JP4833396B2 - 主成分分析を用いてプロセスをモニタするための方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスをモニタするための技術に関し、特に、主成分分析を用いてプロセスをモニタするための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体工業には、改良されたプロセスの繰返し性及び制御の必要性が存在する。例えば、代表的なメタル層とメタル層相互接続の形成では、誘電層が第１のメタル層の上に堆積され、バイアホールが誘電層にエッチングで形成され第１のメタル層を露出し、バイアホールが、メタルプラグで埋め込まれ、そして、第２のメタル層が、メタルプラグの上に堆積される（例えば、第１のメタル層と第２のメタル層の間に相互接続が形成される）。相互接続部の接触抵抗を確実に低くするため、バイアホール内の全ての誘電材料は、その上にメタルプラグを形成する前に第１のメタル層の頂部表面からエッチングされなければならず、そうしなければ、バイアホール内に残る高抵抗率誘電材料が、相互接続の接触抵抗をかなり劣化させる。同様のプロセス制御は、メタル層（例えばAl、Cu、プラチナ、その他）、ポリシリコン層等のエッチング中に必要である。
【０００３】
従来のモニタリング技術では、材料層が完全にエッチングされた時（即ち終点）のラフな推定値だけを提供する。従って、材料層の厚さの変化（例えばデバイスの変化）や、材料層のエッチ速度の変化（例えばプロセス/プロセスチャンバの変化）に適応させるために、エッチングプロセスは、材料層をエッチングするための予測時間より長時間（即ち、オーバーエッチ時間）継続してもよい。オーバーエッチ時間のエッチングにより、エッチング時間を変え得るデバイス変化とプロセス/チャンバ変化があっても、除去されるべき全ての材料の除去を確実にする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
オーバーエッチ時間は完全なエッチングを確実にする一方、オーバーエッチングは各半導体ウエハの処理に要する時間を増加させ、従ってウエハスループットを低減する。更に、高性能の集積回路のための推進力は、半導体素子を形成する際に細かい寸法公差を要求するので、オーバーエッチングが非常に望ましくなくなっている。また、デバイス構造の小型化に必要な小さいオープン領域があれば、電磁放射（例えば反応生成物の放射）の共通モニタ強度が低減されるので、狭帯域測定を用いるモニタリング技術がますます困難で不正確なものになる。従って、エッチングプロセス、チャンバクリーニングプロセス、堆積プロセスなど等の半導体製造プロセスをモニタするために改良された技術に対する必要性が存在する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、プロセスの相関計数値（例えば、複数の電磁式の放射やプロセス温度、プロセス圧力、RF電力、その他）を測定することにより、また、相関計数値を分析するために主成分分析を用いることにより、プロセス状況、プロセスイベント（プロセス事象）、そして適用可能ならチャンバ状況情報を、プロセスのために容易かつ正確に得ることができる。得ることができる典型的なプロセス状況情報には、RF電力、プラズマ化学反応化学物質、その他が含まれ、得ることができる典型的なプロセスイベント情報には、特定の材料がエッチングで貫通又は除去（即ちブレークスルー）されるか否か、要望されたプロセスが完了したか否か（例えばエッチングや堆積）、ウエハの保持が不適切である時（即ち不適切なチャック）等が含まれ、そして、適用可能なら、得ることができる典型的なチャンバ状況情報には、チャンバが故障を有するか否か、チャンバの操作が、前の操作と又は別のチャンバの操作と同様か否か（すなわちチャンバマッチング）その他が含まれる。
【０００６】
本発明に従って、相関計数値は、モニタされるプロセス（即ち製造プロセス）のために測定され、そして、主成分分析は、少なくとも１つの生産主成分を生成するための相関計数値の測定値について実行される。次いで、少なくとも１つの生産主成分は、検量プロセスに関連する主成分（即ち検量主成分）と比較される。
【０００７】
検量主成分は、検量プロセスの相関計数値（例えば、好ましくは製造プロセスと同じプロセスであるが、典型的には、非製造目的のプロセス）を測定することによって、そして、少なくとも１つの主成分を発生するため相関計数測定値に主成分分析を実行することによって得られる。次いで、要望されたプロセス状況、プロセスイベントとチャンバ状況のうちの少なくとも１つを示す機能を有している主成分が、主成分として識別され指定される。好ましくは、検量と製造主成分の内積を計算することによって、少なくとも１つの製造主成分が検量主成分と比較される。また、Mathworks社から市場に出される数学ソフトウェアパッケージMATLABTMに見られる「コヒーレンス」関数等の他の手法を使用することにより、あるいは検量主成分と製造主成分の差のスカラー大きさ又は「標準」を計算することにより、検量主成分と製造主成分を比較してもよい。
【０００８】
検量主成分と製造主成分をこのように比較することによって、プロセス事象、プロセス状態及びチャンバ状態情報を高速で（例えば、リアルタイムに）また高い正確性で得ることができる。これによりプロセスがモニタされ、処理パラメータ/条件がリアルタイムの中に調整され、オーバーエッチ時間等の処理時間が防止され、プロセス収率及びスループットが大きく増加するだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を、添付図面を参照して説明する。図面では、同様の参照番号は、機能的に同一又は同様の要素を指示するものとする。さらに、参照番号の左端の数字は、最初にその参照番号が現れる図面を識別する。
【００１０】
前述のように、本発明の発明者は、プロセスの相関計数値を測定することにより、そして、相関計数値を分析するために主成分分析を用いることにより、プロセス状態と、プロセス事象と、適用可能ならチャンバ状態情報とを、当該プロセスに対して容易かつ正確に得ることができることを見出した。簡便のため、本発明の説明を主に、プラズマエッチングプロセスとプラズマベース相関計数値（例えばプラズマ電磁放射、RF電力、チャンバ圧力、スロットルバルブのポジションその他）に関して行う。しかし、プラズマを使用するかしないかに拘わらず、また、堆積プロセス、クリーニングプロセス、ケミカルメカニカルポリシングプロセス、その他等の半導体デバイス処理に関係するかしないかに拘わらず、本発明は他のあらゆるプロセスもモニタするために同様に用いられてもよいプロセスのこれらのタイプのためのモニタ可能な相関計数値には、温度、圧力、ウェイトゲイン／ロス、プラズマ放出、RF電力、スロットルバルブ位置、その他が含まれるが、これに限定されるものではない。
【００１１】
図１Aと1Bは、本発明に従って一般的なプロセスをモニタするための本発明のモニタリング技術１００のフローチャートである。本発明のモニタリング技術１００は、ステップ１０１で開始する。
【００１２】
ステップ１０２で、モニタすべきプロセス（即ち製造プロセス）が識別され、検量プロセスが実行される。ほとんどの場合、検量プロセスと製造プロセスでは、同じプロセスパラメータ（例えば同一の流量、基板温度、チャンバ圧力その他）を使用する。しかし、図８に関して後述するように、製造プロセス中のプロセスドリフトにまたはその他のプロセスの変動に対して本発明のモニタリング技術の感度を決定するため、プロセスガス流量、プロセス温度等の１つ以上の検量プロセスのプロセスパラメータを、製造プロセスと比較して変えることが望ましい。
【００１３】
ステップ１０３で検量プロセスの実施中に、プラズマプロセスに対する複数のプラズマ放射波長やプロセス温度、スロットルバルブポジション、プロセス圧力、あるいは他の相関計数値等の、検量プロセスの相関計数値の集合が（好ましくは定期的な割合で）測定される。既知の如く、主成分分析のために十分な情報を提供するためには、多数の相関計数値が必要である。
【００１４】
ステップ１０４では、時間又は期間は、検量プロセスに対して要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態に対応する収集された検量プロセスデータの中で同定される。この時間又は期間の同定は典型的には、検量プロセスに続いて実行され、従ってこれは、プロセス中（例えば、半導体デバイスの接触開口のための酸化物エッチング等の製造プロセス中）に、リアルタイム使用に適さないような洗練された（但し時間がかかる）同定手法を用いて行われてもよい。たとえば、検量プロセスがエッチングプロセスの場合は、材料層のエッチングのために正確な終点または貫通時間を決定するため、同一のプロセス条件の下で一連の異なる継続時間エッチングを実行することによって、また、各エッチング継続時間に対する材料層の断面を調査する（例えば、走査電子又は透過電子顕微鏡手法による）ことによって、材料層をエッチングするための終点又は貫通時間を決定してもよい。同様に、時間に対するチャンバプロセス状態を特徴づけるため又はチャンバ整合の目的のため、洗練された測定手法を使用してプ、ロセスガス流量、チャンバ圧力、プロセス温度その他を測定してもよい。
【００１５】
ステップ１０５では、同定されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態時間に近い収集された検量プロセスに対する相関計数値について、主成分分析（PCA）が実行される。例えば、事象の前、その間とその後の単独又はいずれかの組み合わせにおいて測定した相関計数値データ（例えば１０の異なる計測時間に対するデータを備えるウィンドウ又はその他のウィンドウサイズ）を備えるデータのウィンドウを調査することが可能である。ウィンドウ内の相関計数値データを用いて相関計数値の測定値データを備える行と各属性集合の測定時間を備える列を有する行列を形成する。行列内のデータを収集時に分析してもよいが、好ましくは、平均中心化又は平均中心化及び比例化を行う（下記のように）。その後、特異値分解を行列に実行し、行列内の相関計数値の主成分固有ベクトルを発生する。典型的には、行列内の相関計数値の測定値データ内に生じる変動の８０%を捕らえるのに、主成分が２〜３個で十分である。
【００１６】
ステップ１０６では、要望されたプロセス状態、プロセス事象又は検量プロセスのチャンバ状態を示す特徴のために、検量プロセスの相関計数値の測定値のための発生した主成分を調査する。後述するように、典型的には一つの主成分が、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態を示す鋭い特徴を有するだろう。ステップ１０７では、同定された主成分は、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態のための「検量」主成分として表わされる。検量主成分を得た後これを用いて、製造プロセスの実施中（例えば、リアルタイムに）又はその後、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態を同定するが、その際、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態（後述する）に対応した検量プロセスで時間を同定するために使用される複雑で時間がかかる試験と解析を必要とすることがない。
【００１７】
ステップ１０８では、製造プロセスは（例えば、典型的には検量プロセスと同じプロセスパラメータで）実行され、そして、ステップ１０９では、製造プロセスのための相関計数値が測定される。好ましくは製造プロセス中は、相関計数値が測定されるたびに、計数値は展開しているウィンドウ内に保存され、新しい測定された相関計数値がウィンドウに加えられ、そして、時間と共に古い相関計数値の測定値がウィンドウから落とされ、これは全ての相関計数値測定値がウィンドウを通過するまで行われる。製造プロセス属性のための展開ウィンドウは、検量主成分を計算するために用いられるウィンドウに対して同じ寸法であってもよく又は異なる寸法であってもよい。
【００１８】
ステップ１１０では、新しい相関係数測定値が展開ウィンドウに加えられるたびに、主成分分析が相関係数測定値データに対して実行され、製造プロセスに対する主成分を１つ以上（例えば１つ以上の製造主成分）発生させる。あるいは、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態のために予想される時間の近くにだけ主成分分析が実行されてもよい。
【００１９】
ステップ１１１では、少なくとも１つの製造主成分（例えば検量主成分と同じオーダーの主成分）を、検量主成分と比較する。製造主成分と検量主成分は、あらゆる手段（例えば、減法、ノルム演算によって続かれる減法、コヒーレンス-タイプ関数、その他で、除法）により比較できるが、これら２つの主成分のドット（・）又は内積を計算することによって比較することが好ましい。この２つの主成分は単位長さを有するので、検量と製造主成分の内積は、検量主成分と製造主成分がおおよそ同方向に変化する同じ特徴を有する場合は、およそ+１．０であり、検量主成分と製造主成分がおおよそ反対方向に変化する同じ特徴を有するならば、およそ-１．０であり、検量主成分と製造主成分が整合しない場合はおおよそゼロである。このように、検量主成分と製造主成分の内積をとることによって、製造主成分を、容易に検量主成分と比較することができる。
【００２０】
ステップ１１２では、検量主成分と製造主成分がおおよそ同じものであるかどうかに関する決定をする。同じである場合は、ステップ１１３で、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態が製造プロセス中に見出されたことを示す信号が発生し、そして、ステップ１１６で、発明のモニタリング技術１００は終了する。更に下記に説明するように、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態が見つけられたことを示して発生させられる信号は、例えば、その終端点又はブレークスルーが達せられた事、プロセスドリフトが検出された事、チャンバ故障が検出された事、そのチャンバ整合が確立された事等を示す定義関数を備えてもよい。
【００２１】
ステップ１１２で検量主成分と製造主成分が整合に向かわない場合は、ステップ１１４で、製造プロセスが終わったのか、あるいは、要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態を検出しないまま予想より進んでしまったかを決定する。終了していた場合は、ステップ１１５で要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態が製造プロセス中に見出せなかったことを示す信号（例えば注意信号）が発生する。次いで、制御がステップ１１６を通過し、本発明のモニタリング技術１００が終了する。
【００２２】
ステップ１１４で製造プロセスが終了していないか、予想されるより進んでいかった場合は、追加の相関計数値を製造プロセスに対して測定するステップ１０９を制御は通過し、追加の相関係数の測定値が展開中のウィンドウに加えられる。次いで、展開しているウィンドウの中のデータに対して主成分分析が実行され（ステップ１１０）、前述のように、新しい製造主成分が検量主成分と比較される（ステップ１１１）。このプロセスは、要望するプロセス状態まで、あるいはプロセス事象又はチャンバ状態が見出されるまで、あるいは製造プロセスが終了するか予想よりも進むまで繰り返される。発明のモニタリング技術１００を、プラズマプロセスに関して説明する。
【００２３】
図２は、従来のプラズマエッチングシステム２０２を備える処理システム２００と本発明に従ってこれに結合される本発明のプロセスモニタ装置２０４の線図である。ここで用いる場合、「結合した」とは、操作のため直接又は間接に結合される手段のことをいう。
【００２４】
従来のプラズマエッチングシステム２０２は、レシピ制御ポート２１０を介し、第１の制御バス２１２を介してプラズマエッチングシステムコントローラ２０８に結合されるプラズマチャンバ２０６を備える。
【００２５】
簡便のため、プラズマチャンバ２０６とプラズマエッチングシステムコントローラー２０８の間には、インターフェースが１つだけ示されているが（例えばレシピ制御ポート２１０）、一般に、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８は、複数のインターフェース（図示されず）を介してプラズマチャンバ２０６と関連するさまざまな質量流量コントローラ、RFジェネレータ、温度制御器、その他に結合してもよいことが理解されよう。
【００２６】
プラズマチャンバ２０６は、プラズマチャンバ２０６（後述する）内に継続されるプラズマ２１８から電磁放射（例えば、図２の２１６で広く表されるように、約１８０〜１１００ナノメートルの範囲内の主として光波長）を出力するための、ビューポート２１４を備える 。プラズマ電磁放射２１６は、多数のプラズマ種（例えばプロセスガス、反応生成物、その他）からの放射を備えており、プラズマプロセスのために測定されるだろう相関計数値の１のタイプを表す。ビューポート２１４は プラズマチャンバ２０６の側に配置されるように示されているが、しかし、所望の場合、他の位置（例えば、チャンバ２０６の頂部又は底部の上）に配置されてもよいことに注意すべきである。
【００２７】
本発明のプロセスモニタ装置２０４は、処理機構に結合されるスペクトロメータ２２０（例えばプロセッサ２２２）を備える。スペクトロメータ２２０は、 プラズマ２１８からの電磁放射２１６を集めて、複数のプラズマ電磁放射波長に関する強度情報をプロセッサ２２２に提供するように配置される。スペクトロメータ２２０は、２０４８チャネルのCCDアレーを使用するOcean Optics Model No. S2000 Spectrometerを好ましくは備えており、これは、約１８０〜８５０ナノメートルの波長範囲にわたる２０４８のプラズマ電磁放射波長に関する強度情報をプロセッサ２２２に提供する。他のスペクトロメータを使用してもよく、また、他の波長範囲をモニタしてもよいことが理解されよう。スペクトロメータ２２０により、電磁放射２１６の収集を改良するために（例えば、レンズ２２６を介して光ファイバーケーブル２２８に電磁放射２１６を結合することにより、また、光ファイバーケーブル２２８を介して電磁放射２１６をスペクトロメータ２２０に輸送することにより）、レンズ２２６と光ファイバーケーブル２２８の一方又は両方が、ビューポート２１４とスペクトロメータ２２０の間に配置されることが好ましい 。スペクトロメータ２２０の代わりに、プラズマ２１８からの電磁放射を収集するための他の代替構成を用いてもよく、その場合、各フォトダイオードは異なる波長又は異なる波長スペクトルをモニタする。望む場合、種々の光ファイバーケーブルをダイオードアレイに結合してもよく、その場合、バンドルの各光ファイバーケーブルがそれに独特のフォトダイオードに結合され、電磁放射を供給する。同様に、回折格子、プリズム、光学フィルター（例えばガラスフィルター）やその他の波長選択デバイスを、複数の検出器（例えばフォトダイオード、フォトマルチプライヤーその他）と共に用い、プロセッサ２２２に複数の電磁放射波長に関する情報を提供してもよい。プロセッサ２２２は、第２の制御バス２３０を介してプラズマエッチングシステムコントローラー２０８に結合される。
【００２８】
操作においては、ユーザー２３２（例えばウエハ製造プロセスの責任者）は、プラズマチャンバ２０６内にプラズマ２１８を発生させるための一組の命令（すなわちプラズマレシピ）を、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８に（第３制御バス２３４を介して）供給する。あるいは、処理システム２００を有する製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システムまたは他のあらゆる製造制御システムが、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８にプラズマレシピ（例えば、ユーザー２３２によって供給される態様で、あるいは、プラズマレシピデータベース内に保存された態様で）を供給する。代表的なプラズマレシピは、プラズマプロセシング中にプラズマチャンバ２０６内にプラズマ２１８を点火して、維持するために用いられる圧力、温度、電力、ガスタイプ、ガス流量など等の処理パラメータを有する。例えば、プラズマチャンバ２０６内でアルミニウムエッチングを実行するため、代表的なプラズマレシピは、所望のチャンバ圧力、所望のプロセス温度、所望のRF出力レベル、所望のウエハバイアス、所望のプロセスガス流量（例えば、Ar、BCl3やCl2等のプロセスガスの所望の流量）その他を有するだろう。ユーザーから、遠隔コンピューターシステムから、あるいは製造実行システムその他から、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８がプラズマレシピを受け取った後、このプラズマレシピが第１の制御バス２１２を介してレシピ制御ポート２１０に提供され、そして、レシピ制御ポート２１０（またはレシピ制御ポート２１０が存在しない場合はプラズマエッチングシステムコントローラー２０８それ自身）が、プラズマレシピによって指定した処理パラメータをプラズマチャンバ２０６内に確立し維持する。
【００２９】
プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセス中、プラズマ２１８は、主に光スペクトル（例えば、約１８０〜１１００ナノメートル）内に波長を有する電磁放射を発生させるが、紫外や赤外波長を発生してもよい。これらの電磁放射（例えば電磁気の放射２１６）の一部は、ビューポート２１４を通して伝達し、本発明のプロセスモニタ装置２０４に達する。電磁放射２１６は図２の３つの放射波長により一般に表されるが、典型的には電磁放射２１６は更に多くの波長を有していると理解されることに注意すべきである。
【００３０】
図２に関して、スペクトロメータ２２０は、レンズ２２６と光ファイバーケーブル２２８を介して電磁放射２１６を受ける。それに対応して、スペクトロメータ２２０は、これら電磁放射２１６を波長に基づいて空間的に分離し（例えば、プリズムまたは回折格子（図示されず）を介して行い）、複数の空間的に分離した波長に対して検出信号（例えば検出電流）を発生させる。好ましい具体例では、Ocean Optics Model No. S2000スペクトロメータがスペクトロメータ２２０のために使用され、これは、約１８０〜８５０ナノメートルのプラズマ放射波長に対して、検出信号（即ち発光分光法（OES）情報）の情報の２０４８の検出電流又は２０４８の「チャネル」を発生させるよう、４００ナノメートルに対して焼き付けられた６００本/ミリメートルの格子が、プラズマ放射波長を２０４８本のシリコン電荷結合素子アレーへ空間的に分割する。所望の場合に、他の波長範囲とチャネル寸法を用いてもよく、また、発明のモニタリング技術１００に従って比較できる多数の検量主成分と製造主成分を発生させるよう、プラズマスペクトルの多数の波長域を調べてもよい。
【００３１】
発生した後は、OES情報はデジタル化され（例えば、アナログ‐デジタル変換器を介して）て、次の処理（後述する）のためプロセッサ２２２に出力される。OES情報は、所望の場合アナログ形式でプロセッサ２２２に出力されてもよい。典型的には、新しい２０４８のチャネルOES情報（例えば新しい相関計数値データ）が収集され、１秒間隔でプロセッサ２２２に供給されるが、他の時間間隔を使用してもよい。
【００３２】
スペクトロメータ２２０によって収集されるプラズマ放射波長が多数のプラズマ種からの放射を有数するので、収集された放射波長は主成分分析を介して分析できるプラズマプロセスの相関計数値を表す。プラズマプロセスの他の適当な相関計数値には、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力、スロットルバルブポジション、プロセスガス流量等が含まれる。このように、本発明に従って、プラズマプロセスの相関計数値（例えば電磁放射）がスペクトロメータ２２０により測定され、OESデータの２０４８のチャネルの形態でプロセッサ２２２に供給される。好ましくはプロセッサ２２２で実行される処理の特定のタイプが、第４制御バス２３６を介してユーザー２３２により（あるいは、遠隔コンピューターシステムにより、又は製造実行システムにより等）選択される。
【００３３】
図３Aは、多層半導体構造３０４（図３B）の二酸化ケイ素層３０２のプラズマエッチング中に発生したOESデータ３００の等高線グラフである。図３Aでは暗いシェーディング部分は、大きい度合いを示し;そして、OESデータ３００は、時間t1とt2の間の平均波長強度を計算することにより、また、平均波長強度を測定された各波長強度から減ずることにより、平均中心化される。一般に、例えば、着目する任意の時間tに生じる波長強度は、時間t-10とt+10の間の平均波長強度を計算することにより、そして、平均波長強度を測定された波長強度から減ずることにより、平均中心化されてもよい。
【００３４】
図３Bでは、多層の半導体構造体３０４は、シリコンウエハ３０５上に堆積される厚さ約２０００オングストロームの二酸化ケイ素層３０２と、二酸化ケイ素層３０２上に堆積される厚さ約８０００オングストロームのフォトレジスト層３０６とを備える。フォトレジスト層３０６は、エッチング中に二酸化ケイ素層３０２の約１０%を露出するようパターニングされる。
【００３５】
OESデータ３００を得るために、多層半導体構造体３０４は、プラズマチャンバ２０６（例えば印加される磁界のないMxPTMチャンバ）内に置かれ、そして、プラズマ２１８が発生し、これは例えば当該技術分野で周知のAr、CHF3やCF4を使用する。ビューポート２１４を通過する約１８０〜８５０ナノメートルの波長の電磁放射が、スペクトロメータ２２０によって収集され、非平均中心化OESデータ３００が、スペクトロメータ２２０によって発生する。好ましい具体例では、OESデータ３００は、毎秒プラズマ２１８によって出力される波長（例えば毎秒２０４８チャネルの新しい波長データ）の「スナップショット」をとることによって、そして、約１MHzの速度でデータをデジタル化することによって発生する。他のスナップショット/デジタル化速度を使用してもよい。OESデータ３００が収集される際、各波長スナップショットがリアルタイムにプロセッサ２２２に渡されることにより、プラズマチャンバ２０６のリアルタイムプロセス制御（後述する）が可能になる。プロセッサ２２２は、OESデータ３００を平均中心化する。
【００３６】
図３Cは、酸化物層３０２のエッチング中（約６０秒でエッチング）にプラズマ２１８によって出力される波長のスナップショットである。終端点検出等の従来のモニタリング技術では、個々のプラズマ放射波長の強度（例えばCF2またはCO線の強度）の経時変化をモニタする。しかし、表面形状寸法が各新しい半導体デバイス世代に対して縮小し続けるため、エッチングする必要のある材料の量は少なく、エッチング中に生成する反応生成物が少なく、エッチング中に消費される反応性ガスは少なく、そして、エッチング中に生じる個々の波長強度の変化が小さくなりプラズマ発光スペクトル全体中に見出すのが困難になる。主成分分析では多数の相関計数値（例えば波長）を調べるので、表面形状寸法の減少に伴う個々の輝線の信号強度の減少対する感度が非常に低くなる。
【００３７】
図３Aに関して、酸化物体層３０２のエッチングは、時間t0から始まり、時間t1とt2の間でどこかで終わる。図３Aで示すように、OESデータ３００のための波長強度の最大の変化は、時間t1とt2の間で生じ、これが酸化物層３０２に対するエッチング終点を示す。具体的には、終点近くでは、２，３の波長で強度が増加し、２，３の波長で強度が低下する。しかし、終点の正確な所在を同定する鋭い遷移は観測されない。
【００３８】
本発明（そして、図１A及び図1Bの発明のモニタリング技術１００）に従って、図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたプラズマプロセスが、検量プロセスとして取り扱われ、そして、時間t1とt2の間に終点が存在する事とその所在は、独立の手段（例えば、従来の終点手法や、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡その他と組み合わせられるエッチングの研究等）により証明される／得られる。次いで、予測された終点時間の近くでOESデータのウィンドウに対して（例えば、予測された終点時間を取り囲む約２０の波長スナップショットのウィンドウに対して）、主成分分析が（前述のように）実行される。
【００３９】
図３Dは、図3A〜3Cを作るために用いた検量プロセスに対する第１の主成分（PC1）のグラフであり、時間t1とt2（図３A）の間に入る酸化物エッチング終点の近くで計算したものである。PC1は、各波長に関連する「重み」によって定義され、そして、波長と関連する各重みの符号と大きさは、終点の近くで変化の向きと大きさが波長と結びつくことを示す。同一の条件の下での次の処理の間、同じPC1成分が終点近くで観測可能である。従って、図３DのPC1は、次の「製造」プロセスの間に検量主成分として機能してもよく、これは終点の事象を「指紋化」する（例えば図３Bの二酸化ケイ素層３０２のエッチングの終点）。
【００４０】
図４Aは、図３Dの検量主成分（例えばPC1）と製造（第１の）主成分の内積のグラフであり、これは図３Bの二酸化ケイ素層３０２の次のエッチング中に計算されたものである（図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたものと同じ処理条件を使用する）。磁界は印加されなかった。最近得られた５つの波長スナップショット（プラズマ２１８から）を備えている展開ウィンドウを用いて、新しい製造主成分（例えば製造PC1）を発生させた。次いで、新しい製造主成分のそれぞれは、２つの主成分の内積をとることによって図３Dの検量主成分と比較された。他のウィンドウサイズと他のスナップショット速度が使用されてもよいことが理解される。
【００４１】
図４Aを参照すれば、時間t0でプラズマ２１８は点火され、二酸化ケイ素層３０２のエッチングは時間t1から開始する。エッチングは時間t2まで続く。その後は、時間t2で、検量主成分と製造主成分の内積は、符号を+１．０から-１．０へと変える。内積のこの高速の変化は、従来の終点検出技術では観察不可能な明瞭さの度合いで酸化物層３０２のエッチングの終点を同定する。時間t2で終点が存在したことが、他の終点検出技術によって証明された。
【００４２】
図４Bは、０．２５Hzの磁界をチャンバ内に印加した点以外は図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたと同じ処理条件を使用して、図３Bの二酸化ケイ素層３０２の次のエッチング中に計算された製造主成分と、図３Dの（エッチング中に磁界の存在なしで計算した）検量主成分との内積のグラフである。図４Bで分かるように、たとえ検量主成分が印加される磁界を有しないプロセスに由来したとしても、二酸化ケイ素層３０２のエッチング終点を示す時間t2で、鋭い遷移が存在する。
【００４３】
図５Aは、製造プロセスのための第１の主成分（製造PC1）と、検量プロセスのための第１の主成分（検量PC1）の内積のグラフであり、また、プラチナ多重層構造体５０１のエッチング中に発生した製造プロセスのための第２の主成分（製造PC2）と、検量プロセスのための第２の主成分（検量PC2）の内積のグラフである（図５B）。プラチナ多重層構造５０１は、塩素ベースのエッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００４４】
プラチナ多重層構造５０１は、シリコンウエハ（図示されず）の上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有する第１の二酸化ケイ素層５０３と、第１の二酸化ケイ素層５０３の上に堆積され、約３００オングストロームの厚さを有する窒化チタン層５０５と、窒化チタン層５０５の上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するプラチナ層５０７と、プラチナ層５０７の上に堆積され、約３００オングストロームの厚さを有する窒化タンタル層５０９と、窒化タンタル層５０９の上に堆積され約６０００オングストロームの厚さを有する第２の二酸化ケイ素層５１１とを備えている。図示のように、第２の二酸化ケイ素層５１１の一部が取り除かれ、窒化タンタル体層５０９の約６０%が露出される。多重層構造５０１等の多重層構造を有しているのはシリコンウエハ（図示されず）の約１／８だけであるので、エッチングされる正味のオープン領域は全体のウエハ領域のおよそ７%である。
【００４５】
エッチングされるオープン領域が小さい（例えば約７%）ので、特にプラチナ層５０７のエッチング終点を見出す場合に問題がある。プラチナ線は、エッチングプロセスに関連する強い分子バンドにオーバーラップし、単一の輝線強度測定の使用を制限する。しかし、図１Aと1Bの本発明のモニタリング技術１００は、容易にプラチナ層５０７のエッチング終点を同定することができる。
【００４６】
プラチナ層５０７に対する終点を見つけるための適当な検量主成分を発生させるため（同様に窒化チタン層５０５にや窒化タンタル層５０９に対し）、
プラチナ多重層構造５０１に対して、一連の参照エッチングプロセスを時間を変えて実行し、そして、各エッチングプロセスに続いて、走査電子顕微鏡によりプラチナ多重層構造５０１を調べ、各層505-509の終点時間を同定した（図５Aの時間t6、t5とt2のそれぞれ）。走査電子顕微鏡の研究により、窒化タンタル層５０９の貫通とプラチナ層５０７のエッチングが先ず時間t2で起こり、多重層構造５０１のオープン領域内の窒化チタン層５０５の曝露が時間t3から始まり、濃度の高い領域のプラチナ層５０７の除去が時間t4から始まり、プラチナ層５０７の除去の完了は時間t5で生じたことがわかった。更に時間t6で、窒化チタン層５０５が取り除かれ、第１の二酸化ケイ素層５０３が露出される。その後は、プラチナ層５０７の終点の検出を特に目標とするために、検量PC1とPC2が、前述のように時間t5の近くで（例えば、時間t5の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）計算された。プラチナ多重層構造５０１の次の「製造」エッチングが、参照エッチングプロセスと同一の条件の下で実行され、そして、展開ウィンドウを用いて、毎秒新しい製造PC1と新しい製造PC2を発生した。
【００４７】
第１の主成分と第２の主成分の内積をとることにより、それぞれの新しい製造PC1を検量PC1と、PC2をPC2と、それぞれ比較し、PC1内積曲線５１３とPC2内積曲線５１５をそれぞれ発生させる。図５Aで示すように、プラチナ層５０７のエッチング終点は、PC1内積曲線５１３により明らかに時間t5と同定される。更に、時間t1でのプラズマ点火や時間t2での窒化タンタル層５０９の除去又は貫通等の多重層構造５０１の他のエッチングの特徴も定義可能である。窒化チタン層５０５又は窒化タンタル層５０９のエッチング終点をより正確に同定するため、検量主成分が、時間t2とt6の近くで発生しもよく、また、これが本発明のモニタリング技術１００に使用されてもよい点に注意すべきである。
【００４８】
図６Aは、ポリシリコン多層構造体６０１（図６B）のエッチング中に発生する製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。ポリシリコン多層構造体６０１は臭素-塩素ベースのエッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００４９】
ポリシリコン多層構造体６０１は、シリコンウエハ（図示されず）上に堆積され、約１０００オングストロームの厚さを有する二酸化ケイ素層６０３と、二酸化ケイ素層６０３上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するポリシリコン層６０５と、ポリシリコン層６０５上に堆積され、約８０００オングストロームの厚さを有するフォトレジスト層６０７とを備えている。フォトレジスト層６０７はパターニングされ、ポリシリコン層６０５の約２５%が露出される。本発明者の先のエッチング試験及び／または知識に基づけば、ポリシリコン多層構造体６０１のエッチング中、プラズマ安定化が時間t1の近くで生じ、そのCF4貫通が、時間t2の近くで起こり、ポリシリコン層６０５のエッチングが時間t3の近くで開始し、時間t4近くまで続き、ポリシリコン層６０５の終点が時間t4の近くで起こるだろうことが推測された。
【００５０】
本発明者の疑いを確かめるために、本発明のモニタリング技術１００を使用した。検量PC1は、時間t4の近くで（例えば、時間t4の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）計算され、そして、次の、ポリシリコン多層構造体６０１の製造エッチングが、検量エッチングプロセスと同一の条件の下で実行された。展開ウィンドウを用いて毎秒新しい製造PC1を発生させ、そして、図６AのPC1内積曲線６０９を発生させるよう、検量PC1と各新しい製造PC1の比較を、これら主成分の内積をとることにより行う。図６Aで示すように、ポリシリコン層６０５のエッチング終点は、PC1内積曲線６０９により明確に時間t4と同定される。更に、多層構造体６０１の他のエッチングの特徴は、同一とみなすことができるだろう（例えば、時間t1でプラズマ安定化、時間t2でCF4の貫通等）。
図７Aは、底部反射防止コーティング(bottom-anti-reflective-coating:BARC）多層構造体７０１（図７B）のエッチング中に発生する製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。多層構造体７０１は、臭素エッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００５１】
BARC多層構造体７０１は、シリコンウエハ（図示されず）上に堆積され、約２４００オングストロームの厚さを有するポリシリコン層７０３と、ポリシリコン層７０３上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するBARC層７０５と、BARC層７０５上に堆積され、約８０００オングストロームの厚さを有するフォトレジスト層７０７とを備える。フォトレジスト層７０７はパターニングされ、BARC層７０５の約２%を露出する。
【００５２】
BARC多層構造体７０１のオープン領域は非常に小さい（例えば２%）ため、
また、フォトレジストとBARCが類似の物質組成を有するため、
従来の終点手法では明らかに、BARC層７０５のエッチング終点を同定することができない。しかし、本発明のモニタリング技術１００は、BARC層７０５のエッチング終点を同定することが可能である。
【００５３】
図６Bのポリシリコン多層構造体６０１と同様に、先のエッチング試験及び／または発明者の知識に基づき、BARC多層構造体７０１のエッチング中に、プラズマ点火が時間t1の近くで生じ、リムBARCの除去が時間t2の近くで開始され、ダイBARCの除去が時間t3の近くで開始しポリシリコン層７０３が時間t4の近くで露出されるだろう（例えば、BARC層７０５は時間t4の近くで開始されるだろう）ことが推測される。
【００５４】
発明者の疑いを確証するため、発明のモニタリング技術１００を採用した。検量PC1は時間t3の近くで計算され（例えば、時間t3の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）、そして、多層構造体７０１の次の製造エッチングが、検量エッチングプロセスと同一の条件の下で実行された。展開ウィンドウを用いて毎秒新しい製造PC1を発生させ、そして、図７AのPC1内積曲線７０９を発生させるため、主成分の内積をとることにより検量PC1と各新しい製造PC1を比較する。図７Aで示すように、BARC層７０５のエッチング終点は、PC1内積曲線７０９によって明らかに、時間t3の近くと同定される。更に、多層構造体７０１の各エッチング特徴も、同一とみなすことができるだろう（例えば、時間t1でプラズマ点火、時間t2でリムBARCの除去、時間t4でポリシリコン層７０３のエッチング）。
【００５５】
本発明のモニタリング技術１００を、図3A-7Aを参照して終点検出に関して主に説明してきたが、プラズマ点火、貫通、除去等の他の処理事象を同様に同定してもよいことが理解される。更に、本発明のモニタリング技術１００は、プラズマプロセスの「指紋（フィンガプリント」を提供することにより、プロセス状態（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質、その他）についての情報を提供することができ、また、プロセスチャンバについての情報を提供することができる（例えば、故障が存在するかどうか、１のチャンバが別のチャンバと整合するかどうか等）。
【００５６】
プロセス状態情報に関して、検量主成分と製造主成分の一方又は両方における様々な特徴の形と位置は、処理パラメータないし条件を変えることにより、あるいは主成分の特徴の形と位置がどのようにして変わるかを調べることにより、探求できる情報を提供する。例えば、図８はプロセスドリフトを模倣する条件下での製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。検量PC1は、プラズマプロセス中に誘導結合プラズマソース（IPS）チャンバ内にC4F8を１０sccm流すことによって発生した。その後は、製造プロセスはC4F8の流量を６０の秒毎に２sccm ずつ増やしたことを除いて同一のプロセス条件の下で実行された。図８で示すように、流量の変化は、本発明のモニタリング技術１００で容易に識別できる（例えば、６０秒、１２０秒、１８０秒等）。
【００５７】
チャンバ情報に関し、プラズマチャンバ２０６が正しく働いていることがわかっている場合にとられるプラズマプロセスの一つ以上の検量主成分の指紋は、プロセスチャンバのための「検量」指紋として機能してもよい。その後、次のプロセス運転の主成分指紋は、定期的にプロセスの検量指紋と比較されてもよい。次の主成分の指紋におけるドリフト、性能の広がり、雑音水準又はその他の同様の変化が定量され、これはプラズマチャンバ２０６の調子を示すものとして機能し、また、チャンバの故障を発見することができる（例えば、各チャンバの故障に起因する特有の特徴を介して）。例えば、チャンバクリーニング/維持操作に続いて、一つ以上の製造主成分の指紋を測定して、チャンバの検量主成分検量の指紋と比較し、クリーニング/維持操作の後にチャンバが正しく機能することを保証する（例えば「チャンバ資格」プロセス）。また、２つの異なるチャンバの検量主成分及び／又は製造主成分の指紋を比較するが、これは、チャンバの整合を目的としていてもよく、あるいは、一方のチャンバを、他方のチャンバの主成分の指紋に整合するように調整し又は「釣り合いをとる」ためであってもよい。１つのプロセスに対し、製造主成分はいくつでも、またあらゆる主成分（例えばPC1、PC2、PC3その他）を組み合わせて、所望の場合、そのプロセスのための検量の指紋として機能させてもよい。
【００５８】
発明のモニタリング技術１００は、マニュアルで（例えば、ユーザー２３２によって）実行されてもよく、あるいは、所望により運転毎のベース又はロット毎のベースで自動で（例えば、プロセッサ２２２で）実行されてもよい。
好ましくは、製造プロセス中にデータが収集されるよう、製造主成分の計算を実行し、処理中に（例えば、リアルタイムに）処理パラメータが調整できるようにする。
【００５９】
図２に関し、ユーザー２３２、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システムその他は、プロセッサ２２２がどのプロセス事象（例えば貫通、終点、その他）を同定しなければならないか、また、それに応答して、第２の制御バス２３０を介してプラズマエッチングシステム２０２に警報を送る（例えば、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止させるため等）必要があるかどうか、どんなプロセス状態情報（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質、その他）が要望されるか、リアルタイムプロセス制御を用いるべきかどうか、どんなチャンバ情報（例えばチャンバ故障情報、チャンバ整合の情報その他）が要望されるか、そしてチャンバ故障が検出された場合に、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止すべきかどうかについて、特定してもよい。前述のように、所望の場合、ほんの少しのプラズマ放射波長をモニタしてもよい。
【００６０】
図９は、図２の発明のプロセスモニタ装置２０４の回路図であり、そこでは、専用のデジタル信号処理装置（DSP）９０１が使用される。DSP ９０１は、製造主成分計算のために展開ウィンドウを定義するよう、また、プロセッサ２２２よりかなり高い速度で展開ウィンドウ（以前に説明されて）内のデータに主成分分析を実行するよう、プログラムされることが好ましい。次いで、DSP ９０１は解析のため、プロセッサ２２２に得られた主成分情報を供給する（例えば、検量主成分による比較のために）。このように、OESデータの解析は、所望の場合、リアルタイム処理パラメータ調整を可能にするよう、十分速く実行されてもよい。また、製造主成分と検量主成分の比較がDSP ９０１内で実行されてもよい。
【００６１】
プラズマ放射波長をプロセスの相関計数値としてモニタすることに加えて、プロセス状態、プロセス事象及びチャンバ情報を得るために、プラズマ処理中にプラズマチャンバのウエハペデスタルに供給されるRF電力等のプラズマプロセス、ウエハ温度、チャンバ圧力、絞り弁ポジション等のその他の（または追加の）相関計数値を、本発明のモニタリング技術１００に従ってモニタしてもよい。図１０は、処理システム２００の回路図であり、発明のプロセスモニタ装置２０４は、プラズマ処理中において、プラズマ放射変動よりむしろ（又はこれに加えて）RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力と絞り弁ポジションをモニタするのに適している。具体的には、発明のプロセスモニタ装置２０４にはスペクトロメータ２２０はもはや示されず、そして、プラズマ処理中においてプラズマチャンバ２０６と関連する、RF電力を表す信号、ウエハ温度、チャンバ圧力及び絞り弁ポジションが、レシピ制御ポート２１０とプロセッサ２２２の間に結合される第５の制御バス１０００を介して、プロセッサ２２２に供給される。プラズマエッチングシステムコントローラー２０８が、プラズマチャンバ２０６の各種質量流量コントローラ、RFジェネレータ、温度制御器、圧力計、その他を直接インターフェースする（例えば、レシピ制御ポート２１０なしで）場合は、相関計数値情報は、プラズマエッチングコントローラ２０８から、直接にプロセッサ２２２に供給されてもよい。所望の場合に、スペクトロメータ２２０を使用し、レシピ制御ポート２１０から又はプラズマエッチングコントローラ２０８から、OESデータを他の相関計数値と共にプロセッサ２２２へ供給してもよいことが理解されよう（例えばRF電力、ウエハ温度等）。
【００６２】
一般に、制御バスに供給されるにせよされないにせよ、処理システム２００内のあらゆる構成要素の間に供給される信号は、アナログまたはデジタル形式で供給されてもよい。例えば、所望の場合、アナログ信号はアナログ‐デジタル変換器を介してデジタル化されRS-232インターフェースやパラレルインターフェースを介して送られてもよい。
【００６３】
プラズマ放射波長と同様に、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力と絞り弁ポジション情報に基づいて製造プロセスを実行する間、プロセッサ２２２は、新しい製造主成分を発生させるために展開ウィンドウを用いることが好ましく、これは期間の割合（例えば毎秒）でなされることが好ましい。次いで、プロセス事象、プロセス状態及びチャンバ情報を得るため、プロセッサ２２２は、それぞれの新しい製造主成分と以前に発生した検量主成分（説明されるように）との比較を行う。解析時間を減らすため、図９のDSP ９０１をプロセッサ２２２で使用してもよい。
【００６４】
図１１は、半導体デバイスを製造するための自動化されたツール１１００の平面図である。ツール１１００は、一対のロードロック１１０２ａ、１１０２ｂと、ウエハハンドラ１１０６を有するウエハハンドラチャンバ１１０４とを備える。ウエハハンドラチャンバ１１０４とウエハハンドラ１１０６は、複数の処理チャンバ１１０８、１１１０に結合される。最も重要なことは、ウエハハンドラチャンバ１１０４とウエハハンドラ１１０６は、図２又は図１０の処理システム２００のプラズマチャンバ２０６に結合されることである。プラズマチャンバ２０６は、自身に結合される本発明のプロセスモニタ装置２０４を有する（図示のように）。全体のツール１１００は、コントローラ１１１２（例えばツール１１００のための専用のコントローラ、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システム、その他）によって制御され、これは、ロードロック１１０２ａ、１１０２ｂとチャンバ１１０８（１１１０と２０６）の間の半導体基板の移送を制御し、またそこでの処理を制御するプログラムを有する。
【００６５】
図１Ａ〜１０に関して前述したように、コントローラ１１１２は、リアルタイムでプラズマチャンバ２０６のプロセス状態を制御するための、そして、発明のプロセスモニタ装置２０４を介して、リアルタイムに処理事象（例えばブレークスルー、終端点、その他）をモニタするための、プログラムを有している。本発明のプロセスモニタ装置２０４は、プラズマチャンバ２０６のプロセス状態を良好に制御できるようにし、処理事象が生じる時をより正確に同定する（プラズマチャンバ２０６のスループットを有効に増加させる）。従って、自動化製造ツール１１００の収率とスループットの両方が、大きく増加する。
【００６６】
一般に、あるプロセスに対して相関計数値（例えばプラズマ電磁放射、RF電力、チャンバ圧力、ウエハ温度、絞り弁ポジションその他）を測定する過程と、次の主成分分析が、製造実行システムその他により製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステムによって、ユーザーにより実行されてもよい。前述のように、処理中に解析とモニタリングを実行し、リアルタイムのプロセス制御を可能にすることが好ましい。好ましくは、ユーザー、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システム又は他の適当なコントローラが、どのプロセス事象（例えば貫通、終点、その他）をそれはプロセッサ２２２が同定すべきか、それに応答して（例えば、プラズマチャンバ２０６内のプラズマ処理を停止させるため）警告がプラズマエッチングシステム２０２に送られるかどうか、どんなプロセス状態情報が要望されるか（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質その他）、リアルタイムプロセス制御を用いるべきかどうかどのチャンバ情報が要望されるか（例えばチャンバ故障情報、チャンバ整合の情報その他）、チャンバ故障が検出された場合、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止すべきかどうかについて、特定する。例えば、プロセッサ２２２を指示するユーザー選択可能な関数のライブラリーを具備することにより、要望されたプロセス状態、プロセス事象及び／またはチャンバ情報を得てもよく、あるいはそれに応じた作用をなしてもよい（例えば、エッチングプロセスの終点を検出し、その後処理を停止する等）。
【００６７】
貫通と終点等の処理事象を同定するため、そして、チャンバ故障情報や情報に整合させているチャンバ等のプロセスチャンバ情報を得るため、関連するプロセス事象またはプロセスチャンバ識別情報を備えているデータベース（例えば終点情報を提供する検量主成分、貫通情報、情報に整合させているチャンバその他）が、プロセッサ２２２内、製造プロセスを制御するための遠隔コンピューターシステム内、製造実行システム内その他に、具備されてもよい。次いで、データベース内に関連する情報がプロセッサ２２２によりアクセスされ、プロセス事象の同定又はチャンバ情報の抽出のために用いられる。たとえば、材料層のエッチング中に終点又は貫通を検出するため、貫通又は終点事象の近くで発生する一つ以上の検量主成分が、データベース内に保存されてもよい。その後は、処理中に製造主成分が、データベース内に保存される１つ以上の検量主成分と比較されてもよい。製造主成分及び検量主成分がお互いの予め定められた範囲内にあるならば、終点か貫通が検出されたことを示す信号を発生してもよい。好ましくはエッチングされる各材料層のための終点または貫通を示す一つ以上の検量主成分が、データベース内に保存される。
【００６８】
プロセスチャンバ情報に関して、プラズマチャンバ２０６が正しく動作することがわかった時点でとられるプロセスの１つ以上の検量主成分「指紋」が、データベース内に保存されてもよくまた、プロセスチャンバのための「検量」指紋として作用してもよい。その後、次のプロセス運転中に計算される製造主成分指紋は、データベース内に保存されるプロセスのために、定期的に検量指紋と比較されてもよい。次の指紋におけるドリフト、性能の広がり、雑音水準又はその他の同様の変化が定量され（例えば、データベース内に保存された各チャンバ故障に起因している独特な検量主成分又は製造主成分を介して）、これはプラズマチャンバ２０６の調子を示すものとして機能し、また、チャンバの故障を発見することができる（例えば、各チャンバの故障に起因する特有の特徴を介して）。例えば、チャンバクリーニング/維持操作に続いて、一つ以上の製造主成分の指紋を測定して、チャンバの検量主成分検量の指紋と比較し、クリーニング/維持操作の後にチャンバが正しく機能することを保証する。
【００６９】
また、２つの異なるチャンバの検量主成分又は製造主成分の指紋を比較するが、これは、チャンバの整合を目的としていてもよく、あるいは、一方のチャンバを、他方のチャンバの指紋に整合するように調整し又は「釣り合いをとる」ためであってもよい（前述の様に）。また、主成分の指紋が、適当なウエハのチャックを同定するために同様に使用されてもよい（例えば、不適当にチャックされたウエハが処理中に固有の主成分性能を発生させる）。
【００７０】
前述の記載は、本発明の好ましい具体例のみを開示するが、上記に開示された本発明の範囲内になる装置及び方法の修正は当業者に容易に理解されるであろう。例えば、ここに説明したプラズマ放射波長のモニタの範囲は、好ましいものというだけであり、所望の場合他の波長範囲をモニタしてもよい。製造主成分の計算は、展開ウィンドウを用いてなされる必要はなく、あるいは、期待されるプロセス事象、プラズマ状態またはチャンバ状態近くだけで計算されてもよい。
更に、図2-11ではプラズマを使用する半導体デバイス製造プロセスのプロセス状態をモニタすることに関して本発明を説明してきたが、本発明は一般に、測定可能な相関計数値を有するあらゆるプロセスをモニタしてもよいことが理解されよう（例えば、プラズマを使用するしないによらず、また、半導体デバイス製造に関係があるなしによらず）。例えば、本発明に従う任意のプロセスの温度、圧力、重量（例えば、結晶微量天秤を介して）、化学発光、その他の相関計数値をモニタすることにより、プロセス状態情報、プロセス事象情報、そして、適用できる場合はチャンバ情報を、プロセスに関して得てもよい。別の実例としては、温度、圧力、重量、プラズマ放射、RF電力、その他等の堆積プロセスの相関計数値（例えば化学気相堆積、プラズマ加速化学蒸着と高密プラズマ化学気相堆積プロセス窒化ケイ素、ケイ化タングステン、ポリシリコン、Ｋの低い材料又は高い材料、III-Ｖ又はII-VI半導体、フッ素化珪素、トリエチルフォスフェート（TEPO）、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）膜または他の材料）が、プロセス状態、プロセス事象及びチャンバに関連した情報を得るために本発明に従ってモニタされてもよい。そのような情報を用いて、前述のようにチャンバ故障とチャンバ整合の目的に加えて、堆積速度、反応化学、RFジェネレーター操作（その他）モニタしてもよい。
【００７１】
従って、本発明を好ましい具体例と関連して表わしたが、他の具体例が本発明の本質及び範囲に入ってもよいと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１A及び1Bは、本発明に従って一般的なプロセスをモニタするための本発明のモニタリング技術のフローチャートである。
【図２】図２は、プラズマエッチングシステムを備えている本発明の処理システムと本発明に従ってこれに結合される本発明のプロセスモニタ装置の回路図である。
【図３】図３Aは、図２の処理システムで二酸化ケイ素層のプラズマエッチング中に発生した平均中心光学発光分光法（OES）情報の等高線グラフであり、図３Bは、図３AのOES情報を得るためのエッチングされた二酸化ケイ素層を備える多層の半導体構造の断面図であり、図３Cは、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中にプラズマにより出力された波長のスナップショットであり、図３Dは、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中に発生した第１の主成分のグラフである。
【図４】図４A及び4Bは、検量主成分と、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中に得られる製造主成分との内積のグラフであり、4Aはエッチング中に印加される磁界有りの場合、4Bは無しの場合である。
【図５】図５Aは、プラチナ多重層構造体のエッチング中に発生した、検量主成分と製造第１主成分の内積と、検量主成分と製造第２主成分の内積のグラフであり、図５Bは、図５Aのグラフを得るためにエッチングがなされたプラチナ多重層構造体の断面線図である。
【図６】図６Aは、検量主成分と、ポリシリコン多重層構造のエッチング中に発生した製造第１の主成分との内積のグラフであり、図６Bは、図６Aのグラフを得るためにエッチングがなされたポリシリコン多重層構造体の断面線図である。
【図７】図７Aは検量主成分と、BARC多重層構造体のエッチング中に発生した製造第１の主成分との内積のグラフであり、図７Bは、図７Aのグラフを得るためにエッチングがなされたBARC多重層構造体の断面線図である。
【図８】図８は検量主成分と、プロセスドリフトを模倣する処理条件の下で発生した製造第１の主成分の内積のグラフである。
【図９】図９は、専用のデジタル信号処理装置を使用した図２の本発明のプロセスモニタ装置の回路図である。
【図１０】図１０は、プロセスモニタ装置が、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力及びスロットルバルブポジションをモニタするに適する、図２の本発明の処理システムの回路図である。
【図１１】図１１は、半導体デバイス製造のための、図２又は図１０の本発明の処理システムを使用する自動化ツールの平面図である。
【符号の説明】
２００…処理システム、２０２…プラズマエッチングシステム、２０４…プロセスモニタ装置２０４。
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスをモニタするための技術に関し、特に、主成分分析を用いてプロセスをモニタするための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体工業には、改良されたプロセスの繰返し性及び制御の必要性が存在する。例えば、代表的なメタル層とメタル層相互接続の形成では、誘電層が第１のメタル層の上に堆積され、バイアホールが誘電層にエッチングで形成され第１のメタル層を露出し、バイアホールが、メタルプラグで埋め込まれ、そして、第２のメタル層が、メタルプラグの上に堆積される（例えば、第１のメタル層と第２のメタル層の間に相互接続が形成される）。相互接続部の接触抵抗を確実に低くするため、バイアホール内の全ての誘電材料は、その上にメタルプラグを形成する前に第１のメタル層の頂部表面からエッチングされなければならず、そうしなければ、バイアホール内に残る高抵抗率誘電材料が、相互接続の接触抵抗をかなり劣化させる。同様のプロセス制御は、メタル層（例えばAl、Cu、プラチナ、その他）、ポリシリコン層等のエッチング中に必要である。
【０００３】
従来のモニタリング技術では、材料層が完全にエッチングされた時（即ち終点）のラフな推定値だけを提供する。従って、材料層の厚さの変化（例えばデバイスの変化）や、材料層のエッチ速度の変化（例えばプロセス/プロセスチャンバの変化）に適応させるために、エッチングプロセスは、材料層をエッチングするための予測時間より長時間（即ち、オーバーエッチ時間）継続してもよい。オーバーエッチ時間のエッチングにより、エッチング時間を変え得るデバイス変化とプロセス/チャンバ変化があっても、除去されるべき全ての材料の除去を確実にする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
オーバーエッチ時間は完全なエッチングを確実にする一方、オーバーエッチングは各半導体ウエハの処理に要する時間を増加させ、従ってウエハスループットを低減する。更に、高性能の集積回路のための推進力は、半導体素子を形成する際に細かい寸法公差を要求するので、オーバーエッチングが非常に望ましくなくなっている。また、デバイス構造の小型化に必要な小さいオープン領域があれば、電磁放射（例えば反応生成物の放射）の共通モニタ強度が低減されるので、狭帯域測定を用いるモニタリング技術がますます困難で不正確なものになる。従って、エッチングプロセス、チャンバクリーニングプロセス、堆積プロセスなど等の半導体製造プロセスをモニタするために改良された技術に対する必要性が存在する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の発明者は、プロセスの相関計数値（例えば、複数の電磁式の放射やプロセス温度、プロセス圧力、RF電力、その他）を測定することにより、また、相関計数値を分析するために主成分分析を用いることにより、プロセス状況、プロセスイベント（プロセス事象）、そして適用可能ならチャンバ状況情報を、プロセスのために容易かつ正確に得ることができる。得ることができる典型的なプロセス状況情報には、RF電力、プラズマ化学反応化学物質、その他が含まれ、得ることができる典型的なプロセスイベント情報には、特定の材料がエッチングで貫通又は除去（即ちブレークスルー）されるか否か、要望されたプロセスが完了したか否か（例えばエッチングや堆積）、ウエハの保持が不適切である時（即ち不適切なチャック）等が含まれ、そして、適用可能なら、得ることができる典型的なチャンバ状況情報には、チャンバが故障を有するか否か、チャンバの操作が、前の操作と又は別のチャンバの操作と同様か否か（すなわちチャンバマッチング）その他が含まれる。
【０００６】
本発明に従って、相関計数値は、モニタされるプロセス（即ち製造プロセス）のために測定され、そして、主成分分析は、少なくとも１つの生産主成分を生成するための相関計数値の測定値について実行される。次いで、少なくとも１つの生産主成分は、検量プロセスに関連する主成分（即ち検量主成分）と比較される。
【０００７】
検量主成分は、検量プロセスの相関計数値（例えば、好ましくは製造プロセスと同じプロセスであるが、典型的には、非製造目的のプロセス）を測定することによって、そして、少なくとも１つの主成分を発生するため相関計数測定値に主成分分析を実行することによって得られる。次いで、要望されたプロセス状況、プロセスイベントとチャンバ状況のうちの少なくとも１つを示す機能を有している主成分が、主成分として識別され指定される。好ましくは、検量と製造主成分の内積を計算することによって、少なくとも１つの製造主成分が検量主成分と比較される。また、Mathworks社から市場に出される数学ソフトウェアパッケージMATLABTMに見られる「コヒーレンス」関数等の他の手法を使用することにより、あるいは検量主成分と製造主成分の差のスカラー大きさ又は「標準」を計算することにより、検量主成分と製造主成分を比較してもよい。
【０００８】
検量主成分と製造主成分をこのように比較することによって、プロセス事象、プロセス状態及びチャンバ状態情報を高速で（例えば、リアルタイムに）また高い正確性で得ることができる。これによりプロセスがモニタされ、処理パラメータ/条件がリアルタイムの中に調整され、オーバーエッチ時間等の処理時間が防止され、プロセス収率及びスループットが大きく増加するだろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を、添付図面を参照して説明する。図面では、同様の参照番号は、機能的に同一又は同様の要素を指示するものとする。さらに、参照番号の左端の数字は、最初にその参照番号が現れる図面を識別する。
【００１０】
前述のように、本発明の発明者は、プロセスの相関計数値を測定することにより、そして、相関計数値を分析するために主成分分析を用いることにより、プロセス状態と、プロセス事象と、適用可能ならチャンバ状態情報とを、当該プロセスに対して容易かつ正確に得ることができることを見出した。簡便のため、本発明の説明を主に、プラズマエッチングプロセスとプラズマベース相関計数値（例えばプラズマ電磁放射、RF電力、チャンバ圧力、スロットルバルブのポジションその他）に関して行う。しかし、プラズマを使用するかしないかに拘わらず、また、堆積プロセス、クリーニングプロセス、ケミカルメカニカルポリシングプロセス、その他等の半導体デバイス処理に関係するかしないかに拘わらず、本発明は他のあらゆるプロセスもモニタするために同様に用いられてもよいプロセスのこれらのタイプのためのモニタ可能な相関計数値には、温度、圧力、ウェイトゲイン／ロス、プラズマ放出、RF電力、スロットルバルブ位置、その他が含まれるが、これに限定されるものではない。
【００１１】
図１Aと1Bは、本発明に従って一般的なプロセスをモニタするための本発明のモニタリング技術１００のフローチャートである。本発明のモニタリング技術１００は、ステップ１０１で開始する。
【００１２】
ステップ１０２で、モニタすべきプロセス（即ち製造プロセス）が識別され、検量プロセスが実行される。ほとんどの場合、検量プロセスと製造プロセスでは、同じプロセスパラメータ（例えば同一の流量、基板温度、チャンバ圧力その他）を使用する。しかし、図８に関して後述するように、製造プロセス中のプロセスドリフトにまたはその他のプロセスの変動に対して本発明のモニタリング技術の感度を決定するため、プロセスガス流量、プロセス温度等の１つ以上の検量プロセスのプロセスパラメータを、製造プロセスと比較して変えることが望ましい。
【００１３】
ステップ１０３で検量プロセスの実施中に、プラズマプロセスに対する複数のプラズマ放射波長やプロセス温度、スロットルバルブポジション、プロセス圧力、あるいは他の相関計数値等の、検量プロセスの相関計数値の集合が（好ましくは定期的な割合で）測定される。既知の如く、主成分分析のために十分な情報を提供するためには、多数の相関計数値が必要である。
【００１４】
ステップ１０４では、時間又は期間は、検量プロセスに対して要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態に対応する収集された検量プロセスデータの中で同定される。この時間又は期間の同定は典型的には、検量プロセスに続いて実行され、従ってこれは、プロセス中（例えば、半導体デバイスの接触開口のための酸化物エッチング等の製造プロセス中）に、リアルタイム使用に適さないような洗練された（但し時間がかかる）同定手法を用いて行われてもよい。たとえば、検量プロセスがエッチングプロセスの場合は、材料層のエッチングのために正確な終点または貫通時間を決定するため、同一のプロセス条件の下で一連の異なる継続時間エッチングを実行することによって、また、各エッチング継続時間に対する材料層の断面を調査する（例えば、走査電子又は透過電子顕微鏡手法による）ことによって、材料層をエッチングするための終点又は貫通時間を決定してもよい。同様に、時間に対するチャンバプロセス状態を特徴づけるため又はチャンバ整合の目的のため、洗練された測定手法を使用してプ、ロセスガス流量、チャンバ圧力、プロセス温度その他を測定してもよい。
【００１５】
ステップ１０５では、同定されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態時間に近い収集された検量プロセスに対する相関計数値について、主成分分析（PCA）が実行される。例えば、事象の前、その間とその後の単独又はいずれかの組み合わせにおいて測定した相関計数値データ（例えば１０の異なる計測時間に対するデータを備えるウィンドウ又はその他のウィンドウサイズ）を備えるデータのウィンドウを調査することが可能である。ウィンドウ内の相関計数値データを用いて相関計数値の測定値データを備える行と各属性集合の測定時間を備える列を有する行列を形成する。行列内のデータを収集時に分析してもよいが、好ましくは、平均中心化又は平均中心化及び比例化を行う（下記のように）。その後、特異値分解を行列に実行し、行列内の相関計数値の主成分固有ベクトルを発生する。典型的には、行列内の相関計数値の測定値データ内に生じる変動の８０%を捕らえるのに、主成分が２〜３個で十分である。
【００１６】
ステップ１０６では、要望されたプロセス状態、プロセス事象又は検量プロセスのチャンバ状態を示す特徴のために、検量プロセスの相関計数値の測定値のための発生した主成分を調査する。後述するように、典型的には一つの主成分が、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態を示す鋭い特徴を有するだろう。ステップ１０７では、同定された主成分は、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態のための「検量」主成分として表わされる。検量主成分を得た後これを用いて、製造プロセスの実施中（例えば、リアルタイムに）又はその後、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態を同定するが、その際、要望されたプロセス事象、プロセス状態またはチャンバ状態（後述する）に対応した検量プロセスで時間を同定するために使用される複雑で時間がかかる試験と解析を必要とすることがない。
【００１７】
ステップ１０８では、製造プロセスは（例えば、典型的には検量プロセスと同じプロセスパラメータで）実行され、そして、ステップ１０９では、製造プロセスのための相関計数値が測定される。好ましくは製造プロセス中は、相関計数値が測定されるたびに、計数値は展開しているウィンドウ内に保存され、新しい測定された相関計数値がウィンドウに加えられ、そして、時間と共に古い相関計数値の測定値がウィンドウから落とされ、これは全ての相関計数値測定値がウィンドウを通過するまで行われる。製造プロセス属性のための展開ウィンドウは、検量主成分を計算するために用いられるウィンドウに対して同じ寸法であってもよく又は異なる寸法であってもよい。
【００１８】
ステップ１１０では、新しい相関係数測定値が展開ウィンドウに加えられるたびに、主成分分析が相関係数測定値データに対して実行され、製造プロセスに対する主成分を１つ以上（例えば１つ以上の製造主成分）発生させる。あるいは、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態のために予想される時間の近くにだけ主成分分析が実行されてもよい。
【００１９】
ステップ１１１では、少なくとも１つの製造主成分（例えば検量主成分と同じオーダーの主成分）を、検量主成分と比較する。製造主成分と検量主成分は、あらゆる手段（例えば、減法、ノルム演算によって続かれる減法、コヒーレンス-タイプ関数、その他で、除法）により比較できるが、これら２つの主成分のドット（・）又は内積を計算することによって比較することが好ましい。この２つの主成分は単位長さを有するので、検量と製造主成分の内積は、検量主成分と製造主成分がおおよそ同方向に変化する同じ特徴を有する場合は、およそ+１．０であり、検量主成分と製造主成分がおおよそ反対方向に変化する同じ特徴を有するならば、およそ-１．０であり、検量主成分と製造主成分が整合しない場合はおおよそゼロである。このように、検量主成分と製造主成分の内積をとることによって、製造主成分を、容易に検量主成分と比較することができる。
【００２０】
ステップ１１２では、検量主成分と製造主成分がおおよそ同じものであるかどうかに関する決定をする。同じである場合は、ステップ１１３で、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態が製造プロセス中に見出されたことを示す信号が発生し、そして、ステップ１１６で、発明のモニタリング技術１００は終了する。更に下記に説明するように、要望されたプロセス状態、プロセス事象またはチャンバ状態が見つけられたことを示して発生させられる信号は、例えば、その終端点又はブレークスルーが達せられた事、プロセスドリフトが検出された事、チャンバ故障が検出された事、そのチャンバ整合が確立された事等を示す定義関数を備えてもよい。
【００２１】
ステップ１１２で検量主成分と製造主成分が整合に向かわない場合は、ステップ１１４で、製造プロセスが終わったのか、あるいは、要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態を検出しないまま予想より進んでしまったかを決定する。終了していた場合は、ステップ１１５で要望されたプロセス状態、プロセス事象又はチャンバ状態が製造プロセス中に見出せなかったことを示す信号（例えば注意信号）が発生する。次いで、制御がステップ１１６を通過し、本発明のモニタリング技術１００が終了する。
【００２２】
ステップ１１４で製造プロセスが終了していないか、予想されるより進んでいかった場合は、追加の相関計数値を製造プロセスに対して測定するステップ１０９を制御は通過し、追加の相関係数の測定値が展開中のウィンドウに加えられる。次いで、展開しているウィンドウの中のデータに対して主成分分析が実行され（ステップ１１０）、前述のように、新しい製造主成分が検量主成分と比較される（ステップ１１１）。このプロセスは、要望するプロセス状態まで、あるいはプロセス事象又はチャンバ状態が見出されるまで、あるいは製造プロセスが終了するか予想よりも進むまで繰り返される。発明のモニタリング技術１００を、プラズマプロセスに関して説明する。
【００２３】
図２は、従来のプラズマエッチングシステム２０２を備える処理システム２００と本発明に従ってこれに結合される本発明のプロセスモニタ装置２０４の線図である。ここで用いる場合、「結合した」とは、操作のため直接又は間接に結合される手段のことをいう。
【００２４】
従来のプラズマエッチングシステム２０２は、レシピ制御ポート２１０を介し、第１の制御バス２１２を介してプラズマエッチングシステムコントローラ２０８に結合されるプラズマチャンバ２０６を備える。
【００２５】
簡便のため、プラズマチャンバ２０６とプラズマエッチングシステムコントローラー２０８の間には、インターフェースが１つだけ示されているが（例えばレシピ制御ポート２１０）、一般に、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８は、複数のインターフェース（図示されず）を介してプラズマチャンバ２０６と関連するさまざまな質量流量コントローラ、RFジェネレータ、温度制御器、その他に結合してもよいことが理解されよう。
【００２６】
プラズマチャンバ２０６は、プラズマチャンバ２０６（後述する）内に継続されるプラズマ２１８から電磁放射（例えば、図２の２１６で広く表されるように、約１８０〜１１００ナノメートルの範囲内の主として光波長）を出力するための、ビューポート２１４を備える 。プラズマ電磁放射２１６は、多数のプラズマ種（例えばプロセスガス、反応生成物、その他）からの放射を備えており、プラズマプロセスのために測定されるだろう相関計数値の１のタイプを表す。ビューポート２１４は プラズマチャンバ２０６の側に配置されるように示されているが、しかし、所望の場合、他の位置（例えば、チャンバ２０６の頂部又は底部の上）に配置されてもよいことに注意すべきである。
【００２７】
本発明のプロセスモニタ装置２０４は、処理機構に結合されるスペクトロメータ２２０（例えばプロセッサ２２２）を備える。スペクトロメータ２２０は、 プラズマ２１８からの電磁放射２１６を集めて、複数のプラズマ電磁放射波長に関する強度情報をプロセッサ２２２に提供するように配置される。スペクトロメータ２２０は、２０４８チャネルのCCDアレーを使用するOcean Optics Model No. S2000 Spectrometerを好ましくは備えており、これは、約１８０〜８５０ナノメートルの波長範囲にわたる２０４８のプラズマ電磁放射波長に関する強度情報をプロセッサ２２２に提供する。他のスペクトロメータを使用してもよく、また、他の波長範囲をモニタしてもよいことが理解されよう。スペクトロメータ２２０により、電磁放射２１６の収集を改良するために（例えば、レンズ２２６を介して光ファイバーケーブル２２８に電磁放射２１６を結合することにより、また、光ファイバーケーブル２２８を介して電磁放射２１６をスペクトロメータ２２０に輸送することにより）、レンズ２２６と光ファイバーケーブル２２８の一方又は両方が、ビューポート２１４とスペクトロメータ２２０の間に配置されることが好ましい 。スペクトロメータ２２０の代わりに、プラズマ２１８からの電磁放射を収集するための他の代替構成を用いてもよく、その場合、各フォトダイオードは異なる波長又は異なる波長スペクトルをモニタする。望む場合、種々の光ファイバーケーブルをダイオードアレイに結合してもよく、その場合、バンドルの各光ファイバーケーブルがそれに独特のフォトダイオードに結合され、電磁放射を供給する。同様に、回折格子、プリズム、光学フィルター（例えばガラスフィルター）やその他の波長選択デバイスを、複数の検出器（例えばフォトダイオード、フォトマルチプライヤーその他）と共に用い、プロセッサ２２２に複数の電磁放射波長に関する情報を提供してもよい。プロセッサ２２２は、第２の制御バス２３０を介してプラズマエッチングシステムコントローラー２０８に結合される。
【００２８】
操作においては、ユーザー２３２（例えばウエハ製造プロセスの責任者）は、プラズマチャンバ２０６内にプラズマ２１８を発生させるための一組の命令（すなわちプラズマレシピ）を、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８に（第３制御バス２３４を介して）供給する。あるいは、処理システム２００を有する製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システムまたは他のあらゆる製造制御システムが、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８にプラズマレシピ（例えば、ユーザー２３２によって供給される態様で、あるいは、プラズマレシピデータベース内に保存された態様で）を供給する。代表的なプラズマレシピは、プラズマプロセシング中にプラズマチャンバ２０６内にプラズマ２１８を点火して、維持するために用いられる圧力、温度、電力、ガスタイプ、ガス流量など等の処理パラメータを有する。例えば、プラズマチャンバ２０６内でアルミニウムエッチングを実行するため、代表的なプラズマレシピは、所望のチャンバ圧力、所望のプロセス温度、所望のRF出力レベル、所望のウエハバイアス、所望のプロセスガス流量（例えば、Ar、BCl3やCl2等のプロセスガスの所望の流量）その他を有するだろう。ユーザーから、遠隔コンピューターシステムから、あるいは製造実行システムその他から、プラズマエッチングシステムコントローラー２０８がプラズマレシピを受け取った後、このプラズマレシピが第１の制御バス２１２を介してレシピ制御ポート２１０に提供され、そして、レシピ制御ポート２１０（またはレシピ制御ポート２１０が存在しない場合はプラズマエッチングシステムコントローラー２０８それ自身）が、プラズマレシピによって指定した処理パラメータをプラズマチャンバ２０６内に確立し維持する。
【００２９】
プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセス中、プラズマ２１８は、主に光スペクトル（例えば、約１８０〜１１００ナノメートル）内に波長を有する電磁放射を発生させるが、紫外や赤外波長を発生してもよい。これらの電磁放射（例えば電磁気の放射２１６）の一部は、ビューポート２１４を通して伝達し、本発明のプロセスモニタ装置２０４に達する。電磁放射２１６は図２の３つの放射波長により一般に表されるが、典型的には電磁放射２１６は更に多くの波長を有していると理解されることに注意すべきである。
【００３０】
図２に関して、スペクトロメータ２２０は、レンズ２２６と光ファイバーケーブル２２８を介して電磁放射２１６を受ける。それに対応して、スペクトロメータ２２０は、これら電磁放射２１６を波長に基づいて空間的に分離し（例えば、プリズムまたは回折格子（図示されず）を介して行い）、複数の空間的に分離した波長に対して検出信号（例えば検出電流）を発生させる。好ましい具体例では、Ocean Optics Model No. S2000スペクトロメータがスペクトロメータ２２０のために使用され、これは、約１８０〜８５０ナノメートルのプラズマ放射波長に対して、検出信号（即ち発光分光法（OES）情報）の情報の２０４８の検出電流又は２０４８の「チャネル」を発生させるよう、４００ナノメートルに対して焼き付けられた６００本/ミリメートルの格子が、プラズマ放射波長を２０４８本のシリコン電荷結合素子アレーへ空間的に分割する。所望の場合に、他の波長範囲とチャネル寸法を用いてもよく、また、発明のモニタリング技術１００に従って比較できる多数の検量主成分と製造主成分を発生させるよう、プラズマスペクトルの多数の波長域を調べてもよい。
【００３１】
発生した後は、OES情報はデジタル化され（例えば、アナログ‐デジタル変換器を介して）て、次の処理（後述する）のためプロセッサ２２２に出力される。OES情報は、所望の場合アナログ形式でプロセッサ２２２に出力されてもよい。典型的には、新しい２０４８のチャネルOES情報（例えば新しい相関計数値データ）が収集され、１秒間隔でプロセッサ２２２に供給されるが、他の時間間隔を使用してもよい。
【００３２】
スペクトロメータ２２０によって収集されるプラズマ放射波長が多数のプラズマ種からの放射を有数するので、収集された放射波長は主成分分析を介して分析できるプラズマプロセスの相関計数値を表す。プラズマプロセスの他の適当な相関計数値には、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力、スロットルバルブポジション、プロセスガス流量等が含まれる。このように、本発明に従って、プラズマプロセスの相関計数値（例えば電磁放射）がスペクトロメータ２２０により測定され、OESデータの２０４８のチャネルの形態でプロセッサ２２２に供給される。好ましくはプロセッサ２２２で実行される処理の特定のタイプが、第４制御バス２３６を介してユーザー２３２により（あるいは、遠隔コンピューターシステムにより、又は製造実行システムにより等）選択される。
【００３３】
図３Aは、多層半導体構造３０４（図３B）の二酸化ケイ素層３０２のプラズマエッチング中に発生したOESデータ３００の等高線グラフである。図３Aでは暗いシェーディング部分は、大きい度合いを示し;そして、OESデータ３００は、時間t1とt2の間の平均波長強度を計算することにより、また、平均波長強度を測定された各波長強度から減ずることにより、平均中心化される。一般に、例えば、着目する任意の時間tに生じる波長強度は、時間t-10とt+10の間の平均波長強度を計算することにより、そして、平均波長強度を測定された波長強度から減ずることにより、平均中心化されてもよい。
【００３４】
図３Bでは、多層の半導体構造体３０４は、シリコンウエハ３０５上に堆積される厚さ約２０００オングストロームの二酸化ケイ素層３０２と、二酸化ケイ素層３０２上に堆積される厚さ約８０００オングストロームのフォトレジスト層３０６とを備える。フォトレジスト層３０６は、エッチング中に二酸化ケイ素層３０２の約１０%を露出するようパターニングされる。
【００３５】
OESデータ３００を得るために、多層半導体構造体３０４は、プラズマチャンバ２０６（例えば印加される磁界のないMxPTMチャンバ）内に置かれ、そして、プラズマ２１８が発生し、これは例えば当該技術分野で周知のAr、CHF3やCF4を使用する。ビューポート２１４を通過する約１８０〜８５０ナノメートルの波長の電磁放射が、スペクトロメータ２２０によって収集され、非平均中心化OESデータ３００が、スペクトロメータ２２０によって発生する。好ましい具体例では、OESデータ３００は、毎秒プラズマ２１８によって出力される波長（例えば毎秒２０４８チャネルの新しい波長データ）の「スナップショット」をとることによって、そして、約１MHzの速度でデータをデジタル化することによって発生する。他のスナップショット/デジタル化速度を使用してもよい。OESデータ３００が収集される際、各波長スナップショットがリアルタイムにプロセッサ２２２に渡されることにより、プラズマチャンバ２０６のリアルタイムプロセス制御（後述する）が可能になる。プロセッサ２２２は、OESデータ３００を平均中心化する。
【００３６】
図３Cは、酸化物層３０２のエッチング中（約６０秒でエッチング）にプラズマ２１８によって出力される波長のスナップショットである。終端点検出等の従来のモニタリング技術では、個々のプラズマ放射波長の強度（例えばCF2またはCO線の強度）の経時変化をモニタする。しかし、表面形状寸法が各新しい半導体デバイス世代に対して縮小し続けるため、エッチングする必要のある材料の量は少なく、エッチング中に生成する反応生成物が少なく、エッチング中に消費される反応性ガスは少なく、そして、エッチング中に生じる個々の波長強度の変化が小さくなりプラズマ発光スペクトル全体中に見出すのが困難になる。主成分分析では多数の相関計数値（例えば波長）を調べるので、表面形状寸法の減少に伴う個々の輝線の信号強度の減少対する感度が非常に低くなる。
【００３７】
図３Aに関して、酸化物体層３０２のエッチングは、時間t0から始まり、時間t1とt2の間でどこかで終わる。図３Aで示すように、OESデータ３００のための波長強度の最大の変化は、時間t1とt2の間で生じ、これが酸化物層３０２に対するエッチング終点を示す。具体的には、終点近くでは、２，３の波長で強度が増加し、２，３の波長で強度が低下する。しかし、終点の正確な所在を同定する鋭い遷移は観測されない。
【００３８】
本発明（そして、図１A及び図1Bの発明のモニタリング技術１００）に従って、図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたプラズマプロセスが、検量プロセスとして取り扱われ、そして、時間t1とt2の間に終点が存在する事とその所在は、独立の手段（例えば、従来の終点手法や、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡その他と組み合わせられるエッチングの研究等）により証明される／得られる。次いで、予測された終点時間の近くでOESデータのウィンドウに対して（例えば、予測された終点時間を取り囲む約２０の波長スナップショットのウィンドウに対して）、主成分分析が（前述のように）実行される。
【００３９】
図３Dは、図3A〜3Cを作るために用いた検量プロセスに対する第１の主成分（PC1）のグラフであり、時間t1とt2（図３A）の間に入る酸化物エッチング終点の近くで計算したものである。PC1は、各波長に関連する「重み」によって定義され、そして、波長と関連する各重みの符号と大きさは、終点の近くで変化の向きと大きさが波長と結びつくことを示す。同一の条件の下での次の処理の間、同じPC1成分が終点近くで観測可能である。従って、図３DのPC1は、次の「製造」プロセスの間に検量主成分として機能してもよく、これは終点の事象を「指紋化」する（例えば図３Bの二酸化ケイ素層３０２のエッチングの終点）。
【００４０】
図４Aは、図３Dの検量主成分（例えばPC1）と製造（第１の）主成分の内積のグラフであり、これは図３Bの二酸化ケイ素層３０２の次のエッチング中に計算されたものである（図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたものと同じ処理条件を使用する）。磁界は印加されなかった。最近得られた５つの波長スナップショット（プラズマ２１８から）を備えている展開ウィンドウを用いて、新しい製造主成分（例えば製造PC1）を発生させた。次いで、新しい製造主成分のそれぞれは、２つの主成分の内積をとることによって図３Dの検量主成分と比較された。他のウィンドウサイズと他のスナップショット速度が使用されてもよいことが理解される。
【００４１】
図４Aを参照すれば、時間t0でプラズマ２１８は点火され、二酸化ケイ素層３０２のエッチングは時間t1から開始する。エッチングは時間t2まで続く。その後は、時間t2で、検量主成分と製造主成分の内積は、符号を+１．０から-１．０へと変える。内積のこの高速の変化は、従来の終点検出技術では観察不可能な明瞭さの度合いで酸化物層３０２のエッチングの終点を同定する。時間t2で終点が存在したことが、他の終点検出技術によって証明された。
【００４２】
図４Bは、０．２５Hzの磁界をチャンバ内に印加した点以外は図３AのOESデータ３００を発生させるために用いたと同じ処理条件を使用して、図３Bの二酸化ケイ素層３０２の次のエッチング中に計算された製造主成分と、図３Dの（エッチング中に磁界の存在なしで計算した）検量主成分との内積のグラフである。図４Bで分かるように、たとえ検量主成分が印加される磁界を有しないプロセスに由来したとしても、二酸化ケイ素層３０２のエッチング終点を示す時間t2で、鋭い遷移が存在する。
【００４３】
図５Aは、製造プロセスのための第１の主成分（製造PC1）と、検量プロセスのための第１の主成分（検量PC1）の内積のグラフであり、また、プラチナ多重層構造体５０１のエッチング中に発生した製造プロセスのための第２の主成分（製造PC2）と、検量プロセスのための第２の主成分（検量PC2）の内積のグラフである（図５B）。プラチナ多重層構造５０１は、塩素ベースのエッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００４４】
プラチナ多重層構造５０１は、シリコンウエハ（図示されず）の上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有する第１の二酸化ケイ素層５０３と、第１の二酸化ケイ素層５０３の上に堆積され、約３００オングストロームの厚さを有する窒化チタン層５０５と、窒化チタン層５０５の上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するプラチナ層５０７と、プラチナ層５０７の上に堆積され、約３００オングストロームの厚さを有する窒化タンタル層５０９と、窒化タンタル層５０９の上に堆積され約６０００オングストロームの厚さを有する第２の二酸化ケイ素層５１１とを備えている。図示のように、第２の二酸化ケイ素層５１１の一部が取り除かれ、窒化タンタル体層５０９の約６０%が露出される。多重層構造５０１等の多重層構造を有しているのはシリコンウエハ（図示されず）の約１／８だけであるので、エッチングされる正味のオープン領域は全体のウエハ領域のおよそ７%である。
【００４５】
エッチングされるオープン領域が小さい（例えば約７%）ので、特にプラチナ層５０７のエッチング終点を見出す場合に問題がある。プラチナ線は、エッチングプロセスに関連する強い分子バンドにオーバーラップし、単一の輝線強度測定の使用を制限する。しかし、図１Aと1Bの本発明のモニタリング技術１００は、容易にプラチナ層５０７のエッチング終点を同定することができる。
【００４６】
プラチナ層５０７に対する終点を見つけるための適当な検量主成分を発生させるため（同様に窒化チタン層５０５にや窒化タンタル層５０９に対し）、
プラチナ多重層構造５０１に対して、一連の参照エッチングプロセスを時間を変えて実行し、そして、各エッチングプロセスに続いて、走査電子顕微鏡によりプラチナ多重層構造５０１を調べ、各層505-509の終点時間を同定した（図５Aの時間t6、t5とt2のそれぞれ）。走査電子顕微鏡の研究により、窒化タンタル層５０９の貫通とプラチナ層５０７のエッチングが先ず時間t2で起こり、多重層構造５０１のオープン領域内の窒化チタン層５０５の曝露が時間t3から始まり、濃度の高い領域のプラチナ層５０７の除去が時間t4から始まり、プラチナ層５０７の除去の完了は時間t5で生じたことがわかった。更に時間t6で、窒化チタン層５０５が取り除かれ、第１の二酸化ケイ素層５０３が露出される。その後は、プラチナ層５０７の終点の検出を特に目標とするために、検量PC1とPC2が、前述のように時間t5の近くで（例えば、時間t5の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）計算された。プラチナ多重層構造５０１の次の「製造」エッチングが、参照エッチングプロセスと同一の条件の下で実行され、そして、展開ウィンドウを用いて、毎秒新しい製造PC1と新しい製造PC2を発生した。
【００４７】
第１の主成分と第２の主成分の内積をとることにより、それぞれの新しい製造PC1を検量PC1と、PC2をPC2と、それぞれ比較し、PC1内積曲線５１３とPC2内積曲線５１５をそれぞれ発生させる。図５Aで示すように、プラチナ層５０７のエッチング終点は、PC1内積曲線５１３により明らかに時間t5と同定される。更に、時間t1でのプラズマ点火や時間t2での窒化タンタル層５０９の除去又は貫通等の多重層構造５０１の他のエッチングの特徴も定義可能である。窒化チタン層５０５又は窒化タンタル層５０９のエッチング終点をより正確に同定するため、検量主成分が、時間t2とt6の近くで発生しもよく、また、これが本発明のモニタリング技術１００に使用されてもよい点に注意すべきである。
【００４８】
図６Aは、ポリシリコン多層構造体６０１（図６B）のエッチング中に発生する製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。ポリシリコン多層構造体６０１は臭素-塩素ベースのエッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００４９】
ポリシリコン多層構造体６０１は、シリコンウエハ（図示されず）上に堆積され、約１０００オングストロームの厚さを有する二酸化ケイ素層６０３と、二酸化ケイ素層６０３上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するポリシリコン層６０５と、ポリシリコン層６０５上に堆積され、約８０００オングストロームの厚さを有するフォトレジスト層６０７とを備えている。フォトレジスト層６０７はパターニングされ、ポリシリコン層６０５の約２５%が露出される。本発明者の先のエッチング試験及び／または知識に基づけば、ポリシリコン多層構造体６０１のエッチング中、プラズマ安定化が時間t1の近くで生じ、そのCF4貫通が、時間t2の近くで起こり、ポリシリコン層６０５のエッチングが時間t3の近くで開始し、時間t4近くまで続き、ポリシリコン層６０５の終点が時間t4の近くで起こるだろうことが推測された。
【００５０】
本発明者の疑いを確かめるために、本発明のモニタリング技術１００を使用した。検量PC1は、時間t4の近くで（例えば、時間t4の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）計算され、そして、次の、ポリシリコン多層構造体６０１の製造エッチングが、検量エッチングプロセスと同一の条件の下で実行された。展開ウィンドウを用いて毎秒新しい製造PC1を発生させ、そして、図６AのPC1内積曲線６０９を発生させるよう、検量PC1と各新しい製造PC1の比較を、これら主成分の内積をとることにより行う。図６Aで示すように、ポリシリコン層６０５のエッチング終点は、PC1内積曲線６０９により明確に時間t4と同定される。更に、多層構造体６０１の他のエッチングの特徴は、同一とみなすことができるだろう（例えば、時間t1でプラズマ安定化、時間t2でCF4の貫通等）。
図７Aは、底部反射防止コーティング(bottom-anti-reflective-coating:BARC）多層構造体７０１（図７B）のエッチング中に発生する製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。多層構造体７０１は、臭素エッチング化学物質を用いてエッチングされたが、他のあらゆる既知のエッチング化学物質を同様に使用してもよい。
【００５１】
BARC多層構造体７０１は、シリコンウエハ（図示されず）上に堆積され、約２４００オングストロームの厚さを有するポリシリコン層７０３と、ポリシリコン層７０３上に堆積され、約２０００オングストロームの厚さを有するBARC層７０５と、BARC層７０５上に堆積され、約８０００オングストロームの厚さを有するフォトレジスト層７０７とを備える。フォトレジスト層７０７はパターニングされ、BARC層７０５の約２%を露出する。
【００５２】
BARC多層構造体７０１のオープン領域は非常に小さい（例えば２%）ため、
また、フォトレジストとBARCが類似の物質組成を有するため、
従来の終点手法では明らかに、BARC層７０５のエッチング終点を同定することができない。しかし、本発明のモニタリング技術１００は、BARC層７０５のエッチング終点を同定することが可能である。
【００５３】
図６Bのポリシリコン多層構造体６０１と同様に、先のエッチング試験及び／または発明者の知識に基づき、BARC多層構造体７０１のエッチング中に、プラズマ点火が時間t1の近くで生じ、リムBARCの除去が時間t2の近くで開始され、ダイBARCの除去が時間t3の近くで開始しポリシリコン層７０３が時間t4の近くで露出されるだろう（例えば、BARC層７０５は時間t4の近くで開始されるだろう）ことが推測される。
【００５４】
発明者の疑いを確証するため、発明のモニタリング技術１００を採用した。検量PC1は時間t3の近くで計算され（例えば、時間t3の近くで測定されるプラズマ放射波長に基づいて）、そして、多層構造体７０１の次の製造エッチングが、検量エッチングプロセスと同一の条件の下で実行された。展開ウィンドウを用いて毎秒新しい製造PC1を発生させ、そして、図７AのPC1内積曲線７０９を発生させるため、主成分の内積をとることにより検量PC1と各新しい製造PC1を比較する。図７Aで示すように、BARC層７０５のエッチング終点は、PC1内積曲線７０９によって明らかに、時間t3の近くと同定される。更に、多層構造体７０１の各エッチング特徴も、同一とみなすことができるだろう（例えば、時間t1でプラズマ点火、時間t2でリムBARCの除去、時間t4でポリシリコン層７０３のエッチング）。
【００５５】
本発明のモニタリング技術１００を、図3A-7Aを参照して終点検出に関して主に説明してきたが、プラズマ点火、貫通、除去等の他の処理事象を同様に同定してもよいことが理解される。更に、本発明のモニタリング技術１００は、プラズマプロセスの「指紋（フィンガプリント」を提供することにより、プロセス状態（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質、その他）についての情報を提供することができ、また、プロセスチャンバについての情報を提供することができる（例えば、故障が存在するかどうか、１のチャンバが別のチャンバと整合するかどうか等）。
【００５６】
プロセス状態情報に関して、検量主成分と製造主成分の一方又は両方における様々な特徴の形と位置は、処理パラメータないし条件を変えることにより、あるいは主成分の特徴の形と位置がどのようにして変わるかを調べることにより、探求できる情報を提供する。例えば、図８はプロセスドリフトを模倣する条件下での製造PC1と検量PC1の内積のグラフである。検量PC1は、プラズマプロセス中に誘導結合プラズマソース（IPS）チャンバ内にC4F8を１０sccm流すことによって発生した。その後は、製造プロセスはC4F8の流量を６０の秒毎に２sccm ずつ増やしたことを除いて同一のプロセス条件の下で実行された。図８で示すように、流量の変化は、本発明のモニタリング技術１００で容易に識別できる（例えば、６０秒、１２０秒、１８０秒等）。
【００５７】
チャンバ情報に関し、プラズマチャンバ２０６が正しく働いていることがわかっている場合にとられるプラズマプロセスの一つ以上の検量主成分の指紋は、プロセスチャンバのための「検量」指紋として機能してもよい。その後、次のプロセス運転の主成分指紋は、定期的にプロセスの検量指紋と比較されてもよい。次の主成分の指紋におけるドリフト、性能の広がり、雑音水準又はその他の同様の変化が定量され、これはプラズマチャンバ２０６の調子を示すものとして機能し、また、チャンバの故障を発見することができる（例えば、各チャンバの故障に起因する特有の特徴を介して）。例えば、チャンバクリーニング/維持操作に続いて、一つ以上の製造主成分の指紋を測定して、チャンバの検量主成分検量の指紋と比較し、クリーニング/維持操作の後にチャンバが正しく機能することを保証する（例えば「チャンバ資格」プロセス）。また、２つの異なるチャンバの検量主成分及び／又は製造主成分の指紋を比較するが、これは、チャンバの整合を目的としていてもよく、あるいは、一方のチャンバを、他方のチャンバの主成分の指紋に整合するように調整し又は「釣り合いをとる」ためであってもよい。１つのプロセスに対し、製造主成分はいくつでも、またあらゆる主成分（例えばPC1、PC2、PC3その他）を組み合わせて、所望の場合、そのプロセスのための検量の指紋として機能させてもよい。
【００５８】
発明のモニタリング技術１００は、マニュアルで（例えば、ユーザー２３２によって）実行されてもよく、あるいは、所望により運転毎のベース又はロット毎のベースで自動で（例えば、プロセッサ２２２で）実行されてもよい。
好ましくは、製造プロセス中にデータが収集されるよう、製造主成分の計算を実行し、処理中に（例えば、リアルタイムに）処理パラメータが調整できるようにする。
【００５９】
図２に関し、ユーザー２３２、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システムその他は、プロセッサ２２２がどのプロセス事象（例えば貫通、終点、その他）を同定しなければならないか、また、それに応答して、第２の制御バス２３０を介してプラズマエッチングシステム２０２に警報を送る（例えば、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止させるため等）必要があるかどうか、どんなプロセス状態情報（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質、その他）が要望されるか、リアルタイムプロセス制御を用いるべきかどうか、どんなチャンバ情報（例えばチャンバ故障情報、チャンバ整合の情報その他）が要望されるか、そしてチャンバ故障が検出された場合に、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止すべきかどうかについて、特定してもよい。前述のように、所望の場合、ほんの少しのプラズマ放射波長をモニタしてもよい。
【００６０】
図９は、図２の発明のプロセスモニタ装置２０４の回路図であり、そこでは、専用のデジタル信号処理装置（DSP）９０１が使用される。DSP ９０１は、製造主成分計算のために展開ウィンドウを定義するよう、また、プロセッサ２２２よりかなり高い速度で展開ウィンドウ（以前に説明されて）内のデータに主成分分析を実行するよう、プログラムされることが好ましい。次いで、DSP ９０１は解析のため、プロセッサ２２２に得られた主成分情報を供給する（例えば、検量主成分による比較のために）。このように、OESデータの解析は、所望の場合、リアルタイム処理パラメータ調整を可能にするよう、十分速く実行されてもよい。また、製造主成分と検量主成分の比較がDSP ９０１内で実行されてもよい。
【００６１】
プラズマ放射波長をプロセスの相関計数値としてモニタすることに加えて、プロセス状態、プロセス事象及びチャンバ情報を得るために、プラズマ処理中にプラズマチャンバのウエハペデスタルに供給されるRF電力等のプラズマプロセス、ウエハ温度、チャンバ圧力、絞り弁ポジション等のその他の（または追加の）相関計数値を、本発明のモニタリング技術１００に従ってモニタしてもよい。図１０は、処理システム２００の回路図であり、発明のプロセスモニタ装置２０４は、プラズマ処理中において、プラズマ放射変動よりむしろ（又はこれに加えて）RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力と絞り弁ポジションをモニタするのに適している。具体的には、発明のプロセスモニタ装置２０４にはスペクトロメータ２２０はもはや示されず、そして、プラズマ処理中においてプラズマチャンバ２０６と関連する、RF電力を表す信号、ウエハ温度、チャンバ圧力及び絞り弁ポジションが、レシピ制御ポート２１０とプロセッサ２２２の間に結合される第５の制御バス１０００を介して、プロセッサ２２２に供給される。プラズマエッチングシステムコントローラー２０８が、プラズマチャンバ２０６の各種質量流量コントローラ、RFジェネレータ、温度制御器、圧力計、その他を直接インターフェースする（例えば、レシピ制御ポート２１０なしで）場合は、相関計数値情報は、プラズマエッチングコントローラ２０８から、直接にプロセッサ２２２に供給されてもよい。所望の場合に、スペクトロメータ２２０を使用し、レシピ制御ポート２１０から又はプラズマエッチングコントローラ２０８から、OESデータを他の相関計数値と共にプロセッサ２２２へ供給してもよいことが理解されよう（例えばRF電力、ウエハ温度等）。
【００６２】
一般に、制御バスに供給されるにせよされないにせよ、処理システム２００内のあらゆる構成要素の間に供給される信号は、アナログまたはデジタル形式で供給されてもよい。例えば、所望の場合、アナログ信号はアナログ‐デジタル変換器を介してデジタル化されRS-232インターフェースやパラレルインターフェースを介して送られてもよい。
【００６３】
プラズマ放射波長と同様に、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力と絞り弁ポジション情報に基づいて製造プロセスを実行する間、プロセッサ２２２は、新しい製造主成分を発生させるために展開ウィンドウを用いることが好ましく、これは期間の割合（例えば毎秒）でなされることが好ましい。次いで、プロセス事象、プロセス状態及びチャンバ情報を得るため、プロセッサ２２２は、それぞれの新しい製造主成分と以前に発生した検量主成分（説明されるように）との比較を行う。解析時間を減らすため、図９のDSP ９０１をプロセッサ２２２で使用してもよい。
【００６４】
図１１は、半導体デバイスを製造するための自動化されたツール１１００の平面図である。ツール１１００は、一対のロードロック１１０２ａ、１１０２ｂと、ウエハハンドラ１１０６を有するウエハハンドラチャンバ１１０４とを備える。ウエハハンドラチャンバ１１０４とウエハハンドラ１１０６は、複数の処理チャンバ１１０８、１１１０に結合される。最も重要なことは、ウエハハンドラチャンバ１１０４とウエハハンドラ１１０６は、図２又は図１０の処理システム２００のプラズマチャンバ２０６に結合されることである。プラズマチャンバ２０６は、自身に結合される本発明のプロセスモニタ装置２０４を有する（図示のように）。全体のツール１１００は、コントローラ１１１２（例えばツール１１００のための専用のコントローラ、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システム、その他）によって制御され、これは、ロードロック１１０２ａ、１１０２ｂとチャンバ１１０８（１１１０と２０６）の間の半導体基板の移送を制御し、またそこでの処理を制御するプログラムを有する。
【００６５】
図１Ａ〜１０に関して前述したように、コントローラ１１１２は、リアルタイムでプラズマチャンバ２０６のプロセス状態を制御するための、そして、発明のプロセスモニタ装置２０４を介して、リアルタイムに処理事象（例えばブレークスルー、終端点、その他）をモニタするための、プログラムを有している。本発明のプロセスモニタ装置２０４は、プラズマチャンバ２０６のプロセス状態を良好に制御できるようにし、処理事象が生じる時をより正確に同定する（プラズマチャンバ２０６のスループットを有効に増加させる）。従って、自動化製造ツール１１００の収率とスループットの両方が、大きく増加する。
【００６６】
一般に、あるプロセスに対して相関計数値（例えばプラズマ電磁放射、RF電力、チャンバ圧力、ウエハ温度、絞り弁ポジションその他）を測定する過程と、次の主成分分析が、製造実行システムその他により製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステムによって、ユーザーにより実行されてもよい。前述のように、処理中に解析とモニタリングを実行し、リアルタイムのプロセス制御を可能にすることが好ましい。好ましくは、ユーザー、製造プロセスを運転するための遠隔コンピューターシステム、製造実行システム又は他の適当なコントローラが、どのプロセス事象（例えば貫通、終点、その他）をそれはプロセッサ２２２が同定すべきか、それに応答して（例えば、プラズマチャンバ２０６内のプラズマ処理を停止させるため）警告がプラズマエッチングシステム２０２に送られるかどうか、どんなプロセス状態情報が要望されるか（例えばRF電力、プラズマ反応化学物質その他）、リアルタイムプロセス制御を用いるべきかどうかどのチャンバ情報が要望されるか（例えばチャンバ故障情報、チャンバ整合の情報その他）、チャンバ故障が検出された場合、プラズマチャンバ２０６内のプラズマプロセスを停止すべきかどうかについて、特定する。例えば、プロセッサ２２２を指示するユーザー選択可能な関数のライブラリーを具備することにより、要望されたプロセス状態、プロセス事象及び／またはチャンバ情報を得てもよく、あるいはそれに応じた作用をなしてもよい（例えば、エッチングプロセスの終点を検出し、その後処理を停止する等）。
【００６７】
貫通と終点等の処理事象を同定するため、そして、チャンバ故障情報や情報に整合させているチャンバ等のプロセスチャンバ情報を得るため、関連するプロセス事象またはプロセスチャンバ識別情報を備えているデータベース（例えば終点情報を提供する検量主成分、貫通情報、情報に整合させているチャンバその他）が、プロセッサ２２２内、製造プロセスを制御するための遠隔コンピューターシステム内、製造実行システム内その他に、具備されてもよい。次いで、データベース内に関連する情報がプロセッサ２２２によりアクセスされ、プロセス事象の同定又はチャンバ情報の抽出のために用いられる。たとえば、材料層のエッチング中に終点又は貫通を検出するため、貫通又は終点事象の近くで発生する一つ以上の検量主成分が、データベース内に保存されてもよい。その後は、処理中に製造主成分が、データベース内に保存される１つ以上の検量主成分と比較されてもよい。製造主成分及び検量主成分がお互いの予め定められた範囲内にあるならば、終点か貫通が検出されたことを示す信号を発生してもよい。好ましくはエッチングされる各材料層のための終点または貫通を示す一つ以上の検量主成分が、データベース内に保存される。
【００６８】
プロセスチャンバ情報に関して、プラズマチャンバ２０６が正しく動作することがわかった時点でとられるプロセスの１つ以上の検量主成分「指紋」が、データベース内に保存されてもよくまた、プロセスチャンバのための「検量」指紋として作用してもよい。その後、次のプロセス運転中に計算される製造主成分指紋は、データベース内に保存されるプロセスのために、定期的に検量指紋と比較されてもよい。次の指紋におけるドリフト、性能の広がり、雑音水準又はその他の同様の変化が定量され（例えば、データベース内に保存された各チャンバ故障に起因している独特な検量主成分又は製造主成分を介して）、これはプラズマチャンバ２０６の調子を示すものとして機能し、また、チャンバの故障を発見することができる（例えば、各チャンバの故障に起因する特有の特徴を介して）。例えば、チャンバクリーニング/維持操作に続いて、一つ以上の製造主成分の指紋を測定して、チャンバの検量主成分検量の指紋と比較し、クリーニング/維持操作の後にチャンバが正しく機能することを保証する。
【００６９】
また、２つの異なるチャンバの検量主成分又は製造主成分の指紋を比較するが、これは、チャンバの整合を目的としていてもよく、あるいは、一方のチャンバを、他方のチャンバの指紋に整合するように調整し又は「釣り合いをとる」ためであってもよい（前述の様に）。また、主成分の指紋が、適当なウエハのチャックを同定するために同様に使用されてもよい（例えば、不適当にチャックされたウエハが処理中に固有の主成分性能を発生させる）。
【００７０】
前述の記載は、本発明の好ましい具体例のみを開示するが、上記に開示された本発明の範囲内になる装置及び方法の修正は当業者に容易に理解されるであろう。例えば、ここに説明したプラズマ放射波長のモニタの範囲は、好ましいものというだけであり、所望の場合他の波長範囲をモニタしてもよい。製造主成分の計算は、展開ウィンドウを用いてなされる必要はなく、あるいは、期待されるプロセス事象、プラズマ状態またはチャンバ状態近くだけで計算されてもよい。
更に、図2-11ではプラズマを使用する半導体デバイス製造プロセスのプロセス状態をモニタすることに関して本発明を説明してきたが、本発明は一般に、測定可能な相関計数値を有するあらゆるプロセスをモニタしてもよいことが理解されよう（例えば、プラズマを使用するしないによらず、また、半導体デバイス製造に関係があるなしによらず）。例えば、本発明に従う任意のプロセスの温度、圧力、重量（例えば、結晶微量天秤を介して）、化学発光、その他の相関計数値をモニタすることにより、プロセス状態情報、プロセス事象情報、そして、適用できる場合はチャンバ情報を、プロセスに関して得てもよい。別の実例としては、温度、圧力、重量、プラズマ放射、RF電力、その他等の堆積プロセスの相関計数値（例えば化学気相堆積、プラズマ加速化学蒸着と高密プラズマ化学気相堆積プロセス窒化ケイ素、ケイ化タングステン、ポリシリコン、Ｋの低い材料又は高い材料、III-Ｖ又はII-VI半導体、フッ素化珪素、トリエチルフォスフェート（TEPO）、テトラエチルオルソシリケート（TEOS）膜または他の材料）が、プロセス状態、プロセス事象及びチャンバに関連した情報を得るために本発明に従ってモニタされてもよい。そのような情報を用いて、前述のようにチャンバ故障とチャンバ整合の目的に加えて、堆積速度、反応化学、RFジェネレーター操作（その他）モニタしてもよい。
【００７１】
従って、本発明を好ましい具体例と関連して表わしたが、他の具体例が本発明の本質及び範囲に入ってもよいと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１A及び1Bは、本発明に従って一般的なプロセスをモニタするための本発明のモニタリング技術のフローチャートである。
【図２】図２は、プラズマエッチングシステムを備えている本発明の処理システムと本発明に従ってこれに結合される本発明のプロセスモニタ装置の回路図である。
【図３】図３Aは、図２の処理システムで二酸化ケイ素層のプラズマエッチング中に発生した平均中心光学発光分光法（OES）情報の等高線グラフであり、図３Bは、図３AのOES情報を得るためのエッチングされた二酸化ケイ素層を備える多層の半導体構造の断面図であり、図３Cは、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中にプラズマにより出力された波長のスナップショットであり、図３Dは、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中に発生した第１の主成分のグラフである。
【図４】図４A及び4Bは、検量主成分と、図３Bの二酸化ケイ素層のエッチング中に得られる製造主成分との内積のグラフであり、4Aはエッチング中に印加される磁界有りの場合、4Bは無しの場合である。
【図５】図５Aは、プラチナ多重層構造体のエッチング中に発生した、検量主成分と製造第１主成分の内積と、検量主成分と製造第２主成分の内積のグラフであり、図５Bは、図５Aのグラフを得るためにエッチングがなされたプラチナ多重層構造体の断面線図である。
【図６】図６Aは、検量主成分と、ポリシリコン多重層構造のエッチング中に発生した製造第１の主成分との内積のグラフであり、図６Bは、図６Aのグラフを得るためにエッチングがなされたポリシリコン多重層構造体の断面線図である。
【図７】図７Aは検量主成分と、BARC多重層構造体のエッチング中に発生した製造第１の主成分との内積のグラフであり、図７Bは、図７Aのグラフを得るためにエッチングがなされたBARC多重層構造体の断面線図である。
【図８】図８は検量主成分と、プロセスドリフトを模倣する処理条件の下で発生した製造第１の主成分の内積のグラフである。
【図９】図９は、専用のデジタル信号処理装置を使用した図２の本発明のプロセスモニタ装置の回路図である。
【図１０】図１０は、プロセスモニタ装置が、RF電力、ウエハ温度、チャンバ圧力及びスロットルバルブポジションをモニタするに適する、図２の本発明の処理システムの回路図である。
【図１１】図１１は、半導体デバイス製造のための、図２又は図１０の本発明の処理システムを使用する自動化ツールの平面図である。
【符号の説明】
２００…処理システム、２０２…プラズマエッチングシステム、２０４…プロセスモニタ装置２０４。
Claims (14)
- 半導体製造プロセスの終点検出方法であって、
（ａ）第１ワークピースがプラズマにさらされる検量プロセスを実行し、
（ｂ）前記検量プロセス中にプラズマによって電磁放射された第１発光分光法（ＯＥＳ）データを収集し、
（ｃ）前記検量プロセス中に発生する終点のタイミングを、前記ワークピースの顕微鏡調査を用いて同定し、
（ｄ）同定した前記終点のタイミングに対応する前記第１ＯＥＳデータのウィンドウに関して、前記ウィンドウ内の前記第１ＯＥＳデータの主成分を計算するために主成分分析を実行し、
（ｅ）ステップ（ａ）〜（ｄ）の後に、第２のワークピースがプラズマにさらされる製造プロセスを実行し、
（ｆ）製造プロセス中にプラズマによって電磁放射された第２ＯＥＳデータを収集し、
（ｇ）前記第２ＯＥＳデータの一連のウィンドウに対して、前記第２ＥＯＳデータの各々のウィンドウに対して各々の主成分を計算するために主成分分析を実行し、各々のウィンドウに対して計算された主成分をステップ（ｄ）で計算された主成分と比較し、
（ｈ）ステップ（ｇ）の結果に基づいて製造プロセスの終点を検出する方法。 - ステップ（ｇ）は、ステップ（ｄ）で計算された主成分とステップ（ｇ）で計算された主成分の内積を計算することを含む、請求項１に記載の方法。
- ステップ（ｈ）は、前記計算された内積で遷移を検出することを含む、請求項２に記載の方法。
- 前記ワークピースは、それぞれ多層半導体構造を有するシリコンウェハである、請求項１に記載の方法。
- 前記検量プロセスと前記製造プロセスは、それぞれ多層半導体構造の層をエッチングすることを含む、請求項４に記載の方法。
- 前記エッチングされた層は、二酸化ケイ素を含む、請求項５に記載の方法。
- 前記エッチングされた層は、金属を含む、請求項５に記載の方法。
- 前記エッチングされた層は、ポリシリコンを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記エッチングされた層は、底部反射防止コーティングを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記第１および第２ＯＥＳデータは、約１８０〜８５０ナノメータの波長を有する電磁放射から収集される、請求項１に記載の方法。
- 前記第１および第２ＯＥＳデータは、前記主成分分析を実行する前に平均中心化される、請求項１に記載の方法。
- ステップ（ｆ）〜（ｈ）は、ステップ（ｅ）と同時に行われる、請求項１に記載の方法。
- 前記第２ＯＥＳデータの前記一連のウィンドウは、約１秒間隔で生成される、請求項１に記載の方法。
- ステップ（ｈ）で検出された前記終点はエッチングプロセスの完了である、請求項１に記載の方法。
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