JPH0682636B2 - ドライエッチング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、処理室において被処理基板に対してドライエ
ッチングを施して形成されたエッチング穴または溝の底
部における寸法および形状を監視して被処理基板に対し
てドライエッチングを施すのに好敵なドライエッチング
方法に関する。

〔発明の背景〕

半導体デバイスの高集積化を達成するため、従来の平面
的素子構造から立体的素子構造へ転換が行われている。
そのため、例えばドライエッチングによりシリコン基板
に深さ３〜５μｍの穴をあけたり、幅１〜２μｍの溝を
形成する技術が必要となる。

前記穴をあけたり、溝を形成したりする処理は、プロセ
ス条件の設定が厳しい。ところが、長時間の処理による
低圧処理室壁面への重合物およびガスの吸着が主原因と
なって現われる反応ガスの微妙な組成の変化により、経
時的にプロセス条件が変化する。その結果、エッチング
形状に異常をきたしたり、エッチングレートが変化し、
所定の深さにエッチングできないことがある。また、反
応ガス圧、印加電力の微妙な変動に対して、エッチング
結果に異常をきたす。

具体的には、 穴・溝底面に針状の突起が生じる、 穴・溝底面周囲が深くエッチングされる、 穴・溝の底の方が細くなる、 穴・溝の深さがばらつく、 などの異常が発生する。

ところで、前記穴や溝の異常を監視する従来技術とし
て、ソリッドステートサイエンスアンドテクノロジー
（Solid state Sciense ＆ Technology）1973年５月号
の記事「シリコン上の酸化シリコン及び窒化シリコンの
エッチングに関するグレーティングテストパターンを用
いた光学監視」（「Optical Monitoring of the Etchin
g of SiO₂ and Si₃N₄ on Si by the Use of Grating Te
st Patern」（Ｈ・Ｐ・Kleinknecht ＆ H・Meier））に
は、テストパタンとして回折格子を用い、この回折格子
状パタンのエッチング中に、この回折格子に光を照射
し、反射回折光の干渉により、エッチング量を測定する
技術が紹介されている。この従来技術では、テストパタ
ンを設けることにより、ノイズ成分の少ない信号を取り
出せるため、エッチング量の監視には優れた技術であ
る。しかし、この従来技術では、前述した〜の異常
監視が難しい。

さらに、他の従来技術として、特開昭54−17872号公報
に開示されている技術がある。しかし、かかる公報に示
されている技術では、穴・溝の形状の異常の監視には必
ずしも適切ではない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決すべく、処
理室において被処理基板に対してドライエッチングを施
して形成されたエッチング穴または溝の底部における寸
法および形状を監視して被処理基板に対して適切なドラ
イエッチングを施して半導体等の製品を歩留まりよく製
造することができるようにしたドライエッチング方法を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、上記目的を達成するために、処理室において
被処理基板に対してドライエッチングを施してエッチン
グ穴または溝を形成するドレイエッチング方法におい
て、前記処理室の外側からレーザ光を位置決めして窓を
通して前記エッチング穴または溝が形成された被処理基
板上の所望の箇所に被処理基板対してほぼ垂直方向から
照射し、該被処理基板に形成された前記エッチング穴ま
たは溝の底から得られる高次の回折光を前記窓を通して
光電変換手段で検出し、該光電変換手段で検出された高
次の回折光に基づく強度を示すコントラスト信号に基づ
いてエッチング穴または溝の底部における深さ方向の異
常を検出して該検出された異常を表示または警告し、更
に前記検出された異常を前記ドライエッチングにフィー
ドバック制御することを特徴とするドライエッチング方
法。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、ドライエッチング装置と、これに付設された
本発明エッチング穴・溝の監視装置の一実施例を示す。

前記ドライエッチング装置は、低圧処理室１と、これに
設置された陽極２および陰極３と、高周波電源４と、こ
れの制御系５と、前記低圧処理室１に形成された窓６と
を有して構成されている。なお、符号７はウエハを示
す。

前記エッチング穴・溝の監視装置の第１図に示す実施例
のものは、Ｘステージ８と、Ｙステージ11と、θステー
ジ17と、レーザ光源21と、透明部を有するすりガラス27
と、第１の光検出器28と、第２の光検出器32と、A/D変
換器34と、モータ制御系35と、マイクロコンピュータ36
と、CRT37と、異常表示器38とを備えて構成されてい
る。

前記Ｘステージ８は、前記ドライエッチング装置の低圧
処理室１に形成された窓６に対向する位置に設置されて
いる。また、Ｘステージ８はモータ制御系35に接続され
たモータ９と、これに連結されたボールねじ10とを有す
る駆動部により、Ｘ方向（第１図において左右方向）に
移動操作されるようになっている。

前記Ｙステージ11は、前記Ｘステージ８の一方の面側に
設置され、またＹステージ11に取り付けられたガイドブ
ロック12と、Ｘステージ８に固定されたガイドロッド13
とを介してＹ方向（第１図において上下方向）に案内さ
れている。そして、前記Ｙステージ11はモータ制御系35
に接続されたモータ14と、これに連結されたボールねじ
15と、ナット16とを有する駆動部により、前記Ｙ方向に
移動操作されるようになっている。

前記θステージ17は、Ｙステージ11に回動可能に設置さ
れており、モータ制御系35に接続されたモータ18と、こ
れに連結されたピニオン19と、θステージ17の外周に設
けられたギヤ20とを有する駆動部により、回動操作され
るようになっている。

前記レーザ光源21には、He−Neレーザ等が用いられてお
り、このレーザ光源21は前記θステージ17の一方の面側
に設置されている。そして、このレーザ光源21から発せ
られたレーザ光はミラー22,23により反射され、レンズ2
4,25により紋られ、ハーフミラー26により反射され、す
りガラス27の透明部から低圧処理室１に形成された窓６
を通ってウエハ７に照射されるようになっている。

前記すりガラス27は、前記低圧処理室１に形成された窓
６に対向させて、前記θステージ17の一方の面側に設置
されている。

前記第１の光検出器28は、前記すりガラス27の一方の面
側に配置され、ウエハ７から反射されてくる特定の回折
光を検出し、これをA/D変換器34に送るようになってい
る。また、この第１の光検出器28はモータ制御系35に接
続されたモータ36と、これに連結されたボールねじ30
と、第１の光検出器28に結合されかつボールねじ30に螺
合されたアーム31とを有する検出位置決定部により、前
記ウエハ７から反射されてくる回折光のうちの、特定の
回折光を検出し得るように、検出位置を調整可能に支持
されている。

前記第２の光検出器32は、前記すりガラス27の一方の面
側に配置され、ウエハ７の表面で回折せずに正反射した
反射光を検出し、これをA/D変換器34に送るようになっ
ている。なお、前記第２の光検出器32はレバー33を介し
てθステージ17に固定されている。

前記A/D変換器34は、第１の光検出器28から送り込まれ
た特定の回折光と、第２の光検出器32から送り込まれた
反射光とを、それぞれ光電変換し、マイクロコンピュー
タ36に送るようになっている。

前記マイクロコンピュータ36は、A/D変換器34から送り
込まれたデータから光強度変化のコントラストを求め、
そのコントラストとしきい値とを比較し、エッチング異
常を検出した時、CRT37および異常表示器38に異常を表
示すべく信号を送ると同時に、前記ドライエッチング装
置の制御系５に停止信号を送るようになっている。

前記Ｘステージ８およびその駆動部と、Ｙステージ11お
よびその駆動部と、ミラー22,23およびレンズ24,25なら
びにハーフミラー26とにより、レーザ光源21から発せら
れたレーザ光をドライエッチング装置で処理中のウエハ
７上の任意の点へ照射する手段が構成されている。

また、前記θステージ17およびその駆動部と、第1,第２
の光検出器28,32と、前記第１の光検出器28の検出位置
決定部とにより、ウエハ７から反射してくる回折光のう
ちの、特定の回折光を検出する光検出手段が構成されて
いる。

さらに、前記A/D変換器34と、マイクロコンピュータ36
とにより、前記光検出手段で検出された検出光の強度変
化からコントラストを求め、そのコントラストの大きさ
からエッチング異常を検出する異常検出手段が構成され
ている。

次に、第１図〜第11図に関連して前記実施例の作用を説
明する。

第１図に示すドライエッチング装置の低圧処理室１内に
設置された陽極２に処理すべきウエハ７を配置し、つい
で低圧処理室１を処理条件に設定する。

ここで、レーザ光源21を点灯する。このレーザ光源21か
ら発せられたレーザ光は、ミラー22,23により反射さ
れ、さらにレンズ24,25により約５〜10φの平行ビーム
に形成され、ついでハーフミラー26、およびすりガラス
27の透明部を通り、低圧処理室１に形成された窓６を通
ってウエハ７上に照射される。

前記ウエハ７へのレーザ光の照射位置は、Ｘステージ８
の駆動部を構成しているモータ９およびボールねじ10を
介してＸステージ８を移動させ、またＹステージ11の駆
動部を構成しているモータ14およびボールねじ15を介し
てＹステージ11を移動することによって、任意に決定す
ることができる。

前記ウエハ７上に照射されたレーザ光は、ウエハ７上の
規則的パタンにより、後に詳述するように、反射，回
折，干渉し、低圧処理室１に形成された窓６を通じてす
りガラス27上に到達する。この光は、すりガラス27の面
で拡散し、第１の光検出器28に取り込まれる。

その際、第１の光検出器28の検出位置は、θステージ17
の駆動部を構成しているモータ18、ピニオン19およびギ
ヤ20を介してθステージ17を回転させ、また検出位置決
定部を構成しているモータ29、ボールねじ30およびアー
ム31を介して第１の光検出器28を位置変更させることに
よって決定でき、低圧処理室１に形成れた窓６から射出
する任意の光を検出することができる。

一方、前記ウエハ７の表面で回折せずに正反射した光
は、ハーフミラー26を通じて第２の光検出器32に取り込
まれる。

次に、第２図に示すパターンが配設された半導体装置の
エッチング過程を例にして、エッチング穴・溝の監視を
説明する。

一般にスリット数がＮ、幅ｄなる多スリットの回折像を
考察すると、この場合の光強度は第３図に示す曲線44の
ようになり、次式（１）に従う。

ここで、I_oは回折像の中心強度、ｌはスリットのピッ
チ、λは光の波長、ｂはスリットから回折像面までの距
離、Ｘは像平面上の位置であって回折像中心の距離であ
る。

第３図において、包絡線45は幅ｄなる単スリットの回折
像の強度分布であるが、式（１）から包絡線45が０
（零）になるのは、次式（２）が成立する時である。

また、スリット数Ｎが十分大きい時は、多重干渉により
鋭いピークが現れるが、そのピークの位置は次式（３）
に従う。

式（２）および式（３）でｍは整数、θは回折角度を示
す。

したがって、幅の異なるスリットの回折パタンは第４図
に曲線46および曲線47に示すごとき形状になる。

この時、回折像中心からの距離をＸと各曲線46,47との
間の面積は、それぞれの光束の光強度を示す。

式（１）から分かるように、曲線47を形成するスリット
の方が幅が小さく、光強度は小さいということになる。
ところが、第４図において点48の位置では２つの光束の
光強度は同程度となっている。また、領域49では曲線47
を形成する光束の光強度が大きくなっている。

ここで、前記第２図に示すパタンの回折像について考え
る。

この第２図において、Ｘ方向の回折光40,41に着目する
と、幅dX₁，dX₂ともに同程度の大きさになっているた
め、各パタンからの回折像は同じ形状をしている。さら
に、穴の面積に比べ、穴のない部分の面積が大きいた
め、つまり穴のない方の長さ幅dY₃が長いため、穴底か
ら反射してくる回折光41の回折像は、第５図に示す曲線
51のように、表面から反射してくる回折光40の回折像の
曲線50に比べ、全体に小さくなる。その結果、干渉のコ
ントラストは小さくなり、エッチングの監視は難しい。

これに対し、第２図においてＹ方向の回折は であるが、 は大きい。また、領域39はＹ方向の回折光を持たない。
したがって、第６図に示すように、 による回折光43（第２図参照）の曲線52が、 による回折光42（第２図参照）の曲線53より小さくなる
次数が存在する。

の場合を計算してみると、式（２）および式（３）より
ｍ＝３およびｍ＝５（３次回折光および５次回折光）を
検出すれば、コントラストが大きくなるため、より一層
正確な監視を行うことができる。

すなわち、第２図に示す表面パタンを有する場合は、Ｙ
方向の回折光のうち、３次,5次のものを検出しなければ
ならないことになる。

さらに、複雑なパタンの場合、表面のパタンから類推で
きず、全ての回折像を検出して、強度変化の生じるもの
を選び出さなければならないこともある。

ところで、前述のようにして得られる干渉波形は、基本
的に第２図に示すパタンの表面の領域39と穴底54からの
反射光の干渉による強度変化を含んでいる。したがっ
て、穴底54からの光が何らかの原因で弱くなった場合、
干渉強度変化のコントラストは小さくなる。

そこで、第７図に示すように、光強度変化の極大55と極
小56をたえず求めて行き、最も新しい極大値▲Ｉⁱ _max▼
と極小値▲Ｉⁱ _min▼からコントラストCⁱを式（４）から
求め、第１図に示すCRT37に表示する。ここで、Cⁱが異
常に小さくなった時、穴底54（第２図参照）からの光強
度が小さくなったことを知ることができる。これは、第
８図に示す穴底の針状突起57、第９図に示す穴底の形状
異常58,59、あるいは第10図に示す穴深さの穴ごとのば
らつき拡大などのエッチング異常を意味する。

そこで、針状突起、穴底の形状異常、あるいは穴深さの
穴ごとのばらつきについて、予め許容範囲を決め、この
許容範囲における光強度変化のコントラストを求め、そ
のコントラストをしきい値とし、逐時算出するコントラ
ストがしきい値より小さくなった時にエッチング異常と
して、第１図に示すCRT37または異常表示器38に表示す
ると同時に、ドライエッチング装置の制御系５に信号を
送り、エッチング処理を停止する。

また、第２の光検出器32による検出波形により、第11図
に示すようなパタンのエッチングマスク60のエッチング
量を監視することができる。また、この監視結果と、第
１の光検出器28による検出波形により求められた穴・溝
部のエッチング量とを比較することによって、エッチン
グ材対エッチングマスクのエッチングの速度比を監視す
ることができる。この場合も、選択比αの許容範囲を予
め決めておき、その範囲を超えた時にエッチング異常と
して表示すると同時に、ドライエッチング装置の制御系
５に信号を送り、エッチング処理を停止する。

以上は、エッチング中に穴・溝の深さが変化して行くこ
とを利用した光干渉法を用いている。

すなわち、干渉による光強度Ｉの変化を表した次式
（５）のｄが変化することによる光強度変化を検出して
いる。

ここで、r_s，r_bはそれぞれ穴のない表面および穴底から
反射する光の強度、λは照射光の波長、ｄは穴の深さで
ある。

式（５）は、穴の深さｄが一定の時は、波長λを変える
ことで、光強度変化を生じることも示している。

したがって、以上説明したエッチング穴・溝の監視は、
エッチング中でない場合には照射光の波長を連続的ある
いは離散的に変えることで、容易に達成することができ
る。すなわち、この実施例の監視装置では、エッチング
中に限らず、エッチング後のエッチング穴・溝の異常監
視に、容易に応用することができる。

なお、本発明ではレーザ光源21から発せられたレーザ光
をドライエッチング装置で処理中のウエハ７上の任意の
点へ照射する手段、ウエハ７から反射してくる回折光の
うちの、特定の回折光を検出する光検出手段、この光検
出手段で検出された検出光の強度変化からコントラスト
を求め、そのコントラストの大きさからエッチング異常
を検出する異常検出手段の具体的な構造は、図面に示す
実施例に限らず、所期の機能を有するものであればよ
い。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被処理基板上にテストパターンを用い
ることなく、処理室において比処理基板に対してドライ
エッチングを施して形成されたエッチング穴または溝の
底部における寸法および形状を監視して被処理基板に対
して適切なドライエッチングを施して半導体等の製品を
歩留まりよく製造することができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す概念図、第２図は
試料としてのウエハの一部拡大斜視図、第３図は回折光
の光強度を示す図、第４図は２つの回折像の比較図、第
５図および第６図は回折光の光強度を示す図、第７図は
干渉光の強度変化を示す図、第８図，第９図および第10
図はエッチング異常の例を示す図、第11図は試料として
のウエハの一部拡大斜視図である。 １……ドライエッチング装置の低圧処理室 ２……同陽極、３……同陰極 ４……同高周波電源、５……同制御系 ６……低圧処理室に形成された窓 ７……低圧処理室内に配置されたウエハ ８……監視装置のＸステージ 9,10……Ｘステージの駆動部のモータとボールねじ 11……Ｙステージ 12,13……Ｙステージのガイドブロックとガイドロッド 14,15,16……Ｙステージの駆動部のモータとボールねじ
とナット 17……θステージ 18,19,20……θステージの駆動部のモータとピニオンと
ギヤ 21……レーザ光源 22,23……レーザ光用のミラー 24,25……レーザ光用のレンズ 26……ハーフミラー、27……すりガラス 28……第１の光検出器 29,30,31……第１の光検出器の検出位置決定部のモータ
とボールねじとアーム 32……第２の光検出器、34……A/D変換器 35……モータ制御系 36……マイクロコンピュータ 37……CRT、38……異常表示器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】処理室において被処理基板に対してドライ
   エッチングを施してエッチング穴または溝を形成するド
   レイエッチング方法において、前記処理室の外側からレ
   ーザ光を位置決めして窓を通して前記エッチング穴また
   は溝が形成された被処理基板上の所望の箇所に被処理基
   板対してほぼ垂直方向から照射し、該被処理基板に形成
   された前記エッチング穴または溝の底から得られる高次
   の回折光を前記窓を通して光電変換手段で検出し、該光
   電変換手段で検出された高次の回折光に基づく強度を示
   すコントラスト信号に基づいてエッチング穴または溝の
   底部における深さ方向の異常を検出して該検出された異
   常を表示または警告し、更に前記検出された異常を前記
   ドライエッチングにフィードバック制御することを特徴
   とするドライエッチング方法。