JP2004047581A - プラズマエッチングの終点検出方法及びプラズマエッチング装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】反応器1内を減圧し、ガス導入管4からプロセスガスをプラズマ発生室2a内に導入し、コイル3にマッチング回路7を介して高周波電源8から交流電圧を印加してプラズマ発生室2a内にてプロセスガスのプラズマを発生させ、同時に基板電極16にマッチング回路9を介して高周波電源10から交流電圧を印加して、発生させたそのプラズマを反応室2b内に引き込み、引き込んだプラズマにより、プラテン6に載置した試料20(SOIウェハ)のシリコン膜をエッチングする。プラズマ引き込み側のマッチング回路9内の可変コンデンサの容量変化(その回転側電極の位置変化)を終点検出器11にてモニタし、可変コンデンサの容量(回転側電極の位置)が急激に変化する時点を、エッチング終点として検出する。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン膜をプラズマエッチングする際のエッチング終点を検出する方法、及び、該方法を実施できるプラズマエッチング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
SiO2 膜などの絶縁膜(絶縁性の基板も含む)上にシリコン膜を形成した構造は、SOI(Silicon On Insulator)構造と称され、狭い領域にて素子間分離が行えて高集積化または高速化が可能であるという利点があり、半導体集積回路の特性向上に寄与できる。また、このSOI構造は、絶縁膜をエッチング停止層として機能させ、シリコン膜のエッチング厚さを制御する際にも利用される。
【0003】
絶縁体上にシリコン膜が形成されている試料(SOIウェハという)に対して、シリコン膜をその厚さ方向にエッチング(パターニング)する際には、プラズマを用いたドライエッチング処理が広く利用されている。プラズマを用いたドライエッチング処理では、減圧雰囲気中で低圧プロセスガスのプラズマを発生させ、発生したプラズマによってシリコン膜をエッチング加工する。
【0004】
プラズマエッチング装置の一例として、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御する誘導結合型プラズマ装置(ICP(Inductively Coupled Plasma)装置)が知られている。このICP装置では、コイルに交流電圧を印加してプラズマを発生させ、SOIウェハを載置した基板電極に交流電圧を印加して、この発生させたプラズマを引き込み、引き込んだプラズマによってエッチングを行う。また、このICP装置を使用する場合、エッチングの異方性を高めるために、プロセスガスとしてエッチングガス(例えばSF6 )と堆積ガス(例えばC4 F8 )とを交互に導入してプラズマ化させ、エッチングステップと堆積ステップとを繰り返すASETM(Advanced Silicon Etching)手法も知られている。
【0005】
このようなプラズマエッチングにあって、シリコン膜のエッチングが終了した時点を知ることは、処理効率を高める上で重要なことである。エッチング終点を検出する第1の従来方法として、プラズマの発光分析を利用する方法が知られている。この第1の従来方法では、採光用の窓を介してプラズマ中の特定波長(例えばフッ素ラジカルのピーク703nm)の発光強度変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。
【0006】
また、エッチング終点を検出する第2の従来方法として、プラズマのインピーダンス変化を利用する方法が知られている。この第2の従来方法では、インピーダンス計測器を設置してプラズマのインピーダンス変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
第1の従来方法にあっては、採光用の窓の汚れまたは劣化により、プラズマ光の透過性が悪化して、正確な終点検出を行えない虞があるという問題がある。また、第2の従来方法にあっては、インピーダンス計測器の設置が必須であり、部品点数増加による装置の信頼性・安定性の低下及び/またはコストアップをもたらすプラズマエッチング装置の大規模化が避けられないという問題がある。
【0008】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ引き込み用の交流電源用のマッチング回路内の可変コンデンサの容量変化に基づいてエッチングの終了時点を検出することにより、特別の計測器等を新たに設けることなく既存の回路構成を用いて、シリコン膜エッチングの正確な終点を検出できるプラズマエッチングの終点検出方法、及び、該方法を実施できるプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係るプラズマエッチングの終点検出方法は、コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングする際の終点を検出する方法において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化に基づいて前記プラズマエッチングの終点を検出することを特徴とする。
【0010】
請求項2に係るプラズマエッチング装置は、コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングするプラズマエッチング装置において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化を検知する検知手段と、該検知手段での検知結果に基づいて前記シリコン膜に対するプラズマエッチングの終点を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【0011】
本発明では、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあって、プラズマ引き込み側のマッチング回路においてマッチング条件を実現するための可変コンデンサの容量変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。よって、第1の従来方法のように環境条件の影響を受けることなく、常に正確なエッチング終点を検出できる。また、第2の従来方法のインピーダンス計測器のような新たな機器を設ける必要がなく、既存の回路構成を利用できて、全体構成の大型化を招くことなくエッチング終点の検出を行える。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図1は、本発明に係るプラズマエッチング装置の構成図であり、シリコン膜の選択エッチングを行うプラズマエッチング装置の一例である誘導結合型プラズマ(ICP)装置の構成を示している。図1において、1は反応器であり、反応器1は、コイル3への通電によってプラズマを発生させる上方側のプラズマ発生室2aと、発生されたプラズマを引き込んで試料20に対してプラズマエッチングを行う下方側の反応室2bとを有する。
【0013】
プラズマ発生室2aは、セラミック製の中空円筒の形状を有しており、その周面には同心状にコイル3が囲繞されている。コイル3には、マッチング回路7を介して高周波電源8が接続されている。また、プラズマ発生室2aの上部壁中央には、反応器1内へプロセスガス(SF6 またはC4 F8 )を導入するガス導入管4が、貫通する態様で連結されている。そして、コイル3への交流電圧の印加によって、プラズマ発生室2a内にてプロセスガスのプラズマを発生させるようになっている。
【0014】
反応室2bの側部壁には、図示しない排気装置を接続した排気口5が開口されている。反応室2bの底部には、エッチング対象の試料20を載置する基板電極16を有するプラテン6が配設されている。プラテン6には、マッチング回路9を介して高周波電源10が接続されている。そして、基板電極16への交流電圧の印加によって、プラズマ発生室2a内で発生されたプラズマが反応室2b内に引き込まれ、その引き込まれたプラズマにより試料20がエッチングされるようになっている。
【0015】
図2は、プラズマ引き込み側(プラテン6側)のマッチング回路9の構成図である。このマッチング回路9は、第1可変コンデンサ9aと、第2可変コンデンサ9bと、インダクタンス9cと、コントローラ9dと、出力センサ9eと、第1モータ9fと、第2モータ9gとを有し、高周波電源10のマッチング(整合)を行う。出力センサ9eは、高周波電源10からの出力電圧/出力電流を計測して、その計測結果をコントローラ9dへ出力する。コントローラ9dは、この計測結果と、第1可変コンデンサ9a及び第2可変コンデンサ9bの回転側電極の現在の位置の検知結果とに基づき、所定のインピーダンス(例えば50Ω)にマッチングさせるためのモータ駆動信号を生成して第1,第2モータ9f,9gへ出力する。第1,第2モータ9f,9gは、入力したモータ駆動信号に基づいて、第1,第2可変コンデンサ9a,9bを所望の容量に調整すべく回転側電極を所望の角度位置へ回転させる。ここで、第1可変コンデンサ9aは、主として電圧,電流の大きさを調整するためのものであり、第2可変コンデンサ9bは、主として電圧,電流の位相を合わせるためのものである。
【0016】
マッチング回路9には、試料20のエッチング終点を検出する終点検出器11が接続されている。終点検出器11は、このマッチング回路9内の第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置(即ち容量)をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、エッチングが終了したか否かを判断する。即ち、終点検出器11は、第1可変コンデンサ9aの電極位置変化つまり容量変化に基づいて、エッチング終点を検出する。
【0017】
次に、このような構成のプラズマエッチング装置を用いた本発明によるプラズマエッチングの具体例について説明する。図3は、エッチング対象の試料20(SOIウェハ)の構成図であり、試料20は、シリコン基板(厚さ:400μm)21上に、絶縁体としてのSiO2 膜22,活性層としてのシリコン膜23(厚さ:100μm)を形成して構成されている。そして、マスク30に覆われていない領域のシリコン膜23をエッチング除去する。この際、SiO2 膜22はエッチング停止層として機能し、SiO2 膜22との界面までエッチングが進行した時点がエッチングの終点となる。なお、シリコン膜23のエッチング開口率は30%である。
【0018】
排気口5を介して排気装置(図示せず)により反応器1内を減圧し、ガス導入管4からプロセスガスをプラズマ発生室2a内に導入する。そして、コイル3にマッチング回路7を介して高周波電源8から交流電圧を印加し、プラズマ発生室2a内にてプロセスガスのプラズマを発生させ、同時に基板電極16にマッチング回路9を介して高周波電源10から交流電圧を印加して、発生させたそのプラズマを反応室2b内に引き込み、その引き込んだプラズマにより、エッチング対象以外の領域にマスク30を形成した試料20のシリコン膜23をエッチングする。この際、本例では、前述したようなASETM手法を利用して、即ち、プロセスガスとしてSF6 を用いるエッチングステップとプロセスガスとしてC4 F8 を用いる堆積ステップとを交互に繰り返してエッチングを実行する。この際の両ステップでの条件は、具体的には以下のようにする。
(エッチングステップ)
導入するガス:SF6 ,ガス流量:200sccm,
ガス圧力:20mTorr,コイル3への印加電力:900W,
基板電極16への印加電力:25W
(堆積ステップ)
導入するガス:C4 F8 ,ガス流量:60sccm,
ガス圧力:6mTorr,コイル3への印加電力:800W,
基板電極16への印加電力:5W
【0019】
図4は、このようなエッチング中におけるマッチング回路9内の第1可変コンデンサ9aの回転側電極の経時的な位置変化を示すグラフである。図4は、堆積ステップではその回転側電極の位置データは取り込まず、エッチングステップにおいてのみ位置データを取り込むようにしたモニタ結果を示している。
【0020】
プラズマ引き込みを開始した時点(図4の時点A)からエッチングが始まり、開始後しばらくの間(1000秒程度経過後の図4の時点Bまで)は位置データが不安定であるが、その後は、位置データは安定して一定の値を維持し、ある時点(図4の時点C)を境にして位置データは急激に増加する。
【0021】
第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置が急激に変化するこの時点(図4の時点C)において、試料20の表面を確認したところ、シリコン膜23のエッチングが完全に終了していることが分かった。また、位置データが安定して一定の値を維持している期間(図4の時点Bから時点Cまでの期間)において、試料20の表面を確認したところ、シリコン膜23の未エッチング部分が残存していることが分かった。エッチング対象のシリコン膜23が残存している間は、プラズマインピーダンスが一定であるが、エッチングが完了してプラズマが下地のSiO2 膜22まで達すると、プラズマインピーダンスが変化するため、マッチングを維持するために第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置が急激に変化する。以上のことから、第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置、即ち、第1可変コンデンサ9aの容量が急激に変化する時点は、エッチング終了の時点と一致する。
【0022】
従って、本発明では、エッチング中において、終点検出器11にて、第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置をモニタし、そのモニタ結果からエッチング終点を検出できる。つまり、第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置が急激に変化する(増加する)時点、即ち、第1可変コンデンサ9aの容量が急激に変化する時点をエッチングの終了時点として検出できる。なお、エッチング開始から初めの期間(図4の時点Aから時点Bまでの期間)は、第1可変コンデンサ9aの位置が安定しないので、その期間は無効期間として第1可変コンデンサ9aの回転側電極の位置データを取り込まず、安定する時点(図4の時点B)からその位置データの取得を開始してモニタを始めるようにすれば、エッチング終点の誤検出を防ぐことが可能である。
【0023】
なお、上述した例では、第1可変コンデンサ9aの電極位置(容量)変化に基づいてエッチング終点を検出するようにしたが、第2可変コンデンサ9bにおいても、エッチングの進行と共にその回転側電極の経時的な位置変化は、図4と同様になるので、第2可変コンデンサ9bの電極位置(容量)変化に基づいてエッチング終点を検出するようにしても良い。
【0024】
ところで、プラズマ発生側(コイル3側)のマッチング回路7内の可変コンデンサについて、エッチング中同様に、その回転側電極の位置をモニタしたが、エッチング終了時点において著明な変化は見られなかった。これは、プラズマ引き込み側(プラテン6側)のマッチング回路9では、エッチング場所に近くて、シリコン膜23を実際にエッチングするプラズマのインピーダンス変化を如実に反映できているが、プラズマ発生側(コイル3側)のマッチング回路7では、そうでないことに起因する。
【0025】
従って、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあっては、プラズマ引き込み側のマッチング回路内の可変コンデンサの容量変化をモニタすることにより、正確なエッチング終点を検出できる。独立電圧駆動でない例えば平行平板タイプのプラズマエッチング装置で同様に可変コンデンサの容量変化に基づきエッチング終点を検出するようにしても、本発明のように、エッチングに直接関与するプラズマを対象とできないため、本発明に比べてそのエッチング終点の検出結果の精度は低くなる。
【0026】
なお、上述した例では、エッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返してプラズマエッチングを行うようにしたが、これに限らず、プロセスガスとしてSF6 のみを用いて連続的にエッチングを行うような場合でも、本発明を適用できることは勿論である。
【0027】
また、上述した例では、エッチング用の試料としてSOIウェハを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、シリコン膜をプラズマエッチングする全ての例に適用可能であることは勿論である。
【0028】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明では、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあって、プラズマ引き込み側のマッチング回路においてマッチング条件を実現するための可変コンデンサの容量変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出するようにしたので、環境条件の影響を受けることなく常に正確なエッチング終点を検出できると共に、インピーダンス計測器のような新たな機器を設ける必要がなく既存の回路構成を利用できて、部品点数増加による装置の信頼性・安定性の低下及び/またはコストアップをもたらす全体構成の大型化を招かずにエッチング終点の検出を行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプラズマエッチング装置の構成図である。
【図2】プラズマ引き込み側(プラテン側)のマッチング回路の構成図である。
【図3】エッチング対象の試料(SOIウェハ)の構成図である。
【図4】第1可変コンデンサの回転側電極の経時的な位置変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1 反応器
2a プラズマ発生室
2b 反応室
3 コイル
6 プラテン
7 マッチング回路(プラズマ発生側)
8,10 高周波電源
9 マッチング回路(プラズマ引き込み側)
9a 第1可変コンデンサ
9b 第2可変コンデンサ
11 終点検出器
16 基板電極
20 試料
23 シリコン膜
Claims (2)
- コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングする際の終点を検出する方法において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化に基づいて前記プラズマエッチングの終点を検出することを特徴とするプラズマエッチングの終点検出方法。
- コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングするプラズマエッチング装置において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化を検知する検知手段と、該検知手段での検知結果に基づいて前記シリコン膜に対するプラズマエッチングの終点を検出する検出手段とを備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
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JP2002200455A JP2004047581A (ja) | 2002-07-09 | 2002-07-09 | プラズマエッチングの終点検出方法及びプラズマエッチング装置 |
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2002
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