JP2004006571A

JP2004006571A - プラズマ処理方法及び装置

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Publication number: JP2004006571A
Application number: JP2002223081A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Ono; 小野　哲郎; Katsumi Setoguchi; 瀬戸口　勝美; Hideyuki Yamamoto; 山本　秀之
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: KR100664512B1; KR20030084546A; TW569338B; JP3927464B2

Abstract

【課題】プラズマを用いたウエハの処理において、スループットを低下させることなく、ウエハ毎の加工寸法の変動を抑え再現性良くウエハを加工する。
【解決手段】真空処理室２０内にプラズマを発生させるとともにウエハを配置する下部電極２７に高周波電圧を印加し、下部電極２７に印加する高周波電圧を周期的にオン・オフ変調し、かつ処理するウエハ毎あるいは複数のウエハ毎に高周波電圧のオン・オフのデューティー比を制御して、ウエハ３２をプラズマ処理する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理方法及び装置に係り、特にプラズマを用いて半導体ウエハ等の基板をエッチング処理するのに好適なプラズマ処理方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング性能を維持するための技術としては、特開平９−１２９５９４号公報に記載のように、第１電極に電力を印加することによって反応ガスを含むガス中にプラズマを発生させ、プラズマの発光分析、プラズマ中の物質の質量分析、プラズマの自己バイアス電圧の計測、プラズマのインピーダンスの計測等、これらの少なくとも１つの方法によりエッチング中のプラズマ状態を検出し、検出されたプラズマ状態の変化に応じてバイアス電圧を制御し、エッチングの均一性が高く、パターン寸法並びにパターン断面形状の優れた制御性を得るようにした技術が知られている。
【０００３】
他方、半導体素子の微細化に伴い、１μｍ以下の加工寸法の素子加工を可能にする技術として、従来、例えば、特開平１１−２９７６７９号公報に記載のように、真空容器内に設けられた試料台に試料を配置し、真空容器内に処理ガスを供給してプラズマ化し、プラズマ生成とは独立に試料台に１００ｋＨｚ以上の周波数の高周波バイアスを印加し、高周波バイアスを１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの周波数で変調し、同一エッチング速度の得られる連続の高周波バイアス電圧のＶｐｐ値に対し、該Ｖｐｐ値より大きい値のＶｐｐ値を与えた高周波バイアス電圧をオン・オフ制御して、試料の表面加工を行う方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体素子の高速化に伴い、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ　ＳｃａＬｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｃｉｒｃｕｉｔ）の加工寸法は現在０．１μｍ　レベルになっている。素子の電極や配線部分の加工精度は±０．０１μｍ　以下が必要となっている。
【０００５】
一方、プラズマを用いたエッチング装置ではウエハ毎に加工寸法が微少に変動する問題がある。例えば、エッチング装置では真空容器の内壁の状態などによってプラズマが影響を受ける。すなわち、Ｓｉウエハをエッチングする場合、Ｓｉの反応生成物が次第に内壁に付着し、これにより内壁表面状態が変化する、あるいは、壁から付着物の再放出が生じるなどしてプラズマ組成が変動する。この結果、ウエハを１枚ずつ連続処理すると、ガスの流量や圧力などのウエハの処理条件を常に一定に保っていても、ウエハ毎の加工線幅に微少なずれが生じる。近年の素子の微細化に伴い、０．１μｍ　レベルの加工寸法においては、０．５μｍレベルの加工寸法では問題にならなかったこの寸法変動のために、要求加工精度を満たすことが困難になるという問題が顕在化している。
【０００６】
このような問題を解決する方法の１つに、枚葉クリーニングを実施し、ウエハ１枚毎に処理室内をクリーニングする方法がある。しかしながら、本方法はスループットを低下させる要因になるとともに、全てのプラズマ処理に有効であるともいえない。また、他の方法として、ウエハ１枚毎あるいは数枚毎に処理条件を補正しながらプラズマ処理を行うことが考えられる。このような方法としては、前述の従来技術に示すようなフィードバック制御の方法がある。
【０００７】
前述のようにプラズマからの種々の情報によりバイアス電圧を制御する従来技術においては、バイアス電圧の変更によってエッチング時の選択性が変化し、マスクや下地膜の厚さが薄い試料には適さない場合がある。
【０００８】
また、高周波バイアス電圧をオン・オフ制御する従来技術においては、高周波バイアス電圧のオン・オフを処理中のプロセス処理の変化に応じて制御する点について配慮されておらず、前述と同様にプラズマからの種々の情報によりバイアス電圧、すなわち、オン・オフの電圧値（Ｖｐｐ）を制御した場合、連続バイアスに比べれば選択比への影響は少なくなるが、０．１μｍ　レベル以下に微細化する素子に使用される薄い下地膜との選択比においては、まだ充分とはいえない。
【０００９】
本発明の目的は、加工寸法が１μｍ以下の素子加工において、スループットを低下させることなく、ウエハ毎の加工寸法の変動を抑え再現性良く加工することのできるプラズマ処理方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、プラズマの生成と基板へのバイアス印加を独立に制御して、基板をプラズマ処理する方法において、試料台に印加する高周波電圧の出力（振幅）を周期的に時間変調し、かつ処理する基板毎あるいは複数の基板毎に周期的時間変調のデューティー比（一周期に占める大きい電圧が印加されている時間の割合）を変えることにより、達成される。
【００１１】
また、上記目的は、真空容器内にプラズマを発生させるとともに真空容器内に設けられた試料台に高周波電圧を印加して、試料台に配置された基板を処理するプラズマ処理装置において、試料台に接続された高周波電源と、高周波電源からの高周波電圧を周期的にオン・オフ変調する変調手段と、処理する基板毎あるいは複数の基板毎にオン・オフのデューティー比を変える制御手段とを具備することにより、達成される。
【００１２】
また、デューティー比の変更は、ウエハ加工後の線幅を測定して、もし規定値からずれていたら、それを補正する方向にデューティー比を変更する。あるいはプラズマ発光など加工寸法と相関のある装置状態をモニタして、モニタ量が正常値から外れたら正常範囲に入るようにデューティー比を変える。
【００１３】
なお、エッチング特性の一つ（例えば加工寸法）を安定化するために、装置状態の変動をモニタしてエッチングの条件にフィードバックする方法では、ある条件を変えたことで他のエッチング特性（例えば、エッチング速度のウエハ面内均一性）が変化することを防ぐ必要がある。本発明では、試料に印加する高周波電圧をの出力（振幅）を時間変調して、そのデューティー比を変えることで入射イオン量とラジカル付着量のみを変え、プラズマ組成、プラズマ分布等他のエッチング特性に影響を与えないで、加工寸法の変動を抑えることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施例について、各々図を用いて説明する。
【００１５】
〔実施例１〕
まず、本発明の実施例１を、図１から図６により説明する。本実施例１では、エッチング処理によるウエハ加工寸法を１枚あるいは複数のウエハ毎に測定し、この値に応じてエッチング条件を変える。エッチング条件としては、この場合、基板であるウエハに印加する高周波電圧をオン・オフ変調し、かつ、オン・オフするデューティー比（一周期に占めるオン時間の割合）を変化させる。これにより、加工寸法の変動を抑える。
【００１６】
図１は、実施例１における本発明のプラズマ処理方法を実施するためのプラズマ処理装置の全体構成を示す図である。真空処理装置１は、この場合、４つのプラズマ処理室２ａ〜２ｄと真空搬送室３とロック室４ａ、４ｂとから成る。真空搬送室３の周りにはプラズマ処理室２ａ、２ｂ及びロック室４ａ、４ｂが配置されている。プラズマ処理室２ａ〜２ｄは例えばエッチング室であり、プラズマ処理室２ｃ、２ｄは例えばアッシング室である。真空処理装置１のロック室４ａ、４ｂ側には、搬送ロボット６を有する搬送装置５が配置され、さらに搬送装置５を挟んでカセット８を複数個配置可能なカセット台７が配置される。また、搬送装置５の周りには真空処理装置１とともにアライナ１１および検査装置９が配設してある。検査装置９による測定結果は制御装置１０に取り込まれ、測定結果を基に制御装置１０のエッチング条件調整部１００においてプラズマ処理室２ａ、２ｂでのウエハの処理条件を調整する。なお、制御装置１０は、例えば、ＣＰＵやメモリ、プログラム、外部記憶装置および入出力手段などを備えたコンピュータにより構成され、真空処理装置１を制御する。この中で、エッチング条件調整部１００は、測定結果に基づき、試料あるいはロット単位毎に高周波バイアスのデューティー比等を変えるランツーラン制御を実行するプログラムやこの制御に必要な各種データ等を保持した記憶装置等によって実現される。
【００１７】
ここで、カセット８は密閉された容器に収納され、搬送装置５の搬送ロボット６により搬送される。搬送ロボット６の移動空間は、清浄なガス雰囲気に保持されることが望ましく、カセット８とアライナ１１の間、アライナ１１とロック室４ａ、４ｂの間、又はカセット８とロック室４ａ、４ｂの間、ロック室４ａ、４ｂと検査装置９の間は、クリーンルーム内の雰囲気から隔離されることが望ましい。なお、クリーンルーム内の雰囲気の清浄度が高い場合には前述の隔離をしなくても良い。
【００１８】
上述のプラズマ処理装置において、真空処理装置１でエッチング処理されたウエハは、搬送ロボット６によってロック室４ａまたは４ｂから測長走査型電子顕微鏡（以下、「測長ＳＥＭ」と呼ぶ。）等の加工線幅を測定する検査装置９に送られる。検査装置９では測長ＳＥＭによって加工線幅の設計値からの太り量（以下、「ＣＤゲイン」と呼ぶ。）が測定される。この測定は、必要に応じてウエハ１枚毎または所定の枚数毎に行われ、そのデータが制御装置１０内の記憶装置に蓄積される。また、ＣＤゲインには所定の許容値があり、初期エッチング条件、すなわち、ロット処理開始時のエッチング処理条件はＣＤゲインがこの許容値内に収まるように設定されている。ここで、何枚ものウエハを連続処理し、もしＣＤゲインが許容値を超えた場合は、このデータ信号を制御装置１０内のエッチング条件調整部１００に送り、エッチング条件調整部１００よってＣＤゲインが許容値内に収まるように条件を自動調整して、制御装置１０によって真空処理装置のプラズマ処理室２ａまたは２ｂでのエッチング処理条件を変更・調整する。
【００１９】
図２（ａ）は、真空処理装置１のプラズマ処理室２ａ、２ｂの縦断面を示した図である。この実施例における真空処理装置１は、電磁波をアンテナより放射し、磁場との相互作用によってプラズマを生成するＥＣＲ方式のプラズマエッチング装置である。プラズマ処理室である真空処理室２０の上部には誘電体窓２１を介してＡｌ製のアンテナ２２が配置されている。アンテナ２２には、同軸導波管２３および整合器２４を介してＵＨＦ電磁波（例えば、周波数４５０ＭＨｚ）を発生させる高周波電源２５が接続されている。誘電体窓２１は、高周波電源２５からの電磁波を透過可能である。真空処理室２０の外周部には、真空処理室２０内に磁場を形成するための磁場コイル２６（この場合、２段コイル）が巻装されている。
【００２０】
真空処理室２０内には、アンテナ２２に対向して、試料であるウエハ３２を配置するための試料台である下部電極２７が設けられている。誘電体窓２１と下部電極２７との間に空間が形成され、この空間にプラズマが生成される。下部電極２７には、プラズマ中のイオンにウエハ３２への入射エネルギを与えるための高周波バイアス電源２８と、ウエハ３２を下部電極２７に静電吸着させるためのＥＳＣ電源２９とが接続されている。高周波バイアス電源２８の周波数に特に制限はないが、通常では２００ｋＨｚから２０ＭＨｚの範囲が用いられる。この場合、高周波バイアス電源２８の周波数は、４００ｋＨｚが用いられる。
【００２１】
また、高周波バイアス電源２８によって下部電極に印加する高周波電圧の電圧波形３３は、例えば、図２（ｂ）に示すように、高周波の出力をオン・オフ制御して、オン期間とオフ期間を１周期とし、繰り返し任意の周期、例えば１ｋＨｚ、で制御される。このオン・オフ制御は、試料毎あるいはロット単位、その他適当な単位で、ランツーラン制御として行えば良い。
【００２２】
なお、ランツーラン制御により高周波の出力を、オン・オフ制御する代わりに、高周波電圧の振幅の大きい値（エッチングが進行する範囲の値）と、小さい値（エッチングが進行しない範囲の値）とに切り替えて制御するようにしても良い。この場合の高周波バイアス印加方法は、例えば、１周期内を異なる高周波バイアス電圧で時間ｔ１と時間ｔ２に分けて周期的に印加する。
【００２３】
真空処理室２０の下部には排気口３０が設けられ、図示を省略した排気装置が接続されている。３１は真空処理室２０内に処理ガスを供給するガス供給装置であり、誘電体窓２１に設けられた多数のガス供給孔（図示省略）につながっている。
【００２４】
上述のように構成したプラズマ処理装置では、高周波電源２５から出力されたＵＨＦ電磁波が、整合器２４および同軸導波管２３を介してアンテナ２２部から誘電体窓２１を透過して真空処理室２０内に供給される。一方、磁場コイル２６による磁界が真空処理室２０内に形成される。電磁波の電界と磁場コイルの磁界との相互作用によって、真空処理室２０内に導入されたエッチングガスが効率良くプラズマ化される。このプラズマにより、下部電極２７上のウエハ３２に所定のエッチング処理が施される。エッチング処理に当たっては、高周波バイアス電源２８によってウエハ３２に入射するプラズマ中のイオンの入射エネルギを制御し、所望のエッチング処理を得る。
【００２５】
図３は、このプラズマ処理装置を用いてエッチング処理した多結晶シリコン配線のＣＤゲイン、選択比および下地酸化膜のエッチング速度のウエハ面内均一性と、高周波バイアスのデューティー比との関係を、実験により求めた結果を示す図である。なお、ＣＤゲインとは、ＣＤの増加量を意味し、選択比とは、多結晶シリコンと下地酸化膜のエッチング速度の比である。
【００２６】
通常、トランジスタのゲート加工では、多結晶シリコンを下地膜である数ｎｍ程度の薄い酸化膜に対して選択的にエッチングする必要がある。このため、ＣＤゲインに加えて、下地酸化膜との選択比および下地酸化膜のエッチング速度の均一性が重要となる。なお、図３のデータの基になるエッチング条件は、処理ガスとしてＣｌ_２（１８ｃｃ）、ＨＢｒ（８２ｃｃ）、Ｏ_２（３ｃｃ）の混合を用い、処理圧力０．４Ｐａとした。また、高周波バイアス電源２８の出力は３５Ｗとしてあり、電力一定で制御する。高周波をオン・オフ制御するときには、一周期の平均が３５Ｗになるように電力のピーク値を変える。例えば、デューティー比が５０％では、電力のピーク値が連続出力７０Ｗのときのピーク値の出力になるように制御することで、平均値が３５Ｗになる。
【００２７】
図３から分かるように、高周波バイアスの出力を一定にして、すなわち、オン・オフの平均電力を一定にしたままデューティー比を制御した場合、ＣＤゲインはデューティー比に依存して変化する。すなわち、デューティー比１００％（すなわち連続バイアス）では、ＣＤゲインが大きいが、デューティー比の値を小さくするとＣＤゲインは小さくなることが分かる。これは、電力一定の場合、デューティー１００％のときに比べてデューティー比を小さくすると高周波電圧の振幅が大きくなるので、プラズマ中のイオンに与えるウエハへの入射エネルギが大きくなるためである。また、選択比と均一性は、デューティー比にほとんど依存しないことが分かった。すなわち、高周波バイアスの出力（電力）を一定にして試料に印加する高周波をオン・オフ変調しそのデューティー比を変えれば、配線の加工に大きな影響を及ぼす選択比および下地酸化膜のエッチング速度の均一性を変えることなく、言い換えると、選択比及び均一性の性能を落とすことなく、ＣＤゲインのみを変えることができる。
【００２８】
本発明によれば、図３に示すようなデューティー比の特性を利用してエッチングのランツーラン制御を行うことにより、試料の加工寸法の変動を抑えることができる。
【００２９】
この点に関して、以下具体的に説明する。図４は、ゲート材料であるＰｏｌｙ−Ｓｉ膜３１２の上にマスク３１１を有する試料をエッチング処理した場合の断面形状を示す。図４（ａ）は目標形状（ＣＤ値はＬ１）であり、（ｂ）はエッチング特性の変化などにより処理形状が太ってしまった場合（ＣＤ値はＬ２）の例である。試料の加工寸法の変動量（Ｌ２−Ｌ１）は、デューティー比フィードバック制御により所定値以下に維持される。
【００３０】
図５は、処理されたウエハの中からＮ枚目のウエハを検査装置９で測定し、測定された加工線幅のＣＤゲインに基づいて、制御装置１０のエッチング条件調整部１００によりＮ枚目ウエハよりも後に処理するＮ＋ｍ（ｍ＝１、２・・・）枚目のウエハのデューティー比を制御するランツーラン制御、この場合、デューティー比フィードバック制御の流れ図である。エッチング処理装置でエッチング処理されたＮ枚目のウエハを検査装置９の測長ＳＥＭによってＣＤの計測を行う（５０２）。このＣＤ値と目標値との差（図４の変動量Ｌ２−Ｌ１）を求め（５０４）、変動量が規格値以内か否か判定し（５０６）、規格値以内ならばそのままのデューティー制御の設定値で次の新たなＮ＋ｍ枚目のウエハを処理する（５０８）。もし変動量が規格値をはずれていたら、デューティー比を変更して（５１０）、次の新たなＮ＋ｍ枚目のウエハを処理する（５０８）。Ｎ＋ｍ枚目のエッチング処理の終了はエッチング終点判定装置を用いて行なわれる（５１２）。
【００３１】
図６は、プラズマ処理におけるＣＤゲインの初期値と、モニタの結果得られたＮ枚処理後のＣＤゲイン特性の例を示している。図６に示すように、ＣＤゲインには所定の許容値（規格値）があり、初期エッチング条件、すなわち、ロット処理開始時のエッチング処理条件はＣＤゲインがこの許容値内に収まるように設定されている。一方、何枚ものウエハ例えばＳｉウエハを連続処理した後は、Ｓｉの反応生成物が次第にプラズマ処理室の内壁に付着し、これにより内壁表面状態が変化する。その結果、プラズマが影響を受け、エッチング条件が同じでもＣＤゲインが変化する。そこで、ＣＤゲインが許容値を超えた場合は、このデータ信号を制御装置１０内のエッチング条件調整部１００に送り、エッチング条件調整部１００によってＣＤゲインが許容値内に収まるように条件を自動設定して、制御装置１０によって真空処理装置のプラズマ処理室２ａまたは２ｂでのエッチング処理条件を変更・調整する。
【００３２】
この変更・調整量は、図６のようにして求まる。例えば、初期値では、ＣＤ目標値が０．２３μｍでありそのときのデューティー比は５０％に設定される。ＣＤ変動量の規格が±５ｎｍのとき、エッチング後のＣＤ変動量が７ｎｍ太った場合、予めデータ化された図６の特性より、デューティー比を約１０％小さくすればＣＤゲインは７ｎｍ小さくなることがわかる。そこで、デューティー比フィードバック制御により、デューティー比を４０％に設定して次のウエハを処理する。このデューティー比のフィードバック制御により、次のウエハのＣＤ値を目標値である０．２３μｍに戻すことができる。
【００３３】
図６に示したようなＣＤゲインとディーティー比の関係は、処理するウエハの構造やエッチング条件が変わると変化する。そこで、実際には各処理に対応するデータを蓄積したデータベースを予め作っておく、あるいはウエハの処理毎にデータを蓄積してデータベースを構築し、制御装置１０で利用可能にしておくことが必要となる。
【００３４】
なお、高周波を連続的に印加しその電力を大きくする方法でも、イオンエネルギーが大きくなるので、形状の太りすなわちＣＤゲインを小さくすることができる。しかしこの場合には、イオンエネルギーが大きくなるだけでイオンを加速しないバイアスのオフ期間がないので、酸化膜のエッチング速度も同時に増加して選択比が小さくなり、下地酸化膜削れの問題が生じる。
【００３５】
以上、本一実施例によれば、ウエハ処理の繰返しによって生じる真空処理室内のプラズマ組成変化または変動によるウエハ毎の加工線幅の微少なずれに対して、高周波バイアス電源のデューティー比をＣＤゲイン値に応じてフィードバック制御することによって、ウエハの加工線幅を最適値にすることができ、要求される加工精度を満たすことができる。これにより、ウエハ毎の加工寸法の変動を抑えて、再現性良く加工することができるという効果がある。
【００３６】
また、デューティー比の変更は、数ｎｍ単位のＣＤゲインの調整を容易にできるので、ウエハ毎の加工寸法の変動が問題となる０．１μｍ〜０．０５μｍレベルの微細な半導体素子の加工に適する。
【００３７】
また、ランツーラン制御として、ウエハ加工後のＣＤゲイン値が許容範囲を超える前に、ＣＤゲイン値に変化が現れ始めたら、前述のエッチング条件調整部１００に蓄えられたデータに基づいて、常に高周波バイアスのデューティー比を維持するように、フィードフォワード制御するようにしても良い。
【００３８】
また、加工寸法を測定する装置としては測長ＳＥＭが一般的であるが、測長ＳＥＭは形状を上から観察するために形状細り、すなわち、レジストの寸法よりも多結晶シリコンの幅が小さくなっている場合、多結晶シリコンの幅を測定できないという問題がある。測長ＳＥＭに代わって加工線幅のずれまたは変化を求める方法としては、配線の電気抵抗を測定して加工寸法の設計値からのずれを求める方法、あるいは光の反射や回折から配線の形状を推定する方法等がある。検査装置９にこれらを用いて、エッチング条件にフィードバック制御、あるいはフィードフォワード制御をかけてデューティー比を調整すれば、加工形状が細くなった場合の修正が可能になる。
【００３９】
また、ランツーラン制御すなわち加工寸法を測定してエッチング条件を調整する工程は、ウエハ１枚毎でも複数枚に１回でもその工程の設定は可能であるが、それはウエハの処理状態によって設定すればよい。
【００４０】
また、エッチング条件調整部１００がＣＤゲインの変動に伴って調整するエッチング条件は、少なくともデューティー比であり、デューティー比に加えてガス圧力やガス組成など他の条件を微調整しても良い。
〔実施例２〕
次に、本発明の第２の実施例を図７及び図８により説明する。図７において図２と同符号は同一部材を示し説明を省略する。本実施例が図２の実施例と異なる点は、検査装置９に代えて、プラズマ光をモニタする手段を設け、プラズマ生成状態の変化に応じてデューティー比等を制御するようにしたことにある。すなわち、真空処理室２０の処理空間となるプラズマ生成部に対応してプラズマ光を採光する採光窓を設け、採光窓に光ファイバーを介して接続し採光したプラズマ光の発光スペクトルを測定する発光モニタ３４を設け、発光モニタ３４によって測定した発光スペクトルを電気信号化して制御装置１０ａに入力している。
【００４１】
エッチングの形状がウエハ毎に変化する原因としては、塩化Ｓｉなどの反応生成物が真空処理室２０内壁に付着してプラズマの状態が変ることがある。例えば、内壁に付着した反応生成物が再放出されてウエハ３２に付着するとＣＤゲインは大きくなる。同時に、プラズマ発光強度を光の波長に対して測定する、すなわち、発光スペクトルを測定すると、反応生成物の増加に対応した変化が測定される。変化の様相はガス組成やエッチングされる物質によって異なるが、ＣＤゲインとプラズマの発光スペクトルとの関係をあらかじめ測定しておき、このデータをエッチング条件調整部１００に入力しておく。エッチング条件調整部１００では、発光モニタ３４の出力の変化をデューティー比の調整量に変換して、制御装置１０ａによって高周波バイアス電源２８のデューティー比を変える。
【００４２】
このように、制御装置１０ａのエッチング条件調整部１００には、発光スペクトルとＣＤゲイン値との関係のデータを予め入力して記憶しておくか、または、ウエハの処理毎にデータを蓄積する。
【００４３】
上述のように構成された装置では、ウエハ処理毎に発光モニタ３４によってプラズマの発光スペクトルを測定し、エッチング条件調整部１００よってＣＤゲインが許容範囲に収まるように小さいデューティー比または大きいデューティー比を選定または算出し、高周波バイアス電源２８のデューティー比と電力の出力ピーク値（振幅）を調整する信号を制御装置１０ａから高周波バイアス電源２８に送り、高周波バイアス電源２８のデューティー比およびピーク電圧を調整する。これにより、制御装置１０ａによってウエハ処理毎の発光スペクトルの変動に合わせて、リアルタイムに高周波バイアス電源からの高周波バイアスのデューティー比を調整することができる。
【００４４】
以上の処理フローを図８に示す。エッチングが開始されると（８０２）、発光モニタ３４からの値を計測し（８０４）、該計測値が前回のモニタ値に対しどれくらい変化しているかを求める（８０６）。求めた変化量が前回のモニタ値に対し許容範囲内か判定し（８０８）、範囲内ならば、そのまま条件を変えることなく処理を行う。８０８のステップで範囲外と判定された場合、高周波バイアスのオン・オフの繰返しのデューティー制御、すなわち、デューティー比を変える制御を行う（８１０）。これらの制御の後、ウエハのエッチング処理がまだ終了していない場合には（８１２）、モニタ値の計測（８０４）を継続し、上述のフローを繰り返す。その後、ステップ８１２においてエッチングの終了を判定したならば、ウエハを搬出・回収し、さらに所定枚数のウエハ処理が終了したならば、処理を終了する（８１４）。
【００４５】
以上、本第２の実施例によれば、高周波バイアス電源のデューティー比を発光スペクトルに応じて、言い換えると、ＣＤゲイン値に応じて調整することができるので、前述の実施例と同様にウエハの加工線幅を最適値にすることができ、要求される加工精度を満たすことができる。これにより、前述の第１の実施例と同様にウエハ毎の加工寸法の変動を抑えて、再現性良く加工することができるという効果がある。また、ウエハ毎の加工寸法の変動が問題となる０．０５μｍ〜０．１μｍ　レベルの微細な半導体素子の加工に適する。
【００４６】
なお、プラズマの発光スペクトルの信号は、ある特定の波長の信号強度として扱ってもよいし、また多変数解析手法として一般的に知られている主値解析法を用いて、ＣＤゲインと最も相関のある主成分、あるいはいくつかの主成分の合成で求まるパラメータに変換して扱ってもよい。
【００４７】
また、この実施例ではプラズマの発光スペクトルを用いたが、プラズマエッチング装置の状態を表わすモニタ量としては、プラズマの発光スペクトル以外にプラズマおよび電源回路のインピーダンスや、高周波バイアス電源２８の電圧波形高さ等を用いることも考えられる。
【００４８】
〔実施例３〕
次に、本発明の第３の実施例を説明する。プラズマの発光スペクトルや上述の他のモニタ値が、プラズマ処理可能な範囲で急に変化するような場合には、装置のハード的な変化、例えば、プラズマを介した電気回路上の部品の磨耗や劣化等による異常が認められるので、この場合は、取り敢えず処理中のウエハを不良にしないようにバイアス電圧の適正化を図り、このためにオン・オフ制御時の定電力制御の電力値を変化させて最適化するように制御すると良い。なお、この実施例の装置構成はエッチング条件調整部１００を除いて、第２の実施例と同じである。
【００４９】
この実施例３におけるエッチング条件調整部１００の制御フローを、図９に示す。エッチングが開始されると（９０２）、発光モニタ３４からの値を計測し（９０４）、該計測値が前回のモニタ値に対しどれくらい変化しているかを求める（９０６）。求めた変化量が前回のモニタ値に対する設定値（許容値）の範囲内か判定し（９０８）、範囲内ならば、通常の高周波バイアスのオン・オフの繰返しのデューティー制御を行う（９１０）。これらの制御の後、エッチングがまだ終了していない場合には（９１２）、モニタ値の計測（９０４）を継続し、上述のフローを繰り返す。その後、エッチング終了を判定したならば、エッチングを終了しウエハを搬出・回収する（９１４）。一方、ステップ９０８で範囲外と判定された場合、すなわち求めた変化量が前回のモニタ値に対する設定値（許容値）の範囲を越えていたら、装置のハード的な変化、例えば、プラズマを介した電気回路上の部品の磨耗や劣化等による異常が考えられる。この場合は、プラズマ処理可能な範囲で取り敢えず処理中のウエハを不良にしないようにバイアス電圧の適正化を図るべく、オン・オフ制御時の出力値、すなわち、電力値を変化させて最適化するように制御する（９１６）。もし、このような制御を行っても、連続してモニタ値に対する設定値（許容値）の範囲を超えるようであれば（９１８）、装置や処理条件に何らかの異常のあることが考えられるので、アラームを出し（９２０）、ラインオペレータによる具体的な処置を待つことにする。
【００５０】
この場合も、モニタ値の変化量と高周波バイアスの出力値との関係及びアラームを出すための条件を、データとして予め入力しておくか、または処理毎のデータを蓄積しデータ化することで行う。
〔実施例４〕
次に、本発明の第４の実施例を説明する。実施例１では高周波電圧を図２（ｂ）に示すようにオン・オフ制御したが、本実施例では１周期内を３つ以上の領域に分割し、時間Ｔ１、Ｔ２、…Ｔｍのように設定するとともに、それぞれの高周波の印加電力（又は振幅）をＰ１、Ｐ２、…Ｐｍに設定し、制御するものである。
【００５１】
図１０〜図１２を用いて、この実施例を説明する。図１０はこの場合１周期内を３つのサブ領域に分割した場合を示す。図１１は図１０に示す高周波電力を用いて処理する場合のフローを示す。まず、１周期毎の分割数（ｍ）をｍ＝３とし、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３ならびにそれに対応するＰ１、Ｐ２、Ｐ３を決め（１１０２）エッチング処理を開始する。例えば、Ｐ１を１００Ｗ、Ｐ２を１０Ｗ、Ｐ３を３０Ｗに設定する。エッチング処理が終わったウエハを前述の測定検査装置などによりＣＤ値、選択比、エッチング速度について測定し（１１０４、１１０６、１１０８）、測定の結果により規格値以内ならば（１１１２）何も条件を変更せずに制御値の設定を終了し（１１１４）次のウエハを処理するが、変動量が規格値をはずれていたら、サブ領域のＴ１、Ｔ２、Ｔ３ならびにＰ１、Ｐ２、Ｐ３のいずれかを設定変更して（１１１６）次のウエハを処理する。
【００５２】
例えば、図１０のように、１周期を３つの区間に分けると図１２のような特性が得られる。最も振幅が大きい区間Ｔ１は最大イオンエネルギーを制御する区間で、この区間の割合はＣＤの支配的因子となる。従って、図１２（ａ）のように区間Ｔ１の割合を制御してＣＤを調整する。また、最も振幅が小さい区間Ｔ２の振幅を小さく変える、言い換えると、印加電力を変えることによって、図１２（ｂ）のように選択比の微調整が可能になる。もちろん他の区間の振幅を変えても選択比は変わるが、この場合には選択比の変動が大きく制御が難しくなり、かつＣＤなども同時に変わってしまう。従って、ＣＤなど他の要因への影響を極力抑えて選択比の微調整をするには、区間Ｔ２の振幅をわずかにかえるのが適している。また、中間の振幅を持つ区間Ｔ３はＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチング速度の調整に利用できる。このために区間Ｔ３の振幅はウエハの堆積が生じるしきい値よりやや高めに設定して、Ｐｏｌｙ−Ｓｉのエッチング速度に影響を及ぼすが、酸化膜レートには極力影響を与えないように振幅を調整する必要がある。この調整のもとで図１２（ｃ）のように区間Ｔ３の割合を変えることでＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチング速度を制御できる。
【００５３】
具体的には、Ｎ枚処理後にＣＤが図１２（ａ）のようにΔＣＤだけ変動していれば、ＣＤを目標値に戻すようにＴ１の割合をΔＴ１だけ変えて、次のウエハを処理する。選択比が図１２（ｂ）のようにΔＳだけずれていれば期間Ｔ２の振幅をΔＰ２だけ変えて次のウエハを処理すれば、選択比を目標値に保つことができる。同様にＰｏｌｙ−Ｓｉのエッチング速度がΔＲだけずれれば、図１２（ｃ）のように区間Ｔ３の割合をΔＴ３だけかえて、Ｐｏｌｙ−Ｓｉエッチング速度を目標値に保てる。
【００５４】
本実施例でも、他の因子をほぼ一定に保つたまま、制御したい因子のみを変えることができる制御の幅はそれ程大きくはない。しかし、同じ製品を同じ条件で大量に処理する場合、本来なら形状等は変化しない。ここではごくわずかに生じる経時変化の調整を目的としているので、本発明が効果を発揮する。
〔実施例５〕
次に本発明の第５の実施例を説明する。本実施例は、処理中にサブ領域の数（ｍ）を変え、１周期内の時間Ｔ１、Ｔ２…Ｔｍと高周波の印加電力Ｐ１、Ｐ２…Ｐｍのいずれか又は両方を独立に制御するものである。
【００５５】
図１３によりこの実施例の処理フローを説明する。まず、初期設定として時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３及び印加電力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を設定し（１３０２）、エッチングを開始する（１３０４）。エッチング開始後、エッチング中のプラズマ発光強度のモニタ値を計測する（１３０６）。モニタ値に対する変化量を求め（１３０８）、変化量が許容範囲以内か否か判定し（１３１０）、許容範囲以内ならばそのままの条件にてデューティー比フィードバック制御によるエッチング処理を行う（１３１２）。エッチングが終了したら（１３１４）、ウエハを搬出し回収する（１３１６）。１３１０のステップにおいて、もし許容範囲からはずれていたらサブ領域の数（ｍ）を変え（１３１８）、時間Ｔ１、Ｔ２…Ｔｍと印加電力Ｐ１、Ｐ２…Ｐｍの設定を行い（１３２０）、デューティー比を変更して処理する。このような設定変更が複数回繰り返されてもうまく処理できない場合（１３２２）には、アラームを出す（１３２４）。変更量は処理するウエハの構造やエッチング条件が変わると変化するので実際には各処理に対応するデータを蓄積したデータベースを予め作っておく、あるいはウエハの処理毎にデータを蓄積してデータベースを構築することが必要となる。
【００５６】
なお、本実施例ではエッチング中のプラズマ発光強度をモニタして制御する方法について述べたが、図５に示した実施例のようにエッチング終了後のウエハを検査装置によって検査し、その測定データを基にステップ１３１０の判定を行なっても良い。また、ステップ１３１０の判定条件として、図１１に示した実施例のようにＣＤ値、選択比、エッチング速度について判定するようにしても良い。
〔実施例６〕
次に本発明の第６の実施例を説明する。本実施例は実施例１のＥＣＲプラズマ装置に変えて誘導結合型プラズマ源を用いたプラズマ処理装置とし、高周波電圧のオン・オフ制御としてプラズマ生成用の高周波電圧をオン・オフ制御するものである。図１４によりこの実施例を説明する。真空処理室２０ａの外側に設けられた誘導コイル７１に高周波電源７２によって１３．５６ＭＨｚの高周波をオン・オフ制御して印加し、真空処理室２０ａ内にプラズマを発生させる。試料が設置される下部電極２７ａにはイオンを加速するための高周波バイアス電源２８ａが接続されている。
【００５７】
高周波電源７２のオン期間にはプラズマ中にイオンが発生し、バイアス用の高周波バイアス電源２８ａによってイオンが加速されウエハに垂直に入射してウエハの垂直エッチングが進行する。高周波電源７２のオフ期間では、プラズマ中のイオンが消滅して垂直方向のエッチングは停止すると同時に気体中に含まれている反応生成物が拡散してウエハに堆積する。すなわち、下部電極２７ａに印加する高周波電圧をオン・オフ制御したのと同じ効果が生じる。この効果により均一性や選択比を維持し、エッチングの形状（ＣＤ）を制御することができる。
【００５８】
高周波電源７２のオン・オフ制御は、前述の第１ないし第５の実施例に示したのと同様に制御することができる。また、本実施例の装置において下部電極２７ａに印加する高周波電圧をオン・オフ制御しても良いことは言うまでもない。
【００５９】
〔実施例７〕
次に、本発明の第７の実施例を説明する。本実施例はプラズマ処理装置として容量結合方式のプラズマ処理装置としたものである。図１５によりこの実施例を説明する。真空処理室２０ｂ内に２枚の平行平板電極が設けられ、上部電極８２にはプラズマ発生用の高周波電源８１が接続され、ウエハが配置される下部電極２７ｂにはイオン加速用の高周波バイアス電源２８ｂが接続されている。本実施例においても第６の実施例と同様にどちらかの高周波電源をオン・オフ制御し、前述の第１ないし第５の実施例に示したように制御すればよい。
【００６０】
以上、本発明のこれら実施例によれば、スループットを低下させることなく、ウエハ毎の加工寸法の変動を抑え再現性良くウエハを加工することができるという効果がある。
【００６１】
なお、これら実施例でのエッチング処理のデータは、プラズマ処理装置の制御装置内に記憶させても良いし、半導体製造ラインをコントロールする上位制御装置に記憶させても良い。また、インターネットを利用したネットワークにより半導体メーカと製造装置メーカとをつなぎ、製造装置メーカに蓄えられたデータを利用するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるプラズマ処理装置の一例を示す全体構成図である。
【図２】図１の装置におけるエッチング装置部の詳細構成を示す縦断面図である。
【図３】図２に示す装置を用いたときの試料に印加する高周波電圧のオン・オフのデューティー比とＣＤゲイン、選択比および均一性のエッチング特性との関係を示す図である。
【図４】エッチング処理された試料の断面形状の測定（モニタ）値の一例を示した図である。
【図５】図２の装置を用いた処理の制御方法を示すフロー図である。
【図６】プラズマ処理室におけるＣＤゲインの初期値と、モニタの結果得られたＮ枚処理後のＣＤゲイン特性の例を示した図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示すエッチング装置部の構成を示す縦断面図である。
【図８】図７の装置を用いた処理の制御方法を示すフロー図である。
【図９】本発明の第３の実施例の制御方法を示すフロー図である。
【図１０】本発明の第４の実施例の高周波電圧の印加方法を示す図である。
【図１１】図１０の実施例の制御方法を示すフロー図である。
【図１２】図１０の高周波電力における高周波電圧のデューティー比とＣＤゲイン、高周波電圧の振幅と選択比および高周波電圧のデューティー比とエッチング速度の関係を示す図である。
【図１３】第５の実施例の制御方法を示すフロー図である。
【図１４】本発明が適用されるプラズマ処理装置の他の例を示す全体構成図である。
【図１５】本発明が適用されるプラズマ処理装置の他の例を示す全体構成図である。
【符号の説明】
１…真空処理装置、２ａ〜２ｄ…プラズマ処理室、３…真空搬送室、４ａ、４ｂ…ロック室、５…搬送装置、６…搬送ロボット、７…カセット台、８…カセット、９…検査装置、１０、１０ａ…制御装置、１１…オリフラ合せ、２０、２０ａ、２０ｂ…真空処理室、２１…誘電体窓、２２…アンテナ、２３…同軸導波管、２４…整合器、２５、７２、８１…高周波電源、２６…磁場コイル、２７、２７ａ、２７ｂ…下部電極、２８、２８ａ、２８ｂ…高周波バイアス電源、２９…ＥＳＣ電源、３０…排気口、３１…ガス供給装置、３２…ウエハ、３３…高周波電圧波形、３４…発光モニタ、７１…誘導コイル、８２…上部電極、１００…エッチング条件調整部。

Claims

高周波電圧を用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
前記高周波電圧は、１周期内が複数に時間分割されたサブ領域からなり、各サブ領域が異なる振幅でなり、前記複数のサブ領域の少なくとも１つの領域に対する印加電力を独立して制御可能で、
前記試料を処理する単位毎に、前記少なくとも１つのサブ領域の印加電力を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記複数のサブ領域の少なくとも１つの領域に対する前記高周波電圧の振幅及びデューティー比を制御可能で、前記試料を処理する単位毎に、前記少なくとも１つのサブ領域の前記高周波電圧の振幅及びデューティー比を制御するプラズマ処理方法。
請求項１に記載のプラズマ処理方法において、前記複数のサブ領域の少なくとも１つの領域に対する前記高周波電圧の振幅及びデューティー比を制御可能で、前記試料を処理する単位毎に、少なくとも１周期の振幅の大きいサブ領域の持間の割合を変えるプラズマ処理方法。
高周波電圧を用いて試料を処理するプラズマ処理方法において、
前記高周波電圧は、１周期内が複数に時間分割されたサブ領域からなり、各サブ領域に対する印加電力及び各サブ領域のデューティー比を独立して制御可能に構成されており、
前記試料の処理状態をモニタし、該処理状態の変化に応じて、前記試料を処理する単位毎に前記各サブ領域の印加電力及び／又は各サブ領域のデューティー比を帰還制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
請求項４記載のプラズマ処理方法において、
前記試料の処理状態をモニタし、該処理状態の変化に応じて、該試料に対する処理特性を維持するように、前記試料を処理する単位毎に前記各サブ領域の印加電力及び／又は各サブ領域のデューティー比を制御するプラズマ処理方法。
請求項４記載のプラズマ処理方法において、処理後に加工寸法を測定してその値に応じて高周波電圧のデューティー比を変えるプラズマ処理方法。
請求項４記載のプラズマ処理方法において、プラズマ発光強度を測定し、その測定値の変動に応じて高周波電圧のデューティー比を変えるプラズマ処理方法。
請求項４記載のプラズマ処理方法において、第１のサブ領域はＣＤゲインのフィードバック制御、第２のサブ領域は選択比のフィードバック制御、第３のサブ領域はＣＤゲイン及び選択比のフィードバック制御を行う期間とし、前記第１のサブ領域では印加電力を大きく設定し、ＣＤゲインに応じてデューティー比Ｔ１／Ｔを変えるプラズマ処理方法。
高周波電圧を用いて試料を処理するプラズマ処理装置において、
前記高周波電圧は、１周期内が複数に時間分割されたサブ領域からなり、各サブ領域に対する印加電力を独立して制御可能に構成されており、
前記試料を処理する単位毎に、前記各サブ領域の印加電力を制御するエッチング条件調整部を備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項９に記載のプラズマ処理装置において、前記各サブ領域に対する前記高周波電圧の振幅及びデューティー比を独立して制御可能に構成されており、前記試料を処理する単位毎に、前記高周波電圧の振幅及びデューティー比を制御するエッチング条件調整部を備えているプラズマ処理装置。
請求項９に記載のプラズマ処理装置において、前記高周波電圧は、１周期内が複数に時間分割されたサブ領域からなり、各サブ領域に対する印加電力及び各サブ領域のデューティー比を独立して制御可能に構成されており、前記試料を処理する単位毎に、前記各サブ領域の印加電力及び各サブ領域のデューティー比を制御するエッチング条件調整部を備えているプラズマ処理装置。
請求項９に記載のプラズマ処理装置は、真空容器内にプラズマを発生させるとともに前記真空容器内に設けられた試料台に高周波電圧を印加して、前記試料台に配置された基板を処理するプラズマ処理装置であって、前記試料台に接続された高周波電源と、前記高周波電源からの高周波電圧を周期的にオン・オフ変調する変調手段と、処理する基板毎あるいは複数の基板毎にオン・オフのデューティー比を変える制御手段とを具備したプラズマ処理装置。
請求項１２記載のプラズマ処理装置において、前記制御手段は前記基板の処理後に加工寸法を測定し、該値に応じて前記高周波電圧のデューティー比を変えるプラズマ処理装置。
請求項１２記載のプラズマ処理装置において、前記制御手段は、プラズマ発光強度を測定し、該測定値の変動に応じて前記高周波電圧のデューティー比を変えるプラズマ処理装置。