JP2906752B2

JP2906752B2 - ドライエッチング方法

Info

Publication number: JP2906752B2
Application number: JP20630091A
Authority: JP
Inventors: 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-07-23
Filing date: 1991-07-23
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2014-06-21
Also published as: JPH0529276A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ドライエッチング方法
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において、ドライエッチ
ングは微細なパターンを形成するために欠くことができ
ない技術となっている。このエッチングは、真空中で反
応ガスを用いてプラズマを生成し、プラズマ中のイオ
ン、中性ラジカル、原子、分子などを用いて対象物を除
去して行く方法である。ところで、エッチング対象物が
完全に取り去られた後においてもエッチングが継続され
ると、下地材料が不必要に削られていったり、或いはエ
ッチング形状が変わってしまうため、これを防止するた
めにエッチングの終点を正確に検出することは非常に重
要な事項である。

【０００３】そこで、エッチングの終点を検出するため
に従来行なわれていた代表的な方法は、エッチングによ
る反応生成物の発光強度を監視し、この発光強度の変化
を基に終点を判断していた。例えば二酸化珪素膜をＣＦ
系のエッチングガスによりエッチングする場合には、反
応生成物である一酸化炭素の発光強度を監視し、この強
度変化を基に終点を判断していた。すなわち、反応生成
物はエッチング中には反応容器内に存在するがエッチン
グ対象物がなくなると生成されなくなるので、この発光
強度は減少し、従って、この減少を捉えればエッチング
の終点を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、エッチング
を行なうにあたって、プラズマの安定性を得るために、
或いは下地膜やレジストに対する選択性を大きくするた
めに、エッチングガス以外の添加ガスを、エッチングガ
スに比べて多量に加えることが行なわれている。例えば
プラズマの安定性を図るためにアルゴンを用いることが
あるが、このアルゴンガス自体の発光スペクトルは帯状
に広がっており、このスペクトル中に反応生成物である
一酸化炭素のスペクトルが重なって埋もれてしまうこと
がある。このような重なりの起こる理由は、アルゴンと
一酸化炭素の強い発光波長範囲はともに３００〜８００
ｎｍであって、両範囲が非常に近似しているためであ
る。しかも、エッチングによる化学反応が生ずることに
なるエッチング対象領域は非常に小さいことから発生す
る一酸化炭素のガス量は微量であるが、これに対して導
入するアルゴンガス量は１０数倍も多く、このために、
アルゴンガスの発生強度は一酸化炭素の発光強度に比べ
て非常に大きくなり、結果的に前述したように一酸化炭
素の発光スペクトルは、プラズマ自体の発光スペクトル
中に埋もれてしまい、一酸化炭素の発光強度を正確に検
出することができないのでエッチングの終点を特定する
ことが困難であった。

【０００５】そこで、本発明者は、先の出願において、
反応生成物の発光スペクトルに代えて、発光スペクトル
領域がアルゴンガスとは全く異なるエッチングガスの発
光スペクトルを監視し、エッチング対象物がなくなって
エッチングガス量が増加してこの発光量が増加したとき
をもってエッチング終了点とする方法を開示した。そし
て、この方法によればある程度、従来技術の問題点の改
善を図ることができた。しかしながら、微細化の傾向の
推進によって、或いは、コンタクトホールのみ、トレン
チのみ、配線パターンのみのエッチングなどの特殊なエ
ッチング工程の必要性の増加によって、ウエハ全面積に
対するエッチング対象域の面積比を示す開口率が１０％
或いはそれ以下に小さくなる傾向にある昨今にあって
は、エッチング終点前後におけるエッチングガス量の変
動すなわちエッチングガスの発光スペクトルの強度変化
も非常に小さなものとなり、先に開示した方法であって
も十分なものでなくなった。

【０００６】更に、各ガスからの発光スペクトルの強度
は、電源電圧のわずかな変動、質量流量コントローラの
影響、処理圧力の変動、プラズマに起因する基板温度の
上昇等により絶えずゆらいでおり、このゆらぎが原因
で、上述のようにエッチングガスの発光スペクトルの強
度変化を監視していてもエッチング終点を特定するには
困難が伴った。本発明は以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、エッチングガスのスペクトルの発光強度と反
応生成物のスペクトルの発光強度を基にエッチング終点
を特定するドライエッチング方法を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、反応容器内に導入されたＣＦ系ガスを
プラズマ化して被処理体上の二酸化珪素膜をエッチング
する方法において、前記ＣＦ系ガスの解離により生成さ
れる活性種の発光スペクトル強度とエッチングにより生
成される反応生成物の発光スペクトル強度との比に基づ
いてエッチングの終点を検出するように構成したもので
ある。

【０００８】

【作用】本発明は、以上のように構成したので、エッチ
ング対象物がなくなってエッチングが終了すると、その
時点で反応に寄与するＣＦ系ガスの活性種の量が増加し
てこの発光強度が増加し、他方、反応生成物の量は減少
することからこの発光強度は減少する。従って、エッチ
ング終点に到ると相反する動行を示す２つのガスの発光
強度の比の変化を検出することにより正確にエッチング
終点を知ることができる。発光強度の検出対象となるＣ
Ｆ系ガスの活性種は、例えばＣＦ _２ガスであり、また、
反応生成物は例えばＣＯガスである。また、ＣＦ _２ガス
に対する検出波長は、例えば２５９．５ｎｍであり、Ｃ
Ｏガスに対する検出波長は、例えば４８２．７ｎｍであ
る。

【０００９】

【実施例】以下に、本発明に係るドライエッチング方法
の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。まず、エッ
チング装置及びエッチング終点の検出系の概略について
説明する。図１に示すように、このエッチング装置２は
反応容器を構成する、例えばアルミニウムよりなる真空
チャンバ４を有しており、この真空チャンバ４内には、
平板状の電極６、８が上下に対向配置されており、例え
ば上部電極８は接地されると共に、下部電極６はコンデ
ンサ１０を介して高周波電源１２に接続されている。こ
れら電極６、８は、平行平板電極を構成しており、これ
ら電極６、８が真空チャンバ４を兼用する場合もある。
図示例にあっては、説明のために両電極６、８間を広く
記載しているが、実際は両電極間は５ｍｍ前後である。
そして、上記下部電極６は、その上面に被処理体である
半導体基板１８が載置され、この基板１８を確実に固定
するように、例えばクランパ等が設けられている。

【００１０】また、真空チャンバ４の側壁には、ガス導
入管１４が接続されており、このチャンバ内にＣＦ系の
エッチングガスやアルゴンなどのプラズマ安定化ガスを
導入するように構成されている。また、他の側壁には真
空排気管１６が接続されており、図示しない真空ポンプ
等により上記真空チャンバ４内を任意の圧力に真空引き
できるように構成されている。更に、この真空チャンバ
４の側壁には、ゲートベン２０を介してロードロック室
２２が接続されており、上記真空チャンバ４内を大気開
放することなくこの中に図示しないアームにより半導体
基板１８を搬出入し得るように構成されている。また更
に、この真空チャンバ４の側壁には、前記電極６、８間
に発生したプラズマの発光を外部に透過させるために、
例えば石英等よりなる窓２４が前記電極間に臨ませて設
けられている。

【００１１】上記窓２４の外側には、窓２４を透過した
光を集光する集光レンズ２６が設けられると共に、この
集光レンズ２６には光ファイバ２８が光学的に接続され
ている。この光ファイバ２８は途中で２つに分岐され
て、一方は、ＣＦ系ガスの活性種用の第１分光器３０に
接続されると共に、他方は、反応生成物用の第２分光器
３２に接続されている。上記各第１及び第２分光器３
０、３２はそれぞれ光電交換器３４、３６にて電気信号
に変換され、アンプ３８、４０を介してともに判定部４
２へ入力される。上記判定部４２は、これに入力された
２つの発光強度の比をとっており、この比の変化量が所
定量以上になったときにエッチングの終点を検出するよ
うに構成されている。

【００１２】次に、以上のように構成された装置を用い
て実施される本発明に係るドライエッチング方法を具体
的に説明する。まず、すでにロードロック室２２内に搬
入されている半導体基板１８を、ゲートベン２０を介し
て図示しないアームにより下部電極６上に載置する。こ
の半導体基板の二酸化珪素膜上には所定のパターン形状
になされたマスクが露光工程を経て形成されている。こ
のように半導体基板６を真空チャンバ４内に導入したな
らば、この内部を真空排気管１６を介して所定の圧力ま
で真空引きし、ガス導入管１４より、エッチングガスと
してＣＦ系ガス、例えばＣＨＦ₃ガス及びＣＦ₄ガスをい
ずれも６０ＳＣＣＭの流量で導入すると共に、プラズマ
安定化ガスとして、例えばアルゴンガスを１０００ＳＣ
ＣＭの流量で導入し、所定の真空度、例えば１．２Ｔｏ
ｒｒ程度に設定する。そして、高周波電源１２を駆動す
ることにより真空チャンバ４内の電極６、８間に周波数
１３．５６ＭＨ_z或いは３８０ＫＨ_z、電力値７５０Ｗの
高周波電力を印加してプラズマを発生させ、基板１８の
二酸化珪素膜のエッチングを行う。この時、基板４の温
度は２０〜４０℃であった。

【００１３】チャンバ４内へ導入されたＣＨＦ₃ガスや
ＣＦ₄ガスは、プラズマ中にて解離して多種類の活性種
を発生し、これがエッチング反応に関与する。例えば、
活性種としてＣＦ₂ ラジカルを例にとると、このＣＦ₂
ラジカルは下記式のように二酸化珪素と反応する。Ｓ_iＯ₂＋２ＣＦ₂→Ｓ_iＦ₄＋２ＣＯここで、プラズマ安定化ガスであるアルゴンガス、エッ
チングガスであるＣＦ₂ガスおよび反応生成物であるＣ
Ｏガス等はプラズマ中にてそれぞれ特有のスペクトルを
もって発光するが、窓２４を透過した発光は、集光レン
ズ２６により集められて光ファイバ２８へ導入される。
そして、光ファイバ２８へ導入された光は、途中で２つ
に分岐されて、一方の分岐光はＣＦ系ガスの活性種用の
第１分光器３０にて分光されて所定の波長の光が取り出
され、その光の強度、すなわち発光強度は光電変換器３
４及びアンプ３８を介して判定部４２へ導入される。

【００１４】一方、他方の分岐光は、反応生成物用の第
２分光器３２にて分光されて所定の波長の光が取り出さ
れ、その光の強度は光電変換器３６及びアンプ４０を介
して上記判定部４２へ導入される。そして、この判定部
４２では、入力された２つの発光強度の比の変動に基づ
いて、エッチングの終点を検出する。本実施例において
は、ＣＦ系ガスの活性種としてＣＦ₂ラジカルの発光ス
ペクトルを第１分光器３０にて分光し、反応生成物とし
てのＣＯガスの発光波長のスペクトル領域とアルゴンガ
スの発光波長のスペクトル領域は、ともに３００〜８０
０ｎｍであってほぼ完全に重なってしまい、且つアルゴ
ンガスは多量に流されていてその発光強度も大きいの
で、ＣＯガスの発光は埋もれてしまってこれを取り出す
ことは困難であるが、ミクロ的に見れば上記スペクトル
領域中に多数の発光ピークが存在する。従って、ＣＯガ
スの発光強度を検出するために、アルゴンガスの発光ピ
ークの谷間で発光量が少なく、しかもＣＯガスの発光量
が多くなるような特定の波長にて、ＣＯガスの発光強度
を測定する。例えば図２は、分光器の分解能を高くした
場合のアルゴンガスの発光スペクトルを示すグラフであ
るが、ピーク波長４８０．６ｎｍとピーク波長４８４．
６ｎｍとの間においてアルゴンガスの発光量が極端に少
ないところ、すなわち谷が存在し、しかもこの部分、す
なわち波長４８３．５ｎｍ或いは４８２．７ｎｍはＣＯ
ガスの発光が存在するところである。

【００１５】従って、本実施例にあっては、第２分光器
３２を波長４８２．７ｎｍに設定してこの波長の光を取
出し、反応生成物であるＣＯガスからの発光強度を測定
した。また、活性種であるＣＦ₂ガスは、アルゴンガス
のスペクトル領域から外れた波長２５９．５ｎｍに発光
ピークを有しているので、第１分光器３０をこの波長に
設定してＣＦ₂ガスの発光強度を測定した。

【００１６】図３は、前記条件により実際のエッチング
を行ったときの各ガスの発光強度及びその比を示すグラ
フである。尚、グラフ中においては両ガスの発光強度の
変化をパーセントに補正して記載している。図示するよ
うにエッチングが進行するに従ってＣＦ₂ガス及びＣＯ
ガスの発光強度は徐々に小さくなって行く。この発光強
度の低下の原因は、エッチングの進行に従って基板温度
が上昇するからである考えられている。そして、ＣＦ₂
ガスの発光強度は、エッチングの終点と思われるポイン
トを過ぎると僅かに増加するが、この発光強度のみを監
視していたのでは、上記増加量はＣＦ₂ガスの発光強度
のゆらぎの大きさとそれほど差がなく、エッチング終点
を正確に把握することは困難である。また、ＣＯガスの
発光強度は、エッチング終点を思われるポイントを過ぎ
ると、僅かではあるが傾斜が急になってはいるが、この
発光強度単独では上記と同様にエッチング終点を正確に
把握することができない。

【００１７】これに対して、上記ＣＯガスとＣＦ₂ガス
の発光強度の比をとった値は、エッチング過程において
は、ゆらぎつつもほぼ一定であるが、あるポイントを過
ぎると急激に上昇し、この値のゆらぎの幅以上の大きさ
の増加量を示している。その後、比の値は再度一定とな
り、エッチングが終わった事を示している。ＳＥＭ（走
査型電子顕微鏡）による測定の結果、このエッチング終
点と思われるポイント、すなわちエッチング時間約１２
８秒の点が、実際のエッチング終点であることが判明
し、従って、ＣＯガスとＣＦ₂ ガスの発光強度の比をと
って、この変化量を監視することにより、正確に、しか
も確実にエッチング終点を検出することが可能となる。
このように、本実施例によれば、活性種と反応生成物の
発光強度の比の変化を監視することにより、エッチング
の終点を検出するようにしたので、両発光強度のゆらぎ
が相殺されてしまい、しかも感度を理論上２倍にするこ
とができ、従来検出することが困難であった開口率１０
％以下の半導体基板のエッチング終点も確実に検出する
ことが可能となる。

【００１８】本実施例でいうスペクトルの重なりとは、
完全に重なる場合のみならず、例えば分光測定の際に一
方の裾に他方のスペクトルが重なる場合のような一部の
重なりも含まれる。尚、本実施例では２台の分光器を用
いたが、これに替えて干渉フィルタとフォトダイオード
等の組合せを用いるようにしてもよい。また、本発明
は、二酸化珪素膜をエッチングすることに限定されるも
のではなく、ポリシリコン膜や或いはアルミニウム合金
膜などをエッチングする場合にも適用でき、また、被エ
ッチング膜の下地である材質としては、単結晶シリコン
以外の材質、例えばポリシリコン酸化膜などであっても
よい。

【００１９】更に、本発明は、陰極側に基板を置いたカ
ソードカップリング形、陽極側に基板を置いたアノード
カップリング形のいずれのエッチング装置にも適用する
ことができるし、また、別途、熱電子源などによって反
応性ガスプラズマを放電室で発生させ、これをエッチン
グ領域に導くようになされたエッチング方法にも適用す
ることができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。ゆら
ぎを相殺して且つ検出感度を向上させることができるの
で、エッチングの終点を確実に且つ正確に検出すること
が可能となる。また、検出感度を向上させることができ
ることから、従来検出が困難であった開口率が低い被処
理体のエッチングの終点も確実に検出することができ
る。特に、活性種としてＣＦ _２ラジカルの発光を２５
９．５ｎｍの波長で検出し、また、反応生成物としてＣ
Ｏガスの発光を４８２．７ｎｍの波長で検出することに
より、一層精度良くエッチングの終点を検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するためのエッチング装置とエッ
チング終点の検出系を示す概略平面図である。

【図２】アルゴンガスの発光スペクトルの一部を示すグ
ラフである。

【図３】活性種と反応生成物の発光強度と、これら発光
強度の比の時間的変化を示すグラフである。

【符号の説明】

２エッチング装置４真空チャンバ（反応容器）６、８電極１２高周波電源１４ガス導入管１６真空排気管１８半導体基板（被処理体）２２ロードロック室２４窓２６集光レンズ２８光ファイバ３０第１分光器３２第２分光器４２判定部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反応容器内に導入されたＣＦ系ガスをプ
ラズマ化して被処理体上の二酸化珪素膜をエッチングす
る方法において、前記ＣＦ系ガスの解離により生成される活性種の発光ス
ペクトル強度とエッチングにより生成される反応生成物
の発光スペクトル強度との比に基づいてエッチングの終
点を検出するように構成したことを特徴とするドライエ
ッチング方法。
【請求項２】前記測定される活性種は、この発光スペ
クトル強度がエッチング終点において増加するものであ
り、前記測定される反応生成物は、この発光スペクトル
強度がエッチング終点において減少するものであること
を特徴とする請求項１記載のドライエッチング方法。
【請求項３】前記反応生成物は、ＣＯガスであること
を特徴とする請求項１または２記載のドライエッチング
方法。
【請求項４】前記活性種は、ＣＦ₂ ラジカルであるこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいづれかに記載のドラ
イエッチング方法。
【請求項５】前記ＣＦ₂ ラジカルの発光スペクトルの
波長は、２５９．５ｎｍであることを特徴とする請求項
４記載のドライエッチング方法。
【請求項６】前記ＣＦ系ガスの他に、反応生成物の発
光スペクトルの谷間にスペクトルを有するプラズマ安定
化ガスを加えたことを特徴とする請求項１乃至５記載の
ドライエッチング方法。