JP2003077898A - プラズマエッチングシステム及びエッチング工程管理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドライエッチングの際のプロセスガスの分圧
変動を抑えて寸法シフトを低減する。 【解決手段】 まず、半導体基板をエッチングする前
に、反応室のリークレートを測定する。次に、所定のガ
ス圧力に制御した状態でプロセスガスを反応室内に導入
し、一定時間保持する。次に、プロセスガスを排気した
後、反応室内の圧力上昇率を測定する。圧力上昇率とリ
ークレートの差をモニタリングすることで、プロセスガ
スの分圧変動を知ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細な半導体デバ
イスを製造するために用いられるドライエッチングシス
テム及びエッチング工程管理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの加工にはプラズマを用
いたドライエッチングプロセスが用いられている。プロ
セスガス（エッチングガス）を減圧下のチャンバー（反
応室）内に導入し、高周波電力等を用いてプロセスガス
を解離させて半導体基板上の被エッチング物をエッチン
グする手法である。

【０００３】エッチングはフォトリソグラフィー工程で
マスクパターンを形成した後で行われるが、マスクパタ
ーンの大きさとエッチング後の被加工物の大きさとの間
に誤差が生じる場合がある。この誤差は、寸法変換差
（ＣＤシフト；Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
Ｓｉｆｔ）などとよばれ、微細化が進むにつれて問題
となってきている。例えば０．１８μｍデバイスのゲー
ト電極の寸法精度は０．１８±０．０１８μｍと、極め
て高い精度が要求されている。ゲート電極の寸法が変動
するとトランジスタの閾値電圧が変化するので、ＣＤシ
フトの大きさが規格値を超えると、トランジスタのリー
ク電流や駆動電流値が低下するなどの問題が発生する。

【０００４】ＣＤシフトを小さくして精度よくドライエ
ッチングを行う方法は、例えば、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．
Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ，ｖｏｌ．１９，Ｎｏ３，Ｍａｙ/
Ｊｕｎ ２００１に開示されている。これによれば、ポ
リシリコンをＨＢｒガスとＣｌ₂ガスの混合ガスでエッ
チングする場合に、ＨＢｒ/ＨＢｒ＋Ｃｌ₂の流量比はゲ
ート電極の寸法変換差に重大な影響を及ぼすことなどが
示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際に工場な
どで大量にエッチングを行うと、マスフローコントロー
ラ（ＭＦＣ）などでプロセスガスのガス流量を十分に制
御しているにもかかわらず、ＣＤシフトが規格値を超え
るものが多数発生するという問題が発生した。具体的に
は、エッチング後の加工寸法が予定しているよりも大き
くなるという異常が、特にドライエッチング装置のメン
テナンス時期に近くなると多発していた。

【０００６】特に、半導体デバイスの製造工程では、エ
ッチングを行い、レジストのアッシングを行い、洗浄を
行った後、ようやくエッチング加工後の寸法を測定して
はじめて加工寸法の異常が発見されていたので、その間
は不良が発生するプロセス条件のままエッチングが継続
されており、製品の製造歩留を大きく低下させる原因と
なっていた。

【０００７】従来はこれらの問題が発生した場合、ただ
ちにエッチング装置を停止してエッチング装置の各パー
ツをウエット洗浄して解決を図っていた。また、ＣＤシ
フト異常が発生した場合には、不良が発生しないように
従来よりもメンテナンス周期を短くするなどの対処をし
ていた。

【０００８】ところが、メンテナンス周期を短くして
も、メンテナンス直後は改善されるものの、やはりある
程度の時間が経過すると同様の寸法異常が発生した。本
件発明者たちは、エッチングの加工不良が発生するの
は、ＭＦＣで制御できないプロセスガスの分圧変動がお
こるため、そして、分圧を変動させる要因は反応室内部
からガス（アウトガス）が発生するためと考えた。本発
明の課題は、アウトガスの発生量を簡便な方法でモニタ
リングすることにより、エッチングの工程管理のレベル
を高めることである。また、さらに進んで、エッチング
を開始する前に、寸法異常などのエッチング不良が起こ
るかどうか未然に知ることができれば工程管理上も極め
て有益である。

【０００９】本発明は、加工寸法の異常の発生を未然に
防止する方法を提供すること、エッチング後の加工寸法
を予測することができるエッチング方法を提供するこ
と、メンテナンスの最適な時期を判定する方法を提供す
ることなどを主目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】プロセスガスが変動する
原因は、反応室内に付着した反応生成物や反応室のパー
ツに吸着したガス吸着因子により、反応室の内部から発
生するアウトガスが反応室の圧力を上昇させ、これによ
りプロセスガスの分圧が変動するためにエッチングの加
工パラメータが変動するためと考えられる。したがっ
て、プロセスガスの分圧の変動をモニタリング（監視）
することが工程管理上重要となる。そこで、本発明は、
ドライエッチング装置の反応室内の、圧力上昇率（単位
時間あたりの圧力上昇）を簡便な方法で測定し、アウト
ガスによる反応室の圧力上昇率を計算することで、加工
パラメータの変動を抑えるように種々の工程管理を行
う。本発明に係る第１のエッチング工程管理方法は、ド
ライエッチング装置の反応室において、エッチング処理
前に前記反応室内の圧力上昇率Ａを測定する工程と、前
記反応室内にプロセスガスを導入する工程と、前記プロ
セスガスを導入した状態で保持する工程と、前記プロセ
スガスを排気する工程と、前記プロセスガス排気後に反
応室の圧力上昇率Ｂを測定する工程と、前記ＡとＢとの
圧力上昇率差Ｃを計算する工程を含んでいる。

【００１１】これにより、反応室内部に吸着するガス
量、又は、反応生成物からの放出ガスの量を簡易的にモ
ニタリングすることが可能となり、エッチング時のプロ
セスガスの分圧変動を予測することが可能となり、半導
体デバイスの製造工程を管理して製造歩留まりの低下を
防止することができる。

【００１２】第２のエッチング工程管理方法は、ドライ
エッチング装置の反応室において、エッチング処理前に
前記反応室内の圧力上昇率Ａを測定する工程と、前記反
応室内に被処理基板を設置する工程と、前記反応室内に
プロセスガスを導入しプラズマを発生させてエッチング
を行う工程と、前記エッチング後に前記プロセスガスを
排気すると共に前記被処理基板を取り出す工程と、前記
プロセスガス排気後に反応室の圧力上昇率Ｂを測定する
工程と、前記ＡとＢとの圧力上昇率差Ｃを計算する工程
を含んでいる。

【００１３】これにより反応室内部に吸着するガス量、
及び堆積物からの放出ガスの量を簡易的にモニタリング
することがが可能となり、エッチング時プロセスガスの
分圧変動を次のエッチング工程の前に予測することがで
き、製造歩留まりの低下を防止することができる。

【００１４】第３のエッチング工程管理方法は、第１又
は第２のエッチング工程管理方法に適用され、圧力上昇
率差Ｃの値があらかじめ求めた値Ｔよりも大きな値のと
きはエッチング処理を停止するように構成する。

【００１５】これにより、半導体デバイス起因で起こる
加工パラメータの変動による、半導体基板の品質異常の
発生を抑制することができる。

【００１６】第４のエッチング工程管理方法は、第１、
第２又は第３のエッチング工程管理方法において、前記
ドライエッチング装置の反応室内部には、プロセスガス
分子を吸着しうるエッジリングまたはインナーライナー
の少なくとも１つを備える構成とする。

【００１７】第５のエッチング工程管理方法は、第１、
第２又は第３のエッチング工程管理方法において、あら
かじめ求めておいた圧力上昇率差とＣＤシフトとの関係
から、ドライエッチング前に、ドライエッチング後の寸
法を予測する工程と、リソグラフィー工程で寸法を測定
した結果踏まえてデバイスゲート寸法を計算する工程
と、計算の結果が規格値に不適合である場合、そのウエ
ハー又はそのロットは処理しないでスキップする一方、
計算の結果が規格値に適合した場合は、次の工程に移行
するようにしたステップを更に備える構成とする。

【００１８】これにより、半導体基板の加工パラメータ
の安定化を図ることが可能となり、半導体基板の品質を
一定化することが出来る。

【００１９】本発明に係るエッチングシステムは、反応
室と、前記反応室の内部のガス圧力を測定するための圧
力計と、前記圧力計に接続され圧力を一時記憶するため
の一時記憶手段と、演算回路に設備コマンドを送るため
の設備コマンド入力手段と、前記圧力計と前記一時記憶
手段との間に接続された設備インターロックと、前記設
備コマンド入力手段、前記一時記憶媒体、前記設備イン
ターロックと接続された演算回路と、前記演算回路によ
り演算された結果を記憶する記憶手段とを備えている。

【００２０】この構成により、反応室内のガス圧力上昇
値の差を傾向管理することが可能となり、半導体デバイ
スの異常を未然に防止することが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】（課題の解決原理） −加工寸法の異常が起こる原因について− 加工寸法の異常が起こる主な原因は、エッチング装置の
反応室内部から発生する放出ガス（以下、「アウトガ
ス」という。）によってエッチング中にプロセスガスの
分圧が変動し、これによりエッチング条件が変動するた
めと考えられる。従来の知見では、マスフローコントロ
ーラによってガスの流量比を一定に制御することにのみ
重点がおかれ、反応室の内部から発生するアウトガスが
加工寸法の異常に及ぼす影響については考慮されていな
かった。

【００２２】アウトガスは、ガスの流量比を一定に制御
することとは無関係に発生する現象である。すなわち、
エッチング中は、ガス排気量を調整することによって反
応室内部の圧力は常に一定に保持されていても、反応室
からのアウトガスが増大すると、結果としてプロセスガ
スの分圧が変動する。分圧が変動すれば当然にエッチン
グガスの比率が変わり、エッチングの加工パラメータ、
特にエッチングレート，レジスト選択比が変動する。そ
の結果、プロセスガスの分圧の変動が、ある閾値を越え
ると加工寸法が規格値を超え、不良が発生する。工場で
の不良発生はこのためだったのである。

【００２３】しかし、従来は分圧変動を引き起こすアウ
トガスを簡単な方法でモニタリングする方法は知られて
いなかった。

【００２４】したがって、アウトガスによる圧力上昇率
をモニタリングすることができれば、エッチング時のプ
ロセスガスの分圧変動（反応生成物からのアウトガスに
よるガス圧力の上昇量）を予測することができるため、
エッチングの異常を未然に防止することができるなど、
工場における工程管理において多大な利点がある。

【００２５】−ドライエッチングのプロセスフロー− はじめに、ドライエッチング装置の構成例と、エッチン
グの一般的なプロセスフローについて説明する。図１
は、誘導結合型プラズマドライエッチング装置（ＩＣ
Ｐ： Inductively Coupled Plasma）の構成例を示す
図である。ドライエッチングを行う反応室１には、内部
を排気するためのガス排気ライン２と、プロセスガスを
反応室１に導入するためのガス導入ライン７が接続され
ている。ガス排気ライン２は、ガス排気調整手段３を介
してターボ分子ポンプ及びロータリーポンプなどのガス
排気手段４が接続されている。ガス排気調整手段３は、
ゲートバルブとコンダクタンス調整弁からなる。ゲート
バルブは反応室とガス排気手段を分離する為のものであ
る。ガス圧力計５は反応室１のガス圧力を常時モニタリ
ングすることができる。反応室内部にはインナーライナ
ー６が挿入されている。プロセスガスは、ガス流量を調
整するマスフローコントロラー（ＭＦＣ）８と、バルブ
９を通ってガス導入ライン７から導入される。

【００２６】ガス導入ライン７から入ったプロセスガス
を反応室１の内部へ噴出するガス吹き出し口１０は上部
電極に多数の孔が開けられたいわゆるシャワーヘッド方
式と呼ばれるタイプである。高周波電源１２から上部電
極上に配置されたアンテナコイル１１に高周波電力が印
加されてプラズマが発生する。半導体基板１５は高周波
電力が印加される下部電極１３の上に設置され、カップ
リングコンデンサを介してバイアス電力１４が印加され
る。バイアス電力を印加することにより、プラズマ中の
イオンが効率よく半導体基板に引き込まれる。また、半
導体基板１５の周囲にはエッジリング１６（フォーカス
リングともいう。）が設置されている。

【００２７】まず、ドライエッチング反応室の外部に取
り付けられた搬送機（不図示）により半導体基板１５を
下部電極上に搬送し設置する。次に、反応室１の内部を
所定の真空度に到達するまでガス排気ライン２からガス
排気手段４を用いて真空排気した後、ガス導入口７から
プロセスガス（エッチングガス）を導入し、シャワーヘ
ッド１０を通して反応室１内へ拡散させる。プロセスガ
スの流量はＭＦＣ８により調整され、また、反応室内の
圧力はガス排気量調整手段３により調整される。

【００２８】次に、アンテナコイル１１に高周波電力を
印加し、プラズマを生成する。次に、下部電極１３に高
周波電力を印加し、プラズマからイオンを引き込み、半
導体基板１５上の被エッチング膜をエッチングする。

【００２９】−アウトガスの発生メカニズム− アウトガスの主な発生原因は以下の２つが考えられる。
第１は、エッチング中にエッチング装置の反応室内に付
着した反応生成物からのアウトガスである。すなわち、
工場で大量のウエハーをエッチングする場合には、エッ
チング処理時間の累積にともなって、反応室内部にエッ
チングの反応生成物が付着する量が増大する。この反応
生成物にプロセスガス分子の一部が吸着し、これがアウ
トガスの原因となる。

【００３０】エッチングはイオン照射によるエッチング
と反応生成物の堆積とが競合的におこる反応であるが、
ガス導入ライン７や上部電極１０やインナーライナー６
の表面では、イオン照射よりもむしろ反応生成物の堆積
が起こりやすい。この反応生成物にプロセスガスの一部
が吸着するのである。図２は、第１のアウトガスの発生
メカニズムを示す図である。

【００３１】特に、図１におけるインナーライナー６の
表面が、アルミニウムを陽極酸化したアルマイト（Ａｌ
₂Ｏ₃）などで形成されている場合には、図２（ａ）に示
すように、当初から表面に微小な凹凸が形成されてい
る。このため凹凸部には反応生成物が堆積されやすい。
したがって、エッチング時間の経過にともなって、図２
（ｂ）に示すように、この凹凸部分に反応生成物１７が
堆積する。図２（ｃ）に示すように、プロセスガスの一
部は、この反応生成物中に吸着ガス分子１８として取り
込まれる。

【００３２】第２は、エッチングによってエッチング装
置のパーツの一部が削られて表面粗さＲａが大きくな
り、パーツ表面の凹凸の隙間にプロセスガス分子の一部
が吸着してこれがアウトガスの原因となる。図３は、第
２のアウトガスの発生メカニズムを示す図である。エッ
ジリング１６がアルミナの焼結体などにより形成されて
いる場合には、図３（ａ）に示すようにエッチング前は
表面が比較的平坦である。しかし、エッチング時間の経
過にともなって、イオンが照射され、図３（ｂ）に示す
ように、表面が粗くなり、微小な凹凸が形成される。そ
の結果、図３（ｃ）に示すように、プロセスガスの一部
は、このエッジリングの微小な凹凸部分に吸着ガス分子
１８として取り込まれる。

【００３３】いずれにせよ、半導体基板のエッチング処
理枚数が増加するにつれて、吸着ガス分子１８が反応室
内に取り込まれた状態となり、これがアウトガスの原因
となってプロセスガスの分圧比を変動させる原因とな
る。したがって、プロセスガスの分圧比の変動を防止す
るためには、簡便な方法でアウトガスによる圧力上昇率
をモニタリングすることが工程管理上極めて重要であ
る。

【００３４】（第１の実施形態）図４は、アウトガスに
よる圧力上昇率をモニタリングするための方法を示すフ
ローチャートであり、大きく３つのステップに分けられ
る。

【００３５】＜ステップ１：イニシャル圧力上昇率（リ
ークレート）の測定＞まず、エッチングを始める前の状
態にあるドライエッチング装置が、プロセスガスを排気
してゲートバルブを閉じることによりどれだけの時間で
圧力が上昇するか（リークレート）を測定する。エッチ
ング前の反応室を例えば１．３３ｘ１０―³［Ｐａ］程
度の高真空に排気して、反応室内のすべてのゲートバル
ブをｔ₁［ｍｉｎ］間閉じた状態を保持し、圧力の変化
を測定する（Ｓ１−１〜Ｓ１−３）。時間の経過と共に
反応室内に反応室の外部から気体が侵入して圧力は上昇
（リーク）していく。この圧力上昇率（リークレート）
は、アウトガスの発生していない状態で測定することが
必要である。

【００３６】例えば、ゲートバルブを閉じた直後の反応
室内のガス圧力をＰ₁［Ｐａ］、ｔ［ｍｉｎ］間経過後
の圧力をＰ₂［Ｐａ］とすると、初期圧力上昇率（イニ
シャルリークレート）Ａ₁は、下式（１）により容易に
求められる（Ｓ１−４）。 Ａ₁＝（Ｐ₂−Ｐ₁）÷ｔ₁ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （１）

【００３７】＜ステップ２：プロセスガス導入後の圧力
上昇率の測定＞次に、ゲートバルブを開き、反応室内に
プロセスガスを導入する。プロセスガスの流量比をＭＦ
Ｃにより実際のエッチングに使用する条件（流量と圧
力）に調整し、その状態で一定時間保持する（Ｓ２−
２）。保持する間はプラズマを生成しない。また、保持
時間は５分〜１０分程度あれば十分である。この程度の
時間ガスを流すことで圧力上昇率は飽和するためであ
る。

【００３８】これにより、プロセスガス分子が反応室内
部の部材、例えばエッジリングの表面の凹凸、又は、反
応室内部の部材、例えばインナーライナー６等の表面に
堆積した反応生成物１７にプロセスガス分子１８が吸着
する。なお、反応生成物１７は、例えば、ポリシリコン
をＨＢｒなどでエッチングする場合、Ｓｉ_xＢｒ_yＯ_zな
どが考えられる。

【００３９】プロセスガスの導入を停止した後、反応室
内をステップ１と同程度の真空度になるまで再び排気
し、すべてのゲートバルブをｔ₂［ｍｉｎ］間閉じる
（Ｓ２−３）。なお、ｔ₁とｔ₂は同じでも異なっていて
もどちらでも良い。

【００４０】ステップ２では、一旦プロセスガスを導入
したことにより、反応室内部からアウトガスが発生しや
すい状態となっている。このため、ベースとなるイニシ
ャルリークレートよりも高いレートで圧力が上昇する。

【００４１】プロセスガスは、実際のエッチングプロセ
スで用いるものを使用する。例えば、ポリシリコンのゲ
ート電極をドライエッチングするプロセスでは、ＨＢｒ
とＣｌ₂とＯ₂を流量比１８０：２０：１の割合で導入す
る。

【００４２】ステップ１と同様にして、ゲートバルブを
閉じた直後の反応室内のガス圧力をＰ₃［Ｐａ］と、ｔ₂
［ｍｉｎ］間経過後の圧力をＰ₄［Ｐａ］を測定する
（Ｓ２−４）。次に、この期間の圧力上昇率Ｂ₁を、下
式（２）により求める（Ｓ２−５）。 Ｂ₁＝（Ｐ₄−Ｐ₃）÷ｔ₂ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （２）

【００４３】＜ステップ３：圧力上昇率差の計算＞次
に、ステップ２で求めた圧力上昇率Ｂの値からステップ
１で求めた初期圧力上昇率Ａの値を減算し、圧力上昇率
差Ｃ₁を計算する（Ｓ３）。すなわち、 Ｃ₁＝Ｂ₁−Ａ₁ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （３） である。この圧力上昇率差Ｃ₁が、アウトガス量に相当
するものであり、反応室内部のパーツに存在するガス吸
着因子の量である。このプロセスガス分子１８のガス吸
着量は、反応室１内部のパーツの表面粗さや、半導体基
板１５処理により反応室１内部のパーツに付着した反応
成生物１７の堆積量などの表面状態などのガス吸着因子
の大きさやプロセスガスの導入時間等により変化する。

【００４４】このように、プラズマを生成しない状態で
単にプロセスガスを流しただけでも、アウトガスが発生
し、十分に圧力上昇率差Ｃ₁をモニタリングすることが
できる。つまり、これはいわゆる加速実験としての意味
があり、このような簡便な方法でも短時間にアウトガス
の発生量を知ることができる。

【００４５】（第２の実施形態）図５は、アウトガスに
よる圧力上昇率をモニタリングするための方法を示すフ
ローチャートである。第１の実施形態のステップ２では
ガス圧力制御した反応室にプロセスガスを導入してプラ
ズマ放電を行うことなく一定時間保持してガス吸着因子
を反応室内部のパーツに付着させた後、反応室の圧力上
昇率Ｂ₁を測定したが、第２の実施形態のステップ２で
は、プロセスガスを導入してプラズマ放電を行い実際に
ウエハーのエッチングを行った後で圧力上昇率Ｂ₂を測
定する。

【００４６】＜ステップ１：イニシャルリークレートの
測定＞まず第１の実施形態で示したステップ１と同様の
方法でイニシャルリークレートＡ２を計算する（Ｓ１−
１〜Ｓ１−４）。 Ａ₂＝（Ｐ₂−Ｐ₁）÷ｔ₁ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （４）

【００４７】＜ステップ２：プロセスガス導入後の圧力
上昇率の測定＞次に、反応室内のガス排気を開始し（Ｓ
２−１）、ロードロックチャンバー（不図示）からウエ
ハを反応室内に搬送した後、バルブを開き、反応室内に
プロセスガスを導入し、プロセスガスの流量比をＭＦＣ
により実際のエッチングに使用する条件に調整する（Ｓ
２−２ａ）。次に、高周波電源１２から電力を印加して
プラズマを発生させ、さらにバイアス電源１４によりバ
イアス電力を印加してウエハーへイオンを引き込みエッ
チングを開始する（Ｓ２−２ｂ）。エッチングを停止し
た後、反応室内をステップ１と同程度の真空度になるま
で再び排気する。必要に応じて、（Ｓ２−１）から（Ｓ
２−２ｂ）までを繰り返し、複数枚のウエハーをエッチ
ングしてもよい。その後、反応室のガスを排気してすべ
てのバルブを閉じる（Ｓ２−３）。

【００４８】ステップ２では、一旦プロセスガスを導入
してエッチングを行ったことにより、反応室内部からア
ウトガスが発生しやすい状態となっている。このため、
イニシャルリークレート測定時よりも短い時間で圧力が
上昇する。プロセスガスは、実際のエッチングプロセス
で用いるものを使用するのがよい。例えば、ポリシリコ
ンのゲート電極をドライエッチングするプロセスでは、
ＨＢｒとＣｌ₂とＯ₂を流量比１８０：２０：１の割合で
導入する。また、プラズマを発生させるためのソース電
力は２００Ｗ、下部電極（サセプタ）に印加するバイア
ス電力は３０Ｗ程度とする。

【００４９】なお、エッチングは実際のプロセス条件で
行っても良い。この場合、反応室内の排気とウエハの搬
送とを繰り返しながら、複数のウエハーについて繰り返
すことになる。ベアシリコンウエハ等のリソグラフィー
パターンが形成されていないウエハーの場合は所定の時
間放電を行えばよい。

【００５０】エッチングにより、反応室内部のパーツに
反応生成物が付着すると共に、反応室１内部のパーツの
表面にプロセスガス分子が吸着ガス分子として取り込ま
れる。エッチング後に反応室のプロセスガスを排気し、
ウエハーを取り出した後、ガス排気量調整手段のゲート
バルブを閉じると、反応室内部のパーツに付着した反応
生成物及び反応室内のパーツに吸着したプロセスガスの
吸着ガス分子がアウトガスとして放出され始め、反応室
内のガス圧力が上昇するので、エッチングを行う前にゲ
ートバルブを閉じた直後から、エッチング終了後までの
圧力上昇率Ｂ₂を測定する。

【００５１】具体的には、エッチング後に反応室内のガ
スを排気してゲートバルブを閉じた直後のガス圧力Ｐ₃
［Ｐａ］を測定し、ｔ₂［ｍｉｎ］経過後のガス圧力Ｐ₄
を圧力計５により計測する（Ｓ２−４）。ｔ₁とｔ₂は同
じでも異なっていてもどちらでも良い。そして、下式
（４）により、 Ｂ₂＝（Ｐ₄−Ｐ₃）÷ｔ₂ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （５） により、ガス排気停止３０した期間のガス圧力上昇値Ｂ
₂を計算する（Ｓ２−５）。

【００５２】＜ステップ３：圧力上昇率差の計算＞次
に、ステップ２で求めた圧力上昇率Ｂの値からステップ
１で求めた初期圧力上昇率Ａの値を減算し、圧力上昇率
差Ｃ₂を計算する（Ｓ３）。すなわち、 Ｃ₂＝Ｂ₂−Ａ₂ ［Ｐａ／ｍｉｎ］ （６） である。この圧力上昇率差Ｃ₂が、アウトガス量に相当
するものであり、反応室内部のパーツに存在するガス吸
着因子の量である。このプロセスガス分子１８のガス吸
着量は、反応室１内部のパーツの表面粗さや、半導体基
板１５処理により反応室１内部のパーツに付着した反応
成生物１７の堆積量などの表面状態などのガス吸着因子
の大きさやプロセスガスの導入時間等により変化する。
このように、圧力上昇率差Ｃ₂をモニタリングすること
により、アウトガスの発生量を簡便な方法で知ることが
できる。

【００５３】このモニタリング方法では、改めてガスを
導入する必要がなく実際のロット処理を行う中でモニタ
リングすることも可能であるため、装置の稼働率低下へ
のインパクトが小さい。

【００５４】（第３の実施形態）図６は、圧力上昇率差
の測定結果を用いて、エッチングの工程管理を行う方法
を示すフローチャートである。まず、本実施形態は、第
１又は第２の実施形態に示す方法により、圧力上昇率差
Ｃ₁又はＣ₂を計算する（Ｓ３）。次に、圧力上昇率差Ｃ
₁又はＣ₂を、エッチングの異常が起こる閾値Ｔと比較す
る（Ｓ４）。その結果、Ｃ_x（ｘ＝１又は２）が閾値を
越えた場合はエッチングを行うことなく停止する（Ｓ５
−ａ）。必要に応じて、アラームを発する構成としても
よい（Ｓ６）。一方、Ｃ_x（ｘ＝１又は２）が閾値以下
である場合はエッチングを開始する（Ｓ５−ｂ）。

【００５５】このシステムを用いれば、寸法異常が発生
するかどうかをエッチング前に予測することができる。
これにより、エッチング工程における設備起因での加工
パラメーターの変動による加工不良を予測でき、不良の
発生を低減することができる。

【００５６】閾値Ｔは、製造するデバイスによって変動
するため、処理するレシピおよびロット名などにより自
動的に装置の演算装置に入力するように構成することが
好ましい。こうすることで、同一のエッチング装置であ
っても多品種のものが扱えるし、また、ルールが異なる
デバイスを処理できることもできる。さらに、作業者に
よる入力作業がないため、人為的なミスを防止すること
が可能となる。なお、閾値Ｔは後述する実施形態５に示
す方法で決定しても良い。

【００５７】（第４の実施形態）本件発明者たちは、エ
ッチングの前にあらかじめ反応室の内部からの発生した
アウトガスによる圧力上昇率差を求めておけば、その反
応室で次にエッチングした際の寸法シフト量を高い精度
で予測できること以下のような実験により見出した： （１）Ｐ₁、Ｐ₂からイニシャルリークレートＡの測定 （２）反応室内に、ポリシリコンが堆積されその上にフ
ォトレジストでゲート電極形状がパターニングされたウ
エハを搬送 （３）エッチング前の反応室の圧力Ｐ₃測定 （４）プロセスガスを導入し、プラズマを発生させ、ポ
リシリコンをエッチングすると共にレジストを除去 （５）エッチング後に反応室の圧力Ｐ₄を測定 （６）Ｐ₃、Ｐ₄から、圧力上昇率Ｂを計算 （７）圧力ＢとＡとの差Ｃ＝Ｂ−Ａを計算 （８）ウエハを取り出してゲート電極の寸法を測定し、
寸法シフト量Δｘを計算 （９）横軸にＣを、縦軸にΔｘをとり、種々の点をプロ
ットする。

【００５８】なお、（１）〜（７）までは、第２の実施
形態で述べた方法を用いている。図７は、このようにし
て求めた圧力上昇率差とＣＤシフトとの関係を示す図で
ある。圧力上昇率Ｃと、ＣＤシフトΔｘとの間には、こ
のように比例関係があることが分かる。なお、この関係
は本件発明者により初めて見出された知見である。

【００５９】したがって、図７のグラフを用いれば、圧
力上昇率差をモニタリングすることにより、次のウエハ
のエッチング工程におけるＣＤシフト量が予測でき、ゲ
ート電極の仕上がり寸法を予測することができる。

【００６０】なお、ＣＤシフト量とは、エッチング後の
寸法からリソグラフィーパターン寸法を引き算した値で
ある。ポリシリコンゲート電極の形成をＨＢｒ、Ｃ
ｌ₂、Ｏ₂で行った場合、ＣＤシフトは正すなわちエッチ
ング後のゲート寸法はリソグラフィパターンよりも大き
くなる。

【００６１】さて、圧力上昇率差とＣＤシフトとの関係
から、次のようなエッチング工程管理方法が考えられ
る。そのフローを図８に示す。まず、ステップ３（Ｓ
３）までは、第２の実施形態と同様とする。次に、図７
に示す関係を用いてドライエッチング工程の仕上がり寸
法を予測する（Ｓ４）。次に、リソグラフィー工程で寸
法を測定した結果踏まえてデバイスゲート寸法を計算す
る（Ｓ５）。なお、デバイスゲート寸法は、リソグラフ
ィのパターンサイズにＣＤシフト量を加えた値である。
リソグラフィパターンサイズが規格値よりも小さかった
としても、エッチングの際にＣＤシフトが発生してエッ
チング後の形状が予定よりも大きくなるとすれば、リソ
グラフィ工程での不良を救済することができる。

【００６２】計算の結果が最終的な規格値に不適合であ
る場合、そのウエハー又はそのロットは処理しないでス
キップする（Ｓ６−ａ）。必要に応じて、処理しないで
スキップしたウエハは廃棄する。一方、計算の結果が規
格値に適合した場合は、次の工程に移行する（Ｓ６−
ｂ）。

【００６３】このように、ウェーハ毎もしくはロット毎
に、アウトガス量を測定しておきこのデータを記録媒体
に保存しておく。さらにこのとき前工程のリソグラフィ
ー工程におけるパターン寸法のデータを同時に取得し、
演算を行って最終的な加工寸法を計算することで、エッ
チング工程の際に発生する加工不良だけでなく、最終の
デバイスにおけるゲート寸法の加工不良を未然に防止す
ることができる。また、逆にエッチング工程では加工不
良であっても、リソグラフィーパターン寸法を含めたデ
バイスでは不良にならないものも救済することも可能と
なる。これを、図９を用いて具体的に説明する。

【００６４】図９は、デバイススペックの予想図であ
り、各世代のゲート寸法に許容されるＣＤシフトから、
許容される圧力上昇率差の閾値Ｔ₁〜Ｔ₄を求めたグラフ
である。デバイスのデザインルールの縮小に従って、Ｃ
Ｄシフト量は小さくなるので、許容される圧力上昇率の
差は小さくなる。つまり、設備のパーツ等の管理（凹
凸）が厳格になる。但し、コストとの兼ね合いで、最適
な管理が求められるので、本発明はそれをも提供するこ
とができる。

【００６５】例えば、０．１８μｍデバイスにおいて、
リソグラフィー工程でのパターン寸法結果が規格０．２
００±０．０１８μｍに対し０．０１８μｍと規格を満
たさなかった場合でも、ドライエッチング工程での反応
室内のガス圧力上昇値Ａとガス圧力上昇値Ｂの圧力上昇
率差Ｃの算出値からドライエッチング後の寸法予測が可
能であるため、ドライエッチングの加工後でデバイスと
してのゲート電極寸法が規格０．１８０±０．０１８μ
mを満たすことが予測できれば、リソグラフィー工程で
のパターン寸法不良を救済することが可能である。

【００６６】（第５の実施形態）次に、圧力上昇率差か
ら最適なメンテナンス時期を予測するエッチング工程の
管理方法と、これを達成するシステム構成例を図１０に
示す。同図において、記憶媒体３７は、反応室に接続さ
れているガス圧力計５の信号を保存するための一時記憶
媒体である。設備コマンド３８により、反応室の圧力上
昇率Ａと圧力上昇率Ｂとの圧力上昇率差Ｃを演算回路３
９で算出し、その結果を記録装置４０に保存すると共
に、設備インターロック４１にも圧力上昇率差Ｃを送信
する。そして、圧力上昇率差Ｃが閾値Ｔを超えると設備
インターロック４１からエッチング装置を停止する信号
を送る。また、必要に応じて、エッチング装置に異常が
発生したことを示す警報を表示することができる。この
システムを用いると、圧力上昇率差Ｃの時間に対する変
化を時間的に記録できる。

【００６７】ところで、半導体装置を工場で大量に生産
する場合、装置は定期的なメンテナンスが行われなけれ
ばならない。エッチング装置のメンテナンス周期ＰＭ
（Ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ）
は、不良が発生するまでに処理したエッチング累積時間
をＣＤシフト量との関係で統計をとり、経験則に基づい
てＰＭ周期を定めている。例えば、あるエッチング装置
のあるエッチングプロセスでは何日間稼働した後に不良
が発生する、といった経験則から不良の発生が予測され
る時期に達する前にメンテナンスを行っていた。

【００６８】しかし、ＰＭ周期は経験則に基づいて固定
されているので、まだメンテナンスは不要であるのに装
置の稼働を停止してメンテナンスを行ったり、ただちに
メンテナンスを行わなければエッチング不良が発生する
にもかかわらずエッチングを継続して歩留まりを低下さ
せるという問題があり、稼働効率を最大限に利用してい
るとは言えなかった。このようなウエットメンテナンス
を頻繁に行うことは設備の稼動を停止させることにな
り、スループットが低下し、製造コストが増大するな
ど、工場での生産工程では極めて不利であった。

【００６９】しかも、エッチング寸法が規格内にあるか
否かの判別は、ドライエッチング→アッシング→洗浄→
寸法測定というプロセスを経て初めてなし得たため、エ
ッチング不良が発見されるまでに非常に時間がかかって
おり、その間はエッチングが継続されて不良が発生し続
けるという問題もあった。

【００７０】図１１は、図１０示したシステムを用い
て、横軸にエッチング装置の累積稼働日数、縦軸（左
側）に圧力上昇率差をとり、さらに、縦軸（右側）にＣ
Ｄシフトを表示したものである。なお、ＣＤシフトの大
きさは図７の関係を用いて求めた値であり、実測値では
ない。

【００７１】このグラフによれば、ＣＤシフトが大きく
なる直前に圧力上昇率差が大きくなることが分かる。こ
のように、ガス圧力上昇値の差を傾向管理することで最
適なメンテナンスの時期を知ることが可能となる。この
ように反応室内部の圧力上昇率差を常に記録すること
で、同図に示すような、ガス圧力上昇値の差と寸法変換
差を傾向管理することが可能となる。上述したように従
来では、寸法変換差の異常が確認されるまで、エッチン
グが行われていたが、本実施形態によれば、最適なメン
テナンスの時期を判断することができる、加工不良のウ
ェーハが発生することを未然に防止することが可能とな
る。

【００７２】尚、第１から第５の実施形態では、特にゲ
ート電極加工のドライエッチングについて説明している
が、アウトガスをモニタリングすることでエッチングガ
スの分圧変動を監視して加工パラメータの均一性を高め
るという基本的な考え方については、被エッチング物や
プロセスガスが変わっても同様である。ゆえに、本発明
はコンタクトホールエッチングやダマシンプロセスにお
ける溝のエッチング、シリコン基板の溝エッチングなど
にも適用される。

【００７３】また、ドライエッチング装置はＩＣＰ以外
の他のドライエッチング装置、例えば、平行平板型，Ｅ
ＣＲエッチング装置であっても良く、ＲＩＥ（Ｒｅａｃ
ｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などであればよ
い。

【００７４】

【発明の効果】反応室内部へのプロセスガスの吸着、ま
たは、堆積物からのアウトガスの放出による反応室内部
状態の変化を簡便な方法で知ることができるようにな
り、エッチングの際のＣＤシフト量、エッチングレー
ト、エッチング選択比、エッチング形状などの加工パラ
メータ異常による半導体デバイスの加工ロスを予防する
ことができ、かつ、エッチング装置の運用ロスを削減で
きる。また、圧力上昇率差から、エッチング後の加工パ
ラメータを予測することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】誘導結合型プラズマエッチング装置の構成例を
示す図

【図２】第１のアウトガス発生メカニズムを示す図

【図３】第２のアウトガス発生メカニズムを示す図

【図４】アウトガスによる圧力上昇率をモニタリングす
るための方法を示すフローチャート

【図５】アウトガスによる圧力上昇率をモニタリングす
るための方法を示すフローチャート

【図６】圧力上昇率差の測定結果を用いて、エッチング
の工程管理を行う方法を示すフローチャート

【図７】圧力上昇率差とＣＤシフトとの関係を示す図

【図８】第４の実施形態のエッチング工程管理方法を示
すフローチャート

【図９】デバイススペックの予測図

【図１０】第５の実施形態のシステム構成例を示す図

【図１１】圧力上昇率の経時変化を示す図

【符号の説明】

１ 反応室 ２ ガス排気ライン ３ ガス排気調整手段 ４ ガス排気手段 ５ ガス圧力計 ６ インナーライナー ７ ガス導入ライン ８ マスフローコントロラー ９ バルブ １０ シャワーヘッド構造の上部電極 １１ アンテナコイル １２ 高周波電源 １３ 下部電源 １４ 高周波電源 １５ 半導体基板 １６ エッジリング ３７ 一時記憶媒体 ３８ 設備コマンド ３９ 演算回路 ４０ 記憶装置 ４１ 設備インターロック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久呉 俊介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 中井 裕之 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5F004 AA01 AA16 BA04 BA14 BA20 BC08 CB20 DA00 DA04 DA26 DB02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドライエッチング装置の反応室におい
   て、エッチング処理前に前記反応室内の圧力上昇率Ａを
   測定する工程と、前記反応室内にプロセスガスを導入す
   る工程と、前記プロセスガスを導入した状態で保持する
   工程と、前記プロセスガスを排気する工程と、前記プロ
   セスガス排気後に反応室の圧力上昇率Ｂを測定する工程
   と、前記ＡとＢとの圧力上昇率差Ｃを計算する工程を含
   むエッチング工程管理方法。
2. 【請求項２】 ドライエッチング装置の反応室におい
   て、エッチング処理前に前記反応室内の圧力上昇率Ａを
   測定する工程と、前記反応室内に被処理基板を設置する
   工程と、前記反応室内にプロセスガスを導入しプラズマ
   を発生させてエッチングを行う工程と、前記エッチング
   後に前記プロセスガスを排気すると共に前記被処理基板
   を取り出す工程と、前記プロセスガス排気後に反応室の
   圧力上昇率Ｂを測定する工程と、前記ＡとＢとの圧力上
   昇率差Ｃを計算する工程を含むエッチング工程管理方
   法。
3. 【請求項３】 前記圧力上昇率差Ｃの値があらかじめ求
   めた値Ｔよりも大きな値のときはエッチング処理を停止
   するようにした請求項１又は２に記載のエッチング工程
   管理方法。
4. 【請求項４】 前記ドライエッチング装置の反応室内部
   には、プロセスガス分子を吸着しうるエッジリングまた
   はインナーライナーの少なくとも１つを備えている請求
   項１から３のいずれか１つに記載のエッチング工程管理
   方法。
5. 【請求項５】 あらかじめ求めておいた圧力上昇率差と
   ＣＤシフトとの関係から、ドライエッチング前に、ドラ
   イエッチング後の寸法を予測する工程と、リソグラフィ
   ー工程で寸法を測定した結果踏まえてデバイスゲート寸
   法を計算する工程と、計算の結果が規格値に不適合であ
   る場合、そのウエハー又はそのロットは処理しないでス
   キップする一方、計算の結果が規格値に適合した場合
   は、次の工程に移行するようにしたステップを更に備え
   る請求項１から３のいずれか１つに記載のエッチング工
   程管理方法。
6. 【請求項６】 反応室と、前記反応室の内部のガス圧力
   を測定するための圧力計と、前記圧力計に接続され圧力
   を一時記憶するための一時記憶手段と、演算回路に設備
   コマンドを送るための設備コマンド入力手段と、前記圧
   力計と前記一時記憶手段との間に接続された設備インタ
   ーロックと、前記設備コマンド入力手段、前記一時記憶
   媒体、前記設備インターロックと接続された演算回路
   と、前記演算回路により演算された結果を記憶する記憶
   手段とを備えたプラズマエッチングシステム。