JPH076771B2 - Ｉｃ処理をモニター及び制御するレーザ干渉計装置及び方法 - Google Patents

Ｉｃ処理をモニター及び制御するレーザ干渉計装置及び方法

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JPH076771B2
JPH076771B2 JP1196491A JP19649189A JPH076771B2 JP H076771 B2 JPH076771 B2 JP H076771B2 JP 1196491 A JP1196491 A JP 1196491A JP 19649189 A JP19649189 A JP 19649189A JP H076771 B2 JPH076771 B2 JP H076771B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は集積回路の１つ以上の層における特徴形状のエ
ッチング及び層除去に関し、特に一定深さまたはエンド
点までのエッチングを含む上記エッチング及び厚さの変
化の時間速度をモニターするためのレーザ干渉計装置及
び方法に関する。
（従来の技術） IC（集積回路）技術では、例えば誘電性薄膜やシリコン
基板などの構成要素層にマスクパターンを複製すること
によって、ICチップの層を選択的に作成するのに、プラ
ズマ化学エッチング及びプラズマ反応性エッチングを含
む乾式エッチング方式が使われている。乾式エッチング
中、溝深さの自動的な検出がプロセスの制御及び得られ
るICの性能特性にとって非常に重要である。
第１及び２図はそれぞれ、薄膜と溝孔のレーザ干渉計に
よるエッチモニター方式を示している。シリコンなどの
層13上の膜12の頂面から反射されたレーザビーム11は、
膜がレーザビームに対して透明であると（第１図）、膜
の底から反射されるビーム14と干渉を生じ、もしくは層
の溝または孔17の底から反射されるビームと干渉を生じ
る（第２図）。
層の厚さｄとレーザ光の波長λの間には、2d＝Ｎ（λ/
n）の関係がある。但し、ｎは屈折率である。整数値Ｎ
＝１、２、３などの場合、干渉は強め合って反射強度が
最大になる一方、半整数値Ｎ＝1/2、3/2、5/2などの場
合、反射光は弱め合うように干渉し強度が最小になる。
エッチング（または被着）中、反復する最大と最小を含
むサイン状の光学特性干渉パターンがモニターされる。
このパターンは、層が完全に除去されると消え、エッチ
ングの終了点を信号通知する。また、隣合う最大または
最小間の距離、1/2（λ/n）、は層内におけるレーザ光
の実効波長の半分で、（各サイクル毎に除去された物質
の距離つまり厚さにサイクル数を掛けることによって）
層から除去された物質の厚さとエッチングの時間速度を
求めるための便利なベースを与える。
しかしレーザ光は、一般に回路全体またはダイ領域のう
ち小さい比率を占める該当層の目標領域に照射されねば
ならない。また、目標領域内のその他のIC構造がレーザ
光を散乱することもある。このような因子の結果、対象
の小さい目標領域を検出するのは困難となり、反射され
るレーザビームが望ましくない低い信号対ノイズ比にな
ることがある。
1984年４月13日に出願され、1986年10月21日にMaydan等
に発行され、本出願人に同じく譲渡された米国特許第4,
618,262号（該特許はその全体が参照によってここに含
まれるものとする）は、スクライブ線など比較的構造と
関係のない形状特徴をモニターすると共に、目標特徴に
対して小さい領域にレーザビームを集束させることによ
って、上記の問題に部分的に対処している。また、レー
ザビームは、得られる干渉パターンをモニターしなが
ら、ウクライブ線を横切って繰り返し走査される。ある
いは、レーザビームが検出用の線を横切って走査され、
得られる干渉パターンをモニターするためその検出線に
ロックされる。さらに前記米国特許第4,618,262号は、
反復している離間線などIC特徴の適切な反復アレイから
回折干渉パターンを発生するのに、レーザビームを使え
ることも指摘している。
（発明が解決しようとする課題） 本発明の一目的は、誘電層の除去や溝及び孔の形成など
各種のエッチ作業中に、深さ方向またはエンド点までの
エッチングを含むエッチングを、正確にモニターするレ
ーザ干渉計装置及び方法を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 一特徴において、上記及びその他の目的を達成する本発
明は、モニターすべきIC特徴の種類に応じて選ばれたあ
らゆる方向の各次数の回折光を捕らえるように回転また
は旋回可能な非球面集光レンズ内に装着されたレーザを
有するレーザ干渉計装置として具体化される。
以下、本発明の上記及びその他の特徴を添付の図面を参
照して詳しく説明する。
（実施例） 第３図は、本発明によるレーザエンド点検出器の好まし
い実施例20を概略的に示し、該検出器は半導体処理反応
装置26上に装着された移動するキャリッジつまり台25を
具備する。キャリッジ25は、チャンバ壁29の窓28を介し
て、ウェハ27などの被加工物のエッチングをモニターす
るのに使われるレーザ検出器の光学系30全体を支持して
いる。このような一つの反応器装置26は、Cheng等の名
前で1988年４月25日に出願され、同じく本出願人に譲渡
された係属中の米国特許出願第185,215号に開示されて
いる。尚、同出願は参照によってその全体がここに含ま
れるものとする。
現時点のモデルにおいて、キャリッジ（台）25は、レー
ル32に沿って摺動可能に装着され、ステップモータ33で
駆動される親ネジ34により壁及び窓28に沿って往復移動
するベースプレート31を備えている。（レンズ38を見易
く示すため、レール32の中央部は第３図で省かれてい
る。） レーザ光学系30はダイオードレーザ36と付属の集束レン
ズ37からなるレーザベンを具備し、これら両者は集光レ
ンズ38内の中央孔51中に装着されている。光検出器39
が、支柱42によって支持された第２の上方台つまりプレ
ート41上に装着されている。上方台41は、反射される回
折光の次数を選択するように、支柱42に沿って昇降可能
である。集光レンズ38はプレート56からなる動（キネマ
ティック）マウントによって支持されており、該プレー
ト56が集光レンズ38を支持する一方、ベースプレート31
にネジ込まれた３本の調整ネジ57に支持され、各ネジの
ヘッドと圧縮バネ58との間で軸支されている。各ネジの
調整が、例えばベースプレート31の平面内における対応
軸を中心とした、レンズ38の旋回または傾斜移動を与え
る。
IBM ATなどの標準的なパーソナルコンピュータ（CPU）
47が、光検出器39、ステップモータ33及び付設の電源と
通常の方法でインタフェースされ、光検出器39の動作、
台25の走査、及び光検出器39からの出力信号の分析を制
御して、エッチプロセスを終了させる（及び必要なら開
始させる）。プリンタ及び／又はモニターなどの表示装
置49における可視の読出48が、所望に応じて包括的なグ
ラフ、ブロット、入力データの記録、選別データ、エッ
チ深さ、エッチ速度などを与える。
旋回自在な集光レンズ38の平面状被加工物に対する動マ
ウントによる向き決めが、エッチしている目標構造の種
類に応じ、集光レンズによって光検出器39に差し向けら
れる回折光の次数を選択する。
例えば、多くの半導体構造は、二次元の回折格子のよう
に作用するエッチすべき特徴のパターンを有する。これ
にはVLSIダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）
が含まれ、そのビットストレージは１セル毎に１孔の関
係でグリッドパターン状に配列され、ミクロン及びミク
ロン以下のサイズで形成されたコンデンサの形で与えら
れる。例として、16メガビットチップの場合、チップ上
に1600万個の孔が存在し、これらの孔が１次及び高次の
回折を生じる二次元の回折格子として使用可能な非常に
規則的で、簡単なグリッドパターンを形成している。第
６図参照。このような孔のエッチングをモニターするた
め、レーザ光を目標ウェハ27上の広い領域へ集束させる
のにレンズ37が使われる。また第４図に示すように、あ
らゆる方向の１次の回折光（第４図中53で示す）または
高次の回折光（集合的に54で示す）が集光レンズ38によ
って光検出器39上へ集められるように、集光レンズ38は
向き決めされている。つまり、第４図において集光レン
ズ38は、その軸がウェハ27の平面に対してほぼ直角をな
すように向き決めされている。通常１次の回折光の方
が、強度が高いため高次の回折光よりも好ましい。エッ
チ製造プロセスは第３図に示すような出力トレースを発
生し、エッチ距離及びエッチ速度が求められる。
第１図に示すような、その特徴が回折格子を形成しない
薄膜のエッチモニタリング及びエンド点検出では、Ｏ次
の回折光が使われる。つまり第５図に示すごとく、Ｏ次
の回折光55が検出器39へ入射するように、旋回可能な集
光レンズ38が第４図の向きに対してわずかな角度をなし
て向き決めされ、レーザ光52をウェハ27上へ鋭く集束さ
せるのにレンズ37が使われる。前記と同じく、エッチ製
造プロセスは第３図に示したような出力トレース48を発
生し、エッチ寸法、エッチ速度及びエンド点が求められ
る。
要するに、孔または溝などパターン化エッチ特徴をモニ
ターする最大の信号強度を得るためには、比較的広い面
積のビームスポットを用い、１次の回折光が検出器へ向
かうように集光レンズ組体が向き決めされるのが好まし
い。透明な誘電膜やパターン化されていない孔または溝
など、回折パターンを形成しない特徴をモニターするに
は、レーザ光によって照明されるウェハ領域を最小とす
るようにウェハ基板27上の比較的小さい領域に光が鋭く
集束され、またＯ次の回折光が検出器39によって検出さ
れるように集光レンズ組体が向き決めされる。
実用化実施例では、本発明のレーザエンド点検出器を、
前述の米国特許出願に記載されているシステムで、本譲
受人から市販されている高精度エッチ5000システムに装
着した。レーザ36は、シャープ製LT−220MC系列の中か
ら選んだ５ミリワット、780nmのダイオードレーザとし
た。集束は、焦点距離10mmで、直径5mmのレンズ37によ
って得られた。集束スポットは、レーザベンすなわち集
束レンズ37とレーザダイオード36間の距離を調整するこ
とによって変化させた。回折パターンのモニターでは、
レーザビーム52を約1mmの比較的広い領域に集束させる
一方、（対象の目標領域が非常に小さい）薄膜のモニタ
ーでは、レーザビームをウェハ上に鋭く集束させ、0.01
mmという小さい直径の集束領域を用いた。集光レンズ38
は、焦点距離53mm、直径65mm、f/0.8の非球面集光レン
ズとした。検出器39は、直径1cmの検出領域を持ち、光
誘電性モードで動作するUDT PIN−10のシリコンフォト
ダイオード検出器とした。コンピュータ47はIBM PC A
Tとした。
オプションとして、バックグランドノイズを減らし信号
対ノイズ比を高めるため、狭帯域フィルタを検出器39の
すぐしたに組み入れた。また、回転磁場を用いている高
精度エッチ5000システムと同様な反応器装置内で、プラ
ズマの強度を磁場の回転によって変化させた。各回転毎
のサンプル数に対応した数のスライド平均を適用するア
ルゴリズムを組み入れたコンピュータ解析プログラムを
用い、検出器の出力信号中に生じた回転周波数を濾波除
去するのが有効である。この平均化方式は、回転の乱れ
を最小に減少させるノッチフィルタとほぼ同様である。
さらに本発明者等は、有限インパルス応答（FIR）を用
いたデジタル選別も適用し、最も簡単な手法では信号周
波数に匹敵する周波数にサイン波をたたき込み（重畳
し）、DCバックグランドを含まない質的に高められた信
号を与えた。
レーザ干渉計によるエンド点検出器において一般的なよ
うに、エッチ深さは信号の集積サイクル数をカウントす
ることによって得られ、完全な１サイクルが光源の半波
長の追加エッチ深さ、この場合0.375ミクロンに対応す
る。最大または最小あるいはその他の周期的な点も使え
るが、本発明者等は、振動する信号のゼロ交差を用いる
のが最良であることを見いだした。フィルタの配置によ
って全てのバックグランドDCレベル及び高周波ノイズが
取り除かれているので、ゼロ交差の近傍におけるデータ
点に線形最小目乗法を適用することによって、ゼロ交差
点は容易に得られる。この最小自乗合致線とｘ軸（時間
軸）との交点を計算して最良のゼロ交差点を得れば、連
続する各ゼロ交差点が半サイクルまたは１サイクルの波
長、ここでは0.19ミクロンに対応する。各中間点は、そ
の間に介在する時間中（例えばエッチ速度が毎分約１ミ
クロンの場合11秒）にエッチ速度が著しく変化しないと
すれば、容易に外挿可能である。
以上本発明の好ましい実施例と代替の実施例、さらに現
時点で好ましい実用化実施例を説明したが、当業者であ
れば請求の範囲によって限定される発明の各種変更及び
改良を容易に成し得るのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
第１及び２図はそれぞれレーザ透明層及び溝／孔のエッ
チパターン形成をモニターするためのレーザ干渉計プロ
セスを概略的に示す；第３図は本発明によるレーザ干渉
計モニター装置の好ましい動作実施例の、尺度を度外視
した概略図；第４及び５図は第３図の方式の部分拡大図
で、異なる種類のエッチされた構造のモニターを示す；
及び第６図は溝または孔の回折格子効果を概略的に示
す。 26……反応器装置、 27……被加工物（ウェハ基板）、 28……窓、29……チャンバ壁、 30……レーザ光学系、36……レーザ（装置）、 37……集束レンズ、38……集光レンズ、 39……検出手段、47……解析手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウェズリー ダブリュー ザン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94010 バーリンガム ミルズ キャニオ ン コート 11 (56)参考文献 特開 昭60−202940（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】被加工物のエッチングをモニターするレー
    ザ干渉計装置において：レーザ；前記被加工物の表面か
    ら反射されたレーザ光を検出する手段；検出されたレー
    ザ光を解析して、被加工物の選定層のエッチ速度、エッ
    チ深さ及びエッチ貫通の少なくとも１つをモニターする
    手段；及び前記レーザを内部に装着した集光レンズ；を
    備え、前記集光レンズが前記レーザ干渉計内に前記被加
    工物の表面に対して旋回自在に装着され、前記被加工物
    の表面から反射された光のうち選択された次数の回折光
    を捕らえるレーザ干渉計装置。
  2. 【請求項２】前記集光レンズがさらに、レーザからの光
    を前記被加工物の表面に集束させるレンズを内部に装着
    している請求項１記載のレーザ干渉計装置。
  3. 【請求項３】被加工物をエッチングし、被加工物上の選
    定層の所定エッチ深さ及びエッチ貫通から選ばれたある
    一定条件に達したらエッチングを自動的に終了させる反
    応機装置において：内部で被加工物をエッチングするチ
    ャンバで、チャンバの一壁に形成された窓を有するチャ
    ンバ；前記窓に隣接して装着され、コヒーレントな光ビ
    ームを前記窓を介して被加工物上の層へ差し向けるよう
    に向き決めされたレーザ装置；前記被加工物から反射さ
    れたレーザ光を検出する手段；前記レーザ装置を内部に
    装着した集光レンズで、前記窓に隣接し前記被加工物の
    層に対して旋回自在に装着され、前記被加工物の層から
    反射された光のうち選択された次数の回折光を前記検出
    手段に向かわせる集光レンズ；及び前記検出手段からの
    信号に応答し、前記選定層のある一定のエッチ深さ及び
    エッチ貫通から選ばれたある一定条件に達したらエッチ
    ングを終了させる手段；を備えた反応器装置。
  4. 【請求項４】前記集光レンズがさらに、レーザ装置から
    の光を前記被加工物に集束させるレンズを内部に装着し
    ている請求項３記載の反応器装置。
  5. 【請求項５】基板上の物質層のエッチングをモニターす
    る方法において：レーザビームを基板層の目標領域に集
    束させ、集光レンズを旋回させて光の回折次数を選び、
    レーザ光が基板及び光検出器に対し選定された向きで基
    板層から反射されて、選ばれた回折次数の光が前記検出
    器へ入射されるようになすこと；及び得られた光干渉信
    号を対応した電気信号に変換し、製造プロセスをモニタ
    ーすること；を含む方法。
  6. 【請求項６】前記基板層の目標領域が、（１）レーザ光
    に対して透明な物質及び基板にエッチされている孔、及
    び（２）前記入射レーザ光に対して二次元の回折格子と
    して作用するエッチ特徴のパターンの中から選ばれ、前
    記選ばれた回折次数がそれぞれ（１）ゼロ次及び（２）
    一次またはそれより上の高次である請求項５記載の方
    法。
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