JP4388020B2 - 半導体プラズマ処理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、より詳細には誘導結合プラズマ源の短所であるラジカル側面集中現象を補完してエッチング均一度を向上させることができる半導体プラズマ処理装置及び方法に関する。

最近の半導体素子の高集積化、半導体ウェーハの大口径化、液晶ディスプレーの大面積化などによってエッチング処理や成膜処理を行う処理装置の需要が徐々に増加している。プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置のようなプラズマ処理装置においても、その状況は同様である。すなわち、生産量（Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を向上させるためにプラズマの高度化、被処理物（半導体ウェーハ、グラス基板）の大面積化に対する対応及びクリーン化などの実現が重要課題となっている。

このようなプラズマ処理装置に使用されるプラズマ源として、高周波容量結合型プラズマ源、マイクロ波ＥＣＲプラズマ源、高周波誘導結合型プラズマ源などがある。これら各々はその特徴を生かして様々な処理プロセスごとに区分して使用されている。

これらプラズマ源のうちで高周波誘導結合型プラズマ源を具備したプラズマ処理装置は、単純なアンテナと高周波電源という簡単で安価な構成によって数ｍＴｏｒｒの低圧下で比較的高密度のプラズマを発生させることができ、被処理物に対して平面的にコイルを配置することによって、面積が大きいプラズマを容易に発生させることができ、処理チャンバ内部が簡単なので、処理中に被処理物上に飛んで来る異物発生を減らすことができるという長所があって最近広く普及されている。

しかし、既存の高密度プラズマ源である誘導結合プラズマ源は単一プラズマ源で構成されている。すなわち、高周波（以下ＲＦ）電源装置に連結されたＲＦアンテナがプロセスチャンバの外部に設けられた単一型のものであり、前記ＲＦアンテナに電力を供給すると、プロセスチャンバ内部のガスがＲＦアンテナに沿って形成された電磁気場の影響を受けてプラズマを形成する。この時、側面から発生した電磁気場が中心部で重畳されて中心部のプラズマのイオン密度が側面より高くなり、ラジカル分布はこれと反対の分布を有するようになる。結局、エッチング反応はラジカルの化学反応とイオンの物理力によって促進され、ラジカル分布がばらつけば、化学反応もばらついてエッチングの均一度を低下させ、ラジカルが十分ではない場合、エッチング率も減少する。

ここに本発明は上述した従来技術上の問題点を解決するために案出されたものであり、本発明の目的は、ラジカル分布を均一にしてエッチング均一度を向上させることができる半導体プラズマ処理装置及び方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、プロセスチャンバに供給される直前に非活性のプロセスガスを活性化して生成された多量のラジカルとイオンとをプロセスチャンバに供給してエッチング率を向上させることができる半導体プラズマ処理処置及び方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために本発明によるプラズマ処理装置は、プロセスガスが供給されてプロセスガスを活性化して多量のラジカルとイオンとを生成するリモートプラズマ発生部と、前記活性化されたプロセスガスが流入される流入ポートを有するプロセスチャンバと、前記プロセスチャンバ内に位置するウェーハが安着されるサセプタと、前記プロセスチャンバに設けられて前記活性化された工程ガスに高周波エネルギーを提供する誘導結合プラズマ発生部とを含む。

前記本発明の一実施形態において、前記誘導結合プラズマ発生部は前記プロセスチャンバの上部外壁を囲むコイルアンテナと、前記コイルアンテナにＲＦ電力を印加するためのＲＦ電源部とを含む。

前記本発明の一実施形態において、前記半導体プラズマ処理処置は前記プロセスチャンバの最上部に配置され、不活性ガスが供給される少なくとも一つのガス流入ポートを有し、前記不活性ガスが前記プロセスチャンバに均一に分配されるようにするガス分配プレートとをさらに含む。

前記本発明の一実施形態において、前記ガス分配プレートは前記リモートプラズマ発生部から提供される前記活性化されたプロセスガスが前記プロセスチャンバにすぐに供給されるようにする通路をさらに含む。

上述の目的を達成するために本発明による半導体プラズマ処理装置は、ウェーハが安着されるサセプタが内部に設けられるプロセスチャンバと、工程ガスが前記プロセスチャンバに供給される前に前記プロセスガスにプラズマを印加する１次プラズマ発生部と、前記１次プラズマ発生部を経て前記プロセスチャンバに提供される前記プロセスガスにプラズマを印加する２次プラズマ発生部とを含む。

前記本発明の一実施形態において、前記１次プラズマ発生部は前記プロセスガスを活性化してラジカルを生成するリモートプラズマ源である。

前記本発明の一実施形態において、前記２次プラズマ発生部は前記プロセスチャンバの上部外壁を囲むコイルアンテナと、前記コイルアンテナにＲＦ電力を印加するためのＲＦ電源部を含む誘導結合プラズマ源である。

前記本発明の一実施形態において、前記半導体プラズマ処理処置は前記プロセスチャンバの最上部に位置し、かつ前記プロセスガスが前記プロセスチャンバに均一に分配されるようにするガス分配プレートをさらに含む。

前記本発明の一実施形態において、前記半導体プラズマ処理処置は前記プロセスチャンバの最上部に配置され、不活性ガスが供給される少なくとも一つのガス流入ポートを有し、前記不活性ガスが前記プロセスチャンバに均一に分配されるようにするガス分配プレートをさらに含む。

前記本発明の一実施形態において、前記ガス分配プレートは前記第１プラズマ発生部から提供される前記プロセスガスが前記プロセスチャンバにすぐに供給されるようにする通路をさらに含む。

上述の目的を達成するために本発明による半導体プラズマ処理装置方法は、活性化されないプロセスガスがリモートプラズマ源に供給される段階と、前記リモートプラズマ源内で励起されて生成されたラジカルとイオンがプロセスチャンバ内に供給される段階と、活性化されない不活性ガスがプロセスチャンバ内に供給される段階と、前記プロセスチャンバ内に供給されるラジカルとイオン、そして前記不活性ガスが誘導結合プラズマ源によって活性化される段階とを含む。

前記本発明の一実施形態において、前記活性されない不活性ガスはガス分配プレートを通じて前記プロセスチャンバに均一に供給される。

前記本発明の一実施形態において、前記リモートプラズマ源から供給されるラジカルとイオンとは前記不活性ガスとは分離した経路を通じて前記プロセスチャンバ内に供給される。

本発明によるプラズマ処理装置によると、誘導結合プラズマ源とリモートプラズマ源とを使用してエッチング反応に必要なラジカルを豊富に生成させることによって、エッチング反応が活発になってエッチング効率を向上させることができる。

誘導結合プラズマ源の短所であるラジカル側面集中現象がリモートプラズマ源から供給されるラジカルによって改善して、ラジカルが多く生成されれば、エッチングが活発になってエッチング率が上昇するようになる。結果的に、エッチング処理性能及び装置稼動率の向上の効果がある。

以下では、本発明による半導体プラズマ処理装置を添付の図を参照して詳細に説明する。

本発明はここで説明される実施形態に限定されず、他の形態に実現されることができる。ここで紹介される実施形態は開示された内容が徹底して完全になるように、そして当業者に本発明の思想と特徴とを十分に伝達するために提供されるものである。図において、各々の装置は本発明の明確性のために概略的に示したものである。また、各々の装置には本明細書で詳細に説明されない各種の多様な付加装置が具備され得る。明細書の全体にわたって同一の図面符号は同一の構成要素を示す。

図１は本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置を示した斜視図であり、図２は本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置の正断面図である。図３は本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置の概略的な構成を示すブロック図である。

図１乃至図３に示したように、本発明の半導体プラズマ処理装置１００はリモートプラズマ源と誘導結合プラズマ源によって生成されるラジカルとイオンとを利用して半導体素子製造用基板（以下基板という）の表面をエッチングまたはアッシングするための半導体製造装置である。

前記半導体プラズマ処理装置１００は、その内部にプラズマ形成空間が具備されたプロセスチャンバ（ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ）１１０を具備する。前記プロセスチャンバ１１０の内部の下側には基板Ｗを支持する静電チャック（ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｃｈｕｃｋ）１１２が具備されており、この静電チャック１１２にはＲＦ電源１１４が連結されてプロセスチャンバ１１０内に生成されたプラズマから抜けたイオンとラジカルがウェーハＷの表面に十分に高いエネルギーを有して衝突するようにバイアス電圧を提供する。前記プロセスチャンバ１１０の底には真空ポンプ（図示しない）に連結される真空吸入ポート（ｖａｃｕｕｍ ｓｕｃｔｉｏｎ ｐｏｒｔ）１１６が形成されており、これを通じてプロセスチャンバ１１０の内部を真空状態にさせる。

前記プロセスチャンバ１１０の上部にはガス分配プレート（Ｇａｓ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｐｌａｔｅ；ＧＤＰ）１２０が設けられる。前記ガス分配プレート１２０は不活性（ｉｎｅｒｔ）ガスが供給される二つのガス流入ポート１２２を有する。二つのガス流入ポート１２２を通じて流入される不活性ガスは前記ガス分配プレートの噴射孔１２４等を通じて均一に前記プロセスチャンバ１１０に供給される。前記ガス分配プレート１２０は中央にリモートプラズマ源１３０と連結される連結ポート１２６を有する。前記リモートプラズマ源１３０で活性化されたプロセスガスは前記連結ポート１２６の通路１２６ａを通じてプロセスチャンバ１１０の内部にすぐ供給される。

前記リモートプラズマ源１３０には活性化されないプロセスガス（Ｃｌ_２、ＨＢｒ、ＣＦ_４）が流入される流入ポート１３２を有する。前記リモートプラズマ内で励起されて生成されたＣｌラジカルとイオンは前記ガス分配プレート１２０の連結ポート１２６を通じて前記プロセスチャンバ１１０の中央方向へ流入される。

前記プロセスチャンバ１１０の上部の側壁１１８はＲＦパワーが透過されるように誘電体ウィンドウ（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｉｎｄｏｗ）からなる。前記誘導結合プラズマ源１４０のコイルアンテナ１４２は前記上部側壁１１８の外壁を囲むように設けられる。前記コイルアンテナ１４２にはＲＦ電源１４４が連結されてＲＦ電流が流れるようになる。コイルアンテナ１４２を通じて流れるＲＦ電流によって磁場（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）が発生され、この磁場の時間による変化でプロセスチャンバ１１０の内部には電場（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ）が誘導される。この誘導電場は前記プロセスチャンバ１１０の内部に流入される前記不活性ガスと前記リモートプラズマ源１３０から供給された活性化されたプロセスガス（Ｃｌラジカルとイオン）とをイオン化させてプロセスチャンバ１１０内にプラズマを生成する。生成されたプラズマはウェーハＷに衝突してウェーハＷを所望するとおり処理、例えばエッチングするようになる。

本発明の半導体プラズマ処理装置でのエッチング工程は次のようになる。

まず、活性化されないプロセスガス（Ｃｌ_２、ＨＢｒ、ＣＦ_４）は前記リモートプラズマ源１３０の流入ポート１３２を通じてリモートプラズマ源１３０に供給される。電力が前記リモートプラズマ源１３０に印加されると、前記リモートプラズマ源１３０内で前記プロセスガスが励起されながら塩素（以下'Ｃｌ'という）ラジカル（Ｒａｄｉｃａｌ）とイオンが生成される。このようにリモートプラズマ源１３０内で生成されたＣｌラジカルとイオンは連結ポート１２６を通じて前記プロセスチャンバ１１０の内部の中央に供給される。そして、不活性ガス（Ｏ_２、Ｎ_２）は前記誘導結合プラズマ源１４０の上部の前記ガス分配プレート１２０の噴射孔１２４を通じてプロセスチャンバ１１０内に均一に供給される。このように前記プロセスチャンバ１１０内に供給されたＣｌラジカルとイオン、そして酸素Ｏ_２、窒素Ｎ_２ガスから誘導結合プラズマ源１４０によってエッチング反応に必要なイオンが生成され、前記リモートプラズマ源から供給されたラジカルとともにエッチング反応に参加するようになる。前記リモートプラズマ源１３０で生成されて供給された一部のＣｌラジカルはプロセスチャンバ１１０内で互いに反応してＣｌ_２に安定化され、この時、前記誘導結合プラズマ源１４０によって再び活性化されれば、Ｃｌラジカル生成効率がさらに上昇する。このように、プロセスチャンバ内にＣｌラジカルが多く生成されれば、エッチングが活発になってエッチング率（ｅｔｃｈ ｒａｔｅ）が上昇して、これによって、処理量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）が改善される。

言い換えれば、ラジカルが前記リモートプラズマ源からプロセスチャンバの中央へ豊富に供給されれば、誘導結合プラズマ源によって生成されたプラズマとともにエッチング反応がさらに活発になって、エッチング率が向上する。

一般的に、エッチング装備に多く使用される誘導結合プラズマ源はメインエッチングガスとして使用されるＣｌ_２ガスをラジカル化する効率が低く、Ｃｌラジカルの分布が中心よりは端で高いという短所を有する。本発明は、このような短所を補うために、誘導結合プラズマ源上部のガス注入部にリモートプラズマ源を装着して、リモートプラズマ源で発生した多量のラジカルをプロセスチャンバに供給することにその特徴がある。

本発明はＣｌ_２ガスをラジカル化する効率が低いという誘導結合プラズマ源の短所を補うために、リモートプラズマ源を使用してエッチング工程に参加するＣｌラジカルを多量生成するのにその特徴がある。

以上の詳細な説明は本発明を例示するものである。また、上述の内容は本発明の望ましい実施形態を示して説明することに過ぎず、本発明は多様な他の組み合わせ、変更及び環境で使用することができる。そして、本明細書に開示された発明の概念の範囲は、著わした開示内容と均等な範囲及び／または当業者の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。上述の実施形態は本発明を実施することにおいて、最善の状態を説明するためのものであり、本発明のような他の発明を利用するのに当業者に知られた他の状態での実施、そして発明の具体的な適用分野及び用途で要求される多様な変更も可能である。したがって、以上の発明の詳細な説明は開示された実施状態で本発明を制限しようとする意図ではない。また請求範囲は他の実施状態も含むこととして解釈されなければならない。

本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置を示した斜視図である。 本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置の正断面図である。 本発明の望ましい実施形態による半導体プラズマ処理装置の概略的な構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１０ プロセスチャンバ
１２０ ガス分配プレート
１３０ リモートプラズマ源
１４０ 誘導結合プラズマ源

Claims (6)

1. 半導体プラズマ処理装置において、
   プロセスガスが供給されて前記プロセスガスを活性化して多量のラジカルとイオンとを生成するリモートプラズマ源と、
   前記活性化されたプロセスガスが流入される流入ポートを有するプロセスチャンバと、
   前記プロセスチャンバ内に位置するウェーハが安着されるサセプタと、
   前記プロセスチャンバの最上部に配置され、前記リモートプラズマ源の下に位置し、前記リモートプラズマ源から排出された活性化されたプロセスガスをすぐ前記プロセスチャンバに提供するための通路を提供し、不活性ガスを前記プロセスチャンバ内部に均一に分配させるガス分配プレートと、
   前記プロセスチャンバに設けられて前記ガス分配プレートを通過して前記プロセスチャンバ内に供給された前記活性化されたプロセスガスと前記不活性ガスに高周波エネルギーを提供する誘導結合プラズマ源と、を含み、
   ガス分配プレートは、
   前記不活性ガスが供給される少なくとも一つのガス流入ポートと、
   前記リモートプラズマ源と連結され、前記ガス分配プレートの中央に位置し、内部に前記通路が形成された連結ポートと、
   前記連結ポートが設置された領域を除外した領域に位置し、前記ガス流入ポートを通じて供給された前記不活性ガスを前記プロセスチャンバ内部に均一に排出する噴射孔と、を含むことを特徴とする半導体プラズマ処理装置。
2. 前記誘導結合プラズマ源は、
   前記プロセスチャンバの上部外壁を囲むコイルアンテナと、
   前記コイルアンテナにＲＦ電力を印加するためのＲＦ電源部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体プラズマ処理装置。
3. 半導体プラズマ処理装置において、
   ウェーハが安着されるサセプタが内部に設けられるプロセスチャンバと、
   プロセスガスが前記プロセスチャンバに供給される前に前記プロセスガスにプラズマを印加する１次プラズマ源と、
   前記プロセスチャンバの最上部に配置され、前記１次プラズマ源の下に位置し、前記１次プラズマ源から排出されたプロセスガスをすぐ前記プロセスチャンバ内に提供するための通路を提供し、不活性ガスを前記プロセスチャンバ内部に均一に分配させるガス分配プレートと、
   前記ガス分配プレートを経て前記プロセスチャンバに提供される前記プロセスガス及び前記不活性ガスにプラズマを印加する２次プラズマ源を含み、
   ガス分配プレートは、
   前記不活性ガスが供給される少なくとも一つのガス流入ポートと、
   前記１次プラズマ源と連結され、前記ガス分配プレートの中央に位置し、内部に前記通路が形成された連結ポートと、
   前記連結ポートが設置された領域を除外した領域に位置し、前記ガス流入ポートを通じて供給された前記不活性ガスを前記プロセスチャンバ内部に均一に排出する噴射孔を含むことを特徴とする半導体プラズマ処理装置。
4. 前記１次プラズマ源は前記プロセスガスを活性化してラジカルを生成するリモートプラズマ源であることを特徴とする請求項３に記載の半導体プラズマ処理装置。
5. 前記２次プラズマ源は、
   前記プロセスチャンバの上部外壁を囲むコイルアンテナと、
   前記コイルアンテナにＲＦ電力を印加するためのＲＦ電源部とを含むことを特徴とする請求項４に記載の半導体プラズマ処理装置。
6. 半導体プラズマ処理装置方法において、
   活性化されないプロセスガスがリモートプラズマ源に供給される段階と、
   前記リモートプラズマ源内で励起されて生成されたラジカルとイオンがガス分配プレートの連結ポートを通じてすぐプロセスチャンバ内に供給される段階と、
   活性化されない不活性ガスを前記ガス分配プレートのガス流入ポートを通じて前記ガス分配プレート内に供給する段階と、
   前記ガス流入ポートを通じて供給された前記不活性ガスが前記ガス分配プレートの噴射孔を通じて前記プロセスチャンバ内に均一に供給される段階と、
   前記プロセスチャンバ内に供給されるラジカルとイオン、そして前記不活性ガスが誘導結合プラズマ源によって活性化される段階と、を含み、
   前記噴射孔は、前記連結ポートが設置された領域を除外した領域に形成されることを特徴とする半導体プラズマ処理方法。

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