JP2009088389A - プラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低イオンエネルギでのプラズマ処理と高イオンエネルギでのプラズマ処理を同一の処理室で低コストで再現性よく実施する。
【解決手段】処理室６と、該処理室に処理ガスを供給するガス供給手段７と、前記処理室に第１の高周波電源の出力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極４」と、前記処理室を排気する排気手段１７と、前記処理室内に被処理基板を載置して保持する載置電極１０と、前記載置電極および前記処理室のプラズマに対向する面を構成する部材の内、前記載置電極を除く部材にそれぞれ高周波電力を供給することのできる第２および第３の高周波電源１１，３１を備え、前記第２および第３の高周波電源の出力を独立または連動して調整することにより、前記被処理基板に入射するイオンのエネルギを連続して調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、プラズマ処理装置を用いてエッチングあるいは電極をクリーニングするプラズマの処理技術に関する。

プラズマ処理装置においては、載置電極上にウエハ等の試料を載置し、前記載置電極に高周波電圧を印加し、前記載置電極上に形成されたイオンシースによりプラズマ中のイオンを加速し、加速されたイオンのエネルギを用いてウエハ等にエッチングを施し、あるいはデポジションコントロールを行っている。

半導体ウエハにエッチング処理を施す場合、例えばハードマスク処理あるいはＶｉａホール等を形成する場合における積層膜一貫処理においては、各膜毎に最適なイオンエネルギ領域が異なる場合がある。特に、ＡｒＦレジスト等のイオンエネルギにより変質、変形しやすいマスクでのハードマスク処理と、ハードマスクを用いた下層のＳｉＯ_２、ＳｉＯＣ、ＳｉＮ等のＶｉａホール処理においては低イオンエネルギ処理と高イオンエネルギ処理を同一処理室内で併用して行う必要がある。

このような処理を施す場合、すなわち低イオンエネルギと高イオンエネルギを併用して行う場合、ＲＦ電源の精度、出力限界の問題から、高出力用と低出力用の電源を個々に用意しなければならない。また、イオンエネルギをコントロールするため別々の周波数の電源を用いることが要求される場合がある。

また、エッチング処理を施す毎に処理室をプラズマでクリーニングすることがある。この場合、コスト低減、時間短縮のためクリーニング用のウエハを使用せず、ウエハ無しでのプラズマクリーニングを実施することが多い。この場合、クリーニング時に発生する処理室内からの反応生成物の載置電極上への付着による載置電極表面の冷却効率あるいは電気的特性の変化を抑制するため、載置電極に高周波を印加し電極上への反応生成物の付着を抑制する手法が用いられる。

しかしこの手法を用いる場合、高周波印加による物理的スパッタエネルギコントロール性が電源容量により律則される。このため電源容量が大きい場合は過剰なパワーが印加され、載置電極表面のコーティングが削られて載置電極の性能が劣化し、載置電極の交換寿命が短くなるという問題が発生する。
特開２００７−１８０３５８号公報

従来の技術において、低イオンエネルギでの処理と高イオンエネルギでの処理を同一処理室で併用する場合、電極に電圧を印加するための電源を複数用意することが必要となるため、電源装置のコストが上昇し、制御が複雑となる。また、電源の数が増えるため装置自身の占有面積も大きなる。

なお、半導体製造装置においては、装置のコスト、設置面積等は、性能と同様に重要な要素である。また、プラズマクリーニングにおいて、処理室内の部品として高コストの載置電極の消耗が早いことは、装置ランニングコストを大きく上げることになる。また処理するウエハを載置する電極表面が経時的に変化することは装置の性能が経時的に変化することに繋がる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、低イオンエネルギでの処理と高イオンエネルギでの処理を同一の処理室で低コストで再現性よく実施する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。

処理室と、該処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、前記処理室に第１の高周波電源の出力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極と、前記処理室を排気する排気手段と、前記処理室内に被処理基板を載置して保持する載置電極と、前記載置電極および前記処理室のプラズマに対向する面を構成する部材の内、前記載置電極を除く部材にそれぞれ高周波電力を供給することのできる第２および第３の高周波電源を備え、前記第２および第３の高周波電源の出力を独立または連動して調整することにより、前記被処理基板に入射するイオンのエネルギを連続して調整する。

本発明は、以上の構成を備えるため、低イオンエネルギでの処理と高イオンエネルギでの処理を同一の処理室で低コストで再現性よく実施することができる。

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、本実施形態にかかるプラズマ処理装置の一例としてプラズマエッチング装置を示す図である。この例では、電磁波をアンテナより放射し、磁場との相互作用によってプラズマを生成するＥＣＲ方式のプラズマエッチング装置を示している。

プラズマ処理室（この図の例ではエッチング処理室）６は、図示しない温調手段（温度調整手段）によりその内壁面を２０〜８０℃の温度範囲で温度調整可能となっている。また、エッチング処理室６にはその内部にエッチング用の処理ガスを供給するガス供給手段７が接続されるとともに、図示しない排気装置によりその内部を減圧排気する。

エッチング処理室６の上部には、ウエハを載置する載置電極１０に対向してアンテナ電極４が対向電極として配置される。また、エッチング処理室６とアンテナ４との間には電磁波が透過可能な誘電体５が設けられる。

アンテナ電極４には、フィルタユニット２を介して、例えばＵＨＦ帯の電磁波を発生する高周波電源（第１の高周波電源）１が接続されている。また、前記アンテナ電極４にはフィルタユニット２を介して、アンテナ電極にプラズマ中のイオンに入射エネルギを与えるための高周波バイアス電源（第３の高周波電源：４００ｋないし４ＭＨｚ）３１が接続されている。

エッチング処理室６の外周部には、エッチング処理室６内に磁場を形成するための磁場コイル８が巻装されている。また、外周の下方部には前記試料を搬入出するための搬送口１４が設けられている。搬送口１４より搬入される試料（ウエハ）１３は前記載置電極１０上に載置される。載置電極１０には、高周波バイアス電源（第２の高周波電源：４００ｋないし４ＭＨｚ）１１およびウエハ１３を載置電極１０上に静電吸着させるための直流電源１２が接続されている。

なお、高周波バイアス電源（第２の高周波電源）１１は、プラズマ中のイオンに加速エネルギを与え、加速されたイオンのエネルギを用いて載置電極１０上に載置したウエハに例えばエッチング処理を施す。なお、図１において、１５は試料載置電極１０を上下方向に駆動する駆動機構、１６は電極上カバー兼処理室遮断壁、１７は排気口である。

図２は、載置電極１０に供給する高周波電力を０Ｗとしたときの、対向電極（アンテナ電極）に印加する高周波電力と載置電極上のウエハ（ＳｉＯ_２）の削れ量（エッチングレート）との関係を示す図である。

図２に示すように、高周波電力が印加されていない載置電極上に配置されたウエハ（ＳｉＯ_２）の削れ量は、対向電極（アンテナ電極）に印加する高周波電力量を増加させるにしたがって増加している。

これは、対向電極（アンテナ電極）に高周波電力を印加することにより、プラズマのポテンシャルが増加し、アースに接続されている載置電極との間に電位差（Ｖｄｃ）が生まれ、この電位差により載置電極１０上にイオンが引き込まれるためと考えられる。

図３は、載置電極に直接高周波電力を印加した場合において、前記載置電極に印加する高周波電力量と電極上に配置したウエハ（ＳｉＯ_２）の削れ量（エッチングレート）との関係を示す図である。

図３に示すように、載置電極１０に印加する高周波電力を大きくするにしたがって、エッチングレートはより高速になる。

すなわち、載置電極１０への高周波直接印加と、対向電極（アンテナ電極）への高周波印加を併用することで、数ｎｍ／ｍｉｎの低速エッチングから９００ｎｍ／ｍｉｎ程度の高速エッチングまでを同一処理室内で実現することが可能となる。

図４は、載置電極上にウエハを載置しない条件でプラズマクリーニング（ウエハ無しプラズマクリーニング）を施す場合における載置電極の削れ量（載置電極を構成するＡｌ_２Ｏ_３の削れ量）を示す図である。

ウエハ無しプラズマクリーニングは、Ｏ_２ガス中でのプラズマであり、載置電極を構成するＡｌ_２Ｏ_３がＯ_２と化学的に反応して気化することはないと考えられる。このため、図４に示す削れは物理的なイオンスパッタによるものと考えられる。

すなわち、対向電極（アンテナ電極）に印加する電力を最適化する（図４の例では４００Ｗ以下）とすることによりプラズマクリーニング中における載置電極表面の削れを抑制することができる。これにより、載置電極１０の寿命を伸ばすことができる。また、経時的な電極性能の変化も抑制することができる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、載置電極に供給する高周波電力を０Ｗとした場合において、対向電極（アンテナ電極）に高周波電力を印加することにより、プラズマのポテンシャルを増加させて、アースに接続されている載置電極との間に電位差（Ｖｄｃ）を発生させることができる。さらに、この電位差により載置電極上にイオンを入射させることにより、低エネルギのイオンを載置電極の表面あるいは載置電極の表面に配置したウエハに入射させることができる。また、載置電極に高周波電力を印加することにより、高エネルギのイオンを載置電極の表面に配置したウエハに入射させることができる。なお、前記載置電極および対向電極に高周波を供給する高周波電源の出力を独立または連動して調整することにより、前記被処理基板に入射するイオンのエネルギを連続して調整することができる。

これにより、数ｎｍ／ｍｉｎの低速エッチングから９００ｎｍ／ｍｉｎ程度の高速エッチングまでを同一処理室内で実現することが可能となる。また、プラズマクリーニング中における載置電極表面の削れを抑制することができ、載置電極の寿命を伸ばすことができる。また、経時的な電極性能の変化も抑制することができる。

以上の説明では、第３の高周波電力を供給する対向電極としてアンテナ電極を用いる例について説明した。しかしながら、前記対向電極としては、アンテナ電極の外に、前記処理室のプラズマに対向する面を構成する部材のうち前記載置電極を除く部材、例えば、チャンバ側壁又はアースを利用することができる。

本実施形態にかかるプラズマエッチング装置を示す図である。 載置電極に供給する高周波電力印加を０Ｗとしたときのウエハの削れ量を示す図である。 載置電極に直接高周波電力を印加した場合におけるウエハの削れ量を示す図である。 ウエハ無しプラズマクリーニングを施す場合における載置電極の削れ量を示す図である。

符号の説明

１ 第１の高周波電源
２ フィルタユニット
３ 導波管
４ アンテナ電極
５ 誘電体
６ エッチング処理室
７ ガス供給手段
８ 磁場コイル
９ プラズマ
１０ 載置電極
１１ 第２の高周波電源
１２ 直流電源
１３ ウエハ
１４ 搬送口
１５ 電極駆動機構
１６ 電極上カバー兼処理室遮断壁
１７ 排気口

Claims (4)

1. 処理室と、
   該処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記処理室に第１の高周波電源の出力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極と、
   前記処理室を排気する排気手段と、
   前記処理室内に被処理基板を載置して保持する載置電極と、
   前記載置電極および前記処理室のプラズマに対向する面を構成する部材の内、前記載置電極を除く部材にそれぞれ高周波電力を供給することのできる第２および第３の高周波電源を備え、
   前記第２および第３の高周波電源の出力を独立または連動して調整することにより、前記被処理基板に入射するイオンのエネルギを連続して調整することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   前記載置電極上に被処理基板を載置しない状態で、第２の高周波電源出力を零に設定し、第３の高周波電源の出力を調整することにより、低エネルギのイオンで載置電極の表面をスパッタすることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、
   載置電極に被処理基板を載置してプラズマ処理を施す際は第２の高周波電源出力を載置基板に供給して被処理基板に高エネルギのイオンを入射させ、被処理基板を載置電極に載置しないでクリーニング処理を施す際は第２の高周波電力を載置基板に供給しないで載置電極に低エネルギのイオンを入射させることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 処理室と、
   該処理室に処理ガスを供給するガス供給手段と、
   前記処理室に第１の高周波電源の出力を供給してプラズマを生成するアンテナ電極と、
   前記処理室を排気する排気手段と、
   前記処理室内に被処理基板を載置して保持する載置電極と、
   前記載置電極および前記処理室のプラズマに対向する面を構成する部材の内、前記載置電極を除く部材にそれぞれ高周波電力を供給することのできる第２および第３の高周波電源を備え、
   前記第２および第３の高周波電源の出力を独立または連動して前記載置電極および前記部材に供給することにより、前記被処理基板に入射するイオンのエネルギを連続して調整することを特徴とするプラズマ処理装置。

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