(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側が排気され外周が導電性部材で形成された真空処理室と、この真空処理室上部の誘電体製部材を介して該真空処理室内に電磁波を供給する電磁波源と、前記真空処理室の外周に配置されこの真空処理室内に磁場を供給する磁場供給手段と、前記真空処理室内に配置されその上でウエハを支持する試料台とを有し、この試料台上方の前記真空処理室内に供給されたガスを用いてプラズマを形成し前記ウエハを処理するプロセスを複数行うプラズマ処理装置であって、
前記試料台に接続されこの試料台に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空処理室内のプラズマの密度の分布を検出するモニタ手段と、このモニタ手段からの信号を受け前記高周波電源からの高周波の周波数を可変に調節する制御手段とを備え、
この制御手段は、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波の周波数を低くし、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの外周側より中央部側の方が高い場合に前記高周波の周波数を高くするように調節するプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置であって、前記制御手段は、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源から前記試料台に供給される電力を大きくするプラズマ処理装置。
【請求項３】
内側が排気され外周が導電性部材で形成された真空処理室と、この真空処理室上部の誘電体製部材を介して該真空処理室内に電磁波を供給する電磁波源と、前記真空処理室の外周に配置されこの真空処理室内に磁場を供給する磁場供給手段と、前記真空処理室内に配置されその上でウエハを支持する試料台と、前記試料台に接続されこの試料台に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空処理室内のプラズマの密度の分布を検出するモニタ手段とを有し、この試料台上方の前記真空処理室内に供給されたガスを用いてプラズマを形成し前記ウエハを処理するプロセスを複数行うプラズマ処理装置の運転方法であって、
前記モニタ手段からの信号を受け、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源からの高周波の周波数を低くし、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの外周側より中央部側の方が高い場合に前記周波数を高くするように調節するプラズマ処理装置の運転方法。
【請求項４】
請求項３記載のプラズマ処理装置の運転方法であって、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源から前記試料台に供給される電力を大きくするプラズマ処理装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理方法及び装置に係り、特にエッチングおよび成膜等のプラズマ処理を施すのに好適なプラズマ処理方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理装置、例えば、半導体ドライエッチング技術（徳山巍  編著、平成４年１０月６日産業図書発行、Ｐ２４３−２４９）に記載のような、マイクロ波プラズマエッチング装置では、真空処理室へのプラズマ生成と試料台に印加する高周波バイアスとは独自に制御されていた。
なお、高周波バイアスの周波数としては小電力でかつ試料の絶縁物層の厚さによって最適周波数の選定が必要であり、一般には低周波ほど低電力で高電圧になり、１３.５６ＭＨｚで１５０Ｗ必要であったものが、２ＭＨｚでは約３０Ｗ、８００ＫＨｚでは数Ｗでほぼ同じイオンのエネルギ効果が得られることが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなマイクロ波プラズマエッチング装置においては、真空処理室中のプラズマの分布を均一にするために、プラズマにエネルギを供給する電磁コイルの巻き方や分布を工夫したり、また、エネルギの供給源であるマイクロ波の導入方法を工夫して均一なプラズマ密度分布とするようにしたり、また、エッチング処理を行うウエハに印加する高周波バイアスを試料台全体で均一に印加されるように、これら工夫を重ねている。
【０００４】
上記従来技術は、エッチング処理を行うプロセスによって真空処理室中のプラズマの分布が変化することに関して配慮されていなかった。すなわち、エッチングを行う材料は常に一定のものではなく、プロセス条件も大きく異なることが多い。その結果、最初にプラズマ密度分布が均一となる条件であったとしても、プロセスの過程でプラズマの分布が大きく変化することがあり、全てのプロセスに対して均一なプラズマ密度分布を得ることはできなかった。エッチングプロセスに依存してプラズマ条件が変化し、その結果としてプラズマの分布も変化してしまう。また、試料台に印加する高周波のバイアスは、エッチングプロセスの変化に伴ってプラズマの分布が変化しても常にバイアス電圧が均一な分布となるように制御されていた。その結果、プロセスの条件によってはプラズマの分布が試料台上で外周高から中央高まで変化することもあり、試料台中央と外周部でウエハに入射するイオン量に差が生じてしまう。ウエハの面内でエッチング速度を均一にするためには、プラズマの分布も常に均一な分布としてエッチングすることが必要であった。
【０００５】
プラズマエッチングにおいては、ウエハに入射するイオンの量と、個々のイオンのエネルギがエッチング特性に大きく影響するため、両者の制御が重要である。プロセス制御の１つとしてエッチングの均一性をウエハの面内で得るためには、ウエハに入射するイオンの量（飽和イオン電流密度）やイオンのエネルギ、さらにエッチングによって気相中に飛び出す反応生成物の分布の全てをウエハの面内で均一にする方法が考えられる。また、上記のパラメータがエッチング特性に及ぼす影響や傾向がそれぞれ異なる場合、それぞれの特性が相殺されるようにウエハ面内においてそれぞれの分布を制御し、結果としてエッチング特性の均一化を図る方法が考えられる。
【０００６】
ここで、ウエハに入射するイオンについて見てみると、入射イオンエネルギは試料台に印加する高周波バイアスのパワーによって制御されることが知られ、また、イオン電流密度分布は、エッチング室のプラズマ密度分布に依存して変化することが知られている。また、イオンの入射方向に磁界を有する装置における入射イオンエネルギの分布は、特に、試料台に印加される高周波バイアスの周波数に依存して大きく変化することが本発明者らの研究により明らかになった。
【０００７】
本発明の目的は、プラズマでエッチング処理を行う試料台に印加する高周波の周波数を変化させることで、ウエハをより均一に処理することのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の運転方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、内側が排気され外周が導電性部材で形成された真空処理室と、この真空処理室上部の誘電体製部材を介して該真空処理室内に電磁波を供給する電磁波源と、前記真空処理室の外周に配置されこの真空処理室内に磁場を供給する磁場供給手段と、前記真空処理室内に配置されその上でウエハを支持する試料台とを有し、この試料台上方の前記真空処理室内に供給されたガスを用いてプラズマを形成し前記ウエハを処理するプロセスを複数行うプラズマ処理装置であって、前記試料台に接続されこの試料台に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空処理室内のプラズマの密度の分布を検出するモニタ手段と、このモニタ手段からの信号を受け前記高周波電源からの高周波の周波数を可変に調節する制御手段とを備え、この制御手段は、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波の周波数を低くし、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの外周側より中央部側の方が高い場合に前記高周波の周波数を高くするように調節することにより達成される。さらに、前記制御手段は、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源から前記試料台に供給される電力を大きくすることにより達成される。
【０００９】
また、上記目的は、内側が排気され外周が導電性部材で形成された真空処理室と、この真空処理室上部の誘電体製部材を介して該真空処理室内に電磁波を供給する電磁波源と、前記真空処理室の外周に配置されこの真空処理室内に磁場を供給する磁場供給手段と、前記真空処理室内に配置されその上でウエハを支持する試料台と、前記試料台に接続されこの試料台に高周波電力を供給する高周波電源と、前記真空処理室内のプラズマの密度の分布を検出するモニタ手段とを有し、この試料台上方の前記真空処理室内に供給されたガスを用いてプラズマを形成し前記ウエハを処理するプロセスを複数行うプラズマ処理装置の運転方法であって、前記モニタ手段からの信号を受け、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源からの高周波の周波数を低くし、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの外周側より中央部側の方が高い場合に前記周波数を高くするように調節することにより達成される。さらに、検出された前記プラズマの密度の分布が前記ウエハの中央部側より外周側の方が高い場合に前記高周波電源から前記試料台に供給される電力を大きくすることにより達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図１および図２により説明する。
まず図１は、本発明のプラズマ処理装置の一例である有磁場マイクロ波プラズマ処理装置の縦断面図である。１はマグネトロンでありマイクロ波の発振源である。２はマイクロ波の導波管であり、５はその空洞共振部である。４は真空処理室であり、例えば純度の高いアルミ等で作られ、内面は硬質アルマイト処理等が施されて絶縁されている。また、真空処理室４外部は導電体であるため、マイクロ波の導波管の役目もしている。６及び７は真空処理室４に磁場を供給する磁場供給用のソレノイドコイルである。８は真空排気装置であり、真空処理室４に接続されて真空処理室４を真空排気する。３は真空処理室４を真空封止しながらマイクロ波を真空処理室４に供給するための石英板である。９はプラズマ処理を行なうウエハ１０を支持する試料台であり、バイアス用電源、例えば高周波電源１２が接続されている。１１は真空処理室４の中心軸上で導波管２に設けられた観察窓用の金網窓であり、マイクロ波の漏れを防止している。１３は真空処理室４内にエッチング処理を行なうガスを供給するガス供給装置である。１４は真空処理室４内のプラズマ密度分布を調べるためのモニターであり、該モニター１４からの信号は制御装置１５に入力され、制御装置１５によって真空処理室４内のプラズマ密度分布を認識し、該プラズマ密度分布に応じた高周波電圧の周波数となるように高周波電源１２の周波数を設定する。
【００１１】
このように構成された装置により、エッチングを行う前に予め真空処理室４内にダミーウエハを搬入し、試料台９にダミーウエハ配置して、マイクロ波と磁場を用いて真空処理室４内にプラズマを発生させ、プラズマ密度分布をモニターして高周波電源１２の最適な周波数を設定する。次に、製品用のウエハ１０を真空処理室４に搬入し、真空処理室４中にプラズマを発生させるとともに、製品処理開始前に設定した周波数の高周波電源１２より高周波電圧を試料台９に印加して、ウエハ１０に高周波バイアスを作用させ、試料台９上に配置した製品用のウエハ１０にエッチング処理を行う。
【００１２】
ここで、本発明者らの研究により明らかになったプラズマ密度分布とバイアス周波数とによるエッチング速度分布の関係を図２に示す。プラズマ密度分布が真空処理室４中央で高い場合、試料台９に印加するバイアス周波数が、例えば、０．８ＭＨｚ程度と低い場合は、ウエハ中央部と外周部でエッチング速度に差が生じてしまう。この場合、バイアス周波数は０．８ＭＨｚとある程度低いので、ウエハ１０に印加されるバイアスはウエハ全面でほぼ均一になる、すなわち、入射するイオンのエネルギが均一になる。このため、中央高のプラズマ密度分布のようにウエハ中央部と外周部で入射するイオンの量に差が生じてしまい、真空処理室４中央高のエッチング速度分布となる。
【００１３】
一方、高周波電源１２のバイアス周波数を、例えば、２ＭＨｚ程度と高くすると、ウエハに印加されるバイアスはウエハ全面で不均一、この場合、外周高となり、入射するイオンのエネルギはウエハ外周部で大きくなる。その結果、ウエハに入射するプラズマ中のイオンの量とイオンの入射エネルギの相互作用によってエッチングは進行する。これにより、ウエハ外周部ではイオン量は少ないがイオンの入射エネルギが大きいのでエッチングが進行し、ウエハ中央部ではイオン量は多いが入射エネルギが小さいので、ウエハ外周部分と同程度のエッチング速度となって、全体的に均一化される。
【００１４】
これは、真空処理室４内でウエハ１０へのイオンの入射方向とほぼ同方向に磁界が形成されているために、プラズマ中の電子は磁界に拘束されてウエハ中央部から外側(真空処理室側壁側)へ流れ難くなるためで、これを電気の等価回路に置き換えると試料台９と真空処理室４側壁との間に抵抗およびコイルから成るインピーダンスが生じ、ウエハ中央部ではウエハ外周部に比べ真空処理室４側壁からの距離が遠くなり、インピーダンスが大きくなる。このため、バイアス周波数が大きい場合(例えば、２ＭＨｚ)には、インピーダンスによる影響が大きいので、ウエハ中央部のバイアス電圧がウエハ外周部よりも低くなり、外周高のバイアス電圧分布、言い替えると、外周高のイオン入射エネルギ分布となる。逆に、バイアス周波数が小さい場合(例えば、０.８ＭＨｚ)には、インピーダンスによる影響が小さいので、ウエハ中央部のバイアス電圧もウエハ外周部のそれと差がなくなり、ほぼ均等なバイアス電圧分布、言い替えると、ほぼ均等なイオン入射エネルギ分布となる。
【００１５】
また、本発明者らの実験によれば、ほぼ均一なプラズマ密度分布の状態で、さらにバイアス周波数を下げ(例えば、０.６ＭＨｚ)、試料台に印加する高周波電力を上げた場合、図３に示すようにウエハ面内のエッチング速度分布がウエハ中央で大きくなる中高のエッチング速度分布となった。言い替えると、このようなバイアス周波数の印加は、プラズマ密度分布が外周高の場合に有効で、このような中高のプラズマ密度分布のときにこのように低い周波数のバイアスを印加することにより、ほぼ均一なエッチング速度分布の得られることが予想される。
【００１６】
以上、有磁場プラズマにおけるバイアス周波数の性質を用い、エッチング処理をウエハ面内で均一に行うために、プラズマの密度分布が真空処理室中で中央高の場合は、印加する高周波バイアスの周波数を高くしてウエハ上のバイアスを外周高とし、ウエハ外周部のエッチング速度を向上させるようにする。また、プラズマの分布が真空処理室中で均一な場合は、ウエハに印加する高周波バイアスの周波数を低く(中程度)し、ほぼ均一なバイアスにしてウエハ全体を均一にエッチングさせるようにする。さらに、プラズマの分布が真空処理室中で外周高の場合は、印加する高周波バイアスの周波数をさらに低くしパワーも上げてエッチング処理し、ウエハ中央部のエッチング速度を向上させるようにする。
【００１７】
このように本実施例によれば、エッチング等の処理を行うウエハを保持する試料台に印加する高周波バイアスの周波数を制御することができるため、真空処理室中のプラズマ密度分布によって任意にウエハ面内におけるバイアス電圧によるイオン入射エネルギ分布を制御することが可能となり、プラズマの分布に対応させた高周波バイアスの周波数とすることで、ウエハ面内のエッチング速度の均一性を向上させることができ、ウエハ面内において均一なエッチング処理を行うことができるという効果がある。
【００１８】
なお、有磁場マイクロ波プラズマ処理装置を使用し、商用周波数の高周波電源を用いる場合には、８００ＫＨｚの電源を用いることにより、試料台のほぼ全面で均等なバイアス電圧を得ることができる。また、２ＭＨｚの電源を用いることにより、試料台の外周部でバイアス電圧が高くなる電圧分布を得ることができる。さらに、６００ＫＨｚの電源を用いることにより、ウエハ中央部のエッチング速度を向上させることができる。
【００１９】
なお、本実施例では有磁場マイクロ波プラズマ処理装置を例に説明したが、プラズマの生成はマイクロ波に限定されるものではなく、例えば、誘導コイルによるものでも良い。
【００２０】
また、本実施例では、周波数可変型の高周波電源を用いているが、周波数の異なる電源を複数台設け、これらの電源を選択使用するようにしても良い。さらに、この変形として、異なるプロセスのエッチング装置が複数台設けられている場合に、周波数の異なる電源を複数台設けて電源装置とし、該電源装置を共用しそれぞれの周波数の電源を選択使用するようにしても良い。
【００２１】
また、以上のようなバイアス周波数の制御により、プラズマ中のイオンの入射エネルギを制御することが可能になるので、本実施例は反応性イオンを主体としてエッチング処理されるゲート膜や酸化膜を被エッチング材とする試料に好適である。
【００２２】
また、本実施例はエッチング装置について説明したが、イオンの入射エネルギを利用して膜厚を調整しながら成膜するＣＶＤ装置にも適用可能である。以上のような実施例によれば、真空処理室中のプラズマ密度の分布によって、試料台に高周波を印加する高周波電源のバイアス周波数を変化させることで、ウエハ全体のエッチング速度の分布を均一にすることが可能となり、ウエハ処理の歩留りを向上させることができるという効果がある。
【００２３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、ウエハをより均一に処理することのできるプラズマ処理装置及びプラズマ処理装置の運転方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の一実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１の装置を用いて処理したときのプラズマ密度およびバイアス周波数とエッチング速度との関係を示す図である。
【図３】図１の装置を用い低い周波数の電源で出力を変えたときのエッチング速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１…マグネトロン、２…導波管、３…石英板、４…真空処理室、５…空洞共振部、６，７…ソレノイドコイル、８…真空排気装置、９…試料台、１０…ウエハ、１１…金網窓、１２…高周波電源、１３…ガス供給装置、１４…モニター、１５…制御装置。
【図１】
0003704894.tif 000002
【図２】
0003704894.tif 000003
【図３】
0003704894.tif 000004