JP2008532259A - 暴露面の小さな半導体ウェハのプラズマエッチングの終了時判定方法 - Google Patents

Abstract

センサから供給される電圧、電流、およびこれらの間の位相角の値を用いてプラズマチャンバのインピーダンスを決定する半導体ウェハのプラズマエッチング制御方法である。第１の期間中のデータの全部またはそれ以下を用いてモデルを計算する。第２の期間中、リアルタイムのデータを用いてチャンバの瞬時インピーダンスのバージョンを計算する。このインピーダンスのバージョンは前記モデルのタイムプロジェクテッドバージョン（time-projected version）と比較される。この方法は、受信データが外挿モデル（extrapolated model）から所定量離れた場合にエッチングを停止すべきと判断する。いくつかの実施例では、第２の期間中にローリングアベレージを用いて、このローリングアベレージをモデルと比較して終了条件を判定する。
【選択図】なし

Description

関連出願の相互参照
本発明は、２００５年１月１９日に出願の米国暫定出願番号６０／６４４，９２８号の優先権を主張する。この暫定出願は、全体としてここに組み込まれている。

本発明は、半導体プロセス方法に関する。より具体的には、半導体ウェハのプラズマエッチング制御に関する。

半導体産業において、選択的にプラズマガスによる半導体ウェハのエッチングが長年行われている。エッチングをいつ停止するかを決定する方法と同様に、限界寸法（critical dimensions）を制御する方法の研究にも多くが費やされている。エッチング期間が過度であればひどい結果となり、ターゲットに対する面積の制御、外形が失われ、性能が悪い等となる。エッチング期間が短いと、回路要素の面積が大きくなり過ぎ、回路の短絡、開放、または高抵抗性の接触、または他の望ましくない結果となる。エッチング期間の制御は、往々にして単に実験により決定される固定の時間である。この結果は、特に特定のウェハについて、適切であるが最適ではない。関連技術は、多様な検出パラメータに基づいてエッチングをいつ停止するかを決定する方法を含む。これは、エッチングする範囲がマスキング材料で保護された範囲と比較して小さい場合に困難となる。本発明は、たとえ表面全体におけるエッチング範囲が小さな割合であっても、現在のウェハにおいていつエッチングを停止するかを決定する方法を提供するものである。

本発明にかかる方法によれば、制御部が、ＲＦセンサが提供する特定のデータに基づいて動作する。この制御部は、論理決定を行いコマンドを通信するために一定の値を算出するデータを格納し分析する手段を具える。一実施例では、制御部はデータの最初の期間を無視し、第２の期間で受信されるデータを分析してプラズマエッチングプロセスとエッチングされるウェハとの相互作用のモデルを構築する。このモデルは、制御部が一定のデータを受信し受信データのバージョンを延長した期間のモデルのバージョンと比較し続ける間、３回目の期間まで延長される。このモデルと受信データが所定量異なった場合、制御部は現在のウェハへのエッチングプロセスを停止させるコマンドを発行する。いくつかの実施例では、エッチング経過時間が予め定められた最大時間を超えた場合にエッチングが停止される。

図１は、関連技術の半導体ウェハプロセスに用いる代表的なプラズマエッチングシステムを含む主要素を示す。プラズマエッチングツール１０１は、個々のウェハがエッチングされる１以上の処理チャンバ１０２を具える。このプラズマエッチングツールは、パス１０５を介してセル制御部１０４の通信手段に接続されている。セル制御部１０４は一般に、プラズマプロセスチャンバ１０２で行われるプロセスの方式（recipe）を格納した手段を具える。ある構成では、この方式は、ウェハのバッチを加工する際にセル制御部からパス１０５を介してプラズマエッチングツールにダウンロードされ、その後プラズマエッチングツールがこの方式によりプラズマ処理チャンバを制御する。この方式はいくつかの動作を含み、例えばウェハを移動させ、チャンバを閉鎖し、ポンプを作動させ、ＲＦ発振器３０２を作動させる等である。この方式は、エッチング期間を含んでいる。別の構成では、セル制御部１０４は適切な時間にコマンドをプラズマエッチングツールに送出することによりプロセスの制御を維持し、これがセル制御部からのコマンドに応じて処理チャンバを制御する。

図２に示すように、本発明の一実施例では、制御部１０６がセル制御部１０４とプラズマエッチングツール１０１の間に接続されている。接続手段１１０と１１２は様々な適切な連結方法および媒体でもよく、例えばＲＳ−２３２、ＬＡＮ、光ファイバ、赤外線ビーム等でよい。いくつかの実施例では、プラズマエッチングツール１０１とセル制御部１０４は、制御部１０６の存在を検出することができず、制御部１０６はセル制御部１０４からプラズマエッチングツール１０１へのコマンドを偽造し、プラズマエッチングツールが偽造されたコマンドをセル制御部１０４で生成されたものとして扱うようにする。

図２、図３を参照すると、プラズマ処理チャンバ１０２内のＲＦセンサ１０３が、当該プラズマ処理チャンバ１０２に送られるＲＦ電源の特定のパラメータを測定する。ＲＦ発振器３０２とＲＦセンサ１０３を除く図３のすべての要素を合わせると、図２のプラズマ処理チャンバを具える。ＲＦセンサ１０３は、ＲＦ発振器３０２と電極３０４の間に接続されている。ＲＦセンサ１０３がない場合、ＲＦ発振器が電極３０４に直接接続される。一実施例では、ＲＦセンサはＺ−ＳＣＡＮ（商標名）センサであり、これはコロラド州フォートコリンズのＡｄｖａｎｃｅｄＥｎｅｒｇｙ社で入手可能である。

ＲＦセンサ１０３の測定値の例として、電圧、電流、これらの間の基準のまたはＲＦ発振器３０２に関する他の周波数における位相角の値を含む。いくつかのシステムでは、ＲＦ発振器３０２の基準周波数は２ＭＨｚである。このＲＦセンサは、複数の周波数について、処理チャンバから通信手段パス１１４を介して制御部１０６への処理チャンバに関連する演算値と同様に、例えば電圧、電流、位相データなどのデータセットを提供する。制御部１０６は、通信手段、データやプログラムのストレージ、コンピュータプログラムまたはその同等物を実行する手段を具えている。一実施例では、コンピュータプログラムは本発明にかかる方法を実行し、ＲＦセンサ１０３から受信するデータセットを処理してチャンバ１０２におけるエッチングプロセスを終了させるかを決定する。別の実施例では、本発明は例えばゲートアレイや他の論理手段を用いてロジックとして実現される。当業者であれば、本発明にかかる方法を実現するの他の代替実施例を知るであろう。プラズマシステムを制御する手段は、プラズマエッチングツール１０１、プラズマ処理チャンバ１０２、システム制御部、または半導体ウェハプロセス設備により実現されるプラズマシステムの設計における他の特有の手段内に存在する。

図３は、プラズマ処理チャンバ１０２に付随するいくつかの要素を示す。ＲＦ発振器３０２が電極３０４を駆動し、チャンバ内のガスをイオン化し、プラズマ３０６を生成する。プラズマは、ウェハ３０８のフォトレジストコーティングで保護されていない領域をエッチングする。プラズマはまた、フォトレジストコーティングも幾分かエッチングする。ウェハ３０８は、別のＲＦ発振器３１２にチャージされたチャック３１０上に保持されており、これによりウェハ表面がチャージされる。プラズマが半導体ウェハから材料をエッチングするメカニズムは、当業者によりよく知られている。

図４に、本発明のロジックが示されている。この発明的方法は、様々な期間毎に異なる。これらの期間が以下のように定義される：
ゼロからＴ１：「修正時間（Settling time）」であり、ＲＦセンサ１０３から受信されたデータは、過渡現象に支配されている可能性があるため、無視される。
Ｔ１からＴ２：「適合期間（Fitting period）」であり、曲線をデータに適合させる目的でＲＦセンサ１０３からのデータが収集され、これにより現在のウェハ用の数学的モデルが作成される。
Ｔ２からＴ３：「監視期間（Monitoring time）」であり、ＲＦセンサ１０３からのリアルタイムのデータのバージョンが前記数学的モデルと比較され、エッチングを停止すべきかが決定される。
Ｔ３：「タイムアウト（time out）」であり、それ以前に制御部１０６から終了コマンドが発行されなかった場合に許される最大エッチング継続時間である。いくつかの実施例では、前記修正時間は、前記適合期間の全データ以下を用いて、適合期間に含まれると解される。

図４を参照すると、ステップ４００においてプラズマエッチングツール１０１がセル制御部１０４に、エッチングプロセスが開始したとのメッセージを送出する。制御部１０６もこのメッセージを受信し、Ｔ１で終了する修正時間が開始され、この間にＲＦセンサ１０３から受信されるデータは無視される。ステップ４０２において経過時間がＴ１と比較される。期間Ｔ１が経過するまで枝４０４からロジックフローがループバックする。経過時間がＴ１を越えたら、枝４０６に進む。ステップ４０８、４１２、４１４はループを構成しており、これは適合期間であって、ステップ４０８で制御部１０６がＲＦセンサ１０３からデータが受信され、ステップ４１２でデータが保存され、ステップ４１４で経過時間がＴ２と比較される。経過時間がＴ２以下であるうちはプロセスはステップ４０８からステップ４１４へと戻る。いくつかの実施例では、ＲＦセンサ１０３から受信される総てのデータがステップ４１２で保存される。別の実施例では、受信データセットの総てより少ないデータが保存される。この間（ステップ４１９まで）、データセットは、エッチングプロセスの数学的モデルを構築するのに用いるために、単純に保存される。

経過時間がＴ２を越えたら、ステップ４１９にて現在のウェハ用のモデルを対応（calibrate）させる。このモデルは時間関数であり、監視期間中どの特定の時点においても数値が求まる。ステップ４２１、４２４、４３０、４３８でなるループ中、制御部１０６がＲＦセンサ１０３から受信し続けるデータは、所望の終点条件が存在するかを決定する目的で数値が求められる。ステップ４２１にて、ＲＦセンサ１０３から新規データが受信され、メモリ内のテーブルに格納される。ステップ４２４にて、新規に受信したデータセットのテーブル（すなわち、時間Ｔ２以降に受信したデータセット）が現在時間の値を構成するよう処理され、これが同じ時点でのモデルの数値と比較され、エッチングを停止するか否かが判断される。現在時のデータテーブルのデータから作成した値とモデル（新規に受信したデータと同じ時点での数値）との差が、これら２つの「誤差」と呼ばれる。この誤差は制御部１０６のプログラムで誤差が所定の値を超えないかが検査され、ある実施例ではこれがエッチングを停止する知らせとなる。ステップ４２４でエッチングプロセスの終点条件が達成されていない場合（すなわち、誤差または誤差のバージョンが所定値を越えていない）、制御部１０６はステップ４３０で経過時間をＴ３と比較する。経過時間がＴ３より大きければ、制御部１０６はプラズマツール１０１にメッセージを出してチャンバ１０２の各プロセスを停止させることによりエッチングプロセスを停止する。経過時間がＴ３以下である場合、ステップ４２１に戻りプロセスを繰り返す。ステップ４２４にて、制御部１０６のプログラムが所定の終点条件を検出したら、ステップ４３４へ分岐し、制御部１０６からプラズマツール１０１にエッチングプロセスを停止するよう指示するメッセージが送出される。別の実施例ではＴ１が３０秒、Ｔ２が９０秒、Ｔ３が１６０秒であり、これらはすべてウェハのエッチング開始時間からで、修正時間を含んでいる。これらの期間は機器デザイン、プラズマの性質、エッチングする材料の厚みや種類、その他の要素により変更される。

ＲＦセンサ１０３はチャンバ１０２からのデータを取得し、定期的に電圧、電流、これらの間の位相角を報告する（ステップ４０８）。本発明にかかる方法は、これらのデータを用いて以下の式によりチャンバ１０２の瞬時リアクタンスを算出する：

ここで、ＶはＲＦ発振器３０２の基本周波数におけるＲＭＳ電圧であり、ＩはＲＦ発振器３０２の基本周波数におけるＲＭＳ電流であり、Φはこれらの間の位相角である。別の実施例では、リアクタンス値はＲＦセンサ１０３から制御部１０６に直接送られる。

修正期間の後、数学的モデルを作成するため、適合期間中のリアクタンス値が演算され後の利用のために保存される。本発明の一実施例では、適合期間からのリアクタンスの演算は、期間中のチャンバを示す指数曲線を決定するのに用いられる。この曲線は、現在エッチングされる特定のウェハの特性と、プラズマ処理チャンバ１０２内の現在の状況を反映している。本発明のいくつかの実施例では、プラズマ処理チャンバ１０２のリアクタンスの値はＲＦセンサ１０３から直接受信される。

チャンバの時間ｔ_ｉにおけるリアクタンスＸが「Ｘｔ_ｉ」で示される。適合期間全体のリアクタンスはその後、以下の式の指数曲線に適合される

すべてｔ_ｉ∈Ｔ_Ｆであり、Ａ、Ｂ、λは経験により求まる定数であり、Ｔ_Ｆは適合期間の長さである。

式２（［ＥＱ２］）の数値を求めるには、以下のλを解くことにより、適合期間Ｔ_Ｆの開始時、中間、終了時からのリアクタンス値を用いて最初にλの値を見積もり、これをλとする：

ここで「Ｂ」「Ｍ」「Ｅ」は期間Ｔ_Ｆ（Ｔ１＜Ｔ_Ｆ＜＝Ｔ２）のそれぞれ開始時、中間、終了時である。

これらのリアクタンス値を用いると、ニュートンラインサーチ（Newton line search）、テイラー級数展開、または１つの変数の非線形の実関数の他の解法を用いて式３のλを解く。

一実施例では、λの最良値をλの±１５％であるλ^＊と仮定する。λを変化させてλから１％増やすことにより残りのパラメータＡとＢの連続した線形回帰を演算し、式２のパラメータＡとＢのパラメータ値の総２乗誤差（total squared error，「ＴＳＥ」）を最小限とする。この様々なλの値において、線形回帰は以下に規定されるＴＳＥを最低限とすることからなる：

λのすべての値において、この線形回帰は、対応するＡとＢの値（Ａ^＊（λ）とＢ^＊（λ）とする）一定のＴＳＥ（ＴＳＥ^＊（λ）とする）で表される最小値を与え、ＴＳＥの一定の最小限を取得する。ＴＳＥ（Ａ^＊（λ）、Ｂ^＊（λ）、λ）の最小値を具えるλの値を選択する。このλの最良値を、λ^＊とする。次に、対応するＡとＢの値をこれら２つのパラメータの最良値として用い、これをＡ^＊とＢ^＊とし、ここでＡ^＊＝Ａ^＊（λ^＊）でＢ^＊＝Ｂ^＊（λ^＊）である。これでステップ４１９が完了する。

λ^＊、Ａ^＊、Ｂ^＊の値を用いると、残りのエッチング時間、すなわち監視期間において予期されるプラズマ処理チャンバのリアクタンスを予想することができる。ｔ_ｉ＞Ｔ２（換言すれば、適合期間の終了後）はいつでも、以下を用いて「誤差」ε_ｉを演算する。

ここで、Ｘ（ｔ_ｉ）は時間ｔ_ｉにおいて観測されたリアクタンスである。

誤差ε_ｉが有意（significant）であるかを決定しエッチングの終点を示すために、本発明の方法では、以下に表される「ノイズ補償ファクタ」を演算することにより、適合ウィンドウ（fitting window）で観測されるノイズレベルを考慮する：

ここでＮは適合ウィンドウ期間Ｔ_Ｆに用いるデータポイント数である。（監視期間における）測定されるリアクタンス値の誤差は、以下のように、モデルの拡張バージョンから離れた標準偏差として説明することができる（すなわち、ＲＦセンサ１０３から受信される最新データポイントの時点で数値を求める）：

さらなるデータのノイズ補償のために、以下を用いて算出するｙ_ｉの１０ポイント移動平均（ten-point moving average）を利用する：

制御部１０６は、｜ｙ _ｉ ｜が予め定められた最大値を超えた場合、例えば２より大きくなった場合に、終点通知を生成する。図５は、典型的なウェハについて時間に対するｙ_ｉ（データポイント）とｙ _ｉ （移動平均曲線）をプロットしたデータ例を示す。

当業者であれば、ここに示す特定の詳細は本発明を実践するのに必ずしも必要でないことを理解するであろう。例えば、終点の検出を｜ｙ _ｉ ｜が２以外の場合にも容易に本発明の教示を適用しうる。１０ポイント以外の移動平均を用いてもよく、また移動平均以外の別の数学的緩衝方法を用いてもよい。別のプラズマエッチング器具の経験により、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３の満足のいく異なる値を決定してもよい。本発明の教示は、特定の上述したものと同様に請求項にあるものや他の変形例に適用可能である。

図１は、関連する従来技術において、半導体ウェハプロセスに用いるプラズマエッチングシステムを含む主な要素間の接続を示す図である。 図２は、本発明の一実施例にかかる、プラズマエッチングシステムを含む主な要素間の接続を示す図である。 図３は、プラズマエッチングシステムのプラズマプロセスチャンバ内部の主な要素を示す図である。 図４Ａは、本発明の一実施例のロジックを示すフローチャートである。本発明の一実施例にかかる収集データのポイント誤差のバージョンと移動平均過程の一例を示す図である。 図４Ｂは、本発明の一実施例のロジックを示すフローチャートである。本発明の一実施例にかかる収集データのポイント誤差のバージョンと移動平均過程の一例を示す図である。 図５は、本発明の一実施例における収集データポイントの誤差とそれらの移動平均のバージョンの一例を示す図である。

Claims (16)

1. プラズマ処理チャンバの制御方法であって、前記プラズマ制御チャンバは、電極がガスプラズマを生成するよう駆動信号を供給するＲＦ発振器と、前記駆動信号の動作特性を検知するＲＦセンサとを具え、前記方法が：
   （１）前記プラズマ処理チャンバにプロセス開始を指示するステップと、
   （２）前記ＲＦセンサから複数のデータセットを受信するステップであって、各データセットは第１の期間中の前記駆動信号の動作特性に対応しており、データセットがそれぞれユニークな時点（time point）に対応するステップと、
   （３）前記ＲＦセンサから受信したデータセットとこれに対応する時点とを保存するステップと、
   （４）前記第１の期間中にＲＦセンサから受信されるデータセットの数学的モデルを演算するステップと、
   （５）第２の期間中にＲＦセンサから追加のデータセットを受信するステップと、
   （６）前記ＲＦセンサから受信した追加のデータセットとこれに対応する時点とを保存するステップと、
   （７）前記追加のデータセットに対応する時点の前記数学的モデルのバージョン（version）を計算するステップと、
   （８）前記追加のデータセットと、当該追加のデータセットの時点に対応する時点での前記数学的モデルのバージョンとの誤差を算出するステップと、
   （９）以下のいずれか１以上の条件が成立するかを判定するステップと：
   条件１：誤差が予め定められた値より大きい
   条件２：追加のデータセットの時点が、予め定められた最大時間より遅い
   （１０）前記条件１、２のいずれか１以上が成立する場合、前記プラズマ処理チャンバにプロセス停止を命令するステップと、
   （１１）前記条件１、２のいずれも成立しない場合、前記動作（５）からのプロセスを繰り返すステップと、を具えることを特徴とする方法。
2. 請求項１の方法において、前記第１の期間中に受信されるデータセットの総てより少ないデータセットを用いて前記数学的モデルを計算することを特徴とする方法。
3. 請求項１の方法において、各データセットが、ＲＦ発振器から前記プラズマ処理チャンバの電極へ供給されるＲＭＳ電圧の値を含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１の方法において、各データセットが、ＲＦ発振器から前記プラズマ処理チャンバの電極へ供給されるＲＭＳ電流の値を含むことを特徴とする方法。
5. 請求項１の方法において、各データセットが、ＲＦ発振器から前記プラズマ処理チャンバの電極へ供給されるＲＭＳ電圧とＲＭＳ電流間の位相角の値を含むことを特徴とする方法。
6. 請求項１の方法において、各データセットが、前記プラズマ処理チャンバの電気リアクタンスの値を含み、この電気リアクタンスの値はＲＣセンサから受信されることを特徴とする方法。
7. 請求項１の方法において、前記プラズマ処理チャンバの特性が各データセットから算出され、前記算出されたデータセットの特性は当該データセットの時点に対応することを特徴とする方法。
8. 請求項７の方法において、前記算出された特性は、前記プラズマ処理チャンバの瞬時の電気リアクタンスに関連することを特徴とする方法。
9. 請求項８の方法において、前記プラズマ処理チャンバの瞬時の電気リアクタンスは、リアクタンス＝（Ｖ＊ＳＩＮ（θ）／Ｉ）で算出され、ここでＶ、Ｉ、θはそれぞれ前記ＲＦ発振器によりプラズマ処理チャンバの電力に供給されるＲＭＳ電圧、ＲＭＳ電流、ＲＭＳ電圧とＲＭＳ電流間の角度であることを特徴とする方法。
10. 請求項１の方法において、前記数学的モデルは、前記第１の期間のデータセットを指数曲線に適合させることにより算出することを特徴とする方法。
11. 請求項１０の方法において、前記指数曲線は、Ｘ（ｔ_ｉ）＝Ａ＋Ｂｅ（ｅｘｐ（−λ＊ｔ_ｉ））の形をとり、ここでＸ（ｔ_ｉ）はプラズマ処理チャンバの瞬時のリアクタンス、Ａ、Ｂ、λは経験から導かれる定数、ｔ_ｉは現在のデータセットの時間であることを特徴とする方法。
12. 請求項１０の方法において、前記数学的モデルは前記第１の期間中のノイズ効果を低減させるべく変形されることを特徴とする方法。
13. 請求項１の方法において、前記条件１の予め定められた値は、前記誤差の標準偏差と比較されることを特徴とする方法。
14. 請求項１３の方法において、前記標準偏差は約２であることを特徴とする方法。
15. 請求項１の方法において、前記条件１の予め定められた値は、前記誤差の標準偏差の移動１０ポイント平均（sliding ten-point average）であることを特徴とする方法。
16. 請求項１５の方法において、前記標準偏差の移動１０ポイント平均は約２であることを特徴とする方法。

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