JP2020515063A - エッチングメトリックを向上させるための表面改質制御 - Google Patents
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Abstract
基板に形成した層をプラズマで表面改質するプロセスを監視し制御する方法を開示する。方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、層の表面改質プロセスの間に、プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程とを含む。一実施形態では、方法は、獲得した光放射スペクトルに基づいて表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を含む。一実施形態では、獲得した光放射スペクトルは、スペクトル線の強度、スペクトル線の勾配、又は両方を含み得るものであり、表面改質プロセスの終点制御を可能にする。追加の方法及び関連するシステムについても開示する。
Description
本願は、以下の同時係属中の仮出願、２０１７年３月１７日に提出された「ＳＵＲＦＡＣＥ ＭＯＤＩＦＩＣＡＴＩＯＮ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ ＥＴＣＨ ＭＥＴＲＩＣ ＥＮＨＡＮＣＥＭＥＮＴ」という名称の米国仮特許出願第６２／４７３，１９３号明細書の優先権を主張するものであり、その全体が参照によってここに含まれる。
プラズマドライエッチングプロセスのエッチング終点を決定するために、発光分光（ＯＥＳ）スペクトルが使用されてきた。例えば、エッチングプロセスが異なる成分材料を有する第１の材料層を通り抜け第２の材料層に入ると、ＯＥＳスペクトル成分に急激な変化が見られ得ることが多い。この急激な変化は、エッチング終点の指針として使用し得る。適切なエッチング終点を特定することは、エッチングプロセス中に停止層内で起こるエッチングの量を制御するのに役立つ。しかし、エッチングプロセスは、より精密な終点制御をもってしてもなお、エッチングプロセス中に形成されたパターンフィーチャの線幅、線縁、限界寸法（ＣＤ）において望ましくないばらつきをもたらし得る。それぞれその全体が参照によってここに含まれる米国特許第５，９８０，７６７号明細書、米国特許第６，６７７，６０４号明細書、米国特許出願公開第２００５／０１７３３７５号明細書に、ＯＥＳシステム及びＯＥＳ方法の例が説明されている。
図１Ａ（従来技術）は、例えばＯＥＳ終点制御を用いるエッチングプロセスを含む製造プロセスの一例の実施形態１００のフローチャートである。ブロック１０２において、マイクロ電子ワークピース用の基板にレジスト（例えば、フォトレジスト）層を形成し、基板は事前に形成した１つ以上の層及び／又は構造を含み得る。ブロック１０４において、レジスト層に、標準のプロセスパラメータを用いて前処理プロセスを施す。前処理は、例えば、上部電極ＤＣ重畳（ＤＣＳ）電圧の印加を利用した電子ビーム（ｅビーム）レジスト表面改質前処理を含み得る。ブロック１０６において、例えばＯＥＳ終点制御を用いて、エッチングプロセスを実施しパターン構造を作成する。このエッチングプロセスは、一部において、パターン構造を形成するためのレジスト層を用いる。その全体が参照によってここに含まれる米国特許第２０１５／０１６０５５７号明細書に、ＤＣＳ前処理を利用するシステム及び方法の例が説明されている。
図１Ｂ（従来技術）は、マイクロ電子ワークピース用の基板１５２に図１Ａ（従来技術）のステップを用いて形成された線構造１５４を含むパターン構造の一例の実施形態１５０である。線構造１５４は、１つ以上の層を含む。線構造１５４間のばらつきは、基板１５２に対して形成されるマイクロ電子デバイスに後続の問題をもたらし得る。これらのばらつきには、線構造１５４間のトレンチの底面１５６におけるＣＤばらつき、線構造１５４の幅１５８についての線幅のばらつき、線構造１５４の縁部１６０についての線縁のばらつきが含まれる。ＣＤばらつき、線幅粗さ（ＬＷＲ）、及び線縁粗さ（ＬＥＲ） は、エッチングプロセス及び／又は他の表面改質プロセスの成功を評価するのに用いられることの多いパラメータである。典型では、マイクロ電子ワークピース用の基板内に形成されたパターン構造内のＣＤばらつき、ＬＥＲ、ＬＷＲを低減させることが望ましい。他のエッチングメトリックについても、エッチングプロセスについて監視され、及び／又は測定され得る。
基板に形成した層をプラズマにより表面改質するプロセスを監視し制御する方法を開示する。方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ、基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、層の表面改質プロセスの間に、プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程とを含む。一実施形態では、方法は又、獲得した光放射スペクトルに基づいて表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程をも含む。一実施形態では、獲得した光放射スペクトルには、スペクトル線強度、スペクトル線勾配、又は両方が含み得る。追加の方法及び関連するシステムについても開示する。
ここに説明したように、統合された一連のエッチング中の様々な時点で適用され得るフォトレジスト（例えば、レジスト）表面改質ステップの発光分光（ＯＥＳ）スペクトルは、後続のウエハ間のエッチング均一性を成し系統的に制御するための事後エッチングメトリックと相関関係にあり、ＯＥＳ終点制御の実行可能性及び適用を決定するものであった。この概念は、レジスト前処理表面改質ステップ又はハードニングステップ、又はハードマスクのドライエッチングを開始する前の残留物除去のためのカス除去ステップでさえも含む広範囲のプラズマベースのドライエッチングプロセス又は堆積プロセスに適用するのに十分に包括的なものである。又、プロセスは、例えば、ナノ結晶ハードマスク及びスピンオンプロセス及び薄膜堆積プロセスによって適用される誘電体など、ほかの材料で作られた層の表面改質プロセスに適用可能である。
以下にさらに説明し要約するように、バックエンドオブライン（ＢＥＯＬ）トレンチウエハを用いるエッチングチャンバで概念を実証し、実行し製造するのに新しい最もよく知られる方法（ＢＫＭ）を生み出すことに成功した。これにより、このアプローチは、所望のエッチングメトリックを達成するためにプラズマについてバイアスを生じさせるための上部電極ＤＣ重畳電圧（例えば、ＤＣＳ電圧）の印加を利用した電子ビーム（ｅビーム）レジスト表面改質前処理を制御可能に適用するハードウェア機能を提供するものである。フォトレジストは、Ｃ−Ｈ分子を主成分とすることが多く、反応性ガス暴露と組み合わせた電子ビーム露光は、ＣＨ架橋結合を誘発させ、ＣＨ結合密度が表面で増大するために材料をハードニングさせて高いエッチング耐性につなげる。さらに、特にＣＨガス強度の追跡を含む、原位置でのＯＥＳ終点レジスト表面改質制御は、所望のエッチングメトリックを改善するのにあまり直接的でなくより時間のかかる、域外で事後エッチングメトリック−レジスト特性変化を相関させる業界標準と対比して、ＣＤ調整及び進歩的なパターニング方法に適用可能であると思われる。他の変形例についても、ここに説明した技術をなお利用して実行可能である。
様々な実施形態が実行可能であり、異なるフィーチャ及び変形例が採用可能である。
一実施形態では、基板に形成した層をプラズマにより表面改質するプロセスを監視し制御する方法を開示し、方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、層の表面改質プロセスの間に、プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程とを含む。
追加の実施形態では、プラズマ処理システムはプラズマエッチングシステムであり、表面改質プロセスを１つ以上のエッチングプロセスの前か又は後に行う。さらなる実施形態では、プラズマ処理システムは堆積機能及び／又はエッチング機能のあるプラズマシステムであり、改質プロセスを１つ以上のエッチングプロセス又は堆積プロセスの前か又は後に行う。
追加の実施形態では、獲得した光放射スペクトルからのデータを、表面改質プロセスの終点を定めるために用いる。さらなる実施形態では、方法は又、光放射スペクトルに基づいて定めた終点時間で表面改質プロセスを停止する工程をも含む。終点の一例は、表面改質プロセスに総合的に関連した、スペクトルの最初の急上昇後の代表的な波長の強度の水平化であり得る。
追加の実施形態では、獲得した光放射スペクトルからのデータは、スペクトル線強度、スペクトル線勾配、又は両方を含む。さらなる実施形態では、スペクトル線は、Ｎ、Ａｒ、Ｂｒ、ＣＨ、Ｃ、ＣＮ、Ｏ、ＳｉＦ、ＳｉＮ、ＣＯ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＦからなるグループから選択した化学元素又は化合物に相当するスペクトル線である。別のさらなる実施形態では、スペクトル線は、Ｎ、Ａｒ、Ｂｒ、ＣＨ、Ｃ、ＣＮ、Ｏ、ＳｉＦ、ＳｉＮ、ＣＯ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＦのうち１つ以上を含む化学元素又は化合物に相当するスペクトル線である。
追加の実施形態では、方法は、獲得した光放射スペクトルに基づいて表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程をも含む。さらなる実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを、プラズマ処理チャンバに供給されたＲＦ又はマイクロ波電力、ＲＦ又はマイクロ波電力パルス周波数、ＲＦ又はマイクロ波パルスデューティーサイクル、基板温度、プラズマ処理チャンバ内の基板ホルダに供給されたＲＦ電力、基板ホルダのＤＣバイアス、基板ホルダの近くに配された少なくとも１つの電極に供給されたＤＣバイアス電圧、ガス流量、ガス圧、表面改質ガス流、表面改質ガス圧、及び表面改質プロセスの継続時間からなるグループから選択する。別のさらなる実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータは、プラズマ処理チャンバに供給されるＲＦ又はマイクロ波電力、ＲＦ又はマイクロ波電力パルス周波数、ＲＦ又はマイクロ波パルスデューティーサイクル、基板温度、プラズマ処理チャンバ内の基板ホルダに供給されるＲＦ電力、基板ホルダのＤＣバイアス、基板ホルダの近くに配された少なくとも１つの電極に供給されるＤＣバイアス電圧、ガス流量、ガス圧、表面改質ガス流、表面改質ガス圧、及び表面改質プロセスの継続時間のうち１つ以上を含む。
又さらなる実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、表面改質プロセスの継続時間を最小限に抑えるために実行する。別の実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、表面改質プロセスに続くプラズマエッチングプロセス又は堆積プロセスの間に形成するパターンの物理的特性又は幾何学的特徴又は両方を改善するために実行する。さらなる実施形態では、物理的特性は濃度又はウェットエッチング耐性のうち少なくとも１つを含み、幾何学的特徴は線幅粗さ（ＬＷＲ）又は線縁粗さ（ＬＥＲ）のうち少なくとも１つを含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、表面改質プロセスに続くエッチングプロセス又は堆積プロセスの間に形成するパターンの均一性メトリックを最大限にするために実行する。さらなる実施形態では、均一性メトリックを、限界寸法（ＣＤ）均一性、側壁角度（ＳＷＡ）均一性、及びトレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）からなるグループから選択する。別のさらなる実施形態では、均一性メトリックは、限界寸法（ＣＤ）均一性、側壁角度（ＳＷＡ） 均一性、及びトレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）のうち１つ以上を含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、後に処理する製造基板又は後に処理する多数の製造基板のエッチングプロセスの間に形成するパターンの均一性メトリックを最大限にするために実行する。
追加の実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、表面改質プロセスを受ける材料の物理的特性、幾何学的特性、電気的特性、化学的特性、又は機械的特性を変更するために実行する。さらなる実施形態では、特性を、エッチング幅限界寸法（ＣＤ）、たわみ、傾斜、ねじれ、エッチング選択性、側壁角度（ＳＷＡ）、エッチング深さ、表面被覆率、段差被覆率、層厚さ、層密度、層組成、層平滑性、及び層硬度からなるグループから選択する。別のさらなる実施形態では、特性は、エッチング幅限界寸法（ＣＤ）、たわみ、傾斜、ねじれ、エッチング選択性、側壁角度（ＳＷＡ）、エッチング深さ、表面被覆率、段差被覆率、層厚さ、層密度、層組成、層平滑性、及び層硬度のうち１つ以上を含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を、後に処理する製造基板又は後に処理する多数の製造基板における層の物理的特性、幾何学的特性、電気的特性、又は機械的特性を変更するために実行する。さらなる実施形態では、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程を原位置で実行する。
追加の実施形態では、表面改質ガスは、水素、臭化水素、窒素、炭素、塩素、フッ素、硫黄、アルゴン、ヘリウム、酸素、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせを含む。さらなる実施形態では、基板に形成した層は、フォトレジスト、スピンオン誘電物質、原子蒸着誘電物質又は化学蒸着誘電物質、低ｋ誘電物質、高ｋ誘電物質、導電性物質、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせからなるグループから選択した物質を含む。別のさらなる実施形態では、基板に形成した層は、フォトレジスト、スピンオン誘電物質、原子蒸着誘電物質又は化学蒸着誘電物質、低ｋ誘電物質、高ｋ誘電物質、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせのうち１つ以上を含む物質を含む。
追加の実施形態では、基板に形成した層は化学増幅レジスト（ＣＡＲ）を含み、方法は、ＣＡＲのパターン崩壊の可能性を低減させるために、獲得した光放射スペクトルに基づいて表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程をも含む。さらなる実施形態では、ＣＡＲは、ＡｒＦベースのドライレジスト又は浸漬レジストを含む。
追加の実施形態では、基板に形成した層は、極紫外（ＥＵＶ）フォトリソグラフィと併せて利用したレジストを含む。さらなる実施形態では、ＥＵＶレジストは、金属製ハードマスク（ＭＨＭ）層、ナノ結晶金属酸化物ＭＨＭ層、及びこれらの層の組み合わせを含むＭＨＭ積層体を含むグループから選択した物質を含む。別のさらなる実施形態では、ＥＵＶレジストは、金属製ハードマスク（ＭＨＭ）層、ナノ結晶金属酸化物ＭＨＭ層、及びこれらの層の組み合わせを含むＭＨＭ積層体のうち１つ以上を含む物質を含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスは、電子ビーム露光表面改質プロセスを含む。さらなる実施形態では、電子ビーム露光表面改質プロセスは、プラズマ処理チャンバ内の電極に直流（ＤＣ）重畳電圧を印加することを含む。別のさらなる実施形態では、基板に形成した層はレジスト層を含み、電子ビーム露光表面改質プロセスはレジスト層のキュアリング又はハードニングを促進する。又さらなる実施形態では、層の体積が層に対して変更されるように、ｅビーム電圧を露光時間とともに増大させる。
追加の実施形態では、表面改質プロセスは、表面ハードニングステップ、基板に形成した層のキュアリング、又は残留物除去のためのカス除去ステップのうち少なくとも１つを含む。
一実施形態では、データ処理システムにプラズマ加工用具における表面改質プロセスを監視し制御する方法を実行させる格納された指示を有する固定機械アクセス可能な記憶媒体を開示し、方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、層の表面改質プロセスの間に、プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程とを含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスは、電子ビーム又は紫外線ベースの露光表面改質プロセスを含む。さらなる実施形態では、基板に形成した層は、レジスト、ライナ、ハードマスク、導電材料、分離材料又は間隙充填材料等のうち少なくとも１つを含むマイクロ電子デバイス層を含み、電子ビーム露光表面改質プロセスがレジスト層のキュアリング又はハードニングを促進する。
一実施形態では、プラズマ処理用具において表面改質プロセスを監視し制御する方法を開示し、方法は、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、表面改質プロセスの間に監視システムを用いてプラズマ処理チャンバのプラズマを監視する工程とを含む。この方法について、監視システムは、発光分光、レーザ誘起蛍光、レーザ干渉法、レーザ分光、質量分析、ラマン分光、残留ガス分析器 （ＲＧＡ）、又はフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）システムのうち少なくとも１つを含む。
追加の実施形態では、表面改質プロセスは、電子ビーム露光表面改質プロセスを含む。さらなる実施形態では、基板に形成した層はレジスト層を含み、電子ビーム露光表面改質プロセスはレジスト層のキュアリング又はハードニングを促進する。
本発明のより完全な理解及びその利益は、以下の説明を添付の図面と併せて参照することにより得られ得るものであり、同様の参照符号は同様の特徴を示す。しかし、添付の図面は、開示した概念の単に例示的な実施形態を表すものであり、このため、開示の概念について、範囲の限定を考慮するものではなく、他の同様の効果のある実施形態を認め得ることに留意が必要である。
基板に形成した層をプラズマにより表面改質するプロセスを監視し制御する方法を開示する。方法は、表面改質ガスをプラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに流入させる工程と、プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ、基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、層の表面改質プロセスの間にプラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程とを含む。一実施形態では、方法は又、獲得した光放射スペクトルに基づいて表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更することをも含む。一実施形態では、獲得した光放射スペクトルは、スペクトル線の強度、スペクトル線の勾配、又はその両方を含み得る。表面改質プロセスは、１つ以上の被改質層の高密度電子露光又は紫外線ベースの処理を含み得る。追加の方法及び関連するシステムも開示する。
以下にさらに説明するように、半導体ウエハにトレンチフィーチャをドライエッチングする前の発光分光（ＯＥＳ）を用いたフォトレジスト前処理の最適化を、全エッチングプロセスから得た主要なメトリックを改善するために実行した。主要なメトリックには、限定しないが、トレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）、線幅粗さ（ＬＷＲ）、線縁粗さ（ＬＥＲ）、外形のたわみ、外形形状／側壁角度（ＳＷＡ）、選択性、及びエッチング外形幅限界寸法（ＣＤ）が含まれる。ＯＥＳは、ドライエッチング前処理ステップの間、原位置でレジスト相変態、表面改質、組成変化、及び表面ハードニング効果を監視し、１つ以上の元素及び／又は化合物に関連した特定の波長に対して理想的又は有益な特徴を決定するための判断材料として使用した。このようにして、ＯＥＳ監視及び終点制御が、エッチング／堆積プロセスについてのメトリックを最適化するために表面改質プロセス又は前処理プロセスに適用し得ることが見出された。さらに、レジストの表面平滑性及びエッチング耐性を実質的に改善する処理パラメータは非常に限られており、理想的なキュアリング条件を代替のレジストタイプ又は構造組成に転用できないことが多い。このため、レジストキュアリング条件及び究極には終点制御をＯＥＳベースで最適化する必要性が高まっている。定める終点は、改質プロセスによる特定の波長の勾配又は特異的勾配に関連し得る。結果として、処理プロセスのＯＥＳ監視はリアルタイムフィードバックで学習プロセスを加速させ、理想的なキュアリング条件を整える。
以下により詳細に説明した一実施形態では、プロセス時間が５秒のみのレジスト表面改質／ハードニングステップを有する既存の２０秒トレンチプロセスオブレコード（ＰＯＲ）処方に前処理ステップを追加し、これによりレジスト表面改質のないＰＯＲよりも線幅粗さ（ＬＷＲ）が３０％改善し、ＴＤＵ均一性が５２％改善したと同時に、他のすべてのエッチングパターンの項目を上回るか又は本質的に満たした。ｅビーム露光表面改質ステップの間に、レジスト表面改質効果がより早く完了したことを（より平滑な改質層が形成されたことを）示すＯＥＳ信号応答があったため、ｅビーム又はＤＣＳ上部電極電圧及びレジスト表面改質時間の低減をプロセス処方で実行した。表面改質時間を追加すると、レジストが損失し、レジスト表面がより粗くなり、それぞれ、ＣＤを広げ、ＬＷＲを高めることになった。レジスト損失及び粗さ及び／又はＬＷＲの増大の程度が高い処方と、ＬＷＲが低減しＣＤの増大（レジスト損失）が低減した処方条件との間で評価されたすべての波長について、明らかに異なりかつ一貫したＯＥＳ応答が見出され、これらのＯＥＳ応答は、次に、マイクロ電子デバイスの適用に望ましい、エッチング外形のメトリックを改善するレジストの平滑化につながった。しかし、より高い電子ビームエネルギーを生み出すより高いｅビーム電圧を印加すると、被改質材料内に電子を深く侵入させる可能性があることに言及しておく必要がある。このため、露光時間がＫｅＶビームエネルギーについて長くなると、膜の全体積が変化し、単なる表面処理を超えてこの技術を拡大することになると思われる。
ＯＥＳ終点制御は又、結果として得られた理想的又は改善された側壁角度／外形、ＣＤ、ＬＷＲ、及びＴＤＵについてレジスト表面改質／ハードニング改質ステップを自動化するためにも実行可能である。これらの理想的又は改善されたメトリックは、明らかに異なるＯＥＳ波長応答（ＣＨ強度レベル及び勾配）によって示されるＮ２／Ｈ２の高電圧ｅビームへの過剰露光によるレジスト分解を防ぎつつもなお、達成可能である。ＯＥＳは、典型では、ハードマスク及びこれに続く下層を貫通する本来のエッチングステップのみに用いられる。対照的に、開示の実施形態は、フォトレジスト表面改質プロセス制御の最適化を加速させるため、及び／又はｅビーム露光表面改質ステップを自動化させるために、ＯＥＳを用いるものであり、特定のレジスト表面改質効果及び結果としてその後に得られる後続のより理想的なエッチングメトリックを得るためのものである。この概念は又、改質ステップの確定的な終点に基づき、プロセス処理能力及び最終的にはウエハ製造サイクル時間を改善するものでもある。さらにこれは、フォトレジストのカス除去など、いかなるタイプの事前エッチング処理又は事後エッチング処理又は堆積処理の表面改質ステップにも適用可能でもあり、又はハードマスクなどの代替材料、絶縁目的の誘電体、又は拡散バリア層の高密度化に適用可能でもある。
追加の実施形態では、ＯＥＳに加えて他の技術が、独立して、及び／又は、原位置でのフーリエ変換赤外分光法（ＦＴＩＲ）、ラマン分光法（例えば、システム内で観察中の振動状態、回転状態、及び他の低周波数状態）、残留ガス分析器（ＲＧＡ）分光測定法、及び／又は材料キュアリングステップ中に発生する副産物を相互参照するための他の分光測定技術を含めて相関させた方法で、適用可能である。キュアリングに続くエッチングステップのＯＥＳ監視についても、特定のレジストエッチング副産物に相互に関連するレジストエッチング耐性又はレジストエッチング選択性に関する表面改質処理の有効性を測定するために、監視され得る。パターニング（例えば、マルチパターニング用のパターニングされたフォトレジストに形成されたＡＬＤスペーサ）用の原子層堆積（ＡＬＤ）システム及び化学蒸着（ＣＶＤ）システムを含む堆積システムなど、ドライエッチング以外の他のタイプのプラズマベースチャンバ内のウエハから発生した前処理ステップ副産物又は後処理ステップ副産物のＯＥＳ監視についても、スペクトル特徴を、結果として得られる所望の事後プロセスメトリックと相互に関連させるために使用可能である。理想的又は所望のスペクトル特徴が一度特定されると、ＯＥＳベースの終点についても適用される。
さらなる実施形態では、ここに説明したＯＥＳ監視技術も、多くの追加の利点を提供し得る。例えば、ここに説明したＯＥＳ監視は、レジストキュアリングプロセスの自動化されＯＥＳ制御された前処理及び／又は基板上の他の下層材料の他の前処理プロセス又は後処理プロセスを提供するために使用可能である。キュアリング処理のＯＥＳ監視は又、特に極紫外（ＥＵＶ）フォトリソグラフィの場合、浸漬又はドライのＡｒＦベースのレジストなど、伝統的な化学増幅レジスト（ＣＡＲ）のパターン倒れをなくすためにも使用可能である。
又さらなる実施形態では、開示の実施形態で提供したＯＥＳ監視は、最先端のデバイスパターニングにおいて、より高いコストの有機金属ＥＵＶレジストの代わりに、より低いコストでより多くの従来のレジスト（例えば、ＡｒＦレジスト）の使用も可能にする。例えば、酸化スズ、酸化チタン、酸化ジルコニウム、及び／又は他の金属酸化物のレジストなどの金属酸化物レジストは、この技術によって改質可能である。又、ここに提供したＯＥＳ監視は、ＥＵＶ露光中のフォトリソグラフィパターニングにおける線縁粗さ（ＬＥＲ）に対する感光性及び解像度についてプロセスの幅を広げ得るものであり、これは、集積回路 （ＩＣ）スケーリングのムーアの法則を拡大適用するのに必要なこの重要なパターニング方法の製造可能性に影響を及ぼす典型的なトレードオフである。このＯＥＳ監視は又、事後現像ＥＵＶレジスト粗さを低減し、下流のパターン粗さ及びＬＷＲ又は他の重要なエッチングメトリックを低減して、ウエハ生産量を改善するためにも、使用可能である。
又さらに、開示のＯＥＳ監視技術は、基板に堆積させた金属製ハードマスク（ＭＨＭ）層、基板にスピンコートしたナノ結晶金属酸化物ＭＨＭ層、又はこれらの層の組み合わせを含むＭＨＭ堆積体、及び／又は他のＭＨＭ層及びＭＨＭ層の組み合わせに対して使用可能である。ＯＥＳは、特にＫｅＶ範囲の電子ビームの場合、間隙充填プロセスの平坦度を改善するために、ナノ結晶ＭＨＭのリフローを監視するのに使用可能である。表面改質（例えば、レジストキュアリング又はレジストハードニング）ステップのｅビーム又は紫外線の露光の間、ＯＥＳ監視の他の変形及び応用も、ここに説明した実施形態の利益を保ちつつ実行可能である。
エッチングプロセス及び関連するチャンバについて使用するＯＥＳシステム及びＯＥＳ方法は、例えば、米国特許第５，９８０，７６７号明細書、米国特許第６，６７７，６０４号明細書、及び米国特許出願公開第２００５／０１７３３７５号明細書に説明されており、それぞれ、その全体が参照によってここに含まれることに言及しておく。ここに説明されているようなこれらのＯＥＳシステム及びＯＥＳ方法、及び／又は同様に実行されるものは、１つ以上のエッチングプロセス及び／又は堆積プロセスについての１つ以上の前処理プロセス又は後処理プロセスのＯＥＳ監視に関連するここに説明した実施形態に対して使用可能である。
本発明による一例のＯＥＳ監視の実施形態は、図面に関して以下により詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は例として提供するものであり、結果として得たパターン構造に関連するエッチングメトリック及び／又は堆積メトリックを改善するために、エッチングプロセスステップ及び／又は堆積プロセスステップに関する前処理プロセス及び／又は追加の後処理プロセスのパラメータを設定するのにＯＥＳ監視を適用するために、ここに説明した技術の利益を保ちつつ、異なる実施形態及び／又は追加の実施形態が実行可能であることに、言及しておく。ｅビームに対するＵＶ光ベースの改質の場合、適用されるＵＶ光源は、前処理プロセス又は後処理プロセスを正確に監視するために、スペクトル光検出器によって検出される重要なピークを妨げないか又は重複しない波長を出力するのが理想である。
図２Ａは、パターン構造のメトリックを改善するために表面改質プロセス中にＯＥＳ監視が用いられるエッチングプロセス及び／又は堆積チャンバを含む製造プロセスの一例の実施形態２００のフローチャートである。従来の解決策と同様に、ブロック２０２において、マイクロ電子ワークピース用の基板にレジスト（例えば、フォトレジスト）層を形成し、基板は１つ以上の事前に形成した層及び／又は構造を含み得る。従来の解決策と対照的に、ブロック２０４において、レジスト層に適用する１つ以上の前処理表面改質プロセス又は後処理表面改質プロセスのパラメータを設定するためにＯＥＳ監視を用いる。従来の解決策によるように、表面改質は、例えば、上部電極ＤＣ重畳（ＤＣＳ）電圧の印加を利用する電子ビーム（ｅビーム）レジスト表面改質ステップ（例えば、レジストキュアリングプロセスステップ又はレジストハードニングプロセスステップ）を含み得る。ブロック２０６において、パターン構造を生み出すためにエッチングプロセス又は堆積プロセスを実行する。従来の解決策によるように、このエッチングプロセスは、ＯＥＳ終点制御を使用し得る。このエッチングプロセスは、パターン構造を形成するためにレジスト層を部分的に使用する。
図２Ｂは、マイクロ電子ワークピース用の基板２５２に図２Ａのステップを用いて形成した線構造２５４を含むパターン構造の一例の実施形態２５０である。線構造２５４は、１つ以上の層を含み得る。線構造２５４間のばらつきは、ここに説明したように前処理プロセスにＯＥＳ監視を適用することによって低減され、基板２５２に対して形成される結果的に得られるマイクロ電子デバイスも改善される。これらのばらつきの低減には、線構造２５４間のトレンチの底面２５６内のＣＤばらつきの低減、線構造２５４の幅２５８の線幅ばらつきの低減、及び線構造２５４の縁部２６０の線縁ばらつきの低減が含まれる。上に示したように、ＣＤばらつき、線幅粗さ（ＬＷＲ）、及び線縁粗さ（ＬＥＲ）は、エッチングプロセス及び／又は他の表面改質プロセスの成功を評価するのに用いられることの多いパラメータである。これらのパラメータは、ここに説明した実施形態によって改善され、トレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）、側壁角度／外形、及び／又はパターン構造用の他のメトリックなど、異なるパターンパラメータ及び／又は追加のパターンパラメータも改善され得る。
図２Ｃは、ＯＥＳシステム２８０によって監視されているプラズマ処理装置３００の一例の実施形態２７０のブロック図である。ＯＥＳシステム２８０は、ここに説明した表面改質プロセスに対するＯＥＳ監視を提供するために使用され得る。ここにさらに説明したように、ＯＥＳシステム２８０は、表面改質プロセス中にプラズマ処理装置３００のプロセスチャンバ内でスペクトルエネルギーを監視し、この監視は、プロセスパラメータ及び／又は制御プロセス工程（例えば、終点制御）を調整するのに用いられ得る。
図２Ｄは、基板に形成した層のための表面改質プロセスについてＯＥＳ監視が用いられるプロセスの一例の実施形態２１０のブロック図である。ブロック２１２において、プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる。ブロック２１４において、プラズマ処理システム内でプラズマを発生させ、基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する。ブロック２１６において、層の表面改質プロセスの間に、プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光（ＯＥＳ）システムから光放射スペクトルを獲得する。ブロック２１８において、光放射スペクトルに基づいて定めた終点時間において、表面改質プロセスを停止する。ブロック２２０において、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを、獲得した光放射スペクトルに基づいて変更する。ブロック２２２において、次に、ＯＥＳスペクトルデータに基づいてｅビーム処方パラメータを変更する。ブロック２２４において、表面改質プロセス後のプラズマエッチングプロセス又は堆積プロセスの間に形成したパターンの物理的特性又は幾何学的特徴又は両方が目標値に達するまで、ＯＥＳを獲得し、表面改質プロセスを停止し、表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更することを、繰り返す。
図２Ｅは、電子ビーム処理を監視し、修正し、及び／又は制御するためにＯＥＳ監視が用いられるプロセスの一例の実施形態２３０のブロック図である。ブロック２３２において、プロセス処方に１つ以上のｅビーム処理ステップを追加する。ブロック２３４において、ｅビームステップのためにＣＤメトリック計測及びＯＥＳスペクトルデータを収集し、及び／又は評価する。ブロック２３６において、ＯＥＳスペクトルデータに基づきｅビーム処方パラメータを変更する。ブロック２３８において、修正したｅビーム処方ステップのために、ＣＤメトリック計測及びＯＥＳスペクトルデータを収集し、及び／又は評価する。ブロック２４０において、ｅビームステップにＯＥＳ終点制御を適用する。ブロック２４２において、必要に応じ、フロー順序を修正し、及び／又は繰り返す。
図３は、ここに説明した実施形態に用い得るプラズマ処理装置などのワークピース製造システムの一例の実施形態３００の図である。さらに特には、図３は、ここに説明した処理技術を実行するために用い得る例証目的のためのみのプラズマ処理装置の一例の実施形態を説明するものである。他のプラズマ処理システム及び他のエッチングプロセスシステムは、ここに説明した技術を同様に実行し得ることが理解されるものと思われる。図３の一例の実施形態３００について、マイクロ電子ワークピースにエッチングチャンバをもたらす処理空間（ＰＳ）を含む容量結合プラズマ（ＣＣＰ）処理装置についての概略断面図を提供している。例えば、限定しないが、誘導結合プラズマ処理装置、マイクロ波プラズマ処理装置等を含む代替のプラズマ処理装置も利用し得る。容量結合プラズマ処理装置は、このような装置の電極間隔がプラズマ空間の局所領域へのガスの有益な制御を可能にし、これにより基板に局所的なプラズマ処理を施すため、特によく適し得る。又、ＣＣＰチャンバは、電極バイアスを生み出し、基板上に露出した材料に高密度電子ビーム露光をもたらす性能を有する。しかし、紫外線キュアリング（ＵＶ）能力のある非ＣＣＰエッチングチャンバ又は堆積チャンバについても、ここに言及した同一の適用のためのＯＥＳ終点制御の概念を活用可能である。
プラズマ処理装置３００は、灰化、エッチング、堆積、洗浄、プラズマ重合、プラズマ化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）等を含む多数の行程に使用可能である。プラズマ処理装置３００の構造は周知であり、ここに提供した特定の構造は単に例示的なものである。プラズマ処理は処理チャンバ３０１内で実行し得るものであり、これは、アルミニウム又はステンレス鋼などの金属製の真空チャンバであり得る。処理チャンバ３０１は、プラズマ生成用の処理空間（ＰＳ）を提供する処理容器を形作っている。処理容器の内壁は、アルミナ、イットリア、又は別の保護剤によってコーティングされ得る。処理容器は円筒形状をしているか、又は他の幾何学的形状を有し得る。
処理チャンバ３０１内の下側の中心領域において、サセプタ３１２（円盤形状であり得る）が、例えば、被処理基板３０２（半導体ウエハなど）を搭載可能な搭載テーブルとして機能し得る。基板３０２は、積み／降ろしポート及びゲート弁を介して処理チャンバ３０１の中に移動可能である。サセプタ３１２は、その上の搭載基板３０２の搭載テーブルとして機能する第２の電極の一例として下部電極アセンブリ３２０の一部を形成する。サセプタ３１２は、例えば、アルミニウム合金で形成され得る。サセプタ３１２は、基板３０２を保持するための静電チャック（下部電極アセンブリの一部として）をその上に備えている。静電チャックは、電極３３５を備えている。電極３３５は、不図示の直流（ＤＣ）電源に電気的に接続されている。静電チャックは、ＤＣ電源からのＤＣ電圧が電極３３５に印加された際に発生する静電気力によって基板３０２を引き付ける。サセプタ３１２は、整合器を介して高周波電源と電気的に接続され得る。他の実施形態及び処理チャンバについては、２つ以上の電源が使用可能であり、処理チャンバ内の電極３３５及び／又は他の電極に接続可能である。この高周波電源（第２の電源）は、例えば、２ＭＨｚから２０ＭＨｚまでの範囲で高周波電圧を出力可能である。高周波バイアス電力を印加すると、処理チャンバ３０１内に発生したプラズマ中のイオンが基板３０２に引き付けられる。フォーカスリングアセンブリ３３８はサセプタ３１２の上面に備え付けられ、静電チャックを取り囲んでいる。
ガス排出装置に接続する１つ以上の排出口（不図示）を介して排出路３３３が形成され得る。ガス排出装置は、処理チャンバ３０１内のプラズマ処理空間を排気して所望の真空状態とするように構成されたターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含み得る。ガス排出装置は、処理チャンバ３０１の内側を排気することにより、その内圧を所望の真空度に減圧する。
上部電極アセンブリ３７０は第１の電極の一例であり、下部電極アセンブリ３２０の鉛直上方に位置し、下部電極アセンブリ３２０と並行して向き合っている。プラズマ発生空間又はプラズマ処理空間（ＰＳ）は、下部電極アセンブリ３２０と上部電極アセンブリ３７０との間に定められている。上部電極アセンブリ３７０は、円盤形状を有する内側上部電極３７１と、環状であり、内側上部電極３７１の周囲を取り囲み得る外側上部電極とを含む。内側上部電極３７１は又、下部電極アセンブリ３２０に搭載された基板３０２上方の処理空間（ＰＳ）に特定量の処理ガスを注入するための処理ガス注入口として機能する。上部電極アセンブリ３７０はこれにより、シャワーヘッドを形成している。より具体的には、内側上部電極３７１は、ガス注入開口部３８２を含む。
上部電極アセンブリ３７０は、１つ以上のバッファチャンバ３８９Ａ、３８９Ｂ、及び３８９Ｃを含み得る。バッファチャンバは、処理ガスを拡散させるために用いられ、円盤形状の空間を定め得る。処理ガス供給システム３８０からの処理ガスは、上部電極アセンブリ３７０にガスを供給する。処理ガス供給システム３８０は、成膜、エッチング等の特定の処理を基板３０２に行うために処理ガスを供給するように構成され得る。処理ガス供給システム３８０は、処理ガス供給経路を形成するガス供給ライン３８１Ａ、３８１Ｂ、及び３８１Ｃに接続されている。ガス供給ラインは、内側上部電極３７１のバッファチャンバに接続されている。処理ガスは、これにより、バッファチャンバからガス注入開口部３８２の下面まで移動し得る。バッファチャンバ３８９Ａ〜Ｃの中に導入される処理ガスの流量は、例えば質量流量コントローラを用いることにより調整し得る。さらに、導入された処理ガスは、電極板（シャワーヘッド電極）のガス注入開口部３８２から処理空間（ＰＳ）に排出される。内側上部電極３７１は、シャワーヘッド電極アセンブリを提供するために部分的に機能する。
図３に示すように、３つのバッファチャンバ３８９Ａ、３８９Ｂ、３８９Ｃは、縁部バッファチャンバ３８９Ａ、中間バッファチャンバ３８９Ｂ、及び中央バッファチャンバ３８９Ｃに対応して設けられている。同様に、ガス供給ライン３８１Ａ、３８１Ｂ、及び３８１Ｃは、縁部ガス供給ライン３８１Ａ、中間ガス供給ライン３８１Ｂ、及び中央ガス供給ライン３８１Ｃとして構成され得る。バッファチャンバは、基板の異なる局所的領域、この場合では縁部、中間、及び中央に対応する形で設けられている。以下にさらに考察するように、これらの領域は、基板３０２の局所的領域に対する特定のプロセスのプラズマ処理条件に対応し得る。３つの局所的領域を使用するのは、単に例示的なものであることが理解されるものと思われる。このため、プラズマ処理装置は、基板のいかなる数の領域にもプラズマ処理条件を局所的に設けるように構成され得る。いかなる種類の構成も利用可能であり、ここに説明した技術は、処理ガス供給システム３８０がガスの流れを種々のバッファチャンバに分割するように構成されるような方法に限定されないことを再度さらに言及しておく。
上部電極アセンブリ３７０は、給電線３６５及び整合器３６６を介して高周波電源（不図示）（第１の高周波電源）に電気的に接続されている。高周波電源は、４０ＭＨｚ（メガヘルツ）又はより高い（例えば、６０ＭＨｚ）周波数を有する高周波電圧を出力するか、又は３０〜３００ＭＨｚの周波数を有する非常に高い周波数（ＶＨＦ）の電圧を出力し得る。この電源は、バイアス電源と比較して、主電源としてみなし得る。ある実施形態については、上部電極用の電源はなく、２つの電源が底部電極に接続されることに言及しておく。他の変形例も実行し得る。
プラズマ処理装置の構成要素は、今度は対応するメモリ記憶装置及びユーザインターフェース（すべて不図示）に接続され得る制御装置に接続され、制御され得る。種々のプラズマ処理工程がユーザインターフェースを介して実行され、種々のプラズマ処理処方及び工程は記憶装置に格納され得る。このようにして、プラズマ処理チャンバ内で所定の基板が種々の微細加工技術によって処理され得る。運転中、プラズマ処理装置は上部電極及び下部電極を用いて処理空間（ＰＳ）にプラズマを発生させる。この発生したプラズマはその後、プラズマエッチング、化学蒸着などの様々な種類の処理、半導体材料、ガラス材、及び薄膜太陽電池、他の光電池、及びフラットパネルディスプレイ用の有機／無機プレート等の大型パネルの処理等において、ターゲット基板（基板３０２又はいかなる被処理材料なども）を処理するために用いられ得る。
ここで図４Ａ〜４Ｂ、５Ａ〜５Ｂ、６Ａ〜６Ｂ、７〜８、９Ａ〜９Ｂ、及び１０〜１１を見ながら、表面改質プロセスのＯＥＳ監視を用いて、後続のエッチングプロセス及び／又は堆積プロセスを用いて形成されるパターン構造のためのメトリックを改善する一例の実施形態を提供する。これらの実施形態について図示し説明したプロセス処方及びパターン構造は単に例であり、開示のＯＥＳ監視技術は、他の前処理処方ステップ又は後処理処方ステップ及びパターン構造に対して使用され得ることに言及しておく。追加のプロセス及び／又は異なるプロセス及びフィーチャも、ここに説明した技術の利益を保ちつつ実行可能であることにさらに言及しておく。
図４Ａ〜４Ｂは、ＰＯＲに基づくバックエンドオブライン（ＢＥＯＬ）トレンチプロセスの修正例の一例の処方の実施形態を提供するものである。第１の処方を除くすべての処方は、レジストｅビームキュアリング表面改質又は前処理ステップを用いる。ここに説明したように、マイクロ電子ワークピース用の基板の表面に形成したレジスト層のキュアリング又はハードニングを促進するために、ｅビーム露光が用いられる。
初めに図４Ａを見ると、Ａ−１として示される処方４０２は、レジストのｅビームキュアリング改質ステップを含まない。処方Ａ−２として示される処方４０４は、２０秒間のレジスト高電圧ｅビームキュアリング改質を含む。このキュアリング時間は、処方Ａ−４として示される処方４０６については１０秒縮小され、フォトレジスト損失が低減し、ＣＤ拡大が低減し、結果として得られるＬＷＲが低減する結果になった。
図４Ｂを見ると、処方Ａ−５及びＡ−６として示される追加の処方４０８及び処方４１０はそれぞれ、その後、処方Ａ−４を基準としたフォローアップのレジストキュアリング処方として実行したものである。処方Ａ−５として示される処方４０８については、レジストキュアリング時間を５秒に縮小した。処方Ａ−６として示される処方４１０についても、レジストキュアリング時間を５秒に縮小し、ＤＣＳ電圧についても低減することにより、レジスト損失がさらに低減し、結果として得られるＬＷＲが低減する結果となった。又、中央電極及び縁部電極（Ｃ／Ｅ）の温度は、作業指針限界値のセ氏１０度を上回る高い温度安定性のために、セ氏２度（Ｃ）高く設定した。
図５Ａは、図４Ａ〜４Ｂに示した処方のレジストキュアリングステップ中に４３１ｎｍの波長で検出した炭素−水素（ＣＨ）分子化合物について測定したＯＥＳスペクトル強度レベルの一例の実施形態５００のグラフである。キュアリングステップの行程にわたる５つの処方（Ａ−１、Ａ−２、Ａ−４、Ａ−５、Ａ−６）のＣＨ強度を示している。レジストタイプにより、ｅビーム露光エネルギー又はプラズマ力が高すぎると、実際にはレジスト面が消耗するか又は収縮し、粗面化し、事後エッチングのパターン構造のＣＤがより拡大し得ることが、他の試験で見出された。処方Ａ−２に関して、この処方に印加した９００ボルト（Ｖ）の上部電極電圧は、レジスト表面相変態に関係して、初めは２秒地点前に最高最大ピーク強度が生じ、２秒地点後に最高のＣＨ勾配増大が生じた。処方Ａ−１は、比較用の基準としてｅビーム処理ステップに０Ｖの上部電極電圧を用いており、反応性ガスと組み合わせた高密度電子露光がないためにレジスト表面が本質的には変化しなかったため、ＣＨ強度において初めの急上昇を示していない。処方Ａ−６について、７００Ｖにおいて横ばい状態であるＣＨ強度は、０Ｖの基準処方Ａ−１に似てレジスト消耗又は表面劣化がなく、レジストの平滑化、より低いＬＷＲ、及びより小さいＣＤ／より少ないレジスト損失につながる、好ましいＣＨ架橋結合によるものであることがわかった。このフォトレジストは、一般に多くがそうであるように、主にＣＨ分子で構成されているため、ＯＥＳで監視するＣＨ強度は最も重要な波長であることがわかった。このｅビーム処理は、レジストの表面においてＣＨ架橋結合を改質し、その後のドライエッチング耐性を改善し、ウエハ中の輪郭形状を含むエッチングメトリックを向上させることにつながった。
図５Ｂは、底部エッチング外形ＣＤ、線幅粗さ（ＬＷＲ）、側壁角度（ＳＷＡ）、及びトレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）などの結果として得られたエッチングメトリックと比較した図５Ａに関連する特定のレジストキュアリングステップ条件の一部中の、正規化したＣＨ・ＯＥＳピークスペクトル強度の勾配の一例の実施形態の図である。グラフについての最適な式及び勾配を、対応する表に提示してある。レジスト損失の増大に関連するＯＥＳスペクトルＣＨ強度の正の勾配度又は増大度が高まると、事後エッチングの底部ＣＤが拡大し、ＳＷＡが低くなり（最上部の外形が丸みを帯び）、改質されたレジスト表面層がより粗くなり、これによりＬＷＲが高くなり、トレンチ深さの不均一性が高まることがわかった（５〜１０秒のキュアリング期間に）。
図６Ａ〜６Ｂは、ＳＷＡ及び底部ＣＤに対するレジストキュアリングステップの間の正規化ＣＨ・ＯＥＳスペクトル強度の勾配のグラフを提供するものである。図６Ａは、ＳＷＡに対する勾配の一例の実施形態６００のグラフを示す。図６Ｂは、底部ＣＤに対する勾配の一例の実施形態６５０のグラフを提供する。レジストキュアリング中のＯＥＳ信号強度におけるＣＨ勾配の増大が弱まると、エッチング耐性すなわちエッチング選択性を増大させるキュアリングステップにより、次のレジストＣＤ幅事前ハードマスクエッチングのレジスト消耗及びレジスト残留が少なくなり、レジスト外形の円みの低減に関係するより高いＳＷＡにつながることがわかった。
図７は、図４Ａ〜４Ｂに示したレジストキュアリングステップ条件中の、４４０ｎｍの波長において、チャンバ内でレジストキュアリング処理副産物として検出されたフッ化ケイ素（ＳｉＦ）分子結合化合物について測定したＯＥＳスペクトル強度レベルの一例の実施形態のグラフである。５つの処方（Ａ−１、Ａ−２、Ａ−４、Ａ−５、Ａ−６）についてのＳｉＦスペクトル強度を示している。再度、ＣＨ強度のグラフについて、比較用の基準として用いた、前処理ステップに０Ｖ上部電極電圧を用いた処方Ａ−１は、反応性ガスと組み合わせた高密度電子露光がないためにレジスト表面が本質的に変化しなかったことから、ＳｉＦ強度における初めの急上昇を示さなかった。処方Ａ−２及び処方Ａ−４は、レジスト損失のために、ＬＷＲがより高くなり、ＣＤがより拡張することが見出された。これらの処方のキュアリングステップの間、ＯＥＳは、初めの２秒間に比較的高いＳｉＦ最大ピーク強度を、２秒後に強度の正勾配を検出した。０〜２秒の初めの急上昇の後、処方Ａ−５及び処方Ａ−６の比較的横ばいである信号強度が、ＬＷＲをより低く、ＣＤ拡張をより少なく、レジスト損失をより少なく、エッチング外形をより直線にすることも見出された。
図８は、ボトムエッチング外形ＣＤ、ＬＷＲ、ＳＷＡ、及びＴＤＵなどの結果として得られたエッチングメトリックと比較した図７に関連する特定のレジストキュアリングステップ条件の一部中の正規化したＳｉＦ・ＯＥＳピークスペクトル強度の勾配の一例の実施形態８００の図である。最適な式及び勾配を、グラフに関連させた表にリストアップしている。ＯＥＳスペクトルＳｉＦ強度のより高い正勾配すなわち増大が、レジスト損失の増大に関連しており、事後エッチングの底部ＣＤをより拡大させ、ＳＷＡをより低くし、改質レジスト表面層をより粗くし、これによりＬＷＲがより高くなり、トレンチ深さ不均一性をより高くすることが見出された（５〜１０秒のキュアリング期間に）。さらに、ＳｉＦは、偶然にも、次にある層をドライエッチングするためのＯＥＳ終点制御で用いられる波長と共通してもいる。一般に、様々なエッチングメトリックとのＳｉＦ勾配の相関関係は完全な相関関係にはないと思われるが、ＯＥＳにおける多数の波長がエッチング終点時間を定めるのに利用されるのが典型であり、ＳｉＦは、多様なドライエッチングプロセス中の共通の副産物であることから用いられることが多い。
図９Ａ〜９Ｄは、結果として得られたエッチングメトリックに対する様々なレジストキュアリングステップ条件中の正規化したＳｉＦスペクトル強度の勾配の図を提供するものである。図９Ａは、底部ＣＤに対する勾配の一例の実施形態９００のグラフである。図９Ｂは、ＬＷＲに対する勾配の一例の実施形態９２０のグラフである。図９Ｃは、側壁角度に対する勾配の一例の実施形態９４０のグラフを示す。図９Ｄは、トレンチ深さ均一性に対する勾配の一例の実施形態９６０のグラフを示す。レジストキュアリング中のＳｉＦ強度の増大がより弱まると、次のレジストＣＤ事前エッチングのレジスト消耗及びレジスト残留がより少なくなり、レジスト外形の円みがより少なくなるとともにＳＷＡがより高くなり、ＴＤＵがより良くなり、ＬＷＲがより低くなるとともにレジスト表面がより滑らかになることがわかった。検討したすべてのエッチングメトリックのうち、底部ＣＤは、このレジストタイプの一連のキュアリング条件についてのＣＨ及びＳｉＦ両方のＯＥＳ強度の勾配に最も強く相関する要素であった。このように、本技術は、レジストから発生する消耗及び／又は縮小に関係する重要な副産物を監視することに非常に感度が良い。
ＣＨ強度及びＳｉＦ強度に加え、フッ素（Ｆ）、酸素（Ｏ）、炭素−酸素（ＣＯ）、及び炭素−窒素（ＣＮ）分子化合物についてのＯＥＳスペクトル強度も調査した。上に示したように、ＣＨ及びＳｉＦは、それぞれ、４３１ｎｍ及び４４０ｎｍにおいてＯＥＳスペクトルピークを有する。フッ素は、７５１ｎｍにおいてＯＥＳスペクトルピークを有する。酸素は、７７７ｎｍにおいてＯＥＳピークを有する。ＣＯは、６６２ｎｍにおいてＯＥＳピークを有する。ＣＮ分子は、３８７ｎｍにおいてＯＥＳピークを有する。他の元素及び化合物も、ＯＥＳスペクトル検出を用いて監視可能である。例えば、一実施形態について、スペクトル線に関連するＯＥＳスペクトル又はＯＥＳデータは、Ｚｒ又はＴｉなどのナノ結晶ハードマスク又はレジストに関連する金属のほか、Ｎ、Ａｒ、Ｂｒ、ＣＨ、Ｃ、ＣＮ、Ｏ、ＳｉＦ、ＳｉＮ、ＣＯ、及びＦからなるグループから選択した化学元素又は化合物に対応するスペクトル線を含む。
図１０は、レジストキュアリング条件に対するＯＥＳ最大ピーク強度の概要を含む一例の表１０００を提供するものである。上述したように、処方Ａ−１、Ａ−２、Ａ−４、Ａ−５、及びＡ−６のｅビームキュアリング条件のパラメータを、図４Ａ〜４Ｂに関してリストアップしている。処方Ａ−６は、すべてのエッチングメトリックについて最適で総合的なレジストキュアリング条件をもたらし、ＤＣＳ電圧が印加されたレジストキュアリングステップの初期段階におけるＳｉＦ及びＣＨのＯＥＳ最大ピーク強度に最も強い相関関係を有することが見出された。
図１１は、図４Ａ〜４Ｂに関して説明した処方に対応するレジストキュアリングパラメータ及び関連するエッチングメトリックの概要を含む一例の表１１００を提供するものである。粗さがより高まりかつ事後エッチングＣＤがより広いレジスト消耗を示す処方に対し、より理想的なエッチングメトリックを用いた処方のレジストキュアリングステップにおいて異なるＯＥＳ信号応答が明らかに得られたことがわかった。処理ステップのＯＥＳ監視は、レジストから発生する副産物に関連する傾向を含むリアルタイムのｅビームキュアリングに関連する診断を明らかにした。キュアリングステップ中の理想的なＯＥＳ特徴を特定することにより、その後の散乱測定をベースとした測定、ＣＤ−ＳＥＭ、及び断面ＳＥＭ（Ｘ−ＳＥＭ）によって測定される洗浄後検査（ＡＣＩ）目標項目が満たされ、及び／又は結果として行うドライエッチングに向けてさらに改善可能できると思われる。又、ＯＥＳ終点の実行により、表面改質性能のためのマルチチャンバマッチングが可能となり、生産ラインの一貫性及びサイクルタイムが改善する。
本明細書中、「一実施形態」又は「ある実施形態」の言及は、その実施形態に関して説明した特定のフィーチャ、構造、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態の中に含まれることを意味するが、これらがすべての実施形態において存在することを示すものではないことにさらに言及しておく。このため、本明細書の様々な箇所における「一実施形態において」又は「ある実施形態において」という語句の出現は、必ずしも、本発明の同一の実施形態について言及するものではない。さらに、特定のフィーチャ、構造、材料、又は特徴は、１つ以上の実施形態においていかなる適した方法でも組み合わせ得る。様々な追加の層及び／又は構造が含まれ得るものであり、及び／又は説明したフィーチャは他の実施形態において省略され得るものである。
ここで使用したような「マイクロ電子ワークピース」は、本発明に従って処理される対象物に総称的に言及するものである。マイクロ電子ワークピースは、デバイス、特に 半導体デバイス又は他の電子デバイスのいかなる重要な部分又は構造をも含み得るものであり、例えば、半導体基板又はベース基板構造の上の又はこれを覆う薄膜などの層など、ベース基板構造であり得る。このため、ワークピースは、いかなる特定の基本構造、下層又は上層、パターン化されたもの又はパターン化されていないものに限定されることを意図したものではなく、むしろ、いかなるこのような層又は基本構造、及び層及び／又は基本構造のいかなる組み合わせも含むことを考慮したものである。以下の説明は、基板の様々なタイプにも言及し得るが、これは単に例示を目的としたものであり、限定を目的としたものではない。
ここで用いた用語「基板」は、その上に材料が形成される基材又は構造物を意味し、含むものである。基板は、単一の材料、複数の異なる材料の層、異なる材料又は異なる構造の領域を中に有する層又は複数の層等を含み得ることが理解されるものと思われる。これらの材料は、半導体、絶縁体、導体、又はこれらの組み合わせを含み得る。例えば、基板は、半導体基板、支持構造上のベース半導体層、金属電極、又は１つ以上の層、構造又は領域をその上に形成した半導体基板であり得る。基板は、従来のシリコン基板又は半導体材の層を含む他のバルク基板であり得る。ここで使用したような、用語「バルク基板」は、シリコンウエハのみでなく、シリコンオンサファイア（「ＳＯＳ」）基板及びシリコンオングラス（「ＳＯＧ」）基板などのシリコンオンインシュレータ （「ＳＯＩ」）基板、ベース半導体基盤上のシリコンエピタキシャル層、及びシリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、炭化シリコン、ダイヤモンド、ヒ化ガリウム、窒化ガリウム、及びリン化インジウムなどの他の半導体材料又は光電子材料をも意味し、含むものである。基板は、ドープされているものも、ドープされていないものもあり得る。
マイクロ電子ワークピースを処理するシステム及び方法は、様々な実施形態において説明されている。当業者は、様々な実施形態が、具体的詳細のうち１つ以上のものがなくとも、あるいは他の代替方法及び／又は追加の方法、材料、又は構成要素をもって、実施され得ることを理解するものと思われる。他の例証では、本発明の様々な実施形態の不明確な態様を避けるため、周知の構造、材料、又は工程は詳細には示しておらず説明してもいない。同様に、説明の目的のため、特定の番号、材料、及び構成は、本発明の完全な理解を提供するために示したものである。それでも、本発明は具体的詳細なく実施され得るものである。さらに、図示した様々な実施形態は例示的に描写したものであり、必ずしも一定の縮尺で描いたものではない。
さらに、説明したシステム及び方法の変形例及び代替の実施形態は、この説明により当業者には明らかであると思われる。このため、説明したシステム及び方法は、これらの例のアレンジに限定されないことは理解されると思われる。ここに示し説明したシステム及び方法の形は、一例の実施形態として受け止められると理解されるものである。様々な変更が実行においてなされ得る。このように、本発明は特定の実施形態に関してここに説明したが、様々な変形及び変更が本発明の範囲から逸脱することなく可能である。したがって、明細書及び図面は、限定の意味よりもむしろ例示的な意味であるとみなされるものであり、このような変形は、本発明の範囲に含められることを意図するものである。さらに、特定の実施形態に関してここに説明したいかなる便益、利益、又は問題解決策も、一部の又はすべての請求項の、重要であり、必要であり、又は必須である特徴又は要素として解釈されることを意図するものではない。
Claims (38)
- 基板に形成した層をプラズマにより表面改質するプロセスを監視し制御する方法であって、前記方法は、
プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、
前記プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ、基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、
前記層の前記表面改質プロセスの間に、前記プラズマ処理チャンバに取り付けられた発光分光システムから光放射スペクトルを獲得する工程を含む方法。 - 前記プラズマ処理システムがプラズマエッチングシステムであり、前記表面改質プロセスを１つ以上のエッチングプロセスの前か又は後に行う請求項１に記載の方法。
- 前記プラズマ処理システムが堆積機能及び／又はエッチング機能のあるプラズマシステムであり、前記改質プロセスを１つ以上のエッチングプロセス又は堆積プロセスの前か又は後に行う請求項１に記載の方法。
- 前記獲得した光放射スペクトルからのデータを、前記表面改質プロセスの終点を定めるために用いる請求項１に記載の方法。
- 前記光放射スペクトルに基づいて定めた終点時間で前記表面改質プロセスを停止する工程をさらに含む請求項４に記載の方法。
- 獲得した光放射スペクトルからのデータがスペクトル線強度、スペクトル線勾配、又は両方を含む請求項１に記載の方法。
- 前記スペクトル線が、Ｎ、Ａｒ、Ｂｒ、ＣＨ、Ｃ、ＣＮ、Ｏ、ＳｉＦ、ＳｉＮ、ＣＯ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＦからなるグループから選択した化学元素又は化合物に相当するスペクトル線である請求項６に記載の方法。
- 前記スペクトル線が、Ｎ、Ａｒ、Ｂｒ、ＣＨ、Ｃ、ＣＮ、Ｏ、ＳｉＦ、ＳｉＮ、ＣＯ、Ｔｉ、Ｚｒ及びＦのうち１つ以上を含む化学元素又は化合物に相当するスペクトル線である請求項６に記載の方法。
- 前記獲得した光放射スペクトルに基づいて前記表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを、プラズマ処理チャンバに供給されたＲＦ又はマイクロ波電力、ＲＦ又はマイクロ波電力パルス周波数、ＲＦ又はマイクロ波パルスデューティーサイクル、基板温度、前記プラズマ処理チャンバ内の基板ホルダに供給されたＲＦ電力、前記基板ホルダのＤＣバイアス、前記基板ホルダの近くに配された少なくとも１つの電極に供給されたＤＣバイアス電圧、ガス流量、ガス圧、表面改質ガス流、表面改質ガス圧、及び前記表面改質プロセスの継続時間からなるグループから選択する請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータが、プラズマ処理チャンバに供給されるＲＦ又はマイクロ波電力、ＲＦ又はマイクロ波電力パルス周波数、ＲＦ又はマイクロ波パルスデューティーサイクル、基板温度、前記プラズマ処理チャンバ内の基板ホルダに供給されるＲＦ電力、前記基板ホルダのＤＣバイアス、前記基板ホルダの近くに配された少なくとも１つの電極に供給されるＤＣバイアス電圧、ガス流量、ガス圧、表面改質ガス流、表面改質ガス圧、及び前記表面改質プロセスの継続時間のうち１つ以上を含む請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、前記表面改質プロセスの継続時間を最小限に抑えるために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、前記表面改質プロセスに続くプラズマエッチングプロセス又は堆積プロセスの間に形成するパターンの物理的特性又は幾何学的特徴又は両方を改善するために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記物理的特性が濃度又はウェットエッチング耐性のうち少なくとも１つを含み、前記幾何学的特徴が線幅粗さ（ＬＷＲ）又は線縁粗さ（ＬＥＲ）のうち少なくとも１つを含む請求項１３に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、前記表面改質プロセスに続くエッチングプロセス又は堆積プロセスの間に形成するパターンの均一性メトリックを最大限にするために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記均一性メトリックを、限界寸法（ＣＤ）均一性、側壁角度（ＳＷＡ）均一性、及びトレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）からなるグループから選択する請求項１５に記載の方法。
- 前記均一性メトリックは、限界寸法（ＣＤ）均一性、側壁角度（ＳＷＡ） 均一性、及びトレンチ深さ均一性（ＴＤＵ）のうち１つ以上を含む請求項１５に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、後に処理する製造基板又は後に処理する多数の製造基板のエッチングプロセスの間に形成するパターンの均一性メトリックを最大限にするために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、表面改質プロセスを受ける材料の物理的特性、幾何学的特性、電気的特性、化学的特性、又は機械的特性を変更するために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記特性を、エッチング幅限界寸法（ＣＤ）、たわみ、傾斜、ねじれ、エッチング選択性、側壁角度（ＳＷＡ）、エッチング深さ、表面被覆率、段差被覆率、層厚さ、層密度、層組成、層平滑性、及び層硬度からなるグループから選択する請求項１９に記載の方法。
- 前記特性が、エッチング幅限界寸法（ＣＤ）、たわみ、傾斜、ねじれ、エッチング選択性、側壁角度（ＳＷＡ）、エッチング深さ、表面被覆率、段差被覆率、層厚さ、層密度、層組成、層平滑性、及び層硬度のうち１つ以上を含む請求項１９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を、後に処理する製造基板又は後に処理する多数の製造基板における層の物理的特性、幾何学的特性、電気的特性、又は機械的特性を変更するために実行する請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスの前記少なくとも１つのパラメータを変更する前記工程を原位置で実行する請求項９に記載の方法。
- 前記表面改質ガスが、水素、臭化水素、窒素、炭素、塩素、フッ素、硫黄、アルゴン、ヘリウム、酸素、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせを含む請求項１に記載の方法。
- 前記基板に形成した前記層が、フォトレジスト、スピンオン誘電物質、原子蒸着誘電物質又は化学蒸着誘電物質、低ｋ誘電物質、高ｋ誘電物質、導電性物質、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせからなるグループから選択した物質を含む請求項１に記載の方法。
- 前記基板に形成した前記層が、フォトレジスト、スピンオン誘電物質、原子蒸着誘電物質又は化学蒸着誘電物質、低ｋ誘電物質、高ｋ誘電物質、導電性物質、又はこれらのうち２つ以上の組み合わせのうち１つ以上を含む物質を含む請求項１に記載の方法。
- 前記基板に形成した前記層が化学増幅レジスト（ＣＡＲ）を含み、前記ＣＡＲのパターン崩壊の可能性を低減させるために前記獲得した光放射スペクトルに基づいて前記表面改質プロセスの少なくとも１つのパラメータを変更する工程をさらに含む請求項１に記載の方法。
- 前記ＣＡＲが、ＡｒＦベースのドライレジスト又は浸漬レジストを含む請求項２７に記載の方法。
- 前記基板に形成した前記層が、極紫外（ＥＵＶ）フォトリソグラフィと併せて利用したレジストを含む請求項１に記載の方法。
- 前記ＥＵＶレジストが、金属製ハードマスク（ＭＨＭ）層、ナノ結晶金属酸化物ＭＨＭ層、及びこれらの層の組み合わせを含むＭＨＭ積層体からなるグループから選択した物質を含む請求項２９に記載の方法。
- 前記ＥＵＶレジストが、金属製ハードマスク（ＭＨＭ）層、ナノ結晶金属酸化物ＭＨＭ層、及びこれらの層の組み合わせを含むＭＨＭ積層体のうち１つ以上を含む物質を含む請求項２９に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスが、電子ビーム又は紫外線ベースの露光表面改質プロセスを含む請求項１に記載の方法。
- 前記電子ビーム露光表面改質プロセスが、前記プラズマ処理チャンバ内の電極に直流（ＤＣ）重畳電圧を印加することを含む請求項３２に記載の方法。
- 前記基板に形成した前記層がレジスト層を含み、前記電子ビーム露光表面改質プロセスが前記レジスト層のキュアリング又はハードニングを促進する請求項３２に記載の方法。
- 前記ｅビーム電圧又はエネルギー及び露光時間を、前記層の体積が前記層に対して変更されるように増大させる請求項３２に記載の方法。
- 前記表面改質プロセスが、表面ハードニングステップ、前記基板に形成した前記層のキュアリング、又は残留物除去のためのカス除去ステップのうち少なくとも１つを含む請求項１に記載の方法。
- プラズマ処理用具において表面改質プロセスを監視し制御する方法であって、前記方法は、
プラズマ処理システムのプラズマ処理チャンバに表面改質ガスを流入させる工程と、
前記プラズマ処理チャンバでプラズマを発生させ基板に形成した層の表面改質プロセスを開始する工程と、
前記表面改質プロセスの間に監視システムを用いて前記プラズマ処理チャンバの前記プラズマを監視する工程を含み、
前記監視システムが、発光分光、レーザ誘起蛍光、レーザ干渉法、レーザ分光、質量分析、ラマン分光、残留ガス分析器 （ＲＧＡ）、又はフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）システムのうち少なくとも１つを含む方法。 - 前記表面改質プロセスが、電子ビーム又は紫外線ベースの露光表面改質プロセスを含む請求項３７に記載の方法。
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