JP5050830B2 - ドライエッチング装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
上記エッチング工程は、ドライエッチング工程とウエットエッチング工程がある。そのうち、ドライエッチング工程に着目すると、2つの大きな技術的課題がある。
一つは、加工寸法(CD:Critical Dimension)の制御の問題である。
もう一つは、FDC(Fault Detection and Classification)システムのエッチングレート管理値(閾値)の最適化の問題である。
このシステムでは、事前に設定しておいた補正条件を基に自動プロセス制御がされる。しかし、高精度の補正にはマスク毎にプロセスエンジニアが膨大な実測データを取得する必要があり、実際の補正精度には限界がある。
現状の生産ラインでは、プロセスエンジニアによるエッチング条件の検討や光学的近接補正(OPC:Optical Proximity Correction)を複数回繰り返すことでエッチング条件を決定し、ウエハ間、ロット間のばらつきをプロセス補正システム(APC)で微補正する手法がとられている。この微補正は、例えば、主にエッチング時間を調整する。
そのため、デバイスごとの開発工数やマスクのコスト増加などが大きな問題となっている。
また、図17に示すように、局所(ローカル)領域の開口率(被エッチング領域の2次元面積)とゲート寸法変換差ΔCDとの関係はパターン形状、パターン間隔によって依存性があり、一定の関係を有していない。
また、図18に示すように、局所(ローカル)パターンの立体角(あるターゲット点から見通せる視野領域を表す3次元的角度)とゲート寸法変換差ΔCDとの関係は相関関係があることがわかっている。
よって、上記2要因を考慮して堆積物量、すなわち、エッチングによる反応生成物フラックス(ウエハ開口率に依存)と局所(ローカル)パターンの立体角の積値を、プロセスパラメータの補正により制御することが正確な加工寸法制御には非常に重要となってくる。
しかしながら、従来のプロセス補正システムや上記特許文献1、2に代表される制御方法では、上述したウエハ開口率および立体角とその時間変動の効果を考慮しておらず、ナノメートルスケールの加工寸法(CD)ばらつきが問題となる次世代デバイス加工に対して不十分である。例えば、65nm世代では加工寸法(CD)制御の精度として±3nm(3σ)が要求される。
このFDCシステムのドライプロセス管理値、特にエッチングレートに関しては、ある一定のレート値とそのしきい値をこれまでの実測結果を基に手動設定している。
しかし、レートしきい値の範囲内における加工寸法(CD)変動を正確に考慮して値を設定しているわけではない。
所望の加工寸法(CD)を許容値の範囲内で実現できるように、より精度の高いリアルタイムのエッチングレート管理値(レート閾値)設定・異常検知の有効な手段が求められている。
そのように予測計算されたプロセスパラメータをドライエッチング装置内の制御部を介してエッチングチャンバにリアルタイムにフィードバックすることができるので、寸法の正確な自動制御を行うことができる。
上記モニター21には、例えば、プロセス補正に必要な、エッチングチャンバ11内のプラズマ状態、例えばプラズマ密度を測定するプローブが設けられている。このようなプローブとしてラングミュアプローブを用いることができる。
また、エッチング雰囲気中のラジカル・イオン種を測定する質量分析器が設けられている。このような質量分析器として四重極質量分析器(QMS:Quadrupole mass Spectrometer)を用いることができる。
一方、ラジカル・イオンの発光強度の測定のために、発光分光計(OES)が実装されている。
さらに、プラズマのシース領域でのイオンの加速エネルギーを測定するイオンエネルギースペクトルアナライザーが実装されている。
これらでプラズマ状態(電子密度、電子温度、発光強度、イオンエネルギー)をエッチング中随時モニタリングする。
上記形状シミュレータ31は、直接ドライエッチング装置に搭載されていなくとも構わず、例えば、ネットワークによってドライエッチング装置1とつながれたものであってもよい。このネットワークとしては、シリアルやイーサーネットなどのLANが一例として挙げられる。
また、上記形状シミュレータ31のシミュレータエンジンは、種々のプログラム言語を用いることができ、一例としてFortran77/90/95、C、C++、JAVA(登録商標)などのプログラム言語を用いることができる。
・膜厚について
フォトレジスト膜厚:100nm〜600nm
反射防止膜厚:50nm〜100nm
シリコン膜厚:40nm〜300nm
プラズマ密度:109cm-2〜1012cm-3
電子温度:0.5eV〜7eV
イオンフラックス:109cm-2〜1017cm-2
ラジカルフラックス:109cm-2〜1020cm-2
イオンエネルギー:10eV〜1000eV)
圧力:0.13Pa〜67Pa
ガス種: 臭化水素(HBr)、酸素(O2)、塩素(Cl2)
流量:0.13Pa〜267Pa
パワー:0W〜2000W
下部電極温度:10℃〜100℃)
開口率0%-100%
として、局所(ローカル)パターン構造に対して計算を行い、加工寸法変換差ΔCD、テーパ角、エッチングレート値についてのデータベース(例えばデジタルデータベース)を上記形状シミュレータ31のデータベースに作成しておく。
そして、ステップS12の「シミュレータによる計算(データベースからの補正値の取得)」で上記データベースからの補正値を取得する。この詳細については、図4によって説明する。
上記ステップS15の「エッチング終了?」において、エッチングが未終了と判断された場合には、ステップS16の「時間発展」によって、現時点のエッチング状況に基づいて、新たな補正値を取得するために、上記ステップS12の「シミュレータによる計算(データベースからの補正値の取得)」以降を繰り返し行う。
一方、最良値T’での加工寸法(CD)が許容スペックを外れている場合には、次のステップS103の「モニタリング信号と最良値T’で照合」によって、例えば、上記エッチングチャンバ11内のガス圧力データで、所望の加工寸法(CD)を満たす最良値P’を補間法によって求める。
一方、最良値P’での加工寸法(CD)が許容スペックを外れている場合には、次のステップS105の「モニタリング信号と最良値T’と最良値P’で照合」によって、例えば、上記エッチングチャンバ11内の下部バイアスパワーデータで、所望の加工寸法(CD)を満たす最良値Wb’を補間法によって求める。
一方、最良値Wb’での加工寸法(CD)が許容スペックを外れている場合には、次のステップS107の「モニタリング信号と最良値T’と最良値P’と最良値Wb’で照合」によって、例えば、上記エッチングチャンバ11内のトップバイアスパワーデータで、所望の加工寸法(CD)を満たす最良値Wt’を補間法によって求める。
一方、最良値Wt’での加工寸法(CD)が許容スペックを外れている場合には、次のステップS109の「FDC部へエラー信号発信」によって、例えば、上記FDC部41へエラー信号発信する。
そのように予測計算されたプロセスパラメータをドライエッチング装置1内の制御部13を介してエッチングチャンバ11にリアルタイムにフィードバックすることができるので、寸法の正確な自動制御を行うことができる。
このように、エッチング時にリアルタイムにプロセスパラメータ補正を行うことが可能であるので、ウエハ面内、ウエハ間、ロット間にわたる安定した加工寸法の自動制御を提供できる。
これにより、リアルタイムに所望の加工寸法(CD)を実現できる堆積物量の制御に関係する最適プロセスパラメータとして、例えば、ガス圧力(もしくは流量)、パワー、下部電極温度等を予測計算し、制御部13を介してエッチングチャンバ11にパラメータ補正をかけることが可能になる。
・膜厚について
フォトレジスト膜厚:100nm〜600nm
反射防止膜厚:50nm〜100nm
シリコン膜厚:40nm〜300nm
プラズマ密度:109cm-2〜1012cm-3
電子温度:0.5eV〜7eV
イオンフラックス:109cm-2〜1017cm-2
ラジカルフラックス:109cm-2〜1020cm-2
イオンエネルギー:10eV〜1000eV)
圧力:0.13Pa〜67Pa
ガス種: 臭化水素(HBr)、酸素(O2)、塩素(Cl2)
流量:0.13Pa〜267Pa
パワー:0W〜2000W
下部電極温度:10℃〜100℃)
開口率0%-100%
とする。
そして、ステップS22の「シミュレータによる計算(加工形状をリアルタイムに予測)」で上記モニター21から取得した測定値およびプロセスレシピ値に基づいて補正値を得る。この詳細については、図6によって説明する。
上記ステップS25の「エッチング終了?」において、エッチングが未終了と判断された場合には、ステップS26の「時間発展」によって、現時点のエッチング状況に基づいて、新たな補正値を取得するために、上記ステップS22の「シミュレータによる計算(加工形状をリアルタイムに予測)」以降を繰り返し行う。
そして、ステップS202の「ターゲット立体角の計算」でターゲット立体角を計算する。すなわち、局所パターン(例えば、ターゲットを中心とした2μm半径領域以内のパターン)のデータおよびエッチングレートを用いて計算ステップ毎(0.1秒)にリアルタイムに行う。フォトレジスト/反射防止膜/シリコン膜/ゲート酸化膜=250nm/80nm/50nm/3nmの膜厚を有する多層膜構造を持つトランジスタゲートおよびその2μm周辺を考え、数1および数2に示した(1)式および(2)式によって有効立体角S’を計算する。
ここで、図7に示すように、(1)式〜(3)式に表される、Sは基準点からみた立体角、L1は基準点における立体角Sで作られる角錐の錘面中心までの距離、θは基準点から立体角Sで作られる角錐の錘面中心に向かう線とその錘面の法線とのなす角、L1’は基準点における有効立体角S’で作られる円錐の錘面までの法線距離、L2は基準点からその錘面の外周までの距離、R’はその錘面の半径である。
もちろん立体角の適用パターンはこの限りではなく、様々な局所(ローカル)構造と多層膜種および膜厚へ適用可能である。
以下の(4)式〜(8)式において、φは被覆率、Sは吸着確率、Yはエッチイールド、ρは密度である。また(4)式〜(8)式において、ΓpおよびΓqは、Γdに相当する。
上記エッチング表面層の反応は、図8に示すように、例えば、臭化水素(HBr)/酸素(O2)ガス系でのエッチング反応とする。塩素(Cl2)などのハロゲン系であれば、同じような反応経路となる。また、上記堆積物量Γdとしては、SiBrx、SiOxBryといった臭化物系反応生成物となる。
塩素(Cl2)ガス:20cm3/min
酸素(O2)ガス:20cm3/min
ソース電力:200W
バイアス電力:70W
圧力: 2.7Pa
下部電極温度:55℃
臭化水素(HBr)ガス:150cm3/min
酸素(O2)ガス:2cm3/min
ソース電力:200W
バイアス電力:100W
圧力:2.0Pa
下部電極温度:55℃
所望のエッチング形状になっている場合には、エッチングを停止する。
一方、所望のエッチング形状になっていない場合には、ステップS6の「時間発展」により、例えば上記のようにして自動検出した補正後パラメータに基づき、前記制御部13を介してエッチングチャンバ11にリアルタイムにフィードバックをかける。
このことで、ターゲットに入射する堆積物量を制御し、所望の加工寸法(CD)に対して、ウエハ面内/ウエハ間/ロット間でのばらつきを制御する。
その結果、所望の変換差ΔCD=−20±3nmおよびテーパ角度86±2度を実現できた。
このように、エッチング時にリアルタイムにプロセスパラメータ補正を行うことが可能であるので、ウエハ面内、ウエハ間、ロット間にわたる安定した加工寸法の自動制御を提供できる。
インプットパラメータはプロセスレシピ値とし、補正時にはこれらのパラメータを例えば±50%の範囲で振り、最適パラメータを検出する。振り幅は、適宜設定することができる。
精度向上には、予めリファレンスとなるプラズマおよび形状実測データを取得しモデル計算値をキャリブレーションしておく。計算負荷から、主にオフラインでの使用とすることが好ましい。
そして、ステップS32の「気相モジュールによる計算」によって、気相中での時間変動するラジカル・イオン量を予測計算する。
上記ステップS32からステップS34までをオンラインで処理する。
上記ステップS37の「エッチング終了?」において、エッチングが未終了と判断された場合には、ステップS38の「時間発展」によって、現時点のエッチング状況に基づいて、新たな補正値を取得するために、上記ステップS32の「気相モジュールによる計算」、ステップS33の「シースモジュールによる計算」以降を繰り返し行う。
そして、ステップS42の「気相モジュールによる計算」によって、気相中での時間変動するラジカル・イオン量を予測計算する。
上記ステップS42からステップS44までをオフラインで処理する。
上記ステップS48の「エッチング終了?」において、エッチングが未終了と判断された場合には、ステップS49の「時間発展」によって、現時点のエッチング状況に基づいて、新たな補正値を取得するために、上記ステップS42の「気相モジュールによる計算」、ステップS43の「シースモジュールによる計算」以降を繰り返し行う。
このように、エッチング時にリアルタイムにプロセスパラメータ補正を行うことが可能であるので、ウエハ面内、ウエハ間、ロット間にわたる安定した加工寸法の自動制御を提供できる。
デジタルデータベースとプロセスレシピ設定値から所望の加工寸法(CD)のスペックを実現するエッチングレート領域を割り出す方法は、前記第1実施例で述べたスプライン補間・照合で行うことができる。
一方、デジタルデータベースとドライエッチング装置1のプラズマモニタリング信号から、リアルタイムで各プロセスステップでの予想エッチングレートを前記第1実施例、第2実施例のいずれかのシミュレータアルゴリズムで計算し(図13中の矢印Bに相当)、上記自動設定したFDCしきい値とエッチング中随時比較することで、所望の加工寸法(CD)をスペック内で達成できるエッチングレートの監視・異常検知を行う。
その結果、上記エッチングレートBがエッチングレートAの許容範囲内にある場合には、ステップS56の「時間発展」によって、現時点のエッチング状況に基づいて、新たなエッチングレートを取得するために、上記ステップS51の「インプットパラメータ」以降を繰り返し行う。
Claims (10)
- ウエハ開口率、局所パターンの立体角、およびドライエッチング中のエッチング状態から検出された実測値に応じて、反応生成物フラックスと立体角の積で表される加工側壁に入射する堆積物量を予測し、当該局所パターンが所望の加工寸法となるようにエッチングプロセスのパラメータの補正値を算出する形状シミュレータと、
前記形状シミュレータで算出された補正値にしたがって、エッチングチャンバで行うエッチングプロセスのパラメータをリアルタイムに補正する制御部と、
を備えたドライエッチング装置。 - 前記エッチングチャンバ内で生成されるプラズマから検出されるモニタリング信号を基に被加工パターンの加工側壁に入射する堆積物量が常に一定になるように、エッチングプロセスのパラメータをリアルタイムに補正する
請求項1記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、エッチング進行に伴う局所パターンの立体角の時間変動をシミュレーション予測することにより、前記堆積物量をリアルタイムに予測して前記補正値をリアルタイムで算出し、
前記制御部では、前記補正値にしたがって前記エッチングプロセスのパラメータをリアルタイムで制御する
請求項1または2記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータにより求められたエッチングレートを用いて、
欠陥検出と分類を行うFDC部のエッチングレート管理値をエッチングプロセス毎もしくはデバイス毎にリアルタイムに補正する
請求項1〜3の何れかに記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、
前記エッチングチャンバに設けたプロセス状態を測定するモニターの測定値およびプロセスレシピ値を入力する第1ステップと、
予め作成しておいたデータベースから補正値を取得する第2ステップと、
前記取得した補正値を前記制御部に受け渡す第3ステップと、
エッチングを終了させてよいか、否かを判断する第4ステップと、
前記第4ステップにおいて、エッチングが未終了と判断された場合に、前記第2ステップを行うようにする第5ステップと、
前記第4ステップにおいて、エッチング終了と判断された場合に、シミュレーションを終了する第6ステップとを有する
請求項1〜4の何れかに記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、
前記エッチングチャンバに設けたプロセス状態を測定するモニターの測定値およびプロセスレシピ値を入力する第1ステップと、
前記モニターから取得した測定値およびプロセスレシピ値に基づいて補正値を得る第2ステップと、
前記取得した補正値を前記制御部に受け渡す第3ステップと、
エッチングを終了させてよいか、否かを判断する第4ステップと、
前記第4ステップにおいて、エッチングが未終了と判断された場合に、前記第2ステップを行うようにする第5ステップと、
前記第4ステップにおいて、エッチング終了と判断された場合に、シミュレーションを終了する第5ステップとを有する
請求項1〜4の何れかに記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、
プロセスレシピ値を入力する第1ステップと、
気相中での時間変動するラジカル・イオン量を予測計算する第2ステップと、
イオンのエネルギー分布および入射角度分布を予測計算する第3ステップと、
所望の加工寸法を満たす最適プロセス値を決定する第4ステップと、
前記取得した補正値を前記制御部に受け渡す第5ステップと、
エッチングを終了させてよいか、否かを判断する第6ステップと、
前記第6ステップにおいて、エッチングが未終了と判断された場合に、前記第4ステップを行うようにする第7ステップと、
前記第6ステップにおいて、エッチング終了と判断された場合に、シミュレーションを終了する第8ステップとを有する
請求項1〜4の何れかに記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、
プロセスレシピ値を入力する第1ステップと、
気相中での時間変動するラジカル・イオン量を予測計算する第2ステップと、
イオンのエネルギー分布および入射角度分布を予測計算する第3ステップと、
所望の加工寸法を満たす最適プロセス値を時間に対して決定しデータベース化する第4ステップと、
前記データベースから補正値を時間ごとに読み出す第5ステップと、
前記取得した補正値を前記制御部に受け渡す第6ステップと、
エッチングを終了させてよいか、否かを判断する第7ステップと、
前記第7ステップにおいて、エッチングが未終了と判断された場合に、前記第2ステップもしくは第3ステップを行うようにする第8ステップと、
前記第7ステップにおいて、エッチング終了と判断された場合に、シミュレーションを終了する第9ステップとを有する
請求項1〜4の何れかに記載のドライエッチング装置。 - 前記形状シミュレータでは、
プロセスのレシピ設定値、加工寸法(CD)スペックと、前記エッチングチャンバに備えたモニターにより検出したモニタリング信号を入力する第1ステップと、
予め作成したデジタルデータベースとプロセスレシピ設定値から所望の加工寸法のスペックを実現するエッチングレートAの範囲を算出し、かつ実際のエッチングレートBを読み込む第2ステップと、
前記エッチングレートAおよびエッチングレートBを前記制御部に受け渡す第3ステップと、
前記エッチングレートAおよびエッチングレートBを前記FDC部に受け渡す第4ステップと、
前記FDC部は前記エッチングレートBがエッチングレートAの許容範囲内にあるか否かを判断する第5ステップと、
前記第5ステップにおいて、エッチングレートBがエッチングレートAの許容範囲内にある場合に、前記第1ステップ以降を繰り返し行うようにする第6ステップと、
前記る第5ステップにおいて、エッチングレートBがエッチングレートAの許容範囲内にないとされた場合に、前記FDCよりエッチング異常を知らせる第7ステップとを有する
請求項1〜4の何れかに記載のドライエッチング装置。 - ウエハ開口率、局所パターンの立体角、およびドライエッチング中のエッチング状態から検出された実測値に応じて、反応生成物フラックスと立体角の積で表される加工側壁に入射する堆積物量を予測し、当該局所パターンが所望の加工寸法となるようにエッチングプロセスのパラメータの補正値を算出する工程と、
前記算出された補正値にしたがって、エッチングチャンバで行うエッチングプロセスのパラメータをリアルタイムに補正しつつ、前記補正されたエッチングプロセスのパラメータでのエッチングにより、前記ウエハ開口率のエッチングマスクで覆われた被エッチング加工物をエッチングして前記局所パターンを形成する工程とを行う
半導体装置の製造方法。
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