プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法並びにプラズマ処理のバイアス電圧決定方法
【課題】プラズマ処理に応じて、適切なイオンエネルギー分布を形成できるプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法並びにプラズマ処理のバイアス電圧決定方法の提供。
【解決手段】載置台２が内部に配置された真空チャンバ１１と、載置台２にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するＤＣパルス電圧発生部３と、を備える。ＤＣパルス電圧発生部３は、イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように調整される。
【解決手段】載置台２が内部に配置された真空チャンバ１１と、載置台２にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するＤＣパルス電圧発生部３と、を備える。ＤＣパルス電圧発生部３は、イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように調整される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に対してバイアス電圧を印加してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法並びに前記バイアス電圧の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体装置の製造プロセスであるプラズマ処理を行う装置として、平行平板型プラズマ装置が挙げられる。この装置は、真空チャンバ内にて平行平板間に高周波電力を印加して処理ガスを励起（プラズマ化）させるものであるが、成膜時の膜質の向上やエッチング時の垂直性を得るために載置台に負電圧のバイアスを印加し、プラズマ中の正イオンを載置台上の基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に引き込むようにしている。
【０００３】
ところで、特許文献１には、バイアス電位が周期的に変動することにより、イオンの基板入射エネルギーが周期的に変動するが、イオン質量による電位への追従遅れがあるため、イオン追従電圧はバイアス用の高周波電圧の振幅よりも小さい振幅で時間変動することが記載されている。またイオンのエネルギーを横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図を作成すると、図１０に示すような、鋭い２つのピークを持つイオンエネルギー分布が得られることが記載されている。
【０００４】
一方、成膜時における薄膜の結晶性の向上や、エッチング時における形状欠陥の向上を図るために、プラズマ処理の種別に応じて適切なイオンエネルギー分布が存在する。例えば図１１に示すように、太陽電池用のシリコン膜の成膜プロセスでは１５ｅＶ以下の低エネルギー帯（パターンＡ）、レジスト膜のエッチングでは例えば１００ｅＶ以下のエネルギー帯（パターンＢ）、有機膜のエッチングプロセスでは例えば３００ｅＶ〜４００ｅＶ付近のエネルギー帯（パターンＣ）が夫々存在するイオンエネルギー分布を形成することが好ましいとされている。また多層膜のエッチングプロセスでは、図１２に示すように、エッチング選択性を向上させるための低エネルギー帯（パターンＤ）と、エッチング形状を良好にするための高エネルギー帯（パターンＥ）とが存在するイオンエネルギー分布を形成することが好ましいとされている。
【０００５】
しかしながら、これらのイオンエネルギー分布はより精密な分布形状の制御が必要であり、従来の手法ではプラズマ処理に応じて適切なイオンエネルギー分布を形成することは困難である。
【０００６】
ところで、前記特許文献１では、下部電極に高周波電圧と重畳するように負ＤＣパルス電圧を印加する技術が記載されている。この技術では、高周波電圧と負ＤＣパルス電圧とを組み合わせることによりバイアス電位が制御されるため、イオンエネルギー分布のピーク位置を調整することができる。しかしながら、本発明者は、任意形状のイオンエネルギー分布を形成できる手法の確立を目指している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８７９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、プラズマ処理に応じて、適切なイオンエネルギー分布を形成できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため本発明のプラズマ処理装置は、
基板が載置される載置部が内部に配置された真空チャンバと、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、を備え、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、調整されていることを特徴とする。
【００１０】
また本発明のプラズマ処理方法は、
基板を真空チャンバ内に載置部に載置する工程と、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化する工程と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加する工程と、を含み、
このバイアス電圧を印加する工程は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、前記バイアス電圧を印加する工程であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明のプラズマ処理のバイアス電圧決定方法は、真空チャンバ内の載置部に基板を載置した状態で、当該真空チャンバ内に供給された処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に、前記載置部に載置された基板にプラズマ中のイオンを引き込むために当該基板にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧をバイアス電源部により印加しながら基板に対してプラズマ処理を行い、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンを形成するように調整され、
前記バイアス電圧の印加パターンを種々設定して、各設定毎に前記プラズマ処理を行い、各プラズマ処理を行った後の基板のプラズマ処理結果に基づいて、良好なプラズマ処理が得られるバイアス電圧の印加パターンを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バイアス電源部において、振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を発生させるかあるいは１つのＤＣパルス電圧において段階的に振幅値を変えているので、イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域が形成されるイオンエネルギー分布パターンを、プラズマ処理に適した形状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図３】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図４】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図５】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図６】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図７】本発明に係るバイアス電圧決定方法で用いられる実験装置の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係るバイアス電圧決定方法の第１の工程を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係るバイアス電圧決定方法の第２の工程を示すフローチャートである。
【図１０】従来のイオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図１１】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図１２】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明のプラズマ処理装置の実施の形態であるプラズマエッチング装置１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１中１１は、円筒状の真空チャンバであり、その内側表面は、例えばアルマイトコーティングされることにより絶縁されている。また真空チャンバ１１の底面に設けられた排気口１２には、真空ポンプ及び圧力調整部を含む排気装置１３が排気路１４を介して接続されており、後述する制御部１００からの制御信号に基づいて真空チャンバ１１内を真空排気し、所定の真空度に維持するように構成されている。図１中１５は搬入口、１６は搬入口を開閉するゲートバルブである。
【００１５】
この真空チャンバ１１内の底面中央には、基板例えばウエハＷを載置するための載置台２が設けられており、この載置台２は例えば平面形状が円形に構成されている。また、載置台２の内部には下部電極２１が埋設されており、この下部電極２１にはＤＣパルス発生部３が接続されている。このＤＣパルス発生部３は、載置部２に例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部に相当する。
【００１６】
このＤＣパルス発生部３は、例えばパルス発振器と、パルス増幅器と、ローパスフィルタとを備えており、ＤＣパルス電圧の振幅値やパルス幅を連続的に変化させることができるように構成されている。当該実施の形態では、例えば図２（ａ）に示すように、振幅値が互に異なりかつ段階的に大きくなる複数種例えば４つの矩形パルス電圧波形を周期単位とする波形パターンが設定される。図中２２は、プラズマをウエハＷに集束させるためのフォーカスリングである。
【００１７】
また、真空チャンバ１１内の上方側には、載置台２と対向するようにガスシャワーヘッド４が設けられている。このガスシャワーヘッド４は、真空チャンバ１１内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部をなすものである。この例ではガスシャワーヘッド４は、平面形状が円形であり、例えば石英などのセラミックスにより構成されている。ガスシャワーヘッド４は内部に処理ガスが供給される空間４１を備えるように構成されると共に、その下面には真空チャンバ１１内へガスを分散供給するための多数のガス供給孔４２が、空間４１に連通するように形成されている。前記ガスシャワーヘッド４の上面中央にはガス導入路４３が設けられ、このガス導入路４３の他端側はバルブＶ１や流量制御部４４等を備えたガス供給系４５介して処理ガスの供給源４６に接続されている。数種類の処理ガスが供給される場合には、当該ガスシャワーヘッド４には図示しない別の導入路が接続される。図中４７は絶縁体からなるカバー体である。
【００１８】
また、ガスシャワーヘッド４には高周波電源部５が接続されている。この高周波電源部５はプラズマ発生用の高周波電力を供給するものであり、例えば１００ＭＨｚの高周波を印加するように構成されている。この例では、高周波電源部５が、処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部に相当する。
【００１９】
このプラズマエッチング装置には、例えばコンピュータからなる制御部１００が設けられている。この制御部１００は、プログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部を備えており、前記プログラムには制御部１００からプラズマエッチング装置の各部、例えば高周波電源部５、ＤＣパルス発生部３、排気装置１３、ガス供給系４５等に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることで、ウエハＷに対する所定のプラズマ処理、例えばエッチング処理が実施されるように命令（各ステップ）が組み込まれている。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）等の記憶部に格納されて制御部１００にインストールされる
続いて、このプラズマエッチング装置１にて実施されるプラズマエッチング方法について説明する。先ずゲートバルブ１６を開いて図示しない搬送機構により真空チャンバ１１内にウエハＷを搬入して載置台２上に載置し、搬送機構が退出した後、ゲートバルブ１６を閉じる。
【００２０】
そして、排気装置１３により排気路１４を介して真空チャンバ１１内の排気を行い、真空チャンバ１１内を所定の圧力に維持する共に、真空チャンバ１１内にガスシャワーヘッド４から処理ガスであるエッチングガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３が例えば同時にオンになる。こうして下部電極２１に、例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧が印加されると共に、高周波電源部５から例えば１００ＭＨｚのプラズマ発生用の高周波電圧が印加される。
【００２１】
このように高周波電圧が印加されると高周波エネルギーが発生し、これにより前記処理ガス例えばＣＦ４ガスが活性化されて、ガスシャワーヘッド４の下方側にてプラズマが形成される。ここで、真空チャンバ１１の下方で排気が行われることにより、前記プラズマが下降し、プラズマを構成する各種イオンは、下部電極２１に印加されるバイアス電圧によりウエハＷに引き込まれ、異方性エッチングが行われる。
【００２２】
ここで、プラズマのイオンエネルギー分布について説明する。このイオンエネルギー分布とは、プラズマ中のイオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとった特性図である。先ずプラズマ発生用の高周波電源部５からは１００ＭＨｚの高周波を印加しているので、この高周波印加に基づくイオンエネルギー分布を求めると、図２（ｂ）中一点鎖線にて示すように、イオンエネルギーの領域は、例えば１５ｅＶ以下における帯状の領域が得られる。
【００２３】
一方、下部電極２１には、ＤＣパルス発生部３から１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加しているので、これにより得られるイオンエネルギーは、プラズマ発生用の高周波に起因するイオンエネルギーよりも大きい。
【００２４】
ここで、この実施の形態に係るプラズマ処理装置では、バイアス電圧の印加に関して工夫することにより、目的とするプラズマ処理に適したイオンエネルギー分布が得られるように構成されている。例えばレジスト膜のエッチングを行う場合には、既述の図１１のパターンＢのイオンエネルギー分布が得られるようにバイアス電圧が設定されている。
【００２５】
この設定に関して以下に詳述する。下部電極２１に、負のＤＣパルス電圧を印加すると、ＤＣパルス電圧の振幅値に対応したピークを有するイオンエネルギー分布が形成される。例えば図４（ａ）のように、振幅値が負電圧−Ｖａ及び負電圧−Ｖｂであるパルスを下部電極２１に交互に印加すると、図４（ｂ）に示すように、負電圧−Ｖａに起因するピークＰａと、負電圧−Ｖｂに起因するピークＰｂとを備えたイオンエネルギー分布が形成される。
【００２６】
また図２（ａ）のように、振幅値が互に異なりかつ段階的に大きくなる４つのパルス電圧波形を周期単位とする波形パターンを設定すると、図２（ｂ）に示すように、４つのバイアス電圧に基づくピークが互に重なるようなイオンエネルギー分布が形成される。この際、振幅値が互に異なりかつ段階的に変化するパルス電圧波形を周期単位とする波形パターンには、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すパターンも含まれる。
【００２７】
従って、各パルスの振幅値を調整することにより、バイアス電圧に起因するイオンエネルギーのピーク位置を調整することができる。そして前記１周期に含まれるパルスの数と各パルスの振幅値とを調整すれば、イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域が形成され、結果として目的とするイオンエネルギーの帯域を有するイオンエネルギー分布が得られる。
【００２８】
目的とするイオンエネルギー分布とは、プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布であり、プラズマ処理に適したとは、例えばエッチングプロセスであれば、凹部の壁部の垂直性が良好であることであり、成膜プロセスであれば、膜質が良い薄膜、例えば太陽電池用のシリコン膜であれば、欠陥密度が低い薄膜が作れることである。プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布の設定については、実際のプロセスを行う装置を用いて、バイアス電圧であるパルス電圧の発生の仕方を種々変えてプロセスを行い、そのプロセス結果を評価して決定してもよいが、後述するように実験機を用いて同様にして決定してもよい。
【００２９】
こうして、適切なイオンエネルギー分布を有するプラズマによりプラズマ処理この例ではエッチング処理を行った後、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３をオフすると共に、処理ガスの供給を停止し、真空チャンバ内１１に残留したガスを排気する。そして、ゲートバルブ１６を開いて、前記搬送機構によりウエハＷを真空チャンバ１１から搬出する。
【００３０】
上述の実施の形態によれば、ＤＣパルス発生部３により、振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を発生されているので、バイアス電圧に基づくイオンエネルギー分布において、互に隣接するピーク同士が重なり合った重なり領域が形成される。このためＤＣパルス発生部であるバイアス電源部３を調整することにより、つまりＤＣパルスの印加パターンを調整することにより、イオンエネルギーの大きさが帯状に広がり、プラズマ処理に応じた適切なイオンエネルギー分布パターンを形成することができる。
【００３１】
さらに、上述実施の形態では、プラズマ発生用の高周波印加により、イオンエネルギー分布において、バイアス電圧では形成できない低エネルギー帯に重なり領域を形成することができる。従って図５（ａ）に一点鎖線で示すプラズマ発生用の高周波に起因するピークＰ１と、同図に点線で示すバイアス電圧に基づくピークＰ２とが形成される場合、これらのピークＰ１、Ｐ２の間のエネルギー帯を埋めるように、バイアス電圧に因る多数のピークを重ねることにより、図５（ｂ）に示すように、低エネルギー帯に帯状の重なり領域を形成することができる。
【００３２】
このように、バイアス電源部を調整することにより、１００ｅＶ以下に重なり領域を形成することができるので、レジスト膜のエッチング処理に適したイオンエネルギー分布を形成できる。このため、エッチング選択性が高く、エッチング形状が良好なレジスト膜のエッチング処理を行うことができる。
【００３３】
また、例えば３００ｅＶ〜４００ｅＶ付近に重なり領域を有するイオンエネルギー分布を形成した場合には、有機膜のエッチングを良好に行うことができる。さらに、低エネルギー帯と高エネルギー帯に重なり領域を有するイオンエネルギー分布も形成することができ、この場合は多層膜のエッチングを良好に行うことができる。
【００３４】
さらにまた、上述のプラズマ処理装置を用いてプラズマ成膜処理を行うこともでき、例えば処理ガスとしてＳｉＨ４ガスとＨ２ガスとを用いて、太陽電池用のシリコン膜を形成する場合には、１５ｅＶ以下の低エネルギー帯に重なり領域を有するイオンエネルギー分布を形成することにより、欠陥密度が低いシリコン膜を成膜することができる。
【００３５】
続いて、本発明の他の実施の形態について図６を用いて説明する。この例は、負のＤＣパルス電圧は、１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、前記バイアス電圧を印加する工程では、前記振幅値が互に異なる複数のパルス電圧を印加する代わりに、１つのパルス電圧において振幅値が段階的に変わるパルス電圧を印加するものである。ここで１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成されるとは、例えば図６（ａ）に示すような波形パターンであり、この場合であっても、イオンエネルギー分布において、各振幅値に起因するピークが重なりあって重なり領域が形成される。
【００３６】
また互に振幅値が異なる複数種のパルス電圧を発生させる場合には、図６（ｂ）に示すように、例えば同じ振幅値の２個のパルスが１組となって、互に振幅値の異なる組のパルスを用いてもよい。
【００３７】
本発明は、以上のようにバイアス電源部から互に振幅値が異なる複数種のパルス電圧を発生させるかあるいは１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するようにパルス電圧を発生させるものであるが、複数種のパルスの種別の数は、イオンエネルギー分布において目的とするイオンエネルギーの帯域の広さによって決定される。
【００３８】
続いて、本発明のプラズマ処理のバイアス電圧決定方法の一実施の形態について説明する。この方法は、実験機を用いて、プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布の理想パターンと、このイオンエネルギー分布を得るためのＤＣパルス電圧波形の理想パターンを取得する第１の工程と、実際に基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置を用いて、前記イオンエネルギー分布の理想パターンを得るためのＤＣパルス電圧印加パターンの微調整を行う第２の工程と、を備えている。なお当該実施の形態では、プラズマ処理として成膜処理を行なう場合を例にして説明する。
【００３９】
先ず、第１の工程にて用いられる実験機６について、図７を参照して説明する。図７中６１は、基板であるウエハＷの真空チャンバであり、その内側表面は、例えばアルマイトコーティングされることにより絶縁されている。この真空チャンバ６１は、円筒形状に構成され、底部にはウエハＷの載置部６２が着脱自在に設けられている。載置部６２にはＤＣパルス発生部３が接続されており、このＤＣパルス発生部３は、上述の図１に示すものと同様に構成されている。
【００４０】
この真空チャンバ６１内の上方側にはウエハＷと対向するようにプラズマ発生用の平面アンテナ６３が設けられ、ここに２．４５ＧＨｚのマイクロ波が印加されるように構成されている。さらに、真空チャンバ６１の上部側には処理ガス供給路６４を介して処理ガス源６５が接続されると共に、真空チャンバ６１の下部側には排気路６６を介して真空排気手段６７が接続されている。さらに真空チャンバ６１にはイオンエネルギー測定手段７が設けられている。このイオンエネルギー測定手段７としては、例えばエネルギー選択機構付きの四重極型質量分析器を用いることができる。
【００４１】
前記第１の工程について、プラズマ処理としてエッチング処理を行う場合を例にして、図８を参照しながら説明する。先ずＤＣパルス発生部３にて、振幅値が互に異なる複数種のパルス電圧を発生させるように、ＤＣパルス電圧の印加パターンを設定する（ステップＳ１）。そして、成膜対象となるウエハＷを載置部６２に載置し、当該載置部６２を真空チャンバ６１内の底部に取り付ける。
【００４２】
そして、真空排気手段６７により排気を行い、真空チャンバ６１内を所定の圧力に維持する共に、処理ガスである成膜ガス例えばＳｉＨ４とＨ２ガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３を例えば同時にオンにして、ウエハＷに１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加すると共に、例えば２．４５ＧＨｚのプラズマ発生用のマイクロ波を平面アンテナ６３に印加する。こうして処理ガスに電力を供給して、当該処理ガスをプラズマ化し、所定のシリコン膜の成膜処理（プラズマ処理）を行う（ステップＳ２）。
【００４３】
一方、成膜処理と並行して、イオンエネルギー測定手段７により、イオンエネルギー分布パターンを取得する（ステップＳ３）。次いで、成膜処理されたウエハＷについて、成膜処理の特性が良好であるか否か評価する（ステップＳ４）。この例では、シリコン膜の膜質について欠陥密度を評価することにより行われる。そしてプラズマ処理の特性が良好である場合には、ＤＣパルス発生部３にて設定したＤＣパルス電圧の印加パターンを理想パターンとして取得すると共に、このときのイオンエネルギー分布パターンを理想パターンとして取得する（ステップＳ６）。一方、プラズマ処理の特性が良好ではない場合には、ステップＳ１に戻ってＤＣパルス電圧の印加パターンを再度設定し、以降の工程を繰り返して実行する。
【００４４】
また、プラズマ処理がエッチング処理である場合では、実験装置において、処理ガスとしてエッチングガスを導入し、実際にウエハＷに対してエッチング処理を行った後、プラズマ処理の特性が良好であるか否かは、例えばエッチングレートや、形状欠陥等について評価する。
【００４５】
続いて第２の工程について説明する。第２の工程を実施する装置は、実際に基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置にイオンエネルギー測定手段を設けたものである。
【００４６】
当該第２の工程について、プラズマ処理として成膜処理を行う場合を例にして、図９を参照しながら説明する。先ずＤＣパルス発生部３において、第１の工程にて得られたＤＣパルス電圧の波形パターンの理想パターンを設定する（ステップＳ１１）。次いで、成膜対象となるウエハＷを真空チャンバ１１内の載置台２上に載置する。
【００４７】
そして、真空排気手段６７により排気を行い、真空チャンバ１１内を所定の圧力に維持する共に、ガスシャワーヘッド４から処理ガスである成膜ガス例えばＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３を例えば同時にオンにして、下部電極２１に例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加すると共に、高周波電源部５に例えば１００ＭＨｚのプラズマ発生用の高周波電圧を印加する。こうして処理ガスに電力を供給して、当該処理ガスをプラズマ化し、シリコン膜の成膜処理（プラズマ処理）を行う（ステップＳ１２）。
【００４８】
一方、成膜処理と並行して、イオンエネルギー測定手段により、イオンエネルギー分布パターンを取得する（ステップＳ１３）。このイオンエネルギー分布パターンの取得は、第１の工程と同様である。次いで、取得されたイオンエネルギー分布パターンが、イオンエネルギー分布の理想パターンと合っているか評価する（ステップＳ１４）。このパターンが合っているか否かについては、例えばイオンエネルギーの重なり領域同士が合っているか否かによって判断され、例えば理想パターンの重なり領域と一致している場合の他、重なり領域の位置のずれが多少生じている場合も含まれる。
【００４９】
そして、パターンが合っている場合には、ＤＣパルス発生部３にて設定したＤＣパルス電圧の印加パターンを決定値として取得する（ステップＳ１５）一方、パターンが合っていない場合には、ステップＳ１１に戻って、ＤＣパルス電圧の波形パターンを微調整し、以降の工程を繰り返して実行する。
【００５０】
このようなプラズマ処理のバイアス電圧決定方法によれば、実験装置では、ウエハＷに直接ＤＣパルス発生部３が接続されており、ＤＣパルス発生部３とウエハＷとの間にマッチングボックスやインピーダンス素子が存在しないため、ウエハＷに対して直接矩形波を印加することができる。このため印加したＤＣパルス電圧に対応するイオンエネルギー分布を得ることができ、イオンエネルギー分布の理想パターンを確保するときのＤＣパルス電圧の調整が容易になる。
【００５１】
一方、実際のプラズマ処理装置では、図示はしていないが、既述のようにＤＣパルス発生部３とウエハＷとの間にマッチングボックスやインピーダンス素子が存在するため、ＤＣパルス電圧の波形パターンにおいて必ずしも矩形波が得られているとは限らない。しかしながらイオンエネルギー分布の理想パターンを得るための、ＤＣパルス電圧の印加パターンの理想パターンは概ね妥当な範囲であり、この理想パターンから大きく外れることはないため、当該印加パターンは微調整で済み、このバイアス電圧の決定を容易に行うことができる。また、イオンエネルギー分布の理想パターンに合うようにＤＣパルス電圧の印加パターンを調整すればよく、上述のようにプラズマ処理装置を構成すればＤＣパルス電圧の調整と同時にイオンエネルギー分布を取得できるので、他の装置にて結晶性やエッチング形状を検査する場合に比べて、容易にＤＣパルス電圧の印加パターンを決定することができる。
【００５２】
また本発明のプラズマ処理装置において、処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源部は、上部電極と下部電極とを有する通常の平行平板型のプラズマ処理装置において、これら電極間に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給するものであってもよいし、マイクロ波アンテナから高周波電源部を放射するものや誘導加熱によりプラズマを生成するものであってもよい。また平行平板型のプラズマ処理装置においては、下部電極を兼用する載置台に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力と、ＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
Ｗ 半導体ウエハ
１１ 真空チャンバ
２ 載置台
３ ＤＣパルス発生部
Ｃ 受け渡し手段
４ ガスシャワーヘッド
５ 高周波電源部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に対してバイアス電圧を印加してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置、及びプラズマ処理方法並びに前記バイアス電圧の決定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば半導体装置の製造プロセスであるプラズマ処理を行う装置として、平行平板型プラズマ装置が挙げられる。この装置は、真空チャンバ内にて平行平板間に高周波電力を印加して処理ガスを励起（プラズマ化）させるものであるが、成膜時の膜質の向上やエッチング時の垂直性を得るために載置台に負電圧のバイアスを印加し、プラズマ中の正イオンを載置台上の基板である半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）に引き込むようにしている。
【０００３】
ところで、特許文献１には、バイアス電位が周期的に変動することにより、イオンの基板入射エネルギーが周期的に変動するが、イオン質量による電位への追従遅れがあるため、イオン追従電圧はバイアス用の高周波電圧の振幅よりも小さい振幅で時間変動することが記載されている。またイオンのエネルギーを横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図を作成すると、図１０に示すような、鋭い２つのピークを持つイオンエネルギー分布が得られることが記載されている。
【０００４】
一方、成膜時における薄膜の結晶性の向上や、エッチング時における形状欠陥の向上を図るために、プラズマ処理の種別に応じて適切なイオンエネルギー分布が存在する。例えば図１１に示すように、太陽電池用のシリコン膜の成膜プロセスでは１５ｅＶ以下の低エネルギー帯（パターンＡ）、レジスト膜のエッチングでは例えば１００ｅＶ以下のエネルギー帯（パターンＢ）、有機膜のエッチングプロセスでは例えば３００ｅＶ〜４００ｅＶ付近のエネルギー帯（パターンＣ）が夫々存在するイオンエネルギー分布を形成することが好ましいとされている。また多層膜のエッチングプロセスでは、図１２に示すように、エッチング選択性を向上させるための低エネルギー帯（パターンＤ）と、エッチング形状を良好にするための高エネルギー帯（パターンＥ）とが存在するイオンエネルギー分布を形成することが好ましいとされている。
【０００５】
しかしながら、これらのイオンエネルギー分布はより精密な分布形状の制御が必要であり、従来の手法ではプラズマ処理に応じて適切なイオンエネルギー分布を形成することは困難である。
【０００６】
ところで、前記特許文献１では、下部電極に高周波電圧と重畳するように負ＤＣパルス電圧を印加する技術が記載されている。この技術では、高周波電圧と負ＤＣパルス電圧とを組み合わせることによりバイアス電位が制御されるため、イオンエネルギー分布のピーク位置を調整することができる。しかしながら、本発明者は、任意形状のイオンエネルギー分布を形成できる手法の確立を目指している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１８７９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情の下になされたものであり、プラズマ処理に応じて、適切なイオンエネルギー分布を形成できる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このため本発明のプラズマ処理装置は、
基板が載置される載置部が内部に配置された真空チャンバと、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、を備え、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、調整されていることを特徴とする。
【００１０】
また本発明のプラズマ処理方法は、
基板を真空チャンバ内に載置部に載置する工程と、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化する工程と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加する工程と、を含み、
このバイアス電圧を印加する工程は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、前記バイアス電圧を印加する工程であることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明のプラズマ処理のバイアス電圧決定方法は、真空チャンバ内の載置部に基板を載置した状態で、当該真空チャンバ内に供給された処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に、前記載置部に載置された基板にプラズマ中のイオンを引き込むために当該基板にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧をバイアス電源部により印加しながら基板に対してプラズマ処理を行い、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンを形成するように調整され、
前記バイアス電圧の印加パターンを種々設定して、各設定毎に前記プラズマ処理を行い、各プラズマ処理を行った後の基板のプラズマ処理結果に基づいて、良好なプラズマ処理が得られるバイアス電圧の印加パターンを求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、バイアス電源部において、振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を発生させるかあるいは１つのＤＣパルス電圧において段階的に振幅値を変えているので、イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域が形成されるイオンエネルギー分布パターンを、プラズマ処理に適した形状に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施の形態を示す断面図である。
【図２】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図３】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図４】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図５】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図６】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図７】本発明に係るバイアス電圧決定方法で用いられる実験装置の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係るバイアス電圧決定方法の第１の工程を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係るバイアス電圧決定方法の第２の工程を示すフローチャートである。
【図１０】従来のイオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図１１】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【図１２】イオンエネルギー分布の一例を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下本発明のプラズマ処理装置の実施の形態であるプラズマエッチング装置１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１中１１は、円筒状の真空チャンバであり、その内側表面は、例えばアルマイトコーティングされることにより絶縁されている。また真空チャンバ１１の底面に設けられた排気口１２には、真空ポンプ及び圧力調整部を含む排気装置１３が排気路１４を介して接続されており、後述する制御部１００からの制御信号に基づいて真空チャンバ１１内を真空排気し、所定の真空度に維持するように構成されている。図１中１５は搬入口、１６は搬入口を開閉するゲートバルブである。
【００１５】
この真空チャンバ１１内の底面中央には、基板例えばウエハＷを載置するための載置台２が設けられており、この載置台２は例えば平面形状が円形に構成されている。また、載置台２の内部には下部電極２１が埋設されており、この下部電極２１にはＤＣパルス発生部３が接続されている。このＤＣパルス発生部３は、載置部２に例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部に相当する。
【００１６】
このＤＣパルス発生部３は、例えばパルス発振器と、パルス増幅器と、ローパスフィルタとを備えており、ＤＣパルス電圧の振幅値やパルス幅を連続的に変化させることができるように構成されている。当該実施の形態では、例えば図２（ａ）に示すように、振幅値が互に異なりかつ段階的に大きくなる複数種例えば４つの矩形パルス電圧波形を周期単位とする波形パターンが設定される。図中２２は、プラズマをウエハＷに集束させるためのフォーカスリングである。
【００１７】
また、真空チャンバ１１内の上方側には、載置台２と対向するようにガスシャワーヘッド４が設けられている。このガスシャワーヘッド４は、真空チャンバ１１内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部をなすものである。この例ではガスシャワーヘッド４は、平面形状が円形であり、例えば石英などのセラミックスにより構成されている。ガスシャワーヘッド４は内部に処理ガスが供給される空間４１を備えるように構成されると共に、その下面には真空チャンバ１１内へガスを分散供給するための多数のガス供給孔４２が、空間４１に連通するように形成されている。前記ガスシャワーヘッド４の上面中央にはガス導入路４３が設けられ、このガス導入路４３の他端側はバルブＶ１や流量制御部４４等を備えたガス供給系４５介して処理ガスの供給源４６に接続されている。数種類の処理ガスが供給される場合には、当該ガスシャワーヘッド４には図示しない別の導入路が接続される。図中４７は絶縁体からなるカバー体である。
【００１８】
また、ガスシャワーヘッド４には高周波電源部５が接続されている。この高周波電源部５はプラズマ発生用の高周波電力を供給するものであり、例えば１００ＭＨｚの高周波を印加するように構成されている。この例では、高周波電源部５が、処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部に相当する。
【００１９】
このプラズマエッチング装置には、例えばコンピュータからなる制御部１００が設けられている。この制御部１００は、プログラム、メモリ、ＣＰＵからなるデータ処理部を備えており、前記プログラムには制御部１００からプラズマエッチング装置の各部、例えば高周波電源部５、ＤＣパルス発生部３、排気装置１３、ガス供給系４５等に制御信号を送り、後述の各ステップを進行させることで、ウエハＷに対する所定のプラズマ処理、例えばエッチング処理が実施されるように命令（各ステップ）が組み込まれている。このプログラムは、コンピュータ記憶媒体例えばフレキシブルディスク、コンパクトディスク、ハードディスク、ＭＯ（光磁気ディスク）等の記憶部に格納されて制御部１００にインストールされる
続いて、このプラズマエッチング装置１にて実施されるプラズマエッチング方法について説明する。先ずゲートバルブ１６を開いて図示しない搬送機構により真空チャンバ１１内にウエハＷを搬入して載置台２上に載置し、搬送機構が退出した後、ゲートバルブ１６を閉じる。
【００２０】
そして、排気装置１３により排気路１４を介して真空チャンバ１１内の排気を行い、真空チャンバ１１内を所定の圧力に維持する共に、真空チャンバ１１内にガスシャワーヘッド４から処理ガスであるエッチングガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３が例えば同時にオンになる。こうして下部電極２１に、例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧が印加されると共に、高周波電源部５から例えば１００ＭＨｚのプラズマ発生用の高周波電圧が印加される。
【００２１】
このように高周波電圧が印加されると高周波エネルギーが発生し、これにより前記処理ガス例えばＣＦ４ガスが活性化されて、ガスシャワーヘッド４の下方側にてプラズマが形成される。ここで、真空チャンバ１１の下方で排気が行われることにより、前記プラズマが下降し、プラズマを構成する各種イオンは、下部電極２１に印加されるバイアス電圧によりウエハＷに引き込まれ、異方性エッチングが行われる。
【００２２】
ここで、プラズマのイオンエネルギー分布について説明する。このイオンエネルギー分布とは、プラズマ中のイオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとった特性図である。先ずプラズマ発生用の高周波電源部５からは１００ＭＨｚの高周波を印加しているので、この高周波印加に基づくイオンエネルギー分布を求めると、図２（ｂ）中一点鎖線にて示すように、イオンエネルギーの領域は、例えば１５ｅＶ以下における帯状の領域が得られる。
【００２３】
一方、下部電極２１には、ＤＣパルス発生部３から１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加しているので、これにより得られるイオンエネルギーは、プラズマ発生用の高周波に起因するイオンエネルギーよりも大きい。
【００２４】
ここで、この実施の形態に係るプラズマ処理装置では、バイアス電圧の印加に関して工夫することにより、目的とするプラズマ処理に適したイオンエネルギー分布が得られるように構成されている。例えばレジスト膜のエッチングを行う場合には、既述の図１１のパターンＢのイオンエネルギー分布が得られるようにバイアス電圧が設定されている。
【００２５】
この設定に関して以下に詳述する。下部電極２１に、負のＤＣパルス電圧を印加すると、ＤＣパルス電圧の振幅値に対応したピークを有するイオンエネルギー分布が形成される。例えば図４（ａ）のように、振幅値が負電圧−Ｖａ及び負電圧−Ｖｂであるパルスを下部電極２１に交互に印加すると、図４（ｂ）に示すように、負電圧−Ｖａに起因するピークＰａと、負電圧−Ｖｂに起因するピークＰｂとを備えたイオンエネルギー分布が形成される。
【００２６】
また図２（ａ）のように、振幅値が互に異なりかつ段階的に大きくなる４つのパルス電圧波形を周期単位とする波形パターンを設定すると、図２（ｂ）に示すように、４つのバイアス電圧に基づくピークが互に重なるようなイオンエネルギー分布が形成される。この際、振幅値が互に異なりかつ段階的に変化するパルス電圧波形を周期単位とする波形パターンには、図３（ａ）や図３（ｂ）に示すパターンも含まれる。
【００２７】
従って、各パルスの振幅値を調整することにより、バイアス電圧に起因するイオンエネルギーのピーク位置を調整することができる。そして前記１周期に含まれるパルスの数と各パルスの振幅値とを調整すれば、イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域が形成され、結果として目的とするイオンエネルギーの帯域を有するイオンエネルギー分布が得られる。
【００２８】
目的とするイオンエネルギー分布とは、プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布であり、プラズマ処理に適したとは、例えばエッチングプロセスであれば、凹部の壁部の垂直性が良好であることであり、成膜プロセスであれば、膜質が良い薄膜、例えば太陽電池用のシリコン膜であれば、欠陥密度が低い薄膜が作れることである。プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布の設定については、実際のプロセスを行う装置を用いて、バイアス電圧であるパルス電圧の発生の仕方を種々変えてプロセスを行い、そのプロセス結果を評価して決定してもよいが、後述するように実験機を用いて同様にして決定してもよい。
【００２９】
こうして、適切なイオンエネルギー分布を有するプラズマによりプラズマ処理この例ではエッチング処理を行った後、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３をオフすると共に、処理ガスの供給を停止し、真空チャンバ内１１に残留したガスを排気する。そして、ゲートバルブ１６を開いて、前記搬送機構によりウエハＷを真空チャンバ１１から搬出する。
【００３０】
上述の実施の形態によれば、ＤＣパルス発生部３により、振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を発生されているので、バイアス電圧に基づくイオンエネルギー分布において、互に隣接するピーク同士が重なり合った重なり領域が形成される。このためＤＣパルス発生部であるバイアス電源部３を調整することにより、つまりＤＣパルスの印加パターンを調整することにより、イオンエネルギーの大きさが帯状に広がり、プラズマ処理に応じた適切なイオンエネルギー分布パターンを形成することができる。
【００３１】
さらに、上述実施の形態では、プラズマ発生用の高周波印加により、イオンエネルギー分布において、バイアス電圧では形成できない低エネルギー帯に重なり領域を形成することができる。従って図５（ａ）に一点鎖線で示すプラズマ発生用の高周波に起因するピークＰ１と、同図に点線で示すバイアス電圧に基づくピークＰ２とが形成される場合、これらのピークＰ１、Ｐ２の間のエネルギー帯を埋めるように、バイアス電圧に因る多数のピークを重ねることにより、図５（ｂ）に示すように、低エネルギー帯に帯状の重なり領域を形成することができる。
【００３２】
このように、バイアス電源部を調整することにより、１００ｅＶ以下に重なり領域を形成することができるので、レジスト膜のエッチング処理に適したイオンエネルギー分布を形成できる。このため、エッチング選択性が高く、エッチング形状が良好なレジスト膜のエッチング処理を行うことができる。
【００３３】
また、例えば３００ｅＶ〜４００ｅＶ付近に重なり領域を有するイオンエネルギー分布を形成した場合には、有機膜のエッチングを良好に行うことができる。さらに、低エネルギー帯と高エネルギー帯に重なり領域を有するイオンエネルギー分布も形成することができ、この場合は多層膜のエッチングを良好に行うことができる。
【００３４】
さらにまた、上述のプラズマ処理装置を用いてプラズマ成膜処理を行うこともでき、例えば処理ガスとしてＳｉＨ４ガスとＨ２ガスとを用いて、太陽電池用のシリコン膜を形成する場合には、１５ｅＶ以下の低エネルギー帯に重なり領域を有するイオンエネルギー分布を形成することにより、欠陥密度が低いシリコン膜を成膜することができる。
【００３５】
続いて、本発明の他の実施の形態について図６を用いて説明する。この例は、負のＤＣパルス電圧は、１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、前記バイアス電圧を印加する工程では、前記振幅値が互に異なる複数のパルス電圧を印加する代わりに、１つのパルス電圧において振幅値が段階的に変わるパルス電圧を印加するものである。ここで１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成されるとは、例えば図６（ａ）に示すような波形パターンであり、この場合であっても、イオンエネルギー分布において、各振幅値に起因するピークが重なりあって重なり領域が形成される。
【００３６】
また互に振幅値が異なる複数種のパルス電圧を発生させる場合には、図６（ｂ）に示すように、例えば同じ振幅値の２個のパルスが１組となって、互に振幅値の異なる組のパルスを用いてもよい。
【００３７】
本発明は、以上のようにバイアス電源部から互に振幅値が異なる複数種のパルス電圧を発生させるかあるいは１つのパルス電圧が段階的に振幅値が変化するようにパルス電圧を発生させるものであるが、複数種のパルスの種別の数は、イオンエネルギー分布において目的とするイオンエネルギーの帯域の広さによって決定される。
【００３８】
続いて、本発明のプラズマ処理のバイアス電圧決定方法の一実施の形態について説明する。この方法は、実験機を用いて、プラズマ処理に適したイオンエネルギー分布の理想パターンと、このイオンエネルギー分布を得るためのＤＣパルス電圧波形の理想パターンを取得する第１の工程と、実際に基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置を用いて、前記イオンエネルギー分布の理想パターンを得るためのＤＣパルス電圧印加パターンの微調整を行う第２の工程と、を備えている。なお当該実施の形態では、プラズマ処理として成膜処理を行なう場合を例にして説明する。
【００３９】
先ず、第１の工程にて用いられる実験機６について、図７を参照して説明する。図７中６１は、基板であるウエハＷの真空チャンバであり、その内側表面は、例えばアルマイトコーティングされることにより絶縁されている。この真空チャンバ６１は、円筒形状に構成され、底部にはウエハＷの載置部６２が着脱自在に設けられている。載置部６２にはＤＣパルス発生部３が接続されており、このＤＣパルス発生部３は、上述の図１に示すものと同様に構成されている。
【００４０】
この真空チャンバ６１内の上方側にはウエハＷと対向するようにプラズマ発生用の平面アンテナ６３が設けられ、ここに２．４５ＧＨｚのマイクロ波が印加されるように構成されている。さらに、真空チャンバ６１の上部側には処理ガス供給路６４を介して処理ガス源６５が接続されると共に、真空チャンバ６１の下部側には排気路６６を介して真空排気手段６７が接続されている。さらに真空チャンバ６１にはイオンエネルギー測定手段７が設けられている。このイオンエネルギー測定手段７としては、例えばエネルギー選択機構付きの四重極型質量分析器を用いることができる。
【００４１】
前記第１の工程について、プラズマ処理としてエッチング処理を行う場合を例にして、図８を参照しながら説明する。先ずＤＣパルス発生部３にて、振幅値が互に異なる複数種のパルス電圧を発生させるように、ＤＣパルス電圧の印加パターンを設定する（ステップＳ１）。そして、成膜対象となるウエハＷを載置部６２に載置し、当該載置部６２を真空チャンバ６１内の底部に取り付ける。
【００４２】
そして、真空排気手段６７により排気を行い、真空チャンバ６１内を所定の圧力に維持する共に、処理ガスである成膜ガス例えばＳｉＨ４とＨ２ガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３を例えば同時にオンにして、ウエハＷに１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加すると共に、例えば２．４５ＧＨｚのプラズマ発生用のマイクロ波を平面アンテナ６３に印加する。こうして処理ガスに電力を供給して、当該処理ガスをプラズマ化し、所定のシリコン膜の成膜処理（プラズマ処理）を行う（ステップＳ２）。
【００４３】
一方、成膜処理と並行して、イオンエネルギー測定手段７により、イオンエネルギー分布パターンを取得する（ステップＳ３）。次いで、成膜処理されたウエハＷについて、成膜処理の特性が良好であるか否か評価する（ステップＳ４）。この例では、シリコン膜の膜質について欠陥密度を評価することにより行われる。そしてプラズマ処理の特性が良好である場合には、ＤＣパルス発生部３にて設定したＤＣパルス電圧の印加パターンを理想パターンとして取得すると共に、このときのイオンエネルギー分布パターンを理想パターンとして取得する（ステップＳ６）。一方、プラズマ処理の特性が良好ではない場合には、ステップＳ１に戻ってＤＣパルス電圧の印加パターンを再度設定し、以降の工程を繰り返して実行する。
【００４４】
また、プラズマ処理がエッチング処理である場合では、実験装置において、処理ガスとしてエッチングガスを導入し、実際にウエハＷに対してエッチング処理を行った後、プラズマ処理の特性が良好であるか否かは、例えばエッチングレートや、形状欠陥等について評価する。
【００４５】
続いて第２の工程について説明する。第２の工程を実施する装置は、実際に基板に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置にイオンエネルギー測定手段を設けたものである。
【００４６】
当該第２の工程について、プラズマ処理として成膜処理を行う場合を例にして、図９を参照しながら説明する。先ずＤＣパルス発生部３において、第１の工程にて得られたＤＣパルス電圧の波形パターンの理想パターンを設定する（ステップＳ１１）。次いで、成膜対象となるウエハＷを真空チャンバ１１内の載置台２上に載置する。
【００４７】
そして、真空排気手段６７により排気を行い、真空チャンバ１１内を所定の圧力に維持する共に、ガスシャワーヘッド４から処理ガスである成膜ガス例えばＳｉＨ４ガス、Ｈ２ガスを導入する。一方、高周波電源部５及びＤＣパルス発生部３を例えば同時にオンにして、下部電極２１に例えば１ＭＨｚの負のＤＣパルス電圧を印加すると共に、高周波電源部５に例えば１００ＭＨｚのプラズマ発生用の高周波電圧を印加する。こうして処理ガスに電力を供給して、当該処理ガスをプラズマ化し、シリコン膜の成膜処理（プラズマ処理）を行う（ステップＳ１２）。
【００４８】
一方、成膜処理と並行して、イオンエネルギー測定手段により、イオンエネルギー分布パターンを取得する（ステップＳ１３）。このイオンエネルギー分布パターンの取得は、第１の工程と同様である。次いで、取得されたイオンエネルギー分布パターンが、イオンエネルギー分布の理想パターンと合っているか評価する（ステップＳ１４）。このパターンが合っているか否かについては、例えばイオンエネルギーの重なり領域同士が合っているか否かによって判断され、例えば理想パターンの重なり領域と一致している場合の他、重なり領域の位置のずれが多少生じている場合も含まれる。
【００４９】
そして、パターンが合っている場合には、ＤＣパルス発生部３にて設定したＤＣパルス電圧の印加パターンを決定値として取得する（ステップＳ１５）一方、パターンが合っていない場合には、ステップＳ１１に戻って、ＤＣパルス電圧の波形パターンを微調整し、以降の工程を繰り返して実行する。
【００５０】
このようなプラズマ処理のバイアス電圧決定方法によれば、実験装置では、ウエハＷに直接ＤＣパルス発生部３が接続されており、ＤＣパルス発生部３とウエハＷとの間にマッチングボックスやインピーダンス素子が存在しないため、ウエハＷに対して直接矩形波を印加することができる。このため印加したＤＣパルス電圧に対応するイオンエネルギー分布を得ることができ、イオンエネルギー分布の理想パターンを確保するときのＤＣパルス電圧の調整が容易になる。
【００５１】
一方、実際のプラズマ処理装置では、図示はしていないが、既述のようにＤＣパルス発生部３とウエハＷとの間にマッチングボックスやインピーダンス素子が存在するため、ＤＣパルス電圧の波形パターンにおいて必ずしも矩形波が得られているとは限らない。しかしながらイオンエネルギー分布の理想パターンを得るための、ＤＣパルス電圧の印加パターンの理想パターンは概ね妥当な範囲であり、この理想パターンから大きく外れることはないため、当該印加パターンは微調整で済み、このバイアス電圧の決定を容易に行うことができる。また、イオンエネルギー分布の理想パターンに合うようにＤＣパルス電圧の印加パターンを調整すればよく、上述のようにプラズマ処理装置を構成すればＤＣパルス電圧の調整と同時にイオンエネルギー分布を取得できるので、他の装置にて結晶性やエッチング形状を検査する場合に比べて、容易にＤＣパルス電圧の印加パターンを決定することができる。
【００５２】
また本発明のプラズマ処理装置において、処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源部は、上部電極と下部電極とを有する通常の平行平板型のプラズマ処理装置において、これら電極間に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給するものであってもよいし、マイクロ波アンテナから高周波電源部を放射するものや誘導加熱によりプラズマを生成するものであってもよい。また平行平板型のプラズマ処理装置においては、下部電極を兼用する載置台に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力と、ＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５３】
Ｗ 半導体ウエハ
１１ 真空チャンバ
２ 載置台
３ ＤＣパルス発生部
Ｃ 受け渡し手段
４ ガスシャワーヘッド
５ 高周波電源部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板が載置される載置部が内部に配置された真空チャンバと、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、を備え、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように調整されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記ＤＣパルス電圧は矩形波であ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ＤＣパルス電圧は、１つのＤＣパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、
前記バイアス電源部は、前記イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士を重なり合わせてイオンエネルギー分布パターンをプラズマ処理に適切なパターンとするためには、前記振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を発生させる代わりに、１つのＤＣパルス電圧における段階的に変わる振幅値が調整されてい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】
前記プラズマ生成部は、これら電極間に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源部を備え、
イオンエネルギー分布図において、この高周波電源部の高周波電力に対応するピークが、前記バイアス電圧に基づいて形成される前記重なり領域と重なり合って更なる重なり領域が形成され、プラズマ処理に適切なイオンエネルギー分布パターンとなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
基板を真空チャンバ内に載置部に載置する工程と、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化する工程と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加する工程と、を含み、
このバイアス電圧を印加する工程は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、前記バイアス電圧を印加する工程であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記ＤＣパルス電圧は、矩形波であることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】
前記ＤＣパルス電圧は、１つのＤＣパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、
前記バイアス電圧を印加する工程は、前記イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士を重なり合わせてイオンエネルギー分布パターンをプラズマ処理に適切なパターンとするためには、前記振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を印加する代わりに、１つのＤＣパルス電圧において振幅値が段階的に変わるＤＣパルス電圧を印加することを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】
前記処理ガスをプラズマ化する工程は、前記処理ガスをプラズマ化するために高周波電源部から高周波電力を供給することにより行われ、
イオンエネルギー分布図において、この高周波電源部の高周波電力に対応するピークが、前記バイアス電圧に基づいて形成される前記重なり領域と重なり合って更なる重なり領域が形成され、プラズマ処理に適切なイオンエネルギー分布パターンとなるように、前記高周波電力を印加することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
真空チャンバ内の載置部に基板を載置した状態で、当該真空チャンバ内に供給された処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に、前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧をバイアス電源部により印加しながら基板に対してプラズマ処理を行い、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンを形成するように調整され、
前記バイアス電圧の印加パターンを種々設定して、各設定毎に前記プラズマ処理を行い、各プラズマ処理を行った後の基板のプラズマ処理結果に基づいて、良好なプラズマ処理が得られるバイアス電圧の印加パターンを求めることを特徴とするプラズマ処理のバイアス電圧決定方法。
【請求項１】
基板が載置される載置部が内部に配置された真空チャンバと、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給するガス供給部と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化するプラズマ生成部と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、を備え、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように調整されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記ＤＣパルス電圧は矩形波であ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ＤＣパルス電圧は、１つのＤＣパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、
前記バイアス電源部は、前記イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士を重なり合わせてイオンエネルギー分布パターンをプラズマ処理に適切なパターンとするためには、前記振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を発生させる代わりに、１つのＤＣパルス電圧における段階的に変わる振幅値が調整されてい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】
前記プラズマ生成部は、これら電極間に処理ガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源部を備え、
イオンエネルギー分布図において、この高周波電源部の高周波電力に対応するピークが、前記バイアス電圧に基づいて形成される前記重なり領域と重なり合って更なる重なり領域が形成され、プラズマ処理に適切なイオンエネルギー分布パターンとなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
基板を真空チャンバ内に載置部に載置する工程と、
この真空チャンバ内にプラズマ処理のための処理ガスを供給する工程と、
前記処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化する工程と、
前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧を印加する工程と、を含み、
このバイアス電圧を印加する工程は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンがプラズマ処理に適切なパターンとなるように、前記バイアス電圧を印加する工程であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記ＤＣパルス電圧は、矩形波であることを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】
前記ＤＣパルス電圧は、１つのＤＣパルス電圧が段階的に振幅値が変化するように生成され、
前記バイアス電圧を印加する工程は、前記イオンエネルギー分布図において互に隣接するピーク同士を重なり合わせてイオンエネルギー分布パターンをプラズマ処理に適切なパターンとするためには、前記振幅値が互に異なる複数のＤＣパルス電圧を印加する代わりに、１つのＤＣパルス電圧において振幅値が段階的に変わるＤＣパルス電圧を印加することを特徴とする請求項５記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】
前記処理ガスをプラズマ化する工程は、前記処理ガスをプラズマ化するために高周波電源部から高周波電力を供給することにより行われ、
イオンエネルギー分布図において、この高周波電源部の高周波電力に対応するピークが、前記バイアス電圧に基づいて形成される前記重なり領域と重なり合って更なる重なり領域が形成され、プラズマ処理に適切なイオンエネルギー分布パターンとなるように、前記高周波電力を印加することを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
真空チャンバ内の載置部に基板を載置した状態で、当該真空チャンバ内に供給された処理ガスに電力を供給して当該処理ガスをプラズマ化してプラズマを生成すると共に、前記載置部にＤＣパルス電圧であるバイアス電圧をバイアス電源部により印加しながら基板に対してプラズマ処理を行い、
前記バイアス電源部は、
前記イオンのエネルギー値を横軸にとり、イオンの頻度を縦軸にとったイオンエネルギー分布図において、前記ＤＣパルス電圧の振幅値に対応してピークが現れることを利用して、前記振幅値が互に異なる複数種のＤＣパルス電圧を発生させ、これにより前記分布図において互に隣接するピーク同士が重なり合って重なり領域を形成するイオンエネルギー分布パターンを形成するように調整され、
前記バイアス電圧の印加パターンを種々設定して、各設定毎に前記プラズマ処理を行い、各プラズマ処理を行った後の基板のプラズマ処理結果に基づいて、良好なプラズマ処理が得られるバイアス電圧の印加パターンを求めることを特徴とするプラズマ処理のバイアス電圧決定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１０４３８２（Ｐ２０１２−１０４３８２Ａ）
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５２１０９（Ｐ２０１０−２５２１０９）
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１０日（２０１０．１１．１０）
【出願人】（０００２１９９６７）東京エレクトロン株式会社 (5,184)
【Ｆターム（参考）】
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