(57)【要約】【課題】  ウェハ面内で均一なＣＤ分布を得ることのできるウェハ処理装置を提供する。【解決手段】  ウェハ処理装置において、ウェハステージ８に付与した、独立した少なくとも２系統の温調手段３１，３２，４８，４９と、半導体ウェハとウェハステージ間に冷却ガスを導入する複数個の冷却ガス圧力調節手段２５，３９，４６，２４と、ヒータ２２の投入電力調節手段と、制御用コンピュータ３７とを備え、温調剤の温度または冷却ガス圧力もしくはヒータの投入電力の少なくともいずれかの条件を変更することにより得られる任意の複数の温度条件で処理した結果として得られる線幅寸法を入力し、線幅寸法により任意のエッチング線幅寸法を得るための温調剤の温度または冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを演算し、制御する。【選択図】        図１
2006216822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの温度を、ウェハステージに設けた温調剤循環手段で循環するか、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の冷却ガス圧力を調節するか、前記ウェハステージに設けたヒータの投入電力を調節するかの少なくともいずれかにより調節し、プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置であって、
前記ウェハ面内の線幅（ＣＤ）分布を任意に設定できるようウェハ面内の温度分布を設定する際、線幅と温度のデータから線幅と温度の関係式を求め、該関係式からウェハの温度分布を設定し、設定したウェハ温度分布を実現するよう前記いずれかの温度調節機能を動作させるように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項２】
半導体ウェハの温度を、ウェハステージに設けた温調剤循環手段で循環するか、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の冷却ガス圧力を調節するか、前記ウェハステージに設けたヒータの投入電力を調節するかの少なくともいずれかにより調節し、プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置であって、
複数種類の膜を連続して処理するに当たり、前記ウェハ面内のそれぞれの膜の線幅（ＣＤ）分布を任意に設定できるようウェハ面内の温度分布を設定する際、ウェハごとに測定したそれぞれの膜の線幅と温度のデータからそれぞれの膜の線幅と温度の関係式を求め、該関係式からそれぞれの膜ごとのウェハの温度分布を設定し、設定したウェハ温度分布を実現するよう前記いずれかの温度調節機能を動作させるように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項３】
半導体ウェハの温度を、ウェハステージに設けた温調剤循環手段で循環するか、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の冷却ガス圧力を調節するか、前記ウェハステージに設けたヒータの投入電力を調節するかの少なくともいずれかにより調節し、プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置であって、
複数種類の膜を連続して処理するに当たり、前記ウェハ面内のそれぞれの膜の線幅（ＣＤ）分布を任意に設定できるようウェハ面内の温度分布を設定する際、ウェハごとにそれぞれの膜ごとに測定した線幅と温度のデータからそれぞれの膜の線幅と温度の関係式を求め、該関係式からそれぞれの膜ごとのウェハの温度分布を設定し、設定したウェハ温度分布を実現するよう前記いずれのか温度調節機能を動作させるように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項４】
半導体ウェハの温度を、ウェハステージに設けた温調剤循環手段で循環するか、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の冷却ガス圧力を調節するか、前記ウェハステージに設けたヒータの投入電力を調節するかの少なくともいずれかにより調節し、プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置であって、
前記ウェハ処理装置に連結した制御用コンピュータには前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力のいずれかの条件を変更することにより得られる任煮の複数の温度条件で処理した結果として得られる線幅寸法を入力可能であり、該線幅寸法により任意のエッチング寸法を得るための前記温調剤の温度または冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを演算し、表示するか演算結果に基づき制御するように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項５】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置において、
半導体ウェハの温度は、
前記半導体ウェハを載置するためのウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、
もしくは前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、
もしくは前記ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するか、
の少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理装置であって、
前記ウェハ処理装置に連結した制御用コンピュータには前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力の少なくともいずれかの条件または前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかの条件を変更することにより得られる任意の複数の温度条件で処理した結果として得られる線幅寸法を入力可能であり、該線幅寸法により任意のエッチング線幅寸法を得るための前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを演算し、表示するか演算結果にもとづき制御するように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項６】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置において、
前記半導体ウェハの温度は、
前記半導体ウェハを載置するためのウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、
もしくは前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、
もしくは前記ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するか、
の少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理装置であって、
複数のステップからなる一連のエッチング処理を前記ウェハ処理装置に連結した制御用コンピュータからの指令により、前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを前記ステップごとに調節しながら処理するように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項７】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理装置において、
前記半導体ウェハの温度は、
前記半導体ウェハを載置するためのウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、
もしくは前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、
もしくは前記ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するか、
の少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理装置であって、
複数のステップからなる一連のエッチング処理の任意のステップと該ステップに引き続き実施される次ステップの間の時間中に、前記温調機能の少なくともいずれかの機能を用いて前記次ステップ中のウェハ温度に保持するように構成したことを特徴とするウェハ処理装置。
【請求項８】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理方法において、
半導体ウェハの温度を、
ウェハステージに設けた温調剤循環手段で循環するか、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の冷却ガス圧力を調節するか、前記ウェハステージに設けたヒータの投入電力を調節するかの少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理方法であって、
前記ウェハ面内の線幅（ＣＤ）分布を任意に設定できるようウェハ面内の温度分布を設定する際、線幅と温度のデータから線幅と温度の関係式を求め、該関係式からウェハの温度分布を設定し、設定したウェハ温度分布を実現するよう前記いずれか温度調節機能を動作させることを特徴とするウェハ処理方法。
【請求項９】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理方法において、
前記半導体ウェハの温度を、
前記半導体ウェハを載置するためのウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、
もしくは前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、
もしくは前記ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するか、
の少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理方法であって、
コンピュータには前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかの条件を変更することにより得られる任意の複数の温度条件で処理した結果として得られる線幅寸法にもとづき、温度とエッチング線幅寸法の関係式を算出し、該関係式を用いて任意のエッチング寸法のウェハ面内分布を得るための前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを演算し、該演算結果にもとづき処理することを特徴とするウェハ処理方法。
【請求項１０】
プラズマを用いて半導体ウェハにエッチング処理を施すウェハ処理方法において、
前記半導体ウェハの温度を、
前記半導体ウェハを載置するためのウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、
もしくは前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、
もしくは前記ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するか、
の少なくともいずれかにより調節可能なウェハ処理方法であって、
複数のステップからなる一連のエッチング処理を、前記温調剤の温度または前記冷却ガス圧力または前記ヒータの投入電力の少なくともいずれかを前記ステップごとに調節しながら処理することを特徴とするウェハ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハのエッチング加工技術に係り、特に、半導体ウェハ面内の寸法ばらつきを低減したウェハ処理装置とウェハ処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体ウェハに加工される回路パターンは、半導体素子の高集積化にともない微細化の一途を辿り、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。このような状況では、加工処理中の半導体ウェハの温度管理が極めて重要な課題になってくる。
【０００３】
例えば、プラズマを用いて半導体ウェハをエッチングする場合には、通常、半導体ウェハにバイアス電圧を印加し、電界でイオンを加速して半導体ウェハに引き込むことにより異方性形状を実現している。このとき半導体ウェハには入熱をともなうため、温度が上昇する。
【０００４】
このウェハ温度の上昇は、エッチング結果に影響する。例えば、半導体デバイスの電極となるポリシリコンのエッチングでは、最終的に得られる線幅はエッチング中の側壁に付着する反応生成物の再付着が大きく影響するが、反応生成物の付着率はウェハ温度により変化する。したがって、処理中のウェハの温度管理ができていないと、再現性の悪いエッチング結果となってしまう。しかも、反応生成物の分布はウェハの中心付近にくらべて外周付近で密度が低い傾向があるために、同じ温度であれば外周付近で再付着が少ない分細くなりやすい。したがって、ウェハ面内で均一な線幅（ＣＤ）を得るためには積極的にウェハ面内の温度分布を管理する必要がある。
【０００５】
また、半導体ウェハ上の反応生成物の密度分布はエッチング条件によっても変化するために、例えば反射防止膜とポリシリコンを連続処理するときのように、一つの処理中にエッチング条件が変化する場合には、条件に応じてウェハ面内で均一なＣＤ分布を実現するための温度分布は変化している。
【０００６】
ところが、従来は、ウェハ面内で最も均一なＣＤ分布を実現する半導体ウェハの温度分布を容易には得ることができないために、経験的に冷媒の温度や冷却ガスの圧力、ヒータ電力を決定して処理していた。また、エッチング条件が変わった場合にも、条件に応じて面内の温度分布を調節するといった管理はなされていなかった。
【０００７】
従来技術によれば、異なる材料を連続してエッチングする場合に、最初のステップで半導体ウェハを処理中に、次のステップで必要な温度まで漸次温度を変化させることにより、温度切り替え時間によるスループットの低下を引き起こすことなく処理する方法が提案されている。その一例として、冷却手段による冷却の度合いとヒータの出力の度合いを調節する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１０−１４４６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術は、ウェハ面内の温度分布を調節する点には配慮がされておらず、エッチング後のウェハ面内の寸法ばらつきが最も小さくなる温度分布でエッチングすることが難しいという課題がある。また、異なる膜種を連続して処理する場合など、エッチング条件をステップごとに変えて処理する場合にもエッチング条件ごとに寸法ばらつきを抑えることができる温度分布で処理することができず、均一なエッチング結果を得ることが難しいという課題がある。
【０００９】
本発明の第一の目的は、異なる温度条件により得られたウェハ面内の寸法データから、寸法ばらつきの少ないウェハ温度分布を実現するエッチング条件を求め、この条件により処理することによりウェハ面内の寸法ばらつきの少ないウェハ処理装置およびウェハ処理方法を提供することである。
【００１０】
本発明の第二の目的は、複数のステップからなるエッチングにおいても、各ステップごとに最適なウェハ温度分布とすることにより、面内の寸法ばらつきの少ないウェハ処理装置およびウェハ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記第一の目的は、ウェハ処理装置における半導体ウェハの温度を、ウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、もしくは、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することにより半導体ウェハとウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、もしくは、ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するかして調節可能な構成とし、ウェハ処理装置に連結した制御用コンピュータに任意の複数の温度条件で処理したＣＤ測定値を入力し、温度とＣＤ値の関係式を求めてこの関係式から任意の面内ＣＤ分布を得るための温度条件を求め、この条件で処理可能とすることにより達成できる。
【００１２】
上記第二の目的は、ウェハ処理装置における半導体ウェハの温度を、ウェハステージに付与した、独立した少なくとも２系統の温調剤循環用の配管内を独立に温調した温調剤を循環させることにより温調するか、もしくは、前記半導体ウェハと前記ウェハステージ間に導入するために設けた複数個の冷却ガス導入系統ごとに冷却ガス圧力を調節することによりウェハとウェハステージ間の熱伝達率を調節するか、もしくは、ウェハステージに設けた少なくとも１系統以上のヒータの投入電力をヒータごとに調節するかして調節可能な構成とし、ウェハ処理装置に連結した制御用コンピュータに任意の複数の温度条件で処理したＣＤ測定値をステップごとに入力し、温度とＣＤ値の関係式をステップごとに求めてこの関係式から任意の面内ＣＤ分布を得るための温度条件をステップごとに求め、この条件でステップごとに処理することにより達成できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ウェハ面内で均一なＣＤ分布を得るための温度条件を一義的に決定することができ、この温度条件でプラズマ処理することができるので、短期間でプロセス条件を構築することができ、ウェハ面内のＣＤ分布が均一なウェハ処理装置およびウェハ処理方法を提供することができる。
【００１４】
また、本発明によれば異なる膜種を連続で処理する場合に、各膜種ごとにウェハ面内で均一なＣＤ分布を得るための温度条件により処理することができるので、ウェハ面内のＣＤ分布が均一なウェハ処理装置およびウェハ処理方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１および図２は、第一の実施例にかかる本発明を有磁場マイクロ波プラズマ処理装置）ウェハ処理装置）に適用した例を示す図である。図２は本発明の第一の実施例にかかるプラズマ処理装置の模式的な断面図である。図１は第一の実施例のウェハステージの模式的な断面図である。まず、図２により有磁場マイクロ波プラズマ処理装置を簡単に説明する。
【００１６】
真空チャンバ３上部に石英窓１４を設置し、真空処理室１内にウェハステージ８を用いてウェハ９を固定する。このウェハステージ８は静電チャック機能を有しており、詳細は後述する。石英窓１４の下には処理室内に処理ガスを導入するガス穴４３が設けられたシャワープレート４４がＯリング４５を挟んで組み込まれている。これら石英窓とシャワープレートの間に処理ガス１３を送り込むとガス穴から処理室に導入される。処理ガスは、マイクロ波発振器１９で発生し導波管４を通って導入されるマイクロ波５と、真空チャンバ３の周りに取り付けられたコイル６が発生する磁場との相互作用によりプラズマ状態７となっている。このプラズマに半導体ウェハがさらされることにより処理（ここではエッチング処理）が行われるが、特にイオンの入射を制御してエッチング状態を制御するのがコンデンサ１８を介して接続された高周波電源１０である。静電吸着装置への電圧の印加は直流電源１１によりおこなわれる。なお、コイル１７は高周波成分の流れ込みを防止するコイルである。真空ポンプ１２は、バルブ１５の開度調節により処理室内の圧力を一定に保っている。
【００１７】
引き続き、図１を用いて本実施例のウェハステージ８の構成を詳細に説明する。ウェハステージ８の基材２の材質はアルミニウムである。基材の外周の上面に段差２０が設けてあり、この段差には基材と電気的に絶縁する目的で、高抵抗アルミナ２１が溶射されている。この高抵抗アルミナの表面にはタングステンのヒータ２２が溶射されている。ヒータへの給電は高抵抗アルミナ膜と基材に設けた貫通穴１６から行う。本実施例では、基材２に貫通穴１６を設けておき、この貫通穴１６に電気絶縁をとるためのセラミックスパイプ２３が埋め込んであり、高周波電圧が流れ込むのを防止するフィルタとなるコイル２７を介してヒータ電源２８に接続してある。ヒータ電源２８の出力は、制御用コンピュータ３７により制御されている。なお、図１ではヒータの給電部は１箇所のみ記述しているが、実際には２箇所必要であることはいうまでもない。また、本実施例ではヒータ電源２８は直流電源であるが、必ずしもそうである必要は無く交流電源であってもよい。これら高抵抗アルミナ、およびヒータの表面に静電吸着膜となるセラミックス膜２９を溶射している。したがって、プラズマが発生した状態で、基材に直流電圧を印加すると基材と半導体ウェハ間に電位差が生じ、セラミックス膜に電荷がチャージしてクーロン力により半導体ウェハを固定することができる。この構成で、ヒータに投入する電力を調節すれば基材の外周付近の温度を調節することができるので、半導体ウェハの温度分布とりわけ外周付近の温度分布を調節することができる。また、本実施例ではヒータは１系統のみとしたが、複数系統とすれればウェハの温度分布をより詳細に調節することが可能となる。
【００１８】
実際のエッチングでは、半導体ウェハにバイアス電圧を発生させてプラズマ中のイオンを引き込んでエッチングを行うが、このとき半導体ウェハには入熱がともなう。この入熱にともなうウェハ温度の上昇はエッチング形状に大きく影響する。したがって、半導体ウェハは冷却する必要があるが、処理室の圧力は数Ｐａ程度に減圧されているため、積載しただけでは熱伝達が不十分である。そこで、通常は半導体ウェハとウェハステージの間にヘリウム等の冷却ガスを導入して熱伝達を確保する。この熱伝達率は、導入する冷却ガスの圧力に依存する。本実施例では、後述する理由により半導体ウェハの半径方向に温度分布を持たせる目的で、半導体ウェハの中心と外周部の圧力を独立に制御できる冷却ガス導入システムを持たせている。すなわち、ウェハステージの中心には貫通穴３０を１個配置し、外周部には貫通穴２４を周方向に均等に８個配置している。それぞれの貫通穴には独立にヘリウムガスの流量制御器２５，４６と圧力計４７，４８によりヘリウムガスを供給している。本実施例では、外周付近のヘリウム圧力と、これより内径位置でのヘリウム圧力を独立に管理しやすくするために、ウェハステージの表面にシールとなるシール吸着部４７が設けてある。流量制御器２５，４６の流量制御は、圧力計４７，４８の信号を制御用コンピュータ３７に取り込み、制御用コンピュータにあらかじめ組み込まれたアルゴリズムに従い制御する。
【００１９】
プラズマからの入熱は、最終的には基材内を循環する冷媒により除熱される。本実施例では、半導体ウェハの半径方向に温度分布を持たせる目的で、冷媒溝３１，３２にはそれぞれ異なる温度の冷媒を循環させている。そのために、中心付近に配置された冷媒溝３１にはサーキュレータ４８が、外周付近に配置された冷媒溝３２にはサーキュレータ４９が独立に接続されており、これらサーキュレータの設定温度を変えることにより基材の半径方向に温度分布を持たせることができる。なお、本実施例では実施していないが、冷媒溝３１，３２の間に例えば１周にわたって空間を設け断熱層とすることにより、より温度差を明確に付けることも可能である。サーキュレータ４８，４９の冷媒の設定温度は、制御用コンピュータ３７により制御する。
【００２０】
以上の構成により、サーキュレータの温度設定により基材の半径方向に温度分布を与えることができ、また半導体ウェハとウェハステージ間の熱伝達率に半径方向の分布を持たせることができ、またヒータに投入する電力を調節することにより基材外周への入熱量を調節することができるので、ウェハ面内の半径方向の温度分布を自在に変更することができる。
【００２１】
処理中のウェハ温度は、たとえば半導体ウェハの裏面から、蛍光温度計を用いて直接測定することも可能であるが、本実施例ではウェハ温度分布と相関がとれることが事前に明らかになっている基材の温度を測定している。具体的には、基材にくぼみ３３を設け、シース熱電対３４をばね３５と固定冶具３６で基材下面に固定している。シース熱電対で測定する場合には、先端の接触状態が測定結果に大きく影響するが、本実施例ではばねにより常に一定の押し付け加重で接触しているので測定結果の信頼性は高い。温度の測定結果は制御用コンピュータ３７に送られる。
【００２２】
以上のように、ヒータの出力、ヘリウムガスの圧力、サーキュレータの設定温度は、制御用コンピュータで管理している。次に、具体的にヒータの出力値、ヘリウムガスの圧力、必要なサーキュレータの設定温度を、どのような目的で、どのような方法で決定するかを説明する。
【００２３】
通常、パターン付ウェハをエッチング処理すると、処理する前より後ではＣＤは細くなる。この線幅の変動量をＣＤシフト量とする。図３を用いて説明する。図３（１）はポリシリコン表面にハードマスクでパターンが付けられており、処理する前の状態である。このときの線幅をＣＤ１とする。これをエッチング処理した後の状態が図３（２）であり、このときの線幅をＣＤ２とする。このときＣＤシフト量はＣＤ２−ＣＤ１となる。本実施例ではＣＤ２の値はＣＤ１よりも小さい。したがって、マイナスの値となるが、この値が小さいほどＣＤは処理により細くなることを意味する。
【００２４】
エッチング処理において問題となるのは、このＣＤシフト量が半導体ウェハの面内で不均一となる場合である。このＣＤシフト量の面内分布は主に、半導体ウェハ上のプラズマ分布、半導体ウェハ上の反応生成物の密度分布、半導体ウェハの温度分布の３つの要因により決まる。それぞれの分布に影響する装置パラメータは、プラズマ分布はソースパワー、電極間距離、磁場、圧力などが、反応生成物の密度分布はガス種、流量、圧力、ガス導入部構造、ソースパワー、バイアスパワーなどが、ウェハ温度分布は冷媒温度、冷却ガス圧力、ヒータ電力、バイアスパワーなど、が挙げられる。これらプラズマ分布、反応生成物分布、温度分布の３つの要因のうち、特に温度分布は、ＣＤシフト量に及ぼす影響度が大きく、かつ装置パラメータとして調節しやすいために、ウェハ面内のＣＤ分布の調節パラメータとして利用しやすい。そこで、本発明の実施例ではウェハ温度分布を最適化することによりウェハ面内のＣＤ分布を均一化することを目的としている。
【００２５】
図４のフローチャートを用いて、本発明の第一の実施例の特徴である、エッチング条件を決定する処理の流れを説明する。まず、半導体ウェハの温度条件を変えてＮ回エッチング処理を行い、それぞれのエッチングでのＣＤシフト量を測定する（１０１）。このとき、ウェハ温度とＣＤシフト量の関係を明らかにするためには温度以外の処理条件、例えばガス種、流量、圧力、ソースパワー、バイアスパワーなどは同一で処理するのが望ましい。これらの条件は、過去の経験や実績にもとづいて決定することができるが、最終的な条件とはことなる場合もある。この場合には、変更後の条件で同じ手順を実施することになる。
【００２６】
この実験の結果得られたＣＤシフト量を制御用コンピュータに入力する（１０２）。制御用コンピュータは、このＣＤシフト量とウェハ温度の関係式を求める（１０３）。ウェハ温度は、実測するかシミュレーション、もしくは制御用コンピュータに蓄積された温度データを参照することにより得られる。シミュレーションの場合には、あらかじめ制御用コンピュータに用意された温度計算プログラムにより計算する。次に、制御用コンピュータは、ウェハ温度とＣＤシフト量の関係式からウェハ面内でＣＤシフト量を均一にする温度分布を算出する（１０４）。次に、制御用コンピュータは、この温度分布を実現するための冷媒の設定温度、ヘリウム圧力、ヒータ電力といったパラメータを算出する（１０５）。次に、算出するパラメータをモニタに表示する（１０６）。次に、パラメータを制御用コンピュータに送信する（１０７）。制御用コンピュータは、算出したパラメータにより温度を管理しプラズマ処理を実施する（１０８）。ここで、パラメータをモニタに表示する必要がない場合には、表示しなくともよい。
【００２７】
本実施例では、温度分布を調節する装置パラメータとして、冷媒温度、冷却ガス圧、ヒータ電力の３種類をすべて利用した。しかし、必ずしもすべてを利用する必要があるわけではなく、３種類のうちの１種類、もしくは２種類の組み合わせであってもよい。
【００２８】
次に、本実施例の効果を説明する。図５に本発明を実施せずにエッチングを実施した時のウェハ面内のＣＤシフト量の分布を示す。この条件では、ウェハ外周の温度を下げすぎたために、外周付近の反応生成物の付着率が高すぎ、ウェハ外周付近のＣＤシフト量が小さく、すなわち中心付近に比べてＣＤが太くなる傾向となっている。
【００２９】
このときの処理中のウェハ温度の実測とシミュレーションの結果を図６に示す。ウェハ温度の測定は市販の蛍光温度計埋め込み半導体ウェハを使用した。本例では実測と、シミュレーション両方を示したが、実際にはどちらか一方でよいし、前述したように予め制御用コンピュータに蓄積された温度情報を参照してもよい。図５と図６から温度とＣＤの関係を求めたのが図７である。この結果からＣＤシフト量は下記（１）式で表せることがわかる。本実施例では、（１）式は具体的には温度Ｔの２次関数で表現することができた。
【００３０】
ＣＤシフト量＝ｆ（Ｔ）  …  （１）
【００３１】
（１）式から、逆に図５のＣＤシフト量が半径方向で均一化するための温度分布が求められる。この温度分布を図８に示す。この温度分布を実現するためには、外周の冷媒溝に循環させる冷媒の温度を６℃高く設定すればよいことがわかった。
【００３２】
図９は、本発明を適用して半導体ウェハをエッチングした場合のＣＤシフト量分布を示している。本実施例に従い、半導体ウェハの外周付近の温度を高く設定してエッチング処理したところ、外周での反応生物の付着率が低下し、結果的に外周付近のＣＤが細くなり、面内分布が均一化したことがわかる。
【００３３】
本実施例では温度条件を変更しても反応生成物の面内分布が変化しないという仮定のもとにＣＤシフト量を算出した。実際には反応生成物の分布が変化する場合もあり、この場合は、ＣＤシフト量は温度だけの関数ではなく、反応生成物の分布も考慮した関数となる。例えば、下記（２）式の通りとなる。
【００３４】
ＣＤシフト量＝ｆ（Ｔ，ＲＰ（ｒ））  …  （２）
ここで、ＲＰ（ｒ）は、半径ｒにおける反応生成物の密度となる。
【００３５】
このように、本実施例ではウェハ面内で均一なＣＤ分布を得るための温度条件を一義的に決定することができ、この温度条件でプラズマ処理することができるので、短期間でプロセス条件を構築することができ、ウェハ面内のＣＤ分布が均一なプラズマ処理装置を提供することができる。
【００３６】
また、本実施例ではエッチング対象が変更されたりするなどしてガス種や圧力などのエッチング条件が変更され、エッチングに伴うＣＤシフト量が変化した場合でも、温度条件を変更した処理した数個のＣＤデータから計算により均一なＣＤ分布を得るための温度条件を一義的に決定することができるので、プロセス開発期間の非常に短いプラズマ処理装置を提供することができる。
【００３７】
第一の実施例はハードマスクを用いてポリシリコンをエッチングした例を説明したが、複数種類の膜を連続して処理する場合にも有効であり、図１０、図１１を用いて本発明の第二の実施例を説明する
【００３８】
。
本実施例では、レジストマスク（ＰＲ）を用いて反射防止膜（ＢＡＲＣ）、ポリシリコン（ｐｏｌｙ）を連続処理した例である。本実施例では、ＢＡＲＣは塩素と酸素の混合ガス、ポリシリコンは塩素、酸素、および臭化水素の混合ガスによりエッチングする。
【００３９】
このように、ＢＡＲＣとポリシリコンでは使用するガス種が異なり、反応生成物の密度分布や温度に対する付着率が異なるため、それぞれの膜のエッチング後のＣＤ分布は異なる結果となる。図１０（１）の例では、エッチング前のＣＤ値はＣＤ１であり、ＢＡＲＣエッチング後のＣＤはＣＤ２となっている（図１０（２））。つづいてポリシリコンをエッチングしたところ、ＣＤはＣＤ３となった（図１０（３））。トータルのＣＤシフト量はＣＤ３−ＣＤ１となるが、最終的に重要なポリシリコンのＣＤ３はＣＤ２の影響を受けている。したがって、ＣＤ３のみに着目して温度分布を調節しても、ＣＤ２の値も変化しているので目標のＣＤ分布とは異なった結果となってしまう。したがって、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチングそれぞれのエッチングステップごとに温度分布を調節する必要がある。
【００４０】
そこで、第二の実施例では図１１に示すフローチャートでエッチング条件を決定して処理している。本実施例の考え方は基本的には第一の実施例と同様であるが、特徴はＢＡＲＣエッチングの前後、ポリシリコンエッチングの前後、それぞれのＣＤシフト量を切り分けて管理する点である。
【００４１】
まず、温度条件を変えてＢＡＲＣエッチングのみを複数回処理し、それぞれのエッチングでのＣＤシフト量を測定する。このとき、温度とＣＤシフト量の関係を明らかにするためには温度以外の処理条件、例えばガス種、流量、圧力、ソースパワー、バイアスパワーなどは同一で処理するのが望ましい。ＢＡＲＣエッチングの終点判定は例えばプラズマ発光をモニタするか、ＲＦバイアス電圧の変動をモニタするかなどの方法により行うことができる。同様に、ポリシリコンエッチングについてもＣＤシフト量のデータを採取する（２０１）。これらの実験の結果得られたＣＤシフト量を制御用コンピュータに入力する（２０２）。次に制御用コンピュータは、このＣＤシフト量とウェハ温度から温度とＣＤシフト量の関係式を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチング毎に求める（２０３）。ウェハ温度は、実測するかシミュレーションまたは制御用コンピュータに蓄積された温度データを参照することにより得られる。シミュレーションの場合には第一の実施例と同様に、あらかじめ制御用コンピュータに用意された温度計算プログラムにより計算する。
【００４２】
次に、制御用コンピュータは、温度とＣＤシフト量の関係式からウェハ面内でＣＤシフト量を均一にする温度分布を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチング別々に算出する（２０４）。次に、制御用コンピュータは、この温度分布を実現するための冷媒の設定温度、ヘリウム圧力、ヒータ電力を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチング別々に算出する（２０５）。次に、算出するパラメータをモニタに表示する（２０６）。次に、パラメータを制御用コンピュータに送信する（２０７）。制御用コンピュータは、このパラメータにより温度を管理しＢＡＲＣをエッチングする（２０８）。制御用コンピュータは、つづいてポリシリコンをエッチングする（２０９）。ここで、パラメータをモニタに表示する必要がない場合には、表示しなくともよい。
【００４３】
本実施例では、温度分布を調節する装置パラメータとして、冷媒温度、冷却ガス圧、ヒータ電力の３種類をすべて利用した。しかし、必ずしもすべてを利用する必要があるわけではなく、３種類のうちの１種類、もしくは２種類の組み合わせであってもよい。
【００４４】
このように、本実施例では異なる膜種を連続で処理する場合に、各膜種ごとにウェハ面内で均一なＣＤ分布を得るための温度条件により処理することができるので、ウェハ面内のＣＤ分布が均一なプラズマ処理装置を提供することができる。
【００４５】
また、第一の実施例と同様にガス種や圧力などのエッチング条件が変更された場合にも、温度条件を変更したＣＤデータを膜種ごとに測定して制御用コンピュータに入力するだけで、容易に均一なＣＤ分布を実現するための温度条件がわかるのでプロセス開発期間の非常に短いプラズマ処理装置を提供することができる。
【００４６】
本実施例では、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチングを連続処理する場合を用いて説明したが、この組み合わせだけに限定されるものではなく、同じ考え方にもとづいてこれ以外の膜種の連続処理にも適用可能である。
【００４７】
本発明の第二の実施例は、ステップ毎の温度を面内ＣＤ分布が均一になる温度に調節するので有益であるが、対象となるプロセスが温度に非常に敏感である場合には、温度管理が不十分な場合も出てくる。例えば、ステップが変わってから温度分布が最適分布に到達するまでの間は、ウェハ温度は面内ＣＤ分布が均一となる温度ではないので、この間にＣＤ分布が変動することも起こり得る。また、ステップの切り替えにともない処理ガスを完全に置換する必要がある場合で数十秒かかる場合には、先行するステップで加熱されたウェハの温度が徐々に低下していくために、次のステップで面内ＣＤ分布が均一化するのに最適なウェハ温度に到達するまでの時間が長くなってしまう。
【００４８】
そこで、上記の問題を解決する本発明の第三の実施例を、図１２を用いて説明する。本実施例では、基本的には第二の実施例のステップ間のウェハ温度を、面内ＣＤ均一化の温度となるように管理する点に違いがある。すなわち、まず、温度条件を変えてＢＡＲＣエッチングのみを複数回処理し、それぞれのエッチングでのＣＤシフト量を測定する（３０１）。このとき、温度とＣＤシフト量の関係を明らかにするためには温度以外の処理条件、例えばガス種、流量、圧力、ソースパワー、バイアスパワーなどは同一で処理するのが望ましい。ＢＡＲＣエッチングの終点判定は、例えばプラズマ発光をモニタするか、ＲＦバイアス電圧の変動をモニタするかなどの方法により行うことができる。同様に、ポリシリコンエッチングについてもＣＤシフト量のデータを採取する（３０２）。これらの実験の結果得られたＣＤシフト量をそれぞれ制御用コンピュータに入力する（３０３）。次に、制御用コンピュータは、このＣＤシフト量とウェハ温度から温度とＣＤシフト量の関係式を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチングごとに求める（３０４）。ウェハ温度は、実測するかシミュレーションまたは制御用コンピュータに蓄積された温度データを参照することにより得られる。シミュレーションの場合には第一の実施例と同様に、あらかじめ制御用コンピュータに用意された温度計算プログラムにより計算する。
【００４９】
次に、制御用コンピュータは、ウェハ温度とＣＤシフト量の関係式からウェハ面内でＣＤシフト量を均一にする温度分布を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチング別々に算出する（３０５）。次に、制御用コンピュータは、この温度分布を実現するための冷媒の設定温度、ヘリウム圧力、ヒータ電力を、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチング別々に算出する（３０６）。また、制御用コンピュータは、ＢＡＲＣエッチングとポリシリコンエッチングの切り替え時間に、ウェハ温度をポリシリコンの面内ＣＤが均一化する温度に調節するためのパラメータも算出する（３０６）。次に、算出するパラメータをモニタに表示する（３０７）。次に、パラメータを制御用コンピュータに送信する（３０８）。制御用コンピュータは、このパラメータにより温度を管理しＢＡＲＣをエッチングする（３０９）。制御用コンピュータは、次のエッチングが始まるまでの間、ポリシリコンエッチングの面内ＣＤが均一となる温度にウェハを管理する（３１０）。制御用コンピュータは、つづいてポリシリコンをエッチングする（３１１）。ここで、パラメータをモニタに表示する必要がない場合には、表示しなくともよい。
【００５０】
以上のように、本実施例では、ステップ間の待ち時間まで含めてウェハ温度を管理することができるので、第二の実施例にくらべてさらに精度よく面内ＣＤ分布を均一化することができる。
【００５１】
以上の実施例では、ウェハステージの静電吸着装置の構造は、電極が１つのいわゆるモノポール方式の例で説明した。しかし、必ずしもそうである必要は無く、電極が複数個あるダイポール方式であっても同様な効果を期待することができる。この場合、プラズマのあり無しに無関係にウェハを吸着、脱離でき、モノポール方式で必要なシーケンスをなくすことができるのでスループットを改善することができる。
【００５２】
次に、本発明の実施例を実際の半導体製造ラインに適用する場合に、より製造歩留まりを向上させることができる処理方法である第四の実施例を、図１３を用いて説明する。本実施例は、実際の製造ラインでウェハ処理枚数が増加していくと、例えば真空チャンバの内壁に反応生成物のデポ物が付着して、このデポ物から反応生成物が供給されるような場合に有効な実施例である。すなわち、壁から供給される反応生成物により当初ＣＤ分布を測定して決めた処理条件で得られる面内ＣＤ分布が徐々に変化してくる場合、あらかじめ決めた累積処理枚数ごとに面内ＣＤ分布を測定し、この結果にもとづいて再度処理条件を決めていく。
【００５３】
まず、第一の実施例に従い処理条件を決める（４０１）。処理条件に従いエッチング処理を行う（４０２）。あらかじめ規定した累積枚数に達するまで処理条件に従い処理をおこなう（４０３）。累積枚数に到達した場合にはＣＤ面内分布を測定する（４０４）。面内ＣＤばらつきが規定内である場合、当初の処理条件に従いエッチング処理を行う（４０５）。面内ＣＤばらつきが規定外の場合、第一の実施例に従い再度処理条件を決定する（４０６）。
【００５４】
本実施例では、大量のウェハを連続的に処理し、チャンバの内壁がデポにより汚染され、このデポ物により反応生成物が供給されてチャンバ内の反応生成物分布が変化する場合にも、ある一定の逸脱の範囲内で処理条件を見直しながら処理を行っていくので非常に歩留まりの良い処理方法を提供することができる。
【００５５】
本実施例では、ＣＤ分布の結果から再度エッチング条件を見直したが、実際にはエッチング条件を見直す前にウェットクリーニング処理や、プラズマクリーニング処理を導入することも可能である。これらの処理を導入すれば、異物による汚染の可能性を低減するなどの効果も期待することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第一の実施例のウェハステージの模式的な断面図。
【図２】本発明の第一の実施例のプラズマ処理装置の模式的な断面図。
【図３】ハードマスクを用いてポリシリコンにエッチング処理する場合のＣＤシフト量を説明する図。
【図４】本発明の第一の実施例のエッチング条件を決定するフローチャートを示す図。
【図５】本発明を実施しない場合のエッチング前後のＣＤシフト量のウェハ面内分布を示す図。
【図６】処理中のウェハ温度の実測とシミュレーションの結果を示す図。
【図７】温度とＣＤの関係を示す図。
【図８】ＣＤシフト量が半径方向で均一化するための温度分布を示す図。
【図９】本発明を実施した場合のエッチング前後のＣＤシフト量のウェハ面内分布を示す図。
【図１０】レジストマスクを用いて反射防止膜（ＢＡＲＣ）とポリシリコンに連続してエッチング処理する場合のＣＤシフト量を説明する図。
【図１１】本発明の第二の実施例のエッチング条件を決定するフローチャートを示す図。
【図１２】本発明の第三の実施例のエッチング条件を決定するフローチャートを示す図。
【図１３】本発明の第四の実施例のフローチャートを示す図。
【符号の説明】
【００５７】
１：真空処理室
２：基材
３：真空チャンバ
４：導波管
５：マイクロ波
６：コイル
７：プラズマ
８：ウェハステージ
９：ウェハ
１０：高周波電源
１１：直流電源
１２：真空ポンプ
１３：処理ガス
１４：石英窓
１５：バルブ
１６：貫通穴
１７：コイル
１８：コンデンサ
１９：マイクロ波発振器
２０：段差
２１：高抵抗アルミナ
２２：ヒータ
２３：セラミックスパイプ
２４：貫通穴
２５：流量制御器
２７：コイル
２８：ヒータ電源
２９：セラミックス膜
３０：貫通穴
３１：冷媒溝
３２：冷媒溝
３３：くぼみ
３４：シース熱電対
３５：ばね
３６：固定冶具
３７：ＰＣ
４３：ガス穴
４４：シャワープレート
４５：Ｏリング
４６：流量制御器
４７：シール吸着部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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