JPH0775230B2

JPH0775230B2 - プラズマエッチング終点モニタリング方法

Info

Publication number: JPH0775230B2
Application number: JP24314191A
Authority: JP
Inventors: 潔夫三井; 清彦佐野; 宣生竹田
Original assignee: 株式会社小電力高速通信研究所
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 1995-08-09
Anticipated expiration: 2010-08-09
Also published as: JPH05102087A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体等の電子デバイ
スの製造プロセスにおける、微細パターンの精密エッチ
ングに用いるプラズマエッチング終点モニタリング方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体等の電子デバイスは近年、ますま
す微細化される傾向にあり、いかに微細パターンを精密
にエッチングするかがきわめて重要な問題となってきて
いる。このような微細パターンを形成する方法として、
プラズマ（主としてラジカル種）エッチング、反応性イ
オンエッチング、及びＥＣＲエッチング等の液体を用い
ないドライエッチング技術が注目されている。このよう
なエッチングは真空チャンバー内で行なわれるため、終
点を正確にモニタリングする必要がある。一般に電子デ
バイスの場合、異なる材質の積層物を層間の界面までプ
ラズマエッチングする場合がほとんどであるため、層間
の物理的性質や化学的性質の違いを観測することによっ
て終点をモニタリングすることが行なわれている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記物理的性質を利用
する方法として光の干渉法等のいくつかの光学的方法が
モニターとして用いられており、被エッチング物が大面
積の場合には実用上もほとんど問題がない。しかしなが
ら、小面積、特に微細パターンの場合にしばしば困難な
場合が発生する。

【０００４】一方、前記化学的性質の違いを利用する場
合、気体の化学分析法がよく用いられる。その理由は、
層間の組成の違いによって気体生成物が異なることは勿
論のこと、プラズマエッチング速度が大きく異なる場合
が多いため、エッチングチャンバー中の気体組成が変化
する可能性が高いからである。このような気体の分析法
としては吸光分析法、発光分光分析法、質量分析法等が
ある。

【０００５】この中で吸光分析法は、大信号（明るい透
過光）の微小変化を検出しなければならないという技術
的困難さを有しているため、極微量分析に向かないとい
う欠点を有している。

【０００６】又、発光分光分析法についても、反応速度
が低い場合や極微細パターンの場合、あるいはエッチン
グガスの発光スペクトルがモニター化学種の発光スペク
トルの上に大きくかぶさっている場合にはモニターとし
ては能力不十分である。反応速度が低い場合や極微細パ
ターンの場合は、いづれも生成物質すなわちモニター物
質のチャンバー中での濃度が低く過ぎることが原因で、
要は分析計の感度が問題となっているケースである。一
方、エッチングガスの発光スペクトルがモニター化学種
の発光スペクトルの上に大きくかぶさっている場合につ
いては、たとえばＣＦ系ガスによるＳｉ系半導体ウエハ
ーのプラズマエッチングの場合等があげられる。この場
合ＣＦ系のガスの分解物の発光が２５０〜４００ｎｍと
いう広い範囲を占めていて、主なエッチング生成物であ
るＳｉやＳｉＦ等の発光スペクトルを隠していて発光分
光分析法が使いにくいケースである。

【０００７】一方、質量分析法の場合は分析感度は発光
分光分析法に比較して１０倍以上良く本目的には最も向
いている。しかし、この方法は直接エッチング状態を測
定しているのではなく、エッチングチャンバーから質量
分析計までの配管中のモニター物質の移動に要する時間
及び信号処理時間等を必要とする。したがって、実際の
エッチングの終点とそれが測定されるまでには時間遅れ
が生じ、終点を逸してしまうという致命的欠点を有して
いた。すなわち、従来いづれの分析法も、特別に高価な
付帯設備をともなわなければ、十分な特性のものでなか
った。

【０００８】本発明は、上述のような従来のプラズマエ
ッチングの終点検出方法の欠点を克服し、微少な面積の
エッチングに対しても十分な検出感度を有し、かつ正確
に終点を検出できるプラズマエッチング終点モニタリン
グ方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、本発明者らが質量分析計の分析感度の良好
なことに注目しこの分析計の上記の欠点を改良すべく鋭
意検討した結果得られたものであり、異なる材質の層状
積層物をプラズマエッチングする際に、エッチングの終
点にかかわる被エッチング物の組成変化やエッチング速
度の変化をプラズマエッチングチャンバー内の気相成分
濃度の変化として、質量分析計によって観測するプラズ
マエッチングの終点モニタリング方法において、該プラ
ズマエッチングチャンバーから質量分析計までの配管中
のモニター物質の移動に要する時間及び信号処理時間
等、放電開始から測定までに要する時間より十分長い時
間のプラズマ放電休止時間を伴う、間欠的なプラズマ放
電を行なうことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】上記手段により、該チャンバーから質量分析計
までの配管中のモニター物質の移動に要する時間及び信
号処理時間等、放電開始から測定にまで要する時間より
十分長い時間のプラズマ放電休止時間を伴う、間欠的な
プラズマ放電を行なうことにより、休止時間に必ず層間
の組成変化に伴う質量分析計の信号の変化を観測できる
ため過度なエッチングを防止できるものである。

【００１１】

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を詳細に
説明する。

【００１２】まず、本発明で使用したプラズマエッチン
グ装置の概略を図１に示す。エッチングを行なう真空チ
ャンバー１は体積が８リットルで、その中央に面積が４
０ｃｍ² の一対の平行平板電極２及び３を有し、試料台
としても用いる下部電極２に発振周波数１３．５６ＭＨ
ｚの高周波電力を加え、上部電極３を接地電位とする、
いわゆるＲＩＥモードのプラズマエッチングが行なえる
ようになされている。高周波電力はＲＦ電源４により発
生させ、自動チューニングタイプのマッチングボックス
５を通してインピーダンス整合をとって下部電極２に加
える。エッチングガス６はマスクフローメーター７で流
量制御を行なって真空チャンバー１に導入する。真空チ
ャンバー１内の圧力は排気速度３４０リットル／分のロ
ータリーポンプ８とバタフライバルブ９によって制御す
る。又、チャンバー中のガスを長さ１ｍ、内径１／４イ
ンチのＳＵＳパイプを通じて、ターボ分子ポンプ１０と
ロータリーポンプ１１（排気量はそれぞれ３００リット
ル／秒、３４０リットル／分）により質量分析計１２に
導いた。尚、ニードルバルブ１３でサンプリングガス流
量を調節し、質量分析計の動作圧力上限値２×１０^-5Ｔ
ｏｒｒを越えないように減圧した。質量分析の結果はコ
ンピュータ１４にて収集、演算処理ができ、その結果は
ＣＲＴ１５及びプリンタ１６に出力が可能である。

【００１３】本装置を用いて次のような条件でシリコン
酸化膜（ＳｉＯ₂）のエッチングを行なった。エッチン
グガス６として純度９９．９９％のＣＦ₄ガスを１０ｓ
ｃｃｍの流量になるようにマスフローメーター７を用い
て流し、真空チャンバー１内の圧力が０．５０Ｔｏｒ
ｒになるようにバタフライバルブ９にて自動的に圧力コ
ントロールした。プラズマ放電中における入力電力は１
００Ｗで同電力の変動並びに反射電力は１％以下にコン
トロールされていた。エッチングに用いた試料は、７０
０ｎｍの厚さのシリコン酸化膜が付いた大きさが１７ｍ
ｍ×１７ｍｍのシリコンウェハーで、フォトレジストに
よって、一部分に幅３μｍのストライプ状開口部が１０
００本が切られているもの（酸化膜露出総面積は約０．
００４ｃｍ² ）である。従来例１

【００１４】比較として、図２（ａ），（ｂ）に従来行
なわれている連続的に放電したときの質量分析計出力の
時間変化チャートを示す。本図にも書かれているよう
に、放電開始から約２３秒後に質量分析計の信号が増加
し始め（信号遅れ時間と呼ぶ）、増加開始から約１６秒
後には一定値となった（信号立上がり時間と呼ぶ）。
又、信号が一定値になってから約３分２０秒後に信号の
低下が見られたため放電を停止し、試料を取り出した。
試料のエッチング溝の断面を走差型電子顕微鏡で観察
し、エッチングの状況を調べた。その結果、１５ｎｍの
シリコン層へのオーバーエッチングが認められた。

【００１５】このように従来例においては、終点検出を
行なっている質量分析計の信号に変化が現れた直後にエ
ッチングを中止してもオーバーエッチングが行なわれて
しまっている。この例では少なくとも信号遅れ時間の約
２３秒間はオーバーエッチングされていると考えられて
いる。実施例１

【００１６】従来例１と同一の条件で間欠放電によるエ
ッチング実験を行なった。ただし、放電停止時間は質量
分析計の信号の応答遅れ時間より長く取って３０秒と
し、放電持続時間は応答立上がり時間よりも長く取って
２０秒とした。その結果、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）
に示したように、チャートは立上がり始めて約１６秒で
ほぼ一定値になり、約２０秒で減少し始め、減少開始後
１８秒経過して一定値となる波形の軌跡を描いた。最初
から１０回の放電まではほぼ同一の波形が得られたが、
１１回目の放電に関しては信号のピークの値はあまり変
わらないものの、立上がり始めてから２０秒経過する以
前（約１７秒後）に減少が始まった。尚、同図にはこれ
ら出力波形の面積の演算結果も併記したが、１１回目の
波形の面積はそれ以前の波形に比べて小さな値となっ
た。これらのことに基づいた１１回目の放電の後に放電
を停止して、試料を取り出しそのエッチングの溝の様子
を調べた。その結果、シリコン層へのオーバーエッチン
グは２ｎｍという極小さいものであることがわかった。

【００１７】このように、１回の放電持続時間を放電遅
れ時間より短く設定することによって、オーバーエッチ
ングを減少させることができた。最悪の場合でもオーバ
ーエッチングは放電持続時間以下である。本実施例にお
けるオーバーエッチングはわずかに３秒程度だったと考
えられる。また、放電停止時間は少なくとも質量分析計
の信号遅れ時間よりも長く取る必要があるので、生産性
を上げるためにはなるべく信号遅れ時間を短くした方が
よい。本実験に用いた装置では真空チャンバーから質量
分析計までの距離が長いため信号遅れ時間が２０秒以上
あったが、この信号遅れ時間は質量分析計の位置により
改善できる。実施例２

【００１８】続いて、シリコン層のエッチング深さをも
っと小さくするために、放電時間の間隔を短くした。す
なわち、まず連続的に放電を２分３０秒おこなった後、
３秒放電、３０秒休止を繰り返した。その結果得られた
のが図４（ａ），（ｂ），（ｃ）である。すなわち、１
５回の間欠的放電を行なった後に、１６回目にそ以前の
各回のピーク高さより低い値のピークが得られるので放
電を停止した。実施例２で得られた試料ではエッチング
はほぼシリコン酸化膜層シリコン層の間に止まっている
ことが明らかになった。

【００１９】この実施例２においては信号立上がり時間
に比べて放電持続時間が数分の１程度に短く設定されて
いるので信号出力は一定値まで到達していないが、十分
に終点検出が行なわれている。この方法によれば信号出
力は減少するが、最悪のオーバーエッチング量を減らす
ことができる。また実施例２のようにあらかじめエッチ
ングが終了すると予想されるエッチング時間の直前まで
連続放電によってエッチングを行なって、最後に小刻み
の間欠放電を繰り返し終点を検出することは全体のエッ
チング時間を短縮するのに有効である。間欠放電の持続
時間は、適当な読み込みを行なえば必ずしも一定時間で
なくてもよいが、データ解析の簡便さのためには一定値
が好ましい。

【００２０】さらに簡便に終点を判断するために、各間
欠放電による終点検出信号の平均値や標準偏差を順次算
出しておき、最新の間欠的プラズマ放電の停止時間内に
得られた信号強度が平均値−３×標準偏差値以下になっ
た点を終点と判定したところ、人為的判断ミスをなくす
ことができた。平均値や標準偏差値の精度を上げるため
には少なくとも８点程度の間欠放電を行なった後に終点
判定に至るように連続放電時間や間欠放電の持続時間等
を設定することが望ましい。尚、その場合高周波のプラ
ズマ入力が安定であることが重要で、その変動は３％以
下であることが好ましい。又、このときの終点検出信号
の数値としては、質量分析計のモニター物質に関する信
号の増加し始めから一定時間経過した後の信号強度の絶
対値を用いても良いし、その間の信号強度の面積演算結
果（積分値）を選んでも良い。例えば図３（ａ）〜
（ｃ）及び図４（ａ）〜（ｃ）においては信号強度の面
積演算結果に示した実線が平均値であり、破線が平均値
±３×標準偏差の範囲を示している。図３（ａ）〜
（ｃ）の例のように信号強度のピーク値に大きな差がな
く僅かな時間の差を検出する必要がある場合や、図４
（ａ）〜（ｃ）の例のように信号強度そのものが小さい
ためノイズの影響を取り除く必要があるときには面積演
算結果を用いるのが特に有効である。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、微小
な露出面積しか有していないウェハーに対しても正確に
終点を検出することができるので、オーバーエッチング
やアンダーエッチングのない精度の良いエッチングが可
能となる。従って、本発明を用いれば半導体等の電子デ
バイスの製造精度が飛躍的に向上するため、本発明の工
業的利用価値は極めて高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマエッチング終点検出に用
いた装置の一例を示す構成説明図である。

【図２】従来の方法によるプラズマエッチングの終点検
出例を示す特性図である。

【図３】本発明に係るプラズマエッチングの終点検出の
一例を示す特性図である。

【図４】本発明に係るプラズマエッチングの終点検出の
他の例を示す特性図である。

【符号の説明】

１…真空チャンバー、２，３…一対の平行平板電極、４
…ＲＦ電源、５…マッチングボックス、６…エッチング
ガス、７…マスフローメーター、８…ロータリーポン
プ、９…バタフライバルブ、１０…ターボ分子ポンプ、
１１…ロータリーポンプ、１２…質量分析計、１３…ニ
ードルバルブ，１４…コンピュータ、１５…ＣＲＴ、１
６…プリンタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】異なる材質の層状積層物をプラズマエッ
チングする際に、エッチングの終点にかかわる被エッチ
ング物の組成変化やエッチング速度の変化をプラズマエ
ッチングチャンバー内の気相成分濃度の変化として、質
量分析計によって観測するプラズマエッチングの終点モ
ニタリング方法において、該プラズマエッチングチャン
バーから質量分析計までの配管中のモニター物質の移動
に要する時間及び信号処理時間等、放電開始から測定ま
でに要する時間より十分長い時間のプラズマ放電休止時
間を伴う、間欠的なプラズマ放電を行なうことを特徴と
するプラズマエッチング終点モニタリング方法。
【請求項２】各間欠的プラズマエッチングの開始に関
係する質量分析計のモニター物質に関する信号の増加し
始めから略々間欠放電の持続時間だけ経過した後の信号
強度値を測定し、該測定値の減少を該プラズマエッチン
グの終点とすることを特徴とする請求項１記載のプラズ
マエッチング終点モニタリング方法。
【請求項３】各間欠的プラズマエッチングの停止時間
中に、質量分析計のモニター物質に関する信号強度を測
定し、かつ、該測定値の時間に対する積分値を演算し、
該演算値の減少を該プラズマエッチングの終点とするこ
とを特徴とする請求項１記載のプラズマエッチング終点
モニタリング方法。
【請求項４】あらかじめ終点と予想される時間よりも
短い時間だけ連続放電を行なった後に、該間欠的プラズ
マ放電を行なうことを特徴とする請求項１、２又は３記
載のプラズマエッチング終点モニタリング方法。
【請求項５】各間欠的プラズマエッチングの開始に関
係する質量分析計のモニター物質に関する信号の増加し
始めから略々間欠放電の持続時間だけ経過した後の信号
強度値を連続的に８点以上測定し、最後の測定値がそれ
以前のデーターの統計的処理による３σ限界法の下部限
界値以下になったときを該プラズマエッチングの終点と
することを特徴とする請求項２記載のプラズマエッチン
グ終点モニタリング方法。
【請求項６】各間欠的プラズマエッチングの停止時間
中に、質量分析計のモニター物質に関する信号強度を連
続的に８点以上測定し、かつ、該測定値の時間に対する
積分値を演算し、最後の演算値がそれ以前のデーターの
統計的処理による３σ限界法の下部限界値以下になった
ときを該プラズマエッチングの終点とすることを特徴と
する請求項３記載のプラズマエッチング終点モニタリン
グ方法。
【請求項７】終点までに少なくとも８回の間欠的プラ
ズマ放電を行なうことができることが十分見込まれた時
間を残して連続放電を行なった後に、該間欠的プラズマ
放電を行なうことを特徴とする請求項５又は６記載のプ
ラズマエッチング終点モニタリング方法。