(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空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、前記処理室内にプラズマを発生させるための手段、被処理材を載置可能な基板電極、該基板電極へ接続された高周波電源および整合器からなるプラズマ処理装置において、前記整合器の負荷側から測定した、前記高周波電源の周波数よりも高い周波数領域全域でのインピーダンスが、前記高周波電源の周波数におけるインピーダンスよりも大きくなるように前記整合器を構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空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、前記処理室内にプラズマを発生させるための手段、被処理材を載置可能な基板電極、該基板電極へ接続された高周波電源および整合器からなるプラズマ処理装置において、前記整合器は、前記整合器内のアクティブラインに設置されているインダクターよりも負荷側に、前記整合器の負荷側から測定した、前記高周波電源の周波数よりも高い周波数領域全域でのインピーダンスが、該インダクターよりも小さい素子を前記アクティブラインとグランドライン間に設置していないことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記基板電極へ供給される電極電流の歪率が０.１ 以下となるように、前記整合器を構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【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装置に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング処理をプラズマ処理装置を用いて行う場合、処理ガスを電離し活性化することで処理の高速化をはかり、また被処理材に高周波バイアス電力を供給しイオンを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。従来のプラズマ処理装置は特開平9−321031号公報に記載のように、被処理材に高周波電力を供給する整合回路がチャージングダメージに与える影響について配慮することなく、被処理材の表面処理を行っていた。一般にプラズマ中では、「半導体プロセスにおけるチャージングダメージ」中村守孝編、リアライズ社1996に記載のように、プラズマ中の不均一などの影響により、被処理材に電位分布が形成され、チャージングダメージを発生させる可能性がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体集積回路の集積度が高まるにつれ、例えば半導体素子の代表的な一例であるＭＯＳ(Metal Oxide Semiconductor) トランジスタのゲート酸化膜が薄膜化し、ゲート酸化膜が絶縁破壊する（チャージングダメージ）問題が深刻になりつつある。また被処理基板を大面積化しスループットを向上するため、直径３００mmの基板が用いられる見込みであり、大面積の被処理材基板用で、チャージングダメージの発生しない半導体製造装置を提供する必要がある。
【０００４】
本発明の目的は、チャージングダメージを抑制し、高精度な表面処理が可能なプラズマ処理装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のプラズマ処理装置では、被処理材に印加する高周波電力を伝送する整合回路を最適化することにより、プラズマ特性の面内分布に起因する被処理材面内の電位分布を低く押さえ、チャージングダメージの発生を抑制する。このことにより、高精度なエッチング処理が可能である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
以下、本発明の第1の実施例を図1から図５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実施例であるエッチング装置の縦断面図である。
【０００７】
図１において、上部が開放された真空容器１０１の上部に処理容器１０４，誘電体窓１０２(例えば石英製)，上部電極１０３(例えばＳｉ製)を設置，密封することにより処理室１２０を形成する。上部電極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に接続されている。また真空容器１０１には真空排気口１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。上部電極１０３上部には同軸線路１１１，整合器１１０ａ，整合器１１０ｂ，フィルター１０９，１１３を介して高周波電源１０８（例えば周波数４５０ＭＨｚ）、アンテナバイアス電源１１２（例えば周波数１３.５６ＭＨｚ ）が接続されている。また、被処理材１１６を載置可能な基板電極１１５は真空容器１０１下部に設置され、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１７（例えば周波数８００ｋＨｚ）に接続されている。また被処理材１１６を静電的に吸着させるために静電チャック電源１２１が基板電極１１５に接続されている。
【０００８】
上記のように構成された装置において処理室１２０内部を真空排気装置（図示省略）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１２０内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１０８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１１１を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１２０内に導入され、磁場発生用コイル１１４（例えばソレノイドコイル）により形成された磁場との相互作用により、処理室１２０内に高密度プラズマを生成する。特に電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば１６０Ｇ）を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源１１２より例えば周波数１３.５６ＭＨｚ の高周波電力が同軸線路１１１を介して上部電極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１１７より高周波電力（例えば周波数８００ｋＨｚ）が供給され、表面処理（例えばエッチング処理）される。
【０００９】
一般にプラズマ中では、プラズマ特性の面内不均一などの影響により、被処理材に電位分布が形成され、チャージングダメージを発生させる可能性がある。しかし本実施例の場合、整合器１１８の回路を最適化することにより、被処理材の電位分布を低減しチャージングダメージの発生を低減することができる。図２にチャージングダメージを低減することが可能な整合器回路の周波数特性図を示す。図２（１）に、電源の内部インピーダンスを５０Ωとし、プラズマ側から見た整合器のインピーダンスの周波数特性を示す。縦軸，横軸ともに対数目盛である。図中実線が低ダメージ化に効果のある整合器を用いた場合のプラズマ側から見たインピーダンスの周波数特性２０２であり、破線が従来の整合器を用いた場合のプラズマ側から見たインピーダンスの周波数特性２０３である。低ダメージ化に効果のある整合器は、印加するバイアス周波数よりも高周波数領域において高インピーダンスであるためチャージングダメージを低減することが可能である。また、図２（２）は縦軸にインピーダンスの位相、横軸に対数目盛で周波数を示す。図中、実線が低ダメージ化に効果がある整合器を用いた場合２０５で、破線が従来の整合器を用いた場合２０４である。位相が高周波数領域で＋９０度となる場合、つまりインダクタンス成分が大きい場合にチャージングダメージを低減することが可能である。
【００１０】
図３に低ダメージ化に効果のある整合器を用いた場合３０２，３０４（図中実線）と従来の整合器を用いた場合（３０１，３０３）の基板電極１１５の電圧・電流波形を示す。図３（１）は縦軸が基板電極１１５の電圧で横軸が時間である。低ダメージ化に効果のある整合器を用いた場合３０２、正の電圧側で電圧波形が歪んでいるのに対し、従来の整合器を用いた場合の電圧波形３０１は正弦波的である。次に図３（２）は縦軸が基板電極１１５の電流で横軸が時間である。低ダメージ化に効果のある整合器を用いた場合の電流波形３０４が正弦波的であるのに対し、従来の整合器を用いた場合の電流波形３０３は、歪みが大きい。これはプラズマシースの非線型性により生じる、基板バイアス電源１１７より被処理材１１６に供給される高周波電力の周波数の高調波成分が、整合器１１８を介して遮断されているか否かによる相違である。従って、低ダメージ化に効果のある高周波領域でのインピーダンスが高いような整合器を用いることにより、基板電極電流の高調波成分を遮断し正弦波的にすることにより、プラズマシースの電圧・電流特性の非線型性より、基板電極電圧の正の電圧側での電圧が歪み、平坦化される。そのためプラズマ特性の面内分布に起因するプラズマシース特性の面内分布の影響が低減されるため、チャージングダメージ発生と正の相関のあるゲート酸化膜間電圧が低減される。その結果、低ダメージで高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１１】
また、図２に示すような周波数特性を持つ整合回路の一例を図４に示す。いずれもインダクタとコンデンサを組み合わせた回路構成となっている。整合器401,４０２はダメージ低減に効果があり、整合器４０３，４０４はダメージ低減に効果がない従来の整合器である。ダメージ低減に効果がある整合器４０１，４０２のように高周波数側で高インピーダンスの特性を示すのは、整合器内のアクティブラインに設置されているインダクターよりも負荷側に、該インダクターよりもインピーダンスが小さい素子（例えばコンデンサ）をアクティブラインとグランドライン間に設置しない場合である。
【００１２】
また、図５（１）にチャージングダメージに関係するゲート酸化膜間電圧と基板に印加するバイアスのピーク・トゥ・ピーク（peak-to-peak）電圧Ｖppとの関係を示す。図中破線が高周波領域でのインピーダンスが低い整合回路を用いた場合５０１であり、実線が高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を用いた場合５０２である。Ｖppが２５０Ｖ程度までは両者の間に大きな差は見られないが、Ｖppを増加させるとともに、高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を用いた場合の方がゲート酸化膜間電圧が低減されている。これはＶppが増加するとともに、プラズマシース特性の面内分布の影響が大きくなるために、高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を用いることにより、効果的にゲート酸化膜間電圧を低減することが可能であるためである。図５（２）に電極電流歪率とＶppの相関図を示す。図中、黒丸が従来の整合器を用いた場合５０３であり、白丸がダメージ低減効果のある整合器を用いた場合５０４である。従来の整合器を用いた場合５０３は、Ｖppを増加させるとともに電極電流歪率が増加するのに対し、ダメージ低減効果のある整合器を用いた場合５０４は、Ｖppを増加させても電極電流歪率は０.１以下で、電極電流波形は正弦波的である。従ってプラズマシースの電圧・電流特性の非線型性より、正の電圧側が歪み平坦化され、ダメージ低減に効果がある。従って、低ダメージで高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１３】
［実施例２］
本発明の第２の実施例を図６を用いて説明する。本図において図１と同符号は同一部材として説明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明する。上部が開放された処理容器１０４の上部に誘電体窓６０３を設置し密封し処理室１２０を形成する。誘電体窓６０３上部には導波管６０２を介し、マグネトロン６０１が接続されている。マグネトロン６０１より発振された例えば２.４５ＧＨｚのマイクロ波は導波管６０２を伝播し、誘電体窓６０３を介して、処理室１２０内に導入され、磁場発生用コイル１１４により生成された例えば８７５Ｇの磁場との相互作用により、効率良くガスを電離しプラズマを発生させる。第１の実施例と同様に、印加するバイアス周波数よりも高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を有する整合器１１８を用いることにより、ゲート酸化膜間電圧を低減することができる。このため低ダメージで高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１４】
［実施例３］
本発明の第３の実施例を図７を用いて説明する。本図において図１と同符号は同一部材として説明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明する。上部が開放された処理容器１０４の上部に誘電体窓６０３を設置し密封し処理室１２０を形成する。誘電体窓６０３上部にはループアンテナ７０１が設置されている。またこのループアンテナ７０１は例えば１３.５６ＭＨｚのアンテナ電源７０２に接続されている。ループアンテナ７０１より誘電体窓６０３を介して高周波電力が処理室１２０内に供給されプラズマを生成する。第１の実施例と同様に、印加するバイアス周波数よりも高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を有する整合器１１８を用いることにより、ゲート酸化膜間電圧を低減することができる。このため低ダメージで高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１５】
［実施例４］
本発明の第４の提供例を図８を用いて説明する。本図において図１と同符号は同一部材として説明を省略する。本図が図１と異なる点を以下説明する。上部が開放された処理容器１０４の上部に誘電体窓１０２（例えば石英製）および上部電極１０３を設置し密封する。上部電極１０３は例えば２７ＭＨｚ，６０ＭＨｚの高周波電源８０１に接続されている。上部電極１０３より処理室１２０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。第１の実施例と同様に、印加するバイアス周波数よりも高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を有する整合器１１８を用いることにより、ゲート酸化膜間電圧を低減することができる。このため低ダメージで高精度なエッチング処理が可能であるという効果がある。
【００１６】
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。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の高周波領域でのインピーダンスが高い整合回路を有する整合器を用いることにより、プラズマ特性の面内分布に起因する被処理材面内の電位分布を低減し、チャージングダメージの発生を抑制するという効果がある。
【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である。
【図２】本発明および従来の整合器回路の周波数特性の説明図である。
【図３】本発明および従来の整合器回路を用いた場合の被処理材の電圧・電流波形の説明図である。
【図４】本発明および従来の整合器回路の回路構成の説明図である。
【図５】本発明および従来の整合器回路を用いた場合のゲート酸化膜間電圧と基板に印加するバイアスのピークトゥピーク（peak-to-peak）電圧の相関図および、電極電流歪み率とバイアスのピークトゥピーク（peak-to-peak）電圧の相関図である。
【図６】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である。
【図７】本発明を用いた第３の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図である。
【図８】本発明を用いた第４の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図である。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…誘電体窓、１０３…上部電極、１０４…処理容器、１０６…真空排気口、１０７…ガス供給装置、１０８…高周波電源、１０９…フィルター、１１０，１１８ａ，１１８ｂ…整合器、１１１…同軸線路、１１２…アンテナバイアス電源、１１３…フィルター、１１４…磁場発生用コイル、１１５…基板電極、１１６…被処理材、１１７…基板バイアス電源、１２０…処理室、１２１…静電チャック電源、２０２…低ダメージ整合器のインピーダンスの周波数特性、２０３…従来の整合器のインピーダンスの周波数特性、２０４…従来の整合器のインピーダンスの位相の周波数特性、２０５…低ダメージ整合器のインピーダンスの位相の周波数特性、３０１…従来の整合器を用いた場合の被処理材に印加される電圧波形、３０２…低ダメージ整合器を用いた場合の被処理材に印加される電圧波形、３０３…従来の整合器を用いた場合の被処理材に流入する電流波形、３０４…低ダメージを用いた場合の被処理材に流入する電流波形、４０１，４０２…低ダメージ整合器の回路構成例、４０３，４０４…従来の整合器の回路構成例、５０１…従来の整合器を用いた場合のゲート酸化膜間電圧のＶpp依存性、５０２…低ダメージ整合器を用いた場合のゲート酸化膜間電圧のＶpp依存性、５０３…従来の整合器を用いた場合の電極電流歪率のＶpp依存性、５０４…低ダメージ整合器を用いた場合の電極電流歪率のＶpp依存性、６０１…マグネトロン、６０２…導波管、６０３…誘電体窓、７０１…ループアンテナ、７０２…アンテナ電源、８０１…高周波電源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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