(57)【要約】【課題】プラズマ処理の長期安定性を確保しつつ、プラズマ処理の効率を向上し、スループットの高いプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】プラズマ処理装置において、高周波電源１１１より基板電極１０６を介してプラズマへ流入する電流または電圧を、電流／電圧プローブ１１３により測定し、電流／電圧プローブ１１３により求められたインピーダンスから、被処理材であるウェハ１０９を処理室１０１へ導入する前に、プラズマによるクリーニング後に処理室１０１内に形成される被覆膜の厚みを算出し、被覆膜の形成処理の時間を求められた被覆膜の厚さを基に算出された所望の被覆膜の厚さとなる時間にして被覆膜の厚みを処理条件に応じて自動的に最適化して安定化処理を行う。【選択図】図１
2013214584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室内に配置され前記被処理体を載置する電極と、前記電極に高周波電力を供給する高周波電源と、前記電極に印加された高周波電圧および前記電極に流れる高周波電流を測定する電圧／電流測定手段とを備えるプラズマ処理装置において、
前記処理室内を被覆する被覆膜の厚さを求める被覆膜厚さ算出手段を具備し、
前記被覆膜厚さ算出手段は、前記処理室内に前記被覆膜を被覆した後、第一のプラズマ処理中に前記電圧／電流測定手段により求められた第一のインピーダンスと、第二のプラズマ処理中に前記電圧／電流測定手段により求められた第二のインピーダンスと、の差分を算出することにより、前記被覆膜の厚さを求め、
前記第二のプラズマ処理は、前記電極に前記被処理体を載置した状態で行われ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、
前記被処理体が複数収納されたロットをプラズマ処理する前に前記被覆膜の厚さを求め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、
ＳｉＣｌ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて前記処理室内に前記被覆膜を被覆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、
前記第一のプラズマ処理は、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、キセノンガス、クリプトンガスのいずれかのガスを用い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ないし請求項４のいずれか１項記載のプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成手段は、２．４５ＧＨｚのマグネトロンと前記処理室内に磁場を生成する磁場生成手段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６】
被処理体をプラズマ処理する処理室内をプラズマクリーニングするクリーニング処理と前記処理室内に被覆膜を被覆する被覆膜形成処理とを有する安定化処理後に前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
前記被覆膜形成処理と同じプラズマ処理条件にて前記処理室内に前記被覆膜を被覆した後、第一のプラズマ処理中に求めた第一のインピーダンスと、第二のプラズマ処理中に求めた第二のインピーダンスと、の差分を算出することにより前記被覆膜の厚さを求め、
前記被覆膜形成処理の時間を前記求められた被覆膜の厚さを基に算出された所望の被覆膜の厚さとなる時間にして前記安定化処理を行うことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項７】
請求項６記載のプラズマ処理方法において、
前記安定化処理を前記被処理体のプラズマ処理毎に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６記載のプラズマ処理方法において、
前記被覆膜形成処理は、ＳｉＣｌ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項９】
請求項６記載のプラズマ処理方法において、
前記被覆膜形成処理の時間は、前記処理室内に被覆する前記被覆膜の厚さを所望の厚さとなるように前記被処理体のプラズマ処理条件に応じて調整され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、プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法に係り、特に半導体ウェハ等の表面加工に用いるプラズマを制御する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のＬＳＩの高集積化に伴い、エッチング加工で要求される寸法精度（Critical
Dimension：以下、ＣＤと称する。）は、ますます高まっている。半導体製造工場においては、ＣＤの制御性に加えて、ＣＤ安定性の確保が重要となる。
【０００３】
エッチング工程でのＣＤ変動の要因の一つに、処理の過程で発生する反応生成物等によるチャンバー内壁の状態変化が挙げられる。チャンバー内壁の状態変化に起因するプロセス性能の低減を抑制する方法として、様々な技術が検討されている。
【０００４】
従来、プロセス処理の過程でプロセスガスやレジスト等に起因して発生する堆積物を、チャンバー内壁から除去するため、ウェハ毎、またはロット毎にプラズマを用いたクリーニングが実施されてきた。また、チャンバー部材やウェハに起因して発生する金属粒子等の堆積物において、プラズマによるクリーニングでは十分な除去が困難であるため、あらかじめ、シーズニング等を用いて、チャンバー雰囲気を一定に保つ等の技術が知られている。
【０００５】
また、特許文献１に明記される技術のように、ウェハのプロセス処理前毎に、チャンバー内壁全体にＳｉやＯ、Ｃ等で構成された膜を形成し、プロセス処理後に取り除く一連の処理により、ウェハ毎にチャンバー内壁状態をリセットする方法が知られている。
【０００６】
また、チャンバー内壁状態を評価する方法として、様々な技術が検討されている。例えば、特許文献２に明記される技術のように、プラズマ処理中にアースから基板電極までの電流値または電圧値等を測定し、チャンバー内壁の堆積物を定量化する方法や特許文献３に示される技術のように、ＯＥＳ（Optical Emission Spectrometer）により特定波長の発光強度を取得することでチャンバー内壁に付着した堆積物を評価する方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１９２８７２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／００６５６３１号明細書
【特許文献３】特開２００１−２５０８１２号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Principles of Plasma Discharges andMaterials Processing 2 Edition (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の従来技術では、以下の点についての考慮が十分なされていなかった。特許文献１に明記される技術では、処理室内壁に形成する被覆膜厚みに関する決定方法が明確でなく、プロセス処理条件として、特に被覆膜の消耗量が小さいプロセス処理において、膜厚が過剰となり、処理全体のスループットが低下するといった問題が生じていた。
【００１０】
また、チャンバー内壁に形成した被覆膜厚みを測定する技術として、特許文献２や特許文献３に明記される技術では、チャンバー内の堆積物の定量化は可能であるが、これらの技術では、主に基板電極上の堆積物や被覆膜及び壁の堆積物等を除いた、正味の壁の被覆膜のみを定量化することはできず、処理室内に形成する被覆膜厚の最適化が困難であり、場合によってはスループットの低下といった問題が生じていた。
【００１１】
本発明の目的は、プラズマ処理の効率を向上し、スループットの高いプラズマ処理装置及びプラズマ処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。本発明のプラズマ処理装置は、被処理体をプラズマ処理する処理室と、前記処理室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、前記処理室内に配置され前記被処理体を載置する電極と、前記電極に高周波電力を供給する高周波電源と、前記電極に印加された高周波電圧および前記電極に流れる高周波電流を測定する電圧／電流測定手段とを備えるプラズマ処理装置において、前記処理室内を被覆する被覆膜の厚さを求める被覆膜厚さ算出手段を具備し、前記被覆膜厚さ算出手段は、前記処理室内に前記被覆膜を被覆した後、第一のプラズマ処理中に前記電圧／電流測定手段により求められた第一のインピーダンスと、第二のプラズマ処理中に前記電圧／電流測定手段により求められた第二のインピーダンスと、の差分を算出することにより、前記被覆膜の厚さを求め、前記第二のプラズマ処理は、前記電極に前記被処理体を載置した状態で行われることを特徴とする。
また、本発明のプラズマ処理方法は、被処理体をプラズマ処理する処理室内をプラズマクリーニングするクリーニング処理と前記処理室内に被覆膜を被覆する被覆膜形成処理とを有する安定化処理後に前記被処理体をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、前記被覆膜形成処理と同じプラズマ処理条件にて前記処理室内に前記被覆膜を被覆した後、第一のプラズマ処理中に求めた第一のインピーダンスと、第二のプラズマ処理中に求めた第二のインピーダンスと、の差分を算出することにより前記被覆膜の厚さを求め、前記被覆膜形成処理の時間を前記求められた被覆膜の厚さを基に算出された所望の被覆膜の厚さとなる時間にして前記安定化処理を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上の構成を備えるため、プロセス処理の安定性を維持しつつ、プラズマ処理の効率を向上し、スループットの高いプラズマ処理が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を説明する縦断面図である。
【図２】基板電極からアースまでの合成高周波インピーダンスの計算を行う演算回路モジュール概略図である。
【図３】処理室内壁の被覆膜の厚みとプロセス性能およびその性能ばらつきを示す相関図である。
【図４】高周波電源から基板電極、プラズマを介したアースまでの等価回路モデルを示す図である。
【図５】Ｖ／Ｉプローブを用いた処理室内壁の被覆膜厚み計測フローである。（膜形成時、基板電極上にウェハを載置する方法）
【図６】Ｖ／Ｉプローブを用いた処理室内壁の被覆膜厚み計測フローである。（膜形成時、基板電極上にウェハを載置しない方法）
【図７】処理条件に応じた最適被覆膜厚の算出手順である。
【図８】本発明の第２の実施例に係るプラズマ処理装置の構成を示す縦断面図である。
【図９】プラズマクリーニング時の特定波長の発光強度と処理時間の関係を示す特性図である。
【図１０】プラズマ発光測定を用い被覆膜厚み計測フローである。
【図１１】実施例１の膜形成時に基板電極にウェハを載置する場合に係る処理装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１から図７は、本発明の第１の実施例を示している。図１は、本発明の実施の形態に係る、マイクロ波ＥＣＲ（Electron  Cyclotron  Resonance）プラズマエッチング処理装置である。
【００１７】
本図では、本発明の実施例１に係るプラズマ処理装置において、処理室内部に設置された基板電極、真空容器外部に設置された電界，磁界の供給装置、および電源を模式的に示している。これら以外の機器，装置は、本実施例に係る技術分野の通常の知識を有する者により、本実施例に係る発明の作用，効果を著しく損なわないように、求められる性能或いは仕様に応じて配置または削除可能である。
【００１８】
本図に示すプラズマ処理装置では、上部が開放された円筒形状を有する処理室１０１の上方に、反応性ガスを導入するための複数の貫通孔を有する円板形状のシャワープレート１０２と誘電体窓１０３（石英製等）を設置し、処理室１０１は、その誘電体窓１０３によって気密に封止されている。反応性ガスは、ガス供給装置１２０によって流量を制御され、シャワープレート１０２を介して処理室１０１に供給される。
【００１９】
処理室１０１の外周および上方には、処理室１０１内部に磁場を形成するソレノイドコイル１０８が配置されており、ソレノイドコイル１０８の電流によって処理室１０１内の磁場を制御することができる。また、処理室１０１上部の開放部には、マイクロ波を発生させるマグネトロン１０４とマイクロ波を伝送する導波管１０５が設置され、誘電体窓１０３の上方にある円筒形状の空間に連結されている。
【００２０】
本実施例で使用される電磁波は、マグネトロン１０４による２．４５ＧＨｚのマイクロ波であるが、これは効果・作用によって、特に限定されない。マグネトロン１０４により発振されたマイクロ波は、導波管１０５内部を伝播して誘電体窓１０３を透過し、処理室１０１内部に導入される。処理室１０１の下部には、真空排気管１０７を通して真空排気ポンプ（図示省略）が接続され、処理室１０１の真空排気が可能である。また、処理室１０１上部のシャワープレート１０２に対向するように処理室１０１下部に設置された基板電極１０６は、誘電体膜（図示省略）で被覆されている。
【００２１】
ウェハ１０９は、ロボットアーム等（図示省略）の搬送装置によって処理室１０１内部に搬送される。そして、基板電極１０６上に載置され、直流電源１１０から基板電極１０６内部の電極（図示省略）に印加される直流電圧によって静電的に吸着される。基板電極１０６に接続された高周波電源１１１は、高周波整合器１１２を介して、高周波を印加することができる。処理室１０１の側壁には、グランドに接続された円筒形状のアース１２１が設置されており、高周波電源１１１により基板電極１０６上に印加された高周波電流は、プラズマを介してアース１２１に流れる。また、アース上部には円筒形状の内筒１２２（石英製）が設置され、絶縁されている。
【００２２】
上記プラズマ処理装置におけるエッチング（以下、「プロセス処理」と称する。）は、以下の流れで開始される。処理室１０１内にガス供給装置よりプロセスガスが導入され、所望の圧力が制御される。マグネトロン１０４より発振されて処理室１０１内部に供給された電磁波と、処理室１０１内部に形成された磁場による電子サイクロトロン共鳴により、処理用ガスが励起され、処理室１０１内にプラズマが生成される。基板電極１０６に接続された高周波電源１１１から高周波電力が印加され、基板電極１０６上に載置されたウェハ１０９の上面にプラズマからイオンが引き込まれ、エッチング処理が施される。
【００２３】
更に上記プロセス処理を行う際、ウェハ処理毎に、被覆膜形成プロセスが行われる。ここで、被覆膜形成プロセスとは、処理室１０１の内壁の状態変化に起因したプロセス性能への影響を抑制するため、処理室１０１内（例えば、基板電極１０６上や、処理室１０１に配置されている部材等）全体に対し、ウェハ１０９が基板電極１０６上に載置されていない状態で、処理室１０１内壁の堆積物を被覆するように膜（以下、「被覆膜」と称する。）を形成するプロセスである。この被覆膜形成プロセスでは、上記プロセス処理と同様な過程でプラズマが生成されるが、必ずしも高周波電源１１１からの高周波電力の印加は必要とされない。被覆膜形成プロセスは、以下のステップで構成されている。
【００２４】
すなわち、１）プラズマクリーニングステップ、２）プロセス処理、３）被覆膜形成ステップ、４）被覆膜表面のプラズマ処理ステップの４つである。プラズマクリーニングはウェハ１０９を載置しない状態で行われる。その後、ウェハ１０９は基板電極１０６上に搬入され、プロセス処理された後に搬出される。その後、被覆膜形成ステップと被覆膜表面のプラズマ処理がウェハ１０９を載置しない状態で行われる。
【００２５】
プラズマクリーニングステップは、処理室１０１内壁において、エッチング処理の過程で生じる付着物、または上記被覆膜形成プロセスによる被覆膜等の残留物がある状態を考慮し、それらをプラズマにより除去するステップである。クリーニングガスとして、例えば、ＮＦ３とＡｒ等の希釈ガスの混合ガス、または、ＳＦ６とＡｒ等の希釈ガスの混合ガスが用いられる。
【００２６】
被覆膜形成ステップは、基板電極１０６を含む処理室１０１内全体に対して、処理室１０１の内壁の部材や、プラズマクリーニングでは完全に除去することのできない反応生成物等の堆積物を被覆する膜を形成するステップである。この被覆膜は、Ｓｉを含有する被覆膜であり、Ｓｉと酸素（Ｏ）を含有する膜、またはＳｉと炭素（Ｃ）を含有する膜、Ｓｉと窒素（Ｎ）を含有する膜のいずれかである。
【００２７】
これらの被覆膜を形成するためのガスには、例えば、Ｓｉと酸素（Ｏ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガス、Ｓｉと炭素（Ｃ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ４とＣＨ４の混合ガス、Ｓｉと窒素（Ｎ）を含有する膜には、ＳｉＣｌ４とＮ２の混合ガスが使用され、また、それらは、Ａｒ等の希ガスによって希釈してもよい。これらのガスを使用し、プラズマを生成することにより被覆膜が形成される。本実施例では、ＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガスによってＳｉＯ２を主成分とする膜を形成した場合について説明する。
【００２８】
被覆膜表面のプラズマ処理ステップは、処理室１０１内に形成された被覆膜の表面に生じる凹凸を除去するステップである。これは、被覆膜が形成された基板電極１０６上に載置されたウェハ１０９が、直流電源１１０から基板電極１０６に印加される直流電圧によって生成された静電気力により吸着される際、被覆膜表面の凹凸により異物となる可能性があり、上記プラズマ処理により被覆膜表面の凹凸を減少させ、異物を抑制することが可能である。ガスとして、例えば、ＳＦ６等のフッ素系ガスを使用することが有効である。
【００２９】
本実施例では、上記のような装置に加えて、以下が装着されている。すなわち、高周波電源１１１と基板電極１０６間には、高周波電流値または電圧値を測定することができる電圧／電流プローブ（以下Ｖ／Ｉプローブ）１１３が接続されており、測定値からインピーダンスを算出し、また、その結果を基に所望の演算ができる演算回路モジュール１１４、演算結果を表示する表示部１１５が接続されている。Ｖ／Ｉプローブ１１３は、基板電極１０６に印加される高周波電圧波形、高周波電流波形も測定可能で、それぞれの振幅、位相差を測定可能である。
【００３０】
図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置において、基板電極１０６からアースまでの合成高周波インピーダンスの計算を行う演算回路モジュール１１４の概略図である。演算回路モジュール１１４では、Ｖ／Ｉプローブ１１３によって測定された電流値または電圧値から、合成高周波インピーダンスを算出され、処理室１０１内壁に対して上記被覆膜形成プロセスによって形成された被覆膜の厚みを算出される。この演算回路モジュール１１４は、入力された測定値を一時記憶できる記憶部１３０、測定値に基づき、所望の演算を行うことができる算出部１３１、その演算に必要なパラメータの参照データが格納されているデータベース部１３２で構成されている。演算結果は、表示部１１５またはパラメータ制御部１１６に出力される。
【００３１】
以上の構成は、全て、パラメータ制御部１１６に接続され、適切なシーケンスで動作するよう、そのタイミング及び動作量がコントロールされる。
【００３２】
図３は、前記被覆膜形成プロセスによって形成される被覆膜の厚みと、プロセス性能（例えば、エッチングレート）およびプロセス性能ばらつきの関係を示したものである。プロセス性能は、ウェハ１０９を単発でプロセス処理した際のエッチング速度（レート）、および、数十枚のウェハ１０９を連続でプロセス処理した際に経時的に変化する各ウェハ処理におけるレートの全体のばらつき幅であるエッチングレート変動量（ΔＥＲ）を測定することにより評価した。
【００３３】
図３の縦軸は、エッチング速度（レート）、および、経時的なエッチングレート変動量（ΔＥＲ）を、横軸は、被覆膜厚をそれぞれ示している。本実験では、被プロセス処理材として、酸化膜のウェハ１０９を使用した。プロセスガスは、ＣＦ４とＣＨＦ３、ＣＨ４、Ａｒ等の希ガスの混合ガスとした。
【００３４】
また、図中、上記実験結果における被覆膜の厚みは、あらかじめ、成膜レート（被覆膜が形成される速度）を測定して算出したものであり、所望の膜厚は、成膜時間によって制御されている。成膜レートの評価方法の一例としては、処理室１０１の内壁と同じ材料（石英、Ａｌ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３等）が成膜された基板を処理室１０１内壁に貼りつけた状態で被覆膜形成プロセスを行った後、処理室１０１内壁から基板を取り外して、基板上に形成された膜の厚みを光学式膜厚測定器等によって、計測することにより求める方法がある。
一般に、数十枚のウェハ１０９を連続処理した後にプロセス性能（エッチングレート）が変動する要因は、処理室１０１の内壁に堆積した、被エッチング材やプロセスガスに起因する反応生成物等が、プラズマへ影響するためである。
【００３５】
図３に示すように、処理室１０１の内壁の表面状態の変化によるプロセス性能への影響は、ウェハ毎に処理室１０１の内壁に被覆膜を形成し、その膜厚を増加させることによって低減できることがわかる。しかし、形成される被覆膜の成膜レートは処理室１０１内壁の箇所で分布を持っており、内壁に漏れなく被覆膜を形成することは、スループットの増加等の観点から困難である。
【００３６】
また、処理室１０１の内壁全てがプロセス性能へ影響を与える訳ではない。すなわち、処理室１０１の内壁状態の変化によるプロセス性能への影響が大きい箇所に必要十分な被覆膜を形成すれば良い。本実施例における処理室１０１の内壁状態の変化によってプロセス性能への与える影響の大きい箇所は、主に、基板電極１０６よりも上方に位置する、石英製シャワープレート１０２や内筒１２２、および処理室１０１の側壁に位置するアース１２１等であることが実験の結果から分かっている。
【００３７】
また、本図において、膜厚Ｂ以上の膜厚では、膜厚に対するエッチングレートの変化は小さく、膜厚に対する経時的なエッチングレート変動量（ΔＥＲ）は、プロセス性能に要求される許容値以下となり、安定している。これは、被覆膜Ｂ以上において、処理室１０１の内壁におけるプラズマへの影響を与える箇所が、エッチング処理終了時まで被覆されていたためである。つまり、プロセス性能の変動を抑制するには、プロセス処理開始時に、膜厚Ｂの被覆膜が形成されていればよいと言える。膜厚Ｃでは、プロセス性能の変動は低減できているが、膜厚が過剰となっており、処理効率の低下につながる。また、膜厚Ａでは、プロセス性能の変動が生じている。
【００３８】
これは、処理室１０１の内壁に形成した被覆膜の厚みが不十分であることを意味している。従って、処理室１０１の内壁の表面状態変化に起因するプロセス変動を抑制するためには、プロセス処理終了時まで、プラズマへの影響が大きい処理室１０１の内壁および部材の箇所を被覆する必要があり、図中、膜厚Ｂ以上の膜を、再現性良く形成することが必要となる。また、プロセス処理によって、被覆膜の消耗量と処理室１０１の内壁における消耗量の分布が異なるため、各プロセス処理に応じた最適な被覆膜Ｂを算出する必要がある。
【００３９】
本実施例では、特に、プラズマへの影響が大きい箇所となるアース１２１における被覆膜の厚みを測定する方法を提示する。非特許文献１に記載されるように、一般に、基板電極１０６に高周波電力が印加された場合、高周波電流は基板電極１０６および処理室１０１内に形成されたプラズマを介し、アース１２１へ流れる。また、プラズマとアース１２１および基板電極１０６（被処理材）表面にはシースが形成される。処理室１０１内壁に前述のように被覆膜を形成する場合、アース１２１および基板電極１０６上の被覆膜が形成される。
【００４０】
例えば、本実施例にてＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガスにより形成される被覆膜の主成分はＳｉＯ２であり絶縁膜が形成される。また、絶縁膜の高周波インピーダンスＺは以下の式で記述される。ここで、Ｃは静電容量、ωは角周波数、εは絶縁膜の比誘電率、ｄは被覆膜厚、Ｓは処理室１０１内壁に形成された被覆膜面積である。
Ｚ＝１／ｊωＣ＝ｄ／ｊεＳ
【００４１】
図４は、本実施例における高周波電源１１１から基板電極１０６を介したアース１２１までの等価回路モデルを示している。図中のＺｓ１、Ｚｓ２はシース、Ｚｐはプラズマ、Ｚｃ１、Ｚｃ２は処理室１０１内壁および基板電極１０６上に形成された被覆膜の高周波インピーダンスを示す。異なる被覆膜厚に対して、形成されるプラズマ密度が一定であると仮定すると、被覆膜の比誘電率ε、面積Ｓが既知の場合には、基板電極１０６から、プラズマおよびアース１２１間の合成高周波インピーダンスを測定することで、被覆膜の厚み変化をインピーダンス変化として測定することが可能となる。
【００４２】
図５、図６は、本実施例において、Ｖ／Ｉプローブ１１３を用いた処理室１０１内壁の被覆膜のみの厚みを評価する方法を示している。
【００４３】
本実施例では、アース１２１から基板電極１０６までの合成高周波インピーダンスは、高周波電源１１１に接続したＶ／Ｉプローブ１１３により、電流値または電圧値を測定することで算出される。これは、膜形成時にウェハを載置する方法とウェハを載置しない方法がある。
【００４４】
前者手順は、以下のとおりである。まず、図５−ａに示すように、高周波バイアスが印加されたプラズマＡを生成し、処理室１０１初期状態におけるインピーダンス１−ａを測定する。処理室１０１の初期状態には、処理室１０１内に反応生成物等の堆積物が存在するため、その影響によって、所望の膜厚で被覆膜を形成できない可能性がある。そこで、処理室１０１の初期状態において、内壁の堆積物量が、所望の膜厚に被覆膜を形成する上で、過剰でないかを判定するため、インピーダンス１−ａを測定する。
【００４５】
実験では、処理室１０１の内壁や被覆膜をエッチングしない等の理由から、プラズマＡを生成するガスには、Ａｒ等の希ガスを用いている。また、高周波バイアスは１０〜５０Ｗとした。この際、インピーダンス１−ａの値が、処理室１０１内が十分クリーニングされており、所望の膜厚で被覆膜を形成できると判断できる堆積物量に対応するインピーダンス値に対して、許容値外（例えば１０％以上）の場合、処理室１０１内は、ＮＦ３とＡｒ等の希釈ガスの混合ガス、または、ＳＦ６とＡｒ等の希釈ガスの混合ガスによる、プラズマクリーニングを行い、再びインピーダンス１−ａの測定を開始する。インピーダンス１−ａの値が許容値内に収まった場合、次の手順に移る。
【００４６】
次に、図５−ｂに示すように、基板電極１０６上への被覆膜形成を避けるために膜形成時用ウェハを基板電極上に搬送し、プラズマＢを生成し、処理室１０１内全体に固定膜厚の被覆膜を形成する。処理室１０１内に被覆膜形成後、膜形成時用ウェハは搬送により除かれる。ここで、プラズマＢは、ＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガスにより生成されており、本実施例の被覆膜形成条件としている。また、実験では、被覆膜厚を５０〜１００ｎｍとした。
【００４７】
そして、図５−ｃに示すように、プラズマＡを生成し、初期の被覆膜を形成した状態でインピーダンス２−ａを測定する。さらに、図５−ｄに示すように、プロセス処理用ウェハを搬送し、プラズマＣを生成してプロセス処理を行う。この際、プロセス処理によって、プロセス処理用ウェハとともに、被覆膜も少なからずエッチングされる。ここで、プロセス処理用ウェハは、プロセス処理の対象となるウェハである必要は無く、例えばＳｉウェハ等を使用しても良い。プラズマＣは、被覆膜厚を最適化すべき対象となる実プロセス処理条件である。本実験では、プロセスガスは、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ４、Ａｒ等の混合ガスであり、ウェハには高周波バイアスを印加し、実験を行った。
【００４８】
最後に、図５−ｅに示すように、高周波バイアスを印加されたプラズマＡを生成し、被覆膜がプロセス処理によってエッチングされた状態におけるインピーダンス３−ａを測定する。インピーダンス３−ａの測定後において、処理室１０１内では残留した被覆膜を除去するため、ＮＦ３とＡｒ等の希釈ガスの混合ガス、または、ＳＦ６とＡｒ等の希釈ガスの混合ガスにより、プラズマクリーニングされ、初期の処理室１０１の内壁状態へ戻される。
【００４９】
続いて、ウェハを載置しない方法（図６に示す）手順について説明する。まず、図６−ａに示すように、高周波バイアスが印加されたプラズマＡを生成し、処理室１０１初期状態におけるインピーダンス１−ｂを測定する。これは、上記インピーダンス１−ｂの測定方法と同様である。次に、図６−ｂに示すように、ウェハを載置しない状態で、プラズマＢを生成し、処理室１０１内全体に固定膜厚の被覆膜を形成する。ここで、プラズマＢは、上記被覆膜形成条件と同様である。そして、図６−ｃに示すように、プラズマＡを生成し、初期の被覆膜を形成した状態でインピーダンス２−ｂを測定する。
【００５０】
さらに、図６−ｄに示すように、プロセス処理用ウェハを搬送し、高周波バイアスが印加されたプラズマＣを生成してプロセス処理を行う。この際、プロセス処理によって、プロセス処理用ウェハとともに、処理室１０１の内壁の被覆膜は、少なからずエッチングされる。しかし、基板電極１０６上の被覆膜に関しては、プロセス処理用ウェハにより保護され、エッチングされず、膜厚の変化はないと考えられる。ここで、プラズマＣは、上記プロセス処理条件と同様である。
【００５１】
最後に、図６−ｅに示すように、高周波バイアスを印加されたプラズマＡを生成し、被覆膜がプロセス処理によってエッチングされた状態におけるインピーダンス３−ｂを測定する。インピーダンス３−ｂの測定後において、処理室１０１内では残留した被覆膜を除去するため、ＮＦ３またはＳＦ６とＡｒ等の希釈ガスの混合ガスにより、プラズマクリーニングされ、初期の処理室１０１の内壁状態へ戻される。
【００５２】
このように、図５や図６に示すような手順によって測定されたインピーダンス２−ａ，３−ａ（または、２−ｂ，３−ｂ）は、演算回路モジュール１１４に入力され、対象となるプロセス処理において、プロセス性能を安定化させるために必要十分な被覆膜厚が算出される。
【００５３】
図７は、演算回路モジュール１１４の内部で行われる演算処理を模式的に示している。演算回路モジュール１１４に入力されたインピーダンス２−ａ，３−ａは、まず記憶部１３０に一時記憶される。そして、算出部１３１により、インピーダンス２−ａから３−ａの差分をとることにより、処理室１０１の内壁の被覆膜において、プロセス処理によって消耗された厚みに対応する変動インピーダンス（ΔＺ）が算出され、算出された変動インピーダンスに対応する被覆膜の消耗量Δｄが算出される。
【００５４】
ここで、前述の被覆膜形成プロセスにおいて、膜厚がΔｄとなるよう被覆膜を形成した場合、プロセス処理終了と同時に被覆膜が消失することになる。すなわち、Δｄはプロセス処理終了時まで処理室１０１内壁を被覆することができる最小膜厚と言え、これは、図３における膜厚Ｂに対応する。算出されたΔｄが設定値（例えば５０ｎｍ−１００ｎｍ）以下の場合は、データベース部１３２に蓄積されたプロセス性能の変動抑制に必要十分な膜厚データと比較することで、成膜時間が算出される。算出結果は、表示部１１５に表示され、必要に応じてパラメータ制御部１１６へ出力される。また、得られた算出結果は、データベース部に保存され、新たにプロセス処理に対応した被覆膜厚の最適化を行う際、演算の参照データとして用いられる。
【００５５】
しかし、算出された消耗量Δｄが設置値以上の場合は、プロセス処理中の被覆膜消耗量を正しく算出することができず、エラーが生じたと判断される。そして、初期の被覆膜が厚く形成されるよう自動的に、例えば１．５倍の膜厚等のように補正され、処理室１０１内のプラズマクリーニング後、再びインピーダンス１の測定から、上記手順でシーケンスが開始される。この際、被覆膜は補正された厚みで形成される。本実施例に係るプラズマ処理装置において、これらの手順は、自動的に実施されるような装置構成となっており、自動シーケンス化が可能である。
【００５６】
上記のように、Ｖ／Ｉプローブ１１３を用いて被覆膜厚を測定し、自動的に各プロセスに必要な膜厚を算出し制御することによって、プロセス処理の安定性を維持しつつ、プラズマ処理の効率を向上し、スループットの高いプラズマ処理が可能である。
【実施例２】
【００５７】
以下、図８を用いて第２の実施例を説明する。第１の実施例に加えて、以下の装置を具備又は実施することにより、処理室１０１の内壁に形成する被覆膜の厚みを、より高精度に評価可能である。以下、第１の実施例と異なる点のみを説明する。
【００５８】
図中の装置には、処理室１０１の外壁に、プラズマ等の発光を測定できる分光器１１８が接続されており、処理室１０１内壁にある石英窓等（図示省略）から入射した光を分光器１１８により分光し、発光データ解析装置１１９により解析することができる。発光解析装置１１９には、所望の演算ができる演算回路モジュール１１４、演算結果を表示する表示部１１５、パラメータ制御部１１６が接続されている。
【００５９】
以上の装置構成により、ＯＥＳ等を用いて、処理室１０１の内壁における被覆膜に対し、プラズマクリーニングを行い、その間、特定のプラズマ（またはラジカル）に対応した発光強度の変動をモニターすることで、プラズマクリーニングの終点を検出し、発光強度とクリーニング時間から、プロセス処理で消耗された被覆膜量を測定することが可能である。
【００６０】
図９は、本実施例におけるプラズマクリーニング中の特定波長の発光強度、および終点時間の関係を表す図である。図の縦軸である被覆膜のクリーニングに起因するラジカル発光強度は、壁に堆積する堆積物の表面積に値し、横軸である時間は、被覆膜厚に値する。すなわち、プロセス処理で消耗される被覆膜厚に必ずしも分布が生じない場合は、プラズマクリーニング波形の参照データからの差異によって被覆膜の厚みを評価できる。また、上記、基板電極１０６からアース１２１までの合成高周波インピーダンス測定と組み合わせることにより、より高精度な評価が可能となる。
【００６１】
また、プラズマクリーニングを用いた評価を単体で行うことも可能である。図１０は、本実施例における、プラズマクリーニングの終点を検出することによって、プロセス処理で消耗される被覆膜厚を評価する処理手順を示している。
【００６２】
まず、図１０−ａに示すように、プラズマＤを生成し、処理室１０１内のプラズマクリーニングを行う。これは、処理室１０１内の初期状態には、プロセス処理の過程で発生した反応生成物等の堆積物が存在するため、その影響によって、所望の膜厚で被覆膜を形成できない可能性を考慮し、行う。例えば、プロセスガスとしては、ＮＦ３またはＳＦ６等のガスとＡｒ等の希釈ガスの混合ガスが使用される。
【００６３】
次に、図１０−ｂに示すように、基板電極１０６上への被覆膜形成を避けるために膜形成時用ウェハを基板電極１０６上に搬送し、プラズマＢを生成し、処理室１０１内全体に固定膜厚の被覆膜を形成する。その後、膜形成時用ウェハは搬送により除かれる。ここで、プラズマＢは、ＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガスにより生成されており、本実施例の被覆膜形成条件としている。
【００６４】
そして、図１０−ｃに示すように、プラズマＤを生成し、初期の被覆膜を形成した状態で、プラズマクリーニングを行う。この際、例えば、ＳｉＣｌ４とＯ２の混合ガスにより形成した被覆膜を形成している場合は、ＳｉＦに対応した４４０ｎｍの発光強度を取得し、終点検出までの発光強度と時間をモニターする。
【００６５】
また、再び図１１−ｄに示すように、基板電極１０６上への被覆膜形成を避けるために膜形成時用ウェハを基板電極１０６上に搬送し、プラズマＢを生成し、処理室１０１内全体に固定膜厚の被覆膜を形成する。さらに、図１０−ｅに示すように、プロセス処理用ウェハを搬送し、高周波バイアスが印加されたプラズマＣを生成してプロセス処理を行う。
【００６６】
この際、プロセス処理によって、プロセス処理用ウェハとともに、被覆膜も少なからずエッチングされる。ここで、プロセス処理用ウェハは、プロセス処理の対象となるウェハである必要は無く、例えばＳｉウェハ等を使用しても良い。本実験では、プロセスガスは、ＣＦ４またはＣＨＦ３、ＣＨ４、Ａｒ等の混合ガスであり、ウェハには高周波バイアスを印加し、実験を行った。
【００６７】
最後に、図１０−ｆに示すように、プラズマＤを生成し、プロセス処理により消耗されてはいるが、残留している被覆膜をプラズマクリーニングし、その際、図１０−ｃと同様に、プラズマクリーニング終点検出までの特定波長の発光強度と終点時間をモニターする。以上の手順は、実施例１と同様に、膜形成時用ウェハを載置しない方法も適用できる。
【００６８】
これらの手順によって測定された形成初期の被覆膜に対するプラズマクリーニングによる特定波長の発光強度と時間（測定結果α）、およびプロセス処理により消耗された被覆膜に対するプラズマクリーニングよる特定波長の発光強度と時間（測定結果β）は、演算回路モジュール１１４に入力され、対象となるプロセス処理において、プロセス性能を安定化させるために最適な被覆膜厚が算出される。
【００６９】
上記実施例によれば、処理室１０１の内壁状態に起因したプロセス変動を抑えることを目的とする被覆膜形成において、プロセス処理に応じて、堆積物等を完全に被覆する膜厚で、かつ最小の膜厚となるよう、個々に最適化することができ、プロセス安定性の向上、ならびに、処理速度の向上が可能となる。
【００７０】
図１１は、実施例１の膜形成時に基盤電極１０６にウェハを載置する場合に係る処理装置の全体構成図である。これは、プロセス処理に用いられるプロセス処理用ウェハが収納されたウェハカセットＡ１００５が設置されているロードポート１００１、Ｆａｎ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｕｎｉｔ（ＦＦＵ）１００２内に設置されたアライナー１００３、プラズマ処理が行われる処理室１００９、それらへウェハを真空搬送するための搬送室１００８と、膜形成時用ウェハを待機させる待機室１００４で構成されている。基板電極１０６上の膜形成を防ぐ役割を果たす膜形成時用ウェハは、あらかじめＦＦＵ１００２内等に備え付けられた待機室１００４に設置されたウェハカセットＢ１０１０内に準備されている。これらの装置構成により、実施例１に示す通りの手順を全自動で行うことが可能である。
【００７１】
上記の本実施例では、特にＥＣＲプラズマ装置についての実施例を述べたが、本発明は他のプラズマ生成装置または方法、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ），容量結合型プラズマ（ＣＣＰ）を用いても同様の効果がある。
【符号の説明】
【００７２】
１０１  処理室
１０２  シャワープレート
１０３  誘電体窓
１０４  マグネトロン
１０５  導波管
１０６  基板電極
１０７  真空排気管
１０８  ソレノイドコイル
１０９  ウェハ
１１０  直流電源
１１１  高周波電源
１１２  高周波整合器
１１３  Ｖ／Ｉプローブ
１１４  演算回路モジュール
１１５  表示部
１１６  パラメータ制御部
１１７  空洞共振
１１８  分光器
１１９  発光データ解析装置
１２０  ガス供給装置
１２１  アース
１２２  内筒
１３０  記憶部
１３１  算出部
１３２  データベース部
１００１  ロードポート
１００２  Ｆａｎ  Ｆｉｌｔｅｒ  Ｕｎｉｔ（ＦＦＵ）
１００３  アライナー
１００４  待機室
１００５  ウェハカセットＡ
１００６  ロードロック室
１００７  アンロードロック室
１００８  搬送室
１００９  処理室
１０１０  ウェハカセットＢ
【図１】
2013214584.tif 000003
【図２】
2013214584.tif 000004
【図３】
2013214584.tif 000005
【図４】
2013214584.tif 000006
【図５】
2013214584.tif 000007
【図６】
2013214584.tif 000008
【図７】
2013214584.tif 000009
【図８】
2013214584.tif 000010
【図９】
2013214584.tif 000011
【図１０】
2013214584.tif 000012
【図１１】
2013214584.tif 000013