JP2005038896A

JP2005038896A - エッチング終点検出方法、エッチング監視装置、及びプラズマエッチング装置

Info

Publication number: JP2005038896A
Application number: JP2003197234A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Fukukawa; 敦福川; Yoshihisa Ueda; 吉久植田; Masaki Kataoka; 雅樹片岡
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】エッチング終点検出用パターンの設計の自由度を改善するとともに、エッチングの終点を正確に検出することができるエッチング検出方法を提供すること。
【解決手段】シリコンウエハ（或いは当該ウエハ上に設けられた膜）にエッチング処理によりエッチング孔を形成する際、シリコンウエハ上に、エッチングパターンと共に、開口エリアとマスクエリアとからなる複数のエッチング終点検出用パターンが描かれたマスクを設けて、複数のエッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射し、それぞれのエッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化に基づいて、エッチング終点を検出する（ステップ２００〜２１８）。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハあるいはさまざまな用途の基板等の製造プロセスにおいて、エッチングを監視し、同プロセスの終点を検出する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、半導体製造装置の製造工程では、プラズマ等を用いたドライエッチング（反応性イオンエッチング）処理が行われる。ドライエッチング装置は、例えば、エッチングチャンバ内に対向する上部電極、下部電極を有しており、上部電極にはエッチング監視の光束を通すための開口が設けられ、下部電極上にはウエハ載置される。また、ドライエッチングの反応ガスが、導入管を通してチャンバ内に導入される。
【０００３】
そして、ＲＦ電源から上記下部電極に高周波電力が供給されると、電極間に反応ガスのラジカルからなるプラズマが発生し、このラジカルとウエハ表面の物質との化学反応と、ラジカルがウエハ表面に衝突することによる物理的な衝撃により、ウエハ表面のエッチングが進行する。
【０００４】
微細かつ高精度の半導体装置を歩留まり良く製造するためには、このエッチング終点を正確に検出することが必要である。
【０００５】
このエッチング終点検出の技術として、従来からレーザを開口部、非開口部それぞれに照射し、それらの光路差の違いにより生じた反射強度の違いにより信号波形のピーク時刻を逐次検出してその平均間隔（＝半周期の時間）を求め、更にエッチング開始から現在までの経過時間と上記平均間隔より周期を求め、エッチング深さの変化量を得て、それが規定の値に達した時刻を終点として検出する技術が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００６】
図４及び図５を参照してこの原理について説明する。
図４はレーザー光のシリコン表面及びマスクのシリコン酸化膜表面における光干渉を示す図であり、図５はレーザー光の干渉強度の経時的な変化の模式図である。
【０００７】
図４に示すようにシリコン表面３０１に入射した入射光（レーザー光）は、シリコン表面２０１とマスクのシリコン酸化膜表面３０２の二箇所で反射する。二つの光路間で光路差が生じるため、それぞれ反射光はそれらの深さに応じて干渉強度が変化し、エッチングが進行するに従って、光路差の違いによって生じた干渉強度の違いによる信号波形のピーク時刻を逐次検出してその平均間隔から周期を求めて、エッチング深さの変化量（エッチングレート）を得る。経過時間とこのエッチング時間から計算して所望の深さに達するとエッチングの終点として検出され、ＲＦ電源から上記上部電極、下部電極電極への電力供給を停止してエッチングを終了するようになっている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−０９３８８５
【特許文献２】
特開２００１−１６０５７６
【特許文献３】
特開２００１−２１０６１９
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来のエッチング終点検出方法では、いくつかの問題がある。レーザ光をエッチング終点検出用パターンにおける開口部（開口エリア）、非開口部（マスクエリア）それぞれに精度よくレーザを照射し、検出しても、検出用に配置したパターンにビームが精度よく照射しない、またはパターンに異物がある等の理由により検出される反射光の強度が不安定となり、検出の精度が著しく悪化する場合がある。
【００１０】
このため、適したパターンとしては、レーザの照射位置を安定化させるため、従来はこれらのパターンを縦横数百ミクロン程度の矩形や多角形などのものをウエハ中央付近に割り付ける必要があり、またカメラの画像認識システムにより、自動でパターン認識させてパターンを検出し易くするために、特徴的なパターンを用いるなど、パターンに要求される仕様は多岐に亘り、これらパターンの配置を含めた仕様は設計の自由度を大きく制約するものであった。
【００１１】
従って、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、エッチング終点検出用パターンの設計の自由度を改善するとともに、エッチングの終点を正確に検出することができるエッチング終点検出方法、エッチング監視装置、及びプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、以下の手段により解決される。即ち、
本発明のエッチング終点検出方法は、被処理基板又は当該基板上に設けられた膜にエッチング処理によりエッチング孔を形成する際、
被処理基板又は当該基板上に設けられた膜上に、エッチングパターンと共に、開口エリアとマスクエリアとからなる複数のエッチング終点検出用パターンが描かれたマスクを設け、
複数の前記エッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射し、それぞれの前記エッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化に基づいて、エッチング終点を検出することを特徴とする。
【００１３】
本発明のエッチング終点検出方法では、エッチングパターンが描かれたマスクを設けた被処理基板又は当該基板上に設けられた膜に、例えばプラズマエッチング処理装置でエッチング処理する際、開口エリア、及びマスクエリアから反射した光の干渉強度の変化よりエッチング処理の終点を検出する。このとき、当該膜上に、予め開口エリアとマスクエリアからなる複数のエッチング終点検出用パターンを設けておき、当該複数のエッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射し、それぞれの箇所において反射光の強度を測定し、それぞれの箇所において検出したピーク位置から測定パターンのエッチングレート（エッチング量）を求め、これらを演算処理して、エッチング終点を検出する。このため、エッチング終点を従来よりも精度よく検出することができる。
【００１４】
また、このように、被処理基板又は当該基板上に設けられた膜上に設けられるマスクには、エッチング終点検出用パターンが複数描かれており、それぞれのエッチング終点検出用パターンにおいてエッチング量を求めるため、検出サンプルが多くなり、従来に比べ、例えば、確実に検出可能なように特徴的なパターン、例えば大きく複雑なパターンを用いなければならない等、個々のエッチング終点検出用パターンに要求される仕様が軽減され、簡易な形状とすることができる等、エッチング終点検出用パターンの形状設計の自由度が増し、低コスト化が実現できる。
【００１５】
また、本発明のエッチング終点検出方法において、被処理基板としては、インクジェットヘッドチップ形成用基板であることが特に好適である。
【００１６】
本発明のエッチング監視装置は、上記本発明のエッチング終点検出方法に従ってエッチングの終点を検出するものであり、
複数の前記エッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射するためのレーザ照射手段と、
前記エッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された反射光強度の変化に基づき、エッチングの終点を検出すると共に、エッチングを終了させる制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明のプラズマエッチング装置は、上記本発明のエッチング監視装置を備えることを特徴とし、特に、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置であることが好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、部面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略構成図である。
【００１９】
図１に示すプラズマエッチング装置は、ドライエッチング（反応性イオンエッチング）を行う誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置本体１２０と、エッチング監視装置１２１とから構成されている。
【００２０】
プラズマエッチング装置本体１２０は、エッチングチャンバ１１１と、エッチングチャンバ１１１内に対向する上部電極１１２及び下部電極１１３とを有しており、該下部電極１１３上には被処理基板１１５が載置されている。一方、上部電極１１２には、後述するエッチング監視装置１２１のレーザを通すための監視用の開口窓（図示せず）が設けられている。更に、エッチングチャンバ１１１内には、ドライエッチングの反応ガスを導入するための導入管１１６が配設されている。
【００２１】
上記対向する上部電極１１２、下部電極１１３にには、ＲＦ電源１１４が接続されている。このＲＦ電源１１４によって上部電極１１２、下部電極１１３に高周波電力を供給すると、電極間に反応ガスのラジカルからなるプラズマが発生する。このラジカルと被処理基板１１５表面の物質の化学反応と、ラジカルが被処理基板１１５表面に衝突することによる物理的な衝撃により、該被処理基板１１５表面のエッチングが進行する。
【００２２】
上記エッチングチャンバ１１１を監視するエッチング監視装置１２１は、以下のように構成されている。つまり、このエッチング監視装置１２１は、レーザ光発振装置１０１、画像監視カメラ１０２、カメラ位置調整システム１０３、Ｘ−Ｙステージ１０４、制御装置１０５（制御手段）、及び検出器１０６（検出手段）により構成されている。なお、図１中、矢印は照射するレーザ光及びその反射光を示している。
【００２３】
このエッチング監視装置１２１は、上部電極１１２、下部電極１１３、高周波電源（ＲＦ）１１４を有するエッチングチャンバ１１１に対して設けられており、まず、被処理基板１１５が載置した時点で被処理基板１１５上を画像監視カメラ１０２で撮影し、カメラ位置調整システム１０３で予め記憶させておいたエッチング終点検出用パターンを捜索、Ｘ−Ｙステージ１０４にて所定のエッチング終点検出用パターン位置にレーザ光発振装置１０１の位置を移動させる。
【００２４】
その後、エッチングが開始されると同時にエッチング開始時刻と同期して下部電極１１３に載置された被処理基板１１５のエッチング面に向けてレーザ光発振装置１０１からレーザ光を照射し、かつその反射光を検出するように構成される。すなわち、レーザ光発振装置１０１より放出されたレーザ光は一点は被処理基板１１５のエッチング面（開口エリア）に、一点は被処理基板１１５のマスク面（マスクエリア）に投射される。
【００２５】
そして、それぞれのエリアで反射したレーザ光は検出器１０６で検出される。
【００２６】
その後、制御装置１０５にて、二つの光路間で生じた光路差をから深さに応じた干渉強度をモニターし、周期を求めて、エッチング深さの変化量（エッチングレート）を算出し、その結果と経過時間からエッチング終点を検出し、ＲＦ電源１１４から上部電極１１２、下部電極１１３への電力供給を停止してエッチングを終了する。
【００２７】
ここで、被処理基板１１５は、シリコンウエハ１２３からなり、図２に示すように、当該シリコンウエハ１２３上には、チップ形成領域１２４（例えば半導体チップや、インクジェットヘッドチップなど）が設けられている。そして、シリコンウエハ１２３上には、当該チップ形成領域１２４には所望の形状のエッチングパターン（図示せず）が描かれてたマスク（例えば、シリコン酸化膜など）が設けられている。さらに、本実施形態では、エッチングパターン（図示せず）が描かれてたマスクに、開口エリア１２５ａ（エッチング面）及びマスクエリア１２５ｂ（マスク面）からなるエッチング終点検出用パターン１２５が複数描かれている。なお、図２中、黒丸は、レーザの照射スポットを示している。
【００２８】
エッチング終点検出用パターン１２５は、例えば矩形或いはその組合せた形状など、ごく通常のマスクエリア１２５ｂ、及び開口エリア１２５ａからなるパターンである。特に、エッチング終点検出用パターン１２５は、マスクに開口を設けなければならない開口エリア１２５ａの形状が簡易であると、簡易に形成することができる。また、エッチング終点検出用パターン１２５は、チップ形成領域１２４内、またはチップ形成領域１２４間エリアに設けられる。本実施形態では、チップ形成領域１２４間エリアに、当該エリアと同じ数のエッチング終点検出用パターン１２５を設けた形態を示すがこれに限られるものではない。
【００２９】
このため、制御装置１０５では、被処理基板１１５（シリコンウエハ１２３）をエッチングチャンバ１１１内の下部電極１１３に載置した後、エッチング終点検出用パターン１２５を捜索している段階で複数箇所を認識させ、Ｘ−Ｙステージ１０４にて所定のエッチング終点検出用パターン１２５位置にレーザ光発振装置１０１の位置を移動させる際に、それぞれのエッチング終点検出用パターン１２５位置を確認しステージ位置として場所を記憶させておく。その後、エッチングが開始されると同時にエッチング開始時刻と同期して、下部電極１１３に載置された被処理基板１１５のエッチング終点検出用パターン１２５のマスクエリア１２５ｂ及び開口エリア１２５ａ、それぞれに向けて、レーザ光発振装置１０１から１対のレーザ光を照射し、先述した原理に従って該当個所でのエッチングレートを測定し、一定の時間が経過した時点で、次のエッチング終点検出用パターン１２５位置にステージが移動し、やはり該当個所でのエッチングレートを測定し、それらを繰り返すことにより、複数箇所の位置でのエッチングレートが測定される。
【００３０】
その後、それらのデータを演算処理し、測定した全個所のデータから算出されたエッチングレートと経過時間から、正確なエッチング終点を検出する。
【００３１】
このデータの演算処理によるエッチング終点の検出は、例えば、次のようにして行われる。まず、任意に設定した測定点（エッチング終点検出用パターン）から算出されたエッチングレートの平均値とそれらの標準偏差を算出し、エッチングレートの平均値からトータルのエッチング時間を算出し、その値から経過時間を差し引いた値を残りのエッチング時間としてエッチング終点を検出する。ここで、標準偏差の値が所定の範囲内（スペック内）であれば、上述のようにエッチング終点を検出するが、標準偏差の値がある所定の範囲（スペック）を外れた場合は再度同様の検出を行い再測定となる。このように設定した測定点を多くするほど検出精度を上げることができるが、再測定の場合を含めて全測定に要する時間と予測されるエッチング時間との関係により、測定点の設定数や個所は予め十分に吟味する必要がある。
【００３２】
なお、エッチング終点検出用パターン１２５位置は、シリコンウエハ１２３（処理基板１１５）における監視用の開口窓のエリア内の中から任意に選択できるが、シリコンウエハ１２３の中央部と縁部周辺とではエッチングレートが異なるため、当該パターンはシリコンウエハ１２３の少なくとも中央部と縁部周辺に設けることがよい。また、エッチング終点検出用パターン１２５数も任意で設定できる。
【００３３】
次に、上述したエッチング監視装置１２１（制御装置１０５）のエッチングの監視動作について、図３のフローチャートを参照して説明する。
【００３４】
まず、ステップ２００では、ウエハ１２３（被処理基板１１５）がエッチングチャンバ１１１内の下部電極１１３上に載置された後、画像監視カメラ１０２によってウエハ上のエッチング終点検出用パターン１２５認識を行う。そして、ステップ２０２で、検出された第一のエッチング終点検出用パターン１２５上にレーザ光発振装置１０１を移動させる。
【００３５】
次に、ステップ２０４では、エッチング開始と同時に第一のエッチング終点検出用パターン１２５上に１対のレーザ光を、エッチング終点検出用パターン１２５上の開口エリア１２５ａ（エッチング面）とマスクエリア１２５ｂ（マスク面）に照射させる。そして、当該エリアにレーザ光を照射させると、それぞれの点での反射光はその光路差が干渉し、ステップ２０６では、それらの深さに応じてその強度が変化していくデータを取得する。ステップ２０８では、このデータに基づき、第１のエッチング終点検出用パターン１２５についてのエッチングレートを算出する。
【００３６】
次に、ステップ２１０では、レーザ光発振装置１０１を、予め記憶していた第二のエッチング終点検出用パターン１２５上に移動させると共に、１対のレーザ光を第ニのエッチング終点検出用パターン１２５上の開口エリア１２５ａ（エッチング面）とマスクエリア１２５ｂ（マスク面）に照射させる。そして、当該エリアにレーザ光を照射させると、それぞれの点での反射光はその光路差が干渉し、ステップ２１２では、それらの深さに応じてその強度が変化していくデータを取得する。ステップ２１４では、このデータに基づき、第２のエッチング終点検出用パターン１２５についてのエッチングレートを算出する。
【００３７】
これらステップ２１０からステップ２１４を繰り返し、第３、第４のエッチング終点検出用パターン１２５についてのエッチングレートを算出すことで、ステップ２１６では、任意の数と画像監視カメラ１０２の可動範囲内における任意の場所のデータが複数取得でき、それらを演算処理することによって、エッチング所要時間を決定する
【００３８】
そして、ステップ２１８では、このエッチング所要時間とエッチング開始時刻からエッチング終了時刻を決定し、その時間にてエッチングを終了させる。
【００３９】
以上のようにして、エッチング終点検出を行いエッチング処理を施し、所望のエッチング孔を形成する。
【００４０】
なお、上記本実施形態は、例えば、半導体装置の製造方法や、インクジェット記録ヘッドの製造方法におけるエッチング処理に適用させ、安定したエッチング孔を形成することが可能となる。
【００４１】
また、上記実施の形態では、シリコンウエハのトレンチエッチングでの反射光の干渉光強度からエッチング終点を検出する方法とその装置について説明したが、シリコンウエハ上に設けられた多結晶シリコン膜、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などの透過光の干渉強度よりエッチング終点を検出する方法にも使用でき、同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、エッチング終点検出用パターンの設計の自由度を改善するとともに、エッチングの終点を正確に検出することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置における被処理基板（ウエハ）を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係るプラズマエッチング装置におけるエッチング監視装置の監視動作について説明するフローチャートである。
【図４】レーザ光のシリコン表面及びマスクのシリコン酸化膜表面における光干渉を示す模式図である。
【図５】レーザ光の干渉強度の経時的な変化の模式図である。
【符号の説明】
１０１レーザ光発振装置（レーザ照射手段）
１０２画像監視カメラ
１０３カメラ位置調整システム
１０４Ｘ−Ｙステージ
１０５制御装置（制御手段）
１０６検出器（検出手段）
１１１エッチングチャンバ
１１２上部電極
１１３下部電極
１１４ＲＦ電源
１１５被処理基板
１１６ガス導入管
１２０プラズマエッチング装置本体
１２１エッチング監視装置
１２３シリコンウエハ
１２４チップ形成領域
１２５エッチング終点検出用パターン
１２５ａ開口エリア
１２５ｂマスクエリア

Claims

被処理基板又は当該基板上に設けられた膜にエッチング処理によりエッチング孔を形成する際、エッチングの終点を検出するエッチング終点検出方法であって、
被処理基板又は当該基板上に設けられた膜上に、開口エリアとマスクエリアとからなる複数のエッチング終点検出用パターンが描かれたマスクを設け、
複数の前記エッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射し、それぞれの前記エッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化に基づいて、エッチング終点を検出することを特徴とするエッチング終点検出方法。
前記被処理基板が、インクジェットヘッドチップ形成用基板であることを特徴とする請求項１に記載のエッチング終点検出方法。
被処理基板又は当該基板上に設けられた膜上に、開口エリアとマスクエリアとからなる複数のエッチング終点検出用パターンが描かれたマスクを設け、
被処理基板又は当該基板上に設けられた膜に、エッチング処理によりエッチング孔を形成する際、複数の前記エッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射し、それぞれの前記エッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化に基づいて、エッチング終点を検出するエッチング監視装置であって、複数の前記エッチング終点検出用パターンにレーザ光を照射するためのレーザ照射手段と、
前記エッチング終点検出用パターンにおけるレーザ光の反射光強度の変化を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された反射光強度の変化に基づき、エッチングの終点を検出すると共に、エッチングを終了させる制御手段と、
を備えることを特徴とするエッチング監視装置。
請求項３に記載のエッチング監視装置を備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング装置であることを特徴とする請求項４に記載のプラズマエッチング装置。