KR20190072383A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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츠토무 데츠카
마사카즈 이소자키
게네츠 요코가와
마사히토 모리
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은 플라스마 처리 장치의 처리의 수율을 향상시키는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 플라스마 처리 장치를, 진공 용기 내부에 배치된 처리실과, 이 처리실 내부에 배치되고 그 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 놓여지는 시료대와, 처리실 상방에서 시료대 상면과 대향해서 배치된 유전체제의 원판 부재와, 시료대에 대면하는 측이 원판 부재로 덮여 배치되고 처리실 내에 플라스마를 형성하기 위한 전계를 형성하기 위한 제1 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 상부 전극과, 상기 처리실의 상방 및 주위를 덮고 진공 용기의 외부에 배치되고 플라스마를 형성하기 위한 자계를 발생시키는 코일과, 시료대의 내부에 배치되고 시료대에 놓인 웨이퍼 상에 바이어스 전위를 형성하기 위한 제2 고주파 전력이 공급되는 하부 전극을 구비하고, 원판 부재와 상부 전극 사이에서 원판의 측에 형성된 링 형상의 오목부와, 이 링 형상의 오목부에 끼워 넣어지고 상부 전극과 접해 있는 금속제의 링 형상의 부재를 구비하여 구성했다.

Description

플라스마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 진공 용기 내부의 처리실 내에 배치된 시료대의 상면에 놓인 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 처리실 내에 형성된 플라스마를 사용해서 처리하는 플라스마 처리 장치에 관한 것이고, 특히, 시료대 상면 상방에서 이것에 대향해서 배치되고 플라스마를 형성하기 위한 전력이 공급되는 판 형상의 전극과, 이 전극의 하방에서 처리실의 상면을 구성하고 플라스마를 형성하는 전계가 투과하는 유전체제의 판 부재를 구비한 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는, 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 감압한 용기 내부의 처리실 내에 배치하고, 이 처리실 내에 플라스마를 형성해서 시료 표면에 미리 배치된 마스크층과 처리 대상의 막층을 포함하는 막 구조의 처리 대상의 막층을 에칭하는 등의 플라스마 처리가 널리 사용되고 있다. 플라스마를 처리실 내에 형성하는 구성으로서는, 예를 들면, 처리실 내의 플라스마 형성용의 공간을 사이에 두고 상하로 배치된 상부 전극과 하부 전극의 2매의 전극이 대향해서 배치된 용량 결합형의 평행 평판 전극의 어느 한쪽에, 소정의 주파수의 고주파 전력을 공급하여 양자 간의 공간에 형성되는 전계에 의해 당해 공간에 공급된 가스를 여기, 해리시킴에 의해 형성할 수 있다. 상기 평행 평판형의 플라스마 처리 장치는, 2매의 전극 간의 공간에 형성된 플라스마 내의 이온 등의 하전 입자나 높은 활성을 가진 활성 입자(라디칼)를 웨이퍼 상면의 막 구조에 유인하여 처리가 행해진다.
그런데, 최근 반도체 디바이스의 치수는 미세화가 진행되고 에칭 처리 후의 치수의 정밀도에 대한 요구도 계속 높아지고 있다. 이러한 요구를 실현하기 위해, 처리실 내의 가스의 입자가 해리되는 비율이 보다 높은 상태에서 처리를 하고 있던 종래의 기술에서부터, 해리가 보다 낮은 적당한 비율로 생기고 있는 상태를 유지하면서, 보다 저압에서 높은 밀도의 플라스마를 생성하여 처리하는 기술이 고려되고 있다. 플라스마를 생성하기 위해 공급되는 전력의 주파수는 일반적으로 10㎒ 이상의 고주파대의 것이고, 주파수가 높을수록 고밀도의 플라스마 생성에 유리하다. 그러나, 고주파화하면 전자파의 파장이 짧아지기 때문에, 플라스마 처리실 내의 전계 분포가 균일해지지 않는다. 이 전계 분포는 베셀 함수의 중첩으로 표현 가능한 중심부가 높은 분포로 되는 것이 알려져 있다.
전계가 중심부에서 높아짐에 의해 플라스마의 전자 밀도도 높아지기 때문에, 에칭 레이트의 면내 분포의 균일성이 악화되어 버린다. 에칭 레이트의 면내 분포의 악화는 양산성을 저하시켜 버리므로, 고주파 전력의 주파수를 높임과 함께 에칭 레이트의 웨이퍼 면내의 균일성을 높이는 것이 요구되고 있다.
이러한 과제를 해결하는 종래의 기술로서는, 일본국 특개2007-250838호 공보(특허문헌 1)에 기재된 것이 알려져 있었다. 본 종래 기술은, 진공 용기 내부의 처리실 상방에 배치되고 플라스마 형성용의 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 제1 전극과 처리실 하방에 배치되고 웨이퍼가 그 위에 놓여지는 시료대 내부에 배치되어 고주파 전력이 공급되는 제2 전극을 구비한 플라스마 처리 장치에서, 제1 전극이 전극판 하면 하방에 배치되고 이것과 접합되는 전극 지지체와 전극판의 접합면에 공간을 구비하고, 중앙부의 공간의 높이가 외주부보다 크게 된 구성을 구비하고 있다. 그리고, 이러한 구성에 의해, 상부 전극의 중심부와 외주부에서의 전계의 강도의 분포의 불균일, 특히 중심부가 높아지는 중고(中高)의 분포를 완화해서, 중심으로부터 외주를 향하는 방향에 대한 전계의 강도의 분포를 보다 균일에 가깝게 할 수 있게 하고 있다.
또한, 비특허문헌 1에는, 외부의 자장을 사용해서 웨이퍼의 외주 측의 영역에 있어서의 전력 흡수 효율을 높여, 전극의 사이에 둔 공간 내에 형성되는 전자 밀도의 직경 방향에 대한 분포를 보다 균일에 가깝게 하는 기술이 제안되어 있다. 이 종래 기술에서는, 코일에 의해 형성되는 자장의 강도가 당해 코일에 공급되는 전류의 값을 증감시킴으로써 원하는 범위 내의 값으로 조절할 수 있기 때문에, 플라스마가 형성되는 조건이 서로 다른 경우여도, 처리실 내의 전계의 분포의 변동에 대응하여 플라스마의 강도 혹은 전자 등의 하전 입자의 분포를 조절하는 것을 가능하게 하고 있다. 이에 의해, 플라스마를 보다 균일에 가깝게 형성할 수 있는 조건의 마진을 넓히는 이점이 있다.
일본국 특개2007-250838호 공보
Ken'etsu Yokogawa et al. ; Real time estimation and control oxide-etch rate distribution using plasma emission distribution measurement;Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No. 8, 2008, pp. 6854-6857
상기 종래 기술에서는, 이하의 점에 대해 고려가 불충분했기 때문에 문제가 생기고 있었다. 즉, 상기 특허문헌 1의 구성에 있어서는, 일정한 조건 하에서는 전계 분포를 균일하게 하는 것이 가능하다. 그러나, 처리실 내의 압력의 값, 플라스마 형성용 혹은 웨이퍼 처리용으로서 공급되는 가스의 종류, 고주파 전계의 주파수의 값이나 전력의 크기 등, 플라스마가 형성되는 처리실 내의 조건에 따라 형성되는 전계 및 이것에 강하게 영향을 받는 플라스마의 강도 혹은 하전 입자의 분포는 변동해 버린다. 이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 종래의 기술에서는, 플라스마가 형성되는 넓은 범위의 조건에 있어서도 처리실 내의 전계 혹은 플라스마의 강도의 분포를 균일에 가깝게 하는데는 한계가 있었다.
또한, 비특허문헌 1에 개시된 구성에서는, 플라스마가 형성되는 공간을 사이에 두고 배치된 전극의 직경 방향에 대한 전계의 구배와 자계의 구배를 완전하게 일치시키는 것은 기술적으로 곤란하기 때문에, 전극의 중심과 그 외주단의 중간의 개소에서 공간 내에 형성되는 전자 밀도가 작아져 버리는 영역이 형성된다. 이러한 전자 밀도의 "감소"는, 이것이 생긴 개소의 하방의 공간에서의 플라스마의 강도 혹은 이온 등의 하전 입자의 밀도가 국소적으로 저하해 버리는 요인으로 된다. 그 결과, 플라스마에 대면해서 공간의 하방에 배치된 웨이퍼 상면의 상기 "감소"의 하방에 위치하는 개소에서의 처리의 특성, 예를 들면 에칭 처리의 경우에는 에칭 레이트도 저하되어, 웨이퍼 상면의 면내 방향에 대해 처리 후의 가공 형상이 소기(所期)의 것으로부터 벗어나는 양의 불균일을 증대시켜서 버려, 처리의 수율이 손상되어 버린다는 우려가 있었다.
이러한 문제점에 대해, 상기 종래 기술에서는 고려되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 플라스마의 분포의 불균일을 억제하고, 나아가 처리의 수율을 향상시키는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적은, 진공 용기 내부에 배치된 처리실과, 이 처리실 내부에 배치되고 그 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 놓여지는 시료대와, 처리실 상방에서 시료대 상면과 대향해서 배치된 유전체제의 원판 부재와, 시료대에 대면하는 측이 원판 부재로 덮여 배치되고 처리실 내에 플라스마를 형성하기 위한 전계를 형성하기 위한 제1 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 상부 전극과, 상기 처리실의 상방 및 주위를 덮고 진공 용기의 외부에 배치되고 플라스마를 형성하기 위한 자계를 발생시키는 코일과, 시료대의 내부에 배치되고 시료대에 놓인 웨이퍼 상에 바이어스 전위를 형성하기 위한 제2 고주파 전력이 공급되는 하부 전극을 구비하고, 원판 부재와 상부 전극 사이에서 원판의 측에 형성된 링 형상의 오목부와, 이 링 형상의 오목부에 끼워 넣어지고 상부 전극과 접해 있는 금속제의 링 형상의 부재를 구비한 플라스마 처리 장치에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 처리실과, 처리실의 내부에서 처리실의 하부에 설치된 하부 전극부와, 이 하부 전극과 대향하여 처리실의 내부에 설치된 상부 전극부와, 처리실의 내부를 진공으로 배기하는 진공 배기부와, 상부 전극부에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전력 인가부와, 처리실의 외부에 설치되고 처리실의 내부에 자계를 발생시키는 자계 발생부와, 하부 전극부에 고주파 바이어스 전력을 인가하는 고주파 바이어스 전력 인가부와, 상부 전극의 측으로부터 처리실의 내부에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 상부 전극부는, 고주파 전력 인가부로부터 인가되는 고주파 전력을 받는 안테나 전극부와, 주변부의 부근이 안테나 전극부에 밀접되고 중앙부의 부근에 오목부가 형성되어 안테나 전극과의 사이에 공간을 형성하고 가스 공급부로부터 공급된 처리 가스를 상기 공간에 모으는 도전 재료로 형성된 가스 분산판과, 이 가스 분산판을 덮고, 안테나 전극과 가스 분산판 사이에 형성된 공간에 모인 처리 가스를 처리실의 내부에 공급하는 구멍이 다수 형성된 절연성 부재로 형성된 샤워 플레이트를 갖고, 이 샤워 플레이트의 가스 분산판에 대면하는 측에는 원환상(圓環狀)의 홈부가 형성되어 있고, 이 원환상의 홈부의 내부에는, 가스 분산판과 전기적으로 접속되는 도전성의 부재가 끼워 넣어져 있도록 구성함에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 전극 중심부로부터 외주부에 걸쳐 전자 밀도의 균일성이 극히 높은 플라스마를 생성할 수 있어, 웨이퍼 면내에서 균일성이 높은 에칭 레이트 분포를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도.
도 2는 도 1에 나타내는 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 안테나부 및 그 주위의 구성의 개략을 확대해서 모식적으로 나타내는 종단면도.
도 3은 도 2에 나타내는 본 실시예에 따른 안테나부의 구성의 변형예를 모식적으로 나타내는 하면도.
도 4는 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라스마 처리 장치가 반도체 웨이퍼를 에칭 처리했을 때의 에칭 레이트의 예를 나타내는 그래프.
도 5는 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서, 플라스마 형성용 고주파 전력의 주파수의 변화에 대한 웨이퍼의 반경 방향에 대한 전자 밀도가 저하되는 영역의 위치의 변화의 예를 나타내는 그래프.
도 6은 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라스마 처리 장치 및 종래 기술에 있어서 볼록부가 웨이퍼의 반경 방향에 대해 서로 다른 위치에 배치된 복수의 경우에 대한 웨이퍼의 반경 방향에 대한 플라스마의 전자 밀도의 분포의 예를 나타내는 그래프.
도 7은 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 볼록부의 높이와 샤워 플레이트의 두께의 비의 변화에 대한 이 플라스마 처리 장치가 실시하는 웨이퍼의 에칭 처리의 에칭 레이트와의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치의 오목부의 폭과 샤워 플레이트의 직경의 비율과 당해 플라스마 처리 장치가 실시하는 에칭 처리에 의한 에칭 레이트의 편차와의 관계를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명의 실시형태를, 도면을 사용해서 설명한다.
[실시예]
본 발명의 제1 실시예를, 도 1 및 도 2를 사용해서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타낸 종단면도이다.
본 실시예의 플라스마 처리 장치(100)는, 내부가 감압되어 플라스마가 형성되는 처리실을 구비하고, 처리실의 플라스마가 형성되는 공간을 사이에 두고 상하에 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 전극이 배치되고, 처리실 내부에 배치되고 상하의 전극 중 하방의 전극을 내장하는 시료대 상에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 플라스마를 사용해서 에칭 처리하는 플라스마 에칭 장치이다. 특히, 공급된 고주파 전력에 의한 전계가 상부 전극의 표면으로부터 처리실 내에 도입됨과 함께, 진공 용기 외부에서 처리실의 상방 및 측방의 주위를 둘러싸서 배치된 코일에 의해 형성된 자계가 처리실 내에 공급되고, 처리실 내에 도입된 가스의 원자 또는 분자가 여기, 해리해서 형성된 플라스마와 고주파의 전력이 용량적으로 결합하는 평행 평판형의 플라스마 처리 장치이다.
도 1에 나타낸 구성에 있어서, 플라스마 처리 장치(100)는, 원통 형상을 구비한 용기로서 그 내부에 원통 형상을 구비한 공간인 처리실(101)을 구비한 진공 용기(125)를 구비하고 있다. 진공 용기(125)의 내부의 상부 및 하부에는, 처리실(101)의 플라스마(111)가 형성되는 공간을 사이에 두고 배치된 상부 전극(10)과 하부 전극(12)과, 상부 전극(10) 및 하부 전극(12)의 각각에 전기적으로 접속되고 소정의 주파수의 고주파 전력을 각각에 공급하는 고주파 전원(112)을 구비하고 있다.
또한, 진공 용기(125)에는, 처리실(101)과 연통되고 그 내부의 가스나 플라스마(111)의 입자를 배기해서 감압하는, 터보 분자 펌프 등의 배기 펌프(120)를 구비한 진공 배기부(1200)가 배치되고, 배기 펌프(120)의 입구와 처리실(101) 사이에 배치된 배기로를 형성하는 배기용 배관(1201)의 처리실(101)에 대면한 배기용의 개구(1202)가 하부 전극(12)의 상면보다 하방에 배치되어 있다.
하부 전극(12)은, 처리실(101)의 플라스마(111)가 형성되는 공간의 하방에 배치된 시료대인 금속제의 부재로 형성된 스테이지(전극 본체)(102) 및 스테이지(102)와 진공 용기(125)의 벽면 사이에 설치되고 스테이지(102)와 진공 용기(125)를 전기적으로 절연하는 절연 부재(1020)와, 스테이지(102) 상에 형성되어 웨이퍼(103)를 재치(載置)하는 유전체막(121)을 구비하고 있고, 상방에 배치된 상부 전극(10)과 대향해서 배치되어 있다.
하부 전극(12)의 상방에는, 이것에 대향해서 상부 전극(10)을 구성하는 안테나부가 배치되어 있다. 본 실시예의 안테나부(상부 전극(10))는, 원판 형상을 가진 도전체제의 안테나 본체(107)와, 가스 분산판(108)과, 샤워 플레이트(110)를 구비하고 있다.
원판 형상을 가진 도전체제의 안테나 본체(107)는, VHF대의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(112)과 동축 케이블(205) 등의 도파로를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
가스 분산판(108)은, 안테나 본체(107)의 하방에 배치되고, 원판 또는 원통 형상을 구비한 부재로서 가스 공급원(109)으로부터의 처리용의 가스가 내부에 도입되어 당해 내부에서 분산한다.
샤워 플레이트(110)는, 가스 분산판(108)의 하방에 배치되어 처리실(101)의 천장면을 구성하고, 분산된 처리용의 가스가 내측을 통해 처리실(101) 내에 도입되는 복수의 관통 구멍인 가스 도입 구멍이 형성되어 있다. 샤워 플레이트(110)에 형성된 홈에는 도전체제의 볼록부(202)가 링 형상으로 메워 넣어져 있고, 도전체제의 볼록부(202)의 상면은 가스 분산판(108)과 접해 있다.
안테나부(상부 전극(10))는, 진공 용기(125) 상부의 덮개 부재(1251)의 내측에서, 이 사이에 절연용의 석영 등의 유전체제의 부재로 이루어지는 링 형상의 절연 링(122)을 사이에 두고 배치되어 있다.
안테나부(상부 전극(10))의 외주 측 부분은, 안테나부(상부 전극(10))와 덮개 부재(1251) 사이에서 안테나부(상부 전극(10))의 주위를 링 형상으로 둘러싸고, 절연 링(122)의 외주부의 하단면이, 샤워 플레이트(110)의 외주를 둘러싸고 샤워 플레이트(110)의 하면과 동일하거나 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 높이 위치(소위, 면 위치)에 배치되어, 처리실(101)의 천장면을 구성하고 있다.
본 실시예의 상부 전극(10)을 구성하는 안테나 본체(107)와 가스 분산판(108) 및 링 형상의 볼록부(202)는 알루미늄 등의 도전 재료로 구성되고, 처리실(101)의 플라스마(111)가 형성되는 공간에 대면하는 샤워 플레이트(110)는 석영 등의 유전 재료로 구성되어 있다.
안테나 본체(107)는, 플라스마(111)를 생성하기 위한 VHF대의 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원(112)과 제1 정합기(113)를 통해 동축 케이블(205)에 의해 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 안테나 본체(107)는, 가스 분산판(108)과 함께 하부 전극(12)에 공급되는 고주파 전력의 접지 전극으로서 기능시키기 위해, 안테나 본체(107)는 필터(114)를 통해 접지 전위의 개소와 접속되어 있다.
필터(114)는, 고주파 전원(112)으로부터 안테나부(상부 전극(10))의 안테나 본체(107)에 인가하는 플라스마 생성용의 VHF대의 전력은 통과시키지 않고, 웨이퍼(103)를 재치하는 하부 전극(12)을 구성하는 스테이지(102)에 공급되는 웨이퍼(103) 상면 상방에 바이어스 전위를 형성하기 위한 고주파 전력은 통과시키도록 설계되어 있다.
고주파 전원(112)이 생기(生起)하는 고주파 전력의 주파수는, 플라스마(111)의 전자 밀도를 ~1010cm-3 정도로 해서 플라스마(111)의 과잉의 해리를 억제하면서, 플라스마(111)의 전위(포텐셜)를 내리고 처리실(101)의 내벽에의 대미지를 저감하기 위해, 50~500㎒로 하는 것이 바람직하고, 본 실시예에서는 200㎒의 것이 사용되고 있다. 안테나부(상부 전극(10))에 동축 케이블(205)을 통해 고주파 전원(112)으로부터 공급된 200㎒의 고주파 전력은, 안테나 본체(107) 및 이것에 접속된 도전체제의 가스 분산판(108)에 공급되고, 가스 분산판(108)의 샤워 플레이트(110) 측의 표면으로부터 샤워 플레이트(110)를 통하여 처리실(101) 내에 방사된다.
진공 용기(125)의 외측이고 처리실(101)의 원통형 부분의 상방 및 측방에는, 제1 코일(104) 및 제2 코일(105)이, 진공 용기(125) 및 내부의 안테나부(상부 전극(10)) 및 동축 케이블(205)을 링 형상으로 둘러싸서 배치되어 있다.
제1 코일(104) 및 제2 코일(105)에 도시하고 있지 않은 전원으로부터 공급되는 직류 전류는, 고주파 전원(112)으로부터 공급된 200㎒의 고주파 전력에 의해 처리실(101)의 내부에 발생된 플라스마(111)를 가열하는 효율을 높이는 것이 가능한 자장을 발생시킨다. 이 제1 코일(104) 및 제2 코일(105)의 외주 측 및 상방을 덮고 배치된 도전체제의 요크(106)에 의해, 제1 코일(104) 및 제2 코일(105)에 의해 생기되는 자장은, 요크(106)에 의해 안테나부(상부 전극(10)) 및 처리실(101)의 상하 방향의 중심축의 상방에서 볼 때 당해 중심 축 둘레로 방사상으로, 도 1 상에서는 하 방향 또한 처리실(101)의 바깥 방향(도 1 상에서는 좌우 방향)으로, 소위 중심축 방향 아래 방향의 끝으로 갈수록 넓어지게 자력선이 향하도록 분포가 조절된다.
처리실(101)의 하방에 배치된 하부 전극(12)을 구성하는 스테이지(102)의 상면에는, 알루미나 혹은 이트리아 등 세라믹스와 같은 유전체 재료제의 유전체막(121)이 용사 등의 방법으로 상면을 피복해서 배치되어 있다. 당해 유전체막(121)은, 웨이퍼(103)가 그 위에 놓여지는 하부 전극(12)의 재치면을 구성한다.
유전체막(121)의 내부에는, 그 위에 웨이퍼(103)가 재치된 상태에서 직류 전력이 공급되어 형성된 정전기력을 사용해서 웨이퍼(103)를 유전체막(121)에 흡착시켜서 유지하기 위한 복수의 정전 흡착용 전극(123 및 124)이 배치되어 있다. 정전 흡착용 전극(123)은 제1 직류 전원(117)과 접속되어 있고, 정전 흡착용 전극(124)은 제2 직류 전원(118)과 접속되어 있다.
하부 전극(12)을 구성하는 스테이지(102)의 내부에는, 도시하지 않은 칠러 유닛 등의 온도 조절기와 배관 등을 통해 연결된 것으로서, 원통형을 가진 스테이지(102)의 중심 둘레로 동심 형상 혹은 나선 형상으로 다중으로 배치된 냉매 유로(도시생략)가, 절연 부재(1020)를 통해 배치되어 있다. 온도 조절기에 있어서 소정의 범위 내의 온도로 조절된 쿨런트 등의 냉매는, 도시하고 있지 않은 배관을 통해서 냉매 유로에 유입되고 당해 냉매 유로를 통해 유출되어 온도 조절기로 돌아가 순환하고, 이것에 의해 스테이지(102) 나아가서는 그 상면의 유전체막(121)에 정전 흡착되어 있는 웨이퍼(103)의 온도를 처리에 적합한 범위 내의 값으로 유지한다.
또한, 스테이지(102) 및 절연 부재(1020)는, 내부를 관통해서 형성되고 상단의 개구가 유전체막(121) 상면에 배치된 통로(1021)를 구비하고, 통로(1021)의 하단은 열교환 가스 공급원(119)에 연결되어 있다.
웨이퍼(103)가, 제1 직류 전원(117)과 접속되는 정전 흡착용 전극(123), 및 제2 직류 전원(118)과 접속되어 있는 정전 흡착용 전극(124)에 의해 유전체막(121)의 상면에 정전 흡착되어 유지된 상태에서, 열교환 가스 공급원(119)으로부터의 He 등의 열교환 가스가 통로(1021)를 통해 유전체막(121)의 상면과 웨이퍼(103)의 이면 사이의 극간에 공급되고, 양자 간의 열전달이 증대되어 웨이퍼(103)와 스테이지(102) 사이의 열교환이 촉진됨으로써, 스테이지(102)와의 사이의 열교환에 의한 웨이퍼(103)의 온도의 조절의 응답성이나 정밀도를 향상시킨다.
처리실(101)의 스테이지(102)의 상면보다 하방의 벽면에는, 진공 배기부(1200)를 구성하는 진공 펌프인 배기 펌프(120)와 배기용 배관(1201)을 통해 연결되고 처리실(101) 내부의 가스나 플라스마나 반응 생성물의 입자 등을 배출하는 배기용의 개구(1202)가 배치되어 있다. 배기 펌프(120)의 입구와 배기용의 개구(1202) 사이의 배기용 배관(1201) 상에는, 배관 내부의 배기용 경로의 단면적을 증감해서 배기의 유량 또는 속도를 증감하는 도시하지 않은 배기 조절 밸브가 배치되어 있다.
이상과 같은 구성에 있어서, 우선, 웨이퍼(103)를 도시하고 있지 않은 반송 수단으로 하부 전극(12)의 유전체막(121)의 상면에 놓은 상태에서, 제1 직류 전원(117)에 의해 정전 흡착용 전극(123)에 직류 전력을 인가하고, 제2 직류 전원(118)에 의해 정전 흡착용 전극(124)에 직류 전력을 인가함에 의해 유전체막(121)의 상면에 정전기력을 발생시켜, 웨이퍼(103)를 유전체막(121)의 상면에 정전 흡착한다.
이와 같이 정전기력에 의해 웨이퍼(103)를 유전체막(121)의 상면에 흡착, 유지한 상태에서, 안테나부(상부 전극(10))의 샤워 플레이트(110)에 형성된 복수의 가스 도입 구멍(204)(도 2 참조)으로부터 처리실(101)의 내부에 처리용 가스를 도입함과 함께, 진공 배기부(1200)의 배기 펌프(120)를 동작시킴에 의해 처리실(101)의 내부를 배기한다.
이 때, 가스 공급원(109)의 내부 또는 가스 공급원(109)과 가스 분산판(108) 사이의 가스 공급 경로(1091) 상에 배치된 도시하지 않은 가스 유량 조절기(매스플로우 컨트롤러)에 의해 처리실(101)의 내부에 공급되는 가스의 유량 또는 속도와, 진공 배기부(1200)에 설치된 도시하고 있지 않은 배기 조절 밸브에 의한 개도(開度)를 조절함에 의해, 배기의 유량 또는 속도와 밸런스시켜서, 처리실(101) 내의 압력을 웨이퍼(103)의 처리에 적합한 범위 내의 값으로 조절할 수 있다.
이와 같이, 처리실(101) 내의 압력을 웨이퍼(103)의 처리에 적합한 범위 내의 값으로 조절한 상태에서, 고주파 전원(112)으로부터 제1 정합기(113)를 통해 상부 전극(10)의 안테나 본체(107)에 VHF대의 고주파 전력을 인가하고, 도시하고 있지 않은 직류 전원으로부터 제1 코일(104) 및 제2 코일(105)에 직류 전류를 인가한다. 그 결과, 안테나부(상부 전극(10))의 가스 분산판(108)의 하면(샤워 플레이트(110)의 측)으로부터 샤워 플레이트(110)에 걸쳐 전계가 형성되고, 제1 코일(104) 및 제2 코일(105), 요크(106)에 의해 발생된 자장이 처리실(101) 내에 형성된다.
이에 의해, 샤워 플레이트(110)의 복수의 가스 도입 구멍(204)으로부터 처리실(101) 내에 도입된 가스는, 여기되고, 해리해서 상부 전극(10)과 하부 전극(12) 사이의 처리실(101)의 공간에 플라스마(111)가 발생한다.
하부 전극(12)의 금속제의 부재로 형성된 스테이지(102)에는, 제2 정합기(115)를 통해 바이어스 형성용 고주파 전원(116)이 전기적으로 접속되어 있다. 플라스마(111)가 형성된 상태에서 바이어스 형성용 고주파 전원(116)으로부터 소정의 주파수의 바이어스 형성용의 고주파 전력을 스테이지(102)에 인가함에 의해, 스테이지(102)의 상면에 형성된 유전체막(121)에 정전 흡착되어 있는 웨이퍼(103)의 상방에, 바이어스 전위가 형성된다. 이 상태에서, 플라스마(111)의 전위와 바이어스 전위의 전위차에 따른 에너지로 플라스마(111) 중의 이온 등의 하전 입자가 가속되고 웨이퍼(103)의 방향으로 유인되어 웨이퍼(103)에 충돌한다. 이에 의해, 웨이퍼(103)의 상면에 미리 형성된 막 구조에 포함되는 처리 대상의 막층의 표면이 에칭 처리된다.
본 실시예에 있어서의 바이어스 형성용 고주파 전원(116)으로부터 스테이지(102)에 인가하는 바이어스 형성용의 고주파 전력의 주파수는, 플라스마(111) 내의 하전 입자의 밀도 혹은 강도의 분포에 영향을 주지 않도록, 고주파 전원(112)으로부터 안테나 본체(107)에 인가하는 고주파 전력의 주파수 200㎒에 비해 충분히 낮은, 400㎑~4㎒로 하는 것이 바람직하다. 400㎑~4㎒의 주파수 영역이면, 바이어스 형성용 고주파 전원(116)으로부터 공급되는 바이어스 형성용의 고주파 전력에 의한 플라스마(111)의 생성은, 무시 가능할 정도로 작게 할 수 있다.
한편, 바이어스 형성용 고주파 전원(116)으로부터 공급되는 바이어스 형성용의 고주파 전력의 주파수가 높을수록 웨이퍼(103)에 유인되는 이온 등의 하전 입자가 갖는 에너지의 편차의 폭이 좁아지기 때문에, 이온에 의한 충돌의 에너지를 제어함으로써 에칭 처리의 속도 등의 처리의 특성을 조절하는 등의 제어성을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에서는, 바이어스 형성용 고주파 전원(116)으로부터 스테이지(102)에 인가하는 고주파 바이어스 형성용의 고주파 전력의 주파수를 4㎒로 했다.
도 2 내지 3을 사용해서, 본 실시예의 안테나부(상부 전극(10))의 구성의 상세를 설명한다. 도 2는, 도 1에 나타내는 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)의 안테나부(상부 전극(10)) 및 그 주위의 구성의 개략을 확대해서 모식적으로 나타내는 종단면도이다. 도 3은, 도 2에 나타내는 본 실시예에 따른 안테나부(상부 전극(10))의 구성의 변형예를 모식적으로 나타내는, 하부 전극(12)의 측에서 본 평면도이다.
도 2의 (a)에 나타내는 예에서는, 안테나부(상부 전극(10))는, 원판 형상을 가진 금속제의 안테나 본체(107)의 상면 중심부가 동축 케이블(205)과 접속되고, 당해 동축 케이블(205)을 통해서 고주파 전원(112)으로부터의 고주파 전력이 안테나 본체(107)에 공급된다. 안테나 본체(107)의 하방(하부 전극(12)의 측)에는, 안테나 본체(107)와 동일한 직경의 원판 형상을 가진 금속제의 가스 분산판(108)이, 외주부 부근을 안테나 본체(107)에 밀착시켜서 접속되어 있다.
또한 가스 분산판(108)의 하방(하부 전극(12)의 측)에는, 원판 또는 원통 형상을 가진 유전체제의 샤워 플레이트(110)가 그 상면에서 가스 분산판(108)의 하면을 덮어 상하면을 대향시켜서 연결되어 있다.
가스 분산판(108)의 하면, 즉, 샤워 플레이트(110)에 대면하는 측에는, 외주를 따라 시일용 홈부(1081)가 형성되어 있다. 이 시일용 홈부(1081)에 O 링 등의 시일 부재(1082)를 장착하고 샤워 플레이트(110)에 의해 끼워 넣고, 가스 분산판(108)과 샤워 플레이트(110)를 밀착시킴으로써, 그 내외가 기밀하게 봉지된다.
안테나 본체(107)의 하면의 외주 부분 부근, 즉, 가스 분산판(108)의 상면과 접하는 부분에는, 안테나 본체(107)의 하면의 외주 부분을 따라 소정의 단면 형상을 갖는 시일용 홈부(1071)가 형성되어 있다. 이 시일용 홈부(1071)에 O 링 등의 시일 부재(1072)를 장착하고 가스 분산판(108)에 의해 끼워 넣고, 안테나 본체(107)와 가스 분산판(108)을 밀착시킴으로써, 그 내외가 기밀하게 봉지된다.
여기에서, 가스 분산판(108)에는, 원통 형상의 외주면으로부터 임의의 폭을 둔 내측의 부분에 외주면을 따라 오목부(1083)가 형성되어 있고, 안테나 본체(107)와 가스 분산판(108)을, 시일용 홈부(1071)에 O 링 등의 시일 부재(1072)를 장착한 상태에서 밀착시킴에 의해, 가스 분산판(108)과 안테나 본체(107) 사이에, 오목부(1083)에 의한 버퍼실(201)이 형성된다.
당해 버퍼실(201)은, 상기한 가스 공급원(109)과 가스 공급 경로(1091)를 통해 연결되어 연통되고, 가스 공급원(109)으로부터의 가스가 당해 버퍼실(201) 내에 도입되어 내부에서 확산된다. 또한, 버퍼실(201)의 하면을 구성하는 가스 분산판(108)과 그 하방에 배치된 샤워 플레이트(110)에는, 이들을 관통하는 직경이 0.3~1.5mm 정도인 미세한 복수의 가스 도입 구멍(204, 214)이 형성되어 있다. 버퍼실(201) 내에서 확산된 가스 공급원(109)으로부터 공급된 가스가, 가스 분산판(108)에 형성된 가스 도입 구멍(204), 및 샤워 플레이트(110)에 형성된 가스 도입 구멍(214)을 통해 하방의 처리실(101) 내에 도입된다.
본 실시예에서는, 또한 샤워 플레이트(110)의 가스 분산판(108)과 접하는 면의 측에는, 오목부(203)가 샤워 플레이트(110)의 중심축의 둘레로 링 형상으로 형성되어 있고, 이 오목부(203)에는 링 형상으로 형성된 도전체제의 볼록부(202)가 끼워 넣어져 있다. 도전체제의 볼록부(202)는, 오목부(203)에 끼워 넣어진 상태에서, 도전체제의 볼록부(202)의 상면이 가스 분산판(108)과 접촉하도록, 오목부(203)의 깊이와의 관계로 두께가 설정되어 있다. 즉, 샤워 플레이트(110)의 오목부(203)가 형성된 부분은, 오목부(203)의 깊이의 분만큼 평판 형상의 샤워 플레이트(110)의 두께가 저감되어 있다.
샤워 플레이트(110)와 가스 분산판(108)이 상하의 면을 대향시켜서 연결된 상태에서, 오목부(203)의 내부에 도전체제의 볼록부(202)가 끼워 넣어져, 오목부(203)의 내부가 볼록부(202)를 구성하는 도전체제의 재료로 채워져 있고, 가스 분산판(108)과 접촉하고 있는 볼록부(202)의 바닥면(하부 전극(12)의 측)으로부터 샤워 플레이트(110)의 바닥면(하부 전극(12)의 측)까지의 거리는, 오목부(203) 이외의 다른 개소에서의 샤워 플레이트(110) 바닥면(하부 전극(12)의 측)과 가스 분산판(108) 바닥면(하부 전극(12)의 측) 사이의 거리보다 작아져 있다.
본 실시예에 있어서, 샤워 플레이트(110)에 형성된 오목부(203)에 끼워 넣어지는 링 형상의 볼록부(202)의 배치 위치는, 상부 전극(10)의 측으로부터 하부 전극(12)에 재치된 웨이퍼(103)를 봤을 때, 링 형상의 볼록부(202)의 외주부가 웨이퍼(103)의 외주연보다 내측의 영역으로 되도록 배치되어 있다. 즉, 웨이퍼(103)의 중심을 지나는 상하 방향의 축에 대해 동심 형상으로 배치된 링 형상의 볼록부(202)의 외주연은, 웨이퍼(103)의 직경보다 작은 위치에 배치되어 있다.
특히 본 실시예에서는, 웨이퍼(103)는 직경이 약 300mm인 것이고, 동심원 형상으로 배치된 가스 분산판(108)의 중심으로부터 반경 방향의 50 내지 100mm의 범위 내의 위치에 배치되어 있다. 또한, 볼록부(202)의 두께(볼록부(202)의 높이)는 1 내지 5mm이고, 반경 방향의 크기(링 형상으로 형성된 볼록부(202)의 링의 폭)는 5 내지 30mm의 값으로 되어 있다. 특히, 본 실시예에서는 볼록부(202)의 반경 방향에 대한 폭의 중점(볼록부(202)의 내경과 외경의 1/2의 개소)의 위치를 가스 분산판(108)의 중심으로부터 80mm, 높이를 4mm, 폭을 20mm로 했다.
볼록부(202)는 금속 등의 도전체로 구성되고, 볼록부(202)를 샤워 플레이트(110)에 형성된 오목부(203)에 삽입하고 샤워 플레이트(110)에 가스 분산판(108)을 장착한 상태에서, 볼록부(202)는 가스 분산판(108)에 접촉해서, 가스 분산판(108)과 전기적으로 접속된다. 이 상태에서, 고주파 전원(112)으로부터 고주파 전력을 안테나 본체(107)에 인가하면, 가스 분산판(108)을 통해 볼록부(202)에도 고주파 전력이 공급된다. 또한, 볼록부(202)의 내부도, 안테나 본체(107)에 형성된 가스 도입 구멍(204)과 샤워 플레이트(110)에 형성된 가스 도입 구멍(214)에 접속되는 가스 도입 구멍(2024)이 관통해서 형성되어 있다.
도 2의 (a)에 나타낸 안테나부(상부 전극(10))의 금속 등의 도전체로 구성되는 볼록부(202)의 변형예를, 도 2의 (b)에 나타낸다. 도 2의 (b)에 나타낸 안테나부(상부 전극(10-1))의 금속 등의 도전체로 구성되는 볼록부(2021)는, 가스 분산판(108)에 대면하는 측에 오목(2022)이 형성되고, 가스 분산판(108)의 하면에 맞닿아 접속된 상태에서, 볼록부(2021)와 가스 분산판(108) 사이에 오목(2022)에 의한 극간이 형성되는 구성으로 했다.
이러한 구성으로 함에 의해, 가스 분산판(108)에 형성된 가스 도입 구멍(204)은 직접 오목(2022)에 의한 극간에 연통하고, 샤워 플레이트(110)에 형성된 가스 도입 구멍(214)은, 당해 볼록부(2021)에 형성된 가스 도입 구멍(20214)을 통해 오목(2022)에 의한 극간에 연통한다. 이러한 구성으로 함에 의해, 버퍼실(201)에 공급된 가스가, 볼록부(2021)의 부분에서는, 가스 도입 구멍(204)과 당해 오목(2022)에 의한 극간을 통해 처리실(101)에 도입된다. 단, 볼록부(2021)의 도면상 하면(샤워 플레이트(110)에 접하는 측) 및 측벽면은 샤워 플레이트(110) 배면의 대응하는 위치에 배치되고 볼록부(2021)가 끼워 넣어지는 오목부(203)의 내벽면 혹은 바닥부와 맞닿아 양자 간의 극간이 가능한 한 작아지도록 구성한다.
도 3의 (a)는, 도 2의 (a)에 나타내는 안테나부(상부 전극(10))의 가스 분산판(108) 및 그 하방에 배치된 금속 등의 도전체로 구성되는 볼록부(202)의 구성의 개략을 하방(하부 전극(12)의 측)에서 봤을 경우의 도면이다. 본 도면에 나타나는 바와 같이, 볼록부(202)는 가스 분산판(108)의 중심 둘레로 동심 형상으로 배치된 링 형상의 부재이다. 또한, 볼록부(202)는 도 3의 (a)에 나타내는 바와 같이 하나로 연결된 부재로서 구성되는 것뿐만 아니라, 복수의 부재로 구성되어 있어도 되고, 또한 반경 방향에 대해 단일의 직경의 위치뿐만 아니라 복수의 위치 즉 다중으로 배치되어 있어도 된다.
도 3의 (b)는, 도 3의 (a)에 나타내는 실시예의 변형예이며, 하방에서 볼 때 볼록부(202-1)가 중심으로부터 반경 방향에 대해 동일한 위치에서 둘레 방향으로 복수의 원호 형상의 도전체제의 부재가 링 형상으로 배치된 예이다. 도 3의 (c)는, 하방에서 볼 때, 반경 방향에 대해 복수의 위치, 즉 직경이 서로 다른 위치에서 둘레 방향에 대해 닫힌 일체인 도전체제의 링 형상 부재인 볼록부(202-2와 202-3)가 2개 배치된 예이다. 도 3의 (d)는, 원통 형상을 가진 복수의 도전체제의 부재(202-4)가 반경 방향의 동일한 위치에 중심 둘레로 링 형상으로 배치된 예를 나타내고 있다.
도 4를 사용해서, 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)에서 반도체 웨이퍼(103)를 에칭 처리했을 경우의 에칭 속도(에칭 레이트)의 분포(401)를, 안테나부(상부 전극(10))에 도전체제의 볼록부(202)를 사용하지 않는 종래 기술로 에칭 처리했을 경우(종래예)의 에칭 속도(에칭 레이트)의 분포(402)와 비교해서 나타낸다.
도 4에 나타내는 그래프에 있어서, 에칭 레이트의 분포(401)는, 도 1에 나타내는 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)가 반도체 웨이퍼(103)를 에칭 처리했을 때의 에칭 레이트의 웨이퍼 면내의 분포의 예를 나타내는 그래프이다. 횡축에, 웨이퍼 중심으로부터의 거리, 종축에 에칭 레이트의 상대값을 나타낸다.
도 4의 그래프에 있어서, 종래예로서 나타낸 에칭 레이트의 분포(402)의 웨이퍼 중심으로부터의 분포는, 안테나부의 구성이, 본 실시예에 있어서의 도 2의 (a)에 나타낸 안테나부(상부 전극(10))의 구성과 다른 에칭 장치를 사용해서 에칭 처리했을 경우의 결과를 나타내고 있다. 즉, 도 4의 그래프에 있어서 종래예로서 나타낸 에칭 레이트의 분포(402)의 에칭 처리를 행한 에칭 장치에 있어서는, 본 실시예에서 설명한 가스 분산판(108) 및 샤워 플레이트(110) 사이에 볼록부(202) 및 이것이 끼워지는 오목부(203)가 배치되어 있지 않고, 가스 분산판(108)과 샤워 플레이트(110)는 그 평탄한 상하면끼리를 대향시켜서 연결되는 구성을 구비하고 있다. 특히, 도 4에 나타내는 예는, 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치와 종래 기술의 예(종래예)에 따른 것을 사용해서, 포토리소그래피용 레지스트를 에칭 처리 한 결과를 나타내고 있다.
당해 에칭 처리는, 포토리소그래피용 레지스트를 직경 300mm의 실리콘 웨이퍼에 도포한 것을, 처리용 가스로서 SF6와 CHF3의 혼합 가스를 사용하고, 처리실 내의 압력 4Pa, 플라스마 형성용의 고주파 전력 800Ｗ, 주파수 200㎒, 웨이퍼 상면 상방의 바이어스 형성용 고주파 전력 50Ｗ라는 조건에서 플라스마를 형성하여 행한 것이다.
도 4에 나타나는 바와 같이, 종래예로서 나타낸 에칭 레이트의 분포(402)의 경우의, 가스 분산판과 샤워 플레이트 사이에 도전체제의 볼록부를 설치하고 있지 않은 종래의 플라스마 처리 장치(도 1에 나타낸 본 실시예에 있어서의 플라스마 처리 장치(100)의 구성에 있어서, 도전체제의 볼록부(202)가 없어, 샤워 플레이트(110)에 도전체제의 볼록부(202)를 메워 넣기 위한 홈이 형성되어 있지 않고, 가스 분산판(108)과 샤워 플레이트(110)의 대향하는 면이 전체면에서 접촉하고 있는 것)를 사용해서 에칭 처리했을 경우에는, 웨이퍼 상의 반경 위치 50~100mm의 영역에 에칭 레이트의 감소가 확인되었다.
이에 반해, 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)를 사용해서 처리한 에칭 레이트의 분포(401)의 경우에는, 에칭 레이트의 감소가 대폭으로 개선되어, 웨이퍼 상면의 면내의 반경 방향에 대해 에칭 레이트의 편차가 저감되어 있다.
도 4에 나타낸 종래예에 있어서의 에칭 장치에서의 플라스마 형성용 고주파 전력은, 본 실시예의 경우와 동일한 주파수 200㎒로 했다.
도 4의 종래예로서 나타낸 에칭 레이트의 분포(402)의 경우에 있어서, 웨이퍼(103)의 중심으로부터 반경 위치 50~100mm의 영역에 에칭 레이트의 감소가 발생해 버리는 이유는, 이하와 같은 것으로 생각할 수 있다. 즉, 안테나부에 공급된 당해 주파수의 전력에 의해 처리실 내에 형성되는 전계의 강도의 분포, 나아가 당해 전계를 사용해서 형성되는 플라스마의 강도 또는 밀도의 분포는, 베셀 함수의 중첩으로 나타내진다. 그 결과, 처리실의 중심부의 값이 높은 분포로 된다. 이에 수반해서 당해 전계만으로 처리실 내에 형성될 경우의 플라스마의 전자 밀도도 중심부에서 높은 것으로 된다.
이러한 전계의 분포가 형성되는 종래예로서 사용한 에칭 장치에 있어서도, 처리실 외부에 코일 등의 자계 형성 수단을 구비하여 처리실 내에 자계를 형성하고, 이 자계를 조정해서, 웨이퍼의 외주 측으로 갈수록 전력 흡수 효율을 높여 전자 밀도를 어느 정도 균일화하는 것은 가능하다.
상기에 설명한 종래예로서 사용한 에칭 장치에서는, 처리실(101)의 상방 및 측방의 외측에서 그 중심축 둘레로 동축 형상으로 처리실을 둘러싸서 배치된 제1 코일(104), 제2 코일(105) 및 요크(106)에 의해 형성된 아래 방향 끝으로 갈수록 넓어지는 자계를 처리실(101) 내에 형성함에 의해, 처리실(101) 내의 전자 밀도의 분포를 중심으로부터 수평 방향의 외측을 향해 높아지도록 함으로써, 중고(中高)의 전계의 강도 분포를 보정해서, 플라스마(111) 내의 전자 밀도를 보다 균일에 가깝게 하는 작용을 나타낼 수 있다.
그러나, 하부 전극(12)의 상방에서 상부 전극(10) 및 하부 전극(12)의 직경 방향에 대한 전계의 구배와 자계의 구배를 완전하게 일치시키는 것은 기술적으로 곤란하여, 고주파 전력이 공급되는 상부 전극(10)인 안테나부의 원판 형상의 부재의 중심과 외주단의 중간에 전자 밀도가 국소적으로 감소하는 영역이 형성되어 버린다. 이러한 국소적인 전자 밀도의 저하가 당해 개소에 대응하는 웨이퍼(103)의 반경 방향의 위치의 임의의 개소에서의 에칭 레이트를 저하시키는 요인으로 되어, 웨이퍼 면내의 에칭 레이트의 균일성을 악화시킨다.
한편, 본 실시예로서 나타낸 에칭 레이트의 분포(401)의 경우에 있어서는, 안테나 본체(107)와 전기적으로 접속된 가스 분산판(108)의 하면에 부착된 샤워 플레이트(110)에 안테나 본체와 동심원 형상의 위치에 오목부(203)가 형성되고, 이 오목부(203)에 도전체제의 볼록부(202)가 끼워 넣어진 구성을 갖고 있다. 이 도전체제의 볼록부(202)는, 오목부(203)에 메워 넣은 상태에서 샤워 플레이트(110)와 조합했을 때에, 가스 분산판(108)에 접촉하여 가스 분산판(108)과 전기적으로 접속하도록 오목부(203)의 깊이와 볼록부(202)의 높이(두께)가 설정되어 있다.
이와 같이, 가스 분산판(108)과 볼록부(202)를 접촉시킴에 의해, 유전체제의 샤워 플레이트(110)는, 볼록부(202)에 의해, 직경 방향으로 그 두께가 국소적으로 증감하는 구성을 구비하고 있다.
유전체제의 샤워 플레이트(110)를 전자파의 도파관이라 가정했을 때에, 도파관에 상당하는 샤워 플레이트(110)의 높이가 급격하게 변화하게 되어 서셉턴스가 생겨, 오목부(203)에 있어서 안테나 본체(107) 또는 가스 분산판(108)에 수직인 방향에 대해 전계의 강도가 증대한다. 이 반경 방향에 대해 국소적인 링 형상의 전계의 강도의 증대에 따라, 처리실(101) 내의 하부 전극(12)의 상방에서 볼록부(202) 바로 아래 쪽의 개소 및 그 근방의 영역에 있어서 플라스마(111) 내의 전자의 밀도가 증대한다. 그 결과로서 웨이퍼(103)의 면내의 반경 방향에 대한 에칭 레이트의 편차가 저감되어, 에칭 레이트의 균일성을 개선할 수 있다.
본 실시예에 있어서는, 도전체제의 볼록부(202)의 위치는, 하부 전극(12)에 재치된 웨이퍼(103)의 상방의 영역에 있어서의 플라스마(111)의 전자 밀도의 저하가 생기기 쉬운 영역에 대응시킨 위치에 배치하는 것이 중요하다. 한편, 하부 전극(12)에 재치한 웨이퍼(103)의 반경 방향에 있어서의 전자 밀도가 저하하기 쉬운 영역의 위치는, 플라스마(111)를 생성하는 주파수에 따라 변화된다.
상기 실시예의 플라스마 처리 장치(100)에 있어서, 전자 밀도가 웨이퍼(103) 상에서 국소적으로 저하되는 위치, 즉, 하부 전극(12)에 재치된 웨이퍼(103)의 중심, 또는, 상부 전극(10)의 중심으로부터의 반경 방향의 위치와, 고주파 전원(112)으로부터 상부 전극(10)에 인가하는 고주파 전력의 주파수와의 관계의 일례를 도 5에 나타낸다. 또한, 플라스마(111)를 생성하기 위해 고주파 전원(112)으로부터 상부 전극(10)에 인가하는 고주파 전력의 주파수를 변화시킨 경우의 전자 밀도의 분포의 일례를 도 6을 사용해서 설명한다.
도 5는, 곡선(501)은 도 1에 나타내는 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)에 있어서, 고주파 전원(112)으로부터 상부 전극(10)에 인가하는 플라스마 형성용 고주파 전력의 주파수의 변화에 대한, 하부 전극(12)에 재치한 웨이퍼(103)의 반경 방향에 대한 전자 밀도가 저하되는 영역의 위치의 변화의 예를 나타내는 그래프이다.
도 5의 곡선(501)에 나타내는 바와 같이, 전자 밀도의 분포(웨이퍼(103)의 반경 방향에 있어서의 전자 밀도 저하 영역의 발생 위치)는, 고주파 전원(112)으로부터 상부 전극(10)에 인가하는 플라스마 형성용 고주파 전력의 주파수의 크기에 따라 변동한다. 즉, 전자 밀도가 국소적으로 저하되는 영역은, 플라스마 형성용 고주파 전력의 주파수가 낮게 될수록 웨이퍼(103)의 외주 단연(端緣)에 가까워지는 것을 알 수 있다.
도 5로부터, 본 실시예에 있어서 사용한 플라스마 형성용 고주파 전력의 주파수 200㎒에서는, 웨이퍼(103)의 반경 방향에 대해 중심으로부터 80mm 전후의 위치에 전자 밀도가 국소적으로 저하되는 영역이 형성되는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는, 이것에 대응한 위치, 구체적으로는 가스 분산판(108)의 중심으로부터 반경 방향 80mm의 위치에 볼록부(202)의 폭의 중심이 위치하도록 볼록부(202)가 배치된 구성을 구비하고 있다.
도 6의 (a)는, 도 4에서 설명한 것과 마찬가지로, 도 1에서 설명한 본 실시예의 구성에 있어서의 도전체제의 볼록부(202)가 없어, 샤워 플레이트(110)에 도전체제의 볼록부(202)를 메워 넣기 위한 홈이 형성되어 있지 않고, 가스 분산판(108)과 샤워 플레이트(110)의 대향하는 면이 전체면에서 접촉하고 있는 구성의, 종래예로서 사용한 플라스마 처리 장치에 있어서의, 하부 전극(12)에 재치한 웨이퍼의 반경 방향에 대한 플라스마의 전자 밀도의 분포(601)의 예를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (b)는, 도 1에 나타낸 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)에 있어서, 도전체제의 볼록부(202)가 웨이퍼의 반경 방향에 대해 서로 다른 위치에 배치된 복수의 경우에 대한, 웨이퍼의 반경 방향에 대한 플라스마의 전자 밀도의 분포(602)의 예를 나타내는 그래프이다.
도 6의 (b)에는, 볼록부(202)의 폭의 중심의 반경 방향 치수를 80mm로 했을 경우의 본 실시예와 비교되는 비교예 1로서, 볼록부(202)의 두께의 중심을 웨이퍼(103)의 반경 방향의 위치 60mm로 해서 배치된 경우의 플라스마의 전자 밀도의 분포(603)와, 비교예 2로서 볼록부(202)의 폭의 중심을 웨이퍼(103)의 반경 방향의 위치 100mm로 해서 배치했을 경우의 플라스마의 전자 밀도의 분포(604)를 구한 결과를 나타낸다.
도 6의 (a)에 나타내는 종래예의 플라스마의 전자 밀도의 분포(601)와 같이, 웨이퍼(103)의 반경 방향에 대해 전자 밀도가 국소적으로 저하되는 것에 대해 특별히 대책이 이루어져 있지 않고, 웨이퍼(103)의 반경 방향에 대해 전자 밀도가 국소적으로 저하되는 영역이 존재하는 것에 반해, 도 6의 (b)에 나타낸 볼록부(202)가 웨이퍼(103)의 반경 방향의 80mm의 위치에 배치된 본 실시예에 있어서의 플라스마의 전자 밀도의 분포(602)에서는, 반경 방향에 대한 전자 밀도의 값의 편차가 저감된다.
한편, 도 6의 (b)에 나타낸 볼록부(202)가 반경 방향에 대해 60mm 및 100mm에 배치된 비교예 1, 2의 플라스마의 전자 밀도의 분포(603 및 604)에서는, 국소적인 전자 밀도가 저하되는 영역이 종래예와 비교해서 반경 방향으로 이동해 있어도, 전자 밀도의 저하의 크기의 개선의 정도가 작거나, 극대값과 극소값이 형성되어 그 차의 크기는 도 6의 (a)에 나타낸 종래예에 있어서의 플라스마의 전자 밀도의 분포(601)의 국소적인 저하의 크기보다 커져 있다.
이와 같이, 웨이퍼(103)의 반경 방향에 있어서의 전자 밀도의 크기의 편차를 효과적으로 저감하는데 있어서, 가스 분산판(108)에 접촉하여 가스 분산판(108)과 전기적으로 일체화된 도전체제의 볼록부(202)를 배치하는 적절한 위치의 범위가 존재하고, 이 범위에 도전체제의 볼록부(202)를 배치하는 것이 웨이퍼(103)의 면내에서의 플라스마 처리의 균일성을 향상시켜서 플라스마 처리의 수율을 향상시키기 위해 중요함을 알 수 있다.
다음으로, 볼록부(202)의 높이와 에칭 레이트 편차의 관계에 대해, 도 7을 사용해서 설명한다. 도 7은, 도 1에 나타낸 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)의 도전체제의 볼록부(202)의 높이(두께)와, 샤워 플레이트(110)의 두께의 비의 변화에 대한 이 플라스마 처리 장치(100)가 실시하는 웨이퍼(103)의 에칭 처리의 에칭 레이트의 편차(701)의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 도면에서는, 도전체제의 볼록부(202)의 높이(두께)＝샤워 플레이트(110)의 오목부(203)의 깊이를 d로 하고, 샤워 플레이트(110)의 두께를 t로 한다. 본 실시예에서는, 샤워 플레이트(110)의 두께(t)는 16mm로 하고 있다. 샤워 플레이트(110)의 두께(t)와 오목부(203)의 깊이(d)의 관계를 d/t로 정의하고, 당해 d/t의 변화에 대한 웨이퍼(103)를 에칭 처리했을 때 얻어진 웨이퍼(103)의 중심으로부터 외주연까지의 반경 방향의 위치에 있어서의 에칭 레이트의 값의 평균값에 대한 각 위치에 있어서의 에칭 레이트의 값의 편차의 제곱평균값(편차)을 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, d/t의 값이 0으로부터 증대해 감과 함께 에칭 레이트의 편차(701)는 저감되어 개선되어 가지만, d/t의 값이 0.5 이상에서는 반대로 편차가 증대한다. 이것은, d/t의 값의 증대와 함께 볼록부(202)의 배치에 의한 그 하방의 처리실(101) 내의 개소에 있어서의 전자 밀도의 증대의 양이 커지고, d/t가 0.5 이상에서는 에칭 레이트가 볼록부(202)에 대응하는 부분에서 국소적으로 증대 해버려, 에칭 레이트의 편차(701)가 악화되고 있기 때문이라 생각할 수 있다.
다음으로, 볼록부(202)의 폭 또는 오목부(203)의 폭(w)과 에칭 레이트의 편차의 관계를 도 8을 사용해서 설명한다. 도 8은, 도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치(100)의 오목부(203)의 폭(w)과 샤워 플레이트(110)의 직경(φ)(도 2의 (a)에 있어서, 샤워 플레이트(110)에 안테나 본체(107) 및 가스 분산판(108)을 삽입하는 부분의 직경)의 비율(w/φ)과 당해 플라스마 처리 장치(100)가 실시하는 에칭 처리에 의한 에칭 레이트의 편차(801)와의 관계를 나타내는 그래프이다.
여기에서, 볼록부(202)의 폭과 샤워 플레이트(110)의 오목부(203)의 폭(w)은 일치 또는 약간 후자가 크고 합치해 있다고 간주할 수 있을 정도로 근사하고 있는 것으로 하고, 샤워 플레이트(110)의 직경(φ)과 오목부(203)의 폭(w)의 관계를 w/φ로 한다. 또한, 본 예에서는, 샤워 플레이트(110)의 직경을 400mm로 했다.
도 7의 경우와 마찬가지로, 도 8에 있어서도 w/φ의 변화에 대한, 웨이퍼(103)를 에칭 처리했을 때 얻어진 웨이퍼(103)의 중심으로부터 외주연까지의 반경 방향의 위치에 있어서의 에칭 레이트의 값의 평균값에 대한 각 위치에 있어서의 에칭 레이트의 값의 편차의 제곱평균값(편차)을 나타내고 있다.
본 도면에 나타내는 바와 같이, 샤워 플레이트(110)의 직경(φ)에 대한 오목부(203)의 폭(w)의 비율은, 0으로부터 증대해 가면, 어느 곳까지는 에칭 레이트의 편차(801)가 서서히 작아지고, 더 증대해 가면 편차가 재차 커짐을 알 수 있다. 즉, 소정의 비율 w/φ에 있어서 에칭 레이트의 편차(801)는 극소로 됨을 알 수 있다.
에칭 레이트의 편차가 도 8에 나타낸 바와 같은 관계가 되는 이유는, 오목부(203)의 폭(w)(볼록부(202)의 폭)이 작아짐에 따라 플라스마(111)의 전계가 집중되고 전자 밀도를 증대시키는 영역이 작게 국소적으로 되고, 폭이 클수록 넓은 영역에서 플라스마(111)의 전자 밀도를 증대시키기 때문이라고 생각된다.
이 점에서, 오목부(203)의 폭(w)과 샤워 플레이트(110)의 직경(φ)의 비율은, 전자 밀도의 크기의 반경 방향에 대한 에칭 레이트의 편차(801)를 효과적으로 저감하는데 있어서 적절한 위치의 범위가 존재함을 알 수 있다. 오목부(203)가 형성되어 있지 않고, 볼록부(202)가 구비되어 있지 않은 구성에 있어서 에칭 레이트가 저하되는 영역보다 넓은 범위에서 전자 밀도를 높여 버리면, 오목부(203)의 폭(w)을 최적으로 했을 경우보다 에칭 레이트의 균일성이 악화되게 된다. 본 실시예에서는, 도 8에 나타나는 바와 같이, 오목부(203)의 폭(w)과 샤워 플레이트(110)의 직경(φ)의 비율을 0.14보다 작게 함에 의해, 에칭 레이트의 편차(801)가 저감되고 있다.
또한, 상기에 설명한 실시예에 있어서는, 도전성의 볼록부(202)와 가스 분산판(108)을 별개 부품으로 구성하고, 도전성의 볼록부(202)를 샤워 플레이트(110)에 형성한 오목부(203)에 끼워 넣은 상태에서, 도전성의 볼록부(202)를 가스 분산판(108)에 접촉시켜서 전기적으로 접속한 상태로 한 구성에 대해 설명했지만, 도전성의 볼록부(202)와 가스 분산판(108)을 일체로 형성해도 된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 웨이퍼(103)의 중심으로부터 외주연까지의 반경 방향에 대해 처리실(101) 내에 형성되는 전계의 강도의 분포의 편차가 저감되고, 이 결과 처리실(101) 내의 전자 밀도의 웨이퍼(103)의 반경 방향에 대한 편차가 저감된다. 이 때문에, 처리실(101) 내에 형성되는 플라스마(111)의 강도 혹은 밀도의 당해 반경 방향에 대한 분포가 보다 균일에 가까워진다.
또한, 이러한 플라스마(111)를 사용한 웨이퍼(103)의 에칭 처리에 있어서 당해 반경 방향의 웨이퍼(103) 상면의 각 개소에서의 에칭 레이트 등의 플라스마를 사용한 처리의 특성의 편차가 저감되어, 처리의 수율이 향상된다.
10 상부 전극 12 하부 전극 101 처리실 102 스테이지 103 웨이퍼 104 제1 코일 105 제2 코일 106 요크 107 안테나 본체 108 가스 분산판 109 가스 공급원 110 샤워 플레이트 111 플라스마 112 고주파 전원 113 제1 정합기 114 필터 115 제2 정합기 116 바이어스 형성용 고주파 전원 117 제1 직류 전원 118 제2 직류 전원 119 열교환 가스 공급원 120 배기 펌프 121 유전체막 122 절연 링 201 버퍼실 202 볼록부 203 오목부

Claims (8)

  1. 진공 용기 내부에 배치된 처리실과, 이 처리실 내부에 배치되고 그 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 놓여지는 시료대와, 상기 처리실 상방에서 상기 시료대 상면과 대향해서 배치된 유전체제의 원판 부재와, 상기 시료대에 대면하는 측이 상기 원판 부재로 덮여 배치되고 상기 처리실 내에 플라스마를 형성하기 위한 전계를 형성하기 위한 제1 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 상부 전극과, 상기 처리실의 상방 및 주위에서 상기 진공 용기의 외부에 배치되고 상기 플라스마를 형성하기 위한 자계를 발생시키는 코일과, 상기 시료대의 내부에 배치되고 상기 시료대에 놓인 상기 웨이퍼 상에 바이어스 전위를 형성하기 위한 제2 고주파 전력이 공급되는 하부 전극을 구비하고,
    상기 원판 부재와 상기 상부 전극 사이에서 상기 원판 부재의 측에 형성된 링 형상의 오목부와, 상기 링 형상의 오목부에 끼워 넣어지고 상기 상부 전극과 접해 있는 금속제의 링 형상의 부재를 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고주파 전력은, 50 내지 500㎒의 범위 내의 주파수를 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자계는 그 자력선이 상기 자계의 중심축 둘레에서 하(下) 방향으로 끝으로 갈수록 넓어지게 형성되고, 상기 금속제의 링 형상의 부재가 상기 웨이퍼가 놓여지는 상기 시료대의 웨이퍼의 재치(載置)면 외주연(外周緣)의 바로 상방보다 중심축의 측에 위치한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 링 형상의 부재는 상기 상부 전극과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체제의 판 부재는 그 상면이 상기 상부 전극 하면과 극간을 두고 배치되고, 하면에 상기 처리실 내에 공급되는 처리용의 가스의 도입 구멍을 복수 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  6. 처리실과,
    상기 처리실의 내부에서 상기 처리실의 하부에 설치된 하부 전극부와,
    상기 하부 전극부와 대향하여 상기 처리실의 내부에 설치된 상부 전극부와,
    상기 처리실의 내부를 진공으로 배기하는 진공 배기부와,
    상기 상부 전극부에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전력 인가부와,
    상기 처리실의 외부에 설치되고 상기 처리실의 내부에 자계를 발생시키는 자계 발생부와,
    상기 하부 전극부에 고주파 바이어스 전력을 인가하는 고주파 바이어스 전력 인가부와,
    상기 상부 전극부의 측으로부터 상기 처리실의 내부에 처리 가스를 공급하는 가스 공급부를
    구비한 플라스마 처리 장치로서, 상기 상부 전극부는,
    상기 고주파 전력 인가부로부터 인가되는 고주파 전력을 받는 안테나 전극부와,
    주변부의 부근이 상기 안테나 전극부에 밀접되고 중앙부의 부근에 오목부가 형성되어 상기 안테나 전극부와의 사이에 공간을 형성하고 상기 가스 공급부로부터 공급된 처리 가스를 상기 공간에 모으는 도전 재료로 형성된 가스 분산판과,
    상기 가스 분산판을 덮고, 상기 안테나 전극부와 상기 가스 분산판 사이에 형성된 상기 공간에 모인 상기 처리 가스를 상기 처리실의 내부에 공급하는 구멍이 다수 형성된 절연성 부재로 형성된 샤워 플레이트를 갖고,
    상기 샤워 플레이트의 상기 가스 분산판에 대면하는 측에는 원환상(圓環狀)의 홈부가 형성되어 있고, 상기 원환상의 홈부의 내부에는, 상기 가스 분산판과 전기적으로 접속되는 도전성의 부재가 끼워 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 샤워 플레이트의 상기 원환상의 홈부의 내부에 끼워 넣어진 상기 도전성의 부재는, 원환상의 도전성 부재로 형성되어 있고, 상기 가스 분산판과 접촉하여 상기 가스 분산판과 전기적으로 접속해 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 샤워 플레이트의 상기 원환상의 홈부의 내부에 끼워 넣어진 상기 도전성의 부재는, 상기 가스 분산판과 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
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