WO2025013151A1 - エッチングシステム及びエッチング方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an etching system and an etching method that improves the uniformity of the wafer's in-plane shape.
  • the desired pattern is formed on the front surface of a wafer by forming a pattern mask using an exposure device and then processing it using an etching device. Furthermore, to confirm that the created pattern is of the desired size, it is common to perform measurements using semiconductor inspection equipment such as a CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope) or OCD (Optical Critical Dimension).
  • CD-SEM Cross-sectional Electron Microscope
  • OCD Optical Critical Dimension
  • a conventional etching technology is an etching system that uses multiple heating elements to control the wafer temperature while etching, thereby improving the wafer-wide uniformity of the CD (Critical Dimension) value, which corresponds to the top-view width of the pattern.
  • Patent Document 1 describes an etching system and method that improves the wafer-wide uniformity of the CD value by realizing a temperature profile of multiple heating elements that is determined from the relationship between the CD shift amount and temperature at each temperature measured in advance and the pre-processing CD value of the wafer.
  • the CD shift amount refers to the amount of change in the CD value before and after etching.
  • the object of the present invention is to provide an etching system and an etching method that improve processing yields by taking into consideration improving uniformity across a wafer for multiple parameters, including parameters with low temperature sensitivity.
  • An etching system includes an etching apparatus for etching a wafer, a measuring apparatus for measuring a pattern formed on the surface of the wafer etched by the etching apparatus, and a calculating apparatus for providing etching conditions to the etching apparatus, the calculating apparatus calculating a first parameter highly correlated with a temperature condition among the etching conditions and a second parameter less correlated with the temperature condition based on the pattern measurement results from the measuring apparatus, calculating a temperature condition for which the first parameter is within an acceptable range based on the calculated first parameter, determining whether the calculated second parameter is within an acceptable range, providing etching conditions in which conditions other than the temperature condition are changed if the calculated second parameter is outside the acceptable range, and providing etching conditions in which the temperature condition is changed to the calculated temperature condition if the calculated second parameter is within the acceptable range.
  • data measured by a measuring device is used to reexamine conditions other than temperature for the variation of the second parameter, which has low temperature sensitivity, as well as the in-plane distribution of the first parameter, which is sensitive to temperature. This is repeated until the distributions of the first and second parameters are within an acceptable range, and the temperature distribution corresponding to the initial target CD value is corrected. The heater is then adjusted to obtain the obtained temperature distribution before wafer processing, thereby improving the processing yield.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus configuration of a semiconductor etching system according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a vertical cross-sectional view showing a schematic configuration of a wafer stage provided in the semiconductor etching system according to the embodiment;
  • FIG. 1 is a plan view showing a schematic example of an arrangement of heater zones on the upper surface of a wafer stage in an embodiment.
  • FIG. 1 is a flowchart showing a flow of operations in a computing device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating measurement points on a wafer surface.
  • FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the difference between the left and right CD and slope in a cross section.
  • 1 shows an example of an SEM image of a line pattern of a semiconductor device, a corresponding schematic cross-sectional view, and an example of a secondary electron signal waveform of the SEM.
  • 1 shows an example of a secondary electron signal waveform, its first differential waveform, and the corresponding three-dimensional shape for calculating a feature amount that is a three-dimensional shape index.
  • This is the value of the left-right difference in the CD, which is the first parameter, and the slope, which is the second parameter, calculated from the SEM image.
  • the first parameter CD and the second parameter slope difference between the left and right sides are converted into a graph of temperature sensitivity.
  • 13 is a diagram for explaining a method of calculating the temperature of each electrode from a graph of temperature sensitivity to obtain uniform parameter values within a surface.
  • FIG. 11 is a graph illustrating a state in which the temperature sensitivity is low.
  • 1 is a diagram showing the reduction in the variation in the CD value due to temperature control and the variation in the difference in the slope between the left and right sides.
  • FIG. 13 is a diagram showing the reduction in the variation in the difference in slope between the left and right sides due to a change in the type of gas.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a semiconductor etching system according to an embodiment of the present invention.
  • This diagram shows the schematic overall configuration of a semiconductor etching system, and shows a semiconductor wafer processing device, such as an etching processing device, that processes semiconductor wafers to achieve a distribution of a specific physical quantity (for example, the shape or dimensions of a circuit pattern formed on the wafer surface) in the in-plane direction of the wafer.
  • a specific physical quantity for example, the shape or dimensions of a circuit pattern formed on the wafer surface
  • the semiconductor etching system of this embodiment includes an etching apparatus 103 having a wafer stage 105 in which a wafer 104 is placed and which has the function of variably adjusting the temperature distribution in the in-plane direction of the wafer 104, a measuring device 101 capable of measuring the distribution of a specific physical quantity in the wafer plane, a computer that calculates multiple parameter values including CD values obtained from the results of measuring a pattern formed on the surface of the wafer at multiple positions preset by the measuring device 101, and calculates the temperatures of multiple positions on the wafer or the stage supporting it using the parameter values, and a calculating device 102 having a mechanism for determining whether the parameter variations are within an acceptable range.
  • the wafer stage 105 is provided with a plurality of heaters 201 for heating and a coolant flow path 204 for cooling under the surface on which the processing wafer 205 is placed.
  • the temperature distribution in the in-plane direction of the wafer stage 105 is adjusted by adjusting the heat generation amount of the plurality of heaters 201 and the temperature of the coolant.
  • the plurality of heaters 201 are installed in each area of the wafer stage 105, and the area can be divided into concentric circles as shown in FIG. 3(a) or into rectangles as shown in FIG. 3(b). These divided areas are called electrodes.
  • 202 is a temperature regulator of the heater electrodes, and although not shown, it uses sensor values obtained from a plurality of temperature sensors installed on the heater electrodes to adjust the temperature of the stage top surface on which the wafer is placed to the wafer temperature calculated by the calculation device 102. This adjustment is controlled by the heater control unit 203.
  • the coolant flow path 204 circulates between the coolant temperature controller connected via a pipe (not shown) and is adjusted to a temperature within a predetermined range in the coolant temperature controller.
  • the coolant flow path 204 is installed below the heater 201, but it can also be installed above. Also, if the wafer temperature can be adjusted to the desired value using only the heater 201, it is not necessary to use a coolant.
  • the calculation device 102 is a device that determines etching conditions that enable uniformity of the CD value and shape on the wafer before etching the production wafer, calculates the stage temperature for that purpose, and transmits it to the etching device 103.
  • Figure 4 shows a flowchart performed by the calculation device. In this embodiment, an etching process is first performed using a wafer for calculation.
  • the calculation wafer is a separate wafer that is pre-processed to obtain the parameters required for determining the above-mentioned processing conditions in order to obtain processing conditions that can bring the distribution of the CD value, shape, and dimensions of the film structure on the processed wafer in the in-plane direction within the desired range before etching a wafer (actual wafer) for manufacturing a semiconductor device (apparatus). It is a wafer on whose top surface there is pre-processed something that is the same as or can be considered to be the same as the film structure or pattern with multiple film layers including the film to be processed that is placed on the top surface of the actual wafer.
  • step 400 data (processing recipe data) indicating the operation of the etching apparatus 103 shown in FIG. 1 including processing conditions such as the flow rate of the processing gas when the etching apparatus 103 processes a calculation wafer, the pressure in the processing chamber, the temperature of the wafer during processing and its distribution, i.e., the so-called processing recipe, is acquired by the computing device 102 via communication means and recorded in an internal storage device.
  • step 401 an etching process is performed using the calculation wafer based on the obtained processing recipe data. In this embodiment, processing is performed on each of the multiple calculation wafers based on different temperature conditions.
  • step 401 the temperature is changed for multiple calculation wafers, and processing is performed to calculate the temperature sensitivity of the desired pattern.
  • etching processing is performed on each of two calculation wafers under conditions in which the wafer temperature during processing is set to 10°C and 50°C in the in-plane direction, and in particular, the temperature detected at each of multiple points on the wafer or wafer stage during processing is within a predetermined allowable range, and the CD value and its distribution are detected from these calculation wafers.
  • step 402 the processed calculation wafers are measured.
  • the CD value of the pattern is measured using a CD-SEM device that has been commonly used in the past. This is because it can be measured non-destructively and quickly.
  • an image of the desired pattern at that location is acquired from the TopView using the CD-SEM device.
  • the distribution of the measurement values obtained for multiple locations on the upper surface 501 of the calculation wafer in the in-plane direction can be calculated.
  • the post-processing shapes formed at each of multiple predetermined inner locations of each of the dies 502 on which the device patterns of the upper surface 501 of the calculation wafer corresponding to each semiconductor device (chip) that will ultimately be cut out from the wafer are measured, and SEM images 503a, 503b, etc. are acquired.
  • a CD-SEM image is a SEM image in which secondary electrons excited from atoms due to scattering of incident electrons within a sample are detected and displayed as shades of gray (brightness) for each pixel of the image. It represents the intensity of the detected secondary electron signal and contains information on the three-dimensional shape of the pattern.
  • SEM images of multiple locations within the surface of a calculation wafer etched under conditions where the wafer temperature is 10°C, and multiple images of a calculation wafer etched under conditions of 50°C are acquired. Images were acquired of the patterns at designated locations within the area of each of the 110 dies 502 formed on the top surface 501 of each calculation wafer.
  • the locations where the temperature of the wafer or wafer stage is detected are located below the area of each heater 201 whose output or heat amount is adjusted by the electrode control device so that the temperature outside the window is set to a desired value, and are located within the projection plane as viewed from above.
  • the number of these locations is the same as or greater than the number of heaters 201. Even when the wafer temperature is set to a predetermined value in the in-plane direction as in steps 400 and 401, the output or heat amount of each heater 201 is adjusted so that the variation of each value falls within a desired range for the set of temperature values detected at multiple locations.
  • each heater 201 having a rectangular area shown in Figure 3(b)
  • the dimensions of each heater are made smaller than the dimensions of each die 502, and in this example, each heater 201 is adjusted based on the temperature detected at locations that are greater than the number of dies 502.
  • step 403 shape parameters representing the three-dimensional shape are calculated from the acquired CD-SEM image.
  • a parameter with high temperature sensitivity such as the CD value
  • a parameter with low temperature sensitivity that is, a parameter with low correlation with the wafer temperature and high correlation with processing conditions other than temperature
  • the second parameter such as a left-right difference in the slope of a cross section that has been experimentally confirmed to have low temperature sensitivity.
  • parameters with low correlation with temperature also include parameters that have no correlation with temperature.
  • the CD value represents the width of the cross section, and the difference in slope between the left and right sides is the difference in width between the left and right sides of the inclined surface of the pattern cross section,
  • SADP Self-Aligned Double Patterning
  • a feature value is a shape index that indicates the characteristics of the pattern shape, and refers to values such as peak and width obtained from the secondary electron signal waveform and its first and second derivative waveforms.
  • Figure 8 shows an example of a feature value.
  • (a) shows the secondary electron signal waveform,
  • the value of the width of the waveform indicated by the arrow is called a feature value, and the shape of the pattern to be measured, such as the width (801, 804), footing (802, 805), and side angle of radiation (803, 806), is captured from the relationship between these multiple feature values.
  • step 404 of the flow in FIG. 4 the electrode control temperature of the first parameter (CD value) is calculated.
  • CD value the electrode control temperature of the first parameter
  • FIG. 11 A method for calculating the temperature of each electrode to obtain a uniform parameter value within the surface from the temperature sensitivity graph will be described with reference to FIG. 11.
  • the CD values obtained by measuring the calculation wafer etched at temperatures T1 and T2 with a CD-SEM are plotted only for electrode numbers R1 ( ⁇ ) and R2 ( ⁇ ), and the dashed lines are linear approximation lines for each electrode. From these linear approximation lines, the temperature of each electrode is calculated to obtain the CD value of the target shown in the graph.
  • the temperature T R1 of electrode R1 is obtained from the intersection of the linear approximation line of electrode R1 with the target
  • the temperature T R2 of electrode R2 is obtained from the intersection of the linear approximation line of electrode R2 with the linear approximation line of electrode R2.
  • the electrode is a part of the etching device, and there is a range of temperatures that can be controlled.
  • the minimum temperature is Tmin and the maximum temperature is Tmax
  • the calculation wafer processing temperatures T1 and T2 are usually within the range of Tmin and Tmax.
  • the calculated temperatures T R1 and T R2 are also within the range of Tmin and Tmax.
  • the electrode temperature cannot be realized.
  • such a small gradient means that even if the temperature is changed between Tmin and Tmax, the change in the parameter value is small, and the temperature sensitivity is small.
  • step 405 is a process for determining whether the variation in the second parameter with low temperature sensitivity (left-right difference in slope) is within a predetermined tolerance. If the variation is within the specified value (Yes), it is determined that the variation in both the first parameter (CD value) and the second parameter calculated in step 404 for the shape after processing by the etching process based on the initial processing recipe data including the temperature conditions is within a predetermined tolerance required for the semiconductor device or its manufacture, and the process proceeds to the next step 406, a process for processing actual wafers for manufacturing semiconductor devices.
  • the initial CD variation ⁇ CD (10 deg) and ⁇ CD (50 deg) obtained by processing the calculation wafer at the temperature conditions of 10° C. and 50° C. included in the processing recipe data as the initial values are calculated, and these values are compared with the upper limit of the allowable range of the CD variation. If it is determined that the variation value is outside the allowable range with the upper limit value as the threshold, the calculation device calculates the temperature values and their distribution to be set at the multiple locations where the temperature is detected in order to bring the CD variation into the allowable range.
  • the set of temperature settings at the multiple locations during processing as such a processing condition is set as a temperature group, and the heater 201 is adjusted to these temperatures under the processing conditions using the temperature group T3 group corrected to improve the CD variation, and the variation ⁇ CD (T3 group) resulting from processing the calculation wafer is as shown in FIG. 13(a).
  • ⁇ S 10 deg
  • ⁇ S 50 deg
  • step 407 is performed again and the flow is restarted. In this way, the loop of steps 400 to 405 or steps 407 and 408 is repeated until the variation is determined to be within the specified value in step 405.
  • processing is performed using a processing recipe in which the processing conditions based on the first parameter have been modified based on the determination using the second parameter.
  • step 404 is performed after step 403, in which parameters including the first and second ones of the calculation wafer are calculated, and before step 405, which is a judgment process using the second parameter, but if the judgment in step 405 is that the value is outside the specified value (No), it may be performed again in the processes after step 400 before correcting the processing recipe data before the parameter is calculated.
  • the difference in slope between the left and right sides was selected as the second parameter with low temperature sensitivity, but experiments have shown that sub-trench and mask erosion also have low temperature sensitivity, and that the in-plane uniformity can be improved by reconsidering the wafer bias rather than the temperature, so the same applies if these are selected as the second parameter.
  • the temperature sensitivity of the parameter can be confirmed as shown in Figures 11 and 12 of this embodiment.
  • the temperature sensitivity of a feature calculated from an SEM image the temperature sensitivity of a three-dimensional shape parameter that has a strong correlation with that feature can be determined. Since multiple feature amounts corresponding to three-dimensional shape parameters are calculated from an SEM image, the temperature sensitivity of each feature amount can be confirmed, and a feature amount with a high temperature sensitivity can be selected as a first parameter, and a feature amount with a low temperature sensitivity can be selected as a second parameter.
  • step 403 or step 404 may be selected instead of step 400 as the process for returning from step 408 in the flowchart shown in FIG. 4.
  • the first and second parameters were both widths (nm) and had the same dimensions, so they could be compared as is, but the multiple feature quantities corresponding to the three-dimensional shape parameters each have different dimensions. In this case, it is necessary to standardize the data using data from a reference die so that they can be compared in the same dimensions.
  • CD values and three-dimensional shape are assumed as physical quantities, electrical characteristics are also possible. In that case, an electrical characteristic evaluation device is used as the measurement device rather than a CD-SEM.
  • 101 Measuring device, 102: Calculating device, 103: Etching device, 104: Wafer, 105: Wafer stage, 201: Heater, 202: Temperature regulator, 203: Heater control unit, 204: Coolant flow path, 205: Processing wafer, 501: Calculation wafer top surface, 502: Die, 503: SEM image.

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Abstract

本発明によるエッチングシステムは、ウエハ１０４をエッチングするエッチング装置１０３と、エッチング装置１０３によりエッチングされたウエハ１０４の表面上に形成されたパターンを測定する測定装置１０１と、エッチング装置１０３にエッチング条件を提供する計算装置１０２とを備え、計算装置１０２が、測定装置１０１からのパターンの測定結果に基づいてエッチング条件のうちの温度条件と相関の高い第１のパラメータと相関の低い第２のパラメータを算出し、算出した第１のパラメータに基づいて第１のパラメータが許容範囲内となる温度条件を算出し、算出した第２のパラメータが許容範囲内かどうかを判定し、算出した第２のパラメータが許容範囲外の場合に、温度条件以外の条件を変更したエッチング条件を提供し、算出した第２のパラメータが許容範囲内の場合に、温度条件を算出した温度条件に変更したエッチング条件を提供することを特徴とする。

Description

エッチングシステム及びエッチング方法
　本発明は、ウエハ面内形状均一性を向上するエッチングシステム，エッチング方法に関する。
　半導体デバイスの構造の三次元化に伴い、複雑な構造をウエハ面内に均一に作成する製造方法に対する要望が年々高まっている。半導体デバイスの製造では、露光装置でパターンマスクを形成後にエッチング装置で加工を行うことで、ウエハ前面に目的のパターンが形成される。また、作成したパターンが所望のサイズであることを確認するために、ＣＤ－ＳＥＭ（Critical Dimension Scanning Electron Microscope）やＯＣＤ（Optical Critical Dimension）などの半導体検査装置で測定を行うのが一般的である。
　エッチングの従来技術として、複数の発熱体によるウエハ面内温度を制御してエッチングすることでパターンのＴｏｐ－Ｖｉｅｗの幅に対応するＣＤ（Critical Dimension）値のウエハ面内均一性を向上させるエッチングシステムが知られている。例えば、特許文献１には、エッチングシステム及びエッチング方法として、事前に計測した各温度のＣＤシフト量と温度の関係とウエハの処理前ＣＤ値とから決定された複数発熱体の温度プロファイルを実現してエッチングすることで、ＣＤ値の面内均一性を向上させる技術が記載されている。ここで、ＣＤシフト量とは、エッチング前後でのＣＤ値の変化量を表す。
特開２０１３－７７８５９号公報
　上記の従来技術では、次の点について考慮が不十分であったため、問題が生じていた。すなわち、上記従来技術では、複数の発熱体からなる電極温度を制御することでＣＤ値のウエハ面内均一性を向上させている。しかし、近年の半導体デバイスではデバイス構造の３次元化が進んでおり、ＣＤ値という１つのパラメータだけではなく、断面形状を含む複数のパラメータの均一性が求められている。
　一方、複数のパラメータの均一性を考慮する場合、それらに対して従来技術と同様に各パラメータの電極温度を制御して均一性を向上すれば良いことは容易に考えつく。しかしながら、実際はすべてのパラメータに温度感度があるわけではない。特許文献１に示すようにＣＤ値は温度感度が高く、ウエハ温度を設定する複数の発熱体からなる電極の温度を各々調整することで、ウエハ面内のＣＤ値の均一性を向上させることができる。ところが、温度による変動が小さく温度感度が低いパラメータがあることがわかった。このパラメータに関しては、従来技術のように温度感度から算出する電極の温度制御だけでエッチング加工を行っても面内均一性の向上は困難で、所望の形状が得られないおそれがあることが判明した。
　このように、従来の技術では、温度感度の低いパラメータを含む複数のパラメータのウエハ面内均一性を実現することを考慮していなかった。本発明の目的は、温度感度の低いパラメータを含む複数のパラメータのウエハ面内均一性向上を考慮して、処理の歩留まりを向上させたエッチングシステム，エッチング方法を提供することにある。
　本発明の一実施の形態であるエッチングシステムは、ウエハをエッチングするエッチング装置と、エッチング装置によりエッチングされたウエハの表面上に形成されたパターンを測定する測定装置と、エッチング装置にエッチング条件を提供する計算装置とを備え、計算装置が、測定装置からのパターンの測定結果に基づいてエッチング条件のうちの温度条件と相関の高い第１のパラメータと相関の低い第２のパラメータを算出し、算出した第１のパラメータに基づいて第１のパラメータが許容範囲内となる温度条件を算出し、算出した第２のパラメータが許容範囲内かどうかを判定し、算出した第２のパラメータが許容範囲外の場合に、温度条件以外の条件を変更したエッチング条件を提供し、算出した第２のパラメータが許容範囲内の場合に、温度条件を算出した温度条件に変更したエッチング条件を提供することを特徴とする。
　本発明によれば、測定装置で計測されたデータを用いて、温度感度のある第１パラメータの面内分布だけでなく、温度感度の低い第２パラメータのばらつきに対して温度以外の条件を再検討し、第１及び第２パラメータの分布が許容範囲内になるまで繰り返して、当初の目標ＣＤ値に対応する温度分布に修正を加え、得られた温度分布となるようヒーターを調節してウエハ処理することにより、処理の歩留まりが向上する。
本発明の実施例に係る半導体エッチングシステムの装置構成を示す模式図である。 実施例に係る半導体エッチングシステムの装置が備えるウエハステージの構成を模式的に示す縦断面図である。 実施例に係るウエハステージ上面のヒータゾーンの配置の例を模式的に示す平面図である。 実施例に係る計算装置内の動作の流れを示すフローチャートである。 ウエハ面内の測定箇所を模式的に表す図である。 断面におけるＣＤとスロープの左右差を説明する模式図である。 半導体デバイスのラインパターンを対象としたＳＥＭ画像とそれに対応する断面模式図とＳＥＭの２次電子信号波形の例である。 ３次元形状指標である特徴量を算出する２次電子信号波形とその１次微分波形と、それに対応する３次元形状の一例である。 ＳＥＭ画像から算出した第１のパラメータであるＣＤと第２のパラメータであるスロープの左右差の値である。 第１のパラメータであるＣＤと第２のパラメータであるスロープの左右差を温度の温度感度のグラフに変換したものである。 温度感度のグラフから面内均一なパラメータ値にするための各電極の温度の算出方法について説明する図である。 温度感度が低い状態を説明するグラフである。 温度制御によるＣＤ値のばらつきの低減と、スロープの左右差のばらつきを表す図である ガス種変更によるスロープの左右差のばらつきの低減を表す図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではないまた、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。同一あるいは同様の機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。また、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。図面において示す各構成要素の位置，大きさ，形状，範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置，大きさ，形状，範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置，大きさ，形状，範囲などに限定されない。
　本発明の実施例について、まず図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施例に係る半導体エッチングシステムの構成を示す模式図である。本図では、半導体エッチングシステムの全体の構成が模式的に示されており、エッチング処理装置等の半導体ウエハの処理装置であって、半導体ウエハを処理してウエハの面内方向における特定の物理量（例えば、ウエハ表面に形成される回路用のパターンの形状あるいは寸法）の分布を実現するための装置が示されている。
　本実施例の半導体エッチングシステムは、エッチング装置１０３の容器の中に、ウエハ１０４が設置されて当該ウエハ１０４の面内方向における温度の分布を可変に調整する機能を有するウエハステージ１０５を備えたエッチング装置１０３とともに、ウエハ面内についての特定の物理量の分布を計測できる測定装置１０１と、測定装置１０１により予め設定された複数の位置のウエハの表面上に形成されたパターンが測定された結果から得られたＣＤ値を含む複数のパラメータ値の計算、および当該パラメータ値を用いたウエハまたはこれを支持するステージの複数箇所の温度の計算を行う計算機と、パラメータのばらつきが許容範囲内かどうかを判定する機構を有する計算装置１０２とを備えている。
　図２は、実施例に係るエッチング装置のウエハステージと温度調節の構成を模式的に示す断面図である。ウエハステージ１０５は、処理ウエハ２０５を載せる面の下に、加熱を行う複数のヒーター２０１と冷却を行うための冷媒流路２０４を備えている。複数のヒーター２０１の発熱量の調整と冷媒の温度の調節により、ウエハステージ１０５の面内方向における温度分布が調整される。複数のヒーター２０１はウエハステージ１０５のエリアごとに設置されており、エリアの分割は図３の（ａ）のように同心円状に分割する方法や（ｂ）のように矩形に分割する方法などがある。この分割エリアは電極と呼ばれる。分割の数や大きさは例示されるものに限らない。また、２０２はヒーターの電極の温度調節器であり、図示していないが、ヒーターの電極に設置されている複数の温度センサから得られるセンサ値を用いて、ウエハを載せるステージ上面の温度が、計算装置１０２で算出したウエハ温度になるように調節する。この調節の制御は、ヒーター制御部２０３が行っている。
　冷媒流路２０４は図示しない管路を介して接続された冷媒温度制御器との間で循環して通流し、冷媒温度制御器において予め定められた範囲の温度に調節される。図では冷媒流路２０４がヒーター２０１の下方に設置されているが、上方に設置することもできる。また、ヒーター２０１のみでウエハ温度が所望の値に調節できる場合には冷媒を使用しなくてもよい。
　計算装置１０２は、本番ウエハをエッチングする前に、ＣＤ値や形状のウエハ面内均一性が可能になるエッチング条件をだし、そのためのステージ温度を算出してエッチング装置１０３に伝える装置である。図４に、計算装置で行うフローチャートを示す。本実施例では、まず算出用のウエハを用いてエッチング処理を行う。算出用ウエハとは、半導体デバイス（装置）を製造するためのウエハ（実ウエハ）をエッチング処理する前に、処理後のウエハ上の膜構造のＣＤ値や形状，寸法の面内方向についての分布を所望の範囲のものにできる処理の条件を取得するため、予め処理されて上記処理の条件を定める上で必要なパラメータが検出される別のウエハであり、少なくとも、実ウエハ上面に配置される処理対象の膜を含む複数の膜層を備えた膜構造やパターンと同一またはこれと見做せる程度の同等のものが予め上面に配置されているウエハである。
　最初のステップ４００において、図１に示すエッチング装置１０３が算出用ウエハを処理する際の処理ガスの流量，処理室内の圧力，処理中のウエハの温度及びその分布等の処理の条件、いわゆる処理用レシピを含むエッチング装置１０３の動作を示すデータ（処理用レシピデータ）が、通信手段を介して計算装置１０２により取得され内部の記憶装置内に記録される。次に、ステップ４０１で、算出用ウエハを用いて、得られた処理用レシピデータに基づいて、エッチング処理が行われる。本実施例では、複数枚の算出用ウエハの各々について、異なる温度の条件に基づいて処理が行われる。
　特許文献１にも記載されているように、ＣＤ値は温度感度があり、温度によって異なる値になることが知られている。このことから、ステップ４０１では、複数の算出用ウエハについて温度を変えて、所望のパターンの温度感度を算出するための処理が行われる。本実施例では、処理中のウエハ温度として面内方向について１０℃および５０℃にされた条件、特には処理中にウエハまたはウエハステージの複数の箇所各々で検出される温度が所定の許容範囲にされた条件で、２枚の算出用ウエハそれぞれのエッチング処理を行い、これらの算出用ウエハからＣＤ値とその分布を検出した。
　次に、ステップ４０２において、処理済の複数の算出用ウエハの計測を行う。本実施例においてパターンのＣＤ値は、従来一般的に用いられているＣＤ-ＳＥＭ装置を使って測定する。非破壊で、高速に測定できるからである。本実施例では、各算出用ウエハ上面５０１の予め定められた複数の箇所について、当該箇所の所望のパターンをＣＤ－ＳＥＭ装置によりＴｏｐＶｉｅｗからの画像取得を行う。この際、図５のように算出用ウエハ上面５０１の複数の箇所について得られた測定値の面内方向の分布が算出できる。最終的にウエハから切り出される各半導体デバイス（チップ）に対応する算出用ウエハ上面５０１の各デバイスパターンが形成されたダイ５０２のうちから予め定められた複数個各々の内側の箇所各々に形成された加工後の形状が計測されてＳＥＭ画像５０３ａ，５０３ｂ・・・が取得される。
　ＣＤ－ＳＥＭ画像は、ＳＥＭにおいて入射電子が試料内で散乱することによって原子から励起された２次電子を検出し、画像の画素ごとに濃淡（輝度）で表示したものである。検出した２次電子シグナルの強度を表したものであり、パターンの３次元形状の情報が含まれている。本実施例では、ウエハ温度が１０℃にされる条件でエッチングした算出用ウエハの面内における複数個所のＳＥＭ画像と、５０℃の条件でエッチングした算出用ウエハの複数画像が取得される。各算出用ウエハ上面５０１に形成された１１０個のダイ５０２各々の領域内側の定められた箇所でのパターンについて、それぞれ画像取得した。
　なお、本実施例でのウエハまたはウエハステージの温度が検出される箇所は、電極制御装置により窓外温度が所望の値にされるように出力または加熱量が調節される各ヒーター２０１の領域の下方であってこれらの上方から見た投影面内に配置され、これら箇所の個数はヒーター２０１の個数と同じかこれより多くされている。ステップ４００，４０１のようにウエハ温度を面内方向について所定の値にされる場合においても、複数の箇所での検出される温度の値の集合について、各値のばらつきが所望の範囲内となるように各ヒーター２０１の出力や加熱量が調節される。図３（ｂ）に示された矩形状領域を有するヒーター２０１の例では、各ヒーターの寸法は各ダイ５０２の寸法より小さくされ、この例ではダイ５０２の個数より多い箇所で検出された温度に基づいて各ヒーター２０１が調節される。
　次に、ステップ４０３において、取得したＣＤ－ＳＥＭ画像から３次元形状をあらわす形状パラメータを算出する。第１のパラメータとして温度感度の高いパラメータ、例えばＣＤ値を算出し、第２のパラメータとして温度感度の低い、すなわち、ウエハ温度とは相関が低くかつ温度以外の別の処理条件と高い相関を有したパラメータ、たとえば実験的に温度感度が低いことが確認できている断面のスロープの左右差を算出する。なお、本発明において、温度との相関が低いパラメータには温度との相関がないパラメータも含むものとする。
　図６に示すように、ＣＤ値とは断面の幅を表すものであり、スロープの左右差とはパターン断面の斜面の左右の幅の差｜Ｓ１－Ｓ２｜である。ＳＡＤＰ（Self-Aligned Double Patterning）でパターン作成を行うときに、このパラメータのウエハ面内均一性は重要になってくる。
　ここで、ＳＥＭ画像と、その画像からパラメータを算出する方法について説明する。図７には、半導体デバイスのラインパターンを対象としたＳＥＭ画像の例を示す。図７（ａ）は、ラインパターンのＴｏｐＶｉｅｗ画像である２次元のＳＥＭ画像である。このＳＥＭ画像では、ウエハ面内に対応した図示のＸ－Ｙ面内において、Ｙ方向に延びるラインパターンが１本ある。この画像では、画素ごとに濃淡（輝度）を有している。
　図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ－Ｂに示す位置でのパターンの断面形状の例であり、Ｘ－Ｚ断面に相当する。図７（ｃ）は、図７（ａ）の画像７０１の濃淡及び（ｂ）の断面形状に対応した、ＳＥＭの２次電子信号波形の例である。この波形はラインプロファイルとも呼ばれる。この信号波形は、計測対象であるパターンの断面の傾斜角に対して感度が高く、パターンの側壁部での信号量は、パターンの平坦部の信号量より大きくなる。図７（ｂ）の断面形状の斜面７０２部分が（ｃ）の信号波形の７０４に、平坦部分７０３が７０５におおよそ対応している。このように、信号波形は、パターンの断面形状に応じて変化することが知られている。
　一方、この信号波形から、断面形状を推測するための特徴量と呼ばれるものが算出できる。特徴量とは、２次電子信号波形と、その１次微分波形、２次微分波形のそれぞれの波形から得られるピークや幅などの値を指し、パターンの形状の特徴を表す形状指標である。図８に、特徴量の一例を示す。（ａ）は２次電子信号波形、（ｂ）はその１次微分波形、（ｃ）はパターンの断面形状を示す。矢印で示す波形の幅の値を特徴量と言い、それら複数の特徴量の関係から、計測対象であるパターン幅（８０１，８０４）、裾引き（８０２，８０５）、側面の径射角（８０３，８０６）などの形状をとらえている。
　本実施例では、この算出方法でＳＥＭ画像から第１のパラメータであるＣＤ値と第２のパラメータであるスロープの左右差の値を求めたものを図９に示す。（ａ）は第１のパラメータのＣＤ値で、（ｂ）は第２のパラメータのスロープの左右差の値である。白丸が算出用ウエハが処理される際の温度の条件が１０℃、黒丸が５０℃で、グラフの横軸はエッチングしたそれぞれのウエハで測定した１１０か所を示す。
　次に、それらを横軸が温度の温度感度のグラフに変換し、それぞれの初期ばらつきσｉを計算する（図１０）。本実施例では、ＣＤ－ＳＥＭ測定座標からエッチング装置の電極座標へ座標変換した後の第１及び第２のパラメータの値を使用した。第１のパラメータのＣＤ値の１０℃ウエハの初期ばらつき（標準偏差）はσＣＤ（１０ｄｅｇ）＝０．９１、５０℃ウエハのばらつきはσＣＤ（５０ｄｅｇ）＝０．７６、第２のパラメータのスロープの左右差のばらつきは、１０℃ウエハはσＳ（１０ｄｅｇ）＝０．１６、５０℃ウエハはσＳ（５０ｄｅｇ）＝０．０８であった。
　次に図４のフローのステップ４０４において、第１のパラメータ（ＣＤ値）の電極制御温度を計算する。温度感度のグラフから面内均一なパラメータ値にするための各電極の温度の算出方法について図１１を用いて説明する。説明のため、（ａ）では温度Ｔ１とＴ２でエッチングした算出用ウエハをＣＤ－ＳＥＭで測定して取得したＣＤ値を電極番号Ｒ１（〇）、Ｒ２（△）のみプロットしたもので、破線は電極毎の１次直線近似線である。この１次直線近似線からグラフ内に示すターゲットのＣＤ値にするための各々の電極温度を算出する。すなわち、矢印で示すように電極Ｒ１の１次直線近似線とターゲットとの交点から電極Ｒ１の温度ＴＲ１、電極Ｒ２の１次直線近似線との交点から電極Ｒ２の温度ＴＲ２が求まるわけである。
　また、（ｂ）のようにＴ１とＴ２以外にも、Ｔ３，Ｔ４・・・と複数の温度で算出用ウエハ加工を行い複数のデータが存在する場合には、１次直線近似線ではなく（ｂ）中の破線のように２次曲線近似線で近似する。
　ここで、温度感度が低いパラメータの説明を行う。電極はエッチング装置の一部であり、制御できる温度に範囲がある。たとえば、最小温度をＴｍｉｎ、最大温度をＴｍａｘとおくと、通常は算出用ウエハ加工温度Ｔ１やＴ２はＴｍｉｎとＴｍａｘの範囲内にある。また、図１１でも、算出した温度ＴＲ１，ＴＲ２もＴｍｉｎとＴｍａｘの範囲内にある。一方、図１２のように温度による傾きが小さい場合、各電極の近似線とターゲット値との交点から得られる温度、ＴＲ１やＴＲ２はＴｍｉｎとＴｍａｘの範囲外の温度になる。この場合は、電極温度を実現することはできない。また、このように傾きが小さいということは、ＴｍｉｎとＴｍａｘの間で温度を変えてもパラメータ値の変化は小さく、温度感度が小さいという。
　図４の次のフローであるステップ４０５は、温度感度の低い第２のパラメータ（スロープの左右差）のばらつきが所定の許容範囲内のものであるかを判定する工程である。ばらつきが規定値内のとき（Ｙｅｓ）は、温度の条件を含む当初の処理用レシピデータに基づいたエッチング処理による加工後の形状についてステップ４０４で算出した第１のパラメータ（ＣＤ値）および第２のパラメータの両パラメータのばらつきが半導体デバイスまたはその製造で求められる所定の許容範囲内の値であると判定され、次のステップ４０６である半導体デバイス製造するための実ウエハを処理する工程に移行する。
　一方、第２のパラメータのばらつきが規定値外の場合（Ｎｏ）は、例え当初の処理用レシピデータに則った温度制御により第１のパラメータ（ＣＤ値）のばらつきが許容範囲内であっても、第２のパラメータ（スロープの左右差）の点で半導体デバイス或いはその製造において問題が生じる虞がある。この場合はステップ４０７以降の工程に移行して、第２のパラメータのばらつきが許容範囲内の値になるようにウエハの処理の条件のうち当該パラメータに相関の高いものが変更された処理用レシピデータに修正する。
　具体的には、図１０のデータを使った場合、初期値としての処理用レシピデータに含まれる温度条件１０℃と５０℃との各々での算出用ウエハの処理で得られたＣＤ値の初期ばらつきσＣＤ（１０ｄｅｇ）及びσＣＤ（５０ｄｅｇ）が算出され、これらの値がＣＤ値のばらつきの許容範囲の上限値と比較される。ばらつきの値が当該上限値を閾値とした許容範囲外であると判定された場合には、ＣＤ値のばらつきを許容範囲内の値にするため、計算装置により、温度が検出される上記複数の箇所で設定されるべき温度の値およびその分布が算出される。このような処理の条件としての処理中の上記複数箇所での温度の設定値の集合を温度群として、ＣＤ値のばらつきが向上するように修正された温度群温度Ｔ３群を用いた処理の条件でこれらの温度になるようにヒーター２０１を調節して算出用ウエハを処理した結果のばらつきσＣＤ（Ｔ３群）は、図１３（ａ）に示すようになる。
　一方、スロープの左右差のばらつきσＳ（１０ｄｅｇ）及びσＳ（５０ｄｅｇ）をプロットしたものは図１３（ｂ）であり、ばらつきの規定値をσ＝０．３とすると、スロープの左右差のばらつきは、いずれも規定値内（Ｙｅｓ）であることがわかる。このデータの場合では、温度制御後のＣＤ値のばらつきもスロープの左右差のばらつきも規定値内に抑えることができるため、温度群Ｔ３を処理の条件とする処理用レシピデータに基づいた実ウエハ処理に進むことができることが判る。
　一方、第２のパラメータのばらつきが規定値外の場合（Ｎｏ）は、第１のパラメータ（ＣＤ値）のばらつきを温度制御により規定値内にしても、第２のパラメータ（スロープの左右差）は規定値内にできないため、両パラメータのばらつきをスペック内にできないということになる。この場合は、本実施例ではスロープの左右差のばらつきを低減させるために、温度以外のエッチング処理の条件の再検討をして再度条件の設定を行う。このステップが図４のステップ４０７になる。
　図１４に示した別の実験例の場合、任意の温度群Ｔ２，Ｔ３を処理の条件として処理された算出用ウエハの加工後のスロープの左右差がばらつきは規定値以上であり、温度を変えてもばらつきを低減できなかった。この例の場合は、ステップ４０７においてガスの種類が変更され温度の条件が温度群Ｔ３に変更されたものとして新たに処理の条件が設定し直されて、ステップ４０８において修正された処理用レシピデータが作成される。その後に、ステップ４００に戻り修正後の処理用レシピデータがエッチング装置に送信され、もう一度ステップ４０１から４０５を実行する。再度のこれらステップの実行により得られた加工後のパターンデータから第１，第２のパラメータが検出され、これらの値とばらつきとが算出される。
　図１４に示す通り、この結果、ＣＤ値だけでなくスロープの左右差のばらつきも規定値０．３より小さい０．０９に減少させることができた。ステップ４０７でエッチング条件を変えるたびにＣＤ値の温度感度も変わってしまうため、その都度ステップ４００から行い、ＣＤ値の電極制御温度の再計算を行う必要がある。
　また、もし１回エッチング条件を変更し、ステップ４０１から４０５を行ったときに、ステップ４０５でスロープの左右差のばらつきを規定値内にできなかった場合は、再度ステップ４０７を行ってフローをやり直す。このように、ステップ４０５の判定でばらつきが規定値内に入るまでステップ４００乃至４０５またはステップ４０７，４０８のループを繰り返す。最終的にステップ４０６の実ウエハの処理では、第２パラメータを用いた判定に基づいて第１パラメータに基づいた処理の条件に修正が加えられた処理用レシピを用いて処理が実施されることになる。
　本実施例の測定装置では３次元形状の情報を得るためにＣＤ－ＳＥＭを用いたが、割ったり，ＦＩＢ等で断面を出すことで、直接パターンの断面形状を観察して測定する方法でもかまわない。また、ステップ４０４は算出用ウエハの第１，第２のものを含むパラメータの算出するステップ４０３の後であって第２パラメータを用いた判定の工程であるステップ４０５との間に実施されているが、ステップ４０５での判定が規定値外である（Ｎｏ）と判定された場合に、ステップ４００以降の工程において再度パラメータを算出前の処理用レシピデータの修正の前に実施されてもよい。
　また、本実施例では、温度感度の低い第２のパラメータにスロープの左右差を選んだが、実験的にはサブトレンチやＭａｓｋ Ｅｒｏｓｉｏｎも温度感度が低く、温度ではなくウエハバイアスを再検討することで面内均一性を向上させられるということがわかっているため、これらを第２のパラメータとして選択した場合も同様である。
　また、温度感度が判っていない形状パラメータでも本実施例の図１１及び図１２のようにして、そのパラメータの温度感度を確認することができる。その場合は、ＳＥＭ画像から算出された特徴量の温度感度を算出することで、その特徴量に強い相関を持つ３次元形状パラメータの温度感度がわかる。ＳＥＭ画像からは、３次元形状パラメータに対応する複数の特徴量が算出されるので、各々の特徴量の温度感度を確認し、温度感度の高い特徴量を第１のパラメータとし、温度感度の低い特徴量を第２のパラメータとして選択してもよい。
　また、第２のパラメータとして修正後の処理用レシピデータを用いた再度の算出用ウエハの処理後のＣＤ－ＳＥＭによる検出を要するスロープの左右差でないものであって、再度のウエハ処理を要しないパラメータを用いる場合には、図４に示したフローチャートのうち、ステップ４０８から戻る工程としてステップ４００でなくステップ４０３またはステップ４０４が選択されてもよい。この場合、修正された処理用レシピデータの処理の条件を用いた処理の結果としてのパラメータの値を、実際のエッチング処理を用いずに所定の精度で検出または算出できる、例えば数値シミュレーションが用いられることが必要となる。
　本実施例の第１と第２のパラメータはどちらも幅（ｎｍ）で同次元であったため、そのままの比較検討が行えたが、３次元形状パラメータに対応する複数の特徴量は、それぞれ次元が異なる。この場合は、同じ次元で比較できるように、基準ダイのデータを用いてデータの標準化処理を行う必要がある。物理量としてＣＤ値と３次元形状を想定したが、電気特性でも可能である。その場合は測定装置としてＣＤ－ＳＥＭではなく、電気特性評価装置を使用する。
１０１：測定装置、１０２：計算装置、１０３：エッチング装置、１０４：ウエハ、１０５：ウエハステージ、２０１：ヒーター、２０２：温度調節器、２０３：ヒーター制御部、２０４：冷媒流路、２０５：処理ウエハ、５０１：算出用ウエハ上面、５０２：ダイ、５０３：ＳＥＭ画像。

Claims (10)

  1. 　ウエハをエッチングするエッチング装置と、前記エッチング装置によりエッチングされた前記ウエハの表面上に形成されたパターンを測定する測定装置と、前記エッチング装置にエッチング条件を提供する計算装置とを備え、
    　前記計算装置が、前記測定装置からの前記パターンの測定結果に基づいてエッチング条件のうちの温度条件と相関の高い第１のパラメータと相関の低い第２のパラメータを算出し、算出した前記第１のパラメータに基づいて前記第１のパラメータが許容範囲内となる温度条件を算出し、算出した前記第２のパラメータが許容範囲内かどうかを判定し、
    　算出した前記第２のパラメータが許容範囲外の場合に、温度条件以外の条件を変更したエッチング条件を提供し、算出した前記第２のパラメータが許容範囲内の場合に、温度条件を算出した温度条件に変更したエッチング条件を提供することを特徴とするエッチングシステム。
  2. 　前記第１のパラメータが前記パターンのＣＤ値であり、前記第２のパラメータが前記パターンの断面の斜面の左右の幅の差であることを特徴とする請求項１に記載のエッチングシステム。
  3. 　前記測定装置がＣＤ－ＳＥＭ測定装置であり、前記パターンのＴｏｐＶｉｅｗからのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項２に記載のエッチングシステム。
  4. 　前記ＳＥＭ画像から前記パターンのＣＤ値と断面の斜面の左右の幅の差を算出することを特徴とする請求項３に記載のエッチングシステム。
  5. 　算出した前記パターンの断面の斜面の左右の幅の差が許容範囲外の場合に、ガスを変更したエッチング条件を前記エッチング装置に提供することを特徴とする請求項４に記載のエッチングシステム。
  6. 　ウエハをエッチングするエッチング装置と、前記エッチング装置によりエッチングされたウエハの表面上に形成されたパターンを測定する測定装置と、前記エッチング装置にエッチング条件を提供する計算装置とを用いたエッチング方法において、
    　提供されたエッチング条件でウエハをエッチングする第１のステップと、
    　前記第１のステップでエッチングされたウエハの表面上に形成されたパターンを測定する第２のステップと、
    　前記第２のステップの測定結果に基づいてエッチング条件のうちの温度条件と相関の高い第１のパラメータと相関の低い第２のパラメータを算出する第３のステップと、
    　前記第３のステップで算出した前記第１のパラメータに基づいて前記第１のパラメータが許容範囲内となる温度条件を算出する第４のステップと、
    　前記第３のステップで算出した前記第２のパラメータが許容範囲内かどうかを判定する第５のステップと、
    　前記第５のステップの判定が許容範囲外の場合に、温度条件以外の条件を変更したエッチング条件を前記エッチング装置に提供する第６のステップと、
    　前記第５のステップの判定が許容範囲内の場合に、前記第４のステップで算出した温度条件に変更したエッチング条件を前記エッチング装置に提供する第７のステップを有し、
    　前記第５のステップの判定が許容範囲外となった場合、前記第５のステップの判定が許容範囲内となるまで前記第１乃至第６のステップを繰り返すことを特徴とするエッチング方法。
  7. 　前記第１のパラメータが前記パターンのＣＤ値であり、前記第２のパラメータが前記パターンの断面の斜面の左右の幅の差であることを特徴とする請求項６に記載のエッチング方法。
  8. 　前記測定装置がＣＤ－ＳＥＭ測定装置であり、前記第２のステップにおいて前記パターンのＴｏｐＶｉｅｗからのＳＥＭ画像を取得することを特徴とする請求項７に記載のエッチング方法。
  9. 　前記第３のステップにおいて前記ＳＥＭ画像から前記パターンのＣＤ値と断面の斜面の左右の幅の差を算出することを特徴とする請求項８に記載のエッチング方法。
  10. 　前記第６のステップにおいてガスを変更したエッチング条件を前記エッチング装置に提供することを特徴とする請求項９に記載のエッチング方法。
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