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技術 酸素モニタリングによるリアルタイム・ゲート・エッチ限界寸法制御

出願人 アギアシステムズエルエルシー
発明者 ジェラルドダブリュ.ギブソン,ジュニヤ
出願日 2004年9月27日 (16年2ヶ月経過) 出願番号 2004-278665
公開日 2005年4月21日 (15年8ヶ月経過) 公開番号 2005-109481
状態 特許登録済
技術分野 半導体のドライエッチング
主要キーワード 統計的関数 フォトレジスタ層 設定点値 導体線幅 エッチング酸 外部計測 比較要素 プロセス特有
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (4)

課題

エッチング室におけるエッチャントガス濃度を制御するための方法および装置を提供すること。

解決手段

エッチャント・ガス濃度および不活性ガス濃度を決定し、後者の濃度を使用してエッチャント・ガス濃度齲を正規化する。正規化された値を所定の応答値と比較し、それに応じて室へのエッチャント・ガスフローを制御する。

概要

背景

半導体デバイスは、一般に基板および基板内のドープされた領域から形成されたトランジスタなどの要素を備える。デバイス電気的に相互接続するためおよび外部回路要素の接続のために接続パッドを与えるために相互接続層半導体基板上に成長させられる。

相互接続層は、パターンフォトマスク上に設計し、露出およびエッチング・プロセスによって半導体チップ転写する、従来のフォトリソグラフィ技法を使用することによって形成される。フォトレジスト材料の比較的薄い層を基板上に付着し、放射の制御されたパターンに露出させて、露出された領域に化学反応を引き起こす。選択されたフォトレジスト材料に応じて可視光線紫外放射電子ビームまたはX線エネルギー現像エネルギーとして使用することができる。現像液フォトレジスタ層に接触して、選択されたフォトレジスト材料の化学的性質に応じて、放射露出領域放射マスク領域のいずれかを溶解および除去する。フォトレジスト層の露出領域が露出後にあまり溶解できなくなった場合、基板上に残っているパターンは放射パターンネガティブ画像になり、フォトレジストはネガティブ・フォトレジストと呼ばれる。露出領域がより溶解できるようになり、現像液によって除去されると、基板上に残っているパターンは放射のパターンの画像のポジティブ画像になり、フォトレジストはポジティブ作用フォトレジストと呼ばれる。いずれの場合も、フォトレジストが除去されると、下にある基板の所望の領域が後続の処理工程への露出によって露出される。フォトレジスト・マスクが所定の位置に残っている基板の領域は後続のプロセス工程から保護される。後続のプロセス工程はドーパント注入、材料の付着、露出した材料を除去するための表面へのエッチャントの塗布を含む。

半導体技術の継続的な進歩は高速で動作する小型デバイス製作を促進した。そのような超大規模集積化に向かう邁進はデバイス・サイズ、回路寸法およびデバイス・フィーチャの継続的な縮小をもたらし、その結果フォトリソグラフィ・プロセス中に小型マスクが使用されることになった。しかし、マスクパターンを基板に転写したとき、パターンの限界寸法は、パターンを露出する光学露出ツールの分解能限界に制限される。たとえば、電界効果トランジスタを備える集積回路の場合、重要なプロセス工程はトランジスタ・ゲートの形成であり、特にゲートの寸法に重点が置かれる。多数の用途において、性能特性(たとえばスイッチング速度)およびトランジスタのサイズはトランジスタ・ゲートの幅にほぼ対応するトランジスタ・チャネル長関数的に関連する。より短いチャネル長は(ある限界内で)より高性能なトランジスタを生成する傾向がある。

したがって、ゲート・ライン幅制御は半導体製造において最も重要である。半導体の動作速度が増加し、寸法が減少するにつれて、高度な製作技術において積極的に小さいゲート幅ターゲットを形成するためのいくつかの技法が開発されてきた。1つの知られている技法は、最終ターゲットよりも若干大きいサイズをもつゲート構造をフォトリソグラフィ的に画定することである。ゲート画定フォトレジスト材料は従来のフォトリソグラフィ・マスキングおよびパターニング・プロセス中に過大サイズ決定される。後続のエッチング工程において、フォトレジストを酸素基に露出することよって長さと幅寸法の両方を低減する。その後下にある導電層をエッチングしてゲートを形成すると、ゲート長および幅がマスク寸法によって画定されるよりも狭くなる。

図1に示すように、たとえばポリシリコンまたは導電材料を備える導電層10が半導体基板12上に形成される。反射コーティング層14が導電層10の上にある。フォトレジスト・パターン16は上述の従来のフォトリソグラフィ技法によって形成される。フォトレジスト・パターン16の高さ(h)、幅(w)および間隔(s)は図1に示されている。

従来のプラズマエッチング室において、基板は、h’がhよりも小さく、w’がwよりも小さく、s’がsよりも小さい、図2に示す結果として生じるフォトレジスト・プロファイルで、フォトレジスト・パターンを薄める酸素基を含有する酸素ガスに曝される。一般に、このプロセスは大気圧で約130℃と200℃の間の比較的低い温度で行われる。フォトレジスト材料は、次いでプロセス室から排出されるCO2、COおよびH2Oを形成する酸素基との反応によって容易に分離される基本C−H−O構造を備える。

この従来技術のトリム・プロセスの1つの欠点は、終点に達したときにフォトレジストのプラズマ・エッチを終了することができるようにプロセス終点を決定することができないことである。たいていの従来の半導体エッチ・プロセスとは異なり、トリム・プロセスはエッチ停止層上で停止または終了しない。ゲート・エッチのプロセスに適用したとき、決定的な終点の欠如は、デバイス速度および電流漏れを含む、いくつかの性能パラメータに影響することがあるゲート寸法の変動をもたらす。トリム・プロセスの変動も、ゲート寸法の1つまたは複数が所定の限界を超えて低減された場合、スループット、収量および収益率を低減することがある。

これらの欠点を克服する努力において、いくつかの統計的プロセスまたはウエランモニタリング(「ランツーラン」制御)技法がトリム・ツールに適用されている。いずれの場合でも、限界寸法スキャニング電子顕微鏡またはスキャタロメータなどの外部計測学ツールを使用して、ゲート寸法を測定し、測定結果に基づいてエッチ・トリム・プロセスを制御する。これらの測定は、製作されたゲート上でイントゥーでまたはフォトレジスト層上でエクストゥーで行うことができる。しかし、このプロセス制御技法は後で製作されたトランジスタのみに益する。リアルタイムフィードバック制御は提供されず、場合によっては問題を克服するために限界寸法問題が存在することを決定することとプロセス変数を調節することとの間の期間中に欠陥のあるウエハの製造をもたらす。さらに、根本原因が頻繁に知られないと、問題を軽減する努力においてプロセス調節は繰り返し適用される。根本原因の決定がないと、変数調節は一次的な変更のみを提供することがあるか、またはプロセスが正しいパラメータに向かって反復されると即座の変更を生成することがないことがある。加えて、室状態が時間の経過とともに変化すると、初期プロセス調節はもはや適切でなくなる可能性がある。

半導体製作プロセス・ツールが適切に機能しているかどうかを判定するために様々なプロセス制御技法が従来使用されている。デバイスの1つまたは複数の特定の限界寸法の長期間の統計的変動を特定するために統計的プロセス制御技法を利用することができる。注目する限界寸法を所定のスケジュールウエハ内のいくつかのデバイスまたはフィールドで測定する。いくつかのウエハ・ロットに基づいて、測定された限界寸法の平均や標準偏差などの統計的関数を計算する。処理が続くと、追加のフィールドが処理されたデバイス、測定された限界寸法および最新の限界寸法測定を使用して再計算される動作平均または標準偏差からランダムに選択される。最終取得測定値が平均または標準偏差を所定の量以上変更しない場合、プロセスは繰り返し可能とみなされ、プロセス変更は不要である。最終測定値が平均または標準偏差を所定の量以上変更させる場合、プロセス「レシピ」の変更が保証される。レシピ変更は、範囲外特徴を引き起こしているプロセス・ツールに関連する変数のいずれかを変更することを含む。たとえば、ガス圧力および/または温度を上げたり下げたりすることができ、単位時間当たりの入力ガスの量を増加または減少することができ、フィーチャ・サイズを事前確立された限度に戻す努力において様々な電圧設定を変更することができる。この方法を使用して限界寸法の統計的分析を与えることができるが、それは限界寸法変動の根本原因を特定することができない。

フィーチャ寸法のランツーラン制御も外部計測学ツールの使用が必要である。ウエハ(一般に25個のウエハ)の各カセットを処理した後、複数の限界寸法を測定する。仕様外であることが見出された場合、異常の原因およびそれに応じて変更されるプロセス・レシピを決定する努力においてプロセス変数を検査する。

統計的プロセス制御およびランツーラン制御技法は上述のトリム速度プロセスなどの製作プロセスを制御するためのいくつかのフィーチャ・サイズ情報を提供するが、それらは限界寸法制御のための所望の繰り返し可能性を与えないことがある。それらは、限界測定がオフラインで行われ、仕様外条件の確認後にのみ変更がなされるので、エッチ速度リアルタイム制御を与えない。

上述のレジスト・トリム・プロセスの横方向エッチ速度がフォトリソグラフィ・パターン密度、エッチング室によって以前に処理されたウエハ混合物、および室の清浄度状態、すなわち最後の室クリーニング以来エッチングされたウエハの数などのパラメータに依存することが決定された。これらのファクタ、場合によっては他のファクタが利用可能なエッチング酸化剤の濃度に影響を及ぼし、トリム・エッチが進行する速度を変更すると考えられる。従来技術の技法によれば、統計的プロセス制御方法またはランツーラン測定が、トリム結果が所定の境界内にないことを示した場合、プロセス補正試みるために酸化ガスフローが変更される。

トリム・プロセスを制御し、プロセス変動を低減しようとする試みるためのいくつかの技法が知られている。たとえば、プロセス特有(またはツールまたは室特有)および製品特有レシピを考案することができる。したがって、ある製品を製作するとき、トリム速度の変動を制限し、より一貫した結果を生じる努力においてその製品の製品特有レシピが使用される。同様に、特有のツールまたは室において製品をトリム・エッチングするとき、その室に関連する唯一独自レシピが使用される。これらの異なるプロセス履歴および固有物理相違が与えられれば、2つの室は同じ製品を製作するために同じレシピをめったに使用しない。特有のリソグラフィ・パターン密度を有するウエハに対してレシピを開発することもできる。すべての室ベースおよび製品ベース・レシピに対する酸化剤フローの調節によって、上述の統計的プロセス制御技法で決定されるような、トリム結果の長期間の観測されるドリフト緩和することができる。

新しい製品が製造プロセスに導入されるときはいつでも、統計的データベースが作成されるまで、または製品へのトリム・プロセス変数の効果が得られるまで、トリム・エッチ結果をモニタリングすることが好ましい。また、室がクリーニングされるときなど、各主要エッチ・ツール・ハードウェア摂動後トリム速度を検証することは重要である。

概要

エッチング室におけるエッチャント・ガス濃度を制御するための方法および装置を提供すること。 エッチャント・ガス濃度および不活性ガス濃度を決定し、後者の濃度を使用してエッチャント・ガス濃度齲を正規化する。正規化された値を所定の応答値と比較し、それに応じて室へのエッチャント・ガスのフローを制御する。

目的

1つの知られている技法は、最終ターゲットよりも若干大きいサイズをもつゲート構造をフォトリソグラフィ的に画定することである

効果

実績

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牽制数
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請求項1

エッチングエッチャントガスの濃度の影響を受け、前記エッチャント・ガスがマスフローコントローラを介してエッチング室に入力される、半導体基板上でエッチングを制御するための方法であって、所望のエッチャント・ガス濃度を決定する工程と、前記エッチング室に不活性ガスを供給する工程と、実際のエッチャント・ガス濃度を表す第1の信号を生成する工程と、不活性ガス濃度を表す第2の信号を生成する工程と、正規化されたエッチャント・ガス濃度信号を生成するために前記第1および第2の信号を関連付ける工程と、前記正規化されたエッチャント・ガス濃度信号を、前記所望のエッチャント・ガス濃度を表す信号と比較する工程と、前記比較工程に応じて前記マス・フロー・コントローラを制御する工程とを備える方法。

請求項2

前記エッチャント・ガスが酸素基を備える請求項1に記載の方法。

請求項3

前記不活性ガスがアルゴンを備える請求項1に記載の方法。

請求項4

前記エッチャント・ガスが酸素基を備え、前記エッチング室に酸素を供給する工程と、前記酸素から酸素基を形成するために前記エッチング室内プラズマを形成する工程とをさらに備える請求項1に記載の方法。

請求項5

前記第1の信号が、前記エッチャント・ガスによって形成されたスペクトル出線を表す信号を備える請求項1に記載の方法。

請求項6

前記第2の信号が、前記不活性ガスによって形成されたスペクトル放出線を表す信号を備える請求項1に記載の方法。

請求項7

前記関連付ける工程が、前記第1の信号を前記第2の信号によって分割する工程をさらに備える請求項1に記載の方法。

請求項8

前記半導体基板が、所定の寸法で形成された複数のトランジスタゲートフィーチャを備え、前記エッチャント・ガスがいくつかのフィーチャ寸法を低減する請求項1に記載の方法。

請求項9

前記関連付ける工程が、前記エッチャント・ガスによって形成されたスペクトル放出線を表すフィルタリングされた第1の信号を生成するために第1の信号をフィルタリングする工程と、前記不活性ガスによって形成されたスペクトル放出線を表すフィルタリングされた前記第2の信号を生成するために第2の信号をフィルタリングする工程と、前記正規化されたエッチャント・ガス濃度信号を生成するために前記第1および第2のフィルタリングされた信号を関連付ける工程とを備える請求項1に記載の方法。

請求項10

前記関連付ける工程が、短期間一時変動を除去するために前記正規化されたエッチャント・ガス信号をフィルタリングすることをさらに備える請求項9に記載の方法。

請求項11

前記フィルタ工程が、前記正規化されたエッチャント・ガス信号を積分することをさらに備える請求項10に記載の方法。

請求項12

前記第1および第2の信号がそれぞれ第1および第2の光信号を備える請求項1に記載の方法。

請求項13

フィルタリングされた第1の光信号を生成し、前記フィルタリングされた第1の光信号を第1の電気信号に変換することをさらに備え、前記第1の電気信号が前記実際のエッチャント・ガス濃度を表す請求項12に記載の方法。

請求項14

フィルタリングされた第2の光信号を生成し、前記フィルタリングされた第2の光信号を第2の電気信号に変換することをさらに備え、前記第2の電気信号が不活性ガス濃度を表す請求項12に記載の方法。

請求項15

等方性エッチングがマス・フロー・コントローラを介してエッチング室に入力されるエッチャント・ガスの濃度の影響を受け、異方性エッチングも前記エッチング室で起こる、半導体基板上での異方性エッチングを制御するための方法であって、所望のエッチャント・ガス濃度を決定する工程と、前記エッチング室にパッシベティング・ガスを供給する工程と、実際のエッチャント・ガス濃度を表す第1の信号を生成する工程と、前記パッシベーティング・ガス濃度を表す第2の信号を生成する工程と、第3の信号を生成するために前記第1および第2の信号を関連付ける工程と、前記第3の信号を所定の基準と比較する工程と、前記比較工程に応じて前記エッチャント・ガスおよび前記パッシベーティング・ガスの少なくとも1つの濃度を制御する工程とを備える方法。

請求項16

前記第3の信号が前記エッチャント・ガスおよび前記パッシベーティング・ガスの比率を表す請求項15に記載の方法。

請求項17

前記第1の信号が、前記エッチャント・ガスによって形成されたスペクトル放出線を表す信号を備える請求項15に記載の方法。

請求項18

前記第2の信号が、前記パッシベーティング・ガスによって形成されたスペクトル放出線を表す信号を備える請求項15に記載の方法。

請求項19

前記基準が、前記異方性エッチの範囲を限定するために前記パッシベーティング・ガスの前記エッチャント・ガスに対する比率に関連する請求項15に記載の方法.

請求項20

エッチ速度がエッチャント・ガスの濃度の影響を実質的に受け、前記エッチャント・ガスがマス・フロー・コントローラを介してエッチング室に入力される、半導体基板上でのエッチ速度を制御するための方法であって、前記エッチング室において前記エッチャント・ガスの濃度を決定する工程と、前記濃度を目標値と比較する工程と、前記比較工程に応じて誤差信号を生成する工程と、前記誤差信号に応じて前記マス・フロー・コントローラを制御する工程とを備える方法。

請求項21

エッチ・プロセスがエッチャント・ガスの濃度の影響を受け、前記エッチャント・ガスが第1のマス・フロー・コントローラを介してエッチング室に入力され、不活性ガスが第2のマス・フロー・コントローラを介して前記エッチング室に入力される、半導体基板上でのエッチ・プロセスを制御するための装置であって、実際のエッチャント・ガス濃度を表す第1の信号を生成するための第1の光信号デバイスと、不活性ガス濃度を表す第2の信号を生成するための第2の光信号デバイスと、正規化されたエッチャント・ガス濃度信号を生成するために前記第1および第2の信号を関連付けるための要素と、前記正規化されたエッチャント・ガス濃度信号を所望のエッチャント・ガス濃度を表す信号と比較し、それに応じて正規化された信号を生成するための比較要素とを備える装置。

請求項22

前記エッチャント・ガスが酸素基を備える請求項21に記載の装置。

請求項23

前記不活性ガスがアルゴンを備える請求項21に記載の装置。

請求項24

前記エッチング室においてプラズマを形成するためのエネルギー源をさらに備える請求項21に記載の装置。

請求項25

前記第1の信号が、プラズマと相互作用する前記エッチャント・ガスによって形成されるスペクトル放出線を表す第1の信号を備える請求項24に記載の装置。

請求項26

前記第2の信号が、プラズマと相互作用する不活性ガスによって形成されるスペクトル放出線を表す第2の信号を備える請求項24に記載の装置。

請求項27

前記第1および第2の信号を関連付けるための要素が分割器を備えている請求項21に記載の装置。

請求項28

前記第1の光デバイスが、前記エッチング室内から光エネルギーを受け取るように配置された光ファイバ、光ファイバおよび前記第1の信号を生成するための光検出器直列関係で備える請求項21に記載の装置。

請求項29

前記第2の光デバイスが、前記エッチング室内から光エネルギーを受け取るように配設された光ファイバ、光ファイバおよび前記第2の信号を生成するための光検出器を直列関係で備える請求項21に記載の装置。

請求項30

前記第1および第2の光デバイスが、エッチング室における開口内に配設された分岐光ファイバ応答し、エッチング室におけるスペクトル放出に応答し、前記光ファイバが前記実際のエッチャント・ガス濃度および前記不活性ガス濃度を表す光信号を搬送する請求項21に記載の装置。

技術分野

0001

本発明は、一般に半導体デバイス限界寸法を制御することに関し、より詳細には、制御可能なトリム速度を使用してゲート線幅などの導体線幅トリミングすることに関する。

背景技術

0002

半導体デバイスは、一般に基板および基板内のドープされた領域から形成されたトランジスタなどの要素を備える。デバイス電気的に相互接続するためおよび外部回路要素の接続のために接続パッドを与えるために相互接続層半導体基板上に成長させられる。

0003

相互接続層は、パターンフォトマスク上に設計し、露出およびエッチング・プロセスによって半導体チップ転写する、従来のフォトリソグラフィ技法を使用することによって形成される。フォトレジスト材料の比較的薄い層を基板上に付着し、放射の制御されたパターンに露出させて、露出された領域に化学反応を引き起こす。選択されたフォトレジスト材料に応じて可視光線紫外放射電子ビームまたはX線エネルギー現像エネルギーとして使用することができる。現像液フォトレジスタ層に接触して、選択されたフォトレジスト材料の化学的性質に応じて、放射露出領域放射マスク領域のいずれかを溶解および除去する。フォトレジスト層の露出領域が露出後にあまり溶解できなくなった場合、基板上に残っているパターンは放射パターンネガティブ画像になり、フォトレジストはネガティブ・フォトレジストと呼ばれる。露出領域がより溶解できるようになり、現像液によって除去されると、基板上に残っているパターンは放射のパターンの画像のポジティブ画像になり、フォトレジストはポジティブ作用フォトレジストと呼ばれる。いずれの場合も、フォトレジストが除去されると、下にある基板の所望の領域が後続の処理工程への露出によって露出される。フォトレジスト・マスクが所定の位置に残っている基板の領域は後続のプロセス工程から保護される。後続のプロセス工程はドーパント注入、材料の付着、露出した材料を除去するための表面へのエッチャントの塗布を含む。

0004

半導体技術の継続的な進歩は高速で動作する小型デバイス製作を促進した。そのような超大規模集積化に向かう邁進はデバイス・サイズ、回路寸法およびデバイス・フィーチャの継続的な縮小をもたらし、その結果フォトリソグラフィ・プロセス中に小型マスクが使用されることになった。しかし、マスクパターンを基板に転写したとき、パターンの限界寸法は、パターンを露出する光学露出ツールの分解能限界に制限される。たとえば、電界効果トランジスタを備える集積回路の場合、重要なプロセス工程はトランジスタ・ゲートの形成であり、特にゲートの寸法に重点が置かれる。多数の用途において、性能特性(たとえばスイッチング速度)およびトランジスタのサイズはトランジスタ・ゲートの幅にほぼ対応するトランジスタ・チャネル長関数的に関連する。より短いチャネル長は(ある限界内で)より高性能なトランジスタを生成する傾向がある。

0005

したがって、ゲート・ライン幅制御は半導体製造において最も重要である。半導体の動作速度が増加し、寸法が減少するにつれて、高度な製作技術において積極的に小さいゲート幅ターゲットを形成するためのいくつかの技法が開発されてきた。1つの知られている技法は、最終ターゲットよりも若干大きいサイズをもつゲート構造をフォトリソグラフィ的に画定することである。ゲート画定フォトレジスト材料は従来のフォトリソグラフィ・マスキングおよびパターニング・プロセス中に過大サイズ決定される。後続のエッチング工程において、フォトレジストを酸素基に露出することよって長さと幅寸法の両方を低減する。その後下にある導電層をエッチングしてゲートを形成すると、ゲート長および幅がマスク寸法によって画定されるよりも狭くなる。

0006

図1に示すように、たとえばポリシリコンまたは導電材料を備える導電層10が半導体基板12上に形成される。反射コーティング層14が導電層10の上にある。フォトレジスト・パターン16は上述の従来のフォトリソグラフィ技法によって形成される。フォトレジスト・パターン16の高さ(h)、幅(w)および間隔(s)は図1に示されている。

0007

従来のプラズマエッチング室において、基板は、h’がhよりも小さく、w’がwよりも小さく、s’がsよりも小さい、図2に示す結果として生じるフォトレジスト・プロファイルで、フォトレジスト・パターンを薄める酸素基を含有する酸素ガスに曝される。一般に、このプロセスは大気圧で約130℃と200℃の間の比較的低い温度で行われる。フォトレジスト材料は、次いでプロセス室から排出されるCO2、COおよびH2Oを形成する酸素基との反応によって容易に分離される基本C−H−O構造を備える。

0008

この従来技術のトリム・プロセスの1つの欠点は、終点に達したときにフォトレジストのプラズマ・エッチを終了することができるようにプロセス終点を決定することができないことである。たいていの従来の半導体エッチ・プロセスとは異なり、トリム・プロセスはエッチ停止層上で停止または終了しない。ゲート・エッチのプロセスに適用したとき、決定的な終点の欠如は、デバイス速度および電流漏れを含む、いくつかの性能パラメータに影響することがあるゲート寸法の変動をもたらす。トリム・プロセスの変動も、ゲート寸法の1つまたは複数が所定の限界を超えて低減された場合、スループット、収量および収益率を低減することがある。

0009

これらの欠点を克服する努力において、いくつかの統計的プロセスまたはウエランモニタリング(「ランツーラン」制御)技法がトリム・ツールに適用されている。いずれの場合でも、限界寸法スキャニング電子顕微鏡またはスキャタロメータなどの外部計測学ツールを使用して、ゲート寸法を測定し、測定結果に基づいてエッチ・トリム・プロセスを制御する。これらの測定は、製作されたゲート上でイントゥーでまたはフォトレジスト層上でエクストゥーで行うことができる。しかし、このプロセス制御技法は後で製作されたトランジスタのみに益する。リアルタイムフィードバック制御は提供されず、場合によっては問題を克服するために限界寸法問題が存在することを決定することとプロセス変数を調節することとの間の期間中に欠陥のあるウエハの製造をもたらす。さらに、根本原因が頻繁に知られないと、問題を軽減する努力においてプロセス調節は繰り返し適用される。根本原因の決定がないと、変数調節は一次的な変更のみを提供することがあるか、またはプロセスが正しいパラメータに向かって反復されると即座の変更を生成することがないことがある。加えて、室状態が時間の経過とともに変化すると、初期プロセス調節はもはや適切でなくなる可能性がある。

0010

半導体製作プロセス・ツールが適切に機能しているかどうかを判定するために様々なプロセス制御技法が従来使用されている。デバイスの1つまたは複数の特定の限界寸法の長期間の統計的変動を特定するために統計的プロセス制御技法を利用することができる。注目する限界寸法を所定のスケジュールウエハ内のいくつかのデバイスまたはフィールドで測定する。いくつかのウエハ・ロットに基づいて、測定された限界寸法の平均や標準偏差などの統計的関数を計算する。処理が続くと、追加のフィールドが処理されたデバイス、測定された限界寸法および最新の限界寸法測定を使用して再計算される動作平均または標準偏差からランダムに選択される。最終取得測定値が平均または標準偏差を所定の量以上変更しない場合、プロセスは繰り返し可能とみなされ、プロセス変更は不要である。最終測定値が平均または標準偏差を所定の量以上変更させる場合、プロセス「レシピ」の変更が保証される。レシピ変更は、範囲外特徴を引き起こしているプロセス・ツールに関連する変数のいずれかを変更することを含む。たとえば、ガス圧力および/または温度を上げたり下げたりすることができ、単位時間当たりの入力ガスの量を増加または減少することができ、フィーチャ・サイズを事前確立された限度に戻す努力において様々な電圧設定を変更することができる。この方法を使用して限界寸法の統計的分析を与えることができるが、それは限界寸法変動の根本原因を特定することができない。

0011

フィーチャ寸法のランツーラン制御も外部計測学ツールの使用が必要である。ウエハ(一般に25個のウエハ)の各カセットを処理した後、複数の限界寸法を測定する。仕様外であることが見出された場合、異常の原因およびそれに応じて変更されるプロセス・レシピを決定する努力においてプロセス変数を検査する。

0012

統計的プロセス制御およびランツーラン制御技法は上述のトリム速度プロセスなどの製作プロセスを制御するためのいくつかのフィーチャ・サイズ情報を提供するが、それらは限界寸法制御のための所望の繰り返し可能性を与えないことがある。それらは、限界測定がオフラインで行われ、仕様外条件の確認後にのみ変更がなされるので、エッチ速度リアルタイム制御を与えない。

0013

上述のレジスト・トリム・プロセスの横方向エッチ速度がフォトリソグラフィ・パターン密度、エッチング室によって以前に処理されたウエハ混合物、および室の清浄度状態、すなわち最後の室クリーニング以来エッチングされたウエハの数などのパラメータに依存することが決定された。これらのファクタ、場合によっては他のファクタが利用可能なエッチング酸化剤の濃度に影響を及ぼし、トリム・エッチが進行する速度を変更すると考えられる。従来技術の技法によれば、統計的プロセス制御方法またはランツーラン測定が、トリム結果が所定の境界内にないことを示した場合、プロセス補正試みるために酸化ガスフローが変更される。

0014

トリム・プロセスを制御し、プロセス変動を低減しようとする試みるためのいくつかの技法が知られている。たとえば、プロセス特有(またはツールまたは室特有)および製品特有レシピを考案することができる。したがって、ある製品を製作するとき、トリム速度の変動を制限し、より一貫した結果を生じる努力においてその製品の製品特有レシピが使用される。同様に、特有のツールまたは室において製品をトリム・エッチングするとき、その室に関連する唯一独自レシピが使用される。これらの異なるプロセス履歴および固有物理相違が与えられれば、2つの室は同じ製品を製作するために同じレシピをめったに使用しない。特有のリソグラフィ・パターン密度を有するウエハに対してレシピを開発することもできる。すべての室ベースおよび製品ベース・レシピに対する酸化剤フローの調節によって、上述の統計的プロセス制御技法で決定されるような、トリム結果の長期間の観測されるドリフト緩和することができる。

0015

新しい製品が製造プロセスに導入されるときはいつでも、統計的データベースが作成されるまで、または製品へのトリム・プロセス変数の効果が得られるまで、トリム・エッチ結果をモニタリングすることが好ましい。また、室がクリーニングされるときなど、各主要エッチ・ツール・ハードウェア摂動後トリム速度を検証することは重要である。

発明が解決しようとする課題

0016

上記の議論から推論することができるように、それに影響を及ぼす著しい数の変数が与えられれば、トリム・プロセスは厄介になり、繰り返し不可能であり、容易に制御されない。いくつかの最悪の条件下で、プロセスは製造環境において使用不可能になることがある。

課題を解決するための手段

0017

本発明は、エッチ速度が実質的にエッチャント・ガスの濃度の影響を受ける、半導体基板上でエッチ速度を制御するプロセスに関する。エッチャント・ガスをマス・フロー・コントローラを介してエッチ室に入力する。室におけるエッチャント・ガス濃度を決定し、目標濃度と比較する。それに応答して所望の室ガス濃度を維持するためにマス・フロー・コントローラを制御するための入力信号を生成する。

0018

本発明の上記および他の特徴は、同じ参照文字が異なる図を通して同じ部品をさす添付の図面に示されるような、本発明についての以下のより詳細な説明から明らかになろう。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに本発明の原理を説明することに重点を置いている。

発明を実施するための最良の形態

0019

本発明による特定の限界寸法エッチ・プロセスおよび装置について詳細に説明する前に、本発明は主として要素およびプロセス工程の新規組合せに存することに注目されたい。したがって、要素は、本明細書での説明の特典を有する当業者にすぐに明らかになる構造上の詳細で開示を曖昧にしないように本発明に関係する特定の詳細のみを示す、図面に従来の要素によって表されている。

0020

従来技術のエッチ・トリム・プロセスのいくつかの欠点を克服するために、本発明は、この変数がトリム・エッチ速度を決定する際の主要なファクタであるので、エッチ室プラズマにおける酸素基濃度のリアルタイム・モニタリングを提供する。酸素基は、2つの酸素原子に分解されたO2分子を備える。この濃度はフォトリソグラフィ・パターン濃度および室壁状態などの室ハードウェア状態の影響を受けることがあることが知られている。エッチ・トリム・プロセス中に酸素基濃度をリアルタイムでモニタリングし、酸素マス・フロー・コントローラにフィードバック信号を提供することによって、濃度をほぼ一定に保持するように酸素フロー速度を制御する。連続的なランツーラン・エッチ工程中に制御された酸素基濃度、したがって安定したエッチ・トリム速度で、ゲート・トリム・プロセスを安定させ、繰り返し可能にする。適切なトリム期間は、ひとたびトリム速度が知られ、安定すると容易に決定可能になる。室における酸素原子濃度を決定するための様々な方法があり、1つのそのような方法について以下で説明する。

0021

図3は、エッチ室50に入った酸素の流量を制御するためのマス・フロー・コントローラ54を介して酸素源52から酸素を受け取るエッチ室50を示す。

0022

エッチ・トリムを実行するために、1つまたは複数のウエハ62がエッチ室50に装填され、真空システム(図示せず)が室圧力を低減する。真空が確立された後、マス・フロー・コントローラ54は酸素が酸素源52からエッチ室50に流れ込むことを可能にする。本発明の教示によれば、このときにアルゴンもマス・フロー・コントローラ57を介してアルゴン源56から室に導入される。アルゴンは非反応性希釈ガスであるので、エッチ速度に影響を及ぼさずに既知の少量をエッチ・プロセスに追加することができる。エッチ室50内で、電源(図示せず)は、酸素アルゴン・ガス混合気通電して、酸素基を形成する(プラズマ60によって表される)プラズマ状態にする無線周波数界を生成する。酸素基はフォトレジストを侵襲およびエッチングして、それを真空システムによってエッチ室50から除去される揮発性構成要素に変換する。

0023

酸素基濃度、したがってエッチ室50内のエッチ速度を決定するために、光ファイバ68が、エッチング室の壁に形成された光窓70を介してプラズマ60から光を集める。光ファイバ68は分岐され、2つの脚74および76の各々はそれぞれ光フィルタ78および80に接続される。アルゴンおよび酸素の独自の光放出スペクトル線はそれらのそれぞれの濃度を決定するために有利である。したがって、フィルタ78および80の一方は、光スペクトルの残りを減衰させながら酸素スペクトル線を受け取るように調整される。フィルタ78および80の他方はアルゴン・スペクトル線を検出するように同様に調整される。一般に、フィルタ78および80は、すべての他の周波数成分を減衰させながら所望のスペクトル線のエネルギーを通過させるのに十分に広い約10ナノメートル帯域幅を有する。

0024

酸素およびアルゴンのいくつかの放出スペクトル線は励起のための同様の断面を有することが知られている。これらの線は、酸素およびアルゴン原子プラズマ生成工程中に同量のエネルギーを吸収する際に生成され、原子は室状態と同様に反応する。線は、たとえば室壁または光窓70の付着したコーティングに起因する干渉または吸収効果が酸素およびアルゴン放出線の両方において同様の応答(すなわち、エッチ速度に影響を及ぼす室状態に応じた線強度一時的変化)を生成するように選択される。例示的な線はアルゴンの750nmおよび酸素の770nmを含む。線が選択された後、フィルタ78および80は選択された線を通過させ、他のすべてを減衰させるように実装される。酸素と同様の励起のための断面をもつ放出線を有する他の不活性ガスも知られており、アルゴンの代わりに使用することができる。

0025

光検出器82および84はフィルタリングされた光信号に応答し、光検出器82は酸素濃度を表す信号を生成し、光検出器84はアルゴン濃度を表す信号を生成する。

0026

比または割り算要素90において、酸素放出を表す信号はアルゴン放出を表す信号で割られる。この割り算プロセスは、酸素濃度とアルゴン濃度の両方に影響を及ぼすエッチ室50に存在する大域効果における小さい変動を除去することによって、酸素濃度を正規化する。したがって、割り算要素90からの出力信号は、不正確な濃度決定につながることがあるアーティファクト状態の除去後のエッチ室50の酸素濃度を表す。

0027

アルゴン・スペクトル線と酸素スペクトル線の両方の強度は様々な室状態、プラズマ中の電子の数、電子エネルギー、および室50中のアルゴンおよび酸素原子の密度に比例する。すなわち、スペクトル線強度はアルゴンおよび酸素原子とプラズマ電子との間の衝突の数に比例して増加する。電子の密度および/またはアルゴンおよび酸素原子の密度が増加するにつれて、より多くの衝突が起こる。室50の圧力、温度および容量、およびマス・フロー・コントローラ57からのフロー状態が分かれば、室中のアルゴン分子の数を決定することができる。上述のアルゴンおよび酸素原子の強度を表す信号を割るプロセスは、室50中の酸素原子の数(またはその濃度)を表す信号を効果的に生成する。酸素原子の過剰濃度は過度トリム状態をもたらし、あまりにも少ない原子はフォトレジストを十分にトリミングしない。

0028

したがって、リアルタイム・ガス濃度を表す、割り算要素90からの出力信号は、コンパレータ92の第1の端子(好ましくはコンパレータ・モードで動作する演算増幅器)に供給される。コンパレータ92の第2の入力端子はリアルタイム濃度値との比較のためのガス濃度基準に応答する。したがって、基準値は、エッチ室50中の酸素濃度がエッチ・トリミング・プロセスに最適であるときに割り算要素90からの出力信号にほぼ等しくなるように経験的に決定される。すなわち、酸素はフォトレジストの寸法を適切にトリミングする。図3の実施形態において、基準値は、調節可能抵抗94および直流電圧源96を備える分圧器回路によって確立される。当業者なら基準値を生成する他の技法があることを認識する。コンパレータ出力信号は、酸素濃度が最適値から変化する量を示す誤差信号である。

0029

短期間遷移に応答して室酸素濃度を制御することを回避するために、コンパレータ誤差信号が時間の経過とともに誤差信号を積分するための積分器100への入力として与えられ、したがって短期間濃度変動を除去することによって信号を平滑にする。積分された誤差信号は加算器102の第1の端子(好ましくは加算器モードで動作する演算増幅器)に入力される。加算器102の第2の端子は、酸素濃度を制御するためのマス・フロー・コントローラ54に印加される公称制御電圧を表す「レシピ」設定点値に応答する。積分された誤差信号は加算器102で加算されるかまたはレシピ設定点から減算され、マス・フロー・コントローラ54に印加された制御信号を変更し、マス・フロー・コントローラ54は、それに応答して酸素源52からエッチ室50への酸素流量を変更する。したがって、酸素濃度を測定し、濃度に応答してマス・フロー・コントローラを制御するフィードバック機構を確立することによって、一定のトリム・エッチ速度が与えられる。

0030

本発明の教示の他の適用例は、3分岐光ファイバおよび対応する数のフィルタおよび光検出器を使用してエッチ・プロセスにおける第3のガス種のモニタリングを提供する。プラズマ・エッチング・プロセスでは、主要なエッチャントはイオン駆動され、したがって実質的に等方性のエッチを与える。しかし、異方性である非イオン駆動化学エッチングもプラズマ・エッチング室で起こることが知られている。望ましくない横方向エッチングを最小限に抑えるために、ポリマー状材料側壁に付着するためにパッシベティング種をエッチング室に導入して、横方向エッチングを防ぐ。フルオロカーボンはそのような知られているパッシベーティング材料である。エッチャントとパッシベーティング材料の間の比は慎重に制御しなければならない。パッシベーティング材料濃度が高すぎる場合、材料も水平表面上に形成され、したがって等方性エッチングを妨げる。本発明の教示は、実際の材料濃度を決定し、それらを基準濃度と比較することによってエッチング材料とパッシベーティング材料の両方に関連するマス・フロー・コントローラを制御するために適用することができる。

0031

本発明の教示は、プラズマ・エッチやプラズマ付着ガス相プロセスを含む、他のプロセスにおける限界ガス状前駆体の精密インシトゥー制御にも適用することができる。例として、エピタキシャルシリコンゲルマニウム選択的成長に使用されるジクロロシラン・ガスの濃度は、反応ガスまたは流出物サンプリングする小さいプラズマ源とともに本発明の教示によってモニタリングすることができる。したがって、本発明の分光技法は、それらが極めて小さいガス濃度を検知するために使用することができるので広く利用できる。

0032

方法および装置を半導体基板上のフィーチャのエッチ・トリム速度を制御するのに有用なものとして説明した。本発明の特定の用途および例を図示および議論したが、本明細書で開示した原理は様々な方法で本発明を実施するための基礎を提供する。首記の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の範囲内で多数の改変が可能である。

図面の簡単な説明

0033

従来技術のライン幅トリミング・プロセスを示す断面図である。
従来技術のライン幅トリミング・プロセスを示す断面図である。
本発明の教示に従って構築された、その制御構成要素を含む、エッチング室の概略図である。

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