JP4800044B2 - プラズマ処理装置および処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の加工に用いられるプラズマ処理装置および方法、特にドライエッチング装置および方法に関する。

エッチング処理において、連続的なウエハ処理がメンテナンスなどによって中断した場合には、最初のウエハの処理が安定するように、該ウエハの処理に先立ってプラズマを発生させチャンバー部材の状態を主に昇温により安定させるためのエージング処理が行われている。特に最近では、ウエハの大口径化に伴い消耗品コストを削減するため電極上に消耗品であるダミーウエハを載置せず電極表面をプラズマに曝した状態でエージング処理が行われているが、この際、電極表面の損耗を防ぐため印加するバイアス電力は最小限のものを用いている。

半導体集積回路は年々微細化、多層化が進み、それに伴うコスト上昇を抑制するため集積回路を作成するウエハは大口径化し、現在の最先端工場では直径３００ｍｍのウエハが用いられるようになってきた。

エッチング処理においては反応室を構成する部品の温度がエッチング処理に影響を及ぼすため、部品の温度を常温より高く、熱収支がバランスする飽和温度付近に保った状態で安定な処理が行われるようレシピが作られている。このため例えばチャンバークリーニングを行った後、再びエッチング加工を開始する場合など、エッチング加工の時間間隔があいて部品の温度が低下したときなどは、実際のエッチング処理前にコンディショニングといわれる処理を実施し、チャンバー内部品の温度を上昇、安定化させる処理を行っている。

このコンディショニング処理は、従来はダミーウエハを用いてバイアス電力をウエハに印加して行っていたが、最近では大口径のウエハを用いるようになったためダミーウエハのコストが上昇し生産コストに占める割合が無視できなくなってきている。そのためダミーウエハを用いないコンディショニング処理が行われるようになってきた。

この場合、イオン衝撃による電極表面の削れ、ダメージを防ぐと同時に、プラズマからのデポジションが発生しないよう電極に最小限のバイアス電力を印加することが通常行われている。

一方、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などの高密度のデバイスでは高さ方向の空間を利用して素子を構成するため、層間の絶縁膜に高アスペクト比を持った孔構造が必要であり、それを加工するエッチング装置は高いバイアス電力を用いて加工速度を高めて必要なスループットを確保している。

この高アスペクト孔の加工装置に上記ウエハなしでのコンディショニングを適用すると、処理開始から２〜３枚目のウエハの処理が安定せず、デバイス特性を劣化させるためウエハなしのコンディショニングが適用できず、コスト低減の妨げとなっていた。

上記従来技術ではエージング処理時の電極表面の損耗防止の観点で、電極に最小限のバイアス電力を印加した状態で行われているが、このことにより電極周辺部に設置された部材（フォーカスリングなどと呼ばれている）へのバイアス電力も同時に小さくなり、昇温が不十分で製品ウエハのロット処理を行った場合に最初の数枚のウエハの処理が安定せず、加工性能不足を生じていた。

本発明は、プラズマエッチング処理において、ウエハ間の特に処理開始直後のエッチング速度の変動を抑制することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために行われたもので、高アスペクト比構造のエッチング加工の生産安定性を向上させ、高性能の半導体デバイスの低コスト生産に寄与す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を目的とする。

本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板へ電力を供給する第１の給電線と、前記被処理基板の周辺に設置された部材へ電力を供給する第２の給電線と、分岐された前記第１及び前記第２の給電線へ電力を供給する電力供給装置と、インピーダンス調整手段とを有するプラズマ処理装置であって、前記第１の給電線が、前記インピーダンス調整手段を介して前記電力供給装置に接続される第１の電源供給ライン、または、前記インピーダンス調整手段を介さずに直接、前記電力供給装置に接続される第２の電源供給ラインに、スイッチにより切り替え可能に構成され、前記第２の給電線が、前記電力供給装置に直結されていることを特徴とする。

本発明によれば半導体集積装置の生産コストを低減できる。

本発明にかかるプラズマ処理装置の構成を、図１を用いて説明する。図１は、ＵＨＦ−ＥＣＲを用いたプラズマエッチング装置の概略断面図である。プラズマエッチング装置は、真空処理室１０１と、石英窓１０２と、電極１０３と、高周波電源１０５と、アンテナ１０７と、ソレノイドコイル１０８と、ガス分散板１０９と、ＵＨＦ電源１１０と、マスフローコントローラ１１１と、容器１１２と、スイッチ回路１２４を有している。

スイッチ回路１２４は、図２に示すように電極、フォーカスリング（導体リング）への給電線に分岐された後、電極側の給電線は電極に直結するラインとインピーダンス調整用の可変容量コンデンサ２０２を経由したラインにスイッチ２０１で切り替えることができるようになっている。

石英窓１０２は、プラズマ発生用のＵＨＦ電磁界を真空処理室１０１内に通過させるために設けられ、電極１０３は石英窓１０２に対向して真空処理室１０１内に配置され、半導体集積装置が形成されるウエハ１０４を載置し、バイアス電圧を発生させるための高周波電源１０５が接続されている。アンテナ１０７は、石英窓１０２に連結され、真空処理室１０１内にプラズマを発生させるためのＵＨＦ電源１１０からの電磁界を導入する。ソレノイドコイル１０８は、真空処理室１０１内に磁場を形成する。ガス分散板１０９はエッチングレシピに従ってマスフローコントローラ１１０から供給されたガスを真空処理室内１０１に分散させ均一に導入する。

電極１０３のウエハ非載置部には、絶縁リング１２３、導体リング１２２を介してシリコンリング１２１が設置されている。導体リング１２２、および電極１０３には真空処理室１０１外からスイッチ回路１２４を介して高周波電源１０５が接続されている。

ウエハ１０４は、高アスペクト孔形成エッチング工程評価用ウエハで、ホールパターンが形成されたマスク下のシリコン酸化膜をエッチングする。ウエハ径は直径３００ｍｍである。

まず、従来装置でチャンバーを大気開放してクリーニングした後、所定時間真空排気し、５分間のウエハなしコンディショニングを行い、その後評価用ウエハ１０枚を所定のレシピで連続エッチング処理した。エッチング処理したウエハに対し、シリコン酸化膜対レジストの選択比を測定した結果を図３に示す。選択比の値は１枚目から３枚目までの選択比が低い状態でその後安定している。

処理開始後の選択比が低い状態を改善するためコンディショニング時間を５分から１０分に延ばして上記と同様の処理評価を行った。結果を図４に示すが、選択比の変動はほとんど改善されなかった。

次に、本発明の装置を用いて上記と同じ処理、評価を行った。まず、本発明装置を、従来装置同様にチャンバーを大気開放してクリーニングを行い、所定時間真空排気したのち、５分間のウエハなしコンディショニングを行った。この時、図２の電極側スイッチ２０１を可変容量コンデンサ２０２側に切り替え、可変容量コンデンサ２０２の値を２５０ｐＦとし、高周波電源１０５のバイアス電力を従来例の１０倍の値に高めた。ウエハなしコンディショニング処理終了後、図２のスイッチを直結側に切り替え、その後同じ仕様のサンプルウエハ１０枚に対して従来例と同じレシピを用いてエッチング処理を行った。

選択比測定結果を、図５に示す。従来例と異なり、１枚目のウエハから選択比が高く、安定した結果が得られたことがわかる。

図２に示すスイッチ２０１切り替え処理の効果と装置間の違いの効果を切り分けてみるため、本発明装置で電極線給電スイッチを直結側の状態でコンディショニング処理を行い、引き続き同じ処理評価を行った結果を図６に示す。従来例と同様に３枚目のウエハまで選択比の低い状態で処理されており、選択比の安定化がコンディショニング時のスイッチ切り替え処理による効果であることがわかる。

エッチング処理時の高バイアス電力印加によってフォーカスリングは高温で定常状態になるが、従来例ではコンディショニング時に電極にかかるバイアスが最小限に抑えられているためフォーカスリングに印加される電力も小さく、したがってエッチング処理開始後もフォーカスリングの温度上昇が続き、選択比が徐々に上昇していったものと見られる。一方、本発明を用いた場合はフォーカスリングに相対的に高い電力が印加できるためコンディショニング中の温度上昇が大きく、エッチング処理時にはほとんど温度上昇しないため安定して高い選択比が得られると考えられる。

また、本発明の場合、電極側は可変容量コンデンサによって電力が抑制されているため従来例と同様、電極表面の損耗やダメージ、およびデポの堆積もないことが確認できた。なお、電極の表面状態維持の最適化は、図２の可変容量コンデンサの値を最適化することによって容易に得ることができる。

以上、本発明の実施により高アスペクト比の孔のエッチング加工が、ダミーウエハを使用することなく高性能で安定的に行えることが例示された。これにより高容量で高性能のＤＲＡＭの生産コスト低減に寄与できる。

本発明にかかるプラズマ処理装置の構成を説明する断面図。 本発明で使用するスイッチ回路の機能を説明する図。 従来例でのエッチング性能を示す図。 他の従来例でのエッチング性能を示す図。 本発明の実施例でのエッチング性能を示す図。 本発明の方法を実施しなかった場合のエッチング性能を示す図。

符号の説明

１０１ 真空処理室
１０３ 電極
１０４ ウエハ
１０５ 高周波電源
１２１ フォーカスリング
１２４ スイッチ回路

Claims (3)

1. 被処理基板へ電力を供給する第１の給電線と、前記被処理基板の周辺に設置された部材へ電力を供給する第２の給電線と、分岐された前記第１及び前記第２の給電線へ電力を供給する電力供給装置と、インピーダンス調整手段とを有するプラズマ処理装置であって、
   前記第１の給電線が、前記インピーダンス調整手段を介して前記電力供給装置に接続される第１の電源供給ライン、または、前記インピーダンス調整手段を介さずに直接、前記電力供給装置に接続される第２の電源供給ラインに、スイッチにより切り替え可能に構成され、
   前記第２の給電線が、前記電力供給装置に直結されている
   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、
   前記インピーダンス調整手段が可変容量コンデンサである
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２に記載されたプラズマ処理装置を用いて行うプラズマ処理方法であって、
   前記被処理基板周辺に設置された部材への前記第２の給電線が前記電力供給装置に直結され、前記被処理基板への前記第１の給電線が前記該電力供給装置から前記インピーダンス調整手段を介して接続された状態でプラズマ処理を行うステップを含む
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。

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