JP5675195B2 - プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、真空容器内部の処理室内に配置した半導体ウエハ等の処理対象の基板状の試料を処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置に係り、特に、エッチング処理の検出の結果を用いて他のウエハの処理の条件を調節する構成を備えたプラズマ処理装置に関する。
半導体デバイスの製造プロセスに用いられているプラズマ処理装置、特に半導体ウエハ等の表面に配置された膜構造をエッチング処理する装置では、一般的に真空処理室内にエッチングガスを導入し、減圧下でプラズマ放電を発生させ、このプラズマ中に発生するラジカルあるいはイオンを、被処理物であるウエハ表面に反応させることにより、ウエハのエッチング加工を行う。このような技術では、近年、デバイスの微細化に伴って処理の条件の変動に対する処理による加工の結果の変動の影響が大きくなり、処理装置が設定された一定のレシピを用いて複数枚のウエハの処理を行っても、処理中に生じる種々の外乱により処理の結果得られる加工の形状が再現性良く得られず、安定したエッチング加工性能を得ることが困難になってきていた。
このような問題を解決する技術として、処理室内に生じるプラズマ中の発光からエッチングの進行に特有の現象を検出し処理の終点の判定を行うこと考えられてきた。このような終点の判定に関する技術としては、例えば、特開２００９−２０６２７５号公報（特許文献１）に開示されたものが知られている。本従来技術は、処理中の期間に得られたプラズマの発光から検出した強度に関するデータを用いてデータについての回帰直線を生成し、この回帰直線と検出中に逐次検出された発光の強度についての時系列のデータとの間の距離を利用することにより、高精度な終点判定を実現できることが示されている。
上記従来の技術では次の点について考慮が不十分なため問題が生じていた。すなわち、終点の判定を実施することによりエッチング加工性能を安定化させようとするものであるが、処理によって得られる加工形状の精度は終点の判定の精度に大きく影響される。
このため終点の判定が困難な膜を処理する場合には、加工の精度が安定せず、さらには、このような加工後の膜の形状をマスクとして用いて下方に配置する膜を処理するような複数の膜構造を連続的に処理する場合には、上方の膜での加工寸法の精度が下方の膜の形状の寸法の精度に影響することになるため、上方の膜の処理の精度、特には終点の精度が低い場合に膜構造全体の加工寸法の精度が損なわれてしまい処理の安定性，再現性が低下してしまうと言う問題があった。
さらには、複数枚のウエハを特定の処理装置内の処理室で継続して処理を行う場合には、複数枚のうち特定の枚数の間は処理の精度が所期の範囲に収まる程度に処理の条件を適切にして処理が実施されていても、処理の枚数が増加するに伴って処理室の内部の条件が変動してしまい当初の処理の条件では処理後の寸法形状が望ましいその精度の範囲から逸脱してしまい、この点でも処理の安定性，再現性が損なわれてしまうという問題が有った。このような処理室内部の環境または状態が経時的に変動することに対応して処理の条件を調節することが必要となる点について、上記の従来技術では考慮されていなかった。
本発明の目的は、エッチング処理の加工後の寸法の変動を低減して処理の安定性または再現性を向上できるプラズマ処理装置または処理方法を提供することにある。
上記目的は、真空容器内部の減圧された処理室内に配置されシリコン製の基板上にマスク及びその下方に配置された少なくとも２層の処理対象の膜を有する膜構造を有するウエハ複数を順次前記処理室内において当該処理室内で形成したプラズマにより異なる処理の条件で実施され少なくとも２つの処理ステップを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、前記２つの処理ステップの各々が前記２層の処理対象の膜の各々の層の処理に用いられるものであって、前記エッチング処理の条件を含む前記プラズマ処理装置の動作を調節する制御部を備え、この制御部が、前記複数のウエハのうちの１つのウエハの前記エッチング処理中に検出された前記２つの処理ステップのうち後段のステップの処理の終了までの時間と、当該時間及び前記膜構造の処理の結果として得られる形状の間の相関を示すデータとを用いて、前記１つのウエハの処理の後に行われる別のウエハ上の前記膜構造に対する前記エッチング処理における前記２つの処理ステップのうちの前段のステップの処理の条件を調節することにより達成される。
または、真空容器内部の減圧された処理室内にシリコン製の基板上にマスク及びその下方に配置された少なくとも２層の処理対象の膜を有する膜構造を有するウエハの複数を順次配置し、前記処理室内にプラズマ形成した後、異なる処理の条件で実施される少なくとも２つの処理ステップを用いて前記膜構造をエッチング処理するプラズマ処理方法であって、前記２つの処理ステップの各々が前記２層の処理対象の膜の各々の層の処理に用いられるものであって、前記複数のウエハのうちの１つのウエハの前記エッチング処理中に検出された前記２つの処理ステップのうちの後段のステップの処理の終了までの時間と、当該時間及び前記膜構造の処理の結果として得られる形状の間の相関を示すデータとを用いて、前記１つのウエハの処理の後に行われる}別のウエハ上の前記膜構造に対する前記エッチング処理における前記２つの処理ステップのうちの前段のステップの処理の条件を調節して前記別のウエハを処理することにより達成される。
さらには、前記前段のステップにおいて前記処理対象の膜が予め定められた期間で処理され、前記後段のステップにおいて前記処理対象の膜の処理中に形成されるプラズマの発光を検出してこの処理の終点が判定され、前記検出された処理の終了までの時間の所定の時間に対する長短に応じて前記前段のステップの処理の条件を調節することにより達成される。
さらにまた、前記膜構造の前記処理対象の膜は前記マスク下方に配置された有機材料で構成された反射防止膜とこの反射防止膜の下方に配置され窒化シリコンで構成された膜とを備え、前記前段のステップが前記反射防止膜を後段のステップが前記窒化シリコンで構成された膜を処理するものであることにより達成される。
さらにまた、前記前段のステップにおいてフロロカーボンと窒素とを組成として含むガスを用いて前記反射防止膜を処理し、前記後段のステップにおいてフロロカーボンを組成として含むガスを用いて前記窒化シリコンで構成された膜を処理することにより達成される。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
以下、本発明の実施例を図１乃至図６を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例にかかるプラズマ処理装置の構成の概略を説明する模式図である。本実施例のプラズマ処理装置１は、真空容器内部に配置された処理室２と、この処理室２内に供給される処理ガスの供給量，速度を調節するマスフローコントローラ３，処理室２に供給された処理ガスを励起してプラズマを形成するために供給される電界を形成するプラズマ生成用高周波電源４、および処理室２内のガスを排気する真空ポンプを含む排気装置５を備えて構成されている。また、プラズマ処理装置１の処理室２内のプラズマが形成される空間の下方には処理対象であるウエハ６がその上面に載せられて保持される試料台７が配置されている。
エッチング処理に使用される処理ガスは、マスフローコントローラ３を通して処理室２内に導入され、さらにプラズマ生成用高周波電源４により形成されて処理室２上方に配置された導波管等の伝播手段によって処理室上方から導入される所定の周波数（例えば２.４５ＧＨｚ）の高周波の電界及び必要に応じて処理室２の上方及び側方の外周で処理室２を囲んで配置される磁場形成手段から処理室２内に供給される磁界によりガスの粒子が励起されプラズマ８が形成される。プラズマ８内の荷電粒子（イオン）は、試料台７内部に配置された導電体製の電極に接続されたバイアス用高周波電源９から供給される高周波電力によって試料台７またはこれの上面の載置面上に保持されたウエハ６の上面上方に形成されるバイアス電界により誘引されてウエハ６表面に予め形成されて配置されている薄膜と衝突する。
これによりウエハ６の表面が活性化されプラズマ８中の反応性粒子と膜を構成する材料との化学的，物理的相互作用が促進されて、対象膜のエッチング処理が進行する。なお、処理室２内の圧力は、圧力計１０からの測定値を基準値と比較し、前記比較した結果をもとに水平方向に配置された軸周りに回転して処理室２内と排気装置５との間を連通する通路の開口の面積を可変に調節する複数枚の板を備えた可変コンダクタンスバルブ１１の回転角度の位置を調整して排気量速度を調整することにより処理に適切な圧力に保持される。
処理中に形成されるプラズマ８の発光は、処理室２の側壁である真空容器の壁部材に配置された透光性部材によって構成された観察窓１２を介して受光器１３により観測されてその強度が検出される。受光器１３によって検出されたプラズマ８の発光強度に関する信号は、これと通信可能に配置された制御装置の演算部１４に送信され、演算部１４において受信した信号から所定の量を算出または検出する。例えば、上記プラズマ８の発光の強度を示す信号を受信して、これから次のウエハについて行う処理の条件を変更する量（レシピ変更量）を、演算部１４の内部に配置された或いは通信手段を介して通信可能に接続されたＲＡＭやハードディスク等の記憶手段内に格納されたプログラムを用いて算出し、プラズマ処理装置１の動作を設定する。
設定されるべき次のウエハのレシピ変更量は制御部１５へ送られる。制御部１５では、制御部１５内部あるいは通信可能に接続された隔離した箇所に配置された記憶手段に保持されているレシピの値に対して、送信されたレシピ変更量、の情報を用いてこれを変更して次のウエハのエッチング処理のレシピ（処理の条件）を算出する。本実施例の制御部１５は、プラズマ処理装置１の上記のマスフローコントローラ３，排気装置５，プラズマ生成用高周波電源４，磁場発生手段，バイアス用高周波電源９，圧力計１０，可変コンダクタンスバルブ１１の回転駆動装置等と通信手段を介して接続されて、これらから発振される信号を受信し、必要な動作を指令する信号をこれらに発信してその動作を調節する装置である。
次のウエハ６は、調節されて新たに設定されたレシピの値に基づいて、制御部１５から発信された指令に応じて動作が調節されたプラズマ処理装置１内部の処理室２で処理される。制御部１５はウエハ６の処理中においても上記の通り、各部から発信されたセンサの情報を検出した結果に基づいて動作の調節量を算出または検出し、必要な各部へ指令の信号を発信してその動作を調節してプラズマ処理装置１の動作をフィードバック制御する。
次に、本実施例が対象とする膜構造について図３を用いて説明する。図３は、図１に示す本発明の実施例に係るプラズマ処理装置が処理の対象とする半導体ウエハ等の基板状の試料の表面に予め配置された膜構造を模式的に説明する縦断面図である。本図において各模式図の左右端部は省略されている。
図３において、図３（ａ）は、複数枚のウエハを継続的または連続的に処理する場合におけるその処理の初期でのウエハの断面形状を示している。図３（ｂ）は、複数枚のウエハを継続的または連続的に処理する場合におけるそのウエハの処理を所定の枚数だけ行った際のウエハの断面形状である。
本例のウエハの表面上に配置された処理対象の膜を含む膜構造は、シリコンで構成された下地膜２６上に複数層の膜が積層されて上下に隣り合った構成を備えている。これらの膜層のうち、最上層を構成するフォトレジスト２３は有機材料によるマスクとして機能する皮膜である。
本実施例では、このような膜構造をフォトレジスト２３をマスクとして下方に配置されたエッチング対象膜Ａ２４，エッチング対象膜Ｂ２５をエッチングし、下地膜２６の上でエッチングを終了させる処理を行う。特にエッチング対象膜Ａ２４とエッチング対象膜Ｂ２５とを処理する際の処理条件を異ならせて処理を連続的に行い、各々をステップ１，ステップ２として処理を実施する。
すなわち、エッチング処理のステップ１でエッチング対象膜Ａ２４をエッチングし、処理のステップ２でエッチング対象膜Ｂ２５をエッチングする。また、後述するように、ステップ１においては処理中に形成されたプラズマの発光を検出することによる終点の判定は困難であり予め定められた時間の経過を計数，検出して当該ステップの処理を終了させる。一方、処理のステップ２では上記プラズマの発光を用いた終点の判定を実施することができる処理である。
さらに、通常、エッチング対象膜Ａ２４のステップ１の処理中にフォトレジスト２３も横方向にエッチングされるためこれをマスクとして処理がなされる下方のエッチング対象膜Ａ２４のエッチングパターンの横幅（以後、ＣＤ）も小さくなる。図３（ａ）では、ステップ１の処理の開始前のパターンの横幅ＣＤ１よりもステップ１の処理後におけるパターンの横幅ＣＤ２の大きさが小さくなっている。そして、フォトレジスト２３とともにエッチング対象膜Ａ２４をマスクとして用いてエッチング処理されるエッチング対象膜Ｂ２５のステップ２の処理の終了時点でのＣＤ値であるＣＤ２は上記マスクのパターンの横幅により支配的に影響されることから、ステップ１での処理の状態に支配的に影響されることになる。
図３（ａ）の一連のウエハの処理の初期における処理室の状態（チャンバ状態１）において処理が開始されると、左端に示すエッチング開始前のウエハ断面形状の状態からエッチングの処理ステップ１が開始される。ステップ１では、エッチング対象膜Ａ２４が、予め適宜定められたエッチング時間の間処理が実施される。
このような予め定められる期間は、エッチング対象膜Ａ２４の処理が開始されて当該処理が進行し下方に配置されたエッチング対象膜Ｂ２５の表面またはこれとの界面が現れてくる時点までの時間が、標準として定められたウエハの膜構造の寸法（厚さ）、材料の質について予め実験等で処理されて求められる。
このようなステップ１が終了した状態の断面を図３（ａ）中央に示す。上記の通り、エッチングステップ１では、エッチングパターン横幅もエッチング前のＣＤ１からステップ１終了後のＣＤ２へと縮小する。
次に、エッチングステップ２が実施される。ステップ２ではエッチング対象膜Ｂ２５がエッチング処理される。エッチングステップ２では処理中に形成されるプラズマの発光を検出して終点の判定を実施しているため、下地膜２６が現れてきたと判定された時点でステップ２が終了される。右端の図はステップ２終了後のウエハの断面形状を示している。
図３（ｂ）は、所定のウエハの枚数だけ処理が実施された時点での処理室の状態（チャンバ状態２）で、ウエハの処理を実施した際のウエハの断面形状を示す。ウエハは、前述のチャンバ状態１の場合と同様に、左端に示すエッチング処理の開始前のウエハ断面形状の状態から処理が開始されステップ１が実施される。ステップ１ではエッチング対象膜Ａ２４がエッチング処理される。
この際、ステップ１の処理の条件は図３（ａ）のエッチング状態１において適切となるように設定された処理の条件で処理が行われる。しかし、付着物の状態や処理室内の部材の消耗状態等の処理室の状態はチャンバ状態１と異なっており、このためエッチング対象膜Ａ２４の処理の特性は図３（ａ）の処理とは異なったものとなってしまう。例えば、エッチングの進行の速度が速くなっている場合、図３（ａ）の設定と同じ時間の条件でエッチングが行われるとエッチング対象膜Ａ２４のエッチングが終了した後もエッチングが継続されてエッチング対象膜Ｂ２５の処理も進行してしまう。
このような状態でステップ１が終了した時点でのウエハの断面の形状を示したものが図３（ｂ）の中央の図である。この図に示す通りステップ１終了時点でステップ１でのエッチング処理はエッチング対象膜Ａ２４とエッチング対象膜Ｂ２５との間の界面からさらに実施されエッチング対象膜Ｂ２５をフォトレジスト２３をマスクにしてエッチングしてしまっている。さらに、ステップ１終了後のＣＤ値ＣＤ２′はチャンバ状態１と比較して小さくなってしまう。
この状態からステップ２が実施されステップ２ではエッチング対象膜Ｂ２５がエッチング処理される。ステップ２では上記の通り終点の判定が実施され下地膜２６が現れてきた時点でステップ２が停止される。この時点でのウエハの断面の形状を右端に示す。このチャンバ状態２のステップ２の処理では、すでにステップ１終了時点でエッチング対象膜Ｂ２５のエッチング処理がされてその残り膜厚さが減少している状態であるため、ステップ２でのエッチング対象膜Ｂ２５はチャンバ状態１のものから相対的に薄くなっている。そのため、チャンバ状態２におけるステップ２において終点判定されて処理が停止されるまでの期間はチャンバ状態１の場合より早くなることになる。
上記のように、下方のエッチング対象膜Ｂ２５の終点判定を実施しても、加工して得られる形状の寸法が変動する場合が存在する。これは、上方の膜であるエッチング対象膜Ａ２４の処理の終点が不正確となったことにより、下方のエッチング対象膜Ｂ２５の処理のマスクとして作用する上方の膜であるエッチング対象膜Ａ２４の寸法の精度が損なわれてしまうためである。
このような状態は、例えば、フォトレジストマスク２３，エッチング対象膜Ａ２４はカーボンが主原料の反射防止膜（ＢＡＲＣ），エッチング対象膜Ｂ２５は窒化シリコン膜（Ｓｉ3Ｎ4），下地膜２６はシリコン（Ｓｉ）という膜構造において、エッチング対象膜Ａ２４をフロロカーボン系のガス（ＣＦ4など）と窒素ガス（Ｎ2）を使用してエッチング処理を実施、エッチング対象膜Ｂ２５をフロロカーボン系のガスでエッチング処理を実施する場合に生起する。
エッチング対象膜Ａ２４を対象とするステップでは、エッチング対象膜Ａ２４内のカーボンと窒素ガスが反応し、窒化炭素（ＣＮ）が生成されエッチング処理が進行する。エッチング対象膜Ｂ２５が窒素系の化合物ではない場合であれば、エッチング対象膜Ａ２４のエッチング処理が終了すると、プラズマ中の窒化炭素（ＣＮ）の量が減り、例えば３８７.０ｎｍ（窒化炭素：ＣＮ）の発光強度変化を利用することで、エッチング対象膜Ａ２４のエッチング終点判定を実施することが可能である。しかし、本例のようにエッチング対象膜Ｂ２５が窒素系の化合物である窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）である場合、エッチング対象膜Ａ２４のエッチングが終了し、エッチング対象膜Ｂ２５が露出した後でも、フロロカーボン系のガス（ＣＦ4など）と窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）が反応し、窒化炭素（ＣＮ）が発生するため、３８７.０ｎｍなどの窒化炭素（ＣＮ）の発光強度変化を検出することは困難である。このような場合、エッチング対象膜Ａ２４のエッチング処理は終点検出が困難となり、固定の処理時間でエッチング処理せざるを得ず、その結果、図３で説明したようなＣＤ変動が発生する。
エッチング対象膜Ｂ２５を対象とするステップでは、エッチング対象膜Ｂ２５内のシリコン（Ｓｉ）がフロロカーボン系のガス（ＣＦ4など）と反応しフッ化シリコン（ＳｉＦ4）が生成、また、エッチング対象膜Ｂ２５内の窒素（Ｎ）がフロロカーボン系のガス（ＣＦ4など）と反応し窒化炭素（ＣＮ）が生成されることによりエッチング処理が進行する。エッチング対象膜Ｂ２５のエッチング処理が終了し、下地膜２６が露出すると、プラズマ中の窒化炭素（ＣＮ）の量が減り、例えば３８７.０ｎｍ（窒化炭素：ＣＮ）の発光強度変化を利用することで、エッチング対象膜Ｂ２５のエッチング終点判定を実施することが可能である。このように、後段のエッチングステップで終点判定を実施しても、前段のエッチングステップでＣＤの変動が発生しているため、最終的な結果としての加工後の寸法を安定化，再現性を向上することができない。
その他にも、エッチング対象膜Ａ２４の膜厚が薄く、エッチング対象膜Ａ２４のエッチング処理時間が短いために終点検出が困難な場合でも同様の問題が発生する。本実施例では、エッチング加工性能の例としてＣＤ値を挙げたが、ＣＤ値に限らず例えば半導体デバイスの電気特性など、その他のエッチング加工性能と置き換えることもできる。また、本例では、２層のエッチング処理膜をエッチングする例を挙げたが、３層以上のエッチング処理膜をエッチング処理する場合や、１層のエッチング処理膜を複数ステップでエッチング処理する場合でも同様の問題が発生する可能性がある。
このような課題を解決するための実施例の構成を以下に説明する。より具体的には、後段のステップの終点判定時間をモニタし、その終点判定時間を目標値に近づけるために、次のウエハにおいて終点判定を行うステップよりも前段のステップのレシピ値（例えばエッチングステップ時間，バイアス電力，ガス比など）を変更する。
図２は、図１に示す実施例の演算部１４の構成の概略を説明するブロック図である。本図において、各ブロックとして示される部分は、特定の機能，作用を奏するものを示しており、演算部１４の特定の箇所，領域を示すものではなく、同一の箇所，領域が異なる機能を奏する異なるブロックに含まれるものであっても良い。また、これらのブロックは通信手段を介して通信可能に連結されている。
本実施例において、所定のサンプリング時間隔毎に受光器１３より演算部１４に送られたプラズマ８の発光の強度に関する信号は、演算部１４内のエッチング終点検出部１４１に送られる。エッチング終点検出部１４１では、演算部１４の内部に配置されたＣＰＵ等の演算器を用いて、送られてきた時系列の信号について一次微分または二次微分等の算出を行ってその信号の変化を検出し、検出した予め定められた量の変化が生じたことを検出した時点を処理の終点の時刻としてＣＤ推定値演算部１４２へ送信する。
ＣＤ推定値演算部１４２では、エッチング終点検出部１４１より送られてきた終点の時刻の情報と、制御部１５から受信して取得したレシピ情報またはウエハ製品情報と、ＣＤ推定値演算部１４２と通信可能に接続された終点時間・ＣＤデータベース１４５に格納された情報とを用いて、演算器を用いてＣＤ推定値を算出しこの算出したＣＤ推定値をＣＤ差分値演算部１４３に送信する。
ＣＤ差分値演算部１４３では、送信されてきたＣＤ推定値と、ＣＤ差分値演算部１４３に通信可能に接続されたＣＤ目標値データベース１４６内に格納された情報とを用いて、演算器によりＣＤ推定値とＣＤ目標値の差分（以後、ＣＤ差分値）値を算出し、算出したＣＤ差分値をレシピ変更量演算部１４４へ送信する。
レシピ変更量演算部１４４では、送信されたＣＤ差分値とレシピ変更量演算部１４４に通信可能に接続されたレシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７に格納された情報とを用いてエッチングレシピ変更量を演算器により算出し、算出したエッチングレシピ変更量を制御部１５へ送信する。
次に、演算部１４内で使用している３つのデータベース，終点時間・ＣＤデータベース１４５，ＣＤ目標値データベース１４６，レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７について図７を用いて説明する。図７は、図２に示すデータベースに格納された情報の構成の概略を示す表である。
図７（ａ）に示す終点時間・ＣＤデータベース１４５は、少なくともレシピＮo.，ウエハ製品情報，終点時間，ＣＤの４項目から成る。各レシピＮo.に複数のウエハ製品情報が関連付けられている。本実施例の製品デバイスを製造するための各ウエハ６に対して異なる複数の終点の時間（終点までの処理の時間）の値は、図３に示す膜構造におけるステップ２の処理が対象とするエッチング対象膜Ｂ２５の処理の終点の時間である。本実施例の膜構造の処理ではステップ２の処理の終点の時間の長さは、上方の膜であるエッチング対象膜Ａ２４の処理の加工形状の精度によって影響を受けており、エッチング対象膜Ａ２４の処理の加工形状の精度がエッチング対象膜Ｂ２５の加工の精度ひいては膜構造全体の処理による加工の寸法の精度に支配的な影響を与えている。このため、ステップ２における終点までの時間とＣＤの値との間には相関関係が有り、製造用ウエハの処理における終点時間とＣＤ値とを対応づけて情報として格納することで相関を示すデータベースを表すことができる。
このようなデータベースにより、製品デバイスを製造するための各ウエハ６において、検出された終点時間に基づいてＣＤの値を選択または算出して検出することができる。終点時間・ＣＤデータベース１４５を作成するためには、図３で説明したような加工性能と終点時間を変動させた場合において、その際の終点時間とＣＤ値を予め実験等で取得することが必要となる。
図４は、図１に示す実施例において終点時間・ＣＤデータベース１４５を作成するデータの例を示したグラフである。図４（ａ）において示される終点信号４１は、図３に示すチャンバ状態１において膜構造をエッチング処理をした際にステップ２において得られたプラズマ８の発光の強度に関する信号を示す線である。この場合、チャンバ状態１における判定された終点時刻４２は約６０秒の時点である。
図４（ｂ）に示すチャンバ状態２における終点信号４３は、図３に示すチャンバ状態２においてエッチング処理をした際にステップ２において得られたプラズマ８の発光の強度に関する信号を示す線である。このチャンバ状態２では、図３（ｂ）のチャンバ状態２におけるステップ１終了後のウエハの断面形状のように、終点判定を実施するステップ２の開始前の状態で、エッチング対象膜Ｂ２５がエッチングされて残り膜厚さはチャンバ状態１のものよりも薄くなっている。このためチャンバ状態２におけるステップ２の処理開始後から終点時刻４４までの時間はチャンバ状態１における処理開始後から終点時刻４２までの時間よりも短いものとなる。
このように予め複数のチャンバ状態の各々において終点の時間を検出し、各々の処理後に得られた各加工形状のＣＤ値も測定，検出してデータとして取得する。上記複数のチャンバ状態において測定した終点の時間とＣＤ値をプロットした一例を図４（ｃ）に示す、ＣＤ−終点時間相関グラフ４５である。この終点時間とＣＤ値の関係を直接、終点時間・ＣＤデータベース１４５へ記録しても良いが、ＣＤ測定値や終点時間測定値には測定誤差が含まれる可能性があるため、ノイズ除去を目的として、ＣＤ−終点時間相関グラフ４５に対して近似直線４６を算出し、この近似直線４６における終点時間とＣＤ値の関係を、終点時間・ＣＤデータベース１４５へ記録しても良い。
また、終点時間・ＣＤデータベース１４５の終点時間の項目には、終点信号の時間平均値を記録しても良い。例えば、チャンバ状態１における終点信号４１において、時間範囲Ａにおける信号強度の時間平均値と、チャンバ状態２における終点信号４３において、時間範囲Ａにおける信号強度の時間平均値を比較すると、前者の値の方が大きくなる。このように、終点信号の時間平均値は終点時間に依存するため、終点時間の代わりに時間平均値を利用することも可能である。
ただし、チャンバ状態によって、終点信号の強度自体が変化する場合、終点信号の時間平均値をそのまま利用することはできない。このような場合は、その終点信号全体の時間平均値を、終点信号の一部分の時間平均値で規格化（例えば割り算）した値を利用すると良い。例えば、終点信号４１および終点信号４３において、時間範囲Ａにおける信号強度の時間平均値を、時間範囲Ｂにおける信号強度の時間平均値で割り算した値を利用すると、終点信号の強度自体が変化した場合でも時間平均値を利用することができる。
次にＣＤ目標値データベース１４６について説明する。図７（ｂ）に示す通り、ＣＤ目標値データベース１４６は、少なくともレシピＮo.，ウエハ製品情報，ＣＤ目標値の３項目を備えている。各レシピＮo.に複数のウエハ製品情報が関連付けられており、各製品デバイス用のウエハ６に対して、最適なＣＤ値をＣＤ目標値に対応付けて割り当てる。これにより、ＣＤ目標値とＣＤ推定値の差分を算出することが可能となる。また、各ＣＤ目標値に対し、上限値および下限値を設定する列を追加し、ＣＤ推定値が上下限値を超えた場合に、エラーを発生させる機能を追加しても良い。
次にレシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７について説明する。図７（ｃ）に示す通り、レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７は、少なくともレシピＮo.，ウエハ製品情報，ＣＤ差分値，レシピ変更量の４項目を備えて構成されている。各レシピＮｏ.に複数のウエハ製品情報が対応付けられており、各製品用のウエハ６に対してＣＤ差分値とレシピ変更量を割り当てる。変更の対象となるレシピは、図３に示すエッチング対象膜Ａ２４を処理するステップ１の処理の条件である。このようなデータベースにより、ＣＤ差分値を用いてレシピ変更量を選択または算出することができる。レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７を作成するには、予め少なくともステップ１における処理のレシピを異なるものに変更して処理してＣＤ値を検出する実験を行い、そのときのレシピの各項目の変更量とＣＤ値を取得して相互に関連づけることが必要である。
図５は、図２に示すレシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７を作成するのに必要なデータの例を示したグラフである。この図に示すレシピ変更量−ＣＤ差分値相関グラフ５１は、図３に示す所定の膜構造、特にエッチング対象膜Ａ２４を対象とする処理のレシピを特定の範囲で変動させて処理を実施した実験を予め行った場合において、その際のレシピ変更量とＣＤ差分値をプロットしたグラフである。この実験において得られるＣＤ差分値とは、レシピを変動させた各処理の場合において得られた各ＣＤの値からレシピ変更量が０の場合のＣＤ値を差し引いた値である。このレシピ変更量とＣＤ差分値の関係を直接、レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７へ記録しても良いが、ＣＤ測定値には測定誤差が含まれる可能性があるため、ノイズ除去を目的として、レシピ変更量−ＣＤ差分値相関グラフ５１に対して近似式５２を施して、近似式５２におけるレシピ変更量とＣＤ差分値の関係を、レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７へ記録しても良い。
図６を用いて、本実施例の複数枚のウエハ６を処理する動作の流れを説明する。図６は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置がウエハ６のエッチング処理を行う動作の流れを示すフローチャートである。以下に各ステップについて順を追って説明をする。
上記の通り、処理室２内の試料台７の載置面上にウエハ６が図示しない搬送用のロボットにより搬送されて載せられた後保持される。この後、処理室２内が密封されて処理用ガスが供給され、処理室２内にプラズマが形成されてウエハ６上の図３に示す膜構造を対象としてエッチング処理が開始される。
エッチング処理の開始後、ステップ６１において、制御部１５から指令と情報とが発信されエッチング対象膜Ａ２４を対象とした所定の処理の条件（レシピ）を実現してステップ１のエッチング処理が開始される。上記の通り、ステップ１の処理は、予め定められた時間だけ継続された後、この予定の時間が経過したことが検知されると、制御部１５からの指令に基づいてステップ１の処理は終了される。
次に、エッチング対象膜Ｂ２５の処理に適切な条件を実現するように制御部１５から発信された指令と情報とに基づいて、ステップ２のレシピが設定されて、これに合わせて動作が調節されつつステップ２の処理が開始される（ステップ６２）。エッチング対象膜Ｂ２５に対するステップ２の処理が継続される間に、上記の通り形成されたプラズマ８の発光が受光器１３により受光されて発光の強度の情報が演算部１４に所定の時間間隔毎に信号として送信される。
送信された信号を受信した演算部１４のエッチング終点検出部１４１においてステップ２の処理の終点の判定が実施される。得られた信号は時系列のデータとして記憶，処理されて終点に対応する特定の変動の有無が検出され、この変動が検出されたと判定されない間、当該ステップの処理は継続される。一方、特定の変動がエッチング終点検出部１４１において検出されると、処理が終点に到達したと判定される（ステップ６３）。エッチング対象膜Ｂ２５の処理の終点が検出されると、図３に示すステップ２のエッチング処理が停止されて終了される（ステップ６４）。
エッチング終点検出部１４１で処理の終点であると判定されると図３に示すステップ２のエッチング処理の終点の時間が検出される。検出された終点の時間がＣＤ推定値演算部１４２に送信され、この終点の時間と予め制御部１５から送られたレシピ情報・ウエハ製品情報と、終点時間・ＣＤデータベース１４５の情報とを用いて、ＣＤ推定値演算部１４２において演算器によりＣＤ推定値が算出される（ステップ６５）。
算出されたＣＤ推定値はＣＤ差分値演算部１４３に送信され、このＣＤ推定値と制御部１５から送られたレシピ情報・ウエハ製品情報とＣＤ目標値データベース１４６内の情報とを用いて、ＣＤ差分値演算部１４３にて演算器によりＣＤ差分値が算出される（ステップ６６）。算出されたＣＤ差分値はレシピ変更量演算部１４４に送信され、レシピ変更量演算部１４４において、ＣＤ差分値演算部１４３で算出されたＣＤ差分値と制御部１５から送られたレシピ情報・ウエハ製品情報とレシピ変更量・ＣＤ差分値データベース１４７内の情報とを用いて、レシピ変更量が算出される（ステップ６７）。この際、図５に示す予め実験等から得られたデータを用いて取得されたレシピ変更量−ＣＤ差分値相関グラフ５１のデータ或いはこれらのデータから得られた近似式５２から得られた値が用いられる。
得られたＣＤ変更量の値の情報を示す信号は、通信手段を介して接続された制御部１５に送信される。この制御部１５内において、変更の対象となるレシピに対して、レシピ変更量演算部１４４より送信されたレシピ変更量の情報に基づいてステップ１のレシピ値が算出され、これが次のウエハ６のエッチング対象膜Ａ２４に対するステップ１の処理のレシピとして設定される（ステップ６８）。この後、制御部１５においてプラズマ処理装置１の各部の動作量を調節する指令が算出され、指令信号が発信されて別のウエハ６の処理が開始される。
以上の流れの動作を行うことにより、エッチング処理の結果得られる寸法の変動が抑制され、処理の安定性または再現性を向上できるプラズマ処理装置または処理方法が提供できる。
１ プラズマ処理装置
２ 処理室
３ マスフローコントローラ
４ プラズマ生成用高周波電源
５ 排気装置
６ ウエハ
７ 試料台
８ プラズマ
９ バイアス用高周波電源
１０ 圧力計
１１ 可変コンダクタンスバルブ
１２ 観測窓
１３ 受光器
１４ 演算部
１５ 制御部
２３ フォトレジスト
２４ エッチング対象膜Ａ
２５ エッチング対象膜Ｂ
２６ 下地膜
４１，４３ 終点信号
４２，４４ 終点時刻
４５ ＣＤ−終点時間相関グラフ
４６ 近似直線
５１ レシピ変更量−ＣＤ差分値相関グラフ
５２ 近似式
１４１ エッチング終点検出部
１４２ ＣＤ推定値演算部
１４３ ＣＤ差分値演算部
１４４ レシピ変更量演算部
１４５ 終点時間・ＣＤデータベース
１４６ ＣＤ目標値データベース
１４７ レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース
２ 処理室
３ マスフローコントローラ
４ プラズマ生成用高周波電源
５ 排気装置
６ ウエハ
７ 試料台
８ プラズマ
９ バイアス用高周波電源
１０ 圧力計
１１ 可変コンダクタンスバルブ
１２ 観測窓
１３ 受光器
１４ 演算部
１５ 制御部
２３ フォトレジスト
２４ エッチング対象膜Ａ
２５ エッチング対象膜Ｂ
２６ 下地膜
４１，４３ 終点信号
４２，４４ 終点時刻
４５ ＣＤ−終点時間相関グラフ
４６ 近似直線
５１ レシピ変更量−ＣＤ差分値相関グラフ
５２ 近似式
１４１ エッチング終点検出部
１４２ ＣＤ推定値演算部
１４３ ＣＤ差分値演算部
１４４ レシピ変更量演算部
１４５ 終点時間・ＣＤデータベース
１４６ ＣＤ目標値データベース
１４７ レシピ変更量・ＣＤ差分値データベース
Claims (8)
- 真空容器内部の減圧された処理室内に配置されシリコン製の基板上にマスク及びその下方に配置された少なくとも２層の処理対象の膜を有する膜構造を有するウエハ複数を順次前記処理室内において当該処理室内で形成したプラズマにより異なる処理の条件で実施され少なくとも２つの処理ステップを用いてエッチング処理するプラズマ処理装置であって、
前記２つの処理ステップの各々が前記２層の処理対象の膜の各々の層の処理に用いられるものであって、
前記エッチング処理の条件を含む前記プラズマ処理装置の動作を調節する制御部を備え、
この制御部が、前記複数のウエハのうちの１つのウエハの前記エッチング処理中に検出された前記２つの処理ステップのうち後段のステップの処理の終了までの時間と、当該時間及び前記膜構造の処理の結果として得られる形状の間の相関を示すデータとを用いて、前記１つのウエハの処理の後に行われる別のウエハ上の前記膜構造に対する前記エッチング処理における前記２つの処理ステップのうちの前段のステップの処理の条件を調節するプラズマ処理装置。
- 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記前段のステップにおいて前記処理対象の膜が予め定められた期間処理され、前記後段のステップにおいて前記処理対象の膜の処理中に形成されるプラズマの発光を検出してこの処理の終点が判定され、前記検出された処理の終了までの時間の所定の時間に対する長短に応じて前記前段のステップの処理の条件を調節するプラズマ処理装置。 - 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記膜構造の前記処理対象の膜は前記マスク下方に配置された有機材料で構成された反射防止膜とこの反射防止膜の下方に配置され窒化シリコンで構成された膜とを備え、前記前段のステップが前記反射防止膜を後段のステップが前記窒化シリコンで構成された膜を処理するものであるプラズマ処理装置。 - 請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、
前記前段のステップにおいてフロロカーボンと窒素とを組成として含むガスを用いて前記反射防止膜を処理し、前記後段のステップにおいてフロロカーボンを組成として含むガスを用いて前記窒化シリコンで構成された膜を処理するプラズマ処理装置。 - 真空容器内部の減圧された処理室内にシリコン製の基板上にマスク及びその下方に配置された少なくとも２層の処理対象の膜を有する膜構造を有するウエハの複数を順次配置し、前記処理室内にプラズマ形成した後、異なる処理の条件で実施される少なくとも２つの処理ステップを用いて前記膜構造をエッチング処理するプラズマ処理方法であって、
前記２つの処理ステップの各々が前記２層の処理対象の膜の各々の層の処理に用いられるものであって、
前記複数のウエハのうちの１つのウエハの前記エッチング処理中に検出された前記２つの処理ステップのうちの後段のステップの処理の終了までの時間と、当該時間及び前記膜構造の処理の結果として得られる形状の間の相関を示すデータとを用いて、前記１つのウエハの処理の後に行われる}別のウエハ上の前記膜構造に対する前記エッチング処理における前記２つの処理ステップのうちの前段のステップの処理の条件を調節して前記別のウエハを処理するプラズマ処理方法。
- 請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
前記前段のステップにおいて前記処理対象の膜が予め定められた期間処理され、前記後段のステップにおいて前記処理対象の膜の処理中に形成されるプラズマの発光を検出してこの処理の終点が判定され、前記検出された処理の終了までの時間の所定の時間に対する長短に応じて前記前段のステップの処理の条件を調節するプラズマ処理方法。 - 請求項５または６に記載のプラズマ処理方法であって、
前記膜構造の前記処理対象の膜は前記マスク下方に配置された有機材料で構成された反射防止膜とこの反射防止膜の下方に配置され窒化シリコンで構成された膜とを備え、前記前段のステップが前記反射防止膜を後段のステップが前記窒化シリコンで構成された膜を処理するものであるプラズマ処理方法。 - 請求項７に記載のプラズマ処理装置であって、
前記前段のステップにおいてフロロカーボンと窒素とを組成として含むガスを用いて前記反射防止膜を処理し、前記後段のステップにおいてフロロカーボンを組成として含むガスを用いて前記窒化シリコンで構成された膜を処理するプラズマ処理方法。
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