JP4165638B2 - プロセスの監視方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プロセスの監視方法及びプラズマ処理装置に関し、更に詳しくは、エッチングの処理状態の変化を確実に監視することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いたエッチング方法は、従来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、互いに平行に配設された上部電極と下部電極を備え、下部電極に被処理体（例えば、半導体ウエハ）を載置した状態で上部電極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラズマを発生させ、半導体ウエハを所定のパターンに即してエッチングする。
【０００３】
エッチングの終点検出方法には質量分析、発光分光分析等の機器分析手法が用いられており、それらの中でも比較的簡易で高感度なプラズマの発光分光分析が終点検出方法として広く用いられている。この発光分光分析法でのプラズマの発光測定方法は、エッチング用ガスとその分解生成物や反応生成物などのラジカルやイオン等の活性種から最も観察し易い特定の活性種を選択し、選択された特定波長の発光強度を測定する方法である。例えば、ＣＦ４等のＣＦ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*の特定波長（４８３.５ｎｍ等）を検出し、また、ＣＦ４等のＣＦ系のエッチング用ガスを用いてシリコン窒化膜をエッチングする場合にはその反応生成物であるＮ*の特定波長（６７４ｎｍ等）を検出し、それぞれの検出強度の変化点に基づいて終点を検出している。このように従来の終点検出方法はエッチングプロセスに即して終点検出に用いる波長を変えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の終点検出方法の場合には、プラズマの発光スペクトルのうち、特定波長のみをモニターしながら終点の検出を行っているため、低開口のエッチングでは特定波長の発光強度の変化が小さく、十分な発光強度の変化を得ることが難しく、終点の検出が困難になるという課題があった。
【０００５】
米国特許第５２８８３６７号明細書には、主成分分析の手法を用いて発光スペクトルの特定波長を自動的に決定し、その特定波長に基づいて終点を検出する方法が提案されている。この方法の場合には、特定波長を自動的に決定することができるものの、特定波長を用いて終点を検出する点では従来の終点検出方法と変わらない。
【０００６】
また、本出願人は特開２０００-３３１９８５号公報において、エッチングの終点を検出する際に、プラズマの成分波長の発光強度について主成分分析を行って第１主成分得点を求め、この第１主成分得点の経時的変化に基づいて終点を検出する方法を提案した。例えば、図９は全面に酸化膜（以下、「ベタ酸化膜」と称す。）を有するウエハをサンプルウエハとしてエッチングした場合の２１０〜４１０ｎｍの波長領域にある成分波長の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。この場合にはエッチング前からエッチング後のオーバーエッチングに至る状態の変、つまりエッチングの終点が明瞭に判る。しかし、同じ酸化膜を有し、レジストの開口率が極めて小さい低開口（例えば、開口率が０．２５％）の実際のウエハの場合には、上述の第１主成分得点の経時的変化が図１０に示すようになり、ノイズが大きく、終点を検出することが難しくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、開口率の低い被処理体をエッチングする時にエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態の間でのプラズマ発光強度の変化が小さくてもその変化を確実に検出することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のプロセスの監視方法は、プラズマ処理装置を用いて被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視するプロセスの監視方法であって、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態に分け、これらの状態に対して一定の異なった目的変数をそれぞれ設定し、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行ってモデル式を予め作成し、このモデル式に実際に被処理体を処理する時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として当て嵌めて得られた上記目的変数に基づいてエッチングプロセスの監視を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載のプラズマ処理装置は、被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視する制御装置を備えたプラズマ処理装置であって、上記制御装置は、上記複数の検出データを記憶する第１記憶手段と、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態に分けられた二つの状態に対して設定された一定の異なった目的変数をそれぞれ記憶する第２記憶手段と、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行うための多変量解析プログラムを記憶する第３記憶手段と、上記目的変数と上記説明変数に基づいて重回帰分析を行ってモデル式を作成する第１演算手段と、上記モデル式を記憶する第４記憶手段と、上記被処理体の処理時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として上記モデル式に当て嵌めて上記目的変数を求める第２演算手段とを有し、上記目的変数の変化に基づいてエッチングプロセスを監視することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
まず、本発明方法に用いられる処理装置についてプラズマ処理装置を例に挙げて説明する。本実施形態のプラズマ処理装置は、例えば図１に示すように、アルミニウム製のチャンバ１と、このチャンバ１内に配置された下部電極２を、絶縁材２Ａを介して支持する昇降可能なアルミニウム製の支持体３と、この支持体３の上方に配置され且つプロセスガスを供給し且つ上部電極を兼ねるシャワーヘッド（以下では、必要に応じて「上部電極」とも称す。）４とを備え、下部電極２とシャワーヘッドとの間で発生するプラズマによって支持体３上のウエハＷに対してエッチング処理を行うようになっている。
【００１７】
チャンバ１は上部が小径の上室１Ａとして形成され、下部が大径の下室１Ｂとして形成されている。上室１Ａはダイポールリング磁石５によって包囲されている。このダイポールリング磁石５は複数の異方性セグメント柱状磁石がリング状の磁性体からなるケーシング内に回転可能に収納されて形成され、上室１Ａ内で全体として一方向に向かう一様な水平回転磁界を形成する。下室１Ｂの上部にはウエハＷを搬出入するための出入口が形成され、この出入口にはゲートバルブ６が取り付けられている。また、下部電極２には整合器７Ａを介して高周波電源７が接続され、この高周波電源７から下部電極２に対して１３．５６ＭＨｚの高周波電力Ｐを印加し、上室１Ａ内で上部電極４との間で垂直方向の電界を形成する。
【００１８】
下部電極２の上面には静電チャック８が配置され、この静電チャック８の電極板８Ａには直流電源９が接続されている。従って、高真空下で直流電源９から電極板８Ａに高電圧を印加することにより静電チャック８によってウエハＷを静電吸着する。この下部電極２の外周にはフォーカスリング１０が配置され、上室１Ａ内で生成したプラズマをウエハＷに集める。また、フォーカスリング１０の下側には支持体３の上部に取り付けられた排気リング１１が配置されている。この排気リング１１には複数の孔が全周に渡って周方向等間隔に形成され、これらの孔を介して上室１Ａ内のガスを下室１Ｂへ排気する。
【００１９】
支持体３はボールネジ機構１２及びベローズ１３を介して上室１Ａと下室１Ｂ間で昇降可能になっている。従って、ウエハＷを下部電極２上に供給する場合には、支持体３を介して下部電極２が下室１Ｂまで下降し、ゲートバルブ６を開放して図示しない搬送機構を介してウエハＷを下部電極２上に供給する。下部電極２と上部電極４との間の電極間距離は所定の値に設定されている。また、支持体３の内部には冷媒配管１４に接続された冷媒流路３Ａが形成され、冷媒配管１４を介して冷媒流路３Ａ内で冷媒を循環させ、ウエハＷを所定の温度に調整する。更に、支持体３、絶縁材２Ａ、下部電極２及び静電チャック８にはそれぞれガス流路３Ｂが形成され、ガス導入機構１５からガス配管１５Ａを介して静電チャック８とウエハＷ間の細隙にＨｅガスを所定の圧力でバックサイドガスとして供給し、Ｈｅガスを介して静電チャック８とウエハＷ間の熱伝導性を高めている。尚、１６はベローズカバーである。
【００２０】
シャワーヘッド４の上面にはガス導入部４Ａが形成され、このガス導入部４Ａには配管１７を介してプロセスガス供給系１８が接続されている。プロセスガス供給系１８は、Ａｒガス供給源１８Ａ、ＣＯガス供給源１８Ｂ、Ｃ４Ｆ８ガス供給源１８Ｃ及びＯ２ガス供給源１８Ｄを有している。これらのガス供給源１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄはバルブ１８Ｅ、１８Ｆ、１８Ｇ、１８Ｈ及びマスフローコントローラ１８Ｉ、１８Ｊ、１８Ｋ、１８Ｌを介してそれぞれのガスを所定の設定流量でシャワーヘッド４へ供給し、その内部で所定の配合比を持った混合ガスとして調整する。
【００２１】
シャワーヘッド４の下面には複数の孔４Ｂが全面に渡って均等に配置され、これらの孔４Ｂを介してシャワーヘッド４から上室１Ａ内へ混合ガスをプロセスガスとして供給する。また、下室１Ｂの下部の排気孔には排気管１Ｃが接続され、この排気管１Ｃに接続された真空ポンプ等からなる排気系１９を介してチャンバ１内を排気して所定のガス圧力を保持している。排気管１ＣにはＡＰＣバルブ１Ｄが設けられ、チャンバ１内のガス圧力に即して開度を自動的に調節する。
【００２２】
また、例えばヘッドシャワー４にはコリメータ２０を介してチャンバ１内のプラズマ発光を多波長に渡って検出する光学計測器２１が設けられ、この光学計測器２１によって測定される発光強度（検出データ）に基づいてプラズマを監視し、エッチングの終点を検出している。
【００２３】
コリメータ２０は、例えば図２に示すように、内径が６μｍ、長さが１ｍｍのガラス製の毛細管を束ね、多数の孔２０Ａを全面に有する円盤状に形成されている。このコリメータ２０が例えば光ファイバー先端のレンズとチャンバ１間に設けられている。このコリメータ２０を使用することによりウエハＷ表面からの反射光を遮断することができるため、ウエハＷ表面のレジスト膜による干渉光の影響を抑制し、プラズマの成分波長の発光強度のノイズを１／３に低減することができ、また、上下両電極２、４それぞれの表面近傍に形成されるプラズマシースからの発光を遮断してプラズマのバルク部分からの平行光のみを取り込みことができ、ノイズをより一層低減することができる。
【００２４】
而して、本実施形態では光学計測器２１からの検出データを制御装置２２に登録された多変量解析プログラムを用いて重回帰分析してエッチングの終点を検出する。この制御装置２２は、例えば図３に示すように、光学計測器２１からのプラズマの成分波長の発光強度を検出データ（検出信号）としてサンプリングする光学的信号サンプリング手段２２Ａと、この光学的サンプリング手段２２Ａからの検出信号を格納して記憶する第１記憶手段２２Ｂと、エッチング前後の状態をそれぞれ異なった一定の数値を目的変数として記憶する第２記憶手段２２Ｃと、これらの目的変数と複数の検出信号からなる検出データを説明変数とした重回帰分析、主成分分析等を行う多変量解析プログラムを記憶する第３記憶手段２２Ｄと、これらの目的変数及び説明変数に基づいて重回帰分析を行ってモデルを作成する第１演算手段２２Ｅと、重回帰分析モデルを記憶する第４記憶手段２２Ｆと、上記モデル式にウエハＷの処理時の検出データを説明変数として当て嵌めて目的変数を求める第２演算手段２２Ｇとを有し、上記目的変数の変化に基づいてプロセスを監視するようになっている。第１、第２演算手段２２Ｅ、２２Ｇは一つのＣＰＵに含めても良く、また、第１、第２、第３、第４記憶手段２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｆは一つの記憶装置に含めても良い。
【００２５】
本実施形態では例えば図４に示すウエハＷをエッチングし、光学計測器２１からの検出データに基づいて制御装置２２においてを重回帰分析する。このウエハＷは、図４に示すように、シリコン層Ｓｉと、このシリコン層Ｓｉ上に積層された熱酸化膜ＳｉＯ２と、この熱酸化膜ＳｉＯ２上に積層されたレジスト層Ｒとを有している。レジスト層Ｒには開口率が０．２５％の開口部Ｏが形成され、この開口部Ｏからプラズマを照射してシリコン層Ｓｉまで熱酸化膜ＳｉＯ２をエッチングする。上記プラズマ処理装置を用いてウエハＷをエッチングすると、光学計測器２１から図５に示す発光スペクトルが得られる。即ち、例えばエッチング終了前５０秒の時点ではエッチング途中にあって鎖線で示す発光スペクトルが得られ、エッチング終了後１４０秒の時点ではオーバーエッチングの過程にあって実線で示す発光スペクトルが得られる。この図からも明らかなように２００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長領域ではエッチング前後で発光スペクトルの成分波長の発光強度が変化しているが、４５０ｎｍを超えた波長領域ではエッチング前後の発光強度が殆ど変化していないことが判る。
【００２６】
そこで、本実施形態ではエッチング前後で変化する２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域にある複数の成分波長をエッチングの終点を検出するための成分波長として使用する。この際、使用波長領域内で０．５ｎｍ刻みで発光強度を検出し、これらの発光強度を検出データとして使用する。発光強度を検出する場合にはダイポールリング磁石５が３．１秒で一回転し、一回転する間に光学測定器２１でプラズマを３１回測定し、つまり１秒間に１０回プラズマを測定する。そして、一周する間に変動する各成分波長の発光強度の平均値を検出データとして使用する。
【００２７】
而して、本実施形態では実際のウエハＷをエッチングするに先立ってサンプルウエハ（ベタ酸化膜を有するウエハ）を用いて上記使用波長領域にある各成分波長の発光強度について重回帰分析を行う。ｉ番目の測定における使用波長領域にある各成分波長の発光強度を説明変数ｘｉｊとすると共にエッチング前後の二つの状態を表すそれぞれの目的変数ｙｉにはそれぞれ任意の数値を設定して重回帰分析を行って下記▲１▼に示す重回帰モデル式を作成する。下記▲１▼式において、例えば、エッチング前後で変化しない成分波長の発光強度をｘｉ１とし、エッチング後に上昇する成分波長の発光強度をｘｉ２とし、エッチング後に下降する成分波長の発光強度をｘｉ３とすれば、発光強度ｘｉ１の重回帰係数Ａｉ１は「０」に近い値を示し、発光強度ｘｉ２の重回帰係数Ａｉ２は正に大きな値を示し、発光強度ｘｉ３の重回帰係数Ａｉ３は負に大きな値を示す。従って、重回帰係数Ａｉ１はエッチングの終点検出には殆ど寄与しないため、その重みは殆どなく、重回帰係数Ａｉ２、Ａｉ３はエッチングの終点検出に大きく寄与し、その重みが大きい。尚、下記▲１▼式において、「ｉ」はｉ番目の測定を表し、［ｎ］はｎ個の成分波長を表す。
ｙｉ＝Ａｉ１ｘｉ１＋Ａｉ２ｘｉ２＋Ａｉ３ｘｉ３＋・・・＋Ａｉｎｘｉｎ＋Ｂｉ・・・▲１▼
【００２８】
本実施形態では、エッチング前後の二つの状態を表す目的変数として、例えばエッチング前の状態の目的変数の理論値を「１」として設定し、エッチング後のオーバーエッチング状態の目的変数の理論値を「３」として設定する。目的変数ｙｉの理論値をこのように設定することでエッチング前には目的変数の実測値ｙｉは「１」前後で変動し、エッチング後には目的変数の実測値ｙｉは「３」前後で変動する。この際、エッチング終了までには複数回の測定を行うため、測定回数分の上記▲１▼の重回帰モデル式を纏めると下記の▲２▼式の重回帰モデル式になる。下記▲２▼式において、Ｙは複数の複数の測定における目的変数の行列であり、Ａは重回帰係数の回帰行列であり、Ｘは説明変数の行列であり、Ｂは残差の行列である。この重回帰モデル式の回帰行列ＡはＰＬＳ法を用いて求めることができる。ＰＬＳ法の詳細は例えばJOURNAL OF CHEMOMETRICS,VOL.2(PP.211-228)(1998)に掲載されている。
Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ・・・▲２▼
【００２９】
ところで、サンプルウエハの発光スペクトルの２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域にある複数の成分波長の発光強度の係数を上述の方法で求めて図６に示した。この図からも明らかなように２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域における成分波長の発光強度はいずれも正または負の値の方向に大きく振れ、各成分波長がエッチングの終点を検出する際に大きな重みを有することがわかる。
【００３０】
そして、エッチング前後の状態の目的変数の理論値を「１」、「３」と設定した場合、サンプルウエハのエッチング時における発光スペクトルの各成分波長の発光強度ｘｉ１と目的変数の実測値ｙｉとの関係を図示したものが図７である。同図からも明らかなように、複数の成分波長の発光強度を用いてエッチングによる発光スペクトルの変化を実測するようにしたため、エッチング前後の変化が明瞭になり、エッチングの終点を確実に判定し、検出することができる。
【００３１】
次に、低開口（開口率＝０．２５％）のウエハをエッチングした場合に、サンプルウエハによって求めた重回帰モデル式▲１▼の説明変数に各成分波長の発光強度を当て嵌めて目的変数の変化を図８に示した。同図に示す結果から明らかなように、低開口のウエハであっても図７に示すグラフと対応して目的変数が上昇し、サンプルウエハと同様にエッチングの終点を検出できることが判る。図７と異なり、図８では目的変数がエッチング前後で「１」から「３」に変化していないのはサンプリング（ベタ酸化膜を有するウエハ）を用いて求めた重回帰モデル式▲１▼に対して低開口率のレジスト層Ｒを有するウエハＷのエッチング時の発光強度を当て嵌めたからである。重回帰モデル式を求める際のウエハとして実際に終点検出するウエハと同一膜構成のウエハを用いると、より明瞭な終点検出を行なうことができる。また、従来の図１０に示す場合と比較して目的変数のノイズが小さく、エッチングの終点を検出し易いことが判る。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、エッチング状態が変化する前後の二つの状態にそれぞれ異なった目的変数として「１」、「３」を設定し、これらの目的変数「１」、「３」と発光スペクトル複数の成分波長の発光強度（検出データ）を説明変数とする重回帰分析を行って重回帰モデル式▲１▼を予め作成し、実際にウエハＷをエッチングする際に、重回帰モデル式▲１▼に逐次検出データを当て嵌めた結果に基づいてプロセスの監視を行うようにしたため、開口率の低いウエハをエッチングする時でもプラズマ発光強度の変化に伴って目的変数が急激に変化してエッチングの終点を確実に検出することができる。
【００３３】
尚、上記実施形態ではプロセスとしてウエハをエッチングする場合について説明したが、本発明はプラズマ処理装置によるエッチングに制限されるものではなく、プロセスがある状態から他の状態に変化する段階がある処理装置の場合には、この変化する段階を検出する場合にも本発明を適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、開口率の低い被処理体をエッチングする時にエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態の間でのプラズマ発光強度の変化が小さくてもその変化を確実に検出することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理装置の一実施形態であるプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に用いられたコリメータの一例を部分的に破断して示す斜視図である。
【図３】図１に示プラズマ処理装置の制御装置の一部を示すブロック図である。
【図４】図１に示プラズマ処理装置を用いてエッチングするウエハを示す部分断面図である。
【図５】ベタ酸化膜を有するウエハをエッチングした時のプラズマの発光スペクトルを示す図である。
【図６】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を重回帰分析した時の各成分波長の重回帰係数を示すグラフである。
【図７】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を重回帰分析の目的変数の経時的変化を示すグラフである。
【図８】図４に示す低開口のウエハをエッチングした時の成分波長の発光強度を重回帰分析の目的変数の経時的変化を示すグラフである。
【図９】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を主成分分析した時の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。
【図１０】図４に示す低開口のウエハをエッチングした時の成分波長の発光強度を主成分分析した時の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
２１ 光学測定器
２２ 制御装置
２２Ｂ 第１記憶手段
２２Ｃ 第２記憶手段
２２Ｄ 第３記憶手段
２２Ｅ 演算手段
２２Ｆ 第４記憶手段
Ｗ ウエハ（被処理体）
【産業上の利用分野】
本発明は、プロセスの監視方法及びプラズマ処理装置に関し、更に詳しくは、エッチングの処理状態の変化を確実に監視することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いたエッチング方法は、従来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、互いに平行に配設された上部電極と下部電極を備え、下部電極に被処理体（例えば、半導体ウエハ）を載置した状態で上部電極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラズマを発生させ、半導体ウエハを所定のパターンに即してエッチングする。
【０００３】
エッチングの終点検出方法には質量分析、発光分光分析等の機器分析手法が用いられており、それらの中でも比較的簡易で高感度なプラズマの発光分光分析が終点検出方法として広く用いられている。この発光分光分析法でのプラズマの発光測定方法は、エッチング用ガスとその分解生成物や反応生成物などのラジカルやイオン等の活性種から最も観察し易い特定の活性種を選択し、選択された特定波長の発光強度を測定する方法である。例えば、ＣＦ４等のＣＦ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*の特定波長（４８３.５ｎｍ等）を検出し、また、ＣＦ４等のＣＦ系のエッチング用ガスを用いてシリコン窒化膜をエッチングする場合にはその反応生成物であるＮ*の特定波長（６７４ｎｍ等）を検出し、それぞれの検出強度の変化点に基づいて終点を検出している。このように従来の終点検出方法はエッチングプロセスに即して終点検出に用いる波長を変えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の終点検出方法の場合には、プラズマの発光スペクトルのうち、特定波長のみをモニターしながら終点の検出を行っているため、低開口のエッチングでは特定波長の発光強度の変化が小さく、十分な発光強度の変化を得ることが難しく、終点の検出が困難になるという課題があった。
【０００５】
米国特許第５２８８３６７号明細書には、主成分分析の手法を用いて発光スペクトルの特定波長を自動的に決定し、その特定波長に基づいて終点を検出する方法が提案されている。この方法の場合には、特定波長を自動的に決定することができるものの、特定波長を用いて終点を検出する点では従来の終点検出方法と変わらない。
【０００６】
また、本出願人は特開２０００-３３１９８５号公報において、エッチングの終点を検出する際に、プラズマの成分波長の発光強度について主成分分析を行って第１主成分得点を求め、この第１主成分得点の経時的変化に基づいて終点を検出する方法を提案した。例えば、図９は全面に酸化膜（以下、「ベタ酸化膜」と称す。）を有するウエハをサンプルウエハとしてエッチングした場合の２１０〜４１０ｎｍの波長領域にある成分波長の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。この場合にはエッチング前からエッチング後のオーバーエッチングに至る状態の変、つまりエッチングの終点が明瞭に判る。しかし、同じ酸化膜を有し、レジストの開口率が極めて小さい低開口（例えば、開口率が０．２５％）の実際のウエハの場合には、上述の第１主成分得点の経時的変化が図１０に示すようになり、ノイズが大きく、終点を検出することが難しくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、開口率の低い被処理体をエッチングする時にエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態の間でのプラズマ発光強度の変化が小さくてもその変化を確実に検出することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載のプロセスの監視方法は、プラズマ処理装置を用いて被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視するプロセスの監視方法であって、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態に分け、これらの状態に対して一定の異なった目的変数をそれぞれ設定し、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行ってモデル式を予め作成し、このモデル式に実際に被処理体を処理する時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として当て嵌めて得られた上記目的変数に基づいてエッチングプロセスの監視を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の請求項２に記載のプラズマ処理装置は、被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視する制御装置を備えたプラズマ処理装置であって、上記制御装置は、上記複数の検出データを記憶する第１記憶手段と、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態に分けられた二つの状態に対して設定された一定の異なった目的変数をそれぞれ記憶する第２記憶手段と、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行うための多変量解析プログラムを記憶する第３記憶手段と、上記目的変数と上記説明変数に基づいて重回帰分析を行ってモデル式を作成する第１演算手段と、上記モデル式を記憶する第４記憶手段と、上記被処理体の処理時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として上記モデル式に当て嵌めて上記目的変数を求める第２演算手段とを有し、上記目的変数の変化に基づいてエッチングプロセスを監視することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
まず、本発明方法に用いられる処理装置についてプラズマ処理装置を例に挙げて説明する。本実施形態のプラズマ処理装置は、例えば図１に示すように、アルミニウム製のチャンバ１と、このチャンバ１内に配置された下部電極２を、絶縁材２Ａを介して支持する昇降可能なアルミニウム製の支持体３と、この支持体３の上方に配置され且つプロセスガスを供給し且つ上部電極を兼ねるシャワーヘッド（以下では、必要に応じて「上部電極」とも称す。）４とを備え、下部電極２とシャワーヘッドとの間で発生するプラズマによって支持体３上のウエハＷに対してエッチング処理を行うようになっている。
【００１７】
チャンバ１は上部が小径の上室１Ａとして形成され、下部が大径の下室１Ｂとして形成されている。上室１Ａはダイポールリング磁石５によって包囲されている。このダイポールリング磁石５は複数の異方性セグメント柱状磁石がリング状の磁性体からなるケーシング内に回転可能に収納されて形成され、上室１Ａ内で全体として一方向に向かう一様な水平回転磁界を形成する。下室１Ｂの上部にはウエハＷを搬出入するための出入口が形成され、この出入口にはゲートバルブ６が取り付けられている。また、下部電極２には整合器７Ａを介して高周波電源７が接続され、この高周波電源７から下部電極２に対して１３．５６ＭＨｚの高周波電力Ｐを印加し、上室１Ａ内で上部電極４との間で垂直方向の電界を形成する。
【００１８】
下部電極２の上面には静電チャック８が配置され、この静電チャック８の電極板８Ａには直流電源９が接続されている。従って、高真空下で直流電源９から電極板８Ａに高電圧を印加することにより静電チャック８によってウエハＷを静電吸着する。この下部電極２の外周にはフォーカスリング１０が配置され、上室１Ａ内で生成したプラズマをウエハＷに集める。また、フォーカスリング１０の下側には支持体３の上部に取り付けられた排気リング１１が配置されている。この排気リング１１には複数の孔が全周に渡って周方向等間隔に形成され、これらの孔を介して上室１Ａ内のガスを下室１Ｂへ排気する。
【００１９】
支持体３はボールネジ機構１２及びベローズ１３を介して上室１Ａと下室１Ｂ間で昇降可能になっている。従って、ウエハＷを下部電極２上に供給する場合には、支持体３を介して下部電極２が下室１Ｂまで下降し、ゲートバルブ６を開放して図示しない搬送機構を介してウエハＷを下部電極２上に供給する。下部電極２と上部電極４との間の電極間距離は所定の値に設定されている。また、支持体３の内部には冷媒配管１４に接続された冷媒流路３Ａが形成され、冷媒配管１４を介して冷媒流路３Ａ内で冷媒を循環させ、ウエハＷを所定の温度に調整する。更に、支持体３、絶縁材２Ａ、下部電極２及び静電チャック８にはそれぞれガス流路３Ｂが形成され、ガス導入機構１５からガス配管１５Ａを介して静電チャック８とウエハＷ間の細隙にＨｅガスを所定の圧力でバックサイドガスとして供給し、Ｈｅガスを介して静電チャック８とウエハＷ間の熱伝導性を高めている。尚、１６はベローズカバーである。
【００２０】
シャワーヘッド４の上面にはガス導入部４Ａが形成され、このガス導入部４Ａには配管１７を介してプロセスガス供給系１８が接続されている。プロセスガス供給系１８は、Ａｒガス供給源１８Ａ、ＣＯガス供給源１８Ｂ、Ｃ４Ｆ８ガス供給源１８Ｃ及びＯ２ガス供給源１８Ｄを有している。これらのガス供給源１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄはバルブ１８Ｅ、１８Ｆ、１８Ｇ、１８Ｈ及びマスフローコントローラ１８Ｉ、１８Ｊ、１８Ｋ、１８Ｌを介してそれぞれのガスを所定の設定流量でシャワーヘッド４へ供給し、その内部で所定の配合比を持った混合ガスとして調整する。
【００２１】
シャワーヘッド４の下面には複数の孔４Ｂが全面に渡って均等に配置され、これらの孔４Ｂを介してシャワーヘッド４から上室１Ａ内へ混合ガスをプロセスガスとして供給する。また、下室１Ｂの下部の排気孔には排気管１Ｃが接続され、この排気管１Ｃに接続された真空ポンプ等からなる排気系１９を介してチャンバ１内を排気して所定のガス圧力を保持している。排気管１ＣにはＡＰＣバルブ１Ｄが設けられ、チャンバ１内のガス圧力に即して開度を自動的に調節する。
【００２２】
また、例えばヘッドシャワー４にはコリメータ２０を介してチャンバ１内のプラズマ発光を多波長に渡って検出する光学計測器２１が設けられ、この光学計測器２１によって測定される発光強度（検出データ）に基づいてプラズマを監視し、エッチングの終点を検出している。
【００２３】
コリメータ２０は、例えば図２に示すように、内径が６μｍ、長さが１ｍｍのガラス製の毛細管を束ね、多数の孔２０Ａを全面に有する円盤状に形成されている。このコリメータ２０が例えば光ファイバー先端のレンズとチャンバ１間に設けられている。このコリメータ２０を使用することによりウエハＷ表面からの反射光を遮断することができるため、ウエハＷ表面のレジスト膜による干渉光の影響を抑制し、プラズマの成分波長の発光強度のノイズを１／３に低減することができ、また、上下両電極２、４それぞれの表面近傍に形成されるプラズマシースからの発光を遮断してプラズマのバルク部分からの平行光のみを取り込みことができ、ノイズをより一層低減することができる。
【００２４】
而して、本実施形態では光学計測器２１からの検出データを制御装置２２に登録された多変量解析プログラムを用いて重回帰分析してエッチングの終点を検出する。この制御装置２２は、例えば図３に示すように、光学計測器２１からのプラズマの成分波長の発光強度を検出データ（検出信号）としてサンプリングする光学的信号サンプリング手段２２Ａと、この光学的サンプリング手段２２Ａからの検出信号を格納して記憶する第１記憶手段２２Ｂと、エッチング前後の状態をそれぞれ異なった一定の数値を目的変数として記憶する第２記憶手段２２Ｃと、これらの目的変数と複数の検出信号からなる検出データを説明変数とした重回帰分析、主成分分析等を行う多変量解析プログラムを記憶する第３記憶手段２２Ｄと、これらの目的変数及び説明変数に基づいて重回帰分析を行ってモデルを作成する第１演算手段２２Ｅと、重回帰分析モデルを記憶する第４記憶手段２２Ｆと、上記モデル式にウエハＷの処理時の検出データを説明変数として当て嵌めて目的変数を求める第２演算手段２２Ｇとを有し、上記目的変数の変化に基づいてプロセスを監視するようになっている。第１、第２演算手段２２Ｅ、２２Ｇは一つのＣＰＵに含めても良く、また、第１、第２、第３、第４記憶手段２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｆは一つの記憶装置に含めても良い。
【００２５】
本実施形態では例えば図４に示すウエハＷをエッチングし、光学計測器２１からの検出データに基づいて制御装置２２においてを重回帰分析する。このウエハＷは、図４に示すように、シリコン層Ｓｉと、このシリコン層Ｓｉ上に積層された熱酸化膜ＳｉＯ２と、この熱酸化膜ＳｉＯ２上に積層されたレジスト層Ｒとを有している。レジスト層Ｒには開口率が０．２５％の開口部Ｏが形成され、この開口部Ｏからプラズマを照射してシリコン層Ｓｉまで熱酸化膜ＳｉＯ２をエッチングする。上記プラズマ処理装置を用いてウエハＷをエッチングすると、光学計測器２１から図５に示す発光スペクトルが得られる。即ち、例えばエッチング終了前５０秒の時点ではエッチング途中にあって鎖線で示す発光スペクトルが得られ、エッチング終了後１４０秒の時点ではオーバーエッチングの過程にあって実線で示す発光スペクトルが得られる。この図からも明らかなように２００ｎｍ〜４５０ｎｍの波長領域ではエッチング前後で発光スペクトルの成分波長の発光強度が変化しているが、４５０ｎｍを超えた波長領域ではエッチング前後の発光強度が殆ど変化していないことが判る。
【００２６】
そこで、本実施形態ではエッチング前後で変化する２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域にある複数の成分波長をエッチングの終点を検出するための成分波長として使用する。この際、使用波長領域内で０．５ｎｍ刻みで発光強度を検出し、これらの発光強度を検出データとして使用する。発光強度を検出する場合にはダイポールリング磁石５が３．１秒で一回転し、一回転する間に光学測定器２１でプラズマを３１回測定し、つまり１秒間に１０回プラズマを測定する。そして、一周する間に変動する各成分波長の発光強度の平均値を検出データとして使用する。
【００２７】
而して、本実施形態では実際のウエハＷをエッチングするに先立ってサンプルウエハ（ベタ酸化膜を有するウエハ）を用いて上記使用波長領域にある各成分波長の発光強度について重回帰分析を行う。ｉ番目の測定における使用波長領域にある各成分波長の発光強度を説明変数ｘｉｊとすると共にエッチング前後の二つの状態を表すそれぞれの目的変数ｙｉにはそれぞれ任意の数値を設定して重回帰分析を行って下記▲１▼に示す重回帰モデル式を作成する。下記▲１▼式において、例えば、エッチング前後で変化しない成分波長の発光強度をｘｉ１とし、エッチング後に上昇する成分波長の発光強度をｘｉ２とし、エッチング後に下降する成分波長の発光強度をｘｉ３とすれば、発光強度ｘｉ１の重回帰係数Ａｉ１は「０」に近い値を示し、発光強度ｘｉ２の重回帰係数Ａｉ２は正に大きな値を示し、発光強度ｘｉ３の重回帰係数Ａｉ３は負に大きな値を示す。従って、重回帰係数Ａｉ１はエッチングの終点検出には殆ど寄与しないため、その重みは殆どなく、重回帰係数Ａｉ２、Ａｉ３はエッチングの終点検出に大きく寄与し、その重みが大きい。尚、下記▲１▼式において、「ｉ」はｉ番目の測定を表し、［ｎ］はｎ個の成分波長を表す。
ｙｉ＝Ａｉ１ｘｉ１＋Ａｉ２ｘｉ２＋Ａｉ３ｘｉ３＋・・・＋Ａｉｎｘｉｎ＋Ｂｉ・・・▲１▼
【００２８】
本実施形態では、エッチング前後の二つの状態を表す目的変数として、例えばエッチング前の状態の目的変数の理論値を「１」として設定し、エッチング後のオーバーエッチング状態の目的変数の理論値を「３」として設定する。目的変数ｙｉの理論値をこのように設定することでエッチング前には目的変数の実測値ｙｉは「１」前後で変動し、エッチング後には目的変数の実測値ｙｉは「３」前後で変動する。この際、エッチング終了までには複数回の測定を行うため、測定回数分の上記▲１▼の重回帰モデル式を纏めると下記の▲２▼式の重回帰モデル式になる。下記▲２▼式において、Ｙは複数の複数の測定における目的変数の行列であり、Ａは重回帰係数の回帰行列であり、Ｘは説明変数の行列であり、Ｂは残差の行列である。この重回帰モデル式の回帰行列ＡはＰＬＳ法を用いて求めることができる。ＰＬＳ法の詳細は例えばJOURNAL OF CHEMOMETRICS,VOL.2(PP.211-228)(1998)に掲載されている。
Ｙ＝ＡＸ＋Ｂ・・・▲２▼
【００２９】
ところで、サンプルウエハの発光スペクトルの２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域にある複数の成分波長の発光強度の係数を上述の方法で求めて図６に示した。この図からも明らかなように２１０ｎｍ〜４１０ｎｍの波長領域における成分波長の発光強度はいずれも正または負の値の方向に大きく振れ、各成分波長がエッチングの終点を検出する際に大きな重みを有することがわかる。
【００３０】
そして、エッチング前後の状態の目的変数の理論値を「１」、「３」と設定した場合、サンプルウエハのエッチング時における発光スペクトルの各成分波長の発光強度ｘｉ１と目的変数の実測値ｙｉとの関係を図示したものが図７である。同図からも明らかなように、複数の成分波長の発光強度を用いてエッチングによる発光スペクトルの変化を実測するようにしたため、エッチング前後の変化が明瞭になり、エッチングの終点を確実に判定し、検出することができる。
【００３１】
次に、低開口（開口率＝０．２５％）のウエハをエッチングした場合に、サンプルウエハによって求めた重回帰モデル式▲１▼の説明変数に各成分波長の発光強度を当て嵌めて目的変数の変化を図８に示した。同図に示す結果から明らかなように、低開口のウエハであっても図７に示すグラフと対応して目的変数が上昇し、サンプルウエハと同様にエッチングの終点を検出できることが判る。図７と異なり、図８では目的変数がエッチング前後で「１」から「３」に変化していないのはサンプリング（ベタ酸化膜を有するウエハ）を用いて求めた重回帰モデル式▲１▼に対して低開口率のレジスト層Ｒを有するウエハＷのエッチング時の発光強度を当て嵌めたからである。重回帰モデル式を求める際のウエハとして実際に終点検出するウエハと同一膜構成のウエハを用いると、より明瞭な終点検出を行なうことができる。また、従来の図１０に示す場合と比較して目的変数のノイズが小さく、エッチングの終点を検出し易いことが判る。
【００３２】
以上説明したように本実施形態によれば、エッチング状態が変化する前後の二つの状態にそれぞれ異なった目的変数として「１」、「３」を設定し、これらの目的変数「１」、「３」と発光スペクトル複数の成分波長の発光強度（検出データ）を説明変数とする重回帰分析を行って重回帰モデル式▲１▼を予め作成し、実際にウエハＷをエッチングする際に、重回帰モデル式▲１▼に逐次検出データを当て嵌めた結果に基づいてプロセスの監視を行うようにしたため、開口率の低いウエハをエッチングする時でもプラズマ発光強度の変化に伴って目的変数が急激に変化してエッチングの終点を確実に検出することができる。
【００３３】
尚、上記実施形態ではプロセスとしてウエハをエッチングする場合について説明したが、本発明はプラズマ処理装置によるエッチングに制限されるものではなく、プロセスがある状態から他の状態に変化する段階がある処理装置の場合には、この変化する段階を検出する場合にも本発明を適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、開口率の低い被処理体をエッチングする時にエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態の間でのプラズマ発光強度の変化が小さくてもその変化を確実に検出することができるプロセスの監視方法及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の処理装置の一実施形態であるプラズマ処理装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置に用いられたコリメータの一例を部分的に破断して示す斜視図である。
【図３】図１に示プラズマ処理装置の制御装置の一部を示すブロック図である。
【図４】図１に示プラズマ処理装置を用いてエッチングするウエハを示す部分断面図である。
【図５】ベタ酸化膜を有するウエハをエッチングした時のプラズマの発光スペクトルを示す図である。
【図６】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を重回帰分析した時の各成分波長の重回帰係数を示すグラフである。
【図７】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を重回帰分析の目的変数の経時的変化を示すグラフである。
【図８】図４に示す低開口のウエハをエッチングした時の成分波長の発光強度を重回帰分析の目的変数の経時的変化を示すグラフである。
【図９】図５に示す発光スペクトルの成分波長の発光強度を主成分分析した時の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。
【図１０】図４に示す低開口のウエハをエッチングした時の成分波長の発光強度を主成分分析した時の第１主成分得点の経時的変化を示すグラフである。
【符号の説明】
２１ 光学測定器
２２ 制御装置
２２Ｂ 第１記憶手段
２２Ｃ 第２記憶手段
２２Ｄ 第３記憶手段
２２Ｅ 演算手段
２２Ｆ 第４記憶手段
Ｗ ウエハ（被処理体）
Claims (2)
- プラズマ処理装置を用いて被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視するプロセスの監視方法であって、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態の二つの状態に分け、これらの状態に対して一定の異なった目的変数をそれぞれ設定し、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行ってモデル式を予め作成し、このモデル式に実際に被処理体を処理する時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として当て嵌めて得られた上記目的変数に基づいてエッチングプロセスの監視を行うことを特徴とするプロセスの監視方法。
- 被処理体にエッチング処理を施す際に、光学的検出器によってプラズマの複数の成分波長の発光強度を複数の検出データとして検出し、これらの検出データの経時的変化を利用して上記被処理体のプラズマ処理状態の変化を監視する制御装置を備えたプラズマ処理装置であって、上記制御装置は、上記複数の検出データを記憶する第１記憶手段と、上記プラズマ処理状態が変化するエッチング途中の状態とエッチング終了後の状態に分けられた二つの状態に対して設定された一定の異なった目的変数をそれぞれ記憶する第２記憶手段と、これらの目的変数の説明変数として上記複数の検出データを用いる重回帰分析を行うための多変量解析プログラムを記憶する第３記憶手段と、上記目的変数と上記説明変数に基づいて重回帰分析を行ってモデル式を作成する第１演算手段と、上記モデル式を記憶する第４記憶手段と、上記被処理体の処理時に検出された上記複数の検出データを上記説明変数として上記モデル式に当て嵌めて上記目的変数を求める第２演算手段とを有し、上記目的変数の変化に基づいてエッチングプロセスを監視することを特徴とするプラズマ処理装置。
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