JPS63244847A

JPS63244847A - ドライエッチング終点検出方法

Info

Publication number: JPS63244847A
Application number: JP62078809A
Authority: JP
Inventors: Yukihito Tashiro; 征仁田代; Isao Asaishi; 浅石　勲; Yutaka Nogami; 裕野上; Tsutomu Tsukada; 勉塚田
Original assignee: Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1988-10-12
Also published as: JPH0533818B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、プラズマを利用するドライエツチング装置に
おけるエツチング終点検出方法およびその装置に関する
。

（従来の技術）ドライエツチングの終点を自動的に検出する方法として
は、従来、被エツチング膜種やエツチングガス種に応じ
て、特定の波長の発光強度を測定して行なう発光分光法
が広く用いられている。

発光現象に注目し発光強度を測定してエツチングの終点
を判定する方法としては、例えば、特開昭５８−２１５
０３０号公報に記載のように、エツチング前の発光強度
を記憶しておき、各時刻で発光強度をこれと比較して、
この値が記憶しである初期値に戻ったときを終点とする
方法や、例えば、特開昭５８−２１６４２３号公報に記
載のように、発光強度の差分、即ち勾配が所定移動平均
値以下となる点を終点とする方式などがある。

従来のこれらの終点検出方法は、エツチングの進行状態
に依存する発光スペクトルの強度、またはそれと、エツ
チングの進行状態に依存しない他の事象（発光スペクト
ル強度等）との比較を利用するものということが出来る
。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら上記従来の方法は、全体の面積に対してエ
ツチングされる面積の小さいウェハーのエツチングの場
合は、エツチングの進行状態に依存する特定の発光スペ
クトル強度の変化量が微少で、それが、エツチング装置
内の圧力変動等に起因するノイズレベルやスペクトルの
変動と同程度またはそれ以下であるため、エツチングの
終点を誤検出することがあった。

更に詳細に説明すると、エツチング工程中に得られるプ
ラズマの発光強度の測定データは次の２つの問題を内蔵
している。

問題の１つは、周期性のない浮動即ちレベル変動が、測
定データに含有されている場合のあることであって、こ
のレベル変動がエツチング終了時の信号変動量を容易に
超過するため、検出の基準即ち閾値を無意味にしてしま
うことである。

例えば、シリコンウェハー上でＳ　ｉ　０２のコンタク
トホールをエツチングする場合がそれに当たる。この頃
のパターンの開口比は５％以下しかないものもある。そ
うした開口比の小さいエツチングでは、検出される信号
を２万倍程にも増幅しないと、判定に足る変化が生じな
いが、そこで生じる程度の検出信号の変化は、微少の投
入パワーの誤差、圧力の誤差、ガス流量の誤差等で簡単
に引き起こされる。

また、バッチ式の装置においては、装置を必ずしもいつ
もフルロードの状態で稼働させるわけでなく、ダミーウ
ェハーを数枚入れて稼働させることがしばしばあるが、
その時にはダミーウェハーの枚数が変化するとそれだけ
で既に問題となる程の発光強度のレベル変動が起こる。

問題点の他の１つは、比較的長周期の雑音成分が測定デ
ータに含まれている場合があることであり、測定データ
には、数Ｈｚ〜Ｏ，Ｏ’５Ｈｚの周期の大きい雑音成分
が含まれていることが多く、これを除去するためには、
サンプリングで得た測定値群を一定時間内で算術平均し
たり、サンプリング間隔を１０〜２０秒またはそれ以上
に比較的長くとったりして、雑音の影響を極力少なくす
る方法等も採用せざるを得ないことである。

（発明の目的）本発明は、上記の問題を解決し、正確にエツチングの終
点を検出するドライエツチング終点検出装置を提供する
ことを目的とする。

（問題を解決するための手段）本願第１の発明の方法は、上記の目的を達成するために
、放電プラズマにより発生したイオンやラジカルによっ
て被加工物をエツチング加工するドライエツチング方法
において、エツチング加工中にエツチングの進行状態に
依存してエツチングガス内に発生する、原子２分子また
はイオンの特定の複数の発光スペクトルの強度をそれぞ
れ電気信号に変換し、それら電気信号の相互間に四則演
算を施して得られる電気信号を基礎データとして、時系
列で得られるこの基礎データ群の上に、エツチング終点
の判別を容易にする演算処理を施すドライエツチング終
点検出方法を提案するものである。

好ましい演算処理方法としては、ディジタル的な基礎デ
ータの所定個数に亙って、１次の最小２乗近似処理を行
ない、かつ、その処理区間を、基礎データが新たに追加
されるに従って追加の方向に移動させる処理を含むもの
がある。

また望ましい別の演算処理方法としては、前記基礎デー
タ群の（時間についての）１次またはそれ以上の高次の
微分値を、アナログまたはディジタル的方法にて求める
処理を含むものがある。

次に、上記第１の発明の方法を実現する本願第２の発明
の装置としては、複数の発光スペクトルの強度をそれぞ
れ電気信号に変換し且つそれら電気信号の相互間に四則
演算を施して基礎データとなる複数の電気信号を時系列
で得る第１の手段と、これら基礎データ群の上にエツチ
ング終点の判別を容易にする演算処理を施す第２の手段
とを備えたドライエツチング終点検出装置が提案される
。

その具体的な装置としては、エツチングガスの発光を人
力とする、それぞれ、光学的バンドパスフィルター、光
−電気変換器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器よりなる２組の電
気信号発生装置と、その電気信号発生装置の出力する電
気信号を入力とするコンピューターを備えるものが提案
される。

（作用）本発明は要約して次の作用を有する。

１゜エツチングの終了時点で急激に増加または減少する
複数の特定の発光スペクトルの強度の比または差をとる
ことにより、プラズマの圧力変動等によって生じるノイ
ズ成分が除去されるとともに、微少な変化分の増幅も可
能となり、より終点検出に適した信号を得ることが出来
る。

２゜最小自乗法を用いる演算処理によっては、ノイズ成
分の少ない平滑化された近似曲線を得ることが出来、エ
ツチングの終点検出が容易となる。

３゜基礎データの微分値を求め、更にその上に微分を繰
り返す演算処理では、ノイズの少ない平滑化された高次
の微分曲線を得て、エツチングの終点検出をより容易に
行なうことが出来るケースが多い。

（実施例）本発明の実施例として、ＳｉＯ３膜のエツチングを取り
上げて説明する。

この実施例で使用した酸化シリコン膜は、周知の熱酸化
法によりシリコンウェハ上に０．　５μｍ形成したもの
であり、その上にはフォトレジストパターンを形成した
。フォトレジスト材料には、０ＦＰＲ−８００（東京応
化（ＩｓＩ（１）商品名）を用いた。この試料を平行平
板型のドライエツチング装置内に設置しエツチングを行
った。その時の、エツチング条件はエツチングガスがＨ
ｅ　十ＣＨＦ　３４０％＋０２１Ｏ％ガス、ガス流量は
１０１００５ｅ、エツチング圧力は１．５Ｔｏｒｒ、　
　高周波電力は６００Ｗ（１３，５６ＭＨ２）である。

なお、エツチングガス中のＣＨＦ３の代わりに、ＣＦ　
４＋　Ｃ２Ｆ　ａ、Ｃ３Ｆ　８＋　Ｃ４Ｆ　８ガスやこ
れらの混合ガスを用いてもよい。

また、酸化シリコン膜は通常のＣＶＤ法で形成したもの
でも同様の結果が得られている。

第１図はこれに用いるエツチング終点検出装置である。

エツチング装置内に発生するプラズマ１゜１′の発光を
、ガラス窓を通して処理槽外に取り出し、光学的バンド
パスフィルター２，２′を用いてそれぞれＣｏ（波長４
８３．５ｎｍ）とＨｅ（波長６６７．８ｎｍ）の発光ス
ペクトルを選定し、光電変換器３，３′により、それぞ
れを発光スペクトル強度に対応する電気信号に変換し、
さらに増幅器４，４′により、０〜ＩＯＶの電気信号へ
変換した。その電気信号はそれぞれＡ／Ｄ変換器５，５
′を通ってディジタル化されたのち、コンピューター６
に取り込まれ、先ず差が取られて基礎データが得られ、
この基礎データの上に終点検出を容易にする必要な各種
の演算処理が行なわれるようになっている。

さてフッ化炭素系ガスとヘリウムガスとを含む混合ガス
のグロー放電プラズマの、波長５６１゜０ｎｍ、５１９
．８ｎｍ、４８３．５ｎｍおよび４５１．１ｎｍの一酸
化炭素分子の発光スペクトル強度と、波長７０Ｂ、５ｎ
ｍ、６６７．８ｎｍおよび５８７．６ｎｍのヘリウム原
子の発光スペクトル強度は、グロー放電プラズマの変動
によって同一傾向の変動を示す。　　例えば、グロー放
電プラズマの変動により一酸化炭素分子の発光スペクト
ル強度が増加した場合、ヘリウム原子の発光スペクトル
強度も同様に増加する。また、都合のよいことに酸化シ
リコン膜のドライエツチング終点において、−ｉ化炭素
分子の発光スペクトル強度は減少するが、一方、ヘリウ
ム原子の発光スペクトル強度は逆に増加する。

従フて、−酸化炭素分子の発光スペクトル強度と、ヘリ
ウム原子の発光スペクトル強度の差、の経時変化をモニ
タリングしておれば、グロー放電プラズマの変動に起因
する一酸化炭素分子の発光スペクトル強度の変動は、ヘ
リウム原子の発光スペクトル強度の変動で打ち消され、
また、酸化シリコン膜のドライエツチング終点における
一酸化炭素分子の発光スペクトル強度の減少量は、ヘリ
ウム原子の発光スペクトル強度の増加により°強調され
る。

上述の理由で、波長５６１．０ｎｍ、５１９゜８ｎｍ、
４８３．５ｎｍまたは４５１．１ｎｍの一酸化炭素分子
の発光スペクトル強度と、波長７０６．５ｎｍ、６６７
．８ｎｍまたは５８７．６ｎｍのヘリウム原子の発光ス
ペクトル強度とを比較することで、酸化シリコン膜のド
ライエツチング終点検出を正確に行うことが出来る。

第２図には上記条件で酸化シリコン膜をエツチングした
ときの発光スペクトル強度の経時変化を示している。図
中のＡは、中心周波数４８３．５ｎｍの光学バンドパス
フィルターを用いて得た一酸化炭素分子の発光スペクト
ル強度を電気的に変換した電圧■の経時変化、Ｂは中心
周波数６６７゜８ｎｍの光学バンドパスフィルターを用
いて得たヘリウム原子の発光スペクトル強度の同様の経
時変化、Ｃはノイズが除去されるように、ＢをＡから差
し引いて４倍した値の経時変化を示す。

図から明らかなように、グロー放電プラズマの変動の影
響が大きくて、ＡやＢの曲線では正確なドライエツチン
グの終点検出は困難であるが、両者の差を取った曲線Ｃ
からであればドライエツチングの終点検出は遥かに容易
である。

更にまた、上記では一酸化炭素分子の発光スペクトル強
度Ａからヘリウム原子の発光スペクトル強度Ｂを直接差
し引いた値Ｃの経時変化を用いているが、例えば、グロ
ー放電プラズマの変動に起因する一酸化炭素分子の発光
スペクトル強度の変動量と、グロー放電プラズマの変動
に起因するヘリウム原子の発光スペクトル強度の変動量
とが一致するように、ヘリウム原子の発光スペクトル強
度Ｂを増幅し、且つまた、−酸化炭素分子の発光スペク
トル強度とヘリウム原子の発光スペクトル強度とが同一
値を示すように、ヘリウム原子の発光スペクトル強度か
ら一定量を差し引いた値を用意して、これと−酸化炭素
分子の発光スペクトル強度とを比較するようにすれば、
酸化シリコン膜のエツチング作業中にグロー放電プラズ
マの変動が起きても両者の値は常に等しく、エツチング
が終点を通過したときにはじめて不等となって、終点検
出が容易になる。

第２図には、この差の値を基礎データとして、これにさ
らに必要な演算処理を施した結果の曲線り、　　Ｅが示
されている。これらは、エツチングの終点判定を一層容
易にし、機械によってもエツチング終点お自動判定が出
来るようにするため、１次微分曲線りと、それに続く２
次微分曲線Ｅを求めたものである。

以下に述べるように、１次微分曲線りは最小自乗法を用
い、２次微分曲線Ｅは曲線りの上に移動微分法を用いて
求めた。

即ち、曲線の様子より、近似処理区間を１０ｓｅＣ（ｔ
−１０からｔまで）と定めて、その１次近似直線Ｙ＝ａ
Ｔ＋ｂを最小自乗法（１次）により求め、この直線の式
のＴの１次の係数ａをその近似処理区間の最終点（ｔ　
ｓ　ｅ　ｃ）の微分値ａｊとする。そしてこのような演
算を近似処理区間をｌ５ｅｃ宛移動させながら行なって
いくと、最終的には、発光強度の時間に関する１次微分
ａｊの曲線りが得られた。近似処理区間を１０ｓｅｃよ
りも更に大きくとればノイズは大いに低減出来るが、時
間遅れを生じる、この例の場合は１０ｓｅｃが適当であ
った。

この曲線りで終点検出はさらに容易になったが、一層検
出を容易にするため微分区間をやはり１０ｓｅｃ（ｔか
らｔ＋１０まで）として、移動微分法でα＝（ｆ　ｔｔ
−ｒ＋−ｆ　＋ｔ＋）　／　１０を求め、αをその微分
区間の最終点（ｔ　＋１０）の微分値α。、、ｅ、とす
る。

この演算を、微分区間を１ｓｅｃずつ移動させながら行
なっていくと、最終的には基礎データの時間に関する２
次微分α１．。２．の曲線Ｅが得られる。この場合の微
分区間も先の近似処理区間と同様に設定には注意が必要
であるが、この例では同じ１０ｓｅｃが適当であった。

これらＡ、Ｂ、Ｃ，Ｄ、Ｅの曲線は第１図の装置によれ
ば、エツチング工程をモニタしながらリアルタイムで描
くことが出来る。

曲線Ｃのエツチングの終点と思われる時点Ｐで、曲線Ｅ
がＯ■の線をクロス（ゼロクロス）している。この点Ｐ
は、実際には曲線Ｃの変曲点に当たるのであるが、この
例の場合では最小自乗法や移動微分法の演算の時間的遅
れの結果、この変曲点Ｐが終点と一致していた。

この実施例の場合は、エツチング終点検出の判断には、
最小自乗法と移動微分法の両者を用いて得た２次微分値
が殊に適し、この値がある時間負の値を示し、その後、
ゼロを通過して正の値を示すようになるゼロクロスの点
を終点と判断できる。

この実施例の装置では、そのゼロクロス（終点）の点で
、コンピューターが垂直のラインＱをグラフ描くように
プログラムされており、第２図はラインＱの引かれた状
態を示している。総エツチング時間は９３ｓｅｃであっ
たのでその時間も図に記入されている。

なお上述は５ｉ０２膜のエツチングの場合を述べたもの
であるが、シリコンウェハー上のＳｉ３Ｎ４膜のエツチ
ングの場合（第３図）　　（３８８ｎｍと６６８　ｎｍ
の発光スペクトルを用いる）や、シリコンウェハー上の
Ｓ　ｉ　０２＋Ｓ　ｉ３Ｎ４膜のエツチングの場合（第
４図）（４８３ｎｍと６６８　ｎｍを用いる）でも上述
同様の成績を得ている。

先の第２図は終点検出の極めて容易な場合であって、実
際に曲線Ｅがこのように、機械にも判別の容易な明確な
ゼロクロスを行なうケースは珍しい。

通常のＳ　ｉ　０２膜のエツチング終点検出用の曲線Ｅ
は、第５．６．７図のような複雑な形状を示し、そのた
め、曲線Ｅの単純なゼロクラスだけに注目する上記の方
法では到底機械に委せて正常な終点検出を行なうことが
出来ない。これら第５，６゜７図の図は、同じ枚葉式ド
ライエツチング装置で、同等のパターンのウェハーを、
時間的にもかなり近接してエツチング処理したときに得
られたグラフであるから、エツチング終点検出の自動判
定が如何に難しいかがわかる。

即ち２次微分の曲線Ｅは、エツチング終点Ｐ以外の時点
ＰＩ、Ｐ２．Ｐ３でも、Ｏｖの線を負から正へとクロス
しており、これらの点をエツチング終点と誤って検出し
てしまう可能性がある。

本願の発明者は、実験で得られた多くのこれら曲線を検
討した結果、次記する３つの条件が全て満足されたとき
のゼロクロス点を終点と判別するようコンピューターの
プログラムを組めば、誤検出の恐れなく機械にもエツチ
ングの終点検出を自動判定させ得ることを見いだし、実
用価値の高い自動エツチング終点検出装置を完成した。

即ち、前述の２次微分値が負から正に転じた時期Ｐにお
いて、下記３条件が満足されておれば、その時期Ｐを終
点として判定して間違いはない、とした装置である。

（１）前述の２次微分値が、少なくとも所定時間Ｔだけ
連続して負であり続けたこと。

（２）前述の２次微分値の絶対値が、少なくとも一度は
（先とは別の）所定値ｑ以上となったこと。

（３）前述の２次微分値の絶対値の時間的積分値Ｓが、
所定値以上であったこと。

なお、十分に安定したエツチング装置では、上記条件に
１個または２個の満足でけでも判定可能となることが判
明している。

更に、上記では第１図の装置のように、Ａ／Ｄ変換器を
置゛いて、ディジタルコンピューターで終点をディジタ
ル的に検出行したが、全てをアナログ的に構成し、アナ
ログ・コンピューターで処理しても終点検出は可能であ
る。アナログ的処理は、エツチング速度が速い場合に適
する。

本発明の方法および装置が、上記の実施例の外にも様々
な態様で実施できることは明白である。

（発明の効果）本発明によれば、従来難しいとされていたエツチング面
積の小さい場合の、ウェハーのエツチング終点検出をも
、正確に行なうことが出来、その実用的価値は大である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の実施例のドライエツチング終点検出
装置の構成図である。第２図は、本発明を平行平板型ドライエツチング装置に
適用し、５ｉ０２膜のエツチングを行なったときのエツ
チング終点検出結果である。第３図は、本発明を平行平板型ドライエツチング装置に
適用し、Ｓｉ３Ｎ、膜のエツチングを行なったときのエ
ツチング終点検出結果である。第４図は、本発明を平行平板型ドライエツチング装置に
適用し、Ｓ　ｉ　０２＋Ｓ　ｉ３Ｎ４膜のエツチングを
行なったときのエツチング終点検出結果である。第５．６，７図は別のエツチング終点検出結果である。１・・・プラズマ、　　　２，２′・・・光学的バンド
パスフィルター、　　　　３，３′・・・光電変換器、
４．４′・・・増幅器、５．５′・・・Ａ／Ｄ変換器、
６・・・コンピューター。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）放電プラズマにより発生したイオンやラジカルに
よって被加工物をエッチング加工するドライエッチング
方法において、エッチング加工中にエッチングの進行状
態に依存してエッチングガス内に発生する、原子、分子
またはイオンの特定の複数の発光スペクトルの強度をそ
れぞれ電気信号に変換し、それら電気信号の相互間に四
則演算を施して得られる電気信号を基礎データとし、時
系列で得られるかかる基礎データ群の上に、エッチング
終点の判別を容易にする演算処理を施したことを特徴と
するドライエッチング終点検出方法。
（２）前記演算処理は、前記基礎データ群の、時間につ
いての１次またはそれ以上の高次の微分値を求める処理
を含むことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のド
ライエッチング終点検出方法。
（３）前記演算処理は、前記基礎データ群の、時間につ
いての１次またはそれ以上の高次の微分値を求め、該微
分値が少なくとも所定時間だけ連続して正または負の一
方であり、且つ、該微分値の絶対値が少なくとも一度は
別の所定値以上となり、且つ該微分値の絶対値の時間的
積分値が所定値以上となつたのち、正または負の他方に
転ずる時期を終点として判定する処理を含むことを特徴
とする特許請求の範囲第２項記載のドライエッチング終
点検出方法。
（４）前記変換で得られた電気信号は、サンプリングに
よってディジタル化して得られたデータであることを特
徴とする特許請求の範囲第１または２項記載のドライエ
ッチング終点検出方法。
（５）前記演算処理は、該基礎データの所定個数（従っ
て、所定処理区間長）に亙って、１次の最小２乗近似処
理を行ない、かつその処理区間を、基礎データが新たに
追加されるに従って追加の方向に移動させる処理を含む
ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のドライエ
ッチング終点検出方法。
（６）放電プラズマにより発生したイオンやラジカルに
よって被加工物をエッチング加工するドライエッチング
装置において、エッチング加工中にエッチングの進行状
態に依存してエッチングガス内に発生する、原子、分子
またはイオンの特定の複数の発光スペクトルの強度をそ
れぞれ電気信号に変換し且つそれら電気信号の相互間に
四則演算を施すことによって、基礎データとなる複数の
電気信号を時系列で得る第１の手段と、かくして得られ
た基礎データ群の上に、エッチング終点の判別を容易に
する演算処理を施す第２の手段と、を備えたことを特徴
とするドライエッチング終点検出装置。
（７）前記エッチング加工中のエッチングガスの発光を
入力とし、それぞれ、光学的バンドパスフィルター、光
−電気変換器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器を備えた２組の電
気信号発生装置と、その出力する電気信号を入力とする
コンピューターを備えたことを特徴とする特許請求の範
囲第５項記載のドライエッチング終点検出装置。