(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理ガスが供給され内部が所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを発生するとともに、前記処理室内に設けられた基板電極に基板バイアス電源から基板バイアス電圧を印加し、前記プラズマの発生とは独立に前記プラズマ中のイオンの被処理材への入射エネルギーを制御し、前記被処理材を処理するプラズマ処理方法において、
被処理材の外周部に設けた補助電極に補助電極から基板バイアス電源に向かう方向を順方向となるように接続したダイオードとコンデンサとを並列に接続した電位制御回路を介してバイアス電圧を印加し、
前記基板電極外周部のプラズマ電位を前記被処理材上のプラズマ電位よりも高くし、前記被処理材を処理することを特徴とするプラズマ処理方法。
【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と、該処理室内へガスを供給するガス供給装置と、前記処理室内に設けられ被処理材を載置可能な基板電極と、前記処理室内に供給されたガスをプラズマ化する電磁波を前記処理室内に放射する第１の高周波電源と、前記基板電極へ接続され前記被処理材に基板バイアス電圧を印加する第２の高周波電源とを具備するプラズマ処理装置において、
前記基板電極のセルフバイアス電位より絶対値の小さいセルフバイアス電圧が発生する補助電極を前記被処理材の外周部に設け、
第２の高周波電源を、基板電極と、前記補助電極から第２の高周波電源に向かう方向を順方向となるように接続したダイオードとコンデンサとを並列接続した電位制御回路を介して補助電極に接続し、前記基板電極外周部のプラズマ電位を前記被処理材上のプラズマ電位よりも高くすることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、上記処理室内に基板電極に対向しプラズマ発生用電磁波を発生するアンテナ電極を設け、該アンテナ電極に第３の高周波電源を接続し、上記基板電極へ接続された第２の高周波電源とアンテナ電極へ接続された第３の高周波電源とを同一周波数とし、第２と第３の高周波電源の位相を１８０°±３０°の範囲で制御する手段を設けたプラズマ処理装置。
【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方法および装置に係り、特にプラズマを用いて半導体等の被処理材の表面処理を行うのに好適なプラズマ処理方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング処理を行うプラズマ処理装置の場合、処理ガスを効率よく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プラズマ中のイオンを被処理材に対して垂直に入射させることで、異方性を向上させ高精度なエッチング処理を実現している。このような処理を行うプラズマ処理装置としては、例えば、特開平９−３２１０３１号公報に記載されているような有磁場ＵＨＦ帯のエッチング装置が知られている。
【０００３】
有磁場ＵＨＦ帯のエッチング装置は、真空容器内で被加工試料に対面する位置に円形導体板を配置し、円形導体板にＵＨＦ帯の電磁波を供給するとともに真空容器内に磁場を形成してＥＣＲプラズマを発生させ、ＵＨＦ帯とは異なる周波数の電界を円形導体板に重畳し、円形導体板にかかるバイアスを大きくして円形導体板と反応ガスとの反応性を高めて、エッチング反応に寄与する活性種を多く生成させるとともに、被加工試料が配置される試料台にバイアス電圧を印加して被加工試料をプラズマ処理している。なお、この装置は、試料台に印加する高周波電源と、試料台に対向する円形導体板に印加するＵＨＦ帯の高周波電源と、同じ円形導体板に印加するＵＨＦ帯高周波電源とは異なる高周波電源とを独立に制御することができるようになっている。
【０００４】
また、このような有磁場プラズマ処理装置内では、リアライズ社１９９６発行「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、Ｐ．９〜２８  記載のように、磁場に対して垂直方向のプラズマインピーダンスが平行方向のプラズマインピーダンスに比べて大きくなり、被処理材面内に電位分布を形成する可能性があることが知られていた。
【０００５】
【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りつつある現在、例えば、半導体素子の代表的な一例であるＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）トランジスタゲート酸化膜等の薄膜化が進み、ゲート酸化膜の加工において、プラズマ処理時に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。上記従来技術におけるプラズマ処理装置では、被処理材に印加された高周波電力による電界が試料台と接地電位にある真空容器側面との間に形成され、高周波電力が磁場を横切る方向に伝播する。このため、被処理材面内に電位分布が形成され、ゲート酸化膜の耐電圧を劣化させるチャージングダメージを発生させる恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、チャージングダメージを抑制し、半導体デバイスの歩留まりを高め、高精度な表面処理を行なうことのできるプラズマ処理方法および装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、処理室内へガスを供給するガス供給装置と、処理室内に設けられ被処理材を載置可能な基板電極と、処理室内に供給されたガスをプラズマ化する電磁波を処理室内に放射する第１の高周波電源と、基板電極へ接続され被処理材に基板バイアス電圧を印加する第２の高周波電源とを具備し、基板電極に印加する高周波電圧の正のピーク電圧に対し、その値より大きい正のピーク電圧が発生する補助電極を被処理材の外周部に設けた装置とし、処理ガスが供給され内部が所定圧力に減圧排気された処理室内にプラズマを生成するとともに、処理室内に設けられた基板電極にバイアス電圧を印加し、プラズマの生成とは独立にプラズマ中のイオンの被処理材への入射エネルギを制御し、被処理材を処理する際に、基板電極外周部のプラズマ電位を被処理材上のプラズマ電位よりも高くして処理する方法とすることにより、達成される。
【０００８】
すなわち、電極外周部のプラズマ電位を高くすることで、電位の高い被処理材面内から電位の低い（接地電位の）処理室内壁面、すなわち、処理室を形成する真空容器の内壁側面に形成されようとする回路の形成が阻害されるので、被処理材面内に生じる電位差を低減することができる。これにより、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均一にすることができる。さらに、処理室内に基板電極と対向するアンテナ電極を設けた場合、基板電極に高周波電圧を印加しても、基板電極外周部のプラズマ電位が高いため、基板電極からアースとして機能する処理室内壁への電流の流れは減少し、対向アース電極として機能するアンテナ電極との間での電流が増加する。すなわち、高周波電流が処理室内壁よりも対向する電極間でより多く流れるようになるので、磁場を横切る方向の電流が減少し、磁場に対して垂直方向のプラズマインピーダンスの影響を受けなくなる。磁場に対して水平方向のプラズマインピーダンスは面内で均一なので、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はさらに低減され、チャージングダメージ発生を抑制することができ、高精度なプラズマ処理が可能となる。
【０００９】
また、アンテナ電極に第３の高周波電源を接続し、基板電極に接続された第１の高周波電源とアンテナ電極に接続された第３の高周波電源の周波数を同一周波数とする装置とし、それぞれの高周波電源の位相差を１８０°±３０°とすることで、基板電極の正の高周波ピーク電圧を小さくすることができ、被処理材上のプラズマ電位からみた基板電極外周部のプラズマ電位をさらに高くすることができる。これにより、対向する電極が効率よくアースとして機能する効果をさらに増幅し、チャージングダメージ発生を抑制することができ、高精度なプラズマ処理が可能となる。
【００１０】
【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３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。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），アンテナ電極１０３（例えばＳｉ製）を設置、アンテナカバー１２１で密封することにより処理室１０５を形成する。処理室１０４の外周部とアンテナカバー１２１上部には磁場発生用コイル１１４が設置されている。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。
【００１１】
アンテナ電極１０３上部には同軸線路１１１，整合器１１０，フィルタ１０９を介して高周波電源１０８（例えば周波数４５０ＭＨｚ）がプラズマ生成用電源として接続されている。さらに、アンテナ電極１０３上部には同軸線路１１１，整合器１１９，フィルタ１１３を介して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、同軸線路１２２，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。高周波電源１０８によりプラズマを生成し、アンテナバイアス電源１１２により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１１７により基板への入射イオン量を制御している。このような構成により、プラズマ生成、プラズマ組成・分布、被処理材１１６への入射イオン量を独立に制御できるという利点がある。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１２０が基板電極１１５に接続されている。
【００１２】
基板電極１１５の外周部に補助電極１２７を設置しており、補助電極１２７は電位制御回路１２６，同軸線路１２２を介して整合器１１８に接続されている。
【００１３】
図２に電位制御回路１２６の回路構成例を示す。電位制御回路１２６は基板バイアス電源１１７からの高周波電圧の波形を任意の電圧波形に制御する回路である。補助電極１２７と同軸線路１２２の間に、コンデンサ（Ｃ１）およびダイオード（Ｄ１）を並列に接続する。ダイオード（Ｄ１）は補助電極から同軸線路
１２２へ向う方向を順方向になるよう接続する。基板バイアス電源１１７により高周波電圧が補助電極１２７に印加されたとき、前記回路構成により、プラズマ中からの補助電極１２７への電子の流入を抑制し、補助電極１２７の高周波自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）の絶対値を小さくするように作用させる。
【００１４】
上記のように構成された装置において、処理室１０５内部を真空排気装置により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室１０５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、アンテナ電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１０５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１０５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より高周波電力（例えば、周波数１３．５６ＭＨｚ）が同軸線路１１１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。
【００１５】
基板電極１１５には、例えば、ピーク・ツウ・ピーク電圧（Ｖｐｐ）８００Ｖの高周波電力が供給され、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）が発生し、基板電極１１５の正の高周波ピーク電圧は１００Ｖ〜２００Ｖ程度に固定される。このとき、補助電極１２７にも高周波が印加されるが、ダイオード（Ｄ１）が順方向に接続されるとともに整合器１１８内のコンデンサよりも容量の小さいコンデンサ（Ｃ１）を並列に設けているため、高周波電圧の正電圧が補助電極に印加された際、ダイオード（Ｄ１）によりプラズマ中から引き寄せられる電子は整合器１１８側へは流れることができず、またコンデンサ（Ｃ１）の容量が小さいため補助電極１２７に蓄積される電子量も少なくなり、補助電極１２７における自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）の絶対値は小さい値となる。電子電流が抑制され、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）の絶対値が小さくなるため補助電極１２７の正の高周波ピーク電圧は基板電極１１５より高くなり、基板電極１１５上のプラズマ電位より、補助電極１２７上のプラズマ電位が高くなる。図３に補助電極１２７に高周波電圧を印加したときのプラズマ電位状態を示す。補助電極１２７上のプラズマ電位が高くなることで、被処理材１１６面内の電位分布は低減され、プラズマ特性の面内分布を均一にすることができる。さらに、基板電極１１５と処理室１０５の側壁である処理容器１０４との間にプラズマを介して形成される回路には途中に高いプラズマ電位が存在するので該回路に流れる電流が減少し、高周波電流が側壁よりも対向する電極間にさらに多く流れるようになる。これにより、磁場を横切る方向の電流が減少しチャージングダメージの発生が抑制され、さらに高精度エッチング処理ができるという効果がある。
［実施例２］
本発明の第２の実施例を図４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を示し説明を省略する。本図が図１と異なる点を以下に説明する。アンテナ電極１０３上部には同軸線路１１１，整合器１１９，フィルタ１１３を介してアンテナバイアス電源１１２（例えば、周波数８００ＫＨｚ）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、同軸線路１２２，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。アンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７は位相制御器１２５に接続されており、アンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７より出力される高周波の位相を制御することができる。ここではアンテナバイアス電源１１２と基板バイアス電源１１７の周波数は同一周波数としてある。
【００１６】
アンテナ電極１０３と基板電極１１５に印加される高周波電圧の位相差が１８０°±３０°の場合、例えば、基板電極１１５に正の電圧が印加されているとき、アンテナ電極１０３には負の電圧が印加されるので、アンテナ電極１０３にはイオンが入射するが電子は入射せず、アンテナ電極１０３近傍は電子が多く存在する状態となり、対向する電極が効率よくアースとしての機能を有する。位相差１８０°±３０°で印加することで、基板電極１１５から対向するアースとなるアンテナ電極１０３までのインピーダンスは低減され、例えば、ピーク・ツウ・ピーク電圧（Ｖｐｐ）８００Ｖの高周波電力が印加されると基板電極１１５の正の高周波ピーク電圧は２０〜３０Ｖに固定される。実施例１で示した基板電極１１５の正の高周波ピーク電圧より本実施例の基板電極１１５の正の高周波ピーク電圧が小さくなり、対向する電極が効率よくアースとして機能する効果をさらに増幅して実現することが可能となる。基板電極１１５上のプラズマ電位からみた補助電極１２７上のプラズマ電位をさらに高くすることで、高周波電流が側壁よりも対向する電極間にさらに多く流れることから、磁場を横切る方向の電流が減少しチャージングダメージの発生を抑制でき、高精度エッチング処理ができるという効果がある。
［実施例３］
本発明の第３の実施例を図５を用いて説明する。本図において図２と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本図が図２と異なる点を以下に説明する。電位制御回路１２６のダイオード（Ｄ１）を図２と逆方向に接続し、可変抵抗器Ｒ１を直列に追加接続した点、電位制御回路１２６のコンデンサ（Ｃ１）を可変容量コンデンサとした点、可変抵抗器Ｒ１の抵抗値と可変容量コンデンサＣ１の容量を調整するための制御装置１２８を接続している点である。
【００１７】
このような構成により、基板バイアス電源１１７により高周波電圧が補助電極１２７に印加されたときに、例えば、抵抗Ｒ１の抵抗値を大きくして電流の流れを抑制することでプラズマ中からの補助電極１２７への電子の流入を抑制でき、また抵抗Ｒ１の抵抗値を小さくして電流を流れ易くすることでプラズマ中からの補助電極１２７への電子の流入を多くすることができる。これにより、補助電極１２７の高周波自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）の絶対値を制御できるので、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）が小さくなるように作用させ、前記実施例１と同様に補助電極１２７上でのプラズマ電位を高くしたり、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）を少し大きくしてプラズマ中のイオンが補助電極１２７に入射されるようにし、イオンの入射量を制御できるようにする。補助電極１２７へのイオンの入射によって、補助電極１２７表面でのプラズマ中の活性種との反応を制御することも可能である。例えば、ＣＦ系のガスを用いた酸化膜エッチングにおいて、補助電極１２７の材質を高純度のシリコンとすれば、シリコンのスカベンジ作用により補助電極１２７でのＦラジカルやＣＦラジカルの反応を制御して、特にウェハ外周部でのエッチング均一性を向上させることができる。
【００１８】
また、基板バイアス電源１１７により高周波電圧が補助電極１２７に印加されたときに、例えば、コンデンサＣ１の容量を小さくして印加する高周波電力を抑制することでプラズマ中からの補助電極１２７へのイオンの流入を抑制でき、またコンデンサＣ１の容量を大きくして印加する高周波電力を増加させることでプラズマ中からの補助電極１２７へのイオンの流入を多くすることができる。これにより、補助電極１２７の高周波自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）の絶対値を制御できるので、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）が小さくなるように作用させ、前記実施例１と同様に補助電極１２７上でのプラズマ電位を高くしたり、自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）を少し大きくしてプラズマ中のイオンが補助電極１２７に入射されるようにし、イオンの入射量を制御できるようにする。補助電極１２７へのイオン入射の制御によって、補助電極１２７表面でのプラズマ中の活性種との反応を制御することも可能である。これにより、上述の可変抵抗器（Ｒ１）を制御したときと同様の効果を得ることができる。
【００１９】
上述は、可変抵抗器（Ｒ１）と可変容量コンデンサ（Ｃ１）とをそれぞれ個別に制御しても良いし、さらに最適な制御を行なうために組合わせて制御することも有効である。
【００２０】
本第３の実施例によれば、補助電極１２７上でのプラズマ電位を制御し、チャージングダメージの発生を抑制するとともにスカベンジ作用によるエッチングの均一性を向上させることができるという効果がある。
【００２１】
上述のこれらの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同様に適用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、被処理材上のプラズマ電位よりも基板電極外周部のプラズマ電位を高くすることで、被処理材の面内の電位分布を低減することができ、対向する両電極のアースとしての機能が向上し、高周波電流が処理容器内の処理室内壁よりも対向する電極により多く流れることから、磁場を横切る方向の電流が減少し、チャージングダメージの抑制が可能となり、半導体デバイスの歩留まりを高め、高精度な表面処理が可能なプラズマ処理方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例であるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。
【図２】図１の装置の電位制御回路を示す図である。
【図３】図２の電位制御回路を用いた場合のプラズマ電位を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施例であるプラズマ処理装置を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第３の実施例であるプラズマ処理装置の電位制御回路を示す図である。
【符号の説明】
１０１…真空容器、１０２…誘電体窓、１０３…アンテナ電極、１０４…処理容器、１０５…処理室、１０６…真空排気口、１０７…ガス供給装置、１０８…高周波電源、１０９，１１３…フィルター、１１０…整合器、１１１…同軸線路、１１２…アンテナバイアス電源、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、１１８，１１９…整合器、１２０…静電チャック電源、１２１…アンテナカバー、１２２…同軸線路、１２５…位相制御器、１２６…電位制御回路、１２７…補助電極、１２８…制御装置。
【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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