(57)【要約】【課題】特別の計測器等を新たに設けることなく既存の回路構成を用いて、シリコンエッチングの正確な終点を検出する方法を提供する。【解決手段】反応器１内を減圧し、ガス導入管４からプロセスガスをプラズマ発生室２ａ内に導入し、コイル３にマッチング回路７を介して高周波電源８から交流電圧を印加してプラズマ発生室２ａ内にてプロセスガスのプラズマを発生させ、同時に基板電極１６にマッチング回路９を介して高周波電源１０から交流電圧を印加して、発生させたそのプラズマを反応室２ｂ内に引き込み、引き込んだプラズマにより、プラテン６に載置した試料２０（ＳＯＩウェハ）のシリコン膜をエッチングする。プラズマ引き込み側のマッチング回路９内の可変コンデンサの容量変化（その回転側電極の位置変化）を終点検出器１１にてモニタし、可変コンデンサの容量（回転側電極の位置）が急激に変化する時点を、エッチング終点として検出する。【選択図】　　　　図１
2004047581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングする際の終点を検出する方法において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化に基づいて前記プラズマエッチングの終点を検出することを特徴とするプラズマエッチングの終点検出方法。
【請求項２】
コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングするプラズマエッチング装置において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化を検知する検知手段と、該検知手段での検知結果に基づいて前記シリコン膜に対するプラズマエッチングの終点を検出する検出手段とを備えることを特徴とするプラズマエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン膜をプラズマエッチングする際のエッチング終点を検出する方法、及び、該方法を実施できるプラズマエッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳｉＯ２　膜などの絶縁膜（絶縁性の基板も含む）上にシリコン膜を形成した構造は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造と称され、狭い領域にて素子間分離が行えて高集積化または高速化が可能であるという利点があり、半導体集積回路の特性向上に寄与できる。また、このＳＯＩ構造は、絶縁膜をエッチング停止層として機能させ、シリコン膜のエッチング厚さを制御する際にも利用される。
【０００３】
絶縁体上にシリコン膜が形成されている試料（ＳＯＩウェハという）に対して、シリコン膜をその厚さ方向にエッチング（パターニング）する際には、プラズマを用いたドライエッチング処理が広く利用されている。プラズマを用いたドライエッチング処理では、減圧雰囲気中で低圧プロセスガスのプラズマを発生させ、発生したプラズマによってシリコン膜をエッチング加工する。
【０００４】
プラズマエッチング装置の一例として、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御する誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｐｌａｓｍａ）装置）が知られている。このＩＣＰ装置では、コイルに交流電圧を印加してプラズマを発生させ、ＳＯＩウェハを載置した基板電極に交流電圧を印加して、この発生させたプラズマを引き込み、引き込んだプラズマによってエッチングを行う。また、このＩＣＰ装置を使用する場合、エッチングの異方性を高めるために、プロセスガスとしてエッチングガス（例えばＳＦ６　）と堆積ガス（例えばＣ４　Ｆ８　）とを交互に導入してプラズマ化させ、エッチングステップと堆積ステップとを繰り返すＡＳＥＴＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）手法も知られている。
【０００５】
このようなプラズマエッチングにあって、シリコン膜のエッチングが終了した時点を知ることは、処理効率を高める上で重要なことである。エッチング終点を検出する第１の従来方法として、プラズマの発光分析を利用する方法が知られている。この第１の従来方法では、採光用の窓を介してプラズマ中の特定波長（例えばフッ素ラジカルのピーク７０３ｎｍ）の発光強度変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。
【０００６】
また、エッチング終点を検出する第２の従来方法として、プラズマのインピーダンス変化を利用する方法が知られている。この第２の従来方法では、インピーダンス計測器を設置してプラズマのインピーダンス変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来方法にあっては、採光用の窓の汚れまたは劣化により、プラズマ光の透過性が悪化して、正確な終点検出を行えない虞があるという問題がある。また、第２の従来方法にあっては、インピーダンス計測器の設置が必須であり、部品点数増加による装置の信頼性・安定性の低下及び／またはコストアップをもたらすプラズマエッチング装置の大規模化が避けられないという問題がある。
【０００８】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、プラズマ引き込み用の交流電源用のマッチング回路内の可変コンデンサの容量変化に基づいてエッチングの終了時点を検出することにより、特別の計測器等を新たに設けることなく既存の回路構成を用いて、シリコン膜エッチングの正確な終点を検出できるプラズマエッチングの終点検出方法、及び、該方法を実施できるプラズマエッチング装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係るプラズマエッチングの終点検出方法は、コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングする際の終点を検出する方法において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化に基づいて前記プラズマエッチングの終点を検出することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係るプラズマエッチング装置は、コイルへの交流電圧の印加によってプラズマを発生させ、エッチング対象のシリコン膜を有する試料を載置した基板電極に可変コンデンサを含む交流電源用マッチング回路を介して交流電圧を印加して、発生させた前記プラズマを引き込んで前記シリコン膜をエッチングするプラズマエッチング装置において、前記可変コンデンサの経時的な容量変化を検知する検知手段と、該検知手段での検知結果に基づいて前記シリコン膜に対するプラズマエッチングの終点を検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明では、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあって、プラズマ引き込み側のマッチング回路においてマッチング条件を実現するための可変コンデンサの容量変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出する。よって、第１の従来方法のように環境条件の影響を受けることなく、常に正確なエッチング終点を検出できる。また、第２の従来方法のインピーダンス計測器のような新たな機器を設ける必要がなく、既存の回路構成を利用できて、全体構成の大型化を招くことなくエッチング終点の検出を行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明に係るプラズマエッチング装置の構成図であり、シリコン膜の選択エッチングを行うプラズマエッチング装置の一例である誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）装置の構成を示している。図１において、１は反応器であり、反応器１は、コイル３への通電によってプラズマを発生させる上方側のプラズマ発生室２ａと、発生されたプラズマを引き込んで試料２０に対してプラズマエッチングを行う下方側の反応室２ｂとを有する。
【００１３】
プラズマ発生室２ａは、セラミック製の中空円筒の形状を有しており、その周面には同心状にコイル３が囲繞されている。コイル３には、マッチング回路７を介して高周波電源８が接続されている。また、プラズマ発生室２ａの上部壁中央には、反応器１内へプロセスガス（ＳＦ６　またはＣ４　Ｆ８　）を導入するガス導入管４が、貫通する態様で連結されている。そして、コイル３への交流電圧の印加によって、プラズマ発生室２ａ内にてプロセスガスのプラズマを発生させるようになっている。
【００１４】
反応室２ｂの側部壁には、図示しない排気装置を接続した排気口５が開口されている。反応室２ｂの底部には、エッチング対象の試料２０を載置する基板電極１６を有するプラテン６が配設されている。プラテン６には、マッチング回路９を介して高周波電源１０が接続されている。そして、基板電極１６への交流電圧の印加によって、プラズマ発生室２ａ内で発生されたプラズマが反応室２ｂ内に引き込まれ、その引き込まれたプラズマにより試料２０がエッチングされるようになっている。
【００１５】
図２は、プラズマ引き込み側（プラテン６側）のマッチング回路９の構成図である。このマッチング回路９は、第１可変コンデンサ９ａと、第２可変コンデンサ９ｂと、インダクタンス９ｃと、コントローラ９ｄと、出力センサ９ｅと、第１モータ９ｆと、第２モータ９ｇとを有し、高周波電源１０のマッチング（整合）を行う。出力センサ９ｅは、高周波電源１０からの出力電圧／出力電流を計測して、その計測結果をコントローラ９ｄへ出力する。コントローラ９ｄは、この計測結果と、第１可変コンデンサ９ａ及び第２可変コンデンサ９ｂの回転側電極の現在の位置の検知結果とに基づき、所定のインピーダンス（例えば５０Ω）にマッチングさせるためのモータ駆動信号を生成して第１，第２モータ９ｆ，９ｇへ出力する。第１，第２モータ９ｆ，９ｇは、入力したモータ駆動信号に基づいて、第１，第２可変コンデンサ９ａ，９ｂを所望の容量に調整すべく回転側電極を所望の角度位置へ回転させる。ここで、第１可変コンデンサ９ａは、主として電圧，電流の大きさを調整するためのものであり、第２可変コンデンサ９ｂは、主として電圧，電流の位相を合わせるためのものである。
【００１６】
マッチング回路９には、試料２０のエッチング終点を検出する終点検出器１１が接続されている。終点検出器１１は、このマッチング回路９内の第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置（即ち容量）をモニタし、そのモニタ結果に基づいて、エッチングが終了したか否かを判断する。即ち、終点検出器１１は、第１可変コンデンサ９ａの電極位置変化つまり容量変化に基づいて、エッチング終点を検出する。
【００１７】
次に、このような構成のプラズマエッチング装置を用いた本発明によるプラズマエッチングの具体例について説明する。図３は、エッチング対象の試料２０（ＳＯＩウェハ）の構成図であり、試料２０は、シリコン基板（厚さ：４００μｍ）２１上に、絶縁体としてのＳｉＯ２　膜２２，活性層としてのシリコン膜２３（厚さ：１００μｍ）を形成して構成されている。そして、マスク３０に覆われていない領域のシリコン膜２３をエッチング除去する。この際、ＳｉＯ２　膜２２はエッチング停止層として機能し、ＳｉＯ２　膜２２との界面までエッチングが進行した時点がエッチングの終点となる。なお、シリコン膜２３のエッチング開口率は３０％である。
【００１８】
排気口５を介して排気装置（図示せず）により反応器１内を減圧し、ガス導入管４からプロセスガスをプラズマ発生室２ａ内に導入する。そして、コイル３にマッチング回路７を介して高周波電源８から交流電圧を印加し、プラズマ発生室２ａ内にてプロセスガスのプラズマを発生させ、同時に基板電極１６にマッチング回路９を介して高周波電源１０から交流電圧を印加して、発生させたそのプラズマを反応室２ｂ内に引き込み、その引き込んだプラズマにより、エッチング対象以外の領域にマスク３０を形成した試料２０のシリコン膜２３をエッチングする。この際、本例では、前述したようなＡＳＥＴＭ手法を利用して、即ち、プロセスガスとしてＳＦ６　を用いるエッチングステップとプロセスガスとしてＣ４　Ｆ８　を用いる堆積ステップとを交互に繰り返してエッチングを実行する。この際の両ステップでの条件は、具体的には以下のようにする。
（エッチングステップ）
導入するガス：ＳＦ６　，ガス流量：２００ｓｃｃｍ，
ガス圧力：２０ｍＴｏｒｒ，コイル３への印加電力：９００Ｗ，
基板電極１６への印加電力：２５Ｗ
（堆積ステップ）
導入するガス：Ｃ４　Ｆ８　，ガス流量：６０ｓｃｃｍ，
ガス圧力：６ｍＴｏｒｒ，コイル３への印加電力：８００Ｗ，
基板電極１６への印加電力：５Ｗ
【００１９】
図４は、このようなエッチング中におけるマッチング回路９内の第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の経時的な位置変化を示すグラフである。図４は、堆積ステップではその回転側電極の位置データは取り込まず、エッチングステップにおいてのみ位置データを取り込むようにしたモニタ結果を示している。
【００２０】
プラズマ引き込みを開始した時点（図４の時点Ａ）からエッチングが始まり、開始後しばらくの間（１０００秒程度経過後の図４の時点Ｂまで）は位置データが不安定であるが、その後は、位置データは安定して一定の値を維持し、ある時点（図４の時点Ｃ）を境にして位置データは急激に増加する。
【００２１】
第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置が急激に変化するこの時点（図４の時点Ｃ）において、試料２０の表面を確認したところ、シリコン膜２３のエッチングが完全に終了していることが分かった。また、位置データが安定して一定の値を維持している期間（図４の時点Ｂから時点Ｃまでの期間）において、試料２０の表面を確認したところ、シリコン膜２３の未エッチング部分が残存していることが分かった。エッチング対象のシリコン膜２３が残存している間は、プラズマインピーダンスが一定であるが、エッチングが完了してプラズマが下地のＳｉＯ２　膜２２まで達すると、プラズマインピーダンスが変化するため、マッチングを維持するために第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置が急激に変化する。以上のことから、第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置、即ち、第１可変コンデンサ９ａの容量が急激に変化する時点は、エッチング終了の時点と一致する。
【００２２】
従って、本発明では、エッチング中において、終点検出器１１にて、第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置をモニタし、そのモニタ結果からエッチング終点を検出できる。つまり、第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置が急激に変化する（増加する）時点、即ち、第１可変コンデンサ９ａの容量が急激に変化する時点をエッチングの終了時点として検出できる。なお、エッチング開始から初めの期間（図４の時点Ａから時点Ｂまでの期間）は、第１可変コンデンサ９ａの位置が安定しないので、その期間は無効期間として第１可変コンデンサ９ａの回転側電極の位置データを取り込まず、安定する時点（図４の時点Ｂ）からその位置データの取得を開始してモニタを始めるようにすれば、エッチング終点の誤検出を防ぐことが可能である。
【００２３】
なお、上述した例では、第１可変コンデンサ９ａの電極位置（容量）変化に基づいてエッチング終点を検出するようにしたが、第２可変コンデンサ９ｂにおいても、エッチングの進行と共にその回転側電極の経時的な位置変化は、図４と同様になるので、第２可変コンデンサ９ｂの電極位置（容量）変化に基づいてエッチング終点を検出するようにしても良い。
【００２４】
ところで、プラズマ発生側（コイル３側）のマッチング回路７内の可変コンデンサについて、エッチング中同様に、その回転側電極の位置をモニタしたが、エッチング終了時点において著明な変化は見られなかった。これは、プラズマ引き込み側（プラテン６側）のマッチング回路９では、エッチング場所に近くて、シリコン膜２３を実際にエッチングするプラズマのインピーダンス変化を如実に反映できているが、プラズマ発生側（コイル３側）のマッチング回路７では、そうでないことに起因する。
【００２５】
従って、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあっては、プラズマ引き込み側のマッチング回路内の可変コンデンサの容量変化をモニタすることにより、正確なエッチング終点を検出できる。独立電圧駆動でない例えば平行平板タイプのプラズマエッチング装置で同様に可変コンデンサの容量変化に基づきエッチング終点を検出するようにしても、本発明のように、エッチングに直接関与するプラズマを対象とできないため、本発明に比べてそのエッチング終点の検出結果の精度は低くなる。
【００２６】
なお、上述した例では、エッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返してプラズマエッチングを行うようにしたが、これに限らず、プロセスガスとしてＳＦ６　のみを用いて連続的にエッチングを行うような場合でも、本発明を適用できることは勿論である。
【００２７】
また、上述した例では、エッチング用の試料としてＳＯＩウェハを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限らず、シリコン膜をプラズマエッチングする全ての例に適用可能であることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明では、プラズマ発生とプラズマ引き込みとを独立的に制御するプラズマエッチング装置にあって、プラズマ引き込み側のマッチング回路においてマッチング条件を実現するための可変コンデンサの容量変化をモニタし、そのモニタ結果に基づいてエッチングの終了時点を検出するようにしたので、環境条件の影響を受けることなく常に正確なエッチング終点を検出できると共に、インピーダンス計測器のような新たな機器を設ける必要がなく既存の回路構成を利用できて、部品点数増加による装置の信頼性・安定性の低下及び／またはコストアップをもたらす全体構成の大型化を招かずにエッチング終点の検出を行えるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプラズマエッチング装置の構成図である。
【図２】プラズマ引き込み側（プラテン側）のマッチング回路の構成図である。
【図３】エッチング対象の試料（ＳＯＩウェハ）の構成図である。
【図４】第１可変コンデンサの回転側電極の経時的な位置変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１　反応器
２ａ　プラズマ発生室
２ｂ　反応室
３　コイル
６　プラテン
７　マッチング回路（プラズマ発生側）
８，１０　高周波電源
９　マッチング回路（プラズマ引き込み側）
９ａ　第１可変コンデンサ
９ｂ　第２可変コンデンサ
１１　終点検出器
１６　基板電極
２０　試料
２３　シリコン膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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