JP3540133B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特にプラズマにより成膜やエッチングの処理を行なうプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に関する。
プラズマ処理装置は、プラズマを用いた連続処理で被加工物となる半導体に対し成膜やエッチングを行なう構成とされている。このプラズマ処理装置によれば、常に同じプラズマを作り、同様に処理することにより、再現性の良い成膜，エッチングを実施することができる。
【０００２】
しかるに、処理が行なわれるチャンバ内に汚れが付着した場合には、プラズマの発生状態が変化し、再現性の良い成膜，エッチング処理ができなくなるおそれがある。そこで、チャンバ内の汚れの発生を抑制しうるプラズマ処理装置が要望されている。
【０００３】
【従来の技術】
一般に、半導体プロセスにおいてウエハ上に膜を形成する際や、ウエハ上の膜をエッチングする際に、プラズマを利用して処理を行なう場合が多い。
この成膜，エッチングに使用されるプラズマ処理装置としては、主として平行平板型，ＥＣＲ型，ヘリコン型，ＩＣＰ（誘導結合）型等が知られており、近年高密度プラズマの必要性からＥＣＲ型，ヘリコン型，ＩＣＰ（誘導結合）型が多く使用されるようになってきている。特に、ＩＣＰ（誘導結合）型は、構造が比較的にコンパクトであり多用されている。
【０００４】
図５はエッチングで使用する従来のＩＣＰ（誘導結合）型プラズマ処理装置１０（以下、単にプラズマ処理装置と記す）を示す概略図であり、また図６はプラズマ処理装置のアンテナ１４近傍を拡大して示す図である。各図に示されるように、プラズマ処理装置１０は、大略すると石英チャンバ１２、アンテナ１４、マッチング回路１６，１８、高周波電源２０、ウエハバイアス電源２２等により構成されている。
【０００５】
石英チャンバ１２は内部にエッチングガスが充填されており、その周りにはコイル状のアンテナ１４が巻回されている。このアンテナ１４は、マッチング回路１６を介して高周波電源２０に接続されている。具体的には、図６に示されるように、高周波電源２０（マッチング回路１６）とアンテナ１４は２本の配線３２，３４により接続されており、一方の配線３４はアースされている。よって、配線３２は給電線として機能し、配線３４はアース線として機能する。
【０００６】
そして、アンテナ１４に対し、高周波電源２０から高周波電力（プラズマを発生する電力。以下、ソースパワーと記す）を投入することにより、石英チャンバ１２内にプラズマ３０（図６参照）を発生させる構成とされている。
ウエハ（半導体）２４は、石英チャンバ１２内に設けられたステージ２６に装着されており、ブロッキングコンデンサー２８及びマッチング回路１８を介してウエハバイアス電源２２に交流的に接続されている。ウエハバイアス電源２２によりステージ２６に印加されるウエハバイアスは、エッチングにおいて高エッチングレート，異方性を得るために重要なものである。
【０００７】
即ち、ウエハバイアスをかけることにより、プラズマで生成したイオンをウエハに垂直に引き込むことができ、よってエッチングの異方性を達成することができ、またウエハバイアスの大きさによりエッチングレート，下地，及びマスク材との選択比を設定することができる（ウエハバイアス電源２２の電力を、以下バイアスパワーと記す）。
【０００８】
プラズマを用いたウエハ処理は、上記したプラズマ処理装置１０を用い、エッチングガス流量，チャンバ内圧力，ステージ位置，ソースパワー，バイアスパワー等を処理ウエハ毎に等しくなるよう設定することにより、常に同量のエッチングレート，下地及びマスク材との選択比を得るようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、図６及び図７を用い、誘導結合型のプラズマ装置１０の動作原理について説明する。図６はプラズマ装置１０のアンテナ１４近傍を拡大して示す要部構成図であり、また図７は発生する誘導結合プラズマの等価回路を示している。図６に示されるように、プラズマ３０は、石英チャンバ１２の周りに巻かれたアンテナ１４に高周波電源２０からソースパワーを投入することにより発生する。この際、アンテナ１４に高周波電流が流れると高周波磁場が生成されて誘導電界が発生し、この誘導電界により電子は駆動されてプラズマが生成維持される。この誘導電界により電子が駆動される機構は、図７に示されるように、アンテナ１４がトランスの１次コイルに、プラズマ３０が２次コイルに相当する。
【００１０】
続いて、上記構成とされたプラズマ処理装置１０において、石英チャンバ１２が汚れた場合について考える。石英チャンバ１２が汚れると、アンテナ１４から同じ高周波磁界が発生しても、プラズマ３０がアンテナ１４から感じる磁界は弱まり、同じソースパワーであってもプラズマ３０に与えられる電界は小さくなる。このような状態になると、プラズマ処理装置１０を一旦止めて、石英チャンバ１２の洗浄をしなければならない。
【００１１】
石英チャンバ１２に付着する汚れは、処理したウエハ２４の枚数が増大する程ひどくなるため定期的な洗浄を必要とする。また、チャンバ洗浄は半日以上もの時間を必要とし、当然その間はプラズマ処理装置１０をストップさせる必要がある。
石英チャンバ１２の汚れの原因は、被エッチング材料，エッチング（スパッタ）されたマスク材，エッチング（スパッタ）された下地材料の再付着、プラズマ３０で生成したラジカルのデポジション等が挙げられる。これらにより石英チャンバ１２が汚れると、誘導結合型のプラズマ処理装置１０のように石英チャンバ１２の外部から電源を投入してプラズマ３０を発生させる装置の場合、電力の投入を汚れが妨げ、同じプラズマ３０を持続して発生させるのが困難になる。
【００１２】
特に、汚れが導電性物質によるものだと、汚れによる電力消費が大きくなり、エッチングレート，下地及びマスク材との選択比の変動は大きくなる。よって、石英チャンバ１２に汚れが付着すると、経時的にプラズマの発生状態が変化し、これにより再現性の良い成膜，エッチング処理ができなくなるという問題点がある。
【００１３】
しかるに、従来では石英チャンバ１２に付着する汚れを抑制する手段が設けられていなかったため、石英チャンバ１２に対する洗浄処理を頻繁に行なう必要があり、よってプラズマ処理装置１０の停止期間が長くなり、効率的な成膜処理或いはエッチング処理を行なうことができないという問題点があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、チャンバの洗浄周期を長くすることができるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、次に述べる手段を講じることにより解決することができる。
請求項１記載の発明では、
チャンバに誘導結合型のアンテナを有し、該アンテナに電力を供給して該チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
前記アンテナを形成するコイルの両端と、前記コイルに電力を供給する高周波電源との間に、前記コイル両端に接続される給電配線とアース配線を入れ換える切り換え手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
また、請求項２記載の発明では、
チャンバに設置された誘導結合型のアンテナに電力を供給して該チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ処理方法において、
前記アンテナを形成するコイルの一端に給電配線を接続し、他端にアース配線を接続し、プラズマを発生させる工程と、
前記コイル両端に接続される前記給電配線と前記アース配線とを入れ換えてプラズマを発生させる工程とを有することを特徴とするものである。
【００１７】
上記した各手段は、次のように作用する。
請求項１乃至２記載の発明によれば、
チャンバに設けられた誘導結合型のアンテナに電力を供給してチャンバ内にプラズマを発生させることにより、半導体に対して成膜処理或いはエッチング処理を実施することができる。また、アンテナを形成するコイルの両端と、コイルに電力を供給する高周波電源との間に、コイル両端に接続される給電配線とアース配線を入れ換える切り換え手段を設けたことにより、チャンバに汚れが付着するのを抑制することができる。以下、その理由について説明する。
【００１８】
本発明者は、前記した従来構成のプラズマ処理装置を用いたエッチング処理及びスパッタリング処理において、チャンバに汚れが付着する位置に注目した。
その結果、チャンバに汚れが多く付着する位置は、基本的にアンテナのアースに接続された付近で発生することが判明した。これに対し、アンテナの高周波電力が供給される給電部付近は発生しにくいことが判明した。
【００１９】
これは、高周波電力が供給される付近では、スパッタ作用が発生するためにチャンバには汚れが付着し難くなることに起因していると推定される。
従って、従来のようにコイル両端を電気的に切り換えない構成では、アンテナのアースに接続された付近では、常にチャンバに汚れが堆積し続ける状態となり、逆にアンテナの高周波電力が供給される給電部付近については常にチャンバに汚れが付着しない状態となる。
【００２０】
これに対し、本発明の如く、アンテナを形成するコイルの両端と前記コイルに電力を供給する高周波電源との間に、コイル両端に接続される給電配線とアース配線を入れ換える切り換え手段を設けることにより、切り換え処理によりコイル両端の夫々において上記したスパッタ作用を発生させることができる。
従って、コイル両端の何れか一方に集中的に汚れが堆積することを防止でき、チャンバ内に汚れが付着することを抑制することができる。これにより、チャンバの洗浄周期を長くすることが可能となり、洗浄処理のためにプラズマ処理装置を停止させる時間を短くすることができるため、効率的なプラズマ処理を行なうことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
図１乃至図３は、本発明に係るプラズマ処理装置の実施の一形態を示す図である。図１はプラズマ処理装置４０の構成図であり、図２及び図３はプラズマ処理装置４０のアンテナ４４近傍を拡大して示す構成図である。各図に示されるように、プラズマ処理装置４０は、大略すると石英チャンバ４２、アンテナ４４、マッチング回路４６，４８、高周波電源４０、ウエハバイアス電源４２、及び本発明の要部となる切り換え回路７０等により構成されている。
【００２４】
石英チャンバ４２は内部にエッチングガスが充填されており、その周りにはコイル状のアンテナ４４が巻回されている。このアンテナ４４は、マッチング回路４６及び切り換え回路７０を介して高周波電源５０に接続されている。
具体的には、図２及び図３に示されるように、高周波電源５０（マッチング回路４６）とアンテナ４４は２本の配線５２，５４により接続されており、一方の配線５４はアースされている。よって、配線５２は高周波電源５０からアンテナ４４に対し電力を供給する給電線として機能し（以下、配線５２を給電配線と記す）、配線５４はアース線として機能する（以下、配線５４をアース配線と記す）。この２本の配線５２，５４は、アンテナ４４の接続端子６６，６８に接続されている。
【００２５】
上記構成において、アンテナ４４に対し高周波電源５０から高周波電力（プラズマを発生する電力。以下、ソースパワーと記す）を投入すると、石英チャンバ４２内にプラズマ６０（図２及び図３参照）が発生する。この際、マッチング回路４６により、石英チャンバ４２内の状態（例えば、ガス濃度等）に応じて印加電力の周波数調整（マッチング）が行なわれる。このマッチング処理は、プラズマ処理装置４０を統括制御する制御装置７２がマッチング回路４６を制御することにより実施される。
【００２６】
被加工物（即ち、成膜処理或いはエッチング処理が行なわれる物）であるウエハ（半導体）５４は、石英チャンバ４２内に設けられたステージ５６に装着されている。このステージ５６は、ブロッキングコンデンサー５８及びマッチング回路４８を介してウエハバイアス電源５２に交流的に接続されている。ウエハバイアス電源５２によりステージ５６に印加されるウエハバイアスは、エッチングにおいて高エッチングレート，異方性を得るために重要なものである。
【００２７】
即ち、ウエハバイアスをかけることにより、プラズマ６０で生成したイオンをウエハ５４に垂直に引き込むことができ、よってエッチングの異方性を達成することができ、またウエハバイアスの大きさによりエッチングレート，下地，及びマスク材との選択比を設定することができる（ウエハバイアス電源２２の電力を、以下バイアスパワーと記す）。
【００２８】
尚、マッチング回路４８は、石英チャンバ４２内の状態（例えば、ガス濃度等）に応じてウエハバイアスの周波数調整（マッチング）を行なうものである。このマッチング処理は、制御装置７２がマッチング回路４８を制御することにより実施される。
一方、切り換え回路７０は、例えば図２及び図３に示されるようなリレー装置により構成されている。切り換え回路７０は、その内部に一対の可動接点７４，７６と、４個の固定接点７８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂとを有した構成とされている。
【００２９】
この一対の可動接点７４，７６の内、可動接点７４は給電配線６２と接続されており、可動接点７６はアース配線６４と接続されている。また、４個の固定接点７８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂの内、固定接点７８ａ，７８ｂは途中で一体的に接続された上でアンテナ４４の接続端子６６に接続されている。
更に、固定接点７８ａ，７８ｂ，８０ａ，８０ｂの内、固定接点７８ａ，７８ｂは途中で一体的に接続された上でアンテナ４４の接続端子６６に接続されている。また、固定接点８０ａ，８０ｂも途中で一体的に接続された上でアンテナ４４の接続端子６８に接続されている。
【００３０】
上記構成において、切り換え回路７０内に配設された一対の可動接点７４，７６は、制御装置７２により制御される駆動装置（図示せず）により一体的に可動する構成とされている。具体的には、切り換え回路７０は、図２に示す一対の可動接点７４，７６が固定接点７８ａ，７８ｂと接続した第１の状態と、図３に示す一対の可動接点７４，７６が固定接点８０ａ，８０ｂと接続した第２の状態とを切り換える。
【００３１】
従って、図２に示す第１の状態では、給電配線６２は可動接点７４，固定接点７８ａを介してアンテナ４４の接続端子６６に接続され、アース配線６４は可動接点７６，固定接点８０ａを介してアンテナ４４の接続端子６８に接続される。即ち、図中上部に位置するアンテナ４４の接続端子６６に給電が行なわれ、下部に位置する接続端子６８はアースされる。
【００３２】
一方、図３に示す第２の状態では、給電配線６２は可動接点７４，固定接点８０ｂを介してアンテナ４４の接続端子６８に接続され、アース配線６４は可動接点７６，固定接点７８ｂを介してアンテナ４４の接続端子６６に接続される。即ち、図中上部に位置するアンテナ４４の接続端子６６はアースされ、下部に位置する接続端子６８に給電が行なわれる。
【００３３】
上記のように、切り換え回路７０はアンテナ４４を形成するコイル両端の接続端子６６，６８と、アンテナ４４の整合をとるマッチング回路４６との間に配設され、接続端子６６，６８を電気的に切り換える機能を奏する。
続いて、上記構成とされたプラズマ処理装置４０の動作及び作用について説明する。
【００３４】
先ず、図２に示す第１の状態に注目する。この第１の状態では、図中上部に位置するアンテナ４４の接続端子６６に給電が行なわれ、下部に位置する接続端子６８はアースされる。また、前記したように、石英チャンバ４２において、汚れが多く付着する位置は、基本的にアンテナ４４のアースに接続された付近、即ち接続端子６８の近傍である（図中、汚れを符号８２で示す）。
【００３５】
これに対し、アンテナ４４の高周波電力が供給される給電部付近、即ち接続端子６６の近傍位置には汚れは殆ど付着しない。これは、高周波電力が供給される付近では、スパッタ作用が発生するためにチャンバには汚れが付着し難くなることに起因していると推定される。
図５及び図６を用いて説明した従来のプラズマ処理装置１０は、この第１の状態のみしか実現することができない構成とされていた。このため、アンテナのアースに接続された付近では、常にチャンバに汚れが堆積し続ける状態となり、これにより洗浄周期を早めなければならなかった。
【００３６】
しかるに、本発明の如くコイル両端を電気的に切り換える切り換え回路７０を設けることにより、図２に示す第１の状態から図３に示す第２の状態に、プラズマ処理装置４０の状態を変化させることができる。
この第２の状態では、図中下部に位置するアンテナ４４の接続端子６８に給電が行なわれ、上部に位置する接続端子６６はアースされる。前記のように、接続端子６８の近傍には第１の状態において汚れ８２が堆積している。しかるに、接続端子６８に高周波電力が供給されることにより発生するスパッタ作用により、この接続端子６８近傍の汚れ８２は飛散し除去される。また、逆にアースされた接続端子６６の近傍位置には、新たに汚れ８４が発生する。
【００３７】
従って、切り換え回路７０により接続端子６６，６８の電気的極性（特性）を交番的に切り換えることにより、接続端子６６，６８の夫々において上記したスパッタ作用を発生させることができる。これにより、接続端子６６，６８の配設位置近傍の何れか一方に集中的に汚れ８２，８４が堆積することを防止でき、石英チャンバ４２の内部全体としての汚れの付着を抑制することができる。
【００３８】
このように、石英チャンバ４２内に汚れが付着することを抑制できることにより、石英チャンバ４２の洗浄周期を長くすることが可能となり、洗浄処理のためにプラズマ処理装置４０を停止させる時間を短くすることができるため、効率的なプラズマ処理を行なうことができる。
また、切り換え回路７０による上記切り換えのタイミングは、特に限定されるものではなく、加工時に石英チャンバ４２内に配設される物（被エッチング材料，マスク材料，下地材料等）の材質等、或いは加工状態等に基づき任意に設定することができる。例えば、切り換え装置７０が１枚のウエハ５４の処理を行なう毎に接続端子６６，６８を電気的に切り換える構成としてもよく、また１枚のウエハ５４の処理中に複数回にわたり接続端子６６，６８を電気的に切り換える構成としてもよい。このように、比較的頻繁に切り換え処理を行なうことにより、石英チャンバ４２に汚れが付着することを確実に抑制することができる。
【００３９】
また、エッチング（スパッタエッチングも含む）工程でプラズマ処理装置４０を使用する場合、被エッチング材料，マスク材料，の少なくても一つが、蒸気圧の低いＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕ，ＲｕＯ，Ｃｕであると、これら導電性の膜は石英チャンバ４２に付着し易いことが知られている。導電性の汚れは、プラズマ６０に大きな影響を与えるので、エッチンググレート，マスク，下地の材料との選択比に大きく影響を与える。
【００４０】
しかるに、プラズマ処理装置４０は、上記したように石英チャンバ４２内に汚れが付着することが有効に抑制されるため、被エッチング材料，マスク材料，或いは下地材料が、導電性を有した白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ルテニウム（Ｒｕ），酸化ルテニウム（ＲｕＯ），或いは銅（Ｃｕ）等を含んでいても、従来に比べ石英チャンバ４２の洗浄周期を格段に長くすることができる。
【００４１】
続いて、本発明の効果を実証するため、本発明者が実施した実験の実験結果につて説明する。本実験では、従来のプラズマ処理装置１０と、本発明に係るプラズマ処理装置４０とを用い、各装置１０，４０で略同一条件の下でエッチング処理を行い、その結果発生した汚れを評価した。
〔比較例〕
従来のプラズマ処理装置１０で、Ａｒ：５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃｌ₂ ：７５ｃｃ／ｍｉｎ、圧力：５ｍＴｏｒｒ，ソースパワー：１０００Ｗ一定、バイアスパワー：１０００Ｗ一定の条件で、レジストマスクのＰｔエッチングを行なった。
【００４２】
この時の処理枚数に対する、Ｐｔのエッチングレート及びＰｔとレジストのエッチングレートの比（選択比）を図８に示す。同図に示されるように、処理枚数を重ねる毎に、Ｐｔのエッチングレート及び選択比は変化していることが判る。〔実施例〕
これに対し、図１乃至図３に示した本発明に係るプラズマ処理装置４０で、Ａｒ：５０ｃｃ／ｍｉｎ、Ｃｌ₂ ：７５ｃｃ／ｍｉｎ、圧力：５ｍＴｏｒｒ，ソースパワー：１０００Ｗ一定、バイアスパワー：１０００Ｗ一定の条件で、レジストマスクのＰｔエッチングを行なった。アンテナ４４の両端は、ウエハ１枚毎に電気的に入れ替えている。
【００４３】
この時の処理枚数に対する、Ｐｔのエッチングレート及びＰｔとレジストのエッチングレートの比（選択比）を図４に示す。同図に示されるように、図８に示めした従来の特性に比べ、Ｐｔのエッチングレート及び選択比の変化は小さく、チャンバ洗浄周期を長く取れることが判る。当然、ウエハ１枚の処理で、チャンバが汚れてしまうような場有には、ウエハ処理中にコイルの両端を入れ替えることが効果的である。
【００４４】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、切り換え処理によりコイル両端の夫々において上記したスパッタ作用を発生させることができ、よっコイル両端の何れか一方に集中的に汚れが堆積することを防止でき、チャンバ内に汚れが付着することを抑制することができる。これにより、チャンバの洗浄周期を長くすることが可能となり、洗浄処理のためにプラズマ処理装置を停止させる時間を短くすることができるため、効率的なプラズマ処理を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の構成図である。
【図２】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の第１の切り換え状態を示す要部構成図である。
【図３】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置の第２の切り換え状態を示す要部構成図である。
【図４】本発明の効果を説明するための図であり、ウエハ処理枚数に対するＰｔエッチングレート，Ｐｔ／レジスト選択比を示す図である。
【図５】従来のＩＣＰ（誘導結合）型プラズマ処理装置を示す構成図である。
【図６】従来の一例であるプラズマ処理装置の要部構成図である。
【図７】誘導結合プラズマの等価回路を示す図である。
【図８】従来のプラズマ処理装置のウエハ処理枚数に対するＰｔエッチングレート，Ｐｔ／レジスト選択比を示す図である。
【符号の説明】
４０ プラズマ処理装置
４２ 石英チャンバ
４４ アンテナ
５０ 高周波電源
５２ ウエハバイアス電源
５４ ウエハ
５６ ステージ
６０ プラズマ
６２，６４ 配線
６６，６８ 接続端子
７０ 切り換え回路
７２ 制御装置

Claims (2)

1. チャンバに誘導結合型のアンテナを有し、該アンテナに電力を供給して該チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、
   前記アンテナを形成するコイルの両端と、前記コイルに電力を供給する高周波電源との間に、前記コイル両端に接続される給電配線とアース配線を入れ換える切り換え手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. チャンバに設置された誘導結合型のアンテナに電力を供給して該チャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ処理方法において、
   前記アンテナを形成するコイルの一端に給電配線を接続し、他端にアース配線を接続し、プラズマを発生させる工程と、
   前記コイル両端に接続される前記給電配線と前記アース配線とを入れ換えてプラズマを発生させる工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。

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