JPH06244151A

JPH06244151A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JPH06244151A
Application number: JP5049995A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Deguchi; 洋一出口; Satoshi Kawakami; 聡川上
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-02-16
Filing date: 1993-02-16
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】被処理体の面内均一性を確保することのでき
るプラズマ処理装置を提供することにある。【構成】ダミーの被処理体に対して対向電極２０Ａ、
３０へのＲＦ電力の給電により生成されるプラズマの状
態をプローブ８０によって走査し、この結果に応じて電
極間での給電状態を変更するＲＦ電力供給回路２４０を
備えている。従って、安定したプラズマ生成を確保する
ことによって被処理体の面内均一性を保障することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
し、さらに詳しくは、マグネトロンプラズマ処理装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】所謂、真空雰囲気下で行なわれる半導体
ウエハ等の半導体製造プロセスで用いられるプラズマ処
理装置の一つに、マグネトロンプラズマ処理装置があ
る。

【０００３】この装置は、図５に示すように、対向電極
の一方５００に半導体ウエハ等の被処理体５２０を配置
し、また他方５４０には回転可能な磁石５６０を近接さ
せた構造を備えている。このような構造のマグネトロン
プラズマ処理装置では、対向電極間で形成される電界と
磁界とにより電子にスピン運動を行なわせ、電子とガス
分子との衝突頻度を高めてプラズマ密度を高くできる。

【０００４】ところで、このようなマグネトロンプラズ
マ処理装置では、例えば、図５に示した場合のように、
上部電極５４０側を接地し下部電極５００側にＲＦ電力
を供給するカソードカップリング（ＲＩＥ）方式では、
電界の方向が一定しているために電子の密度が偏る。つ
まり、半導体ウエハの一端側ほど電子の密度が低くな
り、逆に他端側では電子の溜まりが生ずることで密度が
高くなる。従って、被処理体の面内でのエッチングレー
トがばらつき、半導体ウエハ等の被処理体の面内均一性
が悪くなる。

【０００５】そこで、対向電極の両方にそれぞれ同じ比
率でＲＦ電力を供給する方式が提案されている。これ
は、一次側コイルと二次側コイルとを電気的接続したト
ランスを備え、一次コイルはＲＦ電源部に接続され、二
次コイルの両端が対向電極にそれぞれ接続されている。
そして、二次コイルの中間タップを接地することによ
り、位相を反転された高周波電力が対向電極のそれぞれ
に供給され、電界方向を変えることで電子の偏りをなく
すようになっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかし、上記方式を
用いてプラズマ処理を行なう場合には、次のような問題
があった。

【０００７】すなわち、対向電極のそれぞれに供給され
るＲＦ電力は、通常、インピーダンス整合によってプラ
ズマ生成条件を制御されているだけであるので、実際に
生成されるプラズマ生成条件を適正化したものにはなっ
ていない場合が多い。つまり、プラズマの生成には、例
えば、プラズマ電位、プラズマ密度、イオン電流、電子
温度さらにはフローティング電位等の生成条件を監視す
ることが必要である。しかしながら、このような各条件
を単にインピーダンスの整合のみで満足させることは事
実上、困難である。

【０００８】しかも、対向電極へのＲＦ電力の分配比を
等分した場合でも、次のような理由によって実際のプラ
ズマ生成による被処理体上での面内均一性を保障するこ
とができない。

【０００９】すなわち、対向電極へのＲＦ電力の供給に
よって生成されるプラズマ中の電子は、雰囲気ガスの圧
力等によって電極間だけでなくプラズマ処理空間を構成
しているチャンバ内壁面にも飛びやすくなり、これによ
って、異常放電を起こしやすくなる。このような異常放
電が発生すると安定したプラズマ生成が阻害されてしま
い、図６において実線で示すように、被処理体上でのエ
ッチングレートが変化し、これによって面内均一性が確
保できなくなる。

【００１０】しかしながら、単にインピーダンスの整合
のみでは、このような各条件を適正化することはできな
い。従って、単にインピーダンスの整合のみでプラズマ
を生成した場合には、実際に生成されているプラズマの
状態に即した修正が行なえないので、プラズマの生成が
均一化されないことによって、被処理体上での面内均一
性を得ることが困難であった。

【００１１】そこで本発明の目的は、上記従来のプラズ
マ処理装置における問題に鑑み、被処理体の面内均一性
を確保することのできるプラズマ処理装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【問題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、対向電極間にプラズマを生
成し、上記対向電極の一方に載置されている半導体ウエ
ハ等の被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置に
おいて、上記対向電極間に生成されるプラズマ中に進退
可能に設けられ、対向電極の一方に配置されたダミーの
被処理体を対象として生成されるプラズマ中を少なくと
も１回走査してプラズマパラメータを測定するプローブ
と、上記対向電極にそれぞれ接続されているＲＦ電力供
給回路と、上記プラズマパラメータに基づいて、少なく
とも上記ＲＦ電力供給回路を制御して上記対向電極に供
給されるＲＦ電力の比率を可変設定する制御部と、を有
することを特徴としている。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載のプ
ラズマ処理装置において、上記プローブは、対向電極間
で生成されるプラズマ中であって、かつ、プラズマの近
傍に発生するプラズマシースに隣接する位置を走査位置
として設定されていることを特徴としている。

【００１４】請求項３記載の発明は、請求項１記載のプ
ラズマ処理装置において、上記被処理体と平行に、か
つ、上記被処理体に対して回転する磁場を発生する磁場
発生手段を有し、上記プローブによる走査時には、上記
磁場の回転を停止するとともに、この回転停止位置を複
数設定し、上記磁場の方向に対して走査方向を異ならせ
て上記プラズマパラメータを測定することを特徴として
いる。

【００１５】

【作用】本発明では、対向電極へのＲＦ電力の供給に際
し、ダミーの被処理体を対象としてプローブにより少な
くとも１回プラズマの生成状態を走査したうえで電力の
供給制御を行なう。従って、プローブにより、プラズマ
電位、プラズマ密度、イオン電流、電子温度さらにはフ
ローティング電位等のプラズマパラメータが監視され、
これら条件の変化に応じて対向電極へのＲＦ電力の分配
比率を含めた電力の供給状態が変更される。

【００１６】また本発明では、ダミー被処理体を用いた
プローブによるプラズマ生成条件の監視は、生成される
プラズマにおけるプラズマシースに隣接した位置にプロ
ーブを位置させて行なわれる。従って、ダミー被処理体
を対象としたプラズマ生成において最もプラズマ効率の
高い位置でプラズマ生成条件の監視が行なえる。

【００１７】さらに本発明では、回転可能な磁場を停止
することでプラズマパレメータの測定が行なわれる。従
って、磁場が回転した場合に磁場方向によって生成され
ているプラズマとプローブとの対向位置関係が変化する
事態を回避される。また、本発明では、磁場の回転を停
止してプローブをプラズマ中に進入させてプラズマパラ
メータを測定する場合、磁場方向に対して走査方向を異
ならせることができる。従って、被処理体に対面して生
成されるプラズマの測定箇所を複数箇所設定することが
できる。

【００１８】

【実施例】以下、図１乃至図４において、本発明実施例
の詳細を説明する。

【００１９】図１は、本発明をプラズマ処理装置のひと
つであるマグネトロンプラズマ処理装置に適用した場合
の要部構造を示す断面図である。このマグネトロンプラ
ズマ処理装置１０は、図２に示すように、ロードロック
チャンバ１００あるいはアンロードチャンバ１２０との
間に位置するプロセスチャンバ１４０において、図１に
示すように、上部電極をなすチャンバ２０と下部電極を
なす第１のサセプタ３０、第２のサセプタ３２と静電チ
ャック４０と被処理体に平行な回転磁場を形成するため
の磁石５０とを主要構成として備えている。

【００２０】チャンバ２０は、下部を開放した筒状の上
部チャンバ２０Ａとこのチャンバ２０Ａの下部に固定さ
れている有底筒状の下部チャンバ２０Ｂとで構成され、
内部が真空引き可能で、かつ、エッチングガスを導入さ
れる空間とされている。また、下部チャンバ２０Ｂに
は、内部にセラミックス製の有底筒体からなる断熱体２
２が装填されている。

【００２１】そして、この断熱体２２の内部には第１、
第２のサセプタ３０、３２が配置されている。

【００２２】第１、第２のサセプタ３０、３２は、上下
に積層配置されたアルミニュウム等の導電体かつ熱良導
体で形成されている。このような分割構造によれば、上
部側に位置する第１のサセプタ３０を被処理体である半
導体ウエハの大きさに応じて交換することができる。そ
して、第２のサセプタ３２には、その内部に冷却ジャケ
ット３２Ａが形成され、この冷却ジャケット３２Ａに、
例えば、液体窒素等の冷却媒体を循環させることによ
り、第１のサセプタ３０および静電チャック４０を介し
て被処理体である半導体ウエハ６０をー５０゜Ｃ〜ー１
００゜Ｃ程度に冷却するようになっている。

【００２３】一方、第１のサセプタ３０の上部表面には
静電チャック４０が載置固定されている。この静電チャ
ック４０は、上下２枚の絶縁層の間に例えば銅等の導電
性シートを介在配置することにより構成され、クーロン
力によって半導体ウエハ等の被処理体６０を吸着固定す
る。また、静電チャック４０に対向する第１のサセプタ
３２の表面には、図示しないが、静電チャック４０との
間に熱伝達用気体が充填されるようになっており、この
気体を介して静電チャック４０と第１のサセプタ３２と
の間の表面性が均一でない場合でも冷却を可能にしてい
る。さらに、第１、第２のサセプタ３０、３２および静
電チャック４０との対応位置には、被処理体を突き上げ
るためのプッシャピン７０が挿通されている。このプッ
シャピン７０は、静電チャック４０から被処理体６０を
取り出す場合および載置する場合に昇降することができ
る。

【００２４】一方、上部チャンバ２０Ａと下部チャンバ
２０Ｂとで構成されるチャンバ２０には、図２におい
て、ロードロックチャンバ１００およびアンロードチャ
ンバ１２０との連通部とは別に、走査チャンバ１６０が
連通している。この走査チャンバ１４０には、チャンバ
２０内で対向電極間に生成されるプラズマに対して進退
可能なプローブ８０が配置されている。このプローブ８
０は、プラズマのＩ−Ｖ特性を測定してプラズマの生成
状態を走査してその結果を後述する制御部に出力するた
めに設けられているものであって、例えば、伸縮かつ昇
降可能なアーム１８０の先端に取り付けられている。そ
して、このプローブ８０は、図３に示すように、プラズ
マの生成部で、特に、プラズマシースＤに隣接するプラ
ズマ中に挿入されるよう進出位置および高さ方向での位
置を設定され、プラズマシースに対して好ましくは５ｍ
ｍ以下の範囲内で接近する位置に設定される。これによ
って、プローブ８０は、図３において二点鎖線で示すよ
うに、電子の密度が最も高い位置にセッティングされる
ようになっている。

【００２５】ところで、本実施例では、対向電極をなす
上部チャンバ２０Ａおよび下部電極をなす第１のサセプ
タ３０には、ＲＦ電源からのＲＦ電力供給回路がそれぞ
れ接続されている。

【００２６】すなわち、ＲＦ電力の供給回路からなる給
電部は、その構成が図４に示されており、同図におい
て、ＲＦ電源２００は出力端の一方が接地され、他端が
マッチング回路２２０を介して給電分配手段２４０の入
力端子２６０に接続されている。

【００２７】マッチング回路２２０は電源側の出力イン
ピーダンスを上部電極および下部電極への入力インピー
ダンスとマッチングさせるものである。そして、上記給
電分配手段２４０は、トランス２８０によって構成さ
れ、このトランス２８０は、一次側コイル２８０Ａと、
これと絶縁して設けられている二次側コイル２８０Ｂと
で構成されている。一次側コイル２８０Ａの一端は上記
入力端子２６０に接続され他端は接地されている。ま
た、二次側コイル２８０Ｂの両端２８０Ｂ０、２８０Ｂ
１０間には複数の中間端子が設けられ、両端２８０Ｂ
０、２８０Ｂ１０はそれぞれコンデンサＣ１、Ｃ２を介
して上部電極側の上部チャンバ２０Ａおよび下部電極側
の第１のサセプタ３０に接続された出力端子３００、３
２０に接続されている。

【００２８】給電分配手段２４０では、上部電極および
下部電極へのＲＦ電力の給電分配比を設定するようにな
っている。このため、給電分配手段２４０には、分配比
率を可変するためのパワースプリッタ３４０が設けられ
ている。

【００２９】すなわち、二次コイル２８０Ｂには、両端
２８０Ｂ０、２８０Ｂ１０の間でその総ターン数を、例
えば１０等分する中間タップ端子２８０Ｂ１乃至２８０
Ｂ９が設けられ、一端が設置された可動端子３４０Ａを
いずれかに接触させることで上部、下部各電極間での給
電比率を変化させることができる。

【００３０】上記可動端子３４０Ａは、後述する制御部
３６０によって接触すべき中間端子への移動を制御され
るようになっている。

【００３１】すなわち、制御部３６０は、入力側にプロ
ーブ８０が接続され、出力側には駆動部３８０を介して
可動端子３４０Ａを移動させるための、例えばステッピ
ングモータ４００および磁石５０を回転駆動するための
モータ４２０の駆動部４４０がそれぞれ接続されてい
る。

【００３２】この制御部３６０では、プローブ８０から
入力されるＩ−Ｖ特性により、生成されるプラズマの状
態を割出し、被処理体における面内均一性を設定するた
めの対向電極間でのＲＦ電力の給電状態を制御するよう
になっている。このため、制御部３６０は、Ｉ−Ｖ特性
から、例えば、少なくとも、プラズマ電位、イオン電
流、電子温度を割出し、これら各パラメータを面内均一
性が得られる基準値と比較し、差がある場合にそれをな
くすように上下各電極への給電分配比率を設定する。従
って、対向電極間だけでなく電極の一方からチャンバ内
壁に向け飛出す電子の存在等によってプラズマ中での上
記パラメータが変化した場合を修正することができる。

【００３３】また、制御部３６０では、上記プローブ８
０によってプラズマ状態を走査する場合に次の制御が行
なわれる。

【００３４】すなわち、プラズマの状態を走査する場合
には、磁石５０の回転を停止して磁場方向を固定する。
これは、磁石５０を回転させると磁力線の向きが変化し
てしまい、電子の移動方向もこれに伴って変化すること
によりプラズマも回転するので、当初、プローブ８０が
対応していた位置でのプラズマの対面位置が異なってし
まうのを防止するためである。

【００３５】また、このような条件とは別に、回転停止
位置を複数設定する。つまり、被処理体６０を固定した
ままで磁場方向を異ならせると、上記したようにプラズ
マが回転することで被処理体に対する対面位置が変化す
る。従って、このような現象を利用して被処理体６０お
よびプローブ８０の位置を固定したうえでプラズマのみ
を回転させ、回転途中で磁石を停止することで、被処理
体６０に対するプラズマの対面位置を異ならせることが
できる。これによって、例えば、被処理体６０を平面視
で東西南北に仕切った場合、磁石の回転停止位置を４５
度毎に設定すると、被処理体６０に対するプラズマの対
面位置を周方向で少なくとも直角方向とその間の３箇所
に設定することができ、これによって、プローブ８０に
よる走査を複数箇所で行なったと同じことになる。

【００３６】次に作用について説明する。

【００３７】本実施例においては、プラズマの生成状態
を走査は、被処理体としてダミーウエハを用いてプラズ
マ処理実行前に行なわれる。すなわち、ダミーの被処理
体を静電チャック４０によって吸着固定し、チャンバー
２０内を真空引きした後、プラズマガスを取込み、次い
で、上部チャンバ２０Ａおよび第１のサセプタ３０に対
してＲＦ電力を給電することで電極間にプラズマを生成
する。プラズマが生成されている時点で走査チャンバ１
６０を連通してプローブ８０を所定位置にセッティング
し、プラズマの生成状態を走査する。このとき、磁石５
０は停止されて、所謂、磁場方向が固定されていること
はいうまでもない。この場合、電極間での給電分配比率
を１００：０とし、この状態を交互に設定すると、被処
理体の径方向で電子密度の高い位置が両端にできるの
で、被処理体の面内での走査に近似させることができ
る。

【００３８】プローブ８０によるプラズマのＩーＶ特性
は制御部３６０に入力される。制御部３６０では、プラ
ズマの状態を各パラメータと基準値との比較によって判
断し、仮に、適正なプラズマの生成状態にない場合に
は、この偏差に応じて給電分配比率を設定する。従っ
て、制御部３６０において設定された給電分配率を基
に、給電分配手段２８０では、ステッピングモータ４０
０の回転量が設定されて可動端子３４０Ａの接触位置が
決められる。

【００３９】このように対向電極間での給電分配比率が
変更されると、例えば、雰囲気ガスの圧力によって電子
の運動状態が変化することによりプラズマの安定した生
成が行なえないような場合、図６において二点鎖線で示
すように、プラズマを安定状態に修正することができ
る。

【００４０】一方、このような走査を被処理体として用
いられるダミーウエハの複数位置で行なう場合には、ダ
ミーウエハを静電チャック４０上に吸着固定した状態で
磁石５０を１回目の走査位置から、例えば４５度毎に回
転させた位置で停止させる。そして各停止位置でプロー
ブ８０をプラズマないの所定位置にセッティングして走
査を行ない、前述した場合と同じような制御を行なう。

【００４１】本実施例は、マグネトロンプラズマ処理装
置のうち、磁石を上部電極の外側で上方に接近させた構
造のものを対象として説明したが、このような構造に限
らない。例えば、反応室内にカソード電極と磁界発生器
とを配置した構造を対象とすることも可能である。

【００４２】さらに、磁石をとして、永久磁石だけでな
く、電磁石を用いるようにすることも可能である。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によるプラ
ズマ処理装置によれば、対向電極でプラズマを生成する
ために設定される給電状態はダミーの被処理体を対象と
したプラズマ生成状態を走査することにより設定され
る。従って、対向電極間での給電状態がプラズマの安定
した生成状態を得られるように修正されるので、安定し
たプラズマ生成による被処理体の面内均一性を確保する
ことが可能になる。

【００４４】また、本発明によれば、被処理体を固定し
た状態で磁石の回転停止位置を複数設定することによ
り、被処理体上で複数位置でのプラズマ生成状態を走査
したと同じ状態が得られる。従って、プラズマの安定性
をさらに緻密に制御して被処理体の面内均一性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例によるプラズマ処理装置の要部構
造を示す断面図である。

【図２】図１に示した要部の配置構成を示す模式図であ
る。

【図３】図１に示した要部に用いられるプローブとプラ
ズマとの位置関係を説明するための模式図である。

【図４】図１に示した要部に用いられるＲＦ電力供給回
路の要部構成を説明するための回路図である。

【図５】マグネトロンプラズマ処理装置の従来構造を示
す断面図である。

【図６】本発明実施例によるプラズマ処理装置によって
得られるエッチングレートと図５に示した装置によって
得られるエッチングレートとを併せて説明するための線
図である。

【符号の説明】

１０マグネトロンプラズマ処理装置２０チャンバ２０Ａ上部電極をなす上部チャンバ３０下部電極をなす第１のサセプタ５０磁石８０プローブ２４０給電分配手段３６０制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】対向電極間にプラズマを生成し、上記対
向電極の一方に載置されている半導体ウエハ等の被処理
体をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、上記対向電極間に生成されるプラズマ中に進退可能に設
けられ、対向電極の一方に配置されたダミーの被処理体
を対象として生成されるプラズマ中を少なくとも１回走
査してプラズマパラメータを測定するプローブと、上記対向電極にそれぞれ接続されているＲＦ電力供給回
路と、上記プラズマパラメータに基づいて、少なくとも上記Ｒ
Ｆ電力供給回路を制御して上記対向電極に供給されるＲ
Ｆ電力の比率を可変設定する制御部と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、上記プローブは、対向電極間で生成されるプラズマ中で
あって、かつ、プラズマの近傍に発生するプラズマシー
スに隣接する位置を走査位置として設定されていること
を特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】請求項１記載のプラズマ処理装置におい
て、上記被処理体と平行に、かつ、上記被処理体に対して回
転する磁場を発生する磁場発生手段を有し、上記プロー
ブによる走査時には、上記磁場の回転を停止するととも
に、この回転停止位置を複数設定し、上記磁場の方向に
対して走査方向を異ならせて上記プラズマパラメータを
測定することを特徴とするプラズマ処理装置。