JPH08298257A - 発光分光を用いたドライエッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プラズマ装置を用いたドライエッチングにお
いて、エッチングの選択比を簡単に設定できる方法を提
供する。 【構成】 酸素プラズマの相対的発光強度とエッチング
の選択比との間には相関関係が成り立つことを利用し、
発光強度の測定を行うことによってエッチングの選択比
を設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造に用
いるドライエッチング等において、エッチングの選択比
を測定する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】これまでプラズマ装置を用いたドライエ
ッチングにおいてエッチングの選択比を知るためには、
実際のレートを測定して求める方法やサンプルウェハー
の断面のＳＥＭ観察といった方法が用いられてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、多数の条件に
おいてエッチングレートを測定するには時間や手間がか
かるため測定が行える条件の数には限りがあり、なるべ
く測定する点を減らして経験による知識で数の限りを補
うことがあった。しかしこの場合、装置固有のプロセス
パラメータの場合には予測がたたず、またプロセスパラ
メータが増えるにつれてそれらを総合的に判断すること
が難しくなっていた。さらに、たまたまその点が特異な
点であった場合、もう一度そのパラメータについて最適
化を行う必要が生じる場合もあった。断面ＳＥＭ観察を
行う方法においても前行程の影響を受けやすいという問
題点があった。

【０００４】本願ではこれらの問題点に鑑み、簡単な方
法でエッチングの選択比を設定し、さらには装置の異常
の有無をも確認することのできる方法を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の発光分光を用いたドライエッチング方法では、
酸素及びハロゲンを含むガスをプロセスガスとして用い
るシリコン系材料のドライエッチングにおいて、発光分
光法により酸素ラジカルの特定波長の発光とハロゲンラ
ジカルによる特定波長の発光の強度比を求め、該強度比
を用いてエッチングの選択比を設定することを特徴とす
る。また、前記ハロゲンとして、臭素または塩素を用い
ることを特徴とする。さらに、前記ドライエッチング方
法において、測定する波長が７７７ｎｍ（酸素）と７８
０ｎｍ（臭素）、あるいは７７７ｎｍと８０８ｎｍ（塩
素）であることを特徴とする。

【０００６】

【作用】酸素プラズマの相対的発光強度はエッチングの
選択比に大きくかかわっている。これは、酸素ガスの解
離エネルギがハロゲンの解離エネルギに比べて相対的に
高いため、プラズマ密度あるいは電子密度が高い領域に
おいて酸素の相対強度が高くなり、そのときに選択比も
高くなるためである。したがって、酸素ラジカルによる
発光の相対強度比を測定することにより、簡単にエッチ
ングの選択比を推定することができる。また、装置に異
常が起こった場合にも電子密度の変化が起こりることか
ら、発光強度を測定することにより装置の異常を知るこ
とができる。さらに、プラズマ中の電子密度の分布も発
光強度の変化として現れることから、発光強度よりプラ
ズマの均一性を評価することができる。

【０００７】

【実施例】以下実施例を用いて本発明を説明する。

【０００８】図１は、本願で用いた６インチウェハー用
ＥＣＲプラズマ・エッチング装置である。この装置は
２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマグネトロンより発生
し、導波路を用いて真空チャンバー内に導入する。チャ
ンバー内は外部コイルによって電子サイクロトロン共鳴
条件を満たすように磁場条件が設定されており、ターボ
分子ポンプを用いて真空排気されている。

【０００９】この装置で、レジストマスクに使用したポ
リシリコン膜のエッチング条件を検討する。プロセスガ
スには臭化水素、塩素、酸素の混合ガスを使用し、装置
のプロセスパラメータ（圧力、磁場、ＲＦパワー、マイ
クロ波の電力、ガスの流量、ガスの混合比等）を変化さ
せて、酸素／臭素のラジカルに因る発光強度比（具体的
には７７７ｎｍ及び７８０ｎｍの発光の強度比）を求め
る。

【００１０】発光強度の測定は以下のようにして行う。
目的とするプラズマの発光を処理室側壁に設けた測定窓
よりレンズ系を用いて採光し、光ファイバを通して回折
格子を用いた分光器に導入する。そして分光器により分
散した光の強度をＣＣＤを用いたエリアセンサーで測定
する。発光強度比はそれぞれの波長の発光のピーク比よ
り算出する。得られた結果を図２に示す。

【００１１】図２において、縦軸は選択比、横軸は酸素
／臭素のラジカルの発光強度比である。縦軸の選択比は
以下のようにして求めている。各条件におけるポリシリ
コンと酸化膜のエッチングレートをレート測定用のウェ
ハーを用いて測定する。レートを測定するウェハーは、
ポリシリコン用はシリコンウェハー上に膜厚１００ｎｍ
のシリコン酸化膜を熱酸化で形成し、その上にポリシリ
コンをＣＶＤ法で５００ｎｍデポしたものを用い、酸化
膜用にはウェハー上に熱酸化膜５００ｎｍをつけたもの
を用いる。ポリシリコンは１分間、酸化膜は２分間エッ
チングしてその前後の膜厚の変化およびレートを求め、
選択比はポリシリコンのレートを酸化膜のレートで割っ
て計算する。

【００１２】図２中の上向き三角形はウェハーから見た
ＥＣＲ共鳴領域（磁場強度が８７５Ｇ）の高さを１１０
ｍｍ〜２００ｍｍに変化させたもの、ひし形は圧力を
０．７７Ｐａ〜３Ｐａの間で変化させたもの、下向き三
角形はＥＣＲ共鳴領域の磁場勾配を３０Ｇ／ｍｍ〜７０
Ｇ／ｍｍの間で変化させたもの、黒丸は酸素ガス量を０
ｓｃｃｍ〜１０ｓｃｃｍの間で変化させたもの、四角は
マイクロ波のパワーを７００Ｗ〜１２００Ｗまで変化さ
せたものである。

【００１３】図２より、発光強度比と選択比との間には
相関関係が成り立つことがわかる。このことからエッチ
ングの選択比は、初めに選択比を何点か測定することに
より、後は発光強度比より効率よく設定することができ
ることがわかる。実際のエッチングの条件出しでは選択
比は目標値より高ければよいことが多いので、この程度
の相関関係で十分である。

【００１４】ここではレジストマスクとしてポリシリコ
ンを用いているが、非晶質シリコンや結晶のシリコンを
用いた場合でも同様に測定することができる。不純物の
ドーピングを行っている場合には選択比の値そのものは
異なるが、傾向としては同様のものを得ることができ
る。本発明によれば複数のパラメータによる変化を予測
できるので、装置のハードウェア等の制限のために変更
できるパラメータが限られていたり、パラメータが独立
でない場合も容易に最適化ができる。装置が通常のＲＩ
Ｅ装置の場合には、変更できるプロセスパラメータの範
囲が限定されるが同様に最適化を行うことができる。

【００１５】ここで限定する波長には７７７ｎｍと７８
０ｎｍの波長を選んだが、酸素のラジカルとハロゲンの
ラジカルによる発光の波長であればどの波長を選択して
も構わない。これら２つの波長には他の発光によるノイ
ズが少ない、波長が近いためＣＣＤ素子を用いた発光分
光装置で発光分光を行ったとき同時に測定できる、とい
うメリットがある。しかし、フィルタを用いて測定装置
を構成する場合には逆に波長が離れていたほうがよく、
例えば７７７ｎｍと８０８ｎｍの波長を用いる。

【００１６】次に、同じ測定結果のときの発光強度の比
とパターンシフトとの関係を図３に示す。Ｏ／Ｂｒの比
が一定以上あればパターンシフトがほとんど起こってい
ないことがわかる。このことから、デポに因る問題（パ
ターン幅の疎密依存性等）に対しては発光強度比をある
値より大きくすればよいことがわかる。

【００１７】続いて、同じ実験を市販のヘリコンエッチ
ャーを用いて行う。レート測定はＥＣＲエッチング装置
と同じ方法で行った。発光分光はフィルター式のものを
使用し、７７７ｎｍの波長を透過するフィルターを用い
た発光強度と、８０８ｎｍの波長を透過するフィルター
を用いた発光強度の比を測定する。この装置では、圧力
とヘリコン波のパワーが変更できるパラメータである。
この実験の結果を図４に示す。横軸は発光強度比（酸素
／塩素）、縦軸は選択比である。図４に示すように、発
光強度比と選択比において正の相関が成り立つことがわ
かる。以上のことからもエッチングを行う前に発光強度
比を測定する方法により、選択比を簡単に求められるこ
とがわかる。

【００１８】次に、エッチング装置を用いて集積回路を
製造する場合について説明する。通常ウェハーをエッチ
ングする際には、ダミーウェハーを１枚以上用いて放電
を行いチャンバー内の放電状態を安定させる。この１枚
目のダミーウェハーの放電中に発光測定を行い発光強度
比を求めることにより、選択比が悪化していないことが
判定できる。また、ポンプの排気特性の劣化、マイクロ
波発生装置の劣化、マスフロー・コントローラの不良等
の原因により放電の状態が変化する。これらは発光強度
比に影響を与えることから、発光強度比を測定し、正常
時の値と比較することにより装置の異常を検出すること
ができる。ダミーウェハーの放電中はＥＰＤ（終点検出
装置）は不要であるためＥＰＤの装置を改造し、発光の
強度比がとれるようにすれば測定は簡単に行うことがで
きる。

【００１９】実際のドライエッチング中に酸素ガスを用
いることがない装置においても、酸素ガスとハロゲンガ
ス、酸素ガスとアルゴンガスを導入してプラズマをた
て、正常に稼働しているときの発光強度比と比較するこ
とにより異常判定は簡単に行うことができる。この場合
のガスの組み合わせの例としては、酸素と窒素、二酸化
炭素と塩素、酸素と臭化水素等の酸素とハロゲンを含む
組み合わせであればどれでもよく、また、酸素とアルゴ
ン、酸素と窒素、酸素とヘリウム等の組み合わせでもよ
い。ただし、酸素とヘリウムは発光のピーク強度が近い
ため分光が難しく、酸素とアルゴンの組み合わせの方が
測定を行いやすい。

【００２０】さらにプラズマの複数の場所について測定
を行うことにより、エッチングする際のプラズマの均一
性を評価することができる。図５に示すような光ファイ
バーを用いてプラズマのいろいろな部分の発光を集め、
各部の発光強度比を求めてプラズマの均一性を評価す
る。図６は、図５の装置を用いてウェハーの上方１００
ｍｍの高さの位置でウェハーの径方向に発光強度比を測
定したものである。横軸は位置、縦軸は発光強度比を表
している。単に発光の絶対強度を測定するのであれば、
プラズマ形状や測定距離等に起因する影響を受けてしま
うが、相対強度比を測定するのであればプラズマ形状の
影響を受けにくいため、プラズマの均一性が精度よく評
価できていることがわかる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、ドライエッチングにお
けるエッチングの選択比が簡単な方法で測定することが
でき、また製造時にも装置の異常の検出を容易に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いたＥＣＲプラズマ・エッチング装
置の構成を表す図である。

【図２】酸素及び臭素ラジカルの発光強度比とエッチン
グの選択比との関係を表す図である。

【図３】酸素及び臭素ラジカルの発光強度比とパターン
シフトとの関係を表す図である。

【図４】ヘリコン波方式のエッチャーでの酸素及び塩素
ラジカルの発光強度比とエッチングの選択比との関係を
表す図である。

【図５】本発明に用いた均一性測定装置の構成を表す図
である。

【図６】ウェハーの径方向に酸素及び臭素の発光強度比
を測定した結果を表す図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸素及びハロゲンを含むガスをプロセス
   ガスとして用いるシリコン系材料のドライエッチングに
   おいて、発光分光法により酸素ラジカルの特定波長の発
   光とハロゲンラジカルによる特定波長の発光の強度比を
   求め、該強度比を用いてエッチングの選択比を設定する
   ことを特徴とする発光分光を用いたドライエッチング方
   法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のハロゲンとして臭素また
   は塩素を用いることを特徴とする発光分光を用いたドラ
   イエッチング方法。
3. 【請求項３】 請求項１記載のドライエッチング方法に
   おいて、測定する波長が７７７ｎｍ（酸素）と７８０ｎ
   ｍ（臭素）、あるいは７７７ｎｍと８０８ｎｍ（塩素）
   であることを特徴とする発光分光を用いたドライエッチ
   ング方法。