JP2008244107A - エッチングレート測定装置および測定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】プラズマエッチング処理中に、高精度にエッチングレートを測定することのできるエッチングレート測定技術を提供する。
【解決手段】処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光して分光スペクトルデータを生成する分光器14と、前記分光スペクトルデータおよび前記試料に形成した薄膜の膜厚データをもとにエッチングレートを算出するに適した前記分光スペクトルの波長を監視波長として選択する波長選択手段20と、該選択手段が選択した前記監視波長における前記分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出するエッチングレート算出手段21を備えた。
【選択図】図1

Description

本発明は、エッチングレート測定技術に係り、特に、エッチングレートを光学的に測定するエッチングレート測定技術に関する。
半導体デバイスの製造プロセスにおいて、ウエハに対してプラズマエッチング処理を施す場合、エッチング性能を評価する重要な指標の一つとして、エッチングレートが挙げられる。
通常、プラズマエッチング処理を行なうにあたり、予めエッチングレートが最適となる処理条件を求めておき、該処理条件下で処理を行なう。
しかし、処理を重ねていくうちに、処理チャンバの状態変化等の要因により、エッチングレートが基準値から外れ、結果として半導体デバイスの性能が低下してしまう場合がある。半導体製造ラインでは、このような問題が発生しないように、製品用ウエハ処理の合間にエッチングレート測定用のウエハを処理し、エッチングレートが基準値内であることを確認している。
測定したエッチングレートが基準値内であれば製品用ウエハの処理を続行し、基準値から外れた場合は、処理チャンバの清掃などを行なうことによって、エッチングレートが基準値内に入るよう、処理チャンバの状態を整える。
しかし、エッチングレート測定用のウエハを処理すると、(1)製品用ウエハの処理を阻害するためエッチング装置の稼働率が低下する、(2)エッチングレート測定用ウエハを製作するのに費用がかかる、等の問題が発生する。
このような問題を解決するため、特許文献1では、プラズマ干渉光の強度の周期的変化に基づいてエッチングレートあるいはエッチング終点を検出する方法が開示されている。以下に、プラズマ発光強度の周期的変化を用いてエッチングレートを測定する原理について説明する。
図5は、ウエハ61の断面図を模式的に表わす図である。ウエハ61はエッチング対象膜62、下地膜63を備える。一般的にプラズマエッチング処理では、反応性ガスをプラズマ状態にし、エッチング対象膜62と反応させてエッチング対象膜62を所望の厚さ、および形状に加工する。
図6は、プラズマ干渉光の強度の周期的変化を示す図である。プラズマエッチング処理中に、処理チャンバ上部よりプラズマ発光強度を観測すると、図6に示すように、エッチング対象膜62の表面で反射された光64と、エッチング対象膜62と下地膜63の界面で反射された光65が合成され、互いに干渉した発光強度が観測される。前記干渉光の強度は、エッチング対象膜62の厚さdに依存する。観測する光の波長をλ[nm],エッチング対象膜62の屈折率をn1,エッチング対象膜62の厚さをd[nm]とすると、前記干渉光の強度は、式1の条件を満たす場合に強くなり、式2の条件を満たす場合に弱くなる。
Figure 2008244107
Figure 2008244107
図6は、横軸に時間,縦軸に波長λ[nm]の発光強度71を示したグラフである。エッチングが進行し、エッチング対象膜62の厚さdが薄くなるに従って、波長λ[nm]の発光強度が周期的に強くなったり弱くなったりしている様子が観察できる。前記発光強度の周期T[秒]、測定波長λ[nm]、膜62の屈折率n1、および式1、式2を用いることにより、膜62のエッチングレートV[nm/min]は式3で表わすことができる。
Figure 2008244107
次に、図7は、図5とは異なる二種類の構造を持つウエハの断面図をそれぞれ模式的に表わす図である。
まず、図7−Aの例について説明する。この図の例では、ウエハ81は、エッチング対象膜62の厚みがd1[nm]の部位とd2[nm]の部位を同時に備える。このような構造を備える場合、チャンバ上部から観測される発光強度は、(1)膜厚d1の部位において膜62表面で反射された光82と膜62と膜63の界面で反射された光83が互いに干渉した光86、(2)膜厚d2の部位において膜62表面で反射された光84と膜62と膜63の界面で反射された光85が互いに干渉した光87、からなる2つの光を合成した強度となる。
次に、図7−Bの例について説明する。この図の例では、ウエハ91は、エッチング対象膜62、下地膜92、下地膜63という3層構造を備える。この例の場合、チャンバ上部から観測される発光強度は、(1)膜62表面で反射された光93と膜62と膜92の界面で反射された光94が互いに干渉した光97、(2)膜62表面で反射された光95と膜92と膜63の界面で反射された光96が互いに干渉した光98、からなる2つの光を合成した強度となる。
図8は、図7−A、あるいは図7−Bの構造を持つウエハをエッチングした際に、チャンバ上部から観測される発光強度変化の例を示す図である。
図8の左欄は図5で示した単純な構造を持つウエハ61をエッチング処理した際の発光強度変化、図8の右欄は図7−Aで示した構造を持つウエハ81あるいは図7−Bウエハ91のように複数の反射界面を有するウエハをエッチング処理した際の発光強度変化を示す。また図8の上段は、波長Aの発光強度変化、下段は波長Aと異なる他の波長Bの発光強度変化を示している。
図8の左欄に示すように、図5に示す単純な構造(界面が一つ)を有するウエハでは、波長A、波長Bともに周期的な干渉波形がはっきりと観測される。しかし、図7に示す構造(界面が複数)を有するウエハでは、波長Aでは周期的な干渉波形がはっきりと観測されるのに対し、波長Bでは発光強度の強弱が不明瞭で、ノイズも存在する。このため、周期が非常に分かりにくくなっている。このように周期が明確でない場合、測定されるエッチングレートの値も正確ではなくなる。
なお、干渉波形が不明瞭となる波長B、干渉波形がはっきりと観察される波長Aは、図7−Aに示す膜62の厚さd1とd2の差、あるいは図7−Bに示す膜92の厚さd3によって決定付けられる。例えば、図7−Bの例では、式4の条件を満たした場合に干渉波形がはっきりと観察され、式5の条件を満たした場合には、干渉波形が不明瞭になる。すなわち、前記厚みd1とd2の差、あるいは厚みd3が一定である場合にはエッチングレートの測定が可能である。
Figure 2008244107
Figure 2008244107
特開平10−64844号公報
しかしながら、前記厚み寸法を一定に保持することができない場合がある。例えば、図7−Bに示すウエハにおいて、膜92を生成する工程に経時変化等が発生し、膜92の厚みが変動してしまう場合である。このような場合には、あるウエハでは波長Bの干渉波形が最もはっきり見えるが、他のウエハでは波長Aの干渉波形が最もはっきり見えるといった状態となり、エッチングレートを測定するための波長を特定することができなくなる。
また、多品種少量生産の製造ラインにおいては、膜92の厚みを故意に変化させているウエハを混在してエッチング処理を行なう場合があり、同様の問題が発生する。また、図7−Aに示すウエハにおいても、エッチング対象膜62の厚さd1とd2の偏差が変動する場合には同様の問題が発生する。このように、従来の技術では、プラズマエッチング処理中に、高精度にエッチングレートを測定することは困難であった。
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、プラズマエッチング処理中に、高精度にエッチングレートを測定することのできるエッチングレート測定技術を提供するものである。
本発明は前記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光して分光スペクトルデータを生成する分光器と、前記分光スペクトルデータおよび前記試料に形成した薄膜の膜厚データをもとにエッチングレートを算出するに適した前記分光スペクトルの波長を監視波長として選択する波長算出手段と、該選択手段が選択した前記監視波長における前記分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出するエッチングレート算出手段を備えた。
本発明は、以上の構成を備えるため、プラズマエッチング処理中に、高精度にエッチングレートを測定することができる。
以下、最良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かかるプラズマエッチング装置を説明する図である。プラズマエッチング装置1は、処理室(処理チャンバ)2、処理室2内に処理ガスを供給するガス供給手段7、処理ガスを排気するガス排気手段9、処理室内の圧力を設定値に制御するバルブ8を備える。さらに処理室2内には処理対象である試料(ウエハ)5を支持する試料台6および処理室2内にプラズマ4を生成するためのプラズマ生成手段3を備える。
また、プラズマエッチング装置1は、プラズマ光を受光し、受光したプラズマ光を分光して分光スペクトルデータを生成する分光器14、分光スペクトルデータおよび他工程から取得した膜厚データ18をもとにエッチングレートを算出するエッチレート算出手段15、算出したエッチングレートを表示するエッチレート表示手段16、算出したエッチングレートの値をもとにエッチング条件を変更するエッチング装置コントローラ17を備える。
処理室2内のプラズマ光は、プラズマ測定用窓11を介して取り出し、集光レンズ12、光ファイバ13を介して分光器14に伝送する。試料台6は、高周波電源10からの高周波電圧を印加することにより、プラズマ4中のイオンやラジカル等を試料5側に誘引することができる。
エッチレート算出手段15は、分光器からの分光スペクトルデータを収集する分光データ収集部19、収集した分光スペクトルデータおよび他工程から取得した膜厚データ18をもとにエッチングレートを算出するのに最適な波長を自動的に選択する最適波長選択部部20、選択した波長の発光強度変化をもとにエッチングレートを算出するエッチレート算出部21を備える。
なお、図1においては、一組のプラズマ測定用孔22,プラズマ測定用窓11,集光レンズ12,光ファイバ13,分光器14により、試料5の一箇所におけるエッチングレートを測定する構成となっているが、前記要素11〜14を処理室2の複数箇所に設置し、試料5の複数箇所のエッチングレートを測定する構成としてもよい。
図2は、エッチングレートを測定する手順を説明する図である。まず、ステップ31において、プラズマエッチング処理装置1によりエッチング処理を行なう際に発生するプラズマ4の強度を分光器14により分光し、分光スペクトルデータを生成する。生成された分光スペクトルデータは、分光データ収集部19において各時刻におけるプラズマ分光スペクトルデータとして収集される。
ステップ32において、他工程から膜厚データ18(例えばで膜62の厚みd1、d2および屈折率n1、あるいは膜92の厚みd3および屈折率n3)を入手できたかどうかを判断し、前記膜厚データを入手できた場合にはステップ33へ進み、前記情報を入手できない場合にはステップ34へ進む。
他工程から厚膜データを入手できた場合は、ステップ33において、他工程から入手した膜厚データ18を用いて、エッチングレートを算出するのに最適な波長を監視波長として選択する(詳細は図3)。他工程から膜厚データを入手できない場合は、予め選定した複数の波長の中から最適波長を監視波長として選択する(詳細は図4)。
ここで、図3は、ステップ33の詳細を説明する図である。ここでは、図7−Bに示すウエハ91を処理する際におけるエッチングレートの測定を例に説明する。
まず、ステップ41において他工程から、膜厚データ18(ウエハ91における膜92の厚みd3および膜92の屈折率n3)を取得する。ステップ42において式3の条件に当てはまる波長λOK[nm]を算出する。前述したとおり、図7−Bのウエハ91における膜92の厚さをd3、屈折率をn3とすると、式3を用いて、図8のグラフ102のようにはっきりとした周期的な波形を描く波長λOK[nm]を算出することができる。なお、式3におけるmは正の整数を表わす。
ステップ43において式4の条件に当てはまる波長λNG[nm]を算出する。前述したとおり、図7−Bのウエハ91における膜92の厚さをd3、屈折率をn3とすると、式4を用いて、図8のグラフ104のように不明瞭な波形を描く波長λNG[nm]を算出することができる。なお、式4におけるmは正の整数を表わす。
ステップ44において、エッチングレートを算出するのに最適な波長域を選択する。前記最適な波長域とは、ステップ42で算出したλOK[nm]にできるだけ近く、かつステップ43で算出したλNG[nm]にできるだけ遠い波長を選択するのが良い。例えば図7−Bにおける膜92の厚さd3が100[nm],屈折率n3が2である場合を考えると、λOKは400[nm],200[nm],100[nm]・・・と続き,λNGは800[nm],267[nm],160[nm],・・・と続く。このように、λOKとλNGは互い違いに現れることが分かる。前記最適な波長域としては、λOKの波長と隣り合うλNGの波長の距離を100[%]とした場合、λOKの波長から20[%]程度の幅を持たせた波長域を選択するのが良い。つまり、前記d3およびn3の場合であるとするならば、前記条件より最適な波長域は192[nm]〜213[nm]および373[nm]〜480[nm]ということになる。
ステップ45において、ステップ44で求めた最適な波長域の中から、少なくとも一つ以上のエッチングレートを算出するのに最適な波長を選択する。前述したとおり、前記最適な波長とは、はっきりとした周期的な波形を描く波長であるが、前記条件を満たすには、ステップ42で求めた波長λOK[nm]に近いという条件と、発光強度自体が大きいという条件が必要となる。つまり、前記最適な波長はステップ44で求めた波長域の中で、発光強度が大きな波長を選択すると良い。
図4は、ステップ34の詳細を説明する図である。まず、ステップ51において、予め設定された複数の波長、すなわち波長A,波長B,波長Cそれぞれについて発光強度の時間変化を抽出する。前記発光強度の時間変化は、図6を例に説明すると波形71に当たる。
なお、前記波長A、波長B、波長Cは、エッチングに使用するガスの種類、試料5の材料などによって、自動的に選択するのも良い。例えば、塩素系のガスでポリシリコンをエッチングする際には、Si:251nm,288nm,SiCl:390nm,Cl:726nm,838nmなどを選択すると良い。また、C−F系のガスで窒化シリコンをエッチングする際には、CN:359nm,387nm,C2:470nm,517nm,F:703nm,775nmなどを選択すると良い。また希釈ガスとしてアルゴンが添加されている場合には、Ar:420nm,603nm,752nmなどを選択するのも良い。
ステップ52において、前記発光強度の時間変化の一次微分波形を算出し、前記一次微分波形のゼロクロス点を抽出する。前記ゼロクロス点とは一次微分波形の値が0となる時刻のことである。これを図6を例に説明すると、まず発光強度の時間変化波形71に対して一次微分処理を施すと、一次微分波形72が算出される。波形71はおよそ周期的なサインカーブを描いており、波形71の傾きが0となるたびに一次微分波形72は横軸と交差する。前記交差する点をゼロクロス点73と呼ぶ。ステップ52においては、それぞれのゼロクロス点の時刻を抽出する。
ステップ53において、ステップ52で抽出した複数のゼロクロス点のうち、隣り合う2つのゼロクロス点間における一次微分波形72を抽出する。前記隣り合う2つのゼロクロス点間における一次微分波形の例を、図10の波形121に示す。前記処理はそれぞれの隣り合う2つのゼロクロス点間で繰り返し実施する。
ステップ54において、ステップ53で抽出した波形121を用いて理想的な一次微分波形(以下降理想波形)122を生成し、波形121と理想波形122の偏差123を算出する。偏差123は図10における斜線で示される部分の面積で表わされる。また、前記ゼロクロス点間のエッチングレートを一定と仮定すると、理想的には波形121はサイン波形を描くが、波形121の信号が不明瞭である場合等においては、波形121は歪み、サイン波形からの偏差が大きくなる。つまり、図10における波形121の最大値をD(下に凸のグラフであるばあいは最小値)、ゼロクロス点間の時間をT/2、横軸の時刻をtとすると、理想波形122は式6で表わすことができ、理想波形122と波形121の偏差123が小さいほどエッチングレートを算出するのに理想的な波形であることを示す。
Figure 2008244107
ステップ55において、波長A、波長B、波長Cのなかからステップ54で算出した偏差133が最小である波長を、少なくとも1波長以上選択する。また、前記説明において波長A、波長B、波長Cの3波長を使用して最適な波長を選出したが、これは2波長でも4波長以上であっても良い。
次に、図2のステップ35において、図10に示したD(一次微分波形の121の振幅)があらかじめ設定された基準値以上であるかどうかを判定する。一次微分波形の振幅が小さすぎる波形である場合は、ノイズ波形等である可能性が高いため、ステップ40において計算エラーとして処理する。なお、ステップ40においてはエッチレート表示手段16にエラーメッセージ等を表示するのが良い。
ステップ36において、図10に示したゼロクロス点間の時間T/2があらかじめ設定された基準値以上であるかどうかを判定する。前記ゼロクロス点間の時間が小さすぎる場合はノイズ波形である可能性が高いため、ステップ40において計算エラーとして処理する。
ステップ37において、ステップ36までのステップで選択した波長の一次微分波形を使用して、エッチングレートを算出する。発光強度変化71の周期をT[秒]、選択された波長をλ[nm]、被エッチング膜の屈折率をn1とすると、エッチングレートは式3で求められる。ステップ38において、ステップ37で算出したエッチングレートを、エッチレート表示手段16、例えばディスプレイ等にグラフおよび数値で表示する。
図9は、エッチレート表示手段16に表示されるエッチングレートの推移を示す図である。
エッチングレート推移グラフ111は、横軸にウエハ処理枚数、縦軸にエッチングレートを取り、エッチングレートの推移を示したグラフである。前記グラフ上にエッチングレートを表示する際に、波長Aにて算出したエッチングレート112,波長Bにて算出したエッチングレート113、波長Cにて算出したエッチングレート114を異なるマークでプロットし、それぞれのデータを分類して保存するのも良い。図7、図8で説明したように、エッチングレートを算出する際に選択された波長が異なる場合は、図7−Aにおける膜62の膜厚差d2−d1が異なり、また、図7−Bにおける膜92の膜厚が異なる可能性が高い。前記膜厚差や膜厚が半導体デバイス性能に影響を及ぼす場合には、前記のような分類方法を用いることにより、半導体デバイスの不良検知として用いることができる。
また、エッチングレート推移グラフ111には、エッチングレートの下限値115および上限値116が表示されており、エッチングレートが前記上下限値から外れた場合には、プラズマエッチング装置1でエラーを発報させるのも良い。また、過去数ロット分のエッチングレート値をもとに、エッチングレート推移予測値117を算出し、あと何ウエハ処理可能かを導き出し、残り処理可能枚数予測118を表示するのも良い。これにより、処理チャンバ清掃等のタイミングを予測することができ、効率的に半導体製造ラインを運用することができる。
ステップ39において、ステップ37で算出したエッチングレートが基準値から外れた場合に、エッチングレートが基準値内に入るようエッチング処理条件を変更する。例えば、エッチングレートが基準値を下回った場合には、次のロットもしくは次のウエハもしくは次のエッチングステップにおける高周波電源10の出力値を増大させることにより、エッチングレートを基準値内に入るよう補正すると良い。また逆に、エッチングレートが基準値を上回った場合には、高周波電源10の出力値を減少させることにより、エッチングレートを基準値内に入るよう補正すると良い。
以上の例では、エッチングレートを補正するのに、高周波電源10を使用したが、エッチングレートを補正する方法は、エッチング処理条件や試料5の種類によって様々であり、たとえば圧力あるいはガス種を変更することにより補正することもできる。
以上説明したように本発明の実施形態によれば、プラズマエッチング処理中に、高精度にエッチングレートを測定し、エッチングレートを安定化させることのできるプラズマエッチング装置を提供することができる。
実施形態にかかるプラズマエッチング装置を説明する図である。 エッチングレートを測定する手順を説明する図である。 ステップ33の詳細を説明する図である。 ステップ34の詳細を説明する図である。 ウエハの断面図を模式的に表わす図である。 プラズマ干渉光の強度の周期的変化を示す図である。 異なる二種類の構造を持つウエハの断面図をそれぞれ模式的に表わす図である。。 ウエハをエッチングした際に、チャンバ上部から観測される発光強度変化の例を示す図である。 エッチレート表示手段に表示されるエッチングレートの推移を示す図である。。 ゼロクロス点間における一次微分波形の例を示す図である。
符号の説明
1 プラズマエッチング装置
2 処理室
3 プラズマ生成手段
4 プラズマ
5 試料
6 試料台
7 ガス供給手段
8 バルブ
9 ガス排気手段
10 高周波電源
11 プラズマ測定用窓
12 集光レンズ
13 光ファイバー
14 分光器
15 エッチレート算出手段
16 エッチレート表示手段
17 エッチング装置コントローラ
18 膜厚データ
19 分光データ収集部
20 最適波長選択部
21 エッチレート算出部
22 プラズマ測定用孔

Claims (5)

  1. 処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光して分光スペクトルデータを生成する分光器と、
    前記分光スペクトルデータおよび前記試料に形成した薄膜の膜厚データをもとにエッチングレートを算出するに適した前記分光スペクトルの波長を監視波長として選択する波長選択部と、
    該選択部が選択した前記監視波長における前記分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出するエッチングレート算出手段を備えたことを特徴とするエッチングレート測定装置
  2. 請求項1記載のエッチングレート測定装置において、
    前記波長選択手段は、前記膜厚データをもとに算出した、エッチングレートを算出するに適した分光スペクトルの波長のうち、分光スペクトルの強度が最大となる波長を監視波長として選択することを特徴とするエッチングレート測定装置。
  3. 処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光して分光スペクトルデータを生成する分光器と、
    前記分光スペクトルデータをもとにエッチングレートを算出するに適した前記分光スペクトルの波長を監視波長として選択し、選択した波長における前記分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出するエッチングレート算出手段を備え、
    前記エッチングレート算出手段は、前記分光スペクトルデータから各波長毎の発光強度データを抽出し、抽出した発光強度データの変化の微分波形を生成し、生成した微分波形の理想波形との偏差を算出し、該偏差が最小となる波長を監視波長として選択することを特徴とするエッチングレート測定装置。
  4. 処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光した分光スペクトルデータおよび前記試料に形成した薄膜の膜厚データをもとに、エッチングレートを算出するに適した前記分光スペクトルの波長を監視波長として選択し、選択した監視波長における分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出することを特徴とするエッチングレート測定方法。
  5. 処理チャンバ内に配置された試料にプラズマエッチング処理を施す際に発生するプラズマ発光の前記試料面における反射光を分光した分光スペクトルデータから各波長毎の発光強度データを抽出し、抽出した発光強度データの変化の微分波形を生成し、生成した微分波形の理想正弦波形との偏差を算出し、該偏差が最小となる波長を監視波長として選択し、選択した波長における前記分光スペクトルデータの時間変化をもとにエッチングレートを算出することを特徴とするエッチングレート測定方法。
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