JPS61241923A - ドライエッチング方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、エツチング穴・溝の監視装置に係り、特にエ
ツチング処理中にエツチング穴・溝の寸法および形状を
監視するために好適なエツチング穴・溝の監視装置に関
する。

〔発明の背景〕

半導体デバイスの高集積化を達成するため、従来の平面
的素子構造から立体的素子構造へ転換が行われている。

そのため、例えばドライエツチングによりシリコン基板
に深さ５〜５μｍの穴をあけたυ、幅１〜２μ風の溝を
形成する技術が必要となる。

前記穴をあけたり、溝を形成したシする処理は、プロセ
ス条件の設定が厳しい。ところが、長時間の処理による
低圧処理室壁面への重合物およびガスの吸着が主原因と
なって現われる反応ガスの微妙な組成の変化によシ、経
時的にプロセス条件が変化する。その結果、エツチング
形状に異常をきたしたり、エツチングレートが変化し、
所定の深さにエツチングできないことがある。また、反
応ガス圧、印加電力の微妙な変動°に対して、エツチン
グ結果に異常をきたす。

具体的には、 ■　穴・溝底面に針状の突起が生じる、■　穴・溝底面
周囲が深くエツチングされる、■　穴・溝の底の方が細
くなる、 ■　穴・溝の深さがばらつく、 などの異常が発生する。

ところで、前記穴や溝の異常を監視する従来技術として
、ソリッドステートサイエンスアンドテクノロジー（Ｓ
ｏｌｉｒＬ　５ｔａｔｅ　５ｃｉａｒ＆ｚｇ　ｋ　Ｔａ
ａｈ−ｎｏｌｏｇｙ）　１９７３年５月号の記事［シリ
コン上の酸化シリコン及び窒化シリコンのエツチングに
関するグレーティングテストパターンを用いた光学監視
Ｊ　（７０ｐｔｉｅａｌ　Ｍｓｎｉｔｏｒｉｔｃｇ　ｏ
ｆ　ｔｈｅ　Ｅｔｃルーｉｎｌ　ｏｆ　Ｓｉｎ、　ａｎ
ｔｉ　Ｓｉ、Ｎ、　ｏｎ　Ｓｉ　ｂｙ　ｔｈａ　Ｕｚａ
　ｏｆＧｒａｔｉｎｇ　Ｔｅ５ｔ　ＰａｔａｒｎＪ　（
Ｈ−Ｐ−Ｋｌａｉｎｋｎａｃｈｔ　＆　Ｈ−Ｍａｉａｒ
）　　）には、テストパタンとして回折格子を用い、こ
の回折格子状パタンのエツチング中に、この回折格子に
光を照射し１反射回折光の干渉により、エツチング量を
測定する技術が紹介されている。この従来技術では、テ
ストパタンを設けることにより、ノイズ成分の少ない信
号を取り出せるため、エツチング量の監視には優れた技
術である。しかし、この従来技術では、前述した■〜■
の異常監視が難しい。

さらに、他の従来技術として、特開昭５４−１７８７２
号公報に開示されている技術がある。しかし、かかる公
報に示されている技術では、穴・溝の形状の異常の監視
には必ずしも適切ではない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前記従来技術の問題を解決し、エツチ
ング処理中に、しかも基板上にテストパタンを用いるこ
となく、エツチング穴・溝の寸法および形状を監視し得
るエツチング穴・溝の監視装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、レーザ光源と、とのレーザ光源から発せられ
たレーザ光をドライエツチング装置で処理中のウェハ上
の任意の点へ照射する手段と、前記ウェハから反射して
くる回折光のうちの、特定の回折光を検出する光検出手
段と、この光検出手段で検出された検出光の強度変化か
らコントラストを求め、そのコントラストの大きさから
エツチング異常を検出する異常検出手段とを備えている
ところに特徴を有するもので、この構成により、前記目
的を確実に達成することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面により説明する。

第１図は、ドライエツチング装置と、これに付設された
本発明エツチング穴・溝の監視装置の一実施例を示す。

前記ドライエツチング装置は、低圧処理室１と、これに
設置された陽極２および陰極３と、高周波電源４と、こ
れの制御系５と、前記低圧処理室工に形成された窓６と
を有して構成されている。なお、符号７はウェハを示す
。

前記エツチング穴・溝の監視装置の第１図に示す実施例
のものは、Ｘステージ８と、Ｙステージｌ】と、θステ
ージ１７と、レーザ光源２１と、透明部を有するすシガ
ラス２７と、第１の光検出器部と、第２の光検出器３２
と、Ａ／Ｄ変換器具と、モータ制御系３５と、マイクロ
コンビ島−夕３６と・、ＣＲＴ　３７と、異常表示器３
８とを備えて構成されている。

前記Ｘステージ８は、前記ドライエツチング装置の低圧
処理室ｌに形成された窓６に対向する位置に設置されて
いる。また、Ｘステージ８はモータ制御系３５に接続さ
れたモータ９と、これに連結されたボールねじｌＯとを
有する駆動部により、Ｘ方向（第１図において左右方向
）に移動操作されるようになっている。

前記Ｘステージｌ】は、前記Ｘステージ８の一方の面側
に設置され、またＸステージ１】に取り付けられたガイ
ドブロック１２と、Ｘステージ８に固定されたガイドロ
ッド１３とを介してＹ方向（第１図において上下方向）
に案内されている。

そして、前記Ｘステージｌ】はモータ制御系３５に接続
されたモータ１４と、これに連結されたボールねじ１５
と、ナツト１６とを有する駆動部により、前記Ｙ方向に
移動操作されるようになっている。

前記θステージ１７は、Ｙステージｌ】に回動可能に設
置されており、モータ制御系３５に接続されたモータ１
８と、これに連結されたビニオン１９と、θステージエ
フの外周に設けられたギヤ２０とを有する駆動部により
、回動操作されるようになっている。

前記レーザ光源２１には、Ｈａ−Ｎ−レーザ等が用いら
れており、このレーザ光源２１は前記θステージ１７の
一方の面側に設置されている。そして、このレーザ光源
２１から発せられたレーザ光はミラー２２　、２３によ
シ反射され、レンズ囚、２５により紋られ、ハーフミラ
−２６により反射され、すりガラス２７の透明部から低
圧処理室１に形成された窓６を通ってウェハ７に照射さ
れるようになっている。

前記すシガラス２７は、前記低圧処理室１に形成された
窓６に対向させて、前記θステージ１７の一方の面側に
設置されている。

前記第１の光検出器側は、前記すりガラス２７の一方の
面側に配置され、ウェハ７から反射されてくる特定の回
折光を検出し、これをルの変換器具に送るようになって
いる。また、この第１の光検出器部はモータ制御系３５
に接続されたモータ３６と、これに連結されたボールね
じ３ｏと、第１の光検出器床に結合されかつボールねじ
３゜に螺合されたアーム３１とを有する検出位置決定部
により、前記ウェハ７から反射されてくる回折光のうち
の、特定の回折光を検出し得るように、検出位置を調整
可能に支持されている。

前記第２の光検出器３２は、前記すりガラス２７の一方
の面側に配置され、ウェハ７の表面で回折せずに正反射
した反射光を検出し、これをφ変換器具に送るようにな
っている。なお、前記第２の光検出器３２はレバー３３
を介してθステージ１７に固定されている。

前記ルω変換器Ｕは、第１の光検出器詔から送り込まれ
た特定の回折光と、第２の光検出器３２から送シ込まれ
た反射光とを、それぞれ光電変換し、マイクロコンビー
ータ３６に送るようになっている。

前記マイクロコンビーータ３６は、ＶＤ変換器Ｕから送
り込まれたデータから光強度変化のコントラストを求め
、そのコントラストとしきい値とを比較し、エツチング
異常を検出した時、ＣＲＴ　３７および異常表示器３８
に異常を表示すべく信号を送ると同時に、前記ドライエ
ツチング装置の制御系５に停止信号を送るようになって
いる。

前記Ｘステージ８およびその駆動部と、Ｙステージ１１
およびその駆動部と、ミラー２２　、２３およびレンズ
ｕ、２５ならびにハーフミラ−四とにより、レーザ光源
２１から発せられたレーザ光をドライエツチング装置で
処理中のウェハ７上の任意の点へ照射する手段が構成さ
れている。

また、前記θステージ１７およびその駆動部と、第１．
第２の光検出器床、３２と、前記第１の光検出器床の検
出位置決定部とにより、ウェハ７から反射してくる回折
光のうちの、特定の回折光を検出する光検出手段が構成
されている。

さらに、前記ルω変換器３４と、マイクロコンピュータ
３６とにより、前記光検出手段で検出された検出光の強
度変化からコントラストを求め、そのコントラストの大
きさからエツチング異常を検出する異常検出手段が構成
されている。

次に、第１図〜第１】図に関連して前記実施例の作用を
説明する。

第１図に示すドライエツチング装置の低圧処理室１内に
設置された陽極２に処理すべきウェハ７を配置し、つい
で低圧処理室１を処理条件に設定する。

ここで、レーザ光源２１を点灯する。このレーザ光源２
１から発せられたレーザ光は、ミラー２２゜ｎにより反
射され、さらにレンズ冴、２５により約５〜１０φの平
行ビームに形成され、ついでハーフミラ−２６、および
すりガラス２７の透明部を通り、低圧処理室ｌに形成さ
れた窓６を通ってウェハ７上に照射される。

前記ウェハ７へのレーザ光の照射位置は、Ｘステージ８
の駆動部を構成しているモータ９およびボールねじｌＯ
を介してＸステージ８を移動させ、またＹステージ１】
の駆動部を構成しているモータ１４およびボールねじ１
５を介してＹステージ１１を移動することによって、任
意に決定することかできる。

前記ウェハ７上に照射されたレーザ光は、ウェハ７上の
規則的パタンにより、後に詳述するように１反射１回折
、干渉し、低圧処理室ｌに形成された窓６を通じてすり
ガラス２７上に到達する。この光は、すりガラス訂の面
で拡散し。

第１の光検出器部に取り込まれる。

その際、第１の光検出器部の検出位置は、θステージ１
７の駆動部を構成しているモータ１８、ピニオン１９お
よびギヤ加を介してθステージ１７を回転させ、また検
出位置決定部を構成しているモータ２９、ボールねじ（
資）およびアーム３１を介して第１の光検出器部を位置
変更させることによって決定でき、低圧処理室ＩＫ形成
された窓６から射出する任意の光を検出することができ
る。

一方、前記ウェハ７の表面で回折せずに正反射した光は
、ハーフミラ−圀を通じて第２の光検出器３２に取り込
まれる。

次に、第２図に示す／ｆタンが配設され九半導体装置の
エツチング過程を例にして、エツチング穴・溝の監視を
説明する。

一般にスリット数がＮ１幅ｄなる多スリットの回折像を
考察すると、この場合の光強度は第ここて、’６は回折
像の中心強度、ｔはスリットのピッチ、λは光の波長、
ｂはスリットから回折像面までの距離、Ｘは像平面上の
位置であって回折像中心の距離である。

第３因において、包絡線４５は幅ｄなる単スリットの回
折像の強度分布であるが、式（１）から包絡線４５が０
（零）Ｋなるのは、次式（２）が成立する時である。

Ｘ　痛λ ＃（九θ＝−＝−・―・……（２） ｄ また、スリット数Ｎが十分大きい時は、多重干渉により
鋭いピークが現れるが、そのピークの位置は次式（３１
に従う。

％式％） 式（２）および式（３）で屏は整数、θは回折角度を示
す。

したがって、幅の異なるスリットの回折パタンは第４図
に曲線４６および曲線４７に示すごとき形状になる。

この時、回折像中心からの距離をＸと各曲線４６　、４
７との間の面積は、それぞれの光束の光強度を示す。

式（１）から分かるように、曲線４７を形成するスリッ
トの方が幅が小さく、光強度は小さいということになる
。ところが、第４図において点４８の位置では２つの光
束の光強度は同程度となっている。また、領域４９では
曲線４７を形成する光束の光強度が大きくなっている。

ここで、前記第２図に示すパタンの回折像について考え
る。

この第２図において、Ｘ方向の回折光４０　、４１に着
目すると、幅ｄＸ、、ｄＸ、　　ともに同程度の大きさ
になっているため、各パタンからの回折像は同じ形状を
している。さらに、穴の面積に比べ、穴のない部分の面
積が大きいため、つｔ〉穴のない方の長さｒＬｒ、が長
いため、大成から反射してくる回折光４１０回折像は、
第５図に示す曲線５１のように、表面から反射してくる
回折光４Ｇの回折像の曲線５０に比べ、全体に小さくな
る。

その結果、干渉のコントラストは小さくなり、エツチン
グの監視は難しい。

これに対し、第２図においてＹ方向の回折はｒＬｒ、　
＃ｔＬｙ、　　であるが、ｄＹ、は大きい。また、領域
３９はＹ方向の回折光を持たない。したがって、第６図
に示すように、ｔｒ３による回折光４３（第２図参照）
−の曲線５２が、ｃｔｒ２による回折光４２（第２図参
照）の曲線５３より小さくなる次数が存在する。

ｔｒ、　＝ｔＹ、　＝１　ｔｔｍ、　ｄｙＢ　＝５μｍ
の場合を計算してみると、式（２）および式＋３１よシ
風＝３および廊＝５（３次回折光および５次回折光）を
検出すれば、コントラストが大きくなるため、より一層
正確な監視を行うことができる。

すなわち、第２図に示す表面ノｆタンを有する場合は、
Ｙ方向の回折光のうち、３次、５次のものを検出しなけ
ればならないことになる。

さらに１複雑なパタンの場合、表面のパタンから類推で
きず、全ての回折偉を検出して、強度変化の生じるもの
を選び出さなければならないこともある。

ところで、前述のようＫして得られる干渉波形は、基本
的に第２図に示すパタンの表面の領域３９と大成シから
の反射光の干渉による強度変化を含んでいる。したがっ
て、代置Ｉからの光が何らかの原因で弱くなった場合、
干渉強度変化のコントラストは小さくなる。

そこで、第７図に示すように、光強度変化の極大５５と
極小５６をたえず求めて行き、最も新りを式（４）から
求め、第１図に示すＣＲＴ　３７に表示する。ここで、
Ｃｉが異常に小さくなった時、代置５４（第２図参照）
からの光強度が小さくなったことを知ることができる。

これは、ｆＪＩ、８図に示す代置の針状突起５７、第９
図に示す代置の形状異常５８　、５９、あるいは第１０
図に示す穴深さの穴ごとのばらつき拡大などのエツチン
グ異常を意味する。

そこで、針状突起、大成の形状異常、あるいは穴深さの
穴ごとのばらつきについて、予め許容範囲を決め、この
許容範囲における光強度変化のコントラストを求め、そ
のコントラストをしきい値とし、逐時算出するコントラ
ストがしきい値よυ小さくなった時にエツチング異常と
して、第１図に示すＣＲＴ３７ｔたは異常表示器３８に
表示すると同時に、ドライエツチング装置の制御系５に
信号を送り、エツチング処理を停止する。

また、第２の光検出器３２による検出波形により、第１
】図に示すようなパタンのエツチングマスク印のエツチ
ング量を監視することができる。

また、この監視結果と、第１の光検出器部による検出波
形により求められた穴・溝部のエツチング量とを比較す
ることによって、エツチング材対エツチングマスクのエ
ツチングの速度比を監視することができる。この場合も
、選択比αの許容範囲を予め決めておき、その範囲を超
えた時にエツチング異常として表示すると同時に、ドラ
イエツチング装置の制御系５に信号を送り、エツチング
処理を停止する。

以上は、エツチング中に穴・溝の深さが変化して行くこ
とを利用した光干渉法を用いている。

すなわち、干渉による光強度Ｉの変化を表した次式（５
）のｄが変化することによる光強度変化を検出している
。

１　＝１６　（ｒ、＋ｒ４＋２富Ｃａ１（平））　　　
・”・・・・”　（５）ここで、ｒ、　　１４はそれぞ
れ穴のない表面および代置から反射する光の強度、λは
照射光の波長、ｄは穴の深さである。

式（６）は、穴の深さｄが一定の時は、波長λを変える
ことで、光強度変化を生じることも示している。

したがって、以上説明したエツチング穴・溝の監視は、
エツチング中でない場合には照射光の波長を連続的ある
いは離散的に変えることで、容易に達成することができ
る。すなわち、この実施例の監視装置では、エツチング
中に限らず、エツチング後のエツチング穴・溝の異常監
視に、容易に応用することができる。

なお、本発明ではレーザ光源２１から発せられたレーザ
光をドライエツチング装置で処理中のウェハ７上の任意
の点へ照射する手段、ウェハ７から反射してくる回折光
のうちの、特定の回折光を検出する光検出手段、この光
検出手段で検出された検出光の強度変化からコントラス
トを求め、そのコントラストの大きさからエツチング異
常を検出する異常検出手段の具体的な構造は、図面に示
す実施例に限らず、所期の機能を有するものであればよ
い。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によれば、レーザ光源と、とのレー
ザ光源から発せられたレーザ光をドライエツチング装置
で処理中のウェハ上の任意の点へ照射する手段と、前記
ウェハから反射してくる回折光のうちの、特定の回折光
を検出する光検出手段と、この光検出手段で検出された
検出光の強度変化からコントラストを求め、そのコント
ラストの大きさからエツチング異常を検出する異常検出
手段とを備えたことにより、エツチング処理中に、半導
体装置の表面の規則性により生じた回折光のうちの、ノ
イズ成分を含まない特定の回折光を検出できるので、エ
ツチング処理中に、しかも基板上にテストパタンを用い
ることなく、エツチング穴・溝の寸法および形状の異常
を監視し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一実施例を示す概念図、第２図は
試料としてのウェハの一部拡大斜視図、第３図は回折光
の光強度を示す図、第４図は２つの回折像の比較図、第
５図および第６図は回折光の光強度を示す図、第７図は
干渉光の強度変化を示す図、第８図、第９図および第１
０図はエツチング異常の例を示す図、第１】図は試料と
してのウェハの一部拡大斜視図である。 １・・・ドライエツチング装置の低圧処理室２・・・同
陽極　　　　　　５・・・同陰極４・・・同高周波電源
　　　５・・・同制御系６・・・低圧処理室に形成され
た窓 ７・・・低圧処理室内に配置されたウェハ８・・・監視
装置のＸステージ ９、ｌＯ・・・Ｘステージの駆動部のモータとボールね
じ １】・・・Ｙステージ １２−３・・・Ｙステージのガイドブロックとガイドロ
ツ　　ド １４．１５．１６・・・Ｙステージの駆動部のモータと
ボールねじとナツト １７・・・θステージ １８．１９．２０・・・θステージの駆動部のモータと
ピニオンとギヤ ２１・・・レーザ光源 四、２３・・・レーザ光用のミラー ア、２５・・・レーザ光用のレンズ ２６・・・ハーフミラ−ｎ・・・すシガラス詔・・・第
１の光検出器 ２９．３０．３１・・・第１の光検出器の検出位置決定
部のモータとボールねじとアーム ３２・・・第２の光検出器　　Ｕ・・・Ａ／Ｄ変換器３
５・・・モータ制御系 ３６・・・マイクロコンピュータ ３７・・・ＣＲＴ　　　　　　　３８・・・異常表示器
閉２図 ４１勾２匈５ 閉′５図 ４４図 ０１２３　　　手　　　５　　６ １ｉＪｊｆｒ　ｆＬ’ＰＩＩ：ｔｐつｔｎｊｌｌ赴爾Ｓ
図 閉６図 ８＃′ｒ次数− デ７図 ａ序　亥す 兜δ図 罰Ｓ図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光源と、このレーザ光源から発せられたレーザ光
   をドライエッチング装置で処理中のウェハ上の任意の点
   へ照射する手段と、前記ウェハから反射してくる回折光
   のうちの、特定の回折光を検出する光検出手段と、この
   光検出手段で検出された検出光の強度変化からコントラ
   ストを求め、そのコントラストの大きさからエッチング
   異常を検出する異常検出手段とを備えていることを特徴
   とするエッチング穴・溝の監視装置。