JP2005123641A - エッチング処理装置及び処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
フィードバック制御を行う際に生じる予期せぬ副作用への懸念を軽減し、多大な労力、時間をかけずに制御モデルを構築することのできるエッチング処理方法を提供する。
【解決手段】
単一の被エッチング膜１１３に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、該エッチング処理装置は、前記エッチングステップのうち前記被エッチング膜に接する下層膜に影響を与える最後のエッチングステップ（ステップ５）に適用するレシピを予め設定したレシピに固定し、残余のエッチングステップ（ステップ４）に適用するレシピをエッチング処理後の加工形状を計測する検査装置から得られた処理結果をもとに生成するレシピ生成手段
を備え、該レシピ生成手段が生成したレシピをもとにエッチング処理を施す。
【選択図】
図２

Description

本発明はエッチング処理装置及びエッチング処理方法に係り、特に外乱による影響を抑制することのできるエッチング処理装置及びエッチング処理方法に関する。

プラズマを用いたエッチング処理装置は、例えば、真空処理室内にエッチングガスを導入し、減圧下でプラズマ放電を発生させ、このプラズマ中に発生するラジカルあるいはイオンを被処理物であるウエハ表面に導き、ウエハ表面で反応させることによりウエハ表面をエッチング処理する。このような処理（ドライ処理）を行うエッチング処理装置は、予め設定したレシピと呼ばれる製造条件（ガス流量、ガス圧力、投入電力、エッチング時間等）に基づいてエッチング処理を施す。

前記レシピは、例えば１つのプロセスを数ステップに分割してステップ毎に製造条件を変更するフォトマスクの製造プロセス等を除き、半導体デバイスの特定の同一プロセスからなる製造工程（単一の被エッチング膜に対するエッチング処理工程）においては一定に保持するのが通常である。

しかし、一定のレシピを用いた一定のエッチング処理を行っても、装置の経時変化等の種々の外乱により一定の性能を常に得ることは困難である。

そこで、外乱を抑制する方法として、例えば特許文献１には、処理結果をモニタし、モニタ結果を基にレシピへフィードバックする手法が開示されている。
特開２００３−１７４７１号公報

半導体ウエハ等の試料に対する処理結果をモニタし、モニタ結果をレシピにフィードバックする場合、前記レシピの構成要素としては、ガス流量、圧力、投入電力、エッチング時間等の数多くのパラメータが存在する。これらのパラメータの中から、制御に最適なパラメータを特定し、更に特定したパラメータを用いて制御モデルを構築するには、多大な労力、時間をかけて多数の実験やシミュレーションを行うことが必要となる。

また、前記最適の制御モデルを構築したとしても、予期せぬ副作用が生じる可能性がある。例えば、ＦＥＴ(Field Effect Transistor)のゲート電極を形成するゲートエッチング工程では、デバイス性能に影響を与えないため、被エッチング膜の直下にある薄いゲート絶縁膜に障害を与えないエッチングプロセスが要求される。しかし、前記のようにモニタ結果をレシピにフィードバックした結果、被エッチング膜とゲート絶縁膜との選択比が悪化する方向に装置の特性が変動する場合はゲート絶縁膜までも加工することになり、ゲート絶縁膜に障害を与えることとなる。

すなわち、種々の外乱をフィードバック制御により抑制することを想定していても、実際の製造工程で実現するには、多大な労力、時間が必要となり、さらに、予期せぬ副作用の懸念は拭えない。本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、特にフィードバック制御を行う際に予期せぬ副作用への懸念を軽減し、多大な労力、時間をかけずに制御モデルを構築することのできるエッチング処理方法を提供する。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、前記エッチング処理装置は、前記エッチングステップのうち前記被エッチング膜に接する下層膜に影響を与える最後のエッチングステップに適用するレシピを予め設定したレシピに固定し、残余のエッチングステップに適用するレシピをエッチング処理後の加工形状を計測する検査装置から得られた処理結果をもとに生成するレシピ生成手段を備え、前記レシピ生成手段が生成したレシピをもとにエッチング処理を施す。

本発明は、以上の構成を備えるため、フィードバック制御を行う際に予期せぬ副作用への懸念を軽減し、多大な労力、時間をかけずに制御モデルを構築することのできるエッチング処理装置及び方法を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエッチング処理装置を示す図である。図において、エッチング処理装置の本体３００は、処理チャンバ（処理容器）２０１と、処理チャンバ内に処理ガスを供給するガス供給手段２０２と、処理ガスを排気し処理チャンバ内の圧力を制御するガス排気手段２０３を備える。さらに処理チャンバ２０１内には処理対象となる試料２０４を支持する試料台２０５が設置されており、また処理チャンバ内にはプラズマを生成するためのプラズマ生成手段２０６が備えられる。

プラズマ生成手段は、処置チャンバ２０１内に電磁波を伝送して供給する電磁波供給手段３０１、処理チャンバ２０１内に磁場を生成するためのソレノイドコイル３０２，３０３を備える。また、試料台２０５には、発生したプラズマにより発生する反応物を試料側に向かわせるために高周波電源３０４から高周波の電圧が印加される。

このドライエッチング装置には、装置状態検出手段２０８が設置されている。装置状態検出手段２０８は、例えば、ガス供給手段２０２から供給されるガス流量を検出するモニタ、プラズマ生成のための電力を供給する給電路の電流及び電圧を検出する検出器、前記電流及び電圧の位相差を検出する検出器、プラズマ生成のために供給する高周波電力の進行波及び反射波を検出する検出器、インピーダンスモニタなどからなる。

装置状態検出手段２０８は、処理チャンバ２０１内にプラズマ生成手段２０６によって生成されるプラズマからの発光を検出してこれを分析する分析装置を備えている。装置状態検出手段２０８は、波長分解された発光スペクトルを出力する分光器のように多数の信号を出力する検出器が望ましいが、モノクロメータのような単一波長の光を取り出す検出器であってもよい。分光器の出力の発光スペクトルは、各波長毎の光強度を表す信号である。また、装置状態検出手段２０８は、プラズマ中物質の質量スペクトルを出力する四重極質量分析器などの一般的なプラズマ状態モニターであってもよい。

さらに、本実施形態では、上記装置状態検出手段２０８からの出力を受けて、装置の運転を調節する制御装置２０９を備えている。この制御装置２０９は、例えば、プラズマを発生させるための電磁波や磁界を発生させるマグネトロン等を備えたプラズマ発生手段２０６に対する投入電力の投入及び遮断、あるいは投入電力の調節を行う。また、他の手段を用いて発生するプラズマの出力を調節することもできる。例えば、装置状態検出手段２０８はプラズマを用いて試料を処理している間に発生する所定波長の光を検出した検出データをもとに処理に係る特定の反応量の増減、反応速度やプラズマの強さ等の反応状態を検出して、プラズマの発生・停止、装置の起動・停止を指令を発して装置の運転を調節することができる。

また、制御装置２０９は、エッチング処理装置とは別にあるいは統合して設置されている検査装置２１０からの出力を受けて、処理装置の運転を調節することができる。検査装置２１０は、例えば、エッチング後の加工形状を計測するＣＤ−ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）が一般的であるが、光の散乱光を利用したスキャトロメトリと呼ばれる光学式の加工形状測定手段でも良い。

図２は、本実施形態に係るエッチング処理装置の処理対象となる半導体デバイスにおけるゲート電極形成プロセスを各処理ステップ毎に模式的に示す図である。図において、１１０はシリコン基板１１１、ゲート絶縁膜１１２、単一の被エッチング膜としての多結晶（Poly）シリコン膜１１３を備えたウエハであり、該ウエハはマスク１１４を備え、またウエハ表面には自然酸化膜１１５が形成されている。

次に、図２を参照してエッチング処理を説明する。まず、ステップ１において、マスク１０４が形成されたウエハ１１０を用意する。マスク１０４に覆われていないポリシリコン１１３の表面には自然酸化膜が形成されているので、これをステップ２において除去（ブレークスルー）する。ステップ３において、高いエッチングレートを保つことのできるレシピを採用して形状よくエッチング処理する（メインエッチング１）。ステップ４において、ゲート絶縁膜との選択比を保つことのできるレシピを採用し、ゲート絶縁膜に影響を与えないように加工する（メインエッチング２）。ステップ５において、被エッチング膜の残渣をエッチング除去する（オーバーエッチング）。

なお、前記エッチング処理において、「メインエッチング」は被エッチング膜をエッチングするステップを示し、自然酸化膜などの被エッチング膜表面の物質を除去するステップ（ブレークスルー）及び被エッチング膜の残渣を除去するステップ（オーバーエッチング）を除いた処理を示す。

ところで、デバイスの高速化と低消費電力化を図るために、図２に示すゲート長２００は年々短くなってきている。デバイスのゲート長はデバイスの特性を決める重要な寸法であることから、ＣＤ(Critical Dimension)値と呼ばれている。ゲート長が短くなるにつれて、ゲートエッチングプロセスで許容されるゲート長のばらつきも数ｎｍのオーダーとなってきており、ゲート長を安定に製造できるエッチングプロセスは益々必要とされる。また、ゲート長微細化に伴って、ゲート絶縁膜も薄膜化の一途をたどっている。例えば、ゲート長が１００ｎｍの場合、ゲート絶縁膜の膜厚は約２ｎｍである。このようなゲート絶縁膜に対しては、ゲート絶縁膜の絶縁特性の劣化を避けるため、このゲート絶縁膜に対してダメージを与えることのないエッチングプロセスが必要となる。

一般に、ドライエッチング装置は、処理対象とするワーク（試料）の要求寸法、形状が満足できるように、製造（量産）前にレシピと呼ばれる製造条件（ガス流量、ガス圧力、投入電力、エッチング時間等）を決定する。なお、前述したように、フォトマスクの製造プロセスを除き、製造（量産）に際しては前記レシピを常に一定に保持するのが通常である。しかし、前述のように一定のレシピを用いてエッチング処理を行っても、装置の経時変化等の種々の外乱により、常に一定のエッチング結果を得ることは困難である。

図３は、本実施形態に係るエッチング処理装置の処理を説明する図である。図において、１はプラズマ１ｃを生成するプラズマエッチング処理室、１ｂは処理室内のウェハステージ１ａ上に載置した被処理物であるウェハである。２は装置に供給するガス流量、圧力、投入電力等の処理中のプロセス量をモニターするためのセンサであり、これらのセンサは通常プラズマエッチング処理装置に標準装備される。３は付加センサであり、例えば、プラズマ光のスペクトルをモニターするための発光分光センサ(OES: Optical Emission Spectroscopy)、プラズマ中の質量を分析するための四重極質量分析装置(QMS: Quadrupole Mass Spectrometry)等からなる。４はレシピ５に従ってエッチング処理装置を制御するアクチュエータである。６は検査装置８から得られた処理結果を基に、レシピ５を算出する制御モデル部であり、本レシピはウェハ処理毎あるいは処理中に変更可能である。

検査装置７は、普通、ＣＤ−ＳＥＭが一般的であるが、エッチング処理装置とは別置きの光散乱光を利用して寸法、形状を測定するスキャトロメトリ（光散乱式形状計測手段）でも良い。また、この装置をエッチング処理装置と一体化し、組み込んでも良い。

前工程から供給されたウェハ８は、プラズマエッチング処理室１に供給される。供給されたウェハは複数枚のロット単位で処理され、エッチング加工されたウェハ９となる。ウェハ９は、そのエッチング（加工）結果を検査するために、ＣＤ−ＳＥＭ等の検査装置７に供給される。検査されたウェハ１０は次工程へと搬送されることになる。

検査装置７で検査された結果（ＣＤ値）は、目標値からの偏差を計算し、制御モデル部６へ出力される。制御モデル部６では、予め実験あるいはシミュレーションを使って構築されたＣＤ値制御モデル１１を基に、ほぼ同程度のプロセスを用いる次処理のウェハのレシピが計算され、そのレシピによって次のエッチングが開始される。

このようなフィードバック制御において懸念されるのは、前述した制御による副作用である。すなわち、ゲートエッチング工程では、被エッチング膜の下にある薄いゲート絶縁膜に損傷を与えないエッチングプロセスが要求される。しかし、前記のようなレシピの調整を含む制御を行う場合には、被エッチング膜とゲート絶縁膜との選択比が悪化する方向に変動することがあり、この場合はゲート絶縁膜までも加工してしまうという副作用が発生する。

図４は、前記メインエッチング１における酸素Ｏ_２ 流量に対するＣＤ値制御性を示す図である。図に示すように線形の制御性を示しており、メインエッチング１における酸素Ｏ_２の流量制御はＣＤ値制御に対して有効な制御パラメータであることが分かる。また、メインエッチング１においては、そのエッチング中にゲート絶縁膜は露出しないため、ゲート絶縁膜に与える副作用は考慮する必要はない。図４の例では制御要因と結果が線形の関係にあるが、この関係が線形でない場合にも本発明は適用できる。

すなわち、種々の外乱に対して、常に一定の結果を得ようとするエッチングプロセス制御において、ゲート絶縁膜にダメージを与えないように制御するには、メインエッチング２とオーバーエッチングなどのゲート絶縁膜が露出するおそれのあるステップのレシピは固定とし、ブレークスルーあるいはメインエッチング１等のゲート絶縁膜が露出しない（露出するおそれのない）ステップにおける少なくとも１つのステップを対象とし、該ステップにおける少なくとも１つのパラメータを可変パラメータとしてフィードバック制御（レシピ調整）を行う。例えば、前述のように酸素Ｏ_２を制御パラメータとした場合は、図５に示すように、メインエッチング１（ＭＥ１）の酸素Ｏ_２以外のレシピを固定して、酸素Ｏ_２の流量のみを可変とする。

図６は、メインエッチング１において、酸素Ｏ２の流量を変化させたときのＣＤ値の制御機構を説明する図である。メインエッチング処理１（被エッチング膜の上層部に対するエッチング、ＭＥ１）中における酸素Ｏ_２の流量を増加させると、被エッチング材の側壁への堆積が増加し、側壁保護膜が形成される。このため、メインエッチング処理の完了後に形成されるゲート寸法（ＣＤ値）は、酸素Ｏ_２の流量の増加前に比して数ｎｍ程度太く形成される。なお、上記とは逆に酸素Ｏ_２の流量を減らすことにより、ＣＤ値を小さくすることができる。

次に、メインエッチング処理２（被エッチング膜の下層部に対するエッチング、ＭＥ２）中においては、メインエッチング処理１完了時に形成された側壁保護膜が作用する。このため、メインエッチング処理２における当初の寸法および形状はメインエッチング処理１完了時の寸法及び形状を継承することになり、結果として、ＣＤ値は数ｎｍ太く形成される。

デバイスの特性を左右するゲート長として重要な部分（ＣＤ値）は、エッチングされたポリシリコン層の最下部（すそ部）の寸法であるため、この部分の寸法を安定に加工することが重要である。

ここで、重要なことは、可変パラメータとしての酸素Ｏ_２の流量を無制限に変動させることはできないことである。例えば、前回エッチングのＣＤ値が目標値に対して１０ｎｍ程度細くなった場合、図４に示す酸素Ｏ_２ 流量に対するＣＤ制御性をもとに必要とされる酸素Ｏ_２流量を算出すると、この流量は予め設定した可変パラメータの制御範囲を超えること（過剰制御）になる。この場合、酸素Ｏ_２の流量をそれに見合って増やすことはできない。なぜなら、酸素Ｏ_２を増やしすぎることによって、デバイス性能上問題となる別の副作用が発生する可能性があるからである。したがって、酸素Ｏ_２の流量を可変パラメータとする場合は、予め上限下限を定めておき、レシピ計算時に酸素Ｏ_２の流量がその値を超えた場合、警報を出力する、あるいはエッチング処理を停止する、あるいは前記流量を上限値あるいは下限値で実行する等の対応が必要となる。

なお、本実施形態では酸素Ｏ_２を可変パラメータとして選択したが、可変パラメータとしては、エッチング時間、被処理基板に印加されるＲＦまたはパルスバイアスパワー、エッチングガス流量比（Ｃｌ_２／（ＨＢｒ＋Ｃｌ_２））、Ｎ_２などの添加ガスのガス流量を採用することができる。なお、エッチング時間を可変パラメータとする場合には、処理中の膜厚をモニターする膜厚モニターを併用して初期膜厚の違いを吸収することができる。また、本発明の対象となるような高精度のエッチング処理においては、膜厚モニタにより全てのステップの処理膜厚を設定値に保つ工夫をすることが望ましい。なお、これらの可変パラメータを制御する場合も過剰制御への対応のために、可変パラメータの可変範囲を設定しておくことは重要なことである。

図７は、本実施形態に係るエッチング処理装置の変形例を説明する図である。なお、図において図３に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。エッチング処理による加工結果は、エッチング処理中の処理室内環境と密接に関わっていることが知られている。したがって、処理室内の状態をセンサ２や付加センサ３でモニタリングし、この状態を基に加工結果推定部２０で加工状態を推定することができる。加工状態の推定には、事前に実験やシミュレーションを行いこの結果をもとに構築した予測モデル２１を用いる。

このモデルは構築された後、加工結果推定部に格納され、更にエッチング処理結果を検査する検査装置７からの測定値を基に修正される。これによりモデル精度を向上することができる。

また、制御モデル部６では、前述のように推定された加工結果と当該プロセスの加工寸法の目標値との偏差を基に、次に処理する同一品種あるいはほぼ同等品種のウェハのレシピを調整する。この際、調整するパラメータとしては、ゲート絶縁膜に影響を与えないエッチングステップのパラメータに限定する。なお、制御モデル６は予め実験やシミュレーションにより、例えば図４に示すような制御性を確認し、制御アルゴリズムを構築しておく。

図８は、ＣＤ値の制御フローの例を示す図である。この例では図７に示すエッチング処理装置において、付加センサ３として発光分光センサＯＥＳを用いた場合におけるＣＤ値の制御フローを示す図である。以下、各ステップの説明を行う。まず、ステップ１において、被エッチング膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する（ブレークスルー）。このステップ中の所定期間において、発光分光センサＯＥＳをもちいてプラズマ発光スペクトルを収集する。ステップ２において、前記発光スペクトルデータをもちいて現在の装置状態を把握し、現状の装置での加工結果を予測し、更にこの予測結果をもとにステップ４において使用するレシピを変更する。

具体的には、収集されたスペクトルを即座に多変量解析あるいは特定のフィルタを使って、ステップ１におけるプロセス状態モニターの代表値としての数個の指標値を算出する。次いで、予め作成しておいた前記指標値と最終処理結果であるＣＤ値との相関関係をもとに、前記算出した指標値からエッチング加工結果を推定する。この方法の利点は、これまでの制御方法ではある試料を処理し、その結果から処理形状の基準値からのずれを測定してその後の試料の処理を安定化させることしかできない。この場合、制御にかかる時間遅れが大きく、制御によって補正されない試料が多発する。更に制御が遅れている間に何らかの装置変動が起これば制御自体に意味がなくなる場合もある。

ところが図８の方法を用いれば、制御対象の試料の処理状況をモニタして、そこから制御量を算出するために非常に高精度な安定した制御を行うことが可能となる。

ステップ３において、前記ステップ２で推定した加工結果を基に、当該エッチングの加工結果が目標値となるように、ステップ４で使用するレシピの少なくとも１つのパラメータ（可変パラメータ）を調整する。この際、予め設定しておいたパラメータの調整範囲を超えた場合は、調整範囲内で最も近い値とするか、処理を中断し、装置ユーザに対し何らかの形でアラームを出力する。なお、可変パラメータとしては、酸素Ｏ_２の流量の外に、エッチング時間、被処理基板に印加されるＲＦまたはパルスバイアスパワー、エッチングガス流量比（Ｃｌ_２／（ＨＢｒ＋Ｃｌ_２））、Ｎ_２などの添加ガスのガス流量を採用することができる。また、エッチング時間を可変パラメータとする場合には、処理中の膜厚をモニターする膜厚モニターを併用して初期膜厚の違いを吸収することができる。

ステップ４において、ステップ３で算出したレシピを用いて被エッチング膜をエッチングする。ステップ５において、ゲート絶縁膜に対して選択比の高いレシピを用いて被エッチング膜をゲート絶縁膜が露出するまでエッチングする。ステップ６において、ステップ５でエッチングしきれなかった残渣部を、ゲート絶縁膜へのダメージを発生させないマージンのあるレシピを用いて仕上げのエッチング（オーバエッチング）を行う。図８はブレークスルーの処理状態で処理状態の変動を検出しようとしているが、ブレークスルーステップは時間が短くて不安定なことが多く、処理状態の変動がうまく検出できない場合がある。

図９はこの問題に対処するためのＣＤ値の別の制御フローの例を示す図である。まず、ステップ１０において、被エッチング膜の表面に形成された自然酸化膜を除去する（ブレークスルー）。ステップ１１において、被エッチング膜をエッチングする。このステップの所定期間において、発光分光センサＯＥＳを用いてプラズマ発光スペクトルを収集する。ステップ１２において、ステップ１１において取得した発光分光スペクトルデータを用いて現在の装置状態を把握し、現状の装置状態での加工結果を予測し、ステップ１４のレシピを変更する。

具体的には、収集されたスペクトルを即座に多変量解析あるいは特定のフィルタを使って、ステップ１１におけるプロセス状態モニターの代表値としての数個の指標値を算出する。次いで、予め作成しておいた前記指標値と最終処理結果であるＣＤ値との相関関係をもとに、前記算出した指標値からエッチング加工結果を推定する。

ステップ１３において、ステップ１２で推定された加工結果を基に、当該エッチングの加工結果が目標値となるように、ステップ１４のレシピの少なくとも１つのパラメータ（可変パラメータ）を調整する。この際、予め設定しておいたパラメータの調整範囲を超えた場合は、調整範囲内で最も近い値とするか、処理を中断し、装置ユーザに対し何らかの形でアラームを出力する。

なお、可変パラメータとしては、酸素Ｏ_２の流量の外に、エッチング時間、被処理基板に印加されるＲＦまたはパルスバイアスパワー、エッチングガス流量比（Ｃｌ_２／（ＨＢｒ＋Ｃｌ_２））、Ｎ_２などの添加ガスのガス流量を採用することができる。なお、エッチング時間を可変パラメータとする場合には、処理中の膜厚をモニターする膜厚モニターを併用して初期膜厚の違いを吸収することができる。ステップ１４において、ステップ１３で算出したレシピを用いて被エッチング膜をエッチングする。ステップ１５において、ゲート絶縁膜に対して選択比の高いレシピで被エッチング膜をゲート絶縁膜が露出するまでエッチングする。ステップ１６において、ステップ１５でエッチングしきれなかった残渣部を、ゲート絶縁膜へのダメージを発生させないマージンのあるレシピで仕上げのエッチング（オーバーエッチング）を行う。

図１０は、エッチング処理工程におけるゲート長の決定要因について説明する図である。図において、処理は図１０の工程１，工程２，工程３に示す順に行われ、本発明のエッチング処理は工程３のステップ１、ステップ２に示す順に行われる。なお、これらの工程を示す図において、１１０はシリコン基板１１１、ゲート絶縁膜１１２、多結晶（Poly）シリコン膜１１３を備えたウエハであり、該ウエハはその表面にＳｉＯ_２等からなるハードマスク材料層１１４’を備え、ハードマスク材料層１１４’上にはレジストマスク２０１が形成されている
工程１は半導体製造プロセスにおけるホトリソ工程であり、レジストマスク２０１を形成した状態を示す。工程２は半導体製造プロセスにおけるエッチング工程の主に絶縁膜エッチング処理装置を用いてハードマスク材料層１１４’をエッチングして、ハードマスク１１４を形成する工程を示す。このハードマスク１１４は多結晶（Poly）シリコン膜などからなるゲート材料１１３をエッチングする際のマスクとなり、最終的なゲート寸法を決定する１つの因子となる。なお、レジストマスク２０１はこの工程の終了後に除去される。

工程３は本発明のエッチング処理を適用した工程である。まず、ステップ１において、例えば、エッチングレートが早いエッチング条件で、多結晶（Poly）シリコン膜１１３をゲート絶縁膜１１２が露出する前までエッチング除去する。このエッチング処理中に膜厚モニタを用いて、多結晶（Poly）シリコン膜１１３のゲート絶縁膜１１２までの残膜量２０９モニタすることにより、該残膜量を各ウエハ毎に一定に保ことができる。ステップ２は前記ステップ１においてエッチングしきれなかった残渣部を、ゲート絶縁膜へのダメージを発生させないマージンのあるレシピを用いて仕上げのエッチング（オーバエッチング）を行う工程である。

例えば、被エッチング膜を複数ステップで処理する工程３において、ハードマスク１１４のマスク寸法２１０は、工程１あるいは工程２で内在するプロセスばらつきにより変動してしまう。マスク寸法２１０が前工程で大きく形成された場合は、工程３においてマスク寸法２１０を等方エッチングにより細らせる処理を行うことが考えられるが、ハードマスク１１４はＳｉＯ２やＳｉＯＮ等の材料であり、工程３で用いるゲートエッチング処理工程では前記細らせる処理を行うことは困難である。

しかし、本実施形態のエッチング処理方法では、マスク寸法２１０を事前に取得しておき、工程３において、エッチング結果が目標値となるように、使用するレシピの少なくとも１つのパラメータ（可変パラメータ）を調整するので所望のゲート長２１１を得ることができる。さらに、ゲート絶縁膜２０３にダメージを与えることなく加工することができる。

また、前工程１及び工程２において、ハードマスク１１４のマスク寸法２１０が毎回変動無く加工できたとしても、工程３における装置の経時変化等の外乱によるマスク寸法が変動する場合がある。

本実施形態によれば、このような場合においても、前工程である工程１や工程２へフィードバックを加えることなく、外乱によるゲート長２１１の変化量を予め取得し、取得した変化量をもとに工程３におけるレシピを調整するので、所望のゲート長２１１を得ることができる。さらに、ゲート絶縁膜２０３にダメージを与えることなく加工することができる。また、前工程である工程１あるいは工程２にフィードバックをかける場合は大規模なシステムが必要となるが、本実施形態では工程３のみで対応することがが可能であり、製造システムの初期導入負荷（時間、コスト等）を軽減できる。

図１１は、膜厚モニタの使用方法を説明する図である。ここでは、レシピのＯ_２流量を調整してゲート長を制御する場合を例に説明する。図１１（ａ）は酸素Ｏ_２の流量をＯ_２＝Ｘ［ｍｌ／ｍｉｎ］に設定した場合の処理経過を示し、図１１（ｂ）は酸素Ｏ_２の流量をＯ_２＝Ｘ−ａ［ｍｌ／ｍｉｎ］設定した場合における処理経過示す。

図１１（ａ）のステップ１においては、Ｘｍｌ／ｍｉｎの酸素Ｏ_２流量で、所定時間エッチングを施す。この場合の残膜厚（下地のゲート絶縁膜までの膜厚）は、Ｙとなる。次いで、ステップ２において下地に達するまでエッチング処理する。このステップ２におけるエッチング処理では、適用されるレシピにより所定角度θをもってエッチングされることになる。このため、最終的なゲート長はＣ１となる。

一方、最終ゲート長を制御する場合は、図１１（ｂ）に示すように、ステップ１において酸素Ｏ_２をＸ−ａ［ｍｌ／ｍｉｎ］にしてエッチングを施す。この場合はゲート長の制御はできるが、エッチングレートも変動する。その結果、ステップ１における残膜厚はＺ（Ｚ＞Ｙ）となる。なお、次に行われるステップ２では、レシピは固定なので、図１１（ａ）の場合と同様にエッチングが進む。すなわち、前記所定角度θをもってエッチングが進むことになる。この結果最終的なゲート長はＣ２となり、前記ゲート長Ｃ１とはＣ３だけ差が生じる（この現象をＣＤ値制御に利用することもできる）。

すなわち、図１１（ｂ）のステップ１において、酸素Ｏ_２の流量を制御してＣＤ値を制御しようとすると、ステップ１のエッチングレートが変化する。このときステップ２におけるＣＤ値変更の影響がステップ１における酸素Ｏ_２流量変更によるＣＤ値変更の影響よりも大きい場合には、ステップ１における酸素Ｏ_２流量変更によるＣＤ値制御が隠れてしまい、予期しないＣＤ値が得られることになる。

したがって、残膜厚Ｙあるいは残膜厚Ｚは常に一定値に制御することが必要であり、この目的のために、ステップ１における処理中にリアルタイムで膜厚をモニタリングすることが必要である。

なお、以上の説明では単一の被エッチング膜として多結晶シリコン膜を例に説明したが、前記単一の被エッチング膜は、他の膜例えば金属膜との積層膜であってもよい。

本発明の実施形態にかかるエッチング処理装置を示す図である。 ゲート電極形成プロセスを示す図である。 エッチング処理装置の処理を説明する図である。 酸素流量に対するＣＤ値制御性を示す図である。 レシピの調整方法を説明する図である。 酸素流量を変化させたときのＣＤ値の制御機構を説明する図である。 エッチング処理装置の変形例を示す図である。 ＣＤ値の制御フローを示す図である。 ＣＤ値の制御フローの他の例を示す図である。 ゲート長の決定要因について説明する図である。 膜厚モニタの使用方法を説明する図である。

符号の説明

１ プラズマエッチング処理室
１ａ 試料台
１ｂ ウエハ
１ｃ プラズマ
２ センサ
３ 付加センサ
４ アクチュエータ
５ レシピ
６ 制御モデル部
７ 検査装置
８，９，１０ ウエハ
１１ ＣＤ値制御モデル
１１１ シリコン基板
１１２ ゲート絶縁膜
１１３ 多結晶シリコン膜
１１４ マスク
１１５ 自然酸化膜
２０１ 処理チャンバ
２０２ ガス供給手段
２０３ ガス排気手段
２０４ 試料
２０５ 試料台
２０６ プラズマ生成手段
２０８ 装置状態検出手段
２０９ 制御装置
２１０ 検査装置
３００ 処理装置本体
３０１ 電磁波供給手段
３０２，３０３ コイル

Claims (12)

1. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、
   前記エッチング処理装置は、前記エッチングステップのうち前記被エッチング膜に接する下層膜に影響を与える最後のエッチングステップに適用するレシピを予め設定したレシピに固定し、残余のエッチングステップに適用するレシピをエッチング処理後の加工形状を計測する検査装置から得られた処理結果をもとに生成するレシピ生成手段を備え、
   前記レシピ生成手段が生成したレシピをもとにエッチング処理を施すことを特徴とするエッチング処理装置。
2. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、
   前記エッチング処理装置は、前記エッチングステップのうち前記被エッチング膜に接する下層膜に影響を与える最後のエッチングステップに適用するレシピを予め設定したレシピに固定し、残余のエッチングステップに適用するレシピを前記エッチング処理装置に組み込まれた光散乱式形状計測手段から得られたエッチング処理結果をもとに生成するレシピ生成手段を備え、
   前記レシピ生成手段が生成したレシピをもとにエッチング処理を施すことを特徴とするエッチング処理装置。
3. 請求項２の記載において、前記エッチング処理装置の装置状態を検出するモニタの出力信号及び前記モニタ出力信号とエッチング処理結果をもとに作成した推定モデルをもとにエッチング処理結果を推定する処理結果推定手段を備えたことを特徴とするエッチング処理装置。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか１の記載において、レシピ生成手段は少なくとも１つのパラメータをエッチング処理中に更新することを特徴とするエッチング処理装置。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか１の記載において、レシピ生成手段が生成するレシピは、少なくとも酸素ガス流量、エッチング時間、処理室に供給する高周波電力、塩素ガス比（Ｃｌ_２／（ＨＢｒ＋Ｃｌ_２））の何れか１つを変更して生成することを特徴とするエッチング処理装置。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか１の記載において、前記単一の被エッチング膜は積層膜からなることを特徴とするエッチング処理装置。
7. 請求項３の記載において、前記推定モデルは、エッチング処理室内のプラズマ発光を分光するプラズマ発光分光モニタから得られるスペクトル信号とエッチング処理結果との相関関係をもとに生成することを特徴とするエッチング処理装置。
8. 請求項１ないし請求項７の何れか１の記載において、前記エッチング処理装置は前記被エッチング膜の残膜厚をモニタする膜厚モニタを備え、前記膜厚モニタの出力をもとに、前記レシピ生成手段により生成したレシピによる処理を終了することを特徴とするエッチング処理装置。
9. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、
   前記エッチング処理装置は、前記複数のエッチングステップのうち第一のエッチングステップにおいて収集したプラズマ発光スペクトルをリアルタイムに多変量解析する手段と、前記多変量解析して算出した指標値から第二のエッチングステップに適用するレシピを生成するレシピ生成手段を備え、前記レシピ生成手段が生成したレシピをもとに第二のエッチングステップの処理を施すことを特徴とするエッチング処理装置。
10. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理装置であって、
    前記エッチング処理装置は、前記複数のエッチングステップのうち補正レシピを用いてエッチング処理を施すエッチングステップの少なくとも１つ前のエッチングステップにおいて収集したプラズマ発光スペクトルをリアルタイムに多変量解析する手段と、前記多変量解析して算出した指標値から前記補正レシピを生成するレシピ生成手段を備え、前記レシピ生成手段が生成した前記補正レシピをもとに前記エッチング処理を施すことを特徴とするエッチング処理装置。
11. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理方法であって、
    前記エッチング処理方法は、前記複数のエッチングステップのうち第一のエッチングステップにおいて収集したプラズマ発光スペクトルをリアルタイムに多変量解析し、前記多変量解析して算出した指標値から第二のエッチングステップに適用するレシピを生成し、前記レシピをもとに第二のエッチングステップの処理を施すことを特徴とするエッチング処理方法。
12. 単一の被エッチング膜に対してそれぞれ異なるレシピを適用した複数のエッチングステップからなるエッチング処理を施すエッチング処理方法であって、
    前記エッチング処理方法は、前記複数のエッチングステップのうち補正レシピを用いてエッチング処理を施すエッチングステップの少なくとも１つ前のエッチングステップにおいて収集したプラズマ発光スペクトルをリアルタイムに多変量解析し、前記多変量解析して算出した指標値から前記補正レシピを生成し、前記補正レシピをもとに前記エッチング処理を施すことを特徴とするエッチング処理方法。

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