JPH1187323A - 半導体ウェーハ処理システムの複数のパラメータを用いてプロセスを監視する方法及び装置 - Google Patents

半導体ウェーハ処理システムの複数のパラメータを用いてプロセスを監視する方法及び装置

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JPH1187323A
JPH1187323A JP10167642A JP16764298A JPH1187323A JP H1187323 A JPH1187323 A JP H1187323A JP 10167642 A JP10167642 A JP 10167642A JP 16764298 A JP16764298 A JP 16764298A JP H1187323 A JPH1187323 A JP H1187323A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数のプロセスパラメータを使って半導体ウ
ェーハ処理システム内のプロセス監視を行う方法及び装
置を提供する。 【解決手段】 本装置は、エッチングプロセスの終点検
出及びチャンバ内の他の特性の検出が正確に行われるよ
うに、複数のプロセスパラメータを分析し、これらのパ
ラメータを統計的に相関させてプロセス特性の変化を検
出する。これら複数のパラメータとしては、発光、環境
パラメータ（例えば、反応チャンバ内の圧力や温度）、
ＲＦパワーパラメータ（例えば、反射パワーや同調電
圧）、システムパラメータ（例えば、特定のシステム構
成や制御電圧）が挙げられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェーハ処
理システムに関し、特に、半導体ウェーハ処理システム
のプロセスパラメータのin situ監視を行う方法および
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体ウェーハ処理システム内で行われ
るプラズマ促進プロセスは、一般に、特定の長さの時間
にわたって作動するように設計され、発光分光（ＯＥ
Ｓ）技術を用いて監視される。このＯＥＳ装置は、プラ
ズマを含む反応チャンバの透明な窓に連結される。この
ＯＥＳ装置は、プラズマからの発光を監視する。通常、
プラズマのすべての発光から単一の波長が抽出（フィル
タリング）され、この抽出された波長における信号の大
きさがチャンバ内の現在の化学反応を示す。この化学反
応の変化は、抽出波長における信号の大きさを増減させ
るので、チャンバ内で起こっているプロセスの変化を示
すことになる。
【０００３】例えば、ドライエッチングプロセスにおけ
るプラズマは、通常、４８３５オングストロームの一酸
化炭素（ＣＯ）輝線を抽出することによって監視され
る。一酸化炭素線の大きさの変化は、酸化物エッチング
プロセスの終点を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】特定の線の抽出は、他
の波長でプラズマにより生成される雑音の抑制と同じ
く、確実な信号処理と慎重なＯＥＳ装置の製造および較
正を必要とする。このような終点検出は、特定の光波長
における信号強度の極めて小さな変化の検出を必要とす
る。このため、所望の信号は、雑音によって簡単に劣化
してしまう。プロセスの監視中に注意を払わなければ終
点を検出できない可能性があり、ウェーハがオーバーエ
ッチングされてしまう。このようなオーバーエッチング
は、ウェーハ上の集積回路を破壊し、半導体ウェーハ処
理システムの歩留りを低減する可能性がある。
【０００５】したがって、この技術では、半導体ウェー
ハ処理システムのための改良型監視技術であって特に反
応チャンバ内の終点や他のプロセス特性を検出する監視
技術が要望されている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】従来技術に伴う欠点は、
半導体ウェーハ処理システムによって行われるプロセス
を複数のプロセスパラメータを用いて監視する方法およ
び装置である本発明によって克服される。具体的に述べ
ると、本発明は、エッチングプロセスの終点やチャンバ
内の他のプロセス特性を正確に検出できるように、複数
のプロセスパラメータを分析し、これらのパラメータを
統計的に相関させてプロセス特性の変化を検出する。こ
れら複数のパラメータとしては、プラズマ発光、環境パ
ラメータ（例えば、反応チャンバ内の圧力や温度）、Ｒ
Ｆパワーパラメータ（例えば、反射パワーやＲＦ整合同
調電圧）、システムパラメータ（例えば、特定のシステ
ム構成や制御電圧）が挙げられる。
【０００７】更に具体的に述べると、本発明は、特定の
システム構成に関する関連パラメータのすべてを相関さ
せる統計エンジンを有しており、特定の数のパラメータ
が反応チャンバ内の特性の特定の変化を示すと、この統
計エンジンは、特定のウェーハプロセスの完了を示すこ
とがある判断を行う。例えば、この判断は、エッチング
終点に到達したことを示したり、チャンバが洗浄を必要
としていることを示したり、その他の作業が注意を要す
ることを示すことができる。フィードバックをシステム
コントローラに与えて半導体ウェーハ処理システム全体
の集中制御を容易にするために、これらの判断をシステ
ムコントローラに結合することができる。
【０００８】この統計エンジンは、一般的に汎用コンピ
ュータシステム上で実行される実行可能ソフトウェアプ
ログラムである。しかしながら、この統計エンジンは、
システムコントローラのマイクロプロセッサ内で実行さ
れるサブルーチンとすることもできる。
【０００９】この統計エンジンは、半導体処理システム
内の種々のセンサからデータを取得するデータ取得／処
理ルーチンの一部を形成し、種々の測定パラメータ間で
データを相関させ、この相関データを定期的に記憶す
る。前のウェーハの相関データを現在のウェーハの相関
データと比較して、ウェーハ間の相関傾向を求める。こ
の相関傾向が特定のしきい値を超えると、ウェーハ間フ
ラグがセットされる。相関させることによって傾向を作
り出すパラメータによっては、このような指示がチャン
バを洗浄するという要求になることもある。現在処理さ
れているウェーハに関する相関データも、例えば現在の
ウェーハについてエッチング終点に達したかどうかを判
断するために、判断しきい値と比較される。終点に到達
していなければ問合せは否定的に応答され、このルーチ
ンは、現在のウェーハの処理の期間中、定期的にデータ
を取得して相関させることを継続する。終点に達したと
いう判断がなされた時点でプロセスは停止され、このル
ーチンは、別のウェーハを処理すべきかどうかを問い合
わせる。ウェーハ間フラグがセットされている場合、別
のウェーハは処理されず、ルーチンは新しい処理段階、
例えばチャンバの洗浄に入る。新しいウェーハが必要な
場合には、このルーチンは、次のウェーハに関するデー
タの取得に移る。
【００１０】複数のパラメータを相関させることによっ
て、相関信号の信号対雑音比（ＳＮＲ）は、どの単一パ
ラメータのＳＮＲよりも極めて大きくなる。このため、
より小さなプロセス変化を検出することができ、このよ
うな変化に応じた動作を素早く行うことができる。更
に、相関傾向の監視は、ウェーハ処理の特性把握だけで
なくシステムの特性把握も提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の内容は、添付の図面とと
もに以下の詳細な説明を検討することにより容易に理解
することができる。
【００１２】理解を容易にするため、図面に共通の同一
要素には可能な限り同一の参照番号を使用している。
【００１３】図１は、本発明の信号分析器１２２に結合
された半導体ウェーハ処理システム１００のブロック図
を示している。この半導体ウェーハ処理システム１００
は、ウェーハ支持ペデスタルまたはサセプタ１０６を有
する反応チャンバ１０２と、ＲＦ電源１０８と、チャッ
ク電源１１２と、反応ガス供給アセンブリ１４８と、シ
ステムコントローラ１１０と、を含んでいる。サセプタ
１０６は、チャンバ内でウェーハ１３８を支持する。こ
のサセプタ１０６は、例えば、ウェーハを付勢してサセ
プタの支持面上にそのウェーハを保持する静電チャック
１３４を含んでいる。このチャックは、チャック電源１
１２によって電力を供給される。このサセプタは、プラ
ズマ発生システム用のカソードも形成している。このカ
ソードは、ＲＦ電源１０８に結合されている。例えば、
エッチングシステムでは、ＲＦパワーを反応ガスに結合
させることによってプラズマが生成される。反応ガスア
センブリは、導管１４６およびマニホルド１４２を介し
てチャンバ１０２に反応ガスを供給するガス供給源１４
４を有している。プラズマを点火するために、ＲＦパワ
ーがカソードに供給される。チャンバ壁は接地されてお
り、チャンバ壁とカソードとの間の電界が反応チャンバ
内でプラズマ１０４を点火する。
【００１４】チャック電極電圧およびＲＦパワーレベル
は、システムコントローラ１１０によって制御される。
このプラズマは、半導体ウェーハ１３８の表面のプラズ
マ促進ドライエッチングを行う。半導体ウェーハ処理シ
ステムのこの極めて簡単な図面は、システムの主要な構
成要素を示すことを意図したものである。
【００１５】信号分析器１２２は、この半導体ウェーハ
処理システム内の多数のソースからデータを取得する。
例えば、プラズマ１０４の発光は、透明窓１１６を通過
して光検出器１２０に入る。チャンバ１０２の外側であ
って窓１１６の正面に配置された光検出器１２０は、窓
を介して結合される光エネルギーを電圧に変換する。こ
の電圧は、一つのパラメータ（例えば、発光分光（ＯＥ
Ｓ）パラメータ）として信号分析器に結合される。この
光検出器は、モノクロメータを用いて検出用の特定の光
波長を選択する光電子増倍管や帯域光子検出器など、多
くの種類のものとすることができる。
【００１６】ＲＦ電源１０８は、ＲＦパラメータを生成
する。このようなパラメータとしては、反射パワーや、
整合ユニットをプラズマのインピーダンスに同調させる
ために使われる同調電圧が挙げられる。反射パワーおよ
び／または同調電圧の変化は、チャンバ内の化学反応の
変化を示す。
【００１７】システムコントローラ１１０は、ＲＦ電源
１０８およびＤＣチャック電源１１２に制御信号を供給
する。更に、このコントローラは、信号分析器１２２の
入力回路１４０に結合されるシステムパラメータ信号を
生成する。また、チャンバは、温度センサ、フォアライ
ン／チャンバ圧力センサ、反応ガス分析センサなど、多
数の環境センサ１１４を含んでいてもよい。これらのセ
ンサは、一般に、入力回路１４０にも結合されるアナロ
グ電圧を生成する。この入力回路は、必要に応じてこれ
らのデータを同期化し、ディジタル化してバッファリン
グする。
【００１８】信号分析器１２２は、通常、中央処理装置
（ＣＰＵ）１２４、複数の入出力装置１２６、支援回路
１２８（例えば、電源、クロック回路、バスコントロー
ラ、キャッシュ等）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）１３
０、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１３２を
有する汎用コンピュータである。汎用コンピュータのこ
れらの構成要素の相互関係と動作は、この技術分野では
周知である。
【００１９】信号分析器は、この分析器への入力として
与えられるパラメータのすべて、または部分セットを相
関させる。データ取得／処理ルーチン２００は、ＣＰＵ
１２４による実行時には一般的にＲＡＭ１３２に常駐し
ている実行可能なソフトウェアプログラムである。パラ
メータの処理に応じてなされる判断は、信号分析器１２
２の出力として与えられる。このような判断は、実行の
ため、経路１３６に沿ってシステムコントローラに結合
することができる。このため、システムコントローラ
は、終点の検出が判断された場合は終了処理によって、
またチャンバの洗浄が必要と思われる場合は洗浄機能の
開始によって、これらの判断に反応することができる。
これらのパラメータおよび相関データは、処理傾向の履
歴調査のためにＲＡＭ１３２に記憶してもよい。このた
め、今後の監視のために新しいパラメータを求めてもよ
い。
【００２０】信号分析器１２２は、データ取得／処理機
能を実行するようにプログラムされたスタンドアロンの
汎用コンピュータであるとして本明細書では説明してい
るが、これらの機能をシステムコントローラ１１０に組
み込んで、システムコントローラのマイクロプロセッサ
上で実行するようにしてもよい。
【００２１】信号分析器によって監視される複数の信号
および／またはパラメータを相関させることによって、
相関パラメータの信号対雑音比（ＳＮＲ）は、どのパラ
メータ信号単独のＳＮＲよりも大きくなる。このため、
複数のパラメータに関して、これらのパラメータがウェ
ーハの処理中の特定の時点で同時に変化することが分か
る。このような変化のすべては、検出される信号がシス
テムの背景雑音よりも遙かに大きくなるように相関させ
ることができる。例えば、フォトレジスト除去プロセス
の終点における圧力変化は、チャンバ圧力の減少に起因
して変化するＲＦパラメータと相関させることができ
る。このような圧力の低下により、整合制御ユニット
は、制御電圧を変えて、ＲＦパワーが新しいチャンバ圧
力に確実に整合するようにする。更に、ガス供給源１４
４からのガス流量を変化させるために、システムコント
ローラによって信号が供給される。更にまた、フォトレ
ジスト除去プロセス中の圧力が変化する時点では、プラ
ズマ発光も変化する。こうしてこれら３個のパラメータ
（すなわち、チャンバ圧力、整合制御電圧および発光）
は、フォトレジスト除去プロセスにおいて終点に達した
ことを最適に示すように相関させることができる。更
に、これらの相関信号およびその他の信号は、相関信号
における傾向を検出することができるようにウェーハ間
で監視することができる。このような傾向は、チャンバ
内における不純物や堆積物の蓄積を示す。これらのウェ
ーハ間相関信号が特定のしきい値を超えたら、チャンバ
の運転を停止して洗浄プロセスを行うことができる。
【００２２】信号分析器の意志決定特性を更に改善する
ために、ファジー理論、ニューラルネットワーク、確率
的処理など、周知の意志決定手法を使用することができ
る。
【００２３】図２は、信号分析器（図１の１２２）によ
って実行される信号取得／分析ルーチン２００を示す。
このルーチンは、ステップ２０２から開始し、種々のパ
ラメータを表すデータが取得されるステップ２０４に進
む。データ取得は、入力回路データのための種々のパラ
メータソースを定期的にポーリングする信号分析器１２
２によって行われる。この代わりに、このデータを割込
みに基づいて入力回路に供給したり、ポーリングと割込
みの組合せとして入力回路に供給してもよい。監視され
ている特性に応じて、これらのパラメータのすべてをデ
ータ相関付けステップおよびデータ処理ステップで使用
したり、これらのパラメータの部分セットをこれらのス
テップで使用することができる。
【００２４】特定のプロセスに情報を提供するために選
択されたパラメータのすべては、ステップ２０６におい
て統計エンジン２２４を用いて互いに相関させられ、メ
モリ内に記憶される。この統計エンジン２２４は、ステ
ップ２０８でウェーハ間相関付けも行う。ここでは、ウ
ェーハ間相関信号における傾向を統計的に求めようとし
て、プロセスのこの時点における前のウェーハからの相
関データが、現在取得された相関データと比較される。
ウェーハ間相関付けは、現在取得された相関データを複
数の期待値からなる理論モデルと比較することによって
も実行することができる。この傾向は、チャンバが不純
物を含んでいて洗浄を必要としていることを示す。この
ため、ウェーハ間相関信号はステップ２１０でしきい値
と比較され、この相関信号がしきい値を超えていれば、
このルーチンはウェーハ間フラグをセットする。このフ
ラグは、現在のウェーハが処理を完了した後にチャンバ
が洗浄やその他のプロセスを必要とするかどうかを示
す。
【００２５】しきい値および相関信号は、監視されるパ
ラメータの比として表現されることが望ましい。例え
ば、信号分析器１２２は、ソース同調（ＳＴ）、ソース
負荷（ＳＬ）およびソース電流（ＳＩ）のレベル、なら
びにバイアス同調（ＢＴ）、バイアス負荷（ＢＬ）およ
びバイアス電流（ＢＩ）のレベルを表す信号を受信す
る。式Ｃ＝（ＳＴ×ＢＴ×ＳＩ）／（ＳＬ×ＢＬ×Ｂ
Ｉ）の計算により、チャンバの洗浄が必要かどうかを判
断するための値が得られる。具体的に述べると、１＜Ｃ
＜２の場合、チャンバはその正常動作範囲内で機能して
いる。Ｃ＜１の場合、この条件はシステム中のハードウ
ェア障害を示している。Ｃ＞２の場合、チャンバは、清
潔度の限界を超えているので洗浄しなくてはならない。
この代わりに、炭素対フッ素の比率を信号分析器内にプ
ログラムされた理論値に対して監視してもよい。観測さ
れた比率が理論値から外れている場合、これもチャンバ
を洗浄しなければならないことを示している。
【００２６】ステップ２１２では、現在処理されている
ウェーハに関する相関データがしきい値と比較され、こ
の特定のウェーハに関する処理を続行すべきか、あるい
は停止すべきかをルーチンが決定する。例えば、エッチ
ング終点を検出しようとする場合であって相関信号が終
点到達を示すしきい値を超えていない場合、このルーチ
ンはノー経路２２０に沿って進んでエッチングプロセス
を続行し、ステップ２０４を用いて次のデータ取得期間
にデータを取得する。このループは、終点に到達したと
いう判断がなされるまで繰り返され、終点到達時点で
は、ステップ２１２の問合せブロックがイエス経路に沿
って進み、ステップ２１４に至る。
【００２７】ステップ２１４では、信号分析器がシステ
ムをこの判断に反応させる。このような反応は、終点に
達したことを示すインジケータランプを点灯するといっ
た程度の簡単なものであってもよいし、処理を自動停止
するために信号をシステムコントローラに送ることを強
いるものであってもよい。ステップ２１６では、別のウ
ェーハを処理するかどうかをルーチンが問い合わせる。
ステップ２１６の問合せが肯定的に応答されると、ルー
チンは経路２２２に沿って進み、次のウェーハに関する
データを更に取得する。別のウェーハを処理しない場
合、すなわちチャンバの洗浄プロセスを行う予定である
ことを示すウェーハ間フラグがセットされている場合に
は、このルーチンはステップ２１８で終了する。
【００２８】まとめると、半導体ウェーハ処理チャンバ
は、ウェーハ処理中に環境パラメータデータおよびシス
テムパラメータデータを受け取ってウェーハ処理特性の
変化を検出する信号分析器によって監視される。このデ
ータに応じて、信号分析器は、最適なウェーハ処理条件
を求め、それにしたがって反応する。具体的には、統計
エンジンが二つ以上のパラメータを相関させて、特定の
プロセスの完了を判断する。二つ以上の信号の相関付け
は、全体的な信号対雑音比を減少させ、それによって所
望のプロセス状態（例えば、ウェーハ処理の終点）の検
出を改善する。更に、この相関データを前のデータまた
は基本理論モデルと比較することで、処理中に生じる傾
向を求めることができる。この傾向は、優れたウェーハ
処理のためには修正や評価を必要とするチャンバ特性
（例えば、チャンバ洗浄に必要なパラメータや、終点検
出の精度を高めるために監視可能な追加パラメータ）を
示す。このため、より高い精度で製造された製品（例え
ば、半導体ウェーハ）が、改善された製造条件のもとで
製造される。
【００２９】本明細書では、本発明の開示内容を組み込
んだ種々の実施形態を挙げて詳細に説明してきたが、当
業者であれば、これらの開示内容を依然として含む他の
変形例を容易に数多く考案することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るマルチパラメータ信号分析器を含
む半導体ウェーハ処理システムのブロック図である。
【図２】データ取得／処理ルーチンのフローチャートで
ある。
【符号の説明】
１００…半導体ウェーハシステム、１０２…反応チャン
バ、１０４…プラズマ、１０６…サセプタ、１１４…環
境センサ、１１６…透明窓、１２２…信号分析器、１３
４…静電チャック、１３８…ウェーハ、１４２…マニホ
ルド、１４４…ガス供給源、１４６…導管、１４８…反
応ガス供給アセンブリ。

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェーハ処理システムパラメータ
    を監視する方法であって、 システム特性を示すパラメータデータを取得するステッ
    プと、 パラメータデータの種々のソースからの前記データを相
    関させて、相関信号を生成するステップと、 前記相関信号の特定の値に対応するトリガ基準を定めて
    トリガ点を形成するステップと、 前記相関信号を前記トリガ点と比較して、前記システム
    内の特定の特性の存在を判断するステップと、 前記比較に反応するステップと、を備える方法。
  2. 【請求項２】 前記パラメータデータは、前記半導体ウ
    ェーハ処理システムに接続された複数のセンサによって
    取得される、請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記センサの一つが前記半導体ウェーハ
    処理システム内のプラズマの発光を検出する請求項２記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 前記センサの一つがＲＦ反射パワーまた
    は同調電圧を検出する請求項２記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記センサの一つが前記半導体ウェーハ
    処理システム内の温度を検出する請求項２記載の方法。
  6. 【請求項６】 前記センサの一つが前記半導体ウェーハ
    処理システム内の圧力を検出する請求項２記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記センサの一つが前記ウェーハ処理シ
    ステム内の反応ガス分析器信号を検出する請求項２記載
    の方法。
  8. 【請求項８】 前記トリガ基準が二つ以上のウェーハ処
    理システムパラメータの同時変化によって定められる請
    求項１記載の方法。
  9. 【請求項９】 データを相関させる前記ステップは、前
    記パラメータデータという入力を受け取って制御信号と
    いう出力をウェーハ処理システムコントローラに供給す
    る信号分析器によって実行される、請求項１記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 複数のプロセスパラメータを用いてウ
    ェーハ処理システム（１００）を監視する装置であっ
    て、 複数のパラメータ信号を生成する複数のウェーハ処理シ
    ステムパラメータ信号発生器（１０８、１１０、１１
    ４、１２０）と、 前記ウェーハ処理システムパラメータ信号発生器（１０
    ８、１１０、１１４、１２０）に接続され、二つ以上の
    パラメータを相関させる信号分析器（１２２）と、 前記信号分析器（１２２）からの少なくとも一つの判断
    出力信号（１３６）と、を備える装置。
  11. 【請求項１１】 前記信号発生器の一つが光センサ（１
    ２０）である請求項１０記載の装置。
  12. 【請求項１２】 前記信号発生器の一つがＲＦ反射パワ
    ーセンサまたは同調電圧センサ（１０８）である請求項
    １０記載の装置。
  13. 【請求項１３】 前記信号発生器の一つが温度センサ
    （１１４）である請求項１０記載の装置。
  14. 【請求項１４】 前記信号発生器の一つがチャンバ圧力
    センサ（１１４）である請求項１０記載の装置。
  15. 【請求項１５】 前記信号発生器の一つが反応ガス分析
    器（１１４）である請求項１０記載の装置。
  16. 【請求項１６】 前記信号発生器の一つが、前記信号分
    析器（１２２）からの判断出力信号（１３６）という入
    力と前記ウェーハ処理システムに接続される複数の出力
    とを有するウェーハ処理システムコントローラ（１１
    ０）からなるものである、請求項１０記載の装置。
  17. 【請求項１７】 前記信号分析器（１２２）が汎用コン
    ピュータである請求項１０記載の装置。
  18. 【請求項１８】 前記出力の一つがＲＦ電源（１０８）
    への入力である請求項１６記載の装置。
  19. 【請求項１９】 前記出力の一つが静電チャック電源
    （１１２）への入力である請求項１６記載の装置。
  20. 【請求項２０】 前記出力の一つがガス供給源（１４
    ４）への入力である請求項１６記載の装置。
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