JP3766991B2 - プラズマ処理の終点検出方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いた半導体製造方法及び装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理の終点検出方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いた半導体製造方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いて製造された半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いた処理は、エッチング装置を始めとして、半導体製造工程や液晶表示装置用基板製造工程に広く適用されている。
【０００３】
図１６に示すプラズマエッチング装置を例にとり、従来の技術について説明する。このエッチング装置では、高周波電源５からの高電圧を、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。エッチング処理に際しては、エッチングの進行状況を監視し、その終点をできるだけ正確に検出して、所定のパターン形状及び深さだけエッチング処理を行うようにしている。
【０００４】
従来から、エッチングの終点を検出する方法には、分光分析、質量分析等の手法が用いられており、中でも特開平６−２８２５２号公報に示されるように、装置が簡便で感度の高い分光分析が広く用いられている。具体的には、エッチング用ガス、その分解生成物または反応生成物等のラジカルやイオン等の活性種のうち特定の活性種を選択し、選択された活性種の発光スペクトルの発光強度を測定する。即ち、図１６において、プラズマからの発光８を窓７を通してモノクロメータ等の分光噐９で分光し、所望の波長の発光成分１０だけを取り出す。この発光成分１０はホトマル等の光電変換素子１１で受光されて電気信号に変換され、アンプ１２で増幅された後、終点判定ユニット１３に送られる。終点判定ユニット１３では、図１７に示すように発光強度の時間変化１５を観測していき、変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値Ｓと比較することにより、エッチングの終点位置Ｅが決定される。終点が検出されると、電源制御装置１４により、高周波電源５の出力を停止する。
【０００５】
選択する活性種はエッチング用ガスの種類により異なる。例えば、ＣＦ4等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合には、その反応生成物であるＣＯ＊からの発光スペクトル（２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍ等）、あるいは、中間生成物であるＣＦ＊からの発光スペクトル（２６０ｎｍ等）を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、簡単な構成にしてエッチングの終点を求めることができる。しかし、半導体の回路パターンの微細化に伴い、エッチングされる部分の総面積が小さくなり、反応生成物の絶対量が低下してしまう。その結果、図１７に一点鎖線１６で示すように、発光強度そのものが低下するとともに終点位置での発光強度の変化量が大幅に低下し、かつ波形が大きく鈍ってしまい、終点位置の判定が困難になる。これが従来技術の大きな課題である。
【０００７】
一方、プラズマ励起用の高周波電力は数百ｋＨｚ程度であり、エッチング反応及び反応生成物の発光もこの周波数に同期していると考えられる。これに対し、従来技術では、発光信号の増幅に用いるアンプ１２の帯域は概ね１００Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度であり、周期的な反応生成物の発光を平滑化して主に直流成分を検出していたため、エッチング反応を正確に捉えておらず、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けやすいという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、被処理パターンの微細化や外乱の影響を受けることなく、プラズマ処理の終点が常に安定かつ高精度に検出可能な、プラズマ処理の終点検出方法及びその装置、並びに本検出方法及び装置を用いた半導体製造方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いて製造された半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ中において特定波長で発光する活性種の発光強度を検出し、該発光強度の周期的時間変動の振幅の変化から、プラズマ処理の終点を検出するものである。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種はプラズマ処理によって生じる反応生成物とするものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種はプラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物とするものである。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記特定波長は２１９ｎｍとするものである。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記特定波長は２６０ｎｍとするものである。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種の発光強度は、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系により検出されるものである。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明は装置の構成要件として、前記プラズマ中において、特定波長で発光する活性種の発光強度を検出する発光検出手段と、該検出された発光強度信号の周期的時間変動の振幅を検出する振幅検出手段と、該振幅の変化から前記処理の終点を検出する終点判定手段を具備している。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いるものである。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板にプラズマを用いた処理を施して半導体素子を製造する際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いるものである。
【００１９】
被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ中において特定波長で発光する活性種の発光強度を検出し、更に、この発光強度の中から周期的に時間変動する成分を抽出することにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能となり、更に、この周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２１】
また、上記活性種をプラズマ処理によって生じる反応生成物とすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２２】
また、上記活性種をプラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物とすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
また、上記特定波長を２１９ｎｍとすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２３】
また、上記特定波長を２６０ｎｍとすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２４】
また、上記活性種の発光強度を、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系により検出することにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２５】
また、半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いることにより、高品質な半導体素子の製造が可能となるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１〜図１５に基づいて説明する。
【００２７】
まず、本発明の第１の実施例を図１〜図５に基づいて説明する。図１は第１の実施例におけるエッチング終点検出装置を示すものである。本装置は、発光検出光学系１０１、信号処理・判定系２０１から成る。
【００２８】
エッチング装置は、本実施例では平行平板形プラズマエッチング装置とした。シグナルジェネレータ２１からの高周波信号によりパワーアンプ２２の出力電圧を変調し、この高周波電圧を分配器２３により分配し、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。高周波信号としては、例えば４００ｋＨｚ程度の周波数が用いられる。
【００２９】
発光検出光学系１０１では、プラズマからの発光２４を石英窓７Ｑを通して石英レンズ２５によりホトダイオード等の光電変換素子２８上に結像する。プラズマ発光領域中でウェハ４上のある一点と光電変換素子２８とが結像関係にある。光路中には干渉フィルタ２６が配置されており、特定の活性種の発光スペクトル成分２７だけを選択的に透過させる。ＣＦ4等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合を例にとると、反応生成物であるＣＯ＊からの発光スペクトルを取り出す場合は、２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍの透過中心波長を有する干渉フィルタを、また、中間生成物であるＣＦ＊からの発光スペクトルを取り出す場合には、２６０ｎｍの干渉フィルタを配置する。もちろん、干渉フィルタでなくモノクロメータを使用することも可能である。尚、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。光電変換された発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十分大きな４ＭＨｚ程度の帯域を有するアンプ２９により増幅される。
【００３０】
図２に増幅後の発光波形を示す。尚、この波形は特定波長を選択したものではなく、全波長を含んだ状態での発光波形である。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋＨｚの基本周期に、プラズマ中での各種活性種の励起・減衰に伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰り返されているのが判る。
【００３１】
尚、４００ｋＨｚ周期の高いピークの繰返しに対し、位相が１８０°ずれた低いピークの繰返しが存在するのは、上部及び下部電極への高周波電圧の印加のタイミングが丁度１８０°ずれていることに起因して生じたものである。図３は、スペクトルアナライザにより、この波形の周波数スペクトルを観測した例である。４００ｋＨｚ及びその整数倍のスペクトルが観測される。
【００３２】
図４は、光路中に透過中心波長２１９ｎｍを有する干渉フィルタを配置して、ＣＯ＊の発光スペクトル波長成分を検出し、その周波数スペクトルを観測したものである。４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、１２００ｋＨｚ成分のスペクトルが観測される。
【００３３】
アンプ２９からの出力信号は、信号処理・判定系２０１に送られる。信号処理・判定系２０１では、例えばロックインアンプ等の同期検波回路３０により、シグナルジェネレータ２１からの周波数４００ｋＨｚの高周波信号を参照信号として、図４で観測された周波数スペクトルの中から、４００ｋＨｚ成分のみが選択的に抽出される。図５に、抽出された波長２１９ｎｍ、周波数４００ｋＨｚの発光強度信号の時間変化を示す。測定開始後６０ｓ付近で発光強度が急激に低下している。この部分がエッチングの終点位置である。この発光強度信号は、終点判定回路３１に送られ、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が正確に決定される。例えば、図５に示すように、発光強度が予め設定しておいた閾値Ｔ以下になった時点Ｅを終点と判定する。閾値Ｔは、高周波電力、圧力等の装置条件と、被加工膜の膜厚、材質、エッチングガス等のプロセス条件に応じて設定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００３４】
エッチング反応及び反応生成物の発光はプラズマ励起用の高周波電力に同期していると考えられる。従って、本実施例に示すごとく、反応生成物の発光波長成分の中から、この高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００３５】
また、本実施例では、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００３６】
また、前述の通り、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【００３７】
本発明の第２の実施例を図６に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
本実施例では、信号処理・判定系２０２においてスプクトラムアナライザ４１を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。スプクトラムアナライザ４１の中心周波数を４００ｋＨｚに、周波数スパンを０Ｈｚに設定することにより、アンプ２９の出力信号の中から、図５に示すと同様の４００ｋＨｚ成分の発光強度信号を抽出できる。この発光強度信号は、終点判定回路４２に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００３９】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００４０】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００４１】
また、本実施例では参照信号が不要なので、装置構成が簡単になるという効果を有する。
【００４２】
本発明の第３の実施例を図７に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４３】
本実施例では、信号処理・判定系２０３において４００ｋＨｚの透過中心周波数を有するバンドパスフィルタ５１を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。バンドパスフィルタ５１からは、図５に示す発光強度信号と同様の信号が得られる。この発光強度信号は信号のサンプリング周波数とほぼ等しい１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ５２を通った後、終点判定回路５３に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００４４】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００４５】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００４６】
また、第３の実施例と同様、参照信号が不要なので、装置構成が簡単になる。
【００４７】
本発明の第４の実施例を図８及び図９に基づいて説明する。図８において、エッチング装置及び発光検出光学系１０１の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
本実施例では、信号処理・判定系２０４においてサンプル・ホールド回路６３を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。まず、サンプリング信号発生回路６１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図９（ａ）に示すように周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を発生する。同図において、波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号は位相シフタ６２により、発光波形に応じて所望の量だけ位相がシフトされた後、サンプル・ホールド回路６３に送られ、図９（ａ）に示すように、反応生成物ＣＯ＊の発光波形がサンプル・ホールドされ、振幅ａが出力される。図９（ａ）では、４００ｋＨｚ周期の高い方のピークを捉えているが、同図（ｂ）に示すように、位相シフト量を調整し、ピークから少し減衰したタイミング（振幅ａ´）で波形を捉えたり、あるいは、同図（ｃ）に示すように、４００ｋＨｚ周期の低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えることも可能である。いずれにせよ、位相シフト量は、エッチング反応が最も強く反映されるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定することが望ましい。
【００４９】
サンプル・ホールド回路６３からの出力信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ６４に送られ、図５に示すと同様の発光強度信号が得られる。この発光強度信号は終点判定回路６５に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００５０】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００５１】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００５２】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００５３】
本発明の第５の実施例を図９及び図１０に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
本実施例では、信号処理・判定系２０５において、発光信号を２分割し、これらを周波数は等しく位相をずらした異なる２種類のタイミングでサンプリングし、得られた２つの検出信号の差分あるいは強度比をとることにより、エッチング反応をより正確に求める。
【００５５】
まず、サンプリング信号発生回路７１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図９（ａ）に示すように周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を発生する。同図において、波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号は２分割されて位相シフタ７２及び７５に送られ、各々異なるシフト量が与えられた後、各サンプリング信号７２Ｓ及び７５Ｓはサンプル・ホールド回路７３及び７６に送られる。アンプ２９から出力された反応生成物の発光信号は２分割され、各々サンプル・ホールド回路７３及び７６に入力される。今、サンプリング信号７２Ｓによるサンプリングのタイミングが、図９（ａ）に示すように発光波形の高い方のピーク（振幅ａ）を捉え、一方、サンプリング信号７５Ｓによるサンプリングのタイミングが、図９（ｃ）に示すように低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えるように、各位相シフタ７２及び７５を調整しておく。サンプル・ホールド回路７３及び７６で検出された振幅ａ及び振幅ｂの各信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ７４及び７７を通った後、図５に示すと同様の発光強度信号となる。両発光強度信号は演算処理回路７８に送られる。演算処理回路７８では、振幅ａと振幅ｂの差分もしくはその比を計算し、出力する。この演算処理により、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することが可能となる。
【００５６】
演算処理回路７８からの出力信号は終点判定回路７９に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００５７】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００５８】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００５９】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００６０】
また、本実施例によれば、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することがが可能となるので、終点検出精度が向上する。
【００６１】
本発明の第６の実施例を図１１〜図１４に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
先に、第４の実施例において、周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を用いたサンプル・ホールド回路６３により、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する方法について説明した。本実施例では、インパルス列６７（コム関数）によるサンプリングではなく、ある一定幅をもったパルス列（矩形波関数）を発光信号に乗算することにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。
【００６３】
まず、サンプリング信号発生回路８１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図１３に示すように幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚのパルス列（矩形波関数）８６からなるサンプリング信号を発生する。図１２に示す波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号８６は位相シフタ８２により、発光波形に応じて所望の量だけ位相がシフトされた後、乗算回路８３に送られる。乗算回路８３では、アンプ２９から出力された発光信号６６に対しサンプリング信号８６が乗算され、図１４に示すように、サンプリング信号８６のパルス幅Δｔに対応した区間の発光波形８７がサンプリングされ、出力される。図１４では、４００ｋＨｚ周期の高い方のピークを捉えているが、第４の実施例と同様、位相シフト量を調整し、ピークから少し減衰したタイミング（振幅ａ´）で波形を捉えたり、あるいは、４００ｋＨｚ周期の低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えることも可能である。いずれにせよ、位相シフト量は、エッチング反応が最も強く反映されるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定することが望ましい。また、サンプリング区間Δｔも、エッチング反応が最も強く反映される時間幅に設定されることが望ましい。
【００６４】
乗算回路８３からの出力信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ８４に送られ、図５に示すと同様の発光強度信号が得られる。この発光強度信号は終点判定回路８５に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００６５】
尚、本実施例の回路を２系統設け、第５の実施例と同様、反応生成物の発光信号を２分割し、各々異なるタイミングでサンプリングした後、両信号の差分もしくは比を計算することにより、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することも可能である。
【００６６】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００６７】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００６８】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００６９】
また、本実施例によれば、ある一定の区間Δｔの発光波形をサンプリングした後ローパスフィルタを通しているので、発光波形に重畳した雑音成分を低減でき、終点検出精度が向上する。
【００７０】
尚、以上の実施例では、プラズマ励起用の高周波電力の周波数は４００ｋＨｚとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、８００ｋＨｚ、１ＭＨｚ等、周期的なプラズマ発光が観測されうる周波数帯域であれば任意の周波数に対しても、適用可能である。
【００７１】
また、同様に、以上の実施例では、エッチング装置は平行平板形プラズマエッチング装置としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その基本原理から明らかなように、プラズマ励起あるいは半導体ウェハへの何らかのエネルギー供給と同期した形で周期的にエッチング反応が進む各種のエッチング装置、例えばマイクロ波エッチング装置等にも適用可能であることは言うまでもない。
【００７２】
更に、上記実施例では、本発明のエッチング装置への適用例について説明したが、本発明の終点検出方法及び装置はエッチング処理の終点検出に限定されるものではなく、プラズマ処理が進行するに従い、発光スペクトル強度が変化するような各種プラズマ処理装置の終点検出に適用することが可能である。また、被処理体も半導体ウェハに限定されるものではなく、液晶表示装置用基板等、その製造工程においてプラズマ処理が施される様々な素子、材料にも適用される。
【００７３】
本発明の第７の実施例を図１５に基づいて説明する。本実施例では、先に述べた６つの実施例に基づく発光検出光学系１０１と信号処理・判定系２０１〜２０６から成るエッチング終点検出装置を半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程に導入する。図１５に示すように、まず、膜付け装置４０１により、半導体ウェハ上にシリコン酸化膜等の被加工膜が形成される。次に、レジスト塗布装置４０２によりレジストが塗布され、露光装置４０３により、レチクルやマスク上の所望の回路パターンが転写される。露光された半導体ウェハは、現像装置４０４で転写パターンに対応したレジスト部が除去される。エッチング装置４０５では、このレジストパターンをマスクとしてレジスト除去部の被加工膜がエッチングされる。エッチング中に生じる反応生成物の発光スペクトルは発光検出光学系１０１で検出され、発光強度信号は常時、信号処理・判定系２０１〜２０６に送られ、エッチング終点が検出されると、制御信号に基づきエッチング装置４０５のプラズマ出力を停止する。エッチング終了後の半導体ウェハはアッシング装置４０６に送られ、レジストが除去された後、洗浄装置４０７により洗浄される。
【００７４】
本実施例では、ホトリソグラフィ工程中のエッチング装置に、先に述べた実施例に基づく発光検出光学系１０１と信号処理・判定系２０１〜２０６から成るエッチング終点検出装置を用いることにより、エッチング終点検出精度が向上し、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００７５】
また、パターン開口率が１％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、活性種の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、プラズマ処理の進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのプラズマ処理の終点検出精度が向上するという効果を有する。
【００７７】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上するという効果を有する。
【００７８】
また、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、プラズマ処理反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能となり、終点検出精度が向上するという効果を有する。
【００７９】
また、本発明によれば、高精度なエッチング終点検出が可能となるので、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００８０】
また、本発明によれば、高精度なエッチング終点検出が可能となるので、時間管理のための先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、半導体製造ライン全体の自動化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるエッチング終点検出装置を示す図である。
【図２】全波長を含んだ状態でのプラズマの発光波形を示す図である。
【図３】プラズマ発光の周波数スペクトルを示す図である。
【図４】反応生成物ＣＯ＊の発光波長成分の周波数スペクトルを示す図である。
【図５】波長２１９ｎｍ（反応生成物ＣＯ＊の発光波長成分）、周波数４００ｋＨｚの発光強度信号の時間変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施例におけるエッチング終点検出装置を示す図である。
【図９】反応生成物ＣＯ＊の発光波形と、サンプリングのタイミングを示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図１２】反応生成物ＣＯ＊の発光波形を示す図である。
【図１３】幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚのパルス列（矩形波関数）からなるサンプリング信号波形を示す図である。
【図１４】サンプリング後の発光波形を示す図である。
【図１５】本発明の第７の実施例における半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程を示すブロック図である。
【図１６】プラズマエッチング装置と従来のエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１７】従来のエッチング終点検出装置による、活性種の発光強度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１…処理室、２…上部電極、３…下部電極、４…半導体ウェハ、５…高周波電源、６…プラズマ、７…窓、７Ｑ…石英窓、８、２４…プラズマ発光、９…分光噐、１０、２７…活性種発光成分、１１、２８…光電変換素子、１３…終点判定ユニット、１４…電源制御装置、１５、１６…活性種発光強度の時間波形、２１…シグナルジェネレータ、２２…パワーアンプ、２３…分配器、２５…石英レンズ、２６…干渉フィルタ、２９…アンプ、３０…同期検波回路、３１、４２、５３、６５、７９、８５…終点判定回路、４１…スプクトラムアナライザ、５１…バンドパスフィルタ、５２、６４、７４、７７、８４…ローパスフィルタ、６１、７１、８１…サンプリング信号発生回路、６２、７２、７５、８２…位相シフタ、６３、７３、７６…サンプル・ホールド回路、６６…反応生成物ＣＯ＊の発光波形、７８…演算処理回路、８３…乗算回路、８６…サンプリング信号、１０１…発光検出光学系、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６…信号処理・判定系、４０１…膜付け装置、４０２…レジスト塗布装置、４０３…露光装置、４０４…現像装置、４０５…エッチング装置、４０６…アッシング装置、４０７…洗浄装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理の終点検出方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いた半導体製造方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いて製造された半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いた処理は、エッチング装置を始めとして、半導体製造工程や液晶表示装置用基板製造工程に広く適用されている。
【０００３】
図１６に示すプラズマエッチング装置を例にとり、従来の技術について説明する。このエッチング装置では、高周波電源５からの高電圧を、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。エッチング処理に際しては、エッチングの進行状況を監視し、その終点をできるだけ正確に検出して、所定のパターン形状及び深さだけエッチング処理を行うようにしている。
【０００４】
従来から、エッチングの終点を検出する方法には、分光分析、質量分析等の手法が用いられており、中でも特開平６−２８２５２号公報に示されるように、装置が簡便で感度の高い分光分析が広く用いられている。具体的には、エッチング用ガス、その分解生成物または反応生成物等のラジカルやイオン等の活性種のうち特定の活性種を選択し、選択された活性種の発光スペクトルの発光強度を測定する。即ち、図１６において、プラズマからの発光８を窓７を通してモノクロメータ等の分光噐９で分光し、所望の波長の発光成分１０だけを取り出す。この発光成分１０はホトマル等の光電変換素子１１で受光されて電気信号に変換され、アンプ１２で増幅された後、終点判定ユニット１３に送られる。終点判定ユニット１３では、図１７に示すように発光強度の時間変化１５を観測していき、変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値Ｓと比較することにより、エッチングの終点位置Ｅが決定される。終点が検出されると、電源制御装置１４により、高周波電源５の出力を停止する。
【０００５】
選択する活性種はエッチング用ガスの種類により異なる。例えば、ＣＦ4等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合には、その反応生成物であるＣＯ＊からの発光スペクトル（２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍ等）、あるいは、中間生成物であるＣＦ＊からの発光スペクトル（２６０ｎｍ等）を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術によれば、簡単な構成にしてエッチングの終点を求めることができる。しかし、半導体の回路パターンの微細化に伴い、エッチングされる部分の総面積が小さくなり、反応生成物の絶対量が低下してしまう。その結果、図１７に一点鎖線１６で示すように、発光強度そのものが低下するとともに終点位置での発光強度の変化量が大幅に低下し、かつ波形が大きく鈍ってしまい、終点位置の判定が困難になる。これが従来技術の大きな課題である。
【０００７】
一方、プラズマ励起用の高周波電力は数百ｋＨｚ程度であり、エッチング反応及び反応生成物の発光もこの周波数に同期していると考えられる。これに対し、従来技術では、発光信号の増幅に用いるアンプ１２の帯域は概ね１００Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度であり、周期的な反応生成物の発光を平滑化して主に直流成分を検出していたため、エッチング反応を正確に捉えておらず、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けやすいという課題があった。
【０００８】
本発明の目的は、被処理パターンの微細化や外乱の影響を受けることなく、プラズマ処理の終点が常に安定かつ高精度に検出可能な、プラズマ処理の終点検出方法及びその装置、並びに本検出方法及び装置を用いた半導体製造方法及び装置、並びに本検出方法及び装置を用いて製造された半導体素子を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ中において特定波長で発光する活性種の発光強度を検出し、該発光強度の周期的時間変動の振幅の変化から、プラズマ処理の終点を検出するものである。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種はプラズマ処理によって生じる反応生成物とするものである。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種はプラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物とするものである。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記特定波長は２１９ｎｍとするものである。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記特定波長は２６０ｎｍとするものである。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明は、上記活性種の発光強度は、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系により検出されるものである。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、本発明は装置の構成要件として、前記プラズマ中において、特定波長で発光する活性種の発光強度を検出する発光検出手段と、該検出された発光強度信号の周期的時間変動の振幅を検出する振幅検出手段と、該振幅の変化から前記処理の終点を検出する終点判定手段を具備している。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いるものである。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板にプラズマを用いた処理を施して半導体素子を製造する際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いるものである。
【００１９】
被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ中において特定波長で発光する活性種の発光強度を検出し、更に、この発光強度の中から周期的に時間変動する成分を抽出することにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能となり、更に、この周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２１】
また、上記活性種をプラズマ処理によって生じる反応生成物とすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２２】
また、上記活性種をプラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物とすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
また、上記特定波長を２１９ｎｍとすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２３】
また、上記特定波長を２６０ｎｍとすることにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２４】
また、上記活性種の発光強度を、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系により検出することにより、プラズマ処理の進行を正確に捉えることが可能になり、更に、上記周期的時間変動成分の振幅の変化からプラズマ処理の終点を検出することにより、従来法に比べ高精度なプラズマ処理の終点検出が可能となるものである。
【００２５】
また、半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、上記プラズマ処理の終点検出手段を用いることにより、高品質な半導体素子の製造が可能となるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１〜図１５に基づいて説明する。
【００２７】
まず、本発明の第１の実施例を図１〜図５に基づいて説明する。図１は第１の実施例におけるエッチング終点検出装置を示すものである。本装置は、発光検出光学系１０１、信号処理・判定系２０１から成る。
【００２８】
エッチング装置は、本実施例では平行平板形プラズマエッチング装置とした。シグナルジェネレータ２１からの高周波信号によりパワーアンプ２２の出力電圧を変調し、この高周波電圧を分配器２３により分配し、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。高周波信号としては、例えば４００ｋＨｚ程度の周波数が用いられる。
【００２９】
発光検出光学系１０１では、プラズマからの発光２４を石英窓７Ｑを通して石英レンズ２５によりホトダイオード等の光電変換素子２８上に結像する。プラズマ発光領域中でウェハ４上のある一点と光電変換素子２８とが結像関係にある。光路中には干渉フィルタ２６が配置されており、特定の活性種の発光スペクトル成分２７だけを選択的に透過させる。ＣＦ4等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合を例にとると、反応生成物であるＣＯ＊からの発光スペクトルを取り出す場合は、２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍの透過中心波長を有する干渉フィルタを、また、中間生成物であるＣＦ＊からの発光スペクトルを取り出す場合には、２６０ｎｍの干渉フィルタを配置する。もちろん、干渉フィルタでなくモノクロメータを使用することも可能である。尚、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。光電変換された発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十分大きな４ＭＨｚ程度の帯域を有するアンプ２９により増幅される。
【００３０】
図２に増幅後の発光波形を示す。尚、この波形は特定波長を選択したものではなく、全波長を含んだ状態での発光波形である。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋＨｚの基本周期に、プラズマ中での各種活性種の励起・減衰に伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰り返されているのが判る。
【００３１】
尚、４００ｋＨｚ周期の高いピークの繰返しに対し、位相が１８０°ずれた低いピークの繰返しが存在するのは、上部及び下部電極への高周波電圧の印加のタイミングが丁度１８０°ずれていることに起因して生じたものである。図３は、スペクトルアナライザにより、この波形の周波数スペクトルを観測した例である。４００ｋＨｚ及びその整数倍のスペクトルが観測される。
【００３２】
図４は、光路中に透過中心波長２１９ｎｍを有する干渉フィルタを配置して、ＣＯ＊の発光スペクトル波長成分を検出し、その周波数スペクトルを観測したものである。４００ｋＨｚ、８００ｋＨｚ、１２００ｋＨｚ成分のスペクトルが観測される。
【００３３】
アンプ２９からの出力信号は、信号処理・判定系２０１に送られる。信号処理・判定系２０１では、例えばロックインアンプ等の同期検波回路３０により、シグナルジェネレータ２１からの周波数４００ｋＨｚの高周波信号を参照信号として、図４で観測された周波数スペクトルの中から、４００ｋＨｚ成分のみが選択的に抽出される。図５に、抽出された波長２１９ｎｍ、周波数４００ｋＨｚの発光強度信号の時間変化を示す。測定開始後６０ｓ付近で発光強度が急激に低下している。この部分がエッチングの終点位置である。この発光強度信号は、終点判定回路３１に送られ、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が正確に決定される。例えば、図５に示すように、発光強度が予め設定しておいた閾値Ｔ以下になった時点Ｅを終点と判定する。閾値Ｔは、高周波電力、圧力等の装置条件と、被加工膜の膜厚、材質、エッチングガス等のプロセス条件に応じて設定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００３４】
エッチング反応及び反応生成物の発光はプラズマ励起用の高周波電力に同期していると考えられる。従って、本実施例に示すごとく、反応生成物の発光波長成分の中から、この高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００３５】
また、本実施例では、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００３６】
また、前述の通り、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【００３７】
本発明の第２の実施例を図６に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
本実施例では、信号処理・判定系２０２においてスプクトラムアナライザ４１を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。スプクトラムアナライザ４１の中心周波数を４００ｋＨｚに、周波数スパンを０Ｈｚに設定することにより、アンプ２９の出力信号の中から、図５に示すと同様の４００ｋＨｚ成分の発光強度信号を抽出できる。この発光強度信号は、終点判定回路４２に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００３９】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００４０】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００４１】
また、本実施例では参照信号が不要なので、装置構成が簡単になるという効果を有する。
【００４２】
本発明の第３の実施例を図７に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４３】
本実施例では、信号処理・判定系２０３において４００ｋＨｚの透過中心周波数を有するバンドパスフィルタ５１を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。バンドパスフィルタ５１からは、図５に示す発光強度信号と同様の信号が得られる。この発光強度信号は信号のサンプリング周波数とほぼ等しい１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ５２を通った後、終点判定回路５３に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００４４】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００４５】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００４６】
また、第３の実施例と同様、参照信号が不要なので、装置構成が簡単になる。
【００４７】
本発明の第４の実施例を図８及び図９に基づいて説明する。図８において、エッチング装置及び発光検出光学系１０１の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００４８】
本実施例では、信号処理・判定系２０４においてサンプル・ホールド回路６３を用いることにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。まず、サンプリング信号発生回路６１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図９（ａ）に示すように周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を発生する。同図において、波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号は位相シフタ６２により、発光波形に応じて所望の量だけ位相がシフトされた後、サンプル・ホールド回路６３に送られ、図９（ａ）に示すように、反応生成物ＣＯ＊の発光波形がサンプル・ホールドされ、振幅ａが出力される。図９（ａ）では、４００ｋＨｚ周期の高い方のピークを捉えているが、同図（ｂ）に示すように、位相シフト量を調整し、ピークから少し減衰したタイミング（振幅ａ´）で波形を捉えたり、あるいは、同図（ｃ）に示すように、４００ｋＨｚ周期の低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えることも可能である。いずれにせよ、位相シフト量は、エッチング反応が最も強く反映されるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定することが望ましい。
【００４９】
サンプル・ホールド回路６３からの出力信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ６４に送られ、図５に示すと同様の発光強度信号が得られる。この発光強度信号は終点判定回路６５に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００５０】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００５１】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００５２】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００５３】
本発明の第５の実施例を図９及び図１０に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
本実施例では、信号処理・判定系２０５において、発光信号を２分割し、これらを周波数は等しく位相をずらした異なる２種類のタイミングでサンプリングし、得られた２つの検出信号の差分あるいは強度比をとることにより、エッチング反応をより正確に求める。
【００５５】
まず、サンプリング信号発生回路７１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図９（ａ）に示すように周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を発生する。同図において、波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号は２分割されて位相シフタ７２及び７５に送られ、各々異なるシフト量が与えられた後、各サンプリング信号７２Ｓ及び７５Ｓはサンプル・ホールド回路７３及び７６に送られる。アンプ２９から出力された反応生成物の発光信号は２分割され、各々サンプル・ホールド回路７３及び７６に入力される。今、サンプリング信号７２Ｓによるサンプリングのタイミングが、図９（ａ）に示すように発光波形の高い方のピーク（振幅ａ）を捉え、一方、サンプリング信号７５Ｓによるサンプリングのタイミングが、図９（ｃ）に示すように低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えるように、各位相シフタ７２及び７５を調整しておく。サンプル・ホールド回路７３及び７６で検出された振幅ａ及び振幅ｂの各信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ７４及び７７を通った後、図５に示すと同様の発光強度信号となる。両発光強度信号は演算処理回路７８に送られる。演算処理回路７８では、振幅ａと振幅ｂの差分もしくはその比を計算し、出力する。この演算処理により、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することが可能となる。
【００５６】
演算処理回路７８からの出力信号は終点判定回路７９に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００５７】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００５８】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００５９】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００６０】
また、本実施例によれば、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することがが可能となるので、終点検出精度が向上する。
【００６１】
本発明の第６の実施例を図１１〜図１４に基づいて説明する。エッチング装置及び発光検出光学系の構成と機能は第１の実施例と同様であるので、説明を省略する。
【００６２】
先に、第４の実施例において、周波数４００ｋＨｚのインパルス列６７（コム関数）からなるサンプリング信号を用いたサンプル・ホールド回路６３により、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する方法について説明した。本実施例では、インパルス列６７（コム関数）によるサンプリングではなく、ある一定幅をもったパルス列（矩形波関数）を発光信号に乗算することにより、高周波電力と同期した４００ｋＨｚ成分を抽出する。
【００６３】
まず、サンプリング信号発生回路８１において、シグナルジェネレータ２１からの高周波信号に基づき、図１３に示すように幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚのパルス列（矩形波関数）８６からなるサンプリング信号を発生する。図１２に示す波形６６は、透過中心波長２１９ｎｍの干渉フィルタを通して、光電変換素子２８で検出された反応生成物ＣＯ＊の発光波形である。サンプリング信号８６は位相シフタ８２により、発光波形に応じて所望の量だけ位相がシフトされた後、乗算回路８３に送られる。乗算回路８３では、アンプ２９から出力された発光信号６６に対しサンプリング信号８６が乗算され、図１４に示すように、サンプリング信号８６のパルス幅Δｔに対応した区間の発光波形８７がサンプリングされ、出力される。図１４では、４００ｋＨｚ周期の高い方のピークを捉えているが、第４の実施例と同様、位相シフト量を調整し、ピークから少し減衰したタイミング（振幅ａ´）で波形を捉えたり、あるいは、４００ｋＨｚ周期の低い方のピーク（振幅ｂ）を捉えることも可能である。いずれにせよ、位相シフト量は、エッチング反応が最も強く反映されるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定することが望ましい。また、サンプリング区間Δｔも、エッチング反応が最も強く反映される時間幅に設定されることが望ましい。
【００６４】
乗算回路８３からの出力信号は１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ８４に送られ、図５に示すと同様の発光強度信号が得られる。この発光強度信号は終点判定回路８５に送られ、第１の実施例と同様、信号変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチングの終点位置が決定される。終点が検出されると、制御信号に基づきパワーアンプ２２の出力を停止する。
【００６５】
尚、本実施例の回路を２系統設け、第５の実施例と同様、反応生成物の発光信号を２分割し、各々異なるタイミングでサンプリングした後、両信号の差分もしくは比を計算することにより、上部電極と下部電極への印加のタイミングの違いにより発生した、ウェハ直上のエッチング反応とは関係が低い不要な発光成分の影響を低減することも可能である。
【００６６】
第１の実施例と同様、本実施例によれば、反応生成物の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、エッチングの進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのエッチング終点検出精度が向上する。
【００６７】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上する。
【００６８】
また、本実施例によれば、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、エッチング反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能になり、終点検出精度が向上する。
【００６９】
また、本実施例によれば、ある一定の区間Δｔの発光波形をサンプリングした後ローパスフィルタを通しているので、発光波形に重畳した雑音成分を低減でき、終点検出精度が向上する。
【００７０】
尚、以上の実施例では、プラズマ励起用の高周波電力の周波数は４００ｋＨｚとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、８００ｋＨｚ、１ＭＨｚ等、周期的なプラズマ発光が観測されうる周波数帯域であれば任意の周波数に対しても、適用可能である。
【００７１】
また、同様に、以上の実施例では、エッチング装置は平行平板形プラズマエッチング装置としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、その基本原理から明らかなように、プラズマ励起あるいは半導体ウェハへの何らかのエネルギー供給と同期した形で周期的にエッチング反応が進む各種のエッチング装置、例えばマイクロ波エッチング装置等にも適用可能であることは言うまでもない。
【００７２】
更に、上記実施例では、本発明のエッチング装置への適用例について説明したが、本発明の終点検出方法及び装置はエッチング処理の終点検出に限定されるものではなく、プラズマ処理が進行するに従い、発光スペクトル強度が変化するような各種プラズマ処理装置の終点検出に適用することが可能である。また、被処理体も半導体ウェハに限定されるものではなく、液晶表示装置用基板等、その製造工程においてプラズマ処理が施される様々な素子、材料にも適用される。
【００７３】
本発明の第７の実施例を図１５に基づいて説明する。本実施例では、先に述べた６つの実施例に基づく発光検出光学系１０１と信号処理・判定系２０１〜２０６から成るエッチング終点検出装置を半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程に導入する。図１５に示すように、まず、膜付け装置４０１により、半導体ウェハ上にシリコン酸化膜等の被加工膜が形成される。次に、レジスト塗布装置４０２によりレジストが塗布され、露光装置４０３により、レチクルやマスク上の所望の回路パターンが転写される。露光された半導体ウェハは、現像装置４０４で転写パターンに対応したレジスト部が除去される。エッチング装置４０５では、このレジストパターンをマスクとしてレジスト除去部の被加工膜がエッチングされる。エッチング中に生じる反応生成物の発光スペクトルは発光検出光学系１０１で検出され、発光強度信号は常時、信号処理・判定系２０１〜２０６に送られ、エッチング終点が検出されると、制御信号に基づきエッチング装置４０５のプラズマ出力を停止する。エッチング終了後の半導体ウェハはアッシング装置４０６に送られ、レジストが除去された後、洗浄装置４０７により洗浄される。
【００７４】
本実施例では、ホトリソグラフィ工程中のエッチング装置に、先に述べた実施例に基づく発光検出光学系１０１と信号処理・判定系２０１〜２０６から成るエッチング終点検出装置を用いることにより、エッチング終点検出精度が向上し、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００７５】
また、パターン開口率が１％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【００７６】
【発明の効果】
本発明によれば、活性種の発光波長成分の中から、プラズマ励起用高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出することにより、プラズマ処理の進行状況がより正確に捉えられ、終点での信号変化が明瞭になり、微小開口パターンのプラズマ処理の終点検出精度が向上するという効果を有する。
【００７７】
また、同様に、反応生成物の発光波長成分の中から、高周波電力と同期した周波数成分のみを抽出しているので、ゆるやかなプラズマ発光の変動や不要な周波数成分の影響を受けにくく、発光強度信号のＳＮ比が向上するという効果を有する。
【００７８】
また、発光波形のサンプリングのタイミングを任意に調整できるので、プラズマ処理反応がより強く反映された発光情報を得ることが可能となり、終点検出精度が向上するという効果を有する。
【００７９】
また、本発明によれば、高精度なエッチング終点検出が可能となるので、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００８０】
また、本発明によれば、高精度なエッチング終点検出が可能となるので、時間管理のための先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、半導体製造ライン全体の自動化も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるエッチング終点検出装置を示す図である。
【図２】全波長を含んだ状態でのプラズマの発光波形を示す図である。
【図３】プラズマ発光の周波数スペクトルを示す図である。
【図４】反応生成物ＣＯ＊の発光波長成分の周波数スペクトルを示す図である。
【図５】波長２１９ｎｍ（反応生成物ＣＯ＊の発光波長成分）、周波数４００ｋＨｚの発光強度信号の時間変化を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施例におけるエッチング終点検出装置を示す図である。
【図９】反応生成物ＣＯ＊の発光波形と、サンプリングのタイミングを示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図１１】本発明の第６の実施例における信号処理・判定系を示す図である。
【図１２】反応生成物ＣＯ＊の発光波形を示す図である。
【図１３】幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚのパルス列（矩形波関数）からなるサンプリング信号波形を示す図である。
【図１４】サンプリング後の発光波形を示す図である。
【図１５】本発明の第７の実施例における半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程を示すブロック図である。
【図１６】プラズマエッチング装置と従来のエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１７】従来のエッチング終点検出装置による、活性種の発光強度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１…処理室、２…上部電極、３…下部電極、４…半導体ウェハ、５…高周波電源、６…プラズマ、７…窓、７Ｑ…石英窓、８、２４…プラズマ発光、９…分光噐、１０、２７…活性種発光成分、１１、２８…光電変換素子、１３…終点判定ユニット、１４…電源制御装置、１５、１６…活性種発光強度の時間波形、２１…シグナルジェネレータ、２２…パワーアンプ、２３…分配器、２５…石英レンズ、２６…干渉フィルタ、２９…アンプ、３０…同期検波回路、３１、４２、５３、６５、７９、８５…終点判定回路、４１…スプクトラムアナライザ、５１…バンドパスフィルタ、５２、６４、７４、７７、８４…ローパスフィルタ、６１、７１、８１…サンプリング信号発生回路、６２、７２、７５、８２…位相シフタ、６３、７３、７６…サンプル・ホールド回路、６６…反応生成物ＣＯ＊の発光波形、７８…演算処理回路、８３…乗算回路、８６…サンプリング信号、１０１…発光検出光学系、２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、２０６…信号処理・判定系、４０１…膜付け装置、４０２…レジスト塗布装置、４０３…露光装置、４０４…現像装置、４０５…エッチング装置、４０６…アッシング装置、４０７…洗浄装置。
Claims (14)
- プラズマ処理装置を用いて被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ
中において特定波長で発光する活性種の発光強度を前記プラズマ処理装置に印加する高周波電力の周波数と同期して検出し、該発光強度の周期的時間変動の振幅の変化から、前記
プラズマ処理の終点を検出することを特徴とするプラズマ処理の終点検出方法。 - 上記活性種は前記プラズマ処理によって生じる反応生成物であることを特徴とする請求
項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。 - 上記活性種は前記プラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物であることを
特徴とする請求項３記載のプラズマ処理の終点検出方法。 - 上記特定波長は２１９ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
- 上記特定波長は２６０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
- 上記活性種の発光強度は、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系により検出されることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
- プラズマ処理装置を用いて被処理体にプラズマを用いた処理を施す際に、前記プラズマ中において特定波長で発光する活性種の発光強度を前記プラズマ処理装置に印加する高周波電力の周波数と同期して検出する発光検出手段と、該検出された発光強度信号の周期的時間変動の振幅を検出する振幅検出手段と、該振幅の変化から前記処理の終点を検出する終点判定手段を備えたことを特徴とするプラズマ処理の終点検出装置。
- 上記活性種は前記プラズマ処理によって生じる反応生成物であることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置。
- 上記活性種は前記プラズマ処理に使用される反応ガスもしくは分解生成物であることを
特徴とする請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置。 - 上記特定波長は２１９ｎｍであることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置。
- 上記特定波長は２６０ｎｍであることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置。
- 上記発光検出手段は、上記プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系で構成されることを特徴とする請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置。
- 半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法を用いることを特徴とする半導体製造方法。
- 半導体基板にプラズマを用いた処理を施す際に、請求項７記載のプラズマ処理の終点検出装置を用いることを特徴とする半導体製造装置。
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