JP2009277889A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
磁場を使用したプラズマ処理装置において、プラズマの停止時に被処理基板に影響する問題を最小限に抑制する手段を提供する。
【解決手段】
プラズマ生成用高周波電源と、バイアス電源と、真空処理室外に設置されるコイルに接続され真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置において、真空処理室内の磁場強度を測定する磁場計測手段と、コイル電源の出力オン／オフ信号がオフされ後に測定される磁場強度が所定値まで減衰した時、プラズマ生成用高周波電源またはバイアス電源の出力オン／オフ信号をオフする制御手段を備えた。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、半導体製造工程において、ウエハなどの試料に微細加工を施すプラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法にかかり、特に、磁場を使用したプラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の制御方法に関する。

半導体製造工程において、被処理基板（ウエハ）表面を微細加工するために、プラズマエッチング装置が使用されている。プラズマエッチング装置では、処理室内にガスを流入し、電場や磁場などを印加してガスをプラズマ化する。プラズマは非常に反応性の高い活性状態にあり、被処理基板上の膜と物理・化学反応を起こしエッチングを行う。ＳｉＯ₂やＬｏｗ−Ｋ材といった絶縁膜のエッチングには、狭ギャップ・２周波平行平板型のプラズマ処理装置を使用することが一般的である。ナノオーダーレベルの微細加工技術の発展には、高密度プラズマを生成し、選択性良くイオンなどの活性種を被処理基板に引き付ける必要がある。その為に、下部電極に高周波バイアスを印加する。高い周波数を使用することで、被膜の加工時間を短縮し、選択性が良くなり、均一性の取れたエッチングが可能となる。しかし、例えば、下部電極に印加するバイアスの周波数を８００ＫＨｚ程度であったものを１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚへと高周波化し、上部電極と被処理基板を載せた下部電極の距離が３０mmといった狭ギャップを用いることで、プラズマの分布に影響を及ぼす場合がある。それにより被処理基板上に、僅かな電荷の偏りが生じて、被処理基板面内に電位差が発生する場合がある。この場合の電位差によりゲート絶縁膜が破壊するチャージアップダメージが問題となる。

図４に、従来のプラズマ処理装置の概略図を示す。

真空処理室１内に被処理基板３を載せる下部電極４と、それに対向するように配置された上部電極２を有する。そして、真空処理室１内に磁場を発生させるコイル７（磁場生成手段）とヨークが処理室外に設けてある。コイル７に流れる電流により真空処理室１内に磁場を形成する。

上部電極２にはプラズマ生成用高周波電源５が、下部電極４にもバイアス電源６が接続され、真空処理室１内に電界を形成して反応性ガスをプラズマ化する。プラズマ中のイオンが下部バイアス電力により、下部電極４上に置かれた被処理基板３の表面に衝突することでエッチング反応を加速する。

また、コイル磁場を使用することで、磁力線にトラップされた電子が気体の電離を促進し、高密度なプラズマを生成する。そして、処理室内の側壁に拡散する粒子を磁場により閉じ込め、電磁的にプラズマを制御することが出来る。

プラズマ生成用高周波電源５とバイアス電源６及びコイル電源８には、電源のオン／オフ制御や被処理基板３をエッチングするレシピ設定値を出力可能な制御手段１０が接続されている。プラズマの発生から停止までの一連の流れは、制御手段１０からプラズマ生成用高周波電源５とバイアス電源６及びコイル電源８にオンの信号と、被処理基板３を処理するレシピ条件値まで出力するよう信号を送信する。それらによりプラズマが生成され、被処理基板３をエッチングする。エッチング終了時に、それぞれの電源にオフ信号を送信しプラズマを停止させる。制御手段１０の信号送信のタイミングを変えることにより、各電源のオン／オフを時間的に異なるタイミングで制御することができる。

真空処理室１内に生成されたプラズマは、コイル７による磁場や上下電極間の電場によりプラズマ分布は安定している。その為、被処理基板３面内は一様な均一性を持った電位を示す。しかし、プラズマを停止する場合に、コイル電流を切る事による真空処理室１内の残留磁場や、プラズマ生成用高周波電源５とバイアス電源６をオフする事による電界バランスの拮抗が崩れることにより、プラズマの分布が変わり、被処理基板３上に電位のばらつきがでる怖れがある。

図５は、従来のプラズマ停止タイミングチャートを示す図である。

実線はプラズマ停止の際のコイル電源８の出力オン／オフ信号、点線はプラズマ生成用高周波電源５の出力オン／オフ信号、一点鎖線はバイアス電源６の出力オン／オフ信号のタイミングを示している。

従来は、プラズマが安定的に点いている定常状態から、コイル電流を先にオフした場合に、磁場の減衰により大きくプラズマ分布の歪みを生じさせ、上下電極間のギャップ長が３０mmといった、狭ギャッププロセスでは特に、被処理基板の面内に電荷の偏りを起こしていた。

一方、従来使用していた下部電極４に印加するバイアス電源６の周波数は、８００ＫＨｚとプラズマ分布に影響を及ぼす周波数帯では無かった。

このことから、磁場減衰による歪みの影響を考慮して、最後にコイル電流をオフしていた。

プラズマオフタイミングとして、最初にバイアス電源６をオフ（ｔ１）していた。そして、プラズマ生成用高周波電源５のみで放電を行い、その放電が安定した５ｓ秒後にプラズマ生成用高周波電源５をオフ（ｔ２）していた。そして、最後にコイル電源８をオフ（ｔ３）することにより、コイル電流をオフした後の真空処理室１内の残留磁場が、プラズマ分布に与える影響を低減していた。

磁場を使用したプラズマ処理装置において、磁場を検知し制御する従来技術が、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１では、ダイポールマグネットリングと反対方向に稼動することで磁場を打ち消す役割を持つエッチング処理装置において、真空処理室外にある周辺機器に影響を及ぼす漏洩磁場を検出した時点でダイポールマグネットリングと反対方向にシールド板を稼動し、漏洩磁場を遮蔽することが提案されている。

特開平１１−３３６２０６号公報

被処理基板のエッチング性能を向上させる為に、プラズマ生成用高周波電源やバイアス源の高周波化により、従来のプラズマ停止のタイミングでは、プラズマ分布の均一性を保てない場合が考えられた。それは、プラズマ停止時に、上下電極に印加していた高周波電力をオフするタイミングを時間的な順番をつけることにより、電極間の電界が大きく変動するからである。さらに、変動する電界中に磁場が有る場合、寄生放電などが起こる場合がある。また、被処理基板上のプラズマ分布が変わることは、面内の電位が部位毎に変わり、チャージアップダメージの問題が発生する場合がある。その為、コイル電流による残留磁場や上下電極間の電界強度を考慮した制御方法が必要となった。

本発明の目的は、磁場を使用したプラズマ処理装置において、プラズマの停止時に被処理基板に影響する問題を最小限に抑制することが可能で、新規かつ改良されたプラズマ処理装置及び、その制御方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理装置は、真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置において、前記真空処理室内の磁場強度を測定する磁場計測手段と、前記コイル電源の出力オン／オフ信号がオフされ後に測定される磁場強度が所定値まで減衰した時、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフする制御手段を備えたことを特徴とする。

更に、前記制御手段は、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力値を、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号がオフされてから、前記測定される磁場強度の値がゼロになるタイミングに合わせて、所定値から徐々にゼロに近づくように制御することを特徴とする。

また、真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置において、前記コイル電源の出力オン／オフ信号をオフした後の残留磁場の磁場減衰時間、生成された前記プラズマ中の電子温度、前記コイルを流れる電流による前記真空処理室内の磁束密度情報を少なくとも蓄積したデータベースを備え、前記データベースを元に、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフする制御手段を備えたことを特徴とする。

また、真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置の制御方法において、前記被処理基板の処理後であってプラズマを停止する際、まず、前記コイル電源の出力オン／オフ信号をオフし、次に、前記真空処理室内の磁場強度の値が所定値まで減衰するタイミングに合わせて、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフし、更に、前記真空処理室内の磁場強度の値がゼロになるタイミングに合わせて、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力値を、所定値から徐々にゼロに近づけるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、磁場と、上下電極に印加する高周波電力の電界による高密度プラズマ状態から、プラズマ停止時の磁場や電場の変動による、プラズマ分布の不均一性を無くし、安定した分布状態でプラズマを停止することが可能となる。これにより、寄生放電を防止し、チャージアップダメージの低減を図ることができる。

（実施例１）
本発明の第一の実施例になるプラズマ処理装置を図１，図２Ａ，図２Ｂで説明する。

図１は、本発明の第一の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。

プラズマ処理装置は、被処理基板３を真空処理する真空処理室１，真空処理室１内に設けられた上部電極２，上部電極２に対向して設けられ被処理基板３を載置する下部電極４，上部電極２に接続され真空処理室１内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源５（周波数は、１００ＭＨｚ〜５００ＭＨｚ）、下部電極４に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源６（周波数は、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ）、真空処理室１外に設置されるコイル７に接続され真空処理室１内に磁場を生成するコイル電源８を備えており、更に、真空処理室１内の磁場を測定する磁場計測手段９、プラズマ処理装置を運転するために必要な各種装置信号を制御する制御手段１０を備えている。

制御手段１０には、プラズマ生成用高周波電源５，バイアス電源６，コイル電源８，磁場計測手段９等が接続されている。

上部電極２と下部電極４との距離は３０mmとしたが、１０mm〜５０mmの範囲で変更可能。

磁場計測手段９は、例えば、大気中に備えられたコイル７を支えるヨークに設置すると良い。

磁場計測手段９は、例えば、被処理基板３の処理後であって、プラズマ停止する際に、コイル電源８をオフした後の真空処理室１内の磁場強度の減衰を計測する。

そして、所定値まで磁場強度が減衰した時に、制御手段１０により、プラズマ生成用高周波電源５またはバイアス電源６の出力オン／オフ信号をオフする。

また、プラズマ生成用高周波電源５またはバイアス電源６の出力値は、それぞれの出力オン／オフ信号をオフしてから、測定される磁場の値がゼロになるタイミングに合わせて、所定値（処理時）から徐々にゼロに近づくように、つまり、時間的な傾斜をつけてオフするようにしている。

つまり、プラズマ生成用高周波電源５またはバイアス電源６の出力値を、被処理基板３処理時の出力値からゼロに落とす際、急激な電力の変化（例えば、２００ＭＨｚ，１０００Ｗからオフする際に５０ｍｓで０Ｗになるような制御）により電極間の電界分布が大きく変化する事を防ぐ為に、その時間を例えば、５０ｍｓから３００ｍｓに変更することが可能である。

プラズマが安定して点いている定常状態においては、磁場により電子やイオンは磁力線にトラップされて旋回運動を行う。電子はラーモア半径Ρｅが小さいために、高速で旋回運動を行い、次々にガス種を電離させて高密度なプラズマを生成している。コイルを流れる電流による真空処理室内の磁場強度が、例えば６０〜７５ガウスである場合、電子の旋回半径は数ミリ以下となる。

しかし、例えば磁場強度が２〜３ガウス以下となれば、磁場にトラップされている電子のラーモア半径Ρｅは、下記の式から、上下電極間長（ｅ．ｇ..ギャップ：３０mm）よりも長くなり、電子が自由運動を行っているとみなせる。

ωｃｅ＝ｅ＊Ｂ／ｍｅ：電子サイクロトロン周波数
Ρｅ＝(２＊ｋＢ＊Ｔｅ／ｍｅ)＾０.５／ωｃｅ：ラーモア半径
ｋＢ：ボルツマン定数，Ｔｅ：電子温度，ｍｅ：電子質量，ｅ：素電荷量，Ｂ：磁束密度
以上のことを考慮して、本発明では、磁場の減衰と電界の減衰のタイミングを制御することで、磁場と電場によるプラズマの歪みをなくし、被処理基板上の電荷の偏りをなくすことが出来る。

図２Ａは、本発明にかかるプラズマ停止タイミングチャートを示す図である。

実線は真空処理室１内の磁場強度、点線はプラズマ生成用高周波電源５の出力、一点鎖線はバイアス電源６の出力を示している。

被処理基板３の処理後であってプラズマを停止する際、まず、コイル電源８の出力オン／オフ信号をオフ（ｔ１）すると、真空処理室１内の磁場強度は指数的に減衰していく。次に、電子のラーモア半径を考慮して、真空処理室１内の磁場強度が所定値（例えば、２〜３ガウス程度）以下となるタイミングｔ２を磁場計測手段９が検出すると、プラズマ生成用高周波電源５またはバイアス電源６の出力オン／オフ信号をオフする。更に、真空処理室１内の磁場強度の値がゼロになるタイミング（ｔ３）に合わせて、プラズマ生成用高周波電源５またはバイアス電源６の出力値を、所定値から徐々にゼロに近づけるように制御している。

図２Ｂは、本発明にかかるプラズマ停止タイミングチャートの別の例を示す図である。

被処理基板３上のシース厚を確保したい場合は、プラズマ生成用高周波電源５の出力をゼロにした後に、ｔ４のタイミングでバイアス電源６の出力をゼロにすることが望ましい（ａ）。また、プラズマ生成用高周波電源５の出力を下げ始める同タイミング（ｔ２）で、バイアス電源６の出力をある一定値まで下げて、プラズマ生成用高周波電源５の出力が完全にゼロになった後に、ｔ４のタイミングでバイアス電源６の出力をゼロにしても良い（ｂ）。このことより、高密度なプラズマを維持しながらプラズマを停止することが出来るので、チャージアップダメージ等の問題を解消することが出来る。

（実施例２）
本発明の第二の実施例になるプラズマ処理装置を図３で説明する。

図３は、本発明の第二の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。

プラズマ処理装置は、第一の実施例に記載した磁場計測手段９を備える代わりに、予め測定した、コイル電源の出力オン／オフ信号をオフした後の真空処理室１内の残留磁場の磁場減衰時間、生成されたプラズマ中の電子温度、コイルを流れる電流による真空処理室１内の磁束密度情報を少なくとも蓄積したデータベース１１を備えている。

被処理基板３上の被膜は、いくつか積層されているため、各被膜によってエッチングするレシピ条件が異なる。そのため、それぞれの電源が出力する値が異なり、被処理基板３上の面内の電位分布が均一な状態で、プラズマを停止する各電源オフのタイミングを考慮する必要がある。

本実施例では、予め使用するレシピ条件での、コイル電流設定値から電源オフした時の残留磁場の減衰時間や、プラズマ中の電子温度、処理室内の磁束密度を測定し、データベース１１に保存しているため、その情報を用いて制御手段１０がラーモア半径を計算し、各電源のオフタイミングを変化させて、面内電位分布を均一な状態を保持しつつプラズマを停止させることができる。

以上、本発明の実施例についてプラズマエッチング装置のチャージアップダメージ低減を例にあげて説明したが、本発明はこの他にも、磁場を使用し、上部電極，下部電極の双方に高周波電力を印加してプラズマ処理を行う各種装置にも適用することが出来る。

本発明の第一の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。 本発明にかかるプラズマ停止タイミングチャートを示す図である。 本発明にかかるプラズマ停止タイミングチャートの別の例を示す図である。 本発明の第二の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。 従来のプラズマ処理装置の概略図である。 従来のプラズマ停止タイミングチャートを示す図である。

符号の説明

１ 真空処理室
２ 上部電極
３ 被処理基板
４ 下部電極
５ プラズマ生成用高周波電源
６ バイアス電源
７ コイル
８ コイル電源
９ 磁場計測手段
１０ 制御手段
１１ データベース

Claims (4)

1. 真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室内の磁場強度を測定する磁場計測手段と、前記コイル電源の出力オン／オフ信号がオフされ後に測定される磁場強度が所定値まで減衰した時、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフする制御手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御手段は、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力値を、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号がオフされてから、前記測定される磁場強度の値がゼロになるタイミングに合わせて、所定値から徐々にゼロに近づくように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置において、
   前記コイル電源の出力オン／オフ信号をオフした後の残留磁場の磁場減衰時間、生成された前記プラズマ中の電子温度、前記コイルを流れる電流による前記真空処理室内の磁束密度情報を少なくとも蓄積したデータベースを備え、
   前記データベースを元に、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフする制御手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 真空処理室と、前記真空処理室内に設けられた上部電極と、前記上部電極に対向して設けられ被処理基板を載置する下部電極と、前記上部電極に接続され前記真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成用高周波電源と、前記下部電極に接続されプラズマ中のイオンを加速するバイアス電源と、前記真空処理室外に設置されるコイルに接続され前記真空処理室内に磁場を生成するコイル電源とを有するプラズマ処理装置の制御方法において、
   前記被処理基板の処理後であってプラズマを停止する際、まず、前記コイル電源の出力オン／オフ信号をオフし、次に、前記真空処理室内の磁場強度の値が所定値まで減衰するタイミングに合わせて、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力オン／オフ信号をオフし、更に、前記真空処理室内の磁場強度の値がゼロになるタイミングに合わせて、前記プラズマ生成用高周波電源または前記バイアス電源の出力値を、所定値から徐々にゼロに近づけるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置の制御方法。

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