JP2006100630A

JP2006100630A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP2006100630A
Application number: JP2004285754A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sumiya; 誠浩角屋; Yutaka Omoto; 大本　　豊; Shigeru Shirayone; 茂白米; Nushito Takahashi; 主人高橋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】ウェハの基板電極への脱吸着に対して、信頼性が高くさらにスループットの高いプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、処理終了時（Ｔ１）に、被処理材に印加する高周波電力（ＲＦ）の出力をエッチング処理の進行しない出力まで低下させ、冷却ガス排気終了（Ｔ２）後、被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波との位相差を０度とするとともにＥＳＣ電源をオフし、被処理材に蓄積された電荷を放出する（Ｔ３）。
【選択図】図３

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装置およびプラズマ処理方法に関するものである。

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。従来のプラズマ処理装置は、基板電極に印加する高周波と、基板電極に対向するアンテナ電極に印加する高周波はそれぞれ独立に制御されていた（例えば、特許文献１参照）。一般に、被処理材に入射するイオンのエネルギーは、被処理材に供給する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決定され、そのセルフバイアス電位は、処理室内の実効的なアース面積と電極面積の比により決定されていた（例えば、非特許文献１参照）。したがって、上昇したプラズマ電位により、プラズマは、外周部に拡散してしまい十分に処理室内に閉じ込められず、真空容器内壁のスパッタおよび反応生成物の付着・脱離などにより異物の発生量が増加する可能性があった。

それらの課題に対し、基板電極とアンテナ電極に同一周波数の位相制御したバイアス電圧を印加することにより、両電極のセルフバイアス電位を任意に制御することが実現されている（例えば、特許文献２参照）。

また、被処理材であるウェハは、基板電極上の静電吸着膜上に静電的に吸着され、ウェハ裏面に希ガスを導入し基板電極との伝熱効率を増加させウェハにバイアス電力を供給しつつ、温度調整を行っている。しかし、半導体製造プロセスではその工程から、ウェハ裏面に様々な膜が製膜されることも多く、その脱吸着特性をより信頼性の高いものにする必要があった。
特開平０９−３２１０３１号公報特開２００２−１７４７６６号公報Ｂ．Ｃｈａｍｐｍａｎ著ＧｌｏｗＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｒｏｃｅｓｓｅｓ（ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，ＮｅｗＹｏｒｋ，１９８０）

上記従来の半導体製造装置においては、半導体製造時における歩留まり向上のため、ウェハの基板電極への脱吸着に対し、スループット向上と歩留まり向上の観点からその高速化と、信頼性向上が要求されている。

本発明は、ウェハの基板電極への脱吸着に対して、信頼性が高くさらにスループットの高いプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置では、基板電極に印加する高周波と基板電極に対向するアンテナ電極に印加する高周波の位相を制御することにより、ウェハのセルフバイアス電位を調整し、強制的にウェハにチャージされた電荷を放電することにより、ウェハの基板電極への脱吸着特性を信頼性良く行うことが可能である。

すなわち、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能な基板電極、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜、被処理材を温調するために冷却ガス導入機構、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極、基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源、処理装置全体を制御する制御手段からなるプラズマ処理装置であって、
基板電極へ供給する高周波とアンテナ電極へ供給する高周波の位相差を制御する手段を有し、処理終了時に位相差を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出する手段を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記プラズマ処理装置において、制御手段が、冷却ガス排気終了後、被処理材に印加する高周波電力の出力をエッチング処理の進行しない出力まで低下させる手段であり、位相を制御する手段が、被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波との位相差を０度とする手段であり、さらに、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターを有し、吸着力モニターが、静電吸着膜のリーク電流を測定することにより吸着力を測定する手段であることを特徴とする。

本発明は、上記プラズマ処理装置において、さらに、被処理材上昇用のプッシャーピンと静電吸着圧力およびプッシャーピンの変位を検知する圧力・変位センサーを具備し、プッシャーピンを被処理材に密着させ、さらに圧力・変位センサーにより吸着力を測定することを特徴とする。

本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能な基板電極、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜、被処理材を温調するために冷却ガス導入機構、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極、基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源、処理装置全体を制御する制御手段、基板電極へ接続された高周波電源とアンテナ電極へ接続された高周波電源に印加する高周波の位相を制御する手段、処理終了時に位相を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出する手段、被処理材上昇用のプッシャーピン、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターからなるプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、処理終了時に被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波の位相差を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出することを特徴とする。

また、本発明は、上記プラズマ処理方法において、冷却ガス排気終了後、被処理材に印加する高周波電力の出力をエッチング処理の進行しない出力まで低下させ、被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波との位相差を０度として被処理材に蓄積された電荷を放出し、さらに、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターが、基板電極上に設けた静電吸着膜のリーク電流を測定することにより吸着力を測定することを特徴とする。

また本発明は、上記プラズマ処理方法において、吸着力モニタがプッシャーピンと静電吸着圧力およびプッシャーピンの変位を検知する圧力・変位センサーを具備しており、プッシャーピンを被処理材に密着させ、さらに圧力・変位センサーにより吸着力を測定することを特徴とする。

本発明は、基板電極と対向する電極にそれぞれ印加するバイアスの位相を制御することにより、ウェハのセルフバイアス電位を調整し、強制的にウェハにチャージされた電荷を放電することにより、ウェハの基板電極への脱吸着特性を信頼性良く行うことが可能である。したがって、プラズマ処理の信頼性の向上およびスループット向上が可能であるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図１から図４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。エッチング装置は、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）を設置し密封することにより、処理室１０５を形成する。上部電極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および整合器１０９、整合器１１２を介して高周波電源１０８（例えば、周波数１００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚ）、アンテナバイアス電源１１３が接続されている。アンテナバイアス電源１１３（例えば、周波数４００ｋＨｚ〜４ＭＨｚ）は、外部トリガー信号により発振を制御することができる。

また、被処理材１１６を載置可能な基板電極１１５は、真空容器１０１下部に設置され、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９に接続されている。また、基板電極１１５は、上部に静電吸着膜（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。これらの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。また、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することが可能とされている。また、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電源（静電チャック（ＥＳＣ）電源）１２３がフィルター１１７を介して基板電極１１５に接続されている。

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制御することができるようにされている。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。ここで、その位相は主に１８０°±４５°とした。

上記のように構成されたプラズマ処理装置において、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、上部電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１０５内に導入される。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、高周波電源１０８より出力された高周波電力を効率良く処理室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。

アンテナバイアス電源１１３よりの高周波電力は、整合器１１２、同軸線路１１１を介してアンテナ電極１０３に供給される。このとき、整合器１０９および整合器１１２と同軸線路１１１の間にはフィルタ１１０が設置されており、フィルタ１１０は高周波電源１０８より出力された高周波電力を、同軸線路１１１方向へ効率良く投入すると共に、アンテナバイアス電源１１３より出力された高周波電力を、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。該基板電極１１５には、静電吸着用直流電源（静電チャック（ＥＳＣ）電源）１２３が接続されており、被処理材１１６を吸着することが可能とされている。静電吸着用直流電源１２３と整合器１１８の間にはフィルタ１１７が接続されており、基板電極１１５および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、位相および電源用制御器１２４は、放電開始およびエッチング終了信号を元にに定められたシーケンスどおりに位相および電源出力を制御することが可能な構造となっている。

図２に、被処理材１１６であるウェハのセルフバイアス電位を示すＶｄｃ／Ｖｐｐ比とバイアスの位相差の関係を示す。ここで、Ｖｄｃとは、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−０．１５と最大となる。また、本測定結果は、上部アンテナ電極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。これは、狭電極間隔では側壁のアースとしての機能が減少するためである。図２より、位相差を変化させることによりウェハのセルフバイアス電位を任意に制御できることが分かる。

図３に、エッチング処理終了時のＲＦ電力、位相差、ウェハ裏面冷却用ガス圧力、静電吸着用電源（ＥＳＣ）電圧、およびウェハと静電吸着膜間の静電吸着力の時間変化を示す。時刻Ｔ１までが実際のエッチング処理時間であり、その後が静電吸着膜に吸着したウェハを脱離させる時間である。時刻Ｔ１〜Ｔ２では、裏面冷却ガスを排気しさらにウェハバイアス（ＲＦ）出力を位相差１８０のままエッチングが進行しない程度の弱い出力まで減少させる。裏面冷却ガスの排気終了（時刻Ｔ２）後、静電吸着用電源（ＥＳＣ）の出力電圧を０Ｖにすると共に、位相差を０度とする。すると静電吸着膜およびウェハ裏面に蓄積された電荷は、ＥＳＣ電源を介して放電すると同時に、位相差０度としたためウェハ電位は強制的に０Ｖとなることから、プラズマを介して強制的に放電される。したがって、ウェハと基板電極間の吸着力は急速に減少する（時刻Ｔ３）。その後時刻Ｔ４にはバイアス電力をオフし、時刻Ｔ５にプラズマ生成用ソース電源をオフし、全ての処理を終了する。

次に、図４（ａ）および図４（ｂ）を用いて吸着力モニターの構成を説明する。図４（ａ）の吸着力モニタは、基板電極１１５の表面に設けた静電吸着膜１３０と、ウェハ上昇用のプッシャーピン１３１と、圧力・変位計などのセンサ１３２と、プッシャーピン駆動機構１３４と、電流計１３５とＲＦ電源１１９と、ＥＳＣ電源１２３とを有している。図４（ａ）の構成では、静電吸着膜１３０は膜間にかかる電圧により、リーク電流が変化するため、そのリーク電流を電流計１３５で測定することにより吸着力を測定することが可能である。また、図４（ｂ）の吸着力モニタは、基板電極１１５の表面に設けた静電吸着膜１３０と、ウェハ上昇用のプッシャーピン１３１と、圧力・変位計などのセンサ１３２と、制御部１３３と、プッシャーピン駆動機構１３４と、ＲＦ電源１１９と、ＥＳＣ電源１２３とを有している。図４（ｂ）の構成では、ウェハ上昇用のプッシャーピン１３１を処理終了後にウェハに密着させ、プッシャーピン１３１にある一定の圧力を印加し、その圧力変化および変位をセンサ１３２でモニターすることにより吸着力を測定することが可能である。これらのいずれかのモニターおよび制御機器を用いた場合、図３に示す時刻Ｔ３を検出することが可能である。したがって吸着力モニターを用いた場合は時刻Ｔ４を時刻Ｔ３と同時とすることが可能であり、スループットの向上が可能である。

また、上記実施例ではエッチング装置について述べたが、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。エッチング終了時の各パラメータ出力等の時間変化を示す時間線図。吸着力モニターの構成を示す、縦断面図。

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…整合器
１１０…フィルター
１１１…同軸線路
１１２…整合器
１１３…アンテナバイアス電源
１１４…磁場発生コイル
１１５…基板電極
１１６…被処理材
１１７…フィルター
１１８…整合器
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…位相および電源用制御器？？？
１３０…静電吸着膜
１３１…プッシャーピン
１３２…センサ
１３３…制御部
１３４…プッシャーピン駆動機構
１３５…電流計

Claims

真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能な基板電極、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜、被処理材を温調するために冷却ガス導入機構、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極、基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源、処理装置全体を制御する制御手段からなるプラズマ処理装置であって、
基板電極へ供給する高周波とアンテナ電極へ供給する高周波の位相差を制御する手段を有し、
処理終了時に位相差を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出する手段を有する
ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、制御手段は、冷却ガス排気終了後、被処理材に印加する高周波電力の出力をエッチング処理の進行しない出力まで低下させる手段であり、位相を制御する手段が、被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波との位相差を０度とする手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１または請求項２記載のプラズマ処理装置において、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３記載のプラズマ処理装置において、吸着力モニターが、静電吸着膜のリーク電流を測定することにより吸着力を測定する手段であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３記載のプラズマ処理装置において、被処理材上昇用のプッシャーピンと静電吸着圧力およびプッシャーピンの変位を検知する圧力・変位センサーを具備し、プッシャーピンを被処理材に密着させ、さらに圧力・変位センサーにより吸着力を測定することを特徴とするプラズマ処理装置。
真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、処理室内へガスを供給するガス供給装置、被処理材を載置可能な基板電極、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜、被処理材を温調するために冷却ガス導入機構、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極、基板電極へ接続された高周波電源およびアンテナ電極へ接続された高周波電源、処理装置全体を制御する制御手段、基板電極へ接続された高周波電源とアンテナ電極へ接続された高周波電源に印加する高周波の位相を制御する手段、処理終了時に位相を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出する手段、被処理材上昇用のプッシャーピン、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターからなるプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、
処理終了時に被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波の位相差を制御することにより被処理材に蓄積された電荷を放出する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項６記載のプラズマ処理方法において、冷却ガス排気終了後、被処理材に印加する高周波電力の出力をエッチング処理の進行しない出力まで低下させ、被処理材に印加する高周波とアンテナ電極に印加する高周波との位相差を０度として被処理材に蓄積された電荷を放出することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項６または請求項７記載のプラズマ処理方法において、被処理材と基板電極との間の吸着力を監視する吸着力モニターが、基板電極上に設けた静電吸着膜のリーク電流を測定することにより吸着力を測定することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項８記載のプラズマ処理方法において、吸着力モニタがプッシャーピンと静電吸着圧力およびプッシャーピンの変位を検知する圧力・変位センサーを具備し、プッシャーピンを被処理材に密着させ、さらに圧力・変位センサーにより吸着力を測定することを特徴とするプラズマ処理方法。