(57)【要約】【課題】  プラズマを用いて半導体基板を処理するプラズマ工程装置及びその方法において、プラズマ電子密度を最大化させると同時に定常状態に保持し、半導体工程速度を上げる。【解決手段】  プラズマを生成して半導体基板を処理するチャンバーと、前記チャンバー内に配置された上部及び下部電極と、前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給するＤＣ電圧供給器と、前記ＤＣ電圧供給器から前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節する制御部と、を含み、プラズマから電子が放出されないように確実に閉じておくことによって、プラズマ電子密度を最大化する。【選択図】      図４
2009004750.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを生成して半導体基板を処理するチャンバーと、
前記チャンバー内に配置された上部及び下部電極と、
前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給するＤＣ電圧供給器と、
前記ＤＣ電圧供給器から前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節する制御部と、
を含むプラズマ工程装置。
【請求項２】
前記上部及び下部電極に相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給するＲＦ電力供給器をさらに含み、
前記ＲＦ電力供給器は、ソースＲＦ電力を供給する第１ＲＦ電力供給器と、前記ソースＲＦ電力よりも低いバイアスＲＦ電力を供給する第２ＲＦ電力供給器と、で構成された請求項１に記載のプラズマ工程装置。
【請求項３】
前記上部及び下部電極のいずれか一方は、前記ソースＲＦ電力が供給される電極である請求項２に記載のプラズマ工程装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記ソースＲＦ電力の供給される電極に印加される前記ＤＣ電圧のデューティー比を制御し、前記ＤＣ電圧のパワー比率をパルス形態で調節する請求項３に記載のプラズマ工程装置。
【請求項５】
前記ＤＣ電圧の電位は、−５００〜−３０００Ｖである請求項４に記載のプラズマ工程装置。
【請求項６】
前記ＤＣ電圧のデューティー比は、１〜９９％である請求項４に記載のプラズマ工程装置。
【請求項７】
前記ＤＣ電圧のパルス周波数は、１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚである請求項４に記載のプラズマ工程装置。
【請求項８】
プラズマを生成して半導体基板を処理するチャンバー内に配置された上部及び下部電極に、相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給し、
前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給し、
前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節してプラズマ工程を行うことを含むプラズマ工程方法。
【請求項９】
前記上部及び下部電極に相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給することは、
前記上部及び下部電極のいずれか一方にソースＲＦ電力を供給し、
前記上部及び下部電極のいずれか他方に、前記ソースＲＦ電力よりも低いバイアスＲＦ電力を供給することを含む請求項８に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１０】
前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給することは、
前記ソースＲＦ電力の供給される電極に前記ＤＣ電圧を印加することを含む請求項９に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１１】
前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節することは、
前記ソースＲＦ電力の供給される電極に印加される前記ＤＣ電圧のデューティー比を制御し、前記ＤＣ電圧のパワー比率をパルス形態で調節することを含む請求項１０に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１２】
前記ＤＣ電圧の電位は、−５００〜−３０００Ｖである請求項１１に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１３】
前記ＤＣ電圧のデューティー比は、１〜９９％である請求項１１に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１４】
前記ＤＣ電圧のパルス周波数は、１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚである請求項１１に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１５】
前記ソースＲＦ電力は、約１００ＭＨｚである請求項９に記載のプラズマ工程方法。
【請求項１６】
前記バイアスＲＦ電力は、約１３．５６ＭＨｚである請求項９に記載のプラズマ工程方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを用いた半導体製造工程に係り、より詳細には、プラズマ電子密度を最大化して半導体工程速度を高めることができるプラズマ工程装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体製造工程では、被処理基板である半導体基板に対してプラズマを用いてエッチング（または、蒸着）を実施するプラズマ工程装置を使用しており、このようなプラズマ工程装置として様々なものが用いられているが、なかでも、容量結合型プラズマ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ；ＣＣＰ）工程装置が主に使われている。
【０００３】
容量結合型プラズマ工程装置は、真空状態のチャンバー内に１対の平行平板電極（上部及び下部電極）を配置し、工程ガスをチャンバー内に供給すると同時にいずれか一方の電極に高周波（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；以下、‘ＲＦ’という。）電力を印加し、両電極間にＲＦ電界を形成させる。このＲＦ電界によってチャンバー内のガスはプラズマ状態に励起され、このプラズマから出るイオンと電子を用いて、いずれか他方の電極に置かれた半導体の膜質をエッチング及び蒸着(ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ)するプラズマエッチング（または、蒸着）を通じて半導体基板を処理する。
【０００４】
このようなプラズマ工程装置は、チャンバーでガスをプラズマ状態に励起させるために電極にＲＦ電力を供給する高出力ＲＦ電力供給器を使用するが、この時に使われるＲＦ電力供給器の使用周波数と電力量が工程の特性に影響を与える。
【０００５】
初期の技術では１つのＲＦ電力供給器を使用したが、半導体集積度の増加に伴って半導体製造工程で要求される特性も増加し、これを解決するための方法として２つの周波数を使用した方法が開発されたし、最近では３つ以上の周波数を使用した工程装備も開発されてきている。
【０００６】
図１は、２つの周波数を使用する方式のもので、米国特許登録第６４２３２４２号（特許文献１）に開示されたプラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムである。図１を参照すると、ＲＦ電力供給システムは、チャンバー１内に平行に配置された上部及び下部電極３，５に２つのＲＦ電力供給器７，９をそれぞれ連結し、上部及び下部電極３、５に相互に異なる２つのＲＦ電力（ソースＲＦ電力及びバイアスＲＦ電力）が供給されるようにする。供給されるＲＦ電力のうち低い周波数は、プラズマの構成要素のうち、イオンのエネルギーを調節し、高い周波数はイオンの密度を調節し、よって、高いエッチング速度（または、蒸着速度）に寄与することができる。
【０００７】
このように２つの相互に異なる周波数を使用するＲＦ電力供給システムは、半導体製造工程がより高い工程速度を要求するにつれてより高いプラズマ電子密度を要求し、よって、高い周波数を使用する装備が開発されたが、高い周波数を使用する装備は、高い周波数に起因する電極３，５からの正弦波発生によって工程のエッチング不均一が生じるという問題があった。
【０００８】
そこで、高い工程速度、例えば、高い蒸着速度（ｈｉｇｈ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｒａｔｅ）や高いエッチング速度（ｈｉｇｈ  ｅｔｃｈｉｎｇ  ｒａｔｅ）を得るためには、プラズマからの電子損失を最小化してプラズマ電子密度を高く維持しなければならないが、従来プラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムでは、プラズマ内の電子がソースＲＦ電力の供給される電極３または５側に放出されるから、プラズマ電子密度を高く維持することができなかった。
【０００９】
このような問題を解決するために、ソースＲＦ電力の供給される電極３または５にバイアスＲＦ電力をさらに供給し、プラズマから電子が放出されないように閉じ込める方法も提案されたが、この場合、半導体製造工程の変化によってプラズマ内の低温電子を確実に閉じ込めることができなかった。
【特許文献１】米国特許登録第６４２３２４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、その目的は、プラズマを用いて半導体基板を処理するプラズマ工程において、プラズマ電子密度を最大化し、半導体工程速度を高めることができるプラズマ工程装置及びその方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の他の目的は、ソースＲＦ電力の供給される電極にＤＣ電圧を印加し、プラズマから電子が放出されないように確実に閉じ込めておくことによって、プラズマ電子密度を最大化することができるプラズマ工程装置及びその方法を提供することにある。
【００１２】
本発明のさらに他の目的は、ＤＣ電圧をパルス形態で印加することによって、プラズマ中における電子の過累積に起因して、ソースＲＦ電力の供給される電極がエッチングされる恐れを防ぐことができるプラズマ工程装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、本発明は、プラズマを生成して半導体基板を処理するチャンバーと、前記チャンバー内に配置された上部及び下部電極と、前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給するＤＣ電圧供給器と、前記ＤＣ電圧供給器から前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節する制御部と、を含むプラズマ工程装置を提供する。
【００１４】
上記装置は、前記上部及び下部電極に相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給するＲＦ電力供給器をさらに含むことができ、前記ＲＦ電力供給器は、ソースＲＦ電力を供給する第１ＲＦ電力供給器と、前記ソースＲＦ電力よりも低いバイアスＲＦ電力を供給する第２ＲＦ電力供給器と、で構成されることができる。
【００１５】
前記上部及び下部電極のいずれか一方は、前記ソースＲＦ電力が供給される電極であっても良い。
【００１６】
前記制御部は、前記ソースＲＦ電力の供給される電極に印加される前記ＤＣ電圧のデューティー比を制御し、前記ＤＣ電圧のパワー比率をパルス形態で調節することができる。
【００１７】
前記ＤＣ電圧の電位は、−５００〜−３０００Ｖを有することができる。
【００１８】
前記ＤＣ電圧のデューティー比は、１〜９９％を有することができる。
【００１９】
前記ＤＣ電圧のパルス周波数は、１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚを有することができる。
【００２０】
また、本発明は、プラズマを生成して半導体基板を処理するチャンバー内に配置された上部及び下部電極に、相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給し、前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給し、前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節してプラズマ工程を行う、プラズマ工程方法を提供する。
【００２１】
前記上部及び下部電極に相互に異なる周波数のＲＦ電力を供給することは、前記上部及び下部電極のいずれか一方にソースＲＦ電力を供給し、前記上部及び下部電極のいずれか他方に、前記ソースＲＦ電力よりも低いバイアスＲＦ電力を供給することを含むことができる。
【００２２】
前記上部及び下部電極のいずれか一方にＤＣ電圧を供給することは、前記ソースＲＦ電力の供給される電極に前記ＤＣ電圧を印加することを含むことができる。
【００２３】
前記上部及び下部電極のいずれか一方に供給されるＤＣ電圧のパワー比率を調節することは、前記ソースＲＦ電力の供給される電極に印加される前記ＤＣ電圧のデューティー比を制御し、前記ＤＣ電圧のパワー比率をパルス形態で調節することを含むことができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によるプラズマ工程装置及びその方法によれば、プラズマを用いて半導体基板を処理するプラズマ工程において、ソースＲＦ電力の供給される電極にＤＣ電圧を印加し、プラズマから電子がソースＲＦ電力の供給される電極側に放出されずに確実に閉じ込められるようにするので、プラズマ電子密度を最大化させると同時に定常状態に保持し、半導体工程速度を上げることが可能になる。
【００２５】
また、本発明は、ソースＲＦ電力の供給される電極に印加されるＤＣ電圧を、パルス形態で供給するので、プラズマ中の電子の過累積によってソースＲＦ電力の供給される電極がエッチングされる危険を防止し、半導体工程速度を安定的に高めることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施例を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２７】
図２は、本発明の一実施例によるプラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムを示す構成図である。同図で、本発明のプラズマ工程装置は、チャンバー１０、ＲＦ電力供給器２０、ＤＣ電圧供給器３０及び制御部４０を含む。
【００２８】
チャンバー１０は、プラズマを用いた半導体製造工程が行われる真空状態の工程チャンバーで、ガス注入口１１とガス排出口１２を有し、ガス注入口１１から供給されたガスを、ＲＦ電力によってプラズマ状態に励起させ、半導体基板であるウエハ（Ｗ）などへのエッチング工程を行う反応器の役割を果たす。
【００２９】
チャンバー１０内には、ソースＲＦ電力が供給される上部電極１３と、バイアスＲＦ電力が供給される下部電極１４が対向して配置されている。
【００３０】
上部電極１３は、チャンバー１０の上部に配置され、供給されたガスをプラズマ状態に励起させるべくチャンバー１０の内部にソースＲＦ電力を供給する平板形状の導体である。
【００３１】
下部電極１４は、チャンバー１０の下部に上部電極１３と平行に配置され、上部電極１３と同様、供給されたガスをプラズマ状態に励起させるべく真空チャンバー１０の内部にバイアスＲＦ電力を供給し、かつ、ウエハ（Ｗ）などの工程対象物が置かれる平板形状の導体である。
【００３２】
また、ＲＦ電力供給器２０は、チャンバー１０に供給されたガスをプラズマ状態に励起させるべく上部及び下部電極１３，１４にＲＦ電力を供給するもので、上部電極１３にソースＲＦ電力である第１ＲＦ（約１００ＭＨｚ）電力を供給する第１ＲＦ電力供給器２１と、下部電極１４に第１ＲＦ電力よりも低いバイアスＲＦ電力である第２ＲＦ（約１３．５６ＭＨｚ）電力を供給する第２ＲＦ電力供給器２２とを含み、第１及び第２ＲＦ電力供給器２１，２２には、第１及び第２ＲＦ電力の最大パワーを上部及び下部電極１３，１４に伝達するためにインピーダンスを整合する第１及び第２ＲＦ整合器２３，２４がそれぞれ連結されている。
【００３３】
また、ＤＣ電圧供給器３０は、プラズマから電子が上部電極１３側に放出されないように閉じ込めておくために、ソースＲＦ電力の供給される上部電極１３に−５００〜−３０００ＶのＤＣ電圧を供給するもので、ＤＣ電圧をパルス形態で印加し、低温電子をプラズマ内に安定的に閉じ込めておくことによってプラズマ電子密度を最大化させる。
【００３４】
また、制御部４０は、上部及び下部電極１３，１４に供給されるＲＦ電力のパワー比率を調節するために、第１及び第２ＲＦ電力供給器２１，２２の電力供給比を制御すると同時に、上部電極１３に供給されるＤＣ電圧の周波数とデューティー比を制御する。
【００３５】
以下、上記のように構成されたプラズマ工程装置及びその方法の動作過程及び作用効果について説明する。
【００３６】
図３は、本発明の一実施例によるプラズマ工程方法を示すフローチャートで、プラズマを用いて半導体基板を処理するプラズマ工程において、一枚のウエハ（Ｗ）を本発明のプラズマ工程方法によって処理する過程を説明する。
【００３７】
同図で、工程が始まると（ステップ１００）、処理されるべきウエハ（Ｗ）がチャンバー１０中に取り入れられ、下部電極１４上に載せられる（ステップ１０２）。
【００３８】
この時、図示せぬガス供給器からガス注入口１１を通じてチャンバー１０内に工程ガスが注入されて工程圧力に合わせられ（ステップ１０４）、第１ＲＦ電力供給器２１から供給されるソースＲＦ電力である１００ＭＨｚの第１ＲＦ電力が、第１ＲＦ整合器２３を介して上部電極１３に印加され、これにより、チャンバー１０内に注入されたガスがプラズマ状態に励起される（ステップ１０６）。
【００３９】
これと同時に、第２ＲＦ電力供給器２２から供給されるバイアスＲＦ電力である１３．５６ＭＨｚの第２ＲＦ電力が、第２ＲＦ整合器２４を介して下部電極１４に印加され、下部電極１４上に置かれたウエハ（Ｗ）にプラズマが引き込まれるようにし、これにより、このプラズマから出るイオンと電子を用いてウエハ（Ｗ）の膜質にエッチング及び蒸着を行うプラズマ工程を行い始める。
【００４０】
上部及び下部電極１３，１４にソースＲＦ電力である第１ＲＦ電力とバイアスＲＦ電力である第２ＲＦ電力がそれぞれ印加された後、ＤＣ電圧供給器３０から供給される−５００〜−３０００ＶのＤＣ電圧が上部電極１３に供給される（ステップ１１０）。
【００４１】
上部電極１３に供給されるＤＣ電圧は、制御部４０にあらかじめ定められた１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数と１〜９９％のデューティー比をもってパルス形態で印加される（ステップ１１２）。この時、パルス形態のＤＣ電圧供給によってプラズマ現象は、図４のように行われる。
【００４２】
図４で、制御部４０に決められたデューティー比によって１０ＭＨｚ〜１０００ＭＨｚの周波数を持つＤＣパワーがオン（ＯＮ）になり（−）電圧が上部電極１３に印加されると、プラズマ内の大部分の低温電子（ｅ−）は（−）ＤＣ電位障壁を越えられず、プラズマ内に閉じ込められることになる。この時、（−）ＤＣ電位障壁を越えうるような充分なエネルギーを持つ高温電子は、電位障壁を越えて上部電極１３に取り込まれることができ、これは好ましい現象である。その理由は、高温電子は、プラズマ内のガスの解離を過多に発生させたり、プラズマ電位を上げてしまうという不所望の役割をするためである。
【００４３】
ＤＣパワーがオンになった後、決められたデューティー比によってＤＣパワーがオフ（ＯＦＦ）になると、（−）ＤＣ電位障壁に閉じ込められていた低温電子（ｅ−）が上部電極１３に放出される電子放出現象がおきるが、これもまた好ましい現象である。その理由は、プラズマ内に閉じ込められていた低温電子（ｅ−）が過累積されると、上部電極１３側のエッチングなどの危険につながるが、（−）ＤＣ電位をオフにすることによってプラズマ空間に電子が過累積するのを防ぐことができるためである。
【００４４】
このように、上部電極１３に印加されるＤＣ電圧を、与えられた周波数とデューティー比によって繰り返しオン／オフすると、プラズマからの電子損失が最小限に抑えられ、プラズマ電子密度が最大化すると同時に、プラズマ上の電子密度を定常状態（ｓｔｅａｄｙ−ｓｔａｔｅ）に保持しながら、与えられた時間の間にプラズマ工程を安定的に行うことができる（ステップ１１４）。
【００４５】
その後、工程が完了すると（ステップ１１６）、ウエハ（Ｗ）がチャンバー１０外に移動され、ウエハ（Ｗ）工程処理は完了する（ステップ１１８）。
【００４６】
図５は、本発明の一実施例によるプラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムにおいて、上部電極１３にＤＣ電圧をパルス形態で印加した場合、プラズマ密度変化を示すグラフである。図５で、ＤＣパワーをオン（ＯＮ）にした場合には、上部電極１３のシース（ｓｈｅａｔｈ）が大きくなり、そのエネルギー差を克服できなかった低温電子（ｅ−）が閉じ込められ、プラズマ密度が増加したことがわかる。これに対し、ＤＣパワーをオフ（ＯＦＦ）にした場合には、低温電子（ｅ−）が上部電極１３に放出されながらプラズマ密度が減少したことがわかる。
【００４７】
しかしながら、全体的に言えば、ＤＣパワーがない時に比べては平均的なプラズマ密度が高く、より高いエッチング速度や蒸着速度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】従来プラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムを示す図である。
【図２】本発明の一実施例によるプラズマ工程装置のＲＦ電力供給システムを示す構成図である。
【図３】本発明の一実施例によるプラズマ工程方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施例によるプラズマ工程装置でプラズマ密度を最大化させる方法を示す概念図である。
【図５】本発明の一実施例によるプラズマ工程装置にＤＣ電圧を印加した場合、プラズマ密度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
１０    チャンバー
１３，１４    上部及び下部電極
２０    ＲＦ電力供給器
２１，２２    第１及び第２ＲＦ電力供給器
２３，２４    第１及び第２ＲＦ整合器
３０    ＤＣ電圧供給器
４０    制御部
【図１】
2009004750.tif 000003
【図２】
2009004750.tif 000004
【図３】
2009004750.tif 000005
【図４】
2009004750.tif 000006
【図５】
2009004750.tif 000007