(57)【要約】 【課題】プラズマ電位を低減してプラズマ８のイオンにより誘電体窓４を削ることがなく、かつプラズマ電位のＲＦ振動の発生を抑制してプラズマ電位を加工させてプラズマ密度を高くすること。【解決手段】高周波電力の供給によりプラズマを生成してプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマの電位を検出して当該電位の高さに応じた検出信号を出力するプラズマ電位検出部と、前記プラズマ電位検出部から出力される前記検出信号に応じて前記高周波電源から供給する前記高周波電力を制御する制御部とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電力の供給によりプラズマを生成してプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記高周波電力を供給する高周波電源と、
前記プラズマの電位を検出して当該電位の高さに応じた検出信号を出力するプラズマ電位検出部と、
前記プラズマ電位検出部から出力される前記検出信号に応じて前記高周波電源から供給する前記高周波電力を制御する制御部と、
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記高周波電源を複数備え、
前記制御部は、前記プラズマ電位検出部の前記出力信号が最小化するように前記複数の高周波電源からそれぞれ供給される前記各高周波電力の各位相を制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記プラズマを生成するための複数のアンテナを備え、
前記複数のアンテナにそれぞれ前記高周波電力を供給するための前記高周波電源を複数備え、
前記制御部は、前記プラズマ電位検出部の前記出力信号が最小化するように前記複数の高周波電源からそれぞれ供給される前記各高周波電力の各位相を制御する、
ことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
高周波電力の供給によりプラズマを生成してプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記プラズマを生成するためのアンテナと、
前記アンテナに接続された可変コンデンサと、
前記プラズマの電位を検出して当該電位の高さに応じた検出信号を出力するプラズマ電位検出部と、
前記プラズマ電位検出部から出力される前記検出信号に応じて前記可変コンデンサを制御する制御部と、
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
高周波電源からの高周波電力の供給によりプラズマを生成してプラズマ処理するプラズマ処理制御方法において、
前記プラズマの電位を検出し、当該電位の高さに応じて前記高周波電源から供給する前記高周波電力を制御する、
ことを特徴とするプラズマ処理制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高周波電力（ＲＦ電力）の供給によりプラズマを生成して被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程では、エッチングやスパッタ等の各種処理が行われている。これら処理では、例えばＲＩＥやＣＶＤ等のプラズマ処理装置が用いられており、これらプラズマ処理装置としては、誘導結合型のプラズマ処理装置が用いられることが多い。このようなプラズマ処理装置は、チャンバ内に反応ガスを供給すると共にアンテナに高周波電力を供給することにより、チャンバ内にプラズマを生成し、チャンバ内に配置した半導体基板等の被処理体をプラズマ処理する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６６０９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
誘導結合型プラズマ装置では、チャンバに設けられた誘電体窓にアンテナを設け、このアンテナから誘電体窓を介してチャンバ内に高周波電力を供給している。ところが、アンテナには、容量結合成分が存在しており、この容量結合成分により誘電体窓に発生するセルフバイアス電圧が高くなり、プラズマのイオンによって誘電体窓が削られてしまう。  
また、容量結合成分によりプラズマ電位のＲＦ振動も生じさせ、このＲＦ振動によってプラズマ電位の上昇およびプラズマ密度の低下につながる。このため、誘導結合型プラズマ装置を複数設置した場合、これら装置間でプラズマ電位の振動が異なると、プラズマ密度のばらつきが生じ、その結果としてプロセス性能が各装置間で異なってしまうことが懸念されている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態によれば、高周波電力の供給によりプラズマを生成してプラズマ処理するプラズマ処理装置において、前記高周波電力を供給する高周波電源と、前記プラズマの電位を検出して当該電位の高さに応じた検出信号を出力するプラズマ電位検出部と、前記プラズマ電位検出部から出力される前記検出信号に応じて前記高周波電源から供給する前記高周波電力を制御する制御部とを具備する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態のプラズマ処理装置を示す構成図。
【図２】同装置におけるプローブの取付けを示す構造図。
【図３】同装置における第１の高周波電力と第２の高周波電力との位相の調整を示す図。
【図４】第２の実施形態のプラズマ処理装置を示す構成図。
【図５】第３の実施形態のプラズマ処理装置を示す構成図。
【図６】第４の実施形態のプラズマ処理装置を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
［第１の実施の形態］
以下、第１の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１はプラズマ処理装置の構成図を示す。このプラズマ処理装置は、例えば誘導結合型プラズマ装置である。なお、このプラズマ処理装置は、例えばエッチングやスパッタ等の各種処理にも適用できる。  
チャンバ１内には、下部電極２が設けられている。この下部電極２上には、半導体ウエハ３が載置されている。チャンバ１の上部には、誘電体窓４が設けられている。この誘電体窓４の上面には、アンテナ５が設けられている。下部電極２には、第１の高周波電源６が接続され、かつアンテナ５には、第２の高周波電源７が接続されている。これら高周波電源６、７は、それぞれ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力するもので、第１の高周波電源６は高周波電力を下部電極２に供給し、第２の高周波電源７は高周波電力をアンテナ５に供給する。このアンテナ５は、一方の端部が第２の高周波電源７に接続され、他方の端部が接地されている。
【０００８】
チャンバ１は、その内部に反応ガスが供給され、かつ下部電極２とアンテナ５とにそれぞれ高周波電力が供給されことによりプラズマ８が生成され、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理を行う。
【０００９】
チャンバ１内には、プラズマ電位検出部としてのプローブ１０が挿入されている。このプローブ１０は、チャンバ１内に生成されたプラズマ８の電位を検出して当該電位の高さに応じた検出信号を出力する。このプローブ１０から出力される検出信号の強度は、プラズマ８の電位のＲＦ振動（電圧）の大きさに比例する。
【００１０】
図２はプローブ１０の取付け構造を示す。チャンバ１の側壁１ａには、プローブ用孔１ｂが設けられている。このプローブ用孔１ｂ内には、プローブ１０が挿入されている。このプローブ用孔１ｂとプローブ１０との間は、気密を保持するようになっている。  
プローブ１０は、誘電体チューブ１１と、この誘電体チューブ１１内に配設された同軸ケーブル１２とからなる。誘電体チューブ１１は、その先頭部分にプラズマ８の電位を検出するための誘電体窓１１ａが形成されている。同軸ケーブル１２は、中心導体１３と、この中心導体１３を中心に配置する中空円筒体１４とからなる。中空円筒体１４は、絶縁体および導体から成り、このうち導体は接地されている。なお、中心導体１３とプラズマ８との間には、浮遊容量Ｃ１、Ｃ２が存在する。この同軸ケーブル１２は、制御部１５に接続され、プローブ１０から出力される検出信号を制御部１５に伝送する。
【００１１】
制御部１５は、チャンバ１の内部に反応ガスを供給し、第１と第２の高周波電源６、７を制御して下部電極２とアンテナ５とにそれぞれ高周波電力を供給し、チャンバ１の内部にプラズマ８を生成し、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理を行うための制御を行う。  
制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、この検出信号に応じて第１と第２の高周波電源６、７から供給する高周波電力をそれぞれ制御する。具体的には、制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される高周波電力の位相差を調整する。例えば、図３に示すように第１の高周波電源６から出力される高周波電力をＰ１とし、第２の高周波電源７から出力される高周波電力をＰ２とすると、制御部１５は、高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との位相差が１８０°になるように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される第１の高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との位相が調整される。
【００１２】
次に、上記の如く構成された装置におけるプラズマ処理制御について説明する。  
チャンバ１の内部には、反応ガスが供給され、かつ各高周波電源６、７は、それぞれ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力する。このうち高周波電源６は、高周波電力を下部電極２に供給し、高周波電源７は高周波電力をアンテナ５に供給する。これによりチャンバ１の内部には、プラズマ８が生成され、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理が行われる。  
プローブ１０は、チャンバ１内に生成されたプラズマ８の電位を検出して当該電位のＲＦ振動の大きさに比例する検出信号を出力する。この検出信号は、制御部１５に伝送される。
【００１３】
この制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、検出信号の強度を最小化するように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される高周波電力の位相差を調整する。例えば、制御部１５は、図３に示すように高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との位相差が１８０°になるように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との位相が調整される。この結果、高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との位相差が１８０°になると、これら高周波電力Ｐ１と第２の高周波電力Ｐ２との各振動が互いに打消し合って、プラズマ８の電位のＲＦ振動の大きさが最小化する。
【００１４】
プラズマ電位のＲＦ振動が小さい場合、プラズマ電位（直流成分）が低下する傾向にある。プラズマ電位が低い場合、チャンバ１の側壁１ａにおけるイオンのエネルギ損失が低減するので、プラズマ生成効率が向上し、プラズマ密度が上昇する。これにより、プラズマ電位のＲＦ振動を最小化することで、プラズマ密度の上昇に繋げることができる。
【００１５】
このように上記第１の実施の形態によれば、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される高周波電力の位相差を調整するので、プラズマ電位のＲＦ振動の発生を抑制してプラズマ電位を下降させてプラズマ密度を高くできる。さらに、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することができる。
【００１６】
一般に、半導体製造の量産工程においては、同一工程に複数のプラズマ処理装置を配置して半導体ウエハを製造することが多い。この場合、プラズマ電位のＲＦ振動が各プラズマ処理装置ごとに異なると、これらプラズマ処理装置ごとのプラズマ密度にばらつきが発生する要因になり得る。ＲＦ振動の各プラズマ処理装置間の差は、第１と第２の高周波電源６、７との両電源の位相のずれや、アンテナ５および下部電極２の容量結合成分の各装置間のばらつきによって生じると考えられるが、本実施の形態のように、プラズマ電位のＲＦ振動成分を最小化することで、各プラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することが可能である。
【００１７】
［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。  
図４はプラズマ処理装置の構成図を示す。アンテナ５は、プラズマ密度分布を制御する観点から２系統設けられている。すなわち、アンテナ５は、第１のアンテナ５−１と第２のアンテナ５−２とが設けられている。これらアンテナ５−１とアンテナ５−２とには、２系統の高周波電源、すなわち第１のアンテナ５−１には第１の高周波電源７−１が接続され、第２のアンテナ５−２には第２の高周波電源７−２が接続されている。
【００１８】
これら高周波電源７−１、７−２は、それぞれ１３．５６ＭＨｚの高周波電力を出力するもので、第１の高周波電源７−１は高周波電力を第１のアンテナ５−１の一方の端部に供給し、第２の高周波電源７は高周波電力を第２のアンテナ５−２の一方の端部に供給する。第１と第２のアンテナ５−１、５−２の他方の端部は、それぞれ接地されている。なお、下部電極２には、第１の高周波電源６が接続されていない。下部電極２に第１の高周波電源６を接続することは必ずしも必要でない。
【００１９】
制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、この検出信号に応じて第１と第２の高周波電源７−１、７−２から供給する高周波電力をそれぞれ制御する。具体的には、制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、第１と第２の高周波電源７−１、７−２から出力される高周波電力の位相差を調整する。例えば、制御部１５は、第１の高周波電源７−１から出力される高周波電力と第２の高周波電源７−２から出力される第２の高周波電力との位相差が１８０°になるように、第１と第２の高周波電源６、７から出力される第１の高周波電力と第２の高周波電力との位相が調整される。
【００２０】
次に、上記の如く構成された装置におけるプラズマ処理制御について説明する。  
チャンバ１の内部には、プラズマ８が生成され、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理が行われる。  
この状態に、プローブ１０は、チャンバ１内に生成されたプラズマ８の電位を検出して当該電位のＲＦ振動の大きさに比例する検出信号を出力する。この検出信号は、制御部１５に伝送される。
【００２１】
この制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、検出信号の強度を最小化するように、第１の高周波電源７−１から出力される高周波電力と第２の高周波電源７−２から出力される第２の高周波電力との位相差が１８０°になるように、第１と第２の高周波電源７−１、７−２から出力される高周波電力と第２の高周波電力との位相を調整する。この結果、これら高周波電力の位相差が１８０°になると、これら高周波電力の各振動が互いに打消し合って、プラズマ８の電位のＲＦ振動の大きさが最小化する。
【００２２】
このように上記第２の実施の形態によれば、第１と第２のアンテナ５−１、５−２を設け、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、第１と第２のアンテナ５−１、５−２にそれぞれ接続される第１と第２の高周波電源６、７から出力される高周波電力の位相差を調整するので、プラズマ電位のＲＦ振動の発生を抑制してプラズマ電位を下降させてプラズマ密度を高くできる。さらに、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することができる。これにより、上記第１の実施の形態と同様に、プラズマ生成効率が向上し、プラズマ密度が上昇する。これにより、プラズマ電位のＲＦ振動を最小化することで、プラズマ密度の上昇に繋げることができる。又、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することが可能である。
【００２３】
下部電極２に高周波電源を接続していないので、下部電極２に高周波電力が供給されることがなく、プラズマ電位のＲＦ振動を低減でき、半導体ウエハ等の被処理体３に対するイオンエネルギ及び電子エネルギの低減をすることが可能となる。この結果、半導体ウエハ等の被処理体３に対して与えるダメージの少ない半導体製造のプロセスを実現できる。
【００２４】
［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。  
図５はプラズマ処理装置の構成図を示す。アンテナ５は、一方の端部に高周波電源７が接続され、他方の端部と接地との間には、可変コンデンサ２０が接続されている。この可変コンデンサ２０は、アンテナ５における高周波電力の供給側から見て終端側において容量を可変する。
【００２５】
制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、この検出信号に応じて可変コンデンサ２０を制御する。具体的に、制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号に応じて当該検出信号の強度を最小化するように、可変コンデンサ２０の容量を可変制御する。すなわち、アンテナ５はインダクタンス成分を有するので、このアンテナ５に接続された可変コンデンサ２０の容量を可変することで、アンテナ５におけるインダクタンス成分（Ｌ）と可変コンデンサ（Ｃ）２０とから成るＬＣ回路のインピーダンス値を可変することになる。このインピーダンス値の可変によって制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号に応じて当該検出信号の強度を最小化する。なお、可変コンデンサ２０は、例えば当該可変コンデンサ２０を可変するための駆動機構等を設け、この駆動機構等によって容量が可変される。
【００２６】
次に、上記の如く構成された装置におけるプラズマ処理制御について説明する。  
チャンバ１の内部には、プラズマ８が生成され、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理が行われる。  
この状態に、プローブ１０は、チャンバ１内に生成されたプラズマ８の電位を検出して当該電位のＲＦ振動の大きさに比例する検出信号を出力する。この検出信号は、制御部１５に伝送される。  
この制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、検出信号の強度を最小化するように、可変コンデンサ２０の容量を可変制御する。
【００２７】
この結果、アンテナ５に接続された可変コンデンサ２０の容量を可変することで、インダクタンス成分（Ｌ）と可変コンデンサ（Ｃ）２０とから成るＬＣ回路のインピーダンス値が可変し、プローブ１０から出力される検出信号に応じて当該検出信号の強度を最小化することができる。
【００２８】
このように上記第３の実施の形態によれば、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように可変コンデンサ２０の容量を可変制御するので、誘電体窓に発生するセルフバイアス電圧を低減してプラズマ８のイオンにより誘電体窓４を削ることがなく、かつプラズマ電位のＲＦ振動の発生を抑制してプラズマ電位を下降させてプラズマ密度を高くできる。これにより、プラズマ生成効率が向上し、プラズマ密度が上昇する。又、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきも低減することが可能である。
【００２９】
下部電極２に高周波電源を接続していないので、上記第２の実施の形態と同様に、下部電極２に高周波電力が供給されることがなく、プラズマ電位のＲＦ振動を低減でき、半導体ウエハ等の被処理体３に対するイオンエネルギ及び電子エネルギの低減をすることが可能となり、半導体ウエハ等の被処理体３に対して与えるダメージの少ない半導体製造のプロセスを実現できる。
【００３０】
［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略する。  
図６はプラズマ処理装置の構成図を示す。同図はチャンバ１を上方から見た図であり、半導体ウエハ３等は省略してある。  
チャンバ１内には、複数のアンテナ用電極、例えば４つに分割されたアンテナ用電極３０−１〜３０−４が設けられている。これらアンテナ用電極３０−１〜３０−４には、それぞれ高周波電源３１−１〜３１−４が接続されている。又、チャンバ１内には、プローブ１０が挿入されている。
【００３１】
制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、この検出信号に応じて各高周波電源３１−１〜３１−４から供給する各高周波電力をそれぞれ制御する。具体的には、制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、各高周波電源３１−１〜３１−４から出力される高周波電力の位相差を調整する。
【００３２】
このような装置であれば、チャンバ１の内部には、プラズマ８が生成され、このプラズマ８によって半導体ウエハ３に対してプラズマ処理、例えばエッチングやスパッタ等の処理が行われる。  
この状態に、プローブ１０は、チャンバ１内に生成されたプラズマ８の電位を検出して当該電位のＲＦ振動の大きさに比例する検出信号を出力する。この検出信号は、制御部１５に伝送される。  
制御部１５は、プローブ１０から出力される検出信号を入力し、検出信号の強度を最小化、すなわちプラズマ電位のＲＦ振動を最小化するように、各高周波電源３１−１〜３１−４から出力される高周波電力の位相差を調整するので、各高周波電力の各振動が互いに打消し合って、プラズマ８の電位のＲＦ振動の大きさが最小化できる。
【００３３】
このように上記第４の実施の形態によれば、プローブ１０から出力される検出信号の強度を最小化するように、各高周波電源３１−１〜３１−４から出力される高周波電力の位相差を調整するので、上記第１の実施の形態と同様に、プラズマ生成効率が向上し、プラズマ密度が上昇する。これにより、プラズマ電位のＲＦ振動を最小化することで、プラズマ密度の上昇に繋げることができる。又、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することが可能である。
【００３４】
このような上記各実施の形態によれば、プラズマ電位のＲＦ振動の発生を抑制してプラズマ電位を下降させてプラズマ密度を高くできるプラズマ処理装置及びその制御方法を提供できる。  
さらに、上記各実施の形態によれば、複数のプラズマ処理装置間のプラズマ密度のばらつきを低減することができるプラズマ処理装置及びその制御方法を提供できる。
【００３５】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３６】
１：チャンバ、１ａ：チャンバの側壁、１ｂ：プローブ用孔、２：下部電極、３：半導体ウエハ、４：誘電体窓、５：アンテナ、６：第１の高周波電源、７：第２の高周波電源、８：プラズマ、１０：プローブ、１１：誘電体チューブ、１１ａ：誘電体窓、１２：同軸ケーブル、１３：中心導体、１４：中空円筒体、１５：制御部、５−１：第１のアンテナ、５−２：第２のアンテナ、７−１：第１の高周波電源、７−２：第２の高周波電源、２０：可変コンデンサ、３０−１〜３０−４：アンテナ用電極、３１−１〜３１−４：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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