(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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おいて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。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を処理するプラズマの発光強度または波長を該半導体基板の面内の複数の位置において検出する複数のローカル光センサと、
前記プラズマ全体の発光強度または波長を検出する全体光センサと、
前記プラズマの発光強度または波長に応じた発光データを前記複数のローカル光センサおよび前記全体光センサから受け取り、前記全体光センサ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に基づいて異常放電を判断し、さらに、前記複数のローカル光センサの位置のうち第１の位置における発光データと第２の位置における発光データ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。
【請求項２】
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おいて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。
【請求項３】
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２に記載の半導体製造装置。
【請求項４】
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２または請求項３に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
半導体基板の面内の複数の位置に対応するよう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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７５８５７７６号明細書
【特許文献２】特開２００８−９１３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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おいて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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
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。
【０００９】
（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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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）。
【００１８】
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）。
【００１９】
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）。
【００２０】
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。
【００２１】
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）。
【００２２】
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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、半導体装置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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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。
【００３４】
（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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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
【図１】
2014143353.tif 000003
【図２】
2014143353.tif 000004
【図３】
2014143353.tif 000005