JP2013161913A - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】1回の枚葉プラズマ処理の中でプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制する。
【解決手段】OES計測部110は、各ステップの終了時または終了直後に分光計測値MOESiを出力する。CD推定部140は、推定モデル記憶部142より取り込むCD推定モデルAMiと分光計測値MOESiとを用いて各ステップ分のCD推定値ACDiを求める。プロセス制御部132は、次のステップにおいて、レシピ記憶部136より取り込んだ次のステップ分のプロセス条件設定値PCi+1および制御モデル記憶部138より取り込んだ次のステップ分のプロセス制御モデルCMi+1に加えて、CD推定部140より受け取った前ステップ分のCD推定値ACDiを制御対象130の自動制御に用いる。
【選択図】 図6

Description

本発明は、APCを用いるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関する。
今日、半導体デバイスやフラットパネルディスプレイ(FPD)等の製造に用いられているプラズマ処理装置は、素子の微細化と基板の大型化に伴って、プロセスウィンドウが益々狭くなり、他方で生産性および装置性能の一層の向上を求められている。
このような背景の中で、同じプロセスを繰り返し行っても毎回同じプロセス結果が得られるようにするプロセス制御、つまりゆらぎやばらつきのないプロセス制御の手法がプラズマ処理装置に徐々に導入されつつある。この種のプロセス制御において対象となるばらつきには、原因面からみればプロセス条件のドリフトや装置間またはチャンバ間の機差等があり、現象面からみればロット間ばらつきやロット内ばらつき、さらにはクリーニングまたはシーズニング前後のばらつき等がある。
このようなばらつきを抑制する対策として、当初は、所与の枚葉プラズマ処理のためのプロセス条件と手順を指示するレシピの中にロット単位またはウエハ単位で特定のプロセス条件を逐次補正する割合(補正量)を予め設定しておいて、そのレシピテーブルを参照しながらプロセスを実行する手法が採られていた。しかし、この手法は、レシピテーブルに盛り込む補正量を固定値に設定するため、様々な外乱に対する適応性と適確性に乏しく、ゆらぎのあるプラズマプロセスを精緻に制御することは困難であった。
そこで、最近は、プロセス変動をフィードバック制御やフィードフォワード制御によって抑制するAPC(Advanced Process Control)の技術を採用するプラズマ処理装置が増えてきている。特に、MOSトランジスタの特性を左右する最も重要なパラメータであるゲート電極の幅はゲートCD(Critical Dimension)と称され、ゲートエッチング用のプラズマエッチング装置ではゲートCDのばらつきを抑制するためのAPCを搭載するものが徐々に増えている。
プラズマ処理装置に用いられている従来のAPCは、1回の枚葉プラズマ処理において処理中の装置状態をIn-Situセンサによりモニタリングし、処理の終了後に加工結果推定モデルを用いてIn-Situセンサの測定値を基にプロセス結果(たとえばCD値)を推定する。そして、プロセス結果の推定値と目標値との間の偏差に応じて、次回の枚葉プラズマ処理ではその偏差を零に近づけるようにプロセス条件の値を補正するようにしている(たとえば特許文献1)。あるいは、プロセス結果の目標値に対する最適なプロセス条件の値を演算するための最適レシピ計算モデルを備え、プロセス条件の値を補正する代わりに、偏差に応じて最適レシピ計算モデルを修正する手法も提案されている(たとえば特許文献2)。
特開2003−17471号公報 特開2004−119753号公報
上記のように、プラズマ処理装置における従来のAPCは、枚葉プラズマ処理単位つまりウエハ単位でフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行う、いわゆるRun-to-Run方式であり、1枚のウエハに対する1回の枚葉プラズマ処理の中でフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行うリアルタイム方式ではない。このため、1回の枚葉プラズマ処理の中でプロセス条件ないしレシピが切り換わるようなアプリケーショには対応できない。したがって、たとえば、多層の膜を複数のステップで連続的にエッチング加工する多層レジスト法においてCDのゆらぎやばらつきを精緻に抑制するようなことはできない。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、1回の枚葉プラズマ処理の中で機能するAPCによりプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制できるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
特に、本発明は、1回の枚葉プラズマ処理をレシピの異なる複数のステップに分割するマルチステップ方式に好適に適用できるAPC機能付きのプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供する。
本発明の第1の観点におけるプラズマ制御装置は、1枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理装置であって、前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する目標値設定部と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測するプラズマ計測部と、各ステップの終了後に、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定するプロセス結果推定部と、次のステップにおいて、前記目標値設定部より与えられる当該ステップ分の前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果推定部より与えられる前ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部とを有する。
本発明の第1の観点におけるプラズマ制御方法は、1枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理方法であって、所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する工程と、各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがい、基板を出し入れ可能に収容する処理容器内で処理ガスのプラズマを生成する工程と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測して分光計測値を求める工程と、各ステップの終了後に、前記分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定する工程と、各ステップの次のステップにおいて、当該次のステップ分の前記プロセス結果目標値と各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整する工程とを有する。
上記第1の観点においては、プロセス結果の目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の推定およびプロセスパラメータの調整を全てステップ単位で行うので、1回の枚葉プラズマ処理の中でステップ間制御を行うAPCを構築することができる。
本発明の第2の観点におけるプラズマ制御装置は、前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、1枚の被処理基板に対するプラズマ処理のためのプロセス条件を設定するプロセス条件設定部と、前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、所定のプロセス結果について目標値を設定する目標値設定部と、前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測し、一定時間置きに分光計測値を算出するプラズマ計測部と、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から一定時間置きに前記プロセス結果の値を予測するプロセス結果予測部と、前記目標値設定部より与えられる前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果予測部より一定時間置きに与えられる前記プロセス結果予測値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部とを有する。
上記第2の観点においては、プロセス結果の目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の予測およびプロセスパラメータの調整を全て一定時間置きに行うので、リアルタイム制御を行うAPCを構築することができる。
本発明において、リアルタイム制御とは、高速に処理を行うシステムという意味ではなく、決められた時間に合わせて結果を出すといった、時間に関しての制約条件が要求される制御のことである。ここで、決められた時間とは、ロット単位、ウエハ単位、レシピ単位、レシピ内のステップ単位、秒単位、ミリ秒単位等を指す。
本発明のプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法によれば、上記のような構成および作用により、1回の枚葉プラズマ処理の中で機能するAPCによりプラズマプロセスのゆらぎやばらつきを精緻に抑制することが可能であり、特にマルチステップ方式において大なる利点をもたらすことができる。
本発明におけるプラズマ処理装置の適用可能なクラスタツール方式の真空処理装置のレイアウトを示す図である。 図1のクラスタツール方式の真空処理装置にプロセス・モジュールとして搭載可能なマイクロ波プラズマ処理装置の構成を示す図である。 上記マイクロ波プラズマ処理装置で実施可能な多層レジスト法の一例を示す図である。 上記多層レジスト法のエッチング加工で用いられるレシピの一例を示す図である。 上記多層レジスト法のエッチング加工で各ステップ毎にCDの目標値が設定される例を示す図である。 上記マイクロ波プラズマ処理装置に搭載されるAPC機構の好適な一実施例を示すブロック図である。 図6のAPC機構の主な処理手順を示すフローチャート図である。 実施例でステップ毎にプラズマ条件設定値、CD目標値、プロセス制御モデルおよびCD推定値を切り換える仕組みを表で示す図である。 プロセスパラメータとCD実測値との間の相関関係(第1の関数)を表わす図である。 プロセスパラメータと分光計測値との間の相関関係(第2の関数)を表わす図である。 分光計測値とCD実測値との間の相関関係(第3の関数)を表わす図である。 実施例のCD推定モデルをPLSR法により構築する手順を示すフローチャート図である。 OES計測部より得られるOESデータ(分光計測値)の3次元スペクトルを示す図である。 ある時点でのOESのスペクトルを示す図である。 特定波長のスペクトルの時間軸上の変化を示すプロット図である。 PLSRのCD推定モデルを用いてCD推定値を得るオンライン上の信号処理の手順を示すフローチャート図である。 CD推定値とCD実測値のプロット図である。 図15のデータをプロットした散布図である。 上記マイクロ波プラズマ処理装置に搭載されるAPC機構の好適な別の実施例を示すブロック図である。 図17のAPC機構の主な処理手順を示すフローチャート図である。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
[実施形態におけるマルチチャンバシステム]
図1に、本発明におけるプラズマ処理装置を適用できるマルチチャンバシステムの一構成例としてのクラスタツール方式の真空処理装置を示す。この真空処理装置は、クリーンルーム内に設置され、装置奥行き方向に延びる略五角形状のプラットホームまたは真空搬送室PHの周りにたとえば4台のプロセス・モジュールPM1,PM2,PM3,PM4と2台のロードロック・モジュールLLMa,LLMbとをクラスタ状に配置している。
より詳細には、真空搬送室PHには、図の左側の長辺に2台のプロセス・モジュールPM1,PM2がゲートバルブGV1,GV2を介してそれぞれ連結され、図の右側の長辺に2台のプロセス・モジュールPM3,PM4がゲートバルブGV3,GV4を介してそれぞれ連結され、図の下側にハの字に延びる一対の短辺にロードロック・モジュールLLMa,LLMbがゲートバルブGVa,GVbを介してそれぞれ連結されている。
プロセス・モジュールPM1,PM2,PM3,PM4は、図示しない各専用の排気装置により室内が可変の圧力で常時減圧状態に保たれる真空チャンバ10を有しており、典型的には室内の中央部に配置した載置台またはサセプタ(図示せず)の上に1枚の被処理基板たとえば半導体ウエハWを載せ、所定の用力(処理ガス、電力、減圧等)を用いて所望の枚葉プラズマ処理、たとえばドライエッチング加工、CVD(Chemical Vapor Deposition)、ALD(Atomic Layer Deposition)あるいはスパッタ等の真空成膜処理、熱処理、アッシング、半導体ウエハ表面のクリーニング処理等を行うようになっている。
ロードロック・モジュールLLMa,LLMbは、それぞれドアバルブDVC,DVdを介して後述するローダ搬送室LMの大気搬送室とも連通できるようになっており、それぞれのロードロック室202内にローダ・モジュールLMと真空搬送室PHとの間で転送される半導体ウエハWを一時的に留め置くための載置台または受渡台(図示せず)を設けている。
真空搬送室PHは、専用の真空排気装置(図示せず)に接続されており、室内が通常は一定の圧力で常時減圧状態に保たれる。室内には、伸縮可能な一対の搬送アームFa,Fbを有し、スライド動作、旋回動作および昇降動作の可能な枚葉式の真空搬送ロボット(基板搬送装置)204が設けられている。この真空搬送ロボット204は、搬送制御部206からのコマンドに応じてプロセス・モジュールPM1〜PM4およびロードロック・モジュールLLMa,LLMbの間を行き来して半導体ウエハWを枚葉単位で搬送するようになっている。
ローダ搬送室LMと隣接してロードポートLP、位置合わせ機構ORTおよびプロセス結果測定部208が設けられている。ロードポートLPは、外部搬送車との間でたとえば1バッチ25枚の半導体ウエハWを収納可能なウエハカセットCRの投入、払出しに用いられる。ここで、ウエハカセットCRはFOUP(Front open unified pod)やSMIF(Standard Mechanical Interface)ボックスなどとして構成されている。位置合わせ機構ORTは、半導体ウエハWのノッチまたはオリフラを所定の位置または向きに合わせるために用いられる。プロセス結果測定部208は、プロセス・モジュールPM1〜PM4のいずれかでプラズマ処理を受けてローダ搬送室LMに戻ってきた全ての処理済みの半導体ウエハWについて、または周期的にサンプリングされる処理済みの半導体ウエハWについて所定のプロセス結果(たとえばCD値、形状、膜厚、組成等)を測定する。たとえば、プロセス結果としてCD値を測定する場合は、IM(Integrated Metrology)装置を好適に用いることができる。
ローダ搬送室LM内に設けられている枚葉式の大気搬送ロボット(基板搬送装置)210は、上下二段重ねの伸縮可能な一対の搬送アームFc,Fdを有し、リニアモータ212のリニアガイド214上で水平方向に移動可能であるとともに、昇降・旋回可能であり、搬送制御部206からのコマンドに応じてロードポートLP、オリフラ合わせ機構ORT、ロードロック・モジュールLLMa,LLMb、プロセス結果測定部208の間を行き来して半導体ウエハWを枚葉単位で搬送するようになっている。
ここで、ロードポートLPに投入されたウエハカセットCR内の1枚のウエハにこのクラスタツール内で一連の処理を受けさせるための基本的なウエハ搬送シーケンスを説明する。
ローダ搬送室LM内の大気搬送ロボット210は、ロードポートLP上のウエハカセットCRからLPドア216が開いている状態で1枚の半導体ウエハWを取り出し、この半導体ウエハWを位置合わせ機構ORTに搬送して位置合わせを受けさせ、それが済んだ後にロードロック・モジュールLLMa,LLMbのいずれか一方(たとえばLLMa)に移送する。移送先のロードロック・モジュールLLMaは、大気圧状態で半導体ウエハWを受け取り、搬入後に室内を真空引きし、減圧状態で半導ウエハWを真空搬送室PHの真空搬送ロボット204に渡す。
真空搬送ロボット204は、搬送アームFa,Fbの片方を用いて、ロードロック・モジュールLLMaより取り出した半導体ウエハWを1番目のプロセス・モジュール(たとえばPM1)に搬入する。プロセス・モジュールPM1内では、予め設定されたレシピにしたがい所定のプロセス条件(ガス、圧力、電力、時間等)の下で第1工程の枚葉処理が行われる。
この第1工程の枚葉処理が終了した後に、真空搬送ロボット204は、半導体ウエハWをプロセス・モジュールPM1から搬出し、次工程があるときは2番目のプロセス・モジュール(たとえばPM2)に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールLLMa,LLMbの片方に搬送する。2番目のモジュールプロセス・モジュール(たとえばPM2)に搬入された場合は、この2番目のプロセス・モジュールPM2でも、予め設定されたレシピにしたがい所定のプロセス条件で第2工程の枚葉処理が行われる。
この第2工程の枚葉処理が終了すると、真空搬送ロボット204は、半導体ウエハWを2番目のプロセス・モジュールPM2から搬出し、その搬出した半導体ウエハWを、次工程があるときは3番目のプロセス・モジュール(たとえばPM3)に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールLLMa,LLMbの片方に搬送する。3番目のプロセス・モジュール(たとえばPM3)で処理が行われた場合も、その後に次工程があるときは後段のプロセス・モジュール(たとえばPM4)に搬入し、次工程がないときはロードロック・モジュールLLMa,LLMbの片方に戻す。
上記のようにして真空系のプロセス・チャンバPM1,PM2・・で単一の枚葉プラズマ処理または一連の枚葉プラズマ処理を受けた半導体ウエハWが片方のロードロック・モシュール(たとえばLLMb)に搬入されると、このロードロック・モシュールLLMbの室内は減圧状態から大気圧状態に切り替えられる。しかる後、ローダ搬送室LM内の大気搬送ロボット210が、大気圧状態のロードロック・モシュールLLMbから半導体ウエハWを取り出し、その処理済みの半導体ウエハWをプロセス結果測定部208に搬入する。
そして、プロセス結果測定部208がその半導体ウエハWについてプロセス結果の測定ないし評価を終えると、大気搬送ロボット210が、プロセス結果測定部208より半導体ウエハWを取り出し、取り出した半導体ウエハWを該当のウエハカセットCRに戻す。
このクラスタツール方式の真空処理装置においては、1つのシステム形態として、4台全部のプロセス・モジュールPM1〜PM4に同一機種のプラズマ処理装置を使用し、それらのプラズマ処理装置PM1〜PM4に同一レシピのプラズマ処理を行わせることができる。その場合は、各々のプロセス・モジュールPM1〜PM4で第1工程の枚葉処理が終了すると、次の工程つまり第2工程は無いので、真空搬送ロボット204は当該プロセス・モジュールから搬出した処理済みの半導体ウエハWをロードロック・モジュールLLMa,LLMbのいずれかに直接搬送することになる。図示省略するが、この真空処理装置には、システム全体の動作を統括制御するためのシステムコントローラが備わっている。

[実施形態におけるプラズマ処理装置]
図2に、上記クラスタツール方式の真空処理装置にプロセス・モジュールPM1〜PM4として搭載可能な本発明の一実施形態によるマイクロ波プラズ処理装置の構成を示す。このマイクロ波プラズマ処理装置は、マイクロ波および平板スロットアンテナを用いて励起される表面波プラズマの下でたとえばプラズマエッチング、プラズマCVD、プラズマALD等のプラズマ処理を行う装置であり、アルミニウムまたはステンレス鋼等の金属製の円筒型真空チャンバ(処理容器)10を有している。チャンバ10は接地されている。
先ず、このマイクロ波プラズマ処理装置においてプラズマ生成に関係しない各部の構成を説明する。
チャンバ10内の下部中央には、被処理基板としてたとえば半導体ウエハWを載置する円板状のサセプタ12が、基板保持台として水平に配置されている。このサセプタ12は、たとえばアルミニウムからなり、チャンバ10の底から垂直上方に延びる絶縁性の筒状支持部14に支持されている。
筒状支持部14の外周に沿ってチャンバ10の底から垂直上方に延びる導電性の筒状支持部16とチャンバ10の内壁との間に環状の排気路18が形成されている。この排気路18の上部または入口に環状のバッフル板20が取り付けられるとともに、底部に1つまたは複数の排気ポート22が設けられている。各排気ポート22には排気管24を介して排気装置26が接続されている。排気装置26は、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ10内のプラズマ処理空間を所望の真空度まで減圧することができる。チャンバ10の側壁の外には、半導体ウエハWの搬入出口27を開閉するゲートバルブ28が設けられている。
サセプタ12の上面には、半導体ウエハWにイオンを引き込むためのバイアス電極と、半導体ウエハWを静電吸着力で保持するための電極36aとを備えた静電チャック36が設けられている。バイアス電極には、RFバイアス用の高周波電源30がマッチングユニット32および給電棒34を介して電気的に接続されている。この高周波電源30は、半導体ウエハWに引き込むイオンのエネルギーを制御するのに適した一定の周波数たとえば13.56MHzの高周波を所定のパワーで出力する。マッチングユニット32は、高周波電源30側のインピーダンスと負荷(主に電極、プラズマ、チャンバ)側のインピーダンスとの間で整合をとるための整合器を収容している。この整合器の中にブロッキングコンデンサが含まれている。
静電チャック36の半径方向外側に半導体ウエハWの周囲を環状に囲むフォーカスリング38が設けられる。電極36aには高圧の直流電源40がスイッチ42および被覆線43を介して電気的に接続されている。直流電源40より印加される直流電圧により、静電気力で半導体ウエハWを静電チャック36上に吸着保持することができる。
サセプタ12の内部には、たとえば円周方向に延びる環状の冷媒流路44が設けられている。この冷媒流路44には、チラーユニット(図示せず)より配管46,48を介して所定温度の冷媒たとえばフッ素系熱媒体や冷却水cwが循環供給される。冷媒の温度によって静電チャック36上の半導体ウエハWの処理温度を制御できる。さらに、伝熱ガス供給部(図示せず)からの伝熱ガスたとえばHeガスが、ガス供給管50を介して静電チャック36の上面と半導体ウエハWの裏面との間に供給される。また、半導体ウエハWのローディング/アンローディングのためにサセプタ12を垂直方向に貫通して上下移動可能なリフトピンおよびその昇降機構(図示せず)等も設けられている。
次に、このマイクロ波プラズマエッチング装置においてプラズマ生成に関係する各部の構成を説明する。
チャンバ10のサセプタ12と対向する天井面には、マイクロ波導入用の円形の誘電体窓52が天板として気密に取り付けられる。この誘電体窓52直下のチャンバ内空間がプラズマ生成空間になる。誘電体窓52は、マイクロ波を透過する誘電体、たとえば石英あるいはAl23等のセラミックスで作られている。
誘電体窓52は、その上面に貼付または配置された導体のスロット板54を備える。スロット板54は、マイクロ波を放射するためのスロットとして同心円状に分布する回転対称な多数のスロットペア(図示せず)を有している。スロット板54の上には、その内部を伝搬するマイクロ波の波長を短縮するための誘電体板56が設けられている。スロット板54は、マイクロ波伝送線路58に電磁的に結合されている。スロット板54、誘電体板56、およびスロット板の対面に設けられたアンテナ後面板とで、平板型のスロットアンテナ、たとえば円板形のラジアルラインスロットアンテナ55が構成されている。
マイクロ波伝送線路58は、マイクロ波発生器60より所定のパワーで出力されるたとえば2.45GHzのマイクロ波をラジアルラインスロットアンテナ55まで伝送する線路であり、導波管62と導波管−同軸管変換器64と同軸管66とを有している。導波管62は、たとえば方形導波管であり、TEモードを伝送モードとしてマイクロ波発生器60からのマイクロ波を導波管−同軸管変換器64に伝送する。
導波管−同軸管変換器64は、方形導波管62の終端部と同軸管66の始端部とを結合し、方形導波管62の伝送モードを同軸管66の伝送モードに変換する。同軸管66は、導波管−同軸管変換器64からチャンバ10の上面中心部まで鉛直下方に延びて、その同軸線路の終端部が誘電体板56を介してラジアルラインスロットアンテナ55に結合されている。同軸管66の外部導体70は方形導波管62と一体形成された円筒体からなり、マイクロ波は内部導体68と外部導体70の間の空間をTEMモードで伝搬する。
マイクロ波発生器60より出力されたマイクロ波は、上記のようなマイクロ波伝送線路58の導波管62、導波管−同軸管変換器64および同軸管66を伝搬して、ラジアルラインスロットアンテナ55に誘電体板56を介して給電される。そして、誘電体板56内で波長を短縮しながら半径方向に広げられたマイクロ波は、アンテナ55の各スロットペアから2つの直交する偏波成分を含む円偏波の平面波となってチャンバ10内に向けて放射される。そして、誘電体窓52の表面に沿ってラジアル方向に伝搬する表面波の電界(マイクロ波電界)によって付近のガスが電離して、高密度で電子温度の低いプラズマが生成されるようになっている。
誘電体板56の上には、アンテナ後面板を兼ねる冷却ジャケット板72がチャンバ10の上面を覆うように設けられている。この冷却ジャケット板72は、たとえばアルミニウムからなり、誘電体窓52および誘電体板56で発生する誘電損失の熱を吸収(放熱)する機能を有している。この冷却機能のために、冷却ジャケット板72の内部に形成されている流路74には、チラーユニット(図示せず)より配管76,78を介して所定温度の冷媒たとえばフッ素系熱媒体や冷却水cwが循環供給される。
このマイクロ波プラズマ処理装置は、チャンバ10内に処理ガスを導入するためのガス導入機構として、誘電体窓52内に設けられたガス流路を含む上部ガス導入部80と、チャンバ10の側壁に設けられたガス流路を含む側部(サイド)ガス導入部82の2系統を備えている。
上部ガス導入部80においては、同軸管66の内部導体68に、その中を軸方向に貫通する中空のガス流路84が設けられている。そして、内部導体68の上端には処理ガス供給源86からの第1ガス供給管88が接続され、第1ガス供給管88のガス流路と同軸管66のガス流路84は連通している。
内部導体68の下端には、ガスノズルまたはインジェクタ90が接続されている。同軸管66のガス流路84とインジェクタ90のガス流路は連通している。インジェクタ90は、誘電体窓52の貫通孔に嵌め込まれており、その先端(吐出口)がチャンバ10内のプラズマ生成空間に臨んでいる。
かかる構成の上部処理ガス導入部82において、処理ガス供給源86より所定の圧力で送出された処理ガスは、第1ガス供給管88、同軸管66の各ガス流路を順に流れてインジェクタ90の吐出口から噴き出して、チャンバ10内のプラズマ生成空間へ拡散するようになっている。なお、第1ガス供給管84の途中には、MFC(マス・フロー・コントローラ)92および開閉弁94が設けられている。
側部ガス導入部82は、誘電体窓52の下面より低い位置にあり、チャンバ10の側壁の中(またはその内側)に環状に設けられたバッファ室(マニホールド)96と、円周方向に等間隔でバッファ室96からプラズマ生成空間に臨む多数の側壁ガス噴出口98と、処理ガス供給源86からバッファ室96まで延びる第2ガス供給管100とを有している。第2ガス供給管100の途中にはMFC102および開閉弁104が設けられている。
この側部ガス導入部82において、処理ガス供給源86より所定の圧力で送出された処理ガス(たとえばエッチングガスあるいは成膜ガス)は、第2ガス供給管100を通ってチャンバ10側壁内のバッファ室96に導入され、バッファ室96内で周回方向の圧力を均一化してから各側壁ガス噴出口98より略水平に噴き出して、チャンバ10内の周辺部から中心部に向かってプラズマ生成空間に拡散するようになっている。
なお、上部ガス導入部80および側部ガス導入部82よりチャンバ10内にそれぞれ導入する処理ガスは、通常は同種のガスでよいが、別種類のガスであってもよく、各MFC92,102を通じて各々独立した流量で、あるいは任意の流量比で導入することができる。
チャンバ10の側壁には、サセプタ12の上面よりも幾らか高い位置にてプラズマの発光をモニタリングするための光センサ106が取り付けられている。この光センサ106の出力は、光ファイバ107を介してOES(Optical Emission Spectroscopy)演算部108に接続されている。光センサ106、光ファイバ107およびOES演算部108によってOES計測部110が構成される。このOES計測部110は、チャンバ10内で生成される可観測な状態量であるプラズマの発光を分光計測し、特定のスペクトルについて、あるいは一定範囲内の全てのスペクトルについて、その強度に関する所定の分光計測値MOESを取得する。
主制御部112は、1つまたは複数のマイクロコンピュータを有しており、このマイクロ波プラズマ処理装置内の各部、たとえば排気装置26、高周波電源30、静電チャック36用のスイッチ42、マイクロ波発生器60、上部ガス導入部80、側部ガス導入部82、処理ガス供給源86、伝熱ガス供給部(図示せず)等の個々の動作および装置全体の動作を制御する。また、主制御部112は、上述のOES計測部110から分光計測値MOESを取り込むようになっている。さらに、主制御部112は、マン・マシン・インタフェース用のタッチパネル(図示せず)、このプラズマ処理装置の諸動作を規定する各種プログラムおよびレシピ等の各種設定値データや各種計測値データを格納する外部記憶装置(図示せず)、さらには搬送制御部206やプロセス結果測定部208(図1)等とも接続されている。この実施形態では、主制御部112が1つの制御ユニットとして示されているが、複数の制御ユニットが主制御部112の機能を並列的または階層的に分担する形態を採ってもよい。
このマイクロ波プラズマ処理装置において、たとえばエッチングを行なうには、先ずゲートバルブ28を開状態にして加工対象の半導体ウエハWをチャンバ10内に搬入して、静電チャック36の上に載置する。そして、処理ガス導入部80,82より処理ガスつまりエッチングガス(一般に混合ガス)を所定の流量および流量比でチャンバ10内に導入し、排気装置26によりチャンバ10内の圧力を設定値まで減圧する。また、伝熱ガス供給部より静電チャック36と半導体ウエハWとの接触界面に伝熱ガス(ヘリウムガス)を供給するとともに、スイッチ42をオンにして静電チャック36の静電吸着力により半導体ウエハWを固定する。そして、マイクロ波発生器60をオンにし、マイクロ波発生器60より所定パワーで出力されるマイクロ波をマイクロ波伝送線路58から伝搬させてラジアルラインスロットアンテナ55に給電し、アンテナ55からチャンバ10内にマイクロ波を放射させる。さらに、高周波電源30をオンにして所定のパワーでRFバイアス用の高周波を出力させ、この高周波をマッチングユニット32および給電棒34を介してバイアス電極に印加する。
上部ガス導入部80のインジェクタ90および側部ガス導入部82のガス噴出口98よりチャンバ10内のプラズマ生成空間に導入されたエッチングガスは、誘電体窓52の下面とプラズマに沿ってラジアル方向に伝搬するマイクロ波表面波によって電離ないし解離する。こうして、誘電体窓52の近傍で生成されたプラズマは下方に拡散し、半導体ウエハWの主面の被加工膜に対してプラズマ中のラジカルによる等方性エッチングおよび/またはイオン照射による垂直エッチングが行われる。

[実施形態における多層レジスト法のエッチング]
次に、多層レジスト法を用いてMOSトランジスタのゲート電極をパターニングするためのゲートエッチング加工にこのマイクロ波プラズマ処理装置を用いる一実施例を説明する。
図3に、このマイクロ波プラズマ処理装置で実施可能な多層レジスト法の一例を示す。加工対象の半導体ウエハWの主面には、本来の被加工膜(たとえばゲート電極用の多結晶Si膜)114の上に最下層(最終マスク)としてSiN層116が形成される。そして、SiN層116の上に中間層として有機膜(たとえばカーボン)118が形成され、有機膜118の上に反射防止膜(BARC)120を介して最上層のフォトレジスト122が形成される。SiN層116、有機膜118および反射防止膜120の成膜にはCVDあるいはスピンオン塗布法が用いられる。フォトレジスト122のパターニングには、フォトリソグラフィが用いられる。なお、多結晶Si膜114の下にはゲート絶縁膜用の熱酸化膜(図示せず)が形成されている。
最初に、第1ステップのエッチングプロセスとして、図3の(A)(B)に示すように、予めパターニングされているフォトレジスト122をマスクにして反射防止膜120をエッチングする。この場合、エッチングガスにはたとえばAr/HBr/O2の混合ガスが用いられる。
次に、第2ステップのエッチングプロセスとして、図3の(B)(C)に示すように、フォトレジスト122およびパターニングされた反射防止膜120をマスクにして有機膜118の表面を薄くエッチングする。この場合、エッチングガスにはたとえばAr/Cl2の混合ガスが用いられる。なお、このエッチング加工は、第1ステップのエッチングガスにO2を用いることにより第1ステップの終了時点で有機膜118の表面に酸化膜が堆積しているので、この酸化膜を取り除くために行われる。したがって、エッチング量は比較的少なく、エッチング時間も比較的短い。
最後に、第3ステップのエッチングプロセスとして、図3の(C)(D)に示すように、フォトレジスト122と反射防止膜120をマスクにして有機膜118のメインエッチングを行う。この場合、エッチングガスにはたとえばAr/O2の混合ガスが用いられる。
このようにして、フォトレジスト122のパターンが反射防止膜120を介して有機膜118に転写される。この後は、図示省略するが、ウエットエッチングやアッシングにより、フォトレジスト122および反射防止膜120の残膜を取り除く。そして、有機膜118のパターンをマスクとしてSiN膜116をエッチングし、次いでSiN膜116のパターンをマスクとして多結晶Si膜114をエッチングする。これらの後工程は、通常は別の処理装置によって行われる。しかし、上記反射防止膜120および有機膜118の連続エッチング加工に用いたマイクロ波プラズマ処理装置(図2)を、SiN膜116のエッチング加工および/または多結晶Si膜114のエッチング加工に用いることも勿論可能である。
この実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置において、上記のような多層レジスト法のエッチング加工を行う場合は、予めたとえば図4に示すようなレシピを作成して、主制御部112内のメモリまたは外部記憶装置にそのレシピのデータを格納しておく。主制御部112は、内部メモリまたは外部記憶装置に格納されているレシピのデータを参照して、各ステップ毎にレシピのプロセス条件設定値にしたがって装置内の各部(排気装置26、マイクロ波発生器60、高周波電源30、処理ガス供給源86、MFC92,102等)を制御する。
図4のレシピによれば、第1ステップでは、チャンバ10内の圧力がP1(mTorr)、ラジアルラインスロットアンテナ55に供給される上部マイクロ波のパワー(上部MW)がMP1(W)、サセプタ12に印加される下部高周波のパワー(下部RF)がRP1(W)、エッチングガス(Ar/HBr/O2)の流量がa1/b1/d1(sccm)、上部ガス導入部80と側部ガス導入部82との間の中心/側部ガス流量比がRDC1、ステージ(下部電極)のセンター/エッジ/チラー温度がTC1/TE1/TR1(degC)、エッチング時間がt1(sec)にそれぞれ設定される。
第2ステップでは、圧力がP2(mTorr)、上部マイクロ波のパワー(上部MW)がMP2(W)、下部高周波のパワー(下部RF)がRP2(W)、エッチングガス(Ar/Cl2)の流量がa2/c2(sccm)、中心/側部ガス流量比がRDC2、ステージ(下部電極)のセンター/エッジ/チラー温度がTC2/TE2/TR2(degC)、エッチング時間がt2(sec)にそれぞれ設定される。
第3ステップでは、圧力がP3(mTorr)、上部マイクロ波のパワー(上部MW)がMP3(W)、下部高周波のパワー(下部RF)がRP3(W)、エッチングガス(Ar/O2)の流量がa3/d3(sccm)、中心/側部ガス流量比がRDC3、ステージ(下部電極)のセンター/エッジ/チラー温度がTC3/TE3/TR3(degC)、エッチング時間がt3(sec)にそれぞれ設定される。
このレシピでは、第1、第2および第3ステップの各々について、プロセス条件(電力、ガス種、ガス流量、中心/側部ガス流量比、温度、エッチング時間)が独立に設定される。もっとも、或るプロセス条件の設定値が異なるステップの間で同一になることは頻繁にあり得る。
また、この実施形態では、上記レシピの中で、あるいは上記レシピとは別個に、第1、第2および第3ステップの各々についてCD(たとえばボトムCD)の目標値が設定される。すなわち、図5に示すように、この多層レジスト法のエッチング加工においては、フォトレジスト122のパターン短寸法が走査型電子顕微鏡(SEM)等により予め測定されており、そのCD測定値が初期値CD0として設定される。この初期値CD0に対して、第1ステップのエッチングによる反射防止膜120のパターン短寸法が第1目標値CD1として設定され、第2ステップのエッチングによる有機膜118aの上部パターン短寸法が第2目標値CD2として設定され、第3ステップのエッチングによる有機膜118bの主部パターン短寸法が第3目標値CD3として設定される。上記の初期値CD0ならびに第1、第2および第3目標値CD1,CD2,CD3は主制御部112の内部メモリまたは外部記憶装置に格納される。
なお、通常は、MOSトランジスタの微細化に対応するべく、図5に示すように、エッチング加工のステップを重ねる毎にCDを小さくして最終目的のCD(ゲートCD)に近づけていく手法が採られている。しかし、全てのステップを通じてCDを同一の値に維持することや、ステップを重ねる毎にCDを段々と大きくすることも可能である。

[APCの実施例1]
図6に、上記のような多層レジスト法のエッチング加工(図3)を実施するためにこのマイクロ波プラズマ処理装置に搭載可能なAPC機構の好適な一実施例を示す。このAPC機構は、OES計測部110と、主制御部112内のハードウェア(特にCPU、内部メモリ、インタフェース)およびソフトウエア(プログラム、アルゴリズム、設定値および測定値データ)とによって構築される。図7に、このAPC機構の主要な処理手順を示す。
このAPC機構において、制御対象130はチャンバ10内で行われるエッチングプロセスであり、様々な外乱をうける。プロセス制御部132は、各ステップ毎に、CD目標値設定部134よりCDの目標値CDi(i=1,2,3)を受け取り、その目標値CDiに一致または近似するCDが得られるように制御対象のエッチングプロセス130を制御する。ここで、プロセス制御部132は、各ステップ毎に、レシピ記憶部136よりプロセス条件設定値PCi(図4)を取り込むとともに、制御モデル記憶部138より各ステップ用のプロセス制御モデルCMiを取り込んで、それらのプロセス条件設定値PCiおよびプロセス制御モデルCMiを制御対象であるエッチングプロセス130の自動制御に用いる(図7のS1,S2)。プロセス制御モデルCMiおよびプロセス条件、特に操作変数としてのプロセスパラメータについては後に詳しく説明する。
制御対象であるエッチングプロセス130の出力または制御変数はプラズマ発光であり、各ステップのエッチング加工中にOES計測部110によってモニタリングされる(図7のS3→S4→S5→S3・・)。この実施例におけるOES計測部110は、各ステップの終了時または終了直後に各ステップ分の分光計測値MOESiを出力する(図7のS4→S6)。たとえば、OES計測部110は、プラズマエッチングとの相関性が高い特定の分光スペクトルの強度の平均値、積分値あるいは所定のタイミング(たとえばステップ終了間際)での瞬時値を各ステップ分の分光計測値MOESiとして求める。ここで、モニタ窓汚れ等の測定環境の経時的な変動を補償するために、上記のようにプラズマエッチングと相関性の高い分光スペクトルの強度とプラズマエッチングとの相関性が殆ど無いかまたは非常に低い分光スペクトルの強度との比をとって、その比の平均値、積分値あるいは所定のタイミングでの瞬時値を各ステップの分光計測値MOESiとすることもできる。あるいは、一定の波長範囲に含まれる全てのスペクトル(強度)の総和の時間的積分値を各ステップの分光計測値MOESiとすることもできる。
CD推定部140は、各ステップ毎に推定モデル記憶部142より各ステップ用のCD推定モデルAMiを取り込んで、各ステップの終了後にこのCD推定モデルAMiとOES計測部110からの分光計測値MOESiとを用いて各ステップ分のCD推定値ACDiを求める(図7のS7)。CD推定モデルAMiについては後に詳しく説明する。
こうして各ステップの終了直後にCD推定部140で生成されるCD推定値ACDiは、フィードフォワード信号としてプロセス制御部132に与えられる。プロセス制御部132は、CD推定部140より受け取ったCD推定値ACDiを次のステップで用いる。すなわち、次のステップにおいて、プロセス制御部132は、レシピ記憶部136より取り込んだ次のステップ分のプロセス条件設定値PCi+1および制御モデル記憶部138より取り込んだ次のステップ分のプロセス制御モデルCMi+1に加えて、CD推定部140より受け取った前ステップ分のCD推定値ACDi(または偏差ΔCD1=CD1−ACD1)を制御対象(エッチングプロセス)130の自動制御に用いる(図7のS8→S9→S10→S1)。
たとえば、偏差ΔCD1=CD1−ACD1が+符号の値のときは、第1ステップにおいて第1目標値CD1よりも推定値ACDiが小さい場合である。つまり、上記多層レジスト法のエッチング加工(図3)において、第1ステップのエッチング結果として反射防止膜120のCDが第1目標値CD1よりも小さな値になっていると推定された場合である。この反射防止膜120のCDは、次の第2ステップにおける有機膜118のエッチングのマスク寸法(基準値)になる。したがって、この反射防止膜120のCDが実際には第1目標値CD1よりも小さい場合に、次の第2ステップのエッチングがレシピ通りに行われたならば、第2ステップの終了時点で有機膜118aの上部パターン短寸法が第2目標値CD2よりも確実に小さくなる。そこで、プロセス制御部132は、上記偏差ΔCD1を考慮に入れて、第2目標値CD2より大きめのCDを目指して、第2ステップ分のプロセス条件設定値PC2の中で操作変数のプロセスパラメータを調整する。
逆に、偏差ΔCD1=CD1−ACD1が−符号の値のときは、第1ステップにおいて第1目標値CD1よりも推定値ACDiが大きい場合であり、この場合は逆方向に補正をかける。つまり、プロセス制御部132は、−符号の上記偏差ΔCD1に照らして、第2目標値CD2より小さめのCDを目指し、第2ステップ分のプロセス条件設定値PC2の中で操作変数のプロセスパラメータを調整する。
図6において、判定部144は、エッチング加工の良否を判定するために、各ステップ毎に、CD目標値設定部134からの目標値CDiとCD推定部140からのCD推定値ACDiとを受け取り、両者の差分または偏差ΔCDiを検査する。そして、偏差ΔCDiが許容範囲内に収まっているときは当該ステップのエッチング加工は良好であると判定し、そうでないとき(偏差ΔCDiが許容範囲から出たとき)は当該ステップのエッチング加工は不良であると判定する。
もっとも、第1ステップおよび/または第2ステップが不良であっても、最後の第3ステップが良好であるとの判定結果が出れば、結果的に今回の枚葉エッチングプロセスは良好であったと判定してよい。逆に、第1ステップおよび第2ステップのいずれもが良好であっても、最後の第3ステップで不良の判定結果が出れば、結果的に今回の枚葉エッチング処理は不良であったと判定してよい。主制御部112は、判定部144より得られる判定結果を基に、後続の枚葉エッチング処理を継続すべきか中止すべきかの判断を行う。
シーケンス制御部146は、上記の処理手順にしたがってこのAPC機構内の各部が相互に連携して動作するように各部のタイミングを制御する。
上記のように、この実施例のAPC機構は、CD推定部140とプロセス制御部132とを備えている。ここで、CD推定部140は、各ステップの終了後にOES計測部110より得られる分光計測値MOESiから当該ステップにおけるCDの値をCD推定モデルAMiを用いて推定する。一方、プロセス制御部132は、各ステップの次のステップにおいてCD目標値設定部134より与えられる次のステップ分のCD目標値CDi+1とCD推定部140より与えられる各ステップ分のCD推定値ACDiとに基づいて、プロセス条件の中から選ばれる所定のプロセスパラメータをプロセス制御モデルCMiを用いて調整する。つまり、該プロセスパラメータの設定値に補正をかける。そして、各ステップ毎に、プロセス制御部132で用いるプロセス条件設定値PCi、CD目標値CDiおよびプロセス制御モデルCMiを切り換えるとともに、CD推定部140で用いるCD推定モデルAMiを切り換える。この仕組みを図8の表に示す。
このように、この実施例のAPC機構は、CD目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、プロセス結果の値の推定およびプロセスパラメータの調整を全てステップ単位で行うので、多層膜レジスト法による1回の枚葉エッチングプロセスの中でステップ間制御を行うAPCを構築することができる。また、プロセス制御部132で用いるプロセス制御モデルCMiおよびCD推定部140で用いるCD推定モデルAMiをステップ毎に切り換えるようにしている。この実施形態におけるマイクロ波プラズマ処理装置は、このようなAPC機構を備えることより、プロセス条件の設定だけでは安定化できないプロセス実行状態、およびハードウェアで対処できない装置状態の変動を精緻に抑制して、ゆらぎやばらつきのないマルチステップのエッチンプロセスを実行し、全ステップ終了後のCDを目標値に一致ないし可及的に近似させることができる。このことによって、装置間またはモジュール間の機差を無くし、プロセス変動を抑制することができる。
この実施例のAPC機構において、CD推定部140で用いるCD推定モデルAMiは、好ましくは、実験計画法(DOE)を利用して多変量解析により求められる統計的モデルである。たとえば、統計データまたは実験データから、操作変数のプロセスパラメータとCD実測値との間の相関関係(図9A)を表わす第1の関数(図9A)を取得するとともに、操作変数のプロセスパラメータと分光計測値MOESとの間の相関関係を表わす第2の関数(図9B)を取得する。そして、第1の関数(図9A)と第2の関数(図9B)とから、分光計測値MOESとCD推定値ACDとの間の相関関係を表わす第3の関数(図9C)つまりCD推定モデルAMを作成する。
CD推定モデルAMを構築するための別の手法として、多変数解析たとえばPLSR(Partial Least Squares Regression)も好適に使用できる。図10に、PLSR法によりCD推定モデルAMを構築する手順を示す。
先ず、多数(好ましくは10枚以上)の半導体ウエハについて実施された所与のレシピに基づくプラズマエッチングの実際のプロセスまたは実験を通じて、OES計測部110およびプロセス結果測定部208よりOESおよびCDの実データをそれぞれ取得する(図10のA1)。
OES計測部110より得られるOESデータ(分光計測値MOES)は、図11に示すような波長軸上および時間軸上の3次元スペクトルとして与えられる。たとえば、波長の計測範囲を200〜800nm、測定分解能を0.5nmとすると、波長軸上で1201個の波長の光強度が測定される。また、サンプリング時間をたとえば0.1秒とすると、プロセス時間が50秒の場合は、プロセスの開始時から終了時まで0.1秒間隔で計500回、各波長分のOESデータが取得される。
このように、1回のプロセスでOES計測部110より得られるOESデータは膨大である。そこで、OESデータについてデータ圧縮(フィルタリング処理)をかけるのが好ましい。具体的には、ある時点で観測すると、図12に示すように、200〜800nmのスペクトルは大きくばらついている。この傾向は、プロセスの全時間を通して殆ど変わらない。そこで、OESデータの中から、相対的に強度の低すぎる波長をノイズデータとして除くフィルタリング処理(図10のA2)、および相対的に強度の高すぎる(たとえば飽和している)波長を除くフィルタリング処理(図10のA3)を行う。これらのフィルタリング処理によって、上記1201個の被観測波長をたとえば400個程度まで減らすことができる。
また、図13に示すように、時間軸上で、プロセス開始の直後は、各波長の光強度が急速に立ち上がり、オーバーシュートも起こりやすく、安定するまでしばらく時間がかかる。そこで、このような過渡時間(図示の例は5秒)を除いて平均値を求める(図10のA4)。これによって、OESデータをさらに圧縮することができる。なお、図13は、上記第2ステップのエッチングプロセスにおいて取得されるCN(炭化窒素)スペクトル(387.0nm)の時間軸上の変化を示すプロット図である。他のスペクトルでも、同様の過渡特性が見られる。
そして、上記のように圧縮したOESの実データとCDの実データとから、オフラインのコンピュータ上でPLSRのアルゴリズムにより下記のような回帰分析の式(1)で表わされるCD推定モデルAMの回帰係数bj(j=0,1,・・p)を求める(図10のA5,A6)。
CD=b0+b1*X1+b2*X2+・・・+bp*Xp ・・・(1)
ただし、Xj(j>0は)、圧縮されたOESデータに含まれる各波長(λj)の光強度(平均値)である。上記の例でOESデータの波長を400個まで圧縮した場合、最後の項はp=399である。
図12に示すようなOESデータ数は、データ前処理を行ったとしても、その数は数百にもなり、また、強い多重共線性がみられる。(回帰係数の値は、不安定となり、予測精度が非常に悪くなる。)
重回帰は、多くの因子(波長)を含んだデータ解析に利用できるが、因子の数が多すぎると過度のあてはめ(over-fitting)が発生して予測精度が悪くなってしまう。よって、多重共線性、過度のあてはめを回避するためにPLSRやPCRを利用して推定モデルを構築する。
上記のようにしてPLSR法により構築されたCD推定モデルAMは、本実施形態のプラズマ処理装置(図2)においてAPC機構(図6)の推定モデル記憶部142に格納される。そして、実際のプラズマエッチングにおいて、このPLSRのCD推定モデルAMを用いてCD推定値ACDを求めるときは、オンライン上で、図14に示すような信号処理が行われる。
すなわち、OES計測部110より得られるOESデータ(分光計測値MOES)に対して(図14のB1)、CD推定部140内(あるいはOES計測部110内)で上記と同様に強度の低すぎる波長を除くフィルタリング処理(図10のB2)および強度の高すぎる波長を除くデータ圧縮のフィルタリング処理(図14のB3)が行われ、さらに過渡時間を除いて平均化の処理(図14のB4)が行われる。そして、こうして圧縮されたOESデータ、つまりp個(400個)の波長分の光強度(平均値)データが、CD推定部140において上記式(1)で表わされるPLSRのCD推定モデルAMの独立変数にセットされることにより(図14のB5)、従属変数のCD推定値が算出される(図14のB6)。
図15に、同一機種のプラズマエッチング装置(図2)であるクラスタツールAの第1プロセス・モジュールAPM1、クラスタツールBの第1および第2プロセス・モジュールBPM1,BPM2,クラスタツールCの第1および第2プロセス・モジュールCPM1,CPM2において上記第2のステップのエッチングプロセスを同一レシピで実施したときに得られたデータセットを用いてPLSRにより求めたCD推定値とCD実測値のプロット図を示す。このグラフで、横軸の数字1,2,3は、各プロセス・モジュールPMで連続して同一レシピのエッチングプロセスを行ったウエハの処理順である。また、縦軸の数字はCDの値(推定値および実測値)である。
図示のように、上記エッチングプロセスのCDに関しては、装置間の機差、チャンバ間の機差が顕わに存在することと、そのような機差にもかかわらずPLSR法のCD推定値がいずれのプロセス・モジュールでもCD実測値に非常に高い精度で近似することがわかる。図15において、絶対平均比率誤差(MAPE)は−0.4、2乗平均平方根誤差(RMSE)は0.038である。
図15のデータ相関性(グラフ)を回帰分析(最小二乗法)を行うと、図16に示すようになる。図16において、回帰直線はy=0.99x−0.064で表わされ、R2=0.988である。なお、図16には、PLSRの回帰分析と併せてPCR(Principal Least Squares Regression)の回帰分析も示している。このように、PLSR以外の多変量解析もCD推定モデルAMの構築に好適に用いることができる。
この実施例では、多層レジスト法のエッチング加工において各ステップ毎にプロセス条件に応じてCD推定モデルAMiを独立に設定する。すなわち、各ステップ毎に独立に設定されるプロセス条件に対応して、各ステップのエッチングプロセスについてプラズマ発光状態からプロセス結果のCDを適確に推定できるように、たとえば上記PLSRのCD推定モデル(数式および/または係数)を各ステップ毎に独立に構築または設定するようにしている。
プロセス制御部132で用いるプロセス制御モデルCMiも、好ましくは、実験計画法(DOE)を利用して多変量解析により求められる統計的モデルである。この実施例では、多層レジスト法のエッチング加工において各ステップ毎にプロセス条件に応じてプロセス制御モデルCMiを独立に設定する。すなわち、各ステップ毎に独立に設定されるプロセス条件に応じて、各ステップのエッチングプロセスにおいて前ステップ分の推定値ACDi-1を考慮しながら目標値CDiに一致ないし近似するCDが得られるように操作変数のプロセスパラメータを調整する。なお、最初(第1)のステップは、前ステップ分の推定値がそもそも存在しないので、それを考慮に入れる必要はない。
この実施例では、プロセス条件が各ステップ毎に独立に設定されることと関連して、媒体変数のプロセスパラメータもステップ毎に独立に設定または選定される。通常、プロセスパラメータは実験に基づいて選定される。たとえば、各ステップ毎に設定されたプロセス条件について個別的にパラメータを選び、その設定値または所定の基準値付近でそのパラメータを所定量可変した時のプロセス結果(CD)の変化量を測定することにより、各パラメータについて感度を求めることができる。したがって、全てのプロセス条件の間でそれぞれの感度に順位をつけることができる。その中で最適なもの(通常は1つでよいが、複数も可)を媒体変数のプロセスパラメータに選定すればよい。
たとえば、上記多層レジスト法のエッチング加工において、図4に示すようなレシピが作成された場合、第1ステップのプロセス条件の中で最も感度が高いのはO2流量であり、2番目はHBr流量で、3番目は下部RFのパワーである。他のプロセス条件(圧力、上部MW、温度、時間等)の感度は押し並べて非常に低い。したがって、O2流量、HBr流量、下部RFパワーのいずれか1つまたは複数を第1ステップのプロセスパラメータに選定してよい。
また、第2ステップのプロセス条件の中ではCl2流量と下部RFパワーの感度が突出して高い。他のプロセス条件(圧力、上部MW、温度、時間等)の感度は押し並べて低い。したがって、Cl2流量、下部RFパワーのいずれか一方または両方を第2ステップのプロセスパラメータに選定してよい。
また、第3ステップのプロセス条件の中ではO2流量と下部RFパワーが突出して高い。他のプロセス条件(圧力、上部MW、温度、時間等)の感度は押し並べて低い。したがって、O2流量、下部RFパワーのいずれか一方または両方を第3ステップのプロセスパラメータに選定してよい。

[他の実施形態または変形例]
図17に、上記のような多層レジスト法のエッチング加工(図3)を実施するためにこのマイクロ波プラズマ処理装置に搭載可能なAPC機構の別の好適な実施例を示す。図中、上記第1の実施例におけるAPC機構(図6)と同様の構成または機能を有する部分には同一の符号を付している。図18に、この第2の実施例におけるAPC機構の主要な処理手順を示す。
この実施例において、OES計測部110は、各ステップのプロセス実行中に分光計測値MOESnを一定時間Tn(たとえば100msec)の周期で出力する(図18のS3,S4)。したがって、この分光計測値MOESnは、プラズマエッチングとの相関性が高い特定の分光スペクトルの強度の各サンプリング時点における瞬時値、相加平均値または積分値であってよい。あるいは、一定の波長範囲に含まれる全てのスペクトル(強度)の総和の各サンプリング時点における瞬時値、相加平均値または積分値であってもよい。
CD予測部150は、各ステップ毎に予測モデル記憶部152より各ステップ用のCD予測モデルFMiを取り込んで、各ステップのプロセス実行中に、このCD予測モデルFMiとOES計測部110より一定時間Tn毎に逐次与えられる分光計測値MOESnとを用いて一定時間Tn毎に各ステップ分のCD予測値FCDiを求める(図18のS7)。CD予測モデルFMiは、好ましくは、実験計画法(DOE)を利用して多変量解析により求められる統計的な離散時間モデルである。たとえば、上記CD予測モデルFMに時間のパラメータを組み込むことにより離散時間型のCD予測モデルFMiを作成してもよい。
こうして各ステップのプロセス実行中に、OES計測部110より一定時間Tn毎に分光計測値MOESnがフィードバック信号としてプロセス制御部132に与えられる。プロセス制御部132は、OES計測部110より一定時間Tn毎に与えられる分光計測値MOESnに応じて、目標値CDiと予測値FCDnとの偏差ΔCDが零に近づくように操作変数のプロセスパラメータを調整する。このように、この実施例のAPC機構は、CD目標値の設定、プラズマ発光の分光計測、CDの予測およびプロセスパラメータの調整を全て所定時間置きに行うので、リアルタイム制御のAPCを構築することができる。
プロセス制御部132で用いるプロセス制御モデルCMi'も、好ましくは、実験計画法(DOE)を利用して多変量解析により求められる統計的な離散時間モデルである。たとえば、上記第1の実施例におけるプロセス制御モデルCMに時間のパラメータを組み込むことによって離散時間型のプロセス制御モデルFMiを作成してもよい。
上記実施形態のマイクロ波プラズマ処理装置において、主制御部112は、クラスタツールシステムに備わっているプロセス結果測定部208(図1)よりCD実測値を取得することができる。このCD実測値は、第1、第2および第3ステップ分のそれぞれのCD実測値を含んでいるのが好ましい。したがって、ウエハ単位またはロット単位でプロセス結果測定部208より得られるCD実測値をプロセス制御部132に与えてRun-to-Run方式のフィードバック制御あるいはフィードフォワード制御を行うことも可能であり、そのようなRun-to-Run方式と上述した実施例のAPC機構とを併用することも可能である。さらに、上記実施例のAPC機構に、プロセス結果測定部208からのCD実測値に基づいてプロセス制御モデルCMi、CD推定モデルAMi、CD予測モデルFMiを修正する学習機能を持たせることも可能である。
上述した実施形態は、多層レジスト法のエッチング加工に係るものであった。しかし、本発明は、1枚の被処理基板に対する枚葉プラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定する任意のプラズマプロセスに適用可能である。たとえば、1回の枚葉成膜処理の中でプロセス条件を変更して複数の薄膜を形成するプラズマCVDやプラズマALDに本発明を適用することもできる。したがって、本発明におけるプロセス結果は、CDに限るものではなく、たとえばエッチングプロセスにおける形状や面内均一性あるいは成膜プロセスにおける膜厚や組成等も含む。
また、本発明(特に第2実施例のリアルタイムAPC)は、単一ステップのプラズマプロセスにも適用可能である。本発明は、クラスタツール方式のようなマルチチャンバシステムに組み込まれるプラズマ処理装置に好適に適用できるが、スタンドアロンのプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法にも勿論適用可能である。
本発明のプラズマ処理装置は、上記実施形態におけるマイクロ波プラズマ装置に限定されるものではなく、容量結合型プラズマ処理装置や誘導結合型プラズマ処理装置等であってもよい。したがって、本発明のプラズマ処理方法は、容量結合型または誘導結合型のプラズマ処理方法にも適用可能である。
本発明における被処理基板は半導体ウエハに限るものではなく、フラットパネルディスプレイ、有機EL、太陽電池用の各種基板や、フォトマスク、CD基板、プリント基板等も可能である。
10 チャンバ
12 サセプタ
30 (RFバイアス用)高周波電源
55 ラジアルラインスロットアンテナ
86 処理ガス供給源
80 上部ガス導入部
82 側部ガス導入部
110 OES計測部
112 主制御部
132 プロセス制御部
134 CD目標値設定部
136 レシピ記憶部
138 制御モデル記憶部
140 CD推定部
142 推定モデル記憶部
144 判定部
146 シーケンス制御部
150 CD予測部
152 予測モデル記憶部
208 プロセス結果測定部

Claims (12)

  1. 1枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理装置であって、
    前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する目標値設定部と、
    前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測するプラズマ計測部と、
    各ステップの終了後に、前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定するプロセス結果推定部と、
    各ステップの次のステップにおいて、前記目標値設定部より与えられる次のステップ分の前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果推定部より与えられる各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部と
    を有するプラズマ処理装置。
  2. 前記プロセス結果推定部が、実験計画法を利用して重回帰分析により求められる第1の統計的モデルを用いて、前記プロセス結果推定値を求める、請求項1に記載のプラズマ処理装置。
  3. 前記第1の統計的モデルが、前記プロセス条件および前記プロセスパラメータに応じて設定され、各ステップ毎に切り換えられる、請求項2に記載のプラズマ処理装置。
  4. 前記プロセス制御部が、実験計画法を利用して重回帰分析により求められる第2の統計的モデルを用いて、前記プロセスパラメータの補正値を求める、請求項1〜3のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  5. 前記第2の統計的モデルが、前記プロセス条件および前記プロセスパラメータに応じて設定され、各ステップ毎に切り換えられる、請求項4に記載のプラズ処理装置。
  6. 各ステップにおける前記プロセス結果の値を測定するプロセス結果測定部を有し、前記プロセス結果測定部より得られるプロセス結果測定値に基づいて前記第1の統計的モデルを修正する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  7. 最後のステップにおける前記プロセス結果推定値に基づいて前記基板に対する前記プラズマ処理の良否判定を行う判定部を有する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  8. 前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる特定の分光スベクトルの値を前記分光計測値として求める、請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  9. 前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる第1および第2の分光スベクトルの比を前記分光計測値として求める、請求項1〜7のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置。
  10. 前記プラズマ計測部が、プラズマに含まれる一定の波長範囲内の全スペクトルの積分値を前記分光計測値として求める、請求項1〜7のいずれか一項記載のプラズマ処理装置。
  11. 前記基板を出し入れ可能に収容する真空排気可能な処理容器と、
    1枚の被処理基板に対するプラズマ処理のためのプロセス条件を設定するプロセス条件設定部と、
    前記プロセス条件にしたがって前記処理容器内で処理ガスのプラズマを生成するプラズマ生成部と、
    所定のプロセス結果について目標値を設定する目標値設定部と、
    前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測し、一定時間置きに分光計測値を算出するプラズマ計測部と、
    前記プラズマ計測部より得られる分光計測値から一定時間置きに前記プロセス結果の値を予測するプロセス結果予測部と、
    前記目標値設定部より与えられる前記プロセス結果目標値と前記プロセス結果予測部より一定時間置きに与えられる前記プロセス結果予測値とに基づいて、当該ステップにおける前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整するプロセス制御部と
    を有するプラズマ処理装置。
  12. 1枚の被処理基板に対するプラズマ処理を複数のステップに分割して、各ステップ毎にプロセス条件を独立に設定するプラズマ処理方法であって、
    所定のプロセス結果について各ステップ毎に目標値を設定する工程と、
    各ステップ毎に前記プロセス条件にしたがい、基板を出し入れ可能に収容する処理容器内で処理ガスのプラズマを生成する工程と、
    前記処理容器内で生成されるプラズマの発光を分光計測して分光計測値を求める工程と、
    各ステップの終了後に、前記分光計測値から当該ステップにおける前記プロセス結果の値を推定する工程と、
    各ステップの次のステップにおいて、当該次のステップ分の前記プロセス結果目標値と各ステップ分の前記プロセス結果推定値とに基づいて、前記プロセス条件の中の少なくとも1つをプロセスパラメータとして調整する工程と
    を有するプラズマ処理方法。
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