JP3565774B2 - プラズマ処理装置及び処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体、液晶ディスプレイ用基板等の製造において有効なプラズマ処理装置、及び処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの微細化に対応して、プラズマプロセスにおいては、ウエハ内で均一な処理結果が実現できるプロセス条件（プロセスウインドウ）が年々狭くなってきており、これからのプラズマプロセス装置には、より完全なプロセス状態の制御が求められている。これを実現するためには、プラズマの分布やプロセスガスの解離やリアクタ内の表面反応を極めて高精度に制御できる装置が必要になる。
【０００３】
このような高精度なプラズマ処理の制御を実現するために、近年のプラズマ処理装置では、プラズマ処理中の現象のモニタ装置がいくつか装備されており、これらの信号を用いて、プラズマ処理の制御が行われている。プラズマエッチング装置を例にとると、最も一般的なプロセスモニタ装置は、発光モニタであり、例えば、特許公報第２６６６７６８号の様に、発光モニタによる信号を用いて、ＲＦパワー、処理圧力、ガス流量等の各種パラメータを制御することにより、エッチング状態を制御する方法が考案されている。又、現在市販されている殆どのプラズマエッチング装置において、特定の波長の発光強度の変化や、複数の波長の発光強度の比等を用いて、所望の膜厚のエッチング処理が終了したことを判断するエッチング終点判定が行われている。また、より高度なプラズマ処理や、装置管理のため、発光モニタの他に、プラズマを生成する高周波回路の電流、電圧、プラズマを含む負荷のインピーダンスを測定するインピーダンスモニタや、質量分析器等、様々なプロセスモニタの有用性が検討されている。実際の製造ラインで用いられている例は、希れであるが、実験室レベルでは、レーザや赤外光の吸収を用いたプロセスモニタもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらのプロセスモニタは、様々な局面で有用であるが、処理チャンバ内のプラズマによって起こる現象は極めて複雑であるので、これらのモニタから得られる情報量は十分ではない。例えば、発光モニタの場合、同一波長に複数の解離種による発光が重なった場合、その変化がどの解離種によって起こったものなのか判断するのが難しいときがある。複数の波長を用いた演算処理等によって解決される場合もあるが、必ずしもすべての場合に、よい演算処理方法によって、このような問題が解決されるわけではない。
【０００５】
現在、実際に半導体製造ラインで用いられているプラズマ処理装置に装備される殆どのプロセスモニタの共通点は、いずれもパッシブ（受動的）なモニタであることである。アクティブ（能動的）なモニタ方法としては、例えば、前述のレーザ吸収法等が挙げられる。レーザ吸収方法では、レーザを照射するというアクティブな行為によって得られる情報量が増える訳である。しかしながら、コスト面、装置の構造的な制約等から実現するのは極めて困難である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題は、プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス流量、ウエハへの高周波バイアス電力といった、従来からのプラズマプロセス制御パラメータを、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲で、プラズマ処理時間に比べてごく短い時間変動させ、そのときに起こるプラズマ状態の非定常性をモニタすることによって実現される。プラズマ状態を変化させるというアクティブな行為によって引き起こされたプラズマ状態の非定常性をモニタすることにより、従来と同じプロセスモニタを用いても、時間軸に対する情報が増えることになり、得られたデータが含む情報量が飛躍的に増大する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、半導体デバイスの製造の分野に限定されるものではなく、液晶ディスプレイの製造や各種プラズマ表面処理等、様々な分野に適用が可能であるが、ここでは、半導体デバイス製造用のプラズマエッチング装置を例にとって、実施例を示すことにする。
【０００８】
図１に、本発明の一実施例を示す。図中の処理チャンバ１は、例えば、真空容器であり、バタフライバルブ２を介してポンプ３が接続される。処理チャンバ３中には、半導体ウエハ１５を載置するための電極５が設置され、この電極によってウエハには、高周波が印加され、それによって、ウエハに入射するイオンエネルギを制御する。一方、ウエハと対向する位置には、高周波電源１４と接続されるプラズマソース４があり、プラズマ１１を生成する。この高周波電源１４は、パルス変調され、間欠的に繰り返し電力をオフすることができる。このパルス変調に同期したトリガ１６は、ビューポート６を介してプラズマの発光を取り込む発光モニタ７や、ソースあるいはバイアスのラインに設置された電流電圧インピーダンスモニタ８、１２に入力され、これらのモニタをパルスのタイミングに同期して測定させることができる。これらのモニタによって測定された信号は、１７．データ解析装置によって、その時間応答特性が解析され、装置制御系にフィードバックされたり、半導体工場内での各半導体製造装置の管理用コンピュータシステム等にデータが送られ、装置診断のデータとなる。この実施例は、発光モニタと電流電圧インピーダンスモニタをプラズマプロセスモニタの例として示したが、その他の光学的、電気的、磁気的、機械的、熱的、圧力、温度、または、その他の物理的、化学的なあらゆるモニタ手段が、本発明に含まれる。
【０００９】
図２は、従来方法によるプラズマエッチング中のプラズマソース電源の投入電力の変化を示す。通常、プラズマを発生させ、エッチング終了して切断するまで、パワーは一定に保たれる。図３は、本発明による一実施例であり、プラズマエッチング中の運転方法の模式図を示す。プラズマへの投入電力は、例えば、１ｓおきに１０−１００μｓの時間巾で切断される。エッチング時間を大雑把に１００ｓとすると、約１００回のオフ時間があり、発光等のプロセスモニタは、このオフ時間に同期したタイミングで測定を行う。切断時間１０μｓのとき、オン時間とオフ時間の比は、１０００００であり、１００μｓのとき１００００であり、十分大きな値である。したがって、プラズマをオフする影響は、エッチング結果に対してさほど無いといえる。図４は、オフ時間中の発光強度の変化の模式図を示す。波長によって、電力をオフじた後の減衰の様子が異なることが分かる。通常、この程度の時間では、解離種の密度自体はさほど減少しないので、電力をオフした後の発光強度の減衰は、プラズマ中の電子密度及びエネルギの減少に対応している。例えば、原子の発光は、一般に励起エネルギが高いので減衰が早い。しかし分子の発光は、励起エネルギが低く減衰が緩やかである。したがって、これらの発光強度のレスポンスをみることによって、解離種の判別が出来る。また、これらの変化から、電子の損失の様子を知ることができる。プロセスガスがさほど電気的に陰性でない場合、電子の損失は、チャンバの表面状態によるところが大きいので、チャンバの表面状態を知ることが出来るというメリットもある。図５に本発明の一実施例となる運転方法の一例を示す。プラズマ生成方式によっては、完全に電力をオフすると不安定性が増すことがある。このような場合、プロセスモニタ側の感度は落ちるが、図５に示すように、完全にオフせずパワーを変化させるだけでも同様の効果がある。
【００１０】
従来の運転方法においてもプラズマ着火時ならびに切断時におけるプロセスモニタのデータには、プラズマが着いている時間におけるプロセスモニタのデータよりも多くの情報が含まれることがある。図６は、これを狙ったモニタ方法である。２点しかデータが取れないことが難点であるが、特にプラズマをオフするタイミングにおける発光やプラズマソースの電流電圧の変化によってリアクタの特に表面状態の安定性をチェックすることが出来る。
【００１１】
図７は、本発明の一実施例であり、圧力や流量、流量比といった比較的レスポンスの遅いパラメータを変動させた例である。この場合、ソース電力のように短いパルスをかけるわけにはいかないので、エッチング結果に影響を与えない範囲で、シグナルを振動させ、プロセスモニタによって、この振動に起因する測定量の変化を測定することによって、従来の方法よりも高感度にリアクタ内のプラズマ状態を知ることが出来る。
【００１２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、プラズマへの投入電力、処理圧力、ガス流量、ウエハへの高周波バイアス電力といった制御パラメータを、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲で、全体のプラズマ処理時間に比べてごく短い時間変動させ、そのときに起こるプラズマ状態の非定常性をモニタすることにより、従来と同じプロセスモニタを用いても、時間軸に対する情報が増えることになり、得られたデータが含む情報量が飛躍的に増大する。この方法によって得られた信号を用いて、プラズマ処理の制御を行うことにより、微細なエッチング加工や、高品質な成膜加工、表面処理等が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す図。
【図２】従来技術を示す図。
【図３】本発明の一実施例を示す図。
【図４】電力オフ時における発光強度の変化を示す模式図。
【図５】本発明の一実施例を示す図。
【図６】本発明の一実施例を示す図。
【図７】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 処理チャンバ
２ バタフライバルブ
３ ポンプ
４ プラズマソース
５ 電極
６ ビューポート
７ 発光モニタ
８ 電流電圧インピーダンスモニタ
９ 高周波電源
１０ 整合器
１１ プラズマ
１２ 電流電圧インピーダンスモニタ
１３ 整合器
１４ 高周波電源
１５ ウエハ
１６ パルス変調に同期したトリガ信号
１７ データ解析装置
１８ 装置制御系または装置管理コンピュータ

Claims (4)

1. プラズマソースに供給される電力をパルス変調し間欠的に繰り返し変動させることができる高周波電源と、
   高周波電源のパルス変調に同期してプラズマの発光を取り込む発光モニタ手段と、
   発光モニタ手段によって測定された信号の時間応答特性を解析する解析手段を備え、
   プラズマへの投入電力を、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲で変動させ、その変動によって引き起こされるプラズマの発光強度の非定常性を、発光モニタ手段で複数の波長分検出し、検出した信号を用いて、プラズマ処理の制御および／または装置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. プラズマソースに供給される電力をパルス変調し間欠的に繰り返しオフすることができる高周波電源と、
   高周波電源のパルス変調に同期してプラズマの発光を取り込む発光モニタ手段と、
   発光モニタ手段によって測定された信号の時間応答特性を解析する解析手段を備え、
   プラズマへの投入電力またはウエハへの高周波バイアスをパルス変調によって間欠的に繰り返し切断しながら運転し、切断直後のプラズマの発光強度の時間的な変化を、発光モニタ手段により複数の波長分検出し、検出した信号を用いて、プラズマ処理の制御および／または装置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. プラズマへの投入電力を、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲でパルス変調し間欠的に繰り返し変動させ、そのときに起こるプラズマの発光強度の非定常性を、投入電力のパルス変調に同期させて発光モニタ手段で複数の波長分検出し、検出した信号を用いてプラズマ処理の制御および／または装置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
4. プラズマへの投入電力を、ウエハのプラズマ処理結果に影響しない範囲でパルス変調し間欠的に繰り返し切断しながら運転し、切断直後のプラズマ状態の時間的な変化を、投入電力のパルス変調に同期させて発光モニタ手段で複数の波長分検出し、検出した信号を用いて、プラズマ処理の制御および／または装置の診断を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。

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