JP4365109B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体の製造技術に属する。特に、半導体製造装置内においてウエハのプラズマ処理を行う際に、処理結果の再現性を実現するようにしたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化にともない、回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。例えば、１０ｎｍ以下程度の加工寸法のばらつきであってもデバイスの不良を引き起こす場合がある。このような状況では、プラズマ処理における処理状態の再現性が重要になってくる。
【０００３】
すなわち、プラズマ処理装置の処理室内壁に堆積性のある反応生成物が付着して残留した場合などには、ウエハ処理状態が変化し、処理結果に影響を及ぼす場合があり、処理状態の再現性を維持できなくなる。したがって、処理室内の残量反応生成物の量が処理毎にばらつきが生じた場合には、加工結果もばらつくし、特にメンテナンス後のように反応生成物を除去した場合などは、メンテナンス前と比較して大きく加工結果のシフトが生じる場合がある。
【０００４】
このようなプラズマ処理結果のばらつきに対処する方法としては、いわゆるシーズニング処理による処理室状態回復の工夫がなされている。この方法は、まず処理室内をプラズマによりクリーニングを行い、次いで製品エッチングに近い条件でダミーウエハのエッチングを実施することで、処理室内壁の状態を、連続処理を行なっている状態に近づけるという方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、プラズマ処理装置のプラズマ処理室に各種検出器を取り付け、多数のモニタ値の変動を検知して、プラズマ処理装置の処理状態のシフトを検知する方法が工夫されている。このようなプラズマ処理装置における処理状態を監視する方法において、多くの検出器からの検出データに対応するために多変量解析を用いる例も開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１１０６４２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５９８１号公報
【０００７】
しかしながら、前記特許文献１に開示された例では、シーズニング処理による処理室状態の回復が、シーズニング処理の何時の時点で達成されたか、すなわちシーズニングの終点を検出することが考慮されていない。シーズニング時間が短ければ反応生成物が不足するし、長すぎれば逆に反応生成物を付着させ過ぎになり、望んだ加工結果を得ることはできない。結局、シーズニング条件をいろいろと試して実際の製品加工を行う、トライアンドエラーによるシーズニング条件の決定となり、条件決定までに条件決定のためのウエハと膨大な時間とが必要となるという問題がある。このように決定した条件は、シーズニング条件を決定した装置状態と異なった状態が生じた場合、例えばある部品を交換した後のような場合には通用しない場合が生じることもあるので、再度条件を出しなおさなければならない場合もある。
【０００８】
次に、特許文献２に開示された例では、多数のモニタ値を検出し、さらに多変量解析を用いることによって装置状態の変動を監視するという工夫がなされているが、加工結果にどのような影響を与えるかが考慮されていない。すなわち、影響を与える検出値と影響を与えない検出値が存在するはずであり、装置状態の変動が検出された場合、必ず加工結果に影響を与えるとは言えない。影響を与えるとしても、検出値がどの程度振れた場合にどの程度の加工結果のシフトにつながるかなどを考慮する必要がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題に鑑み、本発明の目的は、プラズマ処理装置における装置状態の変動による加工結果のばらつきを監視することができるとともに、メンテナンス後などのように大きく装置状態が変動した場合などに装置の回復状態を検出して処理可否の判断を行うことができる、プラズマ処理装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、プラズマ処理装置の処理室にプラズマ状態検出手段を、処理装置の制御部には過去のウエハ処理結果情報と当該ウエハ処理時のプラズマ状態検出データ、および両者を相関付ける関係式をデータベースとして持ち、ウエハ処理後にウエハ処理時のプラズマ状態検出データとデータベースに蓄えられた相関関係式とから処理結果の予測値を算出し、算出された処理結果の予測値によって処理室状態を監視することにより達成される。
【００１１】
また、本発明では、製品基板処理時のプラズマ状態検出データと製品処理結果情報を相関付ける関係式をデータベースとして持って、製品処理後にプラズマ状態検出データと前記相関関係式とから製品処理結果の予測値を算出するだけでなく、ダミー基板の処理時のプラズマ状態検出データと同時期に実施された製品処理結果を相関付ける関係式をデータベースとして持って、ダミー基板放電によるプラズマ状態検出データと相関関係式とから、今仮に、製品処理を行なった場合の処理結果の予測値を算出することができる。
【００１２】
以上のように、本発明においては、製品処理を行なった場合の処理結果の予測値を算出することができるために、所望の形状を得られる装置状態であるか否かの製品着工判断が可能となる。
【００１３】
またデータベースは、該当装置において処理される製品種毎に持つことで、より効果的に目的を達成することができる。
【００１４】
また、本発明によれば、算出された処理結果の予測値が、あらかじめ設定した既定値を超えた場合に、その旨を知らせることにより、装置異状による不良発生を未然に防ぐことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照にし、本発明の実施例について詳細に説明する。
【００１６】
図１〜図３を用いて、本発明の第一の実施例を示す。図１は、装置状態監視システムを備えたプラズマ処理装置を図示したものである。本発明にかかるプラズマ処理装置は、処理チャンバ１と、ガス供給手段６と、ガス排気手段７と、装置制御部１０とから構成される。処理チャンバ１には、試料台４と、プラズマ生成手段５と、プラズマ状態検出手段８、９が設けられ、装置制御部１０は、信号演算部１１と、装置状態監視部１２と、データベース部１３が設けられている。
【００１７】
処理チャンバ１には、処理ガスを供給するガス供給手段６と、処理ガスを排気し処理チャンバ内の圧力を制御する機能を持つガス排気手段７が備えられている。さらに処理チャンバ内には処理対象の試料２を支持する試料台４が設置されており、また処理チャンバ内にプラズマ３を生成するためのプラズマ生成手段５が備えられている。なお、半導体製造装置では試料２はウエハであり、例えばＬＣＤ製造装置では試料２はガラス基板である。
【００１８】
プラズマ状態検出手段８、９は、例えばプラズマ生成手段６に電力を加える経路に設置された電流検出器または電圧検出器、あるいはまた、電流電圧位相差検出器または電力の進行波検出器または反射波検出器またはインピーダンスモニタなどである。また、処理チャンバ１内にプラズマ生成手段６によって生成されるプラズマからの発光を検出する分光器である。発光分光器は、モノクロメータのような単一波長の光を取り出す検出器でもよいが、波長分解された発光スペクトルを出力する分光器のように多数の信号を出力する検出器であるのが最適である。さらに、プラズマ状態検出手段８，９は、これ以外の手段、例えばガス供給手段６に設置されたガス流量計、処理チャンバに設置された質量分析器などであってもよい。これらの状態検出手段は、一定間隔の時間あるいは設定されたいくつかのサンプリング時間ごとに装置の状態を示す信号を出力する。
【００１９】
このプラズマ処理の装置制御部１０には、プラズマ状態検出手段８、９から送られてくる信号を処理する信号演算部１１、装置の状態を外部に知らせる装置状態監視部１２、この装置で実施される製品のデバイス構造毎に、過去のプラズマ処理結果、その処理結果に対応するウエハのプラズマ処理を実施した際のプラズマ状態検出データ、プラズマ処理結果、たとえば加工寸法やエッチングレート等とプラズマ状態データとの関係を表す相関式が記憶されているデータベース部１３が設けられている。
【００２０】
プラズマ状態検出手段８、９から送られてくる信号は、多数の信号にのぼる場合が多い。例えば、前述したような波長分解された発光スペクトルを出力する分光器であれば、サンプリング時間ごとに出力する装置の状態信号は、１０００個から２０００個になる。このように多数の信号を、加工結果との相関式で表すためには、主成分解析などの多変量解析で、信号にフィルタをかけて少ない信号にしておくのが良い。
【００２１】
以下、図２〜図３を用いて、ＣＤ寸法（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，代表微小寸法）の監視例について説明する。図２に本実施例で行う演算のフローを、図３には演算結果の表示例を示す。データベース部１３には、処理室１において処理される製品の種類全てについて、過去のある一定期間内におけるエッチング時のプラズマ状態検出データと加工結果であるＣＤ寸法値、ならびに両データの相関関係式（モデル式）を記憶させておく。ある製品（ここでは製品Ａとする）が着工された場合、信号演算部１１にプラズマ状態検出データと加工結果であるＣＤ寸法値の関係式を呼び出し、現在処理を行なっているエッチング処理が終了した際に、プラズマ状態検出手段８、９から送られてきたプラズマ状態検出データとモデル式によって、ＣＤ寸法の計算を行なう。
【００２２】
例えば、ゲート配線の電極加工は、配線幅の寸法がデバイスの動作速度に直接影響を及ぼすために正確な寸法管理が必要となる。通常、ＣＤ寸法はエッチング後に寸法測定用の走査電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）による検査を実施する。ＣＤ−ＳＥＭでの検査を行なう場合、ＣＤ−ＳＥＭの一枚あたりの処理に要する時間から考えて、処理されたウエハ全数の検査を行なうことは不可能であり、数ロットに一枚の割合で検査することが一般的である。例えば、数ロット間隔で実施されるＣＤ−ＳＥＭによる検査の直ぐ後に、装置のプラズマ状態になんらかの変動が発生して、ＣＤ寸法に異常が発生した場合には、次に寸法測定検査するまで異常に気が付かずに製品処理を行なって、不良製品を作りこむことになる。特に、大口径化が進みウエハ価格が高騰している現在では、前記のような不良による損害は莫大な額にのぼる。
【００２３】
本発明によれば、図３に示したように、ウエハ処理後に直ちにＣＤ寸法を計算によって予測しその値を表示することができる。例えば、ＣＤ寸法にある閾値１４を設けておき、閾値１４を超えた場合１５，１６に警告を発することにより、不良の作り込みによる損害を最小限に抑えることができる。また、警報によってメンテナンスを適正な時期に行うことにもなる。警告の出力形態は、ブザーなどのアラームでも良いし、操作パネルへの表示、もしくは装置オペレーターのパーソナルコンピューターへの表示などでもよい。
【００２４】
何回連続して閾値を超えたかで、あるいは警告の積算回数で警告のレベルわけをするのも有効である。１回閾値から外れても、次のウエハ処理時に閾値許容値内に戻った場合には軽度の警告として着工は続けるが、３回連続して閾値を外れた場合には着工禁止としてメンテナンスを実施する、あるいは閾値が外れた積算回数がある設定値を超えたらメンテナンスを実施するなど、装置運用上の応用ができる。なお、データベース内の相関式は、ある期間を決めて新しいデータを使ったものに更新するのが望ましい。
【００２５】
次に、図４〜図５を用いて本発明の第二の実施例を説明する。エッチング装置は、処理枚数が多くなるとエッチング加工時に発生する反応生成物が、装置内壁面に付着して徐々に付着量を増して行く。付着量が増してある程度の膜厚になると、付着物が剥離してウエハ上に落下してパターンショートを起こすような事態が生じる。このような事態に対処するために、定期的に装置を大気に状態に開放して、水や有機溶剤によって付着物を除去する、いわゆるウェットクリーニングと称される清掃作業が実施される。ウェットクリーニングの後は、装置内壁面の表面に水分子が吸着していたり付着物を完全に除去した結果として、装置壁面の表面状態が活性な状態にある。その結果として、水分子の処理室雰囲気への放出や付着物の吸着・脱離現象が顕著になり、ウェットクリーニング直後は、ＣＤ寸法やエッチングレートが処理枚数にともなって変動する現象が生じる場合がある。加工寸法が微細であればあるほどこのような変動要因は大きく影響することになる。本発明は、変動状態の監視に有効であり、ウェットクリーニング後の着工判断に用いることができる。本実施例は、エッチングレートの監視例に適用した場合について説明する。図４に本実施例で行う演算のフローを示したものを、図５に演算結果の表示を示す。
【００２６】
データベース部１３には、過去におけるエッチングレート測定用のダミー基板エッチング時のプラズマ状態検出データと加工結果であるエッチングレートの値、ならびに両データから得られる両者の関係式（モデル式）を記憶させておく。
【００２７】
ウェットクリーニング後にエッチング性能確認のためにエッチングレート測定用のダミー基板のエッチングを行なうが、ここで、信号演算部１１に前述したダミー基板のプラズマ状態検出データとエッチングレートの関係式を呼び出し、ダミー基板のエッチング処理が終了した際にプラズマ状態検出手段８、９から送られてきたデータとモデル式によってエッチングレートの計算を行なう。通常、エッチングレート測定はエッチング後に膜厚測定器にてエッチング残膜を測定して算出する。
【００２８】
ダミーウエハとはいえレート測定用ウエハは高価であるために、レート測定用ウエハは、数ロットに一枚の割合で処理し、間にはＳｉのベアウエハを処理することが一般的である。Ｓｉベアウエハの何枚かおきにレート測定用のダミーウエハを挿入してエッチング処理を行ないレート計測を行なうのであるが、レート測定の結果が出て性能の回復が確認されるまでは製品の処理はできない。検査の結果、レートが所望の値でなければ、再度レート測定用のダミーウエハを挿入したＳｉベアウエハのロットの処理を実施し、再測定を行なうことになる。
【００２９】
レート測定には、膜厚検査装置へのウエハの搬送や検査に要する時間など、多くの時間が必要になる。このような検査を行うために装置を停止させることによる生産性の低下は非常に大きい。本発明によれば、図５に示したように、エッチングレートの計算値を、エッチング終了後に直ちに表示することができる。図５ではプロット点がレートを計算した予測結果であり、間の矢印１８で示した部分がＳｉベア基板をエッチングした部分である。例えば、製品処理が可能となる、あるエッチングレートの値１７を設定しておき、設定値１７の範囲に入った場合に着工可能である情報を知らせることにより、効率の良い生産を実現することが可能となる。着工可能情報を知らせる方法は、前述したものと同じく、ブザーなどの音でも良いし、操作パネルへの表示、もしくは装置オペレーターのパーソナルコンピューターへの表示などでもよい。
【００３０】
また、このようなエッチングレートの変動の監視手法は、装置の長期間使用による性能変動の監視にも有効である。レート測定用ダミーウエハをエッチングすれば、膜厚検査を実施しなくてもエッチングレートの予測ができるので、ある時間間隔、例えば一日に４回など、でレート測定用ダミーウエハを処理しておけば、その時点での装置性能判断、着工可否判断を行なうことができる。所望の値のエッチングレートが得られない場合に、直ちにメンテナンスを実施することもできるので、適正なメンテナンス時期を知る手段にもなる。
【００３１】
次に、図６〜図７を用いて本発明の第三の実施例に関して説明する。第二の実施例でも述べたように、ウェットクリーニングの後は、処理室内の壁面の付着物を完全に除去するために、壁面表面状態が活性で、エッチングによる生成物の吸着・脱離が顕著になる。これによって、ウェットクリーニング直後は、ＣＤ寸法が太めに仕上がることが多く、処理枚数の増加にともなって細めに変動し安定する傾向が見られる場合がある。ゲート配線の電極加工は、配線幅の寸法がデバイスの動作速度に直接影響を及ぼすために正確な寸法管理が必要となり、所望のＣＤ寸法に加工できないと製品が不良となる。このために、通常ウェットクリーニング後は、ある一定枚数ダミー基板をエッチング処理するシーズニングと称される慣らし運転が実施される。
【００３２】
ある一定枚数のシーズニング処理後に、製品を一枚エッチングして、ＣＤ−ＳＥＭによる寸法検査を行なう。規定の寸法にあれば、製品処理を開始することができるが、規定の寸法外であれば、再度シーズニング、すなわち一定枚数のダミー基板処理を行い、製品を一枚エッチング、寸法検査という作業を、規定値の寸法に入るまで続ける。検査結果が出るまでは次の作業に入れないことから膨大な時間が使われることになる。また、規定の寸法に一度で入らなければ、製品をそれだけ無駄に使うことになる。
【００３３】
本実施例では、このようなＣＤ寸法の監視、監視結果による着工判断に有効である。本実施例では、ＣＤ監視による着工判断に適用した例について説明する。図６に本実施例で行う演算のフローを示したものを、図７に演算結果の表示例を示す。ＣＤ寸法の監視を実施する製品（例えばここでは製品Ａ）に関して、ある一定期間の間、何枚かの製品ウエハに関してエッチング処理された時期と近い時期に、製品Ａの処理と近似した条件によってダミー基板の処理を実施し、製品ウエハ処理のＣＤ寸法と近い時期にエッチングを実施したダミー基板のプラズマ状態検出データから、両者の関係式（モデル式）を作り、データベース部１３に記憶させておく。近い時期というのは連続した処理が望ましいが、数時間程度のずれであれば問題はない。
【００３４】
ウェットクリーニング後にダミー基板をエッチング、すなわちシーズニング処理を行なうが、ここで、信号演算部１１に、前述した過去の一定期間における製品のＣＤ寸法と、製品がエッチングされた時期と近い時期にエッチングを実施したダミーウエハのプラズマ状態検出データとの関係式を呼び出し、シーズニング処理が実施されるウエハ一枚毎に、エッチング処理が終了した際に、プラズマ状態検出手段８、９から送られてきたデータを、モデル式によってＣＤ寸法の計算を行なう。
【００３５】
エッチングを行なっているのはダミー基板であるが、プラズマ状態を検出したダミー基板とほぼ同じ時期にエッチング処理した製品のＣＤ寸法で関係式を作っているために、算出される計算値は、その時点で製品を処理した場合の処理結果の予測値を算出していることになる。ダミー基板は、製品と同じ膜材質であることが望ましいが、ゲート電極のようなポリシリコンをエッチングする場合には、ベアＳｉでも類似の材質であるためにプラズマ状態検出データは非常に似たものとなり、十分に算出可能である。
【００３６】
つまり、本実施例によれば、製品をエッチングせずとも、仮に今製品Ａをエッチングした場合のＣＤ値の予測を、ダミー基板を用いて例えば図７に示したように表示することができる。さらに言えば、加工結果の予測によって、ＣＤ−ＳＥＭによる検査を行なわずとも着工可否判断が可能になる。例えば、製品処理が可能となるあるＣＤ寸法値２０を設定しておき、設定値２０の範囲内になった場合１９に着工可能を知らせることができる。前述したような、これまでのシーズニングとＣＤ検査による着工判断に比べて飛躍的に効率の良い生産を実現することが可能となる。
【００３７】
このようなＣＤ寸法の変動の監視手法は、ウェットクリーニング後のみではなく、デバイス構造の異なる製品、たとえばエッチング面積の小さな製品を着工した後にエッチング面積が大きい製品を着工した場合などにも、処理室内の反応生成物の量が急に変わるために発生し易い。このような場合にも本方法は有効であり、前述したように、ベアＳｉダミーをエッチングすることにより、異なったデバイス構造の製品をエッチングした場合の、処理結果、すなわちＣＤ寸法を予測し、着工可否判断が可能となる。このように、実際に製品をエッチングせずにダミー基板のエッチングにより着工可否が判断できる手法は、時間的にもコスト的に大変に有利になる。
【００３８】
また、このようなＣＤ寸法の変動の監視手法は、装置の長期間使用による性能変動の監視にも有効である。ダミーウエハをエッチングすればＣＤ寸法の予測ができるために、ある時間間隔、例えば一日に４回など、でダミーウエハを処理しておけば、その時点での装置性能判断、着工可否判断を行なうことができる。
【００３９】
製品がどんどん処理されていき、装置内の壁に堆積物が付着したり部品消耗が進むことによって、プラズマ状態が変わり、結果として処理結果も変わる。そこで、第三の実施例のように、ダミー基板処理時のプラズマ状態から製品ウエハの結果を予測することが必要となる。大きな時間経過は、すなわち壁への堆積物付着の増加や部品消耗の進行を引き起こすので、予測に当たっては、製品ウエハ処理とダミー基盤処理の時間はできるだけ近い方が望ましいことになる。本発明では、データベースとしてあらかじめ意図的にデータを採取するので、製品処理した直後もしくは直前に、ダミー処理を実施するのが好ましいことになる。
【００４０】
しかしながら、必ずしも製品処理の直前または直後でなければならないわけではなく、要求される製品の精度によって許容される時間差が変わってくる。要は、ウエハ一枚あたりのエッチングによってどの程度、壁状態や部品消耗が進むかということと、対象とするデバイスがその変化に対してどの程度敏感か、ということになる。鈍感な製品、すなわち形状のシフトが変化して多少電気特性が変わっても問題としない製品と、これが非常に問題となる製品では問題となる時間が異なることになる。
【００４１】
実際には、０．１８μｍ幅形状のポリシリコンエッチングの場合に、数時間から十数時間開いていても精度良く予測することができる。
【００４２】
本実施例では、０．１８μｍ幅形状のポリシリコンエッチングの場合に、製品ウエハ処理時からダミー基板処理までに十時間程度時間が開いていても±５ｎｍの範囲で予測できた。これは、ウエハ一枚あたりのエッチングによってどの程度壁状態や部品消耗が進むかということと、対象とするデバイスがその変化に対してどの程度敏感かということに効いてくるので、形状再現性が厳しい場合は、もっと接近した時間でデータベースを採取する必要がある。
【００４３】
また、このようなＣＤ寸法の変動の監視手法は、少量多品種の製品を混流する場合には有効性が大きい。例えば、図８に示すように、寸法精度が異なる製品Ａ，Ｂ，Ｃを、同一の装置で処理する場合には、製品Ａ，Ｃは着工可能であるが、製品Ｂは精度の許容範囲を超えており処理すれば不良になる、というような事態が生じる場合がある。このような不良発生の事態を避けるために、通常は前述したようなエッチングレート検査やＣＤ寸法の検査をある一定期間間隔で実施し、着工可能か否かの装置状態監視を行なう。しかしこのような検査は、高価な検査用ウエハを使用する必要があり、また検査に要する時間が長く生産性を低下させるので、最も精度が厳しい製品、すなわちこの場合は製品Ｂの着工可否に対応した検査を実施することになる。つまり、検査で合格しない場合、まだ製品Ａ，Ｃであれば生産が可能であるのにもかかわらず、装置を停止しメンテナンスを実施することになる。ここで、製品Ａ，Ｃの仕掛りが少なければ問題は無いが、製品Ａ，Ｃの仕掛りが多く残っているような場合には、生産ライン全体の生産能力低下を招くことになる。
【００４４】
このような場合に、本発明により着工可否判断を行ないライン運用を行なえば、効率よい生産管理を実施することができる。製品Ａ，Ｂ，Ｃに関して、ダミー基板のプラズマ状態検出データと加工結果であるＣＤ寸法値の関係式をデータベースに持っていれば、その時点においてダミー基板をエッチングすることによって、どの製品が着工可能であるかの判断ができる。製品Ｂが着工できないのであれば、製品Ｂのみ着工禁止を表示し、製品Ｂを他の装置に回し、製品Ａ，Ｃは生産を続ければよい。例えば生産ラインに同様の処理が可能な装置１、装置２、装置３があり、装置１および装置３の処理状態がシフトして、製品Ｂが処理できなくなったと判断された場合、装置１および装置３の両方を停止させてメンテナンスに入ると、この時点で全製品が装置２に集中することになり、生産能力の著しい低下になる。このような場合に、まだ装置１、装置３において着工可能な製品Ａ，Ｃを、優先的に装置１、装置３に流し、製品Ｂは装置２を使って処理することにより、生産の停滞を避けることができる。製品の仕掛りが減って装置能力に余裕が出た段階で装置１、装置３のメンテナンスを実施すれば良い。このように、製品処理結果の検査を行なうことなく、かつ不良を作らずに、その時点での性能に応じた適正な装置選択、生産ライン運用を可能とすることができる。
【００４５】
また、ここでは、製品の処理結果への適用例について述べてきたが、性能評価用ダミーウエハの処理結果に対しても有効である。第二の実施例の説明でも述べたように、エッチングレート測定用ウエハは、Ｓｉ基板上に製品と同じ膜質の膜が形成されているために、ダミーウエハとはいえ高価である。ある一定期間の間、何枚かのエッチングレート測定用ウエハに関してエッチング処理された時期と近い時期に、もっと安価な、例えばベアＳｉウエハの処理を実施し、エッチングレート測定用ウエハから測定されたエッチングレートと近い時期にエッチング処理を実施したベアＳｉのプラズマ状態検出データから、両者の関係式（モデル式）を作り、データベース部１３に記憶させておく。このようなモデル式を準備しておくことで、高価なレート測定用ダミー基板を使わなくても、もっと安価なベアＳｉの処理によって性能を判定することが可能となる。すなわち、より安価なダミー基板で、第二の実施例と同じ効果を得ることができる。
【００４６】
次に、図９〜図１１を用いて本発明の第四の実施例を説明する。本実施例は、エッチングレートの変動監視に適用した例について説明するものであり、特にゲート電極加工時の下地酸化膜エッチングレート変動の監視等に有効である。図９は本実施例を説明するためのゲート電極加工の概略断面図である。ここでは、ポリシリコンの単層膜でゲート電極を形成する例について説明する。図９において、２１はシリコン基板、２３は基板１上にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等によって形成されたポリシリコン膜でありゲート電極になる。２２はゲート酸化膜、２４はエッチング処理によって加工する領域を開口したフォトレジストである。
【００４７】
ゲート電極のエッチングは、通常同一条件で一気にポリシリコン２３をエッチングするのではなく、まず、１）ポリシリコンが数十ｎｍ程度残るまで高速でエッチングを行なうメインエッチングと称されるステップ、２）ポリシリコン２３を完全にエッチングするステップであり、メインエッチングステップよりも下地ゲート酸化膜２２のエッチングレートが低い、すなわちポリシリコンのエッチングが完了してもゲート酸化膜がエッチングされにくいジャストエッチングと称されるステップ、３）基板の段差や残渣をエッチングする、やはり下地ゲート酸化膜２２のエッチングレートが低いオーバーエッチングと称されるステップで実施される。
【００４８】
上記の２）や３）の条件は、酸化膜のエッチングレートは極めて小さいが、対象のゲート酸化膜２２は、例えば数ｎｍ〜１ｎｍ程度と極めて薄いために、小さいながらもエッチングレートの変動が発生してレートが上がると、局部的にゲート酸化膜２２がエッチングされて無くなり下のＳｉ基板に貫通孔が空いてしまう、いわゆる抜けという現象が発生する。上記の２）や３）の条件は、ゲート酸化膜に対してはエッチングレートが低いもののＳｉに対してはレートが高いために、ゲート酸化膜が抜けると２５に示したようにゲート酸化膜２２の下に位置するＳｉ基板２１が削り込まれてデバイスが正常に作動せず不良になる。
【００４９】
このようなゲート酸化膜の抜けによる不良を防止するために、通常はある一定間隔、例えば一日に一枚など、酸化膜のレート検査を実施することが一般的である。レート検査は、酸化シリコン膜をＳｉ基板上にある膜厚堆積させたレート測定用基板を用いて、実際にエッチングすることにより行なう。ここで例えば、レート検査とレート検査の合間に、装置のプラズマ状態になんらかの変動が発生して、レートが上昇するような事態が発生した場合には、次にレート検査を実施するまでゲート酸化膜の抜けの異常に気が付かずに製品処理を行うこととなる。結果として不良製品を作りこむことになり、損害は莫大な額にのぼる。さらに、レート検査用の基板は、Ｓｉ基板上にシリコン酸化膜を形成する必要があるために、検査用ウエハとはいっても高価なものである。つまり、ゲート酸化膜のエッチングレートの変動を、このようなレート検査を実施することなく、製品処理の間のプラズマ状態検出データからの情報で監視できれば、高価なレート測定用基板を消費せずに、不良品を作りこむことも無くなるなど大きな効果を得ることができる。
【００５０】
すなわち、ゲート酸化膜２２は、その上に設けたポリシリコン２３を完全にエッチングする結果削られることとなり、局所的にピンホールのような形態で抜けが生じ、さらにその下地であるＳｉ基板２１の抜け２５が生じるが、このような抜けによる不良を検出するには、実際の製品におけるレートとして実測することは非常に困難である。本発明によれば、ダミー基板のエッチングレートを着工可否の判断の指標に用いることによって、ピンホールの発生を実測することなく判断することができる。
【００５１】
この実施例の特徴は、上記のようにエッチング量やエッチングレートのように具体的な定量値として評価できず、ダミーのエッチング量やエッチングレートを指標として評価しなければならない場合に有効になるものであり、単なるレート予測とは別の効果である。
【００５２】
このような，応用はゲート酸化膜だけではなく，レジストマスクのレート予測やハードマスクのレート予測など、加工を目的とした膜の上下に位置する膜のレート予測に有効である。
【００５３】
エッチング対象膜をエッチングしている最中、当然のことながらマスクもエッチングされる。レジストやハードマスク材料とエッチング対象膜は選択比がある程度とれるように、すなわち、マスクのエッチングレート＜対象膜のレート、になるように条件設定するが、マスクのエッチングレートをゼロとすることは困難である。ここで、エッチングレートの変動が発生してレートが上がると、マスクが削れて、完成形状は、マスクがシュリンクし、かつ肩が削れたような形状となり、ポリシリコンの肩削れが発生し、デバイス特性に悪影響を与えて不良となる。この場合もマスクのエッチングが目的ではなく、結果としてマスクが削られることになり、マスクのエッチング量の指標は、今現在のマスク材のレート測定用のウエハをエッチングしたらエッチングレートはどうなるであろうか、ということが、すなわち評価ダミーのエッチング量、エッチングレートを指標として着工判断する必要がある。
【００５４】
上記のような単層膜場合には単純であるが、Ｗ（タングステン）／ポリシリコンの積層膜の場合は、もっと複雑になる。すなわち、タングステンをエッチングする条件とポリシリコンをエッチングする条件は異なるので、各々におけるエッチングレートは異なり、通常の検査工程では、エッチング条件（タングステン⇒ポリシリコンを両方エッチング）でマスクのレート検査を、一定間隔おきや一日一回などに行なうが、レート異常が発生した場合、どちらの条件が異常なのかがわからないという欠点がある。本発明の場合には、タングステン、ポリシリコンをエッチングやレート測定結果とプラズマ状態をデータベースとすることにより、各々に関して、レート測定ダミーをエッチングした場合のレートの予測ができるので、異常をすばやく直すことが可能となる。このように、この実施例によれば、別の効果も期待できる。
【００５５】
本実施例で行う演算のフローを示したものを図１０に、演算結果の表示結果の例を図１１に示す。該当製品、例えば製品Ａのウエハがエッチング処理された時期と近い時期に製品Ａのジャストエッチステップ、あるいはオーバーエッチステップと近似した条件によって、ゲート酸化膜と同じ材質の膜を形成したレート測定用基板の処理を実施し、エッチングレートの測定を行なっておく。前述の実施例の説明でものべたように、近い時期というのは連続した処理が望ましいが、数時間程度のずれであれば問題ない。また、必ずしもジャストエッチステップ、あるいはオーバーエッチ処理と同一である必要は無く、酸化膜のレート変動を増幅して見られるように、むしろある程度酸化膜レートが高くなるような条件で、ダミー基板をエッチングした結果を用いるか、時間を長くしてレートを算出しやすくした方が、後に実施する着工判断がしやすい。これは、問題となるジャストエッチステップやオーバーエッチステップの酸化膜のエッチングレートが極めて小さいために、変動が見にくいためである。
【００５６】
データベース部１３には、上記したレート測定用ダミー基板エッチング時のエッチングレートのデータと製品ウエハ処理のプラズマ状態検出データ、ならびに両データから両者の関係式（モデル式）を記憶させておく。製品ウエハのプラズマ状態検出データは、ポリシリコンをエッチングし終わってゲート酸化膜をエッチングしている場合のプラズマが対象となるので、ジャストエッチステップであればポリシリコンのエッチングが終わった後のデータ、すなわちジャストエッチステップ終了前のデータ、もしくはオーバーエッチ条件のデータを用い、モデル式を作る。製品Ａが着工された場合、データベース部から信号演算部にプラズマ状態検出データとダミー基板エッチング時のエッチングレートのデータとの関係式を呼び出し、製品Ａのエッチング処理が終了した際に、プラズマ状態検出手段８、９から送られてきたデータを、データベース部から信号演算部に呼び出した関係式によって計算し、エッチングレートの算出を行なう。ここで算出される値は、もし、仮に、この時点でゲート酸化膜と同じ材質の膜を形成したダミー基板を、製品Ａのジャストエッチステップ、あるいはオーバーエッチ処理と近似した条件でエッチングした場合のエッチングレートになる。
【００５７】
このように、本発明によれば、ダミー基板をエッチングせずとも、図１１に示したように、もし仮にその時点でダミー基板のレート測定を場合のエッチングレートを計算により求めて値を表示することができる。例えば、ダミー基板のエッチングレート計算値に上限値を設けておき、設定値２４の範囲内から外れた場合に警告を発することで不良の作りこみによる損害を最小限に抑えることができ、メンテナンスを適正な時期に行なうことも可能となる。第一の実施例同様、何回連続して閾値を超えたかで、あるいは警告の積算回数で警告のレベルわけをするのも有効である。例えば、１回閾値から外れて次には戻った場合２７には軽度の警告として着工は続けるが、３回連続して閾値を外れた場合２８には着工禁止としてメンテナンスを実施する、あるいは閾値が外れた積算回数がある設定値を超えたらメンテナンスを実施するなどの応用ができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、過去のウエハ処理結果情報と当該ウエハ処理時のプラズマ状態検出データ、および両者を相関付ける関係式を使って、ウエハ処理室後に現在処理が完了したプラズマ状態検出データと相関関係式とから処理結果の予測値を算出することができるので、処理状態の変動によって引き起こされる不良を素早く察知することができ、処理状態の変動に気づかずに起こる不良作り込みによる損害を最小限に抑えることがでる。さらに、メンテナンスを適正な時期に行うことができるという効果も得られる。
【００５９】
また、本発明によれば、ダミー基板放電によるプラズマ状態検出データからも、今仮に、製品処理を行なった場合の処理結果の予測値を算出することができるので、製品を処理し検査すること無しに所望の処理結果が得られるか否かの判断ができる。それにより、製品を無駄にすること、検査時間による待ち時間、検査の手間隙を省くことができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例を説明する装置状態監視システムを備えたプラズマ処理装置の概略図。
【図２】本発明の第一の実施例を説明する演算のフロー。
【図３】本発明の第一の実施例を説明する演算結果表示例。
【図４】本発明の第二の実施例を説明する演算のフロー。
【図５】本発明の第二の実施例を説明する演算結果表示例。
【図６】本発明の第三の実施例を説明する演算のフロー。
【図７】本発明の第三の実施例を説明する演算結果表示例。
【図８】本発明にかかる処理装置を複数用いた製品処理の態様を説明する図。
【図９】本発明の第四の実施例を説明する半導体基板の概略断面図。
【図１０】本発明の第四の実施例を説明するための演算のフロー。
【図１１】本発明の第四の実施例を説明するた演算結果表示例。
【符号の説明】
１ 処理チャンバ
２ 基板
３ プラズマ
４ 資料台
５ プラズマ生成用電極
６ ガス供給手段
７ ガス排気手段
８、９ プラズマ状態検出手段
１０ プラズマ処理装置制御部
１１ 信号処理演算部
１２ 装置状態監視部
１３ データベース部
１４、１７ 閾値
２１ Ｓｉ基板
２２ ゲート酸化膜
２３ ポリシリコン
２４ フォトレジスト
２５ 基板削れ

Claims (1)

1. 制御部とデータベース部とウエハにプラズマ処理を施すための処理室を有するプラズマ処理装置において、
   前記処理室は、処理室内部の処理状態を検出し複数の出力信号を出力するプラズマ状態検出手段を備え、
   前記データベース部は、複数の製品ウエハをエッチング処理した際の加工結果と、前記複数の製品ウエハをそれぞれエッチング処理した数時間以内に複数のダミーウエハを前記製品ウエハを処理した処理条件と近似した処理条件にてエッチング処理を行い、その際に得られるプラズマ状態検出データから作成された関係式を記憶しており、
   前記制御部は、ウェットクリーニング後のダミーウエハによるシーズニング処理において、
   ダミーウエハのエッチング処理を行い、その際のプラズマ状態検出データと前記関係式から、その時点で製品ウエハをエッチング処理した場合の加工結果を予測することにより、製品ウエハの着工可否判断を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。

Images