JPH09283585A

JPH09283585A - デバイス製造方法

Info

Publication number: JPH09283585A
Application number: JP8293171A
Authority: JP
Inventors: Lee Tsuen-Chan; リーツェン−チャン; Luise Maynard Helen; ルイーズメイナードヘレン
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1995-10-16
Filing date: 1996-10-16
Publication date: 1997-10-31
Also published as: EP0768512A2; US5835221A; EP0768512A3

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェハのほぼ全表面上にトポグラフィを有す
る小さいデザインルールのデバイスを製造するプロセス
において使用可能なプロセス制御のための偏光解析法を
実現する。【解決手段】偏光解析器３０の入射光は、基板４０の
トポグラフィ表面に入射する。表面がプラズマエッチン
グのような通常の手段によってパターン形成されなが
ら、特定の波長におけるΔおよびΨが取得される。プラ
ズマエッチングが完了すると、基板上の層の膜厚が測定
される。膜厚は、パターン転写後、二重層の膜がエッチ
ングされている間に取得したトレースをモデルトレース
と比較することによって決定される。モデルトレース
は、エッチングプロセス中の時間の関数として偏光解析
信号ΔおよびΨを計算することによって得られる。モデ
ルは、基板の表面上には異なる反射率の領域があるとい
う事実を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路デバイス
の製造プロセスに関し、特に、このようなプロセスに関
連して、偏光を用いて膜厚を測定する技術を利用するこ
とに関する。

【０００２】

【従来の技術】集積回路の製造における小さいデザイン
ルールへの動きは、チップ上に多数のデバイスを配置す
るという要求によって動機づけられる。高度なデバイス
構造体では、チップ上のデバイスの数が増大すると、そ
のような構造体を形成するために用いられる層の厚さお
よび構造体の幅の両方を減少させなければならない。幅
および厚さの小さい構造の存在は、集積回路の製造の複
雑さを増大させる。特に、薄い層から、その層にほとん
ど影響を及ぼさないように別の複数の材料層を急速に除
去する際に、集積回路の（例えば）エッチングプロセス
を制御することは困難である。一般に、このようなプロ
セスは、急速に行わなければならない処理条件の複雑な
変化を必要とする。

【０００３】表面で反射する光の偏光状態の変化は、そ
の表面の性質に極めて敏感である。偏光解析法は、入射
光に対する反射光の偏光状態の変化を測定する感度の良
い方法である。偏光解析法は、デバイス製造において、
ブランケット膜の特性を測定するのに用いられることも
ある。光線（光ビーム）を膜の表面上に照射する。偏光
解析器が、膜から反射される光を測定する。反射光か
ら、偏光解析器は、角度ΔおよびΨを決定する。Δは、
入射面と平行な偏光（ｐ）と垂直な偏光（ｓ）の位相差
として定義される。Ψは、入射面に平行および垂直な方
向における入射光と反射光の振幅比の逆正接として定義
される。これらの量は、パターン形成されていない一様
な膜の屈折率、膜厚、および、消衰係数のような光学特
性を決定するために使用される。

【０００４】基板上に堆積された膜の厚さをモニタする
ために、偏光解析器を用いて、ワークピースから反射さ
れる偏光光線のΔ座標およびΨ座標を導出することは米
国特許第５，１３１，７５２号に記載されている。この
米国特許では、まず、所望の厚さの膜のΔおよびΨの値
から、その所望の厚さの膜が堆積される時点である終点
を計算する。この米国特許では、既知の入射角、光源の
波長、所望の最終膜厚、および処理温度における基板お
よび膜の光学定数からΔおよびΨの終点値を計算する。
従って、この特許の方法は、正確な終点が既知であるプ
ロセスを制御する場合に制限される。

【０００５】マスクを用いたデバイス製造あるいはトポ
グラフィ上のデバイス製造においては、表面に付随する
凹凸により、プロセスの正確な終点を決定することは困
難である。ここでマスクとは、基板上の膜上または膜内
にパターンを導入するために使用される構造体である。
またトポグラフィとは、基板上のフィルムの下の表面の
凹凸あるいは構造体のことである。偏光解析器からの光
の入射光線の光路は、ウェハ上のマスクあるいはトポグ
ラフィの存在によって影響を受ける。なぜならば、表面
の組成や形状は不規則であるからである。ここでウェハ
とは、その上に膜が形成される基板のことである。これ
らの凹凸により、表面から反射される光は、一様なブラ
ンケット膜から反射される光とは異なるものとなる。ま
た、マスクやトポグラフィは、光の偏光状態にも影響を
与え、従って、表面から反射される信号の質に悪影響を
与える干渉を生じることになる。

【０００６】次の論文Henck, Steven A., et al., "In
situ spectral ellipsometry for real-time thickness
measurement: Etching multilayer stacks", J. Vac.
Sci. Technol. A, 11(4), 1179 (July/Aug. 1993)で
は、プラズマエッチング中に、偏光解析器を用いて、ウ
ェハの中央の大きいパターン形成されていない領域の膜
厚をモニタすることが提案されている。まず、偏光解析
器を既知の方法を用いて較正する。次に、膜材料の厚さ
および誘電関数から偏光解析器パラメータΔおよびΨを
決定する。エッチングが進むとともに、偏光解析器は、
膜に向かって光線を放射し、反射光の性質を測定して有
用な信号を取得し続ける。反射光の変化は、膜の最上層
の厚さの減少と、最上層と最上層の下の層との間の界面
への近接を示す。こうして、エッチング中に、偏光解析
器を用いて、除去された最上層がどの程度であるかを測
定し、既知の膜厚を残してエッチングを終了させること
が可能となる。

【０００７】Henckらの論文に記載された方法は、必要
な測定をするためには、ウェハ上に、パターン形成され
ておらずトポグラフィのない領域（「テストパッド」と
いう）を必要とする。デバイス上でパターン形成されて
おらずトポグラフィのない領域は望ましくない。なぜな
らば、これはデバイスの有効な面積の部分を犠牲にする
からである。また、パターン形成されておらずトポグラ
フィのないテストパッドは、パターン形成されておりト
ポグラフィを含む領域とは異なるマスキング、エッチン
グ、および堆積ステップを必要とするため、リソグラフ
ィプロセスを複雑にすることにもなる。また、周知のよ
うに、異なるパターン密度を有するウェハ上の領域は同
じようにはエッチングされないため、空白の、パターン
形成されていないパッドをモニタすることは、パターン
形成されたウェハ上のエッチングプロセスを正確に反映
しないことがある。従って、Henckらの論文に記載され
た方法を実施するための領域を設けるためにウェハの大
きな部分を犠牲にしなければならない場合には、製造コ
ストが増大することになる。

【０００８】次の論文Haverlag, M., et al., "In situ
ellipsometry and reflectometry duringetching of p
atterned surfaces: Experiments and simulations",
J. Vac. Sci. Technol. B, 10(6), 2412 (Nov./Dec. 19
92)には、プラズマエッチングプロセスの終点検出のた
めに単一波長（６３２ｎｍ）での偏光解析法を使用する
ことが記載されている。Haverlagらの論文では、このよ
うな方法は、膜上のマスクによって形成された線の方向
に垂直な方向で入射偏光解析光線が表面上に照射された
ときには終点が検出されないため、一般のパターン形成
されたウェハ上で使用することはできないと結論してい
る。Haverlagらの論文では、マスク側壁上の光の反射に
より光が偏光解析検出器に到達することが妨げられるこ
とを観察しており、プラズマエッチング終点検出の場合
には偏光解析法は低い（例えば０．３以下の）アスペク
ト比を有するパターン形成されたウェハでしか使用する
ことができないと結論している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際のデバイ
スを製造するための多くの応用例では、マスクあるいは
トポグラフィのアスペクト比は一般に１．０より大き
い。また、デザインルールが減少すると、さらに厳しい
トポグラフィや高いアスペクト比が予想される。従っ
て、ウェハのほぼ全表面上にトポグラフィを有する小さ
いデザインルールのデバイスを製造するプロセスにおい
て使用可能なプロセス制御のための偏光解析法が必要と
される。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のプロセスは、デ
バイス製造中のプロセス制御に偏光解析法を使用する。
特に、本発明のプロセスは、デバイス製造において基板
表面に材料を付加する場合および基板表面から材料を除
去する場合の制御に使用される。一実施例では、本発明
のプロセスは、デバイス処理中に実時間で膜厚を測定す
るために使用される。別の実施例では、本発明のプロセ
スは、デバイスの材料層の厚さを測定するために使用さ
れる。本発明のプロセスは、処理中にウェアの表面に偏
光解析光線を照射し、反射される信号をモニタすること
によってこの情報を得る。

【００１１】プロセス制御のためにこのようにモニタさ
れた光信号は、ウェハ表面が不規則なときのプロセス制
御に必要な情報を提供するために、特定の波長あるいは
特定の波長範囲のものでなければならない。このような
表面の不規則性（凹凸）は、処理中のウェハの表面
（「パターン形成された表面」という。）上にマスクが
堆積されているとき、または、処理中の膜の下に不規則
な表面（「トポグラフィ」という。）があるときに生じ
る。

【００１２】本発明のプロセスは、一つの反射波長のみ
をモニタすることによって実施することも可能である
が、少なくとも二つの波長の反射光をモニタすることに
よってΔおよびΨを取得することが有効である。測定中
の膜は、第１の波長の光に対してはほとんど透明であ
り、第２の波長の光に対してはほとんど不透明である。
本発明において、「ほとんど透明」とは、特定の波長に
おける５０パーセント以上の光が測定中の膜を透過する
ことを意味し、「ほとんど不透明」とは、特定の波長に
おける５０パーセント以上の光が膜によって吸収される
ことを意味する。

【００１３】偏光解析器の入射光は、基板のトポグラフ
ィ表面に入射する。本発明の一実施例では、本発明のプ
ロセスは、基板表面上のパターン形成された材料層の膜
厚を測定するために使用される。この実施例では、入射
光は基板表面に照射され、表面がプラズマエッチングの
ような通常の手段によってパターン形成されながら、特
定の波長におけるΔおよびΨが取得される。プラズマエ
ッチングが完了すると、基板上の層の膜厚が測定され
る。デバイス製造において、パターン形成された膜は一
般に複数の層からなる。例えば、酸化物マスクが、ポリ
シリコン上の窒化チタン（ＴｉＮ）の二重層上に形成さ
れる。二重層の膜はシリコン基板上に形成され、その表
面上には、厚い（一般に厚さ２０００オングストローム
以上の）酸化物（「フィールド酸化物」という。）の領
域と、薄い（一般に１００オングストローム以下の）酸
化物（「ゲート酸化物」という。）の別の領域がある。
本発明のプロセスは、マスク、ＴｉＮ、ポリシリコン、
および、マスクパターンが下の二重層の膜に転写された
後のフィールド酸化物の層の厚さを測定するために使用
可能である。

【００１４】膜厚は、パターン転写後、二重層の膜がエ
ッチングされている間に取得したトレースをモデルトレ
ースと比較することによって決定される。モデルトレー
スは、エッチングプロセス中の時間の関数として偏光解
析信号ΔおよびΨを計算することによって得られる。モ
デルは、マスクパターンが下の膜に転写されるプラズマ
プロセスにおいて、基板の非マスク部分がマスク部分よ
り高速にエッチング剤によって除去されることを考慮に
入れている。モデルは、マスクのエッチング速度および
下の膜のエッチング速度の両方を考慮に入れている。モ
デルは、基板の表面上には異なる反射率の領域があると
いう事実を使用する。これは、最も簡単な場合に図２に
示されている。図２は、窒化チタン９５とポリシリコン
９６の二重層の膜上に形成された二酸化シリコン９４の
パターン形成されたマスクを模式的に例示する図であ
る。この二重層の膜は、シリコン基板９８上に形成され
た薄い酸化物層９７（図は縮尺どおりでない）上に形成
される。ウェハのマスク部分９４の反射率は、ウェハの
非マスク部分の反射率とは異なる。ウェハの非マスク部
分９１およびマスク部分９２のうち偏光解析光線が当た
る面積の割合を測定し、入射面に平行（ｐ）および垂直
（ｓ）な光に対するウェハの反射率（Ｒ）を、次式を用
いて複数の領域に対する反射率を足し合わせることによ
って測定する。

【数１】ただし、ａｆ_iは特定の反射率の領域の面積の割合であ
り、ｒ_iはある特定の時点におけるその領域の反射率で
ある。相異なる反射率の領域の数は上記の式ではｎで表
されている。図２に例示した構造ではｎ＝２である。膜
の反射率は、Azzam, R. M. A., et al., "Ellipsometry
and Polarization Light", pp.320-340 (North Hollan
d Paperback Edition 1988)に記載された行列公式を用
いて計算される。基板表面の反射率が計算されると、偏
光解析信号ΔおよびΨは次の標準的な式を用いて計算さ
れる。

【数２】膜厚を計算するため、モデル化データと、取得した実際
のデータとの相関をとる。これは、基板の表面上のさま
ざまな層に対する膜厚を仮定し、それらの仮定した膜厚
に基づいてモデルトレースを生成することによって実行
される。その後、モデルトレースを実際のトレースと比
較する。モデルトレースが実際のトレースと対応する場
合、仮定した膜厚が実際の膜厚に対応する。必要とされ
る一致は設計上の事項である。すなわち、実際のトレー
スとモデルトレースの間の一致が良いほど、計算される
厚さは実際の厚さに近くなる。

【００１５】偏光解析トレースを取得しそれを上記のモ
デルによって生成されるトレースと比較するプロセス
は、実時間プロセス制御を行うためにも使用可能であ
る。プラズマエッチングの場合、酸化物マスクによって
規定されるパターンを材料層の下の膜に転写する。偏光
解析信号をウェハの表面上に導入し、標準的な偏光解析
法を用いて反射信号を検出する。プロセス制御は、反射
される偏光解析信号をただ一つの波長のみでモニタする
場合にも実行可能であるが、ある波長では透明な材料も
あるため、複数の波長で信号をモニタすると有効であ
る。少なくとも一つの選択された波長で複数の「フリン
ジ」を有する偏光解析トレースが得られると有効であ
る。本発明において、フリンジとは、トレースの山また
は谷を生じる時間にわたるΔまたはΨのいずれかの振動
のことである。ΔあるいはΨの値が長時間ほとんど変動
しないような実際のトレースとモデルトレースの間の相
関を観測するよりも、フリンジを有する実際のトレース
とモデルトレースの間の相関を観測するほうが容易であ
るので、フリンジを有するトレースは有利である。

【００１６】上記のように、除去中あるいは堆積中の膜
は、各層が異なる材料であるような多層膜であることも
可能である。多層膜をエッチングあるいは堆積するよう
なデバイス製造のいくつかのプロセスでは、多層構造中
のすべての材料層が光に対して透明な波長および光に対
して不透明な波長を有するとは限らない。このような場
合、モデルトレースとの相関のある可能性のあるトレー
スを与えるいくつかの波長を選択する。上記のＴｉＮ／
ポリシリコン膜のような二層膜の例では、基板から反射
される偏光解析信号を４個の波長でモニタする。４個の
波長のセットの例は、２．０ｅＶ、２．８ｅＶ、３．３
ｅＶおよび４．０ｅＶである。これらの波長を選択する
のは、ポリシリコンは２．０ｅＶで透明で、４．０ｅＶ
で不透明であり、プラズマプロセス中の時間の関数とし
てΔもしくはΨまたはその両方の観測可能な変化を有す
るトレースを与えるためである。しかし、ＴｉＮは、Ｔ
ｉＮ膜の厚さが約９００オングストローム以下でなけれ
ばすべての波長の光に対して不透明である。従って、
２．８ｅＶおよび３．３ｅＶを選択し、これらの波長を
モニタしているときにもΔおよびΨのある時間にわたる
観測可能な変化を有するトレースが得られるようにす
る。当業者には理解されるように、これらのパラメータ
を満たす他の波長もある。その後、膜が堆積またはエッ
チングされるにつれて偏光解析トレースを取得し、その
トレースを、モデルトレースが所望の程度まで実際のト
レースと一致するまで、異なる膜厚を用いて上記のトレ
ースから得られた偏光解析トレースと比較することによ
って、基板上の材料層の厚さを決定する。この情報が得
られると、プロセスの任意の時点での膜厚は、時間の関
数として、モデル化データから決定することができる。
その後、この情報は、「エッチフロント」が終点（例え
ば、プラズマエッチングプロセスでは、終点は、エッチ
ングされている層（すなわち「エッチフロント」）がそ
の下の層まで厚さ全体を通じてエッチングされる時点で
ある）に近づくにつれてエッチング速度を遅くするとい
うような調節を行うことによってプロセスを制御するた
めに用いられる。

【００１７】偏光解析トレースは、ほぼ同一のウェハ上
のほぼ同一のプロセスに対してはほぼ同一であるため、
このようなトレースはプロセス制御のためのツールとし
て用いられる。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のプロセスで用い
られるように構成された偏光解析器の概略図である。膜
の除去を制御するプロセスは、集積回路のようなデバイ
スやその他の半導体デバイスおよび光デバイスの薄膜の
成長またはエッチングの多くのプロセスで使用される。
しかし、本発明のプロセスは、基板上の膜のプラズマエ
ッチングに関して実現されており、それに従って以下詳
細に説明する。

【００１９】図１において、入射光１０のビームが偏光
解析器３０の励起ヘッド２０によって生成される。この
光は、光源（図示せず）から生成され、光ファイバ２５
を通じてヘッド２０へ送られる。光ビーム１０は、ウェ
ハ４０に当たるように向けられる。励起ヘッド２０は、
ウェハ４０上の光ビーム１０の入射角５０が垂線に対し
て約７０°になるように配置される。ウェハに応じて、
他の入射角も使用可能である。約０°から約９０°まで
の角度が考えられる。

【００２０】入射光１０はウェハ４０から反射される。
このように反射された光信号は、偏光解析器３０の検出
ヘッド６０によって検出される。検出ヘッド６０は、光
ファイバ６２を通じて多波長分光器６１へ光信号を送
る。別の実施例では、光信号は単波長モノクロメータ６
４に送られる。多波長検出器は、複数の波長の信号を検
出するために使用される。例えば、多波長検出器は、４
個の波長を検出するために使用される。次に、信号はコ
ンピュータに送られ、コンピュータは、時間にわたる偏
光解析信号のトレースを生成する。コンピュータは、こ
の情報を処理して所望のプロセス制御を行うようにプロ
グラムすることが可能である。酸化物マスクの下にＴｉ
Ｎ／ポリシリコン膜がある場合のエッチングの実施例で
は、選択する波長は２．０ｅＶ、２．８ｅＶ、３．３ｅ
Ｖおよび４．０ｅＶである。これらの波長は単なる例示
である。上記のパラメータを用いて選択される他の波長
も使用可能である。検出器６１は光信号を電気信号に変
換し、その信号を信号プロセッサ６３に送る。信号プロ
セッサ６３は、反射光に対するΔおよびΨの値を決定す
る。

【００２１】ウェハ４０は、所望の処理を行う容器７０
内に配置される。図１では、図示されている容器７０は
基板の表面から膜をプラズマエッチングするのに適して
いる。容器７０は、偏光解析信号が容器７０に出入りす
るビューポート８０が備えられていることを除いては、
標準的なものである。

【００２２】本発明のプロセスは、従来のプロセスとは
異なり、膜の上にパターン形成された構造がある場合、
膜の下にトポグラフィがある場合、または、膜の上のパ
ターン形成された構造および膜の下のトポグラフィの両
方がある場合に、基板上の膜の堆積および除去を制御す
るために偏光を利用する。偏光を生成し検出するために
は一般に偏光解析器を用いるが、本発明のプロセスを実
施するためには、偏光を生成する他の気候も使用可能機
構も使用可能である。偏光解析器は、デバイス製造プロ
セスの処理ステップ中の時間にわたるΔおよびΨの値を
報告する。ΔおよびΨは基板から反射される光の光学的
パラメータであるため、これらは、光が通過しなければ
ならない光路（すなわち、基板上の層を通る）によって
影響を受ける。これらの層の厚さが変化すると、Δおよ
びΨの値も変化する。層がウェハの一部から完全に除去
された後にもΔおよびΨの値は変化する。デバイス製造
プロセスにおけるエッチングステップ中の時間にわたる
ΔおよびΨのトレースの勾配の急激な変化は、二つの材
料間の界面のようなウェハ表面における変化を示す。

【００２３】本発明のプロセスでは、偏光を用いて膜厚
を測定する。これは、膜が堆積またはエッチングされる
ときの偏光解析トレースを取得することによって実行さ
れる。偏光解析トレースは、時間にわたるΔおよびΨの
値を与える。偏光解析信号が偏光であり、光の偏光状態
は膜厚の関数であるため、偏光解析信号は、基板上の膜
の厚さを決定するために本発明のプロセスで使用される
情報を含む。以下で、膜厚を決定するために本発明の方
法がどのように使用されるかの例を説明する。

【００２４】

【実施例】

［例１］偏光解析パラメータ（Δ，Ψ）を決定するため
に使用された偏光解析器は、フランス国LongjumeauのJo
bin-YvonのISA divisionによって製造されたＵＶ−可視
光、位相変調分光偏光解析器である。当業者には理解さ
れるように、本発明のプロセスを実施するために他の偏
光解析器も等しく使用可能である。偏光解析器は、キセ
ノンアークランプからの白色光源を備えている。光は偏
光され、５０ｋＨｚで動作する位相変調器を通過する。
偏光解析器の励起ヘッドは、楕円偏光がウェハに垂線か
ら約７０°の角度で当たるように配置した。検出ヘッド
は垂線から−７０°に装着した。検出ヘッドからの光
は、光ファイバを通じて、フランス国パリのＩＳＡから
入手した多波長分光器に送られる。多波長分光器は、４
個の波長を検出することができる。波長設定は２．０ｅ
Ｖ、２．８ｅＶ、３．３ｅＶおよび４．０ｅＶである。

【００２５】偏光解析器を用いていくつかのウェハ上の
膜のエッチングをモニタした。そのようなウェハの一つ
を図２に示す。このウェハは、厚さ２０００オングスト
ロームのポリシリコン層９６の上に厚さ１０００オング
ストロームの窒化チタン層９５を形成した二重膜の上
に、厚さ約１０００〜２０００オングストロームの酸化
物マスク９４を有する。二重膜は、結晶シリコン基板９
８上に形成された厚さ７０オングストロームのゲート酸
化物９７の上に形成されている。もう一つのウェハを図
３に示す。このウェハは、厚さ２０００オングストロー
ムのポリシリコン層１９６の上に厚さ１０００オングス
トロームの窒化チタン層１９５を形成した二重膜の上
に、厚さ約１０００〜２０００オングストロームの酸化
物マスク１９４を有する。二重膜は、厚さ約７０オング
ストロームのゲート酸化物１９７と、厚さ３０００〜４
０００オングストロームの酸化物１９９の領域の上に形
成されている。厚い酸化物の領域をフィールド酸化物と
いい、隣接するデバイスを電気的に絶縁するために使用
される。

【００２６】図２および図３に示したウェハを両方と
も、別の時刻に、米国カリフォルニア州SunnyvaleのLuc
as Labsによって製造されたエッチングツールに入れ
た。このツールを、直径１２５ｍｍのウェハの単一ウェ
ハ処理用に設定した。ウェハをチャックに固定した。ヘ
リウムパージによる背面冷却を用いてチャックの温度を
約０℃に制御することによってウェハの温度を制御し
た。図２のウェハと図３のウェハの相違点は図３のウェ
ハでは下にフィールド酸化物が存在することだけである
ため、同じ条件を用いて、図２および図３において酸化
物マスク９４および１９４によって規定されるパターン
をそれぞれの下のＴｉＮ／ポリシリコン膜に転写した。

【００２７】低圧高密度ヘリコンプラズマ源（同じくLu
cas Labs製）を用いてプラズマを生成した。このプラズ
マは、イオン、電子および反応性中性原子からなる。ウ
ェハを反応容器内に入れ、ガスを導入した。まず、７５
ｓｃｃｍのＣｌ₂および２５ｓｃｃｍのＨＢｒで１００
ＷのＲＦバイアスで５秒間プラズマを点火することによ
って、窒化チタン層から自然酸素を除去した。ヘリコン
源パワーは２５００Ｗであり、反応器圧力は２ｍＴｏｒ
ｒであった。

【００２８】ＲＦバイアスパワーを５０Ｗに落とし、同
じ条件を用いて窒化チタン層を除去した。窒化チタン層
を除去した１５秒後、塩素ガスを切り、３０ｓｃｃｍの
酸素およびヘリウムの２０％／８０％混合物を加え、Ｈ
Ｂｒのフローを１００ｓｃｃｍに増大することによって
エッチング剤の配合を変え、ポリシリコン層をエッチン
グした。

【００２９】酸素を系に導入してから５秒後、ＲＦバイ
アスパワーを５０Ｗから３５Ｗに下げることによりプラ
ズマ配合を再び変え、ポリシリコンの下の薄い酸化物層
をエッチングしないようにした。ポリシリコン層の除去
後、ＲＦバイアスパワーを再び下げて３５Ｗから２５Ｗ
にし、酸素／ヘリウム混合物の流速を３５ｓｃｃｍに増
大し、プラズマプロセスを６０秒間継続して、すべての
ポリシリコンをウェハ表面全体から確実に除去した。

【００３０】酸化物マスクのパターンを、図２および図
３のような下のＴｉＮ／ポリシリコン膜に転写する間に
偏光解析トレースを得た。エッチング後のウェハをそれ
ぞれ図４および図５に示す。前記の４波長偏光解析器を
用いて偏光解析トレースを記録した。図２のウェハのエ
ッチング中に得られたトレースを図６の実線で示す。４
個の波長２．０ｅＶ、２．８ｅＶ、３．３ｅＶおよび
４．０ｅＶに対するΨの値を図６の左側に示し、同じ波
長におけるΔの値を図６の右側に示す。約３１秒および
５７秒の時刻における縦の破線はそれぞれ、ＴｉＮ層お
よびポリシリコン層のエッチング終点に対応する。エッ
チング終点は、米国特許出願第０８／１５２７７６号に
記載されているような、時間に関する偏光解析パラメー
タの勾配の振動または変化の終止によって識別される。
図６における破線は、酸化物マスク、ＴｉＮ、ポリシリ
コン、およびフィールド酸化物（もし存在すれば）の層
に対して仮定された厚さを用いて上記の式を反復適用す
ることによって上記のように得られたモデル化されたト
レース（モデルトレース）である。エッチング後、標準
的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、残りの酸化物
マスク層、ＴｉＮ層およびポリシリコン層の実際の膜厚
を測定した。図２のウェハの場合に、実際に測定された
厚さとモデルによって決定された層の厚さの比較を次の
表１に示す。

【表１】表１に示したように、基板上のさまざまな層の実際の厚
さは、モデルを用いて計算した厚さと良く一致してい
る。モデルトレースを得るため、６パーセントの部分面
積をマスク（ゲート）領域に用い、９４パーセントの部
分面積を非マスク（ゲート酸化物）領域に用いた。マス
ク領域９２の部分面積（図４）は、ビームが当たるマス
ク９４によって被覆される表面積の割合を評価すること
によって決定した。同様に、非マスク領域９１の部分面
積は、ビームが当たる非マスク表面積の割合を評価する
ことによって決定した。

【００３１】上記のように、膜厚および部分面積は、エ
ッチング中に得られるトレースにモデルを反復的に当て
はめることによって得られた。モデルは、標準的な誤差
解析法を用いてデータに当てはめた。４個の波長で得た
データにモデルを当てはめたため、モデルをデータに当
てはめることによって決定される膜厚の信頼性レベル
は、より少ない波長を用いた場合よりもやや高い。

【００３２】偏光解析パラメータΨおよびΔのトレース
のもう一つのセットを、図３のパターン形成されたサン
プルをエッチングすることによって得た。このサンプル
は、ＴｉＮ／ポリシリコン二重膜（それぞれ１９５およ
び１９６）の下のフィールド酸化物１９９の領域を有す
る点で前のサンプルとは異なる。前記の条件を用いてこ
のサンプルをエッチングした。前記の波長におけるΔお
よびΨのトレースを図７に示す。得られた実際のトレー
スを図７の実線で示す。約３３秒および５８秒の時刻に
おける縦の破線はそれぞれ、窒化チタン膜およびポリシ
リコン膜のエッチング終点に対応する。図７の破線は、
データへのモデルの当てはめである。

【００３３】このサンプルにはフィールド酸化物が存在
するため、サンプルの表面は、前のサンプルよりも異な
る反射率の領域が多い。前のサンプルには異なる反射率
の領域が２個だけであったが、このサンプルは、４個の
異なる反射率の領域を有する。これらの領域を図５では
領域１９０、１９１、１９２、および１９３として示
す。下のフィールド酸化物の存在は、サンプル表面の反
射率に影響する。従って、フィールド酸化物１９９の上
のマスク領域１９０は、ゲート酸化物１９７の上のマス
ク領域１９３とは異なる反射率を有する。同様に、フィ
ールド酸化物の非マスク領域１９１は、ゲート酸化物の
非マスク領域１９２とは異なる反射率を有する。これら
の各領域において、表面の面積のうち入射偏光解析ビー
ムが当たる割合を評価してモデルトレースを得る。

【００３４】モデルによって決定される層厚を、サンプ
ルのＳＥＭをとることによって得られる層厚と比較す
る。この比較を次の表２に示す。

【表２】モデルトレースを実際のトレースに当てはめるために、
図５で区別した異なる反射率の４個の領域に対する面積
の割合は、領域１９０が５パーセント、領域１９１が９
０パーセント、領域１９２が０パーセント、領域１９３
が５パーセントである。これらの面積の割合を用いて時
間にわたるΔおよびΨのモデル値を計算するため、モデ
ルトレースをデータトレースに当てはめるために使用さ
れる面積割合は、ウェハ上の異なる反射率の領域の面積
割合と同一ではない可能性もある。例えば、ウェハの表
面が高度にパターン形成されている場合、特定の反射率
の領域が隣接する領域を陰にして、特定の波長の光がそ
の領域に入射するのを妨げる可能性がある。また、特定
の波長の光が、偏光解析器によって検出される反射角の
外に回折されてしまう可能性もある。これらの理由のう
ちの一つによって、ゲート酸化物領域１９２の面積割合
は、モデルをデータに当てはめることによって０である
と決定された可能性がある。異なる反射率の領域の面積
割合の決定はウェハに入射しウェハから反射される偏光
に基づいているため、特定の領域が入射光から遮蔽され
るか、あるいは、その領域からの反射光が検出角度の外
に回折された場合、モデルはその面積割合を０であるか
または実際より小さいと決定する。しかし、ウェハ表面
の照射面積はウェハ間では比較的一定であるため、モデ
ルをデータに当てはめることによって異なる反射率の面
積の割合を特定のウェハに対して決定すれば、その面積
割合は、後のウェハのプラズマエッチング中に実時間で
膜厚を決定するためにモデルへの入力として用いること
ができる。

【００３５】本発明では、偏光は、エッチングプロセス
中に膜厚をモニタするためにも用いられる。本発明の一
実施例では、図２および図３に示したようなウェハを、
前の例で説明したようなプラズマエッチング条件に置
く。偏光解析器を用いて、偏光をウェハ表面に当てる。
前記のように、偏光の光源として偏光解析器を考えてい
るが、偏光を生成し検出する他の機構も、本発明を実施
するために使用可能であると考えられる。

【００３６】図３に概略を示したサンプルウェハをエッ
チングする間に図８の偏光解析トレースを得る。デバイ
ス製造において、マスク酸化物、ＴｉＮ、ポリシリコン
およびフィールド酸化物の厚さと、ウェハ上の異なる反
射率の領域の面積割合は、一般に、それらの実際の値の
約１０パーセント以内で既知である。エッチングが開始
されると、エッチングを通じて一定のままであるパラメ
ータの値は、それらの実際の値の１０パーセント以内で
推定される。これらのパラメータの例には、面積割合、
および、エッチングされない層の厚さ（例えば図５のフ
ィールド酸化物１９９）がある。

【００３７】エッチングの開始時に、４個の波長（２．
０ｅＶ、２．８ｅＶ、３．３ｅＶ、および４．０ｅＶ）
でのΔおよびΨの実際の値を用いて、実際の初期膜厚を
決定する。各層の初期厚さは、モデルトレースを実時間
処理中に得られるトレースに反復的に当てはめることに
よって得られるトレースと、厚さの初期推定値とを比較
することによって計算される。これは実時間で行われる
ため、トレース全体は利用可能でない。従って、モデル
トレースは時刻ｔ_nにおけるトレースに反復的に当ては
められる。初期厚さ（すなわち、時刻ｔ₀における厚
さ）が決定されると、時刻ｔ₁、ｔ₂、ｔ₃などにおいて
得られるΨおよびΔの値がモデルに入力され、膜厚の値
を更新する。各時刻のステップにおいて、ΨおよびΔの
現在値が４個の波長のそれぞれに対して記録される。面
積割合の値は、エッチングされていないすべての膜の膜
厚と同様に一定であるため、モデルにおける唯一の自由
なパラメータはエッチング中の膜の厚さである。現在エ
ッチングされている膜の厚さは、ΨおよびΔのモデルの
予測値と、実時間で得られるΨおよびΔの実際のトレー
スとの間に最小誤差が見つかるまで変動する。

【００３８】このようにして、エッチング中の膜の現在
の厚さが、その厚さの初期値と、膜厚とエッチングプロ
セス中に得られるΔおよびΨの実時間値との間の関係と
に基づいて決定される。これを図９に示す。図９は、膜
厚を時間の関数として示す。図９は、ＴｉＮ／ポリシリ
コン二重膜の厚さの変化を時間の関数として示してい
る。ＴｉＮ層がポリシリコン層の上にあるため、ＴｉＮ
層２００は、ポリシリコン層２１０がエッチングされる
前にエッチングされる。膜厚は、エッチングが進行する
とともにΔおよびΨの値をモニタし、前記のようにして
モデルを用いて膜厚を継続的に更新することによって決
定される。図９は、本発明のプロセスにより作業者が実
時間で膜厚を観測することができることを示している。
堆積またはエッチングのプロセス中に実時間で膜厚を測
定することができることによって、プロセスは高精度で
制御される。

【００３９】例えば、プラズマエッチングプロセスの場
合、下の層にまでエッチングが進む前にエッチング速度
を下げることが可能であり、それにより、オーバーエッ
チングの量を減少させることができる。二重膜（例えば
上記のＴｉＮ／ポリシリコン膜）の場合、プラズマ条件
は各層ごとに異なることが多い。エッチング中に上部層
の厚さをモニタすることによって、作業者は、エッチン
グが二つの層の間の界面に近づく時を知る。作業者は、
この観測に応じてプラズマ条件を変えることによって、
よりよいプロセス制御を行うことが可能となる。

【００４０】本発明のプロセスは、実時間で厚さを測定
するために用いられるが、図９に示したように、時間の
関数としてのＴｉＮ層の厚さは、膜厚が９００オングス
トローム以下のときにのみ測定可能である。膜厚は、モ
ニタしている信号の波長においてＴｉＮが十分に透明で
あるときにのみ測定可能であると考えられる。

【００４１】上記のように、実施例によっては、サンプ
ルから反射される偏光をいくつかの波長で記録する。こ
れにより、サンプルに関してさらに多くの情報が得られ
る。例えば、図７のトレースにおいて、ポリシリコン膜
が２．０ｅＶの光子に対して透明であることが、この波
長におけるΨおよびΔのトレースにおける周期的振動か
らわかる。ポリシリコン膜は２．８ｅＶでは不透明にな
ることが、ポリシリコン膜の前半のエッチング中には振
動がなく、この領域でΨおよびΔのトレースが一定であ
ることからわかる。２．０ｅＶのトレースのみを用いて
膜厚を決定した場合、トレースの周期的性質により、モ
デルと実際のトレースとの相関をとり実際の膜厚を決定
することは困難となる。しかし、一方の信号が振動して
おり他方の信号は振動していない場合、必要な情報は容
易に抽出される。例えば、２．８ｅＶでの信号は振動し
ておらず２．０ｅＶでの信号は振動している場合、ポリ
シリコン膜の厚さは１０００オングストロームと２００
０オングストロームの間にある。２．８ｅＶおよび２．
０ｅＶの信号が両方とも振動している場合、ポリシリコ
ン膜厚は１０００オングストロームと０オングストロー
ムの間にある。厚さ範囲が決定されると、正確な膜厚
は、膜が透明である波長からの信号によって決定され
る。厚さ決定規則を言葉で説明したが、より正確にはモ
デルの使用によって実現される。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、ウ
ェハのほぼ全表面上にトポグラフィを有する小さいデザ
インルールのデバイスを製造するプロセスにおいて使用
可能なプロセス制御のための偏光解析法が実現される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いられる偏光解析器の概略図であ
る。

【図２】ブランケット膜とその上のマスクの側面図であ
る。

【図３】トポグラフィ上に堆積された窒化チタンおよび
ポリシリコンの膜と、その上のマスクの側面図である。

【図４】プラズマエッチングプロセスの後の図２の膜の
図である。

【図５】プラズマエッチングプロセスの後の図３の膜の
図である。

【図６】図２のサンプルをエッチングしたときに得られ
る偏光解析トレースおよびその偏光解析トレースをモデ
ル化する計算から得られる偏光解析トレースの図であ
る。

【図７】図３のサンプルをエッチングしたときに得られ
る偏光解析トレースおよびその偏光解析トレースをモデ
ル化する計算から得られる偏光解析トレースの図であ
る。

【図８】図３の膜をプラズマエッチングしているとき
の、波長２．０ｅＶ、２．８ｅＶ、３．３ｅＶおよび
４．０ｅＶにおけるΔおよびΨのトレースの図である。

【図９】本発明のプロセスによって決定される、膜厚と
時間の間の関係の図である。

【符号の説明】

１０入射光２０励起ヘッド２５光ファイバ３０偏光解析器４０ウェハ５０入射角６０検出ヘッド６１多波長分光器６２光ファイバ６３信号プロセッサ６４単波長モノクロメータ７０容器８０ビューポート９１非マスク領域９２マスク領域９４酸化物マスク９５窒化チタン層９６ポリシリコン層９７ゲート酸化物９８結晶シリコン基板１９０マスク領域１９１非マスク領域１９２非マスク領域１９３マスク領域１９４酸化物マスク１９５窒化チタン層１９６ポリシリコン層１９７ゲート酸化物１９９フィールド酸化物２００ＴｉＮ層２１０ポリシリコン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 ＭｏｕｎｔａｉｎＡｖｅｎｕｅ, ＭｕｒｒａｙＨｉｌｌ，ＮｅｗＪｅｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者ヘレンルイーズメイナードアメリカ合衆国、94025 カリフォルニア、メンロパーク、オークグローブアヴェニュー 402、アパートメント３

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の反射率とは異なる反射率を有する
少なくとも一つの材料層からなる膜を基板上に有し平坦
でない表面を有するサンプルを容器に入れるステップ
と、前記基板上の膜の少なくとも一部の厚さを変化させる条
件下に前記サンプルを置くステップと、前記サンプルから反射される偏光の信号を検出する少な
くとも一つの波長を選択するステップと、前記膜の厚さが変化する間に偏光の信号を生成し該信号
を前記サンプルに入射させるステップと、前記サンプルから反射される偏光の信号を検出し、偏光
の入射面に平行な偏光および垂直な偏光の強度の時間に
関するトレースを取得するステップと、検出したトレースを、選択された波長において前記基板
上の膜の厚さを近似するモデルトレースと比較するステ
ップと、前記モデルトレースを取得したトレースに当てはめるこ
とによって前記基板上の膜の厚さを決定するステップと
からなることを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項２】膜の厚さを変化させるためにプラズマエ
ッチングを用いることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】複数の波長を選択し、選択された各波長
においてモデルトレースを生成することを特徴とする請
求項２の方法。
【請求項４】前記膜における少なくとも一つの材料層
は前記選択された波長のうちの一つにおいて光に対して
ほとんど透明であることを特徴とする請求項３の方法。
【請求項５】偏光は偏光解析器によって生成され検出
されることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項６】入射偏光解析信号によって膜上に規定さ
れる領域における膜厚および異なる反射率の面積を近似
し、入射偏光解析信号によって規定される領域における
異なる反射率の各面積の相対的な大きさを近似し、基板
上の膜の反射率を時間の関数として決定することによっ
て、モデルトレースが生成されることを特徴とする請求
項５の方法。
【請求項７】二酸化シリコンのパターン形成された層
が前記膜上に形成されることを特徴とする請求項６の方
法。
【請求項８】前記膜は、窒化チタンとポリシリコンの
二重膜であることを特徴とする請求項７の方法。
【請求項９】実際のトレースに対応するモデルトレー
スを与える膜厚を選択するステップと、前記基板上の膜の厚さを変化させるために用いた条件下
で膜厚と時間の間の関係を測定するステップと、該関係を用いて、前記基板上の膜の厚さを変化させる後
続のプロセスをモニタするステップとをさらに有するこ
とを特徴とする請求項６の方法。
【請求項１０】基板を含むサンプルを容器に入れるス
テップと、前記基板上の膜の厚さを変化させる条件下に前記サンプ
ルを置くステップと、前記サンプルから反射される偏光の信号を検出する少な
くとも一つの波長を選択するステップと、前記膜の厚さが変化する間に偏光の信号を生成し該信号
を前記サンプルに入射させるステップと、前記サンプルから反射される偏光の信号を検出し、入射
面に平行な偏光および垂直な偏光の強度の時間に関する
トレースを取得するステップと、検出したトレースと同じ波長において、入射面に平行な
偏光および垂直な偏光の強度の時間に関するモデルトレ
ースを生成するステップと、前記モデルトレースを検出したトレースに当てはめるこ
とによって前記膜の厚さを決定するステップとからなる
ことを特徴とするデバイス製造方法。
【請求項１１】前記基板は、最初にある時間プラズマ
エッチング条件下に置かれる前に該基板上に膜を有し、
厚さの変化は、決定される膜の厚さから実時間で決定さ
れることを特徴とする請求項１０の方法。
【請求項１２】実時間での膜の厚さの変化をプラズマ
エッチングプロセスの経過時間と比較し、膜の厚さとプ
ラズマエッチングプロセス時間の間の所定の関係から決
定されるプロセスの終点の前のある時刻においてプラズ
マエッチングプロセス条件を変化させることによってプ
ラズマエッチングプロセスを制御するステップをさらに
有することを特徴とする請求項１０の方法。