JP5496568B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来から、半導体装置の製造分野等においては、密閉可能とされた処理チャンバー内にプラズマを発生させて半導体ウエハ等の被処理基板の処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このようなプラズマ処理装置の１つとして、プラズマエッチング装置が知られている。

上記のプラズマエッチング装置の１つとして、半導体ウエハ等の被処理基板が載置される載置台（下部電極）と、この載置台の上方に載置台と対向するように設けられたシャワーヘッド（上部電極）との間に高周波電力を印加してプラズマを発生させる所謂容量結合型のプラズマエッチング装置が用いられている。

上記の容量結合型のプラズマエッチング装置では、単位体積当たりの励起エッチングガスに対する被エッチング面積が半導体ウエハの中心付近で大きく、周辺部で小さいため、半導体ウエハの中心付近でエッチング速度が遅く、周辺部でエッチング速度が速くなるようにエッチング処理速度が異なり、処理の面内均一性が低下する場合がある。このため、上部電極又は下部電極の少なくとも一方を同心状に複数に分割して構成し、これらの電極に印加する高周波電力を変更して面内における処理速度を均一化することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開昭６３−２４６２３号公報

上記したように、従来の技術では、プラズマ処理を行うためのプラズマ発生用の高周波電力が印加される上部電極又は下部電極を分割し、これらの分割した各電極に印加するプラズマ発生用の高周波電力を調節することによって処理の面内均一性を向上させようとしている。しかしながら、この技術では、大きな電力が印加される上部電極又は下部電極を分割して構成しなければならず、装置の製造コストが大幅に増大するという問題がある。また、プラズマ発生用の高周波電力を調節するためプラズマの状態が不安定になり易く、処理状態の微細な制御が難しいという問題がある。

また、近年では、例えば、周波数が数十ＭＨｚ以上、例えば１００ＭＨｚのプラズマ生成用の第１の高周波電力と、この第１の高周波電力より周波数の低いイオン引き込み用の第２の高周波電力（周波数が例えば３ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚ程度）とを印加して、高密度のプラズマにより低ダメージのプラズマエッチングを実施することが行われている。そして、このような高い周波数の高周波電力を用いた技術では、半導体ウエハの周縁部でＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の絶対値が低くなり、周縁部のエッチングレートが低下する傾向があるため、エッチング処理の面内均一性が低下するという問題がある。

本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、装置の製造コストの増大を抑制することができるとともに、プラズマ処理状態の微細な制御を行うことができプラズマ処理の面内均一性の向上を図ることのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供しようとするものである。

本発明にかかるプラズマ処理装置は、内部に基板を収容可能とされた処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配置され、前記基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配置された上部電極と、前記下部電極又は前記上部電極にプラズマ生成用の第１の周波数の高周波電力を印加するための第１の高周波電源と、前記下部電極に、前記第１の周波数より周波数の低いイオン引き込み用の第２の周波数の高周波電力を印加するための第２の高周波電源と、前記下部電極と電気的に絶縁された状態で、当該下部電極上の少なくとも周縁部に設けられたバイアス分布制御用電極と、前記バイアス分布制御用電極に、前記第２の周波数より周波数の低い第３の周波数の矩形波の電圧を印加するためのバイアス分布制御用電源とを具備したことを特徴とする。

本発明にかかるプラズマ処理方法は、内部に基板を収容可能とされた処理チャンバーと、前記処理チャンバー内に配置され、前記基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配置された上部電極と、前記下部電極又は前記上部電極にプラズマ生成用の第１の周波数の高周波電力を印加するための第１の高周波電源と、前記下部電極に、前記第１の周波数より周波数の低いイオン引き込み用の第２の周波数の高周波電力を印加するための第２の高周波電源と、を具備したプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、当該下部電極上の少なくとも周縁部に、前記下部電極と電気的に絶縁された状態のバイアス分布制御用電極を設け、前記バイアス分布制御用電極に、バイアス分布制御用電源から前記第２の周波数より周波数の低い第３の周波数の矩形波の電圧を印加して前記下部電極上のバイアス分布を制御することを特徴とする。

本発明によれば、装置の製造コストの増大を抑制することができるとともに、プラズマ処理状態の微細な制御を行うことができプラズマ処理の面内均一性の向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置の構成を模式的に示す図。 図１のプラズマエッチング装置の要部構成を拡大して模式的に示す図。 他の実施形態のプラズマエッチング装置の要部構成を拡大して模式的に示す図。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置の断面概略構成を模式的に示す図である。

プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理チャンバー１を有している。この処理チャンバー１は、円筒状とされ、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等から構成されている。処理チャンバー１内には、被処理基板である半導体ウエハＷを水平に支持する載置台２が設けられている。載置台２は例えばアルミニウム等で構成されており、絶縁板３を介して導体の支持台４に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。

載置台２には、第１の整合器１１ａを介して第１のＲＦ電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２のＲＦ電源１０ｂが接続されている。第１のＲＦ電源１０ａは、プラズマ形成用のものであり、この第１のＲＦ電源１０ａからは所定周波数（２７ＭＨｚ以上例えば１００ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２に供給されるようになっている。また、第２のＲＦ電源１０ｂは、イオン引き込み用のものであり、この第２のＲＦ電源１０ｂからは第１のＲＦ電源１０ａより低い３ＭＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの所定周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）の高周波電力が載置台２に供給されるようになっている。一方、載置台２の上方には、載置台２と対向するように、接地電位とされたシャワーヘッド１６が設けられており、これらの載置台２とシャワーヘッド１６は、下部電極と上部電極とからなる一対の電極として機能するようになっている。

載置台２の上面には、半導体ウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に静電チャック用電極６ａを介在させて構成されており、静電チャック用電極６ａには静電チャック用直流電源１２が接続されている。そして静電チャック用電極６ａに静電チャック用直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハＷが吸着されるよう構成されている。

また、上記の載置台２の要部を拡大した図２にも示されるように、本実施形態では、上記の絶縁体６ｂの間の静電チャック用電極６ａの下側に位置するように、バイアス分布制御用電極７ａ，７ｂが載置台２（下部電極）と電気的に絶縁された状態で設けられている。これらのうちバイアス分布制御用電極７ａは、環状に形成されており、載置台２の周縁部に位置するように設けられている。一方、バイアス分布制御用電極７ｂは、円形に形成されており、載置台２の中心部に位置するように設けられている。これらのバイアス分布制御用電極７ａとバイアス分布制御用電極７ｂは、同心状に設けられている。なお、前述したように、ＤＣバイアス（Ｖｄｃ）は、載置台２の周縁部において不均一になり易い傾向にある。このような載置台２の周縁部におけるＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の不均一さを解消するためには、少なくともバイアス分布制御用電極７ａが設けられていればよく、載置台２の中心部のバイアス分布制御用電極７ｂは、省略してもよい。

上記バイアス分布制御用電極７ａは、バイアス分布制御用電源８ａに電気的に接続されており、バイアス分布制御用電極７ｂは、バイアス分布制御用電源８ｂに電気的に接続されている。これらのバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂからは、前述した第２のＲＦ電源１０ｂより低い周波数、例えば、周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚの交流又は矩形波の電圧が印加される。矩形波の電圧を印加する場合は、必要に応じてデューティー比を例えば１０〜９０％程度の範囲で変更してもよい。上記のバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂから印加される電圧は、例えば、１〜５００Ｖ程度である。

上記のバイアス分布制御用電極７ａ，７ｂ及びバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂは、下部電極としての載置台２のＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の調整を行うためのものである。例えば、上記のように、第１のＲＦ電源１０ａとして１００ＭＨｚという高い周波数の高周波電力を用いたため、周縁部でＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の絶対値が低くなる傾向がある場合、周縁部に設けられたバイアス分布制御用電極７ａによって周縁部のＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の絶対値（負の電位）が大きくなるように調整する。これによって、エッチング処理の面内均一性を向上させることができる。

また、ＤＣバイアス（Ｖｄｃ）が均一であっても、前処理における成膜工程において膜厚に一定の傾向がある場合、例えば半導体ウエハＷの中央部で膜厚が厚くなる傾向がある場合等は、中央部でのエッチングレートが高くなるように、バイアス分布制御用電極７ａ，７ｂ及びバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂによって、中央部のＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の絶対値が高くなるように、バイアス分布を調整することもできる。すなわち、バイアス分布に一定の傾きが生じるように調整して、形成されるパターンの面内均一性を向上させることもできる。

図１に示すように、支持台４の内部には、冷媒流路４ａが形成されており、冷媒流路４ａには、冷媒入口配管４ｂ、冷媒出口配管４ｃが接続されている。そして、冷媒流路４ａの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、支持台４及び載置台２を所定の温度に制御可能となっている。また、載置台２等を貫通するように、半導体ウエハＷの裏面側にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのバックサイドガス供給配管３０が設けられており、このバックサイドガス供給配管３０は、図示しないバックサイドガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持された半導体ウエハＷを、所定の温度に制御可能となっている。

上記したシャワーヘッド１６は、処理チャンバー１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、支持部材４５を介して処理チャンバー１の上部に支持されている。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。

本体部１６ａの内部には、ガス拡散室１６ｃが設けられ、このガス拡散室１６ｃの下部に位置するように、本体部１６ａの底部には、多数のガス通流孔１６ｄが形成されている。また、上部天板１６ｂには、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｅが、上記したガス通流孔１６ｄと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部１６ａ等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド１６を所望温度に冷却できるようになっている。

上記した本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃへ処理ガスを導入するためのガス導入口１６ｄが形成されている。このガス導入口１６ｄにはガス供給配管１５ａが接続されており、このガス供給配管１５ａの他端には、エッチング用の処理ガス（エッチングガス）を供給する処理ガス供給源１５が接続されている。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｂ、及び開閉弁Ｖ１が設けられている。そして、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管１５ａを介してガス拡散室１６ｃに供給され、このガス拡散室１６ｃから、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理チャンバー１内にシャワー状に分散されて供給される。

処理チャンバー１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天板を有している。

処理チャンバー１の底部には、排気口７１が形成されており、この排気口７１には、排気管７２を介して排気装置７３が接続されている。排気装置７３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理チャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、処理チャンバー１の側壁には、ウエハＷの搬入・搬出口７４が設けられており、この搬入・搬出口７４には、当該搬入・搬出口７４を開閉するゲートバルブ７５が設けられている。

図中７６，７７は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド７６は、処理チャンバー１の内壁面に沿って設けられ、処理チャンバー１にエッチング副生物（デポ）が付着することを防止する役割を有する。

上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部６０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部６０には、ＣＰＵを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ６１と、ユーザインターフェース６２と、記憶部６３とが設けられている。

ユーザインターフェース６２は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。

記憶部６３には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ６１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース６２からの指示等にて任意のレシピを記憶部６３から呼び出してプロセスコントローラ６１に実行させることで、プロセスコントローラ６１の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。

このように構成されたプラズマエッチング装置で、半導体ウエハＷに形成された膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ７５が開かれ、半導体ウエハＷが図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介して搬入・搬出口７４から処理チャンバー１内に搬入され、載置台２上に載置される。この後、搬送ロボットを処理チャンバー１外に退避させ、ゲートバルブ７５を閉じる。そして、排気装置７３の真空ポンプにより排気口７１を介して処理チャンバー１内が排気される。

処理チャンバー１内が所定の真空度になった後、処理チャンバー１内には処理ガス供給源１５から所定の処理ガス（エッチングガス）が導入され、処理チャンバー１内が所定の圧力、例えば３．９９Ｐａ（30mTorr）に保持され、この状態で第１のＲＦ電源１０ａから載置台２に、周波数が例えば１００ＭＨｚの高周波電力が供給される。また、第２のＲＦ電源１０ｂからは、イオン引き込みのため、載置台２に周波数が例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が供給される。このとき、静電チャック用直流電源１２から静電チャック６の静電チャック用電極６ａに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハＷはクーロン力により吸着される。

この場合に、上述のようにして下部電極である載置台２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１６と下部電極である載置台２との間には電界が形成される。半導体ウエハＷが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハＷの表面に形成された膜がエッチング処理される。

このエッチング処理の際、ＤＣバイアス（Ｖｄｃ）が不均一になる等のバイアス分布制御の必要がある場合は、バイアス分布制御用電極７ａ，７ｂ及びバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂによって、ＤＣバイアス（Ｖｄｃ）の分布が均一になるように制御する。これによって、エッチング処理におけるエッチングレートの面内均一性を向上させることができる。

そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハＷが処理チャンバー１内から搬出される。

次に、図３を参照して他の実施形態について説明する。なお、図３において、前述した図１，２に示した実施形態と対応する部分には同一の符号を付して重複した説明は省略する。図３示すように、この実施形態では、バイアス分布制御用電極７ａ，７ｂに静電チャック用直流電源１２が電気的に接続されており、バイアス分布制御用電極７ａ，７ｂが静電チャック用電極６ａを兼ねた構成となっている。このような構成とすることにより、別途静電チャック用電極を設ける必要がなくなり、装置の製造コストの低減を図ることができる。

また、フォーカスリング５の下側にもバイアス分布制御用電極７ｃが設けられており、このバイアス分布制御用電極７ｃは、バイアス分布制御用電源８ｃに電気的に接続されている。なお、バイアス分布制御用電源８ｃは、前述したバイアス分布制御用電源８ａ，８ｂと同様に構成されている。このような構成とすることにより、例えばフォーカスリング５の消耗による半導体ウエハＷの周縁部（エッジ部）のエッチング処理特性の変動をバイアス分布制御用電極７ｃに対するバイアス分布制御用電源８ｃからの電圧印加により緩和することができ、フォーカスリング５の使用寿命の長期化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、プラズマエッチング装置は、図１に示した平行平板型の下部２周波印加型に限らず、例えば、上部電極と下部電極に夫々別の周波数の高周波電力を印加するタイプのプラズマエッチング装置やその他のプラズマ処理装置にも適用することができる。

１……処理チャンバー、２……載置台（下部電極）、７ａ，７ｂ……バイアス分布制御用電極、８ａ，８ｂ……バイアス分布制御用電源、１０ａ……第１の高周波電源、１０ｂ……第２の高周波電源、１５……処理ガス供給源、１６……シャワーヘッド（上部電極）、７３……排気装置、Ｗ……半導体ウエハ。

Claims (6)

1. 内部に基板を収容可能とされた処理チャンバーと、
   前記処理チャンバー内に配置され、前記基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、
   前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配置された上部電極と、
   前記下部電極又は前記上部電極にプラズマ生成用の第１の周波数の高周波電力を印加するための第１の高周波電源と、
   前記下部電極に、前記第１の周波数より周波数の低いイオン引き込み用の第２の周波数の高周波電力を印加するための第２の高周波電源と、
   前記下部電極と電気的に絶縁された状態で、当該下部電極上の少なくとも周縁部に設けられたバイアス分布制御用電極と、
   前記バイアス分布制御用電極に、前記第２の周波数より周波数の低い第３の周波数の矩形波の電圧を印加するためのバイアス分布制御用電源と
   を具備した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であって、
   前記バイアス分布制御用電極が、同心状に分割されて複数設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２記載のプラズマ処理装置であって、
   前記複数のバイアス分布制御用電極に、夫々別の前記バイアス分布制御用電源が接続されている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス分布制御用電極が、前記基板を静電吸着する静電チャックの電極を兼ねている
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４いずれか１項記載のプラズマ処理装置であって、
   前記バイアス分布制御用電源から周波数が１００ＫＨｚ〜１ＭＨｚ、電圧が１〜５００Ｖの電圧を印加する
   ことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 内部に基板を収容可能とされた処理チャンバーと、
   前記処理チャンバー内に配置され、前記基板が載置される載置台を兼ねた下部電極と、
   前記処理チャンバー内に、前記下部電極と対向するように配置された上部電極と、
   前記下部電極又は前記上部電極にプラズマ生成用の第１の周波数の高周波電力を印加するための第１の高周波電源と、
   前記下部電極に、前記第１の周波数より周波数の低いイオン引き込み用の第２の周波数の高周波電力を印加するための第２の高周波電源と、
   を具備したプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
   当該下部電極上の少なくとも周縁部に、前記下部電極と電気的に絶縁された状態のバイアス分布制御用電極を設け、
   前記バイアス分布制御用電極に、バイアス分布制御用電源から前記第２の周波数より周波数の低い第３の周波数の矩形波の電圧を印加して前記下部電極上のバイアス分布を制御する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。

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