JP2001257197A - 半導体デバイスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体生産プロセスで用いられる化学反応の
進行などの高精度なモニタリングを可能にするととも
に、それを実用的なコストで可能とする方法および装置
を提供する。 【解決手段】 処理室１０１と、この処理室での処理に
伴う排気を行なうポンプ１０９と、このポンプに流れる
排気ガスの流量を調節するための可変流量弁１０５とを
備えた装置を用い、処理室内に導入される処理ガスによ
りウエハ１０２に処理を施すプロセスを含んでいる半導
体デバイスの製造方法において、ポンプと可変流量弁と
の間に質量分析計式のガス分析器１０７を接続し、ガス
分析器に導入される排気ガスの圧力を可変流量弁により
所定の範囲に調節した状態としつつ、排気ガスの分析を
なし、その分析結果に基づいてウエハ処理のプロセス制
御を行なうようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造方法および製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスにおいて
は化学反応などを利用したさまざまな処理、例えばエッ
チング処理やスパッタリング処理あるいはＣＶＤ処理な
どがウエハに施される。これらのウエハ処理において
は、その反応の進行状態をモニタリングし、その結果に
基づいてプロセス制御を行なうことが重要であり、特
に、一層の高集積化に伴って微細構造化が進む半導体デ
バイスを高品質で生産性よく製造するについては、正確
なモニタリングの必要性がさらに高まっている。

【０００３】また化学反応などを利用したウエハ処理に
は、処理室内に生じる堆積膜に関連する問題もある。す
なわちウエハ処理に伴う反応生成物を処理室から完全に
真空排気することは難しく、処理室の内壁や部品表面に
反応生成物が付着して堆積膜を形成してしまうのを避け
られない。主な反応生成物としては、例えばエッチング
プロセスでは、塩素系、臭素系、硼素系の化合物やエッ
チング対象となる金属系の化合物、あるいはエッチング
処理を施したくない部分をマスクするために使用するレ
ジスト等の有機物系の化合物である。処理室内に反応生
成物の堆積膜が形成されると、そこからは塵埃が発生す
る。またエッチング処理を繰り返し行うと、堆積膜は徐
々に厚くなり、それが付着している処理室の内壁や部品
表面から剥離しやすくなる。そして剥離すると、その剥
離片がウエハ上に脱落し、例えば断線などの原因となっ
てしまう。さらに堆積膜からはガスも発生し、このガス
によりプロセスが不安定となり、例えばエッチングの再
現性などが低下し、その結果、歩留まりの低下を招いて
しまうという問題も生じる。これらは何れも生産性の低
下ひいては生産コストの増大につながる。そのため堆積
膜の状態をモニタしたり、これを除去するためのクリー
ニングプロセスの進行状況をモニタすることは、生産効
率を向上させるうえで重要である。

【０００４】以上のようにさまざまなプロセスで必要と
されるモニタリングをプロセスに影響させずに行なう有
力な手段としてガス分析がある。このガス分析について
はすでに多くの提案がなされている。例えば、特開平８
−３０６６７１号公報には、シリコン酸化膜の選択エッ
チングプロセスにおいて、弗化炭素系ガスによるプラズ
マ中で生成された一弗化炭素ラジカルと二弗化炭素ラジ
カルの量を測定し、その比からエッチング条件を制御
し、これにより高選択エッチングを行なうことが提案さ
れている。また例えば特開平８−２２２１８２号公報に
は、スパッタリングプロセスにおいて、処理室内のガス
成分をより正確に検知することによって、形成する配線
膜をより良質でかつ安定させる方式が記載されている。
この他にもＣＶＤプロセスなどで用いられる減圧処理装
置の処理室における漏れを検査するためにガス成分のモ
ニタリングを行なうことが提案されている。例えば、特
開平８−４５８５６号公報に記載されるように、真空排
気後の処理室内の酸素ガス分圧と窒素ガス分圧を測定
し、これらの比から処理室の漏れ（外部リーク）を検出
する方法がその例である。さらに例えば特開平６−２７
５５６２号公報に記載されるように、フォトレジストの
アッシング処理のモニタにガス分析を利用する方法も提
案されている。

【０００５】以上の例に見られるモニタリングのための
ガス分析は何れも四重極型質量分析計を用いる方法であ
る。四重極型質量分析計は、分析するガスをイオン化
し、そのイオンの質量とイオン価数との比（ｍ／ｅ）の
スペクトルを得るものであり、その動作可能な圧力に上
限がある。すなわち圧力が高すぎると、イオン化するた
めの電子を供給しているフィラメントが焼き切れてしま
う。また高い圧力中ではイオン化したガス分子が検出器
に到達するまでに他のガス分子と衝突してしまう確率が
高くなり、検出器まで到達できるイオンが減少し、正し
いイオンの量を検出できなくなってしまう。この動作可
能な上限圧力に関して、上記各公知技術が前提としてい
る四重極型質量分析計は、何れも１０-3Ｐａ（パスカ
ル）レベルである。しかるに、一般的な半導体デバイス
製造プロセスにおける反応用処理室の処理中における圧
力条件は例えば１〜２Ｐａ程度であり、その圧力オーダ
ーが大きく異なっている。

【０００６】そこで、上記特開平８−３０６６７１号や
特開平８−２２２１８２号それに特開平８−４５８５６
号の各公報に記載されるように、処理室とは別に設けた
差動排気チャンバに四重極質量分析計を入れ、その内部
を真空排気しながら分析する方式が必要となる。この方
式では、処理室内のガスがオリフィスを通して差動排気
チャンバに導入され、オリフィスによりガス流量が微量
になるように流量制限されているので、処理室内の圧力
が例えば１Ｐａ程度でも、差動排気チャンバ内の圧力は
１０-3Ｐａ以下となるので、ガス分析を行うことが可能
となる。

【０００７】以上のような質量分析計を用いる方法の他
に、例えば特開平１−２８６３０７号公報や特開平８−
２１８１８６号公報に開示されるように、発光スペクト
ル分析方式を用いる例も知られている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記のように反応プロ
セスのモニタリングのためにガス分析を用いることに関
しては多くの提案がすでになされている。しかし実際の
生産ラインでガス分析によるモニタリングが実用化され
ている例は未だないのが実情といえる。それにはさまざ
まな理由が考えられる。質量分析方式の場合であれば、
例えば特開平８−２２２１８２号公報における従来技術
の欄でも説明されているように、差動排気を用いると、
処理室内からサンプリングされたガス中の不純物ガスの
ような極微量のガス成分の濃度を測定したい場合に、差
動排気した後にそのガス濃度が極端に低くなり、検出が
非常に難しくなるということがある。

【０００９】またサンプリングされたガスが差動排気チ
ャンバ内で吸着されることによって残留し、その後の測
定に悪影響を与えるという問題もある。例えば、水蒸気
などは差動排気チャンバの材料として通常使用されるス
テンレスの表面に吸着され、長い時間をかけて脱離と吸
着を繰り返して残留する。その結果、サンプリングされ
たガス中の水蒸気と重なって、濃度計測値に誤差を与え
る要因となる。これを避けるためには、定期的にステン
レスチャンバをベーキングしなければならないが、その
間はモニタリングは行えなくなるので、運用が難しく生
産コストの上昇につながってしまう。

【００１０】また差動排気チャンバとそれを排気するた
めの高真空用のポンプを組み合わせたユニットは、小型
化が難しく、一般的な半導体デバイスの製造装置にこれ
を組み付けて使用するには、クリーンルームにおけるス
ペース的な問題により弊害を伴うことが多い。それにま
た、高真空を必要とする差動排気系は、高価であり、コ
スト的な問題があるだけでなく、現状では実用的な信頼
性にも乏しいという問題もある。

【００１１】一方、発光スペクトル分析方式について
は、上記したような質量分析方式に見られるような圧力
に関する問題はない。しかし発光スペクトル分析方式の
場合には、発光スペクトル分析器に加えて、サンプリン
グガスをプラズマ化する必要があることからプラズマ化
装置を必要とする。そして発光スペクトル分析器自体が
質量分析に比べて非常に高価でり、またプラズマ化装置
も高価である。このため装置全体が非常に高価になって
しまうし、装置全体の大型化も避けられない。その結
果、その実用性に問題を残すことになる。

【００１２】したがって本発明の目的は、半導体生産プ
ロセスで用いられる化学反応の進行などの高精度なモニ
タリングを可能にするとともに、それを実用的なコスト
で可能とし、この高精度なモニタリングに基づく制御に
より例えば０．１３μｍ以下といった微細構造を持つ半
導体デバイスでも高品質に且つ効率よく生産することを
可能とする方法および装置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的のために本発明
は、処理室と、前記処理室での処理に伴う排気を行なう
ポンプと、前記ポンプに流れる排気ガスの流量を調節す
るための可変流量弁とを備えた装置を用い、前記処理室
内に導入される処理ガスによりウエハに処理を施すプロ
セスを含んでいる半導体デバイスの製造方法において、
前記ポンプと前記可変流量弁との間に質量分析計式のガ
ス分析器を接続し、前記ガス分析器に導入される排気ガ
スの圧力を前記可変流量弁により所定の範囲に調節した
状態としつつ、前記ガス分析器により排気ガスの分析を
なし、その分析結果に基づいてウエハ処理のプロセス制
御を行なうようにしたことを特徴としている。

【００１４】また本発明は、処理室と、前記処理室での
処理に伴う排気を行なうポンプと、前記ポンプに前記処
理室から流れる排気ガスの流れを遮断するバルブとを備
えた装置を用い、前記処理室内に導入される処理ガスに
よりウエハに処理を施すプロセスを含んでいる半導体デ
バイスの製造方法において、前記処理室と前記ポンプを
つなぐバイパス流路を前記バルブと並列に設けるととも
に、このバイパス流路内の圧力を前記バルブが閉じられ
た状態で所定の範囲に保つための圧力調整手段を前記バ
イパス流路に設け、さらに前記バイパス流路に質量分析
計式のガス分析器を接続し、前記バルブが閉じられた状
態で前記ガス分析器により排気ガスの分析をなし、その
分析結果に基づいてウエハ処理のプロセス制御を行なう
ようにしたことを特徴としている。

【００１５】また本発明は、処理室と、前記処理室での
処理に伴う排気を行なう排気系とを備えた装置を用い、
前記処理室内に導入される処理ガスによりウエハに処理
を施すプロセスを含んでいる半導体デバイスの製造方法
において、前記排気系に、前記処理室の圧力と同程度の
圧力オーダで作動可能な質量分析計式のガス分析器を接
続し、前記ガス分析器へ導入する排気ガスの圧力を、前
記排気系に流れる排気ガスの流量調節により、所定の範
囲に調節した状態としつつ、前記ガス分析器により排気
ガスの分析をなし、その分析結果に基づいてウエハ処理
のプロセス制御を行なうようにしたことを特徴としてい
る。

【００１６】また本発明は、処理室と、前記処理室での
処理に伴う排気を行なうポンプと、前記ポンプに流れる
排気ガスの流量を調節するための可変流量弁とを備えた
装置を用い、前記処理室内に導入される処理ガスにより
ウエハに処理を施すプロセスを含んでいる半導体デバイ
スの製造方法において、前記ポンプと前記可変流量弁と
の間に質量分析計式のガス分析器を接続し、下記の式を
満足させるように前記可変流量弁のコンダクタンスＣを
制御することにより、前記ガス分析器に導入される排気
ガスの圧力を所定の範囲に調節した状態としつつ、前記
ガス分析器により排気ガスの分析をなし、その分析結果
に基づいてウエハ処理のプロセス制御を行なうようにし
たことを特徴としている。

【数２】 ただし、Ｑは処理室に導入される処理ガスの流量であ
り、Ｐｃは処理室内の圧力であり、Ｃは可変流量弁のコ
ンダクタンスであり、Ｐｇはガス分析器への分流点の圧
力であり、Ｐｍはガス分析器の作動に望ましい圧力の上
限である。

【００１７】また本発明は、上記各製造方法について、
ガス分析器は、少なくとも２種類のガス成分の分圧値を
計測するようにされており、これらの分圧値の比率をプ
ロセス制御に用いることを好ましい形態としている。

【００１８】また本発明は、上記各製造方法について、
ウエハの処理で処理室内に堆積した堆積膜にクリーニン
グ処理を施すプロセスをさらに含んでおり、このクリー
ニング処理のプロセス制御も排気ガスの分析結果に基づ
いて行なうことを好ましい形態としている。

【００１９】また本発明は、処理ガスを導入してウエハ
に処理を施す処理室と、前記処理室での処理に伴う排気
を行なう排気系とを備えた半導体デバイスの製造装置に
おいて、前記排気系に、前記処理室の圧力と同程度の圧
力オーダで作動可能な質量分析計式のガス分析器が接続
されるとともに、前記ガス分析器へ導入する排気ガスの
圧力を所定の範囲に調節するための圧力調節手段が前記
処理室と前記ガス分析器の間に設けられていることを特
徴としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１に第１の実施形態における半
導体デバイス製造装置としてエッチング処理装置の構成
を模式化して示す。本エッチング処理装置は、例えばマ
イクロ波プラズマ方式による金属薄膜のエッチング処理
に用いられる。そのために処理室１０１を備えており、
この処理室１０１に搬入されたウエハ１０２にエッチン
グ処理を施す。処理室１０１には、処理ガス１０３が処
理ガス流量調節器１０４でその流量を調節されながら導
かれる。処理室１０１に導かれた処理ガス１０３は、処
理室１０１に導入される高周波やマイクロ波などによっ
てプラズマ化され、このプラズマによりウエハ１０２へ
のエッチング処理がなされる。このエッチング処理に際
しては、ウエハ１０２や処理室１０１の内面あるいは処
理室１０１内の部品などが化学反応を起こし、それによ
る反応生成ガスが処理室１０１内に発生する。また処理
室１０１には漏れなどの原因によって外から大気が流入
する。さらに処理ガス１０３の一部にはプラズマ化され
ないものもある。これらの反応生成ガスや流入外気ある
いは残留処理ガスなどは、可変流量バルブ１０５とポン
プ１０９からなる排気系により排気される。処理室１０
１の内部圧力は真空計１０６によって計測され、その値
が所望の圧力、例えば１〜２Ｐａに保たれるように、処
理ガス１０３の導入量や可変流量バルブ１０５のコンダ
クタンスにより調節されている。これら制御は、マイク
ロ波や高周波の制御等も含めて、システム制御装置１１
０によってなされている。

【００２１】本発明ではこのような製造装置にガス分析
器１０７を設け、このガス分析器１０７により排気ガス
の成分を計測するようにしている。そしてその計測値を
システム制御装置１１０でモニタし、その結果に基づい
てプロセスの制御、例えばエッチング処理の終了時期の
判定や反応状態の制御などを行なうようにしている。ガ
ス分析器１０７は、可変流量バルブ１０５とポンプ１０
９の間に接続してある。具体的には、可変流量バルブ１
０５とポンプ１０９をつなぐ排気配管１０９ｐに分岐配
管１０７ｐを接続し、この分岐配管１０７ｐにガス分析
器１０７を接続し、さらに分岐配管１０７ｐの途中に保
護バルブ１０８を設けている。ガス分析器１０７は、四
重極型質量分析計である。この点では上述した従来の考
え方と同じであるが、ただその作動圧力上限が処理室１
０１における処理中の通常圧力と同オーダーであるとい
う点で従来と異なっている。具体的には例えば１Ｐａレ
ベルである。このような高圧での作動を可能とする四重
極型質量分析計としては、例えば“High-pressure effe
cts in miniature arrays of quadrupole analyzers fo
r residual gas analysis ”， R.J.Ferran and S.Boum
sellek, Journal ofVacuum Science and Technology,
P. 1258-1265, A14(3), 1996に報告されているような質
量分析計を用いることができる。

【００２２】本発明は、上記のように処理室１０１の通
常圧力と同オーダーの作動圧力限界を持つ四重極型質量
分析計をガス分析器１０７に用い、これを可変流量バル
ブ１０５とポンプ１０９の間に接続することを特徴の一
つとしている。そしてこのような構成としたことによ
り、高精度なガス分析によるモニタリングを実用的なコ
ストで行なうことが可能となる。以下このことについて
説明する。ガス分析器１０７の動作可能な圧力の上限は
上記のように１Ｐａレベルである。これは処理室１０１
における処理中の通常圧力１〜２Ｐａと同じオーダーで
ある。しかし質量分析計をその作動上限圧力近辺で使い
続けると、その寿命を大幅に縮めてしまう。したがって
例えばガス分析器１０７の実際の作動上限圧力が１Ｐａ
であれば、この１Ｐａを前提に、実用的な耐久性が得ら
れるような圧力で用いることができるような条件を与え
る必要がある。

【００２３】そのためには処理室１０１とガス分析器１
０７の間に圧力差を形成する手段が必要になる。この圧
力差を上述の従来技術のように、それ専用の排気ポンプ
を用いる作動排気系などで行なうことは装置の大型化や
コストの増大から実用的でない。このような問題を踏ま
えて本願発明者等は研究を進め、その結果、ガス分析器
１０７の圧力条件が処理室１０１のそれとわずかな差で
あることに着目し、処理室１０１が常備している排気系
を利用するだけで、ガス分析器１０７に望ましい圧力条
件を与えうること、つまり本実施形態におけるエッチン
グ処理装置に限らず、ガス分析によるモニタリングを必
要とするような半導体製造装置は、その処理室に可変流
量バルブとポンプからなる排気系を一般的に備えている
ので、この排気系を利用するだけで、ガス分析器１０７
のような高圧力型質量分析計に望ましい圧力条件を与え
うることを見出した。具体的には以下の通りである。

【００２４】処理ガス１０３の流量をＱ、処理室１０１
の圧力をＰｃ、可変流量バルブ１０５のコンダクタンス
をＣ、ガス分析器１０７への分流点の圧力をＰｇとする
と、コンダクタンスの定義より、下記の式（１）が得ら
れる。

【数３】 一方、ガス分析器１０７に望ましい圧力の上限をＰｍと
すれば、下記の式（２）を満たすことが必要である。

【数４】 これを（１）式に代入すると、下記の式（３）の関係が
得られる。

【数５】 したがってこの式（３）なる関係が成り立つように右辺
のパラメータを制御すれば、ガス分析器１０７を動作さ
せることが可能となる。

【００２５】ここで、処理室１０１の圧力Ｐｃや処理ガ
ス１０３の流量Ｑはエッチング処理の結果に影響を及ぼ
すのが一般的であり、したがって自由なパラメータとな
らないことが多い。そこで通常は、コンダクタンスＣの
制御で上記式（３）を満たすようにする。例えば、Ｐｃ
＝２Ｐａ、Ｑ＝３００ｓｃｃｍ（＝０．５１Ｐａ・立方
ｍ／ｓ）のプロセスにおいて、Ｐｍ＝１Ｐａであるガス
分析器１０７を使用している場合には、Ｃ＝０．５１Ｐ
ａ・立方ｍ／ｓ（＝５１０リットル／ｓ）となるよう
に、可変流量バルブ１０５のコンダクタンスを設定すれ
ばよい。この際に注意しなければならないのは、処理室
１０１内のプラズマによってガスの解離や生成が進み、
可変流量バルブ１０５を通って排気されるガスの流量が
増えることがあるということである。そこで、真空計１
０６によって圧力をモニタしながら、Ｃを随時制御する
必要があり、場合によっては上記で計算した値よりも大
きな値にＣを設定しなければならないこともある。つま
り処理室１０１の圧力Ｐｃが最初の前提よりも増大する
方向に変化した場合にはその変化に応じて上記式（３）
を満たすようなＣに変更する制御をフィードバック的に
行なう必要がある。

【００２６】ただ、Ｃをポンプ１０９の実効排気速度よ
り大きくしても、Ｐｇを下げる効果は得られない。なぜ
ならば、この場合に処理室１０１から排気されるガスの
流量は、可変流量バルブ１０５のコンダクタンスＣでは
なくて、ポンプ１０９の実効排気速度に制限されてしま
うからである。そこでポンプ１０９が十分な実効排気速
度を有していることが望ましいことになる。具体的には
上記のような条件の場合であれば、実効排気速度が１．
５立方ｍ／ｓ（＝１５００リットル／ｓ）程度のポン
プ、例えばターボ分子ポンプを使用すれば、実際の処理
においてＱが３倍以上まで増大することはないことか
ら、Ｃを大きくすることによってＰｇを１Ｐａ以下に調
節することが可能となる。

【００２７】可変流量バルブ１０５には、例えばガスの
流路を板などで遮る方式のものを用いることができる。
このような可変流量バルブ１０５におけるコンダクタン
スＣは近似的には流路の断面積に比例するので、ポンプ
１０９の入り口とほぼ同じ断面積を持ち、かつその流路
断面積の約３分の２を遮ることができる可変流量バルブ
１０５を用いれば、ガス分析器１０７を動作させること
が可能となる。

【００２８】以上のようにしてガス分析器１０７がプロ
セス中などにも動作可能となり、それによるモニタリン
グ結果をもとにして、プロセス制御をより精密に行なう
ことができるようになる。そしてこのことで、より微細
構造を持った高性能な半導体デバイスを高い生産効率で
製造することが可能となる。また本発明によるガス分析
器１０７は、上記のようにそれ専用の排気系を必要とし
ない。そのため、分析系の小型化を図れ、また低コスト
化も可能である。このことは、貴重なクリーンルームの
スペースの有効活用なども含めて、生産効率や生産コス
トの面で大きな利点となる。

【００２９】ここで、何らかの理由でガス分析器１０７
からの排気系に予想外の高圧を突発的に生じることも考
えられる。そのような事態を生じた際には保護バルブ１
０８を閉じ、ガス分析器１０７に過剰な圧力がかからな
いようにしてガス分析器１０７を保護する。この際には
保護バルブ１０８を閉じると同時に、ガス分析器１０７
に内蔵のガスイオン化用のフィラメントへの通電を遮断
できるようにすとさらに好ましい。このような保護手段
を設けることで、突発的な事態があってもガス分析器１
０７に故障を招くようなことを有効に防止することがで
きる。このことはランニングコストの低減などに有用で
ある。

【００３０】以下に、上記のようなエッチング処理装置
による配線形成処理を、図２に一例として示すような半
導体メモリについて行なうプロセスを例にとって説明す
る。プロセスの流れは図３に示す通りである。図１のウ
エハ１０２の表面には図２のようなデバイス構造が形成
されている。このデバイス構造は、ビット線２０１、ワ
ード線２０２、蓄積電極２０３を含むメモリ構造を含
み、その上に層間絶縁膜２０４が形成されている。その
上部には、すでに配線用のアルミ薄膜２０５が形成され
ており、その上がレジスト膜２０６で被覆されている。
ここで、配線用の導電性薄膜はタングステン薄膜やタン
タル薄膜などとされることもある。エッチング処理では
アルミ薄膜２０５の一部分を除去して所定の配線パター
ンを形成する。そのために所定の配線パターンに対応し
たパターンでレジスト膜２０６に開口が設けられてい
る。

【００３１】エッチング処理を行うには、エッチングガ
ス（処理ガス１０３）を処理室１０１内に導入する。こ
のエッチングガスは、例えば分圧にして約１．２Ｐａの
塩素ガスと分圧にして約１．０Ｐａの三塩化硼素ガスと
の混合ガスである。また処理室１０１には例えば周波数
が約２．４５ＧＨｚで８００Ｗのマイクロ波を導入し、
これによりエッチング用のプラズマを発生させる。これ
と同時にウエハ１０２の下面側に周波数が２ＭＨｚの高
周波を６０Ｗで印加し、エッチング処理を開始する（ス
テップ３０１）。エッチング処理を開始すると、アルミ
薄膜２０５からレジスト膜２０６で覆われていない部分
がエッチングで除去され、除去された部分については下
地の層間絶縁膜２０４が露出する。エッチングで除去さ
れた物質（アルミニウム）は、ガス状化合物となって処
理室１０１から可変流量バルブ１０５とポンプ１０９か
らなる排気系により排気される。このエッチング処理
は、アルミ薄膜２０５が最適状態にエッチングされるま
で継続される。エッチング処理が終了すると、マイクロ
波の導入、高周波の印加およびエッチングガスの導入が
停止され、ウエハ１０２が処理室１０１から搬出され
る。

【００３２】このようなエッチング処理は、その時間が
短すぎるとエッチングが不十分となって配線構造に欠陥
を生じるおそれがある。また処理時間が長すぎても下地
の層間絶縁膜２０４にまでエッチングがなされ、やはり
配線構造の欠陥につながる可能性がある。そのためエッ
チング処理の終了時期を正確に判定することが、より安
定的な製造プロセスとするうえで非常に重要なことにな
る。本発明では上で説明したガス分析器１０７による排
気ガスのガス成分の測定を通じてエッチング状態をモニ
タリングし、これによりエッチング処理の終了時期を正
確に判定できるようにしている。

【００３３】具体的には、アルミ薄膜２０５が処理ガス
１０３と反応して生じている塩化アルミニウム化合物が
排気ガス中に含まれている量をガス分析器１０７で計測
する。ガス分析器１０７による塩化アルミニウム化合物
の計測は、塩化アルミニウムイオンの計測としてなされ
る（ステップ３０２）。すなわちガス分析器１０７にお
いては、そのフィラメントから電子を計測ガスに照射す
ることで計測ガスをイオン化し、これで生じるイオンを
計測するようになっており、塩化アルミニウム化合物の
場合には、これが解離するなどして塩化アルミニウムイ
オンを生じ、この塩化アルミニウムイオンが計測され
る。塩化アルミニウムイオンには、質量をイオン価数で
割った値つまりｍ／ｅ値が６２と６４のものがある。こ
れは、塩素原子に質量数が３５と３７である同位体が存
在するためである。このうち、３５の塩素原子の方が存
在比が大きいので、塩化アルミニウムイオンとしてはｍ
／ｅ＝６２の信号をモニタするようにすれば、感度よく
測定することができる。

【００３４】ところで、ガス分析器１０７の感度は徐々
に低下する可能性があり、これを補正できるようにする
のが望ましい。そのためには、計測されるレベルがほぼ
一定か、既知である信号を計測し、それらとの比率をと
るようにする。例えば、プロセスに使用している三塩化
硼素ガスや塩素ガスは、プロセス条件が一定であれば常
に一定量が処理室１０１に導入される。またエッチング
処理中における可変流量バルブ１０５のコンダクタンス
もほぼ一定の値になるのが通常である。したがってガス
分析器１０７で計測される三塩化硼素ガスや塩素ガスの
信号レベルはほぼ一定になる。そこで一例として、塩素
ガスの信号との比率を求める（ステップ３０３）。塩素
ガスは、ｍ／ｅ＝３５の信号として計測される。つまり
ｍ／ｅ＝３５とｍ／ｅ＝６２の比率を求める。本実施形
態では、ｍ／ｅ＝６２の信号をｍ／ｅ＝３５の信号で割
った値（Ｒ）が、０．１以下になるところでエッチング
が適正に終了したものとしている。そこでステップ３０
４でＲ＜０．１の判定を行い、これが満たされていれば
エッチングを終了させる（ステップ３０５）。

【００３５】ガス分析器１０７を用いての反応進行状態
のモニタリングは、エッチングの終了時期の判定だけで
なく、例えばプラズマ形成用のマイクロ波のパワーやウ
エハ１０２に印加する高周波の強弱の制御など、プロセ
ス全般の制御に用いることができる。これらの制御はシ
ステム制御装置１１０により行なわれる。そしてこのよ
うな制御を行なうことで、エッチング処理をより正確な
条件で行なうことができ、したがって、より微細な構造
を持つ半導体デバイスでも安定的に製造することが可能
となる。また半導体デバイスの生産における歩留りを向
上させることで生産コストの低減を図れる。

【００３６】以上のようなエッチング処理は、処理対象
のウエハ１０２の枚数に応じて繰り返し行なわれる。エ
ッチング処理が繰り返し行われると、処理室１０１の内
面や処理室１０１内の部品の表面などにエッチング反応
による反応生成物が図１に示す堆積膜１１１のようにし
て付着してくる。本実施形態におけるエッチング処理の
場合であれば、堆積膜１１１を形成する主要な成分は、
処理ガス１０３に含まれる三塩化硼素ガスと処理室１０
１内の部品材料として使われている石英とが反応して生
じる硼素酸化物である。エッチング処理の繰り返しによ
り堆積膜１１１が一定以上まで成長すると、そこから塵
埃や剥離物などが発生しやすくなり、これらがデバイス
のエッチング対象部分に付着すると、エッチング不良の
原因となる。そこで堆積膜１１１を除去したり低減した
りする必要がある。

【００３７】堆積膜１１１中の化合物を除去する方法と
してプラズマクリーニングがある。そこでエッチング処
理を規定回数繰り返した後、またはガス分析器１０７を
通じたモニタリングにより堆積膜１１１が一定以上に成
長していることを検知して場合にはプラズマクリーニン
グを行なう。プラズマクリーニングには例えば六フッ化
硫黄を用いる。具体的には分圧にして約１Ｐａ程度の六
フッ化硫黄を含むクリーニング用処理ガスを処理室１０
１に導入し、これを例えば２．４５ＧＨｚ、８００Ｗの
マイクロ波でプラズマ化してプラズマクリーニングを開
始する（ステップ３０６）。プラズマクリーニングが開
始すると、堆積膜１１１中の硼素酸化物は分解されてフ
ッ化硼素などとしてガス状になり、排気系により処理室
１０１から排出される。

【００３８】このようなプラズマクリーニングは、その
処理時間が短すぎると堆積膜１１１の除去が不十分にと
なり、後のプロセスにおける異物発生量が増えてしまう
し、逆に長すぎると生産ラインの効率（スループット）
を低下させてしまう。つまりクリーニング処理時間が短
すぎても長すぎても生産効率の低下につながってしま
う。したがってプラズマクリーニングにおいてもその終
了時期を正確に判定することが重要となる。

【００３９】そこで、プラズマクリーニングによる排気
ガス中に含まれる特定の成分、具体的にはフッ化硼素を
ガス分析器１０７で計測することでプラズマクリーニン
グの処理状態をモニタリングし、これによりプラズマク
リーニングの終了時期を的確に判定するようにしてい
る。モニタリングの具体的な内容は以下の通りである。
硼素には同位体が存在するため、フッ化硼素イオンとし
てはｍ／ｅが２９と３０のものが検出される。このう
ち、存在比の大きなｍ／ｅ＝３０の信号を検出すること
で、フッ化硼素イオンを計測する（ステップ３０７）。
この場合も上記と同様に、塩素イオンの計測も行い、こ
れとフッ化硼素の比（ｒ）を求める。つまりｍ／ｅ＝３
５とｍ／ｅ＝３０の比率を求める。本実施形態では、ｍ
／ｅ＝３０の信号をｍ／ｅ＝３５の信号で割った値
（ｒ）が０．３以下になるところでクリーニングが適正
に終了したものとしている。そこでステップ３０９でｒ
＜０．３の判定を行い、これが満たされていればクリー
ニングを終了させる（ステップ３１０）。

【００４０】以上の実施形態ではエッチングプロセスと
プラズマクリーニングプロセスについて処理状態をモニ
タリングする例としてあったが、本発明の適用範囲はこ
れらに限られるものでない。例えば処理室１０１の漏れ
をチェックするのにも用いることができる。その場合に
は、処理室１０１からの排気中における水蒸気の量、具
体的にはｍ／ｅ＝１８の信号レベルの増減を計測するこ
とで、外気の漏入の有無を判定することができる。この
ように処理室１０１の漏れを的確に判定することで、対
策をより迅速にとることができるようになり、処理室１
０１の漏れに起因する不良の発生を未然に防止すること
が可能となる。また種類の異なる処理を同じ処理室１０
１で順次行なう場合に、前の処理における残留物が後の
処理に悪影響を及ぼす事態を防止するのにも用いること
ができる。例えばタングステン薄膜のエッチングを行な
った後でアルミ薄膜のエッチングを行なうような場合を
例にとる。この場合、タングステン薄膜のエッチングに
はフッ素を含むガスが使用され、そのフッ素がフッ化物
として処理室１０１内に吸着されて残留する。そしてこ
のフッ化物がフッ素ガスを使用しないアルミ薄膜のエッ
チング処理プロセスに悪影響を及ぼし、微細なデバイス
構造の加工を困難にすることが考えられる。そこで、タ
ングステン薄膜のエッチングとアルミ薄膜のエッチング
の間に、処理室１０１の残留ガス分析を行なうことでフ
ッ化物の残留状態を把握し、もしそれが基準値、つまり
アルミ薄膜のエッチング処理に悪影響を及ぼすようなレ
ベル以上であれば、アルミ薄膜のエッチング処理に先立
って例えば塩化水素ガスを用いたプラズマクリーニング
などの適切な処置をとるようにする。残留フッ化物の量
は、処理室１０１からの排気中におけるフッ酸ガスの量
として知ることができる。つまりｍ／ｅ＝２０の信号を
モニタすることで残留フッ化物のレベルを把握できる。

【００４１】図４に第２の実施形態によるエッチング処
理装置の構成を示す。本実施形態と第１の実施形態との
相違は、処理室１０１の排気系が第１の実施形態におけ
る可変流量バルブ１０５に代えて、コンダクタンスの大
きい流量固定の主バルブ４０１を備えていること、そし
てこれに伴って排気系へのガス分析器１０７の接続の仕
方を変えていることである。具体的には、処理室１０１
とポンプ１０９をつなぐバイパス流路４０２をバルブ４
０１に並列に設け、このバイパス流路４０２にガス分析
器１０７を接続している。またバイパス流路４０２の途
中に圧力調整手段として流量制限器４０３を設け、この
流量制限器４０３による固定的な流量調節によりガス分
析器１０７への圧力をガス分析器１０７の作動に望まし
い圧力となるようにしている。このように流量制限器４
０３を用いて圧力調整を行なう構成の他に、バイパス流
路４０２を適切に設計することでも必要な圧力調整を得
ることが可能である。すなわちバイパス流路４０２を細
長い管状にすれば、処理室１０１から遠ざかるにつれた
圧力勾配をバイパス流路４０２中に生じさせることがで
き、したがってガス分析器１０７の取付け位置を適切に
選ぶことにより、その部分の圧力を適正化することが可
能になる。この場合にはバイパス流路４０２自体が圧力
調整手段の役割も負うことになる。

【００４２】このようなエッチング処理装置では、処理
室１０１で処理に先立って行なう処理室１０１の真空化
の際には主バルブ４０１を開けて排気を行い、処理室１
０１で処理を行なう際には主バルブ４０１を閉じ、バイ
パス流路４０２を通して排気する。そしてこの排気にお
いては、上記のように流量制限器４０３による固定的な
流量調節でガス分析器１０７への圧力をガス分析器１０
７の作動に望ましい圧力となる。本実施形態によるエッ
チング処理装置を用いたエッチング処理は、上記のよう
な排気系の作動方式を除いて、第１の実施形態に関して
説明したのと同様である。

【００４３】以上、本発明の好ましい実施形態をエッチ
ング処理装置と、それによるアルミ薄膜に対する配線形
成処理プロセスに関して説明したが、本発明がこの他の
装置やプロセスにも適用できることは特に説明するまで
もなく明らかなことである。簡単に例を挙げると、例え
ばエッチングによる配線形成処理であれば、タングステ
ンやプラチナ等の薄膜のエッチング処理に適用できる。
またエッチング処理の他に、例えばＣＶＤプロセスやス
パッタリングプロセスなどにも適用できる。一般的に言
えば、そのプロセスにおける処理により発生するガスの
成分分析を行なうことでその処理の状態をモニタ可能な
プロセスであれば本発明を適用することが可能である。

【００４４】ここで、本発明におけるガス分析系は、上
での説明から理解できるように、非常にコンパクトなも
のである。このことはすでに説明したように、貴重なク
リーンルームのスペースの有効活用などとして生産効率
や生産コストの面で大きな利点となるものであるが、こ
の他にも大きな利点をもたらす。それは、既設の半導体
生産設備に組み込むことが容易であるということであ
る。すなわち、わずかな取り付けスペースを必要とする
だけであり、また組み込むための加工も非常に簡単なも
ので済む。このため既設の半導体生産設備に実質的な改
変を加えることなく容易に組み込むことができる。この
ことは、既設の半導体生産設備において、それによる半
導体デバイスの性能向上や生産性の向上を容易に図れる
ことにつながる。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体生産プロセスで用いられる化学反応の進行などの高
精度なモニタリングが可能となり、しかもそれを実用的
なコストで可能とする。そしてこの高精度なモニタリン
グに基づく制御を行なうことで、より微細な構造を有す
る半導体デバイスを高品質に且つ効率よく生産すること
を可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態におけるエッチング処理装置の
模式化した構成図である。

【図２】第１の実施形態におけるエッチング処理装置で
処理対象とする半導体デバイスの部分断面図である。

【図３】第１の実施形態におけるエッチング処理のフロ
ーチャートである。

【図４】第２の実施形態におけるエッチング処理装置の
模式化した構成図である。

【符号の説明】

１０１ 処理室 １０２ ウエハ １０３ 処理ガス １０４ 処理ガス流量調節器 １０５ 可変流量バルブ １０６ 真空計 １０７ ガス分析器 １０８ 保護バルブ １０９ ポンプ １１０ システム制御装置 １１１ 堆積膜 ４０１ 主バルブ ４０２ バイパス路 ４０３ 流量制限器（圧力調整手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山下 学 東京都青梅市新町六丁目16番地の２ 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 乗富 豊茂 東京都青梅市新町六丁目16番地の２ 株式 会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者 児島 雅之 東京都小平市上水本町五丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Ｆターム(参考） 4K029 BD01 CA06 DA02 EA03 EA04 FA09 4K030 DA04 EA11 HA12 JA05 JA09 KA39 KA41 KA45 LA15 5F004 AA15 BB14 BC02 CA09 CB04 DA04 DA11 DA18 DB08 DB09 DB10 EB02 5F045 AA08 AA19 EB06 EG02 GB07 GB15

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 処理室と、前記処理室での処理に伴う排
   気を行なうポンプと、前記ポンプに流れる排気ガスの流
   量を調節するための可変流量弁とを備えた装置を用い、
   前記処理室内に導入される処理ガスによりウエハに処理
   を施すプロセスを含んでいる半導体デバイスの製造方法
   において、前記ポンプと前記可変流量弁との間に質量分
   析計式のガス分析器を接続し、前記ガス分析器に導入さ
   れる排気ガスの圧力を前記可変流量弁により所定の範囲
   に調節した状態としつつ、前記ガス分析器により排気ガ
   スの分析をなし、その分析結果に基づいてウエハ処理の
   プロセス制御を行なうようにしたことを特徴とする半導
   体デバイスの製造方法。
2. 【請求項２】 処理室と、前記処理室での処理に伴う排
   気を行なうポンプと、前記ポンプに前記処理室から流れ
   る排気ガスの流れを遮断するバルブとを備えた装置を用
   い、前記処理室内に導入される処理ガスによりウエハに
   処理を施すプロセスを含んでいる半導体デバイスの製造
   方法において、前記処理室と前記ポンプをつなぐバイパ
   ス流路を前記バルブと並列に設けるとともに、このバイ
   パス流路内の圧力を前記バルブが閉じられた状態で所定
   の範囲に保つための圧力調整手段を前記バイパス流路に
   設け、さらに前記バイパス流路に質量分析計式のガス分
   析器を接続し、前記バルブが閉じられた状態で前記ガス
   分析器により排気ガスの分析をなし、その分析結果に基
   づいてウエハ処理のプロセス制御を行なうようにしたこ
   とを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
3. 【請求項３】 処理室と、前記処理室での処理に伴う排
   気を行なう排気系とを備えた装置を用い、前記処理室内
   に導入される処理ガスによりウエハに処理を施すプロセ
   スを含んでいる半導体デバイスの製造方法において、前
   記排気系に、前記処理室の圧力と同程度の圧力オーダで
   作動可能な質量分析計式のガス分析器を接続し、前記ガ
   ス分析器へ導入する排気ガスの圧力を、前記排気系に流
   れる排気ガスの流量調節により、所定の範囲に調節した
   状態としつつ、前記ガス分析器により排気ガスの分析を
   なし、その分析結果に基づいてウエハ処理のプロセス制
   御を行なうようにしたことを特徴とする半導体デバイス
   の製造方法。
4. 【請求項４】 処理室と、前記処理室での処理に伴う排
   気を行なうポンプと、前記ポンプに流れる排気ガスの流
   量を調節するための可変流量弁とを備えた装置を用い、
   前記処理室内に導入される処理ガスによりウエハに処理
   を施すプロセスを含んでいる半導体デバイスの製造方法
   において、前記ポンプと前記可変流量弁との間に質量分
   析計式のガス分析器を接続し、下記の式を満足させるよ
   うに前記可変流量弁のコンダクタンスＣを制御すること
   により、前記ガス分析器に導入される排気ガスの圧力を
   所定の範囲に調節した状態としつつ、前記ガス分析器に
   より排気ガスの分析をなし、その分析結果に基づいてウ
   エハ処理のプロセス制御を行なうようにしたことを特徴
   とする半導体デバイスの製造方法。 【数１】 ただし、Ｑは処理室に導入される処理ガスの流量であ
   り、Ｐｃは処理室内の圧力であり、Ｃは可変流量弁のコ
   ンダクタンスであり、Ｐｇはガス分析器への分流点の圧
   力であり、Ｐｍはガス分析器の作動に望ましい圧力の上
   限である。
5. 【請求項５】 ガス分析器は、少なくとも２種類のガス
   成分の分圧値を計測するようにされており、これらの分
   圧値の比率をプロセス制御に用いるようにされている請
   求項１〜請求項４の何れか１項に記載の半導体デバイス
   の製造方法。
6. 【請求項６】 ウエハの処理で処理室内に堆積した堆積
   膜にクリーニング処理を施すプロセスをさらに含んでお
   り、このクリーニング処理のプロセス制御も排気ガスの
   分析結果に基づいて行なうようにされている請求項１〜
   請求項５の何れか１項に記載の半導体デバイスの製造方
   法。
7. 【請求項７】 処理ガスを導入してウエハに処理を施す
   処理室と、前記処理室での処理に伴う排気を行なう排気
   系とを備えた半導体デバイスの製造装置において、前記
   排気系に、前記処理室の圧力と同程度の圧力オーダで作
   動可能な質量分析計式のガス分析器が接続されるととも
   に、前記ガス分析器へ導入する排気ガスの圧力を所定の
   範囲に調節するための圧力調節手段が前記処理室と前記
   ガス分析器の間に設けられていることを特徴とする半導
   体デバイスの製造装置。