KR20130018459A - 플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수의 반도체 처리장치 혹은 리액터끼리의 사이에서의 처리실 내부 혹은 플라즈마의 상태의 차이를 저감할 수 있는 플라즈마 처리장치를 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는, 리액터 내부의 처리실 내의 시료대 내에 배치된 전극에 고주파 전원으로부터의 전력이 정합기를 거쳐서 공급하면서 상기 플라즈마를 사용하여 웨이퍼가 처리되는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 처리 중에 상기 전계의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터 중 적어도 2 종류의 데이터의 값의 천이점의 상기 전력의 특정한 값이, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼의 상기 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 맞춘다.

Description

플라즈마 처리장치 및 플라즈마 처리방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은, 진공 용기의 내부에 배치된 처리실 내에서 형성한 플라즈마를 사용하여 이 처리실 내에 배치된 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 처리하는 플라즈마 처리장치 또는 처리방법에 관한 것으로서, 특히 시료가 얹어지는 시료대 내의 전극에 고주파 전력을 공급하면서 시료 상에 배치된 막층을 에칭 처리하여 전극, 배선 및 콘택트 홀을 위한 소정의 형상으로 가공하는 플라즈마 처리장치 또는 처리방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조과정에 있어서는, 처리 대상인 반도체 웨이퍼(기판) 상에 형성된 다결정 Si막이나 절연막 등의 박막의 막층이 드라이 에칭에 의해 미세 가공되어, 게이트 전극이나 배선이 형성된다. 이 드라이 에칭 가공하는 장치에서는, 에칭 가스를 진공 용기인 드라이 에칭 장치에 도입하고, 고주파 전계를 진공 용기에 도입하여 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 중에서 생성된 활성종 및 이온을 웨이퍼에 입사시킴으로써, 박막이 에칭된다. 에칭에 있어서, 전극, 배선 혹은 홀 패턴을 전사한 레지스트 박막 등의 마스크가 산화막 상에 형성되어 있다. 드라이 에칭에서는, poly-Si막, 절연막 등을 마스크나 베이스에 대하여 선택적으로 가공하여, 원하는 가공 형상을 형성하고 있다.
최근, 반도체 시장의 신장과 함께 반도체 제조 라인은 대규모화되고 있다. 또, 생산 비용의 관점에서 라인 단위 면적당의 생산성을 높이기 위하여, 처리 대상의 기판 형상의 시료인 웨이퍼가 배치되고 이 웨이퍼를 처리하기 위한 플라즈마가 형성되는 처리실을 내부에 포함하는 진공 용기를 포함하여 이루어지는 처리 용기(리액터)를 하나의 반송 기구에 복수 연결한 반도체 처리장치(멀티 리액터)가 주로 사용되고 있다.
또한, 제조 라인의 규모가 커지면, 웨이퍼 처리의 하나의 공정에 대하여, 복수대의 반도체 처리장치에서 같은 동일한 치수, 구조를 가진 동일한 사양으로 간주할 수 있는 웨이퍼의 처리를 실시하는 것이 행하여지고 있다. 이러한 제조 라인에 있어서의 복수 장치에 의한 실질적으로 동일한 처리의 실시는 드라이 에칭 처리에 있어서도 동일하다.
반도체 디바이스 등 반도체 장치의 제조 라인의 수율을 향상시키기 위해서는, 제조의 각 공정을 각각 실시하는 에칭 장치 등의 반도체 제조장치에 있어서, 웨이퍼의 면 내 방향에 대하여 처리의 특성, 결과가 더 균일해지도록 처리하는 것, 복수의 웨이퍼끼리의 사이에서 가공 결과의 차이가 작은 것이 요구된다. 예를 들면, 드라이 에칭장치에서는, 리액터 내에서 생성되는 플라즈마의 밀도나 강도 등의 특성이 웨이퍼의 면 내 방향에 대하여 균일성이 높은 것이 요구된다. 또한, 처리의 레이트(속도)를 향상시키기 위하여 플라즈마 밀도가 소정의 값 이상, 예를 들면 1010/㎤ 이상으로 할 수 있는 것, 가공 결과로서의 형상의 제어성을 높이기 위하여, 처리의 공정(단계)의 조건에도 의존하나, 처리실 내에서의 처리 중의 가스의 압력이 극저압으로부터 고압(예를 들면, 0.1Pa에서 100Pa)의 범위의 적절한 압력으로 안정적인 플라즈마를 형성할 수 있는 것 등이 요구되어 왔다. 또한, 이들 플라즈마 밀도나 압력의 변동이 서로 다른 웨이퍼의 사이에서 혹은 서로 다른 리액터, 반도체 제조장치의 사이에서 더욱 작게 하는 것이 요구되어 왔다.
그러나, 미세화가 진행되면 복수대의 반도체 제조장치에 있어서, 각각의 장치가 구비하는 각 리액터에서 처리의 조건을 요구받는 사양에 대응하여 최적인 것으로 하면, 대략 각 리액터의 사이에서 동등한 프로세스 성능(처리의 속도, 가공 정밀도 등의 특성)이 얻어지나, 리액터마다 처리의 조건, 소위 처리의 레시피를 관리해야 하고, 이러한 조건을 선택하여 결정하기 위하여 개발이 필요하게 된다. 또한, 에칭장치에서는 이것에 더하여 처리의 조건에 적합하게 한 노광용 마스크의 패턴이 최적화되어 있기 때문에, 각 리액터 사이의 처리실 내의 조건의 차이를 높은 정밀도로 극소화하는 것이 요구된다.
이와 같이, 반도체 디바이스의 제조 라인에서는, 복수의 리액터 또는 복수의 처리장치의 사이에서 동등한 사양의 웨이퍼를 동일한 조건으로 처리한 경우에 동일한 성능, 결과가 얻어지는 것이 요구되어 왔다. 이 때문에, 종래부터, 리액터를 구성하는 부품의 치수나 배치의 정밀도를 향상시키는 것, 혹은 각 리액터 사이에서의 성능이나 특성을 원하는 범위 내로 조절하는 관리가 이루어져 왔다.
그러나, 최근과 같이 반도체의 미세화가 더욱 진행된 경우에는, 개개의 부품의 관리나 성능 관리에 대하여 더 높은 정밀도가 요구되게 된다. 그러나, 이러한 부품의 치수나 배치 거리의 정밀도를 더 높게 하기 위해서는 현재 이상으로 긴 시간이나 비용이 필요하게 되어 장치의 가동률이나 운전 비용에 있어서 불리하다. 한편, 이들 정밀도가 충분하지 않으면 반도체 제조장치 혹은 리액터를 조립하였을 때에, 서로 다른 리액터 사이에서의 상기 치수나 거리의 차이나 처리의 특성, 웨이퍼를 가공한 결과로서 얻어지는 형상, 치수의 차이가 커져서, 원하는 프로세스 사양을 일탈하게 되어 왔다.
에칭 장치의 종래의 기술에서는, 이러한 과제를 해결함에 있어서, 필요하게 되는 안정적이고 재현성이 높은 플라즈마를 얻기 위하여 여러가지 연구가 이루어져 왔다. 예를 들면, 일본 공개특허공보 평7-065993호(특허문헌 1)에서는, 안정적인 플라즈마를 얻기 위하여 고속(100Hz～10MH)의 주기로 플라즈마로부터의 발광을 검출하여 데이터를 취하고, 발광의 시간 변화가 최소가 되도록 마이크로파 스터브 튜너를 제어하는 것이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 제2004-281442호(특허문헌 2)에서는, 동일한 에칭 성능을 반복할 수 있기 때문에, 웨이퍼에 인가하는 바이어스 전압이 항상 최소값을 취하도록 마이크로파 파워를 제어하는 플라즈마 처리장치가 개시되어 있다.
또, 일본 공개특허공보 제2001-110784호(특허문헌 3)에서는, 플라즈마 처리장치에 있어서 플라즈마로부터의 발광을 검출하여 얻어진 특정한 파장의 스펙트럼으로부터 미리 취득한 프로세스 모델에 의거해 처리실 내의 조건을 추정하여 원하는 것이 되도록 플라즈마 처리장치의 동작을 조절하는 것이 개시되어 있다. 또한, Muneo Furuse 외、Japanese Journal of Applied Physics(재패니즈 저널 오브 어플라이드 피직스), 36권, 4917～4619페이지(비특허문헌 1)에는, 처리실 내에 프로브를 설치하여 플라즈마가 생성되는 공간의 전계 강도의 분포를 검출하여 플라즈마 특성의 변화를 검출하는 기술이 개시되어 있다.
일본 공개특허공보 평7-065993호 일본 공개특허공보 제2004-281442호 일본 공개특허공보 제2001-110784호
Muneo Furuse 외、Japanese Journal of Applied Physics(재패니즈 저널 오브 어플라이드 피직스), 36권, 4917～4619페이지
배경기술에서 설명한 바와 같이, 하나의 공정을 복수의 리액터에서 처리하는 반도체 제조 라인에 있어서, 효율적으로 제조하기 위해서는, 동일한 공정의 장치에 있어서 동일한 처리 조건을 사용하여, 동일한 정밀도의 처리가 요망되고 있다. 그러나, 최근의 반도체의 미세화에 대응하여 반도체 처리장치를 구성하는 각 리액터끼리의 사이에서의 성능의 차이를 요구되는 허용의 범위 내로 하기 위하여, 부품의 치수, 배치, 거리의 편차를 억제해야 할 범위도 극소화하여 실현은 더욱 곤란해지고 있어, 이것을 실현하려고 하면 장치에 의한 처리의 효율이나 운전 비용에 있어서 크게 불리해질 우려가 있었다.
또한, 상기 특허문헌 1～3과 같이, 처리장치 혹은 리액터끼리의 사이에서 동일한 성능이나 처리의 결과를 얻기 위하여, 이것들에 배치된 검지기에 의해 그 동작시의 조건이나 상태를 검출한 결과를 피드백하여 장치 혹은 리액터의 동작을 조절하거나 혹은 캘리브레이션(교정)하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이들 종래 기술에서는, 처리의 조건을 결정하는 장치의 동작의 조건(예를 들면, 가스 유량, 압력, 고주파 파워 등)의 파라미터의 전부에 대하여 원하는 값의 범위가 되도록 조절하는 것은 매우 곤란하다. 또한, 예를 들면, 특허문헌 2에 개시된 바와 같이, 웨이퍼에 대한 바이어스 전압의 최소값에서의 제어는 특정한 처리에 대해서는 유효하지만, 발명자들의 검토에 의하면 항상 성립된다고는 한정할 수 없다는 지식이 얻어졌다.
이와 같이, 종래의 기술에서는, 반도체 처리장치 혹은 복수의 리액터끼리의 사이에서의 동일한 종류의 웨이퍼에 대하여 동일한 처리의 결과를 얻는 것이 곤란해져 있었기 때문에, 처리의 수율이나 효율이 저하되고 있었던 점에 대해서는, 충분히 고려되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 플라즈마의 생성을 위해 리액터에 도입되는 고주파 파워를 조정하여 복수의 반도체 처리장치 혹은 리액터끼리의 사이에서의 처리실 내부 혹은 플라즈마의 상태의 차이를 저감할 수 있는 플라즈마 처리장치 또는 처리방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적은, 진공 용기의 내부에 배치된 처리실 및 이 처리실 내에 배치되고 그 표면에 처리 대상의 막이 배치된 웨이퍼가 재치(載置)되는 시료대와, 상기 처리실 내에 상방으로부터 이 처리실 내에 플라즈마를 형성하기 위한 전계를 공급하는 수단과, 상기 처리실 내의 가스가 배기되는 배기구를 구비한 적어도 하나의 리액터를 구비하고, 상기 시료대 내에 배치된 전극에 고주파 전원으로부터의 전력이 정합기를 거쳐 공급하면서 상기 플라즈마를 사용하여 상기 웨이퍼가 처리되는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 처리 중에 상기 전계의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터 중 적어도 2 종류의 데이터의 값이 급격하게 천이하는 상기 전력의 특정한 값이, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼에 대하여 실시된 상기 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 맞춰진 것에 의해 달성된다.
또, 진공용기의 내부에 배치된 처리실 및 이 처리실 내에 배치되고 그 표면에 처리 대상의 막이 배치된 웨이퍼가 재치되는 시료대와, 상기 처리실 내에 상방으로부터 이 처리실 내에 플라즈마를 형성하기 위하여 공급되는 전계를 형성하는 제1 전원과, 상기 처리실 내의 가스가 배기되는 배기구를 구비한 적어도 하나의 리액터와, 상기 웨이퍼의 처리 중에 상기 시료대 내에 배치된 전극에 정합기를 거쳐 고주파 전력을 공급하는 제2 전원을 구비하고, 상기 플라즈마를 사용하여 상기 웨이퍼가 처리되는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 처리 중에 상기 제1 전원으로부터의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터 중 적어도 2 종류의 데이터의 값이 급격하게 천이하는 상기 제1 전원으로부터의 전력의 특정한 값이, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼의 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 맞춰진 것에 의해 달성된다.
또한, 상기 처리실 내에 상기 플라즈마를 형성하기 위하여 공급되는 전계가 마이크로파의 전계인 것에 의해 달성된다.
또한, 상기 다른 리액터가 다른 플라즈마 처리장치에 설치된 리액터인 것에 의해 달성된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서의 플라즈마의 발광 강도의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 나타내는 실시예에 있어서의 플라즈마의 발광 강도의 변동의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서의 가변 코일 위치의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서의 고주파의 전압의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 플라즈마의 발광 강도로부터 얻어지는 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워에 대한 도수 분포를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 플라즈마의 발광 강도로부터 구한 복수의 리액터의 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 플라즈마의 발광 강도의 변동으로부터 구한 복수의 리액터의 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 가변 코일 위치로부터 구한 복수의 리액터의 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 고주파의 전압으로부터 구한 복수의 리액터의 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 1에 나타내는 실시예의 변형예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다.
도 12는 도 10에 나타내는 변형예에 있어서 플라즈마의 발광 강도의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 10에 나타내는 변형예에 있어서 2개의 가변 코일 위치 차이의 마이크로파 파워 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 1에 나타내는 실시예 및 도 14에 나타내는 변형예가 구비하는 가변 콘덴서를 사용한 정합기의 다른 예를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 15는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 천이점의 마이크로파 파워를 나타내는 차트이다.
플라즈마를 사용한 에칭 장치에서는, 고주파와 처리 가스를 진공처리실 내에 도입하여, 플라즈마를 생성한다. 이 생성된 플라즈마를 사용하여 웨이퍼 표면에 형성된 패턴을 가공한다. 플라즈마의 생성 방법은 여러가지 있지만, 효율적으로 플라즈마를 생성하기 위하여, 전자장에 의해 전자의 운동을 효율적으로 가속 혹은 어느 공간에 구속하는 연구가 이루어지고 있다. 고주파 전계 도입에 의한 플라즈마 생성에서는, 플라즈마 밀도(전자 밀도)가 낮은 경우, 고주파는 진공장치의 도입부로부터 서서히 플라즈마에 흡수되어 간다. 고주파 파워를 증가시켜서, 플라즈마가 어느 밀도까지 높게 하면, 고주파는 플라즈마 중에 침입할 수 없게 된다. 이 플라즈마 중에 고주파를 침입할 수 없게 되는 밀도를 컷오프라고 하고, 고주파의 주파수와 전자 온도로 결정한다. 이 컷오프 이상으로 밀도를 높이기 위해서는, 전자장과 전자 운동을 커플링시키는 연구가 필요하게 된다. 예를 들면, 유도 전계에 의한 전자의 가속, 전자 사이클로트론 공명에 의한 전자의 가속 등이 있다.
이와 같이, 컷오프까지의 플라즈마 밀도와 컷오프를 넘는 플라즈마 밀도에서는, 플라즈마가 생성되는 메커니즘에 차이가 있다. 따라서, 도입하는 고주파 파워를 높게 해 가면, 컷오프 부근에서 플라즈마 생성 기구가 바뀐다. 예를 들면, 이러한 플라즈마의 변화는, 비특허문헌 1에 의하면, 플라즈마 생성 공간의 전계 강도 분포를 계측함으로써 명확하게 포착하고 있다. 이러한 변화가 생기면, 플라즈마의 발광 강도나 웨이퍼에 인가하는 바이어스의 전압, 고주파 매칭 기구의 정합점이 컷오프 부근의 밀도에서 불연속이 되거나, 혹은 파워 의존의 기울기 변곡하는 경우가 있다. 이 불연속성(혹은 변곡점)에서는, 서로 다른 리액터에서도, 동일한 처리 조건(가스, 압력 등)이면, 항상 동일한 밀도가 된다. 이 불연속점을 천이점이라고 부르는 경우도 있다.
리액터 사이에 차이가 없는 경우, 동일한 처리 조건이면, 상기에서 나타낸 불연속점은 동일한 고주파 파워에서 발생하게 된다. 그래서, 본 실시형태에서는, 불연속점에서 동일한 밀도가 되는 특성을 이용함으로써, 장치간 차이를 정량적으로 검출하고, 그 차이를 캘리브레이션함으로써, 과제의 해결을 도모한다.
그러나, 이 불연속점은 컷오프 이상으로 플라즈마 밀도를 높게 하는 조건이 필요하고, 장치의 제약(고주파 전원의 최대 파워 등)으로부터, 불연속점의 검출은, 저가스 압력 영역(0.1에서 4Pa 정도)인 것이나 전리성이 있는 가스 종류를 사용하는 등, 일정한 조건이 필요하게 된다. 또, 불연속점은, 플라즈마의 발광 강도나 웨이퍼 바이어스 전압에 나타나는 케이스가 많지만, 컷오프 전후로 큰 변화가 보이지 않아 검출이 어려운 케이스도 있을 수 있다. 예를 들면, 발광의 경우, 컷오프 전후로 분포는 바뀌고 있지만, 계측점에서는, 발광 강도가 단조롭게 증가하는 케이스가 있다. 또, 바이어스 전압의 경우, 컷오프 전후로, 플라즈마의 임피던스는 변화되나, 변화가 작거나, 위상의 관계로 그것이 전압의 불연속으로서 검출할 수 없는 케이스가 있다.
이러한 불연속점의 검출 미스는, 어떠한 센서로 검출할지에 의존하고 있다. 비특허문헌 1과 같은 수단으로, 장치 내에 프로브를 도입하고, 리액터 전체의 플라즈마를 관측하면, 확실하게 센싱할 수 있을 가능성은 있다. 그러나, 반도체 제조에 사용하는 에칭 장치에서는, 웨이퍼 처리하기 위하여 스테이지(전극)가 있고, 온도 조절 기구, 고주파 바이어스 인가 기구 등이 있어, 비특허문헌 1과 같은 수단을 이용하는 것은 어렵다. 이 외에도 프로브 수단은 있지만, 반도체 제조용 장치에, 3차원적으로 플라즈마 상태를 파악하는 것은 어려워, 실시하는 데에도 특별하고 고가의 구성이 필요하게 된다.
통상 장치에 장착되는 센서는, 어느 플라즈마 상태에 대하여 장치 내를 어느 방향으로 적산값을 계측하게 된다. 예를 들면, 장치 측면에 설치한 광센서의 경우, 어느 높이 위치에서의 플라즈마 발광량의 직경 방향의 적산값이 된다. 이러한 적산값이기 때문에, 개개의 센서에서는, 변화를 포착하지 못하는 케이스가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는, 이러한 불연속성의 검출에는, 복수의 검출수단을 사용하는, 검출하는 물리 현상이 다른 복수의 검출수단을 병용한다. 예를 들면, 발광 강도, 웨이퍼 바이어스 전압 외에, 플라즈마의 발광 강도가 시간의 경과에 따라 생기는 변동(시간 변동), 웨이퍼에 인가하는 고주파 바이어스의 정합점(가변 인덕터의 포지션) 등 중 적어도 2개의 수단을 병용함으로써, 검출 에러를 막아, 상기 과제를 해결한다.
검출 에러를 막아, 효율적으로 불연속선(천이점)을 검출하기 위해서는, 복수의 계측 수단은, 구조적으로 독립적인 것이 바람직하다. 에칭 장치는 동심원 구조이고, 생성되는 플라즈마는, 대략 중심축에 대하여 대상(對象) 구조가 된다. 그래서, 장치 직경 방향의 분포와 높이 방향의 분포 변화를 독립적으로 포착하는 수단이 있으면 좋게 된다. 또한, 컷오프 부근에서는, 고주파 전계가 들어오면 전자 밀도가 오르고, 전자 밀도가 높아지면 고주파 전계가 들어오지 않게 되어, 밀도가 내려가는 상태를 반복하는 케이스도 있다. 즉, 컷오프 부근에서의 불연속은, 공간적으로 직경 방향, 높이 방향의 플라즈마의 밀도나 강도 등 특성의 변화 및 플라즈마의 밀도 분포의 시간 변동으로 표현되고, 이것들을 독립으로 검출할 수 있으면, 확실하게 불연속점을 검출할 수 있게 된다.
플라즈마 상태란, 전자 밀도, 전자 온도, 및 전자 밀도의 시간적 요동을 말한다. 발광은, 설치 장소로부터 직선적으로 적산한 플라즈마의 발광 강도이고, 대략 평균적인 전자 밀도를 반영하고 있다. 발광의 변동은, 전자 밀도의 요동으로, 고주파 전계 전파의 단시간 변동에 수반하는 플라즈마 생성의 변동을 포착하고 있게 된다. 바이어스 주파수에 대한 임피던스는, 웨이퍼로부터 어스가 될 수 있는 리액터 내벽면까지의 임피던스를 경로 적분한 것으로, 바이어스 고주파의 매칭 박스의 가변 코일의 포지션이나 출력 전압에 반영된다. 특히, 발광 강도는, 어느 직선상의 적분값인 것에 대하여, 웨이퍼에 인가하는 고주파의 임피던스는, 웨이퍼와 내벽면(어스 부분)을 향하는 직선을 중심으로 결정된다. 어스가 되는 내벽면은 고주파에 대한 어스이기 때문에, 표면이 금속일 필요는 없고, 얇은 절연체로 덮여 있어도 된다. 웨이퍼와 고주파에 대한 어스 위치가, 발광 강도의 측정 방향과 구조적으로 다르면, 각각 독립적인 방향 성분을 가지기 때문에, 계측을 상보적(相補的)으로 취급할 수 있다. 상기 서술한 바와 같이 불연속점에서의 플라즈마 내의 독립적인 현상은, 직경 방향, 높이 방향, 시간 변동의 3종으로 구성되기 때문에, 높이 방향은 발광 강도로, 직경 방향의 임피던스로, 시간 변동은 발광의 변동으로 계측하면, 검출 에러는 막을 수 있다. 더 바람직하게는, 3종의 계측이지만, 여기서 취급하는 시간 변동은 프로세스 시간에 대하여, 충분히 빠른 변화이고, 기기 차이라는 관점으로부터는, 직경 방향과 높이 방향에서의 불연속점을 검출하면 충분한 경우도 있다.
이렇게 하여, 실효적으로 리액터에 도입된 고주파 파워의 파워 차이는, 불연속점으로부터 검출할 수 있을 가능성이 있다. 또한, 이 컷오프 기인의 불연속점의 고주파 파워는 처리 조건에 의존한다. 그래서, 본 실시형태에서는, 미리, 불연속점의 고주파 파워가 다른 복수의 처리 조건을 준비하고, 장치마다 측정함으로써, 실효적으로 도입되는 고주파 파워의 차이가 클리어하게 된다. 즉, 파워 시프트(절편의 차이)하고 있는 것인지, 고파워일수록 실효 파워에 차이가 큰지(기울기의 차이), 클리어하게 된다.
실효 파워의 조정은, 절편과 기울기의 차이를 미리 구하여, 조정 파라미터로서 장치에 도입함으로써, 과제를 해결한다.
〔실시예〕
이하, 본 발명의 제1 실시예를 도1 내지 도 10을 이용하여 설명한다.
도 1은, 제1 실시예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다. 본 실시예의 플라즈마 처리장치는, 진공 용기와, 그 상방에 배치되는 도파관, 코일 등의 플라즈마 형성 수단과, 진공 용기 하방에서 이것과 연결되어 배치되는 도시 생략한 진공 펌프를 구비하고 있다. 진공 용기의 내부에는 플라즈마가 형성되는 진공처리실(120)과, 이것의 상방을 덮어 배치되어 석영 등 전계를 투과하는 재료로 구성되어 실질적으로 원형을 가진 판 형상의 마이크로파 도입창(106)이 배치되어 있다. 진공처리실(120)은 그 측 주위가 리액터(101)에 의해 둘러싸여 있다.
진공처리실(120)의 외부의 상방, 측방 주위에는, 3개의 솔레노이드 코일(112, 113, 114)과, 철제 요크(115, 116)가 설치되어 있다. 마이크로파 도입창(106)의 바닥면은 진공처리실(120)의 천정면을 구성하고, 그 상면은, 마이크로파 도파관(105)과 연결되어 실질적으로 원통 형상의 내부의 공간에 도입된 마이크로파가 공진되는 공진기(117)의 바닥면을 구성하고 있다.
공진기(117) 상부의 내부 공간의 천정면을 구성하는 원형 또는 링 형상의 판 부재는, 마이크로파 도파관(105)과 연결되어 이것들의 내부끼리 연통하고 있다. 마이크로파 도파관(105)은, 그 축방향은 하단부(下端部)로부터 상단부를 향하여 상하 방향 및 수평 방향으로 방향이 변화되고 있고, 상하 및 수평 방향의 관로는 각각의 단부가 내부끼리 연통하도록 접속되어 내부의 관로를 마이크로파가 전파 가능하게 되어 있다. 이 마이크로파 도파관(105)의 관로 상에는 마이크로파 정합기(104), 마그네트론(103)이 설치되어 있고, 마그네트론(103)에 의해 발신되어 형성된 소정의 주파수(본 실시예에서는 2.45GHz)의 마이크로파는 마이크로파 정합기(104)에 의해 조정되어 마이크로파 도파관 내를 하단부를 향하여 전파하여 공진기(117) 내에 도입된다. 공진기(117) 내에서 소정의 주파수로 공진된 마이크로파는 마이크로파 도입창(106) 및 그 하방에 배치된 샤워 플레이트(102)를 투과하여 진공처리실(120) 내에 도입된다.
진공처리실(120) 내의 플라즈마가 형성되는 공간의 하방에는, 시료인 웨이퍼가 그 상면에 얹어져 유지되는 실질적으로 원통 혹은 원판 형상을 가지는 처리대(108)가 배치되고 그 주위의 측벽 부분와 마찬가지로 원통 형상을 가진 리액터(101)의 측벽과의 사이의 공간은 플라즈마의 형성 공간 내의 플라즈마나 가스 생성물이 처리대(108)의 하방을 향하여 이동하여 흐르는 공간이 되어 있다.
또, 처리대(108)의 내부에는, 금속 등의 도전성 부재로 구성된 전극이 배치되어 처리대(108) 상에 얹어진 웨이퍼의 상방에 바이어스 전위를 형성하기 위한 고주파 전력이 인가된다. 또한, 처리대(108) 내부에는 금속제의 원판 형상을 가진 기재(基材)가 배치되고 기재 내부에 배치된 복수의 동심의 원 형상 또는 나선 형상으로 배치되어 내부를 기재 또는 처리대(108) 혹은 웨이퍼(107)의 냉각용 냉매가 통류하는 통로, 혹은 히터 등의 가열 수단을 가진 온도 조정 기구가 배치되어 있다. 또한, 처리대(108)의 상면에는, 내부에 복수의 막 형상의 도전체제의 전극을 내포하는 유전체로 이루어지는 원형의 막이 배치되어 있어, 시료가 재치되는 면을 구성하는 유전체막 상에 웨이퍼(107)가 얹어진 상태로 내부의 전극에 전력을 인가하여 정전기에 의해 웨이퍼(107)를 흡착하여 유지하는 정전척을 구성한다.
본 실시예의 플라즈마 처리장치는, 도시 생략한 진공 반송 용기와 연결되고, 진공 반송 용기 내의 진공반송실과 진공처리실은, 반송 포트의 밸브(110)에 의해 개폐되어 구획된다. 진공처리실(120) 내의 처리에 앞서, 웨이퍼(107)는 진공 반송실 내에 배치된 도시 생략한 반송 로봇이 구비한 아암 상에 얹어진 상태로, 진공 로봇 및 아암의 동작에 따라 감압된 진공반송실 내를 반송되고, 밸브(110)가 개방한 반송 포트 내측을 통과해 처리대(108) 상방까지 이송되어 처리대(108)에 전달된다. 반송 로봇이 진공처리실(120)로부터 퇴출한 후 밸브(110)가 반송 포트를 폐색(閉塞)하여 웨이퍼(107)의 처리가 개시된다. 처리가 종료된 후에는 밸브(110)가 개방한 반송 포트 내를 진입한 반송 로봇에 웨이퍼(107)가 다시 전달되어 다른 처리 전의 웨이퍼가 반입된다.
마이크로파 도입창(106)의 하방에는, 진공처리실(120) 및 처리대(108)의 재치면과 대향하여 배치된 석영제의 샤워 플레이트(102)가 배치되어 있다. 샤워 플레이트(102)와 마이크로파 도입창(106) 사이의 공간에는, 플라즈마 처리장치를 구성하는 진공 용기의 외부에 배치된 가스원과 연결된 관로를 통하여 처리용 가스가 도입되고, 이 공간에 도입된 처리용 가스는 샤워 플레이트(102)의 중앙부를 포함하여 처리대(108)의 상방에서 이것과 대향하는 영역에 배치된 복수의 관통 구멍으로부터 진공처리실(120) 내에 상방으로부터 도입된다.
처리대(108)의 바로 하방의 진공 용기 하부에는, 진공처리실(120) 내부의 가스나 플라즈마, 생성물 등이 외부로 배출되는 개구가 배치되어 있고, 이 개구는 진공 용기 하방에 배치된 도시 생략한 진공 펌프의 입구와 배기의 통로에 의해 연통되어 있다. 개구 하방에서 이 개구와 진공 펌프의 사이에는 복수의 판 형상의 플랩이 회전하여 통로의 개구 단면적을 증감하는 조압 밸브(109)가 배치되고, 이 플랩의 회전에 의한 개구의 증감에 의해 진공처리실(120)로부터의 배기의 유량 속도가 조절된다.
이러한 플라즈마 처리장치에 있어서 웨이퍼(107)가 처리(에칭 처리)되는 경우, 에칭용 가스가 상기 샤워 플레이트(102)의 관통 구멍으로부터 진공처리실(120) 내에 도입된다. 가스 도입의 유량 속도와 조압 밸브(109) 및 진공 펌프의 동작에 의한 가스 배출의 유량 속도의 밸런스에 의해, 진공처리실(120) 내의 압력이 원하는 값의 범위 내가 되도록 조절된다.
처리에 적합한 압력이 된 것이 도시 생략한 압력 센서에 의해 검지되면, 마그네트론(1O3)에 의해 약 2.45GHz의 전계가 형성되고, 마이크로파 정합기(104)에 의한 조절을 거쳐, 마이크로파 도파관(105) 내부의 통로를 전파하여, 공진기(117), 마이크로파 도입창(106)을 통과하여 진공처리실(120)에 도입된다. 또한, 솔레노이드 코일(112, 113, 114)에 직류 전류가 인가되어, 진공처리실(120) 내의 일부가 약 875 가우스가 되는 자계가 형성되도록 코일의 전류가 조정된다. 이와 같이 진공처리실(120) 내에 도입된 가스가 마이크로파에 의한 전계 및 코일에 의해 형성된 자계에 의해 여기되고 플라즈마화되어 진공처리실(120) 내에 플라즈마가 생성된다.
당해 플라즈마의 방전 전에는, 처리대(108) 상에는 웨이퍼(107)가 상기와 같이 반송되어 유지되어 있다. 이 상태에서 웨이퍼(107)가 처리에 적합한 온도의 범위 내가 되도록 온도 조절 기구가 구동되고 있다. 본 실시예의 처리대(108)는, 웨이퍼의 중앙부와 그 외주(外周)에서 서로 다른 온도로 조절 가능하게 구성되어 있으나, 원하는 온도 프로파일[처리대의 웨이퍼(107) 또는 재치면의 면 방향에 대한 온도의 분포]을 얻기 위하여, 처리 중의 중앙부와 외주부 사이의 온도의 차이는 약 40℃ 이하인 조건으로 조절된다.
또, 웨이퍼(107)가 재치면 상에 유지된 상태에서 웨이퍼(107)의 이면과 처리대(108)의 유전체막(정전척) 사이에는, 유전체막 상에 배치되고 도시 생략한 관로 내부와 연통된 개구로부터, 양자 사이의 열전달을 촉진하기 위한 전열 가스로서 He가 도입된다. 웨이퍼(107)의 표면에는 에칭 가공의 대상의 막을 포함하는 복수의 막층의 구조가 미리 배치되어 있고, 이러한 막층의 예로서는, 마스크로서의 레지스트 재료에 마스크 패턴이 전사되어 있는 경우와 마스크 패턴이 없는 Si 웨이퍼의 경우가 있다.
본 실시예에서는, 플라즈마의 착화와 대략 동시 혹은 플라즈마의 착화보다 소정의 시간만큼 빠르게 200kHz에서 30MHz 범위의 고주파 전력이 처리대(108) 내부의 전극에 인가된다. 이 고주파 전계는 전극과 전기적으로 접속된 고주파 전원(125)으로부터 동축 케이블로 매칭 박스(124)를 거쳐 도입된다.
처리대(108) 내의 전극에 공급된 고주파 전력에 의해 웨이퍼(107) 상방에 바이어스 전계가 형성되고, 플라즈마와의 사이의 전위차에 의해 플라즈마 내의 이온 등의 하전 입자가 웨이퍼(107) 표면에 유인되어 처리 대상의 막이 에칭 처리된다.
이렇게 하여 웨이퍼(107) 상에 박막을 가공한다. 본 실시예의 웨이퍼(107)의 직경은 약 300㎜이다.
본 실시예에서는, 웨이퍼(107)의 처리 중에, 플라즈마의 발광 강도, 당해 발광의 변동, 매칭 박스의 가변 코일 위치, 전극에 인가되는 고주파 전력의 전압(고주파 전압) 등의 처리의 조건을 나타내는 파라미터가 소정의 간격, 예를 들면, 0.1s마다 검출된다. 이러한 검출 때문에 본 실시예의 플라즈마 처리장치에서는, 광센서(121), 제1 가변 코일(127) 및 제2 가변 코일(128)의 위치 센서, 전압계(126)가 배치되어 있다.
광센서(121)는, 공진기(117)의 천정 상면을 구성하는 링 형상의 판 부재에 외측으로부터 삽입 장착되어 유지되고, 투광성 부재인 샤워 플레이트(102), 마이크로파 도입창(106)을 거쳐서 진공처리실(120) 내로부터의 광을 수광하는 계측 포트(123)와 광파이버(122)로 접속되어 있다. 1㎳ 정도 단시간의 발광 변동을 계측하지 않는 경우, 광센서(121)는 분광기로 대용할 수도 있다.
본 실시예에서는, 소정의 형상의 웨이퍼(107)를 처리대(108) 상에 재치한 상태에서, 선택한 처리의 조건에서의 마이크로파 파워를 점차 변화시켜 간다. 웨이퍼(107)의 처리 전에는, 진공처리실(120) 내부 어느 특정한 조건으로 클리닝, 히팅한다. 예를 들면, Ar 등의 불활성가스를 도입한 플라즈마를 형성하고, 플라즈마에 면한 진공처리실(120) 내부의 표면에 퇴적한 부착물을 기화시킴과 함께, 플라즈마와의 상호 작용에 의해 진공처리실(120)에 면한 리액터(101)의 내측 표면을 가열한다.
다음으로, 처리 가스로서 샤워 플레이트(102)로부터 Cl2 가스를 100ml/min, HBr 가스 20ml/min, 02 가스 5ml/min의 유량 속도로 도입하여, 진공처리실(120) 내부의 압력을 0.3Pa로 조절한다. 또한, 솔레노이드 코일(112, 113, 114)에 공급하는 직류 전력이 공급되어 자계가 형성되고, 웨이퍼(107)의 중심으로부터 170㎜의 높이의 자장 강도가 약 875 가우스가 되도록 직류 전력이 조정된다. 또한, 600W의 마이크로파가 마그네트론(103)에서 발생되어 진공처리실(120)에 도입되고 처리 가스가 여기되어서 진공처리실(120) 내의 처리대(108) 상방에 플라즈마가 생성된다.
본 실시예에서는, 마이크로파의 도입보다 0.1초 전에 처리대(108)에 400kHz의 고주파를 100W 인가한다. 10초 정도 방전시킨 후, 마이크로파의 파워를 300W로고 하고, 2초마다 10W씩 높여, 1100W까지 높이고, 그 후, 처리를 종료한다. 최초의 600W, 약 10초간의 방전은, 착화 초기의 불안정성 회피 및 데이터 재현성 확보를 위해 도입하고 있다. 또, 마이크로파 파워를 점차 높여, 측정된 데이터를 방전 특성 데이터라고 부르기로 한다.
본 실시예의 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 방전 특성을 검출하여 얻어지는 플라즈마의 발광 강도, 이 발광 강도의 시간 경과에 수반하는 변동의 크기, 가변 코일의 포지션 및 전압의 방전 특성 데이터를, 각각 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5에 그래프로서 나타낸다. 여기서, 도 2의 발광 강도는 1.5초간의 평균값, 도 3에 나타내는 발광 편차는, 적산 시간 0.1밀리초, 20밀리초 간격의 발광 데이터의 표준 편차이다. 이것들은 가로축에 상기의 처리 중에 진공처리실(120) 내에 공급된 마이크로파의 전력값(파워)의 값을 취하여, 그 변화에 수반하는 플라즈마의 발광 강도, 플라즈마의 발광 강도의 시간적 변화의 크기, 복수의 가변 코일의 포지션의 차이, 처리대(108)에 공급되는 고주파 전력의 전압값의 변화를 선으로서 나타내고 있다.
어느 도면에 나타낸 예에 있어서도, 620W 부근에 변곡점이 있는 것을 알 수 있다. 다른 플라즈마 측정으로부터 620W 부근의 플라즈마 생성 영역의 플라즈마 밀도는, 대략 2.45GHz의 컷오프 밀도(약 1 × 1011개/㎤)가 되는 것이, 발명자들의 검토에 의해 판명되어 있다.
도 2에 나타내는 발광 강도에서는, 620W 이상에서 급격하게 발광 강도가 상승한다. 이것은, 플라즈마의 분포가 변화되어, 발광 센서를 설치한 위치에서의 마이크로파 흡수가 높아지기 때문이라고 생각된다.
도 3의 발광 강도의 변동은, 620W 이상에서 증대하고, 그 후 감소한다. 컷오프 부근에서는, 밀도가 높아지면 마이크로파의 전파가 억제되어 흡수 효율이 저하된다. 그리고 저하된 경우에는 플라즈마의 밀도가 내려가기 때문에, 마이크로파의 플라즈마 내로의 흡수가 진행되어 플라즈마의 밀도가 상승하게 되고, 이것들이 반복되기 때문에 변동이 커져 있다.
본 도면에 있어서, 300W 부근에서도 변동은 크지만, 이것은, 공간 전체를 방전 유지하는데 필요한 마이크로파 파워가 불충분하기 때문이라고 생각된다. 620W 부근에서는, 플라즈마의 분포가 변화되기 때문에, 플라즈마 공간의 임피던스도 변화된다.
처리대(108)에 인가하는 고주파 전계의 전압은, 도 5에 나타내는 바와 같이 변화되고, 임피던스의 변화에 의해 매칭 박스(124)의 가변 코일(127, 128)의 정합점도 도 5과 같이 변화된다. 모두 620W에서 불연속이 된다.
다음으로, 동일한 처리 조건을 사용하여, 다른 리액터의 방전 특성 데이터를 취득한다. 천이점은, 중심점 620W 부근에서 2차 미분이 제로가 되는 점 혹은 1차 미분값의 불연속점을 합치시켜 구한다.
도 6에, 플라즈마의 발광 강도 계측으로부터 구한 천이점(불연속점)의 마이크로파 파워의 도수 분포를 나타낸다. 본 실시예에서는, 리액터의 수를 118개로 한다. 대략, 620W를 중심으로 σ10W 정도로 분포되어 있지만, 한점만 벗어나 있음을 알 수 있다. 이러한 검출의 결과를 이용함으로써, 발광 강도로부터 천이 마이크로파 파워를 검출함으로써, 이상한 장치인지의 여부를 판단할 수 있다.
도 7, 도 8, 도 9, 도 1O에, 벗어난 값을 포함하는 리액터를 포함시키고, 임의로 선택한 복수의 반도체 처리장치 또는 리액터 각각에 있어서의 천이점에서의 마이크로파의 전력값(파워)을 나타낸다. 도 7은, 발광 강도, 도 8은 발광 강도의 시간적인 변동의 크기, 도 9는 가변 코일의 포지션, 도 10은, 처리대(108)에 공급되는 고주파 전력의 전압값(Vpp : 피크 투 피크 전압)이다. 도 9에서는, 2개의 코일의 포지션의 감산한 값을 이용하고 있다.
리액터 6번은, 어느 데이터에서도 천이점의 마이크로파의 전력값(파워)이 40～50W 정도 작아진다. 벗어난 값의 검출은, 검출한 데이터 값의 표준 편차의 6배의 폭으로서, 도면에 파선으로 나타내고 있다. 리액터 6번은 전압 계측(도 10)을 제외하고, 다른 리액터의 값으로부터 멀어진 값(벗어난 값)이 되어 있다. 전압 계측은, 정밀도가 다른 계측에 비해 낮은 경향이 있다.
도 9의 가변 코일 위치로부터 구한 천이점의 마이크로파 파워에서는, 리액터 54번의 천이점은, 천이점 검출 정밀도의 범위 값을 넘고 있다. 도 7, 도 8의 발광 강도나 그 변동에서는 이것은 검출되어 있지 않다. 또한, 도 10에서도 리액터 54번이 벗어난 값이 되어 있다. 이것은, 처리대(108)에 인가하는 고주파 전원의 출력부에 고장으로, 임피던스의 정합이 벗어났다고 생각된다. 발명자들의 검토에 의하면, 전원을 교환하면 천이점의 마이크로파 파워는 측정 오차 내에 들어감을 알고 있다. 이와 같이, 서로 다른 계측 수단을 이용하여 천이점을 검출한 데이터를 비교함으로써 장치를 구성하는 부품의 불량을 검출, 특정할 수 있다.
다음으로, 다른 장치(리액터)와 데이터가 떨어져서 기기 차이가 큰 것[본 예에서는 리액터(6)]을 교정하는 동작에 대하여 설명한다. 본 예의 리액터(6)는, 마그네트론의 출력이나 파워 미터에 이상은 보이지 않지만, 당해 리액터를 조립했을 때에 부품의 치수나 배치, 거리에 편차가 생겼다고 예측된다.
본 실시예에서의 발광 강도, 발광 강도의 변동, 가변 코일 위치부터 구한 마이크로파 파워의 천이점은, 약 570W이다. 다른 리액터를 포함시킨 전체의 평균 천이점의 파워가 약 620W이기 때문에, 50W(8%) 정도 천이점이 낮아져 있다.
그래서, 리액터(6)에서 570W 투입시의 마이크로파 파워가 처리 조건(레시피) 설정시에 620W가 되도록, 변환 테이블을 리액터(6)에 적용한다. 변환 테이블에 의한 환산 의 방법으로서는, 설정값으로부터 50W 감산해도 되나, 원점은 움직이지 않기 때문에 본 실시예는 계수를 곱하고 있다. 이러한 변환에 의해, 리액터(6)에서는, 레시피 설정의 파워에 대하여 0.92를 곱한 마이크로파 파워를 도입하게 되어, 이 캘리브레이션에 의해 천이점의 마이크로파 파워는, 다른 장치(리액터)의 것과 동등하게 된다.
웨이퍼(107)의 처리 조건의 하나의 예로서 다음의 조건을 생각할 수 있다. 다결정 Si막(poly-Si)의 가공에 있어서, 처리 가스로서 샤워 플레이트(102)로부터 Cl2 가스를 100ml/min, HBr 가스 20ml/min, 02 가스 5ml/min의 유량 속도로 도입하고, 진공처리실(120)의 압력을 0.3Pa로 조절한다. 전력의 값이 500W의 마이크로파를 마그네트론(103)에서 발생시켜서 진공처리실(120)에 도입하고, 또한 솔레노이드 코일(112, 113, 114)로부터의 자계를 진공처리실(120) 내에 도입함으로써 플라즈마를 생성한다.
또한, 처리대(108) 내부의 전극에 400kHz의 고주파 전력을 100W 인가한다. 이 조건을 캘리브레이션 전의 리액터(6)에 적용하여 poly-Si막을 가공하면, 실질적으로 40W 정도 높은 마이크로파 파워가 도입된다. 이 때문에, 에칭 속도는, 정상적인 리액터에 비해 5% 정도 높고, 특히 웨이퍼 주변부(에지로부터 3㎜)의 패턴의 가공 치수는, 2, 3nm 가늘게 완성된다. 리액터(6)를 캘리브레이션하면, 이러한 차이는 없어져, 계측 오차나 성막 등의 편차 중에 묻혀, 프로세스 사양을 만족시키게 된다.
발광 강도의 변동은, 플라즈마 주파수 정도의 주파수로 변동되고 있다고 추정할 수 있지만, 처리대(108)에 인가하는 고주파로도 동시에 변동하기 때문에, 적산 시간이 짧으면, 인가하는 고주파의 진동을 계측하게 된다. 따라서 적산 시간은, 고주파의 1주기 이상이 바람직하고, 400kHz의 경우, 2.5μ초 이상이 된다. 400kHz 진동을 충분히 억제하기 위해서는, 25μ초 이상이 바람직하다. 한편, 적산 시간을 길게 하면, 발광량이 평균화되어 변동은 작아진다. 광센서의 정밀도 등을 고려하면, 0.2s를 넘으면 검출이 어려워진다. 실험적으로 0.1s 적산에서는, 도 3의 변동은 약 1/5 정도가 되지만 검출은 가능하다. 따라서, 적산 시간은, 25μ초에서 0.2s가 바람직하다.
다음으로, 도 1의 실시예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 변형예를 도 11 내지 도 15를 이용하여 설명한다. 도 11은, 도 1에 나타내는 실시예의 변형예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 구성의 개략을 나타내는 종단면도이다.
본 변형예에서는, 도 1의 실시예에 있어서의 광센서(121) 대신 분광기(130)를 배치한 구성을 구비하는 것이다. 본 예에 있어서는, 처리 가스로서 샤워 플레이트(102)로부터 Cl2 가스를 20ml/min, HBr 가스 100ml/min, 02 가스 2ml/min의 결여된 유량 속도로 진공처리실(120) 내에 도입되고, 진공처리실(120) 내부의 압력을 0.7Pa로 조절한다.
또한, 웨이퍼(107)의 중심으로부터 150㎜ 높이의 자장 강도가 약 875 가우스가 되도록 솔레노이드 코일(112, 113, 114)로부터 진공처리실(120) 내에 도입되는 자계를 조정한다. 또한, 전력값 700W의 마이크로파를 마그네트론(103)에서 발생시켜, 마이크로파 도파관(105)을 거쳐서 진공처리실(120)에 도입하여 플라즈마를 생성한다. 당해 마이크로파의 도입보다 0.1초 전에 처리대(108) 내의 전극에 전력값 400kHz의 고주파 전력을 100W 인가한다. 이 조건으로 10초 정도 플라즈마를 형성시킨 후, 마그네트론(103)에서 생성되는 마이크로파의 파워를 300W로 하고, 2초마다 10W씩 높여, 1100W까지 높여 간 후 처리를 종료한다. 본 변형예에서는, 분광기(130)는 파장 약 250nm에서 900nm까지의 파장의 광을 분해능 0.5nm마다 적산 시간 0.1초로 검출하는 것이다.
도 12에 파장 450nm에서 800nm을 적산한 플라즈마의 발광 강도의 변화를 나타낸다. 본 예에서는 단파장 영역에 비해 이것보다 긴 파장 영역인 450nm에서 800nm의 범위에서 강도의 변화가 크기 때문에 이 파장을 선택하였다. 이러한 변화는 이 파장 영역은 Cl이나 Br의 발광 스펙트럼이 있고, 전자 충돌로 여기하는 순위가 다수 있기 때문이라고 생각된다.
마이크로파의 전력값(파워)이 높아짐에 따라 발광 강도는 단조롭게 증가하고, 800W 부근에 변곡점인 듯한 것은 있지만, 불연속점은 명확하게 검출되지 않는다. 또, 실시예와 관련되는 플라즈마 처리장치의 광센서(121)를 사용해도 동일하게 불연속점(천이점)은 보이지 않는다. 불연속점이 검출되지 않는 이유는, 플라즈마의 분포가 바뀌어도, 광파이버의 접속 위치로부터는 현저하게 계측할 수 없었기 때문이라고 생각된다.
도 13과 동일한 조건으로, 매칭 박스(124)의 가변 코일(127, 128)의 포지션 차이를 나타낸다. 마이크로파의 파워가 높아짐에 따라, 가변 코일 포지션의 차이는 커져서, 820W 이후는, 대략 일정하게 된다. 포지션 차이가 거의 변하지 않기 때문에, 웨이퍼에서 어스까지의 고주파 임피던스가 거의 변화하지 않는다고 판단된다. 실시예에 나타내는 플라즈마 처리장치에서는 리액터(101) 및 하부 리액터(111)가 진공 용기 밖에서 어스와 전기적으로 접속되어 내측 부분(진공측 내벽면)이 접지 전극이 되어 있다. 발명자들은, 플라즈마의 컷오프 밀도 이상에서는, 플라즈마는 전자 사이클로트론 공명(ECR)하는 150㎜의 높이까지에서 흡수되고, ECR이 생기고 있는 면보다 아래 영역에서는 플라즈마의 밀도나 강도 등 상태는 큰 변화가 없어, 결과적으로 고주파 임피던스가 변화되지 않는다고 하는 지식을 얻고 있다. 특히, 진공처리실(120) 내의 압력이 높아지면, 플라즈마는 샤워 플레이트(102)에 가까운 측에서 흡수되기 쉬워지기 때문에, 이러한 경향은 강해지는 것이라고 생각된다. 이 820W 부근에서는, 다른 계측으로부터 플라즈마 밀도는 대략 컷오프의 밀도가 되어 있어, 이 점(820W)이 불연속점(천이점)이라고 할 수 있다.
도 12에 나타내는 바와 같이 발광 강도의 변화로부터, 천이점은 클리어하게 되지 않지만, 가변 코일의 포지션에서 검출하고 있다. 천이점에서의 플라즈마의 변화가 상하로 변화되는 경우에는, 광센서에서는, 그 변화를 포착할 수 없다고 추찰한다. 이와 같이, 하나의 계측에서는, 처리 조건에 의해 불연속점이 명확해지지 않는 경우가 있지만, 그것을 보완하도록 배치된 계측 수단을 이용함으로써, 천이점의 검출이 상보적이게 된다. 이 예와는 반대로, 가변 코일의 포지션만으로는, 검출이 어려운 케이스도 있다. 분광기를 사용하는 케이스에서는, 발광 강도를 사용하였으나, 천이로 플라즈마 중의 래디컬비에 변화가 있는 경우에는, 어느 파장 영역의 발광 강도로 규격화한 강도비의 변화를 사용해도 된다.
도 14는, 도 1에 나타내는 실시예 및 도 14에 나타내는 변형예가 구비하는 가변 콘덴서를 사용한 정합기의 다른 예를 모식적으로 나타내는 도면이다. 상기 실시예 및 변형예에서는, 매칭 박스(124)의 가변 코일(127, 128)의 위치를 조절하여 고주파 전력의 정합을 취하고 있지만, 도 14에 나타내는 예에서는, 가변 콘덴서(141, 142) 및 이것들 사이에 배치된 고주파 코일(143)을 구비한 정합기를 사용하여 정합하는 경우에는, 불연속점을 이들 가변 콘덴서의 위치로부터 구해도 된다.
도 1에 나타내는 실시예에 있어서, 처리용 가스로서의 Cl2 가스를 20ml/min, HBr 가스 100ml/min, 02 가스 4ml/min의 각 유량 속도로 도입하고, 진공처리실(120) 내의 압력을 0.4Pa, 처리대(108)에 도입하는 고주파 파워 100W를 중심으로, 복수의 리액터에 대하여 복수의 조건으로 천이점을 구하였다. 조건은, 이하의 6 조건으로 한다.
도 15에 각 조건의 천이점의 레이더 차트를 나타낸다. 각 조건 천이점의 마이크로파 파워는, 발광 강도, 발광 강도의 변동 및 가변 코일의 위치로부터 얻어지는 천이점의 마이크로파 파워의 평균값이다. 천이점이 얻어지지 않는 경우에는, 그 데이터를 제외한다. 본 도면에 있어서, 선(151)은, 정상적인 반도체 처리장치(110)대의 천이점의 마이크로파 파워의 평균값이다.
이것들 중의 어느 장치(리액터)에서는, 선(152)과 같이 천이점이 전체에 50W정도 높아지는 경향이 있고, 다른 정상적인 장치(리액터)와는 다르다. 이러한 기기 차이는, 반도체 디바이스의 양산을 위한 처리가 개시되기 전에 보정할 필요가 있다. 본 실시예에서는, 이 기기 차이가 큰 장치에서는, 설정하는 마이크로파 파워에 대하여, 실제로 출력되는 파워를 50W 정도 낮게 한다. 천이점의 마이크로파 파워가 조건마다 다른 것을 이용하여, 파워 시프트시키는 양이 결정된다. 이 경우, 설정 파워의 1.04배에 20W 가한 전력값의 마이크로파의 전계를 사용함으로써, 다른 장치(리액터)와의 진공처리실(120)에 의한 처리의 조건이 동일해지도록 보정되어, 처리에 의해 제조되는 반도체 디바이스의 수율이 향상된다.
상기 실시의 예에 의해, 플라즈마 처리장치에 있어서, 도입되는 실효적인 고주파의 전력이 복수의 장치, 리액터에서 동일한 값으로 조절됨으로써, 복수의 장치 또는 리액터에 있어서 동일한 사양의 공정을 동일한 처리의 조건으로 처리한 경우에 발생하는 장치 또는 리액터끼리의 사이의 처리의 결과의 차이가 저감되어, 처리의 정밀도, 수율이 향상되어 집적도가 더욱 높고 미세한 패턴을 가지는 반도체 장치의 생산이 용이하게 된다.
61 : 벗어난 값 101 : 리액터
102 : 샤워 플레이트 103 : 마그네트론
104 : 마이크로파 정합기 105 : 마이크로파 도파관
106 : 마이크로파 도입창 107 : 웨이퍼
108 : 처리대 109 : 조압 밸브
110 : 밸브 111 : 하부 리액터
112, 113, 114 : 솔레노이드 코일 115, 116 : 요크
117 : 공진기 120 : 진공처리실
121 : 광센서 122 : 광파이버
123 : 계측 포트 124 : 매칭 박스
125 : 고주파 전원 126 : 전압계
127, 128 : 가변 코일 129 : 콘덴서
130 : 분광기 141, 142 : 가변 콘덴서
143 : 고주파 코일

Claims (7)

  1. 진공 용기의 내부에 배치된 처리실 및 이 처리실 내에 배치되고 그 표면에 처리 대상의 막이 배치된 웨이퍼가 재치되는 시료대와, 상기 처리실 내에 상방으로부터 이 처리실 내에 플라즈마를 형성하기 위한 전계를 공급하는 수단과, 상기 처리실 내의 가스가 배기되는 배기구를 구비한 적어도 하나의 리액터를 구비하고, 상기 시료대 내에 배치된 전극에 고주파 전원으로부터의 전력이 정합기를 거쳐 공급하면서 상기 플라즈마를 사용하여 상기 웨이퍼가 처리되는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 처리 중에 상기 전계의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터 중 적어도 2 종류의 데이터의 값이 급격하게 천이하는 상기 전력의 특정한 값이, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼에 대하여 실시된 상기 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 맞춰진 플라즈마 처리장치.
  2. 진공 용기의 내부에 배치된 처리실 및 이 처리실 내에 배치되고 그 표면에 처리 대상의 막이 배치된 웨이퍼가 재치되는 시료대와, 상기 처리실 내에 상방으로부터 이 처리실 내에 플라즈마를 형성하기 위해 공급되는 전계를 형성하는 제1 전원과, 상기 처리실 내의 가스가 배기되는 배기구를 구비한 적어도 하나의 리액터와, 상기 웨이퍼의 처리 중에 상기 시료대 내에 배치된 전극에 정합기를 거쳐 고주파 전력을 공급하는 제2 전원을 구비하고, 상기 플라즈마를 사용하여 상기 웨이퍼가 처리되는 플라즈마 처리장치에 있어서,
    상기 처리 중에 상기 제1 전원으로부터의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터 중 적어도 2 종류의 데이터의 값이 급격하게 천이하는 상기 제1 전원으로부터의 전력의 특정한 값이, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼의 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 맞춰진 플라즈마 처리장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 처리실 내에 상기 플라즈마를 형성하기 위하여 공급되는 전계가 마이크로파의 전계인 플라즈마 처리장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다른 리액터가 다른 플라즈마 처리장치에 설치된 리액터인 플라즈마 처리장치.
  5. 진공 용기로 구성되는 리액터의 내부의 처리실 내에 배치된 시료대 상에 그 표면에 처리 대상의 막이 배치된 웨이퍼를 재치하고, 상기 처리실 내에 상방으로부터 이 처리실 내에 전계를 공급해 플라즈마를 형성하여 시료대 내에 배치된 전극에 고주파 전원으로부터의 전력이 정합기를 거쳐 공급하면서 상기 플라즈마를 사용하여 상기 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리방법에 있어서,
    미리 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼의 처리 중에 상기 전계의 전력을 복수의 값으로 변동시켜서 검출된 상기 전력의 값의 변화에 대한 상기 플라즈마의 발광 강도, 상기 플라즈마의 발광 강도의 시간 변동의 크기, 상기 정합기의 정합 위치 및 상기 전극에 공급되는 상기 고주파 전력의 전압의 값의 변화를 포함하는 특성 데이터를 검출하고, 이것들 중 적어도 2 종류의 데이터의 값이 급격하게 천이하는 상기 전력의 특정한 값을, 다른 리액터에 있어서 상기 웨이퍼와 동일한 종류의 웨이퍼에 대하여 실시된 상기 처리 중에 검출된 상기 특성 데이터를 사용하여 검출된 상기 특정한 값에 합치시켜서 상기 웨이퍼를 처리하는 플라즈마 처리방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리실 내에 상기 플라즈마를 형성하기 위하여 공급되는 전계가 마이크로파의 전계인 플라즈마 처리방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 다른 리액터가 다른 플라즈마 처리장치에 설치된 리액터인 플라즈마 처리방법.
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