JP4841507B2 - 基板を処理する装置及び方法 - Google Patents
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Description
基板を処理ゾーンにおいて処理するための方法は、該処理ゾーンに基板を準備し、該基板を活性ガスによって処理するための処理条件を設定し、該基板上で処理されているフィーチャの配向に対して選択された1つ又はそれ以上の偏光角に偏光された放射線を与え、該基板から反射した放射線を検知し、検知された放射線に対応する信号を生成し、該信号を処理するステップを含む。
基板の処理装置は、基板を処理することができるチャンバと、放射線を与えるための放射線源と、該放射線を、複数の偏光角に偏光するようにした放射線偏光器と、処理中に該基板から反射した放射線を検知し、信号を生成するための放射線検知器と、該信号を処理するための制御装置とを備える。
基板の処理装置は、基板を処理することができるチャンバと、放射線を与えるための放射線源と、処理中に該基板から反射した放射線を検知し、信号を生成するための放射線検知器と、該信号を濾波するための帯域フィルタとを備える。
基板の処理方法は、基板を処理ゾーンに置き、該基板を処理するための活性ガスの処理条件を設定し、放射線源を該処理ゾーンに与え、基板の処理中に該基板から反射した放射線を検知し、信号を生成する、該信号を濾波することを含む。
基板の処理装置は、基板の支持体と、ガス流入口と、ガス活性化装置と、ガス排気管とその中にウィンドウ(窓)をもつ凹部を有する壁と、該ウィンドウに渡るマスクと、該壁の該凹部におけるウィンドウを介して、処理チャンバにおいて実施されることがある処理を監視することができる処理監視システムとを備える。
処理ゾーンにおいて基板をエッチングし、エッチング処理を監視する方法は、(a)基板を該処理ゾーンに置き、プロセスガスを前記処理ゾーンに与え、プロセスガスを排出して、活性ガスが放射線放射を生成できるようにすることによって該基板をエッチングし、(b)該放射線放射の1つ又はそれ以上の波長の強さを検知することによって、エッチング処理の第1段階の完了を判断し、検知した強さに対して第1信号を生成し、該第1信号を評価し、(c)エッチングされている基板から反射した偏光放射線の1つ又はそれ以上の波長の強さを検知することによって、エッチング処理の第2段階の完了を判断し、検知した強さに対して第2信号を生成し、該第2信号を評価する、ことを含む。
基板をエッチングする装置は、基板を受けるための基板支持体と、プロセスガスをチャンバの中に取り入れるためのガス流入口と、該プロセスガスを活性化させて該基板をエッチングすることができる活性ガスを形成するためのガス活性化装置と、該プロセスガスを排出するための排出部と、放射線放射の1つ又はそれ以上の波長の強さを検知し、検知した強さに関連する第1信号を生成し、エッチングされている該基板から反射した偏光放射線の1つ又はそれ以上の波長の強さを検知し、検知した強さに関連する第2信号を生成するようにされた1つ又はそれ以上の放射線検知器と、第1信号を評価してエッチング処理の第1段階の完了を判断し、第2信号を評価して該エッチング処理の第2段階の完了を判断するための制御装置とを備える。
本発明は、例えば、基板20上で処理されているフィーチャ25の処理の段階の完了を検知するために、該基板20の処理を監視するために有益である。例えば、図1a及び図1bに示されるように、基板20は、例えば、望ましいパターン加工された構成におけるフォトレジスト又はハードマスク層のような耐エッチング材料21(レジスト)を備えることができる。耐エッチング材料21は他の材料22、24の上に重ねられており、材料22、24は、層として成形することができ、ケイ素、化合物半導体又は誘電体のウエハー26上に形成される。層22、24は、1つの材料又は1つ以上の材料からなることができる基板20の階層である。材料22、24の処理中、例えば該材料をエッチングしているときには、第1材料22と第2材料24との間のインターフェース23に接近又は到達したとき、又は、第1材料22又は第2材料24の1つ又は両方の処理が完了した後に、処理を停止することが望ましい場合がある。例えば、基板20におけるビア又はトレンチのようなフィーチャ25をエッチングしているとき、第1材料22のあらかじめ決められた深さに到達したとき、又は下にある第2材料24の小さい部分までエッチングした後、エッチング処理を停止するか、又は減速することが望ましい場合がある。さらに、第1エッチング段階において第1層22をエッチングし、第2エッチング段階において、第2層24においてあらかじめ決められた深さに到達したときに、エッチング処理を停止するか、又は減速することが望ましい場合がある。本発明の例示的な適用例を示すためにエッチング処理が説明されるが、本発明はさらに、基板20上に材料を付着させる過程で形成される材料に適用することができるし、又は他の処理方法に適用することもできる。
I‖(合計)=I‖(フィーチャ)+I‖(レジスト)
I⊥(合計)=I⊥(フィーチャ)+I⊥(レジスト)
これらの方程式の差又は合計は、以下のように、フィーチャから反射した成分と耐エッチング材料から反射した成分を分離することを可能にする。
ΔI=I⊥(合計)−I‖(合計)=I⊥(フィーチャ)−I‖(フィーチャ)
これは、I‖(レジスト)成分がI⊥(レジスト)成分と同じであり、その結果方程式から消え、フィーチャから反射した成分だけが残されるために生じる。したがって、複数の偏光角で基板から反射した放射線を監視することにより、フィーチャから反射した成分の強さをより正確に求めることができる。
r合計=(r1+r2*e-iσ1)/(1+r1*r2*e-iσ1)
における光であり、ここで
r1=(1−n1)/(1+n1)
r2=(n1−n2)/(n1+n2)
及び
σ1=4πn1d1/λ
であり、ここでn1及びn2は、それぞれ酸化物層及び基板におけるフィーチャの反射の指数であり、d1は酸化物層の厚さであり、λは波長である。横方向の干渉の影響は、
Ir=I0|fprrpr+e-iσ0fフィーチャrフィーチャ|2
によって与えられ、
ここでfprはフォトレジストで覆われた面積の百分率であり、
fフィーチャはフィーチャの開口領域の百分率であり、
r1pr=(r1p+r2*e-iσ1)/(1+r1p*r2*e-iσ1)
ここで、
r1p=(np−n1)/(np+n1)
r2=(n1−n2)/(n1+n2)
及び
σ1=4πn1dフィーチャ/λ
rpr=(rp+r1pr*e-iσ2)/(1+rp*r1pr*e-iσ2)
ここで、
rp=(1−np)/(1+np)
及び
σ2=4πnpdp/λ
及び
rフィーチャ=(r1+r2*e-iσ3)/(1+r1*r2*e-iσ3)
ここで、
σ3=4πn1d1/λ
及び
σ0=4πd0/λ
である。
I合計=I0|r合計|2
によって与えられる。縦方向及び横方向の干渉の組み合わせによる複素周波数成分は、wpr(フォトレジスト要素)、wox(二酸化ケイ素要素)、wpo(フォトレジストと二酸化ケイ素との間の差)、wox−wpr、wox+wpr、wpo−wpr、wpo+wpr、wpo−wpr、wpo+wpr+wox、wox−wpr−wpo、及びwpo+wpr−wpoである。しかし、干渉縞が縦方向及び横方向の干渉効果の結合によって歪められるため、振幅関数として周波数成分が変化する問題が生じる。例えば、図3は、異なる周波数成分wpr、wox及びwpoの相対振幅及び周波数を示す。一般的に、基板20におけるフィーチャ25のエッチングの深さは、方程式、フィーチャのエッチングの深さ=波長/(2*IOR)による入射放射線の波長に関連し、ここでIORは入射放射線の反射率である。基板20上に処理されているフィーチャ25のエッチング深さが増加するにつれて、エッチングされたフィーチャ25からの反射放射線は相殺/加重干渉を受けて、エッチング速度及び入射放射線の波長に関連する第1周波数を有する、検知可能な振動する信号をもたらす。その間、異なるエッチング速度においてエッチングされ、基板20の残りの表面から反射した放射線は、さらに、相殺/加重干渉を受けて、異なる第2周波数を有する検知可能な振動信号をもたらす。
放射線放射の特定の波長の強さは、活性ガスに存在する種に関連するため、例えば、プロセスガスが異なる構成を有する基板層と相互作用するときに、これらの強さに何らかの変化を生じることがある。したがって、特定の活性ガス種の存在又は不在に対応する、選択されたあらかじめ定められた波長の強さを監視して、例えば、活性ガスが、第2層が少なくとも部分的に露出されるのに十分な第1層22をエッチングした時点を判断することができる。
図6は、合計信号の品質の間の関係を、基板20上に処理又はエッチングされているフィーチャ25の大きさに関して、及び該基板20上の二酸化ケイ素の露出領域の関数として示す。2つの型があり、一方は合計信号の強さが許容でき、他方は合計信号の強さが許容できないものである。エッチングフィーチャのウィンドウ41は、エッチングされたフィーチャの大きさの典型的な領域と、多くの電流用トレンチフィーチャが処理される基板の開口領域を示す。したがって、通常の処理監視方法は、フィーチャの大きさ又は基板上の開口領域が小さいとき、反射放射線の小さなウィンドウ領域の解析を可能にするに過ぎない。
図7は、帯域フィルタ53を通る多数の通過についての、周波数応答(%)に対する正規化された周波数のグラフを示すもので、エッチングされたフィーチャ要素の周りに中心がある周波数を有する放射線の強さが、例えば、レジスト要素又は処理中に用いられる回転磁場成分に対して増加することを示す。通過回数が1から2に増やされたため、結果として生じた非フィーチャ部分での反射放射線成分の振幅減少が、フィーチャからの反射放射線信号の信号対雑音比を基板の他の表面からの他の信号に対して高めるものとなった。
活性ガス又はプラズマは、電磁エネルギーをチャンバ35の処理ゾーン30におけるプロセスガスに連結するガス活性化装置46によって、該プロセスガスから生成される。例えば、図8aに示されるように該チャンバ35におけるガスをさらに活性させるために、チャンバ35の側壁のような第1プロセス電極54、及び基板20の下の支持体32における導電性部分のような第2電極52を用いることができる。第1電極52及び第2電極54は、電極電源62によって与えられるRF電圧によって、互いに対して電気的にバイアスされる。電極52、54に印加されたRF電圧の周波数は、一般的に約50kHzから約60MHzである。別の例として、図8bに示されるように、ガス活性化装置46は、電磁エネルギーをチャンバ35におけるガスに誘電結合する誘電コイルを備えることができる。
基板20上への放射線の法線方向入射はさらに、例えば層22、24に渡る耐エッチングフィーチャのような縦長で狭い空間のフィーチャを有する基板20について、処理の終点を正確に検知するために用いることができる。法線方向入射放射線は、耐エッチング材料のフィーチャの高さによって、層22、24に到達することが妨げられない。しかしながら、法線方向入射は反射放射線の検知のために必要ではなく、他の入射角度を用いてもよいことが理解されるであろう。
チャンバ35は、メモリ108及び周りのコンピュータの構成部品に連結された、カリフォルニア州のシナジー・マイクロシステムズから市販されている68040マイクロプロセッサ、又はカリフォルニア州サンタクララのインテル・コーポレーションから市販されているペンティウムプロセッサのような中央演算処理装置(CPU)106を備えるコンピュータシステム104上のコンピュータ読み取り可能なの処理制御プログラム102を実行する制御装置100によって作動させることができる。メモリ108は、コンピュータ読み取り可能なプログラム102を有するコンピュータ読み取り可能な媒体を備える。メモリ108は、ハードディスクドライブ110、フロッピーディスクドライブ112及びランダムアクセスメモリ114を含むことが好ましい。コンピュータシステム104はさらに、例えばアナログ及びデジタルの入力及び出力ボード、インターフェースボード及びモータ制御装置ボードを含む複数のインターフェースカードを含む。オペレータと制御装置110との間のインターフェースは、例えば、ディスプレイ118及びライトペン120を介するものとすることができる。ライトペン120は、該ライトペン120の先端における光センサによって、モニタ118によって発された光を検知する。特定の画面又は機能を選択するために、オペレータは、モニタ上の画面の指定された領域に触れ、ライトペン120上のボタンを押す。一般的に、触れられた領域は色を変化させ、又は新しいメニューが表示され、ユーザと制御装置110との間の通信を確認する。
図10bに示されるように、マスク140は、1つ又はそれ以上の孔145を備える。孔145は、十分な量の放射線が該孔を通過して、制御装置100を作動させることを可能にしながら、処理残留物の付着を減らすような形状及び大きさにされる。例えば、孔145は、干渉及び偏光分析のために、入射ビーム及び反射放射線ビームの両方が該孔を通過するような形状及び大きさにされるか、又はプラズマ放射分析のために、プラズマからのスペクトルの放射を監視するような形状及び大きさにすることができる。孔145は中性のガス状の種(多くの場合、残留物形成種)が近寄るのを減らすことによって、又は、高度に活性されたガス状イオンが孔145の壁上に形成される処理残留物をエッチングして取り去ることを可能にすることによって、該孔の中の処理の残留物の付着を減らすと信じられている。凹部145のアスペクト比及び深さは、一般的に、活性化したガス状の種が、例えば凹部145におけるウィンドウのような該凹部145の内部表面に到達するまでの間に、該ガス状の種が移動しなくてはならない距離を制御する。適当な孔145は、少なくとも約0.25:1のアスペクト比を備え、該アスペクト比はさらに約12:1より小さいものとすることができる。1つの態様において、孔145は、約0.1から約50mmの大きさの開口部、及び、約0.5から約500mmの深さを備える。マスク140は、さらに、例えば複数の六角形の又は円形の孔のような、複数の孔145を備えることができる。
実施例1
この実施例において、図10aに示される実施例のように、マスクによって覆われた陥凹ウィンドウをもち、該ウィンドウの周りに磁場発電機を有する磁気的に高められたエッチングチャンバにおける基板20にフィーチャ25がエッチングされた。エッチングされている基板20は、1ミクロンの二酸化ケイ素層、0.1ミクロンの窒化ケイ素層、及び1ミクロンの二酸化ケイ素層を備える誘電層22を備えるケイ素ウエハーであった。上に重なるパターン加工されたフォトレジスト層21が誘電層22を覆っていた。誘電層22は40sccmのCHF3、20sccmのCF4、及び50sccmのArを含むプロセスガスを用いてエッチングされた。チャンバ内の圧力は、200mT(ミリトル)に維持され、処理電極のR.F.のバイアス電力の水準は1300ワットであり、チャンバの部分は摂氏約15度の温度に維持された。エッチングされたフィーチャ25は、約0.4ミクロンから約1ミクロンの大きさの開口部を有するものであり、ケイ素ウエハー上の露出された誘電性(二酸化ケイ素)領域は約5%から50%であった。
図13は、放射線を偏光させ、偏光放射線の検知信号を比率化し、比率化された信号を帯域フィルタに2つの周期で通して処理した後に得られた信号のトレースを示す。入射放射線は、254ナノメートルの波長を有していた。フィーチャ25から反射した放射線と耐エッチング材料21から反射した放射線の比率が求められた。比率化された信号のトレースは、2つの周期で帯域フィルタを通して処理された。50%の開口酸化物領域を有する基板について、予測されたエッチングの深さは、測定されたエッチングの深さと同一であり、両方共約0.46ミクロンであった。30%の開口酸化物領域を有する基板について同じ試験を実施したとき、測定されたエッチングの深さは0.49ミクロンで、測定されたエッチングの深さ0.5ミクロンからわずかに異なっており、20%の開口酸化物領域を有する基板について、予測されたエッチングの深さは0.46ミクロンであり、測定されたエッチングの深さは0.48ミクロンであった。これらの結果は、本方法及び装置の精度を示すものである。
この実施例において、第1屈折率を有する第1層22、及び第2屈折率を有する第2層24を備える基板20にフィーチャ25がエッチングされた。エッチング処理は、図9に示される実施例のように、マスク140によって覆われた陥凹ウィンドウ61をもち、該ウィンドウ61の周りに磁場発生機を有する磁気的に高められたエッチングチャンバにおいて基板20に対して実施された。基板20は上から下まで、500Åの厚さを有する炭化ケイ素層、1ミクロンの厚さを有するTEOS(Si(OCH3)3)から付着形成した二酸化ケイ素を備える誘電層24、及び600Åの厚さを有する炭素及び水素を含むblack diamond(登録商標)をからなる反射防止層22を備える、ケイ素ウエハーであった。上に重なるパターン加工されたフォトレジシト層21が、反射防止層22を覆った。
Claims (24)
- 基板処理装置であって、
(a)基板を処理することができるチャンバと、
(b)放射線を放射する非コヒーレントな放射線源と、
(c)処理中に前記基板から反射された放射線を検知し、且つ、信号を生成する放射線検知器と、
(d)前記信号を濾波して、前記基板上におけるエッチングされたフィーチャに反射した放射線からもたらされる信号成分を、前記基板上におけるパターン加工された耐エッチング材料に反射した放射線からもたらされる他の信号成分に比べて、選択的に通過させ、これにより、前記耐エッチング材料に反射した放射線の信号成分に比べて、前記エッチングされたフィーチャに反射した放射線の信号成分の強さを増大させる、ように構成された帯域通過フィルタと、
を備えることを特徴とする基板処理装置。 - 前記帯域通過フィルタは、前記エッチングされたフィーチャに反射した放射線に関して選択された、周波数通過帯域における周波数を有する反射された周波数からもたらされる信号成分を選択的に通過することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記周波数通過帯域は、検知された発振する変調された振幅を有するエッチングされたフィーチャに反射した放射線の周波数に相当する中心周波数の周り集められていることを特徴とする請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記周波数通過帯域は、前記中心周波数の±10%である周波数範囲を有することを特徴とする請求項3に記載の基板処理装置。
- 前記エッチングされたフィーチャが、基板上の誘電体物質にエッチングされたトレンチ形状のフィーチャであり、前記周波数通過帯域は、0.09Hz〜0.11Hzであることを特徴とする請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記非コヒーレントな放射線源は、多くの波長または位相を有する放射線を放射するプラズマ放射源を有し、且つ、前記周波数通過帯域は、前記非コヒーレントな放射線源からコヒーレント長を与えるように選択されることを特徴とする請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記コヒーレント長は、干渉効果が前記フィーチャの反射された放射線において観察される長さであることを特徴とする請求項6に記載の基板処理装置。
- 前記コヒーレント長は、式λ2/nΔλに基づいて選択される(ここで、nはエッチングされるフィーチャの屈折率、λはプラズマ放射スペクトラムの中心における波長、Δλは前記周波数通過帯域に相当する波長の範囲である)ことを特徴とする請求項6に記載の基板処理装置。
- 前記コヒーレント長は、λ2/nΔλがエッチングされる層の厚さより大きいように選択されることを特徴とする請求項8に記載の基板処理装置。
- 前記非コヒーレントな放射線源は、254ナノメータに中心がある周波数を有する放射線を放射し、且つ、前記周波数通過帯域は、1.5ナノメータの波長範囲(Δλ)に相当することを特徴とする請求項2に記載の基板処理装置。
- 前記帯域通過フィルタは、1またはそれ以上のサイクルにより前記信号を処理し、且つ、各サイクルにおいて、前記信号は、基板上でエッチングされるフィーチャから反射された放射線の周波数に相当する信号成分を通過するように濾波され、一方、前記基板の他の部分から反射された放射線の周波数に相当する信号成分を減衰することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記サイクルの数は、1〜10サイクルであることを特徴とする請求項11に記載の基板処理装置。
- 前記帯域通過フィルタは、電気信号プロセッサを有することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記電気信号プロセッサは、ディジタル信号プロセッサを含むことを特徴とする請求項13に記載の基板処理装置。
- 更に、前記基板上で処理されているフィーチャの主配向に実質的に平行、または実質的に垂直である偏光角に前記放射線を偏光する放射線偏光器を有することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記エッチングされたフィーチャは、主配向を有し、且つ、前記放射線は、前記主配向に実質的に平行である第1の偏光角に偏光され、且つ、前記主配向に実質的に垂直である第2の偏光角に偏光されることを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 前記チャンバは、基板支持体と、ガス供給装置と、ガス活性化装置と、ガス排気装置を備え、且つ、基板処理装置は、更に、(1) 信号を解析して、プロセスの終点に関する信号の属性を検知し、前記属性は、信号における谷、ピーク、上りスロープまたは下りスロープを有し、且つ、(2)前記基板支持体と、ガス供給装置と、ガス活性化装置と、ガス排気装置の1つまたはそれ以上を動作させて、前記信号の属性を検知したとき処理条件を変更する制御装置を有することを特徴とする請求項1に記載の基板処理装置。
- 基板処理方法であって、
(a)処理ゾーンに基板を配置するステップと、
(b)前記基板を処理するために活性化されたガスの処理条件を設定するステップと、
(c)前記処理ゾーンに非コヒーレントな放射線源を設けるステップと、
(d)基板の処理中に基板から反射される放射線を検知し、信号を生成するステップと、(e)前記信号を濾波して、前記基板上におけるエッチングされたフィーチャに反射した放射線からもたらされる信号成分を、前記基板上におけるパターン加工された耐エッチング材料に反射した放射線からもたらされる他の信号成分に比べて、選択的に通過させ、これによって、前記耐エッチング材料に反射した放射線の信号成分に比べて、前記エッチングされたフィーチャに反射した放射線の信号成分の強さを増大させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記信号を濾波して、周波数通過帯域における周波数を有する反射された放射線からもたらされる信号成分を選択的に通過させるステップを有することを特徴とする請求項18に記載の方法。
- 前記周波数通過帯域は、検出された振動する変調振幅を有するエッチングされたフィーチャの反射した放射線の周波数に相当する中心周波数の周りに集められることを特徴とする請求項19に記載の方法。
- 前記周波数通過帯域は、前記中心周波数の±10%に相当する周波数の範囲を有することを特徴とする請求項19に記載の方法。
- トレンチ形状のフィーチャは、基板上の誘電体物質にエッチングされ、前記周波数通過帯域は、0.09Hz〜0.11Hzであることを特徴とする請求項18に記載の方法。
- 更に、前記基板上におけるエッチングされたフィーチャの主配向に実質的に平行、または実質的に垂直である偏光角に前記放射線を偏光する放射線偏光器を有することを特徴とする請求項18に記載の方法。
- 前記エッチングされたフィーチャは、主配向を有し、且つ、前記放射線は、前記主配向に実質的に平行である第1の偏光角に偏光され、且つ、前記主配向に実質的に垂直である第2の偏光角に偏光されることを特徴とする請求項23に記載の方法。
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