JPH0528895B2 - - Google Patents

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・エツチング・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つ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・エツ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・エツチング・
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つて小室か
ら排出される。

プラズマ・エツチング・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つている
が、実施に当つては、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、下側層のアンダカツ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つたり、
膜の特性に差があると、ウエハ毎に、あるいはウ
エハ・グループ毎に、エツチング速度やプラズ
マ・エツ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
さ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エハあるいは製品用ウエハ
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つて除去される膜
の厚さを測定し、膜がエツチングによつて除去さ
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、
モニタ用ウエハあるいはモニタ位置の膜厚が、ウ
エハの製品用チツ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・エツチング・プロセスを停止させ
るものである。この方法は全ウエハについての一
括的処理を可能とするが、フイルタ、モノクロメ
ータ、光電子増倍管を含む複雑な置を必要とす
る。

米国特許第4358338号は加工片表面の電流変化
を測定してプラズマ・エツ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、複数のウエハを下部電
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、エツチされる
べき半導体ウエハによつて覆われていない露出し
た表面領域がかなりあるから、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。
したがつてプラズマ・インピーダンスは、物質層
全体のエツチングによつ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
た現在の集積同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。

Ｃ 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
エハ型反応装置において、プラズマ・エツチン
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。

Ｄ 問題点を解決するための手段 本発明は、プラズマ・エツチング装置の電極の
RF電圧を測定してプラズマ電位をモニタし、プ
ラズマ密度を判定するようにした、プラズマ・エ
ツ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、これによつて
エツチングの終点を知ることができる。RF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つて示さ
れる。

本発明は対称的な、高圧、高プラズマ密度、狭
ギヤツプの単一ウエハ・プラズマ・エツチング反
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エハ・プラズマ・エツチング
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
応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。図示の単一ウエハ型反応装置で
は、下部電極のほぼ全体がエツチされるべきウエ
ハで覆われる。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ツチ終点におけるプ
ラズマ密度の変化はウエハ表面の変化に基づく。

第１図の単一ウエハ・プラズマ・エツチング反
応装置１０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。ハウジング１２はガス分配用そ
らせ板１３、反応性ガス入力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
ヤネル２０と、ガス排出チヤネル２１ａを有する
絶縁リング２１によつて取囲まれた盛上つた台形
状部分とを含む。上部電極１１と下部電極１７と
の間のギヤツプ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
ギヤツプ領域からガス排出するための通路２４が
形成されている。通路２４は内側ハウジング１６
と外側ハウジング２６との間のすき間２５に開い
ている。反応したガスはポート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
60−50733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電圧プ
ローブをしている。RF電圧プローブ部分は、破
線のブロツク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V_RF（ピーク−
大地間電圧）を測定するのに、キヤパシタ分圧器
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ハ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V_Pは次式によつて表わされる。

V_P＝V_RF／２−Vdc ここで、V_dcはDC自己バイアス電圧であり、電
気的に対称的な反応装置の場合V_dc＝０である。
V_RFをモニタすることにより、プラズマ電位の変
化、したがつて反応装置内の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V_RF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V_RF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、エツチされているウエハ上の膜か
ら放出される２次電子は、エツチヤント・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。したがつ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。したがつて本発明のV_RF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、O2−N2プラズマに
おいて有機膜をエツチングしたときのV_RF経時特
性を示している。用いられた有機膜はシリコン・
ウエハ上のAZ1350Jフオ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。V_RF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
コンへの移り変わりを示し、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V_RF特性はCF4プラズマ
中で石英上のフオトレジスト、例えばAZ1350J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りの変
化があることがわかる。この急激な変化は、レジ
ストが短時間でウエハの全表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ハの全領域で非常に
均一であつ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
ープ層を通つて下側のＰ型不純物低濃度ドープ層
へ進むと、V_RFは約90Vから約45Vに変化した。

Ｆ 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・エツ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・エツ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図は異なつたエツチヤント・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図は石英上のフオトレジストをエツチング
したときのRF電圧特性のグラフ表示図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エツチングの際にプラズマ・エツチング装置
   の電極のRF電圧（ピーク電位と大地電位間の電
   圧）を測定し、上記RF電圧の変化を検出するこ
   と、によりプラズマ・エツチング・プロセスをモ
   ニタする方法。