JP4922705B2

JP4922705B2 - プラズマ処理方法および装置

Info

Publication number: JP4922705B2
Application number: JP2006250206A
Authority: JP
Inventors: 誠浩角屋; 勉飯田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-09-15
Filing date: 2006-09-15
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-09-15
Also published as: US20080068774A1; US7771608B2; JP2008071981A

Description

本発明はプラズマ処理装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法および装置に関するものである。

半導体デバイスの製造過程では被処理材であるウエハの温度制御が重要であり、これを解決する手段としてウエハと基板電極の間に冷却ガスを導入して冷却効果を得ること、基板電極は静電吸着膜を有し、ウエハを支持することが知られている(例えば、特許文献１)。

また、エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また、被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを垂直に入射させることで、異方性形状などの高精度エッチング処理を実現している。一般にイオンは、被処理材に供給する高周波バイアス電力により発生するセルフバイアス電位により加速され被処理材に入射する。従って、被処理材に印加する高周波バイアス電力を増加させ、セルフバイアス電位を増加させることにより、高エネルギーのイオンを被処理材に入射させることが可能となる。

前述のようにウエハは静電吸着膜を介して、基板電極に載置されるが、基板電極にはウエハを静電的に吸着させるため直流電圧が印加される。したがって静電吸着膜にはウエハのセルフバイアス電位と基板電極に印加する直流電圧の差分の電圧が印加される。そこで、基板電極の高周波電圧をモニターし、静電吸着膜に一定の電圧を印加することが知られている（例えば、特許文献２）。

また、半導体ウエハの自己バイアス電圧をモニターし、静電吸着用直流電圧と自己バイアス電圧との電圧差を計算し、電圧差の絶対値が常に一定になるように静電吸着用直流電圧を調整することが知られている（例えば、特許文献３）。

近年のエッチング等のプロセスでは積層構造に対応するため、エッチングは各膜ごとに条件を変更するステップエッチングが多用されるが、各ステップ間で基板電極等に印加される高周波電力などが急激に変化することにより、瞬間的に静電吸着膜に過大な電圧が印加され、絶縁破壊等の問題を生ずる恐れがある。したがって、各ステップ間でウエハの吸着および絶縁破壊等に関して、より信頼性の高いシステムを実現する必要があった。

特開平１１−２７４１４１号公報ＵＳ６１９８６１６Ｂ１特開平８−１２４９１３号公報

本発明の目的はウエハの基板電極への吸着に対して、信頼性の高いプラズマ処理方法および装置を提供することにある。

本発明は、真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、真空処理室内にプラズマを生成させるためのプラズマ生成手段からなるプラズマ処理装置を用いた被処理材のプラズマ処理方法において、基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターし、モニターされたＶpp信号を元に静電吸着用直流電源の出力電圧を制御することによって、静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つとともに、基板バイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御することによって達成される。

また、真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、基板電極に対向する位置に設置されたアンテナ電極と、アンテナ電極に接続されたプラズマ生成用高周波電源およびアンテナバイアス高周波電源と、基板バイアス高周波電源とアンテナバイアス高周波電源から出力される高周波の位相をモニターし、両者の位相差を制御する位相制御器を有するプラズマ処理装置において、静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つために、基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターする手段を有し、モニターされたＶpp信号を元に静電吸着用直流電源の出力電圧を制御する静電吸着電圧調整器を有し、基板バイアス高周波電源またはプラズマ生成用高周波電源またはアンテナバイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御する制御器を有することによって達成される。

エッチング条件の変化等によりウエハのセルフバイアス電位が変化した場合でも、静電吸着膜にかかる電圧を一定に制御することが可能であることから、ウエハの基板電極への吸着状態が安定し、エッチング処理の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明の実施例を図１から図３を用いて説明する。図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一実施例であるエッチング装置の縦断面図である。上部が開放された真空容器１０１の上部に処理容器１０４，誘電体窓１０２（例えば石英製），アンテナ電極１０３（例えばＳｉ製）を設置，密封することにより処理室１０５を形成する。アンテナ電極１０３はエッチングガスを流すための多孔構造となっておりガス供給装置１０７に接続されている。また、真空容器１０１には真空排気口１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。アンテナ電極１０３上部には同軸線路１１１，フィルター110及び整合器１０９，整合器１１２を介してプラズマ生成用の高周波電源１０８（例えば周波数１００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚ），アンテナバイアス電源１１３（例えば周波数４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ）が接続されている。アンテナバイアス電源１１３は外部トリガー信号により発振を制御可能で、プラズマ中のフッ素をアンテナ電極表面においてスカベンジさせる働きを有している。被処理材１１６を載置するための基板電極１１５は真空容器101下部であって、アンテナ電極に対向する位置に設置されている。基板電極１１５は冷却機構，静電吸着膜（図示省略）を有し、被処理材１１６と静電吸着膜間に冷却用ガスを供給することが可能である。これら冷却用ガスの圧力は任意の圧力に制御することが可能である。基板電極１１５には、被処理材１１６を静電的に吸着させるために静電吸着用直流
（ＥＳＣ）電源１２３がフィルター１１７を介して接続されている。また、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９（例えば周波数４００ｋＨｚ〜５ＭＨｚ）が接続されている。基板バイアス電源１１９は外部トリガー信号により発振を制御可能で、プラズマ中のイオンを基板に垂直に入射させる働きを有している。また、アンテナバイアス電源113と基板バイアス電源１１９は位相制御器１２０に接続されており、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９より出力される高周波の位相をモニターし、両者の位相差を制御することができる。位相の設定は、位相検出プローブ１２１，１２２の信号を元に、所望の位相に制御することが可能である。また、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９はお互いに、お互いの高周波に対するアースの働きを有している。

上記のように構成された装置において、処理室１０５内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室１０５内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１０８より発振された高周波電力は同軸線路１１１を伝播し、アンテナ電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１０５内に導入される。該高周波電源１０８と該同軸線路１１１との間には整合器１０９が接続され、該高周波電源１０８より出力された高周波電力を効率良く該処理室１０５内に供給するように作用する。また、磁場発生用コイル１１４（例えばソレノイドコイル）により形成された磁場との相互作用により、処理室１０５内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば１６０Ｇ）を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源１１３より整合器112，同軸線路１１１を介してアンテナ電極１０３に高周波電力が供給される。このとき該整合器１０９，該整合器１１２と該同軸線路１１１の間にはフィルター１１０が設置されており、該フィルター１１０は該高周波電源１０８より出力された高周波電力を、該同軸線路１１１方向へ効率良く投入すると共に、該アンテナバイアス電源１１３より出力された高周波電力を、該同軸線路１１１方向へ効率良く投入するように作用する。また、基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９より高周波電力が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。また、該基板電極１１５には静電吸着用直流電源１２３が接続されており、該被処理材１１６を吸着することが可能である。また、該静電吸着用直流電源１２３と該整合器１１８の間にはフィルター１１７が接続されており、該基板バイアス電源１１９および該静電吸着用直流電源
１２３から出力された電力を効率良く基板電極１１５に投入するように作用する。

また、該静電吸着用直流電源１２３には静電吸着電圧調整器１２４が接続されている。該静電吸着電圧調整器１２４は基板電極１１５の高周波電圧Ｖpp(ピークトゥピーク電圧)をモニターし、そのモニターされたＶpp信号よりウエハ上のセルフバイアス電位を求め、リアルタイムに静電吸着膜にかかる電圧を所望の電圧になるように自動制御する。

例えば、積層膜エッチングなどでは、各膜ごとにエッチングレシピ等が異なり、ウエハ上のセルフバイアス電位が変化することがある。ここで、一定の直流電圧を基板電極に印加していると、ある場合は静電吸着膜にかかる電圧が不足し吸着力不足となりウエハが基板電極から脱離する、または過剰な電圧が静電吸着膜に印加されると、異常放電等の装置トラブルを発生する等の問題がある。

そこで、本発明のように静電吸着膜にかかる電圧を所望の許容値内に制御することにより、エッチング処理の信頼性を向上することが可能である。

基板電極１１５のＶppからウエハ上のセルフバイアス電位は以下のように算出する。図２に被処理材１１６であるウエハのセルフバイアス電位Ｖdcと基板電極１１５のＶppとの比及びアンテナ電極１０３−基板電極１１５間のバイアスの位相差の関係を示す。ここでＶdcとは、ウエハに印加されるバイアス電圧のＶpp（ピークトゥピーク電圧）の１／２をバイアス電圧の最大値から減じた値である。Ｖdc／Ｖpp 比は位相差１８０度で−０.４５と最小となり、位相差０度で約−０.１８と最大となる。また、本測定結果はアンテナ電極１０３と基板電極１１５の電極間隔を広い７０mm程度で行った実験結果であり、同様の測定を電極間隔の狭い２０mm〜４０mm程度で行った場合には、位相差１８０度では同様にＶdc／Ｖpp比は約−０.４５となるが、位相差０度ではＶdc／Ｖpp比は約０となる。ここでそれぞれの電極間隔およびアンテナ電極１０３−基板電極１１５間の位相差に対するセルフバイアス電圧データをあらかじめ取得し、データベース化および関数化(モデル式化)することにより、基板電極１１５のＶppを測定し、被処理材１１６上のセルフバイアス電位を推定することが可能である。これらのデータを下に静電吸着膜に印加する電圧を所望の電圧になるように自動制御する。

具体的には、エッチングレシピにて静電吸着膜に印加する電圧、アンテナ電極１０３および基板電極１１５に印加する高周波電圧の位相差、アンテナ電極１０３と基板電極115間隔を設定し、その設定値または、Ｖppモニター値を用いて静電吸着用直流電源の出力電圧を所望の値となるように自動制御することが可能である。

更に、本発明では基板バイアス電源１１９の出力が時間的にランプ状に増減する制御器を有することにより実現される。整合器１１８はＲＦ出力の反射電力を極小とするように動作するが、その応答速度は有限であるため、印加電力の急激な変化等により、瞬間的に不整合な状態となり、基板電極１１５のＶppが大きく変化し、その変化に対して静電吸着用直流電源１２３および静電吸着電圧調整器１２４の時間応答性が不十分であると、静電吸着膜にかかる電圧が瞬間的に変化してしまう可能性がある。そこで高周波出力を時間的にランプ状に増減することにより、整合器１１８による不整合は発生しなくなることから、静電吸着膜にかかる電圧を安定して所望の電圧に制御することが可能となる。

また、高周波電力の印加時またはその出力を変化させる場合に、プラズマ状態が変化する。特に基板に印加する高周波電力の出力が、プラズマ生成用電力より大きい場合や、高出力のバイアス電力（２ｋＷ〜１０ｋＷ）を印加する場合には、基板に印加する高周波電力がプラズマ状態に与える影響が大きい。したがってプラズマ状態の変化（不安定）を抑制するために、その高周波出力を時間的にランプ状に増減する速度は、プラズマ状態に影響を与えない２ｋＶ／sec 以下とするように設定することが有効である。

更に、高周波出力を時間的にランプ状に増減する速度を、静電吸着用直流電源１２３の出力電圧、または基板電極１１５のＶppをモニターし、その変化を単調増加または単調減少とすることも、処理の安定性を向上させる上で有効である。

具体的には、静電吸着用直流電源１２３の出力電圧、またはモニターされた基板電極
１１５のＶpp信号の変化率を演算回路により算出し、その変化率が所望の値以下となるように、高周波出力を時間的にランプ状に増減する速度をリアルタイムに制御する。これにより、常にプラズマの放電状態が安定になるように、高周波出力が制御されることから、基板電極１１５に発生するＶppが安定し、さらに静電吸着膜にかかる電圧制御の精度が向上する。したがって、常に安定したエッチング処理が可能となる。

また、放電着火時などは、プラズマのインピーダンスが大きく変化することから、整合器１１８の整合ポイントが大きく変化することも考えられる。その場合には、放電が着火し安定するまでの期間、所望の整合ポイントに整合器ポジションを固定することも、ウエハ上に発生するＶppを安定させる手段として有効である。

上述では、基板バイアス電源１１９について述べたが、アンテナバイアス電源１１３及び高周波電源１０８についても、同様に出力を時間的にランプ状に制御しても良い。

図３に実際に自動で静電吸着膜にかかる電圧を制御した場合の実験例を示す。横軸は時間、縦軸は基板電極電圧Ｖpp、静電吸着膜を流れるＥＳＣ電流、およびＥＳＣ電圧であり、それぞれ基板電極１１５のＶppを変化させ、図３ａは静電吸着膜にかかる電圧の自動制御なし、ただし静電吸着用直流電源の出力は静電吸着膜にかかる電圧が極力所望の許容値内となるように、Ｖppを変化させる毎に段階的に変化させている。図３ｂは静電吸着膜にかかる電圧の自動制御あり、ここで図３ｃは静電吸着膜にかかる電圧の自動制御および基板バイアス電源の出力を時間的にランプ制御を行った場合である。ＥＳＣ電流は静電吸着膜にかかる電圧に比例し、その波形の乱れが小さいほど、ウエハの基板電極への吸着状態が安定していることを意味する。図３ａに比べて図３ｂ，図３ｃの順にＥＳＣ電流の乱れが減少していることがわかる。従って、ＥＳＣ電圧自動制御、ならびに基板バイアス電源のランプ制御を行うことにより、ウエハの基板電極への吸着状態を安定化することが可能となり、エッチング処理の信頼性を向上することが可能であることがわかる。

更に、アンテナ電極１０３−基板電極１１５間位相差により、セルフバイアス電位が大きく変化することを図２に示したが、位相差信号をモニターし、その信号を直接静電吸着電圧調整器１２４に入力し、静電吸着膜にかかる電圧を制御することも、処理の安定性を図る上で有効である。アンテナ電極１０３−基板電極１１５間位相差は、エッチングおよびチャンバー内クリーニングレシピにより変更可能であり、各エッチングステップ間で変化させ使用する場合があるが、アンテナ電極１０３−基板電極１１５間位相差を直接モニターし、その信号を用いて静電吸着電圧調整器１２４により静電吸着膜に印加する電圧を制御することで、より安定してウエハを基板電極に吸着させることができることから、エッチング処理の信頼性を向上することが可能である。

また、上記実施例ではプラズマ生成用高周波電源および、アンテナ，基板電極への位相制御機能つきの高周波電源を有するエッチング装置について述べたが、誘導結合型プラズマ装置および平行平板型プラズマ装置等の他のエッチング装置、およびアッシング装置，プラズマＣＶＤ装置など、基板電極へ高周波電力を供給し、静電吸着膜を用いてウエハを基板電極へ吸着する他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。

本発明を用いた第１の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。セルフバイアス電圧と位相差の関係を示す特性図。ＥＳＣ電圧の自動制御有無、および基板バイアス電源のランプ制御有無によるウエハの基板電極への吸着特性を示す特性図。

符号の説明

１０１真空容器
１０２誘電体窓
１０３アンテナ電極
１０４処理容器
１０５処理室
１０６真空排気口
１０７ガス供給装置
１０８高周波電源
１０９，１１２，１１８整合器
１１０，１１７フィルター
１１１同軸線路
１１３アンテナバイアス電源
１１４磁場発生用コイル
１１５基板電極
１１６被処理材
１１９基板バイアス電源
１２０位相制御器
１２１，１２２位相検出プローブ
１２３静電吸着用直流電源
１２４静電吸着電圧調整器

Claims

真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、前記基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、前記真空処理室内にプラズマを生成させるためのプラズマ生成手段からなるプラズマ処理装置を用いた被処理材のプラズマ処理方法において、
前記基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターし、前記モニターされたＶpp信号を元に前記静電吸着用直流電源の出力電圧を制御することによって、前記静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つとともに、前記基板バイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御し、
前記基板バイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に増減する速度は、前記静電吸着用直流電源の出力電圧、または前記Ｖpp信号から変化率を算出し、前記変化率が所望の値以下となるように制御されることを特徴とするプラズマ処理方法。
真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、前記基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、前記基板電極に対向する位置に設置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に接続されたプラズマ生成用高周波電源およびアンテナバイアス高周波電源と、前記基板バイアス高周波電源と前記アンテナバイアス高周波電源から出力される高周波の位相をモニターし、両者の位相差を制御する位相制御器を有するプラズマ処理装置を用いた被処理材のプラズマ処理方法において、
前記基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターし、前記モニターされたＶpp信号を元に前記静電吸着用直流電源の出力電圧を制御することによって、前記静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つとともに、前記基板バイアス高周波電源または前記プラズマ生成用高周波電源またはアンテナバイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御し、
前記基板バイアス高周波電源または前記プラズマ生成用高周波電源またはアンテナバイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に増減する速度は、前記静電吸着用直流電源の出力電圧、または前記Ｖpp信号から変化率を算出し、前記変化率が所望の値以下となるように制御されることを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
前記静電吸着用直流電源の出力電圧は、前記位相制御器によって設定された位相差と、前記Ｖpp信号と、前記基板電極−アンテナ電極間の距離を元に制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、前記基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、前記真空処理室内にプラズマを生成させるためのプラズマ生成手段からなるプラズマ処理装置において、
前記静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つために、前記基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターする手段を有し、前記モニターされたＶpp信号を元に前記静電吸着用直流電源の出力電圧を制御する静電吸着電圧調整器を有し、前記基板バイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御する制御器を有し、
前記制御器は、前記静電吸着用直流電源の出力電圧、または前記Ｖpp信号から変化率を算出し、前記変化率が所望の値以下となるように、前記基板バイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に増減する速度を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
真空処理室と、被処理材を吸着するための静電吸着膜を有する基板電極と、前記基板電極に接続された静電吸着用直流電源および基板バイアス高周波電源と、前記基板電極に対向する位置に設置されたアンテナ電極と、前記アンテナ電極に接続されたプラズマ生成用高周波電源およびアンテナバイアス高周波電源と、前記基板バイアス高周波電源と前記アンテナバイアス高周波電源から出力される高周波の位相をモニターし、両者の位相差を制御する位相制御器を有するプラズマ処理装置において、
前記静電吸着膜にかかる電圧を所望の値に保つために、前記基板電極に印加されている高周波電圧Ｖppをモニターする手段を有し、前記モニターされたＶpp信号を元に前記静電吸着用直流電源の出力電圧を制御する静電吸着電圧調整器を有し、前記基板バイアス高周波電源または前記プラズマ生成用高周波電源またはアンテナバイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に制御する制御器を有し、
前記基板バイアス高周波電源または前記プラズマ生成用高周波電源またはアンテナバイアス高周波電源の出力を時間的にランプ状に増減する速度は、前記静電吸着用直流電源の出力電圧、または前記Ｖpp信号から変化率を算出し、前記変化率が所望の値以下となるように制御されることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項５に記載のプラズマ処理装置において、
前記静電吸着電圧調整器は、前記位相制御器によって設定された位相差と、前記Ｖpp信号と、前記基板電極−アンテナ電極間の距離を元に制御することを特徴とするプラズマ処理装置。