JPH04236426A - 半導体製造装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体製造装置に関し
、特に、マイクロ波ＥＣＲエッチャーを用いて被エッチ
ング膜のエッチングを行う場合において、エッチングの
終了を正確に測定できる半導体製造装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】図９はマイクロ波ＥＣＲエッチャーの装
置構造を模式的に表した構成図である。図９において、
１はエッチングガス、２はガス導入管、３は石英ベルジ
ャー、４は処理室、５はマイクロ波発振器、６はマイク
ロ波、７はマイクロ波導波管、８は磁場発生用コイル、
９はＥＣＲ面、１０はプラズマ、１１はウェハ、１２は
被エッチング膜の生成やエッチングガスの生成を含んだ
反応性生成物、１３は光ファイバ、１４はフィルタ、１
５はフォトマルである。

【０００３】図９に示されるように、エッチングガス１
はガス導入管２によって石英ベルジャー３で囲われた処
理室へ導入される。処理室４内はあらかじめ所望の圧力
に制御されている。次にマイクロ波発振器５により発振
されたマイクロ波６は、マイクロ波導波管７を伝わり石
英ベルジャー３で囲われた処理室４へ導入され、磁場発
生用コイル８によりあらかじめ作られていた磁場との相
互作用により、処理室４内のある適当な高さにおいてＥ
ＣＲ面９ができる。このＥＣＲ面９付近において、処理
室４内のエッチングガスの解離確率が最も高くなりプラ
ズマ１０が生成され、処理室４内に置かれたウェハ１１
の表面上でエッチングが進行することになる。さらにエ
ッチング進行とともに被エッチング膜中の元素やエッチ
ングガスの元素を含んだ反応性生成物１２が石英ベルジ
ャー３の内壁に付着し、経時的に堆積していく。

【０００４】従来技術では、上述したエッチングの終了
を判定する際に、マイクロ波導波管７のある適当の箇所
に取付けた光ファイバ１３よりウェハ表面近傍の発光光
を取り込み、エッチングの進行状態を最もよくモニター
できる波長の光のみをフィルタ１４で選別し、フォトマ
ル１５で光電変換を行い、その電圧値を用いて様々な演
算を行うことによりエッチングの終了を判定していた。

【０００５】図１０はエッチングの終了を判定するため
の従来からよく用いられている手法を説明するための図
である。以下、図１０を用いてエッチング判定手法の具
体例を述べる。図１０はエッチングガスに塩素（Ｃｌ２
　）と酸素（Ｏ２　）を用い、それぞれの流量を３６Ｓ
ＣＣＭ，４ＳＣＣＭとし、エッチング圧力を　０．００
５ｍｍＴｏｒｒ、ウェハ温度を−１０℃、さらに被エッ
チング膜に膜厚が３５００オングストロームのポリシリ
コン、フィルタの透過可能波長を２００ｎｍとしたとき
のウェハ表面近傍の塩化ケイ素（ＳｉＣｌ＊　）の発光
強度を示している。また横軸にエッチング時間、縦軸に
フォトマル１５より光電変換された発光電圧値を示す。

【０００６】なお、塩化ケイ素（ＳｉＣｌ＊　）はエッ
チングガス中の塩素（Ｃｌ２　）とポリシリコンが反応
してできる反応性生成物である。この塩化ケイ素（Ｓｉ
Ｃｌ）が活性な状態（ＳｉＣｌ＊　）のとき、２２０ｎ
ｍの波長の光を出す。従って図１０（ａ）　で電圧値が
高い箇所はエッチングが進行していることを示し、５０
ｓｅｃ付近で電圧値が急減している箇所はポリシリコン
のエッチングが終了しつつあることを示す。

【０００７】通常エッチングの終了を判定するためによ
く使用される演算方法としては、図１０（ａ）　の電圧
のグラフに対して２次差分を行い、図１０（ｂ）　に示
すような２次差分波形を得る。この図１０（ｂ）　の下
に凸から上に凸に変化する箇所である適当な値をこえた
とき、例えば図１０（ｂ）においは、−０．５　を２度
目にこえたとき（図中ではＡ点）をエッチングの終了と
して判断する。

【０００８】ところが上述した方法では石英ベルジャー
３の内壁に反応性生成物１２が経時的に堆積していくた
めに、フォトマル１５に入る光の強度が経時的に弱くな
る。そのため図１１（ａ），（ｂ）　に示すように、波
形の電圧値が徐々に小さくなり、それぞれの２次差分の
波形の絶対値も同様に小さくなっていく。そして図１１
（ｂ）　においては、５枚目以降のウェハの２次差分の
波形では下に凸から上に凸へ変化する箇所で−０．５を
こえるところがなく、エッチングの終了を正確に判定で
きていない。このため、過度なエッチングがウェハ１１
に対して行われることがあり、これはデバイスの信頼性
を著しく低下させる結果となる。

【０００９】また図１２に示すように、フォトマル１５
から出力される発光電圧値を示すグラフにおいて、エッ
チングが終了する前にプラズマの非平衡状態の場合に生
じる発光光のゆらぎにより、グラフにイレギュラーな電
圧変化が生じ、その部分の２次差分が−０．５　を越え
るような場合（図中のＢ点）はそれをエッングの終了と
判断してしまう。このためエッチングが十分されない状
態で終了してしまうために、ポリシリコン膜に未エッチ
ングの部分を生じてしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では上述した
ように、フォトマルに入る発光光の強度の経時的な低下
や非平衡状態のプラズマが原因で生じる発光のゆらぎ等
により、エッチング終了を誤判定し、デバイスの信頼性
の低下を招くという問題点があった。

【００１１】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、ベルジャーへの反応性生成物の
付着量に関係なく経時的に安定してエッチングの終了を
判定することができ、さらには非平衡状態のプラズマか
らの発光光のゆらぎによるエッチング終了の誤判定も防
止できる半導体製造装置を得ることを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明にかかる半導体
製造装置は、マイクロ波のＥＣＲ面での反射波の出力強
度が被エッチング膜の膜種に依存することを利用して、
このマイクロ波の出力強度をエッチング中にモニターす
ることによりエッチングの終了を判定するようにしたも
のである。

【００１３】

【作用】本発明による半導体製造装置においては、マイ
クロ波のＥＣＲ面での反射波出力をエッチング中にモニ
ターするようにしたので、ベルジャーへの反応性生成物
の付着量に関係なく経時的に安定してエッチングの終了
が判定される。さらには、プラズマが安定せず発光強度
がゆらいでいるような場合でもエッチングの途中に誤っ
て終了と判定されることもない。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例による半導体製造装
置を模式的に示した図であり、また図２ないし図８はそ
れぞれ本発明の一実施例を説明するための図である。

【００１５】図１において、１はエッチングガス、２は
ガス導入管、３は石英ベルジャー、４は処理室、５はマ
イクロ波発振器、６はマイクロ波、７はマイクロ波導波
管、８は磁場発生用コイル、９はＥＣＲ面、１０はプラ
ズマ、１１はウェハ、１２は被エッチング膜の成分やエ
ッチングガスの成分を含んだ反応性生成物、１６はマイ
クロ波の導波管への入力電力計測器、１７はマイクロ波
のＥＣＲ面での反射波の出力電力計測器である。

【００１６】図１に示すように、エッチングガス１はガ
ス導入管２によって石英ベルジャー３で囲われた処理室
４へ導入される。処理室４内はあらかじめ所望の圧力に
制御されている。次にマイクロ波発振器５により発振さ
れたマイクロ波６は、マイクロ波導波管７を伝わり、石
英ベルジャー３で囲われた処理室４へ導入され、磁場発
生用コイル８によりあらかじめ作られていた磁場との相
互作用によって処理室４内のある適当な高さにおいてＥ
ＣＲ面９を形成する。このＥＣＲ面９の付近において処
理室４内のエッチングガスの解離確率が最も高くなり、
プラズマ１０が生成され、処理室４内に置かれたウェハ
１１の表面上でエッチングが進行することになる。また
エッチングの進行とともに被エッチング膜の膜中の成分
やエッチングガスの成分を含んだ反応性生成物１２がベ
ルジャー３の内壁へ付着し、これはエッチングを行う回
数が増えると経時的に堆積していく。

【００１７】さらにマイクロ波導波管７のマイクロ波発
振器５付近に、マイクロ波入力電力計測器１６とマイク
ロ波の出力電力計測器１７を取りつけている。マイクロ
波入力電力計測器１６でマイクロ波発振器５から発振さ
れたマイクロ波６の処理室４への入射電力を測定し、マ
イクロ波出力電力計測器１７でＥＣＲ面９で反射された
マイクロ波６の反射波電力を測定する。

【００１８】図２（ａ），（ｂ），（ｃ）　は図１の構
造を持つマイクロ波ＥＣＲエッチャーを用いて、ポリシ
リコン膜，酸化膜，タングステンシリサイド膜のエッチ
ングを行った場合のエッチング時間とマイクロ波入射電
力とマイクロ波反射電力の相関を示したグラフである。

【００１９】エッチング条件はエッチングガスに塩素（
Ｃｌ２　）と酸素（Ｏ２　）を用い、それぞれの流量を
３６ＳＣＣＭ，４ＳＣＣＭとし、エッチング圧力を　０
．００５Ｔｏｒｒ、ウェハ温度を−１０℃、マイクロ波
入射電力を４４０Ｗとした。またエッチング時間は各々
の膜種に対して３０ｓｅｃ　行った。図２（ａ），（ｂ
），（ｃ）　から判るように、どの膜についてもエッチ
ング開始から約１〜２秒でマイクロ波入射電力は一定の
値（４４０Ｗ）を示し、以降３０ｓｅｃ　まで安定して
いる。

【００２０】ところが、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）　
よりポリシリコン膜，酸化膜，タングステンシリサイド
膜のマイクロ波反射電力は、それぞれ８０Ｗ，４０Ｗ，
６０Ｗと膜種によってその値が違っており、エッチング
終了まで同様にそれぞれの値で一定値を取る。これは膜
種の違いによってインピーダンスが違ってくることによ
り、プラズマが平衡状態を保とうとして実効入力パワー
が変化するためである。

【００２１】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）　は図２（ａ
），（ｂ），（ｃ）　で用いたエッチング条件のうち、
エッチング圧力の設定を０．００１　Ｔｏｒｒ，０．０
０５　Ｔｏｒｒ，０．０１０　Ｔｏｒｒ，０．０１５　
Ｔｏｒｒと変化させたときのポリシリコン膜，酸化膜，
タングステンシリサイド膜のマイクロ波入射電力とマイ
クロ波出力電力とエッチング時間の相関図である。

【００２２】図３（ａ），（ｂ），（ｃ）　よりエッチ
ング圧力の設定を変化させてもマイクロ波入射電力は４
４０Ｗで一定であるが、マイクロ波反射電力は各膜とも
圧力依存性がある。また、どの圧力条件であっても同一
圧力のもとでは、一部例外を除いてポリシリコン膜，酸
化膜，タングステンシリサイド膜でマイクロ波反射電力
の値がそれぞれ違っている。

【００２３】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）　はエッチン
グガスのトータル流量は一定として塩素と酸素の混合比
を変化させ、他の条件を図２（ａ），（ｂ），（ｃ）　
と同一としたときのポリシリコン膜，酸化膜，タングス
テンシリサイド膜のマイクロ波入射電力とマイクロ波反
射電力、エッチング時間の相関図である。

【００２４】図４（ａ），（ｂ），（ｃ）　より、塩素
と酸素の混合比が４：１（３２ＣＣＭ　：８ＳＣＣＭ）
の場合のポリシリコン膜とタングステンシリサイド膜の
反射電力が同じになってしまう以外は、図２（ａ），（
ｂ），（ｃ）　、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）　と同様
に、同一混合比のもとでも膜種が違うとそれぞれのマイ
クロ波反射電力が違ってくる。

【００２５】以上のように、図２（ａ），（ｂ），（ｃ
）　、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）　、図４（ａ），（
ｂ），（ｃ）　より、マイクロ波入射電力を一定とした
場合、マイクロ波反射電力の大きさは一部を除いて被エ
ッチング膜の膜種に大きく依存していることがわかる。

【００２６】次に、図５に示すように、ベアシリコン２
１の上に熱酸化膜２０を１０００オングストロームつけ
、その上にポリシリコン膜１９を３５００オングストロ
ームデポし、さらにレジストのパターン１８がついたウ
ェハに対して図２（ａ），（ｂ），（ｃ）　と同じエッ
チング条件で６０秒間エッチングを行った。図６にこの
ときのマイクロ波入射電力とマイクロ波反射電力のエッ
チング時間依存性を示した。

【００２７】図６よりマイクロ波入射電力は、エッチン
グ中の６０秒間は４４０Ｗで一定である。一方、マイク
ロ波反射電力は４５秒まで８０Ｗであるが、４５〜５０
秒の間で徐々に４０Ｗまで変化し、その後４０Ｗで一定
となる。

【００２８】図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）　に
図６における４０ｓｅｃ　，４５ｓｅｃ　，５０ｓｅｃ
　，５５ｓｅｃ　のウェハの表面状態をそれぞれ示す。 図７より４０ｓｅｃ　ではポリシリコン１９がウェハ全
面に残っており、４５ｓｅｃ　では一部で酸化膜２０が
表れており、５０ｓｅｃ　ではレジスト１８下部のポリ
シリコン以外はすべてポリシリコンがエッチングされて
おり、５５ｓｅｃ　もこれと同様である。

【００２９】以上により、マイクロ波反射出力をエッチ
ング中にモニターし、マイクロ波反射出力が変化すると
きの波形を適当に演算処理することにより、エッチング
の終了を判定することができる。

【００３０】図８（ａ），（ｂ）　に図５に示した膜構
造を持つウェハを、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）　で用
いたエッチング条件と同一の条件を用いて２５枚のエッ
チング処理を行ったときの各ウェハのマイクロ波入射電
力，マイクロ波反射電力の経時変化と、さらに同じウェ
ハに対して図９〜図１２を用いて説明した従来の技術を
用い、ウェハ表面近傍の活性な塩化ケイ素（ＳｉＣｌ＊
　）の発光電圧を測定したグラフを示す。

【００３１】図８（ｂ）　に示すように、発光電圧の大
きさは、図１１の説明で述べたように処理を重ねるごと
に低下していく。これに対して、図８（ａ）　に示すよ
うにマイクロ波反射電力の波形はエッチング処理を重ね
てもその値が変化していない。

【００３２】また、エッチング開始から１〜５秒程度の
間は、プラズマが非平衡状態から平衡状態へ移行する期
間であり、被エッチング膜の膜種によっては発光光の強
度のゆらぎが顕著になる。しかし図８（ａ）　に示すよ
うにマイクロ波反射電力の波形にはこのゆらぎは全く認
められない。

【００３３】このような本実施例によれば、エッチング
中にマイクロ波反射出力をモニターすることによりエッ
チング終了を判定するようにしたので、エッチングの連
続処理を行っても経時的に安定してエッチングの終了を
判定でき、エッチング過剰によるデバイスの信頼性低下
を防止できる。

【００３４】またプラズマの不安定なときに生じる発光
光の強度のゆらぎによるエッチングの終了の誤判定を防
止でき、ポリシリコンのエッチング残渣が生じることに
よるデバイスの信頼性低下を防止することもできる。

【００３５】なお、上記実施例ではマイクロ波入力電力
の大きさが一定である場合について説明したが、何らか
の原因でその値が変動した場合には、マイクロ波入射電
力計測器１６によりその変動を即座に検知することがで
き、これにより入射電力と反射電力の相関関係に基づい
て常に正確なエッチング終点の判定を行うことができる
。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、マイクロ
波のＥＣＲ面での反射波電力を用いて被エッチング膜の
エッチング終点を判定するようにしたので、石英ベルジ
ャーの汚れや非平衡状態のプラズマの影響を受けること
なく、安定してエッチング終点の判定を行うことができ
、デバイスの信頼性の向上を図ることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体製造装置を模式
的に示した図である。

【図２】図１の半導体製造装置を用いて異なる３種の被
エッチング膜をエッチングした際のマイクロ波入射電力
及びマイクロ波反射電力のエッチング時間依存性を示し
た図である。

【図３】図２においてエッチング圧力を変化させたとき
の、マイクロ波入射電力及びマイクロ波反射電力のエッ
チング時間依存性を示す図である。

【図４】図２において、エッチングガスの混合比を変化
させたときの、マイクロ波入射電力及びマイクロ波反射
電力のエッチング時間依存性を示す図である。

【図５】本発明の一実施例による半導体製造装置に使用
される被エッチング膜の一例を示す図である。

【図６】図５の被エッチング膜をエッチングした際のマ
イクロ波入射電力とマイクロ波反射電力のエッチング時
間依存性を示す図である。

【図７】図５の被エッチング膜がエッチングされ経時的
に変化していく様子を示す図である。

【図８】図５の被エッチング膜を２５枚エッチング処理
した際の、各ウェハのマイクロ波入射電力とマイクロ波
反射電力のエッチング時間依存性及び、ウェハ近傍の発
光電圧のエッチング時間依存性を示す図である。

【図９】従来のマイクロ波ＥＣＲエッチャーを示す図で
ある。

【図１０】従来のエッチング終点判定手法を説明するた
めの図である。

【図１１】従来の問題点の一部を説明するための図であ
る。

【図１２】従来の問題点の一部を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１　　　　エッチングガス ２　　　　ガス導入管 ３　　　　石英ベルジャー ４　　　　処理室 ５　　　　マイクロ波発振器 ６　　　　マイクロ波 ７　　　　マイクロ波導波管 ８　　　　磁場発生用コイル ９　　　　ＥＣＲ面 １０　　プラズマ １１　　ウェハ １２　　反応性生成物 １３　　光ファイバ １４　　フィルタ １５　　フォトマル １６　　マイクロ波入射電力計測器 １７　　マイクロ波反射電力計測器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　マイクロ波ＥＣＲエッチャーを用いて
   被エッチング膜のエッチングを行う半導体製造装置にお
   いて、マイクロ波のＥＣＲ面での反射出力の大きさを測
   定する手段を備え、上記被エッチング膜の膜種に依存す
   る上記ＥＣＲ面でのマイクロ波反射出力の大きさから上
   記被エッチング膜のエッチングの終了を判定するように
   したことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】　　上記マイクロ波ＥＣＲエッチャーに入
   力するマイクロ波の大きさを測定する手段をさらに備え
   たことを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。