JP4841953B2 - 凹部エッチング制御方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体基板等のパターン化された基板上に機能部を形成するプロセスのモニター方法並びに制御方法に関する。さらに特定すれば、本発明は凹部エッチングプロセスのエンドポイント検出方法に関する。

凹部エッチングはＤＲＡＭ及びeＤＲＡＭのごとき半導体の製造に利用される。ＤＲＡＭやeＤＲＡＭはキャパシタを含む集積回路に情報を保存する。図１ＡはＤＲＡＭセルの典型的な保存ノード１００を示す。保存ノード１００はパターン化された半導体基板（以降“パターン半導体”）１０４に形成された深いトレンチ１０２を含む。ポリシリコン柱１０６がトレンチ１０２内に形成され、凹部１０８はポリシリコン柱１０６の上部に提供される。凹部１０８は絶縁材料（図示せず）で被膜され、ポリシリコン柱１０６を上方のトランスファデバイス等の構造物から隔離する。典型的にはトレンチ１０２は高アスペクト比を有している。例えば、現在の技術ではトレンチ１０２の深さは数ミクロンであり、幅は３００ｎｍ程度である。集積技術の進歩に連れてトレンチの幅は、例えば９０から１００ｎｍ程度にまで狭くなるものと考えられる。

図１Ｂはトレンチ（図１Ａの１０２）を形成する前の半導体基板１０４を示す。典型的な形態では、半導体基板１０４は、典型的にはケイ素の基板層１１０、典型的には二酸化ケイ素の誘電層１１２、及び典型的には窒化ケイ素のマスク層１１４を含んでいる。半導体基板１０４はフォトレジストマスク１１６の薄膜でコーティングされている。トレンチ形成前に、トレンチ形成部であるフォトレジストマスク１１６の一部が除去され、下側の層を露出させる。半導体基板１０４はプラズマチャンバのごとき処理チャンバ（図示せず）に入れられ、トレンチは露出層を通過して基板内にエッチング加工される。トレンチのエッチング形成後、残りのフォトレジストマスク１１６は除去される。

図１Ｃはトレンチ１０２のエッチングとフォトレジストマスク（図１Ｂの１１６）の除去後の半導体基板１０４を示す。トレンチ１０２はポリシリコン１０６で充填されている。トレンチ１０２がポリシリコンで充填されると、ポリシリコン膜１２０が半導体基板１０４、すなわちマスク層１１４上にも形成される。典型的には窪部１２２も充填の結果としてトレンチ１０２の開口部に形成される。トレンチ１０２のポリシリコン柱１０６に凹部をエッチングするためにポリシリコン膜１２０が図１Ｄで示すように除去（平坦化）される。平坦化された表面（以降“平坦化面”）１２３は平坦層エッチングや化学−機械研磨のごとき処理で提供できる。ポリシリコン（図１Ｃの１２０）の膜全体またはその一部のみを平坦化処理中に除去することができる。ポリシリコン膜の平坦化後、トレンチ１０２内のポリシリコン柱１０６は所定の深さまでエッチングされ、凹部（図１Ａの１０８）が形成される。

異なる凹部構造を形成させるように上述の方法には様々な変形を施すことができる。例えば、図１Ｅで示すように、トレンチ１０２は当初に酸化物等の誘電材料１２４でコーティングできる。続いて前述したようにポリシリコン１０６をコーティングされたトレンチ１０２内に充填し、マスク層１１４を被膜することができる。マスク層１１４上のポリシリコン膜１２０は平坦化でき、ポリシリコン柱１０６はエッチングによって塗膜凹部（図１Ｆの１２６）を形成できる。この方法は、例えば埋設ポリシリコンストラップを提供するのに利用できる。図１Ｇで示す別例では、トレンチ１０２のポリシリコン柱１０６はエッチングで凹部１２８を提供できる。続いて凹部１２８は酸化物等の誘電材料１３０で充填できる。別のエッチング法を、誘電材料１３０の一部を除去し、トレンチ１０２内に部分的に延び入る誘電コーティング（図１Ｈの１３２）の形成に使用できる。

大抵の場合、犠牲マスク層の底部のごとき半導体基板の基準点に対する凹部の深度は重要な寸法である。よって、望む深度を達成するためにトレンチ内のポリシリコン柱をどれだけ深くエッチングするかを正確に決定する能力は非常に重要である。トレンチ内に望む深度の凹部を形成させるには多くの困難がある。例えば、凹部をエッチングする際に利用するトレンチの開口部は非常に小さく、トレンチ内のポリシリコン柱上方の窪部の大きさはエッチングされる凹部の深度と同程度の精度が要求される。さらに困難な要素は、マスク層の厚みの変動やトレンチ内のポリシリコン柱上方の窪部の深度等の基板毎に異なる変動材料サイズである。これら変動性の知識なくして、望む凹部深度を提供するためにポリシリコン柱をどの程度深くエッチング加工すべきかを正確に決定することは困難であろう。

よって、材料の変動性のごとき要因を考慮した凹部深度のモニターによって凹部エッチングプロセスにおけるエンドポイントを検出する方法が求められている。

本発明の１特徴は凹部エッチングプロセスの制御方法に関する。内部に柱材料が充填されたトレンチを有した多層基板に対する方法は、トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の計測されたネット反射スペクトルを得ることで基板の１表面から基板の基準点までの第１寸法を決定し、基板のその部分のモデル化されたネット反射スペクトルを、基板のその部分を構成するｎ≧１の異なる領域から加重非干渉反射合計として計算し、その計測ネット反射スペクトルとモデル化ネット反射スペクトルとの間で緊密にマッチングさせるパラメータセットを決定し、そのパラメータセットから第１寸法を導き出すことを含んでいる。この方法はさらに、第１寸法の関数としての凹部エッチングプロセスのエンドポイントと、基準点から計測された望む凹部深度を計算し、そのエンドポイントに到達するまで材料柱の１表面からエッチング加工することも含んでいる。

本発明の別の特徴は、トレンチと、トレンチ内に充填された材料柱とを有した多層基板の表面を平坦化を含んだ凹部エッチングプロセズの制御方法に関する。この方法はさらに、平坦化後に基板の表面から基板の基準点までの第１寸法の決定も含んでいる。第１寸法は、トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の測定ネット反射スペクトルを取得し、基板のその部分のモデル化されたネット反射スペクトルを、基板のその部分を形成するｎ≧１の異なる領域から加重非干渉反射合計として計算し（ｎの異なる領域のそれぞれの反射はその領域を形成するｋ≧１の横方向に独立した部分からの反射の加重干渉反射合計）、測定ネット反射スペクトルとモデル化ネット反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するパラメータセットを決定し、そのパラメータセットから第１寸法を引き出すことで決定される。この方法はさらに第１寸法の関数として凹部エッチングプロセズのエンドポイントと、基準点から測定された望む凹部深度を計算するステップと、そのエンドポイントに到達するまで材料柱の表面からエッチング加工するステップとを含んでいる。

本発明のさらに別の特徴は、トレンチと、トレンチに充填された材料柱とを有した多層基板の凹部エッチングプロセスに関する。この方法は、基板の表面から基板の基準点までの第１寸法と、基板のその表面から材料柱の表面までの第２寸法とを測定するステップを含んでいる。第１寸法と第２寸法は、トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の測定されたネット反射スペクトルを取得するステップと、基板のその部分モデル化されたネット反射スペクトルを、基板のその部分を形成するｎ≧１の異なる領域から加重非干渉反射合計として計算するステップと、測定ネット反射スペクトルとモデル化ネット反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するパラメータセットを決定するステップと、そのパラメータセットから第１寸法と第２寸法とを導き出すステップとを含んでいる。この方法はさらに、第１寸法と第２寸法の関数として凹部エッチングプロセズのエンドポイントと、基準点から測定された望む凹部深度を計算するステップと、そのエンドポイントに到達するまで材料柱の表面からエッチング加工するステップとを含んでいる。

本発明のそれら及び他の特徴と利点とは以下の発明の詳細な説明からさらに明確となるであろう。

本発明を添付図面を利用して好適実施例に即して解説する。本発明は凹部エッチングプロセスでの信頼できるエンドポイント決定方法を提供する。本発明方法は２つの主要ステップから成る。１実施例の第１ステップは現場で新規材料の変動性を予測するステップである。この予測ステップは基板ごとのマスク層厚、開始エッチング深度、及び基板の位置や方向性またはパターン密度の相違等の変動を補整するものである。第１ステップは材料柱の除去すべき絶対垂直寸法を決定させる。第２ステップは凹部の実際のエッチングをモニターするために１つ、または複数の波長干渉手段の利用を含む。干渉手段によるエンドポイント検出法は望む凹部深度に到達させるのに必要なフリンジ（光縞）数を決定が関与する。フリンジ数は除去すべき材料柱の絶対寸法と開始エッチング深度が知られると正確に決定できる。

本発明の１実施例においては、新規材料変動を予測するためにブロードバンド反射手段を使用する。１実施例においては、この予測方法は半導体基板の反射スペクトルの測定が関与する。対象の機械パラメータは測定反射スペクトルを半導体基板のモデル化反射スペクトルとマッチングさせることで予測される。本発明の１実施例によれば半導体基板の反射スペクトルの計算モデルが提供される。有利なことに、このモデルは半導体基板上の機能部のアレンジに制限を加えない。すなわち、モデルは特別なテスト機能部を有した半導体基板に限定されず、ランダムな機能部の複雑な配列を有した半導体基板にも適用できる。

理論的な解説は望まないが、発明者はパターン基板はｎ個の横方向独立部分に分割でき、それぞれの分割部分は等方性で均質な薄膜層体としてモデル化できると信じる。図２は基板層２０８上に３枚の薄膜層２０２、２０４、２０６を有した薄膜層体２００を示す。例えば、層２０２はポリシリコン製とし、層２０４を窒化ケイ素製とし、層２０６を二酸化ケイ素製とし、層２０８をケイ素製とすることができる。それぞれの層２０２、２０４、２０６、２０８は厚さ（ｔ）、屈折率（ｎ）及び吸光率（ｋ）を有する。反射率測定は薄膜層体２００を光線２０９で垂直入射させ、薄膜層体２００から垂直に反射した光線２１１を回収することで行われる。垂直入射反射測定においては、等方性で均質な薄幕層体は極性独立タイプである。発明者はパターン基板２００が名目的な極性独立反射特定を有すると想定でき、モデルの計算を大きく単純化すると信じる。

横方向独立性を定義する主要要素は薄膜層体を構成する層同士の相違と高さの相違である。図３Ａはマスク層３０２、酸化物層３０４及び基板層３０６を有した典型的なパターン基板３００の断面図である。トレンチ３０８が基板３００内に形成され、ポリシリコン３１０で充填されている。小さな窪部３１４が、充填プロセスと平坦化プロセスの結果としてトレンチ３０８内のポリシリコン柱３１０の上面に形成されている。図３Ｂは２つの横方向に独立した部分または薄膜層体３１６、３１８に分割されたパターン基板３００を示す。薄膜層体３１６はマスク層３０２、酸化層３０４、及び基板層部分３０６bを含む。

パターン基板３００の反射フィールドは薄膜層体３１６、３１８からの反射フィールドの組み合わせである。知られた強度と極性の平面波により照射された与えられた薄膜層体の反射フィールドは境界の問題をセットアップし、解消することで、あるいはフレネル式を利用することで計算できる。例えば、フレネル式を使用して、層インターフェース（図３Ｃの３２０）での反射率は次の式で与えられる。

（１）
単層（図３Ｄの３２２）に対する反射フィールドは次の式で与えられる。

（２）
図３Ｂはパターン基板３００のネット反射率を計算するには薄膜層体３１６、３１８の高さが同一でなければならないことを示す。空気または真空層３２４がポリシリコン柱３１０の上面に加えられ、薄膜層体３１６、３１８の高さの相違を補整する。

発明者は、典型的なパターン基板を構成する機能部の横方向の幅広い分布が与えられると、パターン基板からの反射フィールドはパターンのいくらかの領域に干渉的に加えられ、パターンの他の領域に非干渉的に加えられると考える。発明者は、干渉的及び非干渉的に組み合わされた反射フィールドの相対的貢献は自由空間波長の関数λ0として変動でき、パターン基板上の実際の領域割合に必ずしも対応しないと考える。よって、それぞれの独立薄膜層体からの反射フィールドが計算されると、パターン基板からのネット反射率はパターンを構成するｎ個の異なる領域からの加重非干渉反射合計として計算できる。

（３）
式中、Ｒは測定されたネット反射率であり、Ｅiは個々の非干渉状に追加するフィールド項であり、ｗi（λ0）はその非干渉状に追加する項に対する加重因子である。│Ｅi│²の使用は電磁界理論の周波数領域表記の複素界Ｅiの大きさを示す。

式（３）のそれぞれの非干渉状追加項は基板上でi番目の領域を構成するｋ個の横方向独立部分からの加重干渉フィールド合計であり得る。

（４）
αi（λ0）は干渉状追加フィールド項Ｅciの加重因子である。式（３）と（４）では“領域”は“独立部分”とは等しくない。

上述のモデルの作用をさらに説明するため、図３Ｂで示すパターン基板３００を説明する。パターン基板３００は２つの横方向独立部分または薄膜層体３１６、３１８に分割されている。入射光３２６はパターン基板３００に照射されて３２８のごとくに反射される。図３Ｅはパターン基板３００の上面を示す。ｒ1を薄膜層体３１６による反射フィールドとし、ｒ2を薄膜層体３１８による反射フィールドとしよう。発明者は、想像線３３４で区分けされた薄膜層体３１６と３１８との間で境界３３２をオーバーラップする領域３３０の提供を提案する。そこでは反射フィールドｒ1とｒ2は横方向干渉効果のために干渉的に加わるであろう。想像線３３４の外側の領域３３６からの反射は薄膜層体３１６からのみの反射フィールドによるものと予期される。

式（３）から、パターン基板３００からのネット反射率は次のようになる。

（５）
式中、Ｒ300はパターン基板３００からのネット反射率であり、Ｅ330、Ｅ336は領域３３０、３３６からの個々の非干渉的に加わるフィールド項であり、ｗ330（λ0）、ｗ336（λ0）はその非干渉的に加わる項に対する加重因子である。式（４）からＥ330は次のようになる。

（６）
Ｅ336はｒ1であり、Ｅ318はｒ2であり、ｗ330は（１−ｗ336）と書き換えられる。よって、式（６）は次のようになる。

（７）
式（３）と（４）は単純化されたモデルを提供し、パターン基板からの反射はマスク層厚や開始エッチング深度等のいくつかの数値に関してパラメータ化できる。１実施例においては、本発明は反射率を測定するための技術として垂直入射光反射技術を利用する。すなわち、パターン基板は基板に対して垂直な入射光で照射され、基板に垂直に反射する光のみが収集される。すなわち、鏡面反射光のみが収集される。しかし、方位範囲はどのパターンでも見られるので、パターンを照射する全光が垂直入射で反射するわけではない。例えば、凹部（図３Ａの３１４）によって非鏡面反射するものがあろう。そのような非鏡面反射による反射損失は無視すべきでない。本発明の１実施例においては、拡散損失率は式（３）の追加項の一部または式（３）の全反射に適用される。拡散損失率はλ0の関数であり得る。

図４Ａは本発明の１実施例による、新規材料変動の予測のためのシステム４００の概略図である。このシステム４００は光線を発生させる光源４０２、光線を検出分析する分光計４０４及び光線をプロセスチャンバ４１０の上面のポート４０８との搬送のための光学システム４０６を含んでいる。例えば、この光学システム４０６は光源４０２からの光をコリメータ４１４に送る光ファイバ４１２を含むことができる。コリメータ４１４はポート４０８上方に搭載されている。光学システム４０６はコリメータ４１４からの光を分光計４０４に送る光ファイバ４１６を含んでいる。半導体基板４１８はプロセスチャンバ４１０内に搭載される。本発明を不明確にすることを避けるため、プロセス装置の詳細は示さない。しかし、そのようなエッチングに必要な装置は当業技術者にとって自明であろう。例えば、もし凹部がプラズマエッチングで形成されるとすれば、基板４１８はプロセスチャンバ４１０のチャック（図示せず）上に搭載され、適当なプラズマ発生装置が提供されよう。

利用時に半導体基板４１８の処理を制御するプロセスモジュール４２０は信号をデータ収集ユニット４２２に送り、光源４０２の操作を開始させる。光源４０２が作動開始すると、光線が発生する。光線はコリメータ４１４に光ファイバを介して送られる。光源４０２の使用波長バンドは対象パラメータの感度が強調される範囲となるように選択される。一般的に、広い範囲が有用である。１実施例では、光源波長範囲は１９０から１０００ｎｍである。光線４２４はコリメータ４１４を離れ、ポート４０８を通過し、垂直入射角で基板４１８に照射される。コリメータ４１４は垂直反射角で基板４１８から反射した光線４２６を収集する。反射光線４２６は光ファイバ４１６を通過して分光計４０４に送られる。分光計４０４は反射光線４２６を解析し、基板４１８の反射スペクトルのデータをコンピュータ４２８に送ってさらに解析させる。

コンピュータ４２８は基板４１８等のパターン基板の反射率を計算するモデルと、モデル化反射スペクトルと、分光計４０４から受領した測定反射スペクトルとの間の光学マッチングを提供するパラメータ処理されたパラメータセットをサーチするルーチンとを含んでいる。１実施例においては、サーチルーチンは非線形回帰ルーチンである。しかし、多変量回帰解析や中立ネットマッチングなどの他種類のサーチルーチンでもよい。パターン基板の反射率計算モデルを解説した。得られたパラメータセットは、マスク層厚や開始エッチング深度等の重要な数値にマップ処理できる。その後、対象数値は、以下でさらに解説するように凹部エッチングプロセスでのエンドポイントの決定に利用できる。

図４Ｂは本発明の１実施例による基板からの垂直反射データの収集プロセスを概略的に示す。１目的は発光プラズマからの発光のごときバックライトが存在する場合においても高品質反射信号を改良することである。プロセスの開始時に、プロセスモジュール（図４Ａの４２０）はデータ収集制御ユニット（図４Ａの４２２）にどのように反射データを収集してキャリブレーション処理するかを伝える（ステップ４３０）。例えば、プロセスモジュールはデータ収集制御ユニットに反射スペクトル数と、スペクトルを収集する時間の長さを告げる。プロセスモジュールはさらにデータ収集制御ユニットに、測定反射スペクトルのキャリブレーションのための、典型的には剥きだしシリコン反射スペクトルであるベースライン反射スペクトルを提供する。この剥きだしシリコン反射スペクトルは基板の処理に先立って収集される。データ収集制御ユニットがデータ収集開始指示を受領すると、光源（図４Ａの４０２）にスイッチが入れられ光線が発生される。光線は基板に照射され、分光器（図４Ａの４０４）は基板から反射データを収集する（ステップ４３２）。続いて光源は切られ、反射データは再び収集される（ステップ４３４）。光源が切られたときには分光器で収集されたデータはプラズマ発光のごとき背景光源や検出器ノイズによるものである。次のステップはステップ４３２で得られた反射データからステップ４３４で得られた反射データを差し引き、背景光源の影響を取り除くことである。

補整された反射スペクトルはベースラインスペクトルで常態化される（ステップ４３８）。続いて、システムは望む数の反射スペクトルが収集されたか否かをチェックする（ステップ４４０）。望む数の反射スペクトルが収集されていなければシステムはステップ４３２に戻り、別の反射スペクトルのデータを収集開始する（ステップ４４２）。望む数の反射スペクトルが収集されたらシステムは平均化され、常態化された反射スペクトルを得るために収集反射スペクトルの平均を計算する（ステップ４４４）。平均反射スペクトルはコンピュータに送られ（図４Ａのステップ４２８）、基板のモデルとマッチングされる（ステップ４４６）。平均反射スペクトルをコンピュータに送った後、システムは特定時間の終了を待ち、その後、終了する（ステップ４４８）。

図４Ｃは非線形回帰スキームを使用して対象の物理的パラメータを決定するプロセスの概略図である。１目的は、解が得られるまでパラメータスペースを通じて適正な方向でパラメータ値を徐々にステップすることでパラメータ値の収束セットに迅速に到達することである。この非線形回帰解析を開始する前に、非線形ルーチンはユーザ入力を受領する（ステップ４５０）。ユーザ入力はモデル化スペクトルに反射スペクトルをマッチングさせることでパラメータセットに対する当初推定を含む。非線形回帰ルーチンは平均測定反射スペクトルを得る（ステップ４５２）。次に、モデル化反射スペクトルは式（３）と（４）並びに当初推定を使用して計算される（ステップ４５４）。次に非線形回帰ルーチンが、測定反射スペクトルとモデル化反射スペクトルとの間の最良マッチングにさらに接近するように式（３）と（４）でパラメータに対する増分の計算に使用される（ステップ４５６）。式（３）と（４）のパラメータは反射フィールド、加重因子ｗ、及びカップリング因子αであり、それは自由空間波長λ0の因子であり得る。

システムはステップ４５６で計算された増分が無視できる程度に小さいか否かをチェックする（ステップ４５８）。もし増分が無視できないなら、システムはパラメータの値を増分させ（ステップ４６０）、ステップ４５４に戻り、新パラメータ値を使用してモデル化反射スペクトルを再計算する（ステップ４６２）。もし増分が無視できる程度なら、システムは最良のパラメータ値を出力する（ステップ４６４）。対象の物理パラメータが最良パラメータ値から導かれる（ステップ４６６）。前述はしていないが、ステップ４５０で受領されたユーザ入力は基板を横方向独立部分または薄膜層体にどのように分割させるかの情報も含む。ユーザ入力はそれぞれの薄膜層体の反射フィールドを前述のように計算させるためにそれぞれの薄膜層体の光学特性をも含む。

１実施例においては、本発明は改変されたレベンバーグ・マルカートコンプロマイズ技術と呼ばれる非線形回帰技術を利用して、パラメータ値の当初推定値から開始して重要パラメータ値の最良値を迅速正確に特定させる。この技術は好適であるが、多変量回帰解析や中立ネットアプローチ等の他の技術でも対象パラメータの獲得に利用できる。

非線形回帰法の作用を解説するため、図４Ｄは測定反射スペクトルを示し、図４Ｅはユーザ入力からの当初推定値を使用して計算されたモデル化反射スペクトル４７２を示す。非線形回帰ルーチンの第１ステップは２つの反射スペクトル４７０、４７２間の最小平方差誤差メトリック量を計算することである。図４Ｆはモデル化反射スペクトル４７２に重ねられた測定反射スペクトル４７０を示す。この最小平方差は波長範囲のいくつかの点を取り、それぞれの点でスペクトル４７０、４７２間の垂直差を計算し、全点の差の平方を合計することで計算される。最小平方誤差メトリック量はパラメータ値の増分の決定に使用される。

以上、非線形回帰解析の説明は標準的なものである。多くの場合には、対象外の多数のパラメータは全改変スペクトルに大きな変動を引き起こし、対象パラメータはモデル化スペクトルの小領域に変動をもたらす。対象のパラメータ値を素早く正確に求めるため、対象パラメータに差が発生すると予想されるスペクトル領域での差には、全点での差の平方の合計前に例えば（１＋λi）のごとき因子が掛算される。よって、最小平方差誤差は対象領域の差が大きくなれば大きくなる。定数または加重因子も掛算因子に適用され、最小平方差誤差メトリック量をさらにバイアスする。

図５Ａは本発明の１実施例の凹部エッチングプロセスでのエンドポイント検出プロセスの概略を示す。プロセス開始はユーザによって実行される（ステップ５００）。プロセスが開始すると、プロセスモジュール（図４Ａの４２０）は適当なプロセスレシピーパラメータを全センサーに送る（ステップ５０２）。プロセスレシピーパラメータは、例えば、マスク層の底部のごとき基板の基準点に対する目的凹部深度を含むことができる。対象の半導体基板はプロセスチャンバ（図４Ａの４１０）に送られるか、あるいはプロセスチャンバ内に既に存在する（ステップ５０４）。解説のため、図５Ｂはこのプロセスで想定されたエッチング処理前モデルを示す。エッチング処理前モデル５０６は基板層５１０を有したパターン半導体基板５０８を含む。マスク層５１４や酸化物層５１６のごとき層は基板層５１０上に形成される。トレンチ５１８は基板５０８に形成され、ポリシリコン柱５２０で充填される。このモデルではマスク層５１４に重なっていた全ポリシリコン層（図示せず）は平坦化されている。しかし、いつもそうである必要はない。すなわち、ポリシリコンは凹部エッチングに先立ってマスク層５１４に残ることもある。

図５Ａに戻る。プロセスチャンバ（図４の４１０）内の半導体基板を搭載した後、プロセスチャンバへのガス流は安定化する（ステップ５２２）。ブレークスループロセスが実行され、シリコンを空気に接触させることで形成された半導体基板上の酸化物を除去する（ステップ５２４）。ブレークスループロセスは時間制限されたエッチングプロセスであり、ほんの２、３秒が普通である。ブレークスループロセスは半導体基板の上面から材料を消滅させることがあり、その後に補充が必要となろう。ブレークスループロセス後にプロセスチャンバへのガス流は再び安定化する（ステップ５２６）。次のステップは新規材料変動をその場で予測することである（ステップ５２８）。このステップはマスク層等の層厚を推定し、トレンチのポリシリコン柱上面の凹部深度等の開始エッチング深度の推定を含むであろう。このステップは安定化ステップ５２６中あるいはその後に実行できる。予測ステップ５２８の安定化ステップ５２６との同時実施は基板処理時間を節約させる。

図５Ｂで示すエッチング処理前モデル５０６ではマスク層５１４の底部５１４aが基準点として使用される。基板５０８の他の点、例えば基板層５１０の上面でも基準点として使用できる。基準点５１４aから測定された望む凹部深度（Ｄ）は知られた量であろう。対象の第１垂直寸法（Ｈ）は基板５０８の上部５０８aから基準点５１４aまでの垂直距離となろう。これはマスク層５１４の厚みに対応する。対象の第２垂直寸法（ｄ）は基板５０８の上面５０８aからポリシリコン柱５２０の上面までの垂直距離、すなわち、ポリシコン柱の上面の窪部５２１の深度となろう。寸法Ｈとｄが知れると、ポリシリコン柱５２０の上面から除去する材料厚（Ｔ）は決定できる。すなわち、Ｔ＝Ｈ＋Ｄ−ｄである。図５Ａに戻ると、対象物理パラメータ、例えば、Ｈとｄは、上述のブロードバンド反射法を使用して、すなわち、基板の測定反射スペクトルとモデル化反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するパラメータセットを決定し、パラメータセットから望む寸法を導くことでステップ５２８にて予測できる。

ポリシリコン柱から除去される材料厚と開始エッチング深度が知れると、凹部エッチングプロセスが開始できる。プラズマエッチング等のどのような適したエッチング法でも利用できる。１実施例においては、干渉手段によるエンドポイント検出法がポリシリコン柱のエッチングの制御に使用される（ステップ５３０）。干渉手段エンドポイント検出法はエッチング最中に関与するフリンジ数のカウントが関与する。除去される材料厚に対応する所定数のフリンジが数えられると、凹部エッチングプロセスが停止される。

この干渉手法はポリシリコン柱へ光線を向けることが関与する。ポリシリコン柱がエッチングされているとき、光線はポリシリコン柱の表面から部分反射し、ポリシリコン柱を部分的に通過し、下側の基板層で反射する。反射信号は創造的または破壊的に組み合わされ、周期的な干渉フリンジを創出する。干渉フリンジの最大及び最小は処理対象のポリシリコン柱を通過する光線の通路長による。エッチング最中に、観察される周期的最大と最小の測定干渉フリンジはポリシリコン柱の厚みの計算された減少に相関的であり、プロセスでのエンドポイントが予測される。干渉アプローチは凹部エッチングプロセスのモニターに利用できる。なぜなら、ポリシリコン柱から除去すべき材料の絶対厚は上述のブロードバンド干渉スキームから知られているからである。

上述の干渉アプローチはポリシリコン柱の当初厚の正確な決定後の凹部エッチングのモニターの好適方法として解説したが、他の技術でも利用できる。例えば、上述のブロードバンド干渉スキームは凹部の形成過程でポリシリコンの絶対厚の決定に利用できる。これには基板のネット反射の連続的測定、測定ネット反射スペクトルと基板のモデル化反射スペクトルとの間の最良マッチングを提供するパラメータセット、及びそのパラメータセットからポリシリコン柱の厚みを導くことが関与する。ポリシリコン柱の望む厚みが達成されると、凹部エッチングが停止できる。時間を測ったエッチングプロセスも利用できる。すなわち、ポリシリコン柱から所定量の材料をエッチングするのに必要な時間が決定できる。ポリシリコン柱はその所定時間エッチングできる。

様々な変形は図５Ａで示すプロセスに可能である。例えば、図５Ａのプロセスはエッチング処理前モデル（図５Ｂの５０６）を想定する。例えばマスク層と重なるポリシリコン層は、例えば化学−機械研磨プロセスで平坦化されている。本発明の別実施例ではプロセスは平坦化ステップを含むことができる。例えば、図６Ａは基板層６０４を有したパターン半導体基板６０２を含むエッチング処理前モデル６００を示す。例えばマスク層６０８と酸化物層６１０は基板６０４上に形成される。トレンチ６１４は基板６０２に形成され、ポリシリコン柱６１６で充填される。窪部６１８が充填処理の一環としてポリシリコン柱６１６の上面に形成される。ポリシリコン層６２０も充填最中にマスク層６０８上に形成される。

図６Ｂはエッチング処理前モデル（図６Ａの６００）を想定した凹部エッチングプロセスのエンドポイント検出プロセスの概略図である。プロセスの開始はユーザが行う（ステップ６２２）。プロセスが開始されると、プロセスモジュール（図４の４２０）は全センサーに適当なプロセスレシピーパラメータを送る（ステップ６２４）。プロセスレシピーパラメータは、例えば、マスク層の底部のごとき基板の基準点から測定した標的凹部深度を含むことができる。対象半導体基板はプロセスチャンバ（図４の４１０）に送られるか、プロセスチャンバ内に既に存在する（ステップ６２６）。プロセスチャンバに半導体基板を搭載後、プロセスチャンバへのガス流は安定化する（ステップ６２８）。続いてブレークスループロセスが実行され、シリコンの空気との接触によって構築された半導体基板上の酸化物を除去する（ステップ６３０）。ブレークスループロセス後にプロセスチャンバへのガス流は再び安定する（ステップ６３１）。ポリシリコン層（図６Ａの６２０）は、例えば、プラズマエッチングで平坦化される（ステップ６３２）。ポリシリコン層の全体または一部が除去される。全部が除去されるなら、ポリシリコン層の下側のマスク層（図６Ａの６０８）からいくらか材料が取り除かれる。後で補充が必要であろう。平坦化プロセスをいつ終了するかの決定には干渉アプローチ等が利用できる。

平坦化ステップ後にプロセスチャンバ（図４の４１０）へのガス流は再び安定する（ステップ６３４）。次のステップは新規材料変動を予測することである（ステップ６３６）。すなわち、基板の上面から基板の基準点までの垂直寸法や、開始エッチング深度を予測する。この予測は平坦化及びブレークスループロセスの結果としての材料除去を見込んでいる。新規材料変動の予測、すなわち、ステップ６３６は安定化ステップ６３４と同時またはその後に実行できる。図５Ａのステップ５２８で説明したのと同様に、対象の物理パラメータはステップ６３６で決定される。これら物理パラメータは図５Ａのステップ５３０と同様に凹部エッチングプロセスの駆動に使用される（ステップ６３８）。

本発明はいくつかの利点を提供する。例えば、本発明の方法はトレンチの材料柱に凹部を形成しつ、エンドポイントの検出に利用できる。この方法は発明の背景に記載された凹部構造体や解説されていない他の凹部構造体に適用できる。基本的に、発明者は基板ごとに材料変動が存在し、望む凹部深度を達成にはトレンチ内の材料柱から除去する材料の厚みに影響が及ぶことを理解する。一般的な概念は、エッチングプロセス開始前に材料の絶対厚を決定し、この厚みを使用してエッチングプロセスを進行させることである。本発明は基板のモデルを含んだブロードバンド干渉アプローチやバイアスされた非線形回帰技術を使用し、エッチングで除去する材料の厚みを正確に予測することである。この正確な予測で、干渉アプローチまたは他の適当な方法が凹部エッチングプロセスを終了させるタイミングを決定させるのに使用できる。

本発明を実施例を利用して解説したが、それらには様々な変形が可能である。例えば、図５Ａと図６Ｂのプロセスはそれぞれ図５Ｂと図６Ａのエッチング処理前モデルに基いた例示にすぎない。プロセスは一般的に基板のエッチング前の状態と望む凹部構造に基いて調整が必要である。前述したように、基本的概念は除去する材料の厚みを正確に予測し、エッチングに先立って開始エッチング深度を予測することである。これらパラメータはエッチングプロセスに使用できる。

さらに、新規材料変動の予測で、レベンバーグ・マルカルトコンプロマイズ以外の他の技術が基板のモデル化反射スペクトルに対する測定反射スペクトルのマッチングに使用できる。例えば、多変量回帰解析と中立ネットマッチングアプローチが利用できる。

さらに、凹部エッチングプロセスのモニタリングは干渉アプローチに限定されない。例えば、時間によるエッチングプロセスも利用できる。

さらに、本発明はトレンチキャパシタの製造に限定されない。例えば、本発明はチップインターコネクトの形成に利用される凹部エッチングプロセスのモニターに利用できる。

図１Ａは典型的な保存ノードの断面図である。 図１Ｂはトレンチ形成前の図１Ａの半導体基板を示す。 図１Ｃはトレンチを形成し、ポリシリコンでトレンチを充填した後の図１Ｂの半導体基板を示す。 図１Ｄはポリシリコン膜の平坦化後の図１Ｃの半導体基板を示す。 図１Ｅは、トレンチを形成し、トレンチを誘電材料で塗膜し、塗膜トレンチをポリシリコンで充填した後の図１Ｂの半導体基板を示す。 図１Ｆは図１Ｅのトレンチ内に形成された凹部を示す。 図１Ｇは誘電材料で充填されたトレンチ内のポリシリコン柱の上方の凹部を示す。 図１Ｈは図１Ｇのトレンチを部分的に塗膜した図１Ｇの誘電材料を示す。 図２は薄膜層体の概略図である。 図３Ａは典型的なパターン基板の断面図を示す。 図３Ｂは２つの横方向に独立した部分または薄膜層体に分割された図３Ａのパターン基板を示す。 図３Ｃは層インターフェースの反射モデルを示す。 図３Ｄは単層の反射モデルを示す。 図３Ｅは図３Ａに示すパターン基板の上面図である。 図４Ａは本発明の１実施例によるプロセス図である。 図４Ｂは本発明の１実施例による垂直入射反射データを収集するプロセス図である。 図４Ｃは本発明の１実施例によるモデル化反射スペクトルとの測定反射スペクトルのマッチングプロセスを示す。 図４Ｄは測定反射スペクトルの概略図である。 図４Ｅはモデル化反射スペクトルの概略図である。 図４Ｆは図４Ｅのモデル化反射スペクトルとの図４Ｄの測定反射スペクトルの比較を示す。 図５Ａは本発明の１実施例による凹部エッチングプロセスでのエンドポイント検出プロセスを示す。 図５Ｂは本発明の１実施例によるエッチング処理前モデルである。 図６Ａは本発明の別実施例によるエッチング処理前モデルである。 図６Ｂは本発明の別実施例による凹部エッチングプロセズでのエンドポイント検出プロセスを示す。

Claims (16)

1. 凹部エッチングプロセスの制御方法であって、
   トレンチと、該トレンチ内に充填された材料柱とを有した多層基板に対して基板面から基板の基準点までの第１垂直寸法を決定するステップを含んでおり、該決定ステップは、前記トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の測定ネット反射スペクトルを取得するステップと、
   基板の前記一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの加重非干渉反射合計として該一部のモデル化ネット反射スペクトルを計算するステップであって、前記ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射は、その領域を構成するｋ≧１個の横方向独立部分からの反射フィールドの加重干渉合計である、計算ステップと、
   前記測定ネット反射スペクトルと前記モデル化ネット反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するモデル化ネット反射スペクトルのパラメータセットの値を決定するステップであって、前記モデル化ネット反射スペクトルが前記ｎ個の異なる領域を表すネット反射スペクトルのモデルのネット反射スペクトルに関するもので、
   該パラメータセットの値を使用して前記第１垂直寸法を導くステップとを含んでおり、
   前記基板の表面から材料柱の表面までの第２垂直寸法を決定するステップと、
   該第１垂直寸法の関数として凹部エッチングプロセスのエンドポイントと、前記基準点から測定した望む凹部深度とを計算するステップと、
   該エンドポイントが達成されるまで前記材料柱の表面からエッチング加工するステップと、
   を含んでいることを特徴とする方法。
2. 測定ネット反射スペクトルの取得ステップは、垂直入射光線での基板部分の照射ステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. それぞれの横方向独立部分は薄膜層体としてモデル化されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. モデル化ネット反射スペクトルの計算ステップは極性化された独立反射を有したものとしての基板のモデル化ステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
5. パラメータセットの決定ステップは、測定ネット反射スペクトルとモデル化ネット反射スペクトルとの間の最小平方差誤差を計算するステップと、誤差メトリック量を最小化するパラメータセットを発見するステップとを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 誤差メトリック量に対する第１垂直寸法の変動の影響を増幅させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. モデル化ネット反射スペクトルの計算ステップは、パラメータセットの当初予測セットを入力として受領するステップを含んでいることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. エンドポイントはブロードバンド反射法と干渉エンドポイントアプローチとの組み合わせに基いていることを特徴とする請求項１記載の方法。
9. エンドポイントの計算ステップは、エンドポイントに到達するのに必要なフリンジのカウントを計算するステップを含んでいることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. エッチング加工ステップはエッチング時に基板の一部から展開した干渉フリンジのカウンティングステップと、該干渉フリンジがフリンジカウントに到達したときにエッチングを停止させるステップとを含んでいることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 第２垂直寸法決定ステップはパラメータセットから第２垂直寸法を導くステップを含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
12. エンドポイント計算ステップは第２垂直寸法に比例した量でエンドポイントを調整するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１１記載の方法。
13. 第１垂直寸法の決定に先立って基板の表面を平坦化するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
14. 第１垂直寸法の決定に先立って基板の表面に構築された酸化物を除去するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の方法。
15. 凹部エッチングプロセスの制御方法であって、
    トレンチと、該トレンチ内に充填された材料柱とを有した多層基板の表面を平坦化するステップと、
    該平坦化ステップ後に該基板の表面から基板の基準点までの第１垂直寸法を決定するステップを含んでおり、該ステップは、前記トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の測定ネット反射スペクトルを取得するステップと、
    基板の前記一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの加重非干渉反射合計として該一部のモデル化ネット反射スペクトルを計算するステップであって、ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射は、その領域を構成するｋ≧１個の横方向独立部分からの反射フィールドの加重干渉合計である計算ステップと、
    前記測定ネット反射スペクトルと前記モデル化ネット反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するモデル化ネット反射スペクトルのモデルのパラメータセットの値を決定するステップとを含んでおり、
    前記基板の表面から材料柱の表面までの第２垂直寸法を決定するステップを含んでおり、該ステップは、該パラメータセットの値を使用して前記第１垂直寸法を導くステップを含んでおり、 該第１垂直寸法の関数として凹部エッチングプロセスのエンドポイントと、前記基準点から測定した望む凹部深度とを計算するステップを含んでおり、該ステップは、前記エンドポイントが前記第２垂直寸法に比例する量によって前記エンドポイントを調整するステップをさらに含んでおり、
    該エンドポイントが達成されるまで前記材料柱の表面からエッチング加工するステップと、
    を含んでいることを特徴とする方法。
16. 凹部エッチングプロセスの制御方法であって、
    トレンチと、該トレンチ内に充填された材料柱とを有した多層基板に対して基板面から基板の基準点までの第１垂直寸法と、基板の表面から材料柱の上面までの第２垂直寸法とを決定するステップを含んでおり、該決定ステップは、
    前記トレンチを含んだ基板の少なくとも一部の測定ネット反射スペクトルを取得するステップと、
    基板の前記一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの加重非干渉反射合計として該一部のモデル化ネット反射スペクトルを計算するステップであって、前記ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射は、その領域を構成するｋ≧１個の横方向独立部分からの反射フィールドの加重干渉合計である、計算ステップと、
    前記測定ネット反射スペクトルと前記モデル化ネット反射スペクトルとの間の緊密なマッチングを提供するモデル化ネット反射スペクトルのモデルのパラメータセットの値を決定するステップと、
    該パラメータセットの値を使用して前記第１垂直寸法と第２垂直寸法とを導くステップと、
    該第１垂直寸法と第２垂直寸法の関数として凹部エッチングプロセスのエンドポイントと、前記基準点から測定した望む凹部深度とを計算するステップと、
    該エンドポイントが達成されるまで前記材料柱の表面からエッチング加工するステップと、
    を含んでいることを特徴とする方法。

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