JP6019203B2 - Plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、プラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に係り、特にプラズマエッチングに関するプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a plasma processing method and a plasma processing apparatus, and more particularly to a plasma processing method and a plasma processing apparatus related to plasma etching.
現在半導体素子の量産の用いられているプラズマエッチング装置の一つにElectron Cyclotron Resonance(以下ECRと称する)型の装置がある。このプラズマエッチング装置でプラズマに磁場を印加してマイクロ波の周波数と電子のサイクロトロン周波数とが共振するように磁場強度を設定することで高密度のプラズマを発生できる特徴がある。 One of plasma etching apparatuses currently used for mass production of semiconductor devices is an electron cyclotron resonance (hereinafter referred to as ECR) type apparatus. This plasma etching apparatus is characterized in that a high-density plasma can be generated by applying a magnetic field to the plasma and setting the magnetic field intensity so that the microwave frequency and the electron cyclotron frequency resonate.
近年の半導体素子の微細化に伴い、ゲート酸化膜の厚さは2nm以下となっている。そのため、プラズマエッチング加工の制御性、ゲート酸化膜とシリコン膜との高選択比の実現が必要となっている。 With the recent miniaturization of semiconductor elements, the thickness of the gate oxide film has become 2 nm or less. Therefore, it is necessary to realize controllability of the plasma etching process and a high selection ratio between the gate oxide film and the silicon film.
これらの高精度なプラズマエッチングを実現する技術の一つとして、パルス放電を用いたプラズマエッチング方法があり、例えば、特許文献1には、プラズマ中のラジカル密度を測定しながら、プラズマをパルス変調してラジカル密度を制御することにより高精度エッチングを達成する方法が開示されている。 As one of the techniques for realizing these high-precision plasma etching, there is a plasma etching method using pulse discharge. For example, Patent Document 1 discloses that a plasma is pulse-modulated while measuring a radical density in the plasma. A method for achieving high-precision etching by controlling the radical density is disclosed.
また、特許文献2には、プラズマをパルス変調すると同時にウエハに印加する高周波バイアスの位相プラズマのオンオフと同期をとることによりプラズマ中の電子温度を制御して、処理ウエハ上の酸化膜の絶縁破壊を防ぐ方法が開示されている。 Further, Patent Document 2 discloses that an oxide film on a processing wafer is subjected to dielectric breakdown by controlling the electron temperature in the plasma by synchronizing the on-off of the high frequency bias phase plasma applied to the wafer simultaneously with the pulse modulation of the plasma. A method of preventing this is disclosed.
また、特許文献3にはプラズマを10−100μsでパルス変調してかつウエハに600KHz以下の高周波バイアスを印加することで酸化膜の絶縁破壊を防ぐと同時に高速異方性エッチングを達成する方法が開示されている。 Patent Document 3 discloses a method for achieving high-speed anisotropic etching while preventing dielectric breakdown of an oxide film by applying pulse modulation of plasma at 10 to 100 μs and applying a high-frequency bias of 600 KHz or less to a wafer. Has been.
また、特許文献4にはプラズマを発生するためのマイクロ波をパルス変調してラジカルを制御しかつプラズマの不安定性を抑えてイオン温度を低下させる方法が開示されている。 Patent Document 4 discloses a method for reducing the ion temperature by controlling the radical by pulse-modulating the microwave for generating plasma and suppressing the instability of the plasma.
一般的に、ECR型プラズマエッチング装置では、以下に示すような三つの課題がある。 Generally, the ECR type plasma etching apparatus has the following three problems.
一つ目として、垂直性向上など加工に応じてより低密度領域(低マイクロ波電力)が必要とされる場合があるが、プラズマ密度を下げるためにマイクロ波電力を小さくすると、プラズマの生成が困難になる課題がある。 First, there is a case where a lower density region (low microwave power) is required depending on processing such as improvement in verticality. However, if the microwave power is decreased to reduce the plasma density, the generation of plasma will be reduced. There are challenges that will be difficult.
二つ目として、マイクロ波の電力を変えて放電試験を行った際、マイクロ波電力に依存してプラズマの発光が目視あるいはフォトダイオードなどの測定において、ちらついて見える不安定領域が存在するという課題がある。この領域では、エッチング速度などの特性も再現性がないので、エッチング条件は不安定領域を避けて設定、すなわち、プロセス開発を行う上でプロセスウインドウを狭く設定していた。 The second problem is that there is an unstable region in which the emission of plasma is flickering visually or in measurements such as photodiodes depending on the microwave power when performing a discharge test with varying microwave power. There is. In this region, characteristics such as the etching rate are not reproducible. Therefore, the etching conditions are set to avoid the unstable region, that is, the process window is set to be narrow when performing the process development.
なお、本発明で対象としている放電のちらつきは、マイクロ波電力に依存してチャンバ内の電界強度分布が変化して、チャンバ形状に関連してたとえば試料台近傍あるいはマイクロ波透過窓近傍で異常放電が発生して、目視にて点滅が観測できる現象である。 It should be noted that the flickering of the discharge targeted in the present invention is that the electric field intensity distribution in the chamber changes depending on the microwave power, and the abnormal discharge is related to the chamber shape, for example, near the sample stage or near the microwave transmission window. Is a phenomenon in which blinking can be observed visually.
三つ目として、高マイクロ波電力側(高密度領域)に高選択比領域が存在するが、高マイクロ波電力側では、プラズマ密度の上昇に伴いカットオフ現象が生じて、プラズマ密度のチャンバ内での分布が変化するモードジャンプが発生する。この現象が生じるとプラズマの発光強度やイアス電圧のピーク値(Vpp電圧)が急激に変化しこれに伴いエッチング速度のウエハ面内分布も大きく変わるためにモードジャンプ前後の電力は使用できない課題があった。 Third, there is a high selectivity ratio region on the high microwave power side (high density region), but on the high microwave power side, a cut-off phenomenon occurs as the plasma density rises, and the plasma density is increased in the chamber. A mode jump occurs in which the distribution at the point changes. When this phenomenon occurs, the plasma emission intensity and the peak value of the bias voltage (Vpp voltage) change abruptly, and the distribution of the etching rate within the wafer surface changes greatly. It was.
これら三つの課題は、パルス放電を用いたECR型プラズマエッチング装置でも共通の課題であるが、上述した従来技術では、これら三つの課題が考慮されていない。 These three problems are common to the ECR type plasma etching apparatus using pulse discharge, but these three problems are not considered in the above-described prior art.
このため、本発明では、低マイクロ波電力から高マイクロ波電力の広範囲において、安定的なプロセス領域を確保できるプラズマ処理方法及びプラズマ処理装置を提供する。 Therefore, the present invention provides a plasma processing method and a plasma processing apparatus that can ensure a stable process region in a wide range from low microwave power to high microwave power.
本発明は、連続放電によるプラズマの生成が困難になる領域にて、プラズマの生成を容易にするとともに前記容易に発生させられたプラズマにより被処理物をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、オンとオフを繰り返すパルス放電により前記プラズマを容易に生成し、前記パルス放電を生成する高周波電力のオン期間の電力は、前記連続放電によるプラズマの生成が容易になる電力とし、前記パルス放電のデューティー比は、前記高周波電力の一周期あたりの平均電力が前記連続放電によるプラズマの生成が困難になる領域の電力となるように制御されることを特徴とするプラズマ処理方法である。 The present invention provides a plasma processing method for facilitating plasma generation in a region where plasma generation by continuous discharge is difficult, and for performing plasma processing on an object to be processed with the easily generated plasma. The plasma is easily generated by the pulse discharge that repeats the above, and the power of the high frequency power that generates the pulse discharge is the power that facilitates the generation of the plasma by the continuous discharge, and the duty ratio of the pulse discharge is: In the plasma processing method, the average power per cycle of the high-frequency power is controlled to be in a region where it is difficult to generate plasma by the continuous discharge.
また、本発明は、内部にプラズマを生成する処理室と、前記プラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室内に設けられウエハを載置する試料台とを備え、前記ウエハを前記プラズマによりエッチングするプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成するための電力を供給する電源を具備し、前記電源の前記電力をオンオフ変調するとともにオン時のピーク電力を連続放電にてプラズマを発生させた場合にプラズマの不安定が生じない値に設定し、前記オンオフ変調のデューティー比を変えることにより前記電力の時間平均値を制御することを特徴とするプラズマ処理装置である。 The present invention also includes a processing chamber for generating plasma therein, plasma generating means for generating the plasma, and a sample stage provided in the processing chamber for mounting a wafer, and etching the wafer with the plasma. In the plasma processing apparatus, the plasma generating means includes a power source that supplies power for generating the plasma, and on-off modulates the power of the power source and generates a plasma by continuously discharging the peak power at the on time. The plasma processing apparatus is characterized in that the time average value of the power is controlled by changing the duty ratio of the on / off modulation to a value that does not cause instability of the plasma when generated.
また、本発明は、内部を真空にして反応性ガスを導入できるチャンバと前記チャンバの中に放電プラズマを生成するためのプラズマ生成用電源と前記チャンバ内にウエハを設置する試料台とを備えるプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成用電源の出力電力をパルス変調して、かつ、オン時のピーク電力を連続放電にてモードジャンプ領域より十分に高い電力値に設定して、パルス変調のデューティー比を変えることにより電力の時間平均値を制御する手段を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置である。 The present invention also provides a plasma comprising a chamber in which a reactive gas can be introduced with a vacuum inside, a plasma generation power source for generating discharge plasma in the chamber, and a sample stage on which a wafer is placed in the chamber. In the processing apparatus, the output power of the plasma generation power source is pulse-modulated, and the peak power when on is set to a power value sufficiently higher than the mode jump region by continuous discharge, and the duty ratio of the pulse modulation is set. A plasma processing apparatus comprising a means for controlling a time average value of electric power by changing.
本発明により、低マイクロ波電力から高マイクロ波電力の広範囲において、安定的なプロセス領域を確保できる。 According to the present invention, a stable process region can be secured in a wide range from low microwave power to high microwave power.
最初に、本発明を実施するためのプラズマエッチング装置の一例から図を参照しながら説明する。図1は、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したマイクロ波ECRプラズマエッチング装置の概略断面図である。 First, an example of a plasma etching apparatus for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a microwave ECR plasma etching apparatus using a microwave and a magnetic field as plasma generating means.
マイクロ波ECRプラズマエッチング装置は、内部を真空排気できるチャンバ101と被処理物であるウエハ102を配置する試料台103とチャンバ101の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓104と、その上方に設けられた導波管105、マグネトロン106と、チャンバ101の周りに設けられたソレノイドコイル107と、試料台103に接続された静電吸着電源108、高周波電源109とから成る。
The microwave ECR plasma etching apparatus includes a
ウエハ102はウエハ搬入口110からチャンバ101内に搬入された後、静電吸着電源108によって試料台103に静電吸着される。次にプロセスガスがチャンバ101に導入される。チャンバ101内は、真空ポンプ(図示省略)により減圧排気され、所定の圧力(例えば、0.1Pa〜50Pa)に調整される。次に、マグネトロン106から周波数2.45GHzのマイクロ波が発振され、導波管105を通してチャンバ101内に伝播される。マイクロ波とソレノイドコイル107によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウエハ102上部の空間にプラズマ111が形成される。一方、試料台103には、高周波電源109によってバイアスが印加され、プラズマ111中のイオンがウエハ102上に垂直に加速され入射する。また、高周波電源109は、連続的な高周波電力または、時間変調された間欠的な高周波電力を試料台103に印加することができる。
The
プラズマ111からのラジカルとイオンの作用によってウエハ102が異方的にエッチングされる。また、マグネトロン106にはパルスジェネレータ112が取り付けられており、これによりマイクロ波を図2に示すように任意に設定可能な繰り返し周波数でパルス状にパルス変調することができる。
The
また、マイクロ波ECRプラズマエッチング装置がウエハ102をプラズマ処理する時は、制御部113が、上記のマグネトロン106、パルスジェネレータ112、ソレノイドコイル107、高周波電源109、静電吸着電源108をそれぞれ制御している。
When the microwave ECR plasma etching apparatus performs plasma processing on the
本発明に係る以下説明する実施例で使用したマイクロ波ECRプラズマエッチング装置は、直径300mmのウエハを処理するマイクロ波ECRプラズマエッチング装置であり、チャンバ101の内径は44.2cm、ウエハ102とマイクロ波透過窓104との距離は24.3cm(プラズマが発生する空間の体積37267cm3)である。
The microwave ECR plasma etching apparatus used in the embodiments described below according to the present invention is a microwave ECR plasma etching apparatus for processing a wafer having a diameter of 300 mm. The inner diameter of the
次に、一つ目の課題である、プラズマ密度を下げるためにマイクロ波電力を小さくすると、プラズマの生成が困難になるという課題を解決するための本発明を実施例1及び実施例2にて説明する。
[実施例1]
図1に示すマイクロ波ECRプラズマエッチング装置を用いて、表1に示す条件にてデューティー比とマイクロ波の時間平均出力によるプラズマの着火性について調べた。尚、表1のVppは、試料台103に印加される高周波電圧のピーク値からピーク値までの電圧差のことである。
Next, in the first and second embodiments, the present invention for solving the problem that the generation of plasma becomes difficult when the microwave power is reduced to reduce the plasma density, which is the first problem. explain.
[Example 1]
Using the microwave ECR plasma etching apparatus shown in FIG. 1, the ignitability of plasma by the duty ratio and the time average output of the microwave was examined under the conditions shown in Table 1. Note that Vpp in Table 1 is a voltage difference from the peak value to the peak value of the high frequency voltage applied to the
また、表2にプラズマ生成の調査結果を示す。尚、表2の“○”はプラズマを安定して生成できたことを示し、“×”はプラズマを生成できなかったことを示す。 Table 2 shows the results of the plasma generation investigation. In Table 2, “◯” indicates that plasma was stably generated, and “x” indicates that plasma could not be generated.
表2から連続放電の場合、マイクロ波の時間平均出力をチャンバ101内壁の体積で除した値が0.011W/cm3(約400W)以上だとプラズマが安定に生成され、未満だとプラズマが生成されなくなる。プラズマが生成されなくなる理由は自由電子がエッチングガスの分子を電離させるのに必要なエネルギーが供給されないからである。しかし、パルスマイクロ波による放電の場合、マイクロ波の時間平均出力をプラズマが生成される体積で除した値が0.011W/cm3より小さくてもプラズマが生成される。
In the case of continuous discharge from Table 2, when the value obtained by dividing the time average output of the microwave by the volume of the inner wall of the
この連続放電とパルスマイクロ波放電でのプラズマ生成の違いは、以下の理由によるものである。 The difference in plasma generation between the continuous discharge and the pulsed microwave discharge is due to the following reason.
マイクロ波がオンの期間の数μsecの間に、自由電子はマイクロ波から獲得したエネルギーで他の原子、分子を電離、または解離させ、プラズマ111を生成させる。そしてマイクロ波がオフの期間になると、自由電子は数μsecの間に殆どが原子、分子に捕縛され、プラズマ111はその大部分が陰イオンと陽イオンになる。陰イオンと陽イオンは電子に比べ質量が大きいので衝突して中和し、プラズマ111が消失するまでに数10msの時間がかかってしまう。従って、マイクロ波のオフの時間が10msより短ければ、プラズマ111が消失する前にマイクロ波のオンの期間が始まり、プラズマ111が維持される。
During a period of several microseconds when the microwave is on, free electrons ionize or dissociate other atoms and molecules with the energy acquired from the microwave to generate a
従って、表2に示された結果を言い換えると、パルスマイクロ波のオンの期間の出力を連続放電でプラズマを安定に生成させるのに最低限必要な出力以上(すなわち0.011W/cm3以上)にすると、パルスマイクロ波の時間平均出力が0.011W/cm3以下でも安定して放電を生成させることができると言える。さらに、パルスマイクロ波のオフの期間を10ms以下にすれば、パルスマイクロ波の時間平均出力が0.011W/cm3以下の領域でも上述のプラズマ処理方法よりさらに安定して放電を生成させることができると言える。 Therefore, in other words, the result shown in Table 2 is more than the minimum power necessary for stably generating the plasma by the continuous discharge during the on period of the pulse microwave (that is, 0.011 W / cm 3 or more). Then, it can be said that the discharge can be stably generated even when the time average output of the pulse microwave is 0.011 W / cm 3 or less. Further, if the pulse microwave off period is set to 10 ms or less, even in the region where the time average output of the pulse microwave is 0.011 W / cm 3 or less, the discharge can be generated more stably than the above-described plasma processing method. I can say that.
さらに、アルゴンガス(Ar:イオン化エネルギー1520.6kJ/mol)、窒素ガス(N2:イオン化エネルギー1402kJ/mol)などの不活性なガスを添加したり、上の不活性なガス以外のイオン化し易いガスを添加することにより安定して放電を生成し易い。その他のガスの種類や、各ガスの流量、処理圧力、RFバイアス値などは、本実施例の効果に特別な制限を与えない。 Further, an inert gas such as argon gas (Ar: ionization energy 1520.6 kJ / mol) and nitrogen gas (N 2 : ionization energy 1402 kJ / mol) is added, or ionization other than the above inert gas is easy to ionize. It is easy to generate a stable discharge by adding gas. The types of other gases, the flow rate of each gas, the processing pressure, the RF bias value, and the like do not give any special limitation to the effect of this embodiment.
次に、表面全体がポリシリコン膜のウエハと表面全体がシリコン酸化膜のウエハを表1の条件でエッチング処理し、それぞれの削れ量の比から選択比を求めた。その結果を図3に示す。なお、図3の「%」は、パルス放電した場合のデューティー比を意味する。 Next, a wafer with a polysilicon film as a whole surface and a wafer with a silicon oxide film as a whole surface were etched under the conditions shown in Table 1, and the selection ratio was determined from the ratio of the respective scraping amounts. The result is shown in FIG. In addition, “%” in FIG. 3 means a duty ratio when pulse discharge is performed.
図3より、デューティー比を50%以下にしてマイクロ波時間平均出力を400W(0.011W/cm3)以下にすると、連続放電より選択比が増大することがわかる。この理由は、マイクロ波の時間平均出力が小さいとチャンバ101内の自由電子の個数が減り、この減った分の電子は原子や分子を励起するため、ラジカル種の密度があがり、選択比が向上したものと考えられる。
FIG. 3 shows that when the duty ratio is set to 50% or less and the microwave time average output is set to 400 W (0.011 W / cm 3 ) or less, the selection ratio increases from continuous discharge. This is because if the time average output of the microwave is small, the number of free electrons in the
また、表1条件の酸素ガスを1ml/min以上10ml/min以下に制御することでさらに選択比が増大する。 Further, the selection ratio is further increased by controlling the oxygen gas under the conditions in Table 1 to 1 ml / min or more and 10 ml / min or less.
また、本実施例は、マイクロ波ECRプラズマエッチング装置に適用した例であったが、容量結合方式あるいは誘導結合方式プラズマエッチング装置にも同様に適用できる。以上、上述した通り、本発明のプラズマ処理方法は、パルス放電のオンの期間の高周波電力を連続放電のプラズマが安定に生成できる高周波電力とするとともに、パルス放電のオフの期間を10ms以下にしたパルス放電により、被処理物を処理する方法である。このような本発明のプラズマ処理方法により、プラズマを安定に生成させることが困難であるプラズマ生成用電力が小さい領域でも安定にプラズマを生成させることができる。 In addition, the present embodiment is an example applied to a microwave ECR plasma etching apparatus, but can also be applied to a capacitive coupling type or inductively coupled type plasma etching apparatus. As described above, according to the plasma processing method of the present invention, the high frequency power during the pulse discharge on period is set to the high frequency power that can stably generate the continuous discharge plasma, and the pulse discharge off period is set to 10 ms or less. This is a method of processing an object to be processed by pulse discharge. By such a plasma processing method of the present invention, it is possible to stably generate plasma even in a region where the power for generating plasma, where it is difficult to stably generate plasma, is small.
さらに、本発明のプラズマ処理方法において、パルス放電のデューティー比を50%以下にすると、連続放電時より、シリコン酸化膜に対するポリシリコン膜のエッチングレートの選択比を向上させることができる。
[実施例2]
次に、実施例1において説明した本発明の他の実施例について説明する。
Furthermore, in the plasma processing method of the present invention, when the duty ratio of the pulse discharge is set to 50% or less, the selectivity of the etching rate of the polysilicon film with respect to the silicon oxide film can be improved compared to the continuous discharge.
[Example 2]
Next, another embodiment of the present invention described in Embodiment 1 will be described.
表3に示す条件にてパルス放電のプラズマ処理を行うと、連続放電より、炭素系堆積物の除去や、レジストの除去の性能が向上する。 When pulse discharge plasma treatment is performed under the conditions shown in Table 3, the performance of removing carbon-based deposits and resist is improved over continuous discharge.
表3に示す条件にアルゴンガスを5ml/min添加してアルゴンの発光強度に対する酸素の発光強度の比を測定した結果を図4に示す。 FIG. 4 shows the results of measuring the ratio of the emission intensity of oxygen to the emission intensity of argon by adding 5 ml / min of argon gas to the conditions shown in Table 3.
図4よりマイクロ波の時間平均出力をプラズマが発生する体積で除した値である0.011W/cm3を下回るところから酸素原子の発光強度が強くなっていることがわかる。 As can be seen from FIG. 4, the emission intensity of oxygen atoms increases from a value lower than 0.011 W / cm 3 , which is a value obtained by dividing the time average output of the microwave by the volume at which the plasma is generated.
つまり、表3に示す条件にて本発明のパルス放電を行うと、酸素ラジカル密度が高くなり、炭素系堆積物の除去やレジスト除去の効果が向上したものである。 That is, when the pulse discharge of the present invention is performed under the conditions shown in Table 3, the oxygen radical density increases, and the effect of removing the carbon-based deposits and removing the resist is improved.
次に、二つ目の課題である、マイクロ波の電力を変えて放電試験を行った際、マイクロ波電力に依存してプラズマの発光が目視あるいはフォトダイオードなどの測定において、ちらついて見える不安定領域が存在するという課題を解決するための本発明を実施例3ないし実施例5にて説明する。
[実施例3]
本実施例のプラズマエッチング処理は、図1に示すマイクロ波ECRプラズマエッチング装置を用いた。次に、ポリシリコン膜302をエッチングする条件の例を表4に示す。本条件によりポリシリコン膜302を下地の酸化膜303に対して高選択比でエッチングできる。
Next, when performing a discharge test by changing the power of the microwave, which is the second problem, the emission of the plasma appears to flicker visually or in measurements such as photodiodes depending on the microwave power. The present invention for solving the problem that the region exists will be described in the third to fifth embodiments.
[Example 3]
For the plasma etching process of this example, a microwave ECR plasma etching apparatus shown in FIG. 1 was used. Next, an example of conditions for etching the
表4に示す条件でプラズマを発生させるためのマイクロ波を変えて、プラズマ111からの発光をフォトダイオードにて検出してそのちらつきを測定した結果を表5に示す。マイクロ波の電力は連続放電させた場合とマイクロ波のオンの期間の電力を1500Wにして繰り返し周波数1KHzでオンオフ変調し、デューティー比を変えることで電力制御した場合を比較している。表5で“○”は放電ちらつき無し、“X”は放電ちらつきありを示す。放電がちらつく状態ではエッチングを行うことができない。
Table 5 shows the result of measuring the flicker by detecting the light emission from the
連続放電では、900Wから1100Wでちらつきが生じるが、マイクロ波のオンオフ制御により、放電のちらつきを解消することができる。原因は瞬時の電力で発生するプラズマ111は安定領域になるよう設定されており、さらに、ハロゲンガスのように負イオンになりやすいガスのプラズマ111でパルス放電をすると、オフ時に電子は数十μsで消滅しその後数msの間負イオンと正イオンが放電維持に関与するため、チャンバ壁とプラズマ111の界面に生成されるプラズマ111のシースの状態が連続放電とは異なり、ちらつきが解消されると推定される。
In continuous discharge, flicker occurs from 900 W to 1100 W, but the flicker of discharge can be eliminated by on / off control of the microwave. The cause is that the
プラズマ111が消失するまでの時間は、数10msなので、オフ時間を10ms以下にすればプラズマ111が消失する前にオンが始まり、プラズマが維持される。
Since the time until the
プラズマ111のちらつく電力領域は、条件に依存する。従って、別条件のエッチングでは、まず連続放電にてマイクロ波電力を変えて、表5と同様に、放電がちらつく領域を確認して、マイクロ波のオンの期間の電力をちらつきが生じる電力よりも十分大きく設定して、かつ、オフ時間が10ms以下になる周波数でマイクロ波をオンオフのパルス変調すれば、ちらつきを解消できる。
The flickering power region of the
なお、表5に示すマイクロ波の電力はチャンバ101の大きさが変わると、その体積に応じて変わり、1500Wは単位体積当たりのマイクロ波電力に換算すると約0.04W/cm3に相当する。
Note that the microwave power shown in Table 5 changes according to the volume of the
なお、放電に不安定領域が存在することは、マイクロ波プラズマエッチング装置に限らず、誘導結合型あるいは容量結合型のプラズマエッチング装置でも同様の課題があり、これらの装置でも本発明にて放電不安定を回避できる。
[実施例4]
次に、プラズマ111のオンオフ変調により可能になるエッチング加工寸法(以後、「CD」と呼ぶ。)の制御方法に関する実施例を述べる。図5は、プラズマ111の発光強度あるいは発光強度の変化から求まるエッチング処理終了時間などを測定して、このモニタ値をもとに処理中のウエハ102あるいは次に処理するウエハ102のエッチング条件を変える仕組みが、図1に示すマイクロ波ECRプラズマエッチング装置に付加されたプラズマエッチング装置の概略図を示す。
The presence of an unstable region in the discharge is not limited to the microwave plasma etching apparatus, and there is a similar problem in the inductively coupled or capacitively coupled plasma etching apparatus. Stability can be avoided.
[Example 4]
Next, an embodiment relating to a method of controlling an etching processing dimension (hereinafter referred to as “CD”) that can be performed by on / off modulation of the
図5に示す受光部202、CD演算部203、レシピ演算部205、第一のデータベース206、第二のデータベース204、エッチング制御用PC207は、通信手段を介して通信可能に連結されている。図6は、加工対象であるウエハ102上の微細パタンの断面図で、シリコン基板304と下地の酸化膜303上にあるポリシリコン膜302を微細パタン状に加工された窒化シリコンなどのマスク301と同じパタン状にエッチングする様子を表している。
The
ドライエッチングでは、通常、図6に示すような加工を1ロット(25枚)連続処理する。加工された線幅(以後「CD」と呼ぶ。)は連続処理中、ある許容値内に収まる必要
がある。しかし、エッチングの反応生成物などがチャンバ101内に付着するなどして時間とともにプラズマ状態が変化してCDの変動が許容値内に収まらない場合がある。
In dry etching, processing such as shown in FIG. 6 is normally continuously processed for one lot (25 sheets). The processed line width (hereinafter referred to as “CD”) needs to be within a certain tolerance during continuous processing. However, in some cases, etching reaction products or the like adhere to the
この実施例では、プラズマ111をオンオフ変調して、そのデューティー比をウエハ毎に変えることでCDの変動を許容値内に抑える。通常、CDはウエハ102に印加するバイアス電力やプラズマ密度すなわちマイクロ波電力に依存して変化するので、マイクロ波電力を変化させることでCDを変えることができる。
In this embodiment, the
次に、具体的な方法を述べる。図6に示すポリシリコン膜302のエッチングの終点は、プラズマ111中の反応生成物の発光、例えば、シリコンの426nmの光を光ファイバー201と受光部202で検出される。エッチングの終了時間とCDには相関があり、エッチング終了時間とCDの関係が第二のデータベース204に格納されている。CD演算部203はエッチング終了時間からこのウエハ102のCDの推定値を算出する。算出されたCDとCD目標値の差分を計算して、この差分の値はレシピ演算部205に送られる。
Next, a specific method will be described. The end point of the etching of the
レシピ演算部205は、図7に示すマイクロ波電力(デューティー比)とCDの相関関係のデータが格納された第一のデータベース206を有しており、CDの目標値からの差分をゼロにするのに必要なマイクロ波電力の変量を算出する。例えば、図7のように目標CDが30nmでn枚目のCDが30+a(nm)であったとすると、n+1枚目は目標CDにするために、すなわちa(nm)細くするために、平均マイクロ波の電力をすなわちデューティー比をd(%)だけ増加させる。
The
第一のデータベース206から算出されたデューティー比は、エッチング制御用PC207に送られて、次のウエハ102を処理する際に、この値に設定してエッチングを行う
。この際、プラズマ111を連続放電していると、CD差分がゼロになるように修正されたマイクロ波電力値が、表5に示すプラズマ111の不安定領域に入ってしまうことがあり、エッチングに支障をきたす。実施例3で述べたように、プラズマ111をオンオフ変調して、そのデューティー比を変えることによりマイクロ波電力を制御するとプラズマ111の不安定の課題を解消できる。
[実施例5]
次に、放電不安定を防止するために、本発明と併用するとより安定のマージンが広がる方法を図8により説明する。まず、プラズマ111の電位を安定させるために、直流電流が流れるアース面401をプラズマ111と接する部分に設けることが望ましい。
The duty ratio calculated from the
[Example 5]
Next, in order to prevent discharge instability, a method of expanding the stability margin when used in combination with the present invention will be described with reference to FIG. First, in order to stabilize the potential of the
通常、チャンバ101の内壁は、アルマイトやイットリウム酸化物などの安定化処理がされているが、これらの材料は絶縁物なので、直流電流が流れない。プラズマ111と接する部分を一部これらの絶縁膜を剥がす、あるいは導体を挿入するなどして、さらに導体部分をアース電位にすることでプラズマ111の電位が安定するので放電がより安定する。直流的アース面401の面積は10cm2以上が望ましい。
Usually, the inner wall of the
つぎに、プロセスガスの圧力は0.1〜10Paの間に設定することが望ましい。圧力
が低すぎると、電子の平均自由行程が長くなり、電離を生じる前に壁で消失する機会が増えてプラズマ111の不安定の原因となる。また、圧力が高すぎると、着火性が悪くなり不安定を生じやすい。
Next, it is desirable to set the pressure of the process gas between 0.1 and 10 Pa. If the pressure is too low, the mean free path of electrons becomes longer, increasing the chance of disappearing at the wall before ionization occurs, causing the
さらに、チャンバ101および試料台103の形状は、局所的に電界が強くなる部分を極力減らすことが望ましい。すなわち、鋭利な凹凸を設けず、角部分402は半径5mm以上の曲線にするとよい。
Furthermore, it is desirable that the shapes of the
次に、三つ目の課題である、高マイクロ波電力側(高密度領域)に高選択比領域が存在するが、高マイクロ波電力側では、プラズマ密度の上昇に伴いカットオフ現象が生じて、プラズマ密度のチャンバ内での分布が変化するモードジャンプが発生するという課題を解決するための本発明を実施例6及び実施例7にて説明する。 Next, there is a high selectivity ratio region on the high microwave power side (high density region), which is the third problem. On the high microwave power side, a cut-off phenomenon occurs as the plasma density increases. In the sixth and seventh embodiments, the present invention for solving the problem that a mode jump in which the distribution of the plasma density in the chamber changes occurs will be described.
尚、実施例6及び実施例7におけるプラズマエッチング処理は、図1に示すマイクロ波ECRプラズマエッチング装置を用いて行った。
[実施例6]
図3に示すようにポリシリコンとシリコン酸化膜選択比は平均マイクロ波電力が大きい(800W以上)の領域でも増加する。この理由を説明するために図9にマイクロ波電力と、O(酸素)とBr(臭素)の発光強度比の関係を示す。図9からわかるように高マイクロ波側ではO(酸素)の発光強度、すなわちOラジカルの密度が上がる。このためシリコン酸化膜の削れが抑制され選択比が向上すると考えられる。
In addition, the plasma etching process in Example 6 and Example 7 was performed using the microwave ECR plasma etching apparatus shown in FIG.
[Example 6]
As shown in FIG. 3, the polysilicon / silicon oxide film selection ratio increases even in the region where the average microwave power is large (800 W or more). In order to explain the reason, FIG. 9 shows the relationship between the microwave power and the emission intensity ratio of O (oxygen) and Br (bromine). As can be seen from FIG. 9, the emission intensity of O (oxygen), that is, the density of O radicals increases on the high microwave side. For this reason, it is considered that the silicon oxide film is prevented from being scraped and the selectivity is improved.
しかしながら、マイクロ波電力値を更に上げると、図9に示すように、CW(連続放電)では、マイクロ波電力値900W以上で、発光強度の急激な変化、すなわち、前記のモードジャンプ現象(CW時)500が発生する。このため、連続放電では高マイクロ波領域を使用できない。 However, when the microwave power value is further increased, as shown in FIG. 9, in CW (continuous discharge), when the microwave power value is 900 W or more, the emission intensity suddenly changes, that is, the mode jump phenomenon (at CW) ) 500 occurs. For this reason, the high microwave region cannot be used in continuous discharge.
そこで、本発明では、マイクロ波をパルス化し、オン時のピーク電力をモードジャンプが発生する電力値より十分高く設定して、デューティー比を制御する。デューティー65%以下では、発光強度比(図9)は急激な変化がなく、すなわちモードジャンプを回避していることがわかる。 Therefore, in the present invention, the duty ratio is controlled by pulsing the microwave and setting the peak power at the time of turning on sufficiently higher than the power value at which the mode jump occurs. It can be seen that when the duty is 65% or less, the emission intensity ratio (FIG. 9) does not change abruptly, that is, the mode jump is avoided.
この理由を次のように推定する。CW(連続放電)では、マイクロ波電力値とともに電子密度が上昇し、プラズマ111の振動と電磁波の周波数が共鳴する密度に達する電力値からモードが変化する。一方、パルス化したマイクロ波では、オフ時に自由電子は数μsecの間に殆どが原子、分子に捕縛され、プラズマ111は、その大部分が陰イオンと陽イ
オンになる。このため、オンオフを繰り返すパルスマイクロ波では、電子密度の上昇が起こらない。
The reason is estimated as follows. In CW (continuous discharge), the electron density increases with the microwave power value, and the mode changes from the power value that reaches the density at which the vibration of the
図10に、表1の条件を用いて、高マイクロ波電力側を評価した選択比結果を示す。CW(連続放電)ではマイクロ波電力値900W以上でモードジャンプの影響から選択比が低下する(不安定になる)のに対し、マイクロ波をパルス化することで、高マイクロ波電力側が使用となり、高選択比を得ることができる。 FIG. 10 shows a selection ratio result obtained by evaluating the high microwave power side using the conditions shown in Table 1. In CW (continuous discharge), the selection ratio decreases (becomes unstable) due to the effect of mode jump when the microwave power value is 900 W or more, but by pulsing the microwave, the high microwave power side is used, A high selectivity can be obtained.
一般に、パルス放電では、電力オフ後50μsで電子密度は1桁以上減衰することが知られている。従って、放電をパルス化して、そのオフ時間が50μs以上になるようにパルスの繰り返し周波数とデューティー比を設定すれば、十分にモードジャンプを回避できる。 In general, in pulse discharge, it is known that the electron density is attenuated by one digit or more after 50 μs after power-off. Accordingly, if the discharge is pulsed and the pulse repetition frequency and the duty ratio are set so that the OFF time is 50 μs or more, the mode jump can be sufficiently avoided.
以上、本発明では、マイクロ波をパルス変調することで、高マイクロ波電力側で発生するモードジャンプを回避でき、エッチングに有効なプロセス領域を拡大できる。
[実施例7]
次に、このモードジャンプ領域を自動的に回避する方法および装置に付いて述べる。モードジャンプは図9に示すように、およそマイクロ波電力900W以上の高電力領域で生じるが、ガスの圧力やガスの種類によりプラズマ111の密度は異なるので、モードジャンプが生じる電力もこれらの条件に依存して異なる。
As described above, in the present invention, the mode modulation generated on the high microwave power side can be avoided and the effective process area for etching can be expanded by pulse-modulating the microwave.
[Example 7]
Next, a method and apparatus for automatically avoiding this mode jump area will be described. As shown in FIG. 9, the mode jump occurs in a high power region where the microwave power is about 900 W or more. However, since the density of the
これを回避する方法はまず、あらかじめ使用する条件でモードジャンプが生じる電力値を測定しておき、装置はエッチング条件とその条件でモードジャンプが生じる電力を記憶しておき、その条件を使用するときは、自動的にマイクロ波電力をパルス変調する機能を備えるようにする。この機能がある装置では、誤ってモードジャンプ領域を使用する誤操作を防ぐことができる。 A method for avoiding this is to first measure the power value at which the mode jump occurs under the conditions to be used in advance, and the apparatus stores the etching conditions and the power at which the mode jump occurs under those conditions, and uses that condition. Has a function of automatically pulse-modulating the microwave power. An apparatus having this function can prevent an erroneous operation using the mode jump area by mistake.
さらに、あらかじめモードジャンプが生じる電力の測定を自動化する装置について述べる。図11にモードジャンプが生じる電力の測定を自動化する装置の処理の流れ図を示す。通常、エッチングはロット(25枚)単位で処理をするが、ロットを処理する前にダミーウエハ処理501をこれから処理する条件と同じ条件で行う。
Furthermore, an apparatus for automating the measurement of power that causes a mode jump in advance will be described. FIG. 11 shows a flow chart of processing of an apparatus for automating measurement of power at which mode jump occurs. Normally, etching is performed in units of lots (25 sheets), but before the lots are processed, the
その後、ロット処理502、酸素のプラズマ111などによるチャンバ101のクリーニング503と続く。ダミーウエハ処理501は、マイクロ波電力を設定した値、例えば800Wから1200Wまで自動でスキャンしてこの期間のプラズマ111の発光強度をホトダイオード等で測定するステップであるマイクロ波電力自動スキャン測定504を含む。
After that, the lot processing 502, the cleaning 503 of the
次に、エッチング装置制御用パソコン507は、このデータから発光強度が急激に変わる領域を抽出、記憶するモードジャンプ電力識別505を行って、さらにレシピを入力した際にマイクロ波電力がモードジャンプする領域に相当した場合に自動的にパルス変調をする、自動レシピ生成506を行う機能を備える。この機能により、作業者はモードジャンプ領域に煩わされることなく、エッチングを行うことができる。
Next, the
また、マイクロ波電力をスキャンした際に測定する物理量は発光強度に限らず、バイアス電圧のピーク値(Vpp)などモードジャンプに対応して急激に変化する量ならば同じ機能を果たせる。また、本発明で述べたマイクロ波電力の絶対値は主にチャンバ101の大きさすなわち処理対象のウエハ102の直径に応じて大きく変わる。目安としてはチャンバ101の体積で規格化した値を用いるとチャンバ101の体積に依存しない量に変換することができる。例えば、以上の実施例では900Wは0.024W/cm3に相当する。
The physical quantity measured when the microwave power is scanned is not limited to the light emission intensity, and the same function can be achieved as long as the quantity changes rapidly corresponding to the mode jump such as the peak value (Vpp) of the bias voltage. Further, the absolute value of the microwave power described in the present invention largely varies depending on the size of the
101 チャンバ
102 ウエハ
103 試料台
104 マイクロ波透過窓
105 導波管
106 マグネトロン
107 ソレノイドコイル
108 静電吸着電源
109 高周波電源
110 ウエハ搬入口
111 プラズマ
112 パルスジェネレータ
113 制御部
201 光ファイバー
202 受光部
203 CD演算部
204 第二のデータベース
205 レシピ演算部
206 第一のデータベース
207 エッチング制御用PC
301 マスク
302 ポリシリコン膜
303 酸化膜
304 シリコン基板
401 アース面
402 角部分
500 モードジャンプ現象(CW時)
501 ダミーウエハ処理
502 ロット処理
503 クリーニング
504 マイクロ波電力自動スキャン測定
505 モードジャンプ電力識別
506 自動レシピ生成
DESCRIPTION OF
301
501
Claims (5)
連続放電の場合におけるプラズマの生成が困難となる高周波電力の範囲と連続放電の場合におけるプラズマの生成が容易となる高周波電力の範囲をそれぞれ予め求めるとともに前記予め求められた、連続放電の場合におけるプラズマの生成が困難となる高周波電力の範囲の高周波電力をオンとオフを繰り返すパルスにより変調させる制御部をさらに備え、
前記パルスのオン期間の高周波電力は、前記予め求められた、連続放電の場合におけるプラズマの生成が容易となる高周波電力の範囲の値にされ、
前記パルスのデューティー比は、前記パルスの一周期あたりの平均高周波電力が前記予め求められた、連続放電の場合におけるプラズマの生成が困難となる高周波電力の範囲の値となるような値にされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 A plasma processing apparatus comprising: a processing chamber in which an object to be processed is subjected to plasma processing; a high-frequency power source that supplies high-frequency power for generating plasma; and a sample stage that is disposed in the processing chamber and on which the object to be processed is placed In
The range of the high frequency power in which the generation of plasma in the case of continuous discharge becomes difficult and the range of the high frequency power in which the generation of plasma in the case of continuous discharge becomes easy are obtained in advance and the plasma in the case of continuous discharge obtained in advance. A control unit that modulates high-frequency power in a range of high-frequency power that is difficult to generate with a pulse that repeatedly turns on and off,
The high-frequency power during the on-period of the pulse is set to a value in the range of the high-frequency power that facilitates plasma generation in the case of continuous discharge, which is obtained in advance.
The duty ratio of the pulse is set such that the average high frequency power per cycle of the pulse is a value in the range of the high frequency power in which plasma generation is difficult in the case of continuous discharge. A plasma processing apparatus.
前記パルスのオフ期間が10ms以下にされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
The plasma processing apparatus, wherein an off period of the pulse is 10 ms or less.
前記平均高周波電力が前記処理室の体積により除された値が0.011W/cm3以下にされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
A value obtained by dividing the average high frequency power by the volume of the processing chamber is set to 0.011 W / cm 3 or less.
前記被処理体は、ポリシリコン膜とシリコン酸化膜を有し、
前記パルス変調されたプラズマは、臭化水素ガスと酸素ガスを用いて生成されることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 1,
The object to be processed has a polysilicon film and a silicon oxide film,
The plasma processing apparatus, wherein the pulse-modulated plasma is generated using hydrogen bromide gas and oxygen gas.
前記酸素ガスの流量が1ml/min〜10ml/minとされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 4, wherein
A plasma processing apparatus, wherein the flow rate of the oxygen gas is 1 ml / min to 10 ml / min.
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