JP4294516B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスや電子部品等の薄膜形成工程と交流電力とプラズマを用いたエッチング工程における製造技術に係るプラズマ処理方法に関するものである。

従来のこの種の製造技術は、図３に示したように構成されている。図３を用いて、従来の半導体デバイスや電子部品等の製造技術を説明する。一般に、半導体や電子部品は、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長方法）などの成膜装置１によりウェハ３上に薄膜を形成する成膜形成工程とフォトリソグラフィーにより薄膜上のマスク膜にパターンを形成する工程（図示せず）とエッチング装置２によってマスキングした状態でマスクされていない部分をエッチングすることにより薄膜を微細パターンに加工するエッチング工程を繰り返すことによって製造されている（特許文献１の段落４９〜５９参照）。

成膜装置１において薄膜を形成する際、プロセスガスの圧力，流量，混合比、プロセスに使用する電力、ウェハに印加する電力、ウェハの温度等の成膜条件によって、薄膜の結晶性，密度等の膜質が決定される。図３に示す例ではウェハ温度コントローラ９にて膜質をコントロールしている。膜質によって次のエッチング工程におけるエッチング処理が正常に処理できるか否かが決定される。薄膜を微細パターンに加工するエッチング装置は、近年のデバイスの微細化に対応して一般にドライエッチング装置が使用される。

ドライエッチング装置（以下、エッチング装置という）は減圧雰囲気下でガスをプラズマ化してガス中の活性種およびイオンを使用して化学的または物理的に薄膜を除去する。エッチング装置２は図３に示すようにガスをプラズマ化するためのプラズマソース８を有する。プラズマソース８は板状電極やコイルに電圧１００Ｖ〜１０００Ｖ、周波数１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの電圧を印加したものが用いられる。

エッチング処理の加工精度はプラズマ中のイオンがウェハ３上の薄膜に衝突する際の方向、エネルギーで決まる。そのため、一般にエッチング装置２はプラズマ中のイオンを制御性よくウェハ３上の薄膜に衝突させるべくウェハ３には交流電力が印加されている。交流を使用するのは電子デバイス内には必ず絶縁性の層が入っており、直流ではイオンをコントロールできないからである。

このようにウェハ３に印加する交流電力はエッチング処理の特性に関して重要であるので、ウェハ３を流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定する測定装置の交流電力モニタ装置６を使用する技術が示されている（特許文献２，３参照）。

また、エッチング処理されたウェハ３は次の工程へと送られるが、その途中でエッチング残りや過剰エッチングが発生していないかなどのエッチング処理の状態を検査する。エッチング状態の検査は時間がかかり、パーティクルの付着やウェハ３の汚染等のリスクがあるためエッチング処理されたすべてのウェハ３に対して実施されるのではなく、図３に示すように、ある一定期間において抜き取り検査装置４で検査される。

検査の結果エッチング状態に異常があった場合、それが成膜装置１に原因するものであれば成膜装置１の成膜条件、例えばウェハ３の温度を変更し、適正なエッチング処理ができる膜質の膜が得られるよう調整する。

成膜装置１はウェハ３に成膜すると同時に成膜装置１のチャンバ内に膜が堆積するので膜質を決定するプラズマの状態やチャンバ内の温度分布は生産に伴い変化していく。そのため成膜条件を調整しなければ適正なエッチング処理ができない膜質の薄膜が形成されてしまう。それゆえエッチング状態を検査し成膜条件を調整することが必要となる。特許文献４に検査の具体例について記載されている。
特開２００２−２９６６０９号公報 特開２００３−１４２４５５号公報 特開２００１−３３８９１７号公報 特開２０００−１５０６０４号公報

しかしながら、このような構成の製造技術では、エッチング状態の検査が一定期間に行われる抜き取り検査であるため、成膜装置がウェハ上に形成する薄膜の膜質に起因するエッチング残りや過剰エッチングなどの異常なエッチング状態が発生したときには、すでに処理されたウェハにおいても同様の異常が発生しており、成膜条件の調整が遅れていたという課題があった。

また、前記特許文献２，３に記載される従来の構成では、エッチング装置のエッチング条件を変更する技術のみが開示されており、成膜装置がウェハ上に形成する薄膜の膜質に起因するエッチング状態の異常の検出および対策に関して十分に対応できておらず、さらに、異常の早期発見という課題に対して特許文献４に記載の従来構成では、成膜装置やエッチング装置など工程の処理装置ごとに検査工程を導入する方法が開示されているが、その方法では製造コストが高くなるという課題があった。

本発明は、前記従来技術の課題を解決することに指向するものであり、薄膜形成工程とプラズマを用いるエッチング工程を含む電子デバイスの製造工程において、薄膜形成工程の異常を早期に解決し、かつ低コストのプラズマ処理方法を提供することを目的とする。

この目的を達成するために、本発明の請求項１に係るプラズマ処理方法は、ウェハ上に薄膜を形成処理する薄膜形成工程と、薄膜形成工程の後にプラズマを発生させて基板上から薄膜を除去するエッチング処理の工程を含むプラズマ処理方法であって、エッチング処理を行うエッチング装置において、処理中にウェハを流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定装置により測定し、測定した電圧，電流，位相のいずれかを含む関数の値が予め定めた値の範囲外となったとき、さらに薄膜が形成されていない未成膜ウェハを処理して、未成膜ウェハに対する関数の値が予め定めた値の範囲外となったときにウェハを異常として検知し、薄膜形成工程の成膜条件の変更を行う処理方法によって、未成膜ウェハを流れる交流電力の電気特性の変化を使って、薄膜付きウェハで検出された異常が、エッチング装置の異常によるものかウェハ上に形成された薄膜によるものかを判断でき精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出できる。

また、請求項２，３に記載されるプラズマ処理方法は、請求項１のプラズマ処理方法であって、ウェハの異常を検知する関数が、電圧を電流で割ったインピーダンス値であること、また未成膜ウェハに対する関数の予め定めた値の範囲が、エッチング処理を連続処理する際の開始時において処理したウェハの処理値を中心値として、予め定めた幅で規定する処理方法によって、インピーダンス値はウェハ上の薄膜の抵抗値に相当しているのでエッチング処理時の電力変動の影響を受けにくく、またエッチング処理直前の装置状態をウェハ上の薄膜の影響を受けずに把握できるので、薄膜付きウェハで検出された異常が、エッチング装置の異常によるものかウェハ上に形成された薄膜によるものかを判断でき、精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出できる。

また、請求項４に記載されるプラズマ処理方法は、請求項１のプラズマ処理方法であって、エッチング装置において、処理中にウェハを流れる交流電力の電圧、電流、位相を測定する第１の測定装置に加え、エッチング装置内の電極を流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定する第２の測定装置を備え、第１の測定装置により測定した電圧，電流，位相のいずれかを含む関数の値が予め定めた値の範囲外となり、かつ第２の測定装置により測定した電圧，電流，位相の関数の値が予め定めた値の範囲内となったときにウェハを異常として検知し、薄膜形成工程の成膜条件の変更を行う方法によって、エッチング装置の状態をウェハ上の薄膜の影響を受けずに把握でき、薄膜付きウェハで検出された異常がエッチング装置の異常によるものか、ウェハ上に形成された薄膜によるものかを精度よく判断でき、精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出できる。

また、請求項５〜７に記載されるプラズマ処理方法は、請求項４のプラズマ処理方法であって、ウェハの異常を検知する関数が、電圧を電流で割ったインピーダンス値であること、またエッチング装置内の電極が、プラズマソースと接続した電極であること、また第２の測定装置において測定する交流電力の周波数が、第１の測定装置において測定する交流電力の周波数と異なる方法によって、インピーダンス値はウェハ上の薄膜の抵抗値に相当しているのでエッチング処理時の電力変動の影響を受けにくく、また第２の測定装置により、プラズマソースに関わるエッチング装置の異常を検出でき、また第２の測定装置において、第１の測定装置が測定している交流電力の影響を受けず、エッチング装置の異常を高感度に検出でき、薄膜付きウェハにて検出された異常がエッチング装置の異常によるものか、ウェハ上に形成された薄膜によるものかを精度よく判断することができ、ひいては精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出できる。

以上説明したように、本発明によれば、プラズマに接した薄膜を通してウェハを流れる交流電力の電気特性を測定しているので薄膜の異常を精度よく監視でき、また処理される全ウェハに関して測定するので早期に発見でき、さらにエッチング工程の異常を監視する装置を使用しており新たに成膜装置を監視する装置を追加する必要がなく低コストにできるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理方法を行う製造装置の概略構成を示すブロック図である。ここで、前記従来例を示す図３において説明した構成要件に対応し実質的に同等の機能を有するものには同一の符号を付してこれを示す。

図１に示すように、成膜装置１は直流放電によるスパッタリング成膜の装置であり電子デバイスを作成するウェハ３上にＡｌ（アルミニウム）合金系の薄膜を形成する。スパッタ装置（成膜装置１）はＡｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスを導入した０.１Ｐａ〜１０Ｐａ程度の減圧チャンバ内にＡｌ合金からなるターゲット１２を配置し、直流電源１１によってターゲット１２に１００Ｖ〜１０００Ｖの電圧を印加し、プラズマ１０を発生させる。プラズマ１０の中のイオンはターゲット１２に印加された電圧によりターゲット１２に引き寄せられ衝突を起こしてターゲット材料を飛散させる。

飛散したターゲット材料はウェハ３に付着し薄膜が形成される。薄膜はその密度によりエッチング特性が異なる。密度の大きい膜はエッチング残りが発生しやすく、密度の小さい膜は過剰エッチングが発生しやすい。成膜装置１においては適正なエッチング可能な膜が形成できるようよう、ウェハ３温度をウェハ温度コントローラ９にて１００℃〜３００℃の間でコントロールしている。温度を高くするほど膜の密度を高くすることができる。

エッチング装置２は０.１Ｐａ〜１０００Ｐａ減圧雰囲気下でガスをプラズマ化しガス中の活性種およびイオンを使用して化学的または物理的に薄膜を除去する。エッチング装置２は図１に示すようにガスをプラズマ化するためのプラズマソース８を有する。プラズマソース８は板状電極やコイルに電圧１００Ｖ〜１０００Ｖ、周波数１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚの電圧を印加したものが用いられる。

エッチング処理の加工精度はプラズマ５中のイオンがウェハ３上の薄膜に衝突する際の方向、エネルギーで決まる。そのため、一般にエッチング装置２はプラズマ５中のイオンを制御性よくウェハ３上の薄膜に衝突させるべくウェハ３には交流電力源７によって交流電力が印加されている。ここで交流を使用するのは電子デバイス内には必ず絶縁性の層が入っており、直流ではイオンをコントロールできないからである。

このようにウェハ３に印加する交流電力はエッチング処理の特性に関して重要であるので、ウェハ３を流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定する交流電力モニタ装置６を使用する。本実施の形態１の参考例１において、代表的な条件はプラズマソース８の電力６００Ｗ、ウェハ３に印加する交流電力２００Ｗで、このとき測定された電流は８Ａ、電圧は３８４Ｖ、位相は−８６.２度であった。

本参考例１ではウェハ３の異常を検出する関数の値として、測定した電圧を電流で割ったインピーダンスの値を用いる。インピーダンスはウェハ３上の薄膜の抵抗値に相当しているのでエッチング処理時の電力変動の影響を受けにくく精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出することができる。本参考例１での正常なインピーダンスの値は４８Ω〜４９Ωである。

成膜装置１においては、ターゲット１２の消耗とともにプラズマ１０の状態が変化する。本参考例１ではスパッタ処理するターゲット１２に印加する電力は１２００Ｗで一定であるが、プラズマ１０からターゲット１２に流れ込む電流はターゲット使用開始時では２.５Ａであり、ターゲット消耗時には２.８５Ａとなる。このプラズマ１０の経時変化に伴い成膜される膜質も変化する。本参考例１では膜の密度が低くなる方向へ変化した。

この膜をエッチング装置２でエッチング処理した際、過剰エッチングが発生しパターンのウェハ３側が細くなるという問題が生じた。このとき、インピーダンスの値は４７.５Ωであり正常な値４８Ω〜４９Ωの範囲外にあった。

そこで、膜の密度が高くなるようエッチング装置２からの信号で成膜装置１のウェハ温度コントローラ９に信号を送りウェハ３の温度を３０℃上昇させた。その結果、次に処理するウェハ３においてはインピーダンスが４８.５Ωに回復し、過剰なエッチング処理の発生はなくなった。もしインピーダンスが４９Ω以上になるような場合は、ウェハ温度コントローラ９に温度を下げるよう指示する信号を送ればよい。

以上のように、本参考例１のプラズマ処理方法によれば、プラズマ５に接した薄膜を通してウェハ３を流れる交流電力の電気特性を測定しているので薄膜の異常を精度よく監視できる。また処理される全ウェハ３に対して測定を行うので早期に発見することができる。さらにエッチング工程の異常を監視する装置を使用しているので新たに成膜装置１を監視する装置を追加する必要がなく低コストに行うことができる。

次に、本実施の形態１について説明をする。本実施の形態１ではエッチング処理されるウェハ３のインピーダンスの変化のみを用いて、ウェハ３上に形成された薄膜の異常を検出したが、インピーダンスの変化はウェハ３上に形成された薄膜の異常に起因するものばかりでなく、エッチング装置２内の部品の消耗による変化も起こりうる。このため、そのようなエッチング装置２に起因するインピーダンス変化を除外する必要がある。

エッチング装置２の薄膜付きのウェハ３において異常を検出した後に、ベアシリコンウェハなどの薄膜が成膜されていないウェハをエッチング処理してインピーダンスを測定し、正常時にベアシリコンウェハをエッチング処理したときのインピーダンスと比較する。このベアシリコンウェハにおいてインピーダンスの変化が正常値内ならば、インピーダンスの変化は、ウェハ３上に形成された薄膜によるものと判断できる。また、ベアシリコンウェハにおいてインピーダンス変化が正常値外ならば異常はエッチング装置２によるものであると判断できる。本実施の形態１において変化する正常値の幅は０.５Ω以下であった。

一般にエッチング連続処理の前には、チャンバ内の温度等の雰囲気を安定化させるためにベアシリコンウェハを処理する。このベアシリコンウェハの処理時のインピーダンスを測定しておき、前記した判定に使用することより高精度に薄膜による異常を検出することができる。

次に、本実施の形態１における参考例２について説明する。ウェハ上に薄膜を形成する工程と、この薄膜を形成する工程の後にプラズマを発生させて基板上から薄膜を除去するエッチング工程を含むプラズマ処理方法において、ウェハが同じエッチング装置で複数回処理される場合があり、多層配線の構造を持つ電子デバイスの製造工程がこれにあたる。

このような場合に本参考例２では、現在の測定したインピーダンスと、同じウェハを前回のエッチング処理時に測定したときのインピーダンスとの値の差を計算して、予め定めた値の範囲外となったときにウェハを異常として検知する。これによれば、ウェハのバラツキによる影響を受けにくく精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出することができる。

図２は本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理方法を行う製造装置の概略構成を示すブロック図である。図２に示すように、プラズマソース１８は電極１５と交流電力源１７とからなり、第２の交流電力モニタ装置１６を備える。交流電力源７と交流電力源１７は周波数が異なる。本実施の形態２では交流電力源７は３００ｋＨｚで、交流電力源１７は１３.５６ＭＨｚである。第１の交流電力モニタ装置６が測定するインピーダンスが正常値から外れた場合、第２の交流電力モニタ装置１６が測定するインピーダンスが正常値内に入っていれば、この異常がウェハ３上の薄膜の異常によるものと判断できる。

本実施の形態２によると、エッチング装置２の状態をウェハ３上の薄膜の影響を受けずに把握できるので、薄膜付きウェハ３において検出された異常がエッチング装置２の異常によるものであるか、ウェハ３上に形成された薄膜によるものかを精度よく判断することができ、ひいては精度よく薄膜形成工程に起因する膜質の異常を検出することができる。

本発明に係るプラズマ処理方法は、プラズマに接したウェハ上の膜を通してウェハを流れる交流電力の電気特性を測定してウェハ上の膜の異常を精度よく監視でき、電子デバイスを構成する薄膜以外にも製造工程で使用されるレジスト膜などの異常検出および工程条件の変更にも有用である。

本発明の実施の形態１におけるプラズマ処理方法を行う製造装置の概略構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２におけるプラズマ処理方法を行う製造装置の概略構成を示すブロック図 従来の薄膜形成工程とエッチング工程を行う製造装置の概略構成を示すブロック図

符号の説明

１ 成膜装置
２ エッチング装置
３ ウェハ
４ 検査装置
５ プラズマ（エッチング装置内）
６ 交流電力モニタ装置
７ 交流電力源
８ プラズマソース
９ ウェハ温度コントローラ
１０ プラズマ（成膜装置内）
１１ 直流電源
１２ ターゲット
１５ 電極
１６ 交流電力モニタ装置
１７ 交流電力源
１８ プラズマソース

Claims (7)

1. ウェハ上に薄膜を形成処理する薄膜形成工程と、前記薄膜形成工程の後にプラズマを発生させて基板上から薄膜を除去するエッチング処理の工程を含むプラズマ処理方法であって、
   前記エッチング処理を行うエッチング装置において、処理中に前記ウェハを流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定装置により測定し、前記測定した電圧，電流，位相のいずれかを含む関数の値が予め定めた値の範囲外となったとき、さらに薄膜が形成されていない未成膜ウェハを処理して、前記未成膜ウェハに対する前記関数の値が予め定めた値の範囲外となったときに前記ウェハを異常として検知し、前記薄膜形成工程の成膜条件の変更を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 前記ウェハの異常を検知する関数が、電圧を電流で割ったものであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
3. 前記未成膜ウェハに対する関数の予め定めた値の範囲が、エッチング処理を連続処理する際の開始時において処理したウェハの処理値を中心値として、予め定めた幅で規定することを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
4. 前記エッチング装置において、処理中にウェハを流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定する第１の測定装置に加え、前記エッチング装置内の電極を流れる交流電力の電圧，電流，位相を測定する第２の測定装置を備え、
   前記第１の測定装置により測定した電圧，電流，位相のいずれかを含む関数の値が予め定めた値の範囲外となり、かつ、前記第２の測定装置により測定した電圧，電流，位相の関数の値が予め定めた値の範囲内となったときに前記ウェハを異常として検知し、薄膜形成工程の成膜条件の変更を行うことを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
5. 前記ウェハの異常を検知する関数が、電圧を電流で割ったものであることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。
6. 前記エッチング装置内の電極が、プラズマソースと接続した電極であることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。
7. 前記第２の測定装置において測定する交流電力の周波数が、第１の測定装置において測定する交流電力の周波数と異なることを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理方法。

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