(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマによって行なわれる規定の構造の異方性の深いエッチングのための交互のエッチング−及び被覆−又は堆積ステップにおいて半導体構造における異なった材料の接合部を認識する方法において、プラズマに含まれた少なくとも１つの所定の物質の強度の測定によって、特徴的な閾値（Ｗ）の到達によりそれぞれのエッチングステップの開始を検出し、かつそれから閾値（Ｗ）の到達とともに、遅延時間（τ）をスタートし、この遅延時間が、第１の濃度最大値（１）の経過よりも長く、かつこれを消去し、それから遅延時間（τ）の経過後に、第２の濃度最大値（２）を検出し、かつ材料の接合部を認識するために所定の値（Ａ，Ｂ）を上回るか又は下回るかに関してエッチングステップの第２の濃度最大値（２）を監視し、それぞれのエッチングステップの開始、したがって遅延時間（τ）のスタートを、エッチング機械の同期信号によって認識することを特徴とする、半導体構造における異なった材料の接合部を認識する方法。
【請求項２】
第２の濃度最大値（２）の尖頭値検出を行なう、請求項１記載の方法。
【請求項３】
サンプル−アンド−ホールド−方法にしたがって第２の濃度最大値（２）を検出する、請求項１記載の方法。
【請求項４】
フッ素ラジカルによってエッチングすべき半導体構造が、シリコン（Ｓｉ）からなる少なくとも１つの範囲、及び二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる少なくとも１つの別の範囲を有し、その際、シリコン（Ｓｉ）が、エッチング側からまず加工される材料であり、かつ二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が、継続するエッチングプロセスによって到達すべき材料であり、その際、所定の値（Ａ）を越えるまで上昇する前記第２の濃度最大値としての第２のフッ素濃度最大値（２）が、シリコン（Ｓｉ）から二酸化シリコン（ＳｉＯ２）への到達した材料接合部の認識に通じる、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
フッ素ラジカルによってエッチングすべき半導体構造が、シリコン（Ｓｉ）からなる少なくとも１つの範囲、及び二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる少なくとも１つの別の範囲を有し、その際、シリコン（Ｓｉ）が、エッチング側からまず加工される材料であり、かつ二酸化シリコン（ＳｉＯ２）が、継続するエッチングプロセスによって到達すべき材料であり、その際、所定の値（Ｂ）の下までのプラズマに含まれる前記第２の濃度最大値としての第２のＳｉＦｘ濃度最大値の低下が、シリコン（Ｓｉ）から二酸化シリコン（ＳｉＯ２）への材料接合部の認識に通じることを特徴とする、請求項１、２又は３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、プラズマによって行なわれる規定の構造の異方性の深いエッチングのための交互のエッチング−及び被覆−又は堆積ステップにおいて半導体構造における異なった材料の接合部を認識する方法に関する。
従来の技術
ドイツ連邦共和国特許第４２４１０４５号明細書によれば、シリコンのためのプラズマエッチング方法が公知であり、該方法では、エッチングすべき構造の側壁にテフロン状の保護フィルムが取付けられ、かつそれに続くフッ素ラジカルによるそれ自体等方性のエッチングステップにおいて深いところへシリコンがエッチングされる。その上にある側壁保護フィルムの除去、それに続く下方への搬出、及び個々のエッチングステップの間の再堆積によって、新たに発生された側壁区間は、常に後続のエッチング作用から保護されるので、なめらかな側壁が生じる。半導体構造においては種々の材料の層が存在するので、エッチングは、しばしば１つの層を貫通してその下にある層にまで行なわれ、すなわちエッチングは、新しい層の初めまで行なわれ、かつそれから停止される。例えば上側の層がシリコンからなり、かつその下にある層が二酸化シリコンからなる場合、シリコン層の貫通エッチングの後にかつ二酸化シリコン層に到達した直後に、エッチングプロセスを停止するために、通常光学的スペクトロスコープ法が利用される。光学的方法は、所定の物質に関するプラズマの放射の強度をその特徴的な１つ（又は複数の）放射波長によって検査することにある。ドイツ連邦共和国特許第４２４１４０４５号明細書によるシリコンのエッチングの間に、エッチング反応の際に比較的多量のフッ素ラジカルが消費される、すなわちフッ素ラジカルの濃度は、プラズマ中においては比較的わずかである。同時にＳｉＦ2、ＳｉＦ3、ＳｉＦ4のようなガス状の反応生成物が生じ、これらの反応生成物は、他方において特徴的な放射を呈する。エッチングにより誘電体中間層に、したがって二酸化シリコン層に達すると、二酸化シリコンにおけるエッチング過程は、シリコンにおけるものよりも著しくゆっくりと行なわれるので、擬似的にエッチング停止が起こる。このエッチング停止に基づいて、フッ素の消費が減少し、相応してプラズマ中における遊離フッ素の量が増加する。このことは、光学的な測定の際に、特徴的な波長における相応した光放射によって認識される。二酸化シリコン層に到達した際のエッチングプロセスの減速によって、さらにＳｉＦx濃度が下がるので、特徴的な波長におけるその光放射が減少し、かつ二酸化シリコンからの酸素の放射が、その特徴的な波長において生じる。この効果も、光学的測定方法によって検出することができる。したがって説明した光学的方法によって、エッチングプロセスを終了することができ、又は変更されたエッチングパラメータによって継続することができる。このことは、管理されない過剰エッチングが不所望なエッチングプロファイルに、例えば垂直側壁のエッチングに通じ、したがって構造損失を含むマスクのアンダカットが行なわれるので、必要である。それにより当初に達成された精度は、もはや存在せず、誘電体境界面（シリコンと二酸化シリコンの間）におけるポケット形成に至ることもある。
発明の利点
本発明による方法は、ドイツ連邦共和国特許第４２４１０４５号明細書の様式による交互のエッチング−及び被覆−ステップにおいて半導体構造における異なった材料の接合部を認識するために、精密な再現可能な結果を達成することができる方法を利用することができる。（この出願の継続中に以下において濃度又は濃度最大値の概念が利用され、これらの概念は、強度又は強度最大値の概念に置き換えることができる。なぜならプラズマ中に含まれる物質の濃度、及び特徴的な１つ（又は複数）の放射波長の強度測定に関する強度は、互いに比例関係にあるからである。）そのために次のことが考慮されている。すなわちプラズマ中に含まれる少なくとも１つの所定の物質をその放射強度に関し、したがってその濃度に関して強度測定することによって、それぞれのエッチングステップの開始は、特徴的な閾値の到達により検出され、かつそれから閾値の到達とともに、遅延時間がスタートされ、この遅延時間が、第１の非特徴的な濃度最大値の経過よりも長く、それからこの遅延時間の経過後に、第２の濃度最大値が検出され、かつ材料の接合部を認識するために所定の値を上回るか又は下回るかに関してエッチングステップの第２の濃度最大値が監視される。閾値を上回る又は下回ることの代わりに、場合によってはその発生について詳細には立入らない同期信号によって、エッチングステップの終了又は開始を検出することができる。したがって本発明は、次のことを考慮している。すなわちプラズマ中に含まれる所定の物質の、それぞれのエッチングステップの際に生じる第２の濃度最大値を、重要な量として利用する。この第２の最大値の検出は、それぞれ評価すべき最大値の前にある非特徴的な信号ピークが、すなわち第１の濃度最大値が、遅延時間の待機によって考慮さないことによって行なわれる。遅延時間は、第１の濃度最大値の経過よりも長いので、この第１の濃度最大値が擬似的に消去されるように選定される。第２の特徴的な濃度最大値の評価によって、それぞれのエッチングステップの際の異なった材料の接合部の認識のために特徴的な、したがって表現力のある値を利用することができる。この値は、有利には連続的に、したがってそれぞれのエッチングステップにおいて検出される。しかしながらその代わりに、この値がそれぞれのエッチングステップの際ではなく、例えば１つおきのエッチングステップの際に検出されることも考えることができる。個々の第２の濃度最大値は、多数のエッチングステップの経過の間にその大きさを変え；したがってエッチングされる材料との関係が存在する。エッチング過程の途中に、材料が廃棄され、かつ第２の材料がエッチングされると、表現力のある第２の濃度値が変化し、すなわち所定の値を上回る又は下回ることが、その下にある第２の材料に到達したことを表現することが可能である。その上本発明による方法は、傾向の表現を可能にする。なぜなら個々のエッチングステップの途中における第２の濃度最大値の変化は、大体において連続的に行なわれるので、最大値の上昇又は下降に至り、それによってその次に材料接合部への到達が認識可能になるからである。したがって適当な連続的な評価によって傾向の表現を行なうことができる。
本発明の変形によれば、第２の濃度最大値の尖頭値検出を行なうことが考慮されている。したがってそれぞれ最大の値が検出され、かつ評価判定基準として利用される。その代わりに第２の濃度最大値の尖頭値の範囲にある複数の値を評価のために利用することも、もちろん考えることができる。
このことは、例えばサンプル−アンド−ホールド−方法によって第２の濃度最大値を検出する場合である。そのために相応したサンプル−アンド−ホールド−装置を使用することができる。
フッ素ラジカルによってエッチングすべき半導体構造が、シリコンからなる少なくとも１つの範囲、及び二酸化シリコンからなる少なくとも１つの別の範囲を有し、その際、シリコンが、エッチング側からまず加工される材料であり、かつ二酸化シリコンが、継続するエッチングプロセスによって到達すべき材料であり、その際、所定の値を越えるまで第２のフッ素濃度最大値が上昇することが、シリコンから二酸化シリコンへの材料接合部の認識に通じる場合、さらに有利である。したがって第２のフッ素濃度最大値は、前記の濃度最大値を形成している。しかしながらその代わりに、シリコンからその下にある二酸化シリコン層にまでエッチングする際に、所定の値の下までのプラズマに含まれるＳｉＦｘ濃度最大値の低下が、シリコンから二酸化シリコンへの材料接合部の認識のために検出され、かつ評価される。
図面
次に本発明を図面により詳細に説明する。ここでは
図１は、多数のエッチングステップの際の時間に関するフッ素濃度を示す線図を示し、
図２は、図１による個々のエッチングステップの線図を示し、
図３は、図１によるエッチングステップの第２の濃度最大値の経過を示し、
図４は、それにより測定結果の評価を行なうブロック回路図を示し、かつ
図５は、詳細な回路構成を示している。
実施例の説明
図１は、その縦軸にフッ素濃度Ｓ（信号強度）が、かつその横軸に時間ｔが記入された線図を示している。この線図の曲線経過は、多数のエッチングステップＺを示しており、すなわちフッ素濃度は、それぞれのエッチングステップＺの際に、最大値にまで増加し、かつそれから−エッチングステップが終了したとき−最小値に低下する。行なわれたエッチングにおいて、プラズマによって行なわれる例えばセンサのための半導体構造の深いエッチングが問題になっており、その際、−エッチング側から見て−材料、シリコン（Ｓｉ）は、二酸化シリコンからなるその下にある層にまでエッチングされる。このことは、図１により明らかな多数のエッチングステップによって行なわれ、その際、それぞれのエッチングステップの際にエッチングされる構造の側壁は、テフロン状の保護フィルムによって保護される。プラズマは、フッ素ラジカルを有し、その際、不連続のプロセスのために、遊離フッ素の濃度は、図１の曲線の経過から明らかなように、大幅に周期的に変動する。それぞれのエッチングＺの初めに、フッ素濃度Ｓは、第１の濃度最大値１に到達し、この濃度最大値の後に、−所定の期間の経過後に−第２の濃度最大値２が続いている。このことは、図２から詳細にはっきりと明らかであり、この図２は、−拡大した表示で−フッ素濃度Ｓの時間経過に関するエッチングステップＺを示している。第１の濃度最大値は、はっきりと認めることができ、この濃度最大値は、時点ｔ１に存在する。それより後の時点ｔ２に、第２の濃度最大値２が生じる。図１におけるエッチングステップＺの第１の濃度最大値１と第２の濃度最大値２の比較は、第１の濃度最大値１において進行するエッチングステップに関して非特徴的な値、したがってプロセス様式記録が問題になり、すなわち値は、その点において二酸化シリコン層の到達に対して特徴的な値をなしていないことを示している。このことは、第２の濃度最大２においては別である。経過する時間とともに個々のエッチングステップを考察すれば（図１）、エッチング周期の進行とともに第２の濃度最大２が上昇することがわかる。この上昇は、プラズマ中における遊離フッ素の増加の結果である。なぜなら二酸化シリコン層に到達した際に、エッチングのためのフッ素の消費量は減少し、かつそれ故にプラズマ中におけるフッ素の濃度が増加するからである。プラズマ中における遊離フッ素の検出は、有利には光学的な方法によって行なわれ、例えばフッ素にとって特徴的な波長における光放射が測定される。評価の際に、非特徴的な第１の濃度最大値を考慮しないようにするため、−図２によれば−遅延時間τが設けられており、この遅延時間は、時点ｔｗにおいてフッ素濃度の閾値Ｗとともに始まり、かつ時点ｔｅに終了する。
遅延時間τの時間範囲内に、フッ素濃度の第１のピークがあることは、図２から明らかである。閾値Ｗの大きさは、存在するプロセス量に依存して確定する。閾値Ｗは、個々のステップＺのその都度のスタートを特徴づける。したがってこれは、遅延時間τのスタートのための“トリガ”を形成している。その際、常に確実に第１の濃度最大値１が、遅延時間τ内にあり、かつその結果消去できるように、すなわち評価のために利用されないように、閾値Ｗ又は遅延時間τを選定することが有用である。
所望のエッチング深さが達成されたこと、したがって二酸化シリコン層が露出していることを認識するために、図１から明らかな所定の値Ａが利用され、この値の大きさは、プロセスパラメータに基づいて決められている。エッチングステップの途中にそれぞれの第２の濃度最大値２がこの値Ａを上回ると、このことは、エッチングが所望の深さに到達したこと、すなわち二酸化シリコンが露出したことを表現することができる。図１においてこのことは、時点ｔｆに生じている。
図３は、この過程を説明している。図３の線図の縦軸上にフッ素濃度Ｓが、かつ横軸上に時間ｔが記入されている。曲線Ｋは、総合エッチングプロセスにわたる、したがって多数のエッチングステップＺにわたる第２の濃度最大値２の経過を示している。これが時間の進行とともに上昇し（実線）、すなわち第２の濃度最大値の大きさがエッチングプロセスの最後に向かって増加していることを認めることができ、その際、これは、時点ｔｆに所定の値Ａに交差している。このことは、エッチング過程によって二酸化シリコンの層が露出したことを意味する。したがって前に述べた処置は、異なった材料の接合部の認識を可能にする。
図１及び３に、−ここでは詳細に説明しない別の実施例により−さらに所定の値Ｂ及び曲線Ｋの下方に向かって行なわれる低下（破線）を認めることができる。−前に説明したプロセスに相応して−フッ素濃度が、とくに例えばＳｉＦ2、ＳｉＦ3又はＳｉＦ4（したがってＳｉＦx）のような別のガス状反応生成物の濃度が、エッチングプロセスの際に検出されると、この濃度は、図３の破線にしたがってエッチングのプロセスの最後に低下する。それぞれの濃度値において、同様に第２の濃度値が、すなわち前記のＳｉＦx濃度の濃度最大値が問題になる。この濃度最大値が、所定の閾値Ｂを下回ると、このことは、個々のエッチングステップの途中に二酸化シリコン層が露出したので、エッチングを終了することができることに関するサインである。
図４は、第２の濃度最大値２を検出するためのブロック回路図の形の実現を示している。図４のブロック回路図において、閾値−トリガ−要素３、遅延要素４及び不活性化可能な尖頭値検出器５が示されており、これらは、互いに電気的に結合されている。閾値−トリガ−要素３の入力量として、プラズマのフッ素濃度Ｓが利用され、このフッ素濃度は、直接入力端子に接続されている。閾値−トリガ−要素３の出力信号３ｂは、入力信号４ａとして遅延要素４に利用される。遅延要素４の出力信号４ｂは、第１の入力信号５ａとして尖頭値−検出器５に供給され、かつこれを活性又は不活性に切換える。尖頭値−検出器５は、別の第２の入力信号５ｂを受取り、この入力信号は、フッ素濃度Ｓを表わしている。尖頭値−検出器５の出力端子において、図３による第２の濃度最大値Ｋが得られる。
次のような機能が生じる：閾値−トリガ−要素は、その入力端子３ａに加えられるフッ素濃度Ｓの信号を、前記の閾値Ｗと比較する。閾値Ｗは、プロセスパラメータに関してその大きさをあらかじめ与えることができる。フッ素濃度Ｓが、所定の閾値Ｗより大きい値に到達すると、閾値−トリガ−要素３から出力信号３ｂが発生され、この出力信号は、入力信号４ａとして遅延要素４に供給される。それにより遅延要素４は、遅延時間τをスタートし、この遅延時間の大きさは、同様に始動前に行なわれる校正の際にプロセスパラメータに依存してあらかじめ与えられている。遅延時間τのスタートは、それぞれエッチングステップの開始と終了を表示するエッチング機械の同期信号によってトリガしてもよく、その際、遅延時間τのスタートの際にそれぞれのエッチングステップの開始が重要である。遅延時間τが経過しているかぎり、尖頭値−検出器５は不活性化される。遅延時間τが終了すると、遅延要素４の出力信号４ｂにより、その入力端子５ｂにおける尖頭値−検出器５が活性化される。尖頭値−検出器５が活性化していると、これは、その入力端子に加わる入力信号５ｂを、すなわちフッ素濃度Ｓを、その出力端子５ｃからフッ素濃度Ｓの尖頭値を発生するために利用する。後続の、しかし図示されていない部品によって、最後になおハッチングプロセスの間に半導体構造における異なった材料の接合部を認識することに関する表現を的中させることができるようにするため、所定の値Ａ又はＢと第２の濃度最大値２の比較が行なわれる。
図４に示された尖頭値−検出器５は、ここでは詳細に説明されない実現において、サンプル−アンド−ホールド−要素に置き換えることができ、その際、このサンプル−アンド−ホールド−要素は、比較器によりフッ素濃度Ｓの多重のサンプリング及びこのフッ素濃度値の記憶によって、このようにして検出された近似的な第２の濃度最大値をその出力端子に準備する。サンプル−アンド−ホールド−要素は、尖頭値検出器５と同様に、遅延要素４から到来する入力信号５ａによって活性化され、又は不活性化される。
図５は、１つの回路プランの形において本発明を実現する詳細化した回路構成を示している。回路は、次の主要部品からなる：
増幅度１を有するインピーダンス変換器１０が設けられており、このインピーダンス変換器の入力端子１１に、光学放射スペクトロメータの出力信号として出力信号として濃度測定の際に検出される信号が加えられる。さらにヒステリシスを有する比較器１２が設けられている。その上主要部品として、２つのタイマ（単安定マルチバイブレータ）１３及び１４が挙げられ、その際、タイマ１３は、遅延時間τを実現するためにサンプリング段１５に利用され、かつタイマ１４は、サンプリング段１５から情報を引き受けるためにホールド段１６に設けられている。
次のような機能が生じる：インピーダンス変換器１０の入力端子１１に加えられる光学放射スペクトロメータの出力信号は、増幅度１によって、その他の回路電子装置からデカップリングするためにダイオード１７及び前置抵抗１８を介して蓄積コンデンサ１９に、したがってサンプリング段１５に導かれる。ダイオード１７と蓄積コンデンサ１９からなる装置によって、それぞれエッチングステップごとに達成される光学放射スペクトロメータの出力電圧の最大値が記憶される。蓄積コンデンサ１９に対して並列に放電トランジスタ２０が接続されており、その際、後者は、遅延時間τの間にわたってコンデンサ１９を短絡し、それによりサンプリングは、不活性に切換えられる。したがって遅延時間τの間、蓄積コンデンサ１９は、ゼロにセットされ、かつそれ故に充電することができない。遅延時間τの制御は、ヒステリシスを有する比較器１２が受持ち：放射スペクトロメータの出力電圧が、“トリガ−レベル”−ポテンショメータ２１によって設定された閾値Ｗを越えると、タイマ１３は、ダイオード２２、抵抗２３及びトランジスタ２４を介して、トランジスタ２４のコレクタにおける電圧信号の立上がり縁によって、遅延時間τのためにスタートされる。それによりタイマ１３の出力１Ｑは、高レベルになり、かつ遅延時間τの経過の間、トランジスタ２０を介してサンプリング段１５の蓄積コンデンサ１９を短絡する。遅延時間τの経過の後に、蓄積コンデンサ１９は釈放されるので、現在のエッチングサイクルにおいて到達する光学放射スペクトロメータの出力電圧の最大値２を記憶することができる。エッチングサイクルが経過しているかぎり、すなわち光学放射スペクトロメータの測定された出力電圧が閾値Ｗより上にあるかぎり、トランジスタ２４のコレクタも高電位にある。エッチングサイクルの最後に、光学放射スペクトロメータの出力電圧、したがって入力端子１１における入力電圧は、閾値Ｗより下に低下し、トランジスタ２４のコレクタは、低電位に低下する。トランジスタ２４のコレクタ電圧の立ち下がり縁によって、蓄積コンデンサ１９に記憶されかつ前のエッチングサイクルの間に到達した最大値電圧を、ホールド段１６の蓄積コンデンサ２５に転送するために、タイマ１４がセットされる。その際、タイマ１４は、その出力端子２Ｑ−から短い出力パルスを発生し、この出力パルスは、トランジスタ２６とスイッチＩＣ２７を介して、ホールド段１６の蓄積コンデンサ２５をバッファ増幅器２７の出力端子に短期間接続する。その際、サンプリング段１５の蓄積コンデンサ１９に記憶された前のエッチングサイクルに到達した電圧の最大値は、ホールド段１６の蓄積コンデンサに転送され、かつここにおいて保持される。両方のタイマ１３及び１４は、互いにロックされ、すなわち出力１Ｑ−はクリア入力端子２ＣＬＲ−に作用し、かつ２Ｑ−はクリア入力端子１ＣＬＲ−に作用するので、それぞれ同じ時点に一方のタイマだけしかセットすることができない。したがってサンプル情報をホールド段１６に転送する間に、すでにサンプル情報の消去を行なうことができ、又はサンプル情報の消去の間に、ホールド段１６への転送を行なうことができることは、防止される。
したがってホールド段１６は、それぞれ前のエッチングステップにおいて到達した信号強度の最大値２を記憶し、かつそれぞれのエッチングステップの後に、新たな最大値２によってアップデートされる。ヒステリシスを有する比較器１２の入力端子は、選択的にデカップリング増幅器／インピーダンス変換器の出力端子に接続することができ、したがって−説明したように−エッチング−又は堆積ステップを、すなわちそれぞれのエッチングステップの開始と終了を認識するために、放射スペクトロメータの出力電圧を利用することができ、又は“ジャンパ”２８のセットによって比較器１２の入力端子は、回路の外部トリガ入力端子２９を介してエッチング装置の同期信号に接続される。エッチング装置は、エッチングされ又は堆積が行なわれるとき、電圧信号ごとに比較器１２に通知を行なう。演算増幅器３０は、ホールド段１６の電圧値をその回路出力端子３１に転送するために使われ、その際、回路出力段３１は、所定の負荷負担を行なうことができるように設計されている。バッファ増幅器２７は、負荷に基づいて電圧低下を引起こすことなく、コンデンサ１９からコンデンサ２５への電荷転送過程を可能にするために使われる。
【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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