JP2006120849A

JP2006120849A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2006120849A
Application number: JP2004307032A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Iida; 飯田　　勉; Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; 洋二 ▲高▼橋; Yoji Takahashi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP4324541B2

Abstract

【課題】位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に適時に供給して、安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理技術を提供する。
【解決手段】処理ガスを供給するガス供給手段１０７と、上部アンテナ電極１０３に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第１の高周波電源１０８と、アンテナバイアス電圧を供給する第２の高周波電源１１３と、基板電極１１５に前記第２の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第３の高周波電源１１９と、前記第２の高周波電源と前記第３の高周波電源との位相差を制御する位相コントロール部１２０を備え、前記位相コントロール部は、前記第２の高周波電源からの進行波の電力値及び前記第３の高周波電源からの進行波の電力値を検出する検出器並びに前記第２の高周波電源の位相及び前記第３の高周波電源の位相を検出する検出器を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に供給して、安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理技術に関する。

半導体装置の製造工程では、エッチング処理、ＣＶＤ処理、アッシング処理などのプラズマを応用した種々の処理が施される。半導体デバイスの高集積化、高性能化とも相俟って、微細加工に適したこれらのプラズマ処理が製造工程に多用されるようになってきた。ウエハ等の被処理基板表面に溝やパターンを形成するエッチング処理装置等では、真空処理室内に上部電極と下部電極とを対峙して配置して形成したＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の平行平板のプラズマエッチング装置が使用されている。プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することにより処理の高速化を図ることができる。また、被処理基板に高周波バイアス電力を供給しプラズマ中のイオンを被処理基板に垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現することができる。

このような処理を行うプラズマ処理装置においては、真空容器外側の外周部に空心コイルを設け、また真空容器内に設けた試料台に対向させて円形導体板を設け、該円形導体板にＵＨＦ帯電源と第１の高周波電源を接続し、さらに試料台に第２の高周波電源を接続する。また、前記円形導体板にＵＨＦ帯の周波数の電界とそのＵＨＦ帯の周波数とは異なる周波数の電界を重畳して供給し、ＵＨＦ帯電源による電磁波と空心コイルによる磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴現象を用いてプラズマを形成する。このとき重畳した第１の高周波電源による高周波電圧によって円形導体板にかかるバイアスを大きくして、円形導体板とプラズマとを反応させ、エッチングに寄与する活性種をより多く生成できるようにする。また、試料台に接続した第２の高周波電源によりプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギーを制御することができる（例えば、特許文献１参照）。

このようなプラズマ処理装置では、被処理基板に印加された高周波電力の電気回路が磁場を横切る方向に形成される。このためこの磁場に対する垂直方向のプラズマのインピーダンスによって被処理基板面内に電位分布が形成されチャージングダメージが発生することがある。また、被処理基板に入射するイオンエネルギーは、被処理基板に供給するバイアス電力によって発生するセルフバイアス電位により決定されるが、ウエハサイズの大口径化に伴い、基板電極に対するアース面積の比率が減少するためバイアスの印加効率が低下する。

また、前記従来の装置では真空容器が接地されている。このため、プラズマは接地されてアース電位となっている真空容器内に広がり、真空容器内の処理部に十分に閉じ込めることができず外周部まで拡散する。このため、真空容器内壁のスパッタおよび反応生成物の付着・脱離などが生じ、これにより異物の発生量が増加する可能性があった。

近年では、半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、例えば、半導体素子の代表的な例であるＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート酸化膜は薄膜化し、ゲート酸化膜が絶縁破壊する問題（チャージングダメージ）が深刻になりつつある。また、半導体素子の微細化に伴い、加工精度についてもＳＡＣ（Self Aligned Contact）に代表されるように、マスク選択比を向上させることが要求されている。また装置内での異物等の発生は、歩留りを低下させかつ装置の稼働率を低下させることから、異物発生量の少ない装置が要求されている。

そこで、上部電極および下部電極間に位相制御した同一周波数の高周波電力を印加して生成されるプラズマをコントロールする方法が試みられている。この方法によれば、プラズマ密度の面内分布に起因する被処理基板面内の電位分布を低減し、チャージングダメージの発生を抑制できる。また、高周波の位相を制御することにより、被処理基板に入射するイオンの指向性とエネルギが制御できるため、マスクと被処理基板との選択比が向上し、高アスペクト比のエッチング加工が可能となる。

また、プラズマの拡散を抑制できるため、真空容器内壁のスパッタ及び真空容器内壁への反応生成物の付着・剥離による異物の発生量を低減でき、半導体デバイス等の歩留りを向上することができる。さらには、真空容器内壁への付着物を低減できるため、装置のメンテナンス周期を長くでき、スループットを向上することができる。

この種の技術に関連する文献としては、例えば、特許文献２、特許文献３などを挙げることができる。例えば、特許文献２には、真空チャンバ内に対峙して内設された上部電極と下部電極に同一周波数の高周波を位相制御しながら、独立して印加しながら制御することが示されている。また、特許文献３には、上部電極と下部電極に印加される高周波電圧に、プラズマ着火時における位相差のプリセット位置を設け、プラズマの安定を見計らって、所定の位相差に制御するものである。所定の位相差に制御するタイミングは、位相コントロール部に内設した切替えタイマにより制御している。
特開平９−３２１０３１号公報特開平８−１６２２９２号公報特開２００４−３０９３１号公報

上記特許文献２記載の技術によれば、上部電極および下部電極に供給する高周波に所定の位相差を設定して、該位相差を維持するようにフィードバック制御を行う。しかし、プラズマが不安定である着火時における制御方法には配慮がなされておらず、プラズマ着火の安定性に問題がある。また、プラズマ着火の状態から、所定の位相差へ制御する途中でプラズマが点滅するなどのハンチング状態に陥り易く、プラズマの安定性に問題がある。

この例の場合は、プラズマの着火性及びプラズマの安定性に問題が発生した段階で装置を停止し、マッチングコントローラー等のチューニングを行うことが必要となるため、装置の生産性を低下させる原因となる。このような不安定な状態で処理されたウェハは、面内のプラズマ密度が不均一となるためプラズマダメージが入り易く、また加工形状が不安定となるため、半導体デバイスの歩留りを著しく低下させることになる。

また、特許文献３記載の技術によれば、高周波電力印加信号を受信したタイミングで、各整合器の出力電源波形（ＶＰＰ）をフィードバックして、所定の位相差に制御をしている。しかし、高周波電力印加信号と電力設定信号との送信タイミングには配慮がなされていない。このため、出力電源波形（ＶＰＰ）が検出されない状態から制御を開始することになるため、位相制御部の誤動作など、位相制御の安定性に問題がある。この技術においても上記と同様な製造上の問題が発生する。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に適時に供給して、安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、真空処理容器内に配置した上部アンテナ電極に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第１の高周波電源と、前記上部アンテナ電極にアンテナバイアス電圧を供給する第２の高周波電源と、真空処理容器内に被処理基板を載置して保持する基板電極と、該基板電極に前記第２の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第３の高周波電源と、第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を制御する位相差制御部を備え、該位相差制御部は、第２の高周波電源からの進行波の電力値及び第３の高周波電源からの進行波の電力値を検出する検出器、並びに第２の高周波電源の位相及び第３の高周波電源の位相を検出する検出器を備え、第２の高周波電源からの進行波の電力値と第３の高周波電源からの進行波の電力値がそれぞれ予め設定した設定値に達したことを検出したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従って第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を制御するとともに、該位相差制御部による前記制御の開始から所定時間経過後、第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ってフィードバック制御する。

本発明は、以上の構成を備えるため、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に適時に供給して、安定したプラズマ処理を行うことができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置として、ＵＨＦ（Ultra High Frequency）と磁界を利用してプラズマを形成するＵＨＦプラズマエッチング装置を例に説明する。

真空容器１０１の上半部は、円筒状の上部処理容器１０４、アルミ、ニッケル等の導電体でなる平板状のアンテナ電極１０３、電磁波が透過可能な石英、サファイヤ等からなる誘電体窓１０２で構成される。この上半部は、Ｏリング等の真空シール材１２７を介して真空容器１０１の下半部の開口部上に気密に載置され、内部に処理室１０５を形成する。

上部処理容器１０４の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１１４が設けてある。アンテナ電極１０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっている。また、ＣＦ_４、Ｃ_４Ｆ_６、Ｃ_４Ｆ_８、Ｃ_５Ｆ_８、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２等のフロンガス、あるいはＡｒ、Ｎ_２等の不活性ガス、あるいはＯ_２、ＣＯ等の酸素含有ガスは、ガス供給装置１０７に内設した流量調整手段で流量を調整した後、ガス供給装置１０７を通して処理室１０５内に導入する。また、真空容器１０１には真空排気装置１０６が接続され、該真空排気装置１０６に内設した真空排気手段および調圧手段をにより処理室１０５内を所定圧力に保持する。

アンテナ電極１０３の上部には同軸線路１１１が設けられ、同軸線路１１１、フィルター１１０、整合器１０９を介してプラズマ生成用の高周波電源（第１の高周波電源）１０８（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続される。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１１１、フィルタ１２１、整合器１１２を介してアンテナバイアス電源（第２の高周波電源）１１３（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続される。ここで、フィルタ１１０は高周波電源１０８からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１３からのバイアス電力を効果的にカットする。また、フィルタ１２１はアンテナバイアス電源１１３からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１０８からの高周波電力を効果的にカットする。

真空容器１０１内の下部には被処理基板１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルタ１１７、整合器１１８を介して基板バイアス電源（第３の高周波電源）１１９（例えば、周波数８００ｋＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５には、被処理基板１１６を静電吸着させるための静電チャック電極１２４に静電チャック電源１２３がフィルタ１２２を介して接続される。ここで、フィルタ１１７は基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１０８からの高周波電力を効果的にカットする。

なお、通常、第１の高周波電源からの高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、安全のためフィルタ１１７を設けてある。また、フィルタ１２２は静電チャック電源１２３からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１０８、アンテナバイアス電源１１３、基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。

アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９は位相コントロール部１２０に接続されており、アンテナバイアス電源１１３および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相が制御可能となっている。なお、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９の周波数は同一周波数である。

図２は、アンテナおよび基板に高周波電力を供給する高周波供給回路を説明する図である。なお、図において、図１に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。まず、図示しない制御部から高周波印加信号を制御マイコン１４４に送信する。制御マイコン１４４は、電力周波数発振部１３０、位相差制御部１４３及び切替えタイマー部１４５からなる位相コントロール部１２０に、進行波電力設定信号１３３ａ、位相差初期設定信号１３１、目標位相差設定信号１３２、進行波電力設定信号１３４ｂを送信する。位相コントロール部１２０は前記設定信号に従ってアンテナバイアス電源１１３および基板バイアス電源１１９に所定の位相差をもった高周波指令信号１３５ａ、１３６ｂを生成する。

アンテナバイアス電源１１３及び基板バイアス電源１１９は、入力された高周波信号１３５ａ、高周波信号１３６ｂに従って、所定の位相に制御された高周波電力を発振し、整合器１１２および整合器１１８を経由して、真空容器内のアンテナ電極１０３および基板電極１１５に電力を印加する。これにより、形成されるプラズマの空間分布および被処理基板に入射するイオンエネルギーを制御することができる。

図３は、図２に示す高周波電源供給回路を含むプラズマ処理装置の動作を説明する図である。以下、図１、２を参照しながらその動作を説明する。

まず、ガス供給装置１０７を介して所定のプロセスガスを処理室１０５内に導入する。また、このとき、磁場発生用コイル１１４に所定のコイル電流（例えば、１０Ａ）を印加して磁場を発生する。さらに、制御マイコン１４４は位相差制御部１４３に、アンテナバイアス電源１１３用の進行波電力設定信号１３３ａ（例えば、１００Ｗ）、及び基板バイアス電源１１９用の進行波電力設定信号１３４ｂ（例えば、１００Ｗ）を送信する（時点ｔ１）。

次に、真空排気装置１０６に内設の真空排気手段および調圧手段により、処理室１０５内圧力を所定値（例えば２Ｐａ）になるように調整する。所定の圧力になったことを検出（時点ｔ２）した後、プラズマ生成用の高周波電源１０８から所定の電力（例えば、５００Ｗ）を整合器１０９、フィルタ１１０、同軸線路１１１、同軸導波管１２５を介して、処理室１０５内に供給してプラズマを生成する。

時点ｔ２におけるプラズマ生成後（例えば、０．１秒後）、静電チャック電源１２３から所定の電圧（例えば、２００Ｖ）をフィルタ１２２を介して静電チャック電極に印加する（時点ｔ３）。

時点ｔ２におけるプラズマ生成用の高周波電源１０８からの電力供給開始後、所定の電力が供給されるようになったとき（例えば０．５秒後）、アンテナバイアス電源１１３から所定の電力（例えば１００Ｗ）を整合器１１２、フィルタ１２１、同軸線路１１１、同軸導波管１２５を介してアンテナ電極１０３に供給する（時点ｔ４）。

次に、フォトマル基板等からなる着火検出手段でプラズマ１２６の着火を検出（時点ｔ５）した後（例えば０．５秒後）、基板バイアス電源１１９から所定の電力（例えば、１００Ｗ）を整合器１１８、フィルタ１１７を介して基板１１５に供給する（時点ｔ６）。

次に、アンテナバイアス電源１１３からの進行波電力モニタ値１４１ａと基板バイアス電源１１９からの進行波電力モニタ値１４２ｂをモニタする。位相差制御部１４３は、アンテナバイアス電源１１３からの進行波電力モニタ値１４１ａおよび基板バイアス電源１１９からの進行波電力モニタ値１４２ｂのそれぞれが進行波電力設定信号１３３ａ、進行波電力設定信号１３４ｂで設定した値以上となったことを検出したとき（アンド条件が成立したとき）、制御マイコン１４４から受信した位相差初期設定信号１３１（例えば１７５°）が示す値を満足する値に設定した高周波指令信号１３５ａおよび高周波指令信号１３６ｂを送信する（時点ｔ７）。なお、アンテナバイアス電源１１３からの進行波電力および基板バイアス電源１１９からの進行波電力は、進行波電力設定信号に合致するように制御を継続する。

前記アンド条件が成立したとき（時点ｔ７）から、切替えタイマ部１４５で設定された時間（例えば、２秒）が経過した時点（時点ｔ８）において、位相制御部１４３は位相検出部１３７で検出されるアンテナバイアス電源の位相検出信号および位相検出部１３８で検出される基板バイアス電源の位相検出信号をフィードバック信号１３９ａおよびフィードバック信号１４０ｂとして利用する。更に位相差制御部１４３は、制御マイコン１４４から目標位相差設定信号１３２（例えば１８０°）を受信し、受信した目標位相差設定信号に従って、アンテナバイアス電源の位相と基板バイアス電源の位相との位相差を前記目標位相差となるように設定した高周波指令信号１３５ａおよび高周波指令信号１３６ｂをアンテナバイアス電源１１３および基板バイアス電源１１９に送信する（時点ｔ８）。

これにより、アンテナバイアス電源１１３の位相と進行波電力および基板バイアス電源１１９の位相と進行波電力はそれぞれ、所定の位相差と電力値を有するように自動制御される。

以上、説明したように、アンテナバイアス電源１１３および基板バイアス電源１１９から電力を印加する際には、所定の進行波電力設定信号を設定し、さらに放電着火時に好適な位相差である位相差初期設定信号（例えば１７５°）を設定した状態で高周波電力を供給することができる。また、アンテナバイアス電源１１３および基板バイアス電源１１９からの進行波電力がそれぞれ予め設定した設定電力値に達したことを検出したとき、即ち、アンド条件が成立したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従ってアンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９との位相差の制御を開始する。更にこの制御の開始からタイマ部による所定時間経過後に、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９との位相差を位相検出部１３７，１３８を介して検出し、この検出値が目標位相差設定信号に合致するようにフィードバック制御を開始する。

このように、アンテナバイアス電源１１３からの進行波電力モニタ値１４１ａおよび基板バイアス電源１１９からの進行波電力モニタ値１４２ｂのそれぞれが進行波電力設定信号１３３ａ、進行波電力設定信号１３４ｂで設定した設定値以上となったことを検出したとき、すなわち、アンド条件が成立したときから、フィードバックによる位相制御を開始する。即ち、予め設定した設定値以上の進行波を検出してからフィードバック制御を開始するため、位相制御部の誤動作を防止することができる。なお、前記設定値は外部より設定可能である。

また、プラズマが不安定な着火時あるいはプラズマ着火時から目標位相差に制御する際の過渡期においてもプラズマの安定性を維持することができる。このように、プラズマを安定化することにより、エッチング処理途中でのチューニング作業を回避できるため、プラズマ処理装置の生産性を向上できる。また、プラズマの不安定に起因する加工形状不良やプラズマダメージによる半導体デバイス等の歩留りの低下を抑制することができる。

また、安定した位相差を有する高周波電力を印加することにより、被処理基板に入射するイオンの指向性とエネルギが安定して制御され、マスクと被処理基板の選択比の変動が低減し、精密な高アスペクト比のエッチング加工が可能となる。また、プラズマ密度の面内分布に起因するチャージングダメージの発生を抑制できるため、半導体デバイス等の歩留りを向上することができる。

さらに、プラズマの拡散が抑制されるため、真空容器内壁のスパッタと付着物は低減され、異物に起因する半導体デバイス等の歩留りの低減を抑制することができる。また、真空容器内壁への付着物が低減するため、装置のメンテナンス周期が長くなり、装置の生産性を向上できる。

なお、本実施形態における目標位相差は１８０°としたが、使用するプロセスや要求される加工形状に応じて最適な位相差を選択し、被処理基板に入射されるイオンの指向性、イオンエネルギーを制御することが望ましい。

本実施形態に係るプラズマ処理装置としてのＵＨＦプラズマエッチング装置を説明する図である。アンテナおよび基板に高周波電力を供給する高周波供給回路を説明する図である。図２に示す高周波供給回路を含むプラズマ処理装置の動作を説明する図である。

符号の説明

１０１真空容器
１０２誘電体窓
１０３アンテナ電極
１０４上部処理容器
１０５処理室
１０６真空排気装置
１０７ガス供給装置
１０８プラズマ生成用高周波電源（第１の高周波電源）
１０９整合器
１１０フィルタ
１１１同軸線路
１１２整合器
１１３アンテナバイアス電源（第２の高周波電源）
１１４磁場発生用コイル
１１５基板電極
１１６被処理基板
１１７フィルタ
１１８整合器
１１９基板バイアス電源（第３の高周波電源）
１２０位相コントロール部
１２１フィルタ
１２２フィルタ
１２３静電チャック電源
１２４静電チャック電極
１２５同軸導波管
１２６プラズマ
１２７真空シール材
１３０周波数発生部
１４４マイコン
１４５切り換えタイマ部

Claims

真空処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
真空処理容器内に配置した上部アンテナ電極に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第１の高周波電源と、
前記上部アンテナ電極にアンテナバイアス電圧を供給する第２の高周波電源と、
真空処理容器内に被処理基板を載置して保持する基板電極と、
該基板電極に前記第２の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第３の高周波電源と、
第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を制御する位相差制御部を備え、
該位相差制御部は、第２の高周波電源からの進行波の電力値及び第３の高周波電源からの進行波の電力値を検出する検出器、並びに第２の高周波電源の位相及び第３の高周波電源の位相を検出する検出器を備え、
第２の高周波電源からの進行波の電力値と第３の高周波電源からの進行波の電力値がそれぞれ予め設定した設定値に達したことを検出したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従って第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を制御するとともに、
該位相差制御部による前記制御の開始から所定時間経過後、第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ってフィードバック制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
位相差制御部は、前記制御の開始から所定時間経過後第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ったフィードバック制御に切り換える切換タイマを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
進行波の電力値の前記設定値は外部より設定可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
真空処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
真空処理容器内に配置した上部アンテナ電極に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第１の高周波電源と、
前記上部アンテナ電極にアンテナバイアス電圧を供給する第２の高周波電源と、
真空処理容器内に被処理基板を載置して保持する基板電極と、
該基板電極に前記第２の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第３の高周波電源と、
第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を制御する位相差制御部を備え、
第２の高周波電源からの進行波の電力値と第３の高周波電源からの進行波の電力値がそれぞれ予め設定した設定電力値に達したことを検出したときから所定時間経過後、第２の高周波電源と第３の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ってフィードバック制御することを特徴とするプラズマ処理方法。