JP3609890B2

JP3609890B2 - Plasma processing apparatus and plasma processing method

Info

Publication number: JP3609890B2
Application number: JP33924895A
Authority: JP
Inventors: 隆史福島; 敏森下; 浩一郎足立
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JPH09181050A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的にプラズマを用いて所定の処理を行なうための装置および方法に関し、特に半導体製造工程中におけるプラズマエッチングの状態をモニタすることができるプラズマ処理装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１６および図１７に、従来の半導体製造工程中でプラズマを用いて半導体基板のエッチングを行なう平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図および平断面図を示す。図１６および図１７を参照してこの平行平板型プラズマエッチング装置は、エッチング室１と、エッチング室１内に上下に対向するように設けられた上部電極２ａおよび下部電極２ｂと、上部電極２ａおよび下部電極２ｂに接続された高周波電源３と、エッチング室１を真空引きするための真空排気装置８と、エッチング室１内のプラズマの発光強度をモニタするための、光センサからなる検出器５５と、検出器５５の出力を受けてプラズマエッチングの終点を検出する演算を行なう演算制御部５６と、エッチング室１内に供給される反応ガスの流量を制御するガス流量制御器８とを含む。下部電極２ｂの上面にはエッチングされる半導体基板（以下「ウェハ」と呼ぶ）が載置される。
【０００３】
図１６および図１７に示されるエッチング装置は次のように動作する。エッチング室１内を真空排気装置４により真空引きし、ガス流量制御器８を用いて一定流量のガスをエッチング室１内に供給する。高周波電源３を用いて、上部電極２ａおよび下部電極２ｂ間に高周波電力を印加する。これにより、両電極２ａおよび２ｂ間に電子、イオンおよびラジカルの混在したプラズマが発生する。このとき、下部電極２ｂ上にウェハ７が載置されていると、プラズマ中のイオン、ラジカルによりエッチングが進行する。
【０００４】
エッチング処理では、エッチングの終点を検出することが重要である。このプラズマエッチング装置では、プラズマの発光強度をモニタすることによりエッチングの終点を検出している。以下にエッチングの終点を検出するための方法について説明する。
【０００５】
図１６および図１７に示す検出器５５は、反応ガスまたは反応生成物特有の波長のみを通過するフィルタを内蔵しており、当該フィルタを透過した発光強度をモニタする。この検出器５５の出力に基づいて、エッチング中のプラズマの発光強度をＸ−Ｔレコーダに記録すると、図１８または図１９のようになる。図１８は反応ガス特有の波長の発光強度の時間変化を示しており、図１９は反応生成物特有の波長の発光強度の時間変化を示している。
【０００６】
図１８を参照して、時刻ｔ０で高周波電力の印加が開始されると、反応ガスから励起した分子が電力に対応した数だけ発生し、さらにそのうちある割合で基底状態に戻る。このとき、励起状態と基底状態にエネルギ差で決まるある特有の波長の光が発生される。したがって図１８に示されるように時刻ｔ０以降発光強度は増大する。
【０００７】
時刻ｔ１でエッチングが開始されると、励起した分子のうちエッチングに使用されるためにエネルギを失うものが増える。それに対応して、発光によりエネルギを失う分子の数が減るために、発光強度が低下する。時刻ｔ１〜ｔ２では、安定してウェハ面内全体がエッチングされており、そのため一定の発光強度が観測される。
【０００８】
ウェハ面内の一部でエッチングが終了すると、エッチングによってエネルギを失う分子の数が減り始める。この結果、発光によりエネルギを失う分子の数が増え始める。図１８では時刻ｔ２において一部においてエッチングが終了したものとする。図１８に示されるように時刻ｔ２以降発光強度は増加を始める。
【０００９】
ウェハ面内全体でエッチングが終了すると、もとの発光強度に戻る。図１８では時刻ｔ３においてウェハ面内全体のエッチングが終了している。その後所定時間オーバーエッチを行ない、高周波電力の印加を止める。図１８では時刻ｔ４で高周波電力の印加が止められている。
【００１０】
図１８において、時刻ｔ２〜ｔ３における発光強度の変化量を検知することにより、エッチングの終点を検出することができる。
【００１１】
図１９は、反応生成物の発光強度をモニタしている例である。図１９を参照して、エッチング中は、ある量の反応生成物が発生する。これは図１９において時刻ｔ１〜ｔ２に示されている。エッチングが終了すると反応生成物の量が減り、図１９において時刻ｔ２〜ｔ３に示されるように発光強度が減少する。この発光強度の変化量をモニタすることにより、エッチングの終点を検出できる。
【００１２】
図２０および図２１は、従来の半導体製造工程中においてエッチングを行なう装置の一例であるＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマエッチング装置の側断面図および平断面図をそれぞれ示す。図２０および図２１を参照してこのＥＣＲプラズマエッチング装置は、エッチング室１と、ＥＣＲプラズマ発生部２２と、エッチング室１内に設けられた、その上部に基板７が載置されるウェハステージ９と、ウェハステージ９に高周波電力を印加するための高周波電源３と、エッチング室１を真空引きするための真空排気装置４と、発光強度をモニタするための、光センサからなる検出器５５と、検出器５５の出力に基づいてエッチングの終点を検出するための演算制御部５６と、エッチング室に供給されるガス流量を制御するためのガス流量制御器８とを含む。
【００１３】
ＥＣＲプラズマ発生部２２は、マイクロ波発生装置２２ｃと、導波管２２ａと、図２０に示すように配置された電磁石２２ｂとを含む。
【００１４】
図２０および図２１に示されるＥＣＲプラズマエッチング装置は次のように動作する。エッチング室１内を真空排気装置４により真空引きを行なう。ガス流量制御器８により一定流量のガスをエッチング室１内に供給する。電磁石２２ｂと導波管２２ａにより導入されるマイクロ波とによりＥＣＲ条件を形成すると、電子、イオン、およびラジカルの混在したプラズマがエッチング室１内に発生する。このときウェハステージ９に高周波電源３により高周波電力を印加すると、ウェハステージ９上のウェハ７がプラズマ中のイオン、ラジカルによりエッチングされる。このＥＣＲプラズマエッチング装置でも、プラズマ状態のモニタ方法は、図１６〜図１９を参照して説明した平行平板型プラズマエッチング装置と同様である。
【００１５】
このような従来のプラズマを用いた半導体製造装置は、ウェハ上のある場所の発光強度の変化のみを検出している。そのため、エッチング速度のウェハ面内均一性が悪化したときに、これを検出することができず、そのためエッチング残りや寸法の変化が生じるという問題点があった。
【００１６】
このような問題点を解決する手段として、特開平５−１９０５０５号公報には、図２２および図２３に示されるようなモニタ方法が提案されている。図２２は図１７に示される平行平板型プラズマエッチング装置に対応するものであり、図２３は、図２１に示されるＥＣＲプラズマエッチング装置に対応するものである。
【００１７】
たとえば図２２を参照して、エッチング室１に、所定の間隔で配置した複数のセンサ５５ａ〜５５ｇを設け、ウェハ面内全体を任意に区分した各部分の発光強度をそれぞれモニタし、このモニタ結果を演算してウェハ面内のエッチング速度の均一性をモニタするための演算制御部５７を設ける。図２３も同様である。このように多点センサを使用することにより、ウェハ面内全体を区分した各領域ごとにエッチング速度をモニタすることが可能となる。
【００１８】
なお図２２および図２３において、図１６および図１７ならびに図２０および図２１と同一の部品には同一の参照符号を与えており、それらの機能も同一である。したがってここではそれらについての詳しい説明は繰り返さない。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−１９０５０５号公報の提案に従うと、使用される検出器の数に応じて演算制御部５７にポートを設けることが必要である。また、位置の分解能を上げるためには、多数の検出器が必要であって、そのため実用的ではないという問題点がある。
【００２０】
さらに、多点センサを用いるにせよ用いないにせよ、発光の波長別の成分を測定することができず、これを測定できるようにすればより便利である。
【００２５】
それゆえに請求項１から４に記載の発明の目的は、多数の検出器を用いる必要なく、所定の領域全体の限定された集光領域における波長別の発光強度分布に基づいて処理の制御、特にプラズマエッチングの制御、さらに詳しくはプラズマエッチングの終点の検出を行なうことができるプラズマ処理装置を提供することである。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係るプラズマ処理装置は、所定の処理室内でプラズマを用いて予め定める処理を行なうための処理手段と、処理室内の、所定の領域全体のプラズマの発光強度分布を同時に検出するための検出手段と、検出手段の出力に基づいて予め定める処理の制御を行なうための制御手段とを含み、検出手段は、処理手段のプラズマ発光源に対して集光領域を限定するためのスリットを有するスリット部材と、所定の領域全体のプラズマ発光を集光するためのレンズ系と、スリットを通過し、かつレンズ系により集光されるプラズマ発光を分光するための分光手段と、レンズ系により集光され、かつ分光手段により分光されるプラズマ発光の強度の、所定面上での分布を検出するためのエリアセンサとを含み、スリット部材の有するスリットは長方形であり、分光手段は、プラズマ発光強度の位置別および波長別の強度分布が得られるように、スリットに対して予め選択された位置に配置されており、それによって、検出手段が、所定の領域全体のプラズマ発光の、集光領域内のそれぞれの位置における位置別かつ波長別の強度分布を同時に検出する。それにより、検出手段が、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における波長別の強度分布を同時に検出することができる。
請求項２に記載の発明に係るプラズマ処理装置は、請求項１に記載のプラズマ処理装置の構成において、予め定める処理が、半導体基板のプラズマエッチング処理であることを特徴としている。したがって、半導体基板のプラズマエッチング処理において、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における波長別の発光強度分布を同時に検出するための検出手段を設け、この検出手段の出力に基づいてプラズマエッチング処理の制御を行なうことができる。
請求項３に記載の発明のプラズマ処理装置は、請求項２に記載のプラズマ処理装置であって、さらに、制御手段が、検出手段の出力に基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうための手段を含んでいることを特徴とする。したがって、請求項３によれば、多数の検出器を用いなくても、所定の領域全体のプラズマ発光の限定された集光領域における発光強度分布を同時に検出する検出手段の出力に基づいて、プラズマエッチング処理の終点検出を行なうことができる。
【００３７】
請求項４に記載の発明に係るプラズマ処理装置は、請求項１記載の構成に加えて、分光手段は回折格子を含み、処理手段は、処理室内に設けられ、その上面に半導体基板が載置される基板載置手段を含む。スリット部材は、スリットの長辺が基板載置手段上に載置された半導体基板の主表面と平行になるように配置され、回折格子は、その格子の長手方向がスリット部材のスリットの長辺と平行となるように配置されている。
【００４２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
図１に本願発明の実施形態１に係る平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図を、図２に平断面図をそれぞれ示す。図１および図２において、図１６および図１７に示した従来の平行平板型プラズマエッチング装置の部品と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、それらの説明については繰り返さないこととする。
【００４３】
図１および図２に示される実施形態１の平行平板型プラズマエッチング装置が図１６および図１７に示される従来の平行平板型プラズマエッチング装置と異なるのは、従来の単なる光センサからなる検出器５５に代えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集光されフィルタ５ｂにより発光波長が選択されたプラズマ発光の強度を検出するためのエリアセンサ５ｃとを含む点にある。なお図１および図２では、光学系５ａとエリアセンサ５ｃとの間にフィルタ５ｂが配置されているが、フィルタ５ｂを光学系５ａよりも前に出しても差し支えない。
【００４４】
この実施形態１の平行平板型プラズマエッチング装置では、図１６および図１７に示される演算制御部５６に代えて、同様のハードウェアからなるが、内部で行なう演算処理の異なる演算制御部６を有している点で異なっている。これは、エリアセンサ５ｃから得られる出力が、エッチング室１内の全体のプラズマ発光の強度分布を反映したものとなるためである。光学系５ａは、エッチング室１内の全体の領域のプラズマ発光を集光してエリアセンサ５ｃ上の集光面上に集光するためのものである。
【００４５】
フィルタ５ｂは、従来の技術でも述べたように、たとえば反応ガスの波長のみを通過するフィルタ、または反応生成物特有の波長のみを通過するフィルタである。どのようなフィルタを使用するかによって、既に述べたように演算制御部６によって行われる演算が異なってくる。
【００４６】
図１を参照して、発光検出器５は、平行平板型プラズマエッチング装置の電極間距離をｈ２とすると、ウェハが載置される下部電極２ｂから１／２ｈ２に相当する位置よりも下部電極側に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器５の光軸と下部電極２ｂとの間の距離をｈ１とすると、ｈ１とｈ２との間に次のような関係が成立するように発光検出器の位置を定めるのが望ましい。これは、ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００４７】
ｈ１≦ｈ２／２
図１を参照して、発光検出器５は、その光軸が平行平板型プラズマエッチング装置の下部電極２Ｂの中心を通る線付近に合されるように配置されることが望ましい。
【００４８】
光学系５ａとしては、下部電極２ｂの直径をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の式を満たすような入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００４９】
θ１≧２・ｔａｎ^−１（Ｌ１／Ｌ２）
エッチングのメカニズムに関しては、従来技術において説明したものと同様である。従来の技術で、図１６および図１７に示される装置では、単なる光学センサからなる１個の検出器５５を使用するか、図２２に示されるように複数個の光学センサを用いていた。しかしこの実施形態１では、図１および図２に示されるように、簡単な光学系５ａと、フィルタ５ｂと、エリアセンサ５ｃとの組合せからなる発光検出器５を１つだけ用いることにより、エッチング室１内全体の発光の測定を実現できる。発光検出器５としてはたとえば、発光波長選択用フィルタを装着した通常の写真撮影用のカメラのフィルム装填位置にＣＣＤエリアセンサを設けることにより実現できる。なおこの場合には図１および図２と異なり、フィルタ５ｂが光学系５ａよりも前に出ていることになる。
【００５０】
エッチング速度の面内均一性の分布は、大体において同心円状の分布を示す。たとえばウェハ面内の中央部においてエッチング速度が遅く、ウェハ周辺部にいくほどエッチング速度が速いものとする。このとき、ＣＣＤエリアセンサ５ｃから出力されるエッチング室１内の発光強度分布は図３に示されるようになる。図３に示されるようにこの実施形態１の発光検出器５によれば、ウェハの径方向と、ウェハに垂直な方向（高さ方向）とにおける２次元的な発光強度分布を、単一の発光検出器により得ることができる。このような２次元の光強度分布を受けて演算制御部６がデータ処理することにより、エッチング室１内の全体の光強度の時間変化をモニタすることが可能となり、エッチング速度のウェハ面内均一性を知ることができる。これによりウェハの終点検出の精度を高めることができ、エッチング処理自体の精度を高めることも可能になる。
【００５１】
なお、この実施形態１では、発光検出器５をエッチングの終点検出に用いているが、プラズマを用いる一般的なプラズマ処理装置、たとえばプラズマＣＶＤ法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置のモニタや、プラズマそのものの解析にも用いることが可能である。またこれは、以下に述べる他の実施例についてもあてはまる。
【００５２】
実施形態２
図４に、本願発明をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に適用した実施形態を図４および図５を参照して説明する。図４および図５において、図２０および図２１に示される従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と同一の部品には同一の参照符号を付している。それらの名称も機能も同一である。したがってこれはそれらについての詳しい説明は繰り返さない。
【００５３】
この実施形態２のＥＣＲ型プラズマエッチング装置が、図２０および図２１に示される従来の装置と異なるのは、単なる光センサからなる検出器５５に代えて、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、光学系５ａにより集光され、フィルタ５ｂにより発光波長が選択された発光強度を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとを含む発光検出器５を用いる点である。この発光検出器５は、図１および図２に示される発光検出器５と同様のものである。また既に説明したように、フィルタ５ｂが光学系５ａよりも前に配置されていてもよい。
【００５４】
図４は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に取付けるための位置を示す、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。図４を参照して、この発光検出器５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ＥＣＲポイント１０とウェハステージ９との間の距離をｈ２とすると、ウェハステージ９の上面から１／２・ｈ２に相当する位置よりもウェハステージ９に近い位置に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器５の光軸とウェハステージ９との間の距離をｈ１とすると、次のような関係が成立する位置に発光検出器５を設けるのが望ましい。これは、実施形態１と同様に、ウェハ７とプラズマ間に生ずるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００５５】
ｈ１≦１／２・ｈ２
図５は、発光検出器５をＥＣＲ型プラズマエッチング装置に取付ける位置を示し、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。図５を参照して、発光検出器５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェハステージ９の中心を通る線付近に光軸を合せるように配置されることが望ましい。また、光学系５ａとしては、ウェハステージ９の直径をＬ１、ウェハステージ９の中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の関係を満たす入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００５６】
θ１＞２・ｔａｎ^−１（Ｌ１／Ｌ２）
エッチングのメカニズムに関しては、従来技術と同様である。この実施形態２でも、図２３に示されるように７つもの光センサを用いなくとも、単一の発光検出器５を設けることにより、エッチング室１内全体に発光の測定を実現することができる。この場合にも、発光検出器５の出力を演算するためには、実施形態１と同様の演算を行なう演算制御部６を設ければよい。
【００５７】
この実施形態２の発光検出器５を用いても、実施形態１の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５８】
実施形態３
図６〜図１２を参照して、本願発明の実施形態３に係る平行平板型プラズマエッチング装置について説明する。この実施形態３は、平行平板型プラズマエッチング装置であるが、図６および７を図１および図２と比較すればわかるように、実施形態１の発光検出器５に代えて、分光手段としての回折格子１５ｂを有した発光検出器１５を使用し、位置別および波長別の発光強度の分布を検出できるようにしている点が実施形態１と異なっている。したがってこの光学検出器１５の出力を演算するものとして、実施形態１のものとは異なる演算制御部１６が使用される。なおこの実施形態３では分光手段として回折格子を用いたが、これに限られるわけではなく、プリズム等、入射光を波長別に分光できるものであればどのようなものでもよい。
【００５９】
図６および図７において、図１および図２と同一の部品には同一の参照符号および名称を付し、それらの詳細な説明については省略する。
【００６０】
図８に、光学検出器１５を拡大して示す。図８を参照して、発光検出器１５は、簡単な光学系１５ａと、光学系１５ａにより集光されたプラズマ発光を分光するための回折格子１５ｂと、回折格子１５ｂにより分光されたプラズマ発光を受けて、位置別および波長別に発光強度の分布を検出して演算制御部１６に出力するためのＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを含む。
【００６１】
図６に示されるように、発光検出器１５は、この平行平板型プラズマエッチング装置の電極間距離をｈ２とすると、ウェハ７が載置される下部電極２ｂの上面から１／２・ｈ２に相当する位置よりも下部電極側に設けるのが望ましい。すなわち発光検出器１５の光軸と下部電極２ｂの上面との距離をｈ１とすると、次の関係が成立するように発光検出器１５の位置を選択するのが望ましい。
【００６２】
ｈ１≦１／２・ｈ２
これは、平行平板型プラズマエッチング装置において、ウェハ７とプラズマ間に生じるシースに近い部分の発光情報を得るためである。
【００６３】
また図７に示されるように、発光検出器は、その光軸が平行平板型プラズマエッチング装置の下部電極２ｂの中心を通る線付近に合せられるように配置することが望ましい。
【００６４】
光学系１５ａは、図８に示されるように、集光領域を制限するためのスリットを有するスリット部材１５ａ１と、スリット部材１５ａ１のスリットにより制限された光を集光するためのレンズ１５ａ２とを含む。特に図７を参照して、光学系１５ａは、下部電極２ｂの直径をＬ１、下部電極２ｂの中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次の式を満足する入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００６５】
θ１＞２・ｔａｎ^−１（Ｌ１／Ｌ２）
ここで、スリットはたとえば縦５０〜１００μｍ（波長分解能を要する場合は１０〜２０μｍ）、横３０ｍｍ（受光素子であるＣＣＤの大きさを超えない範囲）の長方形をしており、長辺は平行平板型プラズマエッチング装置の両電極に平行に設け、電極全域の情報が取込めるように配置する。
【００６６】
図８および図９を参照して、スリット１５ａ１で制限されレンズ１５ａ２で集光された光は、回折格子１５ｂ上に集光される。スリット部材１５ａ１のスリットを通過した光を回折格子１５ｂ上に集光させるとき、スリットの長辺が、回折格子１５ｂの格子と平行となるようにスリットと回折格子との位置を定める。そうすることにより、回折格子１５ｂで回折した光は短辺方向に広がり、波長情報がスプリットされる。
【００６７】
回折格子１５ｂへの光の入射角をφ、回折格子１５ｂ上の溝間隔をｄとすると、波長λと回折角θとの関係は次のようになる。
【００６８】
θ＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎφ−ｎλ／ｄ）
ただしｎは回折次数を表わす。通常は回折強度が最も強くなるようにｎ＝１とする。
【００６９】
たとえば格子間隔ｄが１μｍの回折格子１５ｂを用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍの光を分光した場合、代表的な波長における回折角は次の表１に示すようになる。
【００７０】
【表１】

【００７１】
この表１は、回折格子１５ｂとＣＣＤエリアセンサ１５ｃとの距離を１０ｃｍとした場合の、波長７５０ｎｍの光の結像位置を基準として、代表的な波長の相対的な結像位置を示している。表１に示されるように、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃ上には、ウェハ上の位置の情報と、プラズマの発光波長の情報とが同時に得られる。したがって、ＣＣＤエリアセンサ１５ｃの出力を演算装置１６により演算することで、ウェハ上の任意の位置の任意の波長の光強度を同時に評価することが可能となった。なお、当然のことながら表１の値は格子間隔および回折格子１５ｂとＣＣＤエリアセンサ１５ｃとの距離が変わればそれにつれて変化する。
【００７２】
この実施形態３の平行平板型プラズマエッチング装置におけるエッチングのメカニズムは、実施形態１および図１６および１７に示される従来の技術におけるものと同じである。実施形態１では、集光のための簡単な光学系５ａと、発光波長を選択するためのフィルタ５ｂと、集光されたエッチング室１内全体の発光の強度分布を検出するためのＣＣＤエリアセンサ５ｃとによって、エッチング室１内全体の特定波長の発光強度の分布の測定を実現しているが、この実施形態３では、以上述べたように集光のための簡単な光学系１５ａと、発光波長を分光するための回折格子１５ｂと、このように集光されかつ分光された発光強度の分布を検知するためのＣＣＤエリアセンサ１５ｃとを設けることにより、エッチング室１内全体の任意の波長の任意の位置の発光強度を測定できる。
【００７３】
この実施形態３から得られる発光強度分布は、たとえば図１０に示されるようになる。図１０において、横軸は発光波長を、縦軸（奥行）は位置をそれぞれ示す。このような２次元の光強度分布から、演算制御部１６によりデータ処理をすることで、エッチング室１内全体の光強度の時間変化をモニタすることが可能となる。そのためエッチング速度のウェハ面内均一性を精度よく知ることができる。
【００７４】
発光波長７７７ｎｍ付近の光についての位置と発光強度との測定結果の一例を図１１に示す。このように位置別に発光強度を知ることができるので、面内のどの部分においてエッチングが進んでいるかを容易に、かつ精度よく知ることが可能である。
【００７５】
また、ＬＳＩ（大規模集積回路）の多結晶シリコンゲートを加工する際には、ＢｒラジカルとＯラジカルとの比を大きくすることで、多結晶シリコンとゲート絶縁膜との選択比が上がることが知られている。Ｂｒラジカルによる発光は波長７８０ｎｍ、Ｏラジカルによる発光は７７７ｎｍであるので、この実施形態３の装置によりこれら波長の異なる発光を同時に観測することが可能になったことにより、より精度の高いエッチングを行なうことができる。位置１０００における、発光波長別の発光強度の分布の測定結果の一例を図１２に示している。
【００７６】
実施形態４
図１３および図１４に、本願発明を図２０および図２１、ならびに図４および図５に示されるようなＥＣＲ型プラズマエッチング装置に適用した第２の実施形態を説明する。図１３にはこのＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図を、図１４には平断面図をそれぞれ示す。
【００７７】
この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、図４および図５に示される発光検出器５および演算部６に代えて、実施形態３と同様の発光検出器１５および演算部１６を設けた点でのみ実施形態２と異なっている。他の点ではこの実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置は、実施形態２のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と同様である。また発光検出器１５は、実施形態３の発光検出器１５と同じものである。したがってここではそれについての詳しい説明は繰り返さない。
【００７８】
図１３を参照して、発光検出器１５は、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ＥＣＲポイント１０とウェハステージ９の上面との距離をｈ２とすると、ウェハステージ９の上面から１／２・ｈ２に相当する高さよりもウェハステージ９に近い部分に設けるのが望ましい。すなわち、発光検出器１５の光軸とウェハステージ９の上面との間の距離をｈ１とすると、次のような関係が成立する位置に発光検出器を配置するのが望ましい。
【００７９】
ｈ１≦１／２・ｈ２
これは、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置において、ウェハ７とプラズマ間に生じるシーズに近い部分の発光情報を得るようにするためである。
【００８０】
また図１４を参照して、発光検出器１５は、その光軸がＥＣＲ型プラズマエッチング装置のウェハステージ９の中心を通る線付近に合うような位置に配置することが望ましい。
【００８１】
光学系１５ａとしては、ウェハステージ９の直径をＬ１、ウェハステージ１９の中心からエッチング装置の壁面までの距離をＬ２とすると、次のような式を満足する入射角θ１を有するレンズを使用するのが望ましい。
【００８２】
θ１≧２・ｔａｎ^−１（Ｌ１／Ｌ２）
この実施形態４のＥＣＲ型プラズマエッチング装置でも、実施形態３と同様にウェハ上の任意の位置の任意の波長の光強度を同時に評価することが可能である。回折次数ｎ＝１とし、格子間隔ｄが１μｍの回折格子１５ｂを用いて、入射角３０°で波長７５０〜８００ｎｍの光を分光した場合の、代表的な波長における回折角は既に掲げた表１に示すものと同様である。
【００８３】
この実施形態４の装置でも、実施形態３と同様にエッチング室１内全体の任意の波長の任意の位置の発光強度を測定できる。エリアセンサ１５ｃの出力を演算制御部１６によりデータ処理することで、エッチング室１内全体の光強度の時間変化を波長別にかつ位置別にモニタすることが可能となり、エッチング速度のウェハ面内均一性を高い精度で知ることができる。また、波長の異なる光についても強度を同時に測定できるので、たとえばＢｒラジカルとＯラジカルとによる発光をそれぞれ同時に、かつ個別に観測することができ、たとえばＬＳＩの多結晶シリコンゲートを加工する際に、より精度の高いエッチングを行なうことが可能になる。
【００８４】
なお、実施形態３および実施形態４の発光検出器１５に代えて、図１５に示す発光検出器２５を用いることもできる。発光検出器２５がたとえば図８に示されている発光検出器１５と異なるのは、集光光学系２５ａ２よりも回折格子１５ｂに近い側にスリット部材２５ａ１を配置した光学系２５ａ用いている点である。他の点ではこの発光検出器２５は図８に示される発光検出器１５と同じである。したがって他の部分についての詳細な説明はここでは繰り返さない。
【００８５】
図１５の光学系２５ａを用いた発光検出器２５によっても、実施形態３および４と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
以上のように本発明によれば、簡単な光学系と、波長選択用のフィルタまたは発光波長分光用の回折格子と、エリアセンサとを含む終点検出器を設けたので、エッチング室内全体の発光強度の分布と、さらには発光強度分布および発光波長分布を同時にモニタすることができる。実施形態１〜４では平行平板型プラズマソースおよびＥＣＲプラズマソースを用いたが、ヘリコン型プラズマソースやＩＣＰ（誘導結合型プラズマ）ソース、ＴＣＰソースおよび表面波プラズマソース等、プラズマ源の種類によらず全く同様の効果が得られることは言うまでもない。したがって、エッチング速度の面内均一性や選択比を精度よくモニタすることができ、たとえばプラズマエッチング処理などによって、精度高く加工された半導体基板を得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１のプラズマ処理装置である平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図２】図１に示される平行平板型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図３】実施形態１の装置により得られる発光強度分布の一例を模式的に示す図である。
【図４】本願発明の実施形態２のプラズマ処理装置であるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図５】図４に示されるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図６】本願発明の実施形態３のプラズマ処理装置である平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図７】図６に示される平行平板型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図８】実施形態３の発光検出器１５を拡大して示す模式図である。
【図９】実施形態３の回折格子とスリットとの関係を模式的に示す図である。
【図１０】実施形態３の発光検出器の出力の一例を模式的に示す図である。
【図１１】実施形態３の装置の発光検出器によって、特定の波長について位置別に得られる発光強度の分布を示すグラフである。
【図１２】実施形態３の装置により得られる、特定の位置についての、発光波長別の発光強度の分布を示すグラフである。
【図１３】実施形態４のプラズマ処理装置であるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図１４】図１３に示されるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【図１５】回折格子を用いた発光検出器の他の例を模式的に示す図である。
【図１６】従来の平行平板型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図１７】図１６に示される装置の平断面図である。
【図１８】エッチング中の反応ガスの発光強度と時間との関係を模式的に示す図である。
【図１９】エッチング中の反応生成物の発光強度と時間との関係を模式的に示す図である。
【図２０】従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の側断面図である。
【図２１】図２０に示される装置の平断面図である。
【図２２】図１６および図１７に示される従来の平行平板型プラズマエッチング装置に対する改良を示す、従来技術の一例の装置の平断面図である。
【図２３】図２０および図２１に示される装置の改良を示す、従来技術のＥＣＲ型プラズマエッチング装置の平断面図である。
【符号の説明】
１エッチング室
３高周波電源
４真空排気装置
５、１５、２５発光検出器
６、１６演算制御部
７ウェハ
８ガス流量制御器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to an apparatus and method for performing predetermined processing using plasma, and more particularly to a plasma processing apparatus and method capable of monitoring the state of plasma etching during a semiconductor manufacturing process.
[0002]
[Prior art]
16 and 17 are a side sectional view and a plan sectional view of a parallel plate type plasma etching apparatus for etching a semiconductor substrate using plasma in a conventional semiconductor manufacturing process. Referring to FIGS. 16 and 17, this parallel plate type plasma etching apparatus includes an etching chamber 1, an upper electrode 2a and a lower electrode 2b provided in the etching chamber 1 so as to face each other in the vertical direction, an upper electrode 2a, A high-frequency power source 3 connected to the lower electrode 2b, a vacuum exhaust device 8 for evacuating the etching chamber 1, and a detector 55 comprising an optical sensor for monitoring the emission intensity of plasma in the etching chamber 1. , An arithmetic control unit 56 that receives the output of the detector 55 and performs an arithmetic operation to detect the end point of the plasma etching, and a gas flow rate controller 8 that controls the flow rate of the reaction gas supplied into the etching chamber 1. A semiconductor substrate to be etched (hereinafter referred to as “wafer”) is placed on the upper surface of the lower electrode 2b.
[0003]
The etching apparatus shown in FIGS. 16 and 17 operates as follows. The inside of the etching chamber 1 is evacuated by the vacuum exhaust device 4, and a gas having a constant flow rate is supplied into the etching chamber 1 using the gas flow rate controller 8. Using a high frequency power source 3, high frequency power is applied between the upper electrode 2a and the lower electrode 2b. Thereby, a plasma in which electrons, ions and radicals are mixed is generated between the

electrodes

2a and 2b. At this time, if the wafer 7 is placed on the lower electrode 2b, etching proceeds by ions and radicals in the plasma.
[0004]
In the etching process, it is important to detect the end point of etching. In this plasma etching apparatus, the end point of etching is detected by monitoring the emission intensity of plasma. A method for detecting the end point of etching will be described below.
[0005]
The detector 55 shown in FIGS. 16 and 17 has a built-in filter that passes only the wavelength peculiar to the reaction gas or reaction product, and monitors the emission intensity transmitted through the filter. Based on the output of the detector 55, the emission intensity of the plasma being etched is recorded in the XT recorder, as shown in FIG. 18 or FIG. FIG. 18 shows the change over time of the emission intensity at the wavelength characteristic of the reaction gas, and FIG. 19 shows the change over time of the emission intensity at the wavelength specific to the reaction product.
[0006]
Referring to FIG. 18, when application of high-frequency power is started at time t0, the number of molecules excited from the reaction gas is generated in a number corresponding to the power, and further returns to the ground state at a certain rate. At this time, light having a specific wavelength determined by the energy difference between the excited state and the ground state is generated. Therefore, as shown in FIG. 18, the emission intensity increases after time t0.
[0007]
When etching is started at time t1, the number of excited molecules that lose energy because they are used for etching increases. Correspondingly, the number of molecules that lose energy due to light emission is reduced, resulting in a decrease in emission intensity. From time t1 to t2, the entire wafer surface is stably etched, so that a constant light emission intensity is observed.
[0008]
When etching is completed in a portion of the wafer surface, the number of molecules that lose energy by etching begins to decrease. As a result, the number of molecules that lose energy due to light emission starts to increase. In FIG. 18, it is assumed that etching is partially completed at time t2. As shown in FIG. 18, the emission intensity starts increasing after time t2.
[0009]
When etching is completed in the entire wafer surface, the original light emission intensity is restored. In FIG. 18, etching of the entire wafer surface is completed at time t3. Thereafter, overetching is performed for a predetermined time, and the application of high-frequency power is stopped. In FIG. 18, the application of high frequency power is stopped at time t4.
[0010]
In FIG. 18, the end point of etching can be detected by detecting the amount of change in emission intensity at times t2 to t3.
[0011]
FIG. 19 shows an example in which the emission intensity of the reaction product is monitored. Referring to FIG. 19, a certain amount of reaction product is generated during etching. This is shown at times t1 to t2 in FIG. When the etching is completed, the amount of reaction products decreases, and the emission intensity decreases as shown at times t2 to t3 in FIG. By monitoring the change in the emission intensity, the end point of etching can be detected.
[0012]
20 and 21 are a side sectional view and a plan sectional view, respectively, of an ECR (electron cyclotron resonance) plasma etching apparatus which is an example of an apparatus for performing etching in a conventional semiconductor manufacturing process. 20 and 21, this ECR plasma etching apparatus includes an etching chamber 1, an ECR plasma generation unit 22, and a wafer stage 9 provided in the etching chamber 1 on which a substrate 7 is placed. A high-frequency power source 3 for applying high-frequency power to the wafer stage 9, a vacuum exhaust device 4 for evacuating the etching chamber 1, and a detector 55 comprising an optical sensor for monitoring the emission intensity, An arithmetic control unit 56 for detecting the end point of etching based on the output of the detector 55 and a gas flow rate controller 8 for controlling the flow rate of gas supplied to the etching chamber are included.
[0013]
The ECR plasma generator 22 includes a microwave generator 22c, a waveguide 22a, and an electromagnet 22b arranged as shown in FIG.
[0014]
The ECR plasma etching apparatus shown in FIGS. 20 and 21 operates as follows. The etching chamber 1 is evacuated by the vacuum exhaust device 4. A gas flow controller 8 supplies a constant flow of gas into the etching chamber 1. When the ECR condition is formed by the electromagnet 22b and the microwave introduced by the waveguide 22a, plasma in which electrons, ions, and radicals are mixed is generated in the etching chamber 1. At this time, when high frequency power is applied to the wafer stage 9 by the high frequency power supply 3, the wafer 7 on the wafer stage 9 is etched by ions and radicals in the plasma. In this ECR plasma etching apparatus, the plasma state monitoring method is the same as that of the parallel plate type plasma etching apparatus described with reference to FIGS.
[0015]
Such a conventional semiconductor manufacturing apparatus using plasma detects only a change in emission intensity at a certain location on the wafer. For this reason, when the uniformity of the etching rate within the wafer surface is deteriorated, this cannot be detected, so that there is a problem in that etching residue and dimensional changes occur.
[0016]
As means for solving such problems, a monitoring method as shown in FIGS. 22 and 23 is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-190505. FIG. 22 corresponds to the parallel plate type plasma etching apparatus shown in FIG. 17, and FIG. 23 corresponds to the ECR plasma etching apparatus shown in FIG.
[0017]
For example, referring to FIG. 22, the etching chamber 1 is provided with a plurality of sensors 55a to 55g arranged at a predetermined interval, and the emission intensity of each part that arbitrarily divides the entire wafer surface is monitored. An arithmetic control unit 57 is provided for monitoring the uniformity of the etching rate in the wafer surface. The same applies to FIG. By using the multipoint sensor in this way, it becomes possible to monitor the etching rate for each region that divides the entire wafer surface.
[0018]
22 and 23, the same components as those in FIGS. 16 and 17 and FIGS. 20 and 21 are given the same reference numerals, and their functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated here.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the proposal of Japanese Patent Laid-Open No. 5-190505, it is necessary to provide a port in the arithmetic control unit 57 according to the number of detectors used. In addition, in order to increase the position resolution, a large number of detectors are required, which is not practical.
[0020]
Furthermore, it is more convenient if it is possible to measure a component for each wavelength of light emission, regardless of whether a multipoint sensor is used or not.
[0025]
Therefore, from claim 1 4 The object of the present invention is to control the processing based on the emission intensity distribution by wavelength in a limited light converging region of the entire predetermined region without using a large number of detectors, and more particularly to control plasma etching. Is to provide a plasma processing apparatus capable of detecting the end point of plasma etching.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
The plasma processing apparatus according to the first aspect of the invention simultaneously detects processing means for performing predetermined processing using plasma in a predetermined processing chamber, and plasma emission intensity distribution in the entire predetermined region in the processing chamber. And a control means for controlling a predetermined process based on the output of the detection means, the detection means for limiting the light collection region with respect to the plasma emission source of the processing means A slit member having a slit, a lens system for condensing the plasma emission of the entire predetermined region, a spectroscopic means for spectroscopically analyzing the plasma emission passing through the slit and collected by the lens system, and a lens system And an area sensor for detecting the distribution on the predetermined surface of the intensity of the plasma emission focused by the spectroscopic means and dispersed by the spectroscopic means. The slit member has a rectangular shape, and the spectroscopic means is arranged at a position selected in advance with respect to the slit so as to obtain an intensity distribution for each position of plasma emission intensity and for each wavelength. Thus, the detection means simultaneously detects the intensity distribution for each position and for each wavelength of the plasma emission of the entire predetermined area at each position in the light collection area. Thereby, the detection means can simultaneously detect the intensity distribution by wavelength in the condensing region where the plasma emission of the entire predetermined region is limited.
A plasma processing apparatus according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the configuration of the plasma processing apparatus according to the first aspect, the predetermined process is a plasma etching process of a semiconductor substrate. Therefore, in the plasma etching process of the semiconductor substrate, there is provided a detecting means for simultaneously detecting the emission intensity distribution by wavelength in the condensing region where the plasma emission of the entire predetermined region is limited, and based on the output of the detecting means The plasma etching process can be controlled.
A plasma processing apparatus according to a third aspect of the present invention is the plasma processing apparatus according to the second aspect, wherein the control means detects the end point of the plasma etching process based on the output of the detection means. means Including It is characterized by Therefore, according to the third aspect of the present invention, the plasma is detected based on the output of the detection means for simultaneously detecting the emission intensity distribution in the condensing region where the plasma emission of the entire predetermined region is limited without using a large number of detectors. The end point of the etching process can be detected.
[0037]
Claim 4 A plasma processing apparatus according to the invention described in claim 1 In addition to the configuration described above, the spectroscopic unit includes a diffraction grating, and the processing unit includes a substrate mounting unit that is provided in the processing chamber and on which the semiconductor substrate is mounted. The slit member is arranged so that the long side of the slit is parallel to the main surface of the semiconductor substrate placed on the substrate placing means, and the diffraction grating has a long side of the slit of the slit member. Are arranged in parallel with each other.
[0042]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
FIG. 1 is a side sectional view of a parallel plate type plasma etching apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 1 and 2, parts that are the same as those of the conventional parallel plate plasma etching apparatus shown in FIGS. 16 and 17 are given the same reference numerals and names, and descriptions thereof will not be repeated. To do.
[0043]
The parallel plate type plasma etching apparatus of the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 is different from the conventional parallel plate type plasma etching apparatus shown in FIGS. 16 and 17 in that a detector 55 comprising a conventional simple optical sensor. Instead, a simple optical system 5a for condensing, a filter 5b for selecting a light emission wavelength, and the intensity of plasma light emission collected by the optical system 5a and the light emission wavelength selected by the filter 5b are detected. And an area sensor 5c for the purpose. In FIG. 1 and FIG. 2, the filter 5b is disposed between the optical system 5a and the area sensor 5c. However, the filter 5b may be put out before the optical system 5a.
[0044]
In the parallel plate type plasma etching apparatus according to the first embodiment, instead of the arithmetic control unit 56 shown in FIGS. 16 and 17, the same control hardware is used, but the arithmetic control unit 6 having different internal arithmetic processing is provided. Is different in that This is because the output obtained from the area sensor 5 c reflects the intensity distribution of the entire plasma emission in the etching chamber 1. The optical system 5a is for condensing the plasma emission of the whole area | region in the etching chamber 1, and condensing it on the condensing surface on the area sensor 5c.
[0045]
As described in the prior art, the filter 5b is, for example, a filter that passes only the wavelength of the reaction gas, or a filter that passes only the wavelength peculiar to the reaction product. Depending on what filter is used, the calculation performed by the calculation control unit 6 varies as described above.
[0046]
Referring to FIG. 1, when the distance between the electrodes of the parallel plate plasma etching apparatus is h2, the light emission detector 5 is located on the lower electrode side than the position corresponding to 1 / 2h2 from the lower electrode 2b on which the wafer is placed. It is desirable to provide in. That is, if the distance between the optical axis of the light emission detector 5 and the lower electrode 2b is h1, it is desirable to determine the position of the light emission detector so that the following relationship is established between h1 and h2. . This is for obtaining light emission information in a portion near the sheath generated between the wafer 7 and the plasma.
[0047]
h1 ≦ h2 / 2
Referring to FIG. 1, the light emission detector 5 is preferably arranged so that its optical axis is aligned with a line passing through the center of the lower electrode 2B of the parallel plate plasma etching apparatus.
[0048]
As the optical system 5a, a lens having an incident angle θ1 satisfying the following equation is used, where L1 is the diameter of the lower electrode 2b and L2 is the distance from the center of the lower electrode 2b to the wall surface of the etching apparatus. desirable.
[0049]
θ1 ≧ 2 · tan ^-1 (L1 / L2)
The etching mechanism is the same as that described in the prior art. In the prior art, the apparatus shown in FIGS. 16 and 17 uses a single detector 55 consisting of a simple optical sensor, or uses a plurality of optical sensors as shown in FIG. However, in the first embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, etching is performed by using only one light emission detector 5 composed of a combination of a simple optical system 5a, a filter 5b, and an area sensor 5c. Measurement of light emission in the entire chamber 1 can be realized. The light emission detector 5 can be realized, for example, by providing a CCD area sensor at a film loading position of a normal photography camera equipped with a light emission wavelength selection filter. In this case, unlike FIGS. 1 and 2, the filter 5b comes out before the optical system 5a.
[0050]
The distribution of the in-plane uniformity of the etching rate is roughly a concentric distribution. For example, it is assumed that the etching rate is low at the central portion in the wafer surface, and the etching rate is higher toward the peripheral portion of the wafer. At this time, the emission intensity distribution in the etching chamber 1 outputted from the CCD area sensor 5c is as shown in FIG. As shown in FIG. 3, according to the light emission detector 5 of the first embodiment, a two-dimensional light emission intensity distribution in the radial direction of the wafer and the direction (height direction) perpendicular to the wafer is expressed as a single. It can be obtained by a luminescence detector. By receiving such a two-dimensional light intensity distribution and processing the data by the arithmetic control unit 6, it becomes possible to monitor the temporal change in the entire light intensity in the etching chamber 1, and the etching rate is uniform within the wafer surface. You can know the sex. As a result, the accuracy of detecting the end point of the wafer can be increased, and the accuracy of the etching process itself can be increased.
[0051]
In the first embodiment, the light emission detector 5 is used for end point detection of etching. However, a monitor of a general plasma processing apparatus using plasma, for example, a plasma CVD method (Chemical Vapor Deposition) apparatus or a plasma itself is used. It can also be used for analysis. This is also true for the other embodiments described below.
[0052]
Embodiment 2
FIG. 4 illustrates an embodiment in which the present invention is applied to an ECR type plasma etching apparatus, with reference to FIGS. 4 and 5. 4 and 5, the same components as those in the conventional ECR type plasma etching apparatus shown in FIGS. 20 and 21 are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are the same. Therefore, this does not repeat the detailed description about them.
[0053]
The ECR type plasma etching apparatus according to the second embodiment is different from the conventional apparatus shown in FIGS. 20 and 21 in that a simple optical system 5a for condensing light instead of the detector 55 consisting of a simple optical sensor. And a light emission detector 5 including a filter 5b for selecting the light emission wavelength and a CCD area sensor 5c for detecting the light emission intensity collected by the optical system 5a and having the light emission wavelength selected by the filter 5b. Is a point. The light emission detector 5 is the same as the light emission detector 5 shown in FIGS. As already described, the filter 5b may be disposed before the optical system 5a.
[0054]
FIG. 4 is a side sectional view of the ECR type plasma etching apparatus showing a position for attaching the light emission detector 5 to the ECR type plasma etching apparatus. Referring to FIG. 4, in the ECR type plasma etching apparatus, this emission detector 5 is ½ · h 2 from the upper surface of the wafer stage 9 when the distance between the ECR point 10 and the wafer stage 9 is h 2. It is desirable to provide at a position closer to the wafer stage 9 than the corresponding position. That is, if the distance between the optical axis of the light emission detector 5 and the wafer stage 9 is h1, it is desirable to provide the light emission detector 5 at a position where the following relationship is established. This is for obtaining light emission information of a portion close to the sheath generated between the wafer 7 and the plasma as in the first embodiment.
[0055]
h1 ≦ 1/2 ・ h2
FIG. 5 is a plan sectional view of the ECR type plasma etching apparatus, showing the position where the light emission detector 5 is attached to the ECR type plasma etching apparatus. Referring to FIG. 5, it is desirable that the light emission detector 5 is arranged so that the optical axis is aligned near a line passing through the center of the wafer stage 9 of the ECR type plasma etching apparatus. As the optical system 5a, a lens having an incident angle θ1 that satisfies the following relationship is used, where L1 is the diameter of the wafer stage 9 and L2 is the distance from the center of the wafer stage 9 to the wall surface of the etching apparatus. desirable.
[0056]
θ1> 2 · tan ^-1 (L1 / L2)
The etching mechanism is the same as in the prior art. Even in the second embodiment, it is possible to measure light emission in the entire etching chamber 1 by providing the single light emission detector 5 without using as many as seven optical sensors as shown in FIG. . Also in this case, in order to calculate the output of the light emission detector 5, an arithmetic control unit 6 that performs the same calculation as in the first embodiment may be provided.
[0057]
Even if the light emission detector 5 of the second embodiment is used, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
[0058]
Embodiment 3
A parallel plate type plasma etching apparatus according to Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to FIGS. Although this Embodiment 3 is a parallel plate type plasma etching apparatus, as can be seen by comparing FIGS. 6 and 7 with FIGS. 1 and 2, the light emission detector 5 of Embodiment 1 is replaced with a spectroscopic means. The difference from Embodiment 1 is that the emission detector 15 having the diffraction grating 15b is used to detect the distribution of emission intensity by position and wavelength. Therefore, an arithmetic control unit 16 different from that of the first embodiment is used as an arithmetic unit for calculating the output of the optical detector 15. In the third embodiment, the diffraction grating is used as the spectroscopic means. However, the present invention is not limited to this, and any prism or the like may be used as long as it can split incident light according to wavelength.
[0059]
6 and 7, the same components as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals and names, and detailed description thereof will be omitted.
[0060]
FIG. 8 shows the optical detector 15 in an enlarged manner. Referring to FIG. 8, the light emission detector 15 includes a simple optical system 15a, a diffraction grating 15b for dispersing the plasma emission condensed by the optical system 15a, and the plasma emission separated by the diffraction grating 15b. And a CCD area sensor 15 c for detecting the distribution of the emission intensity for each position and wavelength and outputting the distribution to the arithmetic control unit 16.
[0061]
As shown in FIG. 6, the light emission detector 15 corresponds to 1/2 · h2 from the upper surface of the lower electrode 2b on which the wafer 7 is placed, where h2 is the distance between the electrodes of the parallel plate type plasma etching apparatus. It is desirable to provide it on the lower electrode side than the position where it is. That is, when the distance between the optical axis of the light emission detector 15 and the upper surface of the lower electrode 2b is h1, it is desirable to select the position of the light emission detector 15 so that the following relationship is established.
[0062]
h1 ≦ 1/2 ・ h2
This is for obtaining light emission information of a portion near the sheath generated between the wafer 7 and the plasma in the parallel plate type plasma etching apparatus.
[0063]
Further, as shown in FIG. 7, it is desirable to arrange the light emission detector so that its optical axis is aligned with a line passing through the center of the lower electrode 2b of the parallel plate type plasma etching apparatus.
[0064]
As shown in FIG. 8, the optical system 15a includes a slit member 15a1 having a slit for restricting a condensing region, and a lens 15a2 for condensing light restricted by the slit of the slit member 15a1. . Referring to FIG. 7 in particular, the optical system 15a has an incident angle θ1 that satisfies the following expression, where L1 is the diameter of the lower electrode 2b and L2 is the distance from the center of the lower electrode 2b to the wall surface of the etching apparatus. It is desirable to use a lens.
[0065]
θ1> 2 · tan ^-1 (L1 / L2)
Here, for example, the slit has a rectangular shape with a length of 50 to 100 μm (10 to 20 μm when wavelength resolution is required) and a width of 30 mm (a range not exceeding the size of the CCD as the light receiving element), and the long side is a parallel plate It is provided in parallel to both electrodes of the type plasma etching apparatus, and is arranged so that information on the entire electrode area can be taken in.
[0066]
Referring to FIGS. 8 and 9, the light limited by slit 15a1 and collected by lens 15a2 is collected on diffraction grating 15b. When the light passing through the slit of the slit member 15a1 is collected on the diffraction grating 15b, the positions of the slit and the diffraction grating are determined so that the long side of the slit is parallel to the grating of the diffraction grating 15b. By doing so, the light diffracted by the diffraction grating 15b spreads in the short side direction, and the wavelength information is split.
[0067]
If the incident angle of light on the diffraction grating 15b is φ and the groove interval on the diffraction grating 15b is d, the relationship between the wavelength λ and the diffraction angle θ is as follows.
[0068]
θ = sin ^-1 (Sinφ-nλ / d)
Here, n represents the diffraction order. Usually, n = 1 is set so that the diffraction intensity is the strongest.
[0069]
For example, when a diffraction grating 15b having a grating interval d of 1 μm is used and light having a wavelength of 750 to 800 nm is split at an incident angle of 30 °, diffraction angles at typical wavelengths are as shown in Table 1 below.
[0070]
[Table 1]

[0071]
Table 1 shows the relative imaging positions of typical wavelengths with reference to the imaging position of light having a wavelength of 750 nm when the distance between the diffraction grating 15b and the CCD area sensor 15c is 10 cm. . As shown in Table 1, information on the position on the wafer and information on the emission wavelength of the plasma are obtained simultaneously on the CCD area sensor 15c. Therefore, by calculating the output of the CCD area sensor 15c by the calculation device 16, it becomes possible to simultaneously evaluate the light intensity of an arbitrary wavelength at an arbitrary position on the wafer. As a matter of course, the values in Table 1 change as the grating interval and the distance between the diffraction grating 15b and the CCD area sensor 15c change.
[0072]
The etching mechanism in the parallel plate type plasma etching apparatus of the third embodiment is the same as that in the prior art shown in the first embodiment and FIGS. In the first embodiment, a simple optical system 5a for condensing light, a filter 5b for selecting a light emission wavelength, and a CCD area sensor for detecting the intensity distribution of light emission in the entire collected etching chamber 1 5c realizes the measurement of the emission intensity distribution of the specific wavelength in the entire etching chamber 1. In the third embodiment, as described above, the simple optical system 15a for condensing light and the light emission By providing the diffraction grating 15b for spectrally dividing the wavelength and the CCD area sensor 15c for detecting the distribution of the light intensity collected and spectrally divided in this manner, the entire wavelength in the etching chamber 1 can be changed. The light emission intensity at an arbitrary position can be measured.
[0073]
The emission intensity distribution obtained from the third embodiment is as shown in FIG. 10, for example. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the emission wavelength, and the vertical axis (depth) indicates the position. By performing data processing from such a two-dimensional light intensity distribution by the arithmetic control unit 16, it is possible to monitor the temporal change of the light intensity in the etching chamber 1 as a whole. Therefore, the uniformity of the etching rate within the wafer surface can be known with high accuracy.
[0074]
FIG. 11 shows an example of the measurement results of the position and light emission intensity for light near the emission wavelength of 777 nm. Since the emission intensity can be known for each position in this way, it is possible to easily and accurately know in which part of the surface the etching is progressing.
[0075]
Further, when processing a polycrystalline silicon gate of an LSI (Large Scale Integrated circuit), the selectivity ratio between the polycrystalline silicon and the gate insulating film can be increased by increasing the ratio of Br radical and O radical. Are known. Since the light emitted by the Br radical has a wavelength of 780 nm and the light emitted by the O radical has a wavelength of 777 nm, the apparatus according to the third embodiment can simultaneously observe light having different wavelengths, thereby performing etching with higher accuracy. be able to. An example of the measurement result of the distribution of the emission intensity for each emission wavelength at the position 1000 is shown in FIG.
[0076]
Embodiment 4
13 and 14, a second embodiment in which the present invention is applied to an ECR type plasma etching apparatus as shown in FIGS. 20 and 21 and FIGS. 4 and 5 will be described. FIG. 13 is a side sectional view of the ECR type plasma etching apparatus, and FIG. 14 is a plan sectional view.
[0077]
The ECR type plasma etching apparatus of the fourth embodiment is provided with a light emission detector 15 and a calculation unit 16 similar to those of the third embodiment in place of the light emission detector 5 and the calculation unit 6 shown in FIGS. Only in the second embodiment. In other respects, the ECR type plasma etching apparatus of the fourth embodiment is the same as the ECR type plasma etching apparatus of the second embodiment. The light emission detector 15 is the same as the light emission detector 15 of the third embodiment. Therefore, detailed description thereof will not be repeated here.
[0078]
Referring to FIG. 13, light emission detector 15 corresponds to 1/2 · h 2 from the upper surface of wafer stage 9 when the distance between ECR point 10 and the upper surface of wafer stage 9 is h 2 in the ECR type plasma etching apparatus. It is desirable to provide at a portion closer to the wafer stage 9 than the height to be performed. That is, if the distance between the optical axis of the light emission detector 15 and the upper surface of the wafer stage 9 is h1, it is desirable to arrange the light emission detector at a position where the following relationship is established.
[0079]
h1 ≦ 1/2 ・ h2
This is for obtaining light emission information in a portion close to a sheath generated between the wafer 7 and the plasma in the ECR type plasma etching apparatus.
[0080]
Referring to FIG. 14, it is desirable that the light emission detector 15 is arranged at a position where its optical axis matches the vicinity of a line passing through the center of the wafer stage 9 of the ECR type plasma etching apparatus.
[0081]
As the optical system 15a, a lens having an incident angle θ1 satisfying the following equation is used, where L1 is the diameter of the wafer stage 9 and L2 is the distance from the center of the wafer stage 19 to the wall surface of the etching apparatus. Is desirable.
[0082]
θ1 ≧ 2 · tan ^-1 (L1 / L2)
Even in the ECR type plasma etching apparatus of the fourth embodiment, it is possible to simultaneously evaluate the light intensity of an arbitrary wavelength at an arbitrary position on the wafer as in the third embodiment. The diffraction angles at typical wavelengths when the diffraction order n = 1 and the light with a wavelength of 750 to 800 nm are separated at an incident angle of 30 ° using the diffraction grating 15b with a grating spacing d of 1 μm are shown in Table 1 above. It is the same as that shown in.
[0083]
Even in the apparatus of the fourth embodiment, the emission intensity at an arbitrary position of an arbitrary wavelength in the entire etching chamber 1 can be measured as in the third embodiment. By processing the output of the area sensor 15c by the arithmetic control unit 16, it is possible to monitor the temporal change of the light intensity in the entire etching chamber 1 for each wavelength and for each position, and to improve the uniformity of the etching rate within the wafer surface. You can know with high accuracy. In addition, since the intensity can be measured at the same time for light having different wavelengths, for example, light emission by Br radical and O radical can be observed simultaneously and individually. For example, when processing a polycrystalline silicon gate of an LSI, It becomes possible to perform etching with higher accuracy.
[0084]
In addition, it can replace with the light emission detector 15 of Embodiment 3 and Embodiment 4, and can also use the light emission detector 25 shown in FIG. The light emission detector 25 differs from the light emission detector 15 shown in FIG. 8, for example, in that an optical system 25a in which a slit member 25a1 is disposed closer to the diffraction grating 15b than the condensing optical system 25a2 is used. is there. In other respects, the emission detector 25 is the same as the emission detector 15 shown in FIG. Therefore, detailed description of other parts will not be repeated here.
[0085]
Even with the light emission detector 25 using the optical system 25a of FIG. 15, the same effects as those of the third and fourth embodiments can be obtained.
[0086]
As described above, according to the present invention, since the end point detector including the simple optical system, the wavelength selection filter or the diffraction grating for emission wavelength spectroscopy, and the area sensor is provided, the emission intensity of the entire etching chamber is obtained. , And also the emission intensity distribution and emission wavelength distribution can be monitored simultaneously. In the first to fourth embodiments, the parallel plate type plasma source and the ECR plasma source are used. However, the helicon type plasma source, the ICP (inductively coupled plasma) source, the TCP source, the surface wave plasma source, etc. Needless to say, the same effect can be obtained. Therefore, the in-plane uniformity and the selectivity of the etching rate can be monitored with high accuracy, and the semiconductor substrate processed with high accuracy can be obtained by, for example, plasma etching.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side sectional view of a parallel plate plasma etching apparatus which is a plasma processing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is a plan sectional view of the parallel plate type plasma etching apparatus shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of a light emission intensity distribution obtained by the apparatus according to the first embodiment.
FIG. 4 is a side sectional view of an ECR type plasma etching apparatus which is a plasma processing apparatus according to a second embodiment of the present invention.
5 is a plan sectional view of the ECR type plasma etching apparatus shown in FIG.
FIG. 6 is a side sectional view of a parallel plate type plasma etching apparatus which is a plasma processing apparatus according to a third embodiment of the present invention.
7 is a plan sectional view of the parallel plate type plasma etching apparatus shown in FIG.
FIG. 8 is an enlarged schematic view of a light emission detector 15 according to a third embodiment.
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating a relationship between a diffraction grating and a slit according to the third embodiment.
FIG. 10 is a diagram schematically illustrating an example of an output of a light emission detector according to a third embodiment.
FIG. 11 is a graph showing a distribution of emission intensity obtained by position for a specific wavelength by the emission detector of the apparatus according to the third embodiment.
12 is a graph showing a distribution of emission intensity for each emission wavelength at a specific position obtained by the apparatus of Embodiment 3. FIG.
FIG. 13 is a side sectional view of an ECR type plasma etching apparatus which is a plasma processing apparatus according to a fourth embodiment.
14 is a cross-sectional plan view of the ECR type plasma etching apparatus shown in FIG.
FIG. 15 is a diagram schematically showing another example of a light emission detector using a diffraction grating.
FIG. 16 is a side sectional view of a conventional parallel plate type plasma etching apparatus.
17 is a cross-sectional plan view of the apparatus shown in FIG.
FIG. 18 is a diagram schematically showing the relationship between the emission intensity of reaction gas during etching and time.
FIG. 19 is a diagram schematically showing the relationship between the emission intensity of a reaction product during etching and time.
FIG. 20 is a side sectional view of a conventional ECR type plasma etching apparatus.
21 is a cross-sectional plan view of the apparatus shown in FIG.
22 is a plan sectional view of an example of the prior art, showing an improvement over the conventional parallel plate plasma etching apparatus shown in FIGS. 16 and 17. FIG.
23 is a cross-sectional plan view of a prior art ECR plasma etching apparatus showing an improvement of the apparatus shown in FIGS. 20 and 21. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Etching chamber
3 High frequency power supply
4 Vacuum exhaust system
5, 15, 25 Luminescence detector
6, 16 Calculation control unit
7 Wafer
8 Gas flow controller

Claims

Processing means for performing predetermined processing using plasma in a predetermined processing chamber;
Detection means for simultaneously detecting the emission intensity distribution of plasma in the entire predetermined area in the processing chamber;
Control means for controlling the predetermined processing based on the output of the detection means,
The detection means includes a slit member having a slit for limiting a light collection region with respect to the plasma light source of the processing means;
A lens system for condensing the plasma emission of the entire predetermined area;
A spectroscopic means for spectroscopically analyzing plasma light that passes through the slit and is collected by the lens system;
An area sensor for detecting a distribution on a predetermined plane of the intensity of the plasma emission focused by the lens system and split by the spectroscopic means;
The slit of the slit member is rectangular,
The spectroscopic means is arranged at a position selected in advance with respect to the slit so as to obtain an intensity distribution for each position and wavelength of plasma emission intensity,
Thereby, the detection means simultaneously detects the intensity distribution for each position and wavelength at each position in the condensing region of the plasma emission of the entire predetermined region.

The plasma processing apparatus according to claim 1, wherein the predetermined process is a plasma etching process of a semiconductor substrate.

3. The plasma processing apparatus according to claim 2, wherein the control means includes means for detecting an end point of the plasma etching process based on an output of the detection means.

The spectroscopic means includes a diffraction grating;
The processing means includes a substrate mounting means provided in the processing chamber and on which a semiconductor substrate is mounted,
The slit member is arranged so that the long side of the slit is parallel to the main surface of the semiconductor substrate placed on the substrate placing means,
The diffraction grating, the longitudinal direction of the grating are arranged parallel to the long side of the slit of the slit member, the plasma processing apparatus according to claim 1.