JP2000269194A - ガス処理装置 - Google Patents

ガス処理装置

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JP2000269194A JP11071928A JP7192899A JP2000269194A JP 2000269194 A JP2000269194 A JP 2000269194A JP 11071928 A JP11071928 A JP 11071928A JP 7192899 A JP7192899 A JP 7192899A JP 2000269194 A JP2000269194 A JP 2000269194A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プラズマを用いて例えば半導体ウエハに対し
て成膜やエッチングなどの処理を行うにあたり、良好な
処理を行うこと。 【解決手段】 半導体ウエハに対してガス処理を行うた
めの真空容器に、電子付加型質量分析装置を接続する。
この質量分析装置において、真空容器内のガスを取り込
み、そのガス中の粒子に電子を付加し、粒子例えば特定
のラジカルがイオン化された負イオンの計数値を測定す
る。このとき電子エネルギーを変化させると計数値が変
わり、その計数値のピーク値に基づいてラジカル密度が
推定される。この推定結果に基づきマイクロ波パワー、
圧力、流量といったプロセス条件を細かくコントロール
する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハに対してプラズマ処理を行うためのガス処理装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】半導体デバイスの製造工程には、被処理
基板である半導体ウエハ(以下ウエハという)に対して
プラズマを用いて処理を行う工程がある。これはウエハ
載置台を備えた真空容器内に処理ガスを導入し、例えば
電磁エネルギーを処理ガスに供給することでプラズマを
発生させて行われ、例えば成膜やエッチングといった処
理が挙げられる。プラズマを発生させる手法としては、
マイクロ波と磁界の相互作用である電磁サイクロトロン
共鳴を利用するECR方式、ドーム状の容器に巻かれた
コイルから電界及び磁界を処理ガスに与えるICP方式
及び一対の平板を対向させてその間に高周波電力を印加
する平行平板方式などがある。
【0003】このようなプラズマ処理において、プラズ
マ中に発生する粒子例えばラジカルは種類により、堆積
やエッチングといった異なる作用を有するため、ウエハ
上への処理にはラジカルが重要な役割を果たしていると
考えられている。このためプラズマ発生時におけるラジ
カル密度を推定する方法、及びこれにより得られた値に
よりマイクロ波の出力を制御する方法などが発表されて
いる。ラジカル密度を推定する方法としては例えばレー
ザ光をプラズマに照射し、分子がその光を吸収して蛍光
を発することを利用して、蛍光を計測したその計測値に
基づいてラジカル密度を推定するレーザ誘起蛍光法(L
IF法)や赤外半導体レーザ光のスペクトル変化を検出
して真空容器内のラジカル密度を測定する方法などがあ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし上述のLIF法
は蛍光する分子を計測する手法であるため、光らない種
類のラジカルの密度が推定できず、更に分子数の大きな
高次ラジカルの測定は不可能なため、正確なプロセス制
御ができないという課題がある。また、赤外半導体レー
ザ光のスペクトル変化からラジカル密度を測定する方法
においても、低次のラジカルについてはラジカルに起因
するスペクトルが既知のため計測が可能であるが、分子
数の大きな高次ラジカルの測定は不可能であった。
【0005】本発明はこのような事情の下になされたも
のであり、その目的は例えばラジカルなどの種類と密度
を推定し、良好な処理例えば被処理基板間でばらつきの
少ない処理を行うことのできる装置を提供することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、真空容器内に
処理ガスを供給して被処理基板に対して所定の処理を施
すガス処理装置において、真空容器内から採取したガス
に対して電子を放出し、処理ガス中の粒子に当該電子を
付着させる電子付加手段と、この電子付加手段により、
電子が付着された粒子の負イオンの種類を判別する質量
分析手段と、この質量分析手段により判別された負イオ
ンの数の計数値に基づいて、判別された負イオンに対応
する処理ガス中の粒子の密度を推定する密度推定手段
と、この密度推定手段で推定された粒子の密度の推定結
果に基づき、処理ガスの状態に影響を与えるプロセス条
件をコントロールする制御部と、を有することを特徴と
する。ここでプロセス条件は、処理ガスに与えるエネル
ギーの大きさ、真空容器内の圧力または処理ガスの流量
の少なくとも一つである。また質量分析手段は真空容器
内を移動可能なガス採取口を備えた構成とすることが好
ましい。
【0007】この発明において、上述の電子を付着させ
る処理ガス中の粒子は、例えばラジカル、分子または原
子であり、この粒子の密度は電子付加手段から放出され
る電子エネルギーの大きさを変えて、この電子エネルギ
ーの大きさと、前記粒子の計数値との関係を求め、この
結果に基づいて推定することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】本発明に係るガス処理装置の実施
の形態として、ECR(電子サイクロトロン共鳴)を利
用し被処理基板に成膜処理を行うプラズマ成膜装置を例
にとって説明する。この実施の形態は、真空容器内のガ
スを採取し、そのガスに電子を付加してガス中の粒子例
えばラジカルを負イオンの形態に変え、特定のラジカル
に対応する負イオンの量を質量分析装置により分析し
て、その結果に基づいてラジカルの密度を推定し、その
推定値に応じてプラズマ中のラジカルに影響を与える各
種プロセス条件を制御するものである。
【0009】ここで図1は本実施の形態に係るガス処理
装置を表す全体図、図2はこのガス処理装置に用いられ
る電子付着型質量分析装置の概観を示す側面図である。
【0010】先ず図1のプラズマ成膜装置について説明
をすると、これは図示されるように例えばアルミニウム
等により形成された真空容器1を有しており、この真空
容器1は上方に位置してプラズマを発生させる円筒状の
第1の真空室11と、この下方に連通するように連結さ
れた円筒状の第2の真空室12とからなる。なおこの真
空容器1は接地されてゼロ電位になっている。
【0011】この真空容器1の上端は、開口されてこの
部分にマイクロ波を透過する部材例えば石英等の材料で
形成された透過窓13が気密に設けられており、真空容
器1内の真空状態を維持するようになっている。この透
過窓13の外側には、例えば2.45GHz、1.5k
wのプラズマ発生用高周波供給手段としてのマイクロ波
電源部14に接続された導波管15が設けられており、
マイクロ波電源部14により発生したマイクロ波を例え
ばTEモードにより導波管15で案内して、またはTE
モードにより案内されたマイクロ波を導波管15でTM
モードに変換して透過窓13から第1の真空室11内へ
導入し得るようになっている。
【0012】第1の真空室11を区画する側壁には例え
ばその周方向に沿って均等に配置したガスノズル16が
設けられると共にこのノズル16には、図示しないガス
源、例えばArガス源が接続されており、第1の真空室
11内の上部にArガスをムラなく均等に供給し得るよ
うになっている。
【0013】前記第2の真空室12内には、前記第1の
真空室11と対向するように、ウエハWとほぼ同じサイ
ズのウエハ載置台17が例えばアルミナを素材とする図
示しない絶縁体を介して支持部18に支持されている。
載置台17内には電極が埋設され、この電極にはイオン
引き込み用のバイアス電圧を印加するように高周波電源
部19が接続されている。
【0014】一方、図1に示すように前記第2の真空室
12の上部、即ち第1の真空室11と連通している部分
にはリング状の成膜ガス供給部20が設けられている。
この成膜ガス供給部20は図示しないガス供給管から送
られる成膜ガス、例えばC2F4及びC2H4ガスを第2の
真空室12内に噴き出すように構成されている。なお前
記Arガス及びこの成膜ガスは、処理ガスに相当する。
また、真空室12の側壁部にはウエハを当該真空室12
内に搬入するためのゲートバルブ21が設けられると共
に、他方側には後述する電子付着型質量分析装置3が気
密に接続されている。底部には例えば真空室12の中心
軸に対称な2個所の位置に各々排気管22が接続されて
いる。
【0015】前記第1の真空室11を区画する側壁の外
周には、これに近接させて磁場形成手段として例えばリ
ング状の主電磁コイル23が配置されると共に、第2の
真空室12の下方側室外には真空室12に近接してリン
グ状の補助電磁コイル24が配置されている。
【0016】次に電子付着型質量分析装置3について図
3を参照しながら述べる。この質量分析装置3の装置本
体30は筒状体であり、真空容器1側から順に導入管3
1、イオン通路部32、及びイオン検出部33から構成
される。導入管31は、一端側に設けられる採取口34
が真空容器1側壁に形成される孔部35を介して真空容
器1内を向くように配置されており、ニューメタルまた
はパーマロイで作られている。
【0017】導入管31の径方向側周面を囲むように例
えば金属ベローズ体36が設けられ、このベローズ体3
6の両端は、導入管31基端部周囲と孔部35周囲とに
夫々気密に取り付けられている。ベローズ体36はエア
シリンダー等の駆動部37と接続されており、駆動部3
7はレール38上をガイドされる。従って駆動部37の
移動に伴いベローズ体36が伸縮し、導入管33の真空
室1内への進退が可能となる。
【0018】導入管31内には、採取口34側から順
に、第1のフォーカスリング40、第2のフォーカスリ
ング41、ラジカルへ電子を付加するための電子付加手
段の一部をなすフィラメント42及びイオン引き込み用
の電極43が配置されている。フィラメント42は電圧
を可変できる直流電源44と接続されている。
【0019】イオン通路部32内には、棒状の電極45
が周方向に4本配置され、相対する電極45を一対とし
た四重極として構成される。イオン検出部33にはイオ
ン通路部32側から順に第3のフォーカスリング46、
及び負イオンによる電流値を検出する検出器47が設け
られている。なお装置本体30内は、真空ポンプ48に
より所定の真空度まで真空排気されている。
【0020】前記検出器47で検出された検出値(電流
値)は種類判別部47aに送られ、この種類判別部47
aにて負イオンの質量数と負イオンの数の計数値(相対
強度)との関係を求め、つまり質量スペクトルを求め、
この質量スペクトルに基づいて負イオンの種類を判別す
る。この判別は、負イオンの計数値のピークが出ている
質量数を求め、この質量数に基づいて、例えば予め作成
した質量数と負イオンの種類との対応をとったデータに
基づいて行われる。
【0021】また前記検出値は、密度推定手段49に送
られ、密度推定手段49は、直流電源44の電圧を可変
させたときの、フィラメント42から放出された電子の
エネルギーの値と前記計数値との対応関係を把握して、
計数値のピークを求め、このピーク値に基づいてプラズ
マ中の特定のラジカルの密度を推定する機能を有してい
る。この密度推定手段49で推定された推定結果は制御
部5に送られる。
【0022】ここで図4は、前記密度推定手段49で得
られた推定結果に基づいて、プラズマ中の特定の粒子こ
の例ではラジカルの密度に影響を与えるプロセス条件を
制御する制御系を示す構成図である。図4では制御部5
から各部へ信号線が出ている図として表されているが、
この点は後述するとして、この実施の形態では制御部5
の制御信号が、マイクロ波電源部14の出力電力を変調
するパルス発生部51のみを制御する例であるものとし
て説明を進めていく。
【0023】次に本実施の形態の作用を述べる。先ず電
磁コイル14,15により作られる磁界とマイクロ波と
により電子サイクロトロン共鳴を起こし、ノズル16か
ら供給されるArガスがプラズマ化されると共に、ガス
供給部20から供給される例えばC4F8ガス及びC2H4
ガスを夫々プラズマ化する。
【0024】一方、成膜処理中に採取口34を例えばウ
エハWの中央上方位置まで進出させる電子付着型質量分
析装置3の装置本体30内は、真空容器1内よりも高真
空に維持されているのでプラズマの一部が採取口34内
へ引き込まれ、第1のフォーカスリング40、第2のフ
ォーカスリング41を介して装置本体30内へ取り込ま
れる。そしてプラズマ中に含まれるラジカル等の粒子に
フィラメント42から放出される電子が付加されてイオ
ン化され、例えばC4F7ラジカルはC4F7-の負イオン
となる。
【0025】既述のように2対4本の双曲柱ロッドから
なる電極45(四重極:quadrupole)には、各々図示され
ない電源部より正及び負の直流電圧U(ボルト)と高周波
電圧V´(ボルト)〔周波数f(MHz)〕を重畳したもの
を加えておく。ここで、U/V´を一定に保ちながらV
´を連続的に変化させれば各質量に対応するイオンを検
出器47で検出できる。前記種類判別部47aでは、既
述のように検出器47からの検出信号に基づいて質量ス
ペクトルを作成し、この質量スペクトルにおいてピーク
値が得られる質量数のうち、例えば予め定めた質量数の
範囲に含まれる質量数を選別する。そして選別された質
量数の負イオン毎に、それら負イオンが加速されるよう
にU、V´の値を設定し、フィラメント電圧を変えるこ
とにより、フィラメント42から放出される電子エネル
ギーを変化させ、この電子エネルギーの値とイオンの個
数の計数値とを対応付けたデータを取得する。図5はこ
のデータの一例を表す図であり、圧力によってピーク値
が変わっている様子が伺える。
【0026】本発明者はこの負イオンの計数値のピーク
値と目的とするラジカルの密度とが対応していることを
把握しており、この実施の形態では上述の負イオン(例
えばC4F7-)の個数のピーク値がこれぐらいの値であれ
ばマイクロ波のパワーをこれくらい大きく(或いは小さ
く)すればよいといったことを予め把握しておき、ピー
ク値を自動制御回路に入力してここから制御信号をパル
ス発生部51に与えてプラズマの状態を制御する。この
場合はいわばラジカル密度の相対値を把握してラジカル
密度をコントロールしていることになる。
【0027】ここで図7、図8は処理ガスとしてC4F8
を用い、負イオン化したラジカルC3F7-及びC4F9-に
ついての前記ピーク値がマイクロ波の大きさによって変
化する例を示した図であり、夫々圧力20Torrにお
いてマイクロ波を500W(実線)及び600W(点線)で
計測したものである。
【0028】なおピーク値と特定ラジカル例えばC4F7
ラジカル密度とのデータを予め作成しておき、検出した
ピーク値をこのデータに適応してそのピーク値に対応す
るラジカルの密度を推定し、その推定値に応じた制御信
号を例えばパルス発生部51に与えてもよい。
【0029】このようにして推定したラジカル密度はプ
ラズマの電子温度を制御することにより目的とする値に
コントロールすることが可能である。プラズマの電子温
度は、マイクロ波電源部14から出力されるマイクロ波
をパルス変調することで調節することが可能であり、そ
の調整の仕方は、そのエネルギーが大きくなるとラジカ
ル密度が大きくなる種類のラジカルの場合と逆にラジカ
ル密度が小さくなる種類のラジカルの場合とで異なる。
例えば前者の場合にはマイクロ波があるデューティ比の
パルスでパルス変調されているとすると、例えばあるラ
ジカルの密度が予め設定した値よりも大きくなるとマイ
クロ波出力のデューティ比を大きくして、ガスに供給さ
れるマイクロ波のエネルギーを大きくし、ラジカル密度
が小さくなるようにコントロールされる。また、マイク
ロ波のエネルギー(パワー)を制御するにあたっては、デ
ューティ比をコントロールする変わりに、マイクロ波電
源部14の出力電力値をコントロールしてもよいし、こ
れらを組み合わせてもよい。
【0030】このような実施の形態によれば、真空容器
1内のプラズマ中の例えばC4F7ラジカルの密度を推定
でき、これに基づいてマイクロ波電源部14のパワーを
制御しているのでラジカル密度を適切な値にすることが
でき、従ってウエハW間でばらつきの少ない例えば膜厚
や膜質が安定した処理を行うことができる。そしてガス
採取口からガスを採取し、このガスに電子を付与してイ
オン化した負イオンをカウントしているので、真空容器
に設けた窓の汚れによる精度の低下といった問題もな
い。
【0031】なお上述の実施の形態では製品ウエハWの
処理中にラジカル密度を求めるようにしているが、所定
枚数のウエハ処理を行った後、テストウエハを用いて処
理を行い、その処理中にラジカル密度を測定し、その値
に基づいて後続の製品ウエハWの処理時に例えばマイク
ロ波のデューティ比等のプロセス条件を設定してもよ
い。
【0032】また、プロセス条件を制御するにあたって
は、マイクロ波のパワーに限らず図4に併せて示すよう
に主電磁コイル23、補助電磁コイル24の電流量を夫
々制御する電流制御部52、53を制御して磁界の強さ
及び磁場形状を変えるようにしてもよいし、あるいは処
理ガスの流量や混合比を調整するように、ガスノズル1
6、ガス供給部20と夫々接続されるガス流量調整部5
4、55を制御してもよく、または真空容器1内の圧力
を調整するように排気管22の途中に設けられた圧力調
整部56の例えばバタフライ弁の開閉を制御するように
してもよい。そしてまた高周波電源部19についても、
バイアスの電力値を制御してもよいし、パルス発生部5
7でパルス変調する場合には前記制御信号によりパルス
発生部57を介してデューティ比を制御するようにして
もよく、この場合には特にウエハW上の薄膜のエッチン
グを行う場合に有効である。更にこれらのプロセス条件
の制御を組み合わせてもよい。プロセス条件の調整の仕
方は、予めプロセス条件を調整してラジカル密度を変
え、こうしたデータに基づいてプログラムを組んでおけ
ばよい。
【0033】図9は処理ガスであるC4F8の流量を変え
ることで負イオン化したラジカルのピーク値が変化する
様子を表す図であり、ここではラジカルにC3F7、C4
F9を例にとって計測している。この図によればC4F8
の流量が増えるにつれてイオンのピーク値は右下がりを
示しており、従って処理ガス流量に応じてラジカル密度
が変化することがわかる。
【0034】以上において密度推定手段49におけるラ
ジカル密度の推定は、電子付加型質量分析装置3におい
て目的とするラジカル例えばC4F7を負イオン化してC
4F7-とし、そのイオンカウントのデータから行う例を
挙げてきたが、ラジカル種によっては例えばCF4ラジ
カルのように電子付加によりF-イオンが解離するもの
もあり、このような場合には解離した負イオン例えばF
-イオンの計数値に基づきCF4のラジカル密度の推定が
行われ、この場合も本実施の形態の範囲に含まれる。ま
たラジカル種としてはCF4に限られるものではない
し、特定の粒子としてはラジカルに限らず分子、原子な
どであってもよい。なお図6は上記のF-イオンの計数
値の変化を示した特性図である。
【0035】なお、本実施の形態ではウエハ上方のラジ
カル濃度分布を推定する方法を用いることも可能であ
り、これは例えば電子付加型質量分析装置3の駆動部3
8によりベローズ36を伸縮させ、これにより採取口3
4の採取口の位置を変えてウエハの径方向に沿った複数
箇所の負イオンのカウンタ値を求めることにより得られ
る。なお本発明では前記採取口34にノズルを気密に挿
入し、かつこのノズルにおける前記採取口34よりも外
側の部位と前記孔部35の周囲との間にベローズを介在
させ、装置本体30は固定しておいてノズルを進退させ
てもよい。
【0036】以上において本発明は、ECR以外のヘリ
コン波タイプのもの、平行平板タイプのもの、ICP
(誘導結合プラズマ)タイプのものなどにも用いることが
でき、更に成膜やエッチング以外のプラズマ処理例えば
レジストの灰化処理(アッシング)などにも適用すること
ができる。またプラズマ処理以外にも処理ガスを用いて
基板を処理する他の装置例えば熱CVD装置などに対し
ても適用することができる。
【0037】
【発明の効果】本発明の処理装置によれば、真空容器内
の粒子例えばラジカルの密度を推定することができ、そ
の推定結果に基づいてプラズマの状態を左右する各因子
(プロセス条件)を制御することができるので、良好な処
理が行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の処理装置に係る実施の形態を示す縦断
面図である。
【図2】本発明における処理装置に用いられる電子付着
型質量分析装置の周辺を示す縦断側面図である。
【図3】本発明における処理装置に用いられる電子付着
型質量分析装置の縦断面及び関連ブロックを示す構成図
である。
【図4】本発明に係る実施の形態を示すブロック図であ
る。
【図5】電子付着型質量分析装置における電子エネルギ
ーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの
一例である。
【図6】電子付着型質量分析装置における電子エネルギ
ーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの
一例である。
【図7】電子付着型質量分析装置における電子エネルギ
ーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの
一例である。
【図8】電子付着型質量分析装置における電子エネルギ
ーの値とイオンの個数の計数値とを対応付けたデータの
一例である。
【図9】処理ガスの流量変化とイオンの個数の計数値と
を対応付けたデータの一例である。
【符号の説明】 1 真空容器 3 電子付着型質量分析装置 5 主制御部 14 マイクロ波電源部 16 ノズル 17 載置台 19 高周波電源部 20 ガス供給部 22 排気管 23 主電磁コイル 24 補助電磁コイル 30 装置本体 31 導入管 32 イオン通路部 33 イオン検出部 34 採取口 35 孔部 36 ベローズ体 37 駆動部 38 レール 40,41,46 フォーカスリング 42 フィラメント 43 電極 44 直流電源 45 電極 47 検出器 47a 種類判別部 48 真空ポンプ 49 密度推定手段 51,57 パルス発生部 52,53 電流制御部 54,55 流量調整部 56 圧力調整部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 昌文 愛知県名古屋市天白区梅が丘三丁目1802番 地 ニューコーポ植田II305号 (72)発明者 石井 信雄 東京都港区赤坂五丁目3番6号 東京エレ クトロン株式会社内 (72)発明者 川上 聡 神奈川県津久井郡城山町町屋1丁目2番41 号 東京エレクトロン東北株式会社相模事 業所内 Fターム(参考) 5F004 BA14 BB12 BB13 BB14 BC03 BD01 BD04 CA02 CA03 CA06 CA08 CB01 CB04 5F045 AA08 AA10 EH11 EH13 EH17 EH19 GB04 GB07 GB08 GB15

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 真空容器内に処理ガスを供給して被処理
    基板に対して所定の処理を施すガス処理装置において、 真空容器内から採取したガスに対して電子を放出し、処
    理ガス中の粒子に当該電子を付着させる電子付加手段
    と、 この電子付加手段により、電子が付着された粒子の負イ
    オンの種類を判別する質量分析手段と、 この質量分析手段により判別された負イオンの数の計数
    値に基づいて、判別された負イオンに対応する処理ガス
    中の粒子の密度を推定する密度推定手段と、 この密度推定手段で推定された粒子の密度の推定結果に
    基づき、処理ガスの状態に影響を与えるプロセス条件を
    コントロールする制御部と、を有することを特徴とする
    ガス処理装置。
  2. 【請求項2】 密度推定手段は、電子付加手段から放出
    される電子エネルギーの大きさを変えて、前記粒子の負
    イオンの計数値の変化を求め、この計数値のピーク値に
    対応するデータを推定結果とすることを特徴とする請求
    項1記載のガス処理装置。
  3. 【請求項3】 質量分析手段は、真空容器内を移動可能
    なガス採取口を備えていることを特徴とする請求項1ま
    たは2記載のガス処理装置。
  4. 【請求項4】 プロセス条件は、処理ガスに与えるエネ
    ルギーの大きさ、真空容器内の圧力または処理ガスの流
    量の少なくとも一つであることを特徴とする請求項1な
    いし3にいずれか記載のガス処理装置。
  5. 【請求項5】 電子を付着させる処理ガス中の粒子は、
    ラジカル、分子または原子であることを特徴とする請求
    項1ないし4にいずれか記載のガス処理装置。
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