JP4563584B2 - プラズマ・エッチング工程の精度を改善する方法および装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、プラズマ・エッチング工程およびその精度を改善する装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
集積回路製造における一般的要求の１つが、導電性、半導体、および誘電性の材料を含むことがある材料の積層におけるトレンチ、凹部(recess)、コンタクト、およびヴィアのような開口のエッチングである。誘電性材料は、フッ化酸化シリコン（Fluorinatedsilicon oxide;ＦＳＧ）のようなドープされた酸化シリコン、２酸化シリコンのようなドープされない酸化シリコン、硼素燐酸珪酸塩ガラス（boronphosphate silicate glass;ＢＰＳＧ）および燐酸珪酸塩ガラス（phosphate silicate glass;ＰＳＧ）のような珪酸塩ガラス、ドープされ又はドープされていない熱成長酸化シリコン、ドープされ又はドープされていないＴＥＯＳ堆積酸化シリコンなどを含む。誘電性ドーパントは硼素、燐、および／または砒素を含む。導電性または半導体の材料は、多結晶シリコン、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステン、モリブデン等の金属またはそれらの合金、窒化チタニウムのような窒化物、珪酸チタニウム、珪酸コバルト、珪酸タングステン、珪酸モリブデンのような珪酸金属などを含む。
【０００３】
酸化シリコンに開口をエッチングする様々なプラズマ・エッチング技術が、米国特許第５，０１３，３９８号、第５，０１３，４００号、第５，０２１，１２１号、第５，０２２，９５８号、第５，２６９，８７９号、第５，５２９，６５７号、第５，５９５，６２７号、第５，６１１，８８８号、および第５，７８０，３３８号に開示されている。プラズマ・エッチングは、’３９８号特許に記述された平行板プラズマ・リアクタ・チャンバまたは’４００号特許に記述された３極型リアクタのような中密度リアクタ、あるいは’６５７号特許に記述された誘導結合プラズマ・リアクタのような高密度リアクタ内で実行され得る。
【０００４】
集積回路処理は、大きくなるウエハー・サイズ上の小さくなる形状をしっかりと制御することを必要とする。この結果、そのような製造工程における監視コストは、インライン式監視装置(in-line monitoring equipment)および技術の使用にもかかわらず増大している。デバイス形状がより小さくなるにつれて、欠陥の無い集積回路構造を達成する目的でエッチング工程を改善するために、かなりの努力が振り向けられた。例えば、米国特許第５，１３１，７５２号、第５，３６２，３５６号、および第５，４５０，２０５号を参照されたい。
【０００５】
プラズマ・エッチング工程において正確な深さを達成する上での１つの問題は、マスク厚のばらつきに起因する。そのようなマスク厚のばらつきは、エッチング工程前に行われる化学機械研磨（ＣＭＰ）に起因し得る。そのような研磨工程はマスクに対して目標の厚さを提供し得るが、処理されるウエハー間のマスキング層厚にある程度のばらつきを生じさせ得る。干渉計を用いてエッチング深さをインサイチュー（in situ）で決定することによって目標のエッチング深さが制御されるエッチング工程において、ウエハー間のマスク厚のばらつきが、マスキング層の下の層におけるヴィア、コンタクト、トレンチなどの開口のオーバーエッチング又はアンダーエッチングの一因となり得る。
【０００６】
プラズマ・チャンバ内の物質の放射を解析することによってプラズマ・チャンバ内のエッチング工程の終了点を監視することが知られている。一般に、例えば、米国特許第４，６１５，７６１号に開示されているように、これは、反応が終了する時を確かめるためにプラズマ反応物のうちの選択された１つに対応する放射量を監視することを伴う。米国特許第５，０４５，１４９号は、第２の材料の上の第１の材料をエッチングする工程の終了点を検出する方法および装置を開示している。プラズマ・エッチング工程の光学放射強度が、第１および第２の信号をそれぞれ発生する正フィルタおよび負フィルタによって同時に監視されて、第１および第２の信号が結合されて結合信号を生ずる。結合信号は、第１の材料がエッチングで取り除かれて第２の材料が露出することを示す変化を検出するために監視される。
【０００７】
米国特許第５，４５０，２０５号は、プラズマ処理中のウエハーを見る電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラによって、ウエハーのエッチングまたはウエハー上への薄膜の堆積を監視することを開示している。ウエハーから反射されるプラズマ放射またはレーザー照射が、ウエハーのエッチングまたは堆積中にインターフェロメトリーに起因する時間的変化を示し、エッチングまたは堆積の工程の終了点を監視するために使用される。
【０００８】
米国特許第５，４１３，９６６号は、トレンチ・エッチング工程を開示している。この工程では、ドープされ又はドープされていない多結晶シリコンの上層と、２酸化シリコン又は窒化シリコンの下層とからトレンチ・マスクが形成される。２つの層は、第１のエッチング・ステップでパターン化されて、下にあるシリコン基板にトレンチをエッチングするためのトレンチ・マスクを形成する。上層は、エッチングすべきトレンチの深さに相当する厚さに堆積される。トレンチ・エッチングの終了点は、多結晶シリコンが除去されてマスクの下層が露出することによって提供される。そのような工程において、同一のエッチング条件で処理される１バッチ分のウエハーにおける１つのウエハーと次のウエハーとの上層厚のばらつき（例えば、堆積工程または化学機械研磨のような厚さ削減工程のばらつきに因る）が、意図した使用には深過ぎるか又は浅過ぎるトレンチをもたらすだろう。さらに、物質が、質量分析などによる気体の監視を可能にする停止層を含まない場合は、所望エッチング深さを達成するエッチング工程のインサイチュー測定およびリアルタイム制御が問題となる。
【０００９】
米国特許第５，８０７，７６１号は、トレンチ形成工程用のリアルタイムかつインサイチューの監視方法を開示している。この方法によれば、インターフェロメトリーが、エッチング工程中のエッチング深さを監視するために使用される。しかし、インターフェロメトリーはエッチングされている構造の上部に対するエッチング深さを提供するだけなので、エッチングの終了点を制御するそのような測定の使用は不正確な結果を生じさせ得る。マスキング層内の開口をエッチングする場合において、マスキング層が開口と共にエッチングされるのであれば、エッチング前のマスキング層厚のばらつきに対する補償がエッチング深さの測定で考慮されないので、インターフェロメトリーによって提供されるエッチング深さの測定は、時限式エッチング(timed etch)を改善する可能性を備えているものの、仕様から外れたエッチング深さを防止するのに十分でないことがある。
【００１０】
商用製造技術がより小さなデバイス形状を採用するので、大量生産中に１つのウエハーと次のウエハーにおいて正確なエッチング深さを達成することがいつも重要となる。目標エッチング深さを達成するために時限式エッチング(timed etch)を使用する従来技術は、もはや大量生産に適合しない。マスキング層の下側に対する実際のエッチング深さの小さなばらつきさえも、開口が深過ぎるかまたは浅過ぎる場合には、動作不能なデバイスを生じ得る。
【００１１】
（発明の概要）
本発明は、プラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口をエッチングする方法を提供する。この方法は、プラズマ・チャンバ内で基板支持台上の半導体基板（半導体基板は、マスキング層と、エッチングされる材料を含む該マスキング層内の開口を含む）を支持するステップと、プラズマ・チャンバ内でエッチング・プラズマを発生することによって、マスキング層の開口中の材料をエッチングするステップと、マスキング層内の開口中の材料のエッチングを完了するのに先立ってマスキング層の厚さを測定するステップと、マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するようにエッチング・ステップの期間を制御するステップと、開口の目標エッチング深さが得られたときにエッチング・プラズマを消すステップと、基板をチャンバから取り出すステップとを含む。
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、測定ステップはインターフェロメトリーによって実行可能であり、および／または、厚さ測定ステップは塩化シリコンまたはＣОのようなプラズマ中の化学種が検出されたときに実行可能である。別の態様によれば、マスキング層に重なった材料の層が、厚さ測定ステップに先立ってマスキング層から取除かれる。例えば、マスキング層に重なった材料の層は、エッチング工程に先立って化学機械研磨によって除去され得る。本発明の方法は、開口内の材料が目標エッチング深さに停止層を含まないエッチング動作で有利である。好ましい実施形態では、マスキング層は実質的に窒化シリコンから構成されており、開口内の材料は実質的に多結晶シリコンから構成されている。しかし、マスキング層は２つ以上の材料層またはフォトレジストを含むことができる。
【００１３】
また、本発明はプラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口をエッチングする装置を提供する。この装置は、その内部（プラズマ・エッチング・チャンバの内部）にエッチング・ガスを供給するガス供給源を含むプラズマ・エッチング・チャンバと、プラズマ・チャンバの内部で半導体基板（これは、マスキング層と、エッチングされる材料を含む該マスキング層内の開口とを含む）を支持する基板支持台と、エッチング・ガスにエネルギーを与えて、該エッチング・ガスを、エッチング・ステップ中にマスキング層の材料をエッチングするプラズマにするエネルギー源と、マスキング層内の開口中の材料のエッチングを完了するのに先立って、マスキング層の厚さを測定して、測定されたマスキング層厚さを表す信号を出力する厚さ測定デバイスと、厚さ測定デバイスから出力される信号を受取り、マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するようにエッチング・ステップを自動的に調整するコントローラであって、開口の目標エッチング深さが得られたときにエッチング・ステップを終了させるコントローラとを備える。
【００１４】
本発明の１つの態様によれば、厚さ測定デバイスはインターフェロメトリーであり、および／または、この装置はマスキング層に重なった材料の層のエッチング中にマスキング層の上面の露出を検出する検出器をさらに備える。検出器はプラズマ中の化学種が検出されたときに厚さ測定信号をコントローラに出力する。化学種は、マスキング層が窒化シリコンを含み開口中の材料が多結晶シリコンである場合には塩化シリコンであり得るし、マスキング層がフォトレジストである場合にはＣОであり得る。１つの実施形態によれば、厚さ測定デバイスは、マスキング層に重なった材料の層の除去を含むエッチング工程中にマスキング層の厚さを測定する。別の実施形態によれば、厚さ測定デバイスは化学機械研磨によって平坦化されたマスキング層の厚さを測定する。さらに別の実施形態によれば、コントローラは、目標エッチング深さに停止層が存在しない開口中の材料のエッチング中にエッチング・ステップを終了させる。
【００１５】
本発明の特長および利点が、類似の数字が類似の要素を示す図面と共に詳細な説明を読むことによってより良く理解される。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、トレンチおよび凹部のエッチング工程のようなプラズマ・エッチング工程の精度を改善する工程を提供する。そのような工程では、トレンチまたは凹部は、エッチングされる開口の所望深さに停止層を有しない材料の層にエッチングされる。或いは、そのようなエッチング工程は、所望エッチング深さを達成するように測定又は推測されたエッチング速度に基づいて計算された設定時間の間実行される。例えば、目標深さを達成するエッチング時間が、統計的解析、またはインターフェロメトリーによるエッチング深さのリアルタイム測定に基づくことがある。しかし、所望エッチング深さを達成するためにエッチングをいつ終了させるかを制御するために推測エッチング速度又はインターフェロメトリーを使用することは、開口のエッチングが深過ぎたり浅過ぎたりすることに起因する欠陥構造をもたらす。本発明によれば、より再現可能なやり方でより正確なエッチング深さを達成する方法でエッチング工程を制御する技術が提供される。
【００１７】
本発明によれば、エッチング工程は、より正確なエッチング深さが得られることを可能にする方法で監視される。そのエッチング工程は、低、中、または高密度プラズマ・リアクタ内で実行可能であり、あらゆる適切な膜厚監視装置及びエッチング深さ監視装置が本発明に従って使用され得る。膜厚測定用の装置およびデータ処理ソフトウェアが、Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｐｒｏｍｅｔｒｉｘ、Ｌｅｙｂｏｌｄ、Ｓｏｆｉｅ、ＳＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙなどの様々な会社から提供されている。次の例で、エッチング工程は、ＬＡＭ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから提供されている９４００ＰＴＸＴＭ高密度プラズマ・エッチャで実行されて、膜厚およびエッチング深さの測定が、ＳＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．から提供されているインスペクタ３０００干渉膜厚およびエッチング深さ監視システムを使用して得られた。
【００１８】
本発明は、単一ウエハーエッチャにおける１バッチ分のウエハーの処理中にウエハー間のマスキング層厚のばらつきを補償するリアルタイム・エッチング深さ監視装置を提供する。本発明によれば、マスキング層の厚さは、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立って各ウエハーのマスキング層厚を測定する自動化された工程によって決定される。マスキング層は、好ましくは、窒化物または酸化物のような材料から成るハードマスクである。エッチングに先立って半導体基板にＣＭＰを施してマスキング層上の層を除去するエッチング工程において、ＣＭＰ後のマスキング層の厚さにばらつきがあるので、エッチング深さを決定するためにインターフェロメトリーを使用すると、不正確が結果となる。これは、マスクの上面が形状基準として使用されるからである。本発明によってエッチング深さをより正確に決定するために、ＣＭＰ後のマスキング層の厚さは、干渉技術によって終了点を決定する凹部のエッチング(interferometric endpoint etch of the recess)においてエッチング深さを補正するために使用される。これは、ソフトウェア・ルーチンを外部終了点システムのソフトウェア(externalendpoint system software)またはエッチャ・ソフトウェア自体に加えることによって達成され得る。マスク厚測定は、補正が有用であろう他のインライン測定にも使用され得る。
【００１９】
マスキング層厚測定は、標準的な干渉技術によって行われて、次の、または残りのエッチング工程中に基準点として使用され得る。例えば、ウエハーがプラズマチャンバに入り、静電チャックのような適当な基板支持台上に留められた後に、マスキング層の厚さ測定が、干渉システムのようないずれかの適当な技術によって実行される。干渉システムはウエハーからの干渉信号パターンを記録可能であり、信号の形がウエハー上に在る透明膜の光学的係数および厚さによって決定され得る。一番上の膜が照射光の波長範囲で透過性でなくて、ウエハー表面が平らである場合は、どんな信号パターンも見えないだろう。一番上の膜がその波長範囲で透過性である場合は、本発明の工程はエッチング深さ測定の精度を向上するために使用され得る。
【００２０】
本発明は、トレンチおよび凹部のエッチング工程のようなプラズマ・エッチング工程の精度を向上することができる工程を提供する。そのような工程では、トレンチまたは凹部が、エッチングされる開口の所望深さに停止層を有しない材料の層にエッチングされる。或いは、そのようなエッチング工程は、所望エッチング深さを達成すべく測定または推測されたエッチング速度に基づいて計算された設定時間の間実行される。例えば、目標深さを達成するエッチング時間が、統計的解析、またはインターフェロメトリーによるエッチング深さのリアルタイム測定に基づくことがある。しかし、所望エッチング深さを達成するためにエッチングをいつ終了させるかを制御するために推測エッチング速度またはインターフェロメトリーを使用すると、開口のエッチングが深過ぎたり浅過ぎたりすることに起因する欠陥構造をもたらす。本発明によれば、より再現可能なやり方でより正確なエッチング深さを達成する方法でエッチング工程を制御する技術が提供される。照射光から、ある種の正弦波パターンが照射光波長に対する反射強度のグラフに現れるだろう。このパターンの形は、膜の厚さ、この膜の下の膜の透明または不透明、下に横たわる膜の厚さ、およびすべての膜の光学的係数の関数となるだろう。下に横たわる膜の厚さおよび光学的係数ならびに上方の膜の光学的係数が知られている場合は、上方の膜の所定厚さに対して理論的信号を構成することが可能である。上方の膜について入力厚さを変えることによって、波長に対する反射強度の実際のパターンによく合致するパターンを生成することが可能である。この合致は、上方の膜についての入力厚さが上方の膜の実際の厚さに等しくなる時点で起きるだろう。本発明によれば、膜厚を測定する上述の技術は、処理されている各ウエハーについてエッチング・ステップの終了点を補償する自動化された工程で使用され得る。この結果、より正確なエッチング深さを得ることができ、また、生産効率を改善することができる。これは、ＣＭＰに続いてマスク厚のオフライン測定を行って、１バッチ分のウエハーのエッチング中に起きそうな該１バッチ分のウエハーについてのマスク厚の範囲に適応するように時限式エッチングの期間を推測する必要性を無くすことができるからである。
【００２１】
本発明による工程は、マスキング層によって覆われない領域がエッチングされると同時に該マスキング層がエッチングされるエッチング工程のより正確な終了点を決定する際に有用である。そのような工程では、エッチング方法が、マスキング層によって覆われない領域より遅い速度で該マスキング層をエッチングするように設計される。エッチング工程中、干渉計がマスキング層の上面及び下面からの反射光、マスキング層の下の膜、およびエッチングされる凹部の底面からの反射光を見ているので、干渉計によって見える信号が変化するだろう。一番上の膜のエッチング速度が該一番上の膜によってマスクされる膜のエッチング速度に比較して知られている場合は、一番上の膜がどの程度エッチング工程によって時の経過とともに除去されるかを推測することが可能である。一番上の膜またはマスク、および下に横たわる膜によって生成される信号が、全信号から引かれ得る。これは膜信号および凹部の底面からの信号の合成である。このようにして、凹部の深さをより正確に決定することができる。
【００２２】
従来の干渉技術による凹部／トレンチ・エッチング深さ測定において、エッチングされる開口の深さはマスキング層の上部に関係する。実際のマスク厚が推測されるマスク厚に等しいという統計的可能性があるけれども、それは、マスキング層の厚さがある程度変化し得る製造工程の変動に因るところが大きい。インターフェロメトリーによって測定されるエッチング深さをマスキング層の上部を基準として参照することによって、高精度を要するデバイス構造において、開口の底とマスキング層の上部との間の距離の関数としてのエッチング工程の終了は、エッチング深さの要件を満足しないエッチング深さを生じさせ得る。これは、特に、マスキング層が推測されたものよりも薄い場合に問題である。より正確なエッチング深さの決定は、測定されるエッチング深さをマスキング層の上部ではなくマスキング層の底を基準として参照することによって得られる。マスキング層が、ハード・マスクが除去される場合に停止層として機能する酸化物パッドの上の当該ハード・マスクである場合でさえも、マスキング層の底は重要な基準点として役立つ。
【００２３】
本発明によれば、マスキング層厚測定に様々な光の波長を使用することが有用であることがある。例えば、光の波長が長ければ長いほど、膜はより透明であるように見える。しかし、浅い凹部／トレンチ・エッチング（即ち、２００〜３００ｎｍの目標深さ）では、浅いエッチング深さを測定するために、１００〜１５０ｎｍのオーダーのより短い波長を使用することが必要なことがある。そのような短い波長では、マスクが測定光を通さないように見えることがある。この場合、単一の波長だけを使用すると、マスク厚を決定するためにインサイチューで解析され得るマスク層の底によって発生させられる信号がなくなるであろう。本発明によれば、マスク厚は、波長のスペクトラム、即ち周波数範囲によって生成されるパターンを調べることによって、固定点で、遅延なしに測定され得る。
【００２４】
マスキング層に重なった層がバルク・エッチング・ステップによって完全に除去されない場合には、該マスキング層上の残渣を完全に除去するようにエッチング工程を変更することによって、マスキング層厚測定の精度をさらに改善することが望ましい。例えば、マスキング層厚測定を凹部エッチングが開始される後まで遅らせたり、バルク・エッチングをブラズマの化学種を監視することによって発生させられる終了点信号の後も数秒程度の短い時間だけ継続させることができる。例えば、凹部エッチングは、厚さ測定の精度を改善するために残渣を除くのに十分な時間に開始されて、厚さ測定は、ＲＦエネルギーが止められる安定化ステップ中に実行され、凹部エッチングは、測定が完了した後に完了され得る。マスキング層から残渣を除く工程ルーチンは、次のステップを含み得る。即ち、自然酸化物のブレークスルーのためのガス安定（プラズマなし）、自然酸化物を除去するブレークスルー、バルク・エッチングのためのガス安定（プラズマなし）、化学種の強度の低下によって監視される終了点を有するバルク・エッチング、バルク・オーバーエッチングのためのガス安定、バルク・エッチングで残された残渣がちょうど凹部エッチングが始まるところまで除かれる時間までのオーバーエッチング、凹部エッチングのためのガス安定（プラズマなし）、マスキング層の厚さ測定、および測定されたエッチング深さを測定されたマスク厚さ（凹部エッチング中の厚さの減少を調整されたもの）と比較するインターフェロメトリーに基づく終了点を有する凹部エッチング。
【００２５】
以上をまとめると、エッチング深さの精度の向上、ウエハーがプラズマ・チャンバに入る前のマスク厚のオフライン測定ステップを無くすことによる生産効率の向上、個別ウエハーのベースでエッチング方法を手動で変更する必要を無くすことによる生産効率の向上などの様々な利点が、本発明の工程によって得られる。本発明の工程によって、エッチング終了点がインサイチューで自動的に制御され得るので、本発明は、統計的に導出される推測マスク厚および推測エッチング速度に基づく時限式エッチング工程に対して大きな利点を提供する。
【００２６】
次の例が、どのように本発明が半導体製造工程で実施されるかを説明する目的に供される。しかし、本発明は、その利点から利益を得ることができる他の工程でも具体化され得る。
例１
本発明の方法は、凹部エッチング工程で次のように実施され得る。そのような工程で、その上（基板の上）にマスキング層を有する基板に開口がエッチングされる。マスキング層は基板に形成される開口に対応する所望パターンの開口を有する。本発明によれば、マスキング層の厚さは開口をエッチングするのに先立って測定されて、その厚さはエッチング・ステップの時間を制御するのに使用される。インターフェロメトリーによるマスキング層厚の決定は、マスキング層が単一の材料の層である場合には単純化される。これは厚さの計算が単一の材料の層の屈折率に依存するからである。マスキング層が２つ以上の層から構成される場合には、マスキング層厚の計算が様々な層の異なる屈折率によって複雑にされるけれども、それでもなおマスキング層の厚さを計算するためにインターフェロメトリーを使用することは可能である。
【００２７】
次の議論においては、２酸化シリコン・マスキング層を通しての多結晶シリコンの凹部エッチングが、ＲＦエネルギーがプラズマ・リアクタ中に誘導結合される高密度プラズマ・エッチャを使用して実行された。エッチング工程は、ウエハー上の自然酸化物が除去されるブレークスルー・ステップと、マスキング層の上の材料が除かれるバルク・エッチング・ステップと、マスキング層内の開口が目標深さにエッチングされる凹部エッチング・ステップとを含んでいた。
【００２８】
図１に示されるグラフに類似するスペクトル・グラフが、本発明に従ってマスキング層厚測定に使用するデータを発生するのに使用され得る。特に、図１に示される４００〜５００ｎｍスペクトル・グラフが、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立ってマスキング層の厚さを計算するソフトウェア・プログラムを開発するために使用され得る。しかし、類似の情報が、１０〜１０００ｎｍの範囲のような異なるスペクトラル範囲において得られる。ソフトウェア・プログラムは、格納されている曲線プロフィールを測定された曲線プロフィールと照合することによって、マスキング層がエッチング・プラズマによって侵食される前の時点でマスキング層の厚さを導出するのに使用され得る。好ましい方法は、適切に開発されたソフトウェアで、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立ってマスキング層厚を測定することであるけれども、マスキング層厚測定は、マスキング層がエッチング・プラズマによって侵食されている時に、１または複数回、曲線照合工程を実行することによって、開口のエッチング中においても得られる。即ち、ソフトウェア・プログラムは、マスキング層の侵食中に実際のマスキング層厚を監視し、記録された厚さ測定を用いてマスキング層の下面に対する測定エッチング深さをより正確に決定するために使用され得る。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、マスキング層の厚さは、多結晶シリコンがマスキング層に至るまでエッチングされたときにインターフェロメトリーによって測定される。例えば、プラズマ中の化学種（即ち、塩化シリコン）を監視することが可能であり、監視されているプラズマ中の化学種が、マスキング層に重なっている層がマスキング層に至るまでエッチングされたことを示したときに、マスキング層の厚さを測定することが可能である。エッチング工程における凹部エッチングの部分で、開口の深さをインターフェロメトリーによって測定することができる。開口がマスキング層の下面を基準として正確なエッチング深さとなるようにエッチング工程を終了させる時を決定するために、目標エッチング深さにいつ達したのかを計算すべくコンピュータが使用され得る。この際、コンピュータは、（１）同時にエッチングされたマスキング層の面に対する開口の測定深さ、（２）マスキング層のエッチング速度、および（３）事前に測定されたマスキング層の厚さを考慮する。基本的に、マスキング層の下面に対するエッチング深さの非常に正確な決定が、開口の深さの干渉計による測定において測定エッチング深さがマスキング層の上面を基準とすることに関連する不正確さを補償するデータ処理によって得られる。
例２
次の議論においては、ｐ型をドープしたシリコン基板上に窒化シリコン・マスキング層を有し、その上の多結晶シリコンを有するスタック構造の凹部エッチングは、ＲＦエネルギーがプラズマ・リアクタ内に誘導結合される高密度プラズマ・エッチャを使用して実行された。凹部エッチング工程は、一連のエッチバック・ステップおよび多結晶充填ステップで実行された。第１のエッチング・ステップで、スタック構造はｐ型をドープしたシリコン基板上の２００ｎｍの窒化物マスキング層の上の３００ｎｍの多結晶シリコン層を含み、各凹部がОＮО（オゾンＣＶＤ）カラー(collar)を有し、そして第１のエッチング・ステップは１０００ｎｍを超える目標凹部エッチングを達成するために実行された。多結晶シリコン層がエッチングされた開口内に堆積されて、マスキング層が多結晶シリコンで覆われた。ここで、マスキング層の上のスタック構造は、ｐ型をドープしたシリコン基板上の窒化物マスキング層（第１のステップで１５０ｎｍにエッチングされたもの）の上の４００ｎｍ多結晶シリコン層を含む第２のエッチング・ステップで、開口は１２０±３０ｎｍの目標深さにエッチングされた。エッチングされた開口を充填しマスキング層を覆うように多結晶シリコンを堆積した後に、その構造がＣＭＰにより平坦化された。ここで、その積層構造は、ｐ型をドープしたシリコン基板上に窒化物マスキング層（これは、約１２０ｎｍに研磨された）を含む。第３のエッチング・ステップで、開口は５０±１５ｎｍの目標深さにエッチングされた。
【００３０】
第３のエッチング・ステップ前の４００ｎｍ〜５００ｎｍスペクトラム応答が図１に示されている。ここで、多結晶シリコンがＣＭＰ工程によってマスキング層から除かれたので、曲線は、透明な膜、すなわち窒化シリコン・マスキング層の存在を示している。時間に対する４５０ｎｍにおけるスペクトラム応答のグラフが図２に示されている。その曲線は、自然酸化物が除去される約２０秒のスパイク、エッチングガス配合が凹部エッチング用に変更されてブラズマが安定化されている一方でＲＦエネルギーが止められる平らな部分、マスキング層の上面およびエッチングされた開口の底面から反射される結合信号の干渉パターンによって生成される正弦曲線の部分、およびエッチング終了点を示す約７０秒のスパイクを示している。
【００３１】
上述の第１および第２のエッチング・ステップにおいて、ブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよびくぼみエッチング・ステップが実行された。ブレークスルー・ステップで自然酸化物が除去されて、バルク・エッチング・ステップで多結晶シリコンがマスキング層から除かれて、そして凹部エッチング・ステップで開口が第１のエッチング・ステップにおいて１０００ｎｍを超える深さに、かつ第２のエッチング・ステップにおいて１００ｎｍを超える深さにエッチングされた。第１および第２のエッチング・ステップのバルク・エッチングおよび凹部エッチング部分に対する４５０ｎｍにおけるスペクトラム強度対時間のグラフが、図３に示されるグラフと類似するだろう。図３では、曲線の最初の鋭い立ち上がりが、プラズマが起動された時を示し、約１０秒の突出部が、プラズマ安定化テップがその後に続くブレークスルー・ステップを示し、そして約７０秒の正弦波信号の出現が、バルク・エッチング中に多結晶シリコンがエッチングされて除かれて、残る多結晶シリコン膜が監視周波数（すなわち、４５０ｎｍ）を通過させる時を示す。図３に示されるように、多結晶シリコン膜が薄くなるに従って正弦波信号の強度が増大し、約９０〜１００秒の曲線の平らな部分が、凹部エッチング用の新しいエッチング・ガス化学作用が安定化される一方でＲＦエネルギーが止められる期間を示す。曲線の平らな部分に先立って、バルク多結晶シリコン・エッチングの終了を特徴付ける終了点信号が生成されて、この時点で、エッチング・ガス化学作用が凹部エッチング・ガス化学作用に変更されて、マスキング層厚測定が実施される。
【００３２】
図４は、４５０ｎｍおよび５００ｎｍに対するスペクトラム応答を示す。図示のように、４５０ｎｍおよび５００ｎｍにおけるスペクトラム応答は、長い波長５００ｎｍラインが侵食された多結晶シリコン膜の透明性を４５０ｎｍラインよりも早く検出するという点で異なっている。そのような多周波データは、本発明に従って得られる他のデータと共に使用されて、凹部エッチング・ステップに対する適当な終了点を決定することができる。
【００３３】
上述の第３のエッチング・ステップでは、ブレークスルー・ステップおよび凹部エッチング・ステップだけが実行された。ブレークスルー・ステップにおいて、自然酸化物は除去されて、凹部エッチング中にマスキング層内の開口は３０ｎｍを超える深さにエッチングされる。４５０ｎｍについてのスペクトラム・グラムが図２に示されている。図２では、曲線の最初の立ち上がりはプラズマの作動を示し、第１の平らな部分はプラズマの安定化を示し、約２０秒のスパイクは自然酸化物のブレークスルーを示し、２０秒と４０秒との間の平らな部分は凹部エッチングのためのエッチング・ガス化学作用の変更およびプラズマの安定化を示し、約３５秒の正弦曲線部分は開口のエッチングを示し、そして約７５秒のスパイクはエッチング終了点を示す。第１および第２のエッチング・ステップではマスキング層厚測定が凹部エッチング・ガスの安定化中に実施され得るのに対して、第３のエッチング・ステップではマスキング層厚測定はウエハーがプラズマ室内に初めて導入されるときに行われ得る。
【００３４】
本発明は半導体基板としてウエハーを参照して説明されたけれども、本発明の工程はエッチング深さの精度が要求される他の半導体基板に適用できる。例えば、そのような基板は、ディスク・ドライブ・コンポーネント、フラット・パネル表示基板などを含む。
【００３５】
本発明の原理、好ましい実施形態およびモードが上述された。しかし、本発明は、論じられた特定の実施形態に限定されるとして解釈されるべきではない。したがって、上述の実施形態は制限するというよりも例示しているとみなすべきであり、また、当業者によって、特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱しない範囲で、それらの実施形態が変更され得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ４００〜５００ｎｍのスペクトル範囲についてのインターフェロメトリーによって得られる曲線を示す図であって、この曲線は、透明膜の存在を示し、本発明に従ってマスキング層厚さを測定するソフトウェア・プログラムを開発するために有用である。
【図２】 化学機械研磨によって露出された窒化シリコン・マスキング層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍについてのスペクトル応答を示す図であって、この曲線は、本発明に従うブレークスルー・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示す。
【図３】 窒化シリコン・マスキング層に重なった多結晶シリコンの層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍについてのスペクトル応答を示す図であって、この曲線は、本発明に従うブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示。
【図４】 窒化シリコン・マスキング層に重なった多結晶シリコンの層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍおよび５００ｎｍについての多周波スペクトル応答を示し、この曲線は、本発明によるブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示す図である。
（発明の分野）
本発明は、プラズマ・エッチング工程およびその精度を改善する装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
集積回路製造における一般的要求の１つが、導電性、半導体、および誘電性の材料を含むことがある材料の積層におけるトレンチ、凹部(recess)、コンタクト、およびヴィアのような開口のエッチングである。誘電性材料は、フッ化酸化シリコン（Fluorinatedsilicon oxide;ＦＳＧ）のようなドープされた酸化シリコン、２酸化シリコンのようなドープされない酸化シリコン、硼素燐酸珪酸塩ガラス（boronphosphate silicate glass;ＢＰＳＧ）および燐酸珪酸塩ガラス（phosphate silicate glass;ＰＳＧ）のような珪酸塩ガラス、ドープされ又はドープされていない熱成長酸化シリコン、ドープされ又はドープされていないＴＥＯＳ堆積酸化シリコンなどを含む。誘電性ドーパントは硼素、燐、および／または砒素を含む。導電性または半導体の材料は、多結晶シリコン、アルミニウム、銅、チタニウム、タングステン、モリブデン等の金属またはそれらの合金、窒化チタニウムのような窒化物、珪酸チタニウム、珪酸コバルト、珪酸タングステン、珪酸モリブデンのような珪酸金属などを含む。
【０００３】
酸化シリコンに開口をエッチングする様々なプラズマ・エッチング技術が、米国特許第５，０１３，３９８号、第５，０１３，４００号、第５，０２１，１２１号、第５，０２２，９５８号、第５，２６９，８７９号、第５，５２９，６５７号、第５，５９５，６２７号、第５，６１１，８８８号、および第５，７８０，３３８号に開示されている。プラズマ・エッチングは、’３９８号特許に記述された平行板プラズマ・リアクタ・チャンバまたは’４００号特許に記述された３極型リアクタのような中密度リアクタ、あるいは’６５７号特許に記述された誘導結合プラズマ・リアクタのような高密度リアクタ内で実行され得る。
【０００４】
集積回路処理は、大きくなるウエハー・サイズ上の小さくなる形状をしっかりと制御することを必要とする。この結果、そのような製造工程における監視コストは、インライン式監視装置(in-line monitoring equipment)および技術の使用にもかかわらず増大している。デバイス形状がより小さくなるにつれて、欠陥の無い集積回路構造を達成する目的でエッチング工程を改善するために、かなりの努力が振り向けられた。例えば、米国特許第５，１３１，７５２号、第５，３６２，３５６号、および第５，４５０，２０５号を参照されたい。
【０００５】
プラズマ・エッチング工程において正確な深さを達成する上での１つの問題は、マスク厚のばらつきに起因する。そのようなマスク厚のばらつきは、エッチング工程前に行われる化学機械研磨（ＣＭＰ）に起因し得る。そのような研磨工程はマスクに対して目標の厚さを提供し得るが、処理されるウエハー間のマスキング層厚にある程度のばらつきを生じさせ得る。干渉計を用いてエッチング深さをインサイチュー（in situ）で決定することによって目標のエッチング深さが制御されるエッチング工程において、ウエハー間のマスク厚のばらつきが、マスキング層の下の層におけるヴィア、コンタクト、トレンチなどの開口のオーバーエッチング又はアンダーエッチングの一因となり得る。
【０００６】
プラズマ・チャンバ内の物質の放射を解析することによってプラズマ・チャンバ内のエッチング工程の終了点を監視することが知られている。一般に、例えば、米国特許第４，６１５，７６１号に開示されているように、これは、反応が終了する時を確かめるためにプラズマ反応物のうちの選択された１つに対応する放射量を監視することを伴う。米国特許第５，０４５，１４９号は、第２の材料の上の第１の材料をエッチングする工程の終了点を検出する方法および装置を開示している。プラズマ・エッチング工程の光学放射強度が、第１および第２の信号をそれぞれ発生する正フィルタおよび負フィルタによって同時に監視されて、第１および第２の信号が結合されて結合信号を生ずる。結合信号は、第１の材料がエッチングで取り除かれて第２の材料が露出することを示す変化を検出するために監視される。
【０００７】
米国特許第５，４５０，２０５号は、プラズマ処理中のウエハーを見る電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラによって、ウエハーのエッチングまたはウエハー上への薄膜の堆積を監視することを開示している。ウエハーから反射されるプラズマ放射またはレーザー照射が、ウエハーのエッチングまたは堆積中にインターフェロメトリーに起因する時間的変化を示し、エッチングまたは堆積の工程の終了点を監視するために使用される。
【０００８】
米国特許第５，４１３，９６６号は、トレンチ・エッチング工程を開示している。この工程では、ドープされ又はドープされていない多結晶シリコンの上層と、２酸化シリコン又は窒化シリコンの下層とからトレンチ・マスクが形成される。２つの層は、第１のエッチング・ステップでパターン化されて、下にあるシリコン基板にトレンチをエッチングするためのトレンチ・マスクを形成する。上層は、エッチングすべきトレンチの深さに相当する厚さに堆積される。トレンチ・エッチングの終了点は、多結晶シリコンが除去されてマスクの下層が露出することによって提供される。そのような工程において、同一のエッチング条件で処理される１バッチ分のウエハーにおける１つのウエハーと次のウエハーとの上層厚のばらつき（例えば、堆積工程または化学機械研磨のような厚さ削減工程のばらつきに因る）が、意図した使用には深過ぎるか又は浅過ぎるトレンチをもたらすだろう。さらに、物質が、質量分析などによる気体の監視を可能にする停止層を含まない場合は、所望エッチング深さを達成するエッチング工程のインサイチュー測定およびリアルタイム制御が問題となる。
【０００９】
米国特許第５，８０７，７６１号は、トレンチ形成工程用のリアルタイムかつインサイチューの監視方法を開示している。この方法によれば、インターフェロメトリーが、エッチング工程中のエッチング深さを監視するために使用される。しかし、インターフェロメトリーはエッチングされている構造の上部に対するエッチング深さを提供するだけなので、エッチングの終了点を制御するそのような測定の使用は不正確な結果を生じさせ得る。マスキング層内の開口をエッチングする場合において、マスキング層が開口と共にエッチングされるのであれば、エッチング前のマスキング層厚のばらつきに対する補償がエッチング深さの測定で考慮されないので、インターフェロメトリーによって提供されるエッチング深さの測定は、時限式エッチング(timed etch)を改善する可能性を備えているものの、仕様から外れたエッチング深さを防止するのに十分でないことがある。
【００１０】
商用製造技術がより小さなデバイス形状を採用するので、大量生産中に１つのウエハーと次のウエハーにおいて正確なエッチング深さを達成することがいつも重要となる。目標エッチング深さを達成するために時限式エッチング(timed etch)を使用する従来技術は、もはや大量生産に適合しない。マスキング層の下側に対する実際のエッチング深さの小さなばらつきさえも、開口が深過ぎるかまたは浅過ぎる場合には、動作不能なデバイスを生じ得る。
【００１１】
（発明の概要）
本発明は、プラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口をエッチングする方法を提供する。この方法は、プラズマ・チャンバ内で基板支持台上の半導体基板（半導体基板は、マスキング層と、エッチングされる材料を含む該マスキング層内の開口を含む）を支持するステップと、プラズマ・チャンバ内でエッチング・プラズマを発生することによって、マスキング層の開口中の材料をエッチングするステップと、マスキング層内の開口中の材料のエッチングを完了するのに先立ってマスキング層の厚さを測定するステップと、マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するようにエッチング・ステップの期間を制御するステップと、開口の目標エッチング深さが得られたときにエッチング・プラズマを消すステップと、基板をチャンバから取り出すステップとを含む。
【００１２】
本発明の１つの態様によれば、測定ステップはインターフェロメトリーによって実行可能であり、および／または、厚さ測定ステップは塩化シリコンまたはＣОのようなプラズマ中の化学種が検出されたときに実行可能である。別の態様によれば、マスキング層に重なった材料の層が、厚さ測定ステップに先立ってマスキング層から取除かれる。例えば、マスキング層に重なった材料の層は、エッチング工程に先立って化学機械研磨によって除去され得る。本発明の方法は、開口内の材料が目標エッチング深さに停止層を含まないエッチング動作で有利である。好ましい実施形態では、マスキング層は実質的に窒化シリコンから構成されており、開口内の材料は実質的に多結晶シリコンから構成されている。しかし、マスキング層は２つ以上の材料層またはフォトレジストを含むことができる。
【００１３】
また、本発明はプラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口をエッチングする装置を提供する。この装置は、その内部（プラズマ・エッチング・チャンバの内部）にエッチング・ガスを供給するガス供給源を含むプラズマ・エッチング・チャンバと、プラズマ・チャンバの内部で半導体基板（これは、マスキング層と、エッチングされる材料を含む該マスキング層内の開口とを含む）を支持する基板支持台と、エッチング・ガスにエネルギーを与えて、該エッチング・ガスを、エッチング・ステップ中にマスキング層の材料をエッチングするプラズマにするエネルギー源と、マスキング層内の開口中の材料のエッチングを完了するのに先立って、マスキング層の厚さを測定して、測定されたマスキング層厚さを表す信号を出力する厚さ測定デバイスと、厚さ測定デバイスから出力される信号を受取り、マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するようにエッチング・ステップを自動的に調整するコントローラであって、開口の目標エッチング深さが得られたときにエッチング・ステップを終了させるコントローラとを備える。
【００１４】
本発明の１つの態様によれば、厚さ測定デバイスはインターフェロメトリーであり、および／または、この装置はマスキング層に重なった材料の層のエッチング中にマスキング層の上面の露出を検出する検出器をさらに備える。検出器はプラズマ中の化学種が検出されたときに厚さ測定信号をコントローラに出力する。化学種は、マスキング層が窒化シリコンを含み開口中の材料が多結晶シリコンである場合には塩化シリコンであり得るし、マスキング層がフォトレジストである場合にはＣОであり得る。１つの実施形態によれば、厚さ測定デバイスは、マスキング層に重なった材料の層の除去を含むエッチング工程中にマスキング層の厚さを測定する。別の実施形態によれば、厚さ測定デバイスは化学機械研磨によって平坦化されたマスキング層の厚さを測定する。さらに別の実施形態によれば、コントローラは、目標エッチング深さに停止層が存在しない開口中の材料のエッチング中にエッチング・ステップを終了させる。
【００１５】
本発明の特長および利点が、類似の数字が類似の要素を示す図面と共に詳細な説明を読むことによってより良く理解される。
【００１６】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明は、トレンチおよび凹部のエッチング工程のようなプラズマ・エッチング工程の精度を改善する工程を提供する。そのような工程では、トレンチまたは凹部は、エッチングされる開口の所望深さに停止層を有しない材料の層にエッチングされる。或いは、そのようなエッチング工程は、所望エッチング深さを達成するように測定又は推測されたエッチング速度に基づいて計算された設定時間の間実行される。例えば、目標深さを達成するエッチング時間が、統計的解析、またはインターフェロメトリーによるエッチング深さのリアルタイム測定に基づくことがある。しかし、所望エッチング深さを達成するためにエッチングをいつ終了させるかを制御するために推測エッチング速度又はインターフェロメトリーを使用することは、開口のエッチングが深過ぎたり浅過ぎたりすることに起因する欠陥構造をもたらす。本発明によれば、より再現可能なやり方でより正確なエッチング深さを達成する方法でエッチング工程を制御する技術が提供される。
【００１７】
本発明によれば、エッチング工程は、より正確なエッチング深さが得られることを可能にする方法で監視される。そのエッチング工程は、低、中、または高密度プラズマ・リアクタ内で実行可能であり、あらゆる適切な膜厚監視装置及びエッチング深さ監視装置が本発明に従って使用され得る。膜厚測定用の装置およびデータ処理ソフトウェアが、Ｒｕｄｏｌｐｈ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．、Ｐｒｏｍｅｔｒｉｘ、Ｌｅｙｂｏｌｄ、Ｓｏｆｉｅ、ＳＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙなどの様々な会社から提供されている。次の例で、エッチング工程は、ＬＡＭ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから提供されている９４００ＰＴＸＴＭ高密度プラズマ・エッチャで実行されて、膜厚およびエッチング深さの測定が、ＳＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．から提供されているインスペクタ３０００干渉膜厚およびエッチング深さ監視システムを使用して得られた。
【００１８】
本発明は、単一ウエハーエッチャにおける１バッチ分のウエハーの処理中にウエハー間のマスキング層厚のばらつきを補償するリアルタイム・エッチング深さ監視装置を提供する。本発明によれば、マスキング層の厚さは、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立って各ウエハーのマスキング層厚を測定する自動化された工程によって決定される。マスキング層は、好ましくは、窒化物または酸化物のような材料から成るハードマスクである。エッチングに先立って半導体基板にＣＭＰを施してマスキング層上の層を除去するエッチング工程において、ＣＭＰ後のマスキング層の厚さにばらつきがあるので、エッチング深さを決定するためにインターフェロメトリーを使用すると、不正確が結果となる。これは、マスクの上面が形状基準として使用されるからである。本発明によってエッチング深さをより正確に決定するために、ＣＭＰ後のマスキング層の厚さは、干渉技術によって終了点を決定する凹部のエッチング(interferometric endpoint etch of the recess)においてエッチング深さを補正するために使用される。これは、ソフトウェア・ルーチンを外部終了点システムのソフトウェア(externalendpoint system software)またはエッチャ・ソフトウェア自体に加えることによって達成され得る。マスク厚測定は、補正が有用であろう他のインライン測定にも使用され得る。
【００１９】
マスキング層厚測定は、標準的な干渉技術によって行われて、次の、または残りのエッチング工程中に基準点として使用され得る。例えば、ウエハーがプラズマチャンバに入り、静電チャックのような適当な基板支持台上に留められた後に、マスキング層の厚さ測定が、干渉システムのようないずれかの適当な技術によって実行される。干渉システムはウエハーからの干渉信号パターンを記録可能であり、信号の形がウエハー上に在る透明膜の光学的係数および厚さによって決定され得る。一番上の膜が照射光の波長範囲で透過性でなくて、ウエハー表面が平らである場合は、どんな信号パターンも見えないだろう。一番上の膜がその波長範囲で透過性である場合は、本発明の工程はエッチング深さ測定の精度を向上するために使用され得る。
【００２０】
本発明は、トレンチおよび凹部のエッチング工程のようなプラズマ・エッチング工程の精度を向上することができる工程を提供する。そのような工程では、トレンチまたは凹部が、エッチングされる開口の所望深さに停止層を有しない材料の層にエッチングされる。或いは、そのようなエッチング工程は、所望エッチング深さを達成すべく測定または推測されたエッチング速度に基づいて計算された設定時間の間実行される。例えば、目標深さを達成するエッチング時間が、統計的解析、またはインターフェロメトリーによるエッチング深さのリアルタイム測定に基づくことがある。しかし、所望エッチング深さを達成するためにエッチングをいつ終了させるかを制御するために推測エッチング速度またはインターフェロメトリーを使用すると、開口のエッチングが深過ぎたり浅過ぎたりすることに起因する欠陥構造をもたらす。本発明によれば、より再現可能なやり方でより正確なエッチング深さを達成する方法でエッチング工程を制御する技術が提供される。照射光から、ある種の正弦波パターンが照射光波長に対する反射強度のグラフに現れるだろう。このパターンの形は、膜の厚さ、この膜の下の膜の透明または不透明、下に横たわる膜の厚さ、およびすべての膜の光学的係数の関数となるだろう。下に横たわる膜の厚さおよび光学的係数ならびに上方の膜の光学的係数が知られている場合は、上方の膜の所定厚さに対して理論的信号を構成することが可能である。上方の膜について入力厚さを変えることによって、波長に対する反射強度の実際のパターンによく合致するパターンを生成することが可能である。この合致は、上方の膜についての入力厚さが上方の膜の実際の厚さに等しくなる時点で起きるだろう。本発明によれば、膜厚を測定する上述の技術は、処理されている各ウエハーについてエッチング・ステップの終了点を補償する自動化された工程で使用され得る。この結果、より正確なエッチング深さを得ることができ、また、生産効率を改善することができる。これは、ＣＭＰに続いてマスク厚のオフライン測定を行って、１バッチ分のウエハーのエッチング中に起きそうな該１バッチ分のウエハーについてのマスク厚の範囲に適応するように時限式エッチングの期間を推測する必要性を無くすことができるからである。
【００２１】
本発明による工程は、マスキング層によって覆われない領域がエッチングされると同時に該マスキング層がエッチングされるエッチング工程のより正確な終了点を決定する際に有用である。そのような工程では、エッチング方法が、マスキング層によって覆われない領域より遅い速度で該マスキング層をエッチングするように設計される。エッチング工程中、干渉計がマスキング層の上面及び下面からの反射光、マスキング層の下の膜、およびエッチングされる凹部の底面からの反射光を見ているので、干渉計によって見える信号が変化するだろう。一番上の膜のエッチング速度が該一番上の膜によってマスクされる膜のエッチング速度に比較して知られている場合は、一番上の膜がどの程度エッチング工程によって時の経過とともに除去されるかを推測することが可能である。一番上の膜またはマスク、および下に横たわる膜によって生成される信号が、全信号から引かれ得る。これは膜信号および凹部の底面からの信号の合成である。このようにして、凹部の深さをより正確に決定することができる。
【００２２】
従来の干渉技術による凹部／トレンチ・エッチング深さ測定において、エッチングされる開口の深さはマスキング層の上部に関係する。実際のマスク厚が推測されるマスク厚に等しいという統計的可能性があるけれども、それは、マスキング層の厚さがある程度変化し得る製造工程の変動に因るところが大きい。インターフェロメトリーによって測定されるエッチング深さをマスキング層の上部を基準として参照することによって、高精度を要するデバイス構造において、開口の底とマスキング層の上部との間の距離の関数としてのエッチング工程の終了は、エッチング深さの要件を満足しないエッチング深さを生じさせ得る。これは、特に、マスキング層が推測されたものよりも薄い場合に問題である。より正確なエッチング深さの決定は、測定されるエッチング深さをマスキング層の上部ではなくマスキング層の底を基準として参照することによって得られる。マスキング層が、ハード・マスクが除去される場合に停止層として機能する酸化物パッドの上の当該ハード・マスクである場合でさえも、マスキング層の底は重要な基準点として役立つ。
【００２３】
本発明によれば、マスキング層厚測定に様々な光の波長を使用することが有用であることがある。例えば、光の波長が長ければ長いほど、膜はより透明であるように見える。しかし、浅い凹部／トレンチ・エッチング（即ち、２００〜３００ｎｍの目標深さ）では、浅いエッチング深さを測定するために、１００〜１５０ｎｍのオーダーのより短い波長を使用することが必要なことがある。そのような短い波長では、マスクが測定光を通さないように見えることがある。この場合、単一の波長だけを使用すると、マスク厚を決定するためにインサイチューで解析され得るマスク層の底によって発生させられる信号がなくなるであろう。本発明によれば、マスク厚は、波長のスペクトラム、即ち周波数範囲によって生成されるパターンを調べることによって、固定点で、遅延なしに測定され得る。
【００２４】
マスキング層に重なった層がバルク・エッチング・ステップによって完全に除去されない場合には、該マスキング層上の残渣を完全に除去するようにエッチング工程を変更することによって、マスキング層厚測定の精度をさらに改善することが望ましい。例えば、マスキング層厚測定を凹部エッチングが開始される後まで遅らせたり、バルク・エッチングをブラズマの化学種を監視することによって発生させられる終了点信号の後も数秒程度の短い時間だけ継続させることができる。例えば、凹部エッチングは、厚さ測定の精度を改善するために残渣を除くのに十分な時間に開始されて、厚さ測定は、ＲＦエネルギーが止められる安定化ステップ中に実行され、凹部エッチングは、測定が完了した後に完了され得る。マスキング層から残渣を除く工程ルーチンは、次のステップを含み得る。即ち、自然酸化物のブレークスルーのためのガス安定（プラズマなし）、自然酸化物を除去するブレークスルー、バルク・エッチングのためのガス安定（プラズマなし）、化学種の強度の低下によって監視される終了点を有するバルク・エッチング、バルク・オーバーエッチングのためのガス安定、バルク・エッチングで残された残渣がちょうど凹部エッチングが始まるところまで除かれる時間までのオーバーエッチング、凹部エッチングのためのガス安定（プラズマなし）、マスキング層の厚さ測定、および測定されたエッチング深さを測定されたマスク厚さ（凹部エッチング中の厚さの減少を調整されたもの）と比較するインターフェロメトリーに基づく終了点を有する凹部エッチング。
【００２５】
以上をまとめると、エッチング深さの精度の向上、ウエハーがプラズマ・チャンバに入る前のマスク厚のオフライン測定ステップを無くすことによる生産効率の向上、個別ウエハーのベースでエッチング方法を手動で変更する必要を無くすことによる生産効率の向上などの様々な利点が、本発明の工程によって得られる。本発明の工程によって、エッチング終了点がインサイチューで自動的に制御され得るので、本発明は、統計的に導出される推測マスク厚および推測エッチング速度に基づく時限式エッチング工程に対して大きな利点を提供する。
【００２６】
次の例が、どのように本発明が半導体製造工程で実施されるかを説明する目的に供される。しかし、本発明は、その利点から利益を得ることができる他の工程でも具体化され得る。
例１
本発明の方法は、凹部エッチング工程で次のように実施され得る。そのような工程で、その上（基板の上）にマスキング層を有する基板に開口がエッチングされる。マスキング層は基板に形成される開口に対応する所望パターンの開口を有する。本発明によれば、マスキング層の厚さは開口をエッチングするのに先立って測定されて、その厚さはエッチング・ステップの時間を制御するのに使用される。インターフェロメトリーによるマスキング層厚の決定は、マスキング層が単一の材料の層である場合には単純化される。これは厚さの計算が単一の材料の層の屈折率に依存するからである。マスキング層が２つ以上の層から構成される場合には、マスキング層厚の計算が様々な層の異なる屈折率によって複雑にされるけれども、それでもなおマスキング層の厚さを計算するためにインターフェロメトリーを使用することは可能である。
【００２７】
次の議論においては、２酸化シリコン・マスキング層を通しての多結晶シリコンの凹部エッチングが、ＲＦエネルギーがプラズマ・リアクタ中に誘導結合される高密度プラズマ・エッチャを使用して実行された。エッチング工程は、ウエハー上の自然酸化物が除去されるブレークスルー・ステップと、マスキング層の上の材料が除かれるバルク・エッチング・ステップと、マスキング層内の開口が目標深さにエッチングされる凹部エッチング・ステップとを含んでいた。
【００２８】
図１に示されるグラフに類似するスペクトル・グラフが、本発明に従ってマスキング層厚測定に使用するデータを発生するのに使用され得る。特に、図１に示される４００〜５００ｎｍスペクトル・グラフが、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立ってマスキング層の厚さを計算するソフトウェア・プログラムを開発するために使用され得る。しかし、類似の情報が、１０〜１０００ｎｍの範囲のような異なるスペクトラル範囲において得られる。ソフトウェア・プログラムは、格納されている曲線プロフィールを測定された曲線プロフィールと照合することによって、マスキング層がエッチング・プラズマによって侵食される前の時点でマスキング層の厚さを導出するのに使用され得る。好ましい方法は、適切に開発されたソフトウェアで、マスキング層内の開口をエッチングするのに先立ってマスキング層厚を測定することであるけれども、マスキング層厚測定は、マスキング層がエッチング・プラズマによって侵食されている時に、１または複数回、曲線照合工程を実行することによって、開口のエッチング中においても得られる。即ち、ソフトウェア・プログラムは、マスキング層の侵食中に実際のマスキング層厚を監視し、記録された厚さ測定を用いてマスキング層の下面に対する測定エッチング深さをより正確に決定するために使用され得る。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、マスキング層の厚さは、多結晶シリコンがマスキング層に至るまでエッチングされたときにインターフェロメトリーによって測定される。例えば、プラズマ中の化学種（即ち、塩化シリコン）を監視することが可能であり、監視されているプラズマ中の化学種が、マスキング層に重なっている層がマスキング層に至るまでエッチングされたことを示したときに、マスキング層の厚さを測定することが可能である。エッチング工程における凹部エッチングの部分で、開口の深さをインターフェロメトリーによって測定することができる。開口がマスキング層の下面を基準として正確なエッチング深さとなるようにエッチング工程を終了させる時を決定するために、目標エッチング深さにいつ達したのかを計算すべくコンピュータが使用され得る。この際、コンピュータは、（１）同時にエッチングされたマスキング層の面に対する開口の測定深さ、（２）マスキング層のエッチング速度、および（３）事前に測定されたマスキング層の厚さを考慮する。基本的に、マスキング層の下面に対するエッチング深さの非常に正確な決定が、開口の深さの干渉計による測定において測定エッチング深さがマスキング層の上面を基準とすることに関連する不正確さを補償するデータ処理によって得られる。
例２
次の議論においては、ｐ型をドープしたシリコン基板上に窒化シリコン・マスキング層を有し、その上の多結晶シリコンを有するスタック構造の凹部エッチングは、ＲＦエネルギーがプラズマ・リアクタ内に誘導結合される高密度プラズマ・エッチャを使用して実行された。凹部エッチング工程は、一連のエッチバック・ステップおよび多結晶充填ステップで実行された。第１のエッチング・ステップで、スタック構造はｐ型をドープしたシリコン基板上の２００ｎｍの窒化物マスキング層の上の３００ｎｍの多結晶シリコン層を含み、各凹部がОＮО（オゾンＣＶＤ）カラー(collar)を有し、そして第１のエッチング・ステップは１０００ｎｍを超える目標凹部エッチングを達成するために実行された。多結晶シリコン層がエッチングされた開口内に堆積されて、マスキング層が多結晶シリコンで覆われた。ここで、マスキング層の上のスタック構造は、ｐ型をドープしたシリコン基板上の窒化物マスキング層（第１のステップで１５０ｎｍにエッチングされたもの）の上の４００ｎｍ多結晶シリコン層を含む第２のエッチング・ステップで、開口は１２０±３０ｎｍの目標深さにエッチングされた。エッチングされた開口を充填しマスキング層を覆うように多結晶シリコンを堆積した後に、その構造がＣＭＰにより平坦化された。ここで、その積層構造は、ｐ型をドープしたシリコン基板上に窒化物マスキング層（これは、約１２０ｎｍに研磨された）を含む。第３のエッチング・ステップで、開口は５０±１５ｎｍの目標深さにエッチングされた。
【００３０】
第３のエッチング・ステップ前の４００ｎｍ〜５００ｎｍスペクトラム応答が図１に示されている。ここで、多結晶シリコンがＣＭＰ工程によってマスキング層から除かれたので、曲線は、透明な膜、すなわち窒化シリコン・マスキング層の存在を示している。時間に対する４５０ｎｍにおけるスペクトラム応答のグラフが図２に示されている。その曲線は、自然酸化物が除去される約２０秒のスパイク、エッチングガス配合が凹部エッチング用に変更されてブラズマが安定化されている一方でＲＦエネルギーが止められる平らな部分、マスキング層の上面およびエッチングされた開口の底面から反射される結合信号の干渉パターンによって生成される正弦曲線の部分、およびエッチング終了点を示す約７０秒のスパイクを示している。
【００３１】
上述の第１および第２のエッチング・ステップにおいて、ブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよびくぼみエッチング・ステップが実行された。ブレークスルー・ステップで自然酸化物が除去されて、バルク・エッチング・ステップで多結晶シリコンがマスキング層から除かれて、そして凹部エッチング・ステップで開口が第１のエッチング・ステップにおいて１０００ｎｍを超える深さに、かつ第２のエッチング・ステップにおいて１００ｎｍを超える深さにエッチングされた。第１および第２のエッチング・ステップのバルク・エッチングおよび凹部エッチング部分に対する４５０ｎｍにおけるスペクトラム強度対時間のグラフが、図３に示されるグラフと類似するだろう。図３では、曲線の最初の鋭い立ち上がりが、プラズマが起動された時を示し、約１０秒の突出部が、プラズマ安定化テップがその後に続くブレークスルー・ステップを示し、そして約７０秒の正弦波信号の出現が、バルク・エッチング中に多結晶シリコンがエッチングされて除かれて、残る多結晶シリコン膜が監視周波数（すなわち、４５０ｎｍ）を通過させる時を示す。図３に示されるように、多結晶シリコン膜が薄くなるに従って正弦波信号の強度が増大し、約９０〜１００秒の曲線の平らな部分が、凹部エッチング用の新しいエッチング・ガス化学作用が安定化される一方でＲＦエネルギーが止められる期間を示す。曲線の平らな部分に先立って、バルク多結晶シリコン・エッチングの終了を特徴付ける終了点信号が生成されて、この時点で、エッチング・ガス化学作用が凹部エッチング・ガス化学作用に変更されて、マスキング層厚測定が実施される。
【００３２】
図４は、４５０ｎｍおよび５００ｎｍに対するスペクトラム応答を示す。図示のように、４５０ｎｍおよび５００ｎｍにおけるスペクトラム応答は、長い波長５００ｎｍラインが侵食された多結晶シリコン膜の透明性を４５０ｎｍラインよりも早く検出するという点で異なっている。そのような多周波データは、本発明に従って得られる他のデータと共に使用されて、凹部エッチング・ステップに対する適当な終了点を決定することができる。
【００３３】
上述の第３のエッチング・ステップでは、ブレークスルー・ステップおよび凹部エッチング・ステップだけが実行された。ブレークスルー・ステップにおいて、自然酸化物は除去されて、凹部エッチング中にマスキング層内の開口は３０ｎｍを超える深さにエッチングされる。４５０ｎｍについてのスペクトラム・グラムが図２に示されている。図２では、曲線の最初の立ち上がりはプラズマの作動を示し、第１の平らな部分はプラズマの安定化を示し、約２０秒のスパイクは自然酸化物のブレークスルーを示し、２０秒と４０秒との間の平らな部分は凹部エッチングのためのエッチング・ガス化学作用の変更およびプラズマの安定化を示し、約３５秒の正弦曲線部分は開口のエッチングを示し、そして約７５秒のスパイクはエッチング終了点を示す。第１および第２のエッチング・ステップではマスキング層厚測定が凹部エッチング・ガスの安定化中に実施され得るのに対して、第３のエッチング・ステップではマスキング層厚測定はウエハーがプラズマ室内に初めて導入されるときに行われ得る。
【００３４】
本発明は半導体基板としてウエハーを参照して説明されたけれども、本発明の工程はエッチング深さの精度が要求される他の半導体基板に適用できる。例えば、そのような基板は、ディスク・ドライブ・コンポーネント、フラット・パネル表示基板などを含む。
【００３５】
本発明の原理、好ましい実施形態およびモードが上述された。しかし、本発明は、論じられた特定の実施形態に限定されるとして解釈されるべきではない。したがって、上述の実施形態は制限するというよりも例示しているとみなすべきであり、また、当業者によって、特許請求の範囲で定義された本発明の範囲から逸脱しない範囲で、それらの実施形態が変更され得ることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ４００〜５００ｎｍのスペクトル範囲についてのインターフェロメトリーによって得られる曲線を示す図であって、この曲線は、透明膜の存在を示し、本発明に従ってマスキング層厚さを測定するソフトウェア・プログラムを開発するために有用である。
【図２】 化学機械研磨によって露出された窒化シリコン・マスキング層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍについてのスペクトル応答を示す図であって、この曲線は、本発明に従うブレークスルー・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示す。
【図３】 窒化シリコン・マスキング層に重なった多結晶シリコンの層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍについてのスペクトル応答を示す図であって、この曲線は、本発明に従うブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示。
【図４】 窒化シリコン・マスキング層に重なった多結晶シリコンの層を有するウエハー上で測定された４５０ｎｍおよび５００ｎｍについての多周波スペクトル応答を示し、この曲線は、本発明によるブレークスルー・ステップ、バルク・エッチング・ステップおよび凹部エッチング・ステップを示す図である。
Claims (10)
- プラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口をエッチングする方法であって、
マスキング層と、エッチングされる材料を含む前記マスキング層内の開口とを含む半導体基板をプラズマ・チャンバ内の基板支持台上に支持するステップと、
前記プラズマ・チャンバ内でエッチング・プラズマを発生することによって、前記マスキング層の前記開口中の材料をエッチングするエッチング・ステップと、
前記マスキング層内の前記開口中の前記材料のエッチングに先立って前記マスキング層の厚さを測定し、前記測定されたマスキング層の厚さを表す信号をコントローラに出力する測定ステップと、
前記マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するように、前記エッチング・ステップの期間を制御するステップと、
前記開口の前記目標エッチング深さが得られたときに前記エッチング・プラズマを消すステップと、
前記基板を前記チャンバから取り除くステップとを含み、
前記エッチング・ステップの前記期間は、前記測定されたマスキング層の厚さに基づいて前記コントローラによって自動的に調整される方法。 - 前記測定ステップがインターフェロメトリーによって実行される請求項１に記載の方法。
- 前記測定ステップに先立って前記マスキング層に重なった材料の層を前記マスキング層から除くステップと、
化学種を検出するステップと、
前記プラズマ中に前記化学種が検出された場合に前記測定ステップを実行するステップと、
をさらに含む請求項１に記載の方法。 - 前記マスキング層が窒化シリコンから成り、前記化学種が塩化シリコンであるか、または、前記マスキング層がフォトレジストであり、前記化学種がＣＯである請求項３に記載の方法。
- 前記測定ステップに先立って、前記マスキング層に重なった材料の層が前記マスキング層から除かれる請求項１に記載の方法。
- 前記エッチング・ステップに先立って、前記マスキング層に重なった材料の層が化学機械研磨によって除去される請求項１に記載の方法。
- 前記開口中の前記材料が前記目標エッチング深さに停止層を含まない請求項１に記載の方法。
- 前記マスキング層が窒化シリコンから成り、前記開口中の前記材料が多結晶シリコンから成る請求項１に記載の方法。
- 前記マスキング層が２つ以上の材料層またはフォトレジストを含む請求項１に記載の方法。
- プラズマ・チャンバ内で半導体基板に開口を請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の方法によってエッチングする装置であって、
エッチング・ガスをその内部に供給するガス供給源を含むプラズマ・チャンバと、
マスキング層と、エッチングされる材料を含む前記マスキング層内の開口とを含む半導体基板を前記プラズマ・チャンバの内部で支持する基板支持台と、
前記エッチング・ガスにエネルギーを与えて、該エッチング・ガスを、エッチング・ステップ中に前記マスキング層の前記開口中の材料をエッチングするプラズマにするエネルギー源と、
前記マスキング層内の前記開口中の前記材料のエッチングに先立って、波長のスペクトルを用いて前記マスキング層の厚さを測定し、前記測定されたマスキング層の厚さを表す信号を出力する厚さ測定デバイスと、
前記厚さ測定デバイスから出力される前記信号を受取り、前記マスキング層の下側に対する目標エッチング深さを達成するように前記エッチング・ステップを自動的に調整し、前記開口の前記目標エッチング深さが得られたときに前記エッチング・ステップを終了させるコントローラと、
を備える装置。
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