JP2017537432A - プラズマ処理設備における内表面調整評価のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

一実施形態では、プラズマ源は、第１電極であって、その内部の第１の複数の貫通孔を通じて一又は複数のプラズマ源ガスを移送するように構成された、第１電極と、第１電極の外縁の周囲に第１電極と接触して配置された、絶縁体と、第２電極であって、第１と第２の電極、及び絶縁体がプラズマ発生キャビティを画定するように、第２電極の外縁が絶縁体に接している状態で配置された、第２電極とを含む。第２電極は、プラズマ発生キャビティから第２電極を通して処理チャンバに向け、プラズマ生成物を移動させるように構成される。プラズマ発生キャビティ内で一又は複数のプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧して、プラズマ生成物を発生させるために、電源が、第１と第２の電極全体に電力を提供する。第１電極、第２電極、及び絶縁体のうちの１つは、プラズマからの光信号を提供するポートを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、プラズマ処理設備の分野に広く適合する。より具体的には、発光分光法を使用する、プラズマ発生装置の内表面調整評価のためのシステム及び方法が開示されている。

半導体処理では、半導体ウエハ上での材料のエッチング、洗浄、又は堆積のために、プラズマ処理を利用することがよくある。予測可能で再現可能なウエハ処理は、安定しており、かつ良好に制御されているプラズマ処理パラメータによって容易になる。プラズマ処理にかかわる設備及び／又は材料のある種の変更は、プラズマ処理の安定性を一時的に損なう可能性がある。これは、典型的には、単一のプロセスでの長期使用がもたらす表面化学作用と比較して、プラズマシステム構成要素の表面化学作用に、かかる変更が影響を与える場合に起こる。例えば、プラズマチャンバ構成要素は、初回使用時、又は、チャンバが大気に通気された後には、調整を要しうる。そのような場合、プラズマプロセスは当初、エッチング速度、エッチング選択性、又は堆積速度が変動するといった結果を示しうるが、時間の経過と共に、例えば、処理チャンバの中の表面コーティングがプラズマプロセス条件と平衡した状態になるにつれて、安定しうる。半導体製造業者は、新しい又は補修後のプラズマチャンバを可能な限り早急に使用可能にしうるように、プロセス条件の迅速な安定化、及び、信頼性の高いプロセス安定性の確立を重視する。

一実施形態では、プラズマ源は、第１電極であって、その内部の第１の複数の貫通孔を通じて一又は複数のプラズマ源ガスを移送するように構成された、第１電極と、第１電極の外縁の周囲に第１電極と接触して配置された、絶縁体と、第２電極であって、第１と第２の電極、及び絶縁体がプラズマ発生キャビティを画定するように、第２電極の外縁が絶縁体に接している状態で配置された、第２電極とを含む。第２電極は、プラズマ発生キャビティから第２電極を通して処理チャンバに向け、プラズマ生成物を移動させるように構成される。プラズマ発生キャビティ内で一又は複数のプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧して、プラズマ生成物を発生させるために、電源が、第１と第２の電極全体に電力を提供する。第１電極、第２電極、及び絶縁体のうちの１つは、プラズマからの光信号を提供するポートを含む。

一実施形態では、方法は、プラズマ処理システムの一又は複数の内表面の表面調整を評価する。方法は、一又は複数の内表面によって少なくとも部分的に区切られている、プラズマ処理システムのプラズマ発生キャビティの中に、一又は複数のプラズマ源ガスを導入することと、プラズマ発生キャビティの中でプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧するために、プラズマ処理システムの電極全体に電力を印加することとを、含む。プラズマからの光放出は、プラズマ発生キャビティに隣接して配置され、かつ、捕捉された光放出がプラズマと被加工物との相互反応による影響を受けないように配向されている光プローブを用いて、捕捉される。一又は複数の内表面の表面調整を評価するために、捕捉された光放出の一又は複数の発光ピークがモニタされる。

一実施形態では、プラズマ処理システムは、第１の源ガスをイオン化するための遠隔プラズマシステムと、２つの処理ユニットであって、各々が、少なくとも、遠隔処理システムからのイオン化された第１の源ガス、及び第２の源ガスを受容するよう構成された、２つの処理ユニットとを含む。処理ユニットの各々は、第１平面電極であって、その内部の第１の複数の貫通孔を通じてプラズマ発生チャンバ内へと、イオン化された第１の源ガス、及び第２のプラズマ源ガスを移送するように構成されている、第１平面電極と、プラズマ発生キャビティから処理チャンバに向けてプラズマ生成物を移送するように構成された複数の貫通孔を伴って構成されている、第２平面電極と、第１電極の外縁の周囲に第１電極の外縁と接触して、かつ、第２電極の外縁の周囲に第２電極の外縁と接触して配置されている、リング形状の絶縁体とによって区切られている、プラズマ発生チャンバを含む。処理ユニットの各々は、プラズマ発生キャビティ内で、イオン化された第１の源ガス及び第２のプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧して、プラズマ生成物を発生させるために、第１と第２の平面電極全体に電力を提供する、電源を更に含む。第１電極、第２電極、及び絶縁体のうちの１つは、プラズマからの光信号を提供するポートを含む。ポートは、プラズマ生成物が第２電極を通り処理チャンバに向けて移動した後に、光信号がプラズマ生成物の相互反応による影響を受けないように、配置され、配向される。

一実施形態では、プラズマ源の内表面を調整する方法は、内表面によって少なくとも部分的に囲まれているプラズマ源のプラズマ発生キャビティに、第１の源ガスを流入させることを含む。プラズマ発生キャビティ内に電力を送信すると、第１の源ガスは、点弧して第１プラズマを形成し、第１プラズマ生成物を発生させる。第１プラズマ生成物の部分は、内表面に付着する。方法は、第１プラズマ生成物をプラズマ発生キャビティから、第１プラズマ生成物によって被加工物が処理される処理チャンバに向けて、流出させることと、プラズマ発生キャビティに第２の源ガスを流入させることとを、更に含む。プラズマ発生キャビティ内に電力を送信すると、第２の源ガスは、点弧して第２プラズマを形成し、第２プラズマ生成物を発生させる。第２プラズマ生成物は、内表面から、第１プラズマ生成物の部分を少なくとも部分的に除去する。

一実施形態では、プラズマ源の一又は複数の内表面を、この内表面が大気に曝露された後に調整する方法は、一又は複数の内表面によって少なくとも部分的に囲まれている、プラズマ源のプラズマ発生キャビティに、少なくとも１つの水素含有ガスを流入させることと、Ｈラジカルが内表面から過剰な酸素を除去するように、プラズマ発生キャビティ内に電力を送信して水素含有プラズマを生成することと、発光ピークが安定するまで、プラズマの発光ピークをモニタすることとを含む。

一実施形態では、ウエハから材料をエッチングする、プラズマ処理システムのプロセス属性の安定性を維持する方法は、エッチングプラズマ生成物を作り出すためにプラズマ処理システムの中でエッチングプラズマを生成することであって、エッチングプラズマ生成物の部分がプラズマ処理システムの一又は複数の内表面に付着する、エッチングプラズマを生成することと、一又は複数のウエハから材料をエッチングするためにエッチングプラズマ生成物を使用することであって、一又は複数の内表面に付着したエッチングプラズマ生成物の部分がプロセス属性に影響を与える、使用することと、調整プラズマ生成物を作り出すためにプラズマ処理システムの中で調整プラズマを生成することであって、調整プラズマ生成物が、一又は複数の内表面に付着したエッチングプラズマ生成物の少なくともいくらかを除去する、調整プラズマを生成することとを、含む。

以下で簡潔に説明している図面と併せて下記の詳細説明を参照することにより、本開示が理解されうる。図面では、類似の構成要素を表すために、いくつかの図面を通じて類似の参照番号が使用されている。実例を明確にするために、図面中のある種の要素は縮尺通りに描かれていない可能性があることに、留意されたい。１つのアイテムの複数の例が示されている場合には、図示を明確にするために、一部の例のみに標示がなされることがある。

一実施形態による、プラズマ処理システムの主要素を概略的に示す。 一実施形態による、プラズマ処理システムの主要素の断面図を概略的に示す。 図２に示す領域Ａの詳細を概略的に示す。 一実施形態による、様々な種類の処理程を実施するよう構成された例示的なプラズマ処理システムの上面図を、概略的に示す。 一実施形態による、タンデムトレイを有する処理チャンバのタンデム対として配置された一対の処理チャンバを、概略的に示す。 一実施形態による、プラズマ処理システムの一又は複数の内表面の表面調整を評価するための方法を示すフロー図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、一実施形態による、図２及び図３に示すような装置と共に図６に示す方法を使用することによって取得された、発光ピーク情報を示す。 図８Ａ及び図８Ｂは、一実施形態による、水素ピーク及びフッ素ピークに関して時間の経過と共にプラズマチャンバ内で測定された、発光ピーク強度のグラフを示す。 一実施形態による、図８Ａの水素発光ピークから選択されたピークのグラフであり、エッチング速度測定は選択された水素発光ピークに一致する回数行われている。 一実施形態による、水素がないイットリア表面を示す。 一実施形態による、ダングリングボンドを通じて表面に付着した少数のＨラジカルを有する、図１０Ａのイットリア表面を示す。 一実施形態による、一部のＨラジカルと反応しているＦラジカルを有する、図１０Ｂのイットリア表面を示す。 一実施形態による、被加工物へのエッチングと調整ステップとを交互に行うエッチング方策を示すフロー図である。 一実施形態による、ダングリングボンドを通じて表面に付着した少数のＦ原子を有するイットリア表面を示す。 一実施形態による、フッ素を除去するための反応が起こっているイットリア表面を示す。 一実施形態による、水分と反応して固体形態のＹＯ_２を形成する吸着されたフッ素と、ガス形態で運び去られるＨＦとを有する、イットリア表面を示す。 一実施形態による、Ｈラジカルと反応してＨ_２Ｏを形成する固体形態のＹＯ_２の酸素原子を有する、図１３Ａのイットリア表面を示しており、Ｈ_２Ｏは蒸気形態で運び去られる。

図１は、一実施形態による、プラズマ処理システム１００の主要素を概略的に示している。システム１００は、単一ウエハ、半導体ウエハのプラズマ処理システムとして図示されているが、本書の技法及び原理は、いかなる種類のプラズマ発生システムにも（例えば、必ずしもウエハ又は半導体を処理するわけではないシステムにも）適用可能であることが、当業者には明らかとなろう。処理システム１００は、ウエハインターフェース１１５、ユーザインターフェース１２０、プラズマ処理ユニット１３０、コントローラ１４０、及び、一又は複数の電源１５０のための、ハウジング１１０を含む。処理システム１００は、ガス（複数可）１５５と、外部電力１７０と、真空１６０と、オプションではそれ以外も含みうる、様々なユーティリティによって支援される。図示を明確にするために、処理システム１００の中の内部配管及び電気的接続は示していない。

処理システム１００は、第１の場所においてプラズマを生成し、かつ、このプラズマ及び／又はプラズマ生成物（例えばイオン、分子断片、励起種等）を、処理が行われる第２の場所へと方向付ける、いわゆる間接的な、又は遠隔の、プラズマ処理システムとして図示されている。ゆえに、図１では、プラズマ処理ユニット１３０は、処理チャンバ１３４にプラズマ及び／又はプラズマ生成物を供給する、遠隔プラズマ源１３２を含む。処理チャンバ１３４は、一又は複数のウエハペデスタル１３５を含み、このウエハペデスタル上に、ウエハインターフェース１１５が被加工物５０（例えば半導体ウエハであるが、別の種類の被加工物でもありうる）を処理のために置く。動作中に、ガス（複数可）１５５がプラズマ源１３２に導入され、高周波発生装置（ＲＦ Ｇｅｎ）１６５が電力を供給して、プラズマ源１３２の中でプラズマを点弧する。プラズマ及び／又はプラズマ生成物は、プラズマ源１３２からディフューザープレート１３７を通り、被加工物５０が処理される処理チャンバ１３４へと動く。

図１には間接プラズマ処理システムが示されているが、この開示の別の部分で、本書で開示されている技法、装置、及び方法は、直接プラズマ処理システム（例えば、被加工物（複数可）の場所でプラズマが点弧される）にも等しく適用可能であることが、当業者には明らかになるはずである。同様に、実施形態において、処理システム１００の構成要素は、例えば、（１）複数の処理チャンバを有する単一の処理システムを提供すること、（２）単一の処理チャンバ向けの複数の遠隔プラズマ源を提供すること、（３）単一の処理チャンバの中に複数の被加工物固定具（例えばウエハペデスタル１３５）を提供すること、（４）単一の遠隔プラズマ源を利用して、複数の処理チャンバにプラズマ生成物を供給すること、かつ／又は、（５）様々な源ガスが処理チャンバに入る前又は入った後に、それらの源ガスが、０回、１回、２回、又はもっと多い回数イオン化され、かつ、他の源ガスと混合されうるように、直列／並列に組み合わされた、プラズマ源及びガス源を提供することなどのために、再編成され、再分配され、かつ／又は重複しうる。

ＯＥＳを用いるプラズマのみのモニタリング
図２は、一実施形態による、プラズマ処理システム２００の主要素の断面図を概略的に示している。プラズマ処理システム２００は、図１のプラズマ処理ユニット１３０の一例である。プラズマ処理システム２００は、処理チャンバ２０５と、プラズマ源２１０とを含む。図２に示すように、プラズマ源２１０は、ＲＦ電極２１５を通じて、プラズマ源ガス２１２として、直接的にガス１５５（１）を、及び／又は、上流の遠隔プラズマ源２０２によってイオン化されているガス１５５（２）を、導入する。ＲＦ電極２１５は、矢印２３１によって示されているようにプラズマ源２１０全体でガス流が均一になるように、源ガスの流れを方向付けし直す役割を果たす、第１ガスディフューザー２２０及び面板２２５を含む（例えば、それらに電気的に連接されている）。面板２２５を通って流れた後に、絶縁体２３０が、電気的接地に保持されているディフューザー２３５から、ＲＦ電極２１５を電気的に絶縁する（例えば、ディフューザー２３５は、ＲＦ電極２１５の面板２２５に対面している第２電極としての役割を果たす）。ＲＦ電極２１５、ディフューザー２３５、及び絶縁体２３０の表面が、プラズマ発生キャビティを画定する（図３のプラズマ発生キャビティ２４０を参照のこと）。プラズマ発生キャビティでは、源ガスが存在し、かつＲＦ電極２１５を通じてＲＦエネルギーが提供されると、プラズマ２４５が作り出される。ＲＦ電極２１５及びディフューザー２３５は任意の導体で形成されてよく、実施形態においてはアルミニウム（又は、既知の「６０６１」合金種などのアルミニウム合金）で形成されている。面板２２５及びディフューザー２３５の、プラズマキャビティに面しているか、又はそうでなくとも、反応性ガスに曝露される表面は、反応性ガス、及び、プラズマキャビティ内で生成されるプラズマ生成物に対する耐性のために、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）でコーティングされうる。絶縁体２３０は任意の絶縁体であってよく、実施形態においてはセラミックで形成されている。図２でＡと表示されている領域が、図３により詳細に示されている。プラズマ２４５からの発光は、より詳しく後述するように、光ファイバ２７０に入り、発光分光器（ＯＥＳ）２８０内で分析される。

プラズマ２４５で生成されたプラズマ生成物は、プラズマ生成物の均一な分散を促進することに同じく役立ち、かつ、電子温度制御を支援しうる、ディフューザー２３５を通過する。ディフューザー２３５を通過すると、プラズマ生成物は、小型矢印２２７で示すように均一性を促進する更なるディフューザー２６０を通過し、処理チャンバ２０５に入る。処理チャンバ２０５において、プラズマ生成物は、ウエハペデスタル１３５の上の、半導体ウエハなどの被加工物５０と相互反応する。ディフューザー２６０は、極小矢印２２９で示すように、プラズマ生成物が処理チャンバ２０５に入る際にプラズマ生成物に一又は複数の更なるガス１５５（３）を導入するために使用されうる、更なるガスチャネル２５０を含む。

本書の実施形態は、配置し直されてよく、多種多様な形状を形成しうる。例えば、被加工物５０として円形半導体ウエハを処理する応用のために、ＲＦ電極２１５とディフューザー２３５は、図２に示す実施形態では実質的に径方向に対称であり、絶縁体２３０は、面板２２５及びディフューザー２３５の外縁区域に接して配置されている上側と下側の平面を有するリングである。しかし、かかるフィーチャは、プラズマ源としての使用に適合する、任意の形状のものでありうる。更に、ディフューザーや面板等といった、ガス及び／又はプラズマ生成物を導入し、分散させるためのフィーチャの正確な数及び配置も、変動しうる。また、プラズマ２４５からのプラズマ生成物が処理チャンバ２０５に入る際にこのプラズマ生成物にガス１５５（３）を添加するためのガスチャネル２５０を含むディフューザー２６０と同様の様態で、プラズマ処理システム２００のそれ以外の構成要素も、他のガス及び／又はプラズマ生成物がシステムを通って処理チャンバに進む際に、それらにガス１５５を添加するか、又はそれらをガス１５５と混合するよう、構成されうる。

図３は、図２に示す領域Ａの詳細を概略的に示している。面板２２５、絶縁体２３０、及びディフューザー２３５は、面板２２５、絶縁体２３５、及びディフューザー２３５によって区切られているプラズマ発生キャビティ２４０が排気されうるように、互いを密封している。面板の２２５の対向面２２６、及び／又はディフューザー２３５の対向面２３６は、使用されるガス及び／又はプラズマに対する耐性のために、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）でコーティングされうる。

プラズマ源ガスが導入され、面板２２５及びディフューザー２３５全体に電力が提供されると、それらの内側でプラズマ２４５が形成される。絶縁体２３０は径方向の開孔２３７を形成する。光ウインドウ３１０が、開孔２３７を覆って絶縁体２３０を密封する。光ウインドウ３１０はサファイアで形成されているが、後述するように、プラズマ源ガス及び／又はプラズマ２４５のプラズマ生成物に対する耐性、又は、光放出の透過率に基づいて、光ウインドウ３１０向けの他の材料も選択されうることが、認識される。図３に示す実施形態では、光ウインドウ３１０の絶縁体２３０に対する密封を容易にするために、Ｏリング３４０が凹部３４５内に置かれるが、その他の、密封のための形状寸法及び方法も利用されうる。実施形態において、プラズマ発生キャビティ２４０は、（プラズマ発生キャビティ２４０の外部の）大気圧が、光ウインドウ３１０などの構成要素の絶縁体２３０に対する密封を支援するように、排気される。

プラズマ発生キャビティ２４０内にプラズマ２４５が存在している時に、光放出３５０が、プラズマ２４５から生じ、径方向の開孔２３７及び光ウインドウ３１０を通って光ファイバ２７０の中へと伝播して、光ファイバ２７０内で光信号を生成するように、光ファイバ２７０は位置付けられる。光ファイバ２７０は、光放出３５０を図２のＯＥＳ２８０に伝送する。実施形態において、光ファイバ２７０は４００μｍコアの光ファイバであるが、光放出３５０の透過率のために、かつ、光ファイバ２７０の中の信号強度を操作できるように、その他のコアサイズ及び様々なファイバ材料も、選択されうる。例えば、低レベルの光放出３５０を生成するプラズマ２４５が、比較的コアが太い（例えば４００μｍ）光ファイバ２７０を利用してモニタされうる一方、より高レベルの光放出３５０を生成するプラズマは、ＯＥＳ２８０に到達する光信号を限定するために、比較的細いコア（例えば、１１０μｍ、１００μｍ、６２．５μｍ、５０μｍ、９μｍ、又はそれ以外のコアサイズ）を利用してモニタされうる。迷光、及び／又は、対象のスペクトル帯の範囲外の発光を吸収するために、ＯＥＳ２８０において、一又は複数のフィルタが利用されうる。

ＯＥＳ２８０は、特定の元素のエネルギー遷移に対応するものとして、信号の中の発光ピークを識別する（特定の発光ピークを識別することを含む）ために、光ファイバ２７０から受信した光信号を分析する。一部の実施形態では、スペクトル、及び／又は、その中の発光ピークを表す情報は、ＯＥＳ２８０上で視認され、かつ／又は加工されうる。上記の実施形態の一部、及びその他の実施形態では、発光ピーク情報は、分析され、加工され、保存され、かつ／又は表示されるために、コンピュータ２９０に送信されうる。

実施形態において、図３に示すように、光ファイバコネクタ３３０が光ファイバ２７０を終端させ、ブロック３２０が、光ウインドウ３１０に対して光ファイバコネクタ３３０を位置付ける。しかし、この配置は例としてのためだけのものである。他の実施形態は、コネクタ３３０を伴わない、カスタマイズされた光ファイバ２７０の終端を提供してよく、ウインドウ３１０に対して光ファイバ２７０及び／又はコネクタ３３０を位置付けるための様々な機構が、ブロック３２０の代わりに実装されうる。ブロック３２０は、利用される場合、図３に示す断面平面の内外に延在して、取付領域を形成してよく、かかる領域において、ねじなどのファスナを使用して絶縁体２３０に固定されうる。ブロック３２０及び／又はブロック３２０を絶縁体２３０に取り付けるねじは、面板２２５とディフューザー２３５、及び／又は他の構造物の間でアーク放電の可能性があればその可能性を軽減するために、有利には、プラスチック又はセラミックなどの絶縁材料で製造される。

開孔２３７及び光ウインドウ３１０は、少なくとも、プラズマ源２１０の態様をモニタするために利用されうるプラズマ２４５からの光信号を提供するための、ポートとして機能することが、認識される。かかるポートがプラズマ源の中の多種多様な場所に提供されうることも、認識される。例えば、一般的に、容量結合されたプラズマ源は、絶縁体によって離間した少なくとも２つの電極を含むことになり、上述のようなポートは、電極のいずれか又は絶縁体と共に配置される可能性もある。同様に、誘導結合されたプラズマ源（又は、他の任意の種類のプラズマ源）は、内部でプラズマが最初に生成される任意の容器と共に配置されたポートを含む可能性もある。かかるポートの材料及び／又は場所は、プラズマ源にとって（例えば、誘導結合されたプラズマ源のアーク及び／又は磁界分布の外乱を軽減するために）重要である、電気回路又は磁気回路を損わないように、選択されるべきである。

図２を再び参照するに、遠隔プラズマ源内のプラズマが生成される場所における、プラズマの光モニタリングは、独自の利点を提供する。プラズマ２４５は、被加工物５０（例えばウエハ）との相互反応よりも上流でモニタされることから、モニタリングは、プラズマ源単独による特徴付けを提供し、この特徴付けは、被加工物との相互反応によって発生する効果と対比されうるか、又は相関しうる。つまり、絶縁体２３０及び径方向の開孔２３７の形状寸法は、光ファイバ２７０に、下流の相互反応によって生じる光放出ではなく、プラズマ２４５によって生じる光放出、及びこれらの光放出と隣接する表面との相互反応に限定される、有効な「認知（ｖｉｅｗ）」、及び／又は、処理チャンバの中の表面の直接的な認知を、提供することに役立つ。プラズマが被加工物と相互反応する機会がまだない場所における、プラズマのモニタリングは、本書では、「上流（ｕｐｓｔｒｅａｍ）」プラズマモニタリングと称する。

対照的に、被加工物自体の光モニタリング、及び／又は、かかる被加工物とのプラズマの相互反応は、被加工物に対するある種のプラズマ効果をモニタするために使用されうるが、被加工物による影響を受けやすい。光プローブで捕捉された光放出を含む、被加工物の影響を受けたプラズマ特性は、時に、プラズマ処理終点を決定するため、つまり、処理が基本的に完了し、そのため、プラズマプロセスの一部の態様がオフにされうる時点を特定するために、利用される。例えば、被加工物との相互反応は、被加工物からの反応生成物の放出によってプラズマに影響を与えることがあり、かつ／又は、被加工物は、プラズマからの反応種を激減させうる。被加工物からの反応生成物が検出されなくなる場合、このことは、エッチングされる層が既に「除去され（ｃｌｅａｒｅｄ）」、そのため、エッチングガス及び／又はＲＦエネルギーがオフにされうることを、意味しうる。しかし、かかる光プローブは、捕捉される光放出が被加工物による影響を受ける場所に配置される。

被加工物の影響を受けるモニタリングと、上流プラズマモニタリングは両方とも、処理された被加工物における変動が、プラズマが生成される際のプラズマの変動によるものか、それとも、被加工物がプラズマと相互反応する前から被加工物中に存在していた変動によるものかを決定する上で、役立つツールとなりうる。本書のある種の実施形態では、安定したプロセス結果は、上流プラズマモニタリングの結果と強く相関している。具体的には、プロセス結果が、図２及び図３に関連して説明している装置を用いて測定された特定の発光ピークに相関していることが分かった。プラズマ発光ピークの上流モニタリングとプロセス結果との間の強い相関関係が特定されうる場合、実施形態においては、上記の発光ピークが安定したことが確認されるまで、大事な被加工物をリスクに曝すことなく、調整プロセスサイクルを実行することが可能になる。発光ピークが安定すれば、プロセス結果は予期されたものになるだろうとの確信を得た上で、被加工物が処理されうる。

上流モニタリングから分かる発光ピークの安定性は、生成されたプラズマと隣接する表面との間の反応における平衡を示しうる。例えば、電極やディフューザーなどのある種の表面は、プラズマと相互反応して、緩慢に、プロセス結果に重要なある種の元素を発するか、又は吸着することがあり、そのため、結果として生じるプラズマプロセスは、これらの表面がプラズマと平衡化するまでは、安定することはない。実施形態において、使用されるガス及び／又はプラズマに対する耐性のために、電極やディフューザーなどは、イットリア（Ｙ_２Ｏ_３）又はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などの耐熱性材料でコーティングされうる。上記の材料は、表面が飽和するか、又は水素が表面から実質的に無くなるかのいずれかまでは、自由水素などのプラズマ生成物との相互反応が可能であり、そのため、かかる表面の周辺で生成されたプラズマが安定しえない。いずれの場合にも、上流プラズマモニタリングを通じて生成された発光ピークは、プラズマ安定性の評価に役立ちうる。

プラズマ設備がいつ安定したプロセスを実行しているのかを正確に特定することは、半導体業界では大事なことである。半導体処理は、コストが高い使用できない設備と、高い価値を有し、処理が最適でなければこの高い価値が危険にさらされる被加工物との、両方によって特徴付けられている。例えば、単一のプラズマ処理システムは、数十万ドル又は数百万ドルの設備投資を意味することがあり、数百万ドル規模のウエハ製造区域からの生産高は、ほんの数個のかかるシステムに依存している。しかし、単一の半導体ウエハは、投資された処理コストのうちの数百ドル又は数千ドルを回収でき、１つのプラズマ設備は、かかるウエハを１時間あたり数十枚処理することも可能である。ゆえに、設備の休止時間の、又は正しく動作していない設備を利用することの財政的コストは、いずれもかなり高額になる。

図４は、様々な種類の処理工程を実施するよう構成された例示的なプラズマ処理システム４００Ａの上面図を、概略的に示している。図４では、一対の前方開口型統一ポッド（ＦＯＵＰ）又は保持チャンバ４０２が、多種多様なサイズの被加工物（例えば半導体ウエハ）を供給し、これらの被加工物は、ロボット式アーム４０４によって受容され、低圧ローディングチャンバ４０６内に置かれた後に、タンデムトレイ４０９ａ〜ｃ上に位置付けられた被加工物処理チャンバ４０８ａ〜ｆのうちの１つの中に置かれる。代替的な配置では、システム４００Ａは、追加のＦＯＵＰを有してよく、例えば、３つ、４つ、５つ、６つ等の、又はより多くのＦＯＵＰを有しうる。処理チャンバは、この開示の別の部分で説明されているチャンバのうちの任意のものを含みうる。ロボット式アーム４１１は、ローディングチャンバ４０６から被加工物処理チャンバ４０８ａ〜ｆへと被加工物を搬送し、かつ、移送チャンバ４１０を通してそれらを戻すために、使用されうる。２つのローディングチャンバ４０６が図示されているが、システムは、処理のために真空環境内に被加工物を受容するようそれぞれ構成されている、複数のローディングチャンバを含みうる。処理チャンバ４０８及び移送チャンバ４１０は、各チャンバを通って連続的に流れて不活性雰囲気を維持しうる、窒素パージを用いるなどして、不活性環境に維持されうる。類似した環境のプロセス区画に被加工物を提供するために、ローディングチャンバ４０６も、被加工物を受容した後に窒素でパージされるよう、同様に構成されうる。

各被加工物処理チャンバ４０８ａ〜ｆは、ドライエッチングプロセス、周期的層堆積（ＣＬＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、エッチング、予洗浄、ガス抜き、配向、及びその他の被加工物処理を含む、一又は複数の被加工物処理工程を実施するように、調えられることが可能である。開示されている一実施形態では、例えば、システムは、少なくとも２対のタンデム処理チャンバを含みうる。この少なくとも２対のタンデム処理チャンバの第１の対は、酸化ケイ素エッチング工程を実施するよう構成されてよく、少なくとも２対のタンデム処理チャンバの第２の対は、シリコンエッチング又は窒化ケイ素エッチングの工程を実施するよう構成されうる。所与の１対の処理チャンバ４０８は両方とも、特定のプロセスステップのために構成されてよく、かつ、本書に記載の方法を使用してモニタされて、この対の各チャンバによって提供される処理が他方のチャンバに厳密に合致することを確実にしうる。対に構成されている場合、各処理チャンバ４０８は、ガス供給、ＲＦ発生装置、遠隔プラズマ発生装置等といった支援設備に個別に連結されうるが、実施形態では、隣接する処理チャンバ４０８は、特定のかかる支援設備との接続部を共有している。

被加工物処理チャンバ４０８ａ〜ｆは、被加工物上での膜の堆積、アニール処理、硬化、及び／又はエッチングのための、一又は複数のシステム構成要素を含みうる。１つの構成においては、２対の処理チャンバ（例えば４０８ｃ〜ｄ及び４０８ｅ〜ｆ）は、被加工物に第１エッチング工程を実施するために使用されてよく、処理チャンバの第３の対（例えば４０８ａ〜ｂ）が、被加工物に第２エッチング工程を実施するために使用されうる。別の構成では、３対のチャンバ（例えば４０８ａ〜ｆ）全てが、被加工物上の誘電体膜をエッチングするよう構成されうる。更に別の構成では、処理チャンバの第１の対（例えば４０８ａ〜ｂ）が、流動膜、自然酸化物、又は追加材料の堆積などの堆積工程を実施しうる。処理チャンバの第２の対（例えば４０８ｃ〜ｄ）は第１エッチング工程を実施してよく、処理チャンバの第３の対（例えば４０８ｅ〜ｆ）は、第２エッチング工程を実施しうる。説明されているプロセスのうちの一又は複数の任意のものは、種々の実施形態に示す製造システムから分離されたチャンバにおいて、代替的に実行されうる。膜を堆積させるチャンバ、エッチングするチャンバ、アニール処理するチャンバ、及び硬化させるチャンバを追加した構成も、システム４００Ａによって想定されることが、認識されよう。

本書の処理チャンバは、被加工物の表面上に様々なデバイスフィーチャを形成するために、ＰＶＤ、ＣＶＤ（例えば、誘電体ＣＶＤ、ＭＣＶＤ、ＭＯＣＶＤ、ＥＰＩ）、ＡＬＤ、分離プラズマ窒化（ＤＰＮ）、急速熱処理（ＲＴＰ）、又はドライエッチングプロセスなどの任意の数のプロセスを実施しうる。様々なデバイスフィーチャは、中間誘電体層、ゲート誘電体層、多結晶シリコン（ポリシリコン）層、或いはゲートの形成及び／又はエッチングと、ビア及びトレンチの形成と、段差の平坦化と、コンタクト又はビアの水平相互接続部の堆積とを含みうるが、それらに限定されるわけではない。一実施形態では、ある位置が、ガス抜き、配向、冷却、分析などに適合しているサービスチャンバによって占められうる。例えば、１つのチャンバは、処理シーケンスにおいて処理ステップを実施する前又は後に被加工物の特性を分析するために、準備／分析ステップ、及び／又は後処理／分析ステップを実施するよう適合している、計測チャンバを含みうる。一般的に、計測チャンバ内で測定されうる被加工物の特性は、被加工物の表面上に堆積された一又は複数の層における固有応力又は外来応力の測定値、一又は複数の堆積された層の膜組成、被加工物の表面上の粒子の数、及び／又は、被加工物の表面上に見出される一又は複数の層の厚さを含みうるが、それらに限定されるわけではない。計測チャンバから収集されたデータは次いで、一又は複数の処理ステップにおける一又は複数のプロセス変数を調節して、後続して処理される被加工物に対する好適なプロセス結果を発生させるために、システムコントローラによって使用されうる。

システム４００Ａは、インターフェース区画４０３の両側部に追加のチャンバ４０５、４０７を含みうる。このインターフェース区画４０３は、ＦＯＵＰ４０２と複数のローディングチャンバ４０６との間で被加工物を運ぶよう構成されている、ロボットアーム４０４などの、少なくとも２つのインターフェース移送デバイスを含みうる。保持チャンバ４０２は、インターフェース区画の第１の場所でインターフェース区画４０３に連結されてよく、ローディングチャンバは、複数の保持チャンバ４０２の反対側にあるインターフェース区画４０３の第２の場所で、インターフェース区画４０３に連結されうる。追加のチャンバは、インターフェースロボットアーム４０４によるアクセスが可能であり、かつ、インターフェース区画４０３を通じて被加工物を移送するように構成されうる。例えばチャンバ４０５は、例としては湿式エッチング性能を提供してよく、インターフェース区画４０３の側部を通じて、インターフェースロボットアーム４０４ａによるアクセスが可能である。この湿式ステーションは、インターフェース区画の第１の場所と第２の場所との間の、インターフェース区画４０３の第３の場所で、インターフェース区画４０３に連結されうる。開示されている実施形態では、第３の場所は、インターフェース区画４０３の第１の場所と第２の場所のいずれかに隣接していることがある。加えて、チャンバ４０７は、例えば追加のストレージを提供してよく、チャンバ４０５から、インターフェース区画４０３の反対の側部を通じて、インターフェースロボットアーム４０４ｂによるアクセスが可能である。チャンバ４０７は、第３の場所の反対側のインターフェース区画の第４の場所で、インターフェース区画４０３に連結されうる。インターフェース区画４０３は、ロボットアーム４０４の間に位置付けられた移送区画４１２を含む、ロボットアーム４０４の間の被加工物の移送を可能にするための追加の構造物を含みうる。移送区画４１２は、一又は複数の被加工物を保持するよう構成されてよく、所与の任意の時点において、処理用に供給するための、２つ、５つ、１０個、１５個、２０個、２５個、５０個、１００個など、又はより多くの被加工物を保持するよう、構成されうる。移送区画４１２は、例えば、大気条件を下回る被加工物の冷却、並びに、ウエハの大気洗浄を含む、追加性能を含みうる。システム４００Ａは上記に加えて、多種多様な処理工程を実施するための前駆体及び指令を提供する、ガス供給システム及びシステムコントローラ（図示せず）を含みうる。

図５は、タンデムトレイ４０９を有する処理チャンバのタンデム対として配置された、１対の処理チャンバ４０８ｇ及び４０８示す、概略側面図である。各処理チャンバ４０８ｇ、４０８ｈは、図２及び図３に示すフィーチャと比べて単純化された形態で図示されているが、同じ構成要素を含むと理解すべきである。処理チャンバ４０８ｇ、４０８ｈの両方で同じ構成要素は、ＲＦ電極２１５と、絶縁体２３０と、ディフューザー２６０とを含む。図５に示す実施形態において、遠隔プラズマ源（ＲＰＳ）２０２は、処理チャンバ４０８ｇ、４０８ｈの両方の共有リソースである。図示しているように、ＲＰＳ２０２は、投入された処理ガス（複数可）１５５（２）を受容する。更なる投入された処理ガス（複数可）１５５（１）が、ＲＰＳ２０２からのプラズマ生成物と混合され、処理チャンバ４０８ｇ及び４０８ｈに提供されうる。処理チャンバ４０８ｇ及び４０８ｈは、更なる処理ガス（複数可）１５５（３）及び１５５（４）を受容してよく、ＲＦ電源５１０（１）及び５１０（２）によってそれぞれ励起されうる。ガス１５５（３）及び１５５（４）、並びにＲＦ電源５１０（１）及び５１０（２）は、処理チャンバ４０８ｇ及び４０８ｈ向けに個別に制御可能である。つまり、ガス接続部を通じて別々のガス（複数可）及び流量を提供すること、並びに／又は、ＲＦ電源５１０（１）と５１０（２）を１つずつ動作させること、或いは、電源５１０（１）と５１０（２）を異なる電力レベルで動作させることが、可能である。ガス１５５（３）及び１５５（４）、並びにＲＦ電源５１０（１）及び５１０（２）を個別に制御するこの能力は、より詳しく後述するように、処理及びチャンバ調整のための重要な特徴である。

図６は、プラズマ処理システムの一又は複数の内表面の表面調整を評価するための方法６００を示すフロー図である。方法６００は、プラズマシステムのプラズマ発生キャビティの中に一又は複数のプラズマ源ガスを導入すること（６１０）で始まる。このキャビティは、上記の内表面によって少なくとも部分的に区切られている。例えば、図２のプラズマ処理システム２００の面板２２５（ＲＦ電極２１５の部分）及びディフューザー２３５の表面の表面調整が、評価されうる。この場合、図２及び図３に示すように、プラズマ発生キャビティ２４０は、内表面２２６及び２３６（図３にのみ標示されている）によって少なくとも部分的に区切られている。プラズマ源ガス２１２が、図２に示すように導入されうる。方法６００は、プラズマ発生キャビティの中でプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧するために、プラズマ装置の電極全体に電力を印加すること（６２０）に進む。例えば、図２及び図３に示すように、ＲＦ電力は、ＲＦ電極２１５（面板２２５を含む）及びディフューザー２３５全体に提供され、プラズマ発生キャビティ２４０の中でプラズマ２４５を点弧しうる。方法６００は、プラズマ発生キャビティに隣接して配置されている光プローブを用いて、プラズマからの光放出を捕捉すること（６３０）へと、更に進む。光プローブは、捕捉された光放出がプラズマと被加工物との相互反応による影響を受けないように、配向される。光放出を捕捉することの一例は、図３の光ファイバ２７０の中に、光ウインドウ３１０を通じて光放出を受容すること３５０である。方法６００は、一又は複数の内表面の調整を評価するために、捕捉された光放出の一又は複数の発光ピークをモニタすること（６４０）へと、更に進む。捕捉された光放出の一又は複数の発光ピークをモニタすることの一例は、図２の発光分光器２８０が、光ファイバ２７０内に捕捉された光信号を分析して発光ピークを特定すること、及び、表面の調整を評価するために発光ピークの情報を利用することである。

実施形態において、発光ピーク情報は人員によって評価されうる。代替的には、ＯＥＳ２８０及び／又はコンピュータ２９０が、この情報から安定性メトリックを生成しうる。例えば、プロセスシーケンス（以下「方策（ｒｅｃｉｐｅ）とし、このプロセスシーケンスによって実施される処理に応じて、「エッチング方策」、「堆積方策」、「調整方策」、又はそれ以外の種類の方策でもありうる）は、ＯＥＳ２８０が光放出を測定し、発光ピークについての情報を作り出すステップを含みうる。この情報は、どのピーク（例えばスペクトル波長又はスペクトル波長帯）が検出されているかということ、及び／又は、一又は複数の検出された発光ピークの強度を、含みうる。情報は、複数の方策サイクルにわたる発光ピーク強度の変化などの傾向を評価することによって、又は、方策サイクルの複数の群にわたる平均値、中央値、標準偏差等の計算といった統計によって、更に処理されうる。

図７Ａ及び図７Ｂは、ポリシリコンエッチングプロセスにおいて生成されたプラズマに関して、図２及び図３に示すような装置と共に方法６００を使用することによって取得された、発光ピーク情報を示している。プラズマの光放出は、既知の発光ピークを自動的に特定するＯＥＳ２８０を使用して、測定され、表示された。図７Ａ及び図７Ｂに示す例では、Ｈｅ、Ｎ_２、Ｈ、及びＦに対応するピークが標示されている。図７Ａ及び図７Ｂの各々の垂直軸は、任意単位（ＡＵ）の信号強度である。個々のピークの強度、ピーク強度の比率、及びその他の統計データなどの発光ピーク情報は、測定される、プラズマに隣接する表面の状態を評価するために、利用されうる。

プラズマに隣接する表面の状態を評価することの一例を、図８Ａ、図８Ｂ、及び図９に示す。図８Ａ及び図８Ｂは、水素ピーク（図８Ａ、データ７００）、及びフッ素ピーク（図８Ｂ、データ７１０、７２０）に関して、時間の経過と共に、ポリシリコンエッチングプロセス中にプラズマを生成するチャンバ内で測定された、発光ピーク強度のグラフを示している。図８Ａ及び図８Ｂは両方とも、同時点の、同じプラズマチャンバからのデータであって、チャンバが一定時間大気に開放される設備干渉が実施された後に開始したデータを示している。調整サイクルが実行され、ポリシリコンに対するプラズマプロセスのエッチング速度が周期的に測定された。図８Ａ及び図８Ｂに表した期間は、およそ１８時間である。

図８Ａでは、水素ピーク強度が時間の経過と共に徐々に増大していることが、データ７００において視認できる。図８Ｂでは、フッ素ピーク強度が最初の約２時間においては若干増大しているが、その後ほぼ一定のままであることが、データ７１０及び７２０において視認できる。

図９は、図８Ａの水素発光ピークから選択されたピークのグラフであり、ポリシリコンエッチング速度測定は選択された水素発光ピークに対応する回数行われている。図９のダイヤモンド型の点は、Ｈの発光ピーク強度であり、左側の垂直軸と相関している。四角形の点は、ポリシリコンエッチング速度の測定値であり、右側の垂直軸と相関している。時間は水平軸に示されている。ポリシリコンエッチング速度も、時間の経過と共に、Ｈの発光ピーク強度と同様に変動していることが視認できる。エッチング速度対Ｈの発光ピーク強度の傾向分析により、エッチング速度とＨの発光ピーク強度の関連性に、０．９７という相関係数ｒ^２が明らかになった。したがって、Ｈの発光ピーク強度はエッチング速度を大いに予測するものであった。そのため、Ｈピークの安定性は、設備安定性の指標として使用されうる。上記の現象に内在する反応機構、及び、エッチングプロセス安定性を向上させる調整プラズマ方策について、以下で解説する。

Ｓｉエッチング並びにチャンバ調整の化学作用及び方策
図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂ、及び図９のデータに関連するポリシリコン（Ｓｉ）エッチングプロセスは、次の反応により進行する。
２ＮＦ_３＋Ｈ_２＋Ｓｉ（ｓ）a２ＨＦ＋ＳｉＦ_４＋Ｎ_２ 反応（１）
ここで、記載されている種は全て、（ｓ）と記されている固体を除き、ガス形態である。反応（１）では、ポリシリコンは固体Ｓｉであり、被加工物５０（半導体ウエハ）上の膜として提供される。ＮＦ_３及びＨ_２は、ガス及び／又はプラズマ生成物（例えばプラズマ２４５で生成されたもの：図２参照）として提供される。ある種の中間ステップは反応（１）では省略されている。例えば、プラズマ２４５で生成されたプラズマ生成物はフリーＨラジカルを含む。

プラズマ２４５中のフリーＨラジカルは、面板２２５及びディフューザー２３５のイットリア表面に付着しうる。イットリアの完全な化学量論はＹ_２Ｏ_３であるが、イットリア表面は、典型的には、表面の最外部にＹＯを発現させ、１つのＨラジカルがこのＹＯとダングリングボンドを形成しうる。
Ｈ＋ＹＯaＹＯＨ 反応（２）

図１０Ａは水素がないイットリア表面７５０（１）を示す一方、図１０Ｂは、同じ表面が、ダングリングボンドを通じて表面に付着した少数のＨラジカルを伴い、表面７５０（２）を形成することを示している。表面７５０（１）がプラズマ２４５中のわずかなＨラジカルと反応することから、ディフューザー２３５を通過するＨラジカル濃度は激減する。Ｈラジカルが表面と結合して、表面７５０（２）を形成していくにつれて、Ｈラジカルの減少速度は低下し、被加工物５０に到達するＨラジカル濃度を上昇させることになり、反応（１）のようなエッチング速度の増大につながる。

場合によっては、イットリア表面を水素で飽和させて、エッチング速度を安定させることが可能でありうるが、そうするには非常に時間がかかる可能性があり、かつ、ある種の不利なプロセス特性がもたらされうる。一代替案は、エッチング速度を少なくとも予測可能にするように、水素の一部分を少なくとも除去し、表面を少なくとも実質的に水素がない状態のままにしておくことである。フリーフッ素ラジカルは、次の反応により水素を捕えうる。
Ｆ＋ＹＯＨ（ｓ）aＹＯ（ｓ）＋ＨＦ 反応（３）

フリーＦラジカルは、調整プラズマステップを通じて、反応（３）を実施するために供給されうる。一実施形態では、調整プラズマステップは、ＮＦ_３からプラズマを生成する。調整ステップにはＦを含有する他のガスを使用することも可能であるが、Ｓｉエッチングステップのためにプラズマ処理設備内にＮＦ_３が既に配管されている場合には、有利には、ＮＦ_３が使用されうる。図１０Ｃは、イットリア表面７５０（２）と比較して、フリーＦラジカルと反応してＨの一部を取り除いている、イットリア表面７５０（３）を示している。イットリア表面上に余剰Ｈがあるチャンバ内でエッチング速度安定性を再確立するために、全てのＨを除去することは必要ではない。合理的な時間内でエッチング速度を安定させるためには、調整方策で、エッチングステップで付加されたのとほぼ同じだけのＨを除去することで、十分でありうる。このことは、連続する被加工物処理ステップ間に調整プラズマを実施することによってなされうる。ポリシリコンエッチングプロセス及びエッチングされているウエハが安定している場合、調整方策は、時限ＮＦ_３プラズマステップとして実行されうる。プラズマを停止するのに適切な時点を、（例えばＨ発光ピークの特定値までの下降に基づいて）決定するために、ＮＦ_３プラズマにおいてＨ発光ピークをモニタすることも、望ましいかもしれない。Ｈピークは調整ＮＦ_３プラズマステップ中にモニタされることも可能であり、或いは、Ｈピークは、エッチングステップ中にモニタされ、かつ、調整プラズマステップにおけるガス流、圧力、ＲＦ電力、又は時間といった、後続の調整プラズマステップの一又は複数のパラメータを調節するために使用されることも可能である。

図１１は、被加工物へのエッチングと調整ステップとを交互に行うエッチング方策８００を示すフロー図である。エッチング方策８００では、以下で述べるように、多種多様なエッチングステップ及び調整ステップが使用されうることが一般的である。

方策８００は、ステップ８１０においてエッチングされる被加工物を搬入することによって始まる。ステップ８１０の一例は、図２のプラズマ処理システム２００内へと、エッチングされるＳｉを有する半導体ウエハを搬入することである。次にステップ８２０において、エッチングが実施される。ステップ８２０の一例は、上記の反応（１）により、ＮＦ_３＋Ｈ_２でＳｉをエッチングすることである。ステップ８２０において、プラズマ処理システムの表面は、エッチングに使用されるプラズマ生成物及び／又はガスによって劣化しうる。かかる劣化の一例は、上記の反応（２）により、Ｈラジカルがイットリア表面とダングリングボンドを形成することである。ＯＥＳを使用してプラズマの発光ピークをモニタする、オプションのステップ８２５が、上述の装置（図２及び図３参照）を利用して、ステップ８２０と同時に実施されうる。この発光ピーク情報は、チャンバ状態、ひいてはエッチング速度が被加工物間で安定していることを確認するため、及び／又は、調整ステップ（ステップ８４０）の時間を調節するための、設備モニタとして使用されうる。ステップ８２５の一例では、その後のステップ８４０をいつ停止するかを決定するために、Ｈの発光ピーク情報がモニタされ、記録され、かつ／又は、使用される。ステップ８２０の後に、オプションのステップ８３０において被加工物は搬出されうる。代替的には、ステップ８４０で説明している処理が被加工物に影響を与えない場合、ステップ８３０は省略されうる。搬出のために処理チャンバを排気すること、及び、ステップ８４０で生成されるプラズマのためのガス流を再確立することに、典型的は時間を要することから、ステップ８３０の省略は、方策８００を、ステップ８３０が含まれる場合よりも若干迅速に実行することにつながりうる。

次にステップ８４０において、調整プラズマが実施される。ステップ８４０の一例は、上記の反応（３）により、イットリア表面からＨを除去するために、ＮＦ_３プラズマを用いてプラズマ発生チャンバを調整することである。ＯＥＳを使用してプラズマの発光ピークをモニタする、オプションのステップ８４５が、ステップ８４０と同時に実施されうる。オプションのステップ８４５の一例は、ＯＥＳを使用してプラズマのＨの発光ピークをモニタすることである。この発光ピーク情報は、ステップ８４０の時間を調節するために、かつ／又は、方策８００の各反復後に、チャンバ状態、ひいてはエッチング速度が一定であることを確認するための設備モニタとして、使用されうる。

図４及び図５を背景に置いて方策８００を考察するに、１対の処理チャンバ４０８が類似のプロセス専用のものである場合、エッチングステップ８２０及び／又は調整プラズマステップ８４０は、この対のチャンバ４０８の各々のために特に調節されることも可能であること、及び、このカスタマイズは発光ピークのモニタリングに基づきうることが、認識される。例えば、方策８００は、エッチングステップ８２０、又は調整プラズマステップ８４０のいずれにおいても発光ピークをモニタすること、並びに、２つのチャンバ全体における、調整ステップ８４０のガス流、圧力、ＲＦ電力、及び／又は時間といったパラメータを調節して、エッチングステップ８２０で２つのチャンバの性能を厳密に合致させておくことが、可能である。

Ｓｉ_３Ｎ_４エッチング並びにチャンバ調整の化学作用及び方策
例示的な窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４、本書では単に「窒化物」と称されることもある）エッチングプロセスは、次の反応により進行する。
４ＮＦ_３＋Ｓｉ_３Ｎ_４a３ＳｉＦ_４＋４Ｎ_２ 反応（４）

反応（４）では、Ｓｉ３Ｎ４は被加工物５０（半導体ウエハ）上の膜として提供され、ＮＦ_３のプラズマ生成物が被加工物に提供される（例えばプラズマ２４５で生成されたもの：図２参照）。ある種の中間ステップは反応（１）では省略されている。例えば、プラズマ２４５で生成されたプラズマ生成物はフリーＦラジカルを含む。

プラズマ２４５中のフリーＦラジカルは、面板２２５及びディフューザー２３５のイットリア表面に付着し、ダングリングボンドを形成しうる。
Ｆ＋ＹＯaＹＯＦ 反応（５）

図１２Ａは、ダングリングボンドを通じて表面に付着した少数のＦラジカルを有するイットリア表面９００（１）を示している。Ｆラジカルは、エッチング中にイットリア表面から脱離し、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２、本書では単に「酸化物」と称されることもある）に対する、窒化物エッチングのエッチング選択性の低下を引き起こしうる。少なくとも一部の処理状況においては、窒化物エッチングは、酸化物以上に窒化物に対して選択的であることが必要である。つまり、窒化物エッチングは、酸化物をエッチングするよりもはるかに速い速度で、窒化物をエッチングするはずである。上述のＳｉエッチングにいくぶん類似しているが、チャンバ壁上のＦが増加するにつれて、酸化物エッチング速度は上昇し、ゆえに、その選択性は低下することになる。

方策８００の別の応用が、この問題を改善する方法を提供する。フリーＨラジカルは、上記の反応（３）とはほぼ正反対に、チャンバ壁からＦを捕えうる。
Ｈ＋ＹＯＦ（ｓ）aＹＯ（ｓ）＋ＨＦ 反応（６）

図１２Ｂは、反応（６）が起こっているイットリア表面９００（２）を示している。上述のＳｉエッチング及び吸着されたＨと同様に、イットリア表面９００（２）から全てのＦを除去することは、必要ではないことがあるが、酸化物に対する選択性の悪さが問題にならなくなるのに十分なほど低いレベルにちょうどなるように、Ｆを捕えることは、役立ちうる。

したがって、一実施形態では、方策８００は、反応（４）を起こすために、エッチングステップ８２０においてはＮＦ_３を使用して実行されることが可能であり、フリーＨラジカルを生成して反応（６）を起こすために、調整ステップ８４０においては、ＮＨ_３及び／又はＨ_２などの水素含有ガスを使用して実行されることが可能である。この場合、エッチングステップ８２０が実施されることになる次の方策サイクルの前に、ステップ８４０の終了時のプラズマチャンバ状態の整合性を確保するために、Ｆの発光ピークがステップ８４５においてモニタされることも可能である。処理されるべき次の被加工物（複数可）が、選択性が極端に高いエッチングから恩恵を受ける場合には、吸着されたＦのレベルを極端に低くするために、調整ステップ８４０をもっと長く実行することも、可能でありうる。また、この実施形態では、被加工物がＨＦの痕跡を有する水素プラズマ生成物によって悪影響を受けない場合には、ステップ８３０がない方策８００を実行することが可能でありうる。

チャンバ調整の化学作用及び方策−水分から吸着された酸素
プラズマ設備が新たに構築されるか、又は、整備作業中に大気に曝露される場合、水分がフッ化イットリア表面と反応し、そのため、余分な酸素がかかる表面に付着する可能性がある。この酸素吸着プロセスは、次の反応により進行する。
２ＹＯＦ＋Ｈ_２ＯaＹＯ＋ＹＯ_２＋２ＨＦ 反応（７）
この反応は図１３Ａに示すものであり、固体形態のＹＯ_２と、ガス形態で運び去られるＨＦとを形成するように反応している、吸着されたフッ素を有する表面９５０（１）を示している。イットリア表面上の余分なＯは、処理プラズマと反応し、かつ／又は、かかるプラズマの意図される反応を阻害しうる。

吸着されたＦの低減と同様に、ＹＯ_２も、ＮＨ_３及び／又はＨ_２などの水素含有ガスで処理されて、プラズマを形成することが可能であり、このプラズマが、余分な酸素を除去し、イットリアを未変性状態のままにする。プラズマは、プラズマ生成物としてフリーＨラジカルを発生させ、このフリーＨラジカルは、
２Ｈ＋ＹＯ_２（ｓ）aＹＯ（ｓ）＋Ｈ_２Ｏ 反応（８）
により反応する。

図１３Ｂは、固体形態のある段階のＹＯ_２を有する表面９６０（１）を示している。図１３Ｂに示すように、ＨラジカルはＹＯ_２の酸素原子と反応してＨ_２Ｏを形成し、Ｈ_２Ｏは、結果として得られる表面９６０（２）から、蒸気形態で運び去られる。上述のＳｉエッチングの場合と同様に、Ｈの発光ピークは、プラズマ発生キャビティの表面の安定性のためにモニタされることも可能であり、一定のＨピークが、安定したＹＯ表面を意味する。また、Ｈを含有するプラズマは、図１０Ｂに関連して上述したように、ＨをＹＯ表面に付着した状態のままにしておきうる。したがって、プラズマ処理設備に意図される処理に応じて、チャンバは、図１０Ｃに示すように、フッ素含有ガス（例えばＮＦ_３）から生成されたプラズマを用いて更に調整されて、Ｈラジカル処理中にＹＯ表面に付着しうる水素を減少させることも、可能である。調整処理とは結局、単に方策８００（図１１）のステップ８４０を実行し、オプションで、発光分光器を用いて一又は複数の発光ピークを、ピークが安定するまでモニタすること（ステップ８４５）を、意味することになる。

いくつかの実施形態を説明したが、本発明の本質から逸脱することなく、様々な修正例、代替構造、及び均等物が使用されうることが、当業者には認識されよう。加えて、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、いくつかの周知のプロセス及び要素については説明しなかった。したがって、上記の説明を、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。

ある範囲の値が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の各介在値も、文脈上別途明示されない限り下限の単位の１０分の１まで、明確に開示されていると、理解される。ある規定された範囲における任意の規定値又は介在値と、その規定された範囲における他の任意の規定値又は介在値との間の、より狭い範囲の各々は包含される。これらのより狭い範囲の上限と下限は、個々に、その範囲内に含まれることも、除外されることもあり、前記規定された範囲における、特に除外される任意の限界値に応じて、限界値のいずれかが前記より狭い範囲内に含まれる場合、限界値のいずれも前記より狭い範囲内に含まれない場合、或いは、両方の限界値が狭い方の範囲内に含まれる場合の各範囲も、本発明に包含される。前記規定された範囲が限界値の一方又は両方を含む場合、これらの含まれた限界値の一方又は両方を除外した範囲も、含まれる。

本書及び付随する特許請求の範囲において、単数形の「１つの（ａ、ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、文脈上別途明示しない限り、複数の指示対象を含む。ゆえに、例えば、「１つのプロセス（ａ ｐｒｏｃｅｓｓ）」又は「１つの方策（ａ ｒｅｃｉｐｅ）」への言及は、複数のかかるプロセス及び方策を含み、「その電極（ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）」への言及は、一又は複数の電極、及び、当業者には既知のその同等物への言及を含む、等々である。同じく、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という語は、本明細書及び以下の特許請求の範囲において使用される場合、規定された特徴、整数値、構成要素、又は段階の存在について記述することを意図しているが、一又は複数の他の特徴、整数値、構成要素、段階、作用、又はグループの存在又は追加を排除するものではない。

Claims (20)

1. 第１電極であって、その内部の第１の複数の貫通孔を通じて一又は複数のプラズマ源ガスを移送するように構成された、第１電極と、
   前記第１電極の外縁の周囲に前記第１電極と接触して配置された、絶縁体と、
   第２電極であって、前記第１と第２の電極、及び前記絶縁体がプラズマ発生キャビティを画定するように、前記第２電極の外縁が前記絶縁体に接している状態で配置されており、前記プラズマ発生キャビティから前記第２電極を通して処理チャンバに向け、プラズマ生成物を移動させるように構成された、第２電極と、
   前記プラズマ発生キャビティ内で前記一又は複数のプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧して、前記プラズマ生成物を発生させるために、前記第１と第２の電極の全体に電力を提供する、電源とを備える、プラズマ源であって、
   前記第１電極、前記第２電極、及び前記絶縁体のうちの１つは、前記プラズマからの光信号を提供するポートを含む、プラズマ源。
2. 前記光信号は、前記プラズマ生成物が前記第２電極を通り前記処理チャンバに向けて移動した後の前記プラズマ生成物の相互反応による影響を受けない、請求項１に記載のプラズマ源。
3. 貫通孔を有する前記第１と第２の電極は、対応している第１と第２の平面を備え、前記絶縁体は、前記第１と第２の平面に接して配置されている上部と下部の平面を有するセラミックリングであり、そのため、前記プラズマ発生キャビティは、その外縁では前記セラミックリングによって、かつ、上側及び下側では前記第１と第２の平面によって、区切られている、請求項１に記載のプラズマ源。
4. 前記セラミックリングは、プラズマからの光放出を伝送するための径方向の開孔を形成し、前記ポートは、
   前記径方向の開孔の外部開口全体にわたり前記セラミックリングを密封可能な、光ウインドウと、
   前記光放出が光ファイバの中へと伝播して前記光信号を形成するように、前記光ウインドウに隣接して前記光ファイバを位置付ける、固定具とを備える、請求項３に記載のプラズマ源。
5. 前記光ウインドウはサファイア又は石英を含む、請求項４に記載のプラズマ源。
6. 前記光信号を受信し、かつ、前記光信号から発光ピークデータを生成する、発光分光器を更に備える、請求項１に記載のプラズマ源。
7. 前記発光ピークデータの記録を生成するように構成されたコンピュータを更に備える、請求項６に記載のプラズマ源。
8. 前記発光ピークデータは、水素の発光ピークデータを含み、前記コンピュータは、前記プラズマ源の逐次的な複数のプロセスシーケンスにわたる、前記水素の発光ピークデータの安定性メトリックを計算するよう構成される、請求項７に記載のプラズマ源。
9. 前記第１と第２の電極の少なくとも一方はイットリアを含む、請求項１に記載のプラズマ源。
10. 前記一又は複数の源ガスはフッ素源を含む、請求項１に記載のプラズマ源。
11. 前記フッ素源はＮＦ_３を含む、請求項１０に記載のプラズマ源。
12. プラズマ処理システムの一又は複数の内表面の表面調整を評価する方法であって、
    前記一又は複数の内表面によって少なくとも部分的に区切られている、前記プラズマ処理システムのプラズマ発生キャビティの中に、一又は複数のプラズマ源ガスを導入することと、
    前記プラズマ発生キャビティの中で前記プラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧するために、前記プラズマ処理システムの電極全体に電力を印加することと、
    前記プラズマ発生キャビティに隣接して配置され、かつ、捕捉された光放出が前記プラズマと被加工物との相互反応による影響を受けないように配向されている光プローブを用いて、前記プラズマからの光放出を捕捉することと、
    前記一又は複数の内表面の前記表面調整を評価するために、前記捕捉された光放出の一又は複数の発光ピークをモニタすることとを含む、方法。
13. 前記プラズマ処理システムは、前記一又は複数のプラズマ源ガスを導入することと、前記電力を印加することとを含む、少なくとも１つのエッチング方策を実施し、前記一又は複数の発光ピークをモニタすることは、前記エッチング方策が所定の方策ステップに到達するたびに、前記一又は複数の発光ピークの少なくとも１つのサブセットの記録を生成することを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記エッチング方策を、複数の方策サイクルにわたって反復することと、
    前記複数の方策サイクルにわたって前記エッチング方策が前記所定の方策ステップに到達するたびに生成される前記記録から、安定性メトリックを計算することと、
    安定性メトリックを所定の基準と比較して、前記一又は複数の内表面の前記表面調整を評価することとを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記エッチング方策において導入される前記一又は複数のプラズマ源ガスは第１のプラズマ源ガスであり、点弧される前記プラズマは第１プラズマであり、かつ、前記光放出は第１光放出であり、
    前記プラズマ処理システムは、
    前記プラズマ発生キャビティの中に、第２のプラズマ源ガスとして一又は複数のプラズマ源ガスを導入することであって、前記第２のプラズマ源ガスのうちの一又は複数は前記第１のプラズマ源ガスとは異なる、導入することと、
    前記プラズマ発生キャビティの中で前記第２のプラズマ源ガスを用いて第２プラズマを点弧するために、前記電極全体に電力を印加することと、
    前記光プローブを用いて、前記プラズマからの第２光放出を捕捉することと、
    前記一又は複数の内表面の前記表面調整を評価するために、捕捉された前記第２光放出の一又は複数の発光ピークをモニタすることとを含む、調整方策を追加的に実施する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記光プローブは第１光プローブであり、前記プラズマと前記被加工物との相互反応による影響を受ける光放出をモニタする第２光プローブによって捕捉された発光に応じて、終点検出器を用いて前記エッチング方策を制御することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記エッチング方策は、前記プラズマ源ガスのうちの少なくとも１つとしてフッ素源を導入することを含む、請求項１３に記載の方法。
18. 第１の源ガスをイオン化するための遠隔プラズマシステムと、
    ２つの処理ユニットであって、その各々が、少なくとも、
    前記遠隔処理システムからのイオン化された前記第１の源ガス、及び、
    第２の源ガスを、受容するよう構成された、２つの処理ユニットとを備える、プラズマ処理システムであって、
    前記処理ユニットの各々は、
    第１平面電極であって、その内部の第１の複数の貫通孔を通じてプラズマ発生チャンバ内へと、イオン化された前記第１の源ガス、及び前記第２のプラズマ源ガスを移送するように構成されている、第１平面電極、
    プラズマ発生キャビティから処理チャンバに向けてプラズマ生成物を移送するように構成された複数の貫通孔を伴って構成されている、第２平面電極、及び、
    前記第１電極の外縁の周囲に前記第１電極の前記外縁と接触して、かつ、前記第２電極の外縁の周囲に前記第２電極の前記外縁と接触して配置されている、リング形状の絶縁体によって区切られている、プラズマ発生チャンバと、
    前記プラズマ発生キャビティ内で、イオン化された前記第１の源ガス及び前記第２のプラズマ源ガスを用いてプラズマを点弧して、前記プラズマ生成物を発生させるために、前記第１と第２の平面電極の全体に電力を提供する、電源とを備え、
    前記第１電極、前記第２電極、及び前記絶縁体のうちの１つは、前記プラズマからの光信号を提供するポートであって、前記光信号が、前記プラズマ生成物が前記第２電極を通り前記処理チャンバに向けて移動した後の前記プラズマ生成物の相互反応による影響を受けないように、配置され、配向されているポートを含む、プラズマ処理システム。
19. 前記２つの処理ユニットの各々は、
    前記第２平面電極と前記処理チャンバとの間の平面ディフューザーであって、前記プラズマ生成物が、前記第２平面電極から、前記ディフューザーの複数の貫通孔を通り、前記処理チャンバ内へと移動することを可能にする、平面ディフューザーを更に備え、
    貫通孔を有する前記ディフューザーは、その処理チャンバ側にのみ複数の出口を有するガスチャネルを形成しており、前記プラズマ生成物が前記処理チャンバに入る際に前記複数の出口からの追加のガスが前記プラズマ生成物と混ざりうるように、前記複数の出口の間に前記複数の貫通孔が点在している、請求項１８に記載のプラズマ処理システム。
20. 前記２つの処理ユニットの一方の前記プラズマ発生キャビティ内にプラズマが存在しうると同時に、前記２つの処理ユニットの他方の前記プラズマ発生キャビティ内にはプラズマが存在しないように、前記２つの処理ユニットの各々向けの前記電源が個別に動作可能である、請求項１８に記載のプラズマ処理システム。
    

Images