(57)【要約】【課題】留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とを明確に数値化して目標の安定性を得ることができるプラズマ処理方法を提供する。【解決手段】残留物測定用ウェハを用いて残留物の発生量を測定する工程（Ｓ１１〜Ｓ１３）及び残留物測定用以外のウェハを用いてプラズマ処理する工程（Ｓ２）並びにプラズマ処理後の処理容器内をクリーニングする工程（Ｓ３）を繰り返して残留物の推移を取得し、１サイクル当たりの残留物除去効率ＣＸと残留物の量ＸＥを算出する工程（Ｓ６）と、クリーニングＳ３のプラズマ生成条件とＣＸとの相関関係式を作成する工程（Ｓ７）と、プラズマ処理Ｓ２のプラズマ生成条件および被処理物のスペックとＸＥとの相関式を作成する工程（Ｓ８）と、あるＸＥを持つプラズマ処理（Ｓ２）に対する最適なＣＸを持つクリーニングの条件を決定する（Ｓ９）工程と、を有するプラズマ処理方法。【選択図】図４
2009212334.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目的の被処理物の処理と、当該処理中に発生した残留物をプラズマを発生させて除去する工程を実施す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、
前記残留物除去処理後の残留物の発生量を測定する工程と、
前記測定結果と残留物除去処理におけるプラズマ処理条件とを関連付けて残留物除去効率を演算する工程と、
前記残留物除去効率が所望の範囲になるように残留物除去時のプラズマ処理条件を演算する工程と
を有することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記データベースを用いて、残留物の推移を計算することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法であって、
処理結果と残留物の量との関係を相関づけることにより、処理結果の推移を計算することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記データベースに格納されたデータを利用して、残留物の発生量または除去の効率とプラズマ処理条件との関係を定式化することにより、最適値を計算することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項５】
請求項１に記載のプラズマ処理方法であって、
前記データベースに格納されたデータを利用して、残留物の発生量または除去の効率とプラズマ処理条件との関係を定式化することにより最適処理条件を計算し、計算された最適処理条件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６】
プラズマ処理室内を初期クリーニングする工程と、
残留物測定用ウェハを用いて残留物の発生量を測定する工程および残留物測定用以外のウェハを用いてプラズマ処理する工程ならびにプラズマ処理後の処理容器内をインサイチュクリーニングする工程を繰り返して残留物の推移を取得する工程と、
１サイクル当たりの残留物除去効率ＣＸと残留物の量ＸＥを算出する工程と、
インサイチュクリーニングのプラズマ生成条件とＣＸとの相関関係式を作成する工程と、
プラズマ処理のプラズマ生成条件および被処理物のスペックとＸＥとの相関式を作成する工程と、
あるＸＥを持つプラズマ処理に対する最適なＣＸを持つ初期クリーニングまたはインサイチュクリーニングの条件を決定する工程と
を有す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、プラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法にかかわり、特に半導体のプラズマエッチング装置を用いたプラズマ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、例えば処理ガスをプラズマにより分解して化学反応性を高め、それによって被処理物の表面を加工したり改質したりするのに使用される。このプラズマ処理の際に、プラズマと被処理物との反応やプラズマ中の処理ガス同士の反応で生成された副生成物、あるいは処理ガスそのものがプラズマ処理室に残留することがよく知られている。このような残留物は、次のプラズマ処理のときにプラズマと再度反応し、その結果、プラズマ中の化学種の組成が乱され、プラズマ処理結果の変化として反映される。したがって残留物の量は、プラズマ処理の結果と直結しているといえる。
【０００３】
一方、半導体デバイスの製造においては、近年の半導体デバイスの微細化と高機能化に伴い、数ナノメートル程度の加工精度が要求されるようになってきた。このような加工精度を実現するために、残留物の量を一定に保ち、安定したプラズマ処理を実現する技術が必要になってきた。
【０００４】
この問題に対処するため、プラズマ処理室内部に被処理物を設置しない状況でプラズマを生成し、プラズマ処理室内部の残留物を除去することが従来から行われてきた（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２１４６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、数ナノメートルの加工精度が要求されるようになった現在では、単に残留物を除去するだけで無く、どれだけ・どのように除去すればプラズマ処理が一定に保たれるのか、定量的に決定する方法が必要になってきている。
【０００６】
しかしながら従来技術では、残留物を効率よく除去できる除去方法を決定するためには、熟練技術者の試行錯誤が必要であった。また、定量的に除去効率を定義する方法がないために、試行錯誤の過程でどれだけ除去効率が改善されたか数値化することができず、したがってどれだけ除去効率を改善すれば安定したプラズマエッチングを行うことができるか、判断する方法もなかった。
【０００７】
目的の被処理物の処理と、当該処理中に発生した残留物をプラズマを発生させて除去する工程を実施するプラズマ処理方法において、残留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とが明確に数値化され、目標の安定性を得るためにどのように残留物クリーニングを改善すればよいかを明らかにできる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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、プラズマ処理を行う直前の残留物量とプラズマ処理結果との相関式を作成する演算部と、該処理結果および相関式を格納する格納手段と、プラズマを用いた残留物クリーニングの条件と残留物の量の推移とを関係付けてデータベースに格納し、演算する演算部とを備えたプラズマ処理装置を用いて目的の被処理物の処理と、当該処理中に発生した残留物をプラズマを発生させて除去する工程を実施するプラズマ処理方法において、前記残留物除去処理後の残留物の発生量を測定する工程と、前記測定結果と残留物除去処理におけるプラズマ処理条件とを関連付けて残留物除去効率を演算する工程と、前記残留物除去効率が所望の範囲になるように残留物除去時のプラズマ処理条件を演算する工程とを備えた。
【０００９】
さらに詳細には、本発明のプラズマ処理方法は、残留物測定用ウェハを用いて残留物の発生量を測定する工程および残留物測定用以外のウェハを用いてプラズマ処理する工程ならびにプラズマ処理後の処理容器内をインサイチュクリーニングする工程を繰り返して残留物の推移を取得し、１サイクル当たりの残留物除去効率ＣＸと残留物の量ＸＥを算出する工程と、インサイチュクリーニングのプラズマ生成条件とＣＸとの相関関係式を作成する工程と、プラズマ処理のプラズマ生成条件および被処理物のスペックとＸＥとの相関式を作成する工程と、あるＸＥを持つプラズマ処理に対する最適なＣＸを持つインサイチュクリーニングの条件を決定する工程とを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に本発明の実施例を、添付図面を用いて説明する。なお、以下の各実施例において、第一の実施例と同様の機能を有するものは第一の実施例と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００１１】
まず、本発明になるプラズマ処理方法を適用する対象であるプラズマ処理装置の構成を、図１を用いて説明する。プラズマ処理装置１は、プラズマ処理室１１と、該プラズマ処理室１１に処理ガス等を供給するガス供給手段１２と、処理ガスを排気しプラズマ処理室１１内の圧力を制御するバルブ１３１と、ガス排気手段１３２と、圧力計１４と、被処理物２を支持するステージ１５と、プラズマ処理室１１の上部開口を閉じる天板１６とを備えている。また、プラズマ処理装置１は、プラズマ処理室１１内にプラズマＰを生成するためのプラズマ生成手段（アンテナ）１７を備えている。このプラズマ生成手段１７には、インピーダンスを調整するための整合機（チューナ）１７２を介してプラズマ生成用高周波電源１７１が接続される。前記ステージ１５には、インピーダンスを調整するための整合機（チューナ）１５２を介して該ステージにバイアス電圧を印加するためのバイアス電源１５１が接続される。さらに、プラズマ処理室１１には、プラズマ処理室１１内の温度を制御する温度制御機構１８１と、プラズマ処理室１１内の温度を計測する温度計測手段１８２が設けられている。その他、プラズマ処理装置の種類によってはコイル１９が１つ以上備えられており、このコイル１９によってプラズマＰの生成を補助したり、あるいはプラズマＰの分布を磁場で制御したりする。プラズマ処理装置の種類によっては、コイル１９の役割をプラズマ生成手段１７が兼ね備えている場合がある。その他、プラズマ処理室１１の天板１６が、処理室１１と同じ金属材質ではなく石英などの誘電体で構成されている場合もある。
【００１２】
本発明にかかるプラズマ処理装置１は、さらに、計算機３１と、表示部３２と、データ入力手段３３などからなる制御系３を備えている。計算機３１は、演算部３１１と、データベース３１２と、モデル格納部３１３を備えている。
【００１３】
上記のプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理の一例として、プラズマエッチング処理を述べる。プラズマエッチング処理では、プラズマにより化学的に活性化されたガスを用いて、被処理物、例えば半導体ウェハなどを加工する。一例として、近年採用されつつあるＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造の半導体ウェハの構造を図２を用いて説明する。図２（ａ）に、プラズマエッチングを施す前のＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造を有するウェハの一例を断面図として示し、図２（ｂ）にプラズマエッチング処理後のＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート部の形状を示す。図２（ａ）に示すように、半導体ウェハは、シリコン基盤２１の表面にＨｆＳｉＯＮなどのＨｉｇｈ−ｋ膜２２を成膜し、さらにＰ型電極が形成される領域にＰメタル２３とＮ型電極が形成される領域にＮメタル２４を成膜する。ＰメタルとＮメタルによく使われる材料としては、例えば窒化チタンと珪窒化タンタルなどがある。さらにこの上にゲート電極材料２５を成膜する。ゲート電極材料２５としてはＳｉやＷなどが使用される。さらにその上に、窒化シリコンなどで作成されたマスク材２６と、反射防止膜２７と、光感光性マスク材２８が敷かれている。このようなＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造をプラズマエッチングし終わると、図２（ｂ）になる。つまりこの時点で不要な窒化チタンや珪窒化タンタル、シリコンやタングステンなどがプラズマで除去されており、この除去された物質の一部は、プラズマ処理室１１の内壁に残留する。この残留物が徐々に増えてくると、プラズマエッチングの結果も、徐々に変わってくる。
【００１４】
この問題に対処するために、従来から、プラズマを用いて残留物を除去する方法が用いられてきた。プラズマクリーニングの典型的な使用方法を、図３を用いて説明する。
【００１５】
最初に、ステージ１５上に目的の被処理物２を載置しない状態で処理室１１内のロット前クリーニングを実施する（Ｓ１）。このロット前クリーニング処理は、例えばプラズマを用いて処理室１１の内部の残留物を除去する手順である。続いて、目的の被処理物２をステージ１５に載置し、プラズマ処理を実施する（Ｓ２）。処理が終わったら被処理物２を処理室１１から取り出し、その後処理室１１内のクリーニング（インサイチュクリーニング）を実施する（Ｓ３）。このインサイチュクリーニングの目的は、ロット前クリーニングＳ１と同じで残留物の除去であるが、ロット前クリーニングＳ１とは実施条件が異なったり、比較的短時間だったりする場合が多い。このインサイチュクリーニングＳ３の終了後、ロットの処理が終了したかを判断する（Ｓ４）。分岐Ｓ４へ移行した際に、１セット（１ロット）の被処理物２の処理が全て完了していなければ、プラズマ処理Ｓ２から分岐Ｓ４までの処理を循環的に実施する。分岐Ｓ４においてロットの処理が完了していれば、処理終了手順へ移行する（Ｓ５）。処理終了手順Ｓ５では何も行わない場合もあるし、必要に応じてクリーニングＳ１かクリーニングＳ３と類似の処理を行う場合や、あるいは希ガスなどのプラズマを生成し続けて次のロットの処理に備える場合などもある。
【００１６】
［第一の実施例（１サイクル当たりのクリーニング効率の定義）］このように、残留物の増大を抑制することを目的に、被処理物２の処理とクリーニングとが交互に実施される。つまり、プラズマ処理室１１内の残留物は、被処理物２のプラズマ処理Ｓ２中に増大しクリーニングＳ３中に減少するという挙動を、被処理物のプラズマ処理およびクリーニング毎に繰り返す。本発明の発明者らは、残留物の推移は、おおまかには飽和曲線または減衰曲線を描くと想像し、このことを確かめるために被処理物２の量産の前に行なうテストランを図４に示す手順で実行した。図４におけるテストランの基本的な手順は図３の処理の流れと全く同じであるが、ロット前クリーニングＳ１を実施した後、表面が洗浄された残留物測定用のウェハをプラズマ処理室１１内のステージ１５に載置し（Ｓ１１）、残留物測定用のプラズマを生成してプラズマ処理室１１内に付着した残留物をウェハ上に付着させる（Ｓ１２）。その後、ステージ１５上の残留物測定用ウェハをプラズマ処理室１１外に搬出して残留物測定用ウェハ上に付着した残留物の量を測定する（Ｓ１３）。その後、図３と同様に、プラズマ処理の対象となる被処理物のプラズマ処理（Ｓ２）とインサイチュクリーニング処理（Ｓ３）を行ない、ロットの処理が終了したかを判断し（Ｓ４）、ロットの処理が終了したときには、処理を終了する（Ｓ５）。ステップＳ４でロットの処理が終了していなければ、再びステップＳ１１に戻り残留物測定用ウェハを再度プラズマ処理室１１内に搬入して残留物を付着させるプラズマ処理（Ｓ１２）、付着した残留物測定（Ｓ１３）、被処理物のプラズマ処理（Ｓ２）およびインサイチュクリーニング（Ｓ３）の工程を繰り返す。
【００１７】
残留物測定用のウェハとしてよく用いられるのは、例えば、表面が清浄なＳｉウェハであり、ステップＳ１２の残留物測定用のプラズマとしてよく使われるのは、例えば、Ａｒプラズマである。すなわち、プラズマ処理室１１内の残留物がステップＳ１２のＡｒプラズマ中のＡｒイオンによりスパッタされ、表面が清浄なＳｉウェハ上に飛散する。この飛散量は、処理室内の付着物に概略比例すると考えられる。飛散する元素としては、例えば被処理物のプラズマ処理（Ｓ２）の際に発生したチタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）などを含有した反応生成物で、インサイチュクリーニング（Ｓ３）の後も残留したものなどがある。ステップＳ１２のＡｒ放電が終了すると、このＳｉウェハをプラズマ処理室１１から搬出してその表面に飛散した元素の面密度を測定する装置にセットして元素数を測定する（Ｓ１３）。元素の面密度の測定方法としては、例えばＸ線を照射して、元素特有の特性Ｘ線が返ってくるその数を測定する方法などがある。ただし、上記の手法は一例であり、このような残留物測定用ウェハを使用せずともプラズマ処理室１１内の残留物を測定する方法（例えば、プラズマの発光分光）があれば、そのような手法を用いて残留物を測定しても良い。さらに、プラズマ処理室１１を大気開放し、中の付着物を採取して測定しても良い。
【００１８】
ステップＳ５でテストランが終了すると、計算機３１で複数サイクルの残留物測定処理で取得した残留物の推移から、クリーニング処理の単位サイクルあたりのＸ含有残留物の除去効率（クリーニング効率）Ｃｘ、プラズマ処理１回あたりに処理室内壁に堆積するＸ元素含有残存物の量ＸＥを算出し（Ｓ６）、クリーニングＳ３のプラズマ生成条件とＣｘとの相関式を作成し、モデル格納部３１３に格納する（Ｓ７）。次いで、プラズマ処理Ｓ２のプラズマ処理条件及び被処理物のスペックとＸＥの相関式を作成し、モデル格納部３１３に格納する（Ｓ８）。次いで、あるＸＥを持つプラズマ処理Ｓ２に対する最適なＣＸを持つクリーニングＳ３の条件を決定する（Ｓ９）。この条件を用いて、被処理物の量産工程におけるプラズマ処理およびクリーニング処理を実施する。
【００１９】
以上の手順で残留物を測定した結果、ウェハ上で検出された元素は、図５のように推移することが分かった。図５の縦軸は、Ｓｉウェハ表面で計測された面積１ｃｍ２あたりのチタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）の原子数、横軸は、図４に示した手順で、被処理物（ウェハ）のプラズマ処理Ｓ２を行った回数である。ウェハ処理回数０は、図４のロット前クリーニングＳ１後の残留物測定結果である。図５の例では、Ｔａ、Ｔｉの残留量の検出値はいずれも４回から５回で飽和している。本発明の発明者らの研究によれば、図５に示された残留物の量の推移は、下記式(１)に示した微分方程式で記述することができる。
【数１】
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【００２０】
ここで、Ｘｏｂｓは元素Ｘがウェハに堆積した量であり、ＸＥはプラズマ処理１回あたりに処理室内壁に堆積する元素Ｘの量であり、ＣＸはクリーニング処理の単位サイクルあたりの残留物の除去効率（クリーニング効率）であり、ｎは、図４に示した手順で、プラズマ処理Ｓ２を行う回数がｎ回目のサイクルにあることを示している。左辺は検出される元素Ｘの量Ｘｏｂｓの、被処理物のプラズマ処理の１回あたりで増加する量を示している。この量は右辺に示されるように、１回あたりに発生するＸ含有残留物量ＸＥと、１回あたりに除去されるＸ含有残留物量ＣＸ・Ｘｏｂｓ(ｎ)の差で記述される。１回あたりの除去量がＣＸ・Ｘｏｂｓ(ｎ)で示される理由は、プラズマ中のイオンやラジカルがＸ含有残留物と反応するか否かという確率過程であるためで、すでに付着しているＸｏｂｓ(ｎ)が多いほど除去反応が進みやすいためである。そしてその確率過程の起こりやすさが、ＣＸという値に反映されている。このＣＸがゼロより大きな正の値を持っているため、残留物の値は飽和曲線を描く。残留物の推移がこのような飽和曲線を描くことは従来想像されておらず、残留物の値は直線的に増加するものと思われていた。このような飽和曲線的な推移は、本発明者らの実験および考察により明らかになったものである。なお、残留物の量が直線的に増加するというような従来考えられていた挙動は、ＣＸがゼロのときに起こりうるが、インサイチュクリーニングＳ３やロット前クリーニングＳ１のような何らかの残留物の除去作業を行なう限り、ＣＸはゼロより大きな正の値になる。
【００２１】
式(１)の解は、下記式(２)で与えられる。
【数２】
2009212334.tif 000004
【００２２】
つまり被処理物のプラズマ処理１回あたりに発生するＸ含有残留物量ＸＥとインサイチュクリーニング一回あたりのＸ含有残留物のクリーニング効率（残留物除去効率）ＣＸが分かっていれば、残留物の量がどのように推移していくかを定量的に概算することができる。さらに式(２)は、同じ処理を繰り返したときに、付着量がＸＥ／ＣＸに達して一定になることを意味している。すなわち、（２）式において、Ｘｏｂｓ（∞）＝ＸＥ／ＣＸになるということである。ＸＥは単位サイクルあたりに発生するＸ残留物の量であることから、これとクリーニングＣＸが競合することにより、残留量ＸＥ／ＣＸでバランスする。クリーニング効率がゼロ、すなわちＣＸ＝０なら、残留物はどんどん際限なく増えてゆき、逆にＣＸ＝∞なら、残留物は全く発生しないことになる。すなわち、製品ａの処理を繰り返しているときと、製品ｂの処理を繰り返しているときとで残留物の発生量ＸＥが異なっている場合は、それに合わせてＣＸの値を変えることで、残留物の量を一定に保つことができる。本発明の発明者らの研究によれば、ＣＸの値は、クリーニングＳ１やクリーニングＳ３におけるプラズマ生成電力や圧力、使用ガスなどのプラズマ生成条件で制御できるが、最も単純にはクリーニング時間で制御できる。
【００２３】
以上に述べたように、プラズマ処理室内部の残留物量の推移は、被処理物のプラズマ処理１回あたりに発生するＸ含有残留物量ＸＥとインサイチュクリーニング一回あたりのＸ含有残留物除去効率ＣＸの値とで決定されるので、ＸＥとＣＸとをそのときのプラズマ生成条件とともにデータベース化しておくと都合が良い。そこで本発明の発明者らは、典型的なプラズマエッチング装置に、制御系３を備えた。制御系３は、計算機３１と、表示部３２と、データ入力手段３３とを備えた。計算機３１には、演算部３１１とデータベース３１２とモデル格納部３１３を備えた。
【００２４】
この制御系３の使用法を、以下に述べる。まず、本発明の発明者らが図５のデータを取得したのと同様の手法、すなわち図４の手法で、被処理物のプラズマ処理１回あたりに発生するＸ含有残留物量ＸＥとインサイチュクリーニング一回あたりのＸ含有残留物除去効率ＣＸを決定する。次にデータ入力手段３３を介して、得られたＸＥとＣＸとそのときのプラズマ生成条件とをデータベース３１２に格納する。データベース３１２にプラズマ生成条件を格納するためには、データ入力手段３１２は、プラズマエッチング装置の使用者が手動で入力する手段、例えばキーボードやマウス、タッチパネルなどでもよいし、あるいはフロッピー（登録商標）ディスクやフラッシュメモリなどの電磁気的な手段でデータを記録する媒体の読取装置でもよい。あるいは無線や有線ＬＡＮなどのネットワークを介してデータを受信するネットワークインターフェースでもよい。このようにして必要なＸＥとＣＸと、そのときのプラズマ生成条件とをデータベース３１２に格納した後は、このＸＥとＣＸの値を用いて、残留物量がどのように推移するかを演算部３１１に計算させ、計算結果を表示部３２に表示させる。計算機３１と演算部３１１はたとえばパーソナルコンピュータとその中央演算ユニットでもよいし、専用のマイコンを用いるなどしてもよい。また、表示部３２は演算部３１１の出力を装置使用者に理解できる形式で表示させることができればなんでもよく、ＣＲＴモニタや液晶モニタ、プリンタなどを使えばよい。
【００２５】
以上の手順により、残留物の推移が視覚的になり、処理が正常に行われるか否か、定量的に判断がつく。表示された計算結果に装置使用者が満足すれば、ＸＥとＣＸを引用したデータと同じ処理条件で被処理物のプラズマ処理を開始する。もしも満足しない結果であれば、装置使用者がＣＸの値を手動で調整し、再び演算部３１１に残留物量の推移を計算させ、表示部３２に計算結果を出力させる。このようにすることで、理想的な運用状況を実現できるＣＸまで、実際のＣＸがどの程度足りないかが推定できる。この情報を元に、装置使用者か計算機３１がクリーニングＳ３の時間を伸ばしたり、プラズマ生成電力を増やしたりして理想的なＣＸが得られるよう、クリーニングＳ３の条件を調整すればよい。
【００２６】
上記のように、理想的なＣＸが実現できるようクリーニングＳ３を調整するには、次の方法を用いればよい。まず、ＣＸの値がプラズマ生成条件｛ｚｋ｝のセットに依存するとし、その線形一次近似で説明できるとすると、下記式（３）となる。
【数３】
2009212334.tif 000005
【００２７】
ここで、ｚ１，ｚ２，ｚ３、…は、プラズマ生成パラメータ、例えばプラズマ生成電力、圧力などである。式(３)のＣＸ０および各(∂ＣＸ／∂ｚｋ)の値は、データベース３１２にすでに格納された条件から重回帰分析などで決定すればよい。これにより、どのようなプラズマ生成条件を用いれば理想的なＣＸが得られるかを計算することができる。ＣＸ０および各(∂ＣＸ／∂ｚｋ)の値が決定されたら、これをモデル格納部３１３に格納する。
【００２８】
式(３)では使用するパラメータのセット｛ｚｋ｝の値を全て用いた線形一次近似モデルを使用したが、もっと単純にはクリーニング時間のみの線形一次近似モデルを用いてもよい。また、式(３)のような線形一次近似モデルに限定せず、むしろプラズマ中の現象は非線形なものが多いので、非線形モデルを仮定しても良い。このとき、非線形モデルの形式は装置使用者に任意に設定させてもよいが、非線形モデルはバリエーションが多く、簡単には決められないので、モデル格納部３１３にいくつかのモデルの形式をテンプレートとしてあらかじめ格納しておいてもよい。例えば本発明の発明者らの研究によれば、プラズマ生成時の処理圧力やガスの種類／混合率、処理室１１内に生成された磁場には非線形性が強いことがわかっており、少なくともこれらのパラメータに関して非線形項を採用したモデルをテンプレートとして格納しておくと良い。
【００２９】
以上は、ＣＸの決定方法について述べたが、ＸＥについても同様のことが言える。すなわち、被処理物２の処理条件ａ、ｂ、ｃ…で処理した際に、それぞれＸＥ＝Ｘａ、Ｘｂ、Ｘｃ…が得られ、それらがデータベース３１２に格納されているとする。ある被処理物を新たに処理条件ｚで処理する必要が生じた際には、ＣＸの決定と同様の方法で、ＸＥと処理条件とを相関づけるモデルを作成し、このモデルに従って新しい処理条件ｚで発生する残留物量Ｘｚを算出する。
【００３０】
このようにすることで、ＸＥとＣＸの値を算出することができるようになり、この値からプラズマ処理室内に残留する残留物の推移がどのようになるかを定量的に推定し、かつ適切な値に保つにはどうしたらよいかを決定することができる。
【００３１】
以上、本発明によれば、被処理物のプラズマ処理の１回あたりでプラズマ処理装置内に発生する残留物の量と、１回のインサイチュクリーニングで除去できる残留物の量とを概算することができるようになり、残留物の量を概略一定に保つことができるよう、インサイチュクリーニングの条件を適切に設定することができるようになる。これにより残留物の量が一定に保たれ、プラズマ処理装置の性能はより安定になる。
【００３２】
しかしながら、量産ラインでは、処理条件や構造の異なるウェハを処理することが多い。例えば製品ａ、ｂ、ｃの三種類があるとして、それぞれの残留物の発生量ＸＥ＝Ｘａ，Ｘｂ，Ｘｃの関係はＸａ＞Ｘｂ＞Ｘｃであるとし、それぞれの製品の処理時に使用するロット前クリーニングＳ１とインサイチュクリーニングＳ３が全て同じであるとすると、製品ａを処理した直後は残留物の量が相対的に多く、そのまま製品ｂの処理に移行すると、残留物の量が通常よりも多いことになる。一方で、製品ｃを処理した直後は残留物の量が相対的に少なく、そのまま製品ｂの処理に移行すると、残留物の量が通常よりも少ないことになる。つまり、残留物の飽和値Ｘｏｂｓが、各製品で一定になるように、製品ごとにロット前クリーニングＳ１やインサイチュクリーニングＳ３のクリーニング効率ＣＸを調整する必要がある。この調整には式(３)を使用すればよい。このような適切なクリーニング条件を算出し、自動でプラズマ処理装置にセットできるように、制御系３には計算機３１とプラズマ処理装置の各部に接続された制御手段（図示しない）を備えると良い。これにより、任意の製品ａの処理後に製品ｂに移行する場合においても、適切なＣＸの値を自動的に決定できるようになる。
【００３３】
以上、本発明の第一の実施例によれば、付着量の推移を計算でき、プラズマエッチング装置内の付着物を一定に保つ方法が定量的にわかり、これまでよりも精度よくプラズマ処理を行えるようになる。すなわち、第一の実施例によれば、残留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とが明確に数値化され、目標の安定性を得るためにどのように残留物クリーニングを改善すればよいかが明らかになる。
【００３４】
［第二の実施例（単位時間当たりのクリーニング効率の定義）］本発明の第一の実施例では、被処理物２のプラズマ処理１サイクルに関する付着物の推移を求めた。しかし厳密には、例えばプラズマエッチングで材料の加工をできるということは、エッチングに使用するプラズマでも残留物の除去が可能であるということであり、残留物の量を正確に記述するにはこのファクターを考慮したほうがよい。
【００３５】
このような場合には、式(１)に示したウェハ１枚ごとの付着量の変化ではなく、下記式(４)のようにプラズマエッチング中またはプラズマクリーニング中の両方についての、単位時間あたりの付着量の推移を算出することが望ましい。
【数４】
2009212334.tif 000006
【００３６】
Ｘｅは単位時間当たりのＸ含有残留物の付着量であり、ｃＸは単位時間当たりのＸ含有残留物除去効率（クリーニング効率）であり、Ｘ（ｔ）は時刻ｔにＸ含有残留物が付着している量である。上記式(４)の微分方程式に従って残留物が推移すると仮定すると、図２の処理フローならば図６のように残留物が推移していくと推定される。この場合、単位時間当たりの残留物の発生量Ｘｅとクリーニング効率ｃＸを決定すれば、第一の実施例と類似の手法で残留物の推移を記述することができる。本実施例と第一の実施例の相違点は、第一の実施例が、１回のクリーニングで複数種類のクリーニング条件を施行した場合はそのトータルの効果のみをＣＸとして返すのに対し、本実施例では、各々のクリーニング条件に対してｃｘを返すので、複数条件のクリーニングの組み合わせに応用しやすいという点である。
【００３７】
このＸｅとｃＸを決定するためには、例えば次の計算を行う。まず時刻０からプラズマ処理を時間ｔeだけ実施すると、残留物は下記式(５)のように推移する。
【数５】
2009212334.tif 000007
【００３８】
ここで、ｔｅはエッチング時間、Ｘｅはプラズマ処理中に単位時間当たりに発生する残留物量、ｃｅ，Ｘはプラズマ処理に使用しているプラズマが残留物Ｘを再除去する効率である。プラズマ処理後にさらにクリーニングを時間ｔｃだけ実施すると、残留物は下記式(６)のように推移する。
【数６】
2009212334.tif 000008
【００３９】
ここで、ｔｃはクリーニング時間、ｃｃ，Ｘはクリーニングに使用しているプラズマが残留物Ｘを再除去する効率である。クリーニング後、さらに残留物を測定するために時間ｔａだけＡｒ放電を使用すると、残留物は下記式(７)のように推移する。
【数７】
2009212334.tif 000009
【００４０】
ここで、ｔａは残留物測定時間、ｃａ，Ｘは残留物測定に使用しているプラズマが残留物Ｘを再除去する効率である。この間、Ａｒ放電によりプラズマ処理室１１の内壁から脱離する元素Ｘの量は、単位時間当たりｃａ,ｘ・ＸＸ(ｔ)である。このうち割合ＰがＳｉウェハ上に付着すると仮定すると、最終的にＳｉウェハ表面から検出される量Ｘｏｂｓは下記式（８）となる。
【数８】
2009212334.tif 000010
【００４１】
式(６)と式(５)を式(８)へ順次代入すると、下記式(９)を得る。
【数９】
2009212334.tif 000011
【００４２】
一方で、Ｘ(０)は１つ前のＡｒ放電の後に残留しているＸの量だから、Ｘ（０）は下記式（１０）で示される。
【数１０】
2009212334.tif 000012
【００４３】
このときのＡｒ放電での検出量は、下記式（１１）で示される。
【数１１】
2009212334.tif 000013
【００４４】
式(１１)からＸ(０)を求め、式(９)に代入すると、下記式(１２)を得る。
【数１２】
2009212334.tif 000014
【００４５】
Ｘｏｂｓをｎ回目のＡｒ放電で検出された量Ｘｏｂｓ(ｎ)とすると、Ｘｏｂｓはｎ−１回目のＡｒ放電で検出された量Ｘｏｂｓ(ｎ−１)である。ここでＸｏｂｓ(ｎ)をｎの関数として求めるために、解を下記式(１３)と仮定する。
【数１３】
2009212334.tif 000015
【００４６】
式(１３)は式(２)と類似の形式である。これを式(１２)に代入すると、下記式(１４)と式(１５)を通じて第二の実施例と第一の実施例が関連していることがわかる。
【数１４】
2009212334.tif 000016
【数１５】
2009212334.tif 000017
【００４７】
後は実験で各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘを求めたり、ｔｅ，ｔｃ，ｔａの値を変えてＣＸやＸｏｂｓ(∞)の変化を調べ、各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘを算出したりしても良い。これをデータベース３１２に格納すればよい。Ｐの値を実験で求めるのは困難であるが、本発明の実施上はＰをゼロで無い任意の正値としてよく、例えばＰ＝１としても問題ない。
【００４８】
以上のようにして各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘを求めることにより、図７に示すような結果を得ることができる。図７で「実験１」と書かれているデータ点は、厚み５０ｎｍの窒化チタンが成膜されたＳｉウェハを、図４の手順におけるプラズマ処理Ｓ２で処理し、発生したチタン含有残留物を測定したものである。横軸の値で５ごとにデータ点が表示されている理由は、次のとおりである。図２にはＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造のウェハの一例を示したが、本発明の発明者らは、窒化チタンの厚みが１０ｎｍのものを用いてゲート寸法を測るなどしている。つまり、厚み５０ｎｍの窒化チタンが成膜されたＳｉウェハで実験するということは、厚み１０ｎｍの窒化チタン層を有するＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造のウェハを５枚連続で処理して、１回だけクリーニングＳ３を行うことに相当すると考えられる。上記の理由で、「実験１」のデータ点は、横軸の値で５ごとにデータ点を表示している。一方、「シミュレーション１」のデータ点は、実験で得られた各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘの値から、「実験１」でのチタン含有残留物の量を推定したものである図７に示したとおり、実験とシミュレーションはよく一致している。
【００４９】
さらに先ほど述べたように、本発明の発明者らは、窒化チタンの厚みが１０ｎｍのものを用いてゲート寸法を測るなどしているので、実験で得られた各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘの値から、厚み１０ｎｍの窒化チタン膜を有するＳｉウェハを１枚処理するごとにクリーニングＳ３を実施した場合をシミュレートしてみた。この結果が、図７の「シミュレーション２」のデータ点である。また、窒化チタンの厚みを２０ｎｍにした場合をシミュレーションした結果が、「シミュレーション３」のデータ点である。このように、各ｃａ，Ｘ、ｃｃ，Ｘ、ｃｅ，Ｘの値を求めておけば、任意の構造のウェハについて、付着物量の推移を求めることが可能になる。
【００５０】
同様に図８には、珪窒化タンタルの厚みが５０ｎｍのウェハを用いて、図７と同様の実験およびシミュレーションを行った結果を示してある。タンタルの化合物はチタンの化合物に比べて揮発しにくいため、ウェハ１枚ごとにクリーニングＳ３を実施しても、チタンに比べると残留物が減りにくい。
【００５１】
このシミュレーション結果の妥当性を調べるため、本発明の発明者らは、図２に示したＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造のウェハについて、珪窒化タンタルの厚みが１０ｎｍのウェハを図４に示した手順で処理し、残留タンタル量を調べた結果が図９である。実験で得られた残留タンタル量の飽和値Ｘｏｂｓ(∞)は、図８における「シミュレーション２」の値と非常によく一致している。
【００５２】
ここで図９をよく見ると、最初の数点はＴａ検出量が少ないことが分かる。この理由は、ロットの最初はクリーニングＳ１を長時間実施するために、チタンおよびタンタル含有残留物が減少することに起因する。従ってロットの最初には、チタンやタンタルが減少しすぎないよう、クリーニングＳ１の代わりにあまりクリーニング効果の高くないものを実施すると、Ｔａ検出量を一定に保つことができるようになる。例えばＡｒやＨｅなどの希ガスや、チタン・タンタルの除去能力が低いＯ２のプラズマで処理室１１を温めるだけにするなどが挙げられる。あるいは、第一の実施例または第二の実施例に従って、式（３）などを用いてクリーニング効率の低いプラズマ生成条件を決定し、これをクリーニングＳ１として採用すればよい。
【００５３】
また、以上の説明では、残留物の推移が式(１)または式(４)に従うとしたが、厳密には、残留物が非常に多いときと少ないときとで、ＸＥまたはＸｅ、およびＣＸまたはｃＸの値わずかに異なってくる場合がある。その場合は、ＣＸまたはｃＸの値を、残留物量の依存性の関数としてデータベース３１２に格納し、これまで説明した各方程式を計算機３１に数値計算により解かせて、残留物の推移を計算させても良い。これにより、残留物の推移をさらに精度よく説明できるようになる。
【００５４】
以上、本発明の第二の実施例によれば、第一の実施例に比してクリーニングやプラズマ処理のレシピを弾力的に扱うことができ、プラズマ処理装置内の残留物量の推移を推定できるだけでなく、ウェハ構造の異なるものを処理した場合についても、残留物の量がどのように推移するかを概算することができるようになる。すなわち、第二の実施例により残留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とが明確に数値化され、目標の安定性を得るためにどのように残留物クリーニングを改善すればよいかが明らかになる。
【００５５】
［第三の実施例（単位時間当たりのクリーニング効率の定義）］本発明の第一および第二の実施例では、実験的に得られたクリーニング効率から、残留物の推移を推定する方法を述べた。しかしながらプラズマ処理で最も重要なのは、プラズマ処理結果を一定にすることであり、付着物量を一定に保つのはそのための手段である。そこで、残留物の量が処理結果にどれだけ影響するか、その相関が分かっていると、第一の実施例を応用して、プラズマ処理結果の推移を推定できるようになり、運用の指針がよりいっそう分かりやすくなる。そこで本発明の発明者らは、プラズマ処理結果と残留物との相関を、図１０に示した手順で調べた。
【００５６】
この手順では、まずクリーニングＳ１を実施してプラズマ処理室１１内の残留物を除去し、続いてプラズマ処理により窒化チタンや珪窒化タンタル、タングステン、Ｈｉｇｈ−ｋなどが成膜されたウェハをＮ回処理する（Ｓ２´）。Ｎの回数は任意で、チタンやタンタル、タングステン、ハフニウムを含んだ残留物を大量に発生させたい場合は５回程度、残留量を少量にしたい場合は１回程度である。Ｎ回のプラズマ処理が終了し、被処理物を搬出した後、続いて、残留物測定用ウェハを搬入し（Ｓ１１）、残留物測定用プラズマを生成して残留物を残留物測定用ウェハ上に飛散させた（Ｓ１２）後、残留物測定用ウェハを搬出して残留物の測定を実施し、どのような元素がどのくらい残留しているかを調べる（Ｓ１３）。その後新たな被処理物に対してプラズマ処理（Ｓ２０）を実施した後、目的の被処理物（図２のＨｉｇｈ−ｋ／メタルゲート構造のトランジスタなど）の処理結果がどれだけ変化したかを測定する。測るべき処理結果としては、例えば本発明の適用対象がプラズマエッチング装置であれば、ウェハ上の薄膜のエッチング速度や、あるいはトランジスタ形成用のマスクが付いたウェハであれば、トランジスタのゲート寸法などである。このようにして、残留物測定手順Ｓ１３で検出された残留元素量と、プラズマ処理Ｓ２０で得られた処理結果とが得られ、これを元に、ステップＳ１３で測定された残留物の量とステップＳ２０のプラズマ処理結果からプラズマ処理結果の残留物量依存性を相関付け（Ｓ２１）、ステップＳ２１で相関付けられて計算された残留物の量とプラズマ処理結果の関係をモデル格納部３１３に格納する（Ｓ２２）。次いで、残留物の量とプラズマ処理結果の関係を用いて、残留物の推移からプラズマ処理結果の推移を計算する（Ｓ２３）。例えば、本発明の発明者らは、下記式(１６)の線形一次近似モデルを使用して、トランジスタのゲート寸法Ｌと残留物の関係を定式化した。
【数１６】
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【００５７】
ここで、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆは、それぞれチタン、タンタル、タングステン、ハフニウムが残留物測定手順Ｓ１１〜Ｓ１３においてＳｉウェハ上で検出された量を示している。このような、プラズマ処理結果と残留物の量との関係を示したモデル式を、ステップＳ２２においてモデル格納部３１３に格納する。このモデル式と第二の実施例や第一の実施例で述べた残留物の推移を示すモデル式と組み合わせることで、ステップＳ２３において、プラズマ処理結果の推移を計算することができる。例えば、本出願の発明者らの実験によれば、(∂Ｌ／∂Ｗ)と(∂Ｌ／∂Ｈｆ)は誤差の範囲でゼロとなり、(∂Ｌ／∂Ｔｉ)と(∂Ｌ／∂Ｔａ)は、図１１に示すとおりになった。グラフの横軸には、ゲートの構造を列挙してある。ＴａＳｉＮ−Ｇａｔｅとは、図２(ｂ)の構造において、Ｈｉｇｈ−ｋ膜の上に珪窒化タンタルを成膜した方のトランジスタのゲートのことで、ＴｉＮ−ＧａｔｅとはＨｉｇｈ−ｋ膜の上に窒化チタンを成膜した方のトランジスタのゲートのことである。さらにＩｓｏとは、周辺にトランジスタなどの構造物が存在しない孤立したトランジスタで、Ｄｅｎｓｅとは、周辺に類似したトランジスタが多く存在するトランジスタである。丸括弧の中に記載されている１３０ｎｍや１００ｎｍの表記は、エッチング前のゲート寸法（図２の感光性マスク材２８の幅）が１３０ｎｍ、１００ｎｍであったことを示している。この図から、チタン含有残留物よりもタンタル含有残留物の方が、エッチング後のゲート寸法に大きな影響を与えることが一目で分かる。
【００５８】
一方、式(４)における(∂Ｌ／∂Ｗ)と(∂Ｌ／∂Ｈｆ)は誤差の範囲でゼロになった理由は、タングステンとハフニウムの残留物はゲート寸法Ｌにほとんど影響を与えないということを示している。こうしてゲート寸法Ｌはチタン、タンタルの残留量にのみ依存するとして作成したモデル式を使って、ゲート寸法をどれだけ説明できるかを示したのが、図１２である。なお、ここで表示されたゲート寸法は、エッチング後のゲート寸法からエッチング前のゲート寸法を引いた差を示している。予測式からの実測ゲート寸法のズレを３σで表すと、０．８６ｎｍと非常によい相関が見られる。
【００５９】
以上のように、このトランジスタのゲート寸法に関しては、チタンおよびタンタル含有残留物の量さえ分かれば、ゲート寸法の変化量も計算できることになる。つまり、式(１６)と式(１)または(４)とを組み合わせることで、ゲート寸法の推移という分かりやすい指標でプラズマ処理を管理することができるようになる。さらに好適には、このゲート寸法の推移が最も小さくなるようにプラズマ生成条件を決定し、これに基づいてプラズマ処理装置を運用すると良い。このように算出されたプラズマ、処理条件でプラズマ処理装置を自動的に運用できるよう、計算機３１には、計算機とプラズマ処理装置の各部に接続された制御手段を備えると、さらに本発明の効果が高まる。
【００６０】
以上、本発明の第三の実施例によれば、ゲート寸法を計算でき、プラズマ処理装置内の残留物量の推移を推定できるだけでなく、この推定値を元にプラズマ処理結果を推定することが可能になり、プラズマ処理装置をどのように運用すればよいかが定量的に明確になる。すなわち、この実施例によれば、残留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とが明確に数値化され、目標の安定性を得るためにどのように残留物クリーニングを改善すればよいかが明らかになる。さらに、本実施例によれば、残留物クリーニングの効果とプラズマ処理の安定性とが明確に数値化され、目標の安定性を得るためにどのように残留物クリーニングを改善すればよいかが明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の処理方法が適用されるプラズマ処理装置の構成の概要を説明する図。
【図２】プラズマ処理を施す被処理物の一例（断面図）。
【図３】典型的なプラズマ処理手順の一例。
【図４】残留物の推移を測定するための実験手順。
【図５】図４の手順により測定した、チタンおよびタンタル含有残留物の推移。
【図６】残留物量の推移の概念図。
【図７】本発明の手法を用いて残留物の推移を推定した結果（チタン含有残留物）。
【図８】本発明の手法を用いて残留物の推移を推定した結果（タンタル含有残留物）。
【図９】本発明の手法を用いて残留物の推移を推定した結果（タンタル含有残留物）。
【図１０】残留物の量とプラズマ処理結果を比較するための実験手順。
【図１１】式(１６)に示された各係数の値。
【図１２】式(１６)によるプラズマ処理結果の推定結果。
【符号の説明】
【００６２】
１：プラズマ処理装置
１１：プラズマ処理室
１２：ガス供給手段
１３１：バルブ
１３２：ガス排気手段
１４：圧力計
１５：ステージ
１５１：電源
１５２：チューナ
１６：天板
１７：プラズマ生成手段
１７１：電源
１７２：チューナ
１８１：温度制御機構
１８２：温度測定機構
１９：コイル
２：被処理物
２１：シリコン基盤
２２：Ｈｉｇｈ−ｋ膜
２３：Ｐメタル
２４：Ｎメタル
２５：ゲート電極材料
２６：マスク材
２７：反射防止膜
２８：感光性マスク材
３：制御系
３１：計算機
３１１：演算部
３２：表示部
３３：データ入力手段
３１２：データベース
３１３：モデル格納部
Ｐ：プラズマ
【図１】
2009212334.tif 000019
【図２】
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【図３】
2009212334.tif 000021
【図４】
2009212334.tif 000022
【図５】
2009212334.tif 000023
【図６】
2009212334.tif 000024
【図７】
2009212334.tif 000025
【図８】
2009212334.tif 000026
【図９】
2009212334.tif 000027
【図１０】
2009212334.tif 000028
【図１１】
2009212334.tif 000029
【図１２】
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