JPH0216733A - 半導体プロセッシングにおけるプラズマ特性の測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体ブＯセッシングに関し、より詳細には、
プラズマ・エッチやデポジション処置を含むブ０セッシ
ング中の半導体スライスの表面全域の活性種（ａｃｔｉ
ｖｅ　５ｐｅｃｉｅｓ）の濃度プロファイル等のプラズ
マ特性を測定する技術に関する。

従来技術 プラズマ・エツチング及びデポジションの問題の内の一
つは、スライスの表面全域でエツチング或いはデポジシ
ョンの均一性である。基本的なプラズマ特性、例えば反
応濃度、イオン密度／エネルギー・プロファイル、プラ
ズマ・シース電位等は、プロセスの速度、均一性、及び
異方性等の従属変数を制御するということが一般に理解
されているが、これらの特性はｎｂ型として市販のプラ
ズマ反応器では監視されない。これらの従属変数を＆１
１１する通常のアプローチは、ガス流や圧力等の従属変
数を監視し、ｌｌｉ制御することである。それから、直
感力或いはある経験的子デルによってこれらを従属変数
に相関させる。これらのアプローチは効果的であるが、
プラズマ・プロセスの制御は基本的なプラズマ特性のｉ
！！識によって高められる。

根本的には、あらゆるプラズマ反応器で利用できる唯一
典型的なプラズマ特性化手段は終点検出システムである
。これは、プロセス中の反応物或いは生成動程の放出に
対応する単一波長のプラズマの強度を検査する分光手段
である。この信号の強さの変化は、特定種の濃度の変化
を示し、従つてエッチ処理の完了を示す。しかし、この
方法はエツチングの均一性も基本的なプラズマ特性も何
も示さない。

問題点を解決するための手 本発明はプラズマ反応器に組み込まれる新しい測定技術
を明示するものである。本発明により、プラズマ反応器
内で処理される半導体スライスの表面全域の活性種の濃
度プロファイルを測定し、かつその制御を可能にする。

このパラメータは、関連する反応の均一性を制御する多
くのパラメータの内のほんの一つである。このパラメー
タを測定する能力は、プラズマ反応の均一性を独立して
高める。

この方法は、スライスの表面に平行なプラズマからの光
のシリンダーの放出強度の測定に関する。

これは光学トレインで行われる。プラズマは、より多く
の絞りの内の一つと、光学フィルター、及びモノクロ−
メータに入力した光ファイバーに光を向ける焦点レンズ
とを通して観測する。

代わりに、アルゴン等の第２のガスを光量測定ガスとし
て用いた場合、モノクロメータは、ビームスプリッタ−
１及びＡｒ＊及びＸ＊の輝線に対応するフィルター付き
フォトダイオード２個に置換えることができる。水平面
におけるこのトレインの平行移動により、特定の輝線の
強度を半導体スライスの表面全域にプロファイルする。

光量測定、少数のＡｒのプラズマへの混入、この混入に
よりＸ＊種対Ａｒ＊の強度を測定するが、及び適切な数
学的変換（アベル変換）を用いて、Ｘ＊の濃度プロファ
イルをスライスの表面全域に定める。

本発明の方法及び装置を用いると、種Ｘ＊の濃度プロフ
ァイルを監視し、圧力や流れ等の独立パラメータの制御
によりそれを調整することができる。スライス周辺のハ
ードウェア素子及びプラズマの反応性等の他のパラメー
タも同様に８１麿プロフアイルに影響を及ぼすことが可
能である。

実施例 第１図により本発明で使用する平行板プラズマ反応器１
０を説明する。平行板枚葉式エツチャーには、例えば直
径１３．１０ｍのハードに陽穫処理したアルミニウムの
バワード・シャワー・ヘッド上部電極１１が、直径１３
．９ｃｍのアルミニウム接地下部電極１２から約２．２
０ｍ離れて保持されている。

画電極の温度は閉ループ・システムで制御し、上部電極
の温度は埋込みＦｅ−コンスタンタン熱雷対で監視する
。ガスは２段回転羽根式ポンプによって反応器にポンプ
注入し、ベース圧力は１ｍＴｏｒｒ以下に維持する。室
内圧力及びガス流量は、圧力変換器、排気絞り弁、及び
制御器から構成される閉ループ・システムによって別々
に制御する。ガス流量は質り流量制ｍ器によって調節す
る。追加の乾性酸素及びアルゴン（光量計として）をこ
のシステムに用いる。上部電極への電力１３は周波数１
３．５６ＭＨｚである。自動マツチング・ネットワーク
を用いて反射電力を最小にして順方向電力の１％以下に
する。順方向電力と反射電力の両方は方向ワット計によ
って監視する。プラズマ放出からの光は石英窓１４を通
り、一対のアイリス絞りＤを通して集められ、空間的分
解能を達成する。プラズマからの光ｈｖは光ファイバー
ＯＦの一端に集束され、１２００グル一プ／ｍｍの回折
格子を有するモノクロメータＭＣの入射スリットに透過
される。この光は射出スリットを通過して、測光器によ
って駆動される増倍型光電管ＰＭＴによって検出される
。長い通過フィルターＦ　（＞４９５ｎｍ）を用いて、
発光スペクトルへの二次干渉を防ぐ。

下記は酸素プラズマ・システムの分析であるが、本発明
の方法を単一のシステムに限定しようとするものではな
く、単なる一例として用いるものである。以下のシステ
ムの目的は活性種の濃度プロファイルを説明し、かつプ
ラズマ動作状態への依存を示すことである。酸素プラズ
マを本システムに使用するが、これはグロー放電反応が
他のシステムに比べてよく知られているからである。酸
化銀（ＡＱ２０）膜を反応基板として用いる。この膜は
、下部電極の部分を銀塗装で被覆することによって作る
。コーティングを酸素プラズマにさらすと、有機結合剤
が燃焼して残りの銀が黒色酸化銀（ｂｌａｃｋ　５ｉｌ
ｖｅｒ　ｏｘｉｄｅ）に変わる。酸化銀は原子状酸素の
表面再結合、すなわち酸素プラズマの主要エツチング用
腐食液種方向への触媒であると知られている。酸化銀／
酸素プラズマ・システムは薄膜のエツチングをシミュレ
ートすると信じられている。エツチング可能な材料（例
えば、酸素プラズマの場合のポリマー）の代わりに酸化
銀膜を用いることは幾つかの利点がある。第一に、プラ
ズマの接地への結合は、電極にあるシリコン・ウェハを
通して結合するプラズマのり能な非均一性に比べてほと
んど均一である。第二に、反応生成物によるプラズマの
汚染がない。

酸化銀の表面反応は甲に原子状酸素の再結合であり、分
子性酸素を生じる。ゆえに、放電は純酸素におけるもの
としてみなす。このため、純酸素プラズマ用のデータを
計算用に用い、どんな反応濃度勾配も、ＡＱ２０Ｆｉと
周囲の電極表面との間の反応性の差によるものである。

光量計ガスを有する光波放出分光学（ＯＥＳ）を施して
、反応ＩＩｒ！１プロファイルを得る。ＯＥＳでは、あ
る種によって放出される光の強度はその種の基底状態濃
度に比例し得る。適切な反応は、ｋ。

Ｏ＋ｅ　−−＞Ｏ＊（Ｒ１） Ｓ Ｏ＊−−＞Ｏ＋ｈｖ　　　　（Ｒ２） ｑ ＊ ０　　＋Ｍ−一＞０＋Ｍ　　　　（Ｒ３）のように記す
ことができる。

反応（Ｒ１）は電子衝撃による種Ｏの励起である。

励起された種０＊は自然放出（Ｒ２）或いは他の種との
衝突による消滅（Ｒ３）によって崩壊することができる
。

もし反応（Ｒ３）を無視することができれば、自然放出
強度は基底状Ｂ１濃度［０１と比例する。

ｔ　　−に８ｎ８　［０１（１１ 上述の分析は、電子ｖｊＪＩＪ励起を、Ｏ＊を生じる主
機構とする。例えば、 ０　　＋ｅ−−＞Ｏ＊＋Ｏ（Ｒ４） 型の反応は、対応するＯ＊一原子が興味のある波長で放
出する場合、光量測定を無効にしてしまう。

しかし、等式（１）では、いわゆる励起効率η。−ｋｏ
ｎ８が反応器の動作状態に依存する。この変化を説明す
るために、興味のある種と同様な励起しきい値及び断面
を有する少量の不活性ガス（光量計）を、反応器に導入
する前に酸素に加える。

この様に、光量計及び興味のある種のそれぞれのη。の
値は動作状態と共に変化するが、それらの比はほとんど
一定のままである。このため、等式（１）と同様の等式
を光量計ガス（例えばＡｒ）に記すことにより、それら
の比の結果は 第２図は、電極に平行な一定の平面（例えばＺ＝ｚｏ）
の放射状に対称なグローの断面を示す。

光学１〜レインは図示のごとく小さな円筒形のボリュー
ムから光を集める。オプティック（光学機械のレンズ）
をＸ軸と平行に移動させることにより、種々のところか
らの光が集められて、強度１　（ｘ。

ａｏ）が測定される。後者は局所放出強度ｉ　（ｒ。

Ｚｏ）とｎｔｉ連しており、 の様になり、ここで となり、ここでｑは比例定数で、［Ａｒ１は光量計の既
知の濃度である。１　及びｉ　　を適切なｏ　　　　Ａ
ｒ 波長で測定することにより、［０］の相対的な変化を得
ることができる。本例の測７ｒにおいて、８４４６オン
グストローム〇一原子の線及び７５４０オングストロー
ムのＡｒ線を使用した。５％モル分率の光量計ガスのを
使用した。

ｅｘｐ（−α（算十ｐ］司） である。

等式（３）は一定の吸収係数αでトラッピングする放射
を説明し、αが十分に小さい場合、等式（３）は、式（
７）を用いる。

まで減少する。最後の積分は、アベル変換を適用するこ
とにより逆になり、 を生じ、ここでＩ　”　（ｘ、　ｚｏ）　＝ｄ　Ｉ　（
ｘ、　ｚ。）／ｄｘである。等式（６）はＩ　（Ｘ、Ｚ
ｏ）の測定値を用いて数的に統合（積分）する。このよ
うにして、局所強度プロファイルを得る。

結果のプロファイル（特にｒ＝Ｏに近いもの）は、Ｉ　
（Ｘ、Ｚｏ＞実験データのばらつきに敏感であることが
わかり、この敏感性はデータをならすことにより最小に
なる。

所定の軸上の位ａＺ−Ｚｏでは、放射状の放出強度プロ
ファイルｉ　（ｒ、ｚ。）は〇一原子とＡｒの両方につ
いて得る。それから、基底状態の〇一原子の濃度プロフ
ァイルを求めるために、等Ａｒは反応性ではないので、
ＣＡｒは位置とは無関係であるということに注意された
い。

第３−６図は実験データを理想的な状態即ち模範の予測
（実線）と比較して示す。この実験データは、空間的に
解像した光波放出分光学によって得た。実験条件は次の
ように、圧力は１−３トル、電力は２０−５０ワツト、
ガス！聞は２５２５−１Ｏｏｓｃ、反応表面の直径は７
．５−１０ｃｍ、周波数は１３．５６ＭＨｚであった。

第３ａ図は、プラズマへの３種の電力値の場合の半径の
位置の関数としての原子状酸素のモル分率を示す。第３
ａ図は空の反応器、すなわちＡｏ２０膜が電極表面に何
もない場合である。濃度は、反応器の中央近くでほとん
ど均一であり、さらに離れて単調に減少する。濃度は、
エツチング用腐食液種品が減少するためより高電力で高
くなる。

濃度プロファイルの劇的な変化は、下部電極部を八〇２
０で、７５ｍｍの直径を有する同心ディスク（装荷反応
器）の形をとって覆うと、第３ｂ図の様に生じる。〇一
原子の濃度プロファイルの「傾斜」は反応表面上に生じ
、大きな濃度勾配は、特に活性表面と比較的不活性表面
との間の境界のまわり（例えば３．７５０ｍの位置のま
わり）に生じる。電力が増加すると、反応濃度勾配は一
層急になる。これは、高電力で、反応がより早く生じ、
拡散することができるからである。更に、反応濃度は増
加した反応の損失のため装荷反応器の場合、実質的によ
り低い。

圧力の影響を第４図に示す。より低い圧力で、拡散性は
増加（Ｄ−Ｐ）Ｌ、、濃度勾配は小さくなる。しかし、
反応濃度は圧力を低下させると減少する。

流量の影響を第５図に示す。より高いｉ量はより良い均
一性という結果になるが、同時にエツチング速度が低下
する。活性表面を同様な反応性のもので取巻くことの効
果は第６図に示し、ここで、Ａｑ２ｏコーティングの２
つの異なる直径から生じる濃度プロファイルを比較する
。濃度プロファイルは、増大したロニディングのための
より低い反応ＩＩ　Ｉｆｆを犠牲にして、より大きな直
径のコーティングの場合により均一になる。

基板近くの軸上の〇一原子の濃度勾配は、無視できる表
面反応を意味する空の反応器においては非常に弱いが、
大きなｍ度勾配は装荷反応器において観測され、早い表
面反応を意味する。

エツチング均一性は、（表面再結合反応によって）ウェ
ハを取巻く電極がエツチング用腐食液種に対して反応性
である場合に向上する。これは第６図から暗示すること
ができ、ここでｒｌｏｃｍの半径」の膜を、７．５の半
径の膜とそれを囲む別の２．５ｃｍの同一の反応性の膜
として見なす。

１１１１素の濃度プロファイルは、この「同一反応性の
外部領域」によってより均一にされる。基板電極！’１
ｉｉｌ全てが同一の反応性を有する場合でも半径の不均
一性が共通の場合、この結果はレインバーブ型半径流反
応器と対照的である。

反応選択性は、 の様に定められる。

Ｓ＜１の場合、「ブルズアイ（半径レンズ）」フィルム
・クリアリング・パターンが結果として生じる。Ｓ＞１
の場合、逆のフィルム・クリアリング・パターンが結果
として生じ、すなわち、エツチング速度がウェハの中央
からウェハの周辺に向って単調に低下する。Ｓ−１のと
きエツチングが均一であるという事実は、プラズマの半
径がウェハの半径と等しい場合にエツチングが均一であ
るということを意味する。これはウェハの半径を越える
量のエツチング用腐食液梗の源が何もないからである。

プラズマの半径がウェハの半径よりも大きい場合にエツ
チング均一性を向上させる方法は、ウェハを取囲む電極
領域を、ウェハの反応性と同じ反応性を有する材料で被
覆することである。しかし、この様な実施は、ローディ
ングのためにエツチング速度が低下することになり得る
。

以上の説明に関連して、更に下記の項を開示する。

（１）　　プラズマ反応器の活性ガス種の濃度プロファ
イルを調節することができるように決定する方法であっ
て、 プラズマからの光の放出強度を測定する段階と、プラズ
マの測定した光の放出強度によって活性種の濃度勾配を
調節する段階とを含む方法。

（２）　　第（１）項に記載した方法において、半導体
スライスの表面がエツチング／デポジションによって変
更されており、プラズマからの光の放出強度の測定が、
半導体スライスの表面に平行なプラズマからの光のシリ
ンダーに関する方法。

（３）　　第（２１項に記載した方法において、プラズ
マからの光の放出強度の測定が、光学トレインで行われ
る方法。

（４）　　第（３）項に記載した方法において、光学ト
レインを水平面で平行移動させて、半導体スライスの表
面全域の光の輝線をプロファイルする方法。

（５）　　第（２１項に記載した方法において、より多
くの絞りの内の一つと、光学フィルター、及びモノクロ
メータに入力した光ファイバーに光を向ける焦点レンズ
とを通してプラズマを観測する方法。

（６）　　第（１）項に記載した方法であって、活性ガ
ス種に加えてガスをプラズマ反応器に導入して、光量計
として役立つ段階を含む方法。

（７１第（６）項に記載した方法において、２ガスの光
の放出を、ビーム・スプリッター、及び２ガスの光学輝
線に対応する２個のフォトダイオードと２個の光学フィ
ルタとを用いて測定する方法。

（８）　　第（６）項に記載した方法において、活性ガ
ス種に加えて導入するガスがアルゴンである方法。

（９）　　第（８）項に記載した方法において、光量計
が６％モル分率までの昂で導入される方法。

（１０）第（１）項に記載した方法において、少量の不
活性ガスをプラズマに導入して、プラズマの光の強度と
不活性ガスの光の強度とを比較する方法。

（１１）プラズマ反応器の活性ガス種の濃度プロファイ
ルを決定し制御する方法であって、光量測定ガスを反応
器のプラズマに導入する段階と、 ガス種によって放出された光の強度を光量測定ガスによ
って放出された光の強度と比較して測定する段階と、 種ガスと光ｆｆ１ｌ定ガスとの比較によって、活性種ガ
スの濃度勾配を調節する段階とを含む方法。

（１２）第（１１）項に記載した方法において、半導体
スライスの表面がエツチング／デポジションによって変
更されており、プラズマからの光の放出強度の測定が、
半導体スライスの表面に平行なプラズマからの光のシリ
ンダーに関する方法。

（１３）第（１２）項に記載した方法において、プラズ
マからの光の放出強度の測定が、光学トレインで行われ
る方法。

（１４）第（１３）項に記載した方法において、光学ト
レインの測定を水平面で平行移動させて、半導体スライ
スの表面全域の光の１１線をプロファイルする方法。

（１５）第（１２）項に記載した方法において、より多
くの絞りの内の一つと、光学フィルター、及びモノクロ
メータに入力した光ファイバーに光を向ける焦点レンズ
とを通してプラズマを観測する方法。

（１６）第（１１）項に記載した方法であって、活性ガ
ス種に加えてアルゴンをプラズマ反応器に導入して、光
量計として役立つ段階を含む方法。

（１７）第（１６）項に記載した方法において、２ガス
の光の放出を、ビーム・スプリッター、及び２ガスの光
学輝線に対応する２個のフォトダイオードと２個の光学
フィルタとを用いて測定する方法。

（１８）第（１１）項に記載した方法において、光量計
ガスが６％モル分率までの憬で導入される方法。

（１９）より多くの種ガスのうちの一つを利用するプラ
ズマ反応器において半導体スライスの表面全域に均一に
エツチング或いはデポジションを行う方法であって、 半導体スライスの表面全域の活性種ガスのｌＩｒ！１プ
ロファイルの均一性を測定する段階と、測定プロファイ
ルによって活性種ガスの濃度を調節する段階とを含む方
法。

（２０）第（１９）項に記載した方法において、半導体
スライスの表面がエツチングされており、プラズマから
の光の放出強度の測定が、半導体スライスの表面に平行
なプラズマからの光のシリンダーに関する方法。

（２１）第（２０）項に記載した方法において、プラズ
マからの光の放出強度の測定が、光学トレインで行われ
る方法。

（２２）第（２０）項に記載した方法において、光学ト
レインを水平面で平行移動させて、半導体スライスの表
面全域の光の１１線をブＯフフイルする方法。

（２３）第（２０）項に記載した方法において、より多
くの絞りの内の一つと、光学フィルター、及びモノクロ
メータに入力した光ファイバーに光を向ける焦点レンズ
とを通してプラズマを観測する方法。

（２４）第（１９）項に記載した方法であって、活性ガ
ス種に加えてガスをプラズマ反応器に導入して、光量計
として役立つ段階を含む方法。

（２５）第（２４）項に記載した方法において、２ガス
の光の放出を、ビーム・スプリッター、及び２ガスの光
学輝線に対応する２個のフォトダイオードと２個の光学
フィルタとを用いて測定する方法。

（２６）第（２４）項に記載した方法において、活性ガ
ス種に加えて導入するガスがアルゴンである方法。

（２７）第（２４）項に記載した方法において、光量計
が６％モル分率までの齢で導入される方法。

（２８）第（１９）項に記載した方法において、少量の
不活性ガスをプラズマに導入して、プラズマの光の強度
と不活性ガスの光の強度とを比較する方法。

（２９）プラズマ反応器において半導体スライスの表面
全域の活性種の濃度プロファイルを決定する装置であっ
て、プラズマ反応器内でプラズマ放出を１１Ａ測する光
学システムと、半導体スライスの表面全域で１０フアイ
ルしたプラズマからの少なくとも１本の特定の輝線の強
度を測定するモノクロメータと、半導体スライスの表面
全域の濃度プロファイルを調節して半導体スライスの表
面の均一なエッチ／デポジションを提供する手段とを含
む装置。

（３０）第（２９）項に記載した装置において、光学シ
ステムが１個或いはそれ以上の絞りと、少なくとも１個
のフィルター、及びプラズマ反応器からモノクロメータ
にプラズマ放出を向けるレンズとを含む装置。

（３１）第（２９）項に記載した装置において、光量計
ガスが反応器に導入され、かつ、ビーム・スプリッター
と、２個のフォトダイオード、及び少なくとも２個のフ
ィルタとを含み、活性種からの輝線を測定し、光量計ガ
スが反応器内でプラズマを形成することを含む装置。

（３２）プラズマ反応器の活性ガス種の３次元部度プロ
ファイルを調節することができるように決定する方法で
あって、 プラズマからの光の放出強度を測定する段階と、４゜ プラズマの光放出の測定した強度によって活性種の濃度
勾配を調節する段階とを含む方法。

（３３）プラズマ反応器１０の半導体スライスの表面全
域の活性種の濃度プロファイルを測定する装置及び方法
を開示するが、これは半導体スライスの表面全域のエッ
チ及びデポジションの均一性を可能にする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で使用する平行板プラズマ反応器を示す
。 第２図は選択した平面の放射状に対称なグローの断面図
である。 第３ａ図は空の反応器内の放射状の位置に対する原子状
酸素のモル分率のプロット図である。 第３ｂ図は装荷反応器内の放射状の位置に対する原子状
酸素のモル分率のプロット図である。 第４図は３．７５ｃｍの反応膜半径の装荷反応器内の放
射状の位置に対する原子状酸素のモル分率のプロット図
である。 第５図は第４図のようなプロット図であるが、異なる条
件下のものである。 第６図は２種の反応膜半径の装荷反応器内の放射状の位
置に対する原子状のモル分率のプロット図である。 主な符号の説明 ０：プラズマ反応器 １：上部電極 ２：下部電極 ４：石英窓 Ｄ＝ニアイリスり Ｆ：通過フィルター

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）プラズマ反応器の活性ガス種の濃度プロファイル
   を調節することができるように決定する方法であって、 プラズマからの光の放出強度を測定する段階と、プラズ
   マの測定した光の放出強度によって活性種の濃度勾配を
   調節する段階とを含む方法。