JP3609241B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造装置に関し、特に、半導体装置の製造過程において、プラズマ処理の終点判定機能を有する装置およびプラズマ処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチングを例としてプラズマ処理を説明する。プラズマエッチングは、一般にプラズマを発生する石英製の反応容器内にエッチングガスを導入し、反応容器内に設置した対向する電極の一方にシリコンウエハーを置き、電極間に高周波電力を印加してプラズマを発生させ、プラズマ中の反応活性種により、シリコンウエハーの表面に形成した膜をこの膜上に形成されたマスクパターンに従ってエッチングするものである。エッチングを実施するに当たっては、エッチングが不十分であったり、過度に行われたりしないように、エッチングを制御する必要がある。もし、エッチングの終了が早すぎると、エッチング除去すべき部分の膜が完全に除去されず、従って、この膜はマスクパターンを忠実に再現した形状にエッチングされず、所望する特性の半導体装置が得られない。また、逆にエッチングの終了が遅すぎると、レジスト下部の膜を過剰にエッチングしたり、膜の下側部分を過剰にエッチングしてサイドエッチングを生じたりする問題がある。さらに、エッチング処理されるべき膜の厚さが不均一であったり、膜の特性に差があったりすると、シリコンウエハー毎に、あるいはシリコンウエハーグループ毎に、エッチング速度やプラズマエッチング特性に変動が生じ、そのために一定のエッチング時間でエッチングを終了させるという方法では、適正な制御を行うことができない。このため、シリコンウエハー毎、あるいはシリコンウエハーグループ毎にエッチングの終点を検出してエッチングを終了する必要がある。
【０００３】
従来、エッチングの終点を判定する方法として、いくつかの技術が提案されている。一つの方法は、高周波電力を電極に印加することにより発生するプラズマ中の反応活性種の発光スペクトルを観測することにより、この発光スペクトルの強度変化からエッチングの終点を検出する発光分光分析法である。例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）をフロンガス（ＣＦ_４ ）を用いてエッチングする場合、下記の反応によってエッチングが行われる。
【０００４】
【化１】
ＣＦ_４ → ＣＦ_３ ＋Ｆ^＊ 、ＳｉＯ_２ ＋４Ｆ^＊ → ＳｉＦ_４ ＋Ｏ_２
そして、反応生成ガスであるＳｉＦ_４ またはＯ_２ の反応活性種による発光スペクトルの強度変化を分光分析器より測定し、エッチングが終了して反応生成ガスが発生しなくなり、その発光スペクトルの強度が減少した時点をエッチングの終点として検出している。
【０００５】
しかし、この方法では反応容器中のプラズマからの発光スペクトルを観測するための観測用の窓が必要であり、この観測用の窓の劣化、あるいは反応生成物の堆積によって透過率が低下し、観測される発光スペクトル強度が減少するため、終点を誤検出したり、場合によっては検出不可能になることがある。また、エッチングされる膜の種類が変わった場合やエッチングガスが変わった場合など、反応活性種が変わるために発光スペクトルが変わり、観測すべき発光スペクトルが変わってしまう。このため、エッチングされる膜の種類やエッチングガスが変わる度に終点が検出できる位の強度変化が得られる波長を調べるのに多大な労力と時間を必要とし、場合によっては適切な波長が得られないこともある。さらに、この方法では終点の検出が遅れがちになるため、応答性のよい終点検出ができず、エッチング過剰になってしまう場合もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上の問題を解決する他の終点検出方法として、高周波電圧や、被エッチング試料の電位（Ｖｄｃ）変化等を利用する方法、プラズマインピーダンスの変化を利用する方法が提案されている。
【０００７】
特開昭６１−２５６６３７号公報は、高周波電圧の変化を測定し、終点を検出する方法を示している。しかし、この方法は高圧、高密度プラズマを用いる反応系以外では感度が低く、終点検出の安定性が悪いという問題がある。特開昭６３−１２８７１８号公報は、被エッチング試料の電位（Ｖｄｃ）の変化を測定し、終点を検出する方法を示している。この方法では、終点付近で得られる電位（Ｖｄｃ）の強度変化は十分大きなものではなく、被エッチング膜の種類やエッチングガスによっては終点検出の安定性が低いという問題がある。特開平７−１７９６４１号公報は、プラズマインピーダンスの変化を測定し、終点を検出する方法を示している。この方法は、単にプラズマインピーダンスのみを計測しているため、終点付近で得られるプラズマインピーダンスの強度変化は十分大きなものではなく、終点検出の安定性が悪いという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は半導体装置の作製において、高周波放電によるプラズマを用いたエッチング、アッシング、および装置のクリーニングの終点を検出を簡便に行うことのできる方法、およびそのための装置を備えたプラズマ処理装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマ処理装置は、半導体装置を作製するためのプラズマ処理装置であって、内部にプラズマを発生してプラズマ処理を行うための処理室と、プラズマを発生させるための電極と、該電極に高周波電力を印加する手段と、プラズマインピーダンスを計測する手段と、プラズマインピーダンスを実数部と虚数部とに分け、前記実数部と虚数部のいずれか一方の正負を反転して加えた合成波形に基づいてプラズマ処理の終点を判定する終点判定手段を有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、好ましくは、前記プラズマ処理装置が半導体装置の作製過程においてプラズマエッチングを行う装置であって、前記終点判定手段はエッチング処理の終点を判定する手段である。
【００１１】
または、前記プラズマ処理装置が半導体装置の作製過程においてフォトレジストフィルムのアッシングを行う装置であって、前記終点判定手段はアッシング処理の終点を判定する手段であり、または、前記プラズマ処理装置がプラズマＣＶＤ装置であって、前記終点判定手段は該ＣＶＤ装置のクリーニング処理の終点を判定する手段である。
【００１２】
本発明によるプラズマ処理方法は、上述したプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、プラズマ処理を行うための処理室内にプラズマを発生し、発生したプラズマのインピーダンスを計測して、プラズマインピーダンスを実数部と虚数部とに分け、前記実数部と虚数部のいずれか一方の正負を反転して加えた合成波形に基づいてプラズマ処理の終点を判定して、プラズマ処理を終了することを特徴とする。
【００１３】
ここで、前記合成波形において、プラズマインピーダンスが定常状態から１０〜２０％変化した時点を終点として判定することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明では、高周波電力を印加する電極に高圧プローブを接続して、この高圧プローブによりプラズマインピーダンスを計測する。さらに、計測されたプラズマインピーダンスＺを、その実数部Ｘと虚数部Ｙの二つに分けて独立に計測し、実数部と虚数部のいずれか一方の正負を反転した上で、両者をを加えることとによって合成波形を得る。例えば、虚数部の正負を反転して合成した波形はＺ＝Ｘ＋ｉＹとなる。プラズマインピーダンスを実数部と虚数部の二つに分けてそれぞれ独立に計測し、そのいずれか一方の正負を反転した上で合波することによって、単にプラズマインピーダンスを計測するより大きな変化量を得ることができる。これは、下式（１）に示すように、プラズマインピーダンスの変化量の絶対値（｜ΔＺ｜）は、プラズマインピーダンスの実数部の絶対値（｜ΔＸ｜）とプラズマインピーダンスの虚数部の絶対値（｜ΔＹ｜）との和以下となるためである。
【００１５】
【数１】
｜ΔＺ｜≦｜ΔＸ｜＋｜ΔＹ｜ （１）
さらに、実数部の変化率と虚数部の変化率は正負の符号が反対であるために、両者のいずれかを正負反転して加え合わせることによって、より大きな変化量を得ることができる。
【００１６】
本発明では、プラズマインピーダンスの実数部と虚数部を独立にモニターしているので、プラズマの状態変化を感度よく検知できる。つまり、終点を迅速に検出することができ、被エッチング膜の種類やエッチングガスが変わった場合でも終点検出は可能である。さらに、プラズマからの発光スペクトルを観測するための観測用の窓が不要であり、窓の劣化、汚れによる終点判定の不安定性はなく、安定した終点検出が可能である。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００１８】
図１は本発明の一実施例によるプラズマエッチング装置およびプラズマＣＶＤ装置の模式的断面図である。
【００１９】
平行平板型プラズマエッチング装置に本発明を適用した例について説明する。プラズマエッチング装置は処理室１を有し、処理室１には対向する平行平板電極として上部電極２と下部電極４が配置されている。下部電極は被処理物であるシリコンウエハー３を置くためのステージ４を兼ねている。上部電極２には高周波電源６から、整合器５を介して、所望する電圧の高周波電力が印加されるようになっている。上部電極２には高圧プローブ７が接続されている。高圧プローブにより、プラズマインピーダンスの実数部の信号９および虚数部の信号１０を独立に計測し、終点判定装置８において実数部の信号と虚数部の信号のいずれか一方を正負反転した上で実数部の信号と虚数部の信号を合波する。そして、終点判定装置８はエッチングの終点を検出すると終了信号を高周波電源６に送り、プラズマを停止させる。処理室１には、図示を省略してあるが、エッチングガス供給系が接続されている。また、処理室１には、やはり図示を省略した真空ポンプ系につながる排気系が設けられている。エッチングガス供給系から一定流量のエッチングガスを流し、排気系により真空排気することによって処理室１内を一定圧力に保つことができる。
【００２０】
シリコンウエハー上に形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）膜と、二酸化シリコン膜上に形成されたシリコンナイトライド（Ｓｉ_３ Ｎ_４ ）膜をシリコンナイトライド膜上に形成されたフォトレジストをマスクとしてエッチングする場合を例として説明する。エッチングガスとしてＣＦ_４ およびＯ_２ を用い、処理室１にＣＦ_４ を３７ＳＣＣＭ、Ｏ_２ を３ＳＣＣＭ流し、処理室１の圧力が０．４Ｔｏｒｒになるように排気系を駆動する。上部電極２に高周波電力を１５０Ｗ印加し、エッチングを行う。シリコンナイトライド膜をエッチングしている間は、プラズマは安定しているため、プラズマインピーダンスの実数部、虚数部はともに図２に示すように安定している。次にエッチングの終点近傍になると、被エッチング膜であるシリコンナイトライド膜のエッチング面積が減少し、下地膜である二酸化シリコン膜の面積が増加してくる。このため、シリコンナイトライド膜より揮発する成分が減少し、プラズマ状態が変化する。この時、整合器５で高周波電力のマッチングが行われるが、図２に示すように、一時、プラズマインピーダンスの実数部が減少し、虚数部が増加する。その後、速やかにマッチングが行われ、実数部および虚数部はともに元の値に戻る。虚数部の正負を反転して実数部と合波した合波図形を図３に示す。シリコンナイトライド膜をエッチングしている間は、合波波形によるプラズマインピーダンスは一定の値を保っている。エッチングの終点近傍になると、プラズマインピーダンスは減少し、やがて極小点を経て、元の値に回復する。この合成波形とシリコンナイトライド膜のエッチング状態との関係を鋭意検討した結果、安定なプラズマ状態に対応する合成波形上のプラズマインピーダンス値が、１０〜２０％変化した時点がシリコンナイトライド膜のエッチング終了時点に一致することが判明した。虚数部を正負反転して実数部と合波した場合は、図３に示すように、プラズマインピーダンスが安定状態の値の８０〜９０％になった時点を、実数部を正負反転して虚数部と合波した場合はプラズマインピーダンスが安定状態の値の１１０〜１２０％になった時点を終点として検出する。
【００２１】
二酸化シリコン膜のエッチングにおける終点判定も上述したシリコンナイトライド膜の終点判定と同様である。
【００２２】
同軸型プラズマアッシング装置に本発明を適用した例について説明する。図４は、本発明の一実施例による同軸型プラズマアッシング装置の模式図である。図１の装置と同一部分は同じ参照符号を付して説明を省略する。処理室１にはその外側に外部電極１１が、処理室の内側には内部電極１２が配置されている。シリコンウエハー３は内部電極１２の内側に配置される。外部電極１１には整合器５を介して高周波電源６から高周波電力が印加される。処理室１にアッシングガスを供給するガス供給系および排気系は図１と同様に図示を省略してある。
【００２３】
シリコンウエハー上に形成された二酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）膜と、二酸化シリコン膜上に形成されたシリコンナイトライド（Ｓｉ_３ Ｎ_４ ）膜をシリコンナイトライド膜上に形成されたフォトレジストをマスクとしてエッチングした後、フォトレジストマスクをアッシングする場合を例として説明する。アッシングガスとしてＯ_２ を用い、処理室にＯ_２ を８００ＳＣＣＭ流し、処理室１内の圧力を０．９Ｔｏｒｒになるように排気系を駆動する。外部電極１１に高周波電力を９００Ｗ印加し、アッシングを行う。フォトレジスト膜をアッシングしている間はプラズマ安定しているため、プラズマインピーダンスの実数部、虚数部は、図２に示したエッチングの時と同様に、ともに安定しており、従って、実数部に正負を反転した虚数部を合波した波形も安定している。アッシングの終点近傍になると、フォトレジスト膜の面積が減少してくる。このため、フォトレジストから揮発する成分が減少し、プラズマ状態が変化する。この時、整合器５で高周波電力のマッチングが行われるが、一時、プラズマインピーダンスの実数部が減少し、虚数部が増加する。その後、速やかにマッチングが行われ、実数部、虚数部ともに元の値に戻る。この実数部と虚数部の一方を正負反転した上で合波することによって合成した信号をモニタすることによって、上述したエッチングの場合と同様に終点を判定することができる。
【００２４】
平行平板型プラズマＣＶＤ装置のプラズマクリーニングに本発明を適用した例について説明する。平行平板型プラズマＣＶＤ装置の構成は、図１に示したプラズマエッチング装置の構成と同様であるので図１を参照して説明する。ただし、クリーニングであるので、シリコンウエハーは処理室内には置かれていない。
【００２５】
ＣＶＤ中に、処理室１の内壁、上部電極２および下部電極４に堆積した二酸化シリコン（ＳｉＯ_２ ）膜を除去（クリーニング）する例について説明する。クリーニングガスとしてＣ_２ Ｆ_６ およびＯ_２ を用い、処理室１にＣ_２ Ｆ_６ を６００ＳＣＣＭ、Ｏ_２ を７００ＳＣＣＭ流し、処理室の圧力を６〜８Ｔ０ｒｒになるように排気系を駆動する。上部電極２に高周波電力を７５０Ｗ印加し、クリーニングを行う。処理室１内に堆積している二酸化シリコンをクリーニングしている間はプラズマ安定しているため、プラズマインピーダンスの実数部、虚数部は、図２に示したエッチングの時と同様に、ともに安定しており、従って、実数部に正負を反転した虚数部を合波した波形も安定している。クリーニングの終点近傍になると、処理室内に堆積している二酸化シリコンの面積が減少してくる。このため、堆積した二酸化シリコンから揮発する成分が減少し、プラズマ状態が変化する。この時、整合器５で高周波電力のマッチングが行われるが、一時、プラズマインピーダンスの実数部が減少し、虚数部が増加する。その後、速やかにマッチングが行われ、実数部、虚数部ともに元の値に戻る。この実数部と虚数部の一方を正負反転した上で合波することによって合成した信号をモニタすることによって、上述したエッチングの場合と同様に終点を判定することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に置いては、プラズマ処理の終点の判定において、プラズマインピーダンスの実数部と虚数部のいずれか一方を正負反転した上で、両者を合波して合成された波形の変動点を終点として判定する。それによって、従来の方法に比べＳ／Ｎ比の高い高精度な終点の検出が可能である。また、被処理膜の種類や処理のためのガスが変わっても、波長の最適化を行う必要がなく、終点の検出が可能である。さらに、観測用の窓を使用しないために、終点判定の安定性が向上する。
【００２７】
本発明は、プラズマエッチング装置、プラズマアッシング装置などに適用し、また、プラズマＣＶＤ装置のクリーニングに適用して特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるプラズマエッチング装置の模式的断面図である。
【図２】プラズマインピーダンスの実数部と虚数部の波形図である。
【図３】プラズマインピーダンスの実数部に虚数部の正負を反転して合波した波形図である。
【図４】本発明の一実施例による同軸型プラズマアッシング装置の模式的断面図である。
【符号の説明】
１ 処理室
２ 上部電極
３ シリコンウエハー
４ 下部電極（ステージ）
５ 整合器
６ 高周波電源
７ 高圧プローブ
８ 終点判定装置
９ 実数部の信号
１０ 虚数部の信号
１１ 外部電極
１２ 内部電極

Claims (6)

1. 半導体装置を作製するためのプラズマ処理装置であって、内部にプラズマを発生してプラズマ処理を行うための処理室と、プラズマを発生させるための電極と、該電極に高周波電力を印加する手段と、プラズマインピーダンスを計測する手段と、プラズマインピーダンスを実数部と虚数部とに分け、前記実数部と虚数部のいずれか一方の正負を反転して加えた合成波形に基づいてプラズマ処理の終点を判定する終点判定手段を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記プラズマ処理装置が半導体装置の作製過程においてプラズマエッチングを行う装置であって、前記終点判定手段はエッチング処理の終点を判定する手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 前記プラズマ処理装置が半導体装置の作製過程においてフォトレジストフィルムのアッシングを行う装置であって、前記終点判定手段はアッシング処理の終点を判定する手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
4. 前記プラズマ処理装置がプラズマＣＶＤ装置であって、前記終点判定手段は該ＣＶＤ装置のクリーニング処理の終点を判定する手段であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のプラズマ処理装置におけるプラズマ処理方法であって、プラズマ処理を行うための処理室内にプラズマを発生し、発生したプラズマのインピーダンスを計測して、プラズマインピーダンスを実数部と虚数部とに分け、前記実数部と虚数部のいずれか一方の正負を反転して加えた合成波形に基づいてプラズマ処理の終点を判定して、プラズマ処理を終了することを特徴とするプラズマ処理方法。
6. 前記合成波形において、プラズマインピーダンスが定常状態から１０〜２０％変化した時点を終点として判定することを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理方法。

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