(57)【要約】【課題】  多数枚の基板処理を行う際のレジストパターン線幅寸法のバラツキを極めて小さく抑制し、高精度かつ安定なレジストトリミングを行う。【解決手段】  基板上のレジストパターンをプ細線化するためのプラズマ処理装置であって、チャンバ１０２内で基板１０１を保持する保持部１０４と、基板１０１表面に光を照射する光源１１０と、基板からの反射光を分光して反射光分光分布を得る分光器１１１とを有し、反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を検出する膜厚検出手段と、プラズマ１０９の発光から、エッチング種である活性種の発光強度と、エッチング生成物からの解離種の発光強度との比を演算する発光強度比演算部１１２ｃと、膜厚検出手段により検出されたレジストパターン膜厚と、前記発光強度比演算部１１２ｃにより演算された発光強度比とに基づいて、プラズマエッチング処理の終点を制御する終点制御部１１２ｆとを備えた。【選択図】      図１
2005303088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチング処理により細線化するためのプラズマ処理装置であって、
プラズマを生成する処理室と、
前記処理室内に設けられ前記基板を保持する保持部と、
前記基板の表面に光を照射する光源と、前記基板からの反射光を分光して反射光分光分布を得る分光器とを有し、該反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を検出する膜厚検出手段と、
前記プラズマの発光を検出し、エッチング種である活性種の発光強度と、エッチング生成物からの解離種の発光強度との発光強度比を演算する発光強度比演算部と、
前記膜厚検出手段により検出されたレジストパターン膜厚と、前記発光強度比演算部により演算された発光強度比とに基づいて、プラズマエッチング処理の終点を制御する終点制御部とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記終点制御部は、
レジストパターン膜厚とそれに対応するレジストパターン線幅寸法との関係を記憶する第１記憶手段と、
前記第１記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記膜厚検出手段により検出されたレジストパターン膜厚からレジストパターン線幅寸法を予測する線幅寸法予測手段と、
発光強度比とそれに対応するレジストパターン線幅寸法の変動量との関係を記憶する第２記憶手段と、
前記第２記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記線幅寸法予測手段により予測されたレジスト線幅寸法を補正する線幅寸法補正手段とを有し、
前記線幅寸法補正手段により補正されたレジスト線幅寸法と所望のレジスト線幅寸法とを比較して、前記終点を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置において、
前記膜厚検出手段は、
レジストパターンの膜厚に対応する参照用分光分布を複数記憶する第３記憶手段を更に有し、
前記分光器により得られた反射光分光分布と、前記第３記憶手段に記憶された参照用分光分布とを比較して、前記レジストパターン膜厚を検出することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項１から３の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
前記膜厚検出手段は、
レジストパターン被覆率とレジストパターン膜厚の変動量との関係を記憶する第４記憶手段と、
前記第４記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記レジストパターン膜厚を補正する膜厚補正手段とを更に有することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
前記基板の近傍に配置され、前記基板の表面温度と同等の温度を検出する温度検出体を更に備え、
前記終点検出部は、前記膜厚検出手段により検出された膜厚と、前記発光強度比演算部により演算された発光強度比と、前記温度検出体により検出された温度とに基づいて前記終点を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項６】
基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチング処理により細線化するレジストトリミング方法であって、
プラズマに曝された前記基板の表面に光を照射し、該表面からの反射光を検出し、該反射光から反射光分光分布を得る工程と、
前記反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を検出する工程と、
前記プラズマの発光を検出し、エッチング種である活性種の発光強度と、エッチング生成物からの解離種の発光強度との発光強度比を求める工程と、
検出された前記レジストパターン膜厚と、求められた前記発光強度比とに基づいて、プラズマエッチング処理の終点を決定する工程とを含むことを特徴とするレジストトリミング方法。
【請求項７】
請求項６に記載のレジストトリミング方法において、
前記終点を決定する工程は、レジストパターン膜厚とそれに対応するレジストパターン線幅との関係に基づいて、前記検出されたレジストパターン膜厚からレジストパターン線幅寸法を予測する工程と、
発光強度比とそれに対応するレジストパターン線幅寸法との関係に基づいて、前記予測されたレジストパターン線幅寸法を補正する工程と、
前記補正されたレジストパターン線幅寸法と所望のレジスト線幅寸法とを比較して、前記終点を決定する工程とを含むことを特徴とするレジストトリミング方法。
【請求項８】
請求項６又は７に記載のレジストトリミング方法において、
プラズマエッチング処理の開始から２秒以内の前記発光強度比を求めることを特徴とするレジストトリミング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に露光装置の解像限界以下の超微細レジストパターンを形成するためのプラズマ処理装置及びレジストトリミング方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高集積化・微細化の速度は速く、現在では露光装置の解像限界以下の極微細パターンが要求されている。極微細パターンを得るための手段の一つとしてプラズマ処理によるレジストトリミング工程の導入が一般的になりつつある。一方、量産において線幅精度の良いレジストパターンを安定的に得るためには、ウェハ毎の寸法制御が必要不可欠である。しかしながら、レジストトリミング工程においてレジストパターン線幅寸法を直接計測することは極めて困難である。このため、線幅寸法と相関のあるレジストパターン膜厚あるいは光学定数の変化量を検出することにより、レジストパターンの変形量を求め、所望の線幅寸法が得られるようにプラズマ処理の終点を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、所定の波長領域の反射干渉分光波形の強度に基づいて、透明材料膜内に形成された配線溝の深さを測定する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、成膜状態を示す特性パラメータ値を算出し、算出値と目標値とを比較することにより成膜状態の適否を判定し、必要に応じて、成膜時間及びプロセスパラメータを変更する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、チャンバ内のプラズマ発光状態を測定し、測定したプラズマ発光状態に基づきチャンバ内の初期化状態を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−６４０４７号公報（第２−３頁、図１）
【特許文献２】特開２００３−２２９４２４号公報（第５−７頁、図１，９）
【特許文献３】特開２００３−２２９３６２号公報（第８頁、図１）
【特許文献４】特開２００２−３６７９５８号公報（第４−６頁、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載された方法のみでは今後の微細化の要求精度を満たせない。これは、例えば６５ｎｍノードの半導体装置で要求されるゲート長３２ｎｍの世代では、仮に寸法誤差の許容量を５％とすると１．６ｎｍ以下の寸法変動しか許されず、この寸法変動の値は、レジスト線幅寸法と相関のあるレジスト膜厚の精度を高精度に制御しても実現し難い厳しい寸法であるからである。何故ならば、どんなに優れた安定性をもつプラズマ装置でもプロセスばらつきを皆無にすることは不可能であり、レジスト線幅寸法とレジスト膜厚の相関関係がプラズマ装置のプロセスばらつきにより変動してしまうからである。この結果、仮にレジスト膜厚を完全に一定に制御したとしても、レジスト線幅寸法の変動を許容量以下に抑えることが出来なくなる。
【０００６】
また、そもそも上記特許文献１に記載された方法では、実用的に見てプラズマ装置中のレジストパターンを正確に計測することは不可能である。通常の光学式膜厚計でのレジストパターン膜厚検出は、検出光のスポットサイズ以上の大きさのレジストパターンが必要であり、微細な半導体装置の回路パターンでの検出は不可能である。また、実際の半導体装置の基板断面構造は非常に複雑で、この基板上のレジスト膜厚の検出は困難である。さらに、プラズマ背景光の干渉により正確な計測が困難である。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、多数枚の基板処理を行う際のレジストパターン線幅寸法のバラツキを極めて小さく抑制し、高精度かつ安定なレジストトリミングを行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るプラズマ処理装置は、基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチング処理により細線化するためのプラズマ処理装置であって、
プラズマを生成する処理室と、
前記処理室内に設けられ前記基板を保持する保持部と、
前記基板の表面に光を照射する光源と、前記基板からの反射光を分光して反射光分光分布を得る分光器とを有し、該反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を検出する膜厚検出手段と、
前記プラズマの発光を検出し、エッチング種である活性種の発光強度と、エッチング生成物からの解離種の発光強度との発光強度比を演算する発光強度比演算部と、
前記膜厚検出手段により検出されたレジストパターン膜厚と、前記発光強度比演算部により演算された発光強度比とに基づいて、プラズマエッチング処理の終点を制御する終点制御部とを備えたことを特徴とするものである。
【０００９】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記終点制御部は、
レジストパターン膜厚とそれに対応するレジストパターン線幅寸法との関係を記憶する第１記憶手段と、
前記第１記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記膜厚検出手段により検出されたレジストパターン膜厚からレジストパターン線幅寸法を予測する線幅寸法予測手段と、
発光強度比とそれに対応するレジストパターン線幅寸法の変動量との関係を記憶する第２記憶手段と、
前記第２記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記線幅寸法予測手段により予測されたレジスト線幅寸法を補正する線幅寸法補正手段とを有し、
前記線幅寸法補正手段により補正されたレジスト線幅寸法と所望のレジスト線幅寸法とを比較して、前記終点を制御することが好適である。
【００１０】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記膜厚検出手段は、
レジストパターンの膜厚に対応する参照用分光分布を複数記憶する第３記憶手段を更に有し、
前記分光器により得られた反射光分光分布と、前記第３記憶手段に記憶された参照用分光分布とを比較して、前記レジストパターン膜厚を検出することが好適である。
【００１１】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記膜厚検出手段は、
レジストパターン被覆率とレジストパターン膜厚の変動量との関係を記憶する第４記憶手段と、
前記第４記憶手段に記憶された関係に基づいて、前記レジストパターン膜厚を補正する膜厚補正手段とを更に有することが好適である。
【００１２】
本発明に係るプラズマ処理装置において、前記基板の近傍に配置され、前記基板の表面温度と同等の温度を検出する温度検出体を更に備え、
前記終点検出部は、前記膜厚検出手段により検出された膜厚と、前記発光強度比演算部により演算された発光強度比と、前記温度検出体により検出された温度とに基づいて前記終点を制御することが好適である。
【００１３】
本発明に係るレジストトリミング方法は、基板上に形成されたレジストパターンをプラズマエッチング処理により細線化するレジストトリミング方法であって、
プラズマに曝された前記基板の表面に光を照射し、該表面からの反射光を検出し、該反射光から反射光分光分布を得る工程と、
前記反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を検出する工程と、
前記プラズマの発光を検出し、エッチング種である活性種の発光強度と、エッチング生成物からの解離種の発光強度との発光強度比を求める工程と、
検出された前記レジストパターン膜厚と、求められた前記発光強度比とに基づいて、プラズマエッチング処理の終点を決定する工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１４】
本発明に係るレジストトリミング方法において、前記終点を決定する工程は、レジストパターン膜厚とそれに対応するレジストパターン線幅との関係に基づいて、前記検出されたレジストパターン膜厚からレジストパターン線幅寸法を予測する工程と、
発光強度比とそれに対応するレジストパターン線幅寸法との関係に基づいて、前記予測されたレジストパターン線幅寸法を補正する工程と、
前記補正されたレジストパターン線幅寸法と所望のレジスト線幅寸法とを比較して、前記終点を決定する工程とを含むことが好適である。
【００１５】
本発明に係るレジストトリミング方法において、プラズマエッチング処理の開始から２秒以内の前記発光強度比を求めることが好適である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、以上説明したように、レジストパターン膜厚と発光強度比とに基づいて終点を決定することにより、多数枚の基板処理を行う際のレジストパターン線幅寸法のバラツキを極めて小さく抑制し、高精度かつ安定なレジストトリミングを行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００１８】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるプラズマ処理装置を説明するための概略図である。
図１に示すように、レジストパターンのトリミング処理を行うチャンバ（「プラズマ室」ともいう。）１０２内に、基板１０１を載置する保持部としての下部電極１０４が設けられている。下部電極１０４上面には静電チャック１０４ａが設けられ、静電チャック１０４ａ上に基板１０１が保持される。静電チャック１０４ａと基板１０１との間には熱伝導を向上させるためにＨｅガスが封入される。チャンバ１０２上部には、下部電極１０４と対向して上部電極１０３が設けられている。下部電極１０４及び上部電極１０２には、ＲＦ電源１１６，１１７から高周波が印加される。チャンバ１０２の上部又は側壁にはガス供給口（図示せず）が設けられ、該ガス供給口からチャンバ１０２内にプロセスガスが供給される。チャンバ１０２の底部には、コンダクタンスバルブ１１５を介して排気ポンプ（図示せず）に接続された排気口１１４が設けられ、コンダクタンスバルブ１１５の開度によりチャンバ１０２内の圧力が制御される。また、図示しないが、チャンバ１０２側壁、下部電極１０４及び上部電極１０３の温度は、センサ等により検出されると共に、熱交換器等により一定に制御されている。
【００１９】
本実施の形態１によるプラズマ処理装置は、光干渉式のレジストパターン膜厚検出機構と、プラズマ発光を検出し発光強度比を演算する機構とを備えている。レジストパターン膜厚検出機構は、光源１１０としてのＸｅフラッシュランプと、ランプ光と反射光とを導く光ファイバ１０６と、上部電極１０３を貫通して設けられた光学窓１０５と、基板からの反射光を分光して反射光分光分布を得る分光器１１１と、後述する反射光分光分布の解析および演算・制御等を行う制御部１１２とを有する。
プラズマ発光を検出し発光強度比を演算する機構は、チャンバ１０２側壁を貫通して設けられた光学窓１０７と、プラズマ光を導く光ファイバ１０８と、プラズマ光を分光する分光器１１１と、後述する発光強度比の演算等を行う制御部１１２とを有する。
上記レジストパターン膜厚検出機構と、プラズマ発光強度比演算機構とはそれぞれ信号線で接続されており、光源１１０の発光、基板１０１からの反射光の検出、プラズマ１０９の発光の検出は同期がとられている。
【００２０】
制御部１１２は、反射光分光分布に基づいてレジストパターン膜厚を決定する膜厚検出部１１２ａと、レジストパターン被覆率とレジストパターン膜厚変動との関係に基づいてレジストパターン膜厚を補正する膜厚補正手段１１２ｂと、プラズマ光のスペクトルから活性種の発光強度と解離種の発光強度との発光強度比を演算する発光強度比演算部１１２ｃとを有する。
【００２１】
さらに、制御部１１２は、レジストパターン膜厚とレジストパターン線幅寸法との関係に基づいて、膜厚補正手段１１２ｂによって補正されたレジストパターン膜厚からレジストパターン線幅寸法を予測する線幅寸法予測手段１１２ｄと、発光強度比とレジストパターン線幅寸法変動量との関係に基づいて、線幅寸法予測手段１１２ｄによって予測されたレジストパターン線幅寸法を補正する線幅寸法補正手段１１２ｅと、補正されたレジストパターン線幅寸法と所望の線幅寸法とを比較してプラズマエッチング処理の終点を制御する終点制御部１１２ｆとを有する。終点制御部１１２ｆは、ＲＦ電源１１６，１１７の制御を行うと共に、プロセスガスの供給制御等を行う。
【００２２】
また、制御部１１２は、内部或いは外部に、記憶手段１１３を有している。記憶手段１１３には、レジストパターン膜厚とレジストパターン線幅寸法との関係（図８参照）、レジストパターン被覆率とレジストパターン膜厚変動量との関係（図６参照）、発光強度比とレジストパターン線幅寸法変動量との関係（図１１参照）、反射光の理論分光分布（図４参照）等が記憶されている。制御部１１２は、記憶手段１１３に記憶された情報を必要に応じて読み出して利用する。なお、本実施の形態１では１つの記憶手段１１３に多くの情報を記憶させているが、情報毎に複数の記憶手段を設けてもよい。
【００２３】
なお、本実施の形態１ではプラズマ光を光学窓１０７から得ているが、光学窓１０５から得られる光から、基板１０１表面からのＸｅフラッシュランプ光の反射光成分を分離してプラズマ光を得ることも可能である。しかし、プラズマ１０９の厚みが側面に配置した光学窓１０７から見込んだ方が大きく、また基板表面の干渉を受けずより高感度な検出を可能にするため、チャンバ１０２側壁の光学窓１０７からプラズマ光を得る方が望ましい。
また、１台の分光器１１１によって基板からの反射光の分光と、プラズマ光の分光とを行っているが、基板からの反射光分光用の分光器と、プラズマ光分光用を分光器とを別個に構成してもよい。しかし、エリアセンサを備えた分光器であれば１台で複数の分光ができるので、コスト的及びスペース的に１台の分光器１１１を用いる方が望ましい。
【００２４】
次に、上記プラズマ処理装置の動作について説明する。
先ず、レジストパターンの膜厚検出について説明する。
図２は、基板表面から反射した反射光の強度の時間変化を示す図である。本実施の形態１では、図１に示した光源１１０であるＸｅフラッシュランプを毎秒１０回程度の時間間隔で繰り返し発光させ、基板表面からの反射光の分光分布を分光器１１１により検出する時間変調計測を行う。この時間間隔がレジストパターン膜厚の検出時間分解能となる。Ｘｅランプ発光時に検出される検出光の強度（ａ）は、基板１０１からの反射光だけでなく、プラズマ１０９からの発光成分も加わる。一方、Ｘｅランプ消灯時に検出される検出光の強度（ｂ）は、プラズマ１０９からの発光成分のみの強度となる。従って、時間変調計測を行い差分（ａ）−（ｂ）を求めることによりプラズマ発光の影響を受けずに、レジストパターン膜厚の精度の高い測定が可能となる。
【００２５】
図３は、レジストパターン膜厚を検出する基板の断面構造の一例を示す図である。図３に示す断面構造は、ＭＯＳＬＳＩのゲート電極形成時の断面構造である。Ｓｉ基板３０１内に素子分離（ＳＴＩ：shallow trench isolation）３０２が形成され、Ｓｉ基板３０１上にゲート絶縁膜３０３が形成されている。ゲート絶縁膜３０３上にゲート電極材料となるポリシリコン膜３０４、ポリシリコン膜３０４のエッチングマスク材料となるＴＥＯＳ酸化膜３０５、反射防止膜３０６が順次積層され、反射防止膜３０６上にレジストパターン３０７が形成されている。
図３から分かるように、実際のエッチング基板の構造は非常に複雑なものである。このため、基板上のレジストパターン３０７の膜厚をプラズマ処理装置中で正確に計測するには基板断面構造のモデル化が必要不可欠である（後述）。
図３に示すような断面構造を有する基板に対して、基板上方からＸｅフラッシュランプ光３０８を照射する。このとき、入射光３０８および反射光３０９の面積は、基板３０１上に形成されたパターン３０７の大きさと比べると十分に広く、望ましくは、デバイスのチップサイズと同等以上の面積とし、基板表面からの平均的な反射光を得るようにする。基板上の場所により積層構造が異なっているので、図３に示すような断面構造の場合、４種類の異なった干渉信号３０９ａ〜３０９ｄの総和が反射光３０９となって検出される。上述した基板断面構造のモデル化は、異なった干渉信号３０９ａ〜３０９ｄが得られる各部分の積層構造と、それらの面積比率とを定義することによって行う。
【００２６】
図４は、レジストパターン膜厚の予測方法を説明するための図である。
図１の膜厚検出部１１２ａにおいて、図４に示すように、図１の分光器１１１で得られる基板からの反射光の分光分布と、定義した断面構造モデルから得られる反射光の理論分光分布とを対比させることにより、レジストパターン膜厚を予測する。ここで、反射光の理論分光分布は、断面構造モデルで定義した各積層膜の材料の光学定数（屈折率ｎ及び吸収係数ｋ）及び各積層膜の膜厚を入力パラメータとし、レジストパターンの膜厚を変数（ｔ）として繰り返し計算を行うことにより求める。実測した反射光分光分布と、計算した反射光理論分光分布とが最も近くなる時のｔが、予測されるレジストパターン膜厚となる。図４から分かるように、実際に即した基板構造を定義した場合の理論分光分布は、実際の分光分布とよく一致する。
【００２７】
次に、図１及び図５を参照して、本実施の形態１によるレジストトリミング方法について説明する。
図５は、本実施の形態１において、レジストトリミング工程を説明するための工程断面図である。図１および図５を用いてレジストトリミング工程の具体的条件・方法について述べる。なお、図１は、条件・方法の説明が可能な程度に簡略化したもので、以下の説明において記述される詳細機構部は省略してある。
図５（ａ）は、トリミング前の基板断面構造を示す図である。図５（ａ）に示す基板断面構造は図３に示した構造と概略同一であるため詳述は省略するが、反射防止膜３０６の材料として有機ＢＡＲＣ材を用い、レジストパターン３０７の材料としてＡｒＦリソグラフィ用レジストを用いる。
基板３０１をチャンバ１０２下部電極１０４の静電チャック１０４ａ上に載置し、基板３０１裏面と静電チャック１０４ａとの間にＨｅガスを３Ｔｏｒｒの圧力で封入する。下部電極１０４、上部電極１０３及びチャンバ１０２側壁の温度は、それぞれ４０℃、８０℃、６０℃にそれぞれ制御する。チャンバ１０２内にＯ２とＣＦ４の混合ガスを５４：２６ｓｃｃｍの流量比で導入し、コンダクタンスバルブ１１５を開閉制御してチャンバ１０２内の圧力を２０ｍＴｏｒｒに調節する。その後、ＲＦ電源１１７から上部電極１０３に６０ＭＨｚ、６００Ｗの高周波電力を、ＲＦ電源１１６から下部電極１０４に１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗの高周波電力を印加することにより、チャンバ１０２内にプラズマ１０９が励起され、基板上の有機ＢＡＲＣ層３０６のプラズマエッチング処理が開始される。有機ＢＡＲＣ層３０６のエッチングと共に、高さＴ１、線幅寸法Ｌ１のＡｒＦレジストパターン３０７もエッチングされ、図５（ｂ）に示すように、高さＴ２、線幅寸法Ｌ２のＡｒＦレジストパターン３０７ａに変化する。
有機ＢＡＲＣ材３０６のエッチングが終わった後も同じ条件で継続してプラズマ処理をおこなっていくと、ＡｒＦレジストパターン３０７ａは、図５（ｃ）に示すように、高さＴ３、線幅寸法Ｌ３のＡｒＦレジストパターン３０７ｂに変化する。
【００２８】
以上説明したレジストトリミング工程中、上述したレジストパターン膜厚検出手段により膜厚監視を継続して行い、高さＴ３が所望の値となったときレジストトリミング処理を終了するわけであるが、本発明者の鋭意検討の結果、次のような問題が見出された。
レジストパターン膜厚測定の絶対精度は基板上のレジストパターンの被覆率により影響を受け、被覆率が小さいほど測定誤差が大きくなることが分かった。図６は、レジストパターン膜厚検出値のレジストパターン被覆率依存性を示す図である。図６に示すように、レジストパターン被覆率が９４％の時には、実際の膜厚（下式（１）における実測膜厚Ｔ）と、検出膜厚ｔの間の誤差は１％以下と良好であった。しかし、レジストパターン被覆率が５３％，２１％と減少するに伴い、その誤差が大きくなることが分かった。しかしながら、本方法で予測されるレジストパターン膜厚は線形性が良好のため、一次関数による近似値補正によって容易に測定精度の補正を行うことが可能である。
Ｔ=at+b, （a,bは定数）・・・式（１）
膜厚補正手段１１２ｂにおいて式（１）により近似値補正を行うことにより、図７に示すように、レジストパターン被覆率が２１％でも絶対精度が１％以内に収まっているのがわかる。よって、本実施の形態１においては上記近似値補正が不可欠である。レジストパターン膜厚の検出精度がパターン被覆率の減少とともに劣化する原因はよくわからないが、薄膜の光学定数が処理中に変化しているのが原因でないかと推測される。
【００２９】
図８は、本実施の形態１において、トリミング処理時間を変化させた時のレジストパターン膜厚とレジストパターン線幅寸法との関係を示す図である。詳細には、ＡｒＦリソグラフィ後の線幅寸法１２０ｎｍのＡｒＦレジストパターンをトリミング処理した場合のパターン変形量を示している。図８に示すように、レジストパターンの線幅寸法Ｌと膜厚Ｔとの相関は完全に比例関係にあり、下式（２）で表される。
Ｌ＝cＴ+d, （c,dは定数）・・・式（２）
この式（２）の関係からレジストパターンの膜厚が検出されれば、図１の線幅寸法予測手段１１２ｄによって線幅寸法が予測できることが分かる。
【００３０】
しかしながら、実際のプロセスでは、更に次のような問題が発生することが分かった。
図９は、多数枚の基板を連続処理した場合のレジストパターン線幅寸法の変動を示す図である。詳細には、図８に示す関係（式（２）の関係）を利用してレジストパターン線幅寸法Ｌが４０ｎｍに仕上がる膜厚Ｔになるようにトリミング処理時間を制御して多数枚の基板を連続処理した場合の、レジストパターン線幅寸法の安定性を示す。レジストパターンの膜厚Ｔのバラツキを２ｎｍ以内に抑えているにも関わらず、線幅寸法として３ｎｍ程度のバラツキが生じた。図８の関係では線幅変化量/膜厚変化量の比率は０．４５であり、膜厚のバラツキから予想される寸法バラツキの値は２ｎｍ×０．４５＝０．９ｎｍである。しかし、実際の寸法バラツキの値（＝３ｎｍ）は、予想値の３倍以上大きな値となっている。この原因は、連続処理時のプラズマ装置内で、どうしても避けられないプラズマ状態の変動が生じるためであると考えられる。
【００３１】
本発明者は、このようなプラズマ状態の変動を検出する方法として、図１の分光器１１１で得られるプラズマ発光からの発光スペクトルを用いることを見出した。図１０は、ＢＡＲＣエッチング〜トリミングプロセス中のプラズマのＯ原子とＣＯ分子の発光スペクトル強度の時間変化を示す図である。図１０には、多数枚の基板を処理した結果（発光スペクトル強度）を重ねて示している。ここで、Ｏ原子はＢＡＲＣやレジストパターンのエッチングを行う活性種の一つであり、ＣＯ分子はエッチング生成物からの解離種の一つである。図１０に示すように、Ｏ原子の発光スペクトルは、ＢＡＲＣエッチが終了しトリミングプロセスへ移行すると、エッチング対象物の面積が小さくなりＯ原子の消費が少なくなるため発光強度が上がる。これに対して、ＣＯ分子の発光スペクトルは、トリミングプロセスに移行すると、エッチング生成物が減少しその解離種であるＣＯ密度が減少するため発光強度が下がる。このうち特徴的な部分は、エッチング開始直後の２秒間のＣＯ発光強度であり、その他の部分に比べバラツキが大きいことがわかる。
図１１は、トリミング時間を２２秒としたときの、エッチング開始後０．５秒時点におけるＯ/ＣＯ発光スペクトル強度比と、トリミングされたレジストパターン線幅寸法との相関を示した図である。両者の間には直線的な相関が認められ、レジストパターン線幅に変動を与えるプラズマ中の変動は、エッチング開始直後の２秒間に生じていることがわかった。また、この結果より、多数基板の連続処理時における線幅変動を予測し補正が可能である。エッチング開始後０．５秒後における発光強度比Ｒから予想される寸法変動量Ｄは、下式（３）で表される。
Ｄ=eＲ+f（e,fは定数）・・・式（３）
従って、レジストパターン膜厚Ｔとレジストパターン線幅寸法Ｌとの関係は、式（２）の関係にプラズマ状態の変化による寸法変動量Ｄを考慮し、下式（４）で表される。
Ｌ＝cＴ+d-Ｄ＝cＴ+d-eＲ-ｆ・・・式（４）
更に式（１）の検出するレジストパターン膜厚ｔと実際の膜厚Ｔとの関係を考慮すると、検出するレジストパターン膜厚ｔとレジストパターン線幅寸法Ｌとの関係は、下式（５）で表される。
Ｌ＝c（aｔ+b）+ d - eＲ-ｆ・・・式（５）
この関係より、レジストパターン膜厚検出手段により検出される膜厚ｔと、発光強度比演算部１１２ｃにより演算される発光強度比Ｒとに基づいてレジストパターン線幅寸法Ｌを予測しながら、所望の線幅寸法で終点制御部１１２ｆにより処理を停止する。これにより、基板を連続処理した場合であってもレジストパターン線幅寸法を高精度に制御することが可能となる。このときの結果を図１２に示す。ＢＡＲＣエッチング中にレジストパターン膜厚と、エッチング開始後０．５秒後のＯ／ＣＯ発光スペクトル強度比を同時にモニターし、これに基づいてトリミング処理の終点を制御することによって、基板を連続処理した場合においても、寸法バラツキが格段に抑制された。
【００３２】
以上説明したように、本実施の形態１によれば、光干渉式膜厚計の光源１１０を点滅させながらレジストパターン膜厚の時間変調計測を行い、基板構造モデルに基づいた反射光理論分光分布と、検出した反射光分光分布との関係から膜厚検出部１１２ａによりレジストパターン膜厚を予測する。レジスト被覆率とレジストパターン膜厚の変動量との関係に基づいて、膜厚検出部１１２ａが予測したレジストパターン膜厚を膜厚補正手段１１２ｂにより補正する。よって、レジストトリミング処理を行うプラズマ処理装置において、プラズマ１０９中の基板上のレジストパターン膜厚を、プラズマ１０９に擾乱されずに正確に検出することが可能となる。
【００３３】
さらに、本実施の形態１では、予め求めておいたレジストパターンの膜厚と線幅寸法との関係に基づいて、線幅寸法予測手段１１２ｄによりレジストパターン線幅寸法を予測し、発光強度比演算部１１２ｃにより演算した発光強度比とレジストパターン線幅寸法変動量との関係に基づいて、線幅寸法補正手段１１２ｅによりレジストパターン線幅寸法を補正し、この補正したレジストパターン線幅寸法に基づいて終点制御部１１２ｆによりトリミング処理の終点を制御するようにした。従って、多数枚の基板処理を行う際のレジストパターン線幅寸法のバラツキを極めて小さく抑制し、高精度かつ安定なレジストトリミングを行うことが可能となる。
【００３４】
なお、本実施の形態１では、チャンバ１０２内に上部電極１０３と下部電極１０４とを対向配置した平行平板型プラズマ処理装置について説明したが、これ以外のプラズマ処理装置に対しても本発明を適用することができる。
【００３５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、光干渉式の膜厚検出機構を用いてレジストパターン膜厚を検出するに際し、実際の量産に適用させるために、基板構造のモデル化を、基板構造やパターンレイアウトの異なる各デバイスに対して行う必要がある。この際、素子構造と比べて非常に広い面積からの反射光を平均的に検出するため、基板構造のモデル化においてはそれを正確に定義することが困難であり、理論計算による反射光分光分布と一致させるには、ある程度の試行錯誤によって最適化することが必要となり手続きが煩雑である。
【００３６】
本発明の実施の形態２では、レジストパターン膜厚検出機構が実施の形態１とは相違する。以下、実施の形態１との相違点であるレジストパターン膜厚検出機構について説明する。なお、主な装置構成および方法は実施の形態１と同じであるため、その説明を省略する。
【００３７】
本実施の形態２によるプラズマ処理装置は、図示は省略するが、記憶手段１１３に予め取得した各処理時間における反射光分光分布（参照用分光分布）とその時の実測レジストパターン膜厚とを記憶（データベース化）しておき、処理中に検出された反射光分光分布と記憶した参照用分光分布とを照合する分光分布照合手段を制御部１１２の膜厚検出部１１２ａ内に備えている。
【００３８】
図１３は、本発明の実施の形態２において、基板からの反射光分光分布の経時変化を示す図である。図１３に示すように、ある種類のデバイスのレジストパターンをトリミング処理する際、該トリミング処理中の反射光分光分布の形状は、例えば、１３秒，１６秒，１９秒，２２秒，２５秒と時間の経過に伴って変化する。すなわち、レジストトリミング中に検出される反射光分光分布の形状は、レジストパターン膜厚の変化に伴って変化する。
トリミング処理の各経過時間における反射光分光分布形状と、その時に実測したレジストパターン膜厚との関係を求めておけば、反射光分光分布の照合によりレジストパターンの膜厚を予測することができる。よって、レジストパターン膜厚をリアルタイムで予測しながら、トリミング処理を行うことができる。
【００３９】
以上説明したように本実施の形態２では、デバイスの種類やパターン形状が異なる基板からの固有の反射光分光分布を実際の基板を用いて予め取得すると共に、その反射光分光分布に対応するレジストパターン膜厚を取得し、それらをデータベース化した。そして、実際のレジストトリミング時に検出される基板の反射光分光分布形状とデータベース内の参照用分光分布形状とを照合し、レジストパターン膜厚を予測するようにした。よって、実施の形態１のように基板構造モデルを定義して理論反射光分光分布を求める必要がなく、複数種類の基板の処理においても高精度なトリミング制御を柔軟に適用可能となる。
【００４０】
実施の形態３．
実施の形態１において、多数枚のウェハ処理における寸法安定性の向上の効果が認められた。しかし、本発明者の鋭意検討の結果、１００枚単位のウェハの処理を連続して行うと、プラズマの変動以外の要因で、レジストパターン寸法の変動が生じることが見出された。そして、この寸法変動の原因が、基板表面の温度上昇であることが分かった。実施の形態１で説明したように、上部及び下部電極１０３，１０４、並びにチャンバ１０２側壁の温度は、熱交換器等により一定に制御されている。しかしながら、それぞれの表面温度は多数枚の基板を連続処理すると次第に上昇してくる。特に、上部電極１０３やチャンバ１０２側壁が石英やセラミックス等の材料からなる防着板（ライナー）で覆われている場合は、熱伝導が低下してしまうため表面温度の上昇が大きくなり、この結果ここからの輻射熱により基板表面の温度も上昇してくる。このような基板表面温度の上昇によりレジストパターンの線幅寸法の変動が問題となる。
【００４１】
図１４は、本発明の実施の形態３によるプラズマ処理装置を説明するための概略図である。なお、主な装置構成および方法は実施の形態１と同じであるため、その説明を省略する。
図１４に示すように、基板１０４の直近に、平板型の温度検出体１１８が設けられている。該温度検出体１１３は、例えば、厚さ０．１ｍｍの薄いシリコン板に熱電対が埋め込まれたものである。温度検出体１１８は、基板１０１と共に静電チャック１０４ａ上に載置されている。図示しないが、温度検出体１１８及び熱電対は下部電極１０４と電気的に絶縁されており、ローパスフィルタによってプラズマの高周波ノイズを除去する構造となっている。この熱伝対からの起電力は、アナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）１１９によって信号化され、制御部１１２に検出温度が送られる。制御部１１２の終点制御部１１２ｆは、検出温度に基づいてレジストパターン線幅寸法の変動量を更に予測し、レジストトリミング処理の終点を制御する。
【００４２】
図１５は、多数の基板の連続処理時、基板表面の温度上昇によってレジスト線幅寸法が細ってしまう傾向を示す図である。これに対し、温度検出体１１８により基板表面温度を監視しながら寸法変動量を予測し、レジストトリミング時間を調節した結果を図１６に示す。基板表面温度上昇に見合う分だけ処理時間を制御することにより寸法変動量を抑制できる。
【００４３】
以上説明したように本実施の形態３では、実施の形態１で得られる効果に加え、基板表面温度に近い温度を検知することにより基板表面温度の上昇によるレジストパターン線幅寸法の変動を予測することが可能となり、多数枚の基板の処理を行う際の線幅寸法のバラツキを極めて小さく抑制し、高精度かつ安定なレジストトリミングを行うことが可能となる。
【００４４】
なお、本実施の形態３では、実施の形態１に温度検出機構１１８を付加したが、実施の形態２に付加してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態１によるプラズマ処理装置を説明するための概略図である。
【図２】基板表面から反射した反射光の強度の時間変化を示す図である。
【図３】レジストパターン膜厚を検出する基板の断面構造の一例を示す図である。
【図４】レジストパターン膜厚の予測方法を説明するための図である。
【図５】レジストトリミング工程を説明するための工程断面図である。
【図６】レジストパターン膜厚検出値のレジストパターン被覆率依存性を示す図である。
【図７】レジストパターン膜厚検出値のレジストパターン被覆率依存性を補正した結果を示す図である。
【図８】トリミング処理時間を変化させた時のレジストパターン膜厚とレジストパターン線幅寸法との関係を示す図である。
【図９】多数枚の基板を連続処理した場合のレジストパターン線幅寸法の変動を示す図である。
【図１０】ＢＡＲＣエッチング〜トリミングプロセス中のプラズマのＯ原子とＣＯ分子の発光スペクトル強度の時間変化を示す図である。
【図１１】エッチング開始後０．５秒時点におけるＯ/ＣＯ発光スペクトル強度比と、トリミングされたレジストパターン線幅寸法との相関を示した図である。
【図１２】本発明の実施の形態１において、レジストパターン線幅寸法が高精度に制御された結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態２において、基板からの反射光分光分布の経時変化を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態３によるプラズマ処理装置を説明するための概略図である。
【図１５】基板表面の温度上昇によるレジストパターン線幅寸法の変動を示す図である。
【図１６】レジストパターン線幅寸法の変動を補正した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０１    基板
１０２    チャンバ
１０３    上部電極
１０４    下部電極
１０４ａ  静電チャック
１０５    光学窓
１０６    光ファイバ
１０７    光学窓
１０８    光ファイバ
１０９    プラズマ
１１０    光源
１１１    分光器
１１２    制御部
１１２ａ  膜厚検出部
１１２ｂ  膜厚補正手段
１１２ｃ  発光強度比演算部
１１２ｄ  線幅寸法予測手段
１１２ｅ  線幅寸法補正手段
１１２ｆ  終点制御部
１１３    記憶手段
１１４    排気口
１１５    コンダクタンスバルブ
１１６    下部電極用ＲＦ電源
１１７    上部電極用ＲＦ電源
１１８    温度検出体
１１９    Ａ／Ｄ変換部
【図１】
2005303088.tif 000003
【図２】
2005303088.tif 000004
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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