JPH0533818B2

JPH0533818B2 -

Info

Publication number: JPH0533818B2
Application number: JP62078809A
Authority: JP
Inventors: Masahito Tashiro; Isao Asaishi; Yutaka Nogami; Tsutomu Tsukada
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1993-05-20
Also published as: JPS63244847A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、プラズマを利用するドライエツチン
グ装置におけるエツチング終点検出方法に関す
る。

（従来の技術）ドライエツチングの終点を自動的に検出する方
法としては、従来、被エツチング膜種やエツチン
グガス種に応じて、特定の波長の発光強度を測定
して行なう発光分光法が広く用いられている。

発光現象に注目し発光強度を測定してエツチン
グの終点を判定する方法としては、例えば、特開
昭58−215030号公報に記載のように、エツチング
前の発光強度を記憶しておき、各時刻で発光強度
をこれと比較して、この値が記憶してある初期値
に戻つたときを終点とする方法や、例えば、特開
昭58−216423号公報に記載のように、発光強度の
差分、即ち勾配が所定移動平均値以下となる点を
終点とする方式などがある。

従来のこれらの終点検出方法は、エツチングの
進行状態に依存する発光スペクトルの強度、また
はそれと、エツチングの進行状態に依存しない他
の事象（発光スペクトル強度等）との比較を利用
するものということが出来る。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら上記従来の方法は、全体の面積に
対してエツチングされる面積の小さいウエハーの
エツチングの場合は、エツチングの進行状態に依
存する特定の発光スペクトル強度の変化量が微少
で、それが、エツチング装置内の圧力変動等に起
因するノイズレベルやスペクトルの変動と同程度
またはそれ以下であるため、エツチングの終点を
誤検出することがあつた。

更に詳細に説明すると、エツチング工程中に得
られるプラズマの発光強度の測定データは次の２
つの問題を内蔵している。

問題の１つは、周期性のない浮動即ちレベル変
動が、測定データに含有されている場合のあるこ
とであつて、このレベル変動がエツチング終了時
の信号変動量を容易に超過するため、検出の基準
即ち閾値を無意味にしてしまうことである。

例えば、シリコンウエハー上でSiO₂のコンタ
クトホールをエツチングする場合がそれに当た
る。この頃のパターンの開口比は５％以下しかな
いものもある。そうした開口比の小さいエツチン
グでは、検出される信号を２万倍程にも増幅しな
いと、判定に足る変化が生じないが、そこで生じ
る程度の検出信号の変化は、微少の投入パワーの
誤差、圧力の誤差、ガス流量の誤差等で簡単に引
き起こされる。

また、バツチ式の装置においては、装置を必ず
しもいつもフルロードの状態で稼働させるわけで
なく、ダミーウエハーを数枚入れて稼働させるこ
とがしばしばあるが、その時にはダミーウエハー
の枚数が変化するとそれだけで既に問題となる程
の発光強度のレベル変動が起こる。

問題点の他の１つは、比較的長周期の雑音成分
が測定データに含まれている場合があることであ
り、測定データには、数Hz〜0.05Hzの周期の大き
い雑音成分が含まれていることが多く、これを除
去するためには、サンプリングで得た測定値群を
一定時間内で算術平均したり、サンプリング間隔
を10〜20秒またはそれ以上に比較的長くとつたり
して、雑音の影響を極力少なくする方法等も採用
せざるを得ないことである。

（発明の目的）本発明は、上記の問題を解決し、正確にエツチ
ングの終点を検出するドライエツチング終点検出
方法を提供することを目的とする。

（問題を解決するための手段）放電プラズマにより発生したイオンやラジカル
によつて被加工物をエツチング加工するドライエ
ツチングの終点検出方法において、エツチング加
工中にエツチングの進行状態に依存してエツチン
グガス内に発生する、原子、分子またはイオンの
特定の複数の発光スペクトルの強度をそれぞれ電
気信号に変換し、それら電気信号の相互間に四則
演算を施して得られる電気信号を基礎データと
し、この基礎データ群の時間についての２次微分
値を求め、この２次微分値が負から正に転じた時
期において、 (A) この２次微分値が、少なくとも所定時間だけ
連続して負であり続けたこと。

(B) この２次微分値の絶対値が、少なくとも一度
は所定値以上となつたこと。

(C) この２次微分値の絶対値の時間的積分値が、
所定値以上であること。

の３条件が満足されるとき、その時点を終点とし
て判定するドライエツチング終点検出方法によつ
て前記目的を達成したものである。

（実施例）本発明の実施例を説明する前に、従来技術の幾
つかを、本願の発明者が行なつたSiO₂膜のエツ
チングを例に取り上げて説明する。

使用した酸化シリコン膜は、周知の熱酸化法に
よりシリコンウエハ上に0.5μｍ形成したものであ
り、その上にフオトレジストパターンを形成した
ものである。フオトレジスト材料には、OFPR−
800（東京応化(株)の商品名）を用いた。この試料を
平行平板型のドライエツチング装置内に設置しエ
ツチングを行つた。その時のエツチング条件はエ
ツチングガスがHe＋CHF₃40％＋O₂10％ガス、
ガス流量は100sccm、エツチング圧力は1.5Torr、
高周波電力は500W（13.56MHz）である。

なお、エツチングガス中のCHF₃の代わりに、
CF₄，C₂F₆，C₃F₈，C₄F₈ガスやこれらの混合ガ
スを用いてもよい。

なお、酸化シリコン膜は通常のCVD法で形成
したものでも同様の結果が得られている。

第４図はこれに用いたエツチング終点検出装置
である。エツチング装置内に発生するプラズマ１
の発光を、ガラス窓を通して処理槽外に取り出
し、光学的バンドパスフイルター２，２′を用い
てそれぞれCO（波長483.5nｍ）とHe（波長667.8n
ｍ）の発光スペクトルを選定し、光電変換器３，
３′により、それぞれを発光スペクトル強度に対
応する電気信号に変換し、さらに増幅器４，４′
により、０〜10Vの電気信号へ変換した。その電
気信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器５，５′を通つて
デイジタル化されたのち、コンピユーター６に取
り込まれ、先ず差が取られて基礎データが得ら
れ、この基礎データの上に終点検出を容易にする
必要な各種の演算処理が行なわれるようになつて
いる。

さてフツ化炭素系ガスとヘリウムガスとを含む
混合ガスのグロー放電プラズマの、波長561.0n
ｍ，519.8nｍ，483.5nｍおよび451.1nｍの一酸化
炭素分子の発光スペクトル強度と、波長706.5n
ｍ，667.8nｍおよび587.6nｍのヘリウム原子の発
光スペクトル強度は、グロー放電プラズマの変動
によつて同一傾向の変動を示す。例えば、グロー
放電プラズマの変動により一酸化炭素分子の発光
スペクトル強度が増加した場合、ヘリウム原子の
発光スペクトル強度も同様に増加する。また、都
合のよいことに酸化シリコン膜のドライエツチン
グ終点において、一酸化炭素分子の発光スペクト
ル強度は減少するが、一方、ヘリウム原子の発光
スペクトル強度は逆に増加する。

従つて、一酸化炭素分子の発光スペクトル強度
と、ヘリウム原子の発光スペクトル強度の差、の
経時変化をモニタリングしておれば、グロー放電
プラズマの変動に起因する一酸化炭素分子の発光
スペクトル強度の変動は、ヘリウム原子の発光ス
ペクトル強度の変動で打ち消され、また、酸化シ
リコン膜のドライエツチング終点における一酸化
炭素分子の発光スペクトル強度の減少量は、ヘリ
ウム原子の発光スペクトル強度の増加により強調
される。

上述の理由で、波長561.0nｍ，519.8nｍ，
483.5nｍまたは451.1nｍの一酸化炭素分子の発光
スペクトル強度と、波長706.5nｍ，667.8nｍまた
は587.6nｍのヘリウム原子の発光スペクトル強度
とを比較することで、酸化シリコン膜のドライエ
ツチング終点検出を正確に行うことが出来る。

第５図には上記条件で酸化シリコン膜をエツチ
ングしたときの発光スペクトル強度の経時変化を
示している。図中のＡは、中心周波数483.5nｍの
光学バンドパスフイルターを用いて得た一酸化炭
素分子の発光スペクトル強度を電気的に変換した
電圧Ｖの経時変化、Ｂは中心周波数667.8nｍの光
学バンドパスフイルターを用いて得たヘリウム原
子の発光スペクトル強度の同様の経時変化、Ｃは
ノズルが除去されるように、ＢをＡから差し引い
て４倍した値の経時変化を示す。

図から明らかなように、グロー放電プラズマの
変動の影響が大きくて、ＡやＢの曲線では正確な
ドライエツチングの終点検出は困難であるが、両
者の差を取つた曲線Ｃからであればドライエツチ
ングの終点検出は遥かに容易である。

更にまた、上記では一酸化炭素分子の発光スペ
クトル強度Ａからヘリウム原子の発光スペクトル
強度Ｂを直接差し引いた値Ｃの経時変化を用いて
いるが、例えば、グロー放電プラズマの変動に起
因する一酸化炭素分子の発光スペクトル強度の変
動量と、グロー放電プラズマの変動に起因するヘ
リウム原子の発光スペクトル強度の変動量とが一
致するように、ヘリウム原子の発光スペクトル強
度Ｂを増幅し、且つまた、一酸化炭素分子の発光
スペクトル強度とヘリウム原子の発光スペクトル
強度とが同一値を示すように、ヘリウム原子の発
光スペクトル強度から一定量を差し引いた値を用
意して、これと一酸化炭素分子の発光スペクトル
強度とを比較するようにすれば、酸化シリコン膜
のエツチング作業中にグロー放電プラズマの変動
が起きても両者の値は常に等しく、エツチングが
終点を通過したときにはじめて不等となつて、終
点検出が容易になる。

第５図には、この差の値を基礎データとして、
これにさらに必要な演算処理を施した結果の曲線
Ｄ，Ｅが示されている。これらは、エツチングの
終点判定を一層容易にし、機械によつてもエツチ
ング終点お自動判定が出来るようにするため、１
次微分曲線Ｄと、それに続く２次微分曲線Ｅを求
めたものである。

以下に述べるように、１次微分曲線Ｄは最小自
乗法を用い、２次微分曲線Ｅは曲線Ｄの上に移動
微分法を用いて求めた。

即ち、曲線の様子より、近似処理区間を10sec
（ｔ−10からｔまで）と定めて、その１次近似直
線Ｙ＝aT＋ｂを最小自乗法（１次）により求め、
この直線の式のＴの１次の係数ａをその近似処理
区間の最終点（tsec）の微分値a_tとする。そして
このような演算を近似処理区間を1sec宛移動させ
ながら行なつていくと、最終的には、発光強度の
時間に関する１次微分a_tの曲線Ｄが得られた。近
似処理区間を10secよりも更に大きくとればノイ
ズは大いに低減出来るが、時間遅れを生じる、こ
の例の場合は10secが適当であつた。

この曲線Ｄで終点検出はさらに容易になつた
が、一層検出を容易にするため微分区間をやはり
10sec（ｔからｔ＋10まで）として、移動微分法でα＝｛f_(t+r)−f(t)｝／10 を求め、αをその微分区間の最終点（ｔ＋10）の
微分値α_(t+10)とする。

この演算を、微分区間を1secずつ移動させなが
ら行なつていくと、最終的には基礎データの時間
に関する２次微分α（ｔ＋10）の曲線Ｅが得られ
る。この場合の微分区間も先の近似処理区間と同
様に設定には注意が必要であるが、この例では同
じ10secが適当であつた。

これらＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの曲線は第４図の装
置によれば、エツチング工程をモニタしながらリ
アルタイムで描くことが出来る。

曲線Ｃのエツチングの終点と思われる時点Ｐ
で、曲線Ｅが0Vの線をクロス（ゼロクロス）し
ている。この点Ｐは、実際には曲線Ｃの変曲点に
当たるのであるが、この例の場合では最小自乗法
や移動微分法の演算の時間的遅れの結果、この変
曲点Ｐが終点と一致していた。

この例の場合は、エツチング終点検出の判断に
は、最小自乗法と移動微分法の両者を用いて得た
２次微分値が殊に適し、この値がある時間負の値
を示し、その後、ゼロを通過して正の値を示すよ
うになるゼロクロスの点を終点と判断できる。

この装置では、そのゼロクロス（終点）の点
で、コンピユーターが垂直のラインＱをグラフ描
くようにプログラムされており、第５図はライン
Ｑの引かれた状態を示している。総エツチング時
間は93secであつたのでその時間も図に記入され
ている。

上述はSiO2膜のエツチングの場合であつたが、
シリコンウエハー上のSi₃N₄膜のエツチングの場
合（第６図）（388nｍと668nｍの発光スペクトル
を用いる）や、シリコンウエハー上のSiO2＋
Si₃N₄膜のエツチングの場合（第７図）（483nｍ
と668nｍを用いる）でも上述同様の成積が得ら
れる。

次いで以下には、本発明の方法につき記載す
る。

さて、先の第５図は終点検出の極めて容易な場
合であつて、実際に曲線Ｅがこのように、機械に
も判別の容易な明確なゼロクロスを行なうケース
は珍しい。

通常のSiO2膜のエツチング終点検出用の曲線
Ｅは、第１，２，３図のような複雑な形状を示
し、そのため、曲線Ｅの単純なゼロクロスだけに
注目する上記の方法では致底機械に委せて正常な
終点検出を行なうことが出来ない。

これら第１，２，３図の図は、同じ枚葉式ドラ
イエツチング装置で、同等のパターンのウエハー
を、時間的にもかなり近接してエツチング処理し
たときに得られたグラフであるから、エツチング
終点検出の自動判定が如何に難しいかがわかる。

即ち２次微分の曲線Ｅは、エツチング終点Ｐ以
外の時点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３でも、0Vの線を負か
ら正へとクロスしており、これらの点をエツチン
グ終点と誤つて検出してしまう可能性がある。

本願の発明者は、実験で得られた多くのこれら
曲線を検討した結果、次記する３つの条件が全て
満足されたときのゼロクロス点を終点と判別する
ようコンピユーターのプログラムを組めば、誤検
出の恐れなく機械にもエツチングの終点検出を自
動判定させ得ることを見いだし、実用価値の高い
自動エツチング終点検出装置を完成した。

即ち、前述の２次微分値が負から正に転じた時
期Ｐにおいて、下記３条件が満足されておれば、
その時期Ｐを終点と判定するような方法を採用す
る装置である。

(A) 前述の２次微分値が、少なくとも所定時間Ｔ
だけ連続して負であり続けたこと。

(B) 前述の２次微分値の絶対値が、少なくとも一
度は所定値ｑ以上となつたこと。

(C) 前述の２次微分値の絶対値の時間的積分値Ｓ
が、所定値以上であつたこと。

但し、それら所定値はすべて実験によつて決定
されるものである。

なお、十分に安定したエツチング装置であれ
ば、上記条件(A)(B)(C)の１個または２個の満足だけ
でも良好な判定が可能となり得ることが判明して
いる。

更に、上記では第４図の装置のように、Ａ／Ｄ
変換器を置いて、デイジタルコンピユーターで終
点をデイジタル的に検出行したが、これらの全て
をアナログ的に構成し、アナログ・コンピユータ
ーで処理しても終点検出は可能である。アナログ
的処理は、エツチング速度が速い場合に適する。

（発明の効果）本発明によれば、従来難しいとされていたエツ
チング面積の小さい場合の、ウエハーのエツチン
グ終点検出をも、極めて正確に、確実に行なうこ
とが出来、その実用的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１，２および３図は、それぞれ本発明のエツ
チング終点検出方法の実施例の平行平板型ドライ
エツチング装置のSiO2膜のエツチング終点検出
用曲線の図である。第４図は、ドライエツチング
終点検出装置の構成図である。第５図は、従来の
平行平板型ドライエツチング装置の、SiO2膜の
エツチングを行なつたときのエツチング終点検出
結果である。第６図は、従来の平行平板型ドライ
エツチング装置の、Si₃N₄膜のエツチングを行な
つたときのエツチング終点検出結果である。第７
図は、従来の平行平板型ドライエツチング装置
の、SiO2＋Si₃N₄膜のエツチングを行なつたとき
のエツチング終点検出結果である。１…プラズマ、２，２′…光学バンドパスフイ
ルター、３，３′…光電変換器、４，４′…増幅
器、５，５′…Ａ／Ｄ変換器、６…コンピユータ
ー。

Claims

【特許請求の範囲】１放電プラズマにより発生したイオンやラジカ
ルによつて被加工物をエツチング加工するドライ
エツチングの終点検出方法において、エツチング
加工中にエツチングの進行状態に依存してエツチ
ングガス内に発生する、原子、分子またはイオン
の特定の複数の発光スペクトルの強度をそれぞれ
電気信号に変換し、それら電気信号の相互間に四
則演算を施して得られる電気信号を基礎データと
し、この基礎データ群の時間についての２次微分
値を求め、この２次微分値が負から正に転じた時
期において、 (A) この２次微分値が、少なくとも所定時間だけ
連続して負であり続けたこと。 (B) この２次微分値の絶対値が、少なくとも一度
は所定値以上となつたこと。 (C) この２次微分値の絶対値の時間的積分値が、
所定値以上であること。の３条件が満足されるとき、その時点を終点とし
て判定することを特徴とするドライエツチング終
点検出方法。