JPH0273629A - 半導体ウェハエッチングシステムにおいて終了点を検出する方法及び装置 - Google Patents

半導体ウェハエッチングシステムにおいて終了点を検出する方法及び装置

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JPH0273629A
JPH0273629A JP1187231A JP18723189A JPH0273629A JP H0273629 A JPH0273629 A JP H0273629A JP 1187231 A JP1187231 A JP 1187231A JP 18723189 A JP18723189 A JP 18723189A JP H0273629 A JPH0273629 A JP H0273629A
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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、一般に、フロントエンドの集積回路処理方法
及び装置に係り、より詳細には、レーザ干渉計の終了点
検出システムに係る。
従来の技術 集積回路は半導体ウェハ上に大量に形成される。典型的
に、罫書き線がウェハの表面上に格子パターンで設けら
れ、個々の集積回路、即ち「チップ」を互いに容易に分
離することができる。ウェハは、完全に処理されると、
罫書き線に沿って切断又はカットしてバラバラのチップ
にし、パッケージすることができる。
半導体ウェハは、集積回路の製造工程中には、マスキン
グやエツチングや積層やドーピングといった多数の処理
を繰り返し受ける。本発明は、主として、エツチングプ
ロセス、即ち半導体ウェハの表面から材料層を除去する
ことに関する。
集積回路の密度及び複雑さが増すにつれて、集積回路内
の種々の形状物のサイズを縮小しなければならなくなる
。このように形状物のサイズが小さくなる傾向により、
エツチングプロセスを高度に制御しなければならなくな
る。例えば、エツチングプロセスは、大きな縦横比を有
するエツジプロファイルを与えるために著しく非等方的
でなければならない。又、エツチングプロセスは、届が
完全にエツチングされた後に予想した通りに停止できる
ように著しく制御可能なものでなければなならない。
層が完全にエツチングされたときを決定するのは、オー
プンループプロセスであり、即ちエツチングプロセスは
、著しくエツチングし過ぎることなく層をエツチングす
ることを期待して所定時間中通めることができる。然し
乍ら、ウェハは常に同じ割合でエツチングされるもので
はないから、最も遅いエツチングのウェハでエツチング
するに足る時間中エツチングプロセスを実行する傾向が
あり、従って、より速いエツチングのウェハはエツチン
グし過ぎてしまう。それ故、形状部のサイズが小さくな
るにつれて、欠陥率が受は入れられないほど大きなもの
となり、現在のエツチング装置の状態ではこのオープン
ループ方法が使用されない。
最も近代的なエツチング装置は、終了点検出のある構成
体、即ち所望層をエツチングし終えるときを検出する構
成体を備えている。二酸化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｏ，）の
ような半透明層に対して有用な１つの解決策は、レーザ
干渉計の原理を用いることである。レーザビーム干渉計
では、レーザビームがエツチングされるべき層に向けら
れ、ビームの反射部分が適当な光検出器によって検出さ
れる。エツチング層は、使用するレーザ光線の周波数に
対して半透明であるから、入射ビームの若干は層の上面
から反射され、そしてビームの若干は層の底面から反射
される。これら２つの反射は、互いに構造的に又は破壊
的に干渉し合い、その層がエツチング除去されたときに
特性正弦波エツチング曲線が形成される。エツチング曲
線が平坦になると、その層がエツチングされ尽くしたこ
とになり、終了点が検出される。
本発明と共に米国カリフォルニア州すンタクララのアプ
ライド・マテリアルズ・インクに譲渡されたマイダン氏
等の米国特許筒４，６１８，２６２号には、このような
１つのレーザ干渉計システムが開示されている。このマ
イダン氏等の特許においては、エツチングされているウ
ェハ上の罫書き線を横切ってレーザビームを走査させそ
してそれにより得られる干渉パターンを監視することを
含むプロセスが開示されている。それとは別に、マイダ
ン氏等は、ウェハを横切ってレーザビームを走査させて
罫書き線を見出し、レーザビームを罫書き線に対してロ
ックし、そしてそれにより得られる干渉パターンを監視
することを含むプロセスを開示している。この両方のプ
ロセスにおいて、レーザビームスポットのサイズは罫書
き線の巾と同程度である。多のレーザ干渉計の終了点検
出システムにおいては、レーザスポットが罫書き線の巾
よりも相当に大きい。
発明が解決しようとする課題 マイダン氏等により教示されたようなレーザ干渉計シス
テムは満足に機能するが、種々の形態のノイズに敏感で
あることが分かった。例えば、ウェハの段部即ち遷移部
をレーザビームが走査するときには検出器に大きなノイ
ズが発生し、このノイズは均一なフィルム厚みを有する
表面上で最小となる。このような遷移部は、エツチング
されるべき層の上面にホトレジストのパターン層を形成
するホトマスクプロセスによって一般に生じる。
その結果、レーザビームスポットが罫書き線の巾と同等
であるか又はそれよりも大きいときには、ビームの一部
分が常に遷移部分上に存在するので、ビームが罫書き線
を進むときにある量のノイズが発生することは不可避で
ある。
遷移部を進む間に得られるノイズ振幅は、平坦な平面の
エツチング曲線の振幅よりも著しく大きくなることがあ
る。これまで、レーザビームは、この大きなノイズレベ
ルにより、このような遷移部にロックし、従って、ホト
レジスト又はホトレジストと二酸化シリコンの組合体を
監視することができる。この問題を軽減するために充分
な視界深さを有する小さなビームサイズが有用であるこ
とがこれまで認識されていない。
レーザ干渉計システムにノイズを発生する他のファクタ
は、空気の流れ、熱的な振動及び機械の振動を含む。こ
れらのファクタは、完全に取り除くことができないが、
高精度のレーザ干渉計式終了点検出システムにおいてこ
れらのファクタの各々を最小にすべく努力が払われねば
ならない。
又、レーザ干渉計式終了点検出システムは、特性エツチ
ング曲線の平坦化を迅速且つ正確に認識することが重要
である。マイダン氏等の特許においては、特性エツチン
グ曲線の傾斜を監視することによりその平坦化を確認す
るのにコンピュータが使用される。然し乍ら、終了点の
状態をより迅速に且つ動作のたびに繰り返し認識する改
良された方法を開発することが常に所望される。
課題を解決するための手段 本発明は、半導体ウェハのエツチング動作の終了点を自
動的に且つ繰り返し検出することに関する。本発明の方
法は、単一の走査経路に沿ってレーザビームでウェハを
繰り返し走査しモしてウェハから反射されたレーザビー
ムの部分を検出することを含む。反射されたビームは、
ウェハの好ましい平坦領域内の好ましいパーキングスポ
ットを決定するために分析される。好ましいパーキング
スポットが決定されると、ビームがスポットまで移動さ
れ、検出器を用いて、薄いフィルムの特性エツチング曲
線が監視される。エツチング曲線が平坦になると、その
好ましい平坦領域は完全にエツチングされたとみなされ
、終了点信号が発生される。
本発明は、３つの主たるプロセスを含み、その第１は好
ましいパーキングスポットの選択に関するものである。
この第１のプロセスにおいて、走査の対が比較され、い
ずれか２つの走査において見い出された最も高いエツチ
ング率及び最も広い平坦領域の中心位置に対応するクォ
リティ・ファクタＱが発生される。多数の走査対を比較
した後、最大値Ｑｍａｘを用いて好ましいパーキングス
ポットが選択される。第２のプロセスにおいては、各最
大値が検出された後に、実際のエツチング曲線が投射さ
れたエツチング曲線と比較される。実際のエツチング曲
線と投射されたエツチング曲線とが実質的にずれる場合
には、終了点がシステムによって指示される。第３のプ
ロセスにおいては、新規なテストウェハ及び収束方法を
用いることによりレーザビームが収束される。この収束
方法は、可変中の線を有するテストパターンを横切って
レーザビームで走査し、ビームの反射部分における変化
を検出し、そしてこの変化を最小にするようにビームの
焦点を調整することを含む。
本発明の装置は、ビーム形成組立体と、走査組立体と、
検出組立体と、環境分離組立体と、制御器とを備えてい
る。環境分離組立体は、ビーム形成組立体をエツチング
装置の反応チャンバから分離し、空気の流れ、熱的な振
動、等による収差を減少する。ビーム形成組立体は、レ
ーザビームがレーザへ反射して戻るのを阻止するための
光学分離組立体と、ビーム伸長組立体と、この伸長され
たビームを半導体ウェハに収束するためのビーム収束組
立体とを備えている。制御器は、検出組立体の出力に応
答し、本発明の前記プロセスを実行するように作動する
。
本発明の装置の改良された光学系及び収束方法により、
し・−ザビームのスポットサイズは公知技術に比して著
しく減少される。これまで、充分な視界深さを有する最
小レーザスポットサイズは約１００μｍであり、一方、
本発明のスポットサイズは４０μｍ未満にすることがで
きる。この小さなスポットサイズにより、巾７０μｍ以
上の好ましい平坦領域内で好ましいパーキングスポット
を選択することができる。レーザビームスポットは好ま
しい平坦領域内に完全に入るので、平坦領域の遷移境界
からの反射に伴うノイズが除去される。
終了点を検出する本発明の方法は、迅速で、正確で且つ
再現性がある。典型的に、終了点は、エツチングサイク
ルの僅かな部分内に検出することができ、終了点検出後
の所定時間内にエツチングシステムを迅速に停止させた
り運転させたりすることができる。
本発明のこれら及び他の効果は、添付図面を参照した以
下の詳細な説明から明らかとなろう。
実施例 基本的な方法 第１図の上面図を参照すれば、半導体ウェハ１０には多
数の罫書き線１２が設けられており、これらの罫書き線
はウェハの上面１４に格子パターンで設けられている。
個々の集積回路は、典型的に、ウェハ１０においてチッ
プ位置１６内にバッチ処理される。ウェハが完全に処理
された後に、ウェハは罫書き線１２に沿ってカット即ち
切断され、個々の集積回路がパッケージングのために分
離される。
本発明では、レーザビームスポット１８が経路２０に沿
って位置１８’　まで走査される。この走査は、コンピ
ュータ制御のもとて自動的に行われ、実質的に同じ走査
経路２０に沿って何回もの走査を行えるように非常に再
現性の高いものである。経路２０は数センチメータの長
さであるのが好ましいので、レーザビームスポット１８
は少なくとも数本の罫書き線１２及びチップ位置１６に
交差する。ある理由で、経路２０が罫書き線に交差しな
い場合には、装置を軸２２に沿って手動で調整して、ビ
ーム経路２０が罫書き線１２に交差するようにさせるこ
とができる。しかしながら、この調整された経路は第１
図に示す経路２０に平行である。
第２ａ図を参照すれば、レーザビームスポット１８は、
軸２６を有する入射レーザビーム２４によって発生され
、軸２６はウェハ１０の上面１４の平面２８に対して若
干非垂直である。例えば、入射ビーム２４の軸２６は平
面２８から約９１度である。これにより、反射ビーム２
８は、平面２８から約８９度の軸３ｏを持つことになる
。従って、この例では、入射ビーム２４の軸と反射ビー
ム２８の軸との間に約２度の分離が得られる。これによ
り、反射光線がレーザビームソースの所望の一定出力に
悪影響を及ぼすおそれれが最少とされる。
第２ａ図及び第２ｂ図の断面図は、部分的に処理された
半導体ウェハ１０の典型的な層を示している。これらの
層は、半導体基体と、二酸化シリコン（Ｓ　ｉ　Ｏ，）
層３４と、ホトレジスト層３６とを含んでいる。第２ａ
図に示すように、入射ビーム２４がウェハｌＯの上面１
４を横切って走査されると、ホトレジスト層３６上に、
次いで二酸化シリコン層３４上にそして再びホトレジス
ト層３６上にビームスポットが交互に形成される。
これが入射ビーム位置２４．２４′及び２４″によって
示されている。プロセスのこの部分を゛′走査モード”
と称する。
ビームスポット１８の巾Ｗは、ホトレジスト層３６にお
ける罫書き線Ｓのような開口の巾Ｗよりも著しく小さい
ことに注意されたい。本発明のこの実−施例では、ビー
ムスポットが約３５μｍであり、一方、罫書き線Ｓの典
型的な巾は約８０μｍである。以下で詳細に示すように
、ビームスポット１８は表面１４に沿って約５μｍ程度
の段として操作されるので、開口Ｓ内において平面３８
から多数のデータサンプルを得ることができる。
これは、ビームスポットがホトレジスト層３６と二酸化
シリコン層３４との間の遷移部４０のような遷移部即ち
段に入射するときに多量のノイズが発生するという点で
重要である。
前記したように、ビームスポット１８は、経路２０に沿
って多数回、例えば３回又は４回走査されるのが好まし
い。次いで、以下に詳細に述べるプロセスを用いて、ウ
ェハ１０上の好ましい平坦領域内の好ましいパーキング
（駐留）スポットが決定される。例えば、第２ｂ図を参
照すれば、好ましいパーキングスポットＰが平坦領域３
８内にあるものとここで仮定する。次いで、このビーム
スポットは、パーキングスポットＰへ移動されそしてエ
ツチングプロセスの残りの時間中そこに保たれる。この
動作モードは゛′パーキングモード″として知られてい
る。
第３ａ図及び第３ｂ図を参照して本発明の理論の一端を
説明する。第３ａ図においては、特性ホトレジストエツ
チング曲線が４２で示されており、特性二酸化シリコン
エツチング曲線が４４で示されている。これらの曲線は
、エツチングプロセスの進行に伴う反射ビーム２８の強
度を表しており、実質的に正弦波である。曲線４２は、
入射ビームがホトレジスト３６にパーキングする場合の
反射ビームの強度の典型であり、曲線４４は、入射ビー
ムが二酸化シリコン３４にパーキングする場合の反射ビ
ームの強度の典型である。
薄膜レーザビーム干渉測定の基本的な理論は当業者に良
く知られている。例えば、これら理論は、参考としてこ
こに取り上げる前記のメイダン氏等の特許に開示さてい
る。簡単に説明すると、光線ビームが二酸化シリコンの
ような半透明フィルム上に入射したときに、その入射光
線の一部分がフィルムの上面から反射され、そして入射
光線の一部分がフィルムの下面から反射される。フィル
ムの厚みは一定であるから、これら２つの反射は互いに
構造的又は破壊的に干渉しあう。層がエツチングされる
につれて、その厚みが変化し、これにより、構造的及び
破壊的干渉パターンを貫通する反射ビームの強度が繰返
し変化して、図示された正弦波パターンが形成される。
ホトレジストエツチング曲線４２は、二酸化シリコンエ
ツチング曲線４４よりも大きく且つ周波数が低いことに
注意されたい。この大きな振幅は、ホトレジストの反射
度が高いことによるものであり、そして低い周波数は、
ホトレジストの方が二酸化シリコンよりも非常にゆっく
りとエツチングされることによるものである。ホトレジ
スト及び二酸化シリコンの特性エツチング曲線がこのよ
うに異なるので、ウェハの表面を横切ってレーザビーム
を走査させるときにシステムがそれらを区別するのは困
難ではない。
第３ｂ図においては、ビームが第１図及び第２ａ図に示
すように先ずウェハ表面１４にわたって走査されそして
第２ｂ図に示すように好ましいスポットＰでマーキング
されるときに反射ビーム２８の強度が時間に対してプロ
ットされている。
より詳細には、このプロセスは、時間０＜＝ｔ＜＝ｊ、
から走査モードにあり、そして１．（１（＝Ｌ、からマ
ーキングモードにある。時間し、においては、実際のエ
ツチング曲線４６の平坦化によって終了点が検出され、
この平坦化部分は、好ましいスポットＰにおける全ての
二酸化シリコンが除去されたことを示している。
第３ｂ図の実際のエツチング曲線４６は走査モード中に
スパイクのような見かけをしている。
というのは、入射ビームがウェハｌＯの種々の而及び層
を横切って走査されるときに反射ビームの強度が著しく
変化するからである。パーキングモード中に、レーザビ
ームは、監視されている層、この場合は二酸化シリコン
層にパーキングされ、このように、曲線は二酸化シリコ
ン層の特性エツチング曲線の形状をとる。前記したよう
に実際のエツチング曲線４６は二酸化シリコン層がエツ
チング除去されて終了点検出を指示した後に平坦化され
る。
実際のエツチング曲線から好ましいパーキングスポット
を取り上げて終了点を検出するための好ましい方法につ
いて以下に説明する。しかしながら、これらの方法は本
発明を限定するものではなく、本発明を実施するために
現在知られている最良の方法であることを理解されたい
。
好ましいパーキングスポット検出方法 干渉計プロセスの最適な精度を確保するためには、走査
経路２０に沿って検出できるＳ　ｉ　Ｏ。
の最も巾の広い平坦面上にレーザビームをパーキングさ
せなければならない。罫書き線１２は集積回路形状部よ
りも巾が大きくなる傾向があるので、最適な表面は罫書
き線２０の境界内に入ることが最も多くなる。
説明上、ビームスポット１８は、走査経路２０に沿って
ｌ走査当たりＮ回段階的に動かされ、反射ビーム２８の
強度値がデジタルデータベースにデータ値として記憶さ
れるものとする。これらのデータ値は各走査に関連した
ベクトルとして記憶され、すなわち第１の走査はＮ個の
データ値のベクトルＳ１を形成し、第２の走査はＮ個の
データ値のベクトルＳ２を形成し、等々となる。以下で
詳細に述べるように、これらのベクトルは数学的に処理
されて、レーザビームスポット１８に対する好ましいパ
ーキング位置を決定することができる。
第４図を参照すれば、ｎ−ａからｎ＋ａまで（この例で
はａ＝３）の範囲の１組の２ａ＋１個のデータ点の中心
として任意のデータ値ｎが選択される。次いで、ｎを中
心とするベクトルＳ１の７個のデータ値が、ｎを中心と
するベクトルＳ２の対応する７個のデータ値と比較され
、これら２つの間の最少絶対差４８が決定される。この
最小差４８はＳ　Ｉ　Ｓ　２ｍ１ｎ’と示されており、
これは常に正の値である。次いで、これもまたｎを中心
とするベクトル５１の２ｂ＋１個のデータ値が比較され
て、その走査内の２つの間の最大絶対差５０が求められ
る。この例では、ｂが２に選択される。
この最大差は３１ｍａｘと示されており、これも常に正
の値である。同様に、ｎを中心とするベクトルＳ２の５
個のデータ値が比較され、正の値Ｓ２ｍａｘに到達する
最大絶対差５２が求められる。相対値Ｒは次のように計
算される。
Ｒ＝Ｓ　Ｉ　Ｓ　２ｍ１ｎ　　−（Ｓ　１ｍａｘ＋ｓ　
２ｍａｘｌＲ＜Ｏの場合にはＲ＝Ｏ，次いでｎの値が１
だけ増加され、次の相対値Ｒが上記したように計算され
る。Ｒに対して順次に導出された値がベクトルＲに記憶
される。
ｌ：２ Ｎ個のデータ点に対し、ｎの第１の値は典型的にａ＋１
で、一方ｎの最後の値はＮ−（ａ＋１）である。それ故
、Ｎ個のデータ値のベクトルに対し、Ｎ−（ａ＋２）値
がベクトルＲ１：２に入れられることになる。次いでこ
れらの値が比較され、ベクトルＲ内の最大データ値とし
て定義され■＝２ るクォリティ・ファクタＱ　が決定される。
ｌ；２ 次いで、走査２ベクトルＳ２を走査３ベクトルＳ３と比
較してクォリティ・ファクタＱ２：３を決定し、走査３
ベクトルＳ３を走査４ベクトルＳ４と比較してクォリテ
ィ・ファクタＱ３工、を決定し、等々を行うことによっ
て上記のプロセスが繰り返される。最終的な段階として
、全てのクォリティ・ファクタが比較されて、最大のク
ォリティ・ファクタＱ　ｍａｘが求められる。ビームが
パーキングされるのは、このＱ　ｍａｘに対応するデー
タ点でである。このプロセスを以下の表１に要約する。
このプロセスの背後にある理論について第５ａ図及び第
５ｂ図を参照して説明する。まず第１に、走査対間のデ
ータポイント間の距離が異なることによる影響を無視す
るものとする。第５ａ図において、走査１及び走査２の
両方のデータ値はまっすぐな水平線を形成する。従って
、データ値ｎを中心とする７つの隣接する点については
、ＳＩ　Ｓ　２ｍ１ｎ’の値が一定である。また、デー
タ値が水平方向に整列されているので、５１ｍａｘと、
Ｓ２　ｍａｘはＯに等しい。第５ｂ図においては、デー
タ値ｎを中心とする７つの隣接する点が走査ｌと走査２
との間で全て同じ距離であり、従って値ＳＩ　Ｓ　２ｍ
１ｎ’も一定である。しかしながら、第５ｂ図において
は、値Ｓ］、ｍａｘ及びＳ２ｍａｘが両方共Ｏより大き
い。それゆえ、第５ａ図のグラフについてのＲの値は、
第５ｂ図グラフの量〔Ｓ１ｍａｘ＋Ｓ２ｍａｘ］だけ第
５ｂ図のグラフについてのＲの値よりも大きくなる。５
１ｍａｘ及びＳ２ｍａｘの値はデータポイントｎを中心
とする領域において平坦さに欠けることを表している。
第５ａ図のＲの値は第５ｂ図よりも大きいので、レーザ
ビームは、第５ａ図によって表されたスポットにパーキ
ングする方が第５ｂ図によって表されたスポット即ちよ
り平坦なスポットにパーキングするよりも若干長い。
Ｓ　Ｉ　Ｓ　２ｍ１ｎ’の作用は、好ましい平坦領域内
に好ましいスポットをセンタリングすることである。こ
れは、データ点が遷移部に接近するにつれてＳ　Ｉ　Ｓ
　２ｒａｉｎ″が減少するためである。その結果、Ｓ　
Ｉ　Ｓ　２ｍ１ｎ’は特定の平坦領域の中心において最
大となる。それゆえ、式Ｒ＝Ｓ　Ｉ　８２ｍ１ｎ〔Ｓ　
１　ｍａｘ＋　Ｓ　２ｍａｘｌは、スポットの相対的な
所望量を表すＲの値を指定し、その両方がそれに対して
利用できる最も大きくて最も平坦な領域内にあり且つそ
れに対してその領域内を中心とすることが明らかであろ
う。
２つの走査が一致しないようにするためには、隣接する
走査量に位相差がなければならないことに注意されたい
。これは、走査周波数を二酸化シリコンの特性エツチン
グ曲線の周波数よりも高くする（例えば３ないし４倍高
くする）ことによって行うことができる。
終了点検出方法 第３ｂ図を参照して前記したように、エツチングされて
いる酸化物の点にレーザビームがパーキングされると、
反射される干渉パターンは、典型的に、正弦波の形状を
とる。酸化物が完全にエツチングされると、正弦波は平
坦化され、終了点の検出を指示する。この時点で、エツ
チングプロセスが通常終了される。
過剰エツチング、即ち酸化物が完全にエツチングされた
後にエツチングを続けることは必ずしも有害ではなくま
た不所望なことでもない。実際に、多くのプロセスでは
、監視されていないウェハの領域においてエツチングさ
れているフィルムを完全に除去するために過剰エツチン
グが意図的に行われている。重要なことは、エツチング
プロセスの再現性であり、即ちサイクルごとに同じ量の
エツチングを予想可能に行わなければならない。
それ故、所望量の過剰エツチング（もしあれば）を行え
るように正確に終了点を検出することが重要である。
第６ａ図及び第６ｂ図を参照すれば、実際のエツチング
曲線４６がシステムによって常時監視され、そのビーク
／ビーク（ＰＴＰ）値が決定される。このＰＴＰの値は
、実際のエツチング曲線のｌ／２サイクルごとに更新す
ることができる。
次いで、この例ではＰＴＰの値の２０％であるｈが計算
される。第６ｂ図から明らかなように、この値りは、実
際のエツチング曲線においてその曲線の上部２０％を包
囲する点Ａ、Ａ’にコーナを有するボックス５４を定め
る。このボックスの中心線は線ＣＬで示されており、そ
してこのボックスの巾は２Ｗで示されている。
第６ｃ図を参照すれば、実際のエツチング曲線４６の干
渉パターンが点Ａに到達し、すなわちこの曲線がボック
ス５４の領域に入ったということをシステムが検出した
ときに、Ａの強度値がメモリ内に記憶される。酸化物が
エツチングされ続けるにつれて、強度パターンの最大値
Ｉ　ｗａｘまでの一連の強度値（点Ｂ、Ｃ，，，，，Ｇ
によって表された）もメモリ内に記憶される。これらの
値は中心線ＣＬの周りで表され、投影曲線区分５６を定
める擬似値Ａ’　、Ｂ″Ｔ　ＨＨＨＩＧ′　　を形成す
る。
スレッシュホールド線５８はＩｍａｘＯ値と投影曲線５
６との中間として定められる。換言すれば、このスレッ
シュホールド線は（Ｉｍａｘ　−Ｇ’　）　／２；　口
ｍａｘ−Ｆ’　）／２；　　（Ｉｍａｘ−Ｅ’　）／２
；等に点を有する。中心線ＣＬの後の実際のエツチング
曲線４６は、検出され、記憶されそしてスレッシュホー
ルド線５８に対して比較される。
実際のエツチング曲線４６の中心線ＣＬの全てのデータ
値がスレッシュホールド線５８より大きい場合には、終
了点が検出されたことになる。さもなければ、表面がま
だエツチングされており、終了点が検出されるまで上記
のプロセスが繰り返される。この方法は、特性エツチン
グ曲線のＰＴＰ値のｈ％内に終了点を見い出し、これは
、所望の終了点検出感度に任意に僅かに依存するに過ぎ
ないことに注意されたい。
終了点検出システムの装置 本発明の装置は、第７ａ図、第７ｂ図及び第８図を参照
して説明する。第７ａ図において、終了点検出システム
６０は、レーザ６２と、光学分離組立体６４と、伸張組
立体６６と、ミラー６８と、収束組立体７０と、ウィン
ドウ組立体７２と、収集組立体７４と、検出器７６と、
制御器７８とを備えている。システム６０は繊細な光学
系を保護すると共に空気の流れ等のファクタにより発生
するノイズを最少にするために、包囲体７９内に入れら
れる。
レーザ６２は、市販の偏光ヘリウム・ネオン（ＨｅＮｅ
）ガスレーザであるのが好ましい。レーザ６２のビーム
８０は光学分離組立体６４に向けられ、これはレーザ６
２へ反射して戻る光の量を最少にする。このような反射
光は、レーザビーム８０の強度のばらつきを生じるとい
う点で問題である。より詳細には、光学分離組立体は、
偏光ビームスプリッタ８２と、１／４波長プレート８４
を備えている。ビームスプリッタ８２の偏光軸は偏光レ
ーザ６２の偏光軸と整列され、１／４波長プレート８４
はビーム８０を円形変更する。これらの素子を組み合わ
せることによってレーザ６２へ光線が反射して戻るのが
著しく減少される。
というのは、１）反射されて戻される光線は、１７４波
長プレートの偏光と同位相で円形偏光されねばならず、
そして２）その同相の円形変更された反射光線のうちの
、ビームスプリッタ８２の偏光軸と整列する部分しかレ
ーザ６２に戻らないからである。これは一般に著しい量
ではない。光学検出器８６はレーザ６２の出力を監視す
るのに使用できる。
伸張組立体６６は、同じ焦点９２を有する１対のレンズ
８８及び９０を備えている。このレンズ構成により、コ
リメートされたビーム９１が発生される。このビームは
、ミラー６８から実質的に直角に反射され、そして収束
組立体９０及びウィンドウ組立体７２を経てウェハｌＯ
へ送られ（第７ｂ図参照）、入射ビーム２４を形成する
。
反射ビーム２８は、ウェハ１０の表面から反射されて、
ウィンドウ組立体７２、収束組立体７０そしてミラー６
８のエツジを経て収集組立体７４へ至り、そして検出器
７６へ送られる。ミラー６８は、前面に銀が塗布されて
反射ロスが最少とされたミラーであるのが好ましい。
ウィンドウ組立体は、１対の離間された水晶のウィンド
ウパネル９６よりなる。ウィンドウパネル９６間のスペ
ース９８は、ウィンドウ組立体の光学系側１００とウェ
ハ側１０２との間に熱的な分離を与える。ウェハ側１０
２がエツチング装置の反応チャンバに面していて高い温
度に曝されるので、これが重要な機能を果たす。
収集組立体７４は、収集レンズ１０４とフィルタ１０６
とを備えている。このレンズは、反射ビーム２８を検出
器７６に収束する上で役立ち、一方、フィルタは、プラ
ズマ放電、周囲の光線等によって発生された光の不所望
な周波数を除去する。検出器７６は、レーザ６２の周波
数範囲内の光を感知する光検出器であればいずれのもの
でもよい。
検出器７６の出力は制御器７８へ入力され、この制御器
は基本的には専用マイクロコンピュータシステムである
。制御器７８は、段の移動、レーザの動作等を制御する
ための出力を発生し、終了点の検出を指示する出力も有
している。制御器７８によって発生される終了点検出信
号は、エツチングプロセスを自動的に停止したり又はオ
ペレータに終了点状態を報告したりするように用いるこ
とができる。
第８図を参照すれば、終了点検出システム６０の上面図
は、レーザヘッド１０８と、アダプタ］、　ｌ　Ｏと、
光学系のハウジング１１２と、スライド式プレート１１
４と、段１１５と、検出器ハウジング１１６と、ベース
１１８とを示している。
検出器ハウジング１１６は光学系ハウジング１１２及び
段１１５にしっかりと取り付けられる。アダプタ１１０
のフランジ１２０はアダプタを光学系ハウジング１１２
のフランジ１２２へ接続する。
光学系ハウジング１１２及びプレート１１４の下には水
晶のウィンドウ９６が仮想線で示されている。
プレート１１４に取り付けられたステップモータ１２４
はリードスクリュー１２５を有し、このリードスクリュ
ーは、段１１５、ひいては光学系ハウジング１１２及び
検出器ハウジング１１６を両方向の矢印１２６で示すよ
うに前後に駆動することができる。光学系ハウジング１
１２のこの移動により、経路２０に沿ってレーザビーム
スポット１８が走査される。プレート１１４及びこのプ
レートに支持された全てのものは、プレート１１４のエ
ツジに沿ってクランプされるサムスクリュー１３０を緩
めた後に、両方向矢印１２８によって指示されたように
前後に移動することができる。この手動の調整は第１図
の軸２２に沿ったビーム経路の調整に対応する。
ビームスポットは、ベース１１８の３つのコーナーに設
けられた３つのスクリュー１３２を調整することによっ
て収束及び整列されることができる。これらのスクリュ
ーはプレート１１４に押しつけられて、通常の３点調整
構成体を形成する。
これら３つのスクリュー１３２により、当業者に明らか
なように、ビームの縦揺れ、横揺れ及び焦点を調整する
ことができる。プレート１１４の第４のコーナーはプレ
ートに対するピボット点を形成する。
ビーム収束方法 第９図ないし１１図を参照し、ビームスポットを収束す
る好ましい方法について説明する。第９図において、パ
ターン１３４が表面１３６に形成される。或いは又、パ
ターン１３４に対応するグループを表面１３６にカット
してもよい。いずれの場合にも、比較的反射性の領域１
３８と比較的非反射性の領域１４０との交互のパターン
が平らな表面上に設けられる。この例では、非反射領域
１４０は巾の変化するものであり、一方反射性領域１３
８は実質的に巾が一定のものである。例えば、中央領域
１４０は巾が３４μｍであり、中央領域の両側の２つの
領域１４０は巾が３６μｍであり、次の２つの両側の領
域１４０はその巾が３８μｍであり、等々となっている
。
第１０ａ図を参照すれば、広い非反射領域１４０′　ａ
に入射する未収束のビーム１４２は実質的に完全に吸収
される。しかしながら、未収束のビーム１４２か細い非
反射領域１４０”ａに当たるときには入射ビームの位置
部分が１４２′において反射される。テストパターン１
３４を横切って走査される未収束の入射ビームに対する
反射ビームの強度が監視されるときには、ｌｌａで示す
ような波形が形成される。
第１０ｂ図において、収束されたビーム１４２は広い領
域１４０’ｂに入射するか狭い領域１４０’″ｂに入射
するかに関わりなく吸収される。
それ故、収束された入射ビームに対して反射されるビー
ムは殆ど或いは全く生じない。従って、収束されたビー
ムは、第１１ｂ図に示すような波形パターンを形成する
。
ビームスポットを収束する方法は、パターン１３４に垂
直な方向にウェハを走査しそして反射ビームの強度を監
視することを含む。次いで、反射ビームの変化（ひいて
は平均強度）を最少にするようにビーム調整スクリュー
１３２（第８図参照）が調整される。ビームスポットは
、検出変化の最も小さい点に収束される。
もちろん、図示されたちの以外の多数の他のテストパタ
ーンを使用することもできる。更に、パターンは種々の
巾の反射性領域を有することができ、平均強度を最大に
することによって変化を最少にすることが目的である。
多数の好ましい実施例について本発明を説明したが、添
付図面を参照とした上記の説明から本発明の種々の変更
や修正が当業者に明らかであろう。例えば、本発明は、
ホトイレジストマスクの下の酸化物のエツチングについ
て主として説明したが、種々の他のエツチング及びマス
キング材料を用いることができる。例えば、終了点検出
について監視されるべき他の適当な材料はポリシリコン
、窒化シリコン、及びＢＰＳＧを含む。それ故、本発明
の範囲は特許請求の範囲によって限定されるものとする
。
【図面の簡単な説明】
第１図は、罫書かれた半導体ウェハの上面図で、本発明
の方法によって使用される典型的なレーザビーム走査路
を示す図、 第２ａ図は、部分的に処理された半導体ウェハの断面図
で、ウェハの表面に沿った種々の点に位置されたレーザ
ビームを示す図、 第２ｂ図は、ウェハの表面上の点にレーザビームがパー
キングした状態で部分的に処理された半導体ウェハを示
す断面図、 第３ａ図は、第２ａ図の半導体ウェハ上の２つの異なっ
た点から反射される干渉パターン波形を示すグラフ、 第３ｂ図は、レーザビームが第１図に示すようにウェハ
に沿って走査されそして第２ｂ図に示すようにスポット
上にパーキングされるときに反射される干渉パターン波
形を示すグラフ、第４図は半導体ウェハの２つの次々の
走査において得られた多数のデータ点を示すグラフ、第
５ａ図及び第５ｂ図は、レーザビームをパーキングする
最適な点を求めるための好ましい方法を説明するのに用
いるグラフ、 第６ａ図、第６ｂ図及び第６ｃ図は、終了点を検出する
好ましい方法を説明するのに用いる波形の一部分、 第７ａ図及び第７ｂ図は、本発明による終了点検出装置
を通るレーザビームの光学経路を示す図、 第８図は、第７ａ図に示された終了点検出装置の上面図
、 第９図は、レーザビームを収束するのに用いるために半
導体ウェハ上に形成されたテストパターンを示す上面図
、 第１０ａ図及び第１０ｂ図は、第９図のテストパターン
の異なった部分に各々入射する未収束のレーザビーム及
び収束されたレーザビームを示す図、そして 第１１ａ図及び第１１ｂ図は、未収束のレーザビーム及
び収束されたレーザビームからの反射レーザビームの相
対的な強度を各々示すグラフである。 １０　　・ ｌ　２　・ １６　・ １８　・ ２２　・ ２６　・ ３４　・ ３６　・ ３８　・ ４２　・ ４４　・ ４６　・ 半導体ウェハ 罫書き線　　　１４・・・表面 チップ位置 ビームスポット　２０・・・走査経路 軸　２４・・・レーザビーム 軸　２８・・・平面　３０・・・軸 二酸化シリコン ホトレジスト 表面　４０・・・遷移部 ホトレジストエツチング曲線 曲線 実際のエツチング曲線 坑ル ３も皮 ４止・

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）半導体ウェハエッチングシステムにおいて終了点
    を検出するための方法が、 細く集束した放射エネルギビームで半導体ウェハの表面
    を走査しそして上記ビームの反射部分を検出し、 上記反射部分を分析して、上記表面の好ましい平坦領域
    における好ましいパーキングスポットを決定し、上記好
    ましい平坦領域は上記ビームのスポットサイズよりは大
    きい最少横断寸法を有するものであり、 上記ビームを上記好ましいスポットにパーキングさせ、
    そして 上記ビームの上記反射部分を分析して、上記好ましい平
    坦領域が完全にエッチングされた時を決定するという段
    階を具備することを特徴とする方法。
  2. （２）上記半導体ウェハの表面を上記ビームで走査する
    上記段階は、実質的に同じ経路に沿って多数回走査する
    ことを含む請求項１に記載の方法。
  3. （３）上記反射部分を分析する上記段階は、第１走査領
    域を第２走査の対応する領域と共に分析することを含む
    請求項２に記載の方法。
  4. （４）上記反射部分を分析する上記段階は、上記第１走
    査の一連の領域を上記第２走査の対応する一連の領域と
    共に分析することを含む請求項３に記載の方法。
  5. （５）上記ビームの反射部分を分析して上記好ましい平
    坦部における上記表面が完全にエッチングされたときを
    判断する上記段階は、実際のエッチング曲線を投射した
    エッチング曲線と比較することを含む請求項１に記載の
    方法。
  6. （６）レーザビーム干渉計のレーザビームに対して好ま
    しいパーキングスポットを見つける方法が、 細く収束したレーザビームで半導体ウェハ表面上の走査
    経路に沿って少なくとも１回の走査を行いそして上記ビ
    ームの反射部分を検出し、上記ビームの上記反射部分を
    分析して、上記レーザビームのスポットサイズよりは大
    きい最少横断寸法を有する好ましい平坦領域内の好まし
    いパーキングスポットを決定するという段階を具備する
    ことを特徴とする方法。
  7. （７）上記スポットサイズは、上記好ましい平坦領域内
    に複数のデータ値を入れられるに充分なほど小さなもの
    であり、これにより、上記好ましい平坦領域を取り巻く
    上記半導体ウェハ表面上に対する遷移部及び段部の影響
    を最少にする請求項６に記載の方法。
  8. （８）上記走査路に沿って多数回の走査を行い、上記多
    数回の走査の各々は１組のデータ値を構成する請求項７
    に記載の方法。
  9. （９）第１走査Ｓ１の第１サブセットのデータ値は、第
    ２走査Ｓ２のデータ値の対応する第１サブセットと比較
    される請求項８に記載の方法。
  10. （１０）上記第１のサブセット同志を比較して、２つの
    対応するデータ値間の最少差Ｓ１Ｓ２ｍｉｎを求める請
    求項９に記載の方法。
  11. （１１）走査５１の第２のサブセットを使用して、走査
    Ｓ１の上記第２のサブセット内の２つのデータ値間の最
    大差に対応するファクタＳ１ｍａｘを計算し、走査Ｓ２
    の第２のサブセットを使用して、走査Ｓ２の上記第２の
    サブセット内の２つのデータ値間の最大差に対応するフ
    ァクタＳ２ｍａｘを計算し、これにより、上記第２のサ
    ブセットは上記第２のサブセットが上記第１のサブセッ
    トと必ずしも異ならないようにする請求項１０に記載の
    方法。
  12. （１２）相対的な値Ｒを次のように計算し、Ｒ＝Ｓ１Ｓ
    ２ｍｉｎ−〔Ｓ１ｍａｘ＋Ｓ２ｍａｘ〕但し、Ｒ＜０の
    場合、Ｒ＝０であり、そして上記相対値Ｒは上記スポッ
    トの相対的な所望度を表すものである請求項１１に記載
    の方法。
  13. （１３）走査Ｓ１及びＳ２に対して複数のＲ値を計算し
    、その最大値が走査Ｓ１及びＳ２に対するクォリティ・
    ファクタＱに対応するようにする請求項１２に記載の方
    法。
  14. （１４）２対以上の走査を比較して、複数のＱ値を計算
    し、その最大値が好ましいパーキングスポットに対応す
    るようにする請求項１３に記載の方法。
  15. （１５）半導体ウェハエッチングシステムにおいて終了
    点を検出する方法が、 半導体ウェハ表面上のスポットに放射エネルギビームを
    パーキングさせ、 上記ビームの反射部分を検出して実際のエッチング曲線
    を決定し、そして 上記反射部分を分析して上記実際のエッチング曲線を投
    射したエッチング曲線と比較することにより上記好まし
    いスポットにおける上記表面が完全にエッチングされた
    ときを決定するという段階を具備することを特徴とする
    方法。
  16. （１６）上記実際のエッチング曲線と上記投射したエッ
    チング曲線のピーク値間の差の所定の一部分よりも実際
    のエッチング曲線が大きいときに終了点が検出されるよ
    うにする請求項１５に記載の方法。
  17. （１７）放射エネルギビームを収束する方法において、 異なった反射度の領域より成るテストパターンを横切っ
    て放射エネルギのビームを走査し、上記テストパターン
    を横切って走査するときに上記ビームの反射部分におけ
    る変化を検出し、そして 上記変化を最少にするように上記ビームを調整する段階
    を具備することを特徴とする方法。
  18. （１８）上記テストパターンは、第１反射性の第１の複
    数の領域と、第２反射性の第２の複数の領域とを交互に
    含み、上記第１の複数の領域は可変幅のものである請求
    項１７に記載の方法。
  19. （１９）上記第１の複数の領域は、上記表面の持ち上が
    った領域を含む請求項１８に記載の方法。
  20. （２０）上記第２の複数の領域は可変幅のものである請
    求項１８に記載の方法。
  21. （２１）レーザ干渉計式の終了点検出システムにおいて
    、 細く収束したビームスポットを形成するためのビーム形
    成手段と、 上記ビーム形成手段に接続され、半導体ウェハの表面を
    横切って別々の段として上記ビームスポットで走査する
    ための走査手段と、 上記半導体ウェハから反射された上記ビームスポットの
    反射部分に応答する検出手段と、上記ビーム形成手段及
    び上記検出手段を上記半導体ウェハから分離するための
    環境分離手段と、上記検出手段に入力が接続されそして
    上記走査手段に出力が接続された制御手段であって、上
    記ビームスポットと１つの別々の段との和よりも幅の広
    い好ましい平坦領域を横切って上記走査手段で走査を行
    うようにさせ、更に、上記検出手段の出力が特性エッチ
    ング曲線の停止を指示するときに終了点検出信号を発生
    するように作動する制御手段とを具備することを特徴と
    するシステム。
  22. （２２）上記ビーム形成手段は、 レーザビームを発生するためのレーザソースと、 上記レーザビームの経路に配置されて、伸長されたレー
    ザビームを発生するためのビーム伸長手段と、 上記伸長されたレーザビームの経路に配置されて収束レ
    ーザビームを発生するためのビーム収束手段とを備えて
    いる請求項２１に記載のレーザ干渉計式の終了点検出シ
    ステム。
  23. （２３）上記ビーム形成手段は、更に、上記レーザビー
    ムの経路に沿って上記レーザソースと上記ビーム伸長手
    段との間に配置された光学分離手段を備えており、これ
    により、この光学分離手段は、上記レーザビームが上記
    レーザソースに反射して戻るのを最小にする請求項２２
    に記載のレーザ干渉計式の終了点検出システム。
  24. （２４）上記光学分離手段は、偏光手段を備えている請
    求項２３に記載のレーザ干渉計式の終了点検出システム
    。
  25. （２５）上記検出手段は、光検出手段と、上記反射され
    たビームを上記光検出器に収束するための検出光学系と
    を備えている請求項２１に記載のレーザ干渉計式の終了
    点検出システム。
  26. （２６）上記環境分離手段は、上記ビーム形成手段と上
    記半導体ウェハとの間に配置されたウィンドウ手段を備
    えた請求項２１に記載のレーザ干渉計式の終了点検出シ
    ステム。
  27. （２７）上記ウィンドウ手段は、このウィンドウのビー
    ム形成手段側をこのウィンドウの半導体ウェハ側から熱
    的に分離する請求項２６に記載のレーザ干渉計式の終了
    点検出システム。
  28. （２８）上記ウィンドウ手段は、複数の離間されたパン
    を備えている請求項２８に記載のレーザ干渉計式の終了
    点検出システム。
  29. （２９）少なくとも上記半導体ウェハに最も接近したパ
    ンを加熱するための加熱手段を更に備えた請求項２８に
    記載のレーザ干渉計式の終了点検出システム。
  30. （３０）上記環境分離手段は、更に、上記ビーム形成手
    段を少なくとも部分的に包囲する包囲手段を備えた請求
    項２６に記載のレーザ干渉計式の終了点検出システム。
  31. （３１）上記ビーム形成手段に接続されて上記半導体ウ
    ェハ上にビームスポットを収束するビーム収束手段を更
    に備えた請求項２１に記載のレーザ干渉計式の終了点検
    出システム。
JP1187231A 1988-07-20 1989-07-19 レーザビーム干渉計のレーザビームのためのパーキングスポットを見出す方法と半導体ウエハエッチングシステムにおける終了点検出法 Expired - Lifetime JP2728509B2 (ja)

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