JP5192850B2 - エッチング終点判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、エッチング終点判定方法に係り、特にプラズマ放電を用いたエッチング処理の終点を高精度に判定することのできるエッチング終点判定方法に関する。

半導体ウエハのドライエッチング処理においては、プラズマ発光中の特定波長の光の発光強度が特定の膜のエッチングの進行に伴い変化する。そこで、半導体ウエハのエッチング処理中にプラズマ発光中の特定波長の光の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点を検出することができる。

例えば、特許文献１には、被エッチング材をエッチングするときにエッチング装置内で発生するプラズマ発光信号を取得し、取得した信号に対して多項式による線形モデルまたは非線形モデルを求める。その後、前記信号と求めたモデルの計算値との誤差を求め、この誤差の時間変化率が所定のしきい値を超えたときをエッチングの終点として検出することが示されている。
特開２００４−７９７２７号公報

近年では、半導体ウエハにおける加工寸法の微細化、高集積化に伴い、開口率（半導体ウエハの面積に対する被エッチング面積の比）が小さくなってきた。このため、エッチング終点付近におけるプラズマからの発光強度変化は微小なものとなっている。また、エッチングによる加工寸法の精度はますます厳しくなっている。

例えば、エッチングの終点判定において、終点判定時間が数秒遅れるだけでも、エッチングを施したい膜の下層にある膜が過剰にエッチングされ、加工寸法の乱れあるいはサイドエッチング（横方向への過剰なエッチング）が施されて、加工形状が悪化する。

このような寸法乱れや形状悪化を回避するためには、エッチング終点付近の微小な発光強度変化を確実にかつ早い段階で検出し、次のオーバーエッチングと言われる被エッチング膜の残滓等を取り除く工程に移ることが必要である。

発光強度の変化が微小になると、発光強度の変化を、例えば多項式による線形モデルを使用して検出する場合などでは、誤差として信号成分方向を含んで検出しているため、低開口率の場合などでは信号に含まれるノイズ成分の影響を受けやすく、エッチング終点を確実にしかも早い段階で検出することは困難である。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、エッチング終点を確実にかつ早い段階で検出してエッチング終点を判定することのできるエッチング終点判定技術を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空処理室にガス導入手段を介して処理ガスを導入し、導入した処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて前記処理室内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマエッチング装置におけるエッチング処理の終点を判定するエッチング終点判定方法において、前記真空処理室内に生成されたプラズマの発光のうち予め設定された波長の光を抽出し、抽出された前記特定波長の光の発光強度を時系列データとして取得し、取得した時系列データをもとに回帰直線を演算するステップと、該ステップにより求めた回帰直線と前記時系列データとの時間軸方向の距離を演算するステップとを備え、該ステップにより求めた時間軸方向の距離をもとにエッチング処理の終点を判定する。

本発明は、以上の構成を備えるため、エッチング終点を確実にかつ早い段階で検出してエッチング終点を判定することのできるエッチング終点判定技術を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るエッチング終点判定装置を説明する図である。エッチング装置１０１は真空容器１０２を備えており、真空容器１０２の内部には、図示しないガス導入手段を介してエッチングガスを導入し、さらに導入したエッチングガスにマイクロ波電力等を供給して、エッチングガスを分解してプラズマを生成し、このプラズマを用いて前記真空容器内に収容されたウエハ等の試料にエッチング処理を施す。

エッチング処理中に前記真空処理室内に発生したプラズマの特定波長の発光を分光器により分光し、分光により得られた特定波長の信号成分は演算部１０５に取り込まれる。ここで、演算部１０５はたとえばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などにより構成される。

取り込まれた信号は、まず回帰直線演算器１０６により回帰直線式が導き出される。このとき取り込まれた信号は時間軸方向の変化を際立たせるため、ゲイン（信号強度を増幅もしくは減衰させる）処理を施すのが望ましい。

次に、距離演算器１０７により、最新に得られた信号から過去のある時点までに得られた信号と、演算により求められた回帰直線（前記回帰直線式により示される）との距離を演算する。

このとき演算に使用される信号数は任意に設定できる。また算出された回帰直線の傾きの値を保持する直線傾き保持器１０８、および演算器１０９を備え、演算器１０９は、距離演算器１０７により求められた値（距離）と直線傾き保持器に保持されている値（傾き）を演算して、距離の時間方向成分を求める。終点判定器１１０は、前記演算器１０９の演算結果を監視し、演算結果が予め設定した判定レベルを超えるとき終点判定信号を出力する。この終点判定信号は表示器１１１に表示する。

図２は、エッチングの終点を演算する演算部１０５の処理を説明する図である。まずエッチング処理に伴うプラズマ発光のうちの特定波長の光を分光器により時系列データとして取り出し、取り出したデータを演算部１０５に入力する（ステップＳ２００）。

入力された時系列データは、まずゲイン演算器によりゲイン処理が行われる。ゲイン処理ではたとえば０．００１倍に信号波形を縮小させることで、時間軸方向成分の変化を顕著に表すことができるようになる。なお、このデータ次の回帰直線を求める信号点数および回帰直線からの距離を求めるために必要な距離演算信号数よりも多くなければならない（ステップＳ２０１）。

得られた信号数がそれら必要な信号数以上になり、また所定の判定開始時間が経過したとき、回帰直線を求める演算処理を行う。回帰直線を求める演算は、例えば最小２乗法などにより求めることができる。また、回帰直線を求める演算に使用する信号は最新の信号から任意の過去の点までとする。なお、このとき得られた回帰直線の傾きのデータは回帰直線傾き保持器１０８により保持しておく（ステップＳ２０２、Ｓ２０３，Ｓ２０４，２０５）。

次に、求めた回帰直線を使用し、過去に得られた信号との距離を求める。距離を求めるために使用する信号は最新の信号から任意の過去の点までを使用することができる。使用する信号点数Ｍはたとえば回帰直線を演算するのに使用した点数より多い点数である。

また、回帰直線からの過去のある点までの距離ｄは、回帰直線が式１で表されるとすると式２から求めることができる。なお、式２において、ｘ１、ｙｌは過去のある点でのｘ座標およびｙ座標を示す。

式２により、求められる距離は、横軸を時間軸、縦軸を信号強度とすると、時間及び信号強度の両成分をも含んでいる（ステップＳ２０６）。

エッチング処理に伴うプラズマからの信号にはノイズ成分が含まれており、このノイズ成分は縦軸の信号強度成分として現れる。このため、距離演算により得られた信号のうち時間軸方向成分ｄｔのみを抽出することにより、前記ノイズ成分による影響を低減させることができる。なお、回帰直線と前記時系列データとの時間軸方向の距離ｄｔは式３により算出することができる。

回帰直線と前記時系列データとの時間軸方向の距離ｄｔの算出処理は、任意に設定した距離算出信号点数Ｍの全てにおいて行う（ステップＳ２０７）。

次に、全ての信号において算出された回帰直線との距離における時間軸方向成分の最大値（距離最大値）の累乗演算を行う。演算方法としては、例えば入力された信号を２乗し、その演算値が任意に設定できる闇値を越えた場合終点と判定する（ステップＳ２０９，２１０）。前記累乗演算を行うことにより、信号成分をさらに増幅し、信号に含まれるノイズを減らすことができる。

図３は、エッチング処理中に得られたプラズマの発光のうち特定波長の光信号の例を示す図である。この光信号波形には、開口率の影響などからノイズ成分と見られる信号の揺らぎが多く、エッチングが進行したことによる波形の変化を捉えにくい。

図４は、回帰直線を説明する図である。回帰直線は得られた光信号波形の内、例えば最新の信号点と過去の数十個の信号点を使用して回帰直線を求める。回帰直線を算出するために使用する信号点の数は任意に設定でき、たとえば２０点などとすることができる。次に、求めた回帰直線と各信号点間の距離を演算する。回帰直線と各信号点間の距離ｄは、回帰直線から各信号点から回帰直線に向かって下ろした垂線の長さであり、その時間軸方向成分ｄｔが終点判定に必要な信号である。

図５は、回帰直線と各信号点間の距離ｄｔの演算結果を示す図である。ここでは回帰直線を求めるのに使用する信号点を２０点、距離を求めるのに使用する信号点を１００点とした場合の波形例を示す。得られた波形をもとにエッチングの終点の判定を行う。判定に使用する閾値は任意に設定できるが、閾値はエッチング終点付近での変化を正確にかつ早い段階で判定できる値であることが必要である。

図６は、図５で得られた波形に対する閾値の設定方法を説明する図である。閾値を閾値２に設定した場合と閾値１に設定した場合とでは、エッチングの終点判定に約３秒の時間差が生じる。すなわち、閾値を閾値１に設定した場合には、終点の判定時期に３秒の遅れが発生する。この場合、ウエハ面内のある点ではエッチング終点を経過して、前記３秒の間にエッチングを行いたくない面にダメージを与えることになる場合がある。

図５で得られた波形は、回帰直線と各信号点間の距離の時間軸方向成分の波形である。前述のように、回帰直線と各信号点間の距離の時間軸方向成分は信号に対するノイズの影響が少ないため閾値を閾値２に示すように低い値とすることができ、これにより、早期に終点を判定することができる。

なお、判定に使用する信号として、回帰直線と各信号点間の距離、すなわち各信号点から回帰直線に向かって下ろした垂線の長さｄを設定すると、前記距離を表す信号は強度成分を含むことになり、判定に使用する闘値をさげることが困難である。

図７は、回帰直線と各信号点間の距離の信号強度方向成分ｄｙの波形である。図７に示す波形は、回帰直線からの距離の時間軸方向成分ｄｔを抽出した図５の波形に比して、信号波形に含まれるノイズ量が多いことがわかる。また、波形立下り後にもうひとつの波形の山が観測される。これは光信号波形が立ち下がったために観測されるものであり、発光強度信号成分を使用した場合ではこの成分を取り除くことが不可能である。

終点を検出するに当たって、例えば波形の立下り部分を使用する遅めの判定を行う場合がある。例えば、エッチングにおいて終点を検出する工程において、残渣等が残った状態であってもエッチングを継続的に行いたい場合などは遅めでの終点判定が有効である。このような場合には、前記波形立ち下がり後の信号成分のため誤判定を招く恐れがある。これに対して、時間軸方向成分のみを使用する場合は、波形が立ち下がった後にノイズ成分はほとんど含まれず誤判定を抑制することができる。

図８は、第２の実施形態を説明する図である。図８において、ステップＳ２００ないし２０８の処理は図２に示すステップＳ２００ないし２０８の処理と同じであるので同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図８に示すように、全ての信号点において回帰直線からの距離ｄを算出し、次いで算出された回帰直線との距離ｄにおける時間軸方向成分ｄｔの最大値（距離最大値）を算出した（ステップＳ２０６，２０７，２０８）後、算出された距離の時間軸方向成分ｄｔと回帰直線の傾きを乗算する（ステップＳ２１２）。乗算された結果を予め設定した閾値と比較し、閾値を超えた場合、終点判定検出信号を出力する（ステップＳ２１０，２１１）。

図９は、距離の時間軸方向成分の最大値と回帰直線の傾きの乗算結果を示す図である。この場合においても時間軸方向成分のみを抽出しているため、信号に含まれるノイズ成分は少ないことがわかる。つまりこの波形においても判定を行う上で閾値１を設定するだけでなく閾値２のように閾値を下げることで、より早い段階で判定を行うことが可能となる。また、閾値を下げない場合には、判定における判定信号に対するノイズの影響を減らすことが可能となり、より安定した判定を行うことが可能となる。

図１０は、第３の実施形態を説明する図である。図１０において、ステップＳ２０１から２０４までは第１の実施形態と同じである。プラズマ発光信号から回帰直線を算出し、得られた回帰直線と取得信号による波形に囲まれた面積において回帰直線の上側に現れる面積と、回帰直線の下側に現れる面積をそれぞれ算出する（ステップＳ２１２）。またこのとき得られた面積値の最大値を記憶しておく（ステップＳ２１３）。その後得られた面積について回帰直線の上側に作られた面積と下側に作られた面積の比を求める。ここでは上側に作られた面積と下側に作られた面積の値が大きく異なることを特徴として検出しているため比だけでなく差であってもよい。例えば面積を減算することにより演算値を算出することができる（ステップＳ２１４）。また、このとき回帰直線により囲まれた面積の最大値を使用し、得られた演算値と乗算することで最終的な判定信号を得て終点判定を行う（ステップＳ２１５）。そこで得られた最終的な演算値を終点判定信号としてエッチングの終点を判定する。

図１１は、回帰直線の上下に作られた面積の差と回帰直線により囲まれた面積の最大値との積の演算結果を示す図である。この演算結果を用いて判定を行うと、演算値はたとえば負から正に変化するため、波形は負の向きで一つの山１１０１、正の方向で一つの山１１０２が得られる。そのため、例えば遅め判定を行うときには波形の変曲点が負から正への信号の変化として得られるため、閾値の設定において例えばある閾値１を超えた後閾値２を越える場合を判定とする場合などにおいて符号が反転するため、ノイズの影響を受けにくく安定した判定を行うことが可能となる。また、このとき第１の実施形態、第２の実施形態と同様に信号に対するノイズの影響が少ないため早め判定においても高精度に判定を行うことが可能である。

以上、説明したように、本発明の実施形態によれば、回帰直線と各信号点間の距離の時間軸方向成分を利用して終点を判定する。このため、エッチング処理に伴うプラズマからの信号にノイズ成分が含まれていても、このノイズ成分は縦軸の信号強度成分として現れるため、前記ノイズ成分による影響を低減させることができる。したがって、プラズマからの発光強度変化が微小なものであっても、エッチング終点付近の微小な発光強度変化を確実にかつ早い段階で検出して、エッチングの終点を迅速且つ確実に判定することができる。また、信号波形において急峻に波形が変化する場合には傾きが大きくなるために、実施形態２での判定を行うことでノイズ成分の少ない判定波形を得ることができる。また、遅めの判定を行いたい場合であれば、実施形態３を使用することで変曲点を捉えやすく安定した判定を行うことができる。このように、それぞれの判定方法は適切に選ぶことができる。また、回帰直線に使用するデータ点数や、距離を算出するためのデータ点数を最適化することでも判定精度は大きく異なり、すべての判定において適切な値を使用することで判定精度は大幅に向上する。

実施形態に係るエッチング終点判定装置を説明する図である。 エッチングの終点を演算する演算部１０５の処理を説明する図である。 エッチング処理中に得られたプラズマの発光のうち特定波長の光信号を示す図である。 回帰直線を説明する図である。 回帰直線と各信号点間の距離の演算結果を示す図である。 図５で得られた波形に対する閾値の設定方法を説明する図である。 回帰直線と各信号点間の距離の信号強度方向成分の波形である。 第２の実施形態を説明する図である。 距離の時間軸方向成分の最大値と回帰直線の傾きの乗算結果を示す図である。 第３の実施形態を説明する図である。 回帰直線の上下に作られた面積の差と回帰直線により囲まれた面積の最大値との積の演算結果を示す図である。

符号の説明

１０１ エッチング装置
１０２ 真空容器
１０３ 光ファイバ
１０４ 分光器
１０５ 演算部
１０６ 回帰直線演算器
１０７ 距離演算器
１０８ 直線傾き保持器
１０９ 距離演算器
１１０ 終点判定器
１１１ 表示器

Claims (3)

1. 真空処理室にガス導入手段を介して処理ガスを導入し、導入した処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて前記処理室内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマエッチング装置におけるエッチング処理の終点を判定するエッチング終点判定方法において、
   前記真空処理室内に生成されたプラズマの発光のうち予め設定された波長の光を抽出し、抽出された前記特定波長の光の発光強度を時系列データとして取得し、取得した時系列データをもとに回帰直線を演算するステップと、
   該ステップにより求めた回帰直線と前記時系列データとの時間軸方向の距離を演算するステップとを備え、該ステップにより求めた時間軸方向の距離をもとにエッチング処理の終点を判定することを特徴とするエッチング終点判定方法。
2. 真空処理室にガス導入手段を介して処理ガスを導入し、導入した処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて前記処理室内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマエッチング装置におけるエッチング処理の終点を判定するエッチング終点判定方法において、
   前記真空処理室内に生成されたプラズマの発光のうち予め設定された波長の光を抽出し、抽出された前記特定波長の光の発光強度を時系列データとして取得し、取得した時系列データをもとに回帰直線を演算するステップと、
   該ステップにより求めた回帰直線と前記時系列データとの時間軸方向の距離を演算するステップとを備え、該ステップにより求めた時間軸方向の距離および前記回帰直線の傾きをもとにエッチング処理の終点を判定することを特徴とするエッチング終点判定方法。
3. 真空処理室にガス導入手段を介して処理ガスを導入し、導入した処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成し、生成したプラズマを用いて前記処理室内に収容された被処理体にプラズマ処理を施すプラズマエッチング装置におけるエッチング処理の終点を判定するエッチング終点判定方法において、
   前記真空処理室内に生成されたプラズマの発光のうち予め設定された波長の光を抽出し、抽出された前記特定波長の光の発光強度を時系列データとして取得し、取得した時系列データをもとに回帰直線を演算するステップと、
   該ステップにより求めた回帰直線と前記時系列データとにより発光強度軸の高強度側または低強度側に囲まれる面積のうちその最大値と、前記回帰直線の発光強度軸の高強度側に囲まれる面積と低強度側に囲まれる面積の差との積をもとにエッチング処理の終点を判定することを特徴とするエッチング終点判定方法。

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