JP3629705B2

JP3629705B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3629705B2
Application number: JP16522997A
Authority: JP
Inventors: 貴一浜
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2017-06-06
Also published as: JPH10340887A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より，例えば気密な処理容器内に形成された処理室内に，例えば上部電極と下部電極とを対向配置すると共に，処理容器の外周に磁石を備えたエッチング装置が提案されている。かかる装置においては，下部電極上に被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）を載置した後，処理室内に所定の処理ガスを導入する。次いで，例えば上部電極に対して，例えば１３．５６ＭＨｚのプラズマ生成用高周波電力を印加し，下部電極と上部電極との間にグロー放電を生じさせると共に，この放電により処理ガスを解離させ，プラズマを励起させる。さらに，処理室内は，磁石により所定の磁界が生じているため，プラズマ中の電子がＥ×Ｂドリフトを起こし，さらに処理ガスの解離が促進される。また，下部電極には，例えば３８０ｋＨｚのバイアス用高周波電力が印加されているため，プラズマ中の所定の正イオンがウェハの被処理面に効果的に引き込まる。このようにして引き込まれた正イオンは，プラズマ中で生成され，ウェハの表面に吸着している反応種であるラジカル，例えば酸化膜（ＳｉＯ_２膜）に対するエッチングの場合はＣＦ系ラジカルをイオン衝撃により活性化する。そして，この活性化されたラジカルが被エッチング物質と反応することにより，ウェハに対して所定のエッチング処理が施される構成となっている。
【０００３】
しかし，プラズマ生成用高周波電力は，上部電極に対して連続発振（以下，「ＣＷ」と称する。）されているため，処理室内の電子温度が上昇して処理ガスの解離が過度に進行し，選択比及びエッチングレートが低下するという問題が生じることがある。すなわち，例えば表面にＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉから成るウェハに対して，例えばＣ_４Ｆ_８とＡｒとＣＯとＯ_２とから成る混合ガス（処理ガス）を用いてエッチング処理を施す場合には，電子温度の上昇に伴って，ＣＦ_４の解離が急激に進み，Ｆラジカルが多く生成されてしまうことがある。その結果，反応種となるイオンであるＣＦラジカルや，ＣＦ_２ラジカルや，ＣＦ_３ラジカルの生成量が減少し，エッチングレートが低下する場合があった。さらに，Ｆラジカルがウェハを形成するＳｉ及びウェハの被処理面表面に形成されたレジスト膜をエッチングするため，それらＳｉ及びレジスト膜に対するＳｉＯ_２の選択比が低下する場合があった。従って，上述の如くＣＷのプラズマ生成用高周波電力を用いて処理を行う場合，選択比及びエッチングレートなどの向上には，自ずと限界が生じ，特に最近の半導体デバイスの超微細加工においては，その限界の克服が技術的要求項目として挙げられている。
【０００４】
さらに，ＣＷのプラズマ生成用高周波電力を用いてエッチング処理を施す場合には，上述した正イオンの入射により，ウェハの被処理面表面に形成されたレジスト膜に正の電荷が生じることがある。その結果，このチャージング現象，すなわちレジスト膜上の正の電荷により，プラズマ中からウェハ表面に対して引き込まれる正イオンの軌道が曲げられていまい，所望の形状，例えば垂直な形状を得られなくなってしまう場合がある。
【０００５】
そこで，最近では，パルス制御された，すなわち所定の間隔でオン・オフ制御されたプラズマ生成用高周波電力を，例えば上部電極に対して印加することによって，処理室内にパルスプラズマを励起し，そのパルスプラズマによって被処理体の処理を行う技術が提案されている。かかる技術により，処理室内に間欠的なパルスプラズマが励起されるため，処理室内の電子温度の上昇を抑制することができ，かつ処理ガスを任意の速度で解離させることが可能となるため，選択比やエッチングレートなどを向上させることができる。
【０００６】
また，発明者らの知見によれば，パルス制御されたプラズマ生成用高周波電力を用いた場合には，特にそのパルスのオフ時に生成されるアフターグロープラズマによって負イオンのみが生成され，この負イオンによりレジスト膜に生じた正の電荷が解消される。この負イオンを多く生成させるガスをしては，例えばＳＦ_６，Ｃｌ_２等が知られており，ＳＦ_６は例えばポリシリコン膜に対するエッチングプロセスに，またＣｌ_２は例えばＡｌ膜に対するエッチングプロセスに使用されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，処理時には，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフに伴って，いわゆるプラズマ回路（等価回路）のインピーダンスが短時間で急激に変化することがある。従って，下部電極に印加されるバイアス用高周波電力のバイアス用高周波電力用の整合回路が，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフの変化に追従することができず，いわゆる反射波を緩和することが困難になるという問題が生じることがある。その結果，励起されたプラズマ中の正イオン等を被処理体の被処理面に効果的に引き込むことができず，均一な処理を被処理体に施すことが困難となる場合がある。
【０００８】
本発明は，従来のプラズマ処理装置が有する上記のような問題点に鑑みて成されたものであり，プラズマ生成用高周波電力にパルス制御された高周波電力を用いる場合に，バイアス用高周波電力のマッチングを所望の状態で合わせることが可能な，新規かつ改良されたプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は，処理室内に少なくとも１つの電極を配置し，処理室内に処理ガスを導入すると共に，電極に対して高周波電力を印加して，処理室内に配置された被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に適用されるものである。そして，上記課題を解決するため，本発明によれば，電極には，パルス制御されたプラズマ生成用高周波電力と，プラズマ生成用高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用高周波電力とが，それそれに対応する整合器を介して印加されると共に，バイアス用高周波電力用の整合器は，並列に接続されたプラズマ生成用高周波電力のパルスのオン時に対応する第１整合回路と，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオフ時に対応する第２整合回路とから構成され，第１整合回路及び第２整合回路は，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフによってそれぞれ切り替えられることを特徴としている。
【００１０】
かかる構成によれば，上述したプラズマ回路のインピーダンスの変化，すなわちプラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフ時のインピーダンスの変化に対応して，バイアス用高周波電力用の第１整合回路と第２整合回路とが切り替えられるため，常時所望の状態でバイアス用高周波電力のマッチングを合わせることができる。その結果，被処理体の被処理面に対して正イオンを所望の状態で効果的に引き込むことができ，高選択比かつ高エッチングレートで均一な処理を施すことができる。
【００１１】
また，請求項２に記載の発明は，バイアス用高周波電力は，連続発振される高周波電力であることを特徴としている。かかる構成によれば，ＣＷのバイアス用高周波電力が電極に印加されるため，例えばプラズマ生成用高周波電力が数十μｓｅｃ以下または数百μｓｃｅ以上の間隔でパルス制御される場合には，いわゆるアフターグロー時を含めてプラズマ生成用高周波電力のみにより励起されたプラズマ中の正イオンを，常時効果的に被処理体に引き込むことができる。また，例えばプラズマ生成用高周波電力が数十μｓｅｃ〜数百μｓｃｅの間隔でパルス制御される場合は，そのパルスのオフ時にはバイアス用高周波電力によりプラズマが励起され，かつそのバイアス用高周波電力によりプラズマ中の正イオンが効果的に被処理体に引き込むことができる。その結果，被処理体に対して，さらに高エッチングレートでの処理を施すことができる。
【００１２】
さらに，請求項３に記載の発明は，バイアス用高周波電力は，パルス制御された高周波電力であることを特徴としている。かかる構成によれば，パルス制御されたバイアス用高周波電力が電極に印加されるため，バイアス用高周波電力のパルスのオン時には，上述したＣＷのバイアス用高周波電力と同様に，プラズマ中の正イオンを被処理体の被処理面に効果的に引き込むことができる。また，バイアス用高周波電力のパルスのオフ時には，例えば被処理体にコンタクトホールを形成する場合，そのコンタクトホール内に正イオンよりもラジカルを相対的に多く進入させることができる。その結果，正イオンがコンタクトホール内の被エッチング面を直接叩くことによって起こるエッチングストップを，効果的に防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照しながら，本発明にかかるプラズマ処理装置をエッチング装置に適用した，実施の形態について詳細に説明する。図１に示したエッチング装置１００には，導電性素材，例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムから成る閉塞自在な略円筒形状の処理容器１０２内に，処理室１０４が形成されていると共に，処理容器１０２は接地線１０６により接地されている。また，処理室１０４の底部には，絶縁性素材，例えばセラミックスから成る絶縁支持板１０８が設けられている。そして，この絶縁支持板１０８の上部に，被処理体，例えば表面にＳｉＯ_２膜が形成されたＳｉから成るウェハＷを載置すると共に，下部電極となるサセプタ１１０が配置されている。
【００１４】
このサセプタ１１０は，導電性素材，例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムから成る略円筒形状であり，絶縁支持板１０８及び処理容器１０２の底部を遊貫する昇降軸１１２によって支持されている。また，昇降軸１１２は，処理容器１０２外部に設置されている駆動モータＭ１１４によって上下動自在である。従って，この駆動モータＭ１１４の作動により，サセプタ１１０は，図１中の矢印方向に上下動自在に移動可能な構成となっている。さらに，サセプタ１１０と絶縁支持板１０８との間には，昇降軸１１２の外方を囲むように伸縮自在な気密部材であるベローズ１１６が設けられており，処理室１０４内を気密に保つように構成されている。
【００１５】
また，サセプタ１１０の内部には，不図示の温度調節機構，例えばセラミックヒータや冷媒循環路が設けられていると共に，不図示の温度センサが設けられている。従って，処理時には，サセプタ１１０を介してウェハＷを所定の温度，例えば２５℃に維持するように構成されている。
【００１６】
さらに，サセプタ１１０上には，ウェハＷを吸着保持するための静電チャック１１８が設けられている。この静電チャック１１８は，導電性の薄膜１１８ａを例えばポリイミド系の樹脂１１８ｂによって上下から挟持した構成となっている。そして，処理容器１０２外部に設置された高圧直流電源１２０から所定の高電圧，例えば１．５〜２．０ｋＶの電圧を薄膜１１８ａに印加すると，クーロン力によりウェハＷが静電チャック１１８の上面に吸着，保持される構成となっている。
【００１７】
また，静電チャック１１８の外周で，かつサセプタ１１０の周縁を囲む位置には，絶縁性素材，例えば石英から成る略環状のフォーカスリング１２２が設けられている。従って，このフォーカスリング１２２により，プラズマ中のエッチャントイオンを効果的にウェハＷに入射させることができる。
【００１８】
一方，処理室１０４の上部には，例えばセラミックスから成る略環状の絶縁支持材１２４を介して，導電性材料，例えばアルミニウムから成る略円盤状の上部電極支持部材１２６が設けられていると共に，この上部電極支持部材１２６は，接地線１２８によって接地されている。また，上部電極支持部材１２６の下面には，導電性材料，例えば単結晶シリコンから成る略円盤状の上部電極１３０が密着して取り付けられている。この上部電極１３０は，サセプタ１１０と対向する位置に配置されている。さらに，上部電極１３０の周縁には，絶縁性材料，例えば石英から成る略環状のシールドリング１３２が取り付けられており，このシールドリング１３２によって，プラズマの拡散を防止し，プラズマ生成空間に所望の高密度プラズマを励起させることができる。
【００１９】
また，上部電極支持部材１２６と上部電極１３０との間には，中空部１３４が形成されていると共に，この中空部１３４には，ガス導入管１３６が接続されている。さらに，ガス導入管１３６には，バルブ１３８及び流量調節器ＭＦＣ１４０を介して，ガス供給源１４２が接続されている。また，上部電極１３０には，中空部１３４と処理室１０４とを連通する貫通孔１３０ａが設けられている。従って，ガス供給源１４２から供給される所定の処理ガス，例えばＣＦ_２とＯ_２とＳＦ_６とＢＣｌ_３とから成る混合ガスは，ガス導入管１３６を介して，一旦中空部１３４内に導入された後，貫通孔１３０ａからウェハＷの被処理面に均一に吐出される構成となっている。
【００２０】
また，処理容器１０２の下方側壁には，処理室１０４内の排ガスを排気するための排気管１４４が接続されていると共に，この排気管１４４には，真空引き機構Ｐ１４６が接続されている。従って，処理時には，真空引き機構Ｐ１４６を作動させることにより，処理室１０４内を所定の減圧雰囲気，例えば１０ｍＴｏｒｒの減圧度にまで真空引きすることができる。また，排気管１４４と処理室１０４とが連通する部分には，パンチング板から成る排気板１４８が設けられているため，処理室１０４内の排ガスを均一に排気することができる。
【００２１】
また，処理容器１０２の外部側壁の所定位置には，処理室１０４内に所定の磁界を形成させるための，コイル１５０が配置されている。従って，処理時には，このコイル１５０から発生した磁界によってプラズマ中の電子がＥ×Ｂドリフトを起こし，この電子の衝突により処理ガスの解離がより一層促進され，プラズマ密度を向上させることができる。
【００２２】
次に，本実施の形態にかかる高周波電力の印加構成について説明する。本実施の形態においては，サセプタ１１０に対して，プラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力とが印加されるように構成されている。すなわち，サセプタ１１０には，給電経路１５２が接続されていると共に，この給電経路１５２には，第１分岐経路１５４と第２分岐経路１５６とが接続されている。第１分岐経路１５４には，整合回路から成る整合器１５８，後述のプラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフを検出するための検出器１６０を介して，第１高周波電源１６２が接続されている。
【００２３】
一方，第２分岐経路１５６には，整合器１６３が接続されていると共に，この整合器１６３は，上記パルスのオン・オフにそれぞれ対応する第１整合回路１６４と第２整合回路１６６とが並列に接続される構成となっている。さらに，整合器１６３の第１整合回路１６４及び第２整合回路１６６には，これら第１整合回路１６４と第２整合回路１６６とを，上記パルスのオン・オフに基づいて切り替えるスイッチング回路１６８が接続されていると共に，このスイッチング回路１６８には，第２高周波電源１７０が接続されている。また，スイッチング回路１６８には，このスイッチング回路１６８を制御するための制御器１７２が接続されていると共にこの制御器１７２には，検出器１６０が接続されている。
【００２４】
そして，処理時には，第１高周波電源１６２からパルス制御，例えば数十ｍｓｅｃ以下の間隔でオン・オフするパルス制御されたプラズマ生成用高周波電力，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が，検出器１６０，整合器１５８，分岐経路１５４及び給電経路１５２を介してサセプタ１１０に印加される構成となっている。このように，所望の状態でパルス制御されたプラズマ生成用高周波電力がサセプタ１１０に印加されると，パルスのオン時に上昇した電子温度が，オフ時に緩和されるため，結果的に電子温度の上昇を抑制することができる。そして，この電子温度の上昇の抑制によって反応ガスの過度の解離を抑えることができるため，結果的に対下地，対レジスト膜に対する選択比の向上を図ることができると共に，高エッチングレートでかつ均一な処理をウェハＷに施すことができる。また，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオフ時には，特にＣｌ_２，ＳＦ_６については，アフターグロープラズマの発生により負イオンが生じ，正イオンによってウェハＷの被処理面に形成されたレジスト膜に生じた正の電荷が解消されるため，この負イオンによってプラズマ中からウェハＷの表面に引き込まれる正イオンの軌道が曲げられることなく，被処理面対して垂直に入射させることができる。
【００２５】
また，第２高周波電源１７０からは，ＣＷまたはパルス制御されたバイアス用高周波電力，例えば３８０ｋＨｚの高周波電力が，スイッチング回路１６８，第１整合回路１６４または第２整合回路１６６，分岐経路１５６及び給電経路１５２を介してサセプタ１１０に印加される構成となっている。この際，第１整合回路１６４と第２整合回路１６６とは，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフに基づいて，スイッチング回路１６８により切り替えられる構成となっている。すなわち，まずプラズマ生成用高周波電力のパルスのオンまたはオフを検出器１６０によって検出し，このパルスのオン・オフ情報を制御器１７２に伝達する。次いで，制御器１７２は，パルスのオン・オフ情報に基づいてスイッチング回路１６８を制御し，図２に示したように，パルスのオン時には第１整合回路１６４のみが作動するように，またパルスのオフ時には第２整合回路１６６のみが作動するように切り替える構成となっている。
【００２６】
従って，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフによって，プラズマ回路のインピーダンスが変化した場合でも，バイアス用高周波電力のマッチングを所望の状態で合わせることができる。その結果，励起されたプラズマ中の正イオンを常時所望の状態でウェハＷの被処理面に引き込むことができる。
【００２７】
また，バイアス用高周波電力がＣＷであり，かつプラズマ生成用高周波電力が例えば数十μｓｅｃ以下または数百μｓｃｅ以上の間隔でパルス制御される場合には，ＣＦ系ラジカルを所望の状態にコントロールすることができる。また，バイアス用高周波電力がＣＷであり，かつプラズマ生成用高周波電力が例えば十μｓｅｃ〜数百μｓｃｅ間隔でパルス制御される場合には，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン時には，そのプラズマ生成用高周波電力によって励起されたプラズマを，またプラズマ生成用高周波電力のオフ時には，バイアス用高周波電力によって励起されたプラズマを効果的にウェハＷに引き込むことができる。従って，上記いずれの場合でも，常時プラズマ中のイオンをウェハＷに引き込むことができ，エッチングレートを向上させることができる。
【００２８】
また，バイアス用高周波電力もパルス制御する場合には，そのパルスのオン時には，上述したＣＷのバイアス用高周波電力と同様にエッチャントイオンを効果的にウェハＷに引き込むことができる。また，バイアス用高周波電力のパルスのオフ時には，例えばウェハＷの被処理面にコンタクトホールを形成する場合，そのコンタクトホール内にプラズマ中のラジカルを進入させることができる。ところで，バイアス用高周波電力をＣＷとした場合には，プラズマ中の正イオンが随時コンタクトホール内に引き込まれ，そのコンタクトホール内の反応生成物が随時外部に吹き出すため，ラジカルがコンタクトホール内に進入し難くなる場合がある。そして，そのコンタクトホール内にラジカルが進入し難くなった場合，引き込まれた正イオンが直接被エッチング面を叩いてしまうため，その被エッチング面が変質して，エッチングが進行しなくなるいわゆるエッチングストップを起こす場合がある。そこで，バイアス用高周波電力をパルス制御することにより，上述したエッチングストップを起こしやすいコンタクトホールに対するエッチングを，非常に効率的に行うことができる。
【００２９】
以上，本発明の好適な実施の一形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種変更例及び修正例に相当し得るものであり，それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００３０】
例えば，上記実施の形態において，プラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力とをサセプタ１１０に印加する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，上部電極にプラズマ生成用高周波電力を印加し，サセプタにバイアス用高周波電力を印加する構成としても実施可能である。
【００３１】
また，上記実施の形態において，プラズマ生成用高周波電力とバイアス用高周波電力とを，給電経路１５２を介してサセプタ１１０に印加する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，それぞれ別々の給電手段を通じてサセプタに印加する構成としてもよい。
【００３２】
さらに，上記実施の形態において，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフを検出器１６０によって検出する構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，制御器によって，プラズマ生成用高周波電力を供給する高周波電源から直接パルスのオン・オフを検出する構成としてもよい。
【００３３】
さらにまた，上記実施の形態において，処理容器１０２の外部側壁にコイル１５０を設けた構成を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，特に磁界発生手段を備えない構成であっても，本発明は実施可能である。
【００３４】
また，上記実施の形態において，ウェハＷに対してエッチング処理を施す例を挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されるものではなく，被処理体としてＬＣＤ用ガラス基板を用いることができると共に，本発明は各種プラズマ処理に対しても適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば，バイアス用高周波電力用の整合器を，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフにそれぞれ対応する第１整合回路と第２整合回路とから構成すると共に，そのパルスのオン・オフに基づいて第１整合回路と第２整合回路とを切り替える構成とした。従って，プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン時またはオフ時のいずれの場合においても，所望の状態でバイアス用高周波電力のマッチングを合わせることができる。その結果，被処理体に対して，高選択比かつ高エッチングレートで均一なプラズマ処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なエッチング装置を示した概略的な断面図である。
【図２】図１に示した整合回路の切り替えを説明するための説明図である。
【符号の説明】
１００エッチング装置
１０２処理容器
１０４処理室
１１０サセプタ
１３０上部電極
１５８，１６３整合器
１６０検出器
１６２第１高周波電源
１６４第１整合回路
１６６第２整合回路
１６８スイッチング回路
１７０第２高周波電源
１７２制御器

Claims

処理室内に少なくとも１つの電極を配置し，前記処理室内に処理ガスを導入すると共に，前記電極に対して高周波電力を印加して，前記処理室内に配置された被処理体に対して所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において，
前記電極には，パルス制御されたプラズマ生成用高周波電力と，前記プラズマ生成用高周波電力の周波数よりも低い周波数のバイアス用高周波電力とが，それそれに対応する整合器を介して印加され，
前記バイアス用高周波電力用の前記整合器は，並列に接続された前記プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン時に対応する第１整合回路と，前記プラズマ生成用高周波電力のパルスのオフ時に対応する第２整合回路とから構成され，
前記第１整合回路及び前記第２整合回路は，前記プラズマ生成用高周波電力のパルスのオン・オフによってそれぞれ切り替えられることを特徴とする，プラズマ処理装置。
前記バイアス用高周波電力は，連続発振される高周波電力であることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。
前記バイアス用高周波電力は，パルス制御された高周波電力であることを特徴とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。