JPH1074734A - プラズマ処理装置と半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容器内の異常放電を正確にモニタすることが
でき、半導体装置の製造歩留り向上等に寄与する。 【解決手段】 プラズマ処理容器１１内に設置されたカ
ソード電極１３と容器１１の上壁部（対向電極）との間
に放電によるプラズマを生起し、このプラズマを利用し
て電極１３上に載置された被処理基板１２に対してエッ
チング処理を施す半導体装置の製造方法において、プラ
ズマのインピーダンス変化による反射波を方向性結合器
１５及び検波器１７で検出して異常放電をモニタし、こ
のモニタ結果により異常放電ありと判定した際には、被
処理基板１２に異常放電に伴う損傷を回復するための処
理プロセスを施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造技術に
係わり、特に放電プラズマを利用して被処理基体にエッ
チングや成膜等の表面処理を施すプラズマ処理装置と、
該装置を用いた半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロプロセッサやランダムア
クセスメモリ（ＲＡＭ）等の半導体装置の高密度化に伴
い、半導体装置製造のプロセスにプラズマ処理技術は必
須のものとなってきている。例えば、微細な素子領域や
配線等を形成するには、各種ガスをプラズマ化してプラ
ズマ中のイオンなどの活性種をレジスト等でパターニン
グされた半導体基板に照射するＲＩＥ（リアクティブ・
イオン・エッチング）法が多用されている。

【０００３】図５は、従来のＲＩＥ装置を示す概略構成
図である。プラズマ処理容器５１は図示しない排気装置
で真空排気され、該容器５１内にはエッチングすべき材
料に応じて適切なガスが導入される。導入ガスとしては
一般に、弗素や塩素などのハロゲン原子を含むガスが多
用されている。

【０００４】プラズマ処理容器内５１には、被処理基板
５２が載置されるカソード電極５３が設置されている。
カソード電極５３には、高周波電力を印加するために高
周波電源５４が、該電源５４の出力インピーダンスとプ
ラズマのインピーダンスとの整合を行うための整合器５
６を介して接続されている。

【０００５】そして、この高周波電力の印加により電極
５３と容器５１との間で放電を生起し、ガスをプラズマ
化させる。通常、上記放電はグロー放電領域にあり、ア
ノードとなる容器上壁の面積をカソード電極より大きく
取ることによってカソードは定常的に負電位にチャージ
アップし、イオンを被処理基板表面に引き込むことによ
りエッチングを行うようになっている。

【０００６】上記ＲＩＥ装置を用い、ＭＯＳ構造を有す
る半導体装置の微細なゲート電極を形成する場合につい
て、図６を参照して説明する。まず、図６（ａ）に示す
ように、シリコン基板６１の表面全面にゲート酸化膜と
なる酸化膜６２を形成し、その上にゲート電極材料とな
る燐や砒素等の不純物がドープされたポリシリコン薄膜
６３を堆積させる。この後、フォトリソグラフィ法によ
りポリシリコン薄膜６３上に加工すべきゲート電極の形
状通りにレジストパターン６４を形成する。

【０００７】ところで、ＲＩＥ装置におけるプラズマは
高周波グロー放電領域にあるが、プラズマ処理容器内の
凹凸などの形状、導入ガスなどの処理条件によって、プ
ラズマ処理容器内でアーク等の異常放電が発生すること
がある。このアーク放電は、被処理基板の損傷による生
産性低下、プラズマ処理装置のトラブルなどの様々な問
題を引き起こす。

【０００８】アーク放電が被処理基板の表面近くで発生
すると、被処理基板の形状に異常をもたらし、シリコン
基板まで溶解するような破壊部分が生じることもある。
また、ゲート酸化膜が絶縁破壊或いは破壊に至らずとも
耐圧劣化など、電気的な損傷を与えることがある。さら
に、被処理基板から離れたプラズマ処理容器内でアーク
放電が発生した場合にも、被処理基板表面にパーティク
ルが付着し、これがマスクとなって素子や配線の断線や
短絡を招くこともある。

【０００９】これらアーク放電によって引き起こされた
不良の様子を図６（ｂ）に示す。図中の６５はゲート酸
化膜の電気的な損傷部分、６６は付着したパーティク
ル、６７は付着したパーティクル６６がマスクとなって
形成されたエッチング残りを示している。

【００１０】一方、プラズマ処理容器内壁や電極が損壊
し、金属汚染の原因となることもある。とりわけ、プラ
ズマ処理容器内壁に堆積膜が形成されている場合には、
この堆積膜が解離して多数のダスト発生源となる可能性
が高い。

【００１１】なお、プラズマ処理装置においては、容器
内をモニタするために窓を設けたものがあるが、このよ
うな装置では容器内のアーク発光を検出して異常放電を
モニタすることも可能である。しかしながら、発光検出
による異常放電のモニタは、応答速度が遅く感度も低
く、複数回の発光であっても１回の発光と見做してしま
い、正確な検出ができない。また、シリコン酸化膜のＲ
ＩＥプロセスのように、石英等からなる窓がエッチング
され表面荒れが生じたり、反応生成物が堆積して透過率
が減少し、時間と共に検出感度が低下する問題があっ
た。また、発光を検出するために容器に窓を設ける必要
があるが、この窓を設けること自体がプラズマの不均一
を招く要因となり望ましいものではない。

【００１２】また、上述した問題はＲＩＥ等のエッチン
グに限るものではなく、原料ガスをプラズマ化すること
により堆積膜を形成するプラズマＣＶＤにおいても同様
に言えることである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、放電
によるプラズマを利用して被処理基体にエッチングや成
膜を施すプラズマ処理装置においては、アーク等の異常
放電が生じると、被処理基体に何らかの損傷を与え、そ
の後の処理プロセスにおいて製造歩留りを低下させる要
因となる。また、異常放電により容器の壁面や電極表面
が損傷を受けると益々異常放電が生じやすくなる。

【００１４】容器にガラス，石英等の光学的窓を備えた
プラズマ処理装置では、容器内の発光を検出して異常放
電をモニタすることは可能であるが、この方法では微小
なアークの発光を感度良くまた十分な応答速度を持って
検出するのは困難である。

【００１５】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、容器内の異常放電を正
確にモニタすることができ、半導体装置の製造歩留り向
上等に寄与し得るプラズマ処理装置と半導体装置の製造
方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】

（構成）本発明の骨子は、半導体装置を製造する上で様
々な損傷を受けやすいドライエッチング，ＣＶＤなどの
プラズマ処理中に、処理状態をモニタしその情報に基づ
き以降の製造工程を変化させるなどして、生産性低下を
防止することにある。

【００１７】即ち本発明は、容器内に設置された電極間
の放電によりプラズマを生起し、このプラズマを利用し
て容器内に配置された被処理基体に対して所定の表面処
理を施すプラズマ処理装置において、前記プラズマのイ
ンピーダンスの変化を検出して異常放電をモニタするこ
とを特徴とする。

【００１８】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) モニタ結果によるデータを蓄積する手段を設け、異
常放電回数が所定回数以上になったときに異常と判定す
ること。 (2) 異常放電をモニタする手段として、前記放電を行う
ために高周波電源から供給される高周波の振幅又は位相
の変化を検出すること。 (3) 異常放電をモニタする手段として、高周波の振幅及
び位相の変化による高周波の反射波を検出すること。 (4) モニタ結果に応じて、容器又は電極を交換するこ
と。 (5) 被処理基体に対する表面処理とは、ＲＩＥ等のドラ
イエッチング又はＣＶＤ等の膜堆積であること。

【００１９】また本発明は、容器内に設置された電極間
の放電によりプラズマを生起し、このプラズマを利用し
て容器内に配置された被処理基体に対して所定の表面処
理を施す半導体装置の製造方法において、前記プラズマ
のインピーダンスの変化を検出して異常放電をモニタ
し、このモニタ結果に応じて、前記被処理基体に異常放
電に伴う損傷を回復するための処理プロセスを施すか否
かを判定することを特徴とする。

【００２０】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 損傷回復処理プロセスとして、加熱処理，洗浄処
理，研磨処理，薄膜形成，ガス雰囲気に晒す処理のうち
の少なくとも一つを行うこと。 (2) モニタ結果に応じて、被処理基体に対するその後の
処理プロセスを停止すること。 （作用）本発明によれば、プラズマのインピーダンスの
変化、より具体的には高周波電源から供給される高周波
の振幅又は位相の変化を検出、又は高周波の振幅及び位
相の変化による高周波の反射波を検出することによっ
て、アーク放電等の異常放電をモニタすることができ
る。そしてこの場合、アーク発光を検出するのとは異な
り、応答速度が速く感度も高いので、異常放電を正確に
モニタすることができる。

【００２１】また、モニタ結果に応じて装置のメンテナ
ンス（容器や電極等の交換）を行うことによって、プラ
ズマ処理装置の停止時間の短縮、重大な故障の予防に効
果が得られる。さらに、モニタ結果に応じて、被処理基
体に異常放電に伴う損傷を回復するための処理プロセス
を施すことにより、半導体装置の製造歩留り向上等に寄
与することが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】発明の実施の形態を説明する前
に、本発明の基本原理について説明する。アーク放電の
発生頻度及び発生規模は、プラズマ発生方法、電極面
積，電極間間隔、容器の幾何学的形状や容器内壁の表面
処理等のプラズマ処理容器の状態、導入ガスの種類、プ
ラズマ処理容器内の圧力、印加高周波の周波数，電力等
のプラズマ処理条件によって様々に変化する。

【００２３】そのうち、プラズマ処理容器の内壁の耐性
を高めるため表面処理を行って絶縁膜を形成したり、反
応生成物が内壁表面に堆積するような条件下では、その
導電度や膜厚によってチャンバ内壁の全体的ないしは局
在的に電位が分布を持つことが推測されている。また、
被処理基体にも表面の物性や形状によって電位分布が発
生することが十分考えられている。このような複雑な要
因が重なり合ってプラズマ処理容器内にアーク放電が発
生すると考えられている。

【００２４】しかし、アーク放電は再現性が無く突発的
に発生する現象であるため、その原因を突き止め、根本
的に対策を施すことは困難であった。そこで本発明者等
は、図１（ａ）に示すように従来のプラズマ処理装置の
高周波印加部分に、方向性結合器１５，検波器１７及び
オシロスコープ１８を設置し、発生するアーク放電によ
る高周波の反射波の変動を調べた。すると、図１（ｂ）
に示すように、プラズマ処理中にアークによるものと思
われるパルス状の反射波が確認された。なお、図１にお
いて、１１はプラズマ処理容器、１２は被処理基体、１
３はカソード電極、１４は高周波電源、１６は整合器を
示している。

【００２５】アーク放電によって反射波がパルス状に出
現するのは、以下のように考えられる。第１に、アーク
発生時、アーク放電を介して大きな電流が流れる。これ
により、全体としてのプラズマのインピーダンスは、定
常的なグロー放電時に比べて低インピーダンスになる。
整合器はグロー放電の状態にインピーダンス整合してあ
るので、アーク発生時には整合点から外れ、反射高周波
が高周波電源に向かって進行する。

【００２６】近年、インピーダンス整合を自動的に行う
自動整合器が用いられることが多いが、電磁モータで可
変コンデンサ或いは可変リアクタを操作する方式など機
械制御によるため、アーク放電によるインピーダンス変
化には全く追従できない。そのため、いかなる整合方式
でもアーク放電によるパルス状の反射波は検出されるこ
とになる。

【００２７】従って、アーク発生を上記原理によってモ
ニタし、その頻度などの情報に基づき生産を以降の製造
工程を続けるか、それとも新規に半導体装置をはじめか
ら再度作成するのか、或いはプラズマ処理後に何等かの
処理を施すことによって、損傷から回復をはかることも
可能となる。また、プラズマ処理装置のトラブルも的確
にとらえて直ちにメンテナンスを行うことによって、プ
ラズマ処理装置の停止時間の短縮、重大な故障の予防に
効果が得られる。

【００２８】以下、本発明の実施形態を図面を参照して
説明する。図２は、本発明の一実施形態に係わるプラズ
マ処理装置（ここではエッチング装置）を示す概略構成
図である。図中２１はプラズマ処理容器であり、この容
器２１内には被処理基板２２が載置されるカソード電極
２３が設置されている。電極２３には高周波電源２４か
らの高周波電力が整合器２６を介して印加され、容器２
１は接地されている。本実施形態では、カソード電極２
３に対向する容器２１の上壁がアノード電極として働
き、これらの電極間に放電を生起するものとなってい
る。

【００２９】高周波電源２４と整合器２６との間には、
プラズマのインピーダンス変化を基にアーク放電（異常
放電）を検出するアーク検出器２５が挿入されている。
アーク検出器２５の検出信号はアーク回数表示器２７に
供給され、この表示器２７により一定時間当たりのアー
ク回数が表示されるものとなっている。

【００３０】なお、アーク検出器２５は、プラズマのイ
ンピーダンス変化を検出するものであればよく、前記図
１に示したようにインピーダンス変化により生じる反射
波を検出するものであってもよい。また、高周波電源１
４から供給される高周波の振幅又は位相の変化を直接的
に検出するものであってもよい。

【００３１】容器２１内には弗素や塩素などのハロゲン
原子を含むガスが導入され、容器２１内は図示しない真
空ポンプにより排気されるものとなっている。また、容
器２１の内壁には、アルミニウムを母材に塩素ガス等に
よる浸食を防止するためのアルマイト層が形成されてい
る。

【００３２】また、容器２１の外側には、磁石２８が設
置されている。この磁石２８は、カソード電極２３の表
面にほぼ平行な磁場を与え、カソードシース内の電子を
ドリフトさせることにより、高真空で高密度のプラズマ
を発生させる。これにより、エッチング速度を増大さ
せ、エッチング断面の垂直形状を可能とする。

【００３３】次に、ゲート電極を形成すべく被処理基体
を塩素ガスを用いてエッチングする方法について説明す
る。ゲート酸化膜は１２ｎｍ、またゲート電極となるド
ープされたポリシリコン薄膜は約３００ｎｍである。塩
素ガスを内部に導入し、プラズマ処理容器内の圧力は
０．２Ｐａとした。プラズマ処理時間はプラズマの特定
波長の発光の強度の変化によるエンドポイント判定で決
定した。

【００３４】上記条件によって、直径１５０ｍｍ，厚さ
０．６２５ｍｍのシリコン基体を用いて、ゲート電極を
形成したとき、７２基体おきに１基体の割合でプラズマ
処理中にアーク検出器によってアーク発生回数をモニタ
した。このアーク発生回数の変化を図３に示す。約８０
０基体処理したところでアークの発生回数が急激に増加
した。このとき、全ての製造プロセスを経て完成した半
導体装置の良品率は低下した。

【００３５】そこで、表面全面に酸化シリコン薄膜を形
成したシリコン基板を上記プラズマ処理条件にて１分間
プラズマ処理したところ、約０．２〜２μｍの大きさの
パーティクルが基体上に多数付着していた。シリコン基
板に付着したパーティクルのうち、約２μｍの大きさの
ものをマイクロＸ線蛍光分析を行ったところ、アルミニ
ウムが主たる成分であることが判明した。また、プラズ
マ表面処理容器の内壁を調査してみるとアルマイト層が
一部消滅していることも判明した。

【００３６】上記から、プラズマ処理中、内壁の一部が
次第にエッチングされ導電性のアルミニウム材が露出し
たとき、露出した付近でアーク放電が発生し、アルミニ
ウムのパーティクルが発生したものと考えられている。
上記ゲート電極を加工すべきシリコン基板もアーク発生
が増大したとき同様にアルミニウムを主成分としたパー
ティクルが付着したため良品率が低下したものと考えら
れる。

【００３７】そこで本実施形態では、プラズマ処理後、
純水にて超音波洗浄１０分、硫酸・硝酸混合希釈駅に１
０秒、再度純水超音波洗浄１０分にて処理を行った後、
通常の半導体装置の製造工程を施した。このとき、最終
的に完成した半導体装置の良品率が向上することが判明
した。これは、シリコン基体に付着したパーティクルが
除去されることによって形状不良による不良発生が抑制
されたためと考えられる。また、通常「ＳＣ−１」と呼
称されるＲＣＡ洗浄方法を行ってもパーティクルが除去
されることも判明している。

【００３８】さらに、上記純水及び薬液での処理後、さ
らにＯ₂ ガスとＨ₂ ガスとの混合ガスで７００℃で３０
分、引き続きＡｒガスを常圧下で９００℃で熱処理を行
った後、半導体装置の製造を行ったところ、良品率をさ
らに上昇させることが可能となった。これは、アーク放
電によって形状が物理的に損傷した箇所以外の電気的に
劣化したゲート酸化膜が改善されたためと考えられる。

【００３９】また、上記に示したとおり良品率に影響を
与えるアーク発生頻度の増加はプラズマ処理容器内壁の
アルマイト層の消滅に起因している。そこで、プラズマ
処理容器を新規に取り替えてプラズマ処理を行ったとこ
ろ、図３の右端に示す通りアーク発生回数は減少し、元
の状態に復元することが判明した。これは即ち、アーク
発生頻度をモニタすることによって、正確にプラズマ処
理容器の寿命を把握できることを意味している。

【００４０】このため、アーク放電の発生回数をプラズ
マ処理中常時モニタし、ある値を越えたとき、自動的に
警告を発するように設定した。これにより、直ちにプラ
ズマ処理容器の交換をすることができ、プラズマ処理容
器の停止時間を短縮することができた。よって、プラズ
マ処理装置の稼動効率の低下を防止して生産効率も上げ
ることが可能となる。

【００４１】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。実施形態ではプラズマ処理装置とし
てＲＩＥ等のエッチング装置を説明したが、本発明は放
電プラズマを用いて被処理基体の表面に処理を施すもの
であればよく、ＣＶＤ等の薄膜の堆積に適用することも
可能である。また、図４に示すように複数のプラズマ処
理装置からのアーク検出情報を一括的に収集して、さら
に生産性の向上をはかることも可能である。なお、図中
の４５はアーク検出器、４７はアーク回数表示器、４９
はアーク回数集中表示制御器を示している。

【００４２】実施形態では、異常放電のモニタによりプ
ラズマ処理容器を交換したが、異常放電がカソード電極
の劣化に起因する場合はカソード電極を交換してもよ
い。更には、容器及び電極の両方を交換してもよい。ア
ーク放電による付着パーティクルを除去するためないし
は電気的特性を改善するためであれば、実施形態で述べ
た以外に、エッチング工程，薄膜形成工程等の処理ない
しはこれら処理を組み合わた工程を用いてもよい。その
他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実
施することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、プ
ラズマのインピーダンスの変化を検出して異常放電をモ
ニタすることにより、アーク発光を検出するのとは異な
り応答速度が速く感度も高いので、異常放電を正確にモ
ニタすることができる。そして、モニタ結果に応じて装
置のメンテナンス（容器や電極等の交換）を行うことに
よって、プラズマ処理装置の停止時間の短縮、重大な故
障の予防に効果が得られる。さらに、モニタ結果に応じ
て、被処理基体に異常放電に伴う損傷を回復するための
処理プロセスを施すことにより、半導体装置の製造歩留
り向上等に寄与することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本原理を説明するための装置構成と
パルス発生の様子を示す図。

【図２】本発明の一実施形態に係わるプラズマ処理装置
を示す概略構成図。

【図３】アーク発生回数の変化を示す図。

【図４】本発明の変形例を示す装置構成図。

【図５】従来のＲＩＥ装置を示す概略構成図。

【図６】従来装置を用いてＭＯＳ型半導体装置の微細な
ゲート電極を形成する場合の問題点を説明するための素
子構造断面図。

【符号の説明】

１１，２１…プラズマ処理容器 １２，２２…被処理基板 １３，２３…カソード電極 １４，２４…高周波電源 １６，２６…整合器 １５…方向性結合器 １７…検波器 １８…オシロスコープ ２５，４５…アーク検出器 ２７，４７…アーク回数表示器 ２８…磁石 ４９…アーク回数集中表示制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｈ０５Ｈ 1/46 Ｒ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】容器内に設置された電極間の放電によりプ
   ラズマを生起し、このプラズマを利用して容器内に配置
   された被処理基体に対して所定の表面処理を施すプラズ
   マ処理装置において、 前記プラズマのインピーダンス変化を検出して異常放電
   をモニタすることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】容器内に設置された電極間の放電によりプ
   ラズマを生起し、このプラズマを利用して容器内に配置
   された被処理基体に対して所定の表面処理を施す半導体
   装置の製造方法において、 前記プラズマのインピーダンス変化を検出して異常放電
   をモニタし、このモニタ結果に応じて、前記被処理基体
   に異常放電に伴う損傷を回復するための処理プロセスを
   施すか否かを選択することを特徴とする半導体装置の製
   造方法。