JPH10209127A - エッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プロセス安定性と生産性とを両立させる。 【解決手段】エッチング対象膜とその下層体との間で生
じる光学的膜干渉波形を測定することで、エッチング対
象膜のエッチング状態を直接的に把握し、その測定結果
に基づいてエッチング終了タイミングを決定すること
で、エッチング終了時点の判断精度を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、プラズマを利用し
たレジストのドライアッシング方法といったエッチング
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高周波放電を用いて発生させるプラズマ
は、半導体デバイスにおける微細加工のためのドライエ
ッチング、薄膜形成のためのプラズマＣＶＤ等さまざま
な分野で用いられている。特に、最近ではプラズマを用
いて、生産性や信頼性の高いドライアッシング技術の確
立が望まれている。

【０００３】プラズマを用いたドライアッシングの中で
も、レジストのドライアッシングにおいては、高周波プ
ラズマが用いられており、現在では主にダウンストリー
ムタイプの高周波プラズマ（１３．５６ＭＨｚ）やマイ
クロ波プラズマ（２．４５ＧＨｚ）方式が用いられてい
る。

【０００４】ダウンストリームタイプの高周波プラズマ
を用いた従来のアッシング装置５０は、図３に示すよう
に、１３．５６ＭＨｚの高周波電源５１と、石英製のチ
ャンバ５２と、ウエハステージ５３と、分光器５４とを
備えている。なお、図中符号５５はガス導入口、５６は
排気口、Ｗは被エッチングウエハである。また、このア
ッシング装置５０のプロセス条件は、次の通りである。
すなわち、プロセス条件はＲＦパワー（７００Ｗ）、Ｏ
₂ガス流量（２００sccm）、チャンバ５２内の圧力（６
００mTorr）、ウエハ温度（１００℃）であり、このプ
ロセス条件におけるアッシングレートは１μm/minとな
る。

【０００５】このアッシング装置５０を用いたレジスト
のアッシングは次のようにして行われる。すなわち、表
面にレジスト膜（図示省略）が形成された被エッチング
ウエハＷをウエハステージ５３上に載置したうえで、ガ
ス導入口５５からチャンバ５２内にＯ₂ガスを導入す
る。そして、導入したＯ₂ガスをチャンバ５２に印加さ
れた高周波によってプラズマ化し、その際に生じる酸素
ラジカルによって被エッチングウエハＷ上に形成された
レジストをアッシングする。レジストのアッシング変化
は、チャンバ５２内の酸素ラジカルの濃度を測定するこ
とで間接的に把握する。酸素ラジカルの濃度は、チャン
バ５２内の酸素ラジカルの発光強度を分光器５４で検出
することで測定する。

【０００６】図４は、従来のアッシング装置５０を上述
した条件で、１μｍ厚のレジストをアッシングした場合
の酸素ラジカルの発光強度の時間変化である。この図か
ら明らかなように、アッシングステップは主に次の３つ
の領域に分けられる。

【０００７】アッシング継続領域 発光強度の検出により推定されるアッシング終了タイ
ミング検出領域 オーバーアッシング領域 作業者は酸素ラジカルの発光量を調べ、発光量がアッシ
ング継続領域における発光量より増加し始めると、アッ
シング終了タイミング領域に到達したと判断し、余裕
をみて若干のオーバーアッシング操作を行った後、アッ
シング操作を停止するようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
アッシング方法では、上述したように、アッシングの進
行状態そのものを直接に検査するのではなく、アッシン
グの進行状態に対しては間接的な検査方法となる酸素ラ
ジカルの発光量に基づいてアッシング終了タイミングを
判断している。そのため、プロセスの安定性と生産性を
両立する最適なアッシングを行うことが容易ではなかっ
た。例えば、生産性を向上させるために、過小気味にオ
ーバーアッシング時間を設定しておくと、アッシング時
間は短くなり生産性は向上するが、レジスト残りが発生
する恐れがありプロセスの安定性が悪くなる。一方、プ
ロセスの安定性を向上させるために、過大気味にオーバ
ーアッシング時間に設定しておくと、レジスト残りが無
くなってプロセスの安定性は良くなるが、アッシング時
間が長くなり製造時間のロスが大きくなり生産性が悪く
なる。

【０００９】そのため、従来においては、アッシング終
了タイミング検出領域を経過してオーバーアッシング
領域に達したと判断したのち、時間にして数１０％以
上のオーバーアッシング操作を行う（オーバーアッシン
グ時間を設定する）ことで、プロセス安定性（アッシン
グ精度）を維持している。すなわち、アッシング残りが
生じないようにしている。

【００１０】通常、半導体装置の製造方法においては、
レジストのアッシング操作を、被エッチングウエハＷの
１枚ごとに行っているので、アッシング操作に要する時
間が長くなることは、生産性を大きく低下させる原因と
成りかねないものであった。

【００１１】本発明は上記問題を鑑み、プロセス安定性
と生産性とを両立させることを課題としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のエッチング方法
においては、エッチング対象膜とその下層体との間で生
じる光学的膜干渉波形を測定し、その測定結果に基づい
てエッチング終了タイミングを決定することで、プロセ
ス安定性と生産性との両立を図っている。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、エッチング対象膜とその下層体との間で生じる光学
的膜干渉波形を測定し、その測定結果に基づいてエッチ
ング終了タイミングを決定しており、これにより次のよ
うな作用を得られる。すなわち、エッチング対象膜とそ
の下層体との間で生じる光学的膜干渉波形という、エッ
チングの進行状態を直接測定することができる方法によ
りエッチングの進行状態を把握できるので、エッチング
進行状態を精度よく把握することができる。

【００１４】請求項２に記載の発明は、請求項１に係る
エッチング方法において、前記エッチング対象膜上の複
数の測定点において、前記光学的膜干渉波形を測定して
おり、これにより次のような作用を有する。すなわち、
エッチング対象膜上の複数の測定点の光学的膜干渉波形
を測定しているので、エッチング対象膜のエッチング進
行状態を精度よく把握することができる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項２に係る
エッチング方法において、前記測定点すべてにおいて、
光学的膜干渉波形が消滅した時点を、エッチング終了タ
イミングとしており、これにより次のような作用を有す
る。すなわち、測定点すべてにおいて、光学的膜干渉波
形が消滅した時点をエッチング終了タイミングとしてい
るので、エッチング対象膜のエッチング終了タイミング
をさらに精度よく把握することができる。

【００１６】請求項４に記載の発明は、請求項２または
３記載のエッチング方法において、前記エッチング対象
膜は半導体チップ形成基板上に形成された膜であり、か
つ、半導体チップ形成基板上において、前記測定点を少
なくとも半導体チップ形成領域毎に設定しており、これ
により次のような作用を有する。すなわち、エッチング
対象膜上の測定点の光学的膜干渉波形を測定しているの
で、エッチング対象膜のエッチング進行状態を精度よく
把握することができる。また、エッチング進行を把握す
る測定点を少なくとも半導体チップ形成領域毎に設定し
ているので、エッチング終了タイミングを半導体チップ
毎に精度よく把握することができる。

【００１７】以下、本発明の一実施の形態を説明する。
まず、本実施の形態のアッシング方法で用いるアッシン
グ装置１の構成を図１を参照して説明する。

【００１８】このアッシング装置１は、ダウンストリー
ムタイプの高周波プラズマ（１３．５６ＭＨｚ）を用い
たアッシング装置であって、１３．５６ＭＨｚの高周波
電源２と、石英製のチャンバ３と、ウエハステージ４
と、膜干渉波形検出部５とを備えている。

【００１９】膜干渉波形検出部５は、被エッチングウエ
ハＷの表面の画像を採取する画像採取手段としてのＣＣ
Ｄカメラ５ａと、ＣＣＤカメラ５ａが採取した被エッチ
ングウエハＷの画像を基にして光学的膜干渉波形を検出
する膜干渉波形検出部本体５ｂとを備えている。膜干渉
波形検出部本体５ｂは、ＣＣＤカメラ５ａが採取した被
エッチングウエハＷの画像を基にして、被エッチングウ
エハＷ上に複数形成された半導体チップ形成領域毎に光
学的膜干渉状態を検出している。膜干渉波形検出部５と
しては、例えば、インサイチューモニタリング機器（商
品名；１０００−ＩＳ：Low Entropy Systems社（ＵＳ
Ａ）製）を用いることができる。

【００２０】なお、図中、符号６はガス導入口、７は排
気口、Ｗは被エッチングウエハである。さらには、図１
では、ＣＣＤカメラ５ａは図示の都合上、被エッチング
ウエハＷの中央部の画像しか採取できない位置に取り付
けられているように表示されているが、実際には、被エ
ッチングウエハＷの表面全体の画像を採取できる位置に
取り付けられていることはいうまでもない。

【００２１】このアッシング装置１のプロセス条件は、
従来例と同様であって、次の通りである。すなわち、プ
ロセス条件はＲＦパワー（７００Ｗ）、Ｏ₂ガス流量
（２００sccm）、チャンバ４内の圧力（６００mTor
r）、ウエハ温度（１００℃）であって、このプロセス
条件でのアッシングレートは１μm/minとなる。

【００２２】次に、このアッシング装置１を用いた被エ
ッチングウエハのレジストアッシングを説明する。すな
わち、表面にレジスト膜（図示省略）が形成された被エ
ッチングウエハＷをウエハステージ３上に載置したうえ
で、ガス導入口６からチャンバ４内にＯ₂ガスを導入す
る。そして、導入したＯ₂ガスをチャンバ４に印加され
た高周波によってプラズマ化し、その際に生じる酸素ラ
ジカルによって被エッチングウエハＷ上に形成されたレ
ジストをアッシングする。レジストのアッシング変化は
膜干渉波形検出部５により次のようにして直接的に把握
する。

【００２３】アッシング中の被エッチングウエハＷは酸
素プラズマによるプラズマ光によって照らされており、
酸素プラズマによるプラズマ光はアッシング中ほぼ一定
の明るさを維持している。そこで、明るさの安定したプ
ラズマ光によって照らされた被エッチングウエハＷの表
面全体の画像をＣＣＤカメラ５ａで採取して、その画像
データを膜干渉波形検出部本体５ｂに送る。膜干渉波形
検出部本体５ｂでは、被エッチングウエハＷ上に設けら
れた半導体チップ形成領域毎に測定点を設定しており、
送られた画像データを基にして、各測定点の光学的膜干
渉を測定する。光学的膜干渉の測定は具体的には、次の
ようにして行われる。

【００２４】酸素プラズマによるプラズマ光から安定し
た信号強度が得られる波長を選択しする。具体的には、
４３６ｎｍ，５３５ｎｍ，６２０ｎｍ，６７５ｎｍ等の
波長を選択する。なお、これら波長の中では４３６ｎｍ
が最適とみなせる。そして、選択した波長光のスペクト
ル強度を測定する。このようにして測定したスペクトル
強度は、図２に示すように、レジスト膜のアッシング進
行（時間経過）とともに周期的に昇降変化する。スペク
トル強度が周期的に変化するのは次のような理由によっ
ている。

【００２５】被エッチングウエハＷの反射光の強度は、
レジスト膜とレジスト膜の下層体である被エッチングウ
エハＷとの間で生じる光学的膜干渉の影響を受けて変動
する。このような反射光の変動は、レジスト膜の膜厚と
反射光の波長との間の相対的な関係を一つの要因にして
生じ、アッシングによりレジスト膜の膜厚が減少してい
くと、それに連れて、ウエハ反射光の強度は周期的に昇
降変化する。

【００２６】したがって、図２に示すように、光学的膜
干渉を測定している測定点において、検出したスペクト
ル強度に時間の経過に伴う周期的な変動が生じている期
間（図中α，βの期間）は、その測定点でのレジスト膜
のアッシングが進行していると見なせる。そして、スペ
クトル強度において時間の経過に伴う周期的な変動が生
じなくなった時点（図中γ，εの時点）では、レジスト
膜が消滅して、その測定点でのアッシングが終了したと
見なせる。

【００２７】図２（ａ）は、何らかの要因によりアッシ
ングレートが比較的高くなった測定点におけるスペクト
ル強度の変化を示し、図２（ｂ）は、何らかの要因によ
りアッシングレートが比較的低くなった測定点における
スペクトル強度の変化を示している なお、図２（ａ），（ｂ）に示されるように、レジスト
膜のアッシングレートとスペクトル強度の変動周期との
間には、アッシングレートが高くなるに連れてスペクト
ル強度の変動周期が早くなるという関係が存在してい
る。そのため、測定したスペクトル強度の変動周期を基
にして、その時点でのアッシングレートを算出する、す
なわち、モニタすることもできる。

【００２８】このようにして得られた各測定点における
アッシング進行状態の情報に基づいて、次のようにし
て、被エッチングウエハＷ全体でのアッシング停止タイ
ミングを判定する。すなわち、９０％の測定点において
アッシングが終了したと判断した時点で、被エッチング
ウエハＷに対するアッシング操作を停止すると、１０％
の測定点でレジスト残りが発生し、プロセス安定性が低
くなる。

【００２９】一方、全ての測定点においてアッシングが
終了したと判断した時点からさらに所定の時間オーバー
アッシングを施したのち、被エッチングウエハＷに対す
るアッシング操作を停止すると、レジスト残りは発生し
ないものの、アッシング操作時間にロスがあり、生産性
が低下する。

【００３０】これに対して、測定点全てにおいてアッシ
ングが終了したと判断した時点で、被エッチングウエハ
Ｗに対するアッシング操作を停止すると、レジスト残り
がなくプロセス安定性も良く且つアッシング時間のロス
がなく生産性も高くなる。

【００３１】したがって、すべての測定点において、ア
ッシングが終了したと判断した時点で、被エッチングウ
エハＷ全体でのアッシングが終了したと判断し、アッシ
ング操作を停止すれば、プロセス安定性と生産性を両立
させることが可能となる。

【００３２】なお、このようなアッシング操作の停止判
断および停止動作は、膜干渉波形検出部５の検出結果を
監視している操作者自身の判断に基づく手動操作により
行ってもよいし、アッシング装置１に設けられた制御部
（図示省略）により自動的に行うようにしてもよい。

【００３３】また本実施の形態では、アッシング用のガ
スにＯ₂ガス単体を用いているが、Ｏ₂ガスにＮ₂、Ｃ
Ｆ₄、ＣＨＦ₃を添加したガス系を用いたアッシング方法
においても同様の効果が得られることはいうまでもな
い。

【００３４】また上述した実施の形態では、光学的膜干
渉波形の測定点は、被エッチングウエハＷ上に設けられ
た半導体チップの形成領域毎に設定していたが、測定点
を半導体チップの形成領域毎に複数設けてもよいし、測
定点を半導体チップの形成領域毎に設けたうえにアッシ
ング進行の判定精度を高めたい領域に対しては測定点を
複数設けるようにしても、同様の効果もしくはそれ以上
の効果が得られることはいうまでもない。

【００３５】さらには、被エッチングウエハの表面上に
おいて、アッシングの進行が他の領域よりも遅いと推定
される領域にのみ測定点を設けるようにしても、同様の
効果が得られることもいうまでもない。

【００３６】さらにまた、上述した実施の形態では、ダ
ウンストリームタイプの高周波プラズマを用いたアッシ
ング方法において本発明を実施していたが、他のプラズ
マを用いたアッシング方法、光オゾンアッシング方法
等、他のアッシング方法において実施しても同様の効果
が得られることはいうまでもない。

【００３７】さらには、本発明は、アッシング方法にの
み実施することができるものでもなく、アッシング方法
を含めたエッチング方法全体に実施することができ、そ
の場合でも上述したのと同様の効果を奏することができ
るものもいうまでもない。

【００３８】

【発明の効果】

請求項１の効果 エッチング対象膜とその下層体との間で生じる光学的膜
干渉波形という、エッチングの進行状態を直接測定する
ことができる方法によりエッチングの進行状態を把握で
きるので、エッチング進行状態を精度よく把握すること
ができるようになった。そのため、エッチング終了時点
の判断精度が高まって、プロセス安定性と生産性とを両
立させることができるエッチングプロセスの実現が可能
となった。

【００３９】請求項２の効果 エッチング対象膜上の複数の測定点の光学的膜干渉波形
を測定しているので、エッチング対象膜のエッチング進
行状態をさらに精度よく把握することができるようにな
り、その分、エッチング終了時点の判断精度が高まる。

【００４０】請求項３の効果 測定点すべてにおいて、光学的膜干渉波形が消滅した時
点をエッチング終了タイミングとしているので、エッチ
ング対象膜のエッチング終了タイミングを確実に把握す
ることができるようになり、その分、エッチング終了時
点の判断精度がより高まる。

【００４１】請求項４の効果 エッチング終了タイミングを半導体チップ毎に精度よく
把握することができるようになり、その分、エッチング
終了時点の判断精度が高まる。

【００４２】以上のように、本発明では、プロセス安定
性が高くかつ生産性の高いエッチングプロセスの実現が
可能であり、半導体ＭＯＳデバイスの製造におけるさら
なる歩留まり及び生産性向上が実現出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態であるアッシング方法で
用いるアッシング装置の構成を示す図である。

【図２】光学的膜干渉により生じる干渉信号（スペクト
ル強度）の変化を示す図である。

【図３】従来例のアッシング方法で用いるアッシング装
置の構成を示す図である。

【図４】従来例において、分光器から検出した酸素ラジ
カルの発光強度の変化を示す線図である。

【符号の説明】

３ チャンバ ４ ウエ
ハステージ ５ 膜干渉波形検出部 ５ａ ＣＣ
Ｄカメラ ５ｂ 膜干渉波形検出部本体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エッチング対象膜とその下層体との間で
   生じる光学的膜干渉波形を測定し、その測定結果に基づ
   いてエッチング終了タイミングを決定することを特徴と
   するエッチング方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のエッチング方法であっ
   て、前記エッチング対象膜上の複数の測定点において、
   前記光学的膜干渉波形を測定することを特徴とするエッ
   チング方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のエッチング方法であっ
   て、前記測定点すべてにおいて、光学的膜干渉波形が消
   滅した時点を、エッチング終了タイミングとすることを
   特徴とするエッチング方法。
4. 【請求項４】 請求項２または３記載のエッチング方法
   であって、前記エッチング対象膜は半導体チップ形成基
   板上に形成された膜であり、かつ、半導体チップ形成基
   板上において、前記測定点を少なくとも半導体チップ形
   成領域毎に設定することを特徴とするエッチング方法。