JP2020065013A - 終点検出方法および終点検出装置 - Google Patents

終点検出方法および終点検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】Ｓ／Ｎを改善し、プラズマ処理の終点検出の精度を向上させる。【解決手段】基板にプラズマ処理を施す際の終点検出方法であって、発光分析法により所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、質量分析法により所定の成分の質量スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、モニターした前記発光スペクトルの信号の変化と前記質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算を行う工程と、前記演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する工程と、を有する終点検出方法が提供される。【選択図】図７

Description

本開示は、終点検出方法および終点検出装置に関する。
発光分析法を用いた終点検出方法では、被エッチング対象膜に形成された低開口率の凹部をプラズマエッチングする際、ターゲットとなる波長の発光強度信号の変位に対するノイズの比が高いため、当該信号の変化の検知が難しいことがある。この結果、高いＳ／Ｎで安定して終点を検出することが困難となる。
これに対して、特許文献１は、プラズマエッチング処理をモニターする質量分析器と発光分析器とによる終点検出をそれぞれ認定し、これらの分析器が両方とも終点を検出した場合、プラズマエッチング処理の適正な終点が検出されたと判定する。
特開２００１−２５０８１２号公報
本開示は、Ｓ／Ｎを改善し、プラズマ処理の終点検出の精度を向上させる終点検出方法および終点検出装置を提供する。
本開示の一の態様によれば、基板にプラズマ処理を施す際の終点検出方法であって、発光分析法により所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、質量分析法により所定の成分の質量スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、モニターした前記発光スペクトルの信号の変化と前記質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算を行う工程と、前記演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する工程と、を有する終点検出方法が提供される。
一の側面によれば、Ｓ／Ｎを改善し、プラズマ処理の終点検出の精度を向上させることができる。
一実施形態に係るプラズマ処理装置を示す図。 一実施形態に係る積層膜を示す図。 第１実施形態に係るカーボン膜の終点検出処理を示すフローチャート。 第１実施形態に係るシリコン酸化膜の終点検出処理を示すフローチャート。 一実施形態に係るカーボン膜エッチング時のモニター結果、正規化した波形、発光変化と質量変化の演算結果を示す図。 一実施形態に係るＳ／Ｎの算出方法を示す図。 一実施形態に係る発光変化と質量変化の演算によるＳ／Ｎの改善例を示す図。 一実施形態に係るシリコン酸化膜エッチング時のモニター結果、正規化した波形、発光変化と質量変化の演算結果を示す図。 第２実施形態に係るカーボン膜の終点検出処理を示すフローチャート。 第２実施形態に係るシリコン酸化膜の終点検出処理を示すフローチャート。
以下、本開示を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
［プラズマ処理装置の全体構成］
まず、プラズマ処理装置１の一例について、図１を参照しながら説明する。本実施形態にかかるプラズマ処理装置１は、容量結合型の平行平板プラズマ処理装置であり、略円筒形の処理容器２を有している。処理容器２の内面には、アルマイト処理（陽極酸化処理）が施されている。処理容器２の内部は、プラズマによりエッチング処理や成膜処理等のプラズマ処理が行われる処理室となっている。
ステージ３は、基板の一例である半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）を載置する。ステージ３は、たとえばアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等から形成されている。ステージ３は下部電極としても機能する。
ステージ３の上側には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック（ＥＳＣ）１０が設けられている。静電チャック１０は、絶縁体１０ｂの間にチャック電極１０ａを挟み込んだ構造になっている。チャック電極１０ａには直流電源３０が接続されている。スイッチ３１の開閉により直流電源３０からチャック電極１０ａに直流電圧が印加されると、クーロン力によってウェハＷが静電チャック１０に吸着される。
静電チャック１０の外周側には、ウェハＷの外縁部を囲うように円環状のエッジリング１１（フォーカスリングともいう）が載置される。エッジリング１１は、例えば、シリコンから形成され、処理容器２においてプラズマをウェハＷの表面に向けて収束し、プラズマ処理の効率を向上させるように機能する。
ステージ３の下側は、支持体１２になっており、これにより、ステージ３は処理容器２の底部に保持される。支持体１２の内部には、冷媒流路１２ａが形成されている。チラーユニット３６から出力された例えば冷却水やブライン等の冷却媒体（以下、「冷媒」ともいう。）は、冷媒入口配管１２ｂ、冷媒流路１２ａ、冷媒出口配管１２ｃと流れ、循環する。このようにして循環する冷媒により、金属から構成されるステージ３は抜熱され、冷却される。
伝熱ガス供給源３７は、ヘリウムガス（Ｈｅ）等の伝熱ガスを伝熱ガス供給ライン１６に通して静電チャック１０の表面とウェハＷの裏面との間に供給する。かかる構成により、静電チャック１０は、冷媒流路１２ａに循環させる冷媒と、ウェハＷの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハＷを所定の温度に制御することができる。
ステージ３には、第１周波数のプラズマ生成用の高周波電力ＨＦを供給する第１高周波電源３２が第１整合器３３を介して接続されている。また、ステージ３には、第２周波数のバイアス電圧発生用の高周波電力ＬＦを供給する第２高周波電源３４が第２整合器３５を介して接続されている。第１周波数は、例えば４０ＭＨｚであってもよい。また、第２周波数は、第１周波数よりも低く、例えば１３．５６ＭＨｚであってもよい。本実施形態では、高周波電力ＨＦは、ステージ３に印加されるが、ガスシャワーヘッド２０に印加されてもよい。
第１整合器３３は、第１高周波電源３２の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第２整合器３５は、第２高周波電源３４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第１整合器３３は、処理容器２内にプラズマが生成されているときに第１高周波電源３２の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。第２整合器３５は、処理容器２内にプラズマが生成されているときに第２高周波電源３４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスとが見かけ上一致するように機能する。
ガスシャワーヘッド２０は、その外縁部を被覆するシールドリング２１を介して処理容器２の天井部の開口を閉塞するように取り付けられている。ガスシャワーヘッド２０には、可変直流電源２６が接続され、可変直流電源２６から負の直流電圧（ＤＣ）が出力される。ガスシャワーヘッド２０は、シリコンにより形成されていてもよい。ガスシャワーヘッド２０は、ステージ３（下部電極）に対向する対向電極（上部電極）としても機能する。
ガスシャワーヘッド２０には、ガスを導入するガス導入口２２が形成されている。ガスシャワーヘッド２０の内部にはガス導入口２２から分岐したセンター側の拡散室２４ａ及びエッジ側の拡散室２４ｂが設けられている。ガス供給源２３から出力されたガスは、ガス導入口２２を介して拡散室２４ａ、２４ｂに供給され、拡散室２４ａ、２４ｂにて拡散されて複数のガス供給孔２５からステージ３に向けて導入される。
処理容器２の底面には排気口１８が形成されており、排気口１８に接続された排気装置３８によって処理容器２内が排気される。これにより、処理容器２内を所定の真空度に維持することができる。処理容器２の側壁にはゲートバルブ１７が設けられている。ゲートバルブ１７は、ウェハＷを処理容器２へ搬入したり、処理容器２からウェハＷを搬出したりする際に開閉する。
発光分析器５０（ＯＥＳ：optical emission spectrometer）は、発光分析法によりプラズマ光の所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターする。発光分析器５０は、プラズマ光取得用の窓５２に隣接して処理容器２の側壁に配置される。発光分析器５０は、窓５２を介してプラズマ処理中の特定の活性種の発光スペクトルの信号の変化をモニターする。
質量分析器５１（ＱＭＳ：quadrupole mass spectrometer）は、質量分析法により所定の成分の質量スペクトルの信号の変化をモニターする。質量分析器５１は、処理容器２の側壁に隣接して配置され、プラズマ処理中の処理容器２内のガスの所定の成分の質量スペクトルの変化をモニターする。
なお、発光分析器５０と質量分析器５１と制御装置１００は、終点検出装置の一例である。本実施形態では、発光分析器５０及び質量分析器５１を１つずつ配置したが、これに限られない。例えば、発光分析器５０及び質量分析器５１をそれぞれ複数用いてモニターし、複数の発光分析器５０及び複数の質量分析器５１のモニター結果を用いて終点検出を行ってもよい。
プラズマ処理装置１には、装置全体の動作を制御する制御装置１００が設けられている。制御装置１００は、記憶部１０１、演算部１０２、検出部１０３の各部の機能を有する。記憶部１０１は、終点検出用のプログラムやデータを記憶する。演算部１０２は、発光分析器５０がモニターした発光スペクトルの信号の変化と、質量分析器５１がモニターした質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算を行う。検出部１０３は、演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する。
制御装置１００のハードウェア構成としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを有する。ＣＰＵは、ＲＡＭ等の記憶領域に格納されたレシピに従って、プラズマエッチング処理、その他の所望のプラズマ処理を実行する。
レシピには、プラズマ処理のプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、各種ガス流量が設定されてもよい。また、レシピには、処理容器内温度（上部電極温度、処理容器の側壁温度、ウェハＷ温度、静電チャック温度等）、チラーから出力される冷媒の温度などが設定されてもよい。なお、レシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されてもよい。また、レシピは、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で所定位置にセットされ、読み出されるようにしてもよい。
プラズマ処理が実行される際には、ゲートバルブ１７の開閉が制御され、ウェハＷが処理容器２に搬入され、ステージ３に載置される。直流電源３０からチャック電極１０ａに正又は負の極性の直流電圧が印加されると、ウェハＷが静電チャック１０に吸着され、保持される。
ガス供給源２３からガスシャワーヘッド２０を介して処理容器２内に所望のガスが供給される。第１高周波電源３２からステージ３に高周波電力ＨＦが印加され、第２高周波電源３４からステージ３に高周波電力ＬＦが印加される。可変直流電源２６から負の直流電圧がガスシャワーヘッド２０に印加される。これにより、ウェハＷの上方にてガスが乖離してプラズマが生成され、プラズマの作用によりウェハＷにプラズマ処理が施される。
発光分析器５０がモニターした所定の波長の発光スペクトルの信号は、制御装置１００に送信される。同様に、質量分析器５１がモニターした所定の成分の質量スペクトルの信号は、制御装置１００に送信される。制御装置１００は、取得した発光スペクトルの信号の変化及び質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算（本実施形態では、乗算）を行い、演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する。
プラズマ処理後、直流電源３０からチャック電極１０ａにウェハＷの吸着時とは正負の極性が逆の直流電圧が印加され、ウェハＷの電荷が除電される。除電後、ウェハＷは、静電チャック１０から剥がされ、ゲートバルブ１７から処理容器２の外に搬出される。
［膜種］
ウェハＷにはプラズマ処理が行われる被対象膜が形成されている。ウェハＷには２種類以上の被対象膜が積層されてもよい。図２は、ウェハＷに形成される積層膜の一例を示す。
図２（ａ）に示すように、ウェハＷは、下層から順にシリコン窒化膜６１（ＳｉＮ）、シリコン酸化膜６２、カーボン膜６３、反射防止膜６４が積層された積層膜が形成されている。反射防止膜６４には、所定のパターンの開口６５が形成されている。
プラズマ処理中、カーボン膜６３が開口６５のパターンにエッチングされ（図２（ｂ））、続けて下層膜のシリコン酸化膜６２がエッチングされる（図２（ｃ））。かかる構成の積層膜では、カーボン膜６３及びシリコン酸化膜６２が被対象膜であり、それぞれの被対象膜に対してプラズマ処理の終点が検出される。
このようなカーボン膜６３とシリコン酸化膜６２が積層構造をとる低開口率の積層膜において、エッチングの開口不良による歩留りの悪化が問題となる場合がある。これに対して、開口不良を起こさないようにエッチング処理時間を長くすると、下層膜やマスクの形状にダメージを与え、ＣＤ（Critical Dimension）を寸法通りに作ることが困難になる。さらに、被対象膜が積層された構造では各膜の膜厚にばらつきが生じるため、ウェハＷ毎に各膜のプラズマ処理時間の終点検出を適切に行う必要がある。
従来の発光分析器５０を用いた終点方法又は質量分析器５１を用いた終点方法では、カーボン膜６３およびシリコン酸化膜６２において、低開口部の微小面積での発光スペクトル又は質量スペクトルの変化の検知が困難である。このため、高いＳ／Ｎで安定して終点を検出することは難しい。
そこで、本実施形態では、発光分析器５０及び質量分析器５１が単独でモニターした信号では、ノイズにより終点が検出し難い状態であっても、発光スペクトルの信号の変化と質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算処理を実行することでＳ／Ｎを改善する。これにより、開口率の低い多層膜のエッチングにおいても、安定したプラズマ処理の終点検出が可能となる。
被処理膜の終点では、発光分析器５０は、被対象膜が消失し、下層膜に到達した際の所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターするとともに、質量分析器５１は、エッチング副生成物の所定の気相成分の質量スペクトルの変化をモニターする。これにより各信号の変化に基づき被処理膜の終点が検出される。
例えば、カーボン膜６３のエッチングでは、プラズマを生成するためのガスとして処理容器２内にＨ２ガス及びＮ２ガスが供給され、カーボン膜６３のエッチング時に副生成物としてＣＮとＨ２が生成される。そこで、カーボン膜６３のエッチングでは、プラズマの発光スペクトルのうち、ＣＮ（波長λ＝３８７ｎｍ）の発光スペクトルを発光分析器５０によりモニターする。またこれと並行して、エッチング副生成物のうちＨ２成分（質量２）の質量スペクトルを質量分析器５１によりモニターする。
シリコン酸化膜６２のエッチングでは、プラズマを生成するためのガスとしてＣ４Ｆ８ガス、Ｃ４Ｆ６ガス等のＣＦ系ガス（フルオロカーボンガス）が供給され、シリコン酸化膜６２のエッチング時に副生成物としてＣＯが生成される。そこで、シリコン酸化膜６２のエッチングでは、プラズマの発光スペクトルのうち、ＳｉＦ（波長λ＝４４０ｎｍ）の発光スペクトルを発光分析器５０によりモニターする。またこれに並行して、エッチング副生成物のうちＣＯ成分（質量２８）の質量スペクトルを質量分析器５１によりモニターする。
＜第１実施形態＞
以下では、図２（ａ）のカーボン膜６３及びシリコン酸化膜６２の積層膜を被対象膜として、第１実施形態にかかる終点検出方法について、図３及び図４の終点検出処理のフローチャートを参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係るカーボン膜の終点検出処理を示すフローチャートである。図４は、第１実施形態に係るシリコン酸化膜の終点検出処理を示すフローチャートである。
［終点検出］
第１実施形態にかかるプラズマ処理の終点検出方法は、発光分析器５０及び質量分析器５１がモニターした発光スペクトルの信号及び質量スペクトルの信号に基づき、ＣＰＵが、記憶部１０１に記憶された終点検出用のプログラムを実行することにより行われる。このとき、ＣＰＵは、演算部１０２及び検出部１０３として機能する。
具体的には、図３の終点検出処理が開始されると、カーボン膜６３のプラズマエッチング処理が開始される（ステップＳ１）。これにより、反射防止膜６４の開口６５のパターンにカーボン膜６３がエッチングされる。
次に、発光分析器５０がＣＮ（波長λ＝３８７ｎｍ）の発光スペクトルをモニターする（ステップＳ２）。また、質量分析器５１がＨ２（質量２）の質量スペクトルをモニターする（ステップＳ２）。モニターされたＣＮの発光スペクトルの信号及びＨ２の質量スペクトルの信号は、制御装置１００に送信される。
図５（ａ）は、カーボン膜６３をエッチングする間に発光分析器５０がモニターしたＣＮの発光スペクトル（ＯＥＳ intensity）の信号Ａと、質量分析器５１がモニターしたＨ２の質量スペクトル（ＱＭＳ intensity）の信号Ｂの一例を示す。
図３に戻り、次に、制御装置１００の演算部１０２は、ＣＮの発光スペクトルの変位及びＨ２の質量スペクトルの変位とを用いて演算処理を行う（ステップＳ３）。本実施形態では、演算処理の一例として、ＣＮの発光スペクトルの信号Ａの変位と、Ｈ２の質量スペクトルの信号Ｂの変位とを乗算する。その際、図５（ｂ）に示すように各信号Ａ，Ｂを乗算する前に各信号を正規化することが好ましい。演算により算出された信号Ｃを図５（ｃ）に示す。この例では、信号Ｂと信号Ｃとは、ほぼ同じ曲線を描く。
ステップＳ３の演算処理は、発光スペクトルの信号の変化と質量スペクトルの信号の変化との乗算に限られず、乗算、除算、加算、減算のいずれか又はこれらの演算の組み合わせであってもよい。例えば、信号Ａ，Ｂが正の値同士又は負の値同士であれば乗算することが好ましい。例えば、信号Ａ，Ｂのいずれかが正でいずれかが負であれば除算することが好ましい。信号Ａ，Ｂを加算したり、減算したり、乗算、除算、加算、減算を組み合わせて演算してもよい。これにより、信号Ａ、Ｂから信号Ｃを算出し、信号ＣからＳ／Ｎを算出する際にＳ／Ｎに含まれるノイズの割合を減らすことができる。
図３に戻り、次に、演算部１０２は、演算（本例では乗算）により算出された信号に基づきＳ／Ｎを算出する（ステップＳ４）。Ｓ／Ｎの算出について図６を参照して簡単に説明する。図６は、ＣＮの発光スペクトルの信号Ａ及びＨ２の質量スペクトルの信号Ｂを正規化した後、演算により算出された信号Ｃ（＝信号Ａ×信号Ｂ）の一例である。ただし、本例は一例であり演算により算出された信号Ｃは、これに限られない。
Ｓ／Ｎの「Ｓ（シグナル）」は、図６の信号Ｃの最大値と最小値の変位（Signal Average Difference）として算出される。例えば、「Ｓ」は、信号Ｃの変位前の所定時間（例えば１０秒）の信号Ｃの検出値の平均値と、変位後の所定時間（例えば１０秒）の信号の検出値の平均値との差分として算出可能である。Ｓ／Ｎの「Ｎ（ノイズ）」は、Ｓの変位前の所定時間（例えば１０秒）の信号の検出値の平均値である。Ｓ／Ｎは、「Ｓ」を「Ｎ」で割った値である。「Ｎ（ノイズ）」は、Ｓの変位後の所定時間（例えば１０秒）の信号の検出値の平均値であってもよい。
かかる演算処理により、図７（ａ）に結果の一例を示すように、カーボン膜６３のエッチングにおいて演算処理後のＳ／Ｎは「９６．７」となった。この例では、従来の発光分析（ＯＥＳ）法によりモニターされた信号から算出されたＳ／Ｎは「１６．７」であり、従来の質量分析（ＱＭＳ）法によりモニターされた信号から算出されたＳ／Ｎは「８４．２」である。以上から、本実施形態に係るカーボン膜６３の終点検出方法によれば、発光分析法及び質量分析法をそれぞれ単独で使用してＳ／Ｎを算出するよりもＳ／Ｎを改善でき、終点検出の精度を向上させることができる。
図３に戻り、次に、検出部１０３は、終点信号が得られたかを判定する（ステップＳ５）。所定時間内に、算出された信号Ｃに所定以上の変位が生じたとき、検出部１０３は、終点信号が得られたと判定し、ステップＳ６に進む。所定時間内に、算出された信号Ｃに所定以上の変位が生じなかったとき、検出部１０３は、終点信号が得られなかったと判定し、ステップＳ１１に進む。
ステップＳ６において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値以上であるかを判定する。第１の閾値は予め設定され、記憶部１０１に記憶されている、第１の閾値は例えば「８０」であってもよいし、他の値であってもよい。
検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値以上であると判定すると、終点検出の精度を満足すると判断し、終点検出信号を出力する（ステップＳ７）。そして、カーボン膜６３のエッチングを正常終了し（ステップＳ８）、図４の「１」のシリコン酸化膜６２のエッチングに進む。
一方、ステップＳ６において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値未満であると判定すると、終点検出の精度を満足しないと判断し、算出したＳ／Ｎが第２の閾値以上であるかを判定する（ステップＳ９）。第２の閾値は、第１の閾値よりも小さい値であって、予め設定され、記憶部１０１に記憶されている。第２の閾値は例えば「５０」であってもよいし、第１の閾値よりも小さい他の値であってもよい。
検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第２の閾値以上であると判定すると、所定時間エッチングを継続して実行した後（ステップＳ１０）、終点検出信号を出力し（ステップＳ７）、カーボン膜６３のエッチングを正常終了し（ステップＳ８）、図４の「１」に進む。
ステップＳ９において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第２の閾値未満であると判定すると、ステップＳ１１に進み、カーボン膜６３のエッチングを停止し、本処理を異常終了する。この後、異常終了に対する解析が行われてもよい。
次に、図４の「１」に進んだときの、シリコン酸化膜６２についてエッチングする際の終点検出について説明する。カーボン膜６３のプラズマエッチング処理について終点検出後、カーボン膜６３の下層のシリコン酸化膜６２のプラズマエッチング処理が開始される（ステップＳ１２）。
シリコン酸化膜６２のプラズマエッチングでは、発光分析器５０によりＳｉＦ（波長λ＝４４０ｎｍ）の発光スペクトルと、質量分析器５１によりＣＯ（質量２８）の質量スペクトルをモニターする（ステップＳ１３）。モニターされたＳｉＦの発光スペクトルの信号及びＣＯの質量スペクトルの信号は、制御装置１００に送信される。
図８（ａ）は、シリコン酸化膜６２をエッチングする間に発光分析器５０がモニターしたＳｉＦの発光スペクトル（ＯＥＳ intensity）の信号Ａと、質量分析器５１がモニターしたＣＯの質量スペクトル（ＱＭＳ intensity）の信号Ｂを示す。
図４に戻り、次に、演算部１０２は、ＳｉＦの発光スペクトルの信号Ａの変位と、ＣＯの質量スペクトルの信号Ｂの変位とを用いて演算処理を行う（ステップＳ１４）。本実施形態では、演算処理の一例として、ＳｉＦの発光スペクトルの信号Ａの変位とＣＯの質量スペクトルの信号Ｂの変位とを乗算する。その際、図８（ｂ）に示すように各信号Ａ，Ｂを正規化した後に乗算することが好ましい。演算により算出された信号Ｃを図８（ｃ）に示す。
図４に戻り、次に、演算部１０２は、演算（本例では乗算）により算出された信号に基づきＳ／Ｎを算出する（ステップＳ１５）。かかる演算処理により、図７（ｂ）に結果の一例を示すように、シリコン酸化膜６２のエッチングにおいて演算処理後のＳ／Ｎは「８３．５」となった。従来の発光分析（ＯＥＳ）法によりモニターされた信号から算出されたＳ／Ｎは「４４．３」であり、従来の質量分析（ＱＭＳ）法によりモニターされた信号から算出されたＳ／Ｎは「２１．０」であった。以上から、本実施形態では、発光分析法及び質量分析法をそれぞれ単独で使用してＳ／Ｎを算出するよりもＳ／Ｎの比を改善でき、終点検出の精度を向上させることができる。
図４に戻り、次に、検出部１０３は、終点信号が得られたかを判定する（ステップＳ１６）。所定時間内に算出された信号Ｃに所定以上の変位が生じたとき、検出部１０３は、終点信号が得られたと判定し、ステップＳ１７に進む。一方、所定時間内に算出された信号Ｃに所定以上の変位が生じなかったとき、検出部１０３は、終点信号が得られなかったと判定し、ステップＳ２２に進む。
ステップＳ１７において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値以上であるかを判定する。検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値以上であると判定すると、終点検出信号を出力し（ステップＳ１８）、シリコン酸化膜６２のエッチングを正常終了し（ステップＳ１９）、本処理を終了する。
一方、ステップＳ１７において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第１の閾値未満であると判定すると、算出したＳ／Ｎが第２の閾値以上であるかを判定する（ステップＳ２０）。
検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第２の閾値以上であると判定すると、所定時間エッチングを継続して実行した後（ステップＳ２１）、終点検出信号を出力する（ステップＳ１８）。そして、シリコン酸化膜６２のエッチングを正常終了し（ステップＳ１９）、本処理を終了する。
ステップＳ２０において、検出部１０３は、算出したＳ／Ｎが第２の閾値未満であると判定すると、ステップＳ２２に進み、シリコン酸化膜６２のエッチングを停止し、本処理を異常終了する。異常終了に対する解析が行われてもよい。
以上に説明した第１実施形態にかかる終点検出方法によれば、発光スペクトルの変化と質量スペクトルの変化という２種の信号の変位を用いて演算した結果の信号に基づきＳ／Ｎを改善することができる。これにより、プラズマ処理の終点検出の精度を向上させることができる。例えば、本実施形態にて説明したように、複数膜の連続するエッチングにおける終点検出の精度が向上することで、エッチング途中の開口不良を回避でき、膜種が異なる積層膜のエッチングを安定的に連続して行うことができる。
特に膜種が異なる積層膜の連続エッチングの場合、ウェハＷ間において各層の膜厚のバラツキが大きいために、膜厚のバラツキによって終点検出の精度が悪化する傾向にある。これに対して、本実施形態にかかる終点検出方法によれば、複数膜の連続エッチングに対しても高い精度で終点を検出できるメリットがある。
これにより、発光分析法と質量分析法との特徴を活かして、各分析法において苦手条件における終点検出を相補的にカバーできる。例えば、発光分析法では、プラズマ密度が低密度の条件では発光量が下がり終点を検出するための信号の変位の検出が難しくなる。一方、質量分析法では、プラズマ密度よりも副生成物の量、つまり、エッチングレートに依存して副生成物の量が少なくなると信号の変位の検出が難しくなる。検出したい副生成物が下層膜の成分に含まれる場合にも、質量分析法での終点検出精度は低くなる。
これに対して、一実施形態にかかる終点検出方法によれば、発光分析法と質量分析法のいずれかでは終点検出が困難な場合においても、両方の分析法を使ってモニターした発光スペクトルと質量スペクトルの２種の信号の変位を用いて演算する。そして、該演算により算出した信号を用いてＳ／Ｎを改善することで、安定して終点検出が可能になる。
＜第２実施形態＞
次に、図２の積層膜に対する第２実施形態にかかるプラズマ処理の終点検出方法について、図９及び図１０の終点検出処理のフローチャートを参照しながら説明する。図９は、第２実施形態に係るカーボン膜の終点検出処理を示すフローチャートである。図１０は、第２実施形態に係るシリコン酸化膜の終点検出処理を示すフローチャートである。第２実施形態に係る終点検出方法では、演算により算出された信号の変位とノイズとの比（すなわち、Ｓ／Ｎ）と、基準値とに基づき、プラズマ処理の終点を検出する。基準値は、同じ処理ガスを使用したプラズマ処理において過去に終点を検出したときの信号の変位から導かれたＳ／Ｎが予め設定されている。なお、第１実施形態に係るカーボン膜の終点検出処理及びシリコン酸化膜の終点検出処理と同じ処理には、同じステップ番号を付すことにより説明を簡略化する。
［終点検出］
図９のステップＳ１〜Ｓ５に示すように、エッチング対象膜に対してレシピに設定されたエッチングガスによりエッチングが開始されると、そのエッチング対象膜の終点検出処理が実行される。ステップＳ５において検出部１０３は、終点信号が得られたと判定すると、該当エッチングガスにおける予め算出し、算出した結果であって記憶部１０１に設定された第１の基準値を参照する（ステップＳ３０）。このようにして過去に終点信号が得られたと判定されたときの信号の変位と該当エッチングガスとの関係から予め設定された第１の基準値が参照される。
次に、検出部１０３は、第１の基準値と、算出したＳ／Ｎとの差が第１の閾値以下であるかを判定する（ステップＳ３１）。例えば、第１の閾値は１０％に設定されてもよいし、その他の値に設定されてもよい。検出部１０３は、第１の基準値とＳ／Ｎとの差が第１の閾値以下であると判定すると、終点検出信号を出力し（ステップＳ７）、カーボン膜６３のエッチングを正常終了し（ステップＳ８）、図１０の「１」のシリコン酸化膜６２のエッチングに進む。
一方、ステップＳ３１において、検出部１０３は、第１の基準値とＳ／Ｎとの差が第１の閾値よりも大きいと判定すると、第１の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値以下であるかを判定する（ステップＳ３２）。例えば、第２の閾値は１５％に設定されてもよいし、その他の第１の閾値よりも大きい値に設定されてもよい。検出部１０３は、第１の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値以下であると判定すると、所定時間エッチングを継続して実行した後（ステップＳ１０）、終点検出信号を出力する（ステップＳ７）。そして、カーボン膜６３のエッチングを正常終了し（ステップＳ８）、図１０の「１」に進む。
ステップＳ３２において検出部１０３は、第１の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値よりも大きいと判定すると、ステップＳ１１に進み、カーボン膜６３のエッチングを停止し、本処理を異常終了する。
次に、図１０の「１」に進み、ステップＳ１２〜Ｓ１６の処理が実行される。ステップＳ１６において検出部１０３は、終点信号が得られたと判定すると、該当エッチングガスにおける予め算出し、算出した結果であって記憶部１０１に設定された第２の基準値を参照する（ステップＳ４０）。このようにして過去に終点信号が得られたと判定されたときの信号の変位と該当エッチングガスとの関係から予め設定された第２の基準値が参照される。
次に、検出部１０３は、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第１の閾値以下であるかを判定する（ステップＳ４１）。例えば、第１の閾値は１０％に設定されてもよいし、その他の値に設定されてもよい。検出部１０３は、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第１の閾値以下であると判定すると、終点検出信号を出力し（ステップＳ１８）、シリコン酸化膜６２のエッチングを正常終了し（ステップＳ１９）、本処理を終了する。
一方、ステップＳ４１において、検出部１０３は、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第１の閾値以下よりも大きいと判定すると、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値以下であるかを判定する（ステップＳ４２）。例えば、第２の閾値は１５％に設定されてもよいし、その他の第１の閾値よりも大きい値に設定されてもよい。検出部１０３は、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値以下であると判定すると、所定時間エッチングを継続して実行した後（ステップＳ２１）、終点検出信号を出力する（ステップＳ１８）。そして、シリコン酸化膜６２のエッチングを正常終了し（ステップＳ１９）、本処理を終了する。
ステップＳ４２において検出部１０３は、第２の基準値とＳ／Ｎとの差が第２の閾値よりも大きいと判定すると、ステップＳ２２に進み、シリコン酸化膜６２のエッチングを停止し、本処理を異常終了する。
以上に説明した第２実施形態にかかる終点検出方法によっても、発光スペクトルの変化と質量スペクトルの変化の２種の信号を演算することでＳ／Ｎを改善する。また、過去の終点検出時のデータに基づき、今回の終点検出を判定する。第２実施形態においても、終点検出の精度を向上させることができる。例えば、本実施形態においても、複数膜の連続するエッチングにおける終点検出の精度を向上させることで、エッチング途中の開口不良を回避し、複数膜のエッチングを連続して行うことができる。
今回開示された各実施形態に係る終点検出方法及び終点検出装置は、すべての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で他の構成も取り得ることができ、また、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
各実施形態に係る終点検出方法が使用される被対象膜は、２種類の積層膜に限られず、３種類以上の積層膜であってもよい。また、被対象膜は、２種類又はそれ以上の種類の膜を交互に積層した積層膜であってもよい。また、被対象膜は、積層膜でなく単層膜であってもよい。
本開示のプラズマ処理装置は、Capacitively Coupled Plasma(CCP)、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)のどのタイプでも適用可能である。
本明細書では、基板の一例としてウェハＷを挙げて説明した。しかし、基板は、これに限らず、FPD(Flat Panel Display)に用いられる各種基板、プリント基板等であっても良い。
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ ステージ
１０ 静電チャック
２０ ガスシャワーヘッド
５０ 発光分析器
５１ 質量分析器
６１ シリコン窒化膜
６２ シリコン酸化膜
６３ カーボン膜
６４ 反射防止膜
６５ 開口
１００ 制御装置
１０１ 記憶部
１０２ 演算部
１０３ 検出部

Claims (9)

  1. 基板にプラズマ処理を施す際の終点検出方法であって、
    発光分析法により所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、
    質量分析法により所定の成分の質量スペクトルの信号の変化をモニターする工程と、
    モニターした前記発光スペクトルの信号の変化と前記質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算を行う工程と、
    前記演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する工程と、
    を有する終点検出方法。
  2. ２種類以上の膜が積層された被対象膜が形成されている基板を提供する工程を有する、
    請求項１に記載の終点検出方法。
  3. 前記演算は、前記発光スペクトルの信号の変化と前記質量スペクトルの信号の変化との乗算、除算、加算、減算の少なくともいずれかである、
    請求項１又は２に記載の終点検出方法。
  4. 前記演算により算出された信号とノイズとの比が、第１の閾値以上の場合、プラズマ処理の終点を検出する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の終点検出方法。
  5. 前記演算により算出された信号とノイズとの比が、第１の閾値よりも小さく、かつ前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値以上の場合、所定時間、基板のプラズマ処理を行った後にプラズマ処理の終点を検出する、
    請求項１〜４のいずれか一項に記載の終点検出方法。
  6. 前記演算により算出された信号とノイズとの比が、第１の閾値よりも小さい第２の閾値よりも小さい場合、基板のプラズマ処理を停止し、異常終了する、
    請求項１〜５のいずれか一項に記載の終点検出方法。
  7. 前記演算により算出された信号とノイズとの比と、予め設定された基準値とを比較してプラズマ処理の終点を検出する、
    請求項１〜３のいずれか一項に記載の終点検出方法。
  8. 前記基準値は、同じ処理ガスを使用したプラズマ処理において過去に終点を検出したときの信号とノイズとの比から設定される、
    請求項７に記載の終点検出方法。
  9. 基板にプラズマ処理を施す際の所定の波長の発光スペクトルの信号の変化をモニターする発光分析器と、
    前記基板にプラズマ処理を施す際の所定の成分の質量スペクトルの信号の変化をモニターする質量分析器と、
    モニターした前記発光スペクトルの信号の変化と前記質量スペクトルの信号の変化とを用いた演算を行う演算部と、
    前記演算により算出された信号に基づきプラズマ処理の終点を検出する検出部と、
    を有する終点検出装置。
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