JP6158111B2

JP6158111B2 - ガス供給方法及び半導体製造装置

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Publication number: JP6158111B2
Application number: JP2014024772A
Authority: JP
Inventors: 智之水谷; 辻本　宏; 宏辻本
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2017-07-05
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Description

本発明は、ガス供給方法及び半導体製造装置に関する。

半導体の製造において、プロセス空間に少なくとも一つのガス種を含む処理ガスを供給する際、２つの異なる流量値のガスを数秒毎に切り替えて繰り返し供給する「ガス流量のパルス制御」が提案されている（たとえば、特許文献１、２を参照。）。ガス流量のパルス制御の一例としては、Ａガスの流量値とＢガスの流量値とを異なる流量値に設定し、ＡガスとＢガスとを交互にパルス状に供給する場合が挙げられる。ガス流量のパルス制御の他の例としては、Ａガスの流量値を２つの異なる流量値に設定し、Ａガスを２つの異なる流量値に切り替えてパルス状に供給する場合が挙げられる。ガス流量のパルス制御を行うことで、ホールサイズまたはトレンチサイズの大小によってエッチングレートが変わる、いわゆるマイクロローディングを抑制できる。

特開２０１１−１６５７６９号公報米国特許第８４４０４７３号明細書

しかしながら、ガスを２つの異なる流量値の高流量側の流量値（以下、「高流量値」ともいう。）と低流量側の流量値（以下、「低流量値」ともいう。）に切り替えて供給するガス制御方法では、切り替え時に高流量値及び低流量値に到達するまでに時間がかかる。よって、図１に示されるように、ガスを切り替えた立ち上がりや立ち下がりの間、実際に供給されるガスは、設定された流量に至らない。このため、設定された流量値に到達する前に次のガス流量に切り替える制御が発生する。これにより、実際に供給されるガスの流量が予め設定されたガスの流量よりも少なくなり、プロセス後の基板に所望の特性が得られない場合が生じる。

上記課題に対して、一側面では、ガス流量のパルス制御において適正な流量のガスを供給することが可能な、ガス供給方法及び半導体製造装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、
半導体製造装置内のプロセス空間に、少なくとも一つのガス種のガスを含む処理ガスを供給するガス供給方法であって、
第１の期間に前記一つのガス種のガスを第１の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第１の工程と、
第２の期間に前記ガスを前記第１の流量値よりも小さい第２の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第２の工程と、
前記第１の期間の直前の第３の期間に前記ガスを第１の流量値よりも大きい第３の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第３の工程と、
前記第２の期間の直前の第４の期間に前記ガスを第２の流量値よりも小さい第４の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第４の工程と、を含み、
前記第１、第２、第３及び第４の期間は、所定の順番で周期的に繰り返される、
ガス供給方法が提供される。

また、上記課題を解決するために、他の態様によれば、
チャンバ内のプロセス空間に、少なくとも一つのガス種のガスを含む処理ガスを供給するガス供給源と、前記処理ガスの流量を制御するガス流量制御器と、前記処理ガスの供給を制御する制御部と、を有する半導体製造装置であって、
前記制御部は、
第１の期間に前記一つのガス種のガスを第１の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
第２の期間に前記ガスを前記第１の流量値よりも小さい第２の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第１の期間の直前の第３の期間に前記ガスを第１の流量値よりも大きい第３の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第２の期間の直前の第４の期間に前記ガスを第２の流量値よりも小さい第４の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第１、第２、第３及び第４の期間を所定の順番で周期的に繰り返す、
半導体製造装置が提供される。

一の態様によれば、ガス流量のパルス制御において適正な流量のガスを供給することができる。

チャンバ内のガス流量の挙動の一例を示す図。一実施形態に係る半導体製造装置の一例を示す図。一実施形態に係るガス供給処理の一例を実行するためのフローチャート。一実施形態に係るプラズマの発光強度とＯ_２ガスの流量との相関関係の一例を示すグラフ。一実施形態に係るガス流量制御シーケンスの一例を示す図。一実施形態に係るチャンバ内のガス流量の挙動の一例を示す図。一実施例に係るガス流量制御シーケンスの一例を示す図。一実施形態に係るプラズマの発光強度とＣ_４Ｆ_８ガスの流量との相関関係の一例を示すグラフ。一実施形態に係るガス供給処理の効果の一例を示した図。一実施形態に係るガス供給処理の効果の一例を示した図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［半導体製造装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係る半導体製造装置の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る半導体製造装置の一例としてプラズマ処理装置の構成を示す。

図１に示したプラズマ処理装置１は、チャンバ内に下部電極２０（載置台）と上部電極２５（シャワーヘッド）とを対向配置し、上部電極２５から処理ガスをチャンバ内に供給する平行平板型のプラズマ処理装置を例に挙げて説明する。

プラズマ処理装置１は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなるチャンバ１０及びチャンバ１０内にガスを供給するガス供給源１５を有する。チャンバ１０は、接地されている。ガス供給源１５は、エッチングの各工程においてそれぞれ設定された流量の処理ガスを供給する。ガス流量制御器１６は、内部に設けられたバルブの開度を制御して処理ガスの流量を調整する。図１では図示していないが、ガス流量制御器１６は、ガス供給源１５から供給可能なガス種毎に設けられている。

チャンバ１０は電気的に接地されており、チャンバ１０内には下部電極２０と、これに対向して平行に配置された上部電極２５とが設けられている。下部電極２０は、半導体ウェハＷ（以下、単に「ウェハＷ」という。）を載置する載置台としても機能する。ウェハＷは、エッチング対象である基板の一例である。

載置台（下部電極２０）の上面には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック１０６が設けられている。静電チャック１０６は、絶縁体１０６ｂの間にチャック電極１０６ａを挟み込んだ構造となっている。チャック電極１０６ａには直流電圧源１１２が接続され、直流電圧源１１２から電極１０６ａに直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウェハＷが静電チャック１０６に吸着される。

載置台（下部電極２０）は、支持体１０４により支持されている。支持体１０４の内部には、冷媒流路１０４ａが形成されている。冷媒流路１０４ａには、冷媒入口配管１０４ｂ及び冷媒出口配管１０４ｃが接続されている。冷媒流路１０４ａには、適宜冷媒として例えば冷却水等が循環される。

伝熱ガス供給源８５は、ヘリウムガス（Ｈｅ）やアルゴンガス（Ａｒ）等の伝熱ガスをガス供給ライン１３０に通して静電チャック１０６上のウエハＷの裏面に供給する。かかる構成により、静電チャック１０６は、冷媒流路１０４ａに循環させる冷却水と、ウエハＷの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハＷを所定の温度に制御することができる。

下部電極２０には、２周波重畳電力を供給する電力供給装置３０が接続されている。電力供給装置３０は、第１周波数の第１高周波電力（プラズマ励起用高周波電力）を供給する第１高周波電源３２と、第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力（バイアス電圧発生用高周波電力）を供給する第２高周波電源３４を備える。第１高周波電源３２は、第１整合器３３を介して下部電極２０に電気的に接続される。第２高周波電源３４は、第２整合器３５を介して下部電極２０に電気的に接続される。第１高周波電源３２は、例えば、４０ＭＨｚの第１高周波電力を供給する。第２高周波電源３４は、例えば、３．２ＭＨｚの第２高周波電力を供給する。

第１整合器３３及び第２整合器３５は、それぞれ第１高周波電源３２及び第２高周波電源３４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第１整合器３３及び第２整合器３５は、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに第１高周波電源３２及び第２高周波電源３４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

上部電極２５は、その周縁部を被覆するシールドリング４０を介してチャンバ１０の天井部に取り付けられている。上部電極２５は、図１に示すように電気的に接地してもよく、また図示しない可変直流電源を接続して上部電極２５に所定の直流（ＤＣ）電圧が印加されるように構成してもよい。

上部電極２５には、ガス供給源１５からのガスを導入するためのガス導入口４５が形成されている。また、上部電極２５の内部にはガス導入口４５から分岐して導入されたガスを拡散するセンタ側の拡散室５０ａ及びエッジ側の拡散室５０ｂが設けられている。

上部電極２５には、この拡散室５０ａ、５０ｂからのガスをチャンバ１０内に供給する多数のガス供給孔５５が形成されている。各ガス供給孔５５は、下部電極２０に載置されたウェハＷと上部電極２５との間にガスを供給できるように配置されている。

ガス供給源１５からのガスはガス導入口４５を介して拡散室５０ａ、５０ｂに供給され、ここで拡散して各ガス供給孔５５に分配され、ガス供給孔５５から下部電極２０に向けて導入される。かかる構成の上部電極２５は、ガスを供給するガスシャワーヘッドとしても機能する。

チャンバ１０の底面には排気口６０が形成されており、排気口６０に接続された排気装置６５によって排気が行われることによって、チャンバ１０内を所定の真空度に維持することができる。チャンバ１０の側壁にはゲートバルブＧが設けられている。ゲートバルブＧは、チャンバ１０からウェハＷの搬入及び搬出を行う際に搬出入口を開閉する。

終点検出装置８０（ＥＰＤ：ＥｎｄＰｏｉｎｔＤｅｔｅｃｔｏｒ）は、プラズマ処理装置１のチャンバ１０の側壁に取り付けられ、測定窓８１を介してプラズマ生成空間のプラズマの発光強度を測定する。

プラズマ処理装置１には、装置全体の動作を制御する制御部１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０５と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１５とを有している。ＣＰＵ１０５は、これらの記憶領域に格納された各種レシピに従って、後述されるエッチングの各工程を実行する。本実施形態では、所望のガス種の特定波長の発光強度とそのガス種の流量値との相関関係を示すデータが、ＲＯＭ１１０又はＲＡＭ１１５に記憶されている。この相関関係のデータは、予め終点検出装置８０（ＥＰＤ：ＥｎｄＰｏｉｎｔＤｅｔｅｃｔｏｒ）が測定したプラズマの発光強度とそのときチャンバ１０内に供給されているガスの流量値により得られる。具体的には、終点検出装置８０は、チャンバ１０内に特定ガスを供給して生成されたプラズマの発光強度の変化を検出する。検出の際には、図示しない分光器でプラズマを分光し、光電変換器で光電変換し、変換された電気を増幅器で増幅することで、特定のガス種のガス流量とプラズマの発光強度との相関関係が得られる。

レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、チャンバ内温度（上部電極温度、チャンバの側壁温度、ＥＳＣ温度など）などが設定されている。また、レシピには、処理ガスをパルス制御するために設定されるガスの高流量値や低流量値、ガスの切り替え時間等が設定されている。

なお、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶領域の所定位置にセットするようになっていてもよい。

以上、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の全体構成について説明した。かかる構成のプラズマ処理装置１によって、エッチングの各工程が繰り返し実行される。なお、本実施形態に係るプラズマ処理装置１は、ウェハＷをエッチングするだけでなく、ウェハＷを成膜したり、アッシングしたりする装置としても使用可能である。この場合にも、本実施形態に係るプラズマ処理装置１では、後述される本実施形態にかかるガス供給方法に従い成膜ガスやアッシングガス流量のパルス制御が行われる。

[ガス供給処理]
次に、本発明の一実施形態に係るガス供給処理について、図３を参照しながら説明する。図３は、本実施形態に係るガス供給処理の一例を実行するためのフローチャートである。本実施形態に係るガス供給処理は、本実施形態に係るプラズマ処理装置１の制御部１００により制御される。
（流量値の設定）
本実施形態に係るガス供給処理を行う前に、ガスを切り替えたときの立ち上がり時（オーバーシュート時）及び立ち下がり時（アンダーシュート時）のガス流量値の適正値を定めておく必要がある。ここでは、Ｏ_２ガス（酸素ガス）の単一ガスについてオーバーシュート時及びアンダーシュート時のガス流量値を適正化する方法を説明する。

まず、所望の流量のＯ_２ガスがガス供給源１５からプラズマ生成空間に供給される。Ｏ_２ガスはパルス状に流量制御されて供給される。このとき、Ｏ_２ガスの高流量値及び低流量値は、図４に一例として示したプラズマの発光強度とＯ_２ガスの流量との相関グラフに基づき予め設定されている。

プラズマの発光強度とＯ_２ガスの流量との相関グラフは、一つのガス種のガス（ここではＯ_２ガス）をプラズマ生成空間に供給したときのＯ_２ガスの所望の流量値に対して、プラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度を検出することで取得される。終点検出装置８０は、プラズマ生成空間に供給するＯ_２ガスの流量値を変え、そのときプラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度を検出する。このようにして取得されたデータ群は、ＲＡＭ１１５等の記憶部に記憶される。このデータ群の収集作業は、実際のプロセスの前にプロセスの準備として行われる。

このようにしてデータを収集した結果、図４にほぼ直線で示されるように、プラズマの発光強度とＯ_２ガスの流量とはほぼ比例関係にあることが分かった。よって、Ｏ_２ガスから生成されたプラズマの発光強度を検出し、その検出値をＯ_２ガスに流量換算することで、立ち上がり時（オーバーシュート時）及び立ち下がり時（アンダーシュート時）のガス流量値を定めることができる。Ｏ_２ガスの高流量値及び低流量値は、ウェハＷに施されるエッチング処理の特性によって予め定められている。なお、Ｏ_２ガスの高流量値は、第１の流量値の一例であり、Ｏ_２ガスの低流量値は、第２の流量値の一例であり、第１の流量値＞第２の流量値の関係にある。

よって、本実施形態では、立ち上がり時のガス流量値（第３の流量値）が高流量値（第１の流量値）よりも高く設定されるように、立ち上がり時のガス流量値は、上記の方法で換算された流量値と高流量値との比較結果に基づき予め適正化される。

同様に、本実施形態では、立ち下がり時のガス流量値（第４の流量値）が低流量値（第２の流量値）よりも低く設定されるように、立ち下がり時のガス流量値は、上記の方法で換算された流量値と低流量値との比較結果に基づき予め適正化される。

このようにして、立ち上がり時のＯ_２ガスの流量値及び立ち下がり時のＯ_２ガスの流量値は、図４の相関グラフに基づき予め設定される。立ち下がり及び立ち下がり時のガスの流量値は、ウェハＷに施されるエッチングに対して所望の特性が得られる値に予め定められる。なお、第１、第２、第３及び第４の流量値は、正の値であり、第３の流量値＞第１の流量値＞第２の流量値＞第４の流量値という大小関係にある。

プラズマ処理装置１のチャンバ１０内が安定した後、図３のガス供給処理が開始されると、まず、制御部１００は、ガス流量制御器１６のバルブの開度を制御して第４の流量値でＯ_２ガスを供給する（ステップＳ１０：第４の工程）。これにより、図５に示したＯ_２ガスの低流量側での立ち下がりに流量を低流量値よりも小さく制御するアンダーシュートの工程が、０．５秒間（第４の期間の一例）実行される。

０．５秒経過後、制御部１００は、ガス流量制御器１６のバルブの開度を制御して第２の流量値でＯ_２ガスを供給する（ステップＳ１２：第２の工程）。これにより、図５に示した低流量値の工程が実行される。図５では、低流量値の工程は、２．５秒間（第２の期間の一例）実行される。これにより、低流量でのエッチングが３．０秒行われる。

次に、制御部１００は、ガス流量制御器１６のバルブの開度を制御して第３の流量値でＯ_２ガスを供給する（ステップＳ１４：第３の工程）。これにより、図５に示したＯ_２ガスの高流量側での立ち上がりに流量を高流量値よりも大きく制御するオーバーシュートの工程が、０．５秒間（第３の期間の一例）実行される。

０．５秒経過後、制御部１００は、ガス流量制御器１６のバルブの開度を制御して第１の流量値でＯ_２ガスを供給する（ステップＳ１６：第１の工程）。これにより、図５に示した高流量値の工程が実行される。図５では、高流量値の工程は、２．５秒間（第１の期間の一例）実行される。これにより、高流量でのエッチングが３．０秒行われる。

次に、制御部１００は、所定の回数だけサイクルを繰り返したかを判定する（ステップＳ１８）。所定の回数だけサイクルを繰り返していない場合、ステップＳ１０に戻り、制御部１００は、再度ステップＳ１０〜Ｓ１８の処理を繰り返す。所定の回数だけサイクルを繰り返した場合、本処理を終了する。

本実施形態にかかるガス供給処理では、第４の工程、第２の工程、第３の工程、第１の工程の順に繰り返しガスの流量が制御された。しかしながら、本実施形態にかかるガス供給方法は、これに限られず、例えば、第３の工程、第１の工程、第４の工程、第２の工程の順に繰り返しガスの流量が制御されてもよい。

図６は、本実施形態にかかるガス供給方法を実行した場合のチャンバ１０内のガス流量の挙動の一例を示す。本実施形態にかかるガス供給方法によれば、図１の高流量と低流量とを３秒ずつ繰り返した場合と比べて、高流量側への立ち上がり時及び低流量側への立ち下がり時に高流量値及び低流量値に短時間で到達していることがわかる。なお、図１と図６とに示したガス流量の挙動の結果は、オーバーシュートの工程とアンダーシュートの工程との有無（図１ではこれらの工程はない）以外は同じプロセス条件である。具体的には、図１と図６に示したガス流量の挙動を得るための他の主なプロセス条件は同じであり、本実施形態では圧力を４０ｍＴ（５．３３３Ｐａ）に設定し、第１高周波電力を印加し、第２高周波電力は印加しない。

このように、オーバーシュート時に供給される第３の流量値及びアンダーシュート時に供給される前記第４の流量値は、記憶部に記憶された図４に示す相関グラフに基づき、前記プラズマ生成空間に供給したＯ_２ガスの流量値に対してプラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度の検出値を該ガス種のガスの流量値に換算することで設定される。

そして、第３の流量値に制御されたＯ_２ガスの供給に応じてプラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度を検出し、図４に示す相関グラフに基づきその検出値からＯ_２ガスの流量値が換算される。第３の流量値は、前記換算された流量値と第１の流量値との比較結果に基づきより適正な値に設定される。

第４の流量値についても同様に、第４の流量値に制御されたＯ_２ガスの供給に応じてプラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度を検出し、図４に示す相関グラフに基づきその検出値からＯ_２ガスの流量値が換算される。第４の流量値は、前記換算された流量値と第２の流量値との比較結果に基づきより適正な値に設定される。

以上から、本実施形態にかかるガス供給方法では、ガス流量のパルス制御の際にアンダーシュートの工程とオーバーシュートの工程を設けることで、ガスの切り替え時にガスの流量が直ちに設定された流量値まで到達する。このため、適正な流量のガスをチャンバ１０内に供給することができる。これにより、ホールサイズの大小によってエッチングレートが変わる、いわゆるマイクロローディングを抑制し、ウェハＷに所望のエッチング処理を施すことができる。

[時間比率制御]
（デューティー比：５０％）
次に、本発明の一実施形態に係るガス供給処理における時間比率の制御（以下では、「デューティー比の制御」という。）について、図７を参照しながら説明する。本実施形態において、デューティー比は、１サイクル（オーバーシュートの工程を含んだ高流量値に制御する時間とアンダーシュートの工程を含んだ低流量値に制御する時間との和）に対するアンダーシュートの工程を含んだ低流量値に制御する時間で示される。ただし、デューティー比は、高流量値に制御する時間と低流量値に制御する時間との比率を示す値であればよい。

図６に示したＯ_２ガスのガス流量の挙動の結果は、オーバーシュートの工程を含んだ高流量側のガス供給時間が３秒、アンダーシュートの工程を含んだ低流量側のガス供給時間が３秒の周期的なガス流量のパルス制御により得られた。このときのデューティー比は、５０％となる。このときのガス流量制御のシーケンス及びＯ_２ガスのガス流量の挙動の結果の一例を、図７の左の上図及び下図に示す。

（デューティー比：６６．７％）
これに対して、図７の中央の上図及び下図は、デューティー比が６６．７％のときのガス流量制御のシーケンス及びＯ_２ガスのガス流量の挙動の結果の一例を示す。デューティー比が６６．７％のとき、図７の中央の上図に示すように、オーバーシュートの工程（０．５秒）を含んだ高流量側の制御時間が４秒、アンダーシュートの工程（０．５秒）を含んだ低流量側の制御時間が２秒の周期的なガス流量制御が実行される。

この場合にも、図７の中央の下図に示すように、オーバーシュートの工程及びアンダーシュートの工程がない場合と比べて、ガスの切り替え時にガスの流量が直ちに設定された流量値まで到達する。これにより、短時間で適正な流量のガスをチャンバ１０内に供給することができる。

（デューティー比：３３．３％）
さらに、図７の右の上図及び下図は、デューティー比が３３．３％のときのガス流量制御のシーケンス及びＯ_２ガスのガス流量の挙動の結果の一例を示す。デューティー比が３３．３％のとき、図７の右の上図に示すように、オーバーシュートの工程（たとえば、０．５秒）を含んだ高流量側の制御時間が２秒、アンダーシュートの工程（たとえば、０．５秒）を含んだ低流量側の制御時間が４秒の周期的なガス流量制御が実行される。

この場合にも、図７の右の下図に示すように、オーバーシュートの工程及びアンダーシュートの工程がない場合と比べて、ガスの切り替え時にガスの流量が直ちに設定された流量値まで到達する。これにより、適正な流量のガスをチャンバ１０内に供給することができる。

以上、本実施形態にかかるガス供給方法によれば、ガスを高流量値と低流量値とで周期的に切り替え、かつ、ガスを高流量値と低流量値とで周期的に切り替えるときのデューティー比を適正値に制御する。これにより、ガスの切り替え時にガスの流量が直ちに設定された流量値まで到達し、より短時間で適正な流量のガスをチャンバ１０内に供給することができる。

以上の本実施形態にかかるガス供給方法では、アンダーシュートの工程及びオーバーシュートの工程の制御時間は、終点検出装置８０が検出するプラズマの発光強度の状態に基づき適正値に設定された。また、ガスの切り替えのタイミングであるデューティー比が適正値に制御された。このようにして時間の制御により適正な流量のガスがチャンバ１０内に供給されるようにした。

これに対して、時間制御ではなく流量制御により同様な効果を得ることも考えられる。例えば、オーバーシュートの工程での立ち上がりの流量を本実施形態で設定した第３の流量値（図４を参照）より大きく制御したり、アンダーシュートの工程での立ち下がりの流量を本実施形態で設定した第４の流量値より小さく制御したりするガス供給方法である。

しかしながら、オーバーシュートの工程の流量値と高流量値との差分やアンダーシュートの工程の流量値と低流量値との差分が大きくなりすぎると、立ち上がりや立ち下がりの時間自体が長くなる。また、立ち上がりの状態や立ち下がりの状態から定常流量の状態になるまでに時間がかかる。

よって、本実施形態にかかるガス供給方法では、オーバーシュートの工程の流量値と高流量値との差分やアンダーシュートの工程の流量値と低流量値との差分が大きくなりすぎずにデューティー比を制御する。これによって、切り替え時により速くガスを設定された流量にすることで、一サイクルを数秒オーダーという短い周期に設定できる。これにより、ガス流量の切り替えのタイミングを高速制御して、所望のプラズマ特性を得ることができる。

[他の実施例]
他の実施例としてＯ_２ガス以外の反応性ガスについて、本実施形態にかかるガス供給方法を適用した場合について考察する。本実施例では、Ｃ_４Ｆ_８ガス（Octafluorocyclobutane：パーフルオロシクロブタンガス）、Ａｒガス（アルゴンガス）、Ｎ_２ガス（窒素ガス）及びＯ_２ガスの混合ガスがチャンバ１０内に供給される。そして、制御部１００は、Ａｒガス、Ｎ_２ガス及びＯ_２ガスの流量は変えずにＣ_４Ｆ_８ガスの流量のみ変動させて上記混合ガスを供給する。

制御部１００は、Ｃ_４Ｆ_８ガスを高流量値（第１の流量値の一例）にした混合ガスを数秒間供給する工程（第１の工程の一例）と、Ｃ_４Ｆ_８ガスを低流量値（第２の流量値の一例）にした混合ガスを数秒間供給する工程（第２の工程の一例）とを周期的に繰り返す。その際、高流量値よりも高い流量値（第３の流量値の一例）のＣ_４Ｆ_８ガスを供給するオーバーシュートの工程（第３の工程の一例）を第１の工程の直前に瞬間的に行う。また、低流量値よりも低い流量値（第４の流量値の一例）のＣ_４Ｆ_８ガスを供給するアンダーシュートの工程（第４の工程の一例）を第２の工程の直前に瞬間的に行う。なお、他の主なプロセス条件としては、本実施例では圧力を８０ｍＴ（１０．６７Ｐａ）に設定し、第１高周波電力及び第２高周波電力を印加する。

本実施例の場合、Ｃ_４Ｆ_８ガスの高流量値と低流量値とは、図８に一例として示したプラズマの発光強度とＣ_４Ｆ_８ガスの流量との相関グラフに基づき設定される。また、オーバーシュートの工程及びアンダーシュートの工程におけるＣ_４Ｆ_８ガスの流量値も図８の相関グラフに基づき設定される。図８の相関グラフは、予めＲＡＭ１１５等に記憶されている。

図９及び図１０は、本実施例の条件において、上記実施形態のガス供給方法を実行した結果の一例を示す。図９及び図１０には、デューティー比が０％、３３．３％、５０％、６６．７％、１００％に制御されたときのエッチング状態が示されている。疎密のパターンに対するエッチング後の形状のバラツキがローディング（Loading）として示されている。

図９に示したデューティー比が０％のときのエッチング形状は、Ｃ_４Ｆ_８ガスを低流量値に設定した状態でパルス制御しない場合の疎密のパターンに対するエッチングの結果を示す。

デューティー比が３３．３％のときのエッチング形状は、オーバーシュートの工程を含んだ高流量側のガス供給時間が２秒、アンダーシュートの工程を含んだ低流量側のガス供給時間が４秒でガス流量をパルス制御した場合の疎密のパターンに対するエッチングの結果を示す。

デューティー比が５０％のときのエッチング形状は、オーバーシュートの工程を含んだ高流量側のガス供給時間が３秒、アンダーシュートの工程を含んだ低流量側のガス供給時間が３秒でガス流量をパルス制御した場合の疎密のパターンに対するエッチングの結果を示す。

デューティー比が６６．７％のときのエッチング形状は、オーバーシュートの工程を含んだ高流量側のガス供給時間が４秒、アンダーシュートの工程を含んだ低流量側のガス供給時間が２秒でガス流量をパルス制御した場合の疎密のパターンに対するエッチングの結果を示す。

デューティー比が１００％のときのエッチング形状は、Ｃ_４Ｆ_８ガスを高流量値に設定した状態でパルス制御しない場合の疎密のパターンに対するエッチングの結果を示す。

これによれば、ローディングが１００％に近づく程、疎密のパターンに対するエッチング後の形状にバラツキが少なく、ホールサイズの大小によってエッチングレートが変わらない良好なエッチング特性が得られていることを示す。つまり、ローディングが１００％に近づく程、いわゆるマイクロローディングが抑制されていることを示す。

図１０の実線は、本実施例の条件において上記のデューティー比（図１０では、横軸の上部に示される）で上記実施形態のガス供給方法を実行した結果得られた、疎密のパターンに対するローディングの値（図１０では、縦軸に示される）を示す。

図１０の破線は、本実施例の条件において上記実施形態のガス供給方法を実行せず、横軸の下部に示されるＣ_４Ｆ_８ガスの流量を連続的に供給したときの疎密のパターンに対するローディングの値を示す。

これによれば、Ｃ_４Ｆ_８ガスの流量を連続的に供給した場合、ローディングの値は、１００％よりも小さい値となる。一方、上記実施形態のガス供給方法を採用し、Ｃ_４Ｆ_８ガスの流量をパルス制御した場合、デューティー比を制御することでローディングの値を１００％に近づけるような制御が可能となる。この結果から、処理ガスの流量をパルス制御する際、デューティー比を制御することで、処理ガスの流量を連続的に供給する場合と比べて、マイクロローディングをより効果的に抑制する制御が可能になることがわかる。

以上、上記実施形態のガス供給方法では、ガス流量のパルス制御の際にアンダーシュートの工程とオーバーシュートの工程を設けることで、ガスを周期的に切り替えたときのガスの流量を瞬時に設定された流量に到達させることができ、適正な流量のガスをチャンバ１０内に供給することができる。これにより、いわゆるマイクロローディングを抑制し、ウェハＷに所望のエッチング処理を施すことができる。

[アンダーシュートの工程及びオーバーシュートの工程]
以上に説明した実施形態のガス供給方法では、アンダーシュートの工程の時間及びオーバーシュートの工程の時間は同じ長さに制御された。しかしながら、ガス流量制御器１６の特性に応じて、アンダーシュートの工程の時間及びオーバーシュートの工程の時間を異なる長さに設定することほうが好ましい場合がある。特に、ガス流量制御器１６のバルブによる流量調整の精度が比較的低い場合には、アンダーシュートの工程の時間をオーバーシュートの工程の時間よりも長く設定することが好ましい。

ガス流量制御器１６によっては、アンダーシュートの工程においてガスを高流量値から低流量値に切り替えるときの立ち下がりの時間が、オーバーシュートの工程においてガスを低流量値から高流量値に切り替えるときの立ち上がりの時間よりも長くなる傾向がある。その理由としては、ガス流量制御器１６の上流側（ガス供給源１５側）の圧力は、ガス流量制御器１６内の圧力よりも高いので、ガス流量制御器１６のバルブの開度を大きく制御したときに高流量のガスを上流側からスムーズに供給できるためである。

一方、アンダーシュートの工程においてガスを高流量値から低流量値に切り替えるときの立ち下がりの時間がオーバーシュートの工程において立ち上がりの時間よりも長くなるのは、ガス流量制御器１６の内部にはオリフィスがあり、オリフィス内ではガスの流路が狭くなっている。よって、ガスを高流量値から低流量値に切り替えるときは、オリフィス内を排気して、オリフィス内部を含むガス流量制御器１６の内部の圧力を下げる必要がある。このため、アンダーシュートの工程の時間は、ガス流量制御器１６の内部の圧力を低下させるための排気時間を考慮して、オーバーシュートの工程の時間よりも長く設定することが好ましい場合がある。

以上、ガス供給方法及び半導体製造装置を上記実施形態及び実施例により説明した。しかしながら、本発明にかかるガス供給方法及び半導体製造装置は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記実施形態及び実施例を矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

たとえば、上記実施形態及び実施例では、単一ガス又は混合ガスのうちのいずれかのガスの流量値を高流量値及び低流量値にパルス制御した。例えば、所望のＡガスの流量値を高流量と低流量の２つの流量値に設定し、オーバーシュートの工程を含む高流量のＡガスを供給して基板を処理する工程と、アンダーシュートの工程を含む低流量のＡガスを供給して基板を処理する工程と、を繰り返し実行した。しかしながら、本実施形態にかかるガス供給方法は、高流量に設定するガスと低流量に設定するガスの種類を変えて複数種のガスを交互に供給する場合にも適用できる。例えば、Ａガスの流量値をＢガスの流量値よりも高く設定し、ＡガスとＢガスとを交互にパルス状に供給する場合が挙げられる。この場合にも、Ａガスの流量値とＢガスの流量値とを切り替える直前にオーバーシュートの工程又はアンダーシュートの工程を設けることで、Ａガス及びＢガスを適正な流量値で供給可能なガス流量のパルス制御を実現することができる。

本発明にかかるガス供給方法を適用可能な反応性ガスは、Ｏ_２ガスやＣ_４Ｆ_８ガスに限られない。例えば、本発明にかかるガス供給方法は、Ｃ_４Ｆ_６ガスやその他の反応性ガスを半導体製造装置内に供給する場合にも適用できる。また、本発明にかかるガス供給方法を適用可能なガスは、エッチングガスに限られず、例えば、成膜のためのガスやアッシングのためのガスであってもよい。

また、上記実施形態では、ガス流量をパルス制御する際のガスの高流量値、低流量値、オーバーシュートの工程における流量値及びアンダーシュートの工程における流量値は、レシピやパラメータに設定された値に制御された。しかしながら、本発明にかかる制御部は、これらのガスの流量値をプロセス中にリアルタイムに制御してもよい。

ガスの高流量値、低流量値、オーバーシュートの工程における流量値及びアンダーシュートの工程における流量値をリアルタイムに制御する場合、制御部は、プロセス中、図２の終点検出装置８０により検出されたプラズマの発光強度を取得する。制御部１００は、図４や図８に示したプラズマの発光強度と特定のガスの流量との相関関係を示すグラフに基づき、検出されたプラズマの発光強度に応じて必要なプラズマの発光強度を得るための特定ガスの流量を算出する。制御部１００は、算出された特定ガスの流量値に基づき高流量値、低流量値、オーバーシュートの工程における流量値、及びアンダーシュートの工程における流量値を制御することで、これらの流量値のリアルタイム制御を実現する。これによれば、ガス流量のパルス制御においてガスをより適正な流量値に制御することができる。

本発明に係る半導体製造装置は、容量結合型のプラズマ処理装置（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)だけでなく、その他の半導体製造装置に適用可能である。その他の半導体製造装置としては、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。

また、本発明にかかる半導体製造装置により処理される基板は、ウェハＷに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。

１：プラズマ処理装置
１０：チャンバ
１５：ガス供給源
１６：ガス流量制御器
２０：下部電極（載置台）
２５：上部電極
６５：排気装置
８０：終点検出装置
８１：測定窓
１００：制御部
Ｗ：ウェハ

Claims

半導体製造装置内のプロセス空間に、少なくとも一つのガス種のガスを含む処理ガスを供給するガス供給方法であって、
第１の期間に前記一つのガス種のガスを第１の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第１の工程と、
第２の期間に前記ガスを前記第１の流量値よりも小さい第２の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第２の工程と、
前記第１の期間の直前の第３の期間に前記ガスを第１の流量値よりも大きい第３の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第３の工程と、
前記第２の期間の直前の第４の期間に前記ガスを第２の流量値よりも小さい第４の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給する第４の工程と、を含み、
前記第１、第２、第３及び第４の期間は、所定の順番で周期的に繰り返される、
ガス供給方法。
前記プロセス空間は、前記処理ガスからプラズマを生成するプラズマ生成空間であり、
前記プラズマ生成空間に供給した前記一つのガス種のガスの流量値に対して前記プラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度を検出することで該ガスの流量値と該ガスのプラズマの発光強度との相関関係を示すデータ群を取得して記憶部に記憶し、
前記第３の流量値及び前記第４の流量値は、前記記憶部に記憶された前記ガス種のガスの流量値と該ガスのプラズマの発光強度との相関関係に基づき、前記プラズマ生成空間にて生成されたプラズマの発光強度の検出値を該ガス種のガスの流量値に換算することで設定される、
請求項１に記載のガス供給方法。
前記第３の流量値は、前記換算された流量値と第１の流量値との比較結果に基づき適正化され、
前記第４の流量値は、前記換算された流量値と第２の流量値との比較結果に基づき適正化される、
請求項２に記載のガス供給方法。
前記第１、第２、第３及び第４の流量値は、正の値である、
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス供給方法。
前記一つのガス種のガスは、ガス流量制御器を介して前記第１、第２、第３及び第４の期間毎に流量値が制御される、
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス供給方法。
前記第４の期間は、前記第３の期間よりも長い、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス供給方法。
チャンバ内のプロセス空間に、少なくとも一つのガス種のガスを含む処理ガスを供給するガス供給源と、前記処理ガスの流量を制御するガス流量制御器と、前記処理ガスの供給を制御する制御部と、を有する半導体製造装置であって、
前記制御部は、
第１の期間に前記一つのガス種のガスを第１の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
第２の期間に前記ガスを前記第１の流量値よりも小さい第２の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第１の期間の直前の第３の期間に前記ガスを第１の流量値よりも大きい第３の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第２の期間の直前の第４の期間に前記ガスを第２の流量値よりも小さい第４の流量値に制御して、該ガスを含む前記処理ガスを供給し、
前記第１、第２、第３及び第４の期間を所定の順番で周期的に繰り返す、
半導体製造装置。