(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いて下地層上の被処理層をエッチングする際に、上記被処理層に光を照射し、その反射光を用いてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理層に少なくとも２種類の波長を異にする光を照射する第１の工程と、上記被処理層の表面及び上記下地層との界面からの反射光のうち、２種類の波長を異にする反射光による２つの干渉光波形をそれぞれ検出する第２の工程と、２つの干渉光波形の位相差がなくなる直前を擬似終点として検出する第３の工程と、を備え、上記第３の工程では上記位相差を上記２つの干渉光の強度比から求め、上記強度比が一定値に近づく時点を上記擬似終点として設定することを特徴とする終点検出方法。
【請求項２】
プラズマを用いて下地層上の被処理層をエッチングする際に、上記被処理層に光を照射し、その反射光を用いてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理層に少なくとも２種類の波長を異にする光を照射する第１の工程と、上記被処理層の表面及び上記下地層との界面からの反射光のうち、２種類の波長を異にする反射光による２つの干渉光波形をそれぞれ検出する第２の工程と、２つの干渉光波形の位相差がなくなる直前を擬似終点として検出する第３の工程と、を備え、上記第３の工程では上記位相差を上記２つの干渉光の強度比の微分値から求め、上記微分値がゼロに近づく時点を上記擬似終点として設定することを特徴とする終点検出方法。
【請求項３】
上記擬似終点を検出した後、上記エッチングプロセスを高選択比のプロセスに切り換えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の終点検出方法。
【請求項４】
上記下地層がゲート酸化膜からなり、上記被処理層がゲート電極用のポリシリコン層からなることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の終点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、プラズマによるエッチングの終点検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いたエッチング方法は、従来から半導体製造工程あるいはＬＣＤ基板製造工程に広く適用されている。そのエッチング装置は、例えば、互いに平行に配設された上部電極と下部電極を備え、下部電極に半導体ウエハを載置した状態で上部電極と下部電極間の放電によりエッチング用ガスからプラズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理体を所定のパターンに即してエッチングする。
【０００３】
エッチングの終点を検出する方法としては例えば発光分光分析を用いた終点検出方法が広く用いられている。この終点検出方法はエッチング用ガスとその分解生成物や反応生成物などのラジカルやイオン等の活性種から最も観察し易い特定の活性種を選択し、選択された特定波長の発光強度の変動に基づいて終点を検出する方法である。例えば、ＣＦ4等のＣＦ系のエッチング用ガスを用いてシリコン酸化膜をエッチングする場合にはその反応生成物であるＣＯ＊の特定波長（４８３.５ｎｍ等）を検出し、また、ＣＦ4等のＣＦ系のエッチング用ガスを用いてシリコン窒化膜をエッチングする場合にはその反応生成物であるＮ＊の特定波長（６７４ｎｍ等）を検出し、それぞれの検出強度の変化点に基づいて終点を検出している。このように従来の終点検出方法はエッチングプロセスに即して終点検出に用いる波長を変えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光分光分析を利用した従来の終点検出方法の場合には、被処理層のエッチングが終了し、下地層が露出して特定波長の発光強度が変化した時点をエッチングの終点として検出するため、この時のオーバエッチングにより下地層が削られて損傷するという課題があった。特に、半導体製品の高集積化により半導体製品が多層構造化すると各構成層が益々薄膜化するため、薄膜化した下地層をオーバエッチングすると半導体製品に甚大な影響を与え、製品不良に至る虞がある。例えば、ポリシリコン層をエッチングしてゲート酸化膜上にゲート電極を形成する場合には、ポリシリコン層の下地層であるゲート酸化膜はポリシリコン層と比較して格段に薄いためオーバエッチングによる損傷が大きい。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、半導体製品が多層構造化して被処理層の下地層が薄膜化しても、下地層のオーバエッチングによる損傷を確実に防止することができる終点検出方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の終点検出方法は、プラズマを用いて下地層上の被処理層をエッチングする際に、上記被処理層に光を照射し、その反射光を用いてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理層に少なくとも２種類の波長を異にする光を照射する第１の工程と、上記被処理層の表面及び上記下地層との界面からの反射光のうち、２種類の波長を異にする反射光による２つの干渉光波形をそれぞれ検出する第２の工程と、２つの干渉光波形の位相差がなくなる直前を擬似終点として検出する第３の工程と、を備え、上記第３の工程では上記位相差を上記２つの干渉光の強度比から求め、上記強度比が一定値に近づく時点を上記擬似終点として設定することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の終点検出方法は、プラズマを用いて下地層上の被処理層をエッチングする際に、上記被処理層に光を照射し、その反射光を用いてエッチングの終点を検出する方法において、上記被処理層に少なくとも２種類の波長を異にする光を照射する第１の工程と、上記被処理層の表面及び上記下地層との界面からの反射光のうち、２種類の波長を異にする反射光による２つの干渉光波形をそれぞれ検出する第２の工程と、２つの干渉光波形の位相差がなくなる直前を擬似終点として検出する第３の工程と、を備え、上記第３の工程では上記位相差を上記２つの干渉光の強度比の微分値から求め、上記微分値がゼロに近づく時点を上記擬似終点として設定することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の終点検出方法は、請求項１または請求項２に記載の発明において、上記擬似終点を検出した後、上記エッチングプロセスを高選択比のプロセスに切り換えることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の終点検出方法は、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記下地層がゲート酸化膜からなり、上記被処理層がゲート電極用のポリシリコン層からなることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
まず、本発明の終点検出方法が適用されたエッチング装置の一例について図１を参照しながら説明する。図１に示すエッチング装置１０は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなる処理室１１と、この処理室１１内の底面に配設され且つ被処理体としての半導体ウエハＷを載置する載置台を兼ねた下部電極１２と、この下部電極１２の上方に所定の間隔を隔てて配設された上部電極１３とを備えている。処理室１１周面の上部にはガス供給源（図示せず）が接続されたガス供給部１１Ａが形成され、処理室１１周面の下部には真空排気装置（図示せず）が接続されたガス排出部１１Ｂが形成されている。また、下部電極１２にはマッチングボックス１４を介して高周波電源１５が接続され、上部電極１３にはマッチングボックス１６を介してより周波数の高い高周波電源１７が接続され、ウエハＷのエッチングを行う。
【００１３】
従って、ガス排出部１１Ｂから真空排気装置を介して排気して処理室１１内を所定の真空度まで減圧した後、上下両電極１２、１３にそれぞれ高周波電力を印加した状態で、ガス供給部１１Ａから処理室１１内へエッチング用ガスを供給すると、両電極１２、１３間でエッチング用ガスのプラズマを発生し、例えば図２に示すように下部電極１２上のウエハＷ表面のレジスト層（膜厚：１．１μｍ）Ｒの開口部からシリコン酸化膜からなるゲート酸化膜（膜厚：０．１μｍ）Ｏに達するまでポリシリコン層（膜厚：０．２μｍ）Ｐを０．６〜３．０μｍ幅でエッチングを行って所定のパターンのゲート電極を形成する。
【００１４】
ポリシリコン層Ｐをエッチングする段階では高いエッチング速度で異方性エッチングを行ってポリシリコン層Ｐを高速エッチングする。この段階では下地層であるゲート酸化膜Ｏに対してポリシリコン層Ｐのエッチング速度の選択比が低い低選択比のモードでエッチングを行う。そして、後述の終点検出装置によってエッチングの擬似終点を検出した後の段階ではゲート酸化膜Ｏに対してポリシリコン層Ｐの選択比の高い高選択比のモードでエッチングを行う。高選択比のモードでエッチングを行えば、ゲート酸化膜Ｏをオーバーエッチングしてもゲート酸化膜Ｏは殆どエッチングされることなく、ゲート酸化膜Ｏの削れを防止することができる。従って、ウエハの場所によってエッチングの終了時点にばらつきがあってもエッチングを早く終了する部分のゲート酸化膜Ｏの削れを防止することができる。低選択比のモードから高選択比のモードに切り換えは、エッチング用ガスの種類を切り換えたり、下部電極１２に印加する高周波電力を小さくすることにより行うことができる。
【００１５】
また、上記処理室１１には筒状のモニター用の窓部材１８が装着され、この窓部材１８に対して終点検出装置１９が接続されている。窓部材１８の上端には石英ガラス等の透明体からなるモニター用の窓１８Ａが取り付けられている。そして窓部材１８の下端部は上部電極１３の貫通孔１３Ａに嵌入している。終点検出装置１９は、集光レンズ２０Ａを介して窓部材１８に連結された光ファイバー２０と、光ファイバー２０に接続された光源２１及びポリクロメータ２２と、ポリクロメータ２２に接続された擬似終点演算装置２３とを備え、制御装置２４の制御下で作動する。光源２１としては例えばキセノンランプやタングステンランプ等が用いられる。
【００１６】
次いで、本実施形態の終点検出方法について説明する。図１、図２に示すように例えばキセノンランプからなる光源２１から光ファイバー２０を介してウエハＷ表面に対して垂直に白色光Ｌを照射すると、白色光Ｌの一部はポリシリコン層Ｐの表面から反射光Ｌ１として反射され、残余の白色光Ｌはポリシリコン層Ｐを透過し、ポリシリコン層Ｐとゲート酸化膜Ｏの界面から反射光Ｌ２として反射される。これらの反射光は干渉光となってモニター用窓部材１８及び光ファイバーを経由してポリクロメータ２２により検出、分光される。波長の異なる２種類の干渉光がポリクロメータ２２から適宜選択されて光電変換されて擬似終点演算装置２３へ送信される。擬似終点演算装置２３は２種類の反射光の干渉波形の位相差に基づいてエッチングの擬似終点を検出すると、制御装置２１を介してエッチングモードを低選択比のモードから高選択比のモードに切り換え、ポリシリコン層の残膜を確実に除去すると共に下地層のゲート酸化膜膜Ｏに対するオーバエッチングを確実に防止する。この際、擬似終点は２種類の干渉光の波形間の位相差が予め設定されたしきい値より小さくなった時に検出される。このように干渉光をモニターしている間にポリシリコン層Ｐはエッチングにより膜厚（以下、「残存膜厚」と称す。）ｄが徐々に薄くなり、残存膜厚ｄの減少に従って干渉光の強度Ｉが変動する。
【００１７】
ここで残存膜厚ｄと干渉光の関係について説明する。ポリシリコン層Ｐからの反射光とゲート酸化膜Ｏとの界面からの反射光との間には光路差（２ｄ）があり、垂直照射の場合には光路差がそのまま二つの反射光間に位相差となって干渉光を発生する。位相差がポリシリコン層中の反射光の波長の整数倍の時即ち２ｄ＝ｍλ１の時に干渉光の強度が最も弱くなり、それより半波長ずれた時即ち２ｄ＝ｍλ１＋λ１／２の時に干渉光の強度は最も強くなる。ここでλ１はポリシリコン層中の反射光の波長を表し、ｍは任意の整数を表す。また、空気中の入射光及び反射光の波長をλ０、ポリシリコン層Ｐの屈折率をｎとすれば、λ０、λ１との間にはλ１＝λ０／ｎの関係がある。これらの関係から干渉光が最も弱くなる残存膜厚ｄ及び最も強くなる残存膜厚を求めるとそれぞれ下記の▲１▼式及び▲２▼式になる。従って、残存膜厚ｄが減少するに連れて下記▲１▼式または▲２▼式を満足する膜厚を繰り返すため、干渉光の強度は残存膜厚ｄが減少するに従って周期的に極大値と極小値を繰り返して変動する。
ｄ＝（ｍλ０／２ｎ） ・・・▲１▼
ｄ＝ｍλ０／２ｎ＋λ０ ／４ｎ ・・・▲２▼
【００１８】
また、残存膜厚ｄに対する干渉光の強度Ｉは下記▲３▼式で表される。但し、下記▲３▼式において、Ｉ１はポリシリコン層Ｐからの反射光の強度、Ｉ２はポリシリコン層Ｐとゲート酸化膜Ｏの界面からの反射光の強度を表す。
Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２−２√Ｉ１Ｉ２ｃｏｓ（２π×２ｎｄ／λ）・・・▲３▼
この式からも明らかなように、干渉光の強度Ｉは残存膜厚ｄが逓減するに従って周期的な変動を繰り返し、最終的にはポリシリコン層Ｐがなくなる終点で一定の強度を示すことになる。
【００１９】
ところで、ポリシリコン層Ｐは光の透過率が低いため膜厚が厚い時には光の干渉が起こり難いが、膜厚が薄くなるに連れて光が透過し易くなって光の干渉が強くなる。そのため、エッチングが進むに連れて干渉光の強度が徐々に強く現れ、干渉光の強度が▲３▼式に従って周期的に変動する波形が得られる。この関係を図示したものが図３、図４である。これらの図において実線は５００ｎｍの干渉波形を示し、一点鎖線は４００ｎｍの干渉波形を示し、図４において二点鎖線は３５０ｎｍの干渉波形を示す。図３、図４によれば５００ｎｍの反射光の場合には干渉光が終始認められるが、４００ｎｍの反射光の場合にはエッチングの途中から明瞭な干渉波形が現れる。従って、波長が短いほど干渉が起こり難いが、膜厚が薄くなれば確実に干渉が起こる。
【００２０】
しかしながら、図３、図４からも明らかなように、一つの反射光を用いて終点を検出する場合には反射光強度が一定値になった時点を終点として確実に検出することができるが、一つの反射光ではポリシリコン層Ｐのエッチングが終了した時点を終点として検出するためオーバエッチングを回避し得ない欠点がある。一つの反射光を用いた終点検出方法については特開平１０−６４８８４号公報でも提案されている。
【００２１】
これに対して、本実施形態では前述したようにポリクロメータ２２において波長の異なる２種類の反射光を適宜選択し、これらの反射光それぞれの干渉波形の位相差の変動に基づいて終点直前で擬似終点を検出するようにしている。波長の異なる２種類の反射光の干渉波形はそれぞれ変動周期が異なり、エッチングの初期ほど両者の波形の位相差が大きく、エッチングの終点に近づくに従って両者の干渉波形の位相差がゼロに収斂し、終点では２種類の反射光とも干渉がなくなり一定の反射強度を表すようになる。
【００２２】
更に云えば、２種類の反射光を用いれば、両者の干渉波形の周期が異なるため、図３、図４に示すようにエッチングの途中では両者の干渉波形の位相差が大きく、それぞれの強度が全くちぐはぐな干渉波形を示すが、終点に近づくに従って両者の干渉波形の位相差が徐々に縮まりエッチングの終点に至るまでには波形が揃う傾向にある。このようにエッチングの途中では干渉波形が不揃いで一方の波形が終点の強度に近づく波形を示しても、他方の波形が終点からかけ離れた波形を示すため、終点からかけ離れた時点で終点を検出することはない。しかし、終点に近づくと両方の干渉波形間の位相差が極端に縮まって小さくなり、それぞれの干渉波形の傾斜が揃うため、位相差の小さくなった時点で終点に近づいたことを検出することができる。そして、例えば終点に近づいた時点（図３、図４ではＰ、Ｐ’）を疑似終点として検出するためのしきい値Ｔを擬似終点検出装置２３に設定すれば、擬似終点検出装置２３においてエッチング中の位相差を逐次演算し、擬似終点検出装置２３において位相差の演算値ｔとしきい値Ｔとを比較し、演算値ｔがしきい値Ｔより小さくなった時に擬似終点として判定し、擬似終点を自動的に検出する。このように擬似終点検出装置２３において擬似終点を検出するようにすれば、被処理層であるポリシリコン層Ｐが僅かに残存した状態でエッチングを終了することができる。擬似終点としては、ゲート酸化膜Ｏのオーバーエッチングを防止できるように極めて僅かにポリシリコン層Ｐが残存している時点を設定する。擬似終点の設定にはサンプルウエハが用いられる。
【００２３】
上述のように擬似終点演算装置２３において擬似終点を検出すると、制御装置２４を介してエッチングモードを低選択比のモードから高選択比のモードに切り換え、極めて僅かに残るポリシリコン層Ｐをエッチングにより除去し、更に下地層であるゲート酸化膜Ｏが現れたとしてもゲート酸化膜Ｏに対するエッチング速度が極めて遅くなるため、ゲート酸化膜Ｏを殆ど損傷する虞がない。
【００２４】
以上説明したように本実施形態によれば、ウエハＷのポリシリコン層Ｐに白色光を照射し、ポリシリコン層Ｐの表面及びゲート酸化膜Ｏとの界面からの反射光のうち、例えば４００ｎｍ及び５００ｎｍの２種類の反射光をそれぞれ検出した後、これらの反射光の干渉波形間の位相差がなくなる直前で擬似終点を検出するようにしたため、エッチング時に逓減するポリシリコン層Ｐを常時監視し、擬似終点でエッチング処理を停止することができる。
【００２５】
また、本実施形態では擬似終点を検出した後、エッチングモードを低選択比のモードから高選択比のモードに切り換えるようにしたため、エッチング終了後には極めて僅かに残るポリシリコン層Ｐを確実に除去し、仮にゲート酸化膜Ｏをオーバーエッチングすることになってもゲート酸化膜Ｏに対するエッチングが極めて遅くなってゲート酸化膜Ｏのオーバーエッチングによる損傷を確実に防止することができる。
【００２６】
また、図５は例えば４５０ｎｍ（同図では一点鎖線で示す波形）と５００ｎｍ（同図では実線で示す波形）の２種類の干渉光の強度比あるいは強度比の微分値を利用することにより両干渉光の位相差の大小を検出し、擬似終点を検出する方法である。即ち、２種類の反射光の干渉波形の強度比をエッチング時間に従って求めると図５の破線で示すような波形になり、各強度比の微分値を求めると図５の二点鎖線で示す波形になる。強度比を利用する場合には強度比が一定値に近づく時点を擬似終点として設定し、微分値を利用する場合には微分値がゼロに近づく時点を擬似終点として設定する。図５において楕円で囲んだ部分のいずれかの一点が擬似終点として設定することができる。
【００２７】
また、ポリシリコン層Ｐのエッチング時にはレジスト層Ｒもエッチングされる。
そのため、終点検出用の反射光はレジスト層Ｒからの反射光の影響を受けることがある。しかし、レジスト層Ｒのエッチング速度はポリシリコン層Ｐと比較して遅いため、レジスト層Ｒからの干渉光の強度はポリシリコン層Ｐと比較して低周期で変動する。そこで、上述したように２種類の反射光を用いて擬似終点を検出する場合には、低周期の干渉波形の位相差が近い２種類の反射光を用いてレジスト層Ｒの低周期のドリフト波の影響をキャンセルする。例えば、４１７．４２ｎｍと４７９．９２ｎｍの反射光の干渉光をポリクロメータ２２で分光すると、図６に示す干渉波形が得られる。同図からも明らかなように各干渉光はレジスト層Ｒの影響で全体が大きくうねった波形になり、うねりの中に各干渉光の強度変動が認められる。この状態では両干渉波形間の位相差を検出することが難しいため、両干渉光の強度比または強度比の微分値を取ると、図７に示すように明瞭な波形が得られる。図７に示す波形から強度比の擬似終点あるいはその微分値の擬似終点を上述した場合と同様に検出することができる。尚、図７において楕円で囲んだ部分のいずれかの一点が擬似終点として設定することができる。
【００２８】
本実施形態によれば、ウエハＷのポリシリコン層Ｐに白色光を照射し、ポリシリコン層Ｐの表面及びゲート酸化膜Ｏとの界面からの反射光のうち、例えば４５０ｎｍ及び５００ｎｍの２種類の反射光の干渉光をそれぞれ検出した後、これらの干渉光の強度比が一定値に近づいた時点あるいは強度比の微分値がゼロに近づいた時点を擬似終点として検出するようにしたため、上記実施形態と同様の作用効果を期することができる。
【００２９】
尚、上記各実施形態では、ゲート酸化膜Ｏ上のポリシリコン層Ｐをエッチングする場合について説明したが、その他の被処理層に対しても本発明を適用することができる。また、上記各実施形態では複数の波長を含む白色光を用いたため、一つの光源で終点を検出しているが、白色光以外の複数の波長を含む単一光源を用いる場合であっても、あるいは単一波長を出力する複数の光源を用いる場合であっても本発明の終点検出方法を実施することができる。要するに本発明は、エッチングの終点を検出するに当たり、被処理層に少なくとも２種類の波長を異にする光を照射し、被処理層の表面及び下地層との界面からの反射光のうち、波長を異にする少なくとも２種類の反射光の干渉光をそれぞれ検出した後、これらの反射光による２つの干渉波形の位相差に基づいて擬似終点を検出してエッチングを終了させる方法であれば良い。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１、２に記載の発明によれば、半導体製品が多層構造化して被処理層の下地層が薄膜化しても、エッチング終点の前に擬似終点を検出することができ、延いては下地層のオーバエッチングによる損傷を確実に防止することができる終点検出方法を提供することができる。
【００３１】
また、本発明の請求項３に記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明において、被処理層の下地層のオーバエッチングによる損傷をより確実に防止することができる終点検出方法を提供することができる。
【００３２】
また、本発明の請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、ポリシリコン層の下地層であるゲート酸化膜のオーバエッチングによる損傷をより確実に防止することができる終点検出方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の終点検出方法を適用するエッチング装置の一例を示す構成図である。
【図２】ポリシリコン層をエッチングする際に終点検出に使用する干渉光を説明するための説明図である。
【図３】ポリシリコン層のエッチング時間と２種類の干渉光の干渉波形との模擬的に関係を示す模式波形図である。
【図４】ポリシリコン層のエッチング時間と３種類の反射光の干渉波形との関係を示す実測波形図である。
【図５】ポリシリコン層のエッチング時間と２種類の反射光の干渉波形、各反射光の強度比及び強度比の微分値の波形との関係を示す波形図である。
【図６】レジスト層の反射光の影響を受けた２種類の反射光の干渉波形を示す図３に相当する図である。
【図７】図６に示す２種類の反射光の強度比及びその微分値の関係を示す図５に相当する図である。
【符号の説明】
１０ エッチング装置
１１ 処理室
１２ 下部電極
１３ 上部電極
１９ 終点検出装置
２１ 光源
２２ ポリクロメータ（光検出手段）
２３ 擬似終点検出装置
Ｐ ポリシリコン層（被処理層）
Ｏ ゲート酸化膜（下地層）
【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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【図６】
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【図７】
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