(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板（１、２１）表面に形成された被エッチング材料をエッチング液（２、２４）を用いてエッチング除去し、前記半導体基板（１、２１）表面を露出させるエッチングの終点検出方法であって、
前記被エッチング材料のうちエッチング除去する部分に励起光を照射し、
この励起光によって照射された部分において発生するフォトルミネセンス光の強度を検出し、
エッチングによって露出した前記半導体基板（１、２１）の表面における未接合手が、前記エッチング液（２、２４）に含まれる元素と結合し、前記半導体基板（１、２１）の表面が終端されることによって生じる前記フォトルミネセンス光の強度の変動に基づきエッチングの終点を検出することを特徴とするエッチング終点検出方法。
【請求項２】
前記半導体基板はシリコン基板（１、２１）であり、
前記被エッチング材料は酸化膜であって、
前記エッチング液（２、２４）としてフッ酸系のものを用いることを特徴とする請求項１に記載のエッチング終点検出方法。
【請求項３】
前記励起光として、可視光領域におけるレーザ光を適用することを特徴とする請求項１又は２に記載のエッチングの終点を検出する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体層の上面に形成された酸化膜をエッチングする際における終点検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある物体に光を照射した場合において、その物質の吸収域に波長が合うとその物質が発光するときがある。このような現象をフォトルミネセンスという。このフォトルミネセンスを利用することによりエッチング終点を検出する方法として、特開平６−８９８８２号公報に示されるものがある。
【０００３】
つまり、エッチングされる膜が下地表面の全面に残っているときにはレーザ光が下地まで届かないが、エッチングが進行して下地表面が露出し始めるとレーザ光が下地を直接照射するようになり下地がフォトルミネセンス光（以下、ＰＬ光という）を発光し始める。この発光を検出することによりエッチング終点を検出するというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、エッチングされる膜が下地表面の全面に残っている場合においても該膜が０．１μｍ程度以下に薄くなってくるとレーザ光を透過するようになる。このため、この透過したレーザ光によって下地表面が露出していなくても下地がＰＬ光を発光し始めてしまい、正確なエッチング終点検出が行えないという問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、エッチング終点を正確に検出することができるエッチング終点検出方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは以下に示すような検討を行った。
シリコンは不活性化されているか否かによってＰＬ光強度が大きく変化することが分かっている。つまり、シリコン表面を水素により終端し不活性化させると、表面の非発光再結合中心がなくなり発光再結合確率が増加し、不活性化前に比してＰＬ光強度が変化して大きくなる。
【０００７】
この現象を考慮すると、エッチング液に水素を含むものを用いることによりＰＬ光強度の大きな変化を得られると考えられる。
ところで、半導体基板上に形成された酸化膜をエッチングする場合においてフッ酸系のエッチング液を用いると、露出した部分のシリコンがエッチング液中における水素やフッ素で終端されることになる。つまり、シリコン表面が水素と結合して不活性化される。そして、不活性化された部分のシリコン表面は大きなＰＬ光を発光させ、水素と結合していない部分のシリコン表面は非発光再結合中心が多く発光はわずかとなる。
【０００８】
すなわち、非発光再結合中心となる未結合手が残留している場合においてはＰＬ光強度が小さく、これらの未結合手が水素と結合して不活性化されるとＰＬ光強度が大きく増加する。
本発明は上記検討を基になされたものであって、以下の技術的手段を採用する。
【０００９】
請求項１に記載の発明においては、エッチング材料のうちエッチング除去する部分に励起光を照射し、この励起光によって照射された部分において発生するフォトルミネセンス光の強度を検出し、エッチングによって露出した半導体基板（１、２１）の表面における未接合手が、エッチング液（２、２４）に含まれる元素と結合し、半導体基板（１、２１）の表面が終端されることによって生じる前記フォトルミネセンス光の強度の変動に基づきエッチングの終点を検出することを特徴とする。
【００１０】
このように、露出した半導体基板（１、２１）の表面における未接合手と結合して不活性化させるような元素を有するエッチング液（２、２４）を用いることによって、フォトルミネセンス光強度の変動が明確に分かるため、被エッチング材料のエッチング状態を正確に判断することができる。これにより、エッチング終点を正確に検出することができる。
【００１１】
具体的には、請求項２に示すように、半導体基板にはシリコン基板（１、２１）を用い、被エッチング材料として酸化膜をエッチング除去する場合には、フッ酸系のエッチング液（２、２４）を用いることができる。
この場合、エッチング液（２、２４）中に含まれる水素やフッ素と露出したシリコン基板（１、２１）の表面における未接合手が結合して、フォトルミネセンス光強度を変化させる。これにより請求項１に示す効果を得ことができる。
【００１２】
励起光としては、可視光領域におけるレーザ光を適用する。また、不可視光を用いてもよいがこの場合エッチング検出場所を特定するために用いるガイド光を設けた方が好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１にバッチ式の洗浄器にエッチング終点検出装置を適用したときの模式図を示す。以下、図１に基づいてエッチング終点検出装置について説明する。
図１に示すように、半導体基板としてシリコンウェハ１がエッチング液２に浸されている。このシリコンウェハ１の表面のうち素子分離領域においてはＬＯＣＯＳ膜が形成されており、素子形成領域には被エッチング材料となる酸化膜が形成されている。また、エッチング液２にはシリコン表面を不活性化させる成分を有するフッ酸系のものを用いている。
【００１４】
そして、このシリコンウェハ１に向かってレーザ光（励起光）の照射を行う励起光源３が設けられている。このレーザ光にはシリコンバンドギャップ以上のエネルギーを持つもの、例えばＡｒレーザやＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。
そして、励起光源３の手前には励起光源３側から順にビームスプリッタ４と腐食防止用の保護膜で覆われた集光レンズ５が設けられており、ビームスプリッタ４を透過した励起光が集光レンズ５によって集光される。なお、励起光強度の時間的変動によるＰＬ光強度の変動を補正するためにパワーモニター６が設けられており、ビームスプリッタ４によって分配された励起光がこのパワーモニター６に送られるようになっている。
【００１５】
さらに、集光レンズ５によって集光された励起光は光ファイバ７によってシリコンウェハ１近傍まで導かれ、シリコンウェハ１へ向かって照射される。この光ファイバ７のうちシリコンウェハ１側の先端部には腐食防止用の保護膜で覆われた集光レンズ８が配設されており、この集光レンズ８によって伝達されてきた励起光を集光してシリコンウェハ１の所定位置に向かって照射する。この励起光照射によって酸化膜や下地シリコンがＰＬ発光を起こす。
【００１６】
また、発生したＰＬ光は光ファイバ先端の集光レンズ８によって集光されたのち、光ファイバ７を介して集光レンズ５側へ伝達される。そして、ＰＬ光は集光レンズ５で集光されたのち、ビームスプリッタ４の裏面で反射されて光検出器９まで伝達される。なお、ＰＬ光は非常に小さな光であるが、光ファイバ７や集光レンズ５、８を用いることにより効果的にＰＬ光を伝達することができる。この光ファイバ７は、プラスチック若しくは石英で形成されており、対薬品性を高めるために光の出射面も含めてテフロン系のコーティングが施されている。
【００１７】
光検出器９には、例えばゲルマニウムを用いた光検出器やフォトマルチプライヤー（光倍増管）が適用されており、この光検出器９によってＰＬ光検出を行っている。また、光検出器９の手前には光学フィルタ１０が設置されており、光検出器９へＰＬ光以外の光が届かないようにしている。すなわち、励起光の照射によって生じるＰＬ光は材料固有の波長を有しており、シリコンの場合には室温で約１．１５μｍである。このため、光学フィルタ１０には波長１．１５μｍを中心とするバンドパス型、若しくは波長１．１５μｍ以下の短波長をカットするローパス型のものを適用している。
【００１８】
そして、光検出器９にはこの光検出器９からの出力信号の処理を行う信号処理部１１が接続されており、さらに信号処理部１１にはこの信号処理部１１における処理に基づきＰＬ光の強度をモニター化する表示部１２が接続されている。なお、信号処理部１１には出力信号を表示用に変換する回路やＰＬ強度の変化を検出してその結果を出力する回路が内蔵されており、これらによって表示部１２における表示が行われる。
【００１９】
上記構成のエッチング終点検出装置を用いた場合においてＰＬ光強度の時間的変動をリアルタイムで検出したときの測定結果を図２に示す。
図２に示されるように、（ａ）における期間中はＰＬ光強度が周期的に変動しており、一定していない。これはエッチングされる酸化膜の中での光干渉による周期的変動である。従って、このようにＰＬ光強度が周期的に変動している際には、ＰＬ光が発生していても酸化膜は完全にエッチング除去されてなくて残留している状態である。
【００２０】
そして、酸化膜が除去されてシリコン基板が露出し始めると、この露出した部分がエッチング液中の水素やフッ素等で終端され、シリコンと水素等が結合していく。図中の（ｂ）における期間は、露出したシリコンと水素が結合している途中を示している。これにより、シリコンと水素が結合してシリコン基板表面が不活性化されていくと、ＰＬ光強度は急激な勾配をもって変化する。
【００２１】
そして、シリコン基板表面が完全に不活性化されると、図中の（ｃ）における期間のようにＰＬ光強度が略一定となり。この時点においては、酸化膜は完全に除去されているため、この（ｃ）の期間に入る際がエッチング終点であるといえる。つまり、ＰＬ光強度が急激な勾配をもって増加したのちに一定となった時がエッチング終点となる。
【００２２】
このように、エッチング液２にフッ酸系のものを用いることによって、露出した下地シリコンをエッチング液２に含まれた水素によって終端させ、これらシリコンと水素を結合させることによってＰＬ光強度を急激に変化させることができる。これにより、エッチング終点を正確に検出することができ、最適なエッチング量でエッチングを終了することができる。
【００２３】
また、エッチング液２のエッチングレート変動に対応できるため、エッチング液２の濃度や温度等の変動に関係なくエッチング液２の管理を容易にすることができると共に、多少エッチング能力が落ちたものでもエッチング液２に使用できるためエッチングコストが低減できる。
なお、特開平６−８９８８２号公報に示される従来技術では、レーザ光が酸化膜を透過しないようにするためには紫外線領域の不可視光を用いなければならないが、本実施形態においては酸化膜を透過させてもよいため、可視光である半導体レーザやＡｒレーザ若しくはＨｅ−Ｎｅレーザを適用できる。このため、エッチング検出場所の特定も容易であり、また、不可視光を用いる場合においてエッチング検出場所を特定するために用いるガイド光を必要としないため、励起光源３を簡略化することができる。
【００２４】
ただし、酸化膜を透過しない紫外線領域の光を適用しても同様の効果を得ることができることは勿論である。なお、酸化膜のエッチングの仕方としては本実施形態に示すように、酸化膜の一部をエッチング除去する場合や半導体基板表面における酸化膜を全面エッチング除去する場合があり、共に適用することができる。しかし、酸化膜の一部のみを除去する場合においては、残したい酸化膜（ＬＯＣＯＳ膜等）をオーバエッチングすることなく有効に残すことができるため特に効果的である。
【００２５】
なお、半導体基板としてシリコン基板を示したが、これに限らずＧａＡｓ等に適用しても良い。
（第２の実施形態）
図３に、枚葉式のエッチング装置にエッチング終点検出方法を適用したときの模式図を示す。以下、図３に基づいてエッチング装置について説明する。
【００２６】
図３に示すように、ＬＯＣＯＳ膜が形成されたシリコンウェハ２１が図の矢印方向に回転するチャックテーブル２２上に配置されている。また、チャックテーブル２２の中心部の上にはエッチング液供給ノズル２３の供給口が配置されており、エッチング時においてはチャックテーブル２２にてシリコンウェハ２１を回転させながらエッチング液供給ノズル２３よりエッチング液２４の吐出を行う。なお、エッチング液２４には第１実施形態と同様にフッ酸系のものを用いる。
【００２７】
励起光源２５は、シリコンウェハ１に向かって励起光（レーザ光）の照射を行う。この励起光には上述と同様にシリコンバンドギャップ以上のエネルギーを持つ半導体レーザ、Ａｒレーザ又はＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。
また、励起光源２５の手前には集光レンズ２６が設けられており、この集光レンズ２６によって励起光源２５より照射される励起光が集光される。
【００２８】
さらに、集光レンズ２６によって集光された励起光は光ファイバ２７を介してシリコンウェハ２１へ向かって照射される。この光ファイバ２７のうちシリコンウェハ２１側の先端部には集光レンズ２８が配設されており、この集光レンズ２８によって伝達されてきた励起光を集光してシリコンウェハ２１の所定位置に向かって照射する。この励起光照射によって酸化膜や下地シリコンがＰＬ発光を起こす。
【００２９】
また、発生したＰＬ光は光ファイバ２７の先端の集光レンズ２８によって集光されたのち、光ファイバ２７を介して光検出器へ伝達される。なお、光ファイバ２７は２方向に分岐されており、分岐する一方によって上記励起光源２５からの励起光の伝達を行っており、他方によってシリコンウェハ２１によって発光したＰＬ光の伝達を行っている。また、ＰＬ光は非常に小さな光であるが光ファイバ２７や集光レンズ２８、２９を用いることによって効果的にＰＬ光の伝達を行うことができる。
【００３０】
光ファイバ２７を通じて伝達されてきたＰＬ光は、光ファイバ２７の出口近傍に設けられた集光レンズ２９で集光されたのち、光学フィルタ３０を介して光検出器３１へ伝達される。  そして、光検出器３１には信号処理部３２が接続されており、さらに信号処理部３２には表示部３３が接続されている。なお、信号処理部３２には処理された出力信号に基づき励起光をＯＮ／ＯＦＦ制御を行うためにフィードバック回路が設けられている。
【００３１】
このような構成を有する牧葉式のエッチング終点検出装置においてもエッチング液としてフッ酸系のものを用いることによりＰＬ光強度は図２に示すような変動を生じる。このため、ＰＬ光強度が急激な勾配をもって変動する部分を検出し、これに基づきエッチング終点を検出することができる。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、牧葉式のエッチング装置はバッチ式のエッチング装置に比して温度管理が困難であるが、上述したように本実施形態に示したエッチング終点検出方法によるとエッチング液の温度変化にも対応できるため、正確にエッチングの終点を検出することができる。
【００３２】
また、本実施形態においては光ファイバ２７にハンドルファイバを用いているが、第１実施形態と同様の構成を採用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態におけるエッチング終点検出器を示す説明図である。
【図２】ＰＬ光強度の時間的変動結果を示す説明図である。
【図３】第２実施形態におけるエッチング終点検出器を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２１…シリコンウェハ、２、２４…フッ酸系のエッチング液、
３、２５…励起光源、５、８、２６、２８、２９…集光レンズ、
７、２７…光ファイバ、９、３１…光検出器、１０、３０…光学フィルタ。
【図１】
0003646453.tif 000002
【図２】
0003646453.tif 000003
【図３】
0003646453.tif 000004