JPH0271517A - エッチング装置 - 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】 〔概要〕 本発明は、光学的手段を用いて、エツチングが所望の深
さに達したことを検知する工・ンチング装置に関し、 半導体ウェハ自体のエツチング時にも、エツチング作業
と同時進行でエツチング深さを正確にモニタし、エツチ
ングを自動停止する手段を提供することを目的とし、 可干渉光を発生する光源と、該可干渉光を内部に伝送で
き、被エツチング物を擁するチャンバーと、被エツチン
グ吻表面で干渉した反射光を受けるフォトディテクタと
、該フォトディテクタで光電変換して得た信号を周波数
解析する波形解析手段と、該波形解析手段で得られた干
渉波の周波数分布によって、エツチング深さを計算する
エツチング深さ算出手段とを有して構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、光学的手段を用いて、エツチングが所望の深
さに達したことを検知するエツチング装置に関する。

近年、半導体デバイスの高倍軸性化の要求にともなって
、エツチングを所望の深さまで正確に行うことが絶対的
に要求されている。

従来、ＣＶＤ−３ｉ（ｈ膜等、半導体ウェハ表面に予め
設けた被エツチング膜を食刻除去して、ウェハ表面を露
出させる際に、発光スペクトルの変化をモニタする方法
や、被エツチング膜での薄膜光干渉をモニタする光干渉
法が採用されてきた。

ところが、半導体ウェハ自体を所望の深さだけ食刻除去
しようとするコントロールエッチに対する要求が強く出
て来ており、このような場合にもエツチングの自動停止
を行える装置が待望されている。

（従来の技術） 以下、従来の光干渉法に関して説明する。

光干渉法は、半導体ウェハ表面に形成した被エツチング
膜に可干渉光を投射し、被エツチング膜の表面からの反
射光ｒＡと下層である半導体ウェハ界面からの反射光ｒ
、との間で生じる干渉効果による反射光の強度変化を捉
え、反射光の強度変化が一定になった時をエンチングの
終了点と判断するものであり、直接には被測定面に対し
て接触することなく測定が可能になるなどの特徴を有し
ている。

Ｃ発明が解決しようとする課８］ しかしこの方法では、被エツチング面が薄膜干渉効果を
生じ得ない場合、つまりＳｉ　（シリコン）基板への一
定温さの溝エツチングの場合のように下地反射面が存在
しない場合、エツチング深さのモニタはできないことに
なる。よって従来方法は、半導体ウェハ自体の食刻除去
での終点検出には利用できないという欠点がある。

本発明は、上述のような従来技術の欠点に漏みてなされ
たものであり、半導体ウェハ自体のエツチング時にも、
エツチング作業と同時進行でエツチング深さを正確にモ
ニタし、エツチングを自動停止する手段を提供すること
を目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明では、このような課題を解決する手段として、可
干渉光を発生する光源と、該可干渉光を内部に伝送でき
、被エツチング物を擁するチャンバーと、被エツチング
物表面で干渉した反射光を受けるフォトディテクタと、
該フォトディテクタで光電変換して得た信号を周波数解
析する波形解析手段と、該波形解析手段で得られた干渉
波の周波数分布によって、エツチング深さを計算するエ
ツチング深さ算出手段とを有して構成する。

〔作用〕

以下、本発明の原理作用に関して、第４図を参照しつつ
説明する。第４図は、本発明の装置が捉える反射光の様
子を説明したものである。

本発明では、第４図（ａ）に示すように、マスク膜表面
からの反射光ｒｌ＋　マスク膜下面からの反射光ｒ２＋
並びに半導体ウェハ表面からの反射光ｒ、の三者相互の
干渉を読み取る。エツチングの進行に伴い、第４図（ｂ
）の示すように、被エツチング面つまりウェハ表面が除
去されると同時に、マスク膜表面も一般には被エツチン
グ面より遅い速度でエツチング除去される。故に反射光
ｒｒ３の光路長（厳密にはマスク膜の屈折率も考慮すれ
ばｒ２の光路長も）がエツチングの進行につれて変化す
る。従ってエツチング時間経過につれて三者の干渉状態
が変化し、それらが合成された反射光強度情報がフォト
ディテクタから得られることになる。フォトディテクタ
からの信号波形は、このように３つの反射光間の干渉の
状態変化を合成した結果を示すが、波形解析を行うこと
で、３波を分離し、被エツチング面のエッチレートとマ
スク面のエッチレートを算出することができる。

こうして被エツチング面のエッチレートをリアルタイム
にモニタすることで、経過時間情報とからエツチング深
さをモニタすることが可能となり、所望深さでエツチン
グを停止することができるものである。

（実施例〕 （ａ）一実施例の説明 第１図参照。

以下、本発明の一実施例について説明する。第１図は本
発明の実施例に則した装置構成図である。

本実施例では、ＲＩＥ（リアクティブイオンエツチング
）に応用した例を示し、被エツチング物９には、Ｓｉ（
シリコン）ウェハ表面に、ＣＶＤ−５ｉＯｚをマスクと
して被膜したものを用い、前記ＣＶＤ−５ｉＯ□表面よ
りエツチングを行うものである。

第１図中、このエツチング装置で、可干渉光５０の種類
は、可干渉性に優れる点からレーザ光を用いることとし
、安定度、測定すべきエツチング深さ、しかも装置が入
手し易いことから、長波長、可視領域のレーザ光を選択
した。光源１には、Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レ
ーザの発振器を用いた。この出力は２ｍ１ｔ４である。

光ａ１で発生したレーザ光５０は、測定開始時シャッタ
２を開けることで投射し、ビームエキスパンダ８でコヒ
ーレンシーを維持しつつレーザ・ビーム径を８ｍｍまで
拡大する。

レーザ光５０は、石英の窓１７を通して、ＲＩＥの工程
を実際に行なわせるチャンバー１８内に送り込まれ、Ｒ
ｆ電源１９に接続された電極２０上に配置した被エツチ
ング部材としてのシリコンのウェハ９に投射される。

チャンバー１８内には、ＣＩ　（塩素）ガスを流し、前
記チャンバー１８内の圧力をｌｏｍＴｏｒｒに保つ。高
周波発生源であるＲｆ電源の出力は８００Ｗである。

こうしてウェハ９表面のマスク表面とマスク下層とエツ
チングされた表面それぞれでの反射光が、相互に干渉を
生じ、反射光５１は可干渉光５０と同し経路を逆に進行
する。反射光５１は、干渉を受けた後λ／４偏光板４を
通る。

その後反射光５１は、偏光ビームスプリッタ３により、
反射光５１を入射方向から９０度の方角に方向転換させ
て、光源１側に戻ることなくフォトディテクタ１０に到
達する。

前記反射光５１は、フォトディテクタ１０で電気信号に
変換され、取り出した波形信号は増幅器１１で増幅され
る。

この後波形信号は、Ａ／Ｄ変換回路１２でディジクル化
され、レコーダ１３で干渉波形を記録するとともに、波
形解析手段１４１で周波数分布として取り出される。

第５図参照。

第５図は光干渉法により得られる被エツチング面での干
渉波形を示すものである。

実際に一定時間の観測により光干渉法で得られる干渉波
形が、第５図（ａ）であり、この波形は観測面の各部か
ら生じた３つの干渉波（第４図のｒとｒ２の干渉波＋ｒ
２とｒ３の干渉波、及びｒ３とｒｌの干渉波）が合成さ
れたものである。すなわち第５図（ｂ）、第５図（ｄ）
、及び第５図（ｅ）の３つであるが、このうち第５図（
ｄ）の波形（マスク膜下面からの反射光と半導体ウェハ
表面からの反射光とから生じる干渉波）は、信号強度が
微弱なうえ波形の周期が長く、通常は他の波形からの分
離が困難である。波形解析手段１４１としてフーリエ変
換による解析を行ってもよいが、その場合測定期間が短
いと第５図（ｃ）のような波形はこれ以上分離が困難に
なることがある。これを改善するには、望ましくは、こ
の干渉波を分離するための周波数解析の方法として「最
大エントロピー法」を波形解析手段１４１中で用いる。

ちなみにこの方法は、観測現象の周波数分布を極めて短
い測定時間で高分解能に計算する手法であり、最近では
「科学計算のだめの波形データ処理Ｊ　　（ＣＱ出版社
、昭和６１年４月３０日初版発行）　ｐ、１６６〜ｐ、
１７９等において開示されている。

以上のようにして、最大エントロピー法を用いて干渉波
の周波数解析を行った後は、周波数値から次式を変形し
て被エツチング面及びマスク面それぞれでのエッチレー
トｅＯ＋　　ｅｌを求めることができる。

マスク膜表面からの反射光と、半導体基板の被エツチグ
面からの反射光とがつくる干渉波の周波数をδ。、マス
ク膜・半導体基板界面からの反射光と、半導体基板の被
エツチング面からの反射光とがつくる干渉波の周波数を
特徴とする特許２ｎｏ　　（ｄｏｎ　　ｅｏ　　Ｂ δ。＝２π× δ、　−２π× λ０ ２（ｄｏｏ　＋　　（ｅ　＋　　　ｅｏ　）ｔ）λＯ ただし、ｎｏはマスク膜の屈折率、　　ｄｏ。は最初の
エツチング深さ、λ。は入射光の波長、Ｌはエツチング
時間である。

第６図参照。

第６図は、実際のエツチングで記録された波形の例を、
時間（横軸）に沿った信号強度（縦軸）の変化として示
すものである。これを波形解析することで、前弐よりエ
ッチレートを求めることができた。第６図の波形の■〜
ｗ期間のように、実際的な信号波形では、３波の干渉合
成波形であるために、一定期間干渉波形が打ち消し合っ
た状態となる場合があり、このような波形は通常のフー
リエ変換解析では周波数解析が難しくなる。ところが最
大エントロピー法を用いれば、このような波形解析も高
分解能で行える。

以上のようにして、エッチレートをリアルタイムでモニ
タすることで所望のエツチング深さ到達時点を検知する
。その時点でエツチングを停止する。

実際の操作手順としては、第６図の２点でシャッタ２を
開け、可干渉光５ｏの投射を開始する。次に、第６図の
９点でＲｆ電源１９を起動させ、エツチングを開始する
。エツチング終了と判定したとき、第６図の１点でシャ
ッタ２を閉じるよう停止手段１６に指示し、レーザ光５
ｏの投射を停止する。

この後、第６図の３点でＲｆ電源１９を停止する。

第２図参照。

第２図は本発明のデータ処理の原理説明図である。以下
、装置の波形解析の様子を説明する。

波形解析手段１４１ではレーザ投射面全体から一定時間
で得られる干渉波の周波数分布を計算後、この周波数分
布はエツチング深さ算出手段１４２に転送され、エツチ
ング深さ算出手段１４２では周期の計算、波数の計算を
経て、得られる波数がエツチング深さに相関するとの性
質に着目して、エッチレートは求まり、エツチング深さ
が求められる。

更にこうして求められたエツチング深さの値は、停止手
段１６に転送され、エツチング深さが所望の深さである
との判定を下したときには、エツチング及びエツチング
のモニタを終了するように指示する。

実際、本発明のエツチング装置を用いてエツチングした
深さが正確なものかどうかを、膜厚計を利用してエツチ
ング作業終了後に測定した結果、次のようであった。

第６図中の例によれば、 実際にエンチングされた深さ・４６５９μｍ計算で本発
明のエツチング装 置が測定した深さ・・・・・・・４．４６μｍまた同様
なエツチングを行った他の例では、実際にエツチングさ
れた深さ・６．６６μｍ計算で本発明のエツチング装 置が測定した深さ・・・・・・・６，３２μｍこれらは
、本発明のエツチング装置が測定した深さが、極めて正
確なものであったとの結果を示すものである。

また、本実施例でこの演算に用いた波形解析手段１４１
は、いわゆる１６ｂｉ　ｔのパーソナル・コンピュータ
に最大エントロピー法による演算を行わせるよう構成し
たものであって、計算プログラムもいたって簡単なもの
である。

ところで、一般に最大エントロピー法は、データ処理に
時間を要するという欠点がいわれている。

しかし本実施例で演算にかかった時間は、収集した１０
個のデータを処理するのに、約１０秒はどであり、実質
的にリアルタイムでのモニタが可能である。

データ出力のために、レコーダ１３の他デイスプレィ１
５を配置した。

波形解析手段１４１は、自身が処理した結果に基づき、
可干渉光の投射を停止するよう指示信号を停止手段１６
に転送し、シャッタ２を閉じる。その２０秒後には、エ
ツチングの停止を指示する信号を停止手段１６に転送し
、Ｒｆ電′ａ１９を停止する。

以上説明したように、可干渉光の光径を拡大してかつ、
いくつもの干渉波が重なり合った波形を分離するように
構成することで、エツチングと同時進行で被エツチング
面全体の状態を正確にモニタすることができた。

（ｂ）他の実施例の説明 ところで、上記実施例は本発明の趣旨に従い、種々の変
形が可能である。

別の実施例を第１図と同じく装置構成図として第３図に
示した。図中、第１図と同じ番号は第１図と同じものを
示す。第１図の実施例とは、可干渉光５０の伝送区間の
一部が異なるのみで、利用した部品は、すべて仕様を同
じくするものである。

第１図と異なる可干渉光５０の伝送区間には、光ファイ
バ６を用いている。

この実施例では、光ファイバ６を用いることにより、測
定装置群とＲｆ電源１９とを隔絶するために、Ｒｆ電源
１９側で生じたノイズ（雑音）が測定装置群に及ぼす影
響を低減できるという新たな効果を奏することとなった
。

第°３図の例ではまずレンズ５を通して、可干渉光の光
径を光ファイバ６のコア径程度とする。

このとき、光ファイバ６は長さ５ｍ程度とし、マルチモ
ードファイバを使用した。

光ファイバ６の終端で、レンズ７により可干渉光５０は
再び元の可干渉光の光径（３ｍｍ程度）に拡大される。

なお、光学系の装置とフォトディテクタ１０との間を光
ファイバで接続して、両者を隔離するように本実施例の
装置構成を変更すれば、測定された信号にかかるノイズ
は更に軽減できる。

また実施例としては、本エツチング装置を半導体の微細
加工に供する装置として、被エツチング部材にシリコン
のウェハを用いて説明してきたが、産業上の利用分野で
微細な膜加工を行う場合に対しても、十分運用できるも
のである。

あるいは本実施例では、光′ａ１には、Ｈｅ　　Ｎｅ（
ヘリウム−ネオン）レーザの発振器を用いているが、半
導体レーザを用いれば、小型、軽量化という特長を併せ
持つこととなる。

一方で、ＬＥＤ　（発光ダイオード）を光源として用い
れば可干渉性は低下するものの、雑音のより少ない光源
として有効である。

更には、可干渉光の投射を開始・停止するために、シャ
ッタ２を開・閉しているが、停止手段１６より光源１に
直接指示することもよいであろう。

また、波形解析手段１４１での計算手順をハードウェア
化すれば、より高速なデータ処理を見込める。

更に本実施例では、波形信号を周波数分布に変換するた
めの計算方法に、最大エントロピー法を用いたが、波形
が単純な場合にはフーリエ変換によってもよく他の有効
な計算方法を用いてもよい。

ただし、ここで採用すべき計算方法については、干渉波
の分離が首尾よく行えることを条件に選択されなければ
ならない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、半導体ウェハ自
体をエツチングする場合のように、下地が存在しないコ
ントロールエッチが必要な場合にもエツチング状態をモ
ニタできることになり、所望の深さまで食刻除去してエ
ツチングを停止できることとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例に則した装置構成図、第２図
は、本発明の実施例に則したデータ処理の原理説明図、 第３図は、本発明の他の実施例に則した装置構成図、 第４図は、被エツチング物表面での干渉波の説明図（要
部の拡大断面図）、 第５図は、「光干渉法」により得られる被エツチング面
での干渉波形、 第６図は、本発明の装置で測定した他の干渉波形（干渉
で波形が消えた例） である。 第１図、第３図中、 １、光源 ２、シャッタ ３、偏光ビームスプリッタ ４、偏光板（λ／４偏光板） ５、レンズ ６、光ファイバ ７、レンズ ８、ビームエキスパンダ ９、被エツチング物　　（ウェハ） １０、フォトディテクタ １１、増幅器 １２、　Ａ／Ｄ変換回路 １３、レコーダ １４１、波形解析手段 １４２、エツチング深さ算出手段 １５、デイスプレィ １６、停止手段 １７、窓 である。 第６図中、 ｐ、可干渉光投射開始点 ｑ、エツチング開始点 ｒ、エツチング終了点 Ｓ、可干渉光投射終了点 Ｖ、波形消去開始点 Ｗ、波形消去終了点 である。 １８、チャンバー １９、Ｒｆ電源 ２０、電極 ５０、可干渉光（レーザ光） ５１、反射光 である。 第２図中、 ａ、干渉波を光→電気信号に変換する工程す、信号を増
幅する工程 Ｃ，ディジタル信号に変換する工程 ｄ０周波数分布を求める工程 ｅ１周期の計算・波数の計算 ｆ、エッチレートの計算・エツチング深さの計算ｇ、所
望の深さに達したかどうかの判断り、エツチング作業と
エンチングモニタ停止である。 第４図中、 ｒｌ、マスク膜表面での反射波 ｒ２．マスク膜下面での反射波 ｒ３．半導体ウェハの被エツチング表面での反射多ど図 （約エノテレクｊ−ψ 茅４０ １光干オう云Ａこよｌ再律ろ工皮エツナング面γ−干＞
？謬υ杉矛５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可干渉光（５０）を発生する光源（１）と、該可干渉光
   （５０）を内部に伝送でき、被エッチング物（９）を擁
   するチャンバー（１８）と、被エッチング物（９）表面
   で干渉した反射光（５１）を受けるフォトディテクタ（
   １０）と、 該フォトディテクタ（１０）で光電変換して得た信号を
   周波数解析する波形解析手段（１４１）と、該波形解析
   手段（１４１）で得られた干渉波の周波数分布によって
   、エッチング深さを計算するエッチング深さ算出手段（
   １４２）と を有するエッチング装置。