KR20210027221A - 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법 - Google Patents

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신지 구보타
유지 아오타
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도쿄엘렉트론가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 이온 에너지 분포를 제어하는 것을 목적으로 한다.
기판을 배치하는 제1 전극과, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성원과, 상기 제1 전극에 바이어스 파워를 공급하는 바이어스 전원과, 상기 플라즈마 생성원에 상기 바이어스 파워보다 높은 주파수의 소스 파워를 공급하는 소스 전원과, 상기 바이어스 전원 및 상기 소스 전원을 제어하는 제어부를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 소스 파워는, 제1 상태와 제2 상태를 갖고, 상기 제어부는, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태를, 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호, 또는 상기 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 나타내는 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 교대로 인가하도록 제어하며, 적어도 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측(負側)의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PROCESSING METHOD}
본 개시는 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법에 관한 것이다.
에칭 시, 인가하는 이온의 인입용의 고주파 전력을 플라즈마 생성용의 고주파 전력의 온(on)·오프(off)에 동기시킴으로써 이온을 다결정 실리콘층 상에 도달시켜, 다결정 실리콘층의 에칭률을 균일하게 하는 기술이 알려져 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평성 제10-64915호 공보
본 개시는 이온 에너지 분포를 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법을 제공한다.
본 개시의 일 양태에 의하면, 기판을 배치하는 제1 전극과, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성원과, 상기 제1 전극에 바이어스 파워를 공급하는 바이어스 전원과, 상기 플라즈마 생성원에 상기 바이어스 파워보다 높은 주파수의 소스 파워를 공급하는 소스 전원과, 상기 바이어스 전원 및 상기 소스 전원을 제어하는 제어부를 갖는 플라즈마 처리 장치로서, 상기 소스 파워는, 제1 상태와 제2 상태를 갖고, 상기 제어부는, 상기 제1 상태와 상기 제2 상태를, 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호, 또는 상기 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 나타내는 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 교대로 인가하도록 제어하며, 적어도 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측(負側)의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
일 측면에 의하면, 이온 에너지 분포를 제어할 수 있다.
도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시한 도면이다.
도 2는 일 실시형태에 따른 급전계에 부착한 센서의 위상 신호로 제어하는 경우, 또는 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호로 제어하는 경우를 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시형태에 따른 제어부의 구성의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 틸팅의 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시형태의 실시예 1에서 사용한 LF와 HF의 전압의 파형을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 HF의 펄스 인가 타이밍에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시형태의 실시예 2에 따른 이온 에너지 분포의 소스 파워 의존을 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시형태의 실시예 3에 따른 소스 파워의 종류(CW, SSP 위상)와 플라즈마 전자 밀도의 면내 분포의 관계를 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시형태의 실시예 4에 따른 플라즈마 전자 밀도의 면내 분포의 바이어스 파워 의존의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시형태의 실시예 5에 따른 바이어스 파워와 플라즈마 전자 밀도의 시간 변화를 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시형태의 실시예 6에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 11의 주기의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 13은 일 실시형태의 실시예 7에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 도 13의 위상의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 15는 일 실시형태의 실시예 8에 따른 소스 파워의 듀티비(duty ratio) 의존을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 도 15의 소스 파워의 펄스의 듀티비에 의한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 17은 일 실시형태의 실시예 9에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍(위상 의존)을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 도 17의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍(위상 의존)에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다.
도 19는 일 실시형태에 따른 HF의 온·오프와 이온 및 전자의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 고에너지 이온의 이차 전자 방출에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 일 실시형태의 변형예에 따른 바이어스 파워와 소스 파워의 펄스 인가 타이밍을 도시한 도면이다.
도 22는 일 실시형태에 따른 소스 파워가 오프인 동안의 전자의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 23은 소스 파워를 오프한 후에 전자가 소실되는 시간을 도시한 도면이다.
도 24는 비교예에 따른 소스 파워의 온·오프와 기판에 도달하는 전자수를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 25는 일 실시형태에 따른 소스 파워의 온·오프와 기판에 도달하는 전자수를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 26은 일 실시형태에 따른 소스 파워의 온·오프의 타이밍과 그 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 개시를 실시하기 위한 형태에 대해 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 구성 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복된 설명을 생략하는 경우가 있다.
이하, 소스 파워의 주파수(고주파)를 「HF」(High Frequency)라고도 하고, 소스 파워를 「HF 전력」이라고도 한다. 또한, 소스 파워의 주파수보다 낮은 주파수의 바이어스 파워의 주파수(저주파)를 「LF」(Low Frequency)라고도 하고, 바이어스 파워를 「LF 전력」이라고도 한다.
[플라즈마 처리 장치의 전체 구성]
먼저, 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)의 일례에 대해, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치의 일례를 도시한 도면이다.
일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)는, 용량 결합형의 평행 평판 플라즈마 처리 장치이고, 예컨대 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄을 포함하는 원통형의 처리 용기(10)를 갖고 있다. 처리 용기(10)는 접지되어 있다.
처리 용기(10)의 바닥부에는, 세라믹스 등을 포함하는 절연판(12)을 통해 원기둥형의 지지대(14)가 배치되고, 이 지지대(14) 위에 예컨대 알루미늄을 포함하는 하부 전극(16)이 설치되어 있다. 하부 전극(16)은 배치대로서도 기능하고, 그 위에 정전 척(18)을 통해 피처리체의 일례인 기판(W)이 배치된다.
하부 전극(16)의 상면에는, 기판(W)을 정전력으로 흡착 유지하는 정전 척(18)이 설치되어 있다. 정전 척(18)은, 도전막을 포함하는 ESC 전극(20)을 한 쌍의 절연층 또는 절연 시트 사이에 끼운 구조를 갖는다. ESC 전극(20)에는 ESC 직류 전원(22)이 접속되어 있다. ESC 직류 전원(22)으로부터 출력된 직류 전압은, ESC 전극(20)에 인가된다. 이에 의해 발생한 쿨롱력 등의 정전력에 의해 기판(W)이 정전 척(18)에 흡착 유지된다.
하부 전극(16) 상이며 기판(W) 주위에는, 예컨대 실리콘을 포함하는 도전성의 포커스 링(24)이 배치되어 있다. 포커스 링(24)은 에지 링이라고도 한다. 하부 전극(16) 및 지지대(14)의 측면에는, 예컨대 석영을 포함하는 원통형의 하부 전극 커버(26)가 설치되어 있다.
지지대(14)의 내부에는, 예컨대 환형으로 냉매실(28)이 형성되어 있다. 냉매실(28)에는, 외부에 설치된 칠러 유닛으로부터 배관(30a, 30b)을 통해 미리 정해진 온도의 냉매, 예컨대 불소계 불활성 액체가 순환 공급되고, 냉매의 온도에 의해 하부 전극(16) 상의 기판(W)의 처리 온도가 제어된다. 한편, 냉매는, 배관(30a, 30b)에 순환 공급되는 온도 조정용의 매체의 일례이고, 온도 조정용의 매체는, 하부 전극(16) 및 기판(W)을 냉각할 뿐만이 아니라, 가열하는 경우도 있을 수 있다.
또한, 열전도 가스 공급 기구로부터의 열전도 가스, 예컨대 He 가스가 가스 공급 라인(32)을 통해 정전 척(18)의 상면과 기판(W)의 이면 사이에 공급된다.
하부 전극(16)의 상방에는, 하부 전극(16)과 대향하도록 평행하게 상부 전극(34)이 설치되어 있다. 상부 전극(34)과 하부 전극(16) 사이는 플라즈마 처리 공간이 된다. 상부 전극(34)은, 하부 전극(16) 상의 기판(W)과 대향하여 플라즈마 처리 공간과 접하는 면, 즉 대향면을 형성한다.
상부 전극(34)은, 절연성의 차폐 부재(42)를 통해, 처리 용기(10)의 상부에 지지되어 있다. 상부 전극(34)은, 하부 전극(16)과의 대향면을 구성하고 또한 다수의 가스 토출 구멍(37)을 갖는 상부 전극판(36)과, 이 상부 전극판(36)을 착탈 가능하게 지지하고, 도전성 재료, 예컨대 표면이 양극 산화 처리된 알루미늄을 포함하는 상부 전극 지지체(38)를 갖는다. 상부 전극판(36)은, 예컨대 실리콘이나 SiC에 의해 형성되어도 좋다. 상부 전극 지지체(38)의 내부에는, 가스 확산실(40)이 형성되고, 이 가스 확산실(40)로부터는 가스 토출 구멍(37)에 연통(連通)되는 다수의 가스 통류 구멍(41)이 하방으로 연장되어 있다.
상부 전극 지지체(38)에는 가스 확산실(40)로 처리 가스를 유도하는 가스 도입구(62)가 형성되어 있고, 이 가스 도입구(62)에는 가스 공급관(64)이 접속되며, 가스 공급관(64)에는 처리 가스 공급원(66)이 접속되어 있다. 가스 공급관(64)에는, 상류측으로부터 순서대로 매스 플로우 컨트롤러(MFC)(68) 및 개폐 밸브(70)가 설치되어 있다. 그리고, 처리 가스 공급원(66)으로부터 에칭을 위한 처리 가스가 공급된다. 처리 가스는, 가스 공급관(64)으로부터 가스 확산실(40)에 이르고, 가스 통류 구멍(41)을 통해 가스 토출 구멍(37)으로부터 샤워형으로 플라즈마 처리 공간에 토출된다. 이와 같이 하여 상부 전극(34)은 처리 가스를 공급하기 위한 샤워 헤드로서 기능한다.
상부 전극(34)에는, 전압 가변식 직류 전원(50)이 접속되고, 전압 가변식 직류 전원(50)으로부터의 직류 전압이 상부 전극(34)에 인가된다. 전압 가변식 직류 전원(50)의 극성 및 전류·전압과, 전류나 전압을 온·오프하는 전자 스위치의 제어는, 제어부(200)에 의해 제어된다.
하부 전극(16)에는, 급전봉(47) 및 HF 정합기(46)를 통해 고주파 전원(48)이 접속되어 있다. 고주파 전원(48)은, 하부 전극(16)에 HF 전력을 인가한다. 하부 전극(16)에는, 급전봉(89) 및 LF 정합기(88)를 통해 저주파 전원(90)이 접속되어 있다. 저주파 전원(90)은, 하부 전극(16)에 LF 전력을 인가한다. 이에 의해, 하부 전극(16) 상의 기판(W)에 이온이 인입된다. HF의 주파수는 13.56 ㎒ 이상이고, LF의 주파수는 HF의 주파수보다 낮으며, 200 ㎑∼13.56 ㎒의 범위 내이다. 예컨대 400 ㎑의 LF 전력에 대해, 40 ㎒의 HF 전력을 출력해도 좋다. HF 정합기(46)는, 고주파 전원(48)의 내부 임피던스와 부하 임피던스를 정합시킨다. LF 정합기(88)는 저주파 전원(90)의 내부 임피던스와 부하 임피던스를 정합시킨다. 하부 전극(16)에는, 미리 정해진 고주파를 그라운드에 통과시키기 위한 필터(94)가 접속되어도 좋다. 한편, 고주파 전원(48)으로부터 공급되는 HF 전력을, 상부 전극(34)에 인가해도 좋다.
처리 용기(10)의 바닥부에는 배기구(80)가 형성되고, 이 배기구(80)에 배기관(82)을 통해 배기 장치(84)가 접속되어 있다. 배기 장치(84)는, 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 갖고 있고, 처리 용기(10) 내는 원하는 진공도까지 감압 가능하다. 또한, 처리 용기(10)의 측벽에는 기판(W)의 반입 반출구(85)가 형성되어 있고, 이 반입 반출구(85)는 게이트 밸브(86)에 의해 개폐 가능하다. 또한, 처리 용기(10)의 내벽을 따라 처리 용기(10)에 에칭 부생물(디포지션)이 부착되는 것을 방지하기 위한 디포지션 실드(11)가 착탈 가능하게 설치되어 있다. 즉, 디포지션 실드(11)가 처리 용기의 벽을 구성하고 있다. 또한, 디포지션 실드(11)는, 하부 전극 커버(26)의 외주에도 설치되어 있다. 처리 용기(10)의 바닥부의 처리 용기의 벽측의 디포지션 실드(11)와 하부 전극 커버(26)측의 디포지션 실드(11) 사이에는 배기 플레이트(83)가 설치되어 있다. 디포지션 실드(11) 및 배기 플레이트(83)로서는, 알루미늄재에 Y2O3 등의 세라믹스를 피복한 것을 이용할 수 있다.
이러한 구성의 플라즈마 처리 장치(1)에서 에칭 처리를 행할 때에는, 먼저, 게이트 밸브(86)를 개방 상태로 하여, 반입 반출구(85)를 통해 기판(W)을 처리 용기(10) 내에 반입하고, 하부 전극(16) 상에 배치한다. 그리고, 처리 가스 공급원(66)으로부터 에칭을 위한 처리 가스를 미리 정해진 유량으로 가스 확산실(40)에 공급하고, 가스 통류 구멍(41) 및 가스 토출 구멍(37)을 통해 처리 용기(10) 내에 공급한다. 또한, 배기 장치(84)에 의해 처리 용기(10) 내를 배기하여, 그 안의 압력을 예컨대 0.1 ㎩∼150 ㎩의 범위 내의 설정값으로 한다. 처리 가스로서는, 종래 이용되고 있는 여러 가지의 것을 채용할 수 있고, 예컨대 C4F8 가스 등의 퍼플루오로카본 원소를 함유하는 가스를 적합하게 이용할 수 있다. 또한, Ar 가스나 O2 가스 등의 다른 가스가 포함되어 있어도 좋다.
이와 같이 처리 용기(10) 내에 에칭 가스를 도입한 상태에서, 고주파 전원(48)으로부터 HF 전력을 하부 전극(16)에 인가한다. 또한, 저주파 전원(90)으로부터 LF 전력을 하부 전극(16)에 인가한다. 또한, 전압 가변식 직류 전원(50)으로부터 직류 전압을 상부 전극(34)에 인가한다. 또한, ESC 직류 전원(22)으로부터 직류 전압을 ESC 전극(20)에 인가하여, 기판(W)을 하부 전극(16)에 흡착 유지한다.
상부 전극(34)의 가스 토출 구멍(37)으로부터 토출된 처리 가스는, 주로 HF 전력에 의해 해리 및 전리되어 플라즈마가 생성된다. 플라즈마 중의 라디칼이나 이온에 의해 기판(W)의 피처리면이 에칭된다. 또한, 하부 전극(16)에 LF 전력을 인가함으로써, 플라즈마 중의 이온을 제어하여, 고애스펙트비의 홀의 에칭을 가능하게 하는 등, 플라즈마의 제어 마진을 넓게 할 수 있다.
[제어부]
플라즈마 처리 장치(1)에는, 장치 전체의 동작을 제어하는 제어부(200)가 설치되어 있다. 제어부(200)는, ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 등의 메모리에 저장된 레시피에 따라, 에칭 등의 원하는 플라즈마 처리를 실행한다. 레시피에는, 프로세스 조건에 대한 장치의 제어 정보인 프로세스 시간, 압력(가스의 배기), 고주파 전력이나 전압, 각종 가스 유량, 처리 용기 내 온도, 칠러로부터 출력되는 냉매의 온도 등이 설정되어 있다. 한편, 이들 프로그램이나 처리 조건을 나타내는 레시피는, 하드 디스크나 반도체 메모리에 기억되어도 좋다. 또한, 레시피는, CD-ROM, DVD 등의 가반성(可搬性)의 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기억 매체에 수용된 상태로 미리 정해진 위치에 세트되어, 판독되도록 해도 좋다.
HF의 전력의 온·오프 또는 High·Low를, 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호, 또는 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나의 1주기 내의 위상에 동기시키도록 제어해도 좋다. 예컨대, 제어부(200)는, HF의 전력의 온·오프 또는 High·Low를 LF의 전압 또는 전류의 1주기 내의 위상에 동기시키도록 제어해도 좋다. 이에 의해, 이온과 라디칼의 양과 질을 제어할 수 있다. 또한, IMD의 발생을 저감할 수 있다.
바이어스 파워의 급전계란, 저주파 전원(90)→LF 정합기(88)→급전봉(89)→하부 전극(16)→(플라즈마)→상부 전극(34)→(그라운드)를 말한다. 바이어스 파워의 급전계에서 측정되는 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나란, 저주파 전원(90)으로부터 LF 정합기(88)의 내부 및 급전봉(89)을 통해 하부 전극(16)에 이르기까지의 파츠(parts)와 상부 전극(34)에서 측정되는 전압, 전류 또는 전자계를 말한다.
또한, 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호의 상태, 또는 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 「기준 전기 상태」라고도 한다. HF 전력(소스 파워)은, 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 후술하는 제1 상태와 제2 상태로 교대로 인가하도록 제어된다.
바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계를 「기준 전기 상태」로 하는 경우, 기준 전기 상태는, 하부 전극(16)으로부터 급전봉(47)을 통해 접속되는 정합기의 내부까지 중 어느 하나의 부재에 있어서 측정되는 전압, 전류 또는 전자계인 것이 바람직하다.
바이어스 파워의 급전계에서 기준 전기 상태를 측정하는 방법으로서는, 바이어스 파워의 급전계 중 어느 하나의 파츠 근방에 전압 프로브, 전류 프로브, BZ 프로브(유도 자장을 측정하는 프로브)를 설치하는 방법을 들 수 있다. 이에 의해, 각 프로브로 각 파츠의 전압, 전류 또는 유도 자장을 계측한다.
예컨대, 도 2는 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 「기준 전기 상태」로 하는 경우의 일례이다. 예컨대 도 3의 (a)에서는, 프로세서(100)가 급전계에 부착된 VI 프로브 등의 센서로부터 HF의 전압 또는 전류, LF의 전압 또는 전류, HF의 위상 신호 또는 LF의 위상 신호 중 어느 하나를 입력한다. 프로세서(100)는, 입력한 HF의 전압 또는 전류, LF의 전압 또는 전류, HF의 위상 신호 또는 LF의 위상 신호 중 어느 하나를 나타내는 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 소스 파워를 제1 상태와 제2 상태로 교대로 인가한다.
프로세서(100)는, 센서로부터의 신호에 기초하지 않고 저주파 전원(90)으로부터 출력되는 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호를 생성해도 좋다. 이 경우, 상기 신호의 상태를 기준 전기 상태로 할 수 있다. 또한, 바이어스 파워의 급전계에서 기준 전기 상태를 측정하는 공정을 생략할 수 있다. 예컨대 도 2의 (b)에서는, 프로세서(100)가, 저주파 전원(90)으로부터 LF의 위상 신호(소전력 파형) 또는 바이어스 파워의 정보에 관한 신호를 입력하고, 이 입력 신호에 기초하여 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호를 생성한다. 프로세서(100)는, 생성한 신호를 고주파 전원(48)에 출력한다. 고주파 전원(48)은, 이 신호에 기초하여 소스 파워를 제1 상태와 제2 상태로 교대로 인가한다.
한편, 프로세서(100)는, 저주파 전원(90)으로부터의 신호에 기초하지 않고 바이어스 파워의 저주파의 주기에 동기하는 신호를 생성해도 좋다. 이 경우, 프로세서(100)는, 예컨대 도 2의 LF에 나타내는 주기를 갖는 신호를 생성하고, 이 신호에 동기하는, 예컨대 도 2의 HF에 나타내는 온·오프 신호를 생성한다. 프로세서(100)는, 생성한 신호를 저주파 전원(90) 및 고주파 전원(48)에 출력한다. 저주파 전원(90)은, 이 신호에 기초하여 바이어스 파워를 출력한다. 고주파 전원(48)은, 이 신호에 기초하여 소스 파워를 제1 상태와 제2 상태로 교대로 인가한다. 즉, 제1 상태와 제2 상태를, 바이어스 파워의 저주파의 주기에 동기하는 신호에 동기하여 교대로 인가하는 경우, 상기 신호는, 저주파 전원(90)으로부터의 신호에 기초하지 않고 생성한 신호이며, 바이어스 파워의 저주파의 주기에 동기하는 신호여도 좋다.
한편, 하부 전극(16)은, 기판(W)을 배치하는 제1 전극의 일례이다. 상부 전극은, 제1 전극과 대향하는 제2 전극의 일례이다. 저주파 전원(90)은, 제1 전극에 LF 전력을 공급하는 바이어스 전원의 일례이다. 고주파 전원(48)은, 제1 전극 또는 제2 전극에 LF 전력보다 높은 주파수의 HF 전력을 공급하는 소스 전원의 일례이다. 제어부(200)는, 바이어스 전원 및 소스 전원을 제어하는 제어부의 일례이다. 바이어스 파워를 인가하는 하부 전극(16)의 전위를, 하부 전극 전위라고도 한다.
[제어부의 구성]
제어부(200)의 구체적 구성에 대해, 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 일 실시형태에 따른 제어부(200)의 구성의 일례를 도시한 도면이다. 제어부(200)는, 프로세서(100), 신호 발생 회로(102), 방향성 결합기(105, 108), 반사 검출기(111), 오실로스코프(112)를 갖는다.
고주파 전원(48)의 급전 라인에는, 고주파 전원(48)과 HF 정합기(46) 사이에 방향성 결합기(108)가 접속되어 있다. 저주파 전원(90)의 급전 라인에는, 저주파 전원(90)과 LF 정합기(88) 사이에 방향성 결합기(105)가 접속되어 있다.
방향성 결합기(108)는, HF의 진행파 파워(이하, 「Pf」라고도 표기함) 및 반사파 파워(이하, 「Pr」이라고도 표기함)의 일부를 오실로스코프(112)에 부여한다. 또한, 방향성 결합기(105)는, LF의 진행파 파워의 일부를 오실로스코프(112)에 부여한다.
일 실시형태에 있어서, 오실로스코프(112)에 표시되는 LF의 주파수는, 예컨대 400 ㎑이고, HF의 주파수는, 예컨대 40 ㎒이다. 이에 의해, 오실로스코프(112)에서는, LF의 진행파 파워의 파형과, HF의 진행파 파워의 파형 및 HF의 반사파 파워의 파형을 관찰할 수 있다. 예컨대, HF의 진행파 파워의 파형(Pf(HF)) 및 HF의 반사파 파워의 파형(Pr(HF))의 일례를 도 5에 도시한다.
또한, 방향성 결합기(108)는, HF의 반사파의 일정 비율을 분리하여, 반사 검출기(111)에 부여한다. 반사 검출기(111)는, 예컨대, 스펙트럼 애널라이저, 파워 미터 등으로 구성되고, 어떤 파장의 IMD(Intermodulation distortion: 상호 변조 왜곡)가 어느 정도 발생하고 있는지나 어느 정도의 반사파 파워인지를 계측한다. IMD는, 플라즈마 처리 장치(1)의 상부 전극 또는 하부 전극에 HF 전력을 인가하고, 하부 전극에 LF 전력을 인가함으로써 발생하는, LF의 기본파 및/또는 고조파와, HF의 기본파 및/또는 고조파와의 합이나 차의 주파수에 따라 발생하는 플라즈마측으로부터의 반사파 파워를 말한다.
방향성 결합기(105)는, LF의 진행파 파워의 일부를 프로세서(100)에 부여한다. 프로세서(100)는, LF의 진행파 파워에 동기시키는 HF용의 동기 신호를 작성한다. 예컨대, 프로세서(100)는, LF의 진행파의 정(正; positive)의 타이밍에 동기시켜 HF용의 동기 신호를 작성해도 좋다. 한편, 방향성 결합기(105) 대신에, VI 프로브 등의 센서를 이용하여 검출한 LF의 파형을 프로세서(100)에 부여해도 좋다.
프로세서(100)는, 작성한 동기 신호를 신호 발생 회로(102)에 부여한다. 신호 발생 회로(102)는, 부여된 동기 신호로부터 LF의 진행파 파워에 동기하는 제어 신호를 생성하고, 고주파 전원(48) 및 저주파 전원(90)에 부여한다.
제어 신호의 생성 방법에는, 이하의 2가지가 있다. 저주파 전원(90)이 일반적인 전원인 경우, 방향성 결합기(105)가 저주파 전원(90)으로부터 출력되는 LF의 전압 또는 전류의 일부를 파형으로서 취출하여, 프로세서(100)에 입력한다. 단, 이것에 한정되지 않고, 프로세서(100)가, 저주파 전원(90)으로부터 직접, LF의 전력 등의 일부를 입력해도 좋고, 저주파 전원(90)으로부터의 신호에 기초하지 않고 고주파 전원(48) 및 저주파 전원(90)을 제어하는 신호를 생성해도 좋다. 프로세서(100)는, 입력한 파형의 신호 또는 생성한 신호로부터 임의의 지연과 임의의 폭을 갖는 온 신호를 작성하고, 신호 발생 회로(102)에 송신한다. 온 신호는, 동기 신호의 일례이다.
신호 발생 회로(102)는, 온 신호 동안, HF의 전력을 발생시키기 위해서 고주파 전원(48)에 지령 신호를 보낸다. 지령 신호에는, 고주파 전원(48)의 입력 형태에 따라, 온 신호 동안, HF의 전력을 발생시키는 제어 신호 또는 온 신호 그 자체가 사용된다.
저주파 전원(90)이 LF의 전력, 전압 또는 전류를 증폭하는 증폭기인 경우, 방향성 결합기(105)로부터의 신호는 사용하지 않아도 좋다. 이 경우, 신호 발생 회로(102)가 저주파 전원(90)으로부터 출력되는 LF의 전력 등의 일부를 파형으로서 취출하고, 상기 파형의 신호로부터 임의의 지연과 임의의 폭을 갖는 온 신호를 작성해도 좋다. 신호 발생 회로(102)는, 상기 파형의 신호 및 온 신호를 고주파 전원(48)에 송신한다.
단, 이상의 제어 신호의 생성 방법은 일례이고, 이것에 한하지 않는다. 부여된 동기 신호로부터 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상(LF의 전압 또는 전류의 1주기 내의 위상, 전극 전위 등)과 동기하여 HF의 전력의 온·오프 또는 High·Low가 교대로 인가되도록 제어하는 제어 신호를 생성할 수 있으면 된다. 이와 같이 제어 신호를 생성할 수 있으면, 도 2a에 도시된 제어부(200)의 회로에 한정되지 않고, 다른 하드웨어 또는 소프트웨어를 사용할 수 있다.
저주파 전원(90)의 증폭기는, 400 ㎑의 LF의 변조 신호의 진폭(AM: amplitude modulation)을 증폭하여, 하부 전극에 공급한다. 고주파 전원(48)의 증폭기는, 40 ㎒의 HF의 변조 신호의 진폭을 증폭하여, 하부 전극에 공급한다.
[틸팅]
에칭 대상막을 에칭할 때, 틸팅이 발생하는 경우가 있다. 도 4는 틸팅의 발생을 설명하기 위한 도면이다. 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)에서는, 바이어스 파워(LF 전력)와 소스 파워(HF 전력)를 하부 전극(16)에 인가한다. 자기 바이어스 전압(Vdc)에 의해 LF의 전압이 부(負: negative)일 때에 기판 전위(전극 전위)가 부로 깊어지면, 시스의 두께는 전압에 비례하기 때문에, 기판 전위가 부일 때에는 기판에 큰 전압이 가해져, 시스의 두께가 두꺼워진다. 이에 대해, 기판 전위가 정일 때에는 기판 방향으로 전자가 가속된다. 이온에 비해 전자 쪽이, 질량이 작고, 이동도가 매우 높기 때문에 기판 방향으로 큰 전류가 흐르고, 정의 전위는 완화된다. 이 때문에 기판은 정방향으로는 전위가 커지지 않고, 시스 두께도 두꺼워지지 않는다.
시스의 두께는, 거의 플라즈마 밀도의 분포에 의해 변화한다. 예컨대, 동일한 전위가 기판(W)에 가해져 있었다고 가정한다. 또한, 플라즈마 밀도의 분포가 치우쳐 있었던 경우를 상정하면, 플라즈마 밀도가 높은 장소에서는, 시스가 얇아지고, 반대로 플라즈마 밀도가 낮은 장소에서는, 시스가 두꺼워진다. 이와 같이, 플라즈마 밀도의 분포가 치우쳐 있었던 경우에는, 시스의 계면이 기판(W)을 향해 기울어지고, 이온도 비스듬한 방향으로 가속된다.
도 4에는, 실리콘산화막(SiO2) 등의 에칭 대상막(2)을 마스크(3)의 홀 패턴으로 에칭할 때의 일례가 도시되어 있다. 이 예에서는, 시스(S)가 두꺼울 때에 이온이 기판(W)의 에지 영역에 대해 한쪽으로 기울어져 입사된다. 이에 의해, 에칭 대상막(2)에 형성된 홀(H)의 에칭 형상에 경사가 발생한다. 시스(S)가 얇아지면, 시스(S)가 기판(W)과 포커스 링(24)의 간극에 따라 변동하기 때문에 이온의 입사각이 변동한다. 이에 의해, 에칭 대상막(2)에 형성된 홀(H)의 에칭 형상에 시스(S)가 두꺼울 때와는 상이한 경사가 발생한다. 이러한 이온의 입사각의 변동이, LF의 전압의 주기에 따라 반복된다. 이와 같이 에칭 형상에 경사가 발생하는 것을 틸팅이라고 하고, 경사가 발생한 에칭 형상을 틸팅 형상이라고도 한다. 한편, 도 4는 일례이고, 틸팅 형상은 이것에 한정되지 않는다. 또한, 틸팅 형상은, 홀뿐만이 아니라, 홈에 경사가 발생하는 경우도 포함한다.
이러한 틸팅을 억제하기 위해서, 본 실시형태에서는, 이온 에너지 분포 및 플라즈마 밀도의 면내 분포를 제어할 수 있는 플라즈마 처리 장치(1) 및 처리 방법을 제공한다. 이에 의해, 기판(W)에 대한 이온의 입사각을 제어해서, 틸팅 형상의 발생을 억제하여, 홀 등의 형상을 수직으로 형성할 수 있다.
이하에서는, 본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(1)를 사용하여 여러 가지 프로세스 조건에서 실리콘산화막을 에칭했을 때의 측정 결과에 대해 설명한다. 한편, 실시예 1 및 그 외의 실시예에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(W) 상에 IEA(이온 에너지 애널라이저) 측정 장치(113)를 놓고, 프로브를 기판(W)에 접촉시켜, 기판(W)에 도달한 이온 에너지를 측정하였다. IEA 측정 장치(113)는, 기판 전위를 측정할 때에만 기판(W) 상에 배치하고, 그 이외의 처리 시에는 배치하지 않는다. 이하에 설명하는 각 실시예에 있어서 「IEDF」는, IEA 측정 장치(113)에 의한 측정 결과를 나타내고, 각 에너지를 갖는 기판(W)에 도달한 이온의 수를 나타낸다. 또한, 플라즈마 밀도의 면내 분포에 대해서는, PAP(Plasma absorption Probe)를 이용하여 전자 밀도를 측정하였다.
[실시예 1]
먼저, 본 실시형태의 실시예 1에 대해 도 5 및 도 6을 참조하여 설명한다. 도 5는 일 실시형태의 실시예 1에서 사용한 LF의 전압(간단히 LF라고도 함)과 HF의 전압(간단히 HF라고도 함)의 파형을 도시한 도면이고, HF 펄스의 인가 타이밍을 도시하고 있다.
도 6은 도 5의 HF의 펄스 인가 타이밍에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과의 일례를 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 비교예에 따른 HF의 인가를 도시한다. 도 5의 (a)의 비교예에서는, HF는 상시 온되어 있기 때문에, HF의 진행파(Pf) 및 반사파(Pr)가 항상 출력되고 있다. 이하, 「CW」는, 연속해서 HF를 인가하고 있는 것을 나타낸다. 이하, 모든 실시예 및 변형예에 있어서, 「CW」는 비교예로서 나타난다.
도 5의 (b) 및 도 5의 (c)는 본 실시형태의 실시예 1에 따른 HF의 펄스 인가 타이밍을 도시한다. 본 실시형태의 모든 실시예 및 후술하는 변형예에서는, 제어부(200)는, 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하여 미리 정해진 타이밍에 소스 파워를 단속적으로 인가하는 「SSP」 제어를 행한다. 즉, 시스의 움직임에 동기하여 HF의 펄스를 도입하기 때문에, Sheath Synchronized Pulse를 약기하여, 「SSP」라고 칭한다. 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)의 실시예 1에서는, 소스 파워는 듀티(Duty)비 40%로 온되어 있다. HF의 반사파(Pr)는 진행파(Pf)가 온(ON)되는 타이밍과 오프(OFF)되는 타이밍에서 발생한다. HF 전력을 오프해도 잠깐 동안은, 큰 반사파가 발생하고 서서히 감쇠된다.
「SSP」 제어에 있어서, 소스 파워를 바이어스 파워에 동기하여 인가하는 타이밍을, φ(위상)에 의해 나타낸다. 도 5의 (b)의 SSP(φ=180°)는, 소스 파워가 온되어 있는 타이밍을 나타내는 펄스의 중앙이 LF가 부의 최대값과 동일한 경우를 나타낸다. 도 5의 (c)의 SSP(φ=0°)는, 소스 파워가 온되어 있는 타이밍을 나타내는 펄스의 중앙이 LF가 정의 최대값과 동일한 경우를 나타낸다.
SSP(φ=90°)는, 소스 파워가 온되어 있는 타이밍을 나타내는 펄스의 중앙이 LF가 정으로부터 부로 변화할 때와 동일한 경우를 나타낸다. SSP(φ=270°)는, 소스 파워가 온되어 있는 타이밍을 나타내는 펄스의 중앙이 LF가 부로부터 정으로 변화할 때와 동일한 경우를 나타낸다.
실시예 1에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤(Ar)
압력 20 mTorr(2.67 ㎩)
LF 50 W
HF 100 W(Duty비 40%)
상기 프로세스 조건하, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마를 생성했을 때에, IEA 측정 장치(113)에 의해 측정된, 기판에 도달하는 이온 에너지 분포의 측정 결과를 도 6에 도시하였다. 도 6의 횡축은 이온 에너지를 나타내고, 종축은 이온 에너지 분포 함수(IEDF)를 나타낸다. 즉, 그 이온 에너지에 있어서 기판 상에 도달한 이온의 분포 함수를 나타낸다. 이 IEDF의 각 이온 에너지에 있어서의 적분값이, Wafer 상에 도달한 이온의 총수라고 하게 된다.
이온 에너지 분포는, 대략 저에너지측(100 eV 부근)과 고에너지측(350 eV∼400 eV 부근)의 2개의 피크가 있고, 그 중간의 이온 에너지를 갖는 이온의 수가 적은 것이 바람직하다. 비교예를 나타내는 「CW」(도 5의 (a) 참조)에서는, 이온 에너지 분포에 있어서 저에너지측에 넓은 피크(100 eV∼150 eV)가 보여지고, 고에너지측의 피크(350 eV∼400 eV) 부근에는 보여지지 않는다.
다음으로, 본 실시형태를 나타내는 「SSP」의, φ=0°(도 5의 (b) 참조), φ=180°(도 5의 (c) 참조), φ=90°, φ=270°의 이온 에너지 분포를 측정한 결과, φ=0°, 90°에서는, 고에너지측(350 eV∼400 eV 부근)에 명확한 피크가 보여진다. 한편, φ=180°, 270°에서는, 고에너지측의 피크가 그다지 보여지지 않고, 이온 에너지 분포의 최대값이 저에너지측으로 시프트하였다. 또한, φ=180°에서는 기판에 도달하는 이온의 양이 현저히 저하되어 있다. 바람직한 이온 에너지 분포는, 고에너지측에서 보다 높고 명확한 피크가 보여지는 것과, 저에너지측에서도 명확한 피크가 보여지는 것으로, 이 경우, φ=90°, 270°가 가장 좋은 이온 에너지 분포를 나타내고 있다. 이와 같이 본 실시형태에서는, SSP의 위상을 제어함으로써, 이온 에너지의 분포 및 고에너지측의 피크 및 양을 제어할 수 있다.
실시예 1의 결과에 의하면, 본 실시형태에 따른 처리 방법에서는, 시스의 움직임(즉, LF의 주기)에 따라, HF를 펄스형으로 인가하는 타이밍 및 조건을 적절히 제어하여, 기판에 도달하는 이온 에너지를 제어한다. 그를 위해서, 위상(φ)의 적정화 등, HF의 펄스 인가의 타이밍 및 그 외의 조건의 적정값에 대해 한층 더한 실험을 행하였다.
[실시예 2]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 2에 대해 도 7을 참조하여 설명한다. 실시예 2에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 파워 가변(평균값), Duty=40%
상기 프로세스 조건하, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마를 생성했을 때에, 기판에 도달하는 이온 에너지 분포의 측정 결과를 도 7에 도시하였다. 도 7을 이용하여 이온 에너지 분포의 소스 파워 의존에 대해 설명한다.
도 7의 (a)는 비교예를 나타내는 「CW」일 때의 이온 에너지 분포의 소스 파워 의존을 도시하고, 도 7의 (b)는 본 실시형태의 실시예 2를 나타내는 SSP(φ=0°)일 때의 이온 에너지 분포의 소스 파워 의존을 도시한다.
비교예의 「CW」의 경우, 소스 파워를 40 W→100 W→160 W로 올린 결과, 소스 파워를 증가시킬수록 고에너지측의 피크의 양은 증가하지만, 고에너지측의 이온 에너지의 값 자체가 저에너지측으로 시프트한다. 그 이유는, 소스 파워를 증가시키면 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 높아지기 때문에 플라즈마 포텐셜과 기판 사이의 전위차가 저하된다. 이에 의해, 가속하는 이온의 에너지가 감소하여, 이온 에너지 분포가 저에너지측으로 시프트했다고 생각된다. 이상으로부터, 「CW」의 경우, 이온 에너지와, 이온의 양에 비례하는 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 독립적으로 제어하는 것은 곤란하다.
이에 대해, 도 7의 (b)의 SSP(φ=0°)의 경우, HF의 파워를 40 W→100 W→160 W로 올리면 고에너지측의 이온의 피크량이 증가하였다. 게다가, 이온 에너지 분포가 저에너지측으로 시프트하는 현상은 발생하지 않고, 소스 파워를 올려도 고에너지측의 이온 에너지의 저하는 보여지지 않았다.
그 이유는, SSP(φ=0°)에서는, 소스 파워를 온하고 있는 동안 플라즈마가 생성되고, 바이어스 파워가 인가되는 타이밍에서는 보다 부로 깊은 바이어스 전압에 의해 이온이 가속되기 때문에 이온 에너지는 높아진다. 또한, 소스 파워가 오프가 되면, 플라즈마는 소실 과정에서, 이온 시스도 붕괴되고 있다고 생각되기 때문이다. 단, 이 시간에 있어서는 이온은 그다지 소멸되어 있지 않기 때문에, 기판에 인가되어 있는 전압 자체의 에너지로 이온은 가속된다.
이상으로부터, 본 실시형태에 따른 「SSP」의 처리 방법에 의하면, 위상(φ)을 적정화함으로써, 이온 에너지와 기판에 도달하는 이온의 양을 독립적으로 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다.
[실시예 3]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 3에 대해 도 8을 참조하여 설명한다. 실시예 3에서의 프로세스 조건은 이하이다. 실시예 3 및 다른 실시예에 있어서 플라즈마 전자 밀도(Ne)는, PAP(플라즈마 계측용의 프로브)를 이용하여 측정하였다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 100 W(평균값), Duty=40%
상기 프로세스 조건하, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마를 생성했을 때에, 기판의 중심으로부터 처리 용기(10)의 내벽 부근까지의 각 위치에 있어서의 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 측정한 결과를 도 8에 도시하였다. 도 8을 이용하여 일 실시형태에 따른 소스 파워의 종류(CW, SSP 위상)와 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 면내 분포의 관계에 대해 설명한다. 도 8의 횡축은 기판의 중심을 「0」으로 하여, 횡축의 0 ㎜가 기판의 중심이고, 150 ㎜가 기판의 단부이며, 200 ㎜가 포커스 링(24)의 단부 부근이고, 280 ㎜가 처리 용기(10)의 내벽 부근이다.
비교예의 「CW」에 대해, 본 실시형태의 SSP(φ=0°)에서는, HF 펄스의 온 상태의 기간의 중앙이 LF가 정의 최대값이 되는 시간과 동일하다. 이 경우, 시스가 얇기 때문에, 기판의 중심측에 소스 파워가 들어가기 쉽다. 이 때문에, 기판의 중심측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 높아졌다. 한편, 본 실시형태의 SSP(φ=180°)에서는, HF의 펄스의 온 상태의 기간의 중앙이 LF가 부의 최대값이 되는 시간과 동일하다. 이 경우, 시스가 두꺼워지기 때문에, 기판의 중심측에 소스 파워가 들어가기 어렵고, 포커스 링(24)의 외측에 소스 파워가 들어가기 쉽다. 이 때문에, 포커스 링(24)의 외측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 높아졌다.
이상으로부터, SSP(φ=0°)에서는 시스가 얇기 때문에, 기판의 중심측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 가장 높고, SSP(φ=180°)에서는 시스가 두꺼워지기 때문에, 소스 파워가 들어가기 어려워져, 기판의 중심측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 내려갔다. 따라서, 본 실시형태에 따른 SSP 제어에서는, 소스 파워를 인가하는 위상(φ)을 변경함으로써, 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 분포를 변경할 수 있고, 기판의 면내에 있어서의 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 분포를 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다.
[실시예 4]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 4에 대해 도 9를 참조하여 설명한다. 실시예 4에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 가변
HF 100 W(평균값), Duty=40%
도 9에는, 상기 프로세스 조건하, 플라즈마 처리 장치(1)에 있어서 플라즈마를 생성했을 때에, 기판의 중심으로부터 처리 용기(10)의 내벽 부근까지의 각 위치에 있어서의 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 면내 분포의 바이어스 파워 의존의 측정 결과예를 도시하였다.
측정한 것은, SSP(φ=0°) 및 SSP(φ=180°)의 경우이고, SSP(φ=0°)의 경우, 바이어스 파워가 50 W, 100 W, 150 W의 3패턴에 대해 측정하였다. 또한, SSP(φ=180°)의 경우, 바이어스 파워가 50 W, 100 W의 2패턴에 대해 측정하였다.
도 9의 측정 결과에 의하면, SSP(φ=180°)의 경우, SSP(φ=0°)의 경우와 비교하여 기판의 중심측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 내려가고, 포커스 링(24)의 외측에서 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 높아졌다. 그 이유는, SSP(φ=180°)의 경우, HF 펄스를 인가하는 타이밍에 있어서 LF 바이어스가 부의 최대값 부근이기 때문에 시스가 두꺼워, 기판측으로 소스 파워가 들어가기 어렵고, 포커스 링(24)의 외측으로 소스 파워가 들어가기 숴워졌기 때문이다.
SSP(φ=0°)의 경우, 바이어스 파워가 50 W, 100 W, 150 W의 어느 경우에도, 플라즈마 전자 밀도(Ne)는 거의 동일한 분포를 나타내었다. 따라서, 소스 파워를 인가하는 위상(φ)의 타이밍을 제어함으로써, 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 면내 분포를 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다. 예컨대, 소스 파워를 인가하는 위상(φ)을 제어함으로써, 기판의 중심측의 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 높게 하거나, 기판의 단부측이나 포커스 링(24) 상의 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 높게 하거나 할 수 있다. 이에 의해, 소스 파워 및 바이어스 파워의 평균값이 동일한 전력이어도, 효율적인 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 얻을 수 있다.
이상의 실시예 1∼4의 측정 결과로부터, 본 실시형태에 따른 SSP에서는, 적어도 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 것이 좋은 것을 알 수 있었다. 즉, SSP(φ=180°)보다 SSP(φ=0°)가 바람직하다. 한편, 플라즈마 전자 밀도(Ne)는, 이온 밀도 또는 이온의 양에 비례하기 때문에, 적어도 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어함으로써, 이온의 에너지와 이온의 양을 독립적으로 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 바이어스 파워에 의해 이온 에너지를 제어하고, 소스 파워에 의해 이온의 밀도를 각각 독립적으로 제어할 수 있는 것을 알 수 있었다.
[실시예 5]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 5에 대해 도 10을 참조하여 설명한다. 실시예 5에서는, LF의 전압의 부측의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 SSP(φ=0°)에 대해, 바이어스 파워를 변경하였다. 도 10은 일 실시형태의 실시예 5에 따른 바이어스 파워와 플라즈마 전자 밀도의 시간 변화를 도시한 도면이다. 실시예 5에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 가변
HF 100 W(평균값), Duty=40%
비교예: CW(LF=50 W, HF=100 W의 연속파)
한편, 비교예의 「CW」의 소스 파워와 본 실시형태에 따른 「SSP」의 Duty=40%의 소스 파워의 실효 파워는 동일하다.
도 10의 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 나타낸다. 도 10에 도시된 측정 결과에 의하면, 비교예를 나타내는 「CW」에 대해, SSP(φ=0°)에서는, 소스 파워를 온하면 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 증가하고, 오프하면 감소하였다. 또한, 바이어스 파워가 클수록, HF를 오프했을 때의 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 감쇠가 커졌다. 또한, HF를 오프하고 있는 동안, HF를 오프한 직후보다 그 후에 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 증가하는 현상이 발생하였다. SSP(φ=0°)에서는, T=2000 ㎱일 때 LF가 부의 피크가 되고, F를 오프하고 있는 동안의 플라즈마 전자 밀도(Ne)의 피크가 되었다. HF를 오프하고 있음에도 불구하고, HF를 오프한 순간(T=1000 ㎱)보다 그 후에 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 증가한 이유에 대해서는 나중에 상세히 서술하겠지만, 간단하게는, HF를 오프한 후에도 잠깐 동안 이온이 존재하는 것에 기인한다고 생각된다. 즉, 존재하는 이온이 시스 내에서 가속되어 기판에 충돌하고, 이에 의해 이차 전자가 방출되며, 그 이차 전자가 가스에 충돌함으로써 더욱 이온이 생성되었기 때문이라고 생각된다. 이 현상에 의해, 고에너지측의 이온 에너지의 피크를 높게 할 수 있다. 다음으로, 고에너지측의 이온 에너지의 피크를 올리는 프로세스 조건에 대해 실시예 6에 설명한다.
[실시예 6]
본 실시형태의 실시예 6에 대해 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 11은 일 실시형태의 실시예 6에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 도 11의 주기의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다. 실시예 6에서는, SSP(φ=0°)에 대해, 소스 파워의 온·오프의 주기를, 바이어스 파워의 고주파의 주기의 1배 또는 2배의 주기로 설정하였다.
도 11의 (a)에 도시된 비교예의 「CW」에서는 HF는 상시 온되어 있기 때문에, HF의 진행파(Pf) 및 반사파(Pr)가 항상 출력된다. 이 경우, 기판 전위는, LF의 전압을 기준으로 하여 HF의 전압으로 진동한다.
도 11의 (b) 및 도 11의 (c)는 본 실시형태의 실시예 6에 따른 SSP(φ=0°)의 HF의 인가를 도시한다. 도 11의 (b) 및 도 11의 (c)에서는, HF는 듀티비 40%로 온과 오프를 반복한다. 도 11의 (b)에서는, 소스 파워의 온·오프의 주기는, 바이어스 파워의 고주파의 주기와 동일한 400 ㎑이다. 도 11의 (c)에서는, 소스 파워의 온·오프의 주기는, 바이어스 파워의 고주파의 주기의 2배인 800 ㎑이다.
실시예 6에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 100 W(평균값), Duty=40%
비교예: CW(LF=50 W, HF=100 W의 연속파)
한편, 비교예의 「CW」의 소스 파워와 본 실시형태에 따른 「SSP」의 Duty=40%의 소스 파워의 실효 파워는 동일하다.
도 12의 측정 결과 중, CW(400 ㎑)는 도 11의 (a)에 도시된 HF 인가에 대한 측정 결과이다. SSP(400 ㎑, Duty=40%)는 도 11의 (b)에 도시된 HF 인가에 대한 측정 결과이고, SSP(800 ㎑, Duty=40%)는 도 11의 (c)에 도시된 HF 인가에 대한 측정 결과이다.
도 12의 횡축은 이온 에너지를 나타내고, 종축은 이온 에너지 분포 함수(IEDF)를 나타낸다. SSP(800 ㎑, Duty=40%)의 경우, 이온 에너지 분포에 저에너지와 고에너지의 2개의 피크가 있고, 그 중간의 이온 에너지를 갖는 이온의 수가 적어졌다. 또한, SSP(400 ㎑, Duty=40%)의 경우와 같이 180(eV) 부근에 피크가 발생하지 않았다. 또한, SSP(800 ㎑, Duty=40%) 및 SSP(400 ㎑, Duty=40%) 모두, 비교예의 「CW」와 비교하여 이온 에너지 분포의 피크가 고에너지측에 발생하였다. 이상으로부터, SSP 제어의 경우, 비교예보다 기판에 도달하는 고에너지의 이온의 수가 많아졌다. 이상으로부터, SSP 제어에 있어서, 소스 파워의 온·오프의 주기를 바이어스 파워의 고주파의 주기의 약 2배의 주기로 제어하고, LF의 전압의 부의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어함으로써, 기판에 도달하는 고에너지의 이온의 수를 증가시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
[실시예 7]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 7에 대해 도 13 및 도 14를 참조하여 설명한다. 도 13은 일 실시형태의 실시예 7에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍의 위상을 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 도 13의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍의 위상에 대한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다. 실시예 7에서는, HF 펄스 인가의 타이밍(펄스 기간의 중간 치수)이 LF가 정의 피크 시를 0°로 하여 위상을 어긋나게 해서, 이온 에너지를 측정하였다. SSP(φ=0°)에 대해 소스 파워를 온으로 제어하는 위상(φ)을 60°, 90°, 105°, 120°, 150°로 어긋나게 해서 제어하여 IEDF를 측정한 결과를 도 14에 도시하였다.
도 13의 (a)는 SSP(φ=60°)일 때의 HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다. 도 13의 (b)에서는, SSP(φ=150°)일 때의 HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다.
실시예 7에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 100 W(평균값)(800 ㎑, Duty=40%)
SSP(φ=0°)에 대해 위상(φ)을 60°, 90°, 105°, 120°, 150°로 어긋나게 해서, 어느 정도 어긋나게 한 경우에 바람직한 이온 에너지 분포가 되는지를 측정하였다. 한편, 바람직한 이온 에너지 분포란, 이온 에너지 분포에 저에너지와 고에너지의 2개의 피크가 있고, 그 중간의 이온 에너지를 갖는 이온의 수가 적은 분포를 말한다. 고에너지측의 피크가 보다 명확히 나타나는 것이 바람직하다.
도 14의 측정 결과에 의하면, 이온 에너지 분포 함수에서는, SSP(φ=120°)가 되면 고에너지측의 피크가 약간 확대되고, SSP(φ=150°)가 되면 고에너지측의 피크가 상당이 브로드하게 되었다. 즉, HF 펄스의 온의 기간이, LF 바이어스의 부의 최대값의 시간 부근에 도달하면, 고에너지측의 피크가 브로드하게 되고, 고에너지의 피크의 높이도 낮아지는 것을 알 수 있었다. 이 결과로부터 LF가 부의 최대값 부근에서는 HF를 오프하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다. 또한, LF의 전압이 부로부터 정으로 변화하는 타이밍에, 소스 파워를 온으로 제어함으로써 소스 파워의 듀티비가 50% 이하의 경우, LF가 부의 최대값 부근에서 HF를 오프로 할 수 있다.
[실시예 8]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 8에 대해 도 15 및 도 16을 참조하여 설명한다. 실시예 8에서는, 소스 파워의 듀티비를 가변으로 제어하였다. 도 15는 일 실시형태의 실시예 8에 따른 소스 파워의 듀티비 의존을 설명하기 위한 도면이다. 도 16은 도 15의 소스 파워의 펄스의 듀티비에 의한 이온 에너지 분포의 측정 결과의 일례를 도시한 도면이다.
도 15의 (a)는 SSP(φ=90°), 소스 파워(HF)의 듀티비=60%일 때의 HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다. 도 15의 (b)는 SSP(φ=90°), 소스 파워의 듀티비=20%일 때의 HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다.
실시예 8에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 100 W(평균값)(800 ㎑, φ=90°)
SSP(φ=90°)에 있어서 소스 파워 펄스의 듀티비를 20%, 40%, 50%, 60%, 80%로 설정하고, 듀티비를 어느 정도로 한 경우에 바람직한 이온 에너지 분포가 되는지를 측정하였다. 도 16의 측정 결과에 의하면, SSP(φ=90°)에서 소스 파워의 듀티비를 40% 미만으로 작게 하면, 이온 에너지 분포는, 고에너지측의 피크가 낮아졌다. 즉, SSP(φ=90°)에서 소스 파워 펄스의 듀티비를 40% 미만으로 제어하면, 소스 파워 펄스가 온인 시간이 짧아지고, 충분한 이온이 생성되기 전에 펄스가 오프로 되어 버리므로, 기판에 도달하는 이온의 전체의 양이 감소했기 때문이라고 생각된다.
따라서, 소스 파워의 펄스의 듀티비를 40% 미만으로 제어하면, 기판에 도달하는 고에너지의 이온의 수가 감소하기 때문에, 소스 파워의 펄스의 듀티비는 40% 이상으로 제어하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.
[실시예 9]
다음으로, 본 실시형태의 실시예 9에 대해 도 17 및 도 18을 참조하여 설명한다. 도 17은 일 실시형태의 실시예 9에 따른 소스 파워의 펄스 인가 타이밍의 위상을 설명하기 위한 도면이다. 도 18은 도 17의 소스 파워의 펄스 인가 타이밍의 위상에 의한 이온 에너지 분포의 측정 결과예를 도시한 도면이다. 실시예 9에서는, HF의 위상을 SSP(φ=90°)와 SSP(φ=270°)로 제어하였다.
도 17의 (a)는 SSP(φ=90°), 소스 파워의 펄스의 듀티비=40%, 소스 파워의 온·오프의 주기를 바이어스 파워의 고주파의 주기의 2배인 800 ㎑로 설정했을 때의, HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다.
도 17의 (b)는 SSP(φ=90°), 소스 파워의 펄스의 듀티비=20%, 소스 파워의 온·오프의 주기를 바이어스 파워의 고주파의 주기와 동일한 400 ㎑로 설정했을 때의, HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다.
도 17의 (c)는 SSP(φ=270°), 소스 파워의 펄스의 듀티비=20%, 소스 파워의 온·오프의 주기를 바이어스 파워의 고주파의 주기와 동일한 400 ㎑로 설정했을 때의, HF 및 LF의 파형, 기판 전위를 도시한다.
실시예 9에서의 프로세스 조건은 이하이다.
<프로세스 조건>
가스 아르곤
압력 20 mTorr
LF 50 W
HF 도 17의 (a)일 때 100 W(평균값)
도 17의 (b) 및 도 17의 (c)일 때 50 W(평균값)
도 18에 도시된 측정 결과에 의하면, (a) SSP(800 ㎑)의 φ=90°, 270°와 (b) SSP(400 ㎑)의 φ=270°의 IEDF 분포는 거의 동일한 점에서, φ=90°의 소스 파워 펄스 위상에서는 기판에 이온을 도달시킨다고 하는 의미에서는, 그다지 공헌하고 있지 않은 것을 알 수 있었다. (c) SSP(400 ㎑)의 φ=90°에서는, 기판에 도달하는 이온의 양이 현저히 낮다. 이 결과로부터, φ=270°의 소스 파워 펄스 위상으로 HF 인가하는 경우가 가장 기판에 이온을 도달시키는 효율이 높은 것을 알 수 있었다.
[HF의 온·오프와 이온 및 전자의 움직임]
도 10에 도시된 바와 같이, HF 펄스를 오프하면 플라즈마 전자 밀도(Ne)는 감소한다. 그러나, 일단 감소한 전자 밀도(Ne)는, T=1500 ㎱ 부근으로부터 상승으로 바뀌고, T=2000 ㎱∼2250 ㎱ 부근에서 피크를 맞이한다. 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 증가한 이유에 대해, 도 19를 참조하면서 설명한다. 도 19는 일 실시형태에 따른 시스의 두께와, HF의 온·오프와, 이온 및 전자의 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
시스의 두께는, 플라즈마 포텐셜과 바이어스의 전압에 의한 기판 전위와의 전위차에 의해 결정된다. 따라서, 시스 두께는 대략, 바이어스의 주기에 의해 변동한다. LF 바이어스가 부의 최대값이 될 때에 시스 두께는 가장 두꺼워지고, 반대로, LF 바이어스 전위가 정이 되는 기간에 있어서는 시스의 두께는 얇다.
LF의 전압은, 도 19의 (a)일 때에 정에 가장 피크가 있는 상태(φ=0°)이고, 그 후 서서히 부로 깊어지며, 도 19의 (c)의 부근에서 φ=90°가 되고, 도 19의 (d)일 때에, 부에 가장 피크가 있는 상태(φ=180°)가 된다. 도 19의 (a)의 φ=0°일 때에, HF의 듀티비에 따른 시간, 소스 파워를 온하고, 도 19의 (b) 내지 도 19의 (d) 동안, 소스 파워를 오프한다.
도 19의 (a)의 소스 파워를 온하고 있는 동안 플라즈마가 생성되고, 플라즈마 중에 존재하는 전자 및 이온에는 전계는 가해져 있지 않다. 그 후, 소스 파워를 오프하면, LF 바이어스의 주기에 있어서, LF 바이어스가 부의 방향으로 커지기 때문에, 그에 따라 도 19의 (b) 내지 도 19의 (d)에 도시된 바와 같이 시스(S)는 두꺼워진다.
도 19의 (b)에 도시된 바와 같이 시스 두께가 두꺼워짐으로써, 전자 및 이온에 전계(E)가 가해지면, 질량이 가벼운 전자가 플라즈마(P) 방향으로 가속된다. 이온은 질량이 전자보다 무겁기 때문에 전자의 움직임보다 지연되어 기판(W) 방향으로 가속된다. 지연되어 이동한 이온은 이미 이동하고 있는 전자와 충돌해서 중성화되어, 소멸된다. 그 결과, 도 19의 (c)에 도시된 바와 같이 이온 및 전자의 수가 적어진다.
그러나, 기판(W) 방향으로 가속된 고속 이온이 기판(W)에 충돌함으로써 이차 전자가 방출되고, 그 이차 전자는 전계에 의해 플라즈마(P) 방향으로 가속된다. 이 이차 전자는 전계에 의해 가속되어 높은 에너지를 가진 상태에서 가스와 충돌하여, 이온 및 전자가 생성된다. 이 현상은, γ 모드의 DC 방전이라고 생각할 수 있다.
이에 의해, 도 19의 (d)에 도시된 바와 같이, 소스 파워를 오프하고 있음에도 불구하고, 새로운 이온 및 전자가 생성된다. 이 현상에 의해, 도 10에 도시된 바와 같이 소스 파워를 오프했을 때(T=1000 ㎱)에 전자 밀도가 감소하지만, 그 후에 플라즈마 전자 밀도(Ne)가 증가하여, 고에너지의 이온이 많이 기판에 도달한다. 이러한 현상에 의해, 기판에 도달하는 고에너지의 이온의 수를 증가시켜, 이온 생성 효율을 올릴 수 있다.
한편, 도 19의 (e)의 φ가 180°일 때에 소스 파워를 온하면, 도 19의 (f) 내지 도 19의 (h)에 도시된 바와 같이 시스(S)는 얇아진다. 그러나, 애당초 도 19의 (e)의 φ가 180°일 때에는, 도 19의 (a)의 φ가 0°일 때보다 이온의 수가 적다. 이 때문에, 소스 파워를 오프한 도 19의 (f) 내지 도 19의 (h)에 있어서 기판으로 가속되는 이온의 수는 적고, 또한 시스(S)가 서서히 얇아짐으로써 이온의 기판으로의 가속은 억제된다. 이 때문에, 소스 파워를 오프한 도 19의 (f) 내지 도 19의 (h)에서는, 마찬가지로 소스 파워를 오프한 도 19의 (b) 내지 도 19의 (d)에 있어서 이온→이차 전자→이온→이차 전자의 사이클은 발생하지 않아, 이온 생성 효율을 올리는 것은 곤란하다.
이상으로부터, 소스 파워가 온인 시간 및 소스 파워를 오프하고 나서 바이어스 파워가 부의 최대값까지의 시간을 제어함으로써, 이온의 에너지와, 플라즈마 전자 밀도에 대응하는 이온의 양을 독립적으로 제어할 수 있고, 이온 생성 효율을 높일 수 있는 것을 알 수 있었다.
예컨대, 시스(S)가 얇은 타이밍에서 도 19의 (a)에 도시된 바와 같이 소스 파워를 온하고, 그 후에 소스 파워를 오프로 한 상태에서 LF의 전압을 부로 깊게 인가하는 것이 좋다. 이에 의해, 이온 및 전자의 도 19의 (b) 내지 도 19의 (d)에 도시된 동작이 촉진되어, 이온의 생성 효율이 높아진다. 이에 의해, 고에너지의 이온의 수가 증가하고, 플라즈마 전자 밀도(Ne)를 높일 수 있다.
특히, 가속된 이온에 의해 이차 전자를 방출함으로써 이온의 생성 효율이 높아지는 점에서, 소스 파워를 오프로 제어하는 시간은, 소스 파워가 온일 때에 생성된 이온 밀도가 미리 정해진 이온 밀도 이상인 시간 이하인 것이 바람직하다. 즉, 소스 파워를 오프하고 나서 이온이 남아 있는 동안, 소스 파워를 오프로 제어하는 것이 바람직하다.
「소스 파워를 오프하고 나서 이온이 남아 있는 동안」에 대해, 도 20을 참조하면서 설명한다. 도 20은 고에너지 이온의 이차 전자 방출에 대해 설명하기 위한 도면이다. 도 20의 출전은, [A V Phelps and Z Lj Petrovic] Plasma Sources Sci. Technol. 8(1999) R21-R44. Printed in the UK이다.
도 20의 횡축은 이온의 에너지를 나타내고, 종축은 이온이 충돌했을 때에 방출되는 이차 전자의 수를 나타낸다. 이에 의하면, 1000(eV)의 Ar 이온이 기판에 충돌했을 때, 약 0.5개의 이차 전자가 방출된다. 이온의 에너지가 높아지면, 방출되는 이차 전자의 수가 급증한다. 그러면, 이차 전자가 플라즈마 처리 공간의 가스에 충돌하여 더욱 이온이 생성되어, 이온의 수가 더욱 증가한다. 따라서, 소스 파워를 오프로 제어하는 시간을, 소스 파워가 온일 때에 생성된 이온 밀도가 미리 정해진 이온 밀도 이상인 시간 이하로 제어한다. 이에 의해, 소스 파워가 오프되어 있음에도 불구하고, 바이어스 파워의 에너지만으로, 이온 생성→이차 전자 방출→이온 생성→이차 전자 방출의 생성 사이클을 만들 수 있다. 따라서, 소스 파워를 오프로 한 상태에서 LF의 전압을 부로 깊게 인가하는 것이 좋다.
이에 의해, 고에너지측의 이온 에너지의 단색화를 도모할 수 있다. 또한, 저에너지측의 이온 에너지의 단색화를 도모할 수 있다. 또한, 이온 에너지 분포를, 저에너지와 고에너지의 2개의 피크를 갖고, 그 중간의 이온 에너지를 갖는 이온의 수가 적은 분포로 제어할 수 있다.
[변형예]
다음으로, 일 실시형태의 변형예에 따른 바이어스 파워와 소스 파워의 인가 타이밍에 대해, 도 21을 참조하여 설명한다. 도 21은 일 실시형태의 변형예에 따른 바이어스 파워와 소스 파워의 펄스 인가 타이밍을 도시한 도면이다.
상기 실시예 1∼10에서는, 바이어스 파워에 미리 정해진 타이밍에서 미리 정해진 듀티비의 소스 파워를 인가하였다. 도 21의 변형예에서는, 바이어스 파워의 위상이 φ=270°일 때에 동기하여 소스 파워가 온된다. 소스 파워가 온되어 있는 시간(t1)을 제1 상태로 하고, 소스 파워가 오프되어 있는 시간(t2)을 제2 상태로 한다. 변형예에 따른 처리 방법은, 제1 상태와 제2 상태가, LF의 1주기 내의 위상과 동기하여 교대로 인가되는 제1 제어 공정을 포함한다.
변형예에 따른 처리 방법은, 제1 제어 공정에 더하여, 바이어스 파워 및 소스 파워를 간헐적으로 정지시키는 제2 제어 공정을 포함한다. 제2 제어 공정은, 소스 파워 및 바이어스 파워를 LF 전압에 의해 일례를 나타내는 기준 전기 상태의 주기와 독립된 주기로 간헐적으로 정지한다. 제1 제어 공정과 제2 제어 공정은 반복해서 실행된다. 변형예에서는, HF의 온·오프의 주기는, LF의 주기와 동일하거나 또는 정수배이다.
제1 제어 공정의 상태를 제3 상태라고 하고, 제2 제어 공정의 상태를 제4 상태라고 하면, 제1 제어 공정 및 제2 제어 공정에서는, 소스 파워의 제4 상태/(제3 상태+제4 상태)의 비율은, 1%∼90%의 범위 내이면 된다.
도 22의 (a)에 도시된 예에서는, 제1 제어 공정에 있어서 상부 전극에 인가하는 DC 전압을 절대값이 Low보다 큰 부의 값의 High로 제어하고, 제2 제어 공정에 있어서 절대값이 High보다 작은 부의 값의 Low로 제어한다. 이러한 경우의 전자 및 이온의 움직임에 대해, 「A」의 타이밍과 「B」의 타이밍으로 나누어 설명한다. 「A」는 HF를 오프로 한 후이며, 기판에 정의 바이어스가 가해져 있는 시간이다. 「B」는 HF를 오프로 한 후이며, 기판에 부의 바이어스가 가해져 있는 시간이다.
도 23은 RF를 오프한 후에 전자가 소실되기까지의 시간을 도시한 도면이다. 출전은, 문헌 T.Tsutsumi 등 Dry Process Symposium 2018 E-2이다. 횡축은 RF를 오프하고 나서의 시간을 나타내고, 종축은 전자 밀도(=이온 밀도)를 나타낸다. 사각은 -1000 V의 RF를 인가한 경우, 동그라미는 -800 V의 RF를 인가한 경우, 삼각은 -600 V의 RF를 인가한 경우이다. 이에 의하면, HF를 오프하고 나서 5 ㎲ 후의 시점에서 이온은 약 1/2 남아 있다. HF를 오프하고 나서 10 ㎲ 후의 시점에서 이온은 약 1/5 남아 있다.
예컨대, 2.5 ㎲의 주기로, 소스 파워가 온과 오프를 반복하는 경우, 소스 파워가 오프인 동안, 이온은 상당히 남아 있다고 생각된다. 이온이 남아 있는 「A」인 동안에 DC 전압을 High로 제어하여, 상부 전극(34)에 인가하면, 도 22의 (b)에 도시된 바와 같이 이온은 상부 전극(34)측으로 가속된다. 가속된 이온이 상부 전극(34)에 충돌하면, 상부 전극(34)으로부터 이차 전자가 방출된다. 도 22의 (a)에 도시된 바와 같이, 「A」의 시간은 LF의 전압이 정인 상태이고, 「B」의 시간은 LF의 전압이 부인 상태이다. 따라서, 「A」의 시간, 상부 전극(34)으로부터 방출된 이차 전자는, 도 22의 (b)에 도시된 바와 같이, 정의 바이어스가 가해진 하부 전극(기판(W)측)을 향해 가속된다. 이 결과, 「A」의 시간에는, 도 22의 (b)의 그래프에 도시된 종축의 EEPF(Electron Energy Probability Function)에 나타내는 고에너지(E1)의 전자가 기판(W)에 도달한다. 또한, 이온에 의해 상부 전극(34)이 스퍼터되고, 상부 전극(34)의 표층의 실리콘이 기판(W)에 도달한다.
이에 대해, 「B」의 시간은 거의 이온이 남아 있지 않다. 따라서, 도 22의 (c)에 도시된 바와 같이 상부 전극(34)측으로 가속되는 이온이 거의 없다. 또한, B는 LF가 부의 상태일 때를 나타낸다. 따라서, 「B」의 타이밍에서는, 상부 전극(34)으로부터 방출된 이차 전자가 적다. 덧붙여, 「B」의 시간은 LF의 전압이 부의 상태이기 때문에, 하부 전극(기판(W))에는 부의 바이어스가 가해지고 있다. 이 때문에, 상부 전극(34)으로부터 방출되어, 기판측으로 향하는 이차 전자는, 기판(W) 부근의 부의 전계에 의해 되튀겨진다. 이 결과, 「B」의 시간에는, 도 22의 (c)의 그래프에 도시된 바와 같이, 고에너지의 전자는 기판(W)에 도달하지 않는다.
[소스 파워의 온·오프와 기판에 도달하는 전자수]
다음으로, 소스 파워의 온·오프와 기판(W)에 도달하는 전자수에 대해, 도 24 내지 도 26을 참조하면서 설명한다. 도 24는 비교예에 따른 소스 파워의 온·오프와 기판에 도달하는 전자수를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 25는 일 실시형태에 따른 소스 파워의 온·오프와 기판에 도달하는 전자수를 모식적으로 도시한 도면이다. 도 26은 일 실시형태에 따른 소스 파워의 온·오프의 타이밍과 그 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 24에 도시된 비교예에서는, LF가 온인 동안, DC 전압은 절대값이 Low의 부의 값으로 제어되고, HF는 연속적으로 인가된다. 이 동안, 플라즈마는 생성되어 있기 때문에, 이차 전자는 플라즈마에 충돌하여, 기판에는 거의 도달하지 않는다. 즉, 도 24에 도시된 바와 같이, LF가 온인 동안, 기판에 도달하는 전자의 수는 거의 0이다.
LF가 오프인 동안, DC 전압은 절대값이 High의 부의 값으로 제어되고, HF는 인가되지 않는다. 이 동안, 플라즈마는 생성되지 않기 때문에, LF를 오프한 후이며 이온이 남아 있는 동안, 이온은 상부 전극(34)을 향해 가속되고, 상부 전극(34)에 충돌하여 이차 전자가 방출되며, 그 이차 전자는 기판에 도달한다. 따라서, 도 24에 도시된 바와 같이, LF가 오프인 동안에서는, LF를 오프하고 나서 대략 5 ㎲∼10 ㎲ 정도의 이온이 남아 있는 동안만큼 전자가 기판에 도달하고, 그 이외의 시간은 전자가 기판에 도달하지 않으며, 쓸데없는 시간으로 되어 있다.
이에 대해, 도 25에 도시된 본 실시형태에 따른 SSP에서는, LF가 온인 동안, DC 전압은 절대값이 Low의 부의 값으로 제어되고, HF는 적어도 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측의 피크 시에는 오프로 제어하도록 LF의 위상에 동기하여 인가된다. HF가 온인 동안, 플라즈마는 생성되고, 이차 전자는 플라즈마에 충돌하여, 기판에 도달하지 않는다. 그러나, HF가 오프인 동안 이온은 남아 있기 때문에, 이온은 상부 전극(34)을 향해 가속되고, 상부 전극(34)에 충돌하여 이차 전자가 방출되며, 그 이차 전자는 기판에 도달한다.
LF가 오프인 동안, DC 전압은 절대값이 High의 부의 값으로 제어되고, HF는 인가되지 않는다. 이 동안, 플라즈마는 생성되지 않기 때문에, LF를 오프한 후이며 이온이 남아 있는 동안, 이온은 상부 전극(34)을 향해 가속되고, 상부 전극(34)에 충돌하여 이차 전자가 방출되며, 그 이차 전자는 기판에 도달한다. 따라서, 도 25에 도시된 바와 같이, LF가 오프인 동안에서는, LF를 오프하고 나서 대략 5 ㎲∼10 ㎲ 정도의 이온이 남아 있는 동안만큼 전자가 기판에 도달한다. 또한, LF가 온인 동안이며 HF가 오프인 동안에는 이온이 남아 있기 때문에, 전자가 기판에 도달한다. 이상으로부터, 본 실시형태에 따른 SSP에서는, 기판에 도달하는 전자의 수가 증가하여, 플라즈마 전자 밀도가 비교예의 경우와 비교하여 높아지고, 이온의 수가 증가하여, 이온 생성 효율이 올라간다.
도 26의 (a)는 비교예의 경우의 에칭의 일례를 도시한다. 도 26의 (b)는 본 실시형태에 따른 SSP의 경우의 에칭의 일례를 도시한다. 에칭 대상막(2)을 마스크(3)에 형성된 홀(H)의 패턴으로 에칭할 때, 기판에 도달한 이온과 전자가 입사된다. 도 26의 (a)의 비교예의 경우, 전자는 이온보다 가볍기 때문에, 홀(H)의 측벽에 부착되거나 하여, 홀(H)의 바닥부까지 도달하지 않는다. 그러면 홀(H)의 바닥부가 직진성이 높은 이온에 의해 플러스로 차지 업된다. 다음으로 홀(H) 내에 입사한 이온은, 홀 바닥의 차지 업에 의해 비스듬히 입사되어, 이온이 홀(H)의 바닥부에 도달하지 않게 된다. 이 결과, 도 26의 (a)에 도시된 바와 같이 홀(H)의 에칭 형상의 수직성이 나빠진다.
이에 대해, 도 26의 (b)에 도시된 본 실시형태에 따른 SSP의 경우, 도 25에 도시된 바와 같이 기판에 도달하는 전자의 수가 비교예보다 많다. 또한, LF가 온인 동안에 HF가 온·오프를 반복한다. 이 경우, 본 실시형태에 따른 SSP의 경우, 도 26의 (b)에 도시된 바와 같이, 전자가 가속되어 기판에 도달하고, 그 후에 이온이 가속되어 기판에 도달하는 것이 반복된다. 이에 의해, 홀(H)의 바닥부의 차지 업이 발생하기 전에 차지 캔슬된다. 이에 의해, 홀(H)의 에칭 형상의 수직성이 유지된다.
[효과]
마지막으로, 본 실시형태 및 변형예의 구성 및 효과에 대해 정리한다. 먼저, 제어부(200)가, 바이어스 파워에 동기하여 미리 정해진 타이밍에 소스 파워를 단속적으로 인가하는 SSP의 제어를 행할 때에, 적어도 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어한다. 이에 의해, 이온 에너지의 분포를 제어할 수 있다. 또한, 플라즈마 전자 밀도의 면내 분포를 제어할 수 있다. 그리고, 플라즈마 전자 밀도와 이온 에너지를 독립적으로 제어할 수 있다.
또한, 도 25에 도시된 바와 같이, 동일한 평균 전력으로 기판에 도달하는 전자의 수가 많아지기 때문에, 효율적인 플라즈마 전자 밀도를 얻을 수 있다. 또한, 고에너지측의 이온 에너지의 단색화 및 저에너지측의 이온 에너지의 단색화를 도모할 수 있다. 또한, LF의 전압이 부인 상태에 있어서 플라즈마 전자 밀도의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 제어부(200)가, 소스 파워를 오프로 제어하는 시간을, 소스 파워가 온일 때에 생성된 이온 밀도가 미리 정해진 이온 밀도 이상인 시간 이하로 제어한다. 즉, 제어부(200)가, 소스 파워를 오프로 제어하는 시간을, 소스 파워가 온일 때에 생성된 이온이 미리 정해진 것 이상으로 소실되는 시간보다 짧은 시간으로 제어한다. 이에 의해, 소스 파워가 오프되어 있음에도 불구하고, 소스 파워가 오프한 직후보다 플라즈마 전자 밀도(이온 밀도)를 높게 할 수 있다.
또한, 소스 파워를 온하고 있으면, 기판 전위가 소스 파워의 진폭으로 요동하고, 이에 따라 질량이 가벼운 전자가 먼저 이동하고, 전자보다 후에 질량이 무거운 이온이 이동함으로써 이온이 전자와 충돌하여 중성화되어 버리기 때문에, 기판에 도달하는 이온이 감소한다. 즉, 소스 파워를 온하고 있으면, 기판에 도달하는 고에너지의 이온이 감소한다. 그러나, 본 실시형태 및 변형예에서는, 제어부(200)가, 바이어스 파워에 동기하여 소스 파워를 단속적으로 인가하고, 적어도 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어한다. 이에 의해, 소스 파워를 연속적으로 인가하고 있는 경우와 비교하여, 기판에 도달하는 고에너지의 이온의 수를 증가시킬 수 있다.
한편, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성원은, 고주파 전원의 소스 파워를 플라즈마 처리 공간에 공급함으로써 실행하였으나, 이것에 한정되지 않고, 마이크로파원 등의 다른 전원의 소스 파워를 플라즈마 처리 공간에 공급함으로써 실행해도 좋다.
이번에 개시된 일 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치 및 처리 방법은, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 상기한 실시형태는, 첨부된 청구의 범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 여러 가지 형태로 변형 및 개량이 가능하다. 상기 복수의 실시형태에 기재된 사항은, 모순되지 않는 범위에서 다른 구성도 취할 수 있고, 또한, 모순되지 않는 범위에서 조합할 수 있다.
본 개시의 플라즈마 처리 장치는, Atomic Layer Deposition(ALD) 장치, Capacitively Coupled Plasma(CCP), Inductively Coupled Plasma(ICP), Radial Line Slot Antenna(RLSA), Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR), Helicon Wave Plasma(HWP)의 어느 타입의 장치에도 적용 가능하다.
1: 플라즈마 처리 장치 10: 처리 용기
16: 하부 전극(배치대) 20: ESC 전극
22: ESC 직류 전원 24: 포커스 링
26: 하부 전극 커버 34: 상부 전극
48: 고주파 전원 50: 전압 가변식 직류 전원
66: 처리 가스 공급원 84: 배기 장치
90: 저주파 전원 100: 프로세서
102: 신호 발생 회로 200: 제어부

Claims (14)

  1. 기판을 배치하는 제1 전극과,
    플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성원과,
    상기 제1 전극에 바이어스 파워를 공급하는 바이어스 전원과,
    상기 플라즈마 생성원에 상기 바이어스 파워보다 높은 주파수의 소스 파워를 공급하는 소스 전원과,
    상기 바이어스 전원 및 상기 소스 전원을 제어하는 제어부
    를 갖는 플라즈마 처리를 위한 장치로서,
    상기 소스 파워는, 제1 상태와 제2 상태를 갖고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 상태와 상기 제2 상태를, 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호, 또는 상기 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 나타내는 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 교대로 인가하도록 제어하며,
    적어도 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측(負側)의 피크 시에는 소스 파워를 오프(off)로 제어하는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 소스 파워를 오프로 제어하는 시간을, 상기 소스 파워가 온(on)일 때에 생성된 이온 밀도가 미리 정해진 이온 밀도 이상인 시간 이하로 제어하는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상이 부(負; negative)로부터 정(正; positive)으로 변화하는 타이밍에, 상기 소스 파워를 온으로 제어하는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 소스 파워의 온·오프의 주기를 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기의 2배로 하고, 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 소스 파워의 듀티비(duty ratio)를 40% 이상으로 제어하는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 간헐적으로 정지시키는 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 상태의 상기 소스 파워의 값은 0인 것인 플라즈마 처리를 위한 장치.
  8. 플라즈마 처리 장치에 있어서 실행되는 처리 방법에 있어서,
    플라즈마 처리 장치를 제공하는 단계로서, 상기 플라즈마 처리 장치는, 기판을 배치하는 제1 전극과, 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 생성원과, 상기 제1 전극에 바이어스 파워를 공급하는 바이어스 전원과, 상기 플라즈마 생성원에 상기 바이어스 파워보다 높은 주파수의 소스 파워를 공급하는 소스 전원을 갖는 것인 단계,
    상기 소스 파워를, 제1 상태와 제2 상태로 하는 단계,
    상기 제1 상태와 상기 제2 상태를, 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기에 동기하는 신호, 또는 상기 바이어스 파워의 급전계에서 측정된 전압, 전류 또는 전자계 중 어느 하나를 나타내는 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상과 동기하여 교대로 인가하는 단계,
    적어도 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부측의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 단계
    를 포함하는 처리 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소스 파워를 오프로 제어하는 시간을, 상기 소스 파워가 온(on)일 때에 생성된 이온 밀도가 미리 정해진 이온 밀도 이상인 시간 이하로 제어하는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상이 부(負; negative)로부터 정(正; positive)으로 변화하는 타이밍에, 상기 소스 파워를 온으로 제어하는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 파워의 온·오프의 주기를 상기 바이어스 파워의 고주파의 주기의 2배로 하고, 상기 기준 전기 상태의 1주기 내의 위상의 부의 피크 시에는 소스 파워를 오프로 제어하는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소스 파워의 듀티비(duty ratio)를 40% 이상으로 제어하는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
  13. 제8항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이어스 파워 및 상기 소스 파워를 간헐적으로 정지시키는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 상태의 상기 소스 파워의 값을 0으로 제어하는 단계
    를 더 포함하는 처리 방법.
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