(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理チャンバ内で基板の処理の間に膜厚を監視する方法であって、
前記基板処理チャンバ内に配置される前記基板に対して基板処理動作を実行するステップと、
前記基板処理動作中に前記基板の上面から反射される放射の複数の波長でスペクトル干渉測定を実行するステップと、
異なる測定時間に得られた放射の複数の波長で収集されたスペクトルデータを含むデータの時間窓を含む非参照パターンを提供するステップと、
前記非参照パターンを、以前の基板処理動作中に測定された異なる測定時間に得られた放射の複数の波長で収集されたスペクトルデータを含むデータの時間窓を含む参照パターンと比較するステップとを含み、前記比較のためにパターン認識技術が使用される方法。
【請求項２】
前記パターン認識技術は、主成分分析（ｐｒｉｎｃｉｐａｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ａｎａｌｙｓｉｓ）である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基板処理動作は、前記チャンバ内でプラズマを形成し、前記基板の前記上面から反射された前記放射は、前記プラズマから生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記基板処理動作は、プラズマエッチング動作である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記プラズマエッチング動作は、前記参照パターンに対する前記非参照パターンの明確な比較に応じて停止される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記プラズマエッチング動作のガス流は、前記参照パターンに対する前記非参照パターンの明確な比較に応じて変更される、請求項５に記載方法。
【請求項７】
前記基板処理動作は、プラズマ強化ＣＶＤ動作である、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記基板の前記上面から反射された前記放射は、広帯域ランプから生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
放射の前記複数の波長は、分光計によって測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
プラズマエッチング動作を制御する方法であって、
基板処理チャンバ内にプラズマを形成して、チャンバ内に配置されたウェハをエッチングするステップと、
エッチングされている前記ウェハの上面から反射される放射の複数の波長で分光計を使ってスペクトル干渉測定を実行するステップと、
異なる測定時間に得られた放射の複数の波長で収集されたスペクトルデータを含むデータの時間窓を含む非参照パターンを提供するステップと、
前記非参照パターンを、以前の基板処理動作中に測定された異なる測定時間に得られた放射の複数の波長で収集されたスペクトルデータを含むデータの時間窓を含む参照パターンと比較するステップとを含み、前記比較のためにパターン認識技術が使用される方法。
【請求項１１】
前記パターン認識技術は、主成分分析である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記プラズマエッチング動作は、前記参照パターンに対する前記非参照パターンの明確な比較に応じて停止される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記プラズマエッチング動作のガス流は、前記参照パターンに対する前記非参照パターンの明確な比較に応じて変更される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
基板を処理する装置であって、
前記装置の動作を制御するコンピュータプロセッサと、
基板処理チャンバとを備え、
前記基板処理チャンバの前記基板処理動作は基板処理チャンバ内でプラズマを形成し、前記プラズマの放射は前記基板の前記上面から反射される放射を生成する広帯域光源を形成し、
前記装置は、前記基板処理チャンバに作動的に連結されて、前記基板処理動作中に前記基板の上面から反射される放射を測定する放射コレクタであって、複数の異なる放射波長からの反射される放射を測定できる放射コレクタと、
前記コンピュータプロセッサに連結されるメモリであって、前記基板処理チャンバ内に配置された前記基板に対して基板処理動作を実行するよう前記装置を制御するコンピュータ命令を含む、コンピュータ読取り可能フォーマットのコンピュータプログラムを格納するメモリとを更に備え、前記コンピュータプログラムは、請求項１〜９のいずれか１項記載の方法を実行するように前記装置を制御するコンピュータ命令を更に含む装置。
【請求項１５】
前記放射コレクタは分光計である、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記基板処理チャンバは、プラズマエッチングチャンバである、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エッチングおよび堆積プロセスを制御する方法を含む、膜厚を監視するための技術に関する。本発明の一実施形態は、広帯域光源としてプラズマ発光を使用するとともに、エッチングされているウェハから反射される放射を分光計で測定することによって、プラズマエッチングプロセスの終点を制御、および検出する方法に関する。本発明は、各種のプラズマおよび非プラズマプロセスの制御に使用可能であり、集積回路の製造に使用されるプラズマエッチングプロセスの制御に特に役立つ。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマエッチング環境における半導体基板の一つ以上の層のエッチングは、集積回路の製造の最も一般的なステップの一つである。半導体製造における代表的なプラズマエッチングプロセスは、時限(timed) プロセスとして制御と停止が行なわれるか、あるいはプラズマの一定核種の光学的発光線を監視する終点検出（エッチングされる膜が完全に除去される時の検出）技術によって制御と停止が行なわれる。
【０００３】
新世代の集積回路が前世代で考えられたものより小さいフィーチャサイズを使用するにつれて、より大きな要望が製作プロセスに寄せられている。これらの要望は、プラズマエッチングプロセスのタイミングを正確に制御できることを含む。例えば、ポリシリコンのゲート構造のエッチングに使用される一つの共通プロセスは３つの独立ステップを含む。第１ステップは、ポリシリコン上に形成された酸化物トップ層を除去し、第２ステップは、ウェハの処理量を増すために比較的高いエッチング速度でポリシリコンの本体をエッチングし、第３ステップは、より速度は遅いが（下層の酸化物層に対して）より選択的な最終エッチングに切り換える。
【０００４】
このようなエッチングで下層のゲート酸化物層（多分、厚さ２５Å以下）の完全性を保つためには、プロセススイッチを作動してプラズマエッチングの終了近くでゲート酸化物に対する高い選択性を獲得する終点予測技術を持つことが必要である。それぞれのエッチングステップ間の変動のために、時限エッチングはポリシリコン層の不完全または過剰エッチングを招くかもしれない。同様に、光学線の発光を監視する終点検出技術の使用は、下層（すなわち、この場合はゲート酸化物）をプラズマエッチング化学作用に曝露することに依存している。このような曝露は、ゲート酸化物層の完全性を低下させる場合がある。かくして、プラズマ環境への下層の曝露を避けるために、ウェハ状態を直接に監視する終点予測技術が必要となる。
【０００５】
この要件を満たすために開発された一つのプロセスが、干渉法による終点（ＩＥＰ）検出システムである。ＩＥＰシステムは、強力な水銀原子線発光を発生させる、二股の光ファイバに接続された水銀（Ｈｇ）ランプを使用する。ファイバの出力端にセットされたコリメートレンズと折畳み式ミラーが、ドームの頂部に取り付けられたサファイアの窓を通してウェハ上の直径約１ｃｍのスポット直径を照らす。ウェハから反射した光は二股ファイバの第２アームに戻され、光電子倍増管やホトダイオードなどの単一波長光学検出器によって測定される。単一波長光学信号は、トップ層の膜の厚さがエッチングされるに従って、光学縞を示す。吸収の弱いまたは非吸収性の膜については、縞カウントをエッチング速度測定とエッチング対深さ予測に対して使用できる。しかしながら、中には吸収性の高い膜があり、縞は或る膜厚以下でしか観察されないだろう。現状では、単一波長検出は、ＩＥＰシステムを既存のＨｇ線に限定し、通常、有用な線は、２５４、３１３、３６５、４０４、および４３５ｎｍである。デバイスのフィーチャが小さくなるにつれて、より薄い膜をより良く分解できる、より短い波長（ＵＶ）の線を使用することが有利となる。更に、スペクトル依存吸収などの膜特性は、Ｈｇランプによって利用できるこれらの線以外の光学線の使用を必要とするかもしれない。
【０００６】
プラズマエッチングプロセスの終点を検出するために開発された別の技術は、ウェハ上の多数の点からの単一波長の放射の反射を監視するために、適切なセンサ、フィルタ、光学装置およびソフトウェアを持つＣＣＤカメラを使用する。この技術を用いて、２つ以上の縞のタイミングを検討および比較することによってエッチグプロセスのエッチング速度を決定できる。この技術は直接に膜厚を決定できないが、その代わりにこの技術を用いて、堆積された際の膜の厚さと測定されたエッチング速度に基づいて厚さを推定できる。
【０００７】
エピタキシャル膜の成長を監視するために使用されている別の技術では、ウェハから反射される放射の複数の波長を分光器で測定する。その技術は次いで、膜厚、成長率等を説明するために、膜の屈折率などの光学定数に基づいて膜成長のモデルを作成する。この技術は、異なるプロセスと、更には同一プロセスの最終膜厚、温度条件等の変動をも制御するきわめて幅広いものかもしれない独立モデルが開発されることを要求する。ウェハパターンによる信号の変動を考慮すると、このモデルは一層複雑なものとなる。
【０００８】
従って、エッチングおよび堆積プロセスの膜厚をその場で監視するための新しい技術が望ましい。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改良されたプラズマエッチングの監視と終点予測技術を含む、膜厚を監視するための改良技術を提供する。本発明の一実施形態は、広帯域光源としてエッチングプロセスのプラズマ発光を使用するとともに、分光計を用いてウェハからの反射率を測定する。次に、複数の測定波長を、パターン認識技術を用いて、先の、好ましくはプラズマエッチングプロセスを制御するための生産前校正運転時に採取した先行測定値と比較する。先行測定値は、同一集積回路設計の製造で使用される後続のウェハに対して実行される同一プロセスから測定されるデータに対し後から比較できる特定集積回路設計用の特定プロセスの「指紋」として働く。指紋はエッチングプロセスの様々な時点で採取可能であり、生産膜の厚さが先に確認された時点の校正プロセス膜の厚さに一致する時を確認することによって、プロセスの時間を調整するためのチェックポイントとして使用される。一旦、その「一致」厚さが求められると、プロセス化学作用の変更や、その終点に達したときにプロセスを完全に停止すること等の処置を取ることができる。他の実施形態は堆積膜の厚さを監視および制御し、ある実施形態は、プラズマ発光以外の光源、例えば水銀、重水素やキセノンランプによって発生するウェハ表面からの放射の反射率を測定する。
【００１０】
本発明の方法の一実施形態は、パターン認識比較を実行するために主成分分析（ＰＣＡ）技術を使用する。ＰＣＡは基本的に、入力変数を、初期変数の線形の組合せである主成分（ＰＣ）と呼ばれる一組の直交ベクトルに変換する。この技術は、しばしば多くのパラメータが相関するという事実を利用している。ＰＣベクトル（固有ベクトル）は、それらの固有値によって決定される。通常、２つのＰＣベクトルが、信号の変動の９０％以上を捕捉するので、システムの次元の数(dimensionality)を最小にする。本発明の別の実施形態は、プログラムされた神経網パターン認識技術を使用する。
【００１１】
本発明のこれらとその他の実施形態を、その利点と特徴とともに、以下の本文と添付の図面に関連して、より詳細に説明する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
Ｉ．本発明の実施のために構成される代表的なプラズマエッチングシステム
本発明の方法は、任意の標準プラズマエッチングチャンバと共に使用可能で、ウェハの表面から反射される放射を測定するためにチャンバ内に分光計その他のタイプの放射コレクタを置くことができるか、あるいはチャンバは、上記放射をチャンバ外に配置された分光計に向けることのできる窓または覗き窓を含む。図１は、本発明の方法を実行するために構成された例示的なプラズマエッチングチャンバ１０の簡易断面図である。図１に示すように、エッチングチャンバ１０は、基板処理領域１４を囲むハウジング１２を含む。エッチングプロセス中は、基板１８は、ペデスタル１６に支持されて、領域１４で形成されるプラズマに曝露される。プラズマは、光学スペクトル（すなわち、約１８０〜１１００ｎｍ）の波長を持つ発光を含む電磁放射を発生させる。これらの放射光の一部は、基板１８の表面から反射されて窓２０を通るので、分光計２２によって測定できる。折畳み式ミラー２４は、窓２０を通る放射を反射して、光ファイバケーブル２８に放射を導くレンズ２６の方向に向ける。光ファイバケーブル２８は、その中を放射が移動して分光計２２に達するための媒体物である。折畳み式ミラー２４とレンズ２６とは、基板１８の上面から反射された放射が窓２０を通って光ファイバ２８に垂直に入るように配置される。図１に示すように窓２０を基板１８の上に置くことによって、チャンバの側面に窓を置くのに対して、測定された放射のより良好な分解が可能になるが、他の実施形態では、チャンバ側面に窓２０を配置してもよい。プラズマ発光に加えるか、その代わりに広帯域光源３４を使用する実施形態では、光ファイバケーブル２８は、二股ケーブルである。これらの実施形態では、光源３４は二股ケーブル２８のチャンネルの一方に光学的に連結され、分光計２２は他方のチャンネルに連結される。広帯域光源３４、例えば水銀、重水素またはキセノンランプからの光は、ケーブル２８の一方のチャネルに沿って窓２０を通って進み、基板１８から反射される。反射光は上記のように窓２０を通ってケーブル２８の他方のチャネルに入った後、最終的に分光計２２に達する。
【００１３】
分光計２２は、波長に基づいて（例えば、プリズムまたは回折格子（図示せず）を介して）放射をスペクトルに分離して、空間的に分離された複数の波長に対して検出信号（例えば、検出電流）を発生させる。プロセッサ３２に連結されたデータ収集カード３０は、周期的なサンプリング割合で、分離波長を表すデータを収集する。一実施形態では、プロセッサ３２はまた、プロセッサに連結されたメモリ３１に格納されたコンピュータ命令を実行することによって、チャンバ１０の動作も制御する。
【００１４】
現在の実施形態では、分光計２２は、放射の波長を２０４８個の線形シリコン電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイ上に空間的に分離する。ＣＣＤアレイは、約１８０〜８７０ｎｍの放射波長に対して２０４８の検出電流または２０４８「チャネル」の検出信号情報（すなわち、光学発光分光学（ＯＥＳ）情報）を発生させる。この実施形態では、データ収集カード３０は、１ＭＨｚのレートでＣＣＤの出力を周期的にサンプリングして、サンプリングした信号を１２ビットのディジタルデータに変換する。
【００１５】
ＩＩ．本発明による校正プロセスの説明
本発明によるプロセスを監視するために、先行プロセスからスペクトル干渉測定値を採取する必要がある。この先行プロセスは、必ずしもではないが通常、生産前運転プロセスであり、本明細書では校正プロセスと呼ぶ。本発明の方法によるプラズマエッチングプロセスの満足すべき監視と制御は、校正プロセスから採取された測定値と監視および制御されるプロセス中に採取された測定値間の一致を確認することに依存する。中でもプロセスの化学作用、チャンバ圧力、基板温度および基板トポロジーなどの要因は、校正プロセスと監視／制御プロセスの両者の間に採取されたスペクトル干渉測定値に影響する。従って、校正プロセスのプロセス状態は、監視／制御プロセスのプロセス状態にできる限り厳密に一致しなければならない。或る実施形態では、これは、監視／制御プロセス中に処理された基板のものと類似のトポロジーを有する基板上の校正測定を行なうことを含む。例えば、制御されるプロセスが、ＡＲＣを有する下層の金属層と、底部から上部へ順番にその金属層上に堆積された酸化物層と、パターン加工ホトレジスト層とに対するバイアエッチングの場合、校正プロセスもまた、監視／制御プロセスのトポロジーに実質的に類似するトポロジーを再生するために、類似の酸化物層の上に堆積された類似パターン加工ホトレジスト層を有する基板上で実施しなければならない。
【００１６】
図２は、後続の監視／制御プロセス内の望ましいイベントやポイントを検出するために主成分分析（ＰＣＡ）技術を使用する、本発明の実施形態による校正プロセスに関連するステップを示すフローチャートである。先に述べたように、本発明の他の実施形態は、ＰＣＡ技術以外のパターン認識技術を使用してもよい。これらの他のパターン認識技術、例えば神経網技術は、所定のパターン認識技術に適した校正プロセスを含むだろう。
【００１７】
図２に示すように、校正プロセス４０は、本発明の技術（例えば、半導体プラズマエッチングプロセス）を用いて後から監視および制御されるプロセスの生産前運転を実行することによって開始される（ステップ４２）。生産前運転の全期間中、データは、データ収集カード３０によって周期的に（例えば、１ＭＨｚで）収集される（ステップ４４）。収集されたデータは、プロセッサ３２のメモリ（例えば、ハードディスク）内に格納される。
【００１８】
監視すべきプロセスの生産前運転が完了した後、校正プロセスで確認すべき膜厚に対応する一つ以上の時期(time period) が、収集データ内で確認される（ステップ４８）。この時間または時期の確認は通常、校正プロセスの後で行なわれ、従って、半導体デバイスのコンタクト開口のための酸化物エッチング等のプロセス時のリアルタイムの使用には不適な、時間はかかるが精巧な確認技術を用いて行なってもよい。例えば、校正プロセスがエッチングプロセスの場合、材料層をエッチングするための終点またはブレークスルータイム（層の厚さが０になる時点）は、同一のプロセス条件下で一連の異なる期間のエッチングを行なうとともに、材料層のエッチングに対する正確な終点またはブレークスルータイムを決定および確認するために各エッチング期間毎に材料層の断面を（例えば、走査電子または透過電子顕微鏡検査技術を介して）検査することによって決定してもよい。
【００１９】
次に、主成分分析（ＰＣＡ）を、選択されたプロセスイベントに対応する、確認時期の近くで収集された校正プロセス用の収集データに対して行なう（ステップ４８）。例えば、イベント前、イベント中および／またはイベント後の時点で採取された収集データを備えるデータの窓（例えば、１０の異なる測定時点に対するデータを備える窓、またはその他の任意の窓）を検査できる。窓の収集データを用いて、測定された相関属性データを備える行と、各属性セットが測定された時間を備える列を有するマトリックスを形成する。マトリックス内のデータは、収集された状態で分析してもよいが、平均中心を求めること(mean centered) が好ましい（以下に説明）。その後、マトリックス上で特異値の分解を行って、マトリックス内の収集データに対する主成分固有ベクトルが生成される。
【００２０】
主成分固有ベクトルが生成された後、確認された時期毎の固有ベクトルを、校正プロセスで測定された膜厚と関連させる。以下に説明するように、通常一つの主成分は特定厚さを示す鋭い特徴を含むだろう（ステップ５０）。確認された主成分は次に、確認された厚さに対する「参照(reference) 」主成分として指定される（ステップ５２）。以下に説明するように、一旦求められると、その参照主成分を生産プロセスの実施中に（例えば、リアルタイムで）使用して、プロセスが選択厚さに到達した時を速やかに確認できる。このようなリアルタイムのプロセス制御に使用するために、参照主成分は、プロセッサ３２にアクセス可能なメモリ３１などのメモリに格納してもよい。
【００２１】
III ．本発明による堆積またはエッチングプロセスの制御
一旦、校正データが収集されて、適切な各プロセス制御点毎の参照主成分が確認されると、本発明の方法を使用して、堆積とエッチングプロセスを監視および制御することができる。プロセスの制御は、プロセスが適切な制御点に達したときにプロセスの化学作用を変更するか、あるいは制御点でプロセスを停止するという形式でよい。例えば、堆積プロセスの場合、特定膜厚の検出を用いて、膜の堆積を停止するか、堆積パラメータを変更することができる（対策の中でも特に、例えば、膜の堆積対エッチング比を変えるか、隙間充填層を堆積させる堆積化学作用からキャッピング層を堆積させる化学作用へと切り換える）。同様に、エッチングプロセスについては、特定膜厚の検出を用いて、エッチングプロセスを停止するか、エッチング化学作用を変更するか、選択された厚さ点での膜の厚さによって決定される他の適切な処置を取ることができる。
【００２２】
図３は、本発明の一実施形態によるプラズマエッチング生産プロセスを制御する方法６０のステップを示すフローチャートである。方法６０は、コンピュータプロセッサ３２の制御下で実施できる。生産プロセスは、校正プロセスと本質的に同一のプロセスパラメータで実行される（ステップ６２）。生産プロセス中、スペクトル干渉測定値が分光計３０によって採取され（ステップ６４）、展開窓(evolving window) の中に格納されて、そこで新しい収集データがその窓に加えられ、古いデータは、すべての収集されたスペクトル干渉データが窓を通過するまで、時間の経過とともにその窓から落とされる。生産プロセス用の展開窓は、校正プロセス用の参照主成分を計算するために使用される窓と同一サイズであることが、必ずしもではないが、好ましい。
【００２３】
新しいスペクトル干渉データが展開窓に加えられる度に、その中のデータに対する主成分分析が行なわれて、生産プロセス用の一つ以上の主成分を生成させる（例えば、一つ以上の非参照主成分）。代替として、主成分分析を、所望の膜厚に対する予想時点の近くのみで行なってもよい（ステップ６６）。
【００２４】
各非参照主成分は、参照主成分と比較される（ステップ６８）。非参照と参照主成分とは、任意の方法（例えば、引算、基準演算を伴う引算、可干渉タイプ関数による割算等）で比較してもよいが、２つの主成分の内積を計算することによって比較することが好ましい。２つの主成分は単位長さを持つので、参照と非参照主成分が同一方向に変化するほぼ同一の特徴を持つ場合は、参照と非参照主成分の内積は、ほぼ＋１．０で、参照と非参照主成分がほぼ同一の特徴を持つが符号が反対の場合は、ほぼ−１．０、また参照と非参照主成分が直交する場合は、ほぼ０である。かくして、参照と非参照主成分の内積を取ることによって、非参照主成分を参照主成分に対して容易に比較できる。
【００２５】
次に、参照と非参照主成分がほぼ同一であるか否かについての決定が行なわれる（ステップ７０）。同一の場合、所望の膜厚が生産プロセス中に発見されたことを示す信号が生成されるので（ステップ７２）、適切な処置（例えば、プロセスの化学作用を変更するかプロセスを完全に停止する）を取ることができる。
【００２６】
参照と非参照主成分が一致しないと決定された場合、生産プロセスに対して追加の相関属性を測定し、測定された追加の相関属性が展開窓に加えられる（ステップ６４他）。オプションとして、ステップをプロセスに挿入できる（図示せず）、その結果、ステップ７０の後で参照と非参照主成分の間の一致が発見されない場合、プロセスが予想よりも長く続いたか（例えば、タイムアウト）否かについて決定が行なわれ、長く続いた場合はそのプロセスを停止できる。
【００２７】
IV．代表的なポリシリコンエッチングプロセスの制御に対する本発明の使用
本発明の方法をより良く理解および認識するために、ポリシリコンエッチングプロセスの制御のために使用される方法の実例を以下に提示する。これらの実例は、もっぱら説明のためであって、本願の請求項を制限するものと見做してはならない。実例では、プラズマエッチングプロセスは、薄い酸化物層の上に堆積されたポリシリコン層をエッチングする。分光計２２は広いスペクトル範囲（１８０ないし８７５ｎｍ）を監視して、全スペクトル範囲にわたって干渉縞を検出する。
【００２８】
図４は、ある特定のポリシリコンエッチングプロセス用の時間依存光学発光スペクトルを示す。図４のｘ軸は、スペクトル干渉データが収集された時間を表し、ｙ軸は１８０〜８７５ｎｍのスペクトル範囲にわたり、カラー目盛りは、プラズマ光学発光の強さの、その平均強さに対する変化を表す。カラー目盛りのデータは、分光計２２のＣＣＤアレイのアナログ出力を１２ビットのディジタル信号に変換して計算された。次に、各波長に対する信号の時間平均強さが決定され、時間平均強さに対する測定値、すなわち平均からの変動を表すためにカラーが指定される。
【００２９】
計算とカラーの指定はすべて、National Instrumentsによって販売されるＬａｂｖｉｅｗ（登録商標）ソフトウェアを使って行なわれた。図４で見られるパターンは、ポリシリコン膜がエッチングされるときのスペクトル干渉縞に対応する。縞の間隔は、観察された波長に依存するとともに、膜の屈折の波長依存指数に依存する。
【００３０】
図４での膜の完全な除去は、ぼぼ３６０秒の時点で起こり、そこで縞が図形から消える。この場合のプラズマ発光は、これらの多数の波長縞を獲得するだけ充分に広帯域で、明るく、かつ安定している。縞の強さの変化は、エッチング速度と残存膜厚に関係する。
【００３１】
図５は、時間の経過による３６５ｎｍ〜５２５ｎｍのサブセットの放射波長の強さをプロットした線図である。縞の周期性はエッチング速度に対応し、当該技術に精通する者にすでに知られているように、ＦＦＴアルゴリズムを使って計算できる。更に、すでに知られているように、多数の波長情報を使用して膜の絶対厚さと残存膜厚の両者を計算できる。膜の絶対厚さは、屈折と吸光(extinction)の膜の指数ｎ、ｋの既知の依存関係を使って計算できる。最後に、これも知られているように、波長の関数としての異なる縞の間の位相関係を膜厚として解釈できる。残存膜厚の情報は、波長の関数として縞の外観から集めることができる。膜からの反射信号は、図５に示すように、膜のスペクトル吸収と膜厚に依存する。波長が短い程、長い波長よりも吸収が大きいので、青とＵＶの縞は、赤線に対して時間的に遅れて観察される。
【００３２】
先に検討したように、本発明の方法は、図５に関して上記に検討したものとは異なる膜厚の監視技術を提供する。本発明の方法は、スペクトル干渉データに対するパターン認識アルゴリズムに基づくものである。１０秒窓を使用して干渉スペクトルの主たる変化をピックアップする主成分分析アルゴリズム（Ｌａｂｖｉｅｗ（登録商標）を使って提示）を図６Ａに示す。ついでに言及すると、図６Ａのカラー目盛りは、反射された放射の平均強さに対する測定波長の強さの部分微分変化(fraction differential change)を表す。
【００３３】
測定スペクトル範囲全体にわたる完全スペクトル干渉パターンは、堆積／エッチングされた膜厚の変動に伴って変化する。かくして、堆積またはエッチング訓練運転の異なる時間セグメントでＰＣＡを行なって、既知の膜厚に関する参照ＰＣベクトルのセットを構築することができる。異なる時点におけるこれらの参照ＰＣベクトルは、膜厚参照値である。第２のＰＣベクトル（ＰＣ２）の例を図６Ｂに示す。参照ＰＣ２（Ｒｅｆ２）は、８０秒の時点で計算され、運転(running) ＰＣ２（すなわち、ポリシリコンエッチングプロセス中に計算されるＰＣ２）は、５０秒の時点で計算された。ｘ軸はＣＣＤピクセル数または波長に対応し、ｙ軸は各波長に関係するウエイトに対応し、指定の波長で観察された変化を規定する。
【００３４】
時間依存または運転ＰＣベクトルは、両ベクトルの内積を実行することによって参照ＰＣベクトルと比較される。２つのベクトルが一致すると、値は１になる。図６Ｃ、６Ｄはそれぞれ、時間の関数としての第１および第２の運転ＰＣベクトルに対する第１および第２の参照ＰＣベクトルの内積を示す。運転ポリシリコンエッチングプロセスの残存膜厚が、参照プロセスのｔ＝８０秒における残存膜厚と異なるときは、内積は１にならない。ｔ＝８０秒のとき、内積は、ＰＣ１に対して１．０であり、ＰＣ２に対して−１．０になるので（ここに、符号は信号の増加または減少を表す）、一致を示す。既知の時点または膜厚でのいくつかの参照ベクトルを使用し、かつ、内積の計算とピーク検出アルゴリズムを実行して運転ＰＣＡをこれらの参照値と比較することによって、図６Ｅに示すように、時間の関数としての膜厚を監視することが可能になる。図６Ｅに示すように、それに対する参照主成分が先に生成されたエッチングプロセス中の各時間に対して（時間ｔ＝２０、４０、６０、８０、１００、１２０および１４０秒）、本発明の方法は、ステップ６６で生成された非参照主成分をその参照主成分と比較することによって、生産プロセス中の前記同一時間を検出できる。
【００３５】
本発明の方法を更に試験するために、発明者らは、最大２０％のランダムノイズを持つ類似のデータセット上で既知の参照ベクトルを使用することによって、図６Ａ〜Ｅに関して上記に説明した同一アルゴリズムを実行した。この試験の結果を図７Ａ〜Ｄに示す。この場合もまた、図７Ｄに示すように、それに対する参照主成分が生成された各時間に対して、この方法は、生産プロセスから測定された信号にランダムノイズが含まれているにもかかわらず、生産プロセス中の同一時間を検出できたので、本発明の方法の強靭性を証明している。図７Ｂ、７Ｃは、ＰＣＡパターン認識技術が、エッチングプロセスが２０秒間続いた後で残存する正しい膜厚の確認に成功したことを示している。
【００３６】
本発明の少なくとも一実施形態を完全に説明したので、本発明によるプラズマプロセスを制御するその他の同等または代替方法は、当該技術に精通する者には自明であろう。例えば、主としてプラズマエッチングプロセスに関して本発明を説明したが、この発明を使用して、特に標準および高密度プラズマ強化化学気相堆積プロセスの両方を含む、各種の他のプラズマプロセスを監視および制御できる。また、本発明を使用して、処理される基板の表面から反射される、広帯域ランプや類似の光源から生成される放射の波長を測定することによって、非プラズマエッチングおよび堆積プロセス（または、プラズマが遠隔的に形成されるプロセス）も制御できる。更に、上記の本発明の実施形態はすべて、分光計を使って基板から反射される放射を収集したが、各ホトダイオードが異なる波長や波長スペクトルを監視するホトダイオードアレイ等の別の装置を使用できる。これらの同等および代替使用は、理解される明らかな変更および修正案と共に、本発明の範疇に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を実施するために構成された例示的なプラズマエッチングチャンバの簡易断面図である。
【図２】パターン認識のために主成分分析（ＰＣＡ）技術を用いる、本発明の実施形態による校正プロセスに関連するステップを示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態によるプラズマエッチング生産プロセスを制御する方法６０のステップを示すフローチャートである。
【図４】ポリシリコンをエッチングプロセス用の時間依存光学発光スペクトルを示す。
【図５】時間の経過による３６５ｎｍないし５２５ｎｍのサブセットの放射波長の強さをプロットした線図ある。
【図６Ａ】ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出に使用される本発明の方法の実例を示す。
【図６Ｂ】ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出に使用される本発明の方法の実例を示す。
【図６Ｃ】ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出に使用される本発明の方法の実例を示す。
【図６Ｄ】ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出に使用される本発明の方法の実例を示す。
【図６Ｅ】ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出に使用される本発明の方法の実例を示す。
【図７Ａ】測定された放射に最大２０％のランダムノイズレベルを加えたときに、ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出のために使用される本発明の方法の実例を示す。
【図７Ｂ】測定された放射に最大２０％のランダムノイズレベルを加えたときに、ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出のために使用される本発明の方法の実例を示す。
【図７Ｃ】測定された放射に最大２０％のランダムノイズレベルを加えたときに、ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出のために使用される本発明の方法の実例を示す。
【図７Ｄ】測定された放射に最大２０％のランダムノイズレベルを加えたときに、ポリシリコンエッチングプロセスの先に確認された膜厚の検出のために使用される本発明の方法の実例を示す。
【符号の説明】
１０…エッチングチャンバ
１２…ハウジング
１４…基板処理領域
１６…ペデスタル
１８…基板
２０…窓
２２…分光計
２４…折畳み式ミラー
２６…レンズ
２８…光ファイバケーブル
３０…データ収集カード
３１…メモリ
３２…プロセッサ
３４…広帯域光源
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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