JPH04196529A - プラズマ処理装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマ処理装置に関する。

（従来の技術） 従来、半導体素子製造装置として、マグネトロンプラズ
マエツチング装置が知られている。かかるマグネトロン
プラズマエツチング装置では、平行電極間に形成される
電界と直交する磁場を形成することにより、より低圧（
１０−’ｔｏｒｒ程度）で、しかも、高いエツチングレ
ート（１μｍ／ｇｉｎ程度）が得られている。

この種の装置では、プラズマ処理の終点（以下、プラズ
マ終点）を正確に検出することが、その後の動作を行な
う上で不可欠となっている。そこで、プラズマが生成さ
れるプロセスチャンバーに透明な窓部を設け、この窓部
に臨んでプラズマ処理終点検出装置（ＥＰＤ）を設けて
いる。そして、このＥＰＤはプラズマ発光強度を検出し
、例えば第６図に示すように、プラズマ定常状態におけ
る発光強度を１００％とした場合に、これか６０％に低
下した際にプラズマ終点を検出している。

また、この種のマグネトロンプラズマエツチング装置の
一つとして、磁場を形成する手段としてのマグネットを
回転させることに−より形成される磁場を均一化し、こ
れによってエツチング特性をさらに向上させた装置が、
従来知られている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、この種のマグネトロンプラズマエツチン
グ装置においては、上述のように、プラズマの発光強度
の変化量によりプラズマ終点を検出するため、高集積化
か進むにつれウェハ全面積に対してエツチング面積が狭
い低開口率のエツチングを行なう場合には、正確なプラ
ズマ終点の検出を行なうことが困難であるという課題か
あった。

即ち、エツチングの際の開口率が低い場合には、プラズ
マ発光強度の変化量が小さいためである。

特に、上述したような、マグネットを回転させる方式の
マグネトロンプラズマエツチング装ｆｆにおいては、マ
グネットの回転に伴う磁界の回転によって、生成された
プラズマが移動し、これに起因してＥＰＤで検出される
プラズマ発光強度に変動が生じるため、低開口率のエツ
チングを行なう場合にプラズマの発光強度の変化量を検
出することは、さらに困難となり、プラズマ終点の検出
は実質的に不可能であった。

かかる課題は、ウェハの開口率が５％以下の場合に特に
顕著であるが、昨今、半導体回路の高集積度化に伴って
、さらなる低開口率化が要求されている。例えば、１６
メガバイトの半導体メモリの製造では、開口率か３％以
下のエツチングで正確なプラズマ終点の検出を行なえる
ことが望まれている。

本発明は、以上説明したような従来技術の課題に鑑みて
なされたものであり、低開口率のプラズマエツチングを
行なう場合であっても、プラズマ処理を正確に検出する
ことかできるプラズマ処理装置を提供することを目的と
する。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のプラズマ処理装置は、電界中で生成されるプラ
ズマを用いて処理を行い、プラズマの発光強度を検出し
て、プラズマ処理の監視を行う装置において、 プラズマ光の中からプラズマ処理による光量変化の大き
い特定波長の光を分光する分光器と、この分光器によっ
て分光された光を電気信号に変換する第１の光センサと
、 各種波長を含む前記プラズマ光を電気信号に変換する第
２の光センサと、 前記第１．第２のセンサ出力に基づいてプラズマ処理の
監視を行なう監視手段と、 を有することを特徴とする。

かかる発明においては、前記電界と直交して回転する磁
界を発生する磁界発生手段と、回転される磁界の回転中
心近傍におけるプラズマ光を集光する光学系と、 前記光学系によって集光された光を２分岐させて前記第
１．第２の光センサに導く光分岐伝送手段と、 を設けることが望ましい。

（作用） 本発明では、プラズマ光からプラズマ処理による光量変
化が大きい波長成分の光を分光して、その発光強度を第
１の光センサにより得ている。−方、第２の光センサか
らは各種波長を含むプラズマ光の発光強度が検出される
。この両者に基づいてプラズマ検出を実施すると、監視
例えばプラズマ終点に至る前では、例えば磁界の回転等
による外的要因に起因した光強度の変動は、第１．第２
の光センサの出力双方に現れるので、所定発光強度以下
に達するようなことがあっても、誤検出を防止できる。

プラズマ終点に近づくと、第１の光センサ出力がプラズ
マ処理の進行に従い、第２の光センサ出力よりも大きく
変化するので、両出力の相対変化に基づきプラズマ終点
を監視検出できる。特に低開口率のプラズマ処理の場合
に第２の光センサ出力の変化だけでは検出不能な終点検
出をも、確実に監視することができる。

また、回転磁界を形成する場合には、磁界の回転に伴う
プラズマ発光強度の変動が磁界の回転中心近傍では非常
に少ないことに着目し、光学系を用いることにより、磁
界の回転中心近傍で発光する光を使用して上記光強度の
検出を行なう。

（実施例） 以下、本発明をマグネトロンプラズマエツチング装置の
終点検出に適用した一実施例について、図面を参照して
具体的に説５明する。

まず、マグネトロンプラズマエツチング装置の概略につ
いて、第５図を参照して説明する。

同図において、真空引きが可能であり、かつ、エツチン
グガスの導入が可能なプロセスチャンバー１０内部には
、ウェハ１２を載置するための載置台１４が設けられて
いる。前記載置台１４には波長例えば２．４５ＧＨｚ　
、または１３．７５ＫＨｚの高周波電力を出力するＲＦ
電源１６か接続され、一方前記プロセスチャンパー１０
は接地されることて、カソードカップリング（ＲＩ　Ｅ
）方式の平行平板電極を構成している。従って、ＲＦ電
源１６をＯＮすることで、この平行平板電極間て前言己
ウェハ１２に臨んでプラズマを生成することができる。

さらに、本実施例では均一でかつ異方性の高いエツチン
グを行うために、前；己ウェハ１２の近傍にて電界と直
交する水平磁場を形成するためのマグネット１８が、前
記プロセスチャンバー１０の上方に設けられている。こ
のマグネット１８は同図に示すように回転駆動可能であ
り、ウェハ１２の全面にて均一な水平磁場を形成できる
ようにしている。

そして、前記プロセスチャンバー１０内部に生成される
プラズマの終点検出を行なうために、このチャンバー１
０には窓１０ａが形成され、この窓１０ａに臨んでプラ
ズマ処理終点検出装置（ＥＰＤ）２０が設けられている
。

このＥＰＤ２０について、第１図を参照して説明する。

このＥＰＤ２０は、大別して光学系３０１分光器４０、
第１の光センサ５０、第２の光センサ６０および終点検
出手段７０て構成されてる。

前記光学系３０においては、第５図に示す前記プロセス
チャンバー１０の透光窓部１０ａに臨んで配設されたレ
ンズ３２と絞り３４により、マグネット１８の回転によ
ってチャンバー１０内部に生じる磁界の回転中心の近傍
のプラズマ光のみが集光され、光ファイバー３６に導か
れる。前記マグネット１８を回転駆動することで、ウェ
ハ１２に水平な均一磁場を形成できるが、このことによ
ってプラズマがマグネット１８の回転と同期して回転す
ることになる。このため、本実施例では、この光学系３
０を設けることにより、プラズマ光の変動が最も小さい
回転の中心部のプラズマ光を検出することとした。光フ
アイバー３６内を伝搬されるプラズマ光は、例えば分配
器３８等によって２つの光路に分岐され、一方は分光器
４０に、他方は第２の光センサ６０に達する。

分光器４０は、光ファイバー３６によって導かれたプラ
ズマ光から特定の波長成分を抜き出すためのものである
。抜き…す波長成分は、エツチングの進行による光量変
化か大きい波長成分てありさえすればよいが、本実施例
では、炭素のグローに起因するプラズマ光である、波長
４８３．５ｎｍのプラズマ光を抜き出すこととする。こ
のようにして抜き出された波長４８３．５ｎｍのプラズ
マ光は、第１の光センサ５０に受光され、電気信号に変
換される。一方、第２の光センサ６０は各種波長成分を
含むプラズマ光を入力し、その発光強度に応じた電気信
号を出力する。

終点検出手段７０は、第１の光センサ５０例えば光電変
換装置で出力された電気信号１１および第２の光センサ
６０例えば同様に光電変換装置で出力された電気信号Ｉ
２を取り込んで、プラズマ終点を検出する。本実施例て
は、終点検出手段７０は、第１の光センサの出力の及び
第２の光センサの出力の相対変化に基づき上記プラズマ
の終点検出を行なう。

この終点検出手段７０について、第２図を用いて説明す
る。第１の光センサの出力信号１１は、増幅器７１て増
幅され、ローパスフィルタ７３で高周波成分を除去した
後、演算部７５に取り込まれる。また、第２の光センサ
の出力信号Ｉ２も、出力信号１１の場合と同様、増幅器
７２で増幅され、ローパスフィルタ７４で高周波成分を
除去した後、演算部７５に取り込まれる。

第３図（ａ）に、ウェハ１２の開口率が５％である場合
の、第１の光センサ５０の出力信号１１の経時変化の一
例を示す。本実施例のＥＰＤ２０では、分光器４０によ
り波長４８３．５％ｍのプラズマ光のみを抜き出して第
１の光センサ５０で検出しているので、このように、ウ
ェハ１２の開口率が小さい場合でもエツチングの進行に
よる信号値の変化が大きく、正確なプラズマ終点の検出
を行なう上で非常に有効である。また、本実施例では、
プラズマ終点の検出精度を向上させるために、第２の光
センサ６０の出力信号Ｉ２を使用する。上述のように、
プラズマ終点は、プラズマ発光強度が、エツチングの進
行により、所定の量（ここでは、プラズマ定常状態にお
けるプラズマ発光強度の６０％とする）まで低下したか
否かによって判断される。しかし、光センサによって検
出されるプラズマ発光強度の経時変化は、エツチングの
進行による変化と磁界の回転による周期的な変動とが合
成されたものとなるので、磁界の回転による変動が大き
い場合には、エツチングが終了していないにもかかわら
ず、プラズマ発光強度が一時的にプラズマ定常状態にお
けるプラズマ発光強度の６０％まで低下してしまう場合
が生じ、プラズマ終点を誤って検出してしまうこととな
る。

第３図（ｂ）に、半導体ウェハの開口率が５％である場
合の、第２の光センサの出力信号Ｉ２の信号値の経時変
化の一例を示す。第３図（ｂ）かられかるように、第２
の光センサの出力信号Ｉ２のエツチングの進行に起因す
る変化は実質的にｒＯＪであり、また、第１の光センサ
の出力信号１１の磁界の回転による変動Δ１１と第２の
光センサの出力信号■２の磁界の回転による変動ΔＩ２
との間には、（ΔＩ、／Ｉ、）−（ΔＩ２／１□）の関
係が近似的に成立するので、この出力信号Ｉ２を用いる
ことにより、磁界の回転による変動ΔＩ、の影響を除去
することができる。出力信号Ｉ２を用いて変動Δ１１の
影響を除去する方法としては、様々な方法が考えられる
が、本実施例では、演算部７５で出力信号工、と出力信
号１□とを取り込むごとに、出力信号１１と出力信号Ｉ
２との比１１／　ｆ　２を演算することとし、この演算
結果を増幅器７６を介して出力させることとする。すな
わち、プラズマ定常状態では１１／１□はほぼ一定であ
るが、プラズマ終点に近づくと出力信号１１の値が低下
するのに対して出力信号Ｉ２の値はほとんど変化しない
ことより！、／Ｉ２は減少するので、上述のの演算結果
を、例えばマイクロコンピュータ等で構成された判定回
路（図示せず）に入力し、入力値が所定のスラッシュレ
ベルよりも小さくなったか否かにより、プラズマ終点に
達したか否かを判断すればよい。なお、本実施例のよう
に炭素のグローに起因する波長４８３．５％ｍのプラズ
マ光を光センサ５０で検出して出力信号１１を得ている
場合は、出力信号Ｉ、と出力信号Ｉ２との比は、はぼ１
・１０００となるので、増幅器７１の増幅率と増幅器７
２の増幅率に１０００倍の差を持たせることも考えられ
る。しかし、増幅度に差を設ける場合には、信号を入力
してからこれを増幅して出力するまでのタイムラグが、
増幅器７１と増幅器７２とで異なることとなり、したが
って、演算部７５てＩ＋　／　Ｉ　２を演算する際に、
出力信号１１と出力信号Ｉ２として、第１のセンサ５０
および第２のセンサ６０て受光したタイミングが異なる
信号値を使用してしまうこととならないよう、留意する
必要がある。

このように、第１の光センサ５０の出力信号Ｉ、と第２
の光センサ６０の出力信号Ｉ２との比の経時変化のみを
用いても、プラズマ終点の検出誤差は、非常に小さいも
のとなる。

ただし、本実施例では、プラズマ終点の検出精度をさら
に向上させるために、光学系３０で、マグネット１８の
回転によってチャンバー１０内部に生じる磁界の回転中
心の近傍のプラズマ光のみを検出している。比較のため
に、光学系３０を用いずに光センサて直接プラズマ発光
強度を検出した場合の光センサの出力信号の経時変化を
、第４図に示す。第３図（ａ）と第４図との比較かられ
かるように、光学系３０を用いて磁界の回転が少ない領
域のプラズマを検出ことにより、磁界の回転に起因する
プラズマ発光強度の変動を非常に小さくすることができ
、したがって検出精度を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、
本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、本実施例では、第１の光センサ５０の出力信号
１１と第２の光センサ６０の出力信号Ｉ２との比の経時
変化を用いると共に、光学系３０を用いて磁界の回転が
少ない領域のプラズマを検出ことにより、プラズマ終点
の検出精度を向上させたが、ウェハの開口率によっては
、いづれか一方の手段のみ用いることによっても、十分
な検出精度が得られることはもちろんである。また、逆
に、ウェハの開口率が非常に小さい場合は、プラズマ終
点の検出精度を向上させるための他の技術と組み合わせ
て用いてもよい。例えば、本願出願人が特願平２−１９
２４７１ですでに提案している、平滑化手段を用いてプ
ラズマ終点の検出精度を向上させる技術と組み合わせて
使用することは、非常に有効である。

さらに、本発明装置は、上記実施例のようなマグネトロ
ンプラズマエツチング装置に適用するものに限らず、少
なくとも電界および回転される磁界中でプラズマを生成
する種々の装置例えばスパッタ装置、ＣＶＤ、エツチン
グ装置などにも適用できる。また、磁界を回転させる手
段としては、マグネット１８を機械的に回転駆動するも
のに限らず、磁界発生手段をコイルにて形成し、通電方
式によってその磁力線を回転させるものであってもよい
。

さらにまた上記実施例では低開口率エツチングの監視に
ついて説明したが、高開口率のエツチングにおいては当
然のことなから実施できることは説明するまでもないこ
とである。

さらにまた上記実施例ではエツチングの終点横用につい
て説明したが、プラズマ終点の監視であれば終点のみな
らず途中の監視にも実施できる。

口発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、例えば低開口率
のプラズマエツチング処理を行なう場合であっても、プ
ラズマ終点監視を正確に行うことができる。即ち高精度
に外項の影響があっても監視できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例であるプラズマ終点検出装
置のブロック図、 第２図は、第１図のプラズマ終点検出装置の終点検出手
段のブロック図、 第３図（ａ）は、第１図の第１の光センサの出力信号の
経時変化の一例を示すグラフ、第３図（ｂ）は、第１図
の第２の光センサの出力信号の経時変化の一例を示すグ
ラフ、第４図は、光学系を用いずに光センサで直接プラ
ズマ発光強度を検出した場合の光センサの出力信号の経
時変化の一例を示すグラフ、 第５図は、本発明を適用したマグネトロンプラズマエツ
チング装置の概略断面図、 第６図は、プラズマ発光強度の経時変化を概念的に示す
グラフである。 ２０・・・プラズマ処理終点検出装置、３０・・・検出
手段、３２・・・レンズ、３４・・・絞り、３６・・・
光ファイバー、３８・・・分配器、４０・・・分光器、 ５０・・・第１の光センサ、６０・・・第２の光センサ
、７０・・・終点検出手段、 ７１．７２．７６・・・増幅器、 ７３．７４・・・ローパスフィルタ、７５・・・演算部
。 代理人弁理士　井　　上　　　−（他１名）第　３　図
（０） ｔｌ　　　　　　　　　１２　　　　　　　時間第　６
　図（ｂ） 第４区

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電界中で生成されるプラズマを用いて処理を行い
   、プラズマの発光強度を検出して、プラズマ処理を行う
   装置において、 プラズマ光の中からプラズマ処理による光量変化の大き
   い特定波長の光を分光する分光器と、この分光器によっ
   て分光された光を電気信号に変換する第１の光センサと
   、 各種波長を含む前記プラズマ光を電気信号に変換する第
   ２の光センサと、 前記第１、第２のセンサ出力に基づいてプラズマ処理の
   監視を行なう監視手段と、 を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. （２）請求項（１）において、 前記電界と直交して回転する磁界を発生する磁界発生手
   段と、 回転される磁界の回転中心近傍におけるプラズマ光を集
   光する光学系と、 前記光学系によって集光された光を２分岐させて前記第
   １、第２の光センサに導く光分岐伝搬手段と、 を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。