(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内に処理ガスを供給して被処理基板に対して所定の処理を施すガス処理方法において、
真空容器内から採取したガスに対してフィラメントから電子を放出し、処理ガス中の粒子に当該電子を付着させてイオン化する工程と、
この工程により得られた粒子の負イオンを、直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加される質量分析手段の電極対の間に入射させ、直流電圧と高周波電圧との比を一定に保ちながら高周波電圧を変化させることにより、電極対を通過した各質量に対応する負イオンを検出器で検出する工程と、
前記検出器の検出結果に基づいて質量スペクトルを作成する工程と、
この質量スペクトルにおいてピークが得られる質量数から選別された質量数の負イオン毎に、それら負イオンが前記電極対の間で加速されるように前記直流電圧及び高周波電圧の値を設定し、前記フィラメントに供給する電圧を変えることにより当該フィラメントから放出される電子エネルギーを変化させ、この電子エネルギーの値と負イオンの個数の計数値とを対応付けたデータを取得し、このデータに基づいて負イオンの計数値のピーク値を求める工程と、
前記ピーク値に基づき、処理ガスの状態に影響を与えるプロセス条件をコントロールする工程と、を有し、
前記ピーク値は、真空容器内を移動可能なガス採取口により、被処理基板の面方向に沿った複数箇所の位置におけるガスを採取し、各位置におけるピーク値であることを特徴とするガス処理方法。
【請求項２】
プロセス条件は、処理ガスに与えるエネルギーの大きさ、真空容器内の圧力または処理ガスの流量の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載のガス処理方法。
【請求項３】
電子を付着させる処理ガス中の粒子は、ラジカル、分子または原子であることを特徴とする請求項１または２に記載のガス処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体ウエハに対してプラズマ処理を行うためのガス処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程には、被処理基板である半導体ウエハ（以下ウエハという）に対してプラズマを用いて処理を行う工程がある。これはウエハ載置台を備えた真空容器内に処理ガスを導入し、例えば電磁エネルギーを処理ガスに供給することでプラズマを発生させて行われ、例えば成膜やエッチングといった処理が挙げられる。プラズマを発生させる手法としては、マイクロ波と磁界の相互作用である電磁サイクロトロン共鳴を利用するＥＣＲ方式、ドーム状の容器に巻かれたコイルから電界及び磁界を処理ガスに与えるＩＣＰ方式及び一対の平板を対向させてその間に高周波電力を印加する平行平板方式などがある。
【０００３】
このようなプラズマ処理において、プラズマ中に発生する粒子例えばラジカルは種類により、堆積やエッチングといった異なる作用を有するため、ウエハ上への処理にはラジカルが重要な役割を果たしていると考えられている。このためプラズマ発生時におけるラジカル密度を推定する方法、及びこれにより得られた値によりマイクロ波の出力を制御する方法などが発表されている。ラジカル密度を推定する方法としては例えばレーザ光をプラズマに照射し、分子がその光を吸収して蛍光を発することを利用して、蛍光を計測したその計測値に基づいてラジカル密度を推定するレーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ法）や赤外半導体レーザ光のスペクトル変化を検出して真空容器内のラジカル密度を測定する方法などがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述のＬＩＦ法は蛍光する分子を計測する手法であるため、光らない種類のラジカルの密度が推定できず、更に分子数の大きな高次ラジカルの測定は不可能なため、正確なプロセス制御ができないという課題がある。また、赤外半導体レーザ光のスペクトル変化からラジカル密度を測定する方法においても、低次のラジカルについてはラジカルに起因するスペクトルが既知のため計測が可能であるが、分子数の大きな高次ラジカルの測定は不可能であった。
【０００５】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は例えばラジカルなどの種類と密度を推定し、良好な処理例えば被処理基板間でばらつきの少ない処理を行うことのできるガス処理方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、真空容器内に処理ガスを供給して被処理基板に対して所定の処理を施すガス処理方法において、
真空容器内から採取したガスに対してフィラメントから電子を放出し、処理ガス中の粒子に当該電子を付着させてイオン化する工程と、
この工程により得られた粒子の負イオンを、直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加される質量分析手段の電極対の間に入射させ、直流電圧と高周波電圧との比を一定に保ちながら高周波電圧を変化させることにより、電極対を通過した各質量に対応する負イオンを検出器で検出する工程と、
前記検出器の検出結果に基づいて質量スペクトルを作成する工程と、
この質量スペクトルにおいてピークが得られる質量数から選別された質量数の負イオン毎に、それら負イオンが前記電極対の間で加速されるように前記直流電圧及び高周波電圧の値を設定し、前記フィラメントに供給する電圧を変えることにより当該フィラメントから放出される電子エネルギーを変化させ、この電子エネルギーの値と負イオンの個数の計数値とを対応付けたデータを取得し、このデータに基づいて負イオンの計数値のピーク値を求める工程と、
前記ピーク値に基づき、処理ガスの状態に影響を与えるプロセス条件をコントロールする工程と、を有し、
前記ピーク値は、真空容器内を移動可能なガス採取口により、被処理基板の面方向に沿った複数箇所の位置におけるガスを採取し、各位置におけるピーク値であることを特徴とする。ここでプロセス条件は、処理ガスに与えるエネルギーの大きさ、真空容器内の圧力または処理ガスの流量の少なくとも一つである。
【０００７】
この発明において、上述の電子を付着させる処理ガス中の粒子は、例えばラジカル、分子または原子であり、この粒子の密度は電子付加手段から放出される電子エネルギーの大きさを変えて、この電子エネルギーの大きさと、前記粒子の計数値との関係を求め、この結果に基づいて推定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明に係るガス処理方法の実施の形態として、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を利用し被処理基板に成膜処理を行うプラズマ成膜装置を用いた方法を例にとって説明する。この実施の形態は、真空容器内のガスを採取し、そのガスに電子を付加してガス中の粒子例えばラジカルを負イオンの形態に変え、特定のラジカルに対応する負イオンの量を質量分析装置により分析して、その結果に基づいてラジカルの密度を推定し、その推定値に応じてプラズマ中のラジカルに影響を与える各種プロセス条件を制御するものである。
【０００９】
ここで図１は本実施の形態に係るガス処理装置を表す全体図、図２はこのガス処理装置に用いられる電子付着型質量分析装置の概観を示す側面図である。
【００１０】
先ず図１のプラズマ成膜装置について説明をすると、これは図示されるように例えばアルミニウム等により形成された真空容器１を有しており、この真空容器１は上方に位置してプラズマを発生させる円筒状の第１の真空室１１と、この下方に連通するように連結された円筒状の第２の真空室１２とからなる。なおこの真空容器１は接地されてゼロ電位になっている。
【００１１】
この真空容器１の上端は、開口されてこの部分にマイクロ波を透過する部材例えば石英等の材料で形成された透過窓１３が気密に設けられており、真空容器１内の真空状態を維持するようになっている。この透過窓１３の外側には、例えば２．４５ＧＨｚ、１．５ｋｗのプラズマ発生用高周波供給手段としてのマイクロ波電源部１４に接続された導波管１５が設けられており、マイクロ波電源部１４により発生したマイクロ波を例えばＴＥモードにより導波管１５で案内して、またはＴＥモードにより案内されたマイクロ波を導波管１５でＴＭモードに変換して透過窓１３から第１の真空室１１内へ導入し得るようになっている。
【００１２】
第１の真空室１１を区画する側壁には例えばその周方向に沿って均等に配置したガスノズル１６が設けられると共にこのノズル１６には、図示しないガス源、例えばＡｒガス源が接続されており、第１の真空室１１内の上部にＡｒガスをムラなく均等に供給し得るようになっている。
【００１３】
前記第２の真空室１２内には、前記第１の真空室１１と対向するように、ウエハＷとほぼ同じサイズのウエハ載置台１７が例えばアルミナを素材とする図示しない絶縁体を介して支持部１８に支持されている。載置台１７内には電極が埋設され、この電極にはイオン引き込み用のバイアス電圧を印加するように高周波電源部１９が接続されている。
【００１４】
一方、図１に示すように前記第２の真空室１２の上部、即ち第１の真空室１１と連通している部分にはリング状の成膜ガス供給部２０が設けられている。この成膜ガス供給部２０は図示しないガス供給管から送られる成膜ガス、例えばＣ2Ｆ4及びＣ2Ｈ4ガスを第２の真空室１２内に噴き出すように構成されている。なお前記Ａｒガス及びこの成膜ガスは、処理ガスに相当する。また、真空室１２の側壁部にはウエハを当該真空室１２内に搬入するためのゲートバルブ２１が設けられると共に、他方側には後述する電子付着型質量分析装置３が気密に接続されている。底部には例えば真空室１２の中心軸に対称な２個所の位置に各々排気管２２が接続されている。
【００１５】
前記第１の真空室１１を区画する側壁の外周には、これに近接させて磁場形成手段として例えばリング状の主電磁コイル２３が配置されると共に、第２の真空室１２の下方側室外には真空室１２に近接してリング状の補助電磁コイル２４が配置されている。
【００１６】
次に電子付着型質量分析装置３について図３を参照しながら述べる。この質量分析装置３の装置本体３０は筒状体であり、真空容器１側から順に導入管３１、イオン通路部３２、及びイオン検出部３３から構成される。導入管３１は、一端側に設けられる採取口３４が真空容器１側壁に形成される孔部３５を介して真空容器１内を向くように配置されており、ニューメタルまたはパーマロイで作られている。
【００１７】
導入管３１の径方向側周面を囲むように例えば金属ベローズ体３６が設けられ、このベローズ体３６の両端は、導入管３１基端部周囲と孔部３５周囲とに夫々気密に取り付けられている。ベローズ体３６はエアシリンダー等の駆動部３７と接続されており、駆動部３７はレール３８上をガイドされる。従って駆動部３７の移動に伴いベローズ体３６が伸縮し、導入管３３の真空室１内への進退が可能となる。
【００１８】
導入管３１内には、採取口３４側から順に、第１のフォーカスリング４０、第２のフォーカスリング４１、ラジカルへ電子を付加するための電子付加手段の一部をなすフィラメント４２及びイオン引き込み用の電極４３が配置されている。フィラメント４２は電圧を可変できる直流電源４４と接続されている。
【００１９】
イオン通路部３２内には、棒状の電極４５が周方向に４本配置され、相対する電極４５を一対とした四重極として構成される。イオン検出部３３にはイオン通路部３２側から順に第３のフォーカスリング４６、及び負イオンによる電流値を検出する検出器４７が設けられている。なお装置本体３０内は、真空ポンプ４８により所定の真空度まで真空排気されている。
【００２０】
前記検出器４７で検出された検出値（電流値）は種類判別部４７ａに送られ、この種類判別部４７ａにて負イオンの質量数と負イオンの数の計数値（相対強度）との関係を求め、つまり質量スペクトルを求め、この質量スペクトルに基づいて負イオンの種類を判別する。この判別は、負イオンの計数値のピークが出ている質量数を求め、この質量数に基づいて、例えば予め作成した質量数と負イオンの種類との対応をとったデータに基づいて行われる。
【００２１】
また前記検出値は、密度推定手段４９に送られ、密度推定手段４９は、直流電源４４の電圧を可変させたときの、フィラメント４２から放出された電子のエネルギーの値と前記計数値との対応関係を把握して、計数値のピークを求め、このピーク値に基づいてプラズマ中の特定のラジカルの密度を推定する機能を有している。この密度推定手段４９で推定された推定結果は制御部５に送られる。
【００２２】
ここで図４は、前記密度推定手段４９で得られた推定結果に基づいて、プラズマ中の特定の粒子この例ではラジカルの密度に影響を与えるプロセス条件を制御する制御系を示す構成図である。図４では制御部５から各部へ信号線が出ている図として表されているが、この点は後述するとして、この実施の形態では制御部５の制御信号が、マイクロ波電源部１４の出力電力を変調するパルス発生部５１のみを制御する例であるものとして説明を進めていく。
【００２３】
次に本実施の形態の作用を述べる。先ず電磁コイル１４，１５により作られる磁界とマイクロ波とにより電子サイクロトロン共鳴を起こし、ノズル１６から供給されるＡｒガスがプラズマ化されると共に、ガス供給部２０から供給される例えばＣ4Ｆ8ガス及びＣ2Ｈ4ガスを夫々プラズマ化する。
【００２４】
一方、成膜処理中に採取口３４を例えばウエハＷの中央上方位置まで進出させる電子付着型質量分析装置３の装置本体３０内は、真空容器１内よりも高真空に維持されているのでプラズマの一部が採取口３４内へ引き込まれ、第１のフォーカスリング４０、第２のフォーカスリング４１を介して装置本体３０内へ取り込まれる。そしてプラズマ中に含まれるラジカル等の粒子にフィラメント４２から放出される電子が付加されてイオン化され、例えばＣ4Ｆ7ラジカルはＣ4Ｆ7-の負イオンとなる。
【００２５】
既述のように２対４本の双曲柱ロッドからなる電極４５(四重極：quadrupole)には、各々図示されない電源部より正及び負の直流電圧Ｕ(ボルト)と高周波電圧Ｖ´(ボルト)〔周波数ｆ(ＭＨｚ)〕を重畳したものを加えておく。ここで、Ｕ／Ｖ´を一定に保ちながらＶ´を連続的に変化させれば各質量に対応するイオンを検出器４７で検出できる。前記種類判別部４７ａでは、既述のように検出器４７からの検出信号に基づいて質量スペクトルを作成し、この質量スペクトルにおいてピーク値が得られる質量数のうち、例えば予め定めた質量数の範囲に含まれる質量数を選別する。そして選別された質量数の負イオン毎に、それら負イオンが加速されるようにＵ、Ｖ´の値を設定し、フィラメント電圧を変えることにより、フィラメント４２から放出される電子エネルギーを変化させ、この電子エネルギーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータを取得する。図５はこのデータの一例を表す図であり、圧力によってピーク値が変わっている様子が伺える。
【００２６】
本発明者はこの負イオンの計数値のピーク値と目的とするラジカルの密度とが対応していることを把握しており、この実施の形態では上述の負イオン(例えばＣ4Ｆ7-)の個数のピーク値がこれぐらいの値であればマイクロ波のパワーをこれくらい大きく(或いは小さく)すればよいといったことを予め把握しておき、ピーク値を自動制御回路に入力してここから制御信号をパルス発生部５１に与えてプラズマの状態を制御する。この場合はいわばラジカル密度の相対値を把握してラジカル密度をコントロールしていることになる。
【００２７】
ここで図７、図８は処理ガスとしてＣ4Ｆ8を用い、負イオン化したラジカルＣ3Ｆ7-及びＣ4Ｆ9-についての前記ピーク値がマイクロ波の大きさによって変化する例を示した図であり、夫々圧力２０Ｔｏｒｒにおいてマイクロ波を５００Ｗ(実線)及び６００Ｗ(点線)で計測したものである。
【００２８】
なおピーク値と特定ラジカル例えばＣ4Ｆ7ラジカル密度とのデータを予め作成しておき、検出したピーク値をこのデータに適応してそのピーク値に対応するラジカルの密度を推定し、その推定値に応じた制御信号を例えばパルス発生部５１に与えてもよい。
【００２９】
このようにして推定したラジカル密度はプラズマの電子温度を制御することにより目的とする値にコントロールすることが可能である。プラズマの電子温度は、マイクロ波電源部１４から出力されるマイクロ波をパルス変調することで調節することが可能であり、その調整の仕方は、そのエネルギーが大きくなるとラジカル密度が大きくなる種類のラジカルの場合と逆にラジカル密度が小さくなる種類のラジカルの場合とで異なる。例えば前者の場合にはマイクロ波があるデューティ比のパルスでパルス変調されているとすると、例えばあるラジカルの密度が予め設定した値よりも大きくなるとマイクロ波出力のデューティ比を大きくして、ガスに供給されるマイクロ波のエネルギーを大きくし、ラジカル密度が小さくなるようにコントロールされる。また、マイクロ波のエネルギー(パワー)を制御するにあたっては、デューティ比をコントロールする変わりに、マイクロ波電源部１４の出力電力値をコントロールしてもよいし、これらを組み合わせてもよい。
【００３０】
このような実施の形態によれば、真空容器１内のプラズマ中の例えばＣ4Ｆ7ラジカルの密度を推定でき、これに基づいてマイクロ波電源部１４のパワーを制御しているのでラジカル密度を適切な値にすることができ、従ってウエハＷ間でばらつきの少ない例えば膜厚や膜質が安定した処理を行うことができる。そしてガス採取口からガスを採取し、このガスに電子を付与してイオン化した負イオンをカウントしているので、真空容器に設けた窓の汚れによる精度の低下といった問題もない。
【００３１】
なお上述の実施の形態では製品ウエハＷの処理中にラジカル密度を求めるようにしているが、所定枚数のウエハ処理を行った後、テストウエハを用いて処理を行い、その処理中にラジカル密度を測定し、その値に基づいて後続の製品ウエハＷの処理時に例えばマイクロ波のデューティ比等のプロセス条件を設定してもよい。
【００３２】
また、プロセス条件を制御するにあたっては、マイクロ波のパワーに限らず図４に併せて示すように主電磁コイル２３、補助電磁コイル２４の電流量を夫々制御する電流制御部５２、５３を制御して磁界の強さ及び磁場形状を変えるようにしてもよいし、あるいは処理ガスの流量や混合比を調整するように、ガスノズル１６、ガス供給部２０と夫々接続されるガス流量調整部５４、５５を制御してもよく、または真空容器１内の圧力を調整するように排気管２２の途中に設けられた圧力調整部５６の例えばバタフライ弁の開閉を制御するようにしてもよい。そしてまた高周波電源部１９についても、バイアスの電力値を制御してもよいし、パルス発生部５７でパルス変調する場合には前記制御信号によりパルス発生部５７を介してデューティ比を制御するようにしてもよく、この場合には特にウエハＷ上の薄膜のエッチングを行う場合に有効である。更にこれらのプロセス条件の制御を組み合わせてもよい。プロセス条件の調整の仕方は、予めプロセス条件を調整してラジカル密度を変え、こうしたデータに基づいてプログラムを組んでおけばよい。
【００３３】
図９は処理ガスであるＣ4Ｆ8の流量を変えることで負イオン化したラジカルのピーク値が変化する様子を表す図であり、ここではラジカルにＣ3Ｆ7、Ｃ4Ｆ9を例にとって計測している。この図によればＣ4Ｆ8の流量が増えるにつれてイオンのピーク値は右下がりを示しており、従って処理ガス流量に応じてラジカル密度が変化することがわかる。
【００３４】
以上において密度推定手段４９におけるラジカル密度の推定は、電子付加型質量分析装置３において目的とするラジカル例えばＣ4Ｆ7を負イオン化してＣ4Ｆ7-とし、そのイオンカウントのデータから行う例を挙げてきたが、ラジカル種によっては例えばＣＦ4ラジカルのように電子付加によりＦ-イオンが解離するものもあり、このような場合には解離した負イオン例えばＦ-イオンの計数値に基づきＣＦ4のラジカル密度の推定が行われ、この場合も本実施の形態の範囲に含まれる。またラジカル種としてはＣＦ4に限られるものではないし、特定の粒子としてはラジカルに限らず分子、原子などであってもよい。なお図６は上記のＦ-イオンの計数値の変化を示した特性図である。
【００３５】
なお、本実施の形態ではウエハ上方のラジカル濃度分布を推定する方法を用いることも可能であり、これは例えば電子付加型質量分析装置３の駆動部３８によりベローズ３６を伸縮させ、これにより採取口３４の採取口の位置を変えてウエハの径方向に沿った複数箇所の負イオンのカウンタ値を求めることにより得られる。なお本発明では前記採取口３４にノズルを気密に挿入し、かつこのノズルにおける前記採取口３４よりも外側の部位と前記孔部３５の周囲との間にベローズを介在させ、装置本体３０は固定しておいてノズルを進退させてもよい。
【００３６】
以上において本発明は、ＥＣＲ以外のヘリコン波タイプのもの、平行平板タイプのもの、ＩＣＰ(誘導結合プラズマ)タイプのものなどにも用いることができ、更に成膜やエッチング以外のプラズマ処理例えばレジストの灰化処理(アッシング)などにも適用することができる。またプラズマ処理以外にも処理ガスを用いて基板を処理する他の装置例えば熱ＣＶＤ装置などに対しても適用することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のガス処理方法によれば、真空容器内の粒子例えばラジカルの密度を推定することができ、その推定結果に基づいてプラズマの状態を左右する各因子(プロセス条件)を制御することができるので、良好な処理が行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理装置に係る実施の形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明における処理装置に用いられる電子付着型質量分析装置の周辺を示す縦断側面図である。
【図３】本発明における処理装置に用いられる電子付着型質量分析装置の縦断面及び関連ブロックを示す構成図である。
【図４】本発明に係る実施の形態を示すブロック図である。
【図５】電子付着型質量分析装置における電子エネルギーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの一例である。
【図６】電子付着型質量分析装置における電子エネルギーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの一例である。
【図７】電子付着型質量分析装置における電子エネルギーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの一例である。
【図８】電子付着型質量分析装置における電子エネルギーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの一例である。
【図９】処理ガスの流量変化とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの一例である。
【符号の説明】
１  真空容器
３  電子付着型質量分析装置
５  主制御部
１４  マイクロ波電源部
１６  ノズル
１７  載置台
１９  高周波電源部
２０  ガス供給部
２２  排気管
２３  主電磁コイル
２４  補助電磁コイル
３０  装置本体
３１  導入管
３２  イオン通路部
３３  イオン検出部
３４  採取口
３５  孔部
３６  ベローズ体
３７  駆動部
３８  レール
４０，４１，４６  フォーカスリング
４２  フィラメント
４３  電極
４４  直流電源
４５  電極
４７  検出器
４７ａ  種類判別部
４８  真空ポンプ
４９  密度推定手段
５１，５７  パルス発生部
５２，５３  電流制御部
５４，５５  流量調整部
５６  圧力調整部
【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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【図８】
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【図９】
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