JP3665265B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプラズマ処理装置にかかり、特に制御されたプラズマを用いて半導体ウエハを処理するプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子の高集積化にともない回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。また、生産性向上の目的でウエハサイズの大口径化が進んでいるほか、素子の性能を向上するめに新材料の適用や配線構造の変更が検討されている。これらの新技術にともない新しいプロセス技術の開発が進められてきている。しかし、このプロセス技術の開発は非常に困難かつコストのかかるものとなってきている。
【０００３】
このような状況の中、同じ種類の製造装置で同様の処理を実施しても処理結果が異なってきてしまう装置の機差の問題や、処理枚数を重ねるにつれて処理結果が変化してきてしまう経時変化の問題が大きくなってきている。これらの問題は結果として装置稼働率の低下や、異物による歩留まりの低下、プロセス技術開発期間の長期化、プロセス技術開発のコスト増大などを引き起こすため非常に重要な問題である。
【０００４】
半導体製造装置のうちプラズマを用いてウエハの処理をおこなう装置、例えばプラズマエッチャやプラズマＣＶＤなどでは、プラズマの状態をモニタリングし、この結果から各種のパラメータを制御し処理結果の制御することが問題解決の方法となる。このような製造プロセスの構築や監視を行う上で、プラズマの特性、特に電子密度や電子温度の情報を把握することは非常に重要である。
【０００５】
従来、プラズマを利用する処理装置や処理方法におけるプラズマ特性測定では、マイクロ波干渉法など電磁波を用いる測定法やラングミュアプローブ法が使われてきた。
【０００６】
マイクロ波干渉測定法は、プラズマが生成している容器の壁に、プラズマを挟んで対向する窓を設け、一方の窓からマイクロ波を入射し、他方の窓から出射してきたマイクロ波を検出し、入射マイクロ波と出射マイクロ波の間の位相差に基づいて、電子密度を求める方法である。
【０００７】
また、ラングミュアプローブ法は、プラズマ中に微小な金属プローブ（電極）を挿入してプラズマに晒し、プローブに直流バイアス電圧や高周波電圧を印加したときの電流の変化により、電子密度や電子温度を求める方法である。
【０００８】
しかし、前記電磁波を用いる測定法は装置が複雑で扱いが困難であるという問題がある。すなわち、大掛かりで高価な装置や難しいマイクロ波伝送路の調整が必要である上に、マイクロ波の入射窓や取り出し窓を清浄に保たなければ必要な精度が得られないからである。
【０００９】
また、プラズマ中に電極を挿入する前記ラングミュアプローブ法は、電極材料による被処理物の汚染や、プローブ表面に絶縁性の堆積膜がつくと測定ができなくなるため、長時間の測定が困難であるなどの欠点があった。また、プローブ構造物から発生する異物が生産の歩留を下げる危険性が高い為、電磁波法と同様、生産現場では使われていなかった。また、容量結合プラズマ源を用いた装置においては、プラズマ中の高周波電界強度が非常に強い為、前記プローブ法では、プローブの電圧−電流特性が高周波電界によって乱される為、正確な測定ができないという欠点があった。
【００１０】
そこで、近年は、これらの欠点をできる限り克服した計測法が開発されている。代表的なものが、特開平８−２２２３９６号公報に示される、壁に電極を取り付けてプラズマ特性を測定する方法である。これは、自励電子共振分光という原理に従って、プラズマ中で発生する直列共振の共振周波数より電子密度を求める方法である。また、別の代表例が、特開２０００−１００５９９号公報に示された高周波プローブ法である。これは、絶縁物で覆われた電極より、高周波をプラズマ中に放射し、その反射波の対高周波周波数特性より、プラズマによる高周波の強い吸収が生じる周波数を求め、この周波数より電子密度を求める方法である。
【００１１】
一方、プラズマの電子密度や電子温度ではなく、これらの代りとなる数値を測定する計測法も開発されている。その代表例が、特願２０００−０８８５０３号公報に示された被加工物から見た高周波の負荷インピーダンスを測定する方法である。この方法で測定された負荷インピーダンスは、装置の高周波インピーダンスおよびプラズマの高周波インピーダンスの合成インピーダンスであるので、これによりプラズマの状態の情報を得ることが可能である。この方法では、特別なセンサーや電極を被処理物付近のプラズマ中に挿入すること無く、プラズマの情報を得ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの新しい計測法にも問題はある。前記特開平８−２２２３９６号公報に示される自励電子共振分光法は、プラズマを発生させる容器の壁にセンサーを取り付ける為、得られるプラズマの情報はプラズマ容器壁と高周波放射部の間の平均的な電子密度である。プラズマによる加工では、プラズマを生成する放電電極周辺でどのようなプラズマが生成したか、あるいはその結果、被加工物周辺でプラズマの特性がどのようになっているかによって加工性能が決まる為、平均的な電子密度では加工状態の情報が少なくなってしまう。
【００１３】
また、前記特開２０００−１００５９９号公報に示された方法では、センサー表面に絶縁性の膜が堆積しても連続して測定できるという長所があるが、被加工物周辺のプラズマの情報を得ることは難しいという問題が残っている。これは、プローブを被加工物周辺へ近づけると、プローブ自体がプラズマ特性を乱すことにより加工が正常に行われなくなること、また、プローブ表面に堆積した膜が剥がれて被加工物への異物となり、正常な加工ができずに歩留が低下する危険性がある為、生産ラインの装置では被加工物周辺にプローブを挿入できないからである。
【００１４】
一方、前記特願２０００−０８８５０３公報に示された負荷インピーダンスを測定する方法は、装置インピーダンスとプラズマインピーダンスの分離が困難である為、負荷インピーダンスの絶対値やその変化が、装置状態やその変化に由来するものか、プラズマ特性やその変化に由来するものかを判断することが困難であるという問題点がある。
【００１５】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、特別なセンサを被加工物周辺のプラズマ中に挿入すること無く、被加工物近傍の電子密度と電子温度の情報を取得することのできるプラズマ処理装置を提供する。また、前記取得した情報をもとにプラズマ処理装置およびその加工プロセスを制御する半導体製造装置の制御装置を提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１７】
半導体ウエハを保持するウエハステージを有する真空処理室、該真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ発生手段、および前記ウエハステージに高周波バイアス電圧を印加する高周波電源を備えたプラズマ処理装置本体と、該プラズマ処理装置本体の各種パラメータを制御する制御装置を備えたプラズマ処理装置において、
前記制御装置は、ウエハステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差をもとに、ウエハステージの高周波入力点からウエハステージを介してステージ上に載置したウエハに至る高周波回路の等価回路を用いて、ウエハからプラズマを介して接地された装置に至る回路の負荷インピーダンスの実成分及び虚成分を算出し、該算出値をもとにパラメータを制御することを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図１ないし図６を用いて説明する。図１は本実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す図である。図において、１は処理ガスであり、ガス配管９を介して真空処理室内に導入される。２はプラズマを生成するための高周波電源、３はコイルであり、前記高周波電源２が印加される。４は前記コイル３の作る電場および磁場によりプラズマ状態となった前記処理ガスである。５は被処理物である半導体ウエハ、６は半導体ウエハ５を載置するウエハステージ、７は誘電体で形成した構造物、８はインピーダンス整合器、９はガス配管である。１０は接地した金属で形成した構造物であり、前記構造物７と協働して真空処理室を形成する。１１はプラズマの圧力を圧力制御機である。１２はターボ分子ポンプ、１３はドライポンプであり、処理ガスおよび反応生成物を排気する。１４はウエハを静電吸着するための直流電源、１５は高周波を遮断するためのフィルタ、１６は高周波電源１８から供給される高周波の電圧、電流および電圧と電流の位相差を検出するセンサ、１７はインピーダンス整合器、１８は高周波電源であり、ウエハに高周波バイアスを印加し、プラズマ中のイオンをウエハに引き込む。１９は制御装置を構成するコンピュータであり、センサ１６の出力を解析し、解析結果に基づいてプラズマ処理装置を制御する。
【００１９】
ガス配管９により誘電体による構造物７と接地された金属構造物１０より構成される処理室内に導入された処理ガス１は、高周波電源２からインピーダンス整合器８を通して高周波電圧を印加されたコイル３の作る磁場と電場によりプラズマ状態４となる。被処理物である半導体ウエハ５はウエハステージ６上に搭載されている。半導体ウエハにプラズマ中のイオンを効果的に引き込む為、ウエハに高周波バイアスを印加することを目的として、高周波電源１８がインピーダンス整合器１７を通してウエハステージに接続されている。また、インピーダンス整合器１７の出口には、高周波電源１８からの高周波を遮断するフィルタ１５を介して、直流電源１４が接続されており、ウエハを静電気によりウエハステージに吸着する。インピーダンス整合器１７の出口とウエハステージ６の間には、高周波電源１８より印加された高周波の電流および電圧および電圧と電流の位相差を測定するセンサ１６が取り付けられている。センサ１６の出力は、コンピューター１９によって集められ解析される。また、１１はプラズマの圧力を制御する圧力制御機であり、処理ガスや反応生成物はターボ分子ポンプとドライポンプを介して排気される。
【００２０】
図２は、半導体ウエハに流れる電流、半導体ウエハに発生する電圧および半導体ウエハからプラズマを介して接地された装置の間の負荷インピーダンスを求める方法を説明する図である。図において、１０は処理室の接地電位、２４は負荷インピーダンスである。ウエハステージ６は、図２では点線で表しており、点線で囲まれた領域に示してあるのが、ウエハステージの等価回路である。この等価回路は、高周波の入力点２５から、電力線を表すインダクタンス２０、電力線と接地電位間の容量成分を表すコンデンサ２１、ウエハを静電気で吸着する為の誘電膜の抵抗性分２２と容量成分２３から成り立っており、ウエハを表す出力点５を通して負荷インピーダンス２４とつながっている。本実施形態では、抵抗性分２２のインピーダンスは容量成分２３のインピーダンスより十分大きい為、抵抗性分２２のインピーダンスは無視することができる。
【００２１】
センサ１６でピックアップされた高周波の信号は、コンピュータ１９で解析され、高周波の入力点２５の電圧Ｖ_０、入力点２５における電流Ｉ_０、およびＶ_０とＩ_０の位相差θが得られる。この結果、高周波の入力点２５から見た全負荷インピーダンスをＺ_０＝Ａ＋ｊＢとおくと、Ａ＝Ｖ_０／Ｉ_０＊ｃｏｓθ、Ｂ＝Ｖ_０／Ｉ_０＊ｓｉｎθとなる。但し、
ｊ＝（−１）^１／２であり、Ａ，Ｂはそれぞれ、負荷インピーダンスＺ_０の実抵抗性分と、虚数成分を表す。
【００２２】
一方、負荷インピーダンス２４を実抵抗性分ａと虚数成分ｂを用いてＺｐ＝ａ＋ｊｂとおき、容量成分２３のインピーダンスをＸｓｄｃ、容量成分２１のインピーダンスをＸｃ、インダクタンス成分２０のインピーダンスをＸＬとおくと、図２の等価回路を解くことにより、式１および式２が得られる。
【００２３】
【式１】

【００２４】
【式２】

この関係を連立方程式として解けばａ，ｂが得られ、負荷インピーダンス２４を決定できる。また、半導体ウエハに発生する電圧と図２にＩ_１で示した半導体ウエハに流れる電流は、容量成分２１に流れる電流をＩ_２で表すと、キルヒホッフの法則より、式３および式４が成り立つ。
【００２５】
【式３】

【００２６】
【式４】

ここで、Ｉ_１＝α＋ｊβとおくと、αおよびβはそれぞれ、α＝Ｉ_０Ｘｃ（Ｘｓｄｃ−ｂ−Ｘｃ）／｛（Ｘｓｄｃ−ｂ−Ｘｃ）^２＋ａ^２｝、β＝−ａＩ_０Ｘｃ／｛（Ｘｓｄｃ−ｂ−Ｘｃ）^２＋ａ^２｝となる。このαが、半導体ウエハに流れる実電流であり、βが誘導電流である。このとき、半導体ウエハに発生する電圧Ｖｗは、Ｖｗ＝Ｚｐ＊Ｉ_１で決定できる。
【００２７】
以上のように、ウエハステージの等価回路を用いると、ウエハステージ入り口で測定した電圧、電流およびそれらの位相差から、半導体ウエハに発生する電圧と半導体ウエハに流れ込む実電流、誘導電流および負荷インピーダンスの実抵抗性分と虚数成分を導出することができる。この等価回路は、ウエハステージの構造の相違により回路素子（キャパシタンス、抵抗、リアクタンス）の構成やそのインピーダンスが変化し、また、回路構成そのものが変化する。さらに、高周波電源１８の周波数によってそのインピーダンスが変化する。しかし、等価回路が正確である限り、必ず同じ手法により、ウエハステージ入り口で測定した電圧、電流およびそれらの位相差から、半導体ウエハに発生する電圧と半導体ウエハに流れ込む実電流、誘導電流および負荷インピーダンスの実抵抗性分と虚数成分を導出することが保証される。
【００２８】
次に、半導体ウエハ近傍のプラズマの電子温度と電子密度を測定する手法を説明するため、まず最初に、ダブルプローブ法の原理を図３を用いて説明する。図３はダブルプローブ法の基本的な回路構成を示す図である。図に示すように、プラズマ４の中に、近接した２本の等しい形状と面積を持つプローブＰ_１，Ｐ_２を挿入する。この二つのプローブＰ_１、Ｐ_２の間に可変電圧電源３１を接続し電圧Ｖｄを供給する。このとき、Ｖｄを変化させると、このプラズマ４を含む閉回路には電流Ｉｐが流れる。このとき、常に、プローブＰ_１側に流れる電流Ｉ_ｄ１とプローブＰ_２側に流れる電流Ｉ_ｄ２では、Ｉｐ＝Ｉ_ｄ１＝Ｉ_ｄ２の関係が成立する。但し、電流Ｉ_ｄ１はプローブＰ_１から流出する方向に流れるのに対し、電流Ｉ_ｄ２はプローブＰ_２に流入する方向に流れる。つまり、電流の向きが逆である為、Ｐ_１とＰ_２のどちらか一方にプラズマからの電子電流が流れ、他方にはプラズマからのイオン電流が流れ込むことになる。仮に、Ｐ_１の電位がＰ_２の電位より高いとすると、Ｐ_１には電子電流が流れ込み、Ｐ_２にはイオン電流が流れ込むことになる。このようなダブルプローブの閉回路において、Ｖｄを変化させた時の電流Ｉｐを測定し、ダブルプローブの電流・電圧特性を得ることができる。
【００２９】
次に、ダブルプローブに流れる電流とプローブ電位の関係を図４を用いて説明する。プラズマ中では常に電子とイオンが拡散している為、プラズマは電子電流Ｉｅとイオン電流Ｉｉの供給源となり得る特性を持っている。ＩｅとＩｉは図４中に太い実線で示してある。プローブの電位に従って、プローブに流れる電子電流とイオン電流の絶対値は異なる為、プローブの電位に対して流れるプローブ電流Ｉｐのプローブ電位依存性は、図４中の点線で示したようになる。ここで、Ｉｐ＝−Ｉｅ＋Ｉｉなる関係が常に成立する。これは、プラズマからプローブへの電子とイオンの拡散によって決まる性質である。電源３１によってプローブＰ_１、Ｐ_２に印加される電圧Ｖｄ＝０Ｖの場合、プローブはある電位Ｖ_ｆに帯電し、プローブには見かけ上電流が流れ込まなくなる。つまり、Ｉｐ＝０Ａであり、Ｉｅ＝Ｉｉである。これは、閉回路を形成するＰ_１，Ｐ_２が電気的に浮いている為であり、プラズマの準中性条件からくる特性である。この帯電電位Ｖ_ｆはプラズマ浮遊電位と呼ばれている。次に、Ｖｄ≠０Ｖの時、プローブＰ_１はＶ_ｆより正の電位Ｖ_１に、逆にプローブＰ_２にはＶ_ｆより負の電位Ｖ_２にそれぞれずれて、プローブ電流Ｉｐ＝Ｉ_ｄ１＝Ｉ_ｄ２が流れる。このとき、Ｖ_ｄ＝Ｖ_１−Ｖ_２の関係が成立する。電子電流Ｉｅの変化はイオン電流Ｉｉの変化と比べて急峻である為、印加した電圧Ｖｄの大部分は、Ｖ_２側にずれる。従って、｜Ｖ_１−Ｖ_ｆ｜＜｜Ｖ_ｆ−Ｖ_２｜の関係が常に成立する。印加電圧Ｖｄを変化させるとＩｐも変化するが、閉回路を形成している為、Ｉｐの最大値は常にイオン電流Ｉｉで制限を受ける。従って、印加電圧Ｖｄを増大させると、Ｉｐは最終的にイオン電流で飽和する特性を持つことになる。
【００３０】
このようにして得られた印加電圧Ｖｄとプローブ電流Ｉｐの関係を図５に示す。ある極性のＶｄに対して得られる電流・電圧特性は、図５の実線で示した特性の例えば右半分になる。印加電圧Ｖｄの極性を逆にして変化させると、逆に左半分の特性が得られる。つまり、ダブルプローブの電圧・電流特性の図形的な特徴は軸対象をしていることである。この特性からプラズマの電子温度と電子密度を求めるには、三つの量を読み取る必要がある。一つは、電流の飽和特性を示している部分の傾き（ｄＩｐ／ｄＶｄ）_{Ｉｐ＠ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ}である。二つ目は、この直線を外挿し、Ｖｄ＝０Ｖの時の電流値Ｉ_ｐ０である。三つ目は、Ｖｄ＝０Ｖの時、つまりプローブがプラズマ浮遊電位Ｖ_ｆにある時の電流電圧特性の傾き（ｄＩｐ／ｄＶｄ）_{Ｖｄ＝０Ｖ}である。この傾きは、Ｖｄ＝０Ｖにおける実抵抗値の逆数であることが重要である。つまり、（ｄＩｐ／ｄＶｄ）_{Ｖｄ＝０Ｖ}＝１／Ｒ_＠Ｖｆである。この三つの量より、式５を用いて電子温度を決定できる。
【００３１】
【式５】

ここで、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ_ｅ：電子温度、ｅ：素電荷、ΣＩ_ｉ＝２Ｉ_ｐ０である。Ａ_１，Ａ_２はそれぞれＡ_１＝４，Ａ_２＝３．２８である。また、式６により電子密度を算出できる。
【００３２】
【式６】

ここで、κ：係数（＝０．６１）、Ｎ_ｅ：電子密度、ｍ_ｉ：イオンの質量、Ｓ_ｐ：プローブ（半導体ウエハ）表面積である。
【００３３】
次に、ウエハステージ入り口で測定した電圧および電流とそれらの位相差から、プラズマ中における半導体ウエハの高周波特性を求め、これより電子温度と電子密度を解析するのに必要な上記三つの量を導出する方法を説明する。この目的の為、半導体ウエハに高周波電圧を印加した時の、印加電位とプラズマから半導体ウエハに流れ込む実電流の関係を図６を用いて説明する。半導体ウエハの電位に対する実電流の依存性は、半導体ウエハの電位がプラズマ浮遊電位より負にある時はイオン電流が流れ、半導体ウエハの電位がプラズマ浮遊電位より正にある時は電子電流が流れる。これは、図４で説明したダブルプローブへのプラズマからの電子とイオンの拡散によって決まる性質と全く同じである。半導体ウエハの面積はダブルプローブで測定で使われるプローブの面積より数千から数万倍大きい為、面積が大きい分だけ半導体ウエハに流れ込む電流の絶対値は大きくなるが、その電位依存性は図４のＩｐと全く同じである。
【００３４】
半導体ウエハに高周波電圧Ｖｒｆが印加されていない時、つまりＶｒｆ＝０の時、半導体ウエハは、ダブルプローブの時と同様、プラズマ浮遊電位Ｖｆに帯電する。これは、半導体ウエハが電気的に浮いているからであり、ダブルプローブの時と全く同じ原理によって生じる現象である。従って、等量の電子とイオンが半導体ウエハに流れ込んでいる状態にあり、見かけ上、電流は流れない。次に、Ｖｒｆ≠０Ｖの時、高周波の１周期の中で、高周波電位がプラズマ浮遊電位Ｖｆより正にある場合は電子電流が半導体ウエハに流れ込み、高周波電位がプラズマ浮遊電位Ｖｆより負にある場合はイオン電流が半導体ウエハに流れ込む。但し、半導体ウエハに流れ込む電子電流とイオン電流が等しくない場合、半導体ウエハには電荷が蓄積されることになり、半導体ウエハの電位がＶｆからずれる。ダブルプローブの場合と同じく、半導体ウエハに流れ込む電子電流の電位依存性は、イオン電流の電位依存性より急峻に変化する為、半導体ウエハには電子が蓄積することになる。従って、半導体ウエハの時間平均した電位、つまりＤＣ電位はプラズマ浮遊電位Ｖｆより低くなる。この結果、半導体ウエハの高周波電位は、プラズマ浮遊電位Ｖｆより低い電位を中心に振動することになり、半導体ウエハにはより多くのイオン電流が流れ込むようになり、逆に電子電流の流入は少なくなる。この半導体ウエハの時間平均した電位の低下は、半導体ウエハに流れ込む電子電流とイオン電流が等しくなり、半導体ウエハにこれ以上の電荷の蓄積が無くなるまで続く。この結果、図６に示したように、ウエハの電圧波形は、ある帯電電位Ｖｄｃを中心に振動することになる。このとき、図６に示すように高周波の１周期内で、半導体ウエハに流れ込む電子電流とイオン電流の総和は等しくなる。このような半導体のウエハ電位に生じるｄｃシフトは、自己バイアス作用と呼ばれており、これも、プラズマの準中性条件より生じる現象である。また、ダブルプローブの場合と同じく、半導体ウエハに流れ込む電流はイオン飽和電流によって制限される。 これまでのダブルプローブの原理と半導体ウエハに流れる実電流の説明でわかるように、ダブルプローブにおけるプローブ電圧Ｖｄに対するプローブ電流Ｉｐの依存性と、半導体ウエハに印加した高周波電位Ｖｒｆに対する高周波実電流の依存性は全く同じになる。異なる点は、ダブルプローブでは、二つのプローブの間で常に電子電流とイオン電流が等しい条件が成り立っているのに対し、半導体ウエハの場合高周波の１周期内で電子電流とイオン電流が等しくなるという条件が成り立っていることである。ダブルプローブの場合はＤＣ電圧を使って電圧−電流特性を得るのに対し、半導体ウエハの場合は、高周波電圧を使ってダブルプローブと同じ電圧−電流特性を得ることになる。
【００３５】
以上述べたように、ダブルプローブ法およびウエハに高周波電圧を印加した時に流れる電流の性質は良く知られたものであるが、本発明はこれらが等価の原理によって生じる現象である点に着目し、ウエハに印加した高周波の電流・電圧特性より、ダブルプローブ法と同じ電流・電圧特性を採取できることを証明することによって成立しているものである。従って、本発明の場合、ダブルプローブ特性を得る代りに、半導体ウエハに流れ込む実電流値Ｉｗｒの高周波電圧Ｖｒｆ依存性を採取すれば良いことになる。この電流−電圧特性より、容易に、電流の飽和特性を示している部分の傾き（ｄＩｐ／ｄＶｄ）_{Ｉｐ＠ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ}＝（ｄＩｗｒ／ｄＶｒｆ）_{Ｉｗｒ＠ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ}と、この直線を外挿したときのＶｒｆ＝０Ｖの時の電流値Ｉ_ｐ０を得ることができる。また、（ｄＩｐ／ｄＶｄ）_{Ｖｄ＝０Ｖ}＝（ｄＩｗｒ／ｄＶｒｆ）_{Ｖｒｆ＝０Ｖ}＝１／Ｒ_＠Ｖｆは、Ｖｒｆ＝０Ｖの時の半導体ウエハから見た負荷インピーダンスの実抵抗値の逆数であれば良いことがわかる。但し、Ｖｒｆ＝０Ｖの時の実抵抗値は直接測定できないことから、実抵抗値のＶｒｆ依存性を測定し、これを外挿することによりＶｒｆ＝０Ｖの時の実抵抗値を求めるという手法を用いる。これらの三つの数値を高周波測定によって求めることにより、（式５）（式６）を用いて半導体ウエハ近傍の電子温度と電子密度を決定することができる。
【００３６】
次に、ウエハに印加した高周波の電流・電圧特性より、ダブルプローブ法と同じ電流・電圧特性を採取できることを証明するため、本発明の第１の実施例による具体的なプラズマ特性測定例について説明する。図１に示す真空容器の内部の空間がアルゴンガスで０．４Ｐａになるように、アルゴンガス流量と圧力調整機１１を調整した。そして高周波電源２より１３．５６ＭＨｚの高周波１ｋＷをコイル３に印加し、インピーダンス整合器８を調整してプラズマ４を発生させた。そして、ＤＣ電源１４を用い、半導体ウエハ５として８インチシリコンウエハをウエハステージ６に吸着させた。高周波電源１８から８００ｋＨｚの高周波電力を１０Ｗから６５Ｗの範囲で印加し、その時の高周波電流・電圧とこれらの位相差をセンサ１６で測定し、データをコンピュータ１９に取り込んだ。また、図示していないが、シングルプローブをシリコンウエハ中央上方１１ｍｍの位置に設置し、プラズマ特性を測定した。この結果、図７に示す結果が得られた。図７は、負荷インピーダンスの実抵抗値のシリコンウエハに発生した高周波電圧Ｖｒｆに対する依存性を示している。これを直線で外挿することにより、Ｖｒｆ＝０Ｖの時の抵抗値として４．８９Ωを得た。また、図８は、シリコンウエハに流れ込んだ実電流のシリコンウエハに発生した高周波電圧Ｖｒｆに対する依存性を示している。この飽和部分を直線で近似することにより、その傾きとして０．０１５６およびＶｒｆ＝０Ｖの時の電流値として１．２１Ａを得た。この結果を（式５）（式６）に代入することにより、電子温度として３．１６ｅＶ、電子密度として１．４６×１０^１１ｃｍ^−３を得た。
【００３７】
一方、前記シングルプローブの測定では、電子温度として２．８０ｅＶ、電子密度として１．２０×１０^１１ｃｍ^−３を得た。すなわち、両者の値が極めて良く一致していることが分かった。従って、本方法の有効性が示された。
【００３８】
このように、本発明によると、半導体ウエハ近傍に測定センサを挿入すること無くプラズマ特性を測定することができるので、製品の歩留の低下を心配すること無くプラズマの特性を測定できる。さらに、半導体製造装置の大気側に測定センサーを取り付けるだけなので、センサの取付けが簡単であり、既存の半導体製造装置に大幅な改造を施すこと無くプラズマ測定ができるという利点がある。また、半導体ウエハの加工に直接影響する半導体ウエハ近傍のプラズマ特性を測定できるので、半導体ウエハの加工状態を調べるのに最適である。さらに、本発明は次のように使うこともできる。つまり、ある標準状態のプラズマを発生させておき、そのプラズマ特性を本発明により測定する。そして、ある一定時期毎に、標準状態のプラズマの特性を測定し、その変化を調べる。このようにすることにより、装置の経時変化や装置異常等の監視をすることにも使える。この変化の情報で装置停止や装置メンテナンスの時期を決定することも考えられる。例えば、プラズマ特性をモニタしながらエッチング処理枚数を重ねていき、ある処理後に急激なプラズマ特性の変化を認めた場合、何らかの異常が起きたと容易に予想できる。つまり、エッチング処理が正常に進行しているかどうかのモニタとしても利用可能であり、この場合装置に異常が発生したことが即座に判断できるのでウエハの無駄を最小限に押さえることができる。
【００３９】
また、標準状態のプラズマの特性が変化した時、装置の制御パラメータを操作することにより、標準状態のプラズマが変化しない様に制御することもできる。このような制御パラメータとしては、例えば、プラズマを発生させるための高周波電圧の周波数または電力、ウエハステージに印加する高周波電圧の周波数または電力、真空チャンバの壁の温度、ウエハの温度、処理圧力、処理ガスの流量、処理ガスの混合比、プラズマに印加する磁場、エッチング時間、などが挙げられる。また、これらのパラメータを複数個組み合わせて制御することも考えられる。
【００４０】
本実施例に基づく処理方法で製造した半導体製品には、重要な利点がある。すなわち、常にウエハの処理が一定の条件の範囲で行われるために非常に再現性の良い処理が施されることになる。このため製品間の性能のばらつきがない、信頼性が高い製品を得ることができる。したがって、製造時の歩留まりもよいためコストが低く、低価格の製品となる。
【００４１】
以上のように、本発明によれば、ウエハ近傍のプラズマの電子温度と電子密度を正確に決定できる。しかし、その決定には、高周波電圧をパラメータとして変化させなければならないという問題があり、このため、例えば、エッチング中の電子温度やプラズマ密度を連続して測定できないという問題が発生する。なぜならば、エッチング中には高周波電圧を一定に制御しなければならないからである。しかしながら、本発明によって明らかになったことは、半導体ウエハから見た負荷インピーダンスの実抵抗性分が電子温度の決定に使えることであり、半導体ウエハに流れ込む実電流がプラズマ密度の決定に使えることである。このことは、例えばエッチング中にある一定の高周波電圧の条件で負荷インピーダンスの実抵抗成分をモニタすれば、電子温度の変化の情報が得られることである。また、同様に、半導体ウエハに流れる実電流成分をモニタすれば、電子密度の変化の情報が得られるということである。この方法を用いると、たとえ、半導体ウエハの加工中であっても、プラズマ特性の監視が可能になる。
【００４２】
このように、負荷インピーダンスを実抵抗性分と虚数成分に分けて監視する、あるいは半導体ウエハに流れ込む電流成分を実電流成分と誘導電流成分に分けて監視するという方法は、別の効果を生じる。例えば、プラズマ特性が大きく変化したとすると、負荷インピーダンスの前記２成分も、電流の前記２成分も変化することになる。しかしながら、装置の壁に堆積した膜が剥がれ落ちた場合は、膜は、コンデンサとしてしか働かない為、負荷インピーダンスの前記２成分のうち虚数成分と、電流の前記２成分のうち誘導電流成分が主に変化することになる。つまり、前記４成分の変化の程度を比較することにより、変化したのがプラズマであるのか装置なのかを区別することができる。すなわち、この方法を採用することにより、半導体ウエハの加工状況の監視や装置の経時変化の監視において、何が変化したのか、その原因は何であるかの特定作業を容易化することができる。
【００４３】
また、この方法を発展させると、ある標準状態で測定した電子温度やプラズマ密度が変化していないのに、電流の前記誘導成分や負荷インピーダンスの前記虚数成分が変化していたとすると、例えば、装置に膜が堆積したと判断することができる。負荷インピーダンスの前記虚数成分の変化量から、堆積膜の静電容量を計算することにより、堆積膜の膜厚を計算することもできる。なぜなら、静電容量Ｃと膜の厚さｄは、膜の誘電率εと堆積する壁の面積Ｓを用いて、単純にＣ＝εＳ／ｄで関係づけられるからである。つまり、本発明は装置の内壁に堆積した膜の厚さを監視することにも使える。以上のように、前記４成分の変化および電子温度や電子密度の変化のパターンを半導体加工装置や加工プロセスの状態と照らし合わせることによって関連付けをしたデータベースを作成することにより、半導体ウエハの加工状況の監視や装置の経時変化の監視において、何が変化したのか、その原因は何であるかの特定作業を容易化することができる。経時変化の原因としては、プラズマおよびプラズマ処理装置の電気インピーダンスに関すること項はすべて対象とすることができ、例えば、半導体加工装置の再組み立てをした時の組立再現性、半導体加工装置の出荷時の検査、結線の不良や装置の特定部への絶縁膜堆積によるによるアースの劣化等が考えられる。
【００４４】
次に、図９を用いて、本発明の第２の実施例について説明する。前記第１の実施例においては、プラズマ測定に際して半導体ウエハのバイアスを変化させなければならない為、半導体ウエハの加工中のプラズマ特性が測定できないことは前述の通りである。図において３５および３６は、この問題を回避する為に新たに追加した高周波電源およびインピーダンス整合器である。このとき、高周波電源３５と前記高周波電源１８の周波数は異なっていなければならない。また、インピーダンス整合器３６には高周波電源１８の電力が高周波電源３５に到達できないようなフィルターを内蔵していることが必要である。
【００４５】
前述のように、高周波電源１８は半導体ウエハ５に高周波バイアスを印加する為に用いられるが、高周波電源３５はプラズマ特性を測定ために用いる。したがって、センサ１６は高周波電源３５が誘起する周波数の高周波電圧、高周波電流およびこれらの位相差を計測すればよい。また、図２に示すようなセンサ１６と半導体ウエハ５の間の等価回路は、高周波電源３５の周波数に合わせて作り直す必要がある。このようにして作成したプラズマ特性専用の等価回路を用いれば、第１の実施例で説明した全ての測定や半導体装置の監視などのすべての方法が、半導体製造装置の動作状態とは全く独立して行うことができるようになる。
【００４６】
高周波電源３５の出力としては、大出力は必要ではなく、半導体ウエハ上に発生する高周波電圧Ｖｒｆが０〜４０Ｖ程度に制御できる出力があれば良い。また、高周波電源３５の出力が半導体ウエハの加工に及ぼす影響を無くす為には、測定時間を短くし、周波数を下げて低い電力で高いＶｒｆが発生できるようにすると良い。以上のように、第２の実施例によれば、半導体ウエハの加工中にも、加工性能に影響を及ぼすこと無く、プラズマ密度や電子温度の監視を行うことができる。特に電子温度のみを監視する場合には、半導体ウエハ上に発生する電圧を小さくすることができる。このような場合、半導体ウエハ上の高周波電圧Ｖｒｆとしては、１Ｖも必要としないので、センサ１６の感度限界ぎりぎりまで高周波電圧を低くして、負荷インピーダンスの実抵抗値を測定すれば、電子温度が測定できる。つまり、電子温度の連続測定が可能になる。また、センサ１６が高周波電源３５の高周波を用いて電子温度を測定し、さらに、同じくセンサ１６が高周波電源１８の高周波を用いて半導体ウエハに流れ込む実電流の測定を行えば、プラズマ密度の代用としての実電流と電子温度の連続監視も可能である。以上のように、センサ１６に複数の周波数の高周波電圧と高周波電流およびこれら高周波電圧と高周波電流の位相差を計測できる機能を備えさせることにより、柔軟な計測が可能になり、本発明の効果を最大限に利用することができるようになる。
【００４７】
次に、図１０を用いて、本発明の第３の実施例について説明する。第１実施例および第２実施例からもわかるように、本発明はプラズマを発生する方法に依存せず用いることができる。したがって、半導体ウエハを加工する上で用いられている全てのプラズマ処理装置を対象に本発明を実施することが可能である。図１０は、容量結合型のプラズマ処理装置に適用した例を示す図である。図において、３８は真空容器形成する天板、３７はプラズマと容量結合する平板状の電極である。図１０と図９を比較してもわかるように、ウエハ５を載せるウエハステージ６より下部の高周波回路は全く同じように構成できる。また、前記電極３７は、プラズマと直接接する必要は無い。
【００４８】
次に、図１１を用いて、本発明の第４の実施例について説明する。図において３７’はプラズマと容量結合する平板状の電極である。前述したように平板状の電極はプラズマと直接接する必要は無い。すなわち、電極３７’とプラズマ４の間に、半導体や絶縁性材料で構成された天板３８があっても、本発明は全く同じように適用できる。つまり、ウエハ５より上のプラズマを生成する領域とその周辺の構成がどのようであっても、本発明は適用可能である。すなわち、プラズマ処理装置のプラズマ源としては、マイクロ波プラズマ源、電子サイクロトロン共鳴プラズマ源、誘導結合プラズマ源、容量結合プラズマ源、ヘリコン型プラズマ源、磁気中性子線プラズマ源、表面波プラズマ源などが適用可能である。
【００４９】
次に、図１２を用いて、本発明の第５の実施例について説明する。図において、３５’、３６’はプラズマ特性測定用の高周波電源およびインピーダンス整合器、１６’および１９’はセンサおよびデータ処理用のコンピュータである。
【００５０】
前記第２の実施例では、プラズマ特性測定用の高周波電源３５を用いて、半導体ウエハを直接加工する高周波とは全く独立にプラズマの特性が測定できるという特徴があった。すなわち、本発明は、本質的にプラズマと容量結合している電極を利用し、プラズマの負荷インピーダンスの実抵抗性分と電極に流れ込む実電流成分からプラズマ特性を評価するものであり、電極として半導体ウエハのみを利用しなければならないわけではない。すなわち、本実施例に示すように、プラズマ特性測定用の高周波電源３５’とインピーダンス整合器３６’を、容量結合型プラズマ処理装置の放電用高周波回路に組み込むことができる。このとき、高周波電源３５’と高周波電源２の周波数は異なっていなければならないこと、インピーダンス整合器３６’は高周波電源２の電力が高周波電源３５’に到達できないようなフィルターを内蔵していることが必要であることは前記実施例２，３，４の場合と同様である。センサ１６’は、高周波電源３５’の周波数の高周波電圧および電流とこれらの位相差を検出する。この状態において、センサ１６’から電極３７に至る等価回路を決定することにより、センサ１６で測定した信号により、電極３７から見たプラズマインピーダンスの実抵抗性分と実電流成分を評価することができ、これより電子温度と電子密度を算出できる。このとき、測定できるプラズマの特性は、電極３８周辺のプラズマ特性である。
【００５１】
以上の実施例からわかるように、本発明は、プラズマと容量結合している電極を用いることにより実施可能である。このようなプラズマと容量結合してる電極としては、実施例１ないし５で述べた半導体ウエハ、プラズマ生成用放電電極だけでなく、半導体ウエハのサセプタ、誘導結合プラズマで使われている接地していないファラデーシールドなどが考えられる。また、特開平８−２２２３９６号公報で用いられているように壁に取り付けた専用電極や、特開２０００−１００５９９号公報で用いられているように保護管に囲まれた状態で壁から突き出した電極も可能である。
【００５２】
以上説明したように、半導体ウエハや放電電極などプラズマと容量結合する既設の電極を用いることにより、半導体ウエハ近傍に測定センサーを挿入すること無くプラズマ特性を測定することができるので、製品の歩留の低下を心配すること無くプラズマの特性を測定することができる。さらに、半導体製造装置の大気側に測定用のセンサを取り付けるだけなので、センサの取付けが簡単であり、既存の半導体製造装置に大幅な改造を施すこと無くプラズマ測定ができる。また、半導体ウエハの加工に直接影響する半導体ウエハ近傍のプラズマ特性を測定できるので、半導体ウエハの加工状態を調べるのに最適である。
【００５３】
また、本発明は、装置の経時変化や装置異常等の監視にも使える。この経時変化の情報を利用することにより、装置停止や装置メンテナンスの時期を決定することもできる。例えば、プラズマ特性をモニタしながらエッチング処理枚数を重ねて行き、ある処理後に急激なプラズマ特性の変化を認めた場合、何らかの異常が起きたと容易に予想できる。つまり、エッチング処理が正常に進行しているかどうかのモニタとしても利用可能であり、この場合装置に異常が発生したことが即座に判断できるのでウエハに対する無駄な処理を最小限に押さえることができる。また、標準状態のプラズマの特性が変化したとき、装置の制御パラメータを操作することにより、標準状態のプラズマの特性が変化しない様に制御することもできる。
【００５４】
このようにして、本発明によれば、常にウエハの処理が一定の条件の範囲で行われるために非常に再現性の良い処理を施されるため、製品間の性能のばらつきがない、すなわち信頼性が高い製品を得ることができる。したがって、製造時の歩留まりもよいためコストが低く、低価格の製品となる。
【００５５】
さらに、エッチング中にある一定の高周波電圧の条件で負荷インピーダンスの実抵抗成分をモニタすることにより、電子温度の変化の情報が得られ、半導体ウエハに流れる実電流成分をモニタすれば、電子密度の変化の情報が得られるため、半導体ウエハの加工中であっても、プラズマ特性の監視が可能になる。
【００５６】
また、負荷インピーダンスを実抵抗性分と虚数成分に分けて監視する、あるいは半導体ウエハに流れ込む電流成分を実電流成分と誘導電流成分に分けて監視するという方法により、半導体ウエハの加工状況の監視や装置の経時変化の監視において、何が変化したのか、その原因は何であるかの特定作業を容易化することができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、特別なセンサを被加工物周辺のプラズマ中に挿入すること無く、被加工物近傍の電子密度と電子温度の情報を取得することのできる。また、前記取得した情報をもとにプラズマ処理装置およびその加工プロセスを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を示す図である。
【図２】半導体ウエハに流れる電流、電圧および負荷インピーダンスを求める方法を説明する図である。
【図３】ダブルプローブ法の原理を説明する図である。
【図４】ダブルプローブに流れる電流とプローブ電位の関係を説明する図である。
【図５】印加電圧とプローブ電流の関係を説明する図である。
【図６】印加電圧とプラズマから半導体ウエハに流れ込む実電流の関係を説明する図である。
【図７】第１の実施例によるプラズマ特性測定例を説明する図である。
【図８】第１の実施例によるプラズマ特性測定例を説明する図である。
【図９】第２の実施例を説明する図である。
【図１０】第３の実施例を説明する図である。
【図１１】第４の実施例を説明する図である。
【図１２】第５の実施例を説明する図である。
【符号の説明】
１ 処理ガス
２，１８，３５ 高周波電源
３ コイル
４ プラズマ状態の処理ガス
５ 半導体ウエハ
６ ウエハステージ
７ 誘電体で形成した構造物
８，１７ インピーダンス整合器
９ ガス配管
１０ 金属で形成した構造物
１１ 圧力制御機
１２ ターボ分子ポンプ
１３ ドライポンプ
１４ 直流電源
１５ フィルタ
１６ センサ
１８ 高周波電源
１９ コンピュータ
２０ インダクタンス
２１ コンデンサ
２２ 誘電膜の抵抗成分
２３ 誘電体の容量成分
２４ 負荷インピーダンス
３７ 平板状の電極
３８ 天板

Claims (6)

1. 半導体ウエハを保持するウエハステージを有する真空処理室、該真空処理室内にプラズマを生成するプラズマ発生手段、および前記ウエハステージに高周波バイアス電圧を印加する高周波電源を備えたプラズマ処理装置本体と、該プラズマ処理装置本体の各種パラメータを制御する制御装置を備えたプラズマ処理装置において、
   前記制御装置は、ウエハステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差をもとに、ウエハステージの高周波入力点からウエハステージを介してステージ上に載置したウエハに至る高周波回路の等価回路を用いて、ウエハからプラズマを介して接地された装置に至る回路の負荷インピーダンスの実成分及び虚成分を算出し、該算出値をもとにパラメータを制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記制御装置は、ウエハステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差をもとに、ウエハステージに載置されたウエハに流れる電流の高周波電圧電流特性を求め、この特性をもとに、電流の飽和特性を示している部分の傾き、電流の飽和特性を示している部分の直線を外挿したときの電流値、及び電圧電流特性の傾きを算出し、該算出値をもとに半導体ウエハ近傍の電子温度及び電子密度を算出し、該算出値をもとにパラメータを制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または請求項２記載プラズマ処理装置において、前記プラズマ処理装置はプラズマ特性測定用の高周波電圧を前記ウエハステージに印加する高周波電源を備え、前記ウエハステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差を検出するためのセンサは前記プラズマ特性測定用の高周波電源周波数に同調していることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１または請求項２記載プラズマ処理装置において、前記ウエハステージに供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差を検出するためのセンサは前記ウエハステージに対向する真空処理室内壁に供給する高周波電圧、高周波電流並びに前記電圧および電流間の位相差を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１または請求項２記載プラズマ処理装置において、前記各種の処理パラメータは、前記プラズマを発生させるための高周波電圧の周波数または電力、前記ウエハステージに印加する高周波電圧の周波数または電力、前記真空処理室を形成する壁の温度、または前記半導体ウエハの温度、前記真空処理室の圧力、前記真空処理室に流し込む処理ガスの流量または処理ガスの混合比、前記真空処理室内に印加する磁場、あるいはエッチング時間の少なくとも１種類以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１または請求項２記載プラズマ処理装置において、前記制御装置は、前記半導体ウエハに流れる電流の実成分および虚成分並びに負荷インピーダンスの実成分および虚成分の変化と前記プラズマ処理装置の状態変化の関係を記録したデータベースを保持することを特徴とするプラズマ処理装置。

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