JP6913060B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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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。
近年は、半導体デバイス等の製造プロセスにおけるデザインルールが益々厳格化し、製造物に、より高い寸法精度を確保することが求められている。例えば、低温ガスプラズマ中で行うエッチングでは、エッチングの均一性を挙げるために、プラズマ密度を下げることが要求されている。プラズマ密度を下げるためは、ガス圧力を下げる手法やマイクロ波電力を下げるなどの手法があるが、いずれの手法においてもプラズマ着火が困難になる虞がある。
これに対し、特許文献１に、処理室に対してマイクロ波と共に紫外線を同時に供給する半導体製造装置が開示されている。かかる半導体製造装置においては、供給された紫外線がプラズマ中の原子や分子を励起させ、そのエネルギーを高めるように作用し、マイクロ波はプラズマを維持させるように機能する。したがって、プラズマ着火性を向上できるとともに、処理レートを向上させることが可能になる。
特開平６−３４９７７６号公報
しかしながら、かかる従来技術において、紫外線を連続的にウェハに照射することにより、ウェハの温度が上昇し、加工寸法に影響を及ぼす可能性がある。
本発明は、上記従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、所望のプロセス条件を変えることなくプラズマ着火性を向上させ、被処理物の処理後寸法に影響を与えることを抑制できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、
試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、紫外線を照射する紫外線光源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記高周波電力が前記処理室内へ供給される前、パルス変調された紫外線を前記処理室内へ照射させるように前記紫外線光源を制御する制御部をさらに備え、
前記紫外線光源は、前記パルス変調された紫外線が前記試料へ照射されるように配置されていることにより達成される。
また、代表的な本発明のプラズマ処理装置の一つは、
試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、紫外線を照射する紫外線光源とを備えるプラズマ処理装置において、
前記高周波電力が前記処理室内へ供給されるとともにパルス変調された紫外線を前記処理室内へ照射させるように、前記高周波電源と前記紫外線光源を制御する制御部をさらに備え、
前記紫外線光源は、前記パルス変調された紫外線が前記試料へ照射されるように配置されていることにより達成される。
また、代表的な本発明のプラズマ処理方法の一つは、
高周波電力により生成されたプラズマを用いて、試料を処理室内にて処理するプラズマ処理方法において、
前記高周波電力を前記処理室内へ供給する前、パルス変調された紫外線を前記試料へ照射させることによりプラズマを生成することにより達成される。
また、代表的な本発明のプラズマ処理方法の一つは、
高周波電力により生成されたプラズマを用いて、試料を処理室内にて処理するプラズマ処理方法において、
前記高周波電力を前記処理室内へ供給するとともにパルス変調された紫外線を前記試料へ照射させることによりプラズマを生成することにより達成される。
本発明によれば、所望のプロセス条件を変えることなくプラズマ着火性を向上させ、被処理物の処理後寸法に影響を与えることを抑制できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
マイクロ波ECRプラズマ処理装置の概略構成図である。 パルス紫外線と連続紫外線の持続時間を比較して示す図であり、横軸に時間を取って示している。 試料台にウェハを載置して、静電吸着電圧をかけた時の誘電分離状況を示す概略図である。 ウェエの上面図であって、パルス紫外線光源からの紫外線照射位置と、ウェハ上帯電分布状況を示している。 プラズマ処理装置の起動タイミングのシーケンスを示す図であり、縦軸に各部のオン／オフ、横軸に時間をとって示している。 着火判定及び着火時間記録のフローを示すフローチャート図である。
本発明にかかる実施の形態であるプラズマ処理装置を、図面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(Electron Cyclotron Resonance)プラズマ処理装置の概略断面図である。特に、プラズマ処理装置において、低ガス圧力、低マイクロ波パワー、低デューティ比などのプロセス条件を使用する場合、プロセス開始の際にプラズマ着火が適切に行えないことは、重要な技術課題となっている。本実施形態によれば、かかるプロセス条件でもプラズマ着火性を向上できる。
マイクロ波ECRプラズマ処理装置100は、内部を真空排気できる処理室114と、被処理物（試料ともいう）であるウェハ300を配置する試料台113と、試料台113上方に設けられた石英などのマイクロ波及び紫外線供給口117と、その上に設けられた導波管104と、内蔵された第１の高周波電源により高周波電力を供給されてマイクロ波を発生するマグネトロン105と、導波管のぞき窓の上に設けられたパルス紫外線光源102と、処理室114の周りに設けられたソレノイドコイル108と、試料台に接続された静電吸着電源112と、高周波電源(第２の高周波電源)101と、プロセスガス供給源118と、制御部（プロセッサ）111とを備えている。
パルス紫外線光源としては、例えば出力5Wで、波長185nm〜2000nmの光を出射できるランプを用いることができる。出射光のうち、紫外帯域（185nｍ〜450nm）の光を用いて、後述する処理を行える。
以下、マイクロ波ECRプラズマ処理装置100を用いたプラズマ処理のプロセスを説明する。まずウェハ300は、処理室114内に搬入された後、静電吸着電源112によって試料台113に静電吸着される。次にプロセスガスを、プロセスガス供給源118よりガス導入口(図略)を介してシャワープレート119から処理室114内に供給し、真空ポンプ(図略)によって所定の圧力に調整する。
次に、マグネトロン105から周波数2.45GHzのマイクロ波を発振し、導波管104を通して処理室114内に伝播させる。マイクロ波とソレノイドコイル108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、これによりウェハ300上部の空間にプラズマ109が生成される。このプラズマ109を用いて、試料台113に搭載されたウェハ300のエッチングプロセスが行われる。
上述のマイクロ波ECRプラズマ処理装置には、各デバイスの起動タイミングをコントロールするシステムが備えられている。具体的には、高周波電源101、パルス紫外線光源102、マグネトロン105、ソレノイドコイル108、静電吸着電源112、光検出器110などのデバイスは、LAN（Local Area Network）ケーブル116を介して制御部111に接続されており、制御部111でシーケンスを組むことによって、これらデバイスをそれぞれ制御できる。特に、制御部111は、パルス紫外線光源102をパルス変調可能となっており、ここではパルス間隔を調整可能である。
ソレノイドコイル108によって発生された磁場の回りを円運動する周波数と、外部から投入する電磁波の周波数を一致させると、共鳴(ECR)によりガス分子の外側にある電子は高速に回転運動し始める。この電子の運動エネルギーが電離エネルギー以上の時、原子や分子の最外殻にある電子が飛び出し、隣接の原子や分子と衝突する。電子の数は衝突した電子に分子や原子から飛び出した電子が加わり、２倍になる。その結果、電子の数が雪崩現象のように増加し、ある閾値を超えるとプラズマが形成される。しかし、プロセス条件が低ガス圧力、低マイクロ波パワーの場合には、原子や分子の間の距離が遠い場合や、或いは電離された電子が隣の原子や分子に向かって飛び出すほど十分なエネルギーを持っていない場合には、プラズマ着火が困難となる。
本実施形態においては、マイクロ波ECRプラズマ処理装置100に、パルス紫外線光源102を設けている。図２に示すように、パルス紫外線光源102から２／１００秒間隔でパルス紫外線を発生する(パルス状の紫外線を照射する）。紫外線の一パルス（フラッシュという）は、一例として1.5μs継続し、その際に100mJのエネルギーを放出する。尚、パルス紫外線の波形における紫外線のパルスの周期と紫外線の照射時間の縮尺は異なっており、紫外線の照射時間は、紫外線のパルスの周期に対して約6667倍にして示したものである。本仕様では、パルス紫外線の間隔を、少なくとも１／１５５秒以上とすれば、ウェハ温度を実質的に上昇させない。このため、パルス紫外線の間隔を、少なくとも１／１５０秒以上とすればよい。
パルス紫外線光源102がパルス紫外線を発生すると、発生したパルス紫外線は、石英光ファイバ(例えば直径：0.8mm)103と、コリメートレンズ(例えば直径：3mm、拡散性tan(a)：0.08、ただしa＝ファイバ径／焦点)106を介して、マイクロ波入射方向に対して平行に、かつ被処理前のウェハ表面に向けて処理室114に入射する。これによりプロセスガス分子や原子の外殻にある電子が、パルス紫外線から光子を吸収することにより励起される。
さらに、プロセスガスを通過したパルス紫外線がウェハ表面に入射すると、ウェハ表面において光電効果が起こることによって自由電子が生じる。よって、マイクロ波を注入し、着火前に処理室114において励起された電子、あるいは自由電子を用いることによってプラズマの着火性を改善することができる。
上述のようにマイクロ波と磁場を導入する前にプロセスガスに紫外線を照射するのは、プロセスガス分子や原子の外側にある電子の準位を上げる(励起の)ためである。一般的に電子の励起状態は不安定で、10-8sしか励起状態にとどまることができない。かつ、プラズマは着火の種があれば、雪崩現象によって瞬時に生成される。よって、連続紫外線照射よりも、瞬間的な光出力の高いパルス紫外線照射のほうが、瞬時に大量なガスを励起させることができ、プラズマ着火改善を図るのに好適である。
さらに、コンデンサで電荷をためて発光するタイプのパルス紫外線光源を用いることができ、それによりパルス紫外線を発生させるために光源のウォームアップの必要がなくなり、処理の動作タイミングに合わせやすくなり、アプリケーションに好適である。尚、同じ100mJのパワーで連続的に紫外線を発光する場合には、約70KWの大型電源が必要とされ、プラズマ装置の設備コストが高くなり、省エネも図れない。かかる観点からも、パルス紫外線を用いることが望ましい。
図３に、試料台上に設けた電極の拡大図を示す。この電極は、円盤状の内側電極基材301と、それを囲う環状の外側電極基材302と、溶射膜303とを有する。静電吸着電源112(図１)が、電気的に分離された二つの電極基材301、302にそれぞれ極性の異なる電圧(例えば+1500Vと-1500V)を印加すると、誘電によって溶射膜303の表面とウェハ300の裏面とにおいて、それぞれ電極基材301、302に対応する領域に正負の電位が生じる。ウェハ300は、この電位によって生じたクーロン引力304にて電極表面に吸着される。なお、試料台上に設けた電極については、マイナスの電位を有する一極の電極部材のみを設けてもよい。
ウェハ300は試料台113(図１)の上に載置された後、静電吸着電源112によって試料台113に静電吸着される。より具体的には、図３に示すように、溶射膜303にマイナス電圧が印加された場合、誘電によってウェハ300の中央表面がマイナスの電位を有する。すなわちウェハ300の中央表面に電子が豊富に存在する状態となる。ここで、電子を豊富に有するウェハ300の中央表面にパルス紫外線306を照射すると、光電効果によってウェハ300の中央表面から電子が飛び出し、飛び出した電子がウェハ300の表面上のマイナス電位によってプロセスガスに向かって加速される。さらに電子は、ECR面付近において、マイクロ波と磁場によって加速され、プラズマ着火の種になる。
また、内側電極基材301に負の電圧を印加すると、内側電極基材301に対応する、静電吸着されたウェハ300の表面の中心領域404(図４)はマイナス電荷を有するとともに、外側電極基材302に対応する、ウェハ300の表面の外側領域403(図４)はプラスの電荷を有する。よって、パルス紫外線の照射位置401を、静電吸着されたウェハ300のマイナス電荷を有する中心領域404の上方に設け、パルス紫外線を上述したマイナス電荷を有する領域(負の帯電領域)に照射することが好ましい。また、パルス紫外線電源を、処理すべきウェハ300が静電吸着される前に動作させることが好ましい。
ここで、マイクロ波ECRプラズマ処理装置において、コリメートレンズからウェハまでの距離を約785mmとしたとき、上述したように光ファイバ103とコリメートレンズ106を介してパルス紫外線をウェハ表面に照射すると、ウェハ表面の被照射範囲は直径6cmの円形領域となる。伝播中の光損失を無視して、照射時間1.5μs間にウェハ表面で受ける光の強度は161mJ/s/cm2となる。ランプ加熱による付与熱量は、光強度の1/10程度(16.1mJ/s/cm2)であり、処理中プラズマからの熱量(500mJ/s/cm2)と比べると小さいため、ウェハ表面の温度はほとんど変わらない。これに対し、100mJのパワーで1secで連続照射すると、ウェハ表面に届く光の強度は41551mJ/s/cm2となり、ウェハ表面温度が上昇する恐れがある。よって、ウェハ表面温度を上昇せずに、着火に十分なエネルギーを与えるために、パルス紫外線を用いることが望ましい。
パルス紫外線とマイクロ波が伝播途中で損失が増大しないように、紫外線伝播に光ファイバ103を使うことが望ましく、更には処理室上にある天板107とシャワープレート119に石英製品を使うのが好ましい。
パルス変調された紫外線を用いて、プロセスガス及びウェハ表面のマイナス帯電領域を照射する際に、プラズマの着火改善効果を検証するため、上述のマイクロ波ECRプラズマ処理装置100を用いて、複数のレシピで着火改善確認実験を実施した。プラズマ着火改善効果を検証する実験のため、処理パターンを三種類（図５参照）、処理条件を二種類（表１，２参照）用意した。
上述のマイクロ波ECRプラズマ処理装置100を用いた確認実験において使用した三つの処理パターン(単にパターンともいう）を説明する。図５において、ESCは静電吸着電源の駆動電圧を意味する。図５（ａ）に示す処理パターン１において、被処理前のウェハを処理室114に搬送し、試料台113の電極の上に載せた状態で、まずESC電圧を印加してウェハを吸着させた後、プロセスガスを導入し、真空ポンプ(図略)によって所定の圧力に調整し、マグネトロン駆動により所定マイクロ波と磁場を導入しプラズマを着火させた。処理パターン１においては、パルス紫外線の照射は行わない。
一方、図５（ｂ）に示す処理パターン２において、被処理前のウェハを処理室114に搬送し、試料台113の電極の上に載せた状態で、まずESC電圧を印加してウェハを吸着させた後に、プロセスガスを導入し、真空ポンプ(図略)によって所定の圧力に調整し、更にパルス紫外線光源(102或いは115)を動作させ、次いでマグネトロン駆動により所定のマイクロ波と磁場を導入してプラズマを着火させた。
更に図５（ｃ）に示す処理パターン３において、被処理前のウェハを処理室114に搬送し、試料台113の電極の上に載せ、まずパルス紫外線光源(102或いは115)を動作させ、次いでESC電圧を印加してウェハを吸着させ、制御部111がその後プロセスガスを導入し、真空ポンプ(図略)によって所定の圧力に調整し、マグネトロン駆動により所定マイクロ波と磁場を導入しプラズマを着火させた。
上述のマイクロ波ECRプラズマ処理装置100を用いた確認実験用の二つの処理条件を説明する。
表１と表２に二種類の処理条件を示す。処理条件のパラメータはレシピと呼ばれ、表１，２に示すレシピに基づいた動作がなされる。レシピ１において、Cl2をプロセスガスとして用い、流量は150ml/minとし、ガス圧力とマイクロ波電力は、それぞれ0.5Paと1000Wに設定した。
Figure 0006913060
レシピ２においては、Cl2とCH3Fをプロセスガスとして用い、流量はそれぞれCl2が40ml/min、CH3Fが150ml/minとして、ガス圧力とマイクロ波電力は、それぞれ0.2Paと600Wに設定した。レシピ２はレシピ１よりガス圧力とマイクロ波電力が低く、比較的に着火し難しいとなっている。
Figure 0006913060
図６に、制御部111で行われる着火時間の判定と記録の処理フローをフローチャートで示す。図１の光検出器110にて処理室内の発光状況（発光レベル）を監視し、そのデータを制御部111に送る。ステップS01でパルス紫外線及び所定マイクロ波と磁場の導入を開始するとともに、制御部111がカウンタ（不図示）をスタートさせ、まずステップS02で、１０ｓのカウント時間が経過する前であると判断すれば（ステップS02でYes)、ステップS03で、制御部111にて発光データを分析する。発光レベルがある閾値を超えたら（ステップS03でYes)、制御部111はプラズマ着火と判定し、ステップS04で処理プロセスを開始するとともに、カウンタを止めて、そのカウント時間をプラズマ着火時間として記憶する。
一方、発光レベルがある閾値を超えなければ（ステップS03でNo)、フローをステップS02に戻して、パルス紫外線及び所定マイクロ波と磁場を導入し続けながら、カウントを続行し、ステップS03で制御部111が発光レベルを監視し続ける。
発光レベルの監視中に、制御部111がパルス紫外線及び所定マイクロ波と磁場の導入開始から、１０ｓのカウント時間が経過したと判断すれば（ステップS02でNo)、プラズマ着火に失敗したと判断して、ステップS05でエラーとみなす。かかる場合、制御部111はプラズマ着火時間を１０．１秒として記憶する。
［着火改善性及び照射方向依存性についての検討］
・図５（ａ）の処理パターン１（紫外線なし）、
・図５（ｂ）の処理パターン２(ただし、装置サイドにあるパルス紫外線光源115を使用し、側方から処理室114にパルス紫外線を入射させた)、
・図５（ｂ）の処理パターン２(ただし、装置上方にあるパルス紫外線光源102を使用し、上方から処理室114にパルス紫外線を入射させた)
という比較試験を行って、着火改善効果を確認した。
表１に示すように、処理パターン１で、Si(シリコン)ウェハに対してレシピ１の処理を１０回施したところ、１０回分の着火時間の平均値は1.13sであった。次に、処理パターン２で、Siウェハに対してレシピ１の処理を１０回施したところ、１０回分の着火時間の平均値は1.00sであった。最後に処理パターン２で、Siウェハに対してレシピ１の処理を１０回施したところ、１０回分の着火時間の平均値は0.64sであった。
以上の結果から、パルス紫外線を照射しない場合に比べ、照射した方がプラズマ着火性が向上することが分かった。また、パルス紫外線を側方から照射するより上方から（Siウェハとプロセスガスに向けて）照射する方が、着火性をさらに改善できることがわかった。
［着火改善性についての検討］
・図５（ａ）の処理パターン１（紫外線なし）、
・図５（ｃ）の処理パターン３(ただし、装置上方にあるパルス紫外線光源102を使用し、上方から処理室114にパルス紫外線を入射させた)
という比較試験を行って、着火改善効果を確認した。
表２に示すように、処理パターン１で、Siウェハに対してレシピ２の処理を１０回施したところ、１０回分の着火時間の平均値は4.67sであった。一方、処理パターン３で、Siウェハに対してレシピ２の処理を１０回施したところ、１０回分の着火時間の平均値は0.87sであった。
以上の結果から、レシピを変えても、パルス紫外線を照射しない場合に比べ、照射した方がプラズマ着火性が向上することが分かった。
以上の確認実験により、パルス紫外線を用いて、プロセスガスとウェハ表面のいずれに照射しても着火改善効果が見られることがわかった。また、二つの効果を重ねて最善の着火効果を出せるため、パルス紫外線光源を、ウェハの静電吸着前に動作させることが好ましい。これは、ウェハの静電吸着前に紫外線を照射することで、ウェハ上に飛び出す電子が増加するからである。
具体的には、以下の工程が望ましい。本実施の形態によるマイクロ波ECRプラズマ処理装置100において、まずパルス紫外線光源102を動作させて、パルス紫外線を照射し始める。次いで、被処理前のウェハ300を静電吸着電源112より試料台113に直流電圧をかけることによって静電吸着させる。その後プロセスガスを供給し、真空ポンプによって所定な圧力に調整する。そして、マグネトロン105から発生したマイクロ波とソレノイドコイル108から発生した磁場を処理室内に導入し、プラズマ着火を行う。プラズマ着火が起きると、その後はプラズマが連続して生成される。前述したプラズマにより、半導体ウェハに所定のプロセスが実施される。
また、上述の実施の形態では、電子サイクロトロン共鳴(ECR)をプラズマ生成手段として説明したが、これに限定されるものではなく、プロセスガスを励起する他のプラズマ放電手法にも適用できる。例えば容量結合プラズマ(CCP)、誘導結合プラズマ(ICP)、電磁誘導結合プラズマ(EMCP)などのプラズマ生成方式にも、本発明は適用できる。
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態における構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態における構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
１０１： 高周波電源、
１０２： パルス紫外線光源、
１０３： 石英光ファイバ、
１０４： 導波管、
１０５： マグネトロン、
１０６： コリメートレンズ、
１０７： 天板、
１０８： ソレノイドコイル、
１０９： プラズマ、
１１１： 制御部、
１１２： 静電吸着電源、
１１３： 試料台、
１１４： 処理室、
１１５： パルス紫外線光源、
１１６： ＬＡＮケーブル、
１１７： マイクロ波及び紫外線供給口、
１１８： プロセスガス供給源、
３００： ウェハ、
３０１： 内側電極基材、
３０２： 外側電極基材、
３０３： 溶射膜、
３０４： クーロン引力、
３０６： パルス紫外線、
４０１： パルス紫外線の照射位置、
４０３： ウェハ表面上の外側領域、
４０４： ウェハ表面上の中心領域

Claims (6)

  1. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、紫外線を照射する紫外線光源とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記高周波電力が前記処理室内へ供給される前、パルス変調された紫外線を前記処理室内へ照射させるように前記紫外線光源を制御する制御部をさらに備え、
    前記紫外線光源は、前記パルス変調された紫外線が前記試料へ照射されるように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 試料がプラズマ処理される処理室と、プラズマを生成するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記試料が載置される試料台と、紫外線を照射する紫外線光源とを備えるプラズマ処理装置において、
    前記高周波電力が前記処理室内へ供給されるとともにパルス変調された紫外線を前記処理室内へ照射させるように、前記高周波電源と前記紫外線光源を制御する制御部をさらに備え、
    前記紫外線光源は、前記パルス変調された紫外線が前記試料に照射されるように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
    前記試料台は、前記試料を静電吸着させるための直流電圧が印加される電極を具備し、
    前記制御部は、前記直流電圧が前記電極に印加される前、前記パルス変調された紫外線を前記処理室内へ照射させるように前記紫外線光源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
  4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置において、
    前記紫外線光源は、前記パルス変調された紫外線が前記試料台に静電吸着された試料の負の帯電領域へ照射されるように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
  5. 高周波電力により生成されたプラズマを用いて、試料を処理室内にて処理するプラズマ処理方法において、
    前記高周波電力を前記処理室内へ供給する前、パルス変調された紫外線を前記試料へ照射させることによりプラズマを生成することを特徴とするプラズマ処理方法。
  6. 高周波電力により生成されたプラズマを用いて、試料を処理室内にて処理するプラズマ処理方法において、
    前記高周波電力を前記処理室内へ供給するとともにパルス変調された紫外線を前記試料へ照射させることによりプラズマを生成することを特徴とするプラズマ処理方法。
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