JP2011238957A - パルス広帯域光源を用いてプラズマエッチングおよび堆積プロセスをその場モニタリングするための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非分散光源を備えるプラズマエッチングまたは堆積プロセスのモニタリング方法および装置を提供する。
【解決手段】高瞬間出力パルスを提供して広いスペクトル幅を有するフラッシュランプ３５を用いて、薄膜の厚さとエッチング速度および堆積速度とをその場モニタリングするための干渉方法および装置。フラッシュランプとウエハで反射された光を検出するために使用される分光器４０との間の光路は、スペクトルの紫外領域を実質的に伝達可能である。膜厚とエッチング速度および堆積速度とは、ソフトウェアアルゴリズムによって計算される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板処理の分野に関し、特に、半導体基板のプラズマエッチングおよび堆積プロセスにおける材料の厚さと、エッチング速度および堆積速度と、のモニタリングに関する。

集積回路デバイスの製造では、必要なコンポーネントおよび相互接続を形成するために、基板上に種々の層（導体、半導体、不導体）が形成される。製造プロセスでは、種々のコンポーネントおよび相互接続を形成するために、特定の１つの層または複数の層の複数の部分が除去される。これは、通常、エッチングプロセスによって達成される。利用されるエッチング技術には、ウェットエッチングすなわち化学的エッチングと、ドライエッチングすなわちプラズマエッチングとが含まれる。後者の技術は、通常、エッチングされる材料の表面に衝突するプロセスガスからの反応化学種の生成に依存する。材料とこれらの化学種との間で化学反応が起こり、その後、ガス状の反応生成物が表面から除去される。

図１を参照すると、製造または生産プロセスで用いられるプラズマの生成は、通常、一般に１２のように設計されるプラズマリアクタのプラズマチャンバ１０に種々のプロセスガスを導入することで開始される。これらのガスは吸気口１３を介してチャンバ１０内に入り、排気口１５を介して外に出る。集積回路ウエハ等の加工物１４は、チャンバ１０内に配置され、ウエハホルダ１６上に保持される。リアクタ１２は、さらに、プラズマ密度生成メカニズム１８（例えば、誘導コイル）を含む。プラズマ誘導電源２０によって供給されるプラズマ誘導信号は、プラズマ密度生成メカニズム１８に与えられる。プラズマ誘導信号は、高周波信号であることが好ましい。セラミックや石英などの高周波放射を伝達可能な材料で作製された最上部分２２は、チャンバ１０の上部表面に組み込まれる。最上部分２２は、コイル１８からチャンバ１０内部への高周波放射の効率的な伝達を可能にする。次に、この高周波放射は、チャンバ内のガス分子を励起し、プラズマ２４を生成する。この技術で周知のように、生成されたプラズマ２４は、ウエハからの層のエッチングやウエハへの層の堆積において有用である。

すべてのエッチングおよび堆積プロセスにおいて考慮すべき重要な事項は、エッチング速度および堆積速度、膜厚等のプロセスパラメータを監視し、終点と呼ばれるプロセスを終了させる時刻を決定することである。プラズマエッチングおよび堆積プロセスを観察する一般的な方法には、分光法と干渉法とが含まれる。分光法は、プラズマチャンバ内の化学種を監視し、エッチングプロセス中に１つの膜層が取り除かれて下の膜が露出するときにプラズマ中に放出される化学種の濃度の変化を検知する。しかしながら、この方法は、下の膜が露出しないエッチングプロセスにおいては有効でない。例えば、ゲートエッチングプロセスでは、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコン層は薄い酸化物層の上に存在する。ポリシリコン層は、酸化物層にピッティングまたはパンチスルーを発生させずにエッチングで除去され、薄い酸化物層を残す必要がある。これを達成するためには、ポリシリコン層が除去される前の時点で、エッチングの化学的性質を変化させる必要がある。分光法は、浅いトレンチ絶縁および凹みエッチングプロセスにおいても有効ではない。

干渉法は、Ｓａｗｉｎらの米国特許第５，４５０，２０５号に開示されており、レーザ干渉法および発光干渉法を含む。レーザ干渉法において、入射レーザ光線は、ウエハと、プラズマチャンバのプラズマ等のチャンバ環境と、の界面に衝突する。反射光線はバンドパスフィルタを介してフォトダイオードに向かい、ここで干渉信号が時間の関数として記録される。バンドパスフィルタは、プラズマ発光がフォトダイオードに入射するのを禁止するとともに、反射レーザ光線がフォトダイオードに達することを許容する。

発光干渉法では、プラズマによって生成された光は、干渉法の光源として利用される。光は、レンズによってプラズマチャンバから集められ、バンドパスフィルタを介してフォトダイオードに達する。バンドパスフィルタは、干渉信号として使用される光の波長を定め、不要な波長の光を遮断して、プラズマ背景光がフォトダイオードに達するのを防止する。レーザ干渉法および発光干渉法の双方において、エッチング速度および膜厚は、干渉信号の隣接する最大値間または隣接する最小値間の時間を検出することによって容易に計算される。

干渉法における広帯域光源の使用も、この技術で広く知られている。Ｌｅｄｇｅｒの米国特許第５，２９１，２６９号では、薄膜層の厚さを測定するための装置が開示されており、この装置は分散多色光線を形成する分散光源を含んでいる。この光線はウエハの表面全体を照射し、ウエハで反射される。そして、反射された光線は、フィルタを通過して単色光線を形成し、検出器アレイに投射される。この単色光線は、検出器アレイで干渉縞パターン画像を表示する。このパターンは、基準反射率データと比較される測定反射率データのマップを生成し、ウエハの口径全体での薄膜層の厚さのマップを生成するために処理される。

プラズマを通る干渉計測を実施するためには、プラズマ発光の要素を干渉信号から取り除き、この結果、ウエハ上の薄膜構造をモデル化するために使用されるアルゴリズムにおけるこの要素の影響を低減させる必要がある。プラズマ発光の変動も、ウエハ上の膜のエッチング速度を決定するために使用されるモデルを混乱させる恐れがある。レーザ干渉法の使用により、プラズマ発光に対する感度は大幅に低減されるが、測定は単一の波長に制限される。発光干渉技術は、プラズマ発光自体に依存するため、発光の変動の影響を受けやすく、分析に利用可能な波長の範囲はプロセスの化学的性質によって変化する。分散広帯域光源を使用する方法は、分析にとって有効な波長の幅を提供するが、一般には、信号対ノイズ比が低い問題と干渉信号の強度が低い問題とが生じる。

したがって、プラズマ発光に対する検出器の感度を低減しつつ、広い波長範囲での測定、特に紫外領域のスペクトルでの測定を可能にするプラズマエッチングまたは堆積プロセスのモニタリング方法および装置を提供することが望ましい。集積回路製造において使用される材料は、一般に、紫外領域で反射され易く、さらに、短い波長を使用することにより、干渉信号の解像度が高くなり、膜厚測定の精度が向上する。

従来技術の紫外光源は、通常、分散光源であり、これらの光源からの光を効率的に結合させることは光学的に困難である。また、これらの光源は単色光源となる傾向がある。最後に、これらの光源は、通常、強度が比較的低いため、プラズマ発光の背景光の中で干渉信号を検出するのが難しくなる。

したがって、光学システムに効率的に結合される光を生成するための非分散光源を備えるプラズマエッチングまたは堆積プロセスのモニタリング方法および装置を提供することが望ましい。

さらに、広いスペクトル域と、高い強度と、高い信号対ノイズ比とを有する干渉信号を利用するプラズマエッチングまたは堆積プロセスのモニタリング方法および装置を提供することが望ましい。

最後に、従来技術の分散広帯域光源よりも寿命の長い光源を含むプラズマエッチングまたは堆積プロセスのモニタリング装置を提供することが望ましい。

本発明は、広いスペクトル幅を有する高瞬間出力パルスを提供するパルスフラッシュランプを用いて、薄膜の厚さとエッチング速度および堆積速度とをｉｎ−ｓｉｔｕ（その場）モニタリングするための干渉方法および装置を提供する。フラッシュランプとウエハで反射された光を検出するために使用される分光器との間の光路は、スペクトルの紫外領域を実質的に伝達可能であり、膜厚とエッチング速度および堆積速度とを計算可能なソフトウェアアルゴリズムにおいて、望ましい短波長を利用可能にする。

本発明の第１の態様によれば、この装置は、光源と、コリメータと、ウエハで反射された光の強度をモニタリングするための分光器等の光検出器と、分光器からの信号を処理して基板上の膜の厚さを評価するデータ処理要素と、を含む。ここで、分光器は、複数の検出器によって検出される複数の波長に光を分散可能である。光源は、好ましくは、分光器のデータ収集サイクルに同期する広帯域の光を射出するフラッシュランプである。データはフラッシュランプからの短い出力パルス中にのみ記録され、分光器の積分時間は低減される。処理プラズマから受ける背景光は積分時間に比例するため、プラズマ発光が分光器信号に与える影響の大部分は排除される。

本発明の第２の態様によれば、プラズマの強度はフラッシュランプがオフの間に記録され、検出された信号はフラッシュランプがオンの間に記録された信号から減算される。この実施形態では、プラズマ発光が測定に与える影響をさらに減少させる。

本発明の第３の態様によれば、分光器は、マルチチャネル分光器を備える。分光器のチャネルは、各パルスでのフラッシュランプ信号をモニタするために利用される。フラッシュランプ信号の変化は、この信号から除去され、干渉信号における変化を減少させる。

本発明は、同様の参照番号が同様の要素を示す添付図面と併せて、詳細な説明により容易に理解される。
従来技術のプラズマリアクタを示す概略図である。 本発明のモニタリングシステムを示すブロック図である。 本発明の光学関連図である。

本発明の上記およびその他の効果は、以下の説明を読み、図面のいくつかの図を検討することで当業者には明らかとなろう。
図２は、全体的に３０で指定された、複数の波長の照射を利用するシステムの複数の構成要素を示している。システム３０は、フラッシュランプ３５とトリガ付き電源３７とを有する照射モジュール３３を備える。システム３０は、さらに、マルチチャネル分光器４０と、アナログ−デジタル変換器４３と、シンクロナイザ＆バスインタフェース４５と、第１および第２のデータファイル４７，４９と、データ処理＆アルゴリズム展開ブロック５０と、を備える。光ファイバ６０は、フラッシュランプ３５および分光器４０を、プラズマチャンバの外部に配置された光線形成モジュール７０に光学的に結合する。このシステム３０は、以下で説明するように、プラズマチャンバ内に配置されたウエハ上の膜の厚さを計算するために使用される。

フラッシュランプ３５は、約２００ｎｍ〜約２ミクロンの範囲の広帯域光を生成する。光ファイバ６０は、フラッシュランプ３５からの広帯域光を、プラズマチャンバの外部に配置された光線形成モジュール７０に伝達する。光線形成モジュール７０は、コリメータ７２（図３）を含む。コリメータ７２は、広帯域光の直径を変化させ、ほぼ平行な光線をウエハ７４上でその表面にほぼ垂直にコリメートする。コリメータ７２は、単一あるいは複数のレンズ、すなわち、顕微鏡対物レンズを含む。コリメータ７２は、さらに、反射光を光ファイバ６０上で再び合焦状態とする。

広帯域光線がウエハ７４を照射するとき、ウエハ７４は広帯域光線の一部を反射する。分光器４０は、反射光のスペクトルを測定し、反射率のスペクトルを表すアナログ信号を生成する。アナログ−デジタル変換器４３は、アナログ信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号をシンクロナイザ＆バスインタフェース４５に送る。

シンクロナイザ＆バスインタフェース４５は、光源３５を作動させて光線を生成し、予め決定された時間間隔でウエハ７４からの反射光線のスペクトルを分光器４０に検出させることができる。シンクロナイザ＆バスインタフェース４５は、さらに、ウエハ７４がフラッシュランプ３５によって照射されていないときに、ウエハ７４で反射されるプラズマ発光のスペクトルを分光器に検出させることができる。

シンクロナイザ＆バスインタフェース４５は、３種類の機能を調整する。第一に、周期的なトリガを電源３７に送り、分光器４０のデータ収集サイクルと同期してウエハ７４を照射する広帯域光パルスをフラッシュランプ３５に生成させる。第二に、シンクロナイザ＆バスインタフェース４５は、アナログ−デジタル変換器４３からのデジタル信号を第１のデータファイル４７に記録する。第三に、シンクロナイザ＆バスインタフェース４５は、ウエハ７４が照射されていないときに、アナログ−デジタル変換器４３からの第２のデジタル信号を第２のデータファイル４９に記録する。

第１および第２のデータファイル４７，４９に格納された情報は、データ処理＆アルゴリズム展開ブロック５０において使用される。本発明の第１の態様によれば、ブロック５０は、第１のデータファイル４７に格納された情報を用いて、ウエハ７４上の膜の厚さと、エッチング速度または堆積速度と、を計算する。検出されたスペクトル反射関数、特にその複数の最小値および複数の最大値のコンピュータ分析により、膜厚と、エッチング速度または堆積速度と、が提供される。このデータから、プロセスの終点も容易に計算される。

本発明の第２の態様によれば、ブロック５０は、第２のデータファイル４９に格納された情報を用いて、照射干渉信号からプラズマ発光信号を減算する。そして、ブロック５０は、この情報と第１のデータファイル４７に格納された情報とを用いて、ウエハ７４上の膜の厚さと、エッチング速度または堆積速度と、を計算する。

本発明の第３の態様によれば、フラッシュランプ３５によって生成されたパルスの強度は、光ファイバ６２を使って、分光器４０により検知される。例えば、フラッシュランプ３５のエージング等によって発生するパルス強度の変化に関する情報は、第３のデータファイル（図示せず）に格納される。ブロック５０は、第３のデータファイルに格納された情報を用いて、パルス強度の変化に関して、第１のデータファイル４７の情報を正規化する。そして、ブロック５０は、この正規化された情報と第１のデータファイル４７に格納された情報とを用いて、ウエハ７４上の膜の厚さと、エッチング速度または堆積速度と、を計算する。

好適な実施形態のフラッシュランプ３５は、好ましくは、本発明の光学システムとの効率的な結合のために、点光源に非常に近い小型のアークサイズを有するキセノンフラッシュランプである。有利なことに、このキセノンフラッシュランプは、短期間（１マイクロ秒台）の高エネルギパルスを提供する。したがって、分光器４０の積分時間を短縮することが可能であり、プラズマ発光が干渉信号に与える影響の大部分が排除される。また、ウエハ７４に伝達される平均エネルギは低い。さらに、パルス光源を使用することによって、光源の寿命を延ばすことができる。

本発明の方法および装置は、好ましくは、紫外光を実質的に伝達するシステムで使用される。紫外光を伝達する光学ビューイングウィンドウおよびコリメータは、この技術において周知であり、その特性とプラズマチャンバでの配置とについては詳しく説明しない。

本明細書では本発明のいくつかの実施形態のみを詳細に説明してきたが、本発明の趣旨または範囲から離れることなく、本発明は他の多くの具体的な形態で実施し得ると理解されるべきである。したがって、本明細書の例および実施形態は、制限的ではなく例示的なものと做されるべきであり、本発明は本明細書で述べた詳細に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で変形可能である。

Claims (31)

1. ウエハのプラズマエッチングプロセス中にプロセスパラメータを決定するためのプロセスモニタであって、
   広帯域の光を射出するフラッシュランプと、
   前記ウエハで反射された光に応答する分光器と、
   前記分光器からの第１の信号であって、前記ウエハで反射された射出光量を表す前記第１の信号を処理し、プロセスパラメータを決定するためのデータ処理要素と、
   を備えるプロセスモニタ。
2. 請求項１記載のプロセスモニタであって、さらに、
   前記射出光をコリメート可能な光線形成モジュールを備える、プロセスモニタ。
3. 請求項２記載のプロセスモニタであって、
   前記コリメート光は、前記ウエハに垂直に入射する、プロセスモニタ。
4. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
   分光器の積分期間は、前記フラッシュランプと同期する、プロセスモニタ。
5. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
   前記フラッシュランプが広帯域の光を射出していない期間中に前記ウエハで反射された光量を表す第２の信号は、前記データ処理要素によって処理され、プロセスパラメータを決定するために前記第１の信号から減算される、プロセスモニタ。
6. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
   前記射出光の強度を表す第３の信号は、前記第１の信号を正規化するために前記データ処理要素によって処理される、プロセスモニタ。
7. 請求項６記載のプロセスモニタであって、
   前記正規化された第１の信号は、前記プロセスパラメータを決定するために前記データ処理要素によって処理される、プロセスモニタ。
8. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
   前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層の厚さを含む、プロセスモニタ。
9. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
   前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層のエッチング速度を含む、プロセスモニタ。
10. 請求項１記載のプロセスモニタであって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、プロセスの終点を含む、プロセスモニタ。
11. ウエハのプラズマ堆積プロセス中にプロセスパラメータを決定するためのプロセスモニタであって、
    広帯域の光を射出するフラッシュランプと、
    前記ウエハで反射された光に応答する分光器と、
    前記分光器からの第１の信号であって、前記ウエハで反射された射出光量を表す前記第１の信号を処理し、プロセスパラメータを決定するためのデータ処理要素と、
    を備えるプロセスモニタ。
12. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、さらに、
    前記射出光をコリメート可能な光線形成モジュールを備える、プロセスモニタ。
13. 請求項１２記載のプロセスモニタであって、
    前記コリメート光は、前記ウエハに垂直に入射する、プロセスモニタ。
14. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    分光器の積分期間は、前記フラッシュランプと同期する、プロセスモニタ。
15. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    前記フラッシュランプが広帯域の光を射出していない期間中に前記ウエハで反射された光量を表す第２の信号は、前記データ処理要素によって処理され、プロセスパラメータを決定するために前記第１の信号から減算される、プロセスモニタ。
16. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    前記射出光の強度を表す第３の信号は、前記第１の信号を正規化するために前記データ処理要素によって処理される、プロセスモニタ。
17. 請求項１６記載のプロセスモニタであって、
    前記正規化された第１の信号は、前記プロセスパラメータを決定するために前記データ処理要素によって処理される、プロセスモニタ。
18. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層の厚さを含む、プロセスモニタ。
19. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層の堆積速度を含む、プロセスモニタ。
20. 請求項１１記載のプロセスモニタであって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、プロセスの終点を含む、プロセスモニタ。
21. ウエハのプラズマプロセス中にプロセスをモニタリングし、プロセスパラメータを決定するための方法であって、
    広帯域の光を射出するフラッシュランプを準備する工程と、
    前記ウエハで反射された光に応答する分光器を準備する工程と、
    前記分光器からの第１の信号であって、前記ウエハで反射された射出光量を表す前記第１の信号を処理し、プロセスパラメータを決定するためのデータ処理要素を準備する工程と、
    を含む方法。
22. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、さらに、
    前記射出光をコリメート可能な光線形成モジュールを準備する工程を含む、プロセスモニタリング方法。
23. 請求項２２記載のプロセスモニタリング方法であって、
    前記コリメート光は、前記ウエハに垂直に入射する、プロセスモニタリング方法。
24. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、さらに、
    分光器の積分期間を前記フラッシュランプに同期させる工程を含む、プロセスモニタリング方法。
25. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、さらに、
    前記フラッシュランプが広帯域の光を射出していない期間中に前記ウエハで反射された光量を表す第２の信号を処理する工程と、
    プロセスパラメータを決定するために前記処理済みの第２の信号を減算する工程と、
    を含む、プロセスモニタリング方法。
26. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、さらに、
    前記第１の信号を正規化するために、前記射出光の強度を表す第３の信号を処理する工程を含む、プロセスモニタリング方法。
27. 請求項２６記載のプロセスモニタリング方法であって、さらに、
    前記プロセスパラメータを決定するために、前記正規化された第１の信号を処理する工程を含む、プロセスモニタリング方法。
28. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層の厚さを含む、プロセスモニタリング方法。
29. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層のエッチング速度を含む、プロセスモニタリング方法。
30. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、前記ウエハ上の層の堆積速度を含む、プロセスモニタリング方法。
31. 請求項２１記載のプロセスモニタリング方法であって、
    前記プロセスパラメータは、さらに、プロセスの終点を含む、プロセスモニタリング方法。

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