JP2016213359A

JP2016213359A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

Info

Publication number: JP2016213359A
Application number: JP2015096999A
Authority: JP
Inventors: 航平松田; Kohei Matsuda; 政士森; Masashi Mori; 敏明西田; Toshiaki Nishida; 尚裕川本; Naohiro Kawamoto; 均古林; Hitoshi Furubayashi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-12-15
Anticipated expiration: 2035-05-12
Also published as: JP6581387B2

Abstract

【課題】本発明は、温度制御しながらプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法において、プラズマ処理結果の経時変化を抑制できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】本発明は、プラズマを用いて試料がプラズマ処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、温度センサーおよびヒーターが内部に配置され前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始の判定を行う制御装置をさらに備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体やフラットパネルディスプレイ製造に用いられるＣＶＤやドライエッチングに代表されるプラズマ処理装置とその処理方法に係わり、特に、プラズマ処理装置を用いたプロセスの性能安定性に関する。

半導体デバイスの製造工程におけるプラズマエッチング処理工程では、エッチング速度や選択比、形状制御性等を複数枚のウエハ処理において一定に保つため、処理室内壁や被処理基板を含む処理室内構造物の温度を一定に保つ機構を備えるプラズマ処理装置が用いられる。

例えば、処理室内に被処理基板を固定する試料台内部に温度制御用流体を循環させることにより被処理基板の温度を一定に保つ方法、内部にヒーターと冷媒配管を埋め込むことにより被処理基板の温度を一定に保つ方法、または、処理室壁面を大気側からヒーターで加熱することで処理室の温度を一定に保つ方法等が知られている。

さらに各プラズマ処理条件で異なるプラズマからの入熱によるプラズマ処理室内部品の温度上昇に対する応答を向上させるため、特許文献１には、下部電極に埋め込まれた熱電対によって直接プラズマ温度に近い下部電極の温度を測定し、この温度の変化で熱容量が小さいものを含む複数のサーキュレータの流体温度を制御する半導体製造装置が開示されている。

特開２００１−９３８８３号公報

ところが、特許文献１に開示された温度制御方法を用いても複数枚ウエハ処理を行った場合に、エッチング形状において許容範囲を超える被処理ウエハ間ばらつきが発生した。その主たる要因として、以下に示すような温度制御されていない部分からの影響が挙げられる。

特許文献１に記載の半導体製造装置を含め、通常、温度制御を行うためには温度センサーからの測定値を一定に保つよう熱の入流出量を制御することにより一定温度に保っているが、温度センサーにより測定出来ていない部分は少なからず存在する。プラズマ処理装置の場合では、プラズマに曝されている部分が急激に加熱されることにより不均一な温度分布が生じ、温度センサーによる測定部位は一定温度に保たれているにも拘らず、その近傍では温度が一定に制御されていないといった状況が発生する。

また、温度制御されていない部分が多くなると、エッチング速度や選択比、形状制御性能等が複数枚ウエハ処理に対して一定に保たれない問題が発生する。

以上のような課題に鑑みて本発明は、温度制御しながらプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法において、プラズマ処理結果の経時変化を抑制できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。

本発明は、プラズマを用いて試料がプラズマ処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、温度センサーおよびヒーターが内部に配置され前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始の判定を行う制御装置をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明は、温度センサーおよびヒーターが内部に配置された試料台に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始を判定することを特徴とする。

本発明は、温度制御しながらプラズマ処理するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法において、プラズマ処理結果の経時変化を抑制できる。

本発明に係るマイクロ波ＥＣＲエッチング装置の縦断面図である。本発明に係る処理フローを示す図である。ウエハ処理枚数とヒーター出力値との関係及びウエハ処理枚数とエッチング量との関係を示す図である。空間的に温度勾配が異なるときの熱流束の大きさの違いを示す概念図である。温度調整実施後のウエハ処理直前クリーニングにおけるヒーターの出力値５０２を示す図である。処理開始直後と２５枚連続処理後のエッチング量の変化率を示す図である。温度センサーが設置された個所のヒーター出力値に応じてウエハ処理時のガス流量や温度設定値等を補正するための処理フローを示す図である。ウエハを処理する前、温度センサーが設置された箇所のヒーター出力値が許容範囲内になるように予め温度調整を実施するための処理フローを示す図である。

まず、本発明に係るプラズマ処理装置の断面図を図１に示す。このプラズマ処理装置は、電子サイクロトロン共鳴を利用してエッチングを行うＥｌｅｃｔｒｏｎＣｙｃｌｏｔｒｏｎＲｅｓｏｎａｎｃｅ(以下、ＥＣＲと称する）型プラズマエッチング装置である。上部が開放された真空容器１０１の上部に真空容器１０１内にエッチングガスを導入するためのシャワープレート１０２（例えば石英製またはイットリア製）、誘電体窓１０３（例えば石英製）を設置して密封することにより処理室１０４を形成する。

真空容器１０１の外部にはヒーター１０５が設置され、ヒーター制御器１０６に接続されている。真空容器１０１には温度センサー１０７が設置され、その信号は、ヒーター制御器１０６に伝送され、真空容器１０１の内壁が所望の温度になるようにヒーター１０５の出力が制御される。シャワープレート１０２にはエッチングガスを供給するためのガス供給装置１０８が接続される。また、真空容器１０１には真空排気口１０９を介し真空排気装置（図示省略）が接続されている。

プラズマを生成するための高周波電力を処理室１０４に伝送するため、誘電体窓１０３の上方には電磁波を伝送する導波管１１０が設けられる。導波管１１０へ伝送される電磁波は、電磁波発生用電源１１１から発振させる。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波を使用する。処理室１０４の外周には、磁場を形成するための磁場発生コイル１１２が設けてあり、電磁波発生用電源１１１より発振された電磁波は、形成された磁場との相互作用により、処理室１０４内にプラズマを生成する。

また、シャワープレート１０２に対向して真空容器１０１の下部にはウエハ載置用電極１１３が設けられる。ウエハ載置用電極１１３は、電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、高周波フィルター１１４を介して直流電源１１５が接続されている。さらに、ウエハ載置用電極１１３には、マッチング回路１１６を介して高周波電源１１７が接続される。

また、ウエハ載置用電極１１３は、冷媒用流路１１８を有し、温調器１１９に接続されているとともにヒーター１２０を有し、ヒーター制御器１２１に接続されている。さらにウエハ載置用電極１１３には温度センサー１２２が設置され、その信号はヒーター制御器１２１に伝送されてウエハ１２３温度を所望の温度になるようにヒーター１２０出力および冷媒の温度を制御する温調器１１９の設定温度が制御される。

処理室１０４内に搬送されたウエハ１２３は、直流電源１１５から印加される直流電圧の静電気力によりウエハ載置用電極１１３上に吸着および温度調節され、ガス供給装置１０８によって所望のエッチングガスが供給された後、真空容器１０１内を所定の圧力として処理室１０４内にプラズマを発生させる。ウエハ載置用電極１１３に接続された高周波電源１１７から高周波電力を供給することによりプラズマからウエハへイオンを引き込み、ウエハ１２３がエッチング処理される。

本実施例では、真空容器１０１の内壁温度をヒーター１０５により所望の温度に制御することができ、ウエハ載置電極１１３の温度をヒーター１２０と温調器１１９により所望の温度に制御することができるが、更にヒーター制御器１０６、ヒーター制御器１２１、温調器１１９はエッチング装置全体の制御を行う制御装置であるエッチング制御ユニット１２４に接続されている。エッチング制御ユニット１２４は、真空容器１０１の内壁温度をモニターする温度センサー１０７及びウエハ載置要電極１１３の温度をモニターする温度センサー１２２にて測定された温度信号を信号処理し、温度センサー１０７に接続されたヒーター制御装置１０６、温度センサー１２２に接続されたヒーター制御装置１２１及び温調器１１９をそれぞれ制御する。

このようなエッチング装置において、本発明は、ヒーター出力監視ユニット１２５を備えることを特徴とする。ヒーター出力監視ユニット１２５は、ヒーター１２０に接続されてヒーター１２０出力値を検知し、この検知されたヒーター出力値を基に予め設定された許容範囲に入るかどうか監視する。また、ヒーター出力監視ユニット１２５は、エッチング制御ユニット１２４に接続されることにより以下に示す処理を制御することを特徴とする。

次に本発明のヒーター出力監視ユニットを備えるエッチング装置を用いた処理フローについて図２を用いて説明する。まず、ステップ２０１にてヒーター１２０の出力値を測定する。次にステップ２０２にてそのヒーター１２０の出力値があらかじめ設定された許容範囲内にあるかどうかを判定する。許容範囲内であればステップ２０３にてウエハ処理を実行する。許容範囲外であれば、ステップ２０４にて温度調整を実行し、温度調整後、ステップ２０１にてヒーター１２０の出力値を測定してステップ２０２にて許容範囲内にあるかどうか判定する。

ステップ２０５にて他の被処理ウエハがあるかどうかを判定し、被処理ウエハがなくなるまで上述の処理フローを繰り返し実行する。被処理ウエハがなくなると、処理フローを終了する。この処理フローを適用することにより、被処理ウエハの連続処理時におけるエッチング性能の経時変化を抑制できた。また、このエッチング性能の経時変化抑制のモデルは以下のように考えられる。

図３にウエハの処理枚数に対するウエハ載置用電極１１３に内蔵されたヒーター１２０の出力値の推移を３０１として示す。また、図３にウエハの処理枚数に対するタングステン膜のエッチング量の推移を３０２として示す。エッチング量の推移３０２が安定するまでの推移とヒーター１２０の推移３０１が安定するまでの推移の間に相関があることが図３からわかる。この相関については以下のように考えられる。

図４は、空間的に温度勾配が異なるときの熱流束の大きさの違いを説明するための概念図である。また、図４(ａ)は、温度センサーの設置個所と温度センサーの設置個所の外部との温度差が大きい場合を示し、図４(ｂ)は、温度センサーの設置個所と温度センサーの設置個所の外部との温度差が小さい場合を示す。

図４(ａ)及び図４(ｂ)の横軸は座標軸を示し、Ａは、温度センサーが設置された箇所である。例えば、ウエハ載置用電極１１３に取り付けられた温度センサー１２２の取り付け箇所を示す。また、Ｂは、温度センサー１２２や温度センサー１０７から離れていることにより温度測定が出来ていない箇所である。例えば、ウエハ載置用電極１１３の近傍の処理室１０４の内壁を示す。図４(ａ)及び図４(ｂ)の縦軸は、それぞれの箇所における温度を示し、温度センサーが設置された箇所であるＡは、設定温度となるよう温度制御されていると仮定する。

熱流束は、温度勾配に比例することが一般的に知られている。ヒーターにより温度調整を行う場合、図４(ａ）の場合では外部へ流出する熱を補うためにヒーター出力値は大きく、図４(ｂ)の場合ではヒーター出力値も小さい。言い換えると、温度センサーが設置された箇所とその外部の温度差が小さくなるにつれてヒーター出力値も変化し、温度センサーが設置された箇所とその外部の温度差が一定になるとヒーター出力値も一定になる。

このため、外部の温度が一定になっているとみなせる許容範囲内に測定されたヒーター出力値が入っているかどうかにより外部の温度が一定になっているかどうかを判定することが出来る。つまり、ヒーター出力値の挙動と処理室内全体の温度分布との間に相関があると考えられる。また、処理室内全体の温度分布とエッチング性能の経時変化の間にも相関があるため、ヒーター出力値の挙動を把握することによりエッチング性能の経時変化を把握できる。

よって、温度センサーからの測定値を一定に保つよう熱の入流出量を制御する従来の温度制御では温度センサーにより測定している部分の温度制御しか出来ないが、本発明のヒーター出力監視ユニットを備えるプラズマ処理装置を用いることにより温度制御されていない箇所を低減し、複数枚のウエハ処理に亘ってエッチング速度や選択比、形状制御性能等を一定に保つことが可能になる。

次に本実施例の許容範囲の設定方法について説明する。まず、エッチング性能が一定となるまで複数枚のウエハ処理を実施した際における、所定動作中のウエハ載置用電極１１３に内蔵されたヒーター１２０の出力値の推移を記録する。ここで、所定動作とは、ウエハ処理前に常に同一の状況下でヒーター１２０の出力値を測定することが可能な動作を指している。本実施例においてはウエハ処理直前クリーニング（ＰｒｅＩｎ−ｓｉｔｕＣｌｅａｎｉｎｇ）における時間平均値を使用した。また、ウエハ処理直前クリーニングとは、各ウエハ処理直前に処理室１０４内部の状態を一定水準に回復、維持するためのプラズマ放電による洗浄工程である。所定動作は、ウエハ処理直前クリーニング等の処理動作に限らず、ウエハ入れ替え時などの処理室１０４が準アイドリング状態である場合であってもよい。

図３におけるヒーター１２０の出力値の推移３０１に示すようにヒーター１２０の出力値はウエハ処理枚数が５０枚程度に達するまでは減少傾向を示し、その後、約７４３Ｗ近傍をばらついていることが分かる。これは、エッチング量推移３０２と同様の挙動を示している。このため、本実施例ではウエハ処理枚数が５０枚以上であればヒーター１２０出力値推移３０１とエッチング量推移３０２はいずれも安定しているとみなし、ウエハ処理枚数が５０枚以上のヒーター１２０の出力値の平均値と標準偏差を算出してヒーター１２０の出力値の許容範囲３０３を（平均値）±（標準偏差）×１．５とした。

図２の処理フローに示す通り、ヒーター１２０の出力値がこのヒーター１２０の出力値の許容範囲３０３内かどうかによりウエハ１２３を処理するかまたは温度調整をするかを判定した。

図２に示すフローに従ってヒーター１２０の出力値を測定した時の値５０１を図５に示す。この時のヒーター１２０の出力値は、ヒーター１２０の出力値の許容範囲３０３から外れていたため、温度調整を実施した。この時の温度調整は、昇温放電により実施した。昇温放電とは、処理室１０４内部の温度を上昇させるためのプラズマ放電のことを指す。放電条件として、反応性の低いガスである５０ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスを用い、処理圧力を０．５Ｐａ、マイクロ波電力を１２００Ｗ、ウエハバイアスを０Ｗとする放電条件を用いた。

本実施例では、反応性の低いガスとしてアルゴン（Ａｒ）ガスを用いたが、ヘリウム（Ｈｅ）ガスやネオン（Ｎｅ）ガスなどの希ガスや窒素（Ｎ２）ガス、酸素（Ｏ２）ガスを用いてもよい。また、本実施例においては、昇温放電の時間とヒーター１２０の出力値の依存性を予め取得してヒーター１２０の出力値に応じて温度調整に必要な昇温放電の時間を設定したが、ヒーター１２０の出力値に応じてその他の手法を用いて自動的に昇温放電の時間を設定してもよい。

温度調整実施後のウエハ処理直前クリーニング（ＰｒｅＩｎ−ｓｉｔｕＣｌｅａｎｉｎｇ）におけるヒーター１２０の出力値５０２を図５に示す。ヒーター１２０の出力値５０２が許容範囲３０３に入ったため、ウエハ処理を実行した。この時のエッチング量の変化量について従来技術による結果と本発明による結果を比較したものを図６に示す。図６は、従来時の処理開始直後と２５枚連続処理後のエッチング量の変化率と、本発明時の処理開始直後と２５枚連続処理後のエッチング量の変化率を表している。本発明に係る図２に示す処理フローを適用することにより、変化率を１／１０程度まで低減することが出来た。

尚、本実施例において、ヒーター出力監視ユニット１２５は、ヒーター１２０に接続された例であったが、本発明は、接続されるヒーターがヒーター１２０のみ以外の場合においても有効である。例えば、ウエハ載置用電極１１３に接続された温調器１１９の内部のヒーター等に適用してもよい。本発明の適用箇所が増加するにつれて処理室内の温度分布を均一にできるため、本発明の適用箇所は可能な限り多くすることが温度制御の観点から望ましい。

更に本発明の適用箇所における各々のヒーター出力値から装置全体として温度調整が必要な個所を導出することによって温度調整方法を最適化してもよい。これにより、各箇所毎で行うよりも効率的に温度調整ができ、スループット向上につながる。また、効率よく温度制御を行うためには、シャワープレートや誘電体窓等の比熱が大きい箇所の温度調整を予め行うことが有効である。これにより、ヒーター出力値が安定するまでの時間を短縮することができ、スループット向上につながる。

また、本実施例では、温度調整は昇温放電により実施した例であったが、本発明は、昇温放電以外の場合においても有効である。例えば、ヒーター出力値の一時的な増加・減少による温度調整を行ってもよい。または、所望の温度分布となるよう各温度センサー設置個所のヒーター出力値に応じて昇温放電における放電条件を調整してもよい。さらにウエハ処理前の温度調整ではなく、図７の処理フローに示すように温度センサー設置個所のヒーター出力値に応じてウエハ処理時のガス流量や温度設定値等の処理条件を最適化する方法を用いてもよい。

図７の処理フローでは、まず、ステップ７０１にてヒーター１２０の出力値を測定する。次にステップ７０２にてそのヒーター１２０の出力値が予め設定された許容範囲内にあるかどうかを判定する。許容範囲内であれば、ステップ７０３にてウエハ処理を実行する。許容範囲外であれば、ステップ７０４にてフィードバック制御またはフィードフォワード制御によりプラズマ処理の変動を抑制する制御であるＡＰＣを用いてウエハ処理条件のパラメータを補正し、ステップ７０３にてウエハ処理を実行する。

ステップ７０５にて被処理ウエハの有無を判定し、被処理ウエハがなくなるまで上述のフローを繰り返し実行する。被処理ウエハがなくなると、処理フローを終了する。図２に示す処理フローまたは図７に示す処理フローはいずれも単独ないし組み合わせで使用することが可能であり、本発明を実施することにより温度調整時間を短縮し、スループットを向上させることが出来る。

また、本実施例では、ウエハ処理直前の処理フローに対する例であったが、本発明は、ウエハ処理の直前以外の場合においても有効である。例えば、図８の処理フローに示すように温度センサー設置個所のヒーター出力値が許容範囲内になるよう処理する前に予め温度調整を実施してもよい。

図８の処理フローでは、まず、ステップ８０１にてヒーター１２０の出力値を測定する。次にステップ８０２にてそのヒーター１２０の出力値が予め設定された許容範囲内にあるかどうかを判定する。許容範囲内であれば処理フローを終了し、許容範囲外であればステップ８０３にて温度調整を実行する。温度調整を実行した場合は、ステップ８０１にてヒーター１２０の出力値を測定し、ステップ８０２にて予め設定された許容範囲内にあるかどうかを判定する。この処理フローは一定間隔毎に実行する。図８に示す処理フローを適用することは、装置稼働時における温度調整時間を短縮するためスループットの観点から望ましく、装置温度を急激に上昇させる必要がなくなるため装置寿命向上の観点からも望ましい。

また、本実施例ではマイクロ波ＥＣＲプラズマエッチング装置を用いて説明したが、容量結合型プラズマや誘導結合型プラズマ等の他のプラズマ生成方式におけるプラズマ処理装置においても本実施例と同様の効果が得られる。

また、本発明は、ヒーターが加熱装置ではなく冷却装置である場合にも同等の効果が得られる。すなわち、本実施例とは逆に温度センサー設置個所が外部よりも低温である場合においても本発明の技術的思想と同等のメカニズムが成り立つと考えられる。この場合では外部からの熱の流入が生じるため、温度分布を均一にするためには熱の流入量に相当する熱量を外部へ放出しなければならない。

そのため、温度センサーが設置された箇所にはペルチェ素子などの冷却装置が存在しなければならないが、この冷却装置の出力値が本実施例におけるヒーター出力値に相当するとみなせる。よって、温度センサーが設置された箇所の温度が外部より低い場合でも本発明と同等のメカニズムが成り立つと考えられる。

以上、本実施例で上述したとおり、本発明は、温度センサーとヒーターにより温度制御を行なう制御装置を備えるプラズマ処理装置において、ヒーター出力値を測定し、この測定されたヒーター出力値が予め設定された許容範囲に入るかどうかで次の動作を制御することを特徴とする。

１０１…真空容器、１０２…シャワープレート、１０３…誘電体窓、１０４…処理室、１０５…ヒーター、１０６…ヒーター制御器、１０７…温度センサー、１０８…ガス供給装置、１０９…真空排気口、１１０…導波管、１１１…電磁波発生用電源、１１２…磁場発生コイル、１１３…ウエハ載置用電極、１１４…高周波フィルター、１１５…直流電源、１１６…マッチング回路、１１７…高周波電源、１１８…冷媒用流路、１１９…温調器、１２０…ヒーター、１２１…ヒーター制御器、１２２…温度センサー、１２３…ウエハ、１２４…エッチング制御ユニット、１２５…ヒーター出力監視ユニット

Claims

プラズマを用いて試料がプラズマ処理される処理室と、前記プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、温度センサーおよびヒーターが内部に配置され前記試料が載置される試料台とを備えるプラズマ処理装置において、
前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始の判定を行う制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記制御装置は、前記ヒーターの出力値が所定の範囲内の値である場合、前記プラズマ処理を開始させ、前記ヒーターの出力値が前記所定の範囲内の値で無い場合、前記処理室を昇温させる昇温処理を行った後、前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始の判定を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
前記昇温処理は、プラズマ処理であることを特徴とするプラズマ処理装置。
温度センサーおよびヒーターが内部に配置された試料台に載置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始を判定することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
前記ヒーターの出力値が所定の範囲内の値である場合、前記プラズマ処理を開始し、
前記ヒーターの出力値が前記所定の範囲内の値で無い場合、前記処理室を昇温させる昇温処理を行った後、前記温度センサーの値と前記ヒーターの出力値に基づいて前記プラズマ処理の開始を判定することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
前記昇温処理は、プラズマ処理であり、
前記昇温処理のプラズマ処理の処理条件は、基本単位である複数のステップからなり、
前記昇温処理のプラズマ処理の最終ステップは、前記試料のプラズマ処理前に行われる前記処理室をプラズマクリーニングする処理条件と同じ処理条件のステップであることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項４に記載のプラズマ処理方法において、
前記ヒーターの出力値が所定の範囲内の値である場合、前記プラズマ処理を開始し、
前記ヒーターの出力値が前記所定の範囲内の値で無い場合、所望のプラズマ処理結果となるようにフィードバック制御またはフィードフォワード制御によりプラズマ処理の変動を抑制する制御を用いて前記プラズマ処理条件のパラメータを補正し、前記パラメータの補正後、前記パラメータが補正されたプラズマ処理条件のプラズマ処理を開始することを特徴とするプラズマ処理方法。