專利名稱：利用v－i探針識別的等離子體蝕刻終點檢測方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及用于改善半導體加工效果的方法和控制系統，尤其涉及用于檢測介電蝕刻終點的方法。
背景技術：
等離子體加工系統已經被普遍應用了一段時間。幾年來，采用電感耦合等離子體源、電子回旋共振(ECR)源、電容源(capacitivesource)等的等離子體加工系統已經不同程度地被引入并應用于加工半導體基板和玻璃板。
在加工期間，通常涉及多個沉積和/或蝕刻步驟。在沉積期間，將材料沉積到基板表面上(如玻璃板或晶片的表面)。例如，包括各種形式的硅、二氧化硅、氮化硅、金屬等的沉積層和/或生長層可以形成在基板表面上。與之相反，進行蝕刻以便從基板表面上的預定區(qū)域將材料選擇性地除掉。例如，蝕刻的特性(或形狀)如通孔(via)、觸點(接觸)和/或溝槽可以形成在基板的層中。一些蝕刻加工可以采用同時在等離子體面化(plasma-facing)的表面上蝕刻并沉積膜的化學法和/或參數法(parameter)。
能夠使用各種等離子體產生方法(包括電感耦合、ECR、微波、電容耦合等離子體法)產生和/或維持等離子體。一種電容耦合型的等離子體加工系統的實例在圖1中示出，并用總括附圖標號150表示。等離子體加工系統150的許多部件是常見的，并可以在例如Exelan_等離子體蝕刻器系列(例如，2300 Exelan_Flex)中找到，其可以從Lam Research Corporation of Fremont，CA獲得。
在圖1中，等離子體加工系統150包括室100，其提供用于加工的外罩，以及借助于真空泵(例如，“泵”)限定排放通道用于排放蝕刻副產物。在該示例性加工系統中，室100是接地的。上電極104(在圖1所示的實例中其也是電接地的)起蝕刻劑氣源(例如，“原料氣”)分布機構的作用。將蝕刻劑氣源通過入口引入到室中，并分布于在上電極104和靜電吸盤(ESC)108之間的等離子體區(qū)中，靜電吸盤被設置在下電極106的上方。用于加工的晶片109定位在ESC 108上。
下電極106由射頻(RF)傳送系統激勵(激發(fā))，射頻(RF)傳送系統包括RF匹配網絡110和RF電源118。V-I探針(Probe)112耦接至RF匹配網絡110輸出，以便測量由RF電源118提供的參數，用于反饋控制的目的。在圖1所示的實例中，RF電源118以約2MHz和約27MHz頻率供電至下電極106。當RF電源供應RF電能至下電極106并通過ESC 108時，等離子體被引發(fā)，并保持在用于蝕刻晶片109的等離子體區(qū)102中。
探針傳感器(V-I探針112)位于RF電源的下游，并通常盡可能接近ESC。然而，可能存在限制ESC接近能夠被定位的探針的保持關系(maintenance concern)。作為一個實例，V-I探針112可以距離ESC 8～9英寸。V-I探針112和數字信號處理器(DSP)114可以是完整商業(yè)產品的一部分。一種這樣的可商購的探針產品為VI-PROBE-4100頻率掃描探針_(VI-PROBE-4100 FrequencyScanning Probe_)，其可以從MKS Instruments，Inc.，Andover，MA的MKS ENI Products商購獲得。另一種這樣的可商購的探針產品為SmartPIMTM，其可從Dublin，Ireland的Straatum Processware，Ltd.(前Scientific Systems，Ltd.)獲得。對于各種RF電源頻率，每種這樣的商業(yè)產品均能檢測電壓、電流和相位參數信息。另外，在DSP中，借助于快速傅立葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)或其它合適的方法每種均能提供用于這些參數的諧波(harmonic)。因此，等離子體加工系統的信號122能夠包括每個由V-I探針112測量的參數的所有相應諧波。然后，蝕刻工藝模塊控制器(Etch ProcessModule Controller)116能夠利用這些信息以控制一個或多個等離子體加工步驟。
在等離子體系統中用于蝕刻應用的常用工藝控制是終點檢測。用于測定終點的傳統方法包括(1)激光干涉測量法和反射率法；(2)光發(fā)射光譜法(發(fā)光光譜法)；(3)直接觀察；(4)質譜法；以及(5)基于時間的預測。到目前為止，光發(fā)射光譜法或者光學方法是在傳統等離子體加工方法中使用最廣泛的方法。對于多種加工步驟，諸如暴露區(qū)域約50％的應用(例如金屬)，發(fā)光可以精細地進行。然而，這種方法的靈敏度受到蝕刻率和待蝕刻總面積的顯著限制。尤其，對于高縱橫比(深寬比)蝕刻(如通孔)，光學終點檢測通常不可靠。許多這樣的介電蝕刻通常具有非常低的暴露面積，如可能僅僅為氧化物或介電膜總表面積的1％。光學方法作為用于這些應用的工藝標準(technology scale)變得越來越不可靠。
尤其近來，來自如上所述的可商購的探針系統的參數的應用已經用于嘗試檢測終點。這樣的方法通常利用特定參數(通常為基本波形)用于終點檢測。然而，對于不同類型的蝕刻和/或加工步驟，這樣的方法也可能不是最靈敏的終點檢測方法。因此，已知方法可能不能良好地適合生產環(huán)境。已知方法的常見問題包括在晶片與晶片間(wafer-to-wafer)生產環(huán)境中偏差控制，以及在低暴露面積蝕刻加工步驟中的低靈敏度。
所需要的是能夠針對工藝中的不同蝕刻步驟進行適應并最優(yōu)化從而適于生產環(huán)境靈活的終點檢測方法。尤其，需要在一些應用(如介電蝕刻加工步驟)中更可靠的檢測終點的方法。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個實施例，等離子體加工控制系統可以包括V-I探針，其用于有效地檢測等離子體加工室，其中該探針能夠響應于射頻(RF)電源(例如，約2MHz，約27MHz，或者約60MHz)而提供電參數；處理器，其耦接(耦合)至和/或包括能夠提供用于每個電參數的諧波的可商購探針產品；以及控制器，其耦接(耦合)至處理器上，該處理器能夠選擇至少一種電參數和至少一種用于等離子體加工應用終點檢測的相應諧波。電參數可以包括電壓、相位、電流，而等離子體加工應用可以是介電蝕刻。根據本發(fā)明實施例的系統尤其適于在生產環(huán)境中的介電蝕刻。
根據本發(fā)明的另一個實施例，一種用于檢測終點的方法可以包括進行制造終點檢測校準的方法以及進行生產環(huán)境終點檢測的方法。進行制造終點檢測校準的方法可以包括以下步驟(i)在樣品晶片上進行等離子體蝕刻；(ii)經驗地確定選擇的諧波曲線圖以檢測終點；以及(iii)獲得指示終點的諧波參數。進行生產環(huán)境終點檢測的方法包括以下步驟(i)在生產晶片上進行等離子體蝕刻；(ii)獲得選擇的諧波曲線；(iii)分析選擇的諧波曲線以檢測終點；(iv)如沒有檢測到終點，繼續(xù)等離子體蝕刻；(v)如果檢測到終點，中斷等離子體蝕刻；以及(vi)進行任何終點后行為(終點后過程，post-endpoint activity)。
在本發(fā)明的具體實施方式
部分中結合下面的附圖，將在下面對本發(fā)明的這些和其它特點進行更詳細的描述。


通過實施例的方式而不是限制的方式在附圖中各副圖中對本發(fā)明進行說明，其中相同的附圖標號對應相同的元件，其中圖1是具有V-I探針的傳統等離子體加工系統的橫截面圖。
圖2是根據本發(fā)明的一個實施例的制造實驗室終點檢測校準方法的流程圖。
圖3是根據本發(fā)明的一個實施例的生產環(huán)境終點檢測方法的流程圖。
圖4是根據本發(fā)明的一個實施例的用于終點檢測的電壓諧波波形圖。
圖5是根據本發(fā)明的一個實施例的用于終點檢測的相位諧波波形圖。
圖6是根據本發(fā)明的一個實施例的用于終點檢測的電流諧波波形圖。
圖7示出了根據本發(fā)明的一個實施例包括多個V-I探針的具體實施方式
。
具體實施例方式
參照如在附圖中示出的本發(fā)明的幾個優(yōu)選實施例，現在對本發(fā)明進行詳細描述。在下面的描述中，描述了許多具體細節(jié)以便提供對本發(fā)明的全面理解。然而，很顯然對本領域技術人員來說，沒有這些具體細節(jié)的某些或全部也可以實施本發(fā)明。換句話說，眾所周知的工藝步驟和/或結構沒有進行詳細地描述，以便不是非必要地模糊本發(fā)明。參照附圖和下面的討論，可以更好地理解本發(fā)明的特點和優(yōu)點。
如上所述，V-I探針可以用于測量電流、電壓、及其相位參數。另外，通過信號處理(例如，圖1中的DSP 114)每個諧波均能被測定。這些諧波(包括基本諧波或者第一諧波)能夠考慮用在根據本發(fā)明的實施例的終點檢測方法中。另外，這些方法適應于如由例如圖1所示的RF電源118所提供的不同頻率的選擇。根據本發(fā)明實施例的方法使得具體參數和相應的諧波的選擇在給定的RF頻率最適于終點檢測。例如，在具體實施例中，用于約2MHz的RF信號的電壓參數的第二諧波用于可靠地檢測終點。對于特定應用最優(yōu)化的終點檢測的該頻率、諧波以及參數的選擇方法將在下文進行更詳細的討論。
根據本發(fā)明的實施例，提供了一種制造終點檢測校準方法以及生產環(huán)境終點檢測方法。通常，制造終點檢測校準方法能夠顧及到針對用于終點檢測的給定頻率選擇最佳諧波和參數。另外，生產環(huán)境終點檢測方法能夠顧及到用于在生產環(huán)境中的各種工藝步驟的終點檢測的工藝控制。
在制造實驗室環(huán)境中，根據本發(fā)明實施例的一般方法如下。可以進行多個晶片(例如2至100個)的試驗蝕刻。對每個可獲得的諧波(包括基本諧波)進行檢驗，以便確定參數在終點會給出最佳信號的諧波。另外，為了考慮在生產環(huán)境中的工藝偏差，應該選擇用于試驗蝕刻的合適晶片。例如，可以選擇“名義(nominal)”工藝晶片以便最好地確定檢測邊緣(margin)的中心。
現在參照圖2，示出了根據本發(fā)明實施例的制造實驗室終點檢測校準方法的流程圖，并以總括附圖標號200表示。流程從開始202開始。接著，試驗晶片或樣品晶片的基板能夠被蝕刻給定的時間(步驟204)。接著，通過例如“經驗地”確定方法(步驟206)能夠確定蝕刻的終點時間。經驗地確定樣品晶片的終點的一種方式是通過在樣品晶片的蝕刻位置進行掃描電子顯微鏡(SEM)分析。這樣的終點預定能顧及到在每個諧波曲線上的終點檢測時間的“準確位置”。因此，能存在確定終點的預定方式(例如，樣品晶片的SEM分析)，然后觀測所有可獲得的曲線，以便經驗地確定能提供最佳相應終點指示物(indicator)的曲線。
接著，如果沒有檢測到終點，則判定框208可以發(fā)送流程返回至204。另外，超過終點時間流程能夠進行新基板蝕刻，并記錄V-I探針信號(步驟210)。接著，對給定RF頻率的諧波曲線(包括電壓、電流以及相位參數)進行分析和比較，以便確定在已知的終點時間附近終點的最靈敏信號(步驟212)。接著，定義終點諧波算法(步驟214)。當然，在一些應用中，第一諧波或基本波形可以是對于根據各實施例的終點檢測最適合的。在一個實施例中，發(fā)現了在約2 MHz電源中用于電壓參數的第二諧波，以提供用于介電蝕刻應用的最佳終點檢測。另外，步驟214可以包括選擇由所選擇的諧波找到終點的數學方法(即，“算法”)。這樣的可能算法或方法將在下面進行更詳細的討論。在一個實施例中，所選定的算法以及諧波/參數組合可以被編程于安裝在例如圖1所示的蝕刻工藝模塊控制器116的軟件中。回到圖2，流程能夠繼續(xù)，進行新基板蝕刻(步驟216)。接著，用獨立的方法(或器件)校驗終點精確度(步驟218)。流程能夠在步驟220完成。
現在參照圖3，示出了根據本發(fā)明實施例的生產環(huán)境終點檢測方法的流程圖，并以總括附圖標號350表示。流程從開始300開始。首先，裝載晶片(步驟302)。接著，開始在晶片上蝕刻(步驟304)。然后，可以蝕刻基板(例如，生產晶片的基板)，同時監(jiān)測V-I探針信號(步驟306)。接著，測量V-I信號(步驟308)，然后進行分析(步驟310)。分析能包括使用傳統算法以檢測來自曲線的終點。另外，可以使用(各種)方法，諸如斜率檢測的變化、振幅比較、或者可以用于傳統光學檢測方法中的任何標準技術，包括綜合多種信號(例如電壓和相位)的多元(多變量)技術(multivariate technique)。另外，可以將時間窗口結合到檢測方法中，從而使得其中預期的終點時間范圍能夠有效地在諧波曲線上突出。來自曲線的終點檢測的更詳細內容將參照圖4在下文中討論。
在圖3中，在步驟310之后，如果還沒有檢測到終點，則判定框312發(fā)送流程至繼續(xù)蝕刻的步驟314。然后，流程從步驟314可以進行到步驟308。如果檢測到終點，則可以進行終點后行為(活化，post-endpoint activity)，如蝕刻指定的附加時間周期或者替代其它化學品或者任何其它的加工行為(步驟316)。流程能夠在步驟318完成。
根據本發(fā)明的實施例，有許多可以使用的可能工藝配方(process recipe)和晶片堆疊組合。根據本發(fā)明實施例的試驗方法中所使用的一個示例性配方示于下表中。圖4-6示出了相應的諧波波形，并在下文中詳細討論。

現在參照圖4，示出了根據本發(fā)明實施例的用于終點檢測的電壓諧波波形圖，并以總括附圖標號400表示。這是一個示例性波形瞬態(tài)圖，示出了使用用于終點檢測的基本諧波或二次諧波曲線的可能性。如上所述，普通方法可以用于確定在給定RF頻率下的參數(例如，電壓、電流、或相位)的最佳諧波。通常，可以使一個波形優(yōu)于另一個波形的特性包括終點附近的最大振幅變化，以及晶片與晶片間(wafer-to-wafer)可重復和可復制的最大振幅變化。這種重復性對于生產環(huán)境是重要的特性。
在圖4中，波形402示出了用于約27MHz的RF頻率的電壓參數的第一諧波(即基本諧波)曲線。根據該圖，將終點確定為對應于區(qū)域406。作出這種確定的一種這樣的方法為尋找曲線上的最小值(波谷)的算法，可能包括濾波以使小變化(較高頻率)平滑。另外，如上所述，延遲因子可以用于“括住”或形成終點附近的窗口，因為人們不能及時預測終點在某一點之前或之后發(fā)生。其它可能方法包括利用信號振幅差異、導函數、比例、或者任何其它標準技術。圖1中的蝕刻工藝模塊控制器116例如可以進行濾波和用于終點檢測的最小值的識別，如由軟件控制的程序化那樣。在圖4中，波形404示出了用于約2MHz的RF頻率的電壓參數的第二諧波曲線。類似地，如所示的那樣，波形示出了用于確定終點的特性。因此，根據本發(fā)明的實施例，波形402或者波形404都可以有效地被選定，并用于終點檢測。
現在參照圖5，示出了根據本發(fā)明實施例的用于終點檢測的相位諧波波形圖，并以總括附圖標號500表示。波形502示出了用于約27MHz的RF頻率的相位參數的第一諧波(即基本諧波)曲線。如所標示的，根據該圖可以確定終點。波形504示出了用于約2MHz的RF頻率的相位參數的第二諧波曲線。如從圖中能看出的那樣，用于約2 MHz相位參數第二諧波曲線比用于約27MHz相位參數基本諧波曲線確定終點更困難。因此，可以選擇其它參數和/或諧波以確定對于約2MHz RF電源的終點。
現在參照圖6，示出了根據本發(fā)明實施例的用于終點檢測的電流諧波波形圖，并以總括附圖標號600表示。波形602示出了用于約2MHz的RF頻率的電流參數的第二諧波曲線。如所標示的那樣，根據該圖可以確定終點。因此，電壓、相位、以及電流參數每一個都具有適于根據本發(fā)明實施例的終點檢測的諧波。在其它應用中，其它參數和/或諧波可以提供最佳的終點檢測曲線。
對于同時給上電極和下電極提供RF電源的系統，V-I探針可以單獨設置有下電極，單獨設置有上電極，或者設置有兩個電極。圖7示出了可替換的實施例，其中V-I探針732和相應的DSP734設置有上供電電極704。V-I探針712和DSP 714設置有下供電電極708。上供電電極704還設置有相關的部件，包括RF匹配網絡730、RF電源728、以及上電極絕緣體738用于使上電極704與接地的室700絕緣。在圖7所示的實施例中，終點信號能夠由V-I探針712、V-I探針732或者由兩個V-I探針測量。
盡管通過幾個優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但是存在的改變、替換、以及等同物均落入本發(fā)明的范圍內。例如，在示例性實施例中存在三個參數電壓、相位、以及電流，但是可以采用任何合適數量的參數和/或參數的組合。另外，可以優(yōu)選不同諧波，并且一個系統或應用和另一個可以是不同的，可以對于不同的系統或應用經驗地進行確定。同樣，可獲得更多的相位系統諧波，如V-I探針系統改善，因此，這樣的可獲得的諧波也在本發(fā)明的范圍內。作為進一步的實例，第五、第六、第七等諧波曲線可以提供根據本發(fā)明實施例的最有效的終點檢測。盡管約2MHz、約27MHz、以及約60MHz的RF頻率作為示例性RF頻率被提及，作為其它實例也可以采用任何其它RF頻率或者可用于等離子體加工系統的合適類型的頻率。應該注意，存在許多實施本發(fā)明的系統或方法的可替換方式。因此，所附的權利要求書解釋為包括落入在本發(fā)明的實質精神和范圍內的所有這些改變、替換、以及等同物。
權利要求
1.一種等離子體加工控制系統，包括探針，耦接至等離子體加工室的電極和射頻(RF)發(fā)生器上，其中，所述探針被構造成當所述RF發(fā)生器被激發(fā)時，提供與多種電參數相關的數據；處理器，耦接至所述探針上，并構造成為每一種所述多種電參數提供多種諧波；控制器，耦接至所述處理器上，并構造成選擇所述多種電參數中預定的一種電參數以及用于等離子體加工步驟的終點檢測的多種諧波中預定的一種諧波。
2.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述RF發(fā)生器提供約2MHz的頻率。
3.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述RF發(fā)生器提供約27MHz的頻率。
4.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述RF發(fā)生器提供約60MHz的頻率。
5.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種電參數包括電壓。
6.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種電參數包括相位。
7.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種電參數包括電流。
8.根據權利要求5所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種諧波包括第一和第二諧波。
9.根據權利要求6所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種諧波包括第一和第二諧波。
10.根據權利要求7所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種諧波包括第一和第二諧波。
11.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述多種諧波中預定的一種諧波不是第一諧波。
12.根據權利要求1所述的等離子體加工控制系統，其中，所述等離子體加工步驟包括介電蝕刻。
13.一種用于檢測等離子體加工室中等離子體加工步驟的終點的方法，包括接收第一數據，所述第一數據識別給定的電參數以及所述給定的電參數的給定諧波；提供等離子體加工控制系統，包括探針，耦接至所述等離子體加工室的電極和射頻(RF)發(fā)生器上，其中，將所述探針構造成當所述RF發(fā)生器被激發(fā)時，提供與多種電參數相關的第二數據；以及處理器，耦接至所述探針上，并構造成提供來自第二數據的第三數據，所述第三數據與所述多種電參數的一種具體電參數的具體諧波相關，所述具體電參數與所述給定的電參數為相同類型，所述具體諧波與所述給定的諧波為相同級；以及采用所述第三數據用于所述檢測。
14.根據權利要求13所述的方法，其中，所述第一數據還包括識別在所述給定的電參數的給定諧波中的所希望的終點特性的參數。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述給定諧波不是所述給定的電參數的第一級諧波。
16.根據權利要求15所述的方法，其中，所述RF發(fā)生器提供約2MHz的頻率。
17.根據權利要求15所述的方法，其中，所述RF發(fā)生器提供約27MHz的頻率。
18.根據權利要求15所述的方法，其中，所述RF發(fā)生器提供約60MHz的頻率。
19.根據權利要求15所述的方法，其中，所述多種電參數包括電壓。
20.根據權利要求15所述的方法，其中，所述多種電參數包括相位。
21.根據權利要求15所述的方法，其中，所述多種電參數包括電流。
22.根據權利要求15所述的方法，其中，所述等離子體加工步驟包括介電蝕刻。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種等離子體加工控制系統，包括V－I探針，其用于有效檢測等離子體加工室，其中該探針能夠響應于射頻(RF)電源(例如，約2MHz、約27MHz、或者約60MHz)而提供電參數；處理器，其耦合至和/或包括有能夠提供用于每個電參數的諧波的可商購的探針產品；以及控制器，其耦接至處理器上，該處理器能夠選擇至少一種電參數和至少一種用于等離子體加工應用終點檢測的相應諧波。電參數可以包括電壓、相位、電流，而等離子體加工應用可以是介電蝕刻。根據本發(fā)明實施例的系統可以尤其適于在生產環(huán)境中介電蝕刻。
文檔編號C23F1/00GK1998069SQ200580010472
公開日2007年7月11日 申請日期2005年3月30日 優(yōu)先權日2004年3月30日
發(fā)明者阿芒·阿沃揚, 弗朗索瓦·錢德拉塞克爾·達薩帕, 布賴恩·麥克米林 申請人:朗姆研究公司