JP2005183756A - プラズマ処理装置およびその管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体処理において、同一の半導体製造装置を用いて多品種のプロセス処理を施した場合、品種毎に成膜の膜厚またはエッチング量の違いにより発生する生成物の堆積量は異なるため、反応室内部に付着した反応生成物に起因して、プロセス特性が変化していても、次の工程での検査までは確認できず、その間のロスはかなり大きいものになる。
【解決手段】プロセス処理中に所望の圧力に制御を行う圧力制御用バルブ５の開度と、高周波電力を印加時に発生するバイアス電圧とを設備モニタリングシステムにより常時モニタリングを実施し、どちらか一方または両方のデータが予め設定された値より外れたかを比較し、設備メンテナンス内容を判定してメンテナンス指示を外部に発信する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置における反応室内部の圧力を設定圧力に制御する圧力制御バルブの開度と高周波電力印加時に発生するバイアス電圧の経時変化を検出することにより、半導体製造装置の反応室内部の状態を判断し、プロセス処理時のロット間でのレート安定化および反応室の適正なメンテナンス時期を提供するための半導体製造装置、特にプラズマ処理装置およびその管理方法に関するものである。

一般的に、半導体デバイスを製造するプラズマ処理装置として、反応室にガスの導入系と排気系を備え、プロセスガスを用い、かつ高周波電力を用いて反応室にプラズマを発生させ、基板上に薄膜を形成するプラズマＣＶＤ装置や、目的の形状にエッチング加工を行うドライエッチング装置等が知られている。

これらのプラズマ処理装置の代表的な構成例を図６に示す。基板上に成膜やエッチング処理を行うための反応室１と、反応室１にプロセスガス２を含む複数のガスの混合もしくは単独で導入するためのガス導入部３と、反応室１内部に導入されたプロセスガス２を排気するポンプ４を含む排気部と、反応室１と排気部との間に構成され、反応室１からのプロセスガス２の排気速度を制御して反応室１内を所定の圧力値にするための圧力制御バルブ５を備え、反応室１に設置されている真空計６の検出信号により圧力制御コントローラ１１から圧力制御バルブ５の開度を制御し、反応室１の圧力を制御している。圧力制御した後、高周波電源７が設置されている半導体製造装置においては、上部電極および下部電極８に高周波電力が印加されることで反応室１内にプラズマを発生させ、それを用いて下部電極８上に設置されている基板９のプロセス処理をする。このときの下部電極８に高周波電力印加時に反応室内部に発生するバイアス電圧を検出するバイアス電圧検出器１０が備えられており、反応室内部のプラズマの状態をバイアス電圧によりモニタしている。

上記に示したようなプラズマ処理装置は、成膜処理中に反応室１内部で発生した生成物や、エッチング処理中に発生したエッチング生成物が、反応室１内部に堆積する。この堆積物は、チャンバー内のパーティクルを発生させるだけでなく、反応室１の容量を変化させ、また、反応室内部に付着した堆積物からのアウトガス等により、プロセスガス分圧を変化させてしまい、ひいてはプロセスの処理特性をも変化させてしまう。そのために、定期的に処理量や稼働時間に応じて反応室１内に堆積した生成物を除去する必要がある。従来、プロセス処理を行った基板の処理枚数や、処理時間が所定値に達した時点でメンテナンスを実施していた。

しかしながら、現在の半導体処理のように、多品種を同一の半導体製造装置を用いてプロセス処理が施される場合には、品種毎に成膜の膜厚およびエッチング量の違いにより発生する生成物の堆積量は異なるため、従来の管理方法ではプロセス処理特性が変化していても、次の工程での検査までは確認できず、その間にもその半導体製造装置では、ロット処理され続けているため、その間のロスはかなり大きいものになる。

半導体製造装置の排気側に堆積した生成物による排気速度の低下を圧力制御バルブの開度を常にモニタし、半導体製造装置の状況を判断する方法が従来知られている（例えば、特許文献１）。
特開平１１−１９３４６４号公報

上記プラズマ処理装置およびその管理方法では、プラズマ処理装置の反応室１に導入されるプロセスガスを排気する際に、反応室１内が所望の圧力になるように圧力制御バルブ５で圧力制御を実施する。圧力制御実施時のバルブ開度をあらかじめ定めたバルブ開度になったときに、堆積された生成物により排気側の排気能力が低下したと判断し、メンテナンスを実施することで解決していた。

しかしながら、この半導体製造装置の管理方法では、排気系のメンテナンス周期を最適化するためのものであり、エッチングレート、成膜レート等のプロセス特性の変化を抑制するには不十分である。なぜなら、排気よりも反応室側に堆積する生成物からのアウトガス等によるプロセスガスの分圧比の変化が大きくプロセス特性に効くものであり、圧力制御バルブ５の開度の変化だけでは、メンテナンス時期を判断するにはデータとしては不十分である。また、圧力制御バルブ５の開度の変化は、反応室の圧力をモニタリングしている真空計の圧力表示のシフトにも敏感に反応するために、一概に反応室内に堆積する生成物からのアウトガス等だけを見ているものではないため、この圧力制御バルブの開度を管理するだけではプロセス特性の変化を検知するには感度が低い。

本発明は上記課題を解決するために、ガス導入系よりプロセスガスを反応室内に導入し、反応室内で成膜もしくはエッチング処理を行うプラズマ処理装置において、成膜、エッチング等のプロセス処理中に所望の圧力制御を行う圧力制御バルブの開度と、高周波電力を印加時に発生するバイアス電圧とを設備モニタリングシステムにて常時モニタリング（監視）を実施し、反応室内のプラズマの状態を確認する。どちらか一方または両方のデータがあらかじめ設定された値より外れた場合、アラームを外部に発信する。それにより、反応室内部に堆積した生成物によるプラズマインピーダンスの変化か、また堆積した生成物からのアウトガスによるプロセスガスの分圧比の変動か、プロセス圧力の設定圧力に対する実効圧力の変動かを、早期に判断し適切な処置を施すことで、成膜レート、エッチングレート等のプロセス特性の変動が抑制できるプラズマ処理装置およびその管理方法を提供することにある。これにより、成膜及びエッチング処理時のプロセス特性の安定化、ひいては、半導体製品のデバイス特性の安定を図ることが可能となる。

上記に記載したように本発明によれば、プラズマ処理装置のプロセス特性のばらつきが、設備モニタリングシステムを用いて、プラズマ処理装置の圧力制御バルブ開度とバイアス電圧を常時監視することで、プロセス処理時に発生する反応生成物が反応室に付着することで、チャンバー容量値が変化したことによるプラズマインピーダンスの変化要因か、付着した反応生成物からのアウトガス発生による反応室の実効圧力の変化によるものの要因かを素早く判断することができ、早期に半導体製造装置にメンテナンス時期を知らせる処置をすることが可能となり、プロセス特性の安定を図ることが可能となる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置であり、ガス導入系およびガス排気系を含む構成を示している。図１において、被処理基板である半導体基板９を下部電極８上に設置し、その半導体基板９上に成膜、エッチングやアッシングを行うための反応室１と、反応室１内にプロセスガス２を含む複数のガスの混合もしくは単独で導入するためのガス導入部３と、反応室１内部に導入されたプロセスガス２を排気するポンプ４を含む排気系と、反応室１と排気系の間に設置され、反応室１からのプロセスガス２の排気速度を制御して反応室１内を所定の圧力値にするための圧力制御バルブ５と、反応室１の圧力をモニタする真空計６と、その真空計６から検出された圧力信号を圧力制御コントローラ１１に出力し、その真空計６が検出したモニタ圧力信号に基づき、圧力制御バルブ５の開度をコントロールする圧力制御コントローラ１１と、圧力制御コントローラ１１に反応室１の任意の圧力設定を指令する設備制御用コンピュータ１２とが通信系で接続されており、その通信を介して、設備制御用コンピュータ１２のモニタ上に反応室１の圧力、圧力制御バルブ５の開度を表示することができる。

また、下部電極８に高周波電力を印加し、下部電極８と高周波発振器７の間に設置されているバイアス電圧検出器１０により、高周波電力印加時に発生するバイアス電圧を検出し、設備制御用コンピュータ１２にその検出値を出力し、設備制御用コンピュータ１２のモニタ上に表示する。その設備制御用コンピュータ１２に設備モニタリングシステム１３を接続する。設備モニタリングシステム１３は、圧力制御バルブ５の開度とバイアス電圧のデータを収得し、処理するデータ処理部１４と、そのデータを判定する判定部１５と、データを保存しておくデータ保存部１６とから構成される。データ処理部１４で収得した圧力制御バルブ５の開度とバイアス電圧のデータを、判定部１５では、今までの圧力制御バルブ５の開度とバイアス電圧のデータと比較し、この比較結果により、判定部１５でＮＧと判断した場合、アラーム発信を行うアラーム発信部１７から、その結果を各設備の作業員１８等に報告することができ、早期に対応を指示することが可能となる。また、半導体製造装置１９に対しても、ＳＥＭＩ準拠の通信方法を活用し、半導体製造装置１９に対し異常と判定した場合、アラームを送信することで、半導体製造装置１９の処理を停止することが可能となり、プロセス特性の変化に起因する半導体製品のデバイス特性の劣化を早期に防ぐことが容易に可能となる。

ここで、プロセス特性の変化、特に、エッチングレート特性の変動について説明する。
エッチングレートのトレンドデータを図２に示す。縦軸がエッチングレートで、横軸は日付である。エッチングレートは、ここで狙い値を６５０ｎｍ／ｍｉｎとすると、一定値を示さず、上限値と下限値の間でばらついていることがわかる。通常、エッチングレートのバラツキ要因は、エッチング装置の内部の汚れ、特にエッチング時に発生し、反応室１内部に付着する反応生成物が、汚れの主要因である。それにより、反応室１の容量の変化および反応生成物からのアウトガスによる設定圧力のシフトが起こると考えられる。また、真空計６の圧力表示のシフトにより、処理時の実効圧力がシフトすることも要因として考えられる。しかしながら、この現象の切り分けは現状の管理においては、できておらず、原因の究明に時間が掛かっていた。これらの原因解明のために、設備モニタリングシステム１３を接続し、半導体製造装置の各種パラメータ、ここでは、高周波進行波、反射波電力、高周波整合器、圧力、ガス流量、温度、圧力制御バルブ開度、バイアス電圧、温度のデータ等を収集し、プラズマ処理装置の変動を調査した。

プラズマ処理装置の圧力制御バルブ５の開度のトレンドと、バイアス電圧のトレンドを図３に示す。通常、図３のケース１のように、圧力制御バルブ開度のトレンドは、大きな変動も見られずに推移することがこのグラフから確認できる。横軸は日付である。この時、バイアス電圧のトレンドにおいては、若干の変動が見られ、メンテナンス直後、バイアス電圧は低く、その後処理を重ねる毎に、バイアス電圧が上昇し、ある程度累積処理枚数を重ねることでバイアス電圧は安定していくことが判る。このことから、反応室内部に付着した反応生成物により、反応室内の容量値が変化してしまい、結果、高周波電力印加時に発生するプラズマのプラズマインピーダンスが変化していることが容易に判断できる。

図３のケース２においては、圧力制御バルブ開度のトレンドは、特にメンテナンス間に大きな変動が認められる。この時に、バイアス電圧のトレンドは圧力制御バルブ開度のトレンドと同期して変化していることが判る。圧力制御バルブ５の開度値が大きく変化していることは、エッチング時に発生する反応生成物が、反応室内部に付着し、その付着した反応生成物よりアウトガスが発生することで、プロセスガスの総流量が増加することによる。そのため、圧力制御バルブ５が、反応室１を設定圧力に制御するために、通常の圧力制御バルブ開度より開く方向にシフトしていることが判る。この時、バイアス電圧のトレンドにおいても、変動が見られ、メンテナンス直後、バイアス電圧は低く、その後処理を重ねる毎に、バイアス電圧が上昇していることがわかる。

また、エッチング時に発生する反応生成物は、反応室１のみならず、隔膜式の真空計６を使用している場合、真空計６の隔膜にも反応生成物が付着し、表示圧力のシフトを引き起こすこともある。

上記に示すように、圧力制御バルブ開度と、バイアス電圧を常時モニタリングし、トレンドを常に確認することで、図３のケース１のように、バイアス電圧のみに変動が見られた場合、反応室１に付着した反応生成物により、反応室１内部の容量値が変化したために、プラズマのプラズマインピーダンスの変化したものか、また、図３のケース２のように圧力制御バルブ開度とバイアス電圧の双方ともに変動が見られた場合、反応室１内部に付着した反応生成物からのアウトガス等により、反応室１内部の実効圧力が変動したものかという判断ができ、半導体製造装置へ適切な処置（メンテナンス等）を施すことができる。

（実施の形態２）
上記図３のケース２のように、圧力制御バルブ開度と、バイアス電圧の双方が同時に変動している場合の要因として、前述したように、隔膜式の真空計６の隔膜にプロセス処理時に発生する反応生成物が付着するために、真空計６の圧力表示がシフトを起こすことがある。従来では、この真空計６の圧力表示のシフト量を測定するのは、プラズマ処理装置の処理を停止し、反応室１を全力で排気した状態の真空計６の表示電圧で判断する方法しかなく、常時真空計６の圧力表示のシフトを監視することは不可能であった。

本実施の形態では、圧力制御バルブ５の開度と、真空計６の圧力表示のシフトの関係に着目して調査した。まず、反応室１の設定圧力をＰsetとして、真空計６の圧力表示のシフト量をＰshiftとしたときの反応室１内の実効圧力Ｐactualは次式（１）で表せる。

Ｐset−Ｐshift＝Ｐactual （１）
図２に示したエッチングレートのデータを、式（１）を用いて変換し、実効圧力とエッチングレートの相関グラフを図４に示す。図４に示すように、実効圧力Ｐactualが低下すれば、エッチングレートも低下していることが判る。これは、実効圧力Ｐactualが低下することで、高周波電力印加時のプラズマのラジカル量が減るために、エッチングレートが低下することを示す。真空計６の圧力表示のシフト量と、圧力制御バルブ開度の関係を図５に示す。真空計６の圧力表示のシフト量が増大すると、それに伴い、圧力制御バルブ開度が開く方向に変動することが判る。図５の結果を用いることにより、圧力制御バルブ開度を常時監視することで、真空計６の圧力表示のシフト量を素早く判断することが可能となる。また、真空計６の圧力シフト量に規格を設定することで、例えば、ここでは、真空計６の圧力表示のシフト量の規格を１ｍＴｏｒｒ以下と設定した場合、図５の結果より、圧力制御バルブ開度は３００以下でなければならず、圧力制御バルブ開度が３００を超えた場合、真空計６の圧力表示のシフトを修正する必要がある。それにより、エッチングレートが安定し、プロセス特性の安定、ひいては半導体製品のデバイス特性を安定化することが可能となる。

反応室でプロセスガスを用いて成膜やエッチングを行なうような製造装置では、プロセス処理時に発生する反応生成物が反応室に付着することに起因するプロセス特性の変動を管理する事が可能となり、半導体製造装置に限らず、各種電子部品の製造装置で利用可能なものである。

本発明のプラズマ処理装置の構成図 エッチングレート特性図 圧力制御バルブ開度とバイアス電圧の特性図 実効圧力とエッチングレート特性の相関図 真空計の圧力表示のシフト量と、圧力制御バルブ開度の相関図 従来のプラズマ処理装置の構成図

符号の説明

１ 反応室
３ ガス導入部
４ ポンプ
５ 圧力制御バルブ
６ 真空計
７ 高周波発振器
８ 下部電極
１０ バイアス電圧検出器
１１ 圧力制御コントローラ
１２ 設備制御用コンピュータ
１３ 設備モニタリングシステム
１４ データ処理部
１５ 判定部
１６ データ保存部
１７ アラーム発信部

Claims (6)

1. 被処理基板にプラズマ処理を施す反応室と、前記反応室にプロセスガスを導入するガス導入部と、前記反応室内の電極に高周波電力を印加する電源手段と、前記電源手段から前記電極に印加されるバイアス電圧を検出するバイアス電圧検出手段と、前記反応室内の圧力を測定する真空計と、前記反応室から排気するポンプと、前記ポンプによる排気で前記反応室内が所望の圧力になるように圧力制御を行う圧力制御バルブと、前記真空計から検出された圧力信号により、前記圧力制御バルブの開度を制御する圧力制御コントローラと、前記バイアス電圧検出手段により検出されたバイアス電圧と前記圧力制御バルブの開度のそれぞれを予め設定された値と比較する設備制御手段とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 設備制御手段は、バイアス電圧と圧力制御バルブの開度のいずれか一方かまたは両方が設定された値以上かどうかにより、設備メンテナンス内容を判定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。
3. 設備制御手段は、バイアス電圧と圧力制御バルブの開度の検出結果を一時記憶する記憶部と、前記記憶手段に記憶された検出結果と予め設定された値と比較し、設備メンテナンス内容を判定する判定部と、前記判定部で前記検出結果が前記予め設定された値以上と判定した場合、設備メンテナンスを指示する発信部を備えたことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
4. 反応室内で被処理基板に成膜もしくはエッチングを行うことを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ処理装置。
5. ガス導入系によりプロセスガスを反応室内に導入し、前記反応室内で成膜もしくはエッチングを行うプラズマ処理装置において、前記反応室内に導入された前記プロセスガスを排気する際に、前記反応室内が所望の圧力になるように圧力制御を行う圧力制御バルブの開度を検出する工程と、電源手段により電極に高周波電力を印加し、前記電源手段から前記電極に印加されるバイアス電圧を検出する工程と、前記開度と前記バイアス電圧のそれぞれを予め設定された値と比較する工程と、前記バイアス電圧のみ設定された値以上になった場合は、反応生成物によりプラズマインピーダンスが変化したと判定し、前記開度と前記バイアス電圧の両方が設定された値以上になった場合は、前記反応生成物からのアウトガスによる前記反応室の圧力変動と判定する工程とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置の管理方法。
6. 前記開度と前記バイアス電圧の両方が設定された値以上になった場合、前記反応室内の圧力を測定する真空計の圧力のシフト量を修正する工程を備えたことを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装置の管理方法。

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