JPH05102089A

JPH05102089A - ドライエツチング方法

Info

Publication number: JPH05102089A
Application number: JP26240491A
Authority: JP
Inventors: Chishio Koshimizu; 地塩輿水
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-10-09
Filing date: 1991-10-09
Publication date: 1993-04-23
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JP2944802B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】発光スペクトルの変化を監視することにより、
正確にエッチング終点を検出することができるドライエ
ッチング方法を提供する。【構成】エッチング時の発光スペクトルを監視し、２１
０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲、特に２１９．０ｎｍ、２３
０．０ｎｍ、２１１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２
４〜２２９ｎｍのいずれかの所望波長から選ばれた所望
スペクトル強度を測定することによりドライエッチング
の終点を決定する。【効果】アルゴンガス等の多量の添加ガスを含む系であ
っても、また面積当りの被エッチング領域の狭い（開口
率の低い）エッチング対象であっても、正確に生成ガス
の変化を検出することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体基板等のドライ
エッチング方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】半導体
製造工程において、ドライエッチングは微細なパターン
を形成するために欠くことのできない技術となってい
る。このエッチングは、真空中で反応ガスを用いてプラ
ズマを生成し、プラズマ中のイオン、中性ラジカル、原
子、分子などを用いて対象物を除去していく方法であ
る。

【０００３】ところで、エッチング対象物が完全に取り
去られた後においてもエッチングが継続されると、下地
材料が不必要に削られていったり、或いはエッチング形
状が変ってしまうため、これを防止するためにエッチン
グの終点を正確に検出することは非常に重要な事項であ
る。このため従来エッチングの終点を検出する代表的な
方法としては、エッチングによる生成物の発光強度を監
視し、この発光強度の変化を基に終点を判断していた。
例えば二酸化珪素をＣＦ系のエッチングガスによりエッ
チングする場合には、反応生成物である一酸化炭素の発
光強度を監視し、この発光強度変化を基に終点を判断す
る方法が提案されている（特開昭６３−８１９２９号、
特開平１−２３０２３６号等）。即ち、反応生成物はエ
ッチング中には反応容器内に存在するがエッチング対象
物がなくなると生成されなくなるので、反応生成物の発
光強度は急激に減少する。従って、反応生成物に由来す
る特定波長の光強度の減少を捉えればエッチングの終点
を検出することができる。

【０００４】ところで、エッチングを行なうに当って、
プラズマの安定化を図るために、或いは下地膜やレジス
トに対する選択性を大きくするために、エッチングガス
以外の添加ガスを、エッチングガスに比べて多量に加え
ることが行なわれている。例えばプラズマの安定化を図
るためにＣＦ系ガスにアルゴンを添加することがある
が、このアルゴンガス自体の発光スペクトルは帯状に広
がっており、このスペクトル中に反応生成物である一酸
化炭素のスペクトルが重なって埋れてしまうことがあ
る。

【０００５】従来分光光度計等の検出装置の感度等の要
請から発光強度は約３００〜９００ｎｍの範囲内で監視
されており、特に一酸化炭素のスペクトルのピークが認
められる４８２．０ｎｍが好適に用いられている。しか
し、このような波長の範囲はアルゴンの強い発光波長範
囲である３５０〜８６０ｎｍと非常に近似しているた
め、上述のように一酸化炭素の発光スペクトルは、プラ
ズマ自体の発光スペクトル中に埋れてしまい、一酸化炭
素の発光強度を正確に検出することができない。

【０００６】しかも、近年の微細化の傾向の推進によっ
てエッチング対象領域が非常に小さくなる傾向にあり、
例えばウェハの全面積に対するエッチング対象領域の面
積の比率即ち開口率が１０％以下、さらに開口率が小さ
くなる場合には２、３％程度になっている。このため、
発生する一酸化炭素のガス量は導入するアルゴンガス量
に比べて微量、例えば１００分の１以下となり、一酸化
炭素の発光強度を正確に検出することができずエッチン
グの終点を特定することが困難であった。

【０００７】このため、生成物の発光強度とともに添加
ガスの発光強度との差又は比を監視する方法（特開昭６
３−９１９２９号）なども提案されている。しかし、一
般にプラズマ反応系からの発光スペクトルの強度は、電
源出力のわずかな変動、質量流用コントローラの影響、
処理圧力の変動、プラズマに起因する基板温度の上昇等
により絶えずゆらいでおり、このゆらぎが原因で上述の
ように生成ガス等の発光強度の変化や添加ガスの発光強
度との差の変化を監視していても正確にエッチング終点
を求めることが困難であった。

【０００８】本発明はこのような従来の問題点を解決す
るためになされたもので、半導体基板等をドライエッチ
ングするに際し、正確にエッチング終点を検出すること
ができるドライエッチ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】このような目的を達成す
る本発明のドライエッチング方法は、２１０ｎｍ〜２３
６ｎｍの範囲内の所望波長から選ばれた所望スペクトル
強度を測定することにより、二酸化珪素またはシリコン
化合物のドライエッチングを制御するものであり、好適
には、２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１１．２ｎ
ｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍのいずれか
の波長のスペクトル強度を測定してドライエッチングを
制御するものである。

【００１０】

【作用】添加ガスの強い発光波長範囲から外れた紫外領
域の特定の範囲における生成ガスの発光強度を監視する
ことにより、添加ガスの発光スペクトルによる妨害を少
なくし、正確な発光強度の変化を測定することができ、
これによりエッチングの終点を正確に検出することがで
きる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のドライエッチング方法につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明のドライエッ
チング方法が適用されるエッチング装置１を示す図で、
主としてエッチャントを導入してプラズマを発生させ被
処理体２例えば半導体基板をエッチングするための真空
チャンバ３と、真空チャンバ３に対向して設置された一
対の電極４、５と、真空チャンバ３内の発光スペクトル
を監視するための制御部６とから成る。エッチングは、
被処理体２例えばシリコンウェハ上に形成された二酸化
珪素膜を選択的にエッチングするものとする。

【００１２】真空チャンバ３は、ゲートバルブ７を介し
て、また必要に応じて図示しないロードロック室を介し
て被処理体２を収納する図示しないカセットチャンバに
連結されており、ゲートバルブ７を開いて搬送機構によ
り被処理体２を搬送することができる。また真空チャン
バ３は、エッチャント例えばＣＨＦ₃、ＣＦ₄等のＣＦ系
ガス及びアルゴン、ヘリウム等の不活性ガスを導入する
ガス導入管９及び余剰ガスや反応生成ガス等を排気する
ための排気管１０が接続され、所定の真空度、例えば２
００ｍTorr程度に真空チャンバ３内を保つことができ
る。

【００１３】電極４、５は、平行平板電極を構成してお
り、一方例えば上部電極４が接地され、他方の下部電極
５がコンデンサ１１を介して高周波電源１２に接続され
ており、両電極間に高周波電圧を印加する。また下部電
極５には被処理体２を載置され、この被処理体２を確実
に固定するために、例えばクランバ等が設けられてい
る。

【００１４】更に真空チャンバ３の側面には、電極４、
５間に発生したプラズマの発光を外部に透過させるため
に石英等の紫外光透過性材料から成る窓１３が形成され
ている。この窓１３に近接して、窓１３を透過した光を
集光するためのレンズ１４が設置される。このレンズ１
４も石英等の紫外光透過性材料から成る。このように窓
１３及びレンズ１４の材料として石英等の紫外光透過性
材料を用いることにより、２５０ｎｍ以下のスペクトル
範囲の光も集光することができる。レンズ１４で集光さ
れた光は石英から成る光ファイバ１５を通して制御部６
に送付される。

【００１５】制御部６は光を所定範囲のスペクトルに分
光する分光器６１と、分光器６１によって得られた特定
波長の光を電気に変換する光電変換器６２と、増幅器６
３と、上記特定波長の光に対応する電圧の変化を監視し
判定部６４とから成る。分光器６１は、３００ｎｍ以下
の光に対する感度の良好なものを用いる。監視する波長
としては、２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲内の所望波長
から選ばれた特定波長、２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎ
ｍ、２１１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２
９ｎｍのいずれかを用いることが好ましい。判定部６４
は、例えばＡ／Ｄ変換器やＣＰＵなどから成り、発光強
度を監視してその変化を捉え、必要に応じ適当な演算を
行ない、エッチングの終点を検出する。

【００１６】次に以上のように構成されるエッチング装
置１における本発明に係るドライエッチング方法につい
て説明する。まず、被処理体２である半導体基板は図示
しない搬送機構によってロードロック室８から搬送され
下部電極５に載置される。この半導体基板の二酸化珪素
膜上には所定のパターン形状のマスクが露光工程を経て
形成されている。

【００１７】次いでバルブ７を閉じ排気管１０を介して
真空チャンバ３内を所定の真空度に真空引きした後、ガ
ス導入管９からエッチングガスとしてＣＦ系ガス、例え
ばＣＦ₃ガス及びＣＦ₄系ガスとアルゴンガス等の不活性
ガスを所定の流量で導入して所定のガス圧に維持すると
ともに両電極４、５間に所定周波数例えば１３．５６Ｍ
Ｈｚ、所定電力値例えば数１００ｗの高周波電力を印加
しながら、プラズマを発生させて被処理体２表面の二酸
化珪素膜部分をエッチングする。

【００１８】真空チャンバ３内に導入されたＣＦ系ガス
は、プラズマ中で解離して多種類の活性種を発生し、こ
れがエッチング反応に関与する。例えば活性種としてＣ
Ｆ₂ガスを例にとると、このＣＦ₂ラジカルによる反応は
次のように進行し、２ＣＦ₂＋ＳｉＯ₂→ＳｉＦ₄＋２ＣＯ一酸化炭素、ＣＯ⁺イオン、水素ラジカル、フッ素ラジ
カル等の生成物が発生する。

【００１９】これら生成ガスである一酸化炭素やＣＯ⁺
イオン、またプラズマ安定化ガスであるアルゴンガス、
エッチングガスであるＣＦガスはそれぞれ特有のスペク
トルをもって発光するが、この発光は真空チャンバ３の
窓１３及びレンズ１４を通して光ファイバ１５を介して
制御部６に送付されここで検出される。分光器６１は送
付された光を分光し、特定波長の光を光電変換器６２に
送出する。分光器６１で得られる発光スペクトルは上記
複数のガスのそれぞれの発光スペクトルの合成されたも
のであるが、一酸化炭素やＣＯ⁺イオンの発光スペクト
ルは３５０〜８６０ｎｍの範囲では最も多量に存在する
アルゴンガスのスペクトルとほぼ完全に重なってしま
う。しかし２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲では、特に波
長２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１１．２ｎｍ、
２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍのところでは一
酸化炭素又はＣＯ⁺イオンに由来する発光が認められ
る。従って、これらのいずれかの波長における発光を追
跡することによりエッチング終点における生成ガスの変
動を検出することができる。

【００２０】即ち分光器６１は分光された光のうち２１
０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲内の所望波長から選ばれた特
定波長の光を光電変換器６２に送り光電変換器６２はそ
の光強度に対応する強さの電気に変換する。ところで通
常ＣＯ又はＣＯ⁺はエッチングが行なわれている間は、
一定量に保たれるか或いは特定の減少曲線を描いて順次
減少しながら発生しつづけるが、エッチングの終点にな
ると急激に減少する。このような生成ガスの変化は、光
電変換器６２から出る電気信号の大きさとして判定部６
４に送出され、判定部６４はこの電気信号に基づき所定
の演算を行ない、生成ガスの急激な変化を検出する。判
定部６４の行なう演算としては例えば生成ガスの変化曲
線の近似曲線を求め、この近似曲線から所定の閾値以上
の変化があったとき、これを判定する。或いは変化が所
定の閾値以上になったときを判定し、これをエッチング
終点とする。

【００２１】この判定部６４の判定に基づき、自動的に
或いは手動でエッチングを終了する。また、被処理体に
よってオーバーエッチングが必要な場合には判定部６４
が終点を判定したときから、所定のオーバーエッチング
時間の後、エッチングを終了する。実施例１エッチングガスとしてＣＨＦ₃を２０SCCM、ＣＦ₄を２０
SCCM及びアルゴンガスを４００SCCMで真空チャンバ内に
導入し、２５０mTorr（mt）、ＲＦ１３．５６ＭＨｚ、
６００Ｗ、ウェハ温度−２５℃でプラズマエッチングを
行なった。被処理体は、シリコン上に１００００オング
ストロームの酸化シリコン膜を形成したウェハ（開口率
１００％、以下ベタウェハという）である。比較例とし
て、シリコンのベアウェハ（酸化膜を形成していないも
の）を用い同様の処理を行なった。図２にベタウェハ
及びベアウェハの発光スペクトルを示す。図中、太実線
はシリコンのベアウェハの発光スペクトルを、細実線は
開口率１００％のベタウェハの発光スペクトルを示す。
ベアウェハでは、上記条件によるエッチングでは、反応
しないのでＣＯ又はＣＯ⁺は発生せず、エッチングガス
及びアルゴン（Ａｒ）の重なったスペクトルが見られ
る。また、酸化シリコン膜を形成したウェハでは、ＣＯ
又はＣＯ⁺に起因するスペクトルの変化が認められ、こ
の変化は２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲で著しいことが
わかった。特に２１１．２ｎｍ、２１９．０ｎｍ、２３
０．０ｎｍ及び２３２．５ｎｍではベアウェハでは見ら
れないピークが認められ、２２４〜２２９ｎｍではその
範囲にわたって発光強度の増加が認められた。従って、
このピーク或いは発光強度が変化する領域を監視するこ
とにより、生成ガスの変化を正確に検出できることがわ
かる。

【００２２】図５に従来の終点検出波長（４８２ｎｍ）
付近の発光スペクトルを示す。この図は図２と同一条件
で測定したものである。図５よりベタウェハの場合４０
０ｎｍ〜６００ｎｍ付近まで反応生成物のＣＯの発光に
よる発光量の増加が確認できる。さらに従来の４８２ｎ
ｍ付近は添加ガスのＡｒの発光の谷間であり、左右のア
ルゴンの発光ピークはＣＯの発光の強い４００ｎｍ〜５
００ｎｍにおいて比較的弱い方であり、またＡｒの間隔
が最も広い波長であり、４００ｎｍ以上の波長帯では終
点検出波長として最適であることがわかる。しかしベタ
ウェハでのＣＯの発光強度は近くのＡｒの発光強度の約
１０分の１であり、さらにＡｒとの波長差は１．５ｎｍ
程度しかない。

【００２３】一方、図２より２１９ｎｍ付近では、近く
のＣＦ₁（２２３．８ｎｍ）の発光強度とベタウェハか
らの反応生成物の発光である２１９ｎｍの発光強度はほ
ぼ等しいことが判る。さらに波長差は４．８ｎｍあり、
安価な低分解能の分光器でも充分にＣＯの発光を分光す
ることができる。また、逆に分解能を下げられる分光量
を増加し、ノイズに対し強くすることもできるメリット
がある。これら発光スペクトルの比較から新しい検出波
長２１９ｎｍが終点検出波長としてより優れていること
がわかる。実施例２に実際のエッチング中の光量変化を
示す。実施例２実施例１と同様の条件で開口率１０％の酸化シリコンを
エッチングし、エッチング経過に伴う２１９．０ｎｍに
おける発光強度の変化（太実線）及び４８２．０ｎｍに
おける発光強度の変化率（細実線）を分光器を２台用い
て同時刻に監視した結果を図３に示す。図３からも明ら
かなように発光強度はエッチング開始から漸次減少し、
約１５０秒経過した時点から急速に減少し約１７０秒後
には曲線がフラットになった。即ち、この時点でエッチ
ングが終了したことがわかる。減少曲線の近似曲線を１
７０秒まで延長したときの発光強度と実際の発光強度と
の差を１００秒の時の発光強度を１００として換算した
値（変化率）は、３．４％であった。これに対し、従来
の測定波長である４８２．０ｎｍにおける発光強度の変
化率（細実線）は、１．８％であり、本発明の方法が変
化率が大きく、優れていることがわかる。

【００２４】図６に同一条件でベタウェハ（開口率１０
０％）でのエッチング中の光量変化を示す。図６よりベ
タウェハでも本発明の方法では変化率が２倍近く大き
く、優れていることがわかる。実施例３実施例１と同様の条件で真空度を１．７Torr（t）に変
えてエッチングを行ない、開口率１０％の場合の変化率
を求めた。この場合の、各波長における変化率を図４に
示した。併せて２５０mTorr（mt）の場合の変化率も示
した。なお図中、太実線は２５０mTorr（mt）の場合の
ベアウェハのスペクトルを、点線は同様に２５０mTorr
の場合のベタウェハのスペクトルを示し、細実線は１．
７Torr（t）の場合のベアウェハのスペクトルを示す。
また参考としてアルゴンガスだけを導入した場合のスペ
クトル（５００mTorr）を示した。図４からも明らかな
ように、波長２１９．０ｎｍのところでは５％以上の変
化率を示し、また２１１．２ｎｍ、２３０．０ｎｍ及び
２３２．５ｎｍのところでも約２％の変化率を示した。

【００２５】以上の実施例から、波長２１０〜２３６の
範囲、好適には２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１
１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍの
発光強度を監視することにより、エッチングガスの終点
を正確に検出できることが明らかである。なお、エッチ
ングガスの終点の検出には、生成ガス（ＣＯ又はＣ
Ｏ ⁺）の変化だけを監視してもよいが、生成ガスの変化
とエッチングガスの変化との比を取る等の終点検出方法
と組合せてもよいことはいうまでもない。

【００２６】また、以上の実施例ではエッチングガスと
してＣＦ系ガスと添加ガスとしてアルゴンを用いた例に
ついて説明したが、本発明のドライエッチング方法は紫
外領域に発光ピークを有する生成ガスを生じるドライエ
ッチング方法或いは紫外領域に発光ピークを有するエッ
チャントを用いたドライエッチング方法にも適用するこ
とができる。

【００２７】さらに本発明は、二酸化珪素膜をエッチン
グする場合に限定されるものではなく、ポリシリコン膜
や、アルミニウム合金膜などをエッチングする場合に適
用してもよく、また被エッチング膜の下地である材質と
しては、単結晶シリコン以外の材質、例えばポリシリコ
ンや酸化膜などであってもよい。なお本発明は、陰極側
に被処理体を置いたカソードカップリング形、陽極側に
被処理体を置いたアノードカップリング形のいずれのエ
ッチング装置にも適用できるし、別途熱電子源などによ
って反応性ガスプラズマを放電室で発生させ、これをエ
ッチング領域に導くといったエッチング方法にも適用で
きる。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように本発明
のドライエッチング方法によれば、エッチングの際に紫
外領域の特定波長２１０ｎｍ〜２３６ｎｍにおける発光
強度を監視するようにしたので、開口率が小さく検出す
べき生成ガス量が少ない場合でも、またエッチングガス
中に多量の不活性ガスが含まれていて結果として生成ガ
ス量の濃度が低い場合でも、正確に生成ガス量の変化を
追跡することができ、エッチングの終点を正確に検出す
ることができる。これにより下地材料が不必要に削られ
ていったり、或いはエッチング形状が変ってしまう等の
過剰エッチングを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のドライエッチング方法が適用されるエ
ッチング装置の一実施例を示す図。

【図２】波長２１０ｎｍ〜２３６ｎｍにおけるドライエ
ッチング時の発光スペクトルを示す図。

【図３】開口率１０％のウェハをエッチングした波長２
１９．０ｎｍ及び４８２．０ｎｍにおける発光強度の変
化を示す図。

【図４】ドライエッチング時の発光スペクトル及び変化
率を示す図。

【図５】従来の終点検出波長４８２ｎｍにおけるドライ
エッチング時の発光スペクトルを示す図。

【図６】開口率１００％のウェハをエッチングした波長
２１９．０ｎｍ及び４８２．０ｎｍにおける発光強度の
変化を示す図。

【符号の説明】

１・・・・・・エッチング装置２・・・・・・被処理体３・・・・・・真空チャンバ６・・・・・・制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理体をエッチングガスによりドライエ
ッチングするに際し、２１０ｎｍ〜２３６ｎｍの範囲内
の所望波長から選ばれた所望スペクトル強度を測定する
ことによりドライエッチングの終点を決定することを特
徴とするドライエッチング方法。
【請求項２】前記エッチングガスがＣＦ系ガスであり、
前記波長が、２１９．０ｎｍ、２３０．０ｎｍ、２１
１．２ｎｍ、２３２．５ｎｍ及び２２４〜２２９ｎｍの
いずれかであることを特徴とする請求項１記載のドライ
エッチング方法。