KR20220008776A - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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히로시 오토모
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야스시 모리타
다카시 사쿠마
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Abstract

[과제] 기판에 대한 이온 충격을 억제하면서, 효율 좋게 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
[해결 수단] 기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기와, 처리 용기 내에 마련되고, 기판이 탑재되는 기판 탑재대와, 기판 탑재대에 포함되는 접지된 하부 전극과, 하부 전극에 대향하여 마련된 상부 전극과, 처리 가스를 상부 전극과 하부 전극의 사이에 공급하는 가스 공급부와, 상부 전극에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 고주파 전원과, 고주파 전원과 상부 전극의 사이에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부를 구비한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 개시는, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판에 대한 처리로서 플라즈마 처리가 다용되고 있다. 특허문헌 1에는, 진공 용기와, 진공 용기 내에서 기판을 탑재하고, 고주파 전원이 접속되는 기판 전극과, 진공 용기에 설치된 접지(earth) 전극을 갖고, 기판 전극과 접지 전극의 사이에 플라즈마를 생성시키는 플라즈마 처리 장치가 개시되어 있다. 또, 특허문헌 1에는, 기판 전극에 다이오드를 포함하는 전위 조정 기구를 접속하는 것이 기재되어 있다.
일본 특허공개 2000-306891호 공보
본 개시는, 기판에 대한 이온 충격을 억제하면서, 효율 좋게 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.
본 개시의 일 태양에 따른 플라즈마 처리 장치는, 기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서, 처리 용기와, 상기 처리 용기 내에 마련되고, 기판이 탑재되는 기판 탑재대와, 상기 기판 탑재대에 포함되는 접지된 하부 전극과, 상기 하부 전극에 대향하여 마련된 상부 전극과, 처리 가스를 상기 상부 전극과 상기 하부 전극의 사이에 공급하는 가스 공급부와, 상기 상부 전극에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 고주파 전원과, 상기 고주파 전원과 상기 상부 전극의 사이에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부를 구비한다.
본 개시에 의하면, 기판에 대한 이온 충격을 억제하면서, 효율 좋게 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상부 전극이 0V인 순간의 플라즈마 전위를 나타내는 도면이다.
도 3은 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상부 전극이 100V인 순간의 플라즈마 전위를 나타내는 도면이다.
도 4는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서의 상부 전극에 인가되는 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 5는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서의 개산(槪算) 시스 전압을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 1의 플라즈마 처리 장치와 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 상부 전극 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 1의 플라즈마 처리 장치와 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 이온을 가속하는 개산 시스 전압을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1의 플라즈마 처리 장치와 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 고주파 전원의 출력 파워가 100W일 때의 이온의 에너지 분포를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1의 플라즈마 처리 장치와 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 고주파 전원의 출력 파워가 500W일 때의 이온의 에너지 분포를 나타내는 도면이다.
도 10은 도 1의 플라즈마 처리 장치에 있어서 플라즈마를 여기(勵起)한 경우의 생성되는 플라즈마와 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 11은 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에 있어서 플라즈마를 여기한 경우의 생성되는 플라즈마와 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 12는 하부 전극에 고주파 전원을 접속하고 하부 전극측에 전압 파형 정형부를 마련한 플라즈마 처리 장치에 있어서 플라즈마를 여기한 경우의 생성되는 플라즈마와 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 13은 제 2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 14는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 상부 전극의 전압 파형과, 전압 파형 정형부의 스위칭 소자를 적절히 개폐한 경우의 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 15는 제 3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 16은 도 15의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 17은 도 15의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 시스 전압을 나타내는 도면이다.
도 18은 제 3 실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 다른 예의 전압 파형 정형부를 나타내는 도면이다.
도 19는 제 4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 20은 제 4 실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 다른 예의 전압 파형 정형부를 나타내는 도면이다.
도 21은 제 5 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 22는 제 5 실시형태의 플라즈마 처리 장치에 있어서의 다른 예의 전압 파형 정형부를 나타내는 도면이다.
도 23은 제 6 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 24는 전압 파형 정형부를 이용한 도 23의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, Si 상에 Ti막을 성막했을 때의 성막 시간과 막 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 25는 전압 파형 정형부를 이용한 도 23의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, SiN 상에 Ti막을 성막했을 때의 성막 시간과 막 두께의 관계를 나타내는 도면이다.
도 26은 전압 파형 정형부를 이용한 도 23의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, Si 상과 SiN 상에서의 Ti막의 막 두께의 선택비(Si/SiN 선택비)의 평균값을 나타내는 도면이다.
도 27은 제 7 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 28은 연속파의 고주파 전력을 인가했을 때의 상부 전극 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 29는 펄스 형상의 고주파 전력을 인가했을 때의 상부 전극 전압 파형을 나타내는 도면이고, (a)는 듀티비가 30%, (b)는 듀티비가 50%, (c)는 듀티비가 80%인 경우이다.
도 30은 제 8 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
도 31은 전압 파형 정형부를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다.
도 32는 전압 파형 정형부를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 각 웨이퍼 위치(X 방향 및 Y 방향)에 있어서의 에칭 레이트를 나타내는 도면이다.
도 33은 전압 파형 정형부를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 고주파 파워와 전자 밀도(평균값)의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 실시형태에 대해 설명한다.
<제 1 실시형태>
우선, 기본적인 실시형태인 제 1 실시형태에 대해 설명한다.
도 1은 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 기판 W에 대해서 플라즈마 처리를 행하는 것이고, 용량 결합 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 기판 W로서는, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
플라즈마 처리 장치(100)는, 대략 원통 형상의 금속제의 처리 용기(1)를 갖고 있다. 처리 용기(1)는 접지되어 있다. 처리 용기(1)의 내부에는, 기판 W를 수평으로 탑재하기 위한 기판 탑재대(2)가 마련되어 있다. 기판 탑재대(2)는 접지된 하부 전극을 포함하고 있다. 도시된 예에서는, 기판 탑재대(2)가 금속제이고, 기판 탑재대(2)가 하부 전극으로서 기능하고, 기판 탑재대(2)는 접지되어 있다. 기판 탑재대(2)는 절연체로 구성되어 있어도 되고, 그 경우는, 기판 탑재대(2)는 금속제의 접지된 하부 전극이 매설된 구성을 취할 수 있다.
기판 탑재대(2)에는, 플라즈마 처리에 따라, 가열 기구 또는 냉각 기구를 갖고 있어도 된다. 또 기판 탑재대(2)에는, 그의 상면에 대하여 돌몰(突沒) 가능하게 복수의 승강 핀(도시하지 않음)이 삽입 통과되어 있고, 승강 기구(도시하지 않음)에 의한 복수의 승강 핀의 승강 동작에 의해, 기판 탑재대(2)에 대한 기판 W의 수수(授受)가 행해지도록 되어 있다.
처리 용기(1)의 상부에는, 개구가 형성되어 있고, 개구에는 절연 부재(9)를 통하여 샤워 헤드(10)가 기판 탑재대(2)에 대향하도록 끼워 넣어져 있다. 샤워 헤드(10)는 금속제이고, 전체 형상이 원통 형상을 이루고, 상부 전극을 포함하고 있다. 도시된 예에서는 샤워 헤드(10) 자체가 상부 전극으로서 기능하지만, 샤워 헤드(10)의 일부가 상부 전극이어도 된다. 샤워 헤드(10)는, 하부에 개구를 갖는 본체부(11)와, 본체부(11)의 개구를 막도록 마련된 샤워 플레이트(12)를 갖고, 이들 사이의 내부 공간은 가스 확산 공간으로서 기능한다. 샤워 플레이트(12)에는 복수의 가스 토출 구멍(13)이 형성되어 있다.
샤워 헤드(10)에는 가스 도입 구멍(14)이 형성되어 있고, 가스 공급부(20)로부터 공급된 플라즈마 처리를 위한 처리 가스가 가스 도입 구멍(14)을 통하여 샤워 헤드(10) 내에 도입된다. 그리고, 샤워 헤드(10) 내에 도입된 처리 가스가 가스 토출 구멍(13)으로부터 처리 용기(1) 내에 토출되고, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2)의 사이의 공간에 처리 가스가 공급된다.
가스 공급부(20)는, 플라즈마 처리에 필요한 처리 가스, 플라즈마 생성 가스, 퍼지 가스 등의 복수의 가스를 공급한다. 처리 가스로서는, 실시되는 플라즈마 처리에 따라 적절한 것이 선택된다. 가스 공급부(20)는, 복수의 가스 공급원 및 가스 공급 배관을 갖고, 가스 공급 배관에는, 밸브류 및 매스플로 컨트롤러와 같은 유량 제어기가 마련되어 있다.
상부 전극인 샤워 헤드(10)의 거의 중앙에는, 급전 라인(31)을 통하여 고주파 전원(30)이 접속되어 있다. 고주파 전원(30)으로서는, 주파수가 10kHz∼60MHz인 것을 이용할 수 있다. 고주파 전원(30)으로부터 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2)의 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성된다.
급전 라인(31)의 고주파 전원(30) 하류측에는 정합기(32)가 접속되어 있다. 정합기(32)는 고주파 전원(30)의 내부(또는 출력) 임피던스에 부하 임피던스를 정합시키는 것이다.
고주파 전원(30)과 상부 전극의 사이, 보다 상세하게는 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에는, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)가 마련되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 전압 파형 정형부(33)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되고, 다이오드(35)를 통하여 접지되는 접지 회로(36)를 갖는다. 커패시터(34)로서는, 고주파 전원(30)에서 보아 임피던스가 낮아지는 정도의 충분한 용량을 갖는 것이 이용된다. 커패시터(34) 대신에, 정합기(32)의 블로킹 커패시터를 이용해도 된다.
전압 파형 정형부(33)는, 커패시터(34)에 의한 전하를 축적하는 기능과, 접지 회로(36)에 있어서의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에, 전류가 다이오드(35)를 통과하여 접지측으로 흐르도록 구성된다. 이때, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력은 커패시터(34)에 축적된다. 이것에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없앨 수 있어, 플라즈마 전위의 상승이 억제된다. 즉, 전압 파형 정형부(33)를 마련하는 것에 의해, 전압 파형 정형부(33)가 존재하지 않는 경우보다도 플라즈마 전위를 저감할 수 있다. 한편, 고주파 전원(30)이 마이너스 전압을 출력했을 때에는, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력 및 커패시터(34)에 축적된 전력은 플라즈마에 투입된다. 이때의 전력은 상부 전극의 시스에 투입되기 때문에, 기판 W에 대한 이온 충격에는 거의 영향을 주지 않는다.
또, 다이오드(35)를 갖는 전압 파형 정형부(33)를 마련한 상태에서 플라즈마를 여기하면, 상부 전극인 샤워 헤드(10)의 근방에 치우쳐 고밀도 플라즈마가 생성된다. 이 때문에, 샤워 헤드(10)의 가스 토출 구멍(13)으로부터 토출된 가스가 확실히 고밀도 플라즈마 영역을 통과하여, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화되고 프로세스 영역에 공급된다.
처리 용기(1)의 바닥벽에는 배기구(41)가 마련되어 있고, 배기구(41)에는 배기관(42)을 통하여 배기 장치(43)가 접속되어 있다. 배기 장치(43)는 자동 압력 제어 밸브와 진공 펌프를 갖고, 배기 장치(43)에 의해 처리 용기(1) 내를 배기함과 더불어, 처리 용기(1) 내를 원하는 진공도로 유지하는 것이 가능하게 되어 있다.
도시하고 있지 않지만, 처리 용기(1)의 측벽에는, 처리 용기(1)에 대해서 기판 W를 반입출하기 위한 반입출구가 마련되어 있고, 이 반입출구는 게이트 밸브로 개폐하도록 구성되어 있다.
플라즈마 처리 장치(100)의 구성부인 가스 공급부(20)의 밸브류나 유량 제어기, 고주파 전원 등은, 제어부(50)에 의해 제어된다. 제어부(50)는, CPU를 갖는 주제어부와, 입력 장치, 출력 장치, 표시 장치, 및 기억 장치를 갖고 있다. 그리고, 기억 장치의 기억 매체에 기억된 처리 레시피에 근거하여 플라즈마 처리 장치(100)의 처리가 제어된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(100)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 게이트 밸브를 개방으로 하여 반송 장치(도시하지 않음)에 의해 기판 W를 반입출구를 통하여 처리 용기(1) 내에 반입하고, 기판 탑재대(2) 상에 탑재한다. 반송 장치를 퇴피시킨 후, 게이트 밸브를 닫는다.
그 다음에, 처리 용기(1)를 조압(調壓)한 후, 처리 용기(1) 내에 처리 가스를 도입하면서, 고주파 전원(30)으로부터 고주파 전력을 상부 전극인 샤워 헤드(10)에 공급한다. 이것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(10)와 하부 전극인 기판 탑재대(2)의 사이에 고주파 전계가 형성되고, 이들 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성된다.
이때, 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치에서는, 하부 전극이 접지되어 있는 경우, 플라즈마 전위는 상부 전극 전위에 크게 의존한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 상부 전극이 0V인 순간에서는 플라즈마 전위가 αV였던 것이, 도 3에 나타내는 바와 같이, 상부 전극이 100V인 순간에서는, 플라즈마 전위는 100+αV 정도가 된다.
플라즈마 중의 이온은 기판 상면의 시스 전압(플라즈마 전위와 기판 전위의 차분)으로 가속되고, 기판 W으로 유입한다. 상부 전극에는 도 4에 나타내는 정현파가 인가되지만, 생성되는 플라즈마의 강도를 높게 하기 위해, 고주파 전원(30)으로부터 인가되는 전력을 높게 하면, 플러스측에도 높은 전압이 걸린다. 이 때문에, 도 5에 나타내는 바와 같이, 플러스측의 부분에서 플라즈마 전위가 인상되어 시스 전압이 높아지고, 이온의 가속도가 커져 기판 W에 대한 이온 충격이 강해져 버린다.
그래서, 본 실시형태에서는, 정합기(32) 하류측 부분에, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)를 마련한다.
본 실시형태에서는, 전압 파형 정형부(33)는, 구체적으로는, 커패시터(34)에 의한 전하를 축적하는 기능과, 접지 회로(36)의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 이하와 같이 동작한다. 우선, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에는, 전류는 다이오드(35)를 통과하여 접지측으로 흐른다. 이때, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력은 커패시터(34)에 축적된다. 이것에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없앨 수 있어, 플라즈마 전위의 상승이 억제된다. 이 때문에, 기판 W에 대한 이온의 충격을 저감할 수 있다. 한편, 고주파 전원(30)이 마이너스 전압을 출력했을 때에는, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력 및 커패시터(34)에 축적된 전력은 플라즈마에 투입된다. 이때의 전력은 상부 전극의 시스에 투입되기 때문에, 기판 W에 대한 이온 충격에는 거의 영향을 주지 않는다.
도 6은, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 도 1의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 마련하지 않는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 상부 전극 전압 파형을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 마련하는 것에 의해, 전압 파형 정형부(33)를 마련하지 않는 경우에 생기고 있던, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없앨 수 있어, 플라즈마 전위의 상승이 억제되는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 기판 W에 대한 이온의 충격을 억제할 수 있다. 즉, 플라즈마의 강도의 제어와 기판 W에 대한 이온의 충격의 억제를 독립하여 행할 수 있다.
도 7은, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 도 1의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 마련하지 않는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 이온을 가속하는 시스 전압을 간이적인 계산으로 도출한 결과를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 마련하는 것에 의해 시스 전압이 0V 근방까지 저하되고, 기판 W에 대한 이온의 충격을 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 도 1의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 마련하지 않는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 이온 에너지를 실측한 결과에 대해 설명한다. 도 8은 고주파 전원(30)의 출력 파워가 100W일 때의 이온의 에너지 분포를 나타내고, 도 9는 고주파 전원(30)의 출력 파워가 500W일 때의 이온의 에너지 분포를 나타낸다. 이들 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 마련하는 것에 의해, 이온 에너지가 저감하는 것이 실제의 평가에서도 확인되었다.
또, 다이오드(35)를 갖는 전압 파형 정형부(33)를 마련한 상태에서 플라즈마를 여기하면, 상부 전극이 플러스측으로 쏠리지 않기 때문에, 도 10에 나타내는 바와 같이, 고밀도 플라즈마 영역 P는 상부 전극인 샤워 헤드(10) 근방에 치우쳐 생성된다. 이 때문에, 샤워 헤드(10)의 가스 토출 구멍(13)으로부터 토출된 가스가 확실히 고밀도 플라즈마 영역 P를 통과하여, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화되고 프로세스 영역에 공급된다. 또, 고주파 전원(30)으로부터의 전력은, 샤워 헤드(10)의 근방에 치우쳐 생성된 고(高)플라즈마 영역 P에 투입되므로, 전력면에서도 고효율이다.
이에 비해, 전압 파형 정형부(33)를 마련하지 않는 경우는, 도 11에 나타내는 바와 같이, 상부 전극 근방의 고밀도 플라즈마 영역 P 외에, 하부 전극인 기판 탑재대(2)측에도 고밀도 플라즈마 영역 P'가 생성되고, 투입되는 전력은 고밀도 플라즈마 영역 P와 고밀도 플라즈마 영역 P'에 분산된다. 이 때문에, 샤워 헤드(10)의 가스 토출 구멍(13)으로부터 토출된 가스가 확실히 통과하는 상부 전극 근방의 고밀도 플라즈마 영역 P의 밀도는, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 경우에 비해 저감해 버린다. 따라서, 라디칼 생성의 효율이 저하되어 버린다.
또한, 도 12에 나타내는 바와 같이, 특허문헌 1과 마찬가지로, 하부 전극인 기판 탑재대(2)에 고주파 전원(30')을 접속하고, 하부 전극측의 정합기(32')의 하류측에 커패시터(34') 및 다이오드(35')를 통하여 접지되는 접지 회로(36')를 갖는 전압 파형 정형부(33')를 마련한 경우에는, 기판 탑재대(2)측에 치우쳐 플라즈마 P'만이 생성된다. 이 때문에, 일부의 가스는 고밀도 플라즈마 영역 P'와 접하지 않고 프로세스 공간으로부터 배기되기 때문에, 라디칼 생성의 효율이 저하되어 버린다.
이상과 같이, 본 실시형태에서는, 기판 W에 대한 이온 충격을 억제하면서, 효율 좋게 플라즈마를 생성하여 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
<제 2 실시형태>
다음에, 제 2 실시형태에 대해 설명한다.
도 13은, 제 2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제 2 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(101)는, 제 1 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(100)와 마찬가지로, 기본적인 실시형태이다. 본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(101)는, 제 1 실시형태의 전압 파형 정형부(33) 대신에, 구조가 상이한 전압 파형 정형부(331)를 마련한 점만이 플라즈마 처리 장치(100)와는 상이하다. 따라서, 도 13 중, 도 1과 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여서 설명을 생략한다.
전압 파형 정형부(331)는, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 기능을 갖는다. 본 실시형태에 있어서는, 전압 파형 정형부(331)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되고, 스위칭 소자(37)를 통하여 접지되는 접지 회로(361)를 갖는다. 즉, 본 실시형태에서는, 상부 전극에 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리는 기능을 갖는 소자로서, 제 1 실시형태의 다이오드(35) 대신에 스위칭 소자(37)가 마련되어 있다. 커패시터(34)로서, 정합기(32)의 블로킹 커패시터를 이용해도 된다. 또, 스위칭 소자(37)는, 메커니컬 릴레이여도, 트랜지스터 등의 반도체 스위치여도 된다.
전압 파형 정형부(331)는, 커패시터(34)에 의한 전하를 축적하는 기능과, 접지 회로(361)에 있어서의 스위칭 소자(37)의 개폐 기능에 의해, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에, 전류가 접지측으로 흐르도록 할 수 있다. 즉, 스위칭 소자(37)를 예를 들면 전압 파형이 0V에 가까워진 시점에서 개폐하고, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에 전류가 접지측으로 흐르도록 하는 것에 의해, 제 1 실시형태에 있어서의 다이오드(35)와 동일한 기능을 갖게 할 수 있다. 이때, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력은 커패시터(34)에 축적된다. 이것에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없앨 수 있어, 플라즈마 전위의 상승이 억제된다. 한편, 고주파 전원(30)이 마이너스 전압을 출력했을 때에는, 고주파 전원(30)이 출력하는 전력 및 커패시터(34)에 축적된 전력은 플라즈마에 투입된다. 이때의 전력은 상부 전극의 시스에 투입되기 때문에, 기판 W에 대한 이온 충격에는 거의 영향을 주지 않는다.
도 14는, (a) 전압 파형 정형부(331)를 마련하지 않는 일반적인 용량 결합 플라즈마 처리 장치의 상부 전극의 전압 파형과, (b) 전압 파형 정형부(331)의 스위칭 소자(37)를 적절히 개폐한 경우의 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(331)의 스위칭 소자(37)를 적절히 개폐하는 것에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없앨 수 있어, 플라즈마 전위의 상승이 억제되는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 기판 W에 대한 이온의 충격을 억제할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화되고 프로세스 영역에 공급된다.
<제 3 실시형태>
다음에, 제 3 실시형태에 대해 설명한다.
도 15는, 제 3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제 3 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(102)는, 제 1 실시형태의 전압 파형 정형부(33) 대신에, 상부 전극에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부로서 제너 다이오드(381)를 갖는 전압 파형 정형부(332)를 마련한 점만이 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)와는 상이하다. 따라서, 도 15 중, 도 1과 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
전압 파형 정형부(332)는, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하면서, 상부 전극의 양전압의 상한이 임의로 결정된 전압 파형이 되도록 전압 파형을 정형하는 기능을 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 전압 파형 정형부(332)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되는 접지 회로(362)를 갖는다. 접지 회로(362)는, 다이오드(35) 및 다이오드(35)와 직렬로 마련된 전압 조정부로서의 제너 다이오드(381)를 갖고, 이들을 통하여 접지된다.
제너 다이오드(381)는, 전압이 일정값(제너 전압 Vz)이 되면, 그 이상 전압이 걸리지 않도록 전류를 흘리기 시작하는 기능을 갖는 것이다. 이 기능에 의해, 다이오드(35)의 기능을 완화하고, 상부 전극(샤워 헤드(10))의 양측(플러스측) 전압의 상한을 임의로 결정할 수 있다. 즉, 제너 전압 Vz를 조정하는 것에 의해, 상부 전극에 인가되는 양전압을 임의로 변화시키고, 플라즈마 전위를 조정하여, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 적당히 조정할 수 있다.
도 16은, 도 15의 다이오드(35) 및 제너 다이오드(381)를 마련한 접지 회로(362)를 갖는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제너 다이오드(381)로서 제너 전압 Vz가 39V인 것을 이용한 경우에 있어서의 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 다이오드(35) 및 제너 다이오드(381)를 갖는 접지 회로(362)를 이용하는 것에 의해, 상부 전극의 양측(플러스측)의 최대 전압을 제너 전압 Vz 정도로 할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 17은, 도 15의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 이온을 가속하는 시스 전압을 간이적인 계산으로 도출한 결과를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 다이오드(35) 및 제너 다이오드(381)를 마련한 접지 회로(362)를 갖는 전압 파형 정형부(332)를 마련하는 것에 의해 시스 전압이 제너 전압 Vz의 근방의 값을 취하고, 기판 W에 대한 이온 에너지를 조정할 수 있는 것을 알 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 상부 전극의 플러스측의 전압이 억제되는 효과를 갖기 때문에, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화된다는 효과가 유지된다.
본 실시형태에 있어서, 상이한 제너 전압으로 전환 가능하게 하여 상부 전극의 양측 전압의 상한값을 전환 가능하게 한 전압 파형 정형부(333)로 해도 된다. 도 18은, 그와 같은 전압 파형 정형부(333)를 나타내는 도면이다. 전압 파형 정형부(333)는, 다이오드(35)의 하류측에, 스위치(39)에 의해 전환 가능한, 제너 전압이 상이한 접지된 복수의 선로를 갖는 접지 회로(363)를 갖는다. 본 예에서는, 복수의 선로로서, 제너 다이오드를 마련하지 않는(Vz=0) 제 1 선로(382a), 제 1 제너 다이오드(381a)(Vz=40)를 마련한 제 2 선로(382b), 제 2 제너 다이오드(381b)(Vz=80)를 마련한 제 3 선로(382c), 제 3 제너 다이오드(381c)(Vz=120)를 마련한 제 4 선로(382d)를 갖는다. 한편, 여기에서의 각 선로의 제너 전압 Vz는 예시이고, 이들로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 각 선로에 제너 전압 Vz가 상이한 제너 다이오드를 마련하여 스위치에 의해 전환하도록 하는 것에 의해, 상부 전극(샤워 헤드(10))의 양측 전압의 상한을 복수 단계로 전환할 수 있다. 이것에 의해, 스위치의 전환만으로, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 제어할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 다이오드(35) 대신에 제 2 실시형태의 스위칭 소자를 이용해도 된다.
<제 4 실시형태>
다음에, 제 4 실시형태에 대해 설명한다.
도 19는, 제 4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제 4 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(103)는, 전압 조정부로서 저항(383)을 갖는 전압 파형 정형부(334)를 마련한 점만이 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)와는 상이하다. 따라서, 도 19 중, 도 1과 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
전압 파형 정형부(334)는, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하면서, 상부 전극의 양전압의 상한이 임의로 결정된 전압 파형이 되도록 전압 파형을 정형하는 기능을 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 전압 파형 정형부(334)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되는 접지 회로(364)를 갖는다. 접지 회로(364)는, 다이오드(35) 및 다이오드(35)와 직렬로 마련된 전압 조정부로서의 저항(383)을 갖고, 이들을 통하여 접지된다.
저항(383)에 의해, 상부 전극(샤워 헤드(10))의 양측(플러스측) 전압의 상한을 임의로 결정할 수 있다. 즉, 저항(383)의 저항값을 조정하는 것에 의해, 상부 전극에 인가되는 양전압을 임의로 변화시키고, 플라즈마 전위를 조정하여, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 적당히 조정할 수 있다. 이것에 의해, 플라즈마 처리에 따라, 기판 W에 대해 적당한 양의 이온을 공급할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 상부 전극의 플러스측의 전압이 억제되는 효과를 갖기 때문에, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화된다는 효과가 유지된다.
본 실시형태에 있어서, 저항을 가변 저항으로 해도 된다. 도 20은, 저항(383) 대신에 가변 저항(384)을 마련한 접지 회로(365)를 갖는 전압 파형 정형부(335)를 나타내는 도면이다. 이와 같이 가변 저항(384)을 마련하는 것에 의해 그 저항값을 전환하는 것만으로, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 제어할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 다이오드(35) 대신에 제 2 실시형태의 스위칭 소자를 이용해도 된다.
<제 5 실시형태>
다음에, 제 5 실시형태에 대해 설명한다.
도 21은, 제 5 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
제 5 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(104)는, 전압 조정부로서 전원(385)을 갖는 전압 파형 정형부(336)를 마련한 점만이 제 1 실시형태의 플라즈마 처리 장치(100)와는 상이하다. 따라서, 도 21 중, 도 1과 동일한 것에는 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
전압 파형 정형부(336)는, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하면서, 상부 전극의 양전압의 상한이 임의로 결정된 전압 파형이 되도록 전압 파형을 정형하는 기능을 갖는다. 본 실시형태에 있어서, 전압 파형 정형부(336)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되는 접지 회로(366)를 갖는다. 접지 회로(366)는, 다이오드(35) 및 다이오드(35)와 직렬로 마련된 전압 조정부로서의 전원(385)을 갖고, 이들을 통하여 접지된다. 본 예에서는 전원(385)으로서 직류 전원을 마련하고 있다.
전원(385)에 의해, 상부 전극(샤워 헤드(10))의 양측(플러스측) 전압의 상한을 임의로 결정할 수 있다. 즉, 전원(385)의 전압을 조정하는 것에 의해, 상부 전극에 인가되는 양전압을 임의로 변화시키고, 플라즈마 전위를 조정하여, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 적당히 조정할 수 있다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 상부 전극의 플러스측의 전압이 억제되는 효과를 갖기 때문에, 공급된 가스가 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화된다는 효과가 유지된다.
본 실시형태에 있어서, 전원을 가변 전원으로 해도 된다. 도 22는, 전원(385) 대신에 가변 전원(386)을 마련한 접지 회로(367)를 갖는 전압 파형 정형부(337)를 나타내는 도면이다. 이와 같이 가변 전원(386)을 마련하는 것에 의해, 그 전압값을 전환하는 것만으로, 기판 W에 공급되는 이온 에너지를 제어할 수 있다.
한편, 본 실시형태에 있어서, 다이오드(35) 대신에 제 2 실시형태의 스위칭 소자를 이용해도 된다.
<제 6 실시형태>
다음에, 구체적인 실시형태인 제 6 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태에 나타낸 기본적 구조의 플라즈마 처리 장치를 성막 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 23은, 제 6 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
플라즈마 처리 장치(105)는, 기판 W에 대해서 플라즈마 CVD에 의해 Ti막을 성막하는 플라즈마 CVD 장치이고, 용량 결합 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 기판 W로서는, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
플라즈마 처리 장치(105)는, 대략 원통 형상을 이루는 금속제의 처리 용기(111)를 갖고 있다. 처리 용기(111)는, 본체의 바닥벽(111b)의 중앙부에 형성된 원형의 구멍(150)을 덮도록, 본체의 바닥벽(111b)으로부터 하방을 향해 돌출되는 배기실(151)을 갖고 있다. 배기실(151)의 측면에는 배기관(152)이 접속되어 있고, 이 배기관(152)에는 자동 압력 제어 밸브 및 진공 펌프를 갖는 배기 장치(153)가 마련되어 있다. 이 배기 장치(153)에 의해, 처리 용기(111) 내를 배기함과 더불어, 처리 용기(111) 내를 원하는 진공도로 유지하는 것이 가능하게 되어 있다.
처리 용기(111)의 측벽에는, 처리 용기(111)에 대해서 기판 W를 반입출하기 위한 반입출구(157)가 마련되어 있고, 이 반입출구(157)는 게이트 밸브(158)로 개폐하도록 구성되어 있다.
처리 용기(111)의 내부에는, 기판 W를 수평으로 탑재하기 위한 기판 탑재대(112)가 마련되어 있다. 기판 탑재대(112)는, Ni 등의 금속으로 구성된 본체(113)와, 그의 내부에 마련된 하부 전극(114) 및 히터(115)를 갖고 있다. 하부 전극(114)은 접지되어 있다. 히터(115)는 히터 전원(116)으로부터 급전되는 것에 의해 발열하고, 탑재된 기판 W를 원하는 온도로 가열한다. 기판 탑재대(112)는, 본체(113)의 하부 중앙으로부터 하방으로 연장되는 원통 형상의 지지 부재(117)에 의해 지지되어 있고, 지지 부재(117)는 절연 부재(118)를 통하여 배기실(151)의 바닥벽에 장착되어 있다.
처리 용기(111)의 천장벽(111a)에는, 개구가 형성되어 있고, 개구에는 절연 부재(119)를 통하여 샤워 헤드(120)가 기판 탑재대(112)에 대향하도록 끼워 넣어져 있다. 샤워 헤드(120)는 금속제이고, 전체 형상이 원통 형상을 이루고, 상부 전극을 포함하고 있다. 도시된 예에서는 샤워 헤드(120) 자체가 상부 전극으로서 기능하지만, 샤워 헤드(120)의 일부가 상부 전극이어도 된다. 샤워 헤드(120)는, 베이스 부재(121)와 샤워 플레이트(122)를 갖고 있고, 샤워 플레이트(122)는 원판 형상을 이루고, 그 외주에는 플랜지부(122a)가 형성되어 있고, 플랜지부(122a)는 원고리 형상을 이루는 중간 부재(123)를 통하여 베이스 부재(121)에 나사 고정되어 있다. 그리고, 베이스 부재(121)와 샤워 플레이트(122)의 사이에 가스 확산 공간(124)이 형성되어 있다. 베이스 부재(121)는 그 외주에 플랜지부(121a)가 형성되어 있고, 이 플랜지부(121a)가 절연 부재(119)에 지지되어 있다. 샤워 플레이트(122)에는 복수의 가스 토출 구멍(125)이 형성되어 있다. 베이스 부재(121)의 상부 중앙 부근에는 하나의 가스 도입 구멍(126)이 형성되어 있다. 가스 도입 구멍(126)에는, 후술하는 가스 공급부(130)에 접속된 가스 배관(130a)이 접속되고, 가스 공급부(130)로부터 공급된 처리 가스가 샤워 헤드(120)를 통하여 처리 용기(111) 내에 샤워 형상으로 도입된다. 즉, 상부 전극인 샤워 헤드(120)와 하부 전극(114)을 포함하는 기판 탑재대(112)의 사이의 공간에 처리 가스가 공급된다.
또, 샤워 헤드(120)의 베이스 부재(121)에는, 샤워 헤드(120)를 가열하기 위한 히터(147)가 마련되어 있다. 이 히터(147)는 히터 전원(도시하지 않음)으로부터 급전되고, 샤워 헤드(120)를 원하는 온도로 가열한다. 베이스 부재(121)의 상부에 형성된 오목부에는 단열 부재(149)가 마련되어 있다.
가스 공급부(130)는, TiCl4 가스, Ar 가스, 및 H2 가스를 개별적으로 공급하는 복수의 가스 공급원과, 이들 복수의 가스 공급원으로부터 각 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 공급 배관을 갖고 있다. 각 가스 공급 배관에는, 개폐 밸브와, 매스플로 컨트롤러와 같은 유량 제어기가 마련되어 있고(모두 도시하지 않음), 이들에 의해, 상기 가스의 공급·정지 및 각 가스의 유량 제어를 행할 수 있도록 되어 있다. 이들 가스 외에 N2 가스나 NH3 가스 등의 다른 가스를 포함하고 있어도 된다.
상부 전극인 샤워 헤드(120)에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 급전 라인(31)을 통하여 고주파 전원(30)이 접속되어 있다. 고주파 전원(30)으로서는, 주파수가 10kHz∼60MHz인 것을 이용할 수 있다. 고주파 전원(30)으로부터 상부 전극인 샤워 헤드(120)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(120)와 기판 탑재대(112)에 포함되는 하부 전극(114)의 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성된다. 급전 라인(31)의 고주파 전원(30) 하류측에는 정합기(32)가 접속되어 있다.
제 1 실시형태와 마찬가지로, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에는, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)가 마련되어 있다. 전압 파형 정형부(33)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되고, 다이오드(35)를 통하여 접지되는 접지 회로(36)를 갖는다. 커패시터(34)로서는, 고주파 전원(30)에서 보아 임피던스가 낮아지는 정도의 충분한 용량을 갖는 것이 이용된다. 커패시터(34) 대신에, 정합기(32)의 블로킹 커패시터를 이용해도 된다.
전압 파형 정형부(33)는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 커패시터(34)에 의한 전하를 축적하는 기능과, 접지 회로(36)에 있어서의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에, 전류가 다이오드(35)를 통과하여 접지측으로 흐르도록 구성된다. 이것에 의해, 플라즈마 전위의 상승이 억제되어 기판 W에 대한 이온의 충격이 억제된다.
플라즈마 처리 장치(105)의 구성부인 가스 공급부(130)의 밸브류나 유량 제어기, 고주파 전원 등은, 제어부(160)에 의해 제어된다. 제어부(160)는, 제 1 실시형태의 제어부(50)와 마찬가지로 구성된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(105)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 게이트 밸브(158)를 개방으로 하여, 기판 W를, 반입출구(157)를 통하여 처리 용기(111) 내에 반입하고, 미리 정해진 온도로 유지된 기판 탑재대(112)에 탑재한다. 그리고, 처리 용기(111) 내의 압력을 조정함과 더불어, 플라즈마 생성 가스인 Ar 가스, 환원 가스인 H2 가스, Ti 원료 가스인 TiCl4 가스를 도시하지 않은 프리플로 라인으로 흘려 프리플로를 행한다. 그 다음에, 가스 유량 및 압력을 동일하게 유지한 채 성막용의 라인으로 전환하고, 이들 가스를 샤워 헤드(120)를 통하여 처리 용기(111) 내에 도입한다.
그리고, Ar 가스, H2 가스, TiCl4 가스를 처리 용기(111)에 도입한 채의 상태에서, 고주파 전원(30)을 온으로 하고, 플라즈마를 생성하고, 플라즈마 CVD에 의해, 기판 W의 표면에 Ti막을 성막한다.
이때의 조건으로서는, 기판 탑재대(112)의 온도를 300∼700℃, 처리 용기(111) 내의 압력을 13.3∼1333Pa(0.1∼10Torr)의 범위로 할 수 있다.
플라즈마 CVD에 의한 Ti막의 성막은, 플라즈마에 의한 이온 충격에 의해, 하지막 표면을 파괴하고, 댕글링 본드(dangling bond)를 형성시켜, 성막 원료(프리커서(precursor))인 TiCl4의 해리종인 TiCl3 또는 TiCl2를 댕글링 본드 형성 부분에 흡착시키는 것에 의해 이루어진다.
Si 또는 SiGe와 같은 결합 에너지가 작은 하지에 Ti막을 성막하는 경우는, 이온 충격은 작아도 되고, 플라즈마의 이온 에너지를 최대한 저하시키는 것이 바람직하다.
또, 표면에 Si 또는 SiGe와, 다른 재료(예를 들면 SiN 또는 SiO2)를 갖는 기판에 있어서, Si 또는 SiGe 상에 선택적으로 Ti막을 성막하고자 하는 요청이 있다. 이와 같은 경우에도 이온 에너지를 저하시키는 것이 유효하다.
즉, Si 및 SiGe의 결합 에너지는, 각각 327kJ/mol 및 301kJ/mol로 작은 데 비해, SiN 및 SiO2의 결합 에너지는, 각각 798kJ/mol 및 439kJ/mol로 Si나 SiGe에 비해 크다. 그 때문에, 이온 에너지를, Si 또는 SiGe만이 해리될 수 있도록 저하시키는 것에 의해, Si 또는 SiGe에의 선택 성막을 실현할 수 있다고 생각된다.
한편, Ti막의 선택 성막은, Si 및 SiGe에 한하지 않고, 표면에 결합 에너지가 상대적으로 작은 제 1 재료 부분과, 상대적으로 결합 에너지가 큰 제 2 재료 부분을 갖는 경우이면, 제 1 재료 부분에 선택적으로 Ti막을 성막할 수 있다.
이온 에너지를 저하시키는 수단으로서는, 일반적으로는, 처리 용기 내의 압력을 고압으로 하는, 고주파 파워를 내리는 등이 생각되지만, TiCl4 가스를 이용한 플라즈마 처리에서는, 그 분해에 전력을 소비하기 때문에, 고압·저파워에서는 방전을 유지하기 어렵다.
이에 비해, 본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원(30)의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)를 이용한다. 구체적으로는, 커패시터(34)에 의해 바이어스를 발생시켜 Vpp를 유지하고, 접지 회로(36)에 있어서의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없애서, 플라즈마 전위의 상승을 억제한다. 이것에 의해, 플라즈마 생성 조건을 변경하지 않고 기판 W에 대한 이온 에너지를 저하시킬 수 있어, 원하는 성막 처리를 실현시킬 수 있다.
또, 고주파 전원(30)의 주파수가 높은 경우는, 전자 온도가 낮아 방전 마진이 저하되어 버리기 때문에, 고주파 전원(30)의 주파수는 10kHz∼60MHz 정도, 예를 들면 450kHz가 바람직하다.
다음에, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 장치와 이용하지 않은 장치에 의해, 기판 표면의 Si 및 SiN 상에 Ti막을 성막한 실험 결과에 대해 설명한다. 여기에서는, Si 및 SiN 표면의 자연 산화막을 드라이 처리로 제거한 후, Ti 성막을 행했다.
이때의 조건은 이하와 같다.
고주파 전력 주파수: 450kHz
고주파 파워: 40W
압력: 2.0Torr
전극간 갭: 13.5mm
기판 탑재대 온도: 450℃
가스: TiCl4/Ar/H2=25/2400/1000sccm
도 24는, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 도 23의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, Si 상에 Ti막을 성막했을 때의 성막 시간과 막 두께의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, Si 상에서는, 전압 파형 정형부(33)를 이용해도 이용하지 않아도 막 두께는 거의 동등하다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 25는, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 도 23의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, SiN 상에 Ti막을 성막했을 때의 성막 시간과 막 두께의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, SiN 상에서는, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의해, 막 두께가 약 6할 감소하는 것이 확인되었다.
도 26은, 이상의 결과로부터 Si 상과 SiN 상에서의 Ti막의 막 두께의 선택비(Si/SiN 선택비)의 평균값을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, Si/SiN 선택비가, 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않는 경우에 1.5∼1.6 정도였던 것이, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의해 3.3∼3.6으로 크게 개선되는 것이 확인되었다. 또, 도면에는 나타나 있지는 않지만, 기판의 센터에 대해서는, Si/SiN 선택비가 1.6으로부터 4.9로 개선되어, 더 개선폭이 큰 것이 확인되었다.
한편, 본 실시형태에 있어서도, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 상태에서 플라즈마를 여기하는 것에 의해, 플라즈마는 상부 전극인 샤워 헤드(120) 근방에 치우쳐 생성된다. 이 때문에, 토출된 가스는 확실히 고밀도 플라즈마 영역을 통과하기 때문에, 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 있어서도, 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리는 소자로서, 다이오드 대신에 제 2 실시형태와 같이 스위칭 소자를 이용해도 된다. 또, 접지 회로로서, 다이오드나 스위칭 소자와 같은 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리는 소자에 더하여, 제 3 실시형태 내지 제 5 실시형태와 같이, 제너 다이오드, 저항, 전원과 같은 전압 조정부를 마련해도 된다. 이것에 의해, 하지에 의해 적절히 이온 에너지의 제어를 행할 수 있고, 성막성, 특히 선택 성막성을 제어할 수 있다.
<제 7 실시형태>
다음에, 구체적인 실시형태인 제 7 실시형태에 대해 설명한다.
도 27은, 제 7 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태의 플라즈마 처리 장치(105a)는, 고주파 전원(30) 대신에 고주파 펄스 전원(60)을 이용한 점만이 도 23의 제 6 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(105)와 상이하다. 이 외에는 도 23의 플라즈마 처리 장치와 동일한 구성이므로 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
본 실시형태에서는, 도 27의 플라즈마 처리 장치(105a)에 의해, 제 6 실시형태와 마찬가지로 Ti막의 선택 성막을 실현하는 것에 더하여 펄스 형상의 고주파 전력을 이용하여 Ti막의 부식을 억제한다.
상기 제 6 실시형태에서는, 전압 파형 정형부(33)를 이용하여 플라즈마 전위의 상승을 억제하는 것에 의해, 플라즈마 생성 조건을 변경하지 않고 기판 W에 대한 이온 에너지를, 결합 에너지가 작은 제 1 재료 부분만을 해리할 수 있도록 저하시켜, 선택 성막을 실현한다. 구체예를 들면, 이온 에너지를, 결합 에너지가 상대적으로 큰 SiN 또는 SiO2는 해리되지 않고, 결합 에너지가 상대적으로 작은 Si 또는 SiGe만이 해리될 수 있도록 저하시켜 선택 성막을 실현한다.
이와 같이 전압 파형 정형부(33)를 이용한 Ti막의 선택 성막에서 Ti막을 후막화하고자 하는 경우, 고주파 전력을 고파워로 하거나, 또는 성막 시간을 연장하는 것이 생각된다. 그러나, 어느 경우도, 막 중의 Cl 잔류 농도가 높아져 막의 부식이 진행되어 버리는 것이 발견되었다. 부식되어 있지 않은 Ti막에서는, Ti막의 표면측에서 O, N, Cl이 검출되고, 산화층이 Ti막의 표면에 생성되어 있지만, Ti막이 부식된 경우는, 막 중으로부터 O, N, Cl이 검출되고, Ti막과 하지의 Si막의 사이에 산화층이 생성된 상태가 된다.
그래서, 본 실시형태에서는, 고주파 펄스 전원(60)을 이용하여 펄스 형상의 고주파 전력을 상부 전극인 샤워 헤드(120)에 인가하여 플라즈마를 생성한다. 펄스 형상의 고주파 전력은, 전형적으로는, 고주파 전력을 주기적으로 인가하고, 고주파 전력이 ON 상태와 OFF 상태를 반복하여 출현시킨다.
이와 같이, 펄스 형상의 고주파 전력을 공급하는 것에 의해, Ti막의 선택 성막에 있어서 Ti막을 후막화하기 때문에, 고파워화 또는 성막 시간을 장시간화하더라도, 막의 부식을 억제할 수 있다.
이와 같이 펄스 형상의 고주파 전력을 공급하는 것에 의해 Ti막의 부식이 억제되는 메커니즘에 대해서는, 이하와 같이 상정된다.
펄스가 OFF인 시간에서는, TiCl4가 성막이 아니라, 막 표면이 약한 Cl 결합의 에칭에 기여한다. 또, 성막 레이트도 늦어지기 때문에 탈 Cl의 시간을 확보할 수 있다.
또한, 펄스가 OFF가 된 후의 애프터글로우(afterglow) 영역에서는 시스가 소실되고, 전자가 이온에 도입되어 이온-이온 플라즈마가 생겨 있다. 또, 펄스 OFF의 순간에는 기판은 음으로 대전되어 있기 때문에, 플라즈마 중의 양이온인 H3+ 이온이 기판을 향하게 된다. 이 결과, H3+가 Ti막 중의 Cl을 환원하고, 부식을 억제하는 효과가 커진다고 생각된다.
고주파 펄스 전원(60)의 고주파의 주파수는, 제 6 실시형태의 고주파 전원(30)의 주파수와 마찬가지로, 10kHz∼60MHz 정도가 바람직하고, 예를 들면 450kHz이다. 또, 펄스의 주파수는 0.1∼500kHz가 바람직하고, 예를 들면 10kHz이다. 또, 펄스의 듀티비는 1∼99%의 범위로 할 수 있고, 바람직하게는, 10∼90%이다.
고주파 전력을 인가했을 때의 상부 전극 전압 파형에 대해서는, 연속파(CW)의 경우는 도 28과 같이 되는 데 비해, 펄스 형상의 고주파 전력을 인가한 경우는 도 29와 같이 된다. 도 29의 (a)는 듀티비가 30%, (b)는 듀티비가 50%, (c)는 듀티비가 80%인 경우이다. 한편, 고주파 전력의 주파수는 450kHz, 펄스 주파수는 10kHz이다.
한편, 펄스 형상의 고주파 전력은, 상기와 같이 완전한 ON·OFF가 아니어도 되고, 파워가 큰 상태와 작은 상태를 반복하는 것이어도 된다.
다음에, 연속파의 고주파 전력을 인가하는 도 23의 장치 및 펄스 형상의 고주파 전력을 인가하는 도 27의 장치로부터, 전압 파형 정형부(33)를 제외한 장치에 의해, 기판 표면의 Si 및 SiN 상에 Ti막을 성막한 실험 결과에 대해 설명한다. 여기에서는, Si 및 SiN 표면의 자연 산화막을 드라이 처리로 제거한 후, Ti 성막을 행했다.
여기에서는, 펄스 형상의 고주파 전력을 인가하는 경우는, 듀티비를 80% 및 50%로 했다. 성막 시간은, 연속파의 경우는 360sec로 하고, 펄스 형상의 고주파 전력의 경우는, 고주파 전력이 인가되고 있는 시간이 동일하게 되도록, 듀티비가 80%인 경우는 450sec, 듀티비가 50%인 경우는 720sec로 했다.
다른 조건은 이하와 같다.
고주파 전력 주파수: 450kHz
고주파 파워: 100W
압력: 4.0Torr
전극간 갭: 13.5mm
기판 탑재대 온도: 450℃
가스: TiCl4/Ar/H2=25/2400/1000sccm
펄스 주파수: 10kHz
성막 후, 기판을 처리 용기로부터 반출하고, Ti막의 부식의 유무를 확인함과 더불어, 시트 저항을 측정했다. 그 결과, 연속파의 경우는 Ti막의 부식이 진행되고, 막의 시트 저항이 510.1Ω/sq.였다. 이에 비해, 듀티비 80%의 펄스의 경우는 Ti막의 부식은 보였지만 연속파의 경우보다도 억제되고, 시트 저항은 276.4Ω/sq.였다. 또, 듀티비 50%의 펄스의 경우는 Ti막의 부식은 보이지 않았다.
즉, 연속파의 고주파 전력으로는 부식이 진행되는 데 비해, 펄스 형상의 고주파 전력에 의해, Ti막의 부식이 억제되고, 또한, 펄스의 듀티비를 저하시키는 것에 의해, Ti막의 부식이 보다 한층 억제되는 것이 확인되었다.
한편, 위의 실험에서는, 전압 파형 정형부를 마련하지 않는 장치를 이용했기 때문에, Si막 상 및 SiN막 상에 동일한 정도의 막 두께의 Ti막이 형성되고, 선택성은 보이지 않았다.
다음에, 전압 파형 정형부(33)를 갖고 연속파의 고주파 전력을 인가하는 도 23의 장치 및 전압 파형 정형부(33)를 갖고 펄스 형상의 고주파 전력을 인가하는 도 27의 장치에 의해, 기판 표면의 Si 및 SiN 상에 Ti막을 성막한 실험 결과에 대해 설명한다. 여기에서는, Si 및 SiN 표면의 자연 산화막을 드라이 처리로 제거한 후, Ti 성막을 행했다.
여기에서는, 조건 A, B로서, 파워 40W의 연속파의 고주파 전력을 인가하고, 처리 시간을 각각 900sec 및 1200sec로 했다. 또, 조건 C로서, 듀티비를 20%의 펄스 형상의 고주파 전력을 인가하고, 고주파 파워를 60W, 처리 시간을 1500sec로 했다.
다른 조건은 이하와 같다.
고주파 전력 주파수: 450kHz
압력: 6.0Torr
전극간 갭: 13.5mm
기판 탑재대 온도: 450℃
가스: TiCl4/Ar/H2=25/2400/1000sccm
펄스 주파수: 10kHz
성막 후, 기판을 처리 용기로부터 반출하고, 각 조건에 있어서의 Si막 상의 Ti막의 막 두께와 SiN막 상의 Ti막의 막 두께를 측정했다.
그 결과, 조건 A에서는, Si막 상 및 SiN막 상의 Ti막의 평균 두께는 각각 5.7nm, 0.8nm이고, Si/SiN 선택비의 평균값은 7.2였다. 조건 B에서는, Si막 상 및 SiN막 상의 Ti막의 평균 두께는 각각 6.2nm, 0.8nm이고, Si/SiN 선택비의 평균값은 7.8이었다. 조건 C에서는, Si막 상 및 SiN막 상의 Ti막의 평균 두께는 각각 8.15nm, 1.07nm이고, Si/SiN 선택비의 평균값은 7.63이었다. 이와 같이, 어느 경우도, 전압 파형 정형부(33)를 이용하고 있기 때문에 Si/SiN 선택비가 높았다.
다음에, Ti막의 부식을 확인한 바, 조건 A에서는 부식은 확인되지 않았지만, 처리 시간을 길게 한 조건 B에서는 부식이 확인되었다. 펄스 형상의 고주파 전력을 인가한 조건 C에서는, 조건 B보다도 막 두께가 두꺼움에도 불구하고, Ti막의 부식이 확인되지 않았다. 또, 시트 저항을 확인한 바, 조건 A에서는 336.2Ω/sq.였는데 비해, 조건 C에서는 259.1Ω/sq.이고, 펄스 형상의 고주파 전력을 인가하고 막의 부식이 억제된 결과, 시트 저항이 저하되고 있는 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터, 전압 파형 정형부(33)와 펄스 형상의 고주파 전력을 병용하는 것에 의해, Si막 상에 고(高)선택비로 Ti막을 성막할 수 있는 효과를 유지하고, 부식을 억제하면서, Si막 상의 Ti막의 막 두께를 두껍게 할 수 있는 것이 확인되었다.
<제 8 실시형태>
다음에, 구체적인 실시형태인 제 8 실시형태에 대해 설명한다.
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태에 나타낸 기본적 구조의 플라즈마 처리 장치를 에칭 장치에 적용한 예를 나타낸다.
도 30은, 제 8 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치를 나타내는 단면도이다.
본 실시형태에 따른 플라즈마 처리 장치(106)는, 기판 W에 존재하는 막을 에칭하는 에칭 장치이고, 용량 결합 플라즈마 처리 장치로서 구성되어 있다. 기판 W로서는, 예를 들면 반도체 웨이퍼를 들 수 있지만, 이것으로 한정되지 않는다.
플라즈마 처리 장치(106)는, 대략 원통 형상을 이루는 금속제의 처리 용기(201)를 갖고 있다. 이 처리 용기(201)는 보안 접지되어 있다.
처리 용기(201)의 바닥부에는, 세라믹 등으로 이루어지는 절연판(212)을 통하여 원기둥 형상을 이루는 금속제의 지지대(214)가 배치되고, 이 지지대(214) 위에 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 원기둥 형상의 기판 탑재대(216)가 마련되어 있다. 기판 탑재대(216)는 하부 전극을 구성하고, 접지되어 있다. 기판 탑재대(216)는 상면에 기판 W를 정전력으로 흡착 유지하는 정전 척(218)을 갖고 있다. 이 정전 척(218)은, 절연체의 내부에 전극(220)이 마련된 구조를 갖는 것이고, 전극(220)에 직류 전원(222)으로부터 직류 전압을 인가하는 것에 의해, 쿨롱력 등의 정전력에 의해 기판 W가 흡착 유지된다.
기판 탑재대(216)의 상면의 정전 척(218)의 주위 부분에는, 에칭의 균일성을 향상시키기 위한, 예를 들면 실리콘으로 이루어지는 도전성의 포커스 링(224)이 배치되어 있다. 기판 탑재대(216) 및 지지대(214)의 측면에는, 예를 들면 석영으로 이루어지는 원통 형상의 내벽 부재(226)가 마련되어 있다.
지지대(214)의 내부에는 냉매실(228)이 마련되어 있다. 이 냉매실에는, 외부에 마련된 도시하지 않은 칠러 유닛으로부터 배관(230a, 230b)을 통하여 냉매, 예를 들면 냉각수가 순환 공급되고, 냉매의 온도에 의해 기판 탑재대(216) 상의 기판 W의 처리 온도가 제어된다.
또한, 도시하지 않은 전열 가스 공급 기구로부터의 전열 가스, 예를 들면 He 가스가 가스 공급 라인(232)을 통하여 정전 척(218)의 상면과 기판 W의 이면의 사이에 공급된다.
하부 전극인 기판 탑재대(216)의 상방에는, 기판 탑재대(216)와 대향하도록 상부 전극인 샤워 헤드(234)가 마련되어 있다. 그리고, 상부 전극인 샤워 헤드(234)와 하부 전극인 기판 탑재대(216)의 공간이 플라즈마 생성 공간이 된다.
상부 전극인 샤워 헤드(234)는, 절연성 차폐 부재(243)를 통하여, 처리 용기(201)의 상부에 지지되어 있다. 샤워 헤드(234)는, 기판 탑재대(216)와의 대향면을 구성하고 또한 다수의 가스 토출 구멍(237)을 갖는 전극판(236)과, 이 전극판(236)을 착탈 자재로 지지하는 수냉 구조의 전극 지지체(238)에 의해 구성되어 있다. 전극 지지체(238)의 내부에는, 가스 확산실(240)이 마련되고, 이 가스 확산실(240)로부터는 가스 토출 구멍(237)에 연통하는 다수의 가스 통류 구멍(241)이 하방으로 연장되어 있다. 전극 지지체(238)에는 가스 확산실(240)로 처리 가스를 유도하는 가스 도입 구멍(242)이 형성되어 있고, 이 가스 도입 구멍(242)에는 후술하는 가스 공급부(250)에 접속된 가스 배관(251)이 접속되고, 가스 공급부(250)로부터 공급된 처리 가스가 샤워 헤드(234)를 통하여 처리 용기(201) 내에 샤워 형상으로 토출된다. 즉, 처리 가스는, 상부 전극인 샤워 헤드(234)와, 하부 전극인 기판 탑재대(216)의 사이에 공급된다.
가스 공급부(250)는, Ar 가스 및 O2 가스를 포함하는 복수의 가스를 개별적으로 공급하는 가스 공급원과, 이들 복수의 가스 공급원으로부터 각 가스를 공급하기 위한 복수의 가스 공급 배관을 갖고 있다. 한편, 도면 중에는, 가스 공급부(250)에 Ar과 O2만 묘사되어 있지만, Ar 가스와 O2 가스 이외에, 에칭에 필요한 다른 가스가 포함되어 있어도 된다. 다른 가스로서는, 예를 들면, CF4, C4F8, CHF3, HBr, Cl2 등의 할로겐 함유 가스를 들 수 있다. 각 가스 공급 배관에는, 개폐 밸브와, 매스플로 컨트롤러와 같은 유량 제어기가 마련되어 있고(모두 도시하지 않음), 이들에 의해, 상기 가스의 공급·정지 및 각 가스의 유량 제어를 행할 수 있게 되어 있다.
처리 용기(201)의 바닥부에는 배기구(260)가 마련되고, 이 배기구(260)에 배기관(262)을 통하여 배기 장치(264)가 접속되어 있다. 배기 장치(264)는, 자동 압력 제어 밸브 및 진공 펌프를 갖고, 이 배기 장치(264)에 의해, 처리 용기(201) 내를 배기함과 더불어, 처리 용기(201) 내를 원하는 진공도로 유지하는 것이 가능하게 되어 있다.
처리 용기(201)의 측벽에는, 처리 용기(201)에 대해서 기판 W를 반입출하기 위한 반입출구(265)가 마련되어 있고, 이 반입출구(265)는 게이트 밸브(266)로 개폐하도록 구성되어 있다.
상부 전극인 샤워 헤드(234)에는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 급전 라인(31)을 통하여 고주파 전원(30)이 접속되어 있다. 고주파 전원(30)으로서는, 주파수가 10kHz∼60MHz인 것을 이용할 수 있다. 고주파 전원(30)으로부터 상부 전극인 샤워 헤드(234)에 고주파 전력이 공급되는 것에 의해, 상부 전극인 샤워 헤드(234)와 하부 전극으로서의 기판 탑재대(216)의 사이에 용량 결합 플라즈마가 생성된다. 급전 라인(31)의 고주파 전원(30) 하류측에는 정합기(32)가 접속되어 있다.
제 1 실시형태와 마찬가지로, 급전 라인(31)의 정합기(32) 하류측 부분에는, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)가 마련되어 있다. 전압 파형 정형부(33)는, 정합기(32)의 하류측에 마련된 커패시터(34)와, 커패시터(34)의 하류측으로부터 분기되고, 다이오드(35)를 통하여 접지되는 접지 회로(36)를 갖는다. 커패시터(34)로서는, 고주파 전원(30)에서 보아 임피던스가 낮아지는 정도의 충분한 용량을 갖는 것이 이용된다. 커패시터(34) 대신에, 정합기(32)의 블로킹 커패시터를 이용해도 된다.
전압 파형 정형부(33)는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 커패시터(34)에 의한 전하를 축적하는 기능과, 접지 회로(36)에 있어서의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 고주파 전원(30)이 플러스 전압을 출력했을 때에, 전류가 다이오드(35)를 통과하여 접지측으로 흐르도록 구성된다. 이것에 의해, 플라즈마 전위의 상승이 억제되어, 기판 W에 대한 이온 에너지가 저감된다.
플라즈마 처리 장치(106)의 구성부인 가스 공급부(250)의 밸브류나 유량 제어기, 고주파 전원 등은, 제어부(270)에 의해 제어된다. 제어부(270)는, 제 1 실시형태의 제어부(50)와 마찬가지로 구성된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 플라즈마 처리 장치(106)에 있어서의 동작에 대해 설명한다.
우선, 게이트 밸브(266)를 개방으로 하여, 반입출구(265)를 통하여 에칭 대상막을 갖는 기판 W를 처리 용기(201) 내에 반입하고, 기판 탑재대(216) 상에 탑재한다. 그리고, 배기 장치(264)에 의해 처리 용기(201) 내를 배기하고, 압력을 조정함과 더불어, 가스 공급부(250)로부터 에칭을 위한 처리 가스로서 Ar 가스 및 O2 가스를 포함하는 가스를 샤워 헤드(234)에 공급하고, 가스 토출 구멍(237)을 통하여 처리 용기(201) 내에 공급한다. 그와 동시에 고주파 전원(30)을 온으로 하고, 플라즈마를 생성하여 기판 W의 에칭 대상막을 플라즈마 에칭한다.
이때의 조건으로서는, 기판 탑재대(216)(정전 척(218))의 온도를 30℃ 이하, 처리 용기(201) 내의 압력을 0.133∼133Pa(1∼1000mTorr), 예를 들면 67Pa(500mTorr)로 할 수 있다.
Ar/O2 혼합 플라즈마는, 플라즈마 에칭 또는 프라즈마 에싱에 다용되고 있고, 그 제어성을 높이는 것은 기술적으로 중요하다. 특히 플라즈마와 기판과의 계면의 반응이 중요하고, 계면에서의 이온 에너지의 차이가 표면 반응 및 프로세스 결과에 크게 영향을 준다.
본 실시형태에서는, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압(플러스 전압)을 억제하도록 고주파 전원(30)의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부(33)를 이용한다. 구체적으로는, 커패시터(34)의 전하 축적 기능에 의해 바이어스를 발생시키고, 접지 회로(36)에 있어서의 다이오드(35)의 정류 기능에 의해, 상부 전극 전압이 플러스측으로 크게 쏠리는 현상을 없애서, 플라즈마 전위의 상승을 억제한다. 이것에 의해, 플라즈마 상태를 변경하지 않고 기판 W에 대한 이온 에너지를 저하시켜 에칭성을 제어할 수 있다. 기판 탑재대(216)(정전 척(218))의 온도가 30℃ 이하로 저온인 경우는, 이온 에너지에 의한 에칭이 지배적이기 때문에, 특히 이온 에너지의 저하에 의한 에칭 제어성을 높일 수 있다.
다음에, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 장치와 이용하지 않은 장치에 의해, Ar/O2 플라즈마를 이용하여 포토레지스트를 플라즈마 에칭한 실험 결과에 대해 설명한다.
이때의 조건은 이하와 같다.
기판: 300mm Si 웨이퍼
고주파 전력 주파수: 450kHz
고주파 파워: 300W
압력: 800mTorr
가스: Ar/O2=1000/500sccm
전극간 갭: 15mm
정전 척 온도: 23℃∼
포커스 링: Si(플로팅)
도 31은, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 상부 전극의 전압 파형을 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의해, 상부 전극의 플러스측의 전압이 저하되고 있는 것을 알 수 있다.
도 32는, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서의, 각 웨이퍼 위치(X 방향 및 Y 방향)에 있어서의 에칭 레이트를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의해, 에칭 레이트가 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않는 경우의 0.44배가 되는 것이 확인되었다. 본 실험에 있어서의 정전 척 온도는 30℃ 이하로 충분히 낮기 때문에, O 라디칼보다도 이온 에너지의 에칭이 지배적이고, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의한 에칭 레이트의 저하는, 이온 에너지의 저하에 의한 효과이다.
다음에, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 도 30의 플라즈마 처리 장치와 전압 파형 정형부(33)를 이용하지 않은 플라즈마 처리 장치에 있어서, 고주파 파워를 100W, 300W, 500W, 800W로 변화시켜, 상부 전극인 샤워 헤드(234)와 하부 전극인 기판 탑재대(216)의 사이의 중간의 높이 위치에 있어서의 X 방향 및 Y 방향의 전자 밀도를 구했다. 그 결과를 도 33에 나타낸다. 도 33은, 이때의 고주파 파워와, X 방향, Y 방향의 각 위치에서의 전자 밀도의 평균값의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 정형부(33)를 이용한 경우도 이용하지 않는 경우도, 전자 밀도(플라즈마 밀도)에 큰 변화가 없는 것이 확인되었다.
이상의 결과로부터, 전압 파형 정형부(33)를 이용하는 것에 의해, Ar/O2 혼합 플라즈마에 의해, 전자 밀도를 크게 변경하지 않고, 이온 에너지만 저하시키는 것이 가능하고, 제어성이 좋은 플라즈마 에칭을 행할 수 있는 것이 확인되었다.
한편, 본 실시형태에 있어서도, 전압 파형 정형부(33)를 마련한 상태에서 플라즈마를 여기하는 것에 의해, 플라즈마는 상부 전극인 샤워 헤드(234) 근방에 치우쳐 생성된다. 이 때문에, 토출된 가스는 확실히 고밀도 플라즈마 영역을 통과하기 때문에, 효율적으로 플라즈마화 또는 라디칼화하는 것이 가능해진다.
본 실시형태에 있어서도, 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리는 소자로서, 다이오드 대신에 제 2 실시형태와 같이 스위칭 소자를 이용해도 된다. 또, 접지 회로로서, 다이오드나 스위칭 소자와 같은 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리는 소자에 더하여, 제 3 실시형태 내지 제 5 실시형태와 같이, 제너 다이오드, 저항, 전원과 같은 전압 조정부를 마련해도 된다. 이것에 의해, 이온 에너지의 제어를 행할 수 있고, 플라즈마 에칭의 제어성을 보다 높일 수 있다.
<다른 적용>
이상, 실시형태에 대해 설명했지만, 이번 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 상기의 실시형태는, 첨부된 특허청구의 범위 및 그 주지를 일탈하지 않고, 다양한 형태로 생략, 치환, 변경되어도 된다.
예를 들면, 상기 실시형태에서는, 상부 전극과 하부 전극의 사이에 가스를 도입하는 샤워 헤드를 상부 전극으로서 이용한 예를 나타냈지만, 가스 도입부를 상부 전극과 별개로 마련해도 된다. 또, 상기 실시형태의 장치는 예시에 지나지 않고, 상부 전극에 고주파 전력을 인가하고, 하부 전극을 접지한 용량 결합 타입의 플라즈마 처리 장치이면 적용할 수 있다. 또, 기판으로서 반도체 웨이퍼를 예시했지만, 반도체 웨이퍼에 한정하지 않고, LCD(액정 디스플레이)용 기판으로 대표되는 FPD(플랫 패널 디스플레이) 기판이나, 세라믹 기판 등의 다른 기판이어도 된다.
1, 111, 201; 처리 용기
2, 216; 기판 탑재대(하부 전극)
10, 120, 234; 샤워 헤드(상부 전극)
20, 130, 250; 가스 공급부
30; 고주파 전원
33, 331, 332, 333, 334, 335, 336, 337; 전압 파형 정형부
34; 커패시터
35; 다이오드
36, 361, 362, 363, 364, 365, 366, 367; 접지 회로
37; 스위칭 소자
60; 고주파 펄스 전원
100, 101, 102, 103, 104, 105, 105a, 106; 플라즈마 처리 장치
112; 기판 탑재대
114; 하부 전극
381, 381a, 381b, 381c; 제너 다이오드
383; 저항
384; 가변 저항
385; 전원
386; 가변 전원
W; 기판

Claims (18)

  1. 기판에 대해서 플라즈마 처리를 실시하는 플라즈마 처리 장치로서,
    처리 용기와,
    상기 처리 용기 내에 마련되고, 기판이 탑재되는 기판 탑재대와,
    상기 기판 탑재대에 포함되는 접지된 하부 전극과,
    상기 하부 전극에 대향하여 마련된 상부 전극과,
    처리 가스를 상기 상부 전극과 상기 기판 탑재대의 사이에 공급하는 가스 공급부와,
    상기 상부 전극에 고주파 전력을 인가하여 상기 처리 가스의 플라즈마를 생성하는 고주파 전원과,
    상기 고주파 전원과 상기 상부 전극의 사이에 마련되고, 상부 전극에 인가되는 고주파 전압 중 양전압을 억제하도록 고주파 전원의 전압 파형을 정형하는 전압 파형 정형부
    를 구비하는, 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 파형 정형부는,
    상기 고주파 전원의 급전 라인에 마련된 커패시터와,
    다이오드를 갖고, 상기 급전 라인의 상기 커패시터의 하류측으로부터 분기되고 상기 다이오드를 통하여 접지되는 접지 회로를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 파형 정형부는,
    상기 고주파 전원의 급전 라인에 마련된 커패시터와,
    상기 상부 전극에 양전압이 인가되었을 때에 선택적으로 접지측으로 전류를 흘리도록 온·오프하는 스위칭 소자를 포함하고, 상기 급전 라인의 상기 커패시터의 하류측으로부터 분기되고, 상기 스위칭 소자를 통하여 접지되는 접지 회로를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 접지 회로는, 상기 상부 전극에 인가되는 전압을 조정하는 전압 조정부를 더 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 조정부는, 제너 다이오드를 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 접지 회로는, 제너 전압이 상이한 접지된 복수의 선로와, 상기 복수의 선로 중 어느 하나로 전환하는 스위치를 갖는, 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 조정부는 저항을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 저항은 가변 저항인, 플라즈마 처리 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 전압 조정부는 전원을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전원은 가변 전원인, 플라즈마 처리 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 상기 기판을 향해 상기 처리 가스를 토출하는 샤워 헤드를 갖고, 상기 샤워 헤드는 상기 상부 전극을 포함하는, 플라즈마 처리 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스는, TiCl4와 H2와 Ar을 포함하고,
    상기 플라즈마 처리는, 상기 기판의 표면에 Ti막을 성막하는 처리인, 플라즈마 처리 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 기판은, 표면에 결합 에너지가 상대적으로 작은 제 1 재료 부분과, 상대적으로 결합 에너지가 큰 제 2 재료 부분을 갖고, 상기 제 1 재료 부분에 선택적으로 Ti막을 성막하는, 플라즈마 처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 재료 부분은, Si 또는 SiGe인, 플라즈마 처리 장치.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 제 2 재료 부분은, SiN 또는 SiO2인, 플라즈마 처리 장치.
  16. 제 12 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고주파 전원은, 펄스 형상의 고주파 전력을 공급하는 고주파 펄스 전원인, 플라즈마 처리 장치.
  17. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 가스는, Ar과 O2를 포함하고,
    상기 플라즈마 처리는, 상기 기판의 표면 부분을 플라즈마 에칭하는 에칭 처리인, 플라즈마 처리 장치.
  18. 청구항 1 내지 17 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 처리 장치를 이용하여 기판에 플라즈마 처리를 행하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 기판 탑재대에 기판을 탑재하는 것과,
    상기 상부 전극과 상기 기판 탑재대의 사이에 처리 가스를 공급하는 것과,
    상기 고주파 전원으로부터 고주파 전력을 상기 상부 전극에 공급하고, 플라즈마를 생성하는 것과,
    상기 플라즈마에 의해 상기 기판에 플라즈마 처리를 행하는 것
    을 갖는, 플라즈마 처리 방법.
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