JPS583985A - 反応性イオン食刻装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は食刻終了時点検出装置に係り、更に具体的に云
えば、反応性イオン食刻システムに於ける食刻終了時点
検出装置に係る。

先行技術 乾式食刻システムに於て食刻終了時点を検出するために
用いられている従来技術による食刻終了時点検出装置に
於ける問題の１っは、その検出装置が食刻されている材
料の食刻終了時点を正確に検出し得る能力にある。その
検出の正確さの問題は、バッチ食刻が含まれるとき、特
に食刻されている層が数ミクロンのオーダーの厚さを有
する場合に於て、倍加される。

典型的には、食刻終了時点検出装置は食刻終了時点を検
出するために単一のウェハを観察する。

例えば、一般に用いられているレーザ食刻終了時点検出
装置は、レーザ信号を単一のウェハに方向づけそしてそ
のウェハから反射された信号を既知の参照用ウェハから
得られた参照信号と比較する。

概して、その様な装置は、干渉計技術に基づいて検出を
行っている。

バッチ処理に於て、レーザ検出装置の如き食刻終了時点
検出装置は、典型的には、ランダムに選択されたウェハ
をモニタする。その様なバッチ・システムに於ては、ウ
ェハ毎に食刻速度及び膜厚が規定以上に変動するので、
ランダムに選択されたウェハをモニタすることは、多数
のウェハの食刻しすぎ及び／若しくは食刻不足を生じ得
る。食刻特性がバッチ毎に変化するので、歴史的パター
ンに従って食刻時間をモニタ及び調節するために所与の
ウェハを選択することは困難である。

従来技術によるバッチ食刻終了時点検出装置は、典型的
には、食刻終了時点を表示するものとして食刻システム
の特性の変化を検出することを用いている。乾式プラズ
マ食刻システムに於て食刻終了時点を検出するために用
いられている如き、その様な検出装置の１つは、米国特
許第４２０１５（３） ７９号の明細書に記載されている装置である。その明細
書は、食刻プラズマとしての水素が、実効インピーダン
ス整合回路網を変化させて反射される電力を増加させる
反応生成物を生せしめる食刻終了時点検出装置について
記載している。反応炉から反射された電力が食刻終了時
点を検出するためにモニタされる。

米国特許第４２０７１５７号の明細書は、上記米国特許
明細書に記載の装置に類似している、食刻中にプラズマ
のインピーダンスが食刻終了時点を検出するためにモニ
タされる、プラズマ食刻終了時点検出装置について記載
している。

上記両米国特許明細書に記載の装置は、それらの正確さ
に於てそしてそれらが一般に市販されている典型的な反
応性イオン食刻システムに於て用いられ得ないことに於
て問題がある。一般に市販されている反応性イオン食刻
システムは、典型的には、電極−プラズマー電極システ
ムの整合を達成するために自動的インピーダンス整合装
置を用いている。

（４） 本発明の要旨 本発明の目的は、改良された食刻終了時点検出装置を提
供することである。

本発明の他の目的は、乾式食刻システムに於て食刻終了
時点を検出するための食刻終了時点検出装置を提供する
ことである。

本発明の他の目的は、バッチ処理乾式食刻システムに於
て食刻終了時点を検出するだめの改良された食刻終了時
点検出装置を提供することである。

本発明の他の目的は、バッチ処理反応性イオン食刻シス
テムのための改良された食刻終了時点検出装置を提供す
ることである。

本発明の更に他の目的は、食刻終了時点が食刻種の流量
の変化によって検出される、一定圧力のバッチ処理反応
性イオン食刻システムのための食刻終了時点検出装置を
提供することである。

本発明に従って、バッチ処理反応性イオン食刻システム
に於て正確な食刻終了時点の検出が達成される。乾式食
刻チェンバ内に於て、１材料層の最終分子からもう１つ
の材料層の最初の分子へ食刻が遷移される間に、構成成
分の種の数及び反応チェンバ内に於けるそれらの濃度に
相当な変化が生じることが確認された。構成成分の種の
数及び反応チェンバ内に於けるそれらの濃度の変化は、
該チェンバ内の圧力にも変化を生せしめる。

更に、本発明に従って、反応チェンバ内の食刻押の変化
に応じて該チェンバ内に一定の圧力が保たれる様に変化
される食刻種の流れの変化をモニタすることによって、
バッチ食刻終了時点の検出が決定される。流量計の信号
が変化したときに急激な出力信号の変化を供給するため
に、参照信号が該流量計からの信号に加えられて、うな
シ信号が形成される。

本発明の好実施例 次に、第１図に示されている如く、本発明を反応性イオ
ン食刻システムに関して説明する。第１図のシステムは
単に例示されたものであって、本発明は一定圧力の技術
を用いている任意の種々の反応性イオン食刻システムと
ともに用いられ得る。

第１図に於て、反応性イオン食刻（ＲＩＥ）チェンバ１
は、当業者に周知の典型的ＲＩＥチェンバから成る。チ
ェンバ１は、ウエノ為のバッチ食刻、例えば５０個迄の
ウエノ・のバッチ食刻を可能にする充分な寸法を有して
いる。チェンバ１には、従来の圧力感知及び制御装置ろ
が接続されている。

その様な圧力感知及び制御装置は、例えば一般に入手し
得るＭＫＢ　　Ｂａｒａｔｒｏｎ　（商品名）システム
から成り得る。圧力感知及び制御装置３の機能は、当業
者に周知の如く、チェンバ１内の圧力を感知しそしてそ
の感知された圧力に従ってフィードバック信号を流量調
整装置５に供給する。流量調整装置５は、圧力感知及び
制御装置３からのフィードバック信号に従ってガスの源
７からチェンバ１への食刻ガスの流れを調整する。

第１図に関して以上に述べたシステムに類似するシステ
ムは当業者に周知である。その様な装置の１つは、Ｐｌ
ａｓｍａ−Ｔｈｅｒｍ、Ｉｎｃ、　　によるＤｕａｌ　
　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　　　Ｊｏｎ　　ａｎｄ　　Ｐｌａ
ｓｍａ　　ＥｔｃｈＳｙｓｔｅｍ、Ｍｏｄｅｌ　ＰＫ−
２４４０ＰＥ／ＲＩＥ（商品名）に於て用いられている
装置である。

更に第１図に於て、流量調整装置５に結合されている流
量計９は、流量調整装置５の流量を視覚的に表示する様
に働く。流量計９は、流量を検出しそしてその流量を電
気的及び視覚的に表示する様に働く、種々の従来の流量
計でよい。流量計９は、流量を視覚的に表示するだけで
なく、更に流量を示すアナログ信号を差動増幅器１１の
一方の入力に供給する様に働く。差動増幅器１１θ）他
方の入力端子には、参照信号の源１６から参照信号が供
給される。差動増幅器１１の出力は記録装置１５に接続
されている。

当業者により理解される如く、参照信号の源１６は差動
増幅器１１にうなり信号を供給する様に働き、そのうな
り信号は流量計９からの定常状態のアナログ信号を消去
する様に働く。

本発明に従って、流量計９により測定された流量に於け
る変化が、所与の材料中の食刻の終了を正確に表示する
ものとして容易に用いられ得るこ（７） とが解った。更に具体的に云えば、一定圧力の下で動作
する第１図に示されている如き７ステムに於ては、流量
を変化させることにより圧力が一定に維持されることが
知られている。ＲＴＥチェンバ内の食刻は１つの拐料か
ら次の材料へと進められるので、チェンバ内のガス構成
成分の分圧に変化が生じ、従ってシステムの全圧力も変
化しようとする。従って、チェンバの圧力がいずれかの
方向に変化しようとする傾向は、その食刻処理が１つの
型の材料からもう１つの型の材料へ境界を通過している
ことを示している。

食刻が１つの材料の最終の分子を経てもう１つの材料の
分子の食刻へと進むとき、この遷移によって生じたチェ
ンバ内の粒子の数の変化はチェンバ内の圧力に変化を生
ぜしめ、この変化は圧力感知及び制御装置３によって感
知される。圧力感知及び制御装置３はこの変化を示す信
号を生じ、この信号はチェンバへの食刻ガス種の流量を
変化させそしてチェンバ内の圧力を一定に保つ様に流量
調整装置５へ供給される。食刻されている特定の（８） 構造体にどの食刻ガスが最も適しているかに応じて任意
の種々の食刻ガスが本発明によるシステムに於て用いら
れ得る。例えば、ガスの源７はＣＦ４゜ＣＨＦ３．ＣＣ
ｌ４．ＣＦ４Ｈ２又はＣＦ　４０２の食刻ガスのいずれ
かから成り得る。

本発明に従って、流量調節装置５により生ぜしめられた
流量の変化は流量計９によって検出される。図に示され
ている如く、流量計９は流量の変化を示すアナログ信号
を差動増幅器１１に供給する。差動増幅器１１は、参照
信号の源１３からの参照信号と協働して、流量の変化が
生じた場合に著しい変化を生じる出力を記録装置１５に
供給する。

例えば圧力でなく流量を感知する利点の１つは、第２図
を参照してより明確に理解され得る。第２図は、食刻速
度（ＥＲ）が一方では流量そして他方では圧力の関数と
してどの様に変化するかを示している。理解され得る如
く、曲線１９により表わされている圧力に於ける大きな
変化は食刻速度に相当な変化を生ぜしめる様に働く。一
方、曲線１７の急激な変化の上部に於ける流量の大きな
変化は食刻速度に少しの変化しか生せしめない様に働く
。これは、食刻速度の軸に清って△１を△２と比較する
ことによって理解され得る。従って、チェンバの圧力を
一定に維持して流量を変化させることによって、食刻速
度には少しの変化しか生じない。

又、食刻チェンバ内の構成成分の種に於ける変化は、電
極−プラズマー電極システムのインピーダンス整合を変
化させる様に働くことを理解されたい。インピータ−／
ス整合に於ける変化は該システムに供給される電力に変
化を生ぜしめ、その電力の変化は食刻速度を変化させる
。従って、一定又は均一な食刻速度を出来るだけ近く保
つために、第１図に概略的に示されているそのシステム
は又、自動的インピーダンス整合回路２１を含み、該回
路２１は変化するチェンバの状態に従ってインピーダン
ス整合を自動的に調節して一定の電力が該システムに供
給される様に働く。

第１図に示されている装置が食刻終了時点を決定するた
めにどの様に用いられ得るかは、記録装置１５による第
３図に示されているプロットの軌跡に関してより具体的
に示され得る。この記録装置１５は、一対の特性を同時
に記録することを可能にする２つのペンによる記録装置
である。第５図に於て、上の特性は従来のレーザ食刻終
了時点検出装置の特性である。この特性の上方に示され
ている矢印は、信号に於ける急激な降下により表わされ
ている如く、食刻終了時点が検出される時点を示してい
る。下の曲線は、本発明の装置に従ってモニタされた食
刻様の流量を表わしている。

第３図のプロットは、例えば３０個程度のウェハの処理
能力を有する典型的な食刻システムに於て単一の５ｉ０
２ウエー・をモニタした結果を示している。その流量曲
線の下方の矢印は、本発明の装置に従って食刻終了時点
が決定される時点を表わしている。この下方の矢印に於
て急激な変化が生じており、この変化は流量の大きな変
化を表わしている。既に述べた如く、流量の変化は、チ
ェンバ内に存在する粒子の数の変化によって生じる食刻
チェンバ内の圧力の変化を感知する第１図に於ける圧力
感知及び制御装置３の応答を表わす。

第４図は、従来のレーザ食刻終了時点検出装置及び本発
明による流量検出装置のだめの２つのペンによる記録装
置のプロットの軌跡を示している。

第４図のプロットは２０個のＳ　ｉ　Ｏ２ウエハのバッ
チをモニタした結果を示し、上の曲線は流量をモニタし
ている曲線であり、下の曲線はレーザ食刻終了時点検出
装置の特性を表わしている。矢印Ａはバッチの始めのウ
ェハの食刻が終了した時点、即ち５１０２層が下のシリ
コン層に達する迄完全に食刻された時点を示している。

矢印Ｂは、バッチ全体について食刻終了時点がレーザ検
出装置により検出された時点を示している。これは、一
定の信号が始捷る下の曲線上の点によって特徴づけられ
る。矢印Ｃにより示されている時点は、本発明による流
量検出装置によって決定される、バッチ全体のＳ　ｉ　
Ｏ２ウエハの食刻終了時点に対応する。

バッチ全体の食刻の完了は、流量曲線に於て矢印Ａと矢
印Ｃとの間の流量の変化が完了した後に於ける一定の流
量の開始によって特徴づけられる。

矢印Ｃに於ける流量曲線の安定化は、この一定の流量に
於てシステムが一定の圧力を有していることを示し、一
定の圧力はチェンバ内の粒子の数が比較的一定であり、
従ってすべてのウェハに於てそれらのＳｉＯっ層が完全
に食刻されたことを示す。

以上の記載から明らかな如く、矢印Ａと矢印Ｃとの間の
距離は、始めのウェハに於て食刻されている８１０２層
と下のＳｉ基板との間の界面が食刻され始めた後にバッ
チ全体の食刻が完了する迄の時間を表わしている。それ
らのプロットから理解され得る如く、レーザ食刻終了時
点検出装置は、典型的には、検出のために選択された特
定のウェハに応じて、矢印Ａと矢印Ｃとの間のいずれか
の時点に於て食刻終了時点を検出する。食刻されている
バッチが大きければ大きい程そしてその食刻が不均一で
あればある程、それだけ矢印Ａと矢印Ｃとの間の時間は
大きくなり、従ってレーザ食刻終了時点検出装置はより
不正確になる。

第５図は、例えば埋設酸化物分離領域を設けられる３１
個のウェハの食刻に於て観察された典型的な軌跡を示し
ている。屈曲点■は、レーザ食刻終了時点検出装置によ
る、窒化シリコン層が下のＳ　ｉ　０２層に達する迄完
全に食刻された時点を表わしている。この屈曲点は小さ
いので、窒化シリコン層の食刻終了時点の検出は困難で
あり、更にその曲線は急峻であるために不正確さが大き
い。

第５図に示されているレーザ食刻終了時点検出曲線は、
矢印Ｓ　ｉ　Ｏ２により表わされている如く、Ｓ　ｉ　
０２とＳｉとの界面を通過するとき安定化する。それか
ら、そのプロットに示されている如く、埋設酸化物分離
領域の形成のためにシリコンの食刻が続いて行われる。

比較によって、第５図の下部に示されている流量特性は
矢印８１５Ｎ４により表わされている時点に於て窒化シ
リコン食刻終了時点を検出することが解る。その流量曲
線のくぼみの底部は、５ＩＯ２層が食刻されている時間
を表わしている。シリコンの食刻は矢印Ｓｉによシ表わ
されている時点に於て開始される。

第５図により示されている如く、流量特性は食刻終了時
点に於て著しい変化を示すことが理解され得る。それら
の著しい変化と食刻終了時点を示すレーザ食刻終了時点
検出特性の変化とを比較することにより、バッチ処理に
よる食刻に於ては、流量をモニタすることによる食刻終
了時点の検出がレーザ食刻終了時点検出装置による検出
よりもずっと正確であって、より信頼性を有しているこ
とが理解され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による食刻終了時点検出装置を有する反
応性イオン食刻システムを示す概略図、第２図は食刻速
度（ＥＲ）を食刻ガス流量及び食刻チェンバ圧力の両方
に対して示すプロット、第５図は反応性イオン食刻シス
テムに於て単一のＳ　ｉ　０２ウエハを食刻したときに
示されたレーザ食刻終了時点検出装置特性及びガス流量
特性の両方を示す記録装置のプロット、第４図は反応性
イオン食刻システムに於て２０個のＳ　ｉ　Ｏ２ウエハ
のバッチを食刻したときに示されたレーザ食刻路（１５
） 工時点検出装置特性及びガス流量特性の両方を示す記録
装置のプロット、第５図は反応性イオン食刻システムに
於て３１個のｓ　＋　ｓ　Ｎ　、ｉ　／　ｓ　ｒ　Ｏ２
／　Ｓ　ｉウェハのバッチを食刻したときに示されたレ
ーザ食刻終了時点検出装置特性及びガス流量特性の両方
を示す記録装置のプロットである。 出願人　　インターナショナノイビジネス・マシーンズ
・コーポレーション代理人　弁理士　　岡　　　１）　
　次　　　生（外１名） （１６） ＦＩＧ、　１ 流量／圧力 ＦＩＧ、　２ １フの５１０２ウエノ（ ＦＩＧ、　　３ ＦＩＧ、４ ｉｎｇ ＦＩＧ、５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 反応性イオン食刻システムの反応チェンバ内の圧力が一
   定に保たれる様に上記チェンバ内への食刻様の流れを流
   量調整手段により制御するために上記チェンバ内の圧力
   が感知されるバッチ処理反応性イオン食刻システムに於
   て、 上記流量調整手段を経て上記チェンバ内へ流れる上記食
   刻様の流量を感知しそして上記流量を示す電気的信号を
   供給する手段と、 上記チェンバ内で食刻されている材料の変化を示す上記
   食刻様の流量の変化を検出するために、上記チェンバ内
   への上記食刻様の流量を示す上記電気的信号をモニタす
   る手段を含む食刻終了時点検出手段とを有する、 反応性イオン食刻システム。