(57)【要約】パターン基板の製造中に、対象となるパラメータを決定する方法は、パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、垂直反射光ビームから、パターン基板の一部の測定正味反射率スペクトルを取得するステップと、パターン基板の一部のモデル正味反射率スペクトルを計算するステップと、測定正味反射率スペクトルとモデル正味反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップとを含む。モデル正味反射率スペクトルは、パターン基板の一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として計算され、ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射率は、この領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和である。
2005536074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン基板の製造中に、対象となるパラメータを決定する方法であって、
前記パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、
垂直反射光ビームから、前記パターン基板の前記一部の測定正味反射率スペクトルを取得するステップと、
前記パターン基板の前記一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、前記パターン基板の前記一部のモデル正味反射率スペクトルを計算するステップとを備え、前記ｎ個の異なる領域のそれぞれの前記反射率は、前記領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和であり、更に、
前記測定正味反射率スペクトルと前記モデル正味反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップを備える方法。
【請求項２】
更に、前記一組のパラメータから対象となる前記パラメータを抽出するステップを備える、請求項１記載の方法。
【請求項３】
各側方区分エリアは、等方性の同質薄膜積層としてモデル化される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、名目上、偏光に依存しない反射率を有するものとして、前記パターン基板をモデル化するステップを備える、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、前記パターン基板の前記一部からの非鏡面反射に比例する前記モデル正味反射率に損失係数を適用するステップを備える、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記一組のパラメータを決定するステップは、前記測定正味反射率スペクトルと前記モデル正味反射率スペクトルとの間での最小二乗差の誤差計量を計算するステップと、前記誤差計量を最小化する前記一組のパラメータを発見するステップとを備える、請求項１記載の方法。
【請求項７】
更に、対象となる前記パラメータにおける変化が前記誤差計量に与える影響を増幅するステップを備える、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、前記一組のパラメータに対する一組の初期推測を、入力として受領するステップを備える、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記測定反射率スペクトルを取得するステップは、時間間隔に渡って前記パターン基板の前記一部の一組の反射率スペクトルを取得するステップと、前記測定反射率スペクトルを、前記一組の反射率スペクトルの平均に設定するステップとを備える、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
パターン基板製造のためのプロセス制御方法であって、
前記パターン基板の処理中に、前記パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、
波長の範囲に渡って、前記パターン基板の前記一部の測定反射率スペクトルを取得するステップと
前記パターン基板を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、波長の範囲に渡って、前記パターン基板の前記一部のモデル反射率スペクトルを計算するステップとを備え、前記ｎ個の異なる領域のそれぞれの前記反射率は、前記領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和であり、更に、
前記測定反射率スペクトルと前記モデル反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップと、
前記一組のパラメータから対象となるパラメータを導くステップと、
対象となる前記パラメータの値が所定の終点基準を満たす場合に、前記パターン基板の前記処理における終点を信号で伝えるステップと、を備えるプロセス制御方法。
【請求項１１】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、前記パターン基板からの非鏡面反射に比例する前記モデル正味反射率に損失係数を適用するステップを備える、請求項１０記載のプロセス制御方法。
【請求項１２】
前記一組のパラメータを決定するステップは、前記測定正味反射率スペクトルと前記モデル正味反射率スペクトルとの間での最小二乗差の誤差計量を計算するステップと、前記誤差計量を最小化する前記一組のパラメータを発見するステップとを備える、請求項１０記載のプロセス制御方法。
【請求項１３】
更に、対象となる前記パラメータにおける変化が前記誤差計量に与える影響を増幅するステップを備える、請求項１２記載のプロセス制御方法。
【請求項１４】
パターン基板上の特徴の垂直寸法を決定する方法であって、
前記パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、
垂直反射光ビームから、前記パターン基板の前記一部の測定正味反射率スペクトルを取得するステップと、
前記パターン基板の前記一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、前記パターン基板の前記一部のモデル正味反射率スペクトルを計算するステップとを備え、前記ｎ個の異なる領域のそれぞれの前記反射率は、前記領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和であり、更に、
前記測定反射率スペクトルと前記モデル正味反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップと、
前記一組のパラメータから前記特徴の前記垂直寸法を抽出するステップと、を備える方法。
【請求項１５】
各側方区分エリアは、薄膜積層としてモデル化される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、名目上、偏光に依存しない反射率を有するものとして、前記パターン基板をモデル化するステップを備える、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、前記パターン基板の前記一部からの非鏡面反射に比例する前記モデル正味反射率に損失係数を適用するステップを備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
前記一組のパラメータを決定するステップは、前記測定正味反射率スペクトルと前記モデル正味反射率スペクトルとの間での最小二乗差の誤差計量を計算するステップと、前記誤差計量を最小化する前記一組のパラメータを発見するステップとを備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
更に、前記垂直寸法における変化が前記誤差計量に与える影響を増幅するステップを備える、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記モデル正味反射率スペクトルを計算するステップは、前記一組のパラメータに対する一組の初期推測を、入力として受領するステップを備える、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン基板上に特徴を形成する際に使用されるプロセスをモニタリング及び制御する方法に関する。本発明は、特に、パターン基板処理における終点を検出する光学的診断法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造では、エッチング、薄膜堆積、及び化学機械研磨といった様々なプロセスの組み合わせを使用して、パターン基板上に特徴を形成する。特徴は、パターン基板から材料を選択的に除去し、パターン基板上に選択的に材料を堆積させることで形成される。特徴を形成する際には、プロセスにおいて終点に達した時期を決定するために、パターン基板がモニタリングされる。終点は、プロセス条件を変化させるべきポイント、或いはプロセスを停止させるべきポイントにすることができる。
【０００３】
パターン基板を処理する際に終点を正確に検出する能力は、パターン形状が縮小し、小さな特徴サイズでの寸法制御が厳密さを増すにしたがって、重要性が高まっている。エッチングプロセスにとって、終点を正確に検出する能力は、パターン基板から除去されるべき材料の層が非常に薄い時、及び／又は、基板上の一部の層について、基板の処理後に実質的に影響を受けない状態にとどめる必要がある時、極めて重要になる。例えば、ゲートエッチングプロセスでは、ゲート酸化層にダメージを与えることなく、多数の材料層を除去する必要がある。
【０００４】
光学的診断法は、非侵襲性であることから、通常、パターン基板処理の終点検出に使用される。発光分光法は、プラズマからの発光をモニタリングすることで終点を検出する光学的診断法の一例である。プラズマ発光は、一つ以上の活性種の存在又は欠如についてモニタリングされる。基板の状態の代わりにプラズマの状態を検出することから、この方法の反応は、通常、遅延する。したがって、エッチングの終点を示す犠牲的な層が欠如している場合、或いは、有効なエッチング停止層が非常に薄く、プラズマ内の活性種の検出前に停止層を越えてエッチングする見込みが極めて高い場合、発光分光法は、一般に、エッチング用途には適していない。
【０００５】
単一波長干渉分光法は、パターン基板上の特徴の垂直寸法における相対的変化をモニタリングすることで終点を検出する光学的診断法の一例である。この方法には、幅の狭い光ビームを基板表面に送り、基板表面から反射されたビームの強度を測定することが伴う。この方法の基本仮定は、主に対象となる特徴における変化の結果として、反射ビームの強度が変化することである。反射ビームの変調をモニタリングすることで、対象となる特徴の垂直寸法における相対的変化を決定できる。単一波長干渉分光法のアプローチでは、特徴の絶対的な垂直寸法ではなく、特徴の垂直寸法における相対的変化をモニタリングするため、基板上に形成された層の厚さの変動、トレンチの開始深度の変動、パターン密度の変動、及びウェーハ配向性の変動といった、新たな材料における変動を補う能力は限定される。
【０００６】
分光偏光解析法、偏光測定法、及び反射率測定法は、パターン基板上の一次元格子のような特別な試験構造の特徴の絶対的な垂直及び側方寸法を決定するために、厳密な光学的モデリング手法と併せて使用可能な光学的診断法の例である。しかしながら、こうした手法は、ｉｎ−ｓｉｔｕ診断ではなく、特別な試験構造上でのみの測定と、更には著しい計算負荷とを伴うことから、インライン測定用途（即ち、処理前及び処理後の測定）に限定される。分光偏光解析法の使用と、単純で大幅に精度の低いモデリング手法とをｉｎ−ｓｉｔｕ診断用に組み合わせるための努力が為されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したことから、特別な試験構造を必要とせずに、パターン基板処理における終点の検出を容易にする、ｉｎ−ｓｉｔｕ診断用の堅牢で使いやすく正確な方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様において、本発明は、パターン基板の製造中に、対象となるパラメータを決定する方法に関する。方法は、パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、垂直反射光ビームから、パターン基板の一部の測定正味反射率スペクトルを取得するステップとを備える。方法は、更に、パターン基板の一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、パターン基板の一部のモデル正味反射率スペクトルを計算するステップを含み、ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射率は、この領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和である。方法は、更に、測定正味反射率スペクトルとモデル正味反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップを含む。
【０００９】
別の態様において、本発明は、パターン基板製造のためのプロセス制御方法に関する。プロセス制御方法は、パターン基板の処理中に、パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、波長の範囲に渡って、パターン基板の一部の測定反射率スペクトルを取得するステップとを備える。プロセス制御方法は、更に、パターン基板を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、波長の範囲に渡ってパターン基板の一部のモデル反射率スペクトルを計算するステップを含み、ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射率は、この領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和である。プロセス制御方法は、更に、測定反射率スペクトルとモデル反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップと、一組のパラメータから対象となるパラメータを導くステップと、対象となるパラメータの値が所定の終点基準を満たす場合に、パターン基板の処理における終点を信号で伝えるステップとを含む。
【００１０】
更に別の態様において、本発明は、パターン基板上の特徴の垂直寸法を決定する方法に関する。方法は、パターン基板の少なくとも一部を垂直入射光ビームにより照明するステップと、垂直反射光ビームから、パターン基板の一部の測定正味反射率スペクトルを取得するステップとを備える。方法は、更に、パターン基板の一部を構成するｎ≧１個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として、パターン基板の一部のモデル正味反射率スペクトルを計算するステップを含み、ｎ個の異なる領域のそれぞれの反射率は、この領域を構成するｋ≧１個の側方区分エリアからの反射場の加重コヒーレント和である。方法は、更に、測定反射率スペクトルとモデル正味反射率スペクトルとの間での近接した一致を提供する一組のパラメータを決定するステップと、一組のパラメータから特徴の垂直寸法を抽出するステップとを含む。
【００１１】
本発明の上記及びその他の特徴及び利点は、以下の本発明の詳細な説明において、添付図面と併せて、更に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明について、添付図面に例示されるいくつかの好適な実施形態を参照して、詳細に説明する。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細について述べる。しかしながら、こうした具体的な詳細の一部又は全部がなくとも本発明を実施し得ることは、当業者にとって明白であろう。また、周知のプロセス及び／又は特徴については、本発明を不必要に曖昧にしないために、詳細に説明していない。本発明の特徴及び利点は、図面と下の説明とを参照することで、更に深く理解し得よう。
【００１３】
一実施形態において、本発明は、反射率測定法を使用して、パターン基板の処理中に、パターン基板の反射率スペクトルを測定する。一定の各時間ステップについて、対象となる物理パラメータは、測定反射率スペクトルをパターン基板のモデル反射率スペクトルに一致させることで推定される。本発明の一実施形態によれば、パターン基板の反射率スペクトルを計算するモデルが提供される。有利なことに、モデルは、パターン基板上の特徴の配置に限定を加えず、即ち、モデルは、特別な試験用特徴を有するパターン基板に限定されず、ランダムな特徴の複雑な配列を有するパターン基板に応用可能である。更に、モデルは、新たな材料の変動に適応するように設計されている。
【００１４】
理論に縛られることは望まないが、本発明者は、本明細書において、パターン基板がｎ個の側方区分エリアに分割可能であり、各区分エリアは等方性の同質薄膜積層としてモデル化できると考える。例示の目的から、図１は、基板層１０８上に三つの薄膜層１０２、１０４、１０６の積層を有する薄膜積層１００を図示している。層１０２、１０４、１０６、１０８のそれぞれは、厚さ（ｔ）と、屈折率（ｎ）と、減衰係数（ｋ）とを有する。反射率測定は、薄膜積層１００を光ビーム１０９により垂直入射で照明し、薄膜積層１００から垂直に反射された光ビーム１１１を収集することで行われる。垂直入射反射率測定において、等方性の同質薄膜積層の反応は、名目上は偏光に依存しない。半導体基板上の代表的なパターンを構成する構造のサイズ及び配向性のランダムな配列を前提として、本発明者は、本明細書において、パターン基板が名目上は偏光に依存しない反射率を有すると仮定でき、これによりモデルの計算の態様が大幅に簡略化されると考える。しかしながら、この手法は、偏光依存反応にも容易に適応可能であることに留意する必要がある。例えば、パターン基板の平面内において、パターンを構成する構造の分布が主に一方向に配向されていることが公知である時には、これが実際に当てはまり得る。
【００１５】
側方区分性を定める主要な要素は、薄膜積層を構成する層における違いと、薄膜積層の高さにおける違いとである。例示の目的から、図２Ａは、ゲート酸化層２１６上に形成された薄膜層２１２、２１４の積層を有する、ゲートウェーハ等の代表的なパターン基板２１０の横断面を図示している。相対的に厚いフィールド酸化層２１８は、電気的遮蔽のために使用されるものであり、ゲート酸化層２１６の一部の下に位置する。フィールド酸化層２１８は、シリコン基板２２０内に浅いトレンチ２１９をエッチングし、トレンチに酸化物又はその他の誘電体を過剰に充填し、例えば、化学機械研磨プロセスを使用して、過剰な充填を平坦化することで形成される。パターン基板２１０は、積層２１２、２１４内の薄膜層の数と、フィールド酸化層２１８の側方範囲とに基づいて、四つの側方区分エリア又は薄膜積層に分割できる。
【００１６】
図２Ｂは、四つの区分エリア２２２、２２４、２２６、２２８に分割されたパターン基板２１０を図示している。区分エリア２２２は、薄膜層２３０、２３２、２３４と、ゲート酸化層２１６の一部２１６ａと、フィールド酸化層２１８の一部２１８ａと、基板２２０の一部２２０ａとを含む。例として、薄膜層２３０、２３２は、マスク層にすることが可能であり、薄膜層２３４は、ポリシリコン層にすることができる。区分エリア２２４は、ゲート酸化層２１６の一部２１６ｂと、フィールド酸化層２１８の一部２１８ｂと、基板２２０の一部２２０ｂとを含む。区分エリア２２６は、ゲート酸化層２１６の一部２１６ｃと、基板２２０の一部２２０ｃとを含む。区分エリア２２８は、薄膜層２３８、２４０、２４２と、ゲート酸化層２１６の一部２１６ｄと、基板２２０の一部２２０ｄとを含む。層２３０及び２３８は、同じ材料であり、名目上は同じ厚さを有する。同様に層２３２は層２４０に対応し、層２３４は層２４２に対応する。
【００１７】
パターン基板２１０の反射率は、薄膜積層２２２、２２４、２２６、２２８からの反射場の組み合わせである。公知の強度及び偏光の平面波を照射された一定の薄膜積層での反射場は、境界値の問題を設定して解くことで、或いはフレネルの方程式を使用することで、計算できる。反射率を計算する目的から、薄膜積層２２２、２２４、２２６、２２８の高さにおける違いは、基板上で最も高い薄膜積層構造に対する高さの違いと等しい厚さの空気又は真空の層を、薄膜積層の最上部に追加することで補正してよい。例えば、空気又は真空の層２４４を膜積層２２４に追加し、空気又は真空の層２４６を膜積層２２６に追加し、空気又は真空の層２３６を膜積層２２８に追加して、膜積層２２２、２２４、２２６、及び２２８の高さを均一にする。
【００１８】
本発明者らは、本明細書において、代表的なパターン基板を構成する特徴の側方範囲の広範な分布を前提として、パターン基板からの反射場はパターンの一部の領域に渡ってコヒーレントに加算され、パターンの他の一部の領域に渡ってインコヒーレントに加算される可能性が高いと考える。本発明者は、本明細書において、コヒーレント及びインコヒーレントに組み合わせた場の相対的な寄与は、自由空間波長λ0の関数として変化し、パターン基板上での実際の面積の割合には必ずしも対応しないと考える。したがって、各区分薄膜積層からの反射場が計算されると、パターン基板からの正味反射率は、パターンを構成するｎ個の異なる領域からの反射率の加重インコヒーレント和として計算できる。
【００１９】
【数１】
2005536074.tif 000003
ここで、Ｒは、測定された正味反射率であり、Ｅiは、個別のインコヒーレント加算する場の項であり、ｗ1（λ0）は、インコヒーレント加算項のための重み係数である。｜Ｅ1｜2の使用は、電磁界理論の周波数領域の表記における複合場Ｅ1の大きさを意味する。
【００２０】
上記式（１）において個別のインコヒーレント加算項はそれぞれ、ｉ番目の領域を構成するｋ個の側方区分エリアからの場の加重コヒーレント和にすることができる。
【００２１】
【数２】
2005536074.tif 000004
ここで、αi（λ0）は、コヒーレント加算する場の項Ｅc1のための重み係数である。「領域」は、「区分エリア」と同じではないことに留意されたい。この概念を更に例示するために、図３に図示したパターン基板３００について考える。パターン基板３００は、二つの側方区分エリア又は薄膜積層３０２、３０４に分割されている。薄膜積層３０２は、薄膜層３０６、３０８、３１０と、基板３１２の一部３１２ａとで構成される。薄膜積層３０４は、空気又は真空の層３１４と、薄膜層３１６と、基板３１２の一部３１２ｂとで構成される。
【００２２】
作動中、入射ビーム３１７は、パターン基板３００を照明し、３１８で図示されるように反射される。ｒ1が薄膜積層３０２による反射場を表し、ｒ2が薄膜積層３０４による反射場を表すとする。本発明者は、本明細書において、想像線３２４、３２６によって区画された、薄膜積層３０２、３０４間の境界３２２に重複する領域３２０が存在しており、ここで、側方の干渉効果のため、反射場ｒ1及びｒ2がコヒーレントに加算されることを提案する。想像線３２４に左側の領域３２８からの反射率は、薄膜積層３０２からの反射場のみに起因すると予想される。想像線３２６に右側の領域３３０からの反射率は、薄膜積層３０４からの反射場のみに起因すると予測される。
【００２３】
式（１）から、パターン基板３００からの正味反射率は、次の通りとなる。
【００２４】
【数３】
2005536074.tif 000005
ここで、Ｒ300は、パターン基板３００からの正味反射率であり、Ｅ328、Ｅ320、Ｅ330は、それぞれ領域３２８、３２０、３３０からの個別のインコヒーレント加算する場の項であり、ｗ328（λ0）、ｗ320（λ0）、ｗ330（λ0）は、インコヒーレント加算項のための重み係数である。式（２）から、Ｅ320は、次の通りとなる。
【００２５】
【数４】
2005536074.tif 000006
Ｅ328は、ｒ1であり、Ｅ330は、ｒ2であり、Ｅ330は、（１−ｗ328−ｗ320）と書き換えられることに留意されたい。したがって、式（３）は、次のように書き換えられる。
【００２６】
【数５】
2005536074.tif 000007
ここで、ｗ328、ｗ320、及びαの項は、自由空間波長λ0の関数として変化できる。
【００２７】
式（１）は、パターン基板からの反射率を、膜圧及びエッチング深度といった対象となるいくつかの量に関してパラメータ化可能な簡略化モデルを提供する。一実施形態において、本発明は、反射率を測定する手法として、垂直入射反射率測定法を使用し、これは基板に対して垂直なビーム入射によってパターン基板を照明し、基板に対して垂直に反射された光のみを収集すること、即ち、鏡面反射光のみを収集することを意味する。しかしながら、任意のパターン内で配向性の範囲が確認できることから、パターンを照明する全ての光が、垂直入射で反射される訳ではない。例えば、傾斜壁及び丸みのあるライン又は切子面ラインによる非鏡面反射が存在する。こうした非鏡面反射による反射の損失は、無視するべきではない。本発明の実施形態では、分散損失係数が、式（１）の加算項の一部、或いは式（１）の反射率全体に適用される。分散損失係数は、λ0の関数にすることができる。
【００２８】
例示の目的から、図４は、トレンチ等の特徴を形成できるように様々な処理ステップが施されるパターン基板４００を図示している。本発明を曖昧にするのを避けるために、処理設備は、図４に図示されていない。しかしながら、基板４００上に特定の特徴を形成するために、どのような処理設備が必要であるかは、当業者に明白であろう。例えば、プラズマエッチングによりトレンチを形成する場合には、基板４００は、プラズマチャンバ（図示なし）内のチャック（図示なし）上に取り付けられ、プラズマを生成する適切な設備が提供される。
【００２９】
基板状態のｉｎ−ｓｉｔｕモニタリングのために、光学反射率計４２０が、パターン基板４００の上方に位置決めされる。反射率計４０２は、基板４００からの反射率のリアルタイム測定を行うために使用される。反射率計は、光ビームを生成する光源（図示なし）と、基板上に光ビームの焦点を合わせる光学素子のシステム（図示なし）と、基板から反射された光のスペクトルを検出及び分析する分光計（図示なし）とを含む。一実施形態において、反射率計４０２の光源は、広帯域光源である。光源の動作波長帯域は、対象となるパラメータの感度が増大する領域に入るように選択される。一般的に言って、範囲が広いほど有益となる。一例において、光源の波長範囲は、１９０乃至１０００ｎｍである。
【００３０】
図４は、パターン基板４００の処理を制御するプロセスモジュール４０４を図示している。基板処理の開始時、プロセスモジュール４０４は、データ収集制御ユニット４０６に信号を送り、反射率計４０２を始動させる。反射率計４０２が始動すると、反射率計４０２内の光源によって光ビーム４０８が生成され、パターン基板４００に垂直入射で衝突するように方向付けられる。反射率計４０２内の分光計は、基板４００から垂直入射で反射された光ビーム４１０を検出する。分光計は、反射光ビーム４１０を分析し、反射率スペクトルを表すデータを、更なる分析のためにコンピュータ４１２に送信する。プロセスモジュール４０４と、データ収集制御ユニット４０６と、コンピュータ４１２とは、全て相互に通信する。
【００３１】
コンピュータ４１２は、パターン基板４００の反射率を計算するためのモデルを含み、更に、モデル反射率と反射率計４０２から取得した反射率データとの間での最適な一致を提供する一組のパラメータ化されたパラメータを検索する非線形回帰ルーチンを含む。非線形回帰手法の代替として、多変数回帰分析又はニューラルネットマッチングを使用して、一組の最適なパラメータを抽出してもよいことに留意する必要がある。パターン基板の反射率を計算するためのモデルについては、上で説明した。一組のパラメータは、膜圧及びエッチング深度といった、対象となるいくつかの主要な量にマッピングできる。
【００３２】
図５Ａは、本発明の実施形態による、パターン基板処理ステップにおける終点を検出するプロセスの概要である。最初に、終点検出アルゴリズムを設定するのに必要な情報を含む一組のユーザ入力を収集する（５００）。ユーザ入力の収集後、データ収集が始動される（５０１）。垂直入射反射率データが、一定の時間間隔に渡って、基板から収集される（５０２）。反射率データの収集後、非線形回帰ルーチンを使用して、反射率データと基板のモデル反射率との間で最も近接した一致を提供する一組のパラメータ化されたパラメータを計算する（５０４）。その後、パラメータに終点基準が適用される（５０６）。エッチングプロセスでは、例えば、終点基準は、エッチング深度がターゲットエッチング深度以上であるかにすることができる。システムは、終点基準が満たされているかをチェックする（５０７）。終点基準が満たされている場合は、プロセスの終点を示す信号が、プロセスモジュールに送信される（５０８）。そうでない場合、システムは、ステップ５０２へ戻る。
【００３３】
図５Ｂは、図５Ａのステップ５０２、即ち、ｉｎ−ｓｉｔｕの垂直入射反射率データ収集を詳細に示すフローチャートである。目的の一つは、発光プラズマからの発光のような著しい背景光レベルが存在する状態でも、高品質な反射率信号を向上させることにある。データ収集の開始前に、プロセスモジュール（図４の４０４）は、データ収集制御ユニット（図４の４０６）に対して、データをどのように収集及びキャリブレートするべきかについて通知する（５１０）。例えば、プロセスモジュールは、データ収集制御ユニットに対して、どのくらいの頻度で基板から反射率データを収集するかと、各時間ステップで収集する反射率スペクトルの数とを伝える。プロセスモジュールは、更に、データ収集制御ユニットに対して、測定反射率スペクトルのキャリブレーションのために、通常はベアシリコン反射率スペクトルであるベースライン反射率スペクトルを与える。ベアシリコン反射率スペクトルは、基板の処理の前に収集される。
【００３４】
データ収集制御ユニット（図４の４０６）がデータ収集を開始させる命令を受領した時、反射率計（図４の４０２）内の光源は、ＯＮ状態となって光ビームを生成し、反射率計内の分光計は、基板からの反射率データを収集する（５１２）。その後、光源はＯＦＦ状態となり、分光計は、再び、基板から反射率データを収集する（５１４）。光源がＯＦＦ状態である時、分光計によって収集されるデータは、検出器のノイズと、反射率計内の光源とは異なる他の背景光源とに起因するものとなる。例えば、プラズマエッチングにおいて、この背景光源は、プラズマの発光である。次のステップは、ステップ５１２で得られた反射率データから、ステップ５１４で得られた反射率データを減算し、検出器のノイズと背景光源との寄与を除去することである（５１６）。
【００３５】
収集された反射率スペクトルは、ベースラインスペクトルによって標準化される（５１８）。その後、システムは、現在の時間ステップでの所望の数のスペクトルが収集されたかをチェックする（５２０）。所望の数のスペクトルが収集されていない場合、システムは、ステップ５１２へ戻り、別の反射率スペクトルのデータ収集を開始する（５２２）。所望の数のスペクトルが収集されている場合、システムは、収集スペクトルの平均を計算し、平均標準化反射率スペクトルを求める（５２４）。平均スペクトルは、基板のモデルとのマッチングのために、コンピュータ（図４の４１２）へ送られる（５２６）。平均スペクトルをコンピュータへ送った後、システムは、現在の時間ステップの終了を待つ（５２８）。現在の時間ステップの終了時、システムは、ステップ５１２へ戻り、次の時間ステップのデータ収集を開始する（５２９）。
【００３６】
図５Ｃは、図５Ａのステップ５０４、即ち、非線形回帰分析を詳細に示すフローチャートである。目的の一つは、解に到達するまで、パラメータ空間を通る適切な方向で、パラメータ値に増分的に段階を付け、収束した一組のパラメータ値に素早く到達することにある。非線形回帰分析の開始前に、ユーザ入力が、非線形回帰ルーチンによって受領される（５３０）。ユーザ入力は、測定反射率スペクトルをモデル反射率スペクトルに一致させることで決定されるべきパラメータの初期推測を含む。非線形回帰ルーチンは、更に、（平均）測定反射率スペクトルを受領する（５３１）。次に、式（１）及び（２）と、ユーザ入力に含まれる初期推測とを使用して、モデル反射率スペクトルが計算される（５３２）。その後、非線形回帰ルーチンを使用して、式（１）及び（２）におけるパラメータの増分を計算し、測定反射率スペクトルとモデル反射率スペクトルとの間での最良の一致へと接近させる（５３４）。式（１）及び（２）におけるパラメータは、層の厚さと、エッチング深度と、重み係数ｗと、自由空間波長λ0の関数にすることが可能な結合係数αとである。
【００３７】
システムは、ステップ５３４において計算した増分が無視できるほどに小さいかをチェックする（５３６）。増分が無視できるほどに小さくない場合、システムは、パラメータの値を増分し、ステップ５３２へ戻り、新しいパラメータ値を使用して、モデルスペクトルを再計算する（５３８）。増分が無視できるほどに小さい場合、システムは最適なパラメータ値を出力する（５４０）。対象となる物理パラメータ、例えば、トレンチ深度は、最適なパラメータ値から抽出される（５４２）。その後、物理パラメータに終点基準が適用される。例えば、終点基準は、トレンチ深度がターゲット深度からの特定の許容範囲内に存在するかにできる。アルゴリズムは、終点基準が満たされているかをチェックする（５４４）。終点基準が満たされている場合、プロセスモジュールに信号が送られる（５４６）。終点基準が満たされていない場合、次の測定反射率スペクトルが取得され、非線形回帰分析が反復される（５４８）。現在の時間ステップで取得されたパラメータ値は、非線形回帰ルーチンを高速化するために、次の非線形回帰分析の初期推測として使用される（５５０）。
【００３８】
ステップ５３２において明示的に述べていないが、ユーザ入力が更に基板を側方区分エリア又は薄膜積層に再分割する方法に関する情報を含むことは明らかである。ユーザ入力は、更に、前述の通り、各薄膜積層の反射場を計算できるように、各薄膜積層の光学特性を含む。各回帰分析の開始前には、基板の処理中に薄膜積層の構造が変化してしまった可能性があるため、反射場が再計算され、結果として、（上の式（１）及び（２）において）重み係数Ｗと結合係数αとの値に変化が生じる。
【００３９】
一実施形態において、本発明は、レベンバーグ−マルクワルトの折衷と呼ばれる非線形回帰手法の修正版を使用し、パラメータ値の初期推測から開始して、主要パラメータの最適な値を迅速かつ正確に見つける。レベンバーグ−マルクワルトの折衷は好適な手法であるが、多変数回帰分析及びニューラルネットのアプローチといった他の手法を利用して、対象となる主要パラメータを抽出してもよい。
【００４０】
非線形回帰ルーチンがどのように機能するかを例示するために、図６Ａは、測定反射率スペクトル６００を図示しており、図６Ｂは、ユーザ入力の初期推測を使用して計算されたモデル反射スペクトル６０２を図示している。非線形回帰ルーチンにおける第一のステップは、二つの反射率スペクトル６００、６０２間での最小二乗差の誤差計量を計算することである。図６Ｃは、モデル反射率スペクトル６０２に重ね合わせた測定反射率スペクトル６００を図示している。最小二乗差は、波長範囲全体からいくつかのポイントを取り出し、各ポイントにおけるスペクトル６００、６０２間の垂直差を計算し、全ポイントでの差の二乗を合計することで計算される。その後、最小二乗差の誤差計量を使用して、パラメータ値の増分を決定する。
【００４１】
ここまでについては、上の非線形回帰分析の説明は、標準的なものである。次に、多くのケースにおいて起こるのは、対象としない多数のパラメータがモデルスペクトル全体で著しい変化を発生させ、一方、対象とするパラメータがモデルスペクトルの小さな領域で変化を発生させることである。対象となるパラメータ値を迅速かつ正確に発見できるように、対象となるパラメータが差を生み出すと予想されるスペクトル領域における差は、例えば（１＋γi）等の係数により、全ポイントの差の二乗を合計する前に増幅される。したがって、最小二乗差の誤差は、対象となる領域での差が大きくなる場合に大きくなる。最小二乗差の誤差に更にバイアスを掛けるために、増幅係数に定数又は重み係数を適用してもよい。
【００４２】
上述したことから理解し得るように、本発明は、いくつかの利点を提供する。例えば、本発明の方法を使用して、特徴のランダム配列を有するパターン基板をｉｎ−ｓｉｔｕでモニタリングできる。本発明は、パターン基板の反射率を計算するのに使用できる堅牢なモデルを提供し、モデルからは、基板の処理に関連する対象パラメータを抽出できる。モデルは、層の厚さ、開始トレンチ深度の変動、パターン密度及び基板配向性の違いといった新たな材料の変動に対応可能である。本発明は、バイアスを掛けた非線形回帰手法を使用して、対象となる主要パラメータに遙かに正確に焦点を合わせ、これにより、システムの感度を向上させる。
【００４３】
以上、いくつかの好適な実施形態の観点から本発明を説明してきたが、本発明の範囲に含まれる変形例、置換例、及び等価物が存在する。例えば、レベンバーグ−マルクワルトの折衷に加えて、その他の手法を使用して、測定反射率スペクトルをモデル反射率スペクトルに一致させることができる。したがって、添付特許請求の範囲は、本発明の本来の趣旨及び範囲に入るこうした全ての変形例、置換例、及び等価物を含むものと解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
本発明は、同様の参照符号が同様の要素を示す以下の図面に付随する各図において、限定ではなく例示として図示される。
【図１】薄膜積層の一般的な概略図。
【図２Ａ】代表的なパターン基板の横断面図。
【図２Ｂ】四つの側方区分エリア又は薄膜積層に分割された図２Ａのパターン基板を示す図。
【図３】二つの側方区分エリア又は薄膜積層に分割されたパターン基板を示す図。
【図４】本発明の実施形態によるプロセスのセットアップを示す図。
【図５Ａ】本発明の実施形態による、パターン基板処理ステップにおける終点を検出するプロセスの概要を示す図。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による、垂直入射反射率データを収集するプロセスの概要を示す図。
【図５Ｃ】本発明の実施形態による、モデル反射率スペクトルに対して測定反射率スペクトルを一致させるプロセスの概要を示す図。
【図６Ａ】測定反射率スペクトルの概略図。
【図６Ｂ】モデル反射率スペクトルの概略図。
【図６Ｃ】図６Ａの測定反射率スペクトルを図６Ｂのモデル反射率スペクトルと比較する図。
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【国際調査報告】
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