JP3957705B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等を加工するプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関し、特にプラズマ処理中に発生した異常放電現象をリアルタイムでモニタすることが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。

先端的な高機能半導体デバイスを実現する上で、エッチング、薄膜堆積などのプラズマ処理が不可欠である。しかしながら、プラズマ処理装置では処理中に不意に異常放電が生じることが問題となっている。異常放電が発生すると、エッチングや薄膜堆積状況が変化し、その結果、生成された半導体デバイスの特性が大きく変化する。最悪の場合は、処理装置が破壊されることもある。したがって、信頼性の高い半導体デバイスを高い生産性を確保して製造するためには、プラズマ処理中の異常放電の発生をリアルタイムでモニタし、異常に対して迅速にかつ適切に対処する必要がある。

異常放電は、プラズマ処理中にプラズマチャンバの内壁等に蓄積された高電荷が限界を超え、あるいは何らかの要因により放電されることによって生じる。このような放電は不規則に起こり、またこれを検出する有効なセンシング手法も無いことから、従来のプラズマ処理装置ではこのような異常放電の発生をリアルタイムで検出して適切に対処することができず、製造後の半導体デバイスの信頼性、生産性を損なう要因となっている。

プラズマによる処理状態を、半導体ウエハ内に作りこんだセンサによって計測するオンウエハモニタリングシステムが既に提案されている（特許文献１参照）。このシステムは、プラズマによって生成される、例えばイオン、電子等のエネルギー分布、イオン電流等をリアルタイムでモニタするシステムであるが、異常放電のようなプラズマ状態の瞬時の変化に対してこれらの変化は半導体ウエハ上に比較的ゆっくり現れるものであり、そのため、異常放電をリアルタイムで検出するには適さない。

特開２００３−２８２５４６号

本発明はかかる点に関してなされたもので、処理中のプラズマの状態、特に異常放電の発生をリアルタイムでモニタすることが可能なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することをその課題とする。

本発明のプラズマ処理装置は、上記課題を解決するために、例えば半導体ウエハである被処理基板が設置されるウエハステージを備えたチャンバを有し、前記被処理基板にプラズマを照射して加工するプラズマ処理装置において、前記ウエハステージの前記被処理基板設置面の周辺部分に紫外光誘起電流測定用のフォトン検出センサを設置したことを特徴とする。

前記フォトン検出センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に設けた絶縁膜と、前記絶縁膜中に埋め込まれた電極層と、前記電極層にバイアス電圧を印加する手段と、前記電極層を流れる電流を検出する手段とを備える。この絶縁膜は、前記被処理基板上に形成する絶縁膜、あるいは形成された絶縁膜であってエッチング処理するものと同じ材料である。

プラズマチャンバ内で異常放電が発生すると、その放電によってプラズマ密度が瞬間的に大きく低下し、プラズマによるイオン、中性粒子、電子および紫外光の生成が減少する。プラズマの生成中、チャンバ内にフォトン検出センサを設置すると、定常状態ではプラズマから発生する紫外光により生成されたある程度の紫外光誘起電流を観測するが、異常放電によってプラズマ密度が低下して紫外光の発生量が減少すると、スパイク状の電流減少を観測するようになる。したがって、プラズマ処理装置のウエハステージ上にフォトン検出センサを設け、このセンサの出力をリアルタイムでモニタすることにより、スパイク状の電流減少として異常放電の発生をリアルタイムで検出することができる。その結果、異常放電に対して、迅速にかつ的確に対処することが可能となる。

前記フォトン検出センサはさらに、前記絶縁膜上に形成された第２の電極を備える。この電極によって、真空紫外光以外の粒子、例えばイオン、電子等を除去し、紫外光のみの影響を観測することができるようになる。紫外光の変動は電流値の変動として瞬時に観測されるため、これにより、異常放電の発生をより正確に検出することができる。

さらに、前記フォトン検出センサは、前記ウエハステージにおいて複数個が互いに間隔置いて設置される。これによって、異常放電による影響の空間分布を知ることができ、半導体ウエハ上のどの部分のデバイスが影響を受けているか等を判別することが容易となる。

図１は、本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成を示す図である。１はプラズマ処理を行うためのチャンバであり、被処理基板、すなわち半導体ウエハ２を設置するためのウエハステージ３を備えている。チャンバ１内にはプラズマ化されたガス（以下、プラズマと称する）４が導入され、半導体ウエハ２のエッチングあるいは薄膜形成等のプラズマ処理が行われる。なお、プラズマ４は、チャンバ１内に導入されたガスに高周波エネルギーをチャンバ外から印加することによって、チャンバ１内で形成することも可能である。また、チャンバ１の内壁には、通常、プラズマ４の放電を防止するために絶縁膜が形成されている。

図２は、ウエハステージ３の平面図である。図示するように、ウエハステージ３の半導体ウエハ２を設置する表面３ａ上には、半導体ウエハ２と共に１個またはそれ以上の紫外光誘起電流測定用のフォトン検出センサ５が配置される。このフォトン検出センサの構造およびセンサメカニズムについては後述する。フォトン検出センサ５は、図示するように、ウエハステージ３の表面３ａにおける周辺部分に、等間隔で配置される。フォトン検出センサ５には、フォトン検出センサ５による出力電流の変化を検出しデータ処理するためのデータ処理装置６が接続されている。

図１に示すプラズマ処理装置では、プラズマ照射による半導体ウエハ２の加工処理と同時に、複数のフォトン検出センサ５における電流値の変化をリアルタイムで検出する。本発明者は、フォトン検出センサ５の出力において、チャンバ１内で異常放電が発生した場合、その出力、すなわち電流値がスパイク状に減少することを見出した。したがって、フォトン検出センサ５の出力を半導体ウエハ２の加工と同時に観測することにより、チャンバ１内で異常放電が発生したか否かが検出される。また、複数のフォトン検出センサ５の出力を同時にモニタすることによって、その異常放電の空間分布、すなわち異常放電による影響が半導体ウエハ２のどの部分におよぶかを検出することが可能である。

図３に、フォトン検出センサ５の出力変化の一例を示す。図において、縦軸はフォトン検出センサ５における紫外光誘起電流値を任意単位で示し、横軸は時間を示す。フォトン検出センサ５では、後述するメカニズムにより、プラズマによって生成された紫外光によって誘起される電流８が定常的に観測され、その間にスパイク状に変化する電流値の減少７が観測される。本発明者は、この減少７がチャンバ１内の異常放電によって引き起こされたものであることを見出した。

したがって、減少７の発生とその大きさ、さらに減少が発生したフォトン検出センサ５のウエハステージ３上での位置から、チャンバ１内の異常放電の発生時期、大きさおよび発生の空間分布を推測することができる。

以下に、図４および５を参照して、本発明に使用されるフォトン検出センサ５の構造、その動作原理、さらにフォトン検出センサを用いて異常放電を感知するメカニズムについて説明する。

図４は、フォトン検出センサ５の１実施例を示す。なお、図４では説明の都合上、フォトン検出センサ５を直接チャンバ上に設置した場合を示しているが、実際の使用状態では、図１に示すように半導体ウエハを設置するウエハステージ３上に設置される。また、以下の図において、図１および２と同じ符号は同一または類似の構成要素を示すので、その重複した説明は行わない。

図４に示すフォトン検出センサ５において、１０はＳｉ半導体基板、１１はＳｉＯ₂等で構成される第１の絶縁膜、１２はＡｌで構成される電極、さらに１３はＳｉＯ₂等で構成される第２の絶縁膜を示す。この第２の絶縁膜１３の一部はエッチング等により除去され、電極１２の一部を露出している。この露出部分に配線１４が接続され、電極１２を流れる電流が電流計１５によって測定される。１６は、電極１２にバイアス電圧を印加するための電源である。

プラズマ中では、イオン、中性粒子、電子および紫外光が発生する。この紫外線中には、エネルギーが大きく絶縁膜１２、１３を透過できないものが存在する。このような紫外線は、絶縁膜１２、１３によって吸収され、膜中に電子−正孔対を形成する。電子に比べて移動度の遅い正孔は、絶縁膜１２、１３の欠陥に捕獲され固定正電荷を形成する。ここで、電極１２に対してバイアス電圧を印加すると、これらの電荷をホール電流として電流計１５により検出することができる。

Ｓｉ半導体基板と絶縁膜との界面、例えばＳｉＯ₂／Ｓｉ界面には、いわゆるＳｉのダングリングボンドによって形成される多くの欠陥が存在する。真空紫外線等のエネルギーの大きい光を吸収することによってＳｉＯ₂膜中に形成された正孔は、ＳｉＯ₂／Ｓｉ界面に形成されたこのような欠陥に捕獲され、固定正電荷を形成する。したがって、電流計１５によってプラズマ処理中に測定される電流値は、ＳｉＯ₂／Ｓｉ界面の固定電荷量と相関関係を有する。

図３に示す定常的な電流値８は、この固定正電荷に基づいて生成される電流に関係しているものと思われる。ＭＯＳトランジスタ等では、固定正電荷の多少がその特性に大きく影響する。したがって、測定した電流値により、生成された半導体デバイスの特性をある程度予測することが可能である。

なお、プラズマ４はその生成工程に基づいて、エネルギーが周期的に変動することが知られている。このプラズマの揺らぎは、フォトン検出センサ５による電流値の測定において、図３に符号９で示す定常的な電流値の変動として観測される。したがって、センサ５の電流値の変動を検出することにより、従来は観測することができなかったプラズマの揺らぎを観測することが可能である。

プラズマチャンバ１は、高エネルギーのプラズマ４に接することによってプラズマエネルギーを放電しないように、通常はその内面に絶縁処理が施されている。したがって、プラズマ処理の進行に伴い、絶縁膜中に高電荷が蓄積される。この蓄積が限界に達した場合、あるいは何らかの要因により蓄積された電荷が放電されることにより、チャンバ１内に異常放電が発生する。

異常放電が発生するとプラズマ４のエネルギーが放出され、その結果、プラズマ密度が低下する。これにより、プラズマ４によって生成される紫外光は大きく減少し、それに伴って絶縁膜１２、１３中に生成される電子−正孔対も大きく減少する。この減少が、図３に示すスパイク状の電流値の減少として、電流計１５によって観測される。

したがって、スパイク状の電流値の減少を検出することにより、チャンバ１内で異常放電が発生したことを知ることができる。なお、異常放電が起こるとプラズマ４の密度が瞬間的に大きく減少するため、プラズマによる絶縁膜のエッチング、あるいは薄膜形成等に大きな影響を生じる。すなわち、生成する半導体デバイスの特性を劣化させあるいは大きく損傷させる場合がある。そのため、プラズマ処理中の異常放電の発生、その規模、発生の空間分布を知ることは、半導体デバイスの信頼性、生産性を向上する上で非常に重要である。

図５および６は、図４に示す構造の紫外光誘起電流測定用フォトン検出センサ５を製造する工程を示す図である。図５（ａ）に示すように、まずＳｉ基板１０を１０００℃で３０分間ｗｅｔ熱酸化し、ＳｉＯ２膜１１を形成する。膜１１の厚さは３μｍである。次に、図（ｂ）に示すように、電極用のＡｌを蒸着し（Ａｌ膜厚１００ｎｍ）、電極層１２’を形成する。次に、電極層１２’をリン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）によりエッチングし、図（ｃ）に示すように所望の形状の電極１２を形成する。

次に、図（ｄ）に示すように、プラズマＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン、Ｓｉ（ＯＣ₂Ｈ₅）₄）により酸化膜１３を２００ｎｍ厚さに成膜した後、図６（ａ）に示すように酸化膜１３の一部をフッ酸（ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：５０）によりエッチング除去し、電極１２の一部１２”を露出する。最後に、電流測定用の導線を電極１２の露出部１２”に接続する（図示せず）。このとき、導線の周囲から荷電粒子が素子中に侵入しないように、結線後の素子を絶縁膜で覆う（図示せず）。

図６（ｂ）は、図（ａ）の素子を上部から見た平面図であり、ＳｉＯ₂膜１３に設けた開口により電極の一部１２”が露出しかつ電極１２がＳｉＯ₂膜１３を介して見えている状態を示している。

フォトン検出センサ５が上記の様にして形成されると、このセンサはプラズマチャンバ１内のウエハステージ３上に貼付され、電極１２に接続された電流導入端子（図示せず）によりチャンバ１外部にある電源１６および電流計１５に接続され、電源１６により０Ｖ〜３０Ｖのバイアス電圧を印加した場合の電流値が測定される。なお、プラズマを照射していない状態での電流値は、１０〜２０ｐＡ程度で、殆ど電流は流れていない。測定したセンサ出力は、データ処理装置６によって処理され、ユーザによって監視される。

図７は、本発明のプラズマ処理装置において使用されるフォトン検出センサの第２の実施例を示す図である。本実施例のフォトン検出センサ５０は、図４に示す構造のフォトン検出センサ５に対してＳｉＯ₂膜１３を１００ｎｍ程度のＡｌ膜１７で被覆した構成を特徴とする。なお、１２ａは、電極１２の取り出し端子を示す。

プラズマ中では、イオン、中性粒子、電子および紫外光が発生する。したがって、図４のフォトン検出センサ５では、ＳｉＯ₂膜１３はイオンや電子のような荷電粒子の影響を受け、測定電流値を変動させる。図７に示すフォトン検出センサ５０では、このような荷電粒子が膜１３中に侵入することを防ぐために、膜１３上をＡｌ薄膜１７で被覆している。Ａｌ膜は、波長が１７ｎｍから９０ｎｍ程度の紫外光を透過させることが分かっている。そのため、Ａｌ膜１７をＳｉＯ₂膜１３上に堆積することによって、イオンや電子による影響を取り除き、透過する９０ｎｍ以下の真空紫外光のみの影響を観測することができる。Ａｌ膜１７は、プラズマ照射中は接地されている。

図４および図７を参照して説明したフォトン検出センサ５、５０では、絶縁膜としてＳｉＯ₂膜を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば窒化膜等を適用しても同様に実現することができる。絶縁膜としては、半導体ウエハ上に形成する絶縁膜、あるいは形成された絶縁膜であってエッチング処理するものと同じものであれば良い。

以上に、種々の実施形態を示して説明したように、本発明のプラズマ処理装置では、ウエハステージ上に設けた紫外光誘起電流測定用のフォトン検出センサにより、プラズマチャンバ内で発生する異常放電現象を半導体ウエハの処理の進行と同時にリアルタイムで検出することができる。そのため、異常放電が発生した場合、その対応を迅速に行うことができ、結果的に高い信頼性を有する半導体デバイスを生産性良く製造することが可能となる。また、ウエハステージ上に複数のフォトン検出センサを配置することにより、異常放電の空間分布を知ることができ、異常発生に対するさらに精緻な対応が可能となる。

本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置の概略構成を示す図。 図１に示すプラズマ処理装置のウエハステージの平面図。 フォトン検出センサによる電流値の測定結果を示す図。 本発明のプラズマ処理装置に使用されるフォトン検出センサの第１の実施例を示す図。 図４に示すフォトン検出センサの製造工程を説明するための図。 図４に示すフォトン検出センサの製造工程を説明するための図。 本発明のプラズマ処理装置に使用されるフォトン検出センサの第２の実施例を示す図。

符号の説明

１…チャンバ
２…半導体ウエハ
３…ウエハステージ
４…プラズマ
５…紫外光誘起電流測定用のフォトン検出センサ
６…データ処理装置
１０…Ｓｉ半導体基板
１１…第１のＳｉＯ₂膜
１２…電極
１３…第２のＳｉＯ₂膜
１４…導線
１５…電流計
１６…バイアス電源

Claims (5)

1. 被処理基板が設置されるウエハステージを備えたチャンバを有し、前記被処理基板にプラズマを照射して加工するプラズマ処理装置において、前記ウエハステージの前記被処理基板設置面の周辺部分に紫外光誘起電流測定用のフォトン検出センサを設置し、当該フォトン検出センサを、半導体基板と、前記半導体基板上に設けた絶縁膜と、前記絶縁膜中に埋め込まれた電極層と、前記電極層にバイアス電圧を印加する手段と、前記電極層を流れる電流を検出する手段とによって構成し、さらに、前記フォトン検出センサを構成する絶縁膜を、前記被処理基板上に形成する絶縁膜、あるいは形成された絶縁膜であってエッチング処理するものと同じ材料で形成したことを特徴とする、プラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記フォトン検出センサはさらに、前記絶縁膜上に形成された第２の電極を備えることを特徴とする、プラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記フォトン検出センサは前記ウエハステージの前記被処理基板設置面の周辺部分に複数個配置されていることを特徴とする、プラズマ処理装置。
4. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記第２の電極はＡｌ薄膜で形成されていることを特徴とする、プラズマ処理装置。
5. 請求項４に記載のプラズマ処理装置において、前記Ａｌ薄膜は、波長が１７ｎｍから９０ｎｍの紫外光を透過させることを特徴とする、プラズマ処理装置。

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