JPH11176815A - ドライエッチングの終点判定方法およびドライエッチング装置 - Google Patents

ドライエッチングの終点判定方法およびドライエッチング装置

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JPH11176815A
JPH11176815A JP9345198A JP34519897A JPH11176815A JP H11176815 A JPH11176815 A JP H11176815A JP 9345198 A JP9345198 A JP 9345198A JP 34519897 A JP34519897 A JP 34519897A JP H11176815 A JPH11176815 A JP H11176815A
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dry etching
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plasma
etching
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JP9345198A
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Masato Kijima
正人 貴島
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Ricoh Co Ltd
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    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • H01J37/32935—Monitoring and controlling tubes by information coming from the object and/or discharge
    • H01J37/32963—End-point detection

Abstract

(57)【要約】 【課題】 時間的遅れや判定精度の低下を回避しつつ、
誤り無くドライエッチングの終点判定を行う。 【解決手段】 プラズマを用いてドライエッチングを行
うエッチング処理室１において、被エッチング材１６の
被エッチング面の位置７に対してプラズマ領域８とは反
対側に採光窓９を設ける。この採光窓９から外部に導か
れる光から、分光器１１、光電変換器１２、増幅器１
３、Ａ／Ｄ変換器１４により反応生成物の発光強度を示
すデジタル信号を得て、この信号に基づきマイクロコン
ピュータ１５によりエッチングの終点判定を行う。この
装置によれば、採光窓９には被エッチング材１６からの
反射光は入射されず、上記信号には、被エッチング材１
６による光の干渉に起因するゆらぎが含まれない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマを使用し
てエッチングを行うドライエッチング装置、および、そ
のようなエッチングにおける終点判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の製造においてプラズマを使
用したドライエッチング技術が利用されている。このよ
うなドライエッチングにおける終点判定方法として、例
えば、特開昭５９−９４４２３号公報において、エッチ
ング過程で生成される反応生成物の発光強度を検出し、
その検出信号を時間的に２次微分し、その２次微分値が
予め設定された閾値を越えた時点をエッチングの終点と
する終点判定方法が開示されている。
【０００３】しかし、上記検出信号を得るためにエッチ
ング処理室から採取する光の強度が安定しない場合があ
り、この場合、上記検出信号にノイズが生じる。このよ
うなノイズが生じる原因はプラズマ発生方法や被エッチ
ング材の種類、採光窓の位置によって様々であるが、例
えば、検出すべき波長の光が被エッチング材を透過する
場合には、被エッチング材による光の干渉効果によって
上記検出信号にノイズが生じる。以下、このノイズにつ
きに説明する。
【０００４】図３は、従来のドライエッチング装置の要
部の構成を示している。この装置は、プラズマを用いて
被エッチング材１６に対してエッチングが行われるエッ
チング処理室１を備えており、エッチング処理室１は、
排気孔２から真空排気され、ガス導入口３からプロセス
ガスが導入される。エッチング処理室１の内部には、対
向する下部電極４と上部電極５が配置されていて、下部
電極４には高周波電源６によって高周波電圧が印加さ
れ、上部電極５は接地されている。エッチング処理室１
の側面には、エッチング過程で生成される反応生成物の
発光強度を検出するための採光窓９が設けられていて、
この採光窓９から光ファイバー１０を介して光が外部に
導かれ、分光器１１を経て所定波長の光の強度が検出信
号に変換される。
【０００５】このようなエッチング処理室１における採
光窓９の位置は、従来、図３に示すように被エッチング
材１６の被エッチング面である水平面に対してプラズマ
発光源と同じ側に設定されていた。この採光窓９から外
部に導出される光としては、プラズマ領域８から直接導
出される成分Ｉ0、エッチング処理室１の内壁で反射し
て導出される成分ＩR、および被エッチング材１６から
反射して導出される成分Ｉθがある。そのうちエッチン
グ材１６からの反射光成分Ｉθは、次式で示される条件
を満たす場合に明るくなる（図４参照）。 ２ｈ・√（ｎ2 2−ｎ1 2・ｓｉｎ2θ）±λ0／２ ＝ ｍ・λ0 …（１） （ｍ＝１，２，３，……） ただし、ｈ ：被エッチング材１６の膜厚 ｎ1：エッチング室雰囲気の屈折率 ｎ2：被エッチング材１６の屈折率 θ ：反射光の被エッチング材１６平面（水平面）に対
する角度（採光角度） λ0：検出すべき光の波長
【０００６】上記式（１）におけるｈの値は、エッチン
グが進行するにしたがって減少する。その結果、検出さ
れる発光強度には或る周期τのゆらぎが生じる。すなわ
ち、被エッチング材１６からの反射光Ｉθにおける一つ
の極大値から次の極大値までに相当する膜厚ｈ0は ｈ0＝λ0／｛２√（ｎ2 2−ｎ1 2・ｓｉｎ2θ）｝ …（２） で表され、エッチレートをＲとすると、検出される発光
強度の上記ゆらぎの周期τは、 τ＝ｈ0／Ｒ …（３） となる。例えば、被エッチング材１６の膜種がポリシリ
コンで、エッチング室雰囲気の屈折率ｎ1が５．０５、
被エッチング材１６の屈折率がｎ2が１、採光角度θが
６０度、検出すべき波長λ0が４２６ｎｍ、エッチレー
トＲが３００ｎｍ／秒であるとすると、式（２）、
（３）より、ゆらぎの周期τは８．５６秒となる。
【０００７】上記のように、検出される発光強度に周期
的なゆらぎが発生する場合、エッチングの終了判定に用
いる２次微分波形にも周期的なゆらぎが生じる。このゆ
らぎは、発光強度の検出信号にノイズとして含まれるも
のであり、このゆらぎが予め設定された閾値を越える
と、誤った終点判定が行われることになる。
【０００８】発光強度の検出信号に含まれる周期的なゆ
らぎ（周期的変動）を除去する方法として、例えば特開
平１−２２６１５４号公報に、ローパスフィルタを用い
た方法や、位相波形合成器を用いた方法、信号取込制御
器を用いた方法など、外的手段によって検出信号の波形
を平滑化する方法がいくつか開示されている。このよう
な方法によれば、検出信号に含まれるゆらぎに起因する
終点判定の誤りを防止することができる。
【０００９】図５は、ローパスフィルタを用いた上記方
法によるプラズマ処理装置の構成を示している。この装
置の構成要素のうち図３に示した構成要素と同じものに
ついては同じ符号を付してその説明を省略する。本装置
は、上部電極５の裏面側に回転可能なマグネット１８が
設けられ、回転駆動装置１９によって偏心回転可能にな
っており、この点が図３の装置と相違する。本装置で
は、処理室１の側面に設けられた採光窓９から外部にプ
ラズマ光が取り出され、分光器１０によって反応生成物
の発光波長を選択して、光電増倍管１２および増幅器１
３によって発光強度を電気信号に変換増幅し、ローパス
フィルタ２０を介してオフセット用の加算器２１および
ゲインアンプ２２を通し、更にＡ／Ｄ変換器１４を介し
て同定手段であるマイクロコンピュータ１５に入力す
る。
【００１０】マイクロコンピュータ１５は、Ｄ／Ａ変換
器２３を介して加算器２１によるオフセット値を加算可
能で、ゲインアンプ２２によるゲインを変更可能になっ
ており、更に高周波電源６の「入」、「切」が可能とな
っている。マイクロコンピュータ１５には予め設定した
設定値に基づいてエッチングの終点判定を行うアルゴリ
ズムが記憶されており、ローパスフィルタ２０からのデ
ータを基にして、例えば、発光強度の２次微分値を計算
し、計算した値と設定値とを比較して終点判定を行うよ
うになっている。そして終点を判定すると、高周波電源
６による高周波電圧の印加を停止させるようになってい
る。
【００１１】このような構成の装置では、処理室１にお
いてマグネット１８の回転に合わせて周期的にプラズマ
の強いときと弱いときが現れ、このとき光電増倍管１２
を介して増幅器１３で増幅された信号は、図６（ａ）に
示すように、周期Ｔで小さく変化しながら大きく変化し
ていく。すなわち、得られる検出信号には周期的なゆら
ぎがノイズとして含まれることになる。しかし、この検
出信号をローパスフィルタ２０に通すことにより、図６
（ｂ）に示す実線のように周期的なゆらぎを平滑化する
ことができる。この平滑化により、容易に終点判定を行
うことができるようになる。
【００１２】しかし、ローパスフィルタ２０を通すこと
によってマイクロコンピュータ１５に入力される信号に
若干の遅れが生じる。すなわち、時間的遅れが無い場合
の発光強度の波形は図６（ｂ）における点線で示される
ものとなるが、本装置におけるローパスフィルタ通過後
の波形は実線で示すようになる。
【００１３】図７は、特開平１−２２６１５４号公報に
開示された位相波形合成器を利用したプラズマ処理装置
の構成を示している。この装置の構成要素のうち図５に
示した構成要素と同じものについては同じ符号を付して
その説明を省略する。本装置は、ローパスフィルタ２０
に代えて位相波形合成器３０を備えており、この点が図
５の装置と相違する。位相波形合成器３０は、増幅器１
３から図６（ａ）に示すような周期的ゆらぎを有する信
号を入力し、その信号を基にして時間的に遅れた信号す
なわち位相をずらした信号を作成して、位相のずれてい
ない信号と位相のずれた信号とを加算して平均化し出力
するようになっている。例えば、１周期を３等分して、
２π／３ずつ位相をずらした三つの信号を得て、これら
を加算することにより平均化する。この場合、位相波形
合成器３０での周期の設定は、回転駆動装置１９の回転
を制御する回転制御器３１から信号を受けて行われる。
【００１４】上記のような装置によれば、プラズマの発
光光度に周期的なゆらぎがある場合でも（図６
（ａ））、位相の異なる信号を作り出して加算し平均化
させることにより、発光強度を示す信号を平滑化できる
ため、終点判定を容易に行うことができる。しかし、位
相をずらすことによって時間遅れが生じ、その結果、平
均化した信号もそれだけの時間遅れを有することにな
る。
【００１５】図８は、特開平１−２２６１５４号公報に
開示された信号取込制御器を利用したプラズマ処理装置
の構成を示している。この装置の構成要素のうち図５に
示した構成要素と同じものについては同じ符号を付して
その説明を省略する。本装置は、ローパスフィルタ２０
に代えて信号取込制御器４０を備えており、この点が図
５の装置と相違する。信号取込制御器４０は、増幅器１
３から図６（ａ）に示すような周期的ゆらぎを有する信
号を入力し、その周期に合わせてサンプリングする。こ
のために、回転駆動装置１９の回転周期を取込周期設定
器４１に設定し、これから信号取込制御器４０にサンプ
リングのタイミングを指示するようにしている。
【００１６】このように回転駆動装置１９の回転周期と
同期させて取り込まれた信号は、周期変動のない信号か
ら断続的に入力したものと同一とみなすことができる。
したがって、この信号取込制御器４０により、増幅器１
３から得られる周期的ゆらぎを有する信号を平滑化する
ことができる。しかし、このような構成によれば、ゆら
ぎの周期（回転駆動装置１９の回転周期）の間隔でしか
信号値が得られないため、検出される終点時期にその間
隔に対応する誤差が付随し、終点判定の精度が悪くな
る。
【００１７】以上説明した特開平１−２２６１５４号公
報に開示された３種類のプラズマ装置では、発光強度の
検出信号に含まれるゆらぎはマグネット１８の回転に起
因するもので、その周期は回転駆動装置１９の回転周期
に等しいが、被エッチング材１６による光の干渉効果に
起因する前述のゆらぎも周期が既知である点で共通して
いる。このため、特開平１−２２６１５４号公報に開示
された上記３方法は、被エッチング材１６による光の干
渉効果に起因する前述のゆらぎの除去にも有効である。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】以上のように、特開平
１−２２６１５４号公報に開示された上記従来の方法に
よれば、発光強度の検出信号にノイズとして含まれる周
期的なゆらぎを除去できるが、終点判定に時間的遅れが
生じたり、終点判定の精度が低下したりするという問題
がある。
【００１９】そこで本発明では、終点判定に時間的遅れ
を生じさせずかつ判定精度を低下させることなく、終点
判定の誤りを防止できるドライエッチングの終点判定方
法、および、そのような判定方法に基づくドライエッチ
ング装置を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明に係る終点判定方法は、プラズマを用
いて被エッチング材に対して行われるドライエッチング
処理において発生する光の強度変化を検出し、該強度変
化の検出結果に基づいてドライエッチングの終点を判定
する終点方法であって、前記強度変化の検出に用いる光
を、前記被エッチング材のエッチングされるべき面に対
して前記プラズマの領域の反対側で採取することを特徴
としている。
【００２１】本発明に係る第１のドライエッチング装置
は、エッチング処理室内でプラズマを用いて被エッチン
グ材に対して行われるドライエッチング処理において発
生する光の強度変化を検出し、該強度変化の検出結果に
基づいてドライエッチングの終点を判定するドライエッ
チング装置であって、前記強度変化の検出に用いる光を
前記エッチング処理室から外部に導くための採光窓を、
前記被エッチング材のエッチングされるべき面に対して
前記プラズマの領域の反対側に設けたことを特徴として
いる。
【００２２】本発明に係る第２のドライエッチング装置
は、上記第１のドライエッチング装置において、前記採
光窓の温度を制御する温度制御手段を更に備えたことを
特徴としている。
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、被エッチング材のエッ
チングされるべき面に対しプラズマ領域の反対側におい
て、ドライエッチング処理で発生する光の強度変化の検
出に用いる光が採取される。これにより、採取された光
には被エッチング材からの反射光は含まれず、その結
果、光の強度を示す検出信号には被エッチング材による
光の干渉を原因とするゆらぎが見られない。このため、
検出信号を平滑化するような外的手段を設けなくとも、
このようなゆらぎによる終点判定の誤りが防止される。
したがって、時間遅れを生じさせることなく、かつ判定
精度を低下させることなく、被エッチング材による光の
干渉を原因とする終点判定の誤りを防止できる。
【００２４】ところで、終点判定に必要な上記光の採取
のための採光窓を被エッチング材のエッチングされるべ
き面に対してプラズマ領域の反対側に設けた場合、採光
窓に反応生成物が堆積しやすい。しかし、本発明に係る
第２のドライエッチング装置のように、採光窓の温度を
制御する温度制御手段を設けることにより、採光窓の温
度を高く維持して採光窓への反応生成物の堆積を抑制す
ることができる。なお、採光窓はプラズマ領域の反対側
に位置するため、採光窓の温度を上げてもエッチング特
性に影響を与えることはない。したがって、エッチング
特性に影響を与えることなく、エッチング時間または処
理枚数の増加に伴う検出信号の強度の低下を防止でき、
その結果、安定して終点判定を行うことができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ本発明の
一実施形態について説明する。 ＜実施形態１＞図１は、本発明の一実施形態（以下「実
施形態１」という）であるドライエッチング装置の構成
を示す図である。この装置におけるエッチング処理室１
は、図３に示した従来のドライエッチング装置と同様、
排気孔２から真空排気されてガス導入口３からプロセス
ガスが導入される。そしてエッチング処理室１の内部に
は、対向する下部電極４と上部電極５が配置されてい
て、下部電極４には高周波電源６によって高周波電圧が
印加され、上部電極５は接地されている。また、この装
置においても、エッチング過程で生成される反応生成物
の発光強度を検出するための採光窓９がエッチング室１
の側面に設けられている。しかし、この装置では、被エ
ッチング材１６のエッチングされるべき面であるウェハ
面の位置７に対してプラズマ領域８とは反対側に採光窓
９が設けられている点で、ウェハ面の位置７に対してプ
ラズマ領域８と同じ側に採光窓が設けられている従来の
ドライエッチング装置と相違する。
【００２６】本実施形態のドライエッチング装置は、上
記のエッチング処理室１の他、図１に示すように、分光
器１１、光電変換器１２、増幅器１３、Ａ／Ｄ変換器お
よびマイクロコンピュータ１５を備えている。採光窓９
からエッチング処理室１の外に導かれた光は、光ファイ
バー１０を介して分光器１１に送られ、予め決められた
波長の光のみが選択される。この選択波長としては、反
応生成物もしくは反応種に固有のものが選ばれる。分光
器１１を通過した光は、光電変換器１２によって電気信
号に変換される（検出信号の生成）。この検出信号は、
増幅器１３によって増幅され、Ａ／Ｄ変換器１４によっ
てデジタル信号に変換された後、マイクロコンピュータ
１５に入力される。マイクロコンピュータ１５には、予
め決められた設定値に基づいてエッチングの終点判定の
アルゴリズムを実行するためのプログラムが記憶されて
いる。マイクロコンピュータ１５は、このプログラムを
実行することにより、例えば、入力された検出信号を用
いて発光強度の２次微分値を算出し、算出した値を前記
設定値と比較することにより終点判定を行い、エッチン
グの終点であると判定すると、高周波電源６による高周
波電圧の印加を停止させる。
【００２７】上記のように構成された本実施形態のドラ
イエッチング装置では、ウェハ面の位置７に対してプラ
ズマ領域８とは反対側に採光窓９が設けられているた
め、下部電極４に載置されたエッチング材１６に対して
エッチング処理を行っている間において、採光窓９には
被エッチング材１６からの反射光は入射しない。このた
め、採光窓９からエッチング処理室１の外に導かれる光
には、被エッチング材１６による光の干渉を原因とする
発光強度のゆらぎが見られず、検出信号にもそのような
ゆらぎがノイズとして含まれることはない。したがっ
て、このようなゆらぎによるエッチングの終点判定の誤
りが防止され、従来のようにローパスフィルタ（図５）
や、位相波形合成器（図７）、信号取込制御器（図８）
などのような、検出信号を平滑化する外的手段を設ける
必要はない。その結果、時間遅れや判定精度の低下を招
くことなく、被エッチング材１６による光の干渉に起因
する終点判定の誤りを防止できる。
【００２８】＜実施形態２＞図２は、本発明の他の実施
形態（以下「実施形態２」という）であるドライエッチ
ング装置の構成を示している。上記実施形態１のドライ
エッチング装置と同一の部分については同一の符号を付
してその説明を省略する。本実施形態の装置は、採光窓
９の近傍に設けられたヒータ９ｈとヒータ９ｈを制御す
る加熱制御器１７とからなる温度制御手段を備えてい
て、これにより採光窓９の表面温度を調節できるように
なっており、この点で実施形態１と相違する。
【００２９】採光窓９が被エッチング材１６の被エッチ
ング面（ウェハ面の位置７）に対してプラズマ領域８と
反対側に設けられている場合、採光窓９は直接プラズマ
に曝されないため、採光窓９に反応生成物が堆積しやす
い。そこで本実施形態では、加熱制御器１７がマイクロ
コンピュータ１５からの指示に基づいてヒータ９ｈの動
作を制御することにより、採光窓９の表面温度を、反応
生成物の堆積を抑制できるような比較的高い値に維持す
るようになっている。
【００３０】上記のような本実施形態のドライエッチン
グ装置によれば、採光窓９への反応生成物の堆積が抑制
されるため、エッチング時間または処理枚数の増加に伴
う検出信号の強度の低下を防止することができ、その結
果、安定して終点判定を行うことができるようになる。
なお、採光窓９はウェハ面の位置７に対してプラズマ領
域８とは反対側に設けられているため、採光窓９の表面
温度がエッチング特性に影響を与えることはない。
【００３１】＜変形例＞上記実施形態１および２の装置
が処理の対象とする被エッチング材１６としては、例え
ばシリコンウェハ上にシリコン酸化膜を成膜したもの
や、シリコンウェハ上にシリコン酸化膜とポリシリコン
膜（多結晶シリコン膜）を順次成膜したものが挙げら
れ、前者の場合はシリコン酸化膜が、後者の場合はポリ
シリコン膜がそれぞれ被エッチング膜となる。しかし、
本発明に係るエッチングの対象となる被エッチング材は
これらに限定されるものではなく、検出すべき波長の光
を透過させ干渉効果を生じさせる被エッチング材につい
ては、本発明により、その干渉効果に起因する終点判定
の誤りを防止できる。
【００３２】また、上記実施形態１および２では、エッ
チング処理室１は平行平板型のプラズマ源として構成さ
れているが、マグネトロンＲＩＥ(Reactive Ion Etchin
g)型や、ＥＣＲ(Electron Cyclotron Resonance)型、Ｉ
ＣＰ(Inductive Coupled Plasma)型などのあらゆるプラ
ズマ源についても本発明を適用することができる。
【００３３】さらに、上記実施形態１および２では、発
光強度の２次微分値が予め決められた閾値を越えた時点
でエッチングを終了する方法を使用しているが、この方
法に代えて、発光強度の１次微分値が予め決められた閾
値を越えた時点でエッチングを終了する方法や、発光強
度を示す検出信号の強度が予め決められた閾値を越えた
時点でエッチングを終了する方法を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態（実施形態１）であるド
ライエッチング装置の構成図。
【図２】 本発明の他の実施形態（実施形態２）である
ドライエッチング装置の構成図。
【図３】 従来のドライエッチング装置の要部を示す構
成図。
【図４】 ドライエッチング装置における被エッチング
材による干渉効果を説明するための図。
【図５】 ローパスフィルタを利用した従来例であるプ
ラズマ処理装置の構成図。
【図６】 ドライエッチングにおける反応生成物の発光
強度の検出信号を示す図。
【図７】 位相波形合成器を利用した従来例であるプラ
ズマ処理装置の構成図。
【図８】 信号取込制御器を利用した従来例であるプラ
ズマ処理装置の構成図。
【符号の説明】
１ …エッチング処理室 ８ …プラズマ領域 ９ …採光窓 ９ｈ…ヒータ １６…被エッチング材 １７…加熱制御器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 プラズマを用いて被エッチング材に対し
    て行われるドライエッチング処理において発生する光の
    強度変化を検出し、該強度変化の検出結果に基づいてド
    ライエッチングの終点を判定する終点方法であって、 前記強度変化の検出に用いる光を、前記被エッチング材
    のエッチングされるべき面に対して前記プラズマの領域
    の反対側で採取することを特徴とする終点判定方法。
  2. 【請求項２】 エッチング処理室内でプラズマを用いて
    被エッチング材に対して行われるドライエッチング処理
    において発生する光の強度変化を検出し、該強度変化の
    検出結果に基づいてドライエッチングの終点を判定する
    ドライエッチング装置であって、 前記強度変化の検出に用いる光を前記エッチング処理室
    から外部に導くための採光窓を、前記被エッチング材の
    エッチングされるべき面に対して前記プラズマの領域の
    反対側に設けたことを特徴とするドライエッチング装
    置。
  3. 【請求項３】 請求項２に記載のドライエッチング装置
    において、 前記採光窓の温度を制御する温度制御手段を更に備えた
    ことを特徴とするドライエッチング装置。
  4. 【請求項４】 請求項３に記載のドライエッチング装置
    において、 前記温度制御手段は、前記採光窓を加熱する加熱手段
    と、該加熱手段による加熱を制御することにより前記採
    光窓の温度を所定値に設定する加熱制御手段とを有する
    ことを特徴とするドライエッチング装置。
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