JP2004535673A - リアルタイムエッチング速度を決定するための、浅い角度での干渉方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマエッチング処理中でのリアルタイムエッチング速度を決定するための方法及び装置を提供すること。
【解決手段】プラズマが介在したエッチング処理中のリアルタイムエッチング速度を決定するための方法及び装置。リアルタイムエッチング速度の決定は、ウエハ表面からの直接光ビーム、反射光ビームによって生じた干渉パターンを監視する工程を含む。この干渉パターンを記録するためのビューイング角度は、ほぼウエハ平面に平行であり、取り除かれる層上に固定焦点が位置する。直接光ビームと反射光ビームは、プラズマ処理中その場に発生する。
【選択図】図４

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の処理に関し、より詳細には、リアルタイムエッチング速度を測定するための方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路の製造過程では、半導体基板あるいはウエハが多くの処理ステップにさらされる。この処理ステップの一つとして、ウエハ上に形成される物質をエッチングする工程が含まれており、選択的にある部分を取り除いて集積回路の製造に使用される種々の特徴を形成する。この取り除かれる部分は、一般的に、有機フォトレジストマスクを用いて形成されるパターンによって画定される。エッチング工程の一つのタイプは、ドライケミストリを用いており、それは、露光される部分を揮発させて選択的に取り除くために、エッチングされる物質と反応する反応種を有するプラズマを用いることに関連している。エッチング工程（時々アッシングと呼ばれる）の他のタイプは、ウエハからフォトレジストマスクを揮発させ、剥ぎ取るためにフォトレジストと反応する。
【０００３】
プラズマエッチング（アッシング）処理と関連する問題は、エッチング工程がいつ完了したかということを決めることが難しいことである。この問題は、プラズマ技術が、一般的に所定のエッチング速度に基づいた時限的処理(timed process)であることによる。所定のエッチング速度は、既知の時間中に除去される基板の量に基づいて相対的なエッチング速度が決められる較正工程を実行することによって同一化される。この較正工程で用いられる正確な条件（すなわち、圧力、ガス流、電界等）は、実際の装置における製造過程中のエッチング工程に対してある程度変化するので、時限的処理は不正確となることから、単にプラズマエッチング工程がいつ完了するかという点に関する評価が与えられるだけである。この時限的処理は、リアルタイムエッチング速度を与えるものではない。
【０００４】
ウエハをエッチングするのに必要な時間が不正確である結果としてオーバーエッチングが使われる。これは、エッチングがウエハ全体にわたり完了していることを保証するために、通常、エッチングが完了すると考えられる所定の時間が定められる。さらに、時限的な処理では、一般的に厚み測定専用の装置、例えば、楕円偏光計を使用することが要求される。関係するエッチング速度を決めるために、厚み測定の前後で、オペレータを介入させる必要がある。さらに問題となる事項は、エッチング速度の測定がリアルタイムでないので、その工程がウエハによって変わりやすいことである。
【０００５】
エッチング工程の終了点（end point）を決定するための時限的な工程（time-based processes）の使用を避けるために、反応室内で起る工程を分析する診断技術が開発された。そのような技術の一つは、光放出分光学（optical emission spectroscopy）と呼ばれ、プラズマおよびウエハ表面上の反応の双方から光放出の強度を測定する。光放出の強度は、発生する分子種の集中に関係する。エッチング工程の終了は、光放出の強度の変化が観測される時に決定される。光放出の強度の変化は、観測される特定の分子種の集中がもはやない（あるいは劇的に減少する）時に観測され、そのことは、特定の観測される分子種を発生するプラズマと反応する層が、取り除かれたことを示している。例えば、フォトレジスト層のエッチング／アッシング中に作り出されるヒドロキシル種からの光放出信号は、フォトレジスト層が取り除かれた時を決定するために監視する。光放出技術では、光放出を監視するための光学ポートを備える反応室を必要とする。
【０００６】
終了点システムの一つの欠点は、即時にアッシング速度がわからないことである。また、終了点決定の不確定のためにオーバーエッチングが要求される。
【０００７】
このシステムの他の欠点は、人が終了点を予測できないことである。いくつかのアプリケーションは、終了点の直前でエッチング工程を停止することが要求される。これは、特に薄いゲート酸化物の製造に重要である。もし、即時にリアルタイムエッチング速度を知ることができなければ、終了点システムを完了させるより前に停止させることができない。
【０００８】
光学干渉は、エッチング速度測定のために知られた他の技術である。薄膜材料を有する基板あるいはウエハは、既知のスペクトラムの光線で照射される。基板と薄膜材料の境界による反射光は、光検出器によって捕らえられる干渉縞(interference pattern)を生じる。干渉縞の作用は、屈折率、取り除かれるべき材料の厚さ、波長および入射角の相違によって決定される。干渉縞は、基板の厚さが変化するために発生する。この方法では、外部光源、通常、レーザのような単色光の外部光源が使用され、光を集め、処理し,光学干渉縞を厚さ測定に変換する専用の装置、および入射光および反射光／屈折光の双方を反応室内で観測する専用のビューイングポート（viewing port）の使用が要求される。しかしながら、そのようなシステムを含むことは、コスト効率上、問題があり、また、しばしば多くの場合のように、ビューイングポートは限界のある室内での配列に影響を与えるので、反応室内に任意に配置できない。例えば、ウエハの平面に垂直な角度での入射光および集光（collection）は、ビューイングポートがプラズマ源／ガスと同じ場所に配置されることを要求する。しかしながら、ウエハを高められた処理温度に維持するために熱を放射する処理室内において、光学干渉診断のための入射光は、相当なパワーを必要とし、そのために反射光は、熱源によって放射される強いバックグラウンドレベル以上となる。しかしながら、そのようなレーザの使用によって、基板表面に部分的なオーバーヒートを生じさせ、その結果、局所的な反応速度がウエハ処理の基準から無視できない程度まで外れる。この意味で上記技術はもはや論外である。
【０００９】
図１を参照すると、反射する基板材料上で薄膜フィルム被覆の光学干渉の一般的原理を説明する図が示されている。半導体ウエハ１０は、厚さｄおよび反射率ｎを有するフォトレジスト層１２で被覆されている。
【００１０】
外部からの光ビームλは、フォトレジスト表面上に入射する時、光線は表面から反射され、また、散乱される。反射光ビーム（１）および散乱光ビーム（２、３、４、・・・）は、フォトレジスト層の表面および厚みからなる材料の屈折率に基づき異なる距離に伝わる。厚さｄが、関連した屈折の長さにわたって一定である場合、連続して屈折するビーム（２、３、４、・・・）によって伝わる距離の差はＬである。この関係は式（１）および（２）に示されるように数学的に記述される。単色光源λに対して、距離Ｌは光学法則で良く知られているところにしたがって、連続するビーム間の位相ずれ(phase shift)Δφに相当する。光線は高次屈折率の物質に従ってよりゆっくり伝わるので、実際のところは“光学的”光路と正しい幾何学的光路との差があるということに注意すべきである。光学的光路差は幾何学的光路差と光路差に沿う屈折率との双方に依存する。
【数１】

【００１１】
もし、ビーム１及び２が互いに検出器で位相が同期しているなら、ビームは構造的な干渉縞、すなわち、φ＝２ｋπ（ｋは整数）を生じる。反対に、もしビームが非同期であるなら、ビームは破壊的な干渉縞、すなわち、Δφ＝（２ｋ＋１）πを生じるであろう。それは、ビームの一つの最小値が他のビームの最大値と一致することであり、あるいは逆に、それによって互いに打ち消しあい、あるいは減じることである。
【００１２】
ビームが目標、すなわち、光検出器あるいは光学ファイバーに入射する時、位相ずれΔφのため、反射光の強度がゼロ（破壊的干渉縞）から最大値（構造的干渉縞）に変えられる。光強度は異なるビームの位相に基づきゼロと最大値の間で変化し、干渉縞を創り出す。干渉縞は構造的および破壊的干渉の証拠を生じるであろう。数学的に、構造的干渉は式（３）によって定義される。反対に、位相から外れる光を考慮すると、破壊的干渉は数学的に式（４）によって定義される。
【数２】

【００１３】
直角に近い入射角に対し、３次およびより高次の反射は、１次および２次の反射に比較して非常に小さく、そして、実際の目的に対し、これらの高次の反射は、干渉縞に影響を与えないので無視される。例えば、Δφ＝（２ｋ＋１）πに対し、ビーム１および３、２および４が同期するので、連続的な反射ビーム１および２、２および３、３および４等は、非同期であろう。しかしながら、連続的反射の強度は指数関数的に減少するので、顕著な干渉はビーム１、２の間であり、前述のように非同期であるときは破壊的干渉縞を生じるであろう。
【００１４】
位相ずれの決定は、反射光および屈折光の交互の光路によって生じる遅れにより、更に複雑である。各境界で、反射波と屈折波がある。各境界での入射角、相対的な屈折角、および電場の分極に基づき、付加的な位相ずれは、ゼロからπラジアンに変わり得るようになる。光源は全ての分極を有する光線からなる。特に、入射平面に垂直な電場を有するｓ波と、入射平面に平行な電場ベクトルを有するｐ波の双方がある。入射平面は、入射波および反射（屈折）波伝播ベクトルの双方を含む平面によって定義される。ｓ波に対する電場は、しばしば、垂直方向のベクトルＥ_垂直と呼ばれ、また、ｐ波に対する電場は、しばしば、平行方向のベクトルＥ_平行と呼ばれる。各境界での位相変換はｓ波とｐ波に対して異なっている。よって、各境界は別けて説明されねばならない。検出器で、生じる正味の位相変換は、光学的光路長の差と、適切なものとして、光路長に沿う各境界での位相変換の双方による位相変換の結果である。
【００１５】
図２（Ｄまで）は、低屈折率の材料から高屈折率の材料（図２Ａと図２Ｂ）に伝播する光の場合と、高屈折率の材料から低屈折率の材料（図２Ｃと図２Ｄ）に伝播する光に対する、電場の各成分における位相の変化を示している。（これらの図は、高屈折率材料に対し、１．５の屈折率の場合に起こることを注意されたい）。相対的屈折率、電場の分極、および各境界に対する入射角に基づき、作用で大きな変化を見ることができる。二つのケースでの分極角度θ_ｐおよびθ’_ｐは、逆正接（ｎ_rel）として定義される。ここで、ｎ_rel＝n_２/n_１は二つの物質間の相対屈折率あるいは屈折率の比であり、n_１は光が入射する物質の屈折率である。臨界角θ_ｃは、逆正弦（ｎ_rel）として定義される。
【００１６】
図３（Ａ,Ｂ,Ｃ）は、低屈折率材料から高屈折率材料（図３Ａと図３Ｂ）へ伝播する光と、高屈折率材料から低屈折率材料（図３Ｃ）へ伝播する光の双方に対する、反射波および伝播波に対する振幅係数を示す。
【００１７】
フォトレジストの厚さｄが、プラズマによって取り除かれる（エッチングあるいはアッシング）過程の間、減少するので、干渉縞は構造的干渉縞と破壊的干渉縞の間を循環する。二つの連続的な最小値、あるいは二つの連続的な最大値（Δφ＝２π）の距離は、厚さ[Δｄ]_{one interference period}の変化に相応し、数学的には式（５）で示される。
【数３】

【００１８】
ウエハ（α＝０）の平面に垂直な入射光に対して、厚さ[Δｄ]_{one interference period}の変化は、式（６）で与えられる。
【数４】

【００１９】
小さい角度変化での厚さの感度は、非常に小さい。例えば、もし、フォトレジストの屈折率が１．６（ｎ＝１．６）に等しければ、角度(α)の１度の変化が引き起こす誤差は、０．００６％以下である。小さな角度変化に対する厚さの変化[Δｄ]_{one interference period}の感度は、数学的に式（７）で示される。角度αの変化は、例えば、ウエハの不適切な配置あるいは傾きで起る。
【数５】

ここで、Δｄは[Δｄ]_{one interference period}を表すものと仮定する。
【００２０】
厚さの変化率は、連続する最大値あるいは最小値間の時間を測定することによって計算される。ウエハ（α＝０）の平面に垂直な入射光に対して、もし時間“Ｔ”が干渉期間であるならば、ストリッピング速度“Ｒ”は式（８）によって定義される。
【数６】

予想されるように、ストリッピング速度Ｒを決める時間は、より多くの干渉期間が単位時間毎に観測されるので、短波長に対して増加する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
光学的干渉は、通常、入射ビームを供給するための外部光源の使用を必要とする。一般的に、この光源は、６００ｎｍ以上の波長で単色光を発する、レーザダイオードの使用を含む。放射で加熱される反応室内で、この特別な波長範囲は、ウエハを加熱するために使用される放射エネルギー源が、一般的に匹敵する放射を発するので適当でない。例えば、タングステンランプは、約５００ｎｍから２μｍまでの放射を発し、それによって入射ビームによって発せられる放射と匹敵する。放射エネルギー源によるバックグランドノイズは、基板表面上への入射ビームによって起される干渉縞に影響する。このバックグランドノイズを最小にするために、入射ビームの強度は、システムのノイズレベルに打ち勝つに十分な大きさでなければならない。しかし、ビームの強度を増加させることは、入射ビームの焦点位置における温度を変えることができる。温度の上昇は、ストリッピング速度に影響し、また、リアルタイムでのバルクフォトレジストに対するプラズマによるストリッピング速度が不正確になる。
【００２２】
問題は、ストリッピング速度が非常に温度に依存する低温剥ぎ取り工程において、悪化することである。バックグランド放射に打ち勝つために温度を上昇させると、ウエハの平均ストリッピング速度よりかなり高い局所的なストリッピング速度を生じさせることになり、測定速度における付加的誤差を導く。
【００２３】
従来技術の工程は、リアルタイムエッチング速度を正確に得ることはできないことに注目すべきである。むしろ、従来技術は、一般に平均ストリッピング速度を与えるものである。したがって、コスト効率、正確なリアルタイムエッチング速度を得ること、および測定される上記エッチング速度を達成する専用の、改良された、強力な処理に対する技術的なニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
（発明の要約）
本発明は、ウエハからリアルタイムでフォトレジストの被覆を取り除く速度を決定するための工程を提供するものである。この工程は、フォトレジストの被覆がなされたウエハを、ポートのあるプラズマ反応室に配置することを含んでいる。光学検出器は、ポートに接続され、ウエハ表面にほぼ平行なビューイング角度(観測角度）で受光し、フォトレジスト表面上に固定の焦点を結ぶ受光部品を含む。反応種からなるプラズマを発生して、その反応種によってフォトレジストが露光される。直接光ビームと、ウエハからの反射光および屈折光のビームから生成される干渉信号は、監視されて光学検出器によって受信される。この直接光、反射光、屈折光のビームは、反応室内で生じ、同じ波長で観測される。干渉縞は干渉信号から取り出され、リアルタイムエッチング速度は干渉信号から以下の関係式にしたがって計算される。
【数７】

ここでλは、プラズマ、あるいはフォトレジストと反応種の間の反応、あるいはウエハを加熱するため使用される内部ランプによって、正常位置で発生する光ビームの波長であり、Ｔは、干渉縞内の二つの連続する最小値間での時間間隔であり、ｎはλで測定されるフォトレジストの屈折率である。
【００２５】
リアルタイムプラズマエッチング速度を測定するための装置は、ポートを含むプラズマ反応室を含む。反応室内で正常位置での光源は、基板の所定表面を照射し、そして、光源は、直接光のビーム、あるいは、同じ波長での複数の反射光および屈折光のビームを発生する。光学検出器は、平面にほぼ平行な角度で所定表面に焦点を結ぶ受光部品を含み、この受光部品は、ポートに接続され、直接光、反射光および屈折光のビームによって生成される干渉光信号を受信する。本装置は、直接光、反射光および屈折光のビームによって生成される干渉信号から受光する受光部品と連動する、リアルタイムエッチング速度を計算する計算手段を含む。この計算手段は、干渉信号から発生する干渉縞、取り除くべき材料の屈折率、および直接光、反射光および屈折光のビームの選択された波長に基づいて、リアルタイムエッチング速度を計算する。
【００２６】
本発明の他の実施形態は、基礎的要素の特別な特徴と変形例を与えるために考えられた。特別な実施形態は、以下の詳細な説明と図面と関連して考えられる時、可能な変形例ばかりでなく、種々の特徴および本発明の利点について考える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
リアルタイムエッチング速度を測定するための方法および装置は、エッチングあるいはアッシング（ストリッピング）中に生じる、浅い角度（shallow - angle）の干渉縞（干渉パターン）を測定することを含んでいる。浅い角度の干渉測定用の光源は、エッチング工程の間に放出される光である。この放射光は、プラズマ、基板とプラズマの反応中に発生する光放出反応種、あるいは放射加熱ランプシステムのいずれかによって、その場で発生する。有利には、上記方法および装置は、通常、エッチング装置内に見出される、ビューイングポート、光学機器、および終了点検出機器とともに使用する場合に適用される。さらに、上記方法および装置は、非常にコスト効率のよい方法で、リアルタイムエッチング速度の測定および終了点検出を同時に与えるために、終了点検出方法および装置と同時に作動するように較正することができる。
【００２８】
そのような装置の例は、米国特許出願番号０９／４４９,３３８で開示され、全体としてここに参考文献として包含される。この文献は、進んだ終了点検出と浅い角度の測定のために設計されたハードウエアについて記述されている。このハードウエアシステムは、本発明の適用に理想的である。
【００２９】
現在までの分析は、一度に一つの入射ビームの方向について考えてきたが、この受光する光学部品は、実際には光学機器のサイズによって決められる円錐体の中を通過する種々の角度の光線を受ける。よって、一群の入射角を決める公称角度で囲まれた円錐体の角度がある。
【００３０】
上記方法および装置は、その場でリアルタイムエッチング速度を測定するために、周知の光学干渉原理を適用する。特に、上記方法および装置は、浅い角度の光学干渉技術を用い、ビューイング角度は、ほぼウエハに平行である。すなわち、受光する光学機器の干渉平面は、ウエハの法線に関して９０度に近い。装置の受光部品の焦点は、受光部品によって捕らえられる干渉縞に有効な光が、特定の基点を有するようにウエハ表面に設定される。焦点の集合点は、一般的には背景技術で述べた伝統的な干渉理論におけるレーザ入射スポットに匹敵するものと考えることができる。光学検出器のビューイング角度は、ほとんどウエハ平面に平行であるので、放射加熱源によって起る背景放射からの影響は、極小である。また、浅い角度の干渉は、改良された終了点のシステムハードウエア（米国特許出願番号０９／４４９,３３８に記載されるように）の使用が可能であり、それは、検出装置（例えば、スペクトロメータ）内での迷光（stray light）の問題を避けるのに十分なほど小さく、放射加熱ランプの光を減少させる。迷光は、波長のスペクトル分布を崩壊し、ハイライトレベルは検出器を飽和状態にする。（迷光は、多くの光学的表面を散乱させることによる一波長の光であり、意図して検出器に入射するものではない。これは、迷光の強さが、人が見る信号レベルに対して非常に高い時、意義のあるものになる。）。このように、上記方法および装置は、放射加熱源を含むこれらのエッチングシステムに使用し得るものである。
【００３１】
図４に示すように、浅い角度の干渉を用いることは、干渉縞、すなわち光ビームOに寄与する直接光の使用を可能にする。ウエハ表面での光収集エリアは広くされるべきであり、そのエリアでの各初期ポイントからの光強度の和は、平均であり、干渉縞を打ち消す。よって、受光部品はウエハ上に小さいスポットで焦点を結ぶ。多数のスポットは、多くの検出器のチャネルで同時に観測することができる。そのように考えると、入射光は、（１）プラズマと反応するフォトレジストの表面からまたは直接ウエハ表面上から、（２）プラズマそれ自体から、あるいは（３）内部放射加熱システムのランプからのいずれかから生じる。干渉縞は、（図５に示されるように）レジスト膜の薄い部分として表され、また、高次の屈折が明白になる（理論に拘束されることは望まないけれども、これは多分、薄膜によって光の吸収を減少することによると思われる。）。
【００３２】
上記議論を参照すると、本発明に対する種々の屈折率の公称値は、表Ｉに示される。
【表１】

【００３３】
反応室雰囲気とレジストの境界に対する相応する特別角（図参照）は、表IIに示される。
【表２】

【００３４】
レジストとＳｉ（シリコーン）ウエハの境界に対する相応する特別角は、表IIIに示される。
【表３】

【００３５】
上記処理では、レジスト下の基板はシリコーンと仮定したけれども、他の基板材料であってもよく、結果として生じる本発明の作動は同様であろう。
【００３６】
ウエハへの入射角が８８．５度より浅い場合は、レジストに進入する光は非常に少ないであろう。内側に入る少量の光に対して、レジスト内の光の全内部反射は、非吸収レジストに対して起る。もしこれが起れば、干渉縞は生じないであろう。実際に、レジストは少量吸収される。
【００３７】
これらの図と表から、境界（界面）での全ての位相ずれは、対称的な信号波形を導く、０（ほぼ０）あるいはπ（ほぼπ）ラジアンであることがわかる（しかし、直接光の寄与については下記参照。）。
【００３８】
それゆえ、境界のみによる正味の位相ずれは、本発明に対するものであり、表IVに示される。
【表４】

【００３９】
よって、本発明に対して、位相は、同相か、位相外れのどちらかである。検出器での正味の信号に対して、全ての上記位相ずれ及び反射／屈折係数は、規定時間を越えて生じる信号波形を記述することができるようにするために、種々の光線を考慮しなければならない。また、光線が異なる材質を介して通過するときの光の無吸収(zero absorption)が、考慮されねばならず、その場合、上記図に示されるように、係数が修正される。この振る舞いは、検出器において複雑に見える波形を生じる。各波形（ｓ波およびｐ波）は、基本波および薄膜の厚さの変化による２次高調波に加え、さらにそれ自体の位相ずれを有している。しかし、要点は、この波形が、基本波と２次高調波に分解され得るということである。もちろん、波形は、電界の二つの分極の一方をフイルタリングすることによって単純化され得る。
【００４０】
直接光成分の使用（ビーム０）は、光源の固定した形状及び配置により信号の動きが変わる。検出器において、直接成分と、幾何学的光路長の差による全ての他の成分との間には、位相ずれδがある。この位相ずれは、直接光と全ての他のビームとの間で同じ定数であるが、他のビーム上の作用は所定のビームに対して異なる。というのは、それが他の位相ずれに加えられ、第２の屈折されたビームレジストフィルムの厚さの変化による位相の変化率が、第１の屈折されたビームのそれよりも２倍となるからである。検出器での信号による作用は、非直接光に対して位相ずれがあり、また、通常波形の変化も生じることである。両方の場合、フィルム厚の変化による周波数成分は、同じであり、換言すれば、異なる程度ではあるが、１次周波数と２次高調周波数の成分である。干渉期間は、反射ビームと屈折ビーム間の位相ずれの相違によって決定される。
【００４１】
直接光と全ての他のビーム間の幾何学的光路長の差によって生じる付加的位相ずれは、検出された信号のモデリングから、およそ０．２〜０．８ラジアンと評価される。これは、８８．５度の入射角に対して、１０〜４０ｎｍの距離に対応する。これは、反射点の位置から光源の位置を１０〜３０μｍ離したことに相当する。このように、光源はウエハに非常に近くにあり（特に浅い入射角を考えると）、図に示された例では、ウエハ表面で反応する光源を使用している。よって、この付加的な位相ずれは、干渉解析のために使用される光源の原点を決定することを助けるために使用され得るものである。事実、この狭い角度操作に対し、同時に直接光を検出することは困難である。
【００４２】
図５は、第２の、重ねあわされた干渉であり、その振動は１２５秒間の処理のところで約半分が見えるようになり、工程が進行するにしたがって強度が増加する。この図は、この付加的な振動が、基本的干渉の２倍の周波数を有しており（第２高調波に類似している）、その最小値は基本的干渉の最大値と最小値の双方にほぼ一致していることを示唆している。最大値と最小値は、正確には位相ずれδには一致しない。２倍の周波数振動は、光路長が与えられたフィルム厚に対して２Ｌであるので、ビーム１及び３の間の干渉から生じる。すなわち、その厚さは、ビーム１、２間の位相ずれとして２倍の位相ずれを生じる。一度、振動が見えると、この場合における測定誤差を避けるために、基本的な１次周波数の二つの最小値間で干渉期間を測定することが望ましい。二つの最大値間の干渉期間を測定することは、第１の最大値に最も近い第２の最大値の存在による誤差を、より測定し易いことである。上記の代りに、２次周波数を追跡すると、２倍の時間分解能を得ることができる。
【００４３】
図６は、直接光のモデル化された干渉縞を説明している。この干渉縞パターンで、ビーム３（図１および２）が考慮されねばならない。直接光の干渉縞を説明するモデルに対して、ビーム０および１間の光路差は、０．７５ラジアンの位相ずれを生じるであろう。
【００４４】
二つの最小値[Δｄ]_{one interference period}間の距離に相応する厚さの変化は、sin²αは浅い観測角度（αは略９０度）では略１であるので、式（９）によって与えられる。もし“Ｔ”が干渉期間を定義するために使われるならば、その時、ストリッピング速度Ｒは式（１０）によって与えられる。通常の入射では、小さい角度変化に対する厚さの変化[Δｄ]_{one interference period}の感度は、都合がよいことに非常に小さい。例えば、１．５度のずれ（α＝８８．５度）に対して、０．０４％以下の誤差が発生するであろう。同様に、与えられる工程に対する特別な波長が、容易にかつ完全に従来の方法によって特徴づけられるので、波長λの変化による誤差への影響は、非常に小さい
【数８】

【００４５】
ストリッピング速度Ｒを計算する際の誤差は、屈折率ｎと、連続する最小値Ｔ間の変化する時間の決定において生じる。ウエハから剥ぎ取られるレジストあるいは物質の屈折率は、工程中で観測されるビームの波長で注意深い決定が要求される。従来技術では、屈折率は与えられた波長範囲で一定ではない、と理解されているので、工程で使用される光の波長で決定することが必要である。例えば、もし、屈折率が３０９ｎｍの波長で１．６０に対立するものとして１．６４であると決定されるならば、アッシング速度で４％の誤差が発生するであろう。
【００４６】
短い干渉期間（高ストリッピング速度）の場合において、良好な正確さのレベルを維持するために、捕捉周波数を増加させることが好ましい。もし、十分に高い捕捉がセットされないのであれば、干渉の最小値は二つのデータ捕捉点（フェンス効果）間で、おそらく減少するだろうし、最小値の正確な時間は不適当かもしれない。このような科学的モデルで、補間法の技術が、二つのデータ点の間で最小値の時間選定を評価するために使用されてもよい。例えば、データ捕捉間隔が、０．０１秒と対照的に０．１秒にセットされると、アッシング速度での誤差は、たった０．０５％である。
【００４７】
直接光源での浅い角度の干渉原理を使用する上記率の決定工程の利点は、以下のとおりである。
1. 外部の単色光源に対する必要性をなくすことにより、反応室内で付加的なビューイングポイントに対する必要性を排除する。好ましくは、上記工程では、終了点を検出する光学装置を備えて使用されるビューイングポートを有する反応室が用いられる。好ましくは、上記ポートに対する観測角度は、ウエハ表面の平面にほぼ平行な角度である。
光源は、従来知られた、安定したスペクトラムである。スペクトラムはガス化学に基づく各エッチング工程に対して独特のものであり、多くのケースで特徴がある。例えば、酸素ベースのプラズマに対して、フェノールベースのフォトレジストとの反応は、３０９ｎｍでの−ＯＨ放射信号、および４３１ｎｍでの−ＣＨ放射信号に相応する強い放射を生じる。代りに、工程として、基板へのいかなる反応あるいは基板を曝すより前に、プラズマによって発生するスペクトラムから選択された波長を使用できる。さらにウエハを加熱するために使用されるランプのスペクトラムから選択された波長を使用できる。
反応副産物によって発生する利用可能な波長は、典型的には、ＵＶ領域で見出される。
紫外線領域は、以下に、可視光とＸ線間の電磁波スペクトラムの領域を含むものとして定義される。好ましくは、反応副産物によって発生する波長は、約２００ｎｍから約４００ｎｍである。より短い波長を使用することは、典型的には、６００ｎｍより大きい波長を使用する従来のレーザ光工程に関して、より高い分解能を与える。より短い波長の使用は、単位時間あたり、より大きな干渉を提供する。しかしながら、より長い波長が使用できる。すなわち特に、より厚いフィルム用に、また、アッシング速度を遅くしたり、あるいは、紫外領域において伝播しないフィルムに対して使用できる。
リアルタイムエッチング速度を決定する工程は、同じ装置を使用できるので、終了点の検出といっしょにできる。それによってコストを最小にし、装置のスペースを節約できる。
【００４８】
以下の実施例は、本発明の範囲内において例示したものであって、より多くの記載された方法は、上記に示したとおりである。実施形態は、説明の目的のみに表されたものであり、本発明の範囲を制限するものではない。
【実施例１】
【００４９】
この例において、ストリッピング速度は浅い角度の干渉を使用することによって決定される。その上にフォトレジストを有するウエハが、ジェミニＥＳプラズマアッシャ（Gemini ES Plasma Asher）の反応室内に置かれる。ウエハは、酸素ベースのプラズマに曝された。ウエハ平面に関して受光部品の干渉平面の角度は、８９度であった。データは、上記光学機器および終了点検出用に配置されたビューイングポートを使用して集められた。３０９ｎｍでＯＨ放射信号に相応する放射信号が観測され、その結果は図５に示された。受光部品に受信された信号は、二次干渉の影響を減少させるために、ろ過された。３０９ｎｍで、フォトレジストの屈折率は、従来の偏光解析法の技術（ｎ＝１．６）を使用して、１．６であると決定された。二つの最小値間の時間で取り除かれたフォトレジストの量は、以下のように決定された。
【数９】

【００５０】
最小値間の連続する間隔を考慮すると、ストリッピング速度は、図５において示されるように決定される。ストリッピング速度は、約２２５ｎｍ／分から最大約４００ｎｍ／分まで増加する。ストリッピング速度は、リアルタイム測定を提供する。ＯＨ放射信号の強度はストリッピング工程中、増加するものとして観測されたけれども、その強度変化は干渉縞の周期性に影響しなかった。前述したように、ＯＨ信号の強度変化は定性的であり、ストリッピング速度に比例しない。得られたデータは、リアルタイムストリッピング速度および工程の終了点（ｔは約３６０秒）を決定するために使用された。
【００５１】
本発明が実施例に関して説明されたけれども、種々の変更がなされ、また、本発明の範囲を逸脱することなくその要素を置き換えて均等物とすることは、当業者に理解されるところである。さらに、多くの変形例は、本発明の範囲を逸脱することなく、発明の教示する特別の状況あるいは材料に適用することができる。それゆえ、本発明は、この発明を実行するのに考えられたベストモードとして開示された特別な実施形態に限定されるものでなく、添付された請求の範囲の範囲内で、行われる全ての実施形態を含むものであることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、反射基板上の薄い伝播物質内の多数の反射／屈折から代表的な干渉の説明図であり、また、従来技術の説明図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ｎ_rel＝n_１／n_２の二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１に対し、ｓ波とｐ波の位相ずれを示す第１のグラフである。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ｎ_rel＝n_１／n_２の二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１に対し、ｓ波とｐ波の位相ずれを示す第２のグラフである。
【図２Ｃ】図２Ｃは、ｎ_rel＝n_１／n_２の二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１に対し、ｓ波とｐ波の位相ずれを示す第３のグラフである。
【図２Ｄ】図２Ｄは、ｎ_rel＝n_１／n_２の二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１に対し、ｓ波とｐ波の位相ずれを示す第４のグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１の両境界に対し、ｓ波とｐ波双方の反射および伝播に対する振幅係数を示す第１の図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１の両境界に対し、ｓ波とｐ波双方の反射および伝播に対する振幅係数を示す第２の図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、二つの条件、すなわちｎ_rel＞１およびｎ_rel＜１の両境界に対し、ｓ波とｐ波双方の反射および伝播に対する振幅係数を示す第３図である。
【図４】図４は、反射物質上で薄い透明フィルム内での、直接光源および多数の反射／屈折を含む干渉の概略説明図である。
【図５】図５は、干渉時間および期間の関数として単色光の強度を示すグラフである。
【図６】図６は、直接光源で発生するモデル化された干渉縞のグラフを示す図である。
【図７】図７は、時間の関数として、３０９ｎｍでの放射強度を示す、リアルタイムエッチング速度と、同じ終了点の検出器の典型的な出力トレースを示す図である。

Claims (32)

1. ウエハからフォトレジスト被覆のリアルタイムストリッピング速度を決定する方法であって、
   ポートを含むプラズマ反応室内に、フォトレジストを被覆したウエハを配置し、
   前記ウエハの平面に略平行なビューイング角度で受光する受光部品を含み、かつこの受光部品がフォトレジストの表面上に固定の焦点を結ぶようにする光学検出器を、前記ポートに接続し、
   反応種を含み、前記フォトレジストを前記反応種に曝すプラズマを発生し、
   同じ波長の直接光、反射光および屈折光の各ビームを前記プラズマ反応室内で発生し、前記直接光のビームおよびウエハからの反射光および屈折光のビームから干渉信号を生成し、前記光学検出器によって受信される前記干渉信号を監視し、
   該干渉信号から干渉縞を取り出し、そして以下の関係式
   

   

   （ここで、λは、プラズマ、あるいはフォトレジストと反応種間の反応、あるいはウエハを加熱するために使用される内部ランプによって、その場で発生する光ビームの波長であり、Ｔは、干渉縞内の連続する最小値間の時間間隔であり、Nは、波長λで測定されるフォトレジストの屈折率である）にしたがって、干渉信号からリアルタイムエッチング速度Rを計算する、
   各工程を含むことを特徴とする方法。
2. λは、紫外領域の波長を放射する反応種から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. λは、プラズマ内で放射される選択された反応種が放射する波長であり、該波長はプラズマとフォトレジストとの反応によって、反応種から自由に放射されるものである請求項１記載の方法。
4. λは、プラズマとフォトレジストとの反応によって、選択された反応種が放射する波長である請求項１記載の方法。
5. λは、ウエハ加熱のために使用される内部ランプによって放射される波長である請求項１記載の方法。
6. フォトレジストは、フェノール成分を含み、λは、３０９ナノメータ（nm）および４３１ナノメータ（nm）からなる一群の波長から選択されることを特徴とする請求項１記載の方法。
7. Ｔは、干渉縞内の二つの連続する最大値間の時間間隔である請求項１記載の方法。
8. さらに、同時に終了点を検出する工程を含んでおり、終了点の測定は、選択された反応物あるいは反応生成物の光放射強度信号を監視することを含み、選択された反応生成物の光放射強度がほぼゼロであるときに終了点が決まることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. さらに、同時に終了点を検出する工程を含んでおり、終了点の測定は、選択された反応物あるいは反応生成物の光放射強度信号を監視することを含み、信号群の適切な比率あるいは信号の組み合わせ、および信号群の導関数が、適切にフィルター処理されて本質的な変化を受けるときに前記終了点が決まることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 終了点の光放射強度信号は、直接光および反射光のビームによって生じる強度信号と同一の波長からなる請求項８記載の方法。
11. 測定された信号の強度の変化は、干渉縞の周期性に影響されないことを特徴とする請求項１記載の方法。
12. 補間の工程は、二つのデータポイント間の、最小値の時間位置を評価するために使用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
13. さらに、リアルタイムエッチング速度を測定するために使用される光学検出器によって終了点を同時に検出し、
    終了点の測定は、選択された反応生成物の光放射強度信号を監視する工程を含み、
    終了点は、選択された反応生成物の光放射強度がほぼゼロとなるときに決まることを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 反射表面およびフイルム被覆をその上に有する平面状ウエハをプラズマに曝し、
    ウエハの平面に略平行な角度で、かつフイルム被覆の表面で焦点を監視する各工程を含み、
    前記監視する工程は、同じ波長の直接光、反射光、および屈折光のビームによって生成される干渉信号を記録するステップを含んでおり、さらに、
    干渉信号からリアルタイムエッチング速度Ｒを以下の関係式
    

    

    （ここで、λは、前記光ビームの波長、Tは、干渉縞内の連続する最小値間の時間間隔、nは、波長λで測定されるフイルム被覆の屈折率である）にしたがって計算する工程を含むことを特徴とする、リアルタイムエッチング速度を決定する方法。
15. さらに、プラズマ内で発生する光放射の反応種から、直接光、反射光、および屈折光の各ビームを発生する工程を含んでいる請求項１４記載の方法。
16. 光を放射する反応種は、フイルム被覆とプラズマとの反応中に発生する反応生成物であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 光を放射する反応種は、ウエハを加熱するために使用される内部ランプ源によって放射されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
18. 直接光、反射光および屈折光の各ビームは、紫外領域の波長を有する光放射の反応種から選択されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
19. フィルム被覆は、フォトレジストからなる請求項１４記載の方法。
20. リアルタイムプラズマエッチング速度を測定するための装置であって、
    ポートを含むプラズマ反応室と、
    同じ波長である直接光のビーム、複数の反射光および屈折光の各ビームを発生し、基板の所定表面を照射するための前記反応室内に配置される光源と、
    前記ポートに接続され、ウエハからの直接光、反射光および屈折光のビームによって生成される干渉光信号を受け入れる平面に対してほぼ平行な角度で、前記所定表面に焦点を結ぶ受光部品を含んでいる光学検出器と、
    直接光、反射光および屈折光のビームによって生じる干渉信号からリアルタイムエッチング速度を計算するために前記受光部品と連動するとともに、前記干渉信号、取り除かれるべき物質の屈折率、および直接光、反射光および屈折光の各ビームの波長から生じる干渉縞に基づくリアルタイムエッチング速度を計算する計算手段と、を含んでいることを特徴とする装置。
21. さらに、反応室内に放射熱源を含んでいることを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. エッチング終了点を計算するための第２コンピュータ手段を含み、
    該第２コンピュータ手段は、リアルタイムエッチング速度の計算中に発生する干渉信号の強度変化から終了点を計算することを含んでいる請求項２０記載の装置。
23. 光源は、プラズマによって発生する反応種から放射される光から選択された波長光である請求項２０記載の装置。
24. 光源は、プラズマと基板間の反応によって発生する反応種から放射される光から選択された波長光である請求項２０記載の装置。
25. 光学検出器のビューイング角度は、ウエハ表面の平面に対して垂直でないことを特徴とする請求項２０記載の装置。
26. 光源は、放射加熱源によって放射される光放射種から選択された波長光である請求項２０記載の装置。
27. リアルタイムプラズマエッチング速度を測定するための装置であって、
    ポートを含むプラズマ反応室と、
    エッチング処理中に放出される光と、同じ波長の、直接光のビーム、複数の反射光および屈折光の各ビームとを含む光源と、
    ウエハ平面にほぼ平行なビューイング角度と１つの焦点とを有し、該焦点が前記ウエハ平面上の点に設定され、前記直接光のビーム、複数の反射光および屈折光の各ビームによって生成されかつ受光部品に受信される干渉信号を与える光が、特定の基点に集中するように、前記ポートに接続される前記受光部品と、
    直接光、反射光、および屈折光の各ビームによって生成される干渉信号から、リアルタイムエッチング速度を計算するための前記受光部品と連動するとともに、干渉信号、取り除かれるべき物質の屈折率および直接光、反射光、および屈折光の波長から生じる干渉縞に基づくリアルタイムエッチング速度を計算する計算手段と、を含んでいることを特徴とする装置。
28. エッチング工程中に放射される光は、プラズマによって発生することを特徴とする請求項２７記載の装置。
29. エッチング工程中に放射される光は、プラズマと基板との反応中に発生する光放射の反応種であることを特徴とする請求項２７記載の装置。
30. エッチング工程中に放射される光は、熱放射ランプシステムによって発生することを特徴とする請求項２７記載の装置。
31. 複数の検出器を含み、該複数の検出器のそれぞれが、ウエハ平面上の異なる点で設定される焦点を有しており、干渉信号に寄与する光が、直接光のビーム、複数の反射光および屈折光の各ビームによって生成され、かつ受光部品に受光されて特定の基点に集中することを特徴とする請求項２７記載の装置。
32. 直接光の入射角は、約８８．５度以下である請求項２７記載の装置。

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