JP2007115765A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
プラズマの着火を高精度に検出して、処理全体の効率を向上することのできるプラズマ着火検出技術を提供する。
【解決手段】
真空処理容器１と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、前記真空処理容器内に磁場を発生させる磁場発生手段４と、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して該真空容器内にプラズマを生成する高周波電力供給手段２と、前記真空容器内に生成されたプラズマ６の発光を分光して発光スペクトルを取得する分光器８と、取得した発光スペクトルの内、予め定めた特定波長のスペクトルの発光強度をもとにプラズマの着火を検出する着火検出手段９を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置における着火検出技術に係り、特に、プラズマの生成（着火）を高精度に検出することのできる着火検出技術に関する。

半導体デバイスの製造プロセスに用いられるプラズマ処理装置では、真空処理容器に導入した処理ガスをプラズマにより解離して、イオンやラジカルを生成する。前記プラズマ処理装置が、例えば、プラズマエッチング装置である場合には、処理装置内に収納したウエハにバイアス電圧を印加することにより前記イオンをウエハに引き込み、イオンとラジカルによりウエハにエッチング加工を施す。また、前記プラズマ処理装置が、例えば、プラズマＣＶＤ装置である場合には、生成されたイオンやラジカルをウエハに照射してウエハ上に所望の膜質の薄膜を堆積させる。このため、プラズマ処理装置では、処理容器内部におけるイオン、ラジカル、反応生成物などの分布が加工形状の均一性、膜質や膜厚の均一性を決める主要因となっている。

プラズマ処理装置による処理に際しては、例えば、プラズマ生成用高周波電源で生成した高周波を同軸線路を介して処理室内に導入する。この高周波による電界と処理室外周に形成した磁場発生用コイルによる磁場との相互作用により、処理室内に高密度のプラズマを形成する。この際に、処理容器内にプラズマが形成されたか否かをプラズマ発光を用いて検知し、更に、生成したプラズマが前記ウエハを処理するに適した特性を持つように前記電界および磁界を調整する。

このような従来技術としては、特許文献１が知られている。この技術では、エッチング処理室内部におけるプラズマの着火をエッチング室内の側壁に設けた照度計あるいは発光分光器で検出することが示されている
特開平１１−６１４５６号公報

近年、半導体装置の高集積化に伴い、ウエハ上に形成する各種の膜の膜厚が薄くなってきた。このような薄膜を高精度に処理するに際しては、処理する膜へのダメージを低減するため、プラズマを生成する際に供給する前記電界および磁界の強度をできるだけ低減することが望まれる。

このように、供給する電界および磁界の強度を低減することは、生成されるプラズマの発光強度の低減に繋がる。この結果、プラズマの発光前に検出される背景光とプラズマ発光後に検出できるプラズマ発光における光強度の差が小さくなる。このような場合には、プラズマ発光の有無を判定する際に用いる基準の光強度（基準値）を小さくしなければならなくなり、プラズマ発光の判定（着火の判定）が不安定になる。

すなわち、着火を判定する基準値が着火前の光強度あるいは不十分な着火時の光強度に近い値となるため、充分に着火してプラズマが形成されていない状態で着火したものと判定する誤判定が増加する。この結果、ウエハ処理の効率あるいは歩留まりが低下する。

また、上述のように、プラズマ処理室内の光強度を検出する装置では、プラズマ発光の有無に係わらず背景光を検出している。このため、プラズマ着火の前後で検出される光強度の差が小さくなる場合には、プラズマから検出する光のスペクトルを適切に選択しないと、選択したプラズマからのスペクトルと、背景光のスペクトルが重畳されて、プラズマ着火前後における受光量の変化を明確に検出することができなくなる。

特に、近年では、ウエハ上に形成される処理対象膜が多種類となり、更にこのような多種類の膜を少量処理する機会が増加してきた。このような場合には、前述のようなプラズマ着火の誤判定は、処理全体の効率を大きく低下させることになる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマの生成（着火）を高精度に検出して、処理全体の効率を向上することのできるプラズマ着火検出技術を提供するものである。

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。

真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、前記真空処理容器内に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して該真空容器内にプラズマを生成する高周波電力供給手段と、前記真空容器内に生成されたプラズマの発光を分光して発光スペクトルを取得する分光器と、取得した発光スペクトルの内、予め定めた特定波長のスペクトルの発光強度をもとにプラズマの着火を検出する着火検出手段を備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマの生成（着火）を高精度に検出して、処理全体の効率を向上することができる。

以下、本発明の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、本実施形態に係わるプラズマ処理装置の構成の概略を示す模式図である。本実施の形態のプラズマ処理装置は、真空容器内部の真空処理室の内側の下方に配置された試料台である試料載置電極上に半導体ウエハ等の試料を載置して、その上方の真空処理室内にプラズマを形成し、このプラズマを用いて試料表面をエッチング等の処理を施すものである。

この図において、１は真空処理容器、２は真空処理容器内の上部に配置したアンテナ電極、３はアンテナ電極に高周波電力を供給して真空容器内にプラズマ生成電界を生成するための高周波電源、４は真空処理容器１内に磁場を供給する磁場発生用コイル、５はウエハ等の試料を載置する試料載置電極、６は真空処理容器１内の処理室に形成されたプラズマである。本実施例では、真空処理容器１は、内側に略円筒形の真空処理室を備えて、真空処理室を構成する真空処理容器１上部の側壁や天井部分は略円筒形上を有し、磁場発生用コイル３は円筒形上の側壁や天井面を囲んで配置されている。

７はプラズマ６からの発光を受ける発光部であり、真空処理容器１内のプラズマが形成される空間である試料載置電極５上方の真空処理室内にその端部を臨ませた内部光ファイバ、真空処理容器１の側壁を貫通するフィールドスルーおよび内部光ファイバからの光を真空処理容器１外に伝達する外部光ファイバとを備えている。８は外部光ファイバに接続した分光器、９はパーソナルコンピュータ等からなり演算手段を備えた信号処理装置である。１０は制御装置であり、プラズマ生成用高周波電源３の電力、磁場発生用コイル４内を流れる電流、試料載置電極５に印加されるバイアス電圧等を予め設定され記憶された動作手順や動作の条件に従って調節して試料に所望のプラズマ処理を施す。

このようなプラズマ処理装置を用いた試料の処理に際しては、まず、真空処理容器１の真空処理室内に図示しないガス供給手段により処理用ガスが試料載置電極５の試料載置面の上方からプラズマの分布が試料上方で均一となるように分散して導入される。この際、真空処理室内は図示しない真空排気ポンプ等の排気装置により排気されて減圧されており、真空処理室内部は導入された処理用ガスの量と排気の量とにより所定の圧力に調節される。次いで、プラズマ生成用高周波電流３で生成した高周波電力がアンテナ電極２に供給され、このアンテナ電極からの高周波電界が真空処理容器１内の真空処理室に伝播され供給される。この高周波による電界と真空処理容器１の外周においてこれを囲んで配置された磁場発生用コイルにより真空処理室内に供給された磁場との相互作用により、処理室内に高密度のプラズマが形成される。

真空処理室内に生成されたプラズマの発光は、受光部７を介して分光器８に取り込まれる。分光器８は、入力されたプラズマ発光を複数の波長に分解し、これらの波長毎の発光の強度に関する量を出力する。このような波長毎の発光の強度に関する量の出力は電気信号へ変換して信号処理装置９に伝送する。

信号処理装置９は受信した波長毎の発光強度に関する量の出力を用いてプラズマが生成したことを演算して検知し、この検知した結果を制御装置１０に伝送する。なお、信号処理装置９は波長毎の発光強度の出力を用いることにより、エッチング等のプラズマ処理の終点への到達の判定等を行うことができる。

図２は、図１に示す本実施の形態のプラズマ処理装置においてプラズマの着火前後の真空処理容器内の光スペクトルを示すグラフである。図２（a）は、プラズマの着火前のスペクトルであり、真空処理容器内からの光のスペクトルは、ほぼ全ての波長について無いか、極僅かバックグラウンドの光のスペクトルと思われる強度の光が検知されているのみである。一方、図２（b）に示すプラズマ生成後の真空処理容器内からの光のスペクトルは、広い波長域にわたり大きな強度の値を示すスペクトルが得られている。

このようにプラズマの着火後に十分な大きさの発光の強度が得られる波長が予め判っている場合には、着火の検出にそのような波長を用いて検出の際の判定の闘値を大きくすることで、安定した着火の検出を行うことができ、プラズマ処理装置の処理の全体的な効率を向上させることができる。

従来の技術では、分光器８により分解された複数の波長のうちで特定の一つの波長の発光のみを検出して着火の検出を実施してきた。しかし、処理に使用するガスや高周波電力は処理するウエハの種類等の違いにより異なるため、従来技術では、複数種類の処理でも着火を検出可能にするために、着火の当否を判定するための闘値を低く設定する必要があった。

処理するウエハ毎あるいは、使用するガス種毎に十分な発光強度が得られる波長は異なる。つまり、着火後も波長によって強度が十分な波長と強度が十分でない波長とが存在する。このことから、十分な発光強度が得られる波長を着火の検出に使用することが高い闘値を設定することを可能にし安定した検出が可能になるが、近年のエッチング加工の線幅が極小化に伴い処理中にプラズマから生じる発光の量が低下しており、上記のように複数の試料や異なる処理の着火の検出に用いることができる波長の光を選択して安定な着火の検出を行うことは困難となっていたという問題があった。

図３は、図１の実施の形態において、真空処理室内にプラズマを形成した場合に得られる発光スペクトルを示すグラフである。特に、図３（a）は、この例では、真空処理室内にプラズマ形成用のガスとしてArのみを導入してプラズマを形成した場合に得られるスペクトルを示している。このように発光スペクトルは、多くの波長を含み波長毎で強度が一定ではなく、強度の強い波長と弱い波長が存在している。

図３（b）は、波長200nmから800nmにおけるArの代表的なスペクトル波長を表示する。このように原子あるいは分子は固有のスペクトル波長を持つことが知られており、この固有スペクトルと実際に取得した発光スペクトルの強度の高い波長は良く一致する。この図に示すArの代表的なスペクトル波長及び図３（a）に示すArのみを使用した場合の発光スペクトルより、419.8nm、696.5nm、703.0nm、706.7nmにおいて強度が高くなっていることが分かる。

このような発光の波長の中から特定の波長を選択するうえでは、強度のみでなく分光器内の受光素子の波長感度特性も考慮して、着火検出に使用する波長を総合的に判断し決定する必要がある。本実施の形態では、プラズマの着火の検出に使用するには、419.8nm、696.5nm等の発光を使用することで、安定した検出が可能となった。Arの強度の高いスペクトル波長を予め記憶しておき、エージング等の予め試料の処理を行う前に真空処理容器内でプラズマを形成した場合に得られる発光スペクトルと比較して、プラズマ形成の前後で強度差の大きい（スペクトルの強度の大きな）波長を３つ程度登録しておくこともできる。

このような比較、登録は上記制御装置１０や信号処理装置９内の演算手段、記憶手段で行うこともできる。さらに、各波長のスペクトルの強度を使用者が比較して着火の検出に使用する特定の波長を選択するために、プラズマ処理装置の本体と通信可能にされた表示装置に得られた発光のスペクトルを表示して、使用者が表示装置上でマウス等の指定手段で複数の波長とその光の強度の闘値を選択できるようにしてもよい。

このようにして選択された波長は、制御装置１０等の記憶手段に記憶され、プラズマ処理装置は登録した複数の波長について、プラズマ着火検出時に発光を監視し強度の大きさが定められた闘値に対する大小を判定し着火検出を行う。本実施例では、この登録した複数の波長のうち一つでも闘値を越えた場合に着火したものと判定する。闘値は、これら複数の波長について共通に設定することも波長各々について設定することもできる。さらに異なる物質の発光のスペクトルから各々異なる波長を選択する。さらに各々異なる闘値を設定しても良い。

図４は、ウエハを処理する際の各処理ステップ毎の処理ガスの組成や装置の動作条件等レシピを説明する図である。一枚のウエハには複数の膜が形成されており、これらの膜にプラズマによる処理を施す場合には、これらの膜を処理するための複数の工程を、各々に応じた処理ガス、プラズマ、電極の動作といった条件を予めデータとして保存しておき、このレシピに従ってエッチング等のプラズマの処理が実施される。

この複数の工程（ステップ）は、例えば図４に示すように、複数の工程に対応する処理をステップ１、２、........、Nと表現される。本実施の形態では、ステップ１で処理時間60秒、ガス１を200sccm、ガス２を100sccm、電力量は1000sccmの設定で処理を行う。ステップ１が終了するとステップ２を実施する。ステップ２では、処理時間が６０秒、ガス１が100sccm、ガス２が100sccm、ガス３が50sccm、プラズマ生成用電力が1500W、着火検出用の光の波長が420nmとして処理を行う。以下、所定の数のステップが順次実施されて、最後にステップNを実行して処理を終了する。上記の工程では、ウエハにプラズマを施す際には、レシピにより使用するガス種が予め定められている。

そこで、使用するガス種に対応して、レシピに使用を定められているガス種について生じる光の波長のうち予め大きく変化して検出が安定して行える特定の波長や各処理において特徴的な光の波長を着火検出用の波長として設定しておく。このことで、対象の工程中の着火の前後で特定の波長の光の強度とその変化を検出して、着火を検出する。なお、着火検出の波長は使用する処理ガスの種類に応じて設定されるため、使用する処理ガスの種類毎の発光スペクトルの情報をデータベースとして予め作成して準備しておき、各工程の処理を行う際の必要に応じて波長の情報を取得し波長を選択して、着火の検出を行うようにしてもよい。なお、図４に示す実施の形態では、各ステップ毎に１種類の波長を指定したが、複数の波長を指定することにより検出の精度を向上できる。

図５は、図１に示すプラズマ処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。まず、ステップS1において処理が開始される。本図は、処理をエッチング処理としている。ステップS２において、対象の工程（ステップn）のレシピ情報をレシピのデータベースであるレシピファイルにより読み出す。レシピファィルはエッチングが開始前に予め作成されたものである。ステップS3において、レシピファイルから読み出したレシピ情報をもとに使用するガスの種類を特定する。ステップS４において、特定した使用ガスの種類に基づいて着火検出に適用する波長（監視対象波長）を決定する。

ステップS５において、前記監視対象波長に係わる波長（複数でも良い）を監視する。波長の光の強度が増大してこの波長に係わる闘値を超えたと判定された場合にプラズマの着火を検出したと判定され処理を実施する。ステップS６において、ステップnのプラズマ処理を実施する。ステップS７において、処理時間経過するか、あるいは処理室内の発光スペクトルを監視している終点判定装置等を用いて終点の検出信号を検知すると、現ステップであるステップnを終了する。

ステップS８において、続いて処理すべき工程（ステップn＋１）あるいはレシピ（ステップn＋１に係るレシピ）が有る場合には、レシピのステップ番号をインクリメントしてステップS２に戻り、処理を継続する。次の実行すべきステップが無い場合は、ステップS９において、処理を終了する。

以上、上記の実施形態では、レシピの各処理ステップ毎に使用するガス種それぞれについて、処理ステップでプラズマ着火の検出のため監視する波長を予め登録しておき、この波長の発光強度を監視することによりプラズマの着火を検出する。あるいは、前記監視する波長を、ステップにおいて使用するガス種の情報をもとに演算して検出する。これにより、着火検出に用いる波長として、着火前後でその光の強度が大きく変化する波長を、処理ガスが異なる各ステップ毎に選択し設定することができ、このことで、複数の処理にわたり安定して着火を検出することができ、各ステップ毎に安定した処理を行うことができる。ひいては、プラズマ処理装置の稼働率が向上し処理の効率が向上する。

本実施形態に係るプラズマ処理装置を説明する図である。 プラズマの着火前後における真空処理容器内の発光スペクトルを説明する図である。 プラズマ発光の例を示す図である。 ウエハを処理する際のレシピを説明する図である。 図１に示す本実施の形態のプラズマ処理装置の処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 真空処理容器
２ アンテナ電極
３ プラズマ生成用高周波電源
４ 磁場形成用コイル
５ 試料載置電極
６ プラズマ
７ 受光部
８ 分光器
９ 信号処理回路
１０ 制御装置

Claims (5)

1. 真空処理容器と、
   該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、
   前記真空処理容器内に磁場を発生させる磁場発生手段と、
   前記真空処理容器内に高周波電力を供給して該真空容器内にプラズマを生成する高周波電力供給手段と、
   前記真空容器内に生成されたプラズマの発光を分光して発光スペクトルを取得する分光器と、
   取得した発光スペクトルの内、予め定めた特定波長のスペクトルの発光強度をもとにプラズマの着火を検出する着火検出手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記特定波長のスペクトルは、被処理体であるウエハを処理する条件に基づいて予め選定することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記特定波長のスペクトルは、前記プラズマ処理装置の各処理ステップごとの処理条件を定めたレシピ毎に予め設定することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記特定波長のスペクトルは、複数の波長のスペクトルであり、それぞれの波長のスペクトルの発光強度を予め定めた値と比較することによりプラズマの着火を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 真空処理容器と、該真空処理容器内に処理ガスを導入するガス導入手段と、前記真空処理容器内に磁場を発生させる磁場発生手段と、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して該真空容器内にプラズマを生成する高周波電力供給手段と、前記真空容器内に生成されたプラズマの発光を分光して発光スペクトルを取得する分光器とを備え、取得した発光スペクトルの内の予め定めた特定波長のスペクトルの発光強度をもとにプラズマの着火を検出するプラズマ処理装置の着火検出方法であって、
   前記特定波長は、プラズマ処理に使用するレシピの各処理ステップ毎に定められた使用ガスをもとに各処理ステップ毎に設定し、設定された特定波長のスペクトルの発光強度をもとにプラズマの着火を各処理ステップ毎に検出することを特徴とするプラズマ処理装置の着火検出方法。

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