JP2016072264A - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適用工程が制限されず、ウェハ処理中のプラズマ状態を安定化し、かつプラズマ処理の効率を向上するスループットの高いプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】金属元素を含有する膜が配置された第一の試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、処理室内に被覆膜を形成し（Ｓ２０１）、試料台上以外の被覆膜を除去し（Ｓ２０２−Ｓ２０４）、処理室内で第一の試料をプラズマ処理し（Ｓ２０５−Ｓ２０７）、被覆膜上に堆積した堆積膜を除去（Ｓ２０８−Ｓ２０９）する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。

近年のＬＳＩにおける急速な微細化に伴い、エッチング工程における加工寸法精度には高度な制御性と同時に、デバイスの特性ばらつき低減のため、プロセス性能の高い安定性が要求される。一般に、エッチング工程におけるプロセス性能の経時変化は、短期的なプロセス性能変動と長期的なプロセス性能変動に分類される。前者は、エッチングチャンバー内の部材等の温度変動により、チャンバー内壁等へのラジカル付着確率が変化すること等に起因する。後者は、エッチング処理の過程で発生した反応生成物等がチャンバー内壁に付着すること等に起因する。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の微細化に伴い、近年ではゲート酸化膜に高誘電率（Ｈｉｇｈ−Ｋ）材料を採用したＭｅｔａｌ Ｇａｔｅ/ Ｈｉｇｈ−Ｋ（ＭＧ/ＨＫ）構造が主流となっている。Ｈｉｇｈ−Ｋゲート酸化膜材料には、ハフニウム酸化膜（ＨｆＯ_２）などが用いられ、メタルゲート材料には、各種メタル材料が用いられる。ＭＧ/ＨＫプロセスの導入により、エッチング工程にて高いプロセス安定性を確保するには、メタル系反応生成物に対する安定化手法が必要となる。非特許文献１に記載されているように、一般にメタル系反応生成物は、ＳｉやＣから構成される反応生成物を対象とするフッ素を主体とした従来のプラズマクリーニングでは、除去が困難な場合があり、処理室内に残留するメタル系反応生成物に対する効果的な抑制方法の検討が必要である。これまでにメタル系反応生成物起因のプロセス変動に対する安定化手法として下記に示すような技術が検討されてきた。

まず特許文献１に記載されるようなシーズニング手法を用いてチャンバー雰囲気を一定に保つ技術や、塩素を主体としたプラズマクリーニングが実施されてきた。ただし、シーズニングや塩素を主体としたプラズマクリーニングには、プロセスの特性上、ノンプロダクトウェハ（非製品ウェハ、ダミーウェハ）が相当数必要となり、コスト面で問題となることがしばしばある。

また特許文献２や特許文献３に記載される技術のように、製品ウェハ処理前に、チャンバー内壁にＳｉやＯ、Ｃ等で構成された膜を形成し、製品ウェハ処理後に取り除くことで、チャンバー内壁状態を製品ウェハ処理毎にリセットする方法が知られている。さらに特許文献２に記載された技術は、上記膜形成プロセスに加えて、塩素を主体としたメタルクリーニングプロセスを有しており、電極上に形成された被覆膜による電極保護効果からメタルクリーニング中の電極自体の削れを抑制でき、ノンプロダクトウェハを不要とすることが記載されている。

特開２０１０−１７７４８０号公報 特開２０１１−１９２８７２号公報 米国特許第７７６７５８４号明細書

A. Le Gouil 他4名： J. Vac. Sci. Technol. B24(5)(2006)2191

そこで発明者等は、上記従来技術を今後ともＬＳＩ等の微細加工に適用していく場合の課題の有無について検討を行った。その結果、上記の従来技術では、以下の点についての考慮が十分なされていないことが分かった。
（１）エッチングプロセス中に壁面に形成された被覆膜が消耗されるため、エッチングプロセスの途中で壁面が部分露出してエッチャントの消耗量が変化する。これに起因するプロセス変動を防止するためには、ウェハ処理前において被覆膜はプロセス完了まで残存する膜厚として形成される必要がある。しかし、マスク（Ｓｉ系）エッチングプロセスなど被覆膜に対するエッチング選択比が低いウェハ処理条件が用いられる場合、壁面に形成された被覆膜の消耗量が多く、プロセス完了まで残存させるために必要となる被覆膜厚が膨大になり、被覆膜形成プロセスの時間が極めて長くなるため、著しくスループットが低下する。
（２）また、被覆膜は処理室内全体にある程度均一に形成されるため、ウェハ処理中は消耗されない電極上には塩素系プラズマクリーニングからの電極保護に必要となる膜厚よりはるかに厚い被覆膜が形成され、これをウェハ処理毎に完全に除去するために多くの時間を要し、これもスループットを低下させる要因となる。
（３）さらに、壁面に形成する被覆膜は温度や残留物といったチャンバー内壁の雰囲気により組成や膜厚が変化し、エッチング工程におけるプラズマ状態の変動要因になるという懸念がある。
（４）最後に、被覆膜の組成はウェハ処理中のプラズマ状態に直接影響を及ぼすため、被覆膜形成条件を変更した場合、同時にウェハ処理条件の変更を要し、量産が開始された後、あるいは量産に近い時期にある工程に対して上記技術を新規に適用する、あるいは既存の被覆膜形成条件を変更することは極めて困難で、上記技術の適用可能な工程には制限がある。

本発明の目的は、適用工程が制限されず、ウェハ処理中のプラズマ状態を安定化し、かつプラズマ処理の効率を向上するスループットの高いプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、金属元素を含有する膜が配置された第一の試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記第一の試料がプラズマ処理される処理室内にプラズマを用いて被覆膜を形成する第一の工程と、
前記第一の工程後、前記処理室内に配置された試料台に第二の試料を配置する第二の工程と、
前記第二の工程後、プラズマを用いて前記被覆膜を除去する第三の工程と、
前記第三の工程後、前記第二の試料を前記処理室から搬出する第四の工程と、
前記第四の工程後、前記第一の試料を前記試料台に載置するとともに前記処理室内で前記第一の試料をプラズマ処理する第五の工程と、
前記第五の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の前記被覆膜上に堆積した堆積膜を除去する第六の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法とする。

また、金属元素を含有する膜が配置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
前記試料がプラズマ処理される処理室内にプラズマを用いて被覆膜を形成する第一の工程と、
前記第一の工程後、前記試料を前記試料台に載置するとともに前記処理室内で前記試料をプラズマ処理する第二の工程と、
前記第二の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の金属元素を含有する堆積膜を除去する第三の工程と、
前記第三の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の前記被覆膜上に堆積した堆積膜を除去する第四の工程と、
前記試料の所定の枚数だけ前記第二の工程ないし前記第四の工程を繰り返しした後、プラズマを用いて前記処理室内の被覆膜を除去する第五の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法とする。

また、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に流れる電流を検知する電流検知手段と、前記試料台に印加される電圧を検知する電圧検知手段と、前記試料台上を被覆する被覆膜の膜厚をモニターする被覆膜厚モニター手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記被覆膜厚モニター手段は、前記電流検知手段により検知された電流と前記電圧検知手段により検知された電圧を用いて求められたインピーダンスと予め求められたインピーダンスとの差分に基づいて前記試料台上に被覆された被覆膜の膜厚と予め求められた所望の膜厚との大小関係を求め、
被覆膜が前記試料台上に被覆されているとき、前記試料のプラズマ処理を行う制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置とする。

本発明によれば、適用工程が制限されず、ウェハ処理中のプラズマ状態を安定化し、かつプラズマ処理の効率を向上するスループットの高いプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を説明するための縦断面図である。 本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理方法におけるエッチング処理シーケンス図である。 図２Ａに示すエッチング処理シーケンスを簡略化したシーケンス図である。 本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理方法における塩素系プラズマクリーニング条件の一例を示す。 本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理方法におけるフッ素系プラズマクリーニング条件の一例を示す。 本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。 塩素系プラズマクリーニングによる電極表面の削れ量と電極保護可能な被覆膜厚の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理方法におけるエッチング処理シーケンス図である。

発明者等は、上記課題について検討し、次のようなステップを採用した。即ち、プラズマ処理方法において、まず処理材のロット処理前に被覆膜を形成する。この被覆膜形成は塩素系プラズマによる電極ダメージから電極表面を保護することを目的としている。次にダミーウェハを電極上に載置した状態で電極表面以外に形成された被覆膜を除去し、ダミーウェハを搬出した後、製品ウェハ処理を実施する。最後に製品ウェハ処理で生じる反応生成物を除去するため、金属系反応生成物に対する塩素系プラズマクリーニング、金属系以外の反応生成物に対するフッ素系プラズマクリーニングを実施する。製品ウェハ処理から塩素系プラズマクリーニング、フッ素系プラズマクリーニングまでは、一度に連続処理される製品ウェハ枚数分だけ繰り返し実施され、すべての製品ウェハ処理が完了した後、残った電極上の被覆膜を除去する。上記手順により製品ウェハ処理中は被覆膜がプラズマに影響せず、塩素系プラズマクリーニング中には被覆膜により電極が保護されるといった状態を作ることができる。
以下、実施例を用いて本発明を説明する。なお、図中において同一符号は同一構成要素を示す。

本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理方法及び装置について、図１から図４を用いて説明する。図１は、本実施例に係るプラズマ処理装置の一例であるマイクロ波ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマエッチング装置の構成を説明するための縦断面図であり、処理室内部に設置された電極、真空容器外部に設置された電界、磁界の供給装置、および電源を模式的に示している。これら以外の機器、装置は、本実施例に係る技術分野の通常の知識を有する者により、本実施例に係る発明の作用、効果を著しく損なわないように、求められる性能或いは仕様に応じて配置または削除可能である。

図１に示すプラズマ処理装置では、上部が開放された円筒形状を有する処理室１０１の上方に、反応性ガスを導入するための複数の貫通孔を有する円板形状のシャワープレート１０２と誘電体窓１０３（石英製等）とが設置されており、処理室１０１は、その誘電体窓１０３によって気密に封止されている。反応性ガスは、ガス供給装置１０４によって流量を制御され、シャワープレート１０２を介して処理室１０１に供給される。処理室１０１の外周および上方には、処理室１０１内部に磁場を形成するソレノイドコイル１０５が配置されており、ソレノイドコイル１０５の電流によって処理室１０１内の磁場を制御することができる。また、処理室１０１上部の開放部には、電磁波を発生させるマグネトロン１０６と電磁波を伝送する導波管１０７（またはアンテナ）が設置され、誘電体窓１０３の上方にある円筒形状の空間（空洞共振部）に連結されている。本実施例で使用される電磁波は、マグネトロン１０６による２.４５ＧＨｚのマイクロ波であるが、これは効果・作用によって、特に限定されない。マグネトロン１０６により発振されたマイクロ波は、導波管１０７内部を伝播して誘電体窓１０３を透過し、処理室１０１内部に導入される。処理室１０１の下部には、真空排気管１０８を通して真空排気ポンプ（図示省略）が接続され、処理室１０１の真空排気が可能である。また、処理室１０１上部のシャワープレート１０２に対向するように処理室１０１下部に設置された基板電極（試料台）１０９は、誘電体膜（図示省略）で被覆されている。ウェハ（試料）１１０は、ロボットアーム等（図示省略）の搬送装置によって処理室１０１内部に搬送される。そして、基板電極１０９上に載置され、直流電源１１１から基板電極１０９内部の電極（図示省略）に印加される直流電圧によって静電的に吸着される。高周波電源１１２は、高周波整合器１１３を介して、高周波を基板電極１０９に印加することができる。処理室１０１の中段には、グランドに接続されたアース１１４が設置されており、高周波電源１１２により基板電極１０９上に印加された高周波電流は、プラズマを介してアース１１４に流れる。また、アース１１４上部には円筒形状の内筒１１５（石英製）が設置され、絶縁されている。

上記プラズマ処理装置におけるエッチング処理は、以下の流れで開始される。処理室１０１内にガス供給装置１０４よりプロセスガスが導入され、所望の圧力が制御される。マグネトロン１０６より発振されて処理室１０１内部に供給された電磁波と、処理室１０１内部に形成された磁場による電子サイクロトロン共鳴により、処理用ガスが励起され、処理室１０１内にプラズマが生成される。基板電極１０９に接続された高周波電源１１２から高周波電力が印加され、プラズマから基板電極１０９上に載置されたウェハ１１０上面へイオンが引き込まれ、エッチング処理が施される。

図２Ａは、本実施例に係るプラズマ処理方法におけるエッチングシーケンスを示す図である。本実施例に係るプラズマ処理方法では以下の６つの要素で構成され、図２Ａに示す手順に従いエッチング処理が行われる。すなわち、（１）壁面への被覆膜形成、（２）基板電極１０９上以外の被覆膜除去、（３）製品ウェハ処理、（４）塩素を主体としたプラズマクリーニング、（５）フッ素を主体としたプラズマクリーニング、（６）基板電極１０９上の残留被覆膜の除去、である。

尚、製品ウェハは任意の枚数が一度に連続処理され、製品ウェハ処理後には毎回必ず、塩素を主体としたプラズマクリーニングとフッ素を主体としたプラズマクリーニングが処理される。

以下に、図２Ａに示す処理シーケンスに従い各要素の詳細を述べる。まず、処理室１０１内壁にプラズマＡにより被覆膜を形成する（ステップＳ２０１）。被覆膜は基板電極１０９表面および、処理室１０１内の上部・下部問わず壁面全体に形成される。この被覆膜は、Ｓｉを含有する被覆膜であり、炭素を主成分とする膜、Ｓｉを主成分とする膜、Ｓｉと酸素（Ｏ）を含有する膜、またはＳｉと炭素（Ｃ）を含有する膜、Ｓｉと窒素（Ｎ）を含有する膜のいずれかである。これらの被覆膜を形成するためのプロセスガスには、例えば、Ｓｉと酸素（Ｏ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ_４とＯ_２の混合ガス、Ｓｉと炭素（Ｃ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ_４とＣＨ_４の混合ガス、Ｓｉと窒素（Ｎ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ_４とＮ_２の混合ガスが使用され、また、それらは、Ａｒ等の希ガスによって希釈してもよい。これらのプロセスガスを使用し、プラズマを生成することにより被覆膜が形成される。本実施例では、ＳｉＣｌ_４とＯ_２の混合ガスによってＳｉＯ_２を主成分とする膜を形成した場合について説明する。

次に、ダミーウェハが処理室１０１内に搬送され基板電極１０９上に載置される（ステップＳ２０２）。その後プラズマＢによるフッ素を主体としたプラズマクリーニングにより処理室１０１内の壁面に形成された被覆膜が除去される（ステップＳ２０３）。この時基板電極１０９上にはダミーウェハが載置されているため、基板電極１０９上表面の被覆膜はダミーウェハに保護され、プラズマに晒されずエッチングされない。基板電極１０９上表面以外のすべての処理室１０１内壁の被覆膜が除去された後、ダミーウェハは搬出される（ステップＳ２０４）。以上から、処理室１０１内には基板電極１０９上表面のみに被覆膜が形成された状態ができる。プラズマＢのプロセスガスとして、例えば、ＮＦ３やＳＦ６、またはＡｒ等の希釈ガスの混合ガスが用いられる。ここまでで、上記（１）壁面への被覆膜形成（Ｓ２０１）、（２）基板電極１０９上以外の被覆膜除去（Ｓ２０２−Ｓ２０４）が終了する。

基板電極１０９上のみに被覆膜が形成されると、シリコン膜やカーボン膜、メタル膜などが積層された製品ウェハが基板電極１０９上に載置される（ステップＳ２０５）。次に、プラズマが生成され、エッチング等のプラズマ処理がなされ(ステップＳ２０６)。その後、製品ウェハは基板電極１０９上から搬出される（ステップＳ２０７）。プラズマは単一または複数のステップによって構成された任意のプラズマである。これにより、上記（３）製品ウェハ処理が終了する。

製品ウェハ処理が完了すると、プラズマＣを形成することにより塩素を主体としたプラズマクリーニングが実施され（ステップＳ２０８）、製品ウェハ処理の過程で生じた処理室１０１内壁に堆積した反応生成物のうちメタルを含有した反応生成物が除去される。本クリーニングでは、Ｃｌ_２ガスとＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスまたはＣｌ_２ガスとＢＣｌ_３ガスの混合ガスを用いることができる。引き続き、プラズマＤを形成することによりフッ素を主体としたプラズマクリーニング処理（ステップＳ２０９）によって、処理室１０１内壁に堆積した反応生成物のうちメタルを含有していないシリコンやカーボン等で構成された反応生成物が除去される。これにより、上記（４）塩素を主体としたプラズマクリーニング、（５）フッ素を主体としたプラズマクリーニングが終了する。

これらの塩素を主体としたプラズマクリーニング処理、フッ素を主体としたプラズマクリーニング処理は、一度に連続処理される製品ウェハ処理枚数分だけ、製品ウェハ毎に繰り返し実施される。

一度に連続処理された最後の製品ウェハ処理後に基板電極１０９上に残存した被覆膜は、プラズマＢによるフッ素を主体としたプラズマクリーニングにより完全に除去される（ステップＳ２１０）。

以上のエッチング処理シーケンスによりプロセスが実施される。また基板電極１０９上に形成された被覆膜はプラズマＣによる塩素を主体としたプラズマクリーニングとプラズマＤによるフッ素を主体としたプラズマクリーニングにより消耗される（膜減りする）。ここで、一度に連続処理される製品ウェハ処理枚数をＮ、基板電極１０９上に形成される被覆膜厚をＺ、プラズマＣによる塩素を主体とするプラズマクリーニングにより消耗される被覆膜厚をＸ、プラズマＤによるフッ素を主体とするプラズマクリーニングにより消耗される被覆膜厚をＹとすると被覆膜Ｚは、以下の式（１）を満たすように形成される。

Ｚ＞Ｎ（Ｘ+Ｙ） ・・・（１）
被覆膜Ｚが厚くなりすぎた場合、基板電極１０９へのウェハ吸着力やウェハへの熱伝導の低下により製品ウェハ表面温度に影響を与える可能性があるため、被覆膜厚Ｚを十分薄くできるよう一度に連続処理される製品ウェハ処理枚数Ｎは１ロット（２５枚）程度が望ましい。

図３は、上記プラズマＣにおける塩素を主体としたプラズマクリーニング条件を示す。この塩素を主体としたプラズマクリーニングは、処理室１０１内壁に堆積したメタルを含有した反応生成物を効率的に除去し、かつ被覆膜に高いエッチング選択比を有する。この塩素を主体としたプラズマクリーニングにはＣｌ_２ガスに添加ガスが混合され、添加ガスには、ＳｉＣｌ_４ガスあるいはＢＣｌ_３ガスのいずれかが使用される。またＣｌ_２ガスに対する添加ガスの流量比は、０．２から０．５の範囲で使用可であり、０．３から０．４の範囲が好適である。処理室１０１内の圧力は０．３Ｐａから３．０Ｐａの範囲が望ましい。また、それらは添加ガスに加えてＡｒ等の希ガスにより希釈してもよい。

図４は、上記プラズマＤにおけるフッ素を主体としたプラズマクリーニング条件を示す。このフッ素を主体としたプラズマクリーニングは、処理室１０１内壁に堆積したメタルを含有していないシリコンやカーボン等で構成された反応生成物を効率的に除去し、かつ被覆膜に高いエッチング選択比を有する。処理室１０１内の圧力は０．０５Ｐａから１０Ｐａの範囲で使用可であり、０．１Ｐａから１０Ｐａが実用的な範囲、０．１Ｐａから３．０Ｐａが好適な範囲である。

図２Ｂは、図２Ａに示すエッチング処理シーケンスを簡略化したシーケンス図である。図２Ｂに示す本実施例に係る他のプラズマ処理方法では以下の５つの要素で構成され、図２Ａに示す手順に対し、スループット向上を目的に“基板電極１０９上以外の被覆膜除去”の要素を省略してプロセスを簡略化したものである。すなわち、（１）壁面への被覆膜形成、（２）製品ウェハ処理、（３）塩素を主体としたプラズマクリーニング、（４）フッ素を主体としたプラズマクリーニング、（５）基板電極１０９上の残留被覆膜の除去、である。図２ＡにおけるステップＳ２０１、Ｓ２０５からＳ２１０が、図２ＢにおけるステップＳ２１１、Ｓ２１２からＳ２１７に対応する。図２Ａの諸利点順同様、製品ウェハは任意の枚数が一度に連続処理され、製品ウェハ処理後には毎回必ず、塩素を主体としたプラズマクリーニングとフッ素を主体としたプラズマクリーニングが処理される。

図１に示すプラズマ処理装置及び、図３と図４に示すクリーニング条件を用い、図２Ａに示すエッチング処理シーケンスに従って、品種の異なるウェハの処理を、１ロット２５枚として複数回繰り返したところ、被覆膜に対するエッチング選択比が高く、被覆膜厚を薄くでき、被覆膜除去に要する時間も低減でき、かつウェハ処理中のプラズマ状態を安定化でき、プラズマ処理効率を向上させることができた。

また、図１に示すプラズマ処理装置及び、図３と図４に示すクリーニング条件を用い、図２Ｂに示すエッチング処理シーケンスに従って、１ロット２５枚のウェハの処理を複数回繰り返したところ、上記効果の他、工程を省略することにより、よりスループットの向上を図ることができた。

以上、本実施例によれば、適用工程が制限されず、ウェハ処理中のプラズマ状態を安定化し、かつプラズマ処理の効率を向上するスループットの高いプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理方法及び装置について図５から図７を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。図５は、本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。本実施例では実施例１に示すプラズマ処理装置の構成に加えて、以下の構成を具備又は実施することにより、基板電極（試料台）１０９上の被覆膜を常にモニターし、塩素を主体としたプラズマクリーニングによる基板電極１０９にダメージが生じない被覆膜厚を維持・管理することができる。図６は、塩素を主体としたプラズマクリーニングによる基板電極１０９表面の削れ量と基板電極１０９表面の保護可能な被覆膜厚の関係を示したグラブである。図６から分かるとおり、電極上の被覆膜が１０ｎｍ以上であれば被覆膜による保護効果によって塩素プラズマクリーニング処理中の電極表面に対するエッチングを無視できる程度に小さくできる。そこで、電極上の被覆膜を１０ｎｍ以上に維持していればノンプロダクトウェハ（ダミーウェハ）による基板電極１０９の保護無しに塩素を主体としたプラズマクリーニングが実施できる。

以下、主に実施例１と異なる点について説明する。高周波電源１１２と基板電極１０９間には、高周波電流値または電圧値を測定することができる電圧/電流プローブ(以下Ｖ／Ｉプローブ)２０１が接続されており、測定値からインピーダンスを算出できる演算部２０２、基板電極１０９上の被覆膜が１０ｎｍのときのインピーダンス値を格納しているリファレンスデータ格納部２０３、処理手順を制御するプロセスシーケンス制御部２０４が接続されている。

一般に、基板電極１０９に高周波電力が印加された場合、高周波電流は基板電極１０９および処理室１０１内に形成されたプラズマを介し、アース１１４へ流れる。また、プラズマとアース１１４および基板電極１０９表面にはシースが形成される。処理室１０１内壁に図２Ａに示すステップＳ２０１のように被覆膜を形成する場合、基板電極１０９上に被覆膜が形成される。例えば本実施例にてＳｉＣｌ_４とＯ_２の混合ガスにより形成される被覆膜の主成分はＳｉＯ_２であり絶縁膜が形成される。ここで、絶縁膜の高周波インピーダンスＺは以下の式（２）で記述される。Ｃは静電容量、ωは角周波数、εは絶縁膜の比誘電率、ｄは被覆膜厚、Ｓは被覆膜面積である。

Ｚ＝１/ｊωＣ＝ｄ/ｊεＳ ・・・（２）
異なる被覆膜厚に対して、形成されるプラズマ密度が一定であると仮定すると、被覆膜の比誘電率ε、面積Ｓが既知の場合には、基板電極１０９から、プラズマおよびアース１１４間の合成高周波インピーダンスを測定することで、被覆膜の厚み変化をインピーダンス変化として測定することが可能である。

図７は、インピーダンスを用いた基板電極１０９上の被覆膜厚モニターを応用した本実施例に係るプラズマ処理方法におけるエッチング処理シーケンス図である。以下、主に実施例１で示したエッチング処理シーケンスと異なる点について説明する。なお、図２ＡにおけるステップＳ２０１からＳ２０４が図７におけるステップＳ７０１からＳ７０４に対応する。また、ステップＳ２０５からＳ２０７がステップＳ７０５に対応する。また、ステップＳ２０８からＳ２０９がステップＳ７０６からＳ７０７に対応する。図７においては、基板電極１０９上以外の被覆膜が除去され（ステップＳ７０３）、製品ウェハ処理が実施され（ステップＳ７０５）、前記プラズマＤによるフッ素を主体としたプラズマクリーニングが処理（ステップＳ７０７）された直後に、Ａｒ等の希ガスによるプラズマが形成されると同時に、１Ｗ〜５０Ｗの範囲で高周波バイアスが印加される(ステップＳ７０８)。このプラズマ放電中にＶ／Ｉプローブ２０１による高周波電流値または電圧値を測定し（ステップＳ７０９）、この測定値から演算部２０２にてインピーダンス値が算出され、リファレンスデータ格納部２０３に保存されている基板電極１０９上被覆膜が１０ｎｍのときのインピーダンス値と比較され（ステップＳ７１０）、差分の正負から基板電極１０９上の被覆膜厚が１０ｎｍ以上であるか、否かが決定される（ステップＳ７１１）。インピーダンス値比較結果から基板電極１０９上の被覆膜厚が１０ｎｍ以上の場合は次の製品ウェハ処理が実施され（ステップＳ７０５）、１０ｎｍ未満の場合は基板電極１０９上に残存する被覆膜を前記プラズマＢによるフッ素を主体としたプラズマクリーニングにて除去し（ステップＳ７１２）、処理室１０１内への被覆膜厚形成（ステップＳ７０１）へ戻って処理シーケンスが再度開始される。以上の構成は、全てプロセスシーケンス制御部２０４に接続され、適切なシーケンスで動作するよう、そのタイミング、動作量がコントロールされる。本実施例に係るプラズマ処理装置において、これらの手順は、自動的に実施されるような装置構成となっており、自動シーケンス化が可能である。本手法により、基板電極１０９上の被覆膜厚を１０ｎｍ以上に常に維持し、基板電極１０９のダメージが生じないノンプロダクトウェハ載置が不要な塩素を主体としたプラズマクリーニングが実施できる。

図５に示すプラズマ処理装置及び、図３と図４に示すクリーニング条件を用い、図７に示すエッチング処理シーケンスに従って、品種の異なるウェハの処理を、１ロット２５枚として複数回繰り返したところ、被覆膜に対するエッチング選択比が高く、被覆膜厚を薄くでき、被覆膜除去に要する時間も低減でき、かつウェハ処理中のプラズマ状態を安定化でき、プラズマ処理効率を向上することができた。また、基板電極上に形成された被覆膜の厚さを求めることによりダミーウェハを不要とすることができる。

以上、本実施例によれば、適用工程が制限されず、ウェハ処理中のプラズマ状態を安定化し、かつプラズマ処理の効率を向上するスループットの高いプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の本実施例では、特にＥＣＲプラズマ装置についての実施例を述べたが、本発明は他のプラズマ生成装置または方法、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）を用いても同様の効果がある。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…処理室、１０２…シャワープレート、１０３…誘電体窓、１０４…ガス供給装置、１０５…ソレノイドコイル、１０６…マグネトロン、１０７…導波管、１０８…真空排気管、１０９…基板電極（試料台）、１１０…ウェハ（試料）、１１１…直流電源、１１２…高周波電源、１１３…高周波整合器、１１４…アース、１１５…内筒、２０１…Ｖ／Ｉプローブ、２０２…演算部、２０３…リファレンスデータ格納部、２０４…プロセスシーケンス制御部。

Claims (10)

1. 金属元素を含有する膜が配置された第一の試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
   前記第一の試料がプラズマ処理される処理室内にプラズマを用いて被覆膜を形成する第一の工程と、
   前記第一の工程後、前記処理室内に配置された試料台に第二の試料を配置する第二の工程と、
   前記第二の工程後、プラズマを用いて前記被覆膜を除去する第三の工程と、
   前記第三の工程後、前記第二の試料を前記処理室から搬出する第四の工程と、
   前記第四の工程後、前記第一の試料を前記試料台に載置するとともに前記処理室内で前記第一の試料をプラズマ処理する第五の工程と、
   前記第五の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の前記被覆膜上に堆積した堆積膜を除去する第六の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第六の工程のプラズマ処理は、前記被覆膜に対して選択的に前記堆積膜を除去するプラズマ処理であることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第三の工程後の被覆膜の膜厚をＺ、プラズマ処理される前記第一の試料の枚数をＮ、前記第六の工程にて除去される被覆膜の膜厚をＸとするとき、前記第一の工程にて形成される被覆膜は、Ｚ＞Ｎ×Ｘを満たすように形成されることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第一の試料の所定の枚数だけ前記第五の工程と前記第六の工程を繰り返した後、プラズマを用いて前記試料台上の被覆膜を除去する第七の工程をさらに有することを特徴とするプラズマ処理方法。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第六工程は、プラズマを用いて前記処理室内の金属元素を含有する堆積膜を除去する第一のクリーニング工程と、
   前記第一のクリーニング工程後、プラズマを用いて前記処理室内の前記被覆膜上に堆積した堆積膜を除去する第二のクリーニング工程を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 請求項５に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第一のクリーニング工程は、Ｃｌ_２ガスとＳｉＣｌ_４ガスの混合ガスまたはＣｌ_２ガスとＢＣｌ_３ガスの混合ガスを用いることを特徴とするプラズマ処理方法。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ処理方法において、
   前記被覆膜がＳｉを含有する膜であることを特徴とするプラズマ処理方法。
8. 金属元素を含有する膜が配置された試料をプラズマ処理するプラズマ処理方法において、
   前記試料がプラズマ処理される処理室内にプラズマを用いて被覆膜を形成する第一の工程と、
   前記第一の工程後、前記試料を前記試料台に載置するとともに前記処理室内で前記試料をプラズマ処理する第二の工程と、
   前記第二の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の金属元素を含有する堆積膜を除去する第三の工程と、
   前記第三の工程後、プラズマを用いて前記処理室内の前記被覆膜上に堆積した堆積膜を除去する第四の工程と、
   前記試料の所定の枚数だけ前記第二の工程ないし前記第四の工程を繰り返しした後、プラズマを用いて前記処理室内の被覆膜を除去する第五の工程とを有することを特徴とするプラズマ処理方法。
9. 試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記試料が載置される試料台と、前記試料台に流れる電流を検知する電流検知手段と、前記試料台に印加される電圧を検知する電圧検知手段と、前記試料台上を被覆する被覆膜の膜厚をモニターする被覆膜厚モニター手段とを備えるプラズマ処理装置において、
   前記被覆膜厚モニター手段は、前記電流検知手段により検知された電流と前記電圧検知手段により検知された電圧を用いて求められたインピーダンスと予め求められたインピーダンスとの差分に基づいて前記試料台上に被覆された被覆膜の膜厚と予め求められた所望の膜厚との大小関係を求め、
   被覆膜が前記試料台上に被覆されているとき、前記試料のプラズマ処理を行う制御装置をさらに備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 請求項９に記載のプラズマ処理装置において、
    前記制御装置は、前記試料台上に被覆された被覆膜の厚さが１０ｎｍ未満の場合、
    前記試料台上に被覆された被覆膜の厚さが所望の厚さに到達するまで前記試料台上に被覆膜を被覆した後、次の試料のプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。

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