(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理する際の前記被処理基板の処理の終点を検出する方法であって、前記被処理基板を処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光を検出し、該検出した所定の波長の光の発光信号の中から前記プラズマによるエッチング処理の進行に応じて変化する信号成分を前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した信号成分の強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出することを特徴とするプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項２】
前記検出するエッチング処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光は、該プラズマによるエッチング処理によって生じる反応生成物の発光信号であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項３】
前記検出するエッチング処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光は、該プラズマによるエッチング処理に使用される反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項４】
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理する方法であって、前記被処理基板をエッチング処理中の前記プラズマの発光の中から前記エッチング処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と前記エッチング処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、該発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出することを特徴とするプラズマ処理の終点検出方法。
【請求項５】
被処理基板上に被加工膜を形成し、該被加工膜を形成した被処理基板上にレジストを塗布し、該被処理基板上に塗布してレジストを露光してレチクルやマスク上の回路パターンを転写し、該露光して回路パターンを転写したレジストを現像して前記被処理基板上にレジストパターンを形成することにより前記被加工膜の一部を露出させ、該レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去し、該プラズマエッチング処理を終了した前記被処理基板をアッシング処理して前記被処理基板上のレジストを除去し、該レジストを除去した前記被処理基板を洗浄する半導体デバイスの製造方法であって、
前記レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去する工程において、
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理し、該被処理基板をプラズマエッチング処理中の前記プラズマの発光の所定の波長の光を検出し、該検出した所定の波長の光の発光信号の中から前記プラズマによるエッチング処理の進行に応じて変化する信号成分を前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した信号成分の強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出し、該検出したプラズマによるエッチング処理の終点に基づいて前記被処理基板のエッチング処理を終了することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項６】
プラズマエッチング処理中に検出する前記プラズマの発光の所定の波長の光は、該プラズマによるエッチング処理によって生じる反応生成物の発光信号であることを特徴とする請求項５記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項７】
プラズマエッチング処理中に検出する前記プラズマの発光の所定の波長の光は、該プラズマによるエッチング処理に使用される反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であることを特徴とする請求項５記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項８】
被処理基板上に被加工膜を形成し、該被加工膜を形成した被処理基板上にレジストを塗布し、該被処理基板上に塗布してレジストを露光してレチクルやマスク上の回路パターンを転写し、該露光して回路パターンを転写したレジストを現像して前記被処理基板上にレジストパターンを形成することにより前記被加工膜の一部を露出させ、該レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去し、該プラズマエッチング処理を終了した前記被処理基板をアッシング処理して前記被処理基板上のレジストを除去し、該レジストを除去した前記被処理基板を洗浄する半導体デバイスの製造方法であって、
前記レジストパターンをマスクとしてプラズマエッチング処理により前記一部を露出させた被加工膜を除去する工程において、
プラズマ励起用高周波電力を上部電極に印加してプラズマを発生させた状態で被処理基板を載置する下部電極にイオン加速用高周波電力を印加しながら前記下部電極に載置した被処理基板をプラズマエッチング処理し、該被処理基板をプラズマエッチング処理中の前記プラズマの発光の中から前記プラズマエッチング処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と前記プラズマエッチング処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、該発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ前記下部電極に印加するイオン加速用高周波電力の周波数、もしくはその整数倍と同期した周期で抽出し、該抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいて前記プラズマによるエッチング処理の終点を検出し、該検出したプラズマによるエッチング処理の終点に基づいて前記被処理基板のプラズマエッチング処理を終了することを特徴とする半導体デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記エッチング処理中に検出されるプラズマ発光のうちのエッチング処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光およびエッチング処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光は、それぞれ前記プラズマによるエッチング処理によって生じる反応生成物の発光信号であることを特徴とする請求項８記載の半導体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
前記エッチング処理中に検出されるプラズマ発光のうちのエッチング処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光およびエッチング処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光は、それぞれ前記プラズマによるエッチング処理に使用される反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であることを特徴とする請求項８記載の半導体デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ処理の終点検出方法及びその装置並びにそれを用いた半導体デバイスの製造方法及びその装置に関するものであり、特に、処理室内に発生させたプラズマにより基板を処理するのに好適な方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エッチング装置を始めとして、プラズマを用いた処理が半導体製造工程や液晶表示装置用基板製造工程に広く適用されている。
【０００３】
図１４に示すエッチング装置を例にとり、従来の技術について説明する。このエッチング装置では、高周波電源５からの高電圧を、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。エッチング処理に際しては、エッチングの進行状況を監視し、その終点をできるだけ正確に検出して、所定のパターン形状及び深さだけエッチング処理を行うようにしている。高周波電源５の電源周波数は例えば、４００ｋＨｚ程度である。
【０００４】
従来から、エッチングの終点を検出する方法には、分光分析、質量分析等の手法が用いられており、中でも特開平６−２８２５２号公報に示されるように、装置が簡便で感度の高い分光分析が広く用いられている。具体的には、エッチング用ガス、その分解生成物または反応生成物等のラジカルやイオン等の活性種のうち特定の活性種を選択し、選択された活性種の発光スペクトルの発光強度を測定する。即ち、図１４において、プラズマからの発光８を窓７を通してモノクロメータ等の分光器９で分光し、所望の波長の発光成分１０だけを取り出す。この発光成分１０はホトマル等の光電変換素子１１で受光されて電気信号に変換され、プラズマ励起用高周波電源よりも十分低い１００〜数ｋＨｚ程度の帯域を有するアンプ１２で増幅された後、終点判定ユニット１３に送られる。
【０００５】
終点判定ユニット１３では、図１５に示すように発光強度の時間変化１５を観測していき、変化点での発光強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値Ｓと比較することにより、エッチングの終点位置Ｅが決定される。終点が検出されると、電源制御装置１４により、高周波電源５の出力を停止する。この方法では、アンプ１２の帯域がプラズマ励起周波数よりも十分低いため、プラズマ発光の直流成分を検出していることになる。
【０００６】
選択する活性種はエッチング用ガスの種類により異なる。例えば、ＣＦ等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合には、その反応生成物であるＣＯからの発光スペクトル（２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍ等）、あるいは、中間生成物であるＣＦからの発光スペクトル（２６０ｎｍ等）を測定する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来技術によれば、簡単な構成にしてエッチングの終点を求めることができる。しかし、半導体の回路パターンの微細化に伴い、エッチングされる部分の総面積が小さくなり、反応生成物の絶対量が低下する傾向にある。その結果、図１５に一点鎖線１６で示すように、発光強度そのものが低下するとともに終点位置での発光強度の変化量が大幅に低下し、レジスト物質や処理室１内の石英部材のエッチングに伴う反応生成物の発生等の背景雑音や、プラズマの揺らぎ等の１／ｆ雑音の影響が相対的に大きくなり、終点位置の判定が困難になる。
【０００８】
これらの課題を解決するため、例えば、特開昭５９−６１０３６号公報に示されるように、２つの発光信号を使ってその比を計算することにより、終点時の信号の振幅を向上させる方法や、特開平６−２２９８２７号公報に示されるように、１／ｆ雑音の影響を低減するために、プラズマ発光の直流成分を検出するのではなく、プラズマ発光をチョッパで変調し、変調用信号を参照信号として、あるいは、チョッパを使用せずプラズマ生成用のＲＦ信号を参照信号として、ロックインアンプで復調する方法が提案されている。
【０００９】
また、発光信号の中から単にチョッピング周波数成分だけを取り出すのではなく、特開平９−１１５８８３号公報に示されるように、エッチング反応に同期した成分だけを選択的に取り出すことにより、終点時の信号変化を顕在化する方法も提案されている。この方法によれば、微細パターンでのエッチング終点検出精度の向上が期待できる。しかし、２５６ＭｂｉｔＤＲＡＭ、さらには１ＧｂｉｔＤＲＡＭへと高集積化が進む半導体の分野においては、回路パターンの微細化はとどまるところを知らず、特にコンタクトホールのエッチングでは、ウェハ総面積に対する被エッチング部の面積は０．５％以下になろうとしている。このようなより微細なパターンのエッチングにおいては、前記の方法を用いたとしても、高精度な終点検出は困難である。
【００１０】
一方、エッチング装置本体においても、エッチング反応に伴って処理室の窓に反応生成物等が堆積し、窓の透過率が低下して検出光量が低下し、終点検出がさらに困難になるという課題が生じている。
【００１１】
本発明の目的は、被処理パターンの微細化や外乱の影響を受けることなく、プラズマ処理の終点が常に安定かつ高精度に検出可能な、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する方法及びその装置、並びにそれを用いた半導体製造方法及びその装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明では、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する方法において、被処理基板を処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出し、この検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出し、この抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出するようにした。
【００１３】
そして、プラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分は、プラズマを発生させるプラズマ励起用高周波電源の高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【００１４】
また、プラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分は、被処理基板を載置する載置台に印加する高周波電力の電源の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【００１５】
また、検出する処理中のプラズマの発光の所定の波長の光は、プラズマによる処理によって生じる反応生成物の発光信号であるようにした。
【００１６】
また、検出する処理中のプラズマの発光の所定の波長の光は、プラズマによる処理に使用される反応ガスもしくは中間生成物の発光信号であるようにした。
【００１７】
更に、本発明は、プラズマを用いて被処理基板を処理する方法において、被処理基板を処理中のプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、この発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出するようにした。
【００１８】
そして、所定の周期で抽出することを、プラズマを発生させる高周波電源の高周波の周波数、若しくはその整数倍の周期で行うようにした。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、プラズマにより前記被処理基板を処理し、処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出し、この検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出し、この抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【００２０】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【００２１】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、プラズマにより被処理基板を処理し、処理中のプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出し、発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出し、この抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【００２２】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【００２３】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマにより被処理基板を処理し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度を被処理基板の上方の複数の箇所において検出し、この検出した複数の箇所における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出し、この検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了するようにした。
【００２４】
そして、プラズマにより被処理基板を処理することが、プラズマエッチング処理であるようにした。
【００２５】
また、本発明は、半導体デバイスの製造方法において、被処理基板を配置した処理室の内部にプラズマを発生させ、このプラズマにより前記被処理基板を処理し、処理中のプラズマの所定の波長の光の発光強度を検出し、予め設定した時間が経過したときの所定の波長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定し、この判定したプラズマによる処理の状態を予め設定されたデータと比較し、この比較により判定したプラズマによる処理の状態が予め設定されたデータと異なるときには異常信号を発信するようにした。
【００２６】
そして、プラズマによる被処理基板の処理を、予め設定した時間が経過したときに終了させるようにした。
【００２７】
更に、上記目的を達成するために、本発明は、プラズマを用いた被処理基板の処理の終点を検出する装置を、被処理基板を処理中のプラズマの発光の所定の波長の光を検出する検出手段と、この検出手段で検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出する検出手段とを備えて構成した。
【００２８】
そして、抽出手段で信号成分を抽出する所定の周期は、プラズマ発生手段に印加する高周波電力の高周波の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【００２９】
また、被処理基板を載置する載置台は、高周波電源に接続されており、抽出手段で信号成分を抽出する所定の周期が、載置台に接続された高周波電源の周波数、もしくはその整数倍と同期した成分であるようにした。
【００３０】
また、発光検出手段は、プラズマ処理によって生じる反応生成物の発光を検出するようにした。
【００３１】
また、発光検出手段は、ガス導入部から導入されたガスもしくはプラズマ処理により発生する中間生成物の発光を検出するようにした。
【００３２】
また、発光検出手段は、プラズマと結像関係にある受光素子を備えた結像光学系で構成されるようにした。
【００３３】
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の所定の波長の光を検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した所定の波長の光の発光信号の中からプラズマによる被処理基板の処理の進行に応じて変化する信号成分を所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した信号成分の強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出する終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【００３４】
そして、プラズマによる被処理基板の処理が、プラズマエッチング処理であるようにした。
【００３５】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の中から処理に伴って発光強度が増加する波長成分の光と処理に伴って発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ分離して検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光とをそれぞれ所定の周期で抽出する抽出手段と、この抽出手段で抽出した発光強度が増加する波長成分の光と発光強度が減少する波長成分の光との強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出する終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【００３６】
そして、プラズマによる前記被処理基板の処理が、プラズマエッチング処理であるようにした。
【００３７】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの所定の波長の光の発光強度を被処理基板の上方の複数の箇所において検出する発光検出手段と、この発光検出手段で検出した複数の箇所における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいてプラズマによる処理の終点を検出する終点検出手段と、この終点検出手段で検出したプラズマによる処理の終点に基づいて被処理基板の処理を終了させる制御手段とを備えて構成した。
【００３８】
そして、終点検出手段によるプラズマによる処理の終点を検出を、所定の波長の光の発光強度を所定の周期で抽出して、この抽出した所定の周期における所定の波長の光の発光強度の変化に基づいて行うようにした。
【００３９】
また、本発明は、半導体デバイスの製造装置を、内部に被処理基板を載置する載置台とガス導入部とを備えた処理室手段と、ガス導入部によりガスを導入した処理室手段の内部にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、このプラズマ発生手段で発生させたプラズマにより載置台に載置した被処理基板を処理中にプラズマの発光の所定の波長の光の発光強度を検出する発光検出手段と、予め設定した時間が経過したときの所定の波長の光の発光強度からプラズマによる処理の状態を判定する判定手段と、この判定手段で判定したプラズマによる処理の状態を予め設定されたデータと比較する比較手段と、この比較手段での比較により判定手段で判定したプラズマによる処理の状態が予め設定されたデータと異なるときには異常信号を発信する発信手段とを備えて構成した。
【００４０】
そして、プラズマによる前記被処理基板の処理を、予め設定した時間が経過したときに終了させる制御手段を更に備えて構成した。
【００４１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図１〜図１３に基づいて説明する。
【００４２】
まず、本発明の第１の実施例を図１〜図８に基づいて説明する。図１は第１の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示すものである。エッチング終点検出装置は、発光検出光学系１０１、信号処理・判定・制御系２０１から成る。
【００４３】
エッチング装置は、本実施例では平行平板形プラズマエッチング装置とした。シグナルジェネレータ３７からの高周波信号によりパワーアンプ３８の出力電圧を変調し、この高周波電圧を分配器３９により分配し、処理室１内に互いに平行に配置した上部電極２と下部電極３との間に印加し、両電極間での放電によりエッチング用ガスからプラズマ６を発生させ、その活性種で被処理体としての半導体ウェハ４をエッチングする。高周波信号としては、例えば４００ｋＨｚ程度の周波数が用いられる。
【００４４】
発光検出光学系１０１では、プラズマからの発光３１を石英窓３０を通して石英レンズ３２により石英光ファイバ５０の入射端７５に結像させる。プラズマ発光領域中でウェハ４上のある一点７４と石英光ファイバ５０の入射端７５とが結像関係にある。
【００４５】
図２に示すように、石英光ファイバ５０の入射端７５には、石英窓３０から観測されるプラズマ発光分布に対応させて長方形の断面形状から成るファイバ束７６が受光部として形成されている。このファイバ束７６は、図３に示すように、中央部７７と周辺部７８ａ、７８ｂの２つの領域に分割されており、中央部７７は図１中のファイバ５１に、周辺部７８ａ、７８ｂはファイバ５２に各々つながっている。
【００４６】
ファイバ５１はモノクロメータ５３に、またファイバ５２はモノクロメータ５８に各々接続され、特定の活性種の発光スペクトル成分が選択的に取り出され、ホトマル等の光電変換素子５４及び５９で光電変換される。 ＣＦ等のフルオロカーボン系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合を例にとると、モノクロメータ５３では反応生成物であるＣＯからの発光スペクトル、すなわち２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍの波長成分を検出し、モノクロメータ５８では中間生成物であるＣＦからの発光スペクトル、すなわち２６０ｎｍの波長成分を検出する。もちろん、モノクロメータでなく干渉フィルタを使用することも可能である。また、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【００４７】
光電変換素子５４で光電変換された波長２１９ｎｍのＣＯ成分の発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十分広い２ＭＨｚ程度の帯域を有するアンプ５５により増幅され、信号処理回路５６に送られる。図４（ａ）に、エッチング最中の発光波形７０ａを示す。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋＨｚの基本周期に、プラズマ中での活性種の励起・減衰に伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰り返されているのが判る。４００ｋＨｚ周期の高いピークの繰り返しに対し、同じく４００ｋＨｚで位相が１８０°ずれた振幅の低いピークの繰り返しが存在するのは、上部及び下部電極へ印加される高周波電圧の極性が互いに丁度１８０°ずれていることに起因するものである。
【００４８】
図４（ｂ）は、シリコン酸化膜が完全にエッチングされた、すなわち終点に達した直後でのＣＯ成分の発光波形７０ｂである。反応生成物の発生量の低下と同期して図４（ａ）における高いピークの振幅が大きく減衰しているのに対し、低いピークの振幅はほとんど変化しないことが判る。つまり、エッチング反応生成物であるＣＯ成分の発光波形には、同じ４００ｋＨｚ成分であっても、エッチング終点時に大きく減衰する成分とほとんど変化しない成分が混在していることが判る。従って、単純にロックインアンプを用いたのでは、この大きく変化する成分だけを選択的に取り出すことはできない。
【００４９】
そこで、本実施例では、図１に示すように、サンプリング信号発生回路６９において、シグナルジェネレータ３７からの４００ｋＨｚの高周波信号に基づき、図４（ｃ）に示すようにパルス幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚの矩形波関数から成るサンプリング信号７２を発生する。このサンプリング信号７２は図１中の位相シフタ６５により、発光波形に応じて所望の量だけ位相が調整された後、信号処理回路５６に送られる。位相の調整法は、例えばアンプ５５からの発光信号７０をオシロスコープ６３で観測し、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、終点時に大きく変化する高いピーク成分をサンプリングするように、サンプリング信号７２の位相を調整する。
【００５０】
図１中のオシロスコープ６３から位相シフタ６５へ向かうライン６４は、波形を観測しながらサンプリング信号７２の位相を調整する行為を示している。図中６３はオシロスコープに限定されるものではなく、発光波形７０ａから選択すべき発光成分の位相を検出する様々な手段を含む。例えば、２値化回路等で高いピークのみを検出してピークの位相を求める手段であってもよいし、シグナルジェネレータ３７からの高周波信号の正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、４００ｋＨｚ周期の低いほうのピークを捉えることも可能である。
【００５１】
いずれにせよ、位相シフト量は、処理室内圧力、エッチングガス等のプロセス条件に応じて、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定されることが望ましい。また、パルス幅Δｔも、同様に終点時の振幅変化が最大となる時間幅に設定されることが望ましい。信号処理回路５６では、アンプ５５からの発光信号７０に対しサンプリング信号７２が乗算され、パルス幅Δｔに対応した区間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化する高いピークが選択的に検出され、出力される。
【００５２】
信号処理回路５６からの出力信号は帯域１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ５７に送られ、図６に実線で示す発光信号８０が得られる。信号強度が急激に減衰する時間ｔＥがエッチングの終点に対応する。尚、破線７９は、従来の直流成分検出法による発光信号である。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほうが、エッチング終点時の信号変化が約２倍大きいことが判る。
【００５３】
この方法によれば、微細パターンでのエッチング終点検出精度の向上が期待できる。しかし、２５６ＭｂｉｔＤＲＡＭ、さらには１ＧｂｉｔＤＲＡＭへと高集積化が進む半導体の分野においては、パターンの微細化はとどまるところを知らず、特にコンタクトホールのエッチングでは、ウェハ総面積に対する被エッチング部の面積は０．５％以下になろうとしている。このようなより微細なパターンのエッチングにおいては、前記の方法を用いたとしても、高精度な終点検出が困難な場合が生じる恐れがある。
【００５４】
そこで、本実施例では、本発明の大きな特徴として、反応生成物ＣＯだけでなく、図１に示すモノクロメータ５８で検出された中間生成物ＣＦからの発光スペクトル、すなわち２６０ｎｍの波長成分に対しても前記と同様の信号処理を施し、２つの発光信号を組み合わせることにより、より微細なパターンに対しても高精度な終点検出を実現する。
【００５５】
光電変換素子５９で光電変換された波長２６０ｎｍのＣＦ成分の発光信号は、プラズマ励起用の高周波電力に比べ十広い２ＭＨｚ程度の帯域を有するアンプ６０により増幅され、信号処理回路６１に送られる。図５（ａ）に、エッチング最中の発光波形７１ａを示す。プラズマ励起用の高周波電力と同期した４００ｋＨｚの基本周期に、プラズマ中での活性種の励起・減衰に伴う発光プロセスが重畳した形で、発光強度変化が繰り返されているのが判る。４００ｋＨｚ周期のピークの繰り返しに対し、同じく４００ｋＨｚで位相が１８０°ずれたやや振幅の低いピークの繰り返しが存在するのは、ＣＯ成分の場合と同様、上部及び下部電極へ印加される高周波電圧の極性が互いに丁度１８０°ずれていることに起因するものである。
【００５６】
図５（ｂ）は、シリコン酸化膜が完全にエッチングされた、すなわち終点に達した直後でのＣＦ成分の発光波形７１ｂである。エッチングの終了に伴い中間生成物ＣＦの消費量が低下し、図５（ａ）におけるやや高いピークの振幅が大きく増加しているのに対し、低いピークの振幅はほとんど変化しないことが判る。つまり、エッチングの中間生成物であるＣＦ成分の発光波形には、同じ４００ｋＨｚ成分であっても、エッチング終点時に大きく増加する成分とほとんど変化しない成分が混在していることが判る。ＣＯ成分の場合と同様、単純にロックインアンプを用いたのでは、この大きく変化する成分だけを選択的に取り出すことはできない。
【００５７】
そこで、ＣＯ成分の場合と同様、図１に示すように、サンプリング信号発生回路６９において、シグナルジェネレータ３７からの４００ｋＨｚの高周波信号に基づき、図５（ｃ）に示すようにパルス幅Δｔ、周波数４００ｋＨｚの矩形波関数から成るサンプリング信号７３を発生する。このサンプリング信号７３は図１中の位相シフタ６８により、発光波形に応じて所望の量だけ位相が調整された後、信号処理回路６１に送られる。位相の調整法は、 ＣＯ成分の場合と同様、例えばアンプ６０からの発光信号７１をオシロスコープ６６で観測し、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、終点時に大きく変化する高いピーク成分をサンプリングするように、サンプリング信号７３の位相を調整する。
【００５８】
図１中のオシロスコープ６６から位相シフタ６８へ向かうライン６７は、波形を観測しながらサンプリング信号７３の位相を調整する行為を示している。図中６８はオシロスコープに限定されるものではなく、発光波形７１ａから選択すべき発光成分の位相を検出する様々な手段を含む。例えば、２値化回路等で高いピークのみを検出してピークの位相を求める手段であってもよいし、シグナルジェネレータ３７からの高周波信号の正負のタイミングとプラズマ発光までの遅延時間を考慮して、高いピークの位相を求める手段でもかまわない。また、位相シフト量を調整して、最大振幅から少し減衰したタイミングでピーク波形を捉えたり、あるいは、４００ｋＨｚ周期の低いほうのピークを捉えることも可能である。
【００５９】
いずれにせよ、位相シフト量は、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングで発光波形がサンプリングされるように設定されることが望ましい。また、パルス幅Δｔも、同様に終点時の振幅変化が最大となる時間幅に設定されることが望ましい。信号処理回路６１では、アンプ６０からの発光信号７１に対しサンプリング信号７３が乗算され、パルス幅Δｔに対応した区間の発光ピーク、すなわち終点時に大きく変化する高いピークが選択的に検出され、出力される。
【００６０】
信号処理回路６１からの出力信号は帯域１００Ｈｚ程度のローパスフィルタ６２に送られ、図７に実線で示す発光信号８２が得られる。信号強度が急激に増加する時間ｔＥがエッチング終点に対応する。尚、破線８１は、従来の直流成分検出法による発光信号である。本実施例のように、エッチング反応が最も強く反映されるタイミング、すなわち、終点時の振幅変化が最大となるタイミングでプラズマ発光をサンプリングしてエッチング反応と同期した成分を選択的に取り出すほうが、エッチング終点時の信号変化が約２倍大きいことが判る。
【００６１】
ローパスフィルタ５７及び６２から出力される反応生成物ＣＯ及び中間生成物ＣＦの各発光信号は終点判定回路７４に送られ、両信号間で除算処理（ＣＯ発光信号／ ＣＦ発光信号）、あるいは減算処理（ＣＯ発光信号−ＣＦ発光信号）等が行われ、終点時の信号変化が強調される。図８に、ＣＯ発光信号８０（図６）をＣＦ発光信号８２（図７）で除して得られた信号波形８４を示す。破線８３は従来の直流成分検出法で得られた２つの発光信号（図６の破線７９及び図７の破線８１）同士の除算結果である。図６のＣＯ発光信号８０単独の場合に比べ、終点時の信号変化が大きくなっていることが判る。
【００６２】
さらに、同じ２つの波長で得られた発光信号間の演算処理であっても、本実施例の信号処理を用いるほうが、従来の直流成分検出法に比べ、エッチング終点時の信号変化が約２倍大きいことが判る。また、プラズマ自身の揺らぎや突発的な変動の影響は両発光信号に同じように現れるので、前記演算処理によりこれを相殺できる。２つの発光信号を使ってプラズマの揺らぎや変動を相殺する効果は、本実施例の信号処理を用いるほうが、従来の直流成分検出法に比べその効果が大きいことが実験的に確認されている。これも、本発明の大きな特徴の一つである。
【００６３】
終点判定回路７４では、信号変化点での信号強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチング終点位置が正確に決定される。例えば、図８に示すように、発光強度が閾値ＩＥ以下になった時間ｔＥを終点と判定する。閾値ＩＥは、高周波電力、圧力等の装置条件と、被加工膜の膜厚、材質、エッチングガス等のプロセス条件に応じて設定される。終点が検出されると、制御信号７４ｃに基づきパワーアンプ３８の出力を停止する。
【００６４】
本実施例の場合、反応生成物あるいは中間生成物等の発光はプラズマ励起用高周波電力に同期しているが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分とほとんど変化しない成分が混在している。従来の直流成分検出法では、この終点時に変化しない成分をも検出していた。本実施例では、プラズマ励起用高周波電力と同期した成分の中から、さらにエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出すことにより、不要成分を除去し終点時の信号変化を拡大している。その結果、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる１／ｆ雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパターンでのエッチングの進行を正確に捉えることが可能になり、高精度な終点検出が可能になる。
【００６５】
さらに、反応生成物だけでなく、中間生成物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号変化のさらなる拡大とＳＮ比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。その結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００６６】
また、パターン開口率が０．５％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【００６７】
また、反応生成物等の堆積による窓の光透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とＳＮ比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【００６８】
また、窓の光透過率低下を防止する手段を設ければ、本発明によるエッチングの終点検出方法は、更に長時間にわたって、安定に検出することができる。ここで、窓の光透過率低下を防止する手段としては、エッチング処理中に、窓の内側（処理室側）の表面近傍に、ガスを吹き付ける方法や、窓の内側に透明フィルムを貼り付けて、光の透過率が低下したらフィルムを取り替える方法、処理室内で窓の近くにオリフィスを設けて、このオリフィスを通してプラズマの発行を検出する方法などが挙げられる。
また、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【００６９】
本発明の第２の実施例を図９に基づいて説明する。発光検出光学系１０１と信号処理・判定・制御系２０２の基本構成及び機能は第１の実施例とほぼ等しい。第１の実施例のエッチング装置は、プラズマ励起用高周波電源とイオン加速用高周波電源が共用され同一周波数となっている平行平板形プラズマエッチング装置であったが、本実施例のエッチング装置は２周波電源方式と呼ばれているものであり、両者が別電源、別周波数となっている点が異なる。上部電極２には、プラズマ励起用高周波電源８５から周波数２７．１２ＭＨｚの高周波電力が、下部電極３には、イオン加速用高周波電源８６から周波数８００ｋＨｚの高周波電力が各々印加されている。エッチング反応は主として下部電極３に印加されている８００ｋＨｚの高周波電力に同期して進行する。
【００７０】
発光検出光学系１０１では、第１の実施例と同様、プラズマからの発光３１を石英窓３０を通して石英レンズ３２により結像し、石英光ファイバ５０により信号処理・判定・制御系２０２に導く。信号処理・判定・制御系２０２では、やはり第１の実施例と同様、モノクロメータ５３により反応生成物ＣＯの発光スペクトル、２１９ｎｍまたは４８３．５ｎｍの波長成分が、モノクロメータ５８により中間生成物ＣＦの発光スペクトル、２６０ｎｍの波長成分が各々検出され、光電変換素子５４、５９で光電変換される。
【００７１】
サンプリング信号発生回路６９では、イオン加速用高周波電源８６から分岐して取り出した周波数８００ｋＨｚの高周波信号に基づき、図４（ｃ）、図５（ｃ）に示すと同様のパルス幅Δｔ、周波数８００ｋＨｚの矩形波関数から成るサンプリング信号７２、７３を発生する。以降の信号処理は、第１の実施例と全く同一であり、信号処理回路５６、６１にて、サンプリング信号７２、７３に基づき、反応生成物ＣＯの発光信号及び中間生成物ＣＦの発光信号の中から、エッチング反応を反映し終点時に大きく変化する振幅成分だけが選択的に取り出される。
【００７２】
ローパスフィルタ５７、６２通過後の発光信号は、図６及び図７に示すと同様であり、従来の直流成分検出法に比べ、終点時の信号変化が拡大している。さらに、終点判定回路８７にて両信号に対する除算処理等を実行することにより、図８に示すと同様、終点時の信号変化がさらに拡大された発光信号が得られる。
【００７３】
終点判定回路８７では、信号変化点での信号強度やその１次微分値、あるいは２次微分値等を予め設定しておいた閾値と比較することにより、エッチング終点位置が正確に決定される。終点が検出されると、制御信号８７ｃが図示しないエッチング装置の制御回路に送られ、これに基づき高周波電源８５及び８６の出力が停止されエッチングを終了する。
【００７４】
本実施例の場合、反応生成物あるいは中間生成物等の発光はイオン加速用高周波電力に同期しているが、同期した成分の中には、エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する成分とほとんど変化しない成分が混在している。本実施例では、イオン加速用高周波電力と同期した成分の中から、さらにエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出すことにより、不要成分を除去し終点時の信号変化を拡大している。その結果、第１の実施例と同様、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる１／ｆ雑音の影響を受けにくいだけでなく、微細なパターンでのエッチングの進行を正確に捉えることが可能になり、高精度な終点検出が可能になる。
【００７５】
さらに、反応生成物だけでなく、中間生成物についても同様の振幅成分を取り出し、両信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、終点時の信号変化のさらなる拡大とＳＮ比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現でき、従来法では困難であったより微細なパターンでの終点検出が可能となる。その結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００７６】
また、パターン開口率が０．５％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【００７７】
また、反応生成物等の堆積による窓の透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とＳＮ比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【００７８】
また、第１の実施例と同様、発光検出光学系１０１を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【００７９】
本発明の第３の実施例を図１０に基づいて説明する。エッチング装置は、第２の実施例と同様、平行平板形プラズマエッチング装置であり、上部電極２には、プラズマ励起用高周波電源８５から周波数２７．１２ＭＨｚの高周波電力が、下部電極３には、イオン加速用高周波電源８６から周波数８００ｋＨｚの高周波電力が各々印加されている。エッチング反応は主として下部電極３に印加されている８００ｋＨｚの高周波電力に同期して進行する。
【００８０】
第１及び第２の実施例において、発光検出光学系はウェハ上のある１点を結像する構成となっていたが、本実施例の発光検出光学系１０２では、プラズマからの発光２０をガルバノミラー２３等の走査形ミラーで反射させた後、石英レンズ２４により石英光ファイバ５０の入射端２５に結像させる。プラズマ発光領域中でウェハ４上のある一点２１と石英光ファイバ５０の入射端２５とが結像関係にある。ガルバノミラー２３を駆動系２２により高速に回転走査することにより、ウェハ4上の複数点（黒丸）からの発光を石英光ファイバ５０の入射端２５上に逐次結像させることができる。
【００８１】
すなわち、ウェハ上の複数点での発光をほぼ同時に検出することが可能となる。発光検出光学系１０２と信号処理・判定・制御系２０３の構成、機能は、ガルバノミラー２３の駆動制御と、時系列的に得られる各点での発光信号の並べ替え制御が付加された点を除き、第２の実施例と同等である。石英光ファイバ５０で検出された発光は信号処理・判定・制御系２０３において、第１及び第２の実施例と同様の信号処理を施され、最終的に、終点判定・制御回路８８にて、ガルバノミラー２３の駆動と同期して、ウェハ上の各点でのエッチング終点が検出される。例えば、最も遅い終点が検出された時点で、制御信号８８ｃに基づき高周波電源８５及び８６の出力が停止される。
【００８２】
本実施例によれば、第1及び第２の実施例と同様の効果が得られるだけでなく、ウェハ上の任意の１点もしくは複数点でのプラズマ発光をほぼ同時に計測し、その中から、エッチング反応をより正確に反映した位置での検出信号を選択し、終点判定を実行することにより、微小開口パターンでの終点判定精度が向上する。その結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。また、各点での発光信号強度のばらつきや終点時間のばらつきから、プラズマ密度の面内ばらつき、被加工膜厚ばらつき、エッチングレートばらつき等の診断とその結果に基づく装置へのフィードバックが可能である。
【００８３】
本発明の第４の実施例を図１１に基づいて説明する。エッチング装置は、第１の実施例と同様、平行平板形プラズマエッチング装置であり、プラズマ励起用高周波電源とイオン加速用高周波電源は共用され、周波数は４００ｋＨｚである。発光検出光学系１０１の構成と機能は第１の実施例と全く同じであり、また信号処理・判定・制御系２０４も、石英光ファイバ５０から終点判定回路８９までの構成と機能は第１の実施例と全く同じであるので、説明を省略する。
【００８４】
本実施例では、第１〜第３の実施例のように検出されたエッチング終点に基づいて高周波電源（パワーアンプ）の出力を停止するのではなく、終点時間は被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチングレート等のプロセス条件及び装置条件から予め設定しておく。本実施例では、実測されたエッチング終点と設定されたエッチング時間との差を常時観測することによる、ウェハごとのオーバーエッチング時間の管理と、膜厚、エッチングレート等の異常の検出を目的とする。このため、本実施例の信号処理・判定・制御系２０４は、第１の信号処理・判定・制御系２０１に、終点制御ユニット９１及び終点管理ユニット９３が付加された構成となっている。
【００８５】
以下、詳細を説明する。終点制御ユニット９１は、被加工膜厚、圧力、エッチングガス、エッチングレート等のプロセス・装置条件９２に基づき、エッチング時間ｔＥＰを設定し、パワーアンプ３８に制御信号９１ｃを送って高周波電力を出力させ、エッチングを開始する。同時に設定したエッチング時間情報９２ａを終点管理ユニット９３に送る。設定されたエッチング時間が来ると、制御信号９１ｃに基づきパワーアンプ３８の出力を停止する。終点判定回路８９では、図１２に示すように、各ウェハごとに検出された発光信号９６〜９９から終点ｔａ、ｔｂ、ｔｃを各々求め、この終点時間情報９０を終点管理ユニット９３に送る。
【００８６】
終点管理ユニット９３では、各ウェハ単位、あるいはロット単位の被加工膜厚情報・エッチングレート情報９４を参照して、図１２に示すように、ウェハごとに設定エッチング時間ｔＥＰと実際のエッチング終点時間ｔａ、ｔｂ、ｔｃとを比較し、異常の有無を判定する。例えば、設定エッチング時間ｔＥＰに対し、ΔｔＥＰをオーバーエッチング時間の許容限界とする。発光信号98の終点ｔｃに対するオーバーエッチング時間Δｔｃは許容範囲に入っているが、発光信号９６、９７に対するオーバーエッチング時間Δｔａ、Δｔｂは許容範囲を超えている。この場合には、終点管理ユニット９３から異常が、例えば警報ランプの点滅や、警報ブザーによる警報音の発信、表示画面上への異常の表示、または、外部制御手段や外部装置へのアラーム信号の発信などが発報される。
【００８７】
また、波形９９は、設定エッチング時間ｔＥＰ内で終点に至っていない。この場合も異常が発報される。波形９６、９７に対応するウェハはラインより排除されて、下地膜の状態がチェックされ、、また、波形９９に対応するウェハは残膜測定後、追加エッチングを行う。
【００８８】
終点管理ユニット９３では、さらに、被加工膜厚情報・エッチングレート情報９４に基づき、各ウェハあるいは各ロットごとに終点の予測値を求め、その予測値と実測値ｔａ、ｔｂ、ｔｃとを比較し、その差がある許容範囲を超えた場合には、突発的な膜厚異常、あるいはエッチレート異常が生じているとして、異常を発報する。
【００８９】
本実施例によれば、第1及び第２の実施例と同様、微細なパターンのエッチングにおいて高精度な終点検出が可能となるため、ウェハごとのオーバーエッチング時間の管理と、膜厚、エッチングレート等の異常の検出が可能となる。その結果、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００９０】
本発明の第５の実施例を図１３に基づいて説明する。本実施例では、先に述べた４つの実施例に基づく発光検出光学系１０１〜１０２と信号処理・判定・制御系２０１〜２０４から成るエッチング終点検出装置を半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程に導入する。図１３に示すように、まず、膜付け装置３０１により、半導体ウェハ上にシリコン酸化膜等の被加工膜が形成される。
【００９１】
膜厚測定装置３０２により、ウェハ上複数点での膜厚が測定された後、レジスト塗布装置３０３により、レジストが塗布される。露光装置３０４により、レチクルやマスク上の所望の回路パターンが転写される。露光された半導体ウェハは、現像装置３０５で転写パターンに対応したレジスト部が除去される。エッチング装置３０６では、このレジストパターンをマスクとしてレジスト除去部の被加工膜がエッチングされる。エッチング中に生じる反応生成物や中間生成物の発光スペクトルは発光検出光学系１０１〜１０２で検出され、信号処理・判定・制御系２０１〜２０４で発光信号からエッチング終点が検出されると、制御信号２００ｃに基づきエッチング装置３０６の高周波電源の出力を停止する。エッチング終了後の半導体ウェハはアッシング装置３０７に送られ、レジストが除去された後、洗浄装置３０８により洗浄される。
【００９２】
本実施例によれば、ホトリソグラフィ工程中のエッチング装置に、先に述べた実施例に基づく発光検出光学系１０１〜１０２と信号処理・判定・制御系２０１〜２０４から成るエッチング終点検出装置を用いることにより、エッチング終点検出精度が向上し、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれ、ダメージが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能となる。
【００９３】
また、パターン開口率が０．５％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチングレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【００９４】
さらに、第４の実施例と本実施例とを組み合わせ、図１２に示す検出波形と終点時間の変動を観測することにより、膜厚ばらつきの増加、エッチングレートの変動、あるいはエッチング条件の誤設定、さらには、露光・現像工程での露光過不足、現像過不足等を検知することが可能となる。その結果、膜付け装置３０１、エッチング装置３０６、露光装置３０４、現像装置３０５の不具合を早期に発見することができ、それぞれに対し、図１３中のライン３１１、３１２、３１３、３１４に示すように、早期に対策をすることが可能となるため、不良製品の発生防止と歩留まりの向上を図ることが可能となる。
【００９５】
尚、以上の実施例では、プラズマ励起用高周波電力は４００ｋＨｚ、あるいは２７．１２ＭＨｚとし、イオン加速用高周波電力は４００ｋＨｚ、あるいは８００ｋＨｚとしたが、本発明はこれらの周波数に限定されるものではなく、周期的なプラズマ発光が観測されうる帯域の周波数であれば、１３．５６ＭＨｚ等他の周波数に対しても適用可能であるし、また、検出の際は、これらの周波数と同期した成分だけでなく、その整数倍の成分を検出することも可能である。
【００９６】
また、以上の実施例では、２つの波長は２１９ｎｍと２６０ｎｍとしたが、これらの波長は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。エッチング反応を反映した、すなわちエッチング終点時に変化の現れる波長であれば、いかなる波長も適用可能である。
【００９７】
また、以上の実施例では、反応生成物と中間生成物に対応した２つの波長の発光信号から終点を検出しているが、本発明は２波長に限定されるものではなく、３つ以上の波長に対しても適用可能である。また、終点時に十分な信号変化が検出される場合は１波長のみであってもかまわない。
【００９８】
また、以上の実施例では、２つの波長の発光信号の両者に対してエッチング反応を反映した成分を取り出す信号処理を施したが、どちらか一方のみに信号処理を施し、他方は従来の直流成分検出法を適用することも可能である。
【００９９】
また、以上の実施例では、酸化膜エッチングを例にとり説明したが、本発明はアルミニウム等の金属やポリシリコン、シリコンナイトライド（Ｓｉ３Ｎ４）等のエッチングに対しても適用可能である。
また、以上の実施例では、発光信号からエッチング反応が反映された成分だけを選択的に取り出す方法として、矩形波関数のサンプリング信号を用いたが、これに限定されるものでなく、コム関数（インパルス列）から成るサンプリング信号を用いることも可能である。また、ハイパスフィルタ等により発光信号から直流成分を除去した後、発光信号の変調成分の振幅のみ（交流成分）をサンプリングすることも可能である。
【０１００】
また、以上の実施例では、エッチング装置は平行平板形プラズマエッチング装置としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、各種のエッチング装置、例えばＥＣＲエッチング装置、あるいはマイクロ波エッチング装置等にも適用可能であることは言うまでもない。
【０１０１】
更に、前記実施例では、本発明のエッチング装置への適用例について説明したが、本発明はエッチング処理の終点検出あるいはプラズマ発光計測に限定されるものではなく、プラズマ処理が進行するに従い、発光スペクトル強度が変化するような各種プラズマ処理装置、例えばスパッタ処理装置やプラズマＣＶＤ装置の終点検出あるいはプラズマ発光計測に適用することが可能である。また、被処理体も半導体ウェハに限定されるものではなく、液晶表示装置用基板、半導体レーザ素子等、その製造工程においてプラズマ処理が施される様々な素子、材料にも適用される。
【０１０２】
【発明の効果】
本発明によれば、反応生成物や中間生成物等の複数の発光信号から、エッチング反応を強く反映した、すなわちエッチング終点時に大きく変化する振幅成分だけを選択的に取り出し、複数の信号間で除算、減算等の処理を実行することにより、不要成分を除去し、終点時の信号変化を大幅に拡大できる。その結果、従来法では困難であったより微細なパターンにおける終点時の微弱な信号変化を明瞭に捉えることが可能になり、高精度な終点判定が可能になる。
【０１０３】
また、本発明によれば、ゆるやかなプラズマ発光の変動等いわゆる１／ｆ雑音の影響が受けにくいだけでなく、ＳＮ比の向上、さらには突発的なプラズマの変動の相殺が実現できるという効果を有する。
【０１０４】
さらに、本発明によれば、エッチング不足による膜残りや、オーバエッチングによる下地膜のけずれが低減する。これにより、ホトリソグラフィ工程中のエッチング起因の不良を低減することが可能となり、高品質の半導体素子の製造が可能になるという効果を有している。
【０１０５】
また、本発明によれば、パターン開口率が０．５％あるいはそれ以下の微小なコンタクトホールのエッチングでは、現状、終点検出が困難なため、エッチング途中でエッチレートと残膜厚を測定し、残りのエッチングを時間管理で終了させている。このように、エッチング途中で余分な先行作業が入るため、エッチング工程のスループットが低下していた。しかし、本実施例によれば、常に高い精度で終点検出が可能となるため、このような先行作業が不要となり、エッチング工程の生産性が向上し、製造ライン全体の自動化も可能となる。
【０１０６】
また、本発明によれば、反応生成物等の堆積による窓の透過率低下に対しても、終点時の信号変化の拡大とＳＮ比の向上により、安定検出稼動時間が従来法よりも増加するという効果がある。
【０１０７】
また、発光検出光学系を結像光学系として構成することにより、ウェハ上の限られた領域の発光成分を検出することができるため、被加工膜厚の面内ばらつきやエッチングレートの面内ばらつきに起因した終点検出信号の鈍りを低減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図２】石英光ファイバの入射端の形状を示す図である。
【図３】石英光ファイバ束の断面形状を示す図である。
【図４】エッチング最中の波長２１９ｎｍのＣＯ成分の発光波形（ａ）と、終点に達した直後の発光波形（ｂ）と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形（ｃ）を示す図である。
【図５】エッチング最中の波長２６０ｎｍのＣＦ成分の発光波形（ａ）と、終点に達した直後の発光波形（ｂ）と、矩形波関数から成るサンプリング信号の波形（ｃ）を示す図である。
【図６】信号処理後（実線）と従来法（破線）のＣＯ成分の発光信号を示す図である。
【図７】信号処理後（実線）と従来法（破線）のＣＦ成分の発光信号を示す図である。
【図８】信号処理後（実線）のＣＯ発光信号をＣＦ発光信号で除して得られた信号波形と、従来法（破線）での信号波形を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１０】本発明の第３の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施例におけるエッチング装置とエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１２】各ウェハごとに検出された発光信号を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施例において、エッチング終点検出装置が導入された半導体製造ラインのホトリソグラフィ工程を示す図である。
【図１４】プラズマエッチング装置と従来のエッチング終点検出装置を示す図である。
【図１５】従来のエッチング終点検出装置による、活性種の発光強度の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１…処理室、２…上部電極、３…下部電極、４…半導体ウェハ、５、８５、８６…高周波電源、６…プラズマ、７…窓、８、２０、３１…プラズマ発光、９、５３、５８…分光噐（モノクロメータ）、１０…活性種発光成分、１１、５４、５９…光電変換素子、１２、５５、６０…アンプ、１３…終点判定ユニット、１４…電源制御装置、１５、１６…活性種発光強度の時間波形、２３…ガルバノミラー、２４、３２…石英レンズ、３０…石英窓、３７…シグナルジェネレータ、３８…パワーアンプ、３９…分配器、５０…石英光ファイバ、５６、６１…信号処理回路、５７、６２…ローパスフィルタ、６９…サンプリング信号発生回路、６５、６８…位相シフタ、７６…ファイバ束、７０… ＣＯ成分の発光波形、７１… ＣＦ成分の発光波形、７２、７３…サンプリング信号、７４、８７、８９…終点判定回路、８０…信号処理後のＣＯ成分の発光信号、８２…信号処理後のＣＦ成分の発光信号、８４、９６、９７、９８、９９… ＣＯ発光信号／ＣＦ発光信号処理後の信号波形、８８…終点判定・制御回路、９１…終点制御ユニット、９３…終点管理ユニット、１０１、１０２…発光検出光学系、２０１、２０２、２０３、２０４…信号処理・判定・制御系、３０１…膜付け装置、３０２…膜厚測定装置、３０３…レジスト塗布装置、３０４…露光装置、３０５…現像装置、３０６…エッチング装置、３０７…アッシング装置、３０８…洗浄装置。
【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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【図１４】
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【図１５】
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