JP4041579B2 - End point detection method of plasma processing and semiconductor device manufacturing method using the same - 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その装置並びにそれを用いた半導体デバイスの製造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】
エッチング装置を始めとして、プラズマを用いた処理が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14に示す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。高周波電源5の電源周波数は例えば、400kHz程度である。
【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14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器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、プラズマ励起用高周波電源よりも十分低い100〜数kHz程度の帯域を有するアンプ12で増幅された後、終点判定ユニット13に送られる。
【0005】
終点判定ユニット13では、図15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。この方法では、アンプ12の帯域がプラズマ励起周波数よりも十分低いため、プラズマ発光の直流成分を検出していることになる。
【0006】
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、CF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。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前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する傾向にある。その結果、図15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、レジスト物質や処理室1内の石英部材のエッチングに伴う反応生成物の発生等の背景雑音や、プラズマの揺らぎ等の1/f雑音の影響が相対的に大きくなり、終点位置の判定が困難になる。
【0008】
これらの課題を解決するため、例えば、特開昭59−61036号公報に示されるように、2つの発光信号を使ってその比を計算することにより、終点時の信号の振幅を向上させる方法や、特開平6−229827号公報に示されるように、1/f雑音の影響を低減するために、プラズマ発光の直流成分を検出するのではなく、プラズマ発光をチョッパで変調し、変調用信号を参照信号として、あるいは、チョッパを使用せずプラズマ生成用のRF信号を参照信号として、ロックインアンプで復調する方法が提案されている。
【0009】
また、発光信号の中から単にチョッピング周波数成分だけを取り出すのではなく、特開平9−115883号公報に示されるように、エッチング反応に同期した成分だけを選択的に取り出すことにより、終点時の信号変化を顕在化する方法も提案されている。この方法によれば、微細パターンでのエッチング終点検出精度の向上が期待できる。しかし、256MbitDRAM、さらには1GbitDRAMへと高集積化が進む半導体の分野においては、回路パターンの微細化はとどまるところを知らず、特にコンタクトホールのエッチングでは、ウェハ総面積に対する被エッチング部の面積は0.5%以下になろうとしている。このようなより微細なパターンのエッチングにおいては、前記の方法を用いたとしても、高精度な終点検出は困難である。
【0010】
一方、エッチング装置本体においても、エッチング反応に伴って処理室の窓に反応生成物等が堆積し、窓の透過率が低下して検出光量が低下し、終点検出がさらに困難になるという課題が生じている。
【0011】
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、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する方法及びその装置、並びにそれを用いた半導体製造方法及びその装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する方法において、被処理基板を処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出し、この検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出し、この抽出した信号成分の強度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。
【0013】
そして、プラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分は、プラズマを発生させるプラズマ励起用高周波電源の高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【0014】
また、プラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分は、被処理基板を載置する載置台に印加する高周波電力の電源の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【0015】
また、検出する処理中のプラズマの発光の所定の波長の光は、プラズマによる処理によって生じる反応生成物の発光信号であるようにした。
【0016】
また、検出する処理中のプラズマの発光の所定の波長の光は、プラズマによる処理に使用される反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であるようにした。
【0017】
更に、本発明は、プラズマを用いて被処理基板を処理する方法において、被処理基板を処理中のプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、この発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度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。
【0018】
そして、所定の周期で抽出することを、プラズマを発生させる高周波電源の高周波の周波数、若しくはその整数倍の周期で行うようにした。
【0019】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、プラズマにより前記被処理基板を処理し、処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出し、この検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出し、この抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【0020】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【0021】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、プラズマにより被処理基板を処理し、処理中のプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【0022】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【0023】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマにより被処理基板を処理し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度を被処理基板の上方の複数の箇所において検出し、この検出した複数の箇所における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【0024】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【0025】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマにより前記被処理基板を処理し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度を検出し、予め設定した時間が経過したときの所定の波長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定し、この判定したプラズマによる処理の状態を予め設定されたデータと比較し、この比較により判定したプラズマによる処理の状態が予め設定されたデータと異なるときには異常信号を発信するようにした。
【0026】
そして、プラズマによる被処理基板の処理を、予め設定した時間が経過したときに終了させるようにした。
【0027】
更に、上記目的を達成するために、本発明は、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する装置を、被処理基板を処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出する検出手段と、この検出手段で検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した信号成分の強度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検出手段とを備えて構成した。
【0028】
そして、抽出手段で信号成分を抽出する所定の周期は、プラズマ発生手段に印加する高周波電力の高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【0029】
また、被処理基板を載置する載置台は、高周波電源に接続されており、抽出手段で信号成分を抽出する所定の周期が、載置台に接続された高周波電源の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【0030】
また、発光検出手段は、プラズマ処理によって生じる反応生成物の発光を検出するようにした。
【0031】
また、発光検出手段は、ガス導入部から導入されたガスもしくはプラズマ処理により発生する中間生成物の発光を検出するようにした。
【0032】
また、発光検出手段は、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ようにした。
【0033】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の所定の波長の光を検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる被処理基板の処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した信号成分の強度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終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【0034】
そして、プラズマによる被処理基板の処理が、プラズマエッチング処理であるようにした。
【0035】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度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終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【0036】
そして、プラズマによる前記被処理基板の処理が、プラズマエッチング処理であるようにした。
【0037】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの所定の波長の光の発光強度を被処理基板の上方の複数の箇所において検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した複数の箇所における所定の波長の光の発光強度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終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【0038】
そして、終点検出手段によるプラズマによる処理の終点を検出を、所定の波長の光の発光強度を所定の周期で抽出して、この抽出した所定の周期における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいて行うようにした。
【0039】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の所定の波長の光の発光強度を検出する発光検出手段と、予め設定した時間が経過したときの所定の波長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定する判定手段と、この判定手段で判定したプラズマによる処理の状態を予め設定されたデータと比較する比較手段と、この比較手段での比較により判定手段で判定したプラズマによる処理の状態が予め設定されたデータと異なるときには異常信号を発信する発信手段とを備えて構成した。
【0040】
そして、プラズマによる前記被処理基板の処理を、予め設定した時間が経過したときに終了させる制御手段を更に備えて構成した。
【0041】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図1〜図13に基づいて説明する。
【0042】
まず、本発明の第1の実施例を図1〜図8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装置とエッチング終点検出装置を示すものである。エッチング終点検出装置は、発光検出光学系101、信号処理・判定・制御系201から成る。
【0043】
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37からの高周波信号によりパワーアンプ38の出力電圧を変調し、この高周波電圧を分配器39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。
【0044】
発光検出光学系101では、プラズマからの発光31を石英窓30を通して石英レンズ32により石英光ファイバ50の入射端75に結像させる。プラズマ発光領域中でウェハ4上のある一点74と石英光ファイバ50の入射端75とが結像関係にある。
【0045】
図2に示すように、石英光ファイバ50の入射端75には、石英窓30から観測されるプラズマ発光分布に対応させて長方形の断面形状から成るファイバ束76が受光部として形成されている。このファイバ束76は、図3に示すように、中央部77と周辺部78a、78bの2つの領域に分割されており、中央部77は図1中のファイバ51に、周辺部78a、78bはファイバ52に各々つながっている。
【0046】
ファイバ51はモノクロメータ53に、またファイバ52はモノクロメータ58に各々接続され、特定の活性種の発光スペクトル成分が選択的に取り出され、ホトマル等の光電変換素子54及び59で光電変換される。 CF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、モノクロメータ53では反応生成物であるCOからの発光スペクトル、すなわち219nmまたは483.5nmの波長成分を検出し、モノクロメータ58では中間生成物であるCFからの発光スペクトル、すなわち260nmの波長成分を検出する。もちろん、モノクロメータでなく干渉フィルタを使用することも可能である。また、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。
【0047】
光電変換素子54で光電変換された波長219nmのCO成分の発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十分広い2MHz程度の帯域を有するアンプ55により増幅され、信号処理回路56に送られる。図4(a)に、エッチング最中の発光波形70aを示す。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。400kHz周期の高いピークの繰り返しに対し、同じく400kHzで位相が180°ずれた振幅の低いピークの繰り返しが存在するのは、上部及び下部電極へ印加される高周波電圧の極性が互いに丁度180°ずれていることに起因するものである。
【0048】
図4(b)は、シリコン酸化膜が完全にエッチングされた、すなわち終点に達した直後でのCO成分の発光波形70bである。反応生成物の発生量の低下と同期して図4(a)における高いピークの振幅が大きく減衰しているのに対し、低いピークの振幅はほとんど変化しないことが判る。つまり、エッチング反応生成物であるCO成分の発光波形には、同じ400kHz成分であっても、エッチング終点時に大きく減衰する成分とほとんど変化しない成分が混在していることが判る。従って、単純にロックインアンプを用いたのでは、この大きく変化する成分だけを選択的に取り出すことはできない。
【0049】
そこで、本実施例では、図1に示すように、サンプリング信号発生回路69において、シグナルジェネレータ37からの400kHzの高周波信号に基づき、図4(c)に示すようにパルス幅Δt、周波数400kHzの矩形波関数から成るサンプリング信号72を発生する。このサンプリング信号72は図1中の位相シフタ65により、発光波形に応じて所望の量だけ位相が調整された後、信号処理回路56に送られる。位相の調整法は、例えばアンプ55からの発光信号70をオシロスコープ63で観測し、図4(a)(b)(c)に示すように、終点時に大きく変化する高いピーク成分をサンプリングするように、サンプリング信号72の位相を調整する。
【0050】
図1中のオシロスコープ63から位相シフタ65へ向かうライン64は、波形を観測しながらサンプリング信号72の位相を調整する行為を示している。図中63はオシロスコープに限定されるものではなく、発光波形70aから選択すべき発光成分の位相を検出する様々な手段を含む。例えば、2値化回路等で高いピークのみを検出してピークの位相を求める手段であってもよいし、シグナルジェネレータ37からの高周波信号の正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、400kHz周期の低いほうのピークを捉えることも可能である。
【0051】
いずれにせよ、位相シフト量は、処理室内圧力、エッチングガス等のプロセス条件に応じて、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大とな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されることが望ましい。また、パルス幅Δtも、同様に終点時の振幅変化が最大となる時間幅に設定されることが望ましい。信号処理回路56では、アンプ55からの発光信号70に対しサンプリング信号72が乗算され、パルス幅Δtに対応した区間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化する高いピークが選択的に検出され、出力される。
【0052】
信号処理回路56からの出力信号は帯域100Hz程度のローパスフィルタ57に送られ、図6に実線で示す発光信号80が得られる。信号強度が急激に減衰する時間tEがエッチングの終点に対応する。尚、破線79は、従来の直流成分検出法による発光信号である。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほうが、エッチング終点時の信号変化が約2倍大きいことが判る。
【0053】
この方法によれば、微細パターンでのエッチング終点検出精度の向上が期待できる。しかし、256MbitDRAM、さらには1GbitDRAMへと高集積化が進む半導体の分野においては、パターンの微細化はとどまるところを知らず、特にコンタクトホールのエッチングでは、ウェハ総面積に対する被エッチング部の面積は0.5%以下になろうとしている。このようなより微細なパターンのエッチングにおいては、前記の方法を用いたとしても、高精度な終点検出が困難な場合が生じる恐れがある。
【0054】
そこで、本実施例では、本発明の大きな特徴として、反応生成物COだけでなく、図1に示すモノクロメータ58で検出された中間生成物CFからの発光スペクトル、すなわち260nmの波長成分に対しても前記と同様の信号処理を施し、2つの発光信号を組み合わせることにより、より微細なパターンに対しても高精度な終点検出を実現する。
【0055】
光電変換素子59で光電変換された波長260nmのCF成分の発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十広い2MHz程度の帯域を有するアンプ60により増幅され、信号処理回路61に送られる。図5(a)に、エッチング最中の発光波形71aを示す。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。400kHz周期のピークの繰り返しに対し、同じく400kHzで位相が180°ずれたやや振幅の低いピークの繰り返しが存在するのは、CO成分の場合と同様、上部及び下部電極へ印加される高周波電圧の極性が互いに丁度180°ずれていることに起因するものである。
【0056】
図5(b)は、シリコン酸化膜が完全にエッチングされた、すなわち終点に達した直後でのCF成分の発光波形71bである。エッチングの終了に伴い中間生成物CFの消費量が低下し、図5(a)におけるやや高いピークの振幅が大きく増加しているのに対し、低いピークの振幅はほとんど変化しないことが判る。つまり、エッチングの中間生成物であるCF成分の発光波形には、同じ400kHz成分であっても、エッチング終点時に大きく増加する成分とほとんど変化しない成分が混在していることが判る。CO成分の場合と同様、単純にロックインアンプを用いたのでは、この大きく変化する成分だけを選択的に取り出すことはできない。
【0057】
そこで、CO成分の場合と同様、図1に示すように、サンプリング信号発生回路69において、シグナルジェネレータ37からの400kHzの高周波信号に基づき、図5(c)に示すようにパルス幅Δt、周波数400kHzの矩形波関数から成るサンプリング信号73を発生する。このサンプリング信号73は図1中の位相シフタ68により、発光波形に応じて所望の量だけ位相が調整された後、信号処理回路61に送られる。位相の調整法は、 CO成分の場合と同様、例えばアンプ60からの発光信号71をオシロスコープ66で観測し、図5(a)(b)(c)に示すように、終点時に大きく変化する高いピーク成分をサンプリングするように、サンプリング信号73の位相を調整する。
【0058】
図1中のオシロスコープ66から位相シフタ68へ向かうライン67は、波形を観測しながらサンプリング信号73の位相を調整する行為を示している。図中68はオシロスコープに限定されるものではなく、発光波形71aから選択すべき発光成分の位相を検出する様々な手段を含む。例えば、2値化回路等で高いピークのみを検出してピークの位相を求める手段であってもよいし、シグナルジェネレータ37からの高周波信号の正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、400kHz周期の低いほうのピークを捉えることも可能である。
【0059】
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、すなわち、終点時の振幅変化が最大とな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されることが望ましい。また、パルス幅Δtも、同様に終点時の振幅変化が最大となる時間幅に設定されることが望ましい。信号処理回路61では、アンプ60からの発光信号71に対しサンプリング信号73が乗算され、パルス幅Δtに対応した区間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化する高いピークが選択的に検出され、出力される。
【0060】
信号処理回路61からの出力信号は帯域100Hz程度のローパスフィルタ62に送られ、図7に実線で示す発光信号82が得られる。信号強度が急激に増加する時間tEがエッチング終点に対応する。尚、破線81は、従来の直流成分検出法による発光信号である。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほうが、エッチング終点時の信号変化が約2倍大きいことが判る。
【0061】
ローパスフィルタ57及び62から出力される反応生成物CO及び中間生成物CFの各発光信号は終点判定回路74に送られ、両信号間で除算処理(CO発光信号/ CF発光信号)、あるいは減算処理(CO発光信号−CF発光信号)等が行われ、終点時の信号変化が強調される。図8に、CO発光信号80(図6)をCF発光信号82(図7)で除して得られた信号波形84を示す。破線83は従来の直流成分検出法で得られた2つの発光信号(図6の破線79及び図7の破線81)同士の除算結果である。図6のCO発光信号80単独の場合に比べ、終点時の信号変化が大きくなっていることが判る。
【0062】
さらに、同じ2つの波長で得られた発光信号間の演算処理であっても、本実施例の信号処理を用いるほうが、従来の直流成分検出法に比べ、エッチング終点時の信号変化が約2倍大きいことが判る。また、プラズマ自身の揺らぎや突発的な変動の影響は両発光信号に同じように現れるので、前記演算処理によりこれを相殺できる。2つの発光信号を使ってプラズマの揺らぎや変動を相殺する効果は、本実施例の信号処理を用いるほうが、従来の直流成分検出法に比べその効果が大きいことが実験的に確認されている。これも、本発明の大きな特徴の一つである。
【0063】
終点判定回路74では、信号変化点での信号強度やその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、エッチング終点位置が正確に決定される。例えば、図8に示すように、発光強度が閾値IE以下になった時間tEを終点と判定する。閾値IE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74cに基づきパワーアンプ38の出力を停止する。
【0064】
本実施例の場合、反応生成物あるいは中間生成物等の発光はプラズマ励起用高周波電力に同期しているが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分とほとんど変化しない成分が混在している。従来の直流成分検出法では、この終点時に変化しない成分をも検出していた。本実施例では、プラズマ励起用高周波電力と同期した成分の中から、さらにエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出すことにより、不要成分を除去し終点時の信号変化を拡大している。その結果、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる1/f雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパターンでのエッチングの進行を正確に捉えることが可能になり、高精度な終点検出が可能になる。
【0065】
さらに、反応生成物だけでなく、中間生成物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号変化のさらなる拡大とSN比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。その結果、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、ダメージが低減する。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。
【0066】
また、パターン開口率が0.5%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。
【0067】
また、反応生成物等の堆積による窓の光透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とSN比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【0068】
また、窓の光透過率低下を防止する手段を設ければ、本発明によるエッチングの終点検出方法は、更に長時間にわたって、安定に検出することができる。ここで、窓の光透過率低下を防止する手段としては、エッチング処理中に、窓の内側(処理室側)の表面近傍に、ガスを吹き付ける方法や、窓の内側に透明フィルムを貼り付けて、光の透過率が低下したらフィルムを取り替える方法、処理室内で窓の近くにオリフィスを設けて、このオリフィスを通してプラズマの発行を検出する方法などが挙げられる。
また、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。
【0069】
本発明の第2の実施例を図9に基づいて説明する。発光検出光学系101と信号処理・判定・制御系202の基本構成及び機能は第1の実施例とほぼ等しい。第1の実施例のエッチング装置は、プラズマ励起用高周波電源とイオン加速用高周波電源が共用され同一周波数となっている平行平板形プラズマエッチング装置であったが、本実施例のエッチング装置は2周波電源方式と呼ばれているものであり、両者が別電源、別周波数となっている点が異なる。上部電極2には、プラズマ励起用高周波電源85から周波数27.12MHzの高周波電力が、下部電極3には、イオン加速用高周波電源86から周波数800kHzの高周波電力が各々印加されている。エッチング反応は主として下部電極3に印加されている800kHzの高周波電力に同期して進行する。
【0070】
発光検出光学系101では、第1の実施例と同様、プラズマからの発光31を石英窓30を通して石英レンズ32により結像し、石英光ファイバ50により信号処理・判定・制御系202に導く。信号処理・判定・制御系202では、やはり第1の実施例と同様、モノクロメータ53により反応生成物COの発光スペクトル、219nmまたは483.5nmの波長成分が、モノクロメータ58により中間生成物CFの発光スペクトル、260nmの波長成分が各々検出され、光電変換素子54、59で光電変換される。
【0071】
サンプリング信号発生回路69では、イオン加速用高周波電源86から分岐して取り出した周波数800kHzの高周波信号に基づき、図4(c)、図5(c)に示すと同様のパルス幅Δt、周波数800kHzの矩形波関数から成るサンプリング信号72、73を発生する。以降の信号処理は、第1の実施例と全く同一であり、信号処理回路56、61にて、サンプリング信号72、73に基づき、反応生成物COの発光信号及び中間生成物CFの発光信号の中から、エッチング反応を反映し終点時に大きく変化する振幅成分だけが選択的に取り出される。
【0072】
ローパスフィルタ57、62通過後の発光信号は、図6及び図7に示すと同様であり、従来の直流成分検出法に比べ、終点時の信号変化が拡大している。さらに、終点判定回路87にて両信号に対する除算処理等を実行することにより、図8に示すと同様、終点時の信号変化がさらに拡大された発光信号が得られる。
【0073】
終点判定回路87では、信号変化点での信号強度やその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、エッチング終点位置が正確に決定される。終点が検出されると、制御信号87cが図示しないエッチング装置の制御回路に送られ、これに基づき高周波電源85及び86の出力が停止されエッチングを終了する。
【0074】
本実施例の場合、反応生成物あるいは中間生成物等の発光はイオン加速用高周波電力に同期しているが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分とほとんど変化しない成分が混在している。本実施例では、イオン加速用高周波電力と同期した成分の中から、さらにエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出すことにより、不要成分を除去し終点時の信号変化を拡大している。その結果、第1の実施例と同様、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる1/f雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパターンでのエッチングの進行を正確に捉えることが可能になり、高精度な終点検出が可能になる。
【0075】
さらに、反応生成物だけでなく、中間生成物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号変化のさらなる拡大とSN比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。その結果、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、ダメージが低減する。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。
【0076】
また、パターン開口率が0.5%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。
【0077】
また、反応生成物等の堆積による窓の透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とSN比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【0078】
また、第1の実施例と同様、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。
【0079】
本発明の第3の実施例を図10に基づいて説明する。エッチング装置は、第2の実施例と同様、平行平板形プラズマエッチング装置であり、上部電極2には、プラズマ励起用高周波電源85から周波数27.12MHzの高周波電力が、下部電極3には、イオン加速用高周波電源86から周波数800kHzの高周波電力が各々印加されている。エッチング反応は主として下部電極3に印加されている800kHzの高周波電力に同期して進行する。
【0080】
第1及び第2の実施例において、発光検出光学系はウェハ上のある1点を結像する構成となっていたが、本実施例の発光検出光学系102では、プラズマからの発光20をガルバノミラー23等の走査形ミラーで反射させた後、石英レンズ24により石英光ファイバ50の入射端25に結像させる。プラズマ発光領域中でウェハ4上のある一点21と石英光ファイバ50の入射端25とが結像関係にある。ガルバノミラー23を駆動系22により高速に回転走査することにより、ウェハ4上の複数点(黒丸)からの発光を石英光ファイバ50の入射端25上に逐次結像させることができる。
【0081】
すなわち、ウェハ上の複数点での発光をほぼ同時に検出することが可能となる。発光検出光学系102と信号処理・判定・制御系203の構成、機能は、ガルバノミラー23の駆動制御と、時系列的に得られる各点での発光信号の並べ替え制御が付加された点を除き、第2の実施例と同等である。石英光ファイバ50で検出された発光は信号処理・判定・制御系203において、第1及び第2の実施例と同様の信号処理を施され、最終的に、終点判定・制御回路88にて、ガルバノミラー23の駆動と同期して、ウェハ上の各点でのエッチング終点が検出される。例えば、最も遅い終点が検出された時点で、制御信号88cに基づき高周波電源85及び86の出力が停止される。
【0082】
本実施例によれば、第1及び第2の実施例と同様の効果が得られるだけでなく、ウェハ上の任意の1点もしくは複数点でのプラズマ発光をほぼ同時に計測し、その中から、エッチング反応をより正確に反映した位置での検出信号を選択し、終点判定を実行することにより、微小開口パターンでの終点判定精度が向上する。その結果、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、ダメージが低減する。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。また、各点での発光信号強度のばらつきや終点時間のばらつきから、プラズマ密度の面内ばらつき、被加工膜厚ばらつき、エッチングレートばらつき等の診断とその結果に基づく装置へのフィードバックが可能である。
【0083】
本発明の第4の実施例を図11に基づいて説明する。エッチング装置は、第1の実施例と同様、平行平板形プラズマエッチング装置であり、プラズマ励起用高周波電源とイオン加速用高周波電源は共用され、周波数は400kHzである。発光検出光学系101の構成と機能は第1の実施例と全く同じであり、また信号処理・判定・制御系204も、石英光ファイバ50から終点判定回路89までの構成と機能は第1の実施例と全く同じであるので、説明を省略する。
【0084】
本実施例では、第1〜第3の実施例のように検出されたエッチング終点に基づいて高周波電源(パワーアンプ)の出力を停止するのではなく、終点時間は被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチングレート等のプロセス条件及び装置条件から予め設定しておく。本実施例では、実測されたエッチング終点と設定されたエッチング時間との差を常時観測することによる、ウェハごとのオーバーエッチング時間の管理と、膜厚、エッチングレート等の異常の検出を目的とする。このため、本実施例の信号処理・判定・制御系204は、第1の信号処理・判定・制御系201に、終点制御ユニット91及び終点管理ユニット93が付加された構成となっている。
【0085】
以下、詳細を説明する。終点制御ユニット91は、被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチングレート等のプロセス・装置条件92に基づき、エッチング時間tEPを設定し、パワーアンプ38に制御信号91cを送って高周波電力を出力させ、エッチングを開始する。同時に設定したエッチング時間情報92aを終点管理ユニット93に送る。設定されたエッチング時間が来ると、制御信号91cに基づきパワーアンプ38の出力を停止する。終点判定回路89では、図12に示すように、各ウェハごとに検出された発光信号96〜99から終点ta、tb、tcを各々求め、この終点時間情報90を終点管理ユニット93に送る。
【0086】
終点管理ユニット93では、各ウェハ単位、あるいはロット単位の被加工膜厚情報・エッチングレート情報94を参照して、図12に示すように、ウェハごとに設定エッチング時間tEPと実際のエッチング終点時間ta、tb、tcとを比較し、異常の有無を判定する。例えば、設定エッチング時間tEPに対し、ΔtEPをオーバーエッチング時間の許容限界とする。発光信号98の終点tcに対するオーバーエッチング時間Δtcは許容範囲に入っているが、発光信号96、97に対するオーバーエッチング時間Δta、Δtbは許容範囲を超えている。この場合には、終点管理ユニット93から異常が、例えば警報ランプの点滅や、警報ブザーによる警報音の発信、表示画面上への異常の表示、または、外部制御手段や外部装置へのアラーム信号の発信などが発報される。
【0087】
また、波形99は、設定エッチング時間tEP内で終点に至っていない。この場合も異常が発報される。波形96、97に対応するウェハはラインより排除されて、下地膜の状態がチェックされ、、また、波形99に対応するウェハは残膜測定後、追加エッチングを行う。
【0088】
終点管理ユニット93では、さらに、被加工膜厚情報・エッチングレート情報94に基づき、各ウェハあるいは各ロットごとに終点の予測値を求め、その予測値と実測値ta、tb、tcとを比較し、その差がある許容範囲を超えた場合には、突発的な膜厚異常、あるいはエッチレート異常が生じているとして、異常を発報する。
【0089】
本実施例によれば、第1及び第2の実施例と同様、微細なパターンのエッチングにおいて高精度な終点検出が可能となるため、ウェハごとのオーバーエッチング時間の管理と、膜厚、エッチングレート等の異常の検出が可能となる。その結果、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、ダメージが低減する。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。
【0090】
本発明の第5の実施例を図13に基づいて説明する。本実施例では、先に述べた4つの実施例に基づく発光検出光学系101〜102と信号処理・判定・制御系201〜204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13に示すように、まず、膜付け装置301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。
【0091】
膜厚測定装置302により、ウェハ上複数点での膜厚が測定された後、レジスト塗布装置303により、レジストが塗布される。露光装置304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305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306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や中間生成物の発光スペクトルは発光検出光学系101〜102で検出され、信号処理・判定・制御系201〜204で発光信号からエッチング終点が検出されると、制御信号200cに基づきエッチング装置306の高周波電源の出力を停止する。エッチング終了後の半導体ウェハはアッシング装置307に送られ、レジストが除去された後、洗浄装置308により洗浄される。
【0092】
本実施例によれば、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101〜102と信号処理・判定・制御系201〜204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、ダメージが低減する。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。
【0093】
また、パターン開口率が0.5%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ング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。
【0094】
さらに、第4の実施例と本実施例とを組み合わせ、図12に示す検出波形と終点時間の変動を観測することにより、膜厚ばらつきの増加、エッチングレートの変動、あるいはエッチング条件の誤設定、さらには、露光・現像工程での露光過不足、現像過不足等を検知することが可能となる。その結果、膜付け装置301、エッチング装置306、露光装置304、現像装置305の不具合を早期に発見することができ、それぞれに対し、図13中のライン311、312、313、314に示すように、早期に対策をすることが可能となるため、不良製品の発生防止と歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【0095】
尚、以上の実施例では、プラズマ励起用高周波電力は400kHz、あるいは27.12MHzとし、イオン加速用高周波電力は400kHz、あるいは800kHzとしたが、本発明はこれらの周波数に限定されるものではなく、周期的なプラズマ発光が観測されうる帯域の周波数であれば、13.56MHz等他の周波数に対しても適用可能であるし、また、検出の際は、これらの周波数と同期した成分だけでなく、その整数倍の成分を検出することも可能である。
【0096】
また、以上の実施例では、2つの波長は219nmと260nmとしたが、これらの波長は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に変化の現れる波長であれば、いかなる波長も適用可能である。
【0097】
また、以上の実施例では、反応生成物と中間生成物に対応した2つの波長の発光信号から終点を検出しているが、本発明は2波長に限定されるものではなく、3つ以上の波長に対しても適用可能である。また、終点時に十分な信号変化が検出される場合は1波長のみであってもかまわない。
【0098】
また、以上の実施例では、2つの波長の発光信号の両者に対してエッチング反応を反映した成分を取り出す信号処理を施したが、どちらか一方のみに信号処理を施し、他方は従来の直流成分検出法を適用することも可能である。
【0099】
また、以上の実施例では、酸化膜エッチングを例にとり説明したが、本発明はアルミニウム等の金属やポリシリコン、シリコンナイトライド(Si3N4)等のエッチングに対しても適用可能である。
また、以上の実施例では、発光信号からエッチング反応が反映された成分だけを選択的に取り出す方法として、矩形波関数のサンプリング信号を用いたが、これに限定されるものでなく、コム関数(インパルス列)から成るサンプリング信号を用いることも可能である。また、ハイパスフィルタ等により発光信号から直流成分を除去した後、発光信号の変調成分の振幅のみ(交流成分)をサンプリングすることも可能である。
【0100】
また、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、各種のエッチング装置、例えばECRエッチング装置、あるいは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。
【0101】
更に、前記実施例では、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、本発明はエッチング処理の終点検出あるいはプラズマ発光計測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、例えばスパッタ処理装置やプラズマCVD装置の終点検出あるいはプラズマ発光計測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、半導体レーザ素子等、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。
【0102】
【発明の効果】
本発明によれば、反応生成物や中間生成物等の複数の発光信号から、エッチング反応を強く反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出し、複数の信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、不要成分を除去し、終点時の信号変化を大幅に拡大できる。その結果、従来法では困難であったより微細なパターンにおける終点時の微弱な信号変化を明瞭に捉えることが可能になり、高精度な終点判定が可能になる。
【0103】
また、本発明によれば、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる1/f雑音の影響が受けにくいだけでなく、SN比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現できるという効果を有する。
【0104】
さらに、本発明によれば、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になるという効果を有している。
【0105】
また、本発明によれば、パターン開口率が0.5%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。
【0106】
また、本発明によれば、反応生成物等の堆積による窓の透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とSN比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【0107】
また、発光検出光学系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。
【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装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図2】石英光ファイバの入射端の形状を示す図である。
【図3】石英光ファイバ束の断面形状を示す図である。
【図4】エッチング最中の波長219nmのCO成分の発光波形(a)と、終点に達した直後の発光波形(b)と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形(c)を示す図である。
【図5】エッチング最中の波長260nmのCF成分の発光波形(a)と、終点に達した直後の発光波形(b)と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形(c)を示す図である。
【図6】信号処理後(実線)と従来法(破線)のCO成分の発光信号を示す図である。
【図7】信号処理後(実線)と従来法(破線)のCF成分の発光信号を示す図である。
【図8】信号処理後(実線)のCO発光信号をCF発光信号で除して得られた信号波形と、従来法(破線)での信号波形を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図10】本発明の第3の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図11】本発明の第4の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図12】各ウェハごとに検出された発光信号を示す図である。
【図13】本発明の第5の実施例において、エッチング終点検出装置が導入された半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程を示す図である。
【図14】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15】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、85、86…高周波電源、6…プラズマ、7…窓、8、20、31…プラズマ発光、9、53、58…分光噐(モノクロメータ)、10…活性種発光成分、11、54、59…光電変換素子、12、55、60…アンプ、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、23…ガルバノミラー、24、32…石英レンズ、30…石英窓、37…シグナルジェネレータ、38…パワーアンプ、39…分配器、50…石英光ファイバ、56、61…信号処理回路、57、62…ローパスフィルタ、69…サンプリング信号発生回路、65、68…位相シフタ、76…ファイバ束、70… CO成分の発光波形、71… CF成分の発光波形、72、73…サンプリング信号、74、87、89…終点判定回路、80…信号処理後のCO成分の発光信号、82…信号処理後のCF成分の発光信号、84、96、97、98、99… CO発光信号/CF発光信号処理後の信号波形、88…終点判定・制御回路、91…終点制御ユニット、93…終点管理ユニット、101、102…発光検出光学系、201、202、203、204…信号処理・判定・制御系、301…膜付け装置、302…膜厚測定装置、303…レジスト塗布装置、304…露光装置、305…現像装置、306…エッチング装置、307…アッシング装置、308…洗浄装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing end point detection method and apparatus, and a semiconductor device manufacturing method and apparatus using the same, and in particular, a method suitable for processing a substrate with plasma generated in a processing chamber. And an apparatus for the same.
[0002]
[Prior art]
Starting with an etching apparatus, a process using plasma is widely applied to a semiconductor manufacturing process and a liquid crystal display substrate manufacturing process.
[0003]
The conventional technique will be described using the etching apparatus shown in FIG. 14 as an example. In this etching apparatus, a high voltage from a high-
[0004]
Conventionally, methods such as spectroscopic analysis and mass spectrometry have been used as methods for detecting the end point of etching. Among them, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-28252, spectroscopic analysis is simple and sensitive. Is widely used. Specifically, a specific active species is selected from active species such as radicals and ions such as an etching gas, its decomposition products, or reaction products, and the emission intensity of the emission spectrum of the selected active species is measured. . That is, in FIG. 14, light emission 8 from plasma is dispersed by a
[0005]
The end point determination unit 13 observes the temporal change 15 of the emission intensity as shown in FIG. 15, and presets the emission intensity at the change point, its primary differential value, secondary differential value, or the like. By comparing with the threshold value S, the etching end point position E is determined. When the end point is detected, the power supply control device 14 stops the output of the high
[0006]
The active species to be selected varies depending on the type of etching gas. For example, when a silicon oxide film is etched using a fluorocarbon-based etching gas such as CF, an emission spectrum from CO (219 nm or 483.5 nm) as a reaction product, or an intermediate product An emission spectrum (such as 260 nm) from a certain CF is measured.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
According to the prior art, the end point of etching can be obtained with a simple configuration. However, with the miniaturization of the semiconductor circuit pattern, the total area of the etched portion is reduced, and the absolute amount of the reaction product tends to decrease. As a result, as indicated by the alternate long and short dash line 16 in FIG. 15, the emission intensity itself decreases and the amount of change in the emission intensity at the end point position decreases significantly, resulting in etching of the resist material and the quartz member in the
[0008]
In order to solve these problems, for example, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-61036, a method for improving the amplitude of the signal at the end point by calculating the ratio using two emission signals, As disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-229827, in order to reduce the influence of 1 / f noise, instead of detecting the DC component of plasma emission, the plasma emission is modulated by a chopper, A method of demodulating with a lock-in amplifier using a reference signal or an RF signal for plasma generation without using a chopper as a reference signal has been proposed.
[0009]
Further, instead of simply extracting only the chopping frequency component from the light emission signal, only the component synchronized with the etching reaction is selectively extracted as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-115883, so that the signal at the end point is obtained. A method for realizing the change has also been proposed. According to this method, an improvement in the accuracy of detecting the etching end point in a fine pattern can be expected. However, in the field of semiconductors that are highly integrated into 256 Mbit DRAMs and further to 1 Gbit DRAMs, circuit pattern miniaturization is not limited. Particularly in contact hole etching, the area of an etched portion is 0. It is about to reach 5%. In the etching of such a finer pattern, it is difficult to detect the end point with high accuracy even if the above method is used.
[0010]
On the other hand, also in the etching apparatus main body, reaction products and the like are deposited on the window of the processing chamber with the etching reaction, the transmittance of the window decreases, the amount of detected light decreases, and the end point detection becomes more difficult. Has occurred.
[0011]
An object of the present invention is to detect the end point of processing of a substrate to be processed using plasma, which can always detect the end point of plasma processing stably and with high accuracy without being affected by the miniaturization of the pattern to be processed and disturbance. It is an object to provide a method and an apparatus thereof, and a semiconductor manufacturing method and an apparatus using the method.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in a method for detecting an end point of processing of a substrate to be processed using plasma, light having a predetermined wavelength of plasma emission during processing of the substrate to be processed is detected. A signal component that changes in accordance with the progress of processing by the plasma is extracted from the detected light emission signal of the predetermined wavelength at a predetermined cycle, and the end point of the processing by the plasma based on the change in intensity of the extracted signal component It was made to detect.
[0013]
The signal component that changes with the progress of the plasma processing is a component that is synchronized with the frequency of the high frequency power source for plasma excitation that generates plasma or an integral multiple thereof.
[0014]
In addition, the signal component that changes in accordance with the progress of the plasma processing is a component synchronized with the frequency of the power source of the high-frequency power applied to the mounting table on which the substrate to be processed is mounted, or an integral multiple thereof.
[0015]
Further, the light having a predetermined wavelength of the light emission of the plasma being detected is made to be a light emission signal of a reaction product generated by the plasma treatment.
[0016]
In addition, the light having a predetermined wavelength of the light emission of the plasma during the processing to be detected is made to be a light emission signal of a reaction gas or an intermediate product used for the plasma processing.
[0017]
Furthermore, the present invention relates to a method of processing a substrate to be processed using plasma, with light having a wavelength component whose emission intensity increases with processing from the light emission of plasma during processing of the substrate to be processed. Separates and detects light of a wavelength component whose emission intensity decreases, extracts light of a wavelength component whose emission intensity increases and light of a wavelength component whose emission intensity decreases, respectively, at a predetermined cycle, and extracts this The end point of the plasma treatment is detected based on the change in the intensity of the light of the wavelength component that increases the emission intensity and the light of the wavelength component that decreases the emission intensity.
[0018]
Then, extraction at a predetermined cycle is performed at a high frequency of a high frequency power source for generating plasma, or a cycle of an integral multiple thereof.
[0019]
In order to achieve the above object, according to the present invention, in a method for manufacturing a semiconductor device, plasma is generated inside a processing chamber in which a substrate to be processed is arranged, the substrate to be processed is processed by the plasma, The light of a predetermined wavelength of the light emission of the plasma is detected, and a signal component that changes in accordance with the progress of the processing by the plasma is extracted from the light emission signal of the light of the predetermined wavelength thus detected. The end point of the plasma processing is detected based on the change in the intensity of the signal component, and the processing of the target substrate is terminated based on the detected plasma processing end point.
[0020]
Then, the processing of the substrate to be processed by plasma is a plasma etching process.
[0021]
Further, the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, in which plasma is generated inside a processing chamber in which a substrate to be processed is arranged, the substrate to be processed is processed with plasma, and plasma emission during processing is accompanied by processing. The wavelength component light whose emission intensity increases and the wavelength component light whose emission intensity decreases with processing are detected separately, and the wavelength component light whose emission intensity increases and the wavelength component whose emission intensity decreases And the end point of the plasma processing is detected based on the change in intensity between the extracted wavelength component light that increases the emission intensity and the wavelength component light that decreases the emission intensity. Then, the processing of the substrate to be processed is completed based on the detected end point of the plasma processing.
[0022]
Then, the processing of the substrate to be processed by plasma is a plasma etching process.
[0023]
Further, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device, wherein plasma is generated inside a processing chamber in which a substrate to be processed is disposed, the substrate to be processed is processed by the plasma, and light having a predetermined wavelength of the plasma being processed is emitted. The emission intensity is detected at a plurality of locations above the substrate to be processed, and the end point of the plasma processing is detected based on the change in the emission intensity of light of a predetermined wavelength at the detected plurality of locations, and the detected plasma is used. The processing of the substrate to be processed is completed based on the end point of the processing.
[0024]
Then, the processing of the substrate to be processed by plasma is a plasma etching process.
[0025]
Further, the present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device, wherein plasma is generated inside a processing chamber in which a substrate to be processed is arranged, the substrate to be processed is processed by the plasma, and light having a predetermined wavelength of plasma being processed is processed. The emission intensity of the plasma is detected, the state of treatment with plasma is determined from the emission intensity of light of a predetermined wavelength when a preset time has elapsed, and the state of treatment with plasma thus determined is compared with preset data When the plasma processing state determined by this comparison is different from preset data, an abnormal signal is transmitted.
[0026]
Then, the processing of the substrate to be processed by plasma is terminated when a preset time has elapsed.
[0027]
Furthermore, in order to achieve the above object, the present invention provides an apparatus for detecting an end point of processing of a substrate to be processed using plasma, and detects light of a predetermined wavelength of plasma emission during processing of the substrate to be processed. A detecting means, an extracting means for extracting a signal component that changes in accordance with the progress of processing by the plasma from a light emission signal of a predetermined wavelength detected by the detecting means, and an extracting means that extracts the signal component Detecting means for detecting the end point of the plasma processing based on the change in the intensity of the signal component.
[0028]
The predetermined period for extracting the signal component by the extracting means is a component synchronized with the high frequency of the high frequency power applied to the plasma generating means or an integral multiple thereof.
[0029]
Further, the mounting table on which the substrate to be processed is mounted is connected to a high frequency power source, and the predetermined period for extracting the signal component by the extracting means is the frequency of the high frequency power source connected to the mounting table, or an integral multiple thereof. The components are synchronized.
[0030]
The light emission detecting means detects the light emission of the reaction product generated by the plasma treatment.
[0031]
Further, the light emission detecting means detects the light emission of the intermediate product generated by the gas introduced from the gas introduction part or the plasma treatment.
[0032]
Further, the light emission detecting means is constituted by an imaging optical system provided with a light receiving element in an imaging relationship with plasma.
[0033]
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor device manufacturing apparatus, a processing chamber means having a mounting table on which a substrate to be processed is mounted and a gas introducing unit, and a gas introduced by a gas introducing unit. Plasma generating means for generating plasma inside the processing chamber means into which the plasma is introduced, and light having a predetermined wavelength of plasma emission during processing of the substrate to be processed placed on the mounting table by the plasma generated by the plasma generating means A light emission detecting means for detecting a signal, and an extraction for extracting a signal component that changes in accordance with the progress of processing of the substrate to be processed by plasma from a light emission signal of light having a predetermined wavelength detected by the light emission detecting means at a predetermined cycle Means, an end point detecting means for detecting the end point of the plasma processing based on the change in intensity of the signal component extracted by the extracting means, and the end of the processing by the plasma detected by the end point detecting means. It was constructed and a control means for terminating the processing of the substrate based on.
[0034]
And the process of the to-be-processed substrate by plasma was made into the plasma etching process.
[0035]
Further, the present invention provides a semiconductor device manufacturing apparatus comprising: a processing chamber means having a mounting table on which a substrate to be processed is placed; and a gas introducing portion; and a processing chamber means having a gas introduced by the gas introducing portion. And a wavelength component whose emission intensity increases from the emission of the plasma during the processing of the substrate to be processed placed on the mounting table by the plasma generated by the plasma generation means. The light emission detecting means for separately detecting the light of the wavelength component and the light of the wavelength component for which the light emission intensity decreases with the processing, and the light of the wavelength component for which the light emission intensity detected by the light emission detecting means is increased and the light emission intensity are reduced. The extraction means for extracting the light of the wavelength component to be emitted at a predetermined period, and the change in intensity between the light of the wavelength component that increases the emission intensity and the light of the wavelength component that decreases the emission intensity extracted by the extraction means. And end detecting means for detecting the end point of the process by the plasma Zui was constructed and a control means for terminating the processing of the substrate based on the end point of the treatment by plasma detected by the endpoint detector.
[0036]
And the process of the said to-be-processed substrate by plasma was made to be a plasma etching process.
[0037]
Further, the present invention provides a semiconductor device manufacturing apparatus comprising: a processing chamber means having a mounting table on which a substrate to be processed is placed; and a gas introducing portion; and a processing chamber means having a gas introduced by the gas introducing portion. A plasma generating means for generating plasma, and a light emission intensity of light of a predetermined wavelength of the plasma above the substrate to be processed while processing the substrate to be processed placed on the mounting table by the plasma generated by the plasma generating means. Luminescence detection means for detecting at a plurality of locations, end point detection means for detecting the end point of processing by plasma based on the change in the emission intensity of light of a predetermined wavelength at the plurality of locations detected by the light emission detection means, and this endpoint And control means for terminating the processing of the substrate to be processed based on the end point of the plasma processing detected by the detecting means.
[0038]
Then, the end point of the plasma processing by the end point detecting means is detected, the light emission intensity of the light of a predetermined wavelength is extracted at a predetermined period, and the change of the light emission intensity of the light of the predetermined wavelength in the extracted predetermined period is detected. Based on that.
[0039]
Further, the present invention provides a semiconductor device manufacturing apparatus comprising: a processing chamber means having a mounting table on which a substrate to be processed is placed; and a gas introducing portion; and a processing chamber means having a gas introduced by the gas introducing portion. Plasma generating means for generating plasma in the plasma, and light emission detection for detecting light emission intensity of light having a predetermined wavelength of plasma emission during processing of the substrate to be processed placed on the mounting table by the plasma generated by the plasma generating means Means, determination means for determining the state of processing by plasma from the light emission intensity of light of a predetermined wavelength when a preset time has elapsed, and data for which the state of processing by plasma determined by this determination means is set in advance An abnormal signal is transmitted when the state of the plasma processing determined by the determination means by the comparison means by the comparison means differs from the preset data. Constructed by a transmitting means.
[0040]
The apparatus further includes control means for terminating the processing of the substrate to be processed by plasma when a preset time has elapsed.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0042]
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows an etching apparatus and an etching end point detection apparatus in the first embodiment. The etching end point detection apparatus includes a light emission detection
[0043]
In this embodiment, the etching apparatus is a parallel plate plasma etching apparatus. The output voltage of the
[0044]
In the light emission detection
[0045]
As shown in FIG. 2, a
[0046]
The
[0047]
The light emission signal of the CO component having a wavelength of 219 nm photoelectrically converted by the
[0048]
FIG. 4B shows a light emission waveform 70b of the CO component immediately after the silicon oxide film is completely etched, that is, when the end point is reached. It can be seen that the amplitude of the high peak in FIG. 4A is greatly attenuated in synchronization with the decrease in the amount of reaction product generated, whereas the amplitude of the low peak hardly changes. That is, it can be seen that the light emission waveform of the CO component, which is an etching reaction product, contains a component that greatly attenuates at the end of etching and a component that hardly changes even when the same 400 kHz component is present. Therefore, if a lock-in amplifier is simply used, only this greatly changing component cannot be selectively extracted.
[0049]
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, in the sampling
[0050]
A
[0051]
In any case, the phase shift amount is determined by sampling the emission waveform at the timing when the etching reaction is reflected most strongly, that is, when the amplitude change at the end point is maximized, depending on the process conditions such as the pressure in the processing chamber and the etching gas. It is desirable to set so that Similarly, the pulse width Δt is desirably set to a time width that maximizes the amplitude change at the end point. In the
[0052]
An output signal from the
[0053]
According to this method, an improvement in the accuracy of detecting the etching end point in a fine pattern can be expected. However, in the field of semiconductors that are highly integrated into 256 Mbit DRAMs, and further to 1 Gbit DRAMs, there is no limit to the miniaturization of patterns. Particularly in the etching of contact holes, the area of the etched portion with respect to the total area of the wafer is 0.5. It is about to become less than%. In the etching of such a finer pattern, there is a possibility that even when the above method is used, it is difficult to detect the end point with high accuracy.
[0054]
Therefore, in this embodiment, as a major feature of the present invention, not only the reaction product CO but also the emission spectrum from the intermediate product CF detected by the
[0055]
A light emission signal of a CF component having a wavelength of 260 nm photoelectrically converted by the
[0056]
FIG. 5B shows a light emission waveform 71b of the CF component immediately after the silicon oxide film is completely etched, that is, when the end point is reached. It can be seen that the consumption of the intermediate product CF decreases with the end of the etching, and the amplitude of the slightly higher peak in FIG. 5A greatly increases, whereas the amplitude of the lower peak hardly changes. That is, it can be seen that the light emission waveform of the CF component, which is an intermediate product of etching, includes a component that greatly increases at the end of etching and a component that hardly changes even when the same 400 kHz component is present. As in the case of the CO component, if the lock-in amplifier is simply used, only this greatly changing component cannot be selectively extracted.
[0057]
Therefore, as in the case of the CO component, as shown in FIG. 1, in the sampling
[0058]
A
[0059]
In any case, it is desirable that the phase shift amount is set so that the emission waveform is sampled at the timing when the etching reaction is reflected most strongly, that is, at the timing when the amplitude change at the end point is maximized. Similarly, the pulse width Δt is desirably set to a time width that maximizes the amplitude change at the end point. In the
[0060]
An output signal from the
[0061]
The light emission signals of the reaction product CO and intermediate product CF output from the low-
[0062]
Furthermore, even in the calculation processing between the emission signals obtained at the same two wavelengths, the signal change at the etching end point is about twice as much as that in the conventional DC component detection method when the signal processing of this embodiment is used. It turns out that it is big. In addition, the influence of fluctuations of the plasma itself and sudden fluctuations appear in both emission signals in the same way, and this can be offset by the arithmetic processing. It has been experimentally confirmed that the effect of canceling fluctuations and fluctuations of plasma using two light emission signals is larger when the signal processing of this embodiment is used than the conventional DC component detection method. This is also one of the major features of the present invention.
[0063]
In the end
[0064]
In the case of this embodiment, the light emission of the reaction product or intermediate product is synchronized with the high frequency power for plasma excitation, but the synchronized component reflects the etching reaction, that is, changes greatly at the end of etching. Ingredients and components that hardly change are mixed. In the conventional DC component detection method, a component that does not change at the end point is also detected. In this embodiment, by selectively extracting only the amplitude component that greatly changes at the etching end point from the components synchronized with the high frequency power for plasma excitation, unnecessary components are removed and the signal change at the end point is expanded. Yes. As a result, not only is it difficult to be affected by so-called 1 / f noise such as gradual fluctuations in plasma emission, but it is also possible to accurately grasp the progress of etching in a fine pattern, enabling highly accurate end point detection. Become.
[0065]
Furthermore, by extracting similar amplitude components not only for reaction products but also for intermediate products, and performing processing such as division and subtraction between both signals, the signal change at the end point is further expanded and the SN ratio is improved. Furthermore, it is possible to cancel out sudden fluctuations in plasma, and it is possible to detect the end point with a finer pattern, which was difficult with the conventional method. As a result, film remaining due to insufficient etching, shift of the base film due to overetching, and damage are reduced. As a result, defects caused by etching during the photolithography process can be reduced, and high-quality semiconductor elements can be manufactured.
[0066]
In addition, since it is difficult to detect the end point of etching of minute contact holes with a pattern aperture ratio of 0.5% or less, the etch rate and remaining film thickness are measured during etching, and the remaining etching is time-controlled. It is finished with. In this way, extra prior work is performed during the etching, and the throughput of the etching process has been reduced. However, according to the present embodiment, the end point can always be detected with high accuracy, so that such a prior work is unnecessary, the productivity of the etching process is improved, and the entire production line can be automated.
[0067]
In addition, even when the light transmittance of the window is lowered due to the deposition of reaction products or the like, there is an effect that the stable detection operation time is increased as compared with the conventional method by increasing the signal change at the end point and improving the SN ratio.
[0068]
Further, if a means for preventing a decrease in light transmittance of the window is provided, the etching end point detection method according to the present invention can detect stably for a longer time. Here, as a means to prevent the light transmittance of the window from decreasing, a method of blowing gas near the surface of the inside of the window (processing chamber side) during the etching process or a transparent film attached to the inside of the window A method of replacing the film when the light transmittance decreases, a method of providing an orifice near the window in the processing chamber, and a method of detecting plasma emission through the orifice, and the like.
Further, by configuring the light emission detection
[0069]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configurations and functions of the light emission detection
[0070]
In the light emission detection
[0071]
In the sampling
[0072]
The light emission signal after passing through the low-
[0073]
In the end
[0074]
In the case of the present embodiment, the light emission of the reaction product or intermediate product is synchronized with the high frequency power for ion acceleration, but some of the synchronized components reflect the etching reaction, that is, greatly change at the etching end point. Ingredients and components that hardly change are mixed. In this embodiment, by selectively extracting only the amplitude component that greatly changes at the etching end point from the components synchronized with the high frequency power for ion acceleration, unnecessary components are removed and the signal change at the end point is expanded. Yes. As a result, as in the first embodiment, not only is it less susceptible to so-called 1 / f noise such as gradual fluctuations in plasma emission, but it is also possible to accurately grasp the progress of etching in a fine pattern, High-precision end point detection is possible.
[0075]
Furthermore, by extracting similar amplitude components not only for reaction products but also for intermediate products, and performing processing such as division and subtraction between both signals, the signal change at the end point is further expanded and the SN ratio is improved. In addition, it is possible to cancel out sudden fluctuations in plasma, and it is possible to detect the end point with a finer pattern, which was difficult with the conventional method. As a result, film remaining due to insufficient etching, shift of the base film due to overetching, and damage are reduced. As a result, defects caused by etching during the photolithography process can be reduced, and high-quality semiconductor elements can be manufactured.
[0076]
In addition, since it is difficult to detect the end point of etching of minute contact holes with a pattern aperture ratio of 0.5% or less, the etch rate and remaining film thickness are measured during etching, and the remaining etching is time-controlled. It is finished with. In this way, extra prior work is performed during the etching, and the throughput of the etching process has been reduced. However, according to the present embodiment, the end point can always be detected with high accuracy, so that such a prior work is unnecessary, the productivity of the etching process is improved, and the entire production line can be automated.
[0077]
In addition, even when the transmittance of the window is lowered due to the deposition of reaction products or the like, there is an effect that the stable detection operation time is increased as compared with the conventional method by increasing the signal change at the end point and improving the SN ratio.
[0078]
Similarly to the first embodiment, by configuring the light emission detection
[0079]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As in the second embodiment, the etching apparatus is a parallel plate type plasma etching apparatus. The
[0080]
In the first and second embodiments, the light emission detection optical system is configured to form an image at a certain point on the wafer. However, in the light emission detection
[0081]
That is, light emission at a plurality of points on the wafer can be detected almost simultaneously. The configuration and function of the light emission detection
[0082]
According to this embodiment, not only the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained, but also plasma emission at any one point or a plurality of points on the wafer is measured almost simultaneously. By selecting a detection signal at a position that more accurately reflects the etching reaction and executing the end point determination, the end point determination accuracy in the minute opening pattern is improved. As a result, film remaining due to insufficient etching, shift of the base film due to overetching, and damage are reduced. As a result, defects caused by etching during the photolithography process can be reduced, and high-quality semiconductor elements can be manufactured. In addition, it is possible to diagnose the in-plane variation of plasma density, variation of film thickness to be processed, variation in etching rate, etc. from the variation in emission signal intensity at each point and variation in end point time, and feedback to the apparatus based on the results. .
[0083]
A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Similar to the first embodiment, the etching apparatus is a parallel plate type plasma etching apparatus, and the plasma excitation high frequency power source and the ion acceleration high frequency power source are shared, and the frequency is 400 kHz. The configuration and function of the light emission detection
[0084]
In this embodiment, the output of the high frequency power supply (power amplifier) is not stopped based on the detected etching end point as in the first to third embodiments, but the end point time is the film thickness to be processed, pressure, etching It is set in advance from process conditions such as gas and etching rate and apparatus conditions. The purpose of this embodiment is to manage over-etching time for each wafer and detect abnormalities such as film thickness and etching rate by constantly observing the difference between the measured etching end point and the set etching time. . Therefore, the signal processing / determination /
[0085]
Details will be described below. The end point control unit 91 sets the etching time tEP based on the process /
[0086]
In the end
[0087]
The
[0088]
Further, the end
[0089]
According to the present embodiment, as in the first and second embodiments, since it is possible to detect the end point with high accuracy in the etching of a fine pattern, it is possible to manage overetching time, film thickness, and etching rate for each wafer. And the like can be detected. As a result, film remaining due to insufficient etching, shift of the base film due to overetching, and damage are reduced. As a result, defects caused by etching during the photolithography process can be reduced, and high-quality semiconductor elements can be manufactured.
[0090]
A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, an etching end point detection apparatus comprising the light emission detection
[0091]
After the film
[0092]
According to the present embodiment, the etching end point detection apparatus comprising the light emission detection
[0093]
In addition, the etching of minute contact holes with a pattern aperture ratio of 0.5% or less is currently difficult to detect the end point. Therefore, the etching rate and the remaining film thickness are measured during the etching, and the remaining etching is time-controlled. It is finished with. In this way, extra prior work is performed during the etching, and the throughput of the etching process has been reduced. However, according to the present embodiment, the end point can always be detected with high accuracy, so that such a prior work is unnecessary, the productivity of the etching process is improved, and the entire production line can be automated.
[0094]
Further, by combining the fourth embodiment and the present embodiment and observing the fluctuation of the detection waveform and the end point time shown in FIG. 12, an increase in film thickness variation, etching rate fluctuation, or erroneous setting of etching conditions, Furthermore, it is possible to detect overexposure and underexposure in the exposure / development process. As a result, defects in the
[0095]
In the above embodiment, the high frequency power for plasma excitation is 400 kHz or 27.12 MHz and the high frequency power for ion acceleration is 400 kHz or 800 kHz. However, the present invention is not limited to these frequencies. If the frequency is in a band where periodic plasma emission can be observed, it can be applied to other frequencies such as 13.56 MHz, and not only the components synchronized with these frequencies but also at the time of detection. It is also possible to detect an integral multiple of the component.
[0096]
In the above embodiment, the two wavelengths are 219 nm and 260 nm. However, these wavelengths are merely examples, and the present invention is not limited to this. Any wavelength is applicable as long as it reflects the etching reaction, that is, the wavelength at which the change appears at the end of etching.
[0097]
Moreover, in the above Example, although the end point is detected from the light emission signal of two wavelengths corresponding to a reaction product and an intermediate product, this invention is not limited to two wavelengths, Three or more Applicable to wavelength. If a sufficient signal change is detected at the end point, only one wavelength may be used.
[0098]
In the above embodiment, the signal processing for extracting the component reflecting the etching reaction is performed on both of the emission signals of the two wavelengths, but the signal processing is performed on only one of them, and the other is the conventional DC component. It is also possible to apply a detection method.
[0099]
In the above embodiments, the oxide film etching has been described as an example. However, the present invention can be applied to etching of a metal such as aluminum, polysilicon, silicon nitride (Si3N4), or the like.
In the above embodiment, the sampling signal of the rectangular wave function is used as a method for selectively extracting only the component reflecting the etching reaction from the light emission signal. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to use a sampling signal comprising an impulse train. It is also possible to sample only the amplitude of the modulation component of the light emission signal (AC component) after removing the direct current component from the light emission signal with a high-pass filter or the like.
[0100]
In the above embodiments, the etching apparatus is a parallel plate type plasma etching apparatus. However, the present invention is not limited to this, and various etching apparatuses such as an ECR etching apparatus or a microwave etching apparatus may be used. It goes without saying that is also applicable.
[0101]
Furthermore, in the above-described embodiment, the application example of the present invention to the etching apparatus has been described. However, the present invention is not limited to the end point detection of the etching process or the plasma emission measurement, but the emission spectrum as the plasma process proceeds. The present invention can be applied to end point detection or plasma emission measurement of various plasma processing apparatuses whose intensity changes, for example, a sputtering processing apparatus or a plasma CVD apparatus. Further, the object to be processed is not limited to a semiconductor wafer, but can be applied to various elements and materials that are subjected to plasma treatment in the manufacturing process, such as a substrate for a liquid crystal display device and a semiconductor laser element.
[0102]
【The invention's effect】
According to the present invention, only the amplitude component that strongly reflects the etching reaction, that is, greatly changes at the end of etching, is selectively extracted from a plurality of light emission signals such as reaction products and intermediate products, and divided between the plurality of signals. By executing processing such as subtraction, unnecessary components can be removed and signal changes at the end point can be greatly expanded. As a result, it is possible to clearly capture a weak signal change at the end point in a finer pattern, which was difficult with the conventional method, and to determine the end point with high accuracy.
[0103]
Further, according to the present invention, not only is it not easily affected by so-called 1 / f noise such as gradual fluctuations in plasma emission, but also an effect of improving the SN ratio and further canceling out sudden fluctuations in plasma can be realized. Have.
[0104]
Furthermore, according to the present invention, the film residue due to insufficient etching and the shift of the base film due to overetching are reduced. As a result, defects due to etching during the photolithography process can be reduced, and it is possible to produce a high-quality semiconductor element.
[0105]
Further, according to the present invention, the etching of minute contact holes with a pattern aperture ratio of 0.5% or less is currently difficult to detect the end point, so the etch rate and the remaining film thickness are measured during the etching, The remaining etching is terminated by time management. In this way, extra prior work is performed during the etching, and the throughput of the etching process has been reduced. However, according to the present embodiment, the end point can always be detected with high accuracy, so that such a prior work is unnecessary, the productivity of the etching process is improved, and the entire production line can be automated.
[0106]
In addition, according to the present invention, even when the transmittance of the window is lowered due to deposition of reaction products, the stable detection operation time is increased as compared with the conventional method by increasing the signal change at the end point and improving the SN ratio. There is an effect.
[0107]
In addition, by configuring the light emission detection optical system as an imaging optical system, it is possible to detect the light emission components in a limited area on the wafer, so in-plane variation in the film thickness to be processed and in-plane variation in the etching rate It is possible to reduce the dullness of the end point detection signal due to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an etching apparatus and an etching end point detection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a shape of an incident end of a quartz optical fiber.
FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional shape of a quartz optical fiber bundle.
FIG. 4 is a diagram showing a light emission waveform (a) of a CO component having a wavelength of 219 nm during etching, a light emission waveform (b) immediately after reaching the end point, and a waveform (c) of a sampling signal made up of a rectangular wave function. is there.
FIG. 5 is a diagram showing a light emission waveform (a) of a CF component having a wavelength of 260 nm during etching, a light emission waveform (b) immediately after reaching the end point, and a waveform (c) of a sampling signal composed of a rectangular wave function. is there.
FIG. 6 is a diagram showing light emission signals of CO components after signal processing (solid line) and the conventional method (dashed line).
FIG. 7 is a diagram showing light emission signals of CF components after signal processing (solid line) and a conventional method (dashed line).
FIG. 8 is a diagram showing a signal waveform obtained by dividing a CO light emission signal after signal processing (solid line) by a CF light emission signal, and a signal waveform in a conventional method (dashed line).
FIG. 9 is a diagram showing an etching apparatus and an etching end point detection apparatus in a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram showing an etching apparatus and an etching end point detection apparatus in a third embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing an etching apparatus and an etching end point detection apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a light emission signal detected for each wafer.
FIG. 13 is a diagram showing a photolithography process of a semiconductor manufacturing line in which an etching end point detection device is introduced in the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a plasma etching apparatus and a conventional etching end point detection apparatus.
FIG. 15 is a diagram showing a change with time of emission intensity of active species by a conventional etching end point detector.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去する工程において、
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理し、該被処理基板をプラズマエッチング処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光を検出し、該検出した所定の波長の光の発光信号の中から前記プラズマによるエッチング処理の進行に応じて変化する信号成分を前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した信号成分の強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出し、該検出したプラズマによるエッチング処理の終点に基づいて前記被処理基板のエッチング処理を終了することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A circuit pattern on a reticle or a mask is formed by forming a film to be processed on the substrate to be processed, applying a resist on the substrate to be processed on which the film to be processed is formed, and applying the resist on the substrate to be processed and exposing the resist. The resist to which the circuit pattern was transferred by exposure is developed to form a resist pattern on the substrate to be processed, thereby exposing a part of the film to be processed and plasma etching using the resist pattern as a mask. The film to be processed in which the part is exposed is removed by processing, the substrate to be processed after the plasma etching process is ashed to remove the resist on the substrate to be processed, and the resist to which the resist has been removed is removed. A method of manufacturing a semiconductor device for cleaning a processing substrate,
In the step of removing the film to be processed in which the part is exposed by plasma etching using the resist pattern as a mask,
Plasma is applied to the substrate to be processed placed on the lower electrode while applying high-frequency power for ion acceleration to the lower electrode on which the substrate to be processed is applied in a state where plasma is generated by applying high frequency power for plasma excitation to the upper electrode. Etching is performed, and light having a predetermined wavelength of light emission of the plasma during the plasma etching process is detected on the substrate to be processed, and the etching process by the plasma proceeds from the detected light emission signal of the predetermined wavelength. The signal component that changes in response is extracted at a frequency synchronized with the frequency of the ion acceleration high-frequency power applied to the lower electrode or an integer multiple thereof, and the etching process using the plasma based on the change in the intensity of the extracted signal component detecting the end point, it terminated children etching treatment of the substrate to be processed on the basis of the end point of the etching treatment by the plasma the detected The method of manufacturing a semiconductor device according to claim.
前記レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去する工程において、
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理し、該被処理基板をプラズマエッチング処理中の前記プラズマの発光の中から前記プラズマエッチング処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と前記プラズマエッチング処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、該発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出し、該検出したプラズマによるエッチング処理の終点に基づいて前記被処理基板のプラズマエッチング処理を終了することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。 A circuit pattern on a reticle or a mask is formed by forming a film to be processed on the substrate to be processed, applying a resist on the substrate to be processed on which the film to be processed is formed, and applying the resist on the substrate to be processed and exposing the resist. The resist to which the circuit pattern was transferred by exposure is developed to form a resist pattern on the substrate to be processed, thereby exposing a part of the film to be processed and plasma etching using the resist pattern as a mask. The film to be processed in which the part is exposed is removed by processing, the substrate to be processed after the plasma etching process is ashed to remove the resist on the substrate to be processed, and the resist to which the resist has been removed is removed. A method of manufacturing a semiconductor device for cleaning a processing substrate,
In the step of removing the film to be processed in which the part is exposed by plasma etching using the resist pattern as a mask,
Plasma is applied to the substrate to be processed placed on the lower electrode while applying high-frequency power for ion acceleration to the lower electrode on which the substrate to be processed is applied in a state where plasma is generated by applying high frequency power for plasma excitation to the upper electrode. etching treatment, emission intensity decreases with the該被substrate to light and the plasma etching wavelength component emission intensity with the plasma etching process from the light emission of the plasma in the plasma etching process is increased Separately detecting the light of the wavelength component, and the frequency of the ion acceleration high-frequency power applied to the lower electrode, respectively, the light of the wavelength component that increases the emission intensity and the light of the wavelength component that decreases the emission intensity , or by extraction with a period synchronous with its integral multiple, the optical wavelength components of light emission intensity is decreased wavelength component emission intensity increases to the extracted Based on the change in intensity to detect the end point of the etching process by the plasma, a method of manufacturing a semiconductor device, which comprises terminating the plasma etching process of the substrate to be processed on the basis of the end point of the etching treatment by the plasma the detected .
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