JPH09205076A - Method for monitoring fabrication process of semiconductor element - Google Patents

Method for monitoring fabrication process of semiconductor element

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JPH09205076A
JPH09205076A JP28732096A JP28732096A JPH09205076A JP H09205076 A JPH09205076 A JP H09205076A JP 28732096 A JP28732096 A JP 28732096A JP 28732096 A JP28732096 A JP 28732096A JP H09205076 A JPH09205076 A JP H09205076A
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JP
Japan
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plasma
species
etch rate
ratio
etching
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Application number
JP28732096A
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Japanese (ja)
Inventor
V Gain Keith
ヴイ.ガイン キース
Claudy Mcnevin Susan
クラーディー マックネヴィン スーザン
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LE-SENTO TECHNOL Inc
Nokia of America Corp
Original Assignee
LE-SENTO TECHNOL Inc
Lucent Technologies Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a plasma etching process control method for removing silicon dioxide from the surface of a semiconductor water at the time of fabricating a semiconductor element. SOLUTION: In this system, a semiconductor wafer covered with a patterned photoresist layer is set in a reaction chamber and fluorocarbon is introduced into the chamber. A sufficient quantity of energy is then imparted to the gas in order to generate plasma for etching silicon dioxide deposited on the surface of the wafer. Optical emission spectrum(OES) of the plasma is monitored as etching proceeds and some kinds of radiation intensity of the plasma are observed individually at specified wavelengths. Radiation intensity thus observed is compared with a calibration curve and an etching rate of photoresist is determined.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子の製造に
際し用いられる、プラズマエッチングの制御に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to control of plasma etching used in manufacturing semiconductor devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子の製造プロセスに際し、ドラ
イエッチングは、半導体基板の表面から材料を除去する
のに便利なためにしばしば用いられるプロセスである。
ドライエッチングは、基板上の材料層のある一部を選択
的に除去し、これによりパターン化された層を形成する
ために、あるいはトップ層のパターンをその下の層に転
写するためのいずれかに用いられる。基板表面からの材
料の選択的な除去は、半導体基板上の集積回路パターン
を形成するための一体不可分のものである。プラズマプ
ロセスは、集積回路素子形成に際し、ドライエッチング
ステップを実行するために用いられる。このプラズマ
は、反応性ガスにエネルギを当てることにより生成さ
れ、これにより高いエネルギ種(イオン,中性基,原
子,分子)を生成する。プラズマが半導体基板の表面に
当てられると、高エネルギ種が材料をその基板から分離
する。
2. Description of the Related Art In the process of manufacturing semiconductor devices, dry etching is a process often used because it is convenient for removing material from the surface of a semiconductor substrate.
Dry etching either selectively removes some of the material layers on the substrate, thereby forming a patterned layer or transferring the pattern of the top layer to the layer below it. Used for. Selective removal of material from the substrate surface is an integral part of forming integrated circuit patterns on semiconductor substrates. The plasma process is used to perform a dry etching step in forming an integrated circuit device. This plasma is generated by applying energy to the reactive gas, thereby generating high energy species (ions, neutral groups, atoms, molecules). When plasma is applied to the surface of the semiconductor substrate, the high energy species separate the material from the substrate.

【0003】プラズマエッチングプロセスにおいて、エ
ッチングにより除去すべきでない基板表面の一部は、マ
スクと称する保護材料によりカバーされている。このマ
スクは除去されるべき基板表面の一部のみを露出する。
しかし、通常除去されている材料層の下の材料を除去す
ることは好ましくない。そのためプラズマエッチングプ
ロセスの終了点を正確に検出することが望ましい。
In the plasma etching process, a part of the substrate surface which should not be removed by etching is covered with a protective material called a mask. This mask exposes only part of the substrate surface to be removed.
However, it is not preferred to remove the material beneath the normally removed material layer. Therefore, it is desirable to accurately detect the end point of the plasma etching process.

【0004】プラズマエッチングプロセスの終了点を検
出する1つの方法は、プラズマの発光強度をモニタする
ことである。このプラズマエッチングプロセスの終了点
は、プラズマの発光強度の変化を観測することにより決
定できる。フルオロカーボン(過フッ化炭化水素)ベー
スの反応性ガスを用いて、二酸化シリコンをプラズマエ
ッチングするプロセスにおいては、酸化カーボンの発光
強度(高エネルギプラズマ種と二酸化シリコンの反応生
成物)をモニタしている。プラズマ中の酸化カーボンの
発光強度が急激に減少することは、プラズマが終了点に
あるかあるいはそれを過ぎていることを表す。
One way to detect the end point of the plasma etching process is to monitor the emission intensity of the plasma. The end point of this plasma etching process can be determined by observing changes in the emission intensity of plasma. In the process of plasma etching silicon dioxide using a fluorocarbon (fluorinated hydrocarbon) -based reactive gas, the emission intensity of carbon oxide (a reaction product of high-energy plasma species and silicon dioxide) is monitored. . A sharp decrease in the emission intensity of carbon oxide in the plasma indicates that the plasma is at or past the end point.

【0005】米国特許第5,322,590号による
と、エッチング反応生成物の発光強度の変化を観測する
ことによる問題点は、現在のプロセスでは、エッチング
された表面の量はウェハの表面の10%以下、さらには
また1%以下であることである。ウェハ表面の残りの部
分は、マスクによりカバーされている。このためプラズ
マ中の反応生成物は、マスクとプラズマとの間の界面か
らの反応生成物により支配されている。エッチング終了
点の直前から直後までのエッチングの反応生成物の発光
強度の変化は、簡単には観測できない、その理由はプラ
ズマ中には他の種の量が多いことおよび他の種の放射ス
ペクトルは、プラズマ中のモニタされた種の放射スペク
トルと干渉してしまうからである。
According to US Pat. No. 5,322,590, the problem with observing changes in the emission intensity of etching reaction products is that in current processes, the amount of surface etched is 10 times the surface of the wafer. % Or less, and further 1% or less. The rest of the wafer surface is covered by the mask. Therefore, the reaction products in the plasma are dominated by the reaction products from the interface between the mask and the plasma. The change in the emission intensity of the reaction product of the etching from immediately before to immediately after the etching end point cannot be easily observed because the amount of other species in the plasma is large and the emission spectrum of other species is , Because it interferes with the emission spectrum of the monitored species in the plasma.

【0006】前掲の特許では、活性エッチャント種、即
ちプラズマ中で二酸化シリコンと実際に反応する基を観
測し、そして種の発光強度の変化から終了点を決定する
ことを提案している。さらにまた前掲の特許は、活性エ
ッチャント種の発光強度は、二酸化シリコンと反応して
いるときは、二酸化シリコンがエッチングされた後、そ
の下の材料(通常シリコン)が露出した時と比較する
と、観測できるほど低いと述べている。下のシリコンが
露出すると、活性エッチャント種はシリコンとは反応し
ないので、反応によりもはや消費されない。また前掲の
特許では、このような観測精度の向上を、活性エッチャ
ント種の発光強度と、反応生成物と反応種の発光強度の
結合変化は、より明かな影響を及ぼすという理論に基づ
いて、比較することにより向上できると述べている。
The above-cited patent proposes observing the active etchant species, ie the groups that actually react with silicon dioxide in the plasma, and determining the end point from the change in the emission intensity of the species. Furthermore, in the above-mentioned patent, the emission intensity of the active etchant species was observed when it was reacting with silicon dioxide, compared with when the material (usually silicon) underneath was exposed after the silicon dioxide was etched. It says it is as low as possible. When the underlying silicon is exposed, the active etchant species do not react with the silicon and are no longer consumed by the reaction. In addition, in the above-mentioned patent, comparison of such improvement in observation accuracy is made based on the theory that the change in the emission intensity of the active etchant species and the change in the emission intensity of the reaction product and the reaction species have a clearer effect. It can be improved by doing.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、個別の種の発
光強度の変化は、エッチング中の表面が比較的小さい即
ち全基板表面の10%以下であるようなプロセスにおい
ては、終了点を検出するためには充分な情報を提供する
ことができないので、プラズマプロセスを制御し、この
プロセスの終了点を決定するような別のプロセスが望ま
れている。したがって本発明の目的は、半導体素子の形
成に際し、半導体ウェハの表面から二酸化シリコンを除
去するためのプラズマエッチングプロセスを制御する方
法を提供するものである。
However, the change in emission intensity of an individual species detects the end point in processes where the surface being etched is relatively small, i.e. less than 10% of the total substrate surface. Since it is not possible to provide enough information to do so, another process is desired that controls the plasma process and determines the end point of this process. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of controlling a plasma etching process for removing silicon dioxide from the surface of a semiconductor wafer during the formation of semiconductor devices.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明のプロセスにおい
ては、パターン化されたフォトレジスト層でもってカバ
ーされている半導体ウェハをプラズマが生成される反応
チェンバ内に配置する。フォトレジスト層のパターン
は、その厚さ全体に亘って行われ、ウェハのある部分
は、マスクによりカバーされ、他の部分はカバーされて
いない。二酸化シリコンがウェハ表面の少なくともマス
クされていない部分に形成される。フルオロカーボン、
即ち過フッ化炭化水素(フレオン、Du Pont de Nemours
Co.の登録商標)をこのチェンバ内に導入する。充分な
量のエネルギをガスに加えてプラズマを発生させる。二
酸化シリコンがこのプラズマによりエッチングされる。
このプラズマの光学発光スペクトラム(optical emissi
on spectrum(OES)) は、エッチングの進行に際し
モニタされ、プラズマ中のある種の放射強度を所定の波
長で個別に観測することに基づいて、そしてこの種の放
射強度を所定の校正カーブと比較して、フォトレジスト
のエッチレートを決定する。二酸化シリコン層のコンタ
クトホールのエッチレートもこのようにして決定でき
る。
SUMMARY OF THE INVENTION In the process of the present invention, a semiconductor wafer covered with a patterned photoresist layer is placed in a reaction chamber in which a plasma is generated. The patterning of the photoresist layer is done throughout its thickness, some parts of the wafer being covered by the mask and other parts not being covered. Silicon dioxide is formed on at least the unmasked portion of the wafer surface. Fluorocarbon,
That is, fluorocarbons (Freon, Du Pont de Nemours
A registered trademark of Co.) is introduced into this chamber. A sufficient amount of energy is added to the gas to generate plasma. Silicon dioxide is etched by this plasma.
The optical emission spectrum of this plasma (optical emissi
on spectrum (OES) is monitored as the etching progresses and is based on observing certain radiant intensities in the plasma individually at a given wavelength, and comparing this radiant intensity with a given calibration curve. Then, the etching rate of the photoresist is determined. The etch rate of the contact holes in the silicon dioxide layer can also be determined in this way.

【0009】本発明のプロセスを用いて、直径が0.5
μm以下のコンタクトホールのエッチレートを決定でき
る。フォトレジストのエッチレートおよび/またはコン
タクトホールのエッチレートは、観測されたエッチレー
トが所定の範囲内にあるか否かを決定することにより観
測できる。エッチレートが所定の範囲内にある場合には
エッチングを進行させる。所定の範囲内にない場合に
は、エッチングを停止するか、あるいはプロセス条件を
変化させてエッチレートを所定の範囲内に戻す。本発明
は二酸化シリコン層上に形成されたフォトレジスト層を
例に記載しているが、本発明は、フォトレジストマスク
の表面領域とマスクされていない露出された下層の表面
領域との間に大きな差があるような場合に、ウェハのプ
ラズマエッチングをモニタするのにも用いられる。大き
な差がある場合とは、ウェハの80%以上がフォトレジ
スト層にマスクされ、酸化物がコーティングされたウェ
ハの部分が20%以下の場合をいう。
Using the process of the present invention, a diameter of 0.5
It is possible to determine the etching rate of the contact hole of μm or less. The photoresist etch rate and / or contact hole etch rate can be observed by determining whether the observed etch rate is within a predetermined range. If the etching rate is within the predetermined range, the etching is advanced. If it is not within the predetermined range, the etching is stopped or the process conditions are changed to bring the etch rate back within the predetermined range. Although the present invention describes a photoresist layer formed on a silicon dioxide layer as an example, the present invention describes a large photoresist layer between the surface area of the photoresist mask and the unmasked exposed underlying surface area. It is also used to monitor the plasma etching of the wafer when there is a difference. When there is a large difference, 80% or more of the wafer is masked by the photoresist layer and 20% or less of the oxide-coated wafer portion is used.

【0010】一実施例においては、フォトレジストコー
ティングされたウェハをC26プラズマを用いたエッチ
ング条件に曝す。C26プラズマは、半導体素子の形成
プロセスの際、二酸化シリコンをエッチングするために
従来用いられている。C26プラズマを生成するメカニ
ズムと条件は、従来公知のものである。
In one embodiment, the photoresist coated wafer is exposed to etching conditions using a C 2 F 6 plasma. C 2 F 6 plasma is conventionally used to etch silicon dioxide during the semiconductor device formation process. The mechanism and conditions for generating the C 2 F 6 plasma are conventionally known.

【0011】二酸化シリコンの上にフォトレジストマス
クを形成したウェハをフルオロカーボン含有プラズマで
もってエッチングする際には、光学発光スペクトラム
(OES)は、ある波長で発光強度のピークを有する。
このピークは、プラズマ中である種の存在と相対的濃度
を表す。このOESを用いて、フォトレジストあるいは
コンタクトホールのエッチレートが決定できる。その理
由は、プラズマ中のある種の発光強度は、エッチレート
に関係するからである。
When a wafer having a photoresist mask formed on silicon dioxide is etched with plasma containing fluorocarbon, the optical emission spectrum (OES) has a peak of emission intensity at a certain wavelength.
This peak represents the presence and relative concentration of certain species in the plasma. This OES can be used to determine the etch rate of the photoresist or contact hole. The reason is that some emission intensity in the plasma is related to the etch rate.

【0012】モニタされる種とOESを用いてモニタす
る方法は、決定されるべきエッチレートの相関関係にあ
る。OESを用いてフォトレジストのエッチレートをモ
ニタする場合には、OESの少なくとも2つの種の発光
強度をモニタしなければならない。この複数の種の1つ
は、フォトレジストとエッチング装置の壁のカーボン種
とフルオロカーボンプラズマの相互作用の副生成物(副
産物)である。この種がC2 であるのが望ましい。他の
モニタされる種は、プラズマの強度に関連している。例
えば、フォトレジストでマスクされたウェハのフルオロ
カーボンのエッチング中のOESスペクトラムは、プラ
ズマ中のSiF種に関連する440nm波長でピーク強
度を有する。プラズマの強度が増加するとこのピークの
強度も増加する。プラズマ強度が減少すると、このピー
クの強度も減少する。したがって、SiF種のピークは
プラズマの強度に関連する。他の種例えば、Siまたは
Fは、この種に関連するOESスペクトラムのピークが
プラズマ強度に関連しているためにモニタすることがで
きる。OESはプラズマ中のC2 に関連した数個のピー
クを有するが、515nmでのピークをモニタするのが
好ましい。プラズマ中にSiF種の存在をモニタするた
めには、OES中で440nmのピークを観測するのが
好ましい。プラズマ中にSi種の存在をモニタする場合
には、288nmの光学放射が用いられる。プラズマ中
にF種の存在をモニタする場合には、703nmの光学
放射が用いられる。以下の説明においては、C2 の光学
放射(515nmでの)とSiFの光学放射(440n
mでの)が観測される実施例を用いて本発明を説明す
る。
The species monitored and the method of monitoring with OES is a function of the etch rate to be determined. When using OES to monitor the etch rate of a photoresist, the emission intensity of at least two species of OES must be monitored. One of the plurality of species is a by-product of the interaction of the fluorocarbon plasma with the carbon species on the walls of the photoresist and the etcher. Desirably, the species is C 2 . Other monitored species relate to plasma intensity. For example, the OES spectrum during the fluorocarbon etch of a photoresist masked wafer has a peak intensity at the 440 nm wavelength associated with SiF species in the plasma. As the plasma intensity increases, so does the intensity of this peak. As the plasma intensity decreases, so does the intensity of this peak. Therefore, the peak of SiF species is related to the intensity of the plasma. Other species, such as Si or F, can be monitored because the peak of the OES spectrum associated with this species is related to plasma intensity. OES has several peaks associated with C 2 in the plasma, but it is preferred to monitor the peak at 515 nm. To monitor the presence of SiF species in the plasma, it is preferable to observe the 440 nm peak in OES. When monitoring the presence of Si species in the plasma, 288 nm optical radiation is used. Optical radiation at 703 nm is used when monitoring the presence of F species in the plasma. In the following description, C 2 optical emission (at 515 nm) and SiF optical emission (440 n) are used.
The invention is illustrated by the example in which the (in m) is observed.

【0013】プラスマ中のこれら2種類の種の光学放射
は、エッチングの開始前のウェハ上のフォトレジスト層
の厚さを測定することによりフォトレジストのエッチン
グレートに関連づけられる。その後このウェハをプラズ
マエッチングして、ある関連波長でのプラズマの光学放
射を時間の関数として観測する。エッチングが終了した
後は、残りのフォトレジスト層の厚さを測定し、プロセ
ス条件の特定の組用のエッチレートを決定する。
The optical emission of these two species in the plasma is related to the photoresist etch rate by measuring the thickness of the photoresist layer on the wafer prior to the start of etching. The wafer is then plasma etched and the optical emission of the plasma at some relevant wavelength is observed as a function of time. After etching is complete, the thickness of the remaining photoresist layer is measured to determine the etch rate for the particular set of process conditions.

【0014】OESを用いてコンタクトホールのエッチ
レートをモニタする場合には、プラズマ中の1つの種の
光学放射をモニタする。その種は、コンタクトホールの
エッチレートに関連するプラズマ中のどのような種でも
よい。プラズマ中のC2 種またはSiF種の光学放射を
モニタするのがよい。その理由はこれらの信号のS/N
比がエッチングプロセスの間充分に高いからである。こ
の光学放射は、あるエッチング処理時間後、複数のパタ
ーン化されたウェハの断面をSEM(走査型電子顕微
鏡)で測定することにより、コンタクトホールのエッチ
レートに関連づけられる。このあるエッチング処理時間
後、ウェハはそこにエッチングされたコンタクトホール
を有する。あるエッチング処理時間後、残ったフォトレ
ジストマスクの一部は、SEMの測定前にはウェハから
除去されない。このSEMからコンタクトホールの深さ
が測定できる。その後このエッチレートは、コンタクト
ホールの深さとエッチング時間から計算される。その後
このエッチレートは、エッチングの間に得られたOES
トレースに関連づけられる。
When using OES to monitor the etch rate of a contact hole, one species of optical radiation in the plasma is monitored. The species can be any species in the plasma that is associated with the contact hole etch rate. Optical emission of C 2 or SiF species in the plasma should be monitored. The reason is the S / N of these signals
The ratio is high enough during the etching process. This optical emission is related to the etch rate of the contact holes by measuring SEM (scanning electron microscope) cross sections of the patterned wafers after a certain etching treatment time. After this certain etching treatment time, the wafer has contact holes etched therein. After a certain etching treatment time, some of the remaining photoresist mask is not removed from the wafer before SEM measurement. The depth of the contact hole can be measured from this SEM. Thereafter, this etch rate is calculated from the depth of the contact hole and the etching time. This etch rate is then determined by the OES obtained during etching.
Associated with trace.

【0015】エッチレートとOESパラメータとを関連
づける上記のプロセスを複数回繰り返し、個別の処理パ
ラメータ(例、温度,流速,圧力,無線周波数バイア
ス,ソースパワー,O2 クリーン時間)を変化させてフ
ォトレジストおよび/またはコンタクトホールのエッチ
レートを変え、そして光学放射影響とフォトレジストエ
ッチレートおよび/またはコンタクトホールエッチレー
トとの間の相関関係を決定するのが望ましい。処理パラ
メータを変化させるために選択されたパラメータとその
パラメータの量を変えることにより、エッチレート全体
に亘っての影響を得ることができる。そのため処理パラ
メータを変化させたときのエッチレートに影響を及ぼす
パラメータのみを本発明の目的のために選択できる。処
理パラメータを変化させるために選択されたパラメータ
が、互いに2倍または3倍以上に変化するようなエッチ
レートを提供できることが望ましい。
The above process for associating the etch rate with the OES parameters is repeated a plurality of times to change the individual process parameters (eg temperature, flow rate, pressure, radio frequency bias, source power, O 2 clean time) and photoresist. It is desirable to change the etch rate of the contact holes and / or contact holes and to determine the correlation between the optical radiation effect and the photoresist etch rate and / or the contact hole etch rate. By varying the parameters selected to change the process parameters and the amount of that parameter, the effect over the etch rate can be obtained. Therefore, only the parameters that affect the etch rate when the process parameters are changed can be selected for the purposes of the present invention. It is desirable to be able to provide an etch rate such that the parameters selected to change the process parameters change by a factor of 2, 3 or more relative to each other.

【0016】例えば、プラズマのソースパワーを変化さ
せることによるフォトレジストのエッチレートへの影響
は、エッチング毎にプラズマソースパワーを変えて、他
は同一条件で複数枚のウェハをエッチングすることによ
り観測できる。時間をかけてOES中で関連波長の強度
の影響を得て、そしてこの影響をフォトレジストのエッ
チングレートに関連づける。あるいはこのプロセスをチ
ェンバの温度のような別の処理パラメータに対しても繰
り返し行う。
For example, the effect of changing the plasma source power on the photoresist etch rate can be observed by changing the plasma source power for each etching and otherwise etching a plurality of wafers under the same conditions. . The effect of the intensity of the relevant wavelength is obtained in OES over time and this effect is related to the etching rate of the photoresist. Alternatively, the process is repeated for other process parameters such as chamber temperature.

【0017】本発明の一実施例によれば、チェンバのO
2 クリーンの持続時間の変化(エッチングチェンバは、
エッチングの間チェンバの壁に付着した堆積物を取り除
くためにあるエッチング終了後毎にO2 で洗浄される)
のコンタクトホールエッチングレートへの影響を観測で
きる。O2 の洗浄時間とコンタクトホールのエッチレー
トとの間には複雑な関係がある。O2 の洗浄時間がチェ
ンバ内の全ての堆積物を除去するには不十分な場合に
は、コンタクトレートホールのエッチレートは、エッチ
ング毎に変動する。このような影響は累積するので、各
エッチングにより明白となる。O2 の洗浄時間とエッチ
レートとの関係は、エッチングされたウェハの数の関数
として測定される。OESトレースは、各エッチングに
対し、何回も選択したある波長で得られる。このトレー
スは、上記の方法でエッチレートに関連づけられる。
According to one embodiment of the invention, the chamber O
2 Change in clean duration (etching chamber
It is cleaned with O 2 after every etching to remove deposits on the walls of the chamber during etching)
The effect on the contact hole etching rate can be observed. There is a complex relationship between the O 2 cleaning time and the contact hole etch rate. If the O 2 cleaning time is insufficient to remove all deposits in the chamber, the etch rate of the contact rate holes will vary from etch to etch. Such effects are cumulative and are apparent with each etch. The relationship between O 2 cleaning time and etch rate is measured as a function of the number of wafers etched. OES traces are obtained at a selected wavelength many times for each etch. This trace is related to the etch rate in the manner described above.

【0018】上に述べたように様々なエッチレートに対
し、トレースが得られた後、各トレースからの信号の比
率は特定のエッチレートに関連づけられる。これは様々
な方法により行われる。ある実施例においては、プラズ
マ中の2つの異なる種(例:C2 ,SiF)に関連する
2種類の信号強度の比率(エッチング処理の異なる時間
点、例えばエッチングに入ってから75秒後における比
率)が各トレースに対し得られる。そしてこの比率をフ
ォトレジストのエッチレートの関数としてマッピングす
る。このような情報を用いて、エッチング時リアルタイ
ムでその比率を観測し、比率とエッチレートとの相関関
係を参照することによりエッチレートをモニタする。
After the traces have been obtained for various etch rates as described above, the ratio of the signal from each trace is related to the particular etch rate. This can be done in various ways. In one embodiment, the ratio of the two signal intensities associated with two different species in the plasma (eg, C 2 , SiF) (at different time points in the etching process, eg, 75 seconds after entering the etch). ) Is obtained for each trace. This ratio is then mapped as a function of photoresist etch rate. Using such information, the ratio is observed in real time during etching, and the etch rate is monitored by referring to the correlation between the ratio and the etch rate.

【0019】本発明の他の実施例においては、プラズマ
中の単一の種(C2 ,SiF)に関連する信号強度をモ
ニタし、エッチング処理中の2つの異なる時間点
(t1,t2)におけるこの強度の比率を得る。そしてこ
の比率をコンタクトホールエッチレートの関数としてマ
ッピングする。このエッチレートは、OESトレースか
ら時間t1,t2での信号強度の比率を得ることにより、
そして以前に得た校正情報からそしてこれらの比率に関
連するエッチレートを見いだすことによりリアルタイム
で決定できる。
In another embodiment of the invention, the signal strength associated with a single species (C 2 , SiF) in the plasma is monitored and two different time points (t 1 , t 2 ) during the etching process are monitored. ), Get the ratio of this intensity in. This ratio is then mapped as a function of contact hole etch rate. This etch rate is obtained by obtaining the ratio of the signal strengths at times t 1 and t 2 from the OES trace.
It can then be determined in real time from previously obtained calibration information and by finding the etch rate associated with these ratios.

【0020】本発明の第3の実施例においては、第1種
の信号強度と第2種の信号強度の比率の積分値を全エッ
チング時間に亘って計算する。この積分値は、上記の方
法でエッチングレートに関連づけられる。以上説明した
全ての実施例において、ある比率があるエッチレートと
関連づけられると、この比率とエッチレートとの間の関
係は、この比率をエッチレートの関数としてプロットす
ることにより決定できる。このプロットは、本発明のプ
ロセスを制御するために用いる校正カーブである。
In the third embodiment of the present invention, the integral value of the ratio of the signal intensity of the first type and the signal intensity of the second type is calculated over the entire etching time. This integrated value is related to the etching rate in the manner described above. In all the examples described above, once a ratio is associated with an etch rate, the relationship between this ratio and the etch rate can be determined by plotting this ratio as a function of etch rate. This plot is a calibration curve used to control the process of the present invention.

【0021】本発明の一実施例においては、OESトレ
ース内のC2 に関連した信号のSN比は、RFで生成さ
れたフロオロカーボンプラズマ内でシリコンウェハ上に
形成されたフォトレジスト、あるいは二酸化シリコンが
形成されていないシリコンウェハをエッチングすること
により低減できる。このOESトレースのC2 信号を観
測する。このC2 信号は、フルオロカーボンガスとチェ
ンバ内部の種を含有する残留カーボンからの寄与分を含
む。そのためにブランクシリコンウェハでもって、プラ
ズマ内のC2 信号を得て、この信号対フォトレジストで
カバーされたウェハをエッチングする際に得られたC2
信号との比率をとることにより、フルオロカーボンの背
景影響とOESトレースのC2 信号におけるチェンバ内
部の背景影響(バックグラウンド信号を得るために用い
られるエッチング条件と同一のエッチング条件下で得ら
れる)とを取り除くことができる。
In one embodiment of the present invention, the signal-to-noise ratio of the C 2 -related signal in the OES trace is determined by the photoresist or dioxide formed on the silicon wafer in the RF-generated fluorocarbon plasma. It can be reduced by etching a silicon wafer on which silicon is not formed. Observe the C 2 signal of this OES trace. This C 2 signal contains contributions from fluorocarbon gas and residual carbon containing species inside the chamber. Therefore, with a blank silicon wafer, we obtain the C 2 signal in the plasma and this signal versus the C 2 obtained when etching the wafer covered with photoresist.
By taking the ratio with the signal, the background effect of the fluorocarbon and the background effect inside the chamber in the C 2 signal of the OES trace (obtained under the same etching conditions as those used to obtain the background signal) are obtained. Can be removed.

【0022】校正カーブが上記のようにして得られる
と、エッチングの間に得られたOESを用いてリアルタ
イムのプロセス制御を実行できる。例えば515nmで
のC2ピーク対440nmでのSiFピークの比率は時
間tで、OESから決定でき、この比率を用いて、前述
したようにして得られた校正カーブを用いてフォトレジ
ストエッチレートを決定できる。エッチレートが決定さ
れると、この情報を用いてプロセスを制御する。時間t
におけるフォトレジストのエッチレートが「仕様外」即
ち所定の値よりも高いかあるいは低い場合には、このプ
ロセスでは問題があることを意味し、このプロセスを中
止して、問題が検出される前に間違った処理シーケンス
でもって数個の(おそらくは多数の)ウェハを処理する
ことなく問題を修正する。例えば時間tにおけるエッチ
レートが分かっている場合には、オペレータは必要に応
じてエッチ条件、例えば圧力,流速,反応性ガスの組成
等を調整してエッチレートを所定の範囲内に戻すように
する。
Once the calibration curve is obtained as described above, the OES obtained during etching can be used to perform real-time process control. For example, the ratio of the C 2 peak at 515 nm to the SiF peak at 440 nm can be determined from OES at time t, and this ratio is used to determine the photoresist etch rate using the calibration curve obtained as described above. it can. Once the etch rate is determined, this information is used to control the process. Time t
If the photoresist etch rate at is out of specification, ie higher or lower than a given value, then this process is problematic and should be stopped before the problem is detected. Corrects the problem without having to process a few (possibly many) wafers with the wrong processing sequence. For example, when the etch rate at time t is known, the operator adjusts the etch conditions, such as pressure, flow rate, composition of reactive gas, etc., as necessary to bring the etch rate back within a predetermined range. .

【0023】本発明の実施例では、フォトレジストのエ
ッチレートとコンタクトホールのエッチレートを例に上
げて説明したが、エッチレートの実際の決定は、本発明
に対し重要なものではない。むしろエッチレートは、プ
ラズマ中のC2 信号とSiF信号との比率に対し相関関
係がある。ある特定のプロセスに対し、この比率の許容
できる範囲は、上記に説明した校正方法を用いて決定で
き、この比率をモニタすることによってプロセスをリア
ルタイムで制御できる。この本発明の方法は、パターン
転写プロセスで特に利点があり、そして上層の表面積が
下層のマスクされていない部分に比較して大きいような
パターン転写プロセスで、あるいはその逆のパターン転
写プロセスで特に有益である。例えば本発明のプロセス
を用いて、マスクの下の二酸化シリコン層のコンタクト
ホール(即ちバイアス)をモニタすることができる。C
2 対SiFの比率を所定の範囲内に維持するようプラズ
マ条件を制御することにより、マスクの下の二酸化シリ
コンのオーバエッチングあるいはアンダエッチングを回
避することができる。エッチング処理期間中周期的にあ
るいは連続的にC2 種とSiF種をモニタすることによ
り、エッチプロセスをリアルタイムで制御できる。
In the embodiments of the present invention, the photoresist etch rate and the contact hole etch rate have been described as examples, but the actual determination of the etch rate is not important to the present invention. Rather, the etch rate is a function of the ratio of C 2 and SiF signals in the plasma. The acceptable range of this ratio for a particular process can be determined using the calibration method described above, and the process can be controlled in real time by monitoring this ratio. This method of the present invention has particular advantages in pattern transfer processes and is particularly useful in pattern transfer processes where the surface area of the upper layer is large compared to the unmasked portion of the lower layer, and vice versa. Is. For example, the process of the present invention can be used to monitor contact holes (or biases) in the silicon dioxide layer under the mask. C
By controlling the plasma conditions to maintain the 2 to SiF ratio within a predetermined range, over-etching or under-etching of the silicon dioxide under the mask can be avoided. By monitoring C 2 and SiF species periodically or continuously during the etching process, the etch process can be controlled in real time.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】本発明はコンタクトホールを二酸
化シリコン内にエッチングして形成する半導体素子のプ
ロセスに関するものであるが、本明細書においては、パ
ターン化されたフォトレジストマスクは、酸化物層がそ
の上に形成されたシリコンウェハ上に形成されるものと
する。ウェハの表面の50%以下しかマスクされずに、
50%以上はフォトレジストマスクでカバーされている
ようにパターン化されるのが好ましい。本発明のプロセ
スは、OESを用いてフォトレジストパターンのホール
を下の酸化物層に転写するために用いられるプラズマを
モニタする。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention relates to a process of a semiconductor device in which a contact hole is etched in silicon dioxide. In this specification, a patterned photoresist mask is an oxide layer. Shall be formed on the silicon wafer formed thereon. Only 50% or less of the wafer surface is masked,
Preferably, 50% or more is patterned so that it is covered with a photoresist mask. The process of the present invention uses OES to monitor the plasma used to transfer holes in the photoresist pattern into the underlying oxide layer.

【0025】通常フルオロカーボン含有のプラズマを用
いて、ホールを下の酸化物層に転写する。このプラズマ
環境のOESをモニタして、プラズマエッチングプロセ
スをリアルタイムで制御できる。フルオロカーボン含有
プラズマを生成する方法と装置は、従来公知のものでこ
こでは詳述しない。フルオロカーボンプラズマを用いて
エッチングを行う適当な装置は、カリフォルニア州サニ
ーベルのアプライドマテリアル社から市販されている5
300HDPエッチャー(オメガとして知られている)
である。この装置を75ミリトール以下の圧力で、そし
て電子1011/cm3 以上の電子密度で動作させる。
The holes are transferred to the underlying oxide layer, usually using a fluorocarbon-containing plasma. The OES of this plasma environment can be monitored to control the plasma etching process in real time. Methods and apparatus for producing a fluorocarbon-containing plasma are well known in the art and will not be described in detail here. A suitable apparatus for etching with a fluorocarbon plasma is commercially available from Applied Materials, Inc., Sunnybell, Calif.
300 HDP Etcher (also known as Omega)
It is. The device is operated at pressures below 75 mTorr and electron densities above 10 11 / cm 3 .

【0026】プラズマのOESは、プラズマから出て成
分波長に入る光を分離して光強度を測定する従来の装置
を用いてモニタできる。OESシステムの一例は、スペ
クトログラフ(Model CP140 from Instruments SA of E
dison, New Jersey) に接続されたCCDアレーディテ
クタ(model LS2000C from Alton Instruments of Gard
en Grove, Ca) を有する。約200nmから850n
mの範囲の放射検知機能を有し、その解像度は2nm以
下で、スキャン時間は、0.1秒以下である。
The OES of the plasma can be monitored using a conventional device that separates the light exiting the plasma and entering the component wavelengths and measuring the light intensity. An example of an OES system is a spectrograph (Model CP140 from Instruments SA of E
CCD array detector (model LS2000C from Alton Instruments of Gard) connected to dison, New Jersey
en Grove, Ca). About 200nm to 850n
It has a radiation detection function in the range of m, its resolution is 2 nm or less, and its scan time is 0.1 second or less.

【0027】このOESは、ウェハをエッチングするた
めにプラズマが用いられる際、ある選択された波長でも
ってその時間の間ずうっとモニタされる。本発明のプロ
セスを実行するためにフォトレジストのエッチレートお
よび/またはコンタクトホールのエッチレートとの間の
関係と所定の波長におけるOESの信号強度を決定しな
ければならない。フォトレジストのエッチレートを決定
するためにフォトレジストの厚さは、ある時間エッチン
グ処理された前後に測定される。このフォトレジストの
エッチレートは、厚さの変化を時間でわり算することに
より決定される。コンタクトホールのエッチレートは、
ある時間のエッチング後コンタクトホールの深さを測定
することにより決定される。SEMを用いてコンタクト
ホールの深さを測定する。コンタクトホールのエッチレ
ートは、コンタクトホールの深さをエッチング時間でわ
り算することにより決定される。
This OES is inadvertently monitored during that time at a selected wavelength as the plasma is used to etch the wafer. To carry out the process of the present invention, the relationship between the photoresist etch rate and / or contact hole etch rate and the OES signal strength at a given wavelength must be determined. The photoresist thickness is measured before and after being etched for a period of time to determine the photoresist etch rate. The photoresist etch rate is determined by dividing the change in thickness by time. The contact hole etch rate is
It is determined by measuring the depth of the contact hole after etching for a period of time. The depth of the contact hole is measured using SEM. The contact hole etch rate is determined by dividing the depth of the contact hole by the etching time.

【0028】エッチレートとOES信号との間の関係
は、様々な方法により決定できる。プラズマエッチング
の間フォトレジストのエッチレートをモニタするのに適
した一実施例では、プラズマ中の少なくとも2種類の種
に関連した波長をエッチングの間モニタする。このモニ
タされた波長の1つは、プラズマとフォトレジストとの
間の相互作用に関連する種のピーク強度に関連し、その
種の1つは、プラズマの強度に関連する。適当な種の対
の例は、C2 とSiF,C2 とSi,C2 とFである。
これらの種のあるものは、フルオロカーボンプラズマの
OESスペクトラム内の様々な異なる波長におけるピー
クに関連している。例えば、図1に示すように上記のよ
うにマスクされたウェハをエッチングするために用いら
れるC26プラズマのOESスペクトラムは、C2 に関
連した複数の異なる波長で強度ピークを有する。これら
のスペクトラムは、上記の装置を用いて得られる。本発
明のプロセスを実行するためには、上記の種の対の内の
各対の一方に関連した波長のみをモニタすればよい。一
実施例においては、440nmのOES信号(SiF種
に関連する)と515nmのOES信号(C2 種に関連
する)をモニタする。
The relationship between etch rate and OES signal can be determined in various ways. In one embodiment suitable for monitoring the photoresist etch rate during plasma etching, the wavelengths associated with at least two species in the plasma are monitored during etching. One of the monitored wavelengths is associated with the peak intensity of the species associated with the interaction between the plasma and the photoresist, and one of the species is associated with the intensity of the plasma. Examples of suitable species pairs are C 2 and SiF, C 2 and Si, C 2 and F.
Some of these species are associated with peaks at various different wavelengths within the OES spectrum of fluorocarbon plasmas. For example, C 2 F 6 plasma OES spectrum used for etching the masked wafer as described above, as shown in FIG. 1 has an intensity peak at a plurality of different wavelengths associated with C 2. These spectra are obtained using the device described above. To carry out the process of the present invention, only the wavelength associated with one of each of the above species of pairs needs to be monitored. In one embodiment, the 440 nm OES signal (related to SiF species) and the 515 nm OES signal (related to C 2 species) are monitored.

【0029】それぞれでの選択された波長におけるC2
信号とSiF信号の強度は、エッチングの時間の関数と
してモニタされる。C2 信号とSiF信号の比率をエッ
チングのある時点での2つの信号の比率を選択すること
により、あるいはある時間に亘って各信号の値を積分
し、この積分された信号の比率を得ることにより決定さ
れる。この比率は、ウェハのエッチレートに関連してい
る。
C 2 at each selected wavelength
The signal and SiF signal intensities are monitored as a function of etching time. To obtain the ratio of the integrated signals by selecting the ratio of the C 2 signal and the SiF signal as the ratio of the two signals at a certain point of etching, or by integrating the value of each signal over a certain time. Determined by This ratio is related to the wafer etch rate.

【0030】このプロセスは、様々なエッチングレート
のエッチングプロセスに対し繰り返される。フォトレジ
ストのエッチレートに対する校正カーブを得る本発明の
実施例においては、エッチレートは、例えばプラズマソ
ースパワーあるいはチャンバーの天井の温度のような個
別のプロセスパラメータを変えることにより変化させて
いる。一実施例においては、エッチレートは、ソースパ
ワーと天井温度を変えることにより900A/分から3
400A/分の範囲内で変化した(ただしAは、オング
ストロームの略とする)。これは4つの異なるソースパ
ワー、即ち2350W,2500W,2650W,28
00Wでもって一連のエッチングを実行することにより
行われた。そして各ソースパワーに対し、3種類の天井
の温度が240℃,250℃,260℃で、それぞれ3
種類のエッチングが実行された。他のエッチングパラメ
ータ、例えばバイアスと圧力は、上記のパラメータを変
化させている場合には、一定に保持した。これにより校
正カーブが得られ、その結果C2 とSiF信号の特定の
関係をフォトレジストのエッチレートに関連づけること
ができた。
This process is repeated for etching processes of various etching rates. In the embodiment of the present invention in which a calibration curve for photoresist etch rate is obtained, the etch rate is varied by changing individual process parameters such as plasma source power or chamber ceiling temperature. In one embodiment, the etch rate varies from 900 A / min to 3 by varying the source power and ceiling temperature.
It varied within the range of 400 A / min (A is an abbreviation for angstrom). It has four different source powers: 2350W, 2500W, 2650W, 28
It was done by performing a series of etchings with 00W. And for each source power, three kinds of ceiling temperatures are 240 ℃, 250 ℃, 260 ℃, respectively 3
Kinds of etching were performed. Other etching parameters, such as bias and pressure, were held constant when changing the above parameters. This provided a calibration curve that allowed a specific relationship between C 2 and SiF signal to be related to the photoresist etch rate.

【0031】コンタクトホールのエッチレートをモニタ
するために、校正カーブを得る本発明の一実施例におい
ては、エッチング処理の間O2 によるチェンバ洗浄時間
を適宜選択してコンタクトホールのエッチレートをウェ
ハ毎に変化させた。他のエッチングパラメータについて
は、ウェハ毎に一定に保持した。O2 でチェンバを40
秒もしくはそれ以下の時間洗浄することでは、ウェハ毎
に完全には洗浄されず、そしてエッチレートはチェンバ
の残留物の結果ウェハ毎に変動した。約40秒の洗浄時
間は、これらの条件下では、ウェハ毎に接点ホールのエ
ッチレートは変化するが、フォトレジストのエッチレー
トは変化しないので好ましい。ウェハを搭載したカセッ
ト(25)を各エッチングの間、上記のO2 によるチェ
ンバ洗浄時間でエッチングした。各ウェハに対するOE
Sトレースが得られた。プラズマ中の種(C2 またはS
iF)に関連する信号強度は、エッチングの間2つの時
間点(t1 とt2 )で測定され、これら2つの強度の比
率は前述したようにエッチレートに関連している。
In order to monitor the etch rate of the contact holes, in one embodiment of the present invention for obtaining a calibration curve, the chamber cleaning time by O 2 is appropriately selected during the etching process to set the contact hole etch rate for each wafer. Changed to. Other etching parameters were kept constant for each wafer. 40 with O 2
Cleaning for seconds or less did not completely clean from wafer to wafer, and the etch rate varied from wafer to wafer as a result of chamber residue. A wash time of about 40 seconds is preferred because under these conditions the contact hole etch rate will change from wafer to wafer, but the photoresist etch rate will not. The wafer loaded cassette (25) was etched between chambers with the O 2 chamber cleaning time described above. OE for each wafer
An S trace was obtained. Species in plasma (C 2 or S
The signal intensity associated with iF) is measured at two time points (t 1 and t 2 ) during etching, and the ratio of these two intensities is associated with the etch rate as previously described.

【0032】この校正カーブを得るために、パラメータ
を変化させたが、各パラメータの変動量は、主に設計的
選択事項であるが、エッチレートが目標とするエッチレ
ートに対し約±50%で変動する場合が好ましい。C2
信号対SiF信号の比率が、同一の条件でエッチングを
行ったブランクウェハのOESから得るのが好ましい。
この「フォトレジストウェハの比率」を「ブランクウェ
ハの比率」でわり算することにより、背景影響を除去し
た比率が得られ、そしてフォトレジストのエッチレート
がこの比率から得られる。
The parameters were changed in order to obtain this calibration curve. The fluctuation amount of each parameter is mainly a design choice, but the etching rate is about ± 50% of the target etching rate. The case where it varies is preferable. C 2
The signal to SiF signal ratio is preferably obtained from OES of blank wafers etched under the same conditions.
By dividing this "photoresist wafer ratio" by the "blank wafer ratio", a background-free ratio is obtained, and the photoresist etch rate is obtained from this ratio.

【0033】一旦校正カーブが得られると、OESスペ
クトラムがエッチングプロセスの間所定の波長でのスペ
クトラムの信号強度をモニタし、2つの信号の比率に基
づいてエッチレートを校正することにより、プラズマエ
ッチプロセスをリアルタイムでプロセス制御する目的で
得られる。フォトレジストのエッチレートをリアルタイ
ムで決定できることは、より良好なプロセス制御が可能
となるが、その理由はフォトレジストは、所定の範囲外
にあると観測されると、プロセス条件をリアルタイムで
調整するか、あるいはエッチングの前に後のウェハをフ
ォトレジストのエッチレートを所望の範囲内に戻すよう
にして処理を行うことができる。
Once the calibration curve is obtained, the OES spectrum monitors the signal strength of the spectrum at a given wavelength during the etching process and calibrates the etch rate based on the ratio of the two signals to form a plasma etch process. Is obtained for the purpose of real-time process control. Being able to determine the photoresist etch rate in real time allows for better process control because the photoresist adjusts its process conditions in real time if it is observed to be out of range. Alternatively, the subsequent wafer can be treated before etching to bring the photoresist etch rate back within the desired range.

【0034】このようにして得られた校正カーブを用い
て、校正カーブを得るのに用いたプロセス条件に類似の
プロセスを制御する。新たな校正カーブを必要とするよ
うなプロセス条件の変化は、当業者には公知のものであ
る。例えばプロセス条件は、校正カーブを得るために変
動される条件の範囲全部に亘って、変化させる(例えば
ソースパワーと温度を変動させる)が他のプロセス条件
の変動は、新たな校正カーブを作ることが必要となる。
例えばエッチング装置の予熱条件を変動させると新たな
校正カーブが必要となる。また例えば、校正カーブを作
るために用いられた予熱時間が5秒の場合には、予熱時
間を30秒に変化させた場合には新たな校正カーブが必
要となる。しかし、予熱時間を10秒に変化させた場合
には必要はない。エッチング材の組成を校正カーブを得
るためにモニタされたエッチングプロセスで使用された
組成から変化させた場合には、新たな校正カーブが新た
なエッチング材ように必要となる。フォトレジストによ
りカバーされたウェハの表面積が、校正カーブを得るた
めにエッチングされたウェハの量(表面積)から±10
%以上変動した場合には、新たな校正カーブが必要とな
る。同様にrfパワー,圧力,エッチングガス流速等を
校正カーブを得るために用いられたエッチング条件から
大きく変動させた場合には新たな校正カーブが必要とな
る。
The calibration curve thus obtained is used to control a process similar to the process conditions used to obtain the calibration curve. Changes in process conditions that require new calibration curves are known to those skilled in the art. For example, process conditions are varied (eg source power and temperature are varied) over the range of conditions that are varied to obtain a calibration curve, while other process conditions are varied to create a new calibration curve. Is required.
For example, if the preheating condition of the etching apparatus is changed, a new calibration curve is needed. Further, for example, when the preheating time used for creating the calibration curve is 5 seconds, a new calibration curve is required when the preheating time is changed to 30 seconds. However, it is not necessary when the preheating time is changed to 10 seconds. If the composition of the etchant is changed from the composition used in the monitored etching process to obtain the calibration curve, then a new calibration curve is needed for the new etchant. The surface area of the wafer covered by the photoresist is ± 10 from the amount (surface area) of the wafer etched to obtain the calibration curve.
If it fluctuates by more than%, a new calibration curve is required. Similarly, when the rf power, the pressure, the etching gas flow rate, etc. are largely changed from the etching conditions used to obtain the calibration curve, a new calibration curve is required.

【0035】[0035]

【実施例】【Example】

実験例1 プラズマエッチングの間、フォトレジストのエッチレー
トをモニタするために、校正カーブを得るためにエッチ
ングされたウェハは、8000A厚のIラインのフォト
レジスト層で100%カバーされたシリコンウェハで、
マサチューセッツ州マールボロのシップリー社から市販
されているシップリー1800である。プラズマエッチ
ングプロセスの間コンタクトホールのエッチレートをモ
ニタするために、校正カーブを得るためにエッチングさ
れたウェハは、1.02μm厚の酸化物層がその上に形
成されたシリコンウェハである。これらのウェハの表面
は、そのウェハの98%以上が、コーティングされたA
RCH II(登録商標)の深UV(紫外線)レジスト
層を有する。ARCH IIのフォトレジストは、OC
Gコープで製造されたものである。
Experimental Example 1 In order to monitor the etch rate of the photoresist during plasma etching, the wafer etched to obtain the calibration curve was a silicon wafer 100% covered with a 8000 A thick I-line photoresist layer.
The Shipley 1800 is commercially available from Shipley, Inc. of Marlborough, Massachusetts. The wafer etched to obtain the calibration curve to monitor the contact hole etch rate during the plasma etching process is a silicon wafer with a 1.02 μm thick oxide layer formed thereon. The surface of these wafers was coated with more than 98% of the coated A
It has a deep UV (ultraviolet) resist layer of RCH II®. ARCH II photoresist is OC
It is manufactured by G Corp.

【0036】これらのウェハは、Applied Materials Mo
del 5300 HDP (Omega)の酸化エッチング装置によりエッ
チングされた。チェンバの圧力は4ミリトールでプラズ
マ内の電子密度は、1011から1012/cm3 の間にあ
る。このエッチング装置は、RFソースコイルを具備
し、プラズマを生成し、イオン注入エネルギを制御する
RFバイアスプレートを有する。水晶製の側壁の温度
は、220℃に維持された。このチェンバは、プラズマ
ソースパワーを用い、そしてバイアスパワーを用いずに
エッチングを開始する前5秒間予熱された。C26プラ
ズマの流速は25sccmであった。
These wafers are manufactured by Applied Materials Mo
It was etched by a del 5300 HDP (Omega) oxide etcher. The chamber pressure is 4 mTorr and the electron density in the plasma is between 10 11 and 10 12 / cm 3 . The etching apparatus includes an RF source coil, an RF bias plate that generates a plasma, and controls ion implantation energy. The temperature of the quartz side walls was maintained at 220 ° C. The chamber was preheated for 5 seconds before starting the etch with plasma source power and without bias power. The flow rate of C 2 F 6 plasma was 25 sccm.

【0037】フォトレジストのエッチレートをモニタす
るための校正カーブは、600Wのバイパスパワーの増
分でもって、2350Wから2800Wまでのソースパ
ワーを変動させることにより生成した。このエッチング
装置は、シリコン製の上部プレートと水晶製の側壁とを
有する加熱されたチェンバを有する。シリコンの上部プ
レートの温度を240℃から260℃まで変動させた。
A calibration curve for monitoring the photoresist etch rate was generated by varying the source power from 2350W to 2800W with a bypass power increment of 600W. The etching apparatus has a heated chamber with a top plate made of silicon and side walls made of quartz. The temperature of the silicon top plate was varied from 240 ° C to 260 ° C.

【0038】515nm波長におけるC2 の光学放射を
図2に示し、同図においては、C2のピークの強度は、
3種類のウェハ即ちフォトレジストにより100%カバ
ーされた表面を有するウェハ10と、裸の(カバーされ
ていない)シリコンウェハ20と、酸化物層がその上に
形成されたシリコンウェハ30に対する時間の関数とし
て示されている。図2のデータは、ソースパワーが25
00W、天井温度が250℃で生成されたプラズマのO
ESから得られた。この条件下で酸化物のエッチレート
は、7548A/分でフォトレジストのエッチレート
は、1965A/分であった。図3は、図2のグラフを
得るために、同一のエッチング条件を用いて得られた、
前述の3種類のウェハに対する440nm波長における
SiF信号の強度を表す。
The optical emission of C 2 at a wavelength of 515 nm is shown in FIG. 2, where the intensity of the C 2 peak is
A function of time for three types of wafers, a wafer 10 having a surface 100% covered by photoresist, a bare (uncovered) silicon wafer 20, and a silicon wafer 30 having an oxide layer formed thereon. As shown. The data in FIG. 2 shows that the source power is 25
O of plasma generated at 00W and a ceiling temperature of 250 ° C
Obtained from ES. Under these conditions, the oxide etch rate was 7548 A / min and the photoresist etch rate was 1965 A / min. FIG. 3 was obtained using the same etching conditions to obtain the graph of FIG.
The intensity of the SiF signal at a wavelength of 440 nm for the above three types of wafers is shown.

【0039】エッチング条件の各組(各温度で用いられ
た各ソースパワー)に対し、上記の波長におけるOES
内のC2 信号対SiF信号の比率が決定された。この比
率をフォトレジストのエッチレートの関数としてプロッ
トした。このフォトレジストのエッチレートは、エッチ
ングの前後でフィルムの厚さを測定することにより、そ
してその厚さの変動を時間の関数として決定することに
より決定された。C2/SiFの比率とフォトレジスト
のエッチレートとの間の関係を図4の白丸110で示
す。C2 /SiF比率は、同一のエッチング条件に曝し
た裸のシリコンウェハに対し決定された。これらの比率
は図2の四角120で示されている。C2/SiF比率
は、同一のエッチング条件に曝した酸化物層でコーティ
ングしたウェハに対し決定された。これらの比率は、図
4の三角130により示されている。同一の垂直軸上の
白丸110,四角120,三角130は、同一のエッチ
ング条件に曝されたフォトレジストによりカバーされた
ウェハと、裸のシリコンウェハと、酸化物層によりカバ
ーされたウェハをそれぞれ表す。
For each set of etching conditions (each source power used at each temperature), OES at the above wavelengths
The ratio of the C 2 signal to the SiF signal in was determined. This ratio was plotted as a function of photoresist etch rate. The photoresist etch rate was determined by measuring the thickness of the film before and after etching, and by determining its thickness variation as a function of time. The relationship between the etch rate ratio and the photoresist of C 2 / SiF shown by white circles 110 in FIG. C 2 / SiF ratio was determined for bare silicon wafer was exposed to the same etching conditions. These ratios are indicated by box 120 in FIG. C 2 / SiF ratio was determined for coated wafer with an oxide layer that was exposed to the same etching conditions. These ratios are indicated by triangles 130 in FIG. White circles 110, squares 120, triangles 130 on the same vertical axis respectively represent a wafer covered with photoresist exposed to the same etching conditions, a bare silicon wafer, and a wafer covered with an oxide layer. .

【0040】C2 /SiFの比率から背景ノイズを減算
することにより第2の比率が得られる。この第2の比率
は、フォトレジストのウェハをエッチングするために用
いられたプラズマのOESから得られたC2 /SiF比
率を裸のシリコンウェハを同一のエッチング条件でエッ
チングする際のプラズマのOESから得られたC2 /S
iF比率により乗算することにより得られる。この比率
(C2/SiF)photo resist/(C2/SiF)
bare silicon は、フォトレジストエッチレートの関数
としてプロットされる。このようにして得られた校正カ
ーブを図5に示す。
A second ratio is obtained by subtracting the background noise from the C 2 / SiF ratio. This second ratio is the C 2 / SiF ratio obtained from the plasma OES used to etch the photoresist wafer from the plasma OES when etching a bare silicon wafer under the same etching conditions. The obtained C 2 / S
It is obtained by multiplying by the iF ratio. This ratio (C 2 / SiF) photo resist / (C 2 / SiF)
Bare silicon is plotted as a function of photoresist etch rate. The calibration curve thus obtained is shown in FIG.

【0041】校正カーブが上記のようにして得られる
と、それは次のようにしてエッチプロセスをモニタする
のに用いられる。フォトレジストのパターンを下の二酸
化シリコンにパターン化するエッチングに用いられるプ
ラズマのOESをモニタする。適当な波長でのC2 種と
SiF種の強度を観測し、これら2つの強度の比率を求
める。この比率を同一のエッチング条件にブランクのシ
リコンウェハを曝すことにより得られたブランクシリコ
ンウェハ用に得られたC2 対SiFの比率により除算す
る。このようにして得られた比率を用いて、この比率と
フォトレジストのエッチレートとの間の校正された関係
を参照しながらリアルタイムでフォトレジストのエッチ
レートを計算する。このフォトレジストのエッチレート
が所定の動作ウィンドウ(1500A/分から2500
A/分の間)内にある場合には、プロセスはこのまま進
行する。エッチレートが前述の所望の範囲外にあると決
定された場合には、適当な修正作業を施して前記の問題
を正す。この修正作業には、エッチレートを前述のウィ
ンドウ内に戻すようにプロセス条件を調整するか、ある
いはその問題が解決されまでプロセスを中止するかのい
ずれかが含まれる。
Once the calibration curve is obtained as described above, it is used to monitor the etch process as follows. Monitor the OES of the plasma used in the etch patterning the photoresist pattern into the underlying silicon dioxide. The intensities of C 2 species and SiF species at an appropriate wavelength are observed, and the ratio of these two intensities is determined. This ratio is divided by the ratio of C 2 to SiF obtained for a blank silicon wafer obtained by exposing a blank silicon wafer to the same etching conditions. The ratio thus obtained is used to calculate the photoresist etch rate in real time with reference to the calibrated relationship between this ratio and the photoresist etch rate. The etch rate of this photoresist is within a predetermined operating window (1500 A / min to 2500
If it is within (A / min), the process proceeds as it is. If the etch rate is determined to be outside the desired range above, then appropriate remedial action is taken to correct the problem. This remedial action involves either adjusting the process conditions to bring the etch rate back within the aforementioned window, or stopping the process until the problem is resolved.

【0042】コンタクトホールのエッチレートをモニタ
する校正カーブは、25ARCHII(商標登録)をコ
ーティングしたウェハをチェンバ内で連続してエッチン
グすることにより得られる。エッジ処理間のO2 のチェ
ンバ洗浄時間は、約40秒であった。この40秒の洗浄
時間では、前のエッチプロセスからチェンバ内の不純物
の全てを除去するのは不十分であるためにコンタクトホ
ールのエッチレートは、ウェハ毎に変動する。各ウェハ
に対するコンタクトホールのエッチレートは、各エッチ
ング処理のタイミングをとることおよびSEMを用いて
エッチング後のコンタクトホールの深さを測定すること
により決定できる。図6のAに示したようにコンタクト
ホールの深さは、コンタクトホールの直径のと共に変動
し、ウェハの列のウェハの配置場所の関数である。図6
Aは、25枚のウェハのシーケンス中ウェハの1番目と
11番目と21番目のウェハのコンタクトホールの深さ
を表す。図6Aによれば、直径が0.5μm以下のコン
タクトホールに対しては、コンタクトホールは、ウェハ
シーケンスの各ウェハに対し、累積的により浅くなる。
A calibration curve for monitoring the etch rate of contact holes is obtained by successively etching 25 ARCHII ™ -coated wafers in a chamber. The chamber cleaning time of O 2 between the edge treatments was about 40 seconds. With this 40 second cleaning time, the contact hole etch rate varies from wafer to wafer because it is not sufficient to remove all of the impurities in the chamber from the previous etch process. The contact hole etch rate for each wafer can be determined by timing each etching process and using SEM to measure the depth of the contact holes after etching. As shown in FIG. 6A, the depth of a contact hole varies with the diameter of the contact hole and is a function of wafer placement in a row of wafers. FIG.
A represents the depth of the contact holes of the 1st, 11th and 21st wafers in the sequence of 25 wafers. According to FIG. 6A, for contact holes with a diameter of 0.5 μm or less, the contact holes are cumulatively shallower for each wafer in the wafer sequence.

【0043】エッチング時間はウェハ毎に一定なために
図6Aは、コンタクトホールのエッチレートは、ウェハ
列の各ウェハに対し、累積的に遅くなることを表してい
る。OESトレースは各エッチングの間に得られる。こ
の例においては、OESは515nm波長(C2 種に関
連する信号)と440nm(SiF種に関連する信号)
の両方で得られる。しかし、校正カーブをつくるには1
個の信号のみでよい。時間t1(0秒)と時間t2(90
秒)における信号強度を測定し、各トレースに対するこ
れら2つの信号はエッチレートに関連していた。図6B
に示すようにこの比率は25枚のウェハシーケンスにお
いて、ウェハ毎に変動する。フォトレジストのエッチレ
ートは、ウェハ毎に一定であるためにC2 信号同志の比
率とSiF信号同志の比率は、ウェハのシーケンスに同
じように依存する。
Since the etching time is constant from wafer to wafer, FIG. 6A shows that the etch rate of the contact holes is cumulatively slower for each wafer in the wafer row. OES traces are obtained during each etch. In this example, OES is 515 nm wavelength (signal related to C 2 species) and 440 nm (signal related to SiF species).
Obtained in both. However, to make a calibration curve, 1
Only one signal is required. Time t 1 (0 seconds) and time t 2 (90
Signal strength in seconds) and these two signals for each trace were related to the etch rate. FIG. 6B
As shown in, the ratio varies from wafer to wafer in a 25-wafer sequence. Since the photoresist etch rate is constant from wafer to wafer, the ratio of C 2 signals and the ratio of SiF signals also depend on the wafer sequence.

【0044】図7は図6の情報から得られた校正カーブ
である。特に90秒時のC2 対0秒時のC2 の比率をエ
ッチレートの関数としてマッピングしてある。
FIG. 7 is a calibration curve obtained from the information of FIG. In particular, the ratio of C 2 at 90 seconds to C 2 at 0 seconds is mapped as a function of etch rate.

【0045】[0045]

【発明の効果】この校正カーブを用いてプラズマエッチ
ングプロセスの間OESのC2 関連信号をモニタするこ
とによりコンタクトホールのエッチレートをモニタでき
る。90秒時にC2(90秒)対C2(0秒)が得られ
る。コンタクトホールのエッチレートは、この比率を元
にしたエッチレートを決定するための校正情報を用いて
決定できる。このエッチレートが所定の範囲内にある場
合には、プロセスに対し何の調整も必要でない。しか
し、このエッチレートが所定の範囲外にある場合には、
エッチング処理を中止するか、あるいはエッチング条件
を調整してエッチレートを仕様内に戻すようにしなけれ
ばならない。
The calibration curve can be used to monitor the etch rate of the contact hole by monitoring the OES C 2 related signal during the plasma etching process. At 90 seconds, C 2 (90 seconds) versus C 2 (0 seconds) is obtained. The etch rate of the contact hole can be determined using the calibration information for determining the etch rate based on this ratio. If the etch rate is within the given range, no adjustments to the process are required. However, if this etch rate is outside the specified range,
The etching process must be stopped or the etching conditions must be adjusted to bring the etch rate back within specifications.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】二酸化シリコン層の上にフォトレジストマスク
を有するウェハをエッチングするのに用いられるC26
プラズマのOESスペクトラムを表す図
FIG. 1 C 2 F 6 used to etch a wafer having a photoresist mask over a silicon dioxide layer.
Diagram showing the OES spectrum of plasma

【図2】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハをプラズマエッチングする間、515
nmでのC2 放射の強度のトレースを表す図
FIG. 2: 515 during plasma etching of photoresist coated wafers, oxide coated silicon wafers and bare silicon wafers.
Diagram showing the intensity trace of C 2 emission in nm

【図3】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハをプラズマエッチングする間、440
nmでのSiF放射の強度のトレースを表す図
FIG. 3: 440 during plasma etching of photoresist coated wafer, oxide coated silicon wafer and bare silicon wafer.
Diagram showing the intensity trace of SiF radiation in nm

【図4】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハに対するC2 とSiF放射比率とエッ
チレートとの間の関係を表す図
FIG. 4 is a diagram illustrating the relationship between C 2 and SiF emission ratios and etch rates for photoresist-coated wafers, oxide-coated silicon wafers, and bare silicon wafers.

【図5】フォトレジストでコーティングされたウェハの
エッチレートと、C2 とSiF放射比率を裸のシリコン
ウェハのそれでわり算した関係を表す図
FIG. 5 is a plot of the etch rate of a photoresist coated wafer and the C 2 and SiF emission ratio divided by that of a bare silicon wafer.

【図6】Aは、ウェハ毎にO2 洗浄時間がチェンバを完
全に洗浄するには不十分な場合、ウェハ毎に観測される
コンタクトホールの深さの差を表す図 Bは、エッチング処理時に2つの時間点で信号(C2
SiF)の強度の比率とこの比率のウェハ毎の変化を表
す図
FIG. 6A shows a difference in depth of contact holes observed for each wafer when the O 2 cleaning time for each wafer is insufficient to completely clean the chamber. FIG. Diagram showing the ratio of the intensities of signals (C 2 and SiF) at two time points and the change of this ratio from wafer to wafer

【図7】コンタクトホールのエッチレートを制御するた
めに図6に示されたデータから得られた校正カーブを表
す図
FIG. 7 shows a calibration curve obtained from the data shown in FIG. 6 for controlling the etch rate of contact holes.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Je rsey 07974−0636U.S.A. (72)発明者 スーザン クラーディー マックネヴィン アメリカ合衆国,07974 ニュージャージ ー,ニュープロヴィデンス,スプリング フィールド アヴェニュー 1584 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (71) Applicant 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New Jersey 07974-0636 U.S.A. S. A. (72) Inventor Susan Krady McNevin United States, 07974 New Jersey, New Providence, Springfield Avenue 1584

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 (A)基板をプラズマ生成用の反応チェ
ンバ内に配置するステップと、 前記基板は、その表面の少なくとも一部上に二酸化シリ
コン層が形成され、この二酸化シリコン層の上にフォト
レジストマスクを有し、前記二酸化シリコン層の少なく
とも1部が露出しており、 (B)フルオロカーボン含有ガスを前記反応チェンバ内
に導入するステップと、 (C)前記の露出した二酸化シリコン層を前記基板表面
から除去するために、プラズマを前記反応チェンバ内で
生成するステップと、 (D)プラズマの光学放射をモニタし、前記プラズマ内
の種に関連する波長でもって輝度強度を測定するステッ
プと、 (E)前記測定された輝度強度からある値を計算するス
テップと、 (F)前記計算された値と、所定範囲の値とを比較する
ステップと、 前記所定の値は、フォトレジストマスクと二酸化シリコ
ン層からなるグループの1つのエッチレートに関連して
予め決定されたものであり、 (G)前記比較に基づいてプロセスを制御するステップ
とからなることを特徴とする半導体素子の製造プロセス
のモニタ方法。
1. A step of: (A) disposing a substrate in a reaction chamber for plasma generation, wherein the substrate has a silicon dioxide layer formed on at least a part of its surface, and a silicon dioxide layer is formed on the silicon dioxide layer. A resist mask and at least a portion of the silicon dioxide layer is exposed; (B) introducing a fluorocarbon-containing gas into the reaction chamber; and (C) exposing the exposed silicon dioxide layer to the substrate. Generating a plasma in the reaction chamber for removal from the surface; (D) monitoring the optical emission of the plasma and measuring the brightness intensity at a wavelength associated with the species in the plasma; E) a step of calculating a value from the measured luminance intensity, and (F) a step of comparing the calculated value with a value in a predetermined range. And the predetermined value is predetermined in relation to the etch rate of one of the group of photoresist mask and silicon dioxide layer, and (G) controlling the process based on the comparison. A method for monitoring a semiconductor element manufacturing process, comprising:
【請求項2】 前記(G)の制御ステップは、前記計算
された値が所定の範囲内にない場合には、プロセスパラ
メータを調整することにより行うことを特徴とする請求
項1の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the control step (G) is performed by adjusting a process parameter when the calculated value is not within a predetermined range.
【請求項3】 前記プラズマ内の一対の種の輝度強度を
モニタし、 前記一対の種の内の第1の種は、フォトレジストとプラ
ズマとの相互作用に関連し、第2の種は、プラズマの強
度に関連し、 前記計算された値は、エッチングの間第1の種に関連す
る強度と第2の種に関連した強度との比率であり、 前記所定の値は、前記第1の種に関連した強度と前記第
2の種に関連した強度との所定の比率であり、 前記所定の比率の各々は、エッチレートに関連している
ことを特徴とする請求項2の方法。
3. A brightness intensity of a pair of species in the plasma is monitored, a first species of the pair of species is associated with photoresist-plasma interaction, and a second species is Related to the intensity of the plasma, the calculated value is the ratio of the intensity associated with the first species and the intensity associated with the second species during etching, and the predetermined value is the first 3. The method of claim 2, wherein there is a predetermined ratio of species-related intensity to the second species-related intensity, each of the predetermined ratios being associated with an etch rate.
【請求項4】 前記第1の種はC2 であり、前記第2の
種はSiF,Si,Fからなるグループから選択される
ことを特徴とする請求項3の方法。
4. The method of claim 3, wherein the first species is C 2 and the second species is selected from the group consisting of SiF, Si, F.
【請求項5】 前記第1の種は、515nm波長でモニ
タされたC2 であり、前記第2の種は、440nm波長
でモニタされたSiFであることを特徴とする請求項4
の方法。
5. The first species is C 2 monitored at 515 nm wavelength and the second species is SiF monitored at 440 nm wavelength.
the method of.
【請求項6】 前記比率の所定範囲は、ある比率をある
プロセス条件のフォトレジストのエッチレートに関連づ
ける校正カーブから決定されることを特徴とする請求項
3の方法。
6. The method of claim 3, wherein the predetermined range of ratios is determined from a calibration curve relating a ratio to a photoresist etch rate for a process condition.
【請求項7】 (H)前記比率が、前記所定範囲の比率
内にない場合には、プラズマエッチ条件を調整するステ
ップをさらに有することを特徴とする請求項6の方法。
7. The method of claim 6, further comprising the step of: (H) adjusting the plasma etch conditions if the ratio is not within the predetermined range of ratios.
【請求項8】 プラズマ中の種の輝度強度をモニタし、 前記計算された値は、時間t1 における種に関連する強
度と、時間t2における種に関連する強度との比率であ
り、 この時間t1 とt2 は、エッチング持続時間中の時間で
あり、 前記所定の値は、時間t1 とt2 における種に関連する
強度の所定の比率であり、 前記所定の比率は、エッチレートに関連していることを
特徴とする請求項2の方法。
8. The intensity intensity of the species in the plasma is monitored and the calculated value is the ratio of the intensity associated with the species at time t 1 to the intensity associated with the species at time t 2 . Times t 1 and t 2 are times during the etching duration, the predetermined value is a predetermined ratio of species-related intensities at times t 1 and t 2 , and the predetermined ratio is an etch rate. The method of claim 2, wherein the method is associated with.
【請求項9】 前記制御されたエッチレートは、コンタ
クトホールのエッチレートであることを特徴とする請求
項8の方法。
9. The method of claim 8, wherein the controlled etch rate is a contact hole etch rate.
【請求項10】 前記種は、C2 とSiFからなるグル
ープから選択されることを特徴とする請求項9の方法。
10. The method of claim 9, wherein the seed is selected from the group consisting of C 2 and SiF.
【請求項11】 前記比率の所定範囲は、ある比率をあ
るプロセス条件のコンタクトホールのエッチレートに関
連づける校正カーブから決定されることを特徴とする請
求項10の方法。
11. The method of claim 10, wherein the predetermined range of ratios is determined from a calibration curve relating a ratio to a contact hole etch rate under certain process conditions.
【請求項12】 (H)前記比率が前記所定範囲の比率
内にない場合には、プラズマエッチ条件を調整するステ
ップをさらに有することを特徴とする請求項11の方
法。
12. The method of claim 11, further comprising the step of: (H) adjusting the plasma etch conditions if the ratio is not within the predetermined range of ratios.
JP28732096A 1995-10-12 1996-10-11 Method for monitoring fabrication process of semiconductor element Pending JPH09205076A (en)

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US514195P 1995-10-12 1995-10-12
US005141 1995-10-12

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JP28732096A Pending JPH09205076A (en) 1995-10-12 1996-10-11 Method for monitoring fabrication process of semiconductor element

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7427518B2 (en) 2004-10-28 2008-09-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device fabrication method and fabrication apparatus

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7427518B2 (en) 2004-10-28 2008-09-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device fabrication method and fabrication apparatus

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