭 장치를 준비하는 단계와;
    상기 에칭 가스 공급 기구 및 상기 배기 기구 중 적어도 하나에 의해 상기 처리 챔버내의 압력이 13.3 Pa 이상인 분위기를 형성하는 단계와;
    상기 하부 전극에 제1 주파수의 제1 고주파 전력과, 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수의 제2 고주파 전력으로서 1 MHz 이하의 주파수인 제2 고주파 전력을 인가하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수가 80 MHz 이상 150 MHz 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 에칭 가스가 할로겐 원소를 포함하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 에칭 가스가 할로겐 원소를 포함하는 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 방법.
  5. 피처리 기판의 실리콘층을 에칭하는 플라즈마 에칭 장치에 있어서,
    피처리 기판을 수용하는 처리 챔버와,
    상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 피처리 기판이 배치되는 하부 전극과,
    상기 처리 챔버내에 배치되며 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과,
    상기 처리 챔버 내에 정해진 에칭 가스를 공급하는 에칭 가스 공급 기구와,
    상기 처리 챔버 안을 배기하는 배기 기구와,
    상기 하부 전극에 80 MHz 이상 150 MHz 이하의 주파수의 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원과,
    상기 하부 전극에 1 MHz 이하의 주파수의 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 전원을 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 상부 전극의 상기 하부 전극과의 대향면에, 석영 부재가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 상부 전극이 상하 이동 가능하도록 되어 있고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 간격을 변경 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상부 전극이 상하 이동 가능하도록 되어 있고, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극 사이의 간격을 변경 가능하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 에칭 장치.
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