(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ中の荷電粒子を、バイアス電圧によって制御されたエネルギで被処理基板表面に入射させて、被処理基板表面を処理するプラズマエッチング装置であって、
チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加して前記プラズマを生成するプラズマ源と、
前記被処理基板に前記プラズマ中の荷電粒子を入射させるために高周波電源から供給される第２の電磁波を印加して前記バイアス電圧を発生させるバイアス源と、
前記バイアス電圧を測定する第１の測定手段と、
前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定する第２の測定手段と、
前記第１の測定手段によって測定された前記バイアス電圧と前記第２の測定手段による前記アース電流の測定結果に基づいて、前記マイクロ波供給源からの第１の電磁波の電力と前記高周波電源からの第２の電磁波の電力とのいずれかを制御することによって、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持する制御手段とを有することを特徴とするプラズマエッチング装置。
【請求項２】
チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加してプラズマを生成すると共に、高周波電源から供給される第２の電磁波を印加してバイアス電圧を発生させ、被処理基板の表面に、前記プラズマ中の荷電粒子を、前記バイアス電圧によって制御されたエネルギで入射させ、被処理基板の表面を処理するプラズマエッチング方法であって、
この処理の少なくとも一時期に、前記バイアス電圧を測定すると共に、
前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定し、測定された前記バイアス電圧と該アース電流の測定結果に基づいて、前記マイクロ波供給源からの第１の電磁波の電力と前記高周波電源からの第２の電磁波の電力とのいずれかを制御して、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
前記第１の電磁波の電力の制御によって、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持することができない時に、さらに、前記第２の電磁波の電力を制御して前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持することを特徴とする請求項２に記載のプラズマエッチング方法。
【請求項４】
チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加してプラズマを生成すると共に、高周波電源から供給される第２の電磁波を印加してバイアス電圧を発生させ、被処理基板の表面に、前記プラズマ中の荷電粒子を、前記バイアス電圧によって制御されたエネルギで入射させ、被処理基板の表面を処理するプラズマエッチング方法であって、
この処理の少なくとも一時期に、前記バイアス電圧を測定すると共に、前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定し、測定された前記バイアス電圧が第１の所定範囲から逸脱し、かつ、測定された前記アース電流が第２の所定範囲から逸脱している場合に、前記第１の電磁波の電力を制御して、前記バイアス電圧を前記第１の所定範囲内に保持することを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置、被処理基板表面の処理方法およびプラズマ生成物の付着状態の観察方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微細加工用のプラズマエッチング装置は、被エッチング膜に合わせたプロセスガスをチャンバ内に導入し、マイクロ波や、１３．５６ＭＨｚ、２７ＭＨｚあるいは６０ＭＨｚ等の高周波でプラズマを生成し、その一方でウェハが設置される電極にバイアス電圧を印加することにより、プラズマからウェハに入射するイオンエネルギを制御しつつ、被エッチング膜の異方性加工を実現してきた。これらの代表的な放電形式として、ＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）があり、低圧で高密度のプラズマを得ることが出来る。
【０００３】
以下に、ＥＣＲ励起を利用した従来のプラズマエッチング装置を説明する。
図５は、ＥＣＲ励起を利用したプラズマエッチング装置１００のチャンバ構造を模式的に示した断面図である。図中参照番号２１はチャンバを示している。チャンバ２１の内壁は、石英内筒２１ａで覆われ絶縁されているため、余剰の電荷を吸収するためアース電極２１ｂが、設置されている。チャンバ２１の上部には空洞共振部２２が形成され、空洞共振部２２は、例えば石英天板２３で封止されている。石英天板２３の下部に石英天板に平行にガスシャワープレート２４が配設されており、石英天板２３とガスシャワープレート２４との間にはわずかに隙間がある。この隙間にガス導入管（図示せず）が接続され、ガス導入管よりプロセスガスが導入される。
【０００４】
空洞共振部２２には導波管２６が接続され、導波管２６の他端部は第１の電磁波であるマイクロ波を供給する第１の電磁波の供給源（マイクロ波供給源）２５に接続されている。導波管２６の一端部、空洞共振部２２、およびチャンバ２１の一部の周囲にはこれらと同心状にコイル２７ａ、２７ｂ、２７ｃが配設されており、コイル２７ａ、２７ｂ、２７ｃには直流電源（図示せず）が接続されている。これらの空洞共振部２２、マイクロ波を供給するマイクロ波供給源２５、導波管、コイル２７ａ、２７ｂ、２７等を含んで、プラズマ源２０が構成されている。
【０００５】
ガスシャワープレート２４は、チャンバ２１上部に連接されており、ガスシャワープレート２４には同心状に小孔が形成されている。図示しないガス導入管から供給された各種のプロセスガスが、ガスシャワープレート２４からチャンバ２１内に供給される。そして、可変コンダクタンスバルブ３２を介して真空ポンプ３４で排気を行うことにより、チャンバ２１内の圧力が制御される。チャンバ２１の中央部には、下部電極２８が配設され、下部電極２８の上部が被処理基板を保持できる試料台となっている。下部電極２８には第２の電磁波である高周波（ＲＦ) を印加してバイアス電圧を発生させるための高周波（ＲＦ) 電源２９が接続され、この高周波電源２９は接地されている。この高周波電源２９によりバイアス源が構成される。
【０００６】
このように構成されたプラズマエッチング装置１００を用いて被処理基板をエッチングする場合、まず、チャンバ２１を減圧し、真空にしたチャンバ２１内に図示しないガス導入管よりプロセスガスを導入し、圧力を所定値に制御する。そしてコイル２７ａ、２７ｂ、２７ｃに直流電流を供給して空洞共振部２２に磁界を形成すると共に、マイクロ波供給源２５より、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を、導波管２６を介して空洞共振部２２に導入する。この磁界とマイクロ波との相互作用によりプラズマが形成される。そして、下部電極２８に高周波電源２９より高周波電力を印加してバイアス電圧を発生させ、下部電極２８上部の試料台に保持される被処理基板に、プラズマ中の荷電粒子（イオン）や中性活性粒子（ラジカル）を入射して、エッチングが行われる。このイオンの入射エネルギーは、高周波電源２９により下部電極２８に発生させたバイアス電圧により制御される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなプラズマエッチング装置においても、半導体加工の微細化に伴い、エッチングプロセスに対する要求（例えば、低マイクロローディング効果、高選択性、高再現性、高精度加工）はますます厳しくなっている。しかし、これらの要求項目はトレードオフの関係が複雑に絡んでおり、全てを満たす安定領域は極めて狭い。そして、この安定領域でさえ、エッチング生成物の蓄積により経時的にシフトしてしまうのが現状である。
【０００８】
例えば、上述のプラズマエッチング装置１００での酸化膜エッチングにおいては、アース電極２１ｂの表面は、プラズマからのイオン衝撃やエッチング生成物の付着の影響を受けるため、アース能力が経時的に低下していく。その結果、次第にチャンバ２１内のイオン密度が増加し、バイアスとして一定電力を印加する下部電極２８のバイアス電圧のピークツウピーク電圧（以下、単にＶｐｐという）は低下する。Ｖｐｐの低下は被処理基板であるウェハに入射するイオンエネルギを低下させるため、マイクロローディング効果（狭スペースのエッチレート低下）が増長される。
【０００９】
まず、上述のプラズマエッチング装置１００におけるホール加工では、基板やシリサイド層、あるいはＳＡＣ構造では窒化膜に対して、高選択性を確保する必要性から、Ｃ4 Ｆ8 のようなＣ／Ｆ比の高いガスを用い、エッチングがフルオロカーボン膜のデポより若干優勢となるところでプロセスを構築している。このため、イオンエネルギが低下すると、エッチングよりデポが優勢となりエッチングストップが生じることがある。
【００１０】
また、素子分離（ＬＯＣＯＳ形成）のための窒化膜エッチングやゲートエッチングでは、下地の薄い酸化膜や酸窒化膜に対して選択性よくエッチングすることが要求される。ここでも、アース能力が低下すれば、マイクロローディング効果が増長される。
【００１１】
図６は、窒化膜エッチングにおいて、マイクロローディング効果によりエッチング残りが発生した事例を示す。図６は、上より順に、ウェハの同一面内のトップ、レフト、センタ、ライト、ボトムを撮影したものである。全て同じアクティブパターンを示している。白い部分がエッチングされた部分である。例えばセンタの中央には大きくエッチングされた白い部分が見え、その両脇は黒く見える。この黒い部分には、本来ならボトムでは明らかに見える中央両脇の細長いスリットがエッチングされている部分であるが、マイクロローディング効果によりエッチングが十分にされなかったため、窒化膜が残ってしまい黒く見えている。
このように、Ｖｐｐの低下はウェハに入射するイオンエネルギを低下させ、狭スペースのエッチレート低下が増長される。
【００１２】
メンテナンスによりアース電極を交換することでアース能力は回復するが、パーツの個体差等によりそれまで以上にアース能力が回復した場合には、チャンバ内のプラズマのイオン密度が低下し、設定電力を維持しようと下部電極のＶｐｐが増加する。この結果、入射イオンエネルギが増大し、下地選択性が悪化する。
【００１３】
図７は、アース電極の交換によりＶｐｐが増加し窒化膜エッチングにおいて下地酸化膜抜けが発生した事例を示す。図７は、上より順に、ウェハの同一面内のトップ、レフト、センタ、ライト、ボトムを撮影したものである。トップ、レフト、センタ、ライト、ボトム、それぞれ中央にレジストに覆われて黒く見える部分があるが、その両脇に虫食い状の孔が見える。これらは、パッド酸化膜を破ってシリコン基板までエッチングが進んでしまった部分である。
【００１４】
上述の図６、７により具体的に示す事例は、長期的な変動の結果を示しているが、短期的な変動としてロット内のウェハ間やロット間の変動が存在する。
半導体製造装置の歩留まり低下の一因に、チャンバ内付着物に起因する異物の落下がある。これを防ぐために、定期的なプラズマクリーニングが実施される。しかし、プラズマクリーニング直後のアース電極表面は清浄であるが、ウェハ処理の進行と共に付着物の影響等でアース能力は低下し、上述のようなマイクロローディング効果や下地酸化膜抜けといった大きなトラブルに至らないまでも、微細加工の再現性のレベル（寸法や下地選択性のシフト等）について影響が出てくる。
【００１５】
プロセス中に、ウェハに入射するイオンのエネルギが変動するという上述の従来技術の問題に対し、これまで、下部電極に高周波（ＲＦ）電力を供給する高周波（ＲＦ）電源の電力を制御することにより、Ｖｐｐを一定の所定値にして、エッチングレートを制御する方法（特開平８−１９９３７８号公報）等が提案されている。しかし、高周波電力をＶｐｐが一定になるように制御を行うと、処理状態によっては、高周波電力の過剰供給または供給不足になってしまい、エッチング性能、特に形状制御が出来なくなるという問題がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、常に一定のエッチングレートでプロセスを維持することができ、低マイクロローディング効果、高下地選択性、高再現性、高精度加工を可能とする半導体製造装置、被処理基板表面の処理方法、およびこれらを可能とするために半導体製造装置内におけるプラズマ生成物の付着状態を観察する方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
一般的に、プロセス中にイオン密度が変動しウェハへの入射イオンエネルギが変動する結果起きる、マイクロローディング効果の増大、下地選択性の悪化、微細加工の再現性の低下等の従来技術の問題は、チャンバ壁またはアース電極とプラズマとの相互作用の経時変化にある。
【００１８】
本発明者は、この経時変化は、直接的にはチャンバ壁またはアース電極に流れるアース電流を測定することで監視することができ、間接的には、被処理基板を載置する下部電極側に印加されるバイアス電圧を測定することで監視することができることを知見し、さらに、チャンバ内壁またはアース電極とプラズマとの相互作用の経時変化は避けがたいものであるものの、バイアス電圧を監視し、その値が所定範囲に保持されるよう、マイクロ波を供給する電磁波（プラズマ波）供給源の電力を制御することにより、チャンバ内のプラズマ中の荷電粒子（イオン）密度を補償することが可能であり、それにより、従来技術の問題を解決し、上記目的を達成できることを知見し、本発明を完成した。
【００２０】
すなわち、本発明は、プラズマ中の荷電粒子を、バイアス電圧によって制御されたエネルギで被処理基板表面に入射させて、被処理基板表面を処理するプラズマエッチング装置であって、
チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加して前記プラズマを生成するプラズマ源と、
前記被処理基板に前記プラズマ中の荷電粒子を入射させるために高周波電源から供給される第２の電磁波を印加して前記バイアス電圧を発生させるバイアス源と、
前記バイアス電圧を測定する第１の測定手段と、
前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定する第２の測定手段と、
前記第１の測定手段によって測定された前記バイアス電圧と前記第２の測定手段による前記アース電流の測定結果に基づいて、前記マイクロ波供給源からの第１の電磁波の電力と前記高周波電源からの第２の電磁波の電力とのいずれかを制御することによって、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持する制御手段とを有することを特徴とするプラズマエッチング装置を提供する。
【００２２】
また、本発明は、チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加してプラズマを生成すると共に、高周波電源から供給される第２の電磁波を印加してバイアス電圧を発生させ、被処理基板の表面に、前記プラズマ中の荷電粒子を、前記バイアス電圧によって制御されたエネルギで入射させ、被処理基板の表面を処理するプラズマエッチング方法であって、
この処理の少なくとも一時期に、前記バイアス電圧を測定すると共に、
前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定し、測定された前記バイアス電圧と該アース電流の測定結果に基づいて、前記マイクロ波供給源からの第１の電磁波の電力と前記高周波電源からの第２の電磁波の電力とのいずれかを制御して、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持することを特徴とするプラズマエッチング方法を提供する。
【００２３】
前記第１の電磁波の電力の制御によって、前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持することができない時に、さらに、前記第２の電磁波の電力を制御して前記バイアス電圧を前記所定範囲内に保持するのが好ましい。
【００２４】
また、本発明は、チャンバ内のガス雰囲気に、マイクロ波供給源から供給される第１の電磁波を印加してプラズマを生成すると共に、高周波電源から供給される第２の電磁波を印加してバイアス電圧を発生させ、被処理基板の表面に、前記プラズマ中の荷電粒子を、前記バイアス電圧によって制御されたエネルギで入射させ、被処理基板の表面を処理するプラズマエッチング方法であって、
この処理の少なくとも一時期に、前記バイアス電圧を測定すると共に、前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定し、測定された前記バイアス電圧が第１の所定範囲から逸脱し、かつ、測定された前記アース電流が第２の所定範囲から逸脱している場合に、前記第１の電磁波の電力を制御して、前記バイアス電圧を前記第１の所定範囲内に保持することを特徴とするプラズマエッチング方法を提供する。
【００２５】
さらに、本発明は、チャンバ内のプラズマ生成物の付着状態を観察する方法であって、前記チャンバ内のガス雰囲気に電磁波を印加してプラズマを生成すると共に、前記プラズマからこのプラズマが接する前記チャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を測定することによって、前記チャンバ内壁もしくは前記アース電極へのプラズマ生成物の付着状態を観察する方法を提供する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる半導体製造装置、被処理基板表面の処理方法およびプラズマ生成物の付着状態を観察する方法を添付の図面に示す好適実施例に基づいて以下に詳細に説明する。
図１は、本発明の被処理基板表面の処理方法およびプラズマ生成物の付着状態を観察する方法を実施する本発明の半導体製造装置の一実施例にかかるＥＣＲプラズマエッチング装置である。なお、本発明は図示例に限定されないのはもちろんである。
図１に示すプラズマエッチング装置１０は、図５に示すプラズマエッチング装置１００と、電流測定手段３０ａおよび電圧測定手段３０ｂを含む測定部３０ならびに制御部３１を備えている点を除いては、同一の構成を有しているので、同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略し、主として相違点について説明する。
【００２７】
図１に示すプラズマエッチング装置１０は、測定部３０を有し、この測定部３０はプラズマ源２０により供給されるプラズマからこのプラズマが接するアース電極２１ｂに流れるアース電流を測定する電流測定手段３０ａと、高周波（ＲＦ）電源２９により下部電極２８に印加された電磁波により発生するバイアス電圧を測定する電圧測定手段３０ｂとの両方を備える。しかし、本発明はこれに限定されず、測定部３０は、少なくとも電圧測定手段３０ｂを備えていればよい。従って、本発明においては、測定部３０は、少なくともバイアス電圧を測定するものであればよい。
【００２８】
アース電極２１ｂには、アース電流を測定するための電流測定手段３０ａの一端部が接続されており、電流測定手段３０ａの他端部は接地されている。また、電流測定手段３０ａは、制御部３１に接続されている。
下部電極２８には、バイアス電圧を測定する電圧測定手段３０ｂの一端部が接続されており、電圧測定手段３０ｂの他端部は接地されている。また、電圧測定手段３０ｂは、制御部３１に接続されている。電圧測定手段３０ｂは、バイアス電圧のピーク電圧（Ｖｐｐ）を測定するものであってもよい。
【００２９】
制御部３１は、導波管２６や空洞共振部２２等にマイクロ波を供給するマイクロ波供給源２５に接続されている。
アース電流とバイアス電圧とについて、予め、基準アース電流値を中心値として含む許容される所定範囲と、基準バイアス電圧値を中心値として含む許容される所定範囲が設定されている。電圧測定手段３０ｂにより測定されたバイアス電圧に対応する入力信号が、もしくはさらに、電流測定手段３０ａにより測定されたアース電流に対応する入力信号が、制御部３１に入力され、測定されたバイアス電圧は所定範囲に入っているかが判断され、これに応じてマイクロ波供給源２５の供給電力量の増減を指示する信号がマイクロ波供給源２５に入力される。
すなわち、測定されたバイアス電圧が、所定範囲の上限を上回る場合にマイクロ波供給源２５の電力を増大させ、所定範囲の下限を下回る場合にマイクロ波供給源２５の電力を減少させ、バイアス電圧を所定範囲内に保持する。
これによりプラズマエッチング装置１０では、バイアス電圧を所定範囲内に保持することができる。
【００３０】
図１のプラズマエッチング装置１０では、制御部３１が下部電極に高周波を印加してバイアス電圧を発生させる高周波電源２９にも接続されている。これにより、制御部３１に入力されるバイアス電圧の測定値に基づいて、マイクロ波供給源２５の電力の増減を指示する信号をマイクロ波供給源２５に入力するのみではなく、高周波電源２９の電力の増減を指示する信号を高周波電源２９に入力することもできる。
【００３１】
例えば、電圧測定手段３０ｂにより測定されたバイアス電圧が所定範囲の上限を上回っている場合であっても、高周波電力を制御することが適切であると判断した場合には、高周波電源２９の電力を減少させるよう、制御部３１から高周波電源２９に信号が入力される。同様に、バイアス電圧が所定範囲の下限を下回っている場合であっても、高周波電力を制御することが適切であると判断した場合には、高周波電源２９の電力を増大させるよう、制御部３１から高周波電源２９に信号が入力される。これにより、バイアス電圧を所定範囲内に保持することができる。
このように高周波電力を制御することが適切であるか否かは、例えば、電流測定手段３０ａにより測定されたアース電流が所定範囲内であるかどうかによって判断される。
【００３２】
図１に示すプラズマエッチング装置１０においては、制御部３１は、導波管２６や空洞共振部２２等にマイクロ波を供給するマイクロ波供給源２５に接続され、加えて、下部電極２８に高周波を印加してバイアス電圧を発生する高周波（ＲＦ）電源２９に接続されているが、本発明はこれに限定されず、制御部３１はマイクロ波供給源２５のみに接続されていても良い。従って、本発明においては、制御部３１は、マイクロ波供給源２５の電力および高周波電源２９の電力の両方を制御するものでもよく、また、マイクロ波供給源２５の電力のみを制御するものでもよい。
【００３３】
本発明の半導体製造装置は、基本的に以上のように構成されるが、以下に上記半導体製造装置の構成を参照して、本発明の被処理基板表面の処理方法およびプラズマ生成物の付着状態を観察する方法について詳細に説明する。
【００３４】
本発明の被処理基板表面の処理方法においては、処理の少なくとも一時期に、バイアス電圧を測定すると共に、少なくとも第１の電磁波であるマイクロ波の供給源２５の電力を制御して、該バイアス電圧を所定範囲内に保持することを特徴とする。
【００３５】
バイアス電圧については、予め、基準バイアス電圧値を含む許容される所定範囲が設定されている。所定範囲は、目標となる基準バイアス電圧値を中心に、目標として許容される下限と上限とが設定される。具体的には、例えば、基準バイアス電圧値を中心に、その±２．５％の範囲を所定範囲とするのが好ましい。所定範囲は予め制御部３１に記憶されている。
【００３６】
所定範囲は、エッチングの各ステップ毎に設定されているのが好ましい。
被処理基板のエッチング層の変化により、同一のイオン密度でもバイアス電圧が異なる場合が考えられるが、このような場合でも、エッチングの各ステップでの好ましいバイアス電圧の所定範囲に一致していることが重要である。
【００３７】
電圧測定手段３０ｂにより測定されたバイアス電圧に対応する入力信号が、制御部３１に入力され、測定されたバイアス電圧が所定範囲を上回る場合に、制御部３１からマイクロ波供給源２５にマイクロ波の電力の増大を指示する信号が入力され、これによりマイクロ波供給源２５の電力が制御され、バイアス電圧が所定範囲内に保持される。
マイクロ波供給源２５に入力される信号は、例えば、予め定められた一定幅の増大を指示するものであってもいい。この場合には、バイアス電圧を所定範囲内に保持するためには、バイアス電圧の測定とマイクロ波電力の制御とを繰り返し実施する。制御部３１内で、測定されたバイアス電圧と所定範囲との差分を演算し、予め定められた補正式、もしくは補正テーブルに基づいて、バイアス電圧を所定範囲内に保持するために必要なマイクロ波電力増大量を算出してから、この増大量を指示する信号をマイクロ波供給源２５に入力することも可能である。
一方、測定したバイアス電圧が所定範囲の下限を下回る場合には、制御部３１からマイクロ波供給源２５にマイクロ波の電力の減少を指示する信号が入力される。
【００３８】
このように、電圧測定手段３０ｂによりバイアス電圧を測定することにより、チャンバ２１内のイオン密度の変動を監視し、測定されたバイアス電圧に応じてマイクロ波供給源２５を制御することによりバイアス電圧を所定範囲内に保持し、基板表面に入射するイオンのエネルギを一定に維持することで、エッチングレートを一定とすることが出来る。それにより、低マイクロローディング効果、高選択性、高再現性、高精度加工を達成することが出来る。
【００３９】
チャンバ２１内のプラズマのイオン密度の変動は、通常、付着物の堆積やアース電極２１ｂの交換等によるチャンバ２１内の環境の変化、すなわち、アース能力等の変化に起因していると考えられる。この場合には、第１の電磁波供給源であるマイクロ波供給源２５の電力の制御で対応することが好ましい。この場合に第２の電磁波供給源である高周波電源２９の電力の制御は不要である。むしろ、高周波電源２９の電力の制御を行うことは逆効果である。すなわち例えば、プラズマ中の荷電粒子（イオン）の密度が増大している場合、高周波電源２９の制御でバイアス電圧の制御を行おうとすると、高周波電源２９の電力を増大させることになる。この結果、エッチングレートが増大してオーバーエッチングを引き起こしてしまう。
【００４０】
しかし、アース能力等以外の原因に起因してバイアス電圧の変動が発生する場合もある。このような場合には、バイアス源である高周波電源２９の電力を制御することが好ましい。
マイクロ波供給源２５の電力制御だけではバイアス電圧を所定範囲内に保持することができない場合に、すなわち例えば、マイクロ波電力に対して予め定められた可変範囲内でマイクロ波電力を調整しても、バイアス電圧を所定範囲内に保持することができない場合に、さらに、高周波電力を制御して、バイアス電圧を所定範囲内に保持することも可能である。
【００４１】
また、バイアス電圧の変動を検出したときに、アース電流の測定を行い、予め定められた所定範囲との比較を行って、バイアス電圧の変動がアース能力等の変動に起因するか否かを判定し、その判定結果に基づいて、マイクロ波電力を制御すべきか高周波電力を制御すべきかを決定することも可能である。すなわち、アース電流の測定値が所定範囲から逸脱している場合には、特に、その逸脱の方向が、アース能力変動に起因すると解釈できる方向である場合には、バイアス電圧の変動がアース能力等の変動に起因すると判断し、マイクロ波電力を制御する。一方、アース電流が所定範囲内である場合、もしくは、アース能力変動に起因すると解釈できる変動の方向とは逆の方向へ、所定範囲から逸脱している場合には、アース能力等の変動に起因しない変動であると判断し、高周波電力を調整する。
【００４２】
このような場合、アース電流についても、予め、基準アース電流値を含む許容される所定範囲を設定する。所定範囲は、目標とする基準アース電流値を中心に、目標として許容される下限と上限とが設定される。具体的には例えば、基準アース電流値を中心にして、その±８％の範囲を所定範囲とすることが好ましい。所定範囲は、エッチングの各ステップ毎に設定されているのが好ましい。所定範囲は予め制御部３１に記憶されている。
【００４３】
なお、本発明の被処理基板表面の処理方法による処理を継続的に行う場合、マイクロ波電力の制御によって、マイクロ波電力を初期の設定値とは異なる値に変更して、処理を継続する場合がある。この変更の後に再びバイアス電圧の変動が検出された場合に、その変動がアース能力等の変動に起因するか否かを判定するためには、アース電流の所定範囲を、マイクロ波電力に依存する形式で設定することが好ましい。もしくは、マイクロ波電力を変更した場合に、その直後のアース電流を測定し、制御部３１に記憶しておき、再びバイアス電圧の変動が検出された場合には、その時点でのアース電流と記憶されたアース電流との比較を行って、変動の原因を判定することも可能である。すなわち例えば、マイクロ波電力変更直後からのアース電流の変動が、予め定められた許容変動幅（絶対値もしくは比率）を超える場合には、アース能力の更なる変動が発生したと判断し、再びマイクロ波電力を制御し、許容変動幅内である場合には、アース能力等の更なる変動が発生していないと判断し、高周波電力を制御する。
【００４４】
チャンバ２１の内壁やアース電極２１ｂに付着物が堆積し始めると、バイアス電圧を変動させなくても、チャンバ内壁やアース電極からの付着物成分の脱離でプラズマ中の活性種の構成比が変動しうる。このような場合、被処理基板の処理数の増加と共に、下地選択性が変化したり、エッチングしているホールのテーパーが変動してしまう。従って、バイアス電圧が変動する場合はもちろん、変動しない場合でも、アース電流の変動を監視することは好ましい。
【００４５】
本発明の被処理基板表面の処理方法では、バイアス電圧の測定は、被処理基板表面の処理の少なくとも一時期に行われる。測定が行われるのが、処理の期間中、１回でも２回以上でもよく、また、処理の全期間にわたって常時、繰り返し、もしくは連続的に測定しても良い。実際の被処理基板表面の処理を行っている期間中に常時バイアス電圧を測定し、所定範囲内に保持されるようにマイクロ波電力を制御することにより、ウェハ１枚１枚について、バイアス電圧が所定範囲から外れる期間が発生することを防止でき、エッチングレートを一定に保持することが出来、より高度な寸法安定性、高再現性、さらに高選択性を得、マイクロローディング効果を低減することができる。
【００４６】
このように、実際に被処理基板表面の処理を行っている期間中にリアルタイムでバイアス電圧の測定を行い、マイクロ波電力の制御を行うことにより、特に顕著な効果を得ることができる。しかし、アース電極交換時など、チャンバ内の環境の大きな変化が予想される時には、まず、ダミーウェハを使用して、バイアス電圧の測定およびマイクロ波電力の制御を行い、所定範囲内のバイアス電圧が発生する状態に装置を調整してから、実際の被処理基板表面の処理を開始することが好ましい。この場合には、実際に被処理基板表面の処理を行っている期間中ではないが、そのための装置準備を含めた処理全体の中の一時期に、バイアス電圧の測定およびマイクロ波電力の制御が行われる。もちろん、準備段階での測定、制御と、実際の被処理基板表面の処理期間中のリアルタイムの測定、制御との、両方を併用することがさらに好ましい。
【００４７】
次に、本発明の被処理基板表面の処理方法の一実施例において、バイアス電圧を、第１の電磁波の電力、あるいはさらに第２の電磁波の電力を制御して、所定範囲内に保持する方法を、図２に示すフローチャートに基づき説明する。
【００４８】
制御が開始されると、Ｓ１において、測定されたバイアス電圧がエッチングに先立ち予め設定されているバイアス電圧の所定範囲の上限以下かが判断される。上限以下でないと判断されると、Ｓ２において、アース電流がエッチングに先立ち予め設定されているアース電流の所定範囲の上限以下かが判断される。上限以下でないと判断されると、Ｓ３において、第１の電磁波供給源の電磁波を発生させるマグネトロンの出力（すなわち、第１の電磁波供給源の電力）が許容範囲内かが判断される。許容範囲内でないと判断されると、これは、プラズマエッチング処理の異常と判断して、アラームを発する。このアラームにより異常なプラズマ処理を未然に防止することができる。許容範囲内であると判断されると、マグネトロンの出力を上げるよう指示する信号が、前述の制御手段よりマグネトロンに出力され、この後、Ｓ１に戻る。
【００４９】
Ｓ２において、アース電流がエッチングに先立ち予め設定されているアース電流の所定範囲の上限以下であると判断されると、Ｓ４において、第２の電磁波供給源である高周波電源（ＲＦ）の出力（すなわち、第２の電磁波供給源の電力）が許容範囲内かが判断される。許容範囲内でないと判断されると、アラームを発する。許容範囲内であると判断されると、ＲＦの出力を下げるよう指示する信号が、前述の制御手段よりＲＦに出力され、この後、Ｓ１に戻る。
【００５０】
一方、Ｓ１において、測定されたバイアス電圧がエッチングに先立ち予め設定されているバイアス電圧の所定範囲の上限以下であると判断されると、Ｓ５において、バイアス電圧は所定範囲の下限以上であるかが判断され、下限以上でないと判断されると、Ｓ６において、アース電流は下限以上かが判断される。下限以上でないと判断されると、Ｓ７において、エッチング処理を開始する前に行われたプラズマクリーニング後、被処理基板の処理枚数はＮ枚以下かが判断される。Ｎ枚以下でないと判断され、すなわち、Ｎ枚が相当な枚数であれば、チャンバ壁に付着するプラズマ生成物の堆積が進んでいると考えられるので、プラズマクリーニングが実施される。Ｎは、例えば、１ロットに含まれるウェハの枚数の値から選択して、１ロットの中でプラズマクリーニングが必要かが判断されてもよいし、２つのロットをまとめた２カセットでのウェハの枚数の値から選択して、２カセットの範囲で判断される値としてもよく、任意に設定される値である。
【００５１】
しかし、Ｎ枚以下であると判断された場合は、エッチング処理を開始してから処理枚数が少ないのであるから、プラズマ生成物の堆積が原因ではないので、次に、Ｓ９において、マグネトロンの出力が許容範囲内かが判断される。許容範囲内でないと判断されると、これは、プラズマエッチング処理の異常と判断して、アラームを発する。許容範囲内であると判断されると、マグネトロンの出力を下げるよう指示する信号が、前述の制御手段よりマグネトロンに出力され、この後、Ｓ１に戻る。
【００５２】
Ｓ６において、アース電流は下限以上であると判断されとＳ８において、第２の電磁波供給源である高周波電源の出力が許容範囲内かが判断される。許容範囲内でないと判断されると、アラームを発する。許容範囲内であると判断されると、ＲＦの出力を上げるよう指示する信号が、前述の制御手段よりＲＦに出力され、この後、Ｓ１に戻る。
【００５３】
Ｓ５において、バイアス電圧は所定範囲の下限以上であると判断されると、エッチング処理は続行される。
【００５４】
【実施例】
以下に、本発明の実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。ここでは、図１に示す、本発明の半導体製造装置の一実施例である、ＥＣＲ励起を利用したプラズマエッチングを行うプラズマエッチング装置１０を使用して、ポリシリコン膜のエッチングに適用した場合を、従来のＥＣＲエッチング装置を使用した場合と対比して説明する。
【００５５】
（実施例１、比較例１）
サンプルとして、シリコン基板上に熱酸化により４ｎｍのゲート酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ法でｕｎｄｏｐｅｄ  ｐｏｌｙ  Ｓｉを２００ｎｍ堆積したものに、線幅凡そ０．１５μｍのレジストパターンを形成したものを用いた。
上記サンプルをＣｌ2-ＨＢｒ−Ｏ2 系プラズマでエッチングし、エッチング前後の寸法差を測長ＳＥＭで計測した。
【００５６】
図３は、ＳＦ6 系のプラズマクリーニングを実施後、ウェハ１００枚の連続処理を行った場合の、加工変換差について、本発明の基板表面の処理方法に従って、バイアス電圧が所定範囲内に入っていて略一定となるよう、プラズマを生成するための電磁波供給源を制御した実施例１（図３に示すグラフ中、▲で示す）と、電磁波供給源を制御を行わずに、一定電力の供給を続けた比較例１（図３に示すグラフ中、○で示す）での、加工変換差シフト量の推移を示したものである。縦軸が加工変換差シフト量［μｍ］、横軸が処理枚数である。
【００５７】
実施例１、比較例１において、ガス流量、チャンバ内圧力、バイアス電圧を印加するための高周波電源の電力および周波数は以下のとおりであった。
Ｃｌ2,ＨＢｒ, Ｏ2 流量：５０ｓｃｃｍ、５０ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ
チャンバ内圧力：０．５Ｐａ
高周波電源の電力および周波数：３０Ｗ、８００ＫＨｚ
バイアス電圧の所定範囲：±２．５％
【００５８】
比較例１では、１００枚の連続処理で、加工変換差シフト量が＋０．０１μｍ以上であったのに対し、実施例１では＋０．００５μｍ以下であった。
【００５９】
（実施例２、比較例２）
サンプルとして、シリコン基板上に熱酸化により４ｎｍのゲート酸化膜を形成し、その後、ＣＶＤ法でｕｎｄｏｐｅｄ  ｐｏｌｙ  Ｓｉを２００ｎｍ堆積したものにレジストパターンを形成したもの（製品サンプル）と、シリコン基板上に熱酸化により１００ｎｍの熱酸化膜を形成し、レジストパターンを形成したもの（選択比測定用サンプル）を用いた。
上記製品サンプルのエッチングを行うと共に、定期的に、上記サンプルを一般的なオーバーエッチング条件であるＨＢｒ−Ｏ2 系プラズマでエッチングし、エッチング前後の膜厚差を光学式膜厚計で計測し、酸化膜に対するｐｏｌｙ  Ｓｉの選択比（エッチング速度比）を算出した。
【００６０】
図４は、製造ラインで使い古されたアース電極を交換した前後に、本発明の基板表面の処理方法に従って、バイアス電圧が所定範囲内に入っていて略一定となるよう、プラズマを生成するための電磁波供給源を制御した実施例２（図４に示すグラフ中、▲で示す）と、電磁波供給源を制御を行わずに、一定電力の供給を続けた比較例２（図４に示すグラフ中、○で示す）での、ｐｏｌｙ  Ｓｉ／ＳｉＯ2 エッチングレート比（ｐｏｌｙ  Ｓｉ／ＳｉＯ2 選択比）の変化について示したものである。縦軸がｐｏｌｙ  Ｓｉ／ＳｉＯ2 選択比、横軸が放電時間の累積値［ｈｒ］である。
【００６１】
実施例２、比較例２において、ガス流量、チャンバ内圧力、バイアス電圧を印加するための高周波電源の周波数は以下のとおりであった。
ＨＢｒ，Ｏ2 流量：１００ｓｃｃｍ、５ｓｃｃｍ
チャンバ内圧力：１．５Ｐａ
高周波電源の周波数：８００ＫＨｚ
バイアス電圧の所定範囲：±２．５％
【００６２】
比較例２では、アース電極交換により、アース能力が急激に回復し、バイアス電圧が増大し、イオンアシストでエッチングされるＳｉＯ2 がより選択されたため、ｐｏｌｙ  Ｓｉ／ＳｉＯ2 選択比が２０％以上低下したが、実施例２では、選択比はアース電極交換の影響をほとんど受けず、プロセス性能が安定に維持されたことが分かる。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、バイアス電圧、あるいはさらに、プラズマからチャンバ内壁もしくはアース電極に流れるアース電流を監視することにより、プラズマの状態を把握することが出来、プラズマ密度や、入射イオンエネルギ等のプラズマの状態を一定範囲に保つように、プラズマを生成するために印加される第１の電磁波供給源の電力を制御することにより、被処理基板に入射するイオンエネルギを一定にすることができる。
【００６４】
この結果、本発明によれば、チャンバクリーニングやパーツ交換、連続処理による反応生成物の付着の影響を受けることなく、常に一定のプロセスを維持することが出来る。すなわち、チャンバ内の環境の変化による、マイクロローディング効果、エッチングストップ、下地選択性の悪化、加工変換差のシフト等を抑止することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体製造装置の一実施例を模式的に表した断面図である。
【図２】  本発明の基板処理の方法の一実施例における、制御手段の動作を概略的に示したフローチャートである。
【図３】  基板表面の処理において、バイアス電圧を所定範囲内に保持する制御を行ってプラズマエッチングを行ったときと、バイアス電圧を制御せずにプラズマエッチングを行ったときの、エッチング前後の寸法差を示すグラフである。
【図４】  基板表面の処理において、バイアス電圧を所定範囲内に保持する制御を行ってプラズマエッチングを行ったときと、バイアス電圧を制御せずにプラズマエッチングを行ったときの、アース電極交換前後の下地選択比の変化を示すグラフである。
【図５】  ＥＣＲ励起を利用した従来の半導体製造装置を模式的に示した断面図である。
【図６】  マイクロローディング効果によりＳｉＮエッチングで開口不良が生じたウェハを表す模式図である。
【図７】  バイアス電圧変動によりＳｉＮエッチング時に下地酸化膜抜けが生じたウェハを表す模式図である。
【符号の説明】
１０  プラズマエッチング装置
２０  プラズマ源
２１  チャンバ
２２  空洞共振部
２３  石英天板
２４  ガスシャワープレート
２５  マイクロ波供給源
２６  導波管
２７ａ  コイル
２７ｂ  コイル
２７ｃ  コイル
２８  下部電極
２９  高周波電源
３０  測定部
３０ａ  アース電流を測定する第１の測定手段
３０ｂ  バイアス電圧を測定する第２の測定手段
３１  制御部
３２  可変コンダクタンスバルブ
３４  真空ポンプ
【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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【図７】
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