JP6745643B2

JP6745643B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP6745643B2
Application number: JP2016098549A
Authority: JP
Inventors: 輿水　地塩; 地塩輿水; 龍夫松土
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2036-05-17
Also published as: JP2017208401A

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

半導体デバイスを製造する際には、被処理体である半導体ウエハに対してプラズマエッチング等のプラズマ処理が施される。

プラズマエッチング装置としては、代表的なものとして、平行平板プラズマエッチング装置（例えば特許文献１）、誘導結合プラズマエッチング装置（例えば特許文献２）が知られている。

平行平板プラズマエッチング装置は、チャンバ内に半導体ウエハを載置する下部電極とその上方に対向するように設けられた上部電極を設け、これらのいずれかまたは両方に高周波電力を印加することにより形成された高周波電界により容量結合プラズマを生成し、これにより半導体ウエハにプラズマエッチングを施すものである。

また、誘導結合プラズマ処理装置は、被処理基板を収容する処理室の天壁を構成する誘電体窓の上側に高周波アンテナを配置し、処理室内に処理ガスを供給するとともにこの高周波アンテナに高周波電力を供給することにより、処理室内に誘導結合プラズマを生じさせ、この誘導結合プラズマによって被処理基板に所定のプラズマ処理を施すものである。

従来は、このようなプラズマエッチング装置に代表されるプラズマ処理装置においては、処理中の条件をなるべく一定にするという思想に基づき装置設計され、運用されている。すなわち、従来は、所定の処理を継続的に行う際に、処理温度、圧力、ガス種、ガス流量、ＲＦパワー等のプロセス条件（プロセスパラメータ）を適正な値に設定してプロセスレシピを作成し、処理中にこれらの条件を一定に保つことを目標にした制御が行われる。

特開２０００−１７３９９３号公報特許第３０７７００９号公報

ところで、近時、半導体デバイスの微細化は益々進み、プラズマエッチング装置に代表されるプラズマ処理装置のパラメータ制御は、装置間差（機差）を含め、著しく高精度であることが求められている。

これに対し、例えば、平行平板プラズマエッチング装置では、チャンバ内に設置された電極の温度がプラズマにより上昇した場合に、上部電極であるＳｉ電極は減圧下に保持され、直接冷却できないため、接触によって間接的に冷却せざるを得ない。しかし、減圧下では熱伝達を大きくとることは困難であり、安定状態になるのに時間がかかる。この傾向は高周波電力が大きくなるほど大きくなる。

また、誘導結合プラズマエッチング装置では、誘電体窓の熱伝達性が極めて悪いため、チャンバ内の温度制御性が悪く、プロセスがシフトしてしまうという問題がある。そのため、プロセス前にプラズマを点火して加熱する、熱風や光、冷媒を通して温調する等の技術が提案されているが、誘電体自体の熱伝達性の低さにより、これらの技術によっても誘電体窓のプラズマ面の温度を一定に保つことは難しい。

このため、プラズマエッチング装置に代表されるプラズマ処理装置では、要求される高精度の温度制御は、原理的にも現実的にも極めて困難であり、処理の精度を十分に確保できない事態も生じつつある。

したがって、本発明は、従来とは異なる発想で高精度のプロセス制御を行うことが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を課題とする。

本発明者らは上記課題を解決すべく検討を重ねた。その結果、プラズマ処理中に生じるプラズマによるチャンバ内のプラズマに接する部材の温度変化を許容し、プラズマ処理の際の情報に基づいて、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるようにチャンバ内の圧力を制御することにより、高精度でプロセスの制御を行えることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の第１の観点は、被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記チャンバ内にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力を制御する制御部とを有し、前記制御部は、前記温度測定手段により事前にプラズマ処理の際の温度情報を取得しておき、実際のプラズマ処理の際に事前に取得した前記温度情報に基づいて圧力を制御するプラズマ処理装置を提供する。

本発明の第２の観点は、被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記チャンバ内にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力と、前記ガスの流量およびガス種の少なくとも一つとを制御する制御部とを有することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明の第３の観点は、チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力を制御し、その際に、事前にプラズマ処理の際の前記プラズマに接する部材の温度情報を取得しておき、実際のプラズマ処理の際に事前に取得した温度情報に基づいて圧力を制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

本発明の第４の観点は、チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力と、ガスの流量およびガス種の少なくとも一つとを制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

前記プラズマ生成機構は、前記被処理体を載置し、下部電極として機能する載置台と、前記載置台に対向するように設けられた上部電極と、前記上部電極または下部電極に高周波電力を印加する高周波電源とを有し、前記プラズマと接する部材は前記上部電極である構成とすることができる。

また、前記プラズマ生成機構は、高周波アンテナと、高周波アンテナに高周波電力を印加する高周波電源と、被処理体と前記高周波アンテナとの間に設けられた誘電体窓とを有し、前記高周波アンテナに高周波電力を印加することにより前記誘電体窓を介して被処理体の周囲に誘導結合プラズマを生成し、前記プラズマと接する部材は前記誘電体窓である構成とすることもできる。

本発明の第５の観点は、被処理体を収容するチャンバと、前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、前記チャンバ内に吸着反応ガスおよびキャリア／プラズマ発生用ガスを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中の吸着反応ガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内に供給する前記吸着反応ガスの流量およびキャリア／プラズマ発生用ガスの流量を個々に制御する制御部とを有することを特徴とするプラズマ処理装置を提供する。

本発明の第６の観点は、チャンバ内に吸着反応ガスおよびキャリア／プラズマ発生用ガスを生成するためのガスを供給してプラズマを生成し、前記チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中の前記吸着反応ガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内に供給する前記吸着反応ガスの流量およびキャリア／プラズマ発生用ガスの流量を個々に制御することを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。

本発明によれば、プラズマ処理中に生じるプラズマによるチャンバ内のプラズマに接する部材の温度変化を許容し、プラズマ処理の際の情報に基づいて、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、チャンバ内の圧力、ガスの流量、およびガス種の少なくとも一つを制御するので、高精度のプロセス制御を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。Ｓｉリングを単にウエハの周囲に置いた場合（ケースＡ）と、Ｓｉと載置台との間に伝熱部材を介在させてＳｉリングからの抜熱を大きくした場合（ケースＢ）について、プラズマを生成した場合のＳｉリング温度の経時変化を示す図である。ウエハ中心から０〜１００ｍｍ、ウエハ中心から１４５ｍｍ（ウエハエッジ付近）、ウエハ中心から１６５ｍｍ（Ｓｉリング直上）の３つの領域における、ケースＡとケースＢの発光強度分布の経時変化を示す図である。プラズマによる上部電極の温度変化と、それに応じた圧力変化とを示す概念図である。本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について具体的に説明する。

＜第１の実施形態：平行平板プラズマエッチング装置＞
最初に第１の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。本実施形態では、プラズマ処理装置として平行平板プラズマエッチング装置の例を示す。

平行平板プラズマエッチング装置として構成されるプラズマ処理装置１００は、処理空間を画成するチャンバ１を有している。チャンバ１は円筒状をなし、例えば、表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなっている。

チャンバ１の底部には、導電体、例えばアルミニウムからなり、被処理体である半導体ウエハＷを載置する載置台２が設けられている。載置台２は下部電極を構成する。載置台２の上には、載置された半導体ウエハＷの周囲に対応する位置に、導電体、例えばシリコンからなるフォーカスリング（Ｓｉリング）３が配置されている。フォーカスリング３はエッチングの均一性を向上させるために設けられている。４は絶縁リングである。載置台２の周囲には、例えば石英からなる円筒状の絶縁部材が設けられている。なお、載置台２には、イオン引き込み用の高周波バイアスを印加するための高周波電源（図示せず）が接続されている。

下部電極である載置台２の上方には、載置台２と対向するように導電体、例えばシリコンからなる上部電極６が設けられている。そして、上部電極６と下部電極である載置台２との間がプラズマ生成空間となる。

上部電極６の上には、熱伝導性の大きい金属、例えばアルミニウムからなる冷却プレート７が設けられており、その内部には冷媒流路８が形成されている。冷却プレート７は冷媒流路８に冷媒を通流させることにより熱伝達により上部電極６を冷却するようになっている。上部電極６の周囲には、チャンバ１と絶縁するための誘電体リング９が設けられている。

上部電極６には、ガス導入部であるシャワーヘッド（図示せず）が形成されている。シャワーヘッドには配管１０を介してガス供給機構１１が接続されている。ガス供給機構１１は複数のガス供給源を有しており、ガス供給機構１１から配管１０およびシャワーヘッドを介して、所定の処理ガスがチャンバ１内に吐出されるようになっている。配管１０にはマスフローコントローラ（ＭＦＣ）等の流量制御器１２が設けられている。なお、実際にはガス供給機構１１には複数のガス供給源に接続された配管を有しており、これら配管には開閉バルブが設けられていて、ガス種を選択可能となっている。また、これらガスを個別的に流量制御可能となっている。

冷却プレート７には給電棒１５が接続されており、給電棒１５には整合器１６を介してプラズマ生成用の高周波電源１７が電気的に接続されている。高周波電源１７からは１３．５６ＭＨｚ以上の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力が出力され、そのパワーは調整可能となっている。高周波電源１７からの高周波電力は、冷却プレート７を介して上部電極６に印加される。これにより、上部電極６と下部電極である載置台２との間に高周波電界が形成され、これらの間にプラズマが生成される。なお、プラズマ生成用の高周波電源を下部電極である載置台２に印加するようにしてもよい。

整合器１６は、高周波電源１７の出力インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させるもので、チャンバ１内にプラズマが生成されている時に高周波電源１７の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

プラズマに接する部材である上部電極６は、温度計２０によりその温度が測定されるようになっている。温度計２０はプラズマ中で温度が測定できるものであれば特に限定されないが、例えば光干渉計を有するものを好適に用いることができる。光干渉計は、参照光をミラーで反射させて上部電極６に照射し、上部電極６の下面で反射した反射光と干渉させた際に、厚さをｄ、屈折率をｎ、光路長をＬとすると、Ｌ＝ｄ・ｎであり、ｄ・ｎは温度の関数であるから、この関係から温度を測定するものである。

チャンバ１の底部には、排気口２５が形成されており、排気口２５には排気機構２６が設けられている。排気機構２６は、排気口２５に接続された排気配管２７と、排気配管２７の開度を調整することによりチャンバ１内の圧力を制御する自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）２８と、チャンバ１内を排気配管２７を介して排気するための真空ポンプ２９とを有している。チャンバ１には、その内部の圧力を測定する圧力計２１、例えばキャパシタンスマノメータが接続されており、処理中に圧力計２１の測定値に基づいて、自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）２８を調整することによりチャンバ１内の圧力を制御するようになっている。

チャンバ１の一つの側壁には、半導体ウエハＷを搬入出するための搬入出口２３およびそれを開閉するゲートバルブ２４が設けられている。

プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部３０により制御されるようになっている。制御部３０はＣＰＵを有し、温度計２０や圧力計２１からの情報を取得するとともに、チャンバ１内の圧力、ガス供給機構１１からのガスの供給、高周波電源１７のパワー等を制御可能となっている。

このように構成されたプラズマ処理装置１００においてプラズマ処理を行うに際しては、まず、ゲートバルブ２４を開け、隣接する真空搬送室（図示せず）から搬入出口２３を介して被処理体である半導体ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、載置台２上に載置する。そして、ゲートバルブ２４を閉じた後、ガス供給機構１１からエッチングのための所定の処理ガスを所定の流量で上部電極６のシャワーヘッドからチャンバ１内へ供給しつつ、排気機構２６の真空ポンプ２９によりチャンバ１内を排気するとともに、自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）２８によりチャンバ１内の圧力を所定値に制御する。このとき、冷却プレート７の冷媒流路８には冷媒が通流され、冷却プレート７を介して上部電極６が冷却されている。

そして、高周波電源１７から冷却プレート７を介して上部電極６に所定パワーの高周波電力を印加する。これにより、上部電極６と下部電極である載置台２との間に高周波電界が形成され、この高周波電界により処理ガスがプラズマ化し、半導体ウエハＷに対しプラズマエッチング処理が行われる。

その半導体ウエハＷのエッチング処理が終了した後、チャンバ１内をパージし、圧力調整を行った後、ゲートバルブ２４を開けて処理後のウエハＷを搬出する。このようなプラズマエッチング処理を１ロット例えば２５枚について繰り返し行い、さらにロットを入替えてプラズマエッチング処理を所定ロットのウエハについて繰り返し行う。

このときのエッチング処理は制御部３０により制御される。従来は、制御部３０において、処理レシピによりガス種、ガス流量、チャンバ１内の圧力、チャンバ１内の温度等のプロセス条件は指定されており、プラズマエッチング処理中にこれらのプロセスパラメータを一定に保つことを目標にした制御が行われていた。

しかし、上部電極６に高周波電力が印加されてプラズマが生成されると、プラズマからのイオン入射や輻射等のエネルギーにより、プラズマに接している上部電極６の温度は上昇していく。また、チャンバ１内は減圧されているため、上部電極６から冷却プレート７への熱伝達が十分にできず、上部電極６の温度が安定するまで時間がかかる。すなわち、プラズマからの入熱と冷却プレート７への熱流出のバランスが取れるところで安定温度となるが、冷却プレート７への熱伝達が遅いため、温度が安定するまで時間がかかる。そのため、処理温度に影響を与える上部電極６の温度が安定するまではプロセス結果は目標からシフトしてしまう。その問題を解決するために、上部電極６と冷却プレート７の熱伝達特性を向上させる試みがなされていたが、限界がある。

上部電極６の温度が上昇することにより、プロセス的に生じる特に大きな問題の一つは、上部電極６近傍のガス粒子数が変化することである。すなわち、以下の（１）式のホイル・シャルルの法則を考えると、温度Ｔが上昇すると、圧力Ｐを一定に保つためには物質量（ガス粒子数）ｎが少なくなる。
ＰＶ＝ｎＲＴ・・・（１）
（ただし、Ｖは体積、Ｒは気体定数）

例えば上部電極６の温度が室温から約３００Ｋ上昇すると、上部電極直下の空間の粒子数はや約半分に減少することになる。そのため、チャンバ１内の温度が上昇することで、プラズマ生成効率の低下、さらにはラジカル生成効率の低下が生じ、プロセスがシフトしてしまう。

以下に、このように温度が上昇することにより、ガス粒子数が減少してプラズマ密度が低下することを確認した実験結果について説明する。

以下の実験結果は、温度の影響をより明確に示すために、ウエハの周囲に設けられたフォーカスリング（Ｓｉリング）について示したものである。ここではプラズマ密度の低下をプラズマの発光強度で把握した。

発光強度は、電子密度、発光種の密度（基底ラジカル密度）と電子温度の関数で決定され以下の式で表すことができる。
発光強度∝（電子密度）×（基底ラジカル密度）×（電子温度の関数）
ここで、ウエハ周辺のＳｉリングの温度が上昇して電子密度（プラズマ密度）が低下したとすると、ガス密度が低下し発光種の密度（基底ラジカル密度）が低下する。電子温度一定と仮定すると、プラズマ密度の低下により発光強度は減少するはずである。

Ｓｉリングを単にウエハの周囲に置いた場合（ケースＡ）と、Ｓｉと載置台との間に伝熱部材を介在させてＳｉリングからの抜熱を大きくした場合（ケースＢ）について、下部電極である載置台に、４０ＭＨｚで２７００Ｗのプラズマ生成用高周波電力と、３．２ＭＨｚで４５００Ｗのバイアス用高周波電力を印加し、チャンバ内圧力を１５ｍＴｏｒｒとし、処理ガスとしてＣ_４Ｆ_８／Ａｒ／Ｏ_２＝６０／５００／５５ｓｃｃｍを供給してプラズマを生成した。その際のケースＡとケースＢのＳｉリング温度の経時変化について図２に示す。また、ケースＡとケースＢの発光強度分布の経時変化について、以下の（１）〜（３）の領域にて再現性を見るためにそれぞれ３回計測した。それらの結果を図３に示す。なお、図３の発光強度は、Ｓｉリングが最も低温のときのＡｒの発光強度を１として規格化した値である。
（１）ウエハ中心から０〜１００ｍｍ（エッジの影響のない領域であり平均値として扱う）
（２）ウエハ中心から１４５ｍｍ（ウエハエッジ付近）
（３）ウエハ中心から１６５ｍｍ（Ｓｉリング直上）

図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、Ｓｉリングを単に置いただけでほとんど抜熱されないケースＡの場合は、Ｓｉリングの温度が３分（１８０秒）弱で４７０℃程度まで上昇しており、Ｓｉリング上の発光強度はプラズマ着火直後から１０％以上低下しているのに対し、ウエハ中央部の発光強度の変化は小さい。これに対して図２（ｂ）、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉリングの抜熱を大きくしたケースＢの場合は、Ｓｉリングの温度が１分３０秒（９０秒）くらいでほぼ１００℃程度に飽和し、そのときの発光強度の低下はいずれの領域においても５％以下である。

これらの結果から、局所的にでも温度上昇する部位があると、その部位の周辺の領域ではプラズマ密度が減少することが明らかとなった。

そこで、本実施形態では、プラズマエッチング処理中に、半導体ウエハＷの処理温度に影響を与えるキーとなるプラズマに接する部材である上部電極６の温度をモニターし、その際の温度変化に応じて、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように圧力を制御する。

つまり、粒子数ｎは圧力Ｐが高くなることにより上昇するから、上部電極６の温度が上昇してその近傍のガス粒子数ｎが減少してプラズマ密度が低下した際に、圧力Ｐを上昇させてガス粒子数ｎを増加させることにより、プラズマ生成エリアの粒子数ｎの変化を小さくすることができる。

その際の概念を図４に示す。処理時間（１枚の半導体ウエハの処理時間または複数枚の半導体ウエハを処理する際のトータルの処理時間）の経過にともなってプラズマのエネルギーによって上部電極６の温度が上昇した際に、それに応じて設定圧力を上昇させる。これにより、温度上昇による粒子数の減少を圧力の上昇により補うことができ、上部電極６近傍のガス粒子数の変動を少なくしてプラズマ処理（エッチング量）を高精度に制御することができる。

具体例を示すと、プロセス温度に影響を与えるキーとなるプラズマに接する部材である上部電極６の初期温度が３７３Ｋで圧力が２０ｍＴｏｒｒの場合、プラズマ処理により上部電極６の温度が上昇して例えば６７３Ｋになる場合は、圧力も、２０ｍＴｏｒｒ×６７３／３７３＝３６ｍＴｏｒｒ程度に上昇させるように制御することが望ましい。

実際には上部電極６から半導体ウエハまでの高さ方向、さらにはプラズマ発生空間から外周のガス排気空間やチャンバ１側壁近傍でガス温度が異なる。さらに、半導体ウエハＷの温度もプラズマからのイオン入射や輻射によって上昇していく。また、温度によってガス種の吸着量等も異なる。このため、最適な圧力値は、温度に必ず正比例するわけではない。

ガス粒子数は、圧力だけでなく、ガス流量、さらにはガス種等にも関係している。したがって、圧力のみならず、ガス流量またはガス種の少なくとも１種を制御することによってもプラズマ中のガス粒子数を制御することができる。すなわち、上部電極６の温度をモニターし、その際の温度変化に応じて、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように圧力、ガス流量、およびガス種の少なくとも１種を制御すればよい。より高精度にプラズマ処理を制御してプロセスを安定させるためには、圧力に加えてガス流量およびガス種等の１種以上を制御することが望ましい。

プラズマエッチングを行う際には、処理ガスとしては、吸着反応ガス、キャリア／プラズマ発生用ガスを用い、これらのガスをチャンバ１内に供給して、生成された吸着反応ガスのプラズマによりエッチング反応を進行させるようにすることができる。このとき、吸着反応ガスのプラズマによりエッチング反応を進行させるから、プラズマ中のガスの粒子数として吸着反応ガスの粒子数を用いることができる。このとき、温度計２０の温度情報に基づいて、プラズマ中の吸着反応ガスの粒子数の変動が少なくなるように、チャンバ１内に供給する吸着反応ガスの流量、キャリア／プラズマ発生用ガスの流量を個々に制御するようにすることができる。吸着反応ガスとしては、例えばＣ_４Ｆ_８ガスのようなフロロカーボンガス（Ｃ_ｘＦ_ｙ）を用いることができる。また、キャリア／プラズマ発生用ガスとしては、希ガスを用いることができ、Ａｒガスが好適である。

また、温度計２０の測定結果に基づいて制御部３０によりリアルタイムで圧力を制御してもよいが、事前に温度計２０によりプラズマ処理の際の温度情報を取得しておき、実際のプラズマ処理の際に事前に取得した温度情報に基づいて圧力を制御してもよい。圧力に加えてガス流量およびガス種等の１種以上を調整する場合も同様である。

従来、本実施形態のような平行平板プラズマエッチング装置においては、高スループット化のために、高周波電力が高く設定され、上部電極の温度が上昇しやすくなっており、上部電極の熱伝達を向上させるために、冷却プレート内に静電吸着機構を組み込むことや、上部電極を接着剤により冷却プレートへ接着すること等が検討されてきた。しかし、静電チャックは高価であり、また、接着剤で接着する場合は、電極が消耗したら冷却プレート毎交換する必要があり、いずれもコストが高くなる上に、完全に温度を安定化させることはできず、プラズマ処理を高精度に制御することは困難であった。これに対し、本実施形態では、上部電極６の温度変化を許容し、その温度の情報に基づいて圧力または圧力とガス流量等を上部電極６周囲の粒子数の変動が小さくなるように制御するので、コストを上昇させる高精度の温度制御を用いることなくプラズマ処理を高精度で制御することができる。

また、従来は、チャンバ内の温度が安定するまで時間がかかるため、チャンバ内の温度がある程度安定するまでダミーウエハを用いたダミー処理を行う必要があったが、本実施形態ではダミー処理を全く行わないか、またはダミー処理時間を短くすることができ、生産性が向上する。

＜第２の実施形態：誘導結合プラズマエッチング装置＞
次に第２の実施形態について説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置を示す断面図である。本実施形態では、プラズマ処理装置として誘導結合プラズマエッチング装置の例を示す。

誘導結合プラズマエッチング装置として構成されるプラズマ処理装置１００′においては、チャンバ構成、載置台およびその周囲の部材、ガス供給系、温度計、排気機構、制御部等は基本的に第１の実施形態のプラズマ処理装置１００と同様に構成されているので、同じものには同じ符号を付して説明を省略する。

チャンバ１の上部には、リング状の支持部材４１が設けられており、支持部材４１には天壁を構成する誘電体窓４２が支持されている。誘電体窓４２の上には誘電体窓４２に面するように、例えば渦巻き状をなす高周波アンテナ４３が設けられている。本実施形態では、配管１０は支持部材４１に接続され、ガス供給機構１１から配管１０および支持部材４１に形成された吐出孔（図示せず）を介して、所定の処理ガスがチャンバ１内に吐出される。

高周波アンテナ４３には給電線４４が接続されており、給電線４４には整合器４５を介して高周波電源４６が電気的に接続されている。高周波電源４６からは例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が出力され、そのパワーは調整可能となっている。整合器４５は、整合器１６と同様、チャンバ１内にプラズマが生成されている時に高周波電源４６の出力インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

プラズマ処理中、高周波電源４６から高周波アンテナ４３に高周波電力が供給されることにより、チャンバ１内に誘導電界が形成され、この誘導電界によりチャンバ１内に誘導結合プラズマが生成される。

本実施形態では、温度計２０により、誘電体窓４２の温度が測定されるようになっている。

このように構成されたプラズマ処理装置１００′においてプラズマ処理を行うに際しては、まず、ゲートバルブ２４を開け、隣接する真空搬送室（図示せず）から搬入出口２３を介して被処理体である半導体ウエハＷをチャンバ１内に搬入し、載置台２上に載置する。そして、ゲートバルブ２４を閉じた後、ガス供給機構１１からエッチングのための所定の処理ガスを所定の流量でチャンバ１内へ供給しつつ、排気機構２６の真空ポンプ２９によりチャンバ１内を排気するとともに、自動圧力制御バルブ（ＡＰＣ）２８によりチャンバ１内の圧力を所定値に制御する。

そして、高周波電源４６から高周波アンテナ４３に所定パワーの高周波電力を供給する。これにより、チャンバ１内に誘導結合プラズマが形成され、半導体ウエハＷに対しプラズマエッチング処理が行われる。

このときのエッチング処理は制御部３０により制御される。上述したように、従来は、制御部３０において、処理レシピによりガス種、ガス流量、チャンバ１内の圧力、チャンバ１内の温度等のプロセス条件は指定されており、プラズマエッチング処理中にこれらのプロセスパラメータを一定に保つことを目標にした制御が行われていた。

しかし、誘導結合プラズマエッチング装置では、誘電体窓の熱伝達性が極めて悪いため、チャンバ内の温度制御性が悪く、プロセスがシフトしてしまうという問題がある。そのため、プロセス前にプラズマを点火して加熱する、熱風や光、冷媒を通して温調する等の技術が提案されているが、誘電体自体の熱伝達性の低さにより、これらの技術によっても誘電体窓のプラズマ面の温度を一定に保つことは難しい。

誘電体窓４２の温度が上昇すると、第１の実施形態の上部電極６と同様、チャンバ１内の誘電体窓４２の周囲において粒子数が減少し、プラズマ生成効率の低下、さらにはラジカル生成効率の低下が生じ、プロセスがシフトしてしまう。このため、温度が飽和するまで長時間のダミー処理を行う必要があった。

これに対し、本実施形態では、誘電体窓４２の温度変化を許容し、その温度の情報に基づいて圧力または圧力とガス流量等を誘電体窓４２周囲のガス粒子数の変動が小さくなるように制御するので、ダミー処理によらずプラズマ処理を高精度で制御することができる。

本実施形態においても、ガス粒子数は、圧力だけでなく、ガス流量、さらにはガス種等にも関係しているので、より高精度にプラズマ処理を制御するためには、圧力だけでなく、圧力に加えてガス流量およびガス種等の１種以上を調整することが望ましい。

また、温度計２０の測定結果に基づいて制御部３０によりリアルタイムで圧力を調整してもよいが、事前に温度情報を取得しておき、その温度情報に基づいて圧力を調整してもよい。圧力に加えてガス流量およびガス種等の１種以上を調整する場合も同様である。

本実施形態では、上述したように、誘電体窓４２の温度の情報に基づいて圧力または圧力とガス流量等を誘電体窓４２周囲のガス粒子数の変動が小さくなるように制御するので、ダミー処理によらずプラズマ処理を高精度で制御することができる。このため、誘電体窓の温度変動が大きい誘導結合プラズマ処理装置において、特に長時間必要であったダミー処理時間を省略、または短縮することができる。このため、第１の実施形態よりも生産性向上効果が高い。

＜他の適用＞
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、プラズマ処理装置としてプラズマエッチング装置を例にとって示したが、これに限らず、成膜処理や酸化処理、窒化処理等の他のプラズマ処理を行う装置にも適用できることはいうまでもない。

また、上記実施形態では、平行平板プラズマエッチング装置、誘導結合プラズマエッチング装置を例にとって示したが、プラズマ生成手段はこれらに限らず、例えばマイクロ波によりプラズマを生成するものであってもよい。マイクロ波プラズマ処理装置においては、マイクロ波を透過するための誘電体窓が使用され、誘導結合プラズマ処理装置と同様、誘電体窓の温度変動が問題となるが、本発明を適用することにより、高精度のプロセス制御を行うことができる。

さらに、上記実施形態では、被処理体として半導体ウエハを用いた場合を例にとって説明したが、被処理体は半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）用基板に代表されるＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。

１；チャンバ
２；載置台
３；フォーカスリング（Ｓｉリング）
６；上部電極
７；冷却プレート
１０；配管
１１；ガス供給機構
１２；流量制御器
１６，４５；整合器
１７，４６；高周波電源
２０；温度計
２１；圧力計
２６；排気機構
２７；排気配管
２８；自動圧力制御バルブ
２９；真空ポンプ
３０；制御部
４２；誘電体窓
４３；高周波アンテナ
１００，１００′；プラズマ処理装置
Ｗ；半導体ウエハ

Claims

被処理体を収容するチャンバと、
前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
前記チャンバ内にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、
前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、
前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力を制御する制御部と
を有し、
前記制御部は、前記温度測定手段により事前にプラズマ処理の際の温度情報を取得しておき、実際のプラズマ処理の際に事前に取得した前記温度情報に基づいて圧力を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
被処理体を収容するチャンバと、
前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
前記チャンバ内にプラズマを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、
前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、
前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力と、前記ガスの流量およびガス種の少なくとも一つとを制御する制御部と
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
前記プラズマ生成機構は、前記被処理体を載置し、下部電極として機能する載置台と、前記載置台に対向するように設けられた上部電極と、前記上部電極または下部電極に高周波電力を印加する高周波電源とを有し、前記プラズマと接する部材は前記上部電極であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
前記プラズマ生成機構は、高周波アンテナと、高周波アンテナに高周波電力を印加する高周波電源と、被処理体と前記高周波アンテナとの間に設けられた誘電体窓とを有し、前記高周波アンテナに高周波電力を印加することにより前記誘電体窓を介して被処理体の周囲に誘導結合プラズマを生成し、前記プラズマと接する部材は前記誘電体窓であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、
その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力を制御し、
その際に、事前にプラズマ処理の際の前記プラズマに接する部材の温度情報を取得しておき、実際のプラズマ処理の際に事前に取得した温度情報に基づいて圧力を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、
その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中のガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内の圧力と、ガスの流量およびガス種の少なくとも一つとを制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記チャンバ内にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構は、前記被処理体を載置し、下部電極として機能する載置台と、前記載置台に対向するように設けられた上部電極と、前記上部電極または下部電極に高周波電力を印加する高周波電源とを有し、前記プラズマと接する部材は前記上部電極であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理方法。
前記チャンバ内にプラズマを生成するためのプラズマ生成機構は、高周波アンテナと、高周波アンテナに高周波電力を印加する高周波電源と、被処理体と前記高周波アンテナとの間に設けられた誘電体窓とを有し、前記高周波アンテナに高周波電力を印加することにより前記誘電体窓を介して被処理体の周囲に誘導結合プラズマを生成し、前記プラズマと接する部材は前記誘電体窓であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理方法。
被処理体を収容するチャンバと、
前記チャンバ内にプラズマを生成するプラズマ生成機構と、
前記チャンバ内に吸着反応ガスおよびキャリア／プラズマ発生用ガスを生成するためのガスを供給するガス供給機構と、
前記プラズマ生成機構により生成されたプラズマと接する部材の温度を測定する温度測定手段と、
前記チャンバ内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記温度測定手段の温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中の吸着反応ガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内に供給する前記吸着反応ガスの流量およびキャリア／プラズマ発生用ガスの流量を個々に制御する制御部と
を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
チャンバ内に吸着反応ガスおよびキャリア／プラズマ発生用ガスを生成するためのガスを供給してプラズマを生成し、前記チャンバ内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記チャンバ内で生成されたプラズマに接する部材の温度を測定し、
その温度情報に基づいて、被処理体にプラズマ処理を施している際に、プラズマ中の前記吸着反応ガス粒子数の変動が少なくなるように、前記チャンバ内に供給する前記吸着反応ガスの流量およびキャリア／プラズマ発生用ガスの流量を個々に制御することを特徴とするプラズマ処理方法。