JPH07201832A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低コストで正確なエッチング終了判定を行なえ
る半導体製造装置を提供すること。 【構成】成膜時に成膜室１の内壁に被着した膜をプラズ
マによりエッチングするクリーニング用電極３，高周波
電源２等からなるプラズマクリーニング手段と、自己バ
イアス電圧を検出する検出装置６と、この検出装置６の
出力に基づき、自己バイアス電圧が一定になったら、プ
ラズマクリーニング手段によるエッチングを停止するエ
ッチング停止装置７とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置に係
り、特にプラズマエッチング（プラズマクリーニングを
含む）行なう半導体製造装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、シラン，ジボラン等の材料ガスを
光エネルギーにより分解して、化学反応により、半導体
薄膜等を形成する光ＣＶＤ法が注目されている。光ＣＶ
Ｄ法においては、一般に、反応生成物は全てが基板に被
着する訳ではなく、成膜室の内壁にも被着する。成膜室
の内壁に被着した膜が剥がれると、成膜室内にダストが
発生し、歩留りが低下する。このため、成膜室の内壁に
被着した膜を除去する必要がある。

【０００３】成膜室の内壁に被着した膜を除去する方法
としては、分解クリーニング法が知られている。分解ク
リーニング法とは、成膜室を大気に開放して成膜室内に
被着した膜を化学的、機械的方法によって除去するとい
うものである。しかし、この方法では、成膜室が大気に
晒されるために成膜室の内壁に大気中の汚染物が吸着す
る。このため、汚染物を除去するために真空排気プロセ
スが新たに必要となり、スループットが低下するという
問題がある。

【０００４】このような問題を解決するために、プラズ
マエッチングを利用したいわゆるプラズマクリーニング
法と呼ばれる除去方法が提案されている。図９、図１０
にプラズマクリーニング法が行なえる従来の光ＣＶＤ装
置の概略構成図を示す。図９は横から見た場合の概略構
成図を示し、図１０は上から見た場合の概略構成図を示
している。

【０００５】図中、８１は成膜室を示しており、この成
膜室８１の中央部には、ヒーター８５を内蔵し、被処理
基体（不図示）を載置するためのホットプレート８４が
設けられている。クリーニング用電極８３は上部から入
射される紫外光を遮断しないように、ホットプレート８
４の上部を覆うことのない構造となっている。このクリ
ーニング用電極８３は高周波電源８２に接続されてい
る。成膜室８１の側壁にはガス導入口８８が設けられて
おり、成膜時には成膜ガス、クリーニング時にはエッチ
ングガスが導入されるようになっている。また、成膜室
８１の下壁にはガス排気口８９が設けられており、成膜
ガスを導入する状態で排気ポンプ（不図示）により０．
１Ｔｏｒｒ程度までの排気が可能となっている。

【０００６】このように構成されたＣＶＤ装置によるプ
ラズマクリーニングは以下のように行なう。すなわち、
成膜後に被処理基体を取り出した状態で、ガス導入口８
８からエッチングガスを導入するとともに、高周波電源
８２によりクリーニング用電極８３に高周波電圧を印加
し、エッチングガスのプラズマを生成する。

【０００７】この結果、エッチングガスから反応性の高
いラジカルが生成され、このラジカルは、成膜室８１の
内壁に被着している膜と反応し、蒸気圧の高い化合物を
形成し蒸発する。例えば、シリコンの除去であれば、エ
ッチングガスとしてＣＦ₄ やＳＦ₆ を用いることによ
り、蒸気圧の高いＳｉＦ₄ が生成され、成膜室８１の内
壁に被着しているシリコンを除去できる。

【０００８】このようにプラズマクリーニング法は、ク
リーニング用電極８３によりプラズマを発生させ、この
プラズマにより不要な被着物を除去するというもので、
大気に曝すことなく被着物を除去でき、分解クリーニン
グ法のような問題はない。

【０００９】ここでは、プラズマクリーニング法を用い
る装置として、光ＣＶＤ装置を示したが、該方法に限定
されることなく、例えば、プラズマＣＶＤ装置等でも適
用可能であり、プラズマクリーニング法を用いるもので
あれば全てに同様のことが言える。

【００１０】また、プラズマエッチングを用いた技術に
は、ここで示したプラズマクリーニング法以外にも、通
常の半導体工程におけるプラズマエッチングがある。こ
れをシリコンを用いたダイオードの場合について図１１
を用いて説明する。

【００１１】まず、図１１（ａ）に示しように、酸化膜
等の下地（不図示）上にＴｉ電極９１を形成した後、イ
ントリンシックのアモルファスシリコン膜９２、ｐ型ア
モルファスシリコン膜９３、ＩＴＯ膜９４、レジスト膜
９５を形成する。

【００１２】次に図１１（ｂ）に示すように、レジスト
膜９５を露光・現像し、レジストパターン９５を形成す
る。

【００１３】次に図１１（ｃ）に示すように、レジスト
パターン９５をマスクとし、酸化剤を用いたウエットエ
ッチングにより、ＩＴＯ膜９４をエッチングし、ＩＴＯ
電極９５を形成する。

【００１４】次に図１１（ｄ）に示すように、レジスト
パターン９５をマスクとし、ＳＦ₄やＣＦ₄ を用いたプ
ラズマエッチングにより、アモルファスシリコン膜９
２、ｐ型アモルファスシリコン膜９３を所望のパターン
にエッチングし、ダイオードが完成する。

【００１５】以上がプラズマクリーニング法およびプラ
ズマエッチングの概要であるが、ここで問題となるのが
エッチングの終了判定である。エッチングの終了判定と
は、成膜室８１内（成膜室８１の内壁やホットプレート
８４）に形成された被着物（付着物）が完全に除去され
たことの判定を意味している。

【００１６】この終了判定が適切に行なわれないと以下
のような問題が生じる。すなわち、エッチング時間が短
すぎる場合には、被着物が残留し、ダスト源の除去とい
う意味で不完全であり、また、工程中のエッチングに関
しては所望のパターンが得られないことになる。一方、
エッチング時間が長すぎる場合には、プラズマエッチン
グ法の特徴であるスループットの向上という点から不利
であるばかりでなく、エッチングガスが成膜室の内壁に
吸着し、その吸着成分が成膜時に膜中に混入し膜質が劣
化するという問題が生じる。

【００１７】エッチングの終了判定は正確に行なう必要
があり、具体的には、質量分析法による方法がある。こ
の方法は成膜室内に存在するイオン種を四重極質量分析
計により分析することでエッチングの終了を判定すると
いうものである。

【００１８】例えば、被着物がシリコンの場合であれ
ば、エッチング終了前にはシリコンを含有する化合物の
イオン種が検出され、エッチングが終了するとシリコン
を含有する化合物のイオン種が検出されなくなることを
利用することにより、終了判定を行なう。

【００１９】しかしながら、この方法には以下のような
問題がある。すなわち、このような方法を実現するに
は、高価な分析である四重極質量分析計が必要となり、
更に、図９に示すように、四重極質量分析計８７をオリ
フィス８６を介して成膜室８１の外側に取り付けなけれ
ばならず、成膜室８１と四重極質量分析計８７とはオリ
フィス８６を介した別空間となり、必ずしも、成膜室８
１のガス成分を正確に分析していることにはならないと
いう問題がある。

【００２０】また、他の方法としては、プラズマの発光
分析を行なう方式のものがある。これはプラズマ中に存
在するラジカルが励起状態から基底状態へ遷移する際に
発光する現象を利用するものである。すなわち、プラズ
マからの発光スペクトルの分析からプラズマ中に存在す
るラジカル種を同定し、ラジカル種の変化からエッチン
グの終了判定を行なうというものである。

【００２１】しかしながら、この方法では分光分析を行
なうために分光器や増幅器が必要となり、その装置に要
する費用が多大なものとなる。更に、プラズマ中からの
光を取り出すための窓を成膜室の側壁に設けなければな
らないという装置構成上の制約も生じる。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のプ
ラズマエッチング（プラズマクリーニングを含む）法に
おける正確なエッチング終了判定として、四重極質量分
析計を利用した方法や、プラズマの発光分析を利用した
方法が知られていた。

【００２３】しかし、前者の場合には四重極質量分析計
や、後者の場合には分光器や増幅器が必要となり、どち
らの場合もコストが上昇するという問題があった。

【００２４】更に、前者の場合には必ずしも成膜室のガ
ス成分を正確に分析しているわけではなく、後者の場合
にはプラズマ中からの光を取り出すための窓を成膜室の
側壁に設けなければならないという装置構成上の制約が
あった。

【００２５】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、低コストで正確なエッ
チング終了判定を行なえる半導体製造装置を提供するこ
とにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の半導体製造装置は、被処理基体を収容
し、この被処理基体上に膜を形成する成膜室と、前記被
処理基体を前記成膜室から取り出した後に、前記成膜室
内にプラズマを生成し、前記成膜室内に形成された膜を
前記プラズマによりエッチングするプラズマクリーニン
グ手段と、前記プラズマの状態の変化に対応して変化す
るプラズマパラメータを検出する検出手段と、この検出
手段の出力に基づき、前記プラズマパラメータの所定の
値になったら前記プラズマクリーニング手段によるエッ
チングを停止するエッチング停止手段とを備えたことを
特徴とする。

【００２７】ここで、プラズマパラメータの所定の値に
なったらとは、プラズマパラメータが変化しなくなった
ときの値、あるいはプラズマパラメータが変化しなくな
る前の過渡状態のときの値を意味している。

【００２８】また、本発明の半導体製造装置は以下の方
法を実現するためのものである。すなわち、本発明に係
るプラズマクリーニング法におけるエッチング終了判定
方法は、プラズマの状態の変化に対応して変化するプラ
ズマパラメーターを検出（モニタ）し、プラズマパラメ
ータが所定の値になったら、プラズマクリーニングを停
止するというものである。ここで、プラズマパラメータ
の変化を目視で行なっても良い。

【００２９】プラズマパラメーターとしては、例えば、
クリーニング用電極の自己バイアス電位、プラズマ電
位、プラズマ領域内の状態の変化に際してインピーダン
ス整合を取るための整合回路中のコンデンサーの容量ま
たはコイルのインダクタンスを利用する。

【００３０】ここで、プラズマ電位とは、シースに対す
るプラズマの電位のことであり、高周波放電の場合、供
給高周波に追随して同期的に変動する。プラズマ電位の
モニタとしては、例えば、プラズマ電位の振幅をモニタ
する。

【００３１】

【作用】本発明では、プラズマクリーニング法あるいは
工程中のプラズマエッチングにおけるエッチング終了判
定に、プラズマの状態の変化に対応して変化するプラズ
マパラメーター、例えば、自己バイアス電位、整合回路
中のコンデンサ容量、プラズマ電位等を利用している。

【００３２】本発明者の研究によれば、この種のプラズ
マパラメーターは、成膜室内あるいはエッチング対象に
エッチングをするべき膜が残存している間は変化し、完
全にエッチング除去されると変化しなくなることが分か
った。

【００３３】したがって、本発明のように検出手段とエ
ッチング除去停止手段とを用い、プラズマパラメーター
の値が所定値になったらプラズマクリーニング手段によ
るエッチングを停止することにより、エッチング終了判
定を正確に行なえる。

【００３４】更に、プラズマパラメーターの検出は電気
的な測定により求めることができるので、質量分析法や
分光分析を用いた場合に比べて、低コストでエッチング
終了判定を行なえるようになる。

【００３５】

【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。

【００３６】図１は、本発明の第１の実施例に係るプラ
ズマクリーニング機構を有するＣＶＤ装置の概略構成を
示す模式図である。

【００３７】図中、１は成膜室を示しており、この成膜
室１の中央部には、ヒーター５を内蔵し、被処理基体
（不図示）を載置するためのホットプレート４が設けら
れている。このホットプレート４は図１０のＣＶＤ装置
と同様にクリーニング用電極３により取り囲まれてい
る。このクリーニング用電極３は整合回路８を介して高
周波電源２に接続されている。この整合回路８は、成膜
室１内のプラズマ状態の変化に際して、高周波電源２と
クリーニング用電極３との間のインピーダンス整合を取
るためのものである。また、クリーニング用電極３はそ
の自己バイアス電位を検出するための検出装置６に接続
されている。この検出装置６はエッチング停止装置７に
接続され、このエッチング停止装置７は後述するように
検出装置６の出力に基づいて高周波電源２を制御するよ
うになっている。

【００３８】成膜室１の上壁にはガス導入口９が設けら
れており、成膜時には成膜ガス、クリーニング時にはエ
ッチングガスが導入されるようになっている。本実施例
では水素化アモルファスシリコン膜の成膜を想定してい
るので、成膜ガスとしてのＳｉＨ₄ ガスおよびＨ₂ ガ
ス、エッチングガスとしてのＳＦ₆ ガスおよびＯ₂ ガス
がガス導入口９から成膜室１内に導入されるようになっ
ている。エッチングガスに関しては、ＳＦ₆ ガスは水素
化アモルファスシリコン膜のエッチングを直接行なうガ
スであり、一方、Ｏ₂ ガスはエッチングガス中のＳが内
壁に吸着して残留することを防止するためのガスであ
る。また、成膜室１の下壁には従来と同様にガス排気口
１０が設けられている。

【００３９】このように構成されたＣＶＤ装置によるプ
ラズマクリーニングに際して、内壁に水素化アモルファ
スシリコン膜が残っている場合と、エッチングが終了し
た場合とでの状況を比較してみる。

【００４０】図２、図３にその様子を模式的に示す。図
２は水素化アモルファスシリコン膜が残っている場合、
図３はエッチングが終了し、水素化アモルファスシリコ
ン膜が完全に除去された場合を示している。図中、１１
は水素化アモルファスシリコン膜、１２はプラズマ空間
を示している。

【００４１】成膜室１の内壁は接地電極として作用する
ため、この接地電極とクリーニング用電極３との間に生
じる容量は以下のようになる。すなわち、水素化アモル
ファスシリコン膜が残っている場合には、図２に示すよ
うに、水素化アモルファスシリコン膜１１とプラズマ空
間１２とに起因し、一方、水素化アモルファスシリコン
膜が完全に除去された場合には、図３に示すように、プ
ラズマ空間１２のみに因ることになる。

【００４２】図２，図３の状態に対応する等価回路をそ
れぞれ図４，図５に示す。図４において、Ｃ₁ は水素化
アモルファスシリコン膜で生じる容量、Ｃ₂ はプラズマ
空間で生じる容量を示しており、全体としてはＣ₁ とＣ
₂ の直列接続としての容量を感じることになる。一方、
図５においては、プラズマ空間の容量Ｃ₃ を感じるのみ
である。したがって、水素化アモルファスシリコン膜が
残っているか否かによって容量が変化し、これに対応し
てプラズマ状態も変化することになる。

【００４３】プラズマ中のクリーニング用電極３の電位
は、このクリーニング用電極３に流れ込む正味の電流が
ゼロとなるような自己バイアス電圧が生じる。このた
め、上記容量の変化によってプラズマ状態が変化した場
合、その変化に対応して自己バイアス電圧にも変化が生
じる。

【００４４】更に自己バイアス電位変化を与える要因と
しては、プラズマ中のイオン種の相違があげられる。い
ま示したようにＳｉ系イオンは消失するため、当然に自
己バイアス電位はプラズマ中のイオン種に敏感に対応す
ることとなるが、アモルファスシリコン膜が残存してい
る場合には、シリコン系のイオンプラズマ中のイオン種
が変化し、自己バイアス電位も変化する。

【００４５】具体的には、高周波電源２の投入電力を５
００Ｗとした場合、エッチング初期時の自己バイアス電
圧の値は０．２４ｋＶであったが、エッチングの進行と
ともに自己バイアス電位は徐々に変化し、エッチングが
終了した時点での自己バイアス電圧の値は０．３０ｋＶ
で、その後も自己バイアス電圧の値は０．３０ｋＶのま
まであった。

【００４６】図６は、上述した自己バイアス電圧の様子
を示す特性図である。これは以下の条件で得られたもの
である。基板上にアモルファスシリコン膜を３μｍ成膜
（したがって、壁に付着している膜は３μｍよりは小さ
い値となっている）し、それをＳＦ₆ １００ＳＣＣＭ、
Ｏ₂ １００ＳＣＣＭ、反応室圧力０．５Ｔｏｒｒ、ＲＦ
パワー５００ワット）の条件でプラズマクリーニングし
たものである。

【００４７】この特性図からエッチングが終了すると自
己バイアス電圧は変化しないことが分かり、更に、エッ
チング終了時の自己バイアス電位は同一条件下でのクリ
ーニングでは常に０．３３ｋＶとなることも分かった。
したがって、この現象を利用することにより、正確なエ
ッチング終了判定を行なえる。

【００４８】これを実現するために本実施例では、検出
装置６とエッチング停止装置７とを設け、エッチング停
止装置７は、検出装置６の出力に基づき自己バイアス電
圧が一定になったら、高周波電源２をオフするようにな
っている。

【００４９】かくして本実施例によれば、従来のＣＶＤ
装置に検出装置６とエッチング停止装置７とを付加する
という僅かの変更を加えるだけで、正確（定量的）なエ
ッチング終了判定をリアルタイムで行なえるようにな
る。

【００５０】更に、自己バイアス電圧の検出は電気的な
測定により求めることができるので、質量分析法や分光
分析を用いた場合に比べ、構成上の制約が少なく、そし
て低コストでエッチング終了判定を行なえるようにな
る。

【００５１】次に本発明の第２の実施例に係るプラズマ
クリーニング機構を有するＣＶＤ装置ついて説明する。

【００５２】先の実施例ではプラズマパラメータとして
自己バイアス電圧を選んだが、プラズマ電位の変化を利
用することもできる。

【００５３】具体的には、水素化アモルファスシリコン
膜が残っている場合のプラズマ電位の値は０．２８ｋＶ
であったが、エッチングが終了した時点でのプラズマ電
位の値は０．３０ｋＶであり、その後もプラズマ電位の
値は０．３０ｋＶのままであった。

【００５４】この現象を利用すると、先の実施例と同様
に低コストで正確なエッチング終了判定を行なえるよう
になる。

【００５５】次に本発明の第３の実施例に係るプラズマ
クリーニング機構を有するＣＶＤ装置ついて説明する。

【００５６】本実施例がこれまでの実施例と異なる点
は、プラズマパラメータとして整合回路中のコンデンサ
の容量を用いていることにある。高周波電源がｒｆ電源
の場合には整合回路として一般にπ型整合回路が用いら
れ、その回路構成は図７のような構成になる。すなわ
ち、インピーダンス整合を取るために２つの可変容量コ
ンデンサーＣ_v1，Ｃ_v2を有し、これら可変容量コンデン
サーＣ_v1，Ｃ_v2の容量を調整することでインピーダンス
整合を行なっている。

【００５７】可変容量コンデンサーＣ_v1，Ｃ_v2は、例え
ば、図８に示すように、対向させた２枚の半円板２１，
２２からなり、同軸２３で回転させることで２枚の半円
板２１，２２の重なり面積を変化させている。容量は重
なり面積に比例するため、容量を直接測定しなくても、
例えば、図８（ｂ）に示すように、初期状態からの回転
角θを調べることで対応がつく。したがって、可変容量
コンデンサーＣ_v1またはＣ_v2コンデンサーの容量あるい
は回転角の変化を調べることでエッチング終了判定を行
なえ、先の実施例と同様な効果が得られる。

【００５８】ここでは、整合回路としてπ型整合回路を
用いた場合について説明したので、コイルインダクタン
スは一定であるが、整合回路として例えばステップアッ
プトランスを用いた場合には、コイルインダクタンスは
可変になるので、コイルインダクタンスの変化を調べる
ことでエッチング終了判定を行なえるようになる。

【００５９】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、上記実施例では、成膜装置と
してＣＶＤ装置を用いた場合について説明したが、本発
明はスパッタ装置等の他の成膜装置にも適用できる。

【００６０】また、上記実施例では、ＣＶＤ装置のタイ
プを特に限定しなかったが、光ＣＶＤ装置、熱ＣＶＤ装
置、プラズマＣＶＤ装置のいずれのタイプでも良い。

【００６１】更に、上記実施例では、プラズマパラメー
タとして、自己バイアス電圧、プラズマ電位、整合回路
の容量、整合回路のインダクタンスを利用したが、要は
プラズマの状態の変化に対応して変化するものを利用す
れば良い。

【００６２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、プ
ラズマ状態の変化を直接反映した自己バイアス電位やプ
ラズマ電位等のプラズマパラメータを利用することによ
り、コストの増加を招かずに正確なエッチング終了判定
を行なえるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るプラズマクリーニ
ング機構を有するＣＶＤ装置の概略構成を示す模式図

【図２】水素化アモルファスシリコン膜の残存状態を示
す模式図

【図３】エッチング終了状態を示す模式図

【図４】図２の状態の等価回路図

【図５】図３の状態の等価回路図

【図６】エッチング時間と自己バイアス電圧との関係を
示す特性図

【図７】π型整合回路の等価回路図

【図８】可変容量コンデンサーの構成を示す図

【図９】クリーニング用電極とホットプレートとの配置
関係を示す平面図

【図１０】従来のプラズマクリーニング機構を有するＣ
ＶＤ装置の概略構成を示す模式図

【図１１】従来のプラズマエッチング方法を示す工程断
面図

【符号の説明】

１…成膜室 ２…高周波電源 ３…クリーニング用電極 ４…ホットプレート ５…ヒーター ６…検出装置 ７…エッチング停止装置 ８…整合回路 ９…ガス導入口 １０…ガス排気口 １１…水素化アモルファスシリコン膜 １２…プラズマ空間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理基体を収容し、この被処理基体上に
   膜を形成する成膜室と、 前記被処理基体を前記成膜室から取り出した後に、前記
   成膜室内にプラズマを生成し、前記成膜室内に形成され
   た膜を前記プラズマによりエッチングするプラズマクリ
   ーニング手段と、 前記プラズマの状態の変化に対応して変化するプラズマ
   パラメータを検出する検出手段と、 この検出手段の出力に基づき、前記プラズマパラメータ
   の値が所定の値になったら、前記プラズマクリーニング
   手段によるエッチングを停止するエッチング停止手段と
   を具備してなることを特徴とする半導体製造装置。