KR101520872B1 - 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
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Abstract

에칭 처리 중에 처리 대상의 막의 잔여 두께를 정밀히 검출하는 플라즈마 처리 장치 또는 방법을 제공한다. 처리 중에 상기 웨이퍼 표면으로부터 얻어진 복수의 파장의 간섭광의 강도를 검출하고, 상기 처리 중의 임의의 시각에 검출한 상기 복수의 파장의 간섭광의 강도로부터 그들의 시간 미분의 시계열 데이터를 검출하여, 상기 복수의 파장에 관한 상기 시계열 데이터를 이용하여 파장을 파라미터로 하는 실미분 파형 패턴 데이터를 검출하고, 이 실미분 파형 패턴 데이터와 상기 웨이퍼의 처리 전에 미리 2개의 다른 하지막의 두께를 가진 막 구조의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께와 상기 간섭광의 파장을 파라미터로 하는 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 작성한 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 임의의 시각의 잔여막 두께를 산출하고, 이 잔여막 두께를 이용하여 상기 처리의 목표로의 도달을 판정한다.

Description

플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법{PLASMA PROCESSING APPARATUS AND METHOD FOR PLASMA PROCESSING}
본 발명은, 반도체 집적 회로의 제조 등에서 기판 형상의 시료를 에칭 처리할 때 에칭 종료점을 검출하는 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법에 관한 것으로, 특히, 진공 용기 내의 처리실 내에 배치한 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료의 상면에 미리 설치된 처리 대상의 막을 포함하는 막 구조를 처리실 내에 형성한 플라즈마를 사용하여 에칭 처리를 처리 상태를 검출하면서 행하는 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료로부터 반도체 디바이스를 제조하는 공정에서는, 당해 웨이퍼의 표면상에 형성된 여러가지 재료의 막층, 특히, 유전 재료의 막층의 제거 또는 당해 막으로부터의 패턴의 형성에, 진공 용기 내의 처리실에 형성한 플라즈마를 사용하는 드라이 에칭 기술이 널리 사용되어 있다. 이와 같은 플라즈마를 사용한 에칭 처리 장치에서는, 진공 용기 내의 처리용 공간인 처리실 내에 도입된 처리 가스에 전계 또는 자계를 작용시켜 플라즈마화 하여, 얻어진 플라즈마 내의 이온 등 하전 입자나 고활성의 입자(라디칼)를 웨이퍼 표면에 미리 배치되어 있는 처리 대상의 막층을 포함하는 막 구조와 반응시킴으로써 당해 처리 대상의 막을 에칭 가공하는 것이 일반적이다.
이러한 웨이퍼의 에칭 처리 중에 있어서는, 형성한 플라즈마의 발광에 있어서의 특정한 파장의 강도가, 피처리막의 에칭 진행에 따라 변화되는 것이 알려져 있다. 그래서, 이러한 처리 중의 플라즈마로부터의 특정 파장의 발광 강도의 변화를 처리 중에 검출하고, 이 검출한 결과에 기초하여 막이 에칭에 의해 제거되거나 또는 소기(所期)의 깊이까지 도달한 에칭의 종점을 검출하는 기술이 종래부터 알려져 있었다.
특히, 반도체 디바이스의 보다 높은 집적도(集積度)화나 가공의 미세화를 달성하기 위하여, 에칭 처리의 공정에 있어서 피처리막의 잔여 두께를 소정 값으로 처리를 종료시키는 것이 중요해지고 있다. 이러한 피처리막의 두께를 소정 값으로 하여 에칭 처리를 종료시키는 기술로서, 에칭의 진행에 따른 피처리막의 잔여 두께가 감소함에 따라, 피처리막을 포함하는 웨이퍼 표면으로부터의 광은 간섭한 파형을 형성하는 것을 이용하고, 간섭한 광(간섭광)의 강도 변화를 이용하여 잔여막 두께를 검출하는 기술이 알려져 있었다.
예를 들면, 특허문헌 1에는, 간섭광의 적어도 2종류의 파장을 검출하고, 이들 복수의 파장의 간섭광의 강도값을 이용하여 피처리막의 잔여 두께를 검출하는 것이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 2에는, 복수의 파장의 간섭광을 검출하고, 미리 구해 둔 복수의 파장의 파장을 파라미터로 하는 간섭광의 강도에 관한 데이터의 패턴과 실제로 얻어진 간섭광의 강도에 관한 데이터를 비교함으로써, 피처리막의 잔여 두께를 검출하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2001-085388호 공보 일본 특허 공개 제2003-083720호 공보
상기 종래 기술은, 다음과 같은 점에 대하여 고려가 불충분했기 때문에, 문제가 발생하고 있었다.
예를 들면, LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition)에 의해 성막된 산화막은 막의 두께의 재현성이 낮은 것이 알려져 있고, 그 재현성은 10% 정도라고 일컬어지고 있다. 한편, 에칭 공정에 있어서는, 피처리막의 두께가 이러한 편차를 가지고 있어도, 특허문헌 1이나 특허문헌 2에 개시된 기술에서는, 잔여막 두께의 절대값에 따른 간섭광의 강도 변화를 검출함으로써 양호한 정밀도로 피처리막의 잔여 두께를 검출할 수 있다.
그러나, 피처리막의 하층의 막인 하지막의 막이 광을 투과하는 재질로서 그 두께가 시료마다 큰 편차를 가지고 있는 경우에는, 각각의 웨이퍼에서 얻어지는 간섭광의 강도는 설령 피처리막의 잔여 두께가 같아도 달라지기 때문에, 정확하게 피처리막의 잔여 두께를 검출할 수 없게 된다는 문제가 발생하고 있었다. 이러한 문제에 대하여, 상기 종래의 기술에서는 고려되고 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 플라즈마를 사용하여 에칭 처리 중에 처리 대상의 막의 잔여 두께를 정밀히 검출하거나, 또는 이것을 조절할 수 있는 반도체 웨이퍼 등의 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적은, 진공 용기의 내부에 배치된 처리실과, 이 처리실 내에 배치되어 웨이퍼가 그 상면에 재치되는 시료대를 구비하고, 상기 웨이퍼의 상면에 미리 형성된 막 구조에 포함되는 처리 대상의 막을 상기 처리실 내에 형성한 플라즈마를 사용하여 처리하는 플라즈마 처리 장치 또는 플라즈마 처리 방법으로서, 상기 처리 중에 상기 웨이퍼 표면으로부터 얻어진 복수의 파장의 간섭광의 강도를 검출하고, 상기 처리 중의 임의의 시각에 검출한 상기 복수의 파장의 간섭광의 강도로부터 그들의 시간 미분의 시계열 데이터를 검출하고, 상기 복수의 파장에 대한 상기 시계열 데이터를 이용하여 파장을 파라미터로 하는 실(實)미분 파형 패턴 데이터를 검출하고, 이 실미분 파형 패턴 데이터와 상기 웨이퍼의 처리 전에 미리 2개의 다른 하지막의 두께를 가진 막 구조의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께와 상기 간섭광의 파장을 파라미터로 하는 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 작성한 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 임의의 시각의 잔여막 두께를 산출하고, 이 잔여막 두께를 사용하여 상기 처리의 목표로의 도달을 판정함으로써 달성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관련된 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치가 에칭 처리의 대상으로 하는 웨이퍼 상의 막 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 나타내는 막 구조에 관련된 간섭광의 강도값과 하지막의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 에칭량을 검출하는 동작의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다.
도 5는 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 에칭 처리된 웨이퍼의 효과를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다.
[실시예 1]
본 발명의 실시예에 대하여, 이하 도 1 내지 5를 사용하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치(1)를 도 1에 나타낸다. 도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 도면이다.
플라즈마 처리 장치(1)는, 진공 용기 내부에 배치된 진공 처리실(2)을 구비하고 있다. 또, 진공 용기 하부는 도시 생략한 터보 분자 펌프 등의 진공 펌프를 가지는 배기 장치와 연결되어 있다. 또, 원통형을 가진 진공 용기의 상방 및 주위에는, 도시 생략한 고주파 전력이 공급되는 동축 케이블과 안테나 또는 마이크로파를 전파하는 도파관 등의 전계의 발생 수단 또는 솔레노이드 코일 등의 자계의 발생 수단이 배치되어, 전계 또는 자계가 진공 처리실(2)의 내부에 공급 가능하게 구성되어 있다.
본 실시예의 플라즈마 처리 장치(1)의 진공 용기의 외측 측벽은, 도시 생략한 다른 진공 용기와, 개구인 게이트를 통하여 연결되어 있다. 시료인 웨이퍼(4)가, 당해 다른 진공 용기 내부의 감압된 반송실 내에 반송되어 진공 처리실(2) 사이에서 주고 받아진다.
또, 진공 처리실(2)의 하부의 중앙부에는, 웨이퍼(4)가 원통 형상을 가지고 그 상면에 실리는 시료대(5)가 배치되어 있다. 또한, 진공 용기는, 도시 생략한 가스 공급용 공급관과 연결되고, 가스 공급관은 진공 처리실(2)의 상부 또는 천정면에 배치된 복수의 가스 도입 구멍과 연통되어 있다.
시료(4)가 반송실 내로부터 도시 생략한 로봇 아암 등의 반송 장치의 선단부 상에 실려 유지되고, 게이트를 통하여 진공 처리실(2) 내부에 반입되어, 시료대(5)의 상방에서 이것에 주고 받아진다. 이후, 로봇 아암이 진공 처리실(2)로부터 퇴출하여 게이트가 게이트 밸브에 의해 기밀하게 폐색(閉塞)되어 진공 처리실(2) 내부가 밀봉된다.
또한, 웨이퍼(4)는 그 재치면인 시료대(5)의 유전체로 구성된 상면에 있어서 정전기에 의해 흡착되어 유지된다. 웨이퍼(4)의 이면과 시료대(5)의 재치면 사이에는 He 등의 열전달용 가스가 공급되어 웨이퍼(4)와 시료대(5) 사이의 열전도가 촉진되고 있다.
진공 처리실(2) 내부에는 가스 도입 구멍으로부터 가스원에 연결된 가스 공급관을 통하여 공급된 처리용 가스가 도입됨과 함께, 배기 장치의 동작에 의해 진공 처리실(2) 내부가 배기되어, 진공 처리실(2) 내부가 가스의 공급량 속도와 배기량 속도의 밸런스에 의해 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료의 처리에 적합한 진공도의 압력까지 감압된다. 이 상태에서, 진공 처리실(2) 내부에 전계 또는 자계의 발생 수단으로부터 전계 또는 자계가 공급되어, 처리용 가스의 입자가 여기(勵起)되어 플라즈마(3)가 형성된다. 시료대(5) 상의 웨이퍼(4)의 상면에 미리 형성된 복수의 막이 적층된 막 구조가 이 플라즈마(3)에 포함되는 하전 입자 또는 높은 반응성을 가지는 입자(활성입자)에 의해 에칭된다.
이 플라즈마(3)에 포함되는 여기된 입자는 높아진 에너지를 광으로서 방출하기 때문에, 플라즈마(3)는 발광을 발생시키고 있다. 진공 처리실(2)의 상방의 천정면으로서 진공 용기의 상부에는, 이 플라즈마의 발광을 받아 검지하기 위한 수광기 등 투광성 부재를 가진 수광기(8)가 배치되어 있다. 플라즈마(3)의 발광은, 직접 또는 웨이퍼 상면에서 반사된 후, 수광기(8)에 수광되고, 이것에 전기적, 광학적으로 연결 또는 접속된 에칭량 검출 장치(9)에 신호로서 전달된다.
도 2를 이용하여, 본 실시예에서 에칭 처리되는 막 구조의 전형적인 예를 설명한다. 도 2는, 도 1에 나타내는 플라즈마 처리 장치가 에칭 처리의 대상으로 하는 웨이퍼 상의 막 구조를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2의 (A)에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 처리 대상의 막 구조는, 피처리막인 폴리실리콘막(201)과 그 하방에 경계를 접하여 배치된 막층인 하지막인 산화막(202)과 실리콘 기판(203)을 가지고 구성되어 있다. 이러한 구성의 막 구조에 대하여 입사하는 플라즈마로부터의 광은, 각 막 사이의 경계 또는 계면부에서 반사하여 반사광을 발생한다. 이 반사광에는, 폴리실리콘막(201) 표면에서 반사하는 반사광(221)과, 폴리실리콘막(201)과 산화막(202)의 경계에서 반사하는 반사광(222)과, 산화막(202)과 실리콘 기판(203)의 경계에서 반사하는 반사광(223)이 존재한다.
이러한 반사광의 사이에는 광로차가 생기기 때문에 간섭광이 형성된다. 또, 에칭의 진행에 따른 피처리막인 폴리실리콘막(201)의 막의 두께는 감소하기 때문에, 각 반사광의 광로차는 변화하여 그 광의 파장마다 그 강도 변화의 주기가 다른 간섭 현상이 발생시킨다. 이처럼 강도가 변화하는 간섭광은, 도 1의 진공 처리실(2)의 상부에서 플라즈마(3)에 면하고 있는 수광기(8)를 통하여, 에칭량 검출 장치(9)의 분광기(10)에 전달된다. 에칭량 검출 장치(9)는, 전달된 간섭광에 관련된 신호로부터 간섭광의 강도의 값 및 그 변화량을 검출하고, 그 결과에 기초하여 피처리막인 폴리실리콘막(201)의 에칭 깊이나 잔여막 두께 등 에칭량이나 처리의 종점으로의 도달의 판정을 행한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 에칭량 검출 장치(9)는, 분광기(10), 제1 디지털 필터(12), 미분기(13), 제2 디지털 필터(14), 미분 파형 비교기 1(15), 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16), 미분 파형 비교기 2(17), 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18), 이들 미분 파형 비교기의 결과에 기초하여 비율을 구하는 적합 계수 산출기(19), 적합 계수 산출기(19)가 산출한 적합 계수를 사용하여 적합 패턴 데이터 베이스를 작성하는 적합 패턴 데이터 베이스 작성기(20), 적합 패턴 데이터 베이스(21), 미분 파형 비교기 3(22), 이 미분 파형 비교기 3(22)으로부터의 출력에 기초하여 피처리막의 잔여막 두께를 산출하고 이것을 시계열로 기록하는 잔여막 두께 시계열 데이터 기록기(23)와, 이 잔여막 두께 시계열 데이터 기록기(23)에 의해 기록된 잔여막 두께의 시계열 데이터를 이용하여 현재의 잔여막 두께의 값을 산출하는 회귀 분석기(24), 현재의 잔여막 두께의 값으로부터 에칭의 종료를 판정하는 종점 판정기(25), 및 종점 판정기(25)의 판정 결과를 표시하는 표시기(26)를 구비하고 있다.
또한, 본 실시예의 에칭량 검출 장치(9)는, 표시기(26)를 제외하고, 각각이 복수의 기능의 각각을 가지는 마이크로 프로세서 등의 반도체 디바이스를 포함하는 검출용 유닛이 유선 또는 무선의 통신 회선으로 접속된 것이어도 되고, 이들 복수의 기능을 가질 수 있는 하나의 반도체 디바이스로 구성되어 있어도 된다. 반도체 디바이스를 포함하는 용의 검출용 유닛은, 마이크로 프로세서 등의 연산기와, 외부와 신호를 통신하기 위한 통신 인터페이스와, 신호, 데이터나 소프트웨어를 기억하는 RAM, ROM, 또는 하드디스크 드라이브, CD-ROM 드라이브 등의 기억 장치가 통신 가능에 접속되어 구성되어 있다.
진공 처리실(2) 내에 형성된 플라즈마(3)의 발광은 웨이퍼(4)의 상면에서 반사되어 수광기(8)를 통하여 분광 장치(10)에 전달된다. 수광기(8)로부터의 신호를 받은 분광 장치(10)에서는, 간섭광의 신호는 소정의 주파수로 분광되어 각각의 파장의 강도가 디지털 신호로 변환되어 출력된다.
분광기(10)에 의해, 웨이퍼(4)의 처리 중의 임의의 시각에 있어서의 샘플링 신호로서 출력된 복수의 특정 파장의 신호는 시계열 데이터 yij로서 도시 생략한 RAM 등의 기억 장치에 기억된다. 이 시계열 데이터 yij는 제1 디지털 필터(12)에 전달되어 평활화 처리되고, 평활화 시계열 데이터 Yij로서 RAM 등의 기억 장치에 기억된다.
다음으로, 평활화 시계열 데이터 Yij는 미분기(13)에 전달되어, 그 시간 미분(미계수)값(1차 미분값 또는 2차 미분값)의 시계열 데이터 dij가 산출되어 RAM 등의 기억 장치에 기억된다. 미계수값의 시계열 데이터 dij는 제2 디지털 필터(14)에 의해 평활화 처리되어, 평활화 미계수 시계열 데이터 Dij로서 RAM 등의 기억 장치에 기억된다. 그리고 이 평활화 미계수 시계열 데이터 Dij로부터 간섭광의 강도의 미분값의 파장 의존성을 나타내는(파장을 파라미터로 하는) 미분 파형의 패턴(실패턴)이 구해진다.
여기서, 평활화 미계수 시계열 데이터 Di의 산출에 대하여 설명한다. 본 실시예에서는, 디지털 필터 회로(12)로서 예를 들면 2차 버터워스형 로우 패스 필터가 사용된다. 2차 버터워스형 로우 패스 필터에 의해 평활화 처리되는 평활화 시계열 데이터 Yi는 식 (1)에 의해 구해진다.
Figure 112013076260098-pat00001
여기서 계수 b, a는 샘플링 주파수 및 컷오프 주파수에 따라 수치가 다르다. 또, 본 실시예에서의 디지털 필터의 계수값은 예를 들면 a2=-1.143, a3=0.4128, b1=0.067455, b2=-0.013491, b3=0.067455(샘플링 주파수 10Hz, 컷오프 주파수 1Hz)가 사용된다. 2차 미계수값의 시계열 데이터 di는 미분기(13)에 의해 5점의 시계열 데이터 Yi의 다항식 적합 평활화 미분법을 사용하여 식 (2)로부터 아래와 같이 산출된다.
Figure 112013076260098-pat00002
여기서 가중 계수 w에 관하여 w-2=2, w-1=-1, wO=-2, w1=-1, w2=2이다.
상기 미계수값의 시계열 데이터 di를 사용하여 평활화 미계수 시계열 데이터Di는 디지털 필터 회로(14)로서는, 예를 들면 2차 버터워스형 로우 패스 필터에 의해 식 (3)으로부터 이하와 같이 산출된다.
Figure 112013076260098-pat00003
미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)에는, 소정의 막 두께를 가진 하지의 산화막 상방에 배치된 에칭량 측정의 대상이 되는 피처리막인 폴리실리콘의 에칭 처리 중의 잔여막 두께의 양(잔여막 양)에 대한 간섭광의 강도의 미분 파형 패턴 데이터 값 P1sj가, 웨이퍼(4)의 처리에 앞서 미리 기억되어 있다. 미분 파형 비교기 1(15)에 있어서는, 웨이퍼(4)의 처리 중에 실제로 얻어진 간섭광에 관련된 미분 파형 데이터인 실패턴과 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)에 기억되어 있던 미분 파형 패턴 데이터 값 P1sj가 비교되어, 양방 패턴끼리의 차의 값이 산출된다.
마찬가지로, 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18)에는, 상기 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)과는 다른 소정의 막 두께를 가진 하지의 산화막 상방에 배치된 에칭량 측정의 대상이 되는 피처리막인 폴리실리콘의 잔여막 양에 대한 간섭 강도의 미분 파형 패턴 데이터 값 P2sj가 미리 설정되어 있다. 미분 파형 비교기 2(17)에 있어서는, 웨이퍼(4)의 처리 중에 실제로 얻어진 간섭광에 관련된 미분 파형 데이터인 실패턴과 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18)에 기억되어 있던 미분 파형 패턴 데이터값 P2sj가 비교되어, 양방 패턴끼리의 차의 값이 산출된다. 본 실시예에서는, 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)과 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18)에 기억되고, 잔여막 양의 두께의 검출에 사용하는 것으로서 등록되는 미분 파형 데이터의 각각은, 임의의 범위에서 분포하는 하지막인 산화막(202)의 막 두께의 상한 및 하한값 또는 이들에 가까운 값의 막 두께를 가진 산화막(202)의 상방에 배치된 에칭량 측정의 대상이 되는 피처리막인 폴리실리콘의 에칭 처리 중의 잔여막 두께의 양(잔여막 양)에 대한 간섭광의 강도의 미분 파형 패턴 데이터가 이용되고 있다.
한편, 도 2의 (B)는, 하지막인 산화막(211, 212)의 막의 두께가 다른 웨이퍼의 단면을 나타내고 있다. LPCVD(Low Pressure Chemial Vapor Deposition)에 의해 성막된 산화막은 막의 두께의 재현성이 낮은 것이 알려져 있고 그 재현성은 약 10%정도로 일컬어지고 있다.
이처럼 하지막인 산화막(211, 212)의 막의 두께가 다른 경우에 문제가 발생한다. 피처리막인 폴리실리콘의 잔여막 양이 동일한 경우에도, 하지막인 산화막(211, 212)의 막의 두께가 다른 경우, 도 2의 (C)에 나타내는 바와 같이 하지막인 산화막과 기판의 경계에서 반사한 광(223)과 그 외의 반사광(221, 222)의 광로차는 달라진다. 간섭에 있어서는, 이 광로 차에 의해 간섭광의 강도의 극대극소가 결정되기 때문에, 동일한 폴리실리콘막(201)의 두께에서도 간섭광의 강도의 값은 달라지고, 간섭광의 강도에 기초하여 막 두께를 양호한 정밀도로 검출하는 것이 곤란해진다.
도 3에, 광의 파장 700nm에서 피처리막이 폴리실리콘이며 하지막인 산화막의 막 두께값이 50nm, 60nm, 70nm이었던 경우의 폴리실리콘의 잔여막 두께에 대한 간섭 강도의 변화를 도시한다. 도 3은, 도 2에 나타내는 막 구조에 관련된 간섭광의 강도의 값과 하지막의 두께의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 하지 산화막의 막 두께값이 다르면 간섭광의 강도의 변화가 달라진다. 간섭광의 강도의 극소치는, 하지 산화막의 막 두께값이 다른 웨이퍼에서는 폴리실리콘막의 잔여막 두께가 다르다. 이것은, 광간섭을 이용한 잔여막 두께 판정을 행하는 장치에 있어서 하지막 산화막의 막 두께값에 의해, 판정 정밀도가 나빠지는 것을 의미하고 있다.
본 실시예에서는, 하지 산화막(202)의 막 두께의 값이 다른 막 구조를 에칭 처리에 대응하는 미분 파형 데이터 베이스를 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16) 및 미분 파형 패턴 데이터베이스 2(18)에 각각 기억해 두고, 이들 데이터 베이스에 기억된 데이터를 기본 데이터 베이스로서 조합시켜 새롭게 패턴 데이터 또는 그 데이터 베이스를 작성하여 그 패턴 데이터를 막 두께의 검출에 이용함으로써, 하지의 산화막(202)의 막 두께의 값이 분산된 경우에도, 그 상방의 폴리실리콘막(201)의 막 두께 또는 종점을 양호한 정밀도로 판정할 수 있다. 도 1에서는, 미분 파형 패턴 데이터 베이스는 2개 표시하고 있지만, 2개 이상이어도 된다.
이하에, 본 실시예에 있어서, 다른 막 두께의 산화막(211, 212)의 각각에 따른 미분 파형 데이터 베이스에 기억된 패턴 데이터를 기본 데이터로서 조합하여 막 두께 검출용 미분 파형을 산출하는 구성을 설명한다. 미분 파형 비교기 1(15) 및 미분 파형 비교기 2(17)의 각각에서는, 미분 파형 데이터 베이스 1(16), 미분 파형 데이터 베이스 2(18) 각각에 기억된 미분 파형 데이터의 패턴과, 반도체 디바이스를 제조하는 제품용 웨이퍼(4)의 처리 중에 얻어진 미분 파형 데이터의 실패턴의 최소 잔여차 σs1(t)과 σs2(t)가 구해진다. 본 예의 잔여차는 이하에 나타내는 바와 같이 각 시계열 데이터 값의 제곱 오차의 크기를 사용하고 있다.
이 최소 잔여차 σs1(t)과 σs2(t)의 값이 전달된 적합 계수 산출기(19)에서는, 이 2개의 최소 잔여차의 비를 적합 계수 α(t)를 이하의 식 (4)를 이용하여 산출하고 출력한다.
Figure 112013076260098-pat00004
적합 패턴 데이터 베이스 작성기(20)는, 수신한 적합 계수 α(t)의 값과 미분 파형 패턴 데이터값 P1sl 및 P2sj를 이용하여, 적합 패턴 데이터 베이스(21)를 이하의 식 (5)에서 작성하여 기억 장치에 출력하여 기억시킨다.
Figure 112013076260098-pat00005
다음으로, 미분 파형 비교기 3(22)이, 적합 패턴 데이터 베이스(21)와 실패턴을 비교하고, 임의의 시각에 있어서의 폴리실리콘막의 잔여막 두께(순간 막 두께)을 구하여 잔여막 두께 시계열 데이터 기록기(23)에 저장한다. 회귀 분석기(24)는, 잔여막 두께 시계열 데이터 기록기(23)에 기록된 현시점(임의의 시각)과 과거의 복수의 시각에서의 잔여막 두께(순간 막 두께)를 이용하여, 회귀 연산에 의해 현재의 잔여막 두께(계산 막 두께)를 산출한다.
이 회귀 연산에 의해 산출된 결과로서의 잔여막 두께가 종점 판정기(25)에 전달되고, 종점 판정기(25)가 미리 설정된 목표 잔여 두께값과 현재의 잔여막 두께(계산)를 비교하여 목표 잔여막 두께값을 현재의 잔여막 두께(계산) 이하인지 판정한다. 목표 이하라고 판정된 경우에는, 피처리막의 에칭량이 소정 값이 된(수정에 도달한) 것으로 판정되어 에칭 처리를 종료하는 지령을 플라즈마 처리 장치(1)에 송신한다. 또한, 그 판정의 결과가 표시기(26)에 전달되어, 액정 또는 CRT를 가지는 표시기(26) 상에 표시로 당해 결과가 표시되어 사용자에 통지된다. 또한, 표시기(26)에는, 플라즈마 처리 장치(1)의 운전, 동작 중의 이상이나 동작의 에러의 정보도 통지된다.
다음으로 도 4의 플로우 차트를 이용하여, 도 1의 에칭량 검출 장치(9)에서 에칭 처리를 행할 때 피처리막의 에칭량을 구하는 순서에 대하여 설명한다. 도 4는, 도 1에 나타내는 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 에칭량을 검출하는 동작의 흐름을 나타내는 플로우 차트이다. 주로, 에칭량 검출 장치(9)의 동작의 흐름을 나타내고 있다.
본 실시예에서는, 웨이퍼의 네 개의 처리에 앞서, 피처리막인 폴리실리콘막(201)의 목표의 잔여막 두께의 값과 그 검출 또는 판정에 이용하는 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)과 미분 파형 패턴 데이터 베이스(2)에 기억된 패턴 데이터의 설정을 행한다(단계 300). 이 2개의 미분 파형 패턴 데이터 베이스에서 선택된 패턴 데이터로서는, 하지층의 산화막(202)이 다른 막 두께인 것을 선택하여 설정한다.
또, 본 실시예에서는 비교하는 미분 파형 패턴 데이터 베이스는 2개이지만, 2개 이상이어도 된다. 3개 이상의 미분 파형 패턴 데이터 베이스를 사용하는 경우에는, 상기의 최소 잔여차 σsi(t) 보다 작은 것으로부터 2개를 선택하여 식 (4)에 의해 적합 계수 α(t)를 구해도 된다.
다음으로, 진공 처리실(2) 내에 있어서 웨이퍼(4)의 처리를 개시하여 얻어지는 간섭광의 샘플링(예를 들면 0.1∼0.5초 마다)을 개시한다(단계 301). 이때, 에칭 처리의 개시에 따른 샘플링 개시 명령이 내려진다. 에칭의 진행에 따라 변화하는 다파장의 발광 강도가, 에칭량 검출 장치(9)의 분광기(10)에 전달되어 그 광 검출기에 의해 소정의 주파수마다 광의 강도에 따른 전압의 광 검출 신호로서 검출되어 출력된다.
분광기(10)의 광 검출 신호는 디지털 변환되어, 임의의 시각에 대응된 데이터 신호로서의 샘플링 신호 yij가 취득된다. 다음으로, 분광기(10)로부터의 다파장 출력 신호 yij가 제1단째의 디지털 필터 회로(12)에 의해 평활화되어, 임의의 시각의 시계열 데이터 Yij가 산출된다(단계 302).
다음으로, 미분기(13)에 시계열 데이터 Yij가 전달되어, S-G법(Savitzky-Golay method)에 의해 시계열의 미계수 dij가 산출된다(단계 303). 즉, 미분 처리(S-G법)에 의해 신호 파형의 계수(1차 또는 2차) di가 검출된다.
미계수 dij가, 제2단째의 디지털 필터 회로(14)에 전달되어, 평활화(smoothing) 미계수 시계열 데이터 Dij가 산출된다(단계 304). 얻어진 평활화 미계수 시계열 데이터 Dij는, 미분 파형 비교기 1(15) 및 미분 파형 비교기 2(17)에 전달된다.
미분 파형 비교기 1(15)에 있어서는, σs(t)=√(Σ(Dij-P1sj)2/j)값의 산출 최소인 σs1(t)이 된다(단계 305). 마찬가지로, 미분 파형 비교기 2(17)에 있어서는 σs(t)=√(Σ(Dij-P2sj)2/j)값의 산출 최소인 σs2(t)이 산출된다(단계 306). 단계 305, 307은 병행하여 실시되어도 된다. 얻어진 σs1(t)과 σs2(t)가 적합 계수 산출기(19)에 전달되고, 이것으로부터 적합 계수 α(t)=σs2(t)/(σs1(t)+σs2(t))가 산출된다(단계 307).
적합 패턴 데이터 베이스 작성기(20)에 얻어진 적합 계수 α(t)가 전달되고, 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)에 설정된 미분 파형 데이터 패턴값 및 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18)에 설정된 미분 파형 데이터 패턴값을 이용하여, 식 (5)에 의해 적합 미분 파형 패턴 데이터 베이스(21)가 작성되어 기억 장치에 기억된다(단계 308). 미분 파형 비교기 3(22)이, 단계 308에서 작성한 적합 미분 파형 패턴 데이터 베이스(21)의 데이터 값과 단계 304에서 작성한 평활화 미계수 시계열 데이터Dij로부터 얻어진 미분 파형 패턴인 실패턴의 데이터를 패턴 매칭하여, 가장 적합한 패턴 데이터로서 최소의 잔여차가 되는 적합 미분 파형 패턴 데이터 베이스(21)의 데이터에 대응하는 잔여막 두께를 당해 임의의 시각(현 시각)에서의 순간 막 두께 데이터 Zi로서 산출한다(단계 309).
단계 309에서 잔여막 두께 시계열 데이터 기록기(23)에 있어서 기록된 순간막 두께 시계열 데이터 Zi와 처리 중의 과거의 복수의 시각에서의 순간막 두께 시계열 데이터 Zi를 이용하여, 회귀 분석기(24)에 의해 현재의 계산막 두께값이 산출되어 기억된다(단계 310). 즉, 회귀 분석기(24)의 연산에 의해, 1차 회귀 직선Y=Xa·t+Xb(Y: 잔여막 양, t: 에칭 시간, Xa: Xa의 절대값이 에칭 속도, Xb: 초기 막 두께)가 구해지고, 이 회귀 직선으로부터 현 시각에서의 에칭량(또는 잔여막 양)이 산출되어 기억 장치에 기억된다(단계 310).
또한, 단계 309에 있어서, 비교한 결과 실패턴의 적합 미분 파형 패턴 데이터와의 최소의 잔여차가, 미리 정한 문턱값 이상인 경우에는, 당해 최소의 잔여차가 되는 적합 미분 파형 패턴 데이터에 대응하는 막 두께를 현 시각에서의 순간막 두께 데이터 Zi로서 기억하지 않고 둘 수도 있다. 또, 과거의 처리 중의 시각(예를 들면 현 시각 직전의 샘플링 시각)의 순간막 두께 데이터 Zi나 상기 회귀 연산한 것을 대신하여 현 시각의 순간막 두께 Zi로서 단계(310)에 있어서의 회귀 분석기(24)에서의 연산을 행해도 된다.
현재의 피처리막의 잔여막 양이 미리 설정한 목표 잔여막 두께값(단계 300에서 설정)과 비교되어, 목표 잔여막 두께값 이하로 판정되면, 목표에 도달했다고 판정되어, 에칭 처리를 종료시키는 신호가 플라즈마 처리 장치(1)로 발신된다. 도달 하지 않았다고 판단된 경우에는, 단계 302의 처리로 되돌아간다(단계 311). 에칭의 깊이 등 에칭량이 판정되어(단계 311) 이것이 충분하다고 판정되면, 마지막으로 샘플링 종료의 설정을 행한다(단계 312).
단계 311에서 목표에 도달했다고 판정된 경우에, 에칭 처리를 종료시키는 제어뿐만 아니라, 다음 단계의 에칭 처리를 행하도록 플라즈마 처리 장치(1)에 지령을 발신해도 된다. 예를 들면, 처리 속도를 저감시킨 오버 에칭 처리나, 에칭 처리 대상의 막이 복수의 막층으로 구성되어 있는 경우에는 하층의 막층에 적합한 것에 플라즈마 처리 장치(1)의 운전 조건을 변경하여 당해 처리를 실시해도 된다.
도 5, 본 실시예에 의한 효과를 나타낸다. 도 5는, 도 1에 나타내는 실시예에 있어서 에칭 처리된 웨이퍼의 효과를 나타내는 그래프이다.
본 도면에서는, 하지 산화막의 두께가 60nm인 웨이퍼를 에칭했을 때의 결과를 나타내고 있다. 도 5의 Ox50nm는 하지 산화막의 두께가 50nm인 미분 파형 패턴 데이터 베이스 단독과의 매칭 결과를, Ox70nm는 하지 산화막의 두께가 70nm인 미분 파형 패턴 데이터 베이스 단독과의 매칭 결과를, 적합 DB는 본 발명에 의한 결과이며, 하지 산화막 두께의 두께가 50mn과 70nm인 것을 각각 미분 파형 패턴 데이터 베이스 1(16)과 미분 파형 패턴 데이터 베이스 2(18)에 설정하여, 패턴 매칭한 결과이다.
도 5의 (B)는 도 5의 (A)를 피처리막의 잔여막 두께 30nm 부근에서 확대한 것이다. 도 5의 (B)의 Ox70nm인 하지 산화막의 두께가 70nm인 미분 파형 패턴 데이터 베이스 단독과의 매칭 결과의 경우, 49.5초에서 폴리실리콘의 잔여막 양 30nm을 하회한 것을 검출한다.
도 5의 (B)의 Ox50nm인 하지 산화막의 두께가 50nm인 미분 파형 패턴 데이터베이스 단독과의 매칭 결과의 경우, 50.5초에서 폴리실리콘의 잔여막량 30nm을 하회한 것을 검출한다. 도 5의 (B)의 적합 DB인 하지 산화막 두께의 두께가 50nm과 70nm인 것을 각각 미분 파형 패턴 데이터 베이스(1)와 미분 파형 패턴 데이터 베이스(2)로 설정한 본 발명 알고리즘에서의 처리 결과에서는 50.0초에서 폴리실리콘의 잔여막 양 30nm를 하회한 것을 검출하고 있다.
도 5의 (B)에서는 적합 DB는 Ox50nm와 Ox70nm의 정확히 중간에 위치하고 있고, 하지 산화막의 막 두께가 60nm인 경우의 막 두께 추이를 나타내고 있다. 또, 하지 산화막의 막 두께가 50nm인 결과가, 폴리실리콘의 잔여막 양 30nm에 가장 늦게 도착하고 있는 것을 알 수 있다. 이것은 도 3에 나타낸 간섭 강도의 극소치가 하지 산화막 두께의 막 두께값에 의존하여 하지 산화막의 두께가 70nm, 60nm, 50nm이 됨에 따라 극소치는 폴리실리콘의 잔여막 양이 많아져 있는 것과 상관이 있다.
또, 이상의 설명과 같이, 본 실시예에 있어서 하지 산화막 두께의 두께 정보를 하지 산화막 두께의 생산 관리에도 이용할 수 있다.
1…플라즈마 처리 장치 2…진공 처리실
3…플라즈마 4…웨이퍼
5…시료대 8…수광기
9…에칭량 검출 장치 10…분광기
12…제1 디지털 필터 13…미분기
14…제2 디지털 필터 15…미분 파형 비교기 1
16…미분 파형 패턴 데이터 베이스 1 17…미분 파형 비교기 2
18…미분 파형 패턴 데이터 베이스 2 19…적합 계수 산출기
20…적합 패턴 데이터 베이스 작성기 21…적합 패턴 데이터 베이스
22…미분 파형 비교기 3
23…잔여막 두께 시계열 데이터 기록기
24…회귀 분석기 25…종점 판정기
26…표시기 201…폴리실리콘막
202…산화막 203…기판
211…하지막 212…하지막

Claims (8)

  1. 진공 용기의 내부의 처리실 내에 재치된 웨이퍼 상면에 미리 형성된 막 구조에 포함되는 처리 대상의 막을 상기 처리실 내에 형성한 플라즈마를 사용하여 처리하는 플라즈마 처리 방법으로서,
    상기 처리 중에 상기 웨이퍼 표면으로부터 얻어진 복수의 파장의 간섭광의 강도를 검출하는 단계와,
    상기 처리 중의 임의의 시각에 검출한 상기 복수의 파장의 간섭광의 강도로부터 상기 복수의 파장의 시간 미분의 시계열 데이터를 검출하는 단계와,
    상기 복수의 파장에 대한 상기 시계열 데이터를 이용하여 파장을 파라미터로 하는 실미분 파형 패턴 데이터를 검출하는 단계와,
    상기 웨이퍼의 처리 전에 다른 하지막의 두께를 가진 막 구조의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께와 상기 간섭광의 파장을 파라미터로 하는 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 미리 작성한 2개의 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 상기 실미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 임의의 시각의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께인 잔여막 두께를 산출하는 단계와,
    상기 잔여막 두께를 이용하여 상기 처리의 목표로의 도달을 판정하는 단계를 구비한 플라즈마 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 중의 복수의 임의의 시각의 각각에 있어서, 상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 작성하고, 당해 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 각 시각의 실미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 각 시각의 잔여막 두께를 산출하는 플라즈마 처리 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터 각각과 상기 실미분 파형 패턴 데이터의 최소의 차분끼리의 비율을 이용하여 상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터를 내삽하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 작성하는 플라즈마 처리 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 임의의 시각에 있어서, 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 상기 실미분 파형 패턴 데이터를 비교하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 상기 실미분 파형 패턴 데이터의 차가 최소가 되는 검출용 미분 파형 패턴 데이터의 잔여 두께를 상기 임의의 시각의 잔여막 두께로서 기억함과 함께 당해 임의의 시각의 잔여막 두께와 미리 기억된 상기 처리 중의 상기 임의의 시각보다 전의 시각에 있어서의 상기 잔여막 두께를 이용하여 다시 상기 임의의 시각의 잔여막 두께를 산출하고,
    상기 다시 산출한 상기 잔여막 두께를 이용하여 상기 처리 목표로의 도달을 판정하는 플라즈마 처리 방법.
  5. 진공 용기의 내부에 배치된 처리실과, 이 처리실 내에 배치되어 웨이퍼가 그 상면에 재치되는 시료대를 구비하고, 상기 웨이퍼의 상면에 미리 형성된 막 구조에 포함되는 처리 대상의 막을 상기 처리실 내에 형성한 플라즈마를 사용하여 처리하는 플라즈마 처리 장치로서,
    상기 처리 중에 상기 웨이퍼 표면으로부터 얻어진 복수의 파장의 간섭광의 강도를 검출하고,
    상기 처리 중의 임의의 시각에 검출한 상기 복수의 파장의 간섭광의 강도로부터 상기 복수의 파장의 시간 미분의 시계열 데이터를 검출하고, 상기 복수의 파장에 대한 상기 시계열 데이터를 이용하여 파장을 파라미터로 하는 실미분 파형 패턴 데이터를 검출하고, 이 실미분 파형 패턴 데이터와 상기 웨이퍼의 처리 전에 다른 하지막의 두께를 가진 막 구조의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께와 상기 간섭광의 파장을 파라미터로 하는 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 미리 작성한 2개의 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 임의의 시각의 상기 처리 대상의 막의 잔여 두께인 잔여막 두께를 산출하고, 이 잔여막 두께를 이용하여 상기 처리의 목표로의 도달을 판정하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 처리 중의 복수의 임의의 시각의 각각에 있어서, 상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터를 이용하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 작성하고, 당해 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 각 시각의 실미분 파형 패턴 데이터를 비교한 결과를 이용하여 상기 각 시각의 잔여막 두께를 산출하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터 각각과 상기 실미분 파형 패턴 데이터의 최소의 차분끼리의 비율을 이용하여 상기 2개의 기본 미분 파형 패턴 데이터를 내삽하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터를 작성하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 임의의 시각에 있어서, 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 상기 실미분 파형 패턴 데이터를 비교하여 상기 검출용 미분 파형 패턴 데이터와 상기 실미분 파형 패턴 데이터의 차가 최소가 되는 검출용 미분 파형 패턴 데이터의 잔여 두께를 상기 임의의 시각의 잔여막 두께로서 기억함과 함께 당해 임의의 시각의 잔여막 두께와 미리 기억된 상기 처리 중의 상기 임의의 시각보다 전의 시각에 있어서의 상기 잔여막 두께를 이용하여 다시 상기 임의의 시각의 잔여막 두께를 산출하고, 상기 다시 산출한 상기 잔여막 두께를 이용하여 상기 처리의 목표로의 도달을 판정하는 플라즈마 처리 장치.
KR1020130099537A 2013-03-29 2013-08-22 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법 KR101520872B1 (ko)

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