(57)【要約】  本開示の実施形態は、反射率測定法を用いて、基板又はベース層上の下層パターンに関わらず、厚さなどの膜特性を測定することを可能にする。任意の波長における成膜中の膜に起因する位相シフトの量は、前記基板又はベース層とは独立したものであるためである。本方法の一実施形態は、時系列データから基板の特性を決定することを含む。本方法の別の実施形態は、光源のオンオフそれぞれの２つの連続した測定を行うことによって、測定データのプラズマバックグラウンドを除去することを含む。別の実施形態は、プラズママーカー又は光学特性の位相シフトをモニタすることにより、堆積開始時間を決定することを含む。【選択図】図１
2017507338.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜の特性を測定する方法であって、
未知の表面を有する基板を処理チャンバ内に配置すること、
時系列データを得るために、前記基板の反射スペクトルをある時間間隔で繰り返し測定すること、
繰り返し測定を維持しながら、前記薄膜を前記基板の上に堆積するために、一以上の処理ガスを流すこと、
前記時系列データ中の複数の反射スペクトル測定値から、前記基板の前記未知の表面の一以上の特性を決定すること、及び
前記未知の表面の前記一以上の特性と前記薄膜の反射スペクトルの測定値とに従って、前記薄膜の厚さを決定すること
を含む、方法。
【請求項２】
前記方法が、前記一以上の処理ガスのプラズマを点火することを更に含み、反射スペクトルを測定することは、
前記基板に向けたフラッシュ光源をオンにして第１の測定を行うこと、及び
前記フラッシュ光源をオフにして第２の測定を行うこと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記薄膜の堆積の始まりを示すゼロ時間を決定することを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記未知の表面の一以上の特性を決定することが、前記時系列データを膜スタックモデルへ動的フィッティングすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記薄膜の厚さを決定することが、１つの反射スペクトル測定値を前記膜スタックモデルへ静的フィッティングすることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
膜スタックを形成する方法であって、
基板をプラズマ処理チャンバ内に配置すること、
時系列データを得るために、前記基板の反射スペクトルをある時間間隔で繰り返し測定すること、
反射スペクトルの繰り返し測定を維持しながら、前記基板の上に第１の膜と第２の膜とを交互に堆積するために、処理ガスのプラズマを点火すること、
前記時系列データ中の複数の反射スペクトル測定値から、前記基板の複素反射率を決定すること、及び
前記基板の前記複素反射率と前記第１の膜又は前記第２の膜の各々の反射スペクトルの測定値に従って、前記第１の膜又は前記第２の膜の各々の厚さを決定すること
を含む、方法。
【請求項７】
反射スペクトルを測定することが、
フラッシュ光源からの光を前記基板のほうへ案内すること、及び
前記基板からの前記光の第１の反射率を測定すること
を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
反射スペクトルを測定することが、
前記フラッシュ光源をオフにした状態で、前記基板からの前記光の第２の反射率を測定すること、及び
前記第１の反射率から前記第２の反射率を差し引くことにより、バックグラウンドノイズを除去すること
を更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
堆積の始まりを示すゼロ時間を決定することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
ゼロ時間を決定することが、前記時系列データのはじめの複数の測定からプラズマ発光線痕跡を検出することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ゼロ時間を決定することが、前記時系列データのはじめの複数の測定から位相シフトをモニタすることを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記基板の複素反射率を決定することが、前記時系列データを膜スタックモデルへ動的フィッティングすることを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の膜又は前記第２の膜の各々の厚さを決定することが、対応する反射スペクトル測定値を前記膜スタックモデルへ静的フィッティングすることを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
一以上の膜を堆積する装置であって、前記装置が、
処理容積を画定するチャンバ本体、
前記処理容積内に設けられた基板支持体、及び
前記基板支持体の上に設けられた計測アセンブリ
を備え、前記計測アセンブリが、
フラッシュ光源、
分光計、及び
前記フラッシュ光源と前記分光計との間に接続された複数の光ファイバチャネルであって、各光ファイバが、前記フラッシュ光源からの光を前記基板支持体上の測定点へと案内し、前記測定点からの反射を受光し、前記受光した反射を前記分光計へと案内するように配置されている、複数の光ファイバチャネル
を備える、装置。
【請求項１５】
前記装置が、前記計測アセンブリに連結されたコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記分光計から測定データを受け取り、且つ動作時に、下記：
時系列データを得るために、前記基板支持体上に配置された基板の反射スペクトルをある時間間隔で繰り返し測定するよう前記計測アセンブリに指示すること、
前記時系列データ中の複数の反射スペクトル測定値から、前記基板の複素反射率を決定すること、及び
前記基板上に堆積した膜の厚さを、前記基板の前記複素反射率と前記膜の反射スペクトル測定値とに従って、決定すること
を実施するソフトウェアを含む、
請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、表面特性が未知の基板上に堆積した膜の厚さを測定する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の反射率測定法において膜厚又は他の特性を測定する際、測定される膜の特性を算出するには、膜の下の基板の特性が必要となる。従って、従来の反射率測定法は、下の基板が完全に既知である場合にのみ機能する。例えば、下の基板がベア（（ｂａｒｅ）加工前の）シリコンウエハ又は既知のブランケット膜のスタックを有したシリコンウエハである場合である。
【０００３】
しかしながら、半導体処理においては、処理チャンバを用いて様々な基板上に膜が堆積されるのが常である。更に、膜は、パターニングされた表面を有する基板上に、通常、堆積される。パターンが既知であっても、測定される各基板において、測定点がパターンの同じ領域にあたるとは限らない。
【０００４】
従って、未知の表面特性を有する基板位置に形成された膜の特性を測定する装置及び方法が求められている。
【発明の概要】
【０００５】
本開示の実施形態は、表面特性が未知のランダムな基板位置に堆積した膜の厚さを測定する装置及び方法に関する。
【０００６】
本開示の一実施形態は、薄膜の特性を測定する方法を提供する。本方法は、未知の表面特性を有する基板を処理チャンバ内に配置すること、時系列データを得るために基板の反射スペクトルをある時間間隔で繰り返し測定すること、繰り返し測定を維持しながら、基板上に膜を堆積するために一以上の処理ガスを流すこと、時系列データ中の複数の反射スペクトル測定値から、基板の未知の表面の一以上の特性を決定すること、及び、未知の表面の一以上の特性と薄膜の反射スペクトルの測定値とに従って、薄膜の厚さを決定すること、を含む。
【０００７】
本開示の別の実施形態は、膜スタックを形成する方法を提供する。本方法は、基板をプラズマ処理チャンバ内に配置すること、時系列データを得るために基板の反射率スペクトルをある時間間隔で繰り返し測定すること、反射率スペクトルの繰り返し測定を維持しながら、第１の膜と第２の膜とを基板の上に交互に堆積するために処理ガスのプラズマを点火すること、時系列データ中の複数の反射率スペクトル測定値から基板の複素反射率を決定すること、及び、基板の複素反射率と第１の膜又は第２の膜の各々の反射スペクトルの測定値に従って、第１の膜又は第２の膜の各々の厚さを決定すること、を含む。
【０００８】
本開示の更に別の実施形態は、一以上の膜を堆積する装置を提供する。本装置は、処理容積を画定するチャンバ本体、処理容積内に設けられた基板支持体、及び基板支持体の上に設けられた計測アセンブリを含む。計測アセンブリは、フラッシュ光源、分光計、フラッシュ光源と分光計との間に接続された複数の光ファイバチャネルを備える。各光ファイバは、フラッシュ光源からの光を基板支持体上の測定点の方へ案内し、測定点からの反射を受光し、受光した反射を分光計へ案内するように配置されている。
【０００９】
本開示の上述の特徴が詳細に理解されるよう、上記で概説した本開示のより具体的な説明が実施形態を参照することにより得られる。それら実施形態の幾つかは添付図面で示されている。しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容し得るため、添付の図面は本開示の典型的な実施形態のみを示しており、従って本開示の範囲を限定するとみなすべきではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態によるプラズマ処理チャンバの概略断面図である。
【図２】パターニングされた基板の上に形成された膜スタックの概略断面図である。
【図３】未知の表面特性を有する基板上に形成された複数の膜の厚さを測定する方法のフロー図である。
【図４】パターニングされた基板の特性を決定するための時系列データフィッティングの一例である。
【図５】膜スタックのはじめの３つの層の堆積中に収集された時系列データを用いた時系列データフィッティングの一例である。
【図６】本開示の実施形態による、膜スタック堆積の様々な段階におけるスペクトルフィッティングの結果を示す。
【図７】本開示の一実施形態による、膜スタックの厚さ測定の結果を示す。
【図８】本開示の一実施形態によるデータバッファ処理を示す概略フロー図である。
【図９】本開示の一実施形態による、パラレルコンピューティング構造を示す概略ブロック図である。
【図１０】不透明に達しているポリシリコン膜の厚さを波長の関数として示す曲線を含む。
【図１１】本開示の一実施形態による、ロール基板（ｒｏｌｌｉｎｇ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）の概略的な一例である。
【図１２】本開示の一実施形態による、反射スペクトルの正規化を示す。
【図１３】本開示の一実施形態による、厚さ結果の線形フィッティングを含む。
【図１４】本開示の一実施形態による、ゼロ時間（ｔｉｍｅ  ｚｅｒｏ）を決定するためのプラズマ発光の特徴的なラインを示す。
【００１１】
理解を容易にするため、可能な場合には、上記の図に共通する同一の要素を示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態で開示する要素は、具体的な記述がなくとも、他の実施形態で有益に利用できることが企図されている。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
概説
本開示の実施形態は、表面特性が未知の基板上に堆積した膜の厚さを測定する装置及び方法に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、基板上に形成された複数の膜の厚さ又はその他の特性を非破壊で測定する方法を提供する。本方法の一実施形態は、時系列データから基板表面の特性を決定することを含む。本方法の別の実施形態は、光源のオンオフそれぞれの２つの連続した測定を行うことによって、測定データのプラズマバックグラウンドを除去することを含む。別の実施形態は、プラズママーカー又は光学特性の位相シフトをモニタすることにより、堆積開始時間を決定することを含む。
【００１３】
本開示の実施形態は、基板の表面特性を事前に知ることなく、基板上に堆積した膜の厚さ又はその他の特性を測定するために用いられ得る。本開示の実施形態は、膜の厚さ又はその他の特性をリアルタイムで測定し、閉ループ制御で使用され得る。本開示の実施形態は、形成されている複数の層の厚さ又はその他の特性を測定するために用いられ得る。例えば、本開示の実施形態は、基板上のパターニングされた下層の上に形成される最大７２層の交互膜を含むＮＡＮＤフラッシュメモリのメモリスタックなどの垂直メモリスタックの厚さを測定するために用いられ得る。
【００１４】
ハードウェア
図１は、本開示の一実施形態によるプラズマ処理チャンバ１００の概略断面図である。
プラズマ処理チャンバ１００は、処理される基板のベース層の情報を用いずに、膜特性のｉｎ−ｓｉｔｕ（インシトゥ）測定を実施することができる。例えば、プラズマ処理チャンバ１００は、フラッシュメモリ素子用の膜スタックを形成しながら、膜厚を測定することができる。
【００１５】
プラズマ処理チャンバ１００は、チャンバ本体１０２及びチャンバ本体１０２の上部に配置されるリッドアセンブリ１０４を含み得る。チャンバ本体１０２及びリッドアセンブリ１０４が処理容積１０６を画定している。リッドアセンブリ１０４はシャワーヘッド１０８を含み得る。一以上の処理ガスがガス源１１０からシャワーヘッド１０８を通じて処理容積１０６へ送達され得るように、ガス源１１０がリッドアセンブリ１０４に接続され得る。処理中に基板１１４を支持するための基板支持体１１２が処理容積１０６内に設けられ得る。一実施形態では、高周波（ＲＦ）電源１１６が整合回路１１８を介して基板支持体１１２に連結され得る。ＲＦ電源１１６は、処理のためのプラズマ１２０を発生させるために、基板支持体１１２とシャワーヘッド１０８との間にＲＦ電力を印加し得る。一実施形態では、プラズマ１２０が、化学気相堆積（ＣＶＤ）処理により膜を堆積するために用いられ得る。
【００１６】
プラズマ処理チャンバ１００は、ｉｎ−ｓｉｔｕ計測アセンブリ１２２も含む。
ｉｎ−ｓｉｔｕ計測アセンブリ１２２は、光源１２４、一以上の光ファイバ束１２６、及び分光計１２８を含み得る。一以上の光ファイバ束１２６の各々は、シャワーヘッド１０８における対応する１つの観察窓１３０の外側に配置された第１の端部１３２を有する。各光ファイバ束１２６は、光源１２４と光学的に接続された第２の端部１３４、及び、分光計１２８と光学的に連結された第３の端部１３６を有する。各光ファイバ束１２６は、光源１２４からの光が基板１１４上の測定点１３８の方へ垂直入射で進むように、光源１２４からの光を観察窓１３０を通じて基板１１４の方へと伝達するように構成されている。次いで、光ファイバ束１２６は、垂直入射光の基板１１４からの反射を捕捉し、当該反射を分光計１２８へと伝達する。光ファイバ束１２６は、光源１２４からの光を、測定点１３８において直径約２ｍｍを照射するようにコリメートし得る。
【００１７】
光源１２４は、短期間でパルス光を分散できるフラッシュ光源であり得る。光源１２４は白色光源であり得る。一実施形態で、光源１２４はキセノンフラッシュランプであり得る。分光計１２８は、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ光検出器を含み得る。一実施形態で、分光計１２８は、約２００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長範囲の非偏光を測定し得る。
【００１８】
観察窓１３０は、シャワーヘッド１０８を貫通して形成された開口に設けられたサファイア窓であり得る。一以上の観察窓１３０は、基板１１４の様々な径方向位置に対応する様々な位置に配置され得る。
【００１９】
一実施形態では、光源１２４の経時的なゆらぎ／ドリフトを補償するための基準チャネルを提供するために、参照用光ファイバ束１４０が光源１２４と分光計１２８との間に接続され得る。
【００２０】
プラズマ処理チャンバ１００はシステムコントローラ１４２を含み得る。システムコントローラ１４２は、ｉｎ−ｓｉｔｕ計測アセンブリ１２２に接続される。システムコントローラ１４２は、制御ソフトウェアを含み得る。動作時、制御ソフトウェアは、測定を実施するようｉｎ−ｓｉｔｕ計測アセンブリ１２２に指示し、基板の特性１１４を得るために、ｉｎ−ｓｉｔｕ計測アセンブリ１２２からの測定データを受け取って処理し得る。システムコントローラ１４２は、処理レシピを実施するために、ガス源１１０、ＲＦ電源１１６、及びプラズマ処理チャンバ１００の他の部品にも接続されている。
【００２１】
基板１１４上の３つの測定点１３８を測定するための３本の光ファイバ束１２６が図示されているが、処理要件に従いより多くの又はより少ない光ファイバ束１２６が用いられてもよい。一実施形態では、２つのプラズマ処理チャンバ１００が隣り合って配置され、光源１２４及び分光計１２８を共用してもよい。
【００２２】
方法の概説
本開示の実施形態は、基板上のランダムなベース層上に形成された複数の膜の厚さなどの特性のｉｎ−ｓｉｔｕ測定方法を含む。本方法は、上述のプラズマ処理チャンバ１００を用いて実施され得る。本方法は、フラッシュメモリ膜スタックの形成中に膜厚を測定及び制御するのに使用され得る。
【００２３】
図２は、フラッシュメモリ膜スタック２００の概略断面図である。膜スタック２００は、基板２０２のベース層２０４に形成され得る。ベース層２０４は、第１の材料２０４ａ及び第２の材料２０４ｂを含むパターニングされた層であり得る。複数の膜のペア２０６１−２０６ｎが順にベース層２０４上に形成される。膜スタック２００が交互に形成された複数の第１の膜２０８と第２の膜２１０とを含むように、各膜ペア２０６は、第１の膜２０８及び第２の膜２１０を含み得る。複数の膜ペア２０６１−２０６ｎは、プラズマ処理チャンバ１００などの１つの処理チャンバ内で化学気相堆積によって形成され得る。
【００２４】
一実施形態では、フラッシュメモリ膜スタック２００は、最大で７２層の窒化物−酸化物（ＮＯ）、又は酸化物−ポリシリコン（ＯＰ）膜を有するＮＡＮＤ型構造であり得る。各膜２０８，２１０は約２００Ａ〜５００Ａの厚さであり得る。膜スタック２００中の層の数及び厚さは、エリプソメータ又は反射率計などの非破壊光学ツールを用いた処理後の測定を妨げる。更に、エリプソメータ又は反射率計は膜スタック２００の全体の厚さを測定できるが、すべての膜が堆積された後に個々の膜厚を一度に解明することはできない。従来、個々の膜の厚さは、断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの破壊式測定技法によってのみ測定可能である。
【００２５】
本開示の実施形態は、個々の膜２０８、２１０をｉｎ−ｓｉｔｕで測定するための装置及び方法を提供する。図３は、一実施形態による、未知の表面特性を有する基板上に形成された複数の膜の厚さを測定する方法３００のフロー図である。特に、本方法３００は、堆積チャンバ内で膜スタックを形成しながら、当該膜スタックが形成されているベース層についての事前知識なしに、膜スタック２００などのフラッシュメモリ膜スタック中の個々の膜の厚さを測定するために用いられ得る。本方法３００は、計測アセンブリを有するプラズマ処理チャンバ１００などのプラズマ処理チャンバを用いて実施され得る。
【００２６】
ブロック３１０で、処理される基板が処理チャンバ内に配置される。基板の表面特性は未知であるか、又はパターニングされている。
【００２７】
ブロック３２０で、基板の反射率などの光学特性が繰り返し測定される。測定値は、コントローラによって収集され解析用の時系列データとしてコントローラに記憶され得る。測定される膜の堆積の期間、繰り返し測定が維持される。一実施形態では、等しく且つ連続的な時間間隔ごとに１つの測定点が作成され得る。ベース層及び形成される層の特性を決定するのに十分な時系列データが収集され得るように、時間間隔の長さは処理レシピに従い予め定められ得る。測定は、計測アセンブリ１２２などの計測アセンブリを用いて、光源から基板表面に光を垂直入射で衝突させ、衝突する光の反射を検出することによりなされ得る。
【００２８】
一実施形態では、各測定点が、時間的に互いに隣接してなされた２つの測定値を含み得る。第１の測定は、光源をオンせずに基板表面からの反射を測定することによりなされ得る。第２の測定は、光源をオンして当該反射を測定することによりなされ得る。第１の測定値と第２の測定値とを比較することにより、プラズマ並びに基板及びその他のチャンバ部品の発光などのバックグラウンドノイズが除去され得る。
【００２９】
一実施形態では、各測定点で収集されたデータが、測定スペクトル内の複数の波長における反射強度を含み得る。一実施形態で、測定スペクトルは、測定される膜の特性及び厚さに従って選択され得る。一実施形態で、測定スペクトルは約２００ｎｍ波長〜約８００ｎｍ波長である。
【００３０】
ボックス３３０では、基板表面上への堆積処理を促進するために、処理チャンバ内で一以上の処理ガスのプラズマを点火し維持する。処理レシピで２種以上の膜が形成され得る場合、処理中に処理ガスが切り換え及び／又は交換され得る。一実施形態では、異なる２種の膜を交互に堆積するために、処理ガスの２つの組み合わせが交互に切り替えられ得る。ボックス３２０で示すように、膜堆積のためのプラズマを点火及び維持する間、時間間隔によって分割された繰り返し測定が連続的に実施される。
【００３１】
ボックス３４０〜ボックス３６０で、基板上に堆積した膜の特性を得るために、繰り返し測定で収集された時系列データが解析される。ボックス３４０で、堆積の開始時間を示すゼロ時間が決定され得る。一実施形態では、堆積のためのプラズマが点火された時間を取得することによってゼロ時間が得られ得る。或いは、時系列データ中のプラズママーカー又は位相シフトを検出することによってゼロ時間が決定されてもよい。プラズママーカー及び位相シフトの検出については、後のセクションで詳述する。ゼロ時間後に収集された時系列データ中のデータは、基板／ベース層、及び堆積される膜の特性を決定するために用いられることとなる。
【００３２】
ボックス３５０で、ゼロ時間後に得られた時系列データ中のはじめの複数の測定値から、ベース層の反射率などのベース層の特性が決定され得る。一実施形態では、ベース層の特性が、膜スタックの数理モデルを表す再帰方程式を数値的に解くことによって決定され得る。ベース層特性を決定する実施形態は、後のセクションで述べる。
【００３３】
ボックス３６０では、処理チャンバ内で堆積されている各膜層の厚さなどの特性が、ベース層の特性及び時系列データに従って決定され得る。一実施形態では、堆積されている層の特性が、当該膜スタックの数理モデルを表す再帰方程式を数値的に解くことによって決定され得る。膜特性の決定については後のセクションで詳述する。ベース層の特性を決定するための遅延を克服すれば、現時点で利用可能な計算リソースを用いて、処理されている各膜の特性がリアルタイムで決定できる。
【００３４】
ボックス３７０で、処理されている膜の特性がリアルタイムで決定されると、決定された特性は、望ましい処理結果を得るべく処理パラメータを調整するために用いられ得る。例えば、フラッシュメモリのための膜スタックを堆積する際、同じ組成の複数の膜層間で均一な厚さを有することが望ましい。処理パラメータは、形成されている膜が望ましい厚さから偏移すると調整されることができる。
【００３５】
プラズマバックグラウンドの除去
方法３００のボックス３４０で述べたように、分光計によって得られた測定点は、環境からのノイズを含み得る。例えば、典型的なプラズマＣＶＤ処理は、堆積処理を支援するプラズマを処理チャンバ内に発生させる。プラズマは様々な波長で光を放射し、これら光は光源からの衝突光の反射とともに分光分析器のファイバ束によって受光される。このプラズマ発光は、測定データ中の不必要な干渉である。本開示の実施形態は、フラッシュ又はパルス光源を用いて２つの測定値をとることによって、プラズマ発光などの連続的なソースからのノイズを、測定データから除去することを含む。一実施形態では、時間の各データ点中の２つの測定値、即ち光源がオンである第１の測定値と光源がオフである第２の測定値とを収集し、第１の測定値から第２の測定値を差し引くことによって、プラズマ干渉又は連続的なソースからの他のノイズが測定データから除去される。２つの測定中のプラズマ干渉等のノイズがほぼ同様となるように、第１の測定値と第２の測定値とは１つの時間間隔内で時間的に近接して取られる。光源がオンである測定値が光源がオフである測定値の前に取られるか、或いは逆でもよい。
【００３６】
時系列データから基板特性を得る
薄膜の下の基板又はベース層の特性が既知である場合には、薄膜の厚さ及びその他の特性は、薄膜の反射率の測定から膜スタックモデルを用いて決定され得る。しかしながら、半導体処理において、ベース層がパターニングされていること、処理前にベース層が変化したこと、処理の変化、或いは単純に未知であるなどの様々な理由から、測定点における基板又はベース層の特性が処理が実施される前には分からないことがある。本開示の実施形態は、基板又はベース層上に形成される一以上の層の形成中に得られる時系列データから、基板又はベース層の特性を決定する方法を提供する。
【００３７】
本開示の一実施形態によれば、多層膜スタックを表す下記の方程式の形態の数理モデルを数値的に解くことにより、基板又はベース層の反射率を得ることができる。
2017507338.tif 000003
【００３８】
方程式１は、膜スタックの非偏光反射ｆ（λ,ｔ）を、膜スタックのｓ偏光反射率Ｆｓｊ（λ,ｔ）及びｐ偏光反射率Ｆｐｊ（λ,ｔ）で表す。式中、λは波長を表し、ｔは膜堆積のはじまりに開始される時間を表す。上付き字ｓ及びｐは、パターニングされた基板から反射する際の光源のｓ及びｐ偏光を示す。重み付けパラメータｗは、ｓ偏光した光の割合を表す。基板がベアシリコンウエハであるか、或いはベース層が等方性のブランケット膜であり、光はウエハに対して垂直入射する場合、ｓ及びｐ成分が同一となりｗは０．５と等しくなる。
【００３９】
方程式２及び３は、フレネルの式の再帰式を表し、ｊ層の膜を含み且つｊ番目の層が最上層である膜スタック中のｊ番目の層における複素反射率Ｆｓｊ（λ,ｔ），Ｆｐｊ（λ,ｔ）を、膜スタックの（ｊ−１）番目の層における反射率Ｆｓｊ−１（λ,ｔ），Ｆｐｊ−１（λ,ｔ）の関数として表す。ｎｊ及びｋｊは、ｊ番目の膜の屈折率の実数部及び虚数部である。ｎｊ及びｋｊは、膜の組成が既知である場合の既知の定数である。ＤＲ,ｊはｊ番目の膜の堆積速度を表す。時間ｔにおけるｊ番目の膜の厚さは、堆積速度ＤＲ,ｊと、ｊ番目の膜が堆積されている時間とから得られる。
【００４０】
第１の層が最上層（ｊ＝１）である場合、複素反射率Ｆｓ１（λ,ｔ），Ｆｐ１（λ,ｔ）は、基板又はベース層の反射率Ｆｓ0（λ,ｔ），Ｆｐ0（λ,ｔ）の関数である。方程式６及び７は、振幅及び位相で表した基板又はベース層の複素反射率である。
【００４１】
基板又はベース層の反射率が未知である場合、方程式１−７の膜スタックモデルは、計算される５つのパラメータを含む。５つのパラメータは、堆積速度ＤＲ,ｊ、基板／ベース層の複素反射率の振幅値Ａｓｓｕｂ（λ）,Ａｐｓｕｂ（λ）、及び基板／ベース層の複素反射率の位相値φｓｓｕｂ（λ）,φｐｓｕｂ（λ）である。上述のように計測アセンブリ１２２などの計測アセンブリを用いて、時間ｔにおける測定点が作成されると、任意の波長λにおいて１つの非偏光反射ｆ（λ,ｔ）が収集される。１つのみの測定点及び５つの未知のパラメータを有することにより、方程式１−７の膜スタックモデルは、従来の（静的）分光分析アルゴリズムを用いて解くことができない。
【００４２】
本開示の一実施形態によれば、時系列データが、第１の膜の堆積中に、時間間隔において複数の測定点を作成することにより収集され得る。
時系列データは、方程式１−７の膜スタックモデル中の５つのパラメータすべてを決定するのに必要な追加のデータ点を提供する。時系列データは、時系列データ中の個々の測定値間の十分な位相シフト／変動を可能にする時間間隔で収集され得る。一実施形態では、第１の膜の堆積中に等しい時間間隔（例えば約１００ｍｓ）で基板の反射率を測定することによって、時系列データが収集され得る。
【００４３】
一実施形態では、基板／ベース層の複素反射率及び膜の堆積速度（又は厚さ）は、時系列データを膜スタックモデルに動的にフィッティングすることによって決定され得る。方法３００のボックス３５０で示すように、基板／ベース層の特性を決定することは、第１の膜層の堆積中に収集された時系列データをフィッティングすることによって実施され得る。
【００４４】
時系列データのフィッティング中、基板／ベース層の複素反射率及び堆積速度の推定値が方程式１−７などの膜スタックモデル中に代入されて、測定がなされた各時点の推定反射率を計算し、反射率の推定時系列が得られる。反射率の推定時系列が、時系列データ中の実際の測定と比較され、差分が得られる。この差分に従って基板／ベース層の複素反射率及び堆積速度の推定値が調整され、次いで、膜スタックモデルに代入されて、測定された時系列データに対する更なる比較のために、更なる反射率の推定時系列が計算される。基準の推定時系列と測定された時系列データとの間の得られた差分が閾値内となるまで、調整、計算、及び比較が繰り返し実施される。即ち、時系列データが、基板／ベース層の複素反射率及び堆積速度の推定値によってフィッティングされる。差分の計算及び推定値の調整は、適切な数値的技法を用いてなされてよい。
【００４５】
本開示の実施形態によれば、時系列データのフィッティングが複数の波長で並行して実施され得る。図４は、２３０ｎｍ、３５０ｎｍ、５００ｎｍ、及び７００ｎｍの各波長における時系列データフィッティングの一例である。図４の時系列データは、パターニングされた基板上に５００オングストロームの窒化ケイ素層を堆積する間に収集される。図４に示すように、膜スタックの反射率は厚さにより変動する。反射率‐厚さの変動パターンは波長にも依存する。典型的に、反射率の厚さによる変動は、より長い波長よりもより短い波長において、より高い周波数を有する。本開示の実施形態は、複数の波長における時系列をフィッティングすることにより、種々の波長の変動を利用して正確な結果を得る。
【００４６】
時系列データフィッティングにおける正確性を更に向上させるために、時系列データ測定が、はじめの２つ以上の層の堆積中になされてもよい。特に、堆積された第１の層がさほど厚くない場合、時系列データ中の位相シフト情報が正確な基板／ベース層反射率を生成するのに十分でないことがある。基板／ベース層の反射率に不正確性が存在する場合、静的なスタック膜モデルから決定される後続の層の厚さに対してより大きな誤差が生じ得る。一実施形態では、決定される基板／ベース層の反射率の正確性を向上させるために、基板／ベース層の反射率が、はじめの２つ以上の層の堆積中に収集された時系列データをフィッティングすることによって決定され得る。
【００４７】
図５は、膜スタックのはじめの３つの層の堆積中に収集された時系列データを用いた時系列データフィッティングの一例である。はじめの３つの層は、５００Ａの窒化ケイ素、３００Ａの酸化ケイ素、及び５００Ａの窒化ケイ素である。図５に示すように、３層の膜は、測定反射率に更なる変動をもたらし、決定される基板／ベース層の反射率の正確性を向上させる。
【００４８】
基板／ベース層の反射率が計算されると、後続する層が堆積されている際に当該後続する層の厚さについて解くために、膜スタックモデルの静的モード（ｓｔａｔｉｃ  ｍｏｄｅ）が用いられ得る。一実施形態では、所与の任意の時間ｔにおける未知の厚さは、波長の関数としての測定された反射率に対して、最小二乗フィッティング又は他の数値近似を実施することにより膜スタックモデルにおいて解くことができる。方法３００のボックス３６０は、膜スタックモデルの静的モードを用いて、測定されたスペクトルをフィッティングすることにより実施され得る。
【００４９】
図６は、本開示の実施形態による、膜スタック堆積の様々な段階におけるスペクトルフィッティングの結果を示す。図６の左上のプロットは、第１の層（厚さ５００Ａの窒化ケイ素層）からの時系列データをフィッティングすることにより良好に計算された未知のパターニングされた基板の反射スペクトルを示す。基板の複素反射率が決定されることにより、パターニングされた基板の上部の窒化物−酸化物の２４ペアの堆積におけるすべての反射スペクトルの正確なフィッティングが可能である。図６のその他の３つのプロットは、第１の窒化ケイ素層、１２番目の酸化ケイ素層、及び２４番目の窒化ケイ素層それぞれの堆積終了（ｅｎｄ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）におけるそのようなスペクトルフィッティングの例を示す。
【００５０】
図６に示すスペクトルフィッティングなどの各層の堆積終了時におけるスペクトルフィッティングの結果により、対応する層の厚さがもたらされる。図７は、本開示の一実施形態による膜スタックの厚さ測定の結果を示す。図７は、パターニングされた基板上に窒化ケイ素と酸化ケイ素層とが交互に形成された膜スタックの厚さ測定結果を含む。窒化ケイ素と酸化ケイ素膜との目標厚さはそれぞれ５００Ａ及び３００Ａであるが、６番目の膜ペアごとの目標厚さはそれぞれ３５０Ａ及び２００Ａである。図７では、本開示の厚さ結果が、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面測定と比較されている。図７は、本開示の実施形態による厚さ測定結果が、ＴＥＭの予期される不確定性内にあることを示している。
【００５１】
データバッファ
上述のように、本開示の実施形態は、膜スタックの堆積中に当該膜スタック中の膜の厚さ又はその他の特性を測定するために用いられ得る。理論上、本発明の実施形態を用いて各膜のリアルタイムの厚さが計算され得る。しかしながら、特に未知の基板の反射率を解くためのはじめの動的な時系列フィッティング中に、関係する大量の計算を計算リソースが満足できない場合には、膜が堆積されている間に計測アセンブリから入力されてくるデータの連続的なストリームに対し計算が遅れることがあり得る。本開示の一実施形態は、コンピュータのプロセッサが基板の反射率を計算するための時系列フィッティングを実施している間、計測アセンブリからの測定データを記憶するために、コンピュータのデータストレージ内などシステムコントローラ内にデータバッファを提供することを含む。基板の反射率の計算が完了した後、静的フィッティングのためのアルゴリズムなどのより高速のアルゴリズムが、バッファされたデータを処理して堆積された膜の厚さを計算し、最終的にリアルタイムのデータストリームに追いつくために用いられ得る。図８は、本開示の一実施形態によるデータバッファ処理を示す概略フロー図である。図８は、計算及びデータ収集を時間軸に沿って示す。収集されたデータは、計算がデータ収集に追いつくまで、データバッファ期間中にバッファに記憶される。
【００５２】
パラレルコンピューティング
本開示の一実施形態では、リアルタイムのデータストリームに対応するため、或いは、はじめの複数の層で発生するデータの計算とデータの収集との間の遅延を低減するために、複数のコンピュータプロセッサ（コア）及び／又は複数のグラフィカル処理部（ＧＰＵ）、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）が並行して用いられて動的フィッティング計算を実施し得る。一実施形態で、パラレルコンピューティングは、少なくとも、膜の第１の層の堆積にかかる時間の半分未満まで計算時間を減少させ得る。複数のプロセッサ間で計算をパラレル化することは、データを波長の２つ以上のグループ、又は時間の２つ以上のグループへと分割し、各グループに異なるプロセッサを割り当てることによって達成され得る。
【００５３】
一実施形態では、複数のデータ収集チャネルからのデータを処理するのに、マルチコア／ＧＰＵ／ＦＰＧＡが並行して使用される。例えば、図１のプラズマ処理チャンバ１００で、基板１１４上の複数の測定点１３８が各時点で作成され得る。複数の測定点１３８の各々から収集されたデータは、システム内の複数のマルチコア／ＧＰＵ／ＦＰＧＡのうち一以上によって平行して処理され得る。同様に、複数のマルチコア／ＧＰＵ／ＦＰＧＡは、複数の基板が同時に処理されるとき、例えばツインチャンバ構成で２つの基板が同時に処理可能であるときに使用されてもよく、各基板は一以上のチャネルを通じて測定され得る。
【００５４】
図９は、本開示の一実施形態による、パラレルコンピューティング構造を示す概略ブロック図９００である。例えば膜スタックが同時に堆積されるなど、一以上の基板９０１が処理され得る。これら一以上の基板９０１からデータを収集するのに、計測アセンブリ９０２が用いられ得る。データは複数のチャネル９０４を通じて収集され得る。
計測アセンブリ９０２は、データ処理部９０６に接続され得る。データ処理部９０６は、データ収集・分割部９０８を含む。データ収集・分割部９０８は、計測アセンブリ９０２の複数のチャネル９０４から測定データを受け取り、収集されたデータを複数のグループへと分割する。データの各グループは、パラレル処理のために複数の演算部９１０へと送られる。データ収集・分割部９０８はデータを、波長、チャネル、及び／又は時間によってグループ化し得る。各演算部９１０は、コンピュータプロセッサ（コア）及び／もしくは複数のグラフィカル処理部（ＧＰＵ）、又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含み得る。複数の演算部９１０は、データを並行して処理する。一実施形態で、データ処理部９０６は、最終結果を得るために複数の演算部９１０からの計算結果をコンパイルするコンパイラ９１２を含み得る。
【００５５】
透明な膜の測定
本開示の実施形態は、堆積されている膜の特性に従って計算アルゴリズムを修正することを更に含む。一実施形態では、複数のタイプの膜又は膜の組み合わせを測定するのに、上述の計算方法の複数のバリエーションが用いられ得る。例えば、窒化ケイ素、酸化ケイ素、及びポリシリコン膜の測定に、計算方法の異なるバリエーションが用いられ得る。窒化ケイ素−酸化ケイ素のペアのスタック（窒化ケイ素は、２３０ｎｍ〜８００ｎｍの波長範囲において大部分透明である）などの透明な膜に対しては、未知の基板反射率を計算するために、１つの層又は複数の層間でデータの時系列フィッティングを実施した後、その他の層に対して静的フィッティングすることによって、最も正確な結果を得ることができる。しかしながら、それよりも低い正確性が許容される場合、又はより短計算での時間が望ましい場合には、時系列フィッティングがより少ない波長にわたり実施されてもよい。一実施形態で、例えば分光計の有限な波長分解能など、ハードウェアからの何らかの制限が避けられない場合には、最も短い波長のうちの幾つか（例えば、約３００ｎｍより短い波長）が計算から除外されてもよい。約３００ｎｍより短い波長はハードウェアの波長分解能限界によって最も影響を受けるからである。
【００５６】
高屈折率又は高吸収膜の測定
一実施形態で、高屈折率膜の厚さは、反射率対時間データのダイレクトなフリンジ（サイクル）計数によって抽出され得る。アモルファスシリコン又はポリシリコンなどの高屈折率膜において実数の屈折率（ｎ）が大きいことにより、反射率対時間データのダイレクトなフリンジ（サイクル）計数で膜厚を抽出することが可能となる。一実施形態では、フリンジ計数法が、屈折率がより高いより短い波長で実施され得る。代替的な実施形態では、アモルファスシリコン又はポリシリコンなどの吸収性の高い膜の厚さは、このような膜が特に短波長において吸収性があるので、波長の関数としての膜の不透明の始まりに基づいて計算され得る。図１０は、不透明に達しつつあるポリシリコン膜の厚さを、波長の関数として示す曲線１００２を含む。
【００５７】
透明・高吸収膜ペアの測定
酸化ケイ素−ポリシリコン（ＯＰ）のペアのスタックなど、透明膜と高吸収膜との組み合わせについては、膜スタック中の層の厚さを測定するのにロール基板法が用いられ得る。透明・高吸収膜のはじめの数ペア、例えばはじめの３ペアについては、窒化ケイ素−酸化ケイ素ペアなどの透明な膜ペアに用いられる動的−静的フィッティング法が用いられ得る。透明・高吸収膜のこの数ペア（例えば、３ペア）が基板上に形成された後、高吸収膜の高い吸光性によって、カットオフ波長で始まるスペクトルに対しては基板が不可視となり得る。基板が約６００ｎｍより短い波長に対して不可視となる場合、カットオフ波長は約６００ｎｍである。正確なカットオフ波長は、高吸収膜の厚さを含む具体的な特性に依存する。オリジナルの基板が不可視となると、膜モデルにおいてオリジナルの基板の特性が無視され得、透明・高吸収膜の最も最近の数ペアのスタックによって取って代わられ得る。更に膜が堆積するにつれて、透明・高吸収膜の最も最近の数ペアの厚さが連続的に更新され、「ロール」基板が効率よく作製される。
【００５８】
図１１は、本開示の一実施形態によるロール基板の概略的な一例である。図１１では、オリジナル基板１１０２上に膜スタック１１００が形成されている。膜スタック１１００は、高吸収膜１１０４と透明膜１１０６との複数のペアを含む。膜スタック１１００がある厚さに到達すると、高吸収膜１１０４に起因して、オリジナル基板１１０２はもはや堆積されている層を通じて可視でなくなる。本開示の一実施形態によれば、最上膜がロール基板１１０８上に直接形成されているかのように測定され得る。一実施形態で、ロール基板１１０８は、高吸収膜１１０４と透明膜１１０６との２つ以上のペアを最上層の直下に含み得る。ロール基板１１０８の特性は、ロール基板１１０８の２つ以上の膜ペアの特性から決定され得る。処理中、ロール基板１１０８の特性は、膜１１０４、１１０６の各層について、又は各膜ペアについて更新され得る。
【００５９】
基板の感度関数の測定
特に窒化ケイ素−酸化ケイ素ペアなどの透明な膜において、膜スタックの反射スペクトルは、膜スタックが形成されている基板に依存する。厚さに対する測定感度は、最上部膜の厚さが段階的に上向きに変化することによってこの反射スペクトルがどれほど変化するか、に直接比例する。結果として、別の基板上に形成された同じ膜スタックが異なる測定感度を有し得る。基板が未知である場合、膜スタックの測定感度もまた未知である。
【００６０】
本開示の一実施形態は、膜スタックが形成されている基板の感度関数を計算することよって、膜スタックの測定感度を決定することを含む。感度関数は、厚さに対する反射率の導関数である。感度関数は波長に依存する。一実施形態で、スペクトル感度関数は、厚さに対して最も高い測定感度を有する波長領域を特定するために計算され得る。最大限の正確性及び／又は計算速度のために、後続する計算が、特定された波長領域に対して調節され得る。１つの基板について測定感度が最も高い波長領域が特定された後、後続する同じ種類の基板は、感度計算を実行することなく、特定された同じ波長領域を使用し得る。
【００６１】
ノイズの最小化
いかなる測定においてもそうであるように、計測アセンブリによって測定された反射スペクトルは、正確性を損ない得る様々なノイズを含み得る。本開示の実施形態は、反射スペクトルにおけるノイズの影響を最小限に抑える様々な方法も含む。
【００６２】
一実施形態では、反射スペクトルに移動平均が適用され得る。移動平均は、所定の時間窓、例えば幾らかの時間間隔にわたり、且つ、各時間間隔におけるオリジナルの反射スペクトルについての所定の重み付けを用いて、計算され得る。例えば、窓サイズが５つの時間間隔であり、各時間間隔における測定の重み付けが０．２である。別の例では、窓サイズが５つの時間間隔であり、各時間間隔における測定の重み付けがそれぞれ、現在の時間間隔から開始して０．３３、０．２６７、０．２、０．１３３、及び０．０６７である。
【００６３】
別の実施形態では、各反射スペクトルが正規化され得る。反射スペクトルは、所定の波長範囲の反射スペクトルの平均値によって正規化され得る。波長範囲は、反射スペクトルの特性に従って選択され得る。一実施形態では、波長範囲がゼロと同程度に小さくてもよく、反射スペクトルが単一の波長における値によって正規化され得る。或いは、波長範囲が反射スペクトルの全波長範囲程度に大きくてもよく、反射スペクトルが全スペクトルの平均値によって正規化され得る。図１２は、本開示の一実施形態による反射スペクトルの正規化を示す。
【００６４】
上述のように、基板の複素反射率、及び膜スタック中の各層の厚さを計算するために、反射スペクトルに適用する前に、一以上のノイズ低減処理を用いて反射スペクトルが処理されてもよい。
【００６５】
或いは、厚さ結果を処理することによってノイズが低減されてもよい。一実施形態では、直線を得るために、各層の厚さ結果対時間のラインフィッティングが適用され得る。フィットラインによる直線は、厚さ結果のオリジナルデータと比較して、厚さのより良好な推定をもたらす。ラインフィッティングは、線形最小二乗フィッティングを用いて実施され得る。堆積速度が一定であると期待される場合、線形最小二乗フィッティングは各層の短時間の堆積に適している。ラインフィッティングは、各層の堆積内のすべてのデータ点に適用され得る。或いは、所定の数のデータ点にローリング線形フィッティングが適用されてもよい。図１３は、すべてのデータ点のラインフィッティング、及び２０のデータ点のロールフィッティングによる厚さ結果の線形フィッティングを含む。
【００６６】
ゼロ時間の決定
方法３００のボックス３３０で述べたように、堆積が開始した時点であるゼロ時間が処理制御ソフトウェアに依存せずに決定され得る。ゼロ時間は、基板の反射率及び膜の堆積速度（ＤＲ）を得るための、第１の層データの動的な時系列フィッティングで使用する、経過した時間ｔの値を提供する。経過した時間ｔと堆積速度ＤＲとを乗算することによって、所与の任意の時間ｔにおける厚さが計算される。従って、はじめのゼロ時間に誤りが存在すると、後の計算結果に悪影響が及び得る。本開示の実施形態は、ゼロ時間を決定する方法を提供する。
【００６７】
一実施形態で、ゼロ時間は、プラズマ発光マーカーのはじめの出現を検出することによって決定され得る。この実施形態では、先述したように、反射スペクトルにおけるプラズマ発光バックグラウンドを活用する。プラズマ発光は堆積処理と一体の部分であるので、計測アセンブリによって検出されたスペクトルにおけるプラズマ発光を示すマーカーのはじめの出現が、堆積処理の始まりを示す。プラズマ発光マーカーは、プラズマ中の核種に依存して、スペクトル中の特定の波長における狭帯域ラインを含むのが一般的である。例えば、酸素、窒素、及びケイ素のプラズマはそれぞれ固有の発光線の痕跡（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を有する。図１４は、プラズマ発光線痕跡の例を示す。時間＿１における信号は、バックグラウンドにプラズマ発光のない、検出されたスペクトルを表す。時間＿２における信号は、バックグラウンドにプラズマ発光を含む、検出されたスペクトルを表す。時間＿２における信号中のスパイクがプラズマ発光線痕跡である。プラズマ発光線痕跡がはじめに出現したことを検出することによって、ゼロ時間を決定できる。
【００６８】
別の実施形態では、時系列データ中のはじめの複数の反射率測定点における、所与の波長での又は幾つかの波長での、反射率の変化又は位相シフトをモニタすることによって、ゼロ時間が決定され得る。次いで、位相シフトの時間の関数としての導関数が直線によってフィッティングされ得、位相シフト導関数がゼロに等しくなるまで外挿（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ  ｂａｃｋ）されて、正確なゼロ時間が決定される。
【００６９】
別の実施形態では、動的フィッティング中にゼロ時間を決定するために、ゼロ時間が、動的な時系列データフィッティング変数としてゼロ時間を加えることによって決定され得る。例えば、方程式１−７のスタック膜モデルに対してゼロ時間変数ｔ０が加えられ得る。時間は、
ｔ＝ｔ０＋ｎ＊ｄｔ
として表される。式中、ｔ０は未知のゼロ時間であり、ｎは現在の時間までに既にカウントされた時間間隔の数であり、ｄｔは各データ測定間の時間ステップである。方程式４は下記の式で置き換えられる。
2017507338.tif 000004
【００７０】
以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の他の更なる実施形態を、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく考案することができる。本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められる。
【図１】
2017507338.tif 000005
【図２】
2017507338.tif 000006
【図３】
2017507338.tif 000007
【図４】
2017507338.tif 000008
【図５】
2017507338.tif 000009
【図６】
2017507338.tif 000010
【図７】
2017507338.tif 000011
【図８】
2017507338.tif 000012
【図９】
2017507338.tif 000013
【図１０】
2017507338.tif 000014
【図１１】
2017507338.tif 000015
【図１２】
2017507338.tif 000016
【図１３】
2017507338.tif 000017
【図１４】
2017507338.tif 000018
【国際調査報告】
2017507338.tif 000019
2017507338.tif 000020