JPS636845A - 反応性イオン・エツチング装置と方法 - Google Patents

反応性イオン・エツチング装置と方法

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JPS636845A
JPS636845A JP62110911A JP11091187A JPS636845A JP S636845 A JPS636845 A JP S636845A JP 62110911 A JP62110911 A JP 62110911A JP 11091187 A JP11091187 A JP 11091187A JP S636845 A JPS636845 A JP S636845A
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リンダ・メロ・エピラス
ジェラルデイン・コージン・シュワルツ
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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 この発明は総括的に、反応性イオン・エッチング終点の
検出に関するものであり、詳細にいえば。
レーザ誘導蛍光による終点の検出に関するものである。
Ｂ、従来技術 現在−般に、反応性イオン・エッチングまたはプラズマ
・エツチングを使って、絶縁体、半導体または金属のい
ずれかの薄膜に、これらの薄膜の一部をプラズマ放電で
除去することによって、細線のパターンおよびトレンチ
を描いている。エツチングめ対象となるウェハはプラズ
マ・チェンバ内に置かれ、このチェンバ中に減圧された
ガスの混合体が送り込まれる。高周波エネルギーを印加
することによって発生するプラズマ放電が存在している
場合１反応性の種が解離イオン化または衝撃イオン化な
どの処理によって、供給ガスから生じる。薄膜の一部が
反応性の種と薄膜の間の化学反応により、またプラズマ
中に存在するイオンによる薄膜の衝撃により除去される
。化学反応および薄膜のイオン衝撃によって形成された
ガス状反応生成物は、真空ポンプを使って連続的にチェ
ンバから除去される。
反応性イオン・エッチングを使った場合に生じる問題の
ひとつは、エツチング速度を十分に再現できないという
ことである。部分的には、このエツチングの再現性の間
厘は、エッチ生成物の存在が時間に依存すること、エツ
チングの対象となるウェハの表面温度を完全に制御する
ことが困難なこと、エツチングの対象となる材料の量が
バッチごとに異なること、あるいは負荷によってプラズ
マの組成が変動することによって生じるものである。エ
ツチング速度のこの変動により、反応性イオン・エッチ
ングでは多くの場合に、エツチング工程の完了を検出す
るため監視を行なう必要がある。このため、エツチング
工程の終了を検出し、エツチングの行なわれている層の
下のサブレイヤにオーバー・エツチングが生じる前にエ
ツチングを終わらせることが重要である。このようなオ
ーバー・エツチングが有害なのは、これがエツチングの
行なわれている層の下の基板またはサブレイヤを侵すか
らだけではなく、これがエッチ・パターンのアンダーカ
ットを生起し、これによってエツチングされた層の所期
の形状の寸法を変えてしまうからである。
典型的な終点検出手法において、エツチングされる層か
らの化学種の大多数は、エツチング・プラズマに入り、
エツチング工程でエツチングされる層が消費された場合
に、この大多数の化学種に関連するスペクトル線を監視
することによって、観測される。工程を終了する時間は
、この監視される大多数の化学種のスペクトル線の強さ
の変化から推定される。エツチングされる層から生じる
大多数の化学種を監視することは、エツチングされる層
と、その下のサブレイヤが異なる材料で構成されている
という多くの状況で適切に行なわれる。しかしながら、
エツチングされる層と、その下のサブレイヤの組成が似
通った、あるいは同一である場合、エツチングされる層
からの大多数の化学種の監視によって、エツチングの終
点を決定することはできない。エツチング負荷の非均一
性を補償する手法を利用した場合、同様な問題が生じる
。たとえば、高純度のアルミニウム・ターゲット上にウ
ェハを沈積させることによって、ウェハ上のアルミニウ
ムのフィルムを何回もエツチングし、これによってアル
ミニウム・フィルムの付随的なアンダーカットをもたら
す、エツチング工程の終了間際の種の急激で大量な過剰
エツチングを防止する。しかしながら、このアルミニウ
ム・ターゲットを使用することは、大多数のアルミニウ
ムの種を監視することによってエツチングの終点を決定
することを妨げるものである６Ｃ０発明が解決しようと
する問題点 この発明は上述の欠点を軽減しようというものである。
詳細にいえば、この発明はエツチングされるフィルムと
その下にあるサブレイヤの大多数の種が同一な場合に、
フィルムに対するエツチングの終点を決定する問題を解
決するものである。
さらに、この発明はエツチングされるフィルムの大多数
の種が、エツチングされるウェハに隣接して付着された
特別に設計されたターゲットと同じものである場合に、
フィルムに対するエツチングの終点を決定するという問
題を解決するものである。
Ｄ０問題点を解決するための手段 簡単にいえば、この発明はひとつまたはそれ以上の集積
回路ウェハの所定の層が、その下にある第２の層までエ
ツチングされた際に、エツチングを自動的に変更するこ
とのできる反応性イオン・エッチング装置を与えるもの
であって所定の層および第２の層において、監視される
少数の種の濃度が異っており、高い濃度はウェハの１０
重量％以下である。装置はチェンバおよびウェハをその
内部に置くための手段を含んでいるプラズマ反応器ハウ
ジングと、所定の層を第２の層までエツチングし、かつ
少数の種をプラズマ中へ進入させ。
所定の層が第２の層までエツチングされた場合に、プラ
ズマ内の少数の種の濃度を変化させるのに適したプラズ
マをチェンバ内に発生させる手段と。
プラズマ内の少数の種を励起エネルギー状態までポンピ
ングするのに適した第１周波数を有するレーザ・ビーム
をチェンバ内のプラズマ中へ送り、励起エネルギー状態
のポンピングされた少数の種が低いエネルギー状に下が
るとき、該少数種に第２周波数の放射線を放射させる手
段と、チェンバ内の第２周波数の放射線のみを検出し、
第２放射周波数のパラメータの変化を検出した場合に、
制御信号を発生する手段と、エツチング・イオン・プラ
ズマ発生手段を制御して、検出手段からの制御信号にし
たがってプラズマの発生を変化させる手段とからなるも
のである。
好ましい実施例において、プラズマ発生手段は適当な気
体からプラズマを発生させるための高周波源と、制御信
号にしたがって高周波源を制御するよう作動する制御手
段とを含んでいる。レーザ・ビーム送出手段はパルス状
のレーザ・ビームをプラズマ中へ送るための手段からな
っているものでかまわず、また検出手段はレーザ・ビー
ムのパルスの各々ののちの所定の時間の間だけ第２放射
周波数を検出するための手段を含んでいてもかまわない
。
この発明の一実施例において、エツチングされた所定の
層は少数種のＣｕを含んだＡｌフィルムであり、少数種
としてＣｕを含んでいない第２の層が前記層の下に付着
されている。この実施例においては、ＣＱを含むプラズ
マが利用され、レーザ・ビーム送出手段はＣｕＣＱをポ
ンピングするのに適した第１周波数を有するレーザ・ビ
ームを検出する手段を含んでいる。
この発明の他の実施例において、エツチングの対象とな
る所定の層はＡｌドーピングを含まないＳｉＯ２であり
、その下の第２の層は監視の対象となる少数種を含有す
るＡｎの入った。複数個のＡｌ合金スタッドを含んでい
る。この実施例においては、Ｆを含有するプラズマが利
用され、かつＡＩＩＦのＡｌの少数種をポンピングする
のに適した第１周波数を有するレーザ・ビームが利用さ
れる。
この発明のさらに他の実施例においては、エツチングの
対象となる所定の層は少数種としてＡｓを含むＳｉ、お
よび少数種としてＰを含むＳｉという群から選択される
。所定の層が少数種としてＡｓを含むＳｉである場合、
Ａｓの少数種にＡｓＣＱおよびＡｓＦからなる群から、
プラズマ内の種を形成させるプラズマが利用される。
この発明のさらにまた他の実施例においては、Ｂの少数
種によって高濃度にドープされた多結晶シリコンが利用
され、かつ所定の層よりも少なくとも５０％低い濃度で
Ｂの少数種を含んでいる第２の層がその下に沈積される
。
この発明はさらに、ウェハの所定の層がその下にある第
２の層までエツチングされた場合に、反応性イオン・エ
ッチング反応器のチェンバ内にある集積回路ウェハのエ
ツチングを自動的に制御する方法を包含するものであっ
て、所定の層と第２の層の少数種の濃度は異なっており
、少数種の層の濃度はウェハでの濃度の１０重景％以下
である。
この方法は所定の層を第２の層までエツチングし、かつ
少数の種をプラズマ中へ進入させ、所定の層が第２の層
までエツチングされた場合に、プラズマ内の少数の種の
濃度を変化させるのに適したプラズマをチェンバ内に発
生させることと、プラズマ内の少数の種を励起エネルギ
ー状態までポンピングするのに適した第１周波数を有す
るレーザ・ビームをチェンバ内のプラズマ中へ送り、励
起エネルギー状態のポンピングされた少数の種が低いエ
ネルギー状態に下がるとき、該少数種に第２周波数の放
射線を放射させることと、チェンバ内の第２周波数の放
射線を検出することと、第２放射周波数のパラメータの
変化を検出した場合に、制御信号を発生し、これによっ
て所定の居が第２の暦までエツチングさ九たことを示す
ことと、制御信号にしたがってプラズマの発生を変化さ
せることとからなるものである。
Ｅ、実施例 この発明はウェハ内の所定の層を、その下にある第２の
層までエツチングした際の、少数種の濃度の変化にした
がって反応性イオン・エッチング装置におけるエツチン
グを改変する方法および装置を提示するものである。ウ
ェハ層の０．１重量％未満の少数種を、パルス・レーザ
を利用したレーザ誘起蛍光手法によって検出できること
が発見された。プラズマの放出による比較的強い放射線
バックグラウンドのために必要とさ九るＬＩＦし−ザ・
ビームのパルス的な性質とは関係なく、このような少数
種をＬＩＦ手法を使用して極めて高い感度で検出できる
ことが発見された。
したがって、この発明はエツチング反応器中でエツチン
グされるウェハの１層またはそれ以上の層における少数
種のレーザ誘起蛍光による監視を、この少数種の監視に
よって発生する制御信号を使用することと組み合わせ、
エツチング反応器中のエツチングを制御することを、広
範囲にわたって対象とするものである。この発明を種々
さまざまな例によって説明する。留意しなければならな
いのは、これらの例が限定のためではなく、この発明の
種々さまざまな態様を説明するために記載されたものだ
ということである。
第１図には、単結晶シリコンその他の半導体材料の選択
的エツチング（二酸化シリコンまたはチン化シリコンで
マスクされていない領域における）のためのものであっ
て、かつこの発明を実施するために利用することのでき
るシステム１ｏの一実施例が示されている。システム１
０はプラズマ・エツチング反応器１２を含んでおり、こ
の反応器はさまざまな現在利用可能なプラズマ・エツチ
ング装置または反応的イオン・エッチング装置の任意の
ものによって具体化されるものであってもかまわない。
このような装置のひとつは「電気化学学会、プラズマ・
エツチングおよび付着に関するシンポジウム議事８　（
Ｐｒｏｃ、　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ　
Ｐｌａｓｍａ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｐｏｓｆ
ｔｉｏｎ　ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍＳｏｃ、　）Ｊ　、
　Ｖｏｌ、　８１−１、ｐｐ、７５−８５．１９８１年
に掲載されたＪ、レカトン（Ｊ。
Ｌｅｃｈａｔｏｎ）およびＪ、Ｌ、マウア（Ｊ、　Ｌ、
　Ｍａｕａｒ）の記事に記載されている平行板反応性イ
オン・エッチング装置である６平行な板体電極を有する
標準的な平板型の反応器１２が、図面に示されている。
エツチング反応器１２のチェンバは典型的な場合、５Ｘ
１０−’ｈル以下の真空度まで減圧されている。この反
応性エツチング・チェンバは希望するプラズマを形成す
るのに適したガス混合物、たとえばアルゴンと塩素の混
合物であって、塩素がフルボン−塩素ガス混合物の３％
〜７％であるものによって、再充填されている。結果と
して得られるガスの圧力は、約３０ミリトルである。そ
の他のガス、たとえばＳ　Ｆ　ｓ　／　ＣＱ　／　Ｈｅ
およびＣＦ４をこの混合物に使用することもできる。
この例のシステム１０において、１３．５６ＭＨｚの高
周波電源１４が反応器１２に接続され、高周波電力をエ
ツチング反応器のチェンバ内の電極に与えている。エツ
チング反応器ないに配置された集積回路ウェハ１６が図
示されている。もちろん、複数ウェハのエツチング反応
器を、第１図に示した単一ウェハのエツチング反応器の
代りに利用してもよいことを、理解されたい、チェンバ
内に希望するプラズマを発生されるために適当なガス混
合物をエツチング反応器１２のチェンバ中に導入する１
個またはそれ以上のガス入σ（図示せず）が設けられて
いる。レーザ誘起蛍光（ＬＩＦ）の検出を行なうために
、−対の対向する窓２０および２２を通して、エツチン
グ反応器１２のチェンバにレーザ・ビームを送るレーザ
１８が設けられている。各種の携帯可能で、廉価なレー
ザが市販されているので、これをこの発明を実施するた
めに利用することができる。利用されるレーザの型式は
、この発明にしたがって監視される少数種をポンピング
するのに必要な波長によって左右される。限定するもの
ではないが、たとえば。
レーザ・サイエンス社（Ｌａｚｅｒ　５ｃｉｅｎｃｅ）
のＤＣＲ１チッ素ポンピング色素レーザを、レーザ１８
として利用してもよい。あるいは、クアンタ・レイ社（
Ｑｕａｎｔａ　Ｒａｙ）のＤＣＲ２レーザによってポン
ピングを行なったＰＤＬＩ色素レーザからなるＮｄ　：
　ＹＡＧレーザを、ＫＤ＊Ｐ結晶を使用して周波数を２
倍にして利用してもよい。１７０ｎｍ〜４５００ｎｍの
範囲の放射線を通すことのできる、標準的な石英窓によ
って、窓２０および２２を簡単に構成してもよい。
上述したように、監視対象となる選定された少数種の吸
収線と重なるように、レーザ・ビームからの光のスペク
トル・エンベロープを選ぶ。適切なスペクトル・エンベ
ロープを有するレーザ・ビーム１８を、プラズマを通し
てエツチング反応器１２のチェンバに送ると、プラズマ
内の選定された少数種が所定の高いエネルギー状態まで
励起される。これらの励起された少数種の分子は次いで
、低いエネルギー状態に下り、この下降時に第２の周波
数の放射線を放出する。この第２の周波数の放射線（蛍
光）はプラズマ中に少数種が存在することを示すもので
ある。この第２の周波数の放射線の相対強さは、プラズ
マ中の少数種の濃度を示すものである。
この第２の周波数の放射線を検出するために、適切な材
料の第３の窓２４をエツチング反応器１２のチェンバに
設ける。典型的な場合、この窓２４は２つの窓２０およ
び２２の間の線に対しである程度の角度をなして配置さ
れ、レーザ励起源１８からの散乱光が検出されることを
相当程度削減するようになっている。この第２の周波数
の放射線を検出する実際の手段は、重要なものではない
。
たとえば、１組のレンズ２６および２８を荒３０と組み
合わせて用い、この第３の窓２４から得られた放射線を
光電子増倍管３４などの検出器に与えてもよい。たとえ
ば、ＲＣＡ社製の光電子増倍管を利用してもかまわない
。窓２４から得られる光からのその他の外来周波数を除
去するため、モノクロメータまたはフィルタ３２を、利
用してもかまわない。−般に、このモノクロメータまた
はフィルタ３２は、レンズ光学系２８ａと光電子増倍管
３４の間に配置される。たとえば、このフィルタ３２を
、５ｎｍの帯域を有する誘電フィルタによって具現化し
てもかまわない。
第２の周波数の信号の信号雑音比を改善するために、パ
ルス・レーザ１８をゲート付き積分器３６と組み合わせ
て用いるが、この積分器は光電子増倍管３４からの信号
を受は取るように接続され、かつレーザ１８からの制御
信号によってトリガされる。典型的なレーザ・プルスの
継続時間は、１〜５０ナノ秒である。ゲート付き積分器
３６はレーザ・パルスの開始に同期されており、そのゲ
ートを約５０ナノ秒の間導電状態に保持する。このゲー
ト作用は信号からのかなりの量の背景干渉を除去する。
このシステムはこの第２の周波数の放射線のパ、ラメー
タを監視し、エツチング反応器１２のチェンバ１２内の
エツチング・プラズマの組成に変化が生じた時期を決定
するようになされている。典型的な場合、反応器内のこ
のプラズマ組成の変化は、ウェハ上の所定の層がその下
の第２の贋までエツチングされたことの結果である。−
般に、監視されるパラメータは、光電子増倍管３４によ
って検出される第２の周波数の放射線の強さである。
第２の周波数の放射線のこの強さのパラメータの変化を
検出するために、積分器３６からのゲートされた信号が
、線３８を介して、比較器４ｏに与えられる。比較器４
０は積分器３６からの電気信号の振幅を、線４２に与え
られる基準値と比較する。比較器４ｏは腺４４に信号を
発生し、高周波電源１４の動作をこの比較にしたがって
制御する。
上述の装置の動作を、ウェハの所定の居をその下にセッ
トされた第２の層までエツチングすることについて説明
するが、この場合、所定の層および第２の層が有する少
数種の濃度は異なっており、高い方の濃度はウェハの層
のいずれかに対し１０重量％以下となっている。エツチ
ングの対象となるウェハは反応器１２のチェンバ内に置
かれ、適当なガス混合物がチェンバに与えられ、プラズ
マの発生を容易とするようになっている。次いで、高周
波電力が高周波電源によって、公知の態様でチェンバに
与えられ、ウェハ１６の所定の層をエツチングするため
の希望するエツチング・プラズマをチェンバ内で発生す
る。エツチングされるウェハの層からの多数種および少
数種の原子および分子は、エツチング工程中にプラズマ
に進入する。
エツチング操作が進行すると、選定された少数種を励起
するのに適当な波長エンベロープを有するレーザ１８か
らのレーザ・ビームが、窓２０および２２を介して反応
器１２のチェンバ内のプラズマへ送られる。このレーザ
・ビームはプラズマ内の選定された少数種を、励起エネ
ルギー状態まで励起する。これらの励起された少数種の
分子は次いで、低エネルギー状態に下り、この減衰中に
第２の周波数の放射線を放出する。この第２の周波数の
放射線は光学系２６．２８および３ｏによって、エツチ
ング反応器１２のチェンバから光電子増倍管３４に取り
出され、プラズマ中の少数種の所定範囲の濃度を示す信
号を、光電子増倍管に発生させる。この所定の層がその
下にある第２の層までエツチングされた場合、反応器１
２のチェンバ内のプラズマにおける少数種の濃度に比較
的鋭い変化が生じるが、これは所定の層と第２の層の少
数種の濃度が異なるからである。プラズマ内の少数種の
濃度のこの変化は、光電子増倍管３４で検出される光の
強さの変化をもたらし、それ故、比較器４０に印加され
る線３８上の電気信号の変化をもたらす０次いで、比較
器４ｏが作動し、制御信号４４を発生して、高周波電源
１４をオフとし、これによってエツチング反応器１２内
でのプラズマの発生を停止させる。
この発明の動作のさまざまな例を、特定のウェハ構造に
聞達して説明する。
夕ＬＬ アルミニウム・フィルムの反応性イオン°エツチング処
理の際に、ウェハは通常高純度のアルミニウム・ターゲ
ット上に置かれ、エツチング処理の最終工程での負荷の
大幅な変動を避けるようになっている。高純度のアルミ
ニウム・ターゲットは終点の近くで、エツチング種が突
然過剰となることを防止し、これによってエツチング負
荷の変動に伴うアンダーカットを防止するものである。
しかしながら、アルミニウム・ターゲットがプラズマ内
にアルミニウムの大量なバックグラウンドをもたらすも
のであるため、Ａｌ種の濃度がＡｌフィルムの終点を、
高い信頼性で示すことはできない。しかしながら、標準
的なＡｌフィルムはドーパントとして、２〜５％の銅を
含有している。
標準的なＣＱを含有したプラズマ、すなわち、ＢＣＱ、
プラズマを利用した場合、ＣｕＣＱのＣｕ少数種が発生
し、ＡＩ２フィルムのエツチング中プラズマの一部とな
る。
Ａｌ金合金中Ｃｕの濃度が極めて低いため、プラズマ中
のＣｕＣｌ２を鋭敏に検出することは、考えられなかっ
た。しかしながら、出力１００　ＫＷのチッ素でポンピ
ングした色素レーザを反応器１２のチェンバ中へ送り、
ＣｕＣＱの吸収帯域の５１５．２ｎｍの線（これは（１
，０）Ａ’７Ｃ−ｘ１ε遷移に対応する）に対して調整
した場合、結果として得られる蛍光を監視することによ
って、極めて良好な感度が得られた。この特定の実験に
おいて、（１，２、）Ａ−Ｘの遷移に対応する５３８．
１ｎｍにおける［ＣｕＣＱ］ｘの発光バンドが、監視さ
れた。この遷移波長が有利なのは。
これがレーザの波長と十分に離れたものだからである。
留意しなければならないのは、ゲートされた検出と組み
合わせてレーザのパルス化を利用し、プラズマからのバ
ックグラウンドの放出を最少限となしているにもかかわ
らず、このＣｕＣＱの線の感度が極めて良好だからであ
る。
したがって、この手法を用いて、特定のレーザの遷移線
をＬＩＦで検出して、プラズマ内のＣｕＣＱ’７３度を
監視することによって、エツチングを終点を決定した。
層内の少数種からの遷移を監視するこの手法は、アルミ
ニウムのターゲットによって発生した干渉に敏感ではな
く、それ故、終点を極めて正確に与えてくれるので、有
利である。
さらに、この少数種の監視手法は、反射率監視手法では
・単一のウェハ上の単一の点に対するエツチング速度だ
けしか示されない。多重ウェハの用具に使用できるエツ
チング終点の検出を可能とするものである。反射率監視
の場合とは対照的に、エツチングの組成が反応器ないに
存在しているウェハのすべてのエツチングによって決定
されるものであるため、この明細書で開示するＣｕＣＱ
遷移検出手法を利用して、最後のウェハが完全にエツチ
ングされた時期、すなわち［ＣｕＣＱ］　ｘがもはや発
生しなくなる時期を決定することもできる。
前述のように、線３８上の信号はプラズマ内のＣｕＣＱ
の濃度を示す電気信号である。この信号の振幅が所定の
レベルよりも低くな・った場合、反応器１２のチェンバ
内にあるウェハの所定の層のエツチングされたものとみ
なされる。したがって、線３８上の信号がこの所定のレ
ベルまで下がった場合、線４４の制御信号を発生させ、
高周波電源１４をオフにすることが望ましい。比較器４
ｏが作動し、線３８上の信号の振幅を、１４２上の適当
な基準信号と比較したのち、線４４上に制御信号を発生
する。たとえば、４％のＣｕを含有しているＡｆｌ層の
エツチングの終点を検出する場合、線４２上の基準信号
は、線３８上の初期信号値の５％以下でなければならな
い。したがって、線３８上の信号のレベルが比較器によ
って、線４２上の基準信号の５％未満であると決定され
た場合、比較器４０は線４４上に制御信号を発生し、高
周波電源１４をオフにする。
第２図は、下にある第２のｆｉ５２がＳ　ｉ　Ｏ２であ
る。４％のＣｕを含有したＡｎの所定の層５゜の略断面
図を示すものである。ＡｌおよびＣｕのさまざまな種が
所定の層５ｏのエツチング中にプラズマに進入すること
が、示されている。
孤又 第３図には、ホウ素のドーピング濃度が１０１ｓ〜１０
１′原子／ａｍ’程度と低い、下にある多結晶シリコン
の第２の層６２までエツチングされる。
ホウ素のドーピング濃度が１０２０程度と高い多結晶シ
リコンの所定の層６０の略断面図である。さまざまなホ
ウ素の種がプラズマに進入することが、示されている。
このエツチングの状況において、少数種のホウ素が層６
０および６２の両方に存在していることがわかる。しか
しながら、層６２内のホウ素の少数種の濃度は、所定の
層６０内のホウ素の濃度よりも少なくとも５０％少なく
されている。したがって、所定の層６０のエツチングの
終点を決定するため、比較器４０の［４２上の基準値に
、所定の層のエツチングが初めて開始されたときの線３
８上の信号の初期値よりも、少なくとも５０％低い値が
与えられる。線３８上の信号の振幅が線４２上のこの５
０％の基準信号値よりも低くなった場合、比較器４０は
線４４上に制御信号を発生し、高周波電源１４をオフに
する。この例においては、波長が２７２．０ｎｍの出力
１００ＫＷのレーザ・ビームを使用して、ＢＣｌ２のＸ
−＋λ遷移をポンピングした。第２の周波数の放射線が
、Ｘ−）Ａの遷移に対する２８４．７５ｎｍという波長
を監視することによって得られた。あるいはまた、１９
５．７５ｎｍという波長のレーザ・ビームを使用して、
ＢＦのＸ→Ａ遷移をポンピングすることもできる。第２
の周波数の放射線が、Ｘ−＋Ａの遷移に対する２０１．
１ｎｍという波長を監視することによって得られた。
叢且 例３は金属スタッドを利用した垂直配線工程に関する終
点の検出に関するものである。この場合、重要なのは金
属スタッドが全数露出すると同時に、エツチングを停止
し、周囲の層へのオーバーエツチングによってもたらさ
れるキャパシタンスと絶縁の問題を防止することである
。第４図は、ＳｉＯ２の所定のＩＪ７０を、たとえばア
ルミニウムの金属化スタッド７２までエツチングする場
合を示す略断面図である。典型的な場合、スタッド７２
は、たとえば、Ｓ　ｉ　Ｏ２のＭ７４に設置される。
この場合、アルミニウム・スタッド７２は層７４全体で
極めて小さい部分を構成しており、それ故、監視の対象
となる少数種を構成する。動作時に、プラズマが所定の
Ｍ２Ｏをスタッド７２までエツチングすると、さまざま
なＡｆｌの種がプラズマに進入する。プラズマ内のＡｌ
の少数種の量を監視し、エツチングが最初のスタッドに
到達した時期を決定し、かつスタッドの全数が露出した
時期を決定することができる。
第４図という特定の例において、Ｆを含有するプラズマ
を利用して、Ａｌ合金スタッド７２の表面７６をＡＩＩ
ＩＦに変換する。このＡｌＦの表面７６をプラズマ内の
エネルギー・イオンによってスパッタする。レーザ１８
をＡρＦの波長２２７゜〜 ４７ｎｍに合わせ（Ａ−）Ｘの遷移）、次いでＸ−）Ａ
ｎ移の蛍光に対する２３１．６４ｎｍという波長を検出
することによって、ＡｌＦの少数種が存在することを監
視できる。
プラズマ・エツチングが最初のＡｌスタッド７２に達し
た時期を検出するためは、Ｓｉｎ、の所定の層７ｏまで
エツチングを行なったとき、線３８上で検出された信号
よりも１０％程度大きなレベルに、比較器４０への線４
２上の基準値を設定すればよい６線３８上の信号の振幅
が線４２上の基準レベルよりも高くなると、比較器４０
はｌＡ４４上に信号を発生する。線４４上の信号を利用
して、第１図に破線で示すタイマ８０を付勢することが
できる。タイマ８０を使用して、最初のスタッドが露出
してからスタッド全部が露出するまでにかかった時間に
等しい所定の時間をカウントする。タイマ８０はこの所
定の時間値のカウントを完了すると、信号を発生し、高
周波電源１４をオフにする。あるいはまた、積分論理回
路（図示せず）を線３８に直結し、これを利用して、最
初のスタッドが露出したことを比較器４０が決定したの
ち、線３８上の信号を積分し、スタッド７２の全数が露
出したことを示す一定値に、その信号の振幅が達した時
期を決定することもできる。
タレし 最後の例は、ドープされたサブコレクタ領域までのエツ
チングの終点を検出することに関するものである。第５
図はこのようなサブコレクタ構造を有するウェハの略断
面図である。ウェハはたとえば、ｐ型またはｎ型のいず
れかのサブコレクタ・ドーピングの行なわれたシリコン
・ウェハまたはヒ化ガリウム・ウェハである。第５図に
示した例においては、Ｎ＋にドープされたシリコンの上
部層９０が、その下に配置されたＮ＋にドープされたサ
ブコレクタ層９２と共に示されている。このＮ＋サブコ
レクタ層はエツチングのなされる所定の層からなってい
る。所定の層９２の下に設置された第２の層９４は、Ｐ
−にドープされたシリコンからなっている。トレンチ９
６を、サブコレクタの所定の層９２までエツチングする
ことが望ましい。例４のウェハにおいて、層９０．９２
および９４のｎ型ドーピングのためのシリコン・ドーパ
ントは一般に、ＰまたはＡｓのいずれかである。
サブコレクタの所定の層９２に対する典型的なＡｓドー
ピングの濃度は、１０２０原子／ａ＋？である。
同様に、その下の第２の層９４に対する所定のドーピン
グの濃度は、１０１ｓ〜１０１′原子／ｄである。
第５図の構造の場合、トレンチ９６をＮ＋のサブコレク
タの所定の層９２まで完全にエツチングし、電気的な漏
れを防ぐことが重要である。このようなサブコレクタ領
域までのエツチング速度を監視する現在の手法としては
、ウェハ表面のレーザ干渉測定、およびエツチング深さ
を確定する手段としてのエツチング時間の測定が含まれ
ている。
しかしながら、ウェハの形成に利用される酸化物および
フォトレジストの厚さが変動するため、表面の下にある
サブコレクタの所定の層９２の深さが変動する。したが
って、これらの手法が両方ともエツチングの深さを監視
するものであるため。
これらはサブコレクタの所定の層９２までのエツチング
の終点を決定するには、本質的に信頼性の低いものとな
る。この構造において、トレンチのエツチング中Ｓｉの
多数種が変化しないことに留意されたい。
この発明にしたがって、所定の層９２までのエツチング
の終点を監視し、検出するために、サブコレクタからの
少数種のプラズマ内での濃度を監視する。サブコレクタ
の所定の層９２がＡｓでドープされている、第５図の例
において、ハロゲン・プラズマ（たとえば、ＣＣｌ２Ｆ
、あるいはＣＣＱＦ、）中でのエツチングは、トレンチ
のエツチングがサブコレクタの所定の層９２に達したと
きに、プラズマ内に痕跡量のＡ　ｓ　ＣＱまたはＡｓＦ
を発生する。１ｏ１４原子／ｃｍ３程度と極めて少量の
Ａｓが層９ｏおよび９４に含有されていることに。
留意されたい。したがって、サブコレクタの所定の層９
２の上のエビ層の９０のエツチングの際、またはサブコ
レクタの所定の層９２の下の基板層９４のエツチングの
際に、極めて少量のＡｓＣＱまたはＡｓＦが発生するこ
とになる。しかしながら、サブコレクタの所定のＭ９２
内のドーパントの濃度が、周囲の層の１０’倍なのであ
るから、サブコレクタの所定の層９２に達した場合、Ａ
ｓＣＱまたはＡｓＦの適切な遷移に合わせた信号は急速
に増加し、また所定の層９２がエツチングされてしまっ
た場合には、急激に低下する。
例４において、クヮンタ・レイ社（Ｑｕａｎｔａ−Ｒａ
ｙ）製のＮｄ：ＹＡＧレーザ・システムの焦点を、エツ
チング反応器内のターゲット上鉤１ｃｍの点に合わせる
ことができる。監視される少数種の電子状態に対応した
波長に、レーザを調整することもできる。Ａｓドーピン
グの場合の例において、２４４．６３ｎｍのレーザ・ポ
ンピング波長を利用して、放出波長が２４９．９８ｎｍ
のＡｓＣｕの少数種を検出できる。あるいはまた、２３
９．８８ｎｍのレーザ・ポンピング波長を利用して、放
出波長が２４８．Ｏ３ｎｍのＡｓＦの少数種を検出する
こともできる。
さらに、少数種のＡｓＪＪＫ子を終点の検出に使用する
こともできる。それ故、エツチングの際に、ＡｓはＡｓ
ＦおよびＡｓＣ１２ｘとして揮発し、これらの種の一部
はプラズマの解離によりプラズマ中でＡｓに戻る。１９
３，７５９２７ｎｍのＡｓ原子の４ｐ１４Ｓ３八→５ｓ
’Ｐ、／２の遷移が１９３ｎｍのＡｒＦエクサイマ・レ
ーザ出力と一致することが発見された。この場合、この
状態を検出する第２の周波数は２４５．６５２９ｎｍ　
（５ｓ’Ｐ、八→４ｐ３２０．への遷移）または３０３
．２８４７　ｎｍ　（５ｓ’Ｐ、八→４ｐ”Ｄ、への遷
移）となる。プラズマ内に存在しているＡｓ原子を、こ
れらの遷移を使用して極めて高い感度で検出することが
できる。
以下に示す第１表はＳｉまたはＧａＡｓエツチングのい
ずれかから生じる、さまざまなプラズマ成分に対する他
のポンプ波長を示したものである。
示されている放出波長も各少数種ドーパントに与えられ
る。留意しなければならないのは、第１表に挙げたもの
が示唆されたＬＩＦ波長のうち最も強いものだけという
ことである。表に挙げられている波長以外に、ＵＶ、可
視およびＩＲ領領域波長を用いても極めて有効である。
第１表 第１図において、監視される少数種の濃度が少なくとも
５０％低下した場合、高周波電源１４をオフにしなけれ
ばならない。この５０％の低下を検出するために、サブ
コレクタの所定のＭ９２をエツチングしている場合の、
線３８上の信号の振幅わりも約５０％低いレベルに、線
４２上の基準レベルを設定する。したがって、線３８上
の信号の振幅が、ｌＩ４２上の基準レベルの５０％未満
まで下がった場合、比較器４０は線４４上に制御信号を
発生し、高周波型′ｇ１４をオフにする。
上記した例より、この終点検出装置および方法をＳｉウ
ェハ、ＧａＡｓウェハおよびその他の■Ｉ−Ｖ族の半導
体に利用できることがわかる。この手法により、エツチ
ングされるバルク層からガス状態プラズマに変換された
、選定された少数種を監視できるようになる。この手法
は各エツチング層の化学的組成に対し感度が高いもので
あって、何等かの形式のエツチング深さの測定に依存す
るものではない。
第１図に示した装置は、高周波電源１４をオフにするこ
とによって、エツチング反応器１２のチェンバを制御す
るものである。しかしながら、エツチング反応器１２の
チェンバへのエツチング・ガスの流れを制御することに
よって、エツチングの制御を行なえることにも、留意す
べきである。
典型的な場合、レーザ・ビームはエツチング反応器１２
のチェンバ中へ、エツチングされるウェハから約５ｃｍ
の高さのところで送り込まれる。
レーザ・ビームの位置をウェハからこの高さにすること
によって、バッチ型の反応器に極めて役立つ、プラズマ
の一般化された形状が与えられる。
しかしながら、レーザ・ビームをウェハに極めて近接し
た高さ、たとえば２ｍｍ以下の高さで送り込み、ウェハ
の特定の領域におけるプラズマを局部的に監視すること
が望ましいこともある。電極板の間隔が僅か３ｍｍにす
ぎない高圧の、単一ウェハの反応器の場合、この比較的
低いレーザ・ビームの高さが必要になることがあること
に、留意すべきである。これとは対照的に、低圧のウェ
ハ反応器は典型的な場合、間隔が５０ｍｍの電極板を有
しており、それ故、レーザ・ビームのウニノ飄から高さ
をさまｉまに変えることが可能である。
留意しなければならないのは、レーザ・ビームでウェハ
を走査し、ウェハのさまざまな点におけるプラズマの蛍
光の検出サンプルを取るのが望ましいことがあるという
ことである。このようなレーザ・ビームの走査が必要と
なるのは、レーザ・ビームをウェハの表面に極めて近接
して配置し、さまざまな離隔した局部的なエツチング領
域におけるプラズマを監視しようという場合である。こ
のような手法は監視されるエツチング領域のそれぞれに
対して極めて高い感度を与える。第１図の窓２ｏを通し
てレーザ・ビームを送の込むために使用されるビームの
光学系の位置を機械的に変更するだけで、レーザ・ビー
ムの走査を行なうことができる。
一般に、エツチングの終点を検出するのに、レーザ・ビ
ームの焦点を合わせる必要はない。しかしながら、この
ような焦点合わせは空間的な解像度を向上させるもので
あって、局部的なプラズマの監視を希望する場合には、
有用なものである。
この手法を利用して、エツチング反応器１２内のエツチ
ング速度を調節することもできる。エツチング反応器の
チェンバのさまざまな点へのガスの流入口を制御するこ
とによって、あるいは反応器１２のチェンバ内のさまざ
まな点における高周波の強さを変え、これによってチェ
ンバ内のこれらの点におけるエツチングを変更すること
によって、エツチング速度を制御することもできる。
一実施例において、エツチング反応器１２のチェンバは
、チェンバ中への少なくとも２つのガスの流入口を包含
しており、その各々はチェンバの異なる所定部分へ適切
なガス混合体をもたらすものである。次いで、これらの
ガス流入口を調整して、反応器のチェンバに送られるガ
スの量を制御し、これによってチェンバ内でのエツチン
グを制御する。
反応器１２のチェンバ内でのエツチングの均一性を監視
するため、レーザ・ビーム１８は反応器１２のチェンバ
内のプラズマの所定の点に、レーザ・ビームを集束させ
る集束レンズ１００を含んでいる。次いで、６準的な走
査装置を利用して、このレンズまたはその他の集束光学
系を機械的に走査し、これによって反応器１２のチェン
バ内の複数個の所定部分における集束点を走査する。こ
の場合、検出装置は検出光学系を機械的に動かす手段を
包含しており、これによって反応器１２のチェンバ内の
この走査される集束点からの蛍光を監視する。検出手段
はさらに、プラズマ内の複数個の所定の場所の特定の部
分における集束点の各々について得られた第２の周波数
の放射線の強さくまたはこの周波数に対して積分された
任意の値）を、基準値と比較し１次いでこの比較を示す
信号を制御信号として発生する手段も包含している。
この制御信号は次いで、少なくとも２つのガス流入口か
ら与えられるガスの量を調節するように印加され、これ
によってエツチングの均一性を達成する。この装置を使
用して１反応器１２のチェンバ内のエツチング濃度のプ
ロフィルを与えることもできる。
Ｆ０発明の詳細 な説明したように、この発明によれば、ひとつまたはそ
れ以上の集積回路の所定の層が、その下にある第２の層
までエツチングされたときに、所定の層と第２の層にお
ける監視対象となる少数種の濃度が異なっており、高い
濃度がウェハの１０重景％以下であれば、エツチングを
自動的に変更することのできる反応性イオン・エッチン
グ装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の一実施例の略ブロック線図である
。 第２図は、この発明を利用してエツチングできるＡｌウ
ェハ層の略断面図である。 第３図は、この発明を利用してエツチングできる一連の
ポリシリコンの略断面線図である。 第４図は、Ａｌのスタッドまでエツチングされるチップ
の略断面線図である。 第５図は、ドープされたサブコレクタまでエツチングさ
れるシリコン・ウェハの略断面線図である。 １２・・・・プラズマ・エツチング反応器、１４・・・
・高周波電源、１６・・・・集積回路ウェハ、１８・・
・・レーザ、２ｏ、２２．２４・・・・窓、２６．２８
・・・・レンズ、２８ａ・・・・レンズ光学系（図面に
なり、）、３０・・・・鏡、３２・・・・モノクロメー
タまたはフィルタ、３４・・・・光電子増倍管、３６・
・・・ゲート付き積分器、３８．４２．４４・・・・線
、４０・・・・比較器、４４・・・・制御信号、５０．
６０．７０・・・・所定の層、５２．６２・・・・第２
の層、７２・・・・金属化スタッド、７４・・・・層、
７６・・・・表面、８０・・・・タイマ、９０・・・・
上部層、９２・・・・サブコレクタ層、９６・・・・ト
レンチ、１００・・・・集束レンズ。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外　１　
名） Ａｊウニへのエツチング 第２図 １！ 第２りンノコンのエツチング。 第３図

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）エッチングすべき少くとも一層の第１の層と、該
    第１の層の下層であり、モニタすべき少数種の濃度にお
    いて上記第１の層とは異なる第２の層をもつウェハをエ
    ッチングするための反応性イオン・エッチング装置にお
    いて、 （ａ）チェンバと、上記ウェハを載置するための手段と
    をもつプラズマ反応器と、 （ｂ）上記第１の層を貫通して上記第２の層に達するま
    で上記第１の層をエッチングするのに適したエッチング
    用イオン・プラズマを発生し、以てエッチングが上記第
    ２の層に達したときに、該プラズマ中の上記少数種の濃
    度が変化するようにするためのプラズマ発生手段と、 （ｃ）上記プラズマ中の上記少数種を励起エネルギー状
    態にポンピングし以て上記ポンピングされた少数種が低
    エネルギー状態に崩壊するとき第２の周波数の放射を放
    出するようにするのに適した第１の周波数のレーザ・ビ
    ームを上記プラズマに指向するための手段と、 （ｄ）上記チェンバ中の上記第２の周波数の放射のみを
    検出し、上記第２の周波数の放射におけるパラメータの
    変化が検出されたとき制御信号を発生するための検出手
    段と、 （ｅ）上記制御信号に応じてプラズマの発生を変化させ
    るように、上記プラズマ発生手段を制御するための制御
    手段、 とを具備する反応性イオン・エッチング装置。
  2. （２）上記プラズマ発生手段が、イオン・プラズマを発
    生させるためのガスの、封止可能な入口と、該ガスから
    プラズマを発生するための高周波源とをもち、上記制御
    手段が上記制御信号に応じて少くとも上記高周波源を制
    御する特許請求の範囲第（１）項に記載の装置。
  3. （３）上記検出手段によって検出されるパラメータが、
    上記第２の周波数の放射の強度である特許請求の範囲第
    （１）項に記載の装置。
  4. （４）上記第１の層が少数種としてＣｕを含むＡｌであ
    り、上記第２の層がＣｕを含まない特許請求の範囲第（
    ３）項に記載の装置。
  5. （５）上記第１の層がＡｌドーピングされていないＳｉ
    Ｏ＿２であり、上記第２の層が複数のＡｌ合金スタッド
    である特許請求の範囲第（３）項に記載の装置。
  6. （６）上記第１の層が、少数種としてＡｓをもつＳｉ、
    少数種としてＰをもつＳｉ、少数種としてＺｎ（ｐタイ
    プ）をもつＧａＡｓ、少数種としてＳ（ｎタイプ）をも
    つＧａＡｓ、少数種としてＳｉ（ｎタイプ）をもつＧａ
    Ａｓの群から選択されたものである特許請求の範囲第（
    ３）項に記載の装置。
  7. （７）エッチングすべき少くとも一層の第１の層と、該
    第１の層の下層であり、モニタすべき少数種の濃度にお
    いて上記第１の層とは異なる第２の層をもつウェハをエ
    ッチングするための反応性イオン・エッチング方法にお
    いて、 （ａ）上記第１の層を、上記第２の層までイオン・プラ
    ズマによりエッチングし、 （ｂ）上記プラズマ中の上記少数種を励起エネルギー状
    態にポンピングし以て上記ポンピングされた少数種が低
    エネルギー状態に崩壊するとき第２の周波数の放射を放
    出するようにするのに適した第１の周波数のレーザ・ビ
    ームを上記プラズマに指向し、 （ｃ）上記第２の周波数の放射を検出し、 （ｄ）上記第２の周波数のパラメータが変化したとき、
    エッチングが上記第２の層に達したことを示す制御信号
    を発生し、 （ｅ）上記制御信号に応じて上記プラズマの発生を制御
    する段階を有する反応性イオン・エッチング方法。
  8. （８）上記検出手段によって検出されるパラメータが、
    上記第２の周波数の放射の強度である特許請求の範囲第
    （７）項に記載の方法。
  9. （９）上記第１の層が少数種としてＣｕを含むＡｌであ
    り、上記第２の層がＣｕを含まない特許請求の範囲第（
    ８）項に記載の方法。
  10. （１０）上記第１の層がＡｌドーピングされていないＳ
    ｉＯ＿２であり、上記第２の層が複数のＡｌ合金スタッ
    ドである特許請求の範囲第（８）項に記載の方法。
  11. （１１）上記第１の層が、少数種としてＡｓをもつＳｉ
    、少数種としてＰをもつＳｉ、少数種としてＺｎ（ｐタ
    イプ）をもつＧａＡｓ、少数種としてＳ（ｎタイプ）を
    もつＧａＡｓ、少数種としてＳｉ（ｎタイプ）をもつＧ
    ａＡｓの群から選択されたものである特許請求の範囲第
    （８）項に記載の方法。
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