JP4298611B2

JP4298611B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP4298611B2
Application number: JP2004254277A
Authority: JP
Inventors: 学枝村; 誠一郎菅野; 尚輝安井; 洋二高橋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: JP2006073723A

Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、ばらつきのない処理性能を得ることのできるプラズマ処理技術に関する。

半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマ処理装置においては、ウエハ面内で均一な処理結果を実現できるプロセス条件（プロセスウインドウ）が年々狭くなってきている。このため、プラズマ処理装置には、より完全なプロセス状態の制御が求められている。これを実現するためには、プラズマの分布、プロセスガスの解離、あるいは処理チャンバ内の表面反応を極めて高精度に制御することのできる装置が必要とされる。

プラズマ処理装置の多くは、通常、数１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧を被処理物を保持するステージに供給し、被処理物に入射するイオンエネルギを制御している。また、被処理物に印加する高周波電圧を可変することにより被処理物に入射するイオンのエネルギを制御することができる。

イオンエネルギを制御するのは電圧である。しかし、前記高周波の電圧の振幅を精度よく調整することは困難であるため、処理の繰り返し安定性の観点から、例えば、特許文献１に示されるように高周波電力を制御するイオンエネルギ制御が広く用いられている。また、近年では、高周波電圧制御（ピークトゥピーク電圧をよく使うので、本明細書では、Ｖｐｐ制御と称する）も用いられるようになった。例えば、特許文献２，３には、Ｖｐｐ電圧を一定に保つように電源を制御し、被処理物のエッチング速度を常時一定に保つことが示されている。また、特許文献４には、電圧制御と電力制御を必要に応じて切り替えることが示されている。

図８は、従来のプラズマ処理装置を説明する図である。図において、処理チャンバ１は、例えば、表面をアルマイト処理したアルミニウム製あるいはステンレス製の真空容器であり、電気的に接地されている。処理チャンバ１は、真空排気手段２および被処理物である半導体ウエハ３を搬入出するための搬送システム４を備え、上部にはプラズマ発生手段７を備える。処理チャンバ１内には、半導体ウエハ３を載置するためのステージ６が設置される。ウエハは、搬送システム４により処理チャンバ中に搬入され、ステージ６上に保持される。ステージ６は通常、静電チャックを備え、半導体ウエハを電気的・熱的に確実に保持する。

エッチング処理用のガスは、ガス導入口５よりチャンバ内に導入される。また、ステージ６には高周波電圧発生手段８が接続されて、プラズマ処理中に半導体ウエハ３に入射するイオンのエネルギを制御する。高周波電圧発生手段８は、必要とされる波形が正弦波等の単一波形でよい場合は、通常の高周波電源である。また、任意波形が必要となる場合は、任意波形発生器と増幅器の組み合わせにより構成する。電圧センサ１０はその出力を高周波電圧発生手段８に対してフィードバックし、ステージ６に印加される電圧が一定となるように、高周波電圧発生手段８の出力値を制御する。

高周波電圧発生手段８とステージ６の間には、自動整合器１３が設けられる。自動整合器１３は、可変コンデンサや可変インダクタを備え、これらをモータによって調整することにより、負荷とのインピーダンス整合をとるものである。これにより、高周波電圧発生手段８からの高周波電力を効率よく処理チャンバ内に投入することができる。
特開平１１−３３００５９号特開平５−２３４９５５号公報特開平８−１９９３７８号公報特許第３３５０３８９号

近年のＬＳＩ製造プロセスにおいては、プロセス制御の高精度化と繰り返し安定性がもっとも重要である。例えば、前述の、被処理物に入射するイオンエネルギ制御に際して用いられるＶｐｐ制御と電力制御の優劣を考えると、Ｖｐｐ制御の方が電力制御に比して、イオンエネルギをより直接的に示すパラメータに基づいて制御できる。しかし、Ｖｐｐ制御は、波形の歪みなどによって値がばらつきやすい。このため電力制御の方がより安定した制御を行うことができる。

また、最近のプラズマ処理は、その処理時間が短い。このため、各処理毎の処理の立ち上がり時の挙動のばらつきが処理結果に大きな影響を与える。例えば、高周波電源は、前述のように、負荷（プラズマ装置の場合はステージ）との間にインピーダンス自動整合器１３を備える。高周波電源から電力を投入するとき、自動整合器内の可変インダクタンスや可変コンデンサをモータ等で操作してインピーダンス整合をとる。整合がとれた時点で、負荷に所定の電力を供給することができる。

また、良好なプラズマ処理を得るためには、被処理物に入射するイオンエネルギの平均的な値だけでなく、イオンエネルギの分布を制御することが有効である。例えば、Journal of Appled Physics, vol88 no2, p643,15 july 2000,のＳ．−Ｂ．ＷａｎｇとＡ．Ｅ．Ｗｅｎｄｔの論文等に示されているように、被処理物に印加する高周波の波形をデューティ比の低いパルス状にするなどの工夫を施すことにより、イオンのエネルギ分布の帯域を狭くすることができる。このようにイオンのエネルギを揃えると、例えばプラズマエッチングにおいては、より異方性の高いエッチング処理が可能となる。

しかしながら、このように、電圧発生手段において所望の波形の電圧を発生させたとしても、被処理物表面に発生する電圧波形は、ステージが持つインピーダンス成分、あるいはプラズマやイオンシースが持つインピーダンス成分によって変化してしまう。

図９は、図８に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。ステージ６のインピーダンスＺ_ＳＴは、内部の抵抗Ｒ_ＳＴ、配線ルートのインダクタンスＬ_ＳＴ、寄生容量Ｃ_ＳＴ等からなる。これらの値はステージ構造が変更されない限り一定であるので、ステージのインピーダンスＺ_ＳＴは一定値であると考えられる。一方、ウエハから上部のプラズマを含むインピーダンスＺ_ＰＬは、プラズマの抵抗Ｒ_ＰＬ、ウエハ−プラズマ間のイオンシースの容量Ｃ_Ｓ１、アース−プラズマ間のイオンシースの容量Ｃ_Ｓ２等からなる。しかし、これらは放電状態によって変化する。このため、これらのインピーダンスからなる負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤは、プラズマの状態によって変化することになる。この変化に対応し、前記インピーダンス自動整合器１３は、内部の可変コンデンサや可変インダクタンスを調整し、電流が効率的に図９に示した回路を流れるようにする。

ところで、自動整合器内の可変コンデンサや可変インダクタンスの調整に際しては、これらを構成する素子をモータ等で駆動して調整をとるため、整合がとれるまで数秒の時間を要する。一方、最近のプラズマプロセスは処理時間が短いものが多いことから、処理の立ち上がり時の整合がとれるまでの過程のばらつきが処理結果に大きな影響を与える。すなわち、ウエハ毎に行う前記整合過程の繰り返し安定性が処理結果に大きな影響を与えることになる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、安定した所望の電圧波形を精度よく、且つ迅速に被処理物に印加することのできるプラズマ処理技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

処理ガスの導入口、真空排気手段および試料を載置するステージを備え、導入した処理ガスをプラズマ化して試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、ステージに高周波電力を供給して試料に入射するイオンを加速する高周波電圧発生手段と、ステージに供給される高周波電圧を検出して、該電圧が設定値になるように高周波電圧発生手段を制御する電圧センサと、前記ステージに並列に接続され、前記高周波発生手段の負荷として作用する固定インピーダンス回路を備え、固定インピーダンス回路のインピーダンスは、固定インピーダンス回路側に供給される電力が前記高周波電圧発生手段の出力の５０％以上になるように設定した。

本発明は、以上の構成を備えるため、安定した所望の電圧波形を被処理物に印加することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。なお、図において図８に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図に示すように、ステージ６に印加される電圧を計測する電圧センサ１０が設けられる。電圧センサ１０はその出力を高周波電圧発生手段８に対してフィードバックし、ステージ６に印加される電圧が一定となるように、高周波電圧発生手段８の出力値を制御する。

また、本発明では、従来の自動整合器に代えて、インピーダンスを微調整することのできる半固定整合回路１１が設けられる。また、固定インピーダンス回路９を前記ステージに並列に接続する。すなわち、ウエハバイアスを供給するためのメインの給電回路であるステージと接地間を側路バイパスするように接続する。なお、この固定インピーダンス回路９は、純抵抗に近いもので構成するのが望ましいが、インダクタンス成分あるいはキャパシタンス成分を有していても良い。固定インピーダンス回路９は、バイパス電流による発熱が大きいため、冷却手段１２を装備するとよい。

図２は、図１に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。なお、図において、図９に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。

この例においては、固定インピーダンス回路９として純抵抗Ｒ_ＳＨを用いる。純抵抗Ｒ_ＳＨの値を負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤの値に比して十分小さく設定することにより、負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤ、の値の変動に係わらず電力の大部分が固定インピーダンス回路としての純抵抗Ｒ_ＳＨに投入されることになる。

したがって、電圧センサ１０により検出するステージ６の電圧Ｖｐｐは、プラズマ状態にほとんど無関係に以下の式で決まる。すなわち、プラズマ処理に際して、従来のように自動整合器による整合がとれるまで時間遅れを伴うことなく、所望の電圧Ｖｐｐをステージ６に供給することができる。

Ｖｐｐ＝２．８３（Ｐ・Ｒ_ＳＨ）^１／２
ここで、Ｐは高周波電圧発生手段８の出力である。

ＬＳＩを構成するトランジスタのゲート等を加工するエッチング装置においては、近年のＰｏｌｙ−Ｓｉ膜の薄膜化により、ウエハに印加するバイアス電圧は小さくなる方向にある。このため、一般的なＶｐｐの値としては６００Ｖ程度あれば十分である。したがって、抵抗Ｒ_ＳＨを５０Ω、高周波電圧発生手段８の出力Ｐの最大値を１５００Ｗとすれば、得られるＶｐｐは６６２Ｖとなり、ほぼ十分な値が得られる。高周波電圧発生手段８の出力としては、従来よりも高い値が要求されるが、近年のパワートランジスタ技術の進歩により電源の価格はその出力に比例せず、比較的大出力の電源でも小出力の電源とのコスト差はすくない。

固定インピーダンス回路９は、純抵抗に限られず、インダクタンスやキャパシタンス成分を有してもよい。しかしながら、いずれの場合もステージに印加される電圧を安定化させる観点から、ある程度の抵抗成分を有していることが望ましい。

図３は、固定インピーダンス回路９が、抵抗Ｒ_ＳＨとインダクタンスＬ_ＳＨからなる場合を示す図である。このとき、固定インピーダンス回路９側に効率的に電力を投入するため、固定整合回路１１の内部に、インダクタンスＬ_ＳＨと直列共振する値に近いキャパシタンスＣ_ＭＣが必要となる。キャパシタンスＣ_ＭＣを可変とし、微調整することにより、固定インピーダンス回路９に流れる電流の割合を調整することができる。

図２、図３のいずれの等価回路の場合においても、ステージ６からプラズマを介して処理チャンバ（アース）に至る経路でなく、固定インピーダンス回路９を介してアースに至る経路に大部分の電流が流れるように回路定数を設定する。これにより、高周波電圧発生手段８から見た負荷側インピーダンス（負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤと固定インピーダンス回路９の並列インピーダンス）は、プラズマ状態、すなわち、Ｒ_ＰＬ、Ｃ_Ｓ１、Ｃ_Ｓ２によらずほぼ一定になり、整合回路を１１の回路定数をほぼ固定化することができる。

図４は、純抵抗Ｒ_ＳＨを変化させ、固定インピーダンス回路９に消費される電力を変化させたときの、高周波電圧発生手段８から見た負荷側インピーダンス（複素インピーダンスＺ＝Ｒ＋ｊＸ）示す図である。

図４に示すように、固定インピーダンス回路９で消費される電力が大きいほど、負荷のインピーダンスのプラズマ状態に対する動きが小さくなることが分かる。このような特性は、プラズマ状態、被処理物であるウエハの径、ステージの設計によっても異なるが、高周波電圧発生手段８の出力のうち、５０％ほどの電力が固定インピーダンス回路９に消費されれば、十分な効果が得られる。

負荷側インピーダンス（負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤと固定インピーダンス回路９の並列インピーダンス）の変化が十分小さい場合には、電圧センサ１０の出力を高周波電圧発生手段８に対してフィードバックして電圧センサ１０の検出値が一定となるように、電圧発生手段８の出力値を制御することにより、プロセスの制御を安定かつ高速に行うことが可能となる。

すなわち、この例においては、所定の電圧指示（Ｖｐｐ）に対して、電圧センサの１０により高周波電圧発生手段８の出力をフィードバック制御するだけで、所望の電圧Ｖｐｐの電圧を整合された状態でステージに供給することができる。また、自動整合器は不要であるため、１０ｍｓのオーダで所望の電圧Ｖｐｐをステージに印加することができ、初期整合動作に起因する処理結果のばらつきを撤廃することができる。

図５及び図６は、本発明による作用効果説明する図であり、図５は、図８に示す従来の構成において、高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）、及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。図５に示すように従来の構成においては、イオンシースにおける電子及びイオンのウエハへの入射特性の差に起因して波形が歪む。図２，３，及び９に示す等価回路においては、イオンシースを単なるコンデンサ容量として記載したが、実際には、高周波の１周期に渡って、イオンは常時プラズマからウエハに入射できるが、電子はウエハの電圧がもっとも正になった時間の一瞬にしか入射できない。このため波形には歪みが発生する。さらに、プラズマの状態や整合回路の構成等によっては、ウエハバイアス電圧波形にさまざまな高調波が重畳される。このためピークツーピーク電圧（Ｖｐｐ）で制御しようとしても、ピークとして何処の電圧を採用すべきであるの可の判定が難しい場合がある。このような場合には、Ｖｐｐ制御は電力制御に比して制御の安定性が悪くなる。

図６は、図１に示す本実施形態の構成において、高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）、及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。本実施形態の構成においては、図６に示すように、高周波電圧発生手段から見た負荷側インピーダンス（負荷インピーダンスＺ_ＬＯＡＤと固定インピーダンス回路９の並列インピーダンス）が純抵抗に近いため、波形はほとんど歪まない。このため高周波電圧発生手段８により正弦波電圧（ａ）を与えれば、ステージには、ほぼそのままの波形の電圧（ｂ）を供給することができる。したがって、ピークツーピーク電圧を検出するときのばらつきがきわめて小さく、安定なプラズマ処理を実現できる。

図７は、高周波電発発生手段としてデューティ比の低い矩形波発生手段を用いた際の、高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）、及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。

図７に示すようなデューティー比の低い矩形波を発生した場合においても、ほぼそれに近い波形の電圧をステージに印加することができる。ウエハ位置ではステージ内のインダクタンスＬ_ＳＴ、及びステージ−ウエハ間の容量Ｃ_ＥＳＣの影響により若干波形が歪むが、これさえ考慮すれば、高周波電圧発生手段で発生した波形に近い波形をウエハに与えることができる。このような波形を与えることにより。前述の論文（Journal of Appled Physics）に示されるように、イオンのエネルギ分布を狭帯域化、すなわち、ある決まったエネルギに揃えることができる。また、イオンエネルギを狭帯域化することにより、J.Vac.Sci.Technol.B22,p826(2004)のＲ．Ｓｉｌａｐｕｎｔらの論文等に示されるように、エッチング形状、下地やレジストに対する選択比がそれぞれ改善されることが知られており、エッチング性能を高性能化することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、処理結果のばらつきの少ないプラズマ処理を実現することができる。また、イオンエネルギの平均値のみならず、イオンエネルギの分布を精密に制御することが可能となり、特にプラズマエッチング処理において、垂直性が高い優れたエッチングプロファイルを多彩なデバイスアプリケーションに対して実現することができる。また、全体としてのプラズマ処理性能および装置の稼働率が向上し、ハイスループットでの微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。なお、本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や、各種材料の成膜、表面処理に適用が可能である。

本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。図１に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。固定インピーダンス回路９が抵抗Ｒ_ＳＨとインダクタンスＬ_ＳＨからなる場合を示す図である。純抵抗Ｒ_ＳＨを変化させ、固定インピーダンス回路９に消費される電力を変化させたときの、高周波電圧発生手段８から見た負荷側インピーダンス示す図である。高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。高周波電発発生手段としてデューティ比の低い矩形波発生手段を用いた際の、高周波電圧発生手段８の出力電圧波形（ａ）、及び電圧センサ１０が検出する電圧波形（ｂ）を説明する図である。従来のプラズマ処理装置を説明する図である。図８に示すプラズマ処理装置の等価回路を説明する図である。

符号の説明

１処理チャンバ
２真空排気手段
３半導体ウエハ
４搬送システム
５ガス導入口
６ステージ
７プラズマ発生手段
８高周波電圧発生手段
９固定インピーダンス回路
１０電圧センサ
１１半固定整合回路
１２冷却手段
１３インピーダンス自動整合器
１４プラズマ

Claims

処理ガスの導入口、真空排気手段および試料を載置するステージを備え、導入した処理ガスをプラズマ化して試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
ステージに高周波電力を供給して試料に入射するイオンを加速する高周波電圧発生手段と、
ステージに供給される高周波電圧を検出して、該電圧が設定値になるように高周波電圧発生手段を制御する電圧センサと、
前記ステージに並列に接続され、前記高周波発生手段の負荷として作用する固定インピーダンス回路を備え、
固定インピーダンス回路のインピーダンスは、固定インピーダンス回路側に供給される電力が前記高周波電圧発生手段の出力の５０％以上になるように設定した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、
高周波電圧発生手段はインピーダンスを微調整することのできる半固定整合器を介して発生した高周波電圧をステージに供給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、
固定インピーダンス回路の固定インピーダンスは冷却手段を備えた抵抗器であ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
高周波電圧発生手段は、高周波のパルス電圧を発生することを特徴とするプラズマ処理装置。