JP2006514261A - 薄膜の検査または測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

真空処理エンクロージャ（１）内に置かれたシリコンウェーハ（３）の厚さを、光学装置（５０）を用い窓（４）を通して測定あるいはモニタリングする。光学装置（５）は、狭いバンド幅を維持しながらもある波長範囲にわたってチューニング可能なレーザを有する。光学装置（５）は、また反射光を受ける検出器をも有する。波長の変化が干渉効果を生ずるので、これを利用してかつ検出器の出力を精査することによって厚さその他の各種パラメータを得ることができる。

Description

本発明は、薄膜の検査やモニタリングのための方法および装置、ならびに集積回路等の薄膜製品の製造において前記方法または装置を利用する改良されたプロセス制御に関する。

波長スキャニング干渉分光法は光ビームを用いてサンプルを検査する公知の技法であり、この光ビームの波長はある波長範囲にわたってスキャンされる。しかしながら、先行技術においては、広帯域で比較的広い線幅の光源が使用されてきた。これは、長い信号処理時間が必要とされてきたことを意味しており、よって、波長スキャニング干渉分光法はオンラインプロセス制御における使用には適するものではなかった。

滑らかな材料表面上に単色光が衝突するとき、この表面がその光の波長で実質的に透明であれば、ａ）前記材料の裏面もまた滑らかで表面と実質的に平行であるか、あるいは、ｂ）段階的に変わる屈折率を示す内部構造が存在するか、のいずれかの場合、多数の反射ビームが生じ、かつ、それらの間に協調型干渉（強めあう干渉）または背反型干渉（弱めあう干渉）が起こることは周知である。種々の反射点の間に存在する材料の厚さが固定されていて、前記単色光の波長の値がある範囲で変化し、光源のコヒーレンス長(coherence length)が各種反射点間の光路長差と等しいか、これより大である場合、多数のビームの組み合わせは、単色光源の波長が変化するにつれて、協調型干渉から背反型干渉へと移行したりまた元に戻ったりする。組み合わされたビームの強度が光源の波長とともに変化するとき、この変化をモニタリングすることにより、様々な反射源を分ける層の厚さを決定することが可能である。さらに、材料の各種成分の屈折率の虚数成分を考慮することにより、それら材料成分のうちの一部の化学組成を推定することができる。

ある特定の条件下での、表面から材料をエッチング除去するプロセスの制御、あるいは、その後の表面に材料を堆積させるプロセスの制御は、表面から反射される単色光ビームの経時的強度変化を追跡する手段を用いて良好に達成できることは周知である（例えば、特許文献１参照）。

そのような手段が機能するために必要な条件はつぎの通りである。

エッチングや堆積を受ける上表面が下表面あるいはその間にある層状構造とともに多数の反射ビームを提供し、各反射源はその反射源以外のいかなる反射源からも光源のコヒーレンス長より短いか等しい距離だけ離れていること（なお、ここで「コヒーレンス長」とは、光源のコヒーレントな性質についていい、線幅の逆数と関係付けられる）。

各反射面および／または内部の各層間界面は滑らかであり、それらの面で生じる散乱はそこに入射する光のほんの僅かな割合（５％未満）を超えることはないこと。

各反射面および／または内部の各層間界面は、照明される領域にわたり照明光の波長の１０分の１より優れて平坦であること。

照明光の波長において、表面およびその下の全層構造での材料による吸収が小さい（１０％未満）こと。

材料が表面からエッチングされ、あるいは表面上に堆積されていく際に反射信号を追跡すれば、そのような表面からの反射をシミュレートする数理モデルに基づいて設計されたフィルタでその信号を処理することは、エッチング厚や堆積厚のリアルタイムプロセス制御を提供するであろう（例えば、特許文献２参照）。

前述した方法は、被測定系の厚さが堆積またはエッチングのいずれかのプロセスの介在により変化する場合にのみ適用可能である。すなわち、前記方法は「変化する層の厚さ」という１個の物理パラメータを決定することに限定され、他の各種パラメータの値は想定された値として予め数理モデル内に入力されるのである。

従来の半導体（シリコン等）のエッチングプロセスにおいては、ある特別な層が堆積され、後でエッチストップ(etch-stop )として用いられる。引き続きつぎの層が堆積されるが、後でエッチングはこの特別な層まで下がってくる。エッチングプロセスは化学プロセスと物理プロセスの組み合わせであり、それにより所望の層がエッチングされる。エッチングのエンドポイントは、通常、被エッチング材が十分に腐食され、エッチストップ材が露出されたときに見られるプラズマ内部の化学状態の変化によって特定される。エッチ用化学薬品とエッチストップ材料間の反応は、上層との反応に比べより緩慢で化学現象の点からも多少異なるためである。この化学状態の変化は様々な方法で検出される。

仏国特許第２７１８２３１号明細書 米国特許第６２２６０８６Ｂ１号明細書

エッチストップ層を堆積するための処理工程を完全になくすことができたら便利であろう。もし全堆積処理工程（および付随する洗浄工程）が省かれれば、ウェーハの加工量は増大し、加えてウェーハの歩留りをわずかでも改善できるであろう。さらに、エッチストップ層を有することは、この層がなければ優越した性能を有したはずである完成品としての半導体装置の性能にとってしばしば有害である。

前述した従来技術について改善することが本発明のひとつの目的である。

したがって、本発明は、薄膜の検査または測定方法を提供するものであって、本方法においては、薄膜を目的層に吸収されないように選択された波長の光ビームで照射し、前記波長をある波長範囲にわたってスキャンし、反射ビームの強度変化を測定し、前記光ビームを非常に狭い線幅の光源から放射し、前記波長の精度(accuracy)を厳密に定義された限界値内に維持し、前記波長を望ましい範囲にわたってチューニングして波長の反射レベルのデータ集合を求めるものである。

本発明は、その別の態様において、ウェーハのエッチング方法を提供するものであって、本方法は、真空エンクロージャ内にウェーハを位置決めし、前パラグラフの方法によってウェーハ上の所望の箇所の当初の厚さを測定し、エッチングプロセスを開始し、エッチングの進行と並行して前パラグラフの方法によって前記所望の箇所の厚さをモニタリングし、所望の厚さに達したときにエッチングを終了する方法である。

本発明は、そのさらに別の態様において、薄膜の検査または測定装置を提供するものであって、本装置は、狭い線幅を維持しながらある波長範囲にわたってチューニングできるチューニング可能波長幅狭帯域光源と、検査されるべき膜体にレーザスポットを集束させ、反射光を光学センサに伝送するための光学アセンブリとを有する。

本発明は、その各種実施形態によりつぎの利点のひとつ以上を提供するものである。

測定対象であるフィルム系の厚さが変化しない場合の測定。

２以上のパラメータの測定。例えば、多層積層体の中の数層の厚さや、所定層の厚さと化学組成とを決定することができるが、これに限定することによって本方法の一般化を放棄するものではない。

データの数学的操作に関し、スピードや正確性における能力向上が達成できるので、オフラインに対しリアルタイムでのアプリケーションに本発明を使用できる。

たとえエンドポイントの基準が同組成のある１層の残厚（そのポイントまですでにエッチングされている）であったとしても、エッチストップ層を使用せずにエッチエンドポイントを検出する測定。

本発明の他の特徴や利点は各請求項および本発明の実施形態（もとより例示に過ぎないものではあるが）のつぎの記述から明らかであろう。

添付の図において、図１は典型的な真空処理容器１を示し、この真空処理容器１は、電場形成のための２種の電極２を有するとともに、エッチングされるべき基板３が接地電極上に置かれている。これら電極２間にプラズマが生成され、反応ガスが導入される。プラズマはこのガスをイオンとラジカルとに分解し、これらにより前記基板３がエッチングされる。容器１は窓４を備え、この窓４を通してレーザビームが照射され、リターンビームが光学装置５により受けとめられる。

図２は前記光学装置の構成を図式的に示す。

光学窓１０は、光学アセンブリ５へ、および光学アセンブリ５からの光の出入口となっている。レンズ９は、被測定膜体上へと探査光を集束させ、同時にその集束スポットおよび集束スポット近隣の表面の像をイメージング手段１３へとリレーする。さらなる照明源１２が設けられ、この照明源１２はビームスプリッタ１１によって光学経路に導入されていてもよく、そのようにすることで、周囲の照明が低い状況でも前記近隣表面がイメージング手段１３によって容易に検出できるであろう。

レーザ６が設けられており、その波長は被測定膜体に実質的に吸収されない。膜体は両面が磨かれ当初厚が０．６ｍｍのシリコンウェーハであるが、これに限定されるものではない。このような場合において、レーザ６は中心波長１５５０ｎｍ、波長精度＋／−４０ピコメータ(picometre)、線幅１０ピコメータ未満およびチューナブルレンジ(tuneable range)１００ｎｍであるものを選択することができる。一般に、チューニング幅は、前記波長が前記レンジにわたってチューニングされるに際し、少なくとも２点のターニングポイント（最大と最小）を設けるべきである。

前記レーザはリン化インジウム半導体レーザ装置で、シングルモードで動作するものであるとともに、外部反射率および波長選択手段を設けることによりある特定の波長に拘束されており、このリン化インジウム半導体レーザ装置は、照明の中心波長が１０ピコメータ以下の半値全幅を有するように円滑かつ連続的に調整されるようになっている。なお、このようなレーザは市販されている。

レーザ６からの光はビームスプリッタ８によってイメージング手段１３の光学経路に導入される。測定対象である膜系を有する基板へと進んだ後、戻り光は再びビームスプリッタ８に向けて進み、この光の一部はさらに別のビームスプリッタ７へと進んで検出器１４に向かう。検出器１４は、高速ヒ化ガリウムインジウムフォトダイオードであることが好ましい。

レーザ６から発せられる照射の一部は、測定対象である膜系から反射された後、ビームスプリッタ８を通り、イメージング手段１３によって検出される像の一部を形成する。

レーザ６の波長を様々に変えることにより測定がなされ、同時に検出器１４からの信号を記録する。ついで、このデータ集合は遺伝的アルゴリズム手段に入力されるが、このアルゴリズム手段は、パーソナルコンピュータ１５で実行されるのが好ましい。遺伝的アルゴリズム手段へのさらなる入力は目下測定中の膜系の種々の境界条件の予測であるが、このことは、膜系の各種パラメータがこれら定義された境界内にあるという先験的知識が存在することにより理解できるであろう。

遺伝的アルゴリズム手段の機能は、目下分析対象としている材料構造の数学的記述を参照することにより解候補を生成することである。これらの解候補は、得られたデータ集合の振舞い方との近似度に基づき順位づけされる。前記データ集合に近いそれらの解からの子孫候補が生き残り、前記データ集合から遠いそれらの解からの子孫候補は脱落する。このようにして、自然淘汰の原理を数学的に模倣することにより、最有力候補が迅速かつ好便に発見される。この効率的かつ便利な遺伝的アルゴリズム処理手段から生成される測定対象膜系の各種パラメータは、データリンク１６によってシステム制御コンピュータ１７に伝送され、このようにしてオンラインプロセス制御の手段が提供される。

好適な遺伝的アルゴリズムの一例においては、この遺伝的アルゴリズムはつぎの３種の遺伝子を有する染色体を用いる。すなわち、第１の遺伝子の位置づけは測定ないし検査対象の膜の厚さであり、第２の遺伝子は反射率信号のための乗数として機能し、第３の遺伝子は反射率信号のためのオフセット変更子(offset modifier)として機能するものである。これは、測定された反射率のデータ集合を、均一かつ所定の屈折率を有する単層膜の数理モデルから予測される反射率と整合させるために用いることができる。ここで、反射率信号は上面および下面からの反射の組み合わせである。

あるいは、このアルゴリズムは、測定された反射率のデータ集合を多層構造の数理モデルから予測される反射率と整合させるために用いることもでき、ここで、前記多層構造の最外層は均一かつ所定の屈折率を有し、厚さの測定対象となっており、測定された反射率信号は層間の境界のいずれかから生じる反射率信号と前記構造の上面で生じる反射率信号との組み合わせであって、底面からの寄与分を有する必要はない。

このアルゴリズムは、測定対象の層の屈折率が均一ではないが、前記数理モデルにおいて用い得る既知勾配の屈折率を示す場合にもまた用いられるであろう。

別の実施形態においては、遺伝的アルゴリズムはつぎの３種の遺伝子を有する染色体を用いる。すなわち、第１の遺伝子の位置づけは測定ないし検査対象の薄膜の厚さであり、第２の遺伝子の位置づけはこの薄膜の屈折率であり、第３の遺伝子は反射率信号のためのオフセット変更子として機能するものである。

いずれかの形式のアルゴリズムを用いることにより、単層膜の厚さあるいは多層膜の最外層の厚さを、その屈折率に関する先験的知識がない場合においても、確認することができる。

前述した装置と方法は、エッチストップ層を用いずに薄膜のエッチングを制御するために用いることができる。すなわち、まず光をエッチングされるべきシリコンウェーハの露出面上に点状に収束させる。レーザ波長を調整し得られた干渉パターンを分析することにより、材料の厚さが決定される。ついで、エッチングを行なうが、その間、干渉パターンは変化する。検出された厚さが、元の厚さから所望のエッチングを差し引いた値に対応するようになった時点でエッチングは停止される。

本発明の範囲内において前述した特定の実施形態に対する各種訂正が可能であることが理解されるであろう。

本発明は、シリコン以外の材料、特にガリウム−砒素、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウム、リン化インジウムなどの半導体材料の処理に適用することができる。エッチングプロセスには、不活性物質等、２以上の化学薬品が関与することができる。アルゴリズムは、マイクロコントローラや他の組込みコンピュータシステムなど、パーソナルコンピュータ以外のいかなる好適なデバイスでも実行されうるであろう。

本発明は、変化のない構造体の測定に適用することができ、さらにエッチングと同様、堆積にも適用されることが理解できるであろう。本発明は、化学蒸発を伴うエッチング以外のエッチング形式（イオンビームエッチングなど）やスラリーを用いたケミカルメカニカル研磨、純粋メカニカル研磨にも適用することが可能である。

集積回路の製造において使用される真空処理システムの図式的な断面図 図１の真空処理システムにおいて使用される光学装置をさらに詳細に示した概略図

Claims (22)

1. 薄膜の検査または測定方法において、薄膜を目的層に吸収されないように選択された波長の光ビームで照射し、前記波長をある波長範囲にわたってスキャンし、反射ビームの強度変化を測定し、前記光ビームを非常に狭い線幅の光源から放射し、前記波長の精度を厳密に定義された限界値内に維持し、前記波長を望ましい範囲にわたってチューニングして波長の反射レベルのデータ集合を求める薄膜の検査または測定のための薄膜の検査または測定方法。
2. 前記光ビームは、常時１０ピコメータより狭いかまたは等しい線幅を有するものである請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
3. 前記精度限界は、前記範囲における所望の中心波長の＋／−４０ピコメータである請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
4. 前記範囲は、前記波長が前記範囲にわたってチューニングされるに際し、少なくとも１個の最大干渉と１個の最小干渉とを提供するような範囲である請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
5. 前記範囲は、２個の最大干渉と１個の最小干渉、または２個の最小干渉と１個の最大干渉を提供する請求項４に記載の薄膜の検査または測定方法。
6. 前記範囲における波長は、光の１０％未満が被測定材料に吸収されるように選択される請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
7. 測定対象の膜に関する数学的記述を提供することにより、測定された強度を計算処理し、ここで前記数学的記述は、測定時に前記系が入ることが知られている物理的、化学的境界を定義するものである請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
8. 前記境界内の有力な解と前記データ集合との好ましい整合を決定することを含む請求項７に記載の薄膜の検査または測定方法。
9. 遺伝的アルゴリズムが３種の遺伝子染色体を利用する請求項８に記載の薄膜の検査または測定方法。
10. 第１の遺伝子の位置づけは測定ないし検査対象の膜の厚さであり、第２の遺伝子は反射率信号のための乗数として機能し、第３の遺伝子は反射率信号のためのオフセット変更子として機能するものである請求項９に記載の薄膜の検査または測定方法。
11. 第１の遺伝子の位置づけは測定ないし検査対象の薄膜の厚さであり、第２の遺伝子の位置づけはこの膜の屈折率であり、第３の遺伝子は反射率信号のためのオフセット変更子として機能するものである請求項９に記載の薄膜の検査または測定方法。
12. 好ましい解をリアルタイムプロセス制御への入力に用いる請求項８に記載の薄膜の検査または測定方法。
13. 制御すべきプロセスが、ドライプラズマエッチング、イオン照射エッチング、物理蒸着による膜成長、ケミカルメカニカル研磨による材料の除去、および機械研磨による材料の除去から選択される処理により被測定膜体が変化を受けるプロセスである請求項１２に記載の薄膜の検査または測定方法。
14. ウェーハのエッチング方法において、真空エンクロージャ内にウェーハを位置決めし、請求項１に記載の方法によってウェーハ上の所望の箇所の当初の厚さを測定し、エッチングプロセスを開始し、エッチングの進行と並行して請求項１に記載の方法によって前記所望の箇所の厚さをモニタリングし、所望の厚さに達したときにエッチングを終了するウェーハのエッチング方法。
15. ウェーハが１つ以上のエッチングされるべき領域を有し、それら領域は化学的に区別されるエッチストップ層を有しない請求項１４に記載のウェーハのエッチング方法。
16. 光源はリン化インジウム半導体レーザ装置から得られ、この装置はシングルモードで動作するものであるとともに、外部反射率および波長選択手段を提供することによりある特定の波長に拘束されており、この装置は、照明の中心波長が１０ピコメータ以下の半値全幅を有するように円滑かつ連続的に調整されるようになっている請求項１に記載の薄膜の検査または測定方法。
17. 薄膜の検査または測定装置において、この装置は、チューニング可能波長幅狭帯域光源と、検査されるべき膜体にレーザスポットを集束させ、反射光を光学センサに伝送するための光学アセンブリとを有し、前記光源は狭い線幅を維持しながらある波長範囲にわたってチューニングできるものである薄膜の検査または測定装置。
18. 前記波長幅は、常時１０ピコメータより狭いかまたは等しい請求項１７に記載の薄膜の検査または測定装置。
19. 前記光源はシングルモードレーザである請求項１７に記載の薄膜の検査または測定装置。
20. 前記レーザの波長は精度が前記範囲における所望の中心波長の＋／−４０ピコメータである請求項１９に記載の薄膜の検査または測定装置。
21. 請求項１７に記載の装置であって、前記光学センサの出力を受け取るために接続された計算手段とともに用いられ、前記計算手段は遺伝的アルゴリズムを用いてセンサの出力を計算処理するように動作する薄膜の検査または測定装置。
22. 真空エンクロージャと、チャンバ内に置かれたウェーハのエッチングまたは堆積を行なうために前記エンクロージャ内に置かれた手段と、請求項１７に記載の装置とを有する材料処理システムであって、前記装置は前記エンクロージャの外部に位置し、前記レーザビームと反射光はエンクロージャの壁に設けた窓を通過するものである材料処理システム。