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JP4324541B2 - Plasma processing equipment - Google Patents

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JP4324541B2
JP4324541B2 JP2004307032A JP2004307032A JP4324541B2 JP 4324541 B2 JP4324541 B2 JP 4324541B2 JP 2004307032 A JP2004307032 A JP 2004307032A JP 2004307032 A JP2004307032 A JP 2004307032A JP 4324541 B2 JP4324541 B2 JP 4324541B2
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飯田  勉
誠浩 角屋
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Description

本発明は、プラズマ処理技術に係り、特に、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に供給して、安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理技術に関する。   The present invention relates to a plasma processing technique, and more particularly, to a plasma processing technique capable of performing stable plasma processing by supplying a phase-controlled bias voltage to an antenna and a substrate of a plasma processing apparatus.

半導体装置の製造工程では、エッチング処理、CVD処理、アッシング処理などのプラズマを応用した種々の処理が施される。半導体デバイスの高集積化、高性能化とも相俟って、微細加工に適したこれらのプラズマ処理が製造工程に多用されるようになってきた。 ウエハ等の被処理基板表面に溝やパターンを形成するエッチング処理装置等では、真空処理室内に上部電極と下部電極とを対峙して配置して形成したRIE(Reactive Ion Etching)等の平行平板のプラズマエッチング装置が使用されている。プラズマを用いてエッチング処理を行う場合、処理ガスを電離し活性化することにより処理の高速化を図ることができる。また、被処理基板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基板に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することができる。   In the manufacturing process of a semiconductor device, various processes using plasma such as an etching process, a CVD process, and an ashing process are performed. Together with higher integration and higher performance of semiconductor devices, these plasma treatments suitable for microfabrication have come to be frequently used in the manufacturing process. In an etching processing apparatus that forms grooves and patterns on the surface of a substrate to be processed such as a wafer, a parallel plate such as RIE (Reactive Ion Etching) formed by arranging an upper electrode and a lower electrode in a vacuum processing chamber facing each other. A plasma etching apparatus is used. When etching is performed using plasma, the processing gas can be ionized and activated to increase the processing speed. In addition, by supplying high frequency bias power to the substrate to be processed and causing ions in the plasma to be perpendicularly incident on the substrate to be processed, a highly accurate etching process such as an anisotropic shape can be realized.

このような処理を行うプラズマ処理装置においては、真空容器外側の外周部に空心コイルを設け、また真空容器内に設けた試料台に対向させて円形導体板を設け、該円形導体板にUHF帯電源と第1の高周波電源を接続し、さらに試料台に第2の高周波電源を接続する。また、前記円形導体板にUHF帯の周波数の電界とそのUHF帯の周波数とは異なる周波数の電界を重畳して供給し、UHF帯電源による電磁波と空心コイルによる磁場との相互作用による電子サイクロトロン共鳴現象を用いてプラズマを形成する。このとき重畳した第1の高周波電源による高周波電圧によって円形導体板にかかるバイアスを大きくして、円形導体板とプラズマとを反応させ、エッチングに寄与する活性種をより多く生成できるようにする。また、試料台に接続した第2の高周波電源によりプラズマ中のイオンの試料への入射エネルギーを制御することができる(例えば、特許文献1参照)。   In a plasma processing apparatus that performs such processing, an air-core coil is provided on the outer peripheral portion outside the vacuum vessel, and a circular conductor plate is provided facing the sample stage provided in the vacuum vessel, and the UHF band is provided on the circular conductor plate. A power source and a first high-frequency power source are connected, and a second high-frequency power source is connected to the sample stage. In addition, an electric field having a frequency in the UHF band and an electric field having a frequency different from the frequency in the UHF band are superimposed and supplied to the circular conductor plate, and electron cyclotron resonance is caused by the interaction between the electromagnetic wave from the UHF band power source and the magnetic field from the air-core coil. A phenomenon is used to form a plasma. At this time, the bias applied to the circular conductor plate is increased by the high-frequency voltage generated by the first high-frequency power supply so that the circular conductor plate reacts with the plasma so that more active species contributing to etching can be generated. Moreover, the incident energy to the sample of the ion in plasma can be controlled by the 2nd high frequency power supply connected to the sample stand (for example, refer patent document 1).

このようなプラズマ処理装置では、被処理基板に印加された高周波電力の電気回路が磁場を横切る方向に形成される。このためこの磁場に対する垂直方向のプラズマのインピーダンスによって被処理基板面内に電位分布が形成されチャージングダメージが発生することがある。また、被処理基板に入射するイオンエネルギーは、被処理基板に供給するバイアス電力によって発生するセルフバイアス電位により決定されるが、ウエハサイズの大口径化に伴い、基板電極に対するアース面積の比率が減少するためバイアスの印加効率が低下する。   In such a plasma processing apparatus, an electric circuit of high-frequency power applied to the substrate to be processed is formed in a direction crossing the magnetic field. For this reason, a potential distribution is formed in the surface of the substrate to be processed due to the impedance of the plasma in the direction perpendicular to the magnetic field, and charging damage may occur. The ion energy incident on the substrate to be processed is determined by the self-bias potential generated by the bias power supplied to the substrate to be processed, but the ratio of the ground area to the substrate electrode decreases as the wafer size increases. Therefore, the bias application efficiency is reduced.

また、前記従来の装置では真空容器が接地されている。このため、プラズマは接地されてアース電位となっている真空容器内に広がり、真空容器内の処理部に十分に閉じ込めることができず外周部まで拡散する。このため、真空容器内壁のスパッタおよび反応生成物の付着・脱離などが生じ、これにより異物の発生量が増加する可能性があった。   In the conventional apparatus, the vacuum vessel is grounded. For this reason, plasma spreads in the vacuum vessel which is grounded and has an earth potential, and cannot be sufficiently confined in the processing portion in the vacuum vessel and diffuses to the outer peripheral portion. For this reason, sputtering of the inner wall of the vacuum vessel and attachment / detachment of reaction products occur, which may increase the amount of foreign matter generated.

近年では、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例であるMOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタのゲート酸化膜は薄膜化し、ゲート酸化膜が絶縁破壊する問題(チャージングダメージ)が深刻になりつつある。また、半導体素子の微細化に伴い、加工精度についてもSAC(Self Aligned Contact)に代表されるように、マスク選択比を向上させることが要求されている。また装置内での異物等の発生は、歩留りを低下させかつ装置の稼働率を低下させることから、異物発生量の少ない装置が要求されている。   In recent years, as the degree of integration of semiconductor integrated circuits has increased, for example, the gate oxide film of a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, which is a typical example of a semiconductor element, has become thinner and the gate oxide film has a problem of dielectric breakdown (charging). (Damage) is getting serious. Further, with the miniaturization of semiconductor elements, it is required to improve the mask selection ratio with respect to processing accuracy, as represented by SAC (Self Aligned Contact). In addition, since the occurrence of foreign matter or the like in the apparatus lowers the yield and reduces the operating rate of the apparatus, an apparatus with a small amount of foreign matter is required.

そこで、上部電極および下部電極間に位相制御した同一周波数の高周波電力を印加して生成されるプラズマをコントロールする方法が試みられている。この方法によれば、プラズマ密度の面内分布に起因する被処理基板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できる。また、高周波の位相を制御することにより、被処理基板に入射するイオンの指向性とエネルギが制御できるため、マスクと被処理基板との選択比が向上し、高アスペクト比のエッチング加工が可能となる。   Therefore, a method of controlling plasma generated by applying high-frequency power having the same frequency and phase controlled between the upper electrode and the lower electrode has been attempted. According to this method, the potential distribution in the surface of the substrate to be processed due to the in-plane distribution of the plasma density can be reduced, and the occurrence of charging damage can be suppressed. In addition, by controlling the phase of the high frequency, the directivity and energy of ions incident on the substrate to be processed can be controlled, which improves the selectivity between the mask and the substrate to be processed, and enables high aspect ratio etching. Become.

また、プラズマの拡散を抑制できるため、真空容器内壁のスパッタ及び真空容器内壁への反応生成物の付着・剥離による異物の発生量を低減でき、半導体デバイス等の歩留りを向上することができる。さらには、真空容器内壁への付着物を低減できるため、装置のメンテナンス周期を長くでき、スループットを向上することができる。   In addition, since the diffusion of plasma can be suppressed, the amount of foreign matter generated due to sputtering of the inner wall of the vacuum vessel and the attachment / detachment of reaction products to the inner wall of the vacuum vessel can be reduced, and the yield of semiconductor devices and the like can be improved. Furthermore, since the deposits on the inner wall of the vacuum vessel can be reduced, the maintenance cycle of the apparatus can be lengthened and the throughput can be improved.

この種の技術に関連する文献としては、例えば、特許文献2、特許文献3などを挙げることができる。例えば、特許文献2には、真空チャンバ内に対峙して内設された上部電極と下部電極に同一周波数の高周波を位相制御しながら、独立して印加しながら制御することが示されている。また、特許文献3には、上部電極と下部電極に印加される高周波電圧に、プラズマ着火時における位相差のプリセット位置を設け、プラズマの安定を見計らって、所定の位相差に制御するものである。所定の位相差に制御するタイミングは、位相コントロール部に内設した切替えタイマにより制御している。
特開平9−321031号公報 特開平8−162292号公報 特開2004−30931号公報
Examples of documents related to this type of technology include Patent Document 2 and Patent Document 3. For example, Patent Document 2 discloses that control is performed while independently applying a high frequency of the same frequency to an upper electrode and a lower electrode that are provided opposite to each other in a vacuum chamber while controlling the phase. In Patent Document 3, a high-frequency voltage applied to an upper electrode and a lower electrode is provided with a preset position of a phase difference at the time of plasma ignition, and is controlled to a predetermined phase difference in view of plasma stability. . The timing for controlling to a predetermined phase difference is controlled by a switching timer provided in the phase control unit.
JP-A-9-321031 JP-A-8-162292 JP 2004-30931 A

上記特許文献2記載の技術によれば、上部電極および下部電極に供給する高周波に所定の位相差を設定して、該位相差を維持するようにフィードバック制御を行う。しかし、プラズマが不安定である着火時における制御方法には配慮がなされておらず、プラズマ着火の安定性に問題がある。また、プラズマ着火の状態から、所定の位相差へ制御する途中でプラズマが点滅するなどのハンチング状態に陥り易く、プラズマの安定性に問題がある。   According to the technique described in Patent Document 2, a predetermined phase difference is set in the high frequency supplied to the upper electrode and the lower electrode, and feedback control is performed so as to maintain the phase difference. However, no consideration is given to the control method at the time of ignition where the plasma is unstable, and there is a problem in the stability of the plasma ignition. In addition, there is a problem in the stability of the plasma because it tends to fall from a plasma ignition state to a hunting state in which the plasma blinks during control to a predetermined phase difference.

この例の場合は、プラズマの着火性及びプラズマの安定性に問題が発生した段階で装置を停止し、マッチングコントローラー等のチューニングを行うことが必要となるため、装置の生産性を低下させる原因となる。このような不安定な状態で処理されたウェハは、面内のプラズマ密度が不均一となるためプラズマダメージが入り易く、また加工形状が不安定となるため、半導体デバイスの歩留りを著しく低下させることになる。   In the case of this example, it is necessary to stop the device when a problem occurs in plasma ignitability and plasma stability, and to tune the matching controller, etc. Become. Wafers processed in such an unstable state are susceptible to plasma damage due to non-uniform plasma density in the surface, and the processing shape becomes unstable, which significantly reduces the yield of semiconductor devices. become.

また、特許文献3記載の技術によれば、高周波電力印加信号を受信したタイミングで、各整合器の出力電源波形(VPP)をフィードバックして、所定の位相差に制御をしている。しかし、高周波電力印加信号と電力設定信号との送信タイミングには配慮がなされていない。このため、出力電源波形(VPP)が検出されない状態から制御を開始することになるため、位相制御部の誤動作など、位相制御の安定性に問題がある。この技術においても上記と同様な製造上の問題が発生する。   Further, according to the technique described in Patent Document 3, the output power supply waveform (VPP) of each matching unit is fed back at a timing when a high frequency power application signal is received, and is controlled to a predetermined phase difference. However, no consideration is given to the transmission timing of the high-frequency power application signal and the power setting signal. For this reason, since control is started from a state where the output power supply waveform (VPP) is not detected, there is a problem in the stability of the phase control such as a malfunction of the phase control unit. This technique also causes the same manufacturing problems as described above.

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に適時に供給して、安定したプラズマ処理を行うことのできるプラズマ処理技術を提供するものである。   The present invention has been made in view of these problems, and provides a plasma processing technique capable of performing stable plasma processing by supplying a phase-controlled bias voltage to an antenna and a substrate of a plasma processing apparatus in a timely manner. To do.

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。   In order to solve the above problems, the present invention employs the following means.

真空処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、真空処理容器内に配置した上部アンテナ電極に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第1の高周波電源と、前記上部アンテナ電極にアンテナバイアス電圧を供給する第2の高周波電源と、真空処理容器内に被処理基板を載置して保持する基板電極と、該基板電極に前記第2の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第3の高周波電源と、第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を制御する位相差制御部を備え、該位相差制御部は、第2の高周波電源からの進行波の電力値及び第3の高周波電源からの進行波の電力値を検出する検出器、並びに第2の高周波電源の位相及び第3の高周波電源の位相を検出する検出器を備え、第2の高周波電源からの進行波の電力値と第3の高周波電源からの進行波の電力値がそれぞれ予め設定した設定値に達したことを検出したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従って第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を制御するとともに、該位相差制御部による前記制御の開始から所定時間経過後、第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ってフィードバック制御する。   A gas supply means for supplying a processing gas into the vacuum processing container, a first high-frequency power source for generating plasma by supplying high-frequency energy to the upper antenna electrode disposed in the vacuum processing container, and an antenna bias for the upper antenna electrode A second high-frequency power source for supplying a voltage; a substrate electrode for mounting and holding a substrate to be processed in a vacuum processing vessel; and a high-frequency substrate bias voltage having the same frequency as that of the second high-frequency power source is supplied to the substrate electrode And a phase difference control unit that controls a phase difference between the second high frequency power source and the third high frequency power source, and the phase difference control unit is configured to transmit a traveling wave from the second high frequency power source. A detector for detecting a power value and a power value of a traveling wave from the third high-frequency power source, and a detector for detecting a phase of the second high-frequency power source and a phase of the third high-frequency power source; from When it is detected that the power value of the traveling wave and the power value of the traveling wave from the third high-frequency power source have reached preset values, the second high-frequency power source and the second high-frequency power source according to the preset phase difference initial value signal The phase difference between the second high frequency power supply and the third high frequency power supply is controlled after a predetermined time has elapsed from the start of the control by the phase difference control unit while controlling the phase difference with the third high frequency power supply. Feedback control is performed according to the signal.

本発明は、以上の構成を備えるため、位相制御したバイアス電圧をプラズマ処理装置のアンテナおよび基板に適時に供給して、安定したプラズマ処理を行うことができる。   Since the present invention has the above-described configuration, stable plasma processing can be performed by supplying a phase-controlled bias voltage to the antenna and the substrate of the plasma processing apparatus in a timely manner.

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るプラズマ処理装置として、UHF(Ultra High Frequency)と磁界を利用してプラズマを形成するUHFプラズマエッチング装置を例に説明する。   Hereinafter, the best embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 illustrates an example of a UHF plasma etching apparatus that forms plasma using a UHF (Ultra High Frequency) and a magnetic field as a plasma processing apparatus according to the present embodiment.

真空容器101の上半部は、円筒状の上部処理容器104、アルミ、ニッケル等の導電体でなる平板状のアンテナ電極103、電磁波が透過可能な石英、サファイヤ等からなる誘電体窓102で構成される。この上半部は、Oリング等の真空シール材127を介して真空容器101の下半部の開口部上に気密に載置され、内部に処理室105を形成する。   The upper half of the vacuum vessel 101 is composed of a cylindrical upper processing vessel 104, a flat antenna electrode 103 made of a conductor such as aluminum or nickel, and a dielectric window 102 made of quartz, sapphire or the like that can transmit electromagnetic waves. Is done. This upper half part is airtightly placed on the opening part of the lower half part of the vacuum vessel 101 through a vacuum sealant 127 such as an O-ring, and forms a processing chamber 105 inside.

上部処理容器104の外周部には処理室を囲んで磁場発生用コイル114が設けてある。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いる。また、CF、C、C、C、CHF、CH等のフロンガス、あるいはAr、N等の不活性ガス、あるいはO、CO等の酸素含有ガスは、ガス供給装置107に内設した流量調整手段で流量を調整した後、ガス供給装置107を通して処理室105内に導入する。また、真空容器101には真空排気装置106が接続され、該真空排気装置106に内設した真空排気手段および調圧手段をにより処理室105内を所定圧力に保持する。 A magnetic field generating coil 114 is provided on the outer periphery of the upper processing vessel 104 so as to surround the processing chamber. The antenna electrode 103 has a porous structure for flowing an etching gas. In addition, Freon gas such as CF 4 , C 4 F 6 , C 4 F 8 , C 5 F 8 , CHF 3 and CH 2 F 2 , inert gas such as Ar and N 2 , or oxygen such as O 2 and CO The contained gas is introduced into the processing chamber 105 through the gas supply device 107 after the flow rate is adjusted by the flow rate adjusting means provided in the gas supply device 107. A vacuum exhaust device 106 is connected to the vacuum vessel 101, and the inside of the processing chamber 105 is held at a predetermined pressure by a vacuum exhaust means and a pressure adjusting means provided in the vacuum exhaust device 106.

アンテナ電極103の上部には同軸線路111が設けられ、同軸線路111、フィルター110、整合器109を介してプラズマ生成用の高周波電源(第1の高周波電源)108(例えば、周波数450MHz)が接続される。また、アンテナ電極103には同軸線路111、フィルタ121、整合器112を介してアンテナバイアス電源(第2の高周波電源)113(例えば、周波数800kHz)が接続される。ここで、フィルタ110は高周波電源108からの高周波電力を通過させ、アンテナバイアス電源113からのバイアス電力を効果的にカットする。また、フィルタ121はアンテナバイアス電源113からのバイアス電力を通過させ、高周波電源108からの高周波電力を効果的にカットする。   A coaxial line 111 is provided above the antenna electrode 103, and a high-frequency power source (first high-frequency power source) 108 (for example, a frequency of 450 MHz) for plasma generation is connected via the coaxial line 111, the filter 110, and the matching unit 109. The An antenna bias power source (second high frequency power source) 113 (for example, a frequency of 800 kHz) is connected to the antenna electrode 103 via a coaxial line 111, a filter 121, and a matching unit 112. Here, the filter 110 allows high-frequency power from the high-frequency power source 108 to pass and effectively cuts bias power from the antenna bias power source 113. The filter 121 allows the bias power from the antenna bias power supply 113 to pass therethrough and effectively cuts the high frequency power from the high frequency power supply 108.

真空容器101内の下部には被処理基板116を配置可能な基板電極115が設けられている。基板電極115にはフィルタ117、整合器118を介して基板バイアス電源(第3の高周波電源)119(例えば、周波数800kHz)が接続されている。また、基板電極115には、被処理基板116を静電吸着させるための静電チャック電極124に静電チャック電源123がフィルタ122を介して接続される。ここで、フィルタ117は基板バイアス電源119からのバイアス電力を通過させ、高周波電源108からの高周波電力を効果的にカットする。   A substrate electrode 115 on which a substrate to be processed 116 can be disposed is provided in the lower part of the vacuum vessel 101. A substrate bias power source (third high frequency power source) 119 (for example, a frequency of 800 kHz) is connected to the substrate electrode 115 via a filter 117 and a matching unit 118. An electrostatic chuck power source 123 is connected to the substrate electrode 115 via a filter 122 to an electrostatic chuck electrode 124 for electrostatically attracting the substrate 116 to be processed. Here, the filter 117 passes the bias power from the substrate bias power source 119 and effectively cuts the high frequency power from the high frequency power source 108.

なお、通常、第1の高周波電源からの高周波電力はプラズマ中で吸収されるため基板電極115側へ流れることはないが、安全のためフィルタ117を設けてある。また、フィルタ122は静電チャック電源123からのDC電力を通過させ、高周波電源108、アンテナバイアス電源113、基板バイアス電源119からの電力を効果的にカットする。   Normally, the high frequency power from the first high frequency power supply is absorbed in the plasma and does not flow to the substrate electrode 115 side, but a filter 117 is provided for safety. Further, the filter 122 allows the DC power from the electrostatic chuck power source 123 to pass therethrough and effectively cuts the power from the high frequency power source 108, the antenna bias power source 113, and the substrate bias power source 119.

アンテナバイアス電源113と基板バイアス電源119は位相コントロール部120に接続されており、アンテナバイアス電源113および基板バイアス電源119から出力する高周波の位相が制御可能となっている。なお、アンテナバイアス電源113と基板バイアス電源119の周波数は同一周波数である。   The antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 are connected to the phase control unit 120 so that the phase of the high frequency output from the antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 can be controlled. The antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 have the same frequency.

図2は、アンテナおよび基板に高周波電力を供給する高周波供給回路を説明する図である。なお、図において、図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。まず、図示しない制御部から高周波印加信号を制御マイコン144に送信する。制御マイコン144は、電力周波数発振部130、位相差制御部143及び切替えタイマー部145からなる位相コントロール部120に、進行波電力設定信号133a、位相差初期設定信号131、目標位相差設定信号132、進行波電力設定信号134bを送信する。位相コントロール部120は前記設定信号に従ってアンテナバイアス電源113および基板バイアス電源119に所定の位相差をもった高周波指令信号135a、136bを生成する。   FIG. 2 is a diagram illustrating a high-frequency supply circuit that supplies high-frequency power to the antenna and the substrate. In the figure, the same parts as those shown in FIG. First, a high frequency application signal is transmitted to the control microcomputer 144 from a control unit (not shown). The control microcomputer 144 includes a traveling wave power setting signal 133a, a phase difference initial setting signal 131, a target phase difference setting signal 132, a phase control unit 120 including a power frequency oscillation unit 130, a phase difference control unit 143, and a switching timer unit 145. A traveling wave power setting signal 134b is transmitted. The phase control unit 120 generates high-frequency command signals 135a and 136b having a predetermined phase difference between the antenna bias power source 113 and the substrate bias power source 119 according to the setting signal.

アンテナバイアス電源113及び基板バイアス電源119は、入力された高周波信号135a、高周波信号136bに従って、所定の位相に制御された高周波電力を発振し、整合器112および整合器118を経由して、真空容器内のアンテナ電極103および基板電極115に電力を印加する。これにより、形成されるプラズマの空間分布および被処理基板に入射するイオンエネルギーを制御することができる。   The antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 oscillate high-frequency power controlled to a predetermined phase in accordance with the input high-frequency signal 135a and high-frequency signal 136b, and pass through the matching unit 112 and the matching unit 118 to be a vacuum container. Electric power is applied to the antenna electrode 103 and the substrate electrode 115 inside. Thereby, the spatial distribution of the plasma to be formed and the ion energy incident on the substrate to be processed can be controlled.

図3は、図2に示す高周波電源供給回路を含むプラズマ処理装置の動作を説明する図である。以下、図1、2を参照しながらその動作を説明する。   FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the plasma processing apparatus including the high-frequency power supply circuit shown in FIG. The operation will be described below with reference to FIGS.

まず、ガス供給装置107を介して所定のプロセスガスを処理室105内に導入する。また、このとき、磁場発生用コイル114に所定のコイル電流(例えば、10A)を印加して磁場を発生する。さらに、制御マイコン144は位相差制御部143に、アンテナバイアス電源113用の進行波電力設定信号133a(例えば、100W)、及び基板バイアス電源119用の進行波電力設定信号134b(例えば、100W)を送信する(時点t1)。   First, a predetermined process gas is introduced into the processing chamber 105 through the gas supply device 107. At this time, a predetermined coil current (for example, 10 A) is applied to the magnetic field generating coil 114 to generate a magnetic field. Further, the control microcomputer 144 sends a traveling wave power setting signal 133a (for example, 100 W) for the antenna bias power supply 113 and a traveling wave power setting signal 134b (for example, 100 W) for the substrate bias power supply 119 to the phase difference control unit 143. Transmit (time t1).

次に、真空排気装置106に内設の真空排気手段および調圧手段により、処理室105内圧力を所定値(例えば2Pa)になるように調整する。所定の圧力になったことを検出(時点t2)した後、プラズマ生成用の高周波電源108から所定の電力(例えば、500W)を整合器109、フィルタ110、同軸線路111、同軸導波管125を介して、処理室105内に供給してプラズマを生成する。   Next, the internal pressure of the processing chamber 105 is adjusted to a predetermined value (for example, 2 Pa) by a vacuum exhaust unit and a pressure adjusting unit provided in the vacuum exhaust unit 106. After detecting that the pressure has reached a predetermined pressure (time t2), a predetermined power (for example, 500 W) is supplied from the high frequency power supply 108 for plasma generation to the matching unit 109, the filter 110, the coaxial line 111, and the coaxial waveguide 125. Then, it is supplied into the processing chamber 105 to generate plasma.

時点t2におけるプラズマ生成後(例えば、0.1秒後)、静電チャック電源123から所定の電圧(例えば、200V)をフィルタ122を介して静電チャック電極に印加する(時点t3)。   After plasma generation at time t2 (for example, after 0.1 second), a predetermined voltage (for example, 200 V) is applied from the electrostatic chuck power source 123 to the electrostatic chuck electrode via the filter 122 (time t3).

時点t2におけるプラズマ生成用の高周波電源108からの電力供給開始後、所定の電力が供給されるようになったとき(例えば0.5秒後)、アンテナバイアス電源113から所定の電力(例えば100W)を整合器112、フィルタ121、同軸線路111、同軸導波管125を介してアンテナ電極103に供給する(時点t4)。   When predetermined power is supplied after the start of power supply from the plasma generating high-frequency power source 108 at time t2 (for example, 0.5 seconds later), predetermined power (for example, 100 W) is supplied from the antenna bias power source 113. Is supplied to the antenna electrode 103 via the matching unit 112, the filter 121, the coaxial line 111, and the coaxial waveguide 125 (time t4).

次に、フォトマル基板等からなる着火検出手段でプラズマ126の着火を検出(時点t5)した後(例えば0.5秒後)、基板バイアス電源119から所定の電力(例えば、100W)を整合器118、フィルタ117を介して基板115に供給する(時点t6)。   Next, after detecting the ignition of the plasma 126 (time t5) (for example, after 0.5 seconds) by the ignition detection means comprising a photomultiplier substrate or the like, a predetermined power (for example, 100 W) is supplied from the substrate bias power source 119. 118 is supplied to the substrate 115 through the filter 117 (time t6).

次に、アンテナバイアス電源113からの進行波電力モニタ値141aと基板バイアス電源119からの進行波電力モニタ値142bをモニタする。位相差制御部143は、アンテナバイアス電源113からの進行波電力モニタ値141aおよび基板バイアス電源119からの進行波電力モニタ値142bのそれぞれが進行波電力設定信号133a、進行波電力設定信号134bで設定した値以上となったことを検出したとき(アンド条件が成立したとき)、制御マイコン144から受信した位相差初期設定信号131(例えば175°)が示す値を満足する値に設定した高周波指令信号135aおよび高周波指令信号136bを送信する(時点t7)。なお、アンテナバイアス電源113からの進行波電力および基板バイアス電源119からの進行波電力は、進行波電力設定信号に合致するように制御を継続する。   Next, the traveling wave power monitor value 141a from the antenna bias power supply 113 and the traveling wave power monitor value 142b from the substrate bias power supply 119 are monitored. The phase difference control unit 143 sets the traveling wave power monitor value 141a from the antenna bias power supply 113 and the traveling wave power monitor value 142b from the substrate bias power supply 119 as the traveling wave power setting signal 133a and the traveling wave power setting signal 134b, respectively. Is detected (when an AND condition is satisfied), a high-frequency command signal set to a value that satisfies the value indicated by the phase difference initial setting signal 131 (for example, 175 °) received from the control microcomputer 144 135a and the high-frequency command signal 136b are transmitted (time t7). The traveling wave power from the antenna bias power supply 113 and the traveling wave power from the substrate bias power supply 119 continue to be controlled so as to match the traveling wave power setting signal.

前記アンド条件が成立したとき(時点t7)から、切替えタイマ部145で設定された時間(例えば、2秒)が経過した時点(時点t8)において、位相制御部143は位相検出部137で検出されるアンテナバイアス電源の位相検出信号および位相検出部138で検出される基板バイアス電源の位相検出信号をフィードバック信号139aおよびフィードバック信号140bとして利用する。更に位相差制御部143は、制御マイコン144から目標位相差設定信号132(例えば180°)を受信し、受信した目標位相差設定信号に従って、アンテナバイアス電源の位相と基板バイアス電源の位相との位相差を前記目標位相差となるように設定した高周波指令信号135aおよび高周波指令信号136bをアンテナバイアス電源113および基板バイアス電源119に送信する(時点t8)。   The phase control unit 143 is detected by the phase detection unit 137 at the time (time t8) when the time (for example, 2 seconds) set by the switching timer unit 145 has elapsed since the AND condition is satisfied (time t7). The phase detection signal of the antenna bias power source and the phase detection signal of the substrate bias power source detected by the phase detection unit 138 are used as the feedback signal 139a and the feedback signal 140b. Further, the phase difference control unit 143 receives the target phase difference setting signal 132 (for example, 180 °) from the control microcomputer 144, and in accordance with the received target phase difference setting signal, the phase of the antenna bias power supply and the phase of the substrate bias power supply. The high-frequency command signal 135a and the high-frequency command signal 136b set so that the phase difference becomes the target phase difference are transmitted to the antenna bias power source 113 and the substrate bias power source 119 (time t8).

これにより、アンテナバイアス電源113の位相と進行波電力および基板バイアス電源119の位相と進行波電力はそれぞれ、所定の位相差と電力値を有するように自動制御される。   As a result, the phase and traveling wave power of the antenna bias power supply 113 and the phase and traveling wave power of the substrate bias power supply 119 are automatically controlled to have a predetermined phase difference and power value, respectively.

以上、説明したように、アンテナバイアス電源113および基板バイアス電源119から電力を印加する際には、所定の進行波電力設定信号を設定し、さらに放電着火時に好適な位相差である位相差初期設定信号(例えば175°)を設定した状態で高周波電力を供給することができる。また、アンテナバイアス電源113および基板バイアス電源119からの進行波電力がそれぞれ予め設定した設定電力値に達したことを検出したとき、即ち、アンド条件が成立したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従ってアンテナバイアス電源113と基板バイアス電源119との位相差の制御を開始する。更にこの制御の開始からタイマ部による所定時間経過後に、アンテナバイアス電源113と基板バイアス電源119との位相差を位相検出部137,138を介して検出し、この検出値が目標位相差設定信号に合致するようにフィードバック制御を開始する。   As described above, when power is applied from the antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119, a predetermined traveling wave power setting signal is set, and a phase difference initial setting that is a phase difference suitable for discharge ignition is set. High-frequency power can be supplied with a signal (for example, 175 °) set. Further, when it is detected that the traveling wave power from the antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 has reached a preset power value, that is, when the AND condition is satisfied, a preset phase difference initial setting value is set. Control of the phase difference between the antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 is started in accordance with the signal. Further, after a lapse of a predetermined time from the start of this control, the phase difference between the antenna bias power supply 113 and the substrate bias power supply 119 is detected via the phase detectors 137 and 138, and this detected value is used as the target phase difference setting signal. Start feedback control to match.

このように、アンテナバイアス電源113からの進行波電力モニタ値141aおよび基板バイアス電源119からの進行波電力モニタ値142bのそれぞれが進行波電力設定信号133a、進行波電力設定信号134bで設定した設定値以上となったことを検出したとき、すなわち、アンド条件が成立したときから、フィードバックによる位相制御を開始する。即ち、予め設定した設定値以上の進行波を検出してからフィードバック制御を開始するため、位相制御部の誤動作を防止することができる。なお、前記設定値は外部より設定可能である。   Thus, traveling wave power monitor value 141a from antenna bias power supply 113 and traveling wave power monitor value 142b from substrate bias power supply 119 are set values set by traveling wave power setting signal 133a and traveling wave power setting signal 134b, respectively. The phase control based on feedback is started when it is detected that the above condition is met, that is, when the AND condition is satisfied. That is, since feedback control is started after detecting a traveling wave that is equal to or greater than a preset value, malfunction of the phase control unit can be prevented. The set value can be set from the outside.

また、プラズマが不安定な着火時あるいはプラズマ着火時から目標位相差に制御する際の過渡期においてもプラズマの安定性を維持することができる。このように、プラズマを安定化することにより、エッチング処理途中でのチューニング作業を回避できるため、プラズマ処理装置の生産性を向上できる。また、プラズマの不安定に起因する加工形状不良やプラズマダメージによる半導体デバイス等の歩留りの低下を抑制することができる。   Further, the stability of the plasma can be maintained even when the plasma is unstablely ignited or during the transition period when the plasma is ignited and controlled to the target phase difference. In this way, by stabilizing the plasma, tuning work during the etching process can be avoided, so that the productivity of the plasma processing apparatus can be improved. In addition, it is possible to suppress a decrease in yield of a semiconductor device or the like due to a processing shape defect due to plasma instability or plasma damage.

また、安定した位相差を有する高周波電力を印加することにより、被処理基板に入射するイオンの指向性とエネルギが安定して制御され、マスクと被処理基板の選択比の変動が低減し、精密な高アスペクト比のエッチング加工が可能となる。また、プラズマ密度の面内分布に起因するチャージングダメージの発生を抑制できるため、半導体デバイス等の歩留りを向上することができる。   In addition, by applying high-frequency power having a stable phase difference, the directivity and energy of ions incident on the substrate to be processed are stably controlled, and the variation in the selection ratio between the mask and the substrate to be processed is reduced. Etching with a high aspect ratio is possible. In addition, since the occurrence of charging damage due to the in-plane distribution of plasma density can be suppressed, the yield of semiconductor devices and the like can be improved.

さらに、プラズマの拡散が抑制されるため、真空容器内壁のスパッタと付着物は低減され、異物に起因する半導体デバイス等の歩留りの低減を抑制することができる。また、真空容器内壁への付着物が低減するため、装置のメンテナンス周期が長くなり、装置の生産性を向上できる。   Furthermore, since plasma diffusion is suppressed, spatter and deposits on the inner wall of the vacuum vessel are reduced, and reduction in yield of semiconductor devices and the like due to foreign matters can be suppressed. Moreover, since the deposits on the inner wall of the vacuum vessel are reduced, the maintenance cycle of the apparatus becomes longer, and the productivity of the apparatus can be improved.

なお、本実施形態における目標位相差は180°としたが、使用するプロセスや要求される加工形状に応じて最適な位相差を選択し、被処理基板に入射されるイオンの指向性、イオンエネルギーを制御することが望ましい。   Although the target phase difference in this embodiment is 180 °, the optimum phase difference is selected according to the process to be used and the required processing shape, and the directivity and ion energy of ions incident on the substrate to be processed are selected. It is desirable to control.

本実施形態に係るプラズマ処理装置としてのUHFプラズマエッチング装置を説明する図である。It is a figure explaining the UHF plasma etching apparatus as a plasma processing apparatus which concerns on this embodiment. アンテナおよび基板に高周波電力を供給する高周波供給回路を説明する図である。It is a figure explaining the high frequency supply circuit which supplies high frequency electric power to an antenna and a board | substrate. 図2に示す高周波供給回路を含むプラズマ処理装置の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation | movement of the plasma processing apparatus containing the high frequency supply circuit shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

101 真空容器
102 誘電体窓
103 アンテナ電極
104 上部処理容器
105 処理室
106 真空排気装置
107 ガス供給装置
108 プラズマ生成用高周波電源(第1の高周波電源)
109 整合器
110 フィルタ
111 同軸線路
112 整合器
113 アンテナバイアス電源(第2の高周波電源)
114 磁場発生用コイル
115 基板電極
116 被処理基板
117 フィルタ
118 整合器
119 基板バイアス電源(第3の高周波電源)
120 位相コントロール部
121 フィルタ
122 フィルタ
123 静電チャック電源
124 静電チャック電極
125 同軸導波管
126 プラズマ
127 真空シール材
130 周波数発生部
144 マイコン
145 切り換えタイマ部
101 Vacuum container 102 Dielectric window 103 Antenna electrode 104 Upper processing container
105 Processing chamber 106 Vacuum exhaust device 107 Gas supply device 108 High frequency power source for plasma generation (first high frequency power source)
109 Matching device 110 Filter 111 Coaxial line
112 Matching device 113 Antenna bias power source (second high frequency power source)
114 Magnetic field generating coil
115 Substrate electrode 116 Substrate 117 Filter 118 Matching device
119 Substrate bias power supply (third high frequency power supply)
120 Phase control unit 121 Filter
122 Filter 123 Electrostatic chuck power supply 124 Electrostatic chuck electrode
125 Coaxial waveguide 126 Plasma 127 Vacuum seal material 130 Frequency generator
144 Microcomputer 145 Switching timer section

Claims (3)

真空処理容器内に処理ガスを供給するガス供給手段と、
真空処理容器内に配置した上部アンテナ電極に高周波エネルギを供給してプラズマを生成する第1の高周波電源と、
前記上部アンテナ電極にアンテナバイアス電圧を供給する第2の高周波電源と、
真空処理容器内に被処理基板を載置して保持する基板電極と、
該基板電極に前記第2の高周波電源と同一周波数の高周波基板バイアス電圧を供給する第3の高周波電源と、
第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を制御する位相差制御部を備え、
該位相差制御部は、第2の高周波電源からの進行波の電力値及び第3の高周波電源からの進行波の電力値を検出する検出器、並びに第2の高周波電源の位相及び第3の高周波電源の位相を検出する検出器を備え、
第2の高周波電源からの進行波の電力値と第3の高周波電源からの進行波の電力値がそれぞれ予め設定した設定値に達したことを検出したとき、予め設定した位相差初期設定値信号に従って第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を制御するとともに、
該位相差制御部による前記制御の開始から所定時間経過後、第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ってフィードバック制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
A gas supply means for supplying a processing gas into the vacuum processing container;
A first high-frequency power supply for generating plasma by supplying high-frequency energy to an upper antenna electrode disposed in a vacuum processing container;
A second high frequency power source for supplying an antenna bias voltage to the upper antenna electrode;
A substrate electrode for mounting and holding a substrate to be processed in a vacuum processing container;
A third high frequency power source for supplying a high frequency substrate bias voltage having the same frequency as that of the second high frequency power source to the substrate electrode;
A phase difference control unit for controlling a phase difference between the second high frequency power source and the third high frequency power source;
The phase difference control unit detects a traveling wave power value from the second high frequency power source and a traveling wave power value from the third high frequency power source, and a phase and third phase of the second high frequency power source. Equipped with a detector to detect the phase of the high frequency power supply,
When it is detected that the power value of the traveling wave from the second high-frequency power source and the power value of the traveling wave from the third high-frequency power source have reached preset values, a preset phase difference initial setting value signal And controlling the phase difference between the second high frequency power source and the third high frequency power source according to
A plasma processing apparatus, wherein after a predetermined time has elapsed from the start of the control by the phase difference control unit, the phase difference between the second high frequency power supply and the third high frequency power supply is feedback controlled according to a target phase difference setting signal.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
位相差制御部は、前記制御の開始から所定時間経過後第2の高周波電源と第3の高周波電源との位相差を目標位相差設定信号に従ったフィードバック制御に切り換える切換タイマを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
The phase difference control unit includes a switching timer for switching the phase difference between the second high frequency power source and the third high frequency power source to feedback control according to the target phase difference setting signal after a predetermined time has elapsed from the start of the control. A plasma processing apparatus.
請求項1記載のプラズマ処理装置において、
進行波の電力値の前記設定値は外部より設定可能であることを特徴とするプラズマ処理装置。
The plasma processing apparatus according to claim 1,
The plasma processing apparatus, wherein the set value of the traveling wave power value can be set from outside.
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