JP2001144071A - プラズマ処理方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エッチング開口率が低くても正確にエッチング
処理などのプラズマ処理の終点を検出すること。 【解決手段】高周波電源６と整合器５との間にプローブ
７を接続し、コンピュータ１０の終点検出手段１１によ
ってプローブ７によりモニタされる電圧と電流との比
（電圧／電流又は電流／電圧）を求め、この電圧と電流
との比の波形の変化から被処理体３に対するエッチング
の終点を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体装置
等の製造プロセスに係わり、例えばエッチング処理など
のプラズマ処理工程に用いられるプラズマ処理方法及び
その装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置等の製造プロセスなどに用い
られるエッチング装置としては、例えばマグネトロンを
用いたリアクティブオンエッチング（ＲＩＥ）装置があ
る。このマグネトロンＲＩＥ装置は、真空チャンバの近
傍でマグネトロンを回転させると共に真空チャンバ内に
高周波電力を供給し、真空チャンバ内にプラズマを発生
させて被処理体に対するエッチングを行うものである。

【０００３】このエッチング装置では、光を検出するた
めの透過窓、一般的には石英ガラスにより形成される透
過窓を通してチャンバ内のプラズマの発光強度をモニタ
し、このプラズマ発光強度の変化点を基に処理状況を判
断している。

【０００４】しかしながら、プラズマの発光強度をモニ
タするための透過窓の汚れ、マグネトロンの回転による
プラズマの揺れ等から、エッチングする面積が小さい場
合、例えば８インチの半導体ウエハの面積当たり１０％
以下、エッチング開口率１０％以下では、プラズマ発光
強度の変化点を検出できなくなる。

【０００５】このような問題を解決するために、近年、
プラズマの状態を高周波回路（ＲＦ回路）の一部と見な
してそのインピーダンスを検出し、このインピーダンス
が変化する点を検出する方法が用いられている。

【０００６】図５はかかるマグネトロンＲＩＥ装置の概
略構成図である。真空チャンバ１内には、下部電極２上
のステージに半導体ウエハなどの被処理体３が載置され
ている。又、真空チャンバ１内には、外部から反応ガス
が供給されている。この真空チャンバ１の外部には、リ
ング形状のマグネトロン４が回転自在に配置されてい
る。下部電極２には、整合器（ＭＣ：マッチングサーキ
ット）５を介して高周波電源６が接続されている。この
うち整合器５は、真空チャンバ１側と高周波電源６側と
のインピーダンスを整合させるために接続されている。

【０００７】このような構成において、真空チャンバ１
内に反応ガスが供給されると共に、下部電極２に高周波
電源６から整合器５を通して高周波電力が供給される。
さらに、真空チャンバ１の外周でマグネトロン４が所定
の回転周波数で回転する。これにより、真空チャンバ１
内には低圧力でプラズマ８が発生し、このプラズマ８中
のイオン及びラジカルにより化学反応して、被処理体３
はエッチングされる。

【０００８】プラズマ８のインピーダンスは、エッチン
グ時に発生した反応生成物、若しくは反応に要するイオ
ンやラジカル等によって変化するため、エッチング中と
エッチング終了後とで変化する。このインピーダンスの
変化を、整合器５と真空チャンバ１（下部電極２）との
間に接続されたプローブ７を用いてモニタする。このプ
ローブ７は、高周波電源６から真空チャンバ１に供給さ
れる電圧、電流をモニタし、そのモニタ信号をコンピュ
ータ９に送る。このコンピュータ９は、プローブ７から
出力されるモニタ信号をデジタル化して取込み、電圧と
電流とから得られるインピーダンス変化から、例えばエ
ッチングの終点を検出する。図６はプローブ７によりモ
ニタされた電圧、電流波形を示している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、プラズ
マ８の状態を高周波回路の一部と見なしてそのインピー
ダンスの変化から処理状況を検出する方法でも、例えば
高集積密度の半導体ウエハでエッチング開口率１％以下
になると、電圧、電流の変化が微小となり、エッチング
終点の検出が困難となる。

【００１０】そこで本発明は、エッチング開口率が低く
ても正確にプラズマ処理の変化が検出できるプラズマ処
理方法及びその装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、チャンバに対して整合器を介して高周波電力を供給
して、前記チャンバ内にプラズマを発生させて被処理体
に対するプラズマ処理を行うプラズマ処理方法におい
て、前記高周波電源と前記整合器との間で前記チャンバ
に供給される電気量をモニタし、このモニタされた電気
量に基づいて前記被処理体に対するプラズマ処理状況を
検出するプラズマ処理方法である。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
プラズマ処理方法において、前記高周波電源から前記整
合器を通して前記チャンバに供給される電圧又は電流の
一方又は両方をモニタするものである。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
プラズマ処理方法において、前記高周波電源から前記整
合器を通して前記チャンバに供給される電圧と電流との
比に基づいて前記被処理体に対するプラズマ処理状況を
検出するものである。

【００１４】請求項４に記載の発明は、チャンバに対し
て整合器を介して高周波電源を接続し、前記チャンバ内
にプラズマを発生させて被処理体に対するプラズマ処理
を行うプラズマ処理装置において、前記整合器と前記高
周波電源との間に接続された電気量モニタと、この電気
量モニタから出力される電気信号に基づいて前記被処理
体に対するプラズマ処理状況を検出する処理状況検出手
段とを備えたプラズマ処理装置である。

【００１５】請求項５に記載の発明は、請求項４記載の
プラズマ処理装置において、前記電気量モニタは、前記
高周波電源から前記整合器を通して前記チャンバに供給
されるの電圧又は電流の一方又は両方をモニタするもの
である。

【００１６】請求項６に記載の発明は、請求項４記載の
プラズマ処理装置において、前記処理状況検出手段は、
前記電気量モニタによりモニタされた電圧と電流との比
に基づいて前記被処理体に対するプラズマ処理状況を検
出する機能を有するものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】(1) 以下、本発明の第１の実施の
形態について図面を参照して説明する。なお、図５と同
一部分には同一符号を付してその詳しい説明は省略す
る。

【００１８】図１は本発明のプラズマ処理装置を適用し
たマグネトロンＲＩＥ装置の構成図である。真空チャン
バ１内には、半導体ウエハなどの被処理体３を載置する
ためのステージが設けられた下部電極２が設けられ、か
つその外部にリング形状のマグネトロン４が回転自在に
配置されている。下部電極２には、整合器５を介して高
周波電源６が接続されている。

【００１９】この高周波電源６と整合器５との間には、
電気量モニタとしてのプローブ７が接続されている。こ
のプローブ７は、高周波電源６から整合器５を通して真
空チャンバ（下部電極２）１に供給される電圧及び電流
をモニタし、そのモニタ信号を出力するものである。高
周波電源６と整合器５との間は、高周波電源６のインピ
ーダンス（例えば５０Ω）で一定になっている。これに
より、真空チャンバ１内のインピーダンス変化に応じ
て、電圧が高くなればそれに応じて電流が少なくなり、
電圧が低くなればそれに応じて電流が多くなって電力を
一定に保つような変化が現われる。

【００２０】コンピュータ１０は、プローブ７から出力
されるモニタ信号をデジタル化して取込み、このモニタ
信号に基づいて被処理体３に対するエッチングの処理状
況、例えば終点を検出する機能を有するもので、特に終
点検出手段（処理状況検出手段）１１を有している。こ
の終点検出手段１１は、デジタル化されたモニタ信号か
ら電圧及び電流を取り出し、これら電圧と電流との比、
すなわち電圧／電流又は電流／電圧を演算し、この電圧
／電流又は電流／電圧の波形の変化から被処理体３に対
するエッチングの終点を検出する機能を有している。

【００２１】この終点検出手段１１の機能内には、プロ
ーブ７から出力されるモニタ信号に対してフィルタ処理
を行い、マグネトロン４の回転周波数よりも低い周波数
成分を通過させるローパスフィルタとしての機能するフ
ィルタ処理手段１２と、電圧／電流又は電流／電圧の波
形の変化に基づいて被処理体３に対するエッチング終点
を検出する加重移動平均手段１３及び検出手段１４とを
有している。荷重移動平均手段１３は、電圧／電流又は
電流／電圧の波形の変化を検出し、この電圧／電流又は
電流／電圧のデータに対してガウス分布による加重移動
平均を行う機能を有している。検出手段１４は、加重移
動平均されたデータに対して予め設定された閾値（増加
方向への変化に対する閾値と、減少方向への変化に対す
る閾値との２種類の閾値）と比較し、閾値を超えた時点
を被処理体３に対するエッチングの終点として検出する
機能を有している。

【００２２】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【００２３】真空チャンバ１内に反応ガスが供給される
と共に、下部電極２に高周波電源６から整合器５を通し
て高周波電力が供給される。さらに、真空チャンバ１の
外周でマグネトロン４が所定の回転周波数で回転する。
これにより、真空チャンバ１内には低圧力でプラズマ８
が発生し、このプラズマ８中のイオン及びラジカルによ
り化学反応して、被処理体３はエッチングされる。

【００２４】プラズマ８のエッチングは、エッチング時
に発生した反応生成物、若しくは反応に要するイオンや
ラジカル等の量により変化する。これに伴い高周波電源
６から整合器５を通して真空チャンバ１に供給される電
圧及び電流が変動するので、プロープ７により電圧及び
電流をモニタし、そのモニタ信号をコンピュータ１０に
対して出力する。

【００２５】コンピュータ１０は、プローブ７から出力
されるモニタ信号をデジタル化して取込む。このコンピ
ュータ１０のフィルタ処理手段１２は、プローブ７から
出力されるデジタルのモニタ信号に対してフィルタ処理
を行い、マグネトロン４の回転周波数よりも低い周波数
成分のみ通過させる。

【００２６】コンピュータ１０の終点検出手段１１は、
デジタル化されたモニタ信号から電圧及び電流を取り出
し、これら電圧と電流との比、すなわち例えば電圧／電
流を演算し、この電圧／電流の波形の変化から被処理体
３に対するエッチングの終点を検出する。具体的には、
先ず、荷重移動平均手段１３は、電圧／電流の波形の変
化を検出し、この電圧／電流のデータに対してガウス分
布による加重移動平均を行う。次に、検出手段１４は、
荷重移動平均手段１３により加重移動平均されたデータ
に対して予め設定された閾値と比較し、閾値を超えた時
点を被処理体３に対するエッチングの終点を検出する。

【００２７】ここで、プローブ７が接続される高周波電
源６と整合器５との間は、上記の如く高周波電源６のイ
ンピーダンスが一定になっているところで、真空チャン
バ１のインピーダンス変化に応じて、電圧が高くなれば
それに応じて電流が少なくなり、電圧が低くなればそれ
に応じて電流が多くなって電力を一定に保つような変化
が現われる。従って、電圧／電流又は電流／電圧の波形
データの変化は、僅かな電圧又は電流の変化でも大きく
現われる。

【００２８】図２はプローブ７によりモニタされた電圧
波形を示している。この電圧波形では、エッチング終了
時付近で若干の変化が見られるが、ＳＮ比が低く、エッ
チング終点の検出は困難である。

【００２９】これに対して図３はプローブ７によりモニ
タされた電圧／電流の波形を示している。この電圧／電
流の波形であれば、エッチング終了時付近での変化が大
きく現われ、エッチング終点の検出ができる。なお、こ
のエッチング終点の電圧／電流の波形変化は、被処理体
３の種類によってその傾きが異なる。

【００３０】このように上記第１の実施の形態において
は、高周波電源６と整合器５との間にプローブ７を接続
し、このプローブ７によりモニタされる電圧と電流との
比（電圧／電流又は電流／電圧）を求め、この電圧と電
流との比の波形の変化から被処理体３に対するエッチン
グの終点を検出するようにしたので、被処理体３が例え
ば高集積密度の半導体ウエハでエッチング開口率１％以
下になって、エッチング終点での電圧、電流の変化が微
小であっても検出感度を向上させて正確かつ確実にエッ
チング終点を検出できる。

【００３１】又、高周波電源６と整合器５との間にプロ
ーブ７を接続して電圧及び電流をモニタしているので、
プローブ７は、高周波電源６の一定のインピーダンスを
受けるだけで、高周波電源６から真空チャンバ１へ高周
波電力を供給したときの真空チャンバ１から反射してく
るノイズなどの影響を受けずにＳＮ比を向上させてエッ
チング終点を検出できる。

【００３２】なお、上記第１の実施の形態では、エッチ
ング終点を検出するのに加重移動平均を用いているが、
電圧と電流との比の波形から自己相関係数を逐次求め、
これら自己相関係数と予め設定された閾値とを比較して
エッチング終点を検出するようにしてもよい。

【００３３】又、高周波電源６と整合器５との間に接続
されたプローブ７によりモニタされる電圧又は電流のい
ずれか一方をコンピュータ１０で取込み、電圧又は電流
のいずれか一方の波形の変化からエッチング終点を検出
するようにしてもい。さらに、上記第１の実施の形態で
は、エッチング処理の終点を検出することについて説明
したが、プラズマの異常放電など、処理異常も検出でき
る。

【００３４】(2) 次に、本発明の第２の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。なお、図１と同一部分に
は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。

【００３５】図４は本発明のプラズマ処理装置を適用し
たマグネトロンＲＩＥ装置の構成図である。このマグネ
トロンＲＩＥ装置は、真空チャンバ１の外周側に配置し
たマグネトロン４に代わり、真空チャンバ１の上部にマ
グネトロン２０を回転自在に配置したものである。この
マグネトロン２０は、回転軸２１を中心として所定の回
転周波数で回転するものとなっている。

【００３６】次に、上記の如く構成された装置の作用に
ついて説明する。

【００３７】真空チャンバ１内に反応ガスが供給される
と共に、下部電極２に高周波電源６から整合器５を通し
て高周波電力が供給される。さらに、真空チャンバ１の
上部に設けられたマグネトロン２０が所定の回転周波数
で回転する。これにより、真空チャンバ１内には低圧力
でプラズマ８が発生し、このプラズマ８中のイオン及び
ラジカルにより化学反応して、被処理体３はエッチング
される。

【００３８】このとき、プラズマ８中へエッチング時に
発生した反応生成物、若しくは反応に要するイオンやラ
ジカル等の量がエッチング中とエッチング終了後とで変
化し、プラズマ８のインピーダンスが変化する。

【００３９】プローブ７は、高周波電源６から整合器５
を通して真空チャンバ１に供給される電圧及び電流をモ
ニタし、そのモニタ信号を出力する。

【００４０】コンピュータ１０は、プローブ７から出力
されるモニタ信号をデジタル化して取込み、フィルタ処
理手段１２によってデジタルのモニタ信号に対してフィ
ルタ処理を行い、マグネトロン２０の回転周波数よりも
低い周波数成分を通過させる。

【００４１】そして、終点検出手段１１は、デジタルの
モニタ信号から電圧及び電流を取り出し、これら電圧と
電流との比、例えば電圧／電流を演算し、この電圧／電
流の波形の変化から被処理体３に対するエッチングの終
点を検出する。具体的には、荷重移動平均手段１３によ
って電圧／電流の波形の変化を検出し、この電圧／電流
のデータに対してガウス分布による加重移動平均を行
う。次に、検出手段１４によって加重移動平均されたデ
ータに対して予め設定された閾値と比較し、閾値を超え
た時点を被処理体３に対するエッチングの終点を検出す
る。

【００４２】なお、エッチング終点検出は、加重移動平
均に限らず、電圧と電流との比の波形から自己相関係数
を逐次求め、これら自己相関係数と予め設定された閾値
とを比較してエッチング終点を検出するようにしてもよ
い。

【００４３】このように上記第２の実施の形態において
は、真空チャンバ１の上部にマグネトロン２０を回転自
在に配置したものであっても、上記第１の実施の形態と
同様に、高周波電源６と整合器５との間にプローブ７を
接続し、このプローブ７によりモニタされる電圧と電流
との比（電圧／電流又は電流／電圧）を求め、この電圧
と電流との比の波形の変化から被処理体３に対するエッ
チングの終点を検出するようにしたので、被処理体３が
例えば高集積密度の半導体ウエハでエッチング開口率１
％以下になって、エッチング終点での電圧、電流の変化
が微小であっても検出感度を向上させて正確かつ確実に
エッチング終点を検出できる。

【００４４】特に、プローブ７が接続される高周波電源
６と整合器５との間は、上記の如く高周波電源６のイン
ピーダンスが一定になっているところで、真空チャンバ
１のインピーダンス変化に応じて電圧が高くなればそれ
に応じて電流が少なくなり、電圧が低くなればそれに応
じて電流が多くなって電力を一定に保つような変化が現
われる。従って、電圧／電流又は電流／電圧の波形デー
タの変化は、僅かな電圧又は電流の変化でも大きく現わ
れるからである。

【００４５】又、高周波電源６と整合器５との間にプロ
ーブ７を接続して電圧及び電流をモニタしているので、
プローブ７は、高周波電源６の一定のインピーダンスを
受けるだけで、高周波電源６から真空チャンバ１へ高周
波電力を供給したときの真空チャンバ１から反射してく
るノイズなどの影響を受けずにＳＮ比を向上させてエッ
チング終点を検出できる。

【００４６】又、高周波電源６と整合器５との間に接続
されたプローブ７によりモニタされる電圧又は電流のい
ずれか一方をコンピュータ１０で取込み、電圧又は電流
のいずれか一方の波形の変化からエッチング終点を検出
するようにしてもい。

【００４７】さらに、上記第１の実施の形態では、エッ
チング処理の終点を検出することについて説明したが、
プラズマの異常放電など、処理異常も検出できる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、エ
ッチング開口率が低くても正確にエッチング処理などの
プラズマによる処理状況が検出できるプラズマ処理方法
及びその装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるプラズマ処理装置を適用したマ
グネトロンＲＩＥ装置の第１の実施の形態を示す構成
図。

【図２】本発明に係わるマグネトロンＲＩＥ装置の第１
の実施の形態でのプローブによりモニタされた電圧波形
を示す図。

【図３】本発明に係わるマグネトロンＲＩＥ装置の第１
の実施の形態でのプローブによりモニタされた電圧／電
流の波形を示す図。

【図４】本発明に係わるプラズマ処理装置を適用したマ
グネトロンＲＩＥ装置の第２の実施の形態を示す構成
図。

【図５】従来のマグネトロンＲＩＥ装置の概略構成図。

【図６】同装置のプローブによりモニタされた電圧、電
流波形を示す図。

【符号の説明】

１：真空チャンバ ２：下部電極 ３：被処理体 ４：マグネトロン ５：整合器（ＭＣ：マッチングサーキット） ６：高周波電源 ７：プローブ １０：コンピュータ １１：終点検出手段 １２：フィルタ処理手段 １３：加重移動平均手段 １４：検出手段 ２０：マグネトロン

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバに対して整合器を介して高周波
   電力を供給して、前記チャンバ内にプラズマを発生させ
   て被処理体に対するプラズマ処理を行うプラズマ処理方
   法において、 前記高周波電源と前記整合器との間で前記チャンバに供
   給される電気量をモニタし、このモニタされた電気量に
   基づいて前記被処理体に対するプラズマ処理状況を検出
   することを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 【請求項２】 前記高周波電源から前記整合器を通して
   前記チャンバに供給される電圧又は電流の一方又は両方
   をモニタすることを特徴とする請求項１記載のプラズマ
   処理方法。
3. 【請求項３】 前記高周波電源から前記整合器を通して
   前記チャンバに供給される電圧と電流との比に基づいて
   前記被処理体に対するプラズマ処理状況を検出すること
   を特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。
4. 【請求項４】 チャンバに対して整合器を介して高周波
   電源を接続し、前記チャンバ内にプラズマを発生させて
   被処理体に対するプラズマ処理を行うプラズマ処理装置
   において、 前記整合器と前記高周波電源との間に接続された電気量
   モニタと、 この電気量モニタから出力される電気信号に基づいて前
   記被処理体に対するプラズマ処理状況を検出する処理状
   況検出手段と、を具備したことを特徴とするプラズマ処
   理装置。
5. 【請求項５】 前記電気量モニタは、前記高周波電源か
   ら前記整合器を通して前記チャンバに供給されるの電圧
   又は電流の一方又は両方をモニタすることを特徴とする
   請求項４記載のプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 前記処理状況検出手段は、前記電気量モ
   ニタによりモニタされた電圧と電流との比に基づいて前
   記被処理体に対するプラズマ処理状況を検出する機能を
   有することを特徴とする請求項４記載のプラズマ処理装
   置。