KR20020016492A

KR20020016492A - 고속 반도체회로의 고수율 플라즈마가공을 행하는플라즈마처리장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020016492A
Application number: KR1020010010436A
Authority: KR
Inventors: 오모토유타카; 가와하라히로노부; 요시오카겐; 다카하시가즈에; 가나이사부로
Original assignee: 가나이 쓰도무; 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2000-08-25
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-03-04
Also published as: US6413876B1; TW478026B; US6649021B2; US20020023716A1; US6867144B2; US20020127858A1; KR100566148B1; US20020025686A1

Abstract

본 발명은 고속의 반도체회로를 높은 수율로 가공하는 플라즈마처리장치를 제공하는 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는 배기장치와, 원료가스 공급장치와, 피가공 시료기판(웨이퍼)의 설치 전극장치와, 웨이퍼에 대한 고주파 전력의 인가장치를 가지는 진공용기를 가지고, 진공용기내에서 원료가스를 플라즈마화하여 웨이퍼 표면을 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 웨이퍼를 설치하는 전극과 웨이퍼와의 사이에 절연막을 설치하고, 절연막은 그 일부에 도전성 재료를 가지며, 도전성 재료가 임피던스조정회로를 거쳐 전기적으로 접지, 또는 전극에 접속되어 있다.

Description

고속 반도체회로의 고수율 플라즈마가공을 행하는 플라즈마처리장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA PROCESSING HIGH-SPEED SEMICONDUCTOR CIRCUITS WITH INCREASED YIELD}

본 발명은 반도체 집적회로 등의 드라이에칭가공에 사용되는 플라즈마 에칭장치와 같은 플라즈마처리장치 및 플라즈마처리방법에 관한 것이다.

반도체 집적회로는 고기능, 고속화를 위해 점점 미세화, 복잡화되고 있다. 이와 같은 반도체 집적회로를 가공하는 플라즈마처리장치에 있어서, 종래의 기술에서는 일본국 특개평2-65131호 공보에 개시되어 있는 바와 같이 웨이퍼 바깥 둘레부에 전기전도성을 가지는 링을 설치하여 정전적 손상을 방지하고 있는 것이 알려져 있다.

상기 종래기술에서는 더욱 박막화하는 게이트산화막이나 12인치 이상의 대구경화하는 웨이퍼에서의 정전적인 손상을 방지하기에는 충분치 않고, 또 크게 다른 공정조건에 따라 변화하는 정전적인 손상을 모두 저감하는 것은 곤란하였다.

또한 종래의 반도체 집적회로의 가공에 사용되는 플라즈마처리기술에서는 공정파라미터에 의해 손상이 없고, 또한 형상 가공성이 좋다는 양립조건을 발견하여 드라이에칭처리를 행하고 있었다.

상기 종래기술에서는 높은 종횡비화하는 디바이스 및 대구경화하는 피처리 웨이퍼에 대해서는, 형상 가공성이 좋은 공정창(process window)이 작고 손상이 없는 공정창을 트레이드 오프없이 양립시키는 것은 곤란하였다.

Barnes 등의 미국특허 제5,535,507은 워크 피스와 재치 전극 사이의 정전인력에 의해 워크 피스를 지지하는 정전 척장치를 설치하고, 워크 피스의 에칭 불균일을 보상하는 기술을 개시하고 있다. 그러나 워크 피스의 "충전 손상"에 의한 불량부분을 방지하는 의도도 시사도 되어 있지 않다. 상기 종래기술로서 일본국 특개평8-316212호 공보, 특개평8-181107호 공보를 들 수 있다.

일본국 특개평 8-316212는 웨이퍼 얹어 놓는 부의 전극면을 전기적으로 절연된 복수의 영역으로 분할하고, 그 각각의 영역의 임피던스를 제어하도록 각각의 영역에 임피던스 정합용 소자를 접속하거나 또는 웨이퍼 얹어 놓는 부의 전극면에 오목부를 설치하여 전극 중앙부와 바깥 둘레부에서 웨이퍼와 전극 사이의 임피던스가다르도록 구성하고, 웨이퍼에 입사하는 이온의 에너지를 웨이퍼면내에서 균일하게 하여 플라즈마처리를 균일하게 하는 것을 개시하고 있다. 그러나 본 발명에서 의도하는 워크피스의 충전 손상 보상법에는 언급하고 있지 않다.

또 일본국 특개평8-181107호 공보는 하부전극의 주변에 세라믹 등으로 이루어지는 주변링을 웨이퍼를 주변링위에 설치하여 웨이퍼와 하부전극 사이에 공간을 두고 정전용량을 가지도록 하여 플라즈마중에 발생하는 직류전압을 사이 공간가 블로킹 콘덴서와 웨이퍼로 분산시켜 웨이퍼에 대한 충전손상의 발생을 방지하는 것을 개시하고 있다. 그러나 본 발명에서 의도하는 워크피스의 충전손상 보상법에는 언급되어 있지 않다.

본 발명의 목적은 충전(chage-up)에 의한 손상에 민감한 고속 디바이스를 대구경의 웨이퍼로 높은 수율로 가공할 수 있는 플라즈마처리장치와 플라즈마처리방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 고속의 반도체회로를 높은 수율로 가공할 수 있는 플라즈마처리장치와 그 처리방법에 사용하는 웨이퍼와 같은 피처리 기판을 얹어 놓는 전극구조체 및 회로의 조합을 제공하는 데 있다.

도 1은 게이트 산화막 두께와 게이트 내전압과의 관계를 나타내는 그래프,

도 2는 마이크로파 드라이에칭장치의 모식 단면도,

도 3은 실시예 1의 웨이퍼 설치전극의 모식 단면도,

도 4는 플라즈마에 노출되는 종래의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 5는 플라즈마에 노출되는 본 발명 적용의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 6은 저속 에칭조건에서의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 7은 실시예 2의 플라즈마 에칭장치의 모식 단면도,

도 8은 실시예 2에 있어서의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 9는 실시예 3의 고밀도 플라즈마 에칭장치의 모식 단면도,

도 10은 실시예 3에 있어서의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 11은 실시예 4의 바이어스 CVD장치의 모식 단면도,

도 12는 실시예 4에 있어서의 테스트 웨이퍼 중심부의 손상 발생상황의 모식도,

도 13은 본 발명의 실시예 5에 의한 웨이퍼를 설치하는 전극막의 모식 단면도와 전기회로의 설명도,

도 14는 본 발명의 실시예 6에 의한 웨이퍼를 설치하는 전극막의 모식 단면도와 전기회로의 설명도,

도 15는 본 발명의 실시예 7에 의한 웨이퍼를 설치하는 전극막의 모식 단면도와 전기회로의 설명도,

도 16은 종래의 웨이퍼를 설치하는 전극막의 모식 단면도와 전기회로의 설명도이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 처리웨이퍼의 뒤면에 대향하는 전극표면 전체에 걸친 절연재의 일부를 다른 부분보다 두껍게 하고, 그 절연재 내부에 따로 전극을 설치한다. 그 전극에는 바이패스된 바이어스전류를 급전하고, 그 바이어스전류량을 조정한다.

즉, 본 발명의 일 실시형태는 피처리 기판에 바이어스전력을 인가 가능하게 구성된 플라즈마처리장치로서, 피처리 기판내의 복수의 위치에 대한 바이어스전력의 급전 임피던스차를 가변할 수 있게 구성한 플라즈마처리장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 피처리 기판을 설치하는 전극과 피처리 기판 사잉 절연성의 막을 설치하고, 그 절연성의 막이 2종 이상의 두께를 가지고, 그 중 1종 이상의 절연막중에 도전성 재료를 가지고, 그 도전성 재료는 전극과 절연된 바이어스전력의 급전선이 접속되어 있는 플라즈마처리장치를 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 피처리 기판을 설치하는 전극을 가지고, 그 전극과 피처리 기판 사이에 절연성의 막을 설치하고, 그 절연성의 막이 2종 이상의 재료로 이루어지고, 그중 1종 이상의 절연막중에 도전성 재료를 가지고, 그 도전성 재료에는 전극과 절연된 바이어스전력의 급전선이 접속되어 있는 플라즈마처리장치를 제공한다.

또한 본 발명의 다른 실시형태는 상기 바이어스전력의 급전선의 임피던스를 가변으로 한, 또는 상기 바이어스전력의 급전선에 정전 흡착용 전원회로를 접속한 상기 플라즈마처리장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 배기수단과, 원료가스 공급수단과, 웨이퍼와 같은 피가공 시료 기판의 설치수단과, 피가공 시료 기판에 대한 고주파 전력의 인가수단을 가지는 진공용기와, 그 진공용기내에서 원료가스를 플라즈마화하고, 피가공 시료 기판 표면을 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서, 피가공 시료 기판을 설치하는 전극과 피가공 시료 기판과의 사이에 절연막을 설치하고, 그 절연막은 그 일부에 도전성 재료를 가지고, 이 도전성 재료가 전기적으로 접지되도록 구성한 플라즈마처리장치의 바이어스회로를 포함하는 전극 구조체가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에서는 상기 기판과, 상기 전극과의 사이에 설치한 절연막중의 도전성 재료는 임피던스가변회로를 거쳐 전기적으로 접지되어 있는 상기 플라즈마처리장치의 전극 구조체가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에서는 상기 절연막중의 도전성 재료는 임피던스 가변장치를 거쳐 피가공 시료 기판을 설치하는 전극과 전기적으로 접속되어 있는 상기 플라즈마처리장치가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 의하면, 상기 임피던스 가변장치의 설정치를 웨이퍼 기판에 발생하는 절연 파괴패턴에 따라 조절함으로써 상기 기판을 플라즈마처리하는 플라즈마처리방법이 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 웨이퍼에 플라즈마중의 이온을 인입하면서 처리를 행하는 플라즈마처리장치에 있어서, 상기 웨이퍼가 배치되는 시료대의 웨이퍼 배치면을 전기적으로 분리하고, 이 분리된 면에 접속하여 상기 분리된 면으로의 바이어스전력의 공급에 의한 상기 웨이퍼면상의 각 점에서 상기 웨이퍼 및 상기 플라즈마를 지나 어스로 흐르는 회로의 임피던스를 동일하게 조정 가능한 조절수단을 설치한 플라즈마처리장치가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 접지된 진공용기에 대하여 전기적으로 절연된 시료대 전극을 설치하고, 상기 시료대 전극을 모재가 되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극상에 설치되어 전극중앙부와 비교하여 전극 바깥 둘레부에서 막 두께를 두껍게 한 절연막과, 상기 절연막의 바깥 둘레부의 중앙에 설치되어 상기 절연막의 중앙부의 막 두께와 동일한 두께의 위치에 배치된 제 2 전극으로 구성하고, 상기 제 1 전극에 고주파 전원을 접속하고, 임피던스 조정기를 거쳐 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 접속된 플라즈마처리장치가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 상기 절연막은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 전극 사이에 설치되는 제 1 절연막과 시료 배치면측의 제 2 절연막으로 이루어지는 플라즈마처리장치가 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 웨이퍼에 플라즈마중의 이온을 인입하면서 처리를 행하는 플라즈마처리방법에 있어서, 상기 플라즈마처리시에 상기 웨이퍼가 배치되는 시료대의 웨이퍼 배치면내의 복수의 위치에서, 상기 웨이퍼에 인가되는 바이어스전압에 의한 웨이퍼면내의 플라즈마를 거친 바이어스전압의 차를 상기 웨이퍼에 형성되는 트랜지스터의 내압 이하로 저감하도록 각 위치의 임피던스를 바꾸어 상기 시료를 플라즈마처리하는 플라즈마처리방법이 제공된다.

본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 기판의 플라즈마처리방법에 있어서 (웨이퍼면내의 각 점의 인가셀프 바이어스전압 Vdc) - (웨이퍼면내의 인가셀프 바이어스전압 Vdc 평균치)의 값이 마이너스가 되도록 하고, 이 마이너스값의 절대치가 큰 개소의 임피던스를 크게 하도록 조정하는 플라즈마처리방법이 제공된다.

본 발명의 실시예를 설명하기 전에 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 도면을 이용하여 종래의 기술을 상세하게 설명한다.

고속 디바이스는 게이트 산화막이 매우 얇기 때문에 이에 따라 도 1에 나타내는 바와 같이 게이트 내전압이 낮아져 있고, 하전입자를 사용하여 플라즈마처리를 행하는 드라이에칭 등에서는 하전입자의 정밀한 균형을 취하면서 처리를 진행하여 행하지 않으면 게이트 산화막 사이에 생긴 전위차로 정전적인 손상이 발생한다.

이는 웨이퍼모재(실리콘)의 전위가 웨이퍼상의 플라즈마로부터 유입하는 전하량의 평균치에 지배되는 데 대하여, 게이트 산화막상의 전위는 그 값 위의 국부적인 플라즈마로부터의 전하의 유입량에 지배되므로, 웨이퍼 전면에 걸쳐 전하 유입량의 약간의 차이가, 게이트 산화막 위와 게이트 산화막 밑(즉 모재 실리콘)의 전위차가 되어 나타나기 때문이다. 이 현상은 충전에 의한 손상이라 부르고 있다.

이에 대하여 종래는 웨이퍼 바깥 둘레부에 도전성의 링을 사용하여 충전에 의한 손상을 방지하는 방법이 취해져 있었다.

그러나 이 방법은 바깥 둘레부의 플라즈마밀도를 국소적으로 바꾸는 방법이므로 현재의 12인치 이상의 대구경 웨이퍼를 처리하기에는 제어범위가 좁고, 특히 점점 박막화하는 게이트산화막에 대해서는 손상을 충분히 제어할 수 없다.

본 발명자들은 게이트 산화막의 박막화 및 처리웨이퍼의 대구경화에도 대응가능하여 제어범위가 크고 또한 제어성능이 높은 방법을 발견하고 본 발명에 이르렀다. 이하 실시예에 의거하여 본 발명을 설명한다.

실시예 1

도 2는 본 실시예의 마이크로파 드라이에칭장치(플라즈마처리장치)의 모식 단면도이다.

기밀하게 설치되어 진공처리실(1)내에 마이크로파를 도입하는 석영창(2)과, 이 석영창(2)에 대향하여 반도체 집적회로를 가지는 웨이퍼(9)를 설치하는 전극(3)이 배치되고, 그리고 전극(3)에 바이어스전압을 생기게 하기 위한 고주파 전원(4)과 직류전원(5)이 설치되고, 석영창(2)에 마이크로파를 유도하기 위한 도파관(6)이 연결되고, 진공처리실(1)내에 자장을 형성하는 솔레노이드 코일(7)이 설치되어 있다.

가스 도입구(8)는 에칭 레시피에 의거하여 혼합가스를 진공처리실(1)에 도입하는 것이다.

도 2에 나타내는 에칭장치에 있어서, 종래의 전극을 사용한 경우는 웨이퍼 바깥 둘레부는 어스전극에 가깝고, 한편 웨이퍼 중심부는 어스전극으로부터 멀기 때문에, 웨이퍼 바깥 둘레부의 쪽이 바이어스전류가 흐르기 쉬운 구조로 되어 있다. 즉 임피던스가 낮다.

이 때문에 웨이퍼 바깥 둘레부에서는 바이어스에 의한 하전입자의 인입량이 많고, 특히 전자전류가 많이 인입되기 때문에 웨이퍼 모재의 전위는 음(負)방향으로 시프트하고, 웨이퍼 중앙부의 게이트 산화막에 양의 전위차를 생기게 하여 손상발생의 원인으로 되어 있었다. 또 이 전위차는 플라즈마의 상태 및 자장조건에 의해서도 크게 다르다.

이 손상을 억제하기 위해서는 상기 바이어스전류의 흐르기 쉬움에 대한 불균일을 상쇄시킬 필요가 있고, 게다가 다양한 공정조건에 대응시키기 위해서는 그 상쇄량을 조정할 수 있는 수단이 필요하다.

따라서 본 발명에 있어서는 도 3에 나타내는 구조의 웨이퍼 설치전극을 상기 도 2의 장치에 조립하여 실험을 행하였다.

도 3에 나타내는 웨이퍼 설치전극은 모재가 알루미늄이고, 그 표면에 알루미나막이 용사(溶射)에 의해 코팅되어 있다. 이 알루미나막의 코팅 두께는 전극 지름의 2/3로부터 가장 바깥 둘레까지의 링형상 부분이 안 둘레부와 비교하여 약 3배로 두껍게 되어 있다.

또 이 링형상 부분의 표면으로부터 약 1/3 의 깊이 위치에 텅스텐재료로 구성한 전극(11)이 매립되어 있고, 웨이퍼 설치전극의 모재와 절연된 급전선(12)이 접속되어 있다.

이 급전선(12)은 가변용량 콘덴서(13)와 그것에 병렬로 접속된 필터코일(14)을 거쳐 전극모재와 함께 바이어스 고주파 전원(17)에 의한 바이어스 전원회로에 접속되어 있다.

가변용량 콘덴서(13)는 단락 또는 개방으로 할 수 있고, 또한 무한대로부터 0까지의 범위에서 용량을 변화시킬 수 있다. 또한 가변용량 콘덴서(13)와 병렬로 접속된 필터 코일(14)은 직류전류를 통하게 하도록 하기 위한 것으로, 웨이퍼를 정전흡착시켜 처리하는 경우에는 전극의 바깥 둘레측 알루미나 표면에 대하여 텅스텐의 전극(11)을 거쳐 직류전원(15)으로부터 직류전하를 공급함으로써, 종래의 전극과 마찬가지로 웨이퍼를 정전흡착시킬 수 있다. 또한 부호 16은 직류(110) 필터를 나타낸다.

종래 전극의 경우, 웨이퍼면내의 각 위치에 대하여 바이어스전류는 균일하게공급되어 있다. 그 때문에 상기 웨이퍼면내의 각 위치로부터 어스까지의 임피던스의 차로 충전상승하여 손상이 발생하고 있었다.

이에 대하여 본 발명의 전극을 사용한 경우는 웨이퍼의 바깥 둘레부에 대한 바이어스전원으로부터 본 임피던스를 웨이퍼 중심부의 그것과 비교하여 소정의 범위에서 크게 설정할 수 있다. 이에 의하여 바이어스전류의 일부가 웨이퍼 중심부로부터 웨이퍼의 벌크 저항 가운데를 통하여 웨이퍼 바깥 둘레부에 공급되게 되어 분기전류량을 가변용량 콘덴서(13)의 값을 조정함으로써, 웨이퍼로부터 어스까지의 임피던스와 상쇄시킬 수 있다.

손상을 테스트하는 웨이퍼를 고속에칭할 수 있는 공정조건의 플라즈마에 노출하는 테스트를 행하였다. 이때 종래 전극에서는 도 4에 나타내는 바와 같이 테스트 웨이퍼 중심부에 충전에 의한 손상이 발생하였다.

이것을 본 발명에 의한 전극을 사용하여 가변용량 콘덴서(13)의 값을 500pF라 하고, 마찬가지로 테스트 웨이퍼에 의한 실험을 행하면 도 5에 나타내는 바와 같이 손상 발생율을 0%로 저감할 수 있었다.

그러나 가변 콘덴서의 용량을 500pF로 하고, 저속 에칭조건으로 손상 테스트 웨이퍼로 실험을 행하면, 도 6에 나타내는 바와 같이 다시 중심부에 손상이 발생하게 되었다.

이는 웨이퍼로부터 플라즈마를 거쳐 어스까지의 임피던스차와 비교하여 바이어스전류로부터 웨이퍼까지의 임피던스차가 너무 커짐에 의한 것이다. 이 경우는 가변 콘덴서(13)의 용량을 2000pF로 하면, 임피던스차가 상쇄되어 손상 발생율은0%로 할 수 있었다.

본 실시예에 있어서는 바깥 둘레부의 알루미나막의 두께를 바꾸었으나, 바깥 둘레부의 절연막을 알루미나보다도 유전율이 낮은 수지 등의 재료로 바꾼 경우에도 상기와 동일한 효과가 얻어졌다.

또 본 실시예에서는 전극 바깥 둘레부에 설치한 전극(11)에 의하여 임피던스의 조정을 행하였으나, 웨이퍼 설치 전극에서 임피던스조정을 행하도록 하여도 좋다. 이 경우는 전극(11) 상부의 절연막 두께를 전극 중앙부의 절연막의 두께보다 두껍게 하고, 다시 전극(11) 하부의 절연막 두께를 상부 절연막 두께보다 두껍게 하여, 전극(11)을 고주파 전원(17)에 접속하고, 웨이퍼 설치전극에 가변용량 콘덴서(13)와 필터 코일(14)로 이루어지는 임피던스조정기를 거쳐 고주파 전원(17)에 접속하여 구성한다. 이와 같이 구성된 회로에서는 웨이퍼 주위에 대응하는 전극 (11)부의 임피던스를 미리 크게 하여 두고, 웨이퍼 중앙부에 대응하는 임피던스를 조정하여 웨이퍼면내의 임피던스를 적절하게 조정할 수 있다.

실시예 2

도 7에 나타내는 3개의 전극을 가지는 플라즈마 에칭장치(플라즈마처리장치)에 대하여 설명한다. 여기서 21은 상부 전극으로, 플라즈마발생용 전원(22)에 접속되어 있고, 고주파 전력을 인가함으로써 상부 전극(21)과 하부 전극(23) 사이에 플라즈마를 발생한다. 발생한 플라즈마는 챔버 측벽에 설치된 어스(25)에 의해 중심전위를 어스전위로 유지하고 있다.

하부전극(23)에 접속된 바이어스전원(24)은 웨이퍼(16)에 대하여 고주파 전압을 발생시켜 플라즈마중의 이온을 가속하고, 웨이퍼(26)에 대하여 처리를 행하고 있다.

가공형상이 웨이퍼면내에서 균일해지도록 공정조건을 내어 행한 바, 플라즈마의 밀도분포는 반드시 균일하지 않고 웨이퍼 중심부상의 공간에서 다른것 보다 밀도가 낮은 분포로 되어 있었다. 이 때 게이트산화막의 특성을 측정한 바, 도 8에 나타내는 바와 같이 손상에 의한 불량이 발생하고 있었다.

따라서 실시예 1과 마찬가지로 도 3의 구조의 전극을 사용하여 가변콘덴서 (13)의 용량을 조정하여 동일한 공정조건하에서 에칭을 행한 바, 불량율을 0%로 억제할 수 있었다.

실시예 3

다음에 도 9는 고밀도 플라즈마 에칭장치, 즉 플라즈마처리장치를 사용하여 웨이퍼의 에칭을 행한 예를 나타낸다.

31은 도입창이고 그 위에는 코일(33)이 설치되어 있으며, 코일(33)에 고주파 전원(32)으로부터 전력을 공급함으로써, 도입창(31)과 웨이퍼 설치전극(34) 사이에 플라즈마를 발생시켰다.

웨이퍼 설치 전극(34)에 접속된 웨이퍼(37)에 바이어스전원(35)에 의하여 전압을 인가함으로써, 실시예 2와 마찬가지로 플라즈마로부터 이온을 가속하여 웨이퍼(37)에 조사함으로써 에칭가공을 행한다. 또한 어스(36)는 플라즈마전위를 고정하여 바이어스를 인가할 수 있게 한 것이다.

여기서 종래의 전극을 사용하여 이 에칭장치로 소망의 가공형상이 얻어지도록 공정조건을 조정하여 에칭을 행한 다음에 게이트 산화막의 특성을 측정한 바, 도 10에 나타내는 바와 같이 불량발생을 볼 수 있었다.

이는 웨이퍼의 각 점으로부터 어스까지의 거리가 다름으로써 생기는 임피던스차가 영향을 미친다고 생각된다. 따라서 실시예 2와 동일하게 도 3의 구조의 전극을 사용하여 가변 콘덴서의 용량을 조정하여 동일한 공정조건하에서 에칭을 행한 바, 불량율을 0%로 억제할 수 있었다.

실시예 4

도 11은 바이어스 CVD장치로서의 플라즈마처리장치의 모식 단면도이다. 본 실시예는 이것을 사용하여 행하였다.

바이어스 CVD장치는 석영챔버(42)상에 설치된 코일(41)에 고주파 전원(43)으로부터 전력을 공급하고, 성막가스 분위기하에서 플라즈마를 발생시켜 웨이퍼(47)가 설치된 전극(45)에 바이어스전원(46)으로부터 전압을 공급함으로써 플라즈마중의 이온을 가속하여 막의 피복성을 높이면서 웨이퍼(47)상에 형성된 배선상에 절연막을 부착하여 행하는 것이다. 어스(44)로 플라즈마전위를 고정하고, 바이어스를 인가할 수 있게 한 것이다.

성막개시시에는 배선이 직접 플라즈마에 노출되어 있기 때문에 이 배선에 접속되어 있는 게이트 산화막은 충전손상을 받을 가능성을 가진다.

종래의 전극을 사용하여 균질하게 또한 피복성 좋게 성막을 행할 수 있도록 공정조건을 조정하여 성막을 행한 후, 게이트 산화막의 전기특성을 측정한 바, 도 12에 나타내는 바와 같이 웨이퍼내에서 불량이 발생하였다.

따라서 실시예 3과 마찬가지로 도 3의 구조의 전극을 사용하여 가변 콘덴서의 용량을 조정하여 동일한 공정조건하에서 에칭을 행한 바, 불량율을 0%로 억제할 수 있었다.

본 발명들의 검토에 의하면 충전손상은 특히 웨이퍼 바이어스를 인가한 경우, 웨이퍼면내 위치로부터 어스까지의 임피던스차로 인가바이어스전압에 약간의 차를 생기게 하여 하전입자의 인입량이 다름으로 인해 일어나는 일이 많다.

이에 대하여 종래는 공정조건으로서 정전적인 손상이 발생하지 않는 조건을 찾아 내어 행하고 있었으나, 최근의 웨이퍼의 대구경화, 게이트 산화막의 박막화에 의하여 임피더스차를 더욱 작게 할 필요가 생기고, 게다가 미세가공성능에 대한 요구로부터 공정창이 점점 좁아지고, 예를 들면 에칭 속도 등의 성능과의 트레이드 오프없이는 성립하지 않게 되었다.

이 때문에 임피던스차를 전극으로 보상하고, 또한 그 보상량을 가변함으로써 막종류나 가공형상에 따라 가장 적합한 공정조건을 변경하는 일 없이 충전손상을 억제하는 것을 검토하였다.

도 16은 종래의 장치에 사용되고 있던 정전 흡착기능을 가지는 전극막의 모식 단면도와 고주파 바이어스, 정전 흡착용 직류전원의 접속방법을 나타낸 것이다.

도 16에 있어서, 81은 절연막, 82는 전극재, 83은 바이어스 고주파 전극, 84는 직류 패스필터, 85는 직류 전극을 나타낸다.

종래의 전극에서는 웨이퍼에 대한 바이어스 고주파 전원의 임피던스가 면내에서 균일하기 때문에, 플라즈마중에 발생한 웨이퍼면내의 임피던스차가 그대로 전체로서의 임피던스차가 되어 충전손상이 발생하고 있었다.

이에 대응하는 해결법을 실시예 5 내지 7에 의해 나타낸다.

실시예 5

도 13은 본 실시예의 전극의 모식 단면도와 전기접속의 일례를 나타낸다.

전극은 전극모재(54)상에 제 1층 절연막(알루미나)(51)을 300㎛형성하고, 다음에 전극의 중심부 및 바깥 둘레부 2개소로 나누어 텅스텐으로 이루어지는 중간전극(52)을 30㎛형성한 후, 다시 300㎛의 제 2층 절연막(알루미나)(503)을 형성하고 있다.

중심부 및 바깥 둘레부의 중간전극(52)에 대해서는 각각 바이어스 고주파 전원(57) 및 정전흡착용 직류전원(59)이 직류 패스필터(58)를 거쳐 접속되고, 다시 바깥 둘레의 중간전극(52)에는 급전선(55)을 거쳐 접지된 보상량 조정회로(56)가 접속되어 있다. 보상량 조정회로(56)는 기본적으로 콘덴서와 가변 코일(인덕터)을 둘러싼 병렬 공진회로에 의해 구성할 수 있다.

바깥 둘레부의 중간전극(52)을 접지함으로써 바이어스 고주파 전류의 일부는 중간전극(52)에 흐르지 않고 어스에 흐르기 때문에 웨이퍼에 흐르는 바이어스전류가 줄어든다.

이는 실효적으로는 웨이퍼 바깥 둘레부에 대한 임피던스를 중심과 비교하여 높게 한 것에 상당하고, 플라즈마중에 발생한 임피던스차를 보상할 수 있다(임피던스 가변장치에 상당).

높은 종횡비의 산화막구멍가공에 있어서, 가공형상이 최적화된 공정조건으로통상전극을 사용한 경우는 웨이퍼상의 모든 칩중 23%에 내전압 불량을 볼 수 있었던 것에 대하여, 본 제 1 실시형태의 전극을 적용하여 바깥 둘레부 중간전극에 접속된 보상량 조정회로의 값을 조정함으로써 공정조건 및 가공결과에 아무런 영향을 미치는 일 없이 내전압 불량을 0%로 억제할 수 있었다.

다음에, 통상전극에서는 15%의 내전압 불량이 발생한 SAC(Self Aligned Contact)구멍가공공정에 대해서는, 조정회로를 높은 종횡비 구멍가공의 경우에 대하여 어스에 흐르는 전류를 줄이는 정수치로 설정함으로써 내전압 불량을 0%로 할 수 있었다.

또한 웨이퍼의 정전흡착에 필요한 직류전류는 고주파 필터회로를 통하여 중심부 및 바깥 둘레부의 중간전극을 통하여 균등하게 웨이퍼에 공급되므로, 종래의 전극과 동일한 흡착성능을 얻을 수 있다.

또 웨이퍼에 들어온 열은 표면의 제 1층 절연막(51), 중간전극(52), 하중의 제 2층 절연막(53)을 통하여 전극으로 흘러가나, 열저항에 대하여 지배적인 절연막은 그 두께가 웨이퍼면 방향에서 균일하므로 열저항도 균일하고, 따라서 웨이퍼면내의 온도도 균일하다.

실시예 6

도 4에는 본 실시예의 전극의 모식 단면도 및 전기접속을 나타낸다.

전극은 상기 실시예 5와 동일하게 전극모재(64)상에 제 1층 절연막(알루미나)(61)을 300㎛형성하고, 다음에 전극의 중심부 및 바깥 둘레부 2개소로 나누어 텅스텐의 중간전극(62)을 30㎛형성한 후, 다시 300㎛의 절연막(알루미나)을 형성하고 있다.

중심부의 중간전극(62)에 대해서는 바이어스 고주파 전원(67) 및 정전흡착용 직류전원(69)이 접속되고, 바깥 둘레의 중간전극에는 보상량 조정회로(66)를 거쳐 바이어스 고주파 전원(67) 및 정전흡착용 직류전원(69)이 접속되어 있다. 상기 도면에 있어서 63은 제 2층 절연막, 64는 전극모재, 65는 급전선, 68은 직류 패스필터를 나타낸다.

이 보상량 조정회로(66)는 중간전극(62)에 대하여 인덕턴스(코일)성분을 주어, 바깥 둘레부 중간전극의 제 1층 절연막(61)에 의한 커패시턴스(콘덴서)성분과 병렬 공진회로를 구성하고, 바깥 둘레부 중간전극에 공급되는 고주파 바이어스전류의 일부를 가둠으로써 웨이퍼로의 전류를 줄이고, 실효적으로 임피던스를 높게 한다. 이에 의하여 실시예 5와 동일하게 플라즈마중에 발생한 임피던스차를 보상할 수 있다.

실시예 5와 동일한 높은 종횡비의 산화막 구멍가공 및 SAC 구멍가공조건으로 실시예 6의 전극을 적용하고, 바깥 둘레부 중간전극에 접속된 조정회로의 값을 각각에 대하여 조정함으로써 공정조건 및 가공결과, 그외 어떠한 영향을 주는 일 없이 내전압 불량을 0%로 억제할 수 있었다.

또 본 전극의 막구조에 있어서도 실시예 5의 전극과 마찬가지로 정전흡착성능 및 웨이퍼온도의 면내 균일성은 통상 전극에 대해서도 동일하다.

실시예 7

다음에 도 15는 본 실시예 7의 전극의 모식 단면도 및 전기접속을 나타낸다.

전극은 실시예 5 및 실시예 6과 동일한 구조이나, 중간전극(72)은 중심부에만 형성하고, 그 중간전극(72)에 대하여 보상량 조정회로(76)를 거쳐 바이어스 고주파 전원(77) 및 정전흡착용 직류전원(79)이 접속되어 있다. 보상량 조정회로(76)는 기본적으로 가변용량 콘덴서를 사용함으로써 구성할 수 있다. 도 15에 있어서 71은 제 1층 절연막, 73은 제 2층 절연막, 74는 전극모재, 75는 급전선, 76은 보상량 조정회로, 78은 직류 패스필터를 나타낸다.

이 중심부의 중간전극(72)은 제 1층을 통과하여 온 고주파 바이어스전류에 덧붙여 바이패스하여 온 전류를 가산하는 작용을 한다. 이에 의하여 중간전극이 없고, 전류가 가산되지 않는 바깥 둘레부에 대하여 중심부의 임피던스를 실효적으로 낮게 할 수 있다. 이에 의하여 실시예 5와 실시예 6은 동일하게 플라즈마중에 발생한 임피던스차를 보상할 수 있다.

실시예 5와 동일한 높은 종횡비의 산화막 구멍가공 및 SAC 구멍가공조건으로 본 실시예 7의 전극을 적용하고, 바깥 둘레부 중간전극에 접속된 조정회로의 값을 각각에 대하여 조정함으로써, 공정조건 및 가공결과, 그외 어떠한 영향을 미치는 일 없이 내전압 불량을 0%로 억제할 수 있었다.

또 본 전극의 막 구조에 있어서도 실시예 5의 전극과 마찬가지로 정전흡착성능 및 웨이퍼온도의 면내 균일성은 통상 전극에 대하여 동일하다.

본 발명에 의하면 충전에 의한 손상에 민감한 고속 디바이스를 대구경의 웨이퍼로 높은 수율로 가공할 수 있다.

Claims

피처리 기판에 바이어스전력을 인가 가능하게 구성한 플라즈마처리장치로서, 피처리 기판내의 복수의 위치에 대한 바이어스전력의 급전 임피던스차를 가변할 수 있게 구성한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
피처리 기판을 설치하는 전극과 피처리 기판 사이에 절연성막을 설치하고, 그 절연성막이 2종 이상의 두께를 가지고, 그 중 1종 이상의 절연막중에 도전성 재료를 가지고, 그 도전성 재료는 전극과 절연된 바이어스전력의 급전선이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 2항에 있어서,

상기 바이어스전력의 급전선의 임피더스를 가변으로 하는 회로수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
피처리 기판을 설치하는 전극을 가지고, 그 전극과 피처리 기판 사이에 절연성막을 설치하고, 그 절연성막이 2종 이상의 재료로 이루어지고, 그중 1종 이상의 절연막중에 도전성 재료를 가지고, 그 도전성 재료에는 전극과 절연된 바이어스전력의 급전선이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 4항에 있어서,

상기 바이어스전력의 급전선의 임피던스를 가변으로 하는 회로수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 5항에 있어서,

상기 바이어스전력의 급전선에 접속된 정전 흡착용 전원회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
배기수단과, 원료가스 공급수단과, 피가공 시료 기판의 설치수단과, 피가공 시료 기판에 대한 고주파 전력의 인가수단을 가지는 진공용기와, 그 진공용기내에서 원료가스를 플라즈마화하여 피가공 시료 기판 표면을 플라즈마처리하는 플라즈마처리장치에 있어서,

피가공 시료 기판을 설치하는 전극과 피가공 시료 기판과의 사이에 설치된 절연막(51, 53)과, 이 절연막의 일부에 설치된 도전성 재료(52)와, 이 도전성 재료를 조정 가능하게 전기적으로 접지하는 회로수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 7항에 있어서,

상기 조정 가능한 접지회로수단은, 임피던스 가변장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 8항에 있어서,

상기 절연막중의 도전성 재료는 임피던스 가변장치를 거쳐 피가공 시료 기판을 설치하는 전극과 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
배기수단과, 원료가스 공급수단과, 피가공 시료 기판 설치수단과, 피가공 시료기판에 대한 고주파 전력인가수단을 가지는 진공용기와, 이 진공용기내에서 원료가스를 플라즈마화하고, 피가공 시료기판 표면의 처리를 행하는 플라즈마처리방법에 있어서,

피가공 시료 기판을 설치하는 전극과 피가공 시료 기판과의 사이에 절연막을 설치하고, 이 절연막은 그 일부에 도전성 재료를 설치하는 것과, 이 도전성 재료를 임피던스 가변장치를 거쳐 전기적으로 접지하는 것과, 이 임피던스 가변장치의 설정치를 피가공 시료 기판에 발생하는 절연파괴 패턴에 따라 조절하여 플라즈마처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
처리실과, 이 처리실에 고주파를 인가하는 수단과, 처리용 가스공급수단과, 처리실내에 놓여지고 워크 피스를 얹어 놓는 전극을 가지는 플라즈마처리장치에 사용하는 상기 전극을 포함하는 전극 서브시스템으로서,

상기 전극과 상기 워크 피치 사이에 설치한 절연층과, 이 절연층의 미리 선택된 부분에 설치한 도전성 재료와, 이 도전성 재료를 접지하기 위한 임피던스 가변회로 및 상기 전극과 상기 도전성 재료에 바이어스전력과 정전흡착전력을 공급하기 위한 각 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극서브시스템.
웨이퍼에 플라즈마중의 이온을 인입하면서 처리를 행하는 플라즈마처리장치에 있어서,

상기 웨이퍼가 배치되는 시료대의 웨이퍼 배치면을 전기적으로 분리하고, 이 분리된 면에 접속하여 상기 분리된 면으로의 바이어스전력의 공급에 의한 상기 웨이퍼면상의 각 점에서 상기 웨이퍼 및 상기 플라즈마를 지나 어스로 흐르는 회로의 임피던스를 동일하게 조정 가능한 조절수단을 설치한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
접지된 진공용기에 대하여 전기적으로 절연된 시료대 전극을 설치하고, 상기 시료대 전극을 모재가 되는 제 1 전극과, 상기 제 1 전극상에 설치되어 전극중앙부와 비교하여 전극 바깥 둘레부에서 막 두께를 두껍게 한 절연막과, 상기 절연막의 바깥 둘레부의 중앙에 설치되어 상기 절연막의 중앙부의 막 두께와 동일한 두께의 위치에 배치된 제 2 전극으로 구성하고, 상기 제 1 전극에 고주파 전원을 접속하고, 임피던스 조정기를 거쳐 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극을 전기적으로 접속한 것을 특징으로 하는 플라즈마처리장치.
제 13항에 있어서,

상기 절연막은 상기 제 2 전극과 상기 제 1 전극 사이에 설치되는 제 1 절연막과 시료 배치면측의 제 2 절연막으로 이루어지는 플라즈마 처리장치.
웨이퍼에 플라즈마중의 이온을 인입하면서 처리를 행하는 플라즈마처리방법에 있어서,

상기 플라즈마처리시에 상기 웨이퍼가 배치되는 시료대의 웨이퍼 배치면내의 복수의 위치에서, 상기 웨이퍼에 인가되는 바이어스전압에 의한 웨이퍼면내의 플라즈마를 거친 바이어스전압의 차를 상기 웨이퍼에 형성되는 트랜지스터의 내압 이하로 저감하도록 각 위치의 임피던스를 바꾸어 상기 시료를 플라즈마처리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.
기판의 플라즈마처리방법에 있어서,

(웨이퍼면내의 각 점의 인가셀프 바이어스전압 Vdc) - (웨이퍼면내의 인가셀프 바이어스전압 Vdc 평균치)의 값이 마이너스가 되도록 하고, 이 마이너스값의 절대치가 큰 개소의 임피던스를 크게 하도록 조정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마처리방법.