JP2009231718A - ドライエッチング終点検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンタクトのホール加工等におけるドライエッチングにおいて、エッチング対象のパターン占有率が微小であっても、エッチング終点を安定して検出することができる技術を提供する。
【解決手段】ドライエッチング終点検出方法であって、コンタクトホール等のドライエッチング工程において、プラズマ発光のスペクトル分析を利用するものである。そして、２波長の発光強度比の時系列データを二次微分演算して第２変極点（ｊｕｓｔ２）４０２でエッチング終点を検知することにより、エッチング終点検出の安定化を達成する。また、異常放電を同時に検出することにより、外乱を排除し、エッチング終点検出の安定化を達成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、プラズマ放電を用いたドライエッチングの終点検出方法に関し、特に、コンタクト（ヴィアを含む）のホール作製工程におけるエッチング処理の終点を発光分光法により検出する技術に関する。

本発明者が検討した技術として、例えば、ドライエッチング終点検出方法においては、以下の技術が考えられる。

半導体ウェハのドライエッチング処理中において、プラズマ光における特定波長の発光強度が、特定の膜のエッチング進行に伴って変化する。そこで、半導体ウェハのエッチング終点検出方法の１つとして、例えば、ドライエッチング処理中にプラズマからの特定波長の発光強度の変化を検出し、この検出結果に基づいて特定の膜のエッチング終点を検出する方法（発光分光法）が利用されている。

なお、本出願人は、発明した結果に基づき、「酸化膜のコンタクトホール加工時のエッチング終点検出において、プラズマ発光の二次微分を使用する」という観点で先行技術調査を行った。その結果、特許文献１と特許文献２が抽出された。特許文献１に関しては、波長の平滑化（ノイズ影響の極小化）による微細パターンでの終点検出方法であるが、その方式のみでは、被エッチング面積が狭く、かつ発光強度の信号量が少ない状態では安定した終点検出化は望めない。また、特許文献２では、二次微分に加え２波長の差により更なるノイズ除去が提案されているが、これは放電そのものによる外乱の除去が目的であり、本発明とは趣旨を異にしている。
特開２０００−２２８３９７号公報 特開昭６３−２４４８４７号公報

ところで、前記のようなドライエッチング終点検出方法の技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

近年の半導体集積回路の微細化・高集積化に伴い、パターン占有率（半導体ウェハ面積に対する被エッチング面積の割合）が小さくなっており、プラズマ光を受光する光センサから光検出器に取り込まれる特定波長の発光強度が微弱になっている。その結果、光検出器からのサンプリング信号のレベルが小さくなり、光検出器からのサンプリング信号に基づいてエッチングの終点を確実に検出することが困難になっている。特に、ＳＡＣ（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎ Ｃｏｎｔａｃｔ）工程等におけるエッチング処理では、パターン占有率が５％以下しかないものもあり、プラズマ光による信号量が微量であるため、エッチング終点検出が困難である。

例えば、コンタクト（ヴィアコンタクトを含む）のホール工程において、半導体ウェハ上のＳｉＯ_２膜をエッチングしてコンタクトホールを加工する際、２波長（固定１波長及び任意１波長）の演算により発光強度信号の変動を強調し、その上で一次微分処理を行うことで変化点を検出する方法が考えられる。しかし、パターン占有率が微小なコンタクトホールのドライエッチングでは、発光強度を示す信号量が少ないため、この方法では、安定してエッチング終点の検出ができない。変化点を算出するこの方法では、信号強度が変化すると、閾値で判断するために、正常な終点時間より前に誤検知することがある。

また、従来の方法では、異常放電と終点検出エラーとの因果関係は明確化しておらず、具体的な異常放電の検知をシステム上に盛り込んではいなかった。そのため、エッチング装置内で微小な異常放電が生じた場合、終点波形にノイズが生じ、終点検出が不安定になっていた。

そこで、本発明の１つの目的は、コンタクトのホール加工等におけるドライエッチングにおいて、エッチング対象のパターン占有率が微小であっても、エッチング終点を安定して検出することができる技術を提供することにある。

本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施例のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

すなわち、代表的な実施例によるドライエッチング終点検出方法は、コンタクトホール等のドライエッチング工程において、プラズマ発光のスペクトル分析を利用するものである。そして、２波長の発光強度比の時系列データを二次微分演算して変極点でエッチング終点を検知することにより、エッチング終点検出の安定化を達成するものである。

また、異常放電を同時に検出することにより、外乱を排除し、エッチング終点検出の安定化を達成するものである。

本願において開示される実施例のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。

代表的な実施例によれば、発光強度比の時系列データを二次微分演算して変極点でエッチング終点を検知するため、プラズマ発光の信号強度に依存せず、変極点は一定となるため、パターン占有率５％以下のコンタクトホール工程であっても、安定したエッチング終点検出が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１〜４は本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法の手順の一例を示す図であり、図１（ａ）は被エッチング膜特有の第１波長（λ＝２２６ｎｍ（ＣＯ））の発光強度の第１時系列データを示す図、図１（ｂ）はストッパ膜特有の第２波長（λ＝３８７ｎｍ（ＣＮ））の発光強度の第２時系列データを示す図、図１（ｃ）は図１（ａ）の第１時系列データに対してスムージングを行った後の時系列データを示す図、図１（ｄ）は図１（ｂ）の第２時系列データに対してスムージングを行った後の時系列データを示す図、図２（ａ）は図１（ｃ）と図１（ｄ）の時系列データに対して波形演算を行いそれらの比を求めた後の時系列データ、図２（ｂ）は図２（ａ）に対して波形の正規化を行った後の時系列データ、図３（ａ）は図２（ｂ）の時系列データに基づいて一次微分演算を行った後の時系列データ、図３（ｂ）は図３（ａ）の時系列データに基づいて二次微分演算を行った後の時系列データ、図４は終点判定結果を示す図である。

まず、図１〜４により、本実施の形態によるドライエッチング終点検出方法の一例を説明する。本実施の形態のドライエッチング終点検出方法は、ドライエッチング中に生じるプラズマ発光のスペクトル分析によりエッチング終点を判定するものである（発光分光法）。

一例として、ＳＡＣ（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎ Ｃｏｎｔａｃｔ）によるコンタクト（ヴィアを含む）のホール作製工程におけるドライエッチング処理で説明する。ドライエッチングは、コンタクト又はヴィアのホール作製工程における処理である。コンタクトホール被エッチング膜は酸化膜（ＳｉＯ_２等）、ストッパ膜は窒化膜（ＳｉＮ等）である。ヴィアホールの被エッチング膜は酸化膜（ＳｉＯ_２等）、ストッパ膜は窒化膜（ＴｉＮ等）である。プラズマ発光のスペクトル分析で発光強度のデータを求める波長は、一例として、第１波長（λ＝２２６ｎｍ（ＣＯ））、第２波長（λ＝３８７ｎｍ（ＣＮ））である。

コンタクトホールの工程としては、本実施の形態によるドライエッチング終点検出方法を利用して酸化膜についてドライエッチングを行い、オーバエッチングを行い、カーボン汚染を除去するための後処理を行い、ストッパ膜のエッチングなどを行う。

ヴィアホールの工程としては、本実施の形態によるドライエッチング終点検出方法を利用して酸化膜についてドライエッチングを行い、オーバエッチングを行う。すなわち、窒化膜は残す。

本実施の形態で使用するドライエッチング終点検出装置の設定は、下記の４種類の設定を行う。

（１）ＣＣＤ設定：ＣＣＤ受光量、データインターバル設定
（２）波長選択設定：取得波形設定（任意で設定、２２６ｎｍ（ＣＯ）、３８７ｎｍ（ＣＮ））、平均化、スムージング
（３）演算条件設定：波形計算、波形正規化、一次微分演算、二次微分演算
（４）シーケンス設定：ＤｅｌａｙＴｉｍｅ（検出開始までの時間）、終点閾値設定、終点検出設定
本実施の形態によるドライエッチング終点検出方法は、次の手順で実施される。

（１）被エッチング膜（ＳｉＯ_２）特有の第１波長（λ＝２２６ｎｍ（ＣＯ））の発光強度の第１時系列データ（図１（ａ））と、前記エッチング膜の下層のストッパ膜（ＳｉＮ又はＴｉＮ）特有の第２波長（λ＝３８７ｎｍ（ＣＮ））の発光強度の第２時系列データ（図１（ｂ））とを得る。

（２）図１（ａ）の第１時系列データと、図１（ｂ）の第２時系列データに対してスムージング処理を行い図１（ｃ）と図１（ｄ）の時系列データを得る。スムージングは、ノイズ成分を除去するために行う。

（３）図１（ｃ）と図１（ｄ）の時系列データに対して、各時刻における比率を求める波形演算（２２６ｎｍ／３８７ｎｍ）を行い、図２（ａ）の第３時系列データを得る。

（４）図２（ａ）の第３時系列データに対して波形の正規化処理を行い、図２（ｂ）の時系列データを得る。

（５）図２（ｂ）の時系列データに対して一次微分演算を行い、図３（ａ）の時系列データを得る。

（６）図３（ａ）の時系列データを使用して第３時系列データについて二次微分演算を行い、図３（ｂ）の第４時系列データを得る。

（７）図３（ｂ）の第４時系列データに基づいて変極点を検知する（図４）。図４の場合、検知開始までの時間（Ｄｅｌａｙ Ｔｉｍｅ）を８７秒に設定し、第１変極点（正から負へのゼロクロス点、ｊｕｓｔ１＝９５．１秒）４０１と第２変極点（負から正へのゼロクロス点、ｊｕｓｔ２＝１０６秒）４０２を検知している。

（８）第１変極点と第２変極点とに基づいてエッチング終点を判定する。そして、第１変極点（ｊｕｓｔ１）４０１は、最も早くエッチングが進んでいる部分でストッパ膜である窒化膜が露出し始めた点と考えられる。また、第２変極点（ｊｕｓｔ２）４０２は、すべての部分でストッパ膜である窒化膜が完全に露出してエッチングが完了した点と考えられる。そこで、第２変極点をエッチング終点と判定する。

次に、図５〜図９により、本実施の形態のドライエッチング終点検出方法を利用してドライエッチングを行った時の実験結果を説明する。

図５〜図９は、本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である。図５〜図９は、２５枚の半導体ウェハについての実験結果であり、図５は１〜５枚目、図６は６〜１０枚目、図７は１１〜１５枚目、図８は１６〜２０枚目、図９は２１〜２５枚目を示す。また、図５〜図９に、一次微分演算による波形と二次微分演算による波形と、それらの波形から求めた一次微分終点時間と二次微分終点時間を示す。

これまで酸化膜エッチングで一般的に使用している一次微分演算波形を用いた場合、プラズマ発光強度の変化により、終点検出時間にバラツキが生じる。これは、波形の高さが変動してしまうため、閾値設定では終点検出タイミングがずれるからである。例えば、ウェハ番号４，６，９，１１，１４がその一例である。

一方、二次微分演算波形は変極点を検知するため、バラツキが少なく、精度の良い終点検出が可能である。ウェハ番号４，６，９，１１，１４では、一次微分終点時間と二次微分終点時間の差が大きくなっている。

また、パターン占有率を変えて実験を行った。その結果、パターン占有率が約４％以下になると、プラズマ発光量が低下し、終点検出が不安定となることが判明した。そのため、二次微分演算による終点検出を量産に適用する場合は、製品パターン占有率が約０．７％以上必要である。

以上の実験結果より、被エッチング膜のパターン占有率が略０．７％〜５％で、本実施の形態によるドライエッチング終点検出方法が有効であるが確認できた。さらに、被エッチング膜のパターン占有率が略０．７％〜２％で最も効果的であることが確認できた。

次に、図１０及び図１１により、ドライエッチング終点検出方法において、一次微分波形と二次微分波形の違いを説明する。

図１０は、本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、一次微分波形を示す図であり、（ａ）はパターン占有率が１．１１％の場合、（ｂ）はパターン占有率が０．７８％の場合を示す。なお、パターン占有率０．７８％の方がパターン占有率１．１１％より発光量が少ない。

ｊｕｓｔ１，ｊｕｓｔ２の判定値を設定し、ｊｕｓｔ２で終点検出とする。しかし、ｊｕｓｔ１，ｊｕｓｔ２の判定値は高さ設定（任意設定）となるため、サンプルのパターン占有率の違いにより終点検出のタイミングがシフトしてしまう。また、装置状態の変動により受光量が変動した場合も、同様に終点検出タイミングがシフトしてしまう。図１０（ａ）の波形では、波形の中腹で終点検出しているが、図１０（ｂ）の波形では、波形の頂点に近い場所で終点検出している。なお、終点検出設定値は、ｊｕｓｔ１を−６０以下、ｊｕｓｔ２を−６０以上とした。

図１１は、本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、二次微分波形を示す図であり、（ａ）はパターン占有率が１．１１％の場合、（ｂ）はパターン占有率が０．７８％の場合を示す。

一次微分波形終点検出と同様に、ｊｕｓｔ１，ｊｕｓｔ２の判定値を設定し、ｊｕｓｔ２で終点検出とする。図１１の二次微分波形の場合、発光量に差が生じたとしても、常に同じタイミングで終点検出が可能となる。なお、終点検出設定値は、ｊｕｓｔ１を−４００以下、ｊｕｓｔ２を０以上とした。

変化点を算出する従来方法では、シグナル強度が変化すると、閾値で判断するために、正常な終点時間より前に誤検知する。それに対し、今回の新規アルゴリズム（変極点検知）ではシグナル強度に依存せず、変極点は一定となるため、安定して終点検出が可能となる。実際の製品上では従来方法では３／２５枚程度誤検知するのに対し、新規アルゴリズムでは終点誤検出はない。

本実施の形態では、微細ホールパターンのＳＡＣ（Ｓｅｌｆ Ａｌｉｇｎ Ｃｏｎｔａｃｔ）加工において、被エッチング膜である酸化膜（Ｓｉ・Ｏｘ）の反応基である”ＣＯ”とストッパ膜である窒化膜（シリコン窒化膜、チタン窒化膜など）の反応基である”ＣＮ”の２波長を用いることで、被エッチング膜・ストッパ膜の界面信号をより顕著に検出している。また、２波長の演算処理も単純な信号量差によるものではなく、発光強度比を用いることでノイズ影響を軽減している。この処理を行うことで微小な信号でも変化量を明確化でき、この変換された信号を基に二次微分演算処理を行うことで微細ホールパターンでも安定した終点検出を行うことが可能となる。

また、プラズマ発光の変化を監視し、波形のピークを検出したり、スパイクなどの異常放電を同時に検出したりする。このような異常放電対策を組み合わせることにより、外乱を排除する。これにより、さらに、エッチング終点を安定して検出することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、半導体製造工程において、コンタクトホール等のドライエッチング処理で有効である。本方式は特定の製品群が対象ではなく、全ての製品群で対象となる。また、製品上では微小面積の加工でプロセス安定性が得られる。

本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、（ａ）は被エッチング膜特有の第１波長（λ＝２２６ｎｍ（ＣＯ））の発光強度の第１時系列データを示す図、（ｂ）はストッパ膜特有の第２波長（λ＝３８７ｎｍ（ＣＮ））の発光強度の第２時系列データを示す図、（ｃ）は（ａ）の第１時系列データに対してスムージングを行った後の時系列データを示す図、（ｄ）は（ｂ）の第２時系列データに対してスムージングを行った後の時系列データを示す図である。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、（ａ）は図１（ｃ）と図１（ｄ）の時系列データに対して波形演算を行いそれらの比を求めた後の時系列データ、（ｂ）は図２（ａ）に対して波形の正規化を行った後の時系列データである。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、（ａ）は図２（ｂ）の時系列データに基づいて一次微分演算を行った後の時系列データ、（ｂ）は図３（ａ）の時系列データに基づいて二次微分演算を行った後の時系列データである。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、終点判定結果を示す図である。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である（１〜５枚目）。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である（６〜１０枚目）。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である（１１〜１５枚目）。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である（１６〜２０枚目）。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、その実験結果を示す図である（２１〜２５枚目）。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、一次微分波形を示す図であり、（ａ）はパターン占有率が１．１１％の場合、（ｂ）はパターン占有率が０．７８％の場合を示す。 本発明の一実施の形態によるドライエッチング終点検出方法において、二次微分波形を示す図であり、（ａ）はパターン占有率が１．１１％の場合、（ｂ）はパターン占有率が０．７８％の場合を示す。

符号の説明

４０１ 第１変極点（ｊｕｓｔ１）
４０２ 第２変極点（ｊｕｓｔ２）

Claims (5)

1. ドライエッチング中に生じるプラズマ発光のスペクトル分析によりエッチング終点を判定するドライエッチング終点検出方法であって、
   被エッチング膜特有の第１波長の発光強度の第１時系列データと、前記被エッチング膜の下層のストッパ膜特有の第２波長の発光強度の第２時系列データとを得る工程と、
   前記第１時系列データと前記第２時系列データとの各時刻における比率を求めて第３時系列データを得る工程と、
   前記第３時系列データについて二次微分演算を行い、第４時系列データを得る工程と、
   前記第４時系列データに基づいて変極点を検知する工程と、
   前記変極点に基づいてエッチング終点を判定する工程と、を有することを特徴とするドライエッチング終点検出方法。
2. 請求項１記載のドライエッチング終点検出方法において、
   前記ドライエッチングは、コンタクト又はヴィアのホール作製工程における処理であって、
   前記被エッチング膜は酸化膜であり、
   前記ストッパ膜は窒化膜であることを特徴とするドライエッチング終点検出方法。
3. 請求項２記載のドライエッチング終点検出方法において、
   前記第１波長は酸素元素特有の波長であり、
   前記第２波長は窒素元素特有の波長であることを特徴とするドライエッチング終点検出方法。
4. 請求項１記載のドライエッチング終点検出方法において、
   前記ドライエッチングの対象となる前記被エッチング膜のパターン占有率が略０．７％〜５％であることを特徴とするドライエッチング終点検出方法。
5. 請求項２記載のドライエッチング終点検出方法において、
   前記ドライエッチングの対象となる前記被エッチング膜のパターン占有率が略０．７％〜２％であることを特徴とするドライエッチング終点検出方法。

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