JP7101546B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

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Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台の上面に戴置された試料を、当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、プラズマを形成しつつ試料台の内部に配置された電極に高周波電力を供給して試料の表面に予め形成された処理対象の膜層の処理を実施するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。
従来より、半導体デバイスを製造するために、プラズマを用いて半導体ウエハ等の基板状の試料上面に予め形成されたマスク層およびその下方に配置された処理対象の膜層を含む膜構造をエッチング処理して半導体デバイスの回路の構造を形成する加工が行われている。このようなエッチング処理の技術としては、例えば、処理室内の試料台内部に配置された電極に高周波電力を供給して試料台上面上に載せられて保持された試料の上面上方にバイアス電位を形成し、効率よくプラズマ中のイオン等荷電粒子を試料表面の処理対象の膜層に作用させることが一般的に行われている。
さらに、近年の素子集積度向上に伴い、微細加工の精度向上が要求されていると共に、半導体ウエハの面内方向についてエッチング処理の進行方向の速度（エッチングレート）をより均一にして当該ウエハの処理後に得られる加工結果としての膜構造の寸法のバラつきを低減してすることが求められている。
一方、上記試料の面内方向についての処理の分布は、処理室内に形成されるプラズマの密度や温度、あるいはプラズマ中に形成されるイオンが試料表面に入射する際のエネルギーの分布等の処理における複数の要素から影響を受けている。そこで、上記試料表面の処理のバラつきを低減するため、試料台内部の電極あるいはその上面上に載せられた試料の面内方向についての高周波電力の大きさとこれにより試料表面上方に形成されるバイアス電位の分布を適切に調節することが従来から考えられてきた。
このような技術の例としては、例えば、特開２００７－６７０３７号公報（特許文献１）に開示のものが知られていた。本従来技術では、略円筒形状を有した試料台の内部を上下の中心軸から半径方向について多重の同心状の領域に及び同心状の領域各々を周方向について中心から等しい角度の円弧状の複数の領域に分割し、各々の領域の温度や当該領域各々に配置された電極に供給される高周波電力の各々の電圧の振幅（ピークツーピーク、以下Ｖｐｐと称する）を独立に調節することによって、処理中における試料台の各領域の上方の試料の表面の処理の特性を個別に調節して試料の表面の面内方向について処理結果のバラつきを低減して均一性を向上させるものが開示されている。
一方、特許文献１のように、試料台内部の半径方向あるいは周方向について、複数の電極が隣接して配置された構成においては、これらの電極同士の間に浮遊静電容量が生起して等価な回路としてこれら電極同士がコンデンサで接続されたものとなる。このような構成では、一方の電極に供給された高周波電力の一部がコンデンサの浮遊静電容量を介して他方に流れて相互干渉が生じてしまい、一方の電極に整合器を介して反射電力が低減されて供給された高周波電力の大きさ、曳いては試料の処理の結果が所期のものからずれてしまうという問題が生じていた。
このような問題点を解決する技術として、プラズマ処理装置内部で隣接して配置された２つの電極の各々に整合器を介して高周波電力が接続され、これら高周波電力が供給される給電経路同士が所定のインダクタンスの大きさを有した誘導素子或いは誘導可変素子を介して電気的に接続され、浮遊静電容量により一方から他方の電極に流入する高周波電力の電流が位相の異なる誘導素子の複素電流により打ち消されることで、電極間の相互干渉を抑制できるものが考えられていた。このような従来技術の例は、例えば、特開２００５－７１８７２号公報（特許文献２）に開示されたものが知られていた。
特開２００７－６７０３７号公報 特開２００５－７１８７２号公報
しかしながら、上記従来技術では、以下の点について考慮が不十分であったため問題が生じていた。
すなわち、特許文献１では、分割された電極の隣接するもの同士の間に発生する浮遊静電容量に起因する相互干渉の影響により、これら電極のＶｐｐの差は所期のものからズレたものとなってしまう。例え、当該ズレの分だけ補正した電圧の大きさとなるように調節するよう高周波電力を給電しようとしても、これらの浮遊静電容量の大きさは、複数の試料台あるいは同じ試料台の隣接する２つの電極の対の複数のもの同士の間でも異なってしまうため、各々の浮遊静電容量に合わせて電極個々に電圧が調節されるように校正するには作業の量と時間とが大きくなり、プラズマ処理装置を設置し運転する上での効率が損なわれてしまう。
一方、特許文献２では隣接する２つ電極各々に供給される電力のＶｐｐを所期のものに近づけることは出来るものの、各々の電極に接続された２つの電源各々が同時刻で出力する実使用の条件において出力される電力値を精度良く調節する上で問題が生じていた。例えば、近年の半導体デバイスを製造するための半導体ウエハ等試料のエッチング処理においては、試料の処理中に試料台内部の電極に供給される高周波電力は、所定の期間だけより大きな所定の値の電圧または電流を供給した後に続いて別の所定の期間だけより小さな別の所定の値の電圧または電流を供給又は零にする動作を１つのサイクルとして当該サイクルを複数回繰り返すことで、試料上面上方に形成されるバイアス電位を周期的に変化させて試料の処理の精度を向上させることが行われている。
また、１つのサイクルの高周波電力の電圧または電流値が大きな期間と小さい又は零である期間との比（所謂、デューティ比）や各々の期間の電圧または電流の比等の給電上のパラメータを処理の条件に応じて適切に調節する、さらには２つの隣接する電極同士で異ならせることによって、試料の径方向あるいは周方向について所望のバイアス電位の等電位面の高さの分布を形成し、処理の精度を向上させることが可能となる。
特許文献２の構成において上記の周期的に高周波電力の大きさを変動させて供給する場合、一方の電源のみから高周波電力が出力される状態では、試料上面の処理対象の膜層のエッチング速度に影響を与えてしまう。さらには、これら電極に供給されプラズマ処理装置内部の試料台上方の空間に形成されるプラズマと結合した高周波電力が一方の電源のみから出力されている場合と両方の電源から出力されている場合とでは、試料上面上方のバイアス電位の分布およびプラズマの電位やイオンの分布等の条件が異なるため、給電回路の間に配置された誘導素子の適切な値も異なるものとなり、電極各々での高周波電力のＶｐｐが所期のものからのズレが大きくなってしまう。このため、試料の処理の歩留まりが損なわれてしまうという問題について、上記の従来技術では考慮されていなかった。
本発明の目的は、試料のエッチング処理の均一性、ひいては歩留まりを向上させ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にある。
上記目的は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台の上面上方に載せられたウエハを当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法であって、前記試料台中央部及びその外周側の領域に配置された複数の電極各々に高周波電力を供給する複数の高周波電源と前記複数の電極及び高周波電源の各々の間を電気的に接続する複数の給電用の経路上の整合器と前記電極との間の箇所同士をコイルを介して電気的に接続する接続経路の前記コイルのインダクタンスを前記給電用の経路を流れる高周波電力の位相差の大きさに応じて前記高周波電力の電圧が極大または極小となるように調節するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法により達成される。
本発明によれば、試料のエッチング処理の均一性、ひいては歩留まりを向上させるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供できる。
本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の波形検出器の内部回路と内部ブロックを示す図である。 図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の制御部による動作の流れを示すフローチャートである。 図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の制御部からの指令信号に基づいた別の動作の流れを示すフローチャートである。
以下、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
本発明の実施例を図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例のプラズマ処理装置は、真空容器の内部に配置された処理室にプラズマを形成するための電界及び磁界を供給し、この電界と磁界との相互作用により電子の運動を共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＥＣＲ）させることで効率よくプラズマを生成し、処理室内に配置された半導体ウエハ等の基板状の試料の上面に予め形成されたマスク層とその下方に積層された処理対象の膜層とを含む膜構造の当該処理対象の膜層をエッチング処理する、プラズマエッチング装置である。
本実施例のプラズマ処理装置１００は、内部に円筒形状の処理室１０３を有する真空容器１０１と、真空容器１０１の上方及び少なくとも一部が円筒形状を有した真空容器１０１の側壁の外側の周囲に、処理室１０３内部にプラズマを形成するために供給される電界及び磁界を形成するプラズマ形成部と、真空容器１０１下面の下方に連結され処理室１０３の内部を排気するターボ分子ポンプ及び粗引き用のロータリーポンプ等の真空ポンプを有する真空排気部（図示省略）とを備えている。本実施例において、処理室１０３は少なくとも上部の一部が円筒形状を有した空間であって、当該円筒形状部分の上方には、例えば電界が透過可能な石英等の誘電体製で円板形状を有した誘電体窓１０２が真空容器１０１の上部を構成して配置されている。誘電体窓１０２は図示しないＯリング等のシール部材を間に挟んで真空容器１０１の側壁上部の面と連結され処理室１０３の内外を気密に封止している。さらに、誘電体窓１０２の下面下方には、処理室内に供給される処理用のガスが導入される貫通孔であるガス導入孔が複数配置された円板状のシャワープレートが配置され、処理室１０３の上方を覆ってその天井面を構成している。
誘電体窓１０２を挟んで処理室１０３の上方には、プラズマを生成するための電界を処理室１０３に供給するための導波管１０４が配置されている。本実施例の導波管１０４は、誘電体窓１０２を底面とするその上方の円筒形の空洞部上方に配置され空洞部より径が小さい断面が円形の下端部がこれと連結した円筒形を有した円形導波管部と当該円形導波管部の上端部に端部が連結され断面が矩形又は方形を有して水平方向にその軸が延在した方形導波管部とを備えている。
尚、本実施例に係るプラズマ処理装置１００の動作は、電界の周波数によって特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚのマイクロ波が使用される。処理室１０３内にプラズマを生成するためのマイクロ波帯の電界は、方形導波管部の別の端部に配置された高周波電源であるマグネトロン電源１０５より発振されて形成され、方形導波管部を通り円形導波管部を下方に向けて伝播して空洞部を通って誘電体窓１０２を透過し処理室１０３に供給される。供給される。
処理室１０１内に供給される磁界を形成するソレノイドコイル１０６が処理室１０１の上方及び側方の外側に処理室１０１を囲んで配置されている。ソレノイドコイル１０６は直流電流が供給されることにより磁界が形成される。処理室１０３内に供給された導波管１０４からのマイクロ波の電界とソレノイドコイル１０６により形成された磁界との相互作用により生起されたＥＣＲによって、処理室１０３内にガス導入孔から導入された処理用のガスの原子又は分子が励起し、解離、電離して処理室１０３内に高密度のプラズマが形成される。
処理室１０３内のプラズマが形成される空間の下方には、円筒形状を有して試料が載置される試料台である試料戴置用電極１０７が配置されており、酸化アルミニウムあるいは酸化イットリウム等のセラミクスから構成された誘電体製の膜に覆われた試料戴置用電極１０７上面上に試料であるウエハ１０８が配置されて保持される。
本実施例では、ウエハ１０８は円板またはこれと見做せる程度に近似した形状を有し、ウエハ１０８及び円筒形状を有した試料戴置用電極１０７及び処理室１０３は、ウエハ１０８のエッチング処理のレートと処理後の形状のウエハ１０８の中心からの径方向あるいは周方向についてのバラつきを低減して処理の特性の分布を均一に近づけて向上させるため、これらの上下方向の軸は合致またはこれと見做せる程度に近似した位置にされている。処理室１０３の上方および側方の外周を囲んで配置されたソレノイドコイル１０６についても同様である。
ウエハ戴置用電極１０７の上面を覆う誘電体膜の内部には、直流の電力が供給される複数の膜状の電極が配置され、これらは溶射によって形成される。複数の膜状の電極に供給された直流の電力により、その電極の上方に配置された誘電体膜の部材とその上方に載せられたウエハ１０８との間に直流の電力に応じて対応する電荷が形成され、当該電荷から形成される静電気力によりウエハ１０８は誘電体膜に向けて吸着され保持される。
本実施例のこれら膜状の吸着用電極は、誘電体膜内に複数個配置されて少なくとも２つの吸着用電極は各々が異なる直流電源に電気的に接続されて、これら直流電源各々からの電力により異なる極性が付与されてウエハ１０８を誘電体膜上に静電吸着する。本実施例においてこのような膜状の吸着用電極の数あるいは形状については特に制限されないが、本例のプラズマ処理装置１００は、ウエハ１０８または誘電体膜に覆われた試料載置電極１０７上面の中心側に配置され上方から見て円板状またはリング状の上面形状を有した中心側電極１０９と当該中心側電極１０９の外周側でこれを囲んでリング状に配置された外周側電極１１０とを備えている。
上記本実施例のプラズマ処理装置１００は、その真空容器１０１の側壁に図示しない別の真空容器であって所定の真空度まで減圧された内部の搬送室を処理対象のウエハ１０８が搬送される真空搬送容器が、処理室１０３と搬送室とを連通可能に連結されている。真空容器１０１の側壁及びこれに連結される真空搬送容器の側壁には、両者が連結された状態で各々の内部の処理室１０３と搬送室との間でウエハ１０８が搬送される通路であるゲートを構成する貫通孔が配置されている。さらに、搬送室内にはゲートの開口の周囲の内側側壁と当接してゲートの通路内と搬送室内部との間を気密に封止、および内側側壁から開離して上または下に移動してゲート内部を開放して搬送室内と連通するゲートバルブが備えられている。
真空搬送容器の搬送室内に配置された図示しないロボットアーム等のウエハ搬送用機器のアームの先端部に載せられた処理対象のウエハ１０８は、アームの伸長によってゲートバルブが開放したゲート内部を通り処理室１０３内の試料載置電極１０７上方まで搬入される。ウエハ１０８は試料載置電極１０７内部に収納された複数のピンが試料載置電極１０７上方に移動することでこれらピン先端上受け渡され、アームが収縮して処理室１０３外に退室した後に再度複数のピンが下方に移動して試料載置電極１０７内に収納されることで試料載置電極１０７上面の誘電体膜に載せられる。
この後、ゲートが再度ゲートバルブにより封止され処理室１０３内が密封されると、処理室１０３内部がより高い真空度まで減圧された後、ウエハ１０８が誘電体膜上に静電吸着されて保持されるとともに、処理室内に処理用のガスが導入され、処理室１０３内部がプラズマ形成と処理の開始に適した圧力に維持される。導波管１０４からの電界及びソレノイドコイル１０６で形成された磁界が処理室１０３内に供給されてＥＣＲが生起されて、処理用のガスが励起、解離または電離して処理室内に当該ガスを用いたプラズマが形成される。試料載置電極１０７内に配置された中心側電極１０９及び外周側電極１１０に高周波電力が供給されることでウエハ１０８上面上方に形成されたバイアス電位とプラズマ中の電位との電位差に応じてプラズマ中のイオン等の荷電粒子がウエハ１０８上面に誘引され衝突してウエハ１０８上面に予め形成された膜構造の処理対象の膜層のエッチング処理が進行する。
図示しない終点判定器の動作に基いてウエハ１０８のエッチング処理の終点への到達が検出されると、電界及び磁界の供給が停止されプラズマが消化された後、試料載置電極１０７に対する高周波電力の供給が停止されエッチング処理が停止される。ウエハ１０８の静電吸着が解除された後、ウエハ１０８が試料載置電極１０７上面から複数のピンの上方への移動により離間され上方に持ち上げられた状態でゲートバルブが開放したゲート内を通り再度ロボットアームのアームが処理室１０３内に進入してウエハ１０８がアーム先端に受け渡される。当該アームの収縮に伴う処理室１０３からのウエハ１０８の搬出後は、次の処理対象のウエハ１０８が在る場合には当該ウエハ１０８が処理室１０３内に搬入されて上記の動作が行われ、処理対象のウエハ１０８が無い場合には当該プラズマ処理装置１００の半導体デバイスを製造するためのウエハ１０８を処理する運転が停止される。
尚、本実施例においては、上記プラズマ処理装置１００のマグネトロン１０５やソレノイドコイル１０６、試料載置電極１０７内部の電極やピン、或いは後述するBIAS電位形成用の高周波バイアス供給回路や、終点判定器やロボットアーム等の図示しない機器の動作の各々は、プラズマ処理装置１００の制御部１１９から発信される指令信号に基いて行われる。制御部１１９は、これらの機器との間で信号を送受信可能に接続されている。本実施例の制御部１１９は、これらの信号を授受するインターフェース部と受信した信号を格納して記憶する記憶装置部と当該記憶装置部に格納されたソフトウエア記載のアルゴリズムに基づいて信号が示すデータあるいは記憶装置部に記憶されたデータから別のデータ或いは指令信号を算出するＭＰＵ等の演算器部とを備え、これらインターフェース部、記憶装置部、演算器部は各々通信可能に電気的に接続されている。制御部１１９は、これを構成するインターフェース部、記憶装置部、演算器部の各々が半導体デバイスや回路として異なる箇所に配置され通信路で相互に接続された構成であっても良く或いはこれらのインターフェース部、記憶装置部、演算器部と通信路が内部に収納された単一の半導体デバイスとして構成されていても良い。
プラズマ処理装置１００の試料載置電極１０７上面を構成する誘電体膜に内蔵されて配置された中心側電極１０９及び外周側電極１１０は、各々第１の高周波バイアス電源１１２を含む第１の高周波バイアス供給回路１２１および第２の高周波バイアス電源１１３を含む第２の高周波バイアス供給回路１２２に電気的に接続されている。すなわち、中心側電極１０９には、ウエハ１０８の中心側部分上方にバイアス電位を形成する高周波バイアス電力を供給する第１の高周波バイアス電源１１２と、印加される電圧を分圧して電圧波形信号として出力する第１の波形検出器１１６と、中心側電極１０９とのインピーダンス整合を行う第１の自動整合器１１４とが、給電経路を構成する同軸ケーブル及びその両端のコネクタ部により順次接続された第１の高周波バイアス供給回路１２１に接続されている。外周側電極１１０には、ウエハ１０８の外周側部分上方にバイアス電位を形成する高周波電力を供給する第２の高周波バイアス電源１１３と、印加される電圧を分圧して電圧波形信号として出力する第２の波形検出器１１７と、外周側電極１１０とのインピーダンス整合を行う第２の自動整合器１１５とが、給電経路を構成する同軸ケーブル及びその両端のコネクタ部により順次接続された第２の高周波バイアス供給回路１２２に接続されている。
ここで、第１の高周波電源１１２と第２の高周波電源１１３は、各々接地電位にされた電極に接続されている。さらに、第１の高周波電源１１２と第２の高周波電源１１３はクロック発生器１１１と通信可能に接続され、クロック発生器１１１から所定の周期で出力されたクロック信号を受信してこれに同期して所定の大きさの高周波バイアス電力を出力する。なお、本実施例の効果は、バイアス電位形成用の高周波電力の周波数に限定されないが、本実施例では４００ｋＨｚの高周波電力が用いられる。
第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２とは、各々を構成する自動整合器と波形検出器との間の給電経路同士の間に配置されこれらを接続する電極間回路１１８によって電気的に分離されている。本実施例の電極間回路１１８は制御部１１９と電気信号を通信可能に接続され、制御部１１９から発信されたコイル調整信号に応じてそのインダクタンス値を可変に調節可能に構成された可変インダクタンスコイルを備えた回路である。
第１の高周波バイアス供給回路１２１において第１の波形検出器１１６を介して中心側電極１０９に供給される電圧の値は、電極間回路１１８を挟んだ第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２の電気的な分離が理想的に実施されている場合には、第１の高周波バイアス電源１１２から出力される電圧の値と等しくなる。しかし、電気的分離が理想的でない場合には、第１の高周波バイアス電源１１２のみが出力している状態におけるポジション１２３での電圧と第２の高周波バイアス電源１１３のみが出力している場合のポジション１２３での電圧とが重ね合わせられた値となる。本実施例のポジション１２３は、第１の高周波バイアス供給回路１２１の自動整合器１１４と波形検出器１１６との間の給電経路上の箇所であって、電極間回路１１８に接続された別の同軸ケーブルが本給電経路と接続された箇所である。
上記電気的分離が理想的でない状態で第１の高周波バイアス電源１１２の出力の電圧値と第１の波形検出器１１６で検出された電圧値との位相差が－９０度乃至９０度の範囲内のものである場合には、重ね合わせの結果から、第１の波形検出器１１６の検出された電圧値は第１の高周波バイアス電源１１２の出力の電圧値より大きくなる。つまり、電極間回路１１８を挟んだ第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２との電気的分離が理想的である状態では、第１の波形検出器１１６で検出される電圧は極小値として第１の高周波バイアス電源１１２の出力電圧と等しい値をとる。一方、電気的分離が理想的でない状態で位相差が９０度乃至１８０度または－９０度乃至－１８０度の範囲内である場合は、極大値として第１の高周波電源１１２の出力電圧に等しい値をとる。
また同様に、第２の高周波バイアス供給回路１２２において第２の波形検出器１１７を介して外周側電極１１０に供給される電圧は、電極間回路１１８を挟んだ第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２の電気的な分離が理想的に実施されている場合には、第２の高周波バイアス電源１１３から出力される電力の電圧値と等しくなり、電気的な分離が理想的にされていない場合には、第２の高周波バイアス電源１１３のみが出力している状態におけるポイント１２４での電圧値と第１の高周波バイアス電源１１２のみが出力している場合のポジション１２４での電圧とが重ね合わせられた値となる。本実施例のポジション１２４は、第２の高周波バイアス供給回路１２２の自動整合器１１５と波形検出器１１７との間の給電経路上の箇所であって、電極間回路１１８に接続された別の同軸ケーブルが本給電経路と接続された箇所である。
そして、上記電気的分離が理想的でない状態で第２の高周波バイアス電源１１３が出力する電力の電圧値と第２の波形検出器１１７で検出された電圧値との位相差が－９０度乃至９０度の範囲内である場合には、第２の波形検出器１１７で検出される電圧値は、第２の高周波電源１１３の出力する電力の電圧値よりも大きくなり、電極間回路１１８を挟んだ第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２との電気的分離が理想的である状態では、極小値として第２の高周波バイアス電源１１３の出力電圧と等しい値となる。さらに、当該位相差が９０度乃至１８０度または－９０度乃至－１８０度の範囲内である場合は、極大値として第２の高周波電源１１３の出力する電力の電圧値と等しい値をとる。
そこで、第１の高周波電源１１２の出力する電力の電圧値と第１の波形検出器１１６で検出された電圧値との位相差の大きさに応じて、第１の波形検出器１１６で検出される電圧のＶｐｐの大きさが極小値もしくは極大値になるように電極間回路１１８のインダクタンス値を調節することにより、第１の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２との間の電気的な分離が、第１の高周波バイアス電源１１２及び第２の高周波バイアス電源１１３の各々からの高周波電力の出力同士の間の相互の影響が無くされた理想的なものに近づけることが出来る。また、第２の高周波電源１１３の出力する電力の電圧値と第２の波形検出器１１７で検出された電圧値との位相差の大きさに応じて、第２の波形検出器１１７で検出される電圧のＶｐｐの大きさが極小値もしくは極大値になるように電極間回路１１８のインダクタンス値を調節することにより、第２の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２との間の電気的な分離が、第１の高周波バイアス電源１１２及び第２の高周波バイアス電源１１３の各々からの高周波電力の出力同士の間の相互の影響が無くされた理想的なものに近づけることが出来る。
次に、図２および図３を用いて本実施例における２つの高周波バイアス供給回路の高周波電力の供給を調節する動作について詳細に説明する。
図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の高周波バイアス供給回路内部の回路の構成の概略を模式的に示す回路及びブロック図である。図２においては、第１の波形検出器１１６、第２の波形検出器１１７および制御部１１９の内部の構成を回路図およびブロック図として示している。
中心側電極１０９には第１の高周波バイアス供給回路１２１が接続され、その内部の第１の高周波バイアス電源１１２と中心側電極１０９との間の給電経路上に第１の自動整合器１１４と第１の波形検出器１１６とがこの順で配置され電気的に接続されている。外周側電極１１０には第２の高周波バイアス供給回路１２２が接続され、その内部の第２の高周波バイアス電源１１３と外周側電極１１０との間の給電経路上に第２の自動整合器１１５と第２の波形検出器１１７とがこの順で配置されて電気的に接続されている。第一の高周波バイアス供給回路１２１と第２の高周波バイアス供給回路１２２の給電経路同士の間に電極間回路１１８が両者と接続されて配置されている。電極間回路１１８は受信した制御部１１９からのコイルインダクタンス調整信号に基いて内部に配置された可変誘導コイルのインダクタンス値を調整する動作を行う。
さらに、第１の高周波バイアス電源１１２と第２の高周波バイアス電源１１３との各々はクロック発生器２１１から所定の周期で出力されるパルス状のクロック信号に同期した時刻に各々が所定の周波数の高周波バイアス電力を出力する。本実施例の第１の高周波バイアス電源１１２、第２の高周波バイアス電源１１３は各々が、ウエハ１０８の処理中に、クロック信号に応じて所定の大きさの振幅で連続して出力する１つの期間およびこれより小さい振幅で連続して出力するあるいは出力を零にする１つの期間との組合せを１つのサイクルとしてこれを複数回繰り返して高周波電力を出力する。すなわち、振幅が所定値にされる期間及びこれに続くこれより小さい値または零にされる期間は各々がクロック信号の周期の整数倍に予め定められている。なお、これら高周波バイアス電源各々が出力する高周波電力は、２つの期間の長さ、あるいは電圧または電流値の振幅が同じでなくとも良く、求められるウエハ１０８のエッチング処理の条件に応じてプラズマ処理装置１００の使用者により適切に選択される。
ウエハ１０８の処理中の任意の時刻において、第１の高周波バイアス電源１１２と第２の高周波バイアス電源１１３の一方または両方が高周波バイアス電力を大きい振幅で出力している状態で、第１の波形検出器１１６及び第２の波形検出器１１７は各々で高周波バイアス電力の電圧値を分圧し電圧波形信号として制御部１１９に対して出力し続けている。本実施例では、後述する制御部１１９での演算には、第１の波形検出器１１６から出力される電圧波形信号と第２の波形検出器１１７から出力される電圧波形信号の何れを用いてもよい。本実施例では後述の制御部１１９内部の指令信号の演算に第１の波形検出器１１６から出力された電圧波形信号を用いる例を示す。
図２に示すように、制御部１１９は、第１の波形検出器１１６及び第２の波形検出器１１７からの電圧値を示す出力を受信して第１の高周波バイアス回路１２１及び第２の高周波バイアス回路１２２の各々を介して中心側電極１０９、外周側電極１１０の各々に供給される高周波電力の位相差を検出する位相差検出制御部２２０と、この位相差検出制御部２２０からの位相差を示す信号を受信して当該位相差の大きさが何れの範囲に属するかを判定しその結果に応じて次の動作のフローを選択するループ選択部２２１とを備えている。また、位相差検出制御部２２０はクロック発生器１１１と通信可能に接続され、クロック発生器１１１から発信されたクロック信号を受信する。
さらに、ウエハ１０８の処理中の任意の時刻に対応して第１の波形検出部１１６または第２の波形検出部１１７から出力された電圧値を示す信号を受信して振幅（ピークツーピーク、Ｖｐｐ）の大きさを検出するＶｐｐ検出部２２２と、検出されたＶｐｐの値を示すデータ信号を内部のＲＡＭあるいはＲＯＭ等のメモリやＣＤ－ＲＯＭドライブ等の記憶媒体内に記憶して保存するＶｐｐ保存部２２３と、Ｖｐｐ保存部２２３に保存された処理中の異なる時刻に対応するＶｐｐの値を比較して差分を検出して出力するＶｐｐ比較部２２４とを備えている。さらにまた、Ｖｐｐ比較部２２４からの出力を受けて電極間回路１１８のインダクタンス値を指示する信号を発信するコイル調整部２２５とを備えている。Ｖｐｐ比較部２２４はＶｐｐ検出部２２２と通信可能に構成され、Ｖｐｐ検出部が検出して出力した処理中の任意の時刻に対応する電圧の値を示す信号を受信する。
なお、図２に示す本実施例では、制御部１１９の内部で送受信される信号の流れに沿って順次実施される異なる動作各々が複数のブロックとして表示されており、各々のブロックの動作が異なる箇所の異なるデバイスや機器で実施されても良い。或いは、１つの半導体デバイスの内部の１つの演算器が制御部１１９内の記憶装置内に予め格納され保存されたソフトウエアを読み出してそのアルゴリズムに沿って各々のブロックの動作の目的のデータや指令信号を算出し、算出した結果を信号記憶装置に送信して記憶させ、記憶されたデータを次のブロックの動作に対応するソフトウエアのアルゴリズムに沿って読み出した演算器が当該次のブロックの動作の目的のデータや指令信号を算出することで、制御部１１９によるプラズマ処理装置１１０の各々の動作の制御が実施されても良い。
次に、本図と図３と併せて制御部１１９からの指令信号に基づく本実施例のプラズマ処理装置１００の動作の流れについて説明する。図３は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の制御部からの指令信号に基づいた動作の流れを示すフローチャートである。
なお、本実施例の第１の波形検出器１１６および第２の波形検出器１１７の各々は、ウエハ１０８の処理中は予め定められた時間の間隔をサンプリング周期として当該周期毎の時刻で各々の給電経路の高周波電力の電圧あるいは電流の波形を検出するように構成されている。以下に説明する本実施例に係るプラズマ処理装置１００の動作は、上は０８の処理の開始前あるいは開始後の検出を開始する時刻からのサンプリングの間隔毎の時刻ｔｎにおいて検出される高周波電力に基いたものである。
まず、制御部１１９では、位相差検出部２２０が第１の波形検出器１１６から出力されるウエハ１０８処理中の期間の任意の時刻ｔｎに対応した高周波電力の電圧の波形を示す信号とクロック発生器１１１から出力されたクロック信号とを受信し、受信した２つの信号から高周波電力のサイクルの基準となるクロック信号と第１の波形検出器１１６からの第１の高周波バイアス供給回路１２１から中心側電極１０９に供給される高周波電力の位相差δΦ＝ΦＶ１－ΦＲＦ１を算出する（ステップ３０１）する。なお、時刻ｔｎは、検出開始時刻から繰り返される検出の回数を示す符号ｎに対応するサンプリング周期毎の時刻を示している。
ループ選択部２２１では、位相差検出部２２０から出力されたδΦを示す信号を受信して、位相差δΦが－９０度乃至９０度の範囲（第１の範囲）内であるかが判定される。ループ選択部２２１では、位相差δΦが第１の範囲内にあると判定した場合には第１の波形検出器１１６から出力される電圧の波形を示す信号の振幅であるＶｐｐの値が極小値となるように電極間回路１１８の回路定数を調節する一連の動作の流れであるループ制御３１３が選択され、位相差δΦが－９０度乃至９０度の第１の範囲内ではないと判定された場合（９０度乃至１８０度あるいは－９０度乃至－１８０度の第２の範囲内である場合）には、第１の波形検出器１１６から出力される波形を示す信号のＶｐｐが極大値となるように電極間回路１１８の回路定数を調節する一連の動作の流れであるループ制御３１４（図上Ａで表示）が選択される（ステップ３０２）。
以下に、ループ制御３１３が選択された場合について説明を行う。尚、第１の波形検出器１１６により検出された処理中の任意の時刻ｔｎに対応した高周波電力の電圧の波形のデータを用いてステップ３０２において選択されたループ制御の動作が行われている間も、当該任意の時刻ｔｎの次のサンプリング間隔後の時刻以降の周期においても制御部１１９のステップ３０１及びステップ３０２による位相差δΦの検出とこの値に応じたループ選択との動作は行われている。制御部１１９は、ステップ３０２において任意の時刻ｔｎに対応する位相差δΦの大きさ第１及び第２の範囲の属否について判定の結果が１検出周期前の時刻ｔｎ－１のものから変化したことが検出された場合には、これに対応して、時刻ｔｎ－１に対応する位相差δΦの判定の結果に応じたループ制御と異なるループ制御を選択してその動作を行う。
ループ制御３１３において、制御装置１１９は、まずＶｐｐ検出部２２２において第１の波形検出部１１６から出力されたウエハ１０８の処理中の任意の時刻ｔｎに対応する電圧の波形を示す信号を受信して、その振幅の値Ｖｐｐを検出してこれを示す信号をＶｐｐ保存部２２３に格納させ記憶させる。この際、制御部１１９は、まず、ステップ３０３において、時刻ｔｎ－１に対応する高周波電力の電圧の振幅Ｖｐｐ（ｎ－１）がＶｐｐ保存部２２３に格納されているかを判定する（ステップ３０３）。この際、格納されていると判定された場合には後述するステップ３０８に移動する。一方、格納されていないことが検出されると、制御部１１９の演算器は位相差検出部２２２に指令信号を発信して、第１の波形検出器１１６時刻からの波形のデータから時刻ｔｎ－１に対応する高周波電力の電圧の振幅Ｖｐｐを検出させ（ステップ３０４）、Ｖｐｐ保存部２２３に送信された当該Ｖｐｐの値を示す信号をＶｐｐ（ｎ－１）として保存させ格納させる（ステップ３０５）。
さらに、演算器では、当該時刻ｔｎに対応して電極間回路１１８内部の可変インダクタンスコイルのインダクタンスを変動させる単位量としてのΔＶＬ（ｎ）の値を示すデータが制御部１１９内の記憶装置部内に記憶され格納されているかを判定する（ステップ３０６）。格納されていると判定された場合には、次のステップ３０８に移行する。一方、格納されていないことが判定されると、ステップ３０７に移行して、所定の値δを上記インダクタンスを変動させる単位量として記憶して格納するように記憶装置に発信する。
次に、制御部１１９は、ステップ３０８において、電極間回路１１８に指令信号を発信して、内部の可変インダクタンスコイルのインダクタンスを値ΔＶＬ（ｎ）だけ変動させる。さらに、可変インダクタンスコイルのインダクタンスが変動したことが検出された後、Ｖｐｐ検出部２２２に指令信号を発信して、時刻ｔｎに対応する高周波電力の電圧の波形信号から振幅Ｖｐｐを検出する（ステップ３０９）。検出された振幅Ｖｐｐを示す信号はＶｐｐ保存部２２３に出力され当該Ｖｐｐ保存部２２３において当該信号が示すＶｐｐの値を示すデータがＶｐｐ（ｎ）として記憶され格納される（ステップ３１０）。
次に、Ｖｐｐ検出部２２２において検出されて出力された振幅Ｖｐｐ（ｎ）となる信号はＶｐｐ比較部２２４に送信され、さらに、ステップ３１１において、Ｖｐｐ保存部２２３に格納されたＶｐｐ（ｎ－１）のデータを示す信号がＶｐｐ比較部２２４に送信されて受信される。Ｖｐｐ比較部２２４では、これらの信号の差分であるＶｐｐ（ｎ）－Ｖｐｐ（ｎ－１）が算出されて、その大きさが所定の範囲内に属するか否かが判定される。本実施例では、Ｖｐｐ（ｎ）－Ｖｐｐ（ｎ－１）が０以下であるか否かが判定される。
コイル調整部２２５は、Ｖｐｐ比較部２２４でのステップ３１１に係る判定の結果を示す信号を受信し、当該信号に応じてコイル調整信号を電極間回路２１８に送り電極間回路２１８の可変インダクタンスコイルのインダクタンス値を増加または低減させる。すなわち、Ｖｐｐ比較部２２４からの信号が示す差分の値が０以下か否かの判定の結果、０以下の範囲に属すると判定された場合には、ステップ３０８に戻って、可変インダクタンスコイルのインダクタンス値をΔＶＬ（ｎ）だけ変動させる。この後、ステップ３０９乃至３１１を繰り返す。
一方、当該差分の値が０より大きいと判定された場合には、ステップ３１２に移行する。ステップ３１２では、可変インダクタンスコイルのインダンクタンス値を増減させる方向を逆にすると共に当該方向を逆にされた変動の単位量の絶対値の大きさを所定の割合ほど小さくして新たにΔＶＬ（ｎ）として格納する。この後、コイル調整部２２５は、ステップ３０８に移行して可変インダクタンスコイルに指令信号を発信して駆動しインダクタンス値を変動させた後に、上記と同様にステップ３０９乃至３１１を繰り返す。
ステップ３０２において、位相差δΦが－９０度乃至９０度の第１の範囲内ではないと判定された場合（９０度乃至１８０度あるいは－９０度乃至－１８０度の第２の範囲内である場合）に選択される、第１の波形検出器１１６から出力される波形を示す信号のＶｐｐが極大値となるように電極間回路１１８の回路定数を調節する一連の動作の流れであるループ制御３１４における動作を、図４を用いて以下に説明する。図４は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の制御部からの指令信号に基づいた別の動作の流れを示すフローチャートである。
ループ制御３１４においても図３に示すループ制御３１３と同様の流れに沿って一連の動作が行われる。まず、制御装置１１９は、Ｖｐｐ検出部２２２において第１の波形検出部１１６から出力されたウエハ１０８の処理中の任意の時刻ｔｎに対応する電圧の波形を示す信号を受信して、その振幅の値Ｖｐｐを検出してこれを示す信号をＶｐｐ保存部２２３に格納させ記憶させる。この際、制御部１１９は、まず、ステップ４０１において、Ｖｐｐ（ｎ－１）がＶｐｐ保存部２２３に格納されているかを判定する（ステップ４０１）。この際、格納されていると判定された場合には後述するステップ４０６に移行し、一方、格納されていないことが検出されると、制御部１１９の演算器からの指令信号に沿って、時刻ｔｎ－１に対応する高周波電力の電圧の振幅Ｖｐｐが検出され（ステップ４０２）、Ｖｐｐ保存部２２３に送信された当該Ｖｐｐの値を示す信号がＶｐｐ（ｎ－１）として保存され格納される（ステップ４０３）。
さらに、演算器では、当該時刻ｔｎに対応する電極間回路１１８の可変インダクタンスコイルのインダクタンス値を変動させる単位量ΔＶＬ（ｎ）のデータが記憶され格納されているかを判定し（ステップ４０４）、格納されている場合には、次のステップ４０６に移行する一方で、格納されていない場合にはステップ４０５に移行して、所定値δをΔＶＬ（ｎ）として格納させる。
次に、ステップ４０６において、電極間回路１１８内部の可変インダクタンスコイルのインダクタンスが値ΔＶＬ（ｎ）だけ増加または低減される。さらに、Ｖｐｐ検出部２２２において時刻ｔｎに対応する高周波電力の電圧の振幅Ｖｐｐが検出される（ステップ４０７）。検出された振幅Ｖｐｐの値はＶｐｐ保存部２２３においてＶｐｐ（ｎ）として記憶され格納される（ステップ４０８）。
次に、振幅Ｖｐｐ（ｎ）の値がＶｐｐ比較部２２４において、Ｖｐｐ保存部２２３に格納されたＶｐｐ（ｎ－１）の値と比較され、これらの値の差分であるＶｐｐ（ｎ）－Ｖｐｐ（ｎ－１）が算出されて、その大きさが所定の範囲内に属するか否かが判定される（ステップ４０９）。ループ制御３１４では、Ｖｐｐ（ｎ）－Ｖｐｐ（ｎ－１）が０以上か否かが判定される。
コイル調整部２２５では、Ｖｐｐ比較部２２５での判定の結果、差分の値が０以上であると判定された場合にはステップ４０６に戻って、可変インダクタンスコイルのインダクタンス値をΔＶＬ（ｎ）だけ変動させる。この後、ステップ４０７乃至４０９を繰り返す。一方、当該差分の値が０より小さいと判定された場合には、ステップ４１０に移行して、可変インダクタンスコイルのインダンクタンス値を増減させる方向を逆にすると共に当該インダクタンス値の変動の単位量の絶対値の大きさを所定の割合ほど小さくして新たにΔＶＬ（ｎ）として格納する。この後、コイル調整部２２５は、ステップ４０６に移行してインダクタンス値を変動させた後に、上記と同様にステップ４０７乃至４０９を繰り返す。
このように、本実施例では、２つの高周波バイアス供給回路１２１，１２２の間でこれらを接続して配置された電極間回路１１８内部の可変インダクタンスコイルのインダクタンス値を、高周波バイアス供給回路１２１，１２２の中心側電極１０９、外周側電極１１０への各々の給電経路上であって電極間回路１１８との接続箇所の電源側に配置された波形検出器１１６または１１７からの電圧波形信号とクロック発生器１１１が形成するクロック信号間の位相差と電圧波形信号のＶｐｐを用いて調整することで、２つの高周波バイアス電源１１２，１１３から高周波電力が同時に出力されている場合でも、電極間回路１１８のインダクタンス値の調節による２つの高周波バイアス供給回路１２１，１２２の間の電気的な分離を理想的な状態に近づけることができる。
このため、処理室１０３内にプラズマが形成されている間に、一方の高周波バイアス電源のみを出力させる電極間回路１１８の調整フローを削減でき、ウエハ１０８上面の処理対象の膜層のエッチングレートへの影響も小さくすることができる。また、分割された中心側電極１０９及び外周側電極１１０に供給される高周波バイアス電力を、一方から他方への影響を低減して調節することができ、さらにプラズマの条件による影響も低減することができる。これらの結果、ウエハ１０８の面内方向についてエッチング処理のバラつきを低減させ処理の歩留まりを向上させることができる。
１００…プラズマ処理装置、
１０１…真空容器、
１０２…誘電体窓、
１０３…処理室、
１０４…導波管、
１０５…マグネトロン電源、
１０６…ソレノイドコイル、
１０７…試料載置用電極、
１０８…ウエハ、
１０９…中心側電極、
１１０…外周側電極、
１１１…クロック発生器、
１１２…第１の高周波バイアス電源、
１１３…第２の高周波バイアス電源、
１１４…第１の自動整合器、
１１５…第２の自動整合器、
１１６…第１の波形検出器、
１１７…第２の波形検出器、
１１８…電極間回路、
１１９…制御部、
１２１…第１の高周波バイス供給回路、
１２２…第２の高周波バイアス供給回路、
１２３，１２４…ポジション、
２２０…位相差検出部、
２２１…ループ選択部、
２２２…Ｖｐｐ検出部、
２２３…Ｖｐｐ保存部、
２２４…Ｖｐｐ比較部、
２２５…コイル調整部。

Claims (8)

  1. 真空容器内部の処理室内に配置された試料台の上面上方に載せられたウエハを当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
    前記試料台に配置され前記上面を構成する誘電体製の膜内部であって中央部及びその外周側の領域の下方に配置された複数の電極と、これら複数の電極各々に高周波電力を供給する複数の高周波電源と前記複数の電極及び高周波電源の各々の間を電気的に接続する複数の給電用の経路各々に配置された複数の整合器と、前記給電用の経路各々の前記整合器と前記電極との間の箇所同士をコイルを介して電気的に接続する接続経路と、各々の前記給電用の経路上に配置され当該給電用の経路を流れる前記高周波電力の電圧の大きさを検知する検知器とを備え、
    前記ウエハの処理中に前記検知器の検知結果を用いて検出された前記給電用の経路を流れる高周波電力の位相差の大きさに応じて前記コイルのインダクタンスを前記高周波電力の電圧が極大または極小となるように調節するプラズマ処理装置。
  2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記コイルのインダクタンスの調節によって前記複数の電極と前記複数の給電用の経路と前記接続経路とが共振回路を構成するプラズマ処理装置。
  3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
    前記位相差が－９０度乃至９０度の範囲内である場合は前記高周波電力の電圧が極小に、前記位相差が９０度乃至１８０度または－９０度乃至－１８０度の範囲内である場合は前記高周波電力の電圧が極大となるように、前記コイルのインダクタンス値を調節するプラズマ処理装置。
  4. 請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
    前記複数の電極が前記試料台の前記上面を構成する誘電体製の膜の内部に配置されたものであって、前記中央部とその外周部をリング状に囲む領域の各々に配置された複数の膜状の電極であるプラズマ処理装置。
  5. 内部に処理室を有する真空容器と、この処理室に配置されその上面上方に処理対象のウエハが載せられる試料台と、前記試料台の前記上面の中央部及びその外周側の領域の下方の当該試料台の内部に配置された複数の電極と、これら複数の電極各々に高周波電力を供給する複数の高周波電源と、前記複数の電極及び高周波電源の各々の間を電気的に接続する複数の給電用の経路各々に配置された複数の整合器と、前記給電用の経路各々の前記整合器と前記電極との間の箇所同士をコイルを介して電気的に接続する接続経路と、各々の前記給電用の経路上に配置され当該給電用の経路を流れる前記高周波電力の電圧または電流の大きさを検知する検知器とを備えたプラズマ処理装置の前記試料台の上面上方に前記ウエハを載せて当該処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理方法であって、
    前記ウエハの処理中に前記検知器の検知結果を用いて検出された前記給電用の経路を流れる高周波電力の位相差の大きさに応じて前記コイルのインダクタンスを前記高周波電力の電圧が極大または極小となるように調節するプラズマ処理方法。
  6. 請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記コイルのインダクタンスの調節によって前記複数の電極と前記複数の給電用の経路と前記接続経路とが共振回路を構成するプラズマ処理方法。
  7. 請求項５または６に記載のプラズマ処理方法であって、
    前記位相差が－９０度乃至９０度の範囲内である場合は前記コイルのインダクタンスを調節して極小値を検出し、前記位相差が９０度乃至１８０度または－９０度乃至－１８０度の範囲内である場合は前記コイルのインダクタンスを調節して極大値を検出して調節するプラズマ処理方法。
  8. 請求項５乃至７のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
    前記複数の電極が前記試料台の前記上面を構成する誘電体製の膜の内部に配置されたものであって、前記中央部とその外周側をリング状に囲む領域の各々に配置された複数の膜状の電極であるプラズマ処理方法。
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