JP2005531931A - 半導体プロセスパラメータの非侵入性の測定と解析のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体プロセスパラメータの非侵入性の測定と解析のための方法と装置
【解決手段】プラズマプロセスのパラメータを検知し解析するためのＲＦセンサ。前記ＲＦセンサは、プラズマプロセスツ−ルおよびプラズマプロセスツールから放射されるＲＦエネルギを受信するためのアンテナに提供される。前記アンテナは、非侵入性のためプラズマプロセスツールに隣接して位置づけされる。加えて、ＲＦセンサは、プラズマプロセスツールから放射されるＲＦエネルギの多重ハーモニックの広帯域受信のために構成され得る。ＲＦセンサは、ハイパスフィルタおよび受信されたＲＦエネルギを処理するためのプロセッサに結合され得る。アンテナは、ＲＦセンサによって経験される干渉を低減するために吸収体を有した包囲物内に置かくことが出来る。ツールコントロールは、プラズマプロセスのいろいろなパラメータを調整及び維持することを提供されるプロセッサに結合され得る。

Description

（関連出願の相互参照）
この出願は、２００２年７月３日に出願された米国特許仮出願第６０／３９３，１０１号に基づいており、かつ該米国特許仮出願の利益を請求し、その内容全体は参照してここに組み込まれる。

本発明は、プラズマプロセスツールに関し、特に、本発明は、非侵入性（ｎｏｎ−ｉｎｖａｓｉｖｅ）測定のための検知（センシング）装置およびプラズマプロセスツールのパラメータ解析に関する。

プラズマプロセスシステムは、材料処理に、そして半導体、集積回路、ディスプレイ及びその他のデバイスの製造および処理に、例えば半導体ウェハのような基板へのエッチング及び層堆積の両方に対し、かなり役に立つ。一般に、プラズマプロセスシステムの基本的構成は、内部でプラズマが形成されるチャンバと、プロセスガスを注入および除去するための真空ポートに結続された排気領域と、チャンバ内にプラズマを形成する電源とを含む。加えて構成は、ウェハは支持するチャックと、ウェハにエッチング又は堆積形成をするための所望のエネルギを有し、ウェハ表面を衝突するイオンであるプラズマイオンを加速する電源と、を含むことが出来る。

プラズマを生成するのに使用される電源は、またイオンを加速するのにも使用され得る、又は異なった電源が、それぞれの課題のため使用され得る。

一般に、間違いのないウェハが生産されたことを保障するために、プラズマプロセスシステムは、プラズマプロセスシステムの状態を決定するセンサを使用して、モニタされる。

一般に、そのようなシステムでは、センサはあるパラメータをモニタするためにプラズマ内に、もしくはプロセスチャンバ内の電極に結合された電送線内に設置される。

本願発明は、プラズマプロセスパラメータの測定と解析のための新しい方法と装置を提供する。

プラズマプロセスのパラメータの検知（ｓｅｎｓｉｎｇ）のためのＲＦセンサは、プラズマプロセスツールと、プラズマプロセスツールから放射されるＲＦを受信するためのアンテナを提供される。アンテナは、非侵入性のためにプラズマプロセスツールに隣接して置かれる。アンテナは、広帯域（ｂｒｏａｄｂａｎｄ）モノポールアンテナであり得る。

発明の態様で、ＲＦセンサは、包囲物内に置かれ、その包囲物は、ＲＦエネルギを吸収するための複数の吸収体が提供される。包囲物は、他の近くのソースから発するＲＦエネルギを減衰させ、所望のＲＦエネルギの歪みを減少させることにより、アンテナによって検出される干渉量を減らすことが出来る。吸収体は、アンテナへの入射ＲＦエネルギの後方散乱を減少させる。

本願発明は、明らかにされる具体的実施態様に関しての下で更に詳細に記述される。図１は、本願発明の実施形態に従うＲＦセンサーの説明である。プラズマプロセスツールは、チャンバ１１０を含む。プラズマプロセスツールは、ＲＦ電源（図示せず）によって、一般に動かされる。ＲＦ電源からのＲＦエネルギ１２０は、基板の処理で一般に使われるプラズマプロセスツールのチャンバ１１０でプラズマ１３０を生成し、そして維持する。プラズマプロセスツールは、いろいろな既知の構成のどれででも組立てられることができ、そして、その全ては、プラズマ１３０が処理のために示されているチャンバ１１０を含む。これらの構成のあるものは、例えば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）ソース、静電シールドされたラジオ波（ＥＳＲＦ）プラズマソース、トランス結合プラズマ（ＴＣＰ）ソースおよび容量結合されたプラズマ（ＣＣＰ）ソースを含む。ＲＦエネルギのソースに関係なく、ＲＦ電源によって生成されるＲＦエネルギによって、チャンバ１１０の内部にプラズマ１３０は、励起している。したがって、ＲＦエネルギは、基本ＲＦ周波数と基本ＲＦ周波数のハーモニック（高調波）で、チャンバ１１０から放射する。ハーモニック周波数は、プラズマ１３０で生成される。ハーモニック周波数の絶対値と位相（フェーズ）は、プラズマ１３０とチャンバ１１０の状態の情報を提供する。たとえば、いろいろな電源、圧力、流量での実験は、放射されたエネルギとプロセスパラメータとの間で高度な相関を示す。具体的には、解析は、第１および第２のハーモニックスが、９９％の一致以上に良く、プラズマの電子密度に相関するものであることを示す。

アンテナ１４０は、プラズマ１３０から放射されるＲＦエネルギを受けるためにプラズマチャンバ１１０の外部に設けられ、ＲＦエネルギをＲＦ信号に変換する。図１において、アンテナ１４０はチャンバ１１０の外に示される。代わって、それは、チャンバ１１０内部に、しかしプラズマ１３０のプロセスエリアの外部に置かれても良い。この構成で、侵入するセンサは、プロセスパラメータを変化することが知られているので、アンテナはプラズマ１３０に非侵入的である便益を有する。アンテナ１４０は、プロセッサ１５０に結合する。プロセッサ１５０は、アンテナ１４０からのＲＦ信号を受け、そして、プラズマ状態の所望の情報を提供するためにＲＦ信号を処理するように構成される。加えて、エネルギーソースの基本周波数は、メガヘルツオーダーであり得ることから、アンテナ１４０は、広帯域で、放射されるＲＦエネルギの大きいバンド幅を受けることができるモノポールアンテナであり得る。例えば、Ａｎｔｅｎｎａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍｏｄｅｌ ＲＡＭ―２２０は、広帯域モノポールアンテナとして使用できる。

図２は、本願発明の実施形態によるアンテナとプロセッサの簡略ブロック図である。図示された実施形態で、アンテナ１４０は、ハイパスフィルタ２１０に結合されている。あるいは、アンテナ１４０は、例えばバンドレジェクト（ｂａｎｄｒｅｊｅｃｔ）、バンドパスまたはローパスフィルタような他の種類のフィルタに結合することができる。ハイパスフィルタ２１０の出力は、低雑音増幅器（ＬＮＡ：Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）２２０に結合して、そして増幅された信号は、プロセッサ２３０への入力となる。従来からハイパスフィルタは、受信信号から基本周波数を取り除くために利用されることができる、基本周波数に含まれる有益な情報はなく、しかしむしろ有益な情報は、ＲＦエネルギのハーモニックス内に含まれる。もちろん、基本周波数に関するデータは、ハイパスフィルタ２１０のカットオフ周波数を取り除くか、調節することによって集められることができる。ハイパスフィルタのカットオフを下回る信号の典型的減衰は、４０デシベルの範囲にあることができる。信号がプロセッサ２３０によって適切に処理されることができるように、ＬＮＡ２２０はハイパスフィルタから提供されるＲＦ信号を増幅する。ＬＮＡの典型的利得は、２０〜３０デシベルの範囲にあることができる。プロセッサ２３０は、図２で示すように複数入力（マルチプル入力）を支持するように構成されることができる。この場合、複数のプロセスは、独立してモニタされることができてとシングルプロセッサ２３０によって処理されることができる。プロセッサ２３０は、受信されたアナログ信号をデジタルサンプルに変換するためにアナログデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを含むことができる。信号のサンプリングレートは、いろいろな方法で決定されることができる。たとえば、ＲＦエネルギの基本周波数が１３．５６ＭＨｚであるならば、１２５ＭＨｚのバンド幅は、８のハーモニックス（１２２．０４ＭＨｚの周波数を有している第８（８次）のハーモニックス）を測るために適切であろう。もしＡ／Ｄコンバータのサンプリング間隔が、１００ｍｓで１０ｋＨｚの周波数ビン（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂｉｎ：特定幅の周波数帯域）が選ばれると、サンプリングレートは、ナイキスト判定法（Ｎｙｑｕｉｓｔ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ）により少なくとも２５０ＭＳ／ｓとして計算され、サンプルサイズは、２５，０００となる。

ユーザーインターフェース２４０、外部コンピュータ２５０、およびネットワーク２６０は、プロセッサ２３０に結合する。ユーザーインターフェース２４０は、ユーザーに、プロセッサ２３０と対話することを許容する目的でいろいろな既知のコンポーネントを具備することができる。例えば、サンプリングの後、プロセッサがサンプルされたデータのＦＦＴ（高速フーリエ変換）を実行することになっているならば、ユーザーにシステムとインタ−フェースすることを許容するタッチスクリーン上に結果が表示される。外部コンピュータ２５０は、プロセスパラメータおよびとチャンバ１１０の実時間コントロールを含んでいるいろいろな目的を提供することができる。ネットワーク２６０は、ユーザーによってプロセッサへ、およびプロセッサから遠隔アクセスを許容することを提供する。たとえば、ＦＦＴ情報は、外部コンピュータ２５０に、またはネットワーク２６０に利用できるようにされることができる。

アンテナとプロセッサのような例として、チャンバパラメーターは、校正状態の間、特徴づけられることができ、そして、チャンバとプラズマのいろいろなパラメータを関連づけるモデルに、アンテナ１４０によって集められるデータは適用されることができる。

たとえば、パラメータの一部は、電子密度、アセンブリー清浄性、電子温度、および終点検出を含むことができる。そのようなモデルの使用は、センサ設計パラメータを単純化することができるアンテナの絶対校正を問わず、アンテナの使用を許すことができる。

図３は、本願発明の実施形態によるアンテナの簡略ブロック図である。チャンバ１１０、プラズマ１３０、アンテナ１４０、およびプロセッサ１５０は、図１、図２で明らかにされるそれらと同じであり得る。接続壁３１０を通してチャンバ１１０に接続している包囲物３４０内に、アンテナ１４０は置かれる。接続壁３１０は、プラズマ１３０から放射されたＲＦエネルギが通過するように設計され、それは、石英、アルミナ、または他の適切な材料であればどれであっても良い。あるいは、ＲＦエネルギがそこを通して通過することを許容するように接続壁３１０に孔が供給されていても良い。吸収体３２０および３３０は、包囲物３４０の共振に起因する歪みを減らすだけでなく、不必要なソースからＲＦエネルギを吸収されるために利用される、すなわち、吸収体３２０および３３０が無い場合、アンテナは、受信されなければならない信号をゆがめる不必要な共振を受け得る。一般に、吸収体は、離散的な、または広帯域周波数でのエネルギを吸収する材料を具備することができる。

包囲物３４０の後方に示されるけれども、吸収体３２０および３３０は側面のうちの５面（包囲物が長方形の箱であると考えられるならば）に、包囲物３４０のまわりに置かれる。吸収体のこの配置は、箱の他の５面に吸収体がある間、ＲＦエネルギがプラズマ１３０から接続壁３１０を通して、包囲物の内部で放射することを許容する。

実施形態で、吸収体３２０および３３０は、吸収体３２０が基本周波数を吸収するために選ばれることができ、吸収体３３０は第１のハーモニックスを吸収されるために選択されるように、選択され得る。

４分の１の波の配置は、選択された周波数の最大減衰を提供することができる。さらに、必要とされる時、付加的な吸収層は使用されることができる。吸収体の特定の配置が上で記載されたけれども、不必要な干渉を減らす吸収体のどのような構成でも利用されることができる。

図４は、本願発明の実施形態によるプラズマプロセスシステムの簡略ブロック図である。説明のために、チャンバ１１０が上部電極１２５と容量結合されたチャンバとして明らかにされたが、しかしながらどのようなタイプのシステムでも、同じように利用されることができた。プラズマ１３０、アンテナ１４０およびプロセッサ１５０は、上で記載したのものと同じであり得る。前に述べたように、プラズマ１３０はＲＦ電源（ジェネレータ）４２０によって励起される。ＲＦ電源４２０は、直接チャンバ１１０に結合しても良いし、または図４で示すように、チャンバ１１０に、マッチングネットワーク４１０または４４０を介して結合されても良い。

図４で、２つのＲＦ電源は、説明の目的のために示される。しかしながら、チャンバ１１０の構成によって単一のＲＦ電源４２０を使用することも可能である。上部電極（ＵＥＬ）マッチングネットワーク４１０は上部電極１２５に結合する、そして、下部の電極（ＬＥＬ）マッチングネットワーク４４０は下部の電極４５０に結合する。プラズマ１３０は、ＲＦ電源（単数もしくは複数）４２０によって励起される。したがって、プラズマ１３０は基本周波数および基本周波数のハーモニックスでＲＦエネルギを放射させる。ＲＦエネルギはチャンバ１１０から放射されて、そして、プラズマ１３０の外側に位置づけられたアンテナ１４０によって受けられる。アンテナ１４０は、先に一部について記述されたプロセッサ１５０に結合される。図１を参照し説明され、上記の配置は、プラズマプロセスパラメータを受信する非侵入性の方法を提供する。

プロセッサ１５０は、ＲＦエネルギを受けて、そして、アナログデジタル（Ａ／Ｄ）コンバータを通して、アナログ信号をデジタル信号に変える。代表的に、アナログ信号のサンプリングレートは、重要なバンド幅に依存する（すなわち、バンド幅は基本周波数および重要なハーモニックスの関数である）。たとえば、５００ＭＨｚバンド幅は、典型的には１秒につき１０億回のサンプル速度でサンプルをとられることができる。もちろん、希望により、上の例に限られず、サンプリングレートは決定されることができる。ハーモニックスを含んだＲＦエネルギの大きさおよび位相は、プラズマ１３０の状態についての、したがって、チャンバ１１０の状態の情報を提供することができる。データは、それでプロセッサ１５０によって処理されることができ、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）及び主成分分析（Principle Component Analysis：ＰＣＡ）のような操作は概してＲＦ信号から情報を集めるのに用いられることができる。プロセッサ１５０によって得られる情報は、例えばアセンブリー清浄性、プラズマ密度、電子温度および終点検出のようなパラメータに対する洞察を提供することができる。

プロセッサの１つの実施態様として、受けられたＲＦエネルギのトレースデータは、ＦＦＴを含む従来の技術を用いて、周波数領域出力信号に変わることができる。ハーモニック周波数での情報は、抽出されることができて、そして、プラズマ処理システムの校正の間、得られる係数を掛けられ、そして、ＰＣＡによって決定される。ＰＣＡは、相関している値の大きなセットを主値のより小さいセットに変換されることを許容するため、係数を決定するのに有効である。セットのサイズの減少は、値のオリジナルセットをオリジナル（より大きい）セットの無相関の線形結合へ変換することを達成させることが出来る。

基本周波数の大きさおよび受信されたＲＦエネルギのハーモニック周波数を使って、パワー解析、フロー解析および圧力解析を含んでいる複数の異なる解析を実行することは、可能である。大きさの値から得られる情報を処理することによって、最も大きい相関がハーモニックスのどれの間に存在するかを決定すること、結果として、各々の周波数成分に対し許容できる係数を決定することがさらに可能である。依存関係解析は、また、システム内の１つのパラメータが他のパラメータに影響しても、最初の結果は、パラメータが独立して調節されることができることを示すから、決定することが出来る。

さらに、終点検出は、トレースデータの解析から可能であることができる。一旦プロットされるならば、受信されたＲＦエネルギのハーモニックスの重要な変動があることは明瞭になる。より詳しくは、主要なハーモニックスの寄与がプロセス完了の時点で変化することは可能である。

たとえば、簡略化され、期待されるデータを記載した図５に示すように、第３（３次）のハーモニックスの変化は、Ｔ１で明瞭で、基本と第３（３次）のハーモニックの両方の変化は、Ｔ２で明瞭である。プロセスの解析は、これらの変化がプロセスの完了によることを示す。終点検出のそのような方法は、終点検出の正確な、そして、費用効果がよい方法であり得る。

処理されたデータは、それでツールコントロール４３０に送られる。ツールコントロール４３０は、複数の課題を果たすように構成されることができる。ツールコントロール４３０が実行することができる課題の一部は、終点決定、電源制御装置およびガス制御（フロー、圧力、その他）を含む。図４で示すように、ツールコントロール４３０は、チャンバ１１０およびＲＦ電源４２０に結合する。このように、再現性の良いプロセスがチャンバ１１０内で維持されることができるように、プロセッサ１５０から受けられるデータによって、ツールコントロールがこれらのデバイスのパラメータを調節することは、可能である。

先に述べたように、ＰＣＡは相関している変数の大きいセットが主要なコンポーネントのより小さなセットに減少するのを許す多変量統計方法（プロシジャ）である。それによって、位相を校正する間、ＰＣＡはいろいろなハーモニックスのデータを具備しているデータセットから、最初に共分散マトリックスを生成するために利用されることができる。次に、固有解は共分散マトリックスから得られることができる、そして、したがって、一組の固有ベクトルは計算されることができる。固有解から、各々の主要なコンポーネントのパーセント寄与は、計算されることができる。パーセンテージ（割合）を使って、係数は得られるパーセンテージで固有ベクトルの加重総数によって、従って、選択されることができる。パワー、ガスフロー、およびチャンバ圧力を含むいろいろなパラメータのために、この計算は、実行されることができる。校正が完全で、そして、いろいろな係数が決定されるならば、当業者にとって明らかなようにツールコントロールはコントロールループで情報を利用することができる。この種類の帰還ループでは、再生可能なプロセスは、維持されることができる。

プロセッサ１５０は、図２で示すように複数のデバイスに結合することができる。本願実施態様で重要であるデバイスの一部は、ユーザーインターフェース２４０、そして、外部コンピュータ２５０を含む。さらに、ユーザーインターフェース２４０、そして、外部コンピュータ２５０がシングルデバイス（たとえばパーソナルコンピューター）であることはあり得る。

最後に、当業者によって理解されるように、プロセッサ１５０によって処理されるデータ量はかなり大きくなり得る。この点に対し、外部記憶装置（図示せず）が利用されることは必要とされる。記憶装置を接続するための１つの可能な構成が、直接プロセッサ１５０接続されることである。あるいは、ネットワーク２６０（図２に示す）を通して遠隔ストレージを使うことは、有益であり得る。しかし、データを蓄積するどんな方法でも、許容できる。データを蓄積する１つの便益は、将来の処理、そして、解析のためにある。さらに、アーカイブされたデータは、ツールコントロール４３０を操作するために許容できるコントロールシステムをモデル化するために利用されることができて、そして、したがって、プラズマ処理をコントロールすることができる。

記述された実施態様の前述の表現は、どのような当業者でも本願発明を利用することができるように提供される。これらの実施態様へのいろいろな修正は可能である、そして、ここで示される半導体プロセスパラメータの測定のためのＲＦセンサーの一般的な原理は他の実施態様にも適用されることができる。このように、本願発明は上で示される実施態様に限られることを意図しておらず、むしろ、どのようなやり方においても開示された形態の原理および新規性は最も広い有効範囲と一致している。

本願発明の実施形態によるＲＦセンサの説明図である。 本願発明の実施形態によるアンテナのとプロセッサとの簡略ブロック図である。 本願発明の実施形態によるアンテナの簡略ブロック図である。 本願発明の実施形態によるプラズマプロセスシステムの簡略ブロック図である。 本願発明の実施形態による期待されるハーモニックスデータの簡略グラフである。

Claims (8)

1. プラズマプロセスのパラメータを検知するためのシステムであって、
   プラズマプロセスツールと、
   前記プラズマプロセスツールに隣接して設置される包囲物と、
   前記包囲物内に位置され、前記プラズマプロセスツールから放射されるＲＦエネルギを受信するためのアンテナと、
   前記アンテナによって受信された前記ＲＦエネルギを処理するように、前記アンテナに結合されるプロセッサとを備えるシステム。
2. 前記包囲物は、前記プラズマプロセスツールに取り付けられる請求項１に記載のシステム。
3. ＲＦエネルギを吸収するように前記包囲物に設けられる少なくとも１つの吸収体をさらに備える請求項１に記載のシステム。
4. 前記包囲物は、前記プラズマプロセスツールの面に隣接する少なくとも１つの面を有し、前記少なくとも１つの面と、前記プラズマプロセスツールの前記面とは、ＲＦエネルギを通すように構成されている請求項３に記載のシステム。
5. 前記包囲物と前記ツールとは、隣接し、かつ、これらの間に開口を規定する請求項１に記載のシステム。
6. 前記少なくとも１つの吸収体は、前記プラズマプロセスツールに隣接する前記包囲物の前記少なくとも１つの面を介して通過するＲＦエネルギの吸収を防止するように位置づけられる請求項４に記載のシステム。
7. 第１の吸収体は、前記ＲＦエネルギの基本周波数を吸収するように構成され、第２の吸収体は、前記ＲＦエネルギのハーモニック周波数を吸収するように構成されている請求項３に記載のシステム。
8. 前記包囲物は、長方形であり、前記吸収体は、前記プラズマプロセスツールに隣接する面を除いた前記包囲物の全ての面に設けられる請求項３に記載のシステム。

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