JP2011082442A - プラズマエッチング処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】載置電極上に載置されたウエハのエッチングレートの面内分布をもとに、ウエハ温度分布を精度よく推定する。
【解決手段】真空処理容器９内にプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて試料載置電極上に載置した試料にエッチング処理を施すエッチング処理装置１において、試料の搬入および搬出の経路に配置され、エッチング処理の対象となる試料の面内の各点における膜厚を処理の前後で測定するＯＣＤ装置１１を備え、該ＯＣＤ装置で求めた処理前後の膜厚をもとにエッチングレートの面内分布を求め、求めたエッチングレートの面内分布をもとに、試料面における温度分布を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマエッチング処理装置に係り、特にエッチング性能の面内均一化を図ることのできるプラズマエッチング装置に関する。

エッチング加工の微細化に伴い、ウエハ面内におけるエッチング性能の不均一による、デバイス性能のばらつき、あるいは歩留まり低下が問題となっている。このため、種々の性能均一化手段が提案されている。

例えば、ウエハを載置する載置電極（温度制御電極）をいくつかの部分に分割し、分割された各部を独立に温度制御することにより載置電極面に温度差を発生させ、この温度差によるエッチング性能の不均一により、他の要因によるエッチング性能の不均一をキャンセルする方法が提案されている。この方法では、前記温度差によるエッチング性能の不均一により、例えば電極中心部と周辺部でのエッチングガスの流れの不均一による性能の不均一をキャンセルし、総合的にウエハ面内でのエッチング性能を均一化している。

載置電極の表面温度を測定する方法としては、電極面に温度センサを埋め込み、該温度センサで測定する方法がある。

また、温度センサを内蔵したウエハの形状をした温度センサを使用する方法がある。この場合は、面内のセンサ数は６０個程度あり細かな温度分布を把握することができる。

また、特許文献１には、エッチング前の半導体基板を収納したキャリアをセットしたローダとエッチングチャンバとの間、およびエッチングチャンバとエッチング後の半導体基板を収納するキャリアをセットするアンローダとの間に各々膜厚測定機を備えて、エッチング速度を随時モニタすることにより、異常を早期に発見することが示されている。

特開平４−７１８６６号公報

前述のように、載置電極の面内温度を測定する方法としては、電極面内に温度センサを埋め込み、該温度センサで測定する方法がある。この方法は、埋め込んであるセンサの数が少なく、細かな温度分布を得ることは困難である。

また、温度センサを内蔵したウエハの形状をした温度センサを使用する方法は、面内のセンサ数は６０個程度あり細かな温度分布を把握することができる。しかし高価であり、また電池内蔵であることから、利用には制限が多い。

ところで、エッチング装置では、その性能が経時的に変動することがある。例えば、エッチング処理室の内壁に付着した反応生成物が増加し、その部分からのアウトガス量が増えると、エッチング処理室内の反応ガスと反応生成物のバランスが変動して、エッチング性能が変化する。

このような現象は動的であるため、その補正も動的に行う必要がある。しかし、動的な補正には装置状態をその都度モニタすることが必要となる。このようなモニタとして、例えばＯＥＳ(Optical Emission Spectroscopy)を用いてエッチング処理室内の発光をモニタする発光モニタがある。しかし、この発光モニタはプラズマの一部分をモニタするモニタであり、全体的な分布変動をモニタすることは難しい。このため、複数のモニタを用いてモニタする案も検討されているが、センサ数が限られるため、分布変動の検出には精度が期待できない。

また、前記ＯＥＳでは、発光する物質しかモニタできないため、例えばアルミニウムやイットリアといった、エッチング処理室の部品を構成する金属材料の酸化物、フッ化物の検出は困難である。

従って、エッチング特性の分布変動を調査するためには、テスト用のウエハを処理し、処理結果を膜厚測定器・ＳＥＭ等の測定器により測定処理するというような手動操作が必要であった。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、載置電極上のウエハ温度分布を精度よく測定することのできるエッチング処理装置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。

真空処理容器内にプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて試料載置電極上に載置した試料にエッチング処理を施すエッチング処理装置において、試料の搬入および搬出の経路に配置され、エッチング処理の対象となる試料の面内の各点における膜厚を処理の前後で測定するＯＣＤ装置を備え、該ＯＣＤ装置で求めた処理前後の膜厚をもとにエッチングレートの面内分布を求め、求めたエッチングレートの面内分布をもとに、試料面における温度分布を推定する。

本発明は、以上の構成を備えるため、載置電極上のウエハ温度分布を精度よく推定することができる

本実施形態にかかるエッチング処理装置を説明する図である。 載置電極を説明する図である。 エッチング装置およびＯＣＤ装置を制御する制御装置を説明する図である ＯＣＤプロセス管理部の処理を説明する図である。 エッチングレート分布を示す図である。

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、本実施形態にかかるエッチング処理装置を説明する図である。図１に示すように、本エッチング処理装置は、エッチングによる臨界加工寸法であるＣＤ（Ｃritical Ｄimension）寸法（例えばＦＥＴのゲート長）を制御するため、加工前あるいは加工後のウエハにおけるＣＤ寸法を測定するＯＣＤ（Optical Critical Dimension）測定装置１１を備えている。なお、OCD装置は反射光の散乱現象を用いて測定するため、CD寸法と同時に膜厚を測定できる。また、パターンがないベタ膜のウエハでは膜厚のみ精度良く測定できる。

この装置では、例えば、エッチング処理前にウエハ上に形成されたフォトレジストのＣＤ寸法を測定し、得られたＣＤ寸法にしたがってエッチング制御パラメータを変更するフィードフォワード（ＦＦ）制御を実施する。

この図の例では、カセット２に入った製品ウエハ３はローダ装置４の大気ロボット５によりＯＣＤ装置１１に搬送される。ＯＣＤ装置内ではフォトレジストのＣＤ寸法が測定される。

ＣＤ寸法の測定後、ウエハはロードロック室６を通り、真空ロボット８によりエッチング処理室９に搬送される。エッチング処理室では、先程実施されたフォトレジストのＣＤ寸法の測定結果に応じてエッチングパラメータを調整し、調整されたプロセス条件にてエッチング処理を施す。処理が終了したウエハはアンロードロック室１０を通って元のカセットに回収される。

以上は一般的な製品処理フローである。次に本実施形態による処理手順を説明する。

エッチング装置の運転中、必要に応じてダミーウエハ１２がＯＣＤ装置に搬送される。このダミーウエハには酸化シリコン膜、ポリシリコン膜、レジスト膜等、目的に応じた薄膜を形成している。なお、薄膜はパターン付きあってもよい。パターン付きのダミーウエハはポリシリコン膜等の薄膜の上に、フォトレジスト等のマスク材でパターンを形成したものである。

なお、薄膜付きダミーウエハは、酸化シリコン膜、ポリシリコン膜、レジスト膜等の薄膜を形成したものを使用する。いずれも、シリコンベアウエハの上に繰り返し成膜することにより再使用することができる。

ＯＣＤ装置１１は、ダミーウエハ１２上の指定された各点における膜厚を測定する。またダミーウエハがパターン付きの場合はパターンを形成するマスクのＣＤ寸法を測定する。

その後、ダミーウエハは前記製品ウエハと同様にエッチング処理室に搬送され、そこで所定の条件でエッチング処理が施される。処理が施されたダミーウエハは元のカセットに回収する前に再度ＯＣＤ装置１１に搬送され、そこで処理前と同じ指定点における膜厚、あるいはパターン付きのダミーウエハの場合は処理後のマスク下層の被エッチング膜のＣＤ寸法を測定する。

このように、OCD装置で処理前後の膜厚あるいはＣＤ寸法を測定することにより、ダミーウエハ上の薄膜のエッチング量が測定でき、このエッチング量をエッチング時間で除算することによりエッチレート（垂直方向）を求めることができる。ダミーウエハがパターン付きダミーウエハの場合は処理前のマスクのＣＤ寸法と処理後のCD寸法との差をエッチング処理時間で除算することによりCD方向（水平方向）のエッチングレートを求めることができる。

一般に、垂直方向のエッチレートよりCD方向（水平方向）のエッチレートの方が温度変化に敏感であるため、パターン付きダミーウエハの方が精度の良い測定結果が得られる。しかし、一度エッチングされると再利用ができないため、経済的には不利となる。

このエッチングレートは各測定点毎に計算できるため、ウエハ全体としては面内のエッチングレート分布を求めることができる。

図２は、載置電極１を説明する図である。図２に示すように載置電極２１は、その表面温度分布を調整して、載置されるウエハを面内で均一に処理するための温度調整機能を備える。

載置電極２１は、半径方向に、中央部、中間部、外周部の３つの部分に分けられ、それぞれの部分の温度を測定する温度センサ７ａ、７ｂ、７ｃ、それぞれの部分を加熱するヒータ３，４，５、および各部を冷却（温調）する冷媒流路を備え,各部分を独立に温調することにより、ウエハ面に所望の温度分布を付与することができる。

エッチングレートの分布をもとにした面内温度の推定に際しては、まず、ウエハの面内温度分布測定を行う。この測定に際しては、前述した温度センサ内蔵ウエハを使用する。

まず、エッチング処理装置を通常のエッチングを行う装置状態、すなわち、装置立上げ後、所定のウエハ枚数を使用して所定時間ならし放電等を行い、製品ウエハの処理が可能な状態にする。

次に、この状態において、標準的なエッチング条件でプラズマ放電を行い、このときのウエハ面内温度分布を温度センサ内蔵ウエハを用いて測定し記録する。なお、このときの載置電極の設定温度は、実際の製品処理条件（標準の温度条件）と同一とする。

次に、載置電極の温度を、標準の温度条件から所定温度だけ上または下にずらし、ずらした条件でウエハ面内温度分布を、前記温度センサ内蔵ウエハを用いて測定し記録する。なお、ずらす温度は任意であるが、制御可能な範囲で、レート差が判別できる温度差とする。この測定により図５（ａ）に示す温度分布が得られる。

次に、前記温度センサ内蔵ウエハに代えて、ダミーウエハを用い、ダミーウエハを前記標準温度及び上または下にずらした温度に設定してエッチング処理を施す。

ダミーウエハを使用してエッチング処理を施した場合には、エッチング処理を施す前および後に膜厚測定を実施する。測定した膜厚の差をエッチング処理時間で除算することにより、図５（ｂ）に示すエッチングレート分布が得られる。なお、前記膜厚を測定する箇所は前記温度センサ内蔵ウエハのセンサ位置と同一とする。

これにより、図５（ａ）、（ｂ）の測定点は対応することになり、ウエハ温度とエッチングレートの関係を知ることができる。したがってこの関係を利用することにより、測定したエッチングレートの面内分布をもとにウエハの面内温度分布を推測することができる。

図３は、エッチング装置およびＯＣＤ装置を制御する制御装置を説明する図である。該制御装置は、エッチング制御装置３０およびＯＣＤ制御装置４０を備える。エッチング制御装置３０は各エッチング室９を制御するエッチング制御部３１、ウエハを搬送する搬送装置５，７を制御するウエハ搬送制御部３２、ＯＣＤ制御部との通信インタフェースであるＯＣＤ制御部３３を備える。

エッチング制御装置３０とＯＣＤ装置４０との通信はＯＣＤ制御部３３を介して行い、ＯＣＤ装置４０での測定結果はエッチング制御装置３０内のＯＣＤ測定データファイル３４に格納される。

エッチング制御部３１はエッチング制御ソフトを備え、エッチングレシピファイル３７に格納されたエッチングレシピに従いエッチング処理を実行する。エッチング制御部３１内にはサブシステムとして電極温度制御部３１ａを備え、載置電極２１の温度制御を行う。 エッチング制御装置内のＯＣＤプロセス管理部３５は、ＯＣＤ装置１１による測定データ、電極温度データ等から、面内の各点におけるエッチングレート、あるいは電極温度とエッチングレートの相関データ等を算出し、算出したデータをデータベース３６に格納する、また、算出したデータをもとにレシピを補正することができる。

図４は、ＯＣＤプロセス管理部３５の処理を説明する図である。

１．エッチングレート−温度分布特性測定（図４（ａ））
事前準備としてウエハの面内温度分布を測定する。この測定には、温度センサ内蔵ウエハを使用する。まず、エッチング装置を通常のエッチングが行われる装置状態、すなわち、装置立上げ後、所定のウエハ枚数で所定の時間ならし放電等を行い、製品ウエハの着工が可能となっている状態にする。この状態において標準的なエッチング条件を用いて放電を行い、そのときの温度センサ内蔵ウエハで測定したウエハ面内温度分布を記録する。なお、このときの温度制御電極の温度設定は、実際の製品処理条件と同一とする（ステップＳ１）。

次に、標準の温度条件から電極温度設定を上下にずらした条件で同様の測定を行う。

この際にずらす温度は制御可能な範囲で、レート差が判別できる温度差とする。この測定により図５(a)のような温度分布が得られる（ステップＳ２）。

次にダミーウエハを前記の標準温度でエッチング処理する、このとき、ＯＣＤ装置で処理前後の膜厚を測定することによりエッチングレート分布を求める。なお、エッチングレート分布を求める際の測定点は、前記温度測定を行った場所と同一点とする（ステップＳ３）。

次にステップＳ２と同様に電極温度設定を上下にずらした温度でエッチング処理を実施し、前記ステップＳ２と同じくその際のエッチングレート分布を求める。これらの手順により、図５（ｂ）のようなレート分布が得られる（ステップＳ４）。

以上の手順により、図５（ａ）、（ｂ）のように、ウエハ各点における温度とエッチングレート分布の関係を取得することができる（ステップＳ５）。

２．エッチング処理装置の再組み立て後の再現性の確認（図４（ｂ））
エッチング装置の定期的なウェットクリーニングの後、真空排気、ならし放電等一連のいわゆるリカバリー処理を行う。これにより装置状態は定常状態に近づき製品処理可能な状態になる（ステップＳ２１）。

前記リカバリー処理後に前記ステップＳ３と同様に、ダミーウエハをエッチングしエッチングレート分布を求める（ステップＳ７）。

リカバリー処理実施後は装置状態がリセットされているため、当初測定した図５（ｃ）と同様のエッチングレート分布になるため、これらを比較することにより、装置状態が再現できているか否か、言い換えればウェットクリーニング及びその後のリカバリ処理が成功したか否かを判断することができる（ステップＳ２３）。

通常、このリカバリー処理は生産現場の作業員が行う業務であり、取扱いの難しい温度センサ内蔵ウエハを使用することは好ましくない。このため温度センサ内蔵ウエハに代えて本発明による測定が好ましい。

なお、温度が再現しない場合にはウエハの吸着異常、搬送異常（位置ずれ）、ウェットクリーニングの不充分に起因する異物によるウエハ裏面圧力制御異常等が考えられる。

３．環境変化の補正（図４（ｃ））
運転を継続していくと、エッチング装置の性能が経時的に変動する現象が発生する。この変動は、例えばエッチング室の内壁に付着した反応生成物が増加し、その部分からのアウトガス量が増え、エッチング室内の反応ガスと反応生成物のバランスが変動することなどにより発生する。

この変動は動的であり、エッチング性能を維持していくためにはその補正も動的に実施していく必要がある（ステップＳ３１）。

この補正を行うためにエッチングレートの測定を行い、ウエハ面内のエッチングレート分布を定期的に取得する（ステップＳ３２）。

取得したエッチングレートと、先にステップＳ３で取得したエッチングレートとを比較し、各測定点毎のエッチングレートのずれ量を算出する（ステップＳ３３）。

各点におけるエッチングレートと温度の関係はステップＳ５において取得しているため、前記各点のエッチングレートずれ量は各点の温度差に変換できる（ステップＳ３４）。

この温度差をステップＳ１，２で求めた、設定温度と温度分布の関係から、電極設定温度に置換え、電極設定温度を補正する（ステップＳ３５）。

エッチングレートの測定周期は、例えば指定ロット数実施する毎に１回とすることが考えられる。この測定によりレート分布が測定され、初期状態からの変動分が得られる。

なお、エッチングレートの変動は例えばアウトガス起因のものであるとしても、事象的にはウエハ温度がシフトしたことと同様と考えて、温度を補正することにより、初期のレート分布を得ることができる。

なお、前記アウトガス起因の場合、アウトガスはエッチング処理室の壁面に堆積した反応生成物から放出されるため、ウエハの周辺部での影響が中心部より大きいことがある。このような場合には、ウエハ面内での特性分布が当初より変化する。このため、エッチング特性の補正には電極温度を部分的に変化してエッチングレート分布を補正する機構が必要となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、測定したエッチング特性（エッチングレート）をもとにウエハ面内における温度分布を推定することが可能となる。また、前記推定をもとに温度特性、あるいはエッチング特性を補正することが可能となる。

また、エッチング特性の測定には薄膜付きのダミーウエハを用いることができるため、ウエハを繰り返し使用できる。

さらに、ＯＣＤ測定装置による測定点数を増加することにより、より詳細なエッチング特性分布を得ることができる。

このため、通常は少ない点数で運用しておき、異常発生時に点数を増やしてより詳細な調査を行うといった運用も可能となる。この手法は、エッチングレート測定のためのエッチング時間の設定にも適用でき、詳細調査時には通常のエッチング時間よりも長い時間処理することで、エッチングレートをより正確に得ることが可能となる。

また、日常的にはベタ膜付きのダミーウエハを用いて膜厚方向のエッチングレートを計測し、詳細調査時にはパターン付きダミーウエハを用いてＣＤ方向（水平方向）のエッチングレートを計測するというような運用も可能である。

なお、ダミーウエハ及びＯＣＤ装置はエッチング装置に装備されているため、一連の測定は自動処理とすることが可能となる。

１ エッチング処理装置
２ カセット
３ ウエハ
４ ローダ装置
５ 大気ロボット
６ ロードロック室
７ バッファ室
８ 真空ロボット
９ エッチング室
１０ アンロードロック室
１１ ＯＣＤ装置
１２ ダミーウエハ
２１ 載置電極
２２ 温調器
２３ 冷媒流路
２４ａ 中央部ヒータ
２４ｂ 中間部ヒータ
２４ｃ 周辺部ヒータ
２５ ウエハ
３６ インタフェース
２７ａ 中央部温度センサ
２７ｂ 中間部温度センサ
２７ｃ 周辺部温度センサ
２８ ヒータコントローラ
２９ マイコン
３０ エッチング制御装置
３１ エッチング制御部
３２ ウエハ搬送制御部
３３ ＯＣＤ制御部
３４ ＯＣＤ測定データファイル
３５ ＯＣＤプロセス管理部
３６ データベース
３７ エッチングレシピファイル

Claims (4)

1. 真空処理容器内にプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて試料載置電極上に載置した試料にエッチング処理を施すエッチング処理装置において、
   試料の搬入および搬出の経路に配置され、エッチング処理の対象となる試料の面内の各点における膜厚を処理の前後で測定するＯＣＤ装置を備え、
   該ＯＣＤ装置で求めた処理前後の膜厚をもとにエッチングレートの面内分布を求め、求めたエッチングレートの面内分布をもとに、試料面における温度分布を推定することを特徴とするエッチング処理装置。
2. 真空処理容器内にプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて試料載置電極上に載置した試料にエッチング処理を施すエッチング処理装置において、
   試料の搬入および搬出の経路に配置され、エッチング処理の対象となる試料の面内の各点における膜厚またはＣＤ寸法を切り替えて、処理の前後で測定するＯＣＤ装置を備え、
   該ＯＣＤ装置で求めた処理前後の膜厚またはＣＤ寸法をもとにエッチングレートの面内分布を求め、求めたエッチングレートの面内分布をもとに、試料面における温度分布を推定することを特徴とするエッチング処理装置。
3. 請求項１または２記載のエッチング処理装置において、
   測定対象はウエットクリーニングおよびリカバリ処理の終了したエッチング処理装置により処理した試料であり、求めた温度分布により再現性の良否を判定することを特徴とするエッチング処理装置。
4. 請求項１または２記載のエッチング処理装置において、
   温度制御電極は、それぞれ電極表面の異なる部分を加熱する複数のヒータを備え、前記推定した試料面の温度分布をもとに、前記ヒータに供給する電力を調整して面内の温度分布を調整することを特徴とするエッチング処理装置。

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