(57)【要約】【課題】エッチングレートが小さく処理中に被処理物（１４）の表面温度が変化する場合に、薄膜（１４ａ）のエッチング終点を高精度に検出する。【解決手段】被処理物（１４）表面に垂直に照射した入射光の薄膜（１４ａ）の表面および薄膜（１４ａ）の下地表面による反射光の干渉光強度を検出すると共に、被処理物（１４）表面の温度を検出し、表面温度によって補正した干渉光強度変化に基づいてエッチング終点（ＰＥ）を決定する。被処理物（１４）の表面に垂直に照射した入射光の薄膜（１４ａ）表面および薄膜（１４ａ）の下地表面による反射光の干渉光強度を検出する干渉光強度センサ（５２）と、被処理物（１４）の表面温度を検出する温度センサ（５４）と、干渉光強度センサ（５２）の出力を温度センサ（５４）の出力で補正する補正回路（５６）と、この補正回路（５６）の出力に基づいてエッチング終点（ＰＥ）を決定する終点決定回路（５８）とを備える。【選択図】　　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物表面の薄膜をドライエッチングによって除去する際のエッチング終点を検出するための方法であって、
被処理物表面に垂直に照射した入射光の薄膜の表面および薄膜の下地表面による反射光の干渉光強度を検出すると共に、被処理物表面の温度を検出し、表面温度によって補正した前記干渉光強度変化に基づいてエッチング終点を決定することを特徴とするドライエッチングの終点検出方法。
【請求項２】
干渉光強度を表面温度を除算した結果を用いてエッチング終点を決定する請求項１のドライエッチングの終点検出方法。
【請求項３】
干渉光強度から表面温度に比例する補正値を減算した結果を用いてエッチング終点を決定する請求項１のドライエッチングの終点検出方法。
【請求項４】
被処理物表面の薄膜をドライエッチングによって除去する際のエッチング終点を検出するための装置であって、
前記被処理物の表面に垂直に照射した入射光の薄膜表面および薄膜の下地表面による反射光の干渉光強度を検出する干渉光強度センサと、被処理物の表面温度を検出する温度センサと、前記干渉光強度センサの出力を前記温度センサの出力で補正する補正回路と、この補正回路の出力に基づいてエッチング終点を決定する終点決定回路とを備えることを特徴とするドライエッチングの終点検出装置。
【請求項５】
干渉光強度センサは、所定波長の光を射出する光源部と、この光源部の射出光を被処理物表面の局所に導く光学系と、光源部の射出光の薄膜表面と下地表面とによる反射光の干渉光を検出する光検出部と、を備えることを特徴とする請求項４のドライエッチングの終点検出装置。
【請求項６】
光検出部は干渉光を選択的に通す光学フィルタと、この光学フィルタの透過光を検出する光電子増倍管とを備える請求項５のドライエッチングの終点検出装置。
【請求項７】
光学系は光源部の射出光を被処理物表面の局所に集光させると共に被処理物表面による反射光の干渉光を光検出部に導く集光レンズと、光源部の射出光および干渉光を合波／分波する分波器とを備える請求項５のドライエッチングの終点検出装置。
【請求項８】
温度センサは焦電形赤外線センサである請求項４のドライエッチングの終点検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、半導体ウェハなどの被処理物の表面に形成した薄膜をエッチングする場合に、エッチング終点を検出するための方法と装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の製造工程で、シリコン（Ｓｉ）ウェハの表面に絶縁層としてＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３などの薄膜をＣＶＤ法などで形成し、不用な絶縁膜をエッチングによって除去する工程がある。
【０００３】
このような薄膜のエッチングにおいては、エッチング処理を停止するタイミングであるエッチング終点を正確に決定することが必要になる。このエッチング終点の検出方法として、被処理物表面のルミネッセンスを検出する方法、反応ガス成分の変化を検出する方法などが公知である。
【０００４】
しかしこのような方法は薄膜の下地が現れてからでないと終点を検出することができないという問題がある。また薄膜を完全に除去せずに薄く残しておきたいことがあり、このような時には前記従来の方法は使用できない。
【０００５】
そこで薄膜の表面と、その下地の表面による反射光の干渉を利用して薄膜の厚さを直接測定する方法が考えられている。薄膜の表面に垂直に単一波長の光を照射し、薄膜表面の反射光と、薄膜の下地表面による反射光との干渉光の強度変化を検出するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この干渉光を検出する方法では、薄膜の厚さがλ／４（λは入射光の波長）変化する間に干渉光の強度が１回増減変化する現象を利用する。すなわち干渉光の強度変化の１周期Ｔの間にエッチングされる薄膜の厚さ（エッチングレート、ＥＲ）は、ＥＲ＝λ／（４ｎＴ）となる。ここにｎは薄膜の入射光に対する屈折率であり、λ／ｎは薄膜内での波長となる。λは入射光の波長、Ｔは干渉光強度の１周期である。エッチングレートＥＲの単位は、通常μｍ／ｓｅｃである。
【０００７】
この方法でエッチング速度が小さい（エッチングレートが小さい）薄膜をエッチングする場合は、処理に要する時間が長くなるため被処理物の表面温度の変化も大きくなる。このため干渉光の強度を検出するセンサ（干渉光強度センサ）の出力も表面温度変化の影響を受けて変化する。
【０００８】
図３は従来の干渉光強度センサの出力例を示す図である。この図で横軸はエッチング時間ｔ、縦軸はセンサ出力（光強度）Ｉである。この場合時間経過と共に被処理物表面温度が上昇し、センサ出力Ｉもこれに伴って増大している。
【０００９】
この場合に、薄膜を任意の厚さに残してエッチングを終わらせるために、例えばセンサ出力Ｉの極大／極小の間にエッチング終点ＰＥを決める必要が生じることがある。このエッチング終点ＰＥは、センサ出力Ｉの増加中に設定する場合には、その直前の半周期ｔ３に基づいて極小点Ｐｍからの経過時間ｔｅによって設定している。またセンサ出力Ｉの減少中に終点Ｐ′Ｅを設定する場合には、その直前の半周期（例えば）ｔ２に基づいて極大点ＰＭからの経過時間ｔ′ｅによって設定している。
【００１０】
しかし前記したように、センサ出力Ｉが被処理物表面温度により変化する場合にはこのエッチング終点ＰＥを正確に設定することができないことが解った。その原因は、図３に示すようにセンサ出力Ｉの極大点ＰＭから極小点Ｐｍまで減少する時間ｔ１、ｔ３に比べて、極小点Ｐｍから極大点ＰＭまで増加する時間ｔ２、ｔ４が長くなるためであることが解った。
【００１１】
この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、特にエッチングレートが小さく処理中に被処理物表面温度が変化する場合に、薄膜を任意の厚さに高精度にエッチングすることができるようにするドライエッチングの終点検出方法を提供することを第１の目的とする。またこの発明は、この方法の実施に直接使用する装置、すなわちドライエッチングの終点検出装置を提供することを第２の目的とする。
【００１２】
【発明の構成】
この発明によれば第１の目的は、被処理物表面の薄膜をドライエッチングによって除去する際のエッチング終点を検出するための方法であって、被処理物表面に垂直に照射した入射光の薄膜の表面および薄膜の下地表面による反射光の干渉光強度を検出すると共に、被処理物表面の温度を検出し、表面温度によって補正した前記干渉光強度変化に基づいてエッチング終点を決定することを特徴とするドライエッチングの終点検出方法、により達成される。
【００１３】
干渉光強度変化を表面温度で補正する方法としては、前者（干渉光強度）を後者（表面温度）で除算する方法や、前者から後者に比例する補正値を減算する方法などが用いられる。
【００１４】
第２の目的は、被処理物表面の薄膜をドライエッチングによって除去する際のエッチング終点を検出するための装置であって、前記被処理物の表面に垂直に照射した入射光の薄膜表面および薄膜の下地表面による反射光の干渉光強度を検出する干渉光強度センサと、被処理物の表面温度を検出する温度センサと、前記干渉光強度センサの出力を前記温度センサの出力で補正する補正回路と、この補正回路の出力に基づいてエッチング終点を決定する終点決定回路とを備えることを特徴とするドライエッチングの終点検出装置、により達成される。
【００１５】
干渉光強度センサは、所定波長の光を射出する光源部と、この光を表面の局所に導く光学系と、干渉光の強度を検出する光検出部とで形成することができる。ここに用いる光検出部は、干渉光を選択的に通す光学フィルタと、この光学フィルタの透過光を検出する光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｔｕｂｅ：　ＰＭＴ）とで構成することができる。
【００１６】
光学系は、光源部の射出光を薄膜表面の局所に集光させると共に干渉光を光検出部に導く集光レンズと、光源部の射出光および干渉光を合波および分波する分波器で構成する。分波器はハーフミラーやプリズムなどで形成する。
【００１７】
温度センサには、例えば被処理物表面から出る赤外線を検出する焦電形赤外線センサなどを用いることができる。
【００１８】
【実施態様】
図１は本発明に係る装置の一実施態様を示す概念図である。この図において符号１０は真空容器である。この真空容器１０内にはヒータ付きの保持台１２が昇降可能に設けられ、その上面には被処理物としてのウェハ１４が保持されている。このウェハ１４は例えばＳｉであり、その表面にはＳｉ３Ｎ４などの薄膜１４ａが形成されている。
【００１９】
真空容器１０の底には、圧力制御器（Ａｉｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＡＰＣ）１６を介してターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）などのドライポンプ１８が接続されている。圧力制御器１６は、真空容器１０の内圧を検出する真空計（図示せず）の出力に基づいて、真空容器１６の内圧を所定圧に制御する。
【００２０】
２０はプラズマ生成部であり、マイクロ波により反応ガスを励起し、プラズマ化して真空容器１０に導く。プラズマ生成部２０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）で作られた放電管２２と、この放電管２２にその中央付近で交叉する導波管２４と、この導波管２４の一端からマイクロ波を供給するマイクロ波電源２６とを持つ。
【００２１】
アルミナ放電管２２の一端には反応ガス供給部３０から反応ガスが供給される。アルミナ放電管２２の他端はガス導入管３２によって真空容器１０に接続されている。マイクロ波電源２６が供給する所定周波数のマイクロ波は、導波管２４を通り、アルミナ放電管２２を透過してアルミナ放電管２２内を流れる反応ガスを励起する。
【００２２】
反応ガス供給部３０は、種々のガスを選択的にまたは組合せて同時に供給する。例えば、ＣＦ４，ＮＦ３，Ａｒ，Ｏ２のガスがそれぞれ流量制御弁（Ｍａｓｓ　Ｆｌｏｗ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＭＦＣ）３４を介し、アルミナ放電管２２の一端に取付けた端板３６を通してアルミナ放電管２２内に供給可能である。各ガスの供給量はコントローラ３８によって制御される。
【００２３】
このコントローラ３８はまた、ＡＰＣ１６により真空容器１０の内部の真空度を制御したり、マイクロ波電源２６やドライポンプ１８などを制御する。すなわちこの制御はその全体の動作がコントローラ３８により制御されるものである。
【００２４】
次にこの装置の動作を説明する。通常のドライエッチング処理では、コントローラ３８はドライポンプ１８を作動させ、ＡＰＣ１６を制御することによって真空容器１０内を一定の真空度に保つ。一方反応ガス供給部３０からは、ＣＦ４またはＮＦ３とＡｒの混合ガスをアルミナ放電管２２に供給する。この時の各ガスの流量は、ＭＦＣ３４によりコントローラ３８が制御する。
【００２５】
この状態でコントローラ３８がマイクロ波電源２６を作動させれば、反応ガスは励起されてプラズマ化される。このプラズマガスはガス導入管３２によって真空容器１０に導かれ、保持台１２に保持されたウェハ１４の表面に形成した薄膜１４ａをエッチングする。
【００２６】
エッチング終点は、図２に示す終点検出装置５０によって検出される。この終点検出装置５０は、干渉光強度センサ５２と、ウェハ１４の表面温度を検出する温度センサ５４と、補正回路５６と、終点決定回路５８とを有す。干渉光強度センサ５２は、図２に示すように、光源部６０と、光学系６２と、光検出部６４とを備える。
【００２７】
光源部６０は、水銀ランプやタングステンランプなどの光源ランプ６０ａと、この光源ランプ６０ａが射出する光のうち特定の波長λの光を選択的に通す光学フィルタ６０ｂとを有する。
【００２８】
光学系６２は、このフィルタ６０ｂの通過光をウェハ１４の表面に対して垂直に導く分波器６２ａと、この分波器６２ａで変向された光をウェハ１４の表面の局部に集光させる集光レンズ６２ｂとを有する。ここに分波器６２ａはハーフミラーやプリズムなどで形成され、特定波長の光を合波したり分波したりする機能を持つ。
【００２９】
光検出部６４は、ウェハ１４の表面における干渉光を選択的に通す光学フィルタ６４ａと、このフィルタ６４ａの透過光の強度を検出する光電子増倍管（Ｐｈｏｔｏ　ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ　ｔｕｂｅ：　ＰＭＴ）６４ｂとを備える。フィルタ６４ａはウェハ１４の表面や真空容器１０内のノイズとなる光を遮断して、精度良く検出するために設けたものである。
【００３０】
温度センサ５４は、ウェハ１４の表面温度を例えば赤外線強度によって検出する焦電形赤外線センサにより形成することができる。ここにセンサ５４には、真空容器１０内のノイズとなる赤外線が検出されるのを防ぐためのフィルタ５４ａを設ける。このセンサ５４の出力Ｉｂは、エッチング処理時間ｔの経過に伴ってウェハ１４の表面温度が上昇するため、この表面温度の上昇に伴って増大する。図４はこのセンサ５４の出力Ｉｂの変化を示している。この出力Ｉｂは、光検出部６４が検出した干渉光強度Ｉのバックグラウンドノイズとなるものである。
【００３１】
ウェハ１４の下地は例えばＳｉであり、その表面には例えばＳｉ３Ｎ４の薄膜１４ａが形成されている。光源部６０からこのウェハ１４の表面に導かれた特定波長（λ）の光は、薄膜１４ａの表面と下地の表面で反射され、これらの反射光は互いに干渉する。干渉光の強度（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，Ｉ）は薄膜１４ａの厚さθの減少により前記した図３に示すように周期的に変化するから、この干渉光の強度変化を監視することによって前記したようにエッチング量（エッチングレート）を知ることができる。
【００３２】
ここに干渉光強度Ｉにはウェハ１４の表面温度によるノイズが含まれているので、この発明においてはこのノイズを温度センサ５４の出力Ｉｂを用いて除去するための補正を行う。すなわち補正回路５６では、干渉光強度Ｉを温度センサ５４の出力Ｉｂで除算（割り算）することによって図５に示すような補正出力Ｉｃを求める。一般に強度Ｉと出力Ｉｂとは出力レベルが著しく異なるので、この補正回路５６では除算したものである。しかしどちらかに適切な定数を積算することによって両者の信号レベルを揃え、これらを減算（引き算）することにより補正してもよい。
【００３３】
補正後の出力Ｉｃは図５に示すように、極大点ＰＭから極小点Ｐｍまでの時間ｔ１ｃ、ｔ３ｃと極小点Ｐｍから極大点ＰＭまでの時間ｔ２ｃ、ｔ４ｃとがほぼ等しくなる。このため極小点Ｐｍと極大点ＰＭとの間に終点ＰＥを設定する場合に、この終点ＰＥが強度Ｉの増大中か減少中かに関係なく、常に正確に検出することが可能になる。
【００３４】
終点決定回路５８はこの補正後の出力Ｉｃを用いて終点ＰＥを求める。例えば目標の薄膜の厚さθを極小点Ｐｍと極大点ＰＭの間の終点ＰＥに決める場合を考える。この場合、これら極小・極大点ＰｍおよびＰＭの厚さθｍ、θＭおよび時間ｔｍ、ｔＭが既知であるから、比例関係を用いて極小・極大点Ｐｍ、ＰＭから終点ＰＥまでの時間ｔｅを決める。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１〜３の発明によれば、被処理物表面による干渉光強度を被処理物表面温度により補正するから、特にエッチングレートが小さく処理中の被処理物表面温度の変化が大きい場合に、薄膜の厚さを高精度に検出してエッチング終点を高精度に決定することが可能になる。
【００３６】
請求項４〜８の発明によれば、この方法の実施に直接使用する終点検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るドライエッチング装置の概念図
【図２】エッチング終点検出装置を示す図
【図３】補正前の干渉光強度を示す図
【図４】温度センサの出力を示す図
【図５】補正後の干渉光強度を示す図
【符号の説明】
１０　真空容器
１４　ウェハ（被処理物）
１４ａ　薄膜
５０　終点検出装置
５２　干渉光強度センサ
５４　温度センサ
５６　補正回路
５８　終点決定回路
６０　光源部
６０ａ　光源ランプ
６０ｂ　光学フィルタ
６２　光学系
６２ａ　分波器
６２ｂ　集光レンズ
６４　光検出部
６４ａ　光学フィルタ
６４ｂ　光電子増倍管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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