JP2022544816A - プラズマエッチングにおける終点検出のための合成波長 - Google Patents

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Abstract

発光分光分析(OES)データを入力として使用してエッチング処理の終点を判定する方法が記載される。OESデータは、プラズマエッチング処理チャンバ内の分光計によって取得される。取得された時間発展スペクトルデータは、最初にフィルタリング及び平均除去され、且つその後、以前に計算された主成分重みが使用されて変換を実現する主成分分析等の多変量解析を使用して、変換されたスペクトルデータ又はトレンドに変換される。主成分重みを、正及び負の自然波長に対応する2つの別々のグループに分類することは、別々の符号付きトレンド(合成波長)を生成する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2019年8月22日出願の「Synthetic Wavelengths for Endpoint Detection in Plasma Etching」という名称の米国特許出願公開第16/548,333号明細書に関連し、且つその優先権の利益を主張するものであり、その全内容が参照により本明細書に援用される。
本出願は、例えば、半導体製造において基板上の構造をエッチングする処理を制御する方法及びシステムに関する。より具体的には、本発明は、基板のエッチング処理の終点を判定する方法に関する。
本出願は、「Method of endpoint detection of plasma etching process using multivariate analysis」という名称の米国特許第9,330,990号明細書(‘990)及び「Method of endpoint detection of plasma etching process using multivariate analysis」という名称の米国特許出願公開第10,002,804号明細書に関連する。
プラズマエッチング処理は、一般に、半導体素子、液晶ディスプレイ(LCD)、発光ダイオード(LED)及びいくつかのフォトボルタイクス(PV)の製造工程においてフォトリソグラフィと合わせて使用される。一般に、フォトレジスト等の放射線感応材料の層が最初に基板にコーティングされ、パターン化された光に露光されて潜像が形成される。その後、露光された放射線感応材料が現像され、露光された(又は陰画フォトレジストが使用される場合には未露光の)放射線感応材料が除去され、エッチングされる領域が露出した放射線感応材料のパターンを残し、エッチングを要しない領域を覆う。エッチング処理、例えばプラズマエッチング処理中、基板及び放射線感応物質的なパターンをプラズマ処理チャンバ内の励起イオンに露出して、ビア孔、溝等のエッチング特徴を形成するために放射線感応材料の下側の材料の除去を行う。下側材料の特徴のエッチングに続いて、剥離処理を使用して残りの放射線感応材料を基板から除去して、更なる処理が可能であるように、形成されたエッチングされた構造を露光する。
半導体素子等、多くの種類の素子において、第2の材料層を覆う第1の材料層にプラズマエッチング処理が実行され、エッチング処理により第1の材料層に開口又はパターンが形成されると、下側の第2の材料層のエッチングに進むことなく、エッチング処理を正確に停止することが重要である。
エッチング処理を制御する目的のため、各種の終点制御が利用され、これらのいくつかは、例えば、エッチング中の層の化学組成と異なる化学組成を有する下側層までエッチング処理が進んだか否かを推定するために、プラズマ処理チャンバ内のガスの化学組成の分析に依存する。他の処理は、エッチング中の構造の直接的なその場測定に依存し得る。前者のグループにおいて、プラズマ処理チャンバ内のガスの化学組成を監視するために発光分光分析(OES)が頻繁に使用される。プラズマ処理チャンバ内のガスの化学種は、使用されるプラズマ励起機構により励起され、励起された化学種は、プラズマの発光スペクトル内で異なるスペクトルシグネチャを生成する。例えば、エッチング中の層の洗浄及び基板上の下側層の露出に起因する発光スペクトルの変化を監視して、エッチング処理を厳密に終わらせる、すなわち終点に到達することにより、下側層のエッチング又はアンダーカット等、歩留まりを低下させる他の欠陥の形成を避けることができる。
エッチング中の構造の種類及びエッチング処理パラメータに依存して、エッチング処理の終点におけるプラズマの発光スペクトルの変化は、極めて明瞭であり且つ検出が容易であるか、又は逆に微妙であり且つ検出が極めて困難であり得る。例えば、開口比が極めて低い構造のエッチングでは、OESデータ処理のための現行アルゴリズムを使用する終点検出が困難になり得る。従って、このような困難なエッチング処理条件において、OESデータに基づくエッチング終点検出をより堅牢にするための改良が必要とされている。
本出願の特徴は、エッチング処理におけるエッチング処理終点を判定する方法に関し、ここで、終点において、エッチング処理が第1の材料層の開口又はパターンを形成すると、下側の第2の材料層のエッチングに進むことなく、エッチング処理が正確に停止される。
非限定的な一実施形態において、複数のOESデータ行列、複数の平均OESデータ行列及び1つの平均OESデータ行列を得るために、異なるエッチング処理実行のためのOESデータが取得される。このデータを使用して、取得されたOESデータの多変量モデルを確立できるようにする。OESデータの多変量モデルが確立されると、それは、その後、その場エッチング終点検出のために使用される。
同様の挙動の波長を分類する解析を使用して、OESデータベクトルをトレンド領域に変換するための重みベクトルPを判定する。好適には、主成分重みを、正及び負の自然波長に対応する2つの別々のグループに分類することにより、別々の符号付きトレンド(合成波長)が生成される。
その場エッチング終点検出中に合成波長を判定すると、合成波長の時間発展する値の関数形式は、時間に対してプロットされて、エッチング処理の終点を判定する。
例えば、一実施形態において、合成波長の比の時間発展又は合成波長の比の時間微分の時間発展が計算される。しかし、他の実施形態では、合成波長の比の2乗若しくは単なる単一の符号付き合成波長又は単なる自然波長トレンド等、他の任意の関数形式も計算され得る。
更なる非限定的な一実施形態において、異なるウェーハ間でのOESドリフトを補償するために、主成分分析(PCA)方法において、正規化されたOESスペクトルを使用する。
時間発展トレンド変数が計算された後、終点に到達しているか否かの判定がなされる。実際に終点に到達している場合、エッチング処理を終了し、さもなければエッチング処理が継続され、エッチング終点について継続的に監視される。
合成波長の生成は、終点検出のために自然波長と同様のトレンド取得を可能にするが、信号対ノイズ比(SNR)終点信号が高くなる。
本出願は、添付の図面と合わせて、非限定的に与えられる説明に照らしてよりよく理解されるであろう。
OESデータの取得に使用される分光計を含む光検出装置を有する例示的なプラズマエッチング処理システム及び本明細書に記述するエッチング終点検出方法を実装するコントローラの概略図である。 多変量解析を使用する後のその場エッチング位置検出のためのエッチング終点データを準備する方法の例示的なフローチャートである。 PCA解析を使用する後のその場エッチング位置検出のためのエッチング終点データを準備する方法の例示的なフローチャートである。 その場エッチング終点検出方法の例示的なフローチャートである。 合成波長トレンドと単一波長トレンドとの比を含むトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。 合成波長トレンドの比を含むトレンド可変関数形式の時間発展の例示的なグラフを示す。 合成波長トレンドの比を含む、図5Aのトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。 単一波長を含むトレンド可変関数形式の時間発展の例示的なグラフを示す。 単一波長を含む、図6Aのトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。 単一波長を含むトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。 合成波長トレンドの比を含むトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。 正規化された単一合成波長を含むトレンド可変関数形式の時間微分の時間発展の例示的なグラフを示す。
本明細書全体を通して、「1つの実施形態」又は「一実施形態」は、その実施形態との関連で記述された特定の特徴、構造、材料又は特性が本出願の少なくとも1つの実施形態に含まれるが、全ての実施形態に存在することを意味するものではない。従って、本明細書を通して様々な箇所で「1つの実施形態において」又は「一実施形態において」という語句が出現しても、必ずしも本出願の同一の実施形態を指すわけではない。更に、特定の特徴、構造、材料又は特性は、1つ以上の実施形態で任意の適当な方法で組み合わされ得る。
図1に示す本出願の一実施形態は、プラズマエッチング処理システム10及びコントローラ55であり、コントローラ55は、プラズマエッチング処理システム10に結合される。コントローラ55は、プラズマエッチング処理システム10に配置された各種のセンサから得られたデータを使用して、プラズマエッチング処理システム10の性能を監視するように構成される。例えば、コントローラ55を使用して、プラズマエッチング処理システム10の各種の構成要素を制御し、故障を検出し、且つエッチング処理の終点を検出することができる。
図1に示す本出願の例示的な実施形態によれば、プラズマエッチング処理システム10は、処理チャンバ15、処理される基板25が固定された基板ホルダ20、ガス注入システム40及び真空ポンプシステム58を含む。基板25は、例えば、半導体基板、ウェーハ又はLCDであり得る。プラズマエッチング処理システム10は、例えば、基板25の表面に隣接する処理領域45内でのプラズマの生成を可能にするように構成され得、プラズマは、加熱電子とイオン化可能ガスとの衝突を介して形成される。イオン化可能ガス又はガスの混合物は、ガス注入システム40を介して導入されて処理圧力を調整する。望ましくは、プラズマを利用して、所定の材料処理に固有の材料を作成し、基板25の露光表面からの材料の除去を支援する。例えば、コントローラ55を使用して、真空ポンプシステム58及びガス注入システム40を制御することができる。
基板25は、例えば、基板ホルダ20内に収納された基板リフトピン(図示せず)により基板を受け取り、そのホルダ内に収納された機器により機械的に搬送するロボット式基板転送システムにより、スロット弁(図示せず)及びチャンバ貫通孔(図示せず)を通してプラズマエッチング処理システム10を出入りさせることができる。基板転送システムから基板25が受け取られると、それは、基板ホルダ20の上面まで下降される。
例えば、静電クランピングシステム28を介して基板25を基板ホルダ20に固定することができる。更に、基板ホルダ20は、基板ホルダ20から熱を受け取って熱交換器システム(図示せず)に熱を転送するか、又は加熱の場合には熱交換器システムから熱を転送する再循環冷却液流を含む冷却システムを更に含み得る。更に、裏面ガス配送システム26を介してガスを基板の裏面に配送して、基板25と基板ホルダ20とのガスギャップ熱伝導率を向上させることができる。このようなシステムは、温度が上昇又は下降した際に基板の温度制御が必要である場合に利用することができる。例えば、基板の温度制御は、プラズマから基板25に配送された熱流束と、基板ホルダ20への伝導により基板25から除去された熱流束とのバランスに起因して達成された定常状態の温度を上回る温度で役立ち得る。他の実施形態において、抵抗加熱素子等の加熱素子又は熱電気加熱器/冷却器が含まれ得る。
引き続き図1を参照すると、処理ガスは、例えば、ガス注入システム40を介して処理領域45に導入することができる。処理ガスは、例えば、酸化物のエッチング用途のためのアルゴン、CF及びO又はAr、C及びO等のガスの混合物又はO/CO/Ar/C、O/CO/Ar/C、O/CO/Ar/C、O/Ar/C、N/H等、他の化学品を含み得る。ガス注入システム40は、シャワーヘッドを含み、処理ガスは、ガス注入プレナム(図示せず)及び多開口シャワーヘッドガス注入プレート(図示せず)を介してガス配送システム(図示せず)から処理領域45に供給される。
図1に更に示すように、プラズマエッチング処理システム10は、プラズマ源80を含む。例えば、RF又はマイクロ波電力は、ジェネレータ82からインピーダンスマッチネットワーク又はチューナ84を介してプラズマ源80に結合させることができる。プラズマ源にRF電力を印加する周波数は、容量結合(CCP)、誘導結合(ICP)及び変圧器結合(TCP)されたプラズマ源の場合、10MHz~200MHzの範囲、好ましくは60MHzである。電子サイクロトロン(ECR)及び表面波プラズマ(SWP)源等のマイクロ波プラズマ源80の場合、ジェネレータ82の動作の典型的周波数は、1~5GHz、好ましくは約2.45GHzである。SWP源80の一例は、ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)プラズマ源である。更に、コントローラ55は、プラズマ源80へのRF又はマイクロ波電力の印加を制御するために、ジェネレータ82及びインピーダンスマッチネットワーク又はチューナ84に結合され得る。
図1に示すように、基板ホルダ20は、インピーダンスマッチネットワーク32を介したRFジェネレータ30から基板ホルダ20へのRF電力の配送により、RF電圧で電気的にバイアスを掛けられ得る。RFバイアスは、エッチング処理を容易にするために、処理領域45内で形成されたプラズマからイオンを引きつける役割を果たすことができる。基板ホルダ20への電力を印加する周波数は、0.1MHz~30MHzの範囲であり得、好ましくは2MHzである。代替的に、RF電力は、複数の周波数で基板ホルダ20に印加することができる。更に、インピーダンスマッチネットワーク32は、反射電力を最小化することにより、処理チャンバ15内のプラズマへのRF電力の転送を最大化する役割を果たす。各種のマッチネットワークトポロジ(例えば、L型、π型、T型等)及び自動制御方法を利用することができる。
各種のセンサは、プラズマエッチング処理システム10からツールデータを受信するように構成される。これらのセンサは、プラズマエッチング処理システム10に固有のセンサ及びプラズマエッチング処理システム10外のセンサの両方を含み得る。固有センサは、ヘリウム裏面ガス圧、ヘリウム裏面流、静電チャック(ESC)電圧、ESC電流、基板ホルダ20温度(又は下部電極(LEL)温度)、冷却液温度、上部電極(UEL)温度、順方向RF電力、反射RF電力、RF自己誘導DCバイアス、RFピーク間電圧、チャンバ壁温度、処理ガス流量、処理ガス分圧、チャンバ圧力、コンデンサ設定(すなわちC1及びC2位置)、焦点リング厚、RF時間、焦点リングRF時間及びこれらの任意の統計値の測定等、プラズマエッチング処理システム10の機能に関するセンサを含み得る。代替的に、外部センサは、図1に示すように、処理領域45内のプラズマから発された光を監視する光検出装置34等、プラズマエッチング処理システム10の機能に直接関係しないものを含み得る。
光検出装置34は、プラズマから発された全光強度を測定するための(シリコン)フォトダイオード又は光電子増倍管(PMT)等の検出器を含み得る。光検出装置34は更に、狭帯域干渉フィルタ等の光フィルタを含み得る。代替的な一実施形態において、光検出装置34は、ラインCCD(電荷結合素子)又はCID(電荷注入素子)アレイ及び回折格子又はプリズム等の光分散素子を含み得る。更に、光検出装置34は、所与の波長で光を測定するためのモノクロメータ(例えば、回折格子/検出器システム)又は光スペクトルを測定するための分光計(例えば回転又は固定回折を有する)を含み得る。光検出装置34は、ピークセンサシステムからの高分解能OESセンサを含み得る。このようなOESセンサは、紫外(UV)、可視(VIS)及び近赤外(NIR)光スペクトルにわたる広いスペクトルを有する。ピークセンサシステムにおいて、分解能は、約1.4オングストロームであり、すなわち、センサは、240~1000nmの範囲で5550の波長を集めることができる。ピークシステムセンサにおいて、センサは、2048ピクセルの線形CCDアレイと一体化された高感度小型光ファイバUV-VIS-NIR分光計を備える。
本出願の一実施形態における分光計は、単一の束ねられた光ファイバを介して伝送された光を受光し、光ファイバから出力された光は、固定回折格子を使用するラインCCDアレイ全体にわたり分散される。上述の構成と同様に、光学真空ウインドウを介して伝送された光は、レンズ又はミラーを介して光ファイバの入力端に集光される。所与のスペクトル範囲(UV、VIS及びNIR)に対して各々が個別に調整された異なる分光計又はUV、VIS及びNIRに対応する広帯域分光計は、処理チャンバのためのセンサを形成する。各分光計は、独立アナログデジタル(A/D)変換器を含む。最後に、センサ利用度に応じて、0.01~1.0秒毎又はこれよりも速く全発光スペクトルを記録することができる。
代替的に、一実施形態において、光検出装置34は、全ての反射光学部品を有する分光計を用い得る。更に、一実施形態において、検出される光波長の全範囲に対応する単一の回折格子及び単一の検出器を含む単一の分光計を使用し得る。例えば、光検出装置34を使用して光OESデータを取得するための発光分光分析ハードウェアの設計及びの利用は、光学プラズマ診断分野の当業者に公知である。
コントローラ55は、プラズマエッチング処理システム10に入力を伝送して起動させると共に、プラズマエッチング処理システム10からの出力を監視するのに十分な制御電圧を生成可能なマイクロプロセッサ、メモリ及びデジタルI/Oポート(潜在的にD/A及び/又はA/Dコンバータを含む)を含む。図1に示すように、コントローラ55は、RFジェネレータ30、インピーダンスマッチネットワーク32、ガス注入システム40、真空ポンプシステム58、裏面ガス配送システム26、静電クランピングシステム28及び光検出装置34と結合され、これらと情報を交換することができる。メモリに保存されているプログラムを利用して、保存された処理命令に従い、プラズマエッチング処理システム10の上述の構成要素と対話する。コントローラ55の一例は、テキサス州オースティンのデル社から購入可能なDELL PRECISION WORKSTATION 530(商標)である。コントローラ55は、プラズマエッチング処理システム10の近傍に設置されるか、又はプラズマエッチング処理システム10から離れて設定され得る。例えば、コントローラ55は、直接接続、イントラネット及びインターネットの少なくとも1つを使用してプラズマエッチング処理システム10とデータ交換を行うことができる。コントローラ55は、例えば、顧客サイト(すなわち装置メーカー等)でイントラネットに結合されるか、又は例えばベンダーサイト(すなわち設備メーカー)でイントラネットに結合され得る。更に、例えば、コントローラ55は、インターネットに結合され得る。更に、別のコンピュータ(すなわちコントローラ、サーバ等)は、例えば、コントローラ55にアクセスして、直接接続、イントラネット及びインターネットの少なくとも1つを介してデータを交換することができる。コントローラ55は、本明細書で詳述するように、光検出装置34から与えられた入力データに基づいて、プラズマエッチング処理システム10で実行中のエッチング処理の終点を検出するアルゴリズムも実装する。
プラズマエッチング処理において、発光分光分析を使用する終点検出(EPD)は、ウェーハ間のエッチング整合性を制御するために重要な技術である。1又は2つの選択された発光波長から生成された時間に伴って変化するトレンドを監視することで、エッチング処理を停止又は終了すべき終点が明らかになる。合成波長を使用する多変量データ解析は、SNR及びEPDの堅牢さを向上させるのに役立つ。しかし、多変量データ解析から生成された合成波長は、一般に、物理的に意味がある等、自然波長のいくつかの固有の特性を保つことができない。
多変量モデル(その非限定的な一例は、PCAである)を使用する自然波長の分類は、EPDの自然波長と同様のトレンドを可能にするが、より高いSNR終点信号を有する合成波長を生成することができる。本出願の非限定的な実施形態の一例において、分類は、建設的又は破壊的な寄与を示す自然波長の選択を含み、波長の分類に際して波長毎に別々の正及び負の重みを使用してOESデータをPCA領域に変換する。しかし、合成OESデータの生成において、波長を分類する他の方法を使用し得る。
一実施形態による終点の判定処理は、2つのフェーズで進む。第1のフェーズにおいて、プラズマ処理チャンバ15内でプラズマエッチング処理実行が行われ(図2のステップ110)、プラズマエッチング処理システム10で実行される1つ以上のエッチング処理実行中に光検出装置34を使用してOESデータを取得する(ステップ120)ことにより、取得されたOESデータの多変量モデルを確立することができる(ステップ130)。
OESデータの多変量モデルが確立されると、それは、第2のフェーズ中に実行されているエッチング処理が、エッチングされる構造、エッチング処理条件、使用されるエッチング処理システム等の観点から、第1のフェーズで行われている1つ以上のエッチング処理実行で使用されているものと合理的に類似する限り、第2のフェーズでその場エッチング終点検出に使用することができる(ステップ140)。これは、多変量モデルの正当性を保証するためである。
終点判定の非限定的な一実施形態(図3に示す)において、PCA解析多変量モデルが自然波長(すなわち正及び負の重みを有する)の特定の分類と共に使用され、終点検出200は、例えば、光検出装置34を使用してエッチング処理実行が行われ、且つOESデータを取得している状態で開始される。各プラズマエッチング処理実行中、スペクトルがn回取得され(図3のステップ210)、ここで、nは、整数1よりも大きい整数である。連続するOESデータ取得、すなわちスペクトル取得間のサンプリング時間は、0.01~1.0秒の範囲において又はそれよりも速く変化し得る。各々の取得されたOESデータ組、すなわちスペクトルは、CCD検出器のm個のピクセルに対応する光強度のm個の測定値を含み、各ピクセルは、典型的には、光検出装置34内の光分散素子として用いられる回折格子によりピクセルに投射される特定の光波長に対応する。CCD検出器は、所望のスペクトル分解能に応じて256~8192のピクセルを有し得るが、最も一般的には2048又は4096のピクセルを使用する。例えば、4k×4kのピクセルを有する2次元検出器を使用し得る。
次に、OESデータ行列[X][i]が全てのプラズマエッチング処理実行i=1,2,...kに設定される(ステップ215)。各行列[X][i]は、n×m行列であり、取得されたスペクトルは、行列の行に配置され、各行は、OESデータが取られるn個の時点に対応し、各列は、ピクセル番号mに対応する。次いで、全てのi=1,2,...k回のプラズマエッチング処理実行にわたり取得された全ての行列[X][i]の各要素を平均化することにより、n×m平均OESデータ行列[X]avgが任意選択的に計算される(ステップ220)。平均を計算する前に、任意選択のOESスペクトル正規化を実行し得る。k=1の場合、1つのウェーハOES測定値のみが存在し、その場合、平均OES行列は、計算されない。
一実施形態において、OESデータ行列[X][i]は、任意選択的に、以下のように正規化され得る。OESデータ行列[X][i]は、成分xijを有するn×m行列であり、ここで、i=1,2,...nであり、各行は、時点tでのOESスナップショットに対応し、j=1,2,...mであり、各列は、波長λでのトレンドに対応するため、各列は、単一の波長トレンドである。OESデータ正規化は、2通りの方法で適用することができる。第1の方法では、本方法は、時点R(すなわち第R行)における基準スナップショットS=xR,jを選択し、次いで全てのOESデータを基準スナップショットで除算する、xi,j=xi,j/xR,j。単一の時間スナップショット又はある期間にわたる平均化されたスナップショットが存在し得る。第2の方法において、本方法は、基準波長λ(すなわち第R列)を選択し、次いで全ての波長を基準波長の強度で除算する、xi,j=xi,j/xi,R。同様に、単一の波長又は波長の特定の帯域の平均が存在し得る。本発明者らは、正規化により、異なるウェーハ間でのOES実行中に生起する強度ドリフトが解決されることを発見した。
次いで、’990号特許に詳述されているように、平均OESデータ行列[X]avgからノイズがフィルタリングされ(ステップ225)、行列[X][i]及び[X]avgに対して切り捨てが行われて(ステップ230)、プラズマ起動中に取得されたスペクトルを除去し、任意選択的に実際のエッチング処理終点に続いて、平均OESデータ行列[Savg]が計算され(ステップ235)、各列の全ての要素は、平均OESデータ行列[X]avgの要素の列全体にわたる(すなわち全ての時点にわたる)平均に設定されて、各々の取得されたOESデータ行列[X][i] i=1,2,...kから減算されて(ステップ240)、取得されたOESデータの多変量モデルを構築する前に、平均除去、すなわち平均減算のステップを実行する。
次に、非限定的な一実施形態において、OESデータを変換するために多変量解析で使用される(図3のステップ240とステップ245との間のステップ242を参照されたい)主成分重み[P]を判定する方法PCAについて、以下のステップで記述する。他の多変量データ解析方法、例えば独立成分分析(ICA)方法を使用し得る。PCAは、教師なし訓練方法の一例である。部分的最小二乗(PLS)、サポートベクトルマシン(SVM)回帰又は分類方法等の各々又はいくつかのOESスペクトル目標値が利用可能である限り、他の教師あり方法を使用し得る。目標値は、xSEM、透過型電子顕微鏡検査(TEM)、光学臨界寸法(OCD)分光学、臨界寸法走査型電子顕微鏡(CDSEM)又は他のツールから得ることができる。
ステップ1の実行中、[X]の平均スペクトルが各行から減算される(図3のステップ240)が、データが任意選択的に[X]の標準偏差を使用して正規化されない。
ステップ2の実行中、共分散行列cov(λ)=[σ kj]が計算される。共分散行列は、m×mである。各列(各波長)について、平均
Figure 2022544816000002
が計算される。次いで、列jの分散は、以下の式で与えられる。
Figure 2022544816000003
行k及び列jの共分散は、以下の式の通りである。
Figure 2022544816000004
ステップ3の実行中、式[共分散行列]・[固有ベクトル]=[固有値]・[固有ベクトル]を満たす共分散行列の固有ベクトル及び固有値を計算する。これは、共分散行列cov(λ)の特異値分解を実行することにより行われる。
P’cov(λ)P=L (3)
ここで、Lは、cov(λ)の固有値の対角行列であり、Pは、cov(λ)の固有ベクトルの行列である。固有値は、降順に並べられ、本方法が重要度順に主成分重みを発見できるようにする。例えば、特定のソフトウェアにおいて、上位3つ(最大5つ)の固有ベクトルを使用する。
次いで、平均除去されたOESデータ[X][i]-[Savg]を多変量解析、例えば上で導出された導出重みベクトルPを使用するPCAへの入力として使用して(ステップ245)、OESデータベクトルをPCA領域に変換する。
本発明者らは、主成分重みPj(λj)を、正及び負の重み付けられた波長に対応する2つの別々のグループに分類することにより、別々のトレンドTjが生成される(Tj+Tj=Tj)ことを発見した。Tj又はTjは、それぞれ単一の正トレンドである。従って、スナップショット正規化を行ってこれらの任意のものの比を取る等、全ての従来型トレンド動作をTj及びTjに容易に適用することができる。
一実施形態において、ベクトル[P]が計算され、次いで正ベクトル[P]及び負ベクトル[P]が形成される。例えば、[P]は、[P]内の全ての負値をゼロに設定することによって形成され、[P]は、[P]内の全ての正値をゼロに設定し、次いで絶対値を取る(すなわち正数に変換する)ことによって形成される。
ステップ245において、平均除去されたOESデータ[X][i]-[Savg]を、判定されたベクトル[P]と共に使用して、変換されたOESデータをPCA領域に導出する。
[T]=([X]-[Savg])[P]及び[T]=([X]-[Savg])[P] (4)
本明細書に記述する方法は、合成波長(正及び負の重み付き自然波長に対応する)を生成して、単一の符号付きトレンド(変換されたOESベクトル)を形成する。例えば、正及び負の合成波長が形成される。
Figure 2022544816000005
ここで、n1は、正の重みの数であり、n2は、負の重みの数であり、以下の式が成り立つ。
Figure 2022544816000006
ここで、Sは、時点tでのλの強度であり、T、Λ 及びΛ は、全て時間経過に伴って変化する。
合成波長及び結果的に生じるトレンド[T]=[Λ]及び[T]=[Λ]を判定すると、終点検出方法の第2のフェーズは、時間発展する値[T]及び[T]の関数形式を使用することによって実行される。トレンド[T]及び[T]は、既に正の信号であるため、全てが正であるトレンドを上方にシフトさせるオフセットを行ってからそのオフセットを新たなウェーハに実時間で適用しなくても、互除法により強化された信号を得ることができる。例えば、一実施形態において、比T (t)/T (t)が計算される。しかし、他の実施形態では、合成波長の比の二乗又は単に1つの合成波長等、他の任意の関数形式が計算され得る。
第1のフェーズの目標は、後のその場エッチング終点検出のために有用な多変量モデルパラメータを事前に計算することであり、各種のパラメータは、後の使用のために保存される。ステップ250において、その場測定されたOESデータの平均除去を容易にするために、平均OESデータ行列[Savg]が揮発性又は不揮発性記憶媒体に保存される。本ステップでは、主成分(PC)重みのベクトル[P]が揮発性又は不揮発性記憶媒体に保存されて、その場測定されたOESデータを変換されたOESデータベクトル[T]への迅速な変換も容易にする。
いくつかの場合、本発明者らは、変換されたOESデータベクトル[T]の要素Tの計算された値、すなわち主成分は、大きい正又は負値に成長するのではなく、値ゼロの周辺で集中するように時間に伴って発展するため、これらをシフトさせることが終点検出の信頼性にとって有用であることを発見した。このシフトは、ステップ255で達成され、測定値が取られた際、変換されたOESデータベクトル[T]の少なくとも1つの要素Tがエッチング処理実行中の各時点で評価され、このような1つ又は複数の要素の最小値、min(T)が発見される。この目的のため、平均OESデータ行列[Xavg]からの時間発展データ又は他のデータを使用し得る。この最小値は、次いで、その場終点検出での後の使用のためにステップ260で揮発性又は不揮発性記憶媒体に保存されるため、変換されたOESデータベクトル[T]の要素Tの最小値min(T)を使用して、その場測定された発光分光分析(OES)データから計算された変換されたOESデータベクトル[T]の同一の要素Tの時間発展値をシフトすることができる。
揮発性又は不揮発性記憶媒体に保存されたデータ値は、ここで、第2のフェーズ、すなわちその場エッチング終点検出に使用する準備ができている。
図4は、フローチャート200のステップ250、260で保存されたデータが利用できる光検出装置34を備えたプラズマエッチング処理システム100におけるその場終点検出の処理の例示的なフローチャート300を示す。
ステップ310、315において、以前に判定された平均OESデータ行列[Savg]及び主成分(PC)重みのベクトル[P]が揮発性又は不揮発性記憶媒体から読み出されて、図1のプラズマエッチング処理システム10のコントローラ55のメモリにロードされる。コントローラ55は、プラズマ処理の終点の判定に必要な全てのその場計算を実行する。また、変換されたOESデータベクトル[T]の要素Tの少なくとも1つの最小値min(T)を使用する場合、ステップ320で揮発性又は不揮発性媒体からコントローラ55のメモリにロードすることができる。
ステップ325において、基板25がプラズマエッチング処理システム10にロードされて、処理領域45にプラズマが形成される。
ステップ330において、光検出装置34を使用して、OESデータをその場で、すなわち時間経過に伴って発展するエッチング処理実行中に取得する。
ステップ335において、読み出された平均OESデータ行列[Savg]要素は、各々の取得されたOESデータの組、すなわちスペクトルから減算され、既に発展した多変量モデルを使用して、取得されたスペクトルを変換前に平均除去する。
ステップ340において、既に発展したPCA多変量モデルを使用して、平均除去されたOESデータを、式4を使用して変換されたOESデータベクトル[T]、すなわち主成分及び主成分(PC)重みの読み出されたベクトル[P]に変換する。この処理が極めて高速である理由は、それが単純な乗算のみを含み、従ってその場実時間計算に適しているからである。計算された要素T、例えば変換されたOESデータベクトル[T]の自然な波長Λ 及びΛ は、時間経過に伴って発展するにつれて、終点検出に使用することができる(ステップ345)。
ステップ350において、変換されたOESデータベクトル[T]の各時間発展要素Tiを任意選択的に区別して、トレンド変数傾斜データを使用して終点検出を更に容易にすることができる。
時間発展トレンド変数が計算された後、プラズマエッチング処理システム10のコントローラ55は、終点に到達しているか否かを判定する(ステップ355)。終点に到達している場合、エッチング処理をステップ360で終了し、さもなければエッチング処理が継続し、フローチャート300のステップ330~355を介して各終点について連続的に監視される。
図5は、エッチング処理のトレンド変数の時間微分の時間発展を示す。区別されたトレンド変数がエッチング終点で通過する、深い、従って容易に識別される最小値が見られる。軌跡の最下部のグループは、合成波長が適用されたトレンドΛ (t)/Λ (t)を使用して得られたトレンドに対応する。異なるエッチング実行で使用される異なるウェーハに対応する様々な軌跡が示されている。図5は、λ=656nmでの単一波長トレンドの時間微分の時間発展及び2つの単一波長トレンドλ=656nm及びλ=777nmの比の時間微分の時間発展を含む(異なるウェーハの)他の種類のトレンドの時間発展も示す。図5に見られるように、終点は、エッチング処理が約32秒経過した時点で生じる。
図6Aは、異なるウェーハのトレンドΛ (t)/Λ (t)の時間発展を示し、図6Bは、別のエッチング処理実行における異なるウェーハのトレンドΛ (t)/Λ (t)の時間微分の時間発展を示す。
図7Aは、異なるウェーハのλ=656nmでの単一波長トレンドの時間発展を示し、図7Bは、別のエッチング処理実行における異なるウェーハのλ=656nmでの単一波長の時間微分の時間発展を示す。
図8Aは、異なるウェーハのλ=260nmでの単一波長トレンドの時間微分の時間発展を示し、図8Bは、別のエッチング処理実行における異なるウェーハのトレンドΛ (t)/Λ (t)を使用して得られたトレンドの時間微分の時間発展を示す。
図8Cは、上述の正規化を使用する合成波長トレンドの時間微分の時間発展を示す。プロットは、正規化が事前に適用されるため、比率ではなく、成波長のみを示す。
時間発展トレンド変数が計算された後、プラズマエッチング処理システム10のコントローラ55は、ステップ355で終点に到達しているか否かを判定する必要がある。実際に終点に到達している場合、エッチング処理をステップ360で終了し、さもなければエッチング処理が継続され、フローチャート300のステップ330~355を介してエッチング終点について連続的に監視される。
上述の教示内容に照らして、本出願に多くの改良形態及び変更形態がなされ得る。従って、本明細書に別途記述されない限り、添付の請求項の範囲内で本出願が実施され得ることを理解されたい。

Claims (22)

  1. プラズマ処理システムにおけるエッチング処理終点データを判定する方法であって、
    エッチング処理システムのプラズマ処理チャンバ内でプラズマエッチング処理実行を行うステップと、
    1つ以上のエッチング処理中に前記プラズマ処理チャンバから発光分光分析(OES)データを取得するステップと、
    波長を分類することにより、前記OESデータに対して多変量データ解析を行って、前記OESデータから合成OESデータを生成するステップと、
    エッチング処理終点のその場判定での後の使用のために前記合成OESデータを使用するステップと
    を含む方法。
  2. 合成OESデータを生成する前記ステップは、変換されたOESデータベクトル[T]を得るステップを含み、
    [T]=([X]-[Savg])[P]
    であり、ここで、[X]は、OESデータ行列であり、[P]は、重みベクトルであり、及び[Savg]は、n×m平均OESデータ行列であり、前記n×m平均OESデータ行列の各要素は、n×m平均OESデータ行列である[X]avgの対応する列のn個の要素の平均値として計算され、前記[X]avgの各要素は、前記k回のエッチング処理実行にわたる前記OESデータ行列[X]の対応する要素の平均として計算され、nは、OESデータが取られる時点に対応し、及びmは、検出器により、前記プラズマ処理チャンバ内で測定された光強度の数に対応する、請求項1に記載の方法。
  3. 合成OESデータを生成する前記ステップは、正及び負の重みに対応する波長を分類するステップを含む、請求項2に記載の方法。
  4. 前記重みベクトル[P]は、
    行列[X]に関連付けられた共分散行列の固有ベクトル及び固有値を計算するステップと、
    前記重みベクトル[P]を表す前記固有値を降順に並べるステップと、
    [P]の全ての負の成分をゼロに設定することにより、正の重みベクトル[P]を設定し、及び[P]の全ての正の成分をゼロに設定し、且つその絶対値を取ることにより、負の重みベクトル[P]を設定するステップと
    によって判定される、請求項3に記載の方法。
  5. 変換されたOESデータベクトル[T+]又は[T]を得るステップを更に含み、
    [T]=([X]-[Savg])[P],[T]=([X]-[Savg])[P
    である、請求項4に記載の方法。
  6. 前記変換されたOESデータベクトル[T]又は[T]の要素を伴う関数形式を選択し、且つ前記選択された関数形式の時間発展を計算するステップを更に含む、請求項5に記載の方法。
  7. 前記選択された関数形式の時間微分を計算し、且つ前記選択された関数形式の前記時間微分の時間発展を計算するステップを更に含む、請求項6に記載の方法。
  8. 前記関数形式は、[T]、[T]、比[T]/[T]、比[T]/[T]のべき乗又は前記変換されたOESデータベクトル[T]若しくは[T]の単一の要素或いは[T]及び/又は[T]を使用する任意の数学的形式を含む、請求項7に記載の方法。
  9. 前記プラズマ処理チャンバ内でk回のプラズマエッチング処理実行を行うステップを更に含み、kは、0よりも大きい整数であり、前記k回のプラズマエッチング処理実行の各々は、
    処理される基板を前記プラズマ処理チャンバにロードするステップであって、前記プラズマ処理チャンバは、m個のピクセルを含む検出器を有する分光計を含み、各ピクセルは、異なる光波長に対応する、ステップと、
    前記プラズマエッチング処理チャンバ内でプラズマを形成するステップと、
    1つ以上のエッチング処理中、前記プラズマ処理チャンバからOESデータを取得し、且つ前記k回のプラズマエッチング処理実行の各々についてOESデータ行列[X]を形成するステップと
    を含む、請求項1に記載の方法。
  10. n×m平均OESデータ行列[X]avgを計算するステップであって、各要素は、前記k回のエッチング処理実行にわたる前記OES行列[X]の対応する要素の平均として計算される、ステップ、
    前記平均OESデータ行列[X]avgからノイズをフィルタリングするステップ、
    各OESデータ行列[X]及び[X]avgに対して切り捨てを行うステップであって、プラズマの起動中及びエッチング処理終点を超える回数にわたって取得されたデータは、破棄される、ステップ、
    n×m平均OESデータ行列[Savg]を計算するステップであって、各要素は、[X]avgの対応する列のn個の要素の平均値として計算される、ステップ、
    前記OESデータを平均除去するために、各kについて行列[X]から[Savg]を減算するステップ
    を更に含む、請求項9に記載の方法。
  11. 前記プラズマエッチング処理実行の各々について、前記OESデータ行列[X]を形成した後且つ前記n×m平均OESデータ行列[X]avgを計算する前に、前記OESデータ行列[X]を正規化する、請求項2に記載の方法。
  12. 前記OESデータ行列正規化は、時点Rにおける基準スナップショットxR,jを選択し、且つその後、全てのOESデータを前記基準スナップショットによって除算する、xi,j=xi,j/xR,j、ステップを含む、請求項11に記載の方法。
  13. 前記基準スナップショットは、単一の時間スナップショット又はある期間にわたって平均化されたスナップショットである、請求項12に記載の方法。
  14. 前記OESデータ行列正規化は、基準波長λを選択し、且つその後、全てのOESデータを前記基準波長における強度によって除算する、xi,j=xi,j/xi,R、ステップを含む、請求項11に記載の方法。
  15. 前記基準波長は、単一の波長又は帯域波長の平均である、請求項14に記載の方法。
  16. プラズマ処理システムにおけるエッチング処理終点データを判定する方法であって、
    エッチング処理システムのプラズマ処理チャンバ内でプラズマエッチング処理実行を行うステップと、
    1つ以上のエッチング処理中に前記プラズマ処理チャンバから発光分光分析(OES)データを取得するステップと、
    自然波長に関連付けられた正及び負の重みに対応する波長を分類することにより、前記OESデータに対して多変量データ解析を行って、前記OESデータから合成OESデータを生成するステップと、
    エッチング処理終点のその場判定での後の使用のために前記合成OESデータを使用するステップと
    を含む方法。
  17. 前記多変量データ解析は、独立成分分析を使用して行われる、請求項16に記載の方法。
  18. 前記多変量データ解析は、教師あり多変量データ解析方法を使用して行われ、前記教師あり多変量データ解析方法は、サポートベクトルマシン回帰を含む、請求項16に記載の方法。
  19. 変換されたOESデータベクトル[T+]又は[T]を得るステップを更に含み、
    [T]=([X]-[Savg])[P],[T]=([X]-[Savg])[P
    であり、ここで、[X]は、OESデータ行列であり、[P]は、正の重みベクトルであり、[P]は、負の重みベクトルであり、及び[Savg]は、n×m平均OESデータ行列であり、前記n×m平均OESデータ行列の各要素は、n×m平均OESデータ行列である[X]avgの対応する列のn個の要素の平均値として計算され、前記[X]avgの各要素は、前記k回のエッチング処理実行にわたる前記OESデータ行列[X]の対応する要素の平均として計算され、nは、OESデータが取られる時点に対応し、及びmは、検出器により、前記プラズマ処理チャンバ内で測定された光強度の数に対応する、請求項16に記載の方法。
  20. 前記変換されたOESデータベクトル[T]又は[T]の要素を伴う関数形式を選択し、且つ前記選択された関数形式の時間発展を計算するステップを更に含む、請求項19に記載の方法。
  21. 前記選択された関数形式の時間微分を計算し、且つ前記選択された関数形式の前記時間微分の時間発展を計算するステップを更に含む、請求項20に記載の方法。
  22. 前記関数形式は、[T]、[T]、比[T]/[T]、比[T]/[T]のべき乗又は前記変換されたOESデータベクトル[T]若しくは[T]の単一の要素或いは[T]及び/又は[T]を使用する任意の数学的形式を含む、請求項21に記載の方法。
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