JP4500500B2 - Semiconductor manufacturing equipment - Google Patents

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JP4500500B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハをエッチングして半導体素子を製造する装置に関し、エッチングした深さを測定する手段を備えた装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子を形成する工程では、半導体ウエハの表面上に形成された誘電材料,絶縁材料の層等の様々な材料の層を除去するためやこれらの層にパターンを形成するために、ドライエッチングが広く使用されている。このドライエッチングを行う上では、上記の層の加工中に所望のエッチング深さや層の膜厚となるようにエッチングを調節することが重要であり、このためエッチングの終点や膜の厚さを正確に検出することが求められている。
【0003】
ところで、半導体ウエハを、プラズマを用いてドライエッチングする処理の際、プラズマ光に含まれる特定波長の光からの発光の強度が、特定の膜のエッチングが進行するに伴って変化することが知られている。そこで、この半導体ウエハのエッチングの終点や膜厚さといったエッチングの状態の検出する技術の1つとして、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点や膜厚さを検出する技術が知られている。この検出の精度を向上するには、ノイズによる検出波形の変動に起因する誤検出を低減する必要がある。
【0004】
近年は、半導体の微細化,高集積化に伴い開口率(半導体ウエハの被エッチング面積)が小さくなっており、光センサーから光検出器に取り込まれる特定波長の発光強度が微弱になっている。その結果、光検出器からのサンプリング信号のレベルが小さくなり、終点判定部は、光検出器からのサンプリング信号に基づいてエッチングの終点を確実に検出することが困難になっている。
【0005】
また、エッチングの終点を検出し処理を停止させる際、実際には、誘電層の残りの厚さが所定値と等しいことが重要である。従来のプロセスでは、それぞれの層のエッチング速度が一定であるという前提に基づく時間厚さ制御技法を使用して、全体のプロセスを監視している。エッチング速度の値は、例えば、予めサンプルウエハを処理して求める。この方法では、時間監視法により、所定のエッチング膜厚に対応する時間が経過すると同時にエッチング・プロセスが停止する。
【0006】
しかし、実際の膜、例えばLPCVD技法により形成されたSiO2 層は、厚さの再現性が低いことが知られている。LPCVD中のプロセス変動による厚さの許容誤差はSiO2 層の初期厚の約10%に相当する。したがって、時間監視による方法は、シリコン基板上に残るSiO2 層の実際の最終厚さを正確に測定することはできない。そして、残っている層の実際の厚さは、最終的に標準的な分光干渉計技法により測定され、過剰エッチングされていると判明した場合は、そのウエハを不合格として廃棄することになる。
【0007】
このような半導体ウエハのエッチングの終点をウエハ表面を計測して検出する技術としては、特開平5−179467号公報(特許文献1),特開平8−274082号公報(特許文献2),特開2000−97648号公報(特許文献3),特開2000−106356号公報(特許文献4)等に開示された干渉計を使用するものが知られている。
【0008】
特開平5−179467号公報(特許文献1)においては、赤,緑,青の3種類のカラーフィルタを用いて、干渉光(プラズマ光)を検出し、エッチングの終点検出を行うものであり、特開平8−274082号公報(USP5658418)(特許文献2)では、2つの波長の干渉波形の時間変化とその微分波形を用いて、干渉波形の極値(波形の最大,最小:微分波形の零通過点)をカウントする。カウントが所定値に達するまでの時間を計測することによりエッチング速度を算出し、算出したエッチング速度に基づき所定の膜厚に達するまでの残りのエッチング時間を求め、それに基づきエッチングプロセスの停止を行っている。
【0009】
特開2000−97648号公報(特許文献3)では、処理前の干渉光の光強度パターン(波長をパラメータとする)と処理後または処理中の干渉光の光強度パターンとの差の波形(波長をパラメータとする)を求め、その差波形とデータベース化されている差波形との比較により段差(膜厚)を測定する。特開2000−106356号公報(特許文献4)は回転塗布装置に関し、多波長にわたる干渉光の時間変化を測定して膜厚を求めている。
【0010】
エッチングの終点を検出して処理を停止させる際、実際には、膜層の残りの厚さが所定の値にできるだけ近いか等しいことが重要である。従来の技術では、それぞれの層のエッチングの速度が一定であるという前提に基づいて時間を調節することで上記膜の厚さを監視している。この基準となるエッチング速度の値は、例えば、予めサンプルとなるウエハを処理して求めておく。この技術では、所定の膜厚さに対応した時間が経過するとエッチング・プロセスが停止される。
【0011】
【特許文献1】
特開平5−179467号公報
【特許文献2】
特開平8−274082号公報
【特許文献3】
特開2000−97648号公報
【特許文献4】
特開2000−106356号公報
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数の異なる種類の膜の構造を有する半導体ウエハを少量ずつ処理して製造する場合には、それぞれの処理対象であって製品となるべきウエハに対して、多波長微分干渉パターンのデータベースを作成することになり、このために、実際のウエハと同一の膜の構成を有するウエハを用いて、試験的なエッチング処理を行うと、ウエハ自体のコストも高く、さらにこの試験的処理が行われるウエハ分だけ余分にウエハを用意する必要があり、少量の生産ではこの試験に係るコストが高く、ひいては素子の生産のコストを増大させてしまうという問題があった。
【0013】
また、上記従来の技術では、用いられるウエハの膜の厚さを検出し、厚さの検出結果を用いて製品用のウエハを処理する際の半導体製造装置の運転条件を設定する場合にも、厚さ計測のためサンプルのウエハが必要となっていた。例えば、1つのロット中から任意のウエハを選び測定に供していた。このため、計測のための時間やウエハが必要となり、半導体製造のスループットを低下させていた。
【0014】
本発明の目的は、処理のスループットを向上させた半導体製造装置を提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、前記処理の所定の間に前記ウエハの表面から得られる少なくとも2つの波長の干渉光各々の光の量を検出する検出器と、この検出器からの出力に基づいて得られた前記2つの波長の一方の波長の干渉光についての前記量が極大となる時刻と他方の波長の干渉光についての前記量が極小となる時刻との間の時間が所定の値より小さいと判定された場合に前記膜が前記2つの波長に対する所定の残り膜厚さに達したと判定する機能を備えた半導体製造装置により達成される。
【0016】
また、容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置されその表面に膜を有する半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間に前記ウエハの表面からの干渉光を検出する検出器と、この検出器から出力された少なくとも2つの波長の干渉光の各々の量に関する信号のうち一方の波長の干渉光についての前記信号に係る前記量が極大となる時刻と他方の波長の干渉光についての前記量が極小となる時刻との間の時間が所定の値より小さいと判定された場合に前記膜が前記2つの波長に対する所定の残り膜厚さに達したと判定する判定手段とを備え、この判定手段による検出の結果に応じて前記エッチング処理を調節する半導体製造装置により達成される。
【0017】
さらには、前記膜が前記所定の残り膜厚さに達したと判定された場合に前記エッチング処理を停止することにより達成される。
【0018】
さらにまた、前記2つの波長の干渉光に関する前記量の微分データを用いて前記極大及び極小となる時刻を検出することにより達成される。
【0022】
ウエハからの光から極大値,極小値を検出する場合には、予め、被エッチング材料の光学的物性値を用いた理論的な干渉解析より各波長に対する干渉波形変化を求めておき、所定膜厚において異なった2つの波長の干渉波形が山と谷に相当する相関関係にある2つの波長を選択する。さらに、この2つの波長の干渉波形を測定して干渉波形の微分処理により微分値が零点通過する時間を求める。このようにして、それぞれの零点通過する時間が所定の値内になった場合に、所望の膜厚さに達したと判定しても良い。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を、図面を用いて説明する。
【0025】
なお、以下の各実施例において、第1実施例と同様の機能を有するものは第1実施例と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。以下の実施例では、本発明による半導体製造装置及びその被処理材であるウエハのエッチング処理におけるエッチング量(エッチング深さあるいは膜厚)等のエッチング条件を測定する方法について説明する。
【0026】
以下、図1〜図3で本発明の第1の実施例を説明する。図1は、本発明に係る半導体製造装置に係る第1の実施例について構成の概略を縦断面とブロックとを用いて示す図である。図2は、第1の実施例における処理対象となるウエハ上の構成及び光の干渉の概略を示す膜式図である。図3は、第1の実施例で光の干渉を用いて得られるデータの例を示すグラフである。
【0027】
まず、図1を用いて、本発明の膜厚測定装置を備えた半導体ウエハのエッチング装置の全体構成を説明する。
【0028】
エッチング装置1は真空容器2を備えており、その内部に導入されたエッチング用のガスがマイクロ波電力等により分解しプラズマ3となり、このプラズマ3により試料台5上の半導体ウエハ等の被処理材4がエッチングされる。膜厚測定装置10の測定用光源(例えばハロゲン光源)からの多波長の放射光が、光ファイバー8により真空容器2内に導かれ、被処理材4に垂直入射角で当てられる。被処理材4はここではポリシリコン層を含む、放射光はポリシリコン層の上面で反射屈折した放射光と、ポリシリコン層と下地層との間に形成された境界面で反射屈折した放射光により干渉光が形成される。干渉光は光ファイバー8を介して膜厚測定装置10の分光器11に導かれ、その状態に基づき膜厚測定や終点判定の処理を行う。
【0029】
膜厚測定装置10は、分光器11,第1デジタルフィルタ回路12,微分器13,第2デジタルフィルタ回路14,微分波形データベースである微分データ記憶装置15,微分波形比較器16及び処理状態判定器26と結果表示器17等を備えている。なお、図1は膜厚測定装置10の機能的な構成を示したものであり、膜厚測定装置10の実際の構成は、CPUや、膜厚測定処理プログラムや干渉光の微分波形パターンデータベース等の各種データを保持したROMや測定データ保持用のRAMおよび外部記憶装置等からなる記憶装置,データの入出力装置、及び通信制御装置により構成することができる。
【0030】
本実施例の半導体製造装置では、半導体ウエハ等の被処理材をプラズマエッチングする際に、予め、被処理材の光学的な物性値を用いて光干渉波形を演算したうえ、所定の膜厚に対する干渉光の微分値が零クロスする(あるいは極値をとる)波長群を予め選択し、零クロスが正から負に変わる(あるいは極大値をとる)波長群λ1と零クロスが負から正に変わる(あるいは極小値をとる)波長群λ2のデータを、半導体製造装置本体に備えられた或いは通信可能に構成された、記憶または記録手段に記憶/記録させておくものである。そして、実際の被処理材4の処理においては、これら波長群λ1とλ2の干渉光についてその強度をそれぞれ測定し、測定された干渉光強度の各波長群の微分値が零クロス(極値となる)する時刻を検出し、この零クロスする時刻を所定の値と比較して、被処理材の膜厚を求めるものである。
【0031】
光検出器11が取り込んだ上記の波長群λ1に含まれる1つの波長の発光強度は、それぞれ発光強度に応じた電流検出信号となり電圧信号へ変換される。分光器11によりサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は、時系列データyijとしてRAM等の記憶装置に収納される。この時系列データyijは次に、第1デジタルフィルタ回路12により平滑化処理され平滑化時系列データYijとしてRAM等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データYijを基に、微分器13により微係数値(1次微分値あるいは2次微分値)の時系列データdijが算出され、RAM等の記憶装置に収納される。微係数値の時系列データdijは、第2デジタルフィルタ回路14により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データDijとしてRAM等の記憶装置に収納される。そして、この平滑化微係数時系列データDijから干渉光強度の各波長の微分値の実パターンが求められる。
【0032】
一方、光検出器21が取り込んだ上記の波長群λ2に含まれる1つの波長の発光強度は、それぞれ発光強度に応じた電流検出信号となり電圧信号へ変換される。分光器11によりサンプリング信号として出力された複数の特定波長の信号は、時系列データyijとしてRAM等の記憶装置に収納される。この時系列データy′ijは次に、第1デジタルフィルタ回路22により平滑化処理され平滑化時系列データY′ijとしてRAM等の記憶装置に収納される。この平滑化時系列データY′ijを基に、微分器23により微係数値(1次微分値あるいは2次微分値)の時系列データd′ijが算出され、RAM等の記憶装置に収納される。微係数値の時系列データdijは、第2デジタルフィルタ回路24により、平滑化処理され平滑化微係数時系列データD′ijとしてRAM等の記憶装置に収納される。そして、この平滑化微係数時系列データD′ijから干渉光強度の各波長の微分値の実パターンが求められる。
【0033】
また、微分データ記憶装置15,25には、膜厚が変化したことによる上記各波長の干渉光強度データ、あるいはこれらの微分データの波形のそれぞれの値とその時刻が収納される。特に、微分データ波形の山,谷となる極大値,極小値とそれらの時刻Tm,T′nとが記憶される。これら各時刻Tm,T′nは、その時刻の間の時間の大きさが微分波形比較器16において、予め設定されるか又は記憶/記録されている所定の値と比較演算される。この所定の値よりもTm,T′n間の時間の大きさが小さい場合には、残り膜厚さが所定の大きさに達したか、ほぼ達したと判定され、被処理材の残り膜厚さが判定される。その結果は、結果表示器17により表示される。
【0034】
発明者らは、半導体ウエハ上に形成された膜のエッチングを行う場合、特定の膜厚さとなる時刻の前後の近傍で、その微分波形データが一方が極大値、他方が極小値となる複数の波長の群が選択でき、これらの群に属する波長の波形が極大または極小となる時刻間の時間は膜厚さが小さくなるに伴ってその大きさが小さくなることを発見した。これにより、特定の膜厚さについて、一方が極大値となる時刻の前後で、他方が極小値をとる時刻との間隔が定まり、この間隔を基準として予め設定しておくことで、上記特定の膜厚さに達したかを判定することができる、という知見を得た。
【0035】
さて、微分データ記憶装置15には、被処理対象である半導体ウエハ4からの干渉光の微分波形データの変化が記憶されるとともに、微分波形のデータが極値(極大値,極小値)をとる時刻が記憶されている。すなわち、膜厚が変化したことによる干渉光強度の山や谷の時刻についてのデータが記憶される。また、この微分データ記憶装置15からは、例えば、エッチング処理を行った際の所定の範囲の波長について、処理中の所定の時間での干渉光データの微分データの値が上記結果表示器17に送信されてこの結果表示器17上に示される。また、複数の波長の干渉光について、その微分値が極大,極小となる時刻についてのデータも、表示器17上に表示可能に構成されている。
【0036】
微分波形比較器16において、実パターンと微分波形パターンデータ値Pjが比較され被処理材の膜厚が求めるられる。その結果は、結果表示器17により表示される。
【0037】
なお、実施例では光検出器11が1個だけの場合を示してあるが、被処理材の面内を広く測定して制御したい場合には、複数の光検出器11を設ければよい。
【0038】
図2に、ゲートエッチング処理に用いられる半導体ウエハ等の被処理材4の縦断面形状の例を示す。図2において、処理対象の膜である被処理部材(ポリシリコン)40は、半導体ウエハ(基板)4の上に下地材である酸化膜42、その上に形成されており、さらにこの被処理部材40上にマスク材41が積層されている。例えばゲート膜のエッチングを行う場合、被処理部材40の下地材はSiO2 の絶縁膜であり、ソース,ドレーン間に対応して多結晶の下地材の上にポリシリコンのゲート層が形成される。また、各素子のゲート電極部48の独立動作を保証するために素子分離用溝49が酸化膜により形成されている。また、本実施の例では、マスク71の下部には素子分離溝(Shallow Trench Isolation, STI)42が形成された側方にゲート電極部48が構成されている。
【0039】
分光器11或いはプラズマ3から放出された複数の波長域に亙る光は、被処理部材40と下地材である酸化膜42の積層構造を含む被処理材4にほぼ垂直な入射角で当てられる。下地材42が薄いゲート電極部48へ導かれた放射光は、被エッチング材40の上面で反射した放射光と、被処理部材40と下地材42との間に形成された境界面で反射した放射光により干渉光95Aが形成される。また同様に、下地材42が厚い素子分離部49へ導かれた放射光は、被処理部材40の上面で反射した放射光と、被処理部材40と下地材42との間に形成された境界面で反射した放射光により干渉光95Bが形成される。これらの干渉光は下地酸化膜厚さが薄くなると干渉強度が弱くなるため、95B>95Aに関係がある。
【0040】
反射した光は分光器11に導かれ、エッチング中の被エッチング材40の層の厚さによって強さが変化する信号を生成する。分光器11を通して検出される干渉光は、処理膜が厚い部分からの干渉光95Bの方が干渉光95Aよりも支配的で、本実施例において、干渉光を用いて検出される膜厚さ,エッチング溝深さ等のエッチング状態は素子分離溝42上のもの(例えば膜厚さ46等)の方が精度が高くなる。
【0041】
結果表示器17は、液晶やCRTを用いたディスプレイや、所定の膜厚さや終点に到達したことを光,音等で報知する報知手段あるいはこれらの組み合わせ等が考えられる。本実施例では、計測データをグラフとして表示するディスプレイと光,音で報知する手段とを備えた結果表示器17を備えている。
【0042】
さらに、本実施例の装置では、結果表示器17に表示される計測データを用い、この表示されたデータを視認した使用者が望む特定の情報を表示したり、特定の情報を検出または演算するために必要な情報を使用者に指定させたりする機能を備えている。例えば、結果表示器17上に表示された時間−波長の座標上の特定の点や任意の点、或いはそのデータを指定するためのポインタ等の指定機能や、指定した点におけるデータの値やこれらの値から特定の量、例えば特定の時刻間の時間や波長,エッチングの速度や膜厚さ等エッチングの状態を示す量を演算あるいは検出する機能、これらの量を所定の位置に使用者が認識し易く表示する機能を備えている。
【0043】
上記の量を演算するための手段は、装置に備えられた演算器でもよく、装置とは距離が離れた場所に配置され計測または検出したデータを通信手段を介して授受可能な別の演算器を用いても良い。
【0044】
なお、図1は、エッチング量の測定装置の機能的な構成を示したものであり、結果表示器17と分光器を除いた計測器152の実際の構成は、CPUや、エッチング深さ及び膜厚測定処理プログラムや干渉光の微分波形パターンデータベース等の各種データを保持したROMや測定データ保持用のRAMおよび外部記憶装置等からなる記憶装置,データの入出力装置、及び通信制御装置により構成することができる。これは、以下説明する他の実施例についても同様である。
【0045】
図3は、本実施例の半導体製造装置で検出される干渉光データを微分したデータについて、複数波長について、その時間変化を示したグラフである。この図に示すように、幾つかの波長の組合せで、一方が極値(極大値)となる時刻の前後の時刻で、データが極小値となる波長を選択できることが分かる。発明者らは、2つの波長のそれぞれで極大−極小となる時刻の間の時間差が、処理が進むにつれて(膜厚が減少するに伴って)小さくなり、この時間差と膜厚との間に相関関係があって、時間差を判定することで残り膜厚さ(エッチング(溝)深さ)や終点を判定することができるという知見を得て、これを元に本発明を想起したものである。
【0046】
図4は、図1に示す半導体製造装置の動作の流れを示し、特に、被処理部材のエッチングの状態を検出してエッチング処理を調節する動作の流れを示す図である。
【0047】
本実施例において、半導体製造装置は、ステップ800で、被処理部材40であるポリシリコン膜に対するエッチング処理の条件を取得する。このステップでは、予め記憶装置,記録装置等に記憶,記録された処理条件のデータベース上のデータを受信しても良く、また、使用者が上記結果表示器17に備えられたキーボード,マウス等の入力装置によって入力したものを受信しても良く、また、予め半導体ウエハ4を収容したカセットや半導体ウエハ4自身に記録された膜の構成を示すデータを取得して、図示してはいない演算手段等で検出してもよい。
【0048】
次に、ステップ801において、上記微分データ記憶装置に記憶されたデータを用いて、あるいは別の記憶/記録装置上に記憶/記録された各波長と各強度の微分データとを比較して、エッチング状態を判定するための波長群λ1,λ2を検出し、これらの波長での上記零クロスの際の方向を検出する。さらには、上記逆の極値となる時刻同士の時間差について基準となる時間差ΔTを設定する。
【0049】
ステップ802,803,804では、実際の半導体ウエハ4を処理して得られた干渉光の波形データを検出するとともに、ステップ801で設定した判定用の波長群λ1,λ2の干渉波形を微分して、それぞれの波長群において微分データが極値となる時刻T1,T2を演算する。
【0050】
ステップ805は、上記の通り、微分波形比較器16を用いてステップ804で演算したT1,T2との時間差とステップ801で設定された基準となる時間差ΔTとを比較する。時間差ΔTの方が小さいと判断されると、所望の膜厚に達していないと判定されてステップ803に戻り、被対象部材40の処理を継続する。一方、ΔTの方が大きいと判断されると、所望の膜厚に達したかそれ以下の膜厚となったと判定される。
【0051】
本実施例は、ここでエッチングを停止し、分光器11を介した波長群λ1,λ2の干渉光のサンプリングも停止する。
【0052】
さて、発明者らによれば、下地膜(酸化膜)42の影響を考慮した被処理部材(ポリシリコン膜)40の理論的な干渉解析によると、ポリシリコン40がエッチングされ膜厚が変化した時に現れる干渉波形は下地膜(酸化膜)の厚さに依存することがわかった。
【0053】
図5,図6は、図1に示す装置においてエッチング処理を行った場合で、測定した波長400nm及び380nmの光の検出結果の微分値が負から正に零クロスする際に、ポリシリコン層の膜から得られるこれらの波長の干渉光が受ける下地酸化膜の厚さからの影響(下地酸化膜依存性)と、その膜厚での上記波長の光の検出結果の微分値が正から負に零クロスする際の下地酸化膜依存性とを示すグラフである。
【0054】
図5(a)は、ポリシリコン膜厚約60nmにおいて、零クロスが負から正に変化する(極小値に達した)波長400nm光の下地酸化膜厚さに対するポリシリコン膜厚を示す。この図に示されるように、下地酸化膜厚さ約130nmの周期性を持ってポリシリコン膜厚が変化する。これは、ポリシリコン膜の干渉が繋がって下地酸化膜の干渉が続くためである。
【0055】
すなわち、sin(4πnd/λ)の周期性を持つ。ここで、nは下地酸化膜の屈折率、dは下地酸化膜の厚さ、λは波長である。図5(b)に、波長400nm光の零クロスが負から正に変化するポリシリコン膜厚の時に、干渉光の零クロスが正から負に変化する(極大値に達した)波長群を示す。図に示されるように、その波長群は約430から500nmにわたり存在する。したがって、波長400nm光と約430から500nmの波長群を測定することにより、下地酸化膜に大まかな厚みを求めることができる。
【0056】
例えば、波長400nmと波長440nmの極値が一致した場合、下地酸化膜は約数nm〜130nm,約170nm〜260nm、または約330nm〜380nmと求まる。
【0057】
また、波長400nmと波長440nmそして480nmの零クロスが一致した場合、下地酸化膜は約140nm〜170nm,約300nm〜330nmであると求まる。さらに、ウエハの製品仕様を考慮するとより下地酸化膜膜厚が限定される。このようにして求めた下地酸化膜厚さ(約300nm〜330nm)を用いて、図6(a)に示される測定波長380nmが負から正に零クロス時に、正から負に零クロスする波長群λ2が約410nmから420nmと狭帯域化(約410nmから450nm)される(図6(b)参照)と共に、ポリシリコン膜厚判定が約48nm〜56nmであったものが約52nm〜55nmへと精度向上が図れる。
【0058】
なお、被処理材の面内を広く測定して制御したい場合には、複数の分光器を設けてもよい。
【0059】
また、上記実施例のように、真空室103内に光を供給する光源を用いないで、真空室103内に発生するプラズマ3からの光を利用して干渉光を分光器11を用いて計測器で計測してもよい。この場合は、半導体ウエハ4表面からのプラズマ光の反射が分光器である光検出器11に供給されることになる。また、プラズマ光の変化を計測するため、真空室103の側壁に計測ポート,光学伝送手段が内側の光を受光可能に配置され、これにより検出された信号を参照光とする。この参照光は、ウエハ表面から直接入射する光路を通る光ではなく、かつプラズマ光の変化が検出可能な光であることが必要であり、本実施例では、プラズマの光を側壁に設けた受光器で得ている。
【0060】
次に、本発明の第2の実施例について、図7,図8,図9を用いて説明する。
【0061】
図7,図8は、本発明の第2の実施例に係る半導体製造装置により検出される干渉波形を示す図である。
【0062】
図7は、左側のグラフは縦軸に波長を、横軸に膜厚(処理時刻)をとって、干渉光の強度変化を示したものであり、右側のグラフは、左側のグラフ上に点線で示す特定の時刻の300nm未満の波長から700nm以上の波長に亙る波長域の強度の変化を示すグラフである。
【0063】
この図のように、干渉光は、特定の波長の前後で急激な変化を示し、その強度の微分データは大きく上下していることが分かる。図8は、図7と同様に、縦軸に波長、横軸に膜厚(処理時刻)をとって、干渉光の強度変化を示した膜であり、(a)では、被処理部材40であるポリシリコン下方に形成された膜である酸化膜42の厚さが290nmの場合、(b)は、下地の酸化膜が330nmの場合である。これらの図から分かるように、発明者らは、下地の酸化膜42の厚さによって、干渉光の微分データの強度が大きく上下に変化する波長の値が変化し、この波長と下地酸化膜42の厚さとに相関関係があることから、下方の酸化膜の厚さを、その上方にある被処理対象の膜のエッチング処理の際に得た干渉光のデータを用いて検出できるとの知見を得た。本発明の実施例はこの知見に基づいて想起されたものである。
【0064】
図9は、図7,図8に係る干渉波形を得た実施例の半導体製造装置の動作の流れを示す流れ図である。この実施例では、ポリシリコンゲートエッチング時に、波長が約300nmから700nm領域の波長の干渉光強度を検出しその微分データを得て、処理対象のポリシリコン膜40の膜厚が減少する際に、零クロスする(極値となる)波長が、順次短波長側にシフトする性質とは異なり、下地の酸化膜厚さによって、長い波長の側の波長より先に短い側の波長がする性質を利用して、その反転する波長から下地酸化膜厚さを算出するものである。
【0065】
これにより、これまで任意のサンプルとなるウエハを選んで計測して判定していた、下方の膜(下地酸化膜)の厚さを、その上方の膜を処理する際の干渉光のデータを用いることで検出できるので、サンプルの計測を行うために低下していたスループットや製造コストの上昇を抑制できる。
【0066】
さらに、このように、算出された下地酸化膜の厚さを用いて被処理部材である、ポリシリコンの所定膜厚判定の精度を向上することが可能である。
【0067】
図9では、被処理部材(ポリシリコン)膜に対するエッチング条件(エッチング放電条件,エッチング残膜厚さ条件)を入力し(ステップ900)、エッチング残膜厚さ条件からデータ記憶装置に記憶されたデータから判定用2波長群λ1,λ2とそれぞれの零クロス時の方向(極大か極小か(微係数の傾き))と判定時間の幅ΔTとの設定する(ステップ901)。
【0068】
次に、半導体ウエハ4のエッチング開始及びサンプリング開始し(ステップ902)、分光器からの多波長出力信号yi,jから微係数時系列データDi,jを算出し(ステップ903)、微係数時系列データDi,jとDm,jの零クロス時刻TiとTmとが反転する波長λiを算出する(904)。ここで、iは長波長側を、mは短波長側の測定波長である。
【0069】
下地酸化膜の影響がない波長領域では、時刻TiとTmとはTi<Tmの関係が成り立つが、下地酸化膜の影響がある波長領域では、時刻TiとTmとはTi>Tmとなる。この波長λiを予めデータベースとして持っている下地酸化膜厚さと歪み波長値により下地酸化膜を算出する(ステップ905)。算出した下地酸化膜厚さを用いて、微分零クロステーブルから判定用2波長群λ1,λ2や零クロスの向きや判定時間ΔT等の再設定を行う(ステップ906)。
【0070】
再設定された判定用2波長群λ1,λ2の干渉波形の微分処理を行い(ステップ907)、零クロス時刻T1とT2との比較(T1−ΔT≦T2≦T1+ΔTの判定 ステップ908)により、エッチング終了及びサンプリング終了の設定を行う(ステップ909)。零クロス時刻T1とT2との比較(T1−ΔT≦T2≦T1+ΔTの判定 ステップ908)がNOの場合は、ステップ903から動作を繰り返す。ただし、下地酸化膜が算出できた時には、ステップ903から処理905は必ずしも行わなくてもよい。
【0071】
このようにして、従来技術においては、行われていたサンプルウエハを用いた測定により、処理のスループットやコストの上昇が生じていたのに対し、本発明では、上層の膜を製品として処理した際に得られたデータから下層の膜厚さを検出することができ、装置を用いた全体としての処理のスループットが向上し、コストの上昇を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例になる膜厚測定装置を備えた半導体ウエハのエッチング装置の全体構成を示す図である。
【図2】ゲートエッチング処理の対象となる被処理材70の縦断面形状例を示す図である。
【図3】上記図2のエッチング処理途中におけるいくつかの波長に対する干渉光の時間変化の例を示す図である。
【図4】図1の膜厚測定装置でエッチング処理を行う際に、被処理材の膜厚を求める手順を示すフローチャートである。
【図5】図1の実施例から得られる被処理対象材の膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が正より負に零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。
【図6】図1の実施例から得られる被処理対象材の膜厚の下地酸化膜依存性とその膜厚で微分値が正より負に零クロスする波長の下地酸化膜依存性を示す図である。
【図7】本発明の他の実施例になる多波長微分干渉パターンと、ポリシリコン膜厚における微分値の波長依存性を示す図である。
【図8】下地酸化膜厚みが異なる場合の多波長微分干渉パターンと、ポリシリコン膜厚における微分値の波長依存性を示す図である。
【図9】本発明の他の実施例の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1…エッチング装置、2…真空容器、3…プラズマ、4…被処理材、5…試料台、8…光ファイバー、10…膜厚測定装置、11…分光器、12…第1デジタルフィルタ回路、13…微分器、14…第2デジタルフィルタ回路、15…微分零クロス時刻蓄積器、16…微分零クロス時刻比較器、17…結果表示器。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for manufacturing a semiconductor element by etching a semiconductor wafer, and to an apparatus provided with means for measuring the etched depth.
[0002]
[Prior art]
In the process of forming a semiconductor element, dry etching is performed in order to remove a layer of various materials such as a dielectric material and an insulating material layer formed on the surface of a semiconductor wafer and to form a pattern in these layers. Widely used. In performing this dry etching, it is important to adjust the etching so that the desired etching depth and layer thickness are obtained during the processing of the above-mentioned layers. Therefore, the etching end point and the film thickness are accurately set. To be detected.
[0003]
By the way, it is known that the intensity of light emission from light of a specific wavelength included in plasma light changes as the etching of a specific film progresses during the process of dry etching a semiconductor wafer using plasma. ing. Therefore, as one of techniques for detecting the etching state such as the etching end point and film thickness of the semiconductor wafer, a change in emission intensity of a specific wavelength from the plasma is detected during the dry etching process, and based on the detection result. A technique for detecting the etching end point and film thickness of a specific film is known. In order to improve the accuracy of this detection, it is necessary to reduce false detection caused by fluctuations in the detection waveform due to noise.
[0004]
In recent years, with the miniaturization and high integration of semiconductors, the aperture ratio (area to be etched of a semiconductor wafer) has decreased, and the emission intensity of a specific wavelength taken into the photodetector from the optical sensor has become weak. As a result, the level of the sampling signal from the photodetector is reduced, and it is difficult for the end point determination unit to reliably detect the etching end point based on the sampling signal from the photodetector.
[0005]
In addition, when detecting the end point of etching and stopping the process, it is actually important that the remaining thickness of the dielectric layer is equal to a predetermined value. Conventional processes monitor the entire process using time thickness control techniques based on the assumption that the etch rate of each layer is constant. The value of the etching rate is obtained, for example, by processing a sample wafer in advance. In this method, the etching process is stopped simultaneously with the elapse of time corresponding to a predetermined etching film thickness by the time monitoring method.
[0006]
However, actual films, such as SiO formed by LPCVD techniques 2 Layers are known to have low thickness reproducibility. Thickness tolerance due to process variations during LPCVD is SiO 2 This corresponds to about 10% of the initial thickness of the layer. Therefore, the method by time monitoring is the SiO remaining on the silicon substrate. 2 The actual final thickness of the layer cannot be measured accurately. The actual thickness of the remaining layer is then finally measured by standard spectroscopic interferometry techniques and if it is found to be over-etched, the wafer will be rejected and discarded.
[0007]
As techniques for detecting the end point of etching of such a semiconductor wafer by measuring the wafer surface, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-179467 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-274082 (Patent Document 2), and A device using an interferometer disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-97648 (Patent Document 3), Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-106356 (Patent Document 4) and the like is known.
[0008]
In JP-A-5-179467 (Patent Document 1), interference light (plasma light) is detected using three types of color filters of red, green, and blue, and etching end point detection is performed. In JP-A-8-274082 (USP5658418) (Patent Document 2), an interference waveform extreme value (maximum and minimum of waveform: zero of differential waveform) is obtained by using temporal change of the interference waveform of two wavelengths and its differential waveform. Count the passing point). The etching rate is calculated by measuring the time until the count reaches a predetermined value, the remaining etching time until reaching the predetermined film thickness is obtained based on the calculated etching rate, and the etching process is stopped based on that. Yes.
[0009]
In Japanese Patent Laid-Open No. 2000-97648 (Patent Document 3), a waveform (wavelength) of a difference between a light intensity pattern of interference light before processing (with wavelength as a parameter) and a light intensity pattern of interference light after processing or during processing. And the step (film thickness) is measured by comparing the difference waveform with the difference waveform stored in the database. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-106356 (Patent Document 4) relates to a spin coater and obtains a film thickness by measuring temporal changes of interference light over multiple wavelengths.
[0010]
When detecting the end point of etching and stopping the process, it is actually important that the remaining thickness of the film layer is as close as possible to or equal to a predetermined value. In the prior art, the thickness of the film is monitored by adjusting the time based on the premise that the etching rate of each layer is constant. The reference etching rate value is obtained, for example, by processing a sample wafer in advance. In this technique, the etching process is stopped when a time corresponding to a predetermined film thickness elapses.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-5-179467
[Patent Document 2]
JP-A-8-274082
[Patent Document 3]
JP 2000-97648 A
[Patent Document 4]
JP 2000-106356 A
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, when manufacturing a large number of semiconductor wafers having different types of film structures, a multi-wavelength differential interference pattern database is created for each wafer to be processed and processed. For this reason, if a test etching process is performed using a wafer having the same film configuration as the actual wafer, the cost of the wafer itself is high, and this test process is performed. It is necessary to prepare an extra wafer as much as the wafer, and there is a problem that the cost for this test is high in a small amount of production, and consequently the production cost of the element is increased.
[0013]
Further, in the above conventional technology, when detecting the film thickness of the wafer used, and setting the operating conditions of the semiconductor manufacturing apparatus when processing the product wafer using the thickness detection result, A sample wafer was required for thickness measurement. For example, an arbitrary wafer was selected from one lot and used for measurement. For this reason, time and wafers for measurement are required, and the throughput of semiconductor manufacturing is reduced.
[0014]
An object of the present invention is to provide a semiconductor manufacturing apparatus with improved processing throughput.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is a semiconductor manufacturing apparatus for performing an etching process using a plasma generated in a container placed in a container and having a film on the surface thereof. A detector for detecting the amount of each of the interference light of at least two wavelengths obtained from the surface, and the amount of the interference light of one of the two wavelengths obtained based on the output from the detector; Is the time between the time when becomes the maximum and the time when the amount of interference light of the other wavelength becomes the minimum Is determined to be less than a predetermined value, the film has reached a predetermined remaining film thickness for the two wavelengths. This is achieved by a semiconductor manufacturing apparatus having a determination function.
[0016]
Also, it is placed in this container using plasma generated in the container. Has a film on its surface A detector for detecting interference light from the surface of the wafer during a predetermined period of the processing when etching a semiconductor wafer, and a signal relating to the amount of each of interference light of at least two wavelengths output from the detector It is determined that the time between the time when the amount related to the signal for interference light of one wavelength is maximum and the time when the amount for interference light of the other wavelength is minimum is smaller than a predetermined value. And a determination unit that determines that the film has reached a predetermined remaining film thickness with respect to the two wavelengths, and a semiconductor manufacturing apparatus that adjusts the etching process according to a result of detection by the determination unit. Achieved.
[0017]
Moreover, The etching process is stopped when it is determined that the film has reached the predetermined remaining film thickness. Is achieved.
[0018]
Furthermore, The maximum and minimum times are detected using the differential data of the amount related to the interference light of the two wavelengths. Is achieved.
[0022]
When detecting the maximum and minimum values from the light from the wafer, the interference waveform change for each wavelength is obtained in advance by theoretical interference analysis using the optical property values of the material to be etched, and the predetermined film thickness. The two wavelengths having a correlation in which the interference waveforms of two different wavelengths correspond to peaks and valleys are selected. Further, the interference waveforms of these two wavelengths are measured, and the time for which the differential value passes through the zero point is determined by differential processing of the interference waveform. In this way, it may be determined that a desired film thickness has been reached when the time for passing through each zero point is within a predetermined value.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0025]
In the following embodiments, those having the same functions as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the first embodiment, and detailed description thereof is omitted. In the following embodiments, a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention and a method for measuring etching conditions such as an etching amount (etching depth or film thickness) in an etching process of a wafer as a material to be processed will be described.
[0026]
The first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a first embodiment of a semiconductor manufacturing apparatus according to the present invention using a longitudinal section and a block. FIG. 2 is a film type diagram showing an outline of a configuration on a wafer to be processed and light interference in the first embodiment. FIG. 3 is a graph showing an example of data obtained using light interference in the first embodiment.
[0027]
First, the overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with the film thickness measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
[0028]
The etching apparatus 1 includes a vacuum vessel 2, and an etching gas introduced therein is decomposed by microwave power or the like into plasma 3, and the plasma 3 causes a material to be processed such as a semiconductor wafer on the sample stage 5. 4 is etched. Multi-wavelength radiated light from a measurement light source (for example, a halogen light source) of the film thickness measuring device 10 is guided into the vacuum vessel 2 by the optical fiber 8 and applied to the material 4 to be processed at a vertical incident angle. The material to be processed 4 includes a polysilicon layer, and the radiated light is reflected and refracted at the upper surface of the polysilicon layer, and the radiated light is reflected and refracted at the boundary surface formed between the polysilicon layer and the base layer. As a result, interference light is formed. The interference light is guided to the spectroscope 11 of the film thickness measuring device 10 through the optical fiber 8 and performs film thickness measurement and end point determination processing based on the state.
[0029]
The film thickness measuring device 10 includes a spectroscope 11, a first digital filter circuit 12, a differentiator 13, a second digital filter circuit 14, a differential data storage device 15 that is a differential waveform database, a differential waveform comparator 16, and a processing state determiner. 26, a result display 17 and the like. FIG. 1 shows a functional configuration of the film thickness measuring apparatus 10. The actual configuration of the film thickness measuring apparatus 10 includes a CPU, a film thickness measurement processing program, an interference light differential waveform pattern database, and the like. The storage device includes a ROM holding various data, a RAM for holding measurement data and an external storage device, a data input / output device, and a communication control device.
[0030]
In the semiconductor manufacturing apparatus of this example, when plasma processing a material to be processed such as a semiconductor wafer, the optical interference waveform is calculated in advance using the optical property value of the material to be processed, and then the predetermined film thickness is measured. A wavelength group in which the differential value of the interference light crosses zero (or takes an extreme value) is selected in advance, and the zero cross changes from positive to negative (or takes a local maximum). Wavelength group λ1 and zero cross changes from negative to positive. The data of the wavelength group λ2 (or the minimum value) is stored / recorded in a storage or recording means provided in the semiconductor manufacturing apparatus main body or configured to be communicable. In the actual processing of the material 4 to be processed, the intensities of the interference light beams of the wavelength groups λ1 and λ2 are measured, and the differential value of each wavelength group of the measured interference light intensity is zero cross (extreme value and And the zero crossing time is compared with a predetermined value to determine the film thickness of the material to be processed.
[0031]
The emission intensity of one wavelength included in the wavelength group λ1 captured by the photodetector 11 is converted into a voltage signal as a current detection signal corresponding to the emission intensity. Signals of a plurality of specific wavelengths output as sampling signals by the spectroscope 11 are stored in a storage device such as a RAM as time series data yij. The time series data yij is then smoothed by the first digital filter circuit 12 and stored in a storage device such as a RAM as smoothed time series data Yij. Based on the smoothed time series data Yij, the differentiator 13 calculates the time series data dij of the differential coefficient value (primary differential value or secondary differential value) and stores it in a storage device such as a RAM. The time series data dij of the differential coefficient value is smoothed by the second digital filter circuit 14 and stored in a storage device such as a RAM as smoothed differential coefficient time series data Dij. Then, an actual pattern of the differential value of each wavelength of the interference light intensity is obtained from the smoothed differential coefficient time series data Dij.
[0032]
On the other hand, the emission intensity of one wavelength included in the wavelength group λ2 captured by the photodetector 21 becomes a current detection signal corresponding to the emission intensity, and is converted into a voltage signal. Signals of a plurality of specific wavelengths output as sampling signals by the spectroscope 11 are stored in a storage device such as a RAM as time series data yij. Next, the time series data y′ij is smoothed by the first digital filter circuit 22 and stored in a storage device such as a RAM as smoothed time series data Y′ij. Based on the smoothed time series data Y′ij, the differentiator 23 calculates the time series data d′ ij of the differential coefficient value (primary differential value or secondary differential value) and stores it in a storage device such as a RAM. The The time series data dij of the differential coefficient value is smoothed by the second digital filter circuit 24 and stored in a storage device such as a RAM as smoothed differential coefficient time series data D′ ij. Then, a real pattern of the differential value of each wavelength of the interference light intensity is obtained from the smoothed differential coefficient time series data D′ ij.
[0033]
Further, the differential data storage devices 15 and 25 store the interference light intensity data of each wavelength due to the change of the film thickness, or the values and times of the waveforms of these differential data. In particular, the maximum value and the minimum value that become peaks and troughs of the differential data waveform and their times Tm and T′n are stored. Each time Tm, T′n is compared with a predetermined value in which the magnitude of the time between the times is preset or stored / recorded in the differential waveform comparator 16. If the amount of time between Tm and T′n is smaller than this predetermined value, it is determined that the remaining film thickness has reached or nearly reached the predetermined film thickness, and the remaining film of the material to be processed The thickness is determined. The result is displayed on the result display 17.
[0034]
When etching a film formed on a semiconductor wafer, the inventors have a plurality of differential waveform data in which one of the differential waveform data has a maximum value and the other has a minimum value in the vicinity of the time before and after the time when the specific film thickness is reached. It has been discovered that the time between the time when the wavelength group can be selected and the waveform of the wavelength belonging to these groups becomes maximum or minimum becomes smaller as the film thickness becomes smaller. Thus, for a specific film thickness, the interval between the time when one takes the maximum value and the time when the other takes the minimum value is determined. The knowledge that it was possible to determine whether the film thickness was reached was obtained.
[0035]
The differential data storage device 15 stores changes in differential waveform data of interference light from the semiconductor wafer 4 to be processed, and the differential waveform data takes extreme values (maximum values and minimum values). The time is stored. That is, data on the time of peaks and valleys of the interference light intensity due to the change in film thickness is stored. Further, from the differential data storage device 15, for example, the differential data value of the interference light data at a predetermined time during the processing is stored in the result display 17 for a predetermined range of wavelengths when the etching processing is performed. The result is displayed on the display 17. In addition, data about times when the differential values of the interference light having a plurality of wavelengths become maximum and minimum can be displayed on the display unit 17.
[0036]
In the differential waveform comparator 16, the actual pattern and the differential waveform pattern data value Pj are compared to determine the film thickness of the material to be processed. The result is displayed on the result display 17.
[0037]
In addition, although the case where only one photodetector 11 is shown in the embodiment, a plurality of photodetectors 11 may be provided when it is desired to measure and control the surface of the material to be processed widely.
[0038]
FIG. 2 shows an example of a vertical cross-sectional shape of the material 4 to be processed such as a semiconductor wafer used for the gate etching process. In FIG. 2, a member to be processed (polysilicon) 40 which is a film to be processed is formed on an oxide film 42 which is a base material on a semiconductor wafer (substrate) 4 and further this member to be processed. A mask material 41 is laminated on 40. For example, when the gate film is etched, the base material of the member to be processed 40 is SiO. 2 A polysilicon gate layer is formed on a polycrystalline base material corresponding to between the source and drain. In addition, an element isolation groove 49 is formed of an oxide film in order to ensure the independent operation of the gate electrode portion 48 of each element. In the present embodiment, a gate electrode portion 48 is formed on the side where an element isolation trench (Shallow Trench Isolation, STI) 42 is formed below the mask 71.
[0039]
The light emitted from the spectroscope 11 or the plasma 3 over a plurality of wavelength ranges is applied to the material to be processed 4 including the laminated structure of the material to be processed 40 and the oxide film 42 as the base material at an incident angle substantially perpendicular. The radiated light guided to the gate electrode portion 48 where the base material 42 is thin is reflected at the boundary surface formed between the processed member 40 and the base material 42 and the radiated light reflected from the upper surface of the material 40 to be etched. The interference light 95A is formed by the emitted light. Similarly, the radiated light guided to the element isolation part 49 with the thick base material 42 is a boundary formed between the radiated light reflected by the upper surface of the processing target member 40 and the processing target member 40 and the base material 42. Interference light 95B is formed by the radiated light reflected by the surface. These interference lights are related to 95B> 95A because the interference intensity decreases as the base oxide film thickness decreases.
[0040]
The reflected light is guided to the spectroscope 11 and generates a signal whose intensity changes depending on the thickness of the layer of the material 40 to be etched. The interference light detected through the spectroscope 11 is more dominant in the interference light 95B from the portion where the processing film is thick than the interference light 95A. The etching state such as the etching groove depth is higher on the element isolation groove 42 (for example, film thickness 46).
[0041]
The result display 17 may be a display using liquid crystal or CRT, a notification means for notifying that a predetermined film thickness or end point has been reached by light, sound, or a combination thereof. In this embodiment, a result display unit 17 including a display for displaying measurement data as a graph and means for informing with light and sound is provided.
[0042]
Furthermore, in the apparatus according to the present embodiment, the measurement data displayed on the result display 17 is used to display specific information desired by the user who has viewed the displayed data, or to detect or calculate specific information. It has a function that allows the user to specify necessary information. For example, a specific point or an arbitrary point on the time-wavelength coordinates displayed on the result display 17 or a designation function such as a pointer for designating the data, a data value at the designated point, or these A function that calculates or detects a specific amount, for example, a time or wavelength between specific times, an etching speed or a film thickness indicating the state of etching, and recognizes these amounts at predetermined positions. It has a function to display easily.
[0043]
The means for calculating the above quantity may be an arithmetic unit provided in the apparatus, or another arithmetic unit that is arranged at a distance from the apparatus and that can exchange measured or detected data via the communication means. May be used.
[0044]
FIG. 1 shows the functional configuration of the etching amount measuring apparatus. The actual configuration of the measuring instrument 152 excluding the result display 17 and the spectroscope is the CPU, the etching depth, and the film. Consists of a ROM that stores various data such as a thickness measurement processing program and a differential waveform pattern database of interference light, a storage device including a measurement data storage RAM and an external storage device, a data input / output device, and a communication control device be able to. The same applies to the other embodiments described below.
[0045]
FIG. 3 is a graph showing changes over time for a plurality of wavelengths of data obtained by differentiating the interference light data detected by the semiconductor manufacturing apparatus of the present embodiment. As shown in this figure, it can be seen that the wavelength at which the data becomes the minimum value can be selected at the time before and after the time when one of the values becomes the extreme value (maximum value) by combining several wavelengths. The inventors have found that the time difference between the times when the maximum and minimum values are reached at each of the two wavelengths decreases as the processing proceeds (as the film thickness decreases), and there is a correlation between this time difference and the film thickness. There is a relationship, and the knowledge that the remaining film thickness (etching (groove depth)) and the end point can be determined by determining the time difference is obtained, and the present invention is recalled based on this knowledge.
[0046]
FIG. 4 shows the flow of operation of the semiconductor manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and particularly shows the flow of operation for adjusting the etching process by detecting the etching state of the member to be processed.
[0047]
In this embodiment, the semiconductor manufacturing apparatus acquires the conditions for the etching process for the polysilicon film that is the member to be processed 40 in Step 800. In this step, data on a database of processing conditions stored and recorded in advance in a storage device, a recording device, or the like may be received, and the user may use a keyboard, mouse, etc. provided in the result display unit 17. What is input by the input device may be received, and data indicating the configuration of the film previously recorded on the cassette containing the semiconductor wafer 4 or the semiconductor wafer 4 itself is acquired, and arithmetic means not shown Or the like.
[0048]
Next, in step 801, etching is performed using the data stored in the differential data storage device or by comparing each wavelength stored in / recorded on another storage / recording device with differential data of each intensity. Wavelength groups λ1 and λ2 for determining the state are detected, and the direction at the zero crossing at these wavelengths is detected. Furthermore, a reference time difference ΔT is set for the time difference between the opposite extreme times.
[0049]
In steps 802, 803, and 804, the waveform data of the interference light obtained by processing the actual semiconductor wafer 4 is detected, and the interference waveforms of the wavelength groups λ1 and λ2 for determination set in step 801 are differentiated. Then, times T1 and T2 at which the differential data becomes extreme values in the respective wavelength groups are calculated.
[0050]
In step 805, as described above, the time difference between T1 and T2 calculated in step 804 using the differential waveform comparator 16 is compared with the reference time difference ΔT set in step 801. If it is determined that the time difference ΔT is smaller, it is determined that the desired film thickness has not been reached, the process returns to step 803, and the processing of the target member 40 is continued. On the other hand, if it is determined that ΔT is larger, it is determined that the desired film thickness has been reached or less.
[0051]
In this embodiment, the etching is stopped here, and the sampling of the interference light of the wavelength groups λ1 and λ2 via the spectroscope 11 is also stopped.
[0052]
According to the inventors, according to the theoretical interference analysis of the member to be processed (polysilicon film) 40 in consideration of the influence of the base film (oxide film) 42, the polysilicon 40 is etched and the film thickness changes. It was found that the interference waveform that appears sometimes depends on the thickness of the underlying film (oxide film).
[0053]
FIGS. 5 and 6 show the case where the etching process is performed in the apparatus shown in FIG. 1, and when the differential value of the measured detection results of the light having the wavelengths of 400 nm and 380 nm crosses from negative to positive zero, The influence of the thickness of the underlying oxide film on the interference light of these wavelengths obtained from the film (depending on the underlying oxide film) and the differential value of the detection result of light of the above wavelength at the film thickness change from positive to negative It is a graph which shows the base oxide film dependence at the time of zero crossing.
[0054]
FIG. 5A shows the polysilicon film thickness with respect to the base oxide film thickness of light having a wavelength of 400 nm in which the zero crossing changes from negative to positive (has reached a minimum value) when the polysilicon film thickness is approximately 60 nm. As shown in this figure, the polysilicon film thickness changes with a periodicity of the base oxide film thickness of about 130 nm. This is because the interference of the polysilicon film is connected and the interference of the underlying oxide film continues.
[0055]
That is, it has a periodicity of sin (4πnd / λ). Here, n is the refractive index of the underlying oxide film, d is the thickness of the underlying oxide film, and λ is the wavelength. FIG. 5B shows a wavelength group in which the zero cross of the interference light changes from positive to negative (has reached the maximum value) when the zero cross of the light having a wavelength of 400 nm changes from negative to positive. . As shown in the figure, the wavelength group exists from about 430 to 500 nm. Therefore, by measuring a wavelength of 400 nm light and a wavelength group of about 430 to 500 nm, a rough thickness can be obtained for the base oxide film.
[0056]
For example, when the extreme values of the wavelength of 400 nm and the wavelength of 440 nm coincide with each other, the base oxide film is found to be about several nm to 130 nm, about 170 nm to 260 nm, or about 330 nm to 380 nm.
[0057]
When the zero crossing of the wavelength 400 nm matches the wavelength 440 nm and 480 nm, the base oxide film is determined to be about 140 nm to 170 nm and about 300 nm to 330 nm. Furthermore, when considering the product specifications of the wafer, the base oxide film thickness is more limited. A wavelength group in which the measured wavelength 380 nm shown in FIG. 6A crosses from positive to negative zero crossing from negative to positive using the base oxide film thickness (about 300 nm to 330 nm) thus obtained. λ2 is narrowed from about 410 nm to 420 nm (from about 410 nm to 450 nm) (see FIG. 6B), and the polysilicon film thickness judgment is about 48 nm to 56 nm, and the accuracy is about 52 nm to 55 nm. Improvement can be achieved.
[0058]
Note that a plurality of spectroscopes may be provided when it is desired to measure and control the surface of the material to be processed widely.
[0059]
Further, as in the above embodiment, the interference light is measured using the spectroscope 11 using light from the plasma 3 generated in the vacuum chamber 103 without using a light source that supplies light into the vacuum chamber 103. You may measure with the instrument. In this case, the reflection of the plasma light from the surface of the semiconductor wafer 4 is supplied to the photodetector 11 which is a spectroscope. Further, in order to measure changes in plasma light, a measurement port and an optical transmission means are arranged on the side wall of the vacuum chamber 103 so as to be able to receive the inner light, and a signal detected thereby is used as reference light. This reference light must not be light that passes through the optical path directly incident from the wafer surface, but light that can detect changes in the plasma light. In this embodiment, the light received by the plasma light on the side wall is required. It is gained with a vessel.
[0060]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0061]
7 and 8 are diagrams showing interference waveforms detected by the semiconductor manufacturing apparatus according to the second embodiment of the present invention.
[0062]
In FIG. 7, the left graph shows the change in the intensity of the interference light with the vertical axis indicating the wavelength and the horizontal axis indicating the film thickness (processing time). The right graph is a dotted line on the left graph. It is a graph which shows the change of the intensity | strength of the wavelength range over the wavelength of 700 nm or more from the wavelength of less than 300 nm of the specific time shown by.
[0063]
As shown in this figure, the interference light shows a sudden change before and after a specific wavelength, and it can be seen that the differential data of the intensity greatly fluctuates. FIG. 8 is a film showing the change in the intensity of interference light with the wavelength on the vertical axis and the film thickness (processing time) on the horizontal axis, as in FIG. When the thickness of the oxide film 42 which is a film formed below a certain polysilicon is 290 nm, (b) is the case where the underlying oxide film is 330 nm. As can be seen from these figures, the inventors change the value of the wavelength at which the intensity of the differential data of the interference light greatly changes depending on the thickness of the underlying oxide film 42, and this wavelength and the underlying oxide film 42. The thickness of the lower oxide film can be detected using the interference light data obtained during the etching process of the target film above it. Obtained. Examples of the present invention are conceived based on this finding.
[0064]
FIG. 9 is a flowchart showing a flow of operation of the semiconductor manufacturing apparatus of the embodiment that has obtained the interference waveform according to FIGS. In this embodiment, during polysilicon gate etching, when the interference light intensity of a wavelength in the region of about 300 nm to 700 nm is detected and its differential data is obtained, the thickness of the polysilicon film 40 to be processed decreases. Unlike the property that the wavelength that crosses zero (extremely) shifts to the short wavelength side sequentially, the property that the wavelength on the short side precedes the wavelength on the long wavelength side depends on the oxide film thickness of the base Then, the base oxide film thickness is calculated from the inverted wavelength.
[0065]
Thus, the thickness of the lower film (underlying oxide film), which has been determined by selecting and measuring a wafer as an arbitrary sample until now, is used with the data of the interference light when the upper film is processed. Therefore, it is possible to suppress an increase in throughput and manufacturing cost that have been reduced due to sample measurement.
[0066]
Furthermore, it is possible to improve the accuracy of the predetermined film thickness determination of polysilicon, which is a member to be processed, using the calculated thickness of the underlying oxide film.
[0067]
In FIG. 9, the etching condition (etching discharge condition, etching residual film thickness condition) for the member to be processed (polysilicon) is input (step 900), and the data stored in the data storage device from the etching residual film thickness condition is input. To the determination two wavelength groups λ1 and λ2, the direction of each zero cross (maximum or minimum (inclination of the derivative)), and the determination time width ΔT (step 901).
[0068]
Next, the etching and sampling of the semiconductor wafer 4 are started (step 902), the differential coefficient time series data Di, j is calculated from the multi-wavelength output signals yi, j from the spectrometer (step 903), and the differential coefficient time series is calculated. A wavelength λi at which the zero crossing times Ti and Tm of the data Di, j and Dm, j are inverted is calculated (904). Here, i is the long wavelength side, and m is the short wavelength side measurement wavelength.
[0069]
In the wavelength region where there is no influence of the underlying oxide film, the relationship between time Ti and Tm is Ti <Tm, but in the wavelength region where the influence of the underlying oxide film is present, time Ti and Tm are such that Ti> Tm. A base oxide film is calculated from the base oxide film thickness and the strain wavelength value having this wavelength λi as a database in advance (step 905). Using the calculated base oxide film thickness, the two-wavelength groups for determination λ1, λ2, the direction of the zero cross, the determination time ΔT, etc. are reset from the differential zero cross table (step 906).
[0070]
Differentiation processing is performed on the interference waveforms of the re-set two wavelength groups for determination λ1 and λ2 (step 907), and etching is performed by comparing the zero crossing times T1 and T2 (T1-ΔT ≦ T2 ≦ T1 + ΔT determination step 908). The end and sampling end are set (step 909). If the comparison between the zero crossing times T1 and T2 (T1-ΔT ≦ T2 ≦ T1 + ΔT determination step 908) is NO, the operation is repeated from step 903. However, when the base oxide film can be calculated, the processing from step 903 to step 905 is not necessarily performed.
[0071]
In this way, in the prior art, the measurement using the sample wafer has increased the processing throughput and cost, whereas in the present invention, when the upper layer film is processed as a product, Thus, the film thickness of the lower layer can be detected from the obtained data, the throughput of processing as a whole using the apparatus can be improved, and the increase in cost can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a semiconductor wafer etching apparatus provided with a film thickness measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an example of a vertical cross-sectional shape of a material 70 to be processed that is an object of gate etching processing;
3 is a diagram showing an example of temporal change of interference light with respect to several wavelengths during the etching process of FIG.
4 is a flowchart showing a procedure for obtaining a film thickness of a material to be processed when performing an etching process with the film thickness measuring apparatus of FIG. 1;
5 is a graph showing the dependency of the film thickness of the material to be processed obtained from the embodiment of FIG. 1 on the base oxide film and the dependency of the film thickness on the base oxide film at the wavelength at which the differential value crosses zero from positive to negative. It is.
6 is a graph showing the dependency of the film thickness of the material to be processed obtained from the embodiment of FIG. 1 on the base oxide film and the dependency of the film thickness on the base oxide film at the wavelength at which the differential value zero crosses from positive to negative. It is.
FIG. 7 is a diagram showing a wavelength dependency of a differential value in a multi-wavelength differential interference pattern and a polysilicon film thickness according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a wavelength dependence of a differential value in a multi-wavelength differential interference pattern and a polysilicon film thickness when base oxide film thicknesses are different.
FIG. 9 is a flowchart showing the operation of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Etching apparatus, 2 ... Vacuum container, 3 ... Plasma, 4 ... Material to be processed, 5 ... Sample stand, 8 ... Optical fiber, 10 ... Film thickness measuring apparatus, 11 ... Spectroscope, 12 ... 1st digital filter circuit, 13 ... differentiator, 14 ... second digital filter circuit, 15 ... differential zero cross time accumulator, 16 ... differential zero cross time comparator, 17 ... result display.

Claims (4)

容器内に配置されその表面に膜を有する半導体ウエハをこの容器内に発生させたプラズマを用いてエッチング処理する半導体製造装置であって、
前記処理の所定の間に前記ウエハの表面から得られる少なくとも2つの波長の干渉光各々の光の量を検出する検出器と、この検出器からの出力に基づいて得られた前記2つの波長の一方の波長の干渉光についての前記量が極大となる時刻と他方の波長の干渉光についての前記量が極小となる時刻との間の時間が所定の値より小さいと判定された場合に前記膜が前記2つの波長に対する所定の残り膜厚さに達したと判定する機能を備えた半導体製造装置。
A semiconductor manufacturing apparatus for performing an etching process on a semiconductor wafer disposed in a container and having a film on its surface using plasma generated in the container,
A detector for detecting the amount of each of at least two wavelengths of interfering light obtained from the surface of the wafer during a predetermined period of the process, and the two wavelengths obtained based on the output from the detector; When it is determined that the time between the time when the amount of interference light of one wavelength becomes maximum and the time when the amount of interference light of the other wavelength becomes minimum is smaller than a predetermined value, the film A semiconductor manufacturing apparatus having a function of determining that a predetermined remaining film thickness for the two wavelengths has been reached.
容器内に発生させたプラズマを用いてこの容器内に載置されその表面に膜を有する半導体ウエハをエッチング処理する際にこの処理の所定の間に前記ウエハの表面からの干渉光を検出する検出器と、この検出器から出力された少なくとも2つの波長の干渉光の各々の量に関する信号のうち一方の波長の干渉光についての前記信号に係る前記量が極大となる時刻と他方の波長の干渉光についての前記量が極小となる時刻との間の時間が所定の値より小さいと判定された場合に前記膜が前記2つの波長に対する所定の残り膜厚さに達したと判定する判定手段とを備え、この判定手段による検出の結果に応じて前記エッチング処理を調節する半導体製造装置。Detection that detects interference light from the surface of the wafer during a predetermined period of this process when etching a semiconductor wafer placed in the container and having a film on the surface using plasma generated in the container Of the interference light of one wavelength among the signals related to the amount of interference light of at least two wavelengths outputted from the detector and the interference of the other wavelength Determining means for determining that the film has reached a predetermined remaining film thickness for the two wavelengths when it is determined that the time between the time when the amount of light is minimal is less than a predetermined value; And a semiconductor manufacturing apparatus that adjusts the etching process in accordance with a result of detection by the determination means. 請求項1または2に記載の半導体製造装置であって、前記膜が前記所定の残り膜厚さに達したと判定された場合に前記エッチング処理を停止する半導体製造装置。A semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, a semiconductor manufacturing device for stopping the etching process when the film is judged to have reached the of the predetermined remaining thickness. 請求項1乃至3のいずれかに記載の半導体製造装置であって、前記2つの波長の干渉光に関する前記量の微分データを用いて前記極大及び極小となる時刻を検出する半導体製造装置。  4. The semiconductor manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the maximum and minimum times are detected by using differential data of the amounts related to the interference light of the two wavelengths. 5.
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