JP2006093519A - プラズマ処理装置及びウェハのプラズマ処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 種々の要因により発生した揺らぎについて対応でき、またプラズマ密度の揺らぎに対して高い制御性を持つプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 プラズマを発生し、被処理物をプラズマ処理する反応チャンバと、前記プラズマからの発光量を抽出する抽出部と、予め定められた処理条件の範囲内で、前記発光量に基づいて前記プラズマ密度をするパラメータ群の一つを可変制御してプラズマ状態を制御する。プラズマからの発光を分光せず検出するため、プラズマからの発光強度に強く依存するプラズマ密度を、分光を行なって制御する従来の方法と比べ、高いＳＮ比を確保して制御することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマからの発光量を用いてプラズマ密度を制御するプラズマ処理装置及びウェハのプラズマ処理方法に関する。

半導体ウェハをエッチングする場合などで用いられるプラズマ処理装置に関して、プラズマ密度を測定、及び制御する方法を以下に説明する。

特許文献１に記載のプラズマ装置は、磁石を回転させることで磁界を回転させ、この磁界に連動させてプラズマを回転させる。磁界に引き寄せられる形でプラズマ装置内でプラズマ密度の粗密が発生し、磁界の回転と共にプラズマの粗密はプラズマ装置内を回転する。この時、プラズマ密度の高いところでは圧力値が高くなり、プラズマ密度の低いところでは圧力値が低くなるため、圧力センサで得られる圧力値は周期的に変動する。そこで、磁石の回転周期をモニタし、圧力センサで発生するプラズマ密度の揺らぎを平均化し、揺らぎの少ない圧力値を検出する。

また、特許文献２に記載の制御方法では、プラズマからの発光信号を複数の発光スペクトルに分解し、複数の波長の発光スペクトル強度の比率に基づいてプラズマ状態を制御する。

特開平６−５５５５号公報（段落０００７〜００１４） 特開平５−３０４１１８号公報（段落００２４〜００３０）

しかしながら、特許文献１で用いられている平均化方法では、磁界の回転等の、人為的に発生した揺らぎを有効に平均化することができるが、例えば反応チャンバの温度変化により発生したプラズマ強度の揺らぎなど、偶発的な他の要因により発生した揺らぎについての対応は困難であった。

また、特許文献２のような方法は、プラズマの発光スペクトルの相対的な形状を変えるパラメータの制御には適しているが、プラズマからの発光スペクトルの相対的な強度をあまり変えない、例えばプラズマ密度の制御には好適ではないという問題点があった。また、信号光を分光して扱うため、検出される光信号強度が小さくなり、ＳＮ比が悪くなりやすいという問題点があった。

そこで本発明は、種々の要因により発生した揺らぎについて対応でき、またプラズマ密度の揺らぎに対して高い制御性を持つプラズマ処理装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係るプラズマ処理装置は、プラズマを発生し、被処理物をプラズマ処理する反応チャンバと、前記プラズマからの発光量を抽出する抽出部と、予め定められた処理条件の範囲内で、前記発光量に基づいて前記プラズマ密度をするパラメータ群の一つを可変制御してプラズマ状態を制御する制御部とを有することを特徴とする。

この構成によれば、プラズマからの発光を分光せず検出するため、プラズマからの発光強度に強く依存するプラズマ密度を、分光を行なって制御する従来の方法と比べ、高いＳＮ比を確保して制御することが可能となる。

また、プラズマ密度が変わった場合、プラズマからの発光スペクトルの形はあまり変化せず、発光スペクトル全体がプラズマの密度の変化に略比例して変動するため、分光により得られた輝線スペクトル間の強度比は、プラズマ密度の変化に対して鈍感となる。

一方、プラズマからの発光強度は、プラズマ密度の変化に対して敏感であり、発光強度はプラズマ密度と略比例して変動する。そのため、分光して得られた輝線スペクトルを処理してプラズマ密度を制御する方法と比べ、プラズマからの発光強度を基にプラズマ密度を制御する方法は、より高い精度を持ってプラズマ密度を制御することができる。

また、予め処理条件の範囲を定めておくことで、制御状態が処理条件の範囲を外れた場合には、例えば警告を発するなど、異常現象が起きた場合でも対応することができる。

また、上記した本発明のプラズマ処理装置では、前記制御部は、前記プラズマ処理雰囲気の圧力または前記プラズマに供給される電力を可変制御することを特徴とする。

この構成によれば、プラズマ密度は処理雰囲気の圧力に敏感であり、処理圧力が上がるとプラズマ密度も上昇する。プラズマ密度が上がると、発光強度もプラズマ密度に略比例して上昇する。そのため、プラズマからの発光強度をモニタし、発光強度を制御信号に連動させてプラズマ密度を制御するようにプラズマ処理雰囲気の圧力を可変制御することでプラズマ密度を制御することができる。

また、プラズマ密度はプラズマに供給される電力に敏感であり、電力が増えるとプラズマ密度も上昇する。プラズマ密度が上がると、発光強度もプラズマ密度に略比例して上昇する。そのため、プラズマからの発光強度をモニタし、発光強度を制御信号に連動させてプラズマ密度を制御するようにプラズマ処理雰囲気の圧力を可変制御することでプラズマ密度を制御することができる。

また、上記した本発明のプラズマ処理装置では、前記プラズマはナローギャップ型反応性イオンエッチング装置内に形成されることを特徴とする。

この構成によれば、ダイヤフラム型圧力計等を取り付けにくい狭い空間であるナローギャップ型反応性イオンエッチング装置内でのプラズマ密度を、プラズマからの発光強度を基に制御するため、狭い空間に発生しているプラズマからの発光強度をモニタし、発光強度を制御信号に連動させてプラズマ密度を制御するようにプラズマ処理雰囲気の圧力を可変制御することができる。

また、上記した本発明のウェハのプラズマ処理装置は、前記被処理物は少なくとも一部分が半導体からなる半導体ウェハであることを特徴とする。

この構成によれば、均一性を要求される半導体ウェハの処理に対して、複数枚の半導体ウェハを連続的に処理し、半導体ウェハを載せるステージの温度が上昇してしまう場合でも、一定のプラズマ密度を維持しながら処理を行なうことが可能となる。そのため、半導体ウェハ処理を高い均一性を持って行なうことができる装置が提供できる。

また、本発明のプラズマ処理方法は、上記記載のプラズマ処理装置を用いて、少なくとも一部分が半導体からなる半導体ウェハをプラズマ処理することを特徴とする。

この方法によれば、均一性を要求される処理に対して、複数枚の半導体ウェハを連続的に処理する場合でも、一定のプラズマ密度を維持しながら処理を行なうことが可能となるので、半導体ウェハ処理を高い均一性を持って行なうことができる。

本発明に係る実施形態のプラズマ処理装置について、図面を参照して説明する。図１は本実施形態を実現する、半導体ウェハを処理するための２周波ナローギャップ型ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）装置の概略断面図である。

ＲＩＥ装置は、反応ガスを排気するターボモレキュラポンプ１０１と、チャンバ１１７の内圧を制御するためのバリアブルバルブ１０２と、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）１０３と、上部電極１０４とを有している。
また、プラズマ処理を受ける半導体ウェハ１０５と、２７ＭＨｚのＲＦ電源１０６と、ハイパスフィルタ１０７と、半導体ウェハ１０５を載せるステージ１０８と、２ＭＨｚのＲＦ電源１０９とローパスフィルタ１１０と、シュラウドリング１１２と、シュラウドリング１１２に形成された除き窓１１１と、チャンバ１１７内の圧力を測定するダイヤフラム型圧力計１１３と、光強度センサ１１４と、コンピュータ１１５と、反応装置壁部分に形成されたのぞき窓１１６とを有している。

ターボモレキュラポンプ１０１は、チャンバ１１７内部のガスを排気するポンプである。バリアブルバルブ１０２は、ターボモレキュラポンプ１０１とチャンバ１１７との間に配置され、チャンバ１１７の内圧を制御するものである。ＭＦＣ１０３は、チャンバ１１７に、反応ガスを設定された流量で供給するものである。

上部電極１０４は、ＭＦＣ１０３から供給された反応ガスを半導体ウェハ１０５上に、半導体ウェハ１０５上で反応ガスの密度が均一になるよう拡散する役割と、後述する２ＭＨｚのＲＦ電源１０９からの電力の流入を防ぐハイパスフィルタ１０７を介して２７ＭＨｚのＲＦ電源１０６から電力の供給を受け、プラズマを発生させるものである。

ステージ１０８は、２７ＭＨｚのＲＦ電源１０６からの電力の流入を防ぐローパスフィルタ１１０を介して２ＭＨｚのＲＦ電源１０９から電力の供給を受け、２７ＭＨｚのＲＦ電源１０６により形成されたプラズマを、半導体ウェハ１０５の表面に対し垂直な向きで半導体ウェハ１０５に引きこむものである。

シュラウドリング１１２は、ステージ１０８をくるむように設置され、反応ガスの拡散を適度に抑え、半導体ウェハ１０５の外周部でのプラズマ強度と内周部でのプラズマ強度とを均一化するものである。ダイヤフラム型圧力計１１３は、チャンバ１１７内の反応圧力を監視するものである。

シュラウドリング１１２上に形成されたのぞき窓は、チャンバ１１７に設けられたのぞき窓と位置合わせされており、プラズマからの発光信号を光強度センサ１１４に供給する。光強度センサ１１４は、プラズマからの発光信号を電気信号に変換して、コンピュータ１１５に供給する。

コンピュータ１１５は、この電気信号を元にバリアブルバルブ１０２の開度を制御する信号を送ることで、チャンバ１１７内の半導体ウェハ１０５近傍のプラズマ密度を制御している。

反応ガスには例えばＡｒとＣＯを主としたガスを用いている。上部電極１０４は２７ＭＨｚのＲＦ（Radio Frequency）電源１０６につなげられており、ハイパスフィルタ１０７を通して１．８ｋＷの電力が供給されている。２７ＭＨｚという高い周波数のＲＦ電力を印加すると、反応ガス中の電子はこのＲＦ電力に対し追従して応答するが、反応ガス中の原子はこのＲＦ電力に対し追従して応答できない。従って、電子と原子が分かれることとなるため、反応ガスを効率的に電離しイオンを効率よく発生することができる。

一方、半導体ウェハ１０５がおかれている、金属電極とセラミックの２層構造で作られたステージ１０８は、２ＭＨｚのＲＦ電源１０９につながれ、ローパスフィルタ１１０を通して１．２ｋＷの電力が供給されている。２ＭＨｚという低い周波数のＲＦ電力を供給すると、反応ガスを電離することで得られたプラズマ中のイオンもこのＲＦ電力に対し応答し、ＲＦ電力が印加された方向にイオンが運動する。このＲＦ電力は、半導体ウェハ１０３と垂直な方向に印加されているため、半導体ウェハ１０３を高い異方性をもってエッチングすることが可能となる。

上部電極１０４とステージ１０８との距離は１３．５ｍｍに保たれており、このステージ１０８上に半導体ウェハ１０５が置かれ、ＲＩＥによるエッチング処理が行なわれる。なお、ＲＩＥによるエッチング処理を行なっている間は、石英からなる光学的のぞき窓１１１を有するセラミック製のシュラウドリング１１２に囲まれてエッチングが行なわれている。

ＲＩＥにより半導体ウェハ１０５をエッチングするステージ１０８から少し離れた場所には、ダイヤフラム型圧力計１１３が備えられており、反応圧力をモニタしている。しかしながら、この場所での反応圧力をモニタした場合、実際の処理室内の圧力とはかなり乖離した値を示すことが知られている。

例えばこのダイヤフラム型圧力計１１３が３０ｍＴｏｒｒ（４Ｐａ）を示している時、半導体ウェハ１０５が置かれているステージ周辺１０８の圧力は９０ｍＴｏｒｒ（１２Ｐａ）程度の圧力となっている。これは、数パスカルという圧力下では、ガスの平均自由行程が長くなり、分子流に近い状態となっているため、もっと圧力が高い場合に成立する粘性流状態と異なり、圧力勾配が容易に発生することに起因している。

また、半導体ウェハ１０５が置かれている部分の反応圧力は、このダイヤフラム型圧力計１１３の部分の圧力を一定に制御していても、半導体ウェハ１０５を続けて処理した場合、半導体ウェハ１０５を乗せているステージ１０８の温度が徐々に上がっていくにつれて半導体ウェハ１０５近傍の圧力がステージ１０９の温度上昇に連動して上がっていくことが経験的に知られている。

例えばダイヤフラム型圧力計１１３が３０ｍＴｏｒｒ（４Ｐａ）を示すように反応圧力を制御した状態で第２のダイヤフラム型圧力計をＲＩＥのステージ周辺に設置して半導体ウェハ１０５を２５枚連続で処理すると、最初の半導体ウェハ１０５をエッチングするときには８０ｍＴｏｒｒ（１１Ｐａ）の圧力であったものが、２５枚目の半導体ウェハ１０３をエッチングするときには９５ｍＴｏｒｒ（１３Ｐａ）にまで上昇してしまうことが計測されている。

ステージ１０８からやや離れた場所と、ステージ１０８周辺でもこれだけの圧力差が観測されているので、実際に半導体ウェハ１０５を処理しているステージ１０９上の圧力は、さらに変動しているものと考えられる。また、一定に保つべきものは雰囲気の圧力ではなく、ステージ１０８上のプラズマ密度であるため、プラズマからの発光強度をモニタし、フィードバックすることが有効な手段となる。

光強度センサ１１４は、フォトマルチプライヤやフォトダイオード等を用いて、シュラウドリング１１２に形成されている石英ののぞき窓１１１を通してプラズマからの発光強度を検出する。検出時に分光等、発光信号の強度を落とす処理をしていないため、ＳＮ比の高い光強度信号を出力することができる。また、一部を石英ののぞき窓１１１に置換したシュラウドリングを用いてプラズマからの発光強度を検出しているため、プラズマの均一性にほぼ影響を与えることなく光強度信号を抽出することができる。光強度センサ１１４により得られた制御信号は、コンピュータ１１５に入力され、バリアブルバルブ１０２の開度を調整する。バリアブルバルブ１０２は光強度センサ１１４からの出力を一定に保つよう制御される。

例えば、光強度センサ１１４からの出力が大きくなった場合、プラズマからの発光強度は増えていると判断することができる。この状態は、プラズマ密度が上がる、すなわち反応圧力が上がってきていると判断できる。そのためコンピュータ１１５は、光強度センサが発生する光強度信号の値が大きくなった時には、バリアブルバルブ１０２の制御回路に開度を大きくする信号を出力し、反応圧力を低下させるよう処理を行なう。逆に発光強度が低下した時には、バリアブルバルブ１０２の制御回路に開度を小さくする信号を出力し、反応圧力を増加させるよう処理を行なう。このようにバリアブルバルブ１０２の開度を調整することで、プラズマからの発光強度を一定に保つことができ、プラズマからの発光強度に略比例するプラズマ密度を制御することが可能となる。また、直接プラズマ密度を制御しているため、半導体ウェハ１０５を２５枚連続処理するときのように、スループットと均一性を求められる場合でも、プラズマ密度を直接制御しているため、均一性の高い処理を行なうことができる。

図２は、ダイヤフラム型圧力計の指示圧力を一定にして２５枚ウェハを連続してエッチングしたものと、プラズマからの発光強度を一定にして２５枚ウェハを連続してエッチングしたものとのエッチング速度を比較した図である。横軸は処理枚数、縦軸は、おのおの一枚目のエッチング速度を１として規格化したエッチング速度を示す。

ダイヤフラム型圧力計１１３の指示圧力を一定にしてエッチングを行なったものでは飽和傾向はあるが、最初に処理したウェハのエッチング速度に比べ２５枚目のウェハでは２０％程度エッチング速度が上がっていくことが観測された。一方、プラズマからの発光強度を一定にしてエッチングを行なったものでは、ステージ１０８の温度上昇に伴うものと思われる３％程度のエッチング速度の上昇が見られたが、ダイヤフラム型圧力計１１３の指示圧力を一定に保つ場合と比べ、ウェハ間ばらつきを大きく抑えることができた。

また、何らかの原因でプラズマが消えてしまうような事前定義を外れた問題が発生した場合には、警告を発生し、２７ＭＨｚのＲＦ電源１０６、２ＭＨｚのＲＦ電源１０９を遮断するなどの処理を行なうよう規定しておくことで、異常現象が起きた場合でも安全な対処が可能となる。

以下、実施形態の効果を記載する。

（１）プラズマからの発光を分光せず検出したため、プラズマからの発光強度に強く依存するプラズマ密度を、分光を行なって制御するものと比べ、高いＳＮ比を持って制御することが可能となった。

また、予め制御範囲の限界値を定めておくことで、制御状態が事前定義を外れた場合には警告を発生し、ＲＦ電源を遮断するなどの処理を行なうよう規定しておくことで、異常現象が起きた場合でも対応することができるようになった。

（２）処理室の雰囲気圧力をバリアブルバルブを用いて制御することでプラズマ密度を制御したため、ステージの温度上昇に伴う圧力変化起因のプラズマ密度変動を雰囲気圧力で修正することができ、被処理半導体ウェハを連続処理したとき、ほぼ同一の条件で、高い均一性を持って処理できるようになった。

（３）ナローギャップ型反応性イオンエッチング装置内からプラズマの発光強度を測定するためには、セラミック製のシュラウドリングに石英ののぞき窓をつけるだけで発光強度が検出できるため、ダイヤフラム型の圧力測定器を挿入する場合と比べ、エッチングを行なっている領域にあまり影響を与えることなくプラズマ密度を制御することができ、半導体ウェハのエッチング時に面内ばらつきを増やすことなくプラズマ密度を制御することができるようになった。

（４）均一性を要求される半導体ウェハの処理に対して、複数枚の半導体ウェハを連続的に処理する場合でも、一定のプラズマ密度を維持しながら処理を行なうことが可能となるので、半導体ウェハ処理を高い均一性を持って処理できる装置が提供できた。

（５）プラズマからの発光強度を一定の値とするよう制御を行なったＥＣＲプラズマ処理装置を用いて半導体ウェハをプラズマ処理することで、面内分布及び半導体ウェハ間で、均一性の高いプラズマ処理を行なうことが可能となった。

（変形例１）本実施形態では、バリアブルバルブの開度を制御し、一定のプラズマ密度を保つような制御に代えて、これはプラズマに印加する励起電力を可変して制御しても良い。この場合、バリアブルバルブの開度を制御をする場合と比べ、短い時定数でプラズマ密度を制御できる。そのため、一定のプラズマ密度を保つのではなく、例えば、プラズマ処理途中でプラズマ密度を上げるなど、プラズマ処理中にプラズマ密度を積極的に変動させる時には、より好適な制御法となる。

（変形例２）本実施形態では、ＲＩＥプラズマ処理装置を用いた例に代えて、これはＲＩＥプラズマ処理装置に限定されるものではなく、マグネトロン型のプラズマ処理装置やダウンフロー型のプラズマ処理装置等でももちろん良い。

（変形例３）本実施形態では、エッチング装置に代えて、これはプラズマ堆積装置などに対しても応用可能であり、プラズマを用いて処理する装置一般に適用可能である。

本実施形態の説明に用いたＲＩＥ装置の概略断面図。 圧力一定にしたときのエッチング速度と、プラズマ発光強度一定にしたときのエッチング速度の比較を行なったグラフ。

符号の説明

１０１…ターボモレキュラポンプ、１０２…バリアブルバルブ、１０３…ＭＦＣ、１０４…上部電極、１０５…半導体ウェハ、１０６…２７ＭＨｚのＲＦ電源、１０７…ハイパスフィルタ、１０８…ステージ、１０９…２ＭＨｚのＲＦ電源、１１０…ローパスフィルタ、１１１…のぞき窓、１１２…シュラウドリング、１１３…ダイヤフラム型圧力計、１１４…光強度センサ、１１５…コンピュータ、１１６…のぞき窓、１１７…チャンバ。

Claims (5)

1. プラズマを発生し、被処理物をプラズマ処理する反応チャンバと、
   前記プラズマからの発光量を抽出する抽出部と、
   予め定められた処理条件の範囲内で、前記発光量に基づいて前記プラズマを制御するパラメータ群の一つを可変制御してプラズマ状態を制御する制御部とを有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記制御部は前記プラズマ処理雰囲気の圧力または前記プラズマに供給される電力を可変制御するものであることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記抽出部はナローギャップ型反応性イオンエッチング装置内に形成されるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記被処理物は少なくとも一部分が半導体からなる半導体ウェハであることを特徴とする請求項１〜３に記載のプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４に記載のプラズマ処理装置を用いて、少なくとも一部分が半導体からなる半導体ウェハをプラズマ処理することを特徴とする半導体ウェハのプラズマ処理方法。
   

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