(57)【要約】【課題】本発明は、エッチング後の残膜を一定の膜厚とできる残膜制御性のよい薄膜形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】第１膜厚の第１部分と、該第１膜厚より薄い第２膜厚の第２部分とを有する薄膜を形成する方法であって、基板上に該第１膜厚の該薄膜を成膜する工程と、成膜時の該薄膜にレーザ照射を行って反射波の干渉波形である成膜時干渉波形を取得する工程と、該薄膜の該第２部分をエッチングする工程と、該エッチング時の該第２部分にレーザ照射を行ってエッチング時干渉波形を取得する工程と、該成膜時干渉波形に基づいて、該第２部分が該第２膜厚になった状態の該エッチング時干渉波形である目標エッチング時干渉波形を演算する工程とを備え、該エッチング時干渉波形が該目標エッチング時干渉波形となった時点でエッチングをストップすることを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１膜厚の第１部分と、前記第１膜厚より薄い第２膜厚の第２部分とを有する薄膜を形成する方法であって、
基板上に前記第１膜厚の前記薄膜を成膜する工程と、
成膜時の前記薄膜にレーザ照射を行って反射波の干渉波形である成膜時干渉波形を取得する工程と、
前記薄膜の前記第２部分をエッチングする工程と、
前記エッチング時の前記第２部分にレーザ照射を行って反射波の干渉波形であるエッチング時干渉波形を取得する工程と、
前記成膜時干渉波形に基づいて、前記第２部分が前記第２膜厚になった状態の前記エッチング時干渉波形である目標エッチング時干渉波形を演算する工程とを備え、
前記第２部分をエッチングする工程では、前記エッチング時干渉波形が前記目標エッチング時干渉波形となった時点でエッチングをストップすることを特徴とする薄膜形成方法。
【請求項２】
前記目標エッチング時干渉波形を演算する工程では、前記成膜時干渉波形から、前記薄膜の成膜を開始してから前記薄膜が第２膜厚となるまでに得られる干渉波形を除去することで前記目標エッチング時干渉波形を演算することを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
【請求項３】
前記目標エッチング時干渉波形を演算する工程では、前記薄膜の成膜を開始してから前記薄膜が第２膜厚となるまでに得られる干渉波形の周期の数を前記成膜時干渉波形の周期の数から差し引いて得られる干渉波形を前記目標エッチング時干渉波形とすることを特徴とする請求項２に記載の薄膜形成方法。
【請求項４】
前記薄膜を成膜する工程の後に前記薄膜の膜厚を測定する工程を更に備え、
測定した前記薄膜の膜厚から前記成膜時干渉波形の単位周期当たりに成膜された膜厚を演算して前記第２膜厚に相当する周期の数を求め、前記第２膜厚に相当する周期の数を前記成膜時干渉波形の周期の数から差し引いて得られる干渉波形を前記目標エッチング時干渉波形とすることを特徴とする請求項３に記載の薄膜形成方法。
【請求項５】
前記成膜時干渉波形の取得と前記エッチング時干渉波形の取得を同一の測定装置を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の薄膜形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の薄膜形成方法を用いた半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は成膜およびエッチングを行うことにより、第１膜厚の第１部分と第１膜厚より薄い第２膜厚の第２部分とを有する薄膜の薄膜形成方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板上に形成された薄膜をエッチングする場合は、微細加工が容易、レジスト選択性が高いなどの理由によりドライエッチングが用いられることが多い。ドライエッチングでは、例えばレジスト開口部の薄膜が露出した部分にエッチングガスやイオンなどが供給される。エッチングガスやイオンなどは薄膜の構成物質と化学的、物理的反応を行う。これにより被エッチング材料である薄膜をエッチングする。
【０００３】
前述のエッチングにおいては、エッチングを所望の深さまで過不足なく行うことが要求される場合がある。すなわちエッチング後残膜の制御が重要となる場合がある。残膜制御が重要となる場合として、リッジ導波路型レーザのチャネル形成や、配線コンタクトホールの形成などが例示できる。このようにエッチング後の残膜のばらつき抑制がデバイス特性の安定のために重要となる場合は多い。そして、エッチングを過不足なく行うためにはエッチングをストップすべき終点の検出を高精度で行うことが必要である。エッチングの終点検出の技術については特許文献１−４に記載がある。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５５−１０４４８２号公報
【特許文献２】特開平０１−１１４０４０号公報
【特許文献３】特開平１１−７４２５６号公報
【特許文献４】特開２００７−２５８５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
薄膜のエッチングは、エッチングの終点を検出し、エッチングストップすべき場所の違いに応じて以下の２通りに分類できる。第一には、多層膜の界面あるいは薄膜と基板の界面でエッチングストップする場合（以後、界面ストップ型と称する）である。第二には、同一薄膜中に薄膜が厚く形成された部分と薄く形成された部分とを有する薄膜を形成するようにエッチングストップを行う場合（以後、中途ストップ型と称する）である。すなわち中途ストップ型のエッチングとは形成された薄膜の一部を他の部分より薄くするものである。
【０００６】
前述した中途ストップ型のエッチングにおいてはエッチング量の測定データからエッチングの終点検出を行う場合が多い。しかしながら、成膜後の薄膜の膜厚は一定のばらつきをもつものである。よって成膜後に行うエッチングのエッチング量を一定としても、エッチング後の残膜がばらつく問題があった。残膜ばらつきは例えば半導体装置の特性安定化に悪影響を与えるなどの弊害を及ぼす問題があった。
【０００７】
ここで、特許文献１に開示の終点検出の方法は、エッチング中のウエハ表面に照射された光ビームの反射光の導関数を求め、判定基準と比較することで終点検出を行う。特許文献１の方法は、薄膜と他の薄膜との界面あるいは薄膜と基板との界面においてエッチングをストップさせるものである。よって界面ストップ型のエッチングには実施可能であるが、同一薄膜のエッチング中に得られる干渉波形の強度は一定であることが多いから中途ストップ型のエッチングには利用できないという難点があった。他の特許文献によっても、界面ストップ型中途ストップ型双方のエッチングにおいて、簡素なプロセスにより残膜を一定値に維持できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、成膜後の薄膜の膜厚にばらつきがあった場合であってもエッチング後の残膜を一定の膜厚とできる残膜制御性のよい薄膜形成方法および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の発明にかかる薄膜形成方法は、第１膜厚の第１部分と、該第１膜厚より薄い第２膜厚の第２部分とを有する薄膜を形成する方法に関する。すなわち本願の発明にかかる薄膜形成方法は、基板上に該第１膜厚の該薄膜を成膜する工程と、成膜時の該薄膜にレーザ照射を行って反射波の干渉波形である成膜時干渉波形を取得する工程と、該薄膜の該第２部分をエッチングする工程と、該エッチング時の該第２部分にレーザ照射を行って反射波の干渉波形であるエッチング時干渉波形を取得する工程と、該成膜時干渉波形に基づいて、該第２部分が該第２膜厚になった状態の該エッチング時干渉波形である目標エッチング時干渉波形を演算する工程とを備える。そして、該第２部分をエッチングする工程において、該エッチング時干渉波形が該目標エッチング時干渉波形となった時点でエッチングをストップすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明により薄膜のエッチング後の残膜を自由に制御できるから、当該残膜を一定値にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１
本実施形態の薄膜形成方法および半導体装置の製造方法は、主に半導体装置の製造に用いられることが多いものの広く薄膜形成一般に応用可能であるため「薄膜形成方法」と称するものとする。本実施形態の薄膜形成方法を実施するシステムは、成膜装置とエッチング装置と制御部とを備える。これらについて本実施形態のシステム概念図である図１を参照して説明する。本実施形態のシステムは成膜装置１０を備える。成膜装置１０には基板１６を配置するためのステージ１８が設置されている。成膜装置１０では基板１６がステージ１８上に搭載された状態で薄膜の形成が行われる。さらに、成膜装置１０はレーザ発信受信部１２を備える。レーザ発信受信部１２は成膜中の基板１６の成膜表面にレーザを照射し、また、反射した光を受信する。
【００１２】
本実施形態のシステムはさらにエッチング装置２６を備える。エッチング装置２６には基板３２を配置するためのステージ３４が設置されている。エッチング装置２６では基板３２がステージ３４上に搭載された状態で基板３２の薄膜に対するエッチングが行われる。なお、基板３２は成膜装置１０で成膜された基板１６をエッチング装置に搬送したものである。ここでいう基板１６、３２は便宜的に表したものにすぎず詳細は後述する。さらに、エッチング装置２６は成膜装置１０と同様にレーザ発信受信部２８を備える。レーザ発信受信部２８はエッチング中に基板３２のエッチング表面（エッチングが行われる表面のことをいう、以下同じ）にレーザを照射し、かつ反射した光を受信する。
【００１３】
本実施形態のシステムはさらに制御部２２を備える。制御部２２は光ファイバー２０によりレーザ発信受信部１２と接続される。また光ファイバー２４によりレーザ発信受信部２８とも接続される。そして制御部２２はレーザ干渉計２３を備える。レーザ干渉計２３はレーザ発信受信部１２またはレーザ発信受信部２８で取得した反射波の干渉波形を取得する部分である。レーザ干渉計２３で得られた干渉波形は後述する所定の演算の対象となる。
【００１４】
図２は本実施形態の薄膜形成方法を説明するフローチャートである。図２を参照して、ステップ４０について説明する。ステップ４０ではまず、基板が成膜装置１０のステージ１８に配置される。そして、所望の薄膜を形成するための成膜が開始される。ここで成膜の開始と同時あるいは当該成膜開始前に、レーザ発信受信部１２から成膜が行われる基板表面に対するレーザ照射が開始される。そして、レーザ光の反射波がレーザ発信受信部１２へ入射する。前述の反射波は光ファイバー２０を経由してレーザ干渉計２３に到達する。レーザ干渉計２３は反射波の干渉波形である成膜時干渉波形を取得しデータを制御部２２に蓄積する。成膜時干渉波形の取得は少なくとも成膜開始から終了までの間に渡って継続して行われる。
【００１５】
図３はステップ４０にて形成される薄膜である多層膜を示す断面図である。ステップ４０により成膜装置１０を用いた成膜が行われると基板６０上に薄膜Ａ６２が形成され、薄膜Ａ６２上に薄膜Ｂ６４が形成され、薄膜Ｂ６４上に薄膜Ｃ６６が形成され、薄膜Ｃ６６上に薄膜Ｄ６８が形成される。ここで、各薄膜の組成は特に限定されないが半導体レーザの製造工程の例を挙げると、以下の組み合わせが考えられる。すなわち、薄膜Ａ６２を半導体レーザの下クラッド層とする。そして薄膜Ｂ６４を半導体レーザの活性層、薄膜Ｃ６６を半導体レーザの上クラッド層とし、薄膜Ｄ６８を半導体レーザのコンタクト層とするものである。また、各薄膜はエピタキシャル結晶成長などの結晶成長法で形成されても良い。しかしながら、薄膜の成膜方法は前述の成膜時干渉波形を取得できる限りにおいては特に限定されない。
【００１６】
ここで、薄膜Ａ６２形成から薄膜Ｄ６８形成までの間に得られた成膜時干渉波形を図４に示す。図４に付された符号はそれぞれの波形がどの薄膜に対応するかを示す。図４から容易に把握されるように、本実施形態のように多層膜を形成する各薄膜の成膜時には、それぞれの薄膜に固有の強度の干渉波形が得られる。よって得られた成膜時干渉波形を参照すれば、薄膜Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの干渉波形を特定するのは容易である。
【００１７】
上述したステップ４０の処理を終えるとステップ４２およびステップ４４へと処理が進められる。ステップ４２では、ステップ４０にて薄膜の形成が終わった基板が成膜装置１０からエッチング装置２６へ搬送される。これは、成膜装置１０で薄膜を形成した後エッチング装置２６にて該薄膜の一部を他の部分より薄くするためのエッチングを行うための準備である。
【００１８】
一方、ステップ４４は、後述する実際のエッチングが行われる前に、エッチングをストップする際の指標となる目標エッチング時干渉波形を演算する工程である。この演算は制御部２２で行われる。ここで、目標エッチング時干渉波形とは後述のエッチング工程において以下のように用いられる。すなわち、エッチング工程においてエッチング表面にレーザ照射しその反射波から得られる干渉波形（以後、エッチング時干渉波形と称する）が目標エッチング時干渉波形と一致したときにエッチングがストップされる。
【００１９】
ここで、ステップ４４の詳細な説明を行うために、本実施形態の薄膜形成方法により実施されるエッチングについて解説する。本実施形態の薄膜形成方法ではステップ４０にて薄膜を形成した後に薄膜Ａ６２、薄膜Ｂ６４、薄膜Ｃ６６、薄膜Ｄ６８の一部をエッチングして図５に示す構造を得ることを目的とする。図５に示す構造は、一部にレジスト７０が形成されている。そして、レジスト開口部６５において薄膜Ｂ６４、薄膜Ｃ６６、薄膜Ｄ６８がエッチングされる。さらにレジスト開口部６５の第１膜厚６３で形成された薄膜Ａ６２は、第２膜厚６１となるようにエッチングされる。
【００２０】
ステップ４４では、成膜時干渉波形である図４のうち薄膜Ａ６２に対応する干渉波形（図４では６２で示されている）を特定する。そして、特定された干渉波形中に存在する周期の数（第１膜厚相当の周期数と称する）をカウントする。次いで薄膜Ａ６２の形成開始から薄膜Ａ６２が成膜により第２膜厚６１となるまでの干渉波形の周期の数（第２膜厚相当の周期数と称する）を演算する。例えば薄膜Ａ６２において第２膜厚６１を第１膜厚６３の１／２の膜厚としたい場合は、第１膜厚相当の周期数の１／２が第２膜厚相当の周期数である。
【００２１】
ステップ４４では成膜時干渉波形について薄膜Ａ６２に対応する波形部分の周期の数から第２膜厚相当の周期数を差し引きしたものを、波形の始点終点を逆転させて目標エッチング時干渉波形とする。ここで、始点終点を逆転させるのはエッチング時干渉波形は成膜時干渉波形の終点から始点に向かう方向に蓄積されていくからである。上述してきた方法によって得られた目標エッチング時干渉波形を図６に示す。目標エッチング時干渉波形は、薄膜Ａ６２の干渉波形の領域において第１膜厚相当の周期数（図６において６３で示す）から第２膜厚相当の周期数（図６において６１で示す）に減じられている。ステップ４４により、このような目標エッチング時干渉波形が制御部２２に保存される。
【００２２】
ステップ４２およびステップ４４の処理を終えるとステップ４６へと処理が進められる。ステップ４２では図５に示すエッチング形状を得るべく、レジスト７０が形成された後にレジスト開口部６５（エッチング表面）においてエッチングが行われる。そして少なくともエッチング時においてはレーザ発信受信部２８から開口部６５へのレーザ照射が行われる。また、前述のレーザの反射波はレーザ発信受信部２８に入射し、光ファイバー２４を経由してレーザ干渉計２３に到達する。レーザ干渉計２３は反射波の干渉波形であるエッチング時干渉波形を取得しデータを制御部２２に蓄積する。制御部２２ではエッチング時干渉波形を図７に示す如く蓄積する。
【００２３】
なお、図７では、成膜装置１０で形成した薄膜Ａ〜Ｄ全てをエッチングしたときに得られるであろうエッチング時干渉波形が示されている。これは説明の便宜上掲載しているにすぎず、実際にはエッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致した時点でエッチングがストップされるので、図６に示す以上のエッチング時干渉波形を得ることは無い。
【００２４】
ステップ４６にてエッチングが実施されかつエッチング時干渉波形を蓄積している最中には、エッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致するか否かが評価される。この評価は一定期間ごとに制御部２２にて行われる。評価に用いられる目標エッチング時干渉波形は制御部２２に保存されているものが使用される。ステップ４８に示されるように、この調査の結果エッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致すると評価されないときは、エッチングを継続する。一方、エッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致すると評価したときにはエッチングを終了する（ステップ５０）。なお、本実施形態ではエッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致するか否かは、両者の周期の数が一致するか否かをもって評価する。しかしながらエッチング時干渉波形が目標エッチング時干渉波形と一致するか否かの評価は両者の波形のピーク数を比較するなどの手段によっても良い。
【００２５】
ここで、本発明の特徴の把握を容易ならしめるために、比較例について説明する。比較例のシステムは図８に示される。このシステムは、エッチングが行われる基板１０４、レーザ発信受信部１００、光ファイバー１０６、レーザ干渉計１０８を備える。このシステムの動作は以下の通りである。すなわち、基板１０４のエッチング時にレーザ発信受信部１００から基板１０４へレーザ照射が行われる。そして基板１０４からの反射波はレーザ発信受信部１００から光ファイバー１０６を経由してレーザ干渉計１０８へ到達する。
【００２６】
エッチング中の基板１０４は簡略化して示されており、詳細には図９に示す通りである。すなわち比較例では、基板１１０上に薄膜１１２が形成されている。薄膜１１２をエッチングしてエッチング量が膜厚１１４で表される場所まで達した時点でエッチングをストップする。薄膜１１２のエッチング量は、薄膜１１２へ入射する光１１６のうち、薄膜１１２の最表面で反射された光と、薄膜１１２に透過し基板１１０と薄膜１１２との界面で反射された光の光路差により発生する干渉波形を演算することにより求める。こうして、エッチング量が膜厚１１４となったところでエッチングを終了する。
【００２７】
比較例のようにエッチング量を管理する事により薄膜のエッチングを行うと残膜がばらつく。図１０に示すウエハＡとウエハＢを参照してこの弊害について説明する。ウエハＡ、ウエハＢともに基板１１０上に薄膜１１２が形成されている（図１０上段に示す）。そして開口部を形成するためのレジスト１２０が形成される。ウエハＡとウエハＢとではプロセスばらつきに起因して薄膜１１２の膜厚が異なる。ウエハＡ、ウエハＢそれぞれの開口部において、エッチング量がエッチング量１２２となるようにエッチングを行う。エッチングが行われるとウエハＡでは開口部残膜が膜厚１２６である。一方、ウエハＢでは開口部残膜が膜厚１２４となりウエハＡとウエハＢとで残膜が一致しない。よって、比較例のようにエッチング量を制御してもエッチングの残膜はウエハ間（あるいはロット間）の成膜ばらつきに応じてばらつきを持つ問題があった。
【００２８】
本実施形態の薄膜形成方法によれば、比較例の問題を解決できる。本実施形態では成膜時干渉波形を用いて目標エッチング時干渉波形を演算し、目標エッチング時干渉波形がエッチング時干渉波形と一致するまでエッチングを行う。よって、原理的にエッチング後の残膜に過不足が生じることがない。すなわち、成膜装置で形成された薄膜の膜厚がばらついている場合でもエッチング後の残膜を均一にできる。
【００２９】
残膜の膜厚制御性の観点からは、ウエハ毎に成膜時干渉波形の取得および目標時エッチング波形の演算を行うことが好ましい。しかしながら、ロット内で薄膜の膜厚ばらつきが殆どなく又は無視できる程度であるときは、ロット毎に目標エッチング時干渉波形を演算することとしても良い。
【００３０】
本実施形態において目標エッチング時干渉波形は、「成膜時干渉波形について薄膜Ａ６２に対応する波形部分の周期の数から第２膜厚相当の周期数を差し引きした波形を、波形の始点終点を逆転させて目標エッチング時干渉波形とする」としたが本発明はこれに限定されない。すなわち、周期数を扱うことに代えて、薄膜が成長開始され第２膜厚となるまでの波形を成膜時干渉波形から除去することとしてもよい。このような除去の方法の一例として上述の「周期の数」を除去する方法がある。
【００３１】
さらに、上述の周期数を扱うことに代えて、成膜時干渉波形から薄膜の膜厚を演算して、薄膜Ａに第２膜厚の残膜を残すためのエッチング時間を演算してもよい。この場合はエッチング時干渉波形の取得は不要である。
【００３２】
あるいは、成膜後に薄膜の膜厚測定を行い、成膜時干渉波形における単位周期当たりの薄膜の膜厚を演算する。そして所望のエッチング後残膜に対応する周期の数を成膜時干渉波形の周期の数から差し引くことにより目標エッチング時干渉波形を求めても良い。
【００３３】
本実施形態の特徴は成膜時干渉波形をエッチング時の終点検出に活用することで、成膜工程において形成された薄膜の膜厚にばらつきがあった場合であっても、エッチング後の残膜を自由に制御できるものである。従って、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて目標エッチング時干渉波形の演算方法としては上述した以外の方法であってよい。また、例えば成膜時干渉波形から直接にエッチング時間を演算することとしても良い。
【００３４】
本実施形態では多層膜をエッチングする場合について説明したが、本発明を単層の薄膜をエッチングする場合に用いても多層膜の場合と同様に本発明の効果を得ることができる。
【００３５】
本実施形態では中途ストップ型のエッチングを行ったが、界面ストップ型のエッチングに用いても本発明の効果を失わない。すなわち、界面ストップ型のエッチングにおいても、成膜時干渉波形から目標エッチング時干渉波形を演算できるから本発明の効果であるエッチング後残膜の膜厚制御が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施形態のシステム概念図である。
【図２】実施形態の薄膜形成方法を説明するフローチャートである。
【図３】成膜装置にて形成される薄膜の断面図である。
【図４】成膜時に得られた干渉波形である成膜時干渉波形について説明する図である。
【図５】エッチング後に得られる薄膜の断面図である。
【図６】エッチング前に演算により求められる目標エッチング時干渉波形を説明する図である。
【図７】エッチング時に得られるであろうエッチング時干渉波形を説明する図である。
【図８】比較例のシステムを説明する図である。
【図９】比較例のエッチングについて説明する図である。
【図１０】エッチング量を管理するエッチングによる弊害を説明する図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  成膜装置
１２、２８  レーザ発信受信部
２２  制御部
２３  レーザ干渉計
２６  エッチング装置
６１  第２膜厚
６３  第１膜厚
【図１】
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【図２】
2009253005.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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