JP2006528428A - スペクトル反射率計の光信号の電子空間フィルタリングのための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】半導体ウエハのプラズマ処理の終点を決定するための方法は、光源を準備する工程と、光源からの光をコリメートして、半導体ウエハの活性面に整列させるためのレンズシステムを準備する工程とを備える。光源からレンズシステムに光を伝達する光源ファイバの間に、複数の光検出器ファイバが介在する。半導体ウエハの活性面からの反射光は、複数の光検出器ファイバによって受信され、画像化分光計に供給される。受信された反射光は、画像化分光計によって解析され、モデル光信号と照合される。照合した光信号は、プラズマ処理の終点またはその他の状態を決定するために選択される。
【選択図】図７

Description

本発明は、一般に、スペクトル反射率測定に関し、特に、広ビーム反射率測定、画像化分光法、および二次元電荷結合素子（２−Ｄ ＣＣＤ）アレイ解析を用いた半導体製造における終点検出に関する。

集積回路やメモリセルなどの半導体構造の加工では、形状、構造、および構成要素が、一連の半導体ウエハの製造処理工程で規定、パターン化、および構築され、多層の集積回路が形成される。半導体ウエハは、半導体製造処理中に多くの動作によって処理される。層の追加、構造および形状の規定、パターン化、エッチング、除去、研磨、および多くの他の処理が、精密に制御された環境下で実行され、その間、半導体ウエハと、ウエハ上に規定および構築された形状が、綿密に監視および解析され、厳密な精度で各処理の終点が決定される。

通例、各処理の後に、ウエハは検査され、完了した前の処理が、許容可能なレベルの精度と、最小の誤差または不均一性とを有することが確認される。ウエハを処理する各処理の様々な動作変数（例えば、イベントタイミング、ガス圧、濃度、温度など）が記録され、それにより、すべての変数の任意の変化を即座に特定して、必要に応じて、ウエハの検査時に発見された任意の誤差または不均一性と相関させることができる。しかしながら、現在の構造および素子では、消費者および業界の需要に見合った規模の製造を可能にする経済および効率のレベルと共に、加工に必要な精度を実現するには、その場で監視および解析を実行する必要がある。

一般的な製造処理の１つとして、プラズマエッチングが挙げられる。半導体の加工では、プラズマエッチングは、導電および誘電材料をエッチングして形状および構造を規定するために用いられる。通例は、フォトレジストマスクによって規定された基板にわたって蒸着された層から選択された層をエッチングできるプラズマエッチングチャンバが用いられる。一般に、処理チャンバは、処理ガスを受け入れるよう構成され、処理チャンバ内の１または複数の電極に、高周波（ＲＦ）が印可される。チャンバ内の圧力は、個々の所望の処理に応じて制御される。所望のＲＦ電力が電極に印可されると、チャンバ内の処理ガスが活性化されて、プラズマが形成される。プラズマは、半導体ウエハの選択された層に対して所望のエッチングを実行するよう構成される。他の実装では、プラズマを蒸着処理に用いてもよい。

プラズマエッチング動作におけるその場での監視および解析は、通例、スペクトル反射率測定またはレーザ干渉法を含む。例えば、スペクトル反射率測定またはレーザ干渉法は、半導体ウエハ上の薄膜および薄膜構造の特性を測定して、所与の量の材料がウエハから除去またはウエハに追加された際にエッチングまたは蒸着工程を停止できるように、処理に対して終点要求を提供するために用いられる。さらに、かかる処理は、エッチング工程が、下層からの特定の設定された距離の範囲内まで進んだ時点を決定するために用いられる。現在のスペクトル反射率測定方法の課題の１つは、それらの方法が、一般に、ダイ（ウエハ上で繰り返されるパターンの基本単位）のサイズと同程度の直径を有する光学的放射のビーム（公称波長は２００−１０００ｎｍ、以後、光と呼ぶこととする）を用いてウエハを調べることである。

反射率測定の対象となる形状が、例えば、組み込みのダイナミックランダムアクセスメモリ（ＥＤＲＡＭ）の製造のように、ビームの面積の非常に狭い部分のみを占める場合には、信号のコントラストが非常に乏しくなる。この困難を解消する方法の１つは、非常に小さいビーム（以後、「スポット」とも呼ぶこととする）を用いて、対象の領域に当たるまでダイの中でスポットを方向付ける方法である。かかる方法は、レーザ干渉法で用いてよい。しかしながら、この方法を実施するためには、画像化カメラ、位置決め用のハードウェア、および画像認識アルゴリズムを追加する必要がある。

図１は、その場監視のハードウェアおよび処理を示す典型的なプラズマエッチングシステム１００を示す図である。図のように、プラズマエッチングチャンバ１０２は、チャック１０４上にウエハ１０６を配置されている。その場処理監視を実行するために、プラズマエッチングシステム１００は、様々な追加の特徴および構造を用いることができる。例えば、図１に示したプラズマエッチングシステム１００は、エッチングチャンバ１００の上部にビューポート１０８を備える。通例、オペレータの要求や処理の用途などに応じて、広ビームからレーザまでの複数の光源のいずれかと検出器とを備えうる光学スイート１１２が設けられている。一部の用途では、対象となる形状または領域に対する光学スイート１１２の位置決め、または、別個に設置されたレーザ源１１６の位置決めのために、ｘ−ｙ平行移動ステージ１１０が備えられる。

通例、照明のための白色光源を有し、市販のパターン認識ソフトウェアに接続されたカメラ１１４が設けられている。典型的な実装では、カメラ１１４は、ウエハ全体またはウエハの広い一部分に向けられる。カメラ１１４およびパターン認識ソフトウェアが、対象となる領域を特定すると、ｘ−ｙ平行移動ステージ１１０は、終点要求を行うために対象領域にスポットの位置を合わせるよう、光学スイート１１２を駆動する。典型的なスペクトル反射率計の構成では、ウエハ１０６の真上（上方）から、広ビーム１２０が向けられ、反射光は、基本的に、同じ広ビーム１２０の光路を通って戻る。

一部の用途では、レーザ源１１６は、プラズマエッチングチャンバ１０２の上部ではなく側部に配置される。レーザ源１１６は、ｘ−ｙ平行移動ステージ１１０と同様のｘ−ｙ平行移動ステージによって駆動され、光学スイート１１２によって正確に方向付けられる。次いで、検出器１１８が、レーザ干渉計システムにおいて、反射した光学パターンを受信して解析する。

さらに別のシステムでは、照明のための光源とパターン認識ソフトウェアとを有するカメラ１１４は、ホットスポット、すなわち、ウエハの縁部が中央部よりも速くエッチングされるか否かなど、プラズマエッチングに対する一般的なウエハ全体の反応を判定するために、「ウエハ全体」を対象とするように実装される。通例、この型のシステムは、ウエハにおける特定の状態の変化の指標として特定の波長を観察するために、１つのフィルタまたは複数のフィルタの組み合わせを用いる。

上述のスペクトル反射率計、レーザ干渉計、およびフィルタ処理の各々は、当業者に周知である。図１に示した１つの制限は、システムが正確かつ複雑になるほど、さらなるハードウェアが追加されることである。さらなるハードウェアは、通例、非常に高価である点を解決できるようなチャンバ設計の再検討および変形を必要とするが、正確さの向上は、期待または希望したよりも小さいことが多い。

以上の点から、ハードウェア位置決めシステムを必要とすることなく、ウエハダイの部分を自動的に選択することにより、絶対的なエッチング深さの測定、または、相対的な深さの変化の測定を実行可能にする方法およびシステムが必要とされている。

概して、本発明は、これらの要求を満たすために、広ビームの簡単さと、狭いまたは小さいスポットの干渉法の正確さとを実現する終点およびエッチング深さの決定のための方法およびシステムを提供する。本発明は、処理、装置、システム、デバイス、方法、またはコンピュータ読み取り可能な媒体を含む種々の形態で実施できる。以下では、本発明のいくつかの実施形態について説明する。

一実施形態では、ウエハの表面のプラズマエッチング動作の終点を決定するための方法が提供されている。ウエハの表面は、エッチングされている形状を有しており、その方法は、ウエハの表面にコリメート光を当てる工程と、ウエハの表面からの反射光を検出する工程とを備える。反射光は、不連続な検出領域によって検出され、各検出領域は、周波数帯にわたって固有の信号を示すよう構成されている。その方法は、さらに、モデル光信号に相関する検出領域のうちの１つの検出領域を特定する工程を備える。プラズマエッチング動作の終点は、検出領域のうちの特定された検出領域からのフィードバックに基づいて実行される。終点の実行は、表面上の形状のエッチング中に行われる。

別の実施形態では、ウエハをエッチングするためのシステムが提供されている。そのシステムは、ウエハの表面のプラズマエッチング動作の終点を決定することが可能であり、ウエハの表面は、エッチングされている形状を有する。そのシステムは、さらに、ウエハの表面からの反射光を検出するための検出器を備える。反射光は、不連続な検出領域によって検出される。各検出領域は、周波数帯にわたって固有の光信号を生成するよう構成されている。検出領域の１つが、モデル光信号と相関するよう構成されることで、プラズマエッチング動作の終点が、検出領域の特定された１つからのフィードバックに基づく。

本発明には、従来技術を超える利点が数多くある。本発明の１つの顕著な利点は、従来、正確で複雑な狭いスポットの干渉法でしか実現されなかった能力の一部を、簡単な広ビーム反射率測定法で実現することである。本発明の実施形態は、別個のカメラやそれに伴う別個の照明システムを必要とせず、また、パターン認識ソフトウェアやモータ式の平行移動ステージシステムを必要としない。実施形態は、基本的に、一連の平行な狭ビームの反射率計を形成する広ビームの反射率測定法で、狭いスポットの干渉法の正確さを実現するが、用いる広ビームは１つである。

別の利点は、大幅にチャンバを変形することなく、プラズマの形成および流れをいかなる形でも妨げず、さらなる継続的なシステムの変形が必要となる多数の平行移動ステージ、光学スイートなどを必要とすることなく、本発明の実施形態をプラズマ処理システムに組み込むことが可能な点である。

本発明のその他の利点については、本発明の原理を例示した添付図面を参照して行う以下の詳細な説明から明らかになる。

プラズマエッチング動作における処理の終点を決定するために用いるべきダイの領域を決定および選択するための発明が記載されている。好ましい実施形態では、スペクトル反射率測定を用いて光信号の検出および解析を行うための方法およびシステムが、二次元ＣＣＤ検出器アレイを用いて複数の光信号からの出力を分解し、次いで、解析された信号を終点または正確な深さに関するモデル信号と照合し、基本的に絶対的なエッチング深さおよび終点要求を可能にする。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの具体的な詳細事項が示されている。しかしながら、当業者にとって明らかなように、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部もしくはすべてがなくとも実施可能である。また、本発明が不必要に不明瞭となることを避けるため、周知の処理動作の説明は省略した。

概して、本発明の実施形態は、終点要求またはエッチング深さの機能のいずれかを提供するものであり、設計集約的な追加のチャンバハードウェア、膨大なパターン認識ソフトウェアなどを用いることなく、それを実現する。上述のように、典型的なスペクトル反射率計システムは、広帯域光源を用いているため、広いビームスポットサイズを有しており、平均のスポットサイズは、約１２．５ｍｍの直径である。一般的に、ダイ内の形状を分解する試みはない。白色光が、上方からウエハ表面に向けられ、反射光が上向きに反射され、ウエハからの反射率が、波長の関数として解析される。ダイにわたる全体の反応を解析するために、加重平均が用いられる。加重平均は、ハードマスクなどの形状および構造、エッチングされる形状の種類、空きスペースの面積、パターンの密度などに対応する。加重平均による評価に用いられるアルゴリズムは、極めて一定で一様な形状のレイアウトを有するパターンまたはダイなど、特定の構造に対して特に有効であるが、制限がないわけではない。例えば、反射率測定の対象となる形状が、ビームの面積の非常に狭い部分のみを占める場合（例えば、ＥＤＲＡＭのパターンや形状など）には、信号のコントラストが非常に乏しくなる。

形状が、広帯域スペクトル反射率計のスポットサイズの非常に小さい部分のみを占める領域の解析に関する上述の問題を解決する方法の１つは、より小さいビームサイズを用いることである。例えば、レーザ干渉計システムで用いられるような単純なレーザは、約５０マイクロメートル（μｍ）のスポットサイズを有することができる。約１５ｍｍ四方の広いダイでは、レーザの小さいスポットは、スポットサイズに対して広い面積を網羅するために方向付けられる必要があるが、対象となる特定の形状を特定および解析する能力は、大きく向上する。ダイ内でスポットを移動させるには、上述のように、さらなる画像化カメラ、高度な画像認識アルゴリズム、さらなる光学スイート、ｘ−ｙ平行移動ステージなどが、すべて必要になる。

本発明の実施形態は、小さいスポットの利点の一部を実現しようとするものであるが、大きいスポットの分光分析技術の実装の単純さと簡単さを保持する。具体的には、チャンバ設計の変更を必要とし、場合によっては、所望のプラズマ特性を妨げうる追加のカメラ、ステージなどを必要としない。本発明の実施形態は、ＥＤＲＡＭまたは他の組み込みのメモリセルや、他のそのような形状を含むダイの例と同様に、大きいスポットのフットプリント内で複数の領域の一部を解析し、他の領域を無視するものである。

本発明の実施形態は、基本的に、対象となる領域を特定および解析するためにダイ上でビームの「舵取りをする」完全に電子的な技術を用いる。光ファイバ束から放射された光をコリメートするレンズシステムを用いて、約１２．５ｍｍの直径の大直径ビームが形成される。典型的なウエハダイのサイズが約１２．５ｍｍであることから、１２．５ｍｍのスポットサイズが例として説明されている。処理パラメータや要求に応じて、より大きいまたは小さいスポットを用いることもできる。ウエハから反射した光は、同じレンズシステムを通って戻り、ファイバ束の開口部に戻される。ファイバ束は、さらに、この反射光を分光計に伝達する収集用ファイバ（検出器ファイバとも呼ぶ）を含む。

図２は、本発明の一実施形態に従って、分光計検出解析システム１３０を示す図である。分光計検出解析システム１３０の構成要素は、光源１３４と、光源光ファイバ束１３６と、レンズシステム１３２と、検出ファイバ束１４０と、画像化分光計１３８とを備える。

一実施形態では、光源１３４は、およそダイのサイズを有するフットプリントにウエハ表面上で大きいスポットとして投射される所望の広帯域光源を提供するために、広帯域スペクトル源（通例、２５０ないし１０００ｎｍの波長帯を網羅する）を備える。別の実施形態では、光源１３４は、キセノン閃光灯などのパルス光源、重水素／ハロゲンなどのデュアル光源、または、ハロゲン光源および発光ダイオードの組み合わせであってもよい。

光源光ファイバ束１３６は、光源１３４からレンズシステム１３２へ光を伝達する。一実施形態では、光源光ファイバ束は、光伝達のための複数のファイバを備える。例えば、その束は、６０−２００のファイバを備えており、実施形態は、ファイバの直径、加工の経済性などの要素に応じて、わずか２０から約２００までの範囲のファイバを備える。本発明の一実施形態では、光ファイバ束１３６内で選択されたファイバは、マルチモード光ファイバである。

本発明の一実施形態では、光をコリメートして、光源光ファイバ束１３６によって光源１３４から受けた光を拡散するために、レンズシステム１３２が設けられている。レンズシステム１３２は、光をコリメートして、約１２．５ｍｍの直径を有するスポットに光を拡散し、ウエハ１０６（図１参照）の表面にその光を合わせる。一実施形態では、レンズシステムは、プラズマエッチングチャンバの外部、具体的には、プラズマエッチングチャンバの上部に位置してプラズマエッチングチャンバの内部への視覚的なアクセスを提供するビューポートの上方に配置されている。

本発明の一実施形態では、レンズシステム１３２は、光源光ファイバ束１３６を通して光源１３４から受けた光のコリメートおよび方向付けを行うだけでなく、さらに、検出器ファイバ１４０ａ（図３参照）を光源ファイバ１３６ａ（図３参照）に介在するよう配列している。それにより、レンズシステム１３２は、光源１３４から受けた光をウエハ１０６（図１参照）の表面に方向付けて、ウエハ１０６の表面から反射した光を受ける。受けた光は、検出ファイバ束１４０によって画像化分光計１３８に伝達される。

図３は、本発明の一実施形態に従って、ウエハ１０６（図１参照）の表面に向けられるレンズシステム１３４（図２参照）の光ファイバ開口部１３５を示す図である。図３は、ウエハ１０６の表面に向けられるレンズシステム１３２の光ファイバ開口部１３５から見た場合の光源ファイバ１３６ａおよび検出器ファイバ１４０ａの構成の一実施形態を示す。検出器ファイバ１４０ａを示す黒丸は、光源ファイバ１３６ａを示す白丸に介在するよう配列されている。一実施形態では、検出器ファイバ１４０ａは、レンズシステム１３４の光ファイバ開口部１３５に与えられた光ファイバのパターン全体に分散されている。かかる分散により、検出器ファイバ１４０ａは、ウエハ表面１０６に向けられたビームのフットプリントの基本的に全体から反射光を受けることができる。

図２によると、検出ファイバ束１４０は、検出器ファイバ１４０ａ（図３参照）によって受けた光を画像化分光計１３８に伝達する。本発明の一実施形態では、検出ファイバ束１４０は、１３の検出器ファイバ１４０ａを備え、別の実施形態では、検出器ファイバ１４０ａの数は、必要な分解能と分光計１３８の性能や処理能力に応じて、約５ないし約１５の範囲であってよい。一実施形態では、画像化分光計１３８は、以下で詳細に説明するように、二次元ＣＣＤ検出器アレイを備える。

図４は、本発明の一実施形態に従って、分光検出解析の構成要素を示すブロック図である。レンズシステム１３２は、光源ファイバ１３６ａ（図３参照）に介在するよう配列された検出器ファイバ１４０ａ（図３参照）を備える。検出器ファイバ１４０ａは、検出ファイバ束１４０によってレンズシステム１３２から画像化分光計１３８に導かれている。画像化分光計１３８において、検出器ファイバ１４０ａは、以下で詳細に説明するように、画像化分光計の入射スリット１４２で垂直に整列されている。

図５Ａは、本発明の一実施形態に従って、画像化分光計１３８（図４参照）の入射スリット１４２における検出器ファイバ１４０ａの配列を示す図である。上述のように、検出器ファイバ１４０ａは、レンズシステム１３４（図４参照）内で光源ファイバ１３６ａ（図３参照）に介在するよう配列されており、検出ファイバ束１４０（図４参照）を通して画像化分光計１３８に導かれている。本発明の一実施形態では、検出器ファイバ１４０ａは、基本的にきっちりと入射スリット１４２を満たすように垂直に整列されている。本発明の一実施形態では、少なくとも５つの検出器ファイバ１４０ａが、入射スリット１４２内に整列されている。別の実施形態では、レンズシステム１３４（図２参照）の光ファイバ開口部１３５（図３参照）内に介在するのと同じ数の検出器ファイバ１４０ａが、入射スリット１４２内に整列され、一実施形態では、１３の検出器ファイバ１４０ａが、入射スリット１４２に導かれ、その中に整列される。一実施形態では、検出器ファイバ１４０ａの数は、内部の異なるファイバからの光の重複を防ぐ画像化分光計１３８の性能によって限定され、本発明の一実施形態では、２以上の画像化分光計１３８が、所望または必要な形状の分解能を実現するのに十分な数の検出器ファイバ１４０ａに対応するよう構成されている。

一実施形態では、入射スリット１４２内での１つの検出器ファイバ１４０ａの特定の配置または位置と、レンズシステム１３４内での特定の位置との間の正確な相関は、決定も維持もされず、終点要求またはエッチング深さの決定を含む処理解析は、正確な検出器ファイバ１４０ａの配置に関係なく、解析された波長に基づく。以下で詳細に説明するように、ウエハ１０６（図１参照）上の対象領域を決定するために、波長解析が用いられ、対象領域が特定されると、レンズシステム１３４または入射スリット１４２内の検出器ファイバ１４０ａの位置に関わらず、形状からの反射率の解析が進められる。別の実施形態では、レンズシステム１３４内での特定の配置と垂直方向の入射スリット１４２内での位置との間で各検出器ファイバ１４０ａに対して基本的に正確な位置の対応関係を確保するために、厳密な合致が維持される。

図５Ｂは、本発明の一実施形態に従って、二次元ＣＣＤアレイ検出解析の代表的なプロット１５０を示す図である。二次元ＣＣＤアレイによる解析は、当業者に周知であり、図５Ｂは、終点検出およびエッチング深さの測定および監視のための本発明の一実施形態に従った実施例を示す。図５Ｂにおいて、上側のｘ軸１５２および左側のｙ軸１５４は、プロット１５０の寸法を示す。二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０の寸法は、本発明の一実施形態では、画素で表される。一実施形態では、上側のｘ軸の長さは１０２４画素であり、一実施形態では、上側のｘ軸の長さは２０４８画素である。一実施形態では、左側のｙ軸の高さは１２８画素であり、一実施形態では、左側のｙ軸の高さは２５６画素である。一実施形態では、プロット１５０の選択された寸法が、配列された光情報がプロットされるスケールを確立する。

本発明の一実施形態では、下側のｘ軸は、光情報の波長を示す。二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０は、装置のアレイによって測定された複数の検出器ファイバからの測定情報であり、その情報は、所望の寸法すなわちスケールで波長スペクトルに沿ってプロットされる。右側のｙ軸１５８に沿った垂直方向には、検出器ファイバ１４０ａ（図５Ｂ参照）の各々が、信号の大きさに基づく適切なスケールでプロットされており、図５Ａに示した検出器ファイバ１４０ａの各々は、二次元ＣＣＤのプロット１５０における位置に対応している。図中の実施形態では、ファイバ１が、二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０の下端の領域に沿ってプロットされ、ファイバ１３が、二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０の上端の領域に沿ってプロットされ、ファイバ２−１２（図示せず）が、両端の間に順番にプロットされている。一実施形態では、所望の数の画素（図示せず）が、プロットを明確にして別個の異なる検出器プロットの認識を容易にするために、検出器ファイバ１４０ａの信号の垂直に積み重ねられたプロットの各々の間の空きすなわち緩衝帯として選択される。

図５Ａおよび５Ｂの実施形態に示すように、各検出器ファイバ１４０ａは、波長スペクトルの基本的に全体にわたって配列されたデータを供給する。このように、検出器ファイバ１４０ａの各々からの信号は、基本的に半導体ウエハ上のダイのサイズに対応する領域にわたって反射率の情報をまとめて供給するものであり、監視および解析が可能である。一実施形態では、監視および解析により、最良の信号コントラスト、または、リアルタイムで所与の処理に対する反射特徴の情報の最良の内容を提供する検出器ファイバ１４０ａまたは検出器ファイバ１４０ａの組み合わせを数学的に選択することができる。これにより、実行時に、どの検出器ファイバ１４０ａまたは検出器ファイバ１４０ａの組み合わせを検査、解析、および監視すべきかを決定できる。一実施形態では、各信号、対象となる各信号、および／または、信号の各組み合わせを、処理の種類、加工の段階、加工されている構造、パターンの密度などに適切な複数のモデルのいずれかと比較して、処理の進行（すなわち、終点）、薄膜の深さ（すなわち、エッチング深さ）、および、複数の所望の処理パラメータのいずれかを評価することができる。検出器ファイバ１４０ａの選択は、適切なモデルに対する最良の一致によってリアルタイムに実行され、次いで、検出器ファイバ１４０ａまたは検出器ファイバ１４０ａの組み合わせは、適切または所望のように、その加工処理を通して追跡される。

本発明の一実施形態では、画像化分光計１３８（図４参照）に含まれる二次元ＣＣＤ検出器アレイは、少なくとも５つから画像化分光計１３８によって明確に分解できる数までの検出器ファイバ１４０ａの信号を、二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０で表示するために分解する。検出器ファイバ１４０ａの各々からの信号は、画像化分光計１３８内の二次元ＣＣＤ検出器アレイにおける異なる領域で独立して検出され、結果としてのデータは、終点アルゴリズムと二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０に対して別個に提供される。

一実施形態では、アルゴリズムは、特定の検出器ファイバ１４０ａの出力を用いて終点を決定するための終点決定方法がプログラムされている手動モードである。選択される検出器ファイバ１４０ａは、ウエハの種類、ダイにおけるパターン、およびその他のパラメータに依存する。一実施形態では、選択される検出器ファイバ１４０ａは、二次元ＣＣＤアレイのプロット１５０に示された観察パターンから決定される。かかる実施形態では、画像化分光計１３８（図４参照）の入射スリット１４２（図５Ａ参照）と光ファイバ開口部１３５（図３参照）とに対する検出器ファイバ１４０ａの位置の間で、厳密な合致が必然的に維持され、プラズマエッチングチャンバにおけるウエハ１０６（図１参照）の配置は、既知であって維持される必要がある。

別の実施形態では、アルゴリズムは、すべての検出器ファイバ１４０ａからの信号に対して並列的に実行され、最大の信号コントラストを示す信号が、終点を決定するために選択される。

さらに別の実施形態では、アルゴリズムは、すべての検出器ファイバ１４０ａからの信号に対して並列的に実行され、信号は、どの終点をツールに返すかを決定するために、各信号からの誤差レベルを用いて調停される。本実施形態では、各ファイバからの信号は、リアルタイムにモデルと比較される。検出器ファイバの各々について、モデル内のパラメータ（例えば、ウエハの層の厚さ、空き領域、表面の粗さなど）が調整され、モデルと検出器ファイバからの信号との間の最良の「適合度」が実現される。適合度は、モデルが、各検出器ファイバ１４０ａによって戻されたウエハからの実信号にどれだけ良好に適合するかを示す誤差信号と見なすことができる。ツールに戻された終点は、次いで、最も低い誤差信号を有するファイバ信号から算出される。一実施形態では、所定の上限未満の誤差信号がない場合には、システムは、警告をツールに戻す。

図６Ａは、本発明の一実施形態に従って、半導体ウエハ上に投射されうる代表的なビームスポット１６０と、光ファイバ開口部１３５（図３参照）における検出器ファイバ１４０ａの代表的な配置とを示す図である。本発明の一実施形態では、上述のように、ビームスポット１６０は、約１２．５ｍｍの直径を有する。図６Ａに示すように、検出器ファイバ１４０ａの代表的な配置は、ビームスポット１６０からの反射光に対して、基本的に完全な受光範囲を提供する。一実施形態では、かかる範囲は、散乱、減衰、干渉など、光伝達の実態に適応する。

図６Ｂは、本発明の一実施形態に従って、代表的なダイ１６２への図６Ａのビームスポット１６０の投射を示す図である。光ファイバ開口部１３５の検出器ファイバ１４０ａの代表的な配置が、この図にも示されており、代表的なダイ１６２上で、対象領域１６４および１６６が特定されている。本発明の一実施形態によると、１３の検出器ファイバ１４０ａが、代表的なダイ１６２の範囲すなわち領域の基本的に全体からの光信号を提供する。上述のように、代表的なダイ１６２の基本的に全体からの反射率の情報を監視および解析することができる。一実施形態では、監視および解析により、最良の信号コントラスト、または、リアルタイムで所与の処理に対する反射の形跡の情報の最良の内容を提供する検出器ファイバ１４０ａまたは検出器ファイバ１４０ａの組み合わせの数学的な選択が可能である。図６Ｂでは、対象領域１６４は、処理に関する特定の状態や程度（例えば、終点、エッチング深さなど）が望まれる特定の形状、構造、セルなどのモデルに適合する検出器ファイバ１４０ａ−１を通して信号を返してよい。適合が確認されると、検出器ファイバ１４０ａ−１は、所望の状態または程度が実現されるまでリアルタイムに監視されてよい。

一実施形態では、二次元ＣＣＤ検出器アレイを有する画像化分光計１３８（図４参照）によって処理された受信光信号と、特定のパラメータに対するモデル処理信号との間で、適合が確認されることを理解されたい。図６Ｂでは、検出器ファイバ１４０ａ−１は、具体的に特定可能なファイバであってもなくてもよく、具体的に特定可能な配置に存在してもしなくてもよいが、返された信号は、終点、エッチング深さなどの所望のパラメータを具体的に特定するように適合される。

同様に、対象領域１６６は、検出器ファイバ１４０ａ−２および１４０ａ−３からの信号、または、検出器ファイバ１４０ａ−２および１４０ａ−３からの信号の組み合わせによって特定されてよい。適合が確認されると、検出器ファイバ１４０ａ−２および１４０ａ−３は、所望の状態または進行を特定するために、別個または一緒に監視および解析されてよい。上述のように、本発明の一実施形態は、検出器ファイバ１４０ａから受けた信号または信号の組み合わせと、処理の種類、加工の段階、加工されている構造、パターンの密度などに適切な複数のモデルのいずれかとの間の適合を特定し、処理の進行（すなわち、終点）、薄膜の深さ（すなわち、エッチング深さ）、および、複数の所望の処理パラメータのいずれかをリアルタイムに評価して、実行時の正確さを実現する。検出器ファイバ１４０ａの選択は、適切なモデルに対する最良の適合によってリアルタイムに実行され、次いで、検出器ファイバ１４０ａまたは検出器ファイバ１４０ａの組み合わせは、適切または所望のように、その加工処理を通して追跡される。

図７は、本発明の一実施形態に従って、プラズマエッチング動作において終点要求を実行するための方法の動作を示すフローチャート１７０である。その方法は、プラズマエッチングのために基板が受け入れられる動作１７２から始まる。一例では、基板は、複数の構造を規定され、加工処理を施されている半導体ウエハである。それらの構造は、集積回路、メモリセルなどの半導体ウエハの中または上に通例は加工される任意の種類のものであってよい。一実施形態では、構造は、メモリセル構造の散在領域と共に比較的広い領域の空きスペ―スすなわち形状のないスペースを有する組み込みのダイナミックランダムアクセスメモリ構造である。

その方法は、基板がプラズマエッチング内に配置される動作１７４に進む。代表的なチャンバが、図１に概略的に示されている。一実施形態では、プラズマエッチングチャンバは、プラズマエッチングチャンバ内で処理されるウエハの上面すなわち活性面への視覚的なアクセスを提供するビューポートを、チャンバの上部領域に有する。

動作１７６では、基板が照明される。光源が、光ファイバ束を通して、ビューポートの上方に位置するレンズシステムに光を伝達する。一実施形態では、光ファイバ束は、複数の光ファイバを備え、光ファイバの数は、約６０ないし約２００の範囲であってよい。別の実施形態では、光ファイバ束は、複数の光ファイバを備え、光ファイバの数は、約２０ないし約２００の範囲であってよい。レンズシステムにおいて、光は、コリメートされてウエハ表面と整列され、約１２．５ｍｍの直径のスポットを有するビームとして伝達される。一実施形態では、代表的なダイ（ウエハ上で繰り返されるパターンの基本単位）の約１２．５ｍｍのサイズと相関するよう、１２．５ｍｍのスポットサイズが選択されるが、スポットサイズは、加工の要望、パターンの種類、密度、分布、およびスポットサイズの変更が必要な任意の複数の動作パラメータに応じて、より大きくても小さくてもよい。

その方法は、基板の表面から光が反射され、複数の検出器光ファイバで検出される動作１７８に続く。検出器光ファイバは、光源光ファイバと、レンズシステムの光ファイバ開口部に介在するよう配列される。一実施形態では、１３の検出器ファイバが、６０−２００の光源光ファイバの間に配置され、光ファイバ開口部にわたって分散されていることにより、ビームスポットと反射光に対して完全な受光範囲を可能にする。

次に、動作１８０では、検出された光が、検出光ファイバ束を介してレンズシステムから画像化分光計に伝達される。検出器ファイバは、光源ファイバに介在し、光ファイバ開口部にわたって分散されていることで、ビームスポットに対して基本的に完全な受光範囲を提供しているため、検出器ファイバの各々は、基板の表面から特定の位置または配置に対応する検出光を伝達する。

その方法は、複数の検出器光ファイバの各々からの検出光が、画像化分光計によって解析される動作１８２に続く。画像化分光計は、検出光を解析するための二次元ＣＣＤ検出器アレイを備えており、一実施形態では、検出された反射率信号の各々に対して、光スペクトルにわたるグラフィック表示を提供する。

その方法は、解析に基づいて終点要求を行うために、１または複数の検出器光ファイバが選択される動作１８４で終了する。一実施形態では、終点要求は、終点を決定するために特定の検出器光ファイバからの信号が選択されるアルゴリズムを用いた解析に基づく。例えば、既知の形状が、基板上の既知の配置に存在し、既知の検出器ファイバが、その形状に対応する既知の配置に整列されている状況では、既知の検出器ファイバは、監視され、既知の形状の終点のモデルと照合される。

別の実施形態では、終点要求は、終点アルゴリズムが、すべての検出器光ファイバからの信号に対して並列的に実行される解析に基づく。各信号が検査されることで、すべての信号の最大信号コントラストが特定される。その特定の信号が選択され、選択された信号を返す光ファイバは、終点符号と照合するために監視される。

さらに別の実施形態では、上述の実施形態と同様に、終点要求は、終点アルゴリズムが、すべての検出器光ファイバからの信号に対して並列的に実行される解析に基づく。この実施形態では、終点アルゴリズムは、各信号からの誤差レベルを用いて、すべての信号の間で調停を行う。信号が選択され、終点信号と照合されて、終点要求が行われる。一実施形態では、調停は、相対的な誤差レベルが変化した場合に、ウエハのエッチング中に選択ファイバを変更してよい。例えば、２つのファイバが、ウエハ処理の開始時に非常に類似した誤差を返したが、それらの誤差が、処理中に異なる展開を見せる場合に、選択ファイバの変更が行われてよい。終点要求が行われると、この方法は終了する。

上述の実施形態を念頭に置いて、本発明は、コンピュータシステムに格納されたデータに関してコンピュータが実行する様々な動作を用いてもよいことを理解されたい。これらの動作は、物理量の物理操作を必要とするものである。通常、必ずしも当てはまるわけではないが、これらの物理量は、格納、転送、合成、比較、および、その他の操作を施すことが可能な電気または磁気の信号の形態を取る。さらに、実行される操作は、生成、特定、決定、または、比較などの用語で呼ばれることが多い。

本発明の態様は、コンピュータ読み取り可能な媒体に格納されたコンピュータ読み取り可能なコードとして実施されてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータシステムによって読み出し可能なデータを格納できる任意のデータ格納装置である。コンピュータ読み取り可能な媒体は、さらに、コンピュータコードを具現化した電磁搬送波を含む。コンピュータ読み取り可能な媒体の例としては、ハードドライブ、ネットワーク接続ストレージ（ＮＡＳ）、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、磁気テープ、および、その他の光学および非光学式のデータ格納装置が挙げられる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、コンピュータ読み取り可能なコードが、分散的に格納および実行されるように、ネットワーク接続されたコンピュータシステムに分布されてもよい。

理解を深めるために、上述の発明について、ある程度詳しく説明したが、添付の特許請求の範囲内でいくらかの変更と変形を行ってもよいことは明らかである。したがって、本実施形態は、例示的なものであって、限定的なものではないとみなされ、本発明は、本明細書に示した詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で変形されてよい。

その場監視のハードウェアおよび処理を示す典型的なプラズマエッチングシステムを示す図。 本発明の一実施形態に従って、分光計検出解析システムを示す図。 は、本発明の一実施形態に従って、ウエハの表面に向けられるレンズシステムの光ファイバ開口部を示す図。 本発明の一実施形態に従って、分光検出解析の構成要素を示すブロック図。 本発明の一実施形態に従って、画像化分光計の入射スリットにおける検出ファイバの配列を示す図。 本発明の一実施形態に従って、二次元ＣＣＤアレイ検出解析の代表的なプロットを示す図。 本発明の一実施形態に従って、半導体ウエハ上に投射されうる代表的なビームスポットと、光ファイバ開口部における検出器ファイバの代表的な配置とを示す図。 本発明の一実施形態に従って、代表的なダイへの図６Ａのビームスポットの投射を示す図。 本発明の一実施形態に従って、プラズマエッチング動作において終点要求を実行するための方法の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１００…プラズマエッチングシステム
１０２…プラズマエッチングチャンバ
１０４…チャック
１０６…ウエハ
１０８…ビューポート
１１０…ｘ−ｙ平行移動ステージ
１１２…光学スイート
１１４…カメラ
１１６…レーザ源
１１８…検出器
１２０…光ビーム
１３０…分光計検出解析システム
１３２…レンズシステム
１３４…光源
１３５…光ファイバ開口部
１３６…光源光ファイバ束
１３６ａ…光源ファイバ
１３８…画像化分光計
１４０…検出ファイバ束
１４０ａ…検出器ファイバ
１４２…入射スリット
１６０…ビームスポット
１６２…ダイ
１６４…対象領域
１６６…対象領域

Claims (16)

1. ウエハの表面のプラズマエッチング動作の終点を決定するための方法であって、前記ウエハの前記表面は、エッチングされている形状を有し、前記方法は、
   コリメート光を前記ウエハの前記表面に当てる工程と、
   前記ウエハの前記表面からの反射光を検出する工程であって、前記反射光は、不連続な検出領域によって検出され、各検出領域は、周波数帯にわたって固有の信号を示すよう構成されている工程と、
   モデル光信号に相関する前記検出領域のうちの１つの検出領域を特定する工程と、
   前記検出領域のうちの前記特定された検出領域からのフィードバックに基づいて、前記プラズマエッチング動作の終点を実行する工程であって、前記終点の実行は、前記表面上の前記形状の前記エッチング中に行われる工程と、を備える、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記コリメート光は、光源から光源光ファイバ束を介してレンズの光ファイバ開口部によって受光され、前記レンズは、前記コリメート光をコリメートして前記ウエハの前記表面に方向付ける、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、前記光ファイバ開口部は、光検出器ファイバを備え、前記光検出器ファイバは、前記光ファイバ開口部において、前記光源光ファイバ束の光源ファイバに介在するよう配列されている、方法。
4. 請求項３に記載の方法であって、前記不連続な検出領域は、前記光検出器ファイバによって規定されると共に、前記光検出器ファイバによって反射光を検出される前記ウエハの前記表面上の範囲に対応する、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、さらに、
   前記検出された反射光を前記ウエハの前記表面から画像化分光計に伝達する工程と、
   前記検出された反射光を前記画像化分光計によって解析する工程と、
   前記解析後の検出された反射光からの光信号をモデル光信号と照合する工程と、
   前記照合した光信号を選択して、前記プラズマエッチング動作の終点を決定する工程と、を備える、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、前記画像化分光計は、前記検出された反射光を解析するための二次元電荷結合素子（２Ｄ−ＣＣＤ）アレイを備える、方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、前記２Ｄ−ＣＣＤアレイは、各検出領域に対して周波数帯にわたって前記固有の信号を表示するよう構成されている、方法。
8. 請求項５に記載の方法であって、前記解析後の検出された反射信号からの光信号をモデル光信号と照合する工程は、複数の光検出器ファイバの各々からの光信号を前記モデル光信号と並列的に照合して、最大の信号コントラストを特定することにより実現される、方法。
9. 請求項８に記載の方法であって、さらに、前記特定された最大信号コントラストを選択する工程と、終点符号と照合するために、前記選択された信号を監視する工程とを備える、方法。
10. 請求項５に記載の方法であって、前記検出された反射信号からの光信号をモデル光信号と照合する工程は、複数の光検出器ファイバの各々からの光信号を前記モデル光信号と並列的に照合し、前記複数の光検出器ファイバの各々からの光信号を調停して最大許容誤差レベルを特定することにより実現される、方法。
11. 請求項１０に記載の方法であって、さらに、前記複数の光検出器ファイバの各々からの前記光信号の内の１つの光信号を選択して、前記最大許容誤差レベルより低い最小誤差レベルを有するプラズマ処理の終点を決定する工程を備える、方法。
12. ウエハをエッチングするためのシステムであって、前記システムは、ウエハの表面のプラズマエッチング動作の終点を決定することが可能であり、前記ウエハの前記表面は、エッチングされている形状を有し、前記システムは、
    前記ウエハの前記表面からの反射光を検出するための検出器を備え、
    前記反射光は、不連続な検出領域によって検出され、各検出領域は、周波数帯にわたって固有の光信号を生成するよう構成され、前記検出領域のうちの１つの検出領域が、モデル光信号と相関するよう構成されることで、前記プラズマエッチング動作の終点が、前記検出領域のうちの特定された検出領域からのフィードバックに基づく、システム。
13. 請求項１２に記載のシステムであって、モデル光信号と相関するよう構成された前記検出領域のうちの前記１つの検出領域が決定されると、前記検出領域のうちの前記１つの検出領域の前記固有の光信号は、前記検出領域のうちの前記特定された検出領域から得られ、前記プラズマエッチング動作の終点を決定するために用いられる、システム。
14. 請求項１２に記載のシステムであって、さらに、
    内部領域と、外部と、前記外部から前記内部領域への視覚的なアクセスを提供するビューポートとを有するプラズマ処理チャンバと、
    前記プラズマ処理チャンバの前記内部領域内に配置された半導体ウエハの活性面上に前記ビューポートを介して広ビーム光を提供するよう構成された光源と、
    複数の検出器光ファイバであって、それぞれ、検出端と解析端とを有し、各検出端は、前記レンズシステムの光ファイバ開口部に配置されている、複数の検出光ファイバと、
    前記複数の検出器光ファイバの各々の前記解析端を受け入れる画像化分光計と、
    前記複数の検出器光ファイバの各々からの受信光信号を解析するための２−Ｄ ＣＣＤ検出器アレイと、を備え、
    前記プラズマエッチング動作の前記終点は、前記複数の検出器光ファイバの各々からの前記受信光信号の解析に基づいて決定される、システム。
15. 請求項１４に記載のシステムであって、前記複数の検出器光ファイバの各々からの前記受信光信号の解析は、前記複数の検出器光ファイバの各々からの前記受信光信号を、前記プラズマエッチング動作の所望の終点のためのモデル光信号と照合する工程を備える、システム。
16. 請求項１４に記載のプラズマエッチングシステムであって、前記ＣＣＤ検出器アレイは、少なくとも１つの解析済みの受信光信号のプロットを提供する、システム。

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