JPS61256637A - プラズマ・エツチング・プロセスをモニタする方法 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明はプラズマ・エッチング・プロセスに関し、更に
具体的には、プラズマ反応装置のＲＦ電圧を測定するこ
とによって集められるデータに基いてエツチング・プロ
セスをモニタし、適正な時間にエツチング・プロセスを
終了させるための方法に関する。

Ｂ、従来の技術 半導体業界では、集積回路に微細構造を形成するための
プラズマ・エッチング技術の開発に多大の努力が払われ
ている。プラズマ・エッチング・プロセスは、典型的に
は反応性イオン・エツチング（ＲＩＥ）反応装置におい
て行われる。この場合、半導体装置は小室の電極の上に
置かれ、小室には反応性ガスが入れられ、反応装置の２
つの電極間にＲＦ周波数で交番する放電が発生される。

これにより、反応性の高いプラズマがつくられ、プラズ
マは半導体装置上の物質と反応して揮発性のガスを生じ
、このガスはポンプによって小室から排出される。

プラズマ・エッチング・プロセスは、微細構造を形成す
るのに有用であることはわかっているが、実施に当って
は、エツチングが過度に行われないように反応を制御す
る必要がある。もしエツチング・プロセスの終了が早す
ぎると、マスク・パターンが完全に形成されず、反対に
終了が遅すぎると、下側層のアンダカットや過剰な侵食
などの問題が生じる。膜の厚さが不均一であったり、膜
の特性に差があると、ウェハ毎に、あるいはウェハ・グ
ループ毎Ｋ、エツチング速度やプラズマ・エッチング特
性に変動が生じ、そのため、一定のプロセス時間でエツ
チング・プロセスを終了すせるという方法では、適正な
制御を行うことができない。

従来、エツチングの終点を判定するための方法として、
いくつかの技術が提案されている。１つの方法はモニタ
用のウェハあるいは製品用ウェハの特定の位置について
レーザ干渉計法を使用するものである。この方法では、
レーザを用いて、エツチング・プロセスの進行に伴って
除去される膜の厚さを測定し、膜がエツチングによって
除去されたとき、それから所定の付加的エツチング時間
の経過後に終点を合図する。この方法の欠点は、モニタ
用ウェハあるいはモニタ位置の膜厚が、ウェハの製品用
チップのものとしばしば一致しないことである。更に、
レーザ終点検出に用いられる装置は、すべてのプラズマ
反応装置に組込むには適していない。

もう１つの方法は、反応における光放出スペクトルの変
化を検出し、所定の吸収曲線が得られたときプラズマ・
エッチング・プロセスを停止させるものである。この方
法は全つエノ＼についての一括的処理を可能とするが、
フィルタ、モノクロメータ、光電子増倍管を含む複雑な
装置を必要とする。

米国特許第４５５８５３８号は加工片表面の電流変化を
測定してプラズマ・エッチングの終点を判定する方法を
開示している。

米国特許第４２０７１３７号は、反応の期間にプラズマ
のインピーダンスをモニタする方法を開示している。イ
ンピーダンスは、複数のウェハを下部電極の上にまとめ
て載せる形式の非対称的な低圧ＲＩＥ反応装置において
測定している。プラズマはインピーダンスが１度最小値
または最大値に達するとオフにされる。下部電極には、
エッチされるべき半導体ウェハによって覆われていない
露出した表面領域がかなプあるから、これらの領域はプ
ラズマに対する比較的一定な２次電子源になる。したが
ってプラズマ・インピーダンスは、物質層全体のエツチ
ングによって別の異なる物質層が露出されたときのよう
ないくぶん大きな変化がなければ感度が非常に低くなる
。この方法はエツチングされている物質の微妙な変化を
検出できず、また現在の集積回路技術で用いられている
益々微小化した構造に対しては、十分な感度を示さない
。更に、プラズマとＲＦ源間のインピーダンス不整合の
測定も厄介で複雑である。

Ｃ０発明が解決しようとする問題点 本発明の目的は、特に高プラズマ密度の単一ウェハ型反
応装置において、プラズマ・エッチング・プロセスの終
点を判定するための改良された簡単な方法を提供するこ
とである。

Ｄ８問題点を解決するための手段 本発明は、プラズマ・エッチング装置の電極のＲＦ雷電
圧測定してプラズマ電位をそニタし、プラズマ密度を判
定するようにした、プラズマ・エッチングの終点検出方
法を与えるものである。エツチングの境界部におけるプ
ラズマ密度の変化はプラズマ電位の変化として現われ、
これによってエツチングの終点を知ることができる。Ｒ
Ｆ電力が一定の場合、エツチング期間におけるプラズマ
密度の増加は、プラズマ電位の減少によって示される。

本発明は対称的な、高圧、高プラズマ密度、狭ギャップ
の単一ウェハ・プラズマ・エッチング反応装置と共に有
利に使用しうる。

Ｅ、実施例 第１図に示されている、対称的な、高圧、高プラズマ密
度の単一ウェハ・プラズマ・エッチング反応装置を参照
して、本発明の説明を行う。本発明は他の型式のプラズ
マ反応装置と共に使用するように変形できるが、プラズ
マ密度は２次電子放出に対して高い感度を有するから、
この型式の反芯装置においてプラズマ電位をモニタする
のが特に有利である。図示の単一ウエノ・型反応装置で
は、下部電極のほぼ全体がエッチされるべきウエノ１で
覆われる。上部電極の面積は一定であるから、所定の反
応性ガスでのエッチ終点におけるプラズマ密度の変化は
ウエノ・表面の変化に基づく。

第１図の単一ウェハ・プラズマ・エッチング反応装置１
０において、円筒形のハウジング１２には、円形の電気
的に接地された上部電極１１が取付けられている。ノ・
ウジング１２はガス分配用そらせ板１３、反応性ガス人
力１４、冷却流体入口（図示せず）および冷却流体出口
１５を有する。

この組立体は絶縁ハウジング１６内に収容される。

下部電極１７は導電性の上側部分１８と絶縁性の下側部
分１９を含む。上側部分１８は冷却チャネル２０と、ガ
ス排出チャネル２１ａを有する絶縁リング２１によって
取囲まれた盛上った台形状部分とを含む。上部電極１１
と下部電極１７との間のギャップ２２は約４ｍｍに設定
される。２つの電極を絶縁する絶縁リング２３には、電
極間のギャップ領域からガスを排出するための通路２４
が形成されている。通路２４は内側ノ・ウジング１６と
外側ハウジング２６との間のすき間２５に開いている。

反応したガスはボート２７を介して装置から排出される
。この反応装置の設計は、特願昭６０−５０７３５号に
示されているものと同様である。

第２図は本発明の方法で用いられるＲＦ電圧グローブを
示している。ＲＦ電圧プローブ部分は、破線のブロック
２８で示されている。ＲＦプローブ２８は非常に簡単で
ある。ＲＦ電圧ｖＲＦ（ピーク−天地間電圧）を測定す
るのに、キャパシタ分圧器が用いられている。反応装置
１０の上部電極１１は接地され、エツチングされるべき
ウエノ・３０は下部電極１７の上に置かれている。下部
電極１７は整合回路を介してＲＦ電源３２に接続されて
いる。

プラズマ電位ｖＰは次式によって表わされる。

ＶＰ＝ＶＲＦ／２−Ｖｄｅ ここで、ＶｄｃはＤＣ自己バイアス電圧であシ、電気的
に対称的な反応装置の場合Ｖｄｃ＝０である。

ＶＲＦをモニタすることによシ、プラズマ電位の変化、
したがって反応装置内の２次電子放出によるプラズマ密
度の変化をモニタすることができる。

プロセス診断情報もｖＲＦ情報から得ることができる。

反応性ガスの組成のわずかな変化でｖＲＦの経時記録特
性に認識可能な変化が生じることが判明した。高度に閉
じ込められたプラズマを用いる反応装置では、エッチさ
れているウェハ上の膜から放出される２次電子は、エッ
チャント・ガスに解離反応を引起し、結果としてプラズ
マ密度に変化を生じる。したがってプラズマ密度はプラ
ズマにさらされている膜の関数であるだけでなく、用い
られるガスまたはガス混合物の種類の関数でもある。し
たがって本発明のｖＲＦプローブ技術によれば、膜ある
いはガス組成の変化あるいは違いに関する情報を得るこ
とができる。本発明は、エツチング終点の判定に使用す
ることに加えて、実時間でのプロセス診断、プロセス、
問題の判定、あるいはプロセスの制御のためにも有用で
ある。

次に第３Ａ図〜第３Ｄ図を参照して、本発明の方法をプ
ロセス診断に適用した例について説明する。第３Ａ図〜
第３Ｄ図は、０２−Ｎ２プラズマにおいて有機膜をエツ
チングしたときのｖＲＦ経時特性を示している。用いら
れた有機膜はシリコン・ウェハ上のＡＺ１３５０Ｊフォ
トレジスト被覆である。図から、レジスト・エツチング
が終了する点３４に至るまでのエツチング・プロセス期
間中のプラズマ特性がわかる。ｖＲＦ特性はガス組成の
変化と共に大きく変化する。点３９はレジストからシリ
コンへの移シ変わりを示し、各特性曲線の点３８はＲＦ
電力がオンされたところを表わしている。正規の特性曲
線からのずれは、プロセスあるいは反応装置パタメータ
の変化を示す。このことは、おそらく何かが標準のプロ
セスから好ましくない方向に逸脱していることをオペレ
ータあるいは制御装置に示している。第３Ａ図〜第３Ｄ
図の場合特性曲線の違いはＮ２の濃度差に基づく。

第４図は本発明を終点判定の方法として用いた場合を示
している。このｖＲＦ特性はＣＦ４プラズマ中で石英上
のフォトレジスト、例えばＡＺＩ３５０Ｊをエツチング
した場合に生じる。点３４のプロセス終端の付近では、
石英がプラズマに露出されつつある点３６において、プ
ラズマ電位にかなシの変化があることがわかる。この急
激な変化は、レジストが短時間でウェハの全弐面から除
去されたことを示している。このことは、レジスト被覆
およびエツチング速度が共にウエノ１の全領域で非常に
均一であったことを示唆している。

本発明の別の用途は、例えば上側の層としてＮ型不純物
を多量にドープしたポリシリコン層、下側の層としてＰ
型不純物を軽くドープしたシリコン層を用いた２層シリ
コン層を通して、分離用トレンチ（溝）をエツチングす
る場合に用いるものである。エツチングが上側のＮ型不
純物高濃度ドープ層を通って下側のＰ型不純物低濃度ド
ープ層へ進むと、ｖＲＦは約９０Ｖから約４５Ｖに変化
した。

Ｆ１発明の効果 プラズマ電位をモニタする本発明によれば、プラズマ・
エッチングの終点を正確に検出でき、またプロセス診断
情報を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明と関連して使用しうるプラズマ・エッチ
ング装置の断面図、第２図は本発明の方法で使用される
ＲＦ電圧プローブの概略図、第３Ａ図〜第３Ｄ図は異な
ったエッチャント・ガス組成に対するＲＦ電圧特性のグ
ラフ表示図、および第４図は石英上のフォトレジストを
エツチングしたときのＲＦ電圧特性のグラフ光示図であ
る。 出願人　　インター＋４ナル・ビ銅−マジーンズ・コー
ポレーション第２図 ＷＩ４囚 第３Ａ図 第８０図 第３Ｂ図 第３Ｄ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 エッチングの際にプラズマ・エッチング装置の電極のＲ
   Ｆ電圧を測定し、 上記ＲＦ電圧の変化を検出すること、 を含むプラズマ・エッチング・プロセスをモニタする方
   法。