(57)【要約】【課題】半導体製造のエッチングプロセスにおいて、所望のエッチングを行うために最適なエッチングパラメタを自動的に算出するシステムがなかった。【解決手段】事前に、エッチングパラメタと、そのエッチングパラメタでエッチングを行ったときのエッチングパタン出来ばえ定量値との関係を表すモデルを作成しておき、所望のエッチングを行う際に、そのモデルから最適なエッチングパラメタを算出する。【効果】半導体製造のエッチングプロセスにおいて、所望のエッチングを行うために最適なエッチングパラメタを自動的に算出することができる。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング工程においてウェハ上に形成されたエッチングパタンを観察するためにエッチングパタンを撮像する画像の検出手段と、得られたエッチングパタン画像から、エッチングの出来ばえを定量表現する画像処理機能と、エッチング後のエッチングパタン出来ばえ定量値とエッチングパラメタとの関係を表すモデルを構築する機能と、エッチング後のエッチングパタンの出来ばえ定量値がエッチングの加工目標値を満たしているか否かのエッチングの出来ばえを判定する手段と、その判定結果をユーザに提示する手段と、出来ばえ定量値が目標値を満たさない場合に、予め用意しておいた上記のエッチングパタン出来ばえ定量値とエッチングパラメタとの関係を表すモデルを利用してエッチング出来ばえを目標値に近づけるエッチングパラメタの修正値の算出する機能と、その修正値をエッチング装置にフィードバックする機能を特徴とする最適エッチングパラメタ自動設定システム。
【請求項２】
エッチング工程においてウェハ上に形成されたエッチングパタンを観察するためにエッチングパタンを撮像する画像の検出手段と、得られたエッチングパタン画像から、エッチングの出来ばえを特徴量として算出する画像処理手段と、該特徴量が所定の条件を満たすか否かの判定をする機能と、その判定結果をユーザに提示する手段を有することを特徴とするエッチング出来ばえ評価システム。
【請求項３】
上記画像処理手段において、検査対象がコンタクトホールであった場合に、その特徴量として、ホール径、ホール真円度、ホワイトバンド部幅、ホワイトバンド部輪郭のラフネス、ホール穴底部パタンのラフネス、ホール深さ、ホール壁部の傾斜角を算出することを特徴とする請求項２記載の出来ばえ評価システム。
【請求項４】
上記画像処理手段において、検査対象がラインパタンであった場合に、その特徴量として、ライン幅、走査型電子顕微鏡での撮影像におけるホワイトバンド部幅、ホワイトバンド部輪郭のラフネス、壁部の傾斜角を算出することを特徴とする請求項２記載の出来ばえ評価システム。
【請求項５】
上記エッチングパタン出来ばえ定量値とエッチングパラメタとの関係を表すモデルは、半導体製造のエッチング工程で設定する必要となるエッチングパラメタと、そのエッチングパラメタでエッチングした際の加工性能の関係をモデル化し、所望のエッチング加工性能を入力として、最適なエッチングパラメタを算出し出力するモデルを構築することを特徴とする請求項２記載の出来ばえ評価システム。
【請求項６】
上記画像の検出手段はエッチングパタンに対して入射角度０度から数度までの入射角度で荷電粒子を照射する手段と、エッチングパタンから発生する二次電子、反射電子のいずれか、または両方を検出する検出器を１個以上有することを特徴とする前記の請求項１記載の最適エッチングパラメタ自動設定システム。
【請求項７】
上記判定結果をユーザに提示する手段は、エッチングの出来ばえを表現する特徴量を出力する手段として、
（ａ）請求項１あるいは２で示したエッチング出来ばえを表す特徴量、
（ｂ）エッチング出来ばえ特徴量をもとに判定したエッチングの良否結果および、エッチング不良の場合の、不良の原因（エッチングストップ、デポジット発生など）、
のうちの少なくとも何れか一方を画面上に表示することを特徴とする請求項１記載の最適エッチングパラメタ自動設定システム。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程における最適なエッチングパラメタの自動設定に関するもので、ウェハ上に形成されたパタンを撮像し、そのパタンの出来ばえを定量表現し、その定量値と目標エッチングパタンとのずれ量を減少させるエッチングパラメタ修正を行い、最適なエッチングパラメタ設定を実現するシステムおよびエッチングの出来ばえを評価する出来ばえ評価システムに関するものである。
【０００１】
【従来の技術】
半導体製造でのエッチング工程のエッチングパラメタ（エッチング装置のガス流量、圧力、電圧、電力、温度、時間など）を設定する従来の方法を図２を用いて説明する。エッチング工程においては、所望の加工性能を得る為に、複数個存在するエッチングパラメタを最適な値に設定する必要がある。ステップ１では、所望の加工を行うために、エッチング対象の材質や加工形状に適当なエッチングパラメタの初期値を、エッチング対象の材質に関する今まで実験によって得た特性や使用しているエッチング装置の特性に基づいて、人が経験と今までの勘をたよりに決定する。ステップ２では、ステップ１で決定したエッチングパラメタでエッチングを行う。ステップ３では、エッチングによって形成されたウェハ上のパタンを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで人が観察し、エチングパタンの計測を行う。ステップ４では、ステップ３で得られた計測値をもとに、人手で所望の加工性能が得られているかを判定する。エッチング結果が良好と判定できれば、エッチングパラメタを決定する。エッチング結果を不良と判定すれば、ステップ５で、その観察された加工結果をもとに、所望のエッチング加工性能に近づけるようなエッチングパラメタ修正を、人が今までの経験に基づいて行い、ステップ２にもどり、新たに設定したエッチングパラメタで再びエッチングを行う。以上の方法によって、所望のエッチング加工性能を得るのに最適なエッチングパラメタを決定している。
【０００２】
【特許文献】
なし
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術においては、人が経験や勘でエッチングパラメタの初期値および補正値を決定して、最適なエッチングパラメタを導出しているが、このように、人手によるエッチングパラメタ設定を行うことは、最適なエッチングパラメタ設定を得るまでに時間がかかり不効率であり、また設定値にも個人差が生じることが考えられる。
【０００４】
そこで、本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、所望のエッチングを行う最適なエッチングパラメタを自動的に設定するシステムを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、エッチング工程においてウェハ上に形成されたエッチングパタンを観察するためにエッチングパタンを撮像する画像の検出手段と、得られたエッチングパタン画像から、エッチングの出来ばえを定量表現する画像処理機能と、エッチング後のエッチングパタン出来ばえ定量値とエッチングパラメタとの関係を表すモデルを構築する機能と、エッチング後のエッチングパタンの出来ばえ定量値がエッチングの加工目標値を満たしているか否かのエッチングの出来ばえを判定する手段と、その判定結果をユーザに提示する手段と、出来ばえ定量値が目標値を満たさない場合に、予め用意しておいた上記のエッチングパタン出来ばえ定量値とエッチングパラメタとの関係を表すモデルを利用してエッチング出来ばえを目標値に近づけるエッチングパラメタの修正値の算出する機能と、その修正値をエッチング装置にフィードバックする機能を、特徴とする最適エッチングパラメタ自動設定システムを提案する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
・概要
図１に本発明の実施形態に係る半導体製造でのエッチング工程時のパラメタ設定の自動化を行うシステム構成を示す。本システムは、エッチング装置およびエッチングパタンを撮像する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および画像処理・最適エッチングパラメタ導出処理を行う演算処理部およびエッチングパタン画像・エッチングパラメタ等を保存する記憶装置で構成され、各装置がバスで繋がっている。図３に本システムの処理の流れを示す。まず、ステップ１でエッチングパラメタ（ガス流量、圧力、ウェハ温度、コイル磁場など）を様々に変動させてエッチングを行ったときに形成されるエッチングパタンの電子線像から導出される様々な画像特徴量とエッチングパラメタとの関係をモデル化したものを予備実験で準備しておく（以下、最適パラメタ算出モデル）。ステップ２で、エッチングで形成する加工目標を定める。ステップ３では、予め準備しておいた最適パラメタ算出モデルを用いて、初期エッチングパラメタを設定する。ステップ４では、ステップ３で設定したエッチングパラメタをもとに、エッチングを行う。ステップ５では、エッチングによって形成されたウェハ上のエッチングパタンを走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等によって撮像する。ステップ６では、ステップ５で得られた画像に対して、画像処理によってエッチングの出来ばえ値を算出する。ステップ７では、得られたエッチング出来ばえ値が加工目標値を満たしているかを判定する。ここで加工目標値を満たしていれば、その時のエッチングレシピを本加工目標に対する最適エッチングパラメタとする。得られたエッチング出来ばえ値が加工目標値を満たしていなければ、ステップ８において、最適パラメタ算出モデルをもとに、エッチング結果を加工目標に近づけるためのエッチングパラメタ修正値を算出し、新たに設定したエッチングレシピで再びエッチングを行う（ステップ４に戻る）。
【０００７】
以下に各ステップについての詳細を説明する。
（１）最適パラメタ算出モデルの導出（図３のステップ１）
最適パラメタ算出モデルの導出方法について説明する。本例では、最適パラメタ算出モデルのモデル化方法として統計処理に一般に用いられている応答曲面モデルを利用する。図９は最適パラメタ算出モデル構築のための処理を示す図である。まず、目標とするエッチングパタン出来ばえ定量値の項目をＡ，Ｂ，Ｃとし、エッチング装置へ設定するパラメタパラメタがａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆの６項目であるとする。Ａ，Ｂ，Ｃは、例えば、ラインエッジラフネス、ライン幅、コンタクトホール径、ホール真円度、コンタクトホール底部パタン特徴量等といったものであり、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、例えばガス流量、圧力、電圧、電力、温度、時間といったものである。まず、ステップ１において、例えばタグチメソッドを用いた評価実験を行いエッチングパラメタのうち、エッチング工程において面内均一性に影響を与えるパラメタを見つけ出す。ステップ２において、面内均一性に影響を与えるパラメタパラメタは制御可能なパラメタから除外（例えばｄ，ｅ，ｆ）する。これらのパラメタは固定パラメタパラメタとして常時固定とすることで、ウェハ上の均一性が崩れることを防ぐ。ステップ３では、例えば実験計画法を用いて最適パラメタ算出のモデル導出に必要な実験データ（エッチングパラメタａ，ｂ，ｃを入力としてエッチング出来ばえ定量値Ａ，Ｂ，Ｃを出力とする実験データ）を取得する。ステップ４において、応答曲線を用いた最適パラメタ算出モデルを作成する。応答曲面法により生成される最適パラメタ算出モデルは、目標エッチングパタン出来ばえ定量値の項目Ａ，Ｂ，Ｃを入力とし、パラメタパラメタａ，ｂ，ｃを出力とするような多次元のモデルである。
（２）加工目標値の設定（図３のステップ２）
所望のエッチング加工目標値を設定する。例えばエッチングパタンがコンタクトホールであった場合は、ホール径、ホール真円度、走査型電子顕微鏡での撮影像におけるホワイトバンド部幅、ホワイトバンド部輪郭のラフネス、ホール穴底部パタンのラフネス、ホール深さ、ホール壁部の傾斜角などが目標値となる。
（３）最適パラメタ算出モデルを用いたエッチングパラメタ設定
エッチング加工目標値を、ステップ１で予め準備しておいた最適パラメタ算出モデルに入力し初期エッチングパラメタを算出する。
（４）ＳＥＭ像取得（図３のステップ５）
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって、エッチングパタンの撮像する。図７は、ウェハ上のエッチングによる形成物（コンタクトホールなど）を観察する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成を示すブロック図である。図７において、電子銃２０１より出た一次電子線２０２はビーム偏向器２０４、ＥｘＢ偏向器２０５、対物レンズ２０６を経てステージ１０１上におかれたウェーハ１００上に焦点を結んで照射される。電子線が照射されると、ウェーハ１００からは二次電子が発生する。試料１００から発生した二次電子は、ＥｘＢ偏向器２０５により偏向され、二次電子検出器２０７で検出される。偏向器２０４による電子線の二次元走査、あるいは偏向器２０４による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ１０１によるウェーハのＹ方向の連続的な移動に同期して試料から発生する電子を検出することで、２次元の電子線像が得られる。二次電子検出器２０７で検出された信号はＡ／Ｄ変換器２０８によってディジタル信号に変換され、画像処理部３００に送られる。画像処理部３００はディジタル画像を一時記憶するための画像メモリと、画像メモリ上の画像からのラインプロファイルや特徴量の算出を行うＣＰＵを有する。さらにまた、検出した画像あるいは、画像処理結果により算出された特徴量をデータベースとして保存するための記憶媒体３０１を有す。
【０００８】
本実施例では、製品ウェハの投入に先立って、所望のエッチングパタンを得る為に調整するエッチングパラメタと、そのエッチングパラメタを変動させたときに形成されるエッチングパタンの電子像から導出される特徴量との対応モデル（以下、最適パラメタ算出モデルとする）を予備実験により導出しておき、図１の記憶装置５ｂに保存しておく。
【０００９】
用いる走査型電子顕微鏡としては、上記のｔｏｐ−ｄｏｗｎ    ｖｉｅｗ像を撮像するものを用いる手段に加えて、チルト画像を撮像するものを利用してもよい。チルト画像を得るためのＳＥＭ構成を図１３に示す。取得されるチルト像取得およびｔｏｐ−ｄｏｗｎ    ｖｉｅｗ像から、ステレオ視の原理によりパタンの高さを算出し、エッチングパタンの特徴量として、立体構造（パタン高さ、テーパ角など）に関する情報を利用する。これにより、より詳細なエッチング目標の設定を行う。
（５）出来ばえ定量化（図３のステップ６）
エッチングパタン（ラインパタンやホールパタン等）の電子線像から導出する特徴量の例として、エッチングパタン出来ばえ定量値を提案する。エッチングパタン出来ばえ定量値は、エッチング生成物をＳＥＭで撮像し、その得られる画像に対して画像処理を行うことにより得る。例えば、観察するウェハ上の形成対象がラインパタンであった場合は、図４（ａ）に示すような特徴量（ライン幅、ラインエッジラフネス、ホワイトバンド幅など）を画像処理によって定量表現する。またウェハ上に形成対象がホールパタンであった場合は、図４（ｂ）に示すような特徴量（ホール径、ホール真円度、ホワイトバンド部幅、ホワイト部輪郭線のラフネス、コンタクトホール底部パタンのラフネスなど）を画像処理によって定量表現する。コンタクトホールの出来ばえ定量値の導出方法を示したものが図５である。
（６）判定（図３のステップ７）
ステップ６で算出した出来ばえ定量値が、上記ステップ２で設定した加工目標値に対して一定の許容範囲内か否かを、閾値処理等を用いて判定するとともに、最適エッチングパラメタの目標値からのズレ量を算出する。
（７）最低パラメタ算出モデルを用いたエッチングパラメタ補正
図１０に、エッチング出来ばえ定量値の目標値からのズレ量から最適エッチングパラメタを算出する概念図を示す。本図では、説明を容易にするため、エッチグ出来ばえ定量値Ａに対して、エッチングパラメタ要素ａ，ｂのみが関与している３次元のモデルを仮定した。エッチング出来ばえ値Ａが目標値を満たしていない場合に、その時のモデル上のエチングパラメタ位置から、どのようにエッチングパラメタ（上述のパラメタａ，ｂ）を変化させると、エッチング結果が目標とするエッチング出来ばえ値に近づくかをモデル面の形状から推測し、その変化方向にエッチングパラメタを微小変化し、次のエッチングパラメタとする。図１１では、エッチングパラメタがａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆにおいて、エッチング出来ばえ定量値がＡ、Ｂ、Ｃである時の最適パラメタ算出モデルを用いた最適エッチングパラメタ決定方法を示している。本図では、エッチングパタン定量値Ａ，Ｂ，Ｃそれぞれに対して、エッチングパラメタａ，ｂエッチングパラメタｂ，ｃおよびエッチングパラメタｃ，ａのみが関与している３次元のモデルを仮定した。実際には、先に述べたように、応答曲面法により生成される最適パラメタ算出モデルは、目標エッチングパタン出来ばえ定量値の項目Ａ，Ｂ，Ｃを入力とし、パラメタパラメタａ，ｂ，ｃを出力とするような多次元のモデルである。以上にように、最適パラメタ算出モデルをもとに、所望のエッチングを実現するのに最適なエッチングパラメタを導出する。上記の方法では、エッチングパラメタを微小変化させたが、モデルから算出される最適エッチング出来ばえ値となるエッチングパラメタをそのまま次のエッチングパラメタとしてもよい。
（８）ＧＵＩ（図３のステップ６およびステップ７）
ステップ６で算出されるエッチング後のエッチングパタン出来ばえ定量値を図８に示すようなＧＵＩで表示する。これは、各出来ばえ定量値（ホール径、ホワイトバンド部太さ、ホワイトバンド部輪郭ラフネス、ホール底部パタンラフネスなど）を表示し、エッチングの出来ばえ状態をユーザに分かり易くする。またステップ７で算出されるエッチングの良否判定の結果も表示する機能を備えている。さらに、判定が不良であった場合に、どのような原因で不良であるか（エッチングストップ、デポジション発生など）を判定した結果をも表示する。
【００１０】
本実施形態は、以上の方法のようにして目標エッチングを実現するのに最適なエッチングパラメタを自動的に導出するシステムである。
（実施の形態２）量産時の最適エッチングパラメタ算出システム
本実施の形態は、半導体製造の量産時のエッチング工程におけるエッチングパラメタの最適化に関する一例である。本実施の形態は、構成は図６に示す。半導体製造の量産時に、エッチング装置の連続運転を行っていると、装置内の汚れなどの外乱によって、エッチングパラメタの上記（実施の形態１）で示したエッチングパラメタ導出方法では、所望のエッチングが算出できなくなる場合がある。これは、装置内の汚れなどによって、エッチングパラメタの設定値と実効値がずれたことが考えられる。これは最適エッチングパラメタ算出モデルのエッチングパラメタの軸がずれたことにあたる。そこで、経時変化等に基づくロット間変動・ロット内変動およびばらつき変動をおさえて精度のよいデバイス加工を実施するために、その測定結果に目標値とずれが生じた場合は、当初の算出モデル作成時のエッチングパラメタの軸を修正する。修正後に再び最適パラメタ算出モデルを使用し、目標値から最適レシピを算出する。ただし、修正モデルから算出するエッチングパラメタの値が、エッチング装置で設定できる範囲外になった場合は、２枚目のウェハのエッチグ処理にはアラームを出し、エッチング処理を行わないこととする。これにより、装置が異常になった場合、多くの不良を出すことを未然に防ぐことができる。また、このアラームは、前記全掃といわれるメンテナンス処理の実行判断として使用することもできる。以上の方法によって、量産時のエッチング工程においての最適エッチングパラメタの自動設定を実現する。
【００１１】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体製造のエッチング工程での所望の加工性能を得るための最適なエッチングパラメタを自動算出することが可能となる。また、エッチング工程の量産時に、装置の連続運転による外乱の影響を抑え、最適なパラメタでのエッチングの継続が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】最適エッチングパラメタ自動設定システムの構成図。
【図２】従来手法を示す図。
【図３】最適エッチングパラメタ自動設定システムの概念図。
【図４】図エッチング出来ばえ特徴の例を示す図。
【図５】エッチング出来ばえ定量値導出の処理の流れ図。
【図６】量産工程での最適エッチングパラメタ自動設定システムの概念図。
【図７】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構造を示す図。
【図８】エッチング出来ばえ定量値のＧＵＩ表示例を示す図。
【図９】最適パラメタ算出モデル作成処理の流れ図。
【図１０】パラメタパラメタ変更方法の概念図。
【図１１】最適エッチングパラメタ自動設定処理の流れ図。
【図１２】量産工程における最適パラメタ算出モデル修正の流れ図。
【図１３】ｔｉｌｔ画像取得可能な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構造を示す図。
【符号の説明】
なし
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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