JP3418810B2 - ドライ・エッチングにおける終点検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はドライ・エッチングにお
ける終点検出方法に関するものであり、特に、半導体装
置の製造工程に用いるドライ・エッチング工程におい
て、光ファイバを用いて発光強度を観測することにより
エッチング終点を検出する方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の集積度の向上に伴っ
て、配線パターンを形成する手段としてウェット・エッ
チングに代わってドライ・エッチングが用いられるよう
になってきており、このようなドライ・エッチングにお
いてはエッチング反応に伴う発光等の強度を検出してエ
ッチング終点を検出していた。

【０００３】例えば、Ａｌ等のメタル配線材料をエッチ
ングしてパターニングする場合には、エッチング反応に
伴う反応生成物の発光スペクトルの強度の増減を分光器
を介して検出して、増から減に転じて一定の低水準に落
ちついた点をエッチング終点として検出して、さらに、
エッチング残渣を除去するために適度の追加エッチング
を行っていた。

【０００４】この様子を図５を参照して説明する。 図５参照 まず、層間絶縁膜を介して配線層となるＡｌ層を堆積す
ると共に、その上に所定パターンのフォトレジストを設
けたシリコン基板からなる被処理基板１１をＥＣＲ（電
子サイクロトロン共鳴）型プラズマエッチング装置の反
応室２の内部に配置した試料台１２上に載置する。

【０００５】一方、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の
プラズマ室１には、ガス供給口４を介してＣＣｌ₄ から
なるエッチングガス３を導入し、試料台１２に接続する
ＲＦ電源（１３．５６ＭＨｚ）より高周波電力を供給し
てプラズマ１４を生成すると共に、電磁石により８７５
Ｇａｕｓｓの磁場を印加して、プラズマ１４中の電子を
２．４５ＧＨｚのサイクロトロン周波数で回転させる。

【０００６】同時に、石英窓７を介してサイクロトロン
周波数と共鳴する２．４５ＧＨｚのマイクロ波５をマイ
クロ波導波管６から供給することによって、電子を加速
してプラズマ反応を促進させ、生成されたプラズマ１４
を反応室２に導入して、Ａｌ層をパターニングすること
によってＡｌ配線パターンを形成する。なお、図におい
て、符号９，１０は、夫々反応生成物を含む排気ガス及
び排気口を表すものである。

【０００７】このエッチングに際しては、２６１．６ｎ
ｍにピークを有する発光が生ずるので、この発光をのぞ
き窓１９を介して水平に設置した光ファイバ１７で検出
し、その検出出力を分光器１８により分光して２６１．
６ｎｍの出力のみを取り出し、この出力の増減を監視す
ることによって、エッチング終点を判断していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＥＣＲ
型プラズマエッチング装置の反応室２の内壁部、特に、
のぞき窓１９の表面に反応生成物等が付着した場合や、
或いは、エッチング量が少ない場合には、観測される発
光強度が低下するために、光ファイバ１７を平行に設置
した状態で発光を検出した場合には、エッチング終点の
判断が不正確になり、過剰なエッチングがしばしば生じ
ていた。

【０００９】この過剰なエッチングにより、アンダーエ
ッチングによる残渣の発生や、オーバーエッチングによ
る配線パターンの細りなどが生じ、極端な場合には断線
も生じていたので、再現性や製造歩留りに問題があっ
た。

【００１０】したがって、本発明は、エッチング終点検
出における検出異常を解消して、確実で安定した半導体
装置の製造を行うことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理的構
成の説明図であり、この図１を参照して本発明における
課題を解決するための手段を説明する。 図１参照 （１）本発明は、光ファイバ１７の光軸の延長線が電子
サイクロトロン共鳴ポイント（ＥＣＲポイント）１５に
含まれるように前記光ファイバ１７の仰角を設定して、
エッチング装置内で発生する発光を前記光ファイバ１７
で検出することを特徴とするドライ・エッチングの終点
検出方法において、前記光ファイバ１７を前記エッチン
グ装置の反応室外部に設置して、仰角θを測定強度が増
加から減少に転ずる点を中心にその点の強度に対して５
０％以上となるように設定することを特徴とする。

【００１２】（２）また、本発明は、上記（１）におい
て、光ファイバ１７の仰角θが、エッチング装置内で発
生する発光の検出強度が最大になる角度であることを特
徴とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】（３）また、本発明は、上記（１）または
（２）において、光ファイバ１７の仰角θの設定を自動
的に行うことを特徴とする。

【００１６】（４）また、本発明は、上記（１）乃至
（３）のいずれかにおいて、エッチング装置内で発生す
る発光の内の複数の発光波長を検出し、各発光波長の検
出出力の変化によりエッチング終点を検出することを特
徴とする。

【００１７】

【作用】ＥＣＲ型プラズマエッチング装置における発光
強度はプラズマ室１内部のＥＣＲポイント１５近傍で最
大になるので、光ファイバ１７の光軸の延長線がＥＣＲ
ポイント１５に含まれるように光ファイバ１７の仰角θ
を設定することによって、発光強度が低い場合にも十分
な検出出力を得ることができ、それによって、高い精度
でエッチング終点を検出することができる。

【００１８】また、光ファイバ１７の仰角θを、エッチ
ング装置内で発生する発光の検出強度が最大になる角度
に設定することによって、最も高い検出精度でエッチン
グ終点を検出することができる。

【００１９】

【００２０】

【００２１】また、光ファイバ１７の仰角θの設定を自
動的に行うことにより、ドライ・エッチング工程のスル
ープットを大幅に向上することができる。

【００２２】また、エッチング装置内で発生する発光の
内の複数の発光波長を検出し、各発光波長の検出出力の
比又は差の変化によりエッチング終点を検出することに
より、単一波長を用いるよりも検出精度を高めることが
できる。

【００２３】

【実施例】図２は、本発明の実施例の説明図であり、図
２を参照して本発明の実施例を説明する。 図２参照 本発明の実施に用いるＥＣＲ型プラズマエッチング装置
は、従来のＥＣＲ型プラズマエッチング装置と実質的に
同じであるが、検出用窓１６を後述するＥＣＲポイント
１５を臨む位置に設けると共に、その窓用石英ガラスの
厚さを他の部分に設けているのぞき窓に用いている石英
ガラスの厚さ（１２ｍｍ）より薄い５ｍｍ程度とする。

【００２４】そして、このＥＣＲ型プラズマエッチング
装置は大きく分けて、内直径Ｒ₁ ＝２００ｍｍ、高さｈ
₁ ＝２００ｍｍの円筒状プラズマ室１と内直径Ｒ₂ ＝４
３０ｍｍ、高さｈ₂ ＝４５０ｍｍの円筒状の反応室２か
ら構成されている。

【００２５】まず、ＳｉＯ₂ 膜等の層間絶縁膜を介して
配線層となるＡｌを主成分とするＡｌＣｕＴｉ層を堆積
すると共に、その上に所定パターンのフォトレジストを
設けたシリコン基板からなる被処理基板１１をＥＣＲ型
プラズマエッチング装置の反応室２の内部に配置した試
料台１２上に載置する。

【００２６】一方、ＥＣＲ型プラズマエッチング装置の
プラズマ室１には、ガス供給口４を介して５０〜１５０
ｓｃｃｍ、好適には８７ｓｃｃｍのＣｌ₂ と３０〜１０
０ｓｃｃｍ、好適には５８ｓｃｃｍのＢＣｌ₃ からなる
エッチングガス３を導入して、プラズマ室１内の圧力を
３．０×１０^-3〜６．０×１０^-3Ｔｏｒｒ、好適は４．
５×１０^-3Ｔｏｒｒにし、且つ、試料台１２の温度を２
０〜５０℃、好適には３５℃にした状態で、試料台１２
に接続したＲＦ電源より１３．５６ＭＨｚの場合には７
０〜１３０Ｗ、好適には１００Ｗ、また、４００ｋＨｚ
の場合には２５〜４５Ｗ、好適には３５Ｗの高周波電力
を供給してプラズマ１４を生成すると共に、電磁石によ
り８７５Ｇａｕｓｓの磁場を印加して、プラズマ１４中
の電子を２．４５ＧＨｚのサイクロトロン周波数で回転
させる。

【００２７】同時に、石英窓７を介してサイクロトロン
周波数と共鳴する２．４５ＧＨｚの周波数で７００〜１
３００Ｗ、好適には１０００Ｗのマイクロ波５をマイク
ロ波導波管６から供給することによって、プラズマ１４
中の電子を加速してプラズマ反応を促進させ、生成され
たプラズマ１４を反応室２に導入して、７００ｎｍ／分
のエッチングレートでＡｌＣｕＴｉ層をパターニングし
てＡｌＣｕＴｉ配線パターンを形成する。なお、反応生
成物及び未反応のエッチングガスからなる排気ガス９は
反応室２に設けた排気口１０を介して反応室２から排出
される。

【００２８】このエッチングに際しては、プラズマ室１
内において、発光強度の強いＥＣＲポイント１５が形成
され、ＡｌＣｕＴｉ層のエッチングの場合には、エッチ
ングにより分離したＡｌ原子がプラズマ室１内で励起さ
れ３９６ｎｍのＡｌに起因する強い発光ピークが見られ
るので、このＥＣＲポイント１５を臨むように光ファイ
バ１７を検出用窓１６を介して設定し、検出出力が低下
して安定した時点をエッチング終点として検出する。な
お、「ＥＣＲポイント１５を臨む」とは、光ファイバ１
７の光軸の延長線がＥＣＲポイント１５の中に含まれる
ようにすることである。

【００２９】この光ファイバ１７の検出出力を分光器１
８によって波長毎にその強度を測定した結果を示したの
が図３であり、この測定に際しては、ＲＦ電源の周波数
を４００ｋＨｚにして、３９６ｎｍの発光強度が最大に
なる時点、即ち、ＡｌＣｕＴｉ層の厚さが７００ｎｍの
場合にはエッチング開始より５０〜６０秒後に光ファイ
バ１７の仰角θを０．０°、１２．８°、２７．８°、
３０．０°、３４．５°、及び、４４．４°に設定して
行った。

【００３０】図３参照 図３から明らかなように、３９６ｎｍの波長においてＡ
ｌに起因する発光ピークが見られ、また、他の波長領域
においては配線層を構成する他の成分Ｃｕ、Ｔｉに起因
する発光波長ピーク、励起されたエッチングガス成分に
起因する発光波長ピーク、及び、配線層の構成元素とエ
ッチングガスの反応生成物に起因する発光波長ピークが
見られ、これらの発光ピークの強度は各ピークとも同じ
傾向の仰角依存性が見られる。

【００３１】この場合、Ａｌに起因する３９６ｎｍの発
光ピークは、他の発光ピークに比べて発光強度はそれ程
高くないものの、発光ピークが比較的孤立しているの
で、測定に用いる波長としては好適である。

【００３２】この３９６ｎｍの発光ピークの強度の光フ
ァイバ１７の仰角依存性を示したのが図４であり、図４
（ａ）はＲＦ電源を１３．５６ＭＨｚにした場合の相対
強度の仰角依存性を示し、図４（ｂ）はＲＦ電源を４０
０ｋＨｚにした場合の相対強度の仰角依存性（図３に対
応）を示したものである。

【００３３】図４（ａ）参照 ＲＦ電源を１３．５６ＭＨｚにした場合には、仰角θ＝
２３．６°で最大強度が得られ、θ＝０°、光ファイバ
１７を水平に設置した従来例の場合の２３．５倍の検出
出力が得られる。

【００３４】なお、仰角θが２３．５°より大きくなる
と検出出力が急激に低下し、θ＝３０°ではθ＝０°に
おける検出出力よりも小さくなるが、これは、使用して
いるＥＣＲ型プラズマエッチング装置の形状・構造、特
に、検出用窓１６の位置、による影響も有り、即ち、光
ファイバ１７の仰角θが大きくなりすぎると、反応室２
とプラズマ室１との間の各壁に遮られて光ファイバ１７
がＥＣＲポイント１５に臨まなくなるからである。

【００３５】図４（ｂ）参照 また、ＲＦ電源を４００ｋＨｚにした場合には、仰角θ
＝３０．０°で最大強度が得られ、θ＝０°の場合の３
７．５倍の検出出力が得られる。なお、この場合の発光
強度は、ＲＦ電源を１３．５６ＭＨｚにした場合の約４
０％である。

【００３６】そして、この場合にも仰角θが３０．０°
より大きくなると検出出力が急激に低下し、θ＝３４．
５°ではθ＝０°における検出出力程度となるが、これ
も使用しているＥＣＲ型プラズマエッチング装置の形状
・構造の影響よるものである。

【００３７】したがって、光ファイバ１７の仰角θを最
大強度が得られる角度に設定することによって、従来の
ように水平に設定した場合に比べて略２０〜４０倍の検
出出力が得られるので、エッチング終点を検出する場合
の検出精度が高まり、検出異常を大幅に低減することが
できる。

【００３８】なお、仰角θは最大強度が得られる角度が
最適ではあるが、必ずしも、最大強度が得られる角度で
ある必要はなく、最大強度の５０〜１００％の強度が得
られる角度であれば良い。また、最大強度が得られる仰
角θは、使用するＥＣＲ型プラズマエッチング装置の形
状・構造、及び、光ファイバ１７の設置位置に依存する
ので、実施例における数値に絶対的な意味はない。

【００３９】また、検出用窓１６の石英ガラスの厚さを
薄くすることによって、石英ガラスを透過する際の光の
吸収による減衰が少なくなり、検出精度が高まる。因
に、石英ガラスの厚さが１２ｍｍの一般ののぞき窓を介
して発光を検出した場合には、光ファイバ１７の仰角を
変化させても大幅な検出強度の向上が見られなかった。

【００４０】

【００４１】また、上記実施例においては、仰角θを手
動で設定していたが、これを自動的に設定して、スルー
プットを向上させても良い。この場合には、モータを利
用して光ファイバ１７の仰角θを自動的に変化させなが
ら発光強度を測定し、発光強度がθ＝０°の場合の少な
くとも１．５倍以上で、且つ、測定強度が増加傾向から
減少傾向に転じた点を検出し、測定強度が増加傾向から
減少傾向に転じた点、或いは、その近傍の仰角θに光フ
ァイバ１７を設定する。

【００４２】また、上記実施例においては、エッチング
反応によって分離したＡｌの発光のみを利用して終点検
出をしているが、この様な検出方法に限られるものでは
なく、エッチング反応に起因する発光ピーク（例えば、
ＣＦ₄ によるＳｉ₃ Ｎ₄ のエッチングにおいては、Ｎに
起因する７４９ｎｍ）と、エッチングガス自体に起因す
る発光ピーク（同じく、ＣＦ₄ によるＳｉ₃ Ｎ₄ のエッ
チングにおいては、Ｆに起因する６８６ｎｍ）等の複数
の発光ピークを測定して終点検出を行っても良い。

【００４３】この場合には、エッチングが終点に近づく
に連れて、エッチング反応に起因する発光ピークの強度
が低下し、且つ、エッチングガス自体に起因する発光ピ
ークの強度は急激に増加するので、両者の比又は差を監
視することによって、一方の発光ピークのみを監視する
場合に比べて検出精度が高まる。

【００４４】また、上記実施例においては、ＥＣＲ型プ
ラズマエッチング装置としてダウンストリーム型（フレ
ア型）のＥＣＲ型プラズマエッチング装置を用いている
が、本発明は有磁場マイクロ波型（プラズマ内側）のＥ
ＣＲ型プラズマエッチング装置をも対象とするものであ
る。

【００４５】また、本発明は、Ｃｌ₂ 及びＢＣｌ₃ を用
いたＡｌＣｕＴｉのドライ・エッチング工程に限られる
ものではなく、他の配線材料、或いは、絶縁膜のパター
ニング工程にも適用し得るものであり、その場合の検出
波長としては、発光強度が高く、且つ、比較的孤立した
発光ピークを選択することが望ましい。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、ドライ・エッチング工
程におけるエッチング終点を検出する際に、光ファイバ
を用いると共に、光ファイバの仰角θを所定以上の強度
が得られる角度に設定することによって、一定値以上の
検出出力を確保できるので、終点検出異常をなくすこと
ができ、それによって、半導体装置を再現性良く、且
つ、高スループットで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理的構成の説明図である。

【図２】本発明の実施例の説明図である。

【図３】各発光波長の強度の光ファイバ仰角依存性の説
明図である。

【図４】本発明における発光強度の光ファイバ仰角依存
性の説明図である。

【図５】従来のドライ・エッチングにおける終点検出方
法の説明図である。

【符号の説明】

１ プラズマ室 ２ 反応室 ３ エッチングガス ４ ガス供給口 ５ マイクロ波 ６ マイクロ波導波管 ７ 石英窓 ８ 電磁石 ９ 排気ガス １０ 排気口 １１ 被処理基板 １２ 試料台 １３ ＲＦ電源 １４ プラズマ １５ ＥＣＲポイント １６ 検出用窓 １７ 光ファイバ １８ 分光器 １９ のぞき窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−99219（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−299387（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−181129（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバの光軸の延長線が電子サイク
   ロトロン共鳴ポイントに含まれるように前記光ファイバ
   の仰角を設定して、エッチング装置内で発生する発光を
   前記光ファイバで検出することを特徴とするドライ・エ
   ッチングの終点検出方法において、前記光ファイバを前
   記エッチング装置の反応室外部に設置して、仰角θを測
   定強度が増加から減少に転ずる点を中心にその点の強度
   に対して５０％以上となるように設定することを特徴と
   するドライ・エッチングの終点検出方法。
2. 【請求項２】 上記光ファイバの仰角が、上記エッチン
   グ装置内で発生する発光の検出強度が最大になる角度で
   あることを特徴とする請求項１記載のドライ・エッチン
   グの終点検出方法。
3. 【請求項３】 上記光ファイバの仰角の設定を自動的に
   行うことを特徴とする請求項１または２に記載のドライ
   ・エッチングの終点検出方法。
4. 【請求項４】 上記エッチング装置内で発生する発光の
   内の複数の発光波長を検出し、前記各発光波長の検出出
   力の変化によりエッチング終点を検出することを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のドライ・エ
   ッチングの終点検出方法。