JP2010050178A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウエハ温度の経時的な変動によって生じる加工寸法精度の経時的な低下を抑制し、高精度のエッチング加工が維持可能なプラズマ処理運用方法を提供する。
【解決手段】ヒータ温調制御電極の場合はプラズマ処理開始後の制御ヒータ電力の変化波形をロギングし、その波形のリファレンス値との変化を抑制するよう制御温度を調整する、あるいはウエハ裏面に充填された伝熱ガスの充填圧力を調整し、冷媒温調制御電極の場合は、プラズマ処理開始後の温度センサ信号の変化波形をロギングし、その波形の経時的な変化によって制御温度を調整するあるいは、ウエハ裏面に充填された伝熱ガスの充填圧力を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明はプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関わり、特に高い加工線幅精度が要求されるトランジスタゲートのエッチング加工工程に好適なプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。

従来の技術では一般には電極基材の冷媒溝に温調された冷媒を循環させ、冷媒の温調温度で間接的にウエハ温度を制御していた。あるいは、特許文献１に示すように冷媒循環溝と電極表面の間にヒータを内蔵し、ウエハに近い位置で温調することでウエハ温度を間接的に制御し、温度に敏感なプロセスでのエッチング加工寸法精度を維持していた。

プラズマ処理中はプラズマとバイアスあるいは化学反応によって発生するウエハへの入熱のため、冷媒あるいはヒータによって制御された点とウエハの間には温度差が生じる。この温度差は上記入熱量とウエハと制御点の間の熱抵抗により決まるため、入熱量と熱抵抗の両者が一定であれば同一処理を行う場合ウエハ温度は等しい温度に保たれる。

しかしながら、前記熱抵抗を形成する要素のうち、特にウエハと電極の間の熱抵抗は電極表面の状態がエッチング処理を累積するにしたがって経時的に変化するため、冷媒、あるいはヒータを用いた温調を行っているにもかかわらずウエハ温度が経時的に変化し、エッチング加工の寸法精度が低下する場合があった。

半導体集積回路は微細化の進展とともにトランジスタ素子の高速動作が要求され、特にゲート電極のエッチング加工に対しては高い加工寸法精度が要求されるようになった。エッチング加工の寸法精度は用いるガスケミストリ、プラズマ条件とともにウエハの温度の影響が大きく、ウエハ温度に関しては電極の温度を制御して加工寸法精度を維持することが行われている。

一方、プラズマ処理時の化学反応、荷電粒子によってウエハ表面で発生した熱は、ウエハから伝熱ガスが充填されたウエハ裏面−電極との界面を伝達し、電極に流れる。ウエハ裏面には伝熱ガスが充填されているが、その熱抵抗は比較的大きく、この部分で生じる温度差によりウエハ温度は電極の制御温度よりも高い温度となる。特に高いバイアス電圧を印加してエッチングを行う場合には、ウエハ温度と電極の制御温度との間には大きな温度差が発生する。

このウエハ裏面−電極間の熱伝達レートは、充填ガス圧力だけではなく、電極表面の状態、あるいはウエハ裏面の状態の影響を受けるが、電極表面状態がプラズマ処理の累積によって変化するため、熱伝達レートは一定せず、結果として電極温度およびプラズマ処理による入熱量を一定に保っているにもかかわらずウエハ温度が変動する場合がある。

この結果、ウエハ温度の影響を受けやすい加工プロセスにおいてはプラズマ処理の累積によって加工寸法の変動が生じ、トランジスタ素子特性のバラツキを生じさせていた。
特開２００７−８８４１１号公報

本発明の目的は、ウエハ温度の経時的な変動によって生じる加工寸法精度の経時的な低下を抑制し、高精度のエッチング加工が維持可能なプラズマ処理運用方法を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置は、温調機能付き電極を有するプラズマ処理装置であって、プラズマ処理中の電極の温調手段の出力モニタ値を履歴監視する監視手段と、前記監視手段により履歴監視したモニタ値がある規定値以上の変化を生じた場合に被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正する校正手段と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明のプラズマ処理方法は、温調機能付き電極を有するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、温調校正の保全シーケンスを有し、そのシーケンス処理はウエハを電極に搬送載置するステップと、ウエハ面内で温度勾配が発生する温調設定で温調するステップと、温調手段の出力モニタをロギング（履歴監視）し参照値と比較するステップと、比較結果によって被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正するステップと、を有することを特徴とする。

上記課題を解決するための具体的手段としては、例えば、ヒータ温調制御電極の場合はプラズマ処理開始後の制御ヒータ電力の変化波形をロギング（履歴監視）し、その波形のリファレンス値との変化を抑制するよう制御温度を調整する、あるいはウエハ裏面に充填された伝熱ガスの充填圧力を調整する。

さらに、冷媒温調制御電極の場合は、プラズマ処理開始後の温度センサ信号の変化波形をロギング（履歴監視）し、その波形の経時的な変化によって制御温度を調整するあるいは、ウエハ裏面に充填された伝熱ガスの充填圧力を調整する。

本発明は、上記の課題を解決することを目的としてなされたものであり、その構成、実施方法等について、以下、図面を参照し、実施例によって説明する。

図１は、本発明の実施例１を実施したエッチング装置を示すものである。マイクロ波源１０１により出力されたマイクロ波は導波管１０４により伝送される。処理室１１１には図示していない真空排気系とガス導入系が接続され、プラズマ処理に適した雰囲気、圧力に保持することが出来る。投入されたマイクロ波により、処理室１１１内のガスがプラズマ化され被処理試料（以下ウエハと呼ぶ）１１２に所定のプラズマ処理を行うことが出来る。なお、プラズマの生成手段はマイクロ波ではなく、高周波を用いた誘導結合または高周波を用いた静電結合によるプラズマ生成手段でも良い。

ウエハ１１２は、略円筒形状を有する試料載置電極１１３上に配置された円形状の載置面に設置される。この試料載置電極１１３は自動整合器１１４を介してバイアス電源１１５と電気的に接続されており、これから供給される電力によりウエハ１１２上面にバイアス電位を形成することが出来る。これによりプラズマ中のイオンを被処理基板に引き込み、プラズマエッチングを実行する。試料載置電極１１３の上面である載置面は誘電体製の膜により構成されており、この表面とウエハ１１２の裏面との間の熱伝導を向上するため載置面表面に熱伝達ガスを供給する開口を有するＨｅ導入系１１６が試料載置電極１１３内に配置されている。

また、誘電体膜内部には、ウエハ１１２を載置面上に吸着保持するために電力が供給される膜状の電極を備えた静電チャック及びウエハ１１２を加熱するために電力が供給される膜状のヒータが配置され、静電チャックを動作させるための直流電源１１７、ヒータを動作させてウエハ１１２の温度制御するためのヒータ電源１１８、さらには試料載置電極１１３内部に配置されその上方に誘電体膜が配置され円筒形状と見倣せる形状を有する金属製の基材を冷却するために配置された同心または螺旋状の通路内を通流する冷媒を温調循環させる温調器１１９が接続されている。

さらには、試料載置電極１１３内にはその内部の複数個所の温度を検知して出力する温度センサ１２１と、これら温度センサ１２１からの出力に基づいてヒータ電源１１８への出力指令値を決めるウエハ温度制御部１２０が接続されている。

なお、ウエハ温度制御部１２０は、内部にＣＰＵ等演算機及び記憶装置を有した単一の半導体デバイスで構成されていても良く、或いは各々が演算機、記憶装置を構成する複数の半導体デバイスやコネクタ、インターフェース等の組合せから構成されていても良い。また、ウエハ温度制御部１２０は、直流電源１１７、温調器１１９等と信号を授受可能に接続されてエッチング装置の動作を調節する制御装置の一部を構成していても良い。

本発明を適用する不具合現象を明らかにするため、レジストパターンのついたウエハをエッチングし、その加工寸法の変化を電極表面にプラズマを照射した前後で比較した。ここで、電極へのプラズマ照射はウエハの累積処理によって生じる電極表面の状態変化を模擬的に加速して行うことを意図している。

プラズマ照射前後での加工寸法の変動を見ると、図２に示すようにプラズマ照射を１回、２回と繰り返すごとに加工寸法が細くなっていることがわかる。これはプラズマの長時間照射によって電極表面の微細形状が変化し、ウエハ−電極間の熱伝達率が低下したことによって、ウエハ温度が上昇し、パターン側壁のエッチング速度が上昇したためである。加工寸法の変動は、特にトランジスタゲート電極加工において性能への影響が大きく、最小限に抑制する必要がある。

この課題に対し、本発明の実施例１の適用方法とその結果を以下に説明する。本実施例では、ヒータ電源１１８のヒータ温度制御電力が常にロギング（履歴監視）されており、現在の処理と過去の処理のヒータ制御の電力変動波形が一定周期で比較されている。すなわち、本実施例ではヒータ電源１１８から出力される電力、電流または電圧の値が所定の間隔で周期的に検出されウエハ温度制御部１２０内の記憶装置内にデータとして記録されている。

このようにして記録されたデータの値は時間を一方の軸、出力値を他方の軸にグラフとして示す場合には電力値の変動を示す波形となる。この記録されたデータがヒータ電源１１８の出力の過去の履歴となり、本実施例のエッチング装置は記録された過去の履歴と現在の処理のヒータ電源１１８の出力の履歴とを比較する機能を備えている。なお、過去の履歴はウエハ温度制御部１２０外部の記憶装置を用いても良く、エッチング装置と遠隔した箇所に配置した記憶装置を用いても良いし、記憶装置を着脱可能に構成していても良い。ロギング（履歴監視）比較するのは、図３に示す、同一のエッチングレシピのステップ実施時のタイミングで取得された波形である。

本発明のうち、校正制御部分を働かせず、ヒータ電源１１８からのヒータ制御電力のモニタ波形のウエハ処理累積による変化がある場合を、図４に示す。ヒータ制御電力はプラズマ着火時から低下し始め一定時間後に安定するが、ウエハ処理の累積によって安定した時のレベルは変動しないが、図４の点線で示されるように、安定までの変化速度が低下していることがわかる。この変化速度の低下は、ウエハ−電極間の熱伝達率変化に対応し、さらには加工寸法の経時的な変動に対応している。

本発明における校正制御を行う構成では、上記変化速度が一定値以内に保たれるよう、変化速度が低下した場合には、変化量に応じてＨｅ（ヘリウム）供給系１１６を制御し、ウエハ裏面のＨｅ（ヘリウム）充填圧力を増加させて冷却を強めるよう制御する。この結果、変化速度の低下は一定以内に抑制でき、またウエハ加工寸法の変動も要求精度内に抑制することが出来た。

次に、図５に、実施例２として、本発明における校正制御を行う構成の校正手段として、制御温度設定値をシフトさせる方法を用いた例を説明する。この方法の場合、変化速度の低下量に応じて、制御器１２０により制御温度設定値を処理装置内で変換して低めにシフトさせる。その変化比率は予め行った試験によって定めた値を用いる。

この結果、制御電力モニタ波形は変化しないが、処理されたパターンウエハの加工寸法の変動は少なくなり、規定値以内に抑制することが出来た。この方法では、Ｈｅ（ヘリウム）供給系を制御してウエハ裏面の充填Ｈｅ（ヘリウム）ガスの圧力を増加させる必要がなく、制御器１２０による制御によって校正を行うことができるので、ウエハ−電極間の吸着力に余裕がない場合に用いると有効に作用する。

また、図６に、本発明の実施例３として複数のゾーンのヒータを独立で制御できる電極を用いた場合について説明する。本実施例の場合、上記の実施例１，２とは異なり校正作業は実ウエハ処理とは別の独立した保全作業として行う。ここでは制御ゾーンをウエハ中心からセンタ／ミドル／エッジと３つの領域に分けた電極を用いた電極の場合について説明する。

まず、最初に、プラズマ長時間照射前にダミーウエハを電極に載せ、制御器２０によりヒータをセンタ＞ミドル＞エッジの関係の温度分布となるよう温度設定した。この温度設定はウエハ内を熱が流れる設定であれば良く、また精度良く校正するために出来るだけ大きな温度差となる設定とすることが望ましい。この時、ダミーウエハは実際に処理を行うウエハと裏面状態を同等としたものを用いたが、その影響が少ない場合は通常のダミーウエハを用いても良い。

データ取得は、上記設定で温度制御を開始し、温度制御が定常に達した状態で、制御器２０が、センタ、ミドル、エッジそれぞれのヒータ平均電力を取得する。このデータを過去同一の方法で取得し保存されているリファレンスデータと比較した。結果をまとめて表１に示す。

プラズマ照射後は、照射前に比較して各ヒータ間の電力差が小さくなっていることがわかる。これはウエハと電極間の熱伝達率が低下することによりウエハ内を温度勾配方向に流れる熱流速が低下したことによるものである。この電極状態でパターニングウエハをエッチングしたところ、プラズマ照射前に比較して加工寸法が細くなっていた。ここで本発明の方法を適用し、上記定常電力がリファレンスデータと等しくなるよう、Ｈｅ（ヘリウム）供給系１１６を制御して、ウエハ裏面のＨｅの充填圧力の調整を行った。調整後、再度パターニングウエハをエッチングしたところ、加工寸法はプラズマ照射前とほぼ等しい値になっていることがわかった。

次に、図７を用いて、本発明の実施例４のエッチング装置を説明する。本実施例では、ヒータ電源１１８のヒータ温度制御電力ではなく、電極中の複数個所の温度をモニタする温度センサ１２１の温度センサ信号の波形変化をロギング（履歴監視）する。

電極中の複数個所の温度をモニタする温度センサ１２１は、制御器１２０に含まれる場合もあるが、図７に示されるように、制御器１２０とは別に設置しても良い。

本実施例では、温度センサ１２１により電極中の複数個所の温度が監視されており、現在の処理と過去の処理の電極内の温度センサ信号の波形変化がロギング（履歴監視）される。

本実施例における校正制御を行う構成では、温度センサ信号の変化速度が一定値以内に保たれるよう、変化速度が低下した場合には、変化量に応じてＨｅ（ヘリウム）供給系１１６を制御し、ウエハ裏面のＨｅ（ヘリウム）充填圧力を増加させて冷却を強めるよう制御する。この結果、変化速度の低下は一定以内に抑制でき、またウエハ加工寸法の変動も要求精度内に抑制することが出来た。

あるいは、実施例２と同様に、変化速度の低下量に応じて、制御器１２０により制御温度設定値を処理装置内で変換して低めにシフトさせることができる。
また、実施例４と同様に、プラズマ長時間照射前にダミーウエハを電極に載せ、制御器２０によりヒータをセンタ＞ミドル＞エッジの関係の温度分布となるよう温度設定することも可能である。

以上、４つの実施例により説明したが、本発明によればウエハ処理の累積による電極表面状態の変化によって生じていたパターン加工寸法の経時的な変化を抑制できるので、半導体回路生産の高歩留まり維持が可能となるばかりではなく、電極交換の周期を伸ばすことが可能となるため生産コストの低減が可能となる。

また、今後、微細化の進展によってデバイス構造は深くなり、生産性の向上のため高いバイアスを印加するプロセスが増加していくが、本発明の効果はウエハへの入熱量が大きい場合に効果が顕著となるため、将来的にさらに有用性が高まるものと考えられる。

図１は、本発明の実施例１のプラズマエッチング装置の模式断面図である。 図２は、電極へのプラズマ照射による加工寸法変動を示す図である。 図３は、プラズマ着火前後のヒータ電力制御波形の変動を示す図である。 図４は、ウエハ処理累積によるヒータ制御波形の変化を示す図である。 図５は、本発明の実施例２のプラズマエッチング装置の模式断面図である。 図６は、本発明の実施例３のプラズマエッチング装置の模式断面図である。 図７は、本発明の実施例４のプラズマエッチング装置の模式断面図である。

符号の説明

１０１ マイクロ波源
１０４ 導波管
１１１ 処理室
１１２ 被処理基板（ウエハ）
１１３ 試料載置電極
１１４ 自動整合器
１１５ バイアス電源
１１６ Ｈｅ供給系
１１７ 直流電源
１１８ ヒータ電源
１１９ 温調器
１２０ 制御器
１２１ 温度センサ

Claims (8)

1. 温調機能付き電極を有するプラズマ処理装置であって、プラズマ処理中の電極の温調手段の出力モニタ値を履歴監視する監視手段と、前記監視手段により履歴監視したモニタ値がある規定値以上の変化を生じた場合に被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正する校正手段と、を備えていることを特徴と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において、
   前記温調手段の出力モニタ値として、ヒータ電源のヒータ温度制御電力の変動波形を履歴監視することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記温調手段の出力モニタ値として、電極内の複数個所の温度センサ信号の変動波形を履歴監視することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２または３に記載のプラズマ処理装置において、
   電極の複数ゾーンのヒータを独立で制御して前記複数ゾーンの温度分布を予め設定した後、前記温調手段の出力モニタ値を履歴監視し、被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 温調機能付き電極を有するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、温調校正の保全シーケンスを有し、そのシーケンス処理はウエハを電極に搬送載置するステップと、ウエハ面内で温度勾配が発生する温調設定で温調するステップと、温調手段の出力モニタを履歴監視し参照値と比較するステップと、比較結果によって被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正するステップと、を有することを特徴と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において、
   前記温調手段の出力モニタ値として、ヒータ電源のヒータ温度制御電力の変動波形を履歴監視することを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記温調手段の出力モニタ値として、電極内の複数個所の温度センサ信号の変動波形を履歴監視することを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項６または７に記載のプラズマ処理方法において、
   電極の複数ゾーンのヒータを独立で制御して前記複数ゾーンの温度分布を予め設定した後、前記温調手段の出力モニタ値を履歴監視し、被処理基板の裏面充填ガスあるいは制御温度設定値を校正することを特徴とするプラズマ処理方法。

Images