JP5063154B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体加工用のプラズマ処理装置に係り、特にプラズマを生成し試料を処理するために高周波電界を用いる方式のプラズマ処理装置に関するものである。

半導体デバイスの製造工程では、プラズマを用いた成膜、エッチング、表面改質といった様々な処理が行われている。そして、このようなプラズマ処理装置として、プラズマ発生用の高周波電源を変調出力させ、これによりプラズマ中の電子温度の分布及びイオンやラジカルなどの反応種の発生比率を制御し、エッチング加工精度を向上させるようにしたプラズマ処理装置が従来から知られている(例えば、特許文献１参照)。

また、このとき、更に、そのアンテナバイアス電源及び基板バイアス電源の出力電圧波形(Vpp)をフィードバックし、１８０°の位相差に制御することにより、処理容器内側壁アース部にイオンが衝撃することによる異物の堆積低減や汚染物質の堆積低減が可能になることも従来から知られている(例えば、特許文献２参照)。
特公平４−６９４１５号公報 特開２００４−１１１４３２号公報

上記従来技術によれば、イオンの衝撃による異物や汚染物質の堆積が低減できるが、それにも限度があり、近年の半導体デバイスの高細密化要求には対応に限界が生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、エッチング加工精度が向上され、異物及び汚染物質の更なる低減が得られるようにしたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空容器内に配置され、その上面に処理対象のウエハが載せられる試料台と、この試料台内に配置され、第１の電源から第１の高周波が供給される第１の電極と、前記真空容器内の前記試料台上方で前記ウエハに対向して配置され、第２の電源から第２の高周波が供給される第２の電極と、前記試料台の周囲を囲んで配置され、接地された側壁とを備え、前記第１及び第２の電極間と前記側壁との間の空間にプラズマを形成するプラズマ処理装置であって、前記第１の高周波の位相と前記第２の高周波の位相を所定角度ずらす第１の信号と、前記第１と第２の夫々の高周波を変調させる第２の信号と、前記第１と第２の各々の高周波の変調出力の立ち上がりを同期させる第３の信号を発生する制御手段を設け、前記制御手段は、前記第１と第２の高周波の変調出力の立ち上がり時点直後と立ち下がり時点直前を除く安定領域において前記第１の高周波の位相と前記第２の高周波の位相の差を検出し、当該検出した位相の差を位相フィードバック信号として位相フィードバック制御を行なうことにより達成される。

このとき、前記所定角度が１８０°であるようにしてもよく、制御手段が前記第１及び第２並びに第３の信号をアナログ信号及びデジタル信号のいずれかで発生させるものであるようにしてもよく、前記第１の信号と前記第３の信号を前記第１と第２の電源に供給する信号線の各々の長さが等しくなるようにしてもよい。

同じく、上記目的は、真空容器内に配置され、内側壁が接地された処理室内にある試料台に処理対象のウェハを載置し、前記処理室内にプラズマを形成した後、前記試料台内の第１の電極及び前記真空容器内の前記試料台上方で前記ウェハに対向して配置された第２の電極に高周波を供給して、前記ウェハを処理するプラズマ処理方法であって、前記第１と第２の電極に供給される各々の高周波の位相を所定の角度ずらす第１の手段と、前記各々の高周波を変調させる第２の手段と、前記各々の高周波の変調出力の立ち上がりを同期させる第３の手段とが備えられているようにして達成される。

このとき、前記第１の手段による前記所定の角度が１８０°であるようにしてもよく、前記第１の手段と第２の手段、それに第３の手段は、アナログ信号及びデジタル信号のいずれかにより信号を出力するものであってもよく、前記第１の手段から出力される信号と前記第３の手段から出力される信号の各々を伝送する信号線の長さが等しくされているようにしてもよい。

ここで、本発明が、これらの手段を備えることに想到したのは、以下の知見による。すなわち、バイアス電源変調出力機能を有すプラズマ処理装置において、例えば、高周波を所定の割合(デューティ比)でオンとオフを繰り返すという変調を行った場合においても、処理容器内側壁アース部にイオンが衝突することによる異物及び汚染物質の発生量の低減がそれほど得られないことが見い出された。

例えば、変調出力時における異物及び汚染低減のために、上記バイアス電源の変調出力機能を有すプラズマ処理装置に、対向する電極に印加される２種のバイアス電力の位相を１８０°ずらして制御するという、特許文献２に記載されている位相制御技法を追加してみた場合、それだけでは異物及び汚染物質の低減を効率的に得ることはできないことが判ったのである。

また、上記位相制御技法を追加した場合、アンテナバイアス電源と基板バイアス電源との位相制御はなされているが、このときアンテナバイアス電源と基板バイアス電源とがそれぞれ独立して変調されているため、例えば、アンテナバイアス電源の変調出力がオンの状態であるのに、基板バイアス電源の変調出力がオフの状態となるといったケースがあり、アンテナバイアス電源と基板バイアス電源との同期が取れない問題があった。

また、このような変調出力での位相制御機能を活用して異物及び汚染低減の検討を進める過程で、次のような問題があることが判明した。すなわち、制御信号をアンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信する際、それぞれの電源に信号が到達する時間が異なることがあり、結果、位相にズレが生じて位相制御できないケースや、ノイズ等が原因となり送信した情報になまりが生じて、情報を正確に送信できない問題があった。

そこで、本発明では、上記の手段が、課題を解決するための手段として存在することに想到したのである。

本発明によれば、エッチング加工精度が向上されると共に異物や汚染物質を低減させることができるので、半導体デバイスの更なる高細密化要求にも対応することができる。

以下、本発明によるプラズマ処理装置について、いくつかの実施の形態により、図面と共に詳細に説明すると、まず、図１は、本発明の第１の実施の形態を示したもので、これは、本発明が対象とするプラズマ処理装置の一例であるプラズマエッチング装置について、本体の断面図と制御信号の流れを示したものである。

まず、真空容器１０１は、例えば鋼などの導電材料で作られた略円柱型の容器で、この真空容器１０１の内側側壁は接地(アース)され、その中は、下部に設置された真空排気手段及び調圧手段を備えた真空排気装置１０５により、高真空状態もしくは所定の圧力に保持される。そして、この真空容器１０１の上半部には、導体からなる平板状のアンテナ１０２が設置されている。

このアンテナ１０２には、その上部に同軸線路が設けられ、プラズマを発生させるためのプラズマ発生用高周波電源１０８が整合器１０９を介して接続されている。さらに、このアンテナ１０２には、バイアス電力を供給するためのアンテナバイアス電源１１２が整合器１１１を介した同軸線路で接続されている。また、整合器１１０とアンテナ１０２の間には、アンテナバイアス電源１１２から出力される電圧波形のＶpp 電圧(ピーク・ツウ・ピーク電圧)を検出するためのＶpp 検出器１１０が設置されている。

このアンテナ１０２の下方には、処理ガスを真空容器１０１内で還流させるための多数の貫通孔を備えたガス導入板１０４が設置されているが、ここで、この処理ガスは、真空容器１０１の外部に設置されている処理ガス供給手段及びガス流量調整手段を備えたガス供給装置１０７から、ガスラインを介して真空容器１０１内に供給されるようになっている。このとき真空容器１０１の上方外周部には、処理容器１０１を囲むように、例えばソレノイドコイルからなるコイル１０６が設けてあり、これにより処理容器１０１内に磁場を形成させることができるようになっている。

このとき真空容器１０１内下半部には、アンテナ１０２に対向させた状態で、試料を載置し保持できる電極１０３が設置され、試料台を構成している。そして、この電極１０３には、試料を当該電極１０３に静電吸着させるための静電チャック用電源１１３が、同軸線路により整合器１１４を介して接続され、更にバイアス電力を供給するための基板バイアス電源１１７も整合器１１６と同軸線路を介して接続されている。そして、このとき整合器１１６と電極１０３の間には、基板バイアス電源１１７から出力される電圧のＶpp 電圧を検出するためのＶpp 検出器１１５が設置されている。

このときのアンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７は、出力電圧を変調する機能と、受信した信号を増幅するアンプ機能の双方を備えていて、これらによる出力電圧は、Ｖpp 検出器１１０とＶpp 検出器１１５によりそれぞれ検出される。そして、検出されたＶpp 電圧は、位相フィードバック信号１１８、１１９として、位相差検出部１２０に供給される。そこで、これら位相フィードバック信号１１８、１１９を入力した位相差検出部１２０は、取得したそれぞれのＶpp 電圧に基づいてアンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７の出力電圧の位相差を算出し、算出した位相差信号１２１を位相制御部１２２に供給する。

これにより位相制御部１２２は、検出した位相差信号１２１を、制御マイコン１３０により設定されている目標位相差設定値１２９に一致するように位相制御させる第１の機能と、制御マイコン１３０で設定した周波数及びオン・オフ設定信号１２８に一致するように変調出力させる第２の機能と、アンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７を変調出力させる際、周波数及びオン・オフ設定信号１２８のオンとオフの中の「オン」の立ち上がりを同期させるためのトリガー信号(図２に図示)を生成させるという第３の機能を備えている。

そこで、位相制御部１２２は、まず、前記の第１の機能より取得した位相差情報を位相制御信号１２４及び１２６とし、次に、第２の機能と第３の機能により取得した変調出力情報及び出力同期情報は変調同期信号１２５及び１２７として、夫々アンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７に供給する。従って、これら位相差検出部１２０と位相制御部１２２により位相コントローラ１２３が構成されていることになる。

次に、この実施形態によるプラズマ処理について説明すると、これは、次の手順でプラズマ処理を行う。まず、真空容器１０１内を、真空排気装置１０４により排気して高真空にした後、真空容器１０１内の電極１０３に試料を載置し、静電チャック用電源１１３から電圧を印加し、電極１０３の表面に電位差を生じさせることで、試料を静電吸着させ、保持する。試料が電極１０３上に保持されたら、この後、ガス供給装置１０６から処理容器１０１内に処理ガスを供給し、処理容器１０１内の圧力を所定の圧力値に調整し、この状態に保持する。

処理容器１０１内部の圧力が調整し保持されたら、次に、所定の強度(例えば１６ｍＴ)の磁場をコイル１０５により発生させ、所定の周波数(例えば４５０ＭＨｚ)の高周波をプラズマ発生用高周波電源１０８から真空容器１０１内部に印加し、発生させた磁場と高周波の共鳴現象、いわゆる電子サイクロトロン共鳴により、効率よくプラズマが発生されるようにする。そして、プラズマが発生されたら、アンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７からアンテナ１０２と電極１０３にバイアス電力を供給する。このとき、アンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７から出力される電圧のＶpp 電圧をＶpp 検出器１１０、１１５で検出し、位相フィードバック信号１１８、１１９が位相差検出部１２０に供給されることになる。

そこで、位相差検出部１２０は、受信した位相フィードバック信号１１８と、位相フィードバック信号１１９を比較し、それらの信号の差を算出して位相差信号１２１とし、それを位相制御部１２２に入力する。このときの位相差信号１２１による位相差目標値は、予め制御マイコン１３０により任意に設定可能であり、ここで、本発明の場合、異物及び汚染物質の低減を目的としているため、異物及び汚染低減に効果的である位相差１８０°に設定し、目標位相差設定信号１２９として位相差検出部１２２に供給する。

このときアンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７の出力電力を変調出力させるための周波数の設定値とオン・オフの設定値も、制御マイコン１３０から与えられるが、これらも任意に設定することができる。このときの出力変調させる周波数と、例えばデューティ比５０％のオン・オフ設定値は、周波数及びオン・オフ設定信号１２８として位相制御部１２２に供給される。そこで、位相制御部１２２は、受信した周波数及びオン・オフ設定信号１２８に基づいて、出力された変調出力の立ち上がりを同期するためのトリガー信号を生成する。

従って、このときにアンテナバイアス電源１１２から出力されるアンテナバイアス電力と基板バイアス電源１１７から出力される基板バイアス電力は、図２の左上に示すようになり、オン・オフ信号とトリガー信号は、図２の左下に示すようになる。そして、この結果、アンテナ１０２に印加されるアンテナバイアス電圧と電極１０３に印加される基板バイアス電圧は、図２の右に示すように、１８０°の位相差をもち、且つ、所定のデューティ比でオンオフされた波形に制御され、処理容器内側壁アース部にイオンが衝撃することによる異物の堆積低減や汚染物質の堆積低減が図れることになる。

その後、目標位相差設定信号１２９に合うように制御した位相差信号１２１を位相制御信号１２４及び１２６として、アナログ信号で、アンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７に供給する。このとき、周波数及びオン・オフ設定信号１２８と前記トリガー信号の２種類の信号は、変調同期信号１２５及び１２７として、デジタル信号によりアンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７に供給される。ここで、信号伝達遅延の差を低減するという観点に立てば、位相制御信号１２４と１２６を伝送する配線の長さは、同じにするのが望ましく、変調同期信号１２５と１２７を伝送する配線の長さも同じにするのが望ましい。但し、これが必要要件という訳ではない。

なお、このときの出力方式は、制御マイコン１３０により設定した周波数及びオン・オフ設定信号１２９を位相制御部１２２に供給し、前記トリガー信号と共にデジタル信号で電源装置に供給する方式になっているが、周波数及びオン・オフ設定信号１２９は制御マイコン１３０から直接アンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７に供給するようにしてもよい。この場合、位相制御部１２２から出力される変調同期信号１２５及び１２７は、前記トリガー信号のみとなる。

ところで、以上のように位相制御した変調出力は、時間経過と共に、プラズマの密度やインピーダンス変化といった原因により、設定した目標位相差からズレが生じる。そこで随時、位相差信号をフィードバックして修正を行う。ここで、図３は変調出力における位相差をズレなく制御するための一実施形態を示すもので、ここに図示した変調出力の波形において、オンした直後及びオフする直前は波形が安定せず、設定した電圧値を示していない。そこで、この実施形態では、次のような方法で制御を行うようになっている。

まず、第１のオンのとき出力した電圧値が所定の許容範囲内に収まり安定した時点で、Ｖpp 検出器１１０、１１５から出力電圧波形のＶpp 電圧を取得する。次いで、いま、取得したＶpp 電圧の平均を求め、位相フィードバック信号１１８及び１１９として位相差検出部１２０に供給し、これら２種の信号の差(レベル差)を算出する。そして、算出されたレベル差を位相差信号１２１として位相制御部１２２に供給し、目標位相差設定信号１２９に合うように制御された上で、アンテナバイアス電源１１２及び基板バイアス電源１１７に供給するのである。このとき、第１のオンで取得したＶpp 電圧の平均は、第２のオン時まで保たれ、第２のオン時に上記第１のオン時と同じ制御を行うのである。

以上の制御方法を変調出力がオンする周期で繰り返すことにより、位相ズレがあってもズレのない状態に収斂する方向のフィードバック制御が働くことになり、位相ズレなく制御することができ、従って、この実施形態によれば、時間経過に伴うプラズマ密度の変化やインピーダンス変化があっても、位相ズレが生じる虞がなく、この結果、１８０°の位相差をもち、且つ、所定のデューティ比でオンオフされた波形に制御したことによる異物の堆積低減や汚染物質の堆積低減を充分に得ることができる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明すると、ここで、図４が本発明の第２の実施形態で、これも、図１で説明した第１の実施形態と同じく、本発明が対象とするプラズマ処理装置の一例であるプラズマエッチング装置について、本体の断面図と制御信号の流れを示したもので、このとき図１の実施形態と同じ構成部分については同じ符号を付してあり、従って、この第２の実施形態が、図１で説明した第１の実施形態と差異している点は、位相制御回部１２２からアンテナバイアス電源１１２と基板電源１１７に供給されている位相制御情報と変調出力情報、それに出力周期情報の送信形式が異なっている点だけであり、よって、異なっている点について説明し、その他は説明を省略する。

この第２の実施形態の場合、位相制御部１２２は、目標位相差設定信号１２６に従って制御した位相差信号１２１と、周波数及びオン・オフ設定信号１２７と、トリガー信号の３種類の信号を、１種類の信号にまとめ、図２の右に示す変調出力及び出力同期並びに位相制御された最終的な波形として、これをアナログ信号化し、変調出力位相同期制御信号１３１及び１３２とした上でアンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７に供給(送信)する方式になっている。

従って、この場合でも、動作については、図１の実施形態の場合と同じであり、このとき、アンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７は、夫々受信したアナログ信号を増幅するだけの機能があればよく、よって、この第２の実施形態によれば、位相コントローラ１２３を増設すれば済むという簡単な改造により、本発明の問題を解決することができる。

そして、この第２の実施形態でも、信号伝達遅延の差を低減する観点からは、変調出力位相同期制御信号１３１及び１３２を伝送する配線については、同じ長さにするのが望ましいが、これも必要要件ではない。

ところで、ここに説明した実施形態では、所定の周期及びオン・オフのデューティ比にしたがって高周波出力をオン・オフする、いわゆる時間変調を例に説明したが、周波数変調、振幅変調などの変調方式の場合にも、変調の同期を取るという観点では、同様に本発明が適用できるのは言うまでもない。

ここで、本発明は、上記の実施形態以外にも、以下に列挙する形態で実施することができる。

アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源の出力電力波形より取得した位相差情報を集約する位相コントローラを備え、取得した前記位相差情報を、外部より設定できる目標位相差(例えば１８０°)に従って位相制御した上で、位相制御信号として再び前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信することを特徴とするプラズマ処理装置。

出力電力を変調させるための周波数及びオン・オフ指令を外部より設定でき、これら設定した前記周波数及びオン・オフ指令を変調出力信号として、前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信することを特徴とした電源装置及びこれを用いたプラズマ処理装置。

前記位相コントローラは、変調出力の立ち上がりを同期させるためのトリガー信号を生成する機能を備え、生成した前記トリガー信号を前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信することを特徴とした電源装置及びこれを用いたプラズマ処理装置。

前記位相制御信号と、前記変調出力信号と、前記トリガー信号とを前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信することで、変調出力の立ち上がりを同期し、かつ位相差を制御することを特徴とした電源装置及びこれを用いたプラズマ処理装置。

前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信する前記位相差信号及び変調出力信号並びにトリガー信号をアナログ信号及びデジタル信号のいずれかで送信可能なことを特徴とする電源装置及びこれを用いたプラズマ処理装置。

前記位相差信号及び変調出力信号並びにトリガー信号を前記アンテナバイアス電源及び基板バイアス電源に送信する同軸配線の長さが等しいことを特徴とした電源装置及びこれを用いたプラズマ処理装置。

本発明に係るプラズマ処理装置の第１の実施形態を示す説明図である。 本発明の実施形態の動作を説明するための波形図である。 本発明の実施形態の動作を説明するための波形図である。 本発明に係るプラズマ処理装置の第２の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１０１：真空容器
１０２：アンテナ
１０３：電極
１０４：ガス導入板
１０５：真空排気装置
１０６：コイル
１０７：ガス供給装置
１０８：プラズマ発生用高周波電源
１０９、１１１、１１４、１１６：整合器
１１０、１１５：Ｖpp 検出器
１１２：アンテナバイアス電源
１１３：静電チャック用電源
１１７：基板バイアス電源
１１８、１１９：位相フィードバック信号
１２０：位相差検出部
１２１：位相差信号
１２２：位相制御部
１２３：位相コントローラ
１２４、１２６：位相制御信号
１２５、１２７：変調出力同期信号
１２８：周波数及びオン・オフ設定信号
１２９：目標位相差設定信号
１３０：制御マイコン
１３１、１３２：変調出力位相同期制御信号

Claims (8)

1. 真空容器内に配置され、その上面に処理対象のウエハが載せられる試料台と、この試料台内に配置され、第１の電源から第１の高周波が供給される第１の電極と、前記真空容器内の前記試料台上方で前記ウエハに対向して配置され、第２の電源から第２の高周波が供給される第２の電極と、前記試料台の周囲を囲んで配置され、接地された側壁とを備え、前記第１及び第２の電極間と前記側壁との間の空間にプラズマを形成するプラズマ処理装置であって、
   前記第１の高周波の位相と前記第２の高周波の位相を所定角度ずらす第１の信号と、前記第１と第２の夫々の高周波を変調させる第２の信号と、前記第１と第２の各々の高周波の変調出力の立ち上がりを同期させる第３の信号を発生する制御手段を設け、
   前記制御手段は、前記第１と第２の高周波の変調出力の立ち上がり時点直後と立ち下がり時点直前を除く安定領域において前記第１の高周波の位相と前記第２の高周波の位相の差を検出し、当該検出した位相の差を位相フィードバック信号として位相フィードバック制御を行なう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、
   前記所定角度が１８０°であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御手段は、前記第１及び第２並びに第３の信号をアナログ信号及びデジタル信号のいずれかで発生させるものであることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１から請求項３の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記第１の信号と前記第３の信号を前記第１と第２の電源に供給する信号線の各々の長さが等しいことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 真空容器内に配置され、内側壁が接地された処理室内にある試料台に処理対象のウエハを載置し、前記処理室内にプラズマを形成した後、前記試料台内の第１の電極には第１の高周波を供給し、前記真空容器内の前記試料台上方で前記ウエハに対向して配置された第２の電極には第２の高周波を供給して、前記ウエハを処理するプラズマ処理方法であって、
   前記第１の高周波と前記第２の高周波の各々の位相を所定の角度ずらす第１の手段と、前記第１の高周波と前記第２の高周波を各々変調させる第２の手段と、前記第１の高周波の変調出力と前記第２の高周波の変調出力の各々の立ち上がりを同期させる第３の手段とを備え、
   前記第１と第２の高周波の変調出力の立ち上がり時点直後と立ち下がり時点直前を除く安定領域において前記第１の高周波の位相と前記第２の高周波の位相の差を検出し、当該検出した位相の差を位相フィードバック信号として位相フィードバック制御を行なう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、前記第１の手段による前記所定の角度が１８０°であることを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項５と請求項６の何れかに記載のプラズマ処理方法において、
   前記第１の手段と第２の手段、それに第３の手段は、アナログ信号及びデジタル信号のいずれかにより信号を出力することを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 請求項５から請求項７の何れかに記載のプラズマ処理方法において、
   前記第１の手段から出力される信号と前記第３の手段から出力される信号の各々を伝送する信号線の長さが等しくされていることを特徴とするプラズマ処理方法。

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