JP4657949B2 - エッチング処理装置および自己バイアス電圧測定方法ならびにエッチング処理装置の監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置のプロセスの制御技術に関する。

半導体装置製造工程におけるドライエッチングでは、エッチング処理装置において処理される基板である処理基板が設置される電極に高周波電力が印加される。高周波電力はコンデンサを介して印加され、プラズマ中の電子とイオンの移動速度の違いから電極には電子がイオンに比べ多く入射されるため、電極はマイナス電位となる。この電極のグランドレベルからの電位差を自己バイアス電圧という。上記自己バイアス電圧により、プラズマ中のイオン成分が加速され基板に入射することで、エッチングの進行が促進される。

すなわち、エッチング処理を行うためには自己バイアス電圧の発生が不可欠であるが、反面この電圧値が高過ぎれば基板へのダメージ等が発生するため、エッチング処理のためには適正な自己バイアス電圧を設定することが必要である。

上記したように、半導体製造工程におけるドライエッチング処理工程では、自己バイアス電圧を適正な値とすることが求められるが、そのためには、まず自己バイアス電圧を測定することが必要である。ところが近年のエッチング装置では、処理基板が設置される電極に基板を保持し冷却するために静電チャック機構が用いられる。

この静電チャック機構を有する電極では、電極の表面に薄い絶縁膜を形成し、絶縁膜を介して直流電圧を印加し絶縁膜を分極させ、基板（試料）と電極間に発生する電荷によるクーロン力で基板を保持する。このような静電チャック機能のない電極であれば電極自体の電位を測定することで、処理基板の自己バイアス電圧が求められたが、上記のような静電チャック機構の電極であれば、絶縁膜の抵抗値が大きいため電極の電位からは自己バイアス電圧を直接求めることができない。

このため、静電チャック機構を備えた電極を用いるエッチング処理装置においては、自己バイアス電圧を測定するために絶縁膜のない電極であらかじめ自己バイアス電圧を測定しておき、同様のエッチング条件下での自己バイアス電圧を推定するといった作業が必要であった。

すなわち、被処理体の自己バイアス電圧を短時間で正確に測定し、被処理体を所望の静電吸着力で安定に保持するために、処理容器の中央部に設置された載置台の上面に、円形の静電チャックシートを冠着し、この静電チャックシートの上に半導体ウェハを載置するプラズマ処理装置において、静電チャックシートを、抵抗体としての機能をも併せ持つ誘電体たとえばＳｉＣからなる薄膜とたとえばポリイミドからなる絶縁膜の間に静電吸着用電極としてたとえば銅箔からなる薄い導電膜を封入して構成し、導電膜を、電流計を介して可変直流電源の出力端子に接続することによって構成し、半導体ウェハと導電膜との間の漏れ電流を電流計によって検出し、可変直流電源、制御部の制御の下で可変直流電圧を出力するようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６３５４６３号

しかしながら、このプラズマ処理装置では、静電吸着膜を流れる漏れ電流値から自己バイアス電圧Ｖｓｂを測定する方法をとっており、理論的には測定可能であるが、前提としては静電吸着用絶縁膜の膜質が安定しかつ均一でなければ、正確な自己バイアス電圧値を得ることができない。実際には、漏れ電流値は絶対値としては小さく、さらに静電吸着膜自体が、膜厚および膜質共に不均一であり、測定のＳＮ比が小さく実用的ではない。また、処理室内雰囲気が時々刻々変化し、吸着状態も変動するため安定した漏れ電流を測定することは困難である。さらに、絶縁膜がリーク電流のないセラミック製のものであれば、この方法では基本的に自己バイアス電圧を測定することができない。

本発明は、上記従来の静電吸着型の電極を有するエッチング処理装置における自己バイアス電圧を測定する際の問題に鑑み、任意のエッチング条件について、簡単な手順でその条件下での自己バイアス電圧を推定することができ、エッチング条件を最適化することが容易なエッチング処理装置における自己バイアス電圧測定方法およびエッチング処理装置ならびにエッチング処理装置の監視方法を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、エッチング性能に影響する自己バイアス電圧の変動を容易に推定し、量産時における、不良発生の防止を図ることを目的とする。

静電吸着された基板（試料）は冷却ガスにより冷却されるが、その際冷却効果を一定とするために、冷却ガス圧力の制御が行われる。この制御は言い換えれば基板裏面への冷却ガスの流入量と漏れ量の比率を一定とする制御であり、この漏れ量は静電吸着力に依存して増減する。したがって、この圧力制御中の冷却ガスの流入量、圧力制御バルブ開度、制御周期等の制御パラメータをモニタすることで、静電吸着力の推定を行うことができる。自己バイアス電圧は直流成分であるため、自己バイアス電圧は静電吸着電圧に重畳され、静電吸着力に寄与する。したがって、高周波電力印加がある場合とない場合の両方で上記静電吸着力の測定を行えば、両者の吸着力の差分は自己バイアスによるものであるため、その電圧値が推定できる。

上記課題を解決するために、本発明は、試料を吸着する静電吸着機構と、静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構と、処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より試料の相対的な静電吸着力を測定する手段を有するエッチング処理装置における自己バイアス電圧測定方法であって、処理中の前記試料の高周波バイアス電力を印加した場合の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力とこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得し、処理中の前記試料の高周波バイアス電力を印加しない場合の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力とこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得し、取得した両者の静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定するようにした。

さらに、本発明は、上記自己バイアス電圧測定方法において、前記静電吸着構造での前記試料の静電吸着力を、前記試料の裏面に供給される冷却ガスの流量によって取得するか、前記試料の裏面に供給される冷却ガスの圧力によって取得する。

本発明は、エッチング処理装置の監視方法であって、上記自己バイアス電圧測定方法によって推定した複数の前記試料の自己バイアス電圧を取得し、その推移によってエッチング処理装置の状態を監視する。

本発明は、試料を吸着する静電吸着機構および静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構を有するエッチング処理装置であって、処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力およびこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得する手段と、前記試料に対して高周波バイアス電力を印加して取得した静電吸着力と高周波バイアス電力を印加しないで取得した静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定する手段とを有する。

本発明は、試料を吸着する静電吸着機構および静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構を有するエッチング処理装置であって、処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力およびこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得する手段と、前記試料に対して高周波バイアス電力を印加して取得した静電吸着力と高周波バイアス電力を印加しないで取得した静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定する手段とを有し、複数の前記試料においてそれぞれ推定した自己バイアス電圧の推移によってエッチング処理装置状態の監視を行う手段とを有する。

本発明によれば、任意のエッチング条件について、簡単な手順でその条件下での自己バイアス電圧の推定が行えるため、エッチング条件の最適化が容易になる。また、自己バイアス電圧の変動はエッチング性能に影響するため、本発明を量産時に適用することで、不良発生の防止が図れる。

図１を用いて、本発明が適用されるエッチング処理装置の構成を説明する。エッチング処理装置は、処理室内電極１にウェハ（試料）２を設置し、プラズマ３を発生させることで実行される。詳細に説明すると、処理室１６内にはガス供給系４からマスフローコントローラ５により一定流量に制御されたプロセスガスが流され、排気系６より排気される。処理室１６内を適当な圧力にした状態で、プラズマ発生用高周波電源７からプラズマ発生用高周波電力が供給され、磁場生成用コイル２０によって生成された磁場とによって、処理室１６内にプラズマ３を発生させる。ウェハ２が設置された電極１はカップリングコンデンサ９を介してバイアス用高周波電源８が接続され、この電源から高周波電力を印加することにより、前述した機能によって電極１に自己バイアス電圧が発生し、プラズマ３中のイオンを引き込み、エッチングが進行する。

電極１にはさらに、静電吸着電源１０が接続されており、ウェハ２を絶縁膜１５を介してクーロン力で吸着する。ウェハ２は、また、エッチング中のプラズマによる加熱防止のため、冷却用ガス１２がマスフローコントローラ１３を通してウェハ裏面に流され、ウェハの熱を電極側に逃がす構造となっている。冷却効果を一定とするため、ウェハ裏面の冷却ガス圧力が圧力計１４によりモニタされ、一定圧力になるように制御される。

静電吸着機構を備えないエッチング装置においては、電極の電位を測定する電圧計１１によってウェハ２に印加される自己バイアス電圧を測定することが可能であったが、このような静電吸着機構を持つ電極では絶縁膜１５のために直流成分がカットされ、自己バイアス電圧を測定できなくなった。

本発明による自己バイアス電圧の推定方法を以下に記述する。ウェハ冷却ガスの圧力制御の様子を表す図２にウェハ冷却ガスの圧力制御の様子を示す。冷却ガスの圧力制御にはいくつかの方法があるが、ここでは、ウェハ裏面に流す冷却ガス流量を断続的にｏｎ／ｏｆｆしながら制御する方法を例に説明する。図２（Ａ）は冷却ガス圧力の時間変化を表し、図２（Ｂ）は制御中の冷却ガス流量値の時間変化を表す。圧力制御においては冷却ガス１２の圧力を冷却ガス圧力計１４でモニタしながら冷却ガスを断続的にｏｎ／ｏｆｆするのであるが、圧力が定常状態になっている期間では冷却ガスの流入量は、電極−ウェハ間の吸着面から漏れ出す冷却ガス量と等しいと考えられる。

この冷却ガスの漏れ量はウェハ２と電極１との静電吸着力により変化し、吸着力が大きければ大きいほど漏れ量は少なくなる。

そこで、図２（Ｂ）のように、圧力制御が定常状態になるまでのデッドタイムを設定し、それ以降ある一定期間の冷却ガスの流量値を積分し、積分期間中の平均流量値を求めれば、その値により静電吸着力の評価が可能となる。

図２（Ｂ）における、初期のデッドタイムを除く冷却ガス流量の一定期間の積分値を静電吸着電圧を変えながら測定したグラフである図３を用いて自己バイアス電圧を推定する手法を説明する。この手法は、バイアス電源をｏｎ／ｏｆｆした両方での状態で静電吸着力とこの静電吸着力に対応した静電吸着電圧を取得し、同じ静電吸着力におけるそれぞれの静電吸着電圧の差から自己バイアス電圧を求める手法である。図３は、静電吸着電圧Ｖｅｓｃを何段階かに変化させて、上記の平均流量値（静電吸着力）を測定した結果である。平均流量値は静電吸着電圧Ｖｅｓｃを大きくし吸着力を増大させるに従い、減少していくことがわかる。すなわち、上で仮定したように、平均流量値により静電吸着力を評価することが可能であることが立証できる結果となっている。

図３では、静電吸着電圧Ｖｅｓｃを変化させるとともに、高周波バイアス電力をｏｎした場合とｏｆｆした場合の平均流量値の変化もプロットしている。このグラフでわかるように、高周波バイアス電力を印加することにより、冷却ガス平均流量値のグラフは全体的に少なめになる方向にシフトする。これは、高周波バイアス電力による自己バイアス電圧Ｖｓｂが静電吸着電圧Ｖｅｓｃに重畳され、等価的に静電吸着電圧Ｖｅｓｃに自己バイアス電圧Ｖｓｂが加算された電圧値で吸着されているとみなせるためである。

なお、本実施例においては、静電吸着電圧Ｖｅｓｃは電極側に正電圧を印加しており、自己バイアス電圧Ｖｓｂは静電吸着力を増大する方向に働く。この、高周波バイアス電力の印加ｏｎとｏｆｆのグラフを並べ、同一平均流量となる静電吸着電圧Ｖｅｓｃ値を求め、その差を計算すると、その値が自己バイアス電圧Ｖｓｂ値に等しいこととなる。以上のような手順で自己バイアス電圧Ｖｓｂの推定値Ｖｓｂ＊が求められる。

次に、エッチング処理装置におけるエッチング処理枚数が増加し、処理室内の雰囲気が当初から変化した場合について考える。エッチング処理枚数が増加すると、処理室内壁面、電極表面等に反応生成物が付着する。この付着物およびそれから発生するアウトガス等により、処理室内雰囲気が変わり、その影響によりプラズマインピーダンスが変化し、自己バイアス電圧も当初の値と異なってくることがある。

自己バイアス電圧は、先に述べたようにエッチングの進行に重要な要素であるため、この電圧値が変わると性能が悪化する可能性もある。したがって、エッチング処理装置の性能を維持するためにはエッチング処理枚数が増加した時点での自己バイアス電圧の測定や監視が必要であるが、従来技術の絶縁膜無し電極で測定するといった方法ではエッチング処理装置の実使用環境を再現できないため、測定ができない。

エッチング処理枚数の増加に従って処理室内に反応生成物が付着し、エッチング雰囲が変わった場合の静電吸着力特性は、生成物により変化するが、バイアス電力のｏｎ／ｏｆｆの相対的な差から自己バイアス電圧を求めることにより、チャンバ雰囲気の変化をキャンセルできる。図４に処理室内雰囲気が変化した状態に本発明を適用した際の動作を述べる。図で、破線のグラフは処理室内が清浄な雰囲気の際の静電吸着力特性で、実線が処理室内に反応生成物が付着したときの静電吸着力特性を表す。処理室１６内に反応生成物が付着すると、ウェハを保持する電極１上も生成物で汚れた状態になり、この生成物によりウェハ２と電極１間の隙間がふさがれシール性が向上することがある。このため、電極が汚れた状態では冷却ガスの漏れ量が減少し、図４のように見た目の吸着力が向上したように見える。

本発明では、自己バイアス電圧Ｖｓｂはバイアス電力のｏｎ／ｏｆｆ時の静電吸着力の相対的な差から求められるため、処理室１６の雰囲気が変化しても自己バイアス電圧Ｖｓｂの推定が可能である。

上記手順において、吸着力測定はその絶対値を求める必要はなく、吸着力の相対的な比較ができる指標となる値が求まればよい。このため、静電吸着特性を図２のような冷却ガス積分値ではなく、制御周期からも求めることができる。すなわち、図５のように制御周期を測定することによっても静電吸着力の指標は求められる。

また、冷却ガスの圧力制御を流量で制御せず、冷却ガスの圧力により成制御することができる。圧力の制御を圧力制御バルブで行う場合、冷却ガス流量計を設置する、バルブ開度をモニタすること等で静電吸着力の取得が可能となる。図６は、以上述べてきた冷却ガスの断続制御ではなく、冷却ガス圧力計１４と流量計１７の検出値に基づいて圧力制御弁１８にてウェハ２裏面の圧力制御を行う構成であるが、この場合でも、図のように冷却ガス１２の導入経路に流量計１７を設けて流量モニタを行う、或いは圧力制御バルブ１８の開度モニタを行うことにより相対的な吸着力を求めることができる。

また、静電吸着の方式として、図７のようにウェハ外側と内側に別々の電圧を印加する、ダイポール方式のものがある。この方式では、例えば図７のように、外側吸着電極１−１に＋Ｖ１の電圧を印加し、内側吸着電極１−２に−Ｖ２の電圧を印加することにより、ウェハ２内部で電荷が分極し外側吸着電極１−１、内側吸着電極１−２それぞれの印加電圧Ｖ１，Ｖ２に応じた吸着力が発生する。

このような正負に電圧を加えた状態で、バイアス電力を印加すると外側吸着電極１−１では自己バイアス電圧Ｖｓｂが静電吸着電圧Ｖ１に加算され吸着力が増加するが、内側電極１―２においては自己バイアス電圧Ｖｓｂが−Ｖ２をキャンセルする方向に働くため吸着力が減少する。

このように、ダイポール方式では、バイアスｏｎ時とｏｆｆ時の吸着力のバランスが崩れるため、図３のような特性とならず、自己バイアス電圧Ｖｓｂはこのままでは測定できない。

このようなダイポール方式の場合には、ダイポール方式でも、外側電極と内側電極を同一電圧および同一極性にすれば図１と等価にすることができる。図８のように外側吸着電極１−１と内側吸着電極１−２を同一電圧Ｖ１および同一極性とすることで、図１の構成と等価とみなせるため、上記で述べた手順に従って測定すれば、自己バイアス電圧Ｖｓｂを推測することが可能である。

以上の自己バイアス電圧測定方法は、ウェハ処理のレシピ内に設定することで、レシピを一度実行することで測定が終了する。したがって、エッチング処理装置運転中に適宜ダミーウェハを上記測定用レシピで処理することにより、エッチング処理装置の経時的な特性変動のチェックが可能となる。

以上のように、自己バイアス電圧Ｖｓｂを測定することができることで、運転中のエッチング処理装置状態の推移を捉えることができ、異常となったときに警報の発令や装置を停止させる等の処置を行うことで、製品不良の発生を抑えることが可能となる。

また、プロセス開発時に自己バイアス電圧Ｖｓｂが未知のプロセス条件についても簡単に自己バイアス電圧Ｖｓｂを推定できるので、プロセス開発の効率化に寄与することができる。

本発明が適用されるエッチング装置の概略構成を説明する図。 ウェハ冷却ガスの圧力制御の様子を表す図（圧力の時間変化の様子）。 ウェハ冷却ガスの圧力制御の様子を表す図（制御時の冷却ガス流量値の時間変化の様子）。 図２（Ｂ）における、初期のデッドタイムを除く冷却ガス流量の一定期間の積分値を静電吸着電圧を変えながら測定した図。 エッチング処理枚数増加に従って処理室内に反応生成物が付着し、エッチング雰囲が変わった場合の静電吸着力特性を説明する図。 静電吸着特性を冷却ガス制御周期からも求めることを説明する図。 静電吸着力特性を冷却ガスの圧力制御バルブで行う場合の説明図。 ダイポール方式の静電吸着機構の概要を説明する図。 ダイポール方式において、図１と等価になることを説明する図。

符号の説明

１：電極
２：ウェハ（試料）
３：プラズマ
４：プロセスガス供給系
５：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
６：排気系
７：プラズマ発生用高周波電源
８：バイアス用高周波電源
９：カップリングコンデンサ
１０：静電吸着電源
１１：電圧計
１２：冷却ガス
１３：マスフローコントローラ（ＭＦＣ）
１４：冷却ガス圧力計
１５：絶縁膜
１６：処理室
１７：流量計
１８：圧力制御バルブ
２０：磁場コイル

Claims (6)

1. 試料を吸着する静電吸着機構と、静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構と、処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より試料の相対的な静電吸着力を測定する手段を有するエッチング処理装置における自己バイアス電圧測定方法であって、
   処理中の前記試料の高周波バイアス電力を印加した場合の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力とこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得し、処理中の前記試料の高周波バイアス電力を印加しない場合の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力とこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得し、取得した両者の静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定する
   ことを特徴とする自己バイアス電圧測定方法。
2. 請求項１記載の自己バイアス電圧測定方法において、
   前記静電吸着構造での前記試料の静電吸着力を、前記試料の裏面に供給される冷却ガスの流量によって取得する
   ことを特徴とする自己バイアス電圧測定方法。
3. 請求項１記載の自己バイアス電圧測定方法において、
   前記静電吸着構造での前記試料の静電吸着力を、前記試料の裏面に供給される冷却ガスの圧力によって取得することを特徴とする自己バイアス電圧測定方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の自己バイアス電圧測定方法によって推定した複数の前記試料の自己バイアス電圧を取得し、その推移によってエッチング処理装置の状態を監視する
   ことを特徴とするエッチング処理装置の監視方法。
5. 試料を吸着する静電吸着機構および静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構を有するエッチング処理装置であって、
   処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力およびこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得する手段と、
   前記試料に対して高周波バイアス電力を印加して取得した静電吸着力と高周波バイアス電力を印加しないで取得した静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定する手段とを有する
   ことを特徴とするエッチング処理装置。
6. 試料を吸着する静電吸着機構および静電吸着された前記試料の裏面に冷却ガスを充填しその圧力を制御する機構を有するエッチング処理装置であって、
   処理中の前記試料の裏面圧力の制御状態より前記試料の相対的な静電吸着力およびこの静電吸着力に対応する静電吸着電圧を取得する手段と、
   前記試料に対して高周波バイアス電力を印加して取得した静電吸着力と高周波バイアス電力を印加しないで取得した静電吸着力が等しい点でのそれぞれの静電吸着電圧の差を演算することによって高周波バイアス電力印加時の自己バイアス電圧を推定する手段とを有し、
   複数の前記試料においてそれぞれ推定した自己バイアス電圧の推移によってエッチング処理装置状態の監視を行う手段とを有する
   ことを特徴とするエッチング処理装置。

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