KR20190109193A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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KR20190109193A
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다쿠 이와세
츠토무 데츠카
게네츠 요코가와
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은, 플라스마의 직경 방향의 균일성을 향상시키고, 플라스마의 생성의 효율을 향상시켜서, 처리의 수율을 향상시키는 것을 과제로 한다.
이러한 과제의 해결 수단으로서, 내부에 플라스마가 형성되는 처리실과, 상면에 처리 대상의 시료를 놓아서 유지하는 시료대와, 시료대에 대향해서 배치된 상부 전극과, 샤워 플레이트와, 유전체제의 상부 링 형상 플레이트와, 상부 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원을 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 시료대는, 상면의 외주측을 둘러싸서 배치된 유전체제의 서셉터링과, 이 서셉터링의 외주측에서 서셉터링의 상면보다 낮은 위치에 배치된 유전체제의 하부 링 형상 플레이트를 구비하고, 이 하부 링 형상 플레이트의 상면과 시료의 상면의 높이의 차를, 상부 전극과 하부 전극의 거리 G(mm), 제1 고주파 전력의 주파수 f(Hz), 처리실 내의 압력 P(Pa)를 이용한 식 -0.1×G-0.06×f-4.4×lnP+22의 전후 5㎜의 범위 내의 값으로 설정하도록 했다.

Description

플라스마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은, 반도체 디바이스의 제조 공정에 있어서, 진공 용기 내부의 처리실 내에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료의 상면에 미리 형성된 마스크층 및 산화실리콘, 질화실리콘, 저유전율막, 폴리실리콘, 알루미늄 등의 재료로 구성된 처리 대상의 막층을 포함하는 막 구조를 당해 처리실 내에 생성한 플라스마를 이용해서 에칭 등의 처리를 행하는 플라스마 처리 장치에 관한 것이며, 특히, 상기 처리실 내에 배치되고 상기 시료를 상면 상에 유지하는 시료대와 당해 상면의 위쪽에 배치되고 상기 플라스마를 형성하기 위한 평판 형상의 안테나 또는 전극을 구비한 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 제조 프로세스에서는, 반도체 웨이퍼 상의 처리 대상의 막층을 저온 플라스마에 의해서 에칭 등의 처리하는 플라스마 처리가 널리 이용되고 있다. 저온 플라스마는, 예를 들면 감압 하의 진공 용기 내부의 처리실의 상하에 배치되어 대향하는 평판 형상의 상부 전극과 하부 전극을 구비한 평행 평판형의 전극에 고주파 전력을 인가함에 의해서 용량 결합형의 플라스마가 생성된다. 이와 같은 평행 평판형의 플라스마 처리 장치는 반도체 디바이스의 제조 프로세스에 있어서 다용되고 있다.
평행 평판형의 플라스마 처리 장치는, 상하로 대향해서 배치된 평판 형상의 전극 중 시료대의 내부에 배치된 평판 형상의 하부 전극의 위쪽의 시료대의 상면에 반도체 웨이퍼를 재치(載置)하고, 원하는 프로세스 가스를 처리실 내에 도입한 후에, 하부 전극 위쪽에서 이것에 대향해서 배치된 상부 전극에 고주파 전력을 공급해서 용량 결합형의 플라스마를 생성하고, 하부 전극 상의 반도체 웨이퍼 상면 위쪽에 형성되는 바이어스 전위와 플라스마의 전위의 차에 따라서 반도체 웨이퍼 표면에 플라스마 중의 이온 등의 하전 입자나 라디칼 등 활성종을 유인해서 공급함으로써, 반도체 웨이퍼 표면의 처리 대상의 막의 처리가 행해진다. 이와 같은 플라스마에 의한 에칭에서는 처리의 이방성을 제어할 수 있기 때문에 가공 정밀도의 점에서 우위로 된다.
그러나, 반도체 디바이스의 회로의 치수는 미세화가 계속 진행되고 있고, 회로를 구성하는 막층을 에칭해서 행해지는 가공의 정밀도의 요구도 높아지고 있다. 그 때문에, 처리실 내에 적당한 가스의 해리 상태를 유지하면서 저압에서 고밀도의 플라스마를 생성하는 것이 요구되고 있다.
플라스마를 생성하기 위하여 공급되는 고주파 전력의 주파수는 일반적으로 10MHz 이상이며, 주파수가 높을수록 고밀도의 플라스마 생성에 유리하다. 그러나, 주파수가 높아지면 전계의 파장은 짧아지기 때문에, 플라스마 처리실 내의 전계 분포의 불균일이 커져 버린다.
전계의 분포는 플라스마의 전자 밀도에 영향을 주고, 전자 밀도는 에칭 레이트에 영향을 준다. 에칭 레이트의 면내 분포의 악화는 양산성을 저하시켜 버리므로, 고주파 전력의 주파수를 높임과 함께 에칭 레이트의 웨이퍼 면내의 균일성을 높이는 것이 요구되고 있다.
이와 같은 과제에 대해서, 플라스마의 전자 밀도의 균일성을 높이기 위하여, 고주파 전력의 경로를 제어하는 기술이 종래부터 알려져 있고, 예를 들면, 일본 특개2015-162266호 공보(특허문헌 1)의 것이 알려져 있었다. 이 특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 진공 용기 내부의 처리실 내의 아래쪽에 배치된 시료대와 그 외측 주위를 둘러싸는 처리실의 측벽면 사이의 공간에 접지 전위로 된 링 형상의 금속제의 차폐판을 배치하고, 플라스마를 처리실 내에 형성하기 위하여 시료대 상면 위쪽에 배치된 상부 전극에 공급되는 고주파 전력의 전류를, 시료대 상면으로부터 금속제의 차폐판을 통하여 처리실의 측벽을 구성하고 접지 전위로 되는 부재를 통하는 귀환 경로를 흐르게 해서 고주파 전력의 전원으로 되돌리는 구성이 개시되어 있다.
이 특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 이와 같은 구성에 의해, 시료대 상면과 상부 전극 사이의 처리실 내에 형성된 플라스마를 링 형상의 차폐판보다 위쪽의 공간에 가둠과 함께, 처리실 내의 전계의 분포가 시료대의 내부의 정전 척이나 하부 전극용의 급전(給電) 경로를 통하는 전력의 영향을 받는 것을 억제하는 것이 도모되어 있다.
또한, 플라스마는 플라스마 처리 장치의 처리실 내에 확산해서 분포하기 때문에, 처리실 내에서의 반도체 웨이퍼 등의 시료를 처리하는 시간 혹은 처리실 내에 플라스마가 생성되는 시간의 누적값이 커지는데 수반해서, 플라스마와의 상호 작용에 의한 시료대의 시료의 재치면 이외의 개소의 표면에 플라스마 유래의 물질의 부착이나 소모나 변질이 진행되어 버릴 우려가 있었다. 이와 같은 처리실 내의 표면의 시간의 경과에 수반하는 변화는, 플라스마를 생성하는 효율이나 퇴적물을 제거하기 위한 청소나 플라스마에 의한 클리닝의 시간이 증가함에 의해 전체로서의 시료의 처리의 효율이 저하해 버린다는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점의 해결을 위하여, 플라스마의 확산을 억제해서 처리실 내의 특정한 영역에 가두는 기술로서, 예를 들면, 일본 특개평9-027396호 공보(특허문헌 2)에 개시의 것이 종래부터 알려져 있었다.
일본 특개2015-162266호 공보 일본 특개평9-27396호 공보
상기한 종래 기술은, 다음의 점에 대하여 고려가 부족했기 때문에 문제가 발생되어 있었다.
즉, 특허문헌 1에서는, 플라스마 형성용의 귀환 경로를 구성하고 시료대의 외주측에 배치된 링 형상의 차폐판에 의해, 고주파 전력의 전계의 시료 또는 시료대의 둘레 방향에 대해서의 균일성이 향상하지만, 직경 방향의 균일성의 향상에 대하여 고려되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2는, 고주파 전력은 25 내지 30MHz의 범위 내의 주파수의 것이 이용되어 있고, 이보다 높은 주파수 대역인 VHF대의 고주파 전력에 의해 생성되는 플라스마의 분포의 균일성을 향상하기 위한 조건이나 구성에 대해서는 고려되어 있지 않았다.
이 때문에, 특허문헌 1 및 2에 기재되어 있는 종래 기술에서는, VHF대의 주파수의 고주파 전력을 이용해서 처리실 내에 플라스마를 생성하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 시료의 직경 방향에 대한 균일성이 손상되어, 처리의 수율이 손상될 우려가 있었다. 본 발명의 목적은, 플라스마의 직경 방향의 균일성을 향상시키고, 플라스마의 생성의 효율을 향상시켜서, 처리의 수율을 향상시킨 플라스마 처리 장치를 제공하는 것에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 진공 용기 내부에 배치되고 감압된 내측에 플라스마가 형성되는 처리실과, 이 처리실 내의 하부에 배치되고 그 상면에 처리 대상의 시료가 놓여서 유지되는 시료대와, 시료대의 상면의 위쪽에서 이 상면에 대향해서 처리실의 내부에 배치된 원판 형상의 상부 전극과, 이 상부 전극의 시료대에 면하는 측에 설치되고 처리실의 내부에 처리용 가스를 공급하기 위한 다수의 도입 구멍이 형성된 샤워 플레이트와, 이 샤워 플레이트의 외주측에 배치되고 처리실의 천장면을 구성하는 유전체제의 상부 링 형상 플레이트와, 상부 전극에 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원을 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 시료대는, 이 시료대 내부에 배치되고 시료의 처리 중에 제2 고주파 전력이 공급되는 원판 또는 원통 형상의 하부 전극과, 시료가 놓이는 상면의 외주측에서 상면을 둘러싸서 배치된 유전체제의 서셉터링과, 이 서셉터링의 외주측에서 서셉터링의 상면보다 낮은 위치에 배치된 유전체제의 하부 링 형상 플레이트를 구비하고, 이 하부 링 형상 플레이트의 상면과 시료의 상면의 높이 방향의 거리가, 상부 전극과 하부 전극의 거리 G(mm), 제1 고주파 전력의 주파수 f(MHz), 처리실 내의 압력 P(Pa)를 이용한 식 -0.1×G-0.06×f-4.4×lnP+22(단, ln은 자연대수(自然對數)의 전후 5㎜의 범위 내의 값으로 설정하도록 했다.
또한, 상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 진공 용기와, 이 진공 용기의 내측의 하부에서 시료를 재치하는 재치면을 갖고 이 재치면의 주위를 둘러싸는 유전체제의 서셉터링을 구비한 시료대와, 진공 용기의 내부를 배기하는 배기부와, 시료대와 대향해서 진공 용기의 내측의 상부에 배치된 주위가 절연물로 덮인 상부 전극과, 상부 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전력 인가부를 구비한 플라스마 처리 장치에 있어서, 시료대의 서셉터링의 외주부에 비유전율이 80 이하인 유전체의 재료로 형성된 링 형상 플레이트를 더 구비하고, 이 링 형상 플레이트를, 시료대의 재치면에 재치한 시료의 상면보다 높이 방향으로 낮은 위치에서, 또한, 고주파 전력 인가부로부터 상부 전극에 고주파 전력을 인가해서 진공 용기의 내부에서 상부 전극과 시료대 사이의 공간에 플라스마를 발생시켰을 때에, 시료대의 재치면에 재치한 시료의 상면과 거의 동등한 밀도의 플라스마가 형성되는 높이 방향의 위치에 배치하도록 했다.
본 발명에 따르면, 전극 중심부로부터 외주부에 걸쳐서 전자 밀도의 균일성이 극히 높은 플라스마를 생성할 수 있게 되어, 웨이퍼 면내에서 균일성이 높은 에칭 레이트 분포를 실현할 수 있어, 처리의 수율을 향상시킬 수 있게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 블록도.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 차폐판의 평면도.
도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 차폐판의 변형예의 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도 균일성의 차폐판 비유전율 의존성을 나타내는 그래프.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 시료대에 재치한 시료의 표면과 차폐판의 표면의 높이의 차 h를 설명하는 시료대의 위쪽의 단부 부근의 단면도.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치에 있어서의 전자 밀도 균일성의 차폐판 위치 의존성을 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치와 비교예에 있어서의 전자 밀도 분포의 비교를 나타내는 그래프.
본 발명은, 플라스마의 고밀도 영역을 제한함으로써, 플라스마의 생성 효율을 높이고, 투입 전력이 같아도 에칭 레이트를 향상시키도록 한 것이다. 또한, 퇴적물이 축적되는 영역을 좁히도록 해서, 챔버 내 클리닝 효율을 높여서, 이물량을 저감시키도록 한 것이다. 또한, 플라스마 중의 전자 밀도 분포를 균일화해서, 에칭 레이트 분포의 균일성을 개선한 것이다.
본 발명의 실시형태를, 이하에 도면을 이용해서 설명한다.
(실시예)
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치(100)의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 종단면도이다.
도 1에 따른 플라스마 처리 장치(100)는, 솔레노이드 코일인 전자기 코일(1)을 이용한 유(有)자장 평행 평판형의 플라스마 처리 장치이다. 본 실시예의 플라스마 처리 장치(100)는, 진공 용기(10)를 갖고, 이 진공 용기(10) 내부의 공간이며 처리 대상의 시료가 재치되고 처리용의 가스가 공급되어 플라스마가 내부에 형성되는 처리실(40)이 형성되어 있다. 또한, 플라스마 처리 장치(100)는, 진공 용기(10)의 위쪽에 배치되고 처리실(40)의 내부에 플라스마를 형성하기 위한 전계 또는 자계를 생성하는 수단인 플라스마 형성부(50)와, 진공 용기(10)의 하부와 연결되고 처리실(40)의 내부를 배기해서 감압하는 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 포함하는 배기부(60)를 구비하고 있다.
진공 용기(10)의 처리실(40)의 내부에는, 그 아래쪽에 배치된 원통형의 시료대(2)를 구비하고, 이 시료대(2)의 상면은, 그 위에 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료(3)가 놓이는 재치면(201)이 형성되어 있다. 이 재치면(201)의 위쪽에는, 이 재치면(201)에 대향해서 배치되고 플라스마를 형성하기 위한 고주파 전력이 공급되는 원판 형상의 상부 전극(4)이 설치되어 있다. 또한, 이 상부 전극(4)의 시료(3)의 측에서 시료대(2)의 재치면(201)에 대향해서 배치됨과 함께 처리실(40)의 천장면을 구성하고 당해 처리실(40)의 내부에 가스를 분산해서 공급하는 관통 구멍(51)을 복수 구비한 원판 형상의 샤워 플레이트(5)가 배치되어 있다.
샤워 플레이트(5)와 그 위쪽에 배치된 안테나인 상부 전극(4)은, 이들이 진공 용기(10)에 부착된 상태에서 이들 사이에 극간(41)이 형성된다. 극간(41)에는, 이것과 연결된 진공 용기(10)의 외부의 가스 도입 라인(6)으로부터 상부 전극(4) 내에 설치된 가스 유로를 통해서 가스가 도입된다. 극간(41)에 공급된 가스는, 극간(41)의 내부에서 분산된 후, 샤워 플레이트(5)의 측의 중앙부를 포함하는 영역에 배치된 복수의 관통 구멍(51)을 통하여 처리실(40)의 내부에 공급된다.
이 복수의 관통 구멍(51)을 통하여 처리실(40)의 내부에 공급되는 가스로서는, 시료(3)의 처리에 이용되는 처리용의 가스 혹은 처리에는 직접적으로는 이용되지 않지만 처리용의 가스를 희석하거나 처라용의 가스가 공급되지 않는 동안에 처리실(40)의 내부에 공급되어 처리용의 가스와 교체되는 불활성 가스 등이 있다.
상부 전극(4)의 내부에는, 상부 전극용 냉매 유로(7)가 형성되어 있다. 이 상부 전극용 냉매 유로(7)에는, 냉매의 온도를 소정의 범위로 조절하는 칠러 등의 온도 제어 장치(도시하지 않음)와 연결된 냉매 공급 라인(71)이 접속되어 있다. 냉매 공급 라인(71)을 통해서 온도 제어 장치(도시하지 않음)로부터 온도가 소정의 범위로 조절된 냉매가 상부 전극용 냉매 유로(7)의 내부에 공급되어 순환함에 의해, 열교환되어 상부 전극(4)의 온도가 처리에 적절한 값의 범위 내로 조절된다.
또한, 상부 전극(4)은, 도전성 재료인 알루미늄 또는 스테인리스 등으로 형성된 원판 형상의 부재로 형성되어 있고, 그 상면의 중앙부에 플라스마 형성용의 고주파 전력이 전달되는 동축 케이블(91)이 전기적으로 접속되어 있다. 상부 전극(4)에는, 동축 케이블(91)을 통해서 이것과 전기적으로 접속된 방전용 고주파 전원(8)(이하, 고주파 전원(8)이라 한다)으로부터 플라스마 형성용의 고주파 전력이 방전용 고주파 전력 정합기(9)를 통해서 공급되고, 상부 전극(4)의 표면으로부터 샤워 플레이트(5)를 투과해서 처리실(40)의 내부에 전계가 방출된다. 본 실시예에서는, 고주파 전원(8)으로부터 상부 전극(4)에 인가되는 플라스마 형성용의 고주파 전력으로서, 초고주파대(VHF대)역의 주파수인 200MHz의 전력을 이용했다.
또한, 진공 용기(10)의 외부이며 처리실(40)의 상부의 위쪽과 옆쪽을 둘러싸는 위치에는, 전자기 코일(1)이 배치되어 있다. 이 전자기 코일(1)에 의해 발생하는 자계가, 처리실(40)의 내부에 형성된다.
샤워 플레이트(5)는, 석영 등의 유전체나 실리콘 등의 반도체로 구성되어 있다. 이것에 의해, 고주파 전원(8)으로부터 상부 전극(4)에 플라스마 형성용의 고주파 전력이 인가된 상태에서, 상부 전극(4)에 의해 형성된 전계가 샤워 플레이트(5)를 투과할 수 있다.
또한, 상부 전극(4)은, 그 위쪽이나 옆쪽에 배치되고 석영이나 테프론(등록상표) 등의 유전체로 구성된 링 형상의 상부 전극 절연체(12)에 의해, 진공 용기(10)로부터 전기적으로 절연되어 있다. 마찬가지로, 샤워 플레이트(5)의 주위에는, 석영 등의 유전체로 구성되는 절연링(13)이 배치되어 있고, 샤워 플레이트(5)는, 진공 용기(10)로부터 절연되어 있다. 이들 상부 전극 절연체(12)와 절연링(13)과 상부 전극(4), 샤워 플레이트(5)는, 진공 용기(10)의 상부를 구성하는 덮개 부재(도시를 생략)에 고정되어 있고, 덮개 부재의 개폐의 동작 시에 덮개 부재와 일체로서 회동한다.
원통형을 가진 진공 용기(10)는, 그 측벽이, 도시하고 있지 않은 진공 용기이며 감압된 내부를 시료(3)가 반송되는 반송 용기와 연결되고, 이들 사이에는, 시료(3)가 출입되는 통로의 개구로서의 게이트가 배치되고, 진공 용기(10) 내부에서 시료(3)의 처리가 될 경우에, 게이트를 폐색해서 진공 용기(10) 내부를 기밀(氣密)하게 봉지(封止)하는 게이트 밸브가 배치되어 있다.
처리실(40)의 내부의 시료대(2)의 아래쪽이며 진공 용기(10)의 하부에는, 처리실(40)의 내부를 배기하는 배기부(60)와 연통하는 배기용의 개구(42)가 배치되어 있다. 이 배기용의 개구(42)와 배기부(60)의 도시하고 있지 않은 진공 펌프 사이에서 이들을 연결하는 배기의 경로(43)의 내부에는, 판 형상의 밸브인 압력 조정 밸브(26)가 배치되어 있다. 이 압력 조정 밸브(26)는, 배기의 경로(43)의 단면을 가로질러 배치된 판 형상의 밸브이고, 이 판 형상의 밸브가 축 둘레로 회전해서 유로에 대한 단면적을 증감시킨다.
압력 조정 밸브(26)의 회전의 각도를 조절함에 의해, 처리실(40)로부터의 배기의 유량 또는 속도를 증감할 수 있다. 처리실(40)의 내부의 압력은, 샤워 플레이트(5)의 관통 구멍(51)으로부터 공급되는 가스의 유량 또는 속도와 배기용의 개구(42)로부터 배기부(60)의 측에 배출되는 가스나 입자의 유량 또는 속도의 밸런스에 의해, 원하는 값의 범위 내로 되도록, 제어부(70)에 의해 조절된다.
다음으로, 시료대(2)의 주변의 구조에 관해서 설명한다. 본 실시예의 시료대(2)는, 처리실(40)의 아래쪽의 중앙부에 배치된 원통 형상의 대(臺)로서, 그 내부에 원통형 또는 원판 형상을 가진 금속제의 기재(2a)를 구비하고 있다.
본 실시예의 기재(2a)는, 동축 케이블을 포함하는 급전 경로(28)에 의해 바이어스용 고주파 전원(20)과 당해 급전 경로(28) 상에 배치된 바이어스용 고주파 전력 정합기(21)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 바이어스용 고주파 전원(20)으로부터 기재(2a)에 인가되는 바이어스용 고주파 전력은, 고주파 전원(8)으로부터 상부 전극(4)에 인가되는 플라스마 생성용 고주파 전력과는 다른 주파수(본 예에서는 4MHz)이다. 또한, 급전 경로(28) 상에는, 저항 또는 코일 등의 소자(32)가 배치되고, 당해 소자(32)는 접지된 바이어스용 고주파 전력 정합기(21) 및 바이어스용 고주파 전원(20)과 접속되어 있다.
고주파 전원(8)으로부터 상부 전극(4)에 플라스마 생성용 고주파 전력을 인가해서 시료대(2)와 샤워 플레이트(5) 사이에 플라스마(11)를 발생시킨 상태에서, 바이어스용 고주파 전원(20)으로부터 기재(2a)에 고주파 전력을 공급함에 의해, 기재(2a)에는, 바이어스 전위가 발생한다. 이 바이어스 전위에 의해, 플라스마(11) 중의 이온 등의 하전 입자는, 시료(3)의 상면 또는 재치면(201)에 유인된다. 즉, 기재(2a)는, 상부 전극(4)의 아래쪽에 있어서, 바이어스용 고주파 전력이 인가되는 하부 전극으로서 기능한다.
또한, 기재(2a)의 내부에는, 도시하고 있지 않은 칠러 등의 온도 제어 장치에 의해 소정의 온도로 조정된 냉매를 순환해서 통류시키기 위한 냉매 유로(19)가 다중의 동심 형상 또는 나선 형상으로 배치되어 있다.
기재(2a)의 상면에는, 정전 흡착막(14)이 배치되어 있다. 정전 흡착막(14)은, 알루미나 혹은 이트리아 등의 유전체의 재료로 형성되어 있고, 그 내부에, 시료(3)를 정전 흡착시키기 위한 직류 전력이 공급되는 텅스텐 전극(15)을 내장하고 있다. 텅스텐 전극(15)의 이면에는, 기재(2a)를 관통해서 배치된 급전 경로(27)가 접속되어 있다. 텅스텐 전극(15)은, 이 급전 경로(27)에 의해, 저항 또는 코일 등의 소자(32) 및 접지된 저역 통과 필터(로우 패스 필터)(16)를 통해서 직류 전원(17)과 전기적으로 접속되어 있다.
본 실시예의 직류 전원(17) 및 바이어스용 고주파 전원(20)은, 그 일단측의 단자는 접지되거나 어스에 전기적으로 접속되어 있다.
보다 높은 주파수의 전류의 흐름을 방해해서 필터링(여과)하는 저역 통과 필터(16), 및 바이어스용 고주파 전력 정합기(21)는, 직류 전원(17) 및 바이어스용 고주파 전원(20)에, 고주파 전원(8)으로부터의 플라스마 형성용의 고주파 전력이 유입하는 것을 억제하기 위하여 배치되어 있다.
직류 전원(17)으로부터의 직류 전력, 혹은 바이어스용 고주파 전원(20)으로부터의 고주파 전력은, 손실없이 각각 정전 흡착막(14) 및 시료대(2)에 공급되지만, 시료대(2)측으로부터 직류 전원(17) 및 바이어스용 고주파 전원(20)에 유입하는 플라스마 형성용의 고주파 전력은 저역 통과 필터(16) 또는 바이어스용 고주파 전력 정합기(21)를 통해서 어스에 흘려보내진다. 또, 도 1 중의 바이어스용 고주파 전원(20)으로부터의 급전 경로(28) 상에는, 저역 통과 필터(16)는 도시되어 있지 않지만, 마찬가지의 효과를 갖는 회로가 도시하는 바이어스용 고주파 전력 정합기(21) 내에 내장되어 있다.
이와 같은 구성에서는, 시료대(2)로부터 직류 전원(17) 및 바이어스용 고주파 전원(20)측을 본 경우의 고주파 전원(8)으로부터의 전력의 임피던스는, 상대적으로 낮게 된다.
본 실시예에서는, 저항 또는 코일 등의 임피던스를 높이는 소자(32)를, 급전 경로 상에서 전극과 저역 통과 필터(16) 및 바이어스용 고주파 전력 정합기(21) 사이에 삽입해서 배치함으로써, 시료대(2)의 기재(2a)측으로부터 직류 전원(17) 혹은 바이어스용 고주파 전원(20)측을 본 플라스마 형성용의 고주파 전력의 임피던스를 높게(본 실시예에서는 100Ω 이상으로) 하고 있다.
도 1에 나타내는 실시예는, 정전 흡착막(14)의 내부에 배치된 텅스텐 전극(15)을 복수 구비하고 있고, 이들 중 한쪽과 다른 쪽이 서로 다른 극성을 갖도록 직류 전압이 공급되는 양극성의 정전 흡착을 행하는 것으로 되어 있다. 이 때문에, 재치면(201)을 형성하는 정전 흡착막(14)이, 시료(3)와 접촉하는 면의 면적이 2등분 되었거나 또는 그렇다고 간주할 수 있을 정도로 근사한 범위 내의 값으로 텅스텐 전극(15)이 서로 다른 극성을 갖는 두 영역으로 나눠지고, 각각 독립한 값의 직류 전력이 공급되어, 서로 다른 값의 전압으로 유지된다.
정전 흡착되어 접촉하여 있는 정전 흡착막(14)과 시료(3)의 이면 사이에는, 배관(181)을 통해서 헬륨 공급 수단(18)으로부터 헬륨 가스가 공급된다. 이것에 의해, 시료(3)와 정전 흡착막(14) 사이의 열전달의 효율이 향상되고, 기재(2a)의 내부의 냉매 유로(19)와의 열의 교환량을 증대시킬 수 있어, 시료(3)의 온도를 조절하는 효율을 높이고 있다.
기재(2a)의 아래쪽에는, 테프론 등으로 형성된 원판 형상의 절연판(22)이 배치되어 있다. 이것에 의해, 접지되거나 어스와 전기적으로 접속되어 접지 전위로 된 기재(2a)는, 아래쪽의 처리실(40)을 구성하는 부재로부터 전기적으로 절연되어 있다. 또한, 기재(2a)의 측면의 주위에는, 알루미나 등의 유전체제의 링 형상의 절연층(23)이, 기재(2a)를 둘러싸도록 해서 배치되어 있다.
기재(2a)의 아래쪽에서, 이것과 접속되어 배치된 절연판(22)의 주위, 및 그 위쪽에서 기재(2a)를 둘러싸도록 해서 배치된 절연층(23)의 주위에는, 접지되거나 어스와 전기적으로 접속되어 접지 전위로 된 도전성 재료로 구성된 도전판(29)이 배치되어 있다. 도전판(29)은, 위쪽으로부터 보았을 때 원형이거나 그렇다고 간주할 수 있을 정도의 근사한 형상을 가진 판 부재이다. 도전판(29)과 기재(2a) 사이에는 절연층(23)이 개재되어 있고, 도전판(29)과 기재(2a)는, 전기적으로 절연되어 있다.
링 형상의 절연층(23)의 위쪽에는, 석영 등의 유전체 혹은 실리콘 등의 반도체로 구성된 서셉터링(25)이 배치되어 있다. 서셉터링(25)이 시료(3)의 주위에 배치되고, 기재(2a)를 서셉터링(25)과 절연층(23)으로 덮음으로써, 시료(3)의 외단부 주변의 반응 생성물의 분포를 제어하여, 프로세스 성능의 균일화를 행하고 있다.
이와 같이, 시료대(2)는, 기재(2a)와, 텅스텐 전극(15)을 내부에 구비한 정전 흡착막(14), 기재(2a)를 놓고 기재(2a)와 진공 용기(10) 사이를 전기적으로 절연하는 절연판(22), 절연 재료로 형성되고 기재(2a)의 주위를 둘러싸는 절연층(23), 기재(2a)의 상면과 정전 흡착막(14)의 측면을 덮는 서셉터링(25), 및, 절연판(22)의 외주부와 절연층(23)의 외주부를 덮는 도전판(29)을 구비해서 구성되어 있다.
서셉터링(25)의 외주측에는, 서셉터링(25)에 접하도록 배치된 동심원 형상의 판 형상의 차폐판(24)이 부착되어 있다. 차폐판(24)은, 처리실(40)의 내부에 형성되는 플라스마(11)의 발생 영역이, 시료대(2)의 측면까지 확대되는 것을 막아, 시료대(2)의 상부에 치우치게 하기 위한 것이며, 소위, 가두기 위해서 배치된 것이다. 판 형상의 차폐판(24)에는, 가스나 입자를 상하 방향으로 통과시키기 위하여, 복수의 구멍(241) 혹은 슬릿(242)이 형성되어 있다.
도 2a 및 도 2b는, 차폐판(24)의 평면도를 나타내고 있다.
도 2a는, 차폐판(24)에 구멍(241)을 곳곳에 배치한 차폐판의 형태를 나타내고, 도 2b는, 차폐판(24-1)에 균등하게 슬릿(242)을 설치하고, 각 슬릿(242) 사이를 복수 개소에서 지지한 차폐판의 형태를 나타내고 있다. 본 실시예에서는 도 2a의 형태를 이용하고 있다. 차폐판(24)은 유전체로 형성하는 것이 바람직하고, 유전체를 구성하는 재료의 비유전율에 의해서 프로세스 성능의 균일화의 정도가 변화한다.
이와 같은 구성에 있어서, 배기부(60)에서 처리실(40)의 내부를 배기하면서 샤워 플레이트(5)의 복수의 관통 구멍(51)으로부터 처리실(40)의 내부에 처리용의 가스 또는 불활성 가스를 공급한 상태에서, 전자기 코일(1)에 의해 처리실(40)의 내부에 자계를 형성하고, 고주파 전원(8)으로부터 상부 전극(4)에 고주파 전력을 인가한다. 이것에 의해, 처리용의 가스 또는 불활성 가스의 원자 또는 분자가 여기(勵起)되어, 플라스마(11)가 처리실(40)의 내부에 형성된다.
도 3에 나타낸 그래프(300)는, 차폐판(24)을 구성하는 재료의 비유전율과 플라스마의 직경 방향의 전자 밀도 균일성의 관계를 나타낸다. 그래프(300)의 각 흑점(301)은, 어느 비유전율을 갖는 재료로 차폐판(24)을 구성한 경우에 발생하는 플라스마의 직경 방향의 전자 밀도의 분포를 나타내고 있다. 여기에서, 종축의 전자 밀도 균일성은, 본 실시예의 형태에 의거하여 플라스마의 전자 밀도 분포를 해석하고, 시료대(2)에 재치한 시료(3)와 샤워 플레이트(5)의 중간에서 진공 용기(10)의 중심(시료대(2)의 중심)으로부터 처리실(40)의 내벽을 향해서 230㎜까지의 범위에 있어서의 균일성을 도출한 결과를 백분율로 나타낸 것이다. 차폐판(24)을 구성하는 재료의 비유전율이 높을 경우, 플라스마(11)에 접함으로써 분극하기 쉬우므로 벽의 전위가 높아지고, 시스가 두꺼워진다.
샤워 플레이트(5)로 덮인 상부 전극(4)과 시료대(2) 사이의 전극 간의 거리를 일정하게 하면, 시스가 두꺼워지면 일반적으로 플라스마의 전자 밀도는 감소한다. 차폐판(24)의 영역에서 전자 밀도가 감소하면, 정전 흡착막(14)에 흡착된 시료(3)의 상면으로부터 차폐판(24)의 상면에 걸치는 영역에 있어서의 전자 밀도 균일성이 저하하게 된다.
이 영역에 있어서의 전자 밀도 분포의 균일성의 기준을 10%로 할 경우, 도 3으로부터, 전자 밀도 균일성을 10% 이하로 하기 위해서는, 차폐판(24)으로서, 비유전율이 80 이하인 재료를 이용해야만 하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 조건을 충족시키는 재료로서, 예를 들면, 석영(SiO2), 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3) 등을 들 수 있다. 본 실시예에서는 석영을 이용했다.
본 실시예의 플라스마 처리 장치의 형태에 있어서 차폐판(24)의 설치 위치에는 바람직한 범위가 존재한다. 도 4a에 나타내는 바와 같이, 시료대(2)의 정전 흡착막(14)의 위에 재치한 시료(3)의 상면의 높이를 기준으로 하고, 차폐판(24)의 상면과의 상대 위치(높이의 차)를 h로 정의한다. 예를 들면, 시료(3)의 상면보다도 차폐판(24)의 상면이 1㎜ 낮으면 h=-1㎜로 된다.
플라스마의 직경 방향의 전자 밀도 균일성의 차폐판 위치 h 의존성을 도 4b에 나타낸다. 차폐판(24)의 높이(시료(3)의 표면과 차폐판(24)의 높이의 차 : h)에 의해서, 샤워 플레이트(5)로 덮인 상부 전극(4)과 시료대(2) 사이의 전극 간에 갇히는 플라스마의 체적이 변화하고, 플라스마의 체적이 변화함에 의해서 전자 밀도가 변동한다.
본 실시예의 형태에 있어서는, 도 4b에 나타내는 바와 같이, 차폐판(24)의 위치 h=-3㎜의 경우에 전자 밀도 균일성이 더욱 좋은 것을 알 수 있다. 이 차폐판(24)의 높이(위치) h의 바람직한 값은, 주로 처리실(40) 내의 압력 P(Pa), 상하 전극 간 갭 거리(상부 전극(4)의 시료대(2)와 대향하는 면과, 시료대(2)의 정전 흡착막(14)의 상부 전극(4)과 대향하는 면의 간격) G(mm), 방전 주파수 f(MHz)의 영향을 받는 것을 알 수 있었다.
해석적으로 전자 밀도 분포와 장치 파라미터의 상관을 구하고, 균일성이 높아지도록 스케일링을 행하여 도출한 결과, 다음 식으로 표현할 수 있는 것을 알 수 있었다. 단, 다음 식에서 ln은, 자연대수를 나타낸다.
h=-0.1×G-0.06×f-4.4×lnP+22 (식 1)
또한 도 4b로부터, 전자 밀도의 균일성을 10% 이하로 하기 위해서는, h는, (식 1)에서 구해진 값 ±5㎜의 범위 내에 있으면 되는 것을 알 수 있다. 본 실시예에서는, G=40(mm), P=8(Pa), f=200(MHz)으로 했다.
본 실시예의 효과를 비교하기 위하여, 본 실시예에서 설명한 플라스마 처리 장치(100)에 있어서, 차폐판(24)을 이용하지 않은 경우(비교예 1)와, 차폐판(24)을 도체로 구성한 경우(비교예 2)에 대하여, 전자 밀도 분포의 해석 결과를 비교한 결과를 도 5에 나타낸다. 도 5에 있어서는, 시료(3)인 웨이퍼의 반경을 150㎜(0.15m)로 하고, 시료(3)의 외측 0.23m까지의 영역의 전자 밀도 분포를 구했다.
도 5에 나타낸 결과로부터, 차폐판(24)을 이용하지 않은 비교예 1의 경우에서는, 외주를 향해서 전자 밀도가 높아져 있고, 균일성이 나빠져 있다. 한편, 차폐판(24)을 도체로 구성한 비교예 2의 경우에서는, 약간 외주쪽의 차폐판이 설치되어 있는 영역에서 전자 밀도가 높아져 있고, 균일성이 나빠져 있다. 이것에 대해서, 본 실시예에서 설명한 차폐판(24)을 이용한 경우는, 시료(3)의 외측 0.23m까지의 영역에서 비교적 균일한 전자 밀도 분포로 되어 있는 것을 알 수 있다.
비교예 1의 경우에서는, 시료대(2)의 외주부의 플라스마 체적이 크고, 자장에 의한 가열 효율이 높기 때문에, 시료대(2)의 외주부에 있어서 플라스마의 전자 밀도가 높아지기 쉽다고 생각할 수 있다. 비교예 2의 경우에서는, 차폐판을 도체로 함으로써 차폐판에 전계 집중이 발생하여, 차폐판에서 국소적인 전자 밀도의 증가가 일어나 있다고 생각할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 시료대(2)에 재치한 시료(웨이퍼)(3)의 외측에, 시료(웨이퍼)(3)의 높이에 대해서 일정한 범위 내에 차폐판(24)을 설치함에 의해, 전극 간에 발생시키는 플라스마의 전자 밀도 분포를, 시료(웨이퍼)(3)의 외측의 넓은 영역에 걸쳐서 비교적 균일하게 할 수 있게 되었다.
이것에 의해, 플라스마의 생성 효율을 높일 수 있고, 투입 전력이 같아도 에칭 레이트를 향상시킬 수 있게 되었다. 또한, 퇴적물이 축적되는 영역이 좁아지기 때문에, 챔버 내 클리닝 효율이 높아져, 이물량을 저감할 수 있게 되었다. 또한, 시료(웨이퍼)(3) 상에서의 전자 밀도 분포가 균일화되므로, 에칭 레이트 분포의 균일성을 개선할 수 있게 되었다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경 가능한 것은 물론이다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위하여 상세히 설명한 것이고, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 실시예의 구성의 일부에 대하여, 공지의 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
1 : 전자기 코일 2 : 시료대
2a : 기재 3 : 시료
4 : 상부 전극 5 : 샤워 플레이트
6 : 가스 도입 라인 7 : 상부 전극용 냉매 유로
8 : 방전용 고주파 전원 9 : 방전용 고주파 전력 정합기
10 : 진공 용기 12 : 상부 전극 절연체
13 : 절연링 14 : 정전 흡착막
15 : 텅스텐 전극 16 : 저역 통과 필터
17 : 직류 전원 18 : 헬륨 공급 수단
19 : 냉매 유로 20 : 바이어스용 고주파 전원
21 : 바이어스용 고주파 전력 정합기
22 : 절연판 23 : 절연층
24 : 차폐판 25 : 서셉터링
26 : 압력 조정 밸브 27 : 급전 경로
29 : 도전판 30 : 가스 통과 구멍
32 : 소자 50 : 플라스마 형성부
60 : 배기부 70 : 제어부
100 : 플라스마 처리 장치

Claims (10)

  1. 진공 용기의 내부에 배치되고 감압된 내측에 플라스마가 형성되는 처리실과, 상기 처리실 내의 하부에 배치되고 그 상면에 처리 대상의 시료가 놓여서 유지되는 시료대와, 상기 시료대의 상기 상면의 위쪽에서 상기 상면에 대향해서 상기 처리실의 내부에 배치된 원판 형상의 상부 전극과, 상기 상부 전극의 상기 시료대에 면하는 측에 설치되고 상기 처리실의 내부에 처리용 가스를 공급하기 위한 다수의 도입 구멍이 형성된 샤워 플레이트와, 상기 샤워 플레이트의 외주측에 배치되고 상기 처리실의 천장면을 구성하는 유전체제의 상부 링 형상 플레이트와,
    상기 상부 전극에 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원
    을 구비한 플라스마 처리 장치로서,
    상기 시료대는, 상기 시료대의 내부에 배치되고 상기 시료의 처리 중에 제2 고주파 전력이 공급되는 원판 또는 원통 형상의 하부 전극과, 상기 시료가 놓이는 상기 상면의 외주측에서 상기 상면을 둘러싸서 배치된 유전체제의 서셉터링과, 상기 서셉터링의 외주측에서 상기 서셉터링의 상면보다 낮은 위치에 배치된 유전체제의 하부 링 형상 플레이트를 구비하고,
    상기 하부 링 형상 플레이트의 상면과 상기 시료의 상면의 높이 방향의 거리가, 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 거리 G(mm), 상기 제1 고주파 전력의 주파수 f(MHz), 상기 처리실 내의 압력 P(Pa)를 이용한 식 -0.1×G-0.06×f-4.4×lnP+22(단, ln은 자연대수(自然對數))의 전후 5㎜의 범위 내의 값으로 된 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 샤워 플레이트의 하면과 상기 상부 링 형상 플레이트의 하면이 상하 방향에 대하여 같은 위치에 배치된 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 링 형상 플레이트를 구성하는 유전체 재료의 비유전율이 80 이하인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하부 링 형상 플레이트가 상기 시료대의 위쪽의 상기 처리실 내의 입자가 통과하는 복수의 관통 구멍을 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 진공 용기의 위쪽 또는 외주측에서 이것을 둘러싸서 배치되고 상기 처리실 내에 자계를 공급하는 자계 발생기를 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 고주파 전력이 VHF대의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  7. 진공 용기와,
    상기 진공 용기의 내측의 하부에서 시료를 재치(載置)하는 재치면을 갖고 상기 재치면의 주위를 둘러싸는 유전체제의 서셉터링을 구비한 시료대와,
    상기 진공 용기의 내부를 배기하는 배기부와,
    상기 시료대와 대향해서 상기 진공 용기의 내측의 상부에 배치된 주위가 절연물로 덮인 상부 전극과,
    상기 상부 전극에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전력 인가부
    를 구비한 플라스마 처리 장치로서,
    상기 시료대의 상기 서셉터링의 외주부에 비유전율이 80 이하인 유전체의 재료로 형성된 링 형상 플레이트를 더 구비하고, 상기 링 형상 플레이트는, 상기 시료대의 상기 재치면에 재치한 상기 시료의 상면보다 높이 방향으로 낮은 위치이며, 또한, 상기 고주파 전력 인가부로부터 상기 상부 전극에 고주파 전력을 인가해서 상기 진공 용기의 내부에서 상기 상부 전극과 상기 시료대 사이의 공간에 플라스마를 발생시켰을 때에, 상기 시료대의 상기 재치면에 재치한 상기 시료의 상면과 거의 동등한 밀도의 플라스마가 형성되는 높이 방향의 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 링 형상 플레이트에는 상기 상부 전극과 상기 시료대 사이의 공간에 발생시킨 상기 플라스마가 흘러나가지 않을 정도의 크기의 구멍 또는 슬릿이 복수 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 링 형상 플레이트는, 상기 고주파 전력 인가부로부터 상기 상부 전극에 고주파 전력을 인가해서 상기 진공 용기의 내부에서 상기 상부 전극과 상기 시료대 사이의 공간에 플라스마를 발생시켰을 때에, 상기 시료대의 상기 재치면에 재치한 상기 시료의 상면으로부터 상기 링 형상 플레이트에 걸쳐서, 전자 밀도의 분포가 10% 이하인 플라스마가 형성되는 상기 높이 방향의 위치에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 링 형상 플레이트는, 석영 또는 알루미나 또는 이트리아 중 어느 하나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
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