JP4578651B2 - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置、プラズマエッチング方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理技術に関し、特にプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理技術はプラズマエッチング処理技術あるいはプラズマＣＶＤ処理技術を含み、半導体装置の製造、あるいは液晶表示装置、プラズマ表示装置等の平面表示装置の製造において広く使われている。
【０００３】
図１は、絶縁膜のプラズマエッチングに使われている従来の典型的なプラズマエッチング装置１００の構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに、プラズマエッチング装置１００は平行平板型の構成を有し、処理室１０１と、前記処理室１０１中に被処理基板Ｗを載置する下部電極１０２と、前記下側電極１０２に対向する上側電極１０３とを含む。前記処理室１０１には、Ｃ4Ｆ8とＡｒおよびＯ2のガスがエッチングガスとして供給され、前記上側電極１０３に高周波電源１０４から整合器１０５を介して供給された典型的には周波数が６０ＭＨｚの高周波電力により、前記処理室１０１中にプラズマが形成される。一方、前記被処理基板Ｗ上の絶縁膜をプラズマエッチングする場合には、前記下側電極１０２に低周波電源１０８から整合器１０９を介して周波数が２ＭＨｚの低周波電力がバイアスとして供給される。前記バイアスとして周波数の低い交流電力を用いた場合、あるいは処理室１０１内の圧力が低い場合には、放電開始電圧が著しく上昇し、プラズマが点火することはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の平行平板型プラズマエッチング装置１００により前記被処理基板Ｗ上に形成された絶縁膜パターンをプラズマエッチングする場合、従来は先に前記高周波電源１０４を駆動し、前記処理室１０１中にプラズマを形成しておいて、次に前記低周波電源１０８を駆動して前記下側電極１０２に低周波バイアスを印加していた。このようにすることで、プラズマの点火に伴い前記下側電極１０２に生じるインピーダンスの急変、およびかかるインピーダンスの急変による前記低周波電源１０８の急激な負荷変動が回避できる。
【０００６】
しかし、このような従来の平行平板型プラズマエッチング装置１００により、最近のサブミクロン、あるいはサブクォーターミクロンとよばれる非常に微細な半導体装置を素子として含む基板を処理した場合、基板中の素子がプラズマエッチングの結果損傷し、半導体装置製造の歩留まりが低下してしまうことが見出された。
【０００７】
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の発明者が行なったプラズマエッチングの実験で使われた試料の構成を示す。
【０００８】
図２（Ａ）を参照するに、図１の基板Ｗに対応するＳｉウェハ上には多数の試験素子ＥＬが形成されており、各々の試験素子ＥＬは、図２（Ｂ）に示すような、前記ＳｉウェハＷに対応するＳｉ基板４１上に形成される。図２（Ｂ）を参照するに、前記Ｓｉ基板４１上には活性領域を画成するフィールド酸化膜４２が形成されており、前記活性領域上には厚さが５ｎｍの熱酸化膜４３が形成されている。さらに前記熱酸化膜４３上には、ポリシリコンよりなる電極パターン４４が形成されている。
【０００９】
前記試験素子ＥＬとして、前記電極パターン４４と前記熱酸化膜４３の面積比（アンテナ比）が２６０，０００倍のものを使い、前記図１のプラズマエッチング装置中において前記下側電極１０２と上側電極１０３の間隔を１９ｍｍに設定してプラズマエッチングを行なった場合、前記ウェハＷ上における前記試験素子ＥＬの不良率が３５％にも達し、これらの不良試験素子では前記熱酸化膜４３の耐圧特性が著しく劣化していることが見出された。また、この特定の例に限らず、図１のプラズマエッチング装置において酸化膜のエッチングを行なった場合、基板中の素子の不良率が高くなる。
【００１０】
図３は、前記図２（Ａ），（Ｂ）の基板を使って、前記図１のプラズマエッチング装置においてプラズマエッチングを行なった場合の不良率を示す。ただし図３中、「ＣＷ」は連続波を表し、５８ｋ、１３０および２６０ｋはアンテナ比を示す。
【００１１】
図３を参照するに、不良率は前記下側電極１０２と上側電極１０３の間の間隔（Ｇａｐ）およびアンテナ比に依存して変化するが、通常使われる電極間隔では、実質的な不良率を避けることができない。また、前記電極間隔を同一に設定した場合、不良率はアンテナ比が大きいほど増大する。
【００１２】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを特徴とする。
【００１３】
本発明のより具体的な課題は、被処理基板の処理に伴う被処理基板中の素子の不良率を低減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ことにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を連続波で供給しプラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマ発生部によりプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない交流電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火するマイクロ波電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記マイクロ波電力により前記プラズマ発生部においてプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記交流電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室を減圧し、処理ガスを導入する工程と、
前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記処理室中に、前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程と、
前記被処理基板のプラズマエッチングを行う工程と、
前記第２の周波数の電力を遮断してプラズマを停止する工程と、
前記第１の周波数の電力を遮断する工程と、
を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極と、前記処理室中に前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を連続波で供給する第２の電源とを備え、請求項１〜１２のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を供給する第２の電源とを備え、請求項１５〜１９のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、プラズマが点火するよりも前に、被処理基板を担持する第１の電極にプラズマの点火を起こさないような、典型的には２ＭＨｚ以下の低周波バイアスを印加しておくことで、プラズマが点火すると直ちに前記第１の電極表面にイオンシースが形成され、プラズマが前記第１の電極上の被処理基板に触れることがなくなる。これにより、被処理基板上においてチャージアップの程度の差に起因して生じる電流が流れることがなくなり、前記被処理基板上の半導体装置要素における損傷が減少する。本発明では、プラズマが点火した時点において前記第１の電極に前記イオンシースを形成するに十分な低周波バイアスが印加されていればよく、従って前記第２の電極に高周波電力を供給し始めるタイミング自体は、プラズマが点火しない限りにおいて、前記低周波バイアスのタイミングよりも前でも、後でも、同時であってもよい。
【００１５】
また本発明によれば、プラズマを消火する際にも、前記第１の電極に前記低周波バイアスを印加しておき、その状態でプラズマを消火することで、被処理基板がイオンシースにより保護され、その結果、プラズマの収縮および消滅に伴う基板の不均一なチャージアップが回避される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図４は本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置１の構成を示す。
【００１７】
図４を参照するに、プラズマエッチング装置１は、アルミニウム等の導電性材料よりなる処理容器２を有し、前記処理容器２中にはモータ等の昇降機構３により昇降自在なステージ４が設けられる。前記ステージ４はアルミニウム等よりなる複数の部材より被処理基板Ｗを保持するように構成され、内側に熱媒循環機構等の熱源５が形成されている。かかる熱源５を駆動することにより、前記ステージ４上に保持された被処理基板の処理面温度が所望の温度に設定される。
【００１８】
前記熱源５には、図示しない温度制御装置より適当な温度に設定された熱媒が導入管６を介して導入され、前記導入された熱媒は、前記熱源５中を循環した後、熱媒排出管７より外部に排出される。勿論、図示の熱源５の代わりに、冷却ジャケットおよびヒータを前記ステージ４中に設けるようにしてもよい。
【００１９】
前記ステージ４は上面中央部に凸部を有する円板形状を有し、前記上面には、典型的には前記被処理基板Ｗと同程度の大きさの静電チャック８が形成されている。前記静電チャック８は、焼結もしくは溶射成形した絶縁性セラミックからなる層８ａ，８ｂの間にＷ（タングステン）電極８ｃを挟持した構成を有し、前記Ｗ電極８ｃに可変電圧源１１からハイカットフィルタ１０およびリード線９を介して直流高電圧を供給することにより、前記ステージ４上に載置された被処理基板Ｗを、前記セラミック絶縁層８ａに対して静電吸着する。勿論、前記チャック８の代わりに機械的なクランプ等、他の機構により前記被処理基板Ｗを前記ステージ４上に保持することもできる。
【００２０】
図示の例では、前記静電チャック８には同心円状に、伝熱ガス供給孔１２が形成されており、前記伝熱ガス供給孔１２には伝熱ガス管１３より、Ｈｅなどの伝熱ガスが供給され、前記伝熱ガスは静電チャック８と被処理基板Ｗとの間の隙間を充填する。これにより、ステージ４から被処理基板Ｗへの伝熱効率を高めることが可能になる。
【００２１】
前記ステージ４の回りには、前記静電チャック８上に装着された被処理基板Ｗを囲むように環状のフォーカスリング１４が配設される。前記フォーカスリング１４は反応性イオンを引き寄せない絶縁性または導電性の材料よりなり、反応性イオンをその内側の被処理基板Ｗに入射させるように作用する。さらに、前記ステージ４と処理容器２の内壁の間には、複数のバッフル孔が形成された排気リング１５が、前記ステージ４を囲み、さらに前記フォーカスリング１４の外縁に係合するように配設されている。前記排気リング１５を設けることにより、排気流の流れが整流され、前記処理室２から処理ガスが均一に排気される。
【００２２】
前記ステージ４には阻止コンデンサを含むインピーダンス整合器１７を介して低周波電源１８が接続される。典型的には、前記低周波電源１８は２ＭＨｚの低周波バイアスを前記ステージ４に印加する。なお、前記インピーダンス整合器１７とステージ４との間には電力検出器１９が設けられ、前記電力検出器１９は前記ステージ４に供給される前記低周波バイアスの電力値を検出し、その結果をコントローラ２０にフィードバックする。このように、前記ステージ４は、被処理基板Ｗを担持する下側電極として機能する。ここで、前記低周波電源１８が形成する低周波バイアスとは、前記下側電極４に給電されてもプラズマの点火を誘起しないような周波数の交流バイアスのことであり、周波数が前記２ＭＨｚに限定されるものではない。
【００２３】
一方、前記ステージ４の上方には、前記ステージ４に対向するように上側電極２１が、約５〜１５０ｍｍの間隔で離間して形成されている。その際、前記ステージ４は前記昇降機構３により上下に昇降自在に形成されており、前記間隔は、前記昇降機構３を駆動することにより、前記被処理基板Ｗ上の被処理膜の性質・組成に応じて自在に調整することができる。
【００２４】
前記上側電極２１には前記下側電極４と同様に、阻止コンデンサを含むインピーダンス整合器２８を介して高周波電源２９が接続されており、前記高周波電源２９は前記処理装置１の動作時に前記上部電極２１に典型的には６０ＭＨｚの高周波電力を供給する。さらに、図示の例では前記インピーダンス整合器２１と前記上側電極２１との間には電力検出器３０が挿入され、前記高周波電源２９から前記上側電極２１に供給される高周波電力の値を検出する。前記検出器３０の検出結果は前記コントローラ２０にフィードバックされ、前記コントローラ２０は、前記下側検出器１９の検出結果および上側検出器３０の検出結果をもとに、プラズマの点火および停止を制御する。
【００２５】
図示の例では、前記上側電極２１には、前記低周波電源１８より、前記低周波バイアスが、インピーダンス整合器１７およびパワースプリッタ１７Ａを介してさらに印加される。パワースプリッタ１７Ａとしては公知の構成のものが使用でき、説明を省略する。
【００２６】
図４よりわかるように、前記上側電極２１は中空の部材より形成されており、前記中空部には処理ガス供給管２２が接続される。一方、前記処理ガス供給管２２には処理ガス源２３より、所定の処理ガス、例えばＣ４ Ｆ８ とＡｒとＯ２ の混合ガスが、流量制御装置２４を介して供給される。前記上側電極２１の、前記下側電極４に対する対向面上には、処理ガスの均一な拡散を促進するため、多数の小孔を有するバッフル板２５が配設され、さらに前記バッフル板２５の下方には多数の小孔２６を形成された板状の処理ガス導入部２７が配設されている。
また、前記処理容器２の下方には、真空ポンプを含む排気系に連通する排気口３１が設けられ、前記処理室２を、所定の、例えば２０ｍＴｏｒｒの内圧に減圧する。
【００２７】
さらに、前記処理室２の一方の側壁面にはゲートバルブ３２を介してロードロック室３３が形成され、前記ロードロック室３３中には搬送アーム３４を備えた搬送機構３５が設けられている。
【００２８】
本発明の発明者は、前記図１のプラズマエッチング装置１において、先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した試験基板を使い、プラズマエッチングに伴う損傷の発生について実験的研究を行なった。先に説明した図３も、今回本発明者が行なった実験結果の一つである。
【００２９】
図３を参照するに、先にも説明したように、不良率は上側電極２１と下側電極４との間の電極間隔が増大するにつれて減少する。そこで、本発明者は電極間隔を変化させた場合について、ウェハ面内におけるエッチング速度の分布を求めた。
【００３０】
図５（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ電極間隔を２４ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の、ＳｉＯ2膜を前記Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｏ2エッチングガスでプラズマエッチングした場合の、ウェハ面内中縦方向および横方向に沿った、エッチング速度の分布を示す。
【００３１】
図５（Ａ）を参照するに、電極間隔を２４ｍｍに設定した場合にはエッチング速度はウェハ中央部で大きく、周辺部で小さい分布を示すが、これはプラズマがウェハ中央部において選択的に作用していることを示唆している。これに対し、図５（Ｂ）のように電極間隔を２０ｍｍに減少させた場合には、エッチング速度はウェハ中央部でも周辺部でもほぼ一定で、プラズマはウェハ表面にほぼ一様に作用していることを示唆している。
【００３２】
さらに、図５（Ａ），（Ｂ）の試料について、ウェハ中の要素の不良率を調べたところ、図５（Ａ）のエッチング速度が不均一な場合に不良率が５％と低いのに対し、図５（Ｂ）のエッチング速度が均一な場合に不良率が２６％と非常に高いことが見出された。これは、プラズマ処理の際に、プラズマがウェハ面内に一様に作用した場合に不良が発生する機構が存在することを示している。
【００３３】
そこで、本発明の発明者は、図４のプラズマエッチング装置１において、前記不良が発生するのが、プラズマの停止時点なのか、点火時点なのかを突き止めるための実験を行なった。
【００３４】
図６，７は、本発明の発明者による実験を示すフローチャートである。このうち、図６は不良の発生がプラズマの停止時に発生しているのか否かを確認する実験、図７は不良の発生がプラズマの点火時に発生しているのか否かを確認する実験を示す。
【００３５】
先に図３で説明したように、不良率は前記電極間隔を増大させれば減少することが確認されている。そこで、図６の実験では、最初にステップ１において電極間隔を１７ｍｍに設定し、次にステップ２においてプラズマを点火しプラズマエッチングを行なう。さらにステップ３において前記電極間隔を３０ｍｍまで増大させ、その直後にステップ４においてプラズマを停止させる。ただし、図６に示すように、ステップ２においては前記下側電極４および上側電極２１にそれぞれ低周波バイアスおよび高周波電力を供給しており、またステップ４においては前記下側電極４および上側電極２１への低周波バイアスおよび高周波電力の供給を、実質的に同時に遮断している。ただしステップ２においては、先に高周波電極を供給しプラズマを点火し、２秒後に低周波電力を供給している。不良が発生するのがプラズマの停止時であれば、図６のように電極間隔を増大させた状態でプラズマを停止させることにより、不良率が減少するはずである。
【００３６】
結果を見ると、図６の実験では不良率は４５％に達し、改善は見られなかった。これは、被処理基板Ｗにおける不良が、プラズマの停止時に発生しているのではないことを意味している。
【００３７】
次に、図７の実験では、最初にステップ１１において電極間隔を３０ｍｍｍに設定し、次にステップ１２において前記上側電極２１に高周波電力を供給し、プラズマを点火する。その際、下側電極４のインピーダンス整合器１７は固定しておく。次にステップ１３において電極間隔を前記３０ｍｍから１７ｍｍまで減少させ、ステップ１４において下側電極４への低周波バイアスの供給を開始する。
さらに、ステップ１５において、前記インピーダンス整合器１７を駆動し、自動インピーダンス整合を行ない、さらにステップ１６においてプラズマエッチングを実行する。
【００３８】
図７の実験の結果、４５％であった当初の不良率が３６％まで減少するのが確認された。これは、ステップ１２のプラズマの点火時において電極間隔が大きく設定されていることに起因するものと考えられ、また不良が発生するのがプラズマの点火時であることを確認するものである。
【００３９】
図６，７の結果、基板に損傷が入るのがプラズマの点火時であることが確認されたので、次に本発明の発明者は、下側電極に低周波バイアスを印加するタイミングが不良率に及ぼす影響を検討した。
【００４０】
図８は、かかる下側電極４への低周波バイアスの印加タイミングの影響を調べるフローチャートである。
【００４１】
図８を参照するに、最初にステップ２１により前記電極間隔が３０ｍｍに設定され、さらにステップ２２において前記上側電極２１に高周波電力が供給され、プラズマが点火される。
【００４２】
次にステップ２３において下側インピーダンス整合器１７を固定しておき、この状態で前記下側電極４に低周波バイアスを供給する。さらにステップ２４において前記電極間隔を１７ｍｍまで減少させ、さらにステップ２５において下側インピーダンス整合器１７を駆動し、自動インピーダンス整合を行なった後、ステップ２６においてプラズマエッチングを実行する。
【００４３】
図８の実験の結果、当初４５％だった不良率が０％まで改善されることが確認された。図８の結果は、電極間隔を減少させてプラズマエッチングを開始する前に下側電極４に低周波バイアスを供給することが、不良率の改善に決定的に重要であることを示している。
【００４４】
一方、図８の工程を実際に半導体装置あるいは液晶表示装置の製造工程において実施しようとすると、前記下側電極４に低周波バイアスを供給しながら電極間隔を減少させる必要があるため、図１の低周波電源１８に大きな反射電力が戻ってしまい、前記低周波電源１８が損傷してしまうおそれがある。
【００４５】
そこで本実施例では特に図８の結果に鑑み、図４のプラズマエッチング装置１において、プラズマの点火前に前記下側電極４に低周波バイアスが印加されるようにプラズマ処理を実行する。
【００４６】
図９は、本実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【００４７】
図９を参照するに、ステップ３１において前記処理室２を約２０ｍＴｏｒｒまで排気・減圧し、さらにＣ4Ｆ8，ＡｒおよびＯ2よりなるエッチングガスを、それぞれ１２ＳＣＣＭ，３００ＳＣＣＭおよび７ＳＣＣＭの流量で導入する。
【００４８】
次にステップ３２において前記電極間隔を所望値、図示の例では１７ｍｍに設定し、さらにステップ３３において下側インピーダンス整合器１７を固定し、前記下側電極４に前記低周波電源１８より２ＭＨｚの低周波バイアスを、約１２００Ｗの電力で供給する。この状態では、処理室２中にはプラズマは形成されていない。
【００４９】
次に、ステップ３４において前記高周波電源２９を駆動し、前記上側電極２１に前記上側整合器２８を介して６０ＭＨｚの約１５００Ｗの高周波電力を供給し、前記処理室２中においてプラズマを点火する。
【００５０】
さらに、ステップ３５において前記下側インピーダンス整合器１７を駆動し、前記プラズマの点火に伴う下側電極４のインピーダンス変動を、前記インピーダンス整合器１７により自動インピーダンス整合を行なうことで補償し、前記下側電極４に前記低周波バイアスを約１２００Ｗの電力で供給し続ける。さらにステップ３６において被処理基板Ｗのプラズマエッチングを、所定の時間にわたり実行する。
【００５１】
さらにステップ３７において、前記高周波電源２９および低周波電源１８を遮断し、プラズマエッチングを終了する。ステップ３７においては、先に前記高周波電源２９を遮断することでプラズマを停止し、次に前記低周波電源１８を遮断するのが好ましい。あるいは、前記高周波電源２９と前記低周波電源１８とを同時に遮断してもよい。
【００５２】
このようにして図３（Ａ），（Ｂ）の試験基板に対してプラズマエッチングを行なったところ、不良率は当初の４５％から０％まで減少しているのが確認された。また、図９の工程では、図８におけるようなプラズマが点火した状態で電極間隔を変化させる工程が含まれないことに注意すべきである。また、本実施例ではステップ３３の工程において前記下側インピーダンス整合器１７の状態を固定しておくことにより、ステップ３４でプラズマが点火することにより前記下側電極４に生じるインピーダンスの急変の問題、およびかかるインピーダンスの急変に伴う低周波電源１８の損傷の問題が回避できる。
【００５３】
図５（Ａ），（Ｂ），図６あるいは図７のプラズマ処理工程で不良率が０でなく、図９のプラズマ処理工程で不良率が０％になる機構は現在のところ十分には解明されていないが、おそらく図１０，１１に示すような機構が存在しているものと予想される。このうち、図１０は不良が発生する機構を、図１１は図９のプラズマ処理工程で不良が０％に減少する機構を示す。図１０，１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図１０（Ａ）を参照するに、この工程では前記下側電極４には低周波バイアスを印加しない状態で前記上側電極２１に高周波電力が供給され、プラズマが点火する。プラズマの点火に伴い、プラズマ形成領域は、図１０（Ａ）中に矢印で示したように前記下側電極４に向かって拡大する。図１０（Ａ）では、プラズマ形成領域の中央部が前記下側電極４に到達している。
【００５５】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）で点火したプラズマが安定した状態を示し、プラズマ形成領域は前記下側基板４の実質的に全面に到達している。
【００５６】
さらに、図１０（Ｃ）は、前記下側電極４に低周波バイアスが印加された状態を示す。低周波バイアスは、プラズマ中のイオンが追従できるような低い周波数を有するため、前記下側電極４表面において正極性と負極性とが繰りかえされる際に入射電子とイオンの間にローカルバランスが生じ、プラズマの存在しないイオンシースとよばれる領域が、前記下側電極４の表面に沿って、前記下側電極上に配設された被処理基板を包むように形成され、前記被処理基板のプラズマエッチングは、図１０（Ｃ）の状態で実行される。
【００５７】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す従来のプラズマエッチング工程においては、図１０（Ｂ）の工程がプラズマを安定させるため数秒間保持されるが、図１０（Ｂ）よりわかるように、前記下側電極４に到達したプラズマ形成領域中には、略同心円状のプラズマ密度の差異が存在し、その結果被処理基板の中央部は高密度のプラズマに、周辺部は低密度のプラズマにさらされることになるが、おそらくその際に図１０（Ｂ）中に矢印で示した、前記被処理基板中を流れる電流が不良を引き起こすものと考えられる。
【００５８】
また、電極間隔が大きい場合には、図１０（Ａ）の状態が処理室２中に定常状態として形成されると考えられるが、このような場合には不良率は減少し、同時に被処理基板周辺部のエッチング速度が低下すると予測される。これは、先に説明した図５（Ａ）の結果と一致している。
【００５９】
これに対し、図９の本発明実施例によるプラズマエッチング方法では、先に下側電極４に低周波バイアスが印加されているため、図１１（Ａ）の工程においてプラズマが点火し、プラズマ形成領域が図１１（Ａ）中の矢印のように拡大し、前記下側電極４にまで到達した場合に、図１１（Ｂ）に示すように前記下側電極４の表面にイオンシースが瞬時に形成される。
【００６０】
さらにかかるイオンシースが形成された状態でプラズマ形成領域が拡大する結果、前記イオンシースも径方向に拡大し、図１１（Ｃ）に示す定常状態に到達しても、前記プラズマ形成領域が前記下側電極４あるいはその上の被処理基板に直接に接触することはなく、被処理基板中を図１０（Ｂ）で説明したプラズマ密度の差異に起因する電流が流れ、基板上の半導体素子を損傷させる問題が回避されると考えられる。
【００６１】
このように、本実施例では、上側電極２１に高周波電力を供給することにより処理室２中においてプラズマが点火するよりも前に、前記下側電極４に、プラズマが点火しないような周波数の低周波バイアスを、プラズマが点火した場合に図１１（Ｂ）に示すように前記下側電極４の回りに、前記電極４上の被処理基板を包むイオンシースが形成されるような電力で供給しておくことにより、プラズマエッチング処理に起因する不良率を実質的に０％まで減少させることができる。
【００６２】
その際、前記下側電極４に低周波バイアスを供給するタイミングと、前記上側電極２１に高周波電力を供給するタイミングとは、プラズマの点火に先立って必要な低周波バイアスが供給されている限りにおいて、図１２（Ａ）〜１３（Ｄ）に示すように様々に変化させることができる。
【００６３】
図１２（Ａ）では、前記高周波電力および低周波バイアスは、いずれも高周波電源２９および低周波電源１８をターンオンすることにより鋭く立ち上がり、前記高周波電力のオンと実質的に同時にプラズマが点火する。このように前記高周波電力および低周波バイアスが鋭く立ち上がる場合には、前記低周波電源１８をターンオンするタイミングは、前記高周波電源２９をターンオンするタイミングよりも前でなければならない。
【００６４】
これに対し、図１２（Ｂ），（Ｃ）では前記低周波バイアスは前記低周波電源１８のターンオンと共に急速に立ち上がるが、前記高周波電力は前記高周波電源２９がターンオンしてもゆっくりとしか立ち上がらない場合である。このような場合には、図１２（Ｂ）のように低周波電源１８と高周波電源２９とが同時にターンオンしても、あるいは図１２（Ｃ）のように高周波電源２９が低周波電源１８よりも先にターンオンしても、プラズマの点火前に前記下側電極４に、プラズマシースを形成するに十分な低周波バイアスを供給することが可能である。
【００６５】
さらに図１３（Ｄ）では、最初に前記低周波電源１８を駆動し、前記下側電極４に最初レシピで設定される電力Ｐ2よりも小さいが、イオンシースが形成されるに十分な電力Ｐ1で、低周波バイアスを供給する。次に、前記高周波電源２９を駆動して上側電極２１に高周波電力を供給し、プラズマを点火する。さらに、前記低周波電源１８を制御し、前記低周波バイアスをレシピで設定された前記電力Ｐ2に設定する。このような場合にも、プラズマ点火前に前記下側電極４に供給される低周波バイアスの電力がＰ1に達している限り、前記低周波バイアスの立ち上げは急峻に行なう必要はなく、図１３（Ｄ）中に破線で示したように緩やかに立ち上げてもよい。また、前記上側電極２１に供給される高周波電力も、破線で示すように緩やかに立ち上げてよい。
【００６６】
本実施例によるプラズマエッチング装置において、前記高周波電源２９は２７ＭＨｚの高周波電力を供給する装置であり、前記低周波電源１８は８００ｋＨｚの低周波バイアスを供給する装置であってもよい。また、前記高周波電源２９として、マイクロ波電源を使うことも可能である。
【００６７】
さらに、前記低周波電源１８はプラズマを点火しないような周波数のものであればよく、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数の電力を供給する高周波電源であっても、プラズマが点火しないような条件下で運転する限り使用が可能である。
［第２実施例］
図１４は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置４０の構成を示す。
【００６８】
図１４を参照するに、プラズマエッチング装置４０は処理室４１中に配設された一対の平行平板電極４２Ａおよび４２Ｂを備え、前記電極４２Ａ上に被処理基板Ｗが保持される。一方、対向する電極４２Ｂは接地されている。ただし図１３中、処理室４１の排気系あるいはガス供給系は、図示を省略してある。
【００６９】
運転時には、最初に処理室４１が排気され、さらにエッチングガスが導入された後、前記電極４１Ａに周波数Ｒｆ1が３．２ＭＨｚのバイアス電力が、バイアス電源４３を駆動することにより、阻止コンデンサ４１Ａを介して供給される。
次に、前記電極４２Ａに前記阻止コンデンサ４１Ａを介して接続されている高周波電源４４を駆動することにより、前記電極４２Ａに周波数Ｒｆ2が例えば２７ＭＨｚの高周波電力が供給され、前記処理室中においてプラズマが点火される。
その結果、前記電極４２Ａ上に保持された被処理基板に対してプラズマエッチングが行われる。
【００７０】
本実施例では、プラズマエッチング装置４０の運転時に処理室４１内に外部磁界は印加されないため、前記バイアス電力を前記電極４２Ａに供給しただけでは、前記処理室４１中においてプラズマは点火されない。一方、先に前記電極４２Ａに前記バイアス電力を供給した状態において高周波電力を供給すると、最初に前記電極４２Ａの表面中央部にプラズマ領域が形成され、それが前記電極４２Ａの周辺部へと拡大するが、前記電極４２Ａにはバイアス電力が先に供給されているため、前記電極４２Ａの表面にはプラズマの点火と同時に、先に図１１（Ｂ）で説明したのと同様にイオンシースが形成される。かかるイオンシースはプラズマ領域の拡大と共に拡大し、その結果前記電極４２Ａ上の被処理基板Ｗがプラズマに曝されることがなくなり、プラズマの点火に伴うチャージアップの不均一に起因する欠陥の形成が回避される。
［第３実施例］
図１５は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置５０の構成を示す。ただし図１５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
図１５を参照するに、本実施例では前記高周波電源２９からの高周波パワーが整合器２８から直接に前記上部電極２１に供給される。また前記低周波電源１８からのバイアス電力が整合器１７から直接に前記下部電極４に供給される。
【００７２】
表１は、図１５のプラズマエッチング装置５０の典型的な動作条件を、また図１６は、図１５のプラズマエッチング装置５０を使った本発明の第３実施例によるプラズマエッチング工程のうち、プラズマ着火時のプロセスシーケンスを示す。
【００７３】
【表１】
表１を参照するに、前記処理容器２の内圧は１．３３〜５．６２Ｐａに設定され、上部電極２１と下部電極４との間の電極間隔が２１〜４５ｍｍに設定される。さらに前記処理容器２にＣxＦy（Ｃ4Ｆ8，Ｃ4Ｆ6，Ｃ5Ｆ8），ＡｒおよびＯ2よりなるエッチングガスを、それぞれ１０〜２５ＳＣＣＭ，１００〜６００ＳＣＣＭおよび１０〜２５ＳＣＣＭの流量で流しながら、図１６のタイミングチャートで説明するように、前記下部電極４に供給される周波数が２ＭＨｚの低周波電力のパワーを２００〜１０００Ｗの第１の値から１０００〜２０００Ｗの第２の値へと段階的に変化させ、また前記上部電極２１に供給される周波数が６０ＭＨｚの高周波電力のパワーを５０〜１０００Ｗの第１の値から１０００〜２５００Ｗの第２の値へと段階的に変化させることにより、所望の酸化膜のエッチングがなされる。
【００７４】
図１６を参照するに、タイミングＡにおいて前記低周波電源１８が駆動され、２ＭＨｚの低周波電力が前記下部電極４に２００〜１０００Ｗのパワー、例えば５５０Ｗのパワーで供給され、前記タイミングＡから０．１〜１秒（例えば０．５秒）遅れたタイミングＢにおいて、６０ＭＨｚの高周波電力が前記上部電極２１に５０〜１０００Ｗのパワー、例えば２００Ｗのパワーで供給される。この時点、すなわちタイミングＢにおいて前記処理室２中にはプラズマが点火するが、先にタイミングＡにおいて前記下部電極４に低周波電力が実質的なパワーで供給されているため、前記被処理基板Ｗの表面にはプラズマシースが形成されている。
【００７５】
次に前記タイミングＢから０．１〜１秒後、例えば０．５秒後のタイミングＣにおいて前記上部電極２１に供給されるプラズマパワーが１０００〜２５００Ｗまで増大され、さらにその０．１〜１秒後、例えば１秒後のタイミングＤにおいて前記低周波パワーが１０００〜２０００Ｗまで増大され、プラズマエッチングが実行される。
【００７６】
図１７および図１８は、図１６のプラズマエッチング開始工程に引き続く、プラズマエッチング終了工程の例を示す。
【００７７】
図１７を参照するに、本実施例では前記上部電極２１の高周波パワーと下部電極４の低周波パワーとが同時に遮断されることにより、プラズマエッチング工程が終了する。一方、図１８の例では、前記高周波パワーがタイミングＦで遮断された後、前記低周波パワーがタイミングＧで遮断される。
【００７８】
図１７あるいは１８のプラズマエッチング終了工程では、前記処理室２中にプラズマが形成されている限り、前記被処理基板Ｗの表面には前記低周波バイアスによりイオンシースが形成されているため、高周波パワーの遮断に伴い、前記処理室２中においてプラズマが収縮し、消滅する際にも基板表面に不均一なチャージアップに起因する電流が流れることがなく、不良の発生を抑制することが可能である。
【００７９】
図１９は、図１６〜図１８の条件を含む様々なシーケンスにおいて、先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した試験素子ＥＬをプラズマエッチング処理した場合の歩留りを示す。ただし図１９の実験では、前記熱酸化膜４３として厚さが４ｎｍのＳｉＯ2膜を使い、アンテナ比は１，０００，０００倍に設定している。
【００８０】
図１９を参照するに、プラズマを消火する際に図１７に示したように上部電極２１への高周波電力の供給と下部電極４への低周波電力の供給を同時に行った場合には、プラズマの着火の際に下部電極４への低周波電力の供給を先に行うことで、前記試験素子ＥＬの歩留りを、上部電極２１への高周波電力の供給を先に行った場合に比べて４０％から１００％まで向上させることができる。プラズマ点火時に前記下部電極４への低周波電力の供給を先に行い、プラズマ消火時に上部電極２１への高周波電力の供給を、下部電極４への低周波電力の供給よりも先に遮断した場合にも、１００％の歩留りを維持することができる。
【００８１】
また図１９より、プラズマ消火時に下部電極４への低周波電力の供給を先に遮断した場合には、歩留りは１００％から８０％まで低下するのがわかる。このことは、プラズマ消火時にプラズマが収縮して消滅し、その際被処理基板Ｗの表面にイオンシースが形成されていなければ、チャージアップの不均一に起因する電流が流れ、その結果形成される素子ＥＬが短絡を生じるものと解釈される。
【００８２】
このように、プラズマ消火時においても、先に図１７あるいは１８で説明したように、上部電極２１への高周波電力の供給は、下部電極４への低周波電力の供給を継続した状態で、換言するとイオンシースの形成を維持した状態で遮断するのが好ましいことがわかる。
【００８３】
さらに、本発明によるプラズマ処理方法は、以上に説明したプラズマエッチング方法だけでなく、プラズマＣＶＤ装置に対しても適用可能である。
【００８４】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマが点火するよりも前に、被処理基板を担持する第１の電極にプラズマの点火を起こさないような、典型的には２ＭＨｚ以下の低周波バイアスを印加しておくことで、プラズマが点火すると直ちに前記第１の電極表面にイオンシースが形成され、プラズマが前記第１の電極上の被処理基板に触れることがなくなる。これにより、被処理基板上にチャージアップをもたらす電流が流れることがなくなり、前記被処理基板上の半導体装置要素における損傷が減少する。本発明では、プラズマが点火した時点において前記第１の電極に前記イオンシースを形成するに十分な低周波バイアスが印加されていればよく、従って前記第２の電極に高周波電力を供給し始めるタイミング自体は、プラズマが点火しない限りにおいて、前記低周波バイアスのタイミングよりも前でも、後でも、同時であってもよい。
【００８６】
また、本発明によれば、プラズマ消火時においても、前記第１の電極にイオンシースを形成するに十分な低周波バイアスを印加した状態でプラズマを消火することで、不均一なチャージアップに伴う電流が被処理基板を流れるのが回避され、半導体装置の製造歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプラズマエッチング装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の基礎となる研究において使われた試験基板の構成を示す図である。
【図３】本発明の基礎となる研究において見出された関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例において使われるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の基礎となる研究において見出された関係を示す別の図である。
【図６】本発明の基礎となる研究において行われた実験を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の基礎となる研究において行われた別の実験を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の基礎となる研究において行われたさらに別の実験を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の一実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の原理を説明する図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の原理を説明する別の図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波電力と低周波バイアスのタイミングの例を示す図（その１）である。
【図１３】（Ｄ）は、高周波電力と低周波バイアスのタイミングの例を示す図（その２）である。
【図１４】本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図１６】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ点火時のタイミングを示す図である。
【図１７】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ消火時のタイミングの例を示す図である。
【図１８】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ消火時のタイミングの別の例を示す図である。
【図１９】図１５のプラズマエッチング装置において、様々なプラズマ点火および消火シーケンスで半導体素子を形成した場合の歩留りを示す図である。
【符号の説明】
１，４０，５０ プラズマエッチング装置
２，４１ 処理室
４，４２Ａ 下側電極
１７ 下側インピーダンス整合器
１８ 低周波電源
１９ 電力検出器
２０ コントローラ
２１，４２Ｂ 上側電極
２３ ガス源
２４ 流量制御装置
２８ 上側インピーダンス整合器
２９，４３，４４ 高周波電源
３０ 電力検出器
Ｗ 被処理基板
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理技術に関し、特にプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理技術はプラズマエッチング処理技術あるいはプラズマＣＶＤ処理技術を含み、半導体装置の製造、あるいは液晶表示装置、プラズマ表示装置等の平面表示装置の製造において広く使われている。
【０００３】
図１は、絶縁膜のプラズマエッチングに使われている従来の典型的なプラズマエッチング装置１００の構成を示す。
【０００４】
図１を参照するに、プラズマエッチング装置１００は平行平板型の構成を有し、処理室１０１と、前記処理室１０１中に被処理基板Ｗを載置する下部電極１０２と、前記下側電極１０２に対向する上側電極１０３とを含む。前記処理室１０１には、Ｃ4Ｆ8とＡｒおよびＯ2のガスがエッチングガスとして供給され、前記上側電極１０３に高周波電源１０４から整合器１０５を介して供給された典型的には周波数が６０ＭＨｚの高周波電力により、前記処理室１０１中にプラズマが形成される。一方、前記被処理基板Ｗ上の絶縁膜をプラズマエッチングする場合には、前記下側電極１０２に低周波電源１０８から整合器１０９を介して周波数が２ＭＨｚの低周波電力がバイアスとして供給される。前記バイアスとして周波数の低い交流電力を用いた場合、あるいは処理室１０１内の圧力が低い場合には、放電開始電圧が著しく上昇し、プラズマが点火することはない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の平行平板型プラズマエッチング装置１００により前記被処理基板Ｗ上に形成された絶縁膜パターンをプラズマエッチングする場合、従来は先に前記高周波電源１０４を駆動し、前記処理室１０１中にプラズマを形成しておいて、次に前記低周波電源１０８を駆動して前記下側電極１０２に低周波バイアスを印加していた。このようにすることで、プラズマの点火に伴い前記下側電極１０２に生じるインピーダンスの急変、およびかかるインピーダンスの急変による前記低周波電源１０８の急激な負荷変動が回避できる。
【０００６】
しかし、このような従来の平行平板型プラズマエッチング装置１００により、最近のサブミクロン、あるいはサブクォーターミクロンとよばれる非常に微細な半導体装置を素子として含む基板を処理した場合、基板中の素子がプラズマエッチングの結果損傷し、半導体装置製造の歩留まりが低下してしまうことが見出された。
【０００７】
図２（Ａ），（Ｂ）は、本発明の発明者が行なったプラズマエッチングの実験で使われた試料の構成を示す。
【０００８】
図２（Ａ）を参照するに、図１の基板Ｗに対応するＳｉウェハ上には多数の試験素子ＥＬが形成されており、各々の試験素子ＥＬは、図２（Ｂ）に示すような、前記ＳｉウェハＷに対応するＳｉ基板４１上に形成される。図２（Ｂ）を参照するに、前記Ｓｉ基板４１上には活性領域を画成するフィールド酸化膜４２が形成されており、前記活性領域上には厚さが５ｎｍの熱酸化膜４３が形成されている。さらに前記熱酸化膜４３上には、ポリシリコンよりなる電極パターン４４が形成されている。
【０００９】
前記試験素子ＥＬとして、前記電極パターン４４と前記熱酸化膜４３の面積比（アンテナ比）が２６０，０００倍のものを使い、前記図１のプラズマエッチング装置中において前記下側電極１０２と上側電極１０３の間隔を１９ｍｍに設定してプラズマエッチングを行なった場合、前記ウェハＷ上における前記試験素子ＥＬの不良率が３５％にも達し、これらの不良試験素子では前記熱酸化膜４３の耐圧特性が著しく劣化していることが見出された。また、この特定の例に限らず、図１のプラズマエッチング装置において酸化膜のエッチングを行なった場合、基板中の素子の不良率が高くなる。
【００１０】
図３は、前記図２（Ａ），（Ｂ）の基板を使って、前記図１のプラズマエッチング装置においてプラズマエッチングを行なった場合の不良率を示す。ただし図３中、「ＣＷ」は連続波を表し、５８ｋ、１３０および２６０ｋはアンテナ比を示す。
【００１１】
図３を参照するに、不良率は前記下側電極１０２と上側電極１０３の間の間隔（Ｇａｐ）およびアンテナ比に依存して変化するが、通常使われる電極間隔では、実質的な不良率を避けることができない。また、前記電極間隔を同一に設定した場合、不良率はアンテナ比が大きいほど増大する。
【００１２】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することを特徴とする。
【００１３】
本発明のより具体的な課題は、被処理基板の処理に伴う被処理基板中の素子の不良率を低減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ことにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を、
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を連続波で供給しプラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマ発生部によりプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない交流電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火するマイクロ波電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記マイクロ波電力により前記プラズマ発生部においてプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記交流電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法により、または
処理室を減圧し、処理ガスを導入する工程と、
前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記処理室中に、前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程と、
前記被処理基板のプラズマエッチングを行う工程と、
前記第２の周波数の電力を遮断してプラズマを停止する工程と、
前記第１の周波数の電力を遮断する工程と、
を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極と、前記処理室中に前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を連続波で供給する第２の電源とを備え、請求項１〜１２のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置により、または
処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を供給する第２の電源とを備え、請求項１５〜１９のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置により、解決する。
［作用］
本発明によれば、プラズマが点火するよりも前に、被処理基板を担持する第１の電極にプラズマの点火を起こさないような、典型的には２ＭＨｚ以下の低周波バイアスを印加しておくことで、プラズマが点火すると直ちに前記第１の電極表面にイオンシースが形成され、プラズマが前記第１の電極上の被処理基板に触れることがなくなる。これにより、被処理基板上においてチャージアップの程度の差に起因して生じる電流が流れることがなくなり、前記被処理基板上の半導体装置要素における損傷が減少する。本発明では、プラズマが点火した時点において前記第１の電極に前記イオンシースを形成するに十分な低周波バイアスが印加されていればよく、従って前記第２の電極に高周波電力を供給し始めるタイミング自体は、プラズマが点火しない限りにおいて、前記低周波バイアスのタイミングよりも前でも、後でも、同時であってもよい。
【００１５】
また本発明によれば、プラズマを消火する際にも、前記第１の電極に前記低周波バイアスを印加しておき、その状態でプラズマを消火することで、被処理基板がイオンシースにより保護され、その結果、プラズマの収縮および消滅に伴う基板の不均一なチャージアップが回避される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１実施例］
図４は本発明の第１実施例によるプラズマエッチング装置１の構成を示す。
【００１７】
図４を参照するに、プラズマエッチング装置１は、アルミニウム等の導電性材料よりなる処理容器２を有し、前記処理容器２中にはモータ等の昇降機構３により昇降自在なステージ４が設けられる。前記ステージ４はアルミニウム等よりなる複数の部材より被処理基板Ｗを保持するように構成され、内側に熱媒循環機構等の熱源５が形成されている。かかる熱源５を駆動することにより、前記ステージ４上に保持された被処理基板の処理面温度が所望の温度に設定される。
【００１８】
前記熱源５には、図示しない温度制御装置より適当な温度に設定された熱媒が導入管６を介して導入され、前記導入された熱媒は、前記熱源５中を循環した後、熱媒排出管７より外部に排出される。勿論、図示の熱源５の代わりに、冷却ジャケットおよびヒータを前記ステージ４中に設けるようにしてもよい。
【００１９】
前記ステージ４は上面中央部に凸部を有する円板形状を有し、前記上面には、典型的には前記被処理基板Ｗと同程度の大きさの静電チャック８が形成されている。前記静電チャック８は、焼結もしくは溶射成形した絶縁性セラミックからなる層８ａ，８ｂの間にＷ（タングステン）電極８ｃを挟持した構成を有し、前記Ｗ電極８ｃに可変電圧源１１からハイカットフィルタ１０およびリード線９を介して直流高電圧を供給することにより、前記ステージ４上に載置された被処理基板Ｗを、前記セラミック絶縁層８ａに対して静電吸着する。勿論、前記チャック８の代わりに機械的なクランプ等、他の機構により前記被処理基板Ｗを前記ステージ４上に保持することもできる。
【００２０】
図示の例では、前記静電チャック８には同心円状に、伝熱ガス供給孔１２が形成されており、前記伝熱ガス供給孔１２には伝熱ガス管１３より、Ｈｅなどの伝熱ガスが供給され、前記伝熱ガスは静電チャック８と被処理基板Ｗとの間の隙間を充填する。これにより、ステージ４から被処理基板Ｗへの伝熱効率を高めることが可能になる。
【００２１】
前記ステージ４の回りには、前記静電チャック８上に装着された被処理基板Ｗを囲むように環状のフォーカスリング１４が配設される。前記フォーカスリング１４は反応性イオンを引き寄せない絶縁性または導電性の材料よりなり、反応性イオンをその内側の被処理基板Ｗに入射させるように作用する。さらに、前記ステージ４と処理容器２の内壁の間には、複数のバッフル孔が形成された排気リング１５が、前記ステージ４を囲み、さらに前記フォーカスリング１４の外縁に係合するように配設されている。前記排気リング１５を設けることにより、排気流の流れが整流され、前記処理室２から処理ガスが均一に排気される。
【００２２】
前記ステージ４には阻止コンデンサを含むインピーダンス整合器１７を介して低周波電源１８が接続される。典型的には、前記低周波電源１８は２ＭＨｚの低周波バイアスを前記ステージ４に印加する。なお、前記インピーダンス整合器１７とステージ４との間には電力検出器１９が設けられ、前記電力検出器１９は前記ステージ４に供給される前記低周波バイアスの電力値を検出し、その結果をコントローラ２０にフィードバックする。このように、前記ステージ４は、被処理基板Ｗを担持する下側電極として機能する。ここで、前記低周波電源１８が形成する低周波バイアスとは、前記下側電極４に給電されてもプラズマの点火を誘起しないような周波数の交流バイアスのことであり、周波数が前記２ＭＨｚに限定されるものではない。
【００２３】
一方、前記ステージ４の上方には、前記ステージ４に対向するように上側電極２１が、約５〜１５０ｍｍの間隔で離間して形成されている。その際、前記ステージ４は前記昇降機構３により上下に昇降自在に形成されており、前記間隔は、前記昇降機構３を駆動することにより、前記被処理基板Ｗ上の被処理膜の性質・組成に応じて自在に調整することができる。
【００２４】
前記上側電極２１には前記下側電極４と同様に、阻止コンデンサを含むインピーダンス整合器２８を介して高周波電源２９が接続されており、前記高周波電源２９は前記処理装置１の動作時に前記上部電極２１に典型的には６０ＭＨｚの高周波電力を供給する。さらに、図示の例では前記インピーダンス整合器２１と前記上側電極２１との間には電力検出器３０が挿入され、前記高周波電源２９から前記上側電極２１に供給される高周波電力の値を検出する。前記検出器３０の検出結果は前記コントローラ２０にフィードバックされ、前記コントローラ２０は、前記下側検出器１９の検出結果および上側検出器３０の検出結果をもとに、プラズマの点火および停止を制御する。
【００２５】
図示の例では、前記上側電極２１には、前記低周波電源１８より、前記低周波バイアスが、インピーダンス整合器１７およびパワースプリッタ１７Ａを介してさらに印加される。パワースプリッタ１７Ａとしては公知の構成のものが使用でき、説明を省略する。
【００２６】
図４よりわかるように、前記上側電極２１は中空の部材より形成されており、前記中空部には処理ガス供給管２２が接続される。一方、前記処理ガス供給管２２には処理ガス源２３より、所定の処理ガス、例えばＣ４ Ｆ８ とＡｒとＯ２ の混合ガスが、流量制御装置２４を介して供給される。前記上側電極２１の、前記下側電極４に対する対向面上には、処理ガスの均一な拡散を促進するため、多数の小孔を有するバッフル板２５が配設され、さらに前記バッフル板２５の下方には多数の小孔２６を形成された板状の処理ガス導入部２７が配設されている。
また、前記処理容器２の下方には、真空ポンプを含む排気系に連通する排気口３１が設けられ、前記処理室２を、所定の、例えば２０ｍＴｏｒｒの内圧に減圧する。
【００２７】
さらに、前記処理室２の一方の側壁面にはゲートバルブ３２を介してロードロック室３３が形成され、前記ロードロック室３３中には搬送アーム３４を備えた搬送機構３５が設けられている。
【００２８】
本発明の発明者は、前記図１のプラズマエッチング装置１において、先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した試験基板を使い、プラズマエッチングに伴う損傷の発生について実験的研究を行なった。先に説明した図３も、今回本発明者が行なった実験結果の一つである。
【００２９】
図３を参照するに、先にも説明したように、不良率は上側電極２１と下側電極４との間の電極間隔が増大するにつれて減少する。そこで、本発明者は電極間隔を変化させた場合について、ウェハ面内におけるエッチング速度の分布を求めた。
【００３０】
図５（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ電極間隔を２４ｍｍおよび２０ｍｍとした場合の、ＳｉＯ2膜を前記Ｃ4Ｆ8／Ａｒ／Ｏ2エッチングガスでプラズマエッチングした場合の、ウェハ面内中縦方向および横方向に沿った、エッチング速度の分布を示す。
【００３１】
図５（Ａ）を参照するに、電極間隔を２４ｍｍに設定した場合にはエッチング速度はウェハ中央部で大きく、周辺部で小さい分布を示すが、これはプラズマがウェハ中央部において選択的に作用していることを示唆している。これに対し、図５（Ｂ）のように電極間隔を２０ｍｍに減少させた場合には、エッチング速度はウェハ中央部でも周辺部でもほぼ一定で、プラズマはウェハ表面にほぼ一様に作用していることを示唆している。
【００３２】
さらに、図５（Ａ），（Ｂ）の試料について、ウェハ中の要素の不良率を調べたところ、図５（Ａ）のエッチング速度が不均一な場合に不良率が５％と低いのに対し、図５（Ｂ）のエッチング速度が均一な場合に不良率が２６％と非常に高いことが見出された。これは、プラズマ処理の際に、プラズマがウェハ面内に一様に作用した場合に不良が発生する機構が存在することを示している。
【００３３】
そこで、本発明の発明者は、図４のプラズマエッチング装置１において、前記不良が発生するのが、プラズマの停止時点なのか、点火時点なのかを突き止めるための実験を行なった。
【００３４】
図６，７は、本発明の発明者による実験を示すフローチャートである。このうち、図６は不良の発生がプラズマの停止時に発生しているのか否かを確認する実験、図７は不良の発生がプラズマの点火時に発生しているのか否かを確認する実験を示す。
【００３５】
先に図３で説明したように、不良率は前記電極間隔を増大させれば減少することが確認されている。そこで、図６の実験では、最初にステップ１において電極間隔を１７ｍｍに設定し、次にステップ２においてプラズマを点火しプラズマエッチングを行なう。さらにステップ３において前記電極間隔を３０ｍｍまで増大させ、その直後にステップ４においてプラズマを停止させる。ただし、図６に示すように、ステップ２においては前記下側電極４および上側電極２１にそれぞれ低周波バイアスおよび高周波電力を供給しており、またステップ４においては前記下側電極４および上側電極２１への低周波バイアスおよび高周波電力の供給を、実質的に同時に遮断している。ただしステップ２においては、先に高周波電極を供給しプラズマを点火し、２秒後に低周波電力を供給している。不良が発生するのがプラズマの停止時であれば、図６のように電極間隔を増大させた状態でプラズマを停止させることにより、不良率が減少するはずである。
【００３６】
結果を見ると、図６の実験では不良率は４５％に達し、改善は見られなかった。これは、被処理基板Ｗにおける不良が、プラズマの停止時に発生しているのではないことを意味している。
【００３７】
次に、図７の実験では、最初にステップ１１において電極間隔を３０ｍｍｍに設定し、次にステップ１２において前記上側電極２１に高周波電力を供給し、プラズマを点火する。その際、下側電極４のインピーダンス整合器１７は固定しておく。次にステップ１３において電極間隔を前記３０ｍｍから１７ｍｍまで減少させ、ステップ１４において下側電極４への低周波バイアスの供給を開始する。
さらに、ステップ１５において、前記インピーダンス整合器１７を駆動し、自動インピーダンス整合を行ない、さらにステップ１６においてプラズマエッチングを実行する。
【００３８】
図７の実験の結果、４５％であった当初の不良率が３６％まで減少するのが確認された。これは、ステップ１２のプラズマの点火時において電極間隔が大きく設定されていることに起因するものと考えられ、また不良が発生するのがプラズマの点火時であることを確認するものである。
【００３９】
図６，７の結果、基板に損傷が入るのがプラズマの点火時であることが確認されたので、次に本発明の発明者は、下側電極に低周波バイアスを印加するタイミングが不良率に及ぼす影響を検討した。
【００４０】
図８は、かかる下側電極４への低周波バイアスの印加タイミングの影響を調べるフローチャートである。
【００４１】
図８を参照するに、最初にステップ２１により前記電極間隔が３０ｍｍに設定され、さらにステップ２２において前記上側電極２１に高周波電力が供給され、プラズマが点火される。
【００４２】
次にステップ２３において下側インピーダンス整合器１７を固定しておき、この状態で前記下側電極４に低周波バイアスを供給する。さらにステップ２４において前記電極間隔を１７ｍｍまで減少させ、さらにステップ２５において下側インピーダンス整合器１７を駆動し、自動インピーダンス整合を行なった後、ステップ２６においてプラズマエッチングを実行する。
【００４３】
図８の実験の結果、当初４５％だった不良率が０％まで改善されることが確認された。図８の結果は、電極間隔を減少させてプラズマエッチングを開始する前に下側電極４に低周波バイアスを供給することが、不良率の改善に決定的に重要であることを示している。
【００４４】
一方、図８の工程を実際に半導体装置あるいは液晶表示装置の製造工程において実施しようとすると、前記下側電極４に低周波バイアスを供給しながら電極間隔を減少させる必要があるため、図１の低周波電源１８に大きな反射電力が戻ってしまい、前記低周波電源１８が損傷してしまうおそれがある。
【００４５】
そこで本実施例では特に図８の結果に鑑み、図４のプラズマエッチング装置１において、プラズマの点火前に前記下側電極４に低周波バイアスが印加されるようにプラズマ処理を実行する。
【００４６】
図９は、本実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【００４７】
図９を参照するに、ステップ３１において前記処理室２を約２０ｍＴｏｒｒまで排気・減圧し、さらにＣ4Ｆ8，ＡｒおよびＯ2よりなるエッチングガスを、それぞれ１２ＳＣＣＭ，３００ＳＣＣＭおよび７ＳＣＣＭの流量で導入する。
【００４８】
次にステップ３２において前記電極間隔を所望値、図示の例では１７ｍｍに設定し、さらにステップ３３において下側インピーダンス整合器１７を固定し、前記下側電極４に前記低周波電源１８より２ＭＨｚの低周波バイアスを、約１２００Ｗの電力で供給する。この状態では、処理室２中にはプラズマは形成されていない。
【００４９】
次に、ステップ３４において前記高周波電源２９を駆動し、前記上側電極２１に前記上側整合器２８を介して６０ＭＨｚの約１５００Ｗの高周波電力を供給し、前記処理室２中においてプラズマを点火する。
【００５０】
さらに、ステップ３５において前記下側インピーダンス整合器１７を駆動し、前記プラズマの点火に伴う下側電極４のインピーダンス変動を、前記インピーダンス整合器１７により自動インピーダンス整合を行なうことで補償し、前記下側電極４に前記低周波バイアスを約１２００Ｗの電力で供給し続ける。さらにステップ３６において被処理基板Ｗのプラズマエッチングを、所定の時間にわたり実行する。
【００５１】
さらにステップ３７において、前記高周波電源２９および低周波電源１８を遮断し、プラズマエッチングを終了する。ステップ３７においては、先に前記高周波電源２９を遮断することでプラズマを停止し、次に前記低周波電源１８を遮断するのが好ましい。あるいは、前記高周波電源２９と前記低周波電源１８とを同時に遮断してもよい。
【００５２】
このようにして図３（Ａ），（Ｂ）の試験基板に対してプラズマエッチングを行なったところ、不良率は当初の４５％から０％まで減少しているのが確認された。また、図９の工程では、図８におけるようなプラズマが点火した状態で電極間隔を変化させる工程が含まれないことに注意すべきである。また、本実施例ではステップ３３の工程において前記下側インピーダンス整合器１７の状態を固定しておくことにより、ステップ３４でプラズマが点火することにより前記下側電極４に生じるインピーダンスの急変の問題、およびかかるインピーダンスの急変に伴う低周波電源１８の損傷の問題が回避できる。
【００５３】
図５（Ａ），（Ｂ），図６あるいは図７のプラズマ処理工程で不良率が０でなく、図９のプラズマ処理工程で不良率が０％になる機構は現在のところ十分には解明されていないが、おそらく図１０，１１に示すような機構が存在しているものと予想される。このうち、図１０は不良が発生する機構を、図１１は図９のプラズマ処理工程で不良が０％に減少する機構を示す。図１０，１１中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図１０（Ａ）を参照するに、この工程では前記下側電極４には低周波バイアスを印加しない状態で前記上側電極２１に高周波電力が供給され、プラズマが点火する。プラズマの点火に伴い、プラズマ形成領域は、図１０（Ａ）中に矢印で示したように前記下側電極４に向かって拡大する。図１０（Ａ）では、プラズマ形成領域の中央部が前記下側電極４に到達している。
【００５５】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）で点火したプラズマが安定した状態を示し、プラズマ形成領域は前記下側基板４の実質的に全面に到達している。
【００５６】
さらに、図１０（Ｃ）は、前記下側電極４に低周波バイアスが印加された状態を示す。低周波バイアスは、プラズマ中のイオンが追従できるような低い周波数を有するため、前記下側電極４表面において正極性と負極性とが繰りかえされる際に入射電子とイオンの間にローカルバランスが生じ、プラズマの存在しないイオンシースとよばれる領域が、前記下側電極４の表面に沿って、前記下側電極上に配設された被処理基板を包むように形成され、前記被処理基板のプラズマエッチングは、図１０（Ｃ）の状態で実行される。
【００５７】
図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示す従来のプラズマエッチング工程においては、図１０（Ｂ）の工程がプラズマを安定させるため数秒間保持されるが、図１０（Ｂ）よりわかるように、前記下側電極４に到達したプラズマ形成領域中には、略同心円状のプラズマ密度の差異が存在し、その結果被処理基板の中央部は高密度のプラズマに、周辺部は低密度のプラズマにさらされることになるが、おそらくその際に図１０（Ｂ）中に矢印で示した、前記被処理基板中を流れる電流が不良を引き起こすものと考えられる。
【００５８】
また、電極間隔が大きい場合には、図１０（Ａ）の状態が処理室２中に定常状態として形成されると考えられるが、このような場合には不良率は減少し、同時に被処理基板周辺部のエッチング速度が低下すると予測される。これは、先に説明した図５（Ａ）の結果と一致している。
【００５９】
これに対し、図９の本発明実施例によるプラズマエッチング方法では、先に下側電極４に低周波バイアスが印加されているため、図１１（Ａ）の工程においてプラズマが点火し、プラズマ形成領域が図１１（Ａ）中の矢印のように拡大し、前記下側電極４にまで到達した場合に、図１１（Ｂ）に示すように前記下側電極４の表面にイオンシースが瞬時に形成される。
【００６０】
さらにかかるイオンシースが形成された状態でプラズマ形成領域が拡大する結果、前記イオンシースも径方向に拡大し、図１１（Ｃ）に示す定常状態に到達しても、前記プラズマ形成領域が前記下側電極４あるいはその上の被処理基板に直接に接触することはなく、被処理基板中を図１０（Ｂ）で説明したプラズマ密度の差異に起因する電流が流れ、基板上の半導体素子を損傷させる問題が回避されると考えられる。
【００６１】
このように、本実施例では、上側電極２１に高周波電力を供給することにより処理室２中においてプラズマが点火するよりも前に、前記下側電極４に、プラズマが点火しないような周波数の低周波バイアスを、プラズマが点火した場合に図１１（Ｂ）に示すように前記下側電極４の回りに、前記電極４上の被処理基板を包むイオンシースが形成されるような電力で供給しておくことにより、プラズマエッチング処理に起因する不良率を実質的に０％まで減少させることができる。
【００６２】
その際、前記下側電極４に低周波バイアスを供給するタイミングと、前記上側電極２１に高周波電力を供給するタイミングとは、プラズマの点火に先立って必要な低周波バイアスが供給されている限りにおいて、図１２（Ａ）〜１３（Ｄ）に示すように様々に変化させることができる。
【００６３】
図１２（Ａ）では、前記高周波電力および低周波バイアスは、いずれも高周波電源２９および低周波電源１８をターンオンすることにより鋭く立ち上がり、前記高周波電力のオンと実質的に同時にプラズマが点火する。このように前記高周波電力および低周波バイアスが鋭く立ち上がる場合には、前記低周波電源１８をターンオンするタイミングは、前記高周波電源２９をターンオンするタイミングよりも前でなければならない。
【００６４】
これに対し、図１２（Ｂ），（Ｃ）では前記低周波バイアスは前記低周波電源１８のターンオンと共に急速に立ち上がるが、前記高周波電力は前記高周波電源２９がターンオンしてもゆっくりとしか立ち上がらない場合である。このような場合には、図１２（Ｂ）のように低周波電源１８と高周波電源２９とが同時にターンオンしても、あるいは図１２（Ｃ）のように高周波電源２９が低周波電源１８よりも先にターンオンしても、プラズマの点火前に前記下側電極４に、プラズマシースを形成するに十分な低周波バイアスを供給することが可能である。
【００６５】
さらに図１３（Ｄ）では、最初に前記低周波電源１８を駆動し、前記下側電極４に最初レシピで設定される電力Ｐ2よりも小さいが、イオンシースが形成されるに十分な電力Ｐ1で、低周波バイアスを供給する。次に、前記高周波電源２９を駆動して上側電極２１に高周波電力を供給し、プラズマを点火する。さらに、前記低周波電源１８を制御し、前記低周波バイアスをレシピで設定された前記電力Ｐ2に設定する。このような場合にも、プラズマ点火前に前記下側電極４に供給される低周波バイアスの電力がＰ1に達している限り、前記低周波バイアスの立ち上げは急峻に行なう必要はなく、図１３（Ｄ）中に破線で示したように緩やかに立ち上げてもよい。また、前記上側電極２１に供給される高周波電力も、破線で示すように緩やかに立ち上げてよい。
【００６６】
本実施例によるプラズマエッチング装置において、前記高周波電源２９は２７ＭＨｚの高周波電力を供給する装置であり、前記低周波電源１８は８００ｋＨｚの低周波バイアスを供給する装置であってもよい。また、前記高周波電源２９として、マイクロ波電源を使うことも可能である。
【００６７】
さらに、前記低周波電源１８はプラズマを点火しないような周波数のものであればよく、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数の電力を供給する高周波電源であっても、プラズマが点火しないような条件下で運転する限り使用が可能である。
［第２実施例］
図１４は、本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置４０の構成を示す。
【００６８】
図１４を参照するに、プラズマエッチング装置４０は処理室４１中に配設された一対の平行平板電極４２Ａおよび４２Ｂを備え、前記電極４２Ａ上に被処理基板Ｗが保持される。一方、対向する電極４２Ｂは接地されている。ただし図１３中、処理室４１の排気系あるいはガス供給系は、図示を省略してある。
【００６９】
運転時には、最初に処理室４１が排気され、さらにエッチングガスが導入された後、前記電極４１Ａに周波数Ｒｆ1が３．２ＭＨｚのバイアス電力が、バイアス電源４３を駆動することにより、阻止コンデンサ４１Ａを介して供給される。
次に、前記電極４２Ａに前記阻止コンデンサ４１Ａを介して接続されている高周波電源４４を駆動することにより、前記電極４２Ａに周波数Ｒｆ2が例えば２７ＭＨｚの高周波電力が供給され、前記処理室中においてプラズマが点火される。
その結果、前記電極４２Ａ上に保持された被処理基板に対してプラズマエッチングが行われる。
【００７０】
本実施例では、プラズマエッチング装置４０の運転時に処理室４１内に外部磁界は印加されないため、前記バイアス電力を前記電極４２Ａに供給しただけでは、前記処理室４１中においてプラズマは点火されない。一方、先に前記電極４２Ａに前記バイアス電力を供給した状態において高周波電力を供給すると、最初に前記電極４２Ａの表面中央部にプラズマ領域が形成され、それが前記電極４２Ａの周辺部へと拡大するが、前記電極４２Ａにはバイアス電力が先に供給されているため、前記電極４２Ａの表面にはプラズマの点火と同時に、先に図１１（Ｂ）で説明したのと同様にイオンシースが形成される。かかるイオンシースはプラズマ領域の拡大と共に拡大し、その結果前記電極４２Ａ上の被処理基板Ｗがプラズマに曝されることがなくなり、プラズマの点火に伴うチャージアップの不均一に起因する欠陥の形成が回避される。
［第３実施例］
図１５は、本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置５０の構成を示す。ただし図１５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７１】
図１５を参照するに、本実施例では前記高周波電源２９からの高周波パワーが整合器２８から直接に前記上部電極２１に供給される。また前記低周波電源１８からのバイアス電力が整合器１７から直接に前記下部電極４に供給される。
【００７２】
表１は、図１５のプラズマエッチング装置５０の典型的な動作条件を、また図１６は、図１５のプラズマエッチング装置５０を使った本発明の第３実施例によるプラズマエッチング工程のうち、プラズマ着火時のプロセスシーケンスを示す。
【００７３】
【表１】
【００７４】
図１６を参照するに、タイミングＡにおいて前記低周波電源１８が駆動され、２ＭＨｚの低周波電力が前記下部電極４に２００〜１０００Ｗのパワー、例えば５５０Ｗのパワーで供給され、前記タイミングＡから０．１〜１秒（例えば０．５秒）遅れたタイミングＢにおいて、６０ＭＨｚの高周波電力が前記上部電極２１に５０〜１０００Ｗのパワー、例えば２００Ｗのパワーで供給される。この時点、すなわちタイミングＢにおいて前記処理室２中にはプラズマが点火するが、先にタイミングＡにおいて前記下部電極４に低周波電力が実質的なパワーで供給されているため、前記被処理基板Ｗの表面にはプラズマシースが形成されている。
【００７５】
次に前記タイミングＢから０．１〜１秒後、例えば０．５秒後のタイミングＣにおいて前記上部電極２１に供給されるプラズマパワーが１０００〜２５００Ｗまで増大され、さらにその０．１〜１秒後、例えば１秒後のタイミングＤにおいて前記低周波パワーが１０００〜２０００Ｗまで増大され、プラズマエッチングが実行される。
【００７６】
図１７および図１８は、図１６のプラズマエッチング開始工程に引き続く、プラズマエッチング終了工程の例を示す。
【００７７】
図１７を参照するに、本実施例では前記上部電極２１の高周波パワーと下部電極４の低周波パワーとが同時に遮断されることにより、プラズマエッチング工程が終了する。一方、図１８の例では、前記高周波パワーがタイミングＦで遮断された後、前記低周波パワーがタイミングＧで遮断される。
【００７８】
図１７あるいは１８のプラズマエッチング終了工程では、前記処理室２中にプラズマが形成されている限り、前記被処理基板Ｗの表面には前記低周波バイアスによりイオンシースが形成されているため、高周波パワーの遮断に伴い、前記処理室２中においてプラズマが収縮し、消滅する際にも基板表面に不均一なチャージアップに起因する電流が流れることがなく、不良の発生を抑制することが可能である。
【００７９】
図１９は、図１６〜図１８の条件を含む様々なシーケンスにおいて、先に図２（Ａ），（Ｂ）で説明した試験素子ＥＬをプラズマエッチング処理した場合の歩留りを示す。ただし図１９の実験では、前記熱酸化膜４３として厚さが４ｎｍのＳｉＯ2膜を使い、アンテナ比は１，０００，０００倍に設定している。
【００８０】
図１９を参照するに、プラズマを消火する際に図１７に示したように上部電極２１への高周波電力の供給と下部電極４への低周波電力の供給を同時に行った場合には、プラズマの着火の際に下部電極４への低周波電力の供給を先に行うことで、前記試験素子ＥＬの歩留りを、上部電極２１への高周波電力の供給を先に行った場合に比べて４０％から１００％まで向上させることができる。プラズマ点火時に前記下部電極４への低周波電力の供給を先に行い、プラズマ消火時に上部電極２１への高周波電力の供給を、下部電極４への低周波電力の供給よりも先に遮断した場合にも、１００％の歩留りを維持することができる。
【００８１】
また図１９より、プラズマ消火時に下部電極４への低周波電力の供給を先に遮断した場合には、歩留りは１００％から８０％まで低下するのがわかる。このことは、プラズマ消火時にプラズマが収縮して消滅し、その際被処理基板Ｗの表面にイオンシースが形成されていなければ、チャージアップの不均一に起因する電流が流れ、その結果形成される素子ＥＬが短絡を生じるものと解釈される。
【００８２】
このように、プラズマ消火時においても、先に図１７あるいは１８で説明したように、上部電極２１への高周波電力の供給は、下部電極４への低周波電力の供給を継続した状態で、換言するとイオンシースの形成を維持した状態で遮断するのが好ましいことがわかる。
【００８３】
さらに、本発明によるプラズマ処理方法は、以上に説明したプラズマエッチング方法だけでなく、プラズマＣＶＤ装置に対しても適用可能である。
【００８４】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマが点火するよりも前に、被処理基板を担持する第１の電極にプラズマの点火を起こさないような、典型的には２ＭＨｚ以下の低周波バイアスを印加しておくことで、プラズマが点火すると直ちに前記第１の電極表面にイオンシースが形成され、プラズマが前記第１の電極上の被処理基板に触れることがなくなる。これにより、被処理基板上にチャージアップをもたらす電流が流れることがなくなり、前記被処理基板上の半導体装置要素における損傷が減少する。本発明では、プラズマが点火した時点において前記第１の電極に前記イオンシースを形成するに十分な低周波バイアスが印加されていればよく、従って前記第２の電極に高周波電力を供給し始めるタイミング自体は、プラズマが点火しない限りにおいて、前記低周波バイアスのタイミングよりも前でも、後でも、同時であってもよい。
【００８６】
また、本発明によれば、プラズマ消火時においても、前記第１の電極にイオンシースを形成するに十分な低周波バイアスを印加した状態でプラズマを消火することで、不均一なチャージアップに伴う電流が被処理基板を流れるのが回避され、半導体装置の製造歩留りが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプラズマエッチング装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の基礎となる研究において使われた試験基板の構成を示す図である。
【図３】本発明の基礎となる研究において見出された関係を示す図である。
【図４】本発明の第１実施例において使われるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の基礎となる研究において見出された関係を示す別の図である。
【図６】本発明の基礎となる研究において行われた実験を説明するフローチャートである。
【図７】本発明の基礎となる研究において行われた別の実験を説明するフローチャートである。
【図８】本発明の基礎となる研究において行われたさらに別の実験を説明するフローチャートである。
【図９】本発明の一実施例によるプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の原理を説明する図である。
【図１１】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の原理を説明する別の図である。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、高周波電力と低周波バイアスのタイミングの例を示す図（その１）である。
【図１３】（Ｄ）は、高周波電力と低周波バイアスのタイミングの例を示す図（その２）である。
【図１４】本発明の第２実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明の第３実施例によるプラズマエッチング装置の構成を示す図である。
【図１６】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ点火時のタイミングを示す図である。
【図１７】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ消火時のタイミングの例を示す図である。
【図１８】図１５のプラズマエッチング装置における、プラズマ消火時のタイミングの別の例を示す図である。
【図１９】図１５のプラズマエッチング装置において、様々なプラズマ点火および消火シーケンスで半導体素子を形成した場合の歩留りを示す図である。
【符号の説明】
１，４０，５０ プラズマエッチング装置
２，４１ 処理室
４，４２Ａ 下側電極
１７ 下側インピーダンス整合器
１８ 低周波電源
１９ 電力検出器
２０ コントローラ
２１，４２Ｂ 上側電極
２３ ガス源
２４ 流量制御装置
２８ 上側インピーダンス整合器
２９，４３，４４ 高周波電源
３０ 電力検出器
Ｗ 被処理基板
Claims (22)
- 処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を連続波で供給しプラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマ発生部によりプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記第１の工程は、前記プラズマ発生部により前記プラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力が、前記第１の電極の表面にイオンシースが形成されるに十分な大きさで供給されるように実行されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程よりも先に開始されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程と同時に開始されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程の開始後、前記プラズマが点火する前に開始されることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の周波数は、約１３．５６ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜５のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の周波数は約２ＭＨｚ以下であることを特徴とする請求項１〜６のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法。
- 前記第２の周波数は、約８００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法。
- 前記第２の周波数は約６０ＭＨｚであることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理方法。
- 前記第２の周波数は約２７ＭＨｚであることを特徴とする請求項８記載のプラズマ処理方法。
- さらに前記プラズマ発生部への前記第２の周波数の電力の供給を遮断する第３の工程と、
前記電極への前記第１の周波数の電力の供給を遮断する第４の工程とを含み、
前記第３の工程と前記第４の工程とは同時に実行されることを特徴とする請求項１〜１０のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法。 - さらに前記プラズマ発生部への前記第２の周波数の電力の供給を遮断する第３の工程と、
前記電極への前記第１の周波数の電力の供給を遮断する第４の工程とを含み、
前記第３の工程は、前記第４の工程よりも先に実行されることを特徴とする請求項１〜１０のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法。 - 処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極と、前記処理室中に設けられたプラズマ発生部とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない交流電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記プラズマ発生部に、プラズマが点火するマイクロ波電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記マイクロ波電力により前記プラズマ発生部においてプラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記交流電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記第１の工程は、前記プラズマ発生部において前記プラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記交流電力が、前記電極の表面にイオンシースが形成されるに十分な大きさで供給されるように実行されることを特徴とする請求項１３記載のプラズマ処理方法。
- 処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置によるプラズマ処理方法において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の周波数の電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程とよりなり、
前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が供給されるように実行されることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 前記第１の工程は、前記第２の工程において前記プラズマが点火されるよりも前に、前記電極に前記第１の周波数の電力が、前記プラズマが点火した場合に前記電極の表面にイオンシースが形成されるに十分な大きさで供給されるように実行されることを特徴とする請求項１５記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程よりも先に開始されることを特徴とする請求項１５または１６記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程と同時に開始されることを特徴とする請求項１５または１６記載のプラズマ処理方法。
- 前記第１の工程は、前記第２の工程の開始後、前記プラズマが点火するより前に開始されることを特徴とする請求項１５または１６記載のプラズマ処理方法。
- 処理室を減圧し、処理ガスを導入する工程と、
前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給し、イオンシースを形成する第１の工程と、
前記処理室中に、前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を連続波で供給し、プラズマを点火する第２の工程と、
前記被処理基板のプラズマエッチングを行う工程と、
前記第２の周波数の電力を遮断してプラズマを停止する工程と、
前記第１の周波数の電力を遮断する工程と、
を含むことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する第１の電極と、前記処理室中に前記第１の電極に対向するように設けられた第２の電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記第１の電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記第２の電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を供給する第２の電源とを備え、請求項１〜１２のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 処理室と、前記処理室中に設けられ、被処理基板を担持する電極とを備えたプラズマ処理装置において、
前記電極に、プラズマが点火しない第１の周波数の電力を供給する第１電源と、
前記電極に、プラズマが点火する第２の、より高い周波数の電力を供給する第２の電源とを備え、請求項１５〜１９のうち、いずれか一項記載のプラズマ処理方法を実施するプラズマ処理装置において、
前記第１の電源は、前記第２の電源からの前記第２の周波数の電力により前記第２の電極においてプラズマが点火されるよりも前に、前記第１の電極に前記第１の周波数の電力を供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
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