WO2011115023A1 - プラズマプロセスによる加工形状の予測システム、方法及びプログラム - Google Patents
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Definitions
- a plasma state can be measured in real time using a sensor, and a machining shape can be predicted based on the measurement data. Therefore, when it is predicted that the processing shape does not become a predetermined shape, the predetermined processing shape can be obtained by changing the conditions of the plasma processing apparatus.
- the material property data includes particle number density such as atomic number density and molecular number density, surface density of adsorption site, Dielectric constant, extinction factor, conductivity of conductive material, electrical properties (for example, distinction between conductor and insulator), light absorption coefficient for each wavelength, defect generation coefficient for each wavelength, etc. are stored for each material.
- material means a reaction product or a material that forms a substrate material.
- the surface reaction data includes data on a neutral particle adsorption model, an ion reaction model, and a thermal excitation type chemical reaction model.
- the trajectory calculation means 26 generally includes an electron temperature, an electron density, an electron energy distribution obtained from current-voltage characteristics, and a charge distribution on a processing surface, among actual measurement data input from the on-wafer sensor 11 and other sensors. Or based on the ion current and sheath voltage obtained from the current-voltage characteristics and the charge distribution on the machining surface, the trajectory of the charged particles incident on the machining surface from the plasma is obtained. For example, the trajectory calculation means 26 does not use the data stored in the apparatus condition DB 21, the incident ion DB 22, and the actual measurement DB 24, and is obtained by measurement by the sheath shape sensor in the on-wafer sensor 11, and if necessary, the charge-up sensor.
- a region of the substrate to be processed is divided into a plurality of elements (mesh), and the type of material is set for the element corresponding to the region of the substrate.
- the region of the processing surface is determined by setting the region of the part to be a mask. At that time, necessary materials are obtained from data stored in the material property and surface reaction DB 25.
- the measured data of the machining groove is measured using the measured data of the surface potential and bottom potential (bottom potential is also referred to as hole bottom potential) in the charge-up sensor simulating the machining surface. It is preferable to obtain the electric charge distribution on the processed groove surface in consideration of the side wall resistance, and to obtain the electric field distribution from the electric charge distribution. Thereby, when the processed surface is the same as the trench structure of the charge-up sensor, it is possible to grasp the behavior of electrons and ions in the groove of the charge-up sensor. Details will be described later.
- the ultraviolet spectrum is calculated from the current values of a plurality of ultraviolet sensors having different types of insulating films 44 using such properties.
- Equation (20) is obtained as the ion current density J 0 .
- Equation (20) is essentially the same as Child-Langmuir's equation, which deals with the space charge effect of ions instead of electrons. Equation (21) is obtained from Equation (20).
- s is the sheath length (m)
- J 0 is the ion current density (A / m 2 )
- mi is the ion mass (kg)
- V o Sheath voltage (V).
- FIG. 15 shows the high-frequency power dependency of the surface potential obtained by the charge-up sensor 11B, that is, the potential of the second polycrystalline silicon film 39, and the hole bottom potential, that is, the potential of the first polycrystalline silicon film 37. This is an actual measurement example.
- the charge-up sensor 11B By using the charge-up sensor 11B, the potential deviation in a fine structure can be quantitatively measured.
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Abstract
Description
プラズマ加工装置の運転条件毎に、荷電粒子のフラックスの入射エネルギー分布及び角度分布に関するデータを格納した入射イオンデータベースと;
プラズマ加工装置の運転条件毎に、ラジカルの入射エネルギー分布及び入射角度分布に関するデータを格納した入射ラジカルデータベースと;、
ラジカル吸着反応計算、イオン反応計算及び熱励起型化学反応計算でそれぞれ必要となる反応毎の各種係数と、軌道計算及び反応計算で必要となる材料毎の物性値とを格納した材料物性及び表面反応データベースと、プラズマ加工装置の運転条件毎に、センサの実測データから電子温度、電子密度が上記入射イオンデータベース及び上記入射ラジカルデータベースにそれぞれ格納されているデータと関係付けて格納されている実測データベースと、センサから入力される実測データのうち電流-電圧特性から求められる電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と、加工表面における電荷分布とに基いて、又は該電流-電圧特性から求められるイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に入射する荷電粒子の軌道を求める軌道計算手段と;、
軌道計算手段で求まる荷電粒子の軌道に基いて加工表面の各点に入射する各種イオンを求め、入射イオンデータベースと入射ラジカルデータベースと材料物性及び表面反応データベースと実測データベースに格納されているデータを用いて、加工表面の各点における反応計算を行ってエッチングレート及びデポジションレートを算出しその差分から加工表面の各点での移動速度を算出することで表面形状を算出する表面形状計算手段と;を有する。
加工条件下で生成されるプラズマの実測データのうち電流-電圧特性から求めた電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と加工表面における電荷分布とに基いて、又は、該電流-電圧特性から求めたイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に流入する荷電粒子の軌道を算出する軌道算出ステップと;
軌道算出ステップにおいて算出した荷電粒子の軌道に沿って加工表面の各点に入射するイオン種を求め、そのイオン種とラジカルの入射フラックス分布を用いて、加工表面の各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出し、その差分から表面各点での移動速度を求める表面移動速度算出ステップと;
表面移動速度算出ステップで求まった加工表面の各点での移動速度から加工条件で設定されている加工量を満たすか否かを判定し、満たさない場合には新たに加工表面各点を設定し直して上記軌道算出ステップに戻るステップと;を含む。
加工条件下で生成されるプラズマの実測データのうち電流-電圧特性から求めた電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と、加工表面における電荷分布とに基いて、又は該電流-電圧特性から求めたイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に流入する荷電粒子の軌道を算出する軌道算出ステップと;
軌道算出ステップにおいて算出した荷電粒子の軌道に沿って加工表面の各点に入射するイオン種を求め、そのイオン種とラジカルの入射フラックス分布を用いて、加工表面の各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出し、その差分から表面各点での移動速度を求める表面移動速度算出ステップと;
表面移動速度算出ステップで求まった加工表面の各点での移動速度から加工条件で設定されている加工量を満たすか否かを判定し、満たさない場合には新たに加工表面各点を設定し直して上記軌道算出ステップに戻るステップと;を含む。
図1は、本発明の実施形態に係るプラズマプロセスによる加工形状の予測システムの構成図である。本発明の実施形態に係る予測システム1は、プラズマ加工装置10とシミュレーション装置20とが、ネットワーク2などにより接続されて構築されている。ここで、ネットワーク2は図1に示すように有線により構成される場合のみならず、プラズマ加工装置10中のオンウエハセンサ11に搭載されている無線通信部との無線、或いはチャンバー15のポートなどを介在した有線により構成されてもよいし、又はそれらの組み合わせから構成されてもよい。
以下、本発明の実施形態に係るプラズマプロセスによる加工形状の予測システム1を用いて加工形状を予測する方法について、具体的に説明する。
先ず、プラズマプロセスによる加工形状をどのようにして予測するかを説明する前提として、加工表面の状態をどのように記述し、その表面状態の変化をどのように記述するかについて、概念的に説明する。
式(10)から分かるように、被エッチング材料膜上に形成されたラジカルkがラジカルmに置き換わる全てのkにわたって加算され、さらに全ての堆積物にわたってmが加算される。
表面形状計算手段27が、軌道計算手段26及び表面形状計算手段27で求まった計算結果に基いて表面加工形状をどのように予測するかについて説明する。
STEP2-8Aとして、STEP2-7で求めた加工表面の各点での各反応係数に基いて、各加工表面における表面材料とラジカルとの反応及びその表面材料とイオンとの反応を計算し、各材料の被覆率が定常状態となるまで繰り返す。これにより、エッチングレート及びデポジションレートがそれぞれ求まる。エッチングレートは、前述の式(5)のように、熱励起型化学反応、物理的スパッタリング、イオンアシスト反応のそれぞれによるエッチングレートの和として求める。デポジションレートは、前述の式(9)のように、堆積物が降り注ぐ効果、堆積物の生成、イオンアシスト反応のそれぞれによるデポジションレートの和として求める。これらの反応毎の各係数を加味して各レートを求めることで、紫外線による欠陥を考慮して、加工表面の移動推移を算出する。そして、STEP2-8Bとして、エッチングレートとデポジションレートの差分から加工表面の移動推移を算出する。
以上に説明した各事項について、次に詳細に説明する。
最初に、オンウエハセンサ11のうち紫外線センサについて説明する。
図8は紫外線センサ11Cの一例を模式的に示す断面図である。紫外線センサ11Cの構成は、図示するように、シリコン基板41上に絶縁膜としてシリコン酸化膜42が設けられ、シリコン酸化膜42上に電極となるよう所定のパターンを有する多結晶シリコン膜43a、43bが設けられ、さらに多結晶シリコン膜43a,43b上に絶縁膜44が積層されている。絶縁膜44は所定の開口を有しており、多結晶シリコン膜43a,43bと導通している。
紫外線スペクトルの計算手法について説明する。絶縁膜44としてシリコン酸化膜一層で構成した紫外線センサ11Cと、絶縁膜44としてシリコン窒化膜一層で構成した紫外線センサ11Cと、絶縁膜44としてシリコン窒化膜とシリコン酸化膜との積層構造で構成した紫外線センサ11Cと、からなる紫外線センサユニットに、プラズマを照射させ、各紫外線センサ11Cに流れる電流値を元にして紫外線スペクトルを計算する。
前述の紫外線強度スペクトルに基いて半導体デバイスに生じる紫外線照射損傷の計算手法について説明する。この計算手法は、紫外線の吸収量の計算過程と損傷量の計算過程とに分けることができる。
式(14)を用いることにより、デバイス中に吸収された紫外光量からデバイス材料中に発生する欠陥密度を計算することが可能となる。こうして計算した欠陥密度の深さ方向分布は、電子スピン共鳴法で測定した欠陥密度の深さ方向分布と良く一致していることを確認している。
ちなみに、紫外線センサ11Cにより紫外線スペクトルを求めて、半導体デバイスの電気特性劣化を計算することもできる。事前に紫外線スペクトルとトランジスタ劣化の関係を関係付けておく。例えばニューラルネットワークなどを用いて、紫外線スペクトルとトランジスタのチャージポンピング電流を関係付けておく。チャージポンピング電流は、シリコン酸化膜とシリコン基板の界面の欠陥及び界面準位に対応した値となるため、界面準位の測定でたびたび用いられるものである。
オンウエハセンサ11中のシース形状センサにより、電子温度及び電子密度の測定を行い、その結果からシース長及びシース電圧を計算により求めることができる。又は、シース形状センサにより、イオン電流及びシース電圧の測定を行い、その結果からシース長を計算により求めることができる。
図14は、オンウエハセンサ11のうちチャージアップセンサ11Bを模式的に示す断面図である。チャージアップセンサ11Bは全体として積層構造を有する。図14に示すように、このチャージアップセンサ11Bは、シリコン基板35の上にシリコン酸化膜36が設けられ、シリコン酸化膜36の上に所定のパターンを有する第1の多結晶シリコン膜37が設けられ、第1の多結晶シリコン膜37の上に所定の溝を有するシリコン酸化膜38が設けられ、シリコン酸化膜38上に第2の多結晶シリコン膜39が設けられた積層構造である。チャージアップセンサ11Bには、多結晶膜37、シリコン酸化膜38を貫く多数の孔が例えば0.1ミクロン径で開けられている。チャージアップセンサ11Bをプラズマプロセス中に設置すると、等方性の速度分布を持つ電子は孔底までたどり着くことができないが、基板に加速されるイオンは孔底まで達することができる。よって、基板表面と孔底では異なる電位となる。第1の多結晶シリコン膜37の電位を測定することで孔底の電位を、また、第2の多結晶シリコン膜39の電位を測定することで表面の電位を求めることが可能である。
前述したように、式(17)から算出したシース長から、電位計算の解析領域を決定し、シース電圧を境界条件として与えてシース電位を算出する。具体的には、解析領域として、基板表面からシース長だけの上部の領域と、微細パターンが形成される下部の領域を設定する。
次に、モンテカルロシミュレーション法により粒子軌道計算を行う。
前述のようにして求めたシース電位分布から、イオン粒子軌道の計算を行う。粒子は、シース上端から基板に向かって垂直に入射し、与えられている電位分布に従って加速し、軌道が曲げられ、解析領域の下側の基板に衝突する。
粒子の初期の速度uionは、実測で得られた電子温度から式(23)により求まるBohm速度に基いて定める。
シース形状センサ11A及びチャージアップセンサ11Bを用いて、これらの電気的な測定から得られた基板近傍の情報からイオン軌道を計算した。図16は実施例での手順を示すフロー図である。
2:ネットワーク
10:プラズマ加工装置
11:オンウエハセンサ
11A:シース形状センサ
11B:チャージアップセンサ
11C:紫外線センサ
12:測定器
15:チャンバー
20:シミュレーション装置
21:装置条件DB
22:入射イオンDB
23:入射ラジカルDB
24:実測DB
25:材料物性及び表面反応DB
26:軌道計算手段
27:表面形状計算手段
28:GUI
30a:フィルタ
30b:直流電圧源
30c:計測器
31:シリコン基板
32:シリコン酸化膜
33:Al電極
34:アルミナ膜
35:シリコン基板
36:シリコン酸化膜
37:第1の多結晶シリコン膜
38:シリコン酸化膜
39:第2の多結晶シリコン膜
41:シリコン基板
42:シリコン酸化膜
43a,43b:多結晶シリコン膜
43:多結晶シリコン膜
44:絶縁膜
Claims (13)
- プラズマ加工装置内に加工対象物と同様に収容されてプラズマ状態をモニタリングするセンサからの実測データに基いて、プラズマ加工装置による加工表面形状を予測するプラズマプロセスによる加工形状の予測システムにおいて、
プラズマ加工装置の運転条件毎に、荷電粒子のフラックスの入射エネルギー分布及び角度分布に関するデータを格納した入射イオンデータベースと、
プラズマ加工装置の運転条件毎に、ラジカルの入射エネルギー分布及び入射角度分布に関するデータを格納した入射ラジカルデータベースと、
ラジカル吸着反応計算、イオン反応計算及び熱励起型化学反応計算でそれぞれ必要となる反応毎の各種係数と、軌道計算及び反応計算で必要となる材料毎の物性値とを格納した材料物性及び表面反応データベースと、
プラズマ加工装置の運転条件毎に、上記センサの実測データから電子温度、電子密度が上記入射イオンデータベース及び上記入射ラジカルデータベースにそれぞれ格納されているデータと関係付けて格納されている実測データベースと、
上記センサから入力される実測データのうち電流-電圧特性から求められる電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と、加工表面における電荷分布とに基いて、又は該電流-電圧特性から求められるイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に入射する荷電粒子の軌道を求める軌道計算手段と、
上記軌道計算手段で求まる荷電粒子の軌道に基いて加工表面の各点に入射する各種イオンを求め、上記入射イオンデータベースと上記入射ラジカルデータベースと上記材料物性及び表面反応データベースと上記実測データベースに格納されているデータを用いて、加工表面の各点における反応計算を行ってエッチングレート及びデポジションレートを算出しその差分から加工表面の各点での移動速度を算出することで表面形状を算出する表面形状計算手段と、
を有することを特徴とする、プラズマプロセスによる加工形状の予測システム。 - 前記センサには紫外線センサを含んでおり、
前記実測データベースは、上記紫外線センサから送られる実測データから紫外線吸収量を求めて格納しており、
前記表面形状計算手段は、上記紫外線センサから送られる実測データから上記実測データベースに基いて定まる紫外線吸収量と紫外線の照射方向とから紫外線による欠陥発生分布を求め、上記材料物性及び表面反応データベース中に格納されている、ラジカル吸着反応計算、イオン反応計算及び熱励起型化学反応計算で用いる反応毎の各種係数を、求めた欠陥発生分布に対応して加工表面の各点に応じて選択し、加工表面の各点における反応計算に基いてエッチングレート及びデポジションレートを算出することを特徴とする、請求項1に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測システム。 - 前記軌道計算手段は、前記プラズマ加工装置内のセンサから送られてくる実測データを用いて電子温度及び電子密度を求め、加工表面に流入する荷電粒子による電荷分布から電界分布を求め、その電界分布により次に加工表面に流入する荷電粒子の軌道が収束するまで、軌道計算を繰り返し行うことを特徴とする、請求項1に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測システム。
- 前記軌道計算手段は、前記プラズマ加工装置内のセンサから送られてくる表面電位及び底部電位の実測データを用いて加工溝の側壁抵抗を加味し加工溝表面の電荷分布を求めてから、電界分布を求めることを特徴とする、請求項3に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測システム。
- さらに、プラズマ加工装置の種類、型番、加工条件を含む装置条件に関する情報を格納する装置条件データベースを備え、
前記入射イオンデータベース、前記入射ラジカルデータベース及び前記実測データベースが上記装置条件データベースに格納されている情報毎に格納されていることを特徴とする、請求項1~4の何れかに記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測システム。 - 基板表面近傍を複数の要素に分割し、初期状態及びプラズマ加工条件を設定し、プラズマプロセスにより生じる加工表面形状を予測する、プラズマプロセスによる加工形状の予測方法において、
加工条件下で生成されるプラズマの実測データのうち電流-電圧特性から求めた電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と、加工表面における電荷分布とに基いて、又は、該電流-電圧特性から求めたイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に流入する荷電粒子の軌道を算出する軌道算出ステップと、
上記軌道算出ステップにおいて算出した荷電粒子の軌道に沿って加工表面の各点に入射するイオン種を求め、そのイオン種とラジカルの入射フラックス分布を用いて、加工表面の各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出し、その差分から表面各点での移動速度を求める表面移動速度算出ステップと、
上記表面移動速度算出ステップで求まった加工表面の各点での移動速度から加工条件で設定されている加工量を満たすか否かを判定し、満たさない場合には新たに加工表面各点を設定し直して上記軌道算出ステップに戻るステップと、
を含むことを特徴とする、プラズマプロセスによる加工形状の予測方法。 - 前記表面移動速度算出ステップでは、加工条件下で生成されるプラズマから加工表面の各点に入射する紫外線の量の実測データを用いて、加工表面近傍での紫外線吸収率から、加工表面近傍に生じる欠陥分布を求め、この欠陥分布に基いて、各種ラジカルやイオンの加工表面との吸着率及び離脱率を加工表面の各点毎に再設定して、加工表面での各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出することを特徴とする、請求項6に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測方法。
- 前記軌道算出ステップでは、加工表面の各点に入射する各種のイオン及び電子の量を設定して電荷分布を求め、求めた電荷分布による電界分布により次に加工表面に入射する各種イオン及び電子の軌道が収束するまで、荷電粒子の軌道算出を繰り返し行うことを特徴とする、請求項6に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測方法。
- 前記軌道算出ステップでは、加工面を模したチャージアップセンサにおける表面電位及び底部電位の実測データを用い加工溝の側壁抵抗を加味して加工溝表面の電荷分布を求めてから、電界分布を求めることを特徴とする、請求項8に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測方法。
- 基板表面近傍を複数の要素に分割し、初期状態及びプラズマ加工条件を設定し、プラズマプロセスにより生じる加工表面形状を予測する、プラズマプロセスによる加工形状の予測プログラムにおいて、
加工条件下で生成されるプラズマの実測データのうち電流-電圧特性から求めた電子温度、電子密度及び電子のエネルギー分布と、加工表面における電荷分布とに基いて、又は該電流-電圧特性から求めたイオン電流及びシース電圧と、加工表面における電荷分布とに基いて、プラズマから加工表面に流入する荷電粒子の軌道を算出する軌道算出ステップと、
上記軌道算出ステップにおいて算出した荷電粒子の軌道に沿って加工表面の各点に入射するイオン種を求め、そのイオン種とラジカルの入射フラックス分布を用いて、加工表面の各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出し、その差分から表面各点での移動速度を求める表面移動速度算出ステップと、
上記表面移動速度算出ステップで求まった加工表面の各点での移動速度から加工条件で設定されている加工量を満たすか否かを判定し、満たさない場合には新たに加工表面各点を設定し直して上記軌道算出ステップに戻るステップと、
を含むことを特徴とする、プラズマプロセスによる加工形状の予測プログラム。 - 前記表面移動速度算出ステップでは、加工条件下で生成されるプラズマから加工表面の各点に入射する紫外線の量の実測データを用いて、加工表面近傍での紫外線吸収率から、加工表面近傍に生じる欠陥分布を求め、この欠陥分布に基いて、各種ラジカルやイオンの加工表面との吸着率及び離脱率を加工表面の各点毎に再設定して、加工表面での各点でのエッチングレート及びデポジションレートを算出することを特徴とする、請求項10に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測プログラム。
- 前記軌道算出ステップでは、加工表面の各点に入射する各種のイオン及び電子の量を設定して電荷分布を求め、求めた電荷分布による電界分布により次に加工表面に入射する各種イオン及び電子の軌道が収束するまで、荷電粒子の軌道算出を繰り返し行うことを特徴とする、請求項10に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測プログラム。
- 前記軌道算出ステップでは、加工面を模したチャージアップセンサにおける表面電位及び底部電位の実測データを用い加工溝の側壁抵抗を加味して加工溝表面の電荷分布を求めてから、電界分布を求めることを特徴とする、請求項12に記載のプラズマプロセスによる加工形状の予測プログラム。
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