JP6085079B2 - パターン形成方法、処理容器内の部材の温度制御方法、及び基板処理システム - Google Patents
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Description
本願に係る判定装置(測定装置)は、プラズマ処理装置がウエハ(基板)上の膜をエッチングすることにより形成したパターン(エッチングパターン)の面内均一性を測定する。ここでのパターンの面内均一性は、例えばパターンの寸法(CD:Critical Dimension)又は形状に関する面内均一性である。判定装置は、測定したパターンの面内均一性が所定の閾値を超えた場合、プラズマ処理装置が有するフォーカスリングの交換時期を判定する。
なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
分光エリプソメータ(判定装置、測定装置)は、プラズマ処理装置内部又はプラズマ処理装置外部に設けられる。実施の形態1では、プラズマ処理装置の外部に分光エリプソメータを設ける例を説明する。分光エリプソメータには回転検光子型、回転補償子型、位相変調器型等があり、いずれの型の分光エリプソメータが利用されてもよい。以下では、位相変調器型を例に挙げる。
分光エリプソメータ1は、キセノンランプ11、光照射器12、ステージ13、光取得器14、分光器(測定手段)15、データ取込機16、モータ制御機17及びコンピュータ18を含む。分光エリプソメータ1は、ステージ13上に載置されたウエハW上のパターンの寸法及び形状を計測する。パターンは、フォトレジストをマスクとして、ウエハW上に成膜された膜をエッチングすることにより形成されている。
なお、ウエハWの直上には、シリコン酸化膜(SiO2 )等が積層されていてもよい。さらに、当該シリコン酸化膜の上側にアモルファスシリコン膜、ポリシリコン膜又はシリコン窒化膜(Si3 N4 )等が積層されていてもよい。
分光エリプソメータ1は、測定解析系の部分として、キセノンランプ11及び光照射器12を、第1光ファイバケーブル1aで接続する。分光エリプソメータ1は、ステージ13上に載置したウエハWへ偏光した状態の光を照射するとともに、ウエハWで反射した光を光取得器14で取り込む。光取得器14は、第2光ファイバケーブル1bを介して分光器15に接続されている。分光器15は、波長毎に測定を行い、測定結果をアナログ信号としてデータ取込機16へ伝送する。データ取込機16は、アナログ信号を所要値に変換してコンピュータ18へ伝送する。コンピュータ18はパターンの解析を行う。
なお、本実施の形態においては、ステージ13をx軸方向及びy軸方向に動かす例を挙げて説明するが、これに限るものではない。例えば、ステージ13を固定し、光照射器12及び光取得器14を動かし、照射位置をx軸方向及びy軸方向に移動させるようにしてもよい。その他、ステージ13と、光照射器12及び光取得器14との双方を、x軸方向及びy軸方向に移動させるようにしてもよい。
Rp/Rs=tanΨ・exp(i・Δ)・・・(1)
ただし、iは虚数単位である(以下同様)。また、Rp/Rsは偏光変化量ρという。
記憶部185は、その他、ライブラリ1L、閾値及びプログラム1Pを記憶する。ライブラリ1Lは、パターンの寸法及び形状等のパラメータに基づいて予め算出された各波長における振幅比Ψ及び位相差Δを記憶したファイルである。コンピュータ18は、データ取込機16で得られた偏光状態の振幅比Ψ及び位相差Δと、ライブラリ1Lに記憶されたモデルの振幅比Ψ及び位相差Δとをフィッティングし、モデルの振幅比Ψ及び位相差Δに対応するパターンの寸法及び形状を特定する。
プラズマ装置によりエッチングされたウエハWを分光エリプソメータ1のステージ13に載置する。ウエハWの直径は、例えば300mmである。パターンを構成する膜は、例えば有機膜である。有機膜は、多層であってもよく、一部の層は例えばSiを含んでいてもよい。
なお、測定に係る波長の範囲は、例えば250nm〜750nmである。
ある正方形領域での測定が終了した場合、分光エリプソメータ1はモータ制御機17の制御により、ステージ13をx軸方向又はy軸方向に移動し、直線偏光が照射される測定箇所を隣の正方形領域に変更する。図2における矢印のように、測定箇所は例えばx軸方向に変更される。測定箇所がウエハWの縁又はウエハWの外部まで達した場合、ステージ13をy軸方向に1正方形分だけ移動した後、測定箇所は再びウエハWの一端から他端までx軸方向に1正方形単位で変更される。
なお、測定箇所である正方形領域の略中央部がウエハWの外部(図2の×)に変更された場合、測定は行われない。また、測定箇所がウエハWの縁近傍になる場合(例えば、ウエハWの縁から中心方向へ向かって1〜2mmまでの領域)、測定は行われないか又は当該測定値は採用されない。
TCD、BCD及びHeightから線の側壁角であるSWA(side wall angle)が算出される。SWAの値をθとした場合、θは次の数式(2)で示される。
図4は、パターンの線幅に関する測定結果の一例を示す説明図である。図4Aは、使用時間が10時間未満であるフォーカスリングを用いてエッチングされたパターンの線幅に関する測定結果を示している。図4Bは、使用時間が550時間であるフォーカスリングを用いてエッチングされたパターンの線幅に関する測定結果を示している。フォーカスリングの高さは、図4Aの場合、4.0mmであり、図4Bの場合、3.1mmであった。
図4A及び図4Bの横軸は、ウエハW上の測定位置を示し、単位はmmである。図4A及び図4Bの横軸の0mmは、ウエハWの中心である。ウエハWの半径に依存して中心からウエハWの縁までの各位置が数値で示されている。ここでのウエハWの半径は150mmである。
図5A及び図5Bを比較した場合、フォーカスリングの使用時間が10時間未満であるとき、SWAはウエハWの位置に関係なく、ほぼ一定である。他方、フォーカスリングの使用時間が550時間である場合、SWAの面内均一性は低くなっている。ウエハWの縁から中心へ向かって10mm〜30mmまでの領域では、縁側へ向かってSWAは小さくなり、準テーパの方向に変化する。しかし、最外周の縁部では、SWAは内側より大きくなり、逆テーパの方向へ変化する。
図6A及び図6Bを比較した場合、フォーカスリングの使用時間が10時間未満であるとき、HeightはウエハWの位置によって多少ばらついているが、面内均一性が低いとまでいえない。他方、フォーカスリングの使用時間が550時間である場合、Heightの面内均一性は低くなっている。ウエハWの中心から縁へ向かってHeightは小さくなる傾向がある。また、縁から中心へ向かって30mmまでの領域では、Heightのばらつきが他の領域に比べて大きい。
また、フォーカスリングの交換条件として、ウエハWの縁から中心へ向かって約50mmまでの領域におけるSWAのばらつきが例えば0.15度より大きくなった場合が挙げられる。さらに、フォーカスリングの交換条件として、ウエハWの縁から中心へ向かって約50mmまでの領域におけるHeightのばらつきが例えば6nmより大きくなった場合が挙げられる。
フォーカスリングの交換を判定するためのパターンの測定領域は、より好ましくは、ウエハWの縁から中心へ向かって約10mm〜30mmの領域である。
CPU181は、算出したばらつきを予め記憶部185に記憶された閾値と比較する。CPU181は、算出したばらつきが閾値より大きい場合、フォーカスリングを交換すべきである旨のメッセージを表示部184に表示する。
CPU181は、記憶部185からTCD、BCD、Height、MCD及びSWAを読み出す(ステップS101)。ステップS101において、エッチング前後のTCD、BCDが記憶部185に記憶されている場合、CPU181はTCD、BCDに関するシフトCDを求めてもよい。あるいは、CPU18はMCDに関するシフトCDを求めてもよい。
また、フォーカスリングの消耗が激しいにも関わらず、交換の基準時間に達していない場合、フォーカスリングは交換されない。かかる場合、エッチング処理後の面内均一性は担保されず、結果として最終製品である半導体デバイスに求められる目標特性は得られなくなる。多くの場合、プラズマ処理装置に設定されるエッチングのレシピは1種類ではなく、複数種類であるため、フォーカスリングの消耗速度は一定ではない。そのため、基準時間によるフォーカスリングの交換には、おのずと限界がある。
しかしながら、CD−SEMでは、ウエハWの法線方向から線幅を測定するため、パターンの断面形状を測定することはできない。また、CD−SEMによる測定精度及び測定時間は、求められるパターンの品質要求及び製造コストに対して十分とはいえない。さらに、CD−SEMによってパターンに照射される電子ビームは、パターンを損傷させてしまう。
図4A及び図4Bと図8A及び図8Bとを比較した場合、分光エリプソメータ1の方がCD−SEMよりもシフトCDの測定精度が格段に高いことがわかる。図8では、パターンのシフトCDのばらつきよりも測定値のばらつきが余りにも大きく、面内のシフトCDの変化が分からない。
図4及び図8より、分光エリプソメータ1がいかにフォーカスリングの交換を判定する能力に優れているかが分かる。また、分光エリプソメータ1はパターンの形状を非破壊で測定することができる。
実施の形態2は、分光エリプソメータ1が測定したパターンの寸法又は形状に基づいて、プラズマ処理装置に備えられたフォーカスリングの温度をフィードバック制御する形態に関する。
処理容器21は、円筒型をなし、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属から構成されている。処理容器21は保安接地されている。
支持台23は、処理容器21の底面からサセプタ22を支持する円筒形部材である。
調温ガス供給部26は、フォーカスリング24を冷却する調温ガスを蓄積する。ここでの調温ガスは、例えばHe(ヘリウム)ガス等の熱伝導性ガスである。調温ガス供給部26には、ガス導入管23aが接続されている。
CPU31は、ヒータ24bによるフォーカスリング24の加熱を制御する。また、CPU31は、ガス導入管23aに設けられた図示しないバルブを制御することにより、フォーカスリング24の冷却を制御する。
フォトレジストが塗布された有機膜を有するウエハWを、図示しない搬送機構によりサセプタ22の上に載置する。ウエハWは、フォーカスリング24に接触、又は乗り上げないように静電チャック25を介してサセプタ22上に載置される。静電チャック25により、ウエハW及びフォーカスリング24は、サセプタ22に吸着される。
高周波電源22aから電圧をサセプタ22に印加した場合、処理ガスは解離し、プラズマとなる。このプラズマによりウエハW上の有機膜はエッチングされ、パターンが形成される。
ここでの閾値は、プラズマ処理装置20のフォーカスリング24の温度制御を行うか否かを判定する基準となる閾値である。この閾値は、実施の形態1における閾値と同じでもよいし、異なっていてもよい。この閾値が実施の形態1と同じ閾値である場合、フォーカスリング24は交換されず、温度に関してフィードバック制御を受けながら使用され続ける。これにより、フォーカスリング24の寿命が伸ばされる。例えば、この閾値が実施の形態1における閾値より小さい場合、フォーカスリング24を交換する必要はなく、低下したパターンの面内均一性を高めるべく、フォーカスリング24の温度がフィードバック制御される。
なお、ばらつきは、データの範囲、分散、標準偏差、不偏分散、平均偏差等、何でもよい。当該閾値を、予め記憶部185に記憶しておく。
上記のために、記憶部35のレシピ1Rに、フォーカスリング24の温度を含むエッチング条件とパターンのばらつきとを対応付けて記憶しておく。例えば、あるばらつきと、そのばらつきを低減させるエッチング条件とを対応付けてレシピ1Rに記憶しておく。
なお、CPU181はパターンのばらつきを表示部184に表示し、ユーザがマニュアル操作でフォーカスリング24の温度を含むエッチング条件をプラズマ処理装置20に設定してもよい。
なお、CPU31が実行するフォーカスリング24の温度制御は、エッチング処理の開始から終了までの間、一定温度に保つものであってもよいし、温度を変化させるものであってもよい。
図12A及び図12Bを比較した場合、フォーカスリング24の温度が低い方がSWAに関する面内均一性は高い。フォーカスリング24の温度がより高い図12Bの場合、ウエハWの縁から中心へ向かって50mmまでの領域において、SWAが他の領域に比べて約0.3度小さくなる。他方、フォーカスリング24の温度がより低い図12Aの場合、SWAの面内均一性が高く、ウエハWの縁から中心へ向かって50mmまでの領域においても、線の側壁は垂直に近い。
図13A及び図13Bを比較した場合、フォーカスリング24の温度の違いによるHeightの面内均一性の差はほとんど認められない。
図11、図12及び図13は一実験例である。エッチング条件には様々な多様性がある。パターンの寸法及び形状のばらつきと、当該ばらつきを小さくするフォーカスリング24の温度及び他のパラメータを含むエッチング条件とを対応付けて、レシピ1Rに記憶しておく。
分光エリプソメータ1のCPU181は、TCD、BCD、MCD、Height及びSWAを記憶部185から読み出す(ステップS201)。CPU181は、TCD、BCD、Height、MCD及びSWAのばらつきを算出し、記憶部185に記憶する(ステップS202)。
例えば、ウエハWの縁領域のBCDが、ウエハWの中心でのBCDに比べて閾値を超えて変化した場合、フォーカスリング24の温度をフィードバック制御してもよい。あるいは、ウエハWの縁領域のSWAが、ウエハWの中心でのSWAに比べて閾値を超えて変化した場合、フォーカスリング24の温度をフィードバック制御してもよい。
エッチングレートは被エッチング対象物の温度に依存するため、ウエハWの温度分布を制御することにより、パターンの面内均一性を高めることができる。なお、フォーカスリング24及びウエハWの温度を同時に制御してもよい。
12 光照射器
14 光取得器
15 分光器(測定手段)
18 コンピュータ
181 CPU(判定手段)
184 表示部
185 記憶部
187 通信部(付与手段)
2 基板処理システム(パターン形成システムシステム)
20 プラズマ処理装置(パターン形成装置)
31 CPU(制御手段)
37 通知部(受付手段)
24 フォーカスリング
W ウエハ
1L ライブラリ
1R レシピ
Claims (4)
- 処理容器内の部材の温度を制御し、前記処理容器内で基板上の膜をエッチングしてパターンを形成するパターン形成方法において、
基板上の膜をエッチングしてパターンを形成する工程と、
前記パターンの複数の位置における形状又は寸法を測定する工程と、
前記測定した前記複数の位置における前記パターンの形状又は寸法に関する数値のばらつきが、前記処理容器内のフォーカスリングの交換の要否を決定するための第1の閾値より小さい第2の閾値より大きい場合、前記フォーカスリングの温度へのフィードバックにより、前記パターンの面内均一性を高めるように前記フォーカスリングの温度を制御する工程と
を備える
ことを特徴とするパターン形成方法。 - 前記パターンの形状に関するデータは該パターンの側壁角度を含み、
前記パターンの寸法に関するデータは該パターンにおける線幅又は線の高さを含む
ことを特徴とする請求項1に記載のパターン形成方法。 - 基板上の膜をエッチングして所定のパターンを形成する際に、該パターンの面内均一性を高めるために該基板の周辺に配置される処理容器内の部材の温度制御方法において、
前記処理容器内の部材の温度を設定する工程と、
前記パターンの複数の位置における形状又は寸法を測定する測定工程と、
前記測定した前記複数の位置における前記パターンの形状又は寸法に関する数値のばらつきが、前記処理容器内のフォーカスリングの交換の要否を決定するための第1の閾値より小さい第2の閾値より大きい場合、前記フォーカスリングの温度へのフィードバックにより、前記パターンの面内均一性を高めるように前記フォーカスリングの温度を制御する工程と
を備える
ことを特徴とする処理容器内の部材の温度制御方法。 - 処理容器内で基板上の膜をエッチングしてパターンを形成する形成手段と、
前記パターンの面内均一性を高めるために前記処理容器内に配置される前記処理容器内の部材と、
前記処理容器内の部材の温度を制御する制御手段と、
前記処理容器に処理ガスを供給する処理ガス供給部と、
前記処理容器内を所定の真空度までに減圧する排気手段と
を備え、
前記処理容器内の部材の温度を制御する制御手段は、
前記パターンの複数の位置における形状又は寸法を測定し、
前記測定した前記複数の位置における前記パターンの形状又は寸法に関する数値のばらつきが、前記処理容器内のフォーカスリングの交換の要否を決定するための第1の閾値より小さい第2の閾値より大きい場合、前記フォーカスリングの温度へのフィードバックにより、前記パターンの面内均一性を高めるように前記フォーカスリングの温度を制御する
ことを特徴とする基板処理システム。
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