JP2011176161A - プラズマ処理装置及び処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造されるデバイスにおける閾値のバラツキを抑制する。
【解決手段】内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内の試料載置電極上に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒溝を備えた基材部２０２と、該基材部の試料を載置する面に同心状に複数配置されたヒータ用抵抗体２０３、および静電吸着用電極２２２，２２３を備え、前記前記同心状に配置された複数のヒータ用抵抗体のうち中央部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスを周縁部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスよりも高く設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に試料を載置する載置電極に印加されるバイアスを調整して試料の特性を損なうことなくプラズマ処理を施すことのできるプラズマ処理技術に関する。

プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置は、半導体集積回路の製造のため多岐にわたり用いられている。半導体集積回路の製造に際しては、プラズマ処理装置を用いて、試料である基板上に積層された複数の膜を連続して処理する。

このような処理を行うプラズマ処理装置では、試料を載置する載置電極内にヒータを埋め込み、基板上に積層された各膜層ごとに試料の面内の温度分布を最適に制御しながらエッチング処理を施す。これによりエッチング処理の加工寸法精度を向上することができる（特許文献１）。

特開２００８−１７７２８５号公報

近年では、試料上に形成される絶縁膜、例えばＭＯＳトランジスタのゲートを構成するゲート絶縁膜は著しく薄膜化してきた。このため、プラズマ処理中にプラズマに対してこれらの絶縁膜が露出している工程において、荷電粒子の入射量にバラツキがあると、バラツキがわずかであってもゲート絶縁膜間に電位差が生じ、結果として製造されるＭＯＳトランジスタの特性を劣化させ、また特性にバラツキを生じさせる。特に試料のサイズが大型化するに伴い前記バラツキを抑制することは困難となり、歩留まりが低下する。

また、半導体集積回路の集積度が高くなるに伴って素子構造の微細化が進み、従来は単層膜で構成されていた素子が、特性向上の要求に対応するため多層膜で積層化されるようになった。例えば、トランジスタの動作速度の高速化のため、ゲート電極は複数の材料からなる膜で積層化されている。さらに加工寸法の微細化に伴い光リソグラフィの難度が高くなり、フォトレジストの膜厚を大きくすることが困難となった。このため、選択比のある材料を交互に積層した積層膜をプラズマエッチングにより次々に下地膜に転写し、エッチングする方法がとられるようになった。

また、これら積層膜の膜構造の複雑化に伴う処理時間の増大の問題に対しては、複数の膜を１つのチャンバ内で一貫処理する方法、あるいは試料のサイズを大型化して１チップ当たりの製造コストの低下を図る努力が払われている。

前記多層膜の一貫エッチング処理に際しては、各層ごとに最適なエッチング温度が設定できるようにしたヒータ埋め込み電極が開発されている。また、試料サイズを大型化すると、トランジスタのゲート加工寸法のバラツキの電気特性に与える影響が大きい。

このため、試料載置電極に埋め込まれたヒータを径方向に複数のゾーンに分割し、分割された各ゾーンのヒータに供給する電力を独立に調整する。これにより、ウエハ径方向に温度分布を持たせて、加工寸法のバラツキが最小になるように綿密に温度チューニングを行いつつ、各層をエッチングすることができる。

また、チャンバ内に供給する処理ガス、磁場の制御をあわせて行うことにより、大口径ウエハ処理における加工寸法バラツキから生じるトランジスタ特性のバラツキを最小にすることができる。

しかしながら、上述の手法により、大面積ウエハの加工寸法バラツキを抑制しても、荷電粒子入射量にバラツキがある場合、例えば、試料が薄い絶縁膜を有し、この絶縁膜がプラズマに直接曝されている場合、あるいは前記薄い絶縁膜に接触している導電性の膜がプラズマに曝されている場合、前記入射量のバラツキよって発生した高電界が前記薄い絶縁膜に発生し、絶縁膜の特性を変化させ、これにより、製造されたデバイスの電気特性にバラツキが生じることがある。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、薄い絶縁膜の特性劣化を防止し、集積回路の製造歩留まりを向上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。

内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内の試料載置電極上に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒流路を備えた基材部と、該基材部の試料を載置する面に同心状に複数配置されたヒータ用抵抗体、および静電吸着用電極を備え、前記前記同心状に配置された複数のヒータ用抵抗体のうちの中央部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスは周縁部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスよりも高く設定した。

本発明は、以上の構成を備えるため、薄い絶縁膜の特性劣化を防止し、集積回路の製造歩留まり向上することができる。

本実施形態に係るエッチング装置の概略を説明する図である。 試料載置電極の詳細を示す図である。 ヒータへの給電回路を説明する図である。 従来技術で作成したトランジスタのゲート電圧対ドレイン電流特性のバラツキを示す図である。 ゲート電圧対ドレイン電流特性のバラツキついて、チップのウエハ位置を追跡調査した結果を示す図である。 本実施形態により作成したトランジスタのゲート電圧対ドレイン電流の特性のバラツキを示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るエッチング装置の概略を説明する図である。マイクロ波源１０１より出力されたマイクロ波は導波管１０２を介して処理室１０３に伝送される。処理室１０３にはガス導入系１３１及びコンダクタンス調整バルブを有する真空排気系１３２が接続され、ガスを導入しながら同時に排気を行うことにより、処理室をプラズマ処理に適した雰囲気、圧力に保持することができる。処理室内のガスは、投入されたマイクロ波によりプラズマ化され、被処理材としての試料（ウエハ）１０４に所定のプラズマ処理を施すことができる。なお、プラズマの生成手段としては、マイクロ波源以外に、高周波を用いた誘導結合手段、または高周波を用いた静電結合手段を用いることができる。

ウエハ１０４は、試料載置電極１０５上に設置され、接続されたバイアス電源１０７によりバイアス電位が与えられる。バイアス電源１０７は周波数４００ｋＨｚの正弦波電圧を出力するものを用いる。これによりプラズマ中のイオンをウエハに引き込み、プラズマエッチングが進行する。ウエハを載置する載置電極には、試料と電極表面との熱伝導を確実にするためのＨｅ導入系１０６、ウエハを吸着するための静電チャック用の直流電源１０８、載置電極に埋め込まれたヒータの温度制御のための定電力出力電源１１１、１１２、１１３、載置電極本体を構成する基材を冷却するための冷媒を循環させる温調器１０９が接続されている。定電力出力電源１１１、１１２、１１３には出力電力値を逐次設定する温度制御部１１０が接続されている。

図２は、図１に示す試料載置電極１０５の詳細を示す図である。試料載置電極はヘッドプレート２０１、クーリングプレート（基材部）２０２を備える。ヘッドプレート２０１は絶縁材料からなり、内部の下側には加熱用のヒータ抵抗体２０３が埋め込まれている。ヒータ抵抗体は、図中の点線四角で囲まれた３領域からなり、中心部から、センタ領域２１１、ミドル領域２１２、エッジ領域２１３を形成し、それぞれの領域のヒータ抵抗体に対しては独立した３つのヒータ用直流電源１１１ないし１１３が接続される。

また、各領域のヒータ抵抗体とヒータ用直流電源の配線の間には、図１に示すようにバイアス電源である高周波電圧１０７から、ヒータ用直流電源１１１ないし１１３を保護するためのバイアスフィルタ回路１２１、１２２、１２３が接続されている。ヒータ抵抗体上には静電吸着用絶縁膜２２１が設けられ、該静電吸着膜内には静電吸着電極２２２および２２３が設けてある。静電吸着電極２２２および２２３には、図１に示す静電吸着用電源１０６より吸着用の電圧が印加され、ウエハ１０４との間に静電吸着力を発生させる。

前記クーリングプレート２０２には、内部流路２０４が形成されており、図１に示す温調器１０９によって温調された冷媒が循環する。

図３は、ヒータへの給電回路を説明する図である。ヒータ２１１は、一定幅の金属パターンを、載置電極上に形成された円板状のエリア内に一筆書きするように、分岐することなく等間隔に配置して形成されている。また、ヒータは、その両端にそれぞれ設けた給電線１４１、インピーダンス調整器１２３、ハイカットフィルタ１３３を介して直流ヒータ電源１１３の正および負極に接続している。なお、図３ではセンタ領域のヒータについてのみ示したが、残りのヒータについても同様な構成となっている。インピーダンス調整器１２３は、可変インダクタンスＬｖと可変キャパシタＣｖで構成されており、これらを調整することにより、載置電極のクーリングプレート２０２に印加されるＲＦバイアス電流のグランドへの流れ込み量を調整することができる。
このように形成されたプラズマ処理装置を用いて、複数の半導体ＬＳＩチップを含むパターンが描かれたウエハにプラズマエッチング処理を施した。ウエハは、シリコン基板上に下層側から順に、酸化膜層、メタル層、ポリシリコン層が積層されており、前記ポリシリコン層の上にはパターニングのための酸化膜、反射防止膜、フォトレジストが積層されている。

フォトレジストは、既に露光されてパターンが形成されているため、エッチングに際しては、反射防止膜から順次連続してエッチングを行う。

ウエハは、図示しない真空内搬送装置により、図１に示す処理室に搬送され、載置電極上に載置される。処理室の搬送口を閉じたあと、処理室上面のシャワープレートからエッチングガスを導入し、同時に排気ポンプの上流側に設けたコンダクタンス調整バルブの開度を調整して、処理室内を所定の圧力に調整する。

その後、磁場発生コイルに電流を流し、処理室内に磁場を形成し、マグネトロンを励起して発生したマイクロ波を石英窓を通して処理室内に導入する。処理室内ではマイクロ波と磁場の相互作用により、電子に効率的にエネルギーを与え、電子と中性ガス分子との衝突によりイオンを発生してプラズマが形成される。電子と中性ガス分子との衝突は同時にエッチングを進めるエッチングラジカルと、パターン側壁に付着して加工形状を制御するデポラジカルを発生させる。

ウエハには、載置電極を通じてバイアス電圧が印加され、プラズマ中のイオンを電界加速し、ウエハに垂直に衝突するエネルギーを与え、パターン底面でラジカルとともにエッチング反応を効率よく進める。

一方、パターンの側壁には、デポラジカルが付着し、側壁に入射するエッチングラジカルによるエッチングを阻害し、エッチング加工における横方向の寸法を決定する。

ガスの排気口は、載置電極の外周の処理室の下流側にある。このためデポラジカルのウエハ上の空間における密度分布は、その中心で高く、周辺に向かって徐々に低下していく山形のパターンとなる。このため、パターン側壁におけるデポラジカルの入射量もウエハ中心部で多く、周辺では少ないという分布になる。このため均一な加工寸法を得ることができない。

一方、デポラジカルのパターン側壁への付着確率はウエハの温度に反比例する関係にある。このため、ウエハ面内における温度分布を山型にすることにより、デポラジカルのパターン側壁への付着量を均一化することができる。これにより、ウエハ面内で均一な加工寸法を得ることができる。

このため本実施形態におけるプラズマ処理装置では、積層された各層をエッチングするステップのそれぞれにおいて、エッチングガス、処理ガス圧力、マイクロ波電力、バイアス電圧を最適化するとともに、デポラジカルの入射量の分布を付着確率で補正するよう各ステップにおけるヒータへの投入電力を調整して、温度分布の最適化を行った。その結果、重要な電気特性のひとつであるトランジスタの動作速度について、高速で、ばらつきの少ないＬＳＩチップを多数得ることができた。

しかし、前記ＬＳＩチップを構成する電界効果トランジスタの特性の一つである、ゲート電圧対ドレイン電流（Ｉｄｓ−Ｖｇｓ）の特性を測定すると、図４に示すように、その閾値電圧Ｖｔｈにバラツキがあることがわかった。またそのばらつきについて、チップのウエハ位置を追跡調査すると、図５に示すようにエッチング工程でウエハ中心にあったチップの閾値が高いという相関があることがわかった。

そこでエッチング処理に際して、インピーダンス調整回路を取り付け、載置電極のウエハセンタ部から見た接地インピーダンスを周辺部から見た接地インピーダンスより高くなるように調整回路を調整した。

このように調整した状態で、さらにエッチング条件および温度設定の全てを変更することなくエッチングを行った。エッチング後、加工されたパターンの寸法を測定したところ接地インピーダンスを調整する前と同様、寸法バラツキの少ない結果が得られた。

さらに後続する加工を施し、トランジスタ構造ができ上がったところでトランジスタ特性を測定した。その結果、接地インピーダンス調整前に見られたＩｄｓ−Ｖｇｓ特性上の閾値Ｖｔｈのバラツキは図６に示すように抑制されていた。

これは、接地インピーダンスの調整前においては、ウエハ面内における荷電粒子の入射量にアンバランスがあり、荷電粒子の入射量の多いウエハ中心部の酸化膜（絶縁膜）にストレスを発生させていたが、インピーダンス調整回路を用いて、接地インピーダンスを調整を行った後は、ウエハ面内における荷電粒子の入射量が均一となり、プラズマ処理中に発生するゲート酸化膜にかかる電圧が低減されたことによる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、多層膜化構造に対応するための被処理膜の一貫処理化に対応可能であるとともに、エッチング加工精度を維持したまま、デバイスの特性劣化を抑制してエッチングすることが可能になる。特にこの効果は、荷電粒子入射量の均一性を維持することが困難になる大面積のウエハを処理する場合に顕著となる。このため今後のウエハ大口径化に対してさらに有用性が高まる。

１０１ マイクロ波源
１０２ 導波管
１０３ 処理室
１０４ 被処理基板（ウエハ）
１０５ 試料載置電極
１０６ Ｈｅ供給系
１０７ バイアス電源
１０８ 直流電源
１０９ 温調器
１１０ 制御器
１１１〜１１３ ヒータ電源
１２１〜１２３ インピーダンス調整器
１３１〜１３３ ハイカットフィルタ
２０１ ヘッドプレート
２０２ クーリングプレート
２０３ ヒータ抵抗体
２０４ 内部流路

Claims (4)

1. 内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内の試料載置電極上に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒流路を備えた基材部と、
   該基材部の試料を載置する面に同心状に複数配置されたヒータ用抵抗体、および静電吸着用電極を備え、
   前記前記同心状に配置された複数のヒータ用抵抗体のうちの中央部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスは周縁部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスよりも高く設定し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、
   前記ヒータ用抵抗体は、その両端にそれぞれ設けた給電線、インピーダンス調整器、ハイカットフィルタを介して直流ヒータ電源の正および負極に接続することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記ヒータ用抵抗体は、その両端にそれぞれ設けた給電線、インピーダンス調整器、ハイカットフィルタを介して直流ヒータ電源の正および負極に接続すると共に、前記インピーダンス調整器は、可変インダクタンスと可変キャパシタで構成されており、これらを調整することにより、載置電極のクーリングプレートに印加されるＲＦバイアス電流のグランドへの流れ込み量を調整することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内の試料載置電極上に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置の調整方法において、
   前記試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒流路を備えた基材部と、
   該基材部の試料を載置する面に同心状に複数配置されたヒータ用抵抗体、および静電吸着用電極を備え、
   前記同心状に配置された複数のヒータ用抵抗体のうち中央部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスを周縁部に配置した抵抗体に加熱電力を給電する線路の対地インピーダンスよりも高くなるように調整して、試料表面に入射する荷電粒子の分布を均等になるようしたことを特徴とするプラズマ処理方法。