JP2002190470A - エッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 最適なエッチングのエンドポイントを得る。 【解決手段】 エッチング室２内のプラズマ放電による
エッチング特有のエッチング特性からエッチング終了時
間の基準となるエンドポイントＴ３を求める場合に、被
エッチング対象物１０のスペクトルの特定波長光出力
を、これと異なる選択されたスペクトル波長光出力で補
正することにより、エンドポイントＴ３を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶表示装置や半
導体装置などの製造に好適なエッチング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示装置や半導体装置の製造は、基
板上に素子や回路を造り込む層や膜の堆積とエッチング
を繰り返す際に数多くのプロセスを経る。

【０００３】このようなプロセスではフオトリソグラフ
ィ工程と共に、活性ガスによるいわゆるＲＩＥ(Reactiv
e Ion Etching)法が一般的に用いられる。

【０００４】ＲＩＥ法などの異方性エッチングでは、被
処理物に重ねて被着するレジストマスクパターンに沿っ
て垂直な方向にエッチングするが、露出する下地面に被
エッチング材が残らないことが良好なパタ−ニングと言
われ、エッチング終了点の決定が重要である。

【０００５】また、縦横方向の等しい方向にエッチング
が進む等方性エッチングではオーバエッチングをする
と、決められた寸法が得られないのに加えて、超ＬＳＩ
など微細加工が要求される品種に適用する場合には、エ
ンドポイント即ちエッチングの終了点が一層、重要な技
術項目となる。

【０００６】ウェハー材料やこのウェハーに造り込まれ
た受動素子や能動素子に電気的に接続する配線に対する
活性ガスイオンエッチングを減圧室内で行うと、発生す
る活性ガスのプラズマ中から引出された活性ガスが配線
例えばアルミニウムに衝突すると共に、化学的に活性な
エンチングにより、プラズマ中に露出するアルミニウム
から、特有な電磁波が発生する。

【０００７】従来のエッチング終了点の設定は、被エッ
チング処理物から発生するこの物質特有の電磁波すなわ
ち特有スペクトルの光を、光学フィルタなどを介してフ
ォトダイオードなどから構成する光電変換器に入力す
る。ここで、光信号に対応したレベルの電圧信号に変換
すると、図７に明らかにするような電圧（Ｖ）特性曲線
を形成し、その臨界値からエッチング終了点を推定し
て、プラズマ放電を停止・制御する方式を採っていた。

【０００８】横軸に時間をとった図７のポリシリコンを
対象にした電圧特性曲線においては、エッチング開始
（放電開始点）Ｔ０から始まる不安定領域Ｒ１（Ｔ０〜
Ｔ１間）、安定領域Ｒ２（Ｔ１〜Ｔ２（変化開始点）
間）、下降領域Ｒ３（Ｔ２〜Ｔ３（エンドポイント）
間）、平坦領域Ｒ４（Ｔ３〜）をもつ特性曲線がら得ら
れるが、一般的には、エンドポイントＴ３時点付近でエ
ッチング終了とみなし、その後の若干の時間ｘが経過し
てから、エッチング終了点Ｔ４で最終的に放電を停止す
る方法を採っている。この若干の時間ｘをオーバーエッ
チング時間と称する。

【０００９】しかし、上述のように、エッチング終了点
制御は、半導体素子や回路などの良否を決定する重要な
ファクターであるが、実際には、使用する活性ガスの種
類や被エツチング材料、更に下地基板の種類などのパタ
ーニング条件によって違ってくるので、一義的に決め難
い。従って、エッチング終了点設定は過去のデータを参
照した上で、高度の判断と経験の積重ねが必要であっ
た。

【００１０】エッチング終了点Ｔ４を得るためには、エ
ッチング終了の目安となるエンドポイントＴ３およびオ
ーバーエッチング時間ｘを設定するが、Ｔ３が決まれば
Ｔ３×（１＋ｘ（％））または（Ｔ３＋ｘ）で終了点を
決定することができる。

【００１１】図７は、プラズマ放電の全スペクトル光の
中の被エッチング対象物に特有の波長光の発光強度をエ
ッチング行程の時間軸で表示したものであるが、この曲
線は放電のための電源電圧、チャンバ内ガス圧などの変
動を受けるためエンドポイントの決定が不確実になる。

【００１２】この対策として本発明者等は特公平７−６
６９３７号公報に示されるようにプラズマ放電のスペク
トルの全波長光の発光強度を検出して補正値として用
い、前記した被エッチング対象物の特有スペクトル光か
ら差引き、不要な変動分を除去することを提案した。図
８（ａ）はポリシリコンをエッチングしたときの不要変
動分除去後の補正特性、（ｂ）は補正後の特性の微分波
形を示しており曲線のあばれが少なくエンドポイントの
決定が容易になる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、エッチ
ングすべき面の大面積化や組込む素子の大容量化などエ
ッチングすべき対象の多様化に伴いエッチングの精度の
一層の向上が望まれ、一方では同一構造のエッチングに
対して成膜状態の微妙な差異がエンドポイントを変化さ
せるなどエッチング条件の不安定性のため、一層の正確
なエンドポイントの決定が求められている。

【００１４】本発明はエッチング時のプラズマ放電の発
光にもとづいてエンドポイントを決定する際に正確な決
定を可能にするエッチング装置を得るものである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、被エッチング
対象物を設置しプラズマ放電による活性ガスによりエッ
チングするエッチング室と、このエッチング室内で生じ
るプラズマ放電により発生する電磁波を検知する光電変
換器と、この光電変換器の出力からエッチング終了時間
を決定する基準となるエンドポイントを検出する手段と
からなるエッチング装置において、前記光電変換器は前
記プラズマ放電の分光スペクトルを検出するものであ
り、前記光電変換器の出力から前記被エッチング対象物
に関連する第１の波長光の分光特性を得る第１の手段
と、前記出力から少なくとも前記第１の波長光を含まな
い波長光領域の分光特性を選択可能に得る第２の手段
と、前記第１の手段の出力の変動を前記第２の手段の出
力で補正する手段とからなるエッチング装置を得るもの
である。

【００１６】本発明はエッチング中のプラズマ放電の発
光のうち被エッチング対象物に特有の波長光を電気的出
力に変換して例えば演算により微分値を得てエンドポイ
ントを決める場合に、放電の電源電圧の変動等によるプ
ラズマ発光の変動を除去するためにプラズマ放電の全ス
ペクトルから前記特有の波長光の値を補正する波長光領
域の電気的出力を選択的に取出して演算処理に加えるよ
うにしたものである。

【００１７】図５は被エッチング対象物であるポリシリ
コン層をＨＢｒ、Ｃｌ_２、Ｆ_２ガスでプラズマエッチン
グしたときの発光スペクトルを示しており、 ＳｉＦ_２：３９０ｎｍ、４０１ｎｍ Ｂｒ： ４７８ｎｍ Ｃｌ： ３０９ｎｍ、７２６ｎｍ、７４１ｎｍ、７７２
ｎｍ Ｆ： ６３４ｎｍ、６７７ｎｍ、７３４ｎｍ、７５１ｎ
ｍ、７８０ｎｍ Ｏ： ４９７ｎｍ、６１６ｎｍ、７００ｎｍ Ｈ： ６５６ｎｍ などに特徴的なピークが見られる。

【００１８】本発明者は電源電圧やガス圧の変動とスペ
クトル中の各波長光の発光強度の変動の相関性が波長光
に対して一様でないことを見出した。電源電圧等の変動
に対し、或る波長光の発光強度は緩慢であり、或る波長
光の発光強度は鋭敏であり、その変化も一定していな
い。したがってポリシリコン層の特有波長光の不所望変
動分と一致またはそれに近い変動分をもつ他の波長光を
選択的に取出して用いることにより不要な変動分を除去
することができる。この補正により図６に示すように、
図８で示した全波長光補正の場合に比べて特定曲線が滑
らかになっておりエンドポイントの変動が小さくなって
いることがわかる。

【００１９】また、本発明は、光電変換器が分光プリズ
ムとＣＣＤセンサーの組合わせでなるエッチング装置を
得るものである。

【００２０】光電変換器にＣＣＤ型受光素子を用いる。
この素子は図２に示すように分光プリズム１３ａを入力
光ｌ側に配置し分光してＣＣＤラインセンサー１３ｂで
受光するもので、ＣＣＤの受光セル単位数に応じた波長
のスペクトルが得られる。例えば３００〜８００ｎｍの
紫外線から可視光、赤外領域にかけて５００単位セル１
３ｂ-300〜１３ｂ-800を並べることにより入射光ｌが１
ｎｍ波長光ごとに分光された発光強度を得ることがで
き、補正用の波長光を容易に選択することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明に係わるエッチング装置の
実施形態を図１、２、５および図６を参照して説明す
る。

【００２２】図１で明らかなように、エッチング装置１
はエッチング室２、透明窓１１、ＣＣＤセンサ１３、エ
ッチング終了点検出装置１４ならびにコンピュータ２０
で構成する。図において、エッチング装置１はエッチン
グガス源３からガスを送り込む導入管４と、排気ポンプ
５によって室内からガスを排出する排出管６を備えたエ
ッチング室２を有しており、その内部にはＲＦ電源７に
電気的に接続する電極８と支持体９を対置し、支持体９
には、被エッチング対象物である半導体素子１０を載置
する。エッチング室２には、エッチング時に発生するプ
ラズマ発光に対して透明な窓１１を形成し、この窓に光
電変換器としてＣＣＤセンサ１３を設置する。

【００２３】図２に示すようにＣＣＤセンサ１３は分光
プリズムの入力窓１３ａと、受光セル１３ｂ-300〜１３
ｂ-800をプリズムによる分光帯に沿ってライン状に配列
したＣＣＤラインセンサ１３ｂと、からなり入力光ｌを
入力窓１３ａで分光して分光センサ１３ｂで受光する。
これにより被エッチング対象物例えばポリシリコンから
発生する特定波長の光を含む全分光スペクトルをとらえ
同全波長領域にわたり電気的出力に変換する。センサ１
３は測定可能な光波長領域で１ｎｍ波長間隔で分光され
た個々の波長光の発光強度を測定することができる。

【００２４】この装置１を用いて、半導体素子をドライ
エッチングする場合について説明する。すなわち、エッ
チング室２の支持体９にエッチングされるべき第１の半
導体素子１０を設置し、プラズマ放電を開始する。エッ
チング装置１は、エッチングに要する諸条件すなわち、
導入するガスの組成、ガス圧、放電電力が常に所定のプ
ログラムに適合するようにするために、各要素に変動が
生じた場合にフィードバックして補償する構成になって
いる。

【００２５】エッチング開始に伴い、エッチング室２内
で生ずるプラズマの発光スペクトルは、ＣＣＤセンサ１
３により１ｎｍ間隔で個々の各波長光の発光強度を電気
信号に変換する。また、センサ１３は、入力光信号の強
度に応じた電圧値を表すアナログ信号を導出するので、
増幅装置１４で増幅後、Ａ／Ｄコンバータで、例えば
０．１秒ステップでサンプリングする。しかも、この値
を１２ビットのデジタル信号に変換後、コンピュータ２
０に電気的に接続する。

【００２６】個々の波長光の出力は波長光選択器３０に
より独立して任意に取出すことができ、一例のガス条件
のもとでポリシリコンのエッチングで生じるＳｉＦ_２特
有の特有波長光（主光）３９０ｎｍ、４０１ｎｍとその
不要変動分を補正する選択された波長光（補正光）を選
び出す。補正光はエッチングガスの光出力例えば前記し
たＢｒ、Ｃｌ、Ｆ、Ｏ、Ｈのスペクトル波長光出力を全
スペクトルから選択的に取り除いた残りのスペクトルの
電気的出力を補正出力とすることができる。なお、補正
光は例えば図５に示す４２５ｎｍ±１０ｎｍのように全
スペクトル波長範囲の一部領域を選択したものでもよ
い。要はエッチングと関係の無いキャンセルに適した波
長領域を選ぶのがよく、この範囲で逆に特定の強いスペ
クトル光のみを補正光とすることもできる。

【００２７】コンピュータ２０では、エッチング終了点
検出装置１４の出力信号を入力するバスライン２１を介
して、ＲＡＭ２２、ＣＰＵ２３、ＲＯＭ２４，ＨＤＤ
（ハードディスク）２５、ＦＤＤ（フロッピー（登録商
標）ディスク）２６、記憶器２７、表示回路２８および
キーボード２９を電気的に接続する。記憶器２７は、磁
気または光のディスク記憶装置で構成してデジタルデー
タを記憶する。

【００２８】前記のように、１２ビットのデジタル信号
に変換後は、バスライン２１を介してＲＡＭ２２に記憶
するが、必要に対じてデータの読みだしや記憶ができる
ようにし、演算結果やコマンドなどを表示する表示器２
８は、液晶表示装置などで構成している。

【００２９】次にコンピュータ２０の動作を説明する
と、ＲＡＭ２２と記憶器２７に１２ビットのデジタル信
号を記憶する。同時に同信号の微分化演算結果を記憶す
る。主光の不要変動分の補正は、主光電圧値を補正光電
圧値で除する（または引去る）ことで行うが、求める特
性曲線は上記除した値を微分化演算することによって得
られる。図６（ａ）はポリシリコンの特有波長光（３９
０ｎｍ、４０１ｎｍ）の主光を４２５ｎｍ±１０ｎｍの
波長領域の補正光で補正した特性、（ｂ）はこの特性の
微分特性曲線で、図６（ａ）における横軸即ち時間軸の
電圧特性曲線を微分した値を表したものである。

【００３０】一方、ＦＤＤ２６に格納するアプリケーシ
ヨンプログラムには、あるスレッシヨールドレベルの変
更プログラムを内蔵しており、ＣＰＵ２３がＦＤＤ２６
からアプリケーションプログラムを読み込んで記憶器２
７とＲＡＭ２２に収納する。これをＣＰＵ２３が実行す
ると、アプリケーシヨンプログラムにより表示器２８に
表示した画面上で図３にあるように変化開始点Ｔ２のス
レッショールドレベルＳＤとエンドポイントＴ３のスレ
ッショールドレベルＳＥを表示し、更に、これらを任意
に移動できる。

【００３１】従ってエッチング室２でのエッチングの進
行状況は、その都度、窓１１、センサ１３、エッチング
終了点検出装置１４およびバスライン２１を介して記憶
器２７とＲＡＭ２２に記憶すると共に、必要に応じて表
示器２８にも同時に表示できる。

【００３２】この表示手段は、キーボード２９などから
の指示入力によりＣＰＵ２３を駆動し、ＨＤＤ２５に記
憶した制御プログラムを先ず読みだして表示器２８に表
示する。従って、操作者は、表示器２８に写しだしたプ
ログラム手段によってキーボード２９などを操作して、
ＲＡＭ２２と記憶器２７に記憶したデータや微分演算結
果を選択的かつ任意に取出して表示器２８に表示でき
る。また、データの微分演算結果に加えて、スレッショ
ールドレベルＳＤ、ＳＥを重ねて表示することもでき、
更にスレッショールドレベルＳＤ、ＳＥをキーボード２
９の操作により任意のレベルに移動設定することもでき
る。これらの個々のデータにおけるエッチング終了点を
シュミレーシヨンして、新たなエッチング処理での最適
エンドポイントＴ３を設定する。

【００３３】以上の操作により図７に示すような第１の
半導体基板における放電開始後の不安定領域Ｒ１、安定
領域Ｒ２、下降領域Ｒ３および平坦領域Ｒ４をもつ特性
曲線がわかり、エッチング装置１は上記のコンピュータ
処理によりＴ２、Ｔ３を容易かつ正確に検出することが
できるから、一連の素子のエッチング処理において、自
動的にエッチング終了点が決定される。

【００３４】本実施形態を、図４（ａ）に示すようにト
ップゲート型薄膜トランジスタ４０のコンタクトホール
４１内にアルミニウム４４を埋め込む構造、すなわちゲ
ート絶縁膜４２および層間絶縁膜４３にコンタクトホー
ル４１を形成してホールおよび膜表面にアルミ膜４４を
スパッタ形成したものを、図４（ｂ）のようにプラズマ
エッチング処理によりコンタクトホール４１部分のみに
アルミを残す処理をした場合、不適性エッチング（ホー
ル内のアルミの過エッチング）は全く生じなかった。な
お符号４５は基板、４６はポリシリコン層、４７はゲー
ト電極を示す。

【００３５】例えばエッチングに要する基準時間はＴ２
が５０秒、Ｔ２〜Ｔ３が１０秒、Ｔ３〜Ｔ４が５秒であ
る。

【００３６】このように本発明に係わるエッチング装置
では、エンドポイントＴ３を正確に決定することがで
き、ばらつきの少ないエッチングが可能となり、品質の
向上に寄与することができる。

【００３７】なお上記の例では、ポリシリコンやアルミ
ニウムを被対象物について説明したが、他の物質のエッ
チングも同様に適用することができることはいうまでも
ない。

【００３８】

【発明の効果】本発明はプラズマ放電によるエッチング
時に発生する電磁波発光の強度を各波長のスペクトル強
度を個々に測定することが可能な光電変換器で受光し
て、プラズマエッチング開始後の不安定領域、安定領
域、下降領域および平坦領域を順次もつ特性曲線の信号
を得え、被エッチング対象物特有のスペクトル発長光を
これとは異なる選択された波長光で補正することによっ
て、より正確な時間決定を行うことができ、同一ロット
間の同構成の膜質の被対象物や類似構成の被対象物を品
質安定して処理することが可能なエッチング装置を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態のブロック図。

【図２】図１のＣＣＤセンサーの構成を説明する略図。

【図３】エッチング過程の電磁波の特性曲線を微分化演
算を説明する略図。

【図４】薄膜トランジスタのエッチング状態を説明する
もので、（ａ）はエッチング前の状態、（ｂ）はエッチ
ング後の状態を示す断面図。

【図５】ポリシリコンの半導体基板のエッチング時の一
発光スペクトル特性を示す曲線図。

【図６】（ａ）は本発明の実施の形態の発光スペクトル
の補正後の特性、（ｂ）はその微分演算化曲線図。

【図７】ポリシリコンのエッチング特性を示す曲線図。

【図８】（ａ）は図７の特性の従来の補正後の特性、
（ｂ）はその微分演算化曲線図。

【符号の説明】

１：エッチング装置 ２：エッチング室 ３：ガス源 ５：支持体 ６：窓、 ７：ＲＦ電源 ８：ターゲット ９：支持体 １０：被対象物 １１：窓、 １３：センサー（分光プリズム、ＣＣＤセンサー） １４：エツチング終了点検出装置 ２０：コンビユータ ２１：バスライン ２２：ＲＡＭ ２３：ＣＰＵ ２４：ＲＯＭ ２５：ＨＤＤ ２６：ＦＤＤ ２７：記憶器 ２８：表示装置 ２９：キーボード。 ３０：波長光選択器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被エッチング対象物を設置しプラズマ放
   電による活性ガスによりエッチングするエッチング室
   と、このエッチング室内で生じるプラズマ放電により発
   生する電磁波を検知する光電変換器と、この光電変換器
   の出力からエッチング終了時間を決定する基準となるエ
   ンドポイントを検出する手段とからなるエッチング装置
   において、 前記光電変換器は前記プラズマ放電の分光スペクトルを
   検出するものであり、前記光電変換器の出力から前記被
   エッチング対象物に関連する第１の波長光の分光特性を
   得る第１の手段と、前記出力から少なくとも前記第１の
   波長光を含まない波長光領域の分光特性を選択可能に得
   る第２の手段と、前記第１の手段の出力の変動を前記第
   ２の手段の出力で補正する手段とからなるエッチング装
   置。
2. 【請求項２】 前記第２の手段が前記活性ガスの発光ス
   ペクトルを実質的に含まない波長光領域を選択するもの
   であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング装
   置。
3. 【請求項３】 前記光電変換器が分光プリズムとＣＣＤ
   センサーの組合わせでなる請求項１に記載のエッチング
   装置。