JP4456694B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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，ポリシリコン膜のエッチング工程では，処理室内に対向配置された上部電極と下部電極に各々同一周波数の高周波電力を印加して処理ガスをプラズマ化し，下部電極上に載置された被処理体にエッチング処理を施す装置が使用されている。しかし，該装置では，マスクとしてのフォトレジスト膜とポリシリコン膜との間に，フォトレジスト膜の露光時に乱反射を防止するための難エッチング性の反射防止膜が形成されていると，反射防止膜下層のポリシリコン膜に処理を施すことが困難になる。そこで，上部電極に下部電極よりも高い周波数の高周波電力を印加してプラズマ生成とプラズマ中のイオンのイオンエネルギーとを独立して制御することにより，反射防止膜が形成されている場合でもポリシリコン膜に所定の処理を施すことが可能な技術が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来の装置では，上部電極に３０ＭＨｚ以上の高周波電力を印加すると，プラズマ処理空間を介して上部電極と下部電極との間で形成される高周波系が誘導性負荷になるので，処理空間での高周波電力の電圧位相および電流位相がずれてしまい，プラズマが不安定な状態になって，均一な処理を行うことができないという問題点がある。
【０００４】
また，上記従来の装置では，各電極に印加された高周波がプラズマを介して各対向電極側の整合器に侵入する。従って，上記のように各電極に各々異なる周波数の高周波電力を印加すると，各整合器の整合状態が対向電極側の整合器の整合状態や電力供給用高周波ケーブルの長さの影響を受けてしまい，整合不良が生じてプラズマおよびイオンエネルギーの制御性が低下するという問題がある。
【０００５】
また，上記従来の装置では，プラズマ放電により生じた高調波成分が整合器や高周波電源に侵入するので，整合調整や電力調整が困難になり，プラズマやイオンエネルギーの制御がより難しくなるという問題点がある。
【０００６】
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，本発明の目的は，上記問題点およびその他の問題点を解決す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である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明によれば，請求項１に記載の発明のように，処理室内に対向配置される第１電極と第２電極と，第１電極に第１電力供給系を介して所定周波数の第１高周波電力を印加する第１高周波電源と，被処理体を載置する第２電極に第２電力供給系を介して所定周波数よりも相対的に低い周波数の第２高周波電力を印加する第２高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において，第１電力供給系は，第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタと，第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタと，第１整合器と，第２高周波電力を除去するフィルタとを備え，第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタは，第１高周波電源に最も近い位置に設けられ，第２高周波電力を除去するフィルタは，第１電極に最も近い位置に設けられることを特徴とするプラズマ処理装置が提供される。
【０００８】
本発明によれば，第１電力供給系の第１高周波電源に最も近い位置に，第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタが設けられている。従って，プラズマ生成時に生じた高次高調波が第１高周波電源に侵入しないので，電源制御を的確に行うことができ，安定した電力供給を行うことができる。
【０００９】
また，第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタが設けられているので，プラズマ生成時に生じた低次高調波が第１高周波電源や第１整合器を調整するための高周波を検出する検出部に侵入することがない。その結果，電源制御や第１整合器の調整を的確に行うことができるので，プラズマの制御を確実に行うことができる。
【００１０】
また，第１電力供給系の第１電極に最も近い位置に，第２高周波電力を除去するフィルタが設けられているので，第２電極に印加された高周波がプラズマを介して第１整合器や第１高周波電源に侵入することを防止できる。さらに，第２高周波電力を除去するフィルタにより第２高周波電力の接地経路が形成されるので，第１電極を第２電極に対する仮想的に接地された電極にすることができる。その結果，第２整合器の整合状態が第１整合器の整合状態や第１電力供給系の長さに影響されなくなり，第２整合器の整合動作を正確に行わせることができる。
【００１１】
また，第２電力供給系に，例えば請求項２に記載の発明のように，第２高周波電源側から順次第２高周波電力の高調波を除去するフィルタと，第２整合器と，第１高周波電力を除去するフィルタとを設けることが好ましい。かかる構成を採用すれば，第２高周波電力の高調波を除去するフィルタによりプラズマ生成時に生じた高調波の第２高周波電源への侵入を防止でき，さらに第１高周波電力を除去するフィルタにより第１電極に印加された高周波の第２整合器および第２高周波電源への侵入を防止できるので，第２高周波電源と第２整合器の制御を的確に行うことができる。また，第１高周波電力を除去するフィルタにより第１高周波電力の接地経路が形成されるので，第２電極を第１電極に対する仮想的に接地された電極にすることができる。その結果，第１整合器の整合状態が第２整合器の整合状態や第２電力供給系の長さに依存しなくなるので，第１整合器に所定の整合動作を行わせることができる。
【００１２】
また，第１電力供給系の第２高周波電力を除去するフィルタと，第２電力供給系の第１高周波電力を除去するフィルタの両方を設ければ，第１電極と第２電極との間のプラズマ処理空間を挟んだ高周波系に容量性負荷を付加することができる。かかる構成により，例えば請求項６に記載の発明のように第１高周波電力の周波数を３０ＭＨｚ以上に設定した場合でも，誘導性負荷が相殺されて上記高周波系を容量性負荷にすることができる。その結果，処理空間での高周波電力の電圧位相および電流位相を同位相にできるので，安定したプラズマを生成でき，均一な処理を被処理体に施すことができる。
【００１３】
また，第１高周波電力の低次高調波を選択的に除去するためには，例えば請求項３に記載の発明のように，第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタを，周波数特性が急峻なフィルタから構成することが好ましい。さらに，かかるフィルタは，周波数特性が急峻であるので，第１高周波電力の基本高周波が減衰することがない。
【００１４】
また，高次高調波を選択的に除去するためには，例えば請求項４に記載の発明のように，第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタを，周波数特性が緩慢なフィルタから構成することが好ましい。さらに，かかるフィルタは，高次高調波を除去する周波数特性を有するので，フィルタの周波数特性が緩慢であっても，第１高周波電力の基本高周波が減衰することがない。
【００１５】
また，第２高周波電源の制御性を低下させる高次高調波を選択的に除去するとともに，第２高周波電力の基本高周波の減衰を防止するためには，例えば請求項５に記載の発明のように，第２高周波電力の高調波を除去するフィルタを，第２高周波電力の高次高調波を除去し，周波数特性が緩慢なフィルタから構成することが好ましい。
【００１６】
【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プラズマエッチング装置に適用した好適な実施の一形態について詳細に説明する。
【００１７】
（１）エッチング装置の全体構成
まず，図１を参照しながら，本発明を適用可能なエッチング装置１００の概略について説明する。エッチング装置１００の処理室１０２は，気密な処理容器１０４内に形成されている。処理室１０２内には，被処理体，例えば半導体ウェハ（以下，「ウェハ」と称する。）Ｗを載置可能な下部電極（第２電極）１０６と，上部電極（第１電極）１０８とが対向配置されている。
【００１８】
上部電極１０８には，第１高周波電源１１０から出力される所定周波数，例えば３０ＭＨｚ以上，好ましくは６０ＭＨｚの第１高周波電力が，第１高周波ケーブル１１１，本実施の形態の特徴である第１整合ユニット１２２，第１バンドカットフィルタ１２４を介して印加される。また，下部電極１０６には，第２高周波電源１１４から出力される上記第１高周波電源１１０からの高周波電力の周波数よりも低い周波数，例えば１０ＭＨｚ以上で，３０ＭＨｚよりも小さい周波数，好ましくは１３．５６ＭＨｚの第２高周波電力が，第２高周波ケーブル１１５，本実施の形態の特徴である第２整合ユニット１３２，第２バンドカットフィルタ１３４を介して印加される。なお，上記第１および第２整合ユニット１２２，１３２と，第１および第２バンドカットフィルタ１２４，１３４の詳細な構成については，後述する。
【００１９】
かかる電力の印加により，ガス供給系１１８から処理室１０２内に供給された処理ガス，例えばＨＢｒとＣｌ_２との混合ガスがプラズマ化し，該プラズマによりウェハＷに形成されたポリシリコン膜に所定のエッチング処理が施される。また，処理室１０２内のガスは，排気系１２０から排気される。
【００２０】
（２）第１および第２整合ユニットの構成
（ａ）第１整合ユニット
図１に示す第１整合ユニット１２２は，上部電極１０８に印加された高周波出力に対して反射波が最も少なくなるようにインピーダンスを調整するためのもので，第１コイルＬ１と，第１〜第４コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４から構成されている。第１コイルＬ１と第１コンデンサＣ１は，第１高周波ケーブル１１１と上部電極１０８との間に，第１高周波電源１１０側から各々順次介装されている。また，第１高周波ケーブル１１１と第１コイルＬ１との間には，接地された第２コンデンサＣ２が接続されている。
【００２１】
第１コイルＬ１と第２コンデンサＣ２は，６０ＭＨｚの高周波電力を上部電極１０８に印加した際に，プラズマ放電により生じた６０ＭＨｚの第４次以降の高調波（２４０ＭＨｚ以上）（以下，「上部高次高調波」という。）成分を除去する本実施の形態にかかる上部高次高調波除去フィルタ（第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタ）１２８を構成し，第１整合ユニット１２２の第１高周波ケーブル１１１との接続部近傍に設けられている。また，上部高次高調波除去フィルタ１２８は，上部高次高調波成分を選択的に除去するとともに，第１高周波電力の基本高周波（６０ＭＨｚ）の減衰を防止する必要がある。従って，第１コイルＬ１のインダクタンス値と第２コンデンサＣ２の容量値は，上部高次高調波除去フィルタ１２８は後述の上部低次高調波除去フィルタ１３０よりも緩慢な周波数特性であるか，それぞれ例えば０．１３μＨと６６ｐＦに設定されている。
【００２２】
かかる構成により，上部高次高調波成分が第１高周波電源１１０に侵入しないので，第１高周波電源１１０に設けられた不図示の高周波検出部で誤検知が生じることを防止できる。その結果，高周波検出部で得られた検出情報に基づいて第１高周波電源１１０を確実に制御できるので，安定した電力供給を行うことができる。また，上部高次高調波除去フィルタ１２８は，第１整合器の入力インピーダンスを同軸ケーブルなどの第１高周波ケーブル１１１と同一の５０Ωに調整する機能も兼ね備えている。
【００２３】
また，第１コイルＬ１と第１コンデンサＣ１との間には，接地された第３コンデンサＣ３が接続されており，第１および第３コンデンサＣ１，Ｃ３と，第１コンデンサＣ１が接続されている第１整合ユニット１２２の内部配線による誘導成分により，上記整合動作を行う第１整合器が構成されている。なお，第１および第３コンデンサＣ１，Ｃ３の容量値は，上記第１整合器の整合状態に応じて適宜調整される。
【００２４】
また，第３コンデンサＣ３と第１コンデンサＣ１との間には，接地された第４コンデンサＣ４が並列に接続されている。この第４コンデンサＣ４は，第４コンデンサＣ４近傍の配線が有する誘導成分とともに，プラズマ放電により生じた第１高周波電力の第２次高調波と第３次高調波（１２０ＭＨｚ，１８０ＭＨｚ）（以下，「上部低次高調波」という。）成分に対する直列共振回路を形成し，上部低次高調波成分を除去する本実施の形態にかかる上部低次高調波除去フィルタ（第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタ）１３０を構成している。従って，第４コンデンサＣ４の容量値は，上部低次高調波成分を選択的に除去するべく，例えば８５ｐＦに設定されている。また，上部低次高調波除去フィルタ１３０は，直列共振回路で構成されているので，上記上部高次高調波除去フィルタ１２８よりも周波数特性が急峻になる。
【００２５】
かかる構成により，上部低次高調波成分が上記高周波検出部に侵入しないので，該検出部での誤検知を防止できる。その結果，検出情報に基づいて第１整合器の整合状態を確実に調整できるので，上部電極１０８に所定の電力を印加することができ，安定したプラズマを生成することができる。さらに，上部低次高調波成分が第１高周波電源１１０に侵入することも防止できるので，第１高周波電源１１０の制御をより確実に行うことができる。
【００２６】
（ｂ）第２整合ユニット
第２整合ユニット１３２は，下部電極１０６に印加された高周波出力に対して反射波が最も少なくなるようにインピーダンスを調整するためのもので，上述した第１整合ユニット１２２と実質的に同一に構成されている。すなわち，第２コイルＬ２と，第５〜第７コンデンサＣ５，Ｃ６，Ｃ７は，それぞれ上記第１コイルＬ１と，第１〜第３コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３に対応した位置に設けられている。また，第５コンデンサＣ５と下部電極１０６との間には，第３コイルＬ３が介装され，上記第５および第７コンデンサＣ５，Ｃ７と，第３コイルＬ３とが第２整合器を構成する。第４コンデンサＣ４に対応するコンデンサが第２整合ユニット１３２に設けられていないのは，第２高周波電力の基本周波数が１３．５６ＭＨｚであり，第２高周波電力の第２次，第３次高調波（２７．１２ＭＨｚ，４０．６８ＭＨｚ）との周波数差が小さいので，第２次，第３次高調波成分を除去すると基本周波数が減衰するためであり，また上記第２次，第３次高調波を除去しなくても下部電極１０６に安定した電力供給を行えるためである。また，第５および第７コンデンサＣ５，Ｃ７の容量値は，整合状態に応じて適宜調整される。
【００２７】
また，第２コイルＬ２と第６コンデンサＣ６は，プラズマ放電により生じた１３．５６ＭＨｚの第４次以降の高調波（５４．２４ＭＨｚ以上）（以下，「下部高次高調波成分」という。）成分を除去する本実施の形態にかかる下部高次高調波除去フィルタ（第２高周波電力の高調波（高次高調波）を除去するフィルタ）１３８を構成し，第２整合ユニット１３２の第２高周波ケーブル１１５との接続部近傍に設けられている。また，下部高次高調波除去フィルタ１３８は，下部高次高調波成分を選択的に除去するとともに，第２高周波電力の基本高周波（１３．５６ＭＨｚ）の減衰を防止する必要がある。従って，第２コイルＬ２のインダクタンス値と第６コンデンサＣ６の容量値は，下部高次高調波除去フィルタ１３８の周波数特性は緩慢であるか，それぞれ例えば０．５μＨと１８ｐＦに設定されている。
【００２８】
かかる構成により，下部高次高調波成分が第２高周波電源１１４に侵入しないので，第２高周波電源１１４に設けられた不図示の高周波検出部ので誤検知の発生を防止でき，安定した電力供給を行うことができる。また，下部高次高調波除去フィルタ１３８は，第２整合器の入力インピーダンスを同軸ケーブルなどの第２高周波ケーブル１１５と同一の５０Ωに調整する機能も兼ね備えている。
【００２９】
（３）第１および第２バンドカットフィルタの構成
（ａ）第１バンドカットフィルタ
第１バンドカットフィルタ（第２高周波電力を除去するフィルタ）１２４は，直列に接続された第８コンデンサＣ８と第４コイルＬ４から成る。また，第１バンドカットフィルタ１２４の一端は接地され，他端は上部電極１０８との間に接続されることにより，下部電極１０６に印加される第２高周波電力の周波数に対して直列共振回路を形成している。また，第８コンデンサＣ８の容量値と，第４コイルＬ４のインダクタンス値は，第１バンドカットフィルタ１２４が下部電極１０６に印加される１３．５６ＭＨｚの高周波に対しては低インピーダンスとなり，上部電極１０８に印加される６０ＭＨｚの高周波に対しては高インピーダンスとなるように設定されている。
【００３０】
かかる構成により，第２高周波電力の周波数に対しては，第１バンドカットフィルタ１２４が接地経路になり，上部電極１０８が下部電極１０６に対して仮想的に接地電極となる。その結果，第２整合器の整合状態が上部電極１０８側の第１整合器の状態や第１高周波ケーブル１１１の長さの影響を受けないので，下部電極１０６に所定の高周波電力を印加でき，イオンのイオンエネルギーの制御を的確に行うことができる。また，第１高周波電力は，上記インピーダンス特性により第１バンドカットフィルタ１２４を通過しないので，上部電極１０８への電力供給を確実に行うことができる。
【００３１】
（ｂ）第２バンドカットフィルタ
第２バンドカットフィルタ（第１高周波電力を除去するフィルタ）１３４は，下部電極１０６との間に接続された接地された第９コンデンサＣ９と，第２整合器から出力された第２高周波電力を下部電極１０６に供給する給電系統が有する誘導成分とにより，上部電極１０８に印加される第１高周波電力の周波数に対して直列共振回路を形成している。また，第９コンデンサＣ９の容量値は，第２バンドカットフィルタ１３４が上部電極１０８に印加される６０ＭＨｚの高周波に対して低インピーダンスとなり，かつ１３．５６ＭＨｚの高周波に対して高インピーダンスとなるように設定されている。
【００３２】
かかる構成により，第１高周波電力の周波数に対しては，第２バンドカットフィルタ１３４が接地経路になり，下部電極１０６が上部電極１０８に対して仮想的に接地電極となるので，上部電極１０８に印加された高周波がプラズマを介して第２整合ユニット１３２に到達することを阻止できる。その結果，第１整合器の整合状態が下部電極１０６側の第２整合器の状態や第２高周波ケーブル１１５の長さの影響を受けないので，上部電極１０８に所定の電力を印加でき，プラズマ生成およびプラズマ密度の制御を的確に行うことができる。また，第２高周波電力は，第２バンドカットフィルタ１２４を通過しないので，下部電極１０６への電力供給を確実に行うことができる。なお，第１および第２バンドカットフィルタ１２４，１３４の上述した効果をより発揮させるためには，それぞれ上部電極１０８と下部電極１０６に近接配置することが好ましい。
【００３３】
また，第１および第２バンドカットフィルタ１２４，１３４は，図１および図２に示すプラズマ処理空間１０２ａでの高周波電力の電圧位相と電流位相を同位相にする機能も兼ね備えている。従って，第１バンドカットフィルタ１２４を構成する第８コンデンサＣ８の容量値と第４コイルＬ４のインダクタンス値と，第２バンドカットフィルタ１３４を構成する第９コンデンサＣ９の容量値は，以下のようにして設定される。
【００３４】
（ｃ）第８および第９コンデンサＣ８，Ｃ９の容量値と，第４コイルＬ４のインダクタンス値の設定
まず，プラズマ処理空間１０２ａを介して上部電極１０８と下部電極１０６との間の高周波系は，図２に示す等価回路として考えることができる。該高周波系は，上部電極１０８に３０ＭＨｚ以上の高周波電力を印加すると等価的に誘導性負荷（遅れ特性）となる。そこで，上記高周波系に，容量性負荷（進み要素）としての本実施の形態にかかる第１および第２バンドカットフィルタ１２４，１３４を付加すれば誘導性負荷が相殺されて容量性負荷となる。その結果，処理空間１０２ａでの高周波電力の電圧および電流位相が同位相となるので，安定したプラズマを生成することが可能となる。
【００３５】
従って，第８および第９コンデンサＣ８，Ｃ９の容量値と，第４コイルＬ４のインダクタンス値は，上部電極１０８に３０ＭＨｚ以上の高周波電力を印加した場合でも上記高周波系が容量性負荷になり，かつ上記第１および第２バンドカットフィルタ１２４，１３４の各機能を確保できるように，それぞれ例えば５５ｐＦと，１００ｐＦと，２．２５μＨに設定される。
【００３６】
本実施の形態は，以上のように構成されており，プラズマおよびイオンのイオンエネルギーの制御を容易に行うことができるので，反射防止膜下層に形成されたポリシリコン膜に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。
【００３７】
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るものではない。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，各種の変更例および修正例に想到し得るものであり，それら変更例およ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。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば，処理空間での高周波電力の電圧および電流位相を同位相にでき，整合器の整合状態を対向電極側の整合器の状態や電力供給系の長さに影響されることなく調整できる。その結果，装置間差異が生じることなく，均一な処理を被処理体に施すことができる。
【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す概略的な断面図である。
【図２】図１に示すエッチング装置のプラズマ生成時の上部電極と下部電極との間の等価回路を説明するための概略的な説明図である。
【符号の説明】
１００ エッチング装置
１０２ 処理室
１０６ 下部電極
１０８ 上部電極
１１０ 第１高周波電源
１１４ 第２高周波電源
１２２ 第１整合ユニット
１２４ 第１バンドカットフィルタ
１２８ 上部高次高調波除去フィルタ
１３０ 上部低次高調波除去フィルタ
１３２ 第２整合ユニット
１３４ 第２バンドカットフィルタ
１３８ 下部高次高調波除去フィルタ
Ｗ ウェハ

Claims (6)

1. 処理室内に対向配置される第１電極と第２電極と，前記第１電極に第１電力供給系を介して所定周波数の第１高周波電力を印加する第１高周波電源と，被処理体を載置する前記第２電極に第２電力供給系を介して前記所定周波数よりも相対的に低い周波数の第２高周波電力を印加する第２高周波電源とを備えるプラズマ処理装置において：
   前記第１電力供給系は，前記第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタと，前記第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタと，第１整合器と，前記第２高周波電力を除去するフィルタとを備え；
   前記第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタは，前記第１高周波電源に最も近い位置に設けられ；
   前記第２高周波電力を除去するフィルタは，前記第１電極に最も近い位置に設けられることを特徴とする，プラズマ処理装置。
2. 前記第２電力供給系には，前記第２高周波電源側から順次前記第２高周波電力の高調波を除去するフィルタと，第２整合器と，前記第１高周波電力を除去するフィルタとが設けられ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。
3. 前記第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタは，前記第１高周波電力の基本高周波を除去しないフィルタであることを特徴とする，請求項１または２のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
4. 前記第１高周波電力の高次高調波を除去するフィルタは，前記第１高周波電力の低次高調波を除去するフィルタよりも周波数特性が緩慢なフィルタであることを特徴とする，請求項１，２または３のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
5. 前記第２高周波電力の高調波を除去するフィルタは，前記第２高周波電力の高次高調波を除去するフィルタであることを特徴とする，請求項１，２，３または４のいずれかに記載のプラズマ処理装置。
6. 前記第１高周波電力の周波数は，３０ＭＨｚ以上であることを特徴とする，請求項１，２，３，４または５のいずれかに記載のプラズマ処理装置。

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