JP2944802B2

JP2944802B2 - ドライエッチング方法

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Publication number: JP2944802B2
Application number: JP26240491A
Authority: JP
Inventors: 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH05102089A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体基板等のドライ
エッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】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の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いく方法であ
る。

【０００３】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。このため従来エッチングの終点を検出する代表的な
方法としては、エッチングによる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、この発光強度変化を基に終点を判断す
る方法が提案されている（特開昭６３−８１９２９号公
報、特開平１−２３０２３６号公報等）。即ち、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、反応生
成物の発光強度は急激に減少する。従って、反応生成物
に由来する特定波長の光強度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】ところで、エッチングを行なうに当って、
プラズマの安定化を図るために、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化を図
るためにＣＦ系ガスにアルゴンを添加することがある
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れてしまうことがあ
る。

【０００５】従来、分光光度計等の検出装置の感度等の
要請から発光強度は約３００〜９００ｎｍの範囲内で監
視されており、特に一酸化炭素のスペクトルのピークが
認められる４８２．０ｎｍが好適に用いられている。し
かし、このような波長の範囲はアルゴンの強い発光波長
範囲である３５０〜８６０ｎｍと非常に近似しているた
め、上述の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。

【０００６】しかも、近年の微細化の傾向の推進によっ
てエッチング対象領域が非常に小さくなる傾向にあり、
例えばウェハの全面積に対するエッチング対象領域の面
積の比率即ち開口率が１０％以下、さらに開口率が小さ
くなる場合には２、３％程度になっている。このため、
発生する一酸化炭素のガス量は導入するアルゴンガス量
に比べて微量、例えば１００分の１以下となり、一酸化
炭素の発光強度を正確に検出することができずエッチン
グの終点を特定することが困難であった。

【０００７】このため、生成物の発光強度とともに添加
ガスの発光強度との差又は比を監視する方法（特開昭６
３−９１９２９号公報）なども提案されている。しか
し、一般にプラズマ反応系からの発光スペクトルの強度
は、電源出力のわずかな変動、質量流用コントローラの
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
上述のように生成ガス等の発光強度の変化や添加ガスの
発光強度との差の変化を監視していても正確にエッチン
グ終点を求めることが困難であった。

【０００８】本発明はこのような従来の問題点を解決す
るためになされたもので、半導体基板等をドライエッチ
ングするに際し、正確にエッチング終点を検出すること
ができるドライエッチング方法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】このような目的を達成す
るため本発明のドライエッチング方法は、被処理体の酸
化シリコン膜をＣＦ系ガスを用いてドライエッチングす
るに際し、反応生成物として発生するＣＯガスの２１
１．２ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２
４〜２２９ｎｍの波長の発光スペクトル強度を測定する
ことによりドライエッチングの終点を決定するものであ
る。

【００１０】

【作用】添加ガスの強い発光波長範囲から外れた紫外領
域の特定の範囲における生成ガスの発光強度を監視する
ことにより、添加ガスの発光スペクトルによる妨害を少
なくし、正確な発光強度の変化を測定することができ、
これによりエッチングの終点を正確に検出することがで
きる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のドライエッチング方法につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明のドライエッ
チング方法が適用されるエッチング装置１を示す図で、
主としてエッチャントを導入してプラズマを発生させ被
処理体２例えば半導体基板をエッチングするための真空
チャンバ３と、真空チャンバ３に対向して設置された一
対の電極４、５と、真空チャンバ３内の発光スペクトル
を監視するための制御部６とから成る。エッチングは、
被処理体２例えばシリコンウェハ上に形成された二酸化
珪素膜を選択的にエッチングするものとする。

【００１２】真空チャンバ３は、ゲートバルブ７を介し
て、また必要に応じて図示しないロードロック室を介し
て被処理体２を収納する図示しないカセットチャンバに
連結されており、ゲートバルブ７を開いて搬送機構によ
り被処理体２を搬送することができる。また真空チャン
バ３は、エッチャント例えばＣＨＦ₃、ＣＦ₄等のＣＦ系
ガス及びアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを導入する
ガス導入管９及び余剰ガスや反応生成ガス等を排気する
ための排気管１０が接続され、所定の真空度、例えば２
００ｍTorr程度に真空チャンバ３内を保つことができ
る。

【００１３】電極４、５は、平行平板電極を構成してお
り、一方例えば上部電極４が接地され、他方の下部電極
５がコンデンサ１１を介して高周波電源１２に接続され
ており、両電極間に高周波電圧を印加する。また下部電
極５には被処理体２を載置され、この被処理体２を確実
に固定するために、例えばクランバ等が設けられてい
る。

【００１４】更に真空チャンバ３の側面には、電極４、
５間に発生したプラズマの発光を外部に透過させるため
に石英等の紫外光透過性材料から成る窓１３が形成され
ている。この窓１３に近接して、窓１３を透過した光を
集光するためのレンズ１４が設置される。このレンズ１
４も石英等の紫外光透過性材料から成る。このように窓
１３及びレンズ１４の材料として石英等の紫外光透過性
材料を用いることにより、２５０ｎｍ以下のスペクトル
範囲の光も集光することができる。レンズ１４で集光さ
れた光は石英から成る光ファイバ１５を通して制御部６
に送付される。

【００１５】制御部６は光を所定範囲のスペクトルに分
光する分光器６１と、分光器６１によって得られた特定
波長の光を電気に変換する光電変換器６２と、増幅器６
３と、上記特定波長の光に対応する電圧の変化を監視し
判定部６４とから成る。分光器６１は、３００ｎｍ以下
の光に対する感度の良好なものを用いる。監視する波長
としては、２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲内の所望波長
から選ばれた特定波長、２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎ
ｍ、２１１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２
９ｎｍのいずれかを用いることが好ましい。判定部６４
は、例えばＡ／Ｄ変換器やＣＰＵなどから成り、発光強
度を監視してその変化を捉え、必要に応じ適当な演算を
行ない、エッチングの終点を検出する。

【００１６】次に、以上のように構成されるエッチング
装置１における本発明に係るドライエッチング方法につ
いて説明する。まず、被処理体２である半導体基板は図
示しない搬送機構によってロードロック室８から搬送さ
れ下部電極５に載置される。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のマスクが露光工程を経
て形成されている。

【００１７】次いで、バルブ７を閉じ排気管１０を介し
て真空チャンバ３内を所定の真空度に真空引きした後、
ガス導入管９からエッチングガスとしてＣＦ系ガス、例
えばＣＦ₃ガス及びＣＦ₄系ガスとアルゴンガス等の不活
性ガスを所定の流量で導入して所定のガス圧に維持する
とともに両電極４、５間に所定周波数例えば１３．５６
ＭＨｚ、所定電力値例えば数１００ｗの高周波電力を印
加しながら、プラズマを発生させて被処理体２表面の二
酸化珪素膜部分をエッチングする。

【００１８】真空チャンバ３内に導入されたＣＦ系ガス
は、プラズマ中で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Ｃ
Ｆ₂ガスを例にとると、このＣＦ2ラジカルによる反応は
次のように進行し、２ＣＦ₂＋ＳｉＯ₂→ＳｉＦ₄＋２ＣＯ一酸化炭素、ＣＯ⁺イオン、水素ラジカル、フッ素ラジ
カル等の生成物が発生する。

【００１９】これら生成ガスである一酸化炭素やＣＯ⁺
イオン、また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ＣＦガスはそれぞれ特有のスペク
トルをもって発光するが、この発光は真空チャンバ３の
窓１３及びレンズ１４を通して光ファイバ１５を介して
制御部６に送付されここで検出される。分光器６１は送
付された光を分光し、特定波長の光を光電変換器６２に
送出する。分光器６１で得られる発光スペクトルは上記
複数のガスのそれぞれの発光スペクトルの合成されたも
のであるが、一酸化炭素やＣＯ⁺イオンの発光スペクト
ルは３５０〜８６０ｎｍの範囲では最も多量に存在する
アルゴンガスのスペクトルとほぼ完全に重なってしま
う。しかし２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲では、特に波
長２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１１．２ｎｍ、
２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍのところでは一
酸化炭素又はＣＯ+イオンに由来する発光が認められ
る。従って、これらのいずれかの波長における発光を追
跡することによりエッチング終点における生成ガスの変
動を検出することができる。

【００２０】即ち、分光器６１は分光された光のうち２
１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲内の所望波長から選ばれた
特定波長の光を光電変換器６２に送り光電変換器６２は
その光強度に対応する強さの電気に変換する。ところで
通常ＣＯ又はＣＯ⁺はエッチングが行なわれている間
は、一定量に保たれるか或いは特定の減少曲線を描いて
順次減少しながら発生しつづけるが、エッチングの終点
になると急激に減少する。このような生成ガスの変化
は、光電変換器６２から出る電気信号の大きさとして判
定部６４に送出され、判定部６４はこの電気信号に基づ
き所定の演算を行ない、生成ガスの急激な変化を検出す
る。判定部６４の行なう演算としては例えば生成ガスの
変化曲線の近似曲線を求め、この近似曲線から所定の閾
値以上の変化があったとき、これを判定する。或いは変
化が所定の閾値以上になったときを判定し、これをエッ
チング終点とする。

【００２１】この判定部６４の判定に基づき、自動的に
或いは手動でエッチングを終了する。また、被処理体に
よってオーバーエッチングが必要な場合には判定部６４
が終点を判定したときから、所定のオーバーエッチング
時間の後、エッチングを終了する。実施例１エッチングガスとしてＣＨＦ₃を２０SCCM、ＣＦ₄を２０
SCCM及びアルゴンガスを４００SCCMで真空チャンバ内に
導入し、２５０mTorr（mt）、ＲＦ１３．５６ＭＨｚ、
６００Ｗ、ウェハ温度−２５℃でプラズマエッチングを
行なった。被処理体は、シリコン上に１００００オング
ストロームの酸化シリコン膜を形成したウェハ（開口率
１００％、以下ベタウェハという）である。比較例とし
て、シリコンのベアウェハ（酸化膜を形成していないも
の）を用い同様の処理を行なった。

【００２２】図２にベタウェハ及びベアウェハの発光ス
ペクトルを示す。図中、太実線はシリコンのベアウェハ
の発光スペクトルを、細実線は開口率１００％のベタウ
ェハの発光スペクトルを示す。ベアウェハでは、上記条
件によるエッチングでは、反応しないのでＣＯ又はＣＯ
⁺は発生せず、エッチングガス及びアルゴン（Ａｒ）の
重なったスペクトルが見られる。また、酸化シリコン膜
を形成したウェハでは、ＣＯ又はＣＯ⁺に起因するスペ
クトルの変化が認められ、この変化は２１０ｎｍ〜２３
６ｎｍの範囲で著しいことがわかった。特に２１１．２
ｎｍ、２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ及び２３２．５
ｎｍではベアウェハでは見られないピークが認められ、
２２４〜２２９ｎｍではその範囲にわたって発光強度の
増加が認められた。従って、このピーク或いは発光強度
が変化する領域を監視することにより、生成ガスの変化
を正確に検出できることがわかる。

【００２３】図５に従来の終点検出波長（４８２ｎｍ）
付近の発光スペクトルを示す。この図は図２と同一条件
で測定したものである。図５よりベタウェハの場合４０
０ｎｍ〜６００ｎｍ付近まで反応生成物のＣＯの発光に
よる発光量の増加が確認できる。さらに従来の４８２ｎ
ｍ付近は添加ガスのＡｒの発光の谷間であり、左右のア
ルゴンの発光ピークはＣＯの発光の強い４００ｎｍ〜５
００ｎｍにおいて比較的弱い方であり、またＡｒの間隔
が最も広い波長であり、４００ｎｍ以上の波長帯では終
点検出波長として最適であることがわかる。しかしベタ
ウェハでのＣＯの発光強度は近くのＡｒの発光強度の約
１０分の１であり、さらにＡｒとの波長差は１．５ｎｍ
程度しかない。

【００２４】一方、図２より２１９ｎｍ付近では、近く
のＣＦ₁（２２３．８ｎｍ）の発光強度とベタウェハか
らの反応生成物の発光である２１９ｎｍの発光強度はほ
ぼ等しいことが判る。さらに波長差は４．８ｎｍあり、
安価な低分解能の分光器でも充分にＣＯの発光を分光す
ることができる。また、逆に分解能を下げられる分光量
を増加し、ノイズに対し強くすることもできるメリット
がある。これら発光スペクトルの比較から新しい検出波
長２１９ｎｍが終点検出波長としてより優れていること
がわかる。実施例２に実際のエッチング中の光量変化を
示す。

【００２５】実施例２実施例１と同様の条件で開口率１０％の酸化シリコンを
エッチングし、エッチング経過に伴う２１９．０ｎｍに
おける発光強度の変化（太実線）及び４８２．０ｎｍに
おける発光強度の変化率（細実線）を分光器を２台用い
て同時刻に監視した結果を図３に示す。図３からも明ら
かなように発光強度はエッチング開始から漸次減少し、
約１５０秒経過した時点から急速に減少し約１７０秒後
には曲線がフラットになった。即ち、この時点でエッチ
ングが終了したことがわかる。減少曲線の近似曲線を１
７０秒まで延長したときの発光強度と実際の発光強度と
の差を１００秒の時の発光強度を１００として換算した
値（変化率）は、３．４％であった。これに対し、従来
の測定波長である４８２．０ｎｍにおける発光強度の変
化率（細実線）は、１．８％であり、本発明の方法が変
化率が大きく、優れていることがわかる。

【００２６】図６に同一条件でベタウェハ（開口率１０
０％）でのエッチング中の光量変化を示す。図６よりベ
タウェハでも本発明の方法では変化率が２倍近く大き
く、優れていることがわかる。実施例３実施例１と同様の条件で真空度を１．７Torr（t）に変
えてエッチングを行ない、開口率１０％の場合の変化率
を求めた。この場合の、各波長における変化率を図４に
示した。併せて２５０mTorr（mt）の場合の変化率も示
した。なお図中、太実線は２５０mTorr（mt）の場合の
ベアウェハのスペクトルを、点線は同様に２５０mTorr
の場合のベタウェハのスペクトルを示し、細実線は１．
７Torr（t）の場合のベアウェハのスペクトルを示す。
また参考としてアルゴンガスだけを導入した場合のスペ
クトル（５００mTorr）を示した。図４からも明らかな
ように、波長２１９．０ｎｍのところでは５％以上の変
化率を示し、また２１１．２ｎｍ、２３０．０ｎｍ及び
２３２．５ｎｍのところでも約２％の変化率を示した。

【００２７】以上の実施例から、波長２１０〜２３６の
範囲、好適には２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１
１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍの
発光強度を監視することにより、エッチングガスの終点
を正確に検出できることが明らかである。なお、エッチ
ングガスの終点の検出には、生成ガス（ＣＯ又はＣ
Ｏ⁺）の変化だけを監視してもよいが、生成ガスの変化
とエッチングガスの変化との比を取る等の終点検出方法
と組合せてもよいことはいうまでもない。

【００２８】また、以上の実施例ではエッチングガスと
してＣＦ系ガスと添加ガスとしてアルゴンを用いた例に
ついて説明したが、本発明のドライエッチング方法は紫
外領域に発光ピークを有する生成ガスを生じるドライエ
ッチング方法或いは紫外領域に発光ピークを有するエッ
チャントを用いたドライエッチング方法にも適用するこ
とができる。

【００２９】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
や酸化膜などであってもよい。なお本発明は、陰極側に
被処理体を置いたカソードカップリング形、陽極側に被
処理体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できるし、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
チング領域に導くといったエッチング方法にも適用でき
る。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように本発明
のドライエッチング方法によれば、エッチングの際に紫
外領域の特定波長２１１．２ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２
３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍにおける発光強度
を監視するようにしたので、開口率が小さく検出すべき
生成ガス量が少ない場合でも、またエッチングガス中に
多量の不活性ガスが含まれていて結果として生成ガス量
の濃度が低い場合でも、正確に生成ガス量の変化を追跡
することができ、エッチングの終点を正確に検出するこ
とができる。これにより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ってしまう等の過剰
エッチングを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法が適用されるエ
ッチング装置の一実施例を示す図。

【図２】波長２１０ｎｍ〜２３６ｎｍにおけるドライエ
ッチング時の発光スペクトルを示す図。

【図３】開口率１０％のウェハをエッチングした波長２
１９．０ｎｍ及び４８２．０ｎｍにおける発光強度の変
化を示す図。

【図４】ドライエッチング時の発光スペクトル及び変化
率を示す図。

【図５】従来の終点検出波長４８２ｎｍにおけるドライ
エッチング時の発光スペクトルを示す図。

【図６】開口率１００％のウェハをエッチングした波長
２１９．０ｎｍ及び４８２．０ｎｍにおける発光強度の
変化を示す図。

【符号の説明】

１・・・・・・エッチング装置２・・・・・・被処理体３・・・・・・真空チャンバ６・・・・・・制御装置

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体の酸化シリコン膜をＣＦ系ガスを
用いてドライエッチングするに際し、反応生成物として
発生するＣＯガスの２１１．２ｎｍ、２３０．０ｎｍ、
２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍの波長の発光ス
ペクトル強度を測定することによりドライエッチングの
終点を決定することを特徴とするドライエッチング方
法。