JP5371466B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、真空容器内にガスを供給して試料台に載置された被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理方法に係り、特に、プラズマ処理を用いたエッチング工程の中でも層間絶縁膜のエッチング等に用いられるドライエッチングに際し、例えば被処理基板上のパターンが高アスペクト比のコンタクトホールである場合に、ウエハ端部で発生するホールが傾く現象(チルティング)を抑制することができるプラズマ処理方法に関する。
近年の半導体技術の中で、DRAM(Dynamic Random Access Memory)などのメモリデバイスでは、集積化が進むに従いキャパシタ容量を維持するために高アスペクト比のホールを形成し、キャパシタの高さを大きくする方向へと進んでいる。国際半導体ロードマップでは2011年にアスペクト比は50程度と大変高くなる。さらに、歩留まりを向上させるためφ300mm以上の大口径ウエハにおいては、ウエハの端部3mmまでは均一に加工することが要求されることになる。今後の傾向としては、この3mmという値は徐々に小さくなることが望まれ、究極の要求としてはウエハ端部0mmまで良品を取ることが必要となる。
次にドライエッチング方法を説明する。ドライエッチングとは真空容器内に導入されたエッチングガスを外部から高周波電力を印加してプラズマ化し、プラズマ中で生成された反応性ラジカルや、イオンをウエハ上で高精度に反応させることで、レジストに代表されるマスク材料や、ビア、コンタクトホール、キャパシタ等の下にある配線層や下地基板に対して、選択的に被加工膜をエッチングする技術である。
前述のビアやコンタクトホール、キャパシタ形成においては、プラズマガスとして、CF4、CHF3、C2F6、C3F6O、C4F8、C5F8、C4F6等のフロロカーボン系のガスにArに代表される希ガス、及び酸素等の混合ガスを導入し、0.5Paから10Paの圧力領域でプラズマを形成し、ウエハに入射するイオンエネルギーを、ウエハに印加される高周波バイアス電力として電圧のピーク・トゥ・ピーク値(ウエハVpp)にて0.5kVから5.0kVまで加速する。その際問題となるのがウエハ端部での形状異常である。
図2を用いてチルティングと呼ばれる形状異常について説明する。図2はプラズマ処理時のウエハ端部の装置構成とシース形状、ウエハに入射するイオンの軌道を示したものである。ウエハ端部では下部電極4に載置されたウエハW上のシース(シース・プラズマ界面)厚さと、フォーカスリング7の上でのシース厚さが揃っている場合には、図2(a)のようにウエハ端部でもイオンが垂直に入射する。
しかし、フォーカスリング7は、イオンの入射による物理的消耗や化学反応によりプラズマ処理を重ねると、消耗して寸法が変化してしまうことが知られている。この消耗によってフォーカスリング7の高さが変わると、それに伴いシース厚さも変化するために図2(b)のようにウエハ端部ではイオンが斜めに入射するようになり、その結果形成されるホール形状も斜めに傾いてしまう。この現象がチルティングであり、ウエハの端部での均一な加工(垂直な加工)の妨げとなり、歩留まり低下の原因となっている。
この問題に対し、高周波バイアス電源からウエハの電極に供給する電力をインピーダンス調整回路(可変容量コンデンサ等)にて分割してフォーカスリングにも印加し、フォーカスリングに消耗があった場合には、インピーダンス調整回路でフォーカスリングへのバイアス電力を変えて(電力を増加させて)、プラズマシース面(シース・プラズマ界面)を均一に保つことが提案されている(特許文献1)。
特開2005−203489号公報
しかし、特許文献1では、そもそもインピーダンスを変化させることで、高周波バイアス電源からウエハに印加する電力を分割してフォーカスリングにも印加しているため、分割された分だけウエハに印加されるバイアス電力(特許文献1では電圧)の値が低下してしまうという問題が生じる。このウエハに印加されるバイアス電力の値は、被処理基板であるウエハ全体のエッチング特性に大きく影響するため、フォーカスリングの消耗に応じてインピーダンス調整を行うたびに、エッチング特性が変化してしまうという問題が生じ、歩留まりにも大きな影響を与える。また、特許文献1では、フォーカスリングの消耗量を検出するのにレーザ変位計を用いるため、装置のコストを増加させていた。
本発明は、上記従来の問題点に鑑み、ウエハ(試料台)に印加されるバイアス電力(ウエハ電力)の一部を分割してフォーカスリングに印加しても、ウエハに印加するバイアス電力に影響を与えず一定となるように制御し、被処理基板全体のエッチング特性に変化を与えないプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
ここで、電力の一定制御とは、所定の電力の±3%の範囲は許容するものとする。
また、ウエハに印加されるバイアス電力は、ウエハに印加されている電力を直接モニタしたものであっても、分割された後の電力を別の場所でモニタしものであっても良い。
フォーカスリングに印加された電力についても同じである。
本発明は、上記課題を解決するため、真空容器内に設けられフォーカスリングを有した試料台に被処理基板を配置し、前記真空容器内に処理ガスを供給してプラズマを生成するとともに、高周波バイアス電源からの高周波バイアス電力を前記試料台と前記フォーカスリングとに分配させて供給して前記被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
前記被処理基板の前記処理によって消耗する前記フォーカスリングの消耗量の変化に応じて、前記試料台に分配され供給される高周波バイアス電力を一定にしつつ前記フォーカスリングに分配され供給される前記高周波バイアス電力を増加させることを特徴とする。
また、本発明は上記記載のプラズマ処理方法において、
前記フォーカスリングの消耗量と前記処理のレシピとの関係を予め求めておき、前記レシピによる処理時間を積算して算出された前記フォーカスリングの消耗量に応じた前記高周波バイアス電力の増加または分配を制御することを特徴とする。
また、本発明は上記いずれかに記載のプラズマ処理方法において、
前記フォーカスリングの消耗量は、少なくとも、前記試料台に供給される高周波バイアス電力の値、前記フォーカスリングに供給される高周波バイアス電力の値、及び過去に前記真空容器内において前記高周波バイアス電力を供給しつつプラズマを形成した時間に基づいて算出されたものであって、この算出された前記消耗量に応じて設定された前記高周波バイアス電力の増加または分配を制御することを特徴とする。
また、本発明は上いずれかに記載のプラズマ処理方法において、
複数枚の前記被処理基板の前記処理の間で前記試料台及び前記フォーカスリングの上方に形成されるシースの高さが所定のものとなるように前記フォーカスリングの消耗量の変化に応じて前記フォーカスリングに分配され供給される前記高周波バイアス電力を増加させることを特徴とする。
また、本発明は上記のいずれかに記載のプラズマ処理方法において、
前記試料台に印加する前記高周波バイアス電力を、前記高周波バイアス電源の出力を制御することで、前記所定の高周波バイアス電力の初期電力に維持するように制御することを特徴とする。
また、本発明は上記のいずれかに記載のプラズマ処理方法において、
前記高周波バイアス電源は、前記試料台に印加される前記所定の高周波バイアス電力と、前記インピーダンス調整回路を制御することで変化された前記フォーカスリングに印加される高周波バイアス電力との合計電力を出力するように、制御することを特徴とする。
本発明によれば、インピーダンス調整回路によってインピーダンスを変化させてフォーカスリングに印加される高周波バイアス電力を変化させても、試料台、即ち、ウエハへ印加される高周波バイアス電力が変化することが無いため、ウエハのエッチング特性に変化を与えず歩留まりを向上させることができる。
また、フォーカスリングの消耗量をプラズマ処理時間等から予め算出しておいて、この消耗量に応じて制御するので、消耗量の検出が不要であり、装置のコストを増加させることがない。
本発明実施例のプラズマ処理装置の縦断面図。 フォーカスリング消耗によるチルティングの発生の説明図。 従来例と本発明実施例のバイアス電源出力、コンデンサ容量およびウエハ電力の放電時間に対するレベル変化の説明図。 本発明実施例のシース界面と各部へ印加される電力の説明図。 本発明実施例の制御手順を示したフロー図。 本発明実施例の制御用の各テーブルの説明図。
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
本実施例では、プラズマ処理条件(プラズマ処理の種類)(レシピ)毎のプラズマ処理時間(放電時間)によって、フォーカスリングの推定消耗量を決定し、この推定消耗量に対するコンデンサ(インピーダンス調整回路)の容量制御とバイアス電源の出力制御およびウエハへの印加電力の一定維持制御を行って、ウエハ端面でチルティング防止と、エッチング特性の確保を図った制御方法を説明する。
第1図は本実施例で用いるプラズマ処理装置(プラズマエッチング装置)の縦断面図である。
プラズマ処理装置は、真空容器1内にシャワープレート2と、上部電極3とウエハWを載置する試料台を兼ねた下部電極4を備える。上部電極3にはプラズマ生成用の高周波電力が高周波電源5より供給され、下部電極4には高周波バイアス電力(ウエハ電力)が高周波バイアス電源6より供給される。下部電極4には外周端部に円環状部材7(以下、フォーカスリング)、絶縁リング8、および導体リング9が設置され、これらの外周部にサセプタ10が配置される。
高周波バイアス電源6から出力された高周波バイアス電力は、上記下部電極4に供給され、同時にインピーダンス調整回路11(以下、可変容量コンデンサ)により分割されて上記導体リング9を介してフォーカスリング7へも供給される構造となっている。
12は制御手段で、高周波バイアス電源6のバイアス電力量を制御するとともに、可変容量コンデンサ11の容量を変化させて、高周波バイアス電源6からのバイアス電力のフォーカスリング7への分割量を制御する。制御手段12はさらに、新品のフォーカスリングの設置時から高周波プラズマ処理の際の、処理の種類と処理時間(放電時間)などを過去分の実績として記録する記憶手段12aと、処理の種類と放電時間及びこれに対応したフォーカスリングの推定消耗量が示されたテーブル12bと、この推定消耗量に対しその後の高周波プラズマ処理に好適なコンデンサ容量とバイアス電源出力の電力値が示されたテーブル12cを備えている。
13はウエハに印加される高周波バイアス電力としてのウエハバイアス電圧のVppを検出するウエハVpp検出手段であって、制御手段12に接続されている。
図1に基づいて、本実施例での高周波プラズマ処理を説明する。図示しないガス導入管により原料ガスをシャワープレート2を介して真空容器1に導入し、上部電極3を介して高周波電源5より200MHzの高周波電力を供給してプラズマを発生させる。被処理基板(ウエハ)Wは下部電極4上に載置されており、この下部電極4には高周波バイアス電源6から4MHzの高周波バイアス電力が供給されており、ウエハW上に発生するウエハVpp(ピークトゥピーク電圧)によりイオンを引きこんでエッチングを行う。本実施例では原料ガスとしてC4F6とArとO2の混合ガスを真空容器内に導入し、図示しない真空排気系と圧力制御手段により圧力を4Paに制御し、シリコン酸化膜のエッチングを行う。
試料台兼下部電極4の中央部には、ウエハWを保持するための図示しないチャック部(半導体ウエハ保持機構)が設けられる。チャック機構として例えば静電チャックが設けられる。この静電チャックはウエハWを保持する面は、例えば窒化アルミニウムなどからなるセラミック薄膜とその下のアルミニウム基材から構成されており、その基材に上記高周波バイアス電源6からの電力と、図示しないチョークコイルなどから構成された低周波通過フィルタを介した直流電圧電源からのDC電圧を印加するようになっている。
また、この静電チャックは図示しない電熱ガス供給孔が設けられており例えばHeガスを流すことにより下部電極4とウエハWの熱伝達効率を向上させることが出来る。また下部電極4へ印加した電力が外部へ漏れないようにするために絶縁体からなるサセプタが設置される。
上記下部電極4の周囲にはフォーカスリング7が配置されて、フォーカスリングは導電性または絶縁性の材料からなり、本実施例ではシリコンからなっている。フォーカスリング7の下部には分配された高周波バイアス電源の出力をフォーカスリング7へ印加するための導体リング9があり、さらにその下部には、フォーカスリング7と導体リング9を下部電極4から電気的に絶縁するための絶縁リング8がある。
高周波バイアス電源6からの高周波バイアス電力は可変容量コンデンサ11によって分割され、前記下部電極4と前記導体リング9へと別々に供給される。以下、下部電極4と下部電極4に載置されたウエハに供給される電力をウエハ電力、フォーカスリング7に供給される電力をフォーカスリング電力(FR電力)と称する。可変容量コンデンサ11の容量を変化させることによりインピーダンスが変化し、ウエハ電力とFR電力の分割比率を変化させることができる。この容量の適切な調整により、フォーカスリングが消耗した場合にもウエハ表面とフォーカスリング表面に発生するイオンシースの高さを均一に保ち、チルティングを抑制することが可能となる。
次に図4を用いてフォーカスリング7の消耗時のプラズマ処理の方法について説明する。図4は従来の方法と本発明の方法について、プラズマ処理時のウエハ電力、FR電力、バイアス電源の出力電力及びシース形状について説明したものである。
図4(a)はフォーカスリング新品時の状態である。可変容量コンデンサ11の容量を適切に設定することで、高周波バイアス電源6の出力3000Wを、ウエハ電力2500WとFR電力500Wに分割して印加している。このときウエハ表面とフォーカスリング表面のシース厚さは等しくなっており、チルティングの問題は無い。
図4(b)は、プラズマ処理によりフォーカスリングが消耗時した状態を示す。フォーカスリングが消耗すると、その消耗した分だけフォーカスリング表面のシース界面は低くなり、ウエハ表面のシース界面と段差が生じる。従って、ウエハの外周端面でシース厚さが異なってしまい、チルティングが問題となる。
図4(c)は従来の対策方法で、コンデンサ容量を変化させてウエハ電力とFR電力の割合を変え、チルティングの問題を無くした場合を示す。コンデンサ容量を制御することで、高周波バイアス電源の出力3000Wは、ウエハ電力の2300Wと、FR電力の700Wの割合に分割されている。この割合ではウエハの表面とフォーカスリングの表面のシース厚さは、低い状態であるが等しくなっているため、チルティングの発生を抑えることは出来る。
しかし、ここで新たな問題となるのは、図4(a)と比べてウエハ電力が2500Wから2300Wに低下してしまっている点であり、エッチング特性に変化を引起す。従って、コンデンサ容量が変化する度にエッチング特性が変り、ウエハ全体のエッチング特性に大きく影響して歩留まりが悪化する。
上記状態でのコンデンサ容量と電力の関係を、図3で説明する。すなわち、図3(a)に示した従来の方法では、過去実績のプラズマ処理(処理時間を放電時間で示す)によるフォーカスリングの消耗を補うため、コンデンサ容量値を増加させてFR電力を増加させ、ウエハ表面とフォーカスリング表面のシース厚さが等しくなるように制御している。しかし、この方法では、バイアス電源出力を一定のままでコンデンサ容量値を増加させるため、シース界面の高さを低い状態で等しくなるように制御しており、ウエハ電力が低下してしまう。
そこで本実施例では、バイアス電源の出力電力を増やし、ウエハ電力を変化させずにシース界面の高さを等しくすることでこの問題を解決する。
図4(d)に本実施例の方法を適用した場合を示す。フォーカスリング7の消耗を補うため、コンデンサ容量値を増加させてFR電力を増加させる一方、バイアス電源の出力電力を増加させることで、ウエハ電力をプラズマ処理初の開始時の所定電力(フォーカスリングの消耗前の初期状態の電力)に維持するように制御する。従って、シース界面の高さを初期状態と同じ高さに維持した状態で、ウエハ表面とフォーカスリング表面の全体にわたって等しくなるように制御される。
上記の制御について、バイアス電源出力、コンデンサ容量およびウエハ電力の放電時間に対するレベル変化を示す図3で説明する。すなわち、図3(b)に示した本実施例の方法では、過去実績のプラズマ処理によるフォーカスリングの消耗を補うため、コンデンサ容量値を増加させてFR電力を増加させる際に、バイアス電源の出力電力も合わせて増加させ、ウエハ電力をプラズマ処理初期の所定電力に維持するように制御している。上記のコンデンサ容量値とバイアス電源の出力電力の増加は、プラズマ処理の進行度を示す放電時間の所定タイミング(例えば、100時間、200時間)でなされ、ウエハ表面とフォーカスリング表面のシース厚さが等しくなるように制御される。
本実施例の上記の制御を行うことで、チルティングを無くすことができると共に、ウエハ電力の変化によるエッチング特性の変化を起こすことがないので、ウエハ全体のエッチングの歩留まりを向上させることができる。
本実施例の制御の具体例を図5の動作フローと、図6のテーブルに基いて説明する。図6は図1に示した制御手段12に内蔵されるテーブル12bと、テーブル12cの説明図である。
図6(a)は制御手段12のテーブル12bを示し、レシピ(処理の種類)、放電時間及びこれに対応したフォーカスリングの推定消耗量が示されている。上記レシピとは、高周波プラズマ処理の種類、ウエハ電力及びFR電力によって決まる種類を示している。係数は、そのレシピの各条件でのフォーカスリングの削れ易さを表している。条件A、B、Cを同一のチャンバで行うプラズマ処理の実施を想定して、条件Aではフォーカスリングの消耗は速く係数4、条件Bでは係数1、条件Cでは削れにくく係数0.1と設定されている。
上記テーブル12bの放電時間は、上記レシピ条件A、B、Cの処理を同一のチャンバで行った際に、図1の記憶手段12aに上記条件毎に逐一記憶される過去の処理時間である。なおこの処理時間は、逐一テーブル12bにも入力される。テーブル12bは、この放電時間とレシピ条件A、B、C毎の係数に基いた、フォーカスリングの推定消耗量(合計消耗量も含む)の算出式を含んでおり、算出結果を表示する。
図6(b)、図6(c)には、上記テーブル12cが分割して示され、上記テーブル12bで得られたフォーカスリングの推定消耗量の過去分に対する、今後の高周波プラズマ処理条件A、B、Cに好適なコンデンサ容量と、バイアス電源出力の電力値が示されている。図6(b)には、上記推定消耗量の合計値に対するウエハ電力とFR電力が示され、図6(c)には、このウエハ電力とFR電力に対する、好適なコンデンサ容量とバイアス電源出力の電力値が示されている。
本実施例は、図5のフローで制御することにより、図4(d)の状態を実現できる。図5のS(ステップ)100で、各レシピの条件毎の放電時間を、フォーカスリング新品の設置時からカウントして、逐一記憶手段12aに過去分として記憶する。次いで、S101で、その記憶された放電時間から各レシピにおいて消耗した推定消耗量と、各レシピの和から合計推定消耗量を算出し、テーブル12bに示される。
図6(a)に示すテーブルでは、レシピの条件A、B、Cについて、それぞれ100時間、100時間、200時間の放電が行われている。各条件のプラズマ処理による消耗量はそれぞれ400μm、100μm、20μmである。よって、現時点での過去分のプラズマ処理によるフォーカスリングの合計推定消耗量は520μmである。
S102では、過去分のフォーカスリングの合計推定消耗量に対して、今後のプラズマ処理時にチルティングの起こらない、好適なコンデンサ容量とバイアス電源出力の電力値がテーブル12cから求められ、各電力が所定の場所に供給される。この状態は、ウエハ電力が初期と同じ所定電力値になるため、エッチング特性に影響を与えない(S103)。
図6(b)に示すテーブルでは、過去のフォーカスリングの合計消耗量が520μm=0.52mmであることから、消耗量0.5mmの値を参照すれば良い。今後のプラズマ処理を条件Aで実行するのであれば、条件Aと消耗量0.5mmの交差する枠の各電力値が必要な値となる。すなわち、ウエハ電力2500W、FR電力700Wとなるように、コンデンサ容量、バイアス電源の出力電力値を調整すればよい。コンデンサ容量、バイアス電源の出力電力値は、図6(c)のテーブルに示されるように、ウエハ電力2500W、FR電力700Wに対応して、それぞれ1100pF、3200Wとなる。
制御手段12は、上記可変容量コンデンサ11と高周波バイアス電源6をそれぞれ上記値に設定し、今後の条件Aによる高周波プラズマ処理のための準備の制御を行う。
上記テーブル12bは、各条件のプラズマ処理と、係数及びフォーカスリングの材料に基づいて予め作成され、また、上記テーブル12cは、各条件ごとのコンデンサ容量とバイアス電源の電力値に基づいて予め作成されるものであり、ハード的なコストアップとはならない。
上記テーブルの代わりに、今後のプラズマ処理の条件であるウエハ電力、FR電力を入力するだけで、好適なコンデンサ容量、バイアス電源の出力電力が得られる構成を用いて制御してもよい。この場合、プラズマ処理装置のユーザに好適な入力方法となる。
以上、実施例を用いて本発明を説明してきたが、本発明は使用するプラズマ源やガス種等により何ら制限を受けることは無い。すなわち、誘導結合型プラズマ源や有磁場マイクロ波プラズマ源等にも適用することができる。さらには、下部電極に2種類の周波数を重畳して加えるタイプの装置にも適用可能である。この場合、2種類の周波数のうち低い周波数に対して本発明を適用することが好ましい。さらには、本実施例では制御の指針としてウエハ電力を用い、バイアス電源の出力電力を制御することを説明したが、ウエハ電力の代わりに、ウエハバイアス電圧のVpp(ピークトゥピーク電圧)や、電圧の実効値Vrmsを用いても同様な効果が期待できる。
また、レシピ毎の放電時間に関する消耗量を求める係数を定数としたが、消耗量によって変化する関数の形であっても良いし、消耗量によって変化する定数であってもよい。 さらに、消耗によって変化するFR電力の関数の形であっても良い。
また、FR電力を上げていくと、温度が上昇し消耗量が変化することが予想されるが、その場合は、消耗量に更なる係数を掛けても良いし、FR温度を所定の温度に制御できる機構を備えておればなお良い。
1…真空容器、2…シャワープレート、3…上部電極、4…下部電極(試料台)、5…プラズマ生成用高周波電源、6…高周波バイアス電源、7…フォーカスリング、8…絶縁リング、9…導体リング、10…サセプタ、11…可変容量コンデンサ(インピーダンス調整回路)、12…制御手段、13…ウエハVpp検出手段、W…被処理基板。

Claims (4)

  1. 真空容器内に設けられフォーカスリングを有した試料台に被処理基板を配置し、前記真空容器内に処理ガスを供給してプラズマを生成するとともに、高周波バイアス電源からの高周波バイアス電力を前記試料台と前記フォーカスリングとに分配させて供給して前記被処理基板を処理するプラズマ処理方法において、
    前記被処理基板の前記処理によって消耗する前記フォーカスリングの消耗量の変化に応じて、前記試料台に分配され供給される高周波バイアス電力を一定にしつつ前記フォーカスリングに分配され供給される前記高周波バイアス電力を増加させることを特徴とするプラズマ処理方法。
  2. 請求項1に記載のプラズマ処理方法において、
    前記フォーカスリングの消耗量と前記処理のレシピとの関係を予め求めておき、各レシピによる処理時間を積算して算出された前記フォーカスリングの消耗量に応じて、前記高周波バイアス電力の増加または分配を制御するプラズマ処理方法。
  3. 請求項1または2に記載のプラズマ処理方法において、
    前記フォーカスリングの消耗量は、少なくとも、前記試料台に供給される高周波バイアス電力の値、前記フォーカスリングに供給される高周波バイアス電力の値、及び過去に前記真空容器内において前記高周波バイアス電力を供給しつつプラズマを形成した時間に基づいて算出されたものであって、この算出された前記消耗量に応じて設定された前記高周波バイアス電力の増加または分配を制御するプラズマ処理方法。
  4. 請求項1乃至3のいずれかに記載のプラズマ処理方法において、
    複数枚の前記被処理基板の前記処理の間で前記試料台及び前記フォーカスリングの上方に形成されるシースの高さが所定のものとなるように前記フォーカスリングの消耗量の変化に応じて前記フォーカスリングに分配され供給される前記高周波バイアス電力を増加させるプラズマ処理方法。
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