JPH02308531A - エッチングの方法および装置 - 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】 ［［要］ エツチングに関し、特にエツチング中にエツチングレー
トが変化するエツチングの終点を検出することに適した
エツチング方法および装置に関し、エツチング中エツチ
ングレートをその場！！察することができるエツチング
の方法および装置を提供することを目的とし、 基板上の薄膜をエツチングする方法であって、前記薄膜
のエツチングを行う一方、光源から単波長の可干渉性光
ビームを前記薄膜に入射し、前記薄膜的反射の干渉光を
含む合成反射光を測定する工程と、合成反射光の時間的
変化の測定データから最小サンプリング期間を決定する
工程と、最小サンブリング期間とほぼ同等ないしより長
い期間にわたる測定データを用いて自己回帰曲線を求め
、データを拡張する工程と、拡張したデータを最大エン
トロと法により周波数解析し、エツチングレートを求め
る工程と、求めたエツチングレートとエツチング時間に
基づき工／チングＩを算出する工程と、エツチング量と
エツチングの目標量を比較する工程と、エツチング量が
エツチング目標量とほぼ等しくなった時エツチングを停
止させる工程とを含むように構成する。

［産業上の利用分野］ 本発明はエツチングに関し、特にエツチング中にエツチ
ングレートが変化するエツチングの終点を検出すること
のできるエツチング方法および装置に関する。

近年、半導体装置の製造におけるコントロールエツチン
グにおいて、実際にエツチングしている縦方向量（エツ
チング深さ）をリアルタイムに知らしめる手段が必要と
なっている。

また、エツチングレートの管理が非常に重要な要素を持
つに至った。そこで、より正確なエツチングレートの測
定方法が要求されている。エツチングレートが正確に判
らないと、何時エツチングを終了すべきかのエツチング
の終点検出が不正確になり、要求する精度を満たせなく
なる。

［従来の技術］ 従来、エツチングレートを測定するには、エツチング前
に、一度膜厚め測定を行い、その後一定時間のエツチン
グを行い、再びエツチング装置から大気に出して、再度
同一位置で膜厚の測定を行い、初めに測定した膜厚から
エツチング後の膜厚を差し引くことによりエツチング量
を求め、エツチング量をエツチング時間で除算すること
により、エツチングレート（＝エツチングｊｌ／エツチ
ング時間）を算出していた。

一旦、エツチングレートを求めた後は、そのエツチング
レートがその後も有効なものと仮定し、所望のエツチン
グ量を得るのに必要な時間を予測して、予測される時間
エツチングを行い、製品を製造していた。

この場合、何等かの原因によってエツチングレートが変
化すると全く対策か取れないことになる。

そこで何等かのインライン観察ないしその場観察を行う
ことが望まれる。

異質材料の界面までドライエツチングを行う場合には、
新たに表れる層とエツチングガスの反応によって生じる
反応生成物質のプラズマ発光の内特定の波長を有する光
を検出することにより、エツチングの終点を停止するこ
とも提案されている（特開昭５６−１２９３２５号公報
参照）、また、全面エツチングではなく、マスクを用い
て一部分のみをエツチングする場合には、エツチングさ
れない領域の表面と、エツチングされている表面との２
つの表面からの反射光の干渉により、その段差を測定す
る技術も提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上述べたように、従来の技術によれば、全面エツチン
グで同質膜の中間でエツチングを停止させる場合には、
予めテストウェーハでエツチングレートを測定しておき
、そのエツチングレートを用いてエツチング時間を算出
することが行われていた。しかし、種々のパラメータに
よりエツチングレートが変化した場合、その変化をただ
ちに検出することはできなかった。特に、エツチングレ
ートが変化する積層構造のエツチングにおいては、エツ
チングをその場りＩｌ察する必要が生じていたが、適当
な手段がなかった。

本発明の目的は、エツチング中エツチングレートをその
場観察することができるエツチングの方法および装置を
提供することである。

［課題を解決するための手段］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の原理説明図である。

第１図（Ａ）はシステムの構成を示すブロック図である
。光源ｌから発した可干渉性の光は基板２上の薄１］Ｗ
３に入射し、Ｗｉ膜表面および基板と薄膜との界面で反
射して、ハーフミラ−４により反射され、受光器５に入
射する。受光器５で測定された反射光の強度は、メモリ
８に記憶され、ＣＰＵ７で処理されて、エツチングレー
トのモニタを行う、尚、ディスプレイ９はエツチングの
情況、解析等を画面上に表示する。

第１図（Ｂ）はＣＰＵ７およびメモリ８で行う機能を機
能ブロック的に示したものである０手段１１は反射光を
測定し、その結果を手段１２に供給する０手段１２では
測定した反射光強度の時間的変化からその後の計算に使
用すべきデータの最小量を定める最小サンプリング時間
を決定する。

最小サンブリング時間が決定されると、それ以上の時間
に亘るデータに基づいて手段１３が自己回帰演算を行い
、データを拡張する。拡張されたデータに基づき、手段
１４が最大エントロピ法（ＭＥＭ）による周波数解析を
行う０周波数解析で得た解を周波数の関数として整理し
、手段１５でそのピーク位置からエツチングレートを決
定する。

比較手段１６で、決定されたエツチングレートとエツチ
ング時間に基づきエツチング量を算出し、目的とするタ
ーゲット量と比較する。エツチング量かターゲット量と
ほぼ等しくなった時に、比較手段１６から制御手段１７
に信号を送り、制御手段１７がエツチング装置１８を停
止させる。

［作用］ 一定波長の光を入射し、基板上の薄膜をエツチングする
と、エツチングによって薄膜が薄くなるにつれて、薄膜
内での干渉条件が変化し、反射光の干渉による振動模様
が得られる。この時間に対して変化する干渉縞模様を周
波数解析すれば、エツチングレートが原理的には得られ
る。

周波数解析のデータを得るために、得られた限られな量
のデータを自己回帰によって拡張する。

この拡張したデータに基づき、最大エントロピ法による
周波数解析を行う。

しかしなから、短いエツチング時間に得たデータに基づ
き所定時間後の結果を予測するには問題がある。初めに
計算を開始すべき最小サンプリング時間の決定を誤ると
、得られる結果か振動して集束せず、その結果の信頼性
が低いことが判った。

適正な最小サンプリング時間とほぼ同等ないしはより長
い期間にわたる初期データを収集し、そのデータに基づ
いて自己回帰、データ拡張を行い、周波数解析を行った
場合に・は、得られる結果が集束し、安定性が極めて良
い。

このような手法は、特にエツチング中にエツチングレー
トが変化するドライエツチングにおいてその場観察をす
るのに適した技術である。

［実施例］ 第２図は本発明の実施例による枚用式エツチング装置を
示す、ベルジャ３４内にはウェーハ２２が一枚づつ供給
され、対向電極３３と対面して配置される。所定雰囲気
でプラズマエツチングか行われる０例えば、配線等によ
る段差か表面に形成され、それを平坦化するためのＰＳ
Ｇ膜がその上に形成されなウェーハをレジスト等を塗布
後、レジスト等とＰＳＧ膜のエツチングレートをほぼ等
しくするエツチング条件でエツチングして、ＰＳＧ膜を
所定の厚さに形成する。処理の終わったウェーハは取り
出され、新たなウェーハが供給される。

ウェーハは第３図に示すような、ウェーハカセットに保
持されて装架される。このウェーハカセット３５から一
枚づつウェーハが取り出され、対向な極３３の前面に装
架され、エツチング処理後、再びウェーハは移動されて
新たなウェーハが装架される。゛ 半導体レーザ２１からは単波長の可干渉性光ビームが発
せられ、ウェーハ表面に入射する。ウェーハ表面で反射
された反射光２６はハーフミラ−２４で一部反射されて
ホトディテクタ２５に入射する。ホトディテクタ２５で
測定された光強度はメモリ２８に送られて記憶される。

ウェーハ表面の薄膜をエツチングする場合、時間と共に
エツチングが進むと、薄膜か次第に薄くなり、干渉条件
が変化してウェーハ２２から反射する光の強度が変動す
る。この変動を検出し、最小サンプリング時間を決定し
、その最小サンプリング時間ないしはそれ以上の時間に
わたるデータを周波数解析することによって、エツチン
グレートを測定する。

ウェーハの構造例を第４図に示す、ウェーハ２２は基板
４０上にエツチングレートが異なる第１層４１と第２層
４２を有する。これらの層４１．４２は光学的にはほぼ
等しい性質を有する。従って、上方から入射するレーザ
光４３は表面で反射した第１反射光４４及び第１層と基
板との界面で反射した第２反射光４５等を形成するか、
第１層４１と第２層４２との界面ではほとんど反射を起
こさない。

エツチングによって第２層４２の厚さが次第に減少する
と、第１反射光４４と第２反射光４５との位相差が変化
し、合成反射光の振幅が変化する。

実際には第２反射光のみでなく、内部で多重反射した光
が重畳する。但し、この場合も、合成反射光の振舞いは
ほぼ同様である。

より詳細に述べると、第１図（Ｂ）に示したように、最
小サンプリング時間よりも長い期間にわたるデータを収
集し、まず自己回帰モデルによってデータを拡張する（
ステップ１３）。

自己回帰によってデータを拡張し、十分な範囲における
データを作った後、これらデータを用いて周波数解析を
行う（ステップ１４）０周波数解析の手法は、最大エン
トロピ法（Ｍ　Ｅ　Ｍ　）として知られている手法によ
る。

解析によって周波数の関数としてスペクトルが得られる
。このスペクトルのピーク位置からエツチングレートを
決定することができる（ステップ１５）、このエツチン
グレートとエツチング時間とによって、エツチング量を
算出することができる。

本発明者の検討によれば、最小サンプリング時間として
、少なくとも１周期に相当する期間か必要であることが
判明した。エツチングレートか変化している時は、厳密
な意味で周期は存在しないが、干渉波長がほぼ元に戻る
点を取って１周期相当を見なす、この１周期相当時間の
判定は、たとえば第５図（Ａ）、（Ｂ）に示す方法によ
れば良い。

第５図（Ａ＞においては、開始時から反射光の強度を記
録しておき、開始時と同じ信号レベルに２度目に達する
時点を最小サンプリング時間（１周期）と見なす。

第５図（Ｂ）は、反射光の時間変化の傾きを取って最小
サンプリング時間を決定する方法である。

信号強度を時間軸を変数として記録していくと、時間に
対する１次微分として信号の傾きが得られる。この信号
の傾きが開始時と同じになる２回目の時点を取り、ここ
に至るまでの時間を最小サンプリング時間（１周期）と
見なす。

第５図（Ａ）と（Ｂ）に示した２つの方法は、本来一致
すべきものであるので、両者を併用し、結果が一致した
時最小サンプリング時間を得るようにしても良い０両者
が一致しない時は、ベースラインの変動等が考えられる
ので、これらの補正を行って、補正後の結果が一致すれ
ばその結果を収り入れるようにしても良い。

補正を取り入れても結果が一致しない時には、何等かの
事故が考えられるのでその事故の手当てをする。

さて、最小サンプリング時間として、はぼ１周期に相当
する時間が必要である理由を以下に述べる。

第６図（Ａ）〜（Ｃ）は、種々の信号波形を示す、第６
図（Ａ）は反射光強度の時間変化を示す曲線である。も
しエツチングか一定のエツチング速度を有する場合には
、規則正しい三角関数の波形が表れるはずである９図示
の曲線は、三角関数を次第に押し縮め、周期を短くする
ように修飾しなような形状をしている。ここで、たとえ
ば同一レベルを基準として最小サンブリング時間を求め
ると、はぼ１４４秒となる。そこで、この最小サンプリ
ング時間である１４４秒とほぼ等しいかまたはそれより
長い期間にわたるデータを基礎として最初の解析を行う
。

第６図（Ｂ）は最小サンブリング時間として、１５０秒
を取って解析した結果得られたエツチングレートである
。エツチング開始後、約１５０秒より約３２０秒にわた
る期間においては、はとんど一定のエツチングレートは
得られている。その後、エツチングレートは次第に増大
し、エツチングし易い材料の新たな界面が表れたことを
示している。これは、第４図に示した光学的にはほぼ同
等であるが、エツチング特性の異なる２層の積層構造を
エッチすることに対応している。

第６図（Ｃ＞は参考のために１周期より短い期間、具体
的には９０秒のデータを基にして計算を開始した場合の
結果を示す、得られたエツチングレートは、図から明ら
かなように、約８００久／分から１６００人／分の大き
な範囲で振動している。すなわち、どの時点でエツチン
グレートを得るかによってその値が大きく異なり、何時
エツチングを停止すべきかを精度高く決めることが難し
い。

第６図（Ｃ）のように、得られるエツチング速度が大き
く振動する理由は、現在のところ判明していないが、最
初の計算に用いるデータをほぼ１周期に対応する時間と
同等もしくはそれ以上に設定することにより、このよう
な振動を回避することができることが判った。

通常、２種類の層を積層した膜をエツチングする場合、
第３図に示すように、それぞれの単独層を設けたチェッ
ク用ウェーハ３６を用意し、これら単独層のエツチング
レートを別個にチェックしておく、２種類の層を積層し
た膜をエツチングする例として、例えば段差が表面に形
成された基板上に、Ｐ２Ｏ層、塗布形成のＳＯＧ絶縁層
を積層した膜をレジスト等を用いてエツチングして表面
を平坦化する場合がある。

第７図はチェック用ウェーハを含む場合のエツチングレ
ート測定のフローチャートである。

第７図を参照して、まずディスプレイでメニュー画面を
呼び出し、エツチング速度のチェックモードを選択する
（ステップ５０）。

続いて、事前に登録されたパラメータやエツチング時間
、規格等を入力する（ステップ５１）。

各半導体装置に対して、許容される各パラメータを定め
ることになる。これらのパラメータを設定した後、チェ
ック用ウェーハのエツチングをスタートする（ステップ
５２）。

一′ノゝ チェック用ウェーハを所定のエツチング時間エツチング
して、そのエツチングされた量を計算する（ステップ５
３）。

このエツチングされた量からエツチングレートを求めデ
ータベースに登録する（ステップ５４）。

得られたエツチングレートを規格と比較する（ステップ
５．５）。

もし１も、得られたエツチング速度が規格に合わない場
合は、その原因を分析しその対応策を指示する（ステッ
プ５７）、情況に応じ過去の記録や処理等を考慮する。

得られたエツチングレートが規格に一致する場台には、
製品の処理に移行する（ステップ５６）。

このように、事前にエツチングレートをチェックするこ
とによって、製品のエツチング処理を行う準備が完了す
る。しかし、製品の処理において、パラメータの変化等
が生じ、その対応策を講じないと、製品の歩留まりが低
下する。

上述したように、製品の処理においてその場観察をすれ
ば、迅速に対応策を講じることかでき、製品の歩留まり
か低下することを防止できる。

以上、実施例りこ沿って説明したが、本発明はこれらに
限定されない、たとえば、種々の変更、改良、組み合わ
せ等が可能なことは当業者に自明であろう。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、エツチングのその
場観察が行える。

エツチング特性が異なるが、光学的にほぼ同一と思われ
る層を途中までエツチングする際においても、好適なエ
ツチング量のモニタが可能になる。

従って、半導体装置の製造の歩留まりか向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の原理説明図であり、第
１図（Ａ）はシステムの構成を示すブロック図、第１図
（Ｂ）は機能ブロック図、第２図は本発明の実施例によ
るエツチング装置を概略的に示す図、 第３図はウェーハカセットを示す斜視図、第４図はウェ
ーハの構造とウェーハ表面での反射光の振舞いを示す断
面図、 第５図（Ａ）、（Ｂ）は最小サンプリング期間の決定を
説明するための図であり、第５図（Ａ）は信号レベルに
よる判定を示す波形図、第５図（Ｂ）は信号変化の傾き
による判定を示す波形図、第６図（Ａ）〜（Ｃ）は信号
波形を示す図であり、第６図（Ａ）は反射光の信号強度
の変化を示す図、第６図（Ｂ）は得られたエツチング速
度を示すグラフ、第６図（Ｃ）は参考例により得られた
エツチング速度を示すグラフ、 第７図は本発明の池の実施例によるエツチング処理を示
すフローチャートである。 図において、 １　　　　　光源 ２　　　　　基板 ３　　　　　薄膜 ４　　　　　ハーフミラ− ５受光器 ６　　　　　信号光 ２１　　　　　半導体レーザ ２２　　　　　ウェーハ ２４　　　　　ハーフミラ− ２５受光器 ２６　　　　　反射光 ３３　　　　　対向電極 ３４　　　　　ペルジャー ３５　　　　　ウェーハカセット ３６　　　　　チェック用ウェーハ ３８　　　　　製品ウェーハ ４０　　　　　基板 ４１　　　　第１層 ４２　　　　　第２層 ４３　　　　　入射光 ４４．４５　　反射光 （Ａ）システムの構成 （Ｂ）ｉ能ブロック 本発明の原理説明図 （Ａ）信号の変化（干渉縞）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、基板（７）上の薄膜（３）をエッチングする方
   法であつて、 前記薄膜（３）のエッチングを行う一方、光源（１）か
   ら単波長の可干渉性光ビームを前記薄膜に入射し、前記
   薄膜内反射の干渉光を含む合成反射光を測定する工程と
   、 合成反射光の時間的変化の測定データから最小サンプリ
   ング期間を決定する工程と、 最小サンプリング期間とほぼ同等ないしより長い期間に
   わたる測定データを用いて自己回帰曲線を求め、データ
   を拡張する工程と、 拡張したデータを最大エントロピ法により周波数解析し
   、エッチングレートを求める工程と、求めたエッチング
   レートとエッチング時間に基づきエッチング量を算出す
   る工程と、 エッチング量とエッチングの目標量を比較する工程と、 エッチング量がエッチング目標量とほぼ等しくなった時
   エッチングを停止させる工程と を含むエッチング方法。
2. （２）、前記基板上の薄膜が光学的性質がほぼ等しく、
   エッチングレートが異なる複数の物質の積層薄膜であり
   、前記の工程の前に 前記複数の物質の各々の単独層を設けたチェック用ウェ
   ーハを準備する工程と、 チェック用ウェーハのエッチングによつて、各単独層の
   エッチングレートを測定する工程と、各単独層のエッチ
   ングレートが所定範囲内にあることを調べる工程と を含む請求項１記載のエッチング方法。
3. （３）、エッチングすべき薄膜を有するウェーハを載置
   する台と、 台上のウェーハの薄膜に単波長の可干渉性光ビームを照
   射する入射光学系と、 薄膜内反射による干渉光を含む信号光を受光するための
   受光光学系と、 受光光学系からの受光信号に基づいて最小サンプリング
   期間を決定する手段と、 最小サンプリング期間とほぼ同等ないしより長い期間に
   わたる測定データを用いて、自己回帰曲線を求め、デー
   タを拡張する手段と、 拡張したデータを最大エントロピ法により周波数解析す
   る手段と、 周波数解析の結果のピークからエッチングレートを求め
   る手段と、 エッチングレートとエッチング時間からエッチング量を
   算出し、目標値と比較する手段とを含むエッチング装置
   。