(57)【要約】    【課題】  プラズマ・パラメータを正確に計測し、プラズマを安定して供給可能とするプラズマ処理装置を提供する。    【解決手段】  複数の電極１０２と、該電極の間の距離を調節する電極移動手段１１１ｂと、加熱手段を有するプローブ３０２と、前記電極間の電圧値及び電流値を計測する計測手段４０１と、該計測手段で得られた値を解析し、プラズマの状態を検知する解析手段４００とを具備する。    【選択図】          図１
2010010281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、該電極の間の距離を調節する電極移動手段と、加熱手段を有するプローブと、前記電極間の電圧値及び電流値を計測する計測手段と、該計測手段で得られた値を解析し、プラズマの状態を検知する解析手段とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを発生させてＣＶＤ（化学気相堆積法）によりウェーハ等の基板に薄膜を生成し、或はエッチング等の処理をして半導体素子を製造するプラズマ処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板処理には、プラズマを発生させ、ＣＶＤによりウェーハ等の基板に薄膜を生成し、或はエッチング等の処理をして半導体素子を製造する基板処理方法がある。基板処理方法で用いる装置には、気密な真空容器内の上下に上部平板電極、下部平板電極が平行に対向して設けられ、前記真空容器内に反応ガスを導入するガス導入管、反応後のガスを排出するガス排出管が設けられている。
【０００３】
ウェーハ等の基板処理を行う際には、前記下部平板電極上にウェーハを載置し、前記上部平板電極、前記下部平板電極間に高周波電力を印加させ、両電極間にプラズマを発生させ、反応性イオンガスによりウェーハ表面に薄膜を生成する等の処理を行っている。
【０００４】
従来、プラズマを用いた基板処理装置に於いては、ガス圧やガス流量やＲＦ電力を制御してはいるが、殆どの場合、プラズマの状態をリアルタイムで認識しないまま、ウェーハに対し表面処理を施している。
【０００５】
従って、従来の方式では、不純物や副産物の発生量の変化等により、プラズマを安定して供給することができず、ウェーハに対し表面処理を施す場合、膜質分布や組成比等に於いて、面方向や膜厚方向で極めて高い均一性を確保することが困難であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は斯かる実情に鑑み、プラズマ・パラメータを正確に計測し、プラズマを安定して供給可能とするプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、複数の電極と、該電極の間の距離を調節する電極移動手段と、加熱手段を有するプローブと、前記電極間の電圧値及び電流値を計測する計測手段と、該計測手段で得られた値を解析し、プラズマの状態を検知する解析手段とを具備するプラズマ処理装置に係るものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の電極と、該電極の間の距離を調節する電極移動手段と、加熱手段を有するプローブと、前記電極間の電圧値及び電流値を計測する計測手段と、該計測手段で得られた値を解析し、プラズマの状態を検知する解析手段とを具備するので、プラズマ・パラメータを正確に計測でき、プラズマを用いてウェーハ等の基板に対して成膜やエッチング等といった表面処理を行う場合、プラズマ処理装置に高い処理性能を持たせることが可能になるという優れた効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。
【００１０】
図１に於いて、本発明が実施されるプラズマ処理装置について説明する。
【００１１】
該プラズマ処理装置は、チャンバ２１１内部に反応室２２０が画成され、前記チャンバ２１１の天井部にはガス供給管２０３が設けられ、該ガス供給管２０３には、流量調節器２０１と供給バルブ２０２が取付けられ、前記ガス供給管２０３は図示しないガス供給源に接続されている。又、前記チャンバ２１１の底部にガス排気管２０４が設けられ、該ガス排気管２０４には、下流に向かって排気調節バルブ２０５と排気バルブ２０６が取付けられ、該排気バルブ２０６の下流側には真空ポンプユニット２０７が接続されている。
【００１２】
前記チャンバ２１１の天井部外側には、上部高周波電極２１０ａが設けられ、底部外側には下部高周波電極２１０ｂが配設されており、前記反応室２２０の下部にはウェーハ３０１が載置される。又前記上部高周波電極２１０ａ、前記下部高周波電極２１０ｂは、整合器２０９を介して高周波電源２０８に接続されている。
【００１３】
前記チャンバ２１１の側壁面には孔が穿設され、該孔を前記プローブ３０２が気密に貫通している。該プローブ３０２の貫通部にはフランジ状になったプローブ導入ポート２１２が気密に取付けられている。
【００１４】
前記プローブ３０２は、先端にプラズマ検出部２２１を有し、該プラズマ検出部２２１は、前記プローブ３０２の軸心方向に変位可能となっており、前記プローブ３０２先端のプローブ電極１０２の位置を変えることで、プラズマ発生領域の任意の位置のパラメータを取得できる。又、前記プローブ３０２は、制御計測器４０１に電気的に接続されている。
【００１５】
主制御器４００からは、４本の信号線Ａ〜Ｄが延出し、信号線Ａが前記流量調節器２０１と前記供給バルブ２０２に接続され、信号線Ｂが前記排気調節バルブ２０５と前記排気バルブ２０６と前記真空ポンプユニット２０７に接続され、信号線Ｃが前記高周波電源２０８と前記整合器２０９に接続され、信号線Ｄが前記制御計測器４０１に接続されている。
【００１６】
ガス供給源（図示せず）より供給される反応ガス２００は、前記ガス供給管２０３に沿って、前記流量調節器２０１と前記供給バルブ２０２を通り、前記チャンバ２１１内に導入される。前記反応ガス２００、不純物ガス及び不純物粒子は、前記ガス排気管２０４に沿って、前記排気調節バルブ２０５と前記排気バルブ２０６を通り、最終的に前記真空ポンプユニット２０７にて排気される。この時のガス圧力は、前記流量調節器２０１と前記排気調節バルブ２０５を制御することで調整される。  
【００１７】
プラズマ３００は、前記高周波電源２０８からの高周波電圧が、前記整合器２０９を介して前記上部高周波電極２１０ａ、前記下部高周波電極２１０ｂに供給されて生成される。前記ウェーハ３０１は、前記プラズマ３００に曝されることで、表面処理が施される。前記プローブ３０２は、前記プローブ導入ポート２１２より前記チャンバ２１１に挿入されている。プラズマ・パラメータは、後述のプラズマ・パラメータ導出方法に基づいて、前記プローブ３０２と前記制御計測器４０１で得られた数値データを前記主制御器４００で解析することで得られる。その値が設定値となる様に、ガス圧やガス流量や高周波電力は、前記主制御器４００でのＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ａｎｄ  ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御によって制御される。
【００１８】
又、前記主制御器４００は、信号線Ａを介して前記流量調節器２０１と前記供給バルブ２０２とを制御し、信号線Ｂを介して前記排気調節バルブ２０５と前記排気バルブ２０６と前記真空ポンプユニット２０７とを制御し、信号線Ｃを介して前記高周波電源２０８、前記整合器２０９とを制御する。又前記主制御器４００は、信号線Ｄを介して前記プローブ３０２と、該プローブ３０２と電気的に接続された前記制御計測器４０１から成るプラズマ診断装置を制御するものである。
【００１９】
又、前記主制御器４００、前記流量調節器２０１、前記供給バルブ２０２、前記排気調節バルブ２０５、前記排気バルブ２０６、前記真空ポンプユニット２０７、前記高周波電源２０８、前記整合器２０９はプラズマ制御システムを構成する。
【００２０】
本発明のプラズマ処理装置は前記プラズマ診断装置と前記プラズマ制御システムを統合したものである。前記プローブ電極１０２の電気制御と電気検出、及びフィラメント１１０（図３参照）の電気制御は前記制御計測器４０１が行い、これによって得られた数値データは、信号線Ｄを介して前記主制御器４００に送られて解析され、解析結果に基づき、前記高周波電源２０８、前記整合器２０９が制御され、プラズマ制御が実施される。
【００２１】
上記で示した前記プラズマ診断装置と前記プラズマ制御システムを用い、前記プラズマ３００を制御しながら半導体デバイスを製造する１工程として、前記ウェーハ３０１に対し表面処理を施す方法について説明する。
【００２２】
前記プローブ３０２を前記反応室２２０内に挿入し、所定の位置まで移動させ、前記プローブ３０２の位置決めを行う。その後、前記ウェーハ３０１を前記反応室２２０に搬入し、前記真空ポンプユニット２０７を作動させ、前記排気バルブ２０６を開ける。次に前記供給バルブ２０２を開け、波動粒子物理量や電気物理量を制御する為、前記流量調節器２０１にて２０ｓｃｃｍから２０００ｓｃｃｍの範囲内でガス流量を制御し、所定のガス流量で前記反応ガス２００を前記チャンバ２１１に導入する。前記排気調節バルブ２０５により、前記反応室２２０の内部のガスの圧力を０．３Ｐａから３００Ｐａの範囲内で制御する。又、前記整合器２０９を介して、前記高周波電源２０８から前記上部高周波電極２１０ａ、前記下部高周波電極２１０ｂに高周波電力を印加し、前記プラズマ３００を生成させる。この時、前記波動粒子物理量や前記電気物理量を制御する為、電力は１０Ｗから１ｋＷ範囲内で調節され、所定の値が与えられる。
【００２３】
上記のプラズマ診断装置にて、プラズマ・パラメータ（プラズマ密度、電子温度等）を計測し、該プラズマ・パラメータが所定の値となる様計算する。又、ガス状態を制御する為にガス流量やガス圧を調節し、電気状態を制御する為に高周波電力を調節する。又、調節する際には前記主制御器４００を用いてＰＩＤ制御を行う。プラズマ・パラメータ状態を所定値に維持し、反応粒子（電子、イオン、ラジカル等）を前記ウェーハ３０１へ一定供給することで、高質の表面処理が実施される。
【００２４】
表面処理の終わった前記ウェーハ３０１は、前記チャンバ２１１の外へ搬出されて回収される。
【００２５】
次に、図２、図３に於いてプローブの詳細について説明する。
【００２６】
プローブ電極１０２ａとプローブ電極１０２ｂ、プローブ電極１０２ｃは、先端部（
以下、中空部と称す）１０３ａが中空でありそれ以外が中実部１０３ｂである絶縁棒１０３に設けられており、前記プローブ電極１０２ａは前記中空部１０３ａの先端を閉塞する絶縁キャップ１０１と当接した状態で気密に固定され、前記プローブ電極１０２ｂは前記絶縁棒１０３に沿って摺動自在に設けられ、導線１１１ｂを介して移動可能となっている。又、該導線１１１ｂは図示しない電極移動手段に連結されている。
【００２７】
又前記プローブ電極１０２ｃは前記絶縁棒１０３上に固定されている。前記プローブ電極１０２ｃは周囲を絶縁管である外管１０７に覆われ、内部を前記絶縁棒１０３の前記中実部１０３ｂ、絶縁管である内管１０８が通っている。尚、全てのプローブ電極１０２は導体且つ円筒構造であり、各電極間で電気的に絶縁が図られている。
【００２８】
前記中空部１０３ａには絶縁管である芯棒１０９が収納され、該芯棒１０９の周囲に螺旋を描く前記フィラメント（発熱手段）１１０が形成され、該フィラメント１１０は導線１１１ｄと導線１１１ｃと導線１１１ａに接続されており、又、前記芯棒１０９の内部には前記導線１１１ａとも接続された前記導線１１１ｄが通っており、前記導線１１１ｃと前記導線１１１ｄは、前記中実部１０３ｂを通っている。前記導線１１１ｂは、前記内管１０８の内部を通っており、該内管１０８と前記プローブ電極１０２ｂの間は、前記導線１１１ｂに絶縁コートが施されている。又、前記内管１０８は、前記プローブ電極１０２ｂとは反対側でポート１０４、Ｏリング押さえ１０５、Ｏリング１０６を通っている。又、前記プローブ３０２は前記Ｏリング１０６と真空接着剤１００によってシールされ、前記反応室２２０内は気密状態となっている。
【００２９】
前記プローブ電極１０２ａは前記導線１１１ａに接続され、該導線１１１ａは前記フィラメント１１０と前記導線１１１ｄに接続され、前記プローブ電極１０２ｂは前記導線１１１ｂに接続され、前記プローブ電極１０２ｃは導線１１１ｅに接続されている。尚、前記導線１１１ｂ、前記導線１１１ｃ、前記導線１１１ｄ、前記導線１１１ｅは図示しない電源に接続され、前記プローブ電極１０２ａ、前記プローブ電極１０２ｂ間に電圧が印加され、又、前記フィラメント１１０に電流が通電される様になっている。
【００３０】
又、前記プローブ電極１０２ａと前記プローブ電極１０２ｂは前記中空部１０３ａに設けられ、前記プローブ電極１０２ｃは前記中実部１０３ｂに設けられている。
【００３１】
前記プラズマ診断装置を用いてプラズマ診断を行う１工程として、プラズマ・パラメータを導出する方法と原理について説明する。
【００３２】
プラズマ診断には前記プローブ電極１０２間の距離を変える工程と、該プローブ電極１０２に熱エネルギーを与える工程と、該プローブ１０２電極に電圧を与える工程と、該プローブ電極１０２に与える電圧を変える工程と、該プローブ電極１０２に与える電圧の周波数を変える工程と、前記制御計測器４０１で前記プローブ電極１０２の電圧や電流等の値を計測する工程と、前記主制御器４００で波動粒子物理量や電気物理量を導く工程と、該主制御器４００で得られた前記波動粒子物理量と目標値との差を意味する波動粒子物理量偏差を計算する工程と、該主制御装置４００で得られた前記電気物理量と目標値との差を意味する電気物理量偏差を計算する工程とがあり、以下に一例を示す。
【００３３】
電圧、又は電流を制御して前記フィラメント１１０にジュール熱を発生させ、前記プローブ電極１０２ａ、１０２ｂの表面をクリーニングしつつ、熱電子が放出しやすい状態を維持する。前記プローブ電極１０２ｃをフローティングとして、前記プローブ電極１０２ａに周波数ωの高周波信号を与え、同周波数ω、波長λ、位相速度ｖφの平面波をプラズマ３００中に励起させる。この平面波を、前記プローブ電極１０２ｂにて電気信号として検出する。該プローブ電極１０２ｂの受信信号と、元の信号とで干渉（相互相関）させることで位相差が分かり、前記プローブ電極１０２ａと前記プローブ電極１０２ｂの距離を用いてｖφとλが求められる。或は、該プローブ電極１０２ｂを移動させてプローブ電極１０２間の距離を変え、干渉波形の振幅が最大（又は最小）になる隣接２点間の距離（＝λ）とωから、ｖφが求められる。
【００３４】
条件ω＜＜ωｉ（イオンプラズマ周波数）に於いては、ｖφは音速ｃ（＝√（ＫＴｅ／ｍｉ））を意味し、電子温度が導出できる。ただし、ＫとＴｅとｍｉは、それぞれボルツマン定数と電子温度とイオン質量である。
【００３５】
条件ωｉ／２＜ω＜ωｉに於いては、上記と同様の干渉法からλを求め、次のイオン音波分散関係式よりイオン密度ｎｉが導出できる。尚、ｋ（＝２π／λ）は波数、ｅは電荷素量、εは真空誘電率である。
【００３６】
１／ω2 ＝１／ωｉ2 ＋１／ｃ2 ｋ2 ただし、ωｉ＝√（ｎｉ・ｅ2 ／εｍｉ）
【００３７】
もし、この時のλが小さすぎて検出できない場合、次式のイオン飽和電流Ｉｉよりｎｉが導出できる。だたし、Ｚは電荷数、Ｓはプローブ表面積である。
【００３８】
Ｉｉ＝ｅＺ・ｎｉ・Ｓ・ｅｘｐ（−１／２）・√（ＫＴｅ／ｍｉ）
【００３９】
上記の様にプラズマ・パラメータを求め、適宜調整することで、プラズマを用いて基板処理を行うプラズマ処理装置の処理性能を向上させ、基板の膜厚や膜質の均一性を高めることができる。
【００４０】
（付記）
又、本発明は以下の実施の態様を含む。
【００４１】
（付記１）複数の電極と、加熱手段とで構成されたプローブと、該プローブを移動させることができるプローブ移動手段と、電極調整手段に於ける電圧や電流等の値を計測できる計測手段と、該計測手段で得られた値を解析することができる解析手段とを具備し、前記電極は導体材料から成り、移動が可能な構造を有し、前記各電極間は電気的に絶縁されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【００４２】
（付記２）前記電極調整手段は、少なくとも１つの前記電極を軸線上で移動させることができる付記１のプラズマ処理装置。
【００４３】
（付記３）前記加熱手段は、熱エネルギを生成することができ、該熱エネルギにより前記電極の表面をクリーニングすることができ、前記熱エネルギにより前記電極の表面から熱電子を放出させることができる付記１のプラズマ処理装置。
【００４４】
（付記４）前記計測手段、前記電極に電圧や電流を印加することができ、前記プローブに与える電圧や電流の値を変えることができ、前記電極に与える電圧や電流の周波数や波形を変えることができ、前記電極に於ける電圧や電流や周波数や位相や電力等の値を計測することができる付記１のプラズマ処理装置。
【００４５】
（付記５）前記解析手段は、前記電極の間の距離や、該電極に与える電圧や電流や周波数等の値や、前記計測手段で得られた電圧や電流等の値から、波動粒子物理量や、電気物理量を導くことができる付記１に於けるプラズマ診断装置。
【００４６】
（付記６）プローブをプラズマ中に装入する工程と、該プローブを移動させる工程と、電極間の距離を変える工程と、該電極に熱エネルギを与える工程と、該電極に電圧を与える工程と、該電極に与える電圧を変える工程と、該電極に与える電圧の周波数を変える工程と、計測手段で前記電極の電圧や電流等の値を計測する工程と、解析手段で波動粒子物理量や電気物理量を導く工程と、前記解析手段で得られた前記波動粒子物理量と目標値との差を意味する波動粒子物理量偏差を計算する工程と、前記解析手段で得られた前記電気物理量と目標値との差を意味する電気物理量偏差を計算する工程と、前記波動粒子物理量や前記電気物理量を制御する為にガス状態を制御する工程と、前記波動粒子物理量や前記電気物理量を制御する為にプラズマ源となる電極の電気状態を制御する工程と、前記ガス状態を制御するときのガス制御量を計算する工程と、前記電気状態を制御する為の電気制御量を計算する工程とを有することを特徴とするプラズマ制御方法。
【００４７】
（付記７）前記波動粒子物理量偏差や前記電気物理量偏差と前記ガス制御量との相関性や傾向から、次の該ガス制御量が計算でき、前記波動粒子物理量偏差や前記電気物理量偏差と前記電気制御量との相関性や傾向から、次の前記電気制御量が計算できる付記６のプラズマ制御方法。
【００４８】
（付記８）プラズマ処理装置とプラズマ制御方法を用いて半導体デバイスが製造できることを特徴とする半導体デバイス製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す要部拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態を示す要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０２          プローブ電極
１０３          絶縁棒
１０９          芯棒
１１０          フィラメント
１１１          導線
２０１          流量調節器
２０３          ガス供給管
２０４          ガス排気管
２０５          排気調節バルブ
２０７          真空ポンプユニット
２０８          高周波電源
２１０          高周波電極
２１１          チャンバ
２１２          プローブ導入ポート
２２０          反応室
２２１          プラズマ検出部
３００          プラズマ
３０１          ウェーハ
３０２          プローブ
４００          主制御器
４０１          制御計測器
【図１】
2010010281.tif 000003
【図２】
2010010281.tif 000004
【図３】
2010010281.tif 000005