JP5698948B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体集積回路の製造等における被処理材のエッチング終了点を発光分光を用いて検出する機能において、特にプラズマ放電を用いたエッチング処理により基板上に設けられた薄膜の終点検出を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体ウエハの製造では、ウエハの表面上に形成された様々な材料の層および特に誘電材料の層の除去またはパターン形成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装置では、真空処理室内に導入された処理ガスをプラズマ化させイオンやラジカルとし、このイオンやラジカルをウエハと反応させることにより、ウエハのエッチング加工を行なう。

半導体ウエハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウエハのエッチング終点検出方法の１つとして、従来から、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を検出する方法がある。また、半導体ウエハ上に形成される様々な材料の層の薄膜化が進み、さらに例えば垂直性等の加工精度が要求されると同一の層をエッチングする場合でもプロセス条件を途中で変更しエッチング処理を行う必要がある。このような場合において、このプロセス条件が変更されるとプロセス条件起因のプラズマ変動が発生するため、短時間での終点検出が困難であった。

特許文献１では、プラズマエッチング状態に無関係な別の波長の発光変動をモニタして発光変動時のゲイン増幅率を決定し終点検出に使用する波長の発光変動の補償を実施している。

特開平５−２０６０７５号公報

しかしながら特許文献１の方法では、プラズマエッチング状態に無関係な別の波長を選択する事が簡単でない上、この別の波長の変動率と終点判定に使用する波長での発光強度変動率は必ずしも一致しないため、プロセス条件変更時の発光変動を正確にキャンセルする事は出来ないはずである。さらにいうと、プラズマ光を検出する光検出器には暗電流など光強度の変動とは無関係なオフセット要因が存在しているため、別の波長での変動率により終点検出を行う波長の変動率を正確に求めることが出来ないことが予想される。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、試料表面の膜のエッチング処理を、複数のプロセス条件で処理する場合でも安定した終点検出を行うことができるプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本プラズマ処理装置の発明は、真空処理室内に形成したプラズマを用いて前記真空処理室内に配置された試料の表面の処理対象の１つの膜をエッチング処理するプラズマ処理装置において、前記エッチング処理が各々異なるプロセス条件で連続的に実行される複数のステップで構成され、前記処理中の時間の経過に伴う前記プラズマからの発光を受光してその強度を検出する検出器と、この検出器からの出力信号に基づいて前記エッチングの終点を検出する終点判定器とを備え、前記検出器が、前記処理中の前記プロセス条件の変更に応じて前の時点と後の時点との前記発光の強度を合わせるように補正する補正器を備えたことを特徴とする。そして、複数のプロセス条件でウエハ基板上に形成された薄膜をエッチング処理する場合に前ステップからプラズマ発光変動に基づき変化量を継続して計算し、かつステップ切替時のプラズマ発光変動を検知して補正することにより短時間エッチングでの終点検出が出来る。

薄膜の短時間エッチング処理に於いて、複数のプロセス条件で処理する場合でも安定した終点検出が出来る。

本発明にかかるプラズマ処理装置を説明する図である。 被エッチング膜が薄膜時の発光変化図である。 本発明にかかる連続ステップでの差分波形を示す図である。 本発明にかかる処理手順の説明図である。 本発明にかかる被処理ウエハの説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

本発明の実施形態にかかるプラズマ処理装置を図１に示す。プラズマ処理装置１は、真空処理室２、真空処理室２の内部に設けられた試料台５、光ファイバ８、分光装置１０、デジタル処理装置１７を備えており、このデジタル処理装置１７には、発光データ比較器１１、ステップ変更通知器１２、データ記録器１３、発光データ補正器１４、差分計算器１５、及び終点判定器１６が構成されている。そして、真空処理室２の内部に図示を省略したガス導入手段から導入されたエッチング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。プラズマ発光は真空処理室２から光ファイバ８を通して分光装置１０に導入される。分光装置１０では、入射したプラズマ発光を分光し光強度をデジタル信号に変換される。この光強度に対応したデジタル信号をデジタル処理装置１７により処理しエッチング終点検出を行う。

半導体の微細化・高集積化に伴い、半導体ウエハ上に形成される各素子は高密度化が進み、また各素子を構成する膜厚は薄膜化が進んでいる。図５には、本実施例で説明する半導体ウエハの断面図を示す。図５において、Ｓｉ基板５０４上に形成された下地酸化膜５０３の上にポリシリコン５０２があり、エッチングによりポリシリコンのパターンを形成するため、例えばフォトレジストのようなマスク材５０１が配置されている。

以上の例では、トランジスタのゲート加工エッチングで使用される材料にて説明したが、材料としてはこれに限らず、上記例で示した酸化膜やポリシリコンに代えて高誘電率の絶縁膜と金属製のゲートを組み合わせるいわゆるメタルゲートと呼ばれる素材であっても良い。被処理膜であるポリシリコン５０２は薄膜（例えば数十ナノメートル）であるため、エッチング時間は非常に短い（例えば十数秒）。

図５の（Ａ）はエッチング処理前のウエハ断面図を示し、図５の（Ｃ）はエッチング処理後のウエハ断面図を示す。エッチング後のポリシリコン５２２の垂直性維持のため、図５（Ｂ）のようにポリシリコンが無くなる前にエッチングガス種や流量、マイクロ波電力量などのエッチング条件を変更する。下地酸化膜５０３が露出する前若しくは一部が露出した直後までは、エッチング速度の速いエッチング条件で処理しポリシリコン５２２の垂直性を維持する。

この条件で下地酸化膜５０３が十分露出してしまうと、下地酸化膜は非常に薄い（数ナノメートル）ため、下地酸化膜５０３をエッチングし、欠陥製品となる。そのため、下地酸化膜５０３が露出する前若しくは一部が露出した直後に上記エッチング条件を変更し、ポリシリコン５０２はエッチングされるが、下地酸化膜５０３はエッチングされにくい条件、いわゆる下地選択比が高い条件でエッチング処理を行い、下地酸化膜５０３をエッチングせずにポリシリコン５０２が無くなったことを終点検出しエッチング処理を終了させる。

上記でエッチング条件を変更すると記載したが、一定の決められたエッチング条件のことをステップと呼ぶ。エッチング処理は複数のステップを作成する事が出来る。図２の（Ａ）にポリシリコン５０２をエッチングした際のプラズマ受光強度の時間変化を示す。

図２の（Ａ）ではステップＮが下地酸化膜５０３が露出する直前若しくは一部が露出した直後までの処理を示し、ステップＮ＋１がポリシリコン５０２が無くなったことを終点検出するステップを示している。この例では、ステップＮとステップＮ＋１では、エッチング条件は変更していない。図２（Ｂ）はステップＮ＋１にて発光変化の２次差分（２Ｄ）を示す。

ここで２次差分について説明する。差分法では、ある時点のデータと設定された一定時間前（差分間隔と呼ぶ）のデータの差を１次差分と定義する。またある時点で計算された１次差分値と差分間隔前の１次差分値の差を２次差分として計算する。図２（Ｂ）の例では差分間隔は４秒で２次差分を計算しており、２次差分はステップが開始され差分間隔後（図２（Ｂ）では１９秒）から計算される。図２（Ｃ）では本発明の一つの特徴である、ステップＮからステップＮ＋１まで連続して２次差分を計算した結果を示している。このように前のステップから継続して２次差分を計算することにより、ステップＮ＋１に於いては開始直後から発光変化（図２中のＢａｓｅ）の２次差分を正しく計算出来ていることが分かる。このように終点検出を実施するステップＮ＋１より前のステップから２次差分を計算する事により、ステップＮ＋１では開始直後から判定が可能であることを示したが、前述したように、本例ではステップＮとステップＮ＋１のエッチング条件は変更していない。

次にステップＮとステップＮ＋１でエッチング条件を変更した場合の例を図３で説明する。

図３（Ａ）に被処理膜であるポリシリコン５０２をエッチング条件を変更した複数ステップでエッチング処理した時の発光の変化を示す。ステップＮとステップＮ＋１ではエッチングガス種や流量、マイクロ波電力量といったエッチング条件を変更しているため、同じ被処理膜をエッチングしても発光強度がステップ間で変動する。

この時の２次差分値は図３（Ａ）に示す通りステップ切り替わり時の発光変動に大きく影響されていることが判る。本発明では、このようにステップが切り替わったタイミングで発生する発光変動を図３（Ｂ）に示すように補正することで、ステップＮから継続してステップＮ＋１の２次差分を正しく計算する事が出来る。図３（Ｂ）で示すようにステップ切替時の発光変動を補正する事により、図３（Ｃ）のように連続した発光変動にし、二次差分値をステップＮから連続して求めることができる。この二次差分値が負値から正値に変る２０秒にて終点検出を行うことができる。

次にステップ切替時に実施する補正処理について図４を用いて説明する。ステップ切替が発生後、指定された期間内であれば補正処理を行う（４０２）。ステップ切替りの瞬間のみの補正であればそのタイミングでのみ補正処理を実施すればよいが実際にはガス流量、ガス種、マイクロ波電力など多くの条件が変更されることがある。特にガス流量やガス種を変更した場合には、ガスがプラズマ状態に影響を与えるまでに一定の時間がかかる。そのために本実施例においては、一定期間、例えば２秒程度の間補正処理を実施する。

次に前回取得した発光強度と現在の発光強度の差の絶対値が予め設定した設定値を超えた場合は補正処理を行う（４０３）。この予め設定する設定値には、同一プロセス条件では発生し得ない変動量を適切に設定する。

次に前回発光強度に現在発光強度を合わせるため、補正係数を求める（４０４）。

次に補正後の発光強度を求め現在の発光強度として２次差分計算等に使用する（４０５）。この補正処理をブロック図で示すと図１で表す事が出来る。真空処理室２で発生したプラズマ光３を分光装置１０にて分光し発光強度に応じたデジタル信号に変換する。ステップ変更通知器１２によりステップ切替が通知された場合、発光データ比較器１１により現在の発光データとデータ記録器１３に保存されている前回の発光データを比較する。予め決定されている設定値と発光変動量を比較し、設定値を超えている場合は発光データ補正器１４により現在の発光データはステップ切替による発光変動が補正された補正後発光強度に変換され、差分計算器１５により２次差分を計算し、エッチングの終了点を判断する終点判定器１６にて終点検出を実施する。

本発明によれば、薄膜な被処理膜を複数のエッチング条件で処理するエッチングに於いて、ステップ切替時のエッチング条件変更による発光変動を補正し、また前のステップから連続して２次差分値を計算することにより安定してより短いエッチング処理での終点検出を提供する事が出来る。

１ プラズマ処理装置
２ 真空処理室
３ プラズマ
４ 被処理材
５ 試料台
８ 光ファイバ
１０ 分光装置
１１ 発光データ比較器
１２ ステップ変更通知器
１３ データ記録器
１４ 発光データ補正器
１５ 差分計算器
１６ 終点判定器
１７ デジタル処理装置

Claims (1)

1. 真空処理室内に形成したプラズマを用いて前記真空処理室内に配置された試料の表面の処理対象の１つの膜をエッチング処理するプラズマ処理装置において、
   前記エッチング処理が各々異なるプロセス条件で連続的に実行される複数のステップで構成され、前記処理中の時間の経過に伴う前記プラズマからの発光を受光してその強度を検出する検出器と、この検出器からの出力信号に基づいて前記エッチングの終点を検出する終点判定器とを備え、前記検出器が、前記処理中の前記プロセス条件の変更に応じて前の時点と後の時点との前記発光の強度を合わせるように補正する補正器を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
   

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