(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体をプラズマを用いてエッチングする際に、光検出手段によりプラズマの発光スペクトルを逐次検出し、発光スペクトルの変化に基づいてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理体のエッチングに先立って予め上記被処理体と同一種の被処理体をエッチングし、その際のプラズマから得られるフルスペクトルを逐次測定する工程と、エッチング終了までに上記測定により逐次蓄積されたフルスペクトルを構成する各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを変数とする分散共分散行列を求め、この分散共分散行列に基づいて主成分分析を行って固有値及びこれに対応する固有ベクトルの各成分を重み係数とする主成分を求める工程と、を有し、且つ、実際に被処理体をエッチングする時にはその時のプラズマから逐次測定されるフルスペクトル毎にそれぞれのフルスペクトルを構成する各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを、上記主成分分析によって得られた上記主成分の各変数に逐次代入してそれぞれの主成分得点を求める工程と、上記各主成分得点の経時的な変化に基づいて上記エッチングの終点を検出する工程と、を有することを特徴とする終点検出方法。
【請求項２】
上記主成分の最大のものが第一主成分であり、上記主成分得点が上記第一主成分の各変数に上記各発光強度データを代入して求められる第一主成分得点であることを特徴とする請求項１に記載の終点検出方法。
【請求項３】
上記第一主成分得点の微分値を用いて終点を検出することを特徴とする請求項２に記載の終点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被処理体をプラズマを用いてエッチングする際の終点検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いたエッチング方法は、従来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、互いに平行に配設された上部電極と下部電極を備え、下部電極に半導体ウエハを載置した状態で上部電極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理体を所定のパターンに即してエッチングする。
【０００３】
エッチングの終点検出方法には質量分析、発光分光分析等の機器分析手法が用いられており、それらの中でも比較的簡易で高感度なプラズマの発光分光分析が終点検出方法として広く用いられている。この発光分光分析法でのプラズマの発光測定方法は、エッチング用ガスとその分解生成物や反応生成物などのラジカルやイオン等の活性種から最も観察し易い特定の活性種を選択し、選択された特定波長の発光強度を測定する方法である。例えば、ＣＦ４等のＣＦ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*の特定波長（４８３.５ｎｍ等）を検出し、また、ＣＦ４等のＣＦ系のエッチング用ガスを用いてシリコン窒化膜をエッチングする場合にはその反応生成物であるＮ*の特定波長（６７４ｎｍ等）を検出し、それぞれの検出強度の変化点に基づいて終点を検出している。このように従来の終点検出方法はエッチングプロセスに即して終点検出に用いる波長を変えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の終点検出方法の場合には、プラズマから放射される発光スペクトルのうち、特定波長のみをモニターしながら終点の検出を行っているため、プロセス毎に特定波長を探し出さなくてはならず、しかも低開口のエッチングでは特定波長の発光強度の変化が小さく、Ｓ／Ｎ比が悪くなり正確な終点検出が難しくなるという課題があった。
【０００５】
米国特許第５２８８３６７号明細書には、主成分分析の手法を用いて発光スペクトルの特定波長を自動的に決定し、その特定波長に基づいて終点を検出する方法が提案されている。この方法の場合には、特定波長を自動的に決定することができるものの、特定波長を用いて終点を検出する点では従来の終点検出方法と変わらない。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、プラズマから得られるフルスペクトルの各発光スペクトルの発光強度データを主成分分析することにより、低開口のエッチングであってもノイズの影響を殆ど受けることなく確実に終点を検出することができる終点検出方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の終点検出方法は、被処理体をプラズマを用いてエッチングする際に、光検出手段によりプラズマの発光スペクトルを逐次検出し、発光スペクトルの変化に基づいてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理体のエッチングに先立って予め上記被処理体と同一種の被処理体をエッチングし、その際のプラズマから得られるフルスペクトルを逐次測定する工程と、エッチング終了までに上記測定により逐次蓄積されたフルスペクトルを構成する各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを変数とする分散共分散行列を求め、この分散共分散行列に基づいて主成分分析を行って固有値及びこれに対応する固有ベクトルの各成分を重み係数とする主成分を求める工程と、を有し、且つ、実際に被処理体をエッチングする時にはその時のプラズマから逐次測定されるフルスペクトル毎にそれぞれのフルスペクトルを構成する各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを、上記主成分分析によって得られた上記主成分の各変数に逐次代入してそれぞれの主成分得点を求める工程と、上記各主成分得点の経時的な変化に基づいて上記エッチングの終点を検出する工程と、を有することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項２に記載の終点検出方法は、請求項１に記載の発明において、上記主成分の最大のものが第一主成分であり、上記主成分得点が上記第一主成分の各変数に上記各発光強度データを代入して求められる第一主成分得点であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項３に記載の終点検出方法は、請求項２に記載の発明において、上記第一主成分得点の微分値を用いて終点を検出することを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図５に示す実施例の基づいて本発明を説明する。
まず、本発明の終点検出方法が適用されたエッチング装置の一例について図１を参照しながら説明する。図１に示すエッチング装置１０は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなる処理室１１と、この処理室１１内の底面に配設され且つ被処理体としての半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた下部電極１２と、この下部電極１２の上方に所定の間隔を隔てて配設され且つエッチング用ガスの供給部を兼ねた中空状の接地された上部電極１３とを備えている。処理室１１の上面には上部電極１３に連通させたガス供給管１４が接続され、ガス供給管１４及び上部電極１３を介してガス供給源（図示せず）から処理室１１内へエッチング用ガスを供給する。処理室１１の側面には図示しない真空排気装置に連結されたガス排出管１５が接続され、真空排気装置及びガス排出管１５を介して処理室１１内を減圧して所定の真空度に保持する。下部電極１２には高周波電源１６が接続され、高周波電源１６から下部電極１２へ高周波電圧を印加し両電極１２、１３間でエッチング用ガスのプラズマを発生させ、下部電極１２上の半導体ウエハＷ表面を所定のパターンでエッチングする。
【００１３】
上記処理室１１の周面の一部には石英ガラス等の透明体からなるモニター用の窓１７が取り付けられ、処理室１１内のプラズマから放射される発光スペクトルを窓１７から採光し発光スペクトルを介してエッチングの進捗状況をモニターする。この窓１７には光ファイバー１８を介してポリクロメータ１９が接続され、光ファイバー１８を介して採光された発光スペクトルをポリクロメータ１９において逐次検出し、発光スペクトルを波長毎に瞬時に分光し、全ての波長をフルスペクトルとして得ることができる。ポリクロメータ１９は例えばグレーティングとダイオードアレイあるいはＣＣＤとを組み合わせて構成されている。このポリクロメータ１９には終点検出装置２０が接続され、後述するように終点検出装置２０においてポリクロメータ１９から得られたスペクトルデータを処理し、処理データに基づいてエッチングの終点を検出し、終点検出装置２０に接続された制御装置２１を介して高周波電源１６をＯＮ、ＯＦＦ制御する。この際、測定結果は必要に応じて例えば図２に示すような発光スペクトルとして表示装置へ表示したり記録紙へ出力したりする。図２に示す発光スペクトルはシリコン酸化膜をエッチングした場合に得られたもので、実線がエッチング開始直後のフルスペクトルを示し、破線がオーバーエッチング時のフルスペクトルを示している。この図２は波長２００ｎｍから９５０ｎｍの範囲の発光スペクトルを１０２４ポイントについてポリクロメータ１９で得られたものである
【００１４】
上記終点検出装置２０は、例えば主成分分析等の多変量解析を用いて、ウエハをエッチングする際にプラズマから得られる発光スペクトルの発光強度データを分析し、エッチングの終点を検出するようにしてあり、本実施形態では主成分分析用ソフトを用いて終点を検出するようにしてある。
【００１５】
上記主成分分析の手法を用いて終点検出を行う場合には、予めサンプルウエハをエッチングし、エッチング開始時からオーバエッチングまでのフルスペクトルを逐次測定し、逐次測定されたフルスペクトルの各波長それぞれの発光強度をフルスペクトル毎に蓄積する。次ぎに主成分分析を行うが、主成分分析ではフルスペクトルの各波長の発光強度が主成分分析の変数として使用され、逐次測定された各フルスペクトルの測定数が主成分分析のサンプル数として使用される。この主成分分析によりフルスペクトルの各波長の発光強度データの重みを固有ベクトルとして求める。
【００１６】
例えばｔ秒後に測定されるフルスペクトルのｉ番目の波長の発光スペクトルの発光強度データを変数ｘi(t)と定義し、その係数をａiすると、フルスペクトルデータの各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを主成分分析することによって得られる主成分ｚ(t)は次式で表され、下記の主成分ｚ(t)にｔ秒後のフルスペクトルの各波長の発光強度データをそれぞれ代入することによってｔ秒後の主成分得点が得られる。
ｚ(t)＝ａ1ｘ1(t)＋ａ2ｘ2(t)＋・・・＋ａｎｘn(t)
この式はフルスペクトルの各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データにその波長の重み係数を掛けたものの加算値（以下、便宜上「スペクトル強度」と称す。）になっている。発光強度を表す変数ｘi(t)の経時的な変動が大きいほど終点検出での役割が重く、このような波長ほどその重み係数ａiの値が大きくなる。従って、主成分得点は変数ｘi(t)の重み係数ａiを反映した各発光強度データの加算値になり、特定の複数の波長の発光強度を加算したデータより大きな値を得ることができる、終点近傍では主成分得点ｚ(t)の変化が顕著になり、スペクトル強度の時間的変化が明瞭になり、終点検出が容易になる。
【００１７】
主成分分析を行うには、まず、サンプルウエハのエッチングにより得られたスペクトルデータの各変数の分散共分散行列を求める。次いで、分散共分散行列に基づいて固有値及び固有ベクトルを求める。固有値は変数の数に対応して存在し、各固有値に対してそれぞれの固有ベクトルが存在する。固有値の大きさ順に対応する固有ベクトルから得られる主成分は、固有値の大きさ順に、第一主成分、第二主成分、・・・第ｎ主成分として得られる。通常、主成分の次数が高いほど寄与率が低くなり、その利用価値が薄れる。
【００１８】
そこで、本実施形態では寄与率が最も高い第一主成分を終点検出に用いる。第一主成分の固有ベクトルは上述のように固有値の最も大きな値を用いて算出され、例えば固有ベクトル（ａ1,ａ2,・・・,ａn）として求めることができる。例えば図２に示す発光スペクトルのフルスペクトルの各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データに対応する第一主Ｌ成分の各係数、即ち重み係数ａｉは図３に示すようにマイナス側及びプラス側に変動して複数のピークを生成し、第一主成分の各変数の重み係数を一目瞭然に知ることができる。図３では大きなピーク等複数のピークが認められ、複数の係数が終点検出に利用され、終点検出に利用できる特定波長を簡単に探し出すことができる。このピークに該当する波長を特定波長として追跡すれば、従来の終点検出を行うことができる。しかしながら、特定波長の追跡では前述したようにＳ／Ｎ比が悪化し終点を検出できないことがある。尚、図３では第一主成分の係数を主成分係数として示してある。
【００１９】
本実施形態ではフルスペクトルの全ての波長の発光スペクトルの発光強度データをそれぞれの重み係数（固有スペクトルの成分）を加味して加算したスペクトル強度を第一主成分得点として求め、第一主成分得点の経時的な変化に基づいて終点の検出を行う。即ち、実際のウエハのエッチングに先立ってサンプルウエハのスペクトルデータから第一主成分ｚ(t)を上述のように求めた後、実際のエッチング時にポリクロメータ１９によりフルスペクトルを逐次測定し、測定されたフルスペクトルの各波長の発光スペクトルの発光強度データそれぞれを第一主成分ｚ(t)の変数ｘ1(t)、ｘ2(t)、・・・、ｘn(t)に代入して測定毎に第一主成分得点を得る。発光スペクトルのノイズはエッチングの進捗状況と関係なく生成するが、主成分分析を用いることで、フルスペクトルの各波長の発光スペクトルの発光強度データの加算値の変化を観るため、ノイズの影響を軽減することができ、ノイズの影響を殆ど受けないでエッチングの終点の検出を行うことができる。
【００２０】
上述のようにして得られた第一主成分得点をエッチング開始時から時間を追って追跡すると第一主成分得点は例えば図４に示すように変化する。図４によれば、第一主成分得点はエッチング開始後６０秒程度までは緩やかに下降しているが、６０秒から１２０秒程度の間では急激に下降し、１２０秒を境にその後は再び緩やかに下降している。従って、この場合にはエッチング開始後１２０秒程でエッチングが終了していることになる。このように第一主成分得点が二度変化した時には、終点検出装置２０では二度目の変化点をエッチングの終点と判断し、終点検出装置２０から終点信号を制御装置を介して高周波電源１６に送信し、エッチングを終了する。
【００２１】
また、エッチング中に第一主成分得点の一次微分値を逐次演算し、その演算結果に基づいて終点を検出することができる。図５からも明かなように図４の６０〜１２０秒に該当する区間で一次微分値が大きく変動し、図４の場合よりも終点検出が容易になっている。
【００２２】
以上説明したように本実施形態によれば、予めサンプルウエハを用いてそのウエハの主成分分析を行って第一主成分の固有ベクトルを求めた後、ウエハをエッチングする際には発光スペクトルのフルスペクトルを逐次測定し、フルスペクトルの各波長の発光強度データを第一主成分の変数として代入して第一主成分得点を算出し、この算出値の経時的な変動を追跡してエッチングの終点を検出するようにしたため、エッチング時に逐次測定されたフルスペクトルのうち、発光強度データの変化が大きく終点検出の検出に役立つ複数の波長をそれぞれの固有ベクトルの成分により重み付けした第一主成分に基づいてスペクトル強度（第一主成分得点）を求めることができ、エッチングプロセスが変わる度に特定のスペクトルを合わせて分光器を設定する必要がなく、低開口のエッチングであっても、第一主成分得点が経時的に変化してエッチングの終点が明瞭になり、終点を簡単且つ確実に検出することができる（図４参照）。また、第一主成分ではフルスペクトル中のノイズは殆ど無視されるため、第一主成分得点（スペクトル強度）ではノイズを軽減しその影響を殆ど受けない状態で終点検出を行うことができる。更に、第一主成分の固有ベクトルを求め、固有ベクトルの成分の大きさを比較することによって終点検出に利用できる波長を簡単に見つけることができる（図３参照）。
【００２３】
また、本実施形態によれば、第一主成分得点の一次微分値を求めることにより、エッチングの終点をより確実且つ容易に検出することができる（図５参照）。
【００２４】
尚、上記実施形態では、主成分分析を用いて行うウエハのエッチングの終点検出について説明したが、その他の多変量解析の手法を用いて終点検出を行うことができ、また、ウエハ以外のＬＣＤ用基板等の被処理体についても本発明を適用することができる。要は、ウエハ等の被処理体のエッチングに先立って予め被処理体と同一種の被処理体をエッチングし、その際のプラズマが発光するフルスペクトルを逐次測定する工程と、エッチング終了までに上記測定により逐次蓄積されたフルスペクトルを構成する各発光スペクトルそれぞれの発光強度のデータを上記エッチングの終点を求めるための変数として用いて主成分分析を行って一つの主成分を求める工程とを有し、且つ、実際のエッチング時には逐次測定されるフルスペクトル毎にそれぞれのフルスペクトルを構成する各発光スペクトルの発光強度データを、上記主成分分析によって得られた上記一つの主成分に逐次代入してそれぞれの主成分得点を求める工程と、上記各主成分得点の経時的な変化に基づいて上記エッチングの終点を検出する工程とを有する終点検出方法であれば、本発明に包含される。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、予めプラズマから得られるフルスペクトルの各波長の発光スペクトルそれぞれの発光強度データを変数とする分散共分散行列を求め、この分散共分散行列に基づいて主成分分析を行って固有値及びこれに対応する固有ベクトルの各成分を重み係数とする主成分、例えば第一主成分を求めておき、この第一主成分の各変数に、実際のエッチングによって得られる各波長の発光スペクトルの発光強度データをそれぞれ代入して第一主成分得点を得て、第一主成分得点の経時的変化に基づいてエッチングの終点を検出しているので、エッチングプロセスが変わる度に特定スペクトルに合わせて分光器を設定する必要がなく、また、フルスペクトルの各波長の発光スペクトルの発光強度データの加算値の変化を観るため、部分的な波長の発光スペクトルの発光強度データの変化を観るよりも変化が顕著であり、低開口のエッチングであってもノイズの影響を殆ど受けることなく確実に終点を検出することができる終点検出方法を提供することができる。
【００２６】
また、本発明の請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の発明において、第一主成分得点の微分値を用いて終点を検出するため、より簡単且つ確実に終点を検出することができる終点検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の終点検出方法を適用するプラズマ処理装置の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示すポリクロメータにより測定された発光スペクトルの一例を示す図である。
【図３】図２に示す発光スペクトルの各波長に対応する第一主成分の係数（固有ベクトル）を示す図である。
【図４】図２に示す発光スペクトルの第一主成分得点の時間変動を示すグラフである。
【図５】図４に示す第一主成分得点の一次微分値の時間変動を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ エッチング装置
１１ 処理室
１２ 上部電極
１３ 下部電極
１６ 高周波電源
１９ ポリクロメータ（光検出手段）
２０ 終点検出装置
Ｗ ウエハ（被処理体）
【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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