JPH0896992A - プラズマ処理装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 チャンバの上部に３枚以上の電極を回転対
称に配置し、位相の異なる高周波電力を加えてガスをプ
ラズマに励起し、下部電極には試料をおいて高周波電力
を加えて自己バイアスを与えるようにしたプラズマ処理
装置において、各電極の入力電力と反射電力を監視し
て、マッチングボックスの定数を調整し反射パワ−を最
小にしている。反射パワ−には他の電極からの透過パワ
−が含まれる。透過パワ−はプラズマの状態変動により
著しく変わる。この制御では運転状態が不安定になる。 【構成】 プラズマ処理の各ステップの最初だけ、反射
パワ−によるマッチングボックスの制御をして以後はこ
の状態を保持する。マッチングボックスのパラメ−タを
頻繁に変えないので、プラズマへの入力パワ−が一定し
プラズマ処理装置の運転が安定化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、複数の高周波電源
と、複数組の電極を用いて、プラズマを生成しエッチン
グあるいは薄膜形成を行なうプラズマ処理装置に関す
る。これは例えば液晶表示素子の製造において、エッチ
ング処理に利用される装置である。特に、一方の電極に
反応生成物が付着しこれが剥がれて試料を汚染するのを
防ぐようにした改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１によって本発明が対象にするプラズ
マ処理装置の概要を説明する。真空チャンバ１の下部に
は、絶縁物１０を介して下部電極２が水平に設けられ
る。この上にエッチングあるいは薄膜形成すべき試料
（ウエハ−）３が戴置される。下部電極２には、第１高
周波電源６により第１の高周波Ｆ１が印加される。マッ
チングボックス５は、第１電源と下部電極２間でのイン
ピ−ダンスの整合を取る。チャンバ１の上部には上部電
極４ａ、４ｂ、４ｃが、チャンバ１との間に絶縁物１１
を介して設置される。上部電極４ａ、４ｂ、４ｃとチャ
ンバの間には第２の高周波Ｆ２が第２高周波電源８ａ、
８ｂ、８ｃによって印加される。

【０００３】マッチングボックス７ａ、７ｂ、７ｃは電
源８ａ〜８ｃと電極４ａ、４ｂ、４ｃの間のインピ−ダ
ンスを整合させる。エッチングのためのプラズマ原料と
なるガスは、ガスボンベからバルブ（図示しない）、マ
スフロ−コントロ−ラ（図示しない）などを通り、導入
口１２から、チャンバの中へ導入される。例えば下部電
極２には１３．５６ＭＨｚの高周波を与える。上部電極
４には１００ＭＨｚ高周波を与える。このように複数の
高周波を利用している。高周波の作用も異なっている。

【０００４】上部電極は３枚以上の電極を回転対称にな
るように配置してある。与える電圧も３６０度を電極の
数Ｋで割っただけの位相のずれ３６０／Ｋがある。これ
により上部の空間には高周波の周期に等しい周期の回転
電界を発生させる。回転電界が電子を加速する。加速さ
れた電子は高速でチャンバの内部を飛び回る。ガスが外
部から導入されるのでチャンバには中性のガスが存在す
る。高速の電子がガス分子に衝突しこれを電離する。原
料ガスの一部が電離しプラズマの状態になる。これが上
部電極の近傍で起こっている作用である。

【０００５】より低い周波数の高周波電圧Ｆ１がチャン
バと下部電極２の間に印加される。これも原料ガスを励
起してプラズマにする作用がある。この場合は電子を上
下に振動させる。この他に下部電極は自己バイアスの作
用がある。平行平板電極の一方を接地し、他方に高周波
を与えた時と同じように、高周波側が自己バイアスされ
て負電位になる。

【０００６】これにより下部電極は正イオンを引き付け
る。正イオンは下部電極の自己バイアスに引き寄せられ
て試料３に衝突する。このためにウエハ−がエッチング
される。エッチングの場合、原料ガスは質量の大きいア
ルゴンなどを用いる。下部電極の高周波も勿論プラズマ
の生成、維持の作用があるが、自己バイアスを下部電極
に与えるのが主要な役割である。

【０００７】チャンバ１は金属製で接地電位である。側
方には他の真空室につながるゲ−トバルブ（図示せず）
がある。このゲ−トバルブを開閉して、試料（ウエハ
−）を交換する。この他にも、内部を覗くためのビュ−
ポ−ト（図示しない）などを備える。この装置はプラズ
マを発生させる装置であるので、薄膜形成（ＣＶＤ）に
も利用できる。この場合エッチングガスの代わりに、薄
膜材料のガスを使う。また高周波の電圧もエッチングの
場合とは異なる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】プラズマ処理装置にお
いては、電源とプラズマの間でインピ−ダンスの違いが
あるので、マッチングボックスが設けられる。電源のイ
ンピ−ダンスと電極から見たプラズマのインピ−ダンス
は異なる。インピ−ダンスが違うと電力の一部が反射し
て戻ってくる。所望のパワ−をプラズマに注入すること
ができない。そこでインピ−ダンスを同一にして反射電
力を０にする。これがインピ−ダンスマッチングであ
る。マッチングボックスは電源のインピ−ダンスと電極
側のインピ−ダンスを同一にして、電極からの反射をな
くそうとする。

【０００９】しかしマッチングボックスの作用は単にイ
ンピ−ダンスを変換するだけという静的なものでは不十
分である。電源のインピ−ダンスが一定であるとして
も、プラズマ側のインピ−ダンスは温度、圧力、電源電
圧、原料ガスの供給量などによって変動する。プラズマ
の状態の変動は速いので、プラズマインピ−ダンスの変
化も迅速である。

【００１０】ある時点において、プラズマと電源とのイ
ンピ−ダンス整合が成り立つように、マッチングボック
スの状態変数を決定したとする。電力は電源からプラズ
マへ一方的に流れる。反射がない。しかし時間の経過と
共にプラズマの状態が変動する。プラズマのインピ−ダ
ンスも変化する。プラズマのインピ−ダンスが変動する
と電極からプラズマ側に投入された電力の一部が反射し
て戻ってくる。するとプラズマに向けてのエネルギ−注
入が不足するので、プラズマの状態がさらに変化する。
やがて電源から電極に対して電力を送給できなくなる。
これではいけない。

【００１１】そこでプラズマ処理装置においては、プラ
ズマへ送られる電力と、プラズマから反射して帰ってく
る電力を監視し、これからプラズマのインピ−ダンスを
計算し、これにふさわしくなるように、マッチングボッ
クスの状態変数を調整するようになっている。このよう
にマッチングボックスの変数は、自動的に常時再調整さ
れている。設定インピ−ダンスと、プラズマの実行イン
ピ−ダンスが異なると反射が増えてくる。反射が多いと
どういうことが起こるのか？反射が少ない時には、パ−
ティクルの発生が少ない。６インチウエハの場合、パ−
ティクルの数はせいぜい数個に過ぎない。

【００１２】反射が多い場合はパ−ティクルの数が増え
る。６インチウエハに落下するパ−ティクルの数が数十
〜数百に達する。これは多分異常放電がどこかで起こっ
ているからであろうと考えられる。異常放電のために電
極や壁面がスパッタリングされてパ−ティクルが大量に
発生するのであろう。すると電力の反射によってパ−テ
ィクルの発生状態をも監視できるということになる。パ
−ティクルの発生はできるだけ少ない方が良い。反射を
少なくするということはパ−ティクルを少なくするとい
うことにもなり、二重の効用を持っている。

【００１３】反射をモニタし、これをなくすようにマッ
チングボックスを調整するという制御は、プラズマ処理
装置を運転している時間の全体に渡って行なわれる。こ
れが現在の状況である。プラズマと上部電極の複合体
は、コンデンサＣと誘導Ｌと抵抗Ｒの組合せによりなる
等価回路によって表すことができよう。マッチングボッ
クス（自動整合器）は、電源から電極に向かう投入電力
と、反射電力をモニタして、反射を最小にするように、
パラメ−タの値を最適の値に調整する。プラズマの状態
が変動しても、マッチングボックスが自動的にこれを検
出して随時パラメ−タを変更することができるからであ
る。

【００１４】それならば問題はないように思えよう。常
に最適の条件に維持され、最良の条件によってエッチン
グや薄膜形成が行なわれる筈だからである。操作者はプ
ラズマ変動を監視する必要がないし、インピ−ダンス不
整合のことを気にすることもない。工夫の余地もない、
と考えられよう。ところがそうでない。プラズマの状態
は、温度、密度、ガス量、圧力、投入電力などによって
変動する。これは実効的な容量Ｃの変動として説明する
ことができる。インピ−ダンスの変動を知るために監視
するのは反射波の強さである。

【００１５】反射波というのはある電極から、電源に戻
る進行波である。電極は一つではない。少なくとも３つ
の同等な電極を用いている。他の電極から出た電力がプ
ラズマを透過して対向電極に入射することがある。これ
は電極から電源に向かう進行波になる。周波数が同じで
進行方向も同じであるから、これは前記の反射波と区別
がつかない。このような現象は３つ以上の電極を近接し
て対向して設けることから起因する。

【００１６】マッチングボックスはそれぞれの電源と電
極の間にあって、固有の電力線を出入りする出力電力と
反射電力を監視しているだけである。この反射電力には
隣接他電極からの電力も交ざってくる。たとえ反射が実
際には存在しない場合であっても、隣接電極からの透過
波がくると反射波パワ−として計算される。するとマッ
チングボックスはこれを打ち消すために変数を調整す
る。これは誤ったデ−タに基づく制御である。かえって
電源からの反射波を増大する結果になる。さらにプラズ
マの状態変動により他電極からの透過波の大きさが大き
く変動するので、マッチングボックスの調整も頻繁に行
なわれる。するとマッチングボックスの状態が不安定に
なる。インピ−ダンスの自動制御がかえって、プラズマ
の状態を不安定にするという欠点がある。

【００１７】他の電極からの電力の流入をここでは相互
干渉と呼ぶことにする。他の電極からのプラズマ透過波
と、自電極からの反射を区別できればよいのであるがこ
れができない。常に反射波を監視しこれを減少させるよ
うに自動制御する方法は実は相互干渉を引き起こし、プ
ラズマ処理装置の運転状態をかえって不安定にしてい
る。

【００１８】最もこれは新たに起こった問題である。プ
ラズマ処理装置自体が新しいものである。また他の電極
からの電力が電極に入ってくるというのは、投入電力が
よほど強い場合に起こるからである。各電極からの投入
電力が３００Ｗ程度になると、隣接電極からの透過波の
強さが数Ｗ〜数十Ｗになる。

【００１９】相互干渉による反射電力の誤評価を避け、
安定してプラズマ処理装置を運転できるようにする方法
を提供することが本発明の目的である。電極での電力の
反射が起こりにくいようにして、パ−ティクルの発生を
防ぐ運転方法を提供することが本発明の第２の目的であ
る。インピ−ダンスミスマッチによるエッチング不良が
起こらない運転方法を提供することが本発明の第３の目
的である。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、電極か
らの反射波を検出してこれを０にするように常時インピ
−ダンスマッチングさせるのではない。反射の検出は連
続して行なう。反射波を検出して、各ステップごとに初
期の短い時間これを０にするように調整し以後はこのス
テップの終わりまで同じ状態変数を保つようにする。つ
まり初期調整をするだけで、後は同一変数を保つように
するのである。ただし反射の増加が著しい時は随時再調
整を行なう。再調整後はマッチングボックスは同じパラ
メ−タを保つようにする。つまりステップの初期と異常
時のみにマッチングボックスのパラメ−タ調整をするこ
とに本発明の特徴がある。

【００２１】

【作用】従来は全運転時間中インピ−ダンスは自動的に
調整されていた。マッチングボックスのインピ−ダンス
パラメ−タを自動的に調整するように設定された状態を
自動調整モ−ドということにする。インピ−ダンスをマ
ッチングさせるための調整をしない状態を無調整モ−ド
ということにする。つまり従来は全運転時間、自動調整
モ−ドであったということができる。

【００２２】ところが本発明はそうでなく、自動調整モ
−ドはステップの初期と反射が異常に増えた時のみであ
る。これ以外の時はマッチングボックスの調整をしな
い。つまり無調整モ−ドにするのである。つまりマッチ
ングボックスのパラメ−タを変更しインピ−ダンスマッ
チングするのは 各ステップの初期の短い調整時間 反射が異常に増えた時 だけである。これ以外の時は、マッチングボックスのパ
ラメ−タは直前の調整によって決定された一定値を保持
するものとする。

【００２３】図３に本発明のマッチングボックスパラメ
−タ制御の概略を示す。ステップＳを、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ
３…とする。これらの初期の短い時間Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３
…時間だけ、電源と電極間のインピ−ダンス整合のため
の調整をする。以後の時間Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…は調整せ
ず、先に設定した値をそのステップ中ずっと保持する。
各ステップＳにおいて、インピ−ダンス整合パラメ−タ
に関して、短い調整時間Ｂと、無調整時間Ｃがある。た
だし異常に反射が増えて放電の不安定性が甚だしくなる
と直ちに再調整する。これも短い時間内になされる。異
常調整と呼ぶことにする。異常調整時間Ｄ１、Ｄ２…
は、各ステップにおいて多くの場合０である。

【００２４】実際には各ステップのはじめにインピ−ダ
ンスマッチングのためのパラメ−タをプリセットする。
これがプリセッツト時間Ａ１、Ａ２、Ａ３…である。こ
の時にこのステップのインピ−ダンス整合のための予定
値を読み込み、マッチングボックスのパラメ−タを決め
る。この後Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３…の時間において反射電力
を測定し、これが０になるように値を変更する。次いで
無調整のＣ１、Ｃ２、…となる。このばあいは時間長さ
について、Ｓｎ＝Ａｎ＋Ｂｎ＋Ｃｎ＋Ｄｎの関係があ
る。Ａｎ、Ｂｎは例えば１秒〜２秒程度の短い時間であ
る。Ｄｎは異常反射があった時の臨時的な異常調整時間
であり、殆どのステップにおいて存在しない。Ｃｎはス
テップの作業時間の大部分である。数十秒のこともある
し、数分、数十分、数時間のこともある。

【００２５】各電極をａｂｃとする。これの出力パワ−
をＰとする。このうちプラズマによって消費されるパワ
−をＱ、反射パワ−をＲ、他の電極に透過してゆくパワ
−をＴとする。すると各々の電源からのパワ−Ｐａ、Ｐ
ｂ、Ｐｃは

【００２６】 Ｐａ＝Ｑａ＋Ｒａ＋Ｔａｂ＋Ｔａｃ （１） Ｐｂ＝Ｑｂ＋Ｒｂ＋Ｔｂｃ＋Ｔｂａ （２） Ｐｃ＝Ｑｃ＋Ｒｃ＋Ｔｃａ＋Ｔｃｂ （３）

【００２７】と書くことができる。サフィックスはそれ
ぞれの電源電極系を区別するために付けている。Ｐａは
電源ａの全発生パワ−である。Ｑａはこのうちプラズマ
によって消費された部分である。Ｒａは電極からの反射
である。Ｔａｂは電源ａからプラズマを透過して電極ｂ
に入るパワ−である。プラズマが受け取るパワ−はＱａ
＋Ｑｂ＋Ｑｃである。電極ａ、ｂ、ｃの反射を監視する
が、反射波の強さＺａ、Ｚｂ、Ｚｃは

【００２８】Ｚａ＝Ｒａ＋Ｔｂａ＋Ｔｃａ （４） Ｚｂ＝Ｒｂ＋Ｔｃｂ＋Ｔａｂ （５） Ｚａ＝Ｒａ＋Ｔａｃ＋Ｔｂｃ （６）

【００２９】となる。反射に見えるものは、それ自身の
反射と、他の電極からの透過分を含む。全出力Ｐ自体が
小さい場合は透過波は弱くてあまり問題にならない。し
かしＰが大きくなると、プラズマを越えて他の電源から
流れ込む透過波の大きさが無視できなくなる。数百Ｗの
電流を流入させると、数Ｗ〜数十Ｗの透過波が発生する
こともある。自動整合器は反射Ｒを監視してこれを０に
する制御をしている。ところが反射はＲではなく、透過
を含みＺによって与えられる。

【００３０】プラズマ状態の変動により、反射Ｒも透過
Ｔも時々刻々変動する。Ｚを０にするように制御する
と、これは透過分＋反射分を０にしてしまう。実際には
０にはならないができる限り少なくするように調整す
る。するとこれは過制御ということになる。透過分を排
除して、純粋に反射だけを測定できればよいのである
が、これはできない。透過分があるので実際には反射を
増やす方向にマッチングボックスを制御するということ
もあり得る。

【００３１】ステップの初期には高周波電力、ガスの種
類、圧力、基板温度などを変更することもあるので、プ
ラズマインピ−ダンスが変動する。ためにマッチングボ
ックスの定数も変更しなければならない。本発明はそこ
でステップの最初に定数を予め定めた値にプリセット
し、その直後に反射パワ−に応じた再調整を行なう。ス
テップの初期は他の電極から、透過パワ−が殆どない
し、反射波だけを捕らえやすい。以後は無調整とする。
しかし、あまりに反射パワ−Ｚが増えると、これはやは
り実際の反射パワ−Ｒが増えていると考えられる。そこ
でこの場合は臨時に調整するのである。

【００３２】

【実施例】図２は本発明の実施例に係るプラズマ処理装
置の概略断面図である。図１の従来例と共通する部分が
多い。共通する部分は説明を略する。新たに制御装置９
が設けられる。これは３つのマッチングボックスを共通
に制御することができる。上部電極の作用と、下部電極
の作用によってプラズマを生成し、試料３をエッチング
する。ガスの切り替えによりＣＶＤ装置としても利用で
きる。ここではエッチングの場合を例にとって説明す
る。

【００３３】ウエハはＳｉ、ＧａＡｓなどの半導体ウエ
ハである。これに電極が形成してある。電極構造は下か
らＴｉＮ／Ａｌ或いはＴｉＷ／Ａｌの２層構造であると
する。レジストを塗布してマスクを使って露光しレジス
トを選択的に除く。フォトリソグラフィ−により電極の
表面が選択的にレジストによって覆われる。露呈してい
る部分の電極をエッチングによって除去する。

【００３４】上層であるＡｌをエッチング除去する場合
を述べる。はじめはＡｌを覆う自然酸化膜（Ａｌ₂ ０
₃ ）を除去する。ステップ１である。酸化膜は強いので
大きいパワ−を投入する必要がある。しかし時間は短
い。次いで上部層のＡｌをエッチングする。これは取れ
やすい金属である。投入パワ−は弱くて済む。これがス
テップ２である。Ａｌの層が除去されると終了点信号が
出る。しかし残留している部分があるのでパワ−を上げ
てこの後数秒エッチングをする必要がある。ステップ３
である。Ａｌ層を除くだけで３ステップの工程がある。
さらに下層のＴｉＮ層をエッチングする。これは強い層
であるからパワ−も大きい。ステップ４である。この層
が除去され終点信号が出ると、さらにステップ５になり
条件を変えてしばらくエッチングする。このように多く
の場合一つの電極や半導体層のエッチングといっても多
くの工程を含む。

【００３５】これらの全てのステップのはじめにインピ
−ダンスマッチングのためのパラメ−タがコンピュ−タ
からマッチングボックスに入力される。これがプリセッ
トである。経験的に求められたステップに適合するパラ
メ−タが設定される。このための時間がＡ１（１秒程
度）である。続いて電極毎に反射波がモニタされ反射を
０にするようにパラメ−タを調整する。これがＢ１（１
秒程度）である。ここで決定されたパラメ−タがステッ
プ１の間中有効である。この後は酸化膜が除かれるま
で、マッチングボックスの調整は行なわない。

【００３６】

【発明の効果】本発明は、電源とプラズマの間のインピ
−ダンス整合を、ステップの初期、或いは異常に反射の
大きくなった場合のみ行なう。殆どの時間は無調整であ
る。これにより時間的に短いパラメ−タの変動がなくな
りプラズマ発生が安定化する。他の電極からの透過電力
の影響を除いて反射波を検出し的確な制御をするので、
電源と電極間のインピ−ダンスミスマッチがない。効率
よく電力がプラズマに供給される。ためにプラズマを高
密度に生成し保持することができる。

【００３７】プラズマ密度の揺らぎが少なくなる。エッ
チングに用いる場合はウエハ面内で均一性の高いエッチ
ングが可能である。エッチングの厚さのむらが少なくな
る。さらに異常放電を間接的に防ぐことができる。異常
放電はパ−ティクルの発生を伴う。本発明は異常放電を
防止してパ−ティクルの発生を抑制する。ウエハの表面
が清浄に保たれる。製品歩留まりを高揚する作用もあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来例に係るプラズマ処理装置の概略断面図。

【図２】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の概略
断面図。

【図３】本発明のマッチングボックスのパラメ−タの制
御を示す概略工程図。

【符号の説明】

１ チャンバ ２ 下部電極 ３ 試料（ウエハー） ４ 上部電極 ５ マッチングボックス ６ 第１高周波電源 ７ マッチングボックス ８ 第２高周波電源 ９ 制御装置 １０ 絶縁物 １１ 絶縁物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空に引くことのできるチャンバと、チ
   ャンバの下方にチャンバから絶縁されて設けられ試料を
   その上に戴置するべき下部電極と、下部電極に第１の周
   波数の高周波電力を与える第１高周波電源と、下部電極
   と第１高周波電源の間に設けられ、両者のインピーダン
   スを整合させるためのマッチングボックスと、チャンバ
   の上方に、チャンバから絶縁されて回転対称の位置に設
   けられる３つ以上の上部電極と、上部電極に互いに位相
   が異なる同一周波数の高周波電力を与えるための第２高
   周波電源と、第２高周波電源のインピ−ダンスと電極イ
   ンピ−ダンスを整合させるために電源と上部電極の間に
   設けられるマッチングボックスと、上部電極への入力電
   力と反射電力を監視して反射電力を０にするようにマッ
   チングボックスの状態を制御する自動整合器と、原料ガ
   スを導入するガス導入口を有し、導入されたガスを、上
   部電極の発生する電界、下部電極の発生する電界によっ
   て励起し、プラズマにして試料に対してプラズマを作用
   させるようにしたプラズマ処理装置において、プラズマ
   処理の各ステップの初期において、反射電力を検出して
   マッチングボックスの状態変数を調整してインピ−ダン
   スを整合させ、このステップにおいて以後は同じ状態を
   保持しマッチングボックスの状態変更を行なわず、次の
   ステップになったとき再び反射電力の検出とインピ−ダ
   ンス整合を行いそれ以後は同じ状態を保持するようにす
   ることを繰り返すことを特徴とするプラズマ処理装置の
   運転方法。