(57)【要約】      （修正有）【課題】高感度化したプラズマ発光検出手段を備えるプラズマ処理装置および高感度化したプラズマ発光検出手段を用いたプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】プラズマ処理を行うチャンバ１０１と、チャンバ１０１にプロセスガスを供給するガス導入口１１１と、チャンバ１０１内に供給されたプロセスガスをプラズマ化するためのマイクロ波電力を供給するマグネトロン１０６と、チャンバ１０１内に生成されたプラズマ１１２の発光を検出する光検出器とを備えるプラズマ処理装置において、前記光検出器は、パルス変調されたマイクロ波電力により生成されたプラズマ１１２の発光を所定の露光時間の間で検出する光検出部１１５と、各前記露光時間内に検出されるプラズマ１１２の発光の量が一定になるように制御する制御部１１６とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ処理を行う処理室と、前記処理室にプロセスガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に供給されたプロセスガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に生成されたプラズマの発光を検出する光検出器とを備えるプラズマ処理装置において、
前記光検出器は、パルス変調された高周波電力により生成されたプラズマの発光を所定の露光時間の間で検出する検出部と、
各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御する制御部とを具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、前記パルス変調のパルスと前記露光時間を同期させることにより、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光のオン期間を積算した値が一定となるように前記各露光時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記制御部は、各前記露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数が一定となるように前記各露光時間を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマの変調パルスの周期と前記露光時間の大小関係に応じて、
各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光のオン期間を積算した値が一定となるように前記各露光時間を制御する制御と、各前記露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数が一定となるように前記各露光時間を制御する制御とを切り替えることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記光検出器の各サンプリングのプラズマ発光データは、各前記露光時間に検出されたプラズマ発光データの所定個の平均値であることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項７】
プラズマ処理を行う処理室と、前記処理室にプロセスガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に供給されたプロセスガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に生成されたプラズマの発光を検出する光検出器とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、
前記光検出器は、パルス変調された高周波電力により生成されたプラズマの発光を所定の露光時間の間で検出し、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御し、
前記光検出器により検出されたプラズマ発光データに基づいてプラズマ処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項８】
請求項７記載のプラズマ処理方法において、
前記光検出器は、前記パルス変調のパルスと前記露光時間を同期させることにより、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項７記載のプラズマ処理方法において、
前記光検出器は、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光のオン期間を積算した値が一定となるように前記各露光時間を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１０】
請求項７記載のプラズマ処理方法において、
前記光検出器は、各前記露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数が一定となるように前記各露光時間を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１１】
請求項７記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマの変調パルスの周期と前記露光時間の大小関係に応じて、
各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光のオン期間を積算した値が一定となるように前記各露光時間を制御する制御と、各前記露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数が一定となるように前記各露光時間を制御する制御とを切り替えることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１２】
請求項７記載のプラズマ処理方法において、
前記光検出器の各サンプリングのプラズマ発光データは、各前記露光時間に検出されたプラズマ発光データの所定個の平均値であることを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子のプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特にプラズマの発光強度を安定に取得してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマをパルス変調して、プラズマからの発光を計測する方法に関しては以下の先行技術がある。特許文献１にはプラズマを発生させる高周波電源をパルス変調してこのパルスの周波数と同期してプラズマからの発光を計測する方法が記載されている。特許文献２にはバイアス電位を周期的に変化させてこのバイアスと同期して発光を観察する手段が述べられている。
【０００３】
これらの先行技術は、プラズマ中の反応生成物の発光を高感度で検出することを目的としている。プラズマをパルス変調しその周波数と同期して発光強度を検出することにより、外部雑音など同期していない周波数成分の信号を除去することで高感度化を図っている。
【０００４】
また、特許文献３にはプラズマからの発光を分光してかつ高速で取り込む方法が記載されている。ここではＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：以下、ＣＣＤと称する）の蓄積時間を変化させて、ゲインを調整する方法が記載されている。また、ＳＮ比(ｓｉｇｎａｌ−ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ：以下、ＳＮ比と称する)を上げるために、検出器のサンプリング回数を増して、信号を多数回蓄積して平均することによりノイズ成分を除去する記載もある。
【０００５】
一方、プラズマエッチングにおいては発光測定の高感度化とは別に、異なる被エッチング材料間の選択比の向上あるいはエッチング形状の垂直化を目的として、プラズマをパルス変調する技術が知られており、市販のプラズマエッチング装置にもパルス変調機能を持ったものが既に存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2002-270574号公報
【特許文献２】特開2001-168086号公報
【特許文献３】特開2005-217448号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献3に記載されている、発光を複数回数サンプリングして、平均をとることによりバックグランドのノイズを低減してＳＮ比を向上する方法では、放電をパルス化した場合、1回のサンプリング時間内に発生するパルスの数が異なる場合が生じる。
【０００８】
この場合、各サンプリング時間内に取り込まれる発光強度が異なってしまうことになり、プラズマ発光検出の高感度化が妨げられる。さらにパルス放電の周期によっては各サンプリング時間に含まれるプラズマのオン時間(プラズマが着火している時間)が異なってしまい、この場合もプラズマ発光検出の高感度化が妨げられる。
【０００９】
本発明は、上記の課題を鑑みて、高感度化したプラズマ発光検出手段を備えるプラズマ処理装置および高感度化したプラズマ発光検出手段を用いたプラズマ処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、プラズマ処理を行う処理室と、前記処理室にプロセスガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に供給されたプロセスガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に生成されたプラズマの発光を検出する光検出器とを備えるプラズマ処理装置において、前記光検出器は、パルス変調された高周波電力により生成されたプラズマの発光を所定の露光時間の間で検出する検出部と、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御する制御部とを具備することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、プラズマ処理を行う処理室と、前記処理室にプロセスガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内に供給されたプロセスガスをプラズマ化するための高周波電力を供給する高周波電源と、前記処理室内に生成されたプラズマの発光を検出する光検出器とを備えるプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法において、前記光検出器は、パルス変調された高周波電力により生成されたプラズマの発光を所定の露光時間の間で検出し、各前記露光時間内に検出される前記プラズマの発光の量が一定になるように制御し、前記光検出器により検出されたプラズマ発光データに基づいてプラズマ処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、パルス放電によるプラズマ発光を高感度に検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】実施例１の特徴を示す図である。
【図３】実施例２の特徴を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、本発明の各実施形態について説明する。
最初に、本発明を実施するためのプラズマエッチング装置の一例を図１を参照しながら説明する。図１は、プラズマ生成手段にマイクロ波と磁場を利用したＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)型プラズマエッチング装置の概略図である。
【００１５】
ECR型プラズマエッチング装置は、内部を真空排気できるチャンバ101と、被処理体であるウエハ102を載置する試料台103と、チャンバ101の上面に設けられた石英などのマイクロ波透過窓104と、その上方に設けられた導波管105と、マグネトロン106と、チャンバ101の周りに設けられたソレノイドコイル107と、試料台101に接続された静電吸着電源108と、試料台103に高周波電力を供給する高周波電源109とからなる。
【００１６】
ウエハ102は、ウエハ搬入口110からチャンバ101内に搬入された後、静電吸着電源108によって試料台103に静電吸着される。次にプロセスガスがガス導入口111からチャンバ101に導入される。チャンバ101内は、真空ポンプ（図示省略）により減圧排気され、所定の圧力（例えば、０．１Ｐａ〜５０Ｐａ）に調整される。
【００１７】
次に、マグネトロン106から周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波が発振され、導波管105を介してチャンバ101内に伝播される。マイクロ波とソレノイドコイル107によって発生された磁場との作用によって処理ガスが励起され、ウエハ102上部の空間にプラズマ112が形成される。
【００１８】
一方、試料台103には、高周波電源109によってバイアスが印加され、プラズマ112中のイオンがウエハ102上に垂直に加速され入射する。また、高周波電源109は、連続的な高周波電力または、時間変調された間欠的な高周波電力を試料台103に印加することができる。プラズマ112からのラジカルとイオンの作用によってウエハ102が異方的にエッチングされる。
【００１９】
プラズマ112からの発光は、光ファイバ113で取り込まれ、分光器114で分光されてＣＣＤ(Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ)を含む光検出部115で電気信号に変換される。パルス発生器118から発生したパルス信号によりマグネトロン106から発生されたマイクロ波はパルス変調されて、これにともないプラズマ112もオンとオフを繰り返しながら発光する。
【００２０】
一方、パルス発生器118の信号は、カウンタ117を介し、露光時間信号部119からの信号とともに制御部116に入る。制御部116は、この2つの信号から以下に述べるような一定のパルス数毎に光検出を行ったり、または、一定の放電時間毎に光検出を行ったりするように光検出部115を制御する。
【００２１】
この構成により、各露光時間内に発生するパルスの数が一定になるように光検出部115の露光時間を制御することにより、各露光時間内の発光強度を一定にさせることができる。また、本発明は、光検出部115と制御部116とカウンタ117と露光時間信号部119とを備える手段を光検出器とする。さらに、この検出手段は、分光器114で分光された各波長ごとの光強度を順に積算して加算していく機能も持つ。
【実施例１】
【００２２】
最初に、光検出器の露光時間(Ｔｓ)内のプラズマのオン時間の積算量をカウントし、各露光時間の積算された時間が一定になるように露光時間を制御する手段について、図1と図2を用いて説明する。
【００２３】
予めプラズマ処理の開始前に各露光時間(Ｔｓ)内で検出するプラズマのオン時間を設定し、この時間をＴｐｏｎとする。制御部116は、パルス発生器118からパルスのオン信号を受け取る前に、光検出部115でのプラズマの露光を開始させておく。
【００２４】
図2では時刻ｔ０にて光検出部115は検出可能な状態になっている。検出可能な状態をONと表記する。マグネトロン106は、パルス発生器118からオン信号を受け取ると、マイクロ波を出力しプラズマを生成する。図2では時刻ｔ１にてプラズマがオン状態になる。
【００２５】
時刻ｔ０からｔ１までの間にプラズマ発光は無いが、光検出部115では露光は継続している。ｔ１でマグネトロン106がオンになりプラズマの発光が始まると、光検出部115でプラズマ発光の蓄積を開始する。また、同時にプラズマのオン時間の積算値（以下、Ｔｐｏｎと称する）の積算をカウンタ117で開始する。図2の光検出部115のパルスが黒く塗りつぶされている個所は、プラズマのオン時間が積算されている個所である。
【００２６】
プラズマのオン時間の積算値が事前に設定されたＴｐｏｎに到達すると、プラズマは発光しているが、光検出部115の露光は終了する(ｔ２）。時刻ｔ２からｔ３までの間で、光検出部115で蓄積した露光データを外部ＰＣ120等に転送し、蓄積データのリセットを実施する。この時間は光検出器による固定値であり、露光終了から次の露光開始までの時間は一定とする。
【００２７】
次に時刻ｔ３で露光を再開し、時刻ｔ４まで発光データを蓄積していく。事前に設定されたＴｐｏｎ（ｔ４）に到達後、露光データの転送およびリセットを行う。これらの一連の動作を繰り返し、発光データを取得して行く。時刻ｔ３からｔ８までは露光時間(Ｔｓ)の間、ずっとプラズマはオン状態なので、ＴｓとＴｐｏｎは等しくなる。なお、パルスの最終ステップでも同様で、時刻ｔ９で放電がオフになっても、露光は継続し、放電再開後、Ｔｐｏｎの時間が設定値に達するまで露光を継続する。
【００２８】
以上の各露光時間での発光データ取得をＮ回繰り返し、Ｎ回の平均値をたとえばＰＣ画面上に発光強度の時間変化グラフとして表示する。図2は露光時間が5回分の平均値を算出した例であり、この平均値を算出するサンプリング時間をＴａと表記している。本実施例では、Ｔｓは、数ミリから数十ｍｓのオーダであり、平均値を算出する回数Ｎは数十から数百になる。また、サンプリング時間のＴａは、0.1ｓから1ｓの範囲の値となる。
【００２９】
このようにプラズマ発光の露光時間(Ｔｓ)を制御することにより、各露光時間(Ｔｓ)内のプラズマのオン時間を一定にすることができ、すなわちサンプリング時間内の発光量を一定にすることができる。また、以上、述べた本実施では、特にプラズマのパルスと光検知器の露光開始時間の同期をとっていないが、同期をとってもかまわない。
【００３０】
以上述べた実施例では、制御部116により光検出部115の露光時間を制御して露光のオフ時間を設けているが、特に露光のオフ時間を設ける必要はなく、例えば光検出部115からの出力信号を保存しておくレジスタを十分な数だけ設けて、信号を転送している時間にも露光を継続し、その信号はレジスタに保存して順次外部ＰＣ120などへ転送するようにしてもよい。
【００３１】
本実施例では、プラズマのオン時間が露光時間(Ｔｓ)よりも大きい場合であったが、プラズマのオン時間が露光時間(Ｔｓ)よりも小さい場合がある。露光時間(Ｔｓ)がプラズマのオン時間より長い場合も本実施例のように各露光時間(Ｔｓ)内のプラズマのオン時間の積算をカウントする方式でも問題ないが、別方式としてパルス数をカウントし、そのカウント数が各露光時間毎に一定になるように光検出部115の露光時間(Ｔｓ)を制御する方法を、図1と図3を用いて説明する。
【実施例２】
【００３２】
パルス発生器118からのオン/オフ信号でパルス変調された、マグネトロン106から発振されたマイクロ波によって、プラズマは周期的にオンとオフを繰り返している。
【００３３】
プラズマ発光を露光するため、パルス発生器118からパルスのオン信号を制御部116に送り、このパルスのオン信号と同期して光検出部115で露光を開始(時間ｔ０)するとともにパルス発生器118から発生されたパルスのパルス数をカウンタ117でカウントする。
【００３４】
予め設定されたパルス数にカウンタ117でのカウント数が到達したら、制御部116は、光検出部115の露光を終了するための信号を光検出部115に送り、光検出部115での露光を終了する(時間ｔ１)。ｔ０時間からｔ１までに蓄積された発光データは外部ＰＣ120に転送され、蓄積された発光データをリセットする。このような発光データの蓄積をＮ回繰り返し、Ｎ回の平均値を予め定められたサンプリング間隔で発光強度の時間変化を例えば外部ＰＣ120の画面上に表示する。図3では、露光時間が５回分の平均値を算出した例を示し、上記サンプリングにかかる時間をＴａと表記している。
【００３５】
このように各露光時間内のパルス数を一定にするように各露光時間を制御することにより、各サンプリング時間内に検出されるプラズマ発光を安定に検出できる。
【００３６】
また、各露光時間内のパルス数を一定に制御するのではなく、パルス数に比例して出力値に補正係数をかけて演算値を一定にするという制御も可能である。例えば、露光時間(Ｔｓ)になんらかの原因で変動が生じ、ある露光時間内のパルスカウント数が予め設定された標準値Ｎｓより一つ少ない「Ｎｓ−１」個になった場合、光検出部115からの出力信号にＮｓをＮｓ−１で除した値を掛けるという演算を行えば、たとえ各露光時間内のパルス数が異なっても、光検出部115からの信号出力を一定にできる。
【００３７】
また、各露光時間内に検知されるプラズマの変調パルスの数を一定にするためには、パルスをカウントするのではなく、パルス発生器118の周波数設定値から算出してもよい。プラズマをパルス変調する際の周波数は、通常、プラズマエッチングの処理条件を規定するレシピに設定されているので、レシピに設定された周波数の逆数から周期Ｔｐが算出し、プラズマ発光を検知する露光時間をＴｐの整数倍に設定することにより、各露光時間内に検知されるプラズマの変調パルスの数を一定にすることができる。
【００３８】
通常、プラズマの変調パルスの周期Ｔｐは、エッチング形状等の特性で最適値を決め、また、光検出部115の露光時間(Ｔｓ)は、プラズマの発光強度によって最適値を決める。したがって、ＴｐとＴｓの大小関係は、エッチング特性やプラズマの発光強度等により決まる。このため、プラズマ変調パルスの周期Ｔｐと光検出部115の露光時間(Ｔｓ)の大小関係に応じて、各露光時間内に検知されるプラズマの変調パルスの数を一定にするように各露光時間を制御する制御と各露光時間内に検知されるプラズマのオン時間の積算量Ｔｐｏｎを一定にするように各露光時間を制御する制御とを切り替える手段について、以下、説明する。
【実施例３】
【００３９】
プラズマ処理条件を作成する際に、光検出部115の露光時間(Ｔｓ)とプラズマの変調パルスの周期Ｔｐの時間を決定する。光検出部115の露光時間(Ｔｓ)がプラズマの変調パルスの周期Ｔｐより大きい場合(Ｔｓ＞αＴｐ)、実施例２のように各露光時間内に検知されるプラズマの変調パルスの数を一定にするように各露光時間を制御しながらプラズマ発光を検知する。ここで、αは10以上とする。
【００４０】
次に、光検出部115の露出時間(Ｔｓ)がプラズマの変調パルスの周期Ｔｐより小さい(Ｔｓ＜αＴｐ)場合、実施例１のように各露出時間内に検知されるプラズマのオン時間の積算量Ｔｐｏｎを一定にするように各露光時間を制御しながらプラズマ発光を検知する。ここで、αは10以上とする。
【００４１】
このように、プラズマ変調パルスの周期Ｔｐと光検出部115の露光時間(Ｔｓ)の大小関係により、各露光時間内に検知されるプラズマの変調パルスの数を一定にするように各露光時間を制御する制御と各露光時間内に検知されるプラズマのオン時間の積算量Ｔｐｏｎを一定にするように各露光時間を制御する制御とを切り替える制御を制御部116が行うことにより、自動的に最適な制御方法を選択でき、プラズマ変調パルスの周期Ｔｐと光検出部115の露光時間(Ｔｓ)の大小関係によらず、安定的にプラズマ発光を検知できる。
【００４２】
以上、各実施例では、マイクロ波を用いたＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)方式のマイクロ波プラズマエッチング装置での適用例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、容量結合型、誘導結合型のプラズマ生成手段を用いたプラズマエッチング装置に適用しても良い。
【００４３】
また、実施例１で上述した通り、本発明は、各露光時間内に検出されるプラズマのオン時間の積算量を一定にするように各露光時間を制御することである。また、実施例２で上述した通り、本発明は、各露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数を一定にするように各露光時間を制御することである。
【００４４】
さらに、実施例３で上述した通り、本発明は、プラズマ変調パルスの周期Ｔｐと光検出部115の露光時間(Ｔｓ)の大小関係に応じて、各露光時間内に検出されるプラズマの変調パルスの数を一定にするように各露光時間を制御する制御と、各露光時間内に検出されるプラズマのオン時間の積算量Ｔｐｏｎを一定にするように各露光時間を制御する制御と、を切り替えることである。
【００４５】
つまり、本発明は、光検出部115の各露光時間内に検出されるパルス変調されたプラズマの発光量が一定になるように制御することである。このため、パルス変調プラズマのパルスと光検出部115の露光時間を同期させることにより、各露光時間内に検出されるプラズマの発光量が一定になるように制御することも本発明となる。ここで、パルス変調プラズマのパルスと光検出部115の露光時間を同期させるというのは、例えば、パルスのオン期間の開始時間と露光開始時間を合わせることである。
【００４６】
以上のような本発明を実施することにより、各露光時間内に検出されるプラズマの発光量を一定にすることができるため、パルス放電によるプラズマ発光を高感度に検出できる。
【符号の説明】
【００４７】
101  チャンバ
102  ウエハ
103  試料台
104  マイクロ波透過窓
105  導波管
106  マグネトロン
107  ソレノイドコイル
108  静電吸着電源
109  高周波電源
110  ウエハ搬入口
111  ガス導入口
112  プラズマ
113  光ファイバ
114  分光器
115  光検出部
116  制御部
117  カウンタ
118  パルス発生器
119  露光時間信号部
120  外部ＰＣ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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