JP2004111432A - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】プラズマ処理における処理の均一性を向上すると同時に異物発生を抑制したスループットの高いプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】排気装置１２４が接続され内部を減圧可能な処理室１０２、処理室１０２内へガスを供給するガス供給装置１０７、被処理材１１６、被処理材１１６を載置可能な基板電極１１５、基板電極１１５に対向するプラズマを生成するためのアンテナ電極１０３、アンテナ電極１０３へ接続されたプラズマ生成用高周波電源１１１、基板電極１１５へ接続された第１高周波電源１１９およびアンテナ電極１０３へ接続された第２高周波電源１１４からなるプラズマ処理装置において、第１高周波電源１１９と第２高周波電源１１４から印加する高周波の周波数が等しくかつ両者の位相差を制御する位相制御手段１２２を有し、第１高周波電源と第２高周波電源の高周波の位相を１８０°ずらした。
【選択図】 図１
【解決手段】排気装置１２４が接続され内部を減圧可能な処理室１０２、処理室１０２内へガスを供給するガス供給装置１０７、被処理材１１６、被処理材１１６を載置可能な基板電極１１５、基板電極１１５に対向するプラズマを生成するためのアンテナ電極１０３、アンテナ電極１０３へ接続されたプラズマ生成用高周波電源１１１、基板電極１１５へ接続された第１高周波電源１１９およびアンテナ電極１０３へ接続された第２高周波電源１１４からなるプラズマ処理装置において、第１高周波電源１１９と第２高周波電源１１４から印加する高周波の周波数が等しくかつ両者の位相差を制御する位相制御手段１２２を有し、第１高周波電源と第２高周波電源の高周波の位相を１８０°ずらした。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等の試料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。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波バイアス電力を供給してプラズマ中のイオンを被処理材に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。
【０００３】
このような処理を行うプラズマ処理装置の一例として、真空容器外側の外周部に空心コイルを設け、真空容器内に設けた試料台に対向させて円形導体板を設け、円形導体板にＵＨＦ帯電源と第２の高周波電源を接続し、試料台に第１の高周波電源を接続し、円形導体板にＵＨＦ帯の周波数の電界とそのＵＨＦ帯の周波数とは異なる周波数の電界を重畳して供給し、ＵＨＦ帯電源による電磁波と空心コイルによる磁場との相互作用を用いてプラズマを形成し、重畳した第２の高周波電源による高周波電圧によって円形導体板（例えばＳｉ製）とプラズマとを反応させ、エッチングに寄与する活性種をより多く生成できるようにし、試料台に接続した第１の高周波電源によりプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギーを制御する装置が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００４】
すなわち、従来のプラズマ処理装置は、図４に示すように、真空容器１０１に、処理容器１０２，アンテナ電極１０３，誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１０５が設けてある。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が接続されている。また、真空容器１０１には真空排気装置１２４が接続されている。
【０００５】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、同軸線路１０８，フィルター１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用のＵＨＦ帯電源１１１が接続されている。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１０８，フィルター１１２，整合器１１３を介して第２の高周波電源１１４が接続されている。
【０００６】
真空容器１０１内の下部には被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルター１１７，整合器１１８を介して第１の高周波電源１１９が接続されている。また、基板電極１１５にはフィルター１２０を介して被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１が接続されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−３２１０３１号公報
【特許文献２】
米国特許第５８９１２５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、スループット向上の観点から量産現場において大口径ウエハ（１２インチ）が使用されている。そのため処理の均一性を高めることが急務となっている。
【０００９】
また、従来の装置では、バイアスにより上昇したプラズマ電位と、接地された真空容器の間でイオンが加速され、真空容器内壁にイオンが衝突することによるスパッタなどが生じ、これにより異物の発生量が増加する可能性があった。
【００１０】
さらに、半導体素子の微細化に伴い、加工精度についてもマスク選択比を向上させることが要求され、そのためには好ましいプラズマ組成を形成することが重要となっている。
【００１１】
本発明の第１の目的は、プラズマ処理における均一性を向上することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、異物発生量を少なくできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の第３の目的は、高精度表面処理を行うことのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を制御した高周波電力を印加することにより、達成される。さらに、前記両電極にそれぞれ印加する高周波の位相差は０°から３６０°である。また、前記プラズマは高周波電力と磁場を用いて生成される。さらに、位相をステップ的に切替えまたは時間的に変調することも有効である。
【００１５】
上記第２の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を１８０°±４５°に制御した高周波電力を印加することにより、達成される。また、処理室内壁に炭素を含む膜およびカバーを併用することが有効である。
【００１６】
上記第３の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を制御した高周波電力を印加することにより、達成される。さらに、前記両電極にそれぞれ印加する高周波の位相差は０°から３６０°である。また、処理室内壁に炭素を含む膜およびカバーを併用することが有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施例を図１から図８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例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２，導電体でなる平板状のアンテナ電極１０３，電磁波を透過可能な誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１０５が設けてある。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が接続されている。また、真空容器１０１には真空排気装置１２４が接続されている。
【００１８】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、同軸線路１０８，フィルター１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用の高周波電源１１１（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１０８，フィルター１１２，整合器１１３を介してアンテナバイアス電源（第２の高周波電源）１１４（例えば、周波数２ＭＨｚ）が接続されている。ここで、フィルター１０９は高周波電源１１１からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルター１１２はアンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。
【００１９】
真空容器１０１内の下部には被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルター１１７，整合器１１８を介して基板バイアス電源（第１の高周波電源）１１９（例えば、周波数２ＭＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５には被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１がフィルター１２０を介して接続されている。ここで、フィルター１１７は基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。なお、通常、高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、安全のためフィルター１１７を設けてある。フィルター１２０は静電チャック電源１２１からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１１１，アンテナバイアス電源１１４，基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。
【００２０】
アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９は位相制御器１２２に接続されており、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９の周波数は同一周波数とした。
【００２１】
位相制御器１２２は、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、位相制御器１２２内でそれぞれの電圧波形の位相が所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はアンプ機能を有するのみで良い。
【００２２】
また、位相制御器１２２が、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、電力の出力タイミングを制御するトリガー信号のみを出力するものである場合には、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はオシレータ機能を有するものとする。この場合、２つの高周波電源の出力タイミングを調整しても、あるいは１つの高周波電源の出力タイミングのみを調整しても良い。さらには、１方の高周波電源はオシレータ機能を有し、もう１方の高周波電源はアンプ機能のみとして、位相制御器１２２がオシレータ機能を有する高周波電源の出力信号を基準に、位相をずらした小振幅の信号をアンプ機能のみを有する高周波電源に供給するようにしても良い。
【００２３】
上記のように構成された装置において処理室内部を真空排気装置１２４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内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１１１より発振された、例えば、周波数４５０ＭＨｚの高周波電力は、同軸線路１０８を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０４を介して処理室内に導入される。
【００２４】
処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル１０５（例えば、ソレノイドコイル）により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。また、アンテナバイアス電源１１４より高周波電力（例えば周波数２ＭＨｚ）が同軸線路１０８を介してアンテナ電極１０３に供給される。また基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、基板バイアス電源１１９より高周波電力（例えば周波数２ＭＨｚ）が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。
【００２５】
アンテナ電極１０３に所望の材料を用いた場合、アンテナバイアス電源１１４によってアンテナ電極１０３に高周波電圧を印加することにより、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極１０３の材料にＳｉを用いることによって、酸化膜のエッチング特性に影響するプラズマ中のＦラジカル量を調整することが可能となる。
【００２６】
本構成の装置では、４５０ＭＨｚの高周波電源１１１によって主としてプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１４によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、基板バイアス電源１１９によってプラズマ中のイオンの被処理材１１６への入射エネルギーを制御している。このような装置では、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがある。
【００２７】
従来の方式では、プラズマ分布は主に磁場形状を変化させ、ＵＨＦ電磁波のプラズマへの吸収効率を面内で変化させることにより調整していた。
【００２８】
図２を用いて、エッチングレートの面内分布と位相差および磁場との関係を説明する。図２の縦軸はエッチングレート、横軸はウエハ中心からの距離である。図２によれば、磁場形状１の場合は、位相差１８０°の場合緩やかな凸分布となっているが、位相差を９０°、０°と変化するとともに、フラット、凹分布へと連続的に変化している。また磁場形状２の場合は、位相差１８０°でフラットの分布が位相差９０°、０°と変化するとともにＭ型分布へと変化する。すなわち、磁場形状だけでなく、磁場形状と位相差の両方を制御することにより、エッチング分布の微調整が可能であり、均一性を向上させる効果がある。
【００２９】
半導体素子は一般に多層膜によって形成されている。したがってエッチング工程では、一種類の膜だけでなく、多数の膜を一度にまたは連続してエッチングする必要がある。被処理材の材質（膜種）により、エッチングに最適なガス種、イオンエネルギー、イオン量などが異なるため、異なる膜を一度にエッチングする場合にはガス種や投入電力などを段階的に変化させるステップエッチングを用いる。通常使用するガス種や投入電力などを変化させると、プラズマの分布が僅かに変化するので、ステップ毎に磁場等の最適化が必要である。しかし、磁場によるプラズマ分布の制御はプラズマ分布の変化が大きい。図２によれば、位相差を変化させることにより、分布を僅かに変化させることができることから、ステップ間の微小な分布制御に対しては、位相差による調整が有効である。
【００３０】
また、図２の位相差を（例えば位相差０°から１８０°）時間的に変調すると（例えば周波数１ｋＨｚ）位相差０°から１８０°の間の連続して変化する分布のほぼ平均値を得ることができる。このように位相差を時間的に変調した場合には、エッチングのステップ間での分布の調整は必要なくなることから、エッチングの均一性を向上させることが可能である。
【００３１】
また、高アスペクト比のホールあるいはトレンチエッチングの場合、プラズマにより生成されるラジカルの付着係数の違いにより、ホール底部あるいはトレンチ底部に到達するラジカル量が、アスペクト比に応じて変化し、かつラジカル種により異なる。ラジカル自体も寿命を有するため、ラジカルのウエハ面内均一性もラジカル種ごとに異なる。図２に示すように、位相差によりプラズマ分布を変化させることができることから、アスペクト比に応じて位相差を制御することにより、高均一で高アスペクト比の加工が可能であるという効果がある。
【００３２】
図３を用いて、位相差と被処理材１１６の電圧の最大値（最大電極電圧）を説明する。この場合、電極には約１ｋＶ振幅の電圧を印加した。一般にプラズマ電位は、この電極電圧によって押し上げられ、接地された処理容器側壁には、このプラズマ電位によって加速されたイオンが入射する。このイオンの衝撃により処理室内壁がスパッタされ、異物の原因となる可能性がある。図３によれば位相差１８０°とした場合に、最大電極電圧は極小となることから、位相差１８０°近傍の位相差を用いることによりプラズマから側壁に入射するイオンエネルギーが減少するので、側壁へのスパッタを抑制することが可能である。
【００３３】
図５を用いて、図４に示す従来装置と本発明の場合のプラズマ電位と電極電位を説明する。すなわち、従来の方式では、ＵＨＦ帯のアンテナ電位が電極電位に重畳され、プラズマ電位は、ＵＨＦ帯のリップルが重畳された半波整流波形状で変化するが、本発明においては、アンテナ電位と電極電位にの位相差が０°のときは、プラズマ電位は半波整流波形状で変化するが、位相差が１８０°の時は、プラズマ電位をほぼ一定の低い値に維持することができる。この場合プラズマ電位には、アンテナ電位の高周波（例えば４５０ＭＨｚ）が重畳されるが、問題はない。特に位相差１８０°±４５°の場合が、従来装置と比較して効果的である。
【００３４】
処理室の側壁がアルミニウム製で表面がアルマイト（Ａｌ２Ｏ３）処理されている場合、ＣＦ系のエッチングガスを使用すると、側壁に入射するイオンエネルギーが高いと、アルマイト膜もスパッタされて削れたり、表面にＡｌＦが形成される。スパッタされたアルマイト成分のＡｌは、処理室の壁面に付着し、Ｆと反応してＡｌＦが形成される。このようにして形成されたＡｌＦは、蒸気圧が低く安定であるため、次第に堆積し異物源となる場合が多い。このＡｌＦ異物はウエハのロット処理数が増加するとともに増加し、ウエハの歩留まりを低下させるため、ある管理限界値を超えると処理室を大気開放し、パーツ交換やウェット洗浄を実施する。このため装置稼働率の低下や消耗部品コストの増加などＣＯＣ増加を引き起こす。
【００３５】
ＡｌＦ異物を低減するには、処理室内壁面にＡｌを使用しないようにすることや、側壁に入射するイオンのエネルギーを低くし、側壁のスパッタを防止することが有効である。前者の具体的方法としては、ＡｌＦ異物低減には処理室側壁を炭素を含む材料でカバーしたりコーティングすることが有効である。本実施例では耐熱性も考慮してポリイミドカバー、ポリイミドコーティングを実施した。図５に示すように、従来装置ではプラズマ電位が高いことから、図６（ａ）に示すように処理室下部近くまでプラズマ１２７が拡散する。従来方式で、絶縁材であるポリイミドカバー、ポリイミドコーティング１２５，１２６を処理室側壁および電極側面に使用すると、図６（ｂ）に示すように、プラズマ１２７はプラズマ電位の基準となるアースの存在する処理室下部へさらに拡散する。処理室下部の材料はアルマイトであるためここでＡｌＦ異物が生成される。しかしながら図６（ｃ）に示す本発明の場合（位相差１８０°）には、対向する電極が交互にアースとして機能し、図５に示すようにプラズマ電位が低く抑制されるために、プラズマ１２７を処理室上部に閉じ込めることができる。このため処理室下部のアルマイト部材へのプラズマ１２７の拡散を抑制できるためＡｌＦ異物の発生を抑制することができる。
【００３６】
図７を用いて、従来方式と本発明の場合の処理ロット数と異物数の関係を説明する。３０ロット処理後では、従来方式では粒径０．２μｍ以上の異物数は１５個だったが、本発明では２個に減少した。したがって、対向する二つの電極に位相差１８０°の高周波電圧を印加し、ポリイミドで処理室側壁、電極側面をカバーあるいはコーティングすることにより、異物が低減できるという効果がある。特に位相差１８０°±３０°とする場合が効果的である。
【００３７】
本発明は、対向する二つの電極に印加する高周波電圧の位相差を１８０°±３０°とすることによりプラズマの拡散を抑制し、側壁をポリイミドコーティングすることで、側壁に堆積する異物低減が可能となった。さらに、本発明では、プラズマ電位が従来装置に比較して低いので、ポリイミド表面に入射するイオンエネルギーも小さく、スパッタされにくい。そのためポリイミドコーティング膜の寿命が長いという効果もある。
【００３８】
図８を用いて、プラズマ中のＣ２発光強度と位相差との関係を説明する。プラズマ中のＣ２発光強度は、プラズマ中の炭素原子量を示し、マスク選択比やエッチストップなどのエッチング特性と相関がある。図８によれば位相差を変化させることにより、プラズマ中のＣ２発光強度が変化している。これは位相差によりプラズマ電位が変化するために、側壁に付着する炭素系の膜に入射するイオンのエネルギーが変化し、壁からプラズマ中へ脱離する炭素系ラジカル量が変化していることを示している。微細なパターンのエッチングを行う場合には、プラズマ中の組成の微調整が必要であるが、本方式ではガス種およびガス量だけでなく、位相差によってより微小なプラズマ中の組成を制御することが可能である。
【００３９】
本発明の第２の実施例を、図９を用いて説明する。本図において図１または図６と同符号は同一部材として説明を省略する。本図が図１または図６と異なる点を以下説明する。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２、導電体でなる平板上の上部電極２０３、誘電体１０４を気密に設け、内部に処理室を形成する。上部電極２０３は、フィルター２０９、整合器２１０を介して例えば２７ＭＨｚ、６０ＭＨｚのプラズマ生成電源２１１に接続されている。上部電極２０３より処理容器１０２内に供給される高周波電力によりプラズマが生成される。処理室内壁には、炭素を含むカバー（例えばポリイミドカバー）１２５、１２６を設置、または炭素を含む膜をコーティングした内壁（例えばポリイミドコーティングを施した内壁）１２５、１２６を設置する。第一の実施例中で示した図６と同様に、本実施例においても、上下電極２０３，１１５に位相差１８０°で高周波電圧を印加することにより、プラズマ１２７を処理室上部に閉じ込めることが可能である。したがって第一の実施例と同様に、対向する二つの電極に位相差１８０°の高周波電圧を印加し、ポリイミドで処理室側壁、電極側壁をカバーあるいはコーティングすることにより、異物が低減できるという効果がある。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板電極と該電極に対向する電極にそれぞれ印加する高周波バイアスの位相を制御することにより、プラズマ分布を変化させることができることから、エッチング処理の均一性を向上することができるという効果がある。
【００４２】
さらに、高周波バイアスの位相を制御することにより、壁へのイオン衝撃を高周波電圧の位相により自由に制御できるので、装置内壁からの異物の発生を低減でき、クリーニング周期を長くできるのでスループットの向上が可能となる。
【００４３】
また、高周波バイアスの位相を制御することにより、プラズマ組成の微調整が可能なため、高精度なエッチング処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】エッチング分布と高周波電圧の位相差の関係を示す特性図。
【図３】基板電極の最大値と高周波電圧の位相差の関係を示す特性図。
【図４】従来方式のエッチング装置を示す縦断面図。
【図５】従来方式および本発明の場合のプラズマ電位と電極電圧波形。
【図６】従来方式および本発明の場合のポリイミドカバー、ポリイミドコーティングを使用した時のプラズマ拡散を示す概念図。
【図７】従来方式および本発明の場合の処理ロット数と異物数の関係。
【図８】プラズマ組成と高周波電圧の位相差を示す特性図。
【図９】本発明を用いた第２の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…処理容器、１０３…アンテナ電極、１０４…誘電体窓、１０５…磁場発生用コイル、１０７…ガス供給装置、１０８…同軸線路、１０９，１１２，１１７，１２０…フィルター、１１０，１１３，１１８…整合器、１１１…プラズマ生成電源（高周波電源）、１１４…アンテナバイアス電源（第２の高周波電源）、１１５…基板電極、１１６…被処理材、１１９…基板バイアス電源（第１の高周波電源）、１２１…静電チャック電源、１２２…位相制御器、１２４…真空排気装置、１２５，１２６…ポリイミドカバー／コーティング、１２７…プラズマ、２０３…上部電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係り、特にプラズマを用いて半導体素子等の試料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。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化を図り、また被処理材に高周波バイアス電力を供給してプラズマ中のイオンを被処理材に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。
【０００３】
このような処理を行うプラズマ処理装置の一例として、真空容器外側の外周部に空心コイルを設け、真空容器内に設けた試料台に対向させて円形導体板を設け、円形導体板にＵＨＦ帯電源と第２の高周波電源を接続し、試料台に第１の高周波電源を接続し、円形導体板にＵＨＦ帯の周波数の電界とそのＵＨＦ帯の周波数とは異なる周波数の電界を重畳して供給し、ＵＨＦ帯電源による電磁波と空心コイルによる磁場との相互作用を用いてプラズマを形成し、重畳した第２の高周波電源による高周波電圧によって円形導体板（例えばＳｉ製）とプラズマとを反応させ、エッチングに寄与する活性種をより多く生成できるようにし、試料台に接続した第１の高周波電源によりプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギーを制御する装置が知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
【０００４】
すなわち、従来のプラズマ処理装置は、図４に示すように、真空容器１０１に、処理容器１０２，アンテナ電極１０３，誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１０５が設けてある。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が接続されている。また、真空容器１０１には真空排気装置１２４が接続されている。
【０００５】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、同軸線路１０８，フィルター１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用のＵＨＦ帯電源１１１が接続されている。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１０８，フィルター１１２，整合器１１３を介して第２の高周波電源１１４が接続されている。
【０００６】
真空容器１０１内の下部には被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルター１１７，整合器１１８を介して第１の高周波電源１１９が接続されている。また、基板電極１１５にはフィルター１２０を介して被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１が接続されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−３２１０３１号公報
【特許文献２】
米国特許第５８９１２５２号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、スループット向上の観点から量産現場において大口径ウエハ（１２インチ）が使用されている。そのため処理の均一性を高めることが急務となっている。
【０００９】
また、従来の装置では、バイアスにより上昇したプラズマ電位と、接地された真空容器の間でイオンが加速され、真空容器内壁にイオンが衝突することによるスパッタなどが生じ、これにより異物の発生量が増加する可能性があった。
【００１０】
さらに、半導体素子の微細化に伴い、加工精度についてもマスク選択比を向上させることが要求され、そのためには好ましいプラズマ組成を形成することが重要となっている。
【００１１】
本発明の第１の目的は、プラズマ処理における均一性を向上することのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第２の目的は、異物発生量を少なくできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の第３の目的は、高精度表面処理を行うことのできるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を制御した高周波電力を印加することにより、達成される。さらに、前記両電極にそれぞれ印加する高周波の位相差は０°から３６０°である。また、前記プラズマは高周波電力と磁場を用いて生成される。さらに、位相をステップ的に切替えまたは時間的に変調することも有効である。
【００１５】
上記第２の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を１８０°±４５°に制御した高周波電力を印加することにより、達成される。また、処理室内壁に炭素を含む膜およびカバーを併用することが有効である。
【００１６】
上記第３の目的は、試料を配置する基板電極に対して、対向する電極を設け、前記対向する電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加するとともに、前記両電極にそれぞれ前記プラズマ生成用の高周波電力よりも周波数が低く、位相を制御した高周波電力を印加することにより、達成される。さらに、前記両電極にそれぞれ印加する高周波の位相差は０°から３６０°である。また、処理室内壁に炭素を含む膜およびカバーを併用することが有効である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一の実施例を図１から図８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例であるエッチング装置の縦断面図である。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２，導電体でなる平板状のアンテナ電極１０３，電磁波を透過可能な誘電体窓１０４を気密に設け、内部に処理室を形成している。処理容器１０２の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル１０５が設けてある。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が接続されている。また、真空容器１０１には真空排気装置１２４が接続されている。
【００１８】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１０８が設けられ、同軸線路１０８，フィルター１０９，整合器１１０を介してプラズマ生成用の高周波電源１１１（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）が接続されている。また、アンテナ電極１０３には同軸線路１０８，フィルター１１２，整合器１１３を介してアンテナバイアス電源（第２の高周波電源）１１４（例えば、周波数２ＭＨｚ）が接続されている。ここで、フィルター１０９は高周波電源１１１からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を効果的にカットする。フィルター１１２はアンテナバイアス電源１１４からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。
【００１９】
真空容器１０１内の下部には被処理材１１６を配置可能な基板電極１１５が設けられている。基板電極１１５にはフィルター１１７，整合器１１８を介して基板バイアス電源（第１の高周波電源）１１９（例えば、周波数２ＭＨｚ）が接続されている。また、基板電極１１５には被処理材１１６を静電吸着させるための静電チャック電源１２１がフィルター１２０を介して接続されている。ここで、フィルター１１７は基板バイアス電源１１９からのバイアス電力を通過させ、高周波電源１１１からの高周波電力を効果的にカットする。なお、通常、高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極１１５側へ流れることはないが、安全のためフィルター１１７を設けてある。フィルター１２０は静電チャック電源１２１からのＤＣ電力を通過させ、高周波電源１１１，アンテナバイアス電源１１４，基板バイアス電源１１９からの電力を効果的にカットする。
【００２０】
アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９は位相制御器１２２に接続されており、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９から出力する高周波の位相を制御可能となっている。この場合、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９の周波数は同一周波数とした。
【００２１】
位相制御器１２２は、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、位相制御器１２２内でそれぞれの電圧波形の位相が所望の位相差になるように、アンテナバイアス電源１１４と基板バイアス電源１１９とに位相をずらした小振幅の信号を出力する。この場合のアンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はアンプ機能を有するのみで良い。
【００２２】
また、位相制御器１２２が、アンテナバイアス電源１１４側のフィルター１１２と整合器１１３との間および基板バイアス電源１１９側のフィルター１１７と整合器１１８との間からそれぞれ電圧波形を取り込み、電力の出力タイミングを制御するトリガー信号のみを出力するものである場合には、アンテナバイアス電源１１４および基板バイアス電源１１９はオシレータ機能を有するものとする。この場合、２つの高周波電源の出力タイミングを調整しても、あるいは１つの高周波電源の出力タイミングのみを調整しても良い。さらには、１方の高周波電源はオシレータ機能を有し、もう１方の高周波電源はアンプ機能のみとして、位相制御器１２２がオシレータ機能を有する高周波電源の出力信号を基準に、位相をずらした小振幅の信号をアンプ機能のみを有する高周波電源に供給するようにしても良い。
【００２３】
上記のように構成された装置において処理室内部を真空排気装置１２４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内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１１１より発振された、例えば、周波数４５０ＭＨｚの高周波電力は、同軸線路１０８を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０４を介して処理室内に導入される。
【００２４】
処理室内に導入された高周波電力による電界は、磁場発生用コイル１０５（例えば、ソレノイドコイル）により処理室内に形成された磁場との相互作用により、処理室内に高密度プラズマを生成する。また、アンテナバイアス電源１１４より高周波電力（例えば周波数２ＭＨｚ）が同軸線路１０８を介してアンテナ電極１０３に供給される。また基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、基板バイアス電源１１９より高周波電力（例えば周波数２ＭＨｚ）が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。
【００２５】
アンテナ電極１０３に所望の材料を用いた場合、アンテナバイアス電源１１４によってアンテナ電極１０３に高周波電圧を印加することにより、該材料とプラズマ中のラジカルとが反応し、生成されるプラズマの組成を制御できる。例えば、酸化膜エッチングの場合、アンテナ電極１０３の材料にＳｉを用いることによって、酸化膜のエッチング特性に影響するプラズマ中のＦラジカル量を調整することが可能となる。
【００２６】
本構成の装置では、４５０ＭＨｚの高周波電源１１１によって主としてプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１４によってプラズマ組成あるいはプラズマ分布を制御し、基板バイアス電源１１９によってプラズマ中のイオンの被処理材１１６への入射エネルギーを制御している。このような装置では、プラズマ生成（イオン量）とプラズマ組成（ラジカル濃度比）を独立に制御できるというメリットがある。
【００２７】
従来の方式では、プラズマ分布は主に磁場形状を変化させ、ＵＨＦ電磁波のプラズマへの吸収効率を面内で変化させることにより調整していた。
【００２８】
図２を用いて、エッチングレートの面内分布と位相差および磁場との関係を説明する。図２の縦軸はエッチングレート、横軸はウエハ中心からの距離である。図２によれば、磁場形状１の場合は、位相差１８０°の場合緩やかな凸分布となっているが、位相差を９０°、０°と変化するとともに、フラット、凹分布へと連続的に変化している。また磁場形状２の場合は、位相差１８０°でフラットの分布が位相差９０°、０°と変化するとともにＭ型分布へと変化する。すなわち、磁場形状だけでなく、磁場形状と位相差の両方を制御することにより、エッチング分布の微調整が可能であり、均一性を向上させる効果がある。
【００２９】
半導体素子は一般に多層膜によって形成されている。したがってエッチング工程では、一種類の膜だけでなく、多数の膜を一度にまたは連続してエッチングする必要がある。被処理材の材質（膜種）により、エッチングに最適なガス種、イオンエネルギー、イオン量などが異なるため、異なる膜を一度にエッチングする場合にはガス種や投入電力などを段階的に変化させるステップエッチングを用いる。通常使用するガス種や投入電力などを変化させると、プラズマの分布が僅かに変化するので、ステップ毎に磁場等の最適化が必要である。しかし、磁場によるプラズマ分布の制御はプラズマ分布の変化が大きい。図２によれば、位相差を変化させることにより、分布を僅かに変化させることができることから、ステップ間の微小な分布制御に対しては、位相差による調整が有効である。
【００３０】
また、図２の位相差を（例えば位相差０°から１８０°）時間的に変調すると（例えば周波数１ｋＨｚ）位相差０°から１８０°の間の連続して変化する分布のほぼ平均値を得ることができる。このように位相差を時間的に変調した場合には、エッチングのステップ間での分布の調整は必要なくなることから、エッチングの均一性を向上させることが可能である。
【００３１】
また、高アスペクト比のホールあるいはトレンチエッチングの場合、プラズマにより生成されるラジカルの付着係数の違いにより、ホール底部あるいはトレンチ底部に到達するラジカル量が、アスペクト比に応じて変化し、かつラジカル種により異なる。ラジカル自体も寿命を有するため、ラジカルのウエハ面内均一性もラジカル種ごとに異なる。図２に示すように、位相差によりプラズマ分布を変化させることができることから、アスペクト比に応じて位相差を制御することにより、高均一で高アスペクト比の加工が可能であるという効果がある。
【００３２】
図３を用いて、位相差と被処理材１１６の電圧の最大値（最大電極電圧）を説明する。この場合、電極には約１ｋＶ振幅の電圧を印加した。一般にプラズマ電位は、この電極電圧によって押し上げられ、接地された処理容器側壁には、このプラズマ電位によって加速されたイオンが入射する。このイオンの衝撃により処理室内壁がスパッタされ、異物の原因となる可能性がある。図３によれば位相差１８０°とした場合に、最大電極電圧は極小となることから、位相差１８０°近傍の位相差を用いることによりプラズマから側壁に入射するイオンエネルギーが減少するので、側壁へのスパッタを抑制することが可能である。
【００３３】
図５を用いて、図４に示す従来装置と本発明の場合のプラズマ電位と電極電位を説明する。すなわち、従来の方式では、ＵＨＦ帯のアンテナ電位が電極電位に重畳され、プラズマ電位は、ＵＨＦ帯のリップルが重畳された半波整流波形状で変化するが、本発明においては、アンテナ電位と電極電位にの位相差が０°のときは、プラズマ電位は半波整流波形状で変化するが、位相差が１８０°の時は、プラズマ電位をほぼ一定の低い値に維持することができる。この場合プラズマ電位には、アンテナ電位の高周波（例えば４５０ＭＨｚ）が重畳されるが、問題はない。特に位相差１８０°±４５°の場合が、従来装置と比較して効果的である。
【００３４】
処理室の側壁がアルミニウム製で表面がアルマイト（Ａｌ２Ｏ３）処理されている場合、ＣＦ系のエッチングガスを使用すると、側壁に入射するイオンエネルギーが高いと、アルマイト膜もスパッタされて削れたり、表面にＡｌＦが形成される。スパッタされたアルマイト成分のＡｌは、処理室の壁面に付着し、Ｆと反応してＡｌＦが形成される。このようにして形成されたＡｌＦは、蒸気圧が低く安定であるため、次第に堆積し異物源となる場合が多い。このＡｌＦ異物はウエハのロット処理数が増加するとともに増加し、ウエハの歩留まりを低下させるため、ある管理限界値を超えると処理室を大気開放し、パーツ交換やウェット洗浄を実施する。このため装置稼働率の低下や消耗部品コストの増加などＣＯＣ増加を引き起こす。
【００３５】
ＡｌＦ異物を低減するには、処理室内壁面にＡｌを使用しないようにすることや、側壁に入射するイオンのエネルギーを低くし、側壁のスパッタを防止することが有効である。前者の具体的方法としては、ＡｌＦ異物低減には処理室側壁を炭素を含む材料でカバーしたりコーティングすることが有効である。本実施例では耐熱性も考慮してポリイミドカバー、ポリイミドコーティングを実施した。図５に示すように、従来装置ではプラズマ電位が高いことから、図６（ａ）に示すように処理室下部近くまでプラズマ１２７が拡散する。従来方式で、絶縁材であるポリイミドカバー、ポリイミドコーティング１２５，１２６を処理室側壁および電極側面に使用すると、図６（ｂ）に示すように、プラズマ１２７はプラズマ電位の基準となるアースの存在する処理室下部へさらに拡散する。処理室下部の材料はアルマイトであるためここでＡｌＦ異物が生成される。しかしながら図６（ｃ）に示す本発明の場合（位相差１８０°）には、対向する電極が交互にアースとして機能し、図５に示すようにプラズマ電位が低く抑制されるために、プラズマ１２７を処理室上部に閉じ込めることができる。このため処理室下部のアルマイト部材へのプラズマ１２７の拡散を抑制できるためＡｌＦ異物の発生を抑制することができる。
【００３６】
図７を用いて、従来方式と本発明の場合の処理ロット数と異物数の関係を説明する。３０ロット処理後では、従来方式では粒径０．２μｍ以上の異物数は１５個だったが、本発明では２個に減少した。したがって、対向する二つの電極に位相差１８０°の高周波電圧を印加し、ポリイミドで処理室側壁、電極側面をカバーあるいはコーティングすることにより、異物が低減できるという効果がある。特に位相差１８０°±３０°とする場合が効果的である。
【００３７】
本発明は、対向する二つの電極に印加する高周波電圧の位相差を１８０°±３０°とすることによりプラズマの拡散を抑制し、側壁をポリイミドコーティングすることで、側壁に堆積する異物低減が可能となった。さらに、本発明では、プラズマ電位が従来装置に比較して低いので、ポリイミド表面に入射するイオンエネルギーも小さく、スパッタされにくい。そのためポリイミドコーティング膜の寿命が長いという効果もある。
【００３８】
図８を用いて、プラズマ中のＣ２発光強度と位相差との関係を説明する。プラズマ中のＣ２発光強度は、プラズマ中の炭素原子量を示し、マスク選択比やエッチストップなどのエッチング特性と相関がある。図８によれば位相差を変化させることにより、プラズマ中のＣ２発光強度が変化している。これは位相差によりプラズマ電位が変化するために、側壁に付着する炭素系の膜に入射するイオンのエネルギーが変化し、壁からプラズマ中へ脱離する炭素系ラジカル量が変化していることを示している。微細なパターンのエッチングを行う場合には、プラズマ中の組成の微調整が必要であるが、本方式ではガス種およびガス量だけでなく、位相差によってより微小なプラズマ中の組成を制御することが可能である。
【００３９】
本発明の第２の実施例を、図９を用いて説明する。本図において図１または図６と同符号は同一部材として説明を省略する。本図が図１または図６と異なる点を以下説明する。真空容器１０１の上部開口部には、円筒状の処理容器１０２、導電体でなる平板上の上部電極２０３、誘電体１０４を気密に設け、内部に処理室を形成する。上部電極２０３は、フィルター２０９、整合器２１０を介して例えば２７ＭＨｚ、６０ＭＨｚのプラズマ生成電源２１１に接続されている。上部電極２０３より処理容器１０２内に供給される高周波電力によりプラズマが生成される。処理室内壁には、炭素を含むカバー（例えばポリイミドカバー）１２５、１２６を設置、または炭素を含む膜をコーティングした内壁（例えばポリイミドコーティングを施した内壁）１２５、１２６を設置する。第一の実施例中で示した図６と同様に、本実施例においても、上下電極２０３，１１５に位相差１８０°で高周波電圧を印加することにより、プラズマ１２７を処理室上部に閉じ込めることが可能である。したがって第一の実施例と同様に、対向する二つの電極に位相差１８０°の高周波電圧を印加し、ポリイミドで処理室側壁、電極側壁をカバーあるいはコーティングすることにより、異物が低減できるという効果がある。
【００４０】
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。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、基板電極と該電極に対向する電極にそれぞれ印加する高周波バイアスの位相を制御することにより、プラズマ分布を変化させることができることから、エッチング処理の均一性を向上することができるという効果がある。
【００４２】
さらに、高周波バイアスの位相を制御することにより、壁へのイオン衝撃を高周波電圧の位相により自由に制御できるので、装置内壁からの異物の発生を低減でき、クリーニング周期を長くできるのでスループットの向上が可能となる。
【００４３】
また、高周波バイアスの位相を制御することにより、プラズマ組成の微調整が可能なため、高精度なエッチング処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】エッチング分布と高周波電圧の位相差の関係を示す特性図。
【図３】基板電極の最大値と高周波電圧の位相差の関係を示す特性図。
【図４】従来方式のエッチング装置を示す縦断面図。
【図５】従来方式および本発明の場合のプラズマ電位と電極電圧波形。
【図６】従来方式および本発明の場合のポリイミドカバー、ポリイミドコーティングを使用した時のプラズマ拡散を示す概念図。
【図７】従来方式および本発明の場合の処理ロット数と異物数の関係。
【図８】プラズマ組成と高周波電圧の位相差を示す特性図。
【図９】本発明を用いた第２の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…処理容器、１０３…アンテナ電極、１０４…誘電体窓、１０５…磁場発生用コイル、１０７…ガス供給装置、１０８…同軸線路、１０９，１１２，１１７，１２０…フィルター、１１０，１１３，１１８…整合器、１１１…プラズマ生成電源（高周波電源）、１１４…アンテナバイアス電源（第２の高周波電源）、１１５…基板電極、１１６…被処理材、１１９…基板バイアス電源（第１の高周波電源）、１２１…静電チャック電源、１２２…位相制御器、１２４…真空排気装置、１２５，１２６…ポリイミドカバー／コーティング、１２７…プラズマ、２０３…上部電極
Claims (12)
- 真空容器排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、該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、該基板電極に対向するプラズマを生成するためのアンテナ電極、該アンテナ電極へ接続されたプラズマ生成用高周波電源、該基板電極へ接続された第１の高周波電源および該アンテナ電極へ接続された第２の高周波電源からなるプラズマ処理装置において、
第１の高周波電源と第２の高周波電源から印加する高周波の周波数が等しく、かつ二つの高周波の位相差を制御する位相制御手段を有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、磁場形成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または請求項２記載のプラズマ処理装置において、高周波の位相差の制御範囲が０°から３６０°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、被処理材を処理中に高周波の位相差をステップ的に切り替え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または請求項２記載のプラズマ処理装置において、高周波の位相差を時間的に変化させ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または請求項２記載のプラズマ処理装置において、処理室の内壁を炭素を含む膜でコーティングした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、処理室の内側に炭素を含むカバーを設置することを特徴とするプラズマ処理装置。
- 請求項６または請求項７記載の炭素を含む膜および炭素を含むカバーの材質がポリイミドであることを特徴とするプラズマ処理装置。
- 真空容器排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室、該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、該基板電極に対向するプラズマを生成するためのアンテナ電極、該アンテナ電極へ接続されたプラズマ生成用高周波電源、該基板電極へ接続された第１の高周波電源および該アンテナ電極へ接続された第２の高周波電源からなるプラズマ処理装置に置けるプラズマ処理方法おいて、
第１の高周波電源と第２の高周波電源から印加する高周波の周波数を等しく、かつ二つの高周波の位相差を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項９記載のプラズマ処理方法において、高周波の位相差の制御範囲が０°から３６０°であることを特徴とするプラズマ処理方法。
- 請求項９または請求項１０記載のプラズマ処理方法において、被処理材を処理中に高周波の位相差をステップ的に切り替えること特徴とするプラズマ処理方法。
- 請求項９または請求項１０記載のプラズマ処理方法において、高周波の位相差を時間的に変化させることを特徴とするプラズマ処理方法。
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