JP6033453B2 - 多変量解析を用いたプラズマエンドポイント検出 - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば半導体の製造において基板上に構造を形成するエッチングプロセス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、エッチングプロセスのエンドポイントを決定する方法に関する。
プラズマエッチングプロセスは、半導体デバイス、液晶ディスプレイ(LCD)、発光ダイオード(LED)、及び太陽光発電(PV)の製造プロセスにおいてフォトリソグラフィと共に広く用いられている。一般的には、放射線感受性材料−たとえばフォトレジスト−層が、最初に基板上にコーティングされ、パターンを有する光に曝露されることで、潜像が与えられる。その後曝露された放射線感受性材料は、曝露された放射線感受性材料（又はネガ型のフォトレジストが用いられる場合には曝露されていない放射線感受性材料）を除去するように現像される。それにより、続いてエッチングされるべき領域が曝露し、かつ、エッチングされてはならない領域を覆う放射線感受性材料層のパターンが残される。エッチングプロセス−たとえばプラズマエッチングプロセス−中、基板及び放射線感受性材料のパターンは、エッチングされた部位−たとえばビア、トレンチ等−を形成するために放射線感受性材料の下に存在する材料の除去を実行するように、プラズマ処理チャンバ内において高エネルギーを有するイオンに曝露される。下に存在する材料内での部位のエッチングに続いて、放射線感受性材料の残りが、アッシング又は剥離プロセスを用いることによって基板から除去される。その結果、さらなる処理を行えるようにエッチングにより形成された構造が曝露される。
多くの種類のデバイス−たとえば半導体デバイス−では、プラズマエッチングプロセスが、第2材料層の上に存在する第2材料層中で実行され、かつ、一旦エッチングプロセスが第1材料層中に開口部又はパターンを形成すれば、エッチングプロセスは、下地の第2材料層のエッチングを継続することなく、正確に中止されることが重要である。
エッチングプロセスを制御する目的で、様々な種類のエンドポイント制御が利用される。そのような様々な種類のエンドポイント制御の中には、エッチングされるべき層の化学組成とは異なる化学組成の下地層まで進展したのか否かを知るため、エッチングプロセスが、プラズマ処理チャンバ内のガスの化学物質の分析に依拠するものがある。またそのような様々な種類のエンドポイント制御の中には、エッチングされるべき構造の直接的なその場測定に依拠するものもある。前者のグループでは、発光分光分析(OES)が、プラズマ処理チャンバ内のガスの化学物質をモニタリングするのに頻繁に用いられる。プラズマ処理チャンバ内のガスの化学種は、用いられているプラズマ励起機構によって励起される。励起された化学種は、プラズマの発光分光スペクトルにおいて明確なスペクトル信号を生成する。たとえばエッチングされる層がなくなること、及び、基板上の下地層が曝露されることに起因する発光分光スペクトルにおける変化がモニタリングされて良い。そのような変化は、下地層のエッチング又は他の歩留まりを低下させる欠陥−たとえばアンダーカット−の生成を回避するように、エッチングプロセスを厳密に−エンドポイントで−終了させるのに用いられて良い。
エッチングされる構造の種類及びエッチングプロセスパラメータに依存して、エッチングプロセスのエンドポイントでのプラズマの発光分光スペクトルの変化は、顕著で検出が容易であるか、又は逆に、微妙で検出が非常に困難であることが考えられる。たとえば開口比の非常に低い構造のエッチングでは、発光分光分析(OES)データを処理する現在のアルゴリズムを用いたエンドポイント検出が非常に困難になる恐れがある。従って、係る厳しいエッチングプロセス条件において、発光分光分析(OES)データに基づくエッチングエンドポイント検出をより確かななものにする改善が必要となる。
本発明の態様は、発光分光分析(OES)データを取得する分光計を有するプラズマエッチング処理装置内で1回以上のプラズマエッチングプロセスの一連の作業(run)を実行する工程を有するエッチングプロセスエンドポイントデータの決定方法である。各プラズマエッチングプロセスの一連の作業中、発光分光分析(OES)データの組が等しい時間間隔でサンプリングされ、かつ、発光分光分析(OES)データの行列[X]が生成される。発光分光分析(OES)データの行列[X]は、時間のサンプルを占める行と画素位置（つまり波長）を占める列で構成される。
本発明の態様では、取得された発光分光分析(OES)データ行列[X]は続いて要素毎に平均化されることで、前記1回以上のプラズマエッチングプロセスの一連の作業についての平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgが生成される。その後前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgは、前記発光分光分析(OES)データからノイズを除去するようにフィルタリングされて良い。さらなる処理のためにデータ品質を向上させるため、前記発光分光分析(OES)データ行列[X]の各々と前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgは、プラズマ立ち上がり条件と前記エッチングプロセスのエンドポイント以降の条件に相当する前記データの組の部分を除去するように切り縮められる(truncated)。計算は、平均発光分光分析(OES)行列[Savg]を計算することでさらに進められる。前記平均発光分光分析(OES)行列[Savg]では、各列の各要素は、切り縮め後に保持されるすべての時間サンプルにわたる分光計の画素−つまり行列の列−の強度の平均を表す。続いて前記平均発光分光分析(OES)行列[Savg]は、前記発光分光分析(OES)データ行列[X]の各々から減じられる。従って前記発光分光分析(OES)データの平均は除かれる。しかし多変量解析において通常行われているのとは異なり、前記発光分光分析(OES)データは、多変量解析の入力として用いられる前に規格化されない。
本発明の他の態様では、前記の平均が除かれて規格化されない発光分光分析(OES)データはここで、主成分解析(PCA)の入力として用いられる。前記主成分解析(PCA)は、物理発光分光分析(OES)データを被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]へ変換する。前記主成分解析(PCA)はまた、主成分重みベクトル[P]をも供する。前記主成分重みベクトル[P]は続いて、任意の物理発光分光分析(OES)データを主成分ドメインへ変換するのに用いられて良い。
本発明の他の態様では、信頼性のあるエッチングプロセスのエンドポイントの決定を行うため、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトルの要素は、結合されて関数式f(Ti)−トレンド変数とも呼ばれる−となって良い。前記関数式f(Ti)は、前記エッチングプロセスがエンドポイントに到達するときに前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素への変化を特に強調する。一の実施例では、前記トレンド変数f(Ti)は単純に、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の単一要素を有して良い。他の実施例では、前記トレンド変数f(Ti)は、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の2つの要素の比を有して良い。前記比自体は整数又は非整数のベキ乗にまで増大して良い。エンドポイント検出の信頼性をさらに高めるため、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素は、エッチングプロセス中でのすべてのサンプル時間について評価された前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の各要素の最小値又はその倍数を減じることによってシフトされて良い。前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素からの「台座(pedestal)」のこのようにシフトすなわち除去によって、当該方法は、あるエッチングプロセスに係るプラズマ化学物質の微妙な変化に対してより敏感になるようにさらに支援される。一の実施例では、前記トレンド変数の関数式は、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素T2とT3との比を含むf(Ti)=(T2-2min(T2))2/(T3-2min(T3))2であって良い。各要素は、それぞれの要素の最小値の2倍シフトされる。
本発明の他の態様では、前記主成分重みベクトル[P]の値、前記平均発光分光分析(OES)行列[Savg]、及び任意で前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の最小値min(Ti)は、名目上同一又は同様のエッチングプロセスのその場エンドポイント検出に用いるため、揮発性又は不揮発性データ記憶媒体に保存されて良い。
本発明の態様では、エッチングプロセスのその場エンドポイント検出のプロセスは、前記主成分重みベクトル[P]のこれまでに記憶された値、前記平均発光分光分析(OES)行列[Savg]、及び任意で前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の最小値min(Ti)を、前記データ木億媒体から取得することによってさらに進められる。前記プラズマエッチング処理チャンバへ基板を搬入し、かつ、プラズマを点火する際、発光分光分析(OES)データの測定が、前記エッチングプロセス中に規則的又は不規則的な間隔で前記プラズマエッチング処理チャンバ上に載置された前記分光計を用いて行われる。取得された発光分光分析(OES)データには、その場で取得されたデータを前記主成分ドメインへ迅速に変換するために前記平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を減じた後に、前記主成分重みベクトル[P]が乗じられる。一旦変換されると、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の計算された要素は、まとめられることで、事前に選択された関数式すなわち上述のトレンド変数となり得る。前記事前に選択された関数式すなわち上述のトレンド変数の時間発展は、前記エッチングプロセスのエンドポイントの厳密なその場決定を可能にする。本発明の実施例では、前記関数式f(Ti)すなわち前記トレンド変数は、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素のシフトした値の利用を含んで良い。前記要素のシフトは、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素の最小値min(Ti)を減じることによって実現される。
本発明のより完全な評価及びそれに付随する利点は、特に添付図面と共に以降の詳細な説明を参照することですぐに明らかになる。
以降の説明では、限定ではない説明目的で本発明の完全な理解を容易にするため、具体的詳細−たとえばリソグラフィ、コーター/現像装置、及びギャップ充填処置システムの具体的幾何学形状、並びに、様々な構成要素及び処理の説明−が説明される。しかし本発明は、これらの具体的詳細から逸脱する他の実施例でも実施可能であることに留意して欲しい。
続く説明では、放射線感受性材料という用語フォトレジストという用語は同義的に用いられて良い。フォトレジストは、フォトリソグラフィに用いられる多くの適切な放射線感受性材料のうちの1つである。同様に以降では、処理される試料片を表す基板という用語は、たとえば半導体ウエハ、LCDパネル、。発光ダイオード(LED)、光電池(PV)デバイスパネル等の用語と同義的に用いられて良い。これらすべての処理は、請求項に記載された発明の技術的範囲内に属する。
本願全体を通して、「一の実施例」と「実施例」について言及することは、その実施例に関連して説明される特定の部位、構造、材料、又は特徴が、本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味するが、どの実施例にも存在することを意味しない。よって本願全体を通した様々な場面で現れる「一の実施例」と「実施例」という語句は、必ずしも本発明の同一の実施例を指称しているわけではない。さらに前記特定の部位、構造、材料、又は特徴は、1つ以上の実施例において任意の適切な方法で組み合わせられて良い。
様々な動作が、複数の独立した動作として−つまり本発明の理解を最も容易にする方法で−記載される。しかし記載の順序は、これらの動作が必ずしも順序に依存することを示唆するように構成されるものではない。特にこれらの動作は、提示順に実行される必要はない。記載されている動作は、記載されている実施例とは異なる順序で実行されて良い。様々なさらなる動作が実行されて良く、かつ/あるいは、記載された動作がさらなる実施例において省略されて良い。
本発明の実施例によると、プラズマエッチング処理システム10と制御装置55が図1に図示されている。制御装置55はプラズマエッチング処理システム10に結合される。制御装置55は、プラズマエッチング処理システム10内に設けられる様々なセンサから得られるデータを用いることによってプラズマエッチング処理システム10の性能をモニタリングするように構成される。たとえば制御装置55は、プラズマエッチング処理システム10の様々な構成要素の制御、故障の検出、及び、エッチングプロセスのエンドポイントの検出に用いられて良い。
図1に図示されている本発明の図示された実施例によると、プラズマエッチング処理システム10は、プロセスチャンバ15、上に被処理基板25が固定される基板ホルダ20、ガス注入システム40、及び真空排気システム58を有する。基板25はたとえば、半導体基板、ウエハ、又は液晶ディスプレイ(LCD)であって良い。プラズマエッチング処理システム10はたとえば、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容易にするように構成されて良い。処理領域45内では、プラズマは、加熱された電子と電離可能ガスとの衝突によって生成される。電離可能ガス又は複数の種類のガスの混合体が、ガス注入システム40を介して導入され、プロセス圧力が調節される。望ましくは、プラズマは、所定の材料の処理に固有な材料の生成、及び、基板の曝露された表面からの材料の除去の支援に利用される。たとえば制御装置55は、真空排気システム58とガス注入システム40を制御するのに用いられて良い。
基板25はたとえば、ロボット基板搬送システムによってスロットバルブ（図示されていない）とチャンバフィードスルー（図示されていない）を介してプラズマエッチング処理システム10に対して搬入出されて良い。ロボット基板搬送システムでは、基板25は、基板ホルダ20内部に格納される基板リフトピン（図示されていない）によって受け取られ、かつ、基板ホルダ20内部に格納された装置によって機械的に並進される。一旦基板25が基板搬送システムから受け取られると、基板25は基板ホルダ20の上側表面にまで下げられる。
たとえば基板25は、静電固定システム28によって基板ホルダ20に固定されてよい。さらに基板ホルダ20は、再循環冷却流を含む冷却システムを有して良い。前記再循環冷却流は、基板ホルダ20からの熱を受け取り、かつ、熱交換器システム（図示されていない）へ熱を輸送するか、又は、加熱時には熱交換器システムから熱を輸送する。しかもガスは、基板25と基板ホルダ20との間でのガスギャップ熱伝導度を改善するように、背面ガス供給システム26を介して基板の背面へ供給されて良い。係るシステムは、昇温又は降温時での基板の温度制御が必要なときに利用されて良い。たとえば基板の温度制御は、プラズマから基板25へ供給された熱流束と、基板ホルダ20への伝熱によって基板25から除去された熱流束とのバランスの結果実現された定常状態の温度を超えた温度で有用となり得る。他の実施例では、加熱素子−たとえば抵抗加熱素子又は熱電ヒーター/クーラー−が含まれて良い。
続いて図1を参照すると、プロセスガスがたとえば、ガス注入システム40を介して処理領域45へ導入されて良い。プロセスガスはたとえば、酸化物エッチング用に複数の種類のガスの混合体−たとえばアルゴン、CF4とO2、又は、C4F8とO2−又は他の化学物質−たとえばO2/CO/Ar/C4F8、O2/CO/Ar/C5F8、O2/CO/Ar/C4F6、N2/H2−を含んで良い。ガス注入システム40はシャワーヘッドを有する。シャワーヘッドでは、プロセスガスが、ガス注入プレナム（図示されていない）と多重オリフィスシャワーヘッドガス注入システム（図示されていない）を介してガス供給システム（図示されていない）から供給される。
真空排気システム58はたとえば、最大で5000l/sec（以上）の排気速度での排気が可能なターボ分子真空ポンプ(TMP)及びチャンバ圧力をしぼるゲートバルブを有して良い。ドライプラズマエッチングに用いられる従来のプラズマ処理装置では、1000〜3000l/secのTMPが一般に用いられている。TMPは、典型的には50mTorr未満の低圧処理にとって有用である。高圧（約100mTorrよりも高い圧力）での処理については、メカニカルブースターポンプ及びドライ粗引きポンプが用いられて良い。さらにチャンバ圧力の監視装置（図示されていない）が、プロセスチャンバ15と結合して良い。圧力を測定する装置はたとえば、MKSインスツルメンツによって市販されている628B型のバラトロン絶対キャパシタンスマノメータであって良い。
さらに図1に図示されているように、プラズマエッチング処理システム10はプラズマ源80を有する。たとえばRF又はマイクロ波出力が、発生装置72からインピーダンス整合ネットワーク又はチューナー74を介してプラズマ源80へ結合されて良い。プラズマ源へRF出力を印加する周波数は、10MHz〜200MHzの範囲で、かつ、容量結合(CCP)型、誘導結合(ICP)型、変成器結合(TCP)型のプラズマ源にとっては60MHzが好ましい。マイクロ波プラズマ源80−たとえば電子サイクロトロン(ECR)源及び表面波プラズマ(SWP)源−については、発生装置72の典型的な周波数は、1〜5GHzで、約2.45GHzであることが好ましい。表面波プラズマ(SWP)源80の例は、ラジアルラインスロットアンテナ(RLSA)プラズマ源である。しかも制御装置55は、プラズマ源80へのRF又はマイクロ波の印加を制御するため、発生装置72とインピーダンス整合ネットワーク又はチューナー74に結合されて良い。
図1に図示されているように、基板ホルダ20は、発生装置30からインピーダンス整合ネットワーク32を介した基板ホルダ20へのRF出力の伝送によって、RF電圧で傳的にバイアス印加されて良い。RFバイアスは、エッチングプロセスを容易にするため、処理領域45内に生成されるプラズマからのイオンを引きつけるように機能し得る。基板ホルダ20へ出力を印加する周波数は、0.1MHz〜30MHzの範囲であってよく、かつ、2MHzであることが好ましい。あるいはその代わりに、RF出力は複数の周波数で基板ホルダ20へ印加されて良い。さらにインピーダンス整合ネットワーク32は、反射出力を抑制することによってプロセスチャンバ15内でのプラズマへのRF出力の輸送を最大化するように機能する。様々な整合ネットワーク形態（たとえばL型、π型、T型等）と自動制御方法が利用されて良い。
様々なセンサが、プラズマエッチング処理システム10から装置データを受け取るように構成される。センサは、プラズマエッチング処理システム10に対して本質的なセンサと、プラズマエッチング処理システム10に対して付随的なセンサの両方を含んで良い。本質的なセンサは、プラズマエッチング処理システム10の機能−たとえばヘリウム背面ガス圧力、ヘリウム背面流、静電チャック(ESC)電圧、ESC電流、基板ホルダ20の温度（又は下側電極(LEL)温度）、冷却剤温度、上側電極(UEL)温度、前進RF出力、反射RF出力、RF自己誘導DCバイアス、RFピーク・トゥ・ピーク電圧、チャンバ壁温度、プロセスガス流量、プロセスガス分圧、チャンバ圧力、キャパシタ設定（つまりC1とC2の位置）、集束リングの厚さ、RF時間、集束リングRF時間、及びこれらの組み合わせ−に関するセンサを含んで良い。あるいはその代わりに、付随的センサは、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−たとえば図1に図示されているように処理領域45内のプラズマから放出される光をモニタリングする光検出装置34−を含んで良い。
光検出装置34は、プラズマから放出される合計の光強度を測定する検出器−たとえば（シリコン）フォトダイオード又は光電子増倍管(PMT)−を有して良い。光検出装置34は、光フィルタ−たとえば狭帯域干渉フィルタ−をさらに有して良い。代替実施例では、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）のアレイ及び光分散素子−たとえば回折格子又はプリズム−を有する。それに加えて光検出装置34は、所与の波長での光を測定するモノクロメータ（たとえば回折格子/検出器システム）又は光スペクトルを測定する（たとえば回転又は固定回折格子を備える）分光計を有して良い。光検出装置34は、ピークセンサシステムズから販売されている高分解能発光分光分析(OES)センサを有して良い。係るOESセンサは、紫外(UV)光スペクトル、可視(VIS)光スペクトル、近赤外(NIR)光スペクトルにまで及ぶ広いスペクトルを有する。ピークセンサシステムズでは、分解能は約1.4Åである。つまりセンサは、240nm〜1000nmまでで5550の波長を収集することができる。ピークセンサシステムズでは、センサには、高感度小型ファイバ光学系UV-VIS-NIR分光計が備えられている。高感度小型ファイバ光学系UV-VIS-NIR分光計は、2048画素の線形CCDアレイと一体化されている。
本発明の一の実施例における分光計は、単一又はまとめられたファイバ光学系を介して伝送される光を受光する。ファイバ光学系からの光出力は、固定された回折格子を用いることによってラインCCDアレイ全体にわたって分散される。上述の構成と同様に、光学真空窓を介して放出される光が、凸型球面レンズによって光ファイバの入力端部で集束される。3つの分光計−各々は所与のスペクトル範囲（UV、VIS、及びNIR）用に特別に調節される−は、プロセスチャンバ用のセンサを構成する。各分光計は独立のA/D変換器を有する。そして最後に、センサの用途に依存して、完全発光スペクトルが0.01〜1.秒ごとに記録されて良い。
あるいはその代わりに、本発明の実施例では、反射光学系を備える分光計が、光検出装置34によって用いられて良い。さらに本発明の実施例では、検出される光の波長の全範囲用に1つの回折格子と1つの検出器を有する分光計が用いられて良い。たとえば光検出装置34を用いて発光分光分析(OES)データを取得するための発光分光分析用ハードウエアの設計及び利用は当業者には周知である。
制御装置55は、マイクロプロセッサ、メモリ、及びデジタルI/Oポート（場合によってはD/A及び/又はA/D変換器を含む）を有する。デジタルI/Oポートは、プラズマエッチング処理システム10からの出力をモニタリングするのみならず、プラズマエッチング処理システム10への入力をやり取りし、かつ起動させるのに十分な制御電圧を発生させる能力を有する。図1に図示されているように、制御装置55は、RF発生装置30、インピーダンス整合ネットワーク32、ガス注入システム40、真空排気システム58、背面ガス供給システム26、静電固定システム28及び光検出装置34と結合し、情報をやり取りして良い。メモリ内に記憶されたプログラムは、記憶されたプロセスレシピに従ってプラズマエッチング処理システム10の上記構成要素を制御するのに利用される。プロセスシステムの一例はデルコーポレーション（Dell Corporation）から販売されているDELL PRECISION WORKSTATION610（商標）である。制御装置55は、プラズマエッチング処理システム10に対して局所的に設置されても良いし、又はインターネット又はイントラネットを介してプラズマエッチング処理システム10に対して離れた場所に設置されても良い。よって制御装置55は、直接接続、イントラネット、インターネット及びワイヤレス接続のうちの少なくとも1を用いることによってプラズマエッチング処理システム10とのデータのやり取りをして良い。制御装置55は、たとえば顧客側（つまりデバイスメーカー等）のイントラネットと結合して良いし、又はたとえば売り手側（つまり装置製造者等）のイントラネットと結合しても良い。さらに別なコンピュータ（つまり制御装置、サーバー等）が、たとえば制御装置とアクセスすることで、直接接続、イントラネット及びインターネットのうちの少なくとも1つを介してデータのやり取りをして良い。
本発明の実施例によるエンドポイント決定の処理は2つの段階で進められる。第1段階では、発光分光分析(OES)データが、プラズマエッチング処理システム10内で実行される1つ以上のエッチング処理の一連の作業中に光検出装置34を用いることによって取得される。その結果、取得された発光分光分析(OES)データの多変量モデルが確立され得る。一旦発光分光分析(OES)データの多変量モデルが確立されると、第2段階中に実行されているエッチングプロセスが、エッチングされている構造、使用されているエッチングプロセス条件、使用されているエッチング処理システム等の点で、第1段階中に実行される1つ以上のエッチング処理の一連の作業で用いられるものと十分似ている限り、多変量モデルは、その場エッチングエンドポイント検出のために第2段階でも用いられて良い。これは、多変量モデルの妥当性を保証することである。
ここで第1段階のフローチャート200が示されている図2を参照すると、発光分光分析(OES)データの多変量モデルを設定する方法は、1つ以上のプラズマエッチングプロセスの一連の作業からなる組を実行する工程210で開始される。前述したように、これらの一連の作業中でのエッチングプロセス条件は、維持されるべき多変量モデルの妥当性のため、エンドポイントが第2段階で決定されるエッチングプロセス条件に十分近い必要がある。これらのプラズマエッチングプロセスの一連の作業中、発光分光分析(OES)データが、たとえばプラズマエッチング処理システム10の光検出装置34を用いて取得される。各プラズマエッチングプロセスの一連の作業中、スペクトルはn回取得される。ここでnは1よりも大きい整数である。連続する発光分光分析(OES)データ取得−つまりスペクトル取得−間でのサンプリング間隔は0.01〜0.1秒まで変化して良い。各取得された発光分光分析(OES)データの組−つまりスペクトル−は、CCD（電荷結合素子）検出器のm個の画素に対応するmの測定された光強度を含む。各画素は、光検出装置34内の光分散素子として典型的に用いられる回折格子によって画素に投影されるある光の波長に対応する。CCD検出器は、所望のスペクトル分解能に依存して256〜8192の画素を有して良い。しかし2048又は4096の画素数が最もよく用いられている。
プロセスは、発光分光分析(OES)データ行列[X][i]がすべてのプラズマエッチング処理の一連の作業i=1,2,…kについて設定される工程215で続けられる。各行列[X][i]はn×ｍの行列である。取得されたスペクトルは行列の行に配置される。それにより、行は、発光分光分析(OES)データが取得されるときのnのインスタンスに対応し、かつ、列は画素数mに対応する。
工程220では、n×mの平均発光分光分析(OES)データ行列[Xavg]が、すべてのプラズマエッチングプロセスの一連の作業i=1,2,…kにわたってすべての取得された行列[X][i]の各要素の平均をとることによって計算される。
工程225では、ノイズが、平均発光分光分析(OES)データ行列[Xavg]からフィルタリングされる。様々な型のフィルタ−たとえば移動型平均フィルタ−が用いられて良い。さらにデータ中に存在するノイズの量に依存して、選ばれたフィルタについての様々なパラメータが、ユーザーによって選ばれて良い。様々なパラメータは、使用されているプラズマエッチング処理システム、エッチングされている構造、使用されているエッチングプロセス条件等と相関し得る。たとえば移動型平均フィルタの場合では、フィルタ窓は最も適切な幅に調節されて良い。従ってノイズは実効的に除去されるが、重要な信号データは保持される。本願発明者等は、従来技術に係る発光分光分析(OES)エッチングエンドポイントシステムにおいて通常行われているように、取得された発光分光分析(OES)データの多変量モデルを構築した後ではなく、この段階でのデータをフィルタリングすることによって良好な結果を得ることができることを発見した。
段階230では、すべての取得された発光分光分析(OES)データ行列[X][i]が、プラズマの立ち上がり中と任意で実際のエッチングプロセスのエンドポイント以降に取得されたスペクトルを除去するように切り縮められる。データを切り縮めることによって、行列[X][i]は、一旦プラズマがプラズマエッチング処理システム10内で安定すると、続くエッチングの安定期に関係しないデータは消去される。ある時間のインスタンスでの測定が切り捨てられると、行列[X][i]の行は典型的には除去される。任意である波長範囲もまた切り捨てられて良い。スペクトルの切り捨てられた部分内のプラズマ発光波長がエッチングエンドポイント信号に寄与しない場合、ある波長範囲もまた切り捨てられて良い。このときに、平均発光分光分析(OES)データ行列[Xavg]もまた、行列[X][i]と同じようにして切り縮められて良い。
工程235では、平均発光分光分析(OES)行列[Savg]が計算される。各列のすべての要素は、平均発光分光分析(OES)データ行列[Xavg]の要素の全列にわたる（つまりすべての時間のインスタンスにわたる）平均に設定される。この行列[Savg]は、すべての発光分光分析(OES)データの平均を除去するのに用いられる。
工程240では、平均発光分光分析(OES)行列[Savg]は、取得された発光分光分析(OES)データの多変量モデルを構築する前に、平均を除去する−つまり平均を減じる−工程を実行するように、各取得された発光分光分析(OES)データ行列[X][i](i=1,2,…k)から減じられる。従来技術に係る発光分光分析(OES)エッチングエンドポイントシステムでは、平均の除去に加えて、発光分光分析(OES)データもまた常に、たとえば発光分光分析(OES)データの標準偏差を用いて規格化される。しかし前述したようにデータのフィルタリングの場合のように、本願発明者等は、従来技術において行われているような規格化は、信頼性のないエンドポイント検出の信頼性をなくしてしまう−特に検出条件が変化する状況下では−ことを発見した。従ってデータは、規格化されないまま維持される。
工程245では、平均が除かれた発光分光分析(OES)データ[X][i]-[Savg]が、多変量解析−たとえば主成分解析(PCA)−への入力として用いられる。主成分(PC)モデルは次式のように設定される。
[T]=([X][i]-[Savg])[P] （式1）
ここでベクトル[T]は、被変換発光分光分析(OES)データベクトルを表す。ベクトルTは、主成分と呼ばれる要素Tiを有する。要素Tiは、入力データ−この場合では発光分光分析(OES)データ−が記述され得る複数の変数からなる還元した組を表す。ベクトル[P]は、主成分(PC)の重みのベクトルである。前記主成分(PC)の重みのベクトルは、（式1）に従って、平均が除去された発光分光分析(OES)データを被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]へ変換するのに用いられ得る。主成分解析(PCA)モデルを設定及び生成する方法は、当業者には周知である。
[T]=([X][i]-[Savg])[P] （式1）
ここでベクトル[T]は、被変換発光分光分析(OES)データベクトルを表す。ベクトルTは、主成分と呼ばれる要素Tiを有する。要素Tiは、入力データ−この場合では発光分光分析(OES)データ−が記述され得る複数の変数からなる還元した組を表す。ベクトル[P]は、主成分(PC)の重みのベクトルである。前記主成分(PC)の重みのベクトルは、（式1）に従って、平均が除去された発光分光分析(OES)データを被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]へ変換するのに用いられ得る。主成分解析(PCA)モデルを設定及び生成する方法は、当業者には周知である。
第1段階の目標が、以降のその場エッチングエンドポイント検出にとって有用な多変量モデルパラメータを事前に計算することなので、ここで様々なパラメータが以降で使用するために記憶される。工程250では、平均発光分光分析(OES)行列[Savg]は、その場で測定された発光分光分析(OES)データの平均の除去を容易にするように、揮発性又は不揮発性記憶媒体に記憶される。またこの工程では、主成分(PC)の重みのベクトル[P]も、その場で測定された発光分光分析(OES)データの被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]への迅速な変換を容易にするするように、揮発性又は不揮発性記憶媒体に記憶される。
一部の場合において、本願発明者等は、エンドポイント検出の信頼性にとって、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素Tiの計算された値−つまり主成分−をシフトさせることが有用であることを発見した。要素Tiの計算された値は時間発展することで、大きな正又は負の値に発展せずにゼロ付近に集中してしまうためである。このシフトは工程255において実現される。工程255では、測定が行われるときに、エッチングプロセス中での時間での各インスタンスについて、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの要素Tiが評価され、かつ、そのような（複数の）要素の最小値min(Ti)が見いだされる。この目的のため、平均発光分光分析(OES)データ行列[Xavg]からの時間発展データ又は他のデータが用いられて良い。続いてこの最小値は、工程260において、以降のその場エンドポイント検出で用いるために揮発性又は不揮発性記憶媒体上に記憶される。被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素Tiの最小値min(Ti)は、その場測定された発光分光分析(OES)データから計算される被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の同一要素Tiの時間発展値をシフトさせるのに用いられて良い。
ここで揮発性又は不揮発性記憶媒体上に記憶されたデータ値は、第2段階−つまりその場エッチングエンドポイント検出−において用いられる準備ができた。図2のフローチャート200で概要が示されている全プロセスは、図1のプラズマエッチング処理システム10の制御装置55内で実行可能である。
図3は、フローチャート200の工程250と260内において記憶されるデータを利用可能にする、光検出装置34が備えられたプラズマエッチング処理システム100におけるその場エンドポイント検出のフローチャート300を示している。
工程310及び315では、これまでに決定された平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]と主成分(PC)の重みのベクトル[P]が、揮発性又は不揮発性記憶媒体から取得され、かつ、図1のプラズマエッチング処理システム10の制御装置55のメモリへ入力される。制御装置55は、プラズマプロセスのエンドポイントを決定するのに必要なすべてのその場計算を実行する。また用いられる場合には、工程320において、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素Tiの少なくとも1つの最小値min(Ti)は、揮発性又は不揮発性記憶媒体から制御装置55のメモリへ送られて良い。
工程325では、基板25がプラズマエッチング処理システム10へ搬入され、かつ、プラズマが処理領域45内に生成される。
工程330では、光検出装置34はここで、発光分光分析(OES)データをその場で−つまり時間発展するエッチングプロセス中に−取得するのに用いられる。
工程335では、取得された平均発光分光分析(OES)行列[Savg]の要素が、既に開発された多変量モデルを用いて変換する前に取得されたスペクトルの平均を除くように、各取得された発光分光分析(OES)データの組−つまりスペクトル−から減じられる。前述したように、本願発明者等は、変換前に規格化が行われない場合にエンドポイント検出プロセスがより確かになることを発見した。従って、第1段階中に行われなかった規格は、この工程でも行われない。
工程340では、既に開発された主成分解析(PCA)多変量モデルが、（式1）と取得された主成分(PC)の重みのベクトル[P]を用いることによって、平均が除去された発光分光分析(OES)を、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]−つまり主成分−へ変換するのに用いられる。このプロセスは非常に速い。その理由は、このプロセスは単純な乗算しか含んでいないので、その場リアルタイム計算を行うことができるからである。被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の計算された要素Tiは、時間発展するので、エンドポイント検出に用いられて良い。
図4A-図4Dは、開口比の値が0.06%もの低い値である−発光分光分析(OES)を用いたエンドポイント検出にとってはかなり挑戦的な条件である−エッチングプロセスについての被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素T1〜T4−つまり最初の4つの主成分−の時間発展を示している。図4Aから、第1主成分T1は、発光分光分析(OES)データに関して統計的に最も多くの情報を有しているにもかかわらず、エッチングエンドポイント付近（すべてのグラフにおいて30秒をわずかに超えた場所に位置する）での識別可能な変化を示さない。図4Bは、第2主成分T2がエンドポイントで識別可能な最小値すなわちディップ410を示さず、ディップ410はT2の時間発展での他の最小値と同程度であることを示している。従って主成分T2もまた、これらの条件下ではエンドポイント検出にとって非常に有用とは言えない。図4Cは、第3主成分T3がエッチングエンドポイントでわずかに有用な最小値すなわちディップ420を示し、これがエンドポイント検出に用いられ得ることを示している。しかしデータが図示したものよりも多くのノイズを含む場合において、単独で信頼性のあるエンドポイント検出への使用が可能であるかどうかは疑わしい。最後に図4Dは第4主成分T4を示している。第4主成分T4も、第2主成分T2同様、エンドポイントでの最小値が他の最小値と同程度であるため、信頼性のあるエンドポイントの指標ではない。ほとんどの従来技術に係る発光分光分析(OES)エッチングエンドポイントシステムは、エンドポイント検出のために単一の主成分T1を利用する。
前述の記載から、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素Tiの時間発展値を用いてエンドポイント検出をさらに改善する必要があることがわかる。本願発明者等は、複数の主成分を関数式f(Ti)にまとめることで、良好かつ信頼性のあるエンドポイント検出となり得ることを発見した。具体的には本願発明者等は、（主成分の最小値の2倍をシフトした距離として用いることによって）シフトした主成分を含む時間発展関数式−つまりf(Ti)=(T2-2min(T2))2/(T3-2min(T3))2 （式2）―が、エッチング条件−たとえば図4A-図4Dのような条件−が用いられる−つまり開口比の低い構造がエッチングされる−ときのエッチングエンドポイント検出にとって特に有用となり得ることを発見した。複数の主成分Tiを含む時間発展信号f(Ti)は以降、トレンド変数と呼ばれる。（式2）を検討することで、一旦主成分Tiが計算されて、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素Tiの取得された最小値min(Ti)が利用されると、トレンド変数f(Ti)はその場ですぐに効率的な−リアルタイムでの−評価が可能となることが示される。この計算は、フローチャート300の工程345で行われる。
工程350では、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の各時間発展要素Tiは、トレンド変数傾斜データを用いることによってエンドポイント検出をさらに容易にするように微分されて良い。
図5は、図4A-図4Dの主成分T1〜T4が得られた同一のエッチングプロセスについての（式2）のトレンド変数の時間発展を示している。微分されたトレンド変数f(Ti)が各エッチングエンドポイントで通る、深いために容易に識別可能な最小値510のため、（式2）の関数式f(Ti)が単一の主成分Tiにわたって好適であることが、グラフから非常に明確である。
本願発明等はまた、トレンド変数f(Ti)の他の関数式−たとえばT2/T3、(T2/T3)2、(T2-2min(T2))/(T3-2min(T3))等−がそれほど挑戦的ではない条件でもうまく用いることができることも発見した。これらの関数式のほとんどは、従来技術において行われているように主成分を単独で用いるのとは対照的に、主成分の比を含み、かつ、変化するシフト距離を利用することで主成分値をゼロに近づけて良い。従って主成分の比は、容易なエンドポイント検出のために増大されて良い。
ここで時間発展トレンド変数f(Ti)が計算され、プラズマエッチング処理システム10の制御装置55は、工程355において、エンドポイントに到達したのか否かの判断を行う必要がある。エンドポイントに到達した場合、エッチングプロセスは工程360で終了し、エンドポイントに到達しない場合、エッチングプロセスは続けられ、フローチャート300の工程330〜355でエッチングエンドポイントが引き続きモニタリングされる。
当業者は、上記の教示を考慮すれば多くの修正型や変化型が可能であることを理解する。当業者は、図示された様々な構成要素の様々な均等な組み合わせ及び置換を理解する。従って本発明の技術的範囲は、この発明の詳細によって限定されるのではなく、本願に添付された特許請求の範囲の記載によって限定されることが意図される。
Claims (19)
- エッチングプロセスエンドポイントデータの決定方法であって：
プラズマエッチング処理装置内でk回のプラズマエッチングプロセスの一連の作業(run)を実行する工程であって、kは0よりも大きな整数で、前記k回のプラズマエッチングプロセスの一連の作業を実行する各工程は：
前記プラズマエッチング処理装置へ被処理基板を搬入する工程であって、前記プラズマエッチング処理装置は、各々が各異なる光の波長に対応するm個の画素を含む検出器を有する分光計を備える、工程；
前記プラズマエッチング処理装置内でプラズマを点火する工程；
k回のプラズマエッチングプロセスの一連の作業のうちの各一連の作業中に等しい時間間隔でサンプリングされたn個の発光分光分析(OES)データの組を収集する工程であって、前記n個の発光分光分析(OES)データの各組は、前記分光計のm個の画素に対応するmの画素強度を含む、工程；
k回のプラズマエッチングプロセスの一連の作業の各々についてn×m発光分光分析(OES)データ行列[X]を生成する工程であって、各時間のサンプルは前記発光分光分析(OES)データ行列[X]の行を占め、前記発光分光分析(OES)データ行列[X]の列は前記分光計の画素に対応する、工程；
を有する工程；
n×m平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgを計算する工程であって、前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgの各要素は、前記k回のプラズマエッチングプロセスの一連の作業についての発光分光分析(OES)データ行列[X]の要素の平均として計算される、工程；
前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgからノイズをフィルタリングする工程；
プラズマ立ち上がり中とエッチングプロセスのエンドポイント以降の期間に取得される発光分光分析(OES)データを除去するように前記発光分光分析(OES)データ行列[X]の各々を切り縮める(truncating)工程；
プラズマ立ち上がり中とエッチングプロセスのエンドポイント以降の期間に取得される平均化された発光分光分析(OES)データを除去するように前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgを切り縮める工程；
n×m平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を計算する工程であって、前記平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]の各列の各要素は、前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgの列にわたる前記平均発光分光分析(OES)データ行列[X]avgのnの画素強度の各々の平均として計算される、工程；
前記発光分光分析(OES)データ行列[X]から前記平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を減じることで前記発光分光分析(OES)データの平均を除く工程、及び、前記の平均が除かれて規格化されていない減じられた結果に主成分解析[T]=([X][i]-[Savg])[P]を実行することで、被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]と主成分重みベクトル[P]を得る工程；
以降でエッチングプロセスのエンドポイントのその場で決定するのに用いられるために前記平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を記憶する工程；
以降でエッチングプロセスのエンドポイントのその場で決定するのに用いられるために前記主成分重みベクトル[P]を記憶する工程；
を有する方法。 - 前記ノイズをフィルタリングする工程が移動型平均フィルタを適用する工程を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記ノイズをフィルタリングする工程が、前記プラズマエッチング処理装置に固有な特徴を有するフィルタを適用する工程を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記エッチングプロセスのエンドポイントをその場決定するため、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素を含む関数式f(Ti)をトレンド変数として選択する工程をさらに有する、請求項1に記載の方法。
- 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の単一要素である、請求項4に記載の方法。
- 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の2つの要素の比を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの要素の時間発展を計算する工程；
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの要素の計算された時間発展から、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの最小値min(Ti)を決定する工程；
以降で前記エッチングプロセスのエンドポイントをその場決定するのに用いるため、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素の少なくとも1つの決定された最小値min(Ti)を記憶する工程；
をさらに有する、請求項4に記載の方法。 - 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素で、
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の同一の要素の最小値min(Ti)の2倍が前記要素から減じられた、
請求項7に記載の方法。 - 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の2つの要素の比を含み、
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素の各々の最小値min(Ti)の2倍が、前記比を計算する前に、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]のそれぞれの要素から減じられた、
請求項5に記載の方法。 - 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の第2要素と第3要素を含み、かつ、f(Ti)=(T2-2min(T2))2/(T3-2min(T3))2である、請求項9に記載の方法。
- エッチングプロセスエンドポイントデータのその場決定方法であって：
これまでに計算及び記憶された平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を供する工程；
これまでに計算及び記憶された主成分重みベクトル[P]を供する工程；
プラズマエッチング処理装置へ基板を搬入する工程；
前記プラズマエッチング処理装置内でプラズマを点火することでエッチングプロセスを開始する工程；
前記エッチングプロセス中に所定の時間間隔で前記プラズマエッチング処理装置の分光計から発光分光分析(OES)データの組を取得する工程；
各取得された発光分光分析(OES)データの組から前記これまでに計算及び記憶された平均発光分光分析(OES)データ行列[Savg]を減じることで、各取得された発光分光分析(OES)データの組の平均を除去する工程；
前記のこれまでに供された主成分重みベクトル[P]を用いて被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの要素を計算することによって、各取得され、平均が除去され、かつ、規格化されていない発光分光分析(OES)データの組を、被変換発光分光分析(OES)データへ変換する工程；
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の前記の計算された少なくとも1つの要素からさらにトレンド変数f(Ti)を計算する工程；
前記エッチングプロセス中に前記のトレンド変数f(Ti)の計算された値から前記エッチングプロセスのエンドポイントをその場で検出する工程；
を有する方法。 - エンドポイント検出の際に前記エッチングプロセスを中止する工程をさらに有する、請求項11に記載の方法。
- 前記トレンド変数f(Ti)の関数式が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の計算された単一要素である、請求項11に記載の方法。
- 前記トレンド変数f(Ti)の関数式が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の2つの計算された要素の比を含む、請求項11に記載の方法。
- 前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の少なくとも1つの要素のこれまでに計算及び記憶された最小値min(Ti)を供する工程をさらに有する、請求項11に記載の方法。
- 前記トレンド変数の関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素で、
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の同一の要素の最小値min(Ti)の2倍が前記要素から減じられた、
請求項15に記載の方法。 - 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の2つの要素の比であり、
前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の要素の各々の最小値min(Ti)の2倍が、前記比を計算する前に、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]のそれぞれの要素から減じられた、
請求項15に記載の方法。 - 前記トレンド変数の選択された関数式f(Ti)が、前記被変換発光分光分析(OES)データベクトル[T]の第2要素と第3要素を含み、かつ、f(Ti)=(T2-2min(T2))2/(T3-2min(T3))2である、請求項17に記載の方法。
- 前記エッチングプロセスのエンドポイントを検出する工程が、前記エッチングプロセス中に前記トレンド変数f(Ti)の微分を評価する工程、及び、前記の微分されたトレンド変数f(Ti)から前記エッチングプロセスのエンドポイントを検出する工程を有する、請求項11に記載の方法。
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