JP2010219200A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数膜種のエッチング終点の検出を容易な構成で確実に実施できるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理室２のプラズマ光３を複数の分光装置７を用いて分光し、分光した複数波長の複数の光を１つの光電子増倍管９に入射することにより、複数種の膜を連続的にエッチングするに際して、装置制御システム変更無しにエッチング終点の検出を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体集積回路の製造等における被処理材のエッチング終了点を発光分光器及び光電子増倍管を用いて検出する機能において、特にプラズマ放電を用いたエッチング処理による基板上に設けられた複数層の膜のエッチング処理のエッチング終点検出を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体ウェハの製造では、ウェハの表面上に形成された様々な材料の層および特に誘電材料の層の除去またはパターン形成にドライエッチングが広く使用されている。
このドライエッチング装置では、真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化させてイオンやラジカルとし、このイオンやラジカルをウェハの表面上に形成された様々な材料の層と反応させることにより、ウェハのエッチング加工を行う。

半導体ウェハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特定の表面膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウェハのエッチング終点検出方法の１つとして、従来から、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の表面膜のエッチング終点を検出する方法がある。

エッチングされる膜種に応じてプラズマ光における変化する発光波長は異なる。一方、ドライエッチングでの１回の処理においては、複数の膜種を連続して処理することが多く、複数の波長をモニタする機能がエッチング装置に求められる。

特許文献１では複数の膜種のエッチングに対して、モータ駆動するグレーティングの角度を制御することにより、分光器でモニタする発光波長を膜種毎に変更している。

特開平５−２６７２３８号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、１つの膜種でモニタする波長は１波長であり、また、連続して複数膜のエッチングを実施した際に、複数膜毎に波長を変更するためのモータ駆動によるグレーティング角度の変更が必要なため、対象膜が薄膜となりエッチング時間が短い場合には、薄膜の連続処理でのそれぞれのエッチング終点検出が不可能となるという問題点があった。

本発明のプラズマ処理装置は、真空処理室内に形成したプラズマを用いて真空処理室内の試料の表面の膜をエッチング処理するプラズマ処理装置であって、前記試料が複数の膜で構成され、前記エッチング処理中の前記試料からの発光を分光する複数の分光装置と、分光された複数の波長を入射する光電子増倍管と、前記光電子増倍管からの出力に基づいて前記膜のエッチング終点を検出するデジタル処理装置とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数膜のエッチング終点を容易な方法で装置制御システムの変更なしに検出することが出来る。

図１は、本発明の実施例１のプラズマ処理装置を説明する図である。 図２は、窒化シリコン層をエッチングした場合の２つの単波長の発光変化図である。 図３は、窒化シリコン層をエッチングした場合の波長合成の発光変化図である。 図４は、ポリシリコン層をエッチングした場合の２つの単波長の発光変化図である。 図５は、ポリシリコン層をエッチングした場合の波長合成の発光変化図である。 図６は、本発明に係る選択可能な例の発光変化パターンの説明図である。 図７は、本発明に係る選択可能な他の例の発光変化パターンの説明図である。 図８は、本発明に係る選択が不適切な例の発光変化パターンの説明図である。 図９は、本発明の実施例２のプラズマ処理装置を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の実施例１のプラズマ処理装置を図１に示す。エッチング装置(プラズマ処理装置)１は、真空処理室２を備えており、その内部に図示を省略したガス導入手段から導入されたエッチングガスがマイクロ波電力等により分解してプラズマ３となり、このプラズマ３により試料台５上の半導体ウェハ等の被処理材４がエッチングされる。

プラズマ発光は真空処理室２から分岐ファイバ６を通して複数の分光装置７に導入される。この分光装置７は主にグレーティングで構成されるが、特定の光の波長を透過する光学フィルタで構成しても良い。

複数の分光装置７で、それぞれの特定波長光が分光され、分岐ファイバ８にて、一つの光電子増倍管（フォトマル）９に入射される。光電子増倍管９では、入射したそれぞれの特定波長光が合成された光の光強度を電流値に変換する。この電流値をＩＶ変換器１０により電圧値に変換し、ＡＤ変換器１１によりデジタル信号に変換する。この光強度に対応したデジタル信号をデジタル処理装置１２により処理し、複数層のそれぞれの膜のエッチング終点の検出を行う。

本実施例では、複数膜種として、例えば、窒化シリコン膜、ポリシリコン膜を連続してエッチングする場合について説明する。

図２は、窒化シリコン膜を炭素Ｃを含むガスでエッチングした際の波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの２つの単波長の発光変化を示している。窒化シリコン膜をエッチング中は、エッチングガスの炭素Ｃと窒化シリコン膜の窒素Ｎの反応生成物ＣＮが発生する。窒化シリコン膜がなくなると反応生成物ＣＮが減少する。この時、反応生成物ＣＮの代表的な発光波長は３８７ｎｍであり、波長３８７ｎｍの発光を用いて窒化シリコン膜のエッチング終点（矢印で示す位置）の検出が可能であることがわかる。また、この時、波長２８８ｎｍの発光の強度は変化していない。

図３は、窒化シリコン膜を炭素Ｃを含むガスでエッチングした際の波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの合成波長の発光変化を示している。波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍを波長合成した光の強度変化には、反応生成物ＣＮの代表的な発光波長である３８７ｎｍの発光強度の変化が反映されており、波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの波長合成を用いて窒化シリコン膜のエッチング終点（矢印で示す位置）を検出することが可能である。

図４は、ポリシリコン膜を、塩素Ｃｌ２を用いてエッチングした際の波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの２つの単波長の発光変化を示している。ポリシリコン膜がエッチングの進行に伴い無くなると、Ｓｉ及びＳｉＣｌの代表的な波長である波長２８８ｎｍの発光の強度が減少していることが観測され、波長２８８ｎｍの発光の減少を検出することにより、ポリシリコン膜のエッチング終点（矢印で示す位置）の検出が可能である。また、この場合、Ｃｌのスペクトルが３８５ｎｍから３８６ｎｍに、またＳｉＣｌが３９０ｎｍにあり、この影響を受けて３８７ｎｍは微少な減少も観測される。

図５は、ポリシリコン膜を、塩素Ｃｌ２を用いてエッチングした際の波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの波長合成した光の発光強度の変化を示している。波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの波長合成した光の強度変化には、Ｓｉ及びＳｉＣｌの代表的な波長である波長２８８ｎｍの発光の強度変化が反映されており、Ｃｌの３８５ｎｍから３８６ｎｍのスペクトルとＳｉＣｌの３９０ｎｍのスペクトルの影響による波長３８７ｎｍの発光の強度の減少は微少であるため、波長３８７ｎｍ及び波長２８８ｎｍの波長合成を用いてポリシリコン膜のエッチング終点（矢印で示す位置）の検出が可能である。

このように、窒化シリコン膜とポリシリコン膜を連続してエッチングし、この両方の膜の終点検出を行う場合には３８７ｎｍと２８８ｎｍをモニタしておくことが必要である。この時、従来例の特許文献１で示されるグレーティングをモータで駆動してモニタ波長を変更する手法では、対象膜が薄膜となりエッチング時間が短い場合においては、波長変更に時間がかかるため、連続処理での両方の膜のエッチング終点の検出は不可能である。

本実施例では、ＣＮの代表的な波長として３８７ｎｍを選択し、またＳｉの代表的な波長として２８８ｎｍを選択したが、これらの波長に変わるものとして、ＣＮの他の代表的な波長である、３５８ｎｍや４１８ｎｍを選択しても良い。また、Ｓｉの他の代表的な波長である２５１ｎｍを選択しても良い。

また、ＳｉＣｌにおいても、代表的な波長として２８８ｎｍを示したが、ＳｉＣｌの他の代表的な波長である２８１ｎｍや３９０ｎｍを選択しても良い。

本発明では、以上のように、図１で示したように複数の波長の光を同時に一つの光電子増倍管９に入射するため、複数波長を合成した発光を同時にモニタすることが出来る。複数膜種として窒化シリコン膜、ポリシリコン膜を連続して、エッチングした際の本発明による発光変動の例が図４、図５に示されている。

図１に示した２つの分光装置７の分光波長は、それぞれ、波長３８７ｎｍと波長２８８ｎｍにセットしておく。窒化シリコン膜をエッチング中は、図４に示す通り、エッチングの終点で波長合成した発光の強度が変動し、エッチング終点（図４の矢印で示す位置）の検出が可能である。次に、ポリシリコン膜をエッチング中は、図５に示すとおり、エッチングの終点で波長合成した発光の強度が変動し、エッチング終点（図５の矢印で示す位置）の検出が可能である。

波長合成した発光について、矢印で示すエッチング終点を検出する際は、図１のデジタル処理装置１２が発光の強度の値と予め設定した所定値と比較して、所定値を超えた時点をエッチング終点と判定する、あるいは、発光の強度の変化率を予め設定した所定値と比較して、発光強度の変化率に基づいてエッチング終点と判定するなどの手法を採用して検出することができる。

図９は、本発明の実施例２のプラズマ処理装置を説明する図である。上記実施例１では、プラズマ発光は、真空処理室２から分岐ファイバ６を通して複数の分光装置７に導入されたが、分岐ファイバ６の代わりに真空処理室２からプラズマ発光を収集する窓を複数用いて複数の分光装置７へそれぞれ入射しても良い。
図９において、プラズマ処理装置１の真空処理室２には、プラズマ発光を収集する複数の窓１３が形成され、複数の窓１３からプラズマ発光を収集されたプラズマ発光は、複数の分光装置７に導入される。この分光装置７は主にグレーティングで構成されるが、特定の光の波長を透過する光学フィルタで構成しても良い。

実施例１の発明と同様に、複数の分光装置７で、それぞれの特定波長光が分光され、分岐ファイバ８にて、一つの光電子増倍管（フォトマル）９に入射される。光電子増倍管９では、入射したそれぞれの特定波長光が合成された光の光強度を電流値に変換する。この電流値をＩＶ変換器１０により電圧値に変換し、ＡＤ変換器１１によりデジタル信号に変換する。この光強度に対応したデジタル信号をデジタル処理装置１２により処理し、複数層のそれぞれの膜のエッチング終点の検を行う。

上記各実施例における合成する波長の選択方法について、図６〜８に示す。本実施例では窒化シリコン膜、ポリシリコン膜を連続して処理するとする。選択する２つの波長λＡ、λＢは発光波長同士が複数膜の処理中において同じ変化をするか（図７）、若しくは変化しない（図６）波長を選択することが適切である。なお、２つの波長λＡ、λＢの光を合成した光の発光強度の変化特性は、窒化シリコン膜とポリシリコン膜の場合では相違しているものであることが必要である。

一方、例えば、反応生成物の波長とエッチャント（エッチングガス）の波長は相反する変化を見せ、反応生成物からの発光の強度はエッチング終点で減少し、エッチャント（エッチングガス）からの発光の強度はエッチング終点で逆に増加する。このような波長の組を選択した場合は、エッチング終点での発光変化が相殺されてしまうので避けるべきである（図８）。

上記各実施例では、図１又は図９に図示したように、２つの分光装置７により２つの波長を選択し、１つの光電子増倍管９に入射しているが、分光装置７の数は２に限定されず、分光装置を２つ以上の複数個設け、２つ以上の複数の波長を選択し、１つの光電子増倍管９に入射しても良い。

従来の光電子増倍管９を使用してエッチング終点の検出を行うプラズマ処理装置では、複数の光電子増倍管９を装備していることが多い。しかし、通常は、光電子増倍管９へは分光された単波長の光を入射しているので、エッチング終点の検出に利用できる波長数はプラズマ処理装置が装備している光電子増倍管９の数によって決まる。

この場合に、エッチング終点の検出に使用したい波長数が増加するとプラズマ処理装置の光電子増倍管９を増設することが必要になるが、光電子増倍管９を増設すると、図１に示す光電子増倍管９以降のＩＶ変換装置１０、ＡＤ変換器１１を増設することが必要になり、さらにデジタル処理装置１２内では、増設した光電子増倍管９から増設したＡＤ変換器へ送られた電圧値を用いてエッチング終点の検出をするためのプログラム変更が必要となる。

さらに、図示していないが、プラズマ処理装置の表示部においても増設した光電子増倍管９からの電圧値を画面表示する必要があり、どの光電子増倍管９で終点検出を実施するか等の選択画面を作成する必要がある。

本発明によれば、エッチング終点の検出に使用したい波長数が増加し、プラズマ処理装置が装備している光電子増倍管９の数より多くなった場合でも、１つの光電子増倍管９へ複数の分光装置７により分光された複数の波長を入射する構成を採用することにより、上記したＡＤ変換器１１の増設や、プログラム変更無しに、容易に複数のエッチング終点を検出することが可能である。

１ プラズマ処理装置
２ 真空処理室
３ プラズマ
４ 被処理材
５ 試料台
６ 分岐ファイバ
７ 分光装置
８ 分岐ファイバ
９ 光電子増倍管
１０ ＩＶ変換器
１１ ＡＤ変換器
１２ デジタル処理装置
１３ 窓

Claims (5)

1. 真空処理室内に形成したプラズマを用いて真空処理室内の試料の表面の膜をエッチング処理するプラズマ処理装置において、
   前記試料が複数の膜で構成され、前記エッチング処理中の前記試料からの発光を分光する複数の分光装置と、分光された複数の波長を入射する光電子増倍管と、前記光電子増倍管からの出力に基づいて前記膜のエッチング終点を検出するデジタル処理装置とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 真空処理室内に形成したプラズマを用いて真空処理室内の試料の表面の膜をエッチング処理するプラズマ処理装置において、
   前記試料が複数種の膜で構成され、前記複数種の膜を連続的にエッチング処理する際に前記試料の複数種の膜からの異なる波長の発光を分光する複数の分光装置と、前記分光された前記複数種の膜に対応する波長の発光を入射する１つの光電子増倍管と、前記光電子増倍管からの出力の前記複数種の膜からの波長合成した発光の強度変化の特性に基づいて、前記複数種の膜のそれぞれのエッチング処理の終点を検出するデジタル処理装置とを備えていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室から分岐ファイバを通して分岐された発光が、複数の分光装置に導入されて分光され、前記複数の分光装置により分光された複数の波長の光が他の分岐ファイバを通して１つの光電子増倍管に入射されることを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空処理室の複数の窓からプラズマ発光が収集され、収集された前記プラズマ発光が、複数の分光装置に導入されて分光され、前記複数の分光装置により分光された複数の波長の光が分岐ファイバを通して１つの光電子増倍管に入射されることを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記デジタル処理装置は、前記光電子増倍管からの出力の前記複数種の膜からの波長合成した発光の強度変化の変化率に基づいて、前記複数種の膜のそれぞれのエッチング処理の終点を検出するデジタル処理装置。

Images