JPH09205076A - 半導体素子の製造プロセスのモニタ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子の形成に際し、半導体ウェハの表
面から二酸化シリコンを除去するためのプラズマエッチ
ングプロセスを制御する方法を提供する。 【解決手段】 本発明のプロセスにおいては、パターン
化フォトレジスト層でカバーされている半導体ウェハを
反応チェンバ内に配置する。フルオロカーボン（過フッ
化炭化水素）をこのチェンバ内に導入する。充分な量の
エネルギをガスに加えてプラズマを発生させる。ウェハ
表面の二酸化シリコンがこのプラズマによりエッチング
される。このプラズマの光学発光スペクトラム（ＯＥ
Ｓ）は、エッチングの進行に際しモニタされ、プラズマ
中のある種の放射強度を所定の波長で個別に観測して、
放射強度を所定の校正カーブと比較して、フォトレジス
トのエッチレートを決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子の製造に
際し用いられる、プラズマエッチングの制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造プロセスに際し、ドラ
イエッチングは、半導体基板の表面から材料を除去する
のに便利なためにしばしば用いられるプロセスである。
ドライエッチングは、基板上の材料層のある一部を選択
的に除去し、これによりパターン化された層を形成する
ために、あるいはトップ層のパターンをその下の層に転
写するためのいずれかに用いられる。基板表面からの材
料の選択的な除去は、半導体基板上の集積回路パターン
を形成するための一体不可分のものである。プラズマプ
ロセスは、集積回路素子形成に際し、ドライエッチング
ステップを実行するために用いられる。このプラズマ
は、反応性ガスにエネルギを当てることにより生成さ
れ、これにより高いエネルギ種（イオン，中性基，原
子，分子）を生成する。プラズマが半導体基板の表面に
当てられると、高エネルギ種が材料をその基板から分離
する。

【０００３】プラズマエッチングプロセスにおいて、エ
ッチングにより除去すべきでない基板表面の一部は、マ
スクと称する保護材料によりカバーされている。このマ
スクは除去されるべき基板表面の一部のみを露出する。
しかし、通常除去されている材料層の下の材料を除去す
ることは好ましくない。そのためプラズマエッチングプ
ロセスの終了点を正確に検出することが望ましい。

【０００４】プラズマエッチングプロセスの終了点を検
出する１つの方法は、プラズマの発光強度をモニタする
ことである。このプラズマエッチングプロセスの終了点
は、プラズマの発光強度の変化を観測することにより決
定できる。フルオロカーボン（過フッ化炭化水素）ベー
スの反応性ガスを用いて、二酸化シリコンをプラズマエ
ッチングするプロセスにおいては、酸化カーボンの発光
強度（高エネルギプラズマ種と二酸化シリコンの反応生
成物）をモニタしている。プラズマ中の酸化カーボンの
発光強度が急激に減少することは、プラズマが終了点に
あるかあるいはそれを過ぎていることを表す。

【０００５】米国特許第５，３２２，５９０号による
と、エッチング反応生成物の発光強度の変化を観測する
ことによる問題点は、現在のプロセスでは、エッチング
された表面の量はウェハの表面の１０％以下、さらには
また１％以下であることである。ウェハ表面の残りの部
分は、マスクによりカバーされている。このためプラズ
マ中の反応生成物は、マスクとプラズマとの間の界面か
らの反応生成物により支配されている。エッチング終了
点の直前から直後までのエッチングの反応生成物の発光
強度の変化は、簡単には観測できない、その理由はプラ
ズマ中には他の種の量が多いことおよび他の種の放射ス
ペクトルは、プラズマ中のモニタされた種の放射スペク
トルと干渉してしまうからである。

【０００６】前掲の特許では、活性エッチャント種、即
ちプラズマ中で二酸化シリコンと実際に反応する基を観
測し、そして種の発光強度の変化から終了点を決定する
ことを提案している。さらにまた前掲の特許は、活性エ
ッチャント種の発光強度は、二酸化シリコンと反応して
いるときは、二酸化シリコンがエッチングされた後、そ
の下の材料（通常シリコン）が露出した時と比較する
と、観測できるほど低いと述べている。下のシリコンが
露出すると、活性エッチャント種はシリコンとは反応し
ないので、反応によりもはや消費されない。また前掲の
特許では、このような観測精度の向上を、活性エッチャ
ント種の発光強度と、反応生成物と反応種の発光強度の
結合変化は、より明かな影響を及ぼすという理論に基づ
いて、比較することにより向上できると述べている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、個別の種の発
光強度の変化は、エッチング中の表面が比較的小さい即
ち全基板表面の１０％以下であるようなプロセスにおい
ては、終了点を検出するためには充分な情報を提供する
ことができないので、プラズマプロセスを制御し、この
プロセスの終了点を決定するような別のプロセスが望ま
れている。したがって本発明の目的は、半導体素子の形
成に際し、半導体ウェハの表面から二酸化シリコンを除
去するためのプラズマエッチングプロセスを制御する方
法を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明のプロセスにおい
ては、パターン化されたフォトレジスト層でもってカバ
ーされている半導体ウェハをプラズマが生成される反応
チェンバ内に配置する。フォトレジスト層のパターン
は、その厚さ全体に亘って行われ、ウェハのある部分
は、マスクによりカバーされ、他の部分はカバーされて
いない。二酸化シリコンがウェハ表面の少なくともマス
クされていない部分に形成される。フルオロカーボン、
即ち過フッ化炭化水素（フレオン、Du Pont de Nemours
Co.の登録商標）をこのチェンバ内に導入する。充分な
量のエネルギをガスに加えてプラズマを発生させる。二
酸化シリコンがこのプラズマによりエッチングされる。
このプラズマの光学発光スペクトラム（optical emissi
on spectrum（ＯＥＳ）） は、エッチングの進行に際し
モニタされ、プラズマ中のある種の放射強度を所定の波
長で個別に観測することに基づいて、そしてこの種の放
射強度を所定の校正カーブと比較して、フォトレジスト
のエッチレートを決定する。二酸化シリコン層のコンタ
クトホールのエッチレートもこのようにして決定でき
る。

【０００９】本発明のプロセスを用いて、直径が０．５
μｍ以下のコンタクトホールのエッチレートを決定でき
る。フォトレジストのエッチレートおよび／またはコン
タクトホールのエッチレートは、観測されたエッチレー
トが所定の範囲内にあるか否かを決定することにより観
測できる。エッチレートが所定の範囲内にある場合には
エッチングを進行させる。所定の範囲内にない場合に
は、エッチングを停止するか、あるいはプロセス条件を
変化させてエッチレートを所定の範囲内に戻す。本発明
は二酸化シリコン層上に形成されたフォトレジスト層を
例に記載しているが、本発明は、フォトレジストマスク
の表面領域とマスクされていない露出された下層の表面
領域との間に大きな差があるような場合に、ウェハのプ
ラズマエッチングをモニタするのにも用いられる。大き
な差がある場合とは、ウェハの８０％以上がフォトレジ
スト層にマスクされ、酸化物がコーティングされたウェ
ハの部分が２０％以下の場合をいう。

【００１０】一実施例においては、フォトレジストコー
ティングされたウェハをＣ₂Ｆ₆プラズマを用いたエッチ
ング条件に曝す。Ｃ₂Ｆ₆プラズマは、半導体素子の形成
プロセスの際、二酸化シリコンをエッチングするために
従来用いられている。Ｃ₂Ｆ₆プラズマを生成するメカニ
ズムと条件は、従来公知のものである。

【００１１】二酸化シリコンの上にフォトレジストマス
クを形成したウェハをフルオロカーボン含有プラズマで
もってエッチングする際には、光学発光スペクトラム
（ＯＥＳ）は、ある波長で発光強度のピークを有する。
このピークは、プラズマ中である種の存在と相対的濃度
を表す。このＯＥＳを用いて、フォトレジストあるいは
コンタクトホールのエッチレートが決定できる。その理
由は、プラズマ中のある種の発光強度は、エッチレート
に関係するからである。

【００１２】モニタされる種とＯＥＳを用いてモニタす
る方法は、決定されるべきエッチレートの相関関係にあ
る。ＯＥＳを用いてフォトレジストのエッチレートをモ
ニタする場合には、ＯＥＳの少なくとも２つの種の発光
強度をモニタしなければならない。この複数の種の１つ
は、フォトレジストとエッチング装置の壁のカーボン種
とフルオロカーボンプラズマの相互作用の副生成物（副
産物）である。この種がＣ₂ であるのが望ましい。他の
モニタされる種は、プラズマの強度に関連している。例
えば、フォトレジストでマスクされたウェハのフルオロ
カーボンのエッチング中のＯＥＳスペクトラムは、プラ
ズマ中のＳｉＦ種に関連する４４０ｎｍ波長でピーク強
度を有する。プラズマの強度が増加するとこのピークの
強度も増加する。プラズマ強度が減少すると、このピー
クの強度も減少する。したがって、ＳｉＦ種のピークは
プラズマの強度に関連する。他の種例えば、Ｓｉまたは
Ｆは、この種に関連するＯＥＳスペクトラムのピークが
プラズマ強度に関連しているためにモニタすることがで
きる。ＯＥＳはプラズマ中のＣ₂ に関連した数個のピー
クを有するが、５１５ｎｍでのピークをモニタするのが
好ましい。プラズマ中にＳｉＦ種の存在をモニタするた
めには、ＯＥＳ中で４４０ｎｍのピークを観測するのが
好ましい。プラズマ中にＳｉ種の存在をモニタする場合
には、２８８ｎｍの光学放射が用いられる。プラズマ中
にＦ種の存在をモニタする場合には、７０３ｎｍの光学
放射が用いられる。以下の説明においては、Ｃ₂ の光学
放射（５１５ｎｍでの）とＳｉＦの光学放射（４４０ｎ
ｍでの）が観測される実施例を用いて本発明を説明す
る。

【００１３】プラスマ中のこれら２種類の種の光学放射
は、エッチングの開始前のウェハ上のフォトレジスト層
の厚さを測定することによりフォトレジストのエッチン
グレートに関連づけられる。その後このウェハをプラズ
マエッチングして、ある関連波長でのプラズマの光学放
射を時間の関数として観測する。エッチングが終了した
後は、残りのフォトレジスト層の厚さを測定し、プロセ
ス条件の特定の組用のエッチレートを決定する。

【００１４】ＯＥＳを用いてコンタクトホールのエッチ
レートをモニタする場合には、プラズマ中の１つの種の
光学放射をモニタする。その種は、コンタクトホールの
エッチレートに関連するプラズマ中のどのような種でも
よい。プラズマ中のＣ₂ 種またはＳｉＦ種の光学放射を
モニタするのがよい。その理由はこれらの信号のＳ／Ｎ
比がエッチングプロセスの間充分に高いからである。こ
の光学放射は、あるエッチング処理時間後、複数のパタ
ーン化されたウェハの断面をＳＥＭ（走査型電子顕微
鏡）で測定することにより、コンタクトホールのエッチ
レートに関連づけられる。このあるエッチング処理時間
後、ウェハはそこにエッチングされたコンタクトホール
を有する。あるエッチング処理時間後、残ったフォトレ
ジストマスクの一部は、ＳＥＭの測定前にはウェハから
除去されない。このＳＥＭからコンタクトホールの深さ
が測定できる。その後このエッチレートは、コンタクト
ホールの深さとエッチング時間から計算される。その後
このエッチレートは、エッチングの間に得られたＯＥＳ
トレースに関連づけられる。

【００１５】エッチレートとＯＥＳパラメータとを関連
づける上記のプロセスを複数回繰り返し、個別の処理パ
ラメータ（例、温度，流速，圧力，無線周波数バイア
ス，ソースパワー，Ｏ₂ クリーン時間）を変化させてフ
ォトレジストおよび／またはコンタクトホールのエッチ
レートを変え、そして光学放射影響とフォトレジストエ
ッチレートおよび／またはコンタクトホールエッチレー
トとの間の相関関係を決定するのが望ましい。処理パラ
メータを変化させるために選択されたパラメータとその
パラメータの量を変えることにより、エッチレート全体
に亘っての影響を得ることができる。そのため処理パラ
メータを変化させたときのエッチレートに影響を及ぼす
パラメータのみを本発明の目的のために選択できる。処
理パラメータを変化させるために選択されたパラメータ
が、互いに２倍または３倍以上に変化するようなエッチ
レートを提供できることが望ましい。

【００１６】例えば、プラズマのソースパワーを変化さ
せることによるフォトレジストのエッチレートへの影響
は、エッチング毎にプラズマソースパワーを変えて、他
は同一条件で複数枚のウェハをエッチングすることによ
り観測できる。時間をかけてＯＥＳ中で関連波長の強度
の影響を得て、そしてこの影響をフォトレジストのエッ
チングレートに関連づける。あるいはこのプロセスをチ
ェンバの温度のような別の処理パラメータに対しても繰
り返し行う。

【００１７】本発明の一実施例によれば、チェンバのＯ
₂ クリーンの持続時間の変化（エッチングチェンバは、
エッチングの間チェンバの壁に付着した堆積物を取り除
くためにあるエッチング終了後毎にＯ₂ で洗浄される）
のコンタクトホールエッチングレートへの影響を観測で
きる。Ｏ₂ の洗浄時間とコンタクトホールのエッチレー
トとの間には複雑な関係がある。Ｏ₂ の洗浄時間がチェ
ンバ内の全ての堆積物を除去するには不十分な場合に
は、コンタクトレートホールのエッチレートは、エッチ
ング毎に変動する。このような影響は累積するので、各
エッチングにより明白となる。Ｏ₂ の洗浄時間とエッチ
レートとの関係は、エッチングされたウェハの数の関数
として測定される。ＯＥＳトレースは、各エッチングに
対し、何回も選択したある波長で得られる。このトレー
スは、上記の方法でエッチレートに関連づけられる。

【００１８】上に述べたように様々なエッチレートに対
し、トレースが得られた後、各トレースからの信号の比
率は特定のエッチレートに関連づけられる。これは様々
な方法により行われる。ある実施例においては、プラズ
マ中の２つの異なる種（例：Ｃ₂ ，ＳｉＦ）に関連する
２種類の信号強度の比率（エッチング処理の異なる時間
点、例えばエッチングに入ってから７５秒後における比
率）が各トレースに対し得られる。そしてこの比率をフ
ォトレジストのエッチレートの関数としてマッピングす
る。このような情報を用いて、エッチング時リアルタイ
ムでその比率を観測し、比率とエッチレートとの相関関
係を参照することによりエッチレートをモニタする。

【００１９】本発明の他の実施例においては、プラズマ
中の単一の種（Ｃ₂ ，ＳｉＦ）に関連する信号強度をモ
ニタし、エッチング処理中の２つの異なる時間点
（ｔ₁，ｔ₂）におけるこの強度の比率を得る。そしてこ
の比率をコンタクトホールエッチレートの関数としてマ
ッピングする。このエッチレートは、ＯＥＳトレースか
ら時間ｔ₁，ｔ₂での信号強度の比率を得ることにより、
そして以前に得た校正情報からそしてこれらの比率に関
連するエッチレートを見いだすことによりリアルタイム
で決定できる。

【００２０】本発明の第３の実施例においては、第１種
の信号強度と第２種の信号強度の比率の積分値を全エッ
チング時間に亘って計算する。この積分値は、上記の方
法でエッチングレートに関連づけられる。以上説明した
全ての実施例において、ある比率があるエッチレートと
関連づけられると、この比率とエッチレートとの間の関
係は、この比率をエッチレートの関数としてプロットす
ることにより決定できる。このプロットは、本発明のプ
ロセスを制御するために用いる校正カーブである。

【００２１】本発明の一実施例においては、ＯＥＳトレ
ース内のＣ₂ に関連した信号のＳＮ比は、ＲＦで生成さ
れたフロオロカーボンプラズマ内でシリコンウェハ上に
形成されたフォトレジスト、あるいは二酸化シリコンが
形成されていないシリコンウェハをエッチングすること
により低減できる。このＯＥＳトレースのＣ₂ 信号を観
測する。このＣ₂ 信号は、フルオロカーボンガスとチェ
ンバ内部の種を含有する残留カーボンからの寄与分を含
む。そのためにブランクシリコンウェハでもって、プラ
ズマ内のＣ₂ 信号を得て、この信号対フォトレジストで
カバーされたウェハをエッチングする際に得られたＣ₂
信号との比率をとることにより、フルオロカーボンの背
景影響とＯＥＳトレースのＣ₂ 信号におけるチェンバ内
部の背景影響（バックグラウンド信号を得るために用い
られるエッチング条件と同一のエッチング条件下で得ら
れる）とを取り除くことができる。

【００２２】校正カーブが上記のようにして得られる
と、エッチングの間に得られたＯＥＳを用いてリアルタ
イムのプロセス制御を実行できる。例えば５１５ｎｍで
のＣ₂ピーク対４４０ｎｍでのＳｉＦピークの比率は時
間ｔで、ＯＥＳから決定でき、この比率を用いて、前述
したようにして得られた校正カーブを用いてフォトレジ
ストエッチレートを決定できる。エッチレートが決定さ
れると、この情報を用いてプロセスを制御する。時間ｔ
におけるフォトレジストのエッチレートが「仕様外」即
ち所定の値よりも高いかあるいは低い場合には、このプ
ロセスでは問題があることを意味し、このプロセスを中
止して、問題が検出される前に間違った処理シーケンス
でもって数個の（おそらくは多数の）ウェハを処理する
ことなく問題を修正する。例えば時間ｔにおけるエッチ
レートが分かっている場合には、オペレータは必要に応
じてエッチ条件、例えば圧力，流速，反応性ガスの組成
等を調整してエッチレートを所定の範囲内に戻すように
する。

【００２３】本発明の実施例では、フォトレジストのエ
ッチレートとコンタクトホールのエッチレートを例に上
げて説明したが、エッチレートの実際の決定は、本発明
に対し重要なものではない。むしろエッチレートは、プ
ラズマ中のＣ₂ 信号とＳｉＦ信号との比率に対し相関関
係がある。ある特定のプロセスに対し、この比率の許容
できる範囲は、上記に説明した校正方法を用いて決定で
き、この比率をモニタすることによってプロセスをリア
ルタイムで制御できる。この本発明の方法は、パターン
転写プロセスで特に利点があり、そして上層の表面積が
下層のマスクされていない部分に比較して大きいような
パターン転写プロセスで、あるいはその逆のパターン転
写プロセスで特に有益である。例えば本発明のプロセス
を用いて、マスクの下の二酸化シリコン層のコンタクト
ホール（即ちバイアス）をモニタすることができる。Ｃ
₂ 対ＳｉＦの比率を所定の範囲内に維持するようプラズ
マ条件を制御することにより、マスクの下の二酸化シリ
コンのオーバエッチングあるいはアンダエッチングを回
避することができる。エッチング処理期間中周期的にあ
るいは連続的にＣ₂ 種とＳｉＦ種をモニタすることによ
り、エッチプロセスをリアルタイムで制御できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明はコンタクトホールを二酸
化シリコン内にエッチングして形成する半導体素子のプ
ロセスに関するものであるが、本明細書においては、パ
ターン化されたフォトレジストマスクは、酸化物層がそ
の上に形成されたシリコンウェハ上に形成されるものと
する。ウェハの表面の５０％以下しかマスクされずに、
５０％以上はフォトレジストマスクでカバーされている
ようにパターン化されるのが好ましい。本発明のプロセ
スは、ＯＥＳを用いてフォトレジストパターンのホール
を下の酸化物層に転写するために用いられるプラズマを
モニタする。

【００２５】通常フルオロカーボン含有のプラズマを用
いて、ホールを下の酸化物層に転写する。このプラズマ
環境のＯＥＳをモニタして、プラズマエッチングプロセ
スをリアルタイムで制御できる。フルオロカーボン含有
プラズマを生成する方法と装置は、従来公知のものでこ
こでは詳述しない。フルオロカーボンプラズマを用いて
エッチングを行う適当な装置は、カリフォルニア州サニ
ーベルのアプライドマテリアル社から市販されている５
３００ＨＤＰエッチャー（オメガとして知られている）
である。この装置を７５ミリトール以下の圧力で、そし
て電子１０¹¹／ｃｍ³ 以上の電子密度で動作させる。

【００２６】プラズマのＯＥＳは、プラズマから出て成
分波長に入る光を分離して光強度を測定する従来の装置
を用いてモニタできる。ＯＥＳシステムの一例は、スペ
クトログラフ（Model CP140 from Instruments SA of E
dison, New Jersey） に接続されたＣＣＤアレーディテ
クタ（model LS2000C from Alton Instruments of Gard
en Grove, Ca） を有する。約２００ｎｍから８５０ｎ
ｍの範囲の放射検知機能を有し、その解像度は２ｎｍ以
下で、スキャン時間は、０．１秒以下である。

【００２７】このＯＥＳは、ウェハをエッチングするた
めにプラズマが用いられる際、ある選択された波長でも
ってその時間の間ずうっとモニタされる。本発明のプロ
セスを実行するためにフォトレジストのエッチレートお
よび／またはコンタクトホールのエッチレートとの間の
関係と所定の波長におけるＯＥＳの信号強度を決定しな
ければならない。フォトレジストのエッチレートを決定
するためにフォトレジストの厚さは、ある時間エッチン
グ処理された前後に測定される。このフォトレジストの
エッチレートは、厚さの変化を時間でわり算することに
より決定される。コンタクトホールのエッチレートは、
ある時間のエッチング後コンタクトホールの深さを測定
することにより決定される。ＳＥＭを用いてコンタクト
ホールの深さを測定する。コンタクトホールのエッチレ
ートは、コンタクトホールの深さをエッチング時間でわ
り算することにより決定される。

【００２８】エッチレートとＯＥＳ信号との間の関係
は、様々な方法により決定できる。プラズマエッチング
の間フォトレジストのエッチレートをモニタするのに適
した一実施例では、プラズマ中の少なくとも２種類の種
に関連した波長をエッチングの間モニタする。このモニ
タされた波長の１つは、プラズマとフォトレジストとの
間の相互作用に関連する種のピーク強度に関連し、その
種の１つは、プラズマの強度に関連する。適当な種の対
の例は、Ｃ₂ とＳｉＦ，Ｃ₂ とＳｉ，Ｃ₂ とＦである。
これらの種のあるものは、フルオロカーボンプラズマの
ＯＥＳスペクトラム内の様々な異なる波長におけるピー
クに関連している。例えば、図１に示すように上記のよ
うにマスクされたウェハをエッチングするために用いら
れるＣ₂Ｆ₆プラズマのＯＥＳスペクトラムは、Ｃ₂ に関
連した複数の異なる波長で強度ピークを有する。これら
のスペクトラムは、上記の装置を用いて得られる。本発
明のプロセスを実行するためには、上記の種の対の内の
各対の一方に関連した波長のみをモニタすればよい。一
実施例においては、４４０ｎｍのＯＥＳ信号（ＳｉＦ種
に関連する）と５１５ｎｍのＯＥＳ信号（Ｃ₂ 種に関連
する）をモニタする。

【００２９】それぞれでの選択された波長におけるＣ₂
信号とＳｉＦ信号の強度は、エッチングの時間の関数と
してモニタされる。Ｃ₂ 信号とＳｉＦ信号の比率をエッ
チングのある時点での２つの信号の比率を選択すること
により、あるいはある時間に亘って各信号の値を積分
し、この積分された信号の比率を得ることにより決定さ
れる。この比率は、ウェハのエッチレートに関連してい
る。

【００３０】このプロセスは、様々なエッチングレート
のエッチングプロセスに対し繰り返される。フォトレジ
ストのエッチレートに対する校正カーブを得る本発明の
実施例においては、エッチレートは、例えばプラズマソ
ースパワーあるいはチャンバーの天井の温度のような個
別のプロセスパラメータを変えることにより変化させて
いる。一実施例においては、エッチレートは、ソースパ
ワーと天井温度を変えることにより９００Ａ／分から３
４００Ａ／分の範囲内で変化した（ただしＡは、オング
ストロームの略とする）。これは４つの異なるソースパ
ワー、即ち２３５０Ｗ，２５００Ｗ，２６５０Ｗ，２８
００Ｗでもって一連のエッチングを実行することにより
行われた。そして各ソースパワーに対し、３種類の天井
の温度が２４０℃，２５０℃，２６０℃で、それぞれ３
種類のエッチングが実行された。他のエッチングパラメ
ータ、例えばバイアスと圧力は、上記のパラメータを変
化させている場合には、一定に保持した。これにより校
正カーブが得られ、その結果Ｃ₂ とＳｉＦ信号の特定の
関係をフォトレジストのエッチレートに関連づけること
ができた。

【００３１】コンタクトホールのエッチレートをモニタ
するために、校正カーブを得る本発明の一実施例におい
ては、エッチング処理の間Ｏ₂ によるチェンバ洗浄時間
を適宜選択してコンタクトホールのエッチレートをウェ
ハ毎に変化させた。他のエッチングパラメータについて
は、ウェハ毎に一定に保持した。Ｏ₂ でチェンバを４０
秒もしくはそれ以下の時間洗浄することでは、ウェハ毎
に完全には洗浄されず、そしてエッチレートはチェンバ
の残留物の結果ウェハ毎に変動した。約４０秒の洗浄時
間は、これらの条件下では、ウェハ毎に接点ホールのエ
ッチレートは変化するが、フォトレジストのエッチレー
トは変化しないので好ましい。ウェハを搭載したカセッ
ト（２５）を各エッチングの間、上記のＯ₂ によるチェ
ンバ洗浄時間でエッチングした。各ウェハに対するＯＥ
Ｓトレースが得られた。プラズマ中の種（Ｃ₂ またはＳ
ｉＦ）に関連する信号強度は、エッチングの間２つの時
間点（ｔ₁ とｔ₂ ）で測定され、これら２つの強度の比
率は前述したようにエッチレートに関連している。

【００３２】この校正カーブを得るために、パラメータ
を変化させたが、各パラメータの変動量は、主に設計的
選択事項であるが、エッチレートが目標とするエッチレ
ートに対し約±５０％で変動する場合が好ましい。Ｃ₂
信号対ＳｉＦ信号の比率が、同一の条件でエッチングを
行ったブランクウェハのＯＥＳから得るのが好ましい。
この「フォトレジストウェハの比率」を「ブランクウェ
ハの比率」でわり算することにより、背景影響を除去し
た比率が得られ、そしてフォトレジストのエッチレート
がこの比率から得られる。

【００３３】一旦校正カーブが得られると、ＯＥＳスペ
クトラムがエッチングプロセスの間所定の波長でのスペ
クトラムの信号強度をモニタし、２つの信号の比率に基
づいてエッチレートを校正することにより、プラズマエ
ッチプロセスをリアルタイムでプロセス制御する目的で
得られる。フォトレジストのエッチレートをリアルタイ
ムで決定できることは、より良好なプロセス制御が可能
となるが、その理由はフォトレジストは、所定の範囲外
にあると観測されると、プロセス条件をリアルタイムで
調整するか、あるいはエッチングの前に後のウェハをフ
ォトレジストのエッチレートを所望の範囲内に戻すよう
にして処理を行うことができる。

【００３４】このようにして得られた校正カーブを用い
て、校正カーブを得るのに用いたプロセス条件に類似の
プロセスを制御する。新たな校正カーブを必要とするよ
うなプロセス条件の変化は、当業者には公知のものであ
る。例えばプロセス条件は、校正カーブを得るために変
動される条件の範囲全部に亘って、変化させる（例えば
ソースパワーと温度を変動させる）が他のプロセス条件
の変動は、新たな校正カーブを作ることが必要となる。
例えばエッチング装置の予熱条件を変動させると新たな
校正カーブが必要となる。また例えば、校正カーブを作
るために用いられた予熱時間が５秒の場合には、予熱時
間を３０秒に変化させた場合には新たな校正カーブが必
要となる。しかし、予熱時間を１０秒に変化させた場合
には必要はない。エッチング材の組成を校正カーブを得
るためにモニタされたエッチングプロセスで使用された
組成から変化させた場合には、新たな校正カーブが新た
なエッチング材ように必要となる。フォトレジストによ
りカバーされたウェハの表面積が、校正カーブを得るた
めにエッチングされたウェハの量（表面積）から±１０
％以上変動した場合には、新たな校正カーブが必要とな
る。同様にｒｆパワー，圧力，エッチングガス流速等を
校正カーブを得るために用いられたエッチング条件から
大きく変動させた場合には新たな校正カーブが必要とな
る。

【００３５】

【実施例】

実験例１ プラズマエッチングの間、フォトレジストのエッチレー
トをモニタするために、校正カーブを得るためにエッチ
ングされたウェハは、８０００Ａ厚のＩラインのフォト
レジスト層で１００％カバーされたシリコンウェハで、
マサチューセッツ州マールボロのシップリー社から市販
されているシップリー１８００である。プラズマエッチ
ングプロセスの間コンタクトホールのエッチレートをモ
ニタするために、校正カーブを得るためにエッチングさ
れたウェハは、１．０２μｍ厚の酸化物層がその上に形
成されたシリコンウェハである。これらのウェハの表面
は、そのウェハの９８％以上が、コーティングされたＡ
ＲＣＨ ＩＩ（登録商標）の深ＵＶ（紫外線）レジスト
層を有する。ＡＲＣＨ ＩＩのフォトレジストは、ＯＣ
Ｇコープで製造されたものである。

【００３６】これらのウェハは、Applied Materials Mo
del 5300 HDP (Omega)の酸化エッチング装置によりエッ
チングされた。チェンバの圧力は４ミリトールでプラズ
マ内の電子密度は、１０¹¹から１０¹²／ｃｍ³ の間にあ
る。このエッチング装置は、ＲＦソースコイルを具備
し、プラズマを生成し、イオン注入エネルギを制御する
ＲＦバイアスプレートを有する。水晶製の側壁の温度
は、２２０℃に維持された。このチェンバは、プラズマ
ソースパワーを用い、そしてバイアスパワーを用いずに
エッチングを開始する前５秒間予熱された。Ｃ₂Ｆ₆プラ
ズマの流速は２５ｓｃｃｍであった。

【００３７】フォトレジストのエッチレートをモニタす
るための校正カーブは、６００Ｗのバイパスパワーの増
分でもって、２３５０Ｗから２８００Ｗまでのソースパ
ワーを変動させることにより生成した。このエッチング
装置は、シリコン製の上部プレートと水晶製の側壁とを
有する加熱されたチェンバを有する。シリコンの上部プ
レートの温度を２４０℃から２６０℃まで変動させた。

【００３８】５１５ｎｍ波長におけるＣ₂ の光学放射を
図２に示し、同図においては、Ｃ₂のピークの強度は、
３種類のウェハ即ちフォトレジストにより１００％カバ
ーされた表面を有するウェハ１０と、裸の（カバーされ
ていない）シリコンウェハ２０と、酸化物層がその上に
形成されたシリコンウェハ３０に対する時間の関数とし
て示されている。図２のデータは、ソースパワーが２５
００Ｗ、天井温度が２５０℃で生成されたプラズマのＯ
ＥＳから得られた。この条件下で酸化物のエッチレート
は、７５４８Ａ／分でフォトレジストのエッチレート
は、１９６５Ａ／分であった。図３は、図２のグラフを
得るために、同一のエッチング条件を用いて得られた、
前述の３種類のウェハに対する４４０ｎｍ波長における
ＳｉＦ信号の強度を表す。

【００３９】エッチング条件の各組（各温度で用いられ
た各ソースパワー）に対し、上記の波長におけるＯＥＳ
内のＣ₂ 信号対ＳｉＦ信号の比率が決定された。この比
率をフォトレジストのエッチレートの関数としてプロッ
トした。このフォトレジストのエッチレートは、エッチ
ングの前後でフィルムの厚さを測定することにより、そ
してその厚さの変動を時間の関数として決定することに
より決定された。Ｃ₂／ＳｉＦの比率とフォトレジスト
のエッチレートとの間の関係を図４の白丸１１０で示
す。Ｃ₂ ／ＳｉＦ比率は、同一のエッチング条件に曝し
た裸のシリコンウェハに対し決定された。これらの比率
は図２の四角１２０で示されている。Ｃ₂／ＳｉＦ比率
は、同一のエッチング条件に曝した酸化物層でコーティ
ングしたウェハに対し決定された。これらの比率は、図
４の三角１３０により示されている。同一の垂直軸上の
白丸１１０，四角１２０，三角１３０は、同一のエッチ
ング条件に曝されたフォトレジストによりカバーされた
ウェハと、裸のシリコンウェハと、酸化物層によりカバ
ーされたウェハをそれぞれ表す。

【００４０】Ｃ₂ ／ＳｉＦの比率から背景ノイズを減算
することにより第２の比率が得られる。この第２の比率
は、フォトレジストのウェハをエッチングするために用
いられたプラズマのＯＥＳから得られたＣ₂ ／ＳｉＦ比
率を裸のシリコンウェハを同一のエッチング条件でエッ
チングする際のプラズマのＯＥＳから得られたＣ₂ ／Ｓ
ｉＦ比率により乗算することにより得られる。この比率
（Ｃ₂／ＳｉＦ）_{photo resist}／（Ｃ₂／ＳｉＦ）
_{bare silicon} は、フォトレジストエッチレートの関数
としてプロットされる。このようにして得られた校正カ
ーブを図５に示す。

【００４１】校正カーブが上記のようにして得られる
と、それは次のようにしてエッチプロセスをモニタする
のに用いられる。フォトレジストのパターンを下の二酸
化シリコンにパターン化するエッチングに用いられるプ
ラズマのＯＥＳをモニタする。適当な波長でのＣ₂ 種と
ＳｉＦ種の強度を観測し、これら２つの強度の比率を求
める。この比率を同一のエッチング条件にブランクのシ
リコンウェハを曝すことにより得られたブランクシリコ
ンウェハ用に得られたＣ₂ 対ＳｉＦの比率により除算す
る。このようにして得られた比率を用いて、この比率と
フォトレジストのエッチレートとの間の校正された関係
を参照しながらリアルタイムでフォトレジストのエッチ
レートを計算する。このフォトレジストのエッチレート
が所定の動作ウィンドウ（１５００Ａ／分から２５００
Ａ／分の間）内にある場合には、プロセスはこのまま進
行する。エッチレートが前述の所望の範囲外にあると決
定された場合には、適当な修正作業を施して前記の問題
を正す。この修正作業には、エッチレートを前述のウィ
ンドウ内に戻すようにプロセス条件を調整するか、ある
いはその問題が解決されまでプロセスを中止するかのい
ずれかが含まれる。

【００４２】コンタクトホールのエッチレートをモニタ
する校正カーブは、２５ＡＲＣＨＩＩ（商標登録）をコ
ーティングしたウェハをチェンバ内で連続してエッチン
グすることにより得られる。エッジ処理間のＯ₂ のチェ
ンバ洗浄時間は、約４０秒であった。この４０秒の洗浄
時間では、前のエッチプロセスからチェンバ内の不純物
の全てを除去するのは不十分であるためにコンタクトホ
ールのエッチレートは、ウェハ毎に変動する。各ウェハ
に対するコンタクトホールのエッチレートは、各エッチ
ング処理のタイミングをとることおよびＳＥＭを用いて
エッチング後のコンタクトホールの深さを測定すること
により決定できる。図６のＡに示したようにコンタクト
ホールの深さは、コンタクトホールの直径のと共に変動
し、ウェハの列のウェハの配置場所の関数である。図６
Ａは、２５枚のウェハのシーケンス中ウェハの１番目と
１１番目と２１番目のウェハのコンタクトホールの深さ
を表す。図６Ａによれば、直径が０．５μｍ以下のコン
タクトホールに対しては、コンタクトホールは、ウェハ
シーケンスの各ウェハに対し、累積的により浅くなる。

【００４３】エッチング時間はウェハ毎に一定なために
図６Ａは、コンタクトホールのエッチレートは、ウェハ
列の各ウェハに対し、累積的に遅くなることを表してい
る。ＯＥＳトレースは各エッチングの間に得られる。こ
の例においては、ＯＥＳは５１５ｎｍ波長（Ｃ₂ 種に関
連する信号）と４４０ｎｍ（ＳｉＦ種に関連する信号）
の両方で得られる。しかし、校正カーブをつくるには１
個の信号のみでよい。時間ｔ₁（０秒）と時間ｔ₂（９０
秒）における信号強度を測定し、各トレースに対するこ
れら２つの信号はエッチレートに関連していた。図６Ｂ
に示すようにこの比率は２５枚のウェハシーケンスにお
いて、ウェハ毎に変動する。フォトレジストのエッチレ
ートは、ウェハ毎に一定であるためにＣ₂ 信号同志の比
率とＳｉＦ信号同志の比率は、ウェハのシーケンスに同
じように依存する。

【００４４】図７は図６の情報から得られた校正カーブ
である。特に９０秒時のＣ₂ 対０秒時のＣ₂ の比率をエ
ッチレートの関数としてマッピングしてある。

【００４５】

【発明の効果】この校正カーブを用いてプラズマエッチ
ングプロセスの間ＯＥＳのＣ₂ 関連信号をモニタするこ
とによりコンタクトホールのエッチレートをモニタでき
る。９０秒時にＣ₂（９０秒）対Ｃ₂（０秒）が得られ
る。コンタクトホールのエッチレートは、この比率を元
にしたエッチレートを決定するための校正情報を用いて
決定できる。このエッチレートが所定の範囲内にある場
合には、プロセスに対し何の調整も必要でない。しか
し、このエッチレートが所定の範囲外にある場合には、
エッチング処理を中止するか、あるいはエッチング条件
を調整してエッチレートを仕様内に戻すようにしなけれ
ばならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】二酸化シリコン層の上にフォトレジストマスク
を有するウェハをエッチングするのに用いられるＣ₂Ｆ₆
プラズマのＯＥＳスペクトラムを表す図

【図２】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハをプラズマエッチングする間、５１５
ｎｍでのＣ₂ 放射の強度のトレースを表す図

【図３】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハをプラズマエッチングする間、４４０
ｎｍでのＳｉＦ放射の強度のトレースを表す図

【図４】フォトレジストでコーティングされたウェハ
と、酸化物でコーティングされたシリコンウェハと、裸
のシリコンウェハに対するＣ₂ とＳｉＦ放射比率とエッ
チレートとの間の関係を表す図

【図５】フォトレジストでコーティングされたウェハの
エッチレートと、Ｃ₂ とＳｉＦ放射比率を裸のシリコン
ウェハのそれでわり算した関係を表す図

【図６】Ａは、ウェハ毎にＯ₂ 洗浄時間がチェンバを完
全に洗浄するには不十分な場合、ウェハ毎に観測される
コンタクトホールの深さの差を表す図 Ｂは、エッチング処理時に２つの時間点で信号（Ｃ₂ と
ＳｉＦ）の強度の比率とこの比率のウェハ毎の変化を表
す図

【図７】コンタクトホールのエッチレートを制御するた
めに図６に示されたデータから得られた校正カーブを表
す図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 スーザン クラーディー マックネヴィン アメリカ合衆国，07974 ニュージャージ ー，ニュープロヴィデンス，スプリング フィールド アヴェニュー 1584

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）基板をプラズマ生成用の反応チェ
   ンバ内に配置するステップと、 前記基板は、その表面の少なくとも一部上に二酸化シリ
   コン層が形成され、この二酸化シリコン層の上にフォト
   レジストマスクを有し、前記二酸化シリコン層の少なく
   とも１部が露出しており、 （Ｂ）フルオロカーボン含有ガスを前記反応チェンバ内
   に導入するステップと、 （Ｃ）前記の露出した二酸化シリコン層を前記基板表面
   から除去するために、プラズマを前記反応チェンバ内で
   生成するステップと、 （Ｄ）プラズマの光学放射をモニタし、前記プラズマ内
   の種に関連する波長でもって輝度強度を測定するステッ
   プと、 （Ｅ）前記測定された輝度強度からある値を計算するス
   テップと、 （Ｆ）前記計算された値と、所定範囲の値とを比較する
   ステップと、 前記所定の値は、フォトレジストマスクと二酸化シリコ
   ン層からなるグループの１つのエッチレートに関連して
   予め決定されたものであり、 （Ｇ）前記比較に基づいてプロセスを制御するステップ
   とからなることを特徴とする半導体素子の製造プロセス
   のモニタ方法。
2. 【請求項２】 前記（Ｇ）の制御ステップは、前記計算
   された値が所定の範囲内にない場合には、プロセスパラ
   メータを調整することにより行うことを特徴とする請求
   項１の方法。
3. 【請求項３】 前記プラズマ内の一対の種の輝度強度を
   モニタし、 前記一対の種の内の第１の種は、フォトレジストとプラ
   ズマとの相互作用に関連し、第２の種は、プラズマの強
   度に関連し、 前記計算された値は、エッチングの間第１の種に関連す
   る強度と第２の種に関連した強度との比率であり、 前記所定の値は、前記第１の種に関連した強度と前記第
   ２の種に関連した強度との所定の比率であり、 前記所定の比率の各々は、エッチレートに関連している
   ことを特徴とする請求項２の方法。
4. 【請求項４】 前記第１の種はＣ₂ であり、前記第２の
   種はＳｉＦ，Ｓｉ，Ｆからなるグループから選択される
   ことを特徴とする請求項３の方法。
5. 【請求項５】 前記第１の種は、５１５ｎｍ波長でモニ
   タされたＣ₂ であり、前記第２の種は、４４０ｎｍ波長
   でモニタされたＳｉＦであることを特徴とする請求項４
   の方法。
6. 【請求項６】 前記比率の所定範囲は、ある比率をある
   プロセス条件のフォトレジストのエッチレートに関連づ
   ける校正カーブから決定されることを特徴とする請求項
   ３の方法。
7. 【請求項７】 （Ｈ）前記比率が、前記所定範囲の比率
   内にない場合には、プラズマエッチ条件を調整するステ
   ップをさらに有することを特徴とする請求項６の方法。
8. 【請求項８】 プラズマ中の種の輝度強度をモニタし、 前記計算された値は、時間ｔ₁ における種に関連する強
   度と、時間ｔ₂における種に関連する強度との比率であ
   り、 この時間ｔ₁ とｔ₂ は、エッチング持続時間中の時間で
   あり、 前記所定の値は、時間ｔ₁ とｔ₂ における種に関連する
   強度の所定の比率であり、 前記所定の比率は、エッチレートに関連していることを
   特徴とする請求項２の方法。
9. 【請求項９】 前記制御されたエッチレートは、コンタ
   クトホールのエッチレートであることを特徴とする請求
   項８の方法。
10. 【請求項１０】 前記種は、Ｃ₂ とＳｉＦからなるグル
    ープから選択されることを特徴とする請求項９の方法。
11. 【請求項１１】 前記比率の所定範囲は、ある比率をあ
    るプロセス条件のコンタクトホールのエッチレートに関
    連づける校正カーブから決定されることを特徴とする請
    求項１０の方法。
12. 【請求項１２】 （Ｈ）前記比率が前記所定範囲の比率
    内にない場合には、プラズマエッチ条件を調整するステ
    ップをさらに有することを特徴とする請求項１１の方
    法。