JPH0562944A - プラズマエツチヤーのエンドポイント検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】プラズマ光全体の時間的ドリフトの影響を無く
して、所望の発光スペクトルを検出する。 【構成】分光器３０において、所定のプラズマ光スペク
トル強度を光検出器３１によって測定する際に、すべて
の波長を含んだプラズマ光を光検出器７２によって同時
に検出し、制御・演算回路４０において、所定のプラズ
マ光強度をすべての波長を含んだプラズマ光強度で補正
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体プロセスのプラ
ズマエッチング（ドライエッチ）過程におけるプラズマ
エッチャーのエンドポイントを検出するための検出装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】プラズマエッチャーは、図３に示すよう
に、チャンバ１内に反応ガスを流しながら半導体ウエハ
５をはさみ込んだ電極１０ａ，１０ｂに高周波電圧をか
けウエハ上でガスをプラズマ化することにより、効率良
く、微細パターンのエッチングを行なわせる装置であ
る。

【０００３】現在プラズマエッチャーが最も良く用いら
れている行程は、ＳｉＯ₂ 膜のエッチングである。この
ＳｉＯ₂ 膜のエッチングについて説明する。Ｓｉ基板上
に形成されたＳｉＯ₂ 膜にホトレジストで所望のパター
ンを焼付け、現像されたウエハ５を電極１０ａ，１０ｂ
間にセットする。電極１０ａには、ウエハ５上でガスを
プラズマ化しやすくするために、多数の微細孔１２が形
成されている。そしてチャンバ１内にＣＦ₄ とＡｒの混
合ガスを流しながら電極１０ａ，１０ｂに高周波電圧を
かけると、レジストが取り除かれた部分のＳｉＯ₂ が ＣＦ₄ ＋ＳｉＯ₂ →ＳｉＦ₄ ↑＋ＣＯ₂↑ の反応を起し徐々にエッチングされていく。

【０００４】ここで問題になるのは、反応時間の制御で
ある。時間が不足すると図４に示す点線アの様にＳｉＯ
₂ が除去し切れずに残り、時間が長すぎると点線イの様
にレジストの下までエッチングが進行していわゆるオー
バエッチの状態になってしまう。これらは、いずれも製
品の品質にとって致命的な欠陥となりかねないものであ
る。

【０００５】そこで考えられたのが、反応によって発生
するガス（ここではＣＯ₂ ）のプラズマ発光強度をモニ
タしながら反応時間を制御するという方法である。ＣＯ
₂ ガスのスペクトル強度は、反応時間とともにおおむね
図５（Ａ）の様に変化する。すなわち、エッチングの開
始からその進行とともに徐々に減少する領域があり、エ
ッチングの終了近くで急激に落ちる部分があり、さらに
オーバーエッチの状態まで徐々に弱くなっていく領域が
ある。従って、このスペクトル強度の変化が急峻に生じ
る時点を目安に反応終了時間を制御すれば最適なエッチ
ング状態が得られることになる。

【０００６】これは、図３に示したチャンバ１の側壁に
石英ガラスの窓（ビューポート）１５を設け、そこから
集光レンズ２０を介してチャンバ内のプラズマ光を分光
器３０へ導き出すことにより達成される。集光レンズ２
０は、プラズマ光が分光器３０の入射スリット３２上に
集束するように配置されており、この分光器３０によっ
てプラズマ光のスペクトルが測定されるようになってい
る。前述したＳｉＯ₂のエッチングの場合は、ＣＯ₂ ガ
スの発光スペクトル（４４０．２nm、又は４８２．５n
m）が用いられる。このＣＯ₂ ガスの発光スペクトルを
光検出器３１によって検出し、これを制御回路を介して
高周波電源等にフィードバックすることにより、反応時
間を制御することが可能になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが近年、半導体
の微細化が急速に進み、従来の方法ではエッチングのエ
ンドポイントを正確に検出することが困難になってき
た。つまり図４に於けるレジストの開口部すなわち、エ
ッチングパターンのサイズがサブミクロのオーダに低下
し、さらにウエハ全体の面積に対する開口部の比率も従
来の１０％近くから最近では５％前後、さらに近い将来
には１％以下にまで減少することが予想されている。

【０００８】開口率が低下するということは、前述した
ＳｉＯ₂ のエッチングの例では、ＣＯ₂ の発生量が低下
することであり、プラズマ光全体の中でのＣＯ₂ による
発光スペクトルの比率が低下することを意味している。

【０００９】こうした条件下での分光器の出力は、図５
（Ａ）に示すように明確にエッチング終了点が読み取れ
るようなものではなく、図５（Ｂ）に示すように極めて
Ｓ／Ｎ比の悪い信号となってしまう。この場合、検出系
の電気的外来ノイズを極力抑えＳ／Ｎ比の向上を計った
としても、最後に残る問題はプラズマ光全体の時間的ド
リフトである。

【００１０】このプラズマ全体のドリフトはかなり周波
数の低い成分を多く含んでおり、振幅もＣＯ₂ のスペク
トル強度変化に近い大きさのものであるために、電気的
な手段では取り除くことが極めてむづかしいものとなっ
ている。

【００１１】本発明は、前述した問題点を解決すべくな
されたものであり、所望の発光スペクトルを検出するに
あたって、プラズマ光全体の時間的ドリフトの影響を無
くすことを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のプラズマエッチャーのエンドポイント検出
装置は、プラズマエッチャーのチャンバ内で発生するプ
ラズマ光を集光レンズにより分光器の入射スリットに集
束させ、エッチングによる化学反応で発生したガスのプ
ラズマ発光スペクトルを分光して取り出し、その強度変
化をモニタしながらエッチング終了時間を制御するプラ
ズマエッチャーのエンドポイント検出装置において、前
記集光レンズと入射スリットとの間に配置され、前記プ
ラズマ光を前記入射スリットおよびこれと異なる方向に
分割する光学部材と、この異なる方向に分割されたプラ
ズマ光が集束される平面に配置された光電変換素子と、
前記分光器の分光出力スペクトル強度を前記光電変換素
子の出力で補正する演算手段と、を有することを特徴と
している。

【００１３】

【作用】エッチングによる反応生成ガスからの特定のプ
ラズマ光スペクトル強度を測定する際に、すべての波長
を含んだプラズマ光全体の強度を同時に測定し、前記特
定のプラズマ光スペクトル強度をプラズマ光全体の強度
で補正することにより、プラズマ光全体のドリフトの影
響を特定のプラズマ光スペクトル強度から除去する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１および図２を参
照して具体的に説明する。なお、図３に示した装置と同
一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略
する。

【００１５】図１に示されているプラズマエッチャーの
チャンバ１と分光器３０との間に、図２に示されている
円筒部材５０を配置する。図２（Ａ）はこの円筒部材５
０の平面図を、図２（Ｂ）はこの円筒部材５０の内部の
構成および光の経路の側面図を、図２（Ｃ）は円筒部材
５０の内部に取付けられているミラーの形状を、それぞ
れ示している。

【００１６】円筒部材５０は、分光器３０にねじ等によ
って固定された内側円筒部材５５とこの内側円筒部材５
５の外周面に沿って矢印方向に摺動する外側円筒部材５
１とを備えている。

【００１７】この外側円筒部材５１の内部には、集光レ
ンズ２０が固定されており、プラズマエッチャーからの
プラズマ光を分光器３０の入射スリット３２および光検
出器７２に集束させる。本実施例では、この集光レンズ
２０は、石英の平凸レンズでφ３０mm，ｆ５０mmであ
り、Ｆナンバーは１．６６程度と充分明るいレンズが用
いられている。なお、図面から明らかなように光検出器
７２へは、その途中の経路にミラー６０およびビームス
プリッタ７０を配置することによってプラズマ光を集束
させている。このミラー６０の構成およびビームスプリ
ッタ７０によって分割された他のプラズマ光について
は、後で詳細に説明する。

【００１８】分光器３０の入射スリット３２を通過した
プラズマ光は、図示されていないグレーティングによっ
て回折され、光検出器３１によって検出される。ＳｉＯ
₂ のエッチングの場合は、ＣＯ₂ のプラズマ光の変化を
検出するために、４４０．２nmか４８２．５nmの光が選
択され、この波長の光が光検出器３１によって検出され
る。光検出器３１によって検出されたＣＯ₂ のプラズマ
光は光電変換され、制御・演算回路４０に入力される。

【００１９】一方、光検出器７２に入射する光は、すべ
ての波長の光を含んでいるため、光検出器７２の出力
は、プラズマ光全体の強度変化に対応するものとなって
いる。したがって、光検出器７２の出力によって、光検
出器３１から出力される、所定の反応によって生じるガ
スのプラズマ光の強度変化を規格化してやれば、プラズ
マ光全体のドリフトの影響を除去した信号が得られるこ
とになる。

【００２０】すなわち、光検出器７２によって光電変換
された信号を制御・演算回路４０に入力し、ここで光検
出器３１からの出力を光検出器７２からの出力で割り算
する等の補正を施すことにより、スペクトル強度信号の
時間変化は、図５（Ｂ）に示すようなドリフトが消え
て、図５（Ａ）に示すような変曲点が明確に認識できる
ものとなる。この結果、制御・制御回路４０からのプラ
ズマ光全体のドリフトの影響が除去された信号に基づい
て、プラズマエッチングの反応時間の制御を行うことが
可能になる。

【００２１】前記ミラー６０およびビームスプリッタ７
０は、内側円筒部材５５の内部に固定されており、それ
ぞれ光軸に対してほぼ４５°傾斜して配置されている。
このミラー６０には、図２（Ｃ）に示すように、光軸を
中心に穴６２が形成されている。この穴６２の大きさ
は、分光器３０が必要とする光量を充分満たすだけの大
きさであれば良い。すなわち、穴６２の大きさは、分光
器３０の実質的開口を満たす光束（分光器のグレーティ
ングを充分にカバーするだけの光束）が通過し得る大き
さであれば良い。本実施例では、集光レンズ２０のＦ
１．６６に対して、穴６２はＦ３．５に設定されてお
り、穴６２を通過したプラズマ光は分光器３０が必要と
する光量を充分に満たしている。また、穴６２を通過し
得ない光は、ミラー６０の穴６２の輪帯領域６３で反射
され、前記ビームスプリッタ７０に入射し、光検出器７
２に集束される。

【００２２】本実施例では、集光レンズ２０の後方に、
分光器のＦナンバーに相当する穴を開けたミラー６０を
配置しているために、分光器に対する光量損失を全く伴
うことがなく、光量減少によるＳ／Ｎ比の低下を伴うこ
とはない。さらに、穴あきミラーを用いているためにガ
ラスの厚みによる收差の影響も考慮する必要がない。も
ちろん、本発明では、穴あきミラーの代わりに穴が形成
されていないハーフミラー等を用いて、プラズマ光を光
検出器７２および分光器の入射スリット３２に導くよう
に構成することもできる。

【００２３】また、すべての波長の光を含んでいるプラ
ズマ光の検出は、分光器３０における０次光を利用して
検出する構成でないために、分光器の構成が極めて簡単
になる。次に、ビームスプリッタ７０で分割され、光検
出器７２とは異なる位置に集束される光について詳細に
説明する。

【００２４】図１に示されたプラズマエッチャーの電極
１０ａ，１０ｂの間隔は、５mm程度しかないのが一般的
である。従って、ビューポート１５から見るプラズマの
発光面は幅５mmの横長の帯のようなものになっている。
これが、集光レンズ２０によって入射スリット３２（幅
０．５mm程度）上に投影されると、集光レンズの倍率が
２〜３倍として、光の幅は２．５mm〜１．７mmと極めて
細いものとなってしまう。このため、光の帯をスリット
上にしっかり投影するためには、分光器３０の姿勢を注
意深く制御する必要がある。

【００２５】通常はまず、分光器３０における選択波長
を比較的強いスペクトルが発生するＡｒの波長に合わ
せ、その出力が最大となるように分光器の姿勢を決めて
から、選択波長をＣＯ₂ のスペクトルに合わせ直した
後、モニタを開始している。

【００２６】また、集光レンズの焦点をウエハの手前側
に合わせるか、ウエハの中心に合わせるかによって、エ
ッチングのエンドポイントの制御が微妙に異なるため、
モニタの開始時に集光レンズのピント合わせが必要にな
る。通常、このピント合わせは、設計値を頼りにビュー
ポートから集光レンズの先端までの距離を測定し、集光
レンズの繰り出し量を決めている。

【００２７】このため、分光器の姿勢の制御、あるいは
集光レンズの焦点合わせの作業は煩わしく、正確に行う
ことが困難になっている。この実施例では、容易に分光
器の姿勢の制御および集光レンズの焦点合わせが出来る
ようにも構成されている。すなわち、円筒部材５０にビ
ューファインダーを設け、これを覗くことによって容易
に分光器の姿勢の制御および集光レンズの焦点合わせを
行う。以下、その構成について説明する。

【００２８】外側円筒部材５１の外周面には、切欠部５
２が形成されており、この切欠部５２内に後述するフォ
ーカスマット５７を保持する枠５６が位置している。そ
して外側円筒部材５１は枠５６をガイドとして、図示さ
れていない駆動機構によって矢印方向に摺動可能となっ
ている。かくして、外側円筒部材５１を矢印方向に摺動
させることによって、ピント調節が可能となっている。

【００２９】前記内側円筒部材５５の外周面には、前記
外側円筒部材５１の切欠部５２内に位置するように枠５
６が固定されており、この枠５６内にフォーカスマット
５７が保持されている。このフォーカスマット５７に
は、入射スリット３２と共役な位置および方向が判別で
きる中心線５７ａが罫書かれている。本実施例では、長
手方向の罫書き線５７ａが入射スリット３２の長手方向
およびプラズマ光の帯の長手方向に対応している。この
枠５６およびフォーカスマット５７によってビューファ
インダーが構成されている。

【００３０】従って、ビューファインダーを覗きなが
ら、プラズマ光の帯が長手方向の罫書き線にしっかり重
なるように分光器３０の姿勢を調節固定すれば、入射ス
リット３２にプラズマ光を正しく、容易に投影すること
ができる。また、ピント合わせもビューファインダーを
覗きながら容易にかつ正確に行うことができる。

【００３１】なお、本発明はプラズマ光全体のドリフト
の影響を除去した制御信号を得ることに特徴を有してい
る。このため、ビューファインダーを設けることは必ず
しも必要ではなく、図２に示した構成において、ビーム
スプリッタ７０を削除し、かつフォーカスマット５７の
位置に光検出器７２を配置した構成であっても良い。さ
らに、本発明は、上記実施例に限定されることはない。
例えば、ミラー６０、光検出器７２等の位置関係につい
ては種々の変形が可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によりプラズマエッチャーのエン
ドポイント検出が、プラズマ光全体のドリフトによって
不正確になることを防ぐことができ、低開口率のウエハ
でも正確なエッチングが可能になる。さらに、分光器の
光路中に何等光学部品を追加する必要がないので、收
差、フレア等による分光精度に及ぼす悪影響も皆無であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマエッチャーおよびエンド
ポイント検出装置の全体的構成を示す概略図である。

【図２】（Ａ）〜（Ｃ）を含み（Ａ）は図１に示した集
光レンズ部分の平面図、（Ｂ）はその内部の構成および
光の経路の側面図、（Ｃ）はその内部に取付けられてい
るミラーの形状を示す図である。

【図３】従来のプラズマエッチャーおよびエンドポイン
ト検出装置の全体的構成を示す概略図である。

【図４】ＳｉＯ₂ のエッチングの状態を示す図である。

【図５】（Ａ）および（Ｂ）を含み、それぞれプラズマ
エッチング行程におけるＣＯ₂のスペクトル強度と時間
との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…チャンバ、２０…集光レンズ、３０…分光器、３
１，７２…光検出器、３２…入射スリット、６０…ミラ
ー、７０…ビームスプリッタ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラズマエッチャーのチャンバ内で発生
   するプラズマ光を集光レンズにより分光器の入射スリッ
   トに集束させ、エッチングによる化学反応で発生したガ
   スのプラズマ発光スペクトルを分光して取り出し、その
   強度変化をモニタしながらエッチング終了時間を制御す
   るプラズマエッチャーのエンドポイント検出装置におい
   て、 前記集光レンズと入射スリットとの間に配置され、前記
   プラズマ光を前記入射スリットおよびこれと異なる方向
   に分割する光学部材と、この異なる方向に分割されたプ
   ラズマ光が集束される平面に配置された光電変換素子
   と、前記分光器の分光出力スペクトル強度を前記光電変
   換素子の出力で補正する演算手段と、を有することを特
   徴とするプラズマエッチャーのエンドポイント検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記プラズマ光を分割する光学部材は、
   一部に穴の開いたミラーであることを特徴とする請求項
   １に記載のプラズマエッチャーのエンドポイント検出装
   置。
3. 【請求項３】 前記異なる方向に分割されたプラズマ光
   の一部をファインダー用フオーカスマットに集束される
   ようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の
   プラズマエッチャーのエンドポイント検出装置。