JP5978141B2 - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体製造装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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本発明による実施形態は半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。
従来、RIE(Reactive Ion Etching)法等のプラズマエッチングにおいて、エッチング装置は、プラズマの異常放電(アーキング)を検出するためにプラズマ発光を時間的な変化によって検知していた。例えば、エッチング装置は、プラズマ発光を周期的に検出し、或る検出時点のプラズマ発光と次の検出時点のプラズマ発光との差分が閾値を超えたときに異常放電と判断していた。
しかし、従来のエッチング装置は、プラズマ発光をプラズマ全体でしかモニタしておらず、従って、プラズマ全体でしか異常放電を判断できなかった。例えば、プラズマの一部に異常放電が生じても、プラズマ全体としての発光がさほど変化しなければ、エッチング装置は、異常放電とは判断しなかった。また、閾値は予測によって予め設定されているため、量産時に異常放電が発生しても、実際に異常放電と判定されないケースが多かった。このようなすり抜けを抑制するために、閾値を低く設定することが考えられる。しかし、閾値が低いと、プラズマ発光の通常のばらつきを異常放電として判断してしまう場合が生じる。
米国特許第7585776号明細書 特開2008−91388号公報
プラズマ発光を用いて異常放電を正確に判断することができる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。
本実施形態による半導体製造装置は、半導体基板を処理するプラズマの或る1つまたは複数の波長の発光強度を該半導体基板の面内の複数の位置に対応するように該半導体基板の上方から検出する複数のローカル光センサを備えている。演算処理部は、プラズマの発光強度に応じた発光データを複数のローカル光センサから連続的または断続的に受け取り、複数の位置のうち第1の位置における発光データの時間的変化と第2の位置における発光データの時間的変化との差に基づいて異常放電を判断する。
第1の実施形態に従ったエッチング装置10の構成を示す概略図。 第1の実施形態によるエッチング装置10を用いたエッチング方法を示すフロー図。 第2の実施形態によるエッチング装置10を用いたエッチング方法を示すフロー図。
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に従ったエッチング装置10の構成を示す概略図である。 エッチング装置10は、チャンバ20と、ガス導入管30と、静電チャック40と、下部電極50と、上部電極60と、ローカル光センサ70a〜70cと、全体光センサ70dと、コントローラ80とを備えている。
チャンバ20は、静電チャック40等を収容しており、チャンバ20の内部は真空状態に維持されている。ガス導入管30は、半導体基板Wをドライエッチングする際にチャンバ20内にエッチングガスを導入する。静電チャック40は、半導体基板Wを搭載し、固定する。下部電極50および上部電極60は、下部電極50と上部電極60との間にあるエッチングガスに高周波電力を印加し、それにより、エッチングガスをプラズマ化してプラズマPを発生させる。プラズマP中で生成された反応性ラジカルやイオンは、半導体基板W上で反応することによって、半導体基板W上の被加工材料をエッチングすることができる。
ローカル光センサ70a〜70cは、半導体基板Wを処理するプラズマPの或る1つまたは複数の波長の発光強度(以下、単に、発光強度という)を該半導体基板Wの面内の複数の位置において検出する。ここで、ローカル光センサ70aおよび70cは、半導体基板Wの両端に対応する位置に設けられており、半導体基板Wの両端で生成されたプラズマPの発光強度を検出する。ローカル光センサ70bは、半導体基板Wの中心部に対応する位置に設けられており、半導体基板Wの中心部で生成されたプラズマPの発光強度を検出する。ローカル光センサ70a〜70cは、プラズマPの発光強度を電気信号に変換して出力する素子であり、例えば、CCD(電荷結合素子)等でよい。ローカル光センサ70a〜70cによって検出された光に対応する電気信号(発光データ)は、コントローラ80へ転送される。
第1の実施形態においてローカル光センサは、3つ設けられているが、ローカル光センサの個数はとくに限定しない。例えば、ローカル光センサは、半導体基板Wの一端と中心部とにそれぞれ1つずつ(計2つ)設けられてもよい。また、ローカル光センサは、半導体基板Wの4つ以上の位置にそれぞれ設けられてもよい。尚、ローカル光センサは、プラズマPを半導体基板Wの面内において均等にモニタするために、半導体基板Wの面内に均一に配置されることが好ましい。
全体光センサ70dは、電極50、60または半導体基板Wの表面に対して平行方向のチャンバ20の側面に取り付けられており、プラズマPの発光強度をプラズマPの横方向から検出する。即ち、全体光センサ70dは、プラズマPの全体の発光強度を検出し、それに対応する電気信号をコントローラ80へ送信する。
コントローラ80は、メモリ81と、演算処理部としてのプロセッサ82とを含む。コントローラ80は、下部電極50および上部電極60に印加する電圧の制御、エッチングガスの流量の制御、プラズマPの発光強度の監視等のエッチング装置10の各要素の制御を行なう。コントローラ80は、ローカル光センサ70a〜70cおよび全体光センサ70dからの電気信号に基づいてプラズマPの異常放電(アーキング)を判断する。異常放電は、プラズマ密度の偏り、即ち、局所的なプラズマ密度の上昇により発生する。従って、コントローラ80は、プラズマPをモニタすることによって、異常放電を判定することができる。プラズマPの異常放電の判断手法については後述する。
エッチング装置10は、以上のような構成により、半導体基板Wの表面パターンをドライエッチングする。ドライエッチングは、マスク材料や上部層をマスクとして用いて、マスク材料や上部層の下にある下地層を上記のようなプラズマを用いて選択的に加工する技術である。
図2は、第1の実施形態によるエッチング装置10を用いたエッチング方法を示すフロー図である。まず、チャンバ20内の電磁チャック40上に被加工対象としての半導体基板Wを配置する(S10)。チャンバ20内は真空状態に維持されている。
次に、チャンバ20内にエッチングガスを導入し、コントローラ80が下部電極50および上部電極60に電圧を印加する。それにより、下部電極50と上部電極60との間のエッチングガスをプラズマ化してプラズマPを発生させ、そのプラズマPを用いて半導体基板Wのエッチングを開始する(S20)。
エッチング中において、ローカル光センサ70a〜70cおよび全体光センサ70dは、プラズマPの発光強度を連続的あるいは断続的に電気信号に変換し、その電気信号をコントローラ80へ送信する(S30)。
コントローラ80は、プラズマPの発光強度に応じた電気信号(以下、発光データともいう)をローカル光センサ70a〜70cおよび全体光センサ70dから受け取る。コントローラ80は、連続的あるいは断続的(例えば、周期的)に発光データを受け取り、これらの発光データを内部のメモリ81に格納する。コントローラ80は、プロセッサ82を用いて全体光センサ70dから得られた或る時点の発光データと次の時点の発光データとの差を算出する。即ち、コントローラ80は、プラズマP全体の発光強度の時間的な変化をモニタする(S40)。
また、ステップS40において、コントローラ80は、プロセッサ82を用いてローカル光センサ70a〜70cから得られた或る時点の各発光データと次の時点の各発光データとの差を算出する。即ち、本実施形態では、コントローラ80は、ローカル光センサ70a〜70cを用いてプラズマPの局所的な発光強度の時間的な変化もモニタする。
全体光センサ70dにおける時点間の発光データの差(即ち、発光データの時間的な変化)が第1の閾値を超えている場合(S50のYES)、コントローラ80は、プラズマPが異常放電していると判断する(S60)。
また、各ローカル光センサ70a〜70cにおける時点間の発光データの差(即ち、ローカル光センサ70a〜70cのいずれかにおける発光データの時間的な変化)が第1の閾値を超えている場合にも、コントローラ80は、プラズマPが異常放電していると判断してよい。
プラズマPの異常放電を検知した場合、コントローラ80は、オペレータに異常放電を知らせるために、視覚的あるいは聴覚的なアラームを発生する。あるいは、コントローラ80は、ガス流量または印加電圧を自動で調節してもよい。さらに、コントローラ80は、半導体基板Wのエッチング処理を停止してもよい(S65)。
全体光センサ70dまたは各ローカル光センサ70a〜70cにおける時点間の発光データの差が第1の閾値以下である場合(S50のNO)、コントローラ80は、プラズマPが正常であると判断する。尚、第1の閾値は、半導体製造工程における統計値等に基づいて予め設定され、メモリ81に記憶しておけばよい。尚、ローカル光センサ70a〜70cに対応する第1の閾値は、全体光センサ70dに対応する第1の閾値と相違させてもよい。
次に、コントローラ80は、プロセッサ82を用いて半導体基板Wの面内における各位置間の発光データの時間的な変化の差を計算する(S75)。即ち、コントローラ80は、ステップS40においてモニタされたローカル光センサ70a〜70cのそれぞれの発光データの時間的変化を利用して、ローカル光センサ70a〜70cの相互間で時間的変化を比較する。換言すると、コントローラ80は、半導体基板Wの面内における発光データの差(面内差)の時間的変化を計算する。例えば、コントローラ80は、光センサ70aの位置(半導体基板Wの一方の端部)に対応する発光データの時間的変化と光センサ70bの位置(半導体基板Wの中心部)に対応する発光データの時間的変化との差(発光データの時間的変化の面内差)を算出する。また、コントローラ80は、光センサ70cの位置(半導体基板Wの他方の端部)に対応する発光データの時間的変化と光センサ70bの位置(半導体基板Wの中心部)に対応する発光データの時間的変化との差(発光データの時間的変化の面内差)を算出する。さらに、コントローラ80は、光センサ70aの位置(半導体基板Wの一方の端部)に対応する発光データの時間的変化と光センサ70cの位置(半導体基板Wの他方の端部)に対応する発光データの時間的変化との差(発光データの時間的変化の面内差)を算出する。
このような半導体基板Wの面内における各位置間の発光データの時間的変化の差(即ち、発光データの時間的変化の面内差)が第2の閾値を超えている場合(S80のYES)、コントローラ80は、プラズマPが異常放電していると判断する(S60)。プラズマPの異常放電を検知した場合、コントローラ80は、オペレータに異常放電を知らせるために、視覚的あるいは聴覚的なアラームを発生する。あるいは、コントローラ80は、ガス流量または印加電圧を自動で調節してもよい。さらに、コントローラ80は、半導体基板Wのエッチング処理を停止してもよい(S65)。
半導体基板Wの面内における発光データの差が第2の閾値以下である場合(S80のNO)、コントローラ80は、プラズマPが正常であると判断する。尚、第2の閾値は、半導体製造工程における統計値等に基づいて予め設定され、メモリ81に記憶しておけばよい。
プラズマPが正常と判断された場合には、コントローラ80は、半導体基板Wのエッチング処理をそのまま継続し(S70)、エッチングの完了後に処理を停止する。
エッチング装置10は、図2に示すステップS80も連続的あるいは断続的(例えば、周期的)に繰り返す。各時点において、エッチング装置10は、プラズマPに異常放電が半導体基板Wの面内において生じているかどうかを判断する。エッチング装置10は、ステップS10〜S80を同一周期で繰り返し実行してもよい。
このように第1の実施形態では、プラズマPの発光強度の時間的な変化をモニタし、尚且つ、半導体基板Wの面内の各位置におけるプラズマPの発光強度の時間的な変化の相違をモニタする。即ち、第1の実施形態では、プラズマPの発光強度の時間的な変化だけでなく、その時間的変化の差面内差もモニタする。
これにより、プラズマPの発光データの時間的な変化では異常放電と判断されなかった場合であっても、コントローラ80は、半導体基板Wの面内の各位置における発光データの時間的な変化の相違(時間的変化の面内差)によって異常放電を判断することができる。従って、プラズマP全体としての発光がさほど変化せず、ステップS50の判定をすり抜けた場合であっても、コントローラ80は、半導体基板Wの面内におけるプラズマPの局所的な異常放電を検出することができる。その結果、本実施形態によるエッチング装置10は、異常放電を正確に判断することができる。
(第1の実施形態の変形例)
ステップS40〜S50において、全体光センサ70dを用いることなく、各ローカル光センサ70a〜70cのそれぞれの位置におけるプラズマPの発光強度の時間的な変化をモニタしてもよい。
このような変形例であっても、第1の実施形態の効果は失われない。また、本変形例では、全体光センサ70dが不要となる。従って、エッチング装置10を小さくすることができ、かつ、エッチング装置10のコストを低減させることができる。
(第2の実施形態)
図3は、第2の実施形態によるエッチング装置10を用いたエッチング方法を示すフロー図である。尚、第2の実施形態によるエッチング装置の構成は、図1に示すエッチング装置10の構成と同様でよい。
第2の実施形態では、エッチング装置10は、図2に示すステップS10〜S80を実行した後、ローカル光センサ70a〜70cまたは全体光センサ70dから得た実際のプラズマの発光強度に応じた発光データの実波形と正常波形との差に基づいて異常放電を判断する。この場合、メモリ81は、正常なプラズマPの発光強度に応じた発光データの正常波形を予め記憶している。
より詳細には、コントローラ80は、ローカル光センサ70a〜70cまたは全体光センサ70dから得た実際のプラズマPの発光強度に応じた発光データの実波形とメモリ81に格納された正常波形との差を第3の閾値と比較する(S90)。
実波形と正常波形との差が第3の閾値を超えている場合(S90のYES)、コントローラ80は、プラズマPが異常放電していると判断する(S60)。異常放電を検知した場合には、その後、エッチング装置10は、第1の実施形態と同様にステップS65を実行する。
実波形と正常波形との差が第3の閾値以下である場合(S90のNO)、コントローラ80は、プラズマPが正常であると判断し、エッチング処理を継続する(S70)。尚、第3の閾値は、半導体製造工程における統計値等に基づいて予め設定され、メモリ81に記憶しておけばよい。第2の実施形態のその他の工程は、第1の実施形態の対応する工程と同様でよい。
第2の実施形態によれば、プラズマPの発光データの時間的な変化では異常放電と判断されなかった場合であっても、コントローラ80は、半導体基板Wの面内の各位置における発光データの時間的変化の相違(時間的変化の面内差)によって異常放電を判断することができる。さらに、発光データの時間的変化の面内差によって異常放電と判断されなかった場合であっても、コントローラ80は、プラズマPの実波形と正常波形との差によって異常放電を判断することができる。これにより、第3の実施形態によるエッチング装置10は、さらに精度良くプラズマPの異常放電を検出することができる。
尚、ステップS50、S80、S90の各判定動作の実行順は特に限定しない。また、ステップS50、S80、S90の各判定動作の組み合わせも特に限定しない。従って、エッチング装置10は、ステップS50、S90の組み合わせ、あるいは、ステップS80、S90の組み合わせで異常放電の判定を行なってもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10・・・エッチング装置、20・・・チャンバ、30・・・ガス導入管、40・・・静電チャック、50・・・下部電極、60・・・上部電極、70a〜70c・・・ローカル光センサ、70d・・・全体光センサ、80・・・コントローラ

Claims (4)

  1. 半導体基板を処理するプラズマの或る1つまたは複数の波長の発光強度を該半導体基板の面内の複数の位置に対応するように該半導体基板の上方から検出する複数のローカル光センサと、
    前記プラズマの発光強度に応じた発光データを前記複数のローカル光センサから連続的または断続的に受け取り、複数の位置のうち第1の位置における発光データの時間的変化と第2の位置における発光データの時間的変化との差に基づいて異常放電を判断する演算処理部とを備えた半導体製造装置。
  2. 前記プラズマ全体の発光強度を検出する全体光センサをさらに備え、
    前記演算処理部は、前記プラズマの発光強度に応じた発光データを前記全体光センサから連続的または断続的に受け取り、発光データの時間的変化に基づいて異常放電を判断することを特徴とする請求項1に記載の半導体製造装置。
  3. 正常な前記プラズマの発光強度に応じた発光データの正常波形を予め記憶するメモリをさらに備え、
    前記演算処理部は、前記ローカル光センサまたは前記全体光センサから得た実際のプラズマの発光強度に応じた発光データの実波形と前記正常波形との差に基づいて異常放電を判断することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体製造装置。
  4. 半導体基板の面内の複数の位置に対応するように該半導体基板の上方に配置された複数のローカル光センサと、前記複数のローカル光センサからデータを受け取る演算処理部とを備えた半導体製造装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
    前記半導体基板を処理するプラズマの或る1つまたは複数の波長の発光強度を前記複数のローカル光センサにおいて検出し、
    前記演算処理部が前記プラズマの発光強度に応じた発光データを前記複数のローカル光センサから連続的または断続的に受け取り、複数の位置のうち第1の位置における発光データの時間的変化と第2の位置における発光データの時間的変化との差に基づいて異常放電を判断することを具備した半導体装置の製造方法。
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