JP2021533558A - 垂直入射現場プロセス監視センサ - Google Patents

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Abstract

プラズマ処理室における現場エッチング監視のための装置、システム及び方法が提供される。本装置は、入射光線を生成するための連続波広帯域光源と、基板に対して垂直入射で方向付けられている入射光線で、基板上の領域を照明するように構成された照明系と、基板上の照明領域から反射されている反射光線を収集し、反射光線を検出器に方向付けるように構成された収集系と、処理回路構成と、を含む。処理回路構成は、反射光線を処理して背景光を抑制し、背景光を抑制するために処理される、参照光線及び反射光線に基づく基板又はその上に形成される構造の特性を判定し、且つ、判定された特性に基づいてエッチング処理を制御する、ように構成されている。

Description

関連出願の相互参照
本出願は２０１８年７月３１日に出願された「ＮＯＲＭＡＬ−ＩＮＣＩＤＥＮＴ ＩＮ−ＳＩＴＵ ＰＲＯＣＥＳＳ ＭＯＮＩＴＯＲ ＳＥＮＳＯＲ」と題する米国仮特許出願第１６／０５１，０８２号の優先権を主張するものであり、同仮特許出願はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本開示は、現場エッチング処理監視に関し、より具体的には、プラズマエッチング処理のリアルタイム現場膜特性監視のための方法、システム及び装置に関する。
プラズマエッチング処理は、半導体デバイス、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）、及びいくつかの太陽光発電（ＰＶ）を製造するプロセスでフォトリソグラフィと併せて一般的に使用されている。
多くのタイプのデバイス（例えば、半導体デバイス）において、第２の材料層を覆う上部材料層でプラズマエッチング処理を実行する。下の第２の材料層をエッチングし続けることなく、エッチング処理が上部材料層に開口部又はパターンを形成すると、エッチング処理を正確に停止することが重要である。下の材料の上部で正確なエッチング停止を達成するか、又はエッチングされた特徴の正確な垂直寸法を達成するように、エッチング処理の持続時間を正確に制御する必要がある。
エッチング処理を制御する目的で様々な方法が利用され、この方法の一部は、エッチング処理が、例えば、エッチングされた層の材料と異なる化学組成の下の材料層に達しているかどうかを推測するために、プラズマ処理室における気体の化学的性質の分析に依存する。
代わりに、現場計測デバイス（光学センサ）を使用してエッチング処理中にエッチング層を直接測定し、特定の垂直特徴が達成されると、エッチング処理を正確に停止するためにフィードバック制御を行うことができる。例えば、一般的なスペーサー用途において、膜厚監視のための現場光学センサの目標は、着陸（軟着陸）の数ｎｍ前で異方性酸化物エッチングを停止して、次いで等方性エッチングに切り換えて理想的なスペーサー輪郭を達成することである。更に、現場計測デバイスを使用して、エッチング処理中に膜及びエッチング特徴のリアルタイム実測を行い、エッチング処理を制御し、且つ／又はその後の処理（例えば、特定の規格外の寸法を補償する処理）を制御するために使用され得る構造体のサイズに関する情報を判定し得る。
上述の「背景技術」の説明は、本開示の状況を一般的に提示する目的のものである。この背景技術の節で説明される範囲における本発明者の研究及び出願時に他に先行技術としての資格があり得ない説明の側面は、本発明に対する先行技術として明示的にも又は暗示的にも認められない。
本開示の態様は、プラズマ処理室における現場エッチング監視のための装置を含む。本装置は、連続波広帯域光源と、基板に対して垂直入射で方向付けられている入射光線で、基板上の領域を照明するように構成された照明系と、基板上の照明領域から反射されている反射光線を収集し、反射光線を検出器に方向付けるように構成された収集系と、処理回路構成と、を含む。処理回路構成は、反射光線を処理して背景光を抑制（例えば、フィルタリング又は差し引き）し、参照光線及び反射光線に基づく基板又はその上に形成される構造の特性（例えば、厚さ）を判定し、且つ、判定された特性に基づいてエッチング処理を制御する、ように構成されている。
本開示の別の態様は、プラズマ処理システムを含む。このシステムには、プラズマ処理室、及びＡＯＩ（入射角）がゼロの垂直入射反射率計が含まれる。垂直入射反射率計は、連続波広帯域光源と、検出器と、基板に対して垂直入射で方向付けられている入射光線で、プラズマ処理室内に配置された基板上の領域を照明するように構成された照明系と、基板上の照明領域から反射されている反射光線を収集し、反射光線を検出器に方向付けるように構成された収集系と、処理回路構成と、を含む。処理回路構成は、反射光線を処理して背景光を抑制し、背景光を抑制するために処理される、参照光線及び反射光線に基づく基板又はその上に形成される構造の特性を判定し、且つ、判定された特性に基づいてエッチング処理を制御する、ように構成されている。
本開示の更に別の態様は、現場エッチング監視のための方法を含む。開示された方法では、入射光線は、プラズマ処理室内に配置された基板に対して垂直入射で方向付けられ、入射光は、基板の表面上に照明領域を生成する。加えて、入射光線の一部は、参照光線を収集するために検出器に分割される。プラズマから生成される背景光及び反射光線もまた、照明領域から収集される。更に、反射光線を処理して背景光を抑制する。基板又はその上に形成される構造の特性は、アルゴリズム又は参照ライブラリを使用することによって、参照光線及び反射光線に基づいて判定され、エッチング処理は、判定された特性に基づいて制御される。
上記の段落は、全般的な序文として提供されており、下記の特許請求の範囲を限定することは意図されていない。更なる利点と一緒に、記載の実施形態は、添付図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって最も良く理解されるであろう。
本開示のより詳細な評価及び付随する利点の多くは、添付図面に関連して考慮される場合に、それが下記の詳細な説明を参照することによってより良く理解されると容易に得られるであろう。
いくつかの実施形態による、エッチング処理監視のためのシステムの概略図である。 いくつかの実施形態による、例示的な光学モジュールの概略図である。 いくつかの実施形態による、参照光線を得るための第１の例示的な構成の概略図である。 いくつかの実施形態による、参照光線を得るための第２の例示的な構成の概略図である。 いくつかの実施形態による、参照光線を得るための第３の例示的な構成の概略図である。 いくつかの実施形態による、参照光線を得るための第４の例示的な構成の概略図である。 いくつかの実施形態による、光変調／シャッタモジュールのブロック図である。 いくつかの実施形態による、シャッタのタイミング図を示す概略図である。 いくつかの実施形態による、エッチング処理の現場監視のための方法を示すフローチャートである。 例示的な結果を示す概略図である。 いくつかの実施形態による、コントローラの例示的なブロック図である。
ここで、いくつかの図面全体にわたって同じ参照符号が同じ又は対応する部品を示す図面を参照すると、下記の説明は、半導体製造におけるパターン化された又はパターン化されていないウェハのプラズマ処理のリアルタイム現場膜特性監視のためのシステム及び関連する方法に関する。
本明細書の全体を通して「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」又は「実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」に言及することは、その実施形態に関して記載する特定の特徴、構造、材料又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味するが、それらが全ての実施形態に存在することを示すものではない。したがって、本明細書の様々な箇所で「一実施形態では」という語句が登場することは、必ずしも同じ実施形態に言及しているわけではない。更に、特定の特徴、構造、材料又は特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切な様式で組み合わされ得る。
図１は、１つの例による、光学センサ１０１を備えたプラズマ処理システム１００の概略側面図である。プラズマ処理システム１００は、プラズマ処理室１２４を更に含む。
光学センサ１０１は、光学モジュール１０２（照明及び収集）、光源１０４、シャッタ１０６、分光計１１２、及びコントローラ１１４を含む、ゼロ度の入射角（ＡＯＩ）を備えた垂直入射反射率計であり得る。光学センサ１０１は、光源１０４から入射光線１２０を生成し、分析のために反射光線１２２を受け取る。入射光線１２０及び反射光線１２２は、プラズマ処理室１２４内の基板１１６の垂線に沿って伝搬する。光学モジュール１０２は、照明系１０８及び収集系１１０を更に含む。光学センサ１０１は、プラズマ処理室１２４でのプラズマエッチング処理中、基板１１６上の照明領域１１８からの反射光線１２２を測定するように構成されている。照明領域１１８は、基板１１６のサイズの関数として調整可能であり得る。一実施形態では、光学モジュール１０２は、プラズマ処理室１２４の外側に配置してもよい。別の実施形態では、光学モジュール１０２は、プラズマ処理室内に設置することができる。図２に示すように、光学モジュール１０２は、管内に設置することができ、管は、ステンレス鋼又はアルミニウム合金で作製されており、プラズマ処理室１２４の上壁を通してプラズマ処理室１２４内に挿入されている。
光学センサ１０１では、光源１０４を使用して基板照明のための入射光線１２０を形成する。実施形態において、光源１０４は、連続波（ＣＷ）広帯域光源、例えば、ＥＮＥＲＧＥＴＩＱからのＥＱ−９９Ｘ ＬＤＬＳ（商標）などの長寿命電球（＞９０００時間）を備えた広域スペクトルＵＶ（紫外線）〜Ｖｉｓ（可視）〜ＮＩＲ（近赤外線）（即ち１９０ｎｍ〜２０００ｎｍ）にわたる高輝度の光を供給するレーザ駆動プラズマ光源（ＬＤＬＳ）などの、広帯域光源である。一実施形態では、光源１０４は、光学シャッタ１０６によって変調された後、照明系１０８にファイバ結合され得る。別の実施形態では、光源１０４は、シャッタ１０６を通過することなく、照明系１０８に直接、ファイバ結合され得る。
光源１０４を、プラズマ処理室１２４、又は光学センサ１０１を収容する任意の筐体に近接して装着しても又は装着しなくてもよい。光源１０４を離れて装着した場合、本明細書で後述されるように、ミラー、プリズム及びレンズなどの光学構成要素のセット又は光ファイバにより、入射光線１２０をプラズマ処理室１２４に近接した他の構成要素に供給することができる。光学センサ１０１はまた、入射光線及び反射光線に対するリレー光学素子及び偏光子を含み得る。１つの例では、リレー光学素子は、放物面ミラーを使用して光線を方向付け、光学収差を最小限に抑える。
入射光線１２０は、基板１１６上の照明領域１１８から反射されて、反射光線１２２を形成する。光学センサ１０１はまた、分光計１１２などの検出器を含む。分光計１１２は、反射光線１２２のスペクトル強度を測定するための測定チャネル（すなわち、測定分光計）、及び参照光線１２６のスペクトル強度を測定するための参照チャネル（すなわち、参照分光計）を含む、デュアルチャネル広帯域高ＳＮＲ（信号対雑音比）分光計であり得る。分光計１１２の測定チャネルは、収集系１１０にファイバ結合され得る。
入射光線１２０が基板１１６に対して垂直入射に方向付けられる前に、入射光線１２０の一部は、参照光線１２６として機能するように分割され、その後、参照光線１２６は、分光計１１２（すなわち、参照分光計）の参照チャネルに方向付けられる。参照光線１２６を収集させる目的は、入射光線１２０のスペクトル強度の任意の変化を測定プロセスで把握できるように、入射光線１２０のスペクトル強度を監視することである。そのような強度の変化は、光源１０４の出力電力のドリフトに起因して生じる場合があり、例えば、そのドリフトは波長に依存し得る。別の実装形態では、参照光線１２６の強度は、１つ以上のフォトダイオードなどによって測定され得る。例えば、フォトダイオードは、参照光線を検出して、全照明スペクトル（例えば、ＵＶ〜ＶＩＳ〜ＮＩＲ）にわたって統合された入射光線１２０の強度に比例する参照信号を供給し得る。
一実装形態において、フォトダイオードのセットを使用して、参照光線１２６の強度を測定することができる。例えば、フォトダイオードのセットは、それぞれＵＶ〜ＶＩＳ〜ＮＩＲ波長に及ぶ３つのフォトダイオードを含み得る。フォトダイオードのセットの各フォトダイオードの前に、フィルタを設置してもよい。例えば、帯域通過フィルタを使用して、光源１０４の強度変動に対するスペクトル（例えば、ＵＶ、ＶＩＳ、ＮＩＲ）の一部を監視してもよい。一実装形態では、プリズム又は格子を使用して、参照光線をフォトダイオードのセットに分散させてもよい。それによって、参照分光計を使用することなく、光源１０４のスペクトル依存強度変動を追跡して補正することができる。参照光線を得るための例示的な構成を、後述の図３Ａ及び図３Ｂに示す。
入射光線１２０は、入射光線１２０がシャッタ１０６によって遮断されたときに分光計１１２の測定チャネルによって測定された背景光（すなわち、プラズマ発光又はプラズマ処理室内の機器光などの入射光線１２０の反射光を示さない光）を構成するために、チョッパホイール又はシャッタ１０６によって変調され得る。
別の実施形態では、チョッパホイール又はシャッタ１０６は、光学センサ１０１において省略され得る。入射光線１２０は、光源１０４を通して直接、照明系１０８にファイバ結合することができる。そのような実施形態では、プラズマ発光又は機器光に起因する背景光は、信号処理アルゴリズムを介して反射光線からフィルタリング除去され得る。
シャッタが入射光を遮断するときにプラズマ処理室１２４から収集された背景光の測定されたスペクトル強度、反射光線１２２の測定されたスペクトル強度、及び参照光線１２６の測定されたスペクトル強度は、コントローラ１１４に提供される。コントローラ１１４は、反射光線１２２の測定されたスペクトル強度を処理して、背景光を抑制する。例えば、コントローラ１１４は、反射光線１２２のスペクトル強度から背景光のスペクトル強度を差し引くことができる。加えて、参照光線１２６の測定されたスペクトル強度は、コントローラ１１４によって分析されて、入射光線１２０の強度変化を監視することができ、この入射光線１２０の強度変化は、測定プロセスにおいて把握され得る。コントローラ１１４は、機械学習アルゴリズムなどの特別なアルゴリズムを使用して、以下で更に説明するように、プラズマエッチング処理を制御するために、背景光を抑制するように処理される参照光線及び反射光線に基づいて、対象となる層の１つ以上の特性（例えば、特徴寸法、光学的特性）を判定する。
別の実施形態では、シャッタ１０６は、光学センサ１０１に導入されず、光源１０４は、シャッタ１０６を通過することなく照明系１０８に直接、ファイバ結合され得る。コントローラ１１４は、アルゴリズムを使用して、反射光線１２２の測定されたスペクトル強度から背景光のスペクトル強度を計算することができる。コントローラ１１４は、反射光線１２２の測定されたスペクトル強度を更に処理して、背景光の計算されたスペクトル強度に基づいて背景光を抑制する（例えば、フィルタリング、又は差し引く）ことができ、或いは、背景光からの干渉が十分に低い場合、背景照明の補正は必要ない場合がある。
光学センサ１０１及び関連する方法はまた、本明細書で後述するように、露出シリコンウェハなどの参照ウェハ（較正）に関する定期的な測定を使用して、光学センサ又はエッチング室構成要素のドリフトを補償することができる。
更に図１に示すように、コントローラ１１４は、光源１０４、シャッタ１０６、及び分光計１１２に接続されている。コントローラ１１４は、光源１０４、シャッタ１０６、及び分光計１１２からデータを取得し、取得したデータを処理することができる。コントローラ１１４は、処理したデータに従って、光源１０４、シャッタ１０６、及び分光計１１２に命令を送信することができる。
図２は、１つの例による光学モジュール１０２の概略図である。図２に示すように、光学モジュール１０２は、管２２２の内部及び上部に統合することができる。管２２２は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、誘電体材料などで作製され得る。管２２２は、プラズマ処理室の上壁２４０を通してプラズマ処理室１２４内に挿入することができる。管２２２の底部は、上壁２４０を通って突出してもよい。管２２２は、プラズマ処理室の上壁の中央に配置することができる。管２２２はまた、測定要件に応じて、中心から外して配置することができる。管２２２は、上壁２４０に対して取り付けられる真空シール２２６及び真空シールフランジ２２８を使用することができる。管２２２は、任意選択的に、管２２２の側面部分に接続され、且つガス注入穴２３４を通してプラズマ処理室１２４に処理ガス又はパージガス２３６を注入するために使用できる、ガス供給パイプ２２４を含み得る。管２２２は、プラズマ処理室から管の内部への汚染を防ぐように構成された下窓２０２を含むことができる。実施形態では、下窓２０２に穴を開けることができ、ガス２３６を下窓２０２から逃がすことができる。管２２２はまた、上窓２０４を含むことができる。上窓２０４は、管２２２の上窓２０４の上の部分が大気圧下にあり、管の上窓２０４の下の他の部分が真空下にある場所で、真空シールとして機能するように構成されている。下窓２０２は、石英、溶融シリカ、又はサファイアであり得る。上窓はまた、プラズマ処理室１２４内のアグレッシブな化学物質に対する窓材料の耐性、及び例えばスペクトルの深紫外線部分を含む必要となる波長を送る必要性を含み得る要件に従って、石英、溶融シリカ、又はサファイアとすることができる。
光学モジュール１０２は、照明系１０８及び収集系１１０を含む。図２に示すように、照明系１０８は、第１の軸外放物面ミラー２１２、第１の偏光子２０８、及びビームスプリッタ２０６を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の軸外放物面ミラー２１２は、９０°の軸外放物面ミラーである。収集系１１０は、第２の軸外放物面ミラー２２０、第２のローション偏光子２１６、及び折り返しミラー２１４を含み得る。いくつかの実施形態では、第２の軸外放物面ミラー２２０は、別の９０°の軸外放物面ミラーである。例示的な動作では、入射光線１２０は、光源１０４によって生成され、ファイバ２１０を通して第１の軸外放物面ミラー２１２に導かれる。第１の軸外放物面ミラー２１２は、アルミニウム、金などのような高反射率コーティングでコーティングされたミラーであり得る。第１の軸外放物面ミラー２１２は、入射光線１２０を方向付け、光学収差を最小化するように構成されている。入射光線１２０は、第１の軸外放物面ミラー２１２によって第１の偏光子２０８に方向付けられる。
任意選択の第１の偏光子２０８は、存在する場合、基板１１６に到達する入射光線１２０に直線偏光を課す。第１の偏光子２０８は、高い消光比、大きいｅ及びｏ光線分離を有するローション偏光子、例えばＭｇＦ２ローション偏光子、アルファＢＢＯローション偏光子などであり得る。入射光線１２０の偏光により、反射率計信号の信号対雑音比が増大し、それによって、測定精度が向上し、非偏光入射光線に比べて特徴寸法測定値の感度が向上する。
第１の偏光子２０８を通過した後、入射光線１２０は、ビームスプリッタ２０６に到達する。ビームスプリッタ２０６は、入射光線１２０を基板１１６に向けて垂直入射で方向付け、照明領域１１８を生成することができる。ビームスプリッタ２０６は、入射光線１２０の一部を更に分割して、参照光線１２６を形成することができ、その後、参照光線１２６は、図３Ａ〜図３Ｂに示すように、他の光学構成要素によって分光計１１２の参照チャネルに方向付けられる。ビームスプリッタは、２つの三角形ガラスプリズム、半銀ミラー、又はダイクロイックミラープリズムなどから作製された立方体であり得る。
基板１１６上の照明領域１１８のサイズは、５０ミクロン〜６０ｍｍ（ミリメートル）以上で変化し得る。照明領域１１８の形状は円形であり得るが、入射光線１２０又は反射光線１２２（図示せず）のいずれかに挿入されるアパーチャマスクを使用することによって、非円形に変更することもできる。照明領域１１８のサイズは、基板１１６上で測定されている構造のサイズ及び特性に依存してもよく、良好な信号を確実にするために調整可能であり得る。照明領域１１８は、基板１１６上の複数の構造体を覆ってもよい。したがって、検出された光学的特性（例えば、屈折率）は、基板１１６上の多くの構造体に関連する特徴の平均を表し得る。
実施形態では、入射光線１２０は、第１の軸外放物面ミラー２１２の前に配置されたアパーチャ（図示せず）を通過することができる。アパーチャを修正して、異なる形状（例えば、長方形、正方形）を有する照明スポットを生成してもよい。アパーチャの僅かな修正を使用して、例えば、測定されている構造体のサイズ及び特性に基づいて、基板上の照明領域のサイズ及び形状を効率的に最適化することができる。
したがって、入射光線１２０は、基板１１６の表面から反射されて、反射光線１２２を生成する。反射光線１２２は、下窓２０２、上窓２０４、及びビームスプリッタ２０６を通過する。ビームスプリッタ２０６は、最小の信号損失で反射光線１２２の伝搬を可能にするように設計されていることに留意されたい。次いで、反射光線１２２は、折り返しミラー２１４によって、任意選択の第２のローション偏光子２１６に方向付けられる。第２のローション偏光子２１６は、存在する場合、基板１１６から反射されたｐ偏光のみを測定できるように構成されている。第２のローション偏光子２１６を通過した後、反射光線１２２は、第２の軸外放物面ミラー２２０を通過する。第２の軸外放物面ミラー２２０を通過した後、反射光線１２２は、光ファイバ２１８を介して収集され、分光計１１２の測定チャネルに方向付けられ得る。光ファイバ２１８は、分光計１１２の測定チャネルに結合される。第２の軸外放物面ミラー２２０は、第１の軸外放物面ミラー２１２と同様であり得る。光学センサ１０１の様々な実施形態では、信号対雑音要件及び他の測定要件に応じて、偏光子を使用しないか、又は任意選択の偏光子２０８及び２１６の一方若しくは両方を使用してもよい。
更なる実施形態では、図２に示す光学センサ１０１は、入射光線１２０及び反射光線１２２を操作するために、ミラー、プリズム、レンズ、空間光変調器、デジタルマイクロミラーデバイスなどの他の光学構成要素を含むことができる。図２の光学センサ１０１の構成及び構成要素レイアウトは、図２に正確に示される必要はない。追加の光学構成要素により、光線を折り返して操作して、現場の光学センサをプラズマ処理室１２４の壁に取り付けるのに適したコンパクトなパッケージに容易に包装することができる。
図３Ａは、１つの例による、参照光線を得るための第１の例示的な構成である。シャッタ１０６から、光出力の一部が参照光線１２６として機能することができ、ミラー３０２によって分光計１１２の参照チャネルに方向付けることができる。レンズ３０４を使用して、参照光線を光ファイバに集束させてもよい。
図３Ｂは、１つの例による、参照光線を得るための第２の例示的な構成である。入射光線１２０の光路内のビームスプリッタ２０６を使用して、入射光線の一部を分光計１１２の参照チャネルに方向付けることができる。プリズム３０６を使用して、参照光線１２６を光ファイバに集束することができる。一実装形態において、本明細書で上述したように、コントローラ１１４に接続された１つ以上の光検出器（例えば、ＵＶ、Ｖｉｓ、ＮＩＲ）を使用して、参照光線の強度を測定してもよい。
図３Ｃ及び図３Ｄは、光源出力において直接、参照光線の光強度を測定するための第３及び第４の構成をそれぞれ提供している。図３Ｃでは、光源１０４によって生成された光出力の一部は、任意選択で且つ省略可能なシャッタ１０６、レンズ３１０、レンズ３１２を透過し、光ファイバによって受光され得る。光ファイバは更に、受け取った光線を照明系に導く。加えて、光源１０４の光出力の一部は、レンズ３１４を透過し、別の光ファイバによって受光され得る。他の光ファイバは、分光計１１２の参照チャネルと更に結合することができる。図３Ｄでは、光源１０４の光出力の一部は、レンズ３１４を透過し、１つ以上のフォトダイオード３１８によって受光され得る。フォトダイオード３１８は更に、受光された参照光線１２６の強度を測定する。
図４Ａは、１つの例による光変調／シャッタモジュールのブロック図である。一実装形態では、シャッタ１０６は、２つの位置間で前後に移動して、入射光線１２０がプラズマ処理室１２４に入ることを遮断し又は可能にし得る。シャッタ１０６は、ステッピングモータを含んでもよい。ステッピングモータを備えたシャッタ１０６は、高いスイッチング速度、並びに高い再現性及び信頼性を提供する。分光計１１２に同期化されたシャッタコントローラ４００を介して、シャッタ１０６を制御することができる。データ取得モジュール４０２は、分光計１１２の参照チャネル、及び分光計１１２の測定チャネルに接続される。一実装形態において、シャッタ１０６は、連続回転光学チョッパであり得る。
図４Ｂは、１つの例によるシャッタ１０６のタイミング図を示す概略図である。電荷結合素子（ＣＣＤ）の読み出しは、クリーンサイクルを有する。シャッタが開状態である場合、入射光線１２０は、基板１１６に到達し、したがって、分光計１１２の測定チャネルによって測定された光は、反射光線１２２及び背景光（例えば、プラズマ放出光）を示す。Ｍサイクル（即ちＣＣＤ統合／データ読み出し）を測定し、平均化して、信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上させることができる。シャッタが閉状態である場合、入射光線１２０は、基板１１６に到達せず、したがって、分光計１１２の測定チャネルによって測定された光は、背景光（例えば、プラズマ放出光）を示す。Ｎサイクル（即ちＣＣＤ統合／データ読み出し）を測定し、平均化して、ＳＮＲを向上させることができる。したがって、コントローラ１１４は、反射光強度から特徴寸法（例えば、厚さ）を判定するために、収集された強度を処理してもよい（例えば、プラズマ強度を差し引く）。
物理的特徴は、複数の方法を使用して収集されたスペクトルから判定され得る。例えば、物理的特徴は、ライブラリを参照して、検出スペクトルを事前計算及び事前記憶スペクトルと一致させることによって、判定され得る。一実装形態では、直接、物理回帰モデルを使用して、パターン化されていないウェハに対する膜厚を得ることができる。回帰モデルはまた、２Ｄラインなどの単純パターンの限界寸法（ＣＤ）及び他のパターンパラメータを測定するために使用することができる。
いくつかの実装形態では、機械学習技術（例えば、ニューラルネットワーク、情報ファジーネットワーク）を使用してもよい。教師ありトレーニング方法により、機械学習アルゴリズムをトレーニングして、サンプルの特性（例えば、ＣＤ、厚さなど）と、収集されたスペクトルとの関係を構築する。機械学習方法のトレーニング段階中、サンプルからのスペクトルが収集される。各サンプルに関連する特性は、ＣＤ計測ツールから得ることができる。次いで、収集されたスペクトルデータ、及び各サンプルの特性を使用することによって、機械学習アルゴリズムがトレーニングされる。
リアルタイムアプリケーション段階において、トレーニングされた機械学習アルゴリズムが展開され、各ウェハのターゲット特性に基づいてターゲットエンドポイントが予測される。エッチング処理中に収集されたスペクトルは、予測されたターゲットエンドポイントスペクトルと比較されて、各ウェハのターゲット特性に到達したことを示す。
図５は、１つの例によるエッチング処理の現場監視のための方法５００を示すフローチャートである。ステップ５０２において、エッチング処理レシピが開始する。ステップ５０４におけるプラズマエッチングの特定の時間（例えば、時間Ａ≧０秒）後、方法５００は、ステップ５０６に進む。ステップ５０６において、基板１１６からの反射光線のスペクトル強度、及び背景光のスペクトル強度が測定される。コントローラ１１４は、反射光線１２２の測定されたスペクトル強度を処理して、任意選択的に背景光を抑制（例えば、差し引き又はフィルタリング）し、プラズマエッチング中に背景で補正されたスペクトルを取得する。例えば、コントローラ１１４は、反射光線１２２のスペクトル強度から背景光のスペクトル強度を差し引くことができる。
ステップ５０８において、機械学習アルゴリズム又は多項式アルゴリズムなどの予測アルゴリズムは、トレーニングモデル５１４に基づいて取得されたスペクトルを分析し、基板又はその上に形成された構造の特定の特性（例えば、厚さ）をそのスペクトルに関連付ける。
次いで、ステップ５１０において、基板又はその上に形成された構造の特性が達成されているとの判定に応じて、プロセスはステップ５１２に進む。基板又はその上に形成された構造の特性が達成されていないと判定したことに応じて、プロセスはステップ５０６に戻る。ステップ５１２において、コントローラ１１４は、エッチング処理を修正することができ、例えば、レシピを切り替え若しくは停止するか、又は測定値がプロセスが完了に近づいていることを示すとレシピを別のレシピに変更することができる。
このアルゴリズムはまた、露出シリコンウェハ及び／又は薄膜ウェハなどの１つ以上の参照基板（較正）に関する周期的な測定値を使用して、光学センサ又はエッチング室構成要素のドリフトを補償することができる。システムの較正中、既知の特性の露出（即ちパターン化されていない）シリコンウェハ又は他のウェハから、光線が反射され得る。反射光線を使用して、例えばプラズマ処理の生成物による窓（例えば、窓２０２及び２０４）の曇りに起因する、光学センサ１０１の任意の変化に対して較正する。プラズマ処理システム１００で所定の数のウェハが処理されている場合、再較正が適用され得る。
図６は、例示的な結果を示す例示的な概略図である。本明細書に開示された光学センサ１０１による厚さの検出を、他の検出方法及びモデルと比較した。例えば、Ｍ個のサイトを有する参照ウェハマップを使用し得る。このウェハマップにおける層厚の範囲を表すＭ個のサイトから、Ｎ個のサイトが本発明者らによって選択されている。選択されたＮ個のサイトを、概略図６００内の円によって示す。概略図６００に示すプロットの直線の性質は、本明細書に記載された光学センサ１０１を用いて得られた測定値（縦軸）と、別のツール（例えば計測ツール）を用いて得られた測定値との間の優れた一致を示している。
次に、例示的な実施形態によるコントローラ１１４のハードウェア記述を、図７を参照して説明する。図７では、コントローラ１１４は、本明細書に記載された処理を実行するＣＰＵ ７００を含む。処理データ及び命令は、メモリ７０２に記憶され得る。これらの処理及び命令はまた、ハードドライブ（ＨＤＤ）若しくは携帯記憶媒体などの記憶媒体ディスク７０４に記憶され得るか、又は遠隔で記憶され得る。更に、特許請求の範囲に記載の進歩は、発明プロセスの命令を記憶するコンピュータ可読媒体の形態によって限定されない。例えば、命令は、ＣＤ、ＤＶＤ、ＦＬＡＳＨメモリ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ハードディスク、又はコントローラ１１４が通信する任意の他の情報処理デバイス（例えば、サーバ又はコンピュータ）に記憶され得る。
更に、特許請求の範囲に記載の進歩は、ＣＰＵ ７００、並びにＭｉｃｒｏｓｏｆｔ（登録商標）Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）、ＵＮＩＸ（登録商標）、Ｏｒａｃｌｅ（登録商標）Ｓｏｌａｒｉｓ、ＬＩＮＵＸ（登録商標）、Ａｐｐｌｅ ｍａｃＯＳ（商標）、及び当業者に既知の他のシステムなどのオペレーティングシステムと併せて実行する、ユーティリティアプリケーション、バックグラウンドデーモン、若しくはオペレーティングシステムの構成要素、又はこれらの組み合わせとして、提供され得る。
コントローラ１１４を得るために、当業者に既知の様々な回路構成素子によってハードウェア素子を実現し得る。例えば、ＣＰＵ ７００は、米国のＩｎｔｅｌからのＸｅｎｏｎ若しくはＣｏｒｅプロセッサ、又は米国のＡＭＤからのＯｐｔｅｒｏｎプロセッサであり得るか、或いは当業者によって認識されるタイプの他のプロセッサであり得る。代わりに、当業者であれば認識するように、ＣＰＵ ７００は、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣ、ＰＬＤ、又は個別論理回路を使用して実装され得る。更に、ＣＰＵ ７００は、上述の発明プロセスの命令を実行するために並行して協調的に動作する多重プロセッサとして実装され得る。
図７におけるコントローラ１１４はまた、ネットワーク７２８とインターフェース接続する、米国のＩｎｔｅｌ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＩｎｔｅｌ Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＰＲＯネットワークインターフェースカードなどのネットワークコントローラ７０６を含む。理解できるように、ネットワーク７２８は、インターネットなどの公衆ネットワーク、又はＬＡＮ若しくはＷＡＮネットワークなどのプライベートネットワーク、又はこれらの任意の組み合わせであり得、また、ＰＳＴＮ又はＩＳＤＮサブネットワークを含み得る。ネットワーク７２８は、Ｅｔｈｅｒｎｅｔネットワークなどの有線であり得、又はＥＤＧＥ、３Ｇ、４Ｇ、及び５Ｇ無線セルラーシステムを含むセルラーネットワークなどの無線であり得る。無線ネットワークはまた、ＷｉＦｉ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は既知の通信の任意の他の無線形態であり得る。
コントローラ１１４は、Ｈｅｗｌｅｔｔ Ｐａｃｋａｒｄ（登録商標）ＨＰＬ２４４５ｗ ＬＣＤモニタなどのディスプレイ７１０とインターフェース接続する、米国のＮＶＩＤＩＡ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＮＶＩＤＩＡ（登録商標）ＧｅＦｏｒｃｅ（登録商標）ＧＴＸ又はＱｕａｄｒｏ（登録商標）グラフィックスアダプタなどのディスプレイコントローラ７０８、を更に含む。汎用入出力インターフェース７１２は、ディスプレイ７１０上で又はディスプレイ７１０から分離して、キーボード及び／又はマウス７１４並びに任意選択的なタッチスクリーンパネル７１６とインターフェース接続する。汎用入出力インターフェースはまた、Ｈｅｗｌｅｔｔ ＰａｃｋａｒｄからのＯｆｆｉｃｅＪｅｔ（登録商標）又はＤｅｓｋＪｅｔ（登録商標）などのプリンタ及びスキャナを含む様々な周辺機器７１８に接続する。
コントローラ１１４において、ＣｒｅａｔｉｖｅからのＳｏｕｎｄ Ｂｌａｓｔｅｒ（登録商標）Ｘ−Ｆｉ Ｔｉｔａｎｉｕｍ（登録商標）などのサウンドコントローラ７２０を更に与えて、スピーカ／マイクロホン７２２とインターフェース接続し、それによって音声及び／又は音楽を提供する。
汎用記憶装置コントローラ７２４は、コントローラ１１４の構成要素の全てを相互接続する、ＩＳＡ、ＥＩＳＡ、ＶＥＳＡ、ＰＣＩ、又は類似品であり得る通信バス７２６と、記憶媒体ディスク７０４を接続する。ディスプレイ７１０、キーボード及び／又はマウス７１４、並びにディスプレイコントローラ７０８、汎用記憶装置コントローラ７２４、ネットワークコントローラ７０６、サウンドコントローラ７２０、及び汎用入出力インターフェース７１２の一般的な特徴及び機能の説明は、これらの特徴が既知であるため、簡潔にすべく本明細書では省略されている。
上述の説明における特徴を含むシステムにより、多くの利点をユーザに提供する。開示された垂直入射現場プロセス監視センサは、ゼロ度の入射角（ＡＯＩ）での垂直入射反射率計がより良い測定感度を有するため、関連技術に対する感度（信号対雑音比）を増大させる。加えて、開示されたセンサは、必要となる光学モジュールが１つだけであるため、より低コストである。開示されたセンサはコンパクトな設計であり、最小限の室の変更及び最小限の室上の位置合わせのみを必要とする。更に、開示されたセンサは、感度の増大により、プラズマの背景補正のためのシャッタを排除することができる。例えば、基板１１６から反射されたｐ偏光の収集により、より良い信号純度が得られる。開示されたセンサは、異なるウェハ構造に使用することができる。
明らかに、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変更形態が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内において、本明細書で具体的に記載するものとは別に本発明を実施し得ることが理解されるものとする。したがって、上述の説明は、本発明の例示的な実施形態を単に開示及び記載しているに過ぎない。当業者であれば分かるように、本発明の趣旨又は基本的な特徴から逸脱することなく、本発明は、他の特定の形態で具体化され得る。したがって、本発明の開示は、例示であるように意図され、本発明の範囲及び他の請求項を限定しない。本明細書に教示される任意の容易に認識できる変更形態を含む本開示は、本発明の主題が公衆に専用されないように、上述の請求項の用語の範囲を部分的に規定する。

Claims (20)

  1. プラズマ処理室における現場エッチング監視のための装置であって、
    連続波広帯域光源と、
    基板に対して垂直入射で方向付けられる入射光線で、前記基板上の領域を照明するように構成された照明系と、
    前記基板上の照明領域から反射する反射光線を収集し、前記反射光線を検出器に方向付けるように構成された収集系と、
    前記反射光線を処理して背景光を抑制し、前記背景光を抑制するために処理される、参照光線及び前記反射光線に基づく前記基板又はその上に形成される構造の特性を判定し、且つ、前記判定された特性に基づいてエッチング処理を制御する、ように構成された処理回路構成と、を備える、装置。
  2. 前記連続波広帯域光源からの前記入射光線を周期的に遮断して、それに応じて前記収集系に前記背景光を収集させるように構成されたシャッタを更に備える、請求項１に記載の装置。
  3. ２つの位置間で前記シャッタを移動させるように構成されたステッピングモータを更に備え、第１の位置では、前記シャッタが前記入射光線が前記プラズマ処理室に到達することを遮断するように構成され、且つ第２の位置では、前記シャッタが前記入射光線が前記プラズマ処理室に入ることを可能にするように構成されている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記シャッタが、チョッパホイールである、請求項２に記載の装置。
  5. 前記参照光線が、前記入射光線の一部をビームスプリッタ又はミラーを通して分割することにより前記照明系によって生成され、その後、前記検出器に方向付けられる、請求項１に記載の装置。
  6. 前記連続波広帯域光源が、波長範囲が１９０ｎｍ〜２０００ｎｍのレーザ駆動広帯域光源である、請求項１に記載の装置。
  7. 前記照明系が、第１のローション偏光子を含み、前記入射光線が、前記基板に方向付けられる前に前記第１のローション偏光子を通過する、請求項１に記載の装置。
  8. 前記収集系が、第２のローション偏光子を含み、前記反射光線が、前記検出器に方向付けられる前に前記第２のローション偏光子を通過する、請求項１に記載の装置。
  9. 前記照明系が、第１の軸外放物面ミラーと、前記入射光線を前記基板に方向付けるためのビームスプリッタとを含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記収集系が、前記反射光線を前記検出器に方向付けるための第２の軸外放物面ミラーと折り返しミラーとを含む、請求項１に記載の装置。
  11. 前記検出器が、前記反射光線を受け取るための測定チャネルと、前記参照光線を受け取るための参照チャネルとを含む、デュアルチャネル広帯域高ＳＮＲ（信号対比）分光計である、請求項１に記載の装置。
  12. プラズマ処理システムであって、
    プラズマ処理室と、
    垂直入射反射率計であって、
    連続波広帯域光源と、
    検出器と、
    前記プラズマ処理室内に配置された基板上の領域を、前記基板に対して垂直入射で方向付けられる入射光線で照明するように構成された照明系と、
    前記基板上の照明領域から反射する反射光線を収集し、前記反射光線を前記検出器に方向付けるように構成された収集系と、
    前記反射光線を処理して背景光を抑制し、前記背景光を抑制するために処理される、参照光線及び前記反射光線に基づく前記基板又はその上に形成される構造の特性を判定し、且つ、前記判定された特性に基づいてエッチング処理を制御する、ように構成された処理回路構成と、
    を備える、プラズマ処理システム。
  13. 前記照明系及び前記収集系が、管の内部に設置されている、請求項１２に記載のシステム。
  14. 前記管が、ステンレス鋼又はアルミニウム合金で作製されており、前記プラズマ処理室の上壁を通して前記プラズマ処理室内に挿入されている、請求項１３に記載のシステム。
  15. 前記管が、真空シールとして機能するように構成された上窓と、汚染を防止するように構成された下窓とを含む、請求項１３に記載のシステム。
  16. 前記管が、処理ガス又はパージガスを前記プラズマ処理室に注入するように構成されたガス供給パイプを含む、請求項１３に記載のシステム。
  17. 前記垂直入射反射率計が、前記広帯域光源からの前記入射光線を周期的に遮断して、それに応じて前記収集系に前記背景光を収集させるように構成されたシャッタを更に備える、請求項１２に記載のシステム。
  18. 前記照明系が、第１のローション偏光子を含み、前記入射光線が、前記基板に方向付けられる前に前記第１のローション偏光子を通過する、請求項１２に記載のシステム。
  19. 前記収集系が、第２のローション偏光子を含み、前記反射光線が、前記検出器に方向付けられる前に前記第２のローション偏光子を通過する、請求項１２に記載のシステム。
  20. 現場エッチング監視のための方法であって、
    プラズマ処理室内に配置された基板に対して垂直入射で入射光線を方向付けることであって、前記入射光線が前記基板の表面上に照明領域を生成する、ことと、
    前記入射光線の一部を検出器に分割して、参照光線を収集することと、
    プラズマから背景光を収集し、前記照明領域から反射光線を収集することと、
    前記反射光線を処理して前記背景光を抑制することと、
    アルゴリズム又は参照ライブラリを使用することによって、前記参照光線及び前記反射光線に基づいて、前記基板又はその上に形成された構造の特性を判定することと、
    前記判定された特性に基づいて、エッチング処理を制御することと、を含む方法。
JP2021504491A 2018-07-31 2019-07-23 垂直入射現場プロセス監視センサ Active JP7395099B2 (ja)

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