JPH01111335A - ドライエツチングの終点検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体素子の製作に用いるドライエツチング
の終点検出方法およびその装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来のドライエツチング装置の例を第７図に示し、エツ
チングすべき半導体基板の例を第８図に示す。第７図に
おいて、１はエツチング装置、２は電極、３は半導体基
板、４は高周波電源、５は光学窓、６は分光装置、７は
検出装置である。また第８図において、８は半導体基板
、９は薄膜、１０はレジストマスクパターンである。エ
ツチングの状態をその場でモニタする手段として、従来
は、プラズマからの発光をモニタする方法が用いられて
きた。

半導体素子の製作には、薄膜９のエツチングを完了し、
基板８のエツチングを最小限に抑えることが必要である
。このために、プラズマからの発光を分光器Ｗ６を用い
て分光し、活性種の発光強度の時間変化をモニタしてエ
ツチングの終点を検出する装置が用いられてきた。たと
えば、エツチングされる薄膜にポリシリコンを用い、基
板にシリコン酸化膜Ｓｉｎ、を用い、エツチングガスと
して４弗化炭素（ＣＦ４）−、酸素（０□）の混合ガス
を用いた場合、プラズマからの弗素原子（Ｆ）の発光（
波長７０３．７ｎｍ）をモニタすることにより、ポリシ
リコン薄膜のエツチングの終点を検出できる。これは、
ポリシリコンとＳｉｎ、のエツチングにより消費される
Ｆ原子の量が異なるという原理に基づいている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、一般に、プラズマにより生成される活性種のう
ち、塞板のエツチングにより消費される量はたかだか数
％以下である場合が多い。即ち、従来の終点検出方法で
は、全発光強度のわずかな変化によりエツチングの終点
を検出する必要があり、本質的に測定精度が悪いという
欠点があった。

即ち、エツチングすべき面積がウェハの全面積の１０％
以下（パターン面積率１０％以下）の時は、エツチング
終点の検出は不可能であった。

また、基板面内に、エツチング速度の分布がある場合、
従来終点検出方法では、空間分解能が極めて悪いため、
発光強度の変化が緩やかになり、さらに終点検出の精度
が悪くなる他、エツチング速度やエツチングの終点の基
板面内の分布をモニタすることは全く不可能であった。

このため、あらかじめ予備実験を行なってエツチング速
度の面内分布をモニタし、これに基づいてエツチング条
件を決定することが必要であった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、エツチングの終点を高感度、高
精度で検出し、さらにエツチング終点の基板面内におけ
る分布をモニタする機能を備えたエツチングモニタ装置
およびこの装置によるエツチングの終点検出方法を提供
することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

このような目的を達成するために本発明によるエツチン
グの終点検出方法は、エツチングされる半導体基板より
放出される反応生成種あるいはこの二次生成種の吸収波
長に一致する波長の光ビームをエツチング容器内に入射
し、活性種あるいはエツチング反応生成種を光ビームに
より励起することにより発生される螢光を検出し、螢光
の強度の時間変化をモニタしてエツチングの終点を検出
するようにしたものである。

また本発明によるエツチングの終点検出装置は、エツチ
ングされる半導体基板より放出される反応生成種あるい
はこの二次生成種の吸収波長に一致する波長の光ビーム
を発する波長可変の光源と、この光源が発する光ビーム
を微細な断面を持つビームに集光しかつ基板の表面と平
行に走査する機構と、活性種あるいはエツチング反応生
成種を光ビームにより励起することにより発生される螢
光を分光する分光器と、この分光器によって分光された
螢光を検出する螢光検出装置とを備え、螢光の強度の時
間変化をモニタすることによりエツチングの終点を検出
するようにしたものである。

〔作用〕

本発明によると、高精度なエツチング終点検出ができる
ばかりでなく、エツチングの終点の基板面内における分
布のモニタも可能である。

〔実施例〕 まず、本発明の特徴と従来の技術との差異について述べ
る。本発明は、モニタ用のレーザと螢光検出装置を備え
たことを特徴とする。即ち、レーザ誘起螢光法（参考文
献、レーザと化学反応２日本化学会編、学会出版センタ
、　ｐ、７９〜８６）を用いて、エツチングガスの分解
によって生成する活性種又はエツチングされる半導体基
板や薄膜から除去されるエツチング反応生成物を検出す
ることによりエツチングのモニタを行なうものである。

レーザ光はきわめて微細な領域に集光できる。

これより、レーザ光の波長をエツチングする基板もしく
は薄膜より放出される原子または分子の光吸収に合わせ
、半導体基板直近の空間にレーザ光を集光し、このレー
ザ光により誘起される螢光を分光装置を用いて検出する
ことができる。

これより、レーザビームを基板表面と平行に走査するこ
とにより、エツチングの終点の基板面内における分布や
ばらつきをモニタすることができる。

また、レーザ誘起螢光法は、きわめて高感度であること
により基板または薄膜から放出される微量の分子種でも
検出できるため、はとんどすべての半導体基板、薄膜に
適用できる。さらに、基板表面から放出される分子種は
基板の種類によって著しく異なるので、ある特定の分子
種の光吸収にレーザの波長を合わせることにより、高い
精度でエツチングの終点を検出することができる。従来
の終点検出方法においては、前述のように、発光強度の
数％の変化をモニタする必要があった。これに対し、本
廃明による方法は、螢光強度の０〜１００％の変化を検
出すればよいので、この点のみを考えても、従来法に比
較して約２桁の検出精度の向上が期待される。すなわち
、エツチングすべき面積がウェハの全面積の１％以下の
場合でも、高精度の終点検出が可能である。

第１図は、本発明に係わるエツチングの終点検出装置の
一実施例を示す構成図である。第１図において、１１は
波長可変色素レーザ装置、１２は信号増幅装置、１３は
ビーム走査装置、１４はレンズであり、第１図において
第７図と同一部分又は相当部分には同一符号が付しであ
る。

次に動作について説明する。プラズマエツチング装置１
に光学窓５を設け、基板３の表面直近にパルス色素レー
ザビームを入射する。ビーム走査装置１３によりレーザ
ビームをエツチング装置ｌ内に集光し、このビームを基
板表面と平行または垂直に移動することができる。レー
ザビーム入射によって発せられた螢光は、分光装置６、
検出装置７、信号増幅装置１２によって検出され、増幅
される。分光装置６は、観測すべき活性種または反応生
成種の発する螢光に対応する波長の光のみが透過する特
性を有し、検出装置７は、レーザパルスに同期して発せ
られる螢光のみを検出するように時間的にゲート信号が
かけられている。

第２図は、本実施例による終点検出の信号の例を示す。

曲線Ｓ１が本実施例による終点検出の信号である。エツ
チングガスとしてＣＦ４　＋Ｏ□を用い、シリコン基板
の上にシリコン酸化膜（ＳｉＯ□）が１５００人積まれ
ており、エツチングされるＳｉＯｘの面積はウェハの表
面積の５％である。レーザ光の波長は２２４．Ｏｎｍで
、シリコンのエツチング時に基板から放出される５ｉＦ
ｚラジカルの吸収波長に一致している。Ｓ　ｉ　Ｆ、ラ
ジカルは、シリコンのエツチング時には基板から発せら
れるが、Ｓｉｎ、エツチング時にはまったく発せられな
いことが実験的に発見された。本測定はこの発見に基づ
いている。すなわち、ＳｉＯ□がエツチングされている
ときは全く螢光が検出されず、Ｓｉのエツチングが始ま
ると螢光強度が著しく増大する。この波形より、Ｓｉｎ
、のエツチングの終点Ｐ１を高い精度で検出することが
できた。

また、比較のために点線の曲線Ｓ２で従来の方法による
終点検出、すなわち、Ｆ原子の発光強度の測定を同一の
条件で試みた実験例を示す。実線の曲線Ｓ１で示す本実
施例による終点検出の信号はきわめて良いＳ／Ｎ比を示
すが、従来法によるデータでは殆ど終点の検出は不可能
である。この図より、本実施例による方法は従来の方法
より少なくとも２桁は高感度の終点検出方法であること
が明らかである。

第３図は、同一の測定を６５００人のＳｉｎ。

膜について行なった測定例を示すグラフである。

螢光強度が増加しはじめた点Ｐ２は、一部のシリコン表
面が現れ、Ｓ　ｉ　Ｆ、がこのシリコン表面から生成さ
れはじめたことを示す。螢光強度の増加が飽和した点Ｐ
３は、すべてのＳｉｎｇがエツチングにより除去された
ことを意味する。本測定では、レーザビームを基板から
約１０ｍｍ離しているため位置を明定できないのでエツ
チング終点の面内分布は測定できないが、レーザビーム
を固定しても面内におけるエツチング終点のばらつきを
推定できる。このようなデータを測定しながらエツチン
グを行なうことにより、予備実験なしで適切なオーバエ
ッチ量を設定できる。また、第２図の測定例で述べた通
り、従来より２桁以上の感度向上が期待できるので、プ
ロセス条件への迅速なフィードバックを常に行なうこと
により、間接的にはエッチレートの面内分布の向上に大
きく寄与する。

第４図に、本実施例における他の測定結果を示す。基板
はシリコンである。第４図は、自然酸化膜をエツチング
するときの信号強度の変化を表わす。一般にシリコン表
面は薄い自然酸化膜で被覆されており、シリコンの精密
エツチングを行なうときは、自然酸化膜の除去時間を考
慮に入れてエツチング時間を設定することが望ましい。

しかし、自然酸化膜の厚さは一般に薄く、場合によって
著しく異なるため、この除去時間を考慮に入れてエツチ
ングの条件を設定することは従来はほとんど不可能であ
った。

しかし、本実施例の装置を用いると、第４図に示すよう
に、自然酸化膜のエツチングの終点Ｐ４も精度よく検出
できることがわかる。すなわち、本実施例による方法に
よると、自然酸化膜の除去時間を精度よく測定でき、さ
らにこの除去時間を考慮にいれたエツチング条件の設定
が可能になる。

本実施例の装置構成を用いると、シリコン、ＳｌＯ□、
シリコン窒化［％　（Ｓ　ｔ、ＩＮ、Ｈお）、レジスト
、Ａｈ化合物半導体基板等の半導体工業に必要なほとん
どのエツチング基板とエツチングガスの組立せについて
高精度な終点検出が可能である。この代表的な組立せに
ついて表に示す。

第５図に、本発明の第２の実施例を示す。第５図におい
て第１図と同一部分又は相当部分には同一符号が付しで
ある。エツチング装置１はシンクロトロン軌道放射光装
置１５に放射光分光装置１６を介して接続されており、
シンクロトロン軌道放射光（ＳＯＲ光）をエツチング装
置ｌに入射することによりエツチングのモニタを行なう
、ＳＯＲ光は、赤外より軟Ｘ線に至る波長を含むので、
レーザによって直接励起できない活性種を励起すること
ができる。このため、たとえばＦ原子の吸収に対応する
波長（９７，６ｎｍ）の光を放射光分光装置１６を用い
て選びだし、この光をエツチング装置ｌに入射し、入射
に伴って放出された螢光を検出すれば、レーザ誘起螢光
法と同様の測定をレーザの発振が不可能な波長領域にお
いて行なうことができる。

第６図に、本発明の第３の実施例を示す。この実施例は
、エツチング反応ガスの活性化をエキシマレーザ１７を
用いて行なう例である。エキシマレーザ光をレチクル１
８に照射し、この後に縮小投影レンズ系２０を用いて基
板表面に集光することにより、レジストを使用しないエ
ツチングを実現することを目標とする装置である。なお
、第６図において、１９はミラーであり、第１図と同−
部分又は相当部分には同一符号が付しである。このよう
に細いパターン部のみに活性種を生成する場合において
も、本実施例の装置構成を用い、ビーム走査装置１３に
よってエキシマレーザ照射部に色素レーザビームを集光
し、エキシマレーザビームと色素レーザビームが常に交
差するようにすれば、色素レーザビームによりエツチン
グの終点を測定できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、エツチングされる半導体
基板より放出される反応生成種あるいはこの二次生成種
の吸収波長に一致する波長の光ビームをエツチング容器
内に入射し、活性種あるいはエツチング反応生成種を光
ビームにより励起することにより発生される螢光を検出
し、螢光の強度の時間変化をモニタしてエツチングの終
点を検出するようにしたことにより、はとんどすべての
半導体基板とエツチングガスの組立せにおいて、高精度
なエツチング終点検出ができるばかりでなく、エツチン
グの終点の基板面内における分布のモニタも可能となる
効果がある。これより、従来は予備実験を行なってエツ
チング時間や条件を設定することが必要であった系にお
いても、本装置よりエツチング装置に適切なフィードバ
ックを行なうことにより、予備実験が不要になるばかり
でなく、従来の技術では不可能であった高精度のエツチ
ング特性の制御を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
第１図の実施例におけるエツチング終点検出信号の例を
示すグラフ、第３図は第１図の実施例におけるエツチン
グ終点検出信号の他の例を示すグラフ、第４図は第１図
の実施例におけるエツチングの終点検出の他の例を示す
グラフ、第５図は本発明の第２の実施例を示す構成図、
第６図は本発明の第３の実施例を示す構成図、第７図は
従来のエツチングの終点検出装置を示す構成図、第８図
はエツチングすべき半導体基板の例を示す断面図である
。 １・・・エツチング装置、２・・・電極、３・・・半導
体基板、４・・・高周波電源、５・・・光学窓、６・・
・分光装置、７・・・検出装置、１１・・・波長可変色
素レーザ装置、１２・・・信号増幅装置、１３・・・ビ
ーム走査装置、１４・・・レンズ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ドライエッチングにおいて、エッチングされる半
   導体基板より放出される反応生成種あるいはこの二次生
   成種の吸収波長に一致する波長の光ビームをエッチング
   容器内に入射し、活性種あるいは前記エッチング反応生
   成種を前記光ビームにより励起することにより発生され
   る螢光を検出し、前記螢光の強度の時間変化をモニタし
   てエッチングの終点を検出することを特徴とするエッチ
   ングの終点検出方法。
2. （２）ドライエッチング装置において、エッチングされ
   る半導体基板より放出される反応生成種あるいはこの二
   次生成種の吸収波長に一致する波長の光ビームを発する
   波長可変の光源と、この光源が発する光ビームを微細な
   断面を持つビームに集光しかつ基板の表面と平行に走査
   する機構と、活性種あるいは前記エッチング反応生成種
   を前記光ビームにより励起することにより発生される螢
   光を分光する分光器と、この分光器によって分光された
   螢光を検出する螢光検出装置とを備え、前記螢光の強度
   の時間変化をモニタすることによりエッチングの終点を
   検出することを特徴とするエッチングの終点検出装置。
3. （３）波長可変の光源は、パルスレーザまたはパルス動
   作するシンクロトロン軌道放射装置であることを特徴と
   する特許請求の範囲第２項記載のエッチングの終点検出
   装置。