(57)【要約】【課題】  プラズマ処理において、その終点を精度よく検出する。【解決手段】  プラズマ処理装置１００は、チャンバー１内でプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、被処理体（ウエハＷ）へ向けて移動するプラズマ中の活性種の粒子数の積算値を計測する計測部６０と、計測された粒子数の積算値が設定値に達した場合に、プラズマ処理を終了させるように制御する制御部５０と、を備えている。計測部６０は、光源部６１から所定のレーザー光をプラズマへ向けて照射し、ＶＵＶモノクロメーターを備えた検知部６３で受光することにより活性種の粒子数を測定する。【選択図】図１
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【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、
前記処理室内でプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測する計測手段と、
前記積算値が設定値に達した場合に、プラズマ処理を終了させるように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカル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装置。
【請求項３】
前記計測手段は、プラズマに向けて所定のレーザー光を照射する光源部と、プラズマを通過したレーザー光を検知する検知部とを備えており、前記光源部から前記検知部への光路が、前記処理室内に配置された被処理体の近傍位置に形成されるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
前記プラズマ生成手段は、前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数のスロットを有する平面アンテナを備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】
プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理するプラズマ処理方法であって、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達した場合に、プラズマ処理を終了させるステップと、
を備えたことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項６】
前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカルであることを特徴とする請求項５に記載のプラズマ処理方法。
【請求項７】
前記活性種は、前記処理室内の上部で生成し、被処理体へ向けて下方へ移動するものであり、
前記活性種の計測を、被処理体の近傍位置で行うことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のプラズマ処理方法。
【請求項８】
前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置であることを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載のプラズマ処理方法。
【請求項９】
プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法であって、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えたことを特徴とする終点検出方法。
【請求項１０】
前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカルであることを特徴とする請求項９に記載の終点検出方法。
【請求項１１】
前記活性種は、前記処理室内の上部で生成し、被処理体へ向けて下方へ移動するものであり、
前記活性種の計測を、被処理体の近傍位置で行うことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の終点検出方法。
【請求項１２】
前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置であることを特徴とする請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の終点検出方法。
【請求項１３】
コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法が行なわれるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであり、
前記終点検出方法は、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えたものであること、を特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【請求項１４】
プラズマを用いて被処理体を処理するための処理室と、
前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数のスロットを有する平面アンテナと、
前記処理室内にガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室内を減圧排気する排気機構と、
前記処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備え、
前記終点検出方法は、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えたものであること、を特徴とするプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマを利用して被処理体を処理するプラズマ処理装置、プラズマ処理方法およびプラズマ処理の終点検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハなどの被処理体に対して、プラズマを用いて酸化処理、窒化処理などを行うプラズマ処理が知られている。プラズマ処理は、４００℃程度での低温処理が可能であることから、熱酸化処理などに比べて、サーマルバジェットを低減して半導体ウエハの熱歪み等を抑制できるという利点がある。
【０００３】
プラズマ処理の課題として、正確なエンドポイントの把握が困難である点が挙げられる。従来のプラズマ処理では、処理のレート（例えば酸化レート、窒化レート、エッチングレートなど）をもとに予め処理時間を設定しておき、時間管理によってプラズマ処理を終了させていた。しかし、プラズマは、その生成条件によりラジカルやイオンなどの活性種の量や種類が変化することから、単に時間だけを基準にすると、処理結果にばらつきが生じるおそれがあった。このような問題を解決するため、例えば特許文献１では、チャンバーに、光学的手法を利用した膜厚監視装置を設け、エッチングの終点検出を行う技術が提案されている。また、特許文献２では、プラズマの発光をモニターすることにより、クリーニングの終点検出を行う技術が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−７９２８９号公報
【特許文献２】特開２００２−５７１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の技術は、被エッチング対象である膜の残存厚みを計測することによりプラズマ処理の終点を検出するものであり、リアルタイムでのモニターが可能である。しかし、この方法は計測対象が膜厚であるため、エッチング以外の処理例えばプラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理などの終点検出に適用することは困難である。また、特許文献２の技術も、クリーニングの進行によりチャンバー内の化学組成が変化することを利用した技術であるから、プラズマ酸化処理やプラズマ窒化処理に利用することは困難である。このように、従来技術で提案されている終点検出方法は、対象が限定されていた。そのため、プラズマの状態によって処理結果にばらつきが生じる可能性があることは承知しつつも、依然としてプラズマ処理の時間を基準に管理する手法が広く行われている。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、プラズマ処理において、その終点を精度よく検出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の観点に係る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、
前記処理室内でプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測する計測手段と、
前記積算値が設定値に達した場合に、プラズマ処理を終了させるように制御する制御手段と、
を備えている。
【０００８】
上記第１の観点のプラズマ処理装置において、前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカルであってもよい。また、前記計測手段は、プラズマに向けて所定のレーザー光を照射する光源部と、プラズマを通過したレーザー光を検知する検知部とを備えており、前記光源部から前記検知部への光路が、前記処理室内に配置された被処理体の近傍位置に形成されるようにしたものであってもよい。さらに、前記プラズマ生成手段は、前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数のスロットを有する平面アンテナを備えているものであってもよい。
【０００９】
本発明の第２の観点に係るプラズマ処理方法は、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理する方法であって、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達した場合に、プラズマ処理を終了させるステップと、
を備えている。
【００１０】
上記第２の観点のプラズマ処理方法において、前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカルであってもよい。また、前記活性種は、前記処理室内の上部で生成し、被処理体へ向けて下方へ移動するものであり、前記活性種の計測を、被処理体の近傍位置で行うものであってもよい。さらに、前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置であってもよい。
【００１１】
本発明の第３の観点に係る終点検出方法は、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法であって、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えている。
【００１２】
上記第３の観点の終点検出方法において、前記活性種が、酸化活性種としてのＯ（１Ｄ２）ラジカルであってもよい。また、前記活性種は、前記処理室内の上部で生成し、被処理体へ向けて下方へ移動するものであり、前記活性種の計測を、被処理体の近傍位置でおこなってもよい。さらに、前記プラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにより前記処理室内にマイクロ波を導入する方式のプラズマ処理装置であってもよい。
【００１３】
本発明の第４の観点に係るコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたものであって、
前記制御プログラムは、実行時に、プラズマ処理装置の処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法が行なわれるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであり、
前記終点検出方法は、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えたものである。
【００１４】
本発明の第５の観点に係るプラズマ処理装置は、
プラズマを用いて被処理体を処理するための処理室と、
前記処理室内にマイクロ波を導入するための、複数のスロットを有する平面アンテナと、
前記処理室内にガスを供給するガス供給機構と、
前記処理室内を減圧排気する排気機構と、
前記処理室内で被処理体をプラズマ処理するにあたり、処理の終点を検出する終点検出方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備え、
前記終点検出方法は、
前記処理室内にプラズマを生成させてプラズマ処理を開始するステップと、
前記プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する活性種の粒子数の積算値を計測するステップと、
前記積算値が設定値に達したか否かを判定することにより、プラズマ処理の終点を検出するステップと、
を備えたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、プラズマ中に含まれ、被処理体へ向けて移動する特定の活性種の粒子数の積算値を計測することにより、高い精度でプラズマ処理の終点を検出することができる。従って、積算値が設定値に達した時点でプラズマ処理を終了させることにより、プラズマ生成条件やプラズマの状態に左右されることなく、確実に目的とする処理を完了させることができるとともに、ウエハ間、ロット間での処理の均一性も確保できるという効果を奏する。
【００１６】
また、本発明方法は、活性種の粒子数の積算値を指標として終点を検出するため、時間を基準としてプラズマ処理を管理する手法に比べて、プラズマの状態に左右されることなく、より直接的で正確な終点検出が可能である。また、被処理体の膜厚やプラズマの発光を指標として終点検出を行う従来法と比較した場合には、より広範囲のプラズマ処理に適用できるという利点を有する。従って、本発明方法を利用することにより、例えばプラズマ酸化処理、プラズマ窒化処理、プラズマエッチング処理、プラズマクリーニング処理などの終点検出を正確かつ確実に行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、プラズマを利用して被処理体を酸化処理する場合を例に挙げて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るプラズマ処理装置１００の概略構成を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１のプラズマ処理装置１００の平面アンテナを示す平面図である。さらに、図３は、図１のプラズマ処理装置１００にける制御系統の概略構成例を示す図面である。
【００１８】
プラズマ処理装置１００は、貫通孔であるスロットを複数有する平面アンテナ、特にＲＬＳＡ（Ｒａｄｉａｌ Ｌｉｎｅ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ；ラジアルラインスロットアンテナ）にて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波励起プラズマを発生させ得るＲＬＳＡマイクロ波プラズマ処理装置として構成されている。プラズマ処理装置１００では、１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３のプラズマ密度で、かつ０．７〜２ｅＶ（被処理体近傍では１ｅＶ以下）の低電子温度を有するプラズマによる処理が可能である。従って、プラズマ処理装置１００は、各種半導体装置の製造過程において、シリコンを酸化してシリコン酸化膜を形成する目的で好適に利用できるものである。
【００１９】
プラズマ処理装置１００は、主要な構成として、気密に構成されたチャンバー（処理室）１と、チャンバー１内にガスを供給するガス供給機構１８と、チャンバー１内を減圧排気するための排気機構としての排気装置２４と、チャンバー１の上部に設けられ、チャンバー１内にマイクロ波を導入するマイクロ波導入機構２７と、これらプラズマ処理装置１００の各構成部を制御する制御手段としての制御部５０と、プラズマ中の活性種の粒子数の積算値を計測する計測手段としての計測部６０とを備えている。なお、ガス供給機構１８、排気装置２４およびマイクロ波導入機構２７は、チャンバー１内でプラズマを生成させるプラズマ生成手段を構成している。
【００２０】
チャンバー１は、接地された略円筒状の容器により形成されている。なお、チャンバー１は角筒形状の容器により形成してもよい。チャンバー１は、アルミニウム等の材質からなる底壁１ａと側壁１ｂとを有している。
【００２１】
チャンバー１の内部は、被処理体であるシリコンウエハ（以下、単に「ウエハ」と記す）Ｗを水平に支持するための載置台２が設けられている。載置台２は、熱伝導性の高い材質例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。この載置台２は、排気室１１の底部中央から上方に延びる円筒状の支持部材３により支持されている。支持部材３は、例えばＡｌＮ等のセラミックスにより構成されている。
【００２２】
また、載置台２には、その外縁部をカバーし、ウエハＷをガイドするためのカバーリング４が設けられている。このカバーリング４は、例えば石英、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＮ等の材質で構成された環状部材である。
【００２３】
また、載置台２には、温度調節機構としての抵抗加熱型のヒータ５が埋め込まれている。このヒータ５は、ヒータ電源５ａから給電されることにより載置台２を加熱して、その熱で被処理基板であるウエハＷを均一に加熱する。
【００２４】
また、載置台２には、熱電対（ＴＣ）６が配備されている。この熱電対６によって温度計測を行うことにより、ウエハＷの加熱温度を例えば室温から９００℃までの範囲で制御可能となっている。
【００２５】
また、載置台２には、ウエハＷを支持して昇降させるためのウエハ支持ピン（図示せず）が設けられている。各ウエハ支持ピンは、載置台２の表面に対して突没可能に設けられている。
【００２６】
チャンバー１の内周には、石英からなる円筒状のライナー７が設けられている。また、載置台２の外周側には、チャンバー１内を均一排気するため、多数の排気孔８ａを有する石英製のバッフルプレート８が環状に設けられている。このバッフルプレート８は、複数の支柱９により支持されている。
【００２７】
チャンバー１の底壁１ａの略中央部には、円形の開口部１０が形成されている。底壁１ａにはこの開口部１０と連通し、下方に向けて突出する排気室１１が設けられている。この排気室１１には、排気管１２が接続されており、この排気管１２を介して排気装置２４に接続されている。
【００２８】
チャンバー１を形成する側壁１ｂの上端には、環状のアッパープレート１３が接合されている。アッパープレート１３の内周下部は、内側（チャンバー内空間）へ向けて突出し、環状の支持部１３ａを形成している。
【００２９】
チャンバー１の側壁１ｂには、環状をなすガス導入部１５が設けられている。このガス導入部１５は、酸素含有ガスやプラズマ励起用ガスを供給するガス供給機構１８に接続されている。なお、ガス導入部１５はノズル状またはシャワー状に設けてもよい。
【００３０】
また、チャンバー１の側壁１ｂには、プラズマ処理装置１００と、これに隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬入出を行うための搬入出口と、この搬入出口を開閉するゲートバルブとが設けられている（いずれも図示省略）。
【００３１】
ガス供給機構１８は、例えば不活性ガス供給源１９ａおよび酸素含有ガス（Ｏ含有ガス）供給源１９ｂを有している。なお、ガス供給機構１８は、上記以外の図示しないガス供給源として、例えば、酸化レートを高めるために酸素ガスと混合して用いられる水素ガスの供給源、チャンバー内雰囲気を置換する際に用いるパージガスの供給源、チャンバー１内をクリーニングする際に用いるクリーニングガスの供給源等を有していてもよい。
【００３２】
不活性ガスとしては、例えばＮ２ガスや希ガスなどを用いることができる。希ガスとしては、例えばＡｒガス、Ｋｒガス、Ｘｅガス、Ｈｅガスなどを用いることができる。また、酸素含有ガスとしては、例えば酸素ガス（Ｏ２）などを用いることができる。
【００３３】
不活性ガスおよび酸素含有ガスは、ガス供給機構１８の不活性ガス供給源１９ａおよび酸素含有ガス供給源１９ｂから、ガスライン２０を介してガス導入部１５に至り、ガス導入部１５からチャンバー１内に導入される。各ガス供給源に接続する各々のガスライン２０には、マスフローコントローラ２１およびその前後の開閉バルブ２２が設けられている。このようなガス供給機構１８の構成により、供給されるガスの切替えや流量等の制御が出来るようになっている。
【００３４】
排気機構としての排気装置２４は、ターボ分子ポンプなどの高速真空ポンプを備えている。前記のように、排気装置２４は、排気管１２を介してチャンバー１の排気室１１に接続されている。チャンバー１内のガスは、排気室１１の空間１１ａ内へ均一に流れ、さらに空間１１ａから排気装置２４を作動させることにより、排気管１２を介して外部へ排気される。これにより、チャンバー１内を所定の真空度、例えば０．１３３Ｐａまで高速に減圧することが可能となっている。
【００３５】
次に、マイクロ波導入機構２７の構成について説明する。マイクロ波導入機構２７は、主要な構成として、透過板２８、平面アンテナ３１、遅波材３３、シールド蓋体３４、導波管３７、マッチング回路３８およびマイクロ波発生装置３９を備えている。
【００３６】
マイクロ波を透過する透過板２８は、アッパープレート１３において内周側に張り出した支持部１３ａ上に配備されている。透過板２８は、誘電体、例えば石英やＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ等のセラミックスから構成されている。この透過板２８と支持部１３ａとの間は、シール部材２９を介して気密にシールされている。したがって、チャンバー１内は気密に保持される。
【００３７】
平面アンテナ３１は、透過板２８の上方において、載置台２と対向するように設けられている。この平面アンテナ３１は、アッパープレート１３の上端に係止されている。平面アンテナ３１は、円板状をなしている。なお、平面アンテナ３１の形状は、円板状に限らず、例えば四角板状でもよい。
【００３８】
平面アンテナ３１は、例えば表面が金または銀メッキされた銅板またはアルミニウム板から構成されている。平面アンテナ３１は、マイクロ波を放射する多数のスロット３２を有している。スロット３２は、所定のパターンで平面アンテナ３１を貫通して形成されている。
【００３９】
個々のスロット３２は、例えば図２に示すように、細長い孔をなしている。そして、典型的には隣接するスロット３２が「Ｔ」字状に対をなして配置されている。また、このように所定の形状（例えばＴ字状）に組み合わせて配置されたスロット３２は、さらに全体として同心円状に配置されている。
【００４０】
スロット３２の長さや配列間隔は、マイクロ波の波長（λｇ）に応じて決定される。例えば、スロット３２の間隔はλｇ／４、λｇ／２またはλｇとなるように配置される。なお、図２においては、同心円状に形成された隣接するスロット３２どうしの間隔をΔｒで示している。なお、スロット３２の形状は、例えば、長方形状、円形状、円弧状等の他の形状であってもよい。さらに、スロット３２の配置形態は特に限定されず、同心円状のほか、例えば、螺旋状、放射状等に配置することもできる。
【００４１】
平面アンテナ３１の上面には、真空よりも大きい誘電率を有する材料例えば石英、ポリテトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂などからなる遅波材３３が設けられている。この遅波材３３は、真空中ではマイクロ波の波長が長くなることから、マイクロ波の波長を短くしてプラズマを調整する機能を有している。
【００４２】
なお、平面アンテナ３１と透過板２８との間、また、遅波材３３と平面アンテナ３１との間は、それぞれ接触させても離間させてもよいが、接触させることが好ましい。
【００４３】
チャンバー１の上部には、これら平面アンテナ３１および遅波材３３を覆うように、シールド蓋体３４が設けられている。シールド蓋体３４は、例えばアルミニウムやステンレス鋼等の金属材料によって形成されている。アッパープレート１３の上端とシールド蓋体３４とは、シール部材３５によりシールされている。また、シールド蓋体３４の内部には、冷却水流路３４ａが形成されている。この冷却水流路３４ａに冷却水を通流させることにより、シールド蓋体３４、遅波材３３、平面アンテナ３１および透過板２８を冷却できるようになっている。なお、シールド蓋体３４は接地されている。
【００４４】
シールド蓋体３４の上壁（天井部）の中央には、開口部３６が形成されており、この開口部３６には導波管３７が接続されている。導波管３７の他端側には、マッチング回路３８を介してマイクロ波を発生するマイクロ波発生装置３９が接続されている。
【００４５】
導波管３７は、上記シールド蓋体３４の開口部３６から上方へ延出する断面円形状の同軸導波管３７ａと、この同軸導波管３７ａの上端部にモード変換器４０を介して接続された水平方向に延びる矩形導波管３７ｂとを有している。モード変換器４０は、矩形導波管３７ｂ内をＴＥモードで伝播するマイクロ波をＴＥＭモードに変換する機能を有している。
【００４６】
同軸導波管３７ａの中心には内導体４１が延在している。この内導体４１は、その下端部において平面アンテナ３１の中心に接続固定されている。このような構造により、マイクロ波は、同軸導波管３７ａの内導体４１を介して平面アンテナ３１へ放射状に効率よく均一に伝播される。
【００４７】
以上のような構成のマイクロ波導入機構２７により、マイクロ波発生装置３９で発生したマイクロ波が導波管３７を介して平面アンテナ３１へ伝搬され、さらに透過板２８を介してチャンバー１内に導入されるようになっている。なお、マイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが好ましく用いられ、他に８．３５ＧＨｚ、１．９８ＧＨｚ等を用いることもできる。
【００４８】
計測部６０は、図３にも示したように、所定のレーザー光をプラズマへ向けて照射する光源部６１と、プラズマ中を通過したレーザー光を受光するＶＵＶモノクロメーター（図示省略）を備えた検知部６３と、検知部６３での検知結果を数値解析してラジカル粒子数を算出するとともに、その値を積算する演算部６５とを備えている。本実施の形態において、計測部６０は、プラズマ中の酸化活性種のひとつであるＯ（１Ｄ２）ラジカルを計測する。
【００４９】
光源部６１は、図示は省略するが、例えば波長３０８ｎｍのレーザー光を発振するＸｅＣｌエキシマレーザーと、このＸｅＣｌエキシマレーザーをポンプ光として所定波長の光を発振する複数の色素レーザーを備えている。検知部６３は、前記ＶＵＶモノクロメーターの他に、ＶＵＶモノクロメーターで検出された波長データを電気信号に変換するための図示しない光電子増倍管（ＰＭＴ）を備えている。演算部６５は、図示は省略するが、ＣＰＵなどの演算手段と、ＲＡＭなどのメモリ手段と、計測された粒子数を順次加算していく粒子数カウンタと、を備えている。また、計測部６０は、制御部５０のプロセスコントローラ５１に接続されている。
【００５０】
図１に示したように、検知部６３は、光源部６１に対しチャンバー１を間に挟むようにチャンバー１の反対側の外部に対向して配備されている。光源部６１から発振されたレーザー光は、チャンバー１の側壁に設けられた透過窓６７を介してチャンバー１内に導入される。そして、レーザー光は、チャンバー１内のプラズマ形成空間を通過し、チャンバー１の側壁の対向する部位に設けられた透過窓６９を介してチャンバー１外に導かれ、検知部６３により受光できるように構成されている。
【００５１】
計測部６０によってマイクロ波プラズマを測定する場合、光源部６１から検知部６３へ向かうレーザー光が通過する光路Ｒは、プラズマ中を横断する位置に設ければよいが、好ましくは、光路Ｒが被処理体であるウエハＷの上方近傍位置、例えばウエハＷの表面から１〜１０ｍｍの範囲内を通過するように設定する。従って、例えば、載置台２のウエハ載置面から光路Ｒまでの距離は１．５〜１２ｍｍ程度の範囲内に設定することが好ましい。プラズマ中に存在するＯ（１Ｄ２）ラジカルは、ウエハＷに到達する途中で失活してしまうものも存在するため、測定位置である光路ＲがウエハＷから離れて設定されているほど、光路Ｒ上に存在するＯ（１Ｄ２）ラジカルがウエハＷに到達する確率が低下し、正確な測定結果が得られ難くなる。従って、測定位置である光路Ｒを極力ウエハＷの近傍位置に設定することにより、ウエハＷに到達し、現実に酸化に寄与するＯ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数をより正確に把握することができる。
【００５２】
以上の構成を有する計測部６０では、例えば、波長可変真空紫外レーザーによる真空紫外吸収分光法(Ｖａｃｕｕｍ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ Ｌａｓｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ)を利用して、酸素ガスプラズマ中のＯ（１Ｄ２）ラジカルの密度を光学的に計測することができる。この方法では、色素レーザーと希ガスセルを用いることによって、測定対象の酸素原子の共鳴ライン近傍の真空紫外レーザー光を波長可変で発振し、吸収体としてのプラズマ中を通過させたときの前記レーザー光の吸収プロファイルと、前記レーザー光の発光プロファイルとを分光器によって測定し、その比からＯ（１Ｄ２）ラジカル密度を決定する。この方法は、光を用いた非接触の測定法であるため、測定対象であるプラズマに影響を与えることなく、リアルタイムでインライン測定できる。
【００５３】
なお、計測部６０では、Ｏ（１Ｄ２）以外のラジカル例えばＯ（３Ｐｊ）ラジカルの計測を行うこともできるが、Ｏ（３Ｐｊ）ラジカルは酸化作用が弱く、ほとんど酸化反応に寄与しない。プラズマ処理装置１００を用いるプラズマ酸化処理では、酸化反応は主にＯ（１Ｄ２）ラジカルによって進行するため、本実施の形態ではＯ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数のみを選択して計測することとした。これにより、概ね正確にプラズマ酸化処理の終点を把握できる。
【００５４】
波長可変真空紫外レーザー光を利用した真空紫外吸収分光法により、計測部６０でプラズマ中の活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルの密度を測定するには、例えば、ＸｅとＡｒの混合希ガスを非線形媒質として光源部６１のレーザー光源より波長１１５．２ｎｍ付近のＯ（１Ｄ２）ラジカル検出用レーザー光を発振し、プラズマへ向けて照射する。そして、第３高調波の発生過程における波長を検知部６３のＶＵＶモノクロメーターで検出する。光源部６１では、計測対象ラジカルであるＯ（１Ｄ２）ラジカルの吸収波長範囲にわたりレーザー光の波長をスキャンし、これを検知部６３で計測することで各波長での吸収率を把握することができる。この吸収率の波長依存性とレーザー光の発光プロファイルを元に演算部６５で解析を行うことによって、計測対象ラジカルの絶対密度が算出される。
【００５５】
以上のようなラジカル密度の計測方法は、例えば「第５３回  応用物理学関係連合講演会予稿集」Ｎｏ．１，２２ｐ−ＺＬ−１，ｐ１７７；２００６（日本国）に記載されている公知の方法である。
【００５６】
上記のとおり、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００において、演算部６５は、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数を積算処理する積算手段としての粒子数カウンタ（図示せず）を備えている。従って、計測されたＯ（１Ｄ２）ラジカル密度をもとに、この粒子数カウンタにより、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数の積算値が把握できる。このように計測されたＯ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数の積算値は、プラズマ処理の間にウエハＷへ到達した粒子数とほぼ近似していると考えられる。従って、プラズマ処理装置１００では、リアルタイムでウエハＷへ到達した数にほぼ等しいＯ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数をモニターすることができる。なお、Ｏ（１Ｄ２）ラジカル粒子数は、任意の単位面積（例えば１ｃｍ２）あたりの粒子数として計測されるので、粒子数カウンタでは、単位面積あたりの粒子数を積算してもよいし、ウエハ全面積に換算した値を積算してもよい。
【００５７】
プラズマ処理装置１００の各構成部は、制御部５０に接続されて制御される構成となっている。制御部５０は、図３に示すように、ＣＰＵを備えたプロセスコントローラ５１と、このプロセスコントローラ５１に接続されたユーザーインターフェース５２および記憶部５３を備えている。プロセスコントローラ５１は、プラズマ処理装置１００において、例えば温度、ガス流量、圧力、マイクロ波出力などのプロセス条件に関係する各構成部（例えば、ヒータ電源５ａ、ガス供給機構１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９など）を統括して制御する。また、制御部５０のプロセスコントローラ５１は、計測部６０の光源部６１、検知部６３および演算部６５とも接続されており、計測部６０で計測されたプラズマのデータを解析したり、該データに基づき、プラズマ処理装置１００における各構成部に制御信号を送出したりする。例えば、プロセスコントローラ５１は、演算部６５で積算されたＯ（１Ｄ２）ラジカルの積算値を、予めレシピに規定された設定値と比較することにより、プラズマ酸化処理の終点を検出し、各エンドデバイスへ向けてプラズマ酸化処理を終了させる内容の命令（制御信号）を送ることができる。
【００５８】
ユーザーインターフェース５２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等を有している。また、記憶部５３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ５１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウエア）や処理条件データ等が記録されたレシピが保存されている。
【００５９】
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５２からの指示等にて任意のレシピを記憶部５３から呼び出してプロセスコントローラ５１に実行させることで、プロセスコントローラ５１の制御下、プラズマ処理装置１００のチャンバー１内で所望の処理が行われる。また、前記制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、フレキシブルディスク、フラッシュメモリ、ＤＶＤ、ブルーレイディスクなどに格納された状態のものを利用したり、あるいは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
【００６０】
このように構成されたプラズマ処理装置１００では、８００℃以下の低温で下地膜等へのダメージフリーなプラズマ処理を行うことができる。また、プラズマ処理装置１００は、プラズマの均一性に優れていることから、プロセスの均一性を実現できる。
【００６１】
次に、図４を参照しながら、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００を用いたプラズマ酸化処理の手順の一例について説明する。まず、例えばユーザーインターフェース５２から、プラズマ処理装置１００でプラズマ酸化処理を行うようにとの指令が、工程管理者によって入力される。この指令を受けて、プロセスコントローラ５１は、記憶部５３に保存されたレシピを読み出す。そして、レシピに基づく条件でプラズマ酸化処理を実行させる指令として、プロセスコントローラ５１からプラズマ酸化処理装置１００の各エンドデバイス例えばガス供給機構１８、排気装置２４、マイクロ波発生装置３９、ヒータ電源５ａなどへ制御信号が送出されるとともに、計測部６０に対してもラジカル密度の計測を行うように制御信号が送出される。
【００６２】
そして、ステップＳ１では、図示しないゲートバルブを開にして搬入出口からウエハＷをチャンバー１内に搬入し、載置台２上に載置する。次に、ステップＳ２では、排気装置２４を作動させてチャンバー１内を減圧排気しながら、ガス供給機構１８の不活性ガス供給源１９ａおよび酸素含有ガス供給源１９ｂから、不活性ガスおよび酸素含有ガスを所定の流量でそれぞれガス導入部１５を介してチャンバー１内に導入する。さらに、ステップＳ３では、排気量およびガス供給量を調整してチャンバー１内を所定の圧力に調節する。
【００６３】
次に、ステップＳ４では、マイクロ波発生装置３９のマイクロ波パワーをオン（入）にして、マイクロ波を発生させる。そして、発生した所定周波数例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は、マッチング回路３８を介して導波管３７に導かれる。導波管３７に導かれたマイクロ波は、矩形導波管３７ｂおよび同軸導波管３７ａを順次通過し、内導体４１を介して平面アンテナ３１に供給される。つまり、マイクロ波は、矩形導波管３７ｂ内ではＴＥモードで伝搬し、このＴＥモードのマイクロ波はモード変換器４０でＴＥＭモードに変換されて、同軸導波管３７ａ内を平面アンテナ３１に向けて伝搬されていく。そして、マイクロ波は、平面アンテナ３１に貫通形成されたスロット３２から透過板２８を介してチャンバー１内におけるウエハＷの上方空間に放射される。この際のマイクロ波のパワー密度は、透過板２８の単位面積あたり例えば０．３〜３Ｗ／ｃｍ２の範囲内から目的に応じて選択することができる。
【００６４】
平面アンテナ３１から透過板２８を経てチャンバー１に放射されたマイクロ波により、チャンバー１内で電磁界が形成され、不活性ガスおよび酸素含有ガスがそれぞれプラズマ化する。このマイクロ波励起プラズマは、マイクロ波が平面アンテナ３１の多数のスロット３２から放射されることにより、略１×１０１０〜５×１０１２／ｃｍ３の高密度で、かつウエハＷ近傍では、略１．５ｅＶ以下の低電子温度のプラズマとなる。このようにして形成されるマイクロ波励起高密度プラズマは、下地膜へのイオン等によるプラズマダメージが少ないものである。そして、プラズマ中の活性種例えばラジカルやイオンの作用によりウエハＷのシリコン表面が酸化されてシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）の薄膜が形成される。
【００６５】
本実施の形態においては、プラズマ酸化処理の間、計測部６０によりプラズマ中の酸化に関与する活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルがウエハＷへ向けて移動する粒子数の積算値をリアルタイムで計測する。このため、ステップＳ４では、プラズマ酸化処理の開始とともに、計測部６０でＯ（１Ｄ２）ラジカルの計測を開始する。
【００６６】
ここで、ラジカル計測によるプラズマ酸化処理の終点の検出は、例えば図５に示すステップＳ１１〜ステップＳ１４の手順により行われる。プロセスコントローラ５１から、ラジカル密度の計測を行う内容の命令（制御信号）を受けると、計測部６０では、Ｏ（１Ｄ２）ラジカル粒子数の計測を開始する（ステップＳ１１）。すなわち、光源部６１からチャンバー１内のプラズマへ向けてレーザー光を照射するとともに、プラズマ中を通過した光を検知部６３で受光して上記方法によりラジカル粒子数を計測する。そして、計測されたＯ（１Ｄ２）ラジカル粒子数を演算部６５の粒子数カウンタ（図示せず）で積算していく（ステップＳ１２）。
【００６７】
プロセスコントローラ５１は、演算部６５の粒子数カウンタから最新の積算値を読み出し、レシピにおいて予め規定された設定値と照合することにより、積算値が該設定値に達したか否かを判断する（ステップＳ１３）。ここで用いる「設定値」は、事前に測定されたＯ（１Ｄ２）ラジカル粒子数の積算値と、実測された酸化膜厚との関係から、検量線等を作成することによって定めることができる。そして、ステップＳ１３で積算値が設定値に達した（Ｙｅｓ）と判断された場合には、プロセスコントローラ５１から各エンドデバイスへプラズマ酸化処理を終了させる内容の命令（制御信号）が送出される（ステップＳ１４）。
【００６８】
一方、ステップＳ１３で積算値が設定値に達していない（Ｎｏ）と判断された場合には、プロセスコントローラ５１によって新しい積算値が読み出され、設定値と照合し、ステップＳ１３の判断が繰り返される。このステップＳ１３は、プラズマ酸化処理が継続している間、繰り返し実行される。
【００６９】
再び図４を参照するに、上記積算値が設定値に達した場合、あるいは他の事由により、プロセスコントローラ５１からプラズマ処理を終了させる内容の命令（制御信号）が送出されると、ステップＳ５でマイクロ波発生装置３９のマイクロ波パワーがオフ（切）にされ、プラズマ酸化処理が終了する。同時に、計測部６０におけるラジカル粒子数の計測も終了する。次に、ステップＳ６でチャンバー内を昇圧し、さらにステップＳ７でガス供給機構１８からの処理ガスの供給を停止する。そして、ステップＳ８でウエハＷをチャンバー１内から搬出し、１枚のウエハＷに対するプラズマ処理が終了する。
【００７０】
＜作用＞
次に、本実施の形態に係るプラズマ処理装置１００におけるプラズマ酸化処理の終点検出の原理について説明する。上述のとおり、従来のプラズマ酸化処理では、処理の終了は時間により管理していた。しかし、プラズマ酸化処理の条件やプラズマの状態が変化すると、酸化レートも異なってしまうことから、同じ時間でも酸化膜厚が異なる場合があり、時間管理では厳密な膜厚制御は困難とされていた。
【００７１】
これに対して、本実施の形態では、時間管理に代えてプラズマ中の活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルの計測結果を利用する。図６に、プラズマ処理装置１００を用いてシリコンからなるウエハＷの表面を下記の条件１〜３でプラズマ酸化処理した場合の酸化膜厚と、計測部６０で計測された、シリコン基板へ向けて移動するプラズマ中のＯ（１Ｄ２）ラジカルおよびＯ（３Ｐ２）ラジカルのフラックスとの関係を示した。ここで、ラジカルのフラックスは、１ｃｍ２の面積を１秒間に通過するラジカルの粒子数を意味する。
【００７２】
［共通条件］
処理ガス：ＡｒおよびＯ２
処理温度：４００℃
マイクロ波のパワー密度（透過板２８の単位面積あたり）：１．４６Ｗ／ｃｍ２
マイクロ波パワー：１５００Ｗ
透過板２８の直径：３６２ｍｍ
処理時間；３０秒
【００７３】
［条件１］（図６中の四角のプロット）
Ａｒ流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２／Ａｒ比率：１％Ｏ２
圧力：１３３Ｐａ
【００７４】
［条件２］（図６中のひし形のプロット）
Ａｒ流量：４７５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２流量：２５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２／Ａｒ比率：５％Ｏ２
圧力：１３３Ｐａ
【００７５】
［条件３］（図６中の三角のプロット）
Ａｒ流量：５００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２流量：５ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｏ２／Ａｒ比率：１％Ｏ２
圧力：６６７Ｐａ
【００７６】
この図６から、プラズマ中の酸化活性種であるＯ（１Ｄ２）ラジカルのフラックスが多くなると、酸化膜厚も増加しており、両者には正の比例関係があることが理解される。このことは、被処理体であるウエハＷへ向けて移動するＯ（１Ｄ２）ラジカルのフラックスの累計（つまり、積算粒子数）を計測できれば、一義的にウエハＷ表面に形成される酸化膜厚を把握できることを示唆している。一方、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルとともにプラズマ中に存在するＯ（３Ｐ２）ラジカルの場合は、フラックスと酸化膜厚に比例関係は見られなかった。従って、プラズマ中のラジカル計測を行う場合は、酸化反応に寄与する活性種を選択して測定することが重要であることも判明した。
【００７７】
本発明は、以上のような知見に基づき完成されたものである。すなわち、プラズマ中のＯ（１Ｄ２）ラジカルの粒子数を測定して積算値をリアルタイムでモニターすることによって、別途作成しておいたデータ（例えば検量線）を元に、形成されつつあるシリコン酸化膜の膜厚を把握することが可能になる。そして、Ｏ（１Ｄ２）ラジカルの積算粒子数が所定の値に達した時点を以って、目標とする膜厚のシリコン酸化膜が形成されたこと（つまり、プラズマ酸化処理の終点）を検出することができる。
【００７８】
本実施の形態の終点検出方法では、従来の時間管理手法とは異なり、酸化に主体的に関与するプラズマ中の活性種のみをターゲットとしてその粒子数をモニターするため、例えば何らかの原因でプラズマの状態が変化しても正確な終点検出が可能であるという利点がある。また、例えばプラズマ酸化処理の条件を変え、酸化レートが変化したような場合でも、それらに影響を受けずに正確な終点検出が可能である。従って、本実施の形態の終点検出方法によれば、プラズマ酸化処理の終点検出が容易になり、かつ高い精度で酸化膜厚を制御することが可能である。また、本実施の形態の終点検出方法を利用したプラズマ酸化処理方法によれば、ウエハＷ表面に精度よく所望の膜厚でシリコン酸化膜を形成できるだけでなく、ウエハ間、ロット間での酸化膜厚の均一性をも確保できるという効果を奏する。
【００７９】
以上、本発明の実施形態を述べたが、本発明は上記実施形態に制約されることはなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、活性種としてＯ（１Ｄ２）ラジカルを計測するプラズマ酸化処理を例に挙げて説明したが、本発明の終点検出方法は、活性種を計測可能なプラズマ処理全般に適用可能である。すなわち、本発明の終点検出方法は、計測対象として適切な活性種を選択することによって、プラズマ酸化処理以外に、例えばプラズマ窒化処理や、エッチングガスとしてＣＦ系ガス（ＣＦ４、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８など）、ＳＦ６、Ｆ２Ｃｌ２、ＨＢｒ等を用いたプラズマエッチング処理、クリーニングガスとしてＣｌＦ３、ＮＦ３などを用いたプラズマクリーニング処理などにも適用できる。また、計測対象とする活性種は１種に限らず、複数の活性種を同時に計測してもよい。
【００８０】
例えば、本発明の終点検出方法をプラズマ窒化処理の終点検出に適用する場合には、例えば活性種として窒素ラジカルを計測すればよい。また、本発明の終点検出方法をプラズマ窒化酸化処理の終点検出に適用する場合には、例えば活性種として窒素ラジカル、アンモニアラジカル、一酸化窒素ラジカルなどを計測すればよい。さらに、プラズマ酸化処理に適用する場合でも、Ｏ(１Ｄ２)ラジカル以外の活性種として、例えばヒドロキシラジカル（ＯＨラジカル）などを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。
【図２】図１のプラズマ処理装置における平面アンテナの構造を示す図面である。
【図３】図１のプラズマ処理装置の制御系統の概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るプラズマ酸化処理方法の手順の一例を示すフロー図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る終点検出方法の手順の一例を示すフロー図である。
【図６】プラズマ酸化処理におけるシリコン酸化膜の膜厚と、プラズマ中のＯ(１Ｄ２)ラジカルおよびＯ（３Ｐ２）ラジカルのフラックスとの関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００８２】
１…チャンバー（処理室）、２…載置台、３…支持部材、５…ヒータ、１２…排気管、１５…ガス導入部、１８…ガス供給機構、１９ａ…不活性ガス供給源、１９ｂ…酸素含有ガス供給源、２４…排気装置、２７…マイクロ波導入機構、２８…透過板、２９…シール部材、３１…平面アンテナ、３２…スロット、３７…導波管、３７ａ…同軸導波管、３７ｂ…矩形導波管、３９…マイクロ波発生装置、５０…制御部、５１…プロセスコントローラ、５２…ユーザーインターフェース、５３…記憶部、６０…計測部、６１…光源部、６３…検知部、６５…演算部、６７…透過窓、６９…透過窓、１００…プラズマ処理装置、Ｗ…半導体ウエハ（基板）
【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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