JP3681718B2

JP3681718B2 - プラズマ処理装置及び方法

Info

Publication number: JP3681718B2
Application number: JP2002234409A
Authority: JP
Inventors: 洋二 ▲高▼橋; 誠樫部
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP2004079600A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置及び方法に係り、特に半導体ウェハのような試料をプラズマ処理するために高周波電源装置を用いるプラズマ処理装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置では、半導体ウェハのエッチング加工精度を向上させる目的として、特公平４−６９４１５号，特開２００１−８５３９５号等が知られており、マイクロ波電力、または、電極に印加する高周波電力を変調し、プラズマ中のイオンやラジカルの比率を制御する、または、イオンのエネルギーを制御することにより、高精度にエッチングできることが述べられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
プラズマを利用して半導体ウェハを処理するエッチング装置が広く利用されており、その一つにＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）方式のエッチング装置がある。この方式の一例を図６に示す。チャンバー１の外部に配置したソレノイドコイル２に直流電流を流して、チャンバー内に磁場を形成する。また、発振器３に高電圧を印加して例えばマイクロ波を発生させ、チャンバー内に導入する。これらマイクロ波と磁場との相乗効果で電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を生じ、チャンバーに導入したプロセスガス４をプラズマ化しＥＣＲプラズマ５を生成する。電極６には高周波バイアス電源装置７より高周波電力を印加しており、プラズマ中のイオンを半導体ウェハ８に対し、垂直に引き込み、かつ、入射イオンエネルギーを独立制御することで、加工精度の高い異方性エッチングを実現する。
【０００４】
一般的に、エッチング処理は、処理時間，真空容器内の圧力，ソレノイドコイルに流す直流電流の強度，マイクロ波電力の強度，プロセスガスの導入量，電極に印加する高周波電力の強度ほか数多くのパラメータについて、値またはモードが予め設定されており、エッチング装置が有する制御マイコンによって、処理に必要な各構成機器を同時に制御して処理を行う。また、エッチング処理が複数の処理ステップから成る場合においては、処理ステップを切り替える毎に、次の処理ステップのパラメータ設定に基づいて、各構成機器の値またはモードを制御して処理を行う。このように、単一あるいは複数の処理ステップからなるエッチング処理に関する、一連のパラメータ設定を以下ではレシピと称するものとする。
【０００５】
ここで、高周波バイアス電源装置７の出力の変調について説明する、例えば、高精度な加工を行うために、所定の周期のうち、所定の割合（デューティ比）のみ出力をオンし、以後は出力をオフすることを繰り返すものとすると、高周波バイアス電源装置７の正味の出力電力は、高周波電力のピーク値（以下、出力の強度）にデューティ比を掛けた値となる。この正味の出力電力とエッチング速度は強い相関があることが判っている。よって、エッチング速度を損なうことのないように、連続して出力する連続モードと同等の正味の出力電力を得ようとすると、例えば、デューティ比１０％で変調する場合、出力の強度を連続して出力する場合の１０倍程度の出力強度にする必要がある。
【０００６】
また、全処理ステップで電極に印加する高周波電力を変調（以下、変調出力モード）するわけではなく、高周波電力を連続的に出力する（以下、連続出力モード）処理ステップと混在することもある。例えば、主たるエッチング（メインエッチング）の処理ステップでは変調出力モードとし、エッチ残りを取る処理ステップ（オーバーエッチング）では連続出力モードとする場合がある。
【０００７】
ところが、このような変調モード出力機能を活用して性能向上の検討を進める過程の中で、想定外のウェハダメージが発生することがあった。そこで、本発明者らが調査を行った結果、ある特定の処理ステップを含んだレシピを用いると、次のような問題が発生し得ることが初めて判明した。
【０００８】
すなわち、メインエッチングの処理ステップからオーバーエッチングの処理ステップに切り換えられる際に、本来ならば同時に切り換えられているはずの高周波バイアス電源装置７の出力モードの切り換えと出力強度の切り換えのタイミングが完全には一致することなしに、出力モードが先に切り替わってしまっていることが判った。その一例を図７に示す。この場合、タイミングがずれた時間の間、連続出力モードにおいて、予め設定された電力の例えば１０倍もの電力（前の処理ステップにおける変調モード時の出力強度）を半導体ウェハ８に印加することになり、前記タイミングのずれが大きいほど、半導体ウェハ８にダメージを与えてしまうことが判った。この切り換えのタイミングがずれる理由としては、制御マイコンから高周波バイアス電源装置７への出力モードの切り換え指示と出力強度の切り換え指示のタイミングのずれ，電源装置内部のリレー，電子部品等の遅延時間のばらつき等が考えられる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、このような問題点に鑑みてなされたもので、半導体ウェハへのダメージを発生させることなく、高精度に加工することのできるプラズマ処理装置及び方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決する為に次のような手段を採用した。
試料を処理する処理室と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源装置と、前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加する高周波電源装置と、処理ステップ毎に出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置において、前記処理ステップを切り換える際、前記制御手段は、処理中の処理ステップと次の処理ステップに使用するパラメータ設定とを比べた後に、前記出力強度または前記出力モードのどちらか一方を先に切り換えることとしたプラズマ処理装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例を示すものである。本図においては、図５で示した構成要素のうち、高周波バイアス電源装置７以外を省略している。９はエッチング装置用制御マイコンであり、エッチング処理について予め入力されたレシピに基づいて、高周波バイアス電源装置７他の構成機器へ各々の指令を与えると共に、装置の状態を監視する。１０は本発明の中核となる設定手段であり、レシピ及び高周波バイアス電源装置７の出力強度モニタ値，出力モードステータスを受けて、高周波バイアス電源装置７に出力強度設定値，出力モード設定を指令する。
【００１２】
ここで、出力強度設定値と出力強度モニタ値については、例えば、出力０Ｗから高周波バイアス電源装置７の最大出力電力値までに対して、直流信号電圧０Ｖから１０Ｖまでのレンジとすることが考えられる。また、出力モード設定と出力モードステータスについては、例えば、ハイレベルで連続出力モード，ローレベルで変調出力モードとすることが考えられる。
【００１３】
次に、設定手段１０の処理ステップの一部ａ〜ｈについて、図２を用いて説明する。
ａ：「処理ステップ間で変調出力モードから連続出力モードへ切り換えがあるか」を判断し、「ある」のときｂに処理を進め、「なし」のときｅに処理を進める。
ｂ：ａの判断において、「ある」のとき次の処理ステップで、出力強度の切り換えを指示する。
ｃ：ｂに引き続き、「出力強度の切り換えが済みであるか」を判断し、「なし」のときはこの判断処理を繰り返し、「ある」のとき、ｄに処理を進める。
ｄ：ｃの判断において、「ある」のとき出力モードの切り換えを指示する。
ｅ：ａの判断において、「なし」のとき、「処理ステップ間で連続出力モードから変調出力モードへ切り換えがあるか」を判断し、「ある」のときｆに処理を進める。
ｆ：ｅの判断において、「ある」のとき次の処理ステップで出力モードの切り換えを指示する。
ｇ：ｅに引き続き、「出力モードの切り換えが済みであるか」を判断し、「なし」のときはこの判断処理を繰り返し、「ある」のとき、ｈに処理を進める。
ｈ：ｇの判断において、「ある」のとき出力強度の切り換えを指示する。
【００１４】
ここで、出力強度の切り換えとは、次の処理ステップの出力強度を高周波バイアス電源装置７に指示することを意味する。出力モードの切り換えも同様に、次の処理ステップの出力モードを高周波バイアス電源装置７に指示することを意味する。
【００１５】
また、「出力強度の切り換えが済みであるか」は、出力強度モニタ値が指示した出力強度設定値に対して所定の範囲内の値となることで判断することが考えられる。また、高周波バイアス電源装置の仕様から切り換えに要する時間に余裕を持たせた所定の時間を経過したことで判断することも考えられる。「出力モードの切り換えが済みであるか」も同様に、出力モードステータスが設定した出力モード設定と一致するか否かで判断することが考えられる。また、高周波バイアス電源装置の仕様から切り換えに要する時間に余裕を持たせた所定の時間を経過したことで判断することも考えられる。
【００１６】
先に、発明が解決しようとする課題として、メインエッチングの処理ステップでは変調出力モードとし、続くオーバーエッチングの処理ステップでは連続出力モードとする場合、オーバーエッチングの処理ステップに切り換える際、高周波電源装置の出力モードの切り換えと電力値の切り換えのタイミングが完全には一致せず、出力モードが先に切り替わると、連続出力モードで例えば通常の１０倍もの電力を半導体ウェハに印加することになり、半導体ウェハにダメージを与える問題点を示した。
【００１７】
この問題点に関し、前後の処理ステップの各ケースについて、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を図３にまとめた。図３では、切り換え前後の処理ステップについて、出力モードと出力強度のうちいずれが先に切り替わるかというタイミングの各組合せについて問題の有無をまとめたものである。ただし、説明の簡単化のため、変調出力モードでの出力強度が、連続出力モードでの出力強度の例えば１０倍であるなど、相当に大きいことを前提とした。

ケース１では、前後の処理ステップ切り換え時に、変調出力モードと出力強度の切り換えタイミングのずれによって「変調出力モード／出力強度小」の期間が発生するものの、この状態は半導体ウェハにダメージを与えることはない。これに対して、ケース２では、「連続出力モード／出力強度大」の期間が、切り換えタイミングのずれの時間分発生するため、半導体ウェハにダメージを与える可能性がある。この観点からは、ケース３でも同様に、半導体ウェハにダメージを与える可能性がある。
【００１８】
このような問題点に関して、図１，図２で説明した本発明の第１の実施例を適用した場合の動作を図４に示す。本実施例によれば、連続出力モードから変調出力モードへ切り換える際には、図２中のａ⇒ｅ⇒ｆ⇒ｇ⇒ｈの処理により、出力強度よりも出力モードを先に切り換えるため、ケース２を防止できる。また、変調出力モードから連続出力モードへ切り換える際には、図２中のａ⇒ｂ⇒ｃ⇒ｄの処理により、出力モードよりも出力強度を先に切り換えるため、ケース３を防止できる。
【００１９】
以上のように、本実施例によれば、処理ステップ間において、出力モードを切り換える際に発生し得る予期せぬ半導体ウェハへのダメージを自動的に防止することができる。よって、高精度にエッチングすることができるプラズマ処理装置を提供できると共に、半導体ウェハの製品安全性を高めることができる。また、処理プロセスに合わせた数多くのレシピを構築する際に、前後の処理ステップに用いるパラメータ設定を事前に検討し、半導体ウェハへの影響を考慮する必要がないため、迅速な製品開発に貢献することができる。
【００２０】
また、図２に示した設定手段１０の機能は、制御マイコン９のソフトウェアにて実現しても良い。また、制御マイコン９から高周波バイアス電源装置７にシリアル通信等の手段で切り換えを一括して指令するケースでは、設定手段１０の機能を高周波バイアス電源装置７に持たせても良い。あるいは制御マイコン９や高周波バイアス電源装置７にてエッチング装置を構成済みの場合、これらとは別のハードウェアで実現し、制御マイコン９と高周波バイアス電源装置７との間に追加すれば、制御マイコン９，高周波バイアス電源装置７を何ら変更することなく、または、微小な変更により実現できる。
【００２１】
以上、高周波バイアス電源装置の出力の変調について述べたが、高周波バイアス電源装置に限らず、例えばプラズマソース電源装置の出力の変調に本発明を適用することも可能である。また、出力の変調について、所定の周期のうち、所定の割合（デューティ比）のみ出力をオンし、以後は出力をオフすることを繰り返す場合について述べたが、例えば、高周波の出力電力の振幅を低周波の正弦波とする、いわゆる振幅変調のような他の変調方式についても適用可能である。このような場合も、変調出力モードでの出力強度を連続出力モードでの強度よりも変調の度合いに応じて大きくすることが考えられ、出力モード切り換え時に、連続出力モードで過大な出力強度にて出力することを防止することが出来る。
【００２２】
本発明の第２の実施例を図５を用いて説明する。図５は、各処理ステップの時間，出力モード，出力強度等レシピの各設定項目を縦に並べ、メインエッチング，オーバーエッチングなど、各処理ステップを処理の順番にしたがって左から右に並べた表である。メインエッチングでは、変調出力モードにて１００Ｗ出力とし、後のオーバーエッチングでは連続出力モードにて１０Ｗ出力とする例である。
【００２３】
ここで、メインエッチングとオーバーエッチングの間に、変調出力モードにて１０Ｗ出力の処理ステップ（図５中の切り換えステップ）を設けることが、本実施例の特徴である。このような切り換えステップにより、まず、出力強度を１０Ｗに下げることを確実に実施し、次にオーバーエッチングの処理ステップで連続出力モードに切り換えるものである。
【００２４】
切り換えステップを設けることにより、その時間分（本例では１秒）処理時間が増え、また前後の処理ステップの組合せ毎に切り換えステップの検討を要するものの、本実施例によっても、半導体ウェハへのダメージを防止するという点で、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、半導体ウェハへのダメージを発生することなく、高精度にエッチングすることのできるプラズマ処理装置及び方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すブロック図。
【図２】設定手段１０の機能図。
【図３】半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示す図。
【図４】本発明の実施例を適用した場合の、半導体ウェハにダメージを与える可能性があるか否かのケーススタディ結果を示す図。
【図５】本発明の第２の実施例を示す図。
【図６】従来のエッチング装置のブロック図。
【図７】従来方法において、半導体ウェハへのダメージが発生する切り換えタイミングを示す図。
【符号の説明】
１…チャンバー、２…ソレノイドコイル、３…発振器、４…プロセスガス、５…ＥＣＲプラズマ、６…電極、７…高周波バイアス電源装置、８…半導体ウェハ、９…制御マイコン、１０…設定手段。

Claims

試料を処理する処理室と、
前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源装置と、
前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加する高周波電源装置と、
処理ステップ毎に出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置において、
前記制御手段は、電源装置の出力モードを変調モードから連続出力モードに切り換える際には、電源装置の出力強度を低出力に切り換えたのち出力モードを連続出力モードに切り換え、
電源装置の出力モードを連続出力モードから変調モードに切り換える際には、出力モードを変調モードに切り換えたのち電源装置の出力強度を高出力に切り換えることを特徴とするプラズマ処理装置。
試料を処理する処理室と、
前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生用電源装置と、
前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加する高周波電源装置と、
処理ステップ毎に出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御する制御手段とを有するプラズマ処理装置において、
前記制御手段は、電源装置の出力強度を増加させる際には、出力モードを連続出力モードから変調モードに切り換えたのち電源装置の出力強度を高出力に切り換え、
電源装置の出力強度を減少させる際には、電源装置の出力強度を低出力に切り換えたのち出力モードを変調モードから連続出力モードに切り換えることを特徴とするプラズマ処理装置。
プラズマ発生用電源装置を用いて処理室内にプラズマを発生させ、高周波電源装置を用いて前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加し、前記試料台上に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて、前記何れかの電源装置の出力モードを変調モードから連続出力モードに切り換える際には、該電源装置の出力強度を低出力に切り換えた後、出力モードを連続出力モードに切り換え、
出力モードを連続出力モードから変調モードに切り換える際には、該電源装置の出力モードを変調モードに切り換えた後、電源装置の出力強度を高出力に切り換えることを特徴とするプラズマ処理方法。
プラズマ発生用電源装置を用いて処理室内にプラズマを発生させ、高周波電源装置を用いて前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加し、前記試料台上に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて、前記何れかの電源装置の出力強度を増加させる際には、出力モードを連続出力モードから変調モードに切り換えたのち電源装置の出力強度を高出力に切り換え、
電源装置の出力強度を減少させる際には、該電源装置の出力強度を低出力に切り換えたのち出力モードを変調モードから連続出力モードに切り換えることを特徴とするプラズマ処理方法。
プラズマ発生用電源装置を用いて処理室内にプラズマを発生させ、高周波電源装置を用いて前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加し、前記試料台上に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
処理ステップ毎に出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御し、前記処理ステップ間で前記変調出力モードから前記連続出力モードへ切り換える時は前記処理ステップ間に前記変調出力モードで、かつ、切り換え後の前記出力強度とする処理ステップを設け、前記連続出力モードから前記変調出力モードへ切り換える時は前記処理ステップ間に前記変調出力モードで、かつ、切り換え前の前記出力強度とする処理ステップを設けて試料を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
プラズマ発生用電源装置を用いて処理室内にプラズマを発生させ、高周波電源装置を用いて前記処理室内に設置された試料台に高周波を印加し、前記試料台上に載置された試料を処理するプラズマ処理方法において、
処理ステップ毎に出力強度及び出力モードのパラメータ設定に基づいて前記プラズマ発生用電源装置または前記高周波電源装置を制御し、前記処理ステップ間で前記出力強度を増加するときは切り換え後の前記出力モードで、かつ、切り換え前の前記出力強度とする処理ステップを設け、前記出力強度を減少するときは切り換え前の前記出力モードで、かつ、切り換え後の前記出力強度とする処理ステップを設けて試料を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。