JPH08148475A - エッチング処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 被エッチング材料の開口率の違いによる発光
スペクトル検出出力変化を自動的に補正することができ
るとともにエッチング処理量に伴って減衰する検出出力
電圧を自動的に補正できるエッチング処理装置を提供す
る。 【構成】 エッチング処理中に発生する予め定めた特定
波長の発光スペクトルを検出するためのスペクトル検出
手段８と、このスペクトル検出手段８の出力が予め設定
された終点設定値に達したことを識別するための終点判
別手段１２とを有するエッチング処理装置において、エ
ッチング処理ごとにエッチング開始直後の上記スペクト
ル検出手段８の出力のピーク値に基づいて上記終点設定
値を演算する終点設定手段９を具備し、この終点設定手
段を上記終点判別手段１２に連結した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプラズマエッチング等の
ドライエッチング装置に関し、特にエッチング終了を検
出するための終点検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程におけるウエハのプラズ
マエッチング処理等において、処理すべき層のエッチン
グが進行してその下の層に達したことを検出するため
に、エッチングの終点検出装置が用いられている。この
エッチング終点検出装置は、エッチング中に処理層の材
料とプラズマガスとの反応により発生するガスの発光ス
ペクトルを検出してその出力電圧をモニターし、処理層
のエッチングが終了しその下の層に達したときに発光ス
ペクトル出力電圧が低下することによりエッチングの終
点を検出するものである。このようなエッチングの終点
を判定するための基準となる発光スペクトル出力の電圧
低下量は予め終点設定値としてエッチング処理開始前に
オペレータにより手動で終点検出装置に入力されてい
る。モニターしている発光スペクトルの電圧低下がこの
終点設定値以上になった時点でエッチングが終点に達し
たと判定する。

【０００３】図３は、このような終点検出装置の発光ス
ペクトル検出出力を示すグラフであり、横軸は時間ｔ、
縦軸は出力電圧（Ｖ）を表している。処理すべき層のエ
ッチングが開始されると（時間ｔ＝ｔ0）、その反応生
成ガスの特定波長の発光スペクトル検出出力が立ち上が
ってピーク値Ｐに達しノイズによる振動を繰り返しなが
らエッチングが進行する。このとき各ノイズの波ごとに
ノイズ幅Ａに対応した出力電圧の低下が検出される。除
去すべき層のエッチングが終了すると発光スペクトルが
減衰し、出力電圧の減衰量が予め定めた終点設定値Ｂに
達した時点（ｔ＝ｔ1 ）でエッチングが終点に達したと
判定する。その後ピーク値Ｐに対応する最大電圧Ｃ近く
まで出力が減少してエッチングが完全に終了する。

【０００４】このような終点検出装置の出力電圧グラフ
において、エッチング進行中にノイズによる出力電圧の
低下を誤ってエッチング終点と判定しないために終点設
定値Ｂはノイズ幅Ａよりも大きくなければならず、また
ピーク値に対応する最大電圧Ｃ以上低下したにもかかわ
らずエッチング進行中と判断しないために終点設定値Ｂ
は最大電圧Ｃより小さくなければならない。

【０００５】この発光スペクトルの出力電圧グラフにお
いて、ノイズの変動幅Ａはピーク値Ｐが高いほど大きく
なる。従って、終点設定値もピーク値に応じてノイズ変
動幅Ａ以上になるように変化させなければならない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
従来のエッチング終点検出装置においては、エッチング
の終点を判定するための終点設定値が一定の値に固定さ
れているため、発光スペクトルのピーク値が変動した場
合に、ノイズ幅が変動して終点検出エラーを起こすおそ
れがあった。また、同一の半導体デバイス構造であって
も、エッチング処理により除去して開口すべき開口率の
違いによりスペクトル検出の出力電圧が変化した場合
に、終点検出が正確に行われない場合があった。これを
図４を参照してさらに説明する。

【０００７】図４は、終点検出装置出力電圧のエッチン
グ開口率に対する依存性を示すグラフである。横軸は、
エッチング開口率（％）、即ち処理対象であるウエハ全
面積に対する例えばコンタクトホール等のエッチングに
より開口すべき孔の面積の割合を表す。縦軸は、発光ス
ペクトルの検出出力電圧（Ｖ）を表す。図示したよう
に、出力電圧は開口率に対しほぼ直線状に変化し、開口
率が小さい程、即ち同一寸法のウエハであればエッチン
グ処理すべきコンタクトホール等の孔の面積が小さくな
る程、出力電圧が低下する。従って、終点設定値が一定
に固定されていると、開口率が小さくなった場合に、出
力電圧が小さいため、エッチングが終点に達しても設定
値の電圧低下量に達せずエッチングが続行されオーバー
エッチとなることが考えられる。逆に開口率が大きくな
った場合には、出力電圧が大きくなってエッチングが終
点に達する前に出力電圧だけが終点設定値に達しエッチ
ング不足となることが考えられる。

【０００８】また従来半導体製造分野において、前述の
終点検出装置を用いてエッチング処理を行う場合、通常
バッチ処理により数１０００枚の同一種類のウエハに対
し同一条件で連続的にエッチング処理が施される。この
ような同一のバッチ処理において、同一のエッチング条
件で多数枚のウエハをエッチング処理した場合、処理枚
数が増えるごとに反応容器内にエッチングによる反応生
成物が付着して堆積し、終点検出装置の発光スペクトル
検出手段による検出出力が徐々に低下し、検出エラーを
発生するおそれがあった。これを図５を参照してさらに
説明する。

【０００９】図５は終点検出装置の発光スペクトル検出
出力電圧のエッチング処理枚数に対する依存性を示すグ
ラフである。横軸はエッチング処理したウエハの枚数を
表し、縦軸は発光スペクトルの検出出力を表す。このグ
ラフから分かるように、処理枚数が増えるに従って検出
した出力電圧が徐々に低下する。このため、実際には発
光スペクトルが減少して終点に達しているにも係わら
ず、出力電圧は終点設定値に致らずオーバーエッチにな
るおそれがある。

【００１０】本発明は上記従来技術の欠点に鑑みなされ
たものであって、被エッチング材料の開口率の違いによ
る発光スペクトル検出出力変化を自動的に補正すること
ができるとともにエッチング処理量に伴って減衰する検
出出力電圧を自動的に補正できるエッチング処理装置の
提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、エッチング処理中に発生する予め定め
た特定波長の発光スペクトルを検出するためのスペクト
ル検出手段と、このスペクトル検出手段の出力が予め設
定された終点設定値に達したことを識別するための終点
判別手段とを有するエッチング処理装置において、エッ
チング処理ごとにエッチング開始直後の上記スペクトル
検出手段の出力のピーク値に基づいて上記終点設定値を
演算する終点設定手段を具備し、この終点設定手段を上
記終点判別手段に連結したことを特徴とするエッチング
処理装置を提供する。

【００１２】さらに本発明は、一連の同じ種類のエッチ
ング処理を連続して施す場合に、初期のエッチング処理
における前記ピーク値を記憶し、後続の各エッチング処
理ごとにそのピーク値と上記記憶した初期ピーク値との
差を演算するピーク低下量演算手段を備え、このピーク
低下量演算手段に基づいて前記終点設定値を補正するよ
うに構成したことを特徴とするエッチング処理装置を提
供する。

【００１３】好ましい実施例においては、前記ピーク低
下量演算手段の出力が所定値以上に達したときにアラー
ム信号を発するためのアラーム手段を具備したことを特
徴としている。

【００１４】

【作用】各エッチング処理ごとに（例えば各ウエハごと
に）モニターする発光スペクトルのピーク値を検出し、
このピーク値に基づいて各エッチング処理ごとに終点設
定値を新たに設定し、この新たな設定値に基づいてエッ
チングの終点が判定される。また、同一バッチ処理にお
いて、初期のピーク値を記憶しておき、処理を重ねるご
とに反応生成物による汚れ等で光学的検出能力が低下し
実際には低下していないピーク検出値が低下して検出さ
れた場合に、この低下量を補正して終点が設定される。
この場合、低下したピーク値を用いずに初期のピーク値
に基づいて終点を設定してもよい。また、ピーク値の低
下量が所定値以上になった場合にアラームを発生させて
もよい。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るプラズマエッチ
ング処理装置の構成図である。反応チャンバーとなる石
英ベルジャー１はマイクロ波導入管２で覆われ、エッチ
ング処理時にマイクロ波が矢印Ｍのように照射される。
石英ベルジャー１の外周には加熱コイル３が配設され
る。ベルジャー１内にはホルダー４が設けられその上に
エッチング処理すべきウエハ５が搭載される。ホルダー
４は高周波（ＲＦ）電源６に接続される。ベルジャー１
には反応ガス供給管１３が接続され、エッチング条件に
応じた所定の反応ガスがベルジャー１内に導入される。
またベルジャー１は排気管１４を介してターボ分子ポン
プ（図示しない）に接続され、エッチング処理時に、矢
印Ｂのように、真空排気してベルジャー１内を所定の真
空圧に保つ。

【００１６】ベルジャー１は光ファイバー７を介して特
定波長の発光スペクトルを取り出して検出するためのフ
ォトマル等からなるスペクトル検出器８に連結される。
光ファイバー７の端面（光入射面）は透明な石英ベルジ
ャー１の外部に配置され、石英ベルジャー１の側壁を通
して内部の発光スペクトルを検出する。このスペクトル
検出器８は、ピーク判定回路１０および終点設定回路１
１を含む終点制御回路９に接続される。この終点制御回
路９はさらにエッチング処理システム１２に接続され
る。

【００１７】次に上記構成のエッチング処理装置の動作
について図２のフローチャートを参照して説明する。例
えばウエハ５上のポリシリコンをエッチングして電極を
形成するためのエッチングプロセスが開始されると、ま
ずベルジャー１内を所定の真空圧に保ちつつＳＦ₆ やＣ
ｌ₂ 等の反応ガスが供給管１３を通してベルジャー１内
に導入され、また加熱コイル３に通電されベルジャー１
内を所定の温度にしてエッチング処理の準備が完了する
（ステップＳ１）。

【００１８】この状態でベルジャー１内にセットされた
ウエハ５に対しマイクロ波および高周波を印加し、反応
ガスをプラズマ化してエッチング処理が行われる（ステ
ップＳ２）。このときエッチング処理中の化学反応によ
りＳｉＦやＳｉＣｌ₄ 等の反応生成ガスが発生しそれぞ
れ固有の波長（例えばＳｉＦの場合２７０ｎｍ）を有す
る光を発するこのような反応生成ガスによる発光スペク
トルが光ファイバー７を通して石英ベルジャー１の外側
から導光されスペクトル検出器８でモニターすべき特定
の波長の光が取り出されその発光出力が検出される（ス
テップＳ３）。

【００１９】この検出された発光スペクトル検出出力は
終点制御回路９に送られ、ステップＳ４において、その
立ち上がり直後（数回のノイズによる変動時間を含む）
のピーク値がピーク判定回路１０により判定される。ピ
ーク値が検出されると、このピーク値に基づきノイズ幅
Ａ以上でかつ最大電圧Ｃ（図３）以下の最適な終点判別
値が終点設定回路１１により設定される（ステップＳ
５）。この終点設定値はＣＰＵ等からなるエッチング処
理システム１２のシーケンスプログラムのデータとして
入力される（ステップＳ６）。

【００２０】このようにして新たに入力された終点設定
値に基づいて、予め作成されたエッチング処理のシーケ
ンスプログラムに従ってエッチング処理が行われ（ステ
ップＳ７）、発光スペクトル検出出力が終点設定値に達
するとエッチングの終点に達したものと判定される。エ
ッチングが終点に達した時点で直ちにエッチング処理を
終了してもよいし、あるいはエッチング時間に対応した
所定比率の時間だけオーバーエッチングを施すように予
めプログラムを作成してもよい。

【００２１】図６および図７は終点設定値の例を示すグ
ラフである。図６はピーク値が１０Ｖ程度と高い場合の
例であり、このピーク値に応じてノイズ変動幅Ａも大き
くなるため、発光スペクトル検出出力低下量に対応する
終点判定設定値Ｂは５〜６Ｖ程度に設定される。図７は
ピーク値が４Ｖ程度と低い場合の例であり、このピーク
値に応じてノイズ変動幅Ａおよび最大電圧も小さくなる
ため、終点判定設定値Ｂは２〜３Ｖ程度に設定される。

【００２２】本発明では、このようにエッチング処理ご
とにピーク値が変化した場合に、ピーク値に応じて最適
な終点判定値を自動的に設定することができる。

【００２３】本発明ではさらにバッチ処理により数１０
００枚の同じ種類のウエハを同じ処理条件で連続的にエ
ッチングを行う場合に以下のように有効に適用すること
ができる。発光スペクトル検出器の光ファイバーの検出
端面は石英ベルジャーの外側に配置され、外部からベル
ジャー内のガスのスペクトルを光学的に検出する構成で
あるため、エッチング処理枚数が増えるに従って、反応
生成物が石英ベルジャーの内面に付着して石英ベルジャ
ーの透光率が低下する。このため、処理枚数が多くなる
と発光スペクトルの検出出力が低下する。従って、ベル
ジャー内では実際には低下していないピーク検出値が外
側からは低下して検出される。本発明では、バッチ処理
の初期の時点のベルジャーが汚れていない状態の検出ピ
ーク値を記憶しておき、反応生成物の付着によるピーク
値の低下量を補正して終点が設定される。このようなピ
ーク値低下量の演算は例えば図１の終点制御回路９内に
演算回路（図示しない）を組込むことにより行うことが
できる。この場合、低下したピーク値を用いずに初期の
ピーク値に基づいて終点を設定するように回路を構成し
てもよい。また、ピーク値の低下量が所定値以上になっ
た場合にアラームを発生させてもよい。このようにアラ
ームを発生させることによりクリーニングの必要時期が
自動的に判別される。アラーム手段としては、ブザー等
の音声手段やＬＥＤ等の点灯による光学的手段を用いる
ことができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、エッチング処理ごとに発光スペクトルのピーク値を
検出し、このピーク値に基づいて自動的に終点判定値を
設定するため、エッチング面積（開口率）が変ってスペ
クトル検出器の検出出力電圧が変化しても自動的にこれ
に対応して適正な終点判定値が設定され、常に最適な終
点設定値に基づいて信頼性の高いエッチング処理が達成
される。

【００２５】また、エッチング処理量が多くなってスペ
クトル検出器の検出出力電圧が低下した場合に、真のス
ペクトル出力に基づいて終点判定値を設定して終点設定
エラーによるエッチング不良を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係るエッチング処理装置の
構成図である。

【図２】 図１のエッチング処理装置でエッチング処理
を行う場合のフローチャートである。

【図３】 エッチング反応生成ガスの発光スペクトル検
出出力を示すグラフである。

【図４】 エッチング開口率と発光スペクトル検出出力
の関係を示すグラフである。

【図５】 エッチング処理を行ったウエハの処理枚数と
発光スペクトル検出出力の関係を示すグラフである。

【図６】 ピーク値が高い場合の終点設定値の説明図で
ある。

【図７】 ピーク値が低い場合の終点設定値の説明図で
有る。

【符号の説明】

１：石英ベルジャー、２：マイクロ波導入管、３：加熱
コイル、４：ウエハホルダー、５：ウエハ、６：ＲＦ電
源、７：光ファイバー、８：スペクトル検出器、９：終
点制御回路、１０：ピーク判定回路、１１：終点設定回
路、１２：エッチング処理システム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチング処理中に発生する予め定めた
   特定波長の発光スペクトルを検出するためのスペクトル
   検出手段と、このスペクトル検出手段の出力が予め設定
   された終点設定値に達したことを識別するための終点判
   別手段とを有するエッチング処理装置において、エッチ
   ング処理ごとにエッチング開始直後の上記スペクトル検
   出手段の出力のピーク値に基づいて上記終点設定値を演
   算する終点設定手段を具備し、この終点設定手段を上記
   終点判別手段に連結したことを特徴とするエッチング処
   理装置。
2. 【請求項２】 一連の同じ種類のエッチング処理を連続
   して施す場合に、初期のエッチング処理における前記ピ
   ーク値を記憶し、後続の各エッチング処理ごとにそのピ
   ーク値と上記記憶した初期ピーク値との差を演算するピ
   ーク低下量演算手段を備え、このピーク低下量演算手段
   に基づいて前記終点設定値を補正するように構成したこ
   とを特徴とする請求項１に記載のエッチング処理装置。
3. 【請求項３】 前記ピーク低下量演算手段の出力が所定
   値以上に達したときにアラーム信号を発するためのアラ
   ーム手段を具備したことを特徴とする請求項２に記載の
   エッチング処理装置。