JP2000269187A - 基板処理のモニタリング方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 真空処理室におけるプラズマ状態のガスを用
いた被処理基板に対する処理を高速応答のピラニー真空
計を利用して正確にモニタリングする方法及び被処理基
板のプラズマ状態のガスを用いた処理終点を正確に検知
する半導体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 減圧された処理室２１に処理用のガスを
導入し、この処理室２１の所定の場所における前記導入
時のガスの比熱を高速応答のピラニ真空計２４を用いて
予め測定しておき、このガスの状態を変化させて被処理
基板２０に対する処理を行い、そして処理前から処理後
までの状態を変化させたガスの比熱を前記高速応答のピ
ラニ真空計２４により測定し、この測定結果を前記予め
測定した測定値と比較して処理の進捗状況、とくにその
処理の終点を検出する。ウェハなどのプラズマ状態のガ
スを用いた処理の終点を正確且つ迅速に検知できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空処理室におけ
る基板の処理状況をモニタリングする方法に関し、とく
に半導体ウェハ処理の終点を高速応答の真空計を用いて
検知する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来半導体装置を製造する工程において
半導体ウェハ（以下、ウェハという）を処理する工程で
はドライエッチング、ＣＶＤ(Chemical Vapour Deposit
ion)処理、ドライクリーニング処理などの真空室の内部
での処理が多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術によるドライ
エッチング装置を用いたドライエッチングについて説明
する。図７は、ドライエッチング装置の概念的な断面図
である。アルミニュウム合金で形成された真空容器（チ
ャンバ）１は、接地されている。このチャンバ１には内
部を排気するための排気系２、チャンバ１内にエッチン
グガスを供給するためのガス導入口３、チャンバ１内の
圧力を一定に維持するための圧力計４、チャンバ１の内
部を眺める石英窓５及びウェハなどの被処理基板を処理
するための電極６が搭載されている。被処理基板を処理
する電極６は、高周波電源７に接続されている。石英窓
５の外には分光器８及びフォトセンサ９が連結されてお
りチャンバ１内部の発光をモニタできるようになってい
る。この装置では圧力計として、例えば、ダイヤフラム
型真空計（キャパシタンスマノメータ；ＣＭ）を用いて
いる。

【０００４】このドライエッチング装置を用いたエッチ
ングは、以下のように行われる。先ずチャンバ１内をポ
ンプ（図示せず）につながる排気系２を用いて充分排気
する。内部の圧力としてはエッチング処理を行う際の圧
力より１桁以上低い圧力が適当である。チャンバ１に被
処理基板であるシリコンウェハ１０を挿入し、被処理体
を処理する電極６上に載置する。次に、チャンバ１を排
気しながらここに適当なガスを導入し、一定の圧力にな
るようにチャンバ１に設けた圧力調整弁１１を用いて排
気のコンダクタンスを調整する。そして被処理体を処理
する電極６に高周波電源７から適当な高周波電力を供給
すると、チャンバ１内でプラズマが生成され、適当な活
性種、イオンが生成されてシリコンウェハ１０上に形成
されている薄膜をエッチングする。エッチングの終点
は、例えばプラズマ中のある特定の元素の発光をモニタ
することで検出することができる。例えば、ポリシリコ
ンのドライエッチングを塩素（Ｃｌ₂ ）ガスを用いて行
う場合、ＳｉＣｌの発光（波長４０５ｎｍ）をモニタす
ることにより終点を検出することができる。エッチング
終点ではプラズマ中に出てくるＣｌとＳｉとの反応生成
物であるＳｉＣｌの量が大幅に減少するので発光量が著
しく減った時点をその終点とすることができる。波長の
設定はとくに制限はなく経験的に決められたり、分光の
半値幅も特定の線スペクトルを取り出すとは限らない。

【０００５】すなわち、従来の半導体ウェハを処理する
チャンバ内に設置された圧力計は、チャンバ内の圧力を
常に一定に保つためにその圧力を計測している。この方
法を用いることにより安定してエッチングを行うことが
可能となるが、多量のシリコンウェハを連続して処理し
ていくと、次のような問題が発生する。エッチングによ
って発生する反応生成物には蒸気圧の低い生成物も含ま
れ、これらの生成物は、排気される前にチャンバ内壁に
堆積する。この堆積膜は、石英窓にも堆積し、エッチン
グを続けるに従ってモニタしている波長（この場合４０
５ｎｍ）に対する透明度が落ちていき、エッチング終点
の検出が難しくなり、最後には全く終点の検出ができな
くなる。こうなると、チャンバを大気開放して石英窓、
チャンバ内壁をクリーニングすることが必要となるが、
クリーニング終了後再度チャンバを真空引きして次のエ
ッチングが開始できるまでには少なくとも３時間程度、
長い場合には一昼夜を要することもあり、装置の稼働率
が下がってしまう。石英窓やチャンバ内壁のクリーニン
グにはドライクリーニングと呼ばれる次のような方法が
良く行われる。

【０００６】エッチングを行う場合と同様チャンバ内を
充分真空排気し、ここにエッチングとは別の適当なガス
を導入して一定の圧力を保持し、高周波電力を電極に印
加することでチャンバのクリーニングを行う。クリーニ
ングの終点検出は、エッチング終点検出と同様、発光分
光を行い石英窓を通して充分発光強度が回復するまで、
もしくは堆積物からの特定の線スペクトルが減少するま
で続けることで終点検出が行える。しかしドライクリー
ニングは、その効果に偏りがあり、発光だけでは充分な
終点検出ができない場合が多く、ドライクリーニングを
何回か繰り返した後は、チャンバを開放して行うクリー
ニング（ウエットクリーニング）も必要である。クリー
ニングを行う目的は、窓の曇り除去だけではなく、チャ
ンバ内壁に堆積した膜の除去の目的もある。堆積膜が厚
くなり過ぎるとストレスによって剥がれてくる。剥がれ
た堆積膜は、半導体製造装置では特に嫌われるパーティ
クルとなるので剥がれる前に除去する必要がある。

【０００７】近年ドライエッチングやプラズマＣＶＤ装
置で使用される圧力は０．１〜１０Ｐａ程度である。こ
の範囲を再現性良く計測できる真空計としてＣＭが良く
知られており、これは広く使われている。ＣＭは、良く
知られている様に、コンデンサ電極の一面を被計測側に
露出させ、被計測側の圧力によってこの電極が歪むこと
によりコンデンサ容量が変化するのを圧力に読み替える
ものであり、直接雰囲気ガスの圧力を測定することがで
きる。しかし、プラズマＣＶＤでもドライエッチングで
もプラズマを使用することから活性な原子、分子などが
多く生成され、これらがＣＭ表面に堆積するので計測値
の信頼性が低くなるという問題がある。また０．１〜１
０Ｐａの圧力を高精度に測定するのに適したＣＭは、セ
ンサ部を敏感（高感度）に作ってあり曝露可能圧力は、
精々１０００Ｐａ程度が限界である。従って、チャンバ
を大気に曝露する場合、センサ部を隔離して、センサ雰
囲気を高真空に保つ必要があることやチャンバを再度排
気しても僅かなリークによる昇圧によってセンサ部が影
響を受けてしまい、測定圧力が安定するのに時間がかか
るという問題もある。本発明は、このような事情により
なされたものであり、真空処理室におけるプラズマ状態
のガスを用いた被処理基板に対する処理を高速応答のピ
ラニー真空計を利用して正確にモニタリングする方法、
また半導体ウェハなどの被処理基板のプラズマ状態のガ
スを用いた処理終点を正確に検知する半導体装置の製造
方法を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、減圧された処
理室に処理用のガスを導入し、この処理室の所定の場所
における前記導入時のガスの比熱を高速応答のピラニ真
空計を用いて予め測定しておき、このガスの状態を変化
させて被処理基板に対する処理を行い、そして処理前か
ら処理後までの状態を変化させたガスの比熱を前記高速
応答のピラニ真空計により測定し、この測定結果を前記
予め測定した測定値と比較して処理の進捗状況、とくに
その処理の終点を検出するを特徴としている。また、高
速応答のピラニ真空計とは異なる真空計を用いて、前記
減圧された処理室に導入される処理用ガスの導入時の圧
力を予め測定しておき、このガスの状態を変化させて被
処理基板に対する処理を行い、そして、処理前から処理
後までの状態を変化させたガスの圧力を前記ピラニ真空
計とは異なる真空計により測定し、この測定結果を前記
予め測定した測定値と比較して処理の進捗状況を検出
し、これらピラニ真空計及びピラニ真空計とは異なる真
空計のそれぞれの前記測定値比較による比較結果をさら
に比較することを特徴としている。このような構成によ
り、真空処理室におけるプラズマ状態のガスを用いた処
理をピラニー真空計を利用して正確且つ迅速にモニタリ
ングでき、またウェハなどのプラズマ状態のガスを用い
た処理の終点を正確且つ迅速に検知することができる。

【０００９】以下、本発明に用いる高速応答のピラニ真
空計について説明する。図６は、ピラニ真空計の概念的
な断面図である。ピラニ真空計は、収納容器内にその壁
１０１から距離をおいてその中心部分にフィラメント１
００が形成配置されており、これがこの真空計の主構成
要素である。収納容器は、一端が測定すべき処理室内部
に開放されている。フィラメント１００は、収納容器両
端の端子１０２、１０３に接続されており、これら端子
は、フィラメント支持体を兼ねている。端子１０２、１
０３は、計測回路であるブリッジ回路（図示せず）を介
して電源（図示せず）に接続されている。このフィラメ
ント１００に端子１０２、１０３を介して電源から電流
を流すことによりピラニ真空計を作動させる。このよう
なピラニ真空計の動作原理は、次の通りである。気体分
子がある温度に加熱されたフィラメント１００に衝突す
ると、この時フィラメント１００から熱を奪う。また、
加熱された気体分子が壁１０１と衝突すると、壁１０１
に熱を奪われる。気体分子を介してフィラメント１００
が失う熱量（Ｑ）はフィラメント１００に衝突する気体
分子の数；即ち圧力（Ｐ）に比例する。この特性を利用
して圧力を測定する計測器がピラニ真空計である。フィ
ラメント１００が失う熱量（Ｑ）は、フィラメント１０
０と壁１０１との温度の差に依存する。

【００１０】また、気体分子の比熱にも依存している。
衝突前後の気体分子１０４、１０５の温度をそれぞれＴ
ｇ（＝壁の温度）、Ｔｆ（＝フィラメント温度）、気体
分子の分子量をＭ、熱的適応係数をα、気体の定圧比
熱、定積比熱をそれぞれＣｐ、Ｃｖとすると、フィラメ
ント１００が失う熱量（Ｑ）は、 Ｑ＝α｛（γ＋１）／（γ−１）｝Ｍ^-1/2（Ｔｆ−Ｔｇ）Ｐ・・・（１） （但し、γ＝Ｃｐ／Ｃｖ）と表される。圧力（Ｐ）が変
わってもＴｆ（＝フィラメント温度）が変化しないよう
にホイートストンブリッジ回路で制御することによっ
て、フィラメントが失う熱量（Ｑ）、即ちフィラメント
に投入する電力は、圧力（Ｐ）に比例することになり圧
力測定が可能になる。しかしこの式から、一般的にガス
種が異なると計測される数値も変わることが分かる。ま
た数種類の混合ガスの場合は、更に複雑になることが分
かる。したがって、ピラニ真空計は、絶対圧力を測定す
ることはできない。というよりは寧ろピラニ真空計で計
測されるのはガスの比熱であり、例えばドライエッチン
グの終点前後を考えると、終点前後でエッチング反応に
よる反応生成物の成分もしくは成分比が変化する、即ち
チャンバ内の混合ガス全体としての比熱が変化すること
になり、ピラニ真空計はこれを検出することになる。

【００１１】従来のピラニ真空計は、応答速度が１０秒
程度と遅く、また１３３〜６６５００Ｐａと真空度の余
り高い範囲は測定できなかった。このように、応答速度
が遅いとエッチング終点などの検出に用いても正確な終
点時刻を得ることがは難しかった。また、例えば、０．
１３３Ｐａ程度の比較的低い圧力を測定するには高精度
な値が得られず、通常このような範囲の測定には用いら
れていなかった。ところが最近のピラニ真空計（例え
ば、アルバック社製の高精度ピラニ真空計など）は、制
御系の信号処理や熱絶縁などの外乱による応答性が改良
されて応答速度が１秒以下程度にまで改良され、また、
測定範囲も０．１３３〜１３３０００Ｐａ（０．００１
〜１０００Ｔｏｒｒ）と広帯域に拡大しており、本発明
のモニタリング方法や半導体装置の製造方法に適した性
能に向上している。すなわち、本発明は、高速応答のピ
ラニ真空計を用いることによって、従来のように処理室
の圧力を一定に保つために圧力を測定するのに用いるの
ではなく、処理室内の処理の時間的経過に伴う圧力の変
化を処理用ガスの比熱の変化によりモニターすることを
特徴としている。

【００１２】ピラニ真空計は、前述のように、測定すべ
きガス雰囲気の比熱を測定するものであり、この測定値
によって圧力を知ることができる。これに対しＣＭは、
原理的には圧力そのものを測定する。また、前記処理室
の導入時の雰囲気とプラズマ状態にした処理前の雰囲気
とを比較すると、プラズマ化によってガス分子の分解が
促進されたりするために、実際の圧力はプラズマ生成前
後で変化する。これを上述のそれぞれの圧力計で測定す
ることを考えると、測定している物理量が異なるため
に、その測定値は必ずしも一致しない。

【００１３】本発明の基板処理のモニタリング方法は、
減圧された真空容器内又はこの真空容器に連結された被
処理基板を処理する処理室に処理用ガスを所定の条件で
導入し、この処理室の所定の場所における前記導入時の
前記処理用ガスの比熱をピラニ真空計を用いて予め測定
しておく第１のステップと、前記処理用ガスを導入後、
前記処理用ガスの状態を変化させて被処理基板に対する
処理を行い、前記処理前から処理後までの前記所定の場
所の任意の時期の前記状態を変化させた処理用ガスの比
熱を前記ピラニ真空計により測定する第２のステップ
と、前記第１及び第２のステップにおいて測定された測
定結果を比較して前記処理の進捗状況を検出する第３の
ステップとを備えていることを第１の特徴としている。
また、本発明の基板処理のモニタリング方法は、減圧さ
れた真空容器内又はこの真空容器に連結された被処理基
板を処理する処理室にクリーニングガスを所定の条件で
導入し、この処理室の所定の場所における前記導入時の
前記クリーニングガスの比熱をピラニ真空計を用いて予
め測定しておく第１のステップと、前記クリーニングガ
スをプラズマ状態に変化させて前記処理室に対するクリ
ーニング処理を行い、前記処理前から処理後までの前記
所定の場所における任意の時期の前記プラズマ状態のク
リーニングガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定す
る第２のステップと、前記第１及び第２のステップにお
いて測定された測定結果を比較して前記クリーニング処
理の進捗状況を検出する第３のステップとを備えている
ことを第２の特徴としている。

【００１４】また、本発明の基板処理のモニタリング方
法は、減圧された真空容器内又はこの真空容器に連結さ
れた被処理基板を処理する処理室に少なくとも１種類の
ガスからなる処理用ガスを所定の条件で導入し、この処
理室の所定の場所における前記導入時の前記処理用ガス
の比熱をピラニ真空計を用いて予め測定しておくととも
に別の種類の真空計を用いて前記処理用ガスのガス圧を
予め測定しておく第１のステップと、前記処理用ガスを
導入後、前記処理用ガスの状態を変化させて被処理基板
に対する処理を行い、前記処理前から処理後までの前記
所定の場所の任意の時期の前記状態を変化させた処理用
ガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定するとともに
前記別の種類の真空計を用いて前記状態を変化させた処
理用ガスのガス圧を測定する第２のステップと、前記第
１及び第２のステップにおいて測定された前記比熱及び
ガス圧の測定結果をそれぞれ比較して前記処理の進捗状
況を検出する第３のステップとを備えていることを第３
の特徴としている。前記被処理基板を処理する処理室
は、処理前に一定の圧力に固定しておくようにしても良
い。前記ピラニ真空計として、応答速度が１秒以下の高
速応答のピラニ真空計を用いても良い。

【００１５】本発明の半導体装置の製造方法は、減圧さ
れた真空容器内又はこの真空容器に連結された成膜され
た半導体ウェハ表面を処理する処理室に処理用ガスを所
定の条件で導入し、この処理室の所定の場所における前
記導入時の前記処理用ガスの比熱をピラニ真空計を用い
て予め測定しておくとともに別の種類の真空計を用いて
前記処理用ガスのガス圧を予め測定しておく第１のステ
ップと、前記処理用ガスを導入後、前記処理用ガスの状
態を変化させて前記半導体ウェハに対する処理を行い、
前記処理前から処理後までの前記所定の場所の任意の時
期の前記状態を変化させた処理用ガスの比熱を前記ピラ
ニ真空計により測定するとともに前記別の種類の真空計
を用いて前記状態を変化させた処理用ガスのガス圧を測
定する第２のステップと、前記第１及び第２のステップ
において測定された前記比熱及びガス圧の測定結果をそ
れぞれ比較して前記処理の進捗状況を検出する第３のス
テップとを備えていることを第１の特徴としている。ま
た、本発明の半導体装置の製造方法は、減圧された真空
容器内又はこの真空容器に連結された成膜された半導体
ウェハの表面を処理する処理室にエッチングガスを所定
の条件で導入し、この処理室の所定の場所における前記
導入時の前記エッチングガスの比熱をピラニ真空計を用
いて予め測定しておく第１のステップと、前記エッチン
グガスをプラズマ状態に変化させ、前記処理室内を一定
の圧力に固定して前記半導体ウェハに対するエッチング
処理を行い、前記処理前から処理後までの前記所定の場
所における任意の時期の前記プラズマ状態のエッチング
ガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定する第２のス
テップと、前記第１及び第２のステップにおいて測定さ
れた測定結果を比較する第３のステップとを備え、前記
第２のステップで測定される測定値が前記第１のステッ
プで測定された測定値に向かって変化し始めた点をエッ
チング終点とすることを第２の特徴としている。本発明
の半導体装置の製造方法において、前記ピラニ真空計と
して、応答速度が１秒以下の高速応答のピラニ真空計を
用いるようにしても良い。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して発明の実施
の形態を説明する。まず、図１乃至図３及び図８を参照
して第１の実施例を説明する。図１は、ドライエッチン
グ装置の概念的な断面図である。アルミニュウム合金で
形成された真空容器（チャンバ）２１は、接地されてい
る。このチャンバ２１には内部を排気するための排気系
２２、チャンバ２１内にエッチングガスを供給するため
のガス導入口２３、チャンバ２１内の圧力をモニタする
第１の圧力計２４及び第２の圧力計３２、チャンバ２１
の内部を眺める石英窓２５及びウェハなどの被処理基板
を処理するための電極２６が搭載されている。被処理基
板を処理する電極２６は、高周波電源２７に接続されて
いる。石英窓２５の外には分光器２８及びフォトセンサ
２９が連結されており、チャンバ２１内部の発光がモニ
タできる。このドライエッチング装置を用いたエッチン
グは、以下のように行われる。先ずチャンバ２１内をポ
ンプ（図示せず）につながる排気系２２を用いて充分排
気する内部の圧力としてはエッチング処理を行う際の圧
力より１桁以上低い圧力が適当である。チャンバ２１に
被処理基板であるシリコンウェハ２０を挿入し、被処理
基板を処理する電極２６上に載置する。次に、チャンバ
２１を排気しながらここに適当なガスを導入し、一定の
圧力になるようにチャンバ２１に設けた圧力調整弁３１
を用いて排気のコンダクタンスを調整する。そして被処
理体を処理する電極２６に高周波電源２７から適当な高
周波電力を供給すると、チャンバ２１内でプラズマが生
成され、適当な活性種、イオンが生成されてシリコンウ
ェハ２０上に形成されている薄膜をエッチングする。

【００１７】エッチングの終点は、従来は、例えばプラ
ズマ中のある特定の元素の発光をモニタすることで検出
していた。図１のドライエッチング装置は、従来（図
７）のものに比べて、圧力計が１つ多く配置されてお
り、これらは互いに種類の異なる真空計を用いている。
第１の圧力計として、計測時間が短かくなり、且つ計測
可能な真空度の下限が広がった新型ピラニ真空計が用い
られ、第２の圧力計としてＣＭが取り付けてある。被処
理基板２０としては、例えば、シリコンウェハを用い、
このシリコンウェハ上に厚さ１０ｎｍの薄い酸化膜を介
して厚さ３００ｎｍのポリシリコン膜及び厚さ３００ｎ
ｍのシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）がこの順に成膜されて
いる。ここで用いた被処理基板２０は、フォトレジスト
を用いて０．２５μｍのラインアンドスペース（Ｌｉｎ
ｅ＆Ｓｐａｃｅ）がパターニングされている。この被処
理基板２０をチャンバ２に載置してからＣＨＦ₃ とＣＯ
との混合ガスを導入し、導入時の雰囲気を第１の圧力計
（ピラニ真空計）で測って５．６Ｐａ（実際は、内部気
体のトータルの比熱が計測されるが、（１）式に示され
るように熱量は圧力に比例する関係があるので表示され
るのは（１）式から換算される（以下、同じ様にＰａで
表示される））の圧力に調整する。この時の第２の圧力
計（ＣＭ）の表示値は、５．３Ｐａである。

【００１８】次に、３．４Ｗ／ｃｍ² の電力を高周波電
源２７から電極２６に印加してプラズマを生成させてシ
リコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）のエッチングを行う。このエ
ッチングを行う際には圧力調整弁３１を固定する。混合
ガス導入時のピラニ真空計の指示値は、プラズマ生成前
なので５．６Ｐａであったが、プラズマを生成した状態
になると、６．１Ｐａとなる。そして、ポリシリコン膜
が露出してシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂ ）のエッチング終
点となった後は、ピラニ真空計の指示値は、５．６Ｐａ
となった。以上のことからピラニ真空計の指示値が６．
１Ｐａから５．６Ｐａへ変化し始めたところがエッチン
グ終点であり、したがって、この圧力指示値の変化をモ
ニタすることによってエッチング終点を検出することが
できる。この方法を用いると簡便にエッチング終点を安
定してモニタすることができる。

【００１９】図８は、処理室内の圧力と処理の時間的経
過との関係を示す特性図である。縦軸は、処理室内の圧
力（Ｐａ）を表わし、横軸は、処理時間（秒）を表わし
ている。処理の開始する時刻Ａに処理室内の処理用ガス
の圧力はｐ（Ｐａ）であるとする。図１のドライエッチ
ング装置では、ｐ1 ＝５．６である。このドライエッチ
ング装置に電力を印加して処理室内のガスをプラズマ化
する。プラズマ化により処理室内の圧力は、時刻Ｂでｐ
2 （Ｐａ）となる。図１ではｐ2 ＝６．１である。プラ
ズマ化の影響の程度は、１０数％である。そして、時刻
Ｃで圧力変化が生じ、この時点を計測してエッチング終
点を検知する。時刻Ｄでエッチング終点になる。圧力が
変化するＣ点から圧力が安定するＤ点までの時間Δｔ
は、高々１秒であり、したがって、応答速度が１秒以下
の高応答のピラニ真空計で十分そのエッチング終点を検
出することができる。最終圧力は、最終的にガス種が変
化することもあるので、初期圧力と一致するとは限ら
ず、それより高いときもあれば、低いこともある。図１
の場合は、最終圧力は、初期圧力と一致している。ま
た、従来のピラニ真空計は、応答速度が１０秒程度なの
で、これをエッチング終点検出に用いることはできな
い。

【００２０】従来はチャンバの石英窓が曇ってくると発
光による終点検出が困難になるため、ある一定頻度でク
リーニング（例えば、１００枚エッチング毎にドライク
リーニング、４回ドライクリーニング毎つまり５００枚
エッチング毎に大気開放によるウェットクリーニング）
が必要であったが、今回の方法を用いることで１００枚
毎のドライクリーニングが不要になった。また、プラズ
マ生成前後の圧力指示値を調べると、次のことが分かっ
た。図２は、プラズマ生成前後の第１の圧力計（ピラニ
真空計）及び第２の圧力計（ＣＭ）の指示値の変化を示
している。ＣＭは、原理的にはピラニ真空計より絶対圧
力に近く、放電による影響が少ないと考えられていた
が、実際は、放電開始前後で大きく組成が変化するガス
があり、放電の影響がある場合もあることが分かった。
この放電の影響がある場合、これが真空計そのものの問
題であるのか、それ以外の問題であるのかは現在ははっ
きりしないが、真空計以外に可能性があるとしたら次の
ことが考えられる。チャンバ内の雰囲気がＯ₂ ガスの場
合（すなわち、ドライクリーニングを行う場合）、放電
後にＣＭの指示値が上がっているが（５．１Ｐａ→９．
９Ｐａ（図２））、この評価をした際、チャンバ内壁に
堆積膜（ＣＦx ）が付着しており、Ｏ₂ 放電によってこ
れがエッチングされることによって実質的に圧力が上昇
するのである。

【００２１】即ち、ＣＦ_x （固体）＋Ｏ₂ →ＣＯ＋ｘＦ
＋Ｏ）の反応式にしたがって分子数が増加することによ
って圧力が上昇すると考えられるのである（Ｏ₂ →２Ｏ
の反応は少ない）。ＣＨＦ₃ の場合は、放電開始と同時
にＣＦ_x がチャンバに堆積するため、逆に分子数が減っ
て圧力が減少するのであると考えられる。なお、同じチ
ャンバ内の圧力を測定してもＣＭとピラニ真空計とでは
その測定値が異なるのは、それぞれの圧力計でその測定
手法が異なるからである。この実施例のプロセスを図３
を参照して説明する。図は、図１を用いてウェハをエッ
チングするプロセスの終点を検知するフロー図である。
まず（１）チャンバ内にウェハを搭載する。（２）チャ
ンバ内にエッチングガスを導入する。（３）チャンバ内
の圧力調整弁を固定して内部圧力を固定する。（４）チ
ャンバ内の圧力をピラニ真空計により測定する。（５）
チャンバ内の電極に電力を供給してエッチングガスをプ
ラズマ化する。（６）チャンバ内のプラズマ化後の圧力
をピラニ真空計により測定する。（７）ピラニ真空計を
随時測定しながらチャンバ内のエッチング状態をモニタ
する。（８）ステップ（４）の測定結果に近付く方向に
変化し始めたらエッチング終点とする。

【００２２】次に、ピラニ真空計に関する以上のことを
踏まえながら、第２の実施例を説明する。この実施例で
は、図４のドライエッチング装置を用いて説明する。こ
の装置は図７の従来のものとは圧力計の種類が異なりピ
ラニ真空計を用いている。図４は、ドライエッチング装
置の概念的な断面図である。アルミニュウム合金で形成
された真空容器（チャンバ）４１は、接地されている。
このチャンバ４１には内部を排気するための排気系４
２、チャンバ４１内にエッチングガスを供給するための
ガス導入口４３、チャンバ４１内の圧力をモニタするピ
ラニ真空計からなる圧力計４４、チャンバ４１の内部を
眺める石英窓４５及びウェハなどの被処理基板４０を処
理するための電極４６が搭載されている。被処理基板４
０を処理する電極４６は、高周波電源４７に接続されて
いる。石英窓４５の外には分光器４８及びフォトセンサ
４９が連結されておりチャンバ４１内部の発光をモニタ
できるようになっている。

【００２３】エッチング処理した５００枚のシリコンウ
ェハの中から選んだシリコンウェハを被処理基板４０を
チャンバ４１内の電極４６上に搭載する。まず、チャン
バ４１内にＯ₂ ガスを導入し、ピラニ真空計４４を用い
て導入時の内部圧力を計測すると、３．５Ｐａであっ
た。次に、電極４６に高周波電源４７から４．９Ｗ／ｃ
ｍ² のＲＦ電力を供給してガスをプラズマ状態にする。
この時の圧力指示値は、７．７Ｐａである。内部圧力
は、その後装置内での処理が進行するに連れて除々に低
下して行き３分後にはピラニ真空計４４の圧力指示値は
３．５Ｐａに戻ることが分かった。この状態でチャンバ
４１内を大気開放すると、チャンバ内部の堆積物は綺麗
に除去されていた。図５は、チャンバ内部の圧力を示す
圧力指示値（Ｐａ）及び従来の方法で観測するＣＯの発
光強度の処理時間（クリーニング時間）依存性を示す特
性図である。Ａは、圧力指示値と処理時間との関係を示
す曲線、Ｂは、ＣＯの発光強度と処理時間との関係を示
す曲線である。図の曲線Ｂに示すように、従来は２分程
度でＣＯの発光（３１３ｎｍ付近）強度が減少してお
り、この辺りをドライクリーニングの終点と考えていた
（つまりクリーニングが若干不足していた）。しかし、
実際は、上記のように元の圧力指示値に戻る約３分後が
終点である。

【００２４】この結果を以てその後は５００枚のウェハ
処理毎に３分間のドライクリーニングを行うことで、従
来はパーティクルの安定化のために必要であった大気開
放によるウェットクリーニングも不要になった。上述の
ＣＭの出力が放電開始前後で変化する他の理由は、従来
技術の問題で述べたＣＭの心臓部であるキャパシタ表面
に堆積物が付着することが考えられる。この堆積物は放
電により解離した原料ガス（ＣＦ₃ やＣＯなど原料ガ
ス）や、エッチングによる反応生成物などが付着するこ
とが知られている。堆積物がキャパシタ表面に付着する
と、これも含めたものが実質的にキャパシタとなるの
で、正確な値を示さなくなる。これは放電開始前後より
も経時的な変化として現れる筈のものであり、実際、例
えば長期使用したＣＭと、新品のＣＭを同じチャンバに
取り付け出力を比べると異なった値を示す。このような
影響を無くすためには上述のように使用されているＣＭ
の出力を較正用のＣＭの出力で較正しながら使うことや
堆積物の付着を抑えるためにキャパシタ表面を常時加熱
することが考えられるが、較正用ＣＭを取り付けること
はそれだけのために真空計を追加することになりコスト
アップになる。また、堆積物の付着を抑えるには表面温
度を１２０〜１３０℃程度に加熱する必要があるが、通
常市販されているＣＭの加熱許容温度は数１０℃（５０
〜８０℃）、高くても１００℃を超えない。

【００２５】これに対して本発明で使用するピラニ真空
計は心臓部であるフィラメント温度を１４０℃程度に加
熱しており、且つフィラメント材として高耐蝕性のＰｔ
を用いているため、堆積物の付着も、腐触性ガスによる
腐触も抑制でき、しかも改良が進んで応答速度が１秒程
度であり、測定範囲も０．１３３〜１３３０００Ｐａ
（０．００１〜１０００Ｔｏｒｒ）の範囲に拡大してお
り、さらに安定した出力を保てる。また、センサは、Ｐ
ｔからなるフィラメントであり、ＣＭのような敏感な部
分もないのでチャンバを大気圧に戻す場合もとくに隔離
する必要もない。また、測定の再現性、信頼性も高い。
従って、ＣＭに比べて取り扱いが簡単でしかも安価であ
る。以上ドライエッチングやクリーニングなどの終点検
出としてピラニ真空計の変化をモニタする方法を述べた
が、半導体プロセス、特にドライエッチングでは絶対圧
力というものはとりわけ重要ではなく、寧ろ同じ設定を
した際の出力の再現性や同じ設定をした際の出力の経時
的な変化としては上述のエッチング終点検出のような短
い（数秒から数分）レンジのものから、チャンバを大気
開放する間隔（数日〜数週間）といった長いレンジのも
のまで様々ある。これらの変化を検出する方法として、
本発明の真空計の変化をモニタする方法は、簡便、正確
且つ有効であると考えられる。

【００２６】また、モニタは、ピラニ真空計ひとつだけ
でなく種類の異なる複数の真空計の変化を同時にモニタ
することで更に感度を上げることが可能である。例え
ば、Ｏ ₂ ガスの場合、放電開始前後でＣＭ、ピラニ真空
計とも指示圧力は、２倍程度に増加するが、Ｃ₄ Ｆ₈ ガ
スの場合、ＣＭでは若干指示値が上昇するのに対して、
ピラニでは６７％程度まで指示値が減少する。従って、
混合ガスを用い、反応生成物も複雑なプロセスガスの情
報をモニタするにはこれらのデータを比較することでよ
り正確なモニタリングが可能となる。何をモニタできる
かは経験的な手法によることも多いが、プラズマ計測の
結果と比較することによって現象の理解にも使えること
は簡単に予想できる。例えば、ドライエッチングで設定
できるパラメータとしては、真空度、導入するガスそれ
ぞれの流量、高周波電力、基板温度、チャンバ温度など
がある。ところが、これら設定するパラメータを一定に
しても、エッチング特性などが安定しないことがある。
その原因としては例えば、ウェハに実際に印加される高
周波電力や誘起されるバイアスが変化したり、チャンバ
内部品の異常によってプラズマが偏ったりすることが考
えられる。これらの変化はチャンバ内部品を交換するな
どメンテナンスを行った前後で現れたり、経時的に変化
したりする。

【００２７】これに対し、安定した特性を示していると
きの圧力計の指示値を経験的に取得しておき、その変化
をモニタすることで、エッチング特性に影響を及ぼすプ
ラズマの変化を圧力計の変化として検知することも可能
であると考えられる。例えば、チャンバ材として良く使
われているアルマイト処理したアルミ材を用いた場合、
アルマイト被膜が剥離して下地のアルミが剥き出しにな
るとこれがエッチングされ、圧力指示値が変化すること
が考えられる。エッチングやドライクリーニングを行う
場合、実施例では圧力調整弁を固定して、圧力出力が変
化し始める終点として説明したが、圧力を一定に保って
これらの処理を行うこともある。その方法は真空計の出
力信号を圧力調整弁に送り、圧力信号が一定になる様に
圧力調整弁を動かすことで達成できる。従ってこの方法
でエッチングやドライクリーニングを行う場合はエッチ
ングやクリーニングの終点付近で圧力調整弁を動かすこ
とになる。故に圧力調整弁を動かす信号が出力されたと
ころがエッチング終点であるから、この信号をモニタす
ることで圧力を一定に保った処理でもピラニ真空計を用
いた終点検出を行うことができる。

【００２８】本発明によって簡便で安価な基板処理にお
けるプラズマ制御及びモニタリングを行うことが可能と
なった。以上本発明は、実施例をドライエッチングを中
心に説明したが、本発明は、これに限定されるものでは
なく、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、スパッタリング成膜
プロセスなどのプロセスにも適用することができる。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、制御系の信号処理や熱絶縁な
どの外乱による応答性が改良されて応答速度が１秒程度
まで改良され、また、測定範囲も０．１３３〜１３３０
００Ｐａまで拡大されたピラニ真空計を用いて構成され
ており、真空処理室におけるプラズマ状態のガスを用い
た被処理基板に対する処理をこのピラニー真空計を利用
して簡便、迅速且つ正確にモニタリングすることがで
き、またウェハなどの被処理基板のプラズマ状態のガス
を用いた処理終点を簡便、迅速且つ正確に検知すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング装置の概念的断面
図。

【図２】プラズマを生成する前後のピラニ真空計及びＣ
Ｍの圧力指示値の変化を示す特性図。

【図３】第１の実施例のエッチング終点を検知するプロ
セスフロー図。

【図４】本発明のドライエッチング装置の概念的断面
図。

【図５】チャンバ内部の圧力指示値（Ｐａ）及び従来の
方法で観測するＣＯの発光強度の処理時間依存性を示す
特性図。

【図６】本発明に用いるピラニ真空計の要部断面図。

【図７】従来のドライエッチング装置の概念的な断面
図。

【図８】処理室内の圧力と処理の時間的経過との関係を
示す特性図。

【符号の説明】

１、２１、４１・・・チャンバ、 ２、２２、４２・
・・排気系、３、２３、４３・・・ガス導入口、
４、４４・・・圧力計、５、２５、４５・・・石英窓、
６、２６、４６・・・電極、７、２７、４７・・・
高周波電源、 ８、２８、４８・・・分光器、９、２
９、４８・・・センサ、 １０、２０、４０・・・ウ
ェハ、１１、３１、５１・・・圧力調整弁、 ２４・
・・第１の圧力計、３２・・・第２の圧力計、 １０
０・・・フィラメント、１０２、１０３・・・端子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８ 株式会 社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 2F055 AA40 BB08 CC43 DD20 EE40 FF31 GG01 4G075 AA25 AA61 BC02 BC04 BC06 BD14 CA47 CA65 DA02 DA13 EB01 EB41 5F004 AA15 BA04 CA02 CA08 CB01 CB02 CB15 DA16 5F103 AA08 BB25 BB51 BB59 NN04 PP01

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 減圧された真空容器内又はこの真空容器
   に連結された被処理基板を処理する処理室に処理用ガス
   を所定の条件で導入し、この処理室の所定の場所におけ
   る前記導入時の前記処理用ガスの比熱をピラニ真空計を
   用いて予め測定しておく第１のステップと、前記処理用
   ガスを導入後、前記処理用ガスの状態を変化させて被処
   理基板に対する処理を行い、前記処理前から処理後まで
   の前記所定の場所の任意の時期の前記状態を変化させた
   処理用ガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定する第
   ２のステップと、前記第１及び第２のステップにおいて
   測定された測定結果を比較して前記処理の進捗状況を検
   出する第３のステップとを備えていることを特徴とする
   基板処理のモニタリング方法。
2. 【請求項２】 減圧された真空容器内又はこの真空容器
   に連結された被処理基板を処理する処理室にクリーニン
   グガスを所定の条件で導入し、この処理室の所定の場所
   における前記導入時の前記クリーニングガスの比熱をピ
   ラニ真空計を用いて予め測定しておく第１のステップ
   と、前記クリーニングガスをプラズマ状態に変化させて
   前記処理室に対するクリーニング処理を行い、前記処理
   前から処理後までの前記所定の場所における任意の時期
   の前記プラズマ状態のクリーニングガスの比熱を前記ピ
   ラニ真空計により測定する第２のステップと、前記第１
   及び第２のステップにおいて測定された測定結果を比較
   して前記クリーニング処理の進捗状況を検出する第３の
   ステップとを備えていることを特徴とする基板処理のモ
   ニタリング方法。
3. 【請求項３】 減圧された真空容器内又はこの真空容器
   に連結された被処理基板を処理する処理室に少なくとも
   １種類のガスからなる処理用ガスを所定の条件で導入
   し、この処理室の所定の場所における前記導入時の前記
   処理用ガスの比熱をピラニ真空計を用いて予め測定して
   おくとともに別の種類の真空計を用いて前記処理用ガス
   のガス圧を予め測定しておく第１のステップと、前記処
   理用ガスを導入後、前記処理用ガスの状態を変化させて
   被処理基板に対する処理を行い、前記処理前から処理後
   までの前記所定の場所の任意の時期の前記状態を変化さ
   せた処理用ガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定す
   るとともに前記別の種類の真空計を用いて前記状態を変
   化させた処理用ガスのガス圧を測定する第２のステップ
   と、前記第１及び第２のステップにおいて測定された前
   記比熱及びガス圧の測定結果をそれぞれ比較して前記処
   理の進捗状況を検出する第３のステップとを備えている
   ことを特徴とする基板処理のモニタリング方法。
4. 【請求項４】 前記被処理基板を処理する処理室は、処
   理前に一定の圧力に固定しておくことを特徴とする請求
   項１乃至請求項３のいずれかに記載の基板処理のモニタ
   リング方法。
5. 【請求項５】 前記ピラニ真空計として、応答速度が１
   秒以下の高速応答のピラニ真空計を用いることを特徴と
   する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の基板処理
   のモニタリング方法。
6. 【請求項６】 減圧された真空容器内又はこの真空容器
   に連結された成膜された半導体ウェハ表面を処理する処
   理室に処理用ガスを所定の条件で導入し、この処理室の
   所定の場所における前記導入時の前記処理用ガスの比熱
   をピラニ真空計を用いて予め測定しておくとともに別の
   種類の真空計を用いて前記処理用ガスのガス圧を予め測
   定しておく第１のステップと、前記処理用ガスを導入
   後、前記処理用ガスの状態を変化させて前記半導体ウェ
   ハに対する処理を行い、前記処理前から処理後までの前
   記所定の場所の任意の時期の前記状態を変化させた処理
   用ガスの比熱を前記ピラニ真空計により測定するととも
   に前記別の種類の真空計を用いて前記状態を変化させた
   処理用ガスのガス圧を測定する第２のステップと、前記
   第１及び第２のステップにおいて測定された前記比熱及
   びガス圧の測定結果をそれぞれ比較して前記処理の進捗
   状況を検出する第３のステップとを備えていることを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 減圧された真空容器内又はこの真空容器
   に連結された成膜された半導体ウェハの表面を処理する
   処理室にエッチングガスを所定の条件で導入し、この処
   理室の所定の場所における前記導入時の前記エッチング
   ガスの比熱をピラニ真空計を用いて予め測定しておく第
   １のステップと、前記エッチングガスをプラズマ状態に
   変化させ、前記処理室内を一定の圧力に固定して前記半
   導体ウェハに対するエッチング処理を行い、前記処理前
   から処理後までの前記所定の場所における任意の時期の
   前記プラズマ状態のエッチングガスの比熱を前記ピラニ
   真空計により測定する第２のステップと、前記第１及び
   第２のステップにおいて測定された測定結果を比較する
   第３のステップとを備え、前記第２のステップで測定さ
   れる測定値が前記第１のステップで測定された測定値に
   向かって変化し始めた点をエッチング終点とすることを
   特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 前記ピラニ真空計として、応答速度が１
   秒以下の高速応答のピラニ真空計を用いることを特徴と
   する請求項６又は請求項７に記載の半導体装置の製造方
   法。