JPH04504328A - イオン援用方式によるウェーハ加工プロセスを監視する方法、並びにこの方法を実施するための装置 - 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】 発明の名称 イオン援用方式によるウェーハ加工プロセスを監視する方法、並びにこの方法を 実施するための装置 技術分野 本発明はプロセス室内におけるイオン援用方式によるウェーハ加工プロセスを監 視する方法、並びにこの方法を実施するための装置に関する。

従来の技術 イオン援用方式による加工プロセスは、各種の半導体基板、金属基板、ガラス基 板又はプラスチック基板の材料を除去もしくは付加し、或いはこの種の材料によ るコーティングを行なうためにも利用されている。

なお以下の記述においては、これらの材料を一括して「ウェーハ」なる概念範躊 の下に取扱うものとする。

工作材料の部分的な除去を行なうための加工プロセスとしては、例えば反応性イ オンエツチング（ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｅｔｃｈｉｎｇ　’ＲＩＥ’）　 、磁気増幅型反応性エツチング（ｍａｇｎｅ＋１ｃａｌ１７　ｅｎｈａｎｃｅｄ 　ＲＩＥ　’ＭＥＲＩＥ’　）、二極管エツチング、反応性イオンビームエツチ ング（ｒｅａｃｔｉｖｅ　ｉｏｎ　ｂｅａｍ　ｅｔｃｈｉｎｇ　’ＲＩＢＥ″） 、化学援用反応性イオンビームエツチング（ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ　ａｓｓｉｓ ｔｅｄｉｏＩ］ｂｅａｒｎ　ｅｔｃｈｊｎｇ″ＣＡＩＢＥ’）　、イオン切削加 工、（ｉｏｎ　ｍｉｌｌｉｎｇ　）又はスパッタリングなどが挙げられる。

イオン援用方式による全ての加工プロセスにおいては、加工を実施するに当りイ オンのエネルギー及びイオンビームの発散量を認識することが重要であり、更に 多くの場合、万が一生ずるウェーハの帯電を検出することも重要な点とされる。

何故ならば、絶縁層が薄い場合にはこの絶縁物に対する僅かな電圧印加にあって も破壊電圧が生ぜしめられ兼ねないからである。また、例えば反応性イオンエツ チング（ＲＩ　Ｅ）を実施する場合には、「その場」でエツチング率を規定（測 定）し、或いは加工プロセスの「終点制御」を行なうことが必要とされる。

上述した各数値もしくは加工パラメータを検出すべく利用可能な公知技術による 測定法としては一連の限定されたものしかなく、シかも場合によっては、これら の各方法をプロセス室で同時に実施しなければならない。従って、現在ではイオ ンビーム発散量の測定が一般に「導電ビーカー」を用いて行なわれている（電流 測定）。然しそのために必要とされる測定装置のプロセス室内における配置形式 では、必然的にイオンビームが「妨害」を受け、ひいては加工プロセスに支障を きたすことになる。他方、層の厚さは一般に干渉計によって測定されるので、プ ロセス室は例えばレーザー干渉計を使用することが出来るように設計されていな ければならない（ＰＣＴ出願国際公開明細書：Ｗ。

８８１０７２６１参照）。なおこの公知文献には、ウェーハの表面における反応 生成物を化学的に同定するための光学的なスペクトロメータを用いることも開示 されている。

発明の開示 本発明の課題とするところは、プロセス室内におけるイオン援用方式によるウェ ーハ加工プロセスを監視する方法に改良を加えて、加工を実施するために必要と される各種の数値又は加工パラメータが事実上同時にしかも出来るだけ低廉な費 用で検出されうるようにする点である。

上記の課題を解決すべく提案された本発明の措置は請求項１．４乃至５に開示さ れている。更に本発明の改良態様がその従属クレームに開示されている。

本発明の方法を応用するならば、イオン援用方式によるウェーハ加工プロセスに とって重要な各種の数値又は加工パラメータをプロセス室内に収容された作業ガ スの放射スペクトログラフによって検出可能であることが判明した。この場合の 作業ガスとは、プロセス室内に存在する全てのガスを意味し、例えばイオン源か ら供給されるイオン（もしくは高速中性粒子）、プロセス室内に収容された背景 ガス（その典型的な作業室内圧力値は約１０−６乃至１０−７ミリバール）、化 学援用反応性イオンビームエツチング（ＣＡＩＢＥ）法文ハ被覆法においてプロ セス室内に収容されるような付加的な作業ガス、或いはウェーハ表面からの反応 生成物などがこれに含まれる。

イオン源とウェーハ表面との間の通路では、イオンの一部がプロセス室内の中性 粒子に衝突し、この衝突プロセスによって衝突し合う両要素が成る一定の確率で 電子的に励起される。電子的な励起の「消滅」時に生ずる光は、互いに衝突し合 う要素（粒子）の速度に応じて、熱的な粒子の場合より長い波長に向って「ドツ プラーシフト」、つまり赤方シフトされる。

従って、例えば赤方シフトされた最大値と熱的な粒子において生ずるシフトされ てない最大値との間の距離からは、所定の速度を、ひいては粒子のエネルギーを 算出することが可能である（請求項２）。

更に成る一定の確率でウェーハ表面から反射する粒子は、ウェーハとの衝突によ り電子的に励起され、これらの粒子では放射線の貴方シフトが生ずる。

貴方シフトされた最大値とシフトされてない最大値との間の距離からも、矢張り 粒子エネルギーを検出することが可能である（請求項２）。

また、赤方シフトもしくは貴方シフトされた最大値に関する放射分布のスペクト ル幅からビームの発散量を帰納的にめることも可能である（請求項３）。

ウェーハが帯電するとイオンを制動する逆電圧が生ずるので、赤方シフトもしく は貴方シフトが緩和されることになる。そのために、本発明ではウェーハにおけ る万が−の荷電状態を検出するため、請求項４に記載されたように赤方シフト及 び／又は貴方シフトされた最大値のスペクトル位置又はこのスペクトル位置の時 間的な変動を測定する措置が講じられている。

特にこの措置によれば、先づ何よりも信頼性の高い直流バイアス測定が、つまり ＲＩＥ加工プロセスにおけるプラズマとウェーハとの間の電位測定が可能ならし められる。例えば反応性イオンエツチング（ＲＩＥ）法及び反応性イオン蒸着法 におけるようにプラズマ外縁層を介して陰極抽出（直流、高周波又は低周波）が 行なわれる場合には、自動的に生ずる電位差を粒子エネルギーに基づいて測定す ることが出来るのみならず、特に低圧範囲では粒子のエネルギー分布をも検出す ることが可能である。

検出装置内にダイレクトに到達する光は放射された光の一部であって、検出装置 内に達する光の他の部分は当初にウェーハ表面から反射せしめられた光である。

被覆加工されたウェーハが使用される場合、例えば珪素（Ｓｉ）から成る基板上 に二酸化珪素（５１０２）の層がコーティングされたウェーハが用いられる場合 には、上位及び下位の限界層で反射する光が干渉されるので、受量する光の強度 は層の厚さによって左右されることになる。

そこで本発明においては、請求項５に示されたように被加工層の瞬間的な厚さを 測定すべく光力シフトされたスペクトル線強度又はシフトされていないスペクト ル線強度の時間的な変動及び／又は貴方シフトされた最大値のスペクトル位置が 検出されるようになっている。

プロセス室内における作業ガス放射線の光力シフト値ならびに貴方シフト値は、 例えば光電子増倍管の後接続されたモノクロメータ、もしくは干渉フィルタのよ うな他の検出装置を用いることによっても測定可能である。そのいづれの場合に も、検出装置が種々異なった放射を共線的に検出するように、つまりイオンビー ムの軸線内で検出するように構成されていると有利である（請求項６）。このよ うな措置が取られているならば、測定されたシフトの値（偏移値）が所定の粒子 速度で最大になるという利点が得られるのみならず、層厚さの測定が著しく簡易 化される。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の加工プロセスを実施するための装置の主要な構成図。

第２図乃至第５図は第１図に図示された装置によって得られた測定結果を示す。

実施例 次に添付の図面に示した実施例につき本発明の詳細な説明する。

第１図に示された装置にはイオンをプラズマとして供給するイオン源１が設けら れており、プラズマは一連の格子２を介してイオンビーム３を図示されてないウ ェーハに向けて加速する。図示の実施例では２枚格子光学系が用いられている。

なおここで留意しておかねばならないのは、イオン源を構成することが本発明の 方法にとって決定的なファクターとされてない点であり、また例えば反応性イオ ンエツチング（ＲＩＥ）法におけるように、イオンがプラズマから自動的に生ず る電位を介して壁などに向けて加速され、従って本来的な意味ではイオンビーム と言えない対象にも本発明による方法を応用しうる点である。

イオンビーム中のイオンはプロセス室内における背景ガス圧（約１０−７乃至１ ０−６ミリバール）に応じて他の粒子と衝突するが、このことは第１図に符号４ で象徴的に示されている。ところで、本発明において用いられるガス又は作業ガ スとは、プロセス室内に存在する全てのガスのことであって、例えばイオン源か ら供給されるイオン（再結合された中性粒子）、プロセス室内に収容された背景 ガス、化学援用反応性イオンビームエツチング（ＣＡＩＢＥ）法においてプロセ ス室内に収容されるような付加的な作業ガス、もしくはウェーハ表面からの反応 生成物などがその範躊に含まれる。

イオンと他の粒子との衝突プロセスにおいては、衝突し合う両要素の電子的な励 起がある一定の蓋然性で生ぜしめられる。第１図に示された実施例の場合、この 電子的な励起の「消滅」時に発生する光は、光電子増倍管６を有するモノクロメ ータ５によって検出することが出来る。更にこの実施例においては、モノクロメ ータ５の軸線５′がイオンビーム３の軸線に対して１”＝３０’なる角度を成す ように配置されている。イオンと粒子との衝突後には、「衝突するイオン」の運 動方向がイオンビーム３の軸線に対してαなる角度を形成する。図において衝突 後のイオン速度は符号（Ｖα）で示されている。

次に、第１図による装置により実施される測定の結果を第２図乃至第５図のグラ フに即して詳述する。なおこれらのグラフでは、シフトされてないにュートラル な）アルゴン線λ。＝６９６．５４３ナノメートル（６９６５，４３オングスト ローム）の範囲における測定結果のみが示されているに過ぎないが、その都度の ケースに応じて用いられるイオン及び／又はプロセス室内に収容される粒子のほ ぼ任意な放射線を評価しうろことは言うまでもない。

第２図には、プロセス室内に基板が設けられていない場合のＡｒ−Ｉ線範囲にお ける典型的な測定結果が示されている。このグラフからは、熱的な粒子に由来す るシフトされてない「シャープな」放射線（ｎ）以外に、高速粒子に由来する僅 かに「光力シフトされた」最大値（Ｒ）も観察される。

この場合の波長遷移（Δλ）、即ちシフトされてない最大値（ｎ）と光力シフト された最大値（Ｒ）との間の距離は、粒子速度（Ｖα）をモノクロメータ５′に 投影することにより次の式でめることが出来る。

Δλ＝λ。１１ｖα・Ｃ０８（「±α）この式中λ。はシフトされてない放射線 の波長である。

偏倚角度（α）はビーム発散量の関数であり、従って、光力シフトされた最大ピ ーク数値とシフトされてない最大値との間の距離からは粒子速度が、ひいてはイ オンビームのエネルギーが検出され、光力シフトされた最大値の幅からは少な（ とも定量的なイオンビーム発散量が帰納的にめられる。

第３図には、光力シフトされた最大値の「形状」に及ぼされる種々異なったビー ム発散量の影響が示されており、この場合、第３ａ図のグラフには比較的大きな 発散量を有するビームの測定結果がプロットされているのに対し、第３ｂ図には 比較的小さな発散量を有するビームの測定結果がプロットされている。各ビーム のデータはこれらのグラフから明らかであって、この場合、加速電圧は符号（Ｕ 、、、□）により、また２枚格子光学系における第２の格子に印加される電圧は （０ボルトを基準にして）符号（Ｕ、ｃｅ）によりそれぞれ示されている。

第４図のグラフには、イオンビーム３の経路内につ工−ハを配置した場合に得ら れる測定結果がプロットされている。ウェーハ表面における反射に基づいて、極 めて短い波長としての（貴方シフトされた）最大値（Ｂ）も生じ、この最大値（ Ｂ）とシフトされてない最大値との間の距離からは矢張り粒子エネルギーが検出 され、貴方シフトされた最大値（Ｂ）の幅からはビーム発散量に関する情報が得 られる。

第５図のグラフには、被覆加工されたウェーハの「貴方シフトされた」最大値に おける時間的な強度変化状況がプロットされている。電子的に励起された状態の 寿命、つまり継続時間はかなり短い（約１０乃至１００ナノ秒）ことに基づいて 、この放射スペクトルから検出される粒子は、ウェーハ表面に亙って数ミリメー トルの厚さを有する範囲内に存在するものに限られる。検出装置内にダイレクト に到達する光は放射された光のうちの一部であるに過ぎず、検出装置内に達する 光の他の部分は先づ初めにウェーハ表面から反射せしめられた光である。

使用されるウェーハが被覆加工されたウェーハ、例えば珪素（Ｓ　ｉ）基板上に 二酸化珪素（Ｓ　ｔ　０２　）の層がコーティングされたウェーハである場合に は、上限層及び下限層において反射する光が干渉を受ける。

従って受量する光の強度は層の厚さ寸法に応じて変動することになる。

実験に基づいて第５図に示された加工プロセス「スパッタリング」においては、 純サインカーブ状の干渉信号が生じ、この信号の「周期」からは以下の式によっ てエツチング率（Ｒ１）をめることが出来る。

Ｒ，＝λ／２　・ｔ　−１（ｎ２−ｓ　ｉ　ｎ２ｆ’）この式中の（１）は両最 大値の時間的な間隔であり、（ｎ）は上位層の屈折率である。

図示の実施例において酸化層が除去されている場合には、もはや信号の変動は生 じないので信頼性の高い終点制御が保証される。

なお図示の実施例においては、モノクロメータ５の軸線５′とイオンビーム３の 軸線とがｒく〉０°なる角度で交わるが、多くの使用例ではこの角度値を０８に 設定しておくと有利であって、そうすれば層厚さの測定が容易ならしめられると 同時に、最大値のシフトを所定の粒子速度で最大に設定することが出来る。この 措置を実現するためには、放射された光を検出する装置の「背後に」配置された 「透明な」イオン源１を用いればよい。つまりシフトされた線が用いられる場合 には、上記方式によって線をイオン源と抽出光学系とに「貫通させる。］と特に 有利な結果が得られる。

更に本発明においては、シフトされてない放射線を評価することによってもエツ チング率の検出が可能であって、その評価に際して線のスペクトル分割を行なう 必要はない。検出装置としては、別の装置、例えば光電子増倍管の後接続された 干渉計又は他の受光装置を用いることが出来る。

本発明による方法が採用されるならば、上述したいづれのケースにおいても補足 的な光源を用いることなくほぼ同時にイオンエネルギーとビーム発散量とウェー ハにおける層厚さ及び加工終端点ならびに電荷との検出を効果的に実施すること が可能である。

産業上の利用可能性 本発明はイオン援用方式の全ゆる加工プロセス、殊に各種の半導体基板、金属基 板、ガラス基板又はプラスチック基板の材料を除去もしくは付加し、或いはこの 種の材料によるコーティングを行なうプロセスに応用可能である。

コエムーり 国際調査報告 一一一一一一一−ｍＫ＋ｒ／ＤＥ　９０／　００２５５

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．プロセス室内で行なわれるイオン援用方式によるウェーハ加工プロセスを監 視する方法において、イオンのエネルギー及び／又はイオンビームの発散量を検 出するために、ウェーハ表面上のイオン及び／又は中性粒子の反射により生ずる 放射線の赤方シフト及び／又は青方シフトをプロセス室内に存在するガスから測 定することを特徴とする方法。
2. ２．シフトされた単数もしくは複数の最大値とシフトされていない最大値との間 の距離からビーム粒子のエネルギーを検出することを特徴とする請求項１記載の 方法。
3. ３．ビームの発散量を赤方シフトされた最大値及び／又は青方シフトされた最大 値の幅から検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. ４．ウェーハにおける万が一の荷電状態を検出するために、赤方シフト及び／又 は青方シフトされた最大値のスペクトル位置もしくはこのスペクトル位置の時間 的な変動を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいづれか１項又は請求項 １の上位概念に記載の方法。
5. ５．被加工層の瞬間的な厚さを測定するために、青方シフトされたスペクトル線 強度又はシフトされていないスペクトル線強度の時間的な変動及び／又は青方シ フトされた最大値のスペクトル位置を検出することを特徴とする請求項１乃至４ のいづれか１項もしくは請求項１の上位概念に記載の方法。
6. ６．プロセス室内でイオン援用方式によるウェーハ加工プロセスを監視する方法 を実施するための装置において、イオン源を貫通させた放射を検出する検出装置 が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいづれか１項に記載の装置 。