JP2017123214A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射波が抑制され高速応答が可能なインピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】高周波電源１１０の電力が供給される電極内臓の試料台１２１と、インピーダンス整合器１００とを備えたプラズマ処理装置において、インピーダンス整合器は、高周波電力の電圧及び電流を検知する出力側センサ１０４と、高周波電力のインピーダンスおよび位相を検知する入力側センサ１０３と、整合用回路（１０１、１０２、１０８等）とを備え、整合用回路は、入力側センサの出力が所定の値より大きい場合には出力側センサの出力を用い、入力側センサの出力が所定の値より小さい場合には入力側センサの出力を用いて整合を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

半導体素子の製造工程では、エッチング処理、アッシング処理、ＣＶＤ処理など、プラズマを応用したさまざまな処理が行われている。これらの処理に用いられるプラズマ処理装置では、処理ガスを電離し、イオン化することで半導体ウエハ等の試料表面に予め配置され半導体デバイスの回路を構成する複数の膜層を含む膜構造の被処理材との反応性を高めている。また、試料表面の膜構造の被処理材が処理されて形成される形状の寸法を所望のものにするため、試料がその上面に載置される試料台の内部に配置された金属製の円板または円筒形状の電極にプラズマを形成するためのものと異なる所定の周波数の高周波電力を印加して試料の表面上方にプラズマの電位に応じた高周波バイアス電位を形成している。

この高周波電力の試料台内電極への供給により試料表面に形成された高周波バイアス電位とプラズマとの電位差に応じてプラズマ中のイオン等の荷電粒子が試料の表面に誘引され衝突し、膜構造の膜層の材料とプラズマ中の反応性粒子との反応を促進し処理の速度が増大する。さらに、膜構造への荷電粒子の入射角および入射エネルギーの大きさが所望の範囲内の値に調節されることにより、膜構造の加工を特定の方向に促進させる異方性の加工が実現されている。

ここにおいて、高周波バイアス電力の供給を調節する精度は、試料表面の処理後の形状、寸法の精度とその分布に大きく影響する。とりわけ半導体素子の微細化に伴いその要求精度は年々高まってきている。

試料台内部に配置された電極に供給されるための高周波バイアス電力が伝送される伝送路上には、高周波電源の出力インピーダンスと負荷であるプラズマのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合器が一般的に配置されている。伝送経路上にインピーダンス整合器が配置されることにより、試料台内の電極に供給された高周波バイアス電力の反射波電力は極力抑制されるが、いくらかの反射波電力は残留してしまう。この残留する反射波電力が大きいと試料へ印加される実効電力が低減してしまい、所期の処理の結果が得られない等の悪影響が生じてしまう。このため、近年の半導体素子の微細化に伴って、このような残留する反射波電力も、より小さな値に低減することが求められている。

このような課題に対して、特開２００９−２０６３４６号公報（特許文献１）に開示のものが従来から知られていた。特許文献１には、真空容器内部の処理室内に配置された試料台に内蔵された電極に高周波バイアス電位を形成するために供給される高周波電力の伝送経路上に自動整合器が配置されたプラズマ処理装置であって、自動整合器に高周波電力を供給する高周波電源からの出力が自動整合器のＲＦセンサに入力され、このＲＦセンサが入力された高周波電力の位相と伝送経路のインピーダンスを検出した結果に応じて自動整合器を構成する可変インピーダンス素子を調節する技術が開示されている。

さらに、特開２０１５−１３３２９１号公報（特許文献２）には、プラズマ処理装置とこれに高周波電力を供給する高周波電源との間に配置された自動整合器であって、自動整合器の高周波電力を出力する側に配置されて高周波電力の電圧、電流を検出するセンサからの出力を用いて当該高周波電力の自動整合器に入力される側からプラズマが形成されるプラズマ処理装置を含む負荷側を見た場合の入力インピーダンスを算出し、これに合致するように自動整合器のインピーダンス可変回路のインピーダンス値を調節する技術が開示されている。

特開２００９−２０６３４６号公報 特開２０１５−１３３２９１号公報

上記従来技術を将来製品に適用する場合には次のような課題の生じる恐れがある。

すなわち、特許文献１に示す従来のプラズマ処理装置においては、位相差信号とインピーダンス信号を入力とするため、入力のインピーダンスが電源の出力インピーダンスより離れているとき、インピーダンス整合までの時間が長くなる。このため、インピーダンスの整合が為されるまでの時間では、この間に生じた反射波電力により所期のものと異なる条件で試料の表面が処理されることになり、結果として得られる形状の寸法が許容範囲を超えてしまい処理の歩留まりが損なわれてしまう虞がある。

一方、特許文献２の技術では、負荷側のインピーダンスを自動整合器の出力側で検知した結果から検出する構成を備え、検出された負荷インピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスが整合するよう可変リアクタンス素子を制御することができ、整合にかかる時間が短いという利点がある。しかしながら、プラズマは非線形負荷であるため、高周波電源からの電力の周波数以外の高調波が発生してしまい、この高調波による影響で検出される負荷インピーダンスに検出誤差が生じる場合がある。この場合、負荷インピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスと整合するよう可変リアクタンス素子を制御する上においても誤差が生じ、結果、反射波電力を効果的に低減できず、上記と同様に、所期のものと異なる条件で試料の表面が処理されてしまう虞がある。

また、上記の入力側でのインピーダンスの算出を高い精度で行うには負荷側のインピーダンスの全範囲にわたって高い精度でインピーダンスを検出できることが必要となるが、プラズマ処理装置で実際に生じるインピーダンスの範囲全体において高い精度でインピーダンスを検出することは一般的に困難であり、検出される負荷インピーダンスに検出誤差が生じる場合がある。この場合、負荷インピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスと整合するよう可変リアクタンス素子を制御する上においても誤差が生じ、結果、反射波電力を効果的に低減できず、このため反射波電力を効果的に低減できず処理の歩留まりが損なわれてしまう虞がある。

本発明の目的は、反射波が抑制され高速応答が可能なインピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、真空容器の内部に配置され内側でプラズマが生成される処理室と、前記処理室の内部に配置され試料が載置される試料台と、前記試料台の内部に配置され前記試料の処理中に高周波電源から高周波電力が供給される電極と、前記高周波電源と前記電極との間の前記高周波電力が供給される伝送経路に配置されたインピーダンス整合器とを備えたプラズマ処理装置であって、
前記インピーダンス整合器は、
前記高周波電力を前記電極に出力する側に配置され、出力される高周波電力の電圧及び電流を検知する出力側センサと、
前記高周波電力が入力される側に配置され、入力される高周波電力のインピーダンスおよび位相を検知する入力側センサと、
整合用回路と、を備え、
前記整合用回路は、
前記入力側センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より大きい場合には前記出力側センサの出力を用い、前記入力側センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より小さい場合には前記入力側センサの出力を用いて整合を実施するものであることを特徴とするプラズマ処理装置とする。

本発明によれば、反射波が抑制され高速応答が可能な自動整合器を備えたプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の実施例に係る、インピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置の一例を示すブロック図（一部縦断面図）である。 図１に示すプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の一例を示すブロック図である。 図２に示すインピーダンス整合器の制御フローを示すフロー図である。 従来のインピーダンス整合器の一例を示すブロック図である。

従来のプラズマ処理装置においては、例えば図４に示すように、真空容器１２０の内部の処理室内に配置されその上面に処理対象の半導体ウエハ等の板状の試料１２２が載置される試料台１２１の内部には、試料１２２の表面に高周波バイアス電位を形成するための高周波バイアス電力が供給される電極（図示せず）が配置されている。この高周波バイアス電位形成用の電力が伝送される伝送路上には、高周波電源１１０の出力インピーダンスと負荷であるプラズマのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合器１００が一般的に配置されている。

伝送経路上にインピーダンス整合器１００が配置されることにより、試料台内の電極に供給された高周波バイアス電力の反射波電力は極力抑制されるが、いくらかの反射波電力は残留してしまう。この残留する反射波電力が大きいと試料へ印加される実効電力が低減してしまい、所期の処理の結果が得られない等の悪影響が生じてしまう。このため、近年の半導体素子の微細化に伴って、このような残留する反射波電力もより小さな値に低減することが求められている。

従来のインピーダンス整合器において、高周波電源１１０より出力された高周波バイアス電力はインピーダンス整合器１００を経由してウエハステージ（試料台）１２１、ウエハ１２２に印加される。インピーダンス整合器１００においては可変リアクタンス素子１０１および１０２を調整して、インピーダンス整合を行う。

インピーダンス整合器１００の入力側にはＲＦセンサ１０３が設けられており、ＲＦセンサからのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２が制御回路１０８に入力される。制御回路１０８ではＲＦセンサ１０３で検出されるインピーダンス信号１１１および位相信号１１２が所定の値になるよう可変リアクタンス素子１０１および１０２を制御信号１０６および１０５により調整する。

上記の構成において、入力のインピーダンスと高周波電源１１０の出力インピーダンスとが離れている場合には、インピーダンス整合までに長時間を要する。インピーダンスの整合が為されるまでの時間では、この間に生じた反射波電力により所期のものと異なる条件で試料の表面が処理されることになり、結果として得られる形状の寸法が許容範囲を超えてしまい処理の歩留まりが損なわれてしまう虞がある。加工寸法が微細になるほど許容範囲が狭くなり、歩留まりへの影響が大きくなる。

本発明者等は、真空容器内部に配置され内側でプラズマが生成される処理室と、この処理室内に配置され処理対象の試料がその上に載置される試料台と、この試料台内部に配置され前記試料の処理中に高周波電源から高周波電力が供給される電極とを備えたプラズマ処理装置において、高周波電源と試料台との間に、高周波電源から出力される高周波電力の電圧及び電流を検出する出力側のインピーダンス検知手段と、入力される高周波電力のインピーダンス及び位相を検知する入力側検知手段とを含む自動整合器（インピーダンス整合器）を配置し、入力側検知手段の出力から得られたインピーダンス及び位相の差が大きい場合、つまり反射波電力が大きいと判定された場合には、出力側検知手段の出力から検出されたインピーダンスに基づいて自動整合器を構成する可変リアクタンス素子のリアクタンスまたは可変容量素子の容量を増減させて整合用の回路を調節し、入力側検知手段の出力から得られたインピーダンス及び位相の差が小さく反射波電力が小さいと判定された場合には入力側の検知手段から検出されたインピーダンスに基づいて整合用の回路を調節することとした。このことにより、より短い時間でインピーダンスを整合させることができ、プラズマ処理装置で処理されて得られる試料表面の形状の寸法を所期のものに近付けることができる。

以下、本発明について実施例により説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置について図１乃至３を用いて説明する。
図１は本実施例に係る、インピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置である。真空容器１２０の内部に図示されないガス供給手段により反応性ガスが供給される。マグネトロン１２７から出力されたマイクロ波は、マイクロ波整合器１２８、導波管１２９及び共振室１２５を経由して真空容器１２０の内部に導入される。

また、磁場コイル１２６により真空容器１２０の内部には静磁場が励起され、上記マイクロ波との相互作用によりプラズマ１２３が生成される。一方、被処理材であるウエハ１２２とウエハステージ１２１には、高周波電源１１０により出力された高周波バイアス電力が、インピーダンス整合器１００（高周波バイアス電力の電圧と電流を検出するセンサ（以下、ＶＩセンサ）１０４を含む）を介して印加される。本実施例の図１や図２では、図４に示す従来のＲＦセンサのみを用いた整合器との差を明確化するために便宜的にＶＩセンサ１０４を整合器１００の外側に記載した。なお、符号１１３は電圧信号、符号１１４は電流信号、符号１２４は石英天板を示す。

図２に、本実施例に係るプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器のブロック図を示す。
高周波電源１１０より出力された高周波バイアス電力はインピーダンス整合器１００（ＶＩセンサ１０４を含む）を経由してウエハステージ１２１、ウエハ１２２に印加される。インピーダンス整合器１００においては可変リアクタンス素子１０１および１０２が調整され、インピーダンス整合が行われる。

インピーダンス整合器１００の入力側にはＲＦセンサ１０３が設けられており、ＲＦセンサからのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２が制御回路１０８に入力される。インピーダンス信号１１１および位相信号１１２を用いて可変リアクタンス素子１０１および１０２が調整され、負荷より高周波電源１１０側に戻ってくる反射波電力が最小となるようインピーダンス整合が行われる。尚、前記反射波電力が最小となるよう可変リアクタンス素子１０１および１０２を調整するために、ＲＦセンサ１０３はインピーダンス整合器１００の入力側に配置される必要がある。

ＶＩセンサ１０４はインピーダンス整合器１００のウエハステージ１２１側、即ち、インピーダンス整合器１００の出力側に配置され、ＶＩセンサ１０４からの高周波バイアス電力の電圧信号１１３および電流信号１１４が制御回路１０８に入力される。高周波バイアス電力の電圧信号１１３および電流信号１１４より負荷インピーダンスが算出され、インピーダンス整合するための可変リアクタンス素子１０１および１０２の位置（以下、整合位置）が算出される。可変リアクタンス素子１０１および１０２は、制御回路１０８からの制御信号１０６および１０５によってこの整合位置に向けて直接移動させることにより、短い時間でインピーダンス整合を行うことができる。可変リアクタンス素子１０１および１０２、制御回路１０８、容量等を含めインピーダンス整合用回路を構成する。

しかしながら、前記ＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合は、負荷インピーダンスの算出精度や分解能、また、高周波バイアスに用いている周波数以外の高調波の影響により、ＲＦセンサ１０３を用いたインピーダンス整合に比較し、反射波電力を小さくすることができない。そのため、反射波電力がある程度まで小さくなった時点で、ＶＩセンサを用いたインピーダンス整合からＲＦセンサ１０３を用いた整合に切り替える。本実施例ではＲＦセンサ１０３で検出されるインピーダンス信号１１１と位相信号１１２を確認し、しきい値以下になったらＲＦセンサ１０３を用いたインピーダンス整合に切り替える。すなわち、ＲＦセンサ１０３で検出されるインピーダンス信号１１１および位相信号１１２を用いて制御回路１０８からの制御信号１０６および１０５により可変リアクタンス素子１０１および１０２を調整し、インピーダンス整合を行う。

ＶＩセンサ１０４は、本実施例に示されるようなインピーダンス整合器１００の出力側に配置せず、インピーダンス整合器１００の入力側に配置してもよい。但し、その場合は、負荷インピーダンスを算出するために可変リアクタンス素子１０１および１０２の現在位置の情報が必要となり、インピーダンス整合器１００の出力側に配置する場合に比較して構成が複雑になる。

図３に本実施例に係るプラズマ処理装置におけるインピーダンス整合器の制御フローを示す。
インピーダンス整合を開始（ステップＳ３０１）すると、まず始めにステップＳ３０２において可変リアクタンス素子１０１および１０２をプリセット位置に移動させる。プリセット位置はインピーダンス整合器１００の上位制御装置となるプラズマ処理装置の制御装置（図示せず）により指定される。次にステップＳ３０３において、高周波バイアス出力（ＲＦ出力）がＯＮかどうかの判別が、ＶＩセンサ１０４で検出される電圧信号１１３あるいは電流信号１１４を用いてなされる。

高周波バイアス出力がＯＮであることが確認できたら、ステップＳ３０４において高周波バイアスの電圧と電流を測定する。引き続きステップＳ３０５において目標となる整合位置を算出し、ステップＳ３０６において、ステップＳ３０５にて算出した目標となる整合位置に可変リアクタンス素子を移動させる。

次にステップＳ３０７において、ＲＦセンサ１０３で検出されるインピーダンス信号１１１および位相信号１１２がしきい値の範囲内か確認する。しきい値の範囲外であれば再びＶＩセンサ１０４を用いた整合をステップＳ３０４〜ステップＳ３０６にて実施し、しきい値の範囲内であれば、ステップＳ３０８によりＲＦセンサ１０３を用いた整合を行う。

上記しきい値については、ＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合により到達できる整合位置でのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２の値より大きく、かつ、できるだけ小さな値に設定するのがよい。

上記しきい値が、ＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合により到達できる整合位置でのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２の値より大きくなければ、ＲＦセンサ１０３を用いたインピーダンス整合に切り替えることができず、結果、反射波電力を最小とすることができない。そのため、上記しきい値はＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合により到達できる整合位置でのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２の値より大きくなければならない。

一方、インピーダンス整合にかかる時間をできるだけ短くするためには、ＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合により、可変リアクタンス素子１０１および１０２をできるだけ整合位置に近い位置に移動させた方がよい。そのため上記しきい値はできるだけ小さな値がよい。

以上より、上記しきい値については、ＶＩセンサ１０４を用いたインピーダンス整合により到達できる整合位置でのインピーダンス信号１１１および位相信号１１２の値より大きく、かつ、できるだけ小さな値に設定するのがよい。この値は、インピーダンス不整合による反射波とＶＩセンサ使用時の高調波の両者による加工処理への影響を考慮して決めることが望ましい。

ステップＳ３０９にて高周波バイアス出力がＯＦＦかどうかの判別を行い、高周波バイアス出力がＯＦＦとなるまで、ステップＳ３０７の判別とステップＳ３０８の整合動作を行う。

ステップＳ３０７において、負荷インピーダンスが大きく変動し、ＲＦセンサ１０３にて検出されるインピーダンス信号１１１および位相信号１１２がしきい値の範囲外となった場合には、ステップＳ３０４へ戻り、ステップＳ３０４〜ステップＳ３０６によりＶＩセンサ１０４を用いた整合動作を実施する。
上記の動作を高周波バイアスがＯＦＦとなるまで繰り返す。

上記のように、入力インピーダンスと出力インピーダンスとの差が大きく反射波電力が大きい場合（しきい値範囲外）の粗調整には高速応答が可能な出力側検知手段（ＶＩセンサ）を用いて短時間で行う。これにより、短時間で反射波電力を低減できる。入力インピーダンスと出力インピーダンスとの差が小さくなり反射波電力が小さくなった場合（しきい値範囲内）の精密な調整は、入力側検知手段（ＲＦセンサ）を用いて行う。これにより、高調波の影響を受けることなくインピーダンス整合を行い、より反射波電力を抑制することができる。

図２に示すインピーダンス整合器を備え、図１に示すプラズマ処理装置を用いて図３に示す制御フローに従ってプラズマ処理を行ったところ、インピーダンス整合を速やかに行うことができ、反射波電力や高調波の影響が抑制され許容範囲内の寸法を有する素子数が増えプラズマ処理の歩留まりが向上した。

以上本実施例によれば、反射波が抑制され高速応答が可能なインピーダンス整合器を備えたプラズマ処理装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある構成の一部を他の構成に置き換えることも可能であり、また、ある構成に他の構成を加えることも可能である。

本願発明は、以下の実施の形態を含む。
（１）真空容器内部に配置され内側でプラズマが生成される処理室と、この処理室内に配置され処理対象の試料がその上に載置される試料台と、この試料台内部に配置され前記試料の処理中に高周波電源から高周波電力が供給される電極とを備え、
前記高周波電源と前記電極との間の前記高周波電力が供給される経路上に配置された整合器であって、前記高周波電源から出力される高周波電力の電圧及び電流を検知する第１センサと、前記高周波電力のインピーダンスおよび位相を検知する第２センサと、整合用回路とを備え、前記第２センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より大きい場合に前記第１センサの出力を用いて前記整合用回路による整合を実施し、前記第２センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より小さい場合に当該第２センサの出力を用いて前記整合用回路による整合を実施することを特徴とするプラズマ処理装置。
（２）上記（１）に記載のプラズマ処理装置であって、
前記第１センサは、前記整合器の前記電極に近い側に配置され、
前記第２センサは、前記整合器の前記高周波電源に近い側に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
（３）上記（１）又は（２）に記載のプラズマ処理装置であって、
前記所定の値は、前記第１センサを用いたインピーダンス整合により到達できる整合位置でのインピーダンス信号および位相信号の値より大きく、かつ、できるだけ小さな値に設定されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
（４）上記（３）に記載のプラズマ処理装置であって、
前記できるだけ小さな値は、インピーダンス不整合による反射波と前記第１センサ使用時の高調波の両者を考慮して決定されるものであることを特徴とするプラズマ処理装置。

１００…インピーダンス整合器、１０１，１０２…可変リアクタンス素子、１０３…ＲＦセンサ、１０４…ＶＩセンサ、１０５，１０６…制御信号、１０８…制御回路、１１０…高周波電源、１１１…インピーダンス信号、１１２…位相信号、１１３…電圧信号、１１４…電流信号、１２０…真空容器、１２１…ウエハステージ（試料台）、１２２…ウエハ、１２３…プラズマ、１２４…石英天板、１２５…共振室、１２８…マイクロ波整合器、１２６…磁場コイル、１２７…マグネトロン。

Claims (3)

1. 真空容器内部に配置され内側でプラズマが生成される処理室と、前記処理室の内部に配置され試料が載置される試料台と、前記試料台の内部に配置され前記試料の処理中に高周波電源から高周波電力が供給される電極と、前記高周波電源と前記電極との間の前記高周波電力が供給される伝送経路に配置されたインピーダンス整合器とを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記インピーダンス整合器は、
   前記高周波電力を前記電極に出力する側に配置され、出力される高周波電力の電圧及び電流を検知する出力側センサと、
   前記高周波電力が入力される側に配置され、入力される高周波電力のインピーダンス及び位相を検知する入力側センサと、
   整合用回路と、を備え、
   前記整合用回路は、
   前記入力側センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より大きい場合には前記出力側センサの出力を用い、前記入力側センサの出力から検出されたインピーダンスおよび位相が所定の値より小さい場合には前記入力側センサの出力を用いて整合を実施するものである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であって、
   前記入力側センサは、前記高周波電源からの前記処理室の内部に形成されたプラズマを負荷とする前記伝送経路の前記インピーダンス及び位相を検知するものであることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記整合用回路は、可変リアクタンス素子を備え、
   前記整合は、前記可変リアクタンス素子のリアクタンスの値を調節することよりに実施されることを特徴とするプラズマ処理装置。

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