KR20150032662A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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코지 코야마
토시히사 오즈
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

플라즈마 처리 장치(1)는, 처리 용기(2)로 도입된 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 처리 용기(2)의 내부에 수용된 웨이퍼(W)를 처리한다. 플라즈마 처리 장치(1)는 중앙 도입부(55)와 주변 도입부(61)와 유량 조정부와 제어부(49)를 구비한다. 중앙 도입부(55)는 Ar 가스, He 가스 및 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입한다. 주변 도입부(61)는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 주변부로 도입한다. 유량 조정부는, 중앙 도입부(55)로부터 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입되는 처리 가스의 유량과, 주변 도입부(61)로부터 웨이퍼(W)의 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 조정한다. 제어부(49)는, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 유량 조정부로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명의 다양한 측면 및 실시예는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체의 제조 프로세스에서는, 박막의 퇴적 또는 에칭 등을 목적으로 한 플라즈마 처리가 널리 행해지고 있다. 고성능 또한 고기능의 반도체를 얻기 위해서는, 기판의 피처리면에 대하여 균일한 플라즈마 처리를 실시하는 것이 요망되고 있다.
최근의 플라즈마 처리에서는, 처리 용기로 도입된 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 처리 용기의 내부에 수용된 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리 장치로서는, 2 계통의 라인을 이용하여 처리 가스를 처리 용기로 도입하는 것이 알려져 있다. 이 플라즈마 처리 장치는, 예를 들면 처리 가스를 기판의 중앙부로 도입하는 중앙 도입부와, 처리 가스를 기판의 주변부로 도입하는 주변 도입부를 가진다. 플라즈마 처리 장치는, 처리 가스를 중앙 도입부 및 주변 도입부로부터 처리 용기로 도입하고, 도입된 처리 가스를 플라즈마화함으로써 기판을 처리한다. 중앙 도입부 및 주변 도입부로부터 처리 용기로 도입되는 처리 가스로서는, 예를 들면 Ar 가스 등의 불활성 가스와 HBr 등의 에칭 가스와의 혼합 가스가 이용된다.
여기서, 플라즈마 처리 장치에서는, 기판의 피처리면에 대하여 균일한 플라즈마 처리를 실시하기 위하여, Ar 가스보다 플라즈마화되기 어려운 다른 불활성 가스를 포함하는 처리 가스를 처리 용기로 도입하는 것이 검토되고 있다. 예를 들면 특허 문헌 1에서는, Ar 가스보다 여기 에너지가 크고 플라즈마화되기 어려운 He 가스를 Ar 가스 대신에 불활성 가스로서 채용하고, He 가스 및 에칭 가스로서의 HBr 가스를 포함하는 처리 가스를 처리 용기로 도입하는 것이 개시되어 있다.
일본특허공개공보 평05-243188호
그러나, Ar 가스 대신에 He 가스를 포함하는 처리 가스를 처리 용기로 도입하는 종래 기술에서는, 플라즈마화되어 있지 않은 He 가스에 의해 기판의 중앙부의 전자 온도가 기판의 주변부와 비교하여 저하되어, 기판의 중앙부와 주변부에서 에칭 레이트의 차이가 발생하는 경우가 있다. 결과적으로, 종래 기술에서는, 기판의 피처리면의 균일성이 저해될 우려가 있다.
본 발명의 일측면에 따른 플라즈마 처리 장치는, 처리 용기로 도입된 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 상기 처리 용기의 내부에 수용된 기판을 처리한다. 플라즈마 처리 장치는 중앙 도입부와 주변 도입부와 유량 조정부와 제어부를 구비한다. 중앙 도입부는 Ar 가스, He 가스 및 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 상기 기판의 중앙부로 도입한다. 주변 도입부는 상기 처리 가스를 상기 기판의 주변부로 도입한다. 유량 조정부는, 상기 중앙 도입부로부터 상기 기판의 중앙부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량과, 상기 주변 도입부로부터 상기 기판의 주변부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량을 조정한다. 제어부는, 상기 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 상기 유량 조정부로 조정되는 상기 처리 가스의 유량을 제어한다.
본 발명의 다양한 측면 및 실시예에 따르면, 기판의 피처리면의 균일성을 유지할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법이 실현된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 종단면도이다.
도 2는 도 1의 X-X선 단면도이다.
도 3은 웨이퍼의 중앙부와 주변부에서 발생하는 에칭 레이트의 차이에 대하여 설명하기 위한 도이다.
도 4는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 의한 플라즈마 처리 방법의 처리 순서를 나타낸 순서도이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 도이다.
도 5b는 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 도이다.
도 6은 도 5a 및 도 5b에 나타낸 플라즈마 처리 방법의 효과를 검증한 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도이다.
이하에, 도면을 참조하여 다양한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 종단면도이다. 도 2는 도 1의 X-X선 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(1)는 원통 형상의 처리 용기(2)를 구비한다. 처리 용기(2)의 천장부는 유전체로 이루어지는 유전체창(천판)(16)으로 가려진다. 처리 용기(2)는 예를 들면 알루미늄으로 이루어지고, 전기적으로 설치된다. 처리 용기(2)의 내벽면은 알루미나 등의 보호막으로 피복되어 있다.
처리 용기(2)의 저부의 중앙에는, 기판으로서의 반도체 웨이퍼(이하 웨이퍼라고 함)(W)를 재치(載置)하기 위한 재치대(3)가 설치된다. 재치대(3)의 상면에 웨이퍼(W)가 보지(保持)된다. 재치대(3)는 예를 들면 알루미나 또는 질화 알루미나 등의 세라믹재로 이루어진다. 재치대(3)의 내부에는 히터(5)가 매립되어, 웨이퍼(W)를 소정 온도로 가열할 수 있도록 되어 있다. 히터(5)는 지지 기둥 내에 배치된 배선을 개재하여 히터 전원(4)에 접속된다.
재치대(3)의 상면에는, 재치대(3)에 재치되는 웨이퍼(W)를 정전 흡착하는 정전 척(도시하지 않음)이 설치된다. 정전 척에는, 정합기를 개재하여 바이어스용의 고주파 전력을 인가하는 바이어스용 고주파 전원(도시하지 않음)이 접속된다.
처리 용기(2)의 저부에는, 재치대(3)에 재치되는 웨이퍼(W)의 표면보다 하방의 배기구(11a)로부터 처리 가스를 배기하는 배기관(11)이 설치된다. 배기관(11)에는 압력 제어 밸브, 진공 펌프(10)가 접속된다. 압력 제어 밸브 및 진공 펌프(10)에 의해, 처리 용기(2) 내의 압력이 소정의 압력으로 조절된다. 이들 배기관(11), 압력 제어 밸브 및 진공 펌프(10)가 배기 수단을 구성한다.
처리 용기(2)의 천장부에는 기밀성을 확보하기 위한 씰(15)을 개재하여 유전체창(16)이 설치된다. 유전체창(16)은, 예를 들면 석영, 알루미나(Al2O3) 혹은 질화 알루미늄(AlN) 등의 유전체로 이루어지고, 마이크로파에 대하여 투과성을 가진다.
유전체창(16)의 상면에는 원판 형상의 슬롯 안테나(20)가 설치된다. 슬롯 안테나(20)는 도전성을 가지는 재질, 예를 들면 Ag, Au 등으로 도금 또는 코팅된 구리로 이루어진다. 슬롯 안테나(20)에는, 예를 들면 복수의 T자 형상의 슬롯(21)이 동심원 형상으로 배열되어 있다. 슬롯 안테나(20)는 라디칼 라인 슬롯 안테나(Radial Slot Antenna, 이하 적당히 'RLSA'라고 함)라고도 불린다.
슬롯 안테나(20)의 상면에는, 마이크로파의 파장을 압축하기 위한 유전체판(25)이 배치된다. 유전체판(25)은 예를 들면 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3) 혹은 질화 알루미늄(AlN) 등의 유전체로 이루어진다. 유전체판(25)은 도전성의 커버(26)로 덮인다. 커버(26)에는 원환(圓環) 형상의 열매체 유로(27)가 설치된다. 이 열매체 유로(27)를 흐르는 열매체에 의해 커버(26) 및 유전체판(25)이 소정의 온도로 조절된다. 2.45 GHz의 파장의 마이크로파를 예로 들면, 진공 중의 파장은 약 12 cm이며, 알루미나제의 유전체창(16) 중에서의 파장은 약 3 ~ 4 cm가 된다.
커버(26)의 중앙에는 마이크로파를 전파하는 동축 도파관(30)이 접속된다. 동축 도파관(30)은 내측 도체(31)와 외측 도체(32)로 구성되고, 내측 도체(31)는, 유전체판(25)의 중앙을 관통하여 슬롯 안테나(20)의 중앙에 접속된다.
동축 도파관(30)에는 모드 변환기(37) 및 직사각형 도파관(36)을 개재하여 마이크로파 발생기(35)가 접속된다. 마이크로파는 2.45 GHz 외에, 860 MHz, 915 MHz 또는 8.35 GHz 등의 마이크로파를 이용할 수 있다.
마이크로파 발생기(35)에 의해 발생된 마이크로파는, 마이크로파 도입로로서의, 직사각형 도파관(36), 모드 변환기(37), 동축 도파관(30) 및 유전체판(25)으로 전파된다. 유전체판(25)으로 전파된 마이크로파는 슬롯 안테나(20)의 다수의 슬롯(21)으로부터 유전체창(16)을 거쳐 처리 용기(2) 내로 공급된다. 마이크로파에 의해 유전체창(16)의 하방에 전계가 형성되고, 처리 용기(2) 내의 처리 가스가 플라즈마화된다.
슬롯 안테나(20)에 접속되는 내측 도체(31)의 하단은 원추 사다리꼴 형상으로 형성된다. 이에 의해, 동축 도파관(30)으로부터 유전체판(25) 및 슬롯 안테나(20)로 마이크로파가 효율 좋게 손실없이 전파된다.
RLSA에 의해 생성된 마이크로파 플라즈마의 특징은, 유전체창(16) 직하(直下)(플라즈마 여기 영역이라고 함)에서 생성된 비교적 전자 온도가 높은 수 eV의 플라즈마가 확산되고, 웨이퍼(W) 직상(直上)(플라즈마 확산 영역)에서는 약 1 ~ 2 eV 정도의 낮은 전자 온도의 플라즈마가 되는 것에 있다. 즉, 평행 평판 등의 플라즈마와는 달리, 플라즈마의 전자 온도의 분포가 유전체창(16)으로부터의 거리의 함수로서 명확하게 발생하는 것에 특징이 있다. 보다 상세하게는, 유전체창(16) 직하로부터의 거리의 함수로서, 유전체창(16) 직하에서의 수 eV~ 약 10 eV의 전자 온도가, 웨이퍼(W) 상에서는 약 1 ~ 2 eV 정도로 감쇠한다. 웨이퍼(W)의 처리는 플라즈마의 전자 온도가 낮은 영역(확산 플라즈마 영역)에서 행해지기 때문에, 웨이퍼(W)에 리세스 등의 큰 데미지를 주지 않는다. 플라즈마의 전자 온도가 높은 영역(플라즈마 여기 영역)으로 처리 가스가 공급되면, 처리 가스는 용이하게 여기되어, 해리된다. 한편, 플라즈마의 전자 온도가 낮은 영역(플라즈마 확산 영역)으로 처리 가스가 공급되면, 플라즈마 여기 영역 근방으로 공급된 경우에 비해, 해리의 정도는 억제된다.
처리 용기(2)의 천장부의 유전체창(16) 중앙에는, 웨이퍼(W)의 중앙부로 처리 가스를 도입하는 중앙 도입부(55)가 설치된다. 중앙 도입부(55)는 Ar 가스, He 가스 및 예를 들면 HBr 가스 등의 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입한다. 본 실시예에서는, 중앙 도입부(55)는 Ar 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 일방을 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입한다. 중앙 도입부(55)는 동축 도파관(30)의 내측 도체(31)에 형성된 처리 가스의 공급로(52)와 접속된다.
중앙 도입부(55)는, 유전체창(16)의 중앙에 설치된 원통 형상의 공간부(59)에 감합되는 원기둥 형상의 블록(57)과, 동축 도파관(30)의 내측 도체(31)의 하면과 블록(57)의 상면과의 사이에 적당한 간격을 가지고 형성된 가스 저류부(60)를 가진다. 블록(57)은 예를 들면 알루미늄 등의 도전성 재료로 이루어지고, 전기적으로 접지되어 있다. 블록(57)에는 상하 방향으로 관통하는 복수의 중앙 도입구(58)(도 2 참조)가 형성된다. 중앙 도입구(58)의 평면 형상은, 필요한 컨덕턴스 등을 고려하여 정원(正圓) 또는 긴 홀로 형성된다. 알루미늄제의 블록(57)은 양극 산화 피막 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3) 등으로 코팅된다.
내측 도체(31)를 관통하는 공급로(52)로부터 가스 저류부(60)로 공급된 처리 가스는, 가스 저류부(60) 내를 확산된 후, 블록(57)의 복수의 중앙 도입구(58)로부터 하방 또한 웨이퍼(W)의 중앙부를 향해 분사된다.
처리 용기(2)의 내부에는, 웨이퍼(W)의 상방의 주변을 둘러싸도록, 웨이퍼(W)의 주변부로 처리 가스를 도입하는 링 형상의 주변 도입부(61)가 배치된다. 주변 도입부(61)는 Ar 가스, He 가스 및 예를 들면 HBr 가스 등의 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 주변부로 도입한다. 본 실시예에서는, 주변 도입부(61)는 Ar 가스 및 에칭 가스로서의 HBr 가스를 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 주변부로 도입한다. 주변 도입부(61)는 천장부에 배치되는 중앙 도입구(58)보다 하방으로서, 또한 재치대(3)에 재치된 웨이퍼(W)보다 상방에 배치된다. 주변 도입부(61)는 중공의 파이프를 환상으로 배치한 것이며, 그 내주측에는 둘레 방향으로 일정한 간격을 두고 복수의 주변 도입구(62)가 형성된다. 주변 도입구(62)는 주변 도입부(61)의 중심을 향해 처리 가스를 분사한다. 주변 도입부(61)는 예를 들면 석영으로 이루어진다. 처리 용기(2)의 측면에는 스테인리스제의 공급로(53)가 관통한다. 공급로(53)는 주변 도입부(61)에 접속된다. 공급로(53)로부터 주변 도입부(61)의 내부로 공급된 처리 가스는, 주변 도입부(61)의 내부의 공간에 확산된 후, 복수의 주변 도입구(62)로부터 주변 도입부(61)의 내측을 향해 분사된다. 복수의 주변 도입구(62)로부터 분사된 처리 가스는 웨이퍼(W)의 주변 상부로 공급된다. 또한, 링 형상의 주변 도입부(61)를 설치하는 대신에, 처리 용기(2)의 내측면에 복수의 주변 도입구(62)를 형성해도 된다.
본 실시예에서는, 중앙 도입부(55)에 접속된 공급로(52)는 가스 공급계(41)에 접속되고, 주변 도입부(61)에 접속된 공급로(53)는 가스 공급계(42)에 접속되어 있다. 가스 공급계(41) 및 가스 공급계(42)는 플라즈마 에칭 처리, 플라즈마 CVD 처리에 따른 처리 가스를 중앙 도입부(55) 및 주변 도입부(61) 각각으로 공급한다. 예를 들면, 가스 공급계(41) 및 가스 공급계(42)는 Poly-Si 등의 실리콘계의 막을 에칭할 때는 Ar 가스, He 가스, 에칭 가스로서의 HBr 가스(또는 Cl2 가스), O2 가스를 포함하는 처리 가스를 공급한다. 또한 예를 들면, 가스 공급계(41) 및 가스 공급계(42)는 SiO2 등의 산화막을 에칭할 때는 Ar 가스, He 가스, CHF계 가스, CF계 가스, O2 가스를 포함하는 처리 가스를 공급한다. 또한 예를 들면, 가스 공급계(41) 및 가스 공급계(42)는 SiN 등의 질화막을 에칭할 때는 Ar 가스, He 가스, CF계 가스, CHF계 가스, O2 가스를 포함하는 처리 가스를 공급한다.
가스 공급계(41)와 가스 공급계(42)는 서로 동일한 종류의 처리 가스를 공급해도 되고, 가스 공급계(41)와 가스 공급계(42)는 서로 상이한 종류의 처리 가스를 공급해도 된다. 본 실시예에서는, 가스 공급계(41)는 예를 들면 Ar 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 일방을 포함하는 처리 가스를 중앙 도입부(55)로 공급하고, 가스 공급계(42)는 Ar 가스 및 에칭 가스로서의 HBr 가스를 포함하는 처리 가스를 주변 도입부(61)로 공급한다. 이에 의해, 에칭 가스의 과잉의 해리를 억제할 수 있고, 또한 부식성 가스인 HBr 가스에 의해 중앙 도입부(55)의 블록(57)이 부식하는 것을 방지할 수 있다.
가스 공급계(41)와 가스 공급계(42)는 또한 O2 등의 클리닝 가스를 공급할 수도 있다.
가스 공급계(41)에는, 가스 공급계(41)로부터 공급로(52)를 거쳐 중앙 도입부(55)로 공급되는 처리 가스, 즉 중앙 도입부(55)로부터 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입되는 처리 가스의 유량을 조정하는 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c)가 설치된다. 유량 제어 밸브(41a)는 Ar 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 Ar 가스의 유량을 조정한다. 유량 제어 밸브(41b)는 He 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 He 가스의 유량을 조정한다. 유량 제어 밸브(41c)는 HBr 가스 등의 에칭 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 HBr 가스 등의 에칭 가스의 유량을 조정한다.
가스 공급계(42)에는, 가스 공급계(42)로부터 공급로(53)를 거쳐 주변 도입부(61)로 공급되는 처리 가스, 즉 주변 도입부(61)로부터 웨이퍼(W)의 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 조정하는 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)가 설치된다. 유량 제어 밸브(42a)는 Ar 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 Ar 가스의 유량을 조정한다. 유량 제어 밸브(42b)는 He 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 He 가스의 유량을 조정한다. 유량 제어 밸브(42c)는 HBr 가스 등의 에칭 가스의 가스원(미도시)에 접속되어 있고, 이 가스원으로부터의 HBr 가스 등의 에칭 가스의 유량을 조정한다.
유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)는 제어부(49)에 의해 제어된다. 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)는 유량 조정부의 일례이다.
제어부(49)는, 예를 들면 중앙 처리 장치(CPU) 및 메모리와 같은 기억 장치를 구비하는 컴퓨터여도 된다. 제어부(49)는, 기억 장치에 기억된 프로그램에 따라 다양한 제어 신호를 출력할 수 있다. 제어부(49)로부터 출력되는 다양한 제어 신호는, 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)에 입력된다. 예를 들면 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c)는, 제어부(49)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여, 중앙 도입부(55)로부터 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입되는 처리 가스의 유량을 조정한다. 또한 예를 들면 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)는, 제어부(49)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여, 주변 도입부(61)로부터 웨이퍼(W)의 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 조정한다.
제어부(49)는, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.
여기서 제어부(49)가, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 처리 가스의 유량을 제어하는 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. He 가스는, Ar 가스보다 여기 에너지가 크고, 플라즈마화되기 어렵다고 하는 성질을 가진다. 이 성질을 이용하여, 종래 기술에서는, Ar 가스 대신에 He 가스만을 불활성 가스로서 포함하는 처리 가스를 처리 용기(2)로 도입하고 있었다. 그러나 종래 기술에서는, 플라즈마화되어 있지 않은 He 가스에 의해 웨이퍼(W)의 중앙부의 전자 온도가 기판의 주변부와 비교하여 과도하게 저하되어, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서 에칭 레이트의 차이가 발생하는 경우가 있었다.
도 3은, 웨이퍼의 중앙부와 주변부에서 발생하는 에칭 레이트의 차이에 대하여 설명하기 위한 도이다. 도 3에서는, 웨이퍼(W)의 단면 사진이 나타나 있다. 여기서는, 불활성 가스로서 Ar 가스만 또는 He 가스만을 포함하는 처리 가스가 처리 용기(2)로 도입된 경우에, STI(Shallow Trench Isolation)용의 웨이퍼(W)로부터 Poly-Si막을 제거하는 에칭이 행해진 것으로 한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 불활성 가스로서 Ar 가스만을 포함하는 처리 가스가 처리 용기(2)로 도입된 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부에 형성된 홈(Trench)의 깊이 '221.2 nm'가, 웨이퍼(W)의 주변부에 형성된 홈의 깊이 '209.9 nm'보다 크다. 한편, 불활성 가스로서 He 가스만을 포함하는 처리 가스가 처리 용기(2)로 도입된 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부에 형성된 홈의 깊이 '198.5 nm'가, 웨이퍼(W)의 주변부에 형성된 홈의 깊이 '211.4 nm'보다 작아진다. 즉, He 가스만을 불활성 가스로서 포함하는 처리 가스가 처리 용기(2)로 도입된 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부의 에칭 레이트가, 웨이퍼(W)의 주변부의 에칭 레이트보다 작아지는 것을 알 수 있다.
이러한 점을 감안하여, 본 발명자들은, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비와, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서 발생하는 에칭 레이트의 차이와의 인과 관계에 대하여 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 본 발명자들은, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 된 경우에, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서 에칭 레이트의 차이가 발생하는 것을 회피할 수 있다고 하는 지견을 얻었다. 이 지견에 기초하여, 본 실시예에서는, 제어부(49)가, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.
이어서, 제어부(49)가, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 처리 가스의 유량을 제어하는 처리의 일례에 대하여 설명한다. 제어부(49)는, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비와 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량의 제어값을 대응시킨 테이블을 기억 장치에 유지한다. 제어부(49)는 임의의 소정값의 입력을 입력부로부터 접수한다. 제어부(49)는, 기억 장치에 유지된 테이블을 참조하여 소정값 이상이 되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비를 특정하고, 특정한 분압비에 대응하는 처리 가스의 유량의 제어값을 이 테이블로부터 취득한다. 제어부(49)는, 테이블로부터 취득한 처리 가스의 유량의 제어값에 기초하여, 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.
또한 제어부(49)는, 바람직하게는 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 0.5(50 %) 이상이 되도록, 유량 제어 밸브(41a, 41b, 41c) 및 유량 제어 밸브(42a, 42b, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.
본 실시예에서는, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상, 바람직하게는 0.5 이상이 되도록 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 제어함으로써, 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주변부의 전자 온도를 균등화할 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따르면, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서의 에칭 레이트의 차이를 작게 할 수 있으므로, 웨이퍼(W)의 피처리면의 균일성을 유지할 수 있다.
이어서, 도 1에 도시한 플라즈마 처리 장치(1)에 의한 플라즈마 처리 방법에 대하여 설명한다. 도 4는, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치에 의한 플라즈마 처리 방법의 처리 순서를 나타낸 순서도이다. 도 4에 나타낸 플라즈마 처리 방법은, 예를 들면 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생한 마이크로파를 이용하여 처리 용기(2)로 도입된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 처리가 실행되기 전에, 실행된다. 또한 도 4에 나타낸 처리에서는, 일례로서, 웨이퍼(W)의 상면의 Poly-Si막을 에칭하는 예에 대하여 설명한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(1)의 제어부(49)는, Ar 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 일방을 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입한다(단계(S101)). 즉, 제어부(49)는 유량 제어 밸브(41a, 41b)를 개방 상태로 하는 제어 신호를 유량 제어 밸브(41a, 41b)에 출력함으로써, Ar 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 일방을 포함하는 처리 가스를 중앙 도입부(55)로부터 웨이퍼(W)의 중앙부로 도입한다.
이어서, 제어부(49)는 Ar 가스 및 에칭 가스로서의 HBr 가스를 포함하는 처리 가스를 웨이퍼(W)의 주변부로 도입한다(단계(S102)). 즉, 제어부(49)는 유량 제어 밸브(42a, 42c)를 개방 상태로 하는 제어 신호를 유량 제어 밸브(42a, 42c)에 출력함으로써, Ar 가스 및 HBr 가스를 포함하는 처리 가스를 주변 도입부(61)로부터 웨이퍼(W)의 주변부로 도입한다.
이어서, 제어부(49)는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 0.5(50 %) 이상이 되도록, 유량 제어 밸브(41a, 41b) 및 유량 제어 밸브(42a, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다(단계(S103)). 즉, 제어부(49)는 기억 장치에 유지된 테이블을 참조하여 0.5 이상이 되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비를 특정하고, 특정한 분압비에 대응하는 처리 가스의 유량의 제어값을 이 테이블로부터 취득한다. 그리고, 제어부(49)는 테이블로부터 취득한 처리 가스의 유량의 제어값에 기초하여, 유량 제어 밸브(41a, 41b) 및 유량 제어 밸브(42a, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한다.
이 후, 마이크로파 발생기(35)에 의해 발생한 마이크로파를 이용하여 처리 용기(2)로 도입된 처리 가스를 플라즈마화하는 플라즈마 처리가 실행된다. 플라즈마 처리가 실행되면, 플라즈마화한 처리 가스로부터 이온 등의 활성종이 발생하고, 이 활성종에 의해 웨이퍼(W)의 상면의 Poly-Si막이 에칭된다.
이어서, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법에 따른 효과에 대하여 설명한다. 도 5a, 도 5b는, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법에 따른 효과를 설명하기 위한 도이다. 도 5a, 도 5b는, 플라즈마 처리 장치(1)에 의해 웨이퍼(W)에 대하여 플라즈마 에칭 처리를 행한 경우에서의, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법의 효과를 나타낸 도이다.
도 5a, 도 5b에서 횡축은, 플라즈마 처리 장치(1)의 내부에 수용된 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리[mm]를 나타내고 있다. 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리 '0' mm는 웨이퍼(W)의 중앙부에 상당하고, 웨이퍼(W)의 중심으로부터의 거리 '150' mm는 웨이퍼(W)의 주변부에 상당한다. 또한 도 5a, 도 5b에서, 종축은 에칭 레이트(ER [nm/min])를 나타내고 있다.
또한 도 5a는, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 0 %, 33 %, 50 %, 60 %, 71 %가 되도록, 처리 가스에 포함되는 He 가스의 유량만을 조정했을 경우의, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 주변부에 이르는 에칭 레이트(ER)의 변동을 나타낸 그래프이다. 또한 도 5a에 나타낸 예에서는, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스의 유량은 고정값 400 sccm인 것으로 한다. 한편 도 5b는, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 0 %, 50 %, 71 %가 되도록, 처리 가스에 포함되는 Ar 가스 및 He 가스의 유량을 조정했을 경우의, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 주변부에 이르는 에칭 레이트(ER)의 변동을 나타낸 그래프이다. 또한 도 5b에 나타낸 예에서는, Ar 가스, He 가스 및 에칭 가스를 포함하는 처리 가스의 전체 유량은 고정값 800 sccm인 것으로 한다.
도 5a, 도 5b에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용하지 않을 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부의 에칭 레이트(ER)는, 웨이퍼(W)의 주변부의 에칭 레이트(ER)와 비교하여 커졌다. 즉, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 50 % 미만이 되도록 유량 제어 밸브(41a, 41b) 및 유량 제어 밸브(42a, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어했을 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서의 에칭 레이트(ER)의 차이가 커졌다.
이에 대하여, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 주변부에 이르는 에칭 레이트(ER)가 균등해졌다. 즉, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 50 % 이상이 되도록 유량 제어 밸브(41a, 41b) 및 유량 제어 밸브(42a, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어했을 경우에는, 웨이퍼(W)의 중앙부와 주변부에서의 에칭 레이트(ER)의 차이가 작아졌다.
도 6은, 도 5a 및 도 5b에 나타낸 플라즈마 처리 방법의 효과를 검증한 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도이다. 도 6의 좌상 모서리로부터 우하 모서리에 이르는 시뮬레이션의 결과가, 도 5a에 나타낸 플라즈마 처리 방법의 효과를 검증한 것이다. 도 6의 중앙 위로부터 중앙 아래에 이르는 시뮬레이션의 결과가, 도 5b에 나타낸 플라즈마 처리 방법의 효과를 검증한 것이다. 도 6에 나타낸 파선으로 둘러싸인 영역(100)이, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 경우, 즉 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 50 % 이상이 되도록 유량 제어 밸브(41a, 41b) 및 유량 제어 밸브(42a, 42c)로 조정되는 처리 가스의 유량을 제어한 경우의 시뮬레이션 결과이다.
도 6의 영역(100)에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법을 이용한 경우에는, 영역(100) 이외의 영역에 비해, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 주변부에 이르는 에칭 레이트(ER)의 변동폭이 작아졌다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 플라즈마 처리 장치에 의하면, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 제어하므로, 웨이퍼(W)의 중앙부로부터 주변부에 이르는 에칭 레이트의 변동폭을 작게 할 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따르면, 웨이퍼(W)의 피처리면의 균일성을 유지할 수 있다.
또한 He 가스의 분자의 크기 및 질량은 Ar 가스와 비교하여 작다. 따라서, STI용의 웨이퍼(W)로부터 Poly-Si막을 제거하는 에칭이 행해질 경우에는, He 가스의 분자가 Poly-Si막의 측벽에 대해 가하는 데미지는, Ar 가스의 분자가 Poly-Si막의 측벽에 대해 가하는 데미지보다 작아진다고 상정된다. 본 실시예에 따르면, Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록 웨이퍼(W)의 중앙부 및 주변부로 도입되는 처리 가스의 유량을 제어하므로, Poly-Si막(핀)의 측벽에의 데미지를 저감할 수 있다. 그 결과, 본 실시예에 따르면, 핀의 측벽의 식각(bowing)을 억제할 수 있다.
1 : 플라즈마 처리 장치
2 : 처리 용기
41a, 41b, 41c, 42a, 42b, 42c : 유량 제어 밸브(유량 조정부)
49 : 제어부
55 : 중앙 도입부
61 : 주변 도입부
62 : 주변 도입구
W : 웨이퍼(기판)

Claims (5)

  1. 처리 용기로 도입된 처리 가스를 플라즈마함으로써, 상기 처리 용기의 내부에 수용된 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치로서,
    Ar 가스, He 가스 및 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 상기 기판의 중앙부로 도입하는 중앙 도입부와,
    상기 처리 가스를 상기 기판의 주변부로 도입하는 주변 도입부와,
    상기 중앙 도입부로부터 상기 기판의 중앙부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량과, 상기 주변 도입부로부터 상기 기판의 주변부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량을 조정하는 유량 조정부와,
    상기 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 상기 유량 조정부로 조정되는 상기 처리 가스의 유량을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙 도입부는 Ar 가스 및 He 가스 중 적어도 어느 일방을 포함하는 상기 처리 가스를 상기 기판의 중앙부로 도입하고,
    상기 주변 도입부는, Ar 가스 및 에칭 가스로서의 HBr 가스를 포함하는 상기 처리 가스를 상기 기판의 주변부로 도입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 0.5 이상이 되도록, 상기 유량 조정부로 조정되는 상기 처리 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 가스에는 O2 가스가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 처리 용기로 도입된 처리 가스를 플라즈마화함으로써, 상기 처리 용기의 내부에 수용된 기판을 처리하는 플라즈마 처리 장치에 의한 플라즈마 처리 방법으로서,
    Ar 가스, He 가스 및 에칭 가스 중 적어도 어느 하나를 포함하는 처리 가스를 상기 기판의 중앙부로 도입하는 제 1 공정과,
    상기 처리 가스를 상기 기판의 주변부로 도입하는 제 2 공정과,
    상기 처리 가스에 포함되는 Ar 가스에 대한 He 가스의 분압비가 소정값 이상이 되도록, 상기 기판의 중앙부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량과 상기 기판의 중앙부로 도입되는 상기 처리 가스의 유량을 조정하는 유량 조정부로 조정되는 상기 처리 가스의 유량을 제어하는 제 ３ 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
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