(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気された処理容器内にプロセスガスを供給して被処理基板をプラズマ処理する方法であって、
前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、この処理容器に再導入され、
前記処理容器内におけるプロセスガスの発光特性を計測して特性値を得、
前記処理容器に再導入されるプロセスガスの全導入ガス流量に対する比である循環率を変化させた際、前記特性値が規定値となるよう、前記処理容器へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御しながら、前記処理容器へ再導入される流量を変化させ、
前記特性値は、前記循環率を変化させた際に前記被処理基板の加工特性の変化に相関を有しながら変化する値であり、
前記規定値は、前記循環率を変化させる前に得られた前記特性値の値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
前記処理容器に供給されるプロセスガスは、ＣとＦとを含むガスであり、前記被処理基板はエッチングされるシリコン酸化膜を表面に有し、前記特性値はＣＦ2ラジカルによる発光の強度であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理方法。
【請求項３】
排気された処理容器内にプロセスガスを供給して、被処理基板表面の薄膜をプラズマ処理する方法であって、
前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、この処理容器に再導入され、
前記処理容器内における前記被処理基板表面の薄膜の膜厚の変化速度を測定し、
前記処理容器に再導入されるプロセスガスの全導入ガス流量に対する比である循環率を変化させた際、前記薄膜の膜厚の変化速度が規定値となるよう、前記処理容器へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御しながら、前記処理容器へ再導入される流量を変化させ、
前記規定値は、前記循環率を変化させる前に得られた前記薄膜の膜厚の変化速度であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、その成分を精製せずに前記処理容器に再導入されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項５】
前記循環率を変化させる前の循環率は、循環率が０のときであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理方法に係り、特に、反応性ガスを処理容器に導入して処理容器内でプラズマを発生させ、この反応性ガスを分解して被処理基板を処理するプラズマ処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置においては、通常、次のような手順により被処理基板が処理される。まず、真空に排気された処理容器に反応性プロセスガス等を導入し、高周波を印加することによりプラズマを発生させて、ガスを分解・励起する。こうして生成された反応性の高い活性種を用いて、被処理基板が処理される。このようなプラズマ処理装置、具体的にはプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置においては、処理容器に導入されたプロセスガスの全てが、基板との反応によって消費されているわけではない。むしろ、処理容器内に導入されたプロセスガスの大部分は使用されずに、排気装置によって外部に排気されている。そこで、ガスの利用効率を向上させることによって、エッチングまたはＣＶＤ工程における生産コストに占めるガスのコストを低減することが求められていた。
【０００３】
ところで、エッチングやＣＶＤ工程においては、ＧＷＰ（地球温暖化係数）が高いＰＦＣガスが処理や装置のクリーニングガスとして多種、多量に使用されている。地球の温暖化を抑制するために、半導体製造業界ではこうしたＰＦＣガスの放出量を削減する必要に迫られている。しかしながら現時点では、ＧＷＰが低く、安全で、しかもＰＦＣガスと同等以上の性能を有する代替ガスを見出すのは非常に困難とされている。また、ＰＦＣガスの多くは化学的に非常に安定なため、使用後の排気ガスに含まれる未使用のＰＦＣガスを分解除去するためには、新しい技術および装置が要求されて、新たな投資が必要となる。
【０００４】
半導体製造工程において特に多量のＰＦＣガスを使用するのは、シリコン酸化膜のエッチング工程であるが、これについて装置１台当たりのＰＦＣ使用量に換算すると、１処理当たり１０〜数１００ｃｃ程度と少ない。しかも、処理容器内で消費される分を差し引くと、除去処理の対象となるＰＦＣ排ガス放出量はさらにわずかである。すなわち、エッチング装置１台毎に前述のようなＰＦＣガス分解除去設備を整備するのはコスト的に大きな負担である。よって、プロセスガスの利用効率を高めて使用量を削減し、かつＰＦＣガスの放出量の削減を図ることが重要な課題である。
【０００５】
この問題を解決するための有効な装置として、以下に説明するような装置が提案されている（特開平９−２５１９８１号公報）。ここには、真空処理容器内で基板を処理するプラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置において、排気側の配管と処理容器とをつなぐ循環配管を設け、排気されたガスの一部を処理容器内に戻して再利用することが記載されている。
【０００６】
以下、循環機構を備えたＤＲＭ型プラズマエッチング装置を用いて、ガスを循環させながらシリコン酸化膜をエッチングした場合について説明する。
【０００７】
用いられる装置の概略構成図を図１に示す。図示するように、処理室１０１内には、互いに対向するカソード電極１０２およびアノード電極１０３から構成される平行平板型のプラズマ生成機構が設けられ、磁界印加機構（図示せず）によって処理室内に平行磁界が形成される。カソード電極１０２上には、被処理基板１０４が設置され、また、このカソード電極にはマッチング回路１０５を介して高周波電源１０６が接続されている。一方、アノード電極１０３には、プロセスガスを被処理基板に均一に供給するシャワーノズル１０７が組み込まれており、シャワーノズルには、必要に応じて１つ以上の流量制御装置１０８を介して、それぞれプロセスガスの供給源であるガスボンベ１０９が接続されている。図示する装置においては、流量制御装置１０８およびガスボンベ１０９は、それぞれ１つ示されているが、その数は必要に応じて適宜決定することができる。
【０００８】
処理室１０１には、圧力調整用バルブ１１０を介してターボ分子ポンプ１１１が接続され、ターボ分子ポンプの排気側にはさらにドライポンプ１１２が接続されている。また、ターボ分子ポンプ１１１の排気側と処理室１０１とを接続する循環配管１１３が設けられており、循環量を調節するために循環配管１１３には流量調整用バルブ１１４が、ドライポンプ１１２の手前には流量調整用バルブ１１５が、それぞれ設置されている。
【０００９】
図示する装置を用いて被処理基板を処理する際には、まず、ガスボンベ１０９から流量調整装置１０８を介して、Ｃ4Ｆ8、ＣＯ、ＡｒおよびＣＯ2ガスを所望の比率で処理室１０１に供給し、これと同時に、循環配管１１３に設けられた流量調整用バルブ１１４を開き、ドライポンプ１１２の手前の流量調整用バルブ１１５の開度を絞る。処理室１０１からターボ分子ポンプ１１１によって排気された排ガスの一部は、循環配管１１３を経由して処理室に戻る。すなわち、排気されたプロセスガスが再利用されるので、その分だけ、循環しない場合よりも新規ガス導入量を低減することができる。
【００１０】
この方法によると、ガスを循環させることによってプロセスガスの利用効率を高め、ガスの使用量を減らすことが可能である。しかしながら、実際にはエッチング特性は、ガスを循環させることによって変化・劣化してしまう。図２を参照して、これについて説明する。
【００１１】
図２には、酸化膜のＳＡＣ（Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｎｔａｃｔ）形成プロセスにおいて、循環率を０から８０％まで変化させた際のエッチング特性の変化を表わす。循環率は、処理室に導入される合計ガス流量（＝新規導入ガス流量＋循環ガス流量）を一定に保ちながら、バルブ１１５を調整することによって変化させた。この循環率は、循環ガス流量と合計ガス流量との比（循環ガス流量／合計ガス流量）である。エッチング特性の変化は、ＳｉＯ2エッチング速度およびレジストに対する選択比で表わした。
【００１２】
図２のグラフに示されるように、循環率を高くすることによって、エッチング速度および選択比は、いずれも低下している。これは、処理室１０１に再導入される循環ガス、すなわち、処理室から排気されるガスの成分およびそれらの流量比が、新規導入ガスの成分および流量比とは異なっているためである。
【００１３】
図３には、循環率０％でエッチングした際の排ガスの成分を分析した結果を示す。なお、図３において相対的に流量の多いＣＯおよびＡｒは省略してある。導入ガス（＝母ガス、この場合ではＰＦＣであるＣ4Ｆ8）は、プラズマ放電によって分解され、エッチング反応や壁への吸着により減少するが、一部は分解されずそのまま排出されている。一方で、放電およびエッチング反応の結果生成された反応生成物成分も排出されていることが明確に示されている。
【００１４】
このような処理特性の変化・劣化の問題を避けるために、循環配管の途中にガス精製機構を設け、排気ガスを精製してから処理容器に戻すという手法が提案されている。例えば、吸着槽、脱水槽、脱酸素槽、およびフィルターなどの精製機構や、その状態をモニターするガス分析などを循環配管に設けることによって、新規導入ガスと全く同一の成分および成分比のガスを再生し、これを処理室に導入して特性の維持を図ることが開示されている（特公平７−３６８８６号公報、特許第２８５４２４０など）。また、特公平５−４００３１号に記載されているシリコン成膜方法のように、必ずしも新規導入ガスと同一の組成となるように排気ガスを精製するのではなく、本来なら別のボンベを用意しなければならない別の原料となるように、排ガスを精製する方法も提案されている。こうした方法は、いずれも、処理容器に再導入されるガスは既知のものとして、処理特性を維持するものである。これを達成するためには、ガス循環機構に加えて多くの高額な設備が必要とされる。プラズマエッチング装置においては、少量の高純度ガスをｓｃｃｍ単位以下で制御しながら処理室に供給しているので、そのような手法は実用的ではない。
【００１５】
そこで、プラズマエッチングプロセスにおいては、排ガスの成分を特に精製せずに循環し、そのまま処理室に再導入して使うのがより現実的な方法である。実際、個々のプロセスにおいて、循環ガス成分をあるものとして導入ガス量を調整することにより、循環しない場合と同等のプロセス特性を再現することが十分可能であることは確認済みである。しかも、ガス循環によって、導入ガス削減およびＰＦＣ放出ガス量削減の効果が得られる。下記表１にその一例を示す。表１には、循環率０％と循環率８０％との２種類の条件でのＳＡＣ（Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｎｔａｃｔ）形成を行なって、それぞれにおける導入ガス量、エッチング特性およびＣＯ2換算ＰＦＣ放出ガス量を示した。なお、循環率０％の導入ガス条件はＣ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ＝１６／３００／３８０ｓｃｃｍとし、循環率８０％の導入ガス条件はＣ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ＝７．５／４５／８０ｓｃｃｍとした。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１に示されるように、同等のエッチング特性において、循環率８０％とすることにより、導入ＰＦＣガス５０％、その他のガス８０〜８５％削減されており、ＣＯ2換算ＰＦＣ放出ガス量は８０％削減されている。したがって、ガス循環の効果は明らかである。
【００１８】
予め循環率を固定しておき、その後に新規エッチングプロセスの条件を決めて排ガスの循環を行なう場合には、あまり問題は起こらない。しかしながら、ガスを循環させないで構築した加工条件におけるエッチング特性を、改めてガスを循環させて再現するのは容易に行なうことができず、ゼロからそのガス導入流量条件を探し直さなければならない。例えば、循環なしのプロセスを８０％循環の条件で再現するためには、時間やコストなどを費やさなければならない。具体的には、まず、導入ガスであるＣ4Ｆ8、Ｏ2、ＣＯ、Ａｒ各々のガスの流量をマトリックス的に変化させて、被処理基板のエッチングを行なう。次いで、それらのエッチング速度、選択比、および加工形状などのエッチング特性を、数１０回の膜厚測定および１０〜２０回の断面ＳＥＭ観察によって確認しながら、新しいガス導入条件を決める必要があった。その結果、ＰＦＣガスの放出量は大幅に低減した。しかしながら、新しいガス導入条件を探すために費やした時間やコスト、すなわちウェハのみならず、ガス費用を含めた材料費が問題だった。しかも、ＰＦＣガス放出抑制効果を上げるために循環率を大きくすると、導入ガスに対する循環ガスの比率が上がるので、循環ガス成分のプロセスへの影響は相対的に大きくなる。例えば、８０％循環では、導入ガス流量の１ｓｃｃｍの変化は循環ガスの４ｓｃｃｍの変化に相当することになり、導入ガス流量を非常に精度よく合わせ込み、しかもその状態を保たなければならない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、ＰＦＣを含めたプロセスガスの使用量およびＧＷＰ換算放出量を削減して、生産コストおよび環境負荷の低減を図ることが可能なプラズマ処理方法を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、排気された処理容器内にプロセスガスを供給して被処理基板をプラズマ処理する方法であって、前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、この処理容器に再導入され、前記処理容器内におけるプロセスガスの発光特性を計測して特性値を得、前記処理容器に再導入されるプロセスガスの全導入ガス流量に対する比である循環率を変化させた際、前記特性値が規定値となるよう、前記処理容器へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御しながら、前記処理容器へ再導入される流量を変化させ、前記特性値は、前記循環率を変化させた際に前記被処理基板の加工特性の変化に相関を有しながら変化する値であり、前記規定値は、前記循環率を変化させる前に得られた前記特性値の値であることを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２１】
前記プロセス処理方法においては、前記処理容器に再導入されるプロセスガスの流量を変化させることが好ましい。
【００２２】
また前記プロセス処理方法においては、前記処理容器に供給されるプロセスガスは、ＣとＦとを含むガスであり、前記被処理基板はエッチングされるシリコン酸化膜を表面に有し、前記特性値はＣＦ2ラジカルによる発光の強度であることが好ましい。
【００２３】
さらに本発明は、排気された処理容器内にプロセスガスを供給して被処理基板をプラズマ処理する方法であって、前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、この処理容器に再導入され、前記処理容器内における前記被処理基板表面の薄膜の膜厚の変化速度を測定し、前記処理容器に再導入されるプロセスガスの全導入ガス流量に対する比である循環率を変化させた際、前記薄膜の膜厚の変化速度が規定値となるよう、前記処理容器へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御しながら、前記処理容器へ再導入される流量を変化させ、前記規定値は、前記循環率が０のときに得られた前記薄膜の膜厚の変化速度であることを特徴とするプラズマ処理方法を提供する。
【００２４】
本発明のプラズマ処理方法においては、前記処理容器から排気されたプロセスガスの少なくとも一部は、概ねその成分を調整されることなく前記処理容器に再導入されることが好ましい。
【００２５】
また、前記循環率を変化させる前の循環率は、循環率が０のときであることが好ましく、このときに所望の加工特性が得られることが望ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のプラズマ処理方法を詳細に説明する。
【００２７】
（実施例１）
循環機構を備えたＤＲＭ型プラズマエッチング装置を用いてガスを循環させながらシリコン酸化膜をエッチングするに当たって、循環機構なしの従来型装置で使用されていたＳＡＣ用レシピを適用した例、すなわち、循環率を変化させた例について説明する。
【００２８】
図４に、使用した装置の概略構成図を示す。なお、図１と共通の部分については説明を省略する。処理室１０１には、プラズマからの発光をモニターするための発光モニター１１６が設けられている。すなわち、本実施例においては、処理室に排ガスを循環させるとともに、排ガスが循環された処理室１０１内のプラズマの発光特性を発光モニター１１６でモニターする。これにより得られた結果に基づいて所定の制御を行なって、被処理基板をエッチングする。
【００２９】
図４に示したプラズマエッチング装置を用いて、ガスを循環させながらエッチングを行なった。まず、酸化膜のＳＡＣ（Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｃｏｎｔａｃｔ）形成プロセスにおいて循環率を変化させて、その変化にともなう各ガスの発光強度の変化を調べ、得られた結果を図５のグラフに示す。具体的には、処理室に導入される合計ガス流量を一定に保ちながら、循環率を０％から８０％まで増加させて、Ｆ、ＣＦ2、Ｃ2、ＣＯ、およびＯの発光強度の変化を計測し、その結果を循環率０％で規格化して図５に示した。
【００３０】
図５のグラフに示されるように、Ｆ、ＣＦ2、Ｃ2、ＣＯ、およびＯのなかで、特にＣＦ2の発光強度は、循環率の増加にともなって低下している。すでに図２を参照して説明したように、酸化膜のエッチング速度は循環率を高くすることによって低下し、ＣＦ2の発光強度の低下の傾向は、これに類似している。
【００３１】
すなわち、本発明者らは、ＣＦ2の発光強度が酸化膜のエッチング速度と強い相関があることを始めて見出した。
【００３２】
この知見をもとに、本実施例においては、循環なしの従来の装置条件におけるコンタクトホール加工プロセスを、循環モードにおいて次のように再現した。まず、処理室１０１に供給されるＣ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2それぞれのガス導入条件を、従来条件の２０％（すなわち、Ｃ4Ｆ8／ＣＯ／Ａｒ／Ｏ2＝２／１０／４０／１ｓｃｃｍ）として、流量調整用バルブ１１４および１１５を調整することによって循環率を８０％に設定した。本実施例において、処理室１０１に導入される合計ガス流量（＝新規導入ガス流量＋循環ガス流量）は、従来の循環なしの場合と同じである。
【００３３】
このとき、ＣＦ2による発光の強度は図５に示したように低下する。次に、処理室１０１に供給されるＣ4Ｆ8導入量を増加させると、６ｓｃｃｍとしたところで、ＣＦ2強度が循環なしの場合と同程度になった。このとき、酸化膜のエッチング速度も、循環なしの場合を再現していることが確認された。具体的には、ＣＦ2の発光強度は、Ｃ4Ｆ8  ２ｓｃｃｍで０．０４だったものが６ｓｃｃｍで０．４０となり、酸化膜のエッチング速度は４１３ｎｍ／ｍｉｎであった。なお、循環なしの場合におけるＣＦ2の発光強度および酸化膜のエッチング速度は、それぞれ０．４１および４０５ｎｍ／ｍｉｎであり、本実施例により、これらが再現できたことがわかる。
【００３４】
ここまでは極めて短時間で、しかも２枚程度のウェハをエッチングすることにより達成することができた。その後、さらに数枚のウェハサンプルを用いて他のガス流量の微調整を行なって加工形状を整えた。これによって、効率よく、しかも最小限のプロセスガスおよびウェハ枚数で、従来条件と全く同等のエッチング特性を再現することができた。
【００３５】
本実施例においては、循環なしの場合における処理室内のＣＦ2発光強度を規定値としている。処理室内のＣＦ2発光強度がこの規定値となるよう、処理室へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御することによって、排気ガスを循環しつつエッチングを行なった。
【００３６】
このように、本実施例においては、処理室内のＣＦ2発光強度に基づいて、処理室へのプロセスガスの導入条件を制御しているので、使用ガス量だけでなく、ＰＦＣガスの放出量を約７０％削減することが可能であった。これによって、よりＰＦＣ除外システムへの負荷が低減され、カラムの交換頻度も減らすことができたうえ、加工条件最適化のためのウェハ、プロセスガスおよび作業時間を大幅に削減することができた。
【００３７】
（実施例２）
本実施例においては、同じ加工プロセスでは常に、ＣＦ2発光強度を一定に保つようにエッチャントガスの導入系の流量制御にフィードバックをかけた。
【００３８】
その結果、ウェハ間差、ロット間差、装置（号機）間差を小さく抑えることができた。
【００３９】
（実施例３）
本実施例においては、ガス循環機構を備えたプラズマエッチング装置を用いてシリコン酸化膜をエッチングする特定の加工工程を行なう例を説明する。ここでは、発光測定の替わりにｉｎ−ｓｉｔｕ膜厚モニターで被エッチング膜のエッチング速度を計測しながら、エッチング速度が一定となるように導入ガス流量を調整・最適化した。
【００４０】
図６に使用した装置の概略構成図を示す。図１と共通の部分については説明を省略する。処理室１０１には被エッチング膜の膜厚を測定するための膜厚モニター１１７が取り付けられている。これにより循環率を変更した場合において、効率よく加工特性を再現することができた。また、エッチング速度を常時モニターして導入ガス流量にフィードバックすることにより、安定な加工特性を維持することができた。
【００４１】
本実施例においては、循環なしの場合における被処理基板表面の薄膜の膜厚の変化速度を規定値としている。被処理基板表面に形成された薄膜の膜厚の変化速度がこの規定値となるよう、処理室へ供給されるプロセスガスの導入条件を制御しながら循環流量を変化させることによって、排気ガスを循環しつつエッチングを行なった。
【００４２】
薄膜の膜厚の変化速度に基づいて処理室へのプロセスガスの導入条件を制御した本実施例の場合も、使用ガス量だけでなく、ＰＦＣガスの放出量を削減することが可能であった。
【００４３】
また、実施例１、２の発光モニターと組み合わせても用いることもできる。例えば、発光モニターでＣＦ2の検出信号をもとにシリコン酸化膜のエッチング速度を調整しつつ、膜厚モニター（エッチング速度を検出）でレジストのエッチング速度を調整した場合には、エッチング特性の制御特性をよりいっそう向上させることができた。
【００４４】
以上、シリコン酸化膜のエッチングを例に挙げて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形が可能であり、いずれの場合も本発明の効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、ＰＦＣを含めたプロセスガスの使用量およびＧＷＰ換算放出量を削減して、生産コストおよび環境負荷の低減を図ることが可能なプラズマ処理方法が提供される。
【００４６】
本発明は、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置、特にシリコン酸化膜のエッチングに極めて有効に用いられ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のプラズマ処理装置の概略構成図。
【図２】循環率とＳｉＯ2エッチング速度との関係、および循環率とレジストに対する選択率との関係を表わすグラフ図。
【図３】導入ガスおよび排ガスの成分を表わすグラフ図。
【図４】本発明に用いられるプラズマ処理装置の一例を表わす概略構成図。
【図５】循環率と発光強度との関係を表わすグラフ図。
【図６】本発明に用いられるプラズマ処理装置の一例を表わす概略構成図。
【符号の説明】
１０１…処理室
１０２…カソード電極
１０３…アノード電極
１０４…被処理基板
１０５…マッチング回路
１０６…高周波源
１０７…シャワーノズル
１０８…流量制御装置
１０９…ガスボンベ
１１０…圧力調整用バルブ
１１１…ターボ分子ポンプ
１１２…ドライポンプ
１１３…循環配管
１１６…発光モニター
１１７…膜厚モニター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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