JPH0785011B2 - エッチング装置及び方法 - Google Patents

エッチング装置及び方法

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JPH0785011B2
JPH0785011B2 JP4055377A JP5537792A JPH0785011B2 JP H0785011 B2 JPH0785011 B2 JP H0785011B2 JP 4055377 A JP4055377 A JP 4055377A JP 5537792 A JP5537792 A JP 5537792A JP H0785011 B2 JPH0785011 B2 JP H0785011B2
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trench
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    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、トレンチ構造を組み込
んだ集積回路に関し、特に、エッチングの終点検出に有
用な、トレンチ形成プロセスについての現場でかつオン
ラインの監視方法に関するものである。本発明はまた、
そのトレンチ形成プロセスを監視する装置にも関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の半導体基板中にエッチングで
形成するトレンチは、その長さに拘わらず、１以上のア
スペクト比（深さ対幅の比）を有するものが、ＶＬＳＩ
プロセス処理のいくつかの領域で望ましいものとされて
いる。特に、溝形のトレンチは、半導体基板中の各デバ
イス間の分離技法として、広く用いられている。トレン
チの形成を大変に必要とする別の領域は、ダイナミック
・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）にあり、こ
のメモリでは、個別の各メモリ・セルは、基本的にはＭ
ＯＳトランジスタ／コンデンサの組み合わせから成って
いる。その標準的な記憶用プレーナ形コンデンサが占め
るセル領域を減少させることができれば、ＭＯＳ ＤＲ
ＡＭの詰め込み密度をより高くすることができる。これ
は、コンデンサの誘電体を、半導体基板中に十分深くエ
ッチングした穴の側壁に配置して、上記プレーナ形コン
デンサのものと同等な表面領域を備えるようにすること
によって、実現することができる。その穴のことを、文
献では共通してトレンチと呼んでいる。ただし、そのよ
うな応用におけるトレンチは、分離目的に必要なものよ
りも深くなる傾向があり、また、それ自身の特有の要件
がある。
【０００３】トレンチ・コンデンサを有するＭＯＳ Ｄ
ＲＡＭセルの製造における、現行技術のトレンチ形成プ
ロセスについて、図１〜図５を参照しながら以下に述べ
る。これらの図は、そのプロセスの種々のステップにお
ける半導体構造の横断面図である。図１には、在来の半
導体構造１０について、１部を例示してあり、この構造
は、絶縁用トレンチの複合ハードマスク１２を被覆した
シリコン（Ｓi）基板１１を備えている。マスク１２
は、典型的には、２５ｎｍ厚の基部即ち下部の２酸化シ
リコン（ＳiＯ2）層１３と、５５ｎｍ厚の中間の窒化シ
リコン（Ｓi3Ｎ4）層１４と、３００ｎｍ厚の上部の熱
分解性の２酸化シリコン（ＳiＯ2）層１５と、から成る
ものである。この最後の層は、化学気相成長（ＣＶＤ）
技法で堆積させるのが好ましい。そして、この構造の上
には、フォトレジスト物質の層１６（例えば、ドイツ、
ヴィースバーデンのヘキスト社が供給するＡＺ１３５０
Ｊ）を、約８００ｎｍの厚さで形成する。この半導体構
造１０は、処理される１枚のウェーハ（多数のチップを
含む）の１部分であると理解されるべきである。
【０００４】次に、フォトレジスト層１６は、リソグラ
フィ用マスクを介して紫外光への露出を行い、そして次
に標準通りに現像を行って、所望のパターンの開口のあ
るフォトレジスト・マスクを生成する。次に、その開口
パターンは、その下のトレンチマスク１２をドライエッ
チングによってエッチングするための、現場マスク（in
-situ mask）として用いる。現行のＶＬＳＩ用ドライエ
ッチング・プロセスは、高圧プレーナ・プラズマエッチ
ングまたは低圧反応性イオンエッチングのいずれかによ
って、行っている。このエッチング・プロセスは、通
常、あるガスからの反応性種（原子、ラジカル、イオ
ン）の生成に依存するものであり、それら種は、エッチ
ングする表面に吸収されることになる。そして、この表
面とそれらの種との間に化学反応が生じ、そしてそれの
ガス状反応生成物がその表面から除去されることにな
る。代表的には、アメリカ合衆国カリフォルニア州サン
タクララのアプライド・マテリアル社が供給する、ＡＭ
Ｅプレシジョン５０００のような磁気増強型反応性イオ
ンエッチング（ＭＥＲＩＥ（Magnetically Enhanced Re
active Ion Etching））プラズマエッチング・システム
を適切に用いることにより、上記フォトレジスト・マス
ク１６を介してハードマスク１２のエッチングを行う。
これでは、異なった種々の組成のガス混合物（例えばＣ
ＨＦ3＋Ｏ2）を用いてもよい。次に、残存しているフォ
トレジスト層１６を、標準通り、例えば、その同じＡＭ
Ｅ５０００装置内において酸素（Ｏ2）中で灰化するこ
とにより、除去する。このステップが終了した時にその
結果として得られる構造は、図２に示してあり、これ
は、トレンチマスク１２中に、１７で指示した１つの開
口のみを持っている。この開口１７は、標準通りの穴で
よいが、しかし、そのような特定の円形形状に限定され
るものではない。例示目的のため、その開口１７は円形
とし、また基板表面での径又は幅はＷｓとする。
【０００５】次に、トレンチマスク１２を現場マスクと
して用いて、シリコン基板１１にトレンチ形成用のエッ
チングを行う。これは、基本的には、比較的複雑なプロ
セスによって実現するものであり、これは、トレンチを
エッチングしている限り連続的にＳiＯ2の再堆積を生じ
させる化学作用を用いる。例えば、ＨＢr＋ＮＦ3＋Ｓi
Ｆ4＋Ｈe＋Ｏ2の混合ガスが適当であるが、その理由
は、シリコンをエッチングするフッ素ラジカル（Ｆ）
と、そのエッチングしたシリコンと結合して臭化シリコ
ンラジカル（ＳiＢr）（これは更に、酸素（Ｏ2）と反
応して上記のＳiＯ2再堆積を生じさせる）を形成する臭
素ラジカル（Ｂr）と、を生成するからである。その代
表的なガス流量は、次の通りである。即ち、ＨＢr（４
５ｓｃｃｍ）、ＮＦ3（７ｓｃｃｍ）、ＳiＦ4（５ｓｃ
ｃｍ）、及びＨe＋Ｏ2（１３ｓｃｃｍ）。このような在
来のトレンチ形成プロセスについて、次に簡単に説明す
る。
【０００６】予備的な洗浄ステップでは、ＨＢr＋ＮＦ3
ガスを用いて、それより前のステップで生成されている
可能性のある自然な酸素微粒子を全て除去する。微粒
子、そしてより一般的にはいかなる汚染物も、ＤＲＡＭ
製品の信頼性に有害なマイクロマスキング効果の原因と
なるものである。残存しているトレンチマスク１２の厚
さは、この予備ステップの後では、３００ｎｍ程度とな
る。
【０００７】次のステップでは、上記のＨＢr＋ＮＦ3＋
ＳiＦ4＋Ｈe＋Ｏ2ガス混合物と上述のプラズマエッチン
グ・システムを用いて、所望の強力な異方性でもってシ
リコンを選択的にエッチングする。このエッチング・プ
ロセスを実行するのには、以下のパラメータが適切であ
る。即ち、電力＝７００Ｗ、周波数＝１３.５６ＭＨ
ｚ、磁界Ｂ＝５５Ｇ、そして圧力＝１３.３Ｐａ。この
シリコンをエッチングするとき、薄い熱分解性２酸化シ
リコン（化学量論的ＳiＯ2とみなす）の層が、連続的に
この構造上に再堆積される。ＳiＯ2のこの再堆積は、適
当な傾斜の形成と、トレンチの側壁の平坦性を確保する
ものである。このことは、本トレンチ形成プロセスの中
間段階を図示した図３から明らかである。この図３にお
いて、１８で指示したＳiＯ2の再堆積した層は、Ｔｈで
表した厚さをもち、そしてトレンチは番号１９で指示し
ている。本プロセスのこの段階においては、トレンチに
関係する重要なパラメータは、そのＳiＯ2再堆積層の深
さＤと厚さＴｈ、そしてテーパ角θである。
【０００８】このトレンチ形成プロセスが終了した時、
その結果として得られる構造を図４に示す。最終的なそ
のＳiＯ2再堆積層とトレンチは、それぞれ１８ｆ、１９
ｆで指示してある。層１８ｆの全厚Ｔｈｆは、１５０ｎ
ｍ程度であり、そしてそのエッチング・プロセスの全所
要時間は、約１０分である。従って、基板１１上に残存
している絶縁層の全厚は、約４５０ｎｍである。
【０００９】最後に、図５は、上述の熱分解性のＳiＯ2
層１５及び１８ｆを全て上記構造から除去した時に最終
的に得られるトレンチ１９ｆの詳細な輪郭を示しいて
る。シリコン基板１１の上面とその底部とでは、トレン
チの幅は、それぞれＷｓ及びＷｂである。Ｄｆで表すシ
リコン基板１１中の最終的なトレンチの深度、及びトレ
ンチ１９ｆの最終的なテーパ角θｆが、このトレンチの
最終的な輪郭を特徴付けている。
【００１０】Ｔｈ（Ｔｈｆ）、θ（θｆ）及びＤ（Ｄ
ｆ）は、トレンチ形成プロセスのキー・パラメータであ
る。トレンチの物理的特性を非常に注意深く制御し、殆
どの応用分野において満足のいく結果を得なくてはなら
ないことは、疑いのないことである。このことは、テー
パ角θｆで例示するトレンチの横断面輪郭があらゆる観
点において特に関係するＤＲＡＭ技術において、特に当
てはまることである。トレンチの側壁は、実質的に垂
直、即ち垂直から約２度の角度を形成しなくてはならな
い。それに加えて、トレンチの内面は、滑らか、即ち荒
さが全くないようにし、これにより、後で堆積させてコ
ンデンサ誘電体を形成することになる非常に薄いＳiＯ2
層の完全性を確保しなくてはならない。
【００１１】従って、ＤＲＡＭのあらゆる製造業者の目
的は、滑らかな側壁と丸い底部とを有するトレンチを、
その傾斜及び深さを制御しつつ形成するため、上記のよ
うなプロセスを監視することである。特に、トレンチに
関係するパラメータには、所定の非常に正確な値をもた
せなければならない。それらの値は、代表的には、θｆ
＝２度（±１度）、Ｄｆ＝７.５ミクロン（±１ミクロ
ン）である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】現在までのところ、上
記のＳiＯ2再堆積ステップの後には、続けて偏光解析を
行って、層１８の厚さＴｈの増加を測定するが、その理
由は、その厚みの成長（エッチング期間即ち時間ｔに依
存する）とテーパ角θとの間に比較的良好な相関関係が
あるからである。しかし、残念ながら、その相関関係
は、その対応する深さＤに関しては乏しい。例えば、ト
レンチは、同じ最終テーパ角θｆで異なる最終深度Ｄｆ
を有することがある。このために、トレンチ形成プロセ
ス・ステップの終了後、図５の構造の段階にある１枚の
サンプル・ウェーハをスライスすることにより横断面を
得、そしてこの横断面で、ＳＥＭ分析することによっ
て、最終深度Ｄｆ及びテーパ角θｆの正確な判定を行な
うようにしているのである。もしこれらの値が仕様値か
ら外れているとしたら、そのウェーハの全ロットが廃棄
されることになる。
【００１３】まとめれば、そのようなトレンチ形成プロ
セスは従来、不正確な偏光解析法に基づいた技法によっ
て脇で監視していた。この技法は、トレンチの所望の深
度に達するまで、何回かその操作を繰り返す必要があ
る。この操作の各々の終了時に、ＳＥＭ横断面分析を用
いてトレンチ・パラメータの実際の値、即ち、テーパ角
と深度とを決定していた。従って、これまでのところ、
現行技術の監視方法は、代表的には、現場外（ex-sit
u）でかつオフラインの技法に基づくものであった。更
に、この既知の方法は、費用がかかり（そのコストは、
上記操作の各々において、ロットあたり１ウェーハであ
る）、しかも、ＳＥＭ横断面分析の結果が出るのを待っ
ている間のアイドル・プロセス時間のために、時間がか
かるものであった。その結果として、この既知のトレン
チ形成プロセス監視方法は、いくつかの顕著な難点をも
つものであり、本発明は、これらの克服を意図したもの
である。
【００１４】従って、本発明の第１の目的は、ドライエ
ッチングにより半導体基板内でトレンチを形成するプロ
セスについて、それについての現場でかつオンラインの
監視方法を提供することである。
【００１５】本発明の別の目的は、手動または自動の効
果的なエッチング終点検出能力を有する、ドライエッチ
ングによる半導体基板へのトレンチの形成プロセスの現
場でかつオンラインの監視方法を提供することである。
【００１６】本発明の別の目的は、偏光解析法及びＳＥ
Ｍ横断面分析に基づいた、高価で時間のかかる従来の監
視方法とは異なる、ドライエッチングによる半導体基板
へのトレンチ形成プロセスの現場でかつオンラインの監
視方法を提供することである。
【００１７】本発明の更に別の目的は、上述のドライエ
ッチングによる半導体基板へのトレンチ形成プロセスの
現場でかつオンラインの監視方法を実施する装置を提供
することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明では、エッチング
・システム全体は、ドライエッチング機器を含んでい
て、この機器は、側部及び上部のクォーツ窓を有するエ
ッチング・チャンバ並びに監視装置を備えている。本発
明によれば、この監視装置は、基本的には２つの分光計
を備えており、そしてこれらは、２本の光ファイバで側
部及び上部のクォーツ窓に接続して、その各光ファイバ
でそれぞれ、ウェーハ面に対しゼロ及び直角の入射角に
てプラズマを「見る」ようにする。また、それら分光計
は、同じ種の放射線、例えばＳiＢrバンドのものを見る
ように同調させる。側部及び上部の窓から見るそれら分
光計からの出力信号は、異なったものとなる。即ち、−
時間ｔの関数としての側部信号Ｉｌは、トレンチ・エ
ッチングの間のバンド強度の変化を表す。
【００１９】− 時間ｔの関数としての上部信号Ｉｔ
は、バンド強度の変化とウェーハ表面の反射率との両方
を表す。従って、信号Ｉｔは干渉計的成分Ｉｉをもった
混合信号である。
【００２０】上記の監視装置は、更に、上記アナログ信
号Ｉｌ及びＩｔをデジタル値に変換する手段と、この値
を処理しそして適当となった時にエッチング・プロセス
を終了させるデジタル処理及び判定手段と、そして信号
表示のためのオプションのプロット手段と、を備えてい
る。
【００２１】本発明の監視方法では、上記干渉計的成分
Ｉｉを、上部信号から側部信号を減算することによって
抽出する。この干渉計的成分Ｉｉは、準周期性で減衰形
のものである。次に、この干渉計的成分信号Ｉｉの包絡
線信号Ｊａ及びＪｂ、そして最終的にその包絡線信号の
振幅変化信号Ｉを生成する。
【００２２】トレンチの深度Ｄは、次式によってリアル
タイムで決定する。
【００２３】
【数１】Ｄ＝ｋ｛Ｉ（ｔ＝０）−Ｉ｝1/2 ここで、ｋは当該エッチング・システムに対し適切な係
数であって、その予備的な校正段階で決めるものであ
る。
【００２４】また、再堆積するＳiＯ2の厚さＴｈは、次
式によってリアルタイムで計算する。
【００２５】
【数２】Ｔｈ＝（λ／４ｎｔｕ）・ｔ ここで、λは選択した種（例：ＳiＢr）の波長、ｎは再
堆積したＳiＯ2の屈折率、そしてｔｕは干渉計的信号Ｉ
ｉの半周期である。
【００２６】これらのＤ及びＴｈは、仕様に示されたと
ころの所望の最終パラメータＤｆ及びＴｈｆになるま
で、連続的に監視する。これは、θｆの所望値も得られ
ることを保証する。
【００２７】従って、トレンチ形成プロセスは、本発明
の現場かつオンラインの監視方法によって、完全に自動
的に制御することができる。
【００２８】本発明の特徴と信ずる新規な特質について
は、請求の範囲に記載してある。しかし、本発明それ自
体並びにそれとは別の目的及び利点については、次に挙
げる例示の好適実施例の詳細な説明を、添付の図面を参
照しながら読めば、もっと良く理解することができよ
う。
【００２９】
【実施例】本発明は、トレンチ構造を組み込んだ集積回
路に関し、特にエッチングの終点検出に有用な、トレン
チ形成プロセスの現場でかつオンラインの監視方法に関
するものである。本発明はまた、このトレンチ形成プロ
セスを監視する装置にも関するものである。
【００３０】図６には、本発明のエッチング／監視シス
テム２０を示してある。このシステム２０は、まず始め
にドライエッチング機２１を備えており、このドライエ
ッチング機２１は、主に、処理すべき物品２４（代表的
には、シリコンウェーハ）を保持するプレーナ形サセプ
タ２３を収容したエッチング処理チャンバ２２と、ＲＦ
電源２５とから構成されている。本発明の教示に従い、
そのエッチング処理チャンバ２２には、２つのクォーツ
窓２６Ａ及び２６Ｂを設け、これらをそれぞれ横（又は
側部）壁及び上部に配置することが重要である。これに
適切な機器は、前述のＡＭＥプレシジョン５０００であ
り、これは、単一ウェーハ・プラズマエッチング・リア
クタを複数備えている。このタイプの機器では、サセプ
タ２３が陰極であり、チャンバの壁が、グランドに接続
された別の電極である。これら２つの電極の間に発生す
るプラズマ２７は、そのエッチング状態を表す種を含ん
でいる。エッチングを行なっている間には、それら種か
らの放射の強度が、時間、エッチングする物質、及び表
面変形の関数として変化する。
【００３１】更に、システム２０は、本発明の監視装置
２８も備えている。同じく、本発明に従い、２つのファ
イバ式視覚プローブ２９Ａ及び２９Ｂを、クォーツ窓２
６Ａ及び２６Ｂにそれぞれ接続させて、エッチング・プ
ロセス中、チャンバ２２内で生成される異なった種が発
する放射線を短距離伝送するようにする。これらの各フ
ァイバ式視覚プローブは、プラズマ２７の比較的広い領
域からの光を捕捉できるような立体角を備えるようにし
なければならない。特に、その横即ち側部のファイバ式
視覚プローブ２９Ａを、ウェーハ表面近くのプラズマ２
７にそのウェーハ面に対して零度の入射角で合焦させる
ことが、非常に望ましい。一方、ファイバ式視覚プロー
ブ２９Ｂは、ウェーハをプラズマを通してそれにほぼ垂
直の入射角で見るようにすることが重要である。次に、
これらファイバ式視覚プローブ２９Ａ及び２９Ｂは、そ
れぞれ分光計３０Ａ及び３０Ｂに接続する。これに適当
な分光計は、フランス、アルパジョンのＳｏｆｉｅ Ｉ
ｎｓｔから入手可能なモデルＳＤ２０である。
【００３２】このモデルの分光計は、広い範囲の放射線
スペクトラムにわたって同調させることが可能であり、
本件の場合、後述するように、特定の１つのＳiＢrバン
ドの波長に同調させる。各分光計は、モノクロメータと
検出器（詳述しない）とを備えている。上記の伝送する
放射線は、モータ駆動式のモノクロメータで受け、これ
は、監視すべき１つの選択した放射線を除く全ての放射
線波長を濾波により除去する。次に、その選択した放射
線を検出器で受ける。この検出器は、低雑音ダイオード
検出器とするか、あるいは好ましくは、増幅器と組み合
わせた低雑音光電子増倍管とすることができる。側部分
光計３０Ａ及び上部分光計３０Ｂのその増幅器部分から
それぞれ供給されるアナログ出力信号Ｉｌ及びＩｔは、
処理ユニット３１に印加する。この処理ユニット３１
は、好適実施例では、Ａ／Ｄ変換器３２及びソフトウェ
ア作動型コンピュータ３３を備えている。また、このコ
ンピュータ３３には、プロッタ（またはチャートレコー
ダ・ユニット）３４（及び／又は視覚的ディスプレイ）
を接続する。このプロッタ３４は、本監視方法に従って
発生するアナログ信号のプロットを可能にする。また、
コンピュータ３３は、信号処理並びにプロッタ３４での
印刷のため、Ａ／Ｄ変換器３２が出力するデジタル信号
を受け取る。更にまた、コンピュータ３３は、エッチン
グ・チャンバ２２の動作について、ＲＦ周波数電源２５
を駆動する制御線３５を介して監視することができる。
その制御線３５により、所望の最終トレンチ深度（Ｄ
ｆ）に達したエッチング終点の検出時に、そのエッチン
グ・チャンバのスイッチを自動的にオフにすることがで
きる。
【００３３】ここで注意されたいことは、マルチプレク
サ手段を設ければ、分光計を１つだけ用いて、ファイバ
式視覚プローブ２９Ａ及び２９Ｂが交互に供給する情報
を順番に処理するようにすることもできる。更にまた、
分光計３０Ａ及び３０Ｂのアパーチャーをそれぞれクォ
ーツ窓２６Ａ及び２６Ｂに対し直接当てるようにすれ
ば、ファイバ式視覚プローブ２９Ａ及び２９Ｂを使うこ
とは、不要にできる。
【００３４】分光計及び干渉計には、プラズマエッチン
グ機またはドライエッチング機を監視するに際して、明
確な使用法がある。通常、分光計のアパーチャーは、プ
ラズマによって生成されるグロー放電に向ける一方で、
ウェーハは水平にかつそれからいくらか距離をおいて配
置する。このような条件では、干渉縞は発生できず、分
光計は、上記の選択バンドの光強度の変化のみを検出す
ることになる。従って、分光計３０Ａは、基準のものと
して取り付けて、出力信号Ｉｌを発生させる。この出力
信号の振幅は、トレンチの深度が増す限り連続的に減少
するようになっている。更にまた、通常、干渉計は、ウ
ェーハ面に対して垂直の入射角で上面窓を介して臨むよ
うに、配置するようにしている。尚、その垂直さが必要
であるが、その理由は、エッチング処理チャンバ２２内
のプラズマが、グロー放電即ち光源を生じさせ、そして
この場合、諸々の短い波長が幅広い選択多様性でもって
得られ、このため、ある状況下でいくつかのバンド
（線）が干渉を生じる可能性があるからである。本発明
と同一の譲受人に譲渡された欧州特許出願公開ＥＰ−Ａ
−３９４５９７には、干渉計モードで動作する基準の分
光計を備えた監視装置が記載されている。この引用した
出願の図４に例示されているように、その分光計が出力
する電流信号は、ほとんどサイン形状である（この特許
出願は、言及により本開示に含める）。
【００３５】本発明では、光ファイバ２９Ｂもウェーハ
に対して垂直に取り付けて、上部クォーツ窓２６Ｂを通
してウェーハを垂直の入射角で見るようにする。従っ
て、プラズマによって発生されるグロー放電を、光学式
分光計（これは、この時は、上述の特許出願に教示され
ているように干渉計として用いる）によって観察する。
その結果として、干渉計的な効果が生じ、これにより、
上部分光計３０Ｂが発生する上部信号Ｉｔの幾つかの極
大値及び幾つかの極小値をもちしかも徐々に減少する振
幅の交流電流が発生する。上部信号Ｉｔのその周期性
は、トレンチ形成プロセス中の再堆積するＳiＯ2層の成
長によって生ずる干渉に由来している。
【００３６】分光計２９Ａ及び２９Ｂは、その両方のモ
ノクロメータを、同一の放射線、即ちある所定の種の同
一のバンド波長をみるように設定することが重要であ
る。ここで、バンド波長の選択について、少し考察す
る。トレンチ形成プロセス中においては、そのグロー放
電のスペクトラムは、広い範囲にわたる多くの臭化シリ
コン（ＳiＢr）バンドを示す。このため、臭化シリコン
が選択した種であったので、４０７ｎｍ、６１４ｎｍ及
び８２８ｎｍのバンドを特に調べて、これらの内から本
発明を実施するのに最も有効なものを判定した。それの
バンド強度が異なっていても、そのふるまいは同一であ
るが、その理由は、それらバンドが全て干渉を作るには
適当なものであるからである。以下の表は、これらのＳ
iＢrバンドの波長に対して、これらの相対強度及び振幅
変動を、上部信号Ｉｔに関係する範囲で、示したもので
ある。
【００３７】
【表１】 表 波長（ｎｍ） 相対強度（任意の単位） 振幅変動（％） ８２８ １００ ６ ６１４ ２０ １０ ４０７ １５ ２０ エッチング期間中に（図２の構造乃至図４の構造から）
最大振幅変動をもちより多い周期の上部信号Ｉｔを得る
ために、上記の表に示唆されているように、最も短い波
長即ち４０７ｎｍを選択したが、その理由は、このバン
ドが百分率で最大の変動を有するからである。適当な光
ファイバを用いれば、ＳiＢr（あるいは更に別の種）の
最短の１つのバンド波長を選択して、更により正確な干
渉計的計測のためにより多い数の周期を得るようにする
ことも可能である。
【００３８】本発明では、半導体基板にトレンチを形成
するプロセスを監視する方法は、次の基本的なステップ
をリアルタイムで完了することから成っている。
【００３９】１． 上部分光計及び側部分光計から、エ
ッチング期間即ち時間ｔの関数として上部出力信号Ｉｔ
及び側部出力信号Ｉｌをそれぞれ発生 ２． 上部信号Ｉｔから側部信号Ｉｌを減算して、干渉
計的成分信号Ｉｉを生成 ３． 信号Ｉｉと、これの振幅変動に対応する信号Ｉ
と、の包絡線信号Ｊａ及びＪｂを生成 ４． 上記振幅変動信号Ｉを用いてトレンチ深度Ｄを計
算 ５． 上記干渉計的信号Ｉｉの最初の半周期を得たら直
ちに、この干渉計的信号Ｉｉから成長した再堆積ＳiＯ2
層の厚さＴｈを計算。
【００４０】このようにして、トレンチ形成プロセスの
継続的な監視を行う。
【００４１】エッチング期間中、それぞれ側部分光計３
０Ａ及び上部分光計３０Ｂが出力する信号Ｉｌと信号Ｉ
ｔとは、異なる性質のものであって、有用で別個の情報
を含んでいる。
【００４２】− 信号Ｉｌは、側部分光計３０Ａから集
めた電流であって、トレンチ形成中のバンド強度の変動
を表すものである。強度（％）の任意単位での信号Ｉｌ
対エッチング期間即ち時間ｔ（秒）について、図７の曲
線３６に示す。この図７から明らかなように、側部窓２
６Ａからは、強度が連続的にしかし非線形に減少する電
流が得られる。信号Ｉｌは、トレンチ形成プロセスの開
始時には急速に減少し、そして終了時にはその減少がよ
り遅くなる。この曲線３６は、これが直線に減少する線
であったならば、トレンチ深度に関する直接の情報を与
えることができたはずのものである。尚、この信号を変
調する干渉効果はない。信号Ｉｌは、トレンチ深度Ｄと
ある点で関連性がある。即ち、エッチングをｔｆ時に止
めたとき、この時に測定できる強度は、Ｄｆに比例して
いる。
【００４３】− 信号Ｉｔは、上部分光計３０Ｂから集
めた電流であって、バンド強度変動（信号Ｉｌのよう
に）とウェーハの反射率との両方を表すと思われるもの
である。その後者の反射率は、構造が図２の段階にある
エッチング・プロセスが始まったばかりの時のマスク１
２の反射率、そしてトレンチ形成プロセスの間の層１８
（図３の構造を参照）の反射率、とに対応している。エ
ッチング中の信号Ｉｔの強度変動は、上記と同じ強度
（％）の任意単位で、図８の曲線３７により例示してあ
る。従って、分光計３０Ｂが供給する信号Ｉｔは、トレ
ンチ内のシリコンのエッチングと成長中の再堆積ＳiＯ2
層１８の反射率との双方の関数であるので、バンド強度
成分と干渉計的成分との混合信号である。それら双方の
成分信号が線形的に干渉すると仮定すると、Ｉｔ＝Ｉｌ
＋Ｉｉと記すことができる。ただし、Ｉｉは、信号Ｉｔ
の干渉計的成分と呼ぶものである。結果としては、信号
Ｉｉは、単にＩｔからＩｌを減算することによって、抽
出することができる。従って、この信号Ｉｉは、ある面
では、時間ｔにおける再堆積ＳiＯ2層１８の厚さＴｈに
関連するが、その理由は、信号Ｉｉが本質的にウェーハ
の反射率に依存しているからである。エッチングをｔｆ
時に止めた時、この時に測定できる電流信号は、かく
て、Ｔｈｆに比例することになる。
【００４４】次に、図９には、図７及び図８の各曲線３
６及び３７を記録してあり、そしてこの図９には、エッ
チング期間ｔの関数としての信号Ｉｔの干渉計的成分Ｉ
ｉの変動を、曲線３８で例示してある。これらの曲線
は、プロッタ３４で印刷することができる。この図９か
ら明らかなように、信号Ｉｉは、準周期的で減衰性のサ
イン形状タイプのものである。この曲線３８の包絡線
（３９Ａ及び３９Ｂで指示）も、図９に示してあり、こ
れらは、干渉計的信号Ｉｉのいわゆる包絡線信号Ｊａ及
びＪｂとリアルタイムで対応している。ここで、信号Ｉ
を２つの包絡線信号Ｊａ及びＪｂの振幅変動と規定す
る。トレンチ形成プロセスがｔ＝０で開始した時は、Ｉ
＝Ｉｓであり、そしてｔ＝ｔｆでこのプロセスの終了時
には、Ｉ＝Ｉｂである。本願発明者は、信号Ｉのリアル
タイムの変動とトレンチ深度との間に、予想しなかった
正確な相関があることを発見した。実際、図９に示した
干渉計的信号Ｉｉのその包絡線の振幅変動値ＩｓとＩｂ
とは、上部光ファイバプローブで見た全てのトレンチに
関して、図５の構造で規定したトレンチの幅Ｗｓ（ｔ＝
０時の表面箇所）と幅Ｗｂ（ｔ＝ｔｆ時の底部箇所）と
を、それぞれ表すものである。厚さＴｈをリアルタイム
で計算するには、信号Ｉｉの半周期が必要である。
【００４５】上記のリアルタイムでの信号減算Ｉｉ＝
（Ｉｔ−Ｉｌ）を含む基本的な全ての信号処理動作は、
オペレータが手動で実施したり、もしくは、好ましくは
ソフトウェア作動型コンピュータ３３によって自動的に
実施することができる。そのソフトウェアでは、その混
合した情報を分けて、干渉計的成分信号Ｉｉを更なる処
理のため分離することにより、（包絡線信号Ｊａ及びＪ
ｂ、並びにその振幅変動信号Ｉの発生のように）そこか
ら有用な情報を抽出するようにしたり、また、（トレン
チ形成プロセスの完了に関して以下に詳細に説明するよ
うに）それとは異なった式の計算に進んだりすることが
できる。
【００４６】ここで、自動プロセスを扱うこととし、そ
して上記ソフトウェアが、リアルタイムで、ＩｓとＩと
の強度差の平方根で表される深度Ｄ、即ちＤ＝ｋ｛Ｉｓ
−Ｉ｝1/2を、計算することができる、と仮定する。
尚、その式で、Ｉｓはｔ＝０でプロセスが開始した時の
信号Ｉの振幅変動値である。また、係数ｋは、エッチン
グ・システム２０の特性に適切なものであって、ＳＥＭ
横断面分析による予備的校正段階で決定するものであ
る。
【００４７】それと同時にまた、上記ソフトウェアは、
干渉計的信号Ｉｉの準半周期ｔｕも、これが得られるよ
うになったら（約３００秒後。図９参照）直ちに、リア
ルタイムで計算し、そして次に、次式により時間の関数
としての再堆積ＳiＯ2層の厚さＴｈを監視する。
【００４８】
【数３】Ｔｈ＝（λ／４ｎｔｕ）ｔ ここで、 λ＝選択したバンド（例：４０７ｎｍのＳiＢr）の波長 ｎ＝ＳiＯ2層１８の屈折率（ｎ＝１.４６） ｔｕ＝信号Ｉｉの半周期 ｔ＝エッチング時間 時間ｔ＝ｔｆでＤ＝Ｄｆ（所望のトレンチ深度）となっ
た時、エッチング・プロセスを停止させる。従って、ｔ
ｆは、運転期間、即ちエッチング終点に達するまでの時
間、もしくは全エッチング時間である。
【００４９】本発明の方法及び装置で得られた結果は、
在来の偏光解析法及びＳＥＭ横断面分析技法で得られた
ものに匹敵し得るものである。
【００５０】次に図１０において、Ｘ１−Ｘ１０で指示
した１０個の異なるロットから選択したサンプルウェー
ハの最終厚Ｔｈｆについて、本発明の方法に従って、そ
して次に標準的な偏光解析技法によって、その計測を行
った。その各値は、仕様に与えられている、約１５０ｎ
ｍの公称最終厚（Ｔｈｆ）ｍ程度である。曲線４０と曲
線４１とは、それぞれ、本発明の監視方法で見い出した
値を結んだものと、偏光解析法での値を結んだものとで
ある。この図１０は、厚さの点に関して、それら２つの
方法によって得られた結果の間に優れた相関関係がある
ことを示している。
【００５１】図１１は、上記と同じウェーハＸ１−Ｘ１
０に関して、仕様によって与えられた公称トレンチ深度
値（Ｄｆ）ｍ＝７.５ミクロン程度のＤｆに関する同様
の計測値を示したものである。トレンチの最終深度は、
まず本発明の方法によって計測し、次に破壊式のＳＥＭ
横断面分析によって計測した。曲線４２、４３は、それ
ぞれ、本発明の方法によって見い出した値を結んだもの
と、ＳＥＭ横断面分析による値を結んだものとである。
この深度の点からも、それら２つの方法によって得られ
た結果の間には、優れた相関関係がある。
【００５２】最後に、それらの理論的な曲線とその測定
データとの間の類似性は、かなり満足なものである。
【００５３】例 図９は、ある１つの実際的な実験で得た結果を示したも
のである。本エッチング・システム２０に対しては、係
数ｋが約２.２に等しいことを見い出した。この係数
は、通常、月に１回、またはプロセス・パラメータに重
大な変化が起きた後に、本発明の監視方法を用いそして
ＳＥＭ横断面分析と比較する、サンプル・ウェーハに対
する校正ステップによって、決定する。
【００５４】その振幅変動Ｉは、Ｉ＝Ｉｓ−（Ｄ／ｋ）
2を用い、Ｉｓ＝２２（任意単位）として、連続的に監
視した。
【００５５】所望の最終トレンチ深度Ｄｆは、７.５μ
ｍなので、最終振幅変動Ｉ＝Ｉｂは、次式で表される。
【００５６】
【数４】 Ｉｂ＝２２−（７.５／２.２）2＝２２−１１.６ 即ち１０（任意単位） この値が得られた時に、エッチング・プロセスを停止さ
せた。
【００５７】この値Ｉｂは、全エッチング時間ｔｆを決
めるものであり、これは、図９から数値的に決めてもよ
い、即ちｔｆ＝６６０ｓ（１１分）。
【００５８】これと同時に、再堆積ＳiＯ2層１８の厚さ
も監視した。半周期ｔｕは、図９によって与えられ、ｔ
ｕ＝２５０ｓである。エッチングの終了時における最終
厚Ｔｈｆは、次の式で得られた。
【００５９】
【数５】 Ｔｈｆ＝（λ／４ｎｔｕ）・ｔｆ ＝（４０７１０-9×６６０）／（４×１.４６×２５０）＝１８４ｎｍ １５０ｎｍの代わりに、公称期待値を用いた。この実験
では、１００ｎｍと２００ｎｍとの間のＴｈｆ値が受け
入れ可能であることが示された。また、その範囲の外で
は、ガス流量比率を補正のために適合させると良い。
【００６０】Ｔｈを連続的に監視することが重要である
が、その訳は、エッチング・プロセスが余り急速に進む
と、再堆積ＳiＯ2層１８（図３参照）が不十分な速度で
成長するからである。そのような不十分な速度での成長
の結果として、テーパ角がゼロに等しくなったり（垂直
なトレンチ側壁）、あるいはまた負になることさえもあ
る（トレンチの上部が大きなオーバハング即ち張出を呈
する）。また逆に、エッチング・プロセスが遅すぎる
と、再堆積ＳiＯ2層１８が所望の速度より高い速度で成
長し、従ってテーパ角が目立ち過ぎるようになって、仕
様を満たさなくなってしまうことになる。これら両方の
場合、上述のように、ガス流量比率を修正して、次に処
理するウェーハに対しそのトレンチ形成プロセスを補正
するようにする。
【００６１】まとめると、干渉計的信号Ｉｉにより、ト
レンチ形成プロセス中に再堆積したＳiＯ2層の厚さの計
算が可能となる。それの半周期ｔｕは、これが得られる
ようになったら直ぐにその計算を行う。層１８の選択し
た波長と屈折率は、コンピュータ３３に記憶させたデー
タである。従って、その厚さＴｈは、リアルタイムで簡
単に計算することができる。トレンチ深度Ｄのリアルタ
イム計算も、干渉計的信号ＩＩの包絡線信号Ｊａ及びＪ
ｂの振幅変動を判定すれば、後は簡単である。初期のそ
の振幅変動値Ｉｓは、プロセスが始まりそしてコンピュ
ータに記憶した時に、決める。
【００６２】上で示した数値例は、広くは図１０及び図
１１のＸ８で指示したウェーハに対応したものである。
【００６３】
【発明の効果】結論として、本発明の監視方法では、プ
ラズマエッチングまたはドライエッチングによるトレン
チ形成プロセスに組み合わせた時には、安全に深いトレ
ンチを提供することでき、しかもそのトレンチを、優れ
た幾何形状的制御によって、再現性良くエッチングする
ことができる。特に、本発明では、パラメータＤｆ及び
Ｔｈｆを監視することにより最終テーパ角θｆを比較的
良好に監視できるので、制御可能及び再現可能な特性、
即ち正確な深度Ｄｆ及び正確な最終テーパ角θｆを与え
ることができる。
【００６４】結果として、本監視方法によれば、約７.
５ミクロン（またはこれ以上）の深さのトレンチ中に形
成した信頼性の高いコンデンサをもつ、ＤＲＡＭセルを
製造することができる。加えて、本方法では、エッチン
グ機器または光学分光計のいずれかに対する最小限の変
更で、または一切変更を加えずに、時間や製品ウェーハ
を節約することができる。図６に示したハードウェアの
全パーツは、市場で容易に入手できるものである。ま
た、パーソナルコンピュータに組み合わせる設計容易の
ソフトウェアにより、オンラインでかつ現場でのデータ
獲得が、同時にあるいは順次的に（分光計を１つだけ用
いる場合）可能であり、２つの分光計が供給するアナロ
グ信号のデジタル処理、そして最後に、ドライエッチン
グによるトレンチ形成プロセスを正確に監視するため
の、そのプロセスの主要パラメータのリアルタイム計
算、が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】在来のトレンチ形成プロセスの１部を概略的に
示した、半導体基板の部分的横断面図。
【図２】上記在来のトレンチ形成プロセスの１部を概略
的に例示した、半導体基板の部分的横断面図。
【図３】上記在来のトレンチ形成プロセスの１部を概略
的に例示した、半導体基板の部分的横断面図。
【図４】上記在来のトレンチ形成プロセスの１部を概略
的に例示した、半導体基板の部分的横断面図。
【図５】上記在来のトレンチ形成プロセスの１部を概略
的に例示した、半導体基板の部分的横断面図。
【図６】図１−５に例示したトレンチ形成プロセスを監
視するための上部分光計及び側部分光計を備えた、本発
明の装置の概略を例示した図。
【図７】図６に示した側部分光計が発生する側部信号を
例示した、強度−時間曲線の図。
【図８】図６に示した上部分光計が発生する上部信号を
例示した、強度−時間曲線の図。
【図９】上記の側部信号を上部信号から減算することに
よって得られる、準周期性で減衰形の信号を例示した、
強度−時間曲線であり、この信号の包絡線信号も図示し
てある。
【図１０】違ったロット内でサンプルした１０枚のウェ
ーハに関して、再堆積した熱分解性ＳiＯ2層の最終厚に
ついて、本発明の方法によって得た測定値と、標準の偏
光解析法によって得た測定値と、の間の優れた相関関係
を例示した図。
【図１１】違ったロット内でサンプルした１０枚のウェ
ーハに関して、トレンチの最終深度について、本発明の
方法とＳＥＭ横断面分析とで得た測定値間の優れた相関
関係を例示した図。
【符号の説明】
１０：半導体構造 １２：トレンチの複合ハードマスク １３：２酸化シリコン層 １４：窒化シリコン層 １５：熱分解性２酸化シリコン層 １６：フォトレジスト層 １７：開口 １８，１８ｆ：再堆積層，最終再堆積層 １９，１９ｆ：トレンチと最終トレンチ ２０：エッチング／監視システム ２１：ドライエッチング機 ２２：エッチング処理チャンバ ２３：サセプタ ２４：ウェーハ ２５：ＲＦ周波数電源 ２６Ａ：側部クォーツ窓 ２６Ｂ：上部クォーツ窓 ２７：プラズマ ２８：監視装置 ２９Ａ：側部ファイバ式視覚プローブ ２９Ｂ：上部ファイバ式視覚プローブ ３０Ａ，３０Ｂ：分光計 ３１：処理ユニット ３２：Ａ／Ｄ変換器 ３３：ソフトウェア作動型コンピュータ ３４：プロッタ ４０，４２：本発明による曲線 ４１，４３：在来の方法による曲線 Ｉｔ：上部信号 Ｉｌ：側部信号 Ｉｉ：干渉計的信号 Ｔｈ，Ｔｈｆ，（Ｔｈｆ）ｍ：厚，最終厚，公称最終厚 θ，θｆ：テーパ角，最終テーパ角 Ｄ，Ｄｆ，（Ｄｆ）ｍ：深度，最終深度，公称最終深度 Ｗｓ：トレンチ上面での幅 Ｗｂ：トレンチ底部での幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/822 21/8242 27/04 27/108 Ｈ０１Ｌ 27/04 Ｃ 7210−4Ｍ 27/10 ３２５ Ｄ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体ウエハにトレンチを形成する間に、
    該トレンチの形成の進行を検出する能力を有するエッチ
    ング装置において、 （ａ）上記トレンチが形成される半導体ウエハ（２４）
    をこれの表面を水平にして収容するエッチング・チャン
    バ（２２）と、 （ｂ）該エッチング・チャンバ内に上記半導体ウエハを
    エッチングするプラズマ（２７）を発生する手段と、 （ｃ）上記エッチング・チャンバの側壁に設けられた第
    １の観察窓（２６Ａ）及び上記エッチング・チャンバの
    上壁に設けられた第２の観察窓（２６Ｂ）と、 （ｄ）上記トレンチの形成終了を検出する監視装置（２
    ０）とを備え、 該監視装置が、 （イ）上記第１の観察窓を通して上記半導体ウエハの上
    の上記プラズマを観測して第１出力信号（Ｉｌ（３
    ６））を発生する第１分光計手段（３０Ａ）と、 （ロ）上記第２の観察窓を通して上記プラズマを介して
    上記半導体ウエハの上面を観測して第２出力信号（Ｉｔ
    （３７））を発生する第２分光計手段（３０Ｂ）と、 （ハ）上記エッチングの開始時刻から該エッチングの進
    行につれて、上記第２出力信号（Ｉｔ）の振幅から上記
    第１出力信号（Ｉｌ）の振幅を減算して、正弦波に類似
    した第３出力信号（３８）を発生する手段と、 （ニ）該第３出力信号（３８）の包絡線を表す第１包絡
    線信号（Ｊａ（３９Ａ））及び第２包絡線信号（Ｊｂ
    （３９ｂ））を発生し、該第１包絡線信号及び第２包絡
    線信号の間の差の値（Ｉ（Ｉｓ））を判別して上記エッ
    チングの進行を検出する手段とを有することを特徴とす
    る上記エッチング装置。
  2. 【請求項２】上記第１観察窓及び上記第１分光計手段は
    光ファイバにより結合され、そして上記第２観察窓及び
    第２分光計手段は光ファイバにより結合されていること
    を特徴とする請求項１記載のエッチング装置。
  3. 【請求項３】半導体ウエハにトレンチを形成する間に該
    トレンチの形成の進行を検出し、そして上記トレンチの
    形成の間に形成されるＳｉＯ2層の厚さを検出する能力
    を有するエッチング方法において、 （ａ）エッチング・チャンバ（２２）内に半導体ウエハ
    （２４）をこれの表面を水平にして支持し、そしてプラ
    ズマ（２７）を発生させて上記半導体ウエハにトレンチ
    を形成する工程と、 （ｂ）上記半導体ウエハの表面及び上記トレンチの表面
    に上記ＳｉＯ2層（１８）を形成する工程と、 （ｃ）上記トレンチの形成の進行及び上記ＳｉＯ2層の
    厚さを検出する工程とを含み、 該工程（ｃ）は、 （イ）上記エッチング・チャンバの側壁に設けられた第
    １の観察窓（２６Ａ）を通して上記半導体ウエハの上の
    上記プラズマを観察して該プラズマの予定のスペクトル
    を表す第１出力信号（Ｉｌ（３６））を発生すると共
    に、上記エッチングチャンバの上壁に設けられた第２の
    観察窓を通して上記プラズマの上記予定のスペクトル及
    び上記ＳｉＯ2層の反射率を表す第２出力信号（Ｉｔ
    （３７））を発生する工程と、 （ロ）上記エッチングの開始時刻から該エッチングの進
    行につれて、上記第２出力信号（Ｉｔ）の振幅から上記
    第１出力信号（Ｉｌ）の振幅を減算して、正弦波に類似
    した第３出力信号（３８）を発生する工程と、 （ハ）該第３出力信号（３８）の包絡線を表す第１包絡
    線信号（Ｊａ（３９ａ））及び第２包絡線信号（Ｊｂ
    （３９ｂ））を発生し、該第１包絡線信号及び第２包絡
    線信号の間の差の値（Ｉ（Ｉｓ））を判別して上記エッ
    チングの進行を検出し、そして上記第３出力信号の半周
    期に基づいて上記ＳｉＯ2層の厚さを検出する工程とを
    含む上記エッチング方法。
  4. 【請求項４】上記工程（ハ）は、上記トレンチの深さＤ
    及びと上記ＳｉＯ2層の厚さＴｈを、 Ｄ＝ｋ｛Ｉ（ｔ
    ＝０）−Ｉ｝1/2 ・・・（１）、及び （ただし、 Ｉ（ｔ＝ｏ）は、上記エッチングの開始時の上記上記第
    １包絡線信号及び上記第２包絡線信号の差の値であり、 Ｉは、上記開始時の後の時刻における上記上記第１包絡
    線信号及び上記第２包絡線信号の差の値であり、 ｋは、定数であり、） Ｔｈ＝（λ／４ｎｔｕ）・ｔ ・・・（２） （ただし、 λは、上記予定のスペクトルの波長であり、 ｎは、上記ＳｉＯ2層の屈折率であり、 ｔｕは、上記第３出力信号の半周期であり、 ｔは、上記エッチング開始時からの経過時間であり、） により検出することを特徴とする請求項３記載のエッチ
    ング方法。
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