JP4007748B2

JP4007748B2 - プラズマエッチング処理の終点検出方法

Info

Publication number: JP4007748B2
Application number: JP2000139440A
Authority: JP
Inventors: 和久高尾
Original assignee: Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd
Priority date: 2000-05-12
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2020-05-12
Also published as: JP2001319924A

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その装置に関するものであり、特に、処理室内に発生させたプラズマにより基板を処理するのに好適な方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造工程において、エッチング工程は不可欠の工程である。従来エッチングにはプラズマ処理による方法がよく知られているところであるが、近年の微細化の要求に対し、パルスガスバルブを介してプラズマ発生室に反応ガスを間欠的に導入してエッチングを行なう方法（所謂ガスパフ）が最近注目を浴びている。
【０００３】
図５は上記のガスパフによるプラズマ処理装置の構造を示す全体図であり、終点検出装置を付属している。プラズマ処理装置１００は、被処理基板Ｗを載置した載置テーブル１０１の上部にアルミニウム製の処理室１０２を配置し、この処理室１０２の上部に石英やセラミックス等で覆うようにしたプラズマ発生室１０３を設けて、処理室１０２とプラズマ発生室１０３とでプラズマ処理室を構成している。プラズマ発生室１０３の外周には高周波電源１０４ａに接続された誘導コイル１０５が巻回されている。載置テーブル１０１も高周波電源１０４ｂに接続されている。
【０００４】
また、処理室１０２には排気管通路１０６が形成され、プラズマ発生室１０３と処理室１０２との間には多孔グリッド１０７が配置され、プラズマ発生室１０３の上端部は閉塞され、その下部側面には反応ガスの供給管１０８が接続され、バルブ１０９を介して制御回路１１０に接続されている。制御回路１１０は所定周期のパルス信号を出力してバルブ１０９をオン・オフして開閉制御し、反応ガスはバルブ１０９の開閉制御により間欠的にプラズマ処理室に送り込まれる。
【０００５】
そして誘導コイル１０５に高周波を印加して、プラズマ発生室１０３でプラズマを発生せしめ、その活性種で被処理基板Ｗのエッチング処理を行う。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。
【０００６】
そこで、プラズマからの発光は窓１１１を通して光ファイバ１１２により取り出され、モノクロメータ等の分光器１１３で分光し、所望の波長の発光強度だけを取り出す。この発光強度は光電変換素子１１４で受光され、光電変換素子１１４から光電変換されたプラズマの発光強度を示す信号（以下発光信号と称す）が、信号処理回路１１５に送られる。信号処理回路１１５にはサンプリング信号発生回路１１６から一定周期のサンプリング信号が送られており、信号処理回路１１５からは一定周期でサンプリングされたプラズマの発光強度（例えば４４０ｎｍの発光スペクトル）を示すサンプル信号が出力され、終点判定回路１１７に送られる。
【０００７】
終点判定回路１１７では、図２のＢに示すようにサンプル信号の発光強度の時間変化を観測していき、変化点での発光強度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、図示しない高周波電源制御装置により、高周波電源の出力を停止する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
パルスガスバルブを介してプラズマ発生室に反応ガスを間欠的に導入してエッチングを行なう場合、反応ガスの流量はパルスの周期に合った脈動をし、処理室の圧力も脈動するためプラズマ放電も脈動する。そのため、プラズマの発光強度の変化を示すモニタ波形は、図２のＢに示したように脈動の幅が大きく、正確な終点検出ができないという問題がある。
【０００９】
そこで、発明者は、図２のＢに示したプラズマによる処理の進行に応じて変化する発光強度の時間変化を観測したモニタ波形の各データを演算処理し、サンプリングにより抽出した発光強度のデータを一定時間毎に順次演算して平均化（以下これを移動平均処理と称する）すれば、モニタ波形の脈動の幅を小さくして脈動の少ないモニタ波形を得ることができることをつきとめた。
ところが、このような移動平均処理を行うと演算結果は上記の一定時間後に得られるため、移動平均処理による演算結果で終点検出が判定された時点で、時間遅れが生じるとオーバエッチングとなり製品に致命的な欠陥を生じてしまうという問題がある。
【００１０】
また、時間遅れが実用上差し支えない時間の範囲で移動平均処理を行うことで、時間遅れに伴う終点検出の判定の時間遅れの問題を解消することが考えられるが、その場合、光電変換素子の受光感度に限界がありサンプリングされる発光強度のデータの個数が少なく限定されてしまう。
これまでのプラズマ処理装置においては、駆動開始と同時に、プラズマからの発光強度を受光する光電変換素子から出力される発光信号のサンプリングを行っているが、プラズマ処理装置の駆動を開始して反応ガスがプラズマ発生室及び処理室に送り込まれてから放電が開始されてプラズマが発生するので、プラズマ処理装置の処理を開始してからプラズマが発生するまで多少時間を要し、サンプリングの位相にバラツキが生じている。
そのため、サンプリングされる発光強度のデータの個数が少なく限定された条件でモニタ波形のデータを移動平均処理した場合、移動平均のデータもバラツキ、移動平均処理したモニタ波形が図２のＣに示すようなモニタ波形となり、サンプリングの位相のバラツキによる脈動が依然としてモニタ波形に残り正確な終点検出ができず改善が望まれていた。
【００１１】
本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、サンプリングされる発光信号のデータの個数が少なく限定された条件でモニタ波形のデータを移動平均処理した場合に、サンプリングされる発光強度のデータにバラツキが生じないようにして、正確な終点検出ができるプラズマ処理の終点検出方法及びその装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく請求項１記載の発明は、プラズマ処理室内に反応ガスを間欠的に導入し、プラズマによって被処理基板を処理し、前記プラズマ処理室内のプラズマの所定波長の発光強度を信号として取出し、この発光信号の変化から処理の終点を検出する方法であって、
この取出した発光信号を前記プラズマ処理室内への反応ガスの導入周期よりも短い周期で前記導入周期に同期させて断続的に抽出し、この抽出した発光信号の強度の変化を示すデータに基づいて前記プラズマによる処理の終点を検出するようにした。
【００１３】
こうすることでサンプリング信号とプラズマの発生時点の位相を合わせることができ、抽出したプラズマからの発光信号の強度の変化を示すモニタ波形のバラツキは小さくなり、略正確な終点検出ができる。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、発光信号の強度の変化を示すデータを前記導入周期の整数倍の一定時間毎に順次演算して平均化し、この平均化した演算データの変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出するようにした。
【００１５】
パルスガスバルブを介してプラズマ発生室に反応ガスを間欠的に導入してエッチングを行なう方法では、放電状態が脈動しているのでサンプリングされたプラズマの発光強度の変化を示す波形も脈動してしまうが、第１周期の整数倍の一定時間毎に順次演算して平均化していくと移動平均化された脈動のない滑らかな波形となる。
【００１６】
また、請求項３記載の発明は、発光信号の強度の変化を示すデータを一定時間毎に順次演算して平均化することを前記発光信号を抽出する都度繰り返し、平均化した演算データは前記発光信号の抽出周期とした。
このように演算データの周期を信号成分を抽出する周期とすることで演算データが形成する移動平均化された波形は、滑らかな波形とすることができる。
【００１７】
また、請求項４記載の発明は、反応ガスを間欠的にプラズマ処理室に導入して処理室の内部にプラズマを発生させて被処理基板の処理を行い、このプラズマによる処理の終点を検出する装置であって、
前記被処理基板を処理中の前記プラズマの所定の波長の発光信号を検出する検出手段と、該検出手段で検出した所定の波長の発光信号を前記導入周期に同期させて断続的に抽出する抽出手段と、該抽出手段で抽出した発光信号の強度の変化に基づいて前記プラズマによる処理の終点を検出する検出手段とを備えた。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、図１は終点検出装置を付属した本発明に係るガスパフによるプラズマ処理装置の構造を示す全体図である。図２は図１及び図５におけるプラズマ発光強度の時間変化を示すモニタ波形図、図３のａ）は図１におけるパルス信号の波形図、図３のｂ）は図１におけるサンプリング信号の波形図、図４は本発明に係る移動平均処理を説明するためのサンプリング信号の波形図である。また、図１において、図５と同符号は同じものを示している。
【００１９】
図１及び図２において、プラズマ処理装置は、従来例として図５を用いて説明したものと同じものであり、ここではその説明を省略し、プラズマ処理装置に付属する終点検出装置について説明していく。なお、図１の実施の形態では、エッチング処理される被処理基板としてシリコンウエーハＷ１を適用し、反応ガスとしてＣｌ₂を使用した。
【００２０】
図１においては、プラズマ処理装置１００を構成する制御回路１１０はサンプリング信号発生回路１１８に接続され、制御回路１１０から出力された図３のａに示すパルス信号に同期して、サンプリング信号発生回路１１８から図３のｂに示すように制御回路１１０から出力されたパルス信号の周期（反応ガスの導入周期）よりも短い周期のサンプリング信号が出力される。
【００２１】
図１におけるエッチング処理の動作について説明すると、プラズマ処理装置１００の処理が開始されると、制御回路１１０は所定周期のパルス信号を出力してバルブ１０９をオン・オフして開閉制御し、バルブ１０９が開閉制御されて反応ガスＣｌ₂が間欠的にプラズマ発生室１０３に送り込まれる。
【００２２】
また、誘導コイル１０５には高周波が印加されて、プラズマ発生室１０３でプラズマが発生する。このプラズマによりシリコンウエーハＷ１のポリシリコン膜をエッチングしたとき例えばプラズマ成分中のＣｌイオン（活性種）とポリシリコン中のＳｉとの化学反応によりエッチングが進行する。この反応が終わるとエッチングが終了したことになる。つまり、プラズマ成分中の発光スペクトル（例えば４４０ｎｍ）に注目すると、エッチング中は発光スペクトルは増加して発光強度は大きく、エッチングが終わると発光スペクトルは減少して発光強度は小さくなるので、発光スペクトルの発光強度の変化をモニタ（監視）することでエッチングの終点を検出できる。
【００２３】
以下、プラズマ処理装置１００に付属する終点検出装置について説明していく。プラズマ処理装置１００には、終点検出を行うための窓１１１を設けている。そして、窓１１１を通してプラズマからの発光が光ファイバ１１２により取り出され、モノクロメータ等の分光器１１３に送られて、ここで分光され、所望の波長の発光強度だけを取り出す。
【００２４】
このプラズマの発光強度は光電変換素子１１４で受光され、光電変換素子１１４からは光電変換された発光信号が信号処理回路１１５に送られる。一方、サンプリング信号発生回路１１８からは制御回路１１０から出力されたパルス信号の周期（プラズマ処理室内への反応ガスの導入周期）よりも短い周期でこのパルス信号に同期した一定周期のサンプリング信号が信号処理回路１１５に送られており、プラズマの発生時点と同位相で光電変換素子１１４の発光信号のサンプリングが行われる。
したがって、信号処理回路１１５からはプラズマの発生時点と同位相でサンプリングされたプラズマの発光強度を示すサンプル信号が出力され、終点判定回路１１７に送られる。
【００２５】
終点判定回路１１７では、プラズマの発光強度の時間変化を観測していき、変化点でのプラズマの発光強度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。そして終点が検出されると、図示しない高周波電源制御装置により、高周波電源の出力を停止する。
【００２６】
この場合のプラズマの発光強度の時間変化を示すモニタ波形は図示しないが、サンプリングにより抽出した状態では、プラズマの発生時点と同位相であり多少位相が異なるが、略図２のＢのような脈動の波形となる。移動平均処理されたデータもパルス信号の周期に同期させる必要があるから、サンプリングにより抽出した発光強度のデータを図４に示すように制御回路１１０から出力されたパルス信号の周期の整数倍の一定時間Ａ毎に順次演算して平均化して移動平均処理する。そして、この移動平均処理をサンプリング信号の周期で（発光信号を抽出する都度）繰り返して移動平均処理されたデータの周期をサンプリング信号の周期にすることで、きめこまかいモニタ波形が得られる。
この場合、プラズマの発光強度を常に同位相でサンプリングするから、移動平均処理するデータの個数が少なく限定された条件でも演算結果のデータ（移動平均のデータ）にバラツキは殆ど生じないので、移動平均化されたモニタ波形は、図２のＡに示すように脈動のない滑らかな波形が得られる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に説明したように本発明によれば、サンプリング信号とプラズマの発生時点の位相を合わせることにより、プラズマの発光強度の変化を示すモニタ波形のバラツキは小さくなり、略正確な終点検出ができる。
この場合サンプリングされるデータの個数が少なく限定された条件でモニタ波形のデータを移動平均処理した場合に、演算結果のデータ（移動平均のデータ）にバラツキは殆ど生じないので、移動平均化されたモニタ波形は脈動のない滑らかな波形が得られ、正確な終点検出ができ、エッチング不良やオーバエッチングなど製品の致命的な欠陥を防止できる。
【００２８】
そして、モニタ波形のデータを移動平均化する処理を発光信号を抽出する都度繰り返し、平均化した演算データは発光信号を抽出するサンプリング信号の周期とすることで演算データが形成する移動平均化された波形は、滑らかな波形とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の構造を示す全体図である。
【図２】図１及び図５におけるプラズマの発光強度の時間変化を示すモニタ波形図である。
【図３】（ａ）は図１におけるパルス信号の波形図である。
（ｂ）は図１におけるサンプリング信号の波形図である。
【図４】本発明に係る移動平均処理を説明するためのサンプリング信号の波形図である。
【図５】従来のプラズマ処理装置の全体図である。
【符号の説明】
１００…プラズマ処理装置、１０１…載置テーブル、１０２…処理室、１０３…プラズマ発生室、１０４ａ，１０４ｂ…高周波電源、１０５…誘導コイル、１０６…排気管通路、１０７…多孔グリッド、１０８…反応ガスの供給管、１０９…バルブ、１１０…制御回路、１１１…窓、１１２…光ファイバ、１１３…分光器、１１４…光電変換素子、１１５…信号処理回路、１１６，１１８…サンプリング信号発生回路、１１７…終点判定回路、Ｗ…被処理基板、Ｗ１…シリコンウエーハ。

Claims

プラズマ処理室内に反応ガスを間欠的に導入し、プラズマによって被処理基板をエッチング処理し、前記プラズマ処理室内のプラズマの所定波長の発光強度を信号として取出し、この発光信号の変化からエッチング処理の終点を検出する方法であって、この取出した発光信号を前記プラズマ処理室内への反応ガスの導入パルス周期よりも短いサンプリング周期で前記導入パルス周期に同期させて断続的に抽出し、この抽出した発光信号の強度の変化を示すデータを前記導入パルス周期の整数倍の一定時間毎に順次演算して平均化して移動平均処理し、この移動平均処理をサンプリング信号の周期で繰り返すことで得られた波形に基づいて発光強度の時間変化を観察し、変化点での発光強度を予め設定していた閾値と比較することでエッチングの終点を検出することを特徴とするプラズマエッチング処理の終点検出方法。