JP2006310371A - 半導体装置の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エッチング速度およびウエハ面内均一性の異常を検出することができる。
【解決手段】 エッチングチャンバ１の窓６の外に設置されプラズマ５の発光を集光する凸レンズ７、凸レンズ７の中心を塞ぐように設置されたシャッタ８、プラズマ５の発光を検出するためのプラズマ発光検出部９、プラズマ発光検出部９を凸レンズ７の光軸上を移動させるためのリニアモータ１１、このリニアモニタ１１を凸レンズ光軸に垂直に移動させるリニアモータ１２を備えている。プラズマ発光検出部９を移動させることにより、プラズマ発光の各ポジションにおける面内分布を数秒で検出できるため、複数ステップあるエッチングで適用可能で、エッチング速度のウエハ面内均一性の算出が可能となる。よって、複数ステップのエッチングでもエッチング装置の異常検出が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体製造装置に関し、エッチング速度およびウエハ面内均一性の異常を検出し、エッチングプロセスを停止し、製品異常の大量発生を防ぐ手段を有するプラズマ処理装置を用いた半導体装置の製造方法および製造装置に関する。

近年、半導体ウエハの大口径化にともない、製造段階での装置トラブルによる加工不良によるロスが高額になっている。そのため、装置トラブル、装置異常をできる限り早期に発見してウエハの加工不良、製品異常を大量に発生させないことが急務となっている。そのため、エッチング装置において、エッチング速度のウエハ面内均一性の異常を検出する技術が提案されている。

エッチング速度のウエハ面内均一性の異常を検出する方法の従来技術として特許文献１がある。プラズマ発光検出部で検出したプラズマ発光波長の発光強度に基づいてエッチング終了時間を検出する。これを被エッチング膜の膜厚とこのエッチング終了時間とからエッチング速度およびそのウエハ面内均一性を算出する。異常値設定部に入力された異常値または管理値を超えるデータが算出された際は、エッチングプロセスを停止し、製品異常の大量発生を防ぐ。

以上のような構成によって、エッチング速度およびウエハ面内均一性の異常を検出し、エッチングプロセスを停止し、製品異常の大量発生を防ぐことができる。
特開２０００−２８６２３２号公報

しかしながら、通常は単一条件のステップではなく、複数ステップで処理することが大半であるが、複数ステップあるレシピにおいてはエッチング速度およびエッチング速度のウエハ面内均一性を計算することができないという課題がある。

したがって、本発明の目的は、前記に鑑み、複数ステップのエッチングでもエッチング速度およびウエハ面内均一性の算出が可能となり、装置の異常を検出ことするができる半導体装置の製造方法および製造装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明の請求項１記載の半導体装置の製造方法は、チャンバ内にウエハを搬入し、プラズマにてウエハの処理を行う工程と、プラズマの発光が前記チャンバの側面に設けた窓を通過し、凸レンズによって集光され、チャンバ外で焦点を結ぶポジションにおけるプラズマ光のみを抽出して検出し、その検出位置を移動させることにより、ウエハ上の任意のポジションのプラズマ発光を抽出する工程と、前記プラズマ発光強度と前記ウェハの処理速度の相関関係によりウエハ面内均一性を計算して処理状態を評価する工程とを含む。

請求項２記載の半導体装置の製造装置は、第１の窓を側面に有しウエハの処理を行うチャンバと、前記チャンバの前記窓の外に設けられ、前記チャンバ内のプラズマの発光を集光する凸レンズと、前記凸レンズの中心を塞ぐように設置されたシャッタと、前記プラズマの発光を前記凸レンズを介して検出するプラズマ発光検出部と、前記プラズマと前記窓と前記凸レンズを通る光軸上を前記プラズマ発光検出部を移動させるための第１の駆動部と、前記凸レンズと前記プラズマ発光検出部を前記ウエハ面と平行な面上で前記光軸に垂直に移動させる第２の駆動部とを備えた。

請求項３記載の半導体装置の製造装置は、請求項２記載の半導体装置の製造装置において、前記第１の駆動部および前記第２の駆動部により、前記凸レンズは、焦点を前記プラズマが生じる領域に像を結ぶものである。

請求項４記載の半導体装置の製造装置は、請求項２記載の半導体装置の製造装置において、前記第１の窓に対向するように前記チャンバに設けた第２の窓と、前記第２の窓の外にブロードな波長を有する光を発するランプ光導入口とを有する。

本発明の請求項１記載の半導体装置の製造方法によれば、プラズマの発光がチャンバの窓を通過し、凸レンズによって集光され、チャンバ外で焦点を結ぶポジションにおけるプラズマ光のみを抽出して検出し、その検出位置を移動させることにより、ウエハ上の任意のポジションのプラズマ発光を抽出する工程と、プラズマ発光強度とウェハの処理速度の相関関係によりウエハ面内均一性を計算して処理状態を評価する工程とを含むことで、プラズマ発光の各ポジションにおける面内分布を数秒で知ることができるため、複数ステップのエッチングでもエッチング速度およびウエハ面内均一性の算出が可能となり、エッチング装置の異常を検出することできる。

本発明の請求項２記載の半導体装置の製造装置によれば、チャンバの窓の外に設けられ、チャンバ内のプラズマの発光を集光する凸レンズと、凸レンズの中心を塞ぐように設置されたシャッタと、プラズマの発光を凸レンズを介して検出するプラズマ発光検出部と、プラズマと窓と凸レンズを通る光軸上をプラズマ発光検出部を移動させるための第１の駆動部と、凸レンズとプラズマ発光検出部をウエハ面と平行な面上で光軸に垂直に移動させる第２の駆動部とを備えたので、プラズマ発光検出部を移動させることにより、ウエハ上の任意のポジションのプラズマ発光を抽出することができる。そのため、プラズマ発光の各ポジションにおける面内分布を数秒で知ることができるため、複数のステップでもエッチング速度およびそのウエハ面内均一性も計算できるため、エッチング装置の異常検出が可能となる。

請求項３では、第１の駆動部および第２の駆動部により、凸レンズは、焦点をプラズマが生じる領域に像を結ぶので、プラズマが生じる領域のポジションにおけるプラズマ光のみを抽出して検出することができる。

請求項４では、第１の窓に対向するようにチャンバに設けた第２の窓と、第２の窓の外にブロードな波長を有する光を発するランプ光導入口とを有するので、第１の窓の減衰率を補正できる。このため、エッチング窓への反応生成物等による堆積物が多いエッチングプロセスであっても精度良くプラズマ発光強度を測定できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るプラズマ処理装置および処理方法について、図１および図２に基づいて説明する。

図１は第１の実施形態におけるエッチング装置の側面図、図２は平面図を示す。下部電極２はエッチングチャンバ１の下部に設置され、上部電極３は下部電極２に対向して設置されている。ウエハ４は下部電極２上に搬送された被エッチング物であり、下部電極２と上部電極３間に高周波を印加してプラズマ５を発生させる。チャンバ窓（第１の窓）６はエッチングチャンバ１側面に設置され、凸レンズ７はプラズマ５の発光を集光するためエッチングチャンバ窓６の外に設置されている。シャッタ８は凸レンズ７の中心を塞ぐように設置され、プラズマ発光検出部９はプラズマ５の発光を検出するため凸レンズ７の光軸上に設置され、分光器１０はプラズマ発光検出部９で検出された光を導入できるよう光ファイバで接続されている。リニアモータ（第１の駆動部）１１はプラズマ発光検出部９を凸レンズ７の光軸上を移動させるように設置され、リニアモータ１１上に凸レンズ７およびシャッタ８が取り付けられている。リニアモータ（第２の駆動部）１２はリニアモニタ１１をウエハ面と平行な面上で凸レンズ７の光軸に垂直に移動させるよう設置されている。１３はシャッタ８を開閉するモータである。なお、１４〜１７は第２の実施形態の構成であり、本実施形態ではなくてもよい。

次に第１の実施形態における動作を示す。まず、エッチンチャンバ１内にウエハ４を搬入し、プラズマ５にてウエハ４のエッチングを行う。プラズマ５の発光はチャンバ窓６を通過し、凸レンズ７によって集光され、エッチングチャンバ１外で焦点を結ぶ。凸レンズ７の中心を通る光（０次光）はシャッタ８によって遮断されるため、凸レンズ７によって屈折され、焦点を結ぶ光のみが通過する。例えば図１のポジションＡにおけるプラズマ光は凸レンズ７により集光しポジションＡ′に焦点を結ぶ。ポジションＡ′にプラズマ発光検出部９を移動すればポジションＡにおけるプラズマ光のみを抽出して検出可能である。またより凸レンズ７に近いポジションＢのプラズマ光は凸レンズ７により集光され、凸レンズ７から離れた別のポジションＢ′に焦点を結ぶ。よって、プラズマ発光検出部９を移動させて、光を抽出することで、ウエハ４上の任意のポジションのプラズマ発光を抽出することができる。

エッチング条件毎にエッチング速度を変動させてウエハ４上の各ポジションにおけるプラズマ発光強度を測定し、プラズマ発光強度とエッチング速度の関係を予め求めておく。製品のエッチング中にウエハ４上の各ポジションのプラズマ発光強度をプラズマ発光検出部９を移動させて検出し、反応生成物等の発光強度を測定することで、ウエハ４上のエッチング速度およびその分布を計算することができる。

例えば、ウエハ４上Ｓｉ系の薄膜をエッチングする場合、Ｃｌ_２ガスを導入し、高周波電力を下部電極２に印加する。反応生成物であるＳｉＣｌｙの発光強度とＳｉとエッチング速度の相関関係を求めておく。抽出した光を分光器１０にて必要な波長のみ抽出する。

エッチング装置のトラブル等でエッチング速度が変動したり、エッチング速度のウエハ面内均一性が変動した場合、異常アラームを発報して設備を停止させることができる。ウエハ４上のプラズマ発光強度を焦点を結ぶポジションにプラズマ発光検出部９をスキャンすることで、ウエハ４上のプラズマ発光強度が求められるため、スキャンに要する数秒で計算できるため、複数のステップのエッチングの場合でも、発光強度とエッチングの相関関係より、エッチング速度のウエハ面内均一性を計算できる。

第１の実施形態によると、エッチング速度およびウエハ面内均一性を、数秒で求められるため、複数のステップのエッチングの場合でも、エッチング速度のおよびウエハ面内均一性を計算でき、異常が発生した場合、エッチング装置を停止して、加工不良を防ぐことができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るプラズマ処理装置および処理方法について説明する。なお、図面は図１および図２を参照する。

まず、図１に示すように、第１の実施形態の構成に加え、エッチング窓６に対向するようにエッチングチャンバ１に設けたエッチング窓（第２の窓）１４と、エッチング窓１４の外にブロードな波長を有する光を発するランプ光導入口１６とを有する。ランプ光導入口１６はランプ１５の光を直接導入するため設置され、またランプ光導入口１６から導入された光も、光ファイバ等を用いて分光器１０に接続している。リニアモータ１７でランプ１５を凸レンズ７の光軸と垂直に移動させるリニアモータ１１と同様に移動させる。またシャッタ８を開閉するためのモータ１３を有している。

次に第２の実施形態における動作を示す。エッチング処理を重ねれば、エッチング窓６およびエッチング窓１４はエッチング反応生成物等の付着によって、プラズマ発光が減衰する。この減衰率をαとし、エッチング反応生成物が付着していない状態において、エッチング中のプラズマ発光のプラズマ発光検出部９における測定値をＦ、エッチング処理を繰り返し、反応生成物が付着して、減衰している状態のプラズマ発光の測定値をＦ′とすると、
Ｆ′＝α×Ｆ
となる。

エッチング処理をしていない時に、ランプ１５を点灯させ、シャッタ８をモータ１３により開いて、プラズマ発光検出部９で検知する（その検出強度をＩとする）。また、同時にランプ光導入口１６より直接ランプ１５の光を検知する（その検出強度をＪとする）。エッチング反応生成物によりエッチング窓６およびエッチング窓１４による減衰がαとなっている時のプラズマ発光検出部９でのランプ光測定値をＩ′、ランプ光導入口１６における測定値をＪ′とすれば、
Ｊ′／Ｊ＝α^２×Ｉ′／Ｉ
となる。よって、
α＝√（（Ｊ′／Ｊ）×（Ｉ′／Ｉ））
となり、Ｊ、Ｊ′、Ｉ、Ｉ′を測定すれば、減衰率αを求められる。この減衰率αはランプ１５の光がブロードな波長を有するため、ランプ１５が光を発するすべての波長において求めることができる。

したがって、第１の実施形態のようなプラズマ発光測定を実施する前後に、上記測定を実施することで、減衰率αを計算できる。実際の生産でエッチングして、エッチング窓６に反応生成物等の堆積膜による透過光の減衰があっても
Ｆ＝Ｆ′／α
により、減衰に依らないプラズマ発光強度を求めることができる。

第２の実施形態によると、エッチング窓６の減衰率を補正できるため、エッチング窓６への反応生成物等による堆積物が多いエッチングプロセスであっても精度良くプラズマ発光強度を測定できるため、第１の実施形態と同様にエッチング速度のおよびウエハ面内均一性を計算でき、異常が発生した場合、エッチング装置を停止して、加工不良を防ぐことができる。

エッチング装置の場合に関して記述したが、すべてのプラズマ処理装置および処理方法に適応可能である。

本発明に係る半導体装置の製造方法および製造装置は、プラズマ処理装置および処理方法の異常検出等に有用である。

本発明の第１，２の実施形態に係るプラズマ処理装置および処理方法を示す断面図である。 本発明の第１，２の実施形態に係るプラズマ処理装置および処理方法を示す平面図である。

符号の説明

１ エッチングチャンバ
２ 下部電極
３ 上部電極
４ ウエハ
５ プラズマ
６ チャンバー窓
７ 凸レンズ
８ シャッタ
９ プラズマ発光検出部
１０ 分光器
１１ リニアモータ
１２ リニアモータ
１３ モータ
１４ エッチング窓
１５ ランプ
１６ ランプ光導入口
１７ リニアモータ

Claims (4)

1. チャンバ内にウエハを搬入し、プラズマにてウエハの処理を行う工程と、
   プラズマの発光が前記チャンバの側面に設けた窓を通過し、凸レンズによって集光され、チャンバ外で焦点を結ぶポジションにおけるプラズマ光のみを抽出して検出し、その検出位置を移動させることにより、ウエハ上の任意のポジションのプラズマ発光を抽出する工程と、
   前記プラズマ発光強度と前記ウェハの処理速度の相関関係によりウエハ面内均一性を計算して処理状態を評価する工程とを含む半導体装置の製造方法。
2. 第１の窓を側面に有しウエハの処理を行うチャンバと、
   前記チャンバの前記窓の外に設けられ、前記チャンバ内のプラズマの発光を集光する凸レンズと、
   前記凸レンズの中心を塞ぐように設置されたシャッタと、
   前記プラズマの発光を前記凸レンズを介して検出するプラズマ発光検出部と、
   前記プラズマと前記窓と前記凸レンズを通る光軸上を前記プラズマ発光検出部を移動させるための第１の駆動部と、
   前記凸レンズと前記プラズマ発光検出部を前記ウエハ面と平行な面上で前記光軸に垂直に移動させる第２の駆動部とを備えた半導体装置の製造装置。
3. 前記第１の駆動部および前記第２の駆動部により、前記凸レンズは、焦点を前記プラズマが生じる領域に像を結ぶことを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造装置。
4. 前記第１の窓に対向するように前記チャンバに設けた第２の窓と、前記第２の窓の外にブロードな波長を有する光を発するランプ光導入口とを有することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造装置。

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