KR20200028288A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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다카마사 이치노
고우헤이 사토우
가즈노리 나카모토
게네츠 요코가와
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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

본 발명은 플라스마 처리 장치에 있어서, 피처리 웨이퍼의 외주부(外周部) 근방까지 플라스마 처리의 균일성을 향상시켜, 1매의 웨이퍼로부터 제조할 수 있는 양품(良品) 디바이스의 수를 보다 많게 하는 것을 과제로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 플라스마 처리 장치를, 진공 용기와, 이 진공 용기의 내부에서 피처리 시료를 재치(載置)하는 전극 기재(基材)와 이 전극 기재의 외주 부분을 덮는 절연성의 재료로 형성된 서셉터 링과 이 서셉터 링에 덮여 전극 기재의 외주를 둘러싸도록 배치되어 상면과 전극 기재의 외주와 대향하는 면의 일부에 박막 전극이 형성된 절연 링을 구비한 재치대와, 이 재치대의 전극 기재에 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전력 인가부와, 절연 링에 형성된 박막 전극에 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 전력 인가부와, 진공 용기의 내부에서 재치대의 상부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생 수단과, 제1 고주파 전력 인가부와 제2 고주파 전력 인가부와 플라스마 발생 수단을 제어하는 제어부를 구비하여 구성했다.

Description

플라스마 처리 장치{PLASMA PROCESSING APPARATUS}
본 발명은 플라스마 처리 장치에 관한 것이며, 특히, 플라스마를 발생시켜 반도체 기판 등을 에칭 처리하는 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 집적도의 향상에 수반하여, 회로 구조가 미세화되고, 제조 프로세스가 복잡화되어 있다. 이러한 상황에서, 반도체 디바이스의 단가의 상승을 억제하기 위해, 1매의 웨이퍼로부터 취할 수 있는 반도체 디바이스의 수율을 높이는 것이 요구되며, 피처리 웨이퍼의 외주연(外周緣)까지 성능이 좋은 반도체 디바이스를 수율 좋게 제조할 수 있도록 하는 것이 요구되고 있다.
이러한 요구에 대하여, 플라스마 처리 장치에 있어서는, 플라스마 처리 장치에 의해 처리됨으로써 피처리 웨이퍼 상에 형성되는 반도체 디바이스의 성능이, 피처리 웨이퍼의 면 내에서 중심으로부터 주변부에 걸쳐 균일할 것이 요구되고 있다.
플라스마 처리 장치인 에칭 장치에 있어서는, 회로 패턴의 미세화에 수반하여, 나노미터, 서브나노미터 오더의 가공 균일성의 정밀도가 요구되고 있다. 이러한, 나노미터, 서브나노미터 오더의 가공 균일성의 정밀도를 피처리 웨이퍼의 전체면에 걸쳐 확보할 수 있도록 하기 위해서는, 가공 정밀도가 저하되기 쉬운 피처리 웨이퍼의 외주부 근방에 있어서의 플라스마 처리의 정밀도를 향상시키는 것이 중요해진다.
에칭 처리 장치에 있어서는, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방에서, 전자기학적, 열역학적인 요인에 따라, 처리되는 패턴의 가공 형상 정밀도 등의 에칭 처리의 특성이, 피처리 웨이퍼의 중앙 부분에 대하여 외주부 근방의 쪽이 불균일이 커지기 쉽다. 이것은, 피처리 웨이퍼의 사이즈(외경)가 커질수록 현저하게 드러난다. 그 결과, 플라스마 에칭 처리에 의한 피처리 웨이퍼의 외주부 근방의 가공 형상이 중앙부 근방의 가공 정밀도에 대하여 불균일의 허용 범위를 초과해 버려, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방에 형성된 반도체 디바이스를 제품으로서 출하할 수 없게 되어 버리는 케이스가 발생한다.
이러한, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방의 가공 형상이 중앙부 근방의 가공 정밀도에 대하여 불균일의 허용 범위를 초과해 버리는 것을 방지하기 위한 수단으로서, 특허문헌 1에는, 피처리 웨이퍼를 싣는 기판 전극의 주위에, 기판 전극과 동(同)전위인 고주파 링을 설치하여, 고주파 바이어스 전력의 변경의 영향을 저감하고, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방의 가공 특성을 개선하여 처리의 균일성을 향상시킬 수 있는 플라스마 처리 장치에 대해서 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 피처리 웨이퍼를 싣는 시료대의 기재(基材)의 주위에, 시료대의 기재와는 전기적으로 절연된 상태에서 도체 링을 설치하고, 시료대의 기재에 인가하는 고주파 전력과는 다른 전원으로부터 도체 링에 고주파 전력을 공급하는 구성이 기재되어 있다,
일본국 특개2014-17292호 공보 일본국 특개2016-225376호 공보
에칭 처리 장치에 있어서는, 피처리 웨이퍼를 플라스마로 처리할 때에, 피처리 웨이퍼를 재치(載置)하는 기판 전극의 외주부 근방에 형성되는 전계(電界)의 형상이 플라스마 처리의 균일성에 영향을 미친다. 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 기판 전극과 고주파 링이 동전위이기 때문에, 기판 전극에 인가하는 고주파 전력이 있는 조건일 경우에는 기판 전극의 외주부 근방에 형성되는 전계를 이상적인 상태로 조정할 수 있어도, 기판 전극에 인가하는 고주파 전력의 조건을 바꾸었을 경우에는, 기판 전극의 외주부 근방에 형성되는 전계를 고주파 링으로 조정하는 것이 어려워, 피처리 웨이퍼를 외주부 근방까지 균일하게 처리를 실시하는 것은 어렵다.
한편, 웨이퍼 외주부의 전계가 변형되면, 웨이퍼의 표면과 그 위의 플라스마 영역과의 경계의 시스 영역에 형성되는 전계의 등(等)전위면에 불균일이나 형상의 기울기가 생긴다. 시스 영역에 있어서, 이온은 등전위면에 대하여 직각인 방향으로 힘을 받으므로, 등전위면이 웨이퍼의 면에 대하여 기울어 있으면, 웨이퍼에 입사(入射)하는 이온이 등전위면의 기울기에 따른 대각선 방향의 힘을 받은 상태에서 웨이퍼에 입사한다. 그 결과, 웨이퍼 상에 형성되는 패턴의 형상으로 분포가 생겨 버리거나, 웨이퍼 외주부의 절연체에서 형성된 링의 소모가 가속하는 등의 문제가 생긴다.
이에 대하여, 특허문헌 2에 기재된 구성에서는, 시료대의 기재(기판 전극)의 외주부에 발생하는 시스 영역에 있어서의 전계의 기울기를 보정하기 위해, 시료대의 기재의 외주부에 배치한 절연체의 링 상에 도체 링(고주파 링 전극)을 배치하고, 이 도체 링에 시료대의 기재에 인가하는 고주파 전력과는 다른 제어된 고주파 전력을 인가하는 구성으로 되어 있다.
그러나, 유전체를 사이에 두고 시료대의 기재와 도체 링에 각각 다른 전원으로부터 고주파 전력을 인가했을 경우, 시료대의 기재와 도체 링 사이에 발생하는 용량 결합에 의해서는, 시료대의 기재에 인가하는 고주파 전력과 도체 링에 인가하는 고주파 전력 사이에 간섭이 발생하여, 비교적 전력이 작은 도체 링에 인가하는 고주파 전력이 제어 불가능해져 버려, 시료대의 기재에 재치된 웨이퍼 외주부의 전계가 변형되어 버릴 가능성이 있다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 과제를 해결하여, 기판 전극에 인가하는 고주파 전력을 변화시켜도 고주파 링 전극에 인가하는 고주파 전력을 안정적으로 제어할 수 있도록 하여, 기판 전극의 외주부 근방의 시스 영역에 형성되는 전계의 형상이 플라스마 처리의 균일성에 미치는 영향을 작게 하고, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방까지 플라스마 처리의 균일성을 향상시켜, 1매의 웨이퍼로부터 제조할 수 있는 양품(良品) 디바이스의 수를 보다 많게 할 수 있도록 하는 것에 있다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 플라스마 처리 장치를, 진공 용기와, 이 진공 용기의 내부에서 피처리 시료를 재치하는 전극 기재와 이 전극 기재의 외주 부분을 덮는 절연성의 재료로 형성된 서셉터 링과 이 서셉터 링에 덮여 전극 기재의 외주를 둘러싸도록 배치되어 상면과 전극 기재의 외주와 대향하는 면의 일부에 박막 전극이 형성된 절연 링을 구비한 재치대와, 이 재치대의 전극 기재에 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전력 인가부와, 절연 링에 형성된 박막 전극에 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 전력 인가부와, 진공 용기의 내부에서 재치대의 상부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생 수단과, 제1 고주파 전력 인가부와 제2 고주파 전력 인가부와 플라스마 발생 수단을 제어하는 제어부를 구비하여 구성했다.
본 발명에 따르면, 피처리 웨이퍼의 중심 부분부터 외주부 근방까지 플라스마 처리의 균일성을 향상시킬 수 있어, 1매의 웨이퍼로부터 취득할 수 있는 양품 디바이스의 수(양품의 수율)를 보다 많게 할 수 있게 되었다.
또한, 본 발명에 따르면, 웨이퍼 외주부에 배치된 링 형상 부재의 수명을 연장시킬 수 있고, 부품 교환의 빈도를 적게 하여 플라스마 처리 장치의 장치 가동률을 높일 수 있게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 개략의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극의 구성을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극의 주변부의 상세한 구성을 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극의 절연 링과 링 전극의 구성을 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극의 주변부에 있어서의 플라스마 시스의 상태를 나타내는 웨이퍼 재치용 전극의 주변부의 단면도.
본 발명에서는, 기판 전극의 주위를 둘러싸도록 하여 설치한 링 전극의 제어성을 향상시키기 위해, 링 전극을, 유전체의 표면에 박막으로 형성하여 기판 전극으로부터의 거리를 가능한 한 크게 설정하여 기판 전극과 링 전극 사이에 발생하는 용량 결합을 작게 하도록 했다. 그 결과, 기판 전극과 링 전극에 별개의 전원으로부터 각각 고주파 전력을 인가했을 때에, 비교적 거리가 가까운 기판 전극과 링 전극 사이에 발생하는 용량 결합에 의한 고주파 전력의 간섭의 정도를 작게 할 수 있어, 링 전극에 의한 표면 전위의 제어성을 향상시키는 것을 가능하게 했다.
이에 따라, 기판 전극의 외주부 근방에 형성되는 시스 영역이 플라스마 처리의 균일성에 미치는 영향을 작게 하여, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방까지 균일하게 플라스마 처리를 할 수 있도록 하여, 1매의 웨이퍼로부터 취득할 수 있는 양품 디바이스의 수를 보다 많게 할 수 있도록 한 것이다.
또한, 본 발명에서는, 기판 전극과 링 전극 사이의 거리를 가능한 한 크게 하여, 2개의 전극 사이의 용량 결합을 저감하기 위해, 링 전극을, 기판 전극을 둘러싸는 절연성의 재료로 형성한 링 형상 부재의 표면에 도전성의 막을 용사(溶射)하여 형성했지만, 플라스마 처리 중에 이 도전성의 용사막에서 이상(異常) 방전이 발생하는 것을 막기 위해, 이 도전성의 용사막 상에 절연성 재료의 막을 용사하여 형성하고, 이 절연성 재료의 막으로 도전성의 용사막을 덮은 구조로 했다.
또한, 이 링 전극이 절연 링의 표면의 시료대, 웨이퍼와 평행한 면뿐만 아니라, 웨이퍼 외주부에 마련된 절연성의 링과 웨이퍼에 대하여 대향하는 경사 부분까지 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.
이러한 구조로 함으로써, 웨이퍼 외주부의 시스 영역의 전계의 변형을 저감할 수 있도록 하여, 피처리 웨이퍼의 외주부 근방까지 플라스마 처리의 균일성을 향상시켜, 1매의 웨이퍼로부터 제조할 수 있는 양품 디바이스의 수를 보다 많게 할 수 있도록 한 것이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 본 실시형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서 동일 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이도록 하고, 그 반복되는 설명은 원칙적으로 생략한다.
단, 본 발명은 이하에 나타내는 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 본 발명의 사상 내지 취지로부터 일탈하지 않는 범위에서, 그 구체적 구성을 변경할 수 있는 것은 당업자라면 용이하게 이해된다.
[실시예 1]
도 1에, 본 실시예에 따른 플라스마 처리 장치로서, ECR(Eectron Cyclotron Resonance) 조건을 충족시키는 자장(磁場) 중에 마이크로파를 공급하여 고밀도의 플라스마를 발생시켜 피처리 웨이퍼를 처리하는 플라스마 처리 장치인 플라스마 에칭 장치(100)의 예를 나타낸다. 플라스마 에칭 장치(100)는, 플라스마가 형성되는 처리실(104)을 내부에 구비한 진공 용기(101), 이 진공 용기(101)의 상부를 밀폐하는 유전체창(103)을 구비하고, 유전체창(103)에서 밀봉된 진공 용기(101)의 내부에 처리실(104)이 형성된다. 유전체창(103)은, 석영 등으로 형성되어 있다.
진공 용기(101)의 하부에는 배기구(110)가 배치되고, 도시하고 있지 않은 진공 배기 수단과 접속해 있다. 한편, 진공 용기(101)의 상부를 밀폐하는 유전체창(103)의 아래쪽에는, 처리실(104)의 천장을 구성하는 원판 형상의 샤워 플레이트(102)가 마련되어 있다. 유전체창(103)과 샤워 플레이트(102) 사이에, 도시하고 있지 않은 가스 공급 수단으로부터 에칭 처리용 가스를 공급하는 가스 공급부(102a)가 배치되어 있다. 샤워 플레이트(102)에는, 가스 공급부(102a)로부터 공급된 에칭 처리용 가스를 처리실(104)에 공급하기 위한 복수의 가스 도입 구멍(102b)이 형성되어 있다. 샤워 플레이트(102)는, 예를 들면 석영 등의 유전체로 형성되어 있다.
또한, 진공 용기(101)의 외부에는, 진공 용기(101)의 내부에 공급하는 마이크로파 전력을 발생시키기 위한 마이크로파 전원(106)과, 이 마이크로파 전원(106)과 진공 용기(101)의 상부를 접속하여, 마이크로파 전원(106)에서 발생한 마이크로파를 진공 용기(101)까지 반송하는 반송 경로를 형성하는 도파관(105)이 장착되어 있다. 마이크로파 전원(106)에서 발생하는 마이크로파로서는, 예를 들면 주파수 2.45㎓의 마이크로파를 사용한다.
진공 용기(101)의 외부에서 진공 용기(101)의 위쪽, 및 진공 용기(101)의 외주에서 유전체창(103)이 설치된 부분의 주변에는, 각각 자장을 형성하는 자장 발생 코일(107)이 배치되어 있다. 자장 발생 코일(107)은, 자장 발생 코일용 전원(107a)에 접속해 있다.
진공 용기(101)의 내부에서, 처리실(104)의 하부에는, 시료대를 형성하는 웨이퍼 재치용 전극(제1 전극)(120)이 마련되어 있다. 웨이퍼 재치용 전극(120)은, 도시하고 있지 않은 현가(懸架) 수단에 의해 진공 용기(101)의 내부에서 지지되고 있다.
웨이퍼 재치용 전극(120)의 상세를 도 2에 나타낸다. 웨이퍼 재치용 전극(120)은, 도전성의 재료로 형성된 전극 기재(108), 유전체 재료로 형성된 절연 플레이트(151), 도전성의 재료로 형성된 접지 플레이트(152)가 겹쳐쌓인 상태로 되어 있다. 전극 기재(108)의 상면은, 중앙 부분에 대하여 주변 부분이 1단 낮게 되어 있고, 중앙 부분의 상면(120a)에 대하여, 1단 낮은 주변 부분에는 면(120b)이 형성되어 있다.
전극 기재(108)와 절연 플레이트(151)의 주위 및 전극 기재(108)의 면(120b)은, 유전체 재료로 형성된 하부 서셉터 링(113), 상부 서셉터 링(138), 절연 링(139)에 의해 덮여 있다. 상부 서셉터 링(138)은, 전극 기재(108)의 면(120b)에 설치된 절연 링(139)의 상면 및 측면을 덮고 있다.
절연 플레이트(151), 하부 서셉터 링(113), 상부 서셉터 링(138), 절연 링(139)을 형성하는 유전체 재료로서는, 세라믹스, 또는 석영 등이 이용된다.
전극 기재(108)의 상면(120a)은 유전체막(140)으로 피복되어 있으며, 유전체막(140)의 표면이, 처리 대상인 시료(반도체 웨이퍼)(109)를 재치하는 재치면(140a)으로 되어 있다. 재치면(140a)은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 샤워 플레이트(102) 및 유전체창(103)과 대향하고 있다.
웨이퍼 재치용 전극(120)의 상면(120a)에 형성된 유전체막(140)의 내부에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 복수의 정전 흡착용 전극(도전체막)(111)이 형성되어 있다. 이 정전 흡착용 전극(111)은, 급전선(1261)에 의해, 진공 용기(101)의 외부에 배치된 고주파 필터(125)를 통해, 직류 전원(126)과 접속되어 있다. 급전선(1261)은, 접지 플레이트(152)의 부분에서는 절연 파이프(1262)의 내부를 통과하고, 전극 기재(108)의 부분에서는 절연 파이프(1263)의 내부를 통과함으로써, 접지 플레이트(152) 및 전극 기재(108)와 절연되어 있다.
도 3에 나타낸 구성에서는, 정전 흡착용 전극(111)은, 고주파 필터(125)를 통해 하나의 직류 전원(126)과 접속된 단극의 구성으로 되어 있지만, 직류 전원(126)을 복수 이용하여 복수의 정전 흡착용 전극(도전체막)(111)에 다른 극성의 전위를 부여하는 쌍극의 구성으로 해도 된다.
웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108)는, 급전선(1241)에 의해, 정합기(129)를 통해 제1 고주파 전원(124)과 접속해 있다. 제1 고주파 전원(124)의 일단(一端)은 접지되어 있다. 급전선(1241)은, 접지 플레이트(152)의 부분에서는 절연 파이프(1242)의 내부를 통과함으로써, 접지 플레이트(152)와 절연되어 있다.
또한, 전극 기재(108)의 내부에는, 전극 기재(108)를 냉각하기 위해, 도시하고 있지 않은 냉매 공급 수단으로부터 공급되는 냉매를 흘리기 위한 냉매 유로(153)가, 전극 기재(108)의 중심축 주위에 나선 형상으로 형성되어 있다. 냉매 유로(153)에, 도시하고 있지 않은 냉매 공급 수단으로부터 배관(154)을 통해 냉매가 공급, 및 회수됨으로써, 냉매가 냉매 유로(153)의 내부를 순환한다.
웨이퍼 재치용 전극(120)의 상면(120a)(전극 기재(108)의 상면)의 외경은, 재치면(140a)에 재치하는 시료(반도체 웨이퍼)(109)의 외경 치수보다 약간 작게 형성되어 있다. 그 결과, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 시료(반도체 웨이퍼)(109)를 재치면(140a)에 재치한 상태에서는, 시료(반도체 웨이퍼)(109)의 외주 부분이 약간 재치면(140a)보다 밀려나오게 된다.
또한, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상면(120a)의 주위의 외주부의 면(120b)은, 상면(120a)보다 한층 낮게 형성되어 있다. 이 외주부의 면(120b)에는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 상부 서셉터 링(138)과 절연 링(139)이 실려 있다. 또한, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 측면으로부터, 그 하측의 절연 플레이트(151)의 측면에 걸쳐, 하부 서셉터 링(113)으로 덮여 있다. 상부 서셉터 링(138)과 하부 서셉터 링(113)으로, 전극 기재(108)의 외주면과 외주부의 면(120b)을 덮고 있다.
또한, 상부 서셉터 링(138)과 절연 링(139)으로 둘러싸인 영역에는, 절연 링(139)이, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 외주부의 면(120b) 상에, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 측면을 둘러싸도록 배치되어 있다. 절연 링(139)의 상면과 내측의 면의 일부에는, 링 전극(170)이 형성되어 있다.
링 전극(170)의 상세를, 도 4에 나타낸다. 링 전극(170)은, 절연 링(139)의 상면 및 기재 전극(108)의 측에 면한 내측의 면의 일부에 형성된 박막 전극(171)과, 이 박막 전극(171)의 표면을 덮는 유전체막(172)의 박막으로 구성되어 있다. 박막 전극(171)은, 급전선(1271)에 의해, 도 2 및 도 3에 나타내는 바와 같이, 부하 임피던스 가변 박스(130)와 정합기(128)를 통해 제2 고주파 전원(127)과 접속해 있다. 급전선(1271)은, 접지 플레이트(152)의 부분에서는 절연 파이프(1272)의 내부를 통과하고, 전극 기재(108)의 부분에서는 절연 파이프(1273)의 내부를 통과함으로써, 접지 플레이트(152) 및 전극 기재(108)와 절연되어 있다.
마이크로파 전원(106), 자장 발생 코일용 전원(107a), 제1 고주파 전원(124), 직류 전원(126), 제2 고주파 전원(127)은, 각각 제어부(160)에 접속해 있으며, 제어부(160)에 기억된 프로그램에 따라서 제어된다.
이러한 구성에 있어서, 우선, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상면(120a)에, 도시하고 있지 않은 시료 공급 수단을 이용하여, 시료(반도체 웨이퍼)(109)를 재치한다. 다음으로, 진공 용기(101)를 밀폐한 상태에서, 제어부(160)에서 도시하고 있지 않은 배기 수단을 동작시켜 배기구(110)로부터 진공 용기(101)의 내부를 진공 배기한다.
진공 배기함으로써 진공 용기(101)의 내부가 소정의 압력에 도달하면, 제어부(160)에서 도시하고 있지 않은 가스 공급 수단을 동작시켜, 가스 공급부(102a)로부터 유전체창(103)과 샤워 플레이트(102) 사이의 공간에 에칭 처리용 가스를 소정의 유량으로 공급한다. 유전체창(103)과 샤워 플레이트(102) 사이의 공간에 공급된 에칭 처리용 가스는, 샤워 플레이트(102)에 형성된 복수의 가스 도입 구멍(102b)을 통과하여, 처리실(104)로 흐른다.
다음으로, 에칭 처리용 가스가 공급되어 처리실(104)의 내부가 소정의 압력으로 유지된 상태에서, 제어부(160)에서 직류 전원(126)을 제어하여, 급전선(1261)을 통해 정전 흡착용 전극(도전체막)(111)에 직류의 전압을 인가한다. 이에 따라 정전 흡착용 전극(도전체막)(111)을 덮는 유전체막(140)의 표면(재치면(140a))에 정전기가 발생하여, 시료(반도체 웨이퍼)(109)가 유전체막(140)의 표면(재치면(140a))에 정전 흡착된다.
시료(반도체 웨이퍼)(109)가 유전체막(140)의 표면(재치면(140a))에 정전 흡착된 상태에서, 도시하고 있지 않은 가스 공급 수단이 제어부(160)에 의해 제어되어, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 표면에 형성된 유전체막(140)의 표면(재치면(140a))과 시료(반도체 웨이퍼)(109) 사이에, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 측으로부터 전열용 가스(예를 들면 헬륨(He) 등)를 공급한다.
또한, 제어부(160)에서 도시하고 있지 않은 냉매 공급 수단을 제어하여 배관(154)으로부터 냉매 유로(153)에 냉매를 공급하고 회수하여 냉매 유로(153)의 내부에 냉매를 순환시킴으로써, 전극 기재(108)가 냉각된다.
이 냉각된 전극 기재(108) 상에 재치된 시료(반도체 웨이퍼)(109)가 유전체막(140)의 표면에 정전 흡착되고, 에칭 처리용 가스가 공급되어 처리실(104)의 내부가 소정의 압력이 된 상태에서, 제어부(160)에서 자장 발생 코일용 전원(107a)을 제어하여, 처리실(104)의 내부에 원하는 자장을 발생시킨다. 또한, 제어부(160)에서 마이크로파 전원(106)을 제어하여 마이크로파를 발생시키고, 이 발생시킨 마이크로파를, 도파관(105)을 통해 진공 용기(101)의 내부에 공급한다.
여기에서, 자장 발생 코일용 전원(107a)에 의해 처리실(104)의 내부에 발생시킨 자장은, 마이크로파 전원(106)으로부터 공급된 마이크로파에 대하여 ECR 조건을 충족시키는 강도로 형성되어 있다. 이에 따라, 처리실(104)의 내부에 공급된 에칭 처리용 가스가 여기(勵起)되어, 에칭 처리용 가스의 고밀도의 플라스마가 생성된다.
한편, 제어부(160)에서 제1 고주파 전원(124)을 제어하여 고주파 전력을 발생시키고, 정합기(129)를 통해 전극 기재(108)에 제1 고주파 전력을 인가함으로써, 플라스마(116)에 대하여 전극 기재(108)에 바이어스 전위가 발생한다. 제어부(160)에서 제1 고주파 전원(124)을 제어하여 전극 기재(108)에 발생하는 바이어스 전위를 조정함으로써, 비교적 높은 밀도의 플라스마(116)로부터 전극 기재(108)의 측으로 인입되는 이온화한 에칭 가스 등의 하전 입자의 에너지를 컨트롤할 수 있다.
이 에너지가 컨트롤된 에칭 처리용 가스에 의한 하전 입자가 전극 기재(108) 위에 재치된 시료(반도체 웨이퍼)(109)의 표면에 충돌한다. 여기에서, 시료(반도체 웨이퍼)(109)의 표면은, 에칭 처리용 가스에 반응하지 않는 재료 또는 반응하기 어려운 재료로 마스크 패턴이 형성되어 있으며, 시료(반도체 웨이퍼)(109)의 표면의 이 마스크 패턴으로 덮여 있지 않은 부분이 에칭된다.
에칭 처리 중에는, 처리실(104)의 내부에 도입된 에칭 처리용 가스나 에칭 처리에 의해 발생한 반응성 생성물의 입자가, 도시하고 있지 않은 진공 배기 수단에 의해 배기구(110)로부터 외부에 배기된다.
또한, 에칭 처리 중, 에칭 처리용 가스에 의한 하전 입자가 표면에 충돌한 시료(109)는 열을 발생한다. 시료(109)에서 발생한 열은, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 표면에 형성된 유전체막(140)과 시료(109) 사이에 도시하고 있지 않은 가스 공급 수단으로부터 공급된 전열용 가스에 의해, 시료(109)의 이면(裏面)의 측으로부터, 냉매 유로(153)의 내부를 흐르는 냉매에 의해 냉각된 전극 기재(108)의 측으로 전달된다. 이에 따라, 시료(109)의 온도가 원하는 온도 범위 내로 조절된다. 이 상태에서, 시료(109)의 표면에 대하여 에칭 처리가 행해짐으로써, 시료(109)에 열적인 데미지를 주지 않고 시료(109)의 표면에 원하는 패턴이 형성된다.
이 시료(109)의 표면의 에칭 처리는, 플라스마(116)로부터 시료(109)의 표면에 입사하는 에칭 처리용 가스 등의 하전 입자의 입사량 및 입사 방향이 시료(109)의 표면 전체에 걸쳐 균일하면, 시료(109)의 표면은 거의 균일하게 처리가 행해진다.
그러나, 실제로는, 웨이퍼 재치용 전극(120)은, 도전성의 재료로 형성된 전극 기재(108)가 플라스마(116)에 노출되지 않도록 하기 위해, 전극 기재(108)의 외주 부분은, 유전체 재료로 형성된 하부 서셉터 링(113), 상부 서셉터 링(138), 절연 링(139)에 의해 덮여 있으며, 전극 기재(108)의 중앙 부분과 외주 부분에서는, 플라스마(116)와의 사이에 형성되는 시스 영역(117)의 형상이나 전계의 분포에 차이가 생긴다.
이와 같이, 전극 기재(108)의 중앙 부분과 외주 부분과 시스 영역(117)의 형상이나 전계의 분포에 차이가 생김으로써, 웨이퍼 재치용 전극(120)에 재치한 시료(109)의 상면에는, 상부 서셉터 링(138)으로부터 비교적 벗어난 중앙부와 상부 서셉터 링(138)에 비교적 가까운 주변부에서, 시료(109)와 플라스마(116) 사이의 시스 영역(117)에 발생하는 전계가 균일하지 않고, 분포가 생겨 버린다. 그 결과, 시료(109)의 중심부 부근과 주변부 부근에서 에칭 처리의 조건(하전 입자의 입사량 및 입사 방향)이 달라 균일한 에칭 처리가 행해지지 않고, 시료(109)의 면 내에서, 에칭 처리에 분포가 생겨 버린다.
이에 대하여, 본 실시예에 있어서는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 전극 기재(108)의 주위에 배치한 절연 링(139)의 표면의 상면과 내측의 면의 일부에 박막 전극(171)을 형성하고, 이것에 제2 고주파 전원(127)으로부터 정합기(128)와 부하 임피던스 가변 박스(130)를 통해 고주파 전력을 인가함으로써, 시료(109)의 표면의 중앙부와 주변부에서 발생하는 전계의 분포의 차이를 가능한 한 작게 하도록 했다.
제2 고주파 전원(127)은, 전극 기재(108)에 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전원(124)과는 다른 전원이며, 박막 전극(171)에는, 전극 기재(108)에 인가하는 고주파 전력과는 독립된 전력이 인가된다.
여기에서, 특허문헌 2에는, 유전체로 형성된 서셉터 링에 의해 표면이 덮인 도체 링에 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 인가함으로써, 웨이퍼의 외주 부분 또는 외주연부에 고주파를 효율적으로 기여시키는 것이 기재되어 있다.
그러나, 도체 링과 금속제의 기재 사이에는, 용량 결합이 발생한다. 이 도체 링과 기재 사이의 용량 결합에 의해 발생하는 결합 용량(C)은, 그 사이에 개재(介在)하는 절연체의 유전율 및 두께에 따라 바뀌지만, 도체 링에 어느 정도의 두께를 부여하여 형성하고 있으므로, 도체 링에 높이 방향의 위치가 한정되어 있을 경우, 도체 링의 두께분만큼 개재하는 절연체의 두께를 얇게 해야만 한다. 따라서, 도체 링과 기재 사이의 결합 용량(C)을 작게 하기에는, 절연체의 두께에 기인하는 한계가 있다.
그 결과, 특허문헌 2의 구성에서는, 도체 링과 전극인 기재에 별개의 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 독립적으로 인가했을 경우, 도체 링에 인가되는 비교적 작은 고주파 전력은, 도체 링과 기재 사이의 용량 결합에 의해 전극인 기재에 인가되는 비교적 큰 고주파 전력의 영향을 받아 버려, 도체 링의 주위에 형성하는 전계의 제어성이 저하되어, 원하는 전계 분포를 얻을 수 없게 되어 버릴 가능성이 있다.
이에 대하여, 본 실시예에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 특허문헌 2에 기재되어 있는 도체 링에 상당하는 기능을, 유전체로 형성된 절연 링(139)의 표면에 형성한 링 전극(170)에서 실현시키도록 했다. 즉, 본 실시예에서는, 절연 링(139)의 표면에, 링 전극(170)으로서 박막 전극(171)을 형성하여 그 표면을 유전체막(172)으로 덮는 구성으로 한 것에 의해, 특허문헌 2에 기재된 구성에 대하여, 특허문헌 2의 도체 링의 두께에 상당하는 분만큼, 본 실시예에서는 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b)과의 간격을 크게 취할 수 있는 구성으로 했다.
이에 따라, 본 실시예에 있어서의 박막 전극(171)과 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b) 사이의 결합 용량(C)을, 특허문헌 2에 기재된 구성에 있어서의 도체 링과 기재의 본 실시예에 있어서의 면(120b)에 상당하는 부분 사이의 결합 용량보다 작게 할 수 있다.
그 결과, 본 실시예에 있어서는, 박막 전극(171)과 전극 기재(108)에, 별개의 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 독립적으로 인가했을 경우, 박막 전극(171)에 인가되는 비교적 작은 고주파 전력에 있어서, 박막 전극(171)과 전극 기재(108) 사이의 용량 결합에 의한 전극 기재(108)에 인가되는 비교적 큰 고주파 전력의 영향을 작게 할 수 있으므로, 박막 전극(171)의 주위에 형성하는 전계를 안정적으로 제어하는 것이 가능해진다.
또한, 박막 전극(171)의 표면을 유전체막(172)으로 덮음으로써, 처리실(104)의 내부에 플라스마를 발생시키고, 박막 전극(171)에 제1 고주파 전원(127)으로부터 제2 고주파 전력을 인가했을 때에, 박막 전극(171)에서 이상 방전이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 시료(109)의 주변부에 있어서의 시스 영역의 형상이나 시스 영역의 전계의 분포에 혼란의 발생을 방지할 수 있다.
박막 전극(171)은, 절연 링(139)의 표면에, 텅스텐(W)을 용사하여 텅스텐의 박막을 형성한다. 또한, 유전체막(172)은, 절연 링(139)의 표면의 텅스텐의 박막이 용사된 부분을 덮도록 해서 알루미나를 용사하여 알루미나의 박막에 의해 형성한다.
또한, 절연 링(139)의 상면과 이 상면에 접속하는 내측의 측면이 교차하는 부분(173)을, 도 4에 나타내는 바와 같이 코너부를 둥그스름하게 한 R 형상으로 했다. 박막 전극(171)을, 이 코너부를 둥그스름하게 한 R 형상으로 한 부분을 포함하여 절연 링(139)의 상면과 이 상면에 접속하는 내측의 측면에 형성한 것에 의해, 박막 전극(171)에 고주파 전력을 인가했을 때에, 코너부를 둥그스름하게 한 R 형상으로 한 부분에 전계가 집중하는 것을 막을 수 있다. 이와 같이 전계의 집중을 막음으로써, 시료(109)의 주변부에 있어서의 시스 영역의 형상이나 시스 영역의 전계의 분포에 영향을 주지 않거나, 또는 영향을 적게 할 수 있다.
이와 같이 하여 형성한 링 전극(170)의 박막 전극(171)에, 제어부(160)에서 제2 고주파 전원(127)을 제어하여, 부하 임피던스 가변 박스(130)와 정합기(128)를 통해 급전선(1271)에 의해 제2 고주파 전력을 인가한다. 동시에, 제1 고주파 전원(124)으로부터 정합기(129)를 통해 급전선(1241)에 의해 전극 기재(108)에 제1 고주파 전력을 인가한다.
여기에서, 박막 전극(171)과 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b) 사이의 용량 결합에 의해 발생하는 결합 용량(C)은, 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b)에 대향하는 박막 전극(171)의 면적에 비례하고, 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b)과 박막 전극(171)과의 간격에 반비례한다.
도 4에 나타낸 링 전극(170)의 구성에 있어서, 절연 링(139)의 좌측 측면(1391)의 상부에도 박막 전극(171)이 형성되어 있지만, 이 부분에 있어서 박막 전극(171)이 전극 기재(108)의 측면과 대향하는 부분의 면적은, 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b)과 대향하는 부분의 면적과 비교하여 충분히 작으므로, 박막 전극(171)과 전극 기재(108) 사이에 형성되는 용량 결합은, 박막 전극(171)과 전극 기재(108)의 외주부의 면(120b) 사이의 용량 결합에 의한 결합 용량(C)에 의해 지배된다고 간주할 수 있다.
이러한 구성으로 해서 제어부(160)에서 제2 고주파 전원(127)을 제어함으로써, 도 5에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 외주부 근방에 있어서, 시료(109)의 주변부로부터 상부 서셉터 링(138)에 걸치는 부분의 플라스마(116) 영역과 시료(109) 사이에 형성되는 시스 영역(117)을, 제1 고주파 전력의 영향에 의한 형상의 시간적 변화를 적게 하여, 안정적으로 형성할 수 있다.
또한, 박막 전극(171)은, 절연 링(139)의 코너부가 둥글어진 부분을 포함하여 절연 링(139)의 상면과 내측의 면에 형성되어 있으므로, 전계의 집중을 발생하지 않고, 웨이퍼 재치용 전극(120)에 재치된 시료(109)의 외주부 전계의 변형을 저감할 수 있다. 그 결과, 시료(109)의 상면에 형성되는 플라스마(116)의 시스 영역(117)의 전계 분포를, 시료(109)의 중심 부분으로부터 주변 부분에 걸쳐 거의 균일하게 할 수 있다.
이에 따라, 플라스마(116)로부터 시료(109)의 중심 부분으로부터 주변 부분에 걸쳐 입사하는 하전 입자의 입사 방향을 거의 같은 방향으로 할 수 있어, 시료(109) 위에서 에칭되어 형성되는 패턴의 형상의, 시료(109) 중심부 부근과 주변부 부근에서의 불균일을 억제할 수 있다.
또한, 전계의 집중을 없앤 것에 의해, 상부 서셉터 링(138)의 국부적인 소모가 발생하지 않게 되어, 상부 서셉터 링(138)의 수명을 연장시킬 수 있는 용이 되었다. 그 결과, 상부 서셉터 링(138)의 교환의 빈도를 줄일 수 있어, 플라스마 에칭 장치(100)의 장치 가동률을 높일 수 있게 되었다.
상기한 실시예에 있어서는, 링 전극(170)을, 유전체로 형성된 절연 링(139)의 표면에, 텅스텐(W)을 용사하여 도체 박막을 형성하고, 그 위에, 유전체막(172)을 알루미나를 용사하여 형성하는 구성에 대해서 설명했지만, 텅스텐(W)을 용사하여 형성한 도체 박막 대신에, 절연 링(139)의 표면을 따라 성형한 얇은 금속의 판을 이용하고, 그 표면에 알루미나를 용사한 것을 이용해도 된다.
본 실시예에 따르면, 웨이퍼 외주부까지 균일하게 플라스마 처리를 실시할 수 있으므로, 웨이퍼를 면 내에서 균일하게 처리할 수 있게 되어, 반도체 소자의 수율 향상을 도모할 수 있다.
또한, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108)의 외주부에 배치되어 플라스마에 직접 노출되는 상부 서셉터 링(138)에 있어서, 전계의 집중을 방지할 수 있으므로, 상부 서셉터 링(138)의 수명을 연장시킬 수 있다.
이상, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시예에 의거하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 각종 변경 가능한 것은 말할 것도 없다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것이 아니다. 또한, 실시예의 구성의 일부에 대해서, 공지(公知)의 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능이다.
100: 플라스마 에칭 장치 101: 진공 용기
102: 샤워 플레이트 102a: 가스 공급부
103: 유전체창 104: 처리실
106: 마이크로파 전원 107: 자장 발생 코일
107a: 자장 발생 코일용 전원 108: 전극 기재
109: 시료 110: 배기구
111: 정전 흡착용 전극 113: 하부 서셉터 링
120: 웨이퍼 재치용 전극 124: 제1 고주파 전원
127: 제2 고주파 전원 138: 상부 서셉터 링
139: 절연 링 140: 유전체막
160: 제어부 170: 링 전극
171: 박막 전극 172: 유전체막

Claims (8)

  1. 진공 용기와,
    상기 진공 용기의 내부에서 피처리 시료를 재치(載置)하는 전극 기재(基材)와 상기 전극 기재의 외주(外周) 부분을 덮는 절연성의 재료로 형성된 서셉터 링과 상기 서셉터 링에 덮여 상기 전극 기재의 외주를 둘러싸도록 배치되어 상면과 상기 전극 기재의 외주와 대향하는 면의 일부에 박막 전극이 형성된 절연 링을 구비한 재치대와,
    상기 재치대의 상기 전극 기재에 제1 고주파 전력을 인가하는 제1 고주파 전력 인가부와,
    상기 절연 링에 형성된 상기 박막 전극에 제2 고주파 전력을 인가하는 제2 고주파 전력 인가부와,
    상기 진공 용기의 내부에서 상기 재치대의 상부에 플라스마를 발생시키는 플라스마 발생 수단과,
    상기 제1 고주파 전력 인가부와 상기 제2 고주파 전력 인가부와 상기 플라스마 발생 수단을 제어하는 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 박막 전극은, 표면이 유전체의 막으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 박막 전극은 텅스텐의 막으로 형성되어 있으며, 상기 유전체의 막이 알루미나로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 박막 전극의 상기 텅스텐의 막은, 텅스텐을 상기 절연 링의 표면에 용사(溶射)함으로써 성형된 것임을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 박막 전극의 표면을 덮는 상기 알루미나의 막은, 상기 절연 링의 상기 텅스텐의 막이 형성된 부분을 덮어 알루미나를 용사함으로써 성형된 것임을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 절연 링의 상기 박막 전극이 형성된 부분 중 상기 절연 링의 상면과 상기 전극 기재의 외주와 대향하는 면이 교차하는 부분은, 둥그스름한 면으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재치대는, 중앙 부분에 대하여 주변 부분이 오목한 단차(段差) 형상을 갖고 있으며, 상기 절연 링은, 상기 재치대의 주변부가 오목한 단차 형상 부분에 탑재된 상태에서 상기 서셉터 링에 덮여 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 플라스마 발생 수단은,
    상기 진공 용기의 상부에 상기 재치대와 대항하여 배치되어 유전체 재료로 형성된 유전체창과,
    상기 진공 용기의 상부로부터 상기 유전체창을 통해 상기 진공 용기의 내부에 고주파 전력을 공급하는 전력 공급부와,
    상기 진공 용기의 외부에 배치되어 상기 진공 용기의 내부에 자계(磁界)를 발생시키는 자계 발생부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
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