JPH11265878A - 残留ガス分析により終点検出を提供する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 過剰エッチングを回避するために、エッチン
グ・プロセスが終了されるべきポイントを正確に決定す
る、終点検出のための方法及び装置を提供することであ
る。 【解決手段】 残留ガス分析により、処理チャンバ内の
ガス（例えばエッチング種、エッチャント、添加ガスな
ど）を分析することにより、モニタされるプロセスが完
了するポイントを決定する。残留ガス分析は更に、処理
プロファイルのパラメータまたは期待される種の欠如に
もとづき、チャンバ内に存在することが予想されない質
量種の検出により、エラー検出にも有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体プロセスに関
して、特に多層半導体構造内に微細なフィーチャを画定
するときのエッチング・プロセスの終点検出に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体プロセスでは、フィーチャを多層
構造内にエッチングすることにより、高精度なフィーチ
ャが画定されなければならない。特に、露出されるべき
下側の材料まで過剰にエッチングすること無しに、多層
構造内の隣接する材料層の接合部において、エッチング
・プロセスを停止する能力がきわめて重要である。エッ
チング・プロセス（例えばプラズマ・プロセスなど）の
時間を調節することが明白な解決策であるが、温度や気
圧などのエッチング・プロセス変数または材料の特性の
僅かな変化が、エッチングが進行するスピードに根本的
に影響し得る。

【０００３】過剰エッチングに対する１つの解決策は、
多層構造内にエッチング停止層を提供することである。
エッチング停止層は、先行する層をエッチングする同一
のプロセスにより容易にエッチングされない材料から成
る。しかしながら、電界効果トランジスタを用いるＣＭ
ＯＳ技術及び他の技術では、構造の最も厳密な層は、導
電ゲート層を下側の導電基板から分離するゲート酸化物
である。この層はスピード性能を直接決定し、エッチン
グ・プロセスに対するその選択性に関する問題点を排除
するように最適化されなければならない。層の厚さは技
術世代の進化と共に薄くなり、２ｎｍの厚さに近づきつ
つあり、ゲート材料が除去されるポイントを越えてエッ
チングするための公差がほとんど残されていない。厳密
度の点で劣る他の構造では、追加のエッチング停止層ま
たはより厚い下層を追加することが可能である。しかし
ながら、これは素子性能に悪影響を及ぼす潜在性の他
に、プロセスの複雑度及びコストを増す欠点がある。

【０００４】多層構造のエッチング・プロセスを停止さ
せるポイントを決定する好適なアプローチは、光学発光
分光法（ＯＥＳ）により、界面に関連付けられるプラズ
マ化学の変化をモニタすることである。別のアプローチ
は、光干渉法によりエッチングされる層の消滅を検出す
ることである。両方の技術からの信号が、プロセスが終
了されるべきポイントを決定するために使用される。し
かしながら、層の厚さの低減が新たな技術により要求さ
れるにつれ、前述のいずれのアプローチも過剰エッチン
グの問題を完全に取り除くには厳密性に欠ける。

【０００５】正確に構造をエッチングする要求に加え、
半導体メーカにとって益々重要となりつつある要求は、
生産性の向上である。生産性に対する阻害要因は、処理
チャンバの調節及び適合化に関する時間である。チャン
バ洗浄ステップ及び調節ステップの終点を最適化する方
法を提供することが望ましい。

【０００６】生産性の別の阻害要因は、前のステップで
不正に処理されたウエハによる１つ以上のチャンバの汚
染であり、これは追加の費用、並びに追加のツール洗浄
のために失われるツール時間を招く。ツールへの影響を
最小化するように、プロセスが終了されるように、こう
したウエハを検出する方法を提供することが望ましい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、過剰エッチングを回避するために、エッチング・プ
ロセスが終了されるべきポイントを正確に決定する、終
点検出のための方法及び装置を提供することである。

【０００８】本発明の別の目的は、追加の材料または構
造の処理の必要性を排除する終点検出のための方法及び
装置を提供することである。

【０００９】更に本発明の別の目的は、特定のフェーズ
のプロセスが継続または終了されるべき時期を正確に決
定する、プロセス・モニタリング方法及びシステムを提
供することである。

【００１０】更に本発明の別の目的は、チャンバ洗浄及
び調節のために、終点検出を最適化する方法を提供する
ことである。

【００１１】更に本発明の別の目的は、プロセスが開始
される以前に、処理チャンバ内の潜在的な汚染ウエハの
存在を検出するために使用され得る技術を提供すること
である。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のこれらの及び他
の目的が、残留ガス分析を用いて、処理チャンバ内のガ
ス（例えばエッチング種、エッチャント、添加ガスな
ど）を分析することにより、モニタされるプロセスが完
了するポイントを決定することにより実現される。残留
ガス分析は更に、処理プロファイルのパラメータまたは
期待される種の欠如にもとづき、チャンバ内に存在する
ことが予想されない質量種の検出によりエラー検出にも
有効である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の残留ガス分析装置（ＲＧ
Ａ）終点システムが図１に示される。ＲＧＡプロセス・
モニタリング・システムは、質量分析計１１、真空バル
ブＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃それぞれ２、３、４、リアル・タイム
校正用の独立型ガス・ユニット５、制御バルブＶ₄の
６、及びＲＧＡ制御ユニット７を含む。ＲＧＡ制御ユニ
ット７は、少なくとも１つの制御プロセッサと、高速デ
ータ獲得、データ分析コマンド及びプロセス制御コマン
ドの生成のための関連ソフトウェアとを含む。ＲＧＡ装
置は処理チャンバ８または排気口１０に装着される。幾
分非現実的ではあるが、ＲＧＡのイオン化装置（図示せ
ず）をチャンバ自身内に設けることも可能である。図示
のように、チャンバ上のＲＧＡ装着ポートは、ウエハ・
チャック及び排気口の近くに位置するように選択され、
その構成は検出感度を向上させる。実際には、潜在的な
装置故障のための冗長性の提供、並びに定義された質量
範囲に渡る非常に多くの異なるガスのモニタリングのた
めに、１チャンバ当たり２つ以上のＲＧＡを使用するこ
とが望ましい。

【００１４】図示のシステム内の全てのバルブは、シス
テムの制御ユニット７により自動的に制御され、制御ユ
ニット７はＲＧＡフィラメントを保護するために、ＲＧ
Ａ内の総残留ガス圧を動的に制御し、圧力測定範囲を増
加し、システムのサービス性を容易にする。装置は１０
^-7トル乃至１トルの広い範囲の圧力の下で動作可能であ
り、また装置の圧力範囲が毛管式ステージャまたは差動
ポンプ式ステージャを用いて、より高い圧力に拡張され
得る。装置は、フッ素、塩素及び臭素を含むハロゲン・
ガス・プラズマなどの、非腐食性または腐食性のガスと
共に使用され得る。本発明は特に、ＣＭＯＳプロセスの
ためのポリシリコン・ゲート・スタックのプラズマ処理
に関連して述べられるが、当業者であれば、関連材料、
プロセス及び構造への本発明の拡張性が容易に理解でき
よう。

【００１５】電気加熱ブランケットまたはラップなどの
加熱装置（図示せず）が、最初に質量分析計システム
を、例えば１００℃乃至３００℃の高温にベーキングす
るために使用され、それによりバックグラウンド残留ガ
ス圧を低減し、また質量分析計の内壁表面に吸収される
種及び関連成分を最小化する。加熱装置は更に、質量分
析計の動作中、温度を例えば８０℃乃至８５℃に維持す
るために使用され、それにより質量分析計の内壁表面に
おけるガス種の吸収を阻止または低減し、結果的に検出
分解能及び感度を向上させる。

【００１６】制御ユニットに関連付けられる、または組
み込まれる独立のプログラマブル制御装置（ＰＬＣ）
（図示せず）が、処理チャンバとＲＧＡ間の全体操作に
関する柔軟な制御を提供する。特に、処置チャンバ内で
ＲＧＡを極度な圧力から保護するように（例えばバルブ
の作動により圧力が上昇するとき、ＲＧＡをチャンバか
ら分離する）、及びＲＧＡ上でプロセス・ツールを真空
故障から保護するように、更にモニタされるツールのス
テータス行が状態を変えるとき、プロセス・ステージに
関するメッセージをＲＧＡに中継するように、ＰＬＣを
プログラムすることが最適である。プログラマブル制御
装置を提供することにより、ユニットが様々なツール及
び様々なプロセスの特質に個別に適合化され、製造環境
において必要な信頼性レベルを達成することができる。

【００１７】ＰＬＣはＲＧＡ制御プログラムからコマン
ドを受信し、バルブ調整及びツール操作の異なる状態に
関連付けられる定義された状態間を遷移するようにプロ
グラムされる。この能力により、適切な保護レベルを維
持しながら、異なるサンプリング条件を実現することが
可能である。こうした情報が、ＲＳ２３２接続などの好
適な通信路を介して伝達される。

【００１８】更に、ＰＬＣは自身が制御するバルブ調整
の状態、またはツールから受信されるステータス入力の
状態を中継し、それらを好適な通信路を介して、ＲＧＡ
制御装置に状況パケットとして提供する。ツール・ステ
ータスは多くの理由から、プロセス・モニタリングにと
って極めて重要である。終点検出のためにＲＧＡ信号を
解釈するアルゴリズムを開発及び呼び出すとき、アルゴ
リズムを特定のプロセス・ステップと厳密に同調させる
ことが重要である。多重ステップ・プロセスでは、アル
ゴリズムを呼び出す時期を決定することが、しばしば困
難または不可能である。なぜなら、プロセスにおいて不
適切な時期に呼び出すと、誤った結果を提供することに
なるからである。例えば、ポリシリコン・エッチング終
点アプリケーションでは、豊富なＳｉＢｒが存在する、
初期のエッチング・ステップの間に終点アルゴリズムが
呼び出されると、システムはＳｉＢｒレベルまたはＳｉ
Ｂｒ信号の時間プロファイルのフィーチャを、下側の酸
化物層の割れ目を示すものと誤って解釈する。従って、
チャンバ内のプロセス・ステップをＲＧＡ分析と同調さ
せることにより、信号データの誤った解釈が回避され
る。

【００１９】ＲＧＡ制御ソフトウェアが、続くプロセス
・フローのステージだけでなく、チャンバ内でのプロセ
スの間に使用または生成される材料及び環境を知らさせ
るように保証することが必要である。必要な質量種がモ
ニタされ、適切なアルゴリズムが使用されることを保証
するために、ツールにおいて実施されるプロセスの"レ
シピ（recipe）"が、好適にはＲＧＡ制御ユニットに中
継される。このようにＲＧＡは、プロセスの間にチャン
バ内に存在すべきでない材料や、例えばウエハ上の残留
フォトレジストの存在などの、エラー状況を示す材料の
存在、及び不要な周囲ガスの存在などを検出するように
装備される。

【００２０】プロセスからのガス種をモニタするとき、
または気体不純物をモニタするときの別のエラー要因
は、ツールの正規の操作がしばしば、短い期間、干渉信
号を生じることである。干渉信号は、信号データの誤っ
た解釈や、モニタリング・アルゴリズムを妨害する人為
結果を生じ得る。ツールから得られる信号は、無関係な
信号を除去し、所望の情報を含むフィルタリングされた
信号を生成するために、ＲＧＡモニタリング・プログラ
ムにより使用され得る。

【００２１】ＰＬＣは独立の制御装置であるので、サン
プリング・バルブの状態を変化させるなど、しばしば保
護動作を実行する。ＲＧＡモニタリング・プログラム
は、ＲＧＡツーリングと一緒に、或いは（図示のよう
に）制御ユニット内に配置されて、変化を認識し、適切
なルーチンを呼び出すことにより、正規の操作を再度確
立したり、プロセス・ツールにそれがもはやＲＧＡの制
御下にないことを知らせなければならない。同様に、Ｒ
ＧＡプログラムは、終点条件または無制御状況を検出す
るとき、コマンドをＰＬＣに送信し、電気的手段または
他の手段により、ＰＬＣにツール操作を禁止させ得る。
最後に、ＰＬＣは制御プログラムからの信号またはメッ
セージをモニタし、それが作動状態か否かを判断でき
る。作動状態でない場合、ＰＬＣはプロセスがＲＧＡに
よりモニタされていないことを示す警報を伝える。

【００２２】ＲＧＡ信号は、モニタされるガスの濃度を
反映するトレースまたは曲線を提供する。ＲＧＡ信号を
受信し、信号を解釈するためのアルゴリズムを呼び出
し、モニタされるプロセス条件の変化を示す信号の変化
に反応することが、個別化すなわちカスタマイズ化され
たＲＧＡ制御ソフトウェアの役割である。例えばこうし
た信号は、ポリシリコン・エッチングが完了し、酸化物
エッチングがまだ開始していないポイントを示す。この
時、制御ユニットが、プロセスの停止につながるステッ
プを実行することにより応答する。

【００２３】ＲＧＡ装置または制御ユニットは、更にＲ
ＧＡスペクトル・トレースまたはスペクトル情報を有す
るＰＬＣステータス・ストリングを記憶する記憶手段を
提供され得る。こうした情報は、プロセスまたはツーリ
ングの状況の評価以外に、モニタリング・プロセスを微
調整するために有用である。当業者には明らかなよう
に、更に記憶能力を最大化するために、信号情報を圧縮
する手段を提供することが望ましい。

【００２４】図２は、本発明に従う代表的なプロセス・
フローを示す。当業者であれば、本プロセスを表す基本
機能から逸脱することなく、多くのプロセス・フロー・
ステップが増補され、結合され、或いは変更され得るこ
とが理解できよう。ＲＧＡ制御プログラムは一般に、遊
休状態において、プロセスが開始したことの指示を待機
する。こうした指示は、例えばキー押下などの手動操作
に基づいて、または"プロセス・ガス・バルブのオープ
ン"などのツール上の構成要素によって発生される信号
に基づいて、あるいはＬＡＮまたは他の通信形態を介し
て工場制御システムから受信されるメッセージに基づい
て、得られる。一旦予備ステップとして開始されると、
ＲＧＡプログラムがＰＬＣに、校正用ガスの容器に通じ
るバルブを開き、ガスのスペクトルを獲得するように指
令する。ガスの分析は、ＲＧＡの適切な操作を保証し、
その感度を校正する役割をする。ＲＧＡソフトウェアが
問題を検出すると、それは矯正操作を試みる。矯正操作
が可能でない場合、ＲＧＡソフトウェアは自身が機能不
能であることを知らせ、遊休状態に戻る。ＲＧＡ機能が
プロセスにとって極めて重要な場合、ツールはプロセス
の開始を阻止される。

【００２５】ＲＧＡシステムが良好に機能している場
合、ＲＧＡはＰＬＣに、ツールに通じるバルブの１つを
開き、プロセス・ガスをサンプリングするように指令す
る（ステップ２０１）。ステップ２０２で、ＰＬＣがバ
ルブのオープンを許可しない場合（例えば、圧力がＲＧ
Ａが安全にサンプリングできるレベルを越える場合な
ど）、ＲＧＡプログラムはＰＬＣがバルブのオープンを
許可するまで待機する。正規の操作ではバルブが開か
れ、ＲＧＡがガスのスペクトルを測定する（ステップ２
０３）。図示の代表的なプロセス・フローでは、次にス
テップ２０４で、モニタされたスペクトルが、当業者に
は周知の信号処理アルゴリズムを用いて分析され（例え
ば、エッチング生成物のイオン化部分の信号を調査し、
それが最小値に達したか否かを確認することによる）、
プロセスの特定のステージを示すチャンバ内の条件を検
出する。検出条件が存在する場合（例えば信号が最小値
に達した場合）、それがステップ２０５で判断され、情
報がＰＬＣまたは通信ポートを介してツールに中継され
る（ステップ２０６）。その情報の受信に応答して、ツ
ールはステップ２０７で応答ルーチンに入る（例えば、
終点が示された場合、プロセスを終了する）。ＲＧＡは
モニタされるプロセスが完了するまで、走査情報の収集
を継続する。

【００２６】適切な待機期間の後、もはやプロセスが指
示されないか、ツールがプロセスの完了を示すメッセー
ジを伝える場合、ＲＧＡプログラムは最終フェーズ（図
示せず）に入り、ＲＧＡシステムの適切な性能を保証す
るための追加のＲＧＡ特有の診断情報を収集する。ＲＧ
Ａプログラムは次に、ツール及び丁度完了したプロセス
の総合性能を決定するために獲得されたデータの事後分
析を実行し、理想的には事後分析または問題解決のため
に、この情報をプロセス・データの概要または全データ
・セットと一緒に、データベースまたは統計的プロセス
制御システムに送信し、これらがデータ貯蔵部に記憶さ
れる。

【００２７】図３は、塩素及び臭素ベースのプラズマを
用いて、５ｎｍの酸化物を有するポリシリコン全面付着
ウエハをエッチングする間に、選択的にモニタリングさ
れた幾つかの質量種のサンプル・トレースを示す。図示
のように、ＲＧＡはプラズマ内の様々な質量種の濃度を
検出及びモニタすることができる。それらには例えば、
Ｃｌ（例えば１２で示される７０ＡＭＵ（ＡＭＵは原子
質量単位を表す））などの供給ガスまたは供給ガスによ
り運搬されるエッチャントのクラッキング（分解）パタ
ーンの追跡や、例えばシリコンのエッチングの間に生成
されるＳｉＣｌ（例えば１３で示される６３ＡＭＵ）ま
たはＳｉＢｒ（例えば１４で示される１０７ＡＭＵ）な
どの、エッチングの間に生成されるエッチング種の検出
や、ＳｉＯまたはＣＯ₂（例えば１５で示される４４Ａ
ＭＵ）の検出や、または壁衝突反応から生成される種
（例えばＨＣｌ（図示せず））などの、エッチングのた
めに使用される反応性プラズマからの副産物の検出が含
まれる。

【００２８】光学的終点検出に勝るＲＧＡの重要な利点
の１つは、終点検出のためにモニタされるガスの特定の
質量数を識別する上で、曖昧性がめったにないことであ
る。図３に示されるトレースからわかるように、ＲＧＡ
終点はエッチングの間に何が起こっているかに関する正
確な情報を含む。終点アプリケーションでは、エッチン
グ生成物またはエッチャントの種の選択を、当初は質量
スペクトル内で非常に低いバックグラウンドを有し、エ
ッチングが発生するとき、ピーク強度において大きな増
加（理想的には少なくとも２桁乃至３桁の大きさ）を示
すように最適に選択する。

【００２９】エッチャント種の変化の分析もエッチング
の終点の検出に役立つが、エッチング生成物種がモニタ
リングのための好適な選択であることが判明した。例え
ば、臭素ベースのプラズマ内でのポリシリコンのエッチ
ングの間、ＳｉＢｒエッチング生成物に相当する質量数
１０７ＡＭＵが、当初は１０^-12Ａ程度の非常に低いバ
ックグラウンドを有するが、Ｓｉエッチングの間に１０
^-8Ａのレベルのピーク強度の大きな増加を示し、Ｓｉエ
ッチングが停止するや否や、図３の１４で示されるよう
に、急速に初期のバックグラウンド・レベルに戻る。Ｒ
ＧＡはＳｉＢｒ強度の１％の変化を容易に検出でき、こ
れはＳｉエッチングの状況を直接反映する。ＳｉＣｌは
１３で示されるように、塩素ベースのプラズマ内で類似
に振る舞う。エッチャント、添加ガス、及びマスクや下
側にある材料のエッチング生成物（例えばＳｉＯ、４４
ＡＭＵ）などの他の種は、遥かに小さな強度の変化を示
した。ＳｉＯの検出のためのＲＧＡ分析は、エッチング
生成物種ＲＧＡほど終点検出のために有効ではないが、
それでもこうした分析は終点検出を可能にする結果を生
成し得る。このアプローチは、強度が通常非常に低い質
量において、分子断片（フラグメント）を生じる材料を
下層が含む場合（例えば下層ＴｉＮにおいて８６ＡＭＵ
のＴｉＦ₂＋）、特に好適である。

【００３０】モニタされる特定の同位体または分子断
片、及びエッチング・プロセスの間のその振舞いによ
り、モニタリングの間に干渉が生じ得る。従って、異な
る同位体または分子断片が直ちにモニタされ、干渉にも
とづく誤った検出を回避したり、信号対雑音比を向上さ
せることができる。操作に際して、ＲＧＡ終点システム
による正確で高速の高感度の終点検出は、高速ＲＧＡ測
定と共に、モニタされる種の注意深い選択を要求する。
ＲＧＡ測定応答時間は、エッチング条件に応じて変化す
る。例えば、厚い下側の酸化物層を有するポリシリコン
全面付着ウエハの、臭素ベースのプラズマ内でのエッチ
ングの間のＲＧＡ信号の時間応答が図４に示される。図
４のフロー・オフ応答曲線１６は、ＲＦパワーが遮断さ
れ、供給ガスＨＢｒ用のバルブが閉じられたときの時間
応答を示す。モニタされるエッチング生成物ＳｉＢｒ
は、３秒以内に１０^-12Ａの初期レベルまで減少する。
ＲＦパワーだけがオフで、ＨＢｒが一定圧力で流れてい
る時には、図４のフロー・オン応答曲線１７で示される
ように、ＳｉＢｒが前の場合とほぼ同じ速度で減少す
る。従って、ＲＧＡ応答時間は約２秒乃至３秒と予測さ
れる。しかしながら、Ｓｉエッチングが継続し、ＳｉＯ
₂内まで過剰エッチングするようになると、ＳｉＢｒは
曲線１８（「ＳｉＯ₂までエッチング」と示されてい
る）で示されるように、３秒以下のＲＧＡ時定数よりも
ゆっくりと減少する（ＲＧＡ信号が約２０秒で１桁減少
する）。ＳｉＢｒの低下速度は、ウエハに渡るＳｉエッ
チング速度の均一性に直接相関付けられる。すなわち、
エッチングの均一性が厳格であるほど、ＳｉＢｒ濃度の
減少は鋭くなる。ＳｉＢｒはＳｉエッチングだけからで
はなくＳｉＯ₂のエッチングからも生成されるが、それ
らのエッチング速度の既知の差を考慮すると前者の成分
が支配的である。従って、前述の実験条件を前提にする
と、ＳｉＢｒの量または濃度はＳｉエッチングの直接測
定となる。

【００３１】図５は、臭素ベースのプラズマを用いるゆ
っくりしたエッチング・ステップから得られた、ＳｉＢ
ｒ（１９で示される１０７ＡＭＵ）のＲＧＡ終点トレー
スを示す。直接比較として、２つのＯＥＳ終点トレース
がウエハ上の異なるポイントから同時に得られ、ＯＥＳ
はゆっくりしたプラズマ・エッチングの間に、４８２ｎ
ｍ波長（もっぱら２０及び２１で示されるＣＯ発光）を
モニタした。エッチングされたサンプルは、２．５ｎｍ
の厚さのゲート酸化物上の２００ｎｍの厚さのポリシリ
コンであった。図５の検査から理解されるように、２．
５ｎｍの酸化物により、光干渉のフリンジ（明暗の縞模
様）がかろうじて検出可能であった。ＯＥＳ終点は、薄
いゲート酸化物がＨＢｒプラズマにより侵されていたと
き、恐らくＣＯ発光の増加を検出したと思われる。しか
しながら、ＯＥＳ終点検出情報は極めてあいまいで、定
性的であり、酸化物のエッチングが開始したときの明白
な指示を提供しない。他方、ＲＧＡトレースは明白な時
間情報を提供する。エッチングがＳｉ／酸化物界面に近
づくと、ポイントＡとポイントＢの間のＳｉＢｒ強度の
初期の低下が、酸化物からのポリシリコンの除去を反映
し、これがポイントＢで完了する。ポイントＢとポイン
トＣの間のＳｉＢｒの上昇は、ゲート酸化物の突破及び
下側のＳｉのエッチングを示し、ゲート酸化物がポイン
トＣまでに完全に失われる。従って理想的には、ゲート
酸化物を保護するために、エッチングはＲＧＡトレース
１９の最小レベルのポイントＢで停止しなければならな
い。ＯＥＳトレースは、Ａ'及びＡ''においてゲート酸
化物の突破の開始を曖昧に示すだけで、酸化物の突破が
完了した時期の明確な指示を提供しない。

【００３２】図５のＲＧＡトレース１９の時間勾配は、
ウエハに渡るエッチング速度の均一性により決定され
る。従って、ポイントＡとＢの間の勾配は、ポリシリコ
ンのエッチングの均一性を示し、ポイントＢとＣの間の
勾配は、ゲート酸化物のエッチングの均一性を反映す
る。集積回路のサイズが減少し（すなわちより小さな垂
直寸法及び水平寸法）、同時に要求回路密度が増加する
につれ（すなわち高密度なトポグラフィ）、２つの材料
の界面におけるエッチング速度及びエッチング均一性が
極めて重要な値となり、単にバルク材料の振舞いから推
測され得ない。例えば、ＲＧＡ終点技術により検出され
るゲート酸化物の初期の速いエッチング（すなわち、ポ
リシリコンとゲート酸化物の界面における、最初の１ｎ
ｍ乃至１．５ｎｍのゲート酸化物の速い除去速度）は、
界面における酸化物上のポリシリコンの選択性が、同一
の２つのバルク材料をエッチングする選択性よりも約５
倍低いことを示す。エッチング均一性は、ＲＧＡ終点技
術によりリアル・タイムにモニタできる、すなわち、ゲ
ート酸化物の突破以前に、全てのポリシリコンが除去さ
れるほどエッチング均一性が十分に良好であるか否かを
示すリアル・タイム標識として、ＲＧＡトレースのポイ
ントＡからポイントＢへの低下の勾配及び値をモニタす
ることができる。ＲＧＡトレースは更に、例えば下側に
ある材料がピンホールを有するか否か、或いは完全に除
去されたか否かなど、ポリシリコン・ゲート・スタック
構造の完全性を評価するリアル・タイム方法を提供す
る。更に、ツールの状態が複数のサンプル／ウエハ間の
勾配の変化から検出され、勾配の変化がツールの老朽化
または不整合を示し得る。

【００３３】図６は、ゲート酸化物が僅かに２ｎｍの厚
さで、ゲート長が１００ｎｍ以下の場合の、ＣＭＯＳ素
子の製造ランの間に獲得されたＲＧＡ及びＯＥＳの両方
の終点トレースを示す。ポリシリコン・エッチング・プ
ロセスは、図６に示されるように、ＳｉＢｒ２２の初期
の立ち下がりＡを生じるＨＢｒ／Ｃｌ₂／Ｏ₂による主エ
ッチング・ステップ（ＭＡＩＮ）と、ＳｉＢｒの立ち上
がり部分Ｂおよび低下部分Ｃを与えるＨＢｒ／Ｏ₂によ
るゆっくりしたエッチング・ステップ（ＳＬＯＷ）とを
含む。エッチングは、ＳｉＢｒが最小点Ｄを通過した
後、上昇し始めたとき停止された。走査電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）検査は、全てのポリシリコンが除去され、酸化物
の突破が観察されなかったことを示した。別のラン（図
示せず）では、ＳｉＢｒの最小点の後、過剰エッチング
が故意に１５秒間実施された。ＳｉＢｒが１５秒の間
に、４分の１の回復から４分の４（すなわち完全な）回
復に達した。続くＳＥＭ検査は、Ｓｉエッチング速度が
より速いウエハのエッジ付近の薄いゲート酸化物の突破
を示した。比較のために、２つの異なるスポットから獲
得された２つのＯＥＳ信号２３及び２４がモニタされ、
それらが図６に示される。ＯＥＳトレースは、薄いゲー
ト酸化物が侵された時期の明白な指示を提供しない。

【００３４】要するに、ＲＧＡをＣＭＯＳ形成（但しこ
れに限られるわけでない）に好適な終点検出手段として
使用可能な、データ取得ソフトウェアを有するＲＧＡ装
置が開発された訳である。ＲＧＡ終点は、１００ｎｍ以
下のゲート長を有する実際のＣＭＯＳ素子により立証さ
れたように、ＣＭＯＳ素子の超薄型ゲート酸化物を保護
する方法を提供する。この終点検出技術は、使用可能な
最小のリソグラフィック・フィーチャ（例えば５０ｎｍ
以下のゲート長）、及びＣＭＯＳ技術の今日の限界にお
けるゲート酸化物の厚さにも拡張可能であることが示さ
れた。本方法は更に、エッチング・チャンバの洗浄をモ
ニタするためにも使用可能で、それによりチャンバの摩
耗及び破損を救い、ガスのコストを節約し、不要な発光
を低減することができる。ＲＧＡ装置及び方法の別の潜
在的なアプリケーションは、例えば残留フォトレジスト
を有するウエハなど、不注意にチャンバ内に挿入された
汚染されたウエハを検出することである。被覆されたウ
エハに対して処理が開始されると、フォトレジストの分
解から生じる異物が、ツール及び続いて処理されるウエ
ハの完全性に悪影響を及ぼす。更に、処理の不正なステ
ージにおけるエッチング・チャンバ内へのガスの導入
や、不正なガスの不注意な導入などの、他のツーリング
・エラーがＲＧＡ装置により検出され、災害を回避する
ための情報が中継され得る。

【００３５】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。

【００３６】（１）関連チャンバ内のプロセスをモニタ
するプロセス・モニタリング装置であって、前記チャン
バ内の少なくとも１つのガスのレベルをモニタし、該レ
ベルに応答する信号を生成する残留ガス分析装置手段
と、前記信号を受信し、該信号にもとづき前記チャンバ
内の状態を判断する制御手段とを含む、装置。 （２）前記残留ガス分析装置が少なくとも１つの質量分
析計と、該質量分析計の出力を解釈する手段とを含む、
前記（１）記載の装置。 （３）前記残留ガス分析装置が、前記チャンバと前記残
留ガス分析装置間のガス・フローを制御する複数のバル
ブを含む、前記（１）記載の装置。 （４）前記制御手段が前記複数のバルブにおけるガス・
フローを制御する手段を含む、前記（３）記載の装置。 （５）前記残留ガス分析装置が、前記複数のバルブの少
なくとも１つにおけるガス・フローを制御する手段を含
む、前記（３）記載の装置。 （６）関連エッチング・チャンバ内のエッチング・プロ
セスをモニタする終点検出装置であって、前記チャンバ
内の少なくとも１つのガスのレベルをモニタし、該レベ
ルに応答する信号を生成する残留ガス分析装置手段と、
前記信号を受信し、該信号にもとづき前記エッチング・
プロセスを終了する制御手段とを含む、装置。 （７）前記残留ガス分析装置が少なくとも１つの質量分
析計と、該質量分析計の出力を解釈する手段とを含む、
前記（６）記載の装置。 （８）前記残留ガス分析装置が、前記信号を生成する少
なくとも１つの質量分析計を含み、前記制御手段が、前
記質量分析計信号を分析するソフトウェアを含む、前記
（６）記載の装置。 （９）前記エッチング・チャンバと前記残留ガス分析装
置間のガス・フローを制御する複数のバルブを含む、前
記（６）記載の装置。 （１０）前記制御手段が前記複数のバルブにおけるガス
・フローを制御する手段を含む、前記（９）記載の装
置。 （１１）前記残留ガス分析装置が、前記複数のバルブの
少なくとも１つにおけるガス・フローを制御する手段を
含む、前記（９）記載の装置。 （１２）処理チャンバ内の状態をモニタする方法であっ
て、前記チャンバ内の少なくとも１つのガスを分析する
ステップと、前記分析されたガスを表す信号を生成する
ステップと、前記信号にもとづき、前記チャンバ内の状
態を判断するステップとを含む、方法。（１３）前記分
析するステップがエッチング・プロセスの間に実行され
る、前記（１２）記載の方法。（１４）前記分析するス
テップがチャンバ洗浄の間に実行される、前記（１２）
記載の方法。 （１５）前記少なくとも１つのガスを分析するステップ
が、前記チャンバ内の残留ガス分析を実行するステップ
を含む、前記（１２）記載の方法。 （１６）エッチング均一性の測定として、前記信号の時
間勾配を分析するステップを含む、前記（１３）記載の
方法。 （１７）エッチング・チャンバ内でエッチング・プロセ
スによりエッチングされる材料の除去を検出する方法で
あって、前記エッチング・チャンバ内の少なくとも１つ
のガスを分析するステップと、前記分析されたガスを表
す信号を生成するステップと、前記信号にもとづき、前
記エッチング・プロセスを終了するステップとを含む、
方法。 （１８）前記少なくとも１つのガスを分析するステップ
が、前記エッチング・チャンバ内の残留ガス分析を実行
するステップを含む、前記（１７）記載の方法。 （１９）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスのための少なくとも１つのエッチャントの残留ガ
ス分析を含む、前記（１８）記載の方法。 （２０）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスにより生成される少なくとも１つのエッチング種
の残留ガス分析を含む、前記（１８）記載の方法。 （２１）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスからの少なくとも１つのエッチング副産物の残留
ガス分析を含む、前記（１８）記載の方法。 （２２）エッチングされる前記材料の下側にある材料を
含み、前記分析するステップが、前記下側にある材料の
残留ガス分析を含む、前記（１８）記載の方法。 （２３）エッチング均一性の測定として、前記信号の時
間勾配を分析するステップを含む、前記（１８）記載の
方法。 （２４）前記終了するステップが、前記信号の少なくと
も１変化を検出し、前記変化の検出にもとづき、前記エ
ッチング・プロセスを終了するステップを含む、前記
（１８）記載の方法。 （２５）エッチング・チャンバ内でエッチング・プロセ
スに晒されるポリシリコン・ゲート構造の完全性を検出
する方法であって、前記エッチング・チャンバ内の少な
くとも１つのガスを分析するステップと、前記分析され
たガスを表す信号を生成するステップと、前記信号にも
とづき、前記エッチング・プロセスの進行を判断するス
テップと、前記エッチング・プロセスの進行を前記構造
の完全性に相関付けるステップとを含む、方法。 （２６）前記少なくとも１つのガスを分析するステップ
が、前記エッチング・チャンバ内の残留ガス分析を実行
するステップを含む、前記（２５）記載の方法。 （２７）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスのための少なくとも１つのエッチャントの残留ガ
ス分析を含む、前記（２６）記載の方法。 （２８）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスにより生成される少なくとも１つのエッチング種
の残留ガス分析を含む、前記（２６）記載の方法。 （２９）前記分析するステップが、前記エッチング・プ
ロセスからの少なくとも１つのエッチング副産物の残留
ガス分析を含む、前記（２６）記載の方法。 （３０）エッチングされる前記材料の下側にある材料を
含み、前記分析するステップが、前記下側にある材料の
残留ガス分析を含む、前記（２６）記載の方法。 （３１）前記終了するステップが、前記信号の少なくと
も１変化を検出し、前記変化の検出にもとづき、前記エ
ッチング・プロセスを終了するステップを含む、前記
（２６）記載の方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】本システムの概略図である。

【図２】本発明に従う代表的なプロセス・フローを示す
図である。

【図３】様々なエッチング生成物、エッチャント及び材
料のモニタリングからのＲＧＡ信号のプロットである。

【図４】様々なプロセス条件の下でのＳｉエッチングの
モニタリングから生じるＲＧＡ信号の比較を示す図であ
る。

【図５】１エッチング・サイクルの間に獲得されるＲＧ
Ａ信号とＯＥＳ信号との比較を示す図である。

【図６】２．２ｎｍのゲート酸化物を有するパターニン
グされたＳｉウエハのエッチングの間の、ＲＧＡ信号及
びＯＥＳ信号の比較トレースを示す図である。

【符号の説明】

２、３、４、６ バルブ １６ フロー・オフ １７ フロー・オン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハリー・ダグラス・クラーク アメリカ合衆国12589、ニューヨーク州ウ ォールキル、ロッサ・ロード 19 (72)発明者 マイケル・エイ・コブ アメリカ合衆国、ニューヨーク州クロトン −オン−ハドソン、モーニングサイド・ド ライブ 97 (72)発明者 ドリーン・ドミニカ・ディミリア アメリカ合衆国10570、ニューヨーク州プ レザントビル、グレート・オーク・レーン 69 (72)発明者 ヤング・フーン・リー アメリカ合衆国10589、ニューヨーク州ソ マーズ、パルマ・ロード ３ (72)発明者 マーク・リーランド・リース アメリカ合衆国05478、バーモント州セン ト・アルバンズ、メドーブルック・レーン 14 (72)発明者 エドモンド・マリオン・シコルスキ アメリカ合衆国10921、ニューヨーク州フ ロリダ、モリス・ドライブ ６ (72)発明者 イン・ザング アメリカ合衆国10598、ニューヨーク州ヨ ークタウン・ハイツ、ロダー・ロード 180

Claims (31)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】関連チャンバ内のプロセスをモニタするプ
   ロセス・モニタリング装置であって、 前記チャンバ内の少なくとも１つのガスのレベルをモニ
   タし、該レベルに応答する信号を生成する残留ガス分析
   装置手段と、 前記信号を受信し、該信号にもとづき前記チャンバ内の
   状態を判断する制御手段とを含む、装置。
2. 【請求項２】前記残留ガス分析装置が少なくとも１つの
   質量分析計と、該質量分析計の出力を解釈する手段とを
   含む、請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】前記残留ガス分析装置が、前記チャンバと
   前記残留ガス分析装置間のガス・フローを制御する複数
   のバルブを含む、請求項１記載の装置。
4. 【請求項４】前記制御手段が前記複数のバルブにおける
   ガス・フローを制御する手段を含む、請求項３記載の装
   置。
5. 【請求項５】前記残留ガス分析装置が、前記複数のバル
   ブの少なくとも１つにおけるガス・フローを制御する手
   段を含む、請求項３記載の装置。
6. 【請求項６】関連エッチング・チャンバ内のエッチング
   ・プロセスをモニタする終点検出装置であって、 前記チャンバ内の少なくとも１つのガスのレベルをモニ
   タし、該レベルに応答する信号を生成する残留ガス分析
   装置手段と、 前記信号を受信し、該信号にもとづき前記エッチング・
   プロセスを終了する制御手段とを含む、装置。
7. 【請求項７】前記残留ガス分析装置が少なくとも１つの
   質量分析計と、該質量分析計の出力を解釈する手段とを
   含む、請求項６記載の装置。
8. 【請求項８】前記残留ガス分析装置が、前記信号を生成
   する少なくとも１つの質量分析計を含み、前記制御手段
   が、前記質量分析計信号を分析するソフトウェアを含
   む、請求項６記載の装置。
9. 【請求項９】前記エッチング・チャンバと前記残留ガス
   分析装置間のガス・フローを制御する複数のバルブを含
   む、請求項６記載の装置。
10. 【請求項１０】前記制御手段が前記複数のバルブにおけ
    るガス・フローを制御する手段を含む、請求項９記載の
    装置。
11. 【請求項１１】前記残留ガス分析装置が、前記複数のバ
    ルブの少なくとも１つにおけるガス・フローを制御する
    手段を含む、請求項９記載の装置。
12. 【請求項１２】処理チャンバ内の状態をモニタする方法
    であって、 前記チャンバ内の少なくとも１つのガスを分析するステ
    ップと、 前記分析されたガスを表す信号を生成するステップと、 前記信号にもとづき、前記チャンバ内の状態を判断する
    ステップと を含む、方法。
13. 【請求項１３】前記分析するステップがエッチング・プ
    ロセスの間に実行される、請求項１２記載の方法。
14. 【請求項１４】前記分析するステップがチャンバ洗浄の
    間に実行される、請求項１２記載の方法。
15. 【請求項１５】前記少なくとも１つのガスを分析するス
    テップが、前記チャンバ内の残留ガス分析を実行するス
    テップを含む、請求項１２記載の方法。
16. 【請求項１６】エッチング均一性の測定として、前記信
    号の時間勾配を分析するステップを含む、請求項１３記
    載の方法。
17. 【請求項１７】エッチング・チャンバ内でエッチング・
    プロセスによりエッチングされる材料の除去を検出する
    方法であって、 前記エッチング・チャンバ内の少なくとも１つのガスを
    分析するステップと、前記分析されたガスを表す信号を
    生成するステップと、 前記信号にもとづき、前記エッチング・プロセスを終了
    するステップとを含む、方法。
18. 【請求項１８】前記少なくとも１つのガスを分析するス
    テップが、前記エッチング・チャンバ内の残留ガス分析
    を実行するステップを含む、請求項１７記載の方法。
19. 【請求項１９】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスのための少なくとも１つのエッチャントの
    残留ガス分析を含む、請求項１８記載の方法。
20. 【請求項２０】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスにより生成される少なくとも１つのエッチ
    ング種の残留ガス分析を含む、請求項１８記載の方法。
21. 【請求項２１】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスからの少なくとも１つのエッチング副産物
    の残留ガス分析を含む、請求項１８記載の方法。
22. 【請求項２２】エッチングされる前記材料の下側にある
    材料を含み、前記分析するステップが、前記下側にある
    材料の残留ガス分析を含む、請求項１８記載の方法。
23. 【請求項２３】エッチング均一性の測定として、前記信
    号の時間勾配を分析するステップを含む、請求項１８記
    載の方法。
24. 【請求項２４】前記終了するステップが、前記信号の少
    なくとも１変化を検出し、前記変化の検出にもとづき、
    前記エッチング・プロセスを終了するステップを含む、
    請求項１８記載の方法。
25. 【請求項２５】エッチング・チャンバ内でエッチング・
    プロセスに晒されるポリシリコン・ゲート構造の完全性
    を検出する方法であって、 前記エッチング・チャンバ内の少なくとも１つのガスを
    分析するステップと、前記分析されたガスを表す信号を
    生成するステップと、 前記信号にもとづき、前記エッチング・プロセスの進行
    を判断するステップと、 前記エッチング・プロセスの進行を前記構造の完全性に
    相関付けるステップとを含む、方法。
26. 【請求項２６】前記少なくとも１つのガスを分析するス
    テップが、前記エッチング・チャンバ内の残留ガス分析
    を実行するステップを含む、請求項２５記載の方法。
27. 【請求項２７】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスのための少なくとも１つのエッチャントの
    残留ガス分析を含む、請求項２６記載の方法。
28. 【請求項２８】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスにより生成される少なくとも１つのエッチ
    ング種の残留ガス分析を含む、請求項２６記載の方法。
29. 【請求項２９】前記分析するステップが、前記エッチン
    グ・プロセスからの少なくとも１つのエッチング副産物
    の残留ガス分析を含む、請求項２６記載の方法。
30. 【請求項３０】エッチングされる前記材料の下側にある
    材料を含み、前記分析するステップが、前記下側にある
    材料の残留ガス分析を含む、請求項２６記載の方法。
31. 【請求項３１】前記終了するステップが、前記信号の少
    なくとも１変化を検出し、前記変化の検出にもとづき、
    前記エッチング・プロセスを終了するステップを含む、
    請求項２６記載の方法。