JP2009182094A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の製造工程で使用されるプラズマ装置に際して、チャンバー処理室内でウエハズレが発生した場合に、それを検知して修正する。
【解決手段】チャンバー処理室１にて、搬送アーム４２によりウエハ２を搬送し、下部電極３上に載置する。このウエハ２を下部電極３に吸着させプラズマ処理し、処理完了後にウエハ２をデチャックさせる。その後、赤外線センサー１６によってウエハ２の位置を確認する。その際に、赤外線センサー１６が反応した場合、反応方向にウエハがズレていることが検知される。赤外線センサー１６によりウエハズレを検知した場合、ウエハ位置フィードバックシステム４４によって搬送アーム４２にそのズレ方向とズレ量をフィードバックして、チャンバー処理室１に搬送アーム４２を挿入し、ウエハ２を搬出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造方法および製造装置に係り、特に、静電吸着により被処理体（半導体基板）を保持してプラズマ処理を行う製造方法および製造装置に関するものである。

従来の半導体装置の製造工程において、各種材料膜を形成する成膜工程や、配線やコンタクトホール等を形成する際のドライエッチング工程に、プラズマ処理が多用されている。図５は、このようなプラズマ処理に使用されるプラズマ処理装置の概略構成を示すものである。

はじめに、従来のプラズマ処理装置の構成を説明する。図５に示すように、プラズマ処理装置１００は、チャンバー処理室１とチャンバー予備室４１で構成されている。

気密されたチャンバー処理室１の内部に、例えば半導体ウエハ等の被処理体（以下、ウエハ２という）の載置台（ステージ）を兼ねる下部電極３を備える。下部電極３と対向する位置には、電磁波が透過可能な天板２１を介して、上部電極６が設けられている。上部電極６は、例えば平面状コイル等により構成される。下部電極３には、下部電極３に高周波電力を印加する高周波電源４が接続されている。また、上部電極６には、上部電極６に高周波電力を印加する高周波電源７が接続されている。

チャンバー処理室１の側壁には、材料ガスやエッチングガス等のプロセスガスをチャンバー処理室１内に導入するガス導入部９が接続され、側壁下部には排気部８が設けられている。

また、チャンバー予備室４１の内部には、ウエハ搬送機構である搬送アーム４２が設置されている。チャンバー処理室１とチャンバー予備室４１はゲートバルブ４３で仕切られている。

従来のウエハの処理方法について図５を参照しながら説明する。まず、ゲートバルブ４３が開き、ウエハ２を搭載した搬送アーム４２がチャンバー予備室４１からチャンバー処理室１へ挿入される。そして、リフトピン１５が上昇し搬送アーム４２より高い位置で停止し、ウエハ２が搬送アーム４２から離れる。その後、搬送アーム４２がチャンバー予備室４１に格納され、ゲートバルブ４３が閉まり、リフトピン１５が下降して、下部電極上３にウエハ２が載置される。

次に、ガス導入部９を通じてチャンバー処理室１内にプロセスガスを導入した状態で、高周波電源７が上部電極６に高周波電力を印加すると、チャンバー処理室１内にプロセスガスのプラズマが生成される。このプラズマによりウエハ２の表面がプラズマ処理される。このとき、高周波電源４は、バイアスを発生させるために、下部電極３に高周波電力を印加する。なお、チャンバー処理室１内の圧力は、排気部８の排気量を調整することにより、所定値に維持されている。

また、下部電極３上にウエハ２を固定するため、下部電極３には静電吸着電極が採用されている。公知のように、静電吸着電極は、電極が例えばポリイミド製の薄膜で挟持された構造を有している。この電極に、直流高圧電源１０から高圧直流電力を印加すると、下部電極３（静電吸着電極）の表面上に載置されたウエハ２が電気吸着力（静電吸着力）によって下部電極３に吸着保持される。

それと同時に、静電吸着電極では、例えばＨｅといった、不活性の媒体ガス（以下、バックサイドガスという）が、下部電極３に開口端を有するバックサイドガス導入路１１からウエハ２の裏面へ導入される。ウエハ２の裏面および下部電極３の表面は微視的には完全な平面ではないため、バックサイドガスはその隙間を流れる。このとき、バックサイドガス供給器１２から供給されるバックサイドガスの圧力（流量）は、バックサイドガス圧測定器１３の測定値をフィードバックし、ウエハ跳ねが生じない状態に、すなわち、直流高圧電源１０が印加する直流高圧電力による電気吸着力に抗して、ウエハ２が下部電極３の表面から離脱しない範囲に調整されている。

そして、ウエハ２のプラズマ処理が完了すると、直流高圧電源１０が直流高圧電力の印加を停止する、あるいは、印加する直流高圧電力を減少させることにより、下部電極３とウエハ２との間の電気吸着力が弱められる（以下、デチャックという）。その後、リフトピン１５が上昇して下部電極３とウエハ２との間に空間が形成される。この空間に搬送アーム４２が挿入され、ウエハ２が下部電極３上からチャンバー予備室４１へ搬出される。

前述したウエハの処理方法の際のデチャック時に、デチャック不良が頻繁に発生している。直流高圧電源１０が直流高圧電力の印加を停止した直後も、直流高圧電力に起因して発生した電荷はウエハ２から直ちに消失しない。このため、比較的大きな電気吸着力がウエハ２に残留する。

そうすると、リフトピン１５によりリフトアップする際に、その残留している電気吸着力により、ウエハ２の自重以外の応力がリフトアップの抗力として発生するため、応力のバランスが崩れ、ウエハ跳ねが発生する。この場合、ウエハ２がフォーカスリング５等のチャンバー１内の部材と接触し、ウエハ２上に異物が発生したり、ウエハ２にズレが発生したりする。

直流高圧電源１０が直流高圧電力の印加を停止した直後も、直流高圧電力に起因して発生した電荷がウエハ２から直ちに消失しない理由としては、下部電極３の表面状態（表面粗さ）の変化や漏れ電流の変化といった、経時劣化により、デチャック時での電気吸着力の除去が不十分になり、デチャック不良が発生する。

２００ｍｍまでのウエハ２の径であれば、下部電極３の面積が比較的小さい。したがって、表面状態や漏れ電流値の経時変化も小さく、電気吸着力の残留レベルの劣化は顕著ではなく、考慮するレベルではなかった。しかし、ウエハ２の径３００ｍｍへの大口径化によるウエハ面積拡大により、下部電極３への直流電圧印加量が大きくなるため、下部電極３表面は、直流電圧による電気的ダメージ、およびウエハ２の接触による物理的ダメージも大きくなり、表面状態の劣化が促進される。特に、クーロン力を利用して下部電極３にウエハ２を吸着させている方式であると、直流電圧印加量がそうでない方式に比べて大きいため、劣化の傾向は顕著である。

また、大口径化による下部電極３の経時劣化の促進は前記ばかりではない。例えば、バイアスを発生させる高周波電力の印加量が大きくなることで、ウエハ２に与えるバイアスも大きくなるため、下部電極３へ電気的なダメージを与える。また、ウエハ２表面の面内均一性向上は大口径化が進むにつれて困難になるため、今まで以上にチャンバーコンディションを安定させる必要がある。そのため、ウエハ２を下部電極３上に載置しない状態で処理するドライクリーニング（以下、ウエハレスドライクリーニングという）を行うプロセスが多数を占める。それにより、下部電極３表面に直接プラズマがさらされることで、電気的、物理的にダメージを与え、経時劣化を促進させているのである。

前記により、大口径化により下部電極３の経時劣化が促進され、同一のデチャック手法であっても残留吸着力の除去が不十分となり、デチャック不良が発生、ウエハ２のズレが頻発する。図６にウエハのズレ量における経時変化のグラフを示す。下部電極３の交換後からウエハ２のズレ量が徐々に大きくなっていることが分かる。一度ウエハのズレが生じると、ウエハ回収およびチャンバー開放、ウエハティーチングなど、多大なるダウンタイムが発生する。最悪の場合はウエハ割れも発生する。

デチャック時にウエハのズレを発生させない手法として、特許文献１には、ウエハガイドをウエハ周辺の要所に配置する手法が挙げられている。この手法では、ウエハをリフトピンによりリフトアップする際にガイドにより物理的にウエハ位置を修正している。

また、残留吸着力の大きさを監視／検知する手法として、特許文献２には、リフトピン応力を利用した監視／検知手法が挙げられている。この手法では、ウエハをリフトピンによりリフトアップする際に、リフトピンにかかる応力値を検出し、その値をもとにリフトピンの移動速度を制御し、ウエハズレが発生しないようにしている。
特開平８−１７２０７５号公報 特開平１１−２３３６０１号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、前記のようにウエハがフォーカスリング等のチャンバー内の部材と接触し、ウエハ上に異物を発生させる可能性が高く、歩留を落とすことが考えられる。例えば、３００ｍｍウエハでウエハがガイドと接触し、周辺より１０ｍｍ内側まで異物が発生した場合、それだけで歩留を１３％程度も落としてしまうことになる。大口径化と共に微細化が進められている昨今において、このような手法を用いることは不可能である。

また、特許文献２に開示された手法では、実際にリフトピンの応力値を検出した場合、それがバラツキの範囲であるか実際にデチャック不良を示す値かの判断は困難である。ウエハの裏面構造の違いによって、例えば酸化膜厚の違いが挙げられるが、絶縁容量が異なるため、残留する電気吸着力が異なり応力値が変化する。また、下部電極の表面状態や漏れ電流値の経時変化によっても応力値が変化する。したがって、応力値を監視することは可能であっても、その値をリフトピンの移動速度の制御へフィードバックさせることは不可能である。

また、ウエハズレの他の検知手法として、デチャック時のバックサイドガスの漏れ流量／圧力、下部電極の漏れ電流値の変化が挙げられる。しかしこれは、デチャック時のウエハズレの監視が目的ではなく、下部電極の経時変化の監視が目的である。ウエハズレに対してはパラメーターを用いた間接的な監視になるため、検知感度としては低い。例えば、バックサイドガスの漏れ流量／圧力値異常で検知しても、残留している電気吸着力が変化しているのか、バックサイドガスの流量／圧力そのものが変化しているかが切り分けできないため、ウエハズレが生じているかの判断はできない。

さらに、値に変化があったとしても、前記同様、実際にデチャック不良を示す値かの判断は、経時的な監視を行っていても困難である。これは下部電極の漏れ電流値の監視に対しても同様である。したがって、ウエハズレに対する検知はほとんどできないのが現状である。このため、ウエハズレを直接的に監視し、検知する手法が必要になってくるのである。

本発明は、前記従来技術において有するこれらの問題を解決することに指向するものであり、半導体装置の製造工程で使用されるプラズマ装置に際して、チャンバー処理室内でウエハズレが発生した場合であっても、それを検知し、修正可能である半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板をアームによってステージに設置する搬入工程と、半導体基板をステージに固定する工程と、半導体基板にプラズマ処理を施す工程と、プラズマ処理済み半導体基板のステージへの固定を解除する工程と、プラズマ処理済み半導体基板の位置を検出する工程と、プラズマ処理済み半導体基板をアームによってステージから搬送する搬出工程とを備え、位置検出工程では、光学センサーによって、半導体基板の位置を測定し、位置検出工程において測定した半導体基板の位置に基づいて、搬出工程におけるアームの動きを制御することを特徴とする。

また、請求項２〜４に記載した半導体装置の製造方法は、前述の製造方法における、光学センサーはＣＣＤ（Charge Coupled Device）であること、また、光学センサーは第１の半径の円周上に複数配置され、さらに第１の半径と同心円状の第２の半径の円周上にも複数配置されていること、また、光学センサーは半導体基板のノッチ部分を検出することを特徴とする。

また、請求項５に記載した半導体装置の製造装置は、プラズマ処理を行うチャンバーと、チャンバー内のステージと、チャンバーの上部をふさぐ天板と、天板の上方に位置する高周波発生源と、チャンバーに接続されたガス導入部および排気部と、チャンバーにゲートバルブを介して接続された予備室と、予備室とチャンバーの間でウエハを移動させるアームとを備え、天板に配置されたステージ上のウエハ状態を検知する光学センサーと、光学センサーの検知情報を処理してアームを制御するフィードバックシステムとをさらに備えたことを特徴とする。

前記方法および装置によれば、チャンバー内の天板に設けたＣＣＤ等の複数の光学センサーによって、半導体基板（ウエハ）のエッジ部近傍やノッチ部のズレ量、ズレ方向を確認，監視して、その出力結果によってアームの制御にフィードバックさせることから、デチャック時にウエハのズレが発生した場合であっても、そのズレ量を補正してウエハの搬送をすることができる。

本発明によれば、光学センサーによってウエハのズレ量、ズレ方向を確認，監視可能な機構を有し、その出力結果を搬送アームにフィードバックさせることが可能なシステムを備え合わせた半導体装置の製造装置によれば、デチャック時にウエハのズレが発生した場合であっても、そのズレ量を補正して安全にウエハを搬送することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明における実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示した図である。第１の実施形態におけるプラズマ処理装置２００について、図１を参照しながら説明する。ここで、本実施形態のプラズマ処理装置２００において、前記従来例を示す図５のプラズマ処理装置１００にて説明した構成要件に対応し同等の機能を有するものには同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。

そして、本実施形態においては、プラズマ処理装置２００の下部電極３上におけるウエハ２のエッジ部の上方に、下部電極３に対向する形で光学センサーである赤外線センサー１６を第１の半径の同心円状に３個配置する。この赤外線センサー１６は、下部電極３にセンタリングされて載置したウエハ２のエッジ部から０．５ｍｍ離れた点を検知できるように設置されている（図２参照）。

次に、第１の実施形態におけるプラズマ処理方法について説明する。チャンバー処理室１において、まず、搬送アーム４２によりウエハ２を搬送し、下部電極３上に載置する。それからウエハ２を下部電極３に吸着させてプラズマ処理を行う。処理完了後にウエハ２をデチャックさせ、その後に赤外線センサー１６によってウエハ２の位置を確認する。その際に、赤外線センサー１６が反応した場合、反応した方向にウエハがズレていることが検知される。

搬送アーム４２の搬送精度は片側０．２ｍｍであり、赤外線センサー１６は０．５ｍｍの場所に配置されているので、赤外線センサー１６が配置されている方向に、０．３ｍｍ以上のウエハズレが生じている場合は検知可能である。ウエハズレを検知した場合、ウエハ位置フィードバックシステム４４によって搬送アーム４２にそのズレ方向とズレ量をフィードバックさせる。その状態でチャンバー処理室１に搬送アーム４２を挿入し、ウエハ２を搬出する。そうすることで、ウエハズレが無い状態でウエハ２を安全に搬出することが可能になる。

本実施形態において、赤外線センサー１６を３個としたが、４個、５個とさらに多くすると、さらに位置ズレの感知精度を上げることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。図３に示すように、設置した赤外線センサー１６の、同心円状外側で第２の半径でさらに３個の赤外線センサー１７を配置する。この赤外線センサー１７は、下部電極３上にセンタリングされたウエハ２のエッジ部から、１．０ｍｍ離れた箇所を検知できるように設置する。そうすると、０．５〜１．０ｍｍのズレ、１．０ｍｍ以上のズレにズレ量を区分することができるので、搬送アーム４２にフィードバックさせる量を２段階に分けることが可能になり、より精度良くウエハズレを修正することが可能になる。

本実施形態において、赤外線センサー１６および１７を３個ずつとしたが、４個、５個とさらに多くすると、さらに位置あわせの精度を上げることができる。また、図３では、赤外線センサー１６に隣り合う外側に赤外線センサー１７を配置したが、赤外線センサー１６とはずらした位置の同心円状外側に赤外線センサー１７を配置させても良い。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本実施形態においては設置するセンサーを赤外線センサーからＣＣＤセンサーに変更する。これにより、点検知ではなく線検知が可能になるため、ズレ量／ズレ方向を点ではなく、線で検知することが可能になる。したがって、搬送アームに、さらに精度良くフィードバックさせることが可能になる。また、経時的にズレ量／ズレ方向を監視することが可能になるため、ウエハズレの再現性を確認することが可能になる。

（第４の実施形態）
最後に、本発明の第４の実施形態について図４を参照しながら説明する。本実施形態においては、設置するセンサーをＣＣＤセンサー１８にし、ウエハ２のノッチ部が監視できるようにウエハ２のノッチ部上方箇所に設置する。そのようにウエハ２のノッチ部のズレ量／ズレ方向を監視することにより、ＸＹ方向のズレだけでなく回転方向のズレを検知することが可能になる。回転方向のズレを検知した場合には、搬送アームでオリエンターといったウエハ回転機構（図示せず）までウエハ２を搬送し、回転方向のズレを修正することが可能になる。

以上の内容は、静電吸着により被処理体（ウエハ）を保持する載置台（ステージ）を備えるプラズマ処理装置の、全般に適用することができる。また、全実施形態を通して、センサーとともに処理室を照らす光源を設置しても良い。

本発明に係る半導体装置の製造方法および製造装置は、被処理体（ウエハ）がチャンバー処理室内でデチャック不良によりウエハズレが発生した場合でも、搬送アームにウエハを乗せる位置の修正を行って搬送ズレやウエハ割れなどが無く安全にウエハを搬送することができ、半導体装置の製造方法や装置として有用である。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す図 第１の実施形態における赤外線センサーの配置を示す図 第２の実施形態における赤外線センサーの配置を示す図 第４の実施形態におけるＣＣＤセンサーの配置を示す図 従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す図 ウエハのズレ量における経時変化を示すグラフ

符号の説明

１ チャンバー処理室
２ ウエハ
３ 下部電極
４，７ 高周波電源
５ 下部電極外周に配備されたプラズマを閉じ込めるための外周リング
６ 上部電極
８ 排気部
９ ガス導入部
１０ 直流高圧電源
１１ バックサイドガス導入路
１２ バックサイドガス供給器
１３ バックサイドガス圧測定器
１５ リフトピン
１６，１７ 赤外線センサー
１８ ＣＣＤセンサー
２１ 天板
４１ チャンバー予備室
４２ 搬送アーム
４３ ゲートバルブ
４４ ウエハ位置フィードバックシステム
１００，２００ プラズマ処理装置

Claims (5)

1. 半導体基板をアームによってステージに設置する搬入工程と、
   前記半導体基板を前記ステージに固定する工程と、
   前記半導体基板にプラズマ処理を施す工程と、
   プラズマ処理済み半導体基板の前記ステージへの固定を解除する工程と、
   前記プラズマ処理済み半導体基板の位置を検出する工程と、
   前記プラズマ処理済み半導体基板を前記アームによって前記ステージから搬送する搬出工程とを備え、
   前記位置検出工程では、光学センサーによって、前記半導体基板の位置を測定し、前記位置検出工程において測定した前記半導体基板の位置に基づいて、前記搬出工程における前記アームの動きを制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記光学センサーはＣＣＤ（Charge Coupled Device）であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記光学センサーは第１の半径の円周上に複数配置され、さらに前記第１の半径と同心円状の第２の半径の円周上にも複数配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記光学センサーは半導体基板のノッチ部分を検出することを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
5. プラズマ処理を行うチャンバーと、
   前記チャンバー内のステージと、
   前記チャンバーの上部をふさぐ天板と、
   前記天板の上方に位置する高周波発生源と、
   前記チャンバーに接続されたガス導入部および排気部と、
   前記チャンバーにゲートバルブを介して接続された予備室と、
   前記予備室と前記チャンバーの間でウエハを移動させるアームとを備え、
   前記天板に配置された前記ステージ上のウエハ状態を検知する光学センサーと、前記光学センサーの検知情報を処理して前記アームを制御するフィードバックシステムとをさらに備えたことを特徴とする半導体装置の製造装置。

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