JP4365227B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法であり、特に半導体素子基板等の試料を、プラズマを用いかつ試料に高周波電圧を印加して、エッチング処理を施すのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。

従来のエッチング用プラズマ処理装置は、例えば特許文献１に記載のように、高周波電源と整合器を用い、被処理材であるウエハを載置する電極には正弦波形の高周波電圧が印加されていた。従来のプラズマ処理装置を図６に示す。本図において、１は処理室、１ａは容器、１ｂは放電管、２は石英窓、２ａはシャワ−プレ−ト、３はコイル、４はヨーク、５は高周波電源、６は整合器、７は同軸導波管（ケ−ブル）、８はアンテナ、９はウエハ載置用電極、１０はウエハ、１３は直流電源、１４はコンデンサー、６１は高周波電源、６２は整合器である。ウエハ１０のエッチング形状を制御するため、ウエハ載置用電極９には整合器６２を介して高周波電源６１が接続され、ウエハ１０に高周波電圧を印加することが可能になっている。従来のプラズマ処理装置では、高周波電源６１として正弦波電圧波形が出力される電源が使用されてきた。図７に、ウエハ載置用電極９に接続される整合器６２と高周波電源６１の回路構成例を示す。図８に高周波電源６１から出力される正弦波電圧波形を、図９にウエハ１０での正弦波電圧波形を示す。この場合、正弦波電圧波形の周波数は３５０ｋＨｚである。

従来の高周波電源６１を用いる場合、整合器６２を構成する可変Ｌ（または可変Ｃ）によってプラズマの負荷インピーダンスを高周波電源６１の内部インピーダンスと一致させ、さらに電流と電圧の位相差を０とする必要があった。つまり負荷の複素インピーダンスを消去する必要があり、インピーダンスと位相差をモニターし可変Ｌ（または可変Ｃ）のフィードバック制御を行わなければならなかった。このような制御は構造が複雑となる。

また、ウエハでの正弦波電圧波形において、負電圧のときプラズマからウエハに高エネルギーのイオンが入射する。高エネルギ−のイオンはエッチングに寄与するが、低エネルギ−ピ−クのイオンはエッチングにほとんど寄与しない。よって、正弦波形の負電圧の時間が長いほどエッチング速度が増加するが、正弦波の高周波電圧波形を出力する高周波電源の場合、デューティー比を変化させることができずエッチング効率が良くないという問題があった。特に最大の負電圧の時間が長いほど、ウェハに入射する高エネルギーイオンの比率は増加するが、通常の正弦波の高周波電圧波形を用いた場合には、ウェハに入射するイオンエネルギー分布の高エネルギーイオンと低エネルギーイオンの比率は、ほぼ１：１で変化させることができなかった。また従来の高周波電源６１では正弦波を出力するため、正電圧の時間と負電圧の時間の比（以下、「デューティー比」と呼ぶ）を変化させることができなかった。
特開平５−１７４９９５号公報

本発明の目的は、高速で高精度のエッチング処理に好適なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、高周波パルス電源（矩形波電源）とフィルター回路を用い被処理材に高周波電圧波形が発生する高周波印加手段を有するようにしたものである。パルス電圧波形（矩形電圧波形）が出力できる高周波パルス電源をフィルター回路を介して、被処理材を載置する電極に接続した。これにより被処理材には正弦波電圧波形が印加される。高周波パルス電源は、低インピーダンスで出力が可能であり負荷インピーダンスによらず出力できるため、整合器が不要になり構成を簡便にすることができる。また高周波パルス電源はデューティー比を可変にでき、デューティー比を変化させたパルス電圧波形をフィルター回路に印加することで、被処理材であるウエハにデューティー比を変化させた正弦波を印加することができる。したがって、高周波パルス電源のデューティー比を変化させることにより、ウエハに入射する高エネルギ−イオン量を変化させることができる。これにより高速で高精度のエッチング処理を行うことが可能である。

すなわち、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、前記被処理材に高周波電圧を印加する手段として、デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を出力する高周波パルス電源と前記パルス波形又は矩形波形の電圧を正弦波波形の電圧に変換するフィルター回路を備え、前記高周波パルス電源と前記フィルター回路により正弦波波形の高周波電圧を被処理材に印加するプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、上記高周波パルス電源が、概略パルス波（概略矩形波形：台形波、オーバーシュートあるいはリンギングあるいはサグ等を含む波形）の電圧を出力する高周波パルス電源であるプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記フィルター回路が、高周波パルス電源の出力電圧を変換するトランスを含むフィルター回路であるプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記フィルター回路が、高周波パルス電源に含まれる周波数成分から被処理材に印加する所望の正弦波の周波数に変換するためローパスフィルター、バンドパスフィルターあるいはハイパスフィルターを有するプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、
前記高周波電圧印加手段は、デューティー比が５０％より小さい正弦波波形の電圧を被処理材に印加することを特徴とするプラズマ処理装置である。
そして、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、前記高周波電圧印加手段は、デューティー比が５０％よりも大きい正弦波波形の電圧を被処理材に印加するプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記デューティー比が５０％より小さい正弦波波形あるいはデューティー比が５０％よりも大きい正弦波波形の電圧を被処理材に印加する手段が、デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を出力する高周波パルス電源とフィルター回路を有するプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、処理室内部を減圧し、該処理室内部にプラズマを発生させ、被処理材に高周波電圧を印加して該被処理材にプラズマ処理を行う方法において、デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を正弦波波形の高周波電圧に変換し、変換された正弦波波形の高周波電圧を被処理材に印加するプラズマ処理方法である。

更に、本発明は、上記デューティー比を、被処理材の処理条件に応じて変化させるプラズマ処理方法である。

本発明によれば、パルス電圧波形をフィルター回路出力部で正弦波電圧波形とし、ウェハ１０に正弦波電圧波形を発生させることにより装置が簡便となり、またデューティー可変の正弦波を印加できることから、高効率で高精度のエッチング加工が可能となり、材料選択比が向上するという効果がある。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
以下、本発明のプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法の一実施例を図１〜図１３により説明する。図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施例である有磁場ＵＨＦエッチング装置を示す。容器１ａ、放電管１ｂ及び石英窓２で区画された処理室１の内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置（図示省略）によりエッチングガスを処理室１内に導入し、所望の圧力に調整する。また処理室１は、コイル３とヨーク４により生成される磁場領域内にある。高周波電源５から発振された、この場合４５０ＭＨｚのＵＨＦ波は、整合器６を経由して同軸導波管（または、同軸ケ−ブル）７内を伝播し、アンテナ８から石英窓２を透過して処理室１内に入射される。ＵＨＦ波は磁場との相互作用により、処理室１内にプラズマを生成する。このＵＨＦ波によって生成されたプラズマより、ウエハ載置用電極９に配置されたウエハ１０がエッチング処理される。またウエハ１０のエッチング形状を制御するため、ウエハ載置用電極９にはフィルター回路１１を介して高周波パルス電源（矩形波電源）１２が接続され、正弦波電圧波形を印加することが可能になっている。フィルター回路１１とウエハ載置用電極９の間には、直流電圧をブロッキングするコンデンサー１４が挿入してある。ウエハ載置用電極９は、電極表面が溶射膜（図示省略）で被覆されており、直流電源１３が接続されている。これによりウエハ１０は、溶射膜を介してウエハ載置用電極に静電吸着により固定される。また石英窓２の直下には石英製のシャワ−プレ−ト２ａが設けられており、エッチングガスは石英窓２とシャワ−プレ−ト２ａの間を流れ、シャワ−プレ−ト２ａの中央部に設けられたガス導入口より、処理室１内に導入される。ウエハ１０直上よりエッチングガスが供給されるため、高均一のエッチング処理が可能である。尚、ガス導入口の設置箇所は、中央部には限定されず、ウエハ上面全体に設けられてもよい。

図２に、ウエハ載置用電極９に接続されるフィルター回路１１と高周波パルス電源１２の回路構成例を示す。高周波パルス電源１２から出力されたパルス電圧波形は、トランス２２によって昇圧された後、インダクタンスおよびコンデンサーにより構成されるフィルター部２３に印加される。フィルター部２３がローパスフィルター、バンドパスフィルターあるいはハイパスフィルターを構成することで、フィルター部２３の出力電圧波形を正弦波電圧波形とすることができ、ウエハ載置用電極９に正弦波電圧波形を印加できる。フィルター部２３から出力された正弦波電圧波形は、直流電圧をブロッキングするコンデンサー１４を介して、ウエハ載置用電極９に印加される。静電吸着用の直流電源１３は高周波フィルターを介してウエハ載置用電極９に接続されている。高周波フィルターは、直流電源１３への高周波電圧の流入を防止している。図３に高周波パルス電源１２から出力されるパルス電圧波形を、図４にウエハ１０での正弦波電圧波形を示す。ここでは正電圧と負電圧が非対称な波形を用いているが、対称な波形を用いても良い。この場合、パルス電圧波形の周波数は３５０ｋＨｚである。高周波パルス電源１２は、リアクティブスパッタ等に用いられるパルス電源を使用できる。インバータ方式、またはフライバック方式のパルス電源を使用することで、プラズマのインピーダンスが変化してもパルス電圧波形を出力することができ整合器を省略することができる。コンデンサー２１は、トランス２２のため高周波パルス電源１２のＤＣ成分をカットするために用いる。高周波パルス電源１２の出力電圧波形にＤＣ成分が含まれないときは、コンデンサ２１を省略することができる。トランス２２は高周波パルス電源１２の出力電圧を昇圧するためであり、高周波パルス電源１２の出力電圧がプラズマ処理に必要な電圧を満足していれば、図５のように省略することができる。フィルター部２３は可変インダクタンスおよび可変容量コンデンサーを用いることができ、フィルター部２３は図示した構成に限らず、パルス電圧波形から所望の正弦波電圧波形を取り出すことができる構成であればよい。また例えば、図１４のように静電吸着膜およびイオンシース等の容量成分をキャンセルするために、給電ラインに可変インダクタンスを設けても良い。この場合は、高周波パルス電源１２の負担が軽減され信頼性がより向上すると言う効果がある。

図４のウエハでの電圧波形は図９と同様であり、高周波パルス電源１２を用いても、従来の高周波電源６１を用いた場合と同様の電圧波形を得ることができる。また、高周波パルス電源１２を用いた場合、整合器を接続する必要がないため、装置を簡便にすることができる。高周波パルス電源１２を用い、特に低インピーダンス出力で負荷インピーダンスによらず出力可能な高周波パルス電源を用いることで、整合器が不要となり構成を簡便にすることができる。さらに電源の動作原理の点から従来の高周波電源６１と比較して、インバータ方式またはフライバック方式の高周波パルス電源１２は、電源の回路構造を簡略化でき電源のコストを低下できる。よって本実施例の場合、高周波パルス電源１２とフィルター回路１１を用いることで、プラズマ処理装置を簡便にできるという効果がある。

また、高周波パルス電源１２では、デューティー比を変化させることができる。図１０にデューティー比を３０％とした高周波パルス電源１２から出力されるパルス電圧波形を、図１１にそのときのウエハ１０での正弦波電圧波形を示す。フィルター回路１１によって、正弦波のデューティー比を変化させた電圧波形をウエハに印加することができる。フィルタ回路の定数を最適化すると、図１５に示すような負電圧の底部が概略フラットな波形を得ることができる。負電圧の時間が増加すると、プラズマからウエハに入射する高エネルギーイオンの量が増加する。イオンのエネルギ−が増加するほど、エッチングの反応効率（化学スパッタ率）が増加するため、高エネルギ−側のイオン量が増加するほどエッチレ−トが増加する。また言い換えるとイオンエネルギ−分布が単色化されるため、エッチング形状が垂直で高精度の加工ができる。例えばゲ−トエッチングにおける垂直、高精度加工である。更に被エッチング材料により、イオンエネルギーと化学スパッタ率との関係が異なるため、最適なイオンエネルギ−を選択することにより、複数の被エッチング材のエッチング選択比を向上させることができる。例えば、低誘電率（Ｌｏｗ−ｋ）絶縁膜エッチングにおけるハ−ドマスク選択比向上やゲ−トエッチングにおける下地の極薄酸化膜との選択比向上である。以上のように、デューティー比を変化させたパルス電圧波形をフィルター回路１１に印加し、その結果ウエハ１０にデューティー比を変化させた正弦波電圧波形を発生させることにより、高効率で高精度のエッチング加工が可能となり、材料選択比が向上するという効果がある。

図１２に高周波パルス電源１２から出力されるデューティー比７０％としたパルス電圧波形を、図１３にそのときのウエハ１０での正弦波電圧波形を示す。デューティー比が増加するほど、ウエハ１０での高周波電圧の直流電圧成分の絶対値Ｖｄｃが増加する。つまり正電圧が減少する。一般にプラズマ電位は正電圧となり、ウエハ１０が正電圧の時のプラズマ電位は、ウエハ１０電位＋約２０Ｖであり、負電圧の時のプラズマ電位は約２０Ｖである。処理室１は接地されているので、処理室１内面の実効的なア−ス部近傍にはイオンシ−スが形成され、イオンシ−スにはプラズマ電位に相当する高周波電圧が印加される。このイオンシ−スの電界により加速されたイオンが処理室内壁面をスパッタするために、ウエハ１０が金属汚染され、最終的にはデバイスの電気特性が劣化するという問題を生じる。この他にも処理室内壁のアルミアルマイト製のアースを同様にスパッタするため、フッ素系ガスを含むエッチングガスを使用する場合には、ＡｌＦデポが石英シャワープレート２ａ等に付着する。このＡｌＦデポは堆積量が増加すると遂には剥離し、ウェハ１０上に落下して異物となるため、デバイスの歩留まりが低下する等の問題を引き起こす。また一般に、高周波電圧が印加されるウエハ１０面積／実効的ア−ス面積の比が小さいほど、高周波電圧の印加効率の指標となるＶｄｃ／Ｖｐｐ比（ここでＶｐｐは図１３に示すように、高周波電圧のピーク・トウ・ピーク電圧）は大きい。ウエハ１０の直径がφ２００ｍｍからφ３００ｍｍと大口径化されることにより、ウエハ１０面積／実効的ア−ス面積の比が大きくなり、プラズマ電位が増加するため、金属汚染対策が重要となった。本実施例の場合、デューティー比が増加するほどプラズマ電位を減少できるので、金属汚染の抑制や異物低減・歩留まり向上に効果がある。

また上記各実施例では、ウエハ１０に高周波電圧を印加する場合について述べたが、処理室内部に高周波電圧を印加する場合ならば、特に制限はない。例えば絶縁膜エッチング装置の場合には、ウエハ１０に対向する位置にシリコンプレ−トを設置し、高周波電圧を印加することにより、フロン系ガスにより生成されたプラズマ中の過剰のフッ素ラジカルを除去し、マスク選択比を向上させる。このような装置の場合には、シリコンプレ−トに高周波パルス電源とフィルター回路を接続しても同様の作用効果がある。またウエハ１０とシリコンプレ−トともに高周波パルス電源とフィルター回路を接続しても同様の効果があるし、両者の高周波電圧の周波数を同じとし、両者の電圧の位相差を制御する（特に位相差を１８０度付近とする）ことにより、より大きな効果（特にプラズマ電位の抑制効果）が得られる。特に絶縁膜エッチング装置の場合は、高出力の高周波電圧をウエハ１０に印加するので、プラズマ電位が大きくなり、処理室１側壁がスパッタされ、また処理室１下部へのプラズマ拡散するため、異物の発生等が問題となる。本実施例の場合、プラズマ電位を抑制することができるので、異物低減に効果があり、装置稼働率の向上やデバイスの歩留まりを向上させることができるという効果がある。

以上の実施例では有磁場ＵＨＦ放電を利用したエッチング装置を例に説明したが、他の放電（有磁場マイクロ波放電、容量結合型放電、誘導結合型放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、トランスファー・カップルド放電）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。また上記各実施例では、エッチング装置について述べたが、プラズマ処理を行うその他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置等についても同様の作用効果がある。また上記各実施例では高周波パルス電源１２を使用したが、スイッチング電源方式、任意電圧発生器＋高周波パワ−アンプ等、電源方式には特に制限はない。上記実施例では、理想的な場合としてパルス電圧波形を出力できる高周波パルス電源を用いて説明したが、台形波や周波数特性のために多少の波形が乱れた類似の波形を用いてもほぼ同様の作用効果が得られる。

本発明のプラズマ処理装置の一実施例である有磁場ＵＨＦエッチング装置の縦断面図。 実施例におけるウエハ載置用電極９に接続される高周波パルス電源１２およびフィルター回路１１の回路構成例の説明図。 実施例における高周波パルス電源１２の出力である高周波電圧波形の一例の説明図。 実施例におけるウエハ１０での高周波電圧波形の一例の説明図。 実施例におけるウエハ載置用電極９に接続される高周波パルス電源１２およびフィルター回路１１の回路構成例の説明図。 従来のプラズマ処理装置における有磁場ＵＨＦエッチング装置の縦断面図。 従来のプラズマ処理装置におけるウエハ載置用電極９に接続される高周波電源６１および整合器６２の回路構成例の説明図。 従来のプラズマ処理装置における高周波電源６１の出力である高周波電圧波形の説明図。 従来のプラズマ処理装置におけるウエハ１０での高周波電圧波形の説明図。 実施例においてデューティー比を３０％とした高周波パルス電源の出力の高周波電圧波形の一例の説明図。 実施例において高周波パルス電源のデューティー比を３０％としたときのウェハ１０での電圧波形の一例の説明図。 実施例においてデューティー比を７０％とした高周波パルス電源の出力の高周波電圧波形の一例の説明図。 実施例において高周波パルス電源のデューティー比を７０％としたときのウェハ１０での電圧波形の一例の説明図。 実施例におけるウエハ載置用電極９に接続される高周波パルス電源１２およびフィルター回路１１の回路構成例の説明図。 実施例において高周波パルス電源のデューティー比を３０％とし、フィルタの回路定数を最適化したときのウェハ１０での電圧波形の一例の説明図。

符号の説明

１…処理室、１ａ…容器、１ｂ…放電管、２…石英窓、２ａ…シャワ−プレ−ト、３…コイル、４…ヨーク、５…高周波電源、６…整合器、７…同軸導波管（ケ−ブル）、８…アンテナ、９…ウエハ載置用電極、１０…ウエハ、１１…フィルター回路、１２…高周波パルス電源、１３…直流電源、１４…コンデンサー、２１…コンデンサー、２２…トランス、２３…フィルター部、３１…電圧波形、４１…ウエハでの電圧波形、６１…高周波電源、６２…整合器、８１…電圧波形、９１…ウエハでの電圧波形、１０１…電圧波形、１１１…ウエハでの電圧波形、１２１…電圧波形、１３１…ウエハでの電圧波形。

Claims (9)

1. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、
   前記被処理材に高周波電圧を印加する手段として、デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を出力する高周波パルス電源と前記パルス波形又は矩形波形の電圧を正弦波波形の電圧に変換するフィルター回路を備え、前記高周波パルス電源と前記フィルター回路により正弦波波形の高周波電圧を被処理材に印加する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、
   上記高周波パルス電源が、概略パルス波形又は概略矩形波形の電圧を出力する高周波パルス電源であ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、
   上記フィルター回路が、高周波パルス電源の出力電圧を変換するトランスを含むフィルター回路であることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   上記フィルター回路が、高周波パルス電源に含まれる周波数成分から被処理材に印加する所望の正弦波の周波数に変換するためローパスフィルター、バンドパスフィルターあるいはハイパスフィルターを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、
   前記高周波電圧印加手段は、デューティー比が５０％より小さい正弦波波形の電圧を被処理材に印加することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、該処理室内へのガス供給装置と、処理室内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、被処理材に高周波電圧を印加する手段とから成るプラズマ処理装置において、
   前記高周波電圧印加手段は、デューティー比が５０％よりも大きい正弦波波形の電圧を被処理材に印加することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項５又は６に記載のプラズマ処理装置において、
   上記デューティー比が５０％より小さい正弦波波形あるいはデューティー比が５０％よりも大きい正弦波波形の電圧を被処理材に印加する手段が、デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を出力する高周波パルス電源とフィルター回路を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 処理室内部を減圧し、該処理室内部にプラズマを発生させ、被処理材に高周波電圧を印加して該被処理材にプラズマ処理を行う方法において、
   デューティー比可変のパルス波形又は矩形波形の電圧を正弦波波形の高周波電圧に変換し、変換された正弦波波形の高周波電圧を被処理材に印加することを特徴とするプラズマ処理方法。
9. 請求項８記載のプラズマ処理方法において、
   上記デューティー比を、被処理材の処理条件に応じて変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。

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