JP2006049497A

JP2006049497A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法

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Publication number: JP2006049497A
Application number: JP2004226959A
Authority: JP
Inventors: Akitaka Makino; 昭孝牧野; Koichi Mishima; 浩一三嶋; Takuji Kaneko; 卓司金子; Toyoji Okumoto; 豊治奥本
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-08-03
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-03
Also published as: US20060027324A1; US20090001052A1; JP4522783B2

Abstract

【課題】試料の表面の広い範囲にわたり高精度に微細な加工を実現できるプラズマ処理装置を提供する
【解決手段】処理室１０１内に設けた試料台１０２およびシャワープレート１０９の中央部と周縁部とにそれぞれ異なる量のガスおよび冷媒を供給するようにしたするプラズマ処理装置１００において、処理室１０１内のプラズマ発光を受光する受光部１２５および発光分析器１２４と、処理室下部内のガスの質量を分析する質量分析器１２９と、制御部１３０とを備え、発光分析と質量分析の双方のデータを用いて、処理室内へ供給するガスの流量を制御する流量制御装置１２０，１２１と、試料台１０２へ供給する冷媒の流量を制御する冷媒流量調節器１３１とを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、容器内に形成したプラズマを用いてこの容器内に配置された試料を処理するプラズマ処理装置またはその処理方法に係り、特に、試料上の表面に形成された膜を微細に加工するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。

このようなプラズマ処理装置においては、より高い集積度の半導体装置を実現するため、より微細に加工することが求められてきた。すなわち、試料表面の膜をエッチング処理等して削りゲートを形成するような場合では、その削る幅、ゲートの幅或いは削る溝の深さをより小さくすることが求められ、このためこれらを高い精度で形成する技術が必要とされてきた。

このような微小加工あるいは高精度な加工を実現するためには、試料表面でのプラズマと試料との相互反応を高精度に調節することが必要であり、プラズマ自身の調節や、試料台側の作動の調節をすることが従来から行われていた。

このような技術としては、例えば、プラズマを形成するために導入される反応性ガスの分布や容器内に導入される電磁波の強度分布を調節すること、あるいは試料を載置する試料台や試料表面の温度分布を調節して試料の表面でのプラズマ内の物質との相互反応を調節することが知られている。

このような従来の技術としては、真空容器であるプロセスチャンバ内のウエハ載置台とその上方の対向電極とを備えウエハ載置台に供給される電磁波によってプロセスチャンバ内に導入されるガスをプラズマ化して処理を行う処理装置であって、このプロセスチャンバに取り付けられてプラズマの発光を検出する発光分光検出器を備え、その結果から処理の終点を検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献には、特に、プロセスチャンバ内のガスの所定の成分の質量スペクトルの変化を、質量分析器を用いて検出して、この上記発光分光検出器の結果とに基づいて、より高精度に処理の終点を判定しようとするものが開示されている。
特開２００１−２５０８１２号公報

しかしながら、上記の従来技術では、今後さらに微細な加工が必要とされた場合に、十分な精度で処理を調節するには不十分であった。

すなわち、この従来技術は、特定の箇所での活性種の発光スペクトルの変化から得られたこれら特定の箇所での処理の終点の情報と、チャンバ内の全体的なガスの質量スペクトルの変化から得られる処理の終点の情報とを相互補間的に利用して終点の判定の精度を高めるものである。つまり、上記従来技術は、複数の特定箇所の終点、あるいは全体の代表値としての終点の情報を検出するもので、ウエハの広範囲にわたるプラズマとウエハ表面との相互作用、反応の分布基づいて処理を調節することについては考慮されていなかった。

また、発光スペクトルは、発光を伴う特定の物質に関する情報は得られるが、それ以外の物質の情報については得られない。一方で、質量分析器では発光を伴わないものも含む多くの種類の物質についての情報は得られるが、チャンバ内の特定箇所の情報は得られない。このため、大径のウエハについて表面の処理をより高精度に実現するには限界があった。

さらに、供給される処理用ガスを構成する複数種類のガスの処理ガス内での分圧と、反応が進む処理室内における前記複数種類のガスの分圧とは異なっている。このため、試料表面での処理をより精密に調節する上では、実際の処理中の処理室内または試料表面の状態をより正確に検出し、この結果に基づいて装置の各動作部の動作を調節することが求められるが、上記従来の技術ではこの点について考慮されていなかった。

本願発明の目的は、半導体ウエハ等の試料の表面の広い範囲にわたり高精度に微細な加工を実現できるプラズマ処理装置あるいはプラズマ処理方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上に処理対象となる試料が載置される試料台と、前記試料台上方から前記処理室内に処理ガスを供給する供給孔とを有し、前記処理ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記プラズマの発光を受けて前記プラズマ中の成分を検出する発光分析器と、前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出する質量分析器と、前記発光分析器からの出力と前記質量分析器からの出力とに基づいて前記プラズマ処理装置の運転を調節する制御装置とを備えた。

また、本発明は、プラズマ処理装置であって、前記制御装置が前記処理室への前記処理ガスの供給、前記試料台内に供給される冷媒の温度、前記試料と前記試料台との間に供給される熱伝達用ガスの圧力、前記試料台に備えられた電極に供給される電力のうち少なくとも１つを調節するようにした。

本発明は、減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上に処理対象となる試料が載置される試料台と、この試料台上方に配置されたプレート上の前記処理室の中央側と外周側とに設けられ前記処理室内に各々異なる処理ガスを供給する２つの供給孔とを有し、前記処理ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記プラズマの発光を受けて前記プラズマ中の成分を検出する発光分析器と、前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出する質量分析器と、前記発光分析器からの出力と前記質量分析器からの出力とに基づいて前記２つの供給孔からの処理ガスの供給を調節する制御装置とを備えた。

上記課題を解決するために、本発明は、減圧される処理室の内側に配置された試料台上に処理対象の試料を載置して、前記処理室内に処理ガスを供給しこの処理室内にプラズマを形成し前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記プラズマの発光を受けてこのプラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出した結果とに基づいて前記試料の処理を調節するようにした。

本発明は、上記プラズマ処理方法であって、前記プラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガス中の成分の質量を検出した結果とから前記試料表面での前記プラズマ中の成分の分布を検出して、この結果に基づいて前記試料の処理を調節するようにした。

本発明は、上記プラズマ処理方法であって、前記試料の調節は前記処理室に供給される処理ガスの供給、前記試料台に供給される冷媒の温度、前記試料と前記試料台との間に供給される熱伝達用ガスの圧力、前記試料台に備えられた電極に供給される電力のうち少なくとも１つを調節して行われるようにした。

上記課題を解決するために、本発明は、減圧された処理室の内側に配置された試料台上に処理対象の試料を載置して、前記処理室内に前記試料台の上方の中央側および外周側から各々異なる処理ガスを供給しこの処理室内にプラズマを形成し前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記プラズマの発光を受けてこのプラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出した結果とから前記試料表面での前記プラズマ中の成分の分布を検出して、この結果に基づいて前記異なる処理ガスの前記処理室への供給を調節して前記試料を処理するようにした。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。図２は、図１に示すプラズマ処理装置の試料台周囲の構成の概略を拡大して示す縦断面図である。図３は、図１に示す実施の形態に係るプラズマ処理装置の動作の概略を示すブロック図である。図４は、図１に示すプラズマ処理装置の動作の流れを示すフローチャートである。

図１において、プラズマ処理装置１００は、その内側に処理室１０１を有する真空容器を備えて、この処理室１０１内にプラズマを形成して処理室１０１下方に配置された試料台１０２上に載置される試料を処理するものである。その構成は、大きく分けて上部容器とその周囲に配置された放電部、及び上部容器と接続される下部容器とその下方に接続され処理室内を排気減圧する排気装置を有している。

この図に示すように、プラズマ処理装置１００の真空容器の上部の上部容器は、真空容器の蓋を構成する蓋部材１０３と、この蓋部材１０３の内側に配置されたアンテナ部材と、このアンテナ部材の側方と上方とに配置され放電室部を囲んで配置された磁場発生部１０４と、このアンテナ部材の下方に配置された天井部材とを含んで構成されている。また、磁場発生部１０４上方にはアンテナ部材が放出するＵＨＦ帯やＶＨＦ帯の電波を供給する電波源部１０５が配置されている。アンテナ部材はＳＵＳ等の導電性部材で構成された蓋部材１０３の内側に配置された平板形状のアンテナ１０６と、このアンテナ１０６と蓋部材１０３との間に配置されてこれらの間を絶縁するとともにアンテナ１０６から放出される電波を下方の天井部材側に伝導するために配置されたリング形状を備えた少なくとも１つの誘電体１０７を有している。

さらに、天井部材は、アンテナ１０６から伝達されてきた電波を下方の処理室１０１内側に伝導するため石英等の誘電体で構成された（石英）プレート１０８と、この石英プレートの下方に配置されて供給された処理用のプロセスガスを処理室の内側に分散して導入するための複数の孔が形成されたシャワープレート１０９を有している。

さらに、図１に示すプラズマ処理装置の真空容器は、搬送室１６０に接続されておりこれらの間に配置された開閉する大気ゲートバルブ１１４によりその間が連通あるいは遮断される。この大気ゲートバルブ１１４が開放された状態で搬送室１６０内部の空間と真空容器の内側の処理室１０１とが連通し両者の圧力は略等しくなる。大気ゲートバルブ１１４の開放時に試料であるウエハが搬送室１６０内部から処理室部内に配置された試料台１０２上に搬送されて載置される。

本実施例では、試料が試料台１０２上に試料が載置されたことを検知して確認後大気ゲートバルブ１１４を閉塞し処理室１０１内部と搬送室１６０内部とを遮断し、処理室１０１内を密封して処理を開始する。真空容器を搬送室１６０から取外し、或いは整備する作業を行う場合、大気ゲートバルブ１１４は閉塞状態とし、処理室１０１内を大気圧まで昇圧後この真空容器を形成する外側容器１１１，１１２内を開放して大気に暴露する。

シャワープレート１０９の下方であって試料台１０２の上方に形成された空間は、供給されたプロセスガスに石英プレート１０８を通って導入された電波と磁場発生部から供給された磁場との相互作用によりプラズマが形成される放電室１５０となっている。さらに、石英プレート１０８とシャワープレート１０９との間は微小な隙間を空けて空間が形成されており、この空間に放電室１５０に供給されるべきプロセスガスが先ず供給され、シャワープレート１０９を貫通してこの空間と放電室１５０とを連通してプロセスガスが通流する上記孔を通って放電室１５０に流入する。

つまり、上記空間はプロセスガスが複数の孔から分散して放電室１５０に流入するよう設けられたバッファ室１１５となっている。バッファ室１１５は試料台１０２あるいは処理室１０１の中央部側と外周部側との複数の部屋に分割されており、プロセスガスは、２系統のプロセスガスライン１１６，１１７及びこれら上に配置されたプロセスガス遮断バルブ１１８，１１９を介してガス等流体の処理室１０１内への供給を調節する流量調節器１２０，１２１から供給される。

本実施例では、これらのプロセスガスライン１１６，１１７から処理室に供給されるガスは各々異なるガス源から供給される異なる種類のガスで構成されており、各々外周側のバッファ室１１５、中央部側のバッファ室１１５から処理室１０１内へ供給される
。すなわち、本実施例では複数の異なる種類のガス各々が異なる箇所から処理室１０１内へ供給され、それぞれ独立した供給路を有する構成である。この他、各々の箇所から供給される各系統のガスが複数種類の異なる組合せで構成された混合ガスでも良く、また、同一種類のガスで異なる組成値となる混合ガスであっても良い。

このようにして、複数の孔からプロセスガスを分散して放電室１５０に導入するとともに、これらの孔は試料台１０２上に試料が載置される位置に対向した位置を主にして配置されており、ガスをより均一となるように分散できるバッファ室１１５の働きとともに、プラズマの密度を均一にすることを図っている。また、蓋部材１０３の下方で石英プレート１０８及びシャワープレート１０９の外周側下部のリング状部材の内部にはバッファ室１１５にプロセスガスが通流するガスライン１１６，１１７と連通したガス通路が設けられている。

さらに、シャワープレート１０９の下方には、リング状部材とシャワープレート１０９とにこれらの下面で接して配置され真空容器の内側でプラズマに面して放電室１５０の空間を区画する上部容器側壁１２３が備えられている。この上部容器側壁１２３には、処理室１０１内のプラズマの形成に伴い発生する光を用いて、この光のスペクトルを検出して各波長に対応したプラズマ中の物質の成分の濃度や量、及びこれらの分布を検出可能にする発光分析器１２４に接続されプラズマ中の光を受けてこれを発光分析器１２４に伝送するための受光部１２５が配置されている。本実施例では、上部容器側壁１２３を貫通して受光部１２５が配置されているが、石英等の透光性を有した部材で構成された窓を上部容器側壁１２３に取り付け処理室１０１内外を気密に構成することもできる。

この上部容器側壁１２３の外周側には、その下面に接触する放電室ベースプレート１２６が配置されている。また、この放電室ベースプレート１２６の下面は、その下方に配置される外側容器１１１を含む下部容器と接続する。なお、上部容器側壁１２３は、放電室１５０内部のプラズマ、電極の役目を果たす試料台１０２に対する接地電極の作用をする部材でもあり、プラズマの電位を安定させるために必要な面積を有している。

本実施例では、前述のように、真空容器下部を構成する外壁部材は、大きく上下に分けられる。上部は搬送室１６０またはこれに取り付けられ搬送室１６０を構成する部材にボルト等で取り付けられその位置が固定された上部外側容器１１１である。一方、下部は上記上部外側容器１１１の部材に下方からボルト等で取り付けられ固定された下部外側容器１１２である。

ここで、真空容器の外壁を構成して上下に配置された外側容器１１１，１１２の内側に１つ以上の容器部材が配置されており、一方が他方の内側に配置された多重チャンバとなっている。本実施例では、内外２つの容器部材を有している。すなわち、上部外側容器１１１の内側に内側容器１２７が、下部外側容器１１２の内側に内側容器１２８が備えられている。つまり、上下２つの内側容器１２７，１２８が備えられている。試料台１０２は内側容器１２７，１２８の内側に配置されており、最も内側のチャンバの内部は、プラズマが形成され、ガス、反応生成物が流れて排気される処理室１０１の下方部分を構成する。

この下方部分は上方の放電室１５０と連通され、説明するように内側容器１２７，１２８と外側容器１１１，１１２との間の空間と連通可能に構成され排気手段により減圧されるとともに、試料の処理の際に放電室１５０内のプラズマ、ガス、反応生成物が移動できるように配置されている。

また、内側容器１２７，１２８は、導電性を備えて、外側容器１１１，１１２に対して導通を有して、所定の電位とされる。内側容器１２７，１２８は、上記のようにその内側のプラズマと面しており、処理を安定させるため、あるいはプラズマ内の粒子との相互作用を安定にするために、特定の電位に設定される必要が有る。本実施例では、内側容器１２７，１２８を接地して接地電位に設定している。これにより、上記上部容器側壁１２３と同様プラズマの電位が安定するとともに相互作用が安定する。

接地させるため、内側容器１２７，１２８は導電性部材で構成されており、内側容器１２８の上端部あるいは下端部において導電性部材で構成された外側容器１１１と導通するように構成されている。内側容器１２７は、その下面で、同様に導電性部材で構成された下部外側容器１１２の上面と接触して接続されており、導通が確保される。外側容器１１１，１１２を配線接続して接地することで、内側容器１２７，１２８が接地される。

本実施例では、試料台１０２の試料載置面より下方の位置で処理室１０１内のガスの成分を分析するために、質量分析器１２９を有しており、下側の内部容器１２８の内側表面に開口した孔を介して処理室１０１内のガスを取り込んでその成分と各分圧を検出するように構成されている。試料台１０２の試料載置面より下方に上記孔が配置されており、質量分析器１２９は、試料表面及びその上方の処理室内での反応した成分を、反応を起こさずに移動して来る成分とともに、検出する。本実施例では、四重極型質量分析装置（Ｑ−ｍａｓｓ）と呼ばれる質量分析装置を用いており、発光する成分、しない成分を含めて広い質量（分子量、原子量）の範囲の成分をリアルタイムに検出することが可能である。上記発光分析器１２４による検出は、発光する成分についての検出が可能なものであるが、実際の試料の処理、特には、半導体ウエハをエッチング処理する場合には、発光しない成分や、分子量、原子量の小さな、質量の軽い成分が処理に大きく影響を与えることが知られており、これらの成分を精密に検出することで、装置の動作を調節して所望の精度の処理が可能となる。

また、本実施例では、四重電極型質量分析装置（Ｑ−ｍａｓｓ）と呼ばれる質量分析装置を用いているが、検出の対象となる処理のプロセスガスの主体、あるいは大きな影響を与えている成分が、ＦＴＩＲ等のガス分析装置で検出可能な場合、前記検出装置を用いても良い。

本実施例のプラズマ処理装置１００は、上記発光分析器１２４及び質量分析器１２９で検出された結果を受信して、これらの結果、または処理室１０１内の状態や各動作部の状態を検知するセンサからの出力を用いて、これらの出力に基づき、装置の動作を調節する制御装置１３０を有している。

この制御装置１３０は、プラズマ処理装置１００を運転するために動作される部分である２系統ガスの流量調節器１２０，１２１、発光分析器１２４、質量分析器１２９及び試料台１０２の内部に循環される熱交換媒体（冷媒）の供給を調節する冷媒流量調節器１３１等、さらには、装置本体１００に取り付けられ、その箇所での状態を検知するセンサと通信手段を介して接続され、センサからの出力を受けるとともに上記各動作部分のその動作、例えば２系統のプロセスガスの流量や試料台１０２の温度等を調節するための指令を出力する。

図２においては、試料台１０２周囲の部分の構成を拡大して示している。この図に示すように、試料台１０２上方には、試料である半導体ウエハ２０１が載置される。さらに、試料台１０２は、高周波の電源から電力が供給される導電体製の電極ブロック２０２を有し、この電極ブロック２０２上方に誘電体膜２０３を有している。誘電体膜２０３は、下方の電極ブロック２０２と半導体ウエハ２０１との間の絶縁を行うとともに、電位が与えられる導電性を有する薄膜を内部に有し、半導体ウエハ２０１との間の静電吸着力によりこれを試料台１０２上方に吸着保持する。

電極ブロック２０２内部には、試料台２０２中央部側と外周部側との各々で異なる温度に調節可能な冷媒が流れる冷媒通路２０４，２０５が配置されている。これらの通路を通流する冷媒は、それぞれ流量調節器１３１ａ，１３１ｂを有しており、さらに本実施例では、これらの箇所で冷媒の温度が調節される。２つの冷媒通路２０４，２０５は、円筒形状の試料台１０２に合わせて、螺旋状あるいは多重の略同心円状に配置されており、さらに、各々独立して相互の冷媒が交わることの無い通路となっている。これらの通路を流れるそれぞれの冷媒の温度を調節することで電極ブロック２０２の中央部側と外周部側とで異なる温度にして、載置される円板状の半導体ウエハ２０１の径方向について、温度の分布を形成している。例えば、電極ブロック２０２の外周側を低温に、中央部側を高温にすることで、半導体ウエハ２０１への反応生成物の付着を中央部側で小さく、外周部側で相対的に大きくすることができる。

また、誘電体膜２０３の中央部側と外周部側には、それぞれ溝等の凹み部２０６，２０７が形成されており、それぞれに熱伝達用の不活性ガス、例えばＨｅが供給される。半導体ウエハ２０１が上方に載置された場合、これらの凹み部２０６，２０７は、誘電体膜２０３と半導体ウエハ２０１の裏面との間で囲まれた空間となり、これらの空間に熱伝達ガス供給路２１０，２１１を介して供給された熱伝達ガスによって、試料台１０２と半導体ウエハ２０１との間での熱伝達が促進される。上記の通り、電極ブロック２０２は中央部、外周部側で異なる温度に設定可能であり、この温度の分布を反映した温度の分布を半導体ウエハ２０１上に形成することが可能となっている。

また、シャワープレート１０９とプレート１０８との間には、半導体ウエハ２０１の中央部側と外周部側とで区分けされたバッファ室１１５が配置されている。シャワープレート１０８は、これらのバッファ室１１５と処理室１０１内とを貫通して連通し、バッファ室１１５内のガスが処理室１０１内に導入されるガス導入孔２０８，２０９を有しており、それぞれ上記中央部側、外周部側に配置されている。このような構成おいて、それぞれのガス導入孔と対応するプロセスガスライン１１６，１１７のガス流量を調節するガス流量調節器１２０，１２１の動作を調節することで、ガス源４０１，４０２から処理室１０１に導入される処理ガスを半導体ウエハ２０１の径方向について、反応性ガスや反応生成物の分布を調節することができる。

シャワープレート１０９の外周側でこれの下面に接する上部容器側壁１２３には、発光分析器１２４の受光部１２５が取り付けられている。本実施例では、発光分析器１２４、あるいは受光部１２５は１つであるが、円筒形状の上部容器側壁１２３の周方向に複数の受光部１２５や発光分析器１２４を配置しても良い。

また、受光部１２５では、取り付けられた上部容器側壁１２３で囲まれる放電部１５０内の発光を受光するが、本実施例では、受光部の取り付けられている高さ方向の位置で、略水平の面で半導体ウエハ２０１の径を覆う角度の範囲の発光を検出する。こうして検出した発光スペクトルに基づいて、後述するように、半導体ウエハ２０１の径方向についての、発光する成分の濃度の相対的な分布を検出する。２系統ガスは、独立した各供給路１１６，１１７と流量調節器（ＭＦＣ）１２０，１２１を有しており、発光検出器(発光分析器１２４、受光部１２５)は、ガス導入孔下方プラズマ生成空間の試料面方向の発光分布を検出する。

質量分析器１２９は、試料台１０２下方における処理室内ガス、いわば排気の成分を分析し検出する。検出の結果として、ガス（排気）内の質量スペクトルを出力する。上記のように、このスペクトルには、発光しない成分や発光分析器１２４では検出できない成分も含まれており、発光分析器１２４の検出結果を補完して、処理室内のガスの成分の検出精度を高くすることができるとともに、両者の情報を適正に利用することで、半導体ウエハ２０１表面の径方向についての、反応性ガスや反応生成物の濃度、分圧の分布を得ることができる。

制御装置１３０は、発光分析器１２４、質量分析器１２９、冷媒の流量調節器１３１ａ，１３１ｂ、熱伝達ガス供給路２１０，２１１上に配置された調節バルブ２１２，２１３、さらにプロセスガスラインの流量調節器１２０，１２１及び電極ブロック２０２に接続された高周波電源の電源出力調節器２１４と接続されており、これらとの間で検出結果、動作指令の送受信を行う。

図３は、制御装置１３０の構成の概略を示すブロック図である。この制御装置１３０の主要部は、図３に示す通り、演算器３０１と、２つの内部記憶装置３０２，３０３と、演算手段３０１に接続されたインタフェース３０４，３０５とを備えている。本実施例の制御装置１３０の主要部は、演算手段３０１に接続された第１のインタフェース３０４を有し、このインタフェース３０４を介してプラズマ処理装置１００に備えられたセンサからの出力を受信し、動作部へ動作指令を発信する。この動作指令は、演算手段３０１で算出されたものも含まれる。

また、インタフェース３０５は、演算手段３０１及び通信経路３１０に接続されている。制御装置１３０およびこの演算手段３０１は、このインタフェース３０５を備えることで、通信経路３１０を介してこれと通信可能に接続された外部記憶装置３０６，３０７，３０８，３０９と通信してデータを授受可能に構成されている。内部記憶装置３０２，３０３は、演算手段３０１と通信可能に接続され、その内部に格納されたデータやプログラムが演算手段からの要求に応じて伝達される。

本実施例では、内部記憶装置３０２には、センサや発光分析器１２４や質量分析器１２９や試料台１０２に供給される冷媒の温度等の検出情報とかこれらを用いた演算の結果を用いて、半導体ウエハ２０１の表面の加工形状を算出するプログラム、あるいはこのプログラムに必要なデータの一部が格納されている。

本実施例の内部記憶装置３０３は、内部記憶装置３０２と同様に、プログラムあるいはこれに用いられるデータの一部が格納されており、特に、内部記憶装置３０２に格納されたプログラムを用いて検出された半導体ウエハ２０１の加工形状の値と所定の値との比較結果に基づいて、プロセスガスラインの流量調節器１２０，１２１や、試料台１０２内を流れる冷媒の流量調節器（温度調節器）１３１ａ，１３１ｂ、熱伝達ガスの調節バルブ２１２，２１３、電源出力調節器２１４の動作量を算出するプログラム及びこれに必要なデータの一部が格納されている。

外部記憶装置３０６は、処理室１００内における発光物質成分と非発光物質成分との相関データが格納されている。例えば、上記のとおり処理室１０１内のガスには発光する成分以外に複数の種類の成分が含まれており、この外部記憶装置３０６内のデータにより、特定の処理条件において発光する成分の濃度や分圧値の分布に対する発光しない成分の濃度や分圧の値の分布が得られることで、発光分析器１２４により検出されるウエハの表面上の発光成分の濃度や分圧の分布と、質量分析器１２９により検出される非発光成分も含む質量スペクトルの分布とから、受光部１２５が配置される所定の高さ位置での半導体ウエハ２０１の面方向での反応ガス、反応生成物の濃度、分圧の分布を算出することが可能となる。

外部記憶装置３０７には、半導体ウエハ２０１等の試料表面の温度と、反応ガスや反応生成物等プラズマ中の物質と試料表面との反応特性との相関データが格納されている。例えば、試料温度が高い場合には、一部の反応ガスと試料表面との反応が促進される一方、反応生成物の試料表面からの解離が促進される。これらの特性を利用して試料台１０２の温度分布を調節して所望の半導体ウエハ２０１表面の温度分布を得ることで、半導体ウエハ２０１表面の反応の進行を調節し、ひいては処理の結果の加工形状を所望に調節することが可能となる。上記の相関データは、半導体ウエハ２０１上での反応ガスや反応生成物の濃度或いは分圧の分布の情報が得られた場合に、この分布情報と相関データとから半導体ウエハ２０１の表面上での処理に関した反応の進行の分布が得られる。

外部記憶装置３０８は、反応ガスや反応生成物の濃度や分圧の分布及び試料表面での反応の特性の分布と処理の結果得られる形状の相関データが格納されている。外部処理装置３０７のデータを用いて実際の処理中の半導体ウエハ２０１表面での反応の特性が検出されると、この検出結果と上記相関データとを用いて処理により得られる半導体ウエハ２０１の表面の形状を検出、演算することが可能となる。

また、発光分析器１２４により検出される処理室１０１内の発光成分の濃度、分圧の分布は、受光部１２５の配置される高さ位置近傍での、ウエハ径方向の濃度、分圧の分布であるので、上記外部記憶装置３０６のデータ用いて得られる反応ガス、生成物の分布もこの受光部１２５の配置される高さ位置近傍のものとなる。この処理室１０１上方での分布情報から下方の半導体ウエハ２０１表面での分布情報を得る上で、これらの間の相関データが必要となるが、これを前記外部記憶装置３０８に格納する。この上下の分布の相関データと上方における分布情報とから試料表面での反応ガス、生成物の濃度、分圧の分布情報が得られる。

外部記憶装置３０９には、本実施例で配置されている２系統のプロセスガスライン１１６，１１７からの処理室１０１内へのガスの流量、流量速度や組成等の供給の値と、これらのガスの供給の結果得られるプラズマ中の反応ガスや反応生成物の各成分の濃度や分圧の分布との間の相関データが格納されている。外部記憶装置３０８のデータから算出或いは検出された形状データが許容範囲外であった場合には、プロセスガスの供給、試料台１０２の温度分布、供給電力、熱伝達ガスの圧力等の動作の調節を行って、半導体ウエハ２０１表面上の反応ガスや反応生成物の分布、及び反応特性の分布を適宜に調節することが必要となる。このうち、プロセスガスの供給量が処理室１０１内の所定位置での反応ガス、反応生成物の濃度、分圧の分布に与える影響は、処理室１０１内の温度や電磁波といった他の複数の条件によっても異なり、一義的に導き出すことが困難であるため、本実施例では、これを相関データとして外部記憶装置３０９に格納するものである。

上記の通り、演算器３０１は、上記内外の記憶装置に格納されたデータやプログラム、アルゴリズムを受信するともに、プラズマ処理装置本体に搭載されたセンサからの出力を、インタフェース３０４，３０５を介して受信する。これら受信した情報に基づいて、各動作部の動作を調節する動作指令を演算する。

図４に、図１に示すプラズマ処理装置１００の動作の流れをフローチャートに示す。図４において、ステップＳ００においては、制御装置１３０からプラズマ処理装置１００の各動作部に動作の指令やセンサへ検知結果を出力するように指令がされる。

ステップＳ０１では、質量分析器１２９により試料台１０２の試料載置面より下方の位置における処理室１０１内のガスに含まれる反応ガス、反応生成物等の各成分の濃度や分圧が検知され、質量スペクトルとして検出される。

ステップＳ０２では、発光分析器１２４により、受光部１２５で受光される放電室１５０でのプラズマ内に含まれる発光する成分について、その強度スペクトルが分光され検出される。このスペクトルから放電室１５０内の発光成分の濃度の分布を得ることが可能となる。この際、検出される発光は、受光部の取り付けられている高さ方向の位置で、略水平の面で半導体ウエハ２０１の径を覆う角度の範囲の発光であるので、ウエハ表面のプラズマ中の発光する成分を検出することができる。

ステップＳ０５では、上記ステップＳ０２により得られた発光成分の分布から、半導体ウエハ１０２の径方向の濃度および分圧の分布を算出する。例えば、このような変換にはアーベル変換が用いられる。

Ｓ０３では、試料台１０２の電極ブロック２０２或いは試料台１０２の表面の温度分布を検出する。例えば、電極ブロック２０２内の冷媒通路２０４，２０５を流れる冷媒の温度を冷媒の温度調節器でもある流量調節器１３１ａ，１３１ｂにより検知して、この検知結果の出力値から、適切な計算により試料台の表面の温度を検出してもよい。

ステップＳ０４では、試料裏面に供給される熱伝達ガスの圧力を検出している。これは、ガス供給路２１０，２１１上に配置された調節バルブ２１２，２１３に備えられた圧力センサからの出力を受信して検出される。

ステップＳ０６では、ステップＳ０４，Ｓ０５で求められた電極ブロック２０２或いは試料台１０２の表面温度の分布と、熱伝達ガスの圧力とから、半導体ウエハ２０１表面の温度を検出する。

また、ステップＳ０７では、ステップＳ０１とステップＳ０５とで得られた、非発光成分を含む反応ガス、反応生成物の質量スペクトルと半導体ウエハ２０１での発光成分の濃度、分圧の分布とから処理室１０１内の所定高さの位置での非発光成分も含む反応ガス、反応生成物の各成分の濃度や分圧とその分布を算出している。この際、演算器３０１は、外部記憶装置３０６に格納された、処理室１０１内における発光物質成分と非発光物質成分との相関データを用いて、上記分布を算出する。

ステップＳ０８では、ステップＳ０６で得られた半導体ウエハ２０１上の温度分布から半導体ウエハ２０１表面の反応ガスや反応生成物とウエハ表面との反応の特性（例えば、反応係数等）の分布を検出する。この検出には、外部記憶装置３０７に格納された試料表面温度と反応ガス、反応生成物との反応特性との相関データが利用される。

ステップＳ０９は、ステップＳ０７で求められた試料である半導体ウエハ２０１表面での反応ガスと反応生成物の濃度や分圧の分布と、ステップＳ０８で求められた半導体ウエハ２０１表面の反応特性の分布とから半導体ウエハ２０１表面での処理により得られる加工形状が算出される。この算出には、外部記憶装置３０８に格納された相関データが利用される。

ステップＳ１０で得られた形状データが、許容範囲内にあるか否かがステップＳ１１で判定され、許容範囲内にある場合にはステップＳ００に戻る。一方、許容範囲外である場合には、許容の範囲内の所望の形状となるようにプラズマ処理装置１００の動作を調節するため、各動作部への指令入力を算出する必要がある。

ステップＳ１１では、プラズマ処理装置１００の必要な運転条件が算出され、各動作部の動作条件が算出される。ステップＳ１２乃至ステップＳ１５では、２系統のガスの流量や流量速度の動作指令、試料台１０２の電極ブロック２０２を流れる冷媒の温度設定値の指令、半導体ウエハ２０１の裏面に供給される熱伝達ガスの圧力設定値の指令、試料台１０２の電極ブロック２０２に供給される高周波電源からの電力値の指令が、対応する動作部に発信される。例えば、プロセスガスライン１１６，１１７上の流量制御装置１２０，１２１、冷媒の流量調節器１３１ａ，１３１ｂ、熱伝達ガスの供給経路上の調節バルブ２１２，２１３あるいは前記高周波電源と電極ブロック２０２との間に配置された可変コンデンサ等の電源出力調節器２１４に対して指令が発信される。その後、ステップＳ００に戻る。

上記の実施例の構成により、半導体ウエハの処理に関連する反応ガス、反応生成物のうち、非発光成分も含み広い質量や分子量、原子量の範囲の成分の濃度、分圧の分布が求められ、これに基づいてプラズマ処理装置の各動作部の動作が調節されて運転が適切に調節されるので、半導体ウエハを高精度に処理を行うことが可能となる。

さらに、処理室内の発光成分のスペクトルと上記非発光成分の分布とを利用して半導体ウエハの表面上での成分の分布を求めることで、半導体ウエハ表面の広い範囲での処理の状態が検出でき、この結果を用いて装置の動作部の動作、運転条件を調節することで、より高精度の処理を行うことができる。さらに、半導体ウエハ表面の温度分布を検出してこれから得られる表面での反応特性の分布を用いて、処理の結果得られる加工形状を検出し、これに基づいて上記動作、運転の条件を調節することにより、高精度な処理を実現できる。

また、処理室には２系統のガスが供給されており、上記検出された処理状態や加工形状に基づいて、これら２系統のガスの供給が調節されることで、処理の精度が向上される。

本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。図１に示すプラズマ処理装置の試料台周囲の構成の概略を拡大して示す縦断面図である。図１に示す実施の形態に係るプラズマ処理装置の動作の概略を示すブロック図である。図１に示すプラズマ処理装置の動作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１００：プラズマ処理装置、１０１：処理室、１０２：試料台、１０３：蓋部、１０４：磁場発生部、１０５：電波源部、１０６：アンテナ、１０７：誘電体、１０８：プレート、１０９：シャワープレート、１１１：上部外側容器、１１２：下部外側容器、１１４：大気ゲートバルブ、１１５：バッファ室、１１６，１１７：プロセスガスライン、１１８，１１９：プロセスガスバルブ、１２０，１２１：流量調節器、１２３：上部容器側壁、１２４：発光分析器、１２５：受光部、１２６：ベースプレート、１２７、１２８：内側容器：１２９：質量分析器、１３０：制御装置、１３１：冷媒流調節器、１５０：放電室、１６０：搬送室、２０１：ウエハ、２０２：電極ブロック、２０３：誘電体膜、２０４、２０５：冷媒通路、２０６、２０７：凹部、２０８、２０９：ガス導入孔、２１０、２１１：熱伝達ガス供給路、２１２、２１３：熱伝達ガス調節バルブ、２１４：電源出力調節器、３０１：演算器、３０２，３０３：内部記憶装置、３０４，３０５：インタフェース、３０６〜３０９：外部記憶装置、３１０：通信経路、４０１，４０２：ガス源。

Claims

減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上に処理対象となる試料が載置される試料台と、前記試料台上方から前記処理室内に処理ガスを供給する供給孔とを有し、前記処理ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
前記プラズマの発光を受けて前記プラズマ中の成分を検出する発光分析器と、前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出する質量分析器と、前記発光分析器からの出力と前記質量分析器からの出力とに基づいて前記プラズマ処理装置の運転を調節する制御装置とを備えたプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記制御装置が前記処理室への前記処理ガスの供給、前記試料台内に供給される冷媒の温度、前記試料と前記試料台との間に供給される熱伝達用ガスの圧力、前記試料台に備えられた電極に供給される電力のうち少なくとも１つを調節するプラズマ処理装置。
減圧される処理室と、この処理室内に配置されその上に処理対象となる試料が載置される試料台と、この試料台上方に配置されたプレート上の前記処理室の中央側と外周側とに設けられ前記処理室内に各々異なる処理ガスを供給する２つの供給孔とを有し、前記処理ガスを用いて前記処理室内に形成したプラズマにより前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
前記プラズマの発光を受けて前記プラズマ中の成分を検出する発光分析器と、前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出する質量分析器と、前記発光分析器からの出力と前記質量分析器からの出力とに基づいて前記２つの供給孔からの処理ガスの供給を調節する制御装置とを備えたプラズマ処理装置。
減圧される処理室の内側に配置された試料台上に処理対象の試料を載置して、前記処理室内に処理ガスを供給しこの処理室内にプラズマを形成し前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
前記プラズマの発光を受けてこのプラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出した結果とに基づいて前記試料の処理を調節するプラズマ処理方法。
請求項４に記載のプラズマ処理方法であって、前記プラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガス中の成分の質量を検出した結果とから前記試料表面での前記プラズマ中の成分の分布を検出して、この結果に基づいて前記試料の処理を調節するプラズマ処理方法。
請求項４または５に記載のプラズマ処理方法であって、前記試料の調節は前記処理室に供給される処理ガスの供給、前記試料台内に供給される冷媒の温度、前記試料と前記試料台との間に供給される熱伝達用ガスの圧力、前記試料台に備えられた電極に供給される電力のうち少なくとも１つを調節して行われるプラズマ処理方法。
減圧された処理室の内側に配置された試料台上に処理対象の試料を載置して、前記処理室内に前記試料台の上方の中央側および外周側から各々異なる処理ガスを供給しこの処理室内にプラズマを形成し前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
前記プラズマの発光を受けてこのプラズマ中の発光する成分を検出した結果と前記処理室内のガスを導いてこのガス中の成分の質量を検出した結果とから前記試料表面での前記プラズマ中の成分の分布を検出して、この結果に基づいて前記異なる処理ガスの前記処理室への供給を調節して前記試料を処理するプラズマ処理方法。