(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に被処理物を収納したチャンバ内に電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを発生させて前記被処理物に対するプラズマ処理を管理するプラズマ管理方法において、
前記チャンバ内に電力を供給する供給路に発生する電圧及び電流の高調波成分を検出して特定し、この特定した前記高調波成分の電圧および電流とを対比し、その結果に基づいて前記チャンバ内のプラズマ処理の終点を検出していることを特徴とするプラズマ管理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チャンバ内のプラズマの状態や被処理物の状態やプラズマ装置の状態を高精度で管理できるプラズマ管理方法と装置ならびにプラズマ処理方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置を製造する際の微細化技術で重要なエッチング技術では、かっては溶液を利用した等方性のウエットエッチング法や等方性のドライエッチング法が用いられていることが多かった。その後、半導体装置の微細化が進展するにつれて、エッチングに異方性をもつ反応性のエッチング（ＲＩＥ；ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）が導入されてきた。それにより、高密度の半導体記憶装置等の実現が可能になっている。
【０００３】
このマグネトロンＲＩＥ装置（以下、ＲＩＥ装置という）は、チャンバの近傍でマグネトロンを回転させると共にチャンバ内に高周波電力を供給し、チャンバ内にプラズマを発生させて被処理物に対するエッチングを行うものである。
【０００４】
通常、このＲＩＥ装置は、光を検出するための透過窓、一般的には石英ガラスにより形成される透過窓を通してチヤンバ内のプラズマの発光強度をモニタし、このプラズマ発光強度の変化点を基にエッチングの処理状況を判断している。
【０００５】
しかしながら、プラズマの発光強度をモニタするための透過窓の汚れ、マクネトロンの回転によるプラズマの揺れ等から、エッチングする面積が小さい場合、例えば８インチの半導体ウエハの面積当たり１０％以下、エッチング開口率１０％以下では、プラズマ発光強度の変化点を検出できなくなる。
【０００６】
このような問題を解決するために、プラズマの状態を高周波回路（ＲＦ回路）の一部と見なしてそのインピーダンスを検出し、このインピーダンスが変化する点を検出する方法が用いられている。
【０００７】
図５は、そのようなＲＩＥ装置の概略構成図である。チャンバ５１内には、下部電極５２の上のステージに半導体ウエハなどの被処理物５３が載置されている。又、チャンバ５１の内部には、外部から反応ガスが供給されている。このチャンバ５１の外部には、リング形状のマグネトロン５４が回転自在に配置されている。下部電極５２には、整合回路（ＭＣ：マッチングサーキット）５５を介して高周波電源５６が接続されている。このうち整合回路５５は、チャンバ５１側と高周波電源５６側とのインピーダンスを整合させるために接続されている。
【０００８】
このような構成において、チャンバ５１内に反応ガスが供給されると共に、下部電極５２に高周波電源５６から整合回路５５を通して高周波電力が供給される。さらに、チャンバ５１の外周でマグネトロン５４が所定の回転周波数で回転する。これにより、チャンバ５１内には低圧力でプラズマ５８が発生し、このブラズマ５８中のイオン及びラジカルにより化学反応して、被処理物５３はエッチングされる。
【０００９】
プラズマ５８のインピーダンスは、エッチング時に発生した反応生成物、若しくは反応に要するイオンやラジカル等によって変化するため、エッチング中とエッチング終了後とで変化する。このインピーダンスの変化を、整合回路５５とチャンバ５１（下部電極５２）との間に接続されたモニタ５７を用いてモニタする。このモニタ５７は、高周波電源５６からチャンバ５１に供給される供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波、および、それらの基本波の位相を検出し、そのモニタ信号をコンピュータ５９に送る。このコンピュータ５９は、モニタ５７から出力されるモニタ信号をデジタル化して取込み、それらの時間的変化からエッチング終点等を決定する方法が用いられている場合が多い。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のように、チャンバ内に電力を供給する供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波、および、それらの基本波の位相を検出して、それらの時間的変化からエッチング終点を決定する方法では、電圧の基本波や、電流の基本波、およびこれら基本波の位相差のみを検出している。ただし、これら測定対象の変化は主にカソードシースの厚さの変化によるプラズマインピーダンスの変化を反映していると考えられる。このため、プラズマ状態あるいはＲＩＥ装置の状態の比較的大きな変化しか検出することができず、被処理物のエッチング形状の最適化や、チャンバ内のクリーニング時期の最適化や、チャンバ内部品の交換時期の最適化などを精度よくおこなうためには限界があった。
【００１１】
本発明はこれらの事情に基づいてなされてもので、チャンバ内のプラズマの状態や被処理物の状態やプラズマ装置の状態を高精度で管理できるプラズマ管理方法と装置ならびにプラズマ処理方法と装置を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、内部に被処理物を収納したチャンバ内に電力を供給し、前記チャンバ内にプラズマを発生させて前記被処理物に対するプラズマ処理を管理するプラズマ管理方法において、前記チャンバ内に電力を供給する供給路に発生する電圧及び電流の高調波成分を検出して特定し、この特定した前記高調波成分の電圧および電流とを対比し、その結果に基づいて前記チャンバ内のプラズマ処理の終点を検出していることを特徴とするプラズマ管理方法を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
発明者は、プラズマ処理装置のチャンバの内部でのプラズマの状態や、被処理物の状態や、プラズマ処理装置の状態を精度よく把握するためには、チャンバの内部に電力を供給する供給路に発生する電圧の基本波、電流の基本波および基本波の位相を検出する基本波についての検出に加えて、図１にグラフで示したように、電力を供給する供給路に基本波と共に発生している高調波（周波数が基本波のｎ倍の波：ｎは自然数）に着目し、基本波の変化による情報に加えて、高調波の変化を検出することにより、それらによって得られる情報量を増やすことでプラズマ処理装置の管理の高精度化の実現を達成できると考えた。なお、図１に示したように、基本波と高調波、および、高調波と高調波とのそれぞれの間にもいくつかの波長の存在が認められる。
【００１９】
電力を供給する供給路に発生する高調波の発生の主たる原因は、シース内電流（イオン電流、電子電流、変位電流）の存在によると考えられる。したがって、高調波の変化は、基本波の変化の原因であるカソードシースの厚さの変化に加えて、最もカソードシース内の電流の変化を反映していることになる。また、高調波はインダクタンスやキャパシタンスの存在によって変化するため、プラズマをインピーダンスとして構成される電気回路内の電気要素の微妙な変化によっても変化する。
【００２０】
すなわち、高調波は、電源、整合回路、被処理物、チャンバ内壁などの状態の変化を敏感に反映するので、それの変化を把握することにより、高精度なプラズマ処理装置の管理を実現することができる。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）は、ＲＩＥ装置において、圧力４５ｍＴｏｒｒのアルゴンガスによりプラズマを放電パワが２００〜８００Ｗで生成した場合の電圧、電流の高調波について、下記の変換式により物理量をＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出された計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較した結果である。なお、図２（ａ）〜（ｄ）は、電圧と出力との対比であり、図３（ａ）〜（ｄ）は、電流と出力との対比である。また、図２（ａ）〜（ｄ）および図３（ａ）〜（ｄ）は共に、（ａ）は基本波、（ｂ）は２次高調波、（ｃ）は３次高調波、（ｄ）は４次高調波についての場合を示している。
【数１】
0003702220.tif 000002
【数２】
0003702220.tif 000003
ただし、何れの式においても
Ａｃはカソード面積、Ａｗは壁面積、ｅは電子電荷、ｎｅは電子密度、ｋはボルツマン定数、Ｔｅは電子温度、ｍｉはイオン質量、ε０は真空誘電率、Ｖｐはプラズマ電位、Ｖｄｃは自己バイアス電位である。
【００２２】
いずれの高調波でも、計算値と実測値とがほぼ一致しており、高調波によるプラズマの状態等の検出が有効であることを確認できた。
【００２３】
また、モデルに含まれる回路要素の値を変化させれば、高調波が変化する。これらの回路要素はプラズマ、プラズマ被処理物であるウエハ、プラズマ処理装置から構成されており、これらの回路要素の値の変化が高調波の変化に反映されることがわかる。
【００２４】
測定された高調波はコンピュータで解析され、その解析結果に基づいてコンピュータから、後述するプラズマ処理装置を構成している電源制御システム、ガス供給システム、圧力調整システム等に対して制御信号を出してプラズマ処理条件を調整する。また、異常と判断される場合には該当するシステムを停止する信号あるいは使用者に警告を発する信号を出しても良い。
【００２５】
なお、プラズマの状態の異常についての発生要因の因子は、プラズマの密度、電子温度、正イオン密度、負イオン密度、シース電圧および気相組成等が挙げられる。
【００２６】
また、被処理体の異常についての発生要因の因子は、削れ量、堆積膜量、表面元素構成比、表面積、温度、質量および誘電率等が挙げられる。
【００２７】
また、プラズマ処理装置の異常についての発生要因の因子は、被処理体周辺部材の消耗量、チャンバ内壁の処理膜の消耗量およびチャンバ内壁のプラズマに起因する堆積膜量等が挙げられる。
【００２８】
したがって、各発生因子の変化を観察することによっても、プラズマの状態の異常や被処理体の異常やプラズマ処理装置の異常を検出することもできる。
【００２９】
図４は、ＲＩＥ装置に本発明のプラズマ管理装置を搭載したプラズマ処理装置の模式構成図である。
【００３０】
ＲＩＥ装置は、被処理物を内部に収納して処理を施す円筒状の密閉容器であるチャンバ１の外部の上方には、チャンバ１の内部にプラズマ２を低圧力で発生させるように磁場を形成するため、回転機構３の駆動によりの所定の回転周波数で回転する棒状の永久磁石４が、チャンバ１の天板１ａに平行方向に回転自在に配置されている。また、チャンバ１の外側の下方には、マッチングボックス５と高周波電源６が接続されている。マッチングボックス５の内部にはＶ／Ｉモニタ７と整合回路８が収納されており、高周波電源６と整合回路８との間は、高周波電源６のインピーダンス（例えば５０Ω）により一定になっている。それにより、チャンバ１の内部のインピーダンス変化に応じて、電圧、電流及びそれらの位相差が変化して電力を一定に保つようにしている。
【００３１】
チャンバ１の内側には、下方には下部電極９が配置されている。この下部電極９の上には、被処理物としての半導体ウエハ１１を固定するための静電チャック１２が設置されており、静電チャック１２にはウエハ１１を載置した場合の外側に位置する周辺リング１３が設けられている。また、下部電極９は、マッチングボックス５を介して高周波電源６に電気的に接続されている。
【００３２】
また、チャンバ１の内側の上部には、下部電極９に対向する凸状の上部電極１４が形成され、その表面には反応性ガスをチャンバ１の内部に供給する複数のガス噴出口１５が形成されている。なお、ガス噴出口１５は、ガス流量調整器１６を介してガス供給システム１７に接続されている。また、チャンバ１には、圧力調整システム１８を介して真空ポンプ１９が接続され、側壁にはチャンバ１の内部の真空度を計測するための真空計２１が設けられている。
【００３３】
マッチングボックス５は、マッチングボックス５を含めたチャンバ１側のインピーダンスを高周波電源６側のインピーダンスに整合させる機能を有している。このマッチングボックス５の内部には、Ｖ／Ｉモニタ７および整合回路８（ＭＣ）が備えられている。このうちＶ／Ｉモニタ７は、下部電極９に供給する高周波電力の電圧、電流をモニタし、そのモニタ信号を出力する機能を有している。
【００３４】
プラズマ管理装置２５は、Ｖ／Ｉモニタ７からのモニタした結果を解析する解析部２６と、コンピュータ２７と、高周波電源６を制御する電源制御システムとから構成されている。
【００３５】
Ｖ／Ｉモニタ７に接続している解析部２６はコンピュータ（制御部）２７に接続されており、解析部２６またはコンピュータ２７内は、Ｖ／Ｉモニタ７から出力された電圧、電流を読み取りそれらの位相差を得る機能と、電圧の高調波、電流の高調波およびそれらの位相差を得るための、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）機能を有している。さらに、解析部２６またはコンピュータ２７の内部には、ノイズ成分をカットするためのローパスフィルタや荷重移動平均フィルタなどの信号処理手段（不図示）を備えている。
【００３６】
解析部２６またはコンピュータ２７は、得られた電圧の高調波、電流の高調波またはそれらの位相差の値を逐次記憶し、その変化の傾向から、チャンバ１の内部のプラズマ２の状態、半導体ウエハ１１の状態、チャンバ１の内部を構成する部品のいずれか１つ以上について、その変化を検出する機能を有している。
【００３７】
例えば、プラズマ処理の終点を検出する場合は、モニタ７からデジタル化されたモニタ信号を受取、そのモニタ信号から電圧及び電流を取り出し、これら電圧と電流との比、すなわち電圧／電流又は電流／電圧を演算し、この電圧／電流又は電流／電圧の波形の変化から被処理物３に対するエッチング処理の終点を検出している。
【００３８】
なお、コンピュータ２７は、ガス供給システム１７、電源制御システムおよび圧力調整システム１８を制御している。
【００３９】
次に、上記のごとく構成された装置の作用について説明する。
【００４０】
チャンバ１の内部に反応ガスが供給されると共に、下部電極９に高周波電源６から整合回路８を通して高周波電力が供給される。さらに、チャンバ１の上部に設けられた永久磁石４が所定の回転周波数で回転する。これにより、チャンバ１の内部には低圧力でブラズマ８が発生し、このプラズマ２の中のイオン及びラジカルにより化学反応して、被処理物３はエッチングされる。
【００４１】
このとき、プラズマ２の中でのエッチング時に発生した反応生成物、もしくは反応に要するイオンやラジカル等の量がエッチング中とエッチング終了後とで変化し、プラズマ２のインピーダンスが変化する。
【００４２】
Ｖ／Ｉモニタ７は、高周波電源６から整合回路８を通してチャンバ１に供給される電圧及び電流をモニタし、そのモニタ信号を出力する。
【００４３】
解析部２６は、モニタ７から出力されるモニタ信号を取り込み、基本波と高調波の電圧の実効値、及び電圧と電流の位相差をデジタル化して出力する。
【００４４】
コンピュータ２７は、解析部２６から出力される信号を取込み、フィルタ処理手段によってデジタルのモニタ信号に対してフィルタ処理を行い、永久磁石４の回転周波数よりも低い周波数成分を通過させる。
【００４５】
コンピュータ２７の処理による終点検出は、これら高調波の電圧と電流との比、すなわち例えば電圧／電流を演算し、この電圧／電流の波形の変化から被処理物３に対する例えば、エッチングの終点を検出する。具体的には、先ず、電子密度が変化したのに伴い荷重移動平均手段で、高調波の電圧／電流の波形の変化を検出し、この電圧／電流のデータに対してガウス分布による荷重移動平均を行う。次に、荷重移動平均されたデータに対して予め設定された闘値と比較し、闘値を超えた時点を被処理物３に対するエッチングの終点を検出する。
【００４６】
なお、上記の場合は、エッチング終点を検出するのに荷重移動平均を用いているが、高調波の電圧と電流との比の波形から自己相関係数を逐次求め、これら自己相関係数と予め設定された闘値とを比較してエッチング終点を検出するようにしてもよい。
【００４７】
また、モニタ７により検出される高調波の電圧又は電流のいずれか一方をコンピュータ２７で取込み、高調波の電圧又は電流のいずれか一方の波形の変化からエッチング終点を検出するようにしてもよい。
【００４８】
なお、上述の実施の形態では、エッチング処理の終点を検出することについて説明したが、以下の項目についても高調波の電圧又は電流の値が変化することを、同様にＶＩモニタ７によりモニタすることによって検出することができる。
【００４９】
チャンバ１を構成している部品の交換については、静電チャック１２上の周辺リング１３が消耗すると、コンデンサ容量が変化して高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５０】
チャンバ１のクリーニング時期については、チャンバ１の内壁への堆積膜が厚くなり、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５１】
プラズマ２の異常放電の検出については、モニタしている電圧又は電流が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５２】
プラズマ処理の異常（線幅が規格から外れる、膜が残る、削りすぎる等）については、エッチング時に発生する反応生成物、若しくは反応に要するイオンやラジカル等が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流が変化するのを検出する。
【００５３】
電気系統の異常（リーク電流等）、モニタしている電圧又は電流が異常に変化することで、高調波の電圧又は電流の値が変化するのを検出する。
【００５４】
これらの検出したコンピュータ２７で解析された解析結果に基づいて、コンピュータ２７から電源制御システム２８、ガス供給システム１７、圧力調整システム１８等に対して制御信号を出し、プラズマ処理条件を調整する。
【００５５】
また、異常と判断される場合には、高調波の電圧又は電流の値の変化にもとづいて、コンピュータ２７から電源制御システム２８、ガス供給システム１７、圧力調整システム１８等に対してフィードバックして各種設定を変化させる。あるいは、システムを停止する信号あるいは使用者に警告を発する信号を出す。
【００５６】
なお、上述の実施の形態では、プラズマ処理装置として容量結合型プラズマ装置について説明したが、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｙｃｌｏｒｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）やヘリコン波を用いたプラズマ装置や、誘導結合プラズマ装置にも適用することができる。
【００５７】
なお、上述の実施の形態を、半導体デバイス製造用のドライエッチングを例にして示したが、本発明は、ドライエッチングに限定されることなく、プラズマアッシング、プラズマＣＶＤ、プラズマスパッタ、プラズマクリーニング等に適用が可能であり、半導体デバイスの処理のみならず、液晶パネル上の薄膜素子の処理を目的としたプラズマ処理にも適用できる。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、高精度にプラズマ処理状況が検出して、それにより正確な管理をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本波と高調波とのグラフ。
【図２】（ａ）〜（ｄ）電圧について、ＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出さした計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較したグラフ。
【図３】（ａ）〜（ｄ）電流について、ＲＩＥ装置をモデル化した回路要素に変換して算出さした計算値と、ＲＩＥ装置のコンピュータに蓄積される実測値を比較したグラフ。
【図４】ＲＩＥ装置に本発明のプラズマ管理装置を搭載したプラズマ処理装置の模式構成図。
【図５】従来のＲＩＥ装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…チャンバ、２…プラズマ、５…マッチングボックス、６…高周波電源、７…Ｖ／Ｉモニタ、８…整合回路、９…下部電極、１１…ウエハ、１４…上部電極、１７…ガス供給システム、１８…圧力調整システム、２５…プラズマ管理装置、２６…解析部、２７…コンピュータ、２８…電源制御システム
【図１】
0003702220.tif 000004
【図２】
0003702220.tif 000005
【図３】
0003702220.tif 000006
【図４】
0003702220.tif 000007
【図５】
0003702220.tif 000008