JP2008244294A - プロセスガス供給装置および供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスガスが真空処理室に到達する時間を調節して所望のプロセスガス条件でプラズマ処理を行うことのできるプロセスガス供給装置を提供する。
【解決手段】プロセスガスを供給するガス供給源１から供給されたプロセスガスをガス流量制御装置２、ガス遮断器３およびガス供給管路４を介して減圧処理室６に供給するガス供給ラインと、減圧処理室内のプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光をもとに前記ガス供給ラインを介して供給されたプロセスガスの成分量を検出するプラズマ発光検出器９と、前記ガス遮断器を解放または遮断してから、前記プラズマ発光検出器が、プロセスガスが所定成分量に達したことを検出するまでの経過時間をもとに、前記ガス供給ラインの到達時間および減少時間を計測し、該到達時間および減少時間をもとに前記ガス遮断器の解放または遮断のタイミングを制御するコントローラ１５を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロセスガス供給技術に係り、特に、プラズマ処理装置にプロセスガスを供給するプロセスガス供給技術に関する。

従来、半導体チップの製造工程等において、シリコンウエハあるいはＬＣＤ基板などの被処理体に所望の微細加工を施す際、処理室に導入された反応性ガスを電磁波によりプラズマ化し、このプラズマ化された反応性ガスを用いて前記被処理体にエッチング処理を施すプラズマエッチング装置が広く利用されている。

プラズマ処理装置において、被処理体に対し均一なプラズマ処理を施す為には、導入する複数のプロセスガスを被処理体であるウエハの処理面全体にわたり均一な濃度に分布させる必要がある。

近年、半導体製造に用いるシリコンウエハの外径は２００ｍｍから３００ｍｍへと大口径化している。これに伴い、シリコンウエハ上の広い領域にわたり、均一なプラズマ処理を行うことが難しくなってきている。このため、複数のプロセスガスを混合した後、導入口に設けた拡散用のフィルタを介して処理室に導入し、あるいはそれぞれ独立した流量制御装置を有するガス供給ライン設け、それぞれの供給ラインを介してシリコンウエハの中心部および外周縁部にプロセスガスを供給している。

このような技術としては、特許文献１に、被処理体であるウエハ表面に均一にガスを分布させる方法が示されている。

また、特許文献２には、真空処理室内のプラズマ発光をモニタリングし、プラズマ発光の変動をもとにガス流量、高周波電力、圧力、温度、磁界強度等の制御値を監視および制御する方法が示されている。
特開２００６−４１０８８号公報 特開２０００−２１８５６号公報

ところで、前述のように複数のガス供給ラインをもつプラズマエッチング処理装置において、各供給ラインにおけるプロセスガス導入口の形状が相互に異なる場合、あるいはガス配管容積（配管長）が相互に異なる場合においては、それぞれの供給ラインの一方側からガスを同時に供給しても、真空処理室内にプロセスガスが到達する時間には相違が生じる。

真空処理室内に導入されるプロセスガスの到達時間が相違すると、プロセスガスを切り替える際に、被処理体であるウエハ上に形成されるプラズマは、所望のプロセスガスによるプラズマでない状態となる。このような場合には、所望のエッチング結果を得ることはできない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、プロセスガスが真空処理室に到達するタイミングを調節して所望のプロセスガス条件でプラズマ処理を行うことのできるプロセスガス供給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。

プロセスガスを供給するガス供給源と、室内に供給されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成装置を備えた減圧処理室と、前記ガス供給源から供給されたプロセスガスをガス流量制御装置、ガス遮断器およびガス供給管路を介して減圧処理室に供給するガス供給ラインと、減圧処理室内のプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光をもとに前記ガス供給ラインを介して供給されたプロセスガスの成分量を検出するプラズマ発光検出器と、前記ガス遮断器を解放または遮断してから、前記プラズマ発光検出器が、プロセスガスが所定成分量に達したことを検出するまでの経過時間をもとに、前記ガス供給ラインの到達時間および減少時間を計測し、該到達時間および減少時間をもとに前記ガス遮断器の解放または遮断のタイミングを制御するコントローラを備えた。

本発明は、以上の構成を備えるため、プロセスガスが真空処理室に到達するタイミングを調節して所望のプロセスガス条件でプラズマ処理を行うことのできるプロセスガス供給技術を提供することができる。

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、本発明の第１の実施形態にかかるプロセスガス供給装置を示す図である。図１に示すように、プラズマエッチング装置にプロセスガスを供給するプロセスガス供給装置は、ガスＡ供給源１−１、ガスＡ供給源１−１から供給されるプロセスガスの流量を調整するためのガスＡ流量制御装置２−１、プロセスガスを遮断するガスＡ遮断バルブ３−１、ガスＡ供給ライン４−１、およびガスＢ供給源１−２、ガスＢ供給源１−２から供給されるプロセスガスの流量を調整するためのガスＢ流量制御装置２−２、ガスＢ供給源１−２から供給されるプロセスガスを遮断するガスＢ遮断バルブ３−２、ガスＢ供給ライン４−２を備える。

また、プラズマエッチング装置は、処理室６内のプラズマ発光を検出するプラズマ発光検出器９、処理室６の圧力を測定する圧力計１０、プラズマを発生させるためのソース電源７、アンテナ８、処理室６を真空状態に排気する排気ポンプ１３、処理室７の圧力を一定に制御する排気制御バルブ１２、プロセスガスの流量調整、プロセスガスの供給・停止のタイミング制御、プラズマ発光成分の分析を行う制御コントローラ１５、および制御機器の状態を表示するための表示モニタ１６とを備える。

ガスＡ供給ライン４−１から供給されるプロセスガスは、処理室６に取り付けられたガス導入口５より真空状態の処理室６内に導入される。処理室６は、圧力計１０の検出値にしたがって、排気制御バルブ１２、排気ポンプ１３を制御することにより所望の圧力値に保持されている。また、処理室６内には、ソース電源７からアンテナ８を介して高周波電力を供給してプラズマを発生させる。被処理体であるウエハ１４上にはプラズマによる化学反応が起こり、エッチングが進行する。発生した反応性生成物および反応性ガスは排気口１１から排気される。

図２は、処理室へのガス到達時間を測定する方法を説明する図である。処理室６にガスＢ供給源１−２からプロセスガスを供給した状態でプラズマを発生させ、この状態で、ガスＡ供給源１−１からプロセスガスの供給を開始し、プラズマ発光検出器９によりガスＡのプラズマ発光の強度を測定する。

ガスＡの供給を開始して（ｔ１）からガスＡのプラズマ発光強度が所定値まで増加する（ｔ２）に要する時間（ｔ２−ｔ１）と、ガスＡのプラズマ発光強度が一定になる（ｔ３）までの時間（ｔ３−ｔ１）を制御コントローラ１５で測定する。

また、ガスＡ供給源１−１からプロセスガスの供給を停止（ｔ４）し、ガスＡのプラズマ発光強度が所定値まで減少する（ｔ５）に要する時間（ｔ５−ｔ４）と、ガスＡのプラズマ発光が無くなる（ｔ６）までの時間（ｔ６−ｔ４）を制御コントローラ１５で測定する。

なお、本発明においては、ガス供給を開始してから処理室６内へガスが到達するに要する時間（到達時間）をプラズマ発光強度が１０％に達するに要する時間で定義し、ガス供給を停止してから処理室６内のガスが減少する時間（減少時間）をプラズマ発光強度が５０％に達するに要する時間で定義する。

図３Ａ，３Ｂは、前記ガス到達時間、ガス減少時間の測定方法を説明する図である。まず、処理室６とガス供給ライン４−１，４−２を排気する（Ｓ１）。次に、ガスＢ遮断バルブ３−２を開く（Ｓ２）。次に、ガスＢ流量制御装置２−２にガスＢ供給ライン４−２の流量を設定して処理室６にガスＢを導入する（Ｓ３）。次に、ソース電源７からアンテナ９にパワーを出力し、処理室６内にプラズマを発生させる（Ｓ４）。

次に、ガスＡ遮断バルブ３−１を開く（Ｓ５）。次に時点ｔ１において、ガスＡ流量制御装置２−１にガスＡ供給ライン４−１の流量を設定して処理室６にガスＡを導入するとともに制御コントローラ１５で時間計測を開始する（Ｓ６）。次に、プラズマ発光検出器９で処理室６内のガス成分測定を開始する（Ｓ７）。次に、プラズマ発光検出器９でガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が検出された時点（ｔ２）で制御コントローラ１５で経過時間（ｔ２−ｔ１）を取得する（Ｓ８）。次に、プラズマ発光検出器９で処理室６内のガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が安定することを監視する（Ｓ９）。次に、ガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が安定した時点（ｔ３）で制御コントローラ１５で経過時間（ｔ３−ｔ１）を取得する（Ｓ１０）。

次に、制御コントローラ１５で所定時間が経過するまで待つ（Ｓ１１）。次に時点ｔ４において、ガスＡ流量制御装置２−１の流量をゼロにするとともにガスＡ遮断バルブ３−１を閉じる（Ｓ１２）。次に、プラズマ発光検出器９で処理室６内のガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が減少することを監視する（Ｓ１３）。次にガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が５０％に減少してきた時点（ｔ５）で制御コントローラ１５で経過時間（ｔ５−ｔ４）を取得する（Ｓ１４）。次に、プラズマ発光検出器９で処理室６内のガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分がなくなることを監視する（Ｓ１５）。ガスＡ供給ライン４−１から供給されるガス成分が検出されなくなった時点（ｔ６）で制御コントローラ１５で経過時間（ｔ６−ｔ４）を取得する（Ｓ１６）。次に、ガスＢ流量制御装置２−２の流量をゼロにするとともにガスＢ遮断バルブ３−２を閉じる（Ｓ１７）。

次に、処理室６とガス供給ライン４−１，４−２を排気する（Ｓ１８）。次に、ガスＡ供給ライン４−１における経過時間（ｔ２−ｔ１，ｔ３−ｔ１、ｔ５−ｔ４，ｔ６−ｔ４）を表示モニタ１６に表示するとともに、これらのデータを制御コントローラ１５内に保持する（Ｓ１９）。

図４は、ガス到達時間の測定手順と測定結果を示す図である。図４（ａ）はガスの供給手順を示す図であり、図４（ａ）〜（ｅ）は前記手順を波形表示した図であり、図４（ｆ）は測定結果を示す図である。

この例では、ステップ１でガスＢ供給ライン４−２からガスＢを１０秒供給しプラズマ放電を発生させ、ステップ２でガスＡ供給ライン４−１からガスＡを１０秒供給してガス到達時間を測定する。測定の結果によればガスＡ供給ライン４−１はガス供給を開始して処理室６に到達するまでの時間は２秒であり、ガス供給が安定するまでに３秒を要する。また、ガスＡ供給ライン４−１はガス供給を停止して処理室６内でガスが減少しはじめるまでの時間は２秒であり、処理室６内のガスが無くなるまでに３秒を要する。

なお、ガスＢ供給ライン４−２のガス到達時間については前述の手順において、ガスＡ供給ライン４−１とガスＢ供給ライン４−２を入れ替えることにより測定できる。

図５は、このようにして測定したガスＡ供給ライン４−１とガスＢ供給ライン４−２のガス到達時間を示す図である。なお、前述のようにプラズマ発光内のガス成分が１０％上昇した時点でガスが到達したと判断し、また、プラズマ発光内のガス成分が上昇後１秒間に１０％を超えて変動しないとき安定したと判断する。図５の例ではガスＡの到達時間は２秒、ガスＢの到達時間は１秒である。

図６は、プロセスガスの供給方法を説明する図である。まず、ステップタイム、ガスＡ流量、ガスＢ流量、ソースパワーを含む処理条件を制御コントローラ１５に設定する（Ｓ２０）。次にあらかじめ測定しておいたガスＡ供給ライン４−１およびガスＢ供給ライン４−２のプロセスガスの到達時間を制御コントローラ１５に設定する（Ｓ２１）。

制御コントローラ１５は、ガスＡ流量制御装置２−１の流量値、ガス遮断バルブ３−１，の開閉状態、ガスＢ流量制御装置２−２の流量値、ガス遮断バルブ３−２の開閉状態、およおびソース電源７の出力時間割を生成する（Ｓ２２）。

次に、ガスＡ遮断バルブ３−１およびガスＢ遮断バルブ３−２の初期状態を出力する（Ｓ２３）。次に、ガスＡ流量制御装置２−１およびガスＢ流量制御装置２−２の初期流量を出力する（Ｓ２４）。次に、ソース電源７からアンテナ８に初期パワーを出力する（Ｓ２５）。次に、制御コントローラ１５で時間計測処理を起動しステップタイムのカウントを開始する（Ｓ２６）。次に制御コントローラ１５が出力時間割にしたがってガスＡ流量制御装置２−１、ガスＡ遮断バルブ３−１、ガスＢ流量制御装置２−２、ガスＢ遮断バルブ３−３、およびソース電源７の出力を変更する（Ｓ２７）。制御コントローラ１５は経過時間を監視し、ステップタイムが経過すると処理を終了する（Ｓ２８）。

この例では制御コントローラ１５に予め処理条件と到達時間のデータを設定したが、外部入力装置から直接入力してもよいし、別の記憶媒体から制御コントローラ１５に転送してもよい。また、制御コントローラ１７が出力時間割を生成したが、別のシステムで時間割を生成し、生成した時間割を制御コントローラ１７に転送してもよい。

図７は、ガス遮断バルブを介して供給されるガス流量とガス発光強度の例を表す図である。図７（ａ）に示すようにガスＡは、ステップｎの始点よりも２秒早く供給を開始し、ステップｎの終点よりも２秒早く供給を停止する。これによりガスＡは、図７（ｂ）に示すように、ステップｎの始点において処理室に到達し、ステップｎの終点において５０％に減少する（立ち下がる）。

同様に図７（ｃ）に示すようにガスＢは、ステップｎの始点よりも１秒早く供給を開始し、ステップｎの終点よりも１秒早く供給を停止する。これによりガスＢは、図７（ｃ）に示すように、ステップｎの始点において処理室に到達し、ステップｎの終点において５０％に減少する（立ち下がる）。

図８は、処理室にガスを切り替えて供給する他の例を説明する図である。図８（ａ）に示すようにガスＡは、ステップｎの始点よりも２秒早く供給を開始し、ステップｎの終点よりも２秒早く供給を停止する。これによりガスＡは、図８（ｂ）に示すように、ステップｎの始点において処理室に到達し、ステップｎの終点において５０％に減少する。同様に図８（ｃ）に示すようにガスＢは、ステップｎ＋１の始点よりも１秒早く供給を開始し、ステップｎ＋１の終点よりも１秒早く供給を停止する。これによりガスＢは、図７（ｄ）に示すように、ステップｎ＋１の始点において処理室に到達し、ステップｎ＋１の終点において５０％に減少する。すなわち、ガスＡおよびガスＢの供給ラインを切り替えることができる。

図９は、第２の実施形態を説明する図である。図９に示す例では、図１の例と比較して、流れ具合の異なる複数のガス導入口（５−１，５−２）を設けている点で異なる。

図１０は、処理室にガスを切り替えて供給する例を説明する図である。この図の例では、ガスＡ供給ライン４−１のガス到達時間は２秒であり、ガスＢ供給ライン４−２のガス到達時間は４秒である。このため、ガスＡ供給ライン４−１のガス供給を２秒早く停止し、ガスＢ供給ライン４−２のガス供給を４秒早く開始することにより、複数のガス導入口で流れ具合が異なる場合においても処理室６内にプロセスガスを連続して供給することができる。

図１１は、ガスＢの供給タイミングを意図的に変更した例を説明する図である。この図の例では、ガスＡ供給ライン４−１のガス到達時間は２秒であり、ガスＢ供給ライン４−２のガス到達時間は４秒である。ガスＡ供給ライン４−１のガス供給を３秒早く開始し、２秒早く停止する。また、ガスＢ供給ライン４−２のガス供給を５秒早く開始し、４秒早く停止する。このように、処理室６内へのプロセスガスの到達をガス供給ライン毎に制御することもできる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、プロセスガス導入口の形状、あるいはガス配管容積が異なることにより真空処理室内へのガスの到達時間に相違が存在する複数のガス供給路を有する半導体製造装置において、それぞれのガス供給路においてプロセスガスが真空処理室に到達するに要する時間を把握し、把握した時間をもとにプロセスガスの供給および停止のタイミングを調整する。このため、真空処理室内に最適なタイミングでプロセスガスを供給することができる。このため、被処理体であるシリコンウエハに均一なプラズマ処理を施すことができる。また、ガス供給の開始と停止のタイミングを適正化することで使用するガス量を低減することができる。

第１の実施形態にかかるプロセスガス供給装置を示す図である。 処理室へのガス到達時間を測定する方法を説明する図である。 ガス到達時間、ガス減少時間の測定方法を説明する図である。 ガス到達時間、ガス減少時間の測定方法を説明する図である。 ガス到達時間の測定手順と測定結果を示す図である。 ガスＡ供給ライン４−１とガスＢ供給ライン４−２のガス到達時間を示す図である。 プロセスガスの供給方法を説明する図である。 ガス遮断バルブを介して供給されるガス流量とガス発光強度の例を表す図である。 処理室にガスを切り替えて供給する例を説明する図である。 第２の実施形態を説明する図である。 処理室にガスを切り替えて供給する例を説明する図である。 ガスＢの供給タイミングを意図的に変更した例を説明する図である。

符号の説明

１−１ ガスＡ供給源
１−２ ガスＢ供給源
２−１ ガスＡ流量制御装置
２−２ ガスＢ流量制御装置
３−１ ガスＡ遮断バルブ
３−２ ガスＢ遮断バルブ
４−１ ガスＡ供給ライン
４−２ ガスＢ供給ライン
５ ガス導入口
６ 処理室
７ ソース電源
８ アンテナ
９ プラズマ発光検出器
１０ 圧力計
１１ 排気口
１２ 排気制御バルブ
１３ 排気ポンプ
１４ ウエハ
１５ 制御コントローラ
１６ 表示モニタ

Claims (4)

1. プロセスガスを供給するガス供給源と、
   室内に供給されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成装置を備えた減圧処理室と、
   前記ガス供給源から供給されたプロセスガスをガス流量制御装置、ガス遮断器およびガス供給管路を介して減圧処理室に供給するガス供給ラインと、
   減圧処理室内のプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光をもとに前記ガス供給ラインを介して供給されたプロセスガスの成分量を検出するプラズマ発光検出器と、
   前記ガス遮断器を解放または遮断してから、前記プラズマ発光検出器が、プロセスガスが所定成分量に達したことを検出するまでの経過時間をもとに、前記ガス供給ラインの到達時間および減少時間を計測し、該到達時間および減少時間をもとに前記ガス遮断器の解放または遮断のタイミングを制御するコントローラを備えたことを特徴とするプロセスガス供給装置。
2. それぞれが異なるプロセスガスを供給する第１および第２のガス供給源と、
   室内に供給されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成装置を備えた減圧処理室と、
   前記第１および第２のガス供給源から供給されたプロセスガスをそれぞれガス流量制御装置、ガス遮断器およびガス供給管路をを介して減圧処理室に供給する第１および第２のガス供給ラインと、
   減圧処理室内のプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光をもとに前記ガス供給ラインを介して供給されたプロセスガスの成分量をそれぞれ検出するプラズマ発光検出器と、
   それぞれのガス供給ラインにおけるガス遮断器を解放または遮断してから、前記プラズマ発光検出器が、プロセスガスが所定に成分量に達したことを検出するまでの経過時間をもとに、前記ガス供給ラインの到達時間および減少時間を計測し、該到達時間および減少時間をもとに前記ガス遮断器の解放または遮断のタイミングを制御するコントローラを備えたことを特徴とするプロセスガス供給装置。
3. 請求項２記載のプロセスガス供給装置において、
   前記コントローラは、第１のガス遮断器を基準時点よりも減少時間だけ早く遮断し、第２のガス遮断器を前記基準時点よりも到達時間だけ早く解放することを特徴とするプロセスガス供給装置。
4. それぞれが異なるプロセスガスを供給する第１および第２のガス供給源と、
   室内に供給されたプロセスガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成装置を備えた減圧処理室と、
   前記第１および第２のガス供給源から供給されたプロセスガスをそれぞれガス流量制御装置、ガス遮断器およびガス供給管路をを介して減圧処理室に供給する第１および第２のガス供給ラインと、
   減圧処理室内のプラズマ発光を検出し、検出したプラズマ発光をもとに前記ガス供給ラインを介して供給されたプロセスガスの成分量をそれぞれ検出するプラズマ発光検出器と、
   前記ガス遮断器の解放および遮断のタイミングを制御して、前記減圧処理室に前記第１および第２のプロセスガスを所定のタイミングで供給するプロセスガスの供給方法において、
   それぞれのガス供給ラインにおけるガス遮断器を解放または遮断してから、前記プラズマ発光検出器が、プロセスガスが所定に成分量に達したことを検出するまでの経過時間をもとに、前記ガス供給ラインの到達時間および減少時間を計測し、計測した到達時間および減少時間をもとに前記ガス遮断器の解放または遮断のタイミングを制御することを特徴とするプロセスガス供給方法。

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