KR20220027803A - 플라스마 처리 장치 - Google Patents

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노리히코 이케다
가즈야 야마다
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주식회사 히타치하이테크
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Abstract

시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 시료가 재치(載置)되는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원을 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서, 상기 제1 고주파 전력이 제1 기간과 상기 제1 기간에 인접하는 제2 기간을 갖는 제1 파형에 의해 변조됨과 함께 상기 제2 고주파 전력이 기간 A와 기간 B를 갖는 제2 파형에 의해 변조될 경우, 상기 기간 A의 각각의 상기 제2 고주파 전력이 상기 제1 기간과 상기 제2 기간에 공급되도록 상기 제2 고주파 전원을 제어하는 제어 장치를 더 구비하고, 상기 제2 기간의 진폭은, 상기 제1 기간의 진폭보다 작으며, 또한 0보다 크고, 상기 기간 A의 진폭은, 상기 기간 B의 진폭보다 크다.

Description

플라스마 처리 장치
본 발명은 플라스마 처리 장치에 관한 것이다.
전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance : ECR) 방식의 플라스마 에칭 장치에서는, 반도체 소자에 입사하는 이온을 가속하기 위해서, RF(Radio Frequency) 고주파 전력을 사용하고 있다.
최근 반도체 디바이스의 집적도의 향상에 수반하여, 에칭에 있어서의 형상 제어성과 웨이퍼 면내 균일성의 양립이 요구되고 있다. 고정밀도의 플라스마 에칭을 실현하는 기술의 하나로서, 플라스마가 강한 플라스마 상태와 약한 플라스마 또는 플라스마 소멸 상태를 주기적으로 형성하도록, 플라스마 형성 수단에 공급하는 에너지의 크기를 조정하는 플라스마 에칭 방법이, 특허문헌 1에 나타나 있다.
또한 특허문헌 2에는, 시간 변조된 소스 전원(마이크로파)에 대하여, 동기시킨 RF 바이어스 전력을 인가하고, 시간 변조된 마이크로파에 대하여 위상을 변조시킨 RF 바이어스 전력을 인가하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 플라스마 생성용 소스 전원을 펄스 온·오프의 두 상태뿐만 아니라, 펄스 하이·펄스 로우·오프의 세(혹은 그 이상) 구간으로 나누어서 펄스 인가할 수 있도록 한 기술도 있다. 특허문헌 3은, 펄스 로우 구간에 RF 바이어스 전력을 인가함에 의해, 조밀(粗密)차가 있는 패턴 수직 에칭을 실현하는 방법을 개시하고 있다.
또한 특허문헌 4에는, 마이크로파 출력값을 펄스 온 구간에서의 2치 이상의 출력값으로 함으로써, 에칭 속도 분포를 균일하게 하며, 또한, 등방성 에칭을 억제 가능하게 하는 에칭을 실현하는 방법이 개시되어 있다.
이러한 모든 종래 기술은, 플라스마를 생성하는 소스 전원을 펄스화하고, 저밀도 플라스마, 저해리 에칭을 목표로 하며, 플라스마종·플라스마 밀도를 고려해서 RF 바이어스 전력을 인가하고, 적절한 이온양, 이온 에너지로 웨이퍼에 인입해서 에칭 형상이나 선택비, 웨이퍼 면내 균일성을 목표로 하는 것이다.
일본국 특개소59-47733호 공보 일본국 특개2015-115564호 공보 일본국 특개2017-69542호 공보 일본국 특개2020-17565호 공보
그러나, 펄스화한 플라스마 생성용의 소스 전력을 인가함에 의해 저해리의 에칭을 실현할 수 있지만, 종래 기술에서는 다양한 과제가 있다.
예를 들면, 단순히 소스 전력을 펄스화해도 RF 바이어스 전력이 연속파일 경우, 플라스마 실화(失火) 시에는 RF 바이어스 전력을 인가할 수 없다. 이에 대하여 플라스마의 실화를 방지하기 위해서, 펄스화한 소스 전력의 오프 기간을 짧게 제한하고, 펄스 반복 주파수를 크게 하면, 플라스마 밀도가 작아지지 않는다는 문제가 있다.
한편, 마이크로파 전력과 RF 바이어스 전력을 펄스화하여 동기시켰을 경우, 에칭 레이트가 작아진다는 문제가 있다. 이러한 경우, 소스 파워인 마이크로파 전력과 RF 바이어스 전력은 모두 오프의 기간이 어느 정도 존재하게 되고, 이에 의해 에칭 레이트가 저하한다. 또한 소스 파워의 펄스 온 시간, 듀티비에 따라서는, 에칭 속도가 매우 느려진다.
또한 마이크로파 전력의 펄스 발진과 같은 타이밍에 RF 바이어스 전력을 인가할 경우, RF 바이어스 전력과의 매칭이 부족한 상태에서, 에칭이 행해질 가능성이 있다. 이 때문에, 이상 방전이나 각 전원의 반사파 이상에 의해, 에칭의 면내 균일성의 악화나 재현성의 저하를 일으킬 우려가 있다.
이에 대하여, 마이크로파 전력을 펄스 발진한 후, 플라스마의 안정 시간이 지날 때까지 기다린 후에 RF 바이어스 전력을 인가하는 것도 하나의 방법이다. 이에 의해 에칭 속도 분포가 균일해지고, 면내 균일성이 향상한다. 그러나, 이러한 기술에 의하면 RF 바이어스 전력의 제로 구간이 있기 때문에, 사이드 에칭이 진행되므로 에칭의 형상 불량을 완전히 피할 수는 없다.
또한 마이크로파 전력의 펄스 발진을 하이·로우로 2치화해서, 마이크로파의 로우 구간에 RF 바이어스를 인가할 수도 있다. 그러나, 이 기술의 문제점은, 마이크로파의 로우 구간에서는 플라스마 중의 디포지션 성분이 거의 없어 사이드 에칭이 발생하기 쉬운 것에 더하여, 플라스마 실화를 저지할 수 있는 한계까지 마이크로파 전력을 인가한 플라스마 하에서, RF 바이어스 전력의 정합(整合)을 취하는 것이 곤란해진다는 것이다.
이상으로부터, 마이크로파 전력을 펄스 발진해서 저플라스마 밀도로 에칭을 행한 경우에도, 에칭의 형상 제어성을 유지하고, 에칭 레이트를 저하시키지 않는 기술이 요구되고 있다.
본 발명은, 서로 다른 마이크로파 전력을 발진 가능한 마이크로파 전원을 이용해서, 에칭 형상을 고정밀도로 제어하는 플라스마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 대표적인 본 발명에 따른 플라스마 처리 장치의 하나는, 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 시료가 재치(載置)되는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원을 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서,
상기 제1 고주파 전력이 제1 기간과 상기 제1 기간에 인접하는 제2 기간을 갖는 제1 파형에 의해 변조됨과 함께 상기 제2 고주파 전력이 기간 A와 기간 B를 갖는 제2 파형에 의해 변조될 경우, 상기 기간 A의 각각의 상기 제2 고주파 전력이 상기 제1 기간과 상기 제2 기간에 공급되도록 상기 제2 고주파 전원을 제어하는 제어 장치를 더 구비하고,
상기 제2 기간의 진폭은, 상기 제1 기간의 진폭보다 작으며, 또한 0보다 크고,
상기 기간 A의 진폭은, 상기 기간 B의 진폭보다 큰 것에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면, 서로 다른 마이크로파 전력을 발진 가능한 마이크로파 전원을 이용해서, 에칭 형상을 고정밀도로 제어하는 플라스마 처리 장치를 제공할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은, 본 발명의 일 실시형태의 플라스마 처리 장치인, ECR 플라스마 에칭 장치의 개략 구성도.
도 2는, 제1 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 3a는, 제1 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 가스종 A의 플라스마 밀도, (c) 가스종 B의 플라스마 밀도의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 3b는, (a) 도 3a에 있어서의 플라스마 밀도의 확대도, (b) 웨이퍼의 패턴 형상의 확대 단면도, (c) 웨이퍼의 패턴 형상의 확대 단면도.
도 4a는, 제1 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 가스종 A의 플라스마 밀도, (c) 가스종 B의 플라스마 밀도의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 4b는, (a) 도 4a에 있어서의 플라스마 밀도의 확대도, (b) 웨이퍼의 패턴 형상의 확대 단면도, (c) 웨이퍼의 패턴 형상의 확대 단면도.
도 5는, 제3 실시형태에 있어서의, (a) 펄스화한 마이크로파 전력, (b) 펄스화한 RF 바이어스 전력의 타이밍 차트의 예를 나타낸 도면.
도 6은, 제4 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 7은, 제5 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 8a는, 비교예에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력, (e) Vpp의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 8b는, 비교예에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력, (e) Vpp의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 9는, 제6 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력, (e) Vpp의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 10은, 제7 실시형태에 있어서의, (a) 마이크로파 전력, (b) 플라스마 밀도, (c) 플라스마 임피던스, (d) RF 바이어스 전력, (e) RF 바이어스 반사파, (f) Vpp의 타이밍 차트를 나타내는 도면.
도 11a는, 제8 실시형태에 있어서의 ECR 플라스마 에칭 장치의 개략 구성도.
도 11b는, 도 11a의 ECR 플라스마 에칭 장치에 공급되는 마이크로파 전력의 파형을 나타내는 도면.
도 11c는, 도 11a의 ECR 플라스마 에칭 장치에 공급되는 RF 바이어스 전력의 파형을 나타내는 도면.
도 12는, ECR 플라스마 에칭 장치에 의해 처리되는 웨이퍼의 에칭 형상을 나타내는 확대 단면도.
(제1 실시형태)
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른, ECR 방식의 마이크로파 플라스마 에칭 장치(이하, 플라스마 처리 장치(1)로 함)의 종단면의 개략 구성도이다. 플라스마 처리 장치(1)에 있어서의, 처리실, 시료대, 시료 등의 각부(各部)는, 개략적으로 원통이나 원기둥 또는 원판 등의 축대칭 형상을 갖는다.
본 명세서 중에서, 「전환 시에 걸쳐서 전력이 인가된다」는 것은, 당해 전환 시의 전부터 전력의 인가가 개시되고, 당해 전환 후까지 그 전력의 인가가 계속되는 것을 말하며, 예를 들면 기간 A의 각각의 제2 고주파 전력이, 제1 고주파 전력에 있어서의 제1 기간과 제2 기간에 공급되는 것 등을 말한다.
(플라스마 처리 장치의 구성)
도 1에서, 플라스마 처리 장치(1)의 진공 용기(101) 내부의 처리실(122)의 하부에는, 진공 배기 장치(119)가 접속되어 있다. 또한, 처리실(122)의 내부 상부에는, 샤워 플레이트(102) 및 석영 천판(天板)(103)이 배치되어 있다. 샤워 플레이트(102)는, 복수의 구멍을 갖고 있다. 가스 공급 장치(120)로부터 공급되는 플라스마 에칭 처리용의 가스를, 샤워 플레이트(102)의 구멍을 통해 처리실(122) 내에 도입한다. 샤워 플레이트(102)의 위에는, 석영 천판(103)이 배치되고, 석영 천판(103)과의 사이에 가스 공급용의 간극이 마련되어 있다. 석영 천판(103)은, 위쪽으로부터의 전자파를 투과시키고, 처리실(122)의 위쪽을 기밀하게 봉지(封止)한다.
석영 천판(103)의 위에는, 공동 공진부(104)가 배치되어 있다. 공동 공진부(104)의 상부는 개구하고 있고, 수직 방향으로 연장되는 수직 도파관과 전자파의 방향을 90도 구부리는 굴곡부를 겸한 도파관 변환기로 이루어지는 도파관(105)이 접속되어 있다. 도파관(105) 등은, 전자파를 전파하는 발진 도파관이며, 도파관(105)의 단부에는, 튜너(107)를 거쳐, 플라스마 생성용 마이크로파 전원(106)이 접속되어 있다.
제1 고주파 전원인 마이크로파 전원(106)은 플라스마 생성용 전원이며, 제어부(123)로부터의 제어에 의거해서 전자파(제1 고주파 전력)를 발진한다. 본 실시형태의 마이크로파 전원(106)은, 2.45GHz의 마이크로파 발진이 가능하다. 제1 고주파 전력은, 하이 구간 TH(제1 기간)와 로우 구간 TL(제1 기간에 인접하는 제2 기간)을 번갈아 반복하는 제1 파형에 의해 변조된다.
마이크로파 전원(106)으로부터 발진된 마이크로파는, 도파관(105)을 전파하고, 공동 공진부(104), 석영 천판(103), 샤워 플레이트(102)를 경유해서 처리실(122) 내에 전파된다. 처리실(122)의 외주에는, 자장 발생 코일(109)이 배치되어 있다. 자장 발생 코일(109)은 복수의 코일로 이루어져 있으며, 처리실(122)에 자장을 형성한다. 마이크로파 전원(106)으로부터 발진된 고주파 전력은, 자장 발생 코일(109)에 의해 형성된 자장과 ECR의 상호 작용에 의해, 처리실(122) 내에 고밀도 플라스마(121)를 생성한다.
처리실(122)의 아래쪽에는, 석영 천판(103)에 대향해서 시료대(110)가 배치되어 있다. 시료대(110)는, 시료인 웨이퍼(111)를 재치한 상태로 유지한다.
시료대(110)는 재질로서는 알루미늄이나 티타늄으로 이루어진다. 시료대(110) 상면에는 유전체막(112)을 갖는다. 시료대(110)의 유전체막(112)의 상면에는, 알루미나 세라믹 등에 의한 용사막이 배치되어 있다.
또한, 유전체막(112) 내부에는 웨이퍼(111)를 정전 흡착하기 위한 도전체막(전극)(113, 114)이 설치되고, 직류 전압(도시하지 않음)을 인가함에 의해, 웨이퍼(111)를 정전 흡착할 수 있다. 또한 시료대(110)의 도전체막(113, 114)에는, 제2 고주파 전원인 RF 바이어스 전원(117)으로부터, 제2 고주파 전력(이후, RF 바이어스로 기술)이 인가된다. 제2 고주파 전력은, 온 구간 BON(기간 A)과 오프 구간 BOF(기간 B)를 반복하는 제2 파형에 의해 변조된다.
RF 바이어스 전원(117)에는 매칭 박스(정합기)(115)가 접속되며, 이에 의해 RF 바이어스 정합이 취해지고 있다. 플라스마 밀도가 마이크로파의 펄스 형상의 발진에 의해 바뀌고, 플라스마 임피던스가 고속으로 변동해도 RF 바이어스의 정합이 이루어지도록, 매칭 박스(115)는 기능한다. 보다 구체적으로, 매칭 박스(115)는, 고체 소자에 의한 고속 정합, 플라스마 부하(플라스마 임피던스)가 급격하게 변화하는 기간을 무효로 하고, 그 이외의 기간을 정합 유효 범위로 하는 정합 구간의 설정, 플라스마(부하)의 흐트러짐을 무효로 하는 정합의 고정, 플라스마(부하)의 예측에 의한 정합의 적절화 등을 행하여, 수 밀리초 레벨에서의 정합을 달성하고 있다.
RF 바이어스 전원(117)은, 이온 인입용의 고주파 전력을 발생시키고, 시료대(110)에 공급한다. RF 바이어스 전원(117)도 RF 바이어스 펄스 유닛(118)으로부터의 펄스에 의거해서, 펄스 변조된 RF 바이어스를 발생시킨다.
또, 본 실시형태의 RF 바이어스 전원(117)에 있어서, RF 바이어스 주파수는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 주파수는 400kHz를 이용할 수 있다.
고주파 RF 바이어스에 있어서의 전압의 최대값과 최소값의 차(V 피크-투-피크 : 이하, Vpp로 약기함)를 모니터하기 위하여, RF 바이어스 급전 라인 상에 전압 모니터(도시하지 않음)를 설치하고 있다.
마이크로파 전원(106)에는 마이크로파 펄스 유닛(108)이 접속되어 있다. 마이크로파 펄스 유닛(108)으로부터의 온 신호에 의해, 마이크로파 전원(106)이 마이크로파를 설정된 반복 주파수로 펄스 변조할 수 있다. 마이크로파 전원(106)으로부터 출력되는 고주파 전력을, 마이크로파 전력이라 한다.
또, 이 마이크로파 전원(106)은, 50와트∼2000와트까지의 범위에서 발진할 수 있으며, 또한 펄스 발진했을 때의 응답성을 확보해서 정밀하게 발진하기 위해서, 마그네트론 방식의 마이크로파 전원이 아닌, 솔리드 스테이트 방식의 마이크로파 전원이 이용되고 있다.
제어부(123)는 플라스마 에칭 장치의 제어 장치이며, 마이크로파 전원(106), RF 바이어스 전원(117)에 접속되어, 제1 고주파 전력 및 제2 고주파 전력의 출력을 제어한다.
도시하고 있지 않지만, 이 외에도 제어부(123)는, 가스 공급 장치(120), 진공 배기 장치(119), 직류 전원(116) 등에도 전기적으로 접속되어, 이들을 제어한다.
제어부(123)는, 도시하지 않은 입력 수단에 의한 입력 설정(레시피라고도 함)에 의거해서, 마이크로파 전원(106)의 하이 전력, 마이크로파 전원(106)의 로우 전력, RF 바이어스 전원(117)의 하이 전력, RF 바이어스 전원(117)의 로우 전력, 마이크로파 펄스 유닛에서의 펄스 온·오프의 타이밍, 및 RF 바이어스 전원(117)의 온·오프의 반복 주파수나 듀티비, RF 바이어스 전원(117)의 딜레이 시간 등, 마이크로파 전원(106)이나 RF 바이어스 전원(117)의 파라미터를 제어한다.
또한 이 외에도, 제어부(123)는, 에칭을 실시하기 위한 가스의 유량, 처리 압력, 코일 전류, 시료대 온도, 에칭 시간 등, 에칭 파라미터를 제어한다.
(플라스마 처리 장치의 동작)
에칭 처리를 개시함에 있어서, 처리실(122) 내에 웨이퍼(111)가 반송된다. 시료대(110)에 웨이퍼(111)를 흡착시킨 후, 레시피에 의거해서, 에칭 가스가 가스 공급 장치(120)로부터 매스 플로 컨트롤러(도시 생략)를 통해서, 석영 천판(103)과 석영 샤워 플레이트(102) 사이를 통과해서, 석영 샤워 플레이트(102)의 가스 구멍으로부터 처리실(122)에 도입된다. 또한 진공 용기(101) 내를 소정의 압력으로 하고, 마이크로파 전원(106)의 발진에 의해 처리실(122) 내에 플라스마(121)를 발생시킨다. 또한 RF 바이어스 전원(117)으로부터 RF 바이어스를 출력하고, 플라스마(121)로부터 웨이퍼(111)에 이온을 인입함으로써 에칭(플라스마 처리)이 진행된다. 에칭 가스나 에칭에 의해 발생한 반응 생성물은, 배기 장치(119)로부터 배기된다.
본 실시형태에 있어서, 샤워 플레이트(102), 시료대(110), 자장 발생 코일(109), 진공 배기 장치(119), 및 웨이퍼(111) 등은, 처리실(122)의 중심축에 대하여 동축(同軸)에 배치되어 있다. 따라서, 에칭 가스, 플라스마, 포화 이온 전류, 및 반응 생성물은, 각각 동축의 분포를 갖게 되고, 그 결과, 에칭 레이트에 관해서 축대칭 분포에 균일성을 향상시키고 있다.
여기에서, 마이크로파 펄스의 파라미터와, RF 바이어스의 파라미터를 이하와 같이 설정한다.
마이크로파 전원(106)의 하이 전력 P1 : 600와트(50∼2000와트의 범위에서 변경 가능),
마이크로파 전원(106)의 로우 전력 P2 : 150와트(20∼1600와트의 범위에서 변경 가능),
마이크로파 전력의 하이·로우 주파수 F1 : 500헤르츠,
마이크로파 전력의 하이·로우 주기 T1=1/F1(초),
마이크로파 전력의 하이·로우 듀티비 D1 : 40%,
마이크로파 전력의 하이 구간 TH : 1밀리초,
마이크로파 전력의 로우 구간 TL : 1밀리초,
마이크로파 전력의 온·오프 주파수 F2 : 100헤르츠,
마이크로파 전력의 온·오프 주기 : T2=1/F2(초),
마이크로파 전력의 온·오프 듀티비 D2 : 80%,
마이크로파 전력의 온 시간 T3=T2·D2,
마이크로파 전력의 온 주파수 F3(=1/T3) : 125헤르츠,
(단, 마이크로파 전력의 하이·로우 주파수 F1은, 마이크로파 전력의 온 주파수 F3의 배수로 되어 있을 것. 마이크로파 전력의 하이 구간 TH의 개시 시를 기준점 PST로 함.)
RF 바이어스의 온 전원 : 100와트(10∼500와트의 범위에서 변경 가능),
RF 바이어스의 오프 전력 : 0와트
RF 바이어스의 하이·로우 주기 TB(=T1) : 2밀리초,
RF 바이어스의 주파수 FB1(=1/TB) : 500헤르츠(10∼5000헤르츠 범위에서 변경 가능),
RF 바이어스의 온 구간 BON : 1밀리초,
RF 바이어스의 오프 구간 BOF : 1밀리초,
RF 바이어스의 듀티비 : 30%(1∼100%의 범위에서 변경 가능),
RF 바이어스의 딜레이 시간 TD : 0.6밀리초,
RF 바이어스의 딜레이 RD(=TD/T1) : 30%,
(단, 마이크로파 전력의 온 시간 이외는, RF 바이어스를 사용하지 않음.)
이상의 파라미터를 설정했을 때, 마이크로파 전력의 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력의 로우 구간 TL의 전환 시에 걸치는 사이에, RF 바이어스를 인가했을 때의 시퀀스를 도 2에 나타낸다.
도 2에 있어서, 마이크로파 전력 (a)의 그래프는 201, 플라스마 밀도 (b)의 그래프는 202, 플라스마 임피던스 (c)의 그래프는 204, RF 바이어스 (d)의 그래프는 205로 나타내고 있다.
이 예에 있어서 에칭으로 높은 형상 제어성을 얻기 위해서는, 펄스 시간 범위, 마이크로파의 파워 범위, 에칭에 사용하는 가스종에 제한이 있다.
에칭 가스종에 대해서는 2종 이상의 가스를 혼합한 혼합 가스가 바람직하며, 이러한 경우 디포지션용의 퇴적성 가스와, 에천트로 되는 가스의 혼합 가스를 사용하면 더 바람직하다. 본 실시형태에서는, 에천트용의 가스로서의 염소 가스(유량 100ml/초)와, 디포지션용의 가스로서의 CHF3 가스(유량 10ml/초)의 혼합 가스를 이용한다.
상기와 같은 혼합 가스를 이용하지 않고, 단체(單體)의 에천트 가스로 에칭된 반응 생성물을 재부착하는 조건이어도 문제없다. 예를 들면 CF4 가스로 실리콘을 에칭하는 경우는, 에천트용의 가스를 CF4 가스로 하고, 디포지션용의 가스를 실리콘 에칭했을 때의 실리콘계의 반응 생성물로 간주하면, 2종 혼합 가스를 이용한 경우와 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, 마이크로파의 파워 범위에 대하여, 마이크로파의 로우 전력 P2(제2 기간의 진폭)는, 마이크로파의 하이 전력 P1(제1 기간의 진폭)보다 작으며, 또한 0보다 크다. 여기에서, 마이크로파의 하이 전력 P1과 마이크로파의 로우 전력 P2의 차가 작고, 예를 들면 20% 이하라면, 플라스마 밀도 변화폭이 작아 마이크로파 파워 변동에 대한 플라스마 밀도의 지연이 거의 없기 때문에, 에칭 형상의 효과를 얻을 수 없다.
이와는 반대로, 마이크로파의 하이 전력 P1과 마이크로파의 로우 전력 P2의 차가 크고, 예를 들면 플라스마 밀도의 플라스마 밀도에서 7.5×1016(m-3)을 상회하는 플라스마가, 하이 전력 P1이 1600와트이고, 로우 전력 P2가 플라스마 실화 직전의 50와트 이하에서 생성될 때에는, RF 바이어스의 정합을 올바르게 행하는 것이 곤란해진다. 혹은, 하이 전력 P1과 로우 전력 P2의 차가 크면, 하이 구간으로부터 로우 구간으로 이행하는 시간을 고려해야만 하기 때문에, 플라스마 밀도가 도 2의 그래프(202)대로 변화하지 않는다는 문제가 발생한다.
개략적으로, 마이크로파의 하이 전력 P1의 범위는 50와트 내지 2000와트이고, 마이크로파의 로우 전력 P2의 범위는 20와트 내지 1600와트일 때, 하이 전력 P1에 대한 로우 전력 P2가 20% 이상이도록, 하이 전력 P1과 로우 전력 P2의 차를 정하는 것이 바람직하다.
마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1 및 마이크로파 전력 하이·로우 듀티비 D1에 대하여 설명한다. 마이크로파 전력 하이 구간 TH와 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 마이크로파 파워의 변화에 대하여, 플라스마 밀도는 어느 정도의 지연 시정수를 수반해서 추종한다. 마이크로파 파워의 변화에 대하여, 플라스마 밀도가 일정하게 포화하는 시간, 또는 마이크로파 전력이 온으로부터 오프로 되었을 때, 그것을 추종해서 플라스마 밀도 저하하여 실화하는 소위 애프터 글로우 시간은 약 0.2 내지 5밀리초 정도이다.
그 이상, 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1을 짧게, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1을 크게 하면, 마이크로파 전력의 하이와 로우의 고속 반복에 대하여, 플라스마 밀도가 추종할 수 없어, 플라스마가 안정되지 않아 플라스마 밀도는 포화하지 않고, 플라스마 밀도의 증감을 반복한다. 그 결과로서, 플라스마 밀도는 중간값 부근에서 증감을 작게 반복하게 된다.
이는, 플라스마 밀도의 상승 시에 RF 바이어스를 적절하게 인가한다는 관점에서 에칭 형상의 정밀도 향상이 얻어지기 어렵고, 또한 펄스 RF 바이어스의 지터를 초래하여, RF 바이어스 정합의 난이도도 증대하기 때문에 현실적이지 않다.
이와는 반대로, 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1을 길게, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1을 작게 하면, 마이크로파 전력의 하이 구간 TH와 마이크로파 전력의 로우 구간 TL의 천이 구간에서, 플라스마 밀도가 변화하는 구간이 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1에 대해서 충분히 짧아진다. 그 때문에 에칭 형상의 정밀도 향상을 기대할 수 없다.
이상으로부터, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1은, 대략 200헤르츠∼5000헤르츠로 하고, 마이크로파 전력 하이·로우 듀티비 D1은 10% 내지 90%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제어부(123)는, 제1 기간으로부터 제2 기간에의 이행 후 또는 제2 기간으로부터 제1 기간에의 이행 후, RF 바이어스 전력의 정합이 행해지도록, 매칭 박스(115)를 제어해서, RF 바이어스 전력의 반사 전력을 억제하면 바람직하다.
다음으로, RF 바이어스 주파수 FB1에 대해서는, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1과 같은 것으로 해도 문제없다. 단, RF 바이어스 전력의 기간 A(온 구간 BON)에 있어서의 진폭은, 기간 B(오프 구간 BOF)에 있어서의 진폭(바람직하게는 제로임)보다 크다. RF 바이어스의 인가 타이밍은, 도 2의 그래프(202) 아래쪽의 해칭 영역에서, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 천이하고, 플라스마 밀도가 하강하는 구간(206)까지, RF 바이어스가 적절하게(RF 바이어스의 반사파가 RF 바이어스 전력의 5% 이하로) 인가되는 것이 중요하다.
도 2의 (d)에 나타내는 바와 같이, RF 바이어스의 인가를, 마이크로파 전력 하이 구간 TH 종료 시부터 시간 TA만큼 선행해서 행한다. 환언하면, 제어부(123)가, 기간 A의 각각의 제2 고주파 전력이, 제1 기간의 일부와 제2 기간의 일부에 공급되도록, RF 바이어스 전원(117)을 제어한다. 이 경우의 시간 TA를 설정하는데 있어서는, RF 바이어스 정합 작동 중이나 RF 바이어스가 램프 중이 아닌 것, 또한 이 구간에서 에칭이 진행되고 있는 것을 고려하는 것이 바람직하다.
도 2의 예에서는, 시간 TA를 마이크로파 전력 하이 구간 TH의 40%로하고 있지만, 실제로는 에칭 형상의 조정에 따라 정해진다. 예를 들면 에칭 레이트를 증가시키고, 고밀도 플라스마 하에서의 에칭을 진행하고 싶을 경우, 시간 TA를 도면의 예에 비해서 늘릴 수 있다. 반대로 저밀도 플라스마 하에서 에칭을 진행하고 싶고, 사이드 에칭이 충분히 억제되어 있는 경우에는, RF 바이어스 온 시간이나 RF 바이어스 듀티비를 늘려서, 마이크로파 전력 로우 구간 TL에서 RF 바이어스를 인가할 수 있다.
도 3a에, 상기한 시퀀스로, 각각 다른 종류의 가스로 에칭을 행했을 때에 있어서의, 플라스마 밀도의 변화를 나타냈다. 도 3b에, 플라스마 밀도의 변화를 확대해서 나타냄과 함께, 어느 시각에서의 에칭 형상을 모식적으로 나타냈다.
상기 에칭 조건에서, 마이크로파 전력 (a)가 그래프(301)와 같이 마이크로파 전력 하이 구간 TH와 마이크로파 전력 로우 구간 TL을 반복할 때의, 에천트용의 가스종 A(염소)의 플라스마 밀도 (b)를 그래프(302), 디포지션용의 가스종 B(CHF3)의 플라스마 밀도 (c)를 그래프(303)에 나타내고 있다.
마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 전환되면, 즉시 플라스마 밀도는 저하하기 시작하지만, 도 3b의 (a)에 나타내는 바와 같이, 응답 시간이 있어 어느 정도의 시정수의 지연을 수반해서 플라스마 밀도는 저하한다. 그 후 플라스마 전력 로우 구간 TL의 플라스마 로우 전력에 상당하는 플라스마 밀도로, 그래프(302, 303)는 점근 안정된다.
2종류의 가스, 특히 디포지션용의 가스와 에천트용의 가스를 혼합해서 사용하는 경우는, 에천트용의 가스종 A(염소)의 플라스마 밀도는 실선 그래프(302)와 같이 변화하고, 디포지션용의 가스종 B(CHF3)의 플라스마 밀도는 점선 그래프(303)와 같이 변화한다. 에천트용의 가스와 디포지션용의 가스의 각각의 플라스마 밀도 시정수에는 차가 있어, 대략 에천트용의 가스에 의한 플라스마(307)에 비해서, 디포지션용의 가스에 의한 플라스마(308)의 밀도의 쪽이 시정수는 크다(평형 상태로 될 때까지 시간이 걸림).
따라서 도 3b의 (a)에 나타내는 해칭 영역의 기간(304)(시각(305)으로부터 시각(306) 사이), 에천트용의 가스에 의한 플라스마보다, 디포지션용의 가스종 B(CHF3)에 의한 플라스마의 쪽이 비율로 말하자면 많게 되어 있다. 이것은, 이 짧은 기간에만 디포지션용의 가스종 B를 많이 공급해서 디포지션 리치로 되어 있는 것과 마찬가지이다.
따라서, 이 기간(304)에 RF 바이어스를 인가하고 있지 않으면, 패턴의 사이드에 필요 이상으로 디포지션이 생겨 버려서, 과도하게 테이퍼 형상으로 될 뿐만 아니라, 패턴 저부에 이온이 입사하지 않아 수직 방향의 에칭이 진행되지 않는다. 한편, 이 기간(304)에 적절한 양의(예를 들면 50와트) RF 바이어스를 인가함으로써, 수직 방향의 에칭을 확보하면서, 사이드 에칭을 완전히 억제하거나, 혹은 적절한 분만큼 측벽 보호막(310)을 조정하여, 수직 에칭 형상을 얻는 것이 가능해진다. 도 3b의 (b)에 시각(305) 시의 플라스마 에칭 상태를 나타내고, 도 3b의 (b)에 시각(306) 시의 플라스마 에칭 상태를 나타낸다.
이에 대하여, 이 기간(304)에 에천트용의 가스와 디포지션용의 가스의 비율을 바꿔서, 디포지션 리치로 해서 에칭을 구축해도 같은 효과가 있다고 할 수도 있다. 그러나, 밀리초 레벨의 짧은 기간에만 가스를 바꾸는 것은 현실적이지 않고, 또한 선택비나 균일성 등, 다른 에칭 성능에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 조정이 어려워진다.
본 실시형태에 따르면, 종래의 에칭의 펄스 파라미터 방식인, 예를 들면 플라스마가 안정될 때까지 기다렸다가 RF 바이어스를 인가하는 방식이나, 마이크로파 전력의 하이·로우 구간의 전환 직후부터 인가하는 방식에, 마이크로파 전력 하이 구간 TH와 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 전환 시에 걸쳐서 RF 바이어스를 인가하는 것을 추가하는 것만으로, 사이드 에칭을 억제하여 형상을 수직으로 할 수 있다. 이 때문에, 다른 에칭 성능에 큰 영향을 미치는 경우가 없다.
(제2 실시형태)
도 4a는, 도 3a의 예와는 반대로, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH의 전환 시에 걸쳐서 RF 바이어스를 인가했을 때의 각 가스의 플라스마 밀도의 그래프를 나타내고, 도 4b는, 플라스마 밀도의 변화를 확대해서 나타냄과 함께, 에칭 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
여기에서는, 제1 실시형태의 플라스마 처리 장치(1)를 이용하고, 또한 에칭 가스, 마이크로파나 RF 바이어스 전력, 마이크로파 펄스 파라미터 등도 공통으로 하고 있다. 제1 실시형태와 다른 것은, RF 바이어스 딜레이 시간 TD를 1.6밀리초, RF 바이어스 딜레이 RD를 80%로 설정한 점이다.
도 4a에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH로 전환되면, 플라스마 밀도는 상승하기 시작하고, 곧 포화한다.
본 실시형태에서는, 에천트용의 가스종 A(염소)의 플라스마 밀도는 그래프(302)와 같이 변화하고, 디포지션용의 가스종 B(CHF3)의 플라스마 밀도는 그래프(303)와 같이 변화한다. 도 4b의 (a)의 해칭 영역 기간(401)(시각(402)으로부터 시각(403) 사이), 에천트용의 가스종 A(염소)의 플라스마의 쪽이, 디포지션용의 가스종 B의 플라스마보다, 높은 밀도로 되어 있다.
이 기간(401)에 RF 바이어스 온함에 의해, 많은 에천트인 염소 이온이 RF 바이어스로 가속되고, 염소 이온은 패턴 저부에 입사한다. 그 결과 수직의 에칭이 진행되고, 형상 패턴(403)에 있어서의 좁은 영역에서의 빠짐 성능이 향상된다. 그러나 그 반면, 약간 사이드 에칭이 진행된다는 특성도 있다. 도 4b의 (b)에 시각(402) 시의 플라스마 에칭 상태를 나타내고, 도 4b의 (b)에 시각(403) 시의 플라스마 에칭 상태를 나타낸다.
종래의 플라스마 에칭에서, 도 12의 A에 나타내는 바와 같은 사이드 에칭 형상이 얻어진다면, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL에의 전환 시에 걸쳐서 RF 바이어스를 인가함에 의해, 도 12의 B에 나타내는 에칭 형상을 얻을 수 있다.
이와는 반대로, 종래의 플라스마 에칭에서, 도 12의 C에 나타내는 바와 같이 테이퍼의 사이드 에칭 형상이 얻어진다면, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH에의 전환 시에 걸쳐서 RF 바이어스를 인가하는 방식을 취하는 것이 바람직하다.
(제3 실시형태)
도 5는, 마이크로파 전원으로부터, 마이크로파의 하이 전력 P1, 마이크로파의 로우 전력 P2에 더하여, 마이크로파 전력의 오프 전력 P0=0의 3스테이지에서의 펄스 발진을 가능하게 한 경우의 시퀀스에 있어서, 마이크로파 펄스의 파라미터 및 범위를 나타낸 도면이다. 마이크로파 전력 (a)의 변화를 그래프(501)에 나타내고, RF 바이어스의 변화 (b)를 그래프(502)에 나타낸다. 이 예에서는, 마이크로파 전력은, 하이 구간 TH(제1 기간)와, 로우 구간 TL(제2 기간)과, 진폭 제로의 오프 구간(T2-T3 : 제3 기간)을 갖는다.
마이크로파 펄스의 파라미터는, 마이크로파의 하이 전력 P1, 마이크로파 전력의 로우 전력 P2, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1, 마이크로파 전력 하이·로우 듀티비 D1(=TH/T1), 마이크로파 전력 온·오프 주파수 F2, 마이크로파 전력 온·오프 듀티비 D2(=T3/T2)의 6개이다.
이들에 의해 마이크로파 전력 하이·로우 주기(T1), 마이크로파 전력 온·오프 주기(T2)가 결정되고, 또한 마이크로파 전력 온 시간(T3)과 마이크로파 전력 온 주파수(F3)가 결정된다.
그래프(501)에 나타내는 마이크로파 전력은, 오프의 상태로부터 온의 상태로 전환된 후, 복수 회 하이 전력(P1)과 로우 전력(P2)의 출력을 반복하고, 그 후 오프(P0)의 상태로 되돌아간다. 이와 같은 출력을 실시하기 위해서, 마이크로파 전력 온 주파수를 F3으로 하고, n을 자연수로 했을 때, F1>F3으로 하며 또한 F1=n×F3으로 설정하는 것이 필요하다.
또, n이 1인 경우에도 에칭은 가능하지만, 이 경우의 마이크로파 전력은, F1=1×F3=F3이기 때문에, 마이크로파 전력의 오프와 하이와 로우의 3스테이지의 단순 반복으로 된다. 그러나, 이 예에서는 제1 실시형태와 같이 마이크로파 전력 하이 구간 TH와 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 전환 시에 걸쳐서 RF 바이어스를 인가해도 충분한 효과는 얻어지지 않고, RF 바이어스의 정합의 관점에서 제어가 어려워지기 때문에, n은 2 이상으로 하는 것이 바람직하다.
도 5에 있어서, 그래프(502)는, 마이크로파 전력에 따른 RF 바이어스의 펄스 파라미터를 나타낸다. 기본적으로는 제1 실시형태와 같지만, 다른 것은 마이크로파 전력 온 시간 T3 이외(즉 제3 기간)에서는, RF 바이어스를 인가하지 않는다는 원칙에 따라, 그래프(502)의 점선에 나타내는 바와 같이 RF 바이어스의 인가를 행하지 않는(RF 바이어스의 진폭을 제로로 하는) 점이다.
마이크로파 전력 온 시간 T3 이외에서 RF 바이어스의 인가를 중단함에 의해, 에칭(레이트)의 면내 균일성의 개선이라는 효과가 얻어진다. 상기 실시형태에서 설정된 형상 제어성 향상을 위해 설정한 펄스 파라미터가, 면내 균일성에 악영향을 미칠 수 있다. 형상 제어성 향상과 면내 균일성을 양립하기 위하여, 마이크로파 전력의 인가를, 도 5에 나타내는 바와 같은 3스테이지로 행하는 방식으로 한다.
본 실시형태의 ECR 방식 플라스마 에칭 장치에 있어서는, 인가되는 마이크로파 전력의 평균 파워에 의존하여, 플라스마 에칭에 의해 생성되는 반응 생성물의 면내 분포의 치우침과, 플라스마 처리실 내 분포에 의해서 에칭 레이트의 분포에 균등하지 않음이 발생한다. 이를 교정하기 위해서, 마이크로파 전력 온·오프 듀티비를 조정해서 에칭 레이트 분포, 면내 균일성을 최량(最良)으로 되도록 조정하는 것이다.
(제4 실시형태)
이하, 제4 실시형태에 대해 설명한다. 도 6은, 발진되는 마이크로파 전력을 하이 전력 P1과 로우 전력 P2로 2치화한 것에 더하여, 인가되는 RF 바이어스도 하이 전력 P3, 로우 전력 P4로 2치화한 상태로 나타내는, 도 2와 마찬가지의 도면이다. 여기에서, 마이크로파 전력 (a)의 그래프는 601, 플라스마 밀도 (b)의 그래프는 602, 플라스마 임피던스 (c)의 그래프는 604, RF 바이어스 (d)의 그래프는 605로 나타내고 있다.
RF 바이어스의 파라미터는, RF 바이어스의 하이 전력 P3, RF 바이어스 하이 듀티비 RHD(=BON/TB), RF 바이어스 하이 딜레이 HDL(기준점 PST로부터 하이 전력 P3의 상승까지의 시간), RF 바이어스 로우 전력 P4, RF 바이어스 로우 듀티비 RLD(=BOF/TB), RF 바이어스 로우 딜레이 LDL(기준점 PST로부터 로우 전력 P4의 하강까지의 시간)의 6개이다. 본 실시형태에서는, RF 바이어스의 하이 전력 P3이 인가되는 기간 A(온 구간 BON)는 제1 기간(하이 구간 TH)보다 길고, 또한 제2 기간(하이 구간 TL)보다 길다.
마이크로파 전력의 파라미터로서, 마이크로파의 하이 전력 P1을 600와트, 마이크로파의 로우 전력 P2를 150와트, RF 바이어스의 온 전력을 100와트, 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1을 2밀리초, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1을 500헤르츠, 마이크로파 전력 하이 구간 TH를 1밀리초로 하고, RF 바이어스 하이·로우 주파수를 500헤르츠, RF 바이어스 하이 듀티비 RHD를 70%, RF 바이어스 로우 듀티비 RLD를 30%, RF 바이어스 하이 딜레이 HDL을 50%, RF 바이어스 로우 딜레이 LDL을 20%로 했을 때 인가되는 RF 바이어스의 변화는, 그래프(604)와 같이 된다.
RF 바이어스의 파라미터의 제한은 특별히 없다. 단, 마이크로파 전력의 펄스 파라미터와 마찬가지로, RF 바이어스도 하이 구간과 로우 구간을 반복할 경우, 즉 RF 바이어스의 1사이클 내에 RF 바이어스 오프가 없는 경우에는, "RF 바이어스 하이 듀티비 RHD"와 "RF 바이어스 로우 듀티비 RLD"의 합이 100%로 되어 있어야만 하고, RF 바이어스 각 듀티비와 RF 바이어스 각 듈레이가 적절한 퍼센테이지로 되어 있어야만 한다.
도 6에 나타내는 예에서는, RF 바이어스 하이 딜레이 HDL이 50%이고, RF 바이어스 하이 듀티비 RHD가 70%이므로, 그 합은 120%로 되고, 또한 RF 바이어스 로우 딜레이 LDL이 20%이고, RF 바이어스 로우 듀티비 RLD의 30%를 가산하면, 원래의 RF 하이 딜레이로 된다.
여기에서, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL에의 전환과, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH에의 전환 모두, RF 바이어스 하이 전력의 온 구간 내에서 행하고 있다. 이 효과 중 하나는, 상기 실시형태를 사용해서 사이드와 테이퍼의 에칭 형상의 밸런스를 취할 수 있는 것에 있고, 또 다른 효과는, 상세를 후술하지만, 도 9에 나타내는 바와 같이 Vpp의 변동을 가능한 한 억제할 수 있는 것에 있다.
(제5 실시형태)
제5 실시형태에 대해 설명한다. 도 7은, 도 6과 마찬가지의 도면이다. 도 7에 있어서, 제4 실시형태와 같은 RF 바이어스의 6개의 파라미터를 이용해서, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL에의 전환의 타이밍에 RF 바이어스의 하이 전력 P3을 인가하고, 동시에 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH에의 전환 타이밍에, RF 바이어스의 로우 전력 P4를 인가하고 있다. 이때 공급되는 RF 바이어스의 변화를 그래프(704)로 나타낸다. 여기에서는 간략화해서, RF 바이어스의 하이 전력 P3과 RF 바이어스의 로우 전력 P4의 크기를 동일하게 하고 있다. 즉, RF 바이어스는, 제로와 P3 사이에서 펄스 형상으로 반복하여 변화한다.
여기에서는, 마이크로파 전력의 파라미터로서, 마이크로파의 하이 전력 P1을 600와트, 마이크로파의 로우 전력 P2를 150와트, RF 바이어스의 온 전력 P3을 100와트, 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1을 2밀리초, 마이크로파 전력 하이·로우 주파수 F1을 500헤르츠, 마이크로파 전력 하이 구간 TH를 1밀리초로 하고, RF 바이어스 하이 듀티비 RHD를 30%, RF 바이어스 로우 듀티비 RLD를 35%, RF 바이어스 하이 딜레이 HDL을 35%, RF 바이어스 로우 딜레이 LDL을 90%로 하고 있다.
이 경우, "RF 바이어스 하이 듀티비"와 "RF 바이어스 로우 듀티비"의 합이 100%라는 제한은 없다.
본 실시형태에서는, 플라스마 밀도가 증가, 감소하고 있는 타이밍만 선택해서 RF 바이어스를 인가하는 방식이다. 본 실시형태는, 극단적인 에칭 제어, 예를 들면, 패턴의 측벽에는 완전히 디포지션막을 형성하고 싶지만, 패턴의 저부의 에칭을 확실히 진행하고 싶은 경우, 혹은 에칭 면내 분포의 균일성보다, 디포지션과 에칭을 단시간에 반복하는 사이클 에칭을 진행하고 싶은 경우 등에 사용하면 바람직하다.
(비교예)
비교예에 대하여 설명한다. 도 8a, 8b는, 도 7과 마찬가지의 도면이지만, Vpp를 (e)에 추가하고 있다. 전술한 실시형태와 마찬가지로, 마이크로파 전력 하이 구간 TH와 마이크로파 전력 로우 구간 TL이 펄스 형상으로 번갈아 반복되도록 마이크로파 전력을 공급하는 방식이지만, 제1 비교예로서 나타내는 도 8a에 있어서는, 그래프(801)로 나타내는 바와 같이 RF 바이어스가 연속파(일정)이다. 이때의 시료대 상에 있어서의 전압의 Vpp의 변화를, 그래프(802)에 의해 나타내고 있다.
한편, 제2 비교예로서 나타내는 도면 8b에 있어서는, 그래프(803)로 나타내는 바와 같이 마이크로파 전력 하이 구간 TH의 개시와 동시에 RF 바이어스의 하이 전력을 인가하고, 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 개시와 동시에 RF 바이어스 로우 전력을 인가한다. 이때의 시료대 상에 있어서의 전압의 Vpp의 변화를, 그래프(804)에 의해 나타내고 있다.
그래프(801)에 나타내는 바와 같이, 연속파의 RF 바이어스를 인가하면, 플라스마 임피던스의 증감에 대응해서 Vpp가 증감한다. 연속파의 RF 바이어스에서는, RF 바이어스 정합도 임의 타이밍(순차적으로)에 행해지므로, 반사파도 플라스마 임피던스의 증감에 따라 발생하기 때문에, Vpp 변동 그래프(802)보다 더 크게 변동할 우려가 있다.
다음으로, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력 하이 구간 TH의 개시와 동시에 RF 바이어스의 하이 전력을 인가하고, 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 개시와 동시에 RF 바이어스의 로우 전력을 인가하는 방식에서는, 플라스마 밀도 및 플라스마 임피던스의 증감에 대하여, RF 바이어스는 그래프(803)에 나타내는 바와 같이 변화하므로, 마이크로파 전력 하이 구간 TH의 후반에 있어서의, RF 바이어스의 하이 구간의 Vpp와, 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 후반에 있어서의, RF 바이어스의 로우 구간의 Vpp는 거의 동등하게 되어 있다.
그러나, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 전환된 순간에, RF 바이어스의 크기를 변화시키는 것은, RF 바이어스의 반사파와 Vpp의 변동에 있어서 상당한 영향이 발생한다. 영향 중 하나는, RF 바이어스의 변동과 정합 동작의 경합에 의해, 정합 포인트를 발견할 수 없거나, 혹은 정합과 반대 방향의 동작으로 되어 버리는 경우가 있고, 그에 의해 통상의 정합 완료 시간보다 더 시간이 걸리는 경우가 있다. 그 결과, 시료대에 적절히 RF 바이어스, Vpp가 인가되지 않을 우려가 있다. 따라서, 마이크로파 전력의 하이·로우 전환에 걸쳐서, RF 바이어스를 인가하는 것이 바람직하다.
(제6 실시형태)
제6 실시형태에 대해 설명한다. 도 9는, 도 8b와 마찬가지의 도면이며, 마이크로파 전력, RF 바이어스와, Vpp의 관계를 나타내는 시퀀스를 나타낸 도면이다. 마이크로파 전력 (a)의 그래프는 901, 플라스마 밀도 (b)의 그래프는 902, 플라스마 임피던스 (c)의 그래프는 903, RF 바이어스 (d)의 그래프는 904, Vpp (e)의 그래프는 905로 나타내고 있다.
그래프(904)에 나타내는 바와 같이, RF 바이어스는, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH로 전환하기 전에 로우 전력으로부터 하이 전력으로 변경되고, 또한 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 전환된 후에, 하이 전력으로부터 로우 전력으로 변경되어 있다.
RF 바이어스의 증가에 의해 Vpp는 커지지만, 플라스마 밀도는 이미 안정되어 있고, 반사파는 거의 나타나지 않는다. 그 후, 마이크로파 전력 로우 구간 TL로부터 마이크로파 전력 하이 구간 TH로 전환되면, 플라스마 밀도가 상승하고, 반대로 플라스마 임피던스는 감소한다. 따라서 Vpp가 저하하고, 플라스마 임피던스가 안정됨과 함께 Vpp도 안정되게 된다.
다음으로, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 전환되면, 임피던스의 상승에 따라 Vpp도 상승하지만, 상승 도중에 RF 바이어스가 로우 전력으로 전환되기 때문에, Vpp는 저하로 변한다. RF 바이어스의 정합 태양에 따라 약간 변화하지만, Vpp의 변동은 그래프(905)에 나타내는 바와 같이 된다. 구체적으로는, 마이크로파 전력 하이 구간 TH·마이크로파 전력 로우 구간 TL의 전환마다, 약간 Vpp는 증가, 감소의 거동을 나타내지만, Vpp의 변화의 방향은 같고, Vpp의 변동폭은, 도 8a, 도 8b의 방식과 비교하여 매우 작은 것으로 된다.
Vpp의 변동폭이 큰 상태에서 에칭을 진행하면, 이하와 같은 문제가 발생한다. 문제 중 하나는 에칭 처리의 재현성, 안정성에 관한 것이다. 구체적으로는, 마이크로파 전력과 RF 바이어스의 인가 타이밍의 차이며, Vpp가 크게 변동함으로써 에칭 성능차를 초래하고, 나아가서는 기차(機差)의 요인으로 된다.
또 다른 문제는, 에칭 형상의 평탄도, 러프니스에 관한 것이다. RF 바이어스의 Vpp를 크게 변동시키면서 에칭을 진행하면, 패턴 측벽이나 패턴 저부에의 이온 입사가 시간축을 따라 불균일해지고, 패턴 균열이나, 경우에 따라서는 스캘러핑(단차)과 같은 에칭 형상 불량이 발생하는 경우가 있어, 에칭 처리된 웨이퍼로부터 형성된 소자의 전기적 성능을 악화시킬 우려가 있다. 본 실시형태에 따르면, 이러한 문제를 억제할 수 있다.
(제7 실시형태)
제7 실시형태에 대해 설명한다. 도 10은, 도 2와 마찬가지의 도면이지만, (e)에 RF 바이어스 반사파의 변화를 나타내고, (f)에 Vpp의 변화를 나타내고 있다. 도 10을 참조하여, 매칭 박스(115)에 있어서 행해지는 RF 바이어스 정합 방법에 대하여 설명한다.
본 실시형태에서는, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 이행하기 전부터, 이미 RF 바이어스는 인가되어 있다.
그러나, RF 바이어스를 개시한 직후의 구간은, RF 바이어스 설정에서 정합 유효 기간에는 들어가 있지 않으며, 그 결과 RF 바이어스의 정합 동작은 행해지지 않는다. 마이크로파 전력의 하이 전력에 인가에 따라 플라스마 밀도는 포화(안정) 영역에 가까워지지만, 그래프(1004)로 나타내는 바와 같이 RF 바이어스의 반사파가 다소 발생해 버린다. 그래프(1005)는, 시료대에 가해지는 400KHz의 RF 바이어스의 실효적인 Vpp의 변화를 나타낸다. RF 바이어스의 인가를 개시한 직후의 구간은, 플라스마 밀도가 가장 높기 때문에, 그래프(1001)에서 나타내는 바와 같이 플라스마 임피던스는 가장 낮고, RF 바이어스의 Vpp는 작다. RF 바이어스의 반사파와 RF 바이어스 전력의 램프를 고려하면, Vpp가 서서히 올라 확실히 안정된 영역에서 마이크로파 전력 하이 구간 TH가 종료된다.
그 후, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL로 전환되지만, RF 바이어스의 인가는 유지된다. 이 전환 직후, 플라스마 밀도는 저하하고 그래프(1001)에서 나타내는 바와 같이 플라스마 임피던스가 커지면, Vpp는 그에 따라 상승한다. 이 상승 중인 임피던스에 대하여, RF 바이어스의 정합을 취하도록 설정한다.
그래프(1001)에서 나타내는 바와 같이 플라스마 임피던스는 급하게 상승하기 때문에, 완전히 반사파를 제로로 하는 것은 어렵지만, 그래도 도 10에 해칭으로 나타내는 정합 영역의 중심 구간(정합 포인트라 함)에서는 RF 바이어스의 반사파가 가장 작아지고, Vpp는 가장 커진다.
그 후에는, 그래프(1001)에서 나타내는 바와 같이 플라스마 임피던스의 상승 속도는 완화되고, RF 바이어스의 정합이 없어도 반사파는 무시할 수 있을 정도로 작아지고, Vpp는 저하하지 않는다.
이상의 동작을, 마이크로파 전력 하이·로우 주기 T1로 주기적으로 반복하여 행하지만, 상기에서 얻어진 정합 포인트를 홀딩(움직이게 하지 않음)함으로써도, 거의 같은 정합 결과가 얻어진다.
더 바람직하게는, 마이크로파 전력 하이 구간 TH로부터 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 전환 직후의 평균 플라스마 임피던스를 산출하고, 이에 대하여 정합을 취하는 방식을 채용할 수도 있다.
상기 실시형태와 마찬가지로, 기본적으로는, 마이크로파 전력 하이 구간 TH, 마이크로파 전력 로우 구간 TL에 선행하는 구간에서, 이미 RF 바이어스를 인가한 상태로 하고, 마이크로파 전력 하이 구간 TH, 마이크로파 전력 로우 구간 TL의 전환 직후의 플라스마 임피던스의 평균값을, RF 바이어스의 정합 포인트로 하고, 플라스마 밀도가 변화하는 타이밍을 노려서 RF 바이어스를 인가하는 것이 바람직하다.
(제8 실시형태)
제8 실시형태에 대해 설명한다. 도 11a는, 2세트의 마이크로파 전원 장치와, 2세트의 RF 바이어스 전원 장치를 갖는 플라스마 처리 장치의 개략 단면도이다. 도 11b는, 본 실시형태에서 이용되는 마이크로파 전력의 변화를 나타내는 도면이고, 도 11c는 본 실시형태에서 이용되는 RF 바이어스의 변화를 나타내는 도면이다.
제1 마이크로파 전원 장치는, 내주부 마이크로파 전원(1101), 내주 도파관(1113), 내주 공동 공진기(1115)를 갖고, 제2 마이크로파 전원 장치는, 외주부 마이크로파 전원(1102), 외주 도파관(1114), 외주 공동 공진기(1116)를 갖는다. 내주부 마이크로파 펄스 유닛(1103)은, 내주부 마이크로파 전원(1101)의 출력을 제어하고, 외주부 마이크로파 펄스 유닛(1104)은, 외주부 마이크로파 전원(1102)의 출력을 각각 제어한다.
2개의 RF 바이어스 전원 장치는, 내주부 RF 바이어스 전원(1105)과 외주부 RF 바이어스 전원(1106)이며, 각각 전극 내주부 도전성막(1117)과 전극 외주부 도전성막(1118)에 매칭 박스를 통해 접속되어 있다.
내주부 RF 바이어스 펄스 유닛(1107)은, 내주부 RF 바이어스 전원(1105)의 출력을 제어하고, 외주부 RF 바이어스 펄스 유닛(1108)은, 외주부 RF 바이어스 전원(1106)의 출력을 제어한다.
2개의 마이크로파 전원은, 마이크로파 전력을 펄스 형상으로(온·오프 반복하도록 펄스 변조해서) 발진하거나, 또는 연속파로(펄스 변조하지 않고) 발진할 수 있도록 되어 있고, 2개의 RF 바이어스 전원도 RF 바이어스를 펄스 형상으로(온·오프 반복하도록 펄스 변조해서) 인가하거나, 또는 연속파로(펄스 변조하지 않고) 인가할 수 있도록 되어 있다.
도 11a의 그래프(1109)에 나타내는 바와 같이, 한쪽의 마이크로파 전원으로부터 마이크로파 전력을 온·오프 반복해서 발진하고, 다른 쪽의 마이크로파 전원으로부터 연속파를 발진한다. 이에 의해 처리실 내에 인가되는 마이크로파 전력의 합에 의해, 도 11b의 그래프(1111)에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력의 하이·로우·오프로 되는 3스테이지의 발진 방식을 실현할 수 있고, 도 5의 (a)에 나타내는 바와 같은 마이크로파 전력을 실현할 수 있다.
또한, 2개의 RF 바이어스 전원에 대해서도, 도 11a의 그래프(1110)에 나타내는 바와 같이, 마이크로파 전력과 마찬가지로 한쪽의 RF 바이어스의 인가를, RF 바이어스의 온 전력·오프 전력으로 2치화해서 인가하고, 다른 쪽의 RF 바이어스를 연속파로 해서 인가하면, 시료대에 인가되는 RF 바이어스의 총량은, 도 11c의 그래프(1112)에 나타내는 바와 같이 변화하여, RF 바이어스의 하이 전력·로우 전력·전력 오프라는 3스테이지의 인가 방식을 실현할 수 있다.
RF 바이어스의 정합에 대해서는, RF 바이어스의 온·오프의 펄스측의 정합을 조정하는 것이 중요하며, 마이크로파 전원의 전력 온으로부터 전력 오프에의 전환 직후의 구간만, 정합 유효 구간으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 이상에 대하여, 각 마이크로파 전원이, 마이크로파 전력의 하이·로우·오프의 3스테이지를 가능하다고 했을 경우, 이를 조합하여 예를 들면 5스테이지의 마이크로파 전력을 발진할 수 있다. RF 바이어스 전원도 마찬가지로 복수의 RF 바이어스의 하이·로우·오프의 조합으로 5스테이지의 RF 바이어스를 인가할 수 있다.
RF 바이어스의 온 전력의 인가 타이밍이 복잡화될 우려가 있지만, 기본적으로 마이크로파 전력 오프 구간에는, 모든 RF 바이어스는 인가하지 않는다는 원칙에 따르면, 이상의 실시형태를 더 고정밀도화해서, 추가적인 에칭 형상 제어성의 향상이 가능해진다.
본 실시형태에서는, 모든 RF 바이어스 전원은 동일한 발진 주파수 (400킬로헤르츠)로 했지만, 2개의 RF 바이어스 전원의 주파수가 서로 달라도(예로서는 400킬로헤르츠와 2메가헤르츠) 마찬가지의 효과가 있다. 복수의 RF 바이어스의 서로 다른 주파수를 갖는 바이어스의 인가로, 면내 균일성의 향상을 기대할 수 있다.
각 마이크로파 전원의 발진 주파수도 서로 달라도(예로서는 2.45기가헤르츠와 915메가헤르츠) 된다. 이러한 경우, 내주부 마이크로파 전원으로부터의 마이크로파와, 외주부 마이크로파 전원으로부터의 마이크로파의 분리나 간섭을 억제할 수 있고, RF 바이어스와 마찬가지로 면내 균일성의 제어성이 향상하는 것을 기대할 수 있다.
이상의 실시형태는 ECR형의 플라스마 에칭 장치로 설명했지만, 용량 결합형 플라스마나 유도 결합형 플라스마 등의 플라스마 생성 방식에 대응하는 플라스마 에칭 장치 등에 있어서도 마찬가지로 적용 가능하다. 이상의 실시형태의 하나를, 다른 실시형태와 조합해도 된다.
1 : 플라스마 처리 장치 101 : 진공 용기
102 : 샤워 플레이트 103 : 석영 천판
104 : 공동 공진부 105 : 도파관
106 : 마이크로파 전원 107 : 튜너
108 : 마이크로파 펄스 유닛 109 : 자장 발생 코일
110 : 시료대 111 : 웨이퍼
112 : 유전체막 113, 114 : 도전체막
115 : 매칭 박스 117 : RF 바이어스 전원
118 : RF 바이어스 펄스 유닛 119 : 진공 배기 장치
120 : 가스 공급 장치 121 : 플라스마
122 : 처리실 123 : 제어부
1101 : 내주부 마이크로파 전원 1102 : 외주부 마이크로파 전원
1103 : 내주부 마이크로파 펄스 유닛
1105 : 내주부 RF 바이어스 전원
1106 : 외주부 RF 바이어스 전원
1107 : 내주부 RF 바이어스 펄스 유닛
1108 : 외주부 RF 바이어스 펄스 유닛

Claims (11)

  1. 시료가 플라스마 처리되는 처리실과, 플라스마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 시료가 재치(載置)되는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원을 구비하는 플라스마 처리 장치에 있어서,
    상기 제1 고주파 전력이 제1 기간과 상기 제1 기간에 인접하는 제2 기간을 갖는 제1 파형에 의해 변조됨과 함께 상기 제2 고주파 전력이 기간 A와 기간 B를 갖는 제2 파형에 의해 변조될 경우, 상기 기간 A의 각각의 상기 제2 고주파 전력이 상기 제1 기간과 상기 제2 기간에 공급되도록 상기 제2 고주파 전원을 제어하는 제어 장치를 더 구비하고,
    상기 제2 기간의 진폭은, 상기 제1 기간의 진폭보다 작으며, 또한 0보다 크고,
    상기 기간 A의 진폭은, 상기 기간 B의 진폭보다 큰 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 기간 A의 각각의 상기 제2 고주파 전력이 상기 제1 기간의 일부와 상기 제2 기간의 일부에 공급되도록 상기 제2 고주파 전원을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기간 B의 진폭은 0인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기간 A는, 상기 제1 기간보다 긴 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기간 B의 진폭은 0인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파형은, 제3 기간을 갖고,
    상기 제3 기간의 진폭은, 0인 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 제2 고주파 전력이 상기 제3 기간에 공급되지 않도록 상기 제2 고주파 전원을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 고주파 전력의 반사 전력을 억제하는 정합(整合)기를 더 구비하고,
    상기 제어 장치는, 상기 제1 기간으로부터 상기 제2 기간에의 이행 후 또는 상기 제2 기간으로부터 상기 제1 기간에의 이행 후, 상기 제2 고주파 전력의 정합이 행해지도록 상기 정합기를 제어하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 기간 A는, 상기 제2 기간보다 긴 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고주파 전원은, 펄스 변조되어 있지 않은 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과 벌스 변조된 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 고주파 전원은, 펄스 변조되어 있지 않은 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원과 벌스 변조된 고주파 전력을 공급하는 고주파 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
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