KR101589168B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 생성용 고주파 전력과 고주파 바이어스 전력을 시간 변조하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 고주파 바이어스 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 본 발명은 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과 시료를 재치하는 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과 제2 고주파 전원의 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제1 고주파 전력과 제2 고주파 전력이 시간 변조되는 경우, 정합기는 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 개시 시간을 개시 시간으로 하는 소정 시간 경과 후로부터 온 종료 시간까지의 기간으로 하는 샘플링 유효 기간에 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하고, 온 종료 시간 후로부터 다음 샘플링 유효 기간까지는 샘플링 유효 기간에 행하여진 정합 상태를 유지하는 제어가 행하여지는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}

본 발명은, 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것으로, 특히 반도체 소자 등의 시료를 가공하기 위하여, 플라즈마를 사용하여 고정밀도의 에칭 처리를 실시하는데 바람직한 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.

종래, 반도체 소자의 표면을 처리하는 방법으로서, 반도체 소자를 플라즈마로 에칭하는 장치가 알려져 있다. 여기서는, 전자 사이클로트론 공명(Electron Cyclotron Resonance: ECR, 이하, ECR로 약칭함) 방식의 플라즈마 에칭 장치를 예로 들어 종래 기술을 설명한다.

이 ECR 방식에서는, 외부로부터 자장을 인가한 진공 용기 중에서 마이크로파에 의해 플라즈마를 발생시킨다. 자장에 의해 전자는 사이클로트론 운동하고, 이 주파수와 마이크로파의 주파수를 공명시킴으로써 효율적으로 플라즈마를 생성할 수 있다. 반도체 소자에 입사하는 이온을 가속하기 위하여, 고주파 전력을 개략 정현파로 연속파형으로 시료에 인가하고 있다. 여기서, 시료에 인가하는 고주파 전력을 이하, 고주파 바이어스로 칭한다. 또 시료에 대해서는 일례로서 웨이퍼의 경우로 하여 기술한다.

또, 플라즈마가 되는 가스에는 염소나 불소 등의 할로겐 가스가 널리 사용되고 있다. 플라즈마에 의해 발생한 라디칼이나 이온 피(被)에칭재가 반응함으로써 에칭이 진행된다. 에칭 가공을 고정밀도로 제어하는 위해서는, 플라즈마 제어에 의한 라디칼종의 선정이나 이온량의 제어를 행할 필요가 있다. 라디칼이나 이온의 제어 방법으로서는, 플라즈마를 시간 변조한 펄스 플라즈마 방식이 있다. 펄스 플라즈마란 플라즈마의 온과 오프를 반복함으로써 해리를 제어하여, 라디칼의 해리 상태나 이온 밀도를 제어하는 것이다. 펄스 플라즈마의 온과 오프의 반복 주파수(이하 펄스 주파수라고 칭함) 및 반복 주파수의 1 주기에 대한 온 시간의 비(이하, 듀티비라고 칭함), 온 시간과 오프 시간의 비를 제어 파라미터로 함으로써, 에칭 가공의 고정밀도 제어가 가능해진다. 특허문헌 1에는 펄스 플라즈마를 사용한 에칭 가공 제어 방법이 개시되어 있다.

펄스 플라즈마에 대하여 연속파형의 고주파 바이어스를 적용한 경우를 도 1에 나타낸다. 플라즈마의 오프 시간에도 고주파 바이어스가 인가되게 된다. 일반적으로 플라즈마의 오프 시간은 플라즈마 밀도가 낮기 때문에, 고주파 바이어스로부터 본 임피던스가 높아지고, 웨이퍼에 인가되는 전압의 진폭값(이하 Vpp로 칭함)이 높아진다. Vpp가 높아짐으로써 이온 조사 에너지가 높아져, 웨이퍼에 데미지를 야기할 가능성이 있다.

이 데미지를 피하는 방법으로서 고주파 바이어스를 플라즈마의 오프 기간에 인가하지 않는 방법이 있다. 일례를 도 2에 나타낸다. 고주파 바이어스도 펄스 플라즈마와 동일하게 시간 변조하여, 펄스 플라즈마와 동기하여 온과 오프를 반복함으로써, 플라즈마 오프 기간의 웨이퍼에 대한 데미지를 회피할 수 있다.

일본 특허 공개 소59-47733호 공보 일본 특허 공표 제2003-532986호 공보

마이크로파를 사용한 ECR 방식의 펄스 플라즈마에서는, 대체로 플라즈마 생성을 행하는 마이크로파를 펄스화한다. 마이크로파의 펄스화의 방식의 일례로서는, 마이크로파 전원에 기준이 되는 펄스 신호를 입력하고, 전원 내에서 처리함으로써 펄스상의 마이크로파를 출력하는 방식이 있다. 펄스상의 마이크로파에 의한 플라즈마가 형성되면, 플라즈마 밀도가 도 1과 같이 변화한다. 즉, 종래의 ECR 방식의 연속 플라즈마 방식과는 달리 플라즈마 밀도는 마이크로파의 온과 함께 증가하지만, 플라즈마 밀도가 안정되기까지 시간이 걸린다.

또, 플라즈마 생성에 사용하는 마이크로파 출력을 종래 널리 사용되고 있는 연속파형 출력 방식(이하, CW 모드로 칭함)에 따른 것으로 하여, 고주파 바이어스를 시간 변조 출력 방식(이하, 펄스 모드로 칭함)으로서 고주파 바이어스의 반사율을 측정한 결과, 도 8에 나타내는 바와 같이 반사율은 고주파 바이어스 출력값의 5% 이하가 되었다. 또한, 반사율이 5% 이하 정도이면 프로세스 성능에 영향을 주지 않고, 전원에 대한 데미지도 문제가 없다. 또, 반사율(%)은, 고주파 바이어스의 반사 전력을 고주파 바이어스의 출력 전력으로 나눈 값에 100을 곱하여 산출한 것이다.

한편, 펄스 플라즈마에서는, 플라즈마 밀도 안정까지의 과도 기간이 매 주기존재하고, 펄스 플라즈마에 동기시킨 고주파 바이어스를 인가하면, 온과 오프의 반복에 의해, 플라즈마 밀도가 변화하고 있기 때문에, 고주파 바이어스로부터 본 플라즈마 임피던스가 변화되어 매칭을 행하는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

이 경우, 도 2에 나타내는 바와 같이, 반사 전력이 커지고, 또한 반사값도 안정되지 않는 현상이 발생한다. 반사 전력값이 큰 경우에는, 실제의 웨이퍼로의 인가 전력과 설정 전력값의 차가 커지는 문제가 발생하여, 고정밀도의 제어를 할 수 없다. 또, 반사 전력이 전원으로 되돌아옴으로써, 전원에 데미지를 주는 경우가 있다. 반사 전력값이 안정되지 않은 경우에는, 실제의 웨이퍼로의 인가 전력도 안정되지 않는다. 그 경우, 에칭 가공 결과도 불안정해지는 경우가 있다.

이 문제를 해결하는 방법으로서, 도 3과 같이 플라즈마 밀도가 안정된 후에 인가하는 방법을 생각할 수 있다. 이 방법에서는 고주파 바이어스가 인가되어 있지 않은 기간에 플라즈마가 온 기간이 있기 때문에, 에칭의 조건에 따라서는, 그 기간에 플라즈마에 의해 생성된 디포짓이 웨이퍼 표면에 퇴적하고, 에칭 스톱을 일으키는 문제가 발생하는 경우가 있다.

펄스 플라즈마의 매칭의 과제에 대하여 특허문헌 2에는 플라즈마가 오프로부터 온으로 전환되는 과도 기간에 고주파 바이어스의 출력을 낮은 출력으로부터 서서히 높은 출력으로 변화시키면서 인가하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이 방법에서도 마찬가지로 에칭 조건에 따라서는, 플라즈마 밀도 안정까지의 과도 기간에 고주파 바이어스가 낮은 것에 의해, 이온 에너지가 부족하여, 과도 기간의 플라즈마에 의해 생성된 디포짓에 의한 에칭 스톱을 일으킬 가능성이 있다. 종래의 플라즈마 방식과 달리 펄스 플라즈마 방식에서는 매칭이 큰 과제가 된다.

또, 도 2에 나타낸 바와 같이 플라즈마 생성에 사용하는 마이크로파 출력을 펄스 모드, 고주파 바이어스도 펄스 모드로 하여, 고주파 바이어스의 반사값을 측정한바, 고주파 바이어스의 반사율이 5%를 넘고, 또한 반사율이 안정되지 않는 결과가 되었다. 원인은 플라즈마 생성이 펄스 모드에서 행하여지는 펄스 플라즈마로 불리는 방식에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이 마이크로파 출력이 온이 된 후, 플라즈마 밀도가 안정되기까지 시간이 걸리는 과도 기간이 존재하기 때문이다. 반사가 안정되지 않고, 또한 커지는 원인을 도 6을 사용하여 이하 설명한다.

매칭 회로에서는 전류나 전압을 샘플링하여 플라즈마 임피던스를 산출하여 매칭을 행한다. 샘플링한 플라즈마 임피던스에 의해, 가변 용량의 동작이 결정된다. 펄스 플라즈마에서는 종래의 연속 모드의 플라즈마와는 달리, 샘플링에 플라즈마 밀도가 안정되지 않는 과도 기간을 포함한다. 도 3의 A의 타이밍은, 플라즈마 밀도가 안정되지 않은 과도 기간이다. 이 기간의 플라즈마 임피던스 Za는, 플라즈마 밀도가 다른 샘플링 타이밍인, B, C, D, E의 플라즈마 임피던스 Zb, Zc, Zf와 크게 다르다.

Zb, Zc, Zf는 모두 플라즈마 밀도가 안정되어 있고, 플라즈마 임피던스로서는 가까운 값을 갖는다. 그 때문에, 매칭 회로에서는 Za의 매칭 위치에 맞추려는 동작과, 플라즈마 밀도 안정 기간의 임피던스 Zb, Zc, Zf에 대한 매칭 동작이 혼재하여, 매칭 동작을 정상으로 할 수 없고, 매칭 회로가 최적의 가변 용량값이 되지 않기 때문에, 반사가 크고 또한 안정되지 않는 결과가 된다.

또, 대체로, 이 기간은 플라즈마 밀도가 매우 낮고 시간도 짧기 때문에, 에칭 성능에 영향이 적다. 고주파 바이어스는 에칭 성능에 영향이 큰 플라즈마 밀도가 안정된 기간에 대하여, 매칭을 행하는 편이 좋다.

펄스 플라즈마를 사용하는 경우에는, 종래 방식과는 달리, 과도 기간의 플라즈마 밀도의 변화를 고려할 필요가 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이 고주파 바이어스를 과도 기간은 인가하지 않는 방법이나, 고주파 바이어스 출력을 완만하게 올려 감으로써 반사값을 작게 하는 방법이 생각된다. 이 경우, 과도기 동안에 고주파 바이어스에 의한 이온 가속 전압이 작아진다. 플라즈마의 디포짓성이 강한 경우에는, 시료 표면에 디포짓이 퇴적되기 때문에, 이온 가속 전압이 작은 경우에는 에칭 스톱을 야기하게 되어, 수율의 저하나 디바이스 불량을 야기할 가능성이 있다.

본 발명은, 상기 서술한 과제를 해결하기 위하여, 플라즈마 생성용 고주파 전력과 고주파 바이어스 전력을 시간 변조하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 있어서, 고주파 바이어스 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공한다.

본 발명은, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 진공 용기 내에 배치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과, 상기 제2 고주파 전력의 반사 전력을 억제하는 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력이 시간 변조되는 경우, 상기 정합기는, 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 개시 시간을 개시 시간으로 하는 소정 시간 경과 후로부터 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 종료 시간까지의 기간으로 하는 샘플링 유효 기간에 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하고, 상기 온 종료 시간 후로부터 다음 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행하여진 정합 상태를 유지하는 제어가 행하여지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 진공 용기 내에 배치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과, 상기 제2 고주파 전력의 반사 전력을 억제하는 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력이 시간 변조되는 경우, 상기 정합기는, 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 종료 시간으로부터 소정 시간 전까지의 기간인 샘플링 유효 기간에 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하고, 상기 온 종료 시간 후로부터 다음 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행하여진 정합 상태를 유지하는 제어가 행하여지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은, 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 진공 용기 내에 배치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과, 상기 제2 고주파 전력의 반사 전력을 억제하는 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치를 사용한 플라즈마 처리 방법에 있어서, 상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력을 시간 변조하고, 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 종료 시간으로부터 소정 시간 전까지의 기간인 샘플링 유효 기간에 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링함과 함께 상기 온 종료 시간 후로부터 다음 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행하여진 정합 상태를 유지하여 상기 정합기의 정합을 행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 플라즈마 생성용 고주파 전력과 고주파 바이어스 전력을 시간 변조하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 있어서, 고주파 바이어스 전력을 안정적으로 공급할 수 있다.

도 1은 펄스 플라즈마에 연속파형의 고주파 바이어스를 적용한 일례이다.
도 2는 펄스 플라즈마에 시간 변조한 고주파 바이어스를 적용한 일례이다.
도 3은 고주파 바이어스의 정합기의 샘플링 타이밍을 나타내는 도면이다.
도 4는 플라즈마 밀도가 안정되어 있지 않은 과도 기간을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 관련된 마이크로파 ECR 플라즈마 에칭 장치의 종단면도이다.
도 6은 제어부(120)의 동작을 나타내는 도면이다.
도 7은 샘플 홀딩 방식을 설명하는 도면이다.
도 8은 연속파 출력 플라즈마에 시간 변조한 고주파 바이어스를 적용한 일례이다.
도 9는 플라즈마 밀도에 의해 플라즈마 안정까지의 과도 기간을 규정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 10은 플라즈마 밀도, 플라즈마 발광 및 Vpp의 각각의 관계를 나타내는 도다.
도 11은 본 발명에 관련된 고주파 바이어스의 정합을 나타내는 도면이다.
도 12는 데드 타임을 고정한 경우의 케이스 1 내지 3을 나타내는 도면이다.
도 13은 샘플링 유효 시간을 고정한 경우의 케이스 1 내지 3을 나타내는 도면이다.
도 14는 고주파 바이어스의 시간 변조의 주파수를 정합기의 샘플링 주파수의 정수(整數)배로 한 경우를 나타내는 도면이다.
도 15는 고주파 바이어스의 정합기의 동작을 나타내는 플로우도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다. 본 발명의 일실시예에 따른 ECR 방식의 마이크로파 플라즈마 에칭 장치의 개략 종단면도를 도 5에 나타낸다. 상부가 개방된 진공 용기(101)의 상부에, 진공 용기(101) 내에 에칭 가스를 도입하기 위한 석영제의 샤워 플레이트(102)와, 석영제의 유전체창(103)을 설치하고, 밀봉함으로써 처리실(104)을 형성한다.

샤워 플레이트(102)에는 에칭 가스를 흘려보내기 위한 가스 공급 장치(105)가 접속된다. 또, 진공 용기(101)에는 배기용 개폐 밸브(117) 및 배기 속도 가변 밸브(118)를 개재하여 진공 배기 장치(106)가 접속되어 있다. 처리실(104) 내는, 배기용 개폐 밸브(117)를 개방으로 하고, 진공 배기 장치(106)를 구동함으로써 감압되어, 진공 상태가 된다. 처리실(104) 내의 압력은 배기 속도 가변 밸브(118)에 의해 원하는 압력으로 조정된다.

에칭 가스는, 가스 공급 장치(105)로부터 샤워 플레이트(102)를 개재하여 처리실(104) 내에 도입되고, 배기 속도 가변 밸브(118)를 개재하여 진공 배기 장치(106)에 의해 배기된다. 또, 샤워 플레이트(102)에 대향하여 진공 용기(101)의 하부에 시료대인 시료 재치용 전극(111)이 설치된다. 플라즈마를 생성하기 위한 전력을 처리실(104)에 전송하기 위하여, 유전체창(103)의 상방에는 전자파를 전송하는 도파관(107)이 설치된다. 도파관(107)으로 전송되는 전자파는, 제1 고주파 전원인 전자파 발생용 고주파 전원(109)으로부터 발진시킨다.

전자파 발생용 고주파 전원(109)에는, 펄스 발생 유닛(121)이 장착되어 있고, 이것에 의해 마이크로파를 도 2에 나타내는 바와 같이 임의로 설정 가능한 반복 주파수로 펄스상으로 변조할 수 있다. 또한, 본 실시예의 효과는, 전자파의 주파수에 특별히 한정되지 않지만, 본 실시예에서는 2.45GHz의 마이크로파를 사용한다. 처리실(104)의 외부에는, 자장을 형성하는 자장 발생용 코일(110)이 설치되어 있고, 전자파 발생용 고주파 전원(109)으로부터 발진된 전자파는, 자장 발생용 코일(110)에 의해 형성된 자장과의 상호 작용에 의해, 처리실(104) 내에 고밀도 플라즈마를 생성하고, 시료 재치용 전극(111) 상에 배치된, 시료인 웨이퍼(112)에 에칭 처리를 실시한다.

샤워 플레이트(102), 시료 재치용 전극(111), 자장 발생용 코일(110), 배기용 개폐 밸브(117), 배기 속도 가변 밸브(118) 및 웨이퍼(112)는 처리실(104)의 중심축 상에 대하여 동축으로 배치되어 있기 때문에, 에칭 가스의 흐름이나 플라즈마에 의해 생성된 라디칼 및 이온, 또한 에칭에 의해 생성된 반응 생성물은 웨이퍼(112)에 대하여 동축으로 도입, 배기된다. 이 동축 배치는 에칭 레이트, 에칭 형상의 웨이퍼면 내 균일성을 축대칭에 가깝게 하여, 웨이퍼 처리 균일성을 향상시키는 효과가 있다.

시료 재치용 전극(111)은 전극 표면이 세라믹(도시 생략)으로 피복되어 있고, 고주파 필터(115)를 개재하여 직류 전원(116)이 접속되어 있다. 또한, 시료 재치용 전극(111)에는, 매칭 회로(113)를 개재하여 제2 고주파 전원인 고주파 바이어스 전원(114)이 접속된다. 고주파 바이어스 전원(114)에는, 펄스 발생 유닛(121)이 장착되어 있고, 마찬가지로 도 2에 나타낸 바와 같은 시간 변조된 고주파 전력을 선택적으로 시료 재치용 전극(111)에 공급할 수 있다. 또한, 본 실시예의 효과는, 고주파 바이어스의 주파수에 특별히 한정되지 않지만, 본 실시예에서는400kHz의 고주파를 사용한다.

상기 서술한 ECR 마이크로파 플라즈마 에칭 장치를 사용한 에칭 처리를 제어하는 제어부(120)는, 입력 수단(도시 생략)에 의해, 전자파 발생용 고주파 전원(109), 고주파 바이어스 전원(114), 펄스 발생 유닛(121)의 펄스의 온·오프의 타이밍을 포함하는 반복 주파수나 듀티비, 에칭을 실시하기 위한 가스 유량, 처리 압력, 전자파 전력, 고주파 바이어스 전력, 코일 전류, 펄스의 온 시간, 오프 시간 등의 에칭 파라미터를 제어하고 있다. 또한, 듀티비란, 펄스의 1 주기에 대한 온 기간의 비율이다. 또, 본 실시예에서는, 펄스의 반복 주파수는 5Hz∼10kHz까지 변경할 수 있고, 듀티비는 1%∼90%까지 변경할 수 있다. 또한 시간 변조의 설정은 온 시간, 오프 시간에서도 가능하다.

이하에, 전자파 발생용 고주파 전원(109)으로부터 시간 변조된 전자파를 발생하는 경우와, 고주파 바이어스 전원(114)으로부터 시간 변조된 고주파 전력을 시료 재치용 전극(111)에 공급하는 경우의 제어부(120)의 기능에 대하여, 도 6을 사용하여 설명한다. 제어부(120)는, 전자파 발생용 고주파 전원(109)과 고주파 바이어스 전원(114)을 펄스상으로 변조하기 위한 반복 주파수, 듀티비, 전자파 발생용 고주파 전원(109)의 온의 타이밍과 고주파 바이어스 전원(114)의 온의 타이밍을 맞춘 시간 정보를, 펄스 발생 유닛(121)에 설정한다.

펄스 발생 유닛으로부터는 전자파 발생용 전원의 펄스 출력 제어를 위한 시간 정보가 송신되어, 시간 제어된 전자파를 발생시킨다. 마찬가지로, 고주파 바이어스 전원(114)도 펄스 발생 유닛으로부터 송신된 정보를 바탕으로 시간 제어된 고주파 바이어스 출력을 발생시킨다.

고주파 바이어스를 적용하는 경우, 정합기(113)는, 도 15에 나타낸 바와 같은 플로우로 고주파 바이어스의 매칭을 행하여, 반사 전력을 감소시킨다. 매칭의 방법으로서는 매칭 회로로 전류와 전압 및 위상을 측정한다. 그 측정값으로부터 플라즈마의 임피던스를 산출하여, 최적의 회로 정수가 되도록 매칭 회로 내의 가변용량을 조정한다. 또한, 매칭 회로가 플라즈마 임피던스의 측정값을 취득하고, 취득된 임피던스의 측정값에 기초하여 가변 용량을 변경하여, 매칭 동작을 행하는 주기를 샘플링 주기로 한다.

샘플링 주기는 설정에 의해 변경할 수 있다. 본 실시예에서는 가변 용량은 펄스 모터에 의해 용량이 제어되기 때문에, 펄스 모터의 동작 가능한 최소 시간보다 짧게 샘플링 주기를 설정하여도, 펄스 모터를 동작시킬 수 없다. 그 때문에, 대체로 샘플링 주기의 설정은 펄스 모터의 동작 가능한 최소 시간보다 길게 설정된다. 일례로서, 고주파 바이어스의 펄스 주파수를 100Hz, 듀티비를 50%, 샘플링 주기를 12ms로 한 경우에 대하여 설명을 한다.

샘플링의 개시 타이밍을 규정하지 않고 샘플링을 행하는 것으로 한다. 도 3에 나타내는 타이밍 D나 E와 같이, 오프 기간에 샘플링을 행하는 타이밍이 되는 경우가 있다. 오프 기간은 고주파 바이어스를 인가하지 않기 때문에, 전압의 측정을 할 수 없고, 매칭 회로에서는 고주파 바이어스로부터 본 플라즈마 임피던스를 산출할 수 없게 되기 때문에, 매칭 동작에 필요한 플라즈마 임피던스 값이 얻어지지 않아, 매칭을 할 수 없는 상태가 된다. 이 문제를 해결하기 위하여, 샘플 홀딩 방식으로 칭하는 이하에 나타내는 방법에 의해 해결할 수 있다.

온 기간 중에 샘플링 주기의 타이밍이 오는 경우, 즉 도 7의 A,B,C와 같은 경우에는, 각각의 타이밍에서의 플라즈마 임피던스를 매칭의 지표에 사용한다. 또, 여기서의 A, B, C는, 도 3의 A, B, C의 타이밍과 동일하다. 그러나 도 7의 D, E와 같은 오프의 기간에 샘플링의 타이밍이 왔을 경우에는, 온 기간이 있는 시간에서의 플라즈마 임피던스를 대용하도록 한다. 또한, 여기서의 D, E는, 도 3의 D, E의 타이밍과 동일하다.

또한, 본 실시예에서는 온 기간 종료 직전의 타이밍, 도 7의 F의 타이밍에서의 플라즈마 임피던스인 Zf를 산출하고, 그 값을 다음 온 개시 타이밍까지 유지하도록 한다. 즉, 도 7에 나타내는 바와 같이 오프 기간은 온 기간이 있는 타이밍에서의 플라즈마 임피던스와 동일하다고 하는 처리를 행한다. 이처럼 샘플 홀딩 방식에 의해 오프 기간에 플라즈마 임피던스로서 이상(異常)값을 취득하는 것을 막을 수 있다. 또, 정합기(113)는, 이러한 샘플 홀딩 방식의 기능을 갖는다.

다음으로 플라즈마 밀도 안정까지의 과도 기간의 매칭 동작에 주는 영향을 작게 하는 정합기(113)의 알고리즘에 대하여 설명한다. 이 알고리즘은, 온 기간의 개시로부터 일정 시간의 사이의 플라즈마 임피던스에 관한 정보를 취득하지 않는 알고리즘이다. 일례로서, 펄스 플라즈마의 플라즈마 생성 주파수를 100Hz, 듀티비를 50%, 샘플링 주기를 12ms로 한 경우에 대하여 설명한다. 또, 본 실시예에서 플라즈마 밀도의 안정까지의 과도 기간의 정의에 대하여, 도 9를 사용하여 설명한다.

플라즈마 밀도의 시간 변화의 1차 차분(差分)을 취한다. 도 9에 나타내는 바와 같이 플라즈마 밀도의 변화가 없이 안정된 경우에는, 1차 차분값은 0이 된다. 조건에 따라서는 조금이지만 밀도가 완만하게 변화를 계속하는 경우도 있기 때문에, 안정까지의 과도 기간의 판정 기준을 0으로 하지 않는 것으로 하였다. 본 실시예에서는 1차 차분의 피크값에 대하여, 1차 차분값이 70% 이하가 되었을 때, 안정까지의 과도 기간이 종료되고, 안정 기간이 시작되었다고 판단하는 것으로 하였다.

본 실시예에서는 판정의 문턱값을 피크값의 70%로 하였지만, 문턱값은 조건에 따라 바꾸어도 된다. 조건에 따라 다르지만, 대체로 펄스 플라즈마의 플라즈마 밀도가 안정될 때까지의 과도 시간은 1㎲∼100ms 정도이다. 펄스 플라즈마에 있어서 플라즈마 밀도가 안정할 때까지의 과도 기간을 어림잡는 방법으로서, 고주파 바이어스의 피크 투 피크값인 Vpp나 플라즈마 발광의 변화를 측정하는 방법을 사용해도 된다. 도 10에 플라즈마 밀도와 플라즈마 발광과 Vpp의 변화를 나타낸다.

플라즈마 중의 입자를 발광시키기 위해서는 에너지를 가진 전자가 입자에 충돌하여, 입자에 발광에 상당하는 에너지를 부여할 필요가 있다. 에너지가 부여된 입자는, 그 에너지를 광으로서 방출한다. 플라즈마 밀도가 변화하면, 에너지를 가진 전자의 밀도도 동일하게 변화하기 때문에, 플라즈마로부터의 발광의 변화와 플라즈마 밀도의 변화에는 상관이 있다. 따라서 플라즈마 발광이 안정될 때까지의 시간을 플라즈마 밀도가 안정될 때까지의 시간으로서 대용할 수 있다.

또, 플라즈마 밀도가 변화하면 고주파 바이어스로부터 바라본 Vpp이 변화한다. 이것은 플라즈마 밀도에 의해 고주파 바이어스로부터 바라본 임피던스가 변화하기 때문이다. 따라서 Vpp의 변화도 플라즈마 밀도의 변화와 상관이 있다. 플라즈마 밀도의 변화를 랭뮤어 프로브 등으로 직접 관찰하는 방법도 있다. 랭뮤어 프로브 등 진공 처리실(이하, 챔버로 칭함)에 설치가 필요한 경우에는 하드웨어가 복잡해진다.

또, 챔버의 내부에 설치할 필요가 있기 때문에, 플라즈마에 영향을 줄 가능성이 있다. Vpp 측정이나, 플라즈마 발광은 챔버 내에 검출 수단을 설치할 필요가 없고, 플라즈마 대한 영향은 적다. 본 실시예에서는 Vpp의 변화를, 상기 서술한 플라즈마 밀도의 안정까지의 과도 기간의 판정과 마찬가지로 1차 차분을 사용하는 방법으로 행하였다. 도 10에 나타내는 바와 같이 Vpp의 1차 차분의 피크값의 절대값에 대하여, 1차 차분값의 절대값이 90%가 된 시간을 플라즈마 밀도가 안정된 시간으로 하였다.

이 방법으로부터 플라즈마 밀도가 안정될 때까지의 시간은 2ms 이하 정도로 어림잡고, 고주파 바이어스의 온 개시로부터 2ms 이후의 플라즈마 임피던스값만을 취득하도록 하였다. 이하, 고주파 바이어스의 온 개시로부터 플라즈마 임피던스 정보를 취득하지 않는 기간을 데드 타임으로 한다. 도 11에 나타내는 바와 같이 정합기(113)의 샘플링 주기의 타이밍이 데드 타임 내가 된 경우에는, 샘플 홀딩에서 사용한 온 종료시의 값, 즉 Zf를 사용하는 것으로 하였다. 종래의 데드 타임을 사용하지 않는 방식의 경우, 도 2에 나타내는 바와 같이 고주파 바이어스의 반사값은 반사율 5%를 초과하고, 또한 반사값의 편차가 커진다는 결과가 되었지만, 본 발명의 데드 타임을 사용한 정합을 행함으로써 반사를 작고, 또한 안정적으로 고주파 바이어스를 인가할 수 있어, 반사율은 1% 이하로 할 수 있었다.

본 실시예에서는 데드 타임을 플라즈마 생성의 고주파 바이어스의 온 개시 시간을 기준으로 설정하였지만, 플라즈마의 온 시간을 기준으로 하여도 된다. 또 상기 서술한 바와 같이 플라즈마 발광을 모니터함으로써, 플라즈마의 온 및 오프의 타이밍을 측정할 수 있기 때문에, 플라즈마 발광의 온의 타이밍으로부터 데드 타임의 경과 후, 플라즈마 임피던스의 정보를 취득하는 방법이어도 된다.

이 방법은 플라즈마 생성용 고주파 전원의 온·오프와 플라즈마의 온·오프 사이에 지연 시간이 있는 경우에 유효하다. 플라즈마의 발광뿐만 아니라, 펄스 플라즈마의 온·오프에 연동하는 다른 파라미터, 예를 들면 상기 서술한 Vpp를 모니터하여, 데드 타임의 기준으로 하는 방법이어도 된다. Vpp가 안정된 타이밍으로부터, 데드 타임을 설정하는 방법이다.

통상, 펄스 플라즈마 방식에서는 플라즈마 생성의 고주파의 시간 변조 주파수(이하, 펄스 주파수로 칭함)나 듀티비를 변경 가능하게 한 하드웨어 구성이 되어 있다. 이것은, 에칭 성능을 제어하기 위하여 펄스 주파수나 듀티비의 제어가 유효하기 때문이다. 상기 서술한 고주파 바이어스의 온 개시의 타이밍을 기준으로 하여 데드 타임을 설치하는 방법의 경우, 도 12의 케이스 1∼3에 나타내는 바와 같이 듀티비나 펄스 주파수를 변화시킴으로써 샘플링 유효 시간이 다르다. 여기서 샘플링 유효 시간이란 임피던스의 측정값을 취득할 수 있는 기간이다.

또, 에칭 조건이나 플라즈마의 상태에 따라서는, 듀티비나 펄스 주파수를 변경함으로써, 플라즈마 밀도의 안정 시간이 크게 바뀌는 경우가 있다. 이 경우, 에칭 조건에 따라서는 설정된 데드 타임이 플라즈마 밀도의 안정 시간보다 짧아진다. 케이스 1에서는 정합에 문제가 없지만, 케이스 2 및 케이스 3에서는 반사가 커지는 것이나, 반사값이 안정되지 않는 등의 문제가 생긴다. 이 때문에, 에칭 조건에 의해 데드 타임 설정값을 변경해야 하고, 에칭 조건이 복수의 단계로부터 이루어지는 경우, 데드 타임의 설정이나 소프트웨어에 의한 대응이 복잡해진다.

이 과제를 해결하는 위해서는, 도 13에 나타낸 바와 같은 정합기(113)의 샘플링 유효 시간을 일정하게 하는, 고주파 바이어스의 온 기간의 종료로부터 일정한 기간만 플라즈마 임피던스의 측정값을 취득하고, 그 밖의 시간을 샘플 홀딩값을 사용하는 방법이 유효하다. 이 방법에 대하여 이하, 설명한다.

고주파 바이어스의 오프의 타이밍을 기준으로 정합기(113)의 샘플링 유효 시간을 일정해지도록 데드 타임을 설정한다. 처음에 고주파 바이어스의 펄스 주파수와 듀티비로부터 고주파 바이어스의 온 기간을 구한다. 다음으로, 고주파 바이어스의 온 기간으로부터 정합기(113)의 샘플링 유효 시간을 감한 값을 데드 타임으로 한다. 이러한 데드 타임을 구하는 방법에 의해, 정합기(113)의 샘플링 유효 시간을 고주파 바이어스의 펄스 주파수 및 듀티비 등에 의존하지 않고, 일정하게 할 수 있다. 또한, 정합기(113)의 샘플링 유효 시간은, 미리 구해진 원하는 값이다. 또, 정합기(113)의 샘플링 유효 시간 이외에는, 플라즈마 임피던스의 측정값을 취득하지 않고 정합기(113)의 샘플링 유효 시간의 마지막에 취득된 플라즈마 임피던스의 측정값을 사용하여 정합을 행하는, 이른바 상기 서술한 샘플 홀딩의 상태로 한다.

또, 플라즈마 밀도 안정 기간에 겹치도록 고주파 바이어스를 적용하는 경우가 많기 때문에, 통상, 고주파 바이어스의 오프의 타이밍 직전은, 고주파 바이어스의 온의 타이밍 직후보다 플라즈마 밀도가 안정되어 있다. 이 때문에, 정합기(113)의 샘플링 유효 시간을 고주파 바이어스의 오프의 타이밍을 기준으로 하여 설정하는 방식이 유효한 경우가 있다. 다음으로, 샘플 홀딩의 기능을 사용하지 않고 펄스 방전의 경우에 있어서의 고주파 바이어스의 반사값의 편차를 억제하는 수단에 대하여 도 14를 참조하면서 이하, 설명한다.

고주파 바이어스의 펄스 주파수가 100Hz이고 듀티비가 50%인 경우를 설명한다. 도 14에 나타내는 바와 같이 플라즈마 밀도가 안정될 때까지의 과도 기간 이후에 정합기(113)의 샘플링의 타이밍이 오도록 지연 시간을 설정한다. 또, 고주파 바이어스의 펄스 주파수를 정합기(113)의 샘플링 주파수의 정수배로 한다. 도 14의 예에서는, 정합기(113)의 샘플링의 주기를 고주파 바이어스의 펄스의 주기의 2배인 20ms로 하였다.

이와 같이 지연 시간을 설정하여 플라즈마 밀도가 안정되어 있는 기간을 정합기(113)의 샘플링 기간으로 함과 함께 고주파 바이어스의 펄스 주파수를 정합기(113)의 샘플링 주파수의 정수배로 함으로써, 샘플 홀딩 방식을 이용하지 않고, 펄스 방전의 경우에 있어서의 고주파 바이어스의 반사값의 편차를 억제할 수 있다.

또, 고주파 바이어스의 펄스의 주기나 듀티비가 바뀌는 경우에는 지연 시간을 변경함으로써 플라즈마 밀도 안정까지의 과도기에 정합기(113)의 샘플링이 행하여지지 않도록 할 수 있다. 또한, 고주파 바이어스의 펄스 주파수를 정합기(113)의 샘플링 주파수의 정수배로 하는 것은, 이 경우에 한정되지 않고, 상기 서술한 데드 타임을 설치하는 수단에 사용해도 된다.

이상, 상기 서술한 본 실시예에서 설명한 본 발명은, 정합기(113)의 제어로서 행하여진다. 또는, 상기 서술한 본 실시예에서 설명한 본 발명을 알고리즘으로 하여 정합기(113)는 가지고 있다. 또는, 제어부(120)가 상기 서술한 본 실시예에서 설명한 본 발명을 하도록 정합기(113)를 제어해도 된다.

또, 상기 서술한 본 실시예에서는 시간 제어의 파라미터로서 고주파 바이어스의 펄스 주파수와 듀티비를 이용했지만, 온 시간 및 오프 시간 등을 이용해도 된다. 또, 상기 서술한 본 실시예에서는, 플라즈마 임피던스를 매칭 회로가 정합을 행하기 위한 정보로 하였지만, 전류, 전압, 위상 등의 정합에 관한 정보이면, 동일한 효과가 얻어진다.

또한, 상기 서술한 본 실시예에서는 마이크로파 ECR 플라즈마원을 사용한 경우에 대하여 설명하였지만, 용량 결합형 프라즈마원이나 유도 결합형 프라즈마원 등의 다른 플라즈마 생성 방식에 있어서의 플라즈마 처리 장치에 있어서도 동일한 효과가 얻어진다.

101…진공 용기 102…샤워 플레이트
103…유전체창 104…처리실
105…가스 공급 장치 106…진공 배기 장치
107…도파관 109…전자파 발생용 고주파 전원
110…자장 발생용 코일 111…시료 재치용 전극
112…웨이퍼 113…정합기
114…고주파 바이어스 전원 115…고주파 필터
116…직류 전원 117…배기용 개폐 밸브
118…배기 속도 가변 밸브 120…제어부
121…펄스 발생 유닛

Claims (9)

1. 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 진공 용기 내에 배치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과, 상기 제2 고주파 전력의 반사를 억제하기 위한 정합을 행하는 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
   상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력이 시간 변조되는 경우, 상기 정합기는, 시간 변조된 플라즈마의 밀도에 기초하여 구해진 소정 시간이 경과한 후부터 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 종료 시간까지의 기간으로 하는 샘플링 유효 기간에 상기 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하고,
   상기 소정 시간은, 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 개시 시간부터 개시함과 함께 상기 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하는 것은 행해지지 않고,
   상기 샘플링 유효 기간은, 상기 제2 고주파 전력을 시간 변조하기 위한 주파수와 상기 제2 고주파 전력을 시간 변조하기 위한 듀티비와 상기 소정 시간에 기초하여 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소정 시간은, 상기 제2 고주파 전력의 피크 투 피크값인 Vpp가 안정되는데 요하는 시간에 기초하여 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 소정 시간은, 상기 플라즈마의 발광 강도가 안정되는데 요하는 시간에 기초하여 구해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 정합기는, 상기 샘플링 유효 기간 후부터 다음 회의 상기 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행해진 정합의 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 주파수는, 상기 샘플링하기 위한 주파수의 정수배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
6. 진공 용기와, 상기 진공 용기 내에 플라즈마를 생성하기 위한 제1 고주파 전력을 공급하는 제1 고주파 전원과, 상기 진공 용기 내에 배치되어 시료를 재치하는 시료대와, 상기 시료대에 제2 고주파 전력을 공급하는 제2 고주파 전원과, 상기 제2 고주파 전력의 반사를 억제하기 위한 정합을 행하는 정합기를 구비하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
   상기 제1 고주파 전력과 상기 제2 고주파 전력이 시간 변조되는 경우, 상기 정합기는, 상기 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하지 않는 기간인 소정 시간이 경과한 후부터 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 종료 시간까지의 기간으로 하는 샘플링 유효 기간에 상기 정합을 행하기 위한 정보를 샘플링하고,
   상기 샘플링 유효 기간은 미리 구해진 값으로 하고,
   상기 소정 시간은, 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 개시 시간부터 개시함과 함께 상기 제2 고주파 전력을 시간 변조하기 위한 주파수와 상기 제2 고주파 전력을 시간 변조하기 위한 듀티비에 의해 구해진 상기 시간 변조된 제2 고주파 전력의 온 시간부터 상기 샘플링 유효 기간을 뺀 시간인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 주파수는, 상기 샘플링하기 위한 주파수의 정수배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 정합기는, 상기 샘플링 유효 기간 후부터 다음 회의 상기 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행해진 정합의 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 정합기는, 상기 샘플링 유효 기간 후부터 다음 회의 상기 샘플링 유효 기간까지는, 상기 샘플링 유효 기간에 행해진 정합의 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.

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