KR20160141712A - 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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다카시 곤도
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Abstract

일 형태에 따른 플라즈마 처리 방법은, 챔버와, 하부 전극과, 상부 전극과, 상기 하부 전극의 둘레 가장자리를 둘러싸는 포커스 링과, 상기 상부 전극의 상부 또한 상기 하부 전극의 둘레 가장자리보다 외측에 배치되는 환상 코일을 갖는 플라즈마 처리 장치를 준비하는 공정과, 기판을, 그 둘레 가장자리가 상기 포커스 링으로 둘러싸이도록, 상기 하부 전극 상에 탑재하는 공정과, 상기 챔버 내에 처리 가스를 도입하는 공정과, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 고주파 전력을 인가하여, 상기 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 공정과, 상기 환상 코일에 전류를 공급하여, 자계를 발생시키고, 상기 기판의 상부 및 상기 포커스 링의 상부의 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 공정을 구비한다.

Description

플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치{PLASMA PROCESSING METHOD AND PLASMA PROCESSING DEVICE}
본 발명은 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.
종래부터, 반도체 장치의 제조 공정 등에서는, 가스를 플라즈마화하여 기판(예를 들면, 반도체 웨이퍼)에 작용시켜, 기판에 에칭 처리 등을 실시하는 플라즈마 처리 장치가 이용되고 있다. 또, 이러한 플라즈마 처리 장치로서는, 처리 챔버 내에 상부 전극과 하부 전극이 대향하도록 배치되고, 이들 전극간에 고주파 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 소위 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치가 알려져 있다. 아울러, 이러한 구조의 플라즈마 처리 장치에 있어서 자계를 이용하여 플라즈마 밀도를 제어하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
상기의 플라즈마 처리 장치에서는, 기판의 외주 가장자리부와, 기판보다 외측의 부분에서는, 그 구조나 재질이 다르기 때문에 상부에 형성되는 플라즈마 시스의 두께에 차이가 생기기 쉽다. 그리고, 플라즈마 시스의 두께에 차이가 생기면, 플라즈마 시스의 계면(플라즈마 시스와 플라즈마의 계면)에 요철이 생기고, 이 오목부와 볼록부의 경계에서는 플라즈마 시스의 계면에 경사진 부분이 생긴다. 이 플라즈마 시스의 계면이 경사진 부분에 있어서, 이온의 입사각이 비스듬하게 되어, 에칭 상태에 경사가 생기는 소위 틸팅(Tilting)이 생겨 버린다. 이 때문에, 기판보다 외주 부분을 둘러싸도록, Si 혹은 SiC 등으로 이루어지는 포커스 링을 배치함으로써, 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 것이 행해지고 있다. 또, 예를 들면, 포커스 링의 두께나 재질을 변경하거나, 포커스 링 자체에 고주파 바이어스를 인가함으로써 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하여, 틸팅의 발생을 억제하는 것이 행해지고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조).
일본 공개 특허 공보 제 2013-149722 호 일본 공개 특허 공보 제 2010-186841 호
상기와 같이 종래의 플라즈마 처리 장치에서는, 기판의 외측을 둘러싸는 포커스 링을 배치함으로써, 기판의 외주 부분에 있어서 틸팅이 생기는 것을 억제하고 있다. 그렇지만, 이 경우, 포커스 링이 소모되어 그 두께가 변화하면 틸팅이 발생해 버리기 때문에, 포커스 링을 빈번하게 교환할 필요가 생기고, 보수 시간의 증대에 따른 생산 효율의 저하를 초래함과 아울러, 생산 비용의 증대를 초래한다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기의 사정에 대처하여 이루어진 것이므로, 종래에 비해 생산 효율의 향상과 생산 비용의 저감을 도모할 수 있는 플라즈마 처리 방법 및 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
일 형태에 따른 플라즈마 처리 방법은, 챔버와, 상기 챔버 내에 배치되는 하부 전극과, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극의 둘레 가장자리를 둘러싸는 포커스 링과, 상기 상부 전극의 상부 또한 상기 하부 전극의 둘레 가장자리보다 외측에 배치되는 환상 코일을 갖는 플라즈마 처리 장치를 준비하는 공정과, 기판을, 그 둘레 가장자리가 상기 포커스 링으로 둘러싸이도록, 상기 하부 전극 상에 탑재하는 공정과, 상기 챔버 내에 처리 가스를 도입하는 공정과, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 고주파 전력을 인가하여, 상기 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 공정과, 상기 환상 코일에 전류를 공급하여, 자계를 발생시키고, 상기 기판의 상부 및 상기 포커스 링의 상부의 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 공정을 구비한다.
일 형태에 따른 플라즈마 처리 장치는, 챔버와, 상기 챔버 내에 배치되고, 기판을 탑재하기 위한 하부 전극과, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 기판의 둘레 가장자리를 둘러싸는 포커스 링과, 상기 상부 전극의 상부 또한 상기 기판의 둘레 가장자리보다 외측에 배치되는 환상 코일과, 상기 챔버 내에 처리 가스를 도입하는 도입부와, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 고주파 전력을 인가하여, 상기 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 고주파 전원과, 상기 환상 코일에 전류를 공급하여, 자계를 발생시키고, 상기 기판의 상부 및 상기 포커스 링의 상부의 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 전류원을 구비한다.
본 발명에 따르면, 종래에 비해 생산 효율의 향상과 생산 비용의 저감을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 플라즈마 에칭 장치의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 플라즈마 에칭 장치의 주요부 개략 구성을 모식적으로 나타내는 도면.
도 3은 전자석에 의해 형성되는 자계의 예를 나타내는 도면.
도 4는 틸팅의 발생 상태를 설명하기 위한 도면.
도 5는 틸팅 각도와 플라즈마 시스의 계면의 형상과 이온의 입사 방향의 관계를 모식적으로 나타내는 도면.
도 6은 1G의 자계를 발생시킨 경우의 틸팅 각도의 측정치를 나타내는 도면.
도 7은 8G의 자계를 발생시킨 경우의 틸팅 각도의 측정치를 나타내는 도면.
도 8은 15G의 자계를 발생시킨 경우의 틸팅 각도의 측정치를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 실시 형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10)는, 기밀하게 구성되고, 직경이 예를 들면 300mm의 반도체 웨이퍼 W를 수용하는 원통 형상의 처리 챔버(12)를 구비하고 있다.
처리 챔버(챔버)(12) 내의 아래쪽에는 반도체 웨이퍼 W를 탑재하는 원판 형상의 탑재대(14)가 배치되어 있다. 탑재대(14)는, 베이스(14a)(하부 전극) 및 정전 척(14b)을 포함하고 있다. 베이스(14a)는, 알루미늄 등의 도전성의 부재로 구성되어 있다.
베이스(14a)의 상면의 둘레 가장자리의 영역에는, 반도체 웨이퍼 W의 주위를 둘러싸도록, 환상의 포커스 링(26)이 마련되어 있다. 또, 베이스(14a)의 상면의 중앙의 영역에는, 정전 척(14b)이 마련되어 있다. 정전 척(14b)은, 원판 형상으로 되어 있고, 절연막의 내측에 마련된 전극막을 가지고 있다. 정전 척(14b)의 전극막에는, 직류 전원(도시하지 않음)으로부터 직류 전압이 공급되고, 정전력을 발생하여, 기판으로서의 반도체 웨이퍼 W를 흡착한다.
정전 척(14b) 상에 반도체 웨이퍼 W가 탑재된 상태에서는, 반도체 웨이퍼 W의 중심을 상하 방향으로 통과하는 중심축선 Z는, 베이스(14a) 및 정전 척(14b)의 중심축선에 대략 일치한다.
베이스(14a)는 하부 전극을 구성하고 있다. 이 베이스(14a)에는, 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 발생하는 제 1 고주파 전원(18)이 제 1 정합기(22)를 통해서 접속되어 있다. 제 1 고주파 전원(18)은, 예를 들면, 주파수 100 MHz의 고주파 전력을 발생한다. 또, 제 1 정합기(22)는, 해당 제 1 정합기(22)의 출력 임피던스와 부하측(하부 전극측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다.
본 실시 형태에서는, 제 1 고주파 전원(18)은, 소망의 주파수(예를 들면 50 kHz) 및 소망의 듀티비(예를 들면, 20%)로 플라즈마 생성용의 고주파 전력을 펄스 형상으로 인가할 수 있도록 되어 있다. 이것에 의해, 플라즈마 생성 기간과, 플라즈마 비생성 기간을 마련하여, 반도체 웨이퍼 W 상의 특정의 부위에 전하의 축적이 생기는 것을 경감할 수 있도록 되어 있다. 즉, 플라즈마 생성 기간 중은, 플라즈마 중의 전자 밀도의 불균일에 의해서 전자 밀도가 높은 부분에 전하의 축적이 생겨 버리지만, 플라즈마 비생성 기간을 마련함으로써, 이 기간 중에 축적한 전하를 주위로 분산시킬 수 있어, 전하의 축적을 해소할 수 있다. 이것에 의해 절연막의 파괴 등이 생기는 것을 방지할 수 있다.
또, 베이스(14a)에는, 이온 인입용의 고주파 바이어스 전력을 발생하는 제 2 고주파 전원(20)이 제 2 정합기(24)를 통해서 접속되어 있다. 제 2 고주파 전원(20)은, 제 1 고주파 전원(18)보다 주파수가 낮은(예를 들면, 주파수 3.2 MHz) 고주파 전력을 발생한다. 또, 제 2 정합기(24)는, 해당 제 2 정합기(24)의 출력 임피던스와 부하측(하부 전극측)의 입력 임피던스를 정합시키기 위한 회로를 가지고 있다.
탑재대(하부 전극)(14)의 위쪽에는, 처리 공간 S를 사이에 두고 탑재대(14)와 대향하도록, 상부 전극(16)이 배치되어 있다. 상부 전극(16)은, 원판 형상으로 되어 있고, 처리 공간 S를 그 위쪽으로부터 규정하고 있다. 상부 전극(16)은, 그 중심축선이, 탑재대(14)의 중심축선과 대략 일치하도록 배치되어 있다.
상부 전극(16)은, 소정의 처리 가스를 샤워 형상으로 처리 공간 S에 도입하는 샤워 헤드(챔버 내에 처리 가스를 도입하는 도입부)의 기능을 겸하고 있다. 본 실시 형태에 있어서는, 상부 전극(16)에는, 버퍼실(16a), 가스 라인(16b), 및 복수의 가스 구멍(16c)이 형성되어 있다. 버퍼실(16a)에는, 가스 라인(16b)의 일단이 접속되어 있다. 또, 버퍼실(16a)에는 복수의 가스 구멍(16c)이 접속되어 있고, 이들 가스 구멍(16c)은 아래쪽으로 연장되어, 처리 공간 S를 향해서 개구되어 있다. 본 실시 형태에서는, 상부 전극(16)이 샤워 헤드(도입부)와 일체적으로 형성되어 있지만, 상부 전극(16)과 샤워 헤드를 개별체로 해도 좋다.
한편, 처리 챔버(12)의 바닥부에는, 도시하지 않는 TMP(Turbo Molecular Pump) 및 DP(Dry Pump) 등의 배기 기구가 접속되어 있고, 처리 챔버(12) 내의 압력을 소정의 감압 분위기로 유지할 수 있도록 되어 있다.
상부 전극(16)의 상부에는, 전자석(30)이 배치되어 있다. 전자석(30)은, 코어 부재(50), 및 코일(환상 코일)(61~64)을 구비하고 있다. 코어 부재(50)는, 기둥 형상부(51), 복수의 원통부(52~55), 및 베이스부(56)가 일체로 형성된 구조를 가지고 있고, 자성 재료로 구성되어 있다. 베이스부(56)는, 대략 원판 형상을 가지고 있고, 그 중심축선은 중심축선 Z를 따르도록 마련되어 있다. 베이스부(56)의 하면으로부터는, 기둥 형상부(51), 복수의 원통부(52~55)가 아래쪽으로 돌출하도록 배치되어 있다. 기둥 형상부(51)는, 대략 원주 형상을 가지고 있고, 그 중심축선이 중심축선 Z를 따르도록 마련되어 있다. 이 기둥 형상부(51)의 반경 L1(도 2 참조)은, 예를 들면, 30 mm이다.
원통부(52~55)의 각각은, 축선 Z 방향으로 연장하는 원통 형상을 가지고 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 원통부(52~55)는 각각, 중심축선 Z를 중심으로 하는 복수의 동심원 C2~C5를 따라서 배치되어 있다. 구체적으로는, 원통부(52)는, 반경 L1보다 큰 반경 L2의 동심원 C2를 따라 배치되어 있다. 원통부(53)는, 반경 L2보다 큰 반경 L3의 동심원 C3을 따라 배치되어 있다. 원통부(54)는, 반경 L3보다 큰 반경 L4의 동심원 C4를 따라 배치되어 있다. 원통부(55)는, 반경 L4보다 큰 반경 L5의 동심원 C5를 따라 배치되어 있다.
일례에 있어서는, 반경 L2, L3, L4, L5는 각각, 76 mm, 127 mm, 178 mm, 229 mm이다. 또, 코일(61, 62, 63, 64)의 중심의 위치는, 각각 중심축선 Z로부터 대략 50 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm로 되어 있다.
기둥 형상부(51)와 원통부(52)의 사이에는, 홈이 형성되어 있다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 이 홈에는, 기둥 형상부(51)의 외주면을 따라서 감겨진 코일(61)이 수용되어 있다. 원통부(52)와 원통부(53)의 사이에도 홈이 형성되어 있고, 해당 홈에는, 원통부(52)의 외주면을 따라 감겨진 코일(62)이 수용되어 있다. 또, 원통부(53)와 원통부(54)의 사이에도 홈이 형성되어 있고, 해당 홈에는, 원통부(53)의 외주면을 따라 감겨진 코일(63)이 수용되어 있다. 또한, 원통부(54)와 원통부(55)의 사이에도 홈이 형성되고 있고, 해당 홈에는, 원통부(54)의 외주면을 따라 감겨진 코일(64)이 수용되어 있다. 이들 코일(61~64)의 각각의 양단은, 전원(전류원)(31~34)에 접속되어 있다. 전원(31~34)으로부터 코일(61~64)의 각각에 대한 전류의 공급 및 공급 정지, 및 전류의 값은, 제어부(Cnt)로부터의 제어 신호에 의해 제어된다.
여기서, 전자석(30)에 있어서, 상기한 바와 같이 반경 L4, L5는 반도체 웨이퍼 W의 반경 150 mm보다 크다. 따라서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 코일(64)은, 반도체 웨이퍼 W의 외주 가장자리부보다 외측에 위치하고, 적어도 그 일부가 포커스 링(26)의 위쪽에 위치하도록 배치되어 있다. 또, 코일(61, 62)은, 반도체 웨이퍼 W의 위쪽, 특히, 반도체 웨이퍼 W의 외주 가장자리부보다 내측에 위치하도록 배치되어 있다. 코일(63)은, 반도체 웨이퍼 W의 외주 가장자리부의 내측과 외측에 걸치도록 배치되어 있다.
반도체 웨이퍼 W의 외주 가장자리부의 내측과 외측은, 도 1에 나타내는 경계 B에 의해 구분된다. 경계 B는, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리를 따라 배치되고, 중심축선 Z에 대해서 회전 대칭성을 갖는 대략 원통면 형상을 갖는다.
상기 구성의 전자석(30)에 의하면, 코일(61~64) 중 1개 이상의 코일에 전원(31~34)으로부터 전류를 공급함으로써, 중심축선 Z에 대해서 직경 방향을 따르는 수평 자계 성분 BH를 갖는 자계 B를 처리 공간 S에서 형성할 수 있다. 도 3에 전자석(30)에 의해 형성되는 자계의 예를 나타낸다.
도 3(a)에는, 중심축선 Z에 대해서 반(半) 평면내에 있어서의 전자석(30)의 단면 및 코일(62)에 전류가 공급되었을 때의 자계 B가 나타나 있고, 도 3(b)에는, 코일(62)에 전류가 공급되었을 때의 수평 자계 성분 BH의 강도 분포가 나타나 있다.
또, 도 3(c)에는, 중심축선 Z에 대해서 반 평면내에 있어서의 전자석(30)의 단면 및 코일(64)에 전류가 공급되었을 때의 자계 B가 나타나 있고, 도 3(d)에는, 코일(64)에 전류가 공급되었을 때의 수평 자계 성분 BH의 강도 분포가 나타나 있다. 도 3(b) 및 도 3(d)에 나타내는 그래프에 있어서는, 가로축은 중심축선 Z의 위치를 0 mm로 했을 때의 직경 방향의 위치를 나타내고 있고, 세로축은 수평 자계 성분(자계의 수평 성분) BH의 강도(자속 밀도)를 나타내고 있다.
전자석(30)의 코일(62)에 전류를 공급하면, 도 3(a)에 나타내는 자계 B가 형성된다. 즉, 기둥 형상부(51)및 원통부(52)의 처리 공간 S측의 단부로부터 원통부(53~55)의 처리 공간 S측의 단부를 향하는 자계 B가 형성된다. 이러한 자계 B의 수평 자계 성분 BH의 직경 방향의 강도 분포는, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 코일(62)의 중심의 아래쪽에 있어서 피크를 갖는 강도 분포로 된다. 일례에 있어서는, 코일(62)의 중심의 위치는, 축선 Z로부터 약 100 mm의 위치이며, 직경 300 mm의 웨이퍼 W가 처리되는 경우에는, 직경 방향에 있어서 웨이퍼 W의 중심과 에지의 중간 위치이다.
또, 전자석(30)의 코일(64)에 전류를 공급하면, 도 3(c)에 나타내는 자계 B가 형성된다. 즉, 기둥 형상부(51)및 원통부(52~54)의 처리 공간 S측의 단부로부터 원통부(55)의 처리 공간 S측의 단부를 향하는 자계 B가 형성된다. 이러한 자계 B의 수평 자계 성분 BH의 직경 방향의 강도 분포는, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이, 코일(64)의 중심의 아래쪽에 있어서 피크를 갖는 강도 분포로 된다. 일례에 있어서는, 코일(64)의 중심의 위치는, 축선 Z로부터 약 200 mm의 위치이며, 직경 300 mm(반경 150 mm)의 웨이퍼 W가 처리되는 경우에는, 직경 방향에 있어서 웨이퍼 W의 에지(경계 B)의 외측, 즉 포커스 링(26)의 위치이다.
플라즈마 처리 장치(10)에서는, 가스 공급계로부터의 처리 가스를, 샤워 헤드를 구성하는 상부 전극(16)으로부터 처리 공간 S에 공급하고, 제 1 고주파 전원(18)으로부터의 고주파 전력을 하부 전극으로서의 탑재대(14)에 제공하여 상부 전극(16)과 탑재대(14)의 사이에 고주파 전계를 발생시킨다. 이것에 의해, 처리 공간 S에 있어서 처리 가스의 플라즈마가 생성된다. 그리고, 플라즈마 중에서 해리한 처리 가스를 구성하는 분자 또는 원자의 활성종에 의해, 반도체 웨이퍼 W를 처리할 수 있다. 또, 제 2 고주파 전원(20)으로부터 하부 전극으로서의 탑재대(14)에 제공하는 고주파 바이어스 전력을 조정함으로써, 이온의 인입의 정도를 조정하는 것이 가능하다.
또, 플라즈마 처리 장치(10)는, 제어부(Cnt)를 가진다. 제어부(Cnt)는, 프로그램 가능한 컴퓨터 장치(프로세서, 메모리, 입력 장치, 및 디스플레이) 등으로 구성되어 있다. 제어부(Cnt)는, 제 1 고주파 전원(18)이 발생하는 고주파 전력, 제 2 고주파 전원(20)이 발생하는 고주파 전력, 배기 장치의 배기량, 가스 공급계로부터 공급하는 가스 및 해당 가스의 유량, 및 전원(31~34)으로부터 전자석(30)의 코일(61~64)에 공급하는 전류의 값 및 전류의 방향을 제어한다. 그 때문에, 제어부(Cnt)는, 레시피(메모리에 저장되거나, 또는 입력 장치로부터 입력된다)에 따라, 제 1 고주파 전원(18), 제 2 고주파 전원(20), 배기 장치, 가스 공급계의 각 구성 요소, 전원(31~34)(전자석(30)에 접속된 전류원)에 대해서 제어 신호를 송출한다.
또, 본 실시 형태에 있어서, 제어부(Cnt)는, 플라즈마 처리에 즈음하여, 전원(34)을 제어하여, 코일(64)에 전류를 공급시켜 자계를 발생시킨다. 이 결과, 반도체 웨이퍼 W의 상부 및 포커스 링(26)의 상부에 형성되는 플라즈마 시스의 계면(플라즈마 시스와 플라즈마의 계면)을, 반도체 웨이퍼 W의 표면과 수평인 평면으로 되도록 평탄화시킨다.
상기 구성의 플라즈마 처리 장치(10)에서는, 반도체 웨이퍼 W의 주위에 포커스 링(26)을 배치함으로써, 반도체 웨이퍼 W의 외주부에 있어서의 플라즈마 상태를, 반도체 웨이퍼 W의 상부와 마찬가지로 하여, 반도체 웨이퍼 W의 면내에 있어서의 처리의 균일성을 향상시키고 있다. 그렇지만, 반도체 웨이퍼 W의 상부 및 포커스 링(26)의 상부에 형성되는 플라즈마 시스의 계면에 요철이 생기면, 플라즈마 시스의 계면이 경사하고 있는 부분에 있어서, 이온의 입사각이 비스듬하게 되어, 에칭 상태로 경사가 생기는 소위 틸팅이 생겨 버린다.
도 4에, 반도체 웨이퍼 W에 플라즈마 에칭에 의해 홀이나 라인 형상을 형성한 경우의 직경 방향을 따라 절단한 단면의 확대도의 예를 모식적으로 나타낸다. 또, 도 4에 있어서, 좌측이 반도체 웨이퍼 W의 중심 방향, 우측이 포커스 링(반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부)의 방향으로 되어 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 에칭에 의해 홀이나 라인 형상을 형성한 경우, 이온이 반도체 웨이퍼 W에 대해서 비스듬하게 입사하면, 에칭 상태로 반도체 웨이퍼 W에 대해서 경사가 생긴다. 그 결과, 형성된 홀이나 라인 형상의 상단부에 있어서의 공간의 중심의 위치(상단부 공간 중심)와, 바닥부에 있어서의 공간의 중심의 위치(저부 공간 중심)에 직경 방향으로 어긋남이 생기고, 이들을 연결하는 선 A1이 상단부 공간 중심으로부터 내려온 수직선 A2에 대해서 기울어진 상태로 된다.
이러한 상태가, 틸팅이 발생한 상태이며, 이 선 A1와 수직선 A2가 이루는 각도(이하, 틸팅 각도라고 한다)를 측정함으로써, 틸팅의 발생 상태를 정량적으로 평가할 수 있다. 이러한 틸팅은, 미세화의 진전이나 예를 들면 3차원 NAND에 있어서의 다층화의 진전에 있어서 큰 과제로 되고 있고, 틸팅 각도는 ±1.0°미만 정도로 하는 것이 바람직하다.
또, 도 5는, 상기 틸팅 각도와, 플라즈마 시스의 계면의 형상과, 이온의 입사 방향의 관계를 모식적으로 나타낸 것이다. 도 5는, 코일(64)에 전류를 흘려서 15G의 자계를 형성한 경우의 틸팅 각도를, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 0 mm, 30 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm, 125 mm, 145 mm의 위치에서 측정한 결과를 나타내고 있다. 각각의 위치에 있어서의 틸팅 각도는, 0.0, 0.1, 0.1, -0.5, -0.1, -0.6, -1.8도(deg)이었다. 이 경우의 예상되는 시스 계면 형상 및 이온의 입사각을 도 5의 상부에 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 코일(64)에 전류를 흘려서 자계를 형성함으로써, 플라즈마 시스의 계면의 형상을 제어할 수 있다. 이 경우, 자계를 형성한 부위에 있어서의 전자의 체재 시간이 길어져 플라즈마 밀도가 높아진다. 이 때문에, 플라즈마 시스의 두께가 얇아지고, 플라즈마 시스의 계면의 위치가 낮아진다. 또, 플라즈마 시스의 계면에 요철이 생기면 플라즈마 시스의 계면이 경사하고 있는 부분에서 이온의 입사각(도 5 내 화살표로 가리킨다)이 경사지게 되고, 이 부분에서 틸팅이 발생한다.
도 5에 나타내는 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 통상의 경우, 반도체 웨이퍼 W의 중앙부에서는, 자계의 인가가 없는 경우에, 플라즈마 시스의 계면이 반도체 웨이퍼 W의 면과 평행한 평탄한 면으로 되도록 설정되어 있다. 이 때문에, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부에 있어서 플라즈마 시스의 계면에 요철이 생길 가능성이 높다. 즉, 반도체 웨이퍼 W와 그 주위의 구조물의 재질이나 구조의 차이에 의해, 그 상부에 형성되는 플라즈마 상태가 영향을 받아 플라즈마 시스의 계면에 요철이 생기기 쉽다. 이러한 현상을 억제하기 위해서, 반도체 웨이퍼 W의 주위에 포커스 링(26)을 배치한다. 그러나, 포커스 링(26)의 소모 등에 의한 두께의 변화에 의해, 포커스 링(26)의 상부의 플라즈마 시스의 계면의 높이도 변화한다.
한편, 도 5에 나타내는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 W의 외주 가장자리부보다 외측에 위치하고, 그 일부가 포커스 링(26)의 위쪽에 위치하도록 배치된 코일(64)에만 전류를 흘려, 자계를 형성한다. 이 결과, 특히 포커스 링(26)의 상부의 플라즈마 시스의 두께를 변화시키고 플라즈마 시스의 계면의 높이를 변화시킬 수 있다.
또, 이 경우, 코일(64)에만 전류를 흘렸을 경우, 자계의 수평 자계 성분 BH의 직경 방향의 강도 분포는, 도 3(d)에 나타내는 바와 같이, 코일(64)의 중심의 아래쪽(반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부(경계 B)보다 외측)에 있어서 피크(최대치)를 갖는다.
본 실시 형태에서는, 코일(64)에만 전류를 흘려, 자계를 형성함으로써, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부에 있어서의 틸팅의 발생을 억제할 수 있다.
또, 포커스 링(26)이 소모된 경우, 포커스 링(26)의 두께가 변화함으로써, 포커스 링(26) 상의 플라즈마 상태가 변화하고, 플라즈마 시스의 계면의 높이에도 변화가 생긴다. 그러나, 본 실시 형태에서는, 코일(64)에 흘리는 전류를 조정하고, 자계의 강도를 변화시킨다. 이 결과, 포커스 링(26)이 소모된 경우에도, 플라즈마 시스의 계면을, 반도체 웨이퍼 W의 표면과 평행한 평면으로 되도록 평탄화하여, 틸팅의 발생을 억제할 수 있다.
도 6~도 8은, 코일(64)에만 전류를 흘려, 자계를 형성한 상태에서, 반도체 웨이퍼 W의 피에칭층의 플라즈마 에칭을 행한 결과를 나타낸다. 즉, 에칭으로 형성된 패턴의 틸팅 각도를, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 0 mm, 30 mm, 60 mm, 80 mm, 100 mm, 125 mm, 145 mm의 위치에서 측정하고 있다. 도 6은 1G의 자계를 형성한 경우, 도 7은 8G의 자계를 형성한 경우, 도 8은 15G의 자계를 형성한 경우이다.
플라즈마 에칭은, 처리 가스에, C4F8＋C4F6＋Ar＋O2를 포함하는 가스를 이용ㅎ하여, 일례로서 이하의 조건에 의해 행하였다.
처리 챔버 내 압력 : 5.32 Pa(40 mTorr)
제 1 고주파 : 주파수 100 MHz, 300 W
제 2 고주파 : 주파수 3.2 MHz, 10000 W
처리 시간 : 1분
또, 플라즈마 에칭 조건은, 상기로 한정되는 것이 아니고, 처리 가스의 유량을, C4F8＋C4F6=10~300 sccm, Ar=50~800 sccm, O2=5~150 sccm로부터 임의로 선택함으로써, 압력을 1.33~5.32 Pa(10~40 mTorr)로 설정하는 것이 가능하다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 코일(64)에 전류를 흘려 1G의 자계를 형성한 경우, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 125 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 ＋1.1도로 되고, 틸팅 각도가 1.0도 이상의 부위가 있었다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 코일(64)에 전류를 흘려 8G의 자계를 형성한 경우, 모든 위치에 있어서의 틸팅 각도가 ±1.0도 미만으로 되고, 틸팅 각도가 1.0도 이상의 부위는 발생하지 않았다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 코일(64)에 전류를 흘려 15G의 자계를 형성한 경우, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 145 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 -1.8도로 되고, 틸팅 각도가 1.0도 이상의 부위가 있었다.
상기의 도 6~도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부(경계 B)보다 외측에 위치하는 코일(64)에만 전류를 흘려 자계를 형성하고, 그 자계의 강도를 전류의 크기로 조정함으로써, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리부에 있어서의 틸팅 상태를 제어할 수 있다. 이 결과, 각부의 틸팅 각도를 ±1.0도 미만의 양호한 상태로 할 수 있다.
또, 도 6에 나타내는 결과에서는, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 125 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 ＋1.1도, 145 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 ＋0.6도이다. 이것에 대해서, 도 8에 나타내는 결과에서는, 반도체 웨이퍼 W의 중심으로부터 125 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 -0.6도, 145 mm의 위치에 있어서의 틸팅 각도가 -1.8도이다. 이때, 자계의 강도를 올림으로써, 플라즈마 시스의 두께를 얇게 하여 플라즈마 시스의 계면의 높이를 낮게 하면, 이온의 입사각을 반전시켜, 틸팅 각도를 플러스 방향으로부터 마이너스 방향으로 변화시킬 수 있다.
이상에서는, 코일(64)에만 전류를 공급하고 있지만, 코일(64)에 더하여, 코일(61~63)의 적어도 어느 하나(또는 전부)에 전류를 공급하는 것도 가능하다. 코일(61~63)의 적어도 어느 하나, 및 코일(64)에 전류를 공급해 두고, 코일(64)에 공급하는 전류를 조절함으로써, 반도체 웨이퍼 W의 둘레 가장자리 근방에 있어서의 틸팅 상태를 제어할 수 있다. 이때, 코일(61~63)로부터의 자기장에 의해, 플라즈마 시스의 두께의 균일성이 손상되지 않으면 좋다. 예를 들면, 코일(61~63)로부터의 자기장을 코일(64)로부터의 자기장보다 작게 함으로써, 이것은 가능해진다.
포커스 링(26)이 소모되어 그 두께가 감소하면, 포커스 링(26)의 상부에 형성되는 플라즈마 시스의 계면의 높이가 변화하고, 플라즈마 시스의 계면에 요철이 생기기 때문에, 틸팅이 발생한다. 이러한 경우, 종래는 포커스 링(26)을 교환함으로써 대응할 필요가 있었다.
이것에 대해서, 본 실시 형태에 따르면, 포커스 링(26)의 소모 상태에 따라 코일(64)에 흘리는 전류를 조정하고, 자계의 강도를 제어함으로써 플라즈마 시스의 계면을 평탄한 상태로 유지할 수 있어, 틸팅이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 포커스 링(26)의 교환 시기를 늦출 수 있어, 포커스 링(26)의 수명의 장기화를 도모할 수 있고, 보수 주기도 장기화할 수 있으므로, 생산성의 향상과 생산 비용의 저감을 도모할 수 있다.
또, 본 발명은 상기의 실시 형태 및 실시예로 한정되는 것이 아니고, 각종의 변형이 가능한 것은 물론이다.

Claims (7)

  1. 챔버와,
    상기 챔버 내에 배치되는 하부 전극과,
    상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과,
    상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극의 둘레 가장자리를 둘러싸는 포커스 링과,
    상기 상부 전극의 상부 또한 상기 하부 전극의 둘레 가장자리보다 외측에 배치되는 환상 코일
    을 갖는 플라즈마 처리 장치를 준비하는 공정과,
    기판을, 그 둘레 가장자리가 상기 포커스 링으로 둘러싸이도록, 상기 하부 전극 상에 탑재하는 공정과,
    상기 챔버 내에 처리 가스를 도입하는 공정과,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 고주파 전력을 인가하여, 상기 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 공정과,
    상기 환상 코일에 전류를 공급하여, 자계를 발생시키고, 상기 기판의 상부 및 상기 포커스 링의 상부의 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 공정
    을 구비하는 플라즈마 처리 방법.

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 것에 의해, 상기 플라즈마에 의한 에칭으로 상기 기판 상에 형성되는 패턴에 틸팅이 발생하는 것이 억제되는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환상 코일로부터 발생하는 자계의 수평 성분이, 상기 기판의 둘레 가장자리보다 외측에서 최대치를 갖는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 포커스 링의 소모 상태에 따라서, 상기 환상 코일에 공급하는 전류를 변화시키는 공정을 더 구비하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 챔버와,
    상기 챔버 내에 배치되고, 기판을 탑재하기 위한 하부 전극과,
    상기 챔버 내에 배치되고, 상기 하부 전극과 대향하는 상부 전극과,
    상기 챔버 내에 배치되고, 상기 기판의 둘레 가장자리를 둘러싸는 포커스 링과,
    상기 상부 전극의 상부 또한 상기 기판의 둘레 가장자리보다 외측에 배치되는 환상 코일과,
    상기 챔버 내에 처리 가스를 도입하는 도입부와,
    상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 고주파 전력을 인가하여, 상기 처리 가스의 플라즈마를 발생시키는 고주파 전원과,
    상기 환상 코일에 전류를 공급하여, 자계를 발생시키고, 상기 기판의 상부 및 상기 포커스 링의 상부의 플라즈마 시스의 계면을 평탄화하는 전류원
    을 구비하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환상 코일로부터 발생하는 자계의 수평 성분이, 상기 기판의 둘레 가장자리보다 외측에서, 최대치를 갖는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 포커스 링의 소모 상태에 따라서, 상기 환상 코일에 공급하는 전류를 변화시키도록 상기 전류원을 제어하는 제어부를 더 구비하는 플라즈마 처리 장치.
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