JP2005277270A

JP2005277270A - プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2005277270A
Application number: JP2004091462A
Authority: JP
Inventors: Shinki Taguchi; 真貴田口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】処理室内のプラズマは、処理室内の温度、圧力、雰囲気などの状態の変化、そして、処理される半導体ウエハの膜質等のさまざまな要因により変動を起し、その結果、エッチングレート，均一性などのプロセスパラメーターに影響を及ぼし、半導体デバイスの品質安定化を妨げる要因となる。そのため、半導体ウエハ毎にプラズマ状態を一定に保ち続けることは非常に重要である。
【解決手段】気密な処理装置に配置された電極に対し高周波電力を印加することにより、電極上に配置された半導体ウエハに対し、プラズマ処理を行う処理装置に適用されるものである。そして、上記課題を解決するため、Ｖｐｐ検出器において半導体ウエハ処理中のＶｐｐを検出し、そのＶｐｐを常に所望の状態に保つために、プラズマ中の静電容量のパラメーターを可変制御する手段とを備えたことを特徴としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電力を用いるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関するものである。

従来から半導体基板の加工にはプラズマを用いたドライエッチング処理が多用されている。プラズマによるドライエッチング処理は反応性のガスを高周波、磁場等を用いて励起し、被処理物をエッチングする。従って処理の再現性を確保するためには、処理室内におけるプラズマ状態の維持が非常に重要な要素である。

図７は、従来の平行平板方式ドライエッチング装置の断面図である（例えば、特許文献１参照）。図７において、１はドライエッチを行う処理室、２は処理室１を真空排気するための排気口、３はドライエッチングガスを処理室１に導入するガス導入口、４はガス導入口３から入ったプロセスガスを処理室１内へ噴出するガス吹き出し口（シャワーヘッド方式）構造の陽極電極、５は高周波が印加される陰極電極、６はエッチング対象物である基板で、７はフォーカスリングである。陰極電極５には、整合器９を介して高周波電源８が接続されている。１０はＶｐｐ検出器で、整合器９の出力側の高周波電力のＶｐｐを測定する。

以上のように構成されたドライエッチング装置について、以下に、その動作について説明する。搬送機により基板６を陰極電極５上に搬送設置し、昇降軸１１により陰極電極５を上下させ、所定の陽極電極４と陰極電極５間になるように動作する。次に処理室１の内部を所定の真空度に到達するまで、排気口２から真空排気し、ガス導入口３からエッチングに必要な反応性ガスを導入し、シャワーヘッド構造の上部電極５を通して処理室１内へ拡散させる。ガスの流量と圧力が安定してから、陰極電極５に対して、高周波電源９から所定の高周波電力が整合器９を通じて印加され、ガスプラズマを起しプロセスを行う。
特開平１１−０５４４８９号公報

半導体プロセスの微細化に伴い、プラズマ処理装置においても、高密度プラズマを高精度で制御することが求められている。しかしながら、処理室１内のプラズマは、処理室１内の温度、圧力、雰囲気などの状態の変化、そして、処理される半導体ウエハの膜質等々のさまざまな要因により変動を起し、その結果、エッチングレート，均一性などのプロセスパラメーターに影響を及ぼし、半導体デバイスの品質安定化を妨げる要因となる。そのため、半導体ウエハ毎にプラズマ状態を一定に保ち続けることは非常に重要である。

本発明は、上記に示すような技術的課題を克服するものであり、各半導体ウエハのプロセス条件の変化を逐次効果的にコントロールすることにより、各半導体ウエハに対して常に均一なプラズマ処理を施すことが可能な、プラズマ処理装置を提供することにある。

本発明は、気密な処理装置に配置された電極に対し高周波電力を印加することにより、電極上に配置された半導体ウエハに対し、プラズマ処理を行う処理装置に適用されるものである。そして、上記課題を解決するため、Ｖｐｐ検出器において、処理中のＶｐｐを検出し、そのＶｐｐを常に所望の状態に保つために、プラズマ中の静電容量のパラメーターを可変制御する手段とを備えたことを特徴としている。

本発明のプラズマ処理方法は、処理室内に配置された電極に高周波電力を印加することにより、前記電極上に設置された被処理体に対して任意の処理を施すプラズマ処理方法において、少なくとも１工程以上の処理工程で、処理中の前記高周波電力のＶｐｐを所望の一定値に保持する工程を備えることを特徴とする。

本発明原理の理解を容易にするため、まずＶｐｐについて説明する。本明細書中のＶｐｐとは、高周波電力の交流成分のピークからピークまでの一周期分の電圧のことである。一般的にＶｐｐは、プラズマ処理室内に励起されたプラズマの状態、たとえばプラズマ密度の変化に伴い変動を起す。そのためこのＶｐｐを常時測定することは、プラズマ処理中のプラズマ状態を正確に検出することが可能である。したがって、Ｖｐｐ検出器で検出されたＶｐｐに基づいて、そのＶｐｐが所望の状態に維持されるように、プラズマ中の静電容量にフィードバック制御する事で実現が可能となる。

本発明によれば、高周波電源と電極との間に設置された整合器の出力側のＶｐｐを測定し、そのＶｐｐが一定に維持されるように、プラズマ中の静電容量と各周波数にフィードバック制御を施すため、処理室内に定常なプラズマを励起させることができ、かかるプラズマにより定常なプラズマ処理を被処理体に施すことができる。

この発明の実施形態について、図１から図６を用いて説明する。

図１（ａ）および（ｂ）は、プラズマ処理中に、Ｖｐｐ検出器１０で検出した定常状態のＶｐｐのグラフであり、縦軸にＶｐｐ検出器で検出されたＶｐｐ電圧を表し、横軸はエッチング処理時間を表している。ここで、Ｖｐｐとは、高周波電力の交流成分のピークからピークまでの一周期分の電圧のことである。

図１（ａ）に示すように、処理の進行に伴い、Ｖｐｐ検出器１０により測定されるＶｐｐが減少した場合、プロセスではエッチングレートの低下や均一性の悪化等が発生する可能性がある。Ｖｐｐは、プラズマ中の静電容量をＣ，角周波数ω，イオン電流をＩとすれば、次式（α）に示すように簡略的に示せる。

Ｖｐｐ＝Ｉ／（ｊωＣ）・・・（α）
この式（α）より、イオン電流Ｉを一定とすれば、Ｖｐｐを図１（ｂ）に示すように所望の状態に維持するには、ｊωＣを変化させることで実現ができる。プラズマ中の静電容量は、空間の静電容量（以下、Ｃｓ）と、ブロッキングコンデンサ１２の容量（以下、Ｃｂ）、半導体ウエハ上の堆積膜の静電容量（以下、Ｃｆ）から決まる。このいずれかの静電容量を変化させることで、Ｖｐｐの制御が可能である。以下に、具体的例を用いて説明する。

（実施例１）
図２に示す本発明のプラズマ処理装置において、符号１から１１までは図７と同一である。図７のブロッキングコンデンサ１２を可変ブロッキングコンデンサ１３に換装し、かつブロッキングコンデンサ制御器１４を設置し、Ｖｐｐ検出器１０の結果を可変ブロッキングコンデンサ１３にフィードバック制御できるようにシステム構成する。Ｖｐｐ検出器１０で測定したＶｐｐに基づいて、ブロッキングコンデンサ制御器１４を通じ、可変コンデンサに換装したブロッキングコンデンサ１３の容量を逐次制御することで、プラズマ中の静電容量のＣｂを変化させ、Ｖｐｐを所望の状態で維持することが可能となり、Ｖｐｐの変動が及ぼすプロセスシフトを抑制することができる。

（実施例２）
図３、図４、図５に示すプラズマ処理装置において、符号１から１１までは図７と同一である。

図３に示すように、ブロッキングコンデンサ１２はなく、昇降軸１１に陰極電極昇降制御器１５を設置し、Ｖｐｐ検出器１０の結果を昇降軸１１にフィードバック制御できるようにシステム構成する。Ｖｐｐ検出器１０で測定したＶｐｐに基づいて、陰極電極昇降制御器１５を通じ、昇降軸１１を逐次上下制御することで、プラズマ中の静電容量のＣｓを変化させ、Ｖｐｐを所望の状態で維持することが可能になり、Ｖｐｐの変動が及ぼすプロセスシフトを抑制することができる。

また、図４に示すように、陰極電極５にベローズ１６を設置し、ベローズ伸張制御器１７とベローズ伸張機構１８を設け、Ｖｐｐ検出器１０の結果をベローズ伸張機構１８にフィードバック制御できるようにシステム構成を行う。Ｖｐｐ検出器１０で測定したＶｐｐを所望の状態に維持するように、ベローズ伸張機構１８でベローズ１６を伸張させれば、上記と同様の効果を得ることができる。

また、図５に示すプラズマ処理装置において、符号１から１１までは図７と同一である。フォーカスリング昇降制御器１９とフォーカスリング昇降機構２０を設置し、Ｖｐｐ検出器１０の結果をフォーカスリング昇降機構２０にフィードバック制御できるようにシステム構成をする。Ｖｐｐ検出器１０で測定したＶｐｐを所望の状態に維持するように、フォーカスリング昇降機構２０を逐次上下させれば、上記と同様の効果を得ることができる。

（実施例３）
上記実施例１，２記載の手法は、プラズマ中の静電容量を変化させることで、Ｖｐｐを所望の状態で維持する構成であるが、上記の式（α）より、角周波数ωは、
ω＝２πｆ・・・・（β）
であり、式（β）より、高周波電源８の周波数ｆを変化させることで、プラズマ中の静電容量を変化させるのと同様の効果を得ることができる。

図６に示すプラズマ処理装置において、符号１から１１までは図７と同一である。周波数制御器２１を設置し、Ｖｐｐ検出器１０の結果を周波数制御器２１を通じて高周波電源８の周波数にフィードバック制御できるようにシステム構成をするＶｐｐ検出器１０の結果を、高周波電源８にフィードバックし、高周波電力の周波数を逐次変化させることができるシステム構成をする。Ｖｐｐ検出器１０で測定したＶｐｐに基づいて、高周波電力の周波数を変化させれば、角周波数成分ωが変化し、Ｖｐｐを所望の状態に維持することができ、Ｖｐｐの変動が及ぼすプロセスシフトを抑制することができる。

本発明の高周波電力を用いるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法は、ドライエッチング処理だけでなく、各種プラズマ処理でプラズマ状態を一定に保ち続けるために利用可能である。

本発明の概念を示す特性図本発明のプラズマ処理装置の構成図本発明のプラズマ処理装置の構成図本発明のプラズマ処理装置の構成図本発明のプラズマ処理装置の構成図本発明のプラズマ処理装置の構成図従来のプラズマ処理装置の構成図

符号の説明

１処理室
２排気口
３ガス導入口
４陽極電極
５陰極電極
６基板
７フォーカスリング
８高周波電源
９整合器
１０Ｖｐｐ検出器
１１昇降軸
１２ブロッキングコンデンサ
１３可変ブロッキングコンデンサ
１４ブロッキングコンデンサ制御器
１５陰極電極昇降制御器
１６ベローズ
１７ベローズ伸張制御器
１８ベローズ伸張機構
１９フォーカスリング昇降制御器
２０フォーカスリング昇降機構
２１周波数制御器

Claims

処理室内に配置された電極に高周波電力を印加することにより、前記電極上に設置された被処理体に対して任意の処理を施すプラズマ処理方法において、少なくとも１工程以上の処理工程で、処理中の前記高周波電力のＶｐｐを所望の一定値に保持する工程を備えることを特徴とするプラズマ処理方法。
処理中の前記高周波電力のＶｐｐを所望の一定値に保持する工程は、処理中の前記高周波電力のＶｐｐを測定する工程と、前記電極と高周波電源の間の静電容量を調整する工程からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
処理中の前記高周波電力のＶｐｐを所望の一定値に保持する工程は、処理中の前記高周波電力のＶｐｐを測定する工程と、前記プラズマ中の静電容量を調整する工程からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
処理中の前記高周波電力のＶｐｐを所望の一定値に保持する工程は、処理中の前記高周波電力のＶｐｐを測定する工程と、前記高周波電力の周波数を調整する工程からなることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
密閉可能な処理室と、前記処理室内に配置された電極と、前記電極に整合器を介して接続された高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記整合器は電力経路に直列に挿入されたコンデンサを備え、前記整合器の出力側のＶｐｐを測定する手段と、前記Ｖｐｐ測定値を演算し、この値を基に前記整合器の前記コンデンサの容量を制御する制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
密閉可能な処理室と、前記処理室内に配置された電極と、前記電極に整合器を介して接続された高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記電極は前記処理室内における高さを調整できる昇降手段とを備え、前記整合器は電力経路に直列に挿入されたコンデンサを備え、前記整合器の出力側のＶｐｐを測定する手段と、前記Ｖｐｐ測定値を演算し、この値を基に前記電極の昇降手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
密閉可能な処理室と、前記処理室内に配置された電極と、前記電極に整合器を介して接続された高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記電極上に、前記電極と分離して配置された電位調整リングと、前記電位調整リングの昇降機構とを備え、前記整合器は電力経路に直列に挿入されたコンデンサとを備え、前記整合器の出力側のＶｐｐを測定する手段と、前記Ｖｐｐ測定値を演算し、この値を基に前記電位調整リングの昇降手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
密閉可能な処理室と、前記処理室内に配置された電極と、前記電極に整合器を介して接続された高周波電源とを備えたプラズマ処理装置において、前記整合器は電力経路に直列に挿入されたコンデンサとを備え、前記高周波電源は発信周波数を任意の範囲で変化させる手段を備え、前記整合器の出力側のＶｐｐを測定する手段と、前記Ｖｐｐ測定値を演算し、この値を基に前記高周波電源の周波数を制御する制御手段とを備えることを特徴とするプラズマ処理装置。