(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜の堆積又は除去工程において薄膜の厚みを決定する方法であって、
（ａ）  電磁放射線によって薄膜を照射する工程と、
（ｂ）  前記膜構造から反射又は伝送された放射線の特性の変化を検知し計測信号を生成する工程と、
（ｃ）  前記信号の挙動を事前に予測するためのデータ群を作成する工程と、
（ｄ）  前記予測信号の挙動を１つまたは複数のデータウィンドウに分割し、前記予測信号挙動の前記データウィンドウを用いてデジタルフィルタを形成する工程と、
（ｅ）  形成された前記デジタルフィルタを用いて前記計測信号を処理し、処理済み獲得信号を形成する工程と、
（ｆ）  前記処理済み獲得信号及び前記予測信号挙動と、形状認識アルゴリズムとを用い、膜の除去または堆積工程中における膜の厚みの最良推定値を得る工程と、
を備えた方法。
【請求項２】
前記予測データは、実質的複合負荷インピーダンスでの反射の反復を適用することにより得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記予測データは、前記膜構造を通過する波の伝播の行列モデルを適用することにより得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記形状解析は、フーリエ変換を適用することにより行われる、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記形状解析は、ラプラス変換を適用することにより行われる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記形状解析は、グラジオメータ変換を適用することにより行われる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記予測信号挙動は、工程に必要とされる膜構造と同様または同一の膜構造の補正用モデルを用いた補正によって得られる、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記データウィンドウのサイズは、固定されておらず、前記工程中に存在すると予測されている形状構造の詳細に応じて動的に変化するか、時間に応じて単調に増加する、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記派生的放射は、偏光特性が変化する、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記派生的放射は、強度特性が変化する、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記照射は、広帯域で行われ、多くの波長を含んでいる、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記照射は狭帯域で行われる、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記照射は可視領域で行われる、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記照射は紫外線領域で行われる、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記照射はＸ線領域で行われる、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記照射は基板の平面に対して９０°で行われる、上記請求項にあるいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
前記照射は基板の平面に対して９０°以下で行い、角度は理論信号を予測する数学モデルの変分として入力される、上記請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法を実施するための装置であって、
薄膜構造が堆積または除去されている間に前記薄膜構造を電磁放射線で照射する手段と、
前記薄膜構造から反射または伝送された放射線の特性の変化を検知し、計測信号を生成する手段と、
前記計測信号を受信し得、
（ａ）  データウィンドウに分割された予測信号挙動から得られたデジタルフィルタを用いて前記計測信号をフィルタリングし、処理済み獲得信号を獲得する工程と、
（ｂ）  前記膜構造の処理中に、形状認識アルゴリズムを前記処理済み獲得信号と前記予測信号挙動とに適用することによって、膜の厚みの最良予測値を導き出す工程と、
を備える演算手段と、
を備える装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、薄膜の形成及び／又は除去の分野に関し、特に、光学反射計測法にタイム・ドメイン・イメージ認識を適用する、薄膜の形成あるいは除去時における厚さモニタリングの改良に関する。
薄膜は、表面特性を変化させるのに広く使用されている。典型的な応用分野としては、光透過特性や光反射特性を改良するために光学機器にコーティングを施す分野、接着特性を改良するために組成材料をコーティングする分野、半導体装置に絶縁層を設けたり特別な電気的特性を有する層を設けたりするために半導体装置にコーティングする分野などが含まれる。典型的には、それらの薄膜は、１ｎｍから５μｍの範囲の厚さを有し、相対的にきわめて厚い基材材料の上に設けられる。多くの場合、膜は互いに積み重なった積層形態をとる。このような積層状態は、３〜４層の個別の膜である場合もあり、何百もの積層状態である場合も可能である。
設計された通りに正しく機能させるためには、それらの層は頻繁に堆積させられ、また一旦堆積させられた後に極めて精度の高い状態で一部あるいは全部が除去されなければならない。これらの堆積や除去はしばしば、加熱された要素及びガスを用いてあるいはプラズマ状態のガスを用いて、真空状態下で実施される。このようなプロセスでは、電気的、熱的、光学的、振動的及び電波的に相当大きな量のノイズが発生する。
従って、堆積されあるいは除去される膜の厚さ及び／又は成長速度あるいは除去速度を測定及び／又は制御する装置は、干渉するさまざまな性質のノイズ信号の存在下という悪条件のもとに機能しなければならない。干渉するノイズ信号は頻繁に測定手法を混乱させ、それが製造過程を不適切に制御する結果となる。
本発明は、必然的なノイズ条件下でかつ困難な条件下で製造過程において堆積あるいは除去される膜の厚さの決定を行う手法を改良する。
発明の背景
薄膜の形成又は除去には、化学的プロセス、物理的プロセスあるいはその両方が必要となり、また多くの場合には、部分的真空状態下で実行される。本発明にかかる装置及び方法が適用され得る典型的な膜除去システムを図１に示す。
ここで説明する膜除去方法は一般的に、プロセス中の圧力レベルに応じて、ドライ・エッチングまたは逆スパッタ・エッチングと称される。基板２０は電極２１上に配置されている。電極２１は、電気的に絶縁され、あるいは接地され得る。第2電極２２部分が、電源２５のもう一方の電極に接続されている。一般にこれは陽極である。このシステムは、ポンプ手段２４によって減圧される室２３内に収納されている。電源ユニット２５から電圧が供給されると、室中の残量ガス、または環境およびプロセスを変化させるために導入された付加的ガスがイオン化する。イオン化したガスは電極に引き寄せられる。陽イオンが基板２０に衝突することにより、物理的及び／又は化学的に膜が除去される。
前記記載及び図面から明白なように、エッチング領域にプローブを入れると、それが基板全体へのイオンの衝突の障害になる。また、プローブが金属の場合には、エッチング領域内での電気的分布を乱し、それがプロセスを劣化させる。このため、光信号を基板表面で反射させ、反射光を検出する手法が一般的にかつ広く知られている。典型的な光路を２８で示す。光の入射及び出射は、ポートまたは窓２６，２７に設けられた透明部材を介して実現される。別の構成として、光が基板に出射される経路と反射される経路とが一致するように、電極２２に小さな窓を形成することもできる。
薄膜除去ではなく堆積のための別の構成を図2に示す。
ここでは、膜形成の手法は、プロセス中の圧力レベルに応じて、プラズマ補強化学蒸着あるいはスパッタ・デポジションと称される。基板３０は電極３１の下面に配置されている。電極３１は、電気的に絶縁されあるいは接地され得る。第2電極３２は、電源ユニット３５のもう一方の電極に接続されている。この電極は一般的に負極である。このシステム、ポンプ手段３４によって減圧される室３３内に収納されている。電源３５から電圧を加えると、室内の残量ガス、または環境及びプロセスを変化させるために導入された付加的なガスがイオン化する。イオン化したガスは電極に引き寄せられ、電極３２上に配置されあるいは接着された堆積物３９に陽電荷イオンが衝突する。堆積物の材料は、基板３０の表面に物理的、化学的あるいはその両方によって堆積する。このプロセスの変形として、堆積材料３９を用いない場合もあり得る。この場合には、プラズマ状態のガスの化学的組成によって堆積が行われる。
前記例と同様に、例えば水晶製マイクロバランスを含むような物理的なプローブを堆積領域に導入すると、堆積材料の基板全体への衝突が妨げられることは明白である。また、プローブが金属製であれば、エッチング領域内の電気的分布が乱され、プロセスが損なわれる結果となる。このため、光信号を基板上で反映させ反射光を検出することが一般的かつ広く知られている。このシステムに入射しかつ出射する典型的な光路を３８で示す。この光路３８は、窓３６，３７の透明部材によって実現される。別の例として、電極３２に小さな窓を形成することも考えられる。この場合には、光の往路と復路は一致し得る。別の例として、もし基板が透明の場合には、電極３１に小さな穴を明け、光が基板を通過するようにもできる。ここでは、光は前面４０に堆積した膜で反射し、同じ経路を戻る。
上述のように導入される光は堆積あるいは除去される膜部分で反射し、その結果反射光の特性が変化する（Born and Wofl参照）。このような変化は、反射強度及び／又は偏光特性に対して起こり、これらの変化は入射光の波長に依存する。膜厚の決定は、すでに存在する標準的手法（Ledger他、EP 0 545 738 A2）により、あるいは反射単色光の振幅の計測により（Corliss,BG 2 257 507 A）により決定される。これらの手法は、波長を追加することで改良され得る（Canteloup他、EP 0 735 565 A1）。反射光のスペクトル分析の際の追加の波長、実際には白色光は振幅の極値を決める上で異常値を除去するために使用される。
先行技術では、反射プロセスが理想的に行われると（図３）、時間ΔＴにおいて下式で与えられる反射信号（50）における極値間の変化が膜厚に関して発生すると仮定している。
ΔＸ＝λ／（４μ）
ここで、ΔＸは反射レベルの変化に基づく膜圧変化、
λは膜圧測定に使用される光の波長、
μは光の波長λにおける試料の反射係数である。
実際の状態では、信号はこの理想状態に一致しないことが多く、図４に示されるような信号になる。
エッチングの際このような反射信号が得られる膜の構造を図５に示す。ここでは、金属マスク６１がシリコン基板６３上のシリコン酸化物膜６２を覆っており、入射ビーム６４はマスク６１及び露出した膜を照射している。理想的な反射光波形（計算方法は後述）を図６に示す。理想状態（図６）を現実の状態（図４）と比較することで種々の特性が明らかになる。
第１に、広い帯域のノイズが存在する。
第２に、極値間（極大値と極小値の間）において実際の信号に変化が存在する。
第３に、各極小値における谷に存在する微少な波形が完全にマスクされている。
本発明の目的は図４に示される信号形態から最適な情報を得る信号プロセス手段を提供することにある。
発明の概要
最も広い見地における本発明にかかる装置及び方法は、種々の条件下にある現場で薄膜の形成、成長または除去のプロセス中に薄膜の厚さ及び厚さの変化を決定するためのものである。本発明は、
厚さを増加または減少させるため、または光学特性に直接または間接に関連する特性を変更するために薄膜構造が加工されている間、薄膜構造からまたは薄膜構造を通過して光を反射または伝送する手段を得る工程と、
処理中に、補正動作によって予め得られたかまたは好ましくは厚みのある物理的な薄膜構造モデルから得られた補正データ群を参照して、変化する光信号を得るためのアルゴリズムを構築する工程であって、アルゴリズムは基本的に信号レベルのみに反応するのではなく、厚みとともに変化する信号波形にも強く反応する、アルゴリズム構築工程と、
厚みの変化率（またはそれから導かれる他のパラメーター）と表示及び制御のための時間とを表示する手段とともに、厚さ（またはそれから導かれる他のパラメーター）と表示、制御及びプロセスの停止のための時間とを表示する手段とを得る工程と、
を含む。
本発明の一実施例によれば、図１に示されたような薄膜構造に覆われた基板で反射させるのに、ヘリウム・ネオンレーザーが用いられる。薄膜積層構造の詳細は、過去の堆積工程から良好に理解され、それらの精細はコンピュータープログラムに予めインプットされる。当該コンピュータープログラムは、膜厚の変化に対する反射光の理論的変化を分析する。エッチング工程時間は一連の小工程に分けられる。当該小工程の数及び長さは、理論モデルにおける形状変化率及び新形態を考慮して設定される。各小工程中の理論的なモデルは、離散フーリエ変換分析によって容易に形状内容に応じて決定される。形状分析によって得られる情報は次の２つの目的で使用される。
第１にこれは、適応フィルタをセットするのに使用される。このフィルタは、当該小工程中に発生する次の信号の形状に要求される予測応答を調整するためのものである。
第２にこれは、相関分析手法のような手法を用いて理論波形への類似性を検出するのに使用される。相関分析手法は、小工程中における形状特性に対する適合性の指標を与え、そして従って理論モデルを参照することにより厚みが導かれる。
従ってこの方法が、ＤＣ信号のドリフトを消去し、極値間の距離の変化の影響をこのシステムが受けないようにし、大量のノイズの存在のもとで正確な特性を検出するのを適切に抽出されるフィルタの使用により実現し、それによってプロセスから得られるデータの利益を利用者に対して最大にすることが当業者にとり明白になるであろう。
図面の説明
図１は従来の膜除去システムの概略図。
図２は従来の膜形成システムの概略図。
図３は従来技術において仮定された膜厚変化に伴う反射光強度波形の理論形状のグラフ。
図４は、実際に典型的に発生する同種信号を示すグラフ。
図５は、図４の信号を生じさせるマスク及び膜構造を示す図。
図６は、図５の構造によって得られる理論的な反射波形を示すグラフ。
図７は、本発明の第１の実施形態の手段によってエッチングされた薄膜構造を示す図。
図８は、第１の実施形態を実行するためのエッチングシステムの概略図。
図９は、第１の実施形態において行われるデータプロセッシングを示すフローチャート。
図１０は、本発明の第２の実施形態を示す図。
図１１は、前記両実施形態において使用され得るデータ比較に関する変形フォームを示す図。
図１２は、プロセスのための測定信号を発生させる偏光を用いた変形実施形態を示す図。
発明の実施の形態
図７には、第２層の厚みの中ほどまでエッチングを施される薄膜構造が示されている（ここでは基板を第０層としている）。薄膜は上部マスクの二つのデメンジョンによって構成され、マスクはマスクによってカバーされる部分を保護している。マスクは緩慢なエッチングの可能な材料でできている。この実施形態においては、上部マスク７０は感光性レジストによってできている。膜はアルミニウム含有量の異なる６つのガリウムアルミニウムアーセナイドの層によってできている。膜は、ガリウムヒ素基板の７１の上に位置している。この実施形態の目的は、エッチング加工を下から２つ目の層７２の中ほどにおいて終わらせることにある。
まず第１のステップは、参考データ群を作成することにある。上述のようにこのデータは、構造の実質的なインピーダンスを設定することによってなされることが望ましい。このインピーダンスは、それぞれの膜の厚みよりも薄いスライスを一つ一つ調べることにより求められる。例えば層の厚みが２０ｎｍである場合、スライスの大きさは０．１ｎｍとすることができる。
このモデル化工程は（参考：「ＳｉＯ2バルクと３．５多層構造の現場ドライエッチングモニタリングのための反射率モデリング」、S.E.Hick,W.Parkes,J.A.H.Wilkinson,C.P.W.Wilkinson,1994、JVST,B-12(6)3306）、標準の伝送線路理論を用いている。これによると、負荷インピーダンスをもって終了された電送線路の送信端におけるインピーダンスＺinは、以下の式によって与えられる。
Ｚin／ＺO＝｛ＺL＋ＺOｔａｎｈ（γｌ）｝／｛ZO＋ＺLｔａｎｈ（γｌ）｝
ここで、
ＺOは、線路の特性インピーダンス
ＺLは、負荷インピーダンス
γは、複合伝播定数
ｌは、伝送線路の距離
反射係数は、以下の式によって与えられる。
ρ＝｛ＺL−ＺO｝／｛ＺL＋ＺO）
薄膜積層の場合、これらの式は以下のようになる。
｛Ｚin（ｌ，ｍ）｝／｛ＺO（ｌ，ｍ）｝＝
｛ＺL（ｍ）＋ＺO（ｍ）・ｔａｎｈ（γ（ｍ）・ｌ｝
／｛ＺO（ｍ）＋ＺL（ｍ）ｔａｎｈ（（γ（ｍ）・ｌ）｝
及び
ρ（ｌ，ｍ）＝｛Ｚin（ｌ，ｍ）−Ｚvac｝／｛Ｚin（ｌ，ｍ）＋Ｚvac）
共に
γ（ｍ）＝２π／λ・ｊ（ｎ−ｊｋ）
及び
Ｒ（ｌ，ｍ）＝｜ρ（ｌ，ｍ）｜2
ここでｍは層番号でありｍ＝１は基板のすぐ上の層に対応する。Ｚvacは、自由空間のインピーダンスである。ｎ及びｋは、複合屈折率の実部及び虚部である。Ｒは反射率である。ｊはマイナス１の二乗根である。
モデルの反復のために、以下の式が与えられる。
ＺL（ｍ）＝Ｚin（Ｘm，ｍ−１）
ここでＸmは、ｍ層の厚みであり、Ｚin（Ｘ0，０）は、基板に対応する。
従ってこのモデルは、薄膜スライスが一つ加えられる毎に反射率の変化を考慮することによりウエハ積層の反射率を計算する。このモデルは、薄膜スライスが追加されると、第１スライスと基板との組み合わせのインピーダンスを新しい「基板」のインピーダンスとして捉える。これにより、いかなる組み合わせの層においても膜の厚さの関数として反射率を得ることができる。
ここに示す望ましい実施例では、マスクが含まれている。このモデルではマスクのある部分とない部分との反射係数を別々に考慮している。このマスクもエッチングされており（通常マスクの除去は、膜の除去よりも極めて緩慢であるが）、同様に厚みの関数としてモデル化することができる。
マスクのある部分、ない部分の結果は、それぞれの「スライス」に加算され、反射係数及び反射率が得られる。
ここに示す望ましい実施形態では（図８）、エッチングシステムは、ポンプシステム８３によって真空排気されている真空装置８２の中に配置された２つの平行電極板８０，８１によって構成されている。真空排気されたシステムには、構造の化学的特性に適したエッチングガスが低圧で充填される。この望ましい実施形態においては、エッチングガスとしては塩化メチルなどのフレオンを用いることができる。
基板は下部電極８０に配置される。下部電極８０はシステムの接地に接続されさらにラジオ周波数源８７の負極に接続される。この望ましい実施形態においては、ラジオ周波数源は１３．５６ＭＨｚである。上部電極８１はＲＦ源８７の正極に接続されている。電力の発生によりプラズマが形成され、電極８０に配置された適当な種類の材料にエッチング加工が施される。上部電極８１には小窓孔８３が形成されている。この実施形態においては電極８１の直径は２０ｃｍであり、窓の直径は約１ｃｍとし得る。窓は石英などの透明な材料によってシールされている。この望ましい実施形態では、ビーム分割機８５によってヘリウムネオンレーザ８４が基板に向けて発射される。ビーム分割機８５の反射率及び等価率は５１％である。反射したビームは、ビーム分割機を通過し強度検出機８６によって探知される。望ましい実施形態としては、検出機８６にはシリコンフォトダイオードを利用し得る。
図９は望ましい実施形態におけるデータ処理の流れをフローチャートによって示している。厚み９０の反射率の理論的予想値はデータウィンドウ９１からスキャンされる。望ましい実施形態として、データウィンドウの範囲はデータサイズの１／３０００とし得る。データウィンドウ９１の内容は、ソフトウェアルーティン９２に送られる。ソフトウェアルーティン９２は周波数を分析する。望ましい実施形態においては、高速フーリエ変換がなされる。高速フーリエ変換９２の結果は、データウィンドウ９１において存在すると予測された周波数のみを通し他の周波数を減衰する適応デジタルフィルタ９３の構築に用いられる。デジタルフィルタ９３の結果は、処理済みの信号として時間９４に即して記録される。ここで、デジタルフィルタ９３を理論予想値９０との形状比較９５に用いることも、本発明の主要目的の一つである。望ましい実施形態としては、形状認識９５は処理済み信号のフーリエスペクトルと理論信号のフーリエスペクトルとの相関分析によってなされる。形状認識９５の結果から、処理済み信号の時間に応じた厚み９６が得られる。この値は目標厚みと比較され、処理終了オン／オフの決定に用いられる。さらにこの厚み値は、９８において時間と比較され、閉ループ制御処理において用いられる速度信号を形成する。
さらなる実施形態として、薄膜構造の層の厚みの途中で処理を終了しなければならないが、数学的モデルによって理論信号を作成するのには層構造に関する知識が不足している場合が考えられる。この場合本発明は、補正によって適用される。図１０では構造のエッチング部分の未処理信号１００が、キーボード入力１００から得られるフィルタパラメータを用いたデジタルフィルタ１０１によって処理されている。デジタルフィルタの結果１０３は、何らかの予測モデルまたは過去にあった膜形状と比較され、代表的な特徴を備えていることが確認される。この補正処理の結果には、スタイラスプロファイリングなどのオフライン処理により厚みの補正がさらに施される。その後の補正データセット１００は、現実の望ましい実施形態における理論信号データセット９０と全く同様に用いられる。
周波数分析の方法には様々な異なる種類があることは、当業者には明らかである。さらに形状比較もラプラス変換やグラジオメータ変換など様々な技術が用いられることも明らかであろう。データウィンドウの範囲も変えることができる。図１１は、異なる範囲を持つデータウィンドウを使用する一方法を示している。比較の対象となるデータセット１１０は、データウィンドウ１１１の範囲と併せて用いられる。ここでデータセット１１０は、モデルから得られる理論データ群と補正データ群のいずれでもよい。これらのデータウィンドウはそれぞれ長さを増しており、これにより高速フーリエ変換やラプラス変換を用いた相関分析技術や、グラジオメータ変換など他の形状認識技術の適応による形状認識の信頼度が事前に設定された最低値を下回る場合、次にサイズの大きいウィンドウを用いることができる。サイズの大きいデータウィンドウを用いると、特性認識においてより多くのデータを用いることができるという利点がある。比較のためにより多くの処理データを用いなければならないというのは付随的な欠点であるが、大きいデータウィンドウが用いられるのは他の処理データが既に集積された後であるため、この欠点は、本発明の目標である厚みデータの獲得には何らの影響も及ぼさない。処理を終了する目標厚みの近傍など高い信頼度が要求される状況においては、サイズのあまり変わらないデータウィンドウ１１２を用い、不適当な結果が記録される前に自動的に次のデータウィンドウへと切り替わるようにすることが望ましいであろう。
もう一つの望ましい実施形態として、図１２は偏光を統合した方法を示している。光源１２９は偏光しているか、または偏光手段１３０によって偏光状態が保たれている。膜積層からの反射により、偏光状態は変化する。この変化は伝送進路理論または行列を用いた放射の伝送解析によってモデル化可能である。解析偏光子１３０の使用により、偏光状態の変化を計測することができ計測信号を導き出すことができる。当業者には、この計測信号が時間ごとの反射率ではなく時間ごとの偏光状態であることは明らかである。
【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６】
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【図５】
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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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