JP3702220B2

JP3702220B2 - Plasma management method

Info

Publication number: JP3702220B2
Application number: JP2001363780A
Authority: JP
Inventors: 雅司山華; 健資山内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2021-11-29
Also published as: JP2003163200A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャンバ内のプラズマの状態や被処理物の状態やプラズマ装置の状態を高精度で管理できるプラズマ管理方法と装置ならびにプラズマ処理方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を製造する際の微細化技術で重要なエッチング技術では、かっては溶液を利用した等方性のウエットエッチング法や等方性のドライエッチング法が用いられていることが多かった。その後、半導体装置の微細化が進展するにつれて、エッチングに異方性をもつ反応性のエッチング（ＲＩＥ；ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）が導入されてきた。それにより、高密度の半導体記憶装置等の実現が可能になっている。
【０００３】
このマグネトロンＲＩＥ装置（以下、ＲＩＥ装置という）は、チャンバの近傍でマグネトロンを回転させると共にチャンバ内に高周波電力を供給し、チャンバ内にプラズマを発生させて被処理物に対するエッチングを行うものである。
【０００４】
通常、このＲＩＥ装置は、光を検出するための透過窓、一般的には石英ガラスにより形成される透過窓を通してチヤンバ内のプラズマの発光強度をモニタし、このプラズマ発光強度の変化点を基にエッチングの処理状況を判断している。
【０００５】
しかしながら、プラズマの発光強度をモニタするための透過窓の汚れ、マクネトロンの回転によるプラズマの揺れ等から、エッチングする面積が小さい場合、例えば８インチの半導体ウエハの面積当たり１０％以下、エッチング開口率１０％以下では、プラズマ発光強度の変化点を検出できなくなる。
【０００６】
このような問題を解決するために、プラズマの状態を高周波回路（ＲＦ回路）の一部と見なしてそのインピーダンスを検出し、このインピーダンスが変化する点を検出する方法が用いられている。
【０００７】
図５は、そのようなＲＩＥ装置の概略構成図である。チャンバ５１内には、下部電極５２の上のステージに半導体ウエハなどの被処理物５３が載置されている。又、チャンバ５１の内部には、外部から反応ガスが供給されている。このチャンバ５１の外部には、リング形状のマグネトロン５４が回転自在に配置されている。下部電極５２には、整合回路（ＭＣ：マッチングサーキット）５５を介して高周波電源５６が接続されている。このうち整合回路５５は、チャンバ５１側と高周波電源５６側とのインピーダンスを整合させるために接続されている。
【０００８】
このような構成において、チャンバ５１内に反応ガスが供給されると共に、下部電極５２に高周波電源５６から整合回路５５を通して高周波電力が供給される。さらに、チャンバ５１の外周でマグネトロン５４が所定の回転周波数で回転する。これにより、チャンバ５１内には低圧力でプラズマ５８が発生し、このブラズマ５８中のイオン及びラジカルにより化学反応して、被処理物５３はエッチングされる。
【０００９】
プラズマ５８のインピーダンスは、エッチング時に発生した反応生成物、若しくは反応に要するイオンやラジカル等によって変化するため、エッチング中とエッチング終了後とで変化する。このインピーダンスの変化を、整合回路５５とチャンバ５１（下部電極５２）との間に接続されたモニタ５７を用いてモニタする。このモニタ５７は、高周波電源５６からチャンバ５１に供給される供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波、および、それらの基本波の位相を検出し、そのモニタ信号をコンピュータ５９に送る。このコンピュータ５９は、モニタ５７から出力されるモニタ信号をデジタル化して取込み、それらの時間的変化からエッチング終点等を決定する方法が用いられている場合が多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、チャンバ内に電力を供給する供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波、および、それらの基本波の位相を検出して、それらの時間的変化からエッチング終点を決定する方法では、電圧の基本波や、電流の基本波、およびこれら基本波の位相差のみを検出している。ただし、これら測定対象の変化は主にカソードシースの厚さの変化によるプラズマインピーダンスの変化を反映していると考えられる。このため、プラズマ状態あるいはＲＩＥ装置の状態の比較的大きな変化しか検出することができず、被処理物のエッチング形状の最適化や、チャンバ内のクリーニング時期の最適化や、チャンバ内部品の交換時期の最適化などを精度よくおこなうためには限界があった。
【００１１】
本発明はこれらの事情に基づいてなされてもので、チャンバ内のプラズマの状態や被処理物の状態やプラズマ装置の状態を高精度で管理できるプラズマ管理方法と装置ならびにプラズマ処理方法と装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、内部に被処理物を収納したチャンバ内に電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを発生させて前記被処理物に対するプラズマ処理を管理するプラズマ管理方法において、前記チャンバ内に電力を供給する供給路に発生する電圧及び電流の高調波成分を検出して特定し、この特定した前記高調波成分の電圧および電流とを対比し、その結果に基づいて前記チャンバ内のプラズマ処理の終点を検出していることを特徴とするプラズマ管理方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
発明者は、プラズマ処理装置のチャンバの内部でのプラズマの状態や、被処理物の状態や、プラズマ処理装置の状態を精度よく把握するためには、チャンバの内部に電力を供給する供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波および基本波の位相を検出する基本波についての検出に加えて、図１にグラフで示したように、電力を供給する供給路に基本波と共に発生している高調波（周波数が基本波のｎ倍の波：ｎは自然数）に着目し、基本波の変化による情報に加えて、高調波の変化を検出することにより、それらによって得られる情報量を増やすことでプラズマ処理装置の管理の高精度化の実現を達成できると考えた。なお、図１に示したように、基本波と高調波、および、高調波と高調波とのそれぞれの間にもいくつかの波長の存在が認められる。
【００１９】
電力を供給する供給路に発生する高調波の発生の主たる原因は、シース内電流（イオン電流、電子電流、変位電流）の存在によると考えられる。したがって、高調波の変化は、基本波の変化の原因であるカソードシースの厚さの変化に加えて、最もカソードシース内の電流の変化を反映していることになる。また、高調波はインダクタンスやキャパシタンスの存在によって変化するため、プラズマをインピーダンスとして構成される電気回路内の電気要素の微妙な変化によっても変化する。
【００２０】
すなわち、高調波は、電源、整合回路、被処理物、チャンバ内壁などの状態の変化を敏感に反映するので、それの変化を把握することにより、高精度なプラズマ処理装置の管理を実現することができる。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）は、ＲＩＥ装置において、圧力４５ｍＴｏｒｒのアルゴンガスによりプラズマを放電パワが２００〜８００Ｗで生成した場合の電圧、電流の高調波について、下記の変換式により物理量をＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出された計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較した結果である。なお、図２（ａ）〜（ｄ）は、電圧と出力との対比であり、図３（ａ）〜（ｄ）は、電流と出力との対比である。また、図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）は共に、（ａ）は基本波、（ｂ）は２次高調波、（ｃ）は３次高調波、（ｄ）は４次高調波についての場合を示している。
【数１】

【数２】

ただし、何れの式においても
Ａ_ｃはカソード面積、Ａ_ｗは壁面積、ｅは電子電荷、ｎ_ｅは電子密度、ｋはボルツマン定数、Ｔ_ｅは電子温度、ｍ_ｉはイオン質量、ε_０は真空誘電率、Ｖ_ｐはプラズマ電位、Ｖ_ｄｃは自己バイアス電位である。
【００２２】
いずれの高調波でも、計算値と実測値とがほぼ一致しており、高調波によるプラズマの状態等の検出が有効であることを確認できた。
【００２３】
また、モデルに含まれる回路要素の値を変化させれば、高調波が変化する。これらの回路要素はプラズマ、プラズマ被処理物であるウエハ、プラズマ処理装置から構成されており、これらの回路要素の値の変化が高調波の変化に反映されることがわかる。
【００２４】
測定された高調波はコンピュータで解析され、その解析結果に基づいてコンピュータから、後述するプラズマ処理装置を構成している電源制御システム、ガス供給システム、圧力調整システム等に対して制御信号を出してプラズマ処理条件を調整する。また、異常と判断される場合には該当するシステムを停止する信号あるいは使用者に警告を発する信号を出しても良い。
【００２５】
なお、プラズマの状態の異常についての発生要因の因子は、プラズマの密度、電子温度、正イオン密度、負イオン密度、シース電圧および気相組成等が挙げられる。
【００２６】
また、被処理体の異常についての発生要因の因子は、削れ量、堆積膜量、表面元素構成比、表面積、温度、質量および誘電率等が挙げられる。
【００２７】
また、プラズマ処理装置の異常についての発生要因の因子は、被処理体周辺部材の消耗量、チャンバ内壁の処理膜の消耗量およびチャンバ内壁のプラズマに起因する堆積膜量等が挙げられる。
【００２８】
したがって、各発生因子の変化を観察することによっても、プラズマの状態の異常や被処理体の異常やプラズマ処理装置の異常を検出することもできる。
【００２９】
図４は、ＲＩＥ装置に本発明のプラズマ管理装置を搭載したプラズマ処理装置の模式構成図である。
【００３０】
ＲＩＥ装置は、被処理物を内部に収納して処理を施す円筒状の密閉容器であるチャンバ１の外部の上方には、チャンバ１の内部にプラズマ２を低圧力で発生させるように磁場を形成するため、回転機構３の駆動によりの所定の回転周波数で回転する棒状の永久磁石４が、チャンバ１の天板１ａに平行方向に回転自在に配置されている。また、チャンバ１の外側の下方には、マッチングボックス５と高周波電源６が接続されている。マッチングボックス５の内部にはＶ／Ｉモニタ７と整合回路８が収納されており、高周波電源６と整合回路８との間は、高周波電源６のインピーダンス（例えば５０Ω）により一定になっている。それにより、チャンバ１の内部のインピーダンス変化に応じて、電圧、電流及びそれらの位相差が変化して電力を一定に保つようにしている。
【００３１】
チャンバ１の内側には、下方には下部電極９が配置されている。この下部電極９の上には、被処理物としての半導体ウエハ１１を固定するための静電チャック１２が設置されており、静電チャック１２にはウエハ１１を載置した場合の外側に位置する周辺リング１３が設けられている。また、下部電極９は、マッチングボックス５を介して高周波電源６に電気的に接続されている。
【００３２】
また、チャンバ１の内側の上部には、下部電極９に対向する凸状の上部電極１４が形成され、その表面には反応性ガスをチャンバ１の内部に供給する複数のガス噴出口１５が形成されている。なお、ガス噴出口１５は、ガス流量調整器１６を介してガス供給システム１７に接続されている。また、チャンバ１には、圧力調整システム１８を介して真空ポンプ１９が接続され、側壁にはチャンバ１の内部の真空度を計測するための真空計２１が設けられている。
【００３３】
マッチングボックス５は、マッチングボックス５を含めたチャンバ１側のインピーダンスを高周波電源６側のインピーダンスに整合させる機能を有している。このマッチングボックス５の内部には、Ｖ／Ｉモニタ７および整合回路８（ＭＣ）が備えられている。このうちＶ／Ｉモニタ７は、下部電極９に供給する高周波電力の電圧、電流をモニタし、そのモニタ信号を出力する機能を有している。
【００３４】
プラズマ管理装置２５は、Ｖ／Ｉモニタ７からのモニタした結果を解析する解析部２６と、コンピュータ２７と、高周波電源６を制御する電源制御システムとから構成されている。
【００３５】
Ｖ／Ｉモニタ７に接続している解析部２６はコンピュータ（制御部）２７に接続されており、解析部２６またはコンピュータ２７内は、Ｖ／Ｉモニタ７から出力された電圧、電流を読み取りそれらの位相差を得る機能と、電圧の高調波、電流の高調波およびそれらの位相差を得るための、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）機能を有している。さらに、解析部２６またはコンピュータ２７の内部には、ノイズ成分をカットするためのローパスフィルタや荷重移動平均フィルタなどの信号処理手段（不図示）を備えている。
【００３６】
解析部２６またはコンピュータ２７は、得られた電圧の高調波、電流の高調波またはそれらの位相差の値を逐次記憶し、その変化の傾向から、チャンバ１の内部のプラズマ２の状態、半導体ウエハ１１の状態、チャンバ１の内部を構成する部品のいずれか１つ以上について、その変化を検出する機能を有している。
【００３７】
例えば、プラズマ処理の終点を検出する場合は、モニタ７からデジタル化されたモニタ信号を受取、そのモニタ信号から電圧及び電流を取り出し、これら電圧と電流との比、すなわち電圧／電流又は電流／電圧を演算し、この電圧／電流又は電流／電圧の波形の変化から被処理物３に対するエッチング処理の終点を検出している。
【００３８】
なお、コンピュータ２７は、ガス供給システム１７、電源制御システムおよび圧力調整システム１８を制御している。
【００３９】
次に、上記のごとく構成された装置の作用について説明する。
【００４０】
チャンバ１の内部に反応ガスが供給されると共に、下部電極９に高周波電源６から整合回路８を通して高周波電力が供給される。さらに、チャンバ１の上部に設けられた永久磁石４が所定の回転周波数で回転する。これにより、チャンバ１の内部には低圧力でブラズマ８が発生し、このプラズマ２の中のイオン及びラジカルにより化学反応して、被処理物３はエッチングされる。
【００４１】
このとき、プラズマ２の中でのエッチング時に発生した反応生成物、もしくは反応に要するイオンやラジカル等の量がエッチング中とエッチング終了後とで変化し、プラズマ２のインピーダンスが変化する。
【００４２】
Ｖ／Ｉモニタ７は、高周波電源６から整合回路８を通してチャンバ１に供給される電圧及び電流をモニタし、そのモニタ信号を出力する。
【００４３】
解析部２６は、モニタ７から出力されるモニタ信号を取り込み、基本波と高調波の電圧の実効値、及び電圧と電流の位相差をデジタル化して出力する。
【００４４】
コンピュータ２７は、解析部２６から出力される信号を取込み、フィルタ処理手段によってデジタルのモニタ信号に対してフィルタ処理を行い、永久磁石４の回転周波数よりも低い周波数成分を通過させる。
【００４５】
コンピュータ２７の処理による終点検出は、これら高調波の電圧と電流との比、すなわち例えば電圧／電流を演算し、この電圧／電流の波形の変化から被処理物３に対する例えば、エッチングの終点を検出する。具体的には、先ず、電子密度が変化したのに伴い荷重移動平均手段で、高調波の電圧／電流の波形の変化を検出し、この電圧／電流のデータに対してガウス分布による荷重移動平均を行う。次に、荷重移動平均されたデータに対して予め設定された闘値と比較し、闘値を超えた時点を被処理物３に対するエッチングの終点を検出する。
【００４６】
なお、上記の場合は、エッチング終点を検出するのに荷重移動平均を用いているが、高調波の電圧と電流との比の波形から自己相関係数を逐次求め、これら自己相関係数と予め設定された闘値とを比較してエッチング終点を検出するようにしてもよい。
【００４７】
また、モニタ７により検出される高調波の電圧又は電流のいずれか一方をコンピュータ２７で取込み、高調波の電圧又は電流のいずれか一方の波形の変化からエッチング終点を検出するようにしてもよい。
【００４８】
なお、上述の実施の形態では、エッチング処理の終点を検出することについて説明したが、以下の項目についても高調波の電圧又は電流の値が変化することを、同様にＶＩモニタ７によりモニタすることによって検出することができる。
【００４９】
チャンバ１を構成している部品の交換については、静電チャック１２上の周辺リング１３が消耗すると、コンデンサ容量が変化して高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５０】
チャンバ１のクリーニング時期については、チャンバ１の内壁への堆積膜が厚くなり、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５１】
プラズマ２の異常放電の検出については、モニタしている電圧又は電流が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５２】
プラズマ処理の異常（線幅が規格から外れる、膜が残る、削りすぎる等）については、エッチング時に発生する反応生成物、若しくは反応に要するイオンやラジカル等が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流が変化するのを検出する。
【００５３】
電気系統の異常（リーク電流等）、モニタしている電圧又は電流が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５４】
これらの検出したコンピュータ２７で解析された解析結果に基づいて、コンピュータ２７から電源制御システム２８、ガス供給システム１７、圧力調整システム１８等に対して制御信号を出し、プラズマ処理条件を調整する。
【００５５】
また、異常と判断される場合には、高調波の電圧又は電流の値の変化にもとづいて、コンピュータ２７から電源制御システム２８、ガス供給システム１７、圧力調整システム１８等に対してフィードバックして各種設定を変化させる。あるいは、システムを停止する信号あるいは使用者に警告を発する信号を出す。
【００５６】
なお、上述の実施の形態では、プラズマ処理装置として容量結合型プラズマ装置について説明したが、ＥＣＲ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｙｃｌｏｒｉｃＲｅｓｏｎａｎｃｅ）やヘリコン波を用いたプラズマ装置や、誘導結合プラズマ装置にも適用することができる。
【００５７】
なお、上述の実施の形態を、半導体デバイス製造用のドライエッチングを例にして示したが、本発明は、ドライエッチングに限定されることなく、プラズマアッシング、プラズマＣＶＤ、プラズマスパッタ、プラズマクリーニング等に適用が可能であり、半導体デバイスの処理のみならず、液晶パネル上の薄膜素子の処理を目的としたプラズマ処理にも適用できる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度にプラズマ処理状況が検出して、それにより正確な管理をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本波と高調波とのグラフ。
【図２】（ａ）〜（ｄ）電圧について、ＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出さした計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較したグラフ。
【図３】（ａ）〜（ｄ）電流について、ＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出さした計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較したグラフ。
【図４】ＲＩＥ装置に本発明のプラズマ管理装置を搭載したプラズマ処理装置の模式構成図。
【図５】従来のＲＩＥ装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…チャンバ、２…プラズマ、５…マッチングボックス、６…高周波電源、７…Ｖ／Ｉモニタ、８…整合回路、９…下部電極、１１…ウエハ、１４…上部電極、１７…ガス供給システム、１８…圧力調整システム、２５…プラズマ管理装置、２６…解析部、２７…コンピュータ、２８…電源制御システム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma management method and apparatus and a plasma processing method and apparatus capable of managing the state of plasma in a chamber, the state of an object to be processed, and the state of a plasma apparatus with high accuracy.
[0002]
[Prior art]
In an etching technique that is important in a miniaturization technique when manufacturing a semiconductor device, an isotropic wet etching method using a solution and an isotropic dry etching method are often used. Thereafter, as the miniaturization of semiconductor devices progresses, reactive etching (RIE; Reactive Ion Etching) having anisotropy in etching has been introduced. As a result, a high-density semiconductor memory device or the like can be realized.
[0003]
This magnetron RIE apparatus (hereinafter referred to as an RIE apparatus) rotates a magnetron in the vicinity of a chamber and supplies high-frequency power into the chamber, generates plasma in the chamber, and etches an object to be processed.
[0004]
Usually, this RIE apparatus monitors the emission intensity of plasma in a chamber through a transmission window for detecting light, generally a transmission window formed of quartz glass, and based on the change point of the plasma emission intensity. The processing status of etching is judged.
[0005]
However, if the area to be etched is small due to contamination of the transmission window for monitoring the emission intensity of the plasma, plasma fluctuation due to rotation of the magnetron, etc., the etching aperture ratio is 10% or less per 8 inch semiconductor wafer area, for example. If it is less than or equal to%, the change point of the plasma emission intensity cannot be detected.
[0006]
In order to solve such problems, a method is used in which the state of plasma is regarded as a part of a high-frequency circuit (RF circuit), its impedance is detected, and a point at which this impedance changes is detected.
[0007]
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of such an RIE apparatus. In the chamber 51, a workpiece 53 such as a semiconductor wafer is placed on a stage above the lower electrode 52. A reaction gas is supplied into the chamber 51 from the outside. A ring-shaped magnetron 54 is rotatably disposed outside the chamber 51. A high-frequency power source 56 is connected to the lower electrode 52 via a matching circuit (MC: matching circuit) 55. Among these, the matching circuit 55 is connected to match the impedance between the chamber 51 side and the high-frequency power source 56 side.
[0008]
In such a configuration, the reaction gas is supplied into the chamber 51 and high-frequency power is supplied from the high-frequency power source 56 to the lower electrode 52 through the matching circuit 55. Further, the magnetron 54 rotates at a predetermined rotation frequency on the outer periphery of the chamber 51. As a result, plasma 58 is generated in the chamber 51 at a low pressure, and the object 53 is etched by a chemical reaction with ions and radicals in the plasma 58.
[0009]
The impedance of the plasma 58 changes depending on a reaction product generated at the time of etching, or ions or radicals required for the reaction, and therefore changes during and after the etching. This change in impedance is monitored using a monitor 57 connected between the matching circuit 55 and the chamber 51 (lower electrode 52). The monitor 57 detects a fundamental wave of voltage, a fundamental wave of current, and a phase of the fundamental wave generated in a supply path supplied from the high frequency power source 56 to the chamber 51, and sends the monitor signal to the computer 59. . In many cases, the computer 59 uses a method of digitizing a monitor signal output from the monitor 57 and determining an etching end point or the like based on a temporal change thereof.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described above, the fundamental wave of the voltage, the fundamental wave of the current, and the phase of the fundamental wave generated in the supply path for supplying power to the chamber are detected, and the etching end point is detected from the temporal change thereof. In this method, only the fundamental wave of voltage, the fundamental wave of current, and the phase difference between these fundamental waves are detected. However, it is considered that these changes in the measurement object mainly reflect changes in plasma impedance due to changes in the thickness of the cathode sheath. For this reason, only a relatively large change in the plasma state or the state of the RIE apparatus can be detected. Optimization of the etching shape of the workpiece, optimization of the cleaning timing in the chamber, and replacement timing of the components in the chamber There was a limit to the accuracy of optimization.
[0011]
The present invention has been made based on these circumstances, and therefore provides a plasma management method and apparatus and a plasma processing method and apparatus capable of managing the plasma state in the chamber, the state of the object to be processed, and the state of the plasma apparatus with high accuracy. The purpose is to do.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described object, the present invention provides a plasma management method for managing plasma processing on a workpiece by supplying power to a chamber in which the workpiece is housed and generating plasma in the chamber. In the method, the harmonic component of the voltage and current generated in the supply path for supplying power to the chamber is detected and specified, and the voltage and current of the specified harmonic component are compared, based on the result. A plasma management method is provided, wherein an end point of plasma processing in the chamber is detected .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
In order to accurately grasp the state of the plasma inside the chamber of the plasma processing apparatus, the state of the object to be processed, and the state of the plasma processing apparatus, the inventor provides a supply path for supplying power to the inside of the chamber. In addition to the detection of the fundamental wave of the generated voltage, the fundamental wave of the current, and the fundamental wave that detects the phase of the fundamental wave, as shown in the graph of FIG. Focusing on the harmonics (waves whose frequency is n times the fundamental wave: n is a natural number) We thought that the realization of the high precision of the management of the plasma processing equipment could be achieved by increasing. In addition, as shown in FIG. 1, presence of several wavelengths is recognized also between each of a fundamental wave and a harmonic, and a harmonic and a harmonic.
[0019]
It is considered that the main cause of the generation of harmonics generated in the supply path for supplying power is due to the presence of an in-sheath current (ion current, electron current, displacement current). Therefore, the change in the harmonic reflects the change in the current in the cathode sheath most in addition to the change in the thickness of the cathode sheath that causes the change in the fundamental wave. In addition, since harmonics change due to the presence of inductance and capacitance, they also change due to subtle changes in the electrical elements in an electrical circuit configured with plasma as an impedance.
[0020]
In other words, harmonics sensitively reflect changes in the state of the power supply, matching circuit, workpiece, chamber inner wall, etc., so it is possible to realize high-precision plasma processing equipment management by grasping the changes. Can do.
[0021]
2 (a) to 2 (d) and FIGS. 3 (a) to 3 (d) show harmonics of voltage and current when plasma is generated at a discharge power of 200 to 800 W with argon gas at a pressure of 45 mTorr in the RIE apparatus. Is a result of comparing a calculated value calculated by converting a physical quantity into a circuit element modeling the RIE apparatus by the following conversion formula and an actual measurement value accumulated in the computer of the RIE apparatus. 2A to 2D are comparisons of voltage and output, and FIGS. 3A to 3D are comparisons of current and output. 2 (a) to (d) and FIGS. 3 (a) to 3 (d), (a) is the fundamental wave, (b) is the second harmonic, (c) is the third harmonic, d) shows the case of the fourth harmonic.
[Expression 1]

[Expression 2]

In any formula, _Ac is the cathode area, _Aw is the wall area, e is the electron charge, _ne is the electron density, k is the Boltzmann constant, _Te is the electron temperature, _mi is the ion mass, and ε ₀ is The vacuum dielectric constant, V _p is the plasma potential, and V _dc is the self-bias potential.
[0022]
In any harmonic, the calculated value and the measured value almost coincided, and it was confirmed that the detection of the plasma state or the like by the harmonic was effective.
[0023]
Further, if the value of the circuit element included in the model is changed, the harmonic changes. These circuit elements are composed of plasma, a wafer as a plasma processing object, and a plasma processing apparatus, and it can be seen that changes in values of these circuit elements are reflected in changes in harmonics.
[0024]
The measured harmonics are analyzed by a computer, and based on the analysis result, a control signal is output from the computer to a power supply control system, a gas supply system, a pressure adjustment system, etc. constituting a plasma processing apparatus to be described later. Adjust plasma processing conditions. If it is determined that there is an abnormality, a signal for stopping the corresponding system or a signal for warning the user may be issued.
[0025]
Note that factors of generation factors for abnormalities in the plasma state include plasma density, electron temperature, positive ion density, negative ion density, sheath voltage, and gas phase composition.
[0026]
In addition, as factors of occurrence factors regarding the abnormality of the object to be processed, there are a scraping amount, a deposited film amount, a surface element composition ratio, a surface area, a temperature, a mass, a dielectric constant, and the like.
[0027]
In addition, factors of generation factors for the abnormality of the plasma processing apparatus include the consumption amount of the peripheral member to be processed, the consumption amount of the processing film on the inner wall of the chamber, and the amount of deposited film caused by the plasma on the inner wall of the chamber.
[0028]
Therefore, it is also possible to detect an abnormality in the plasma state, an abnormality in the object to be processed, and an abnormality in the plasma processing apparatus by observing changes in the respective generation factors.
[0029]
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a plasma processing apparatus in which the plasma management apparatus of the present invention is mounted on an RIE apparatus.
[0030]
The RIE apparatus forms a magnetic field above the outside of the chamber 1 that is a cylindrical hermetic container that accommodates an object to be processed and performs processing so as to generate plasma 2 at a low pressure inside the chamber 1. Therefore, a rod-like permanent magnet 4 that rotates at a predetermined rotation frequency by driving the rotation mechanism 3 is disposed so as to be rotatable in a direction parallel to the top plate 1 a of the chamber 1. A matching box 5 and a high-frequency power source 6 are connected to the lower side outside the chamber 1. A V / I monitor 7 and a matching circuit 8 are housed inside the matching box 5, and the space between the high-frequency power source 6 and the matching circuit 8 is constant due to the impedance (for example, 50Ω) of the high-frequency power source 6. Thereby, according to the impedance change in the chamber 1, the voltage, the current and the phase difference thereof are changed to keep the power constant.
[0031]
A lower electrode 9 is disposed inside the chamber 1 below. An electrostatic chuck 12 for fixing a semiconductor wafer 11 as an object to be processed is installed on the lower electrode 9, and the electrostatic chuck 12 is positioned outside when the wafer 11 is placed. A peripheral ring 13 is provided. The lower electrode 9 is electrically connected to the high frequency power source 6 through the matching box 5.
[0032]
Further, a convex upper electrode 14 facing the lower electrode 9 is formed in the upper part inside the chamber 1, and a plurality of gas jets 15 for supplying reactive gas into the chamber 1 are formed on the surface thereof. Has been. The gas outlet 15 is connected to a gas supply system 17 via a gas flow rate regulator 16. A vacuum pump 19 is connected to the chamber 1 via a pressure adjustment system 18, and a vacuum gauge 21 for measuring the degree of vacuum inside the chamber 1 is provided on the side wall.
[0033]
The matching box 5 has a function of matching the impedance on the chamber 1 side including the matching box 5 with the impedance on the high-frequency power source 6 side. Inside the matching box 5, a V / I monitor 7 and a matching circuit 8 (MC) are provided. Among these, the V / I monitor 7 has a function of monitoring the voltage and current of the high-frequency power supplied to the lower electrode 9 and outputting the monitor signal.
[0034]
The plasma management device 25 includes an analysis unit 26 that analyzes the monitoring result from the V / I monitor 7, a computer 27, and a power supply control system that controls the high frequency power supply 6.
[0035]
The analysis unit 26 connected to the V / I monitor 7 is connected to a computer (control unit) 27, and the analysis unit 26 or the computer 27 reads the voltage and current output from the V / I monitor 7 and reads them. For example, a fast harmonic transform (FFT) function for obtaining voltage harmonics, current harmonics and their phase differences. Furthermore, the analysis unit 26 or the computer 27 includes signal processing means (not shown) such as a low-pass filter and a load moving average filter for cutting noise components.
[0036]
The analysis unit 26 or the computer 27 sequentially stores the obtained voltage harmonics, current harmonics or phase difference values thereof, and from the tendency of the change, the state of the plasma 2 inside the chamber 1, the semiconductor wafer 11 has a function of detecting a change in any one or more of the components constituting the interior of the chamber 1.
[0037]
For example, when the end point of the plasma processing is detected, a monitor signal digitized from the monitor 7 is received, a voltage and a current are extracted from the monitor signal, and a ratio between these voltages and currents, that is, voltage / current or current / voltage. And the end point of the etching process for the workpiece 3 is detected from the change in voltage / current or current / voltage waveform.
[0038]
The computer 27 controls the gas supply system 17, the power supply control system, and the pressure adjustment system 18.
[0039]
Next, the operation of the apparatus configured as described above will be described.
[0040]
The reaction gas is supplied into the chamber 1 and high-frequency power is supplied to the lower electrode 9 from the high-frequency power source 6 through the matching circuit 8. Furthermore, the permanent magnet 4 provided in the upper part of the chamber 1 rotates at a predetermined rotational frequency. As a result, a plasma 8 is generated in the chamber 1 at a low pressure, and a chemical reaction is caused by ions and radicals in the plasma 2 to etch the object 3 to be processed.
[0041]
At this time, the amount of reaction products generated during etching in the plasma 2 or the amount of ions, radicals, etc. required for the reaction changes during and after the etching, and the impedance of the plasma 2 changes.
[0042]
The V / I monitor 7 monitors the voltage and current supplied from the high frequency power supply 6 to the chamber 1 through the matching circuit 8 and outputs the monitor signal.
[0043]
The analysis unit 26 receives the monitor signal output from the monitor 7, digitizes the effective values of the fundamental and harmonic voltages, and the phase difference between the voltage and current, and outputs the digitized values.
[0044]
The computer 27 takes in the signal output from the analysis unit 26, filters the digital monitor signal by the filter processing means, and passes a frequency component lower than the rotational frequency of the permanent magnet 4.
[0045]
In the end point detection by the processing of the computer 27, the ratio of the voltage and current of these harmonics, that is, for example, voltage / current is calculated, and for example, the end point of etching for the workpiece 3 is detected from the change in the voltage / current waveform. To do. Specifically, first, the load moving average means detects the change in the harmonic voltage / current waveform as the electron density changes, and the load moving average based on the Gaussian distribution is detected for this voltage / current data. I do. Next, the weighted moving average data is compared with a preset threshold value, and the end point of etching for the workpiece 3 is detected when the threshold value is exceeded.
[0046]
In the above case, the load moving average is used to detect the etching end point. However, the autocorrelation coefficient is sequentially obtained from the waveform of the ratio between the harmonic voltage and the current, and these autocorrelation coefficients are calculated in advance. The etching end point may be detected by comparing the set threshold value.
[0047]
Alternatively, either one of the harmonic voltage or current detected by the monitor 7 may be taken in by the computer 27, and the etching end point may be detected from the change in the waveform of either the harmonic voltage or current.
[0048]
In the above-described embodiment, the end point of the etching process is detected. However, the VI monitor 7 similarly monitors whether the harmonic voltage or current value changes for the following items. Can be detected.
[0049]
Regarding the replacement of the parts constituting the chamber 1, when the peripheral ring 13 on the electrostatic chuck 12 is consumed, it is detected that the capacitor capacity changes and the value of the harmonic voltage or current changes.
[0050]
As for the cleaning time of the chamber 1, it is detected that the deposited film on the inner wall of the chamber 1 becomes thick and the value of the harmonic voltage or current changes.
[0051]
Regarding the detection of abnormal discharge of the plasma 2, it is detected that the voltage or current of the harmonic changes when the monitored voltage or current changes abnormally.
[0052]
For plasma processing abnormalities (line width deviating from standard, film remaining, excessive cutting, etc.), the reaction products generated during etching, or the ions and radicals required for the reaction change abnormally, Detect changes in voltage or current.
[0053]
An abnormality in the electrical system (leakage current, etc.), a change in the voltage or current of the harmonic due to an abnormal change in the monitored voltage or current is detected.
[0054]
Based on the analysis results analyzed by the detected computer 27, a control signal is issued from the computer 27 to the power supply control system 28, the gas supply system 17, the pressure adjustment system 18, and the like to adjust the plasma processing conditions.
[0055]
If it is determined that there is an abnormality, the computer 27 feeds back to the power supply control system 28, the gas supply system 17, the pressure adjustment system 18 and the like based on the change in the harmonic voltage or current value. Change the setting. Alternatively, a signal for stopping the system or a signal for warning the user is issued.
[0056]
In the above-described embodiment, the capacitively coupled plasma apparatus is described as the plasma processing apparatus. However, the present invention can also be applied to a plasma apparatus using ECR (Electric Cyclic Resonance) or a helicon wave, or an inductively coupled plasma apparatus. .
[0057]
In addition, although the above-mentioned embodiment was shown taking dry etching for semiconductor device manufacture as an example, the present invention is not limited to dry etching, but plasma ashing, plasma CVD, plasma sputtering, plasma cleaning, etc. The present invention can be applied, and can be applied not only to processing of semiconductor devices but also to plasma processing for the purpose of processing thin film elements on a liquid crystal panel.
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to detect a plasma processing state with high accuracy and thereby perform accurate management.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph of fundamental waves and harmonics.
FIGS. 2A to 2D are graphs comparing the calculated values calculated by converting the RIE apparatus into modeled circuit elements for the voltages and the actual values stored in the computer of the RIE apparatus.
FIGS. 3A to 3D are graphs comparing calculated values calculated by converting the RIE apparatus into modeled circuit elements for current and actual values accumulated in the computer of the RIE apparatus.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a plasma processing apparatus in which the plasma management apparatus of the present invention is mounted on an RIE apparatus.
FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a conventional RIE apparatus.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Chamber, 2 ... Plasma, 5 ... Matching box, 6 ... High frequency power supply, 7 ... V / I monitor, 8 ... Matching circuit, 9 ... Lower electrode, 11 ... Wafer, 14 ... Upper electrode, 17 ... Gas supply system, DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 ... Pressure regulation system, 25 ... Plasma management apparatus, 26 ... Analysis part, 27 ... Computer, 28 ... Power supply control system

Claims

In the plasma management method for managing the plasma processing for the object to be processed by supplying electric power to the chamber in which the object to be processed is housed and generating plasma in the chamber.
The harmonic component of the voltage and current generated in the supply path for supplying power into the chamber is detected and specified, and the voltage and current of the specified harmonic component are compared, and the chamber is based on the result. A plasma management method characterized by detecting an end point of plasma processing in the inside .