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CN1998069A - 利用v－i探针识别的等离子体蚀刻终点检测方法 - Google Patents

利用v－i探针识别的等离子体蚀刻终点检测方法 Download PDF

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CN1998069A
CN1998069A CNA2005800104724A CN200580010472A CN1998069A CN 1998069 A CN1998069 A CN 1998069A CN A2005800104724 A CNA2005800104724 A CN A2005800104724A CN 200580010472 A CN200580010472 A CN 200580010472A CN 1998069 A CN1998069 A CN 1998069A
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CN
China
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plasma processing
harmonics
control system
probe
harmonic
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CNA2005800104724A
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阿芒·阿沃扬
弗朗索瓦·钱德拉塞克尔·达萨帕
布赖恩·麦克米林
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Lam Research Corp
Original Assignee
Lam Research Corp
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Abstract

本发明披露了一种等离子体加工控制系统，包括：V－I探针，其用于有效检测等离子体加工室，其中该探针能够响应于射频(RF)电源(例如，约2MHz、约27MHz、或者约60MHz)而提供电参数；处理器，其耦合至和/或包括有能够提供用于每个电参数的谐波的可商购的探针产品；以及控制器，其耦接至处理器上，该处理器能够选择至少一种电参数和至少一种用于等离子体加工应用终点检测的相应谐波。电参数可以包括电压、相位、电流，而等离子体加工应用可以是介电蚀刻。根据本发明实施例的系统可以尤其适于在生产环境中介电蚀刻。

Description

利用V-I探针识别的等离子体蚀刻终点检测方法
技术领域
本发明总体涉及用于改善半导体加工效果的方法和控制系统，尤其涉及用于检测介电蚀刻终点的方法。
背景技术
等离子体加工系统已经被普遍应用了一段时间。几年来，采用电感耦合等离子体源、电子回旋共振(ECR)源、电容源(capacitivesource)等的等离子体加工系统已经不同程度地被引入并应用于加工半导体基板和玻璃板。
在加工期间，通常涉及多个沉积和/或蚀刻步骤。在沉积期间，将材料沉积到基板表面上(如玻璃板或晶片的表面)。例如，包括各种形式的硅、二氧化硅、氮化硅、金属等的沉积层和/或生长层可以形成在基板表面上。与之相反，进行蚀刻以便从基板表面上的预定区域将材料选择性地除掉。例如，蚀刻的特性(或形状)如通孔(via)、触点(接触)和/或沟槽可以形成在基板的层中。一些蚀刻加工可以采用同时在等离子体面化(plasma-facing)的表面上蚀刻并沉积膜的化学法和/或参数法(parameter)。
能够使用各种等离子体产生方法(包括电感耦合、ECR、微波、电容耦合等离子体法)产生和/或维持等离子体。一种电容耦合型的等离子体加工系统的实例在图1中示出，并用总括附图标号150表示。等离子体加工系统150的许多部件是常见的，并可以在例如Exelan_等离子体蚀刻器系列(例如，2300 Exelan_Flex)中找到，其可以从Lam Research Corporation of Fremont，CA获得。
在图1中，等离子体加工系统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蚀刻副产物。在该示例性加工系统中，室100是接地的。上电极104(在图1所示的实例中其也是电接地的)起蚀刻剂气源(例如，“原料气”)分布机构的作用。将蚀刻剂气源通过入口引入到室中，并分布于在上电极104和静电吸盘(ESC)108之间的等离子体区中，静电吸盘被设置在下电极106的上方。用于加工的晶片109定位在ESC 108上。
下电极106由射频(RF)传送系统激励(激发)，射频(RF)传送系统包括RF匹配网络110和RF电源118。V-I探针(Probe)112耦接至RF匹配网络110输出，以便测量由RF电源118提供的参数，用于反馈控制的目的。在图1所示的实例中，RF电源118以约2MHz和约27MHz频率供电至下电极106。当RF电源供应RF电能至下电极106并通过ESC 108时，等离子体被引发，并保持在用于蚀刻晶片109的等离子体区102中。
探针传感器(V-I探针112)位于RF电源的下游，并通常尽可能接近ESC。然而，可能存在限制ESC接近能够被定位的探针的保持关系(maintenance concern)。作为一个实例，V-I探针112可以距离ESC 8～9英寸。V-I探针112和数字信号处理器(DSP)114可以是完整商业产品的一部分。一种这样的可商购的探针产品为VI-PROBE-4100频率扫描探针_(VI-PROBE-4100 FrequencyScanning Probe_)，其可以从MKS Instruments，Inc.，Andover，MA的MKS ENI Products商购获得。另一种这样的可商购的探针产品为SmartPIMTM，其可从Dublin，Ireland的Straatum Processware，Ltd.(前Scientific Systems，Ltd.)获得。对于各种RF电源频率，每种这样的商业产品均能检测电压、电流和相位参数信息。另外，在DSP中，借助于快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)或其它合适的方法每种均能提供用于这些参数的谐波(harmonic)。因此，等离子体加工系统的信号122能够包括每个由V-I探针112测量的参数的所有相应谐波。然后，蚀刻工艺模块控制器(Etch ProcessModule Controller)116能够利用这些信息以控制一个或多个等离子体加工步骤。
在等离子体系统中用于蚀刻应用的常用工艺控制是终点检测。用于测定终点的传统方法包括：(1)激光干涉测量法和反射率法；(2)光发射光谱法(发光光谱法)；(3)直接观察；(4)质谱法；以及(5)基于时间的预测。到目前为止，光发射光谱法或者光学方法是在传统等离子体加工方法中使用最广泛的方法。对于多种加工步骤，诸如暴露区域约50％的应用(例如金属)，发光可以精细地进行。然而，这种方法的灵敏度受到蚀刻率和待蚀刻总面积的显著限制。尤其，对于高纵横比(深宽比)蚀刻(如通孔)，光学终点检测通常不可靠。许多这样的介电蚀刻通常具有非常低的暴露面积，如可能仅仅为氧化物或介电膜总表面积的1％。光学方法作为用于这些应用的工艺标准(technology scale)变得越来越不可靠。
尤其近来，来自如上所述的可商购的探针系统的参数的应用已经用于尝试检测终点。这样的方法通常利用特定参数(通常为基本波形)用于终点检测。然而，对于不同类型的蚀刻和/或加工步骤，这样的方法也可能不是最灵敏的终点检测方法。因此，已知方法可能不能良好地适合生产环境。已知方法的常见问题包括在晶片与晶片间(wafer-to-wafer)生产环境中偏差控制，以及在低暴露面积蚀刻加工步骤中的低灵敏度。
所需要的是能够针对工艺中的不同蚀刻步骤进行适应并最优化从而适于生产环境灵活的终点检测方法。尤其，需要在一些应用(如介电蚀刻加工步骤)中更可靠的检测终点的方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例，等离子体加工控制系统可以包括：V-I探针，其用于有效地检测等离子体加工室，其中该探针能够响应于射频(RF)电源(例如，约2MHz，约27MHz，或者约60MHz)而提供电参数；处理器，其耦接(耦合)至和/或包括能够提供用于每个电参数的谐波的可商购探针产品；以及控制器，其耦接(耦合)至处理器上，该处理器能够选择至少一种电参数和至少一种用于等离子体加工应用终点检测的相应谐波。电参数可以包括电压、相位、电流，而等离子体加工应用可以是介电蚀刻。根据本发明实施例的系统尤其适于在生产环境中的介电蚀刻。
根据本发明的另一个实施例，一种用于检测终点的方法可以包括进行制造终点检测校准的方法以及进行生产环境终点检测的方法。进行制造终点检测校准的方法可以包括以下步骤：(i)在样品晶片上进行等离子体蚀刻；(ii)经验地确定选择的谐波曲线图以检测终点；以及(iii)获得指示终点的谐波参数。进行生产环境终点检测的方法包括以下步骤：(i)在生产晶片上进行等离子体蚀刻；(ii)获得选择的谐波曲线；(iii)分析选择的谐波曲线以检测终点；(iv)如没有检测到终点，继续等离子体蚀刻；(v)如果检测到终点，中断等离子体蚀刻；以及(vi)进行任何终点后行为(终点后过程，post-endpoint activity)。
在本发明的具体实施方式部分中结合下面的附图，将在下面对本发明的这些和其它特点进行更详细的描述。
附图说明
通过实施例的方式而不是限制的方式在附图中各副图中对本发明进行说明，其中相同的附图标号对应相同的元件，其中：
图1是具有V-I探针的传统等离子体加工系统的横截面图。
图2是根据本发明的一个实施例的制造实验室终点检测校准方法的流程图。
图3是根据本发明的一个实施例的生产环境终点检测方法的流程图。
图4是根据本发明的一个实施例的用于终点检测的电压谐波波形图。
图5是根据本发明的一个实施例的用于终点检测的相位谐波波形图。
图6是根据本发明的一个实施例的用于终点检测的电流谐波波形图。
图7示出了根据本发明的一个实施例包括多个V-I探针的具体实施方式。
具体实施方式
参照如在附图中示出的本发明的几个优选实施例，现在对本发明进行详细描述。在下面的描述中，描述了许多具体细节以便提供对本发明的全面理解。然而，很显然对本领域技术人员来说，没有这些具体细节的某些或全部也可以实施本发明。换句话说，众所周知的工艺步骤和/或结构没有进行详细地描述，以便不是非必要地模糊本发明。参照附图和下面的讨论，可以更好地理解本发明的特点和优点。
如上所述，V-I探针可以用于测量电流、电压、及其相位参数。另外，通过信号处理(例如，图1中的DSP 114)每个谐波均能被测定。这些谐波(包括基本谐波或者第一谐波)能够考虑用在根据本发明的实施例的终点检测方法中。另外，这些方法适应于如由例如图1所示的RF电源118所提供的不同频率的选择。根据本发明实施例的方法使得具体参数和相应的谐波的选择在给定的RF频率最适于终点检测。例如，在具体实施例中，用于约2MHz的RF信号的电压参数的第二谐波用于可靠地检测终点。对于特定应用最优化的终点检测的该频率、谐波以及参数的选择方法将在下文进行更详细的讨论。
根据本发明的实施例，提供了一种制造终点检测校准方法以及生产环境终点检测方法。通常，制造终点检测校准方法能够顾及到针对用于终点检测的给定频率选择最佳谐波和参数。另外，生产环境终点检测方法能够顾及到用于在生产环境中的各种工艺步骤的终点检测的工艺控制。
在制造实验室环境中，根据本发明实施例的一般方法如下。可以进行多个晶片(例如2至100个)的试验蚀刻。对每个可获得的谐波(包括基本谐波)进行检验，以便确定参数在终点会给出最佳信号的谐波。另外，为了考虑在生产环境中的工艺偏差，应该选择用于试验蚀刻的合适晶片。例如，可以选择“名义(nominal)”工艺晶片以便最好地确定检测边缘(margin)的中心。
现在参照图2，示出了根据本发明实施例的制造实验室终点检测校准方法的流程图，并以总括附图标号200表示。流程从开始202开始。接着，试验晶片或样品晶片的基板能够被蚀刻给定的时间(步骤204)。接着，通过例如“经验地”确定方法(步骤206)能够确定蚀刻的终点时间。经验地确定样品晶片的终点的一种方式是通过在样品晶片的蚀刻位置进行扫描电子显微镜(SEM)分析。这样的终点预定能顾及到在每个谐波曲线上的终点检测时间的“准确位置”。因此，能存在确定终点的预定方式(例如，样品晶片的SEM分析)，然后观测所有可获得的曲线，以便经验地确定能提供最佳相应终点指示物(indicator)的曲线。
接着，如果没有检测到终点，则判定框208可以发送流程返回至204。另外，超过终点时间流程能够进行新基板蚀刻，并记录V-I探针信号(步骤210)。接着，对给定RF频率的谐波曲线(包括电压、电流以及相位参数)进行分析和比较，以便确定在已知的终点时间附近终点的最灵敏信号(步骤212)。接着，定义终点谐波算法(步骤214)。当然，在一些应用中，第一谐波或基本波形可以是对于根据各实施例的终点检测最适合的。在一个实施例中，发现了在约2 MHz电源中用于电压参数的第二谐波，以提供用于介电蚀刻应用的最佳终点检测。另外，步骤214可以包括选择由所选择的谐波找到终点的数学方法(即，“算法”)。这样的可能算法或方法将在下面进行更详细的讨论。在一个实施例中，所选定的算法以及谐波/参数组合可以被编程于安装在例如图1所示的蚀刻工艺模块控制器116的软件中。回到图2，流程能够继续，进行新基板蚀刻(步骤216)。接着，用独立的方法(或器件)校验终点精确度(步骤218)。流程能够在步骤220完成。
现在参照图3，示出了根据本发明实施例的生产环境终点检测方法的流程图，并以总括附图标号350表示。流程从开始300开始。首先，装载晶片(步骤302)。接着，开始在晶片上蚀刻(步骤304)。然后，可以蚀刻基板(例如，生产晶片的基板)，同时监测V-I探针信号(步骤306)。接着，测量V-I信号(步骤308)，然后进行分析(步骤310)。分析能包括使用传统算法以检测来自曲线的终点。另外，可以使用(各种)方法，诸如斜率检测的变化、振幅比较、或者可以用于传统光学检测方法中的任何标准技术，包括综合多种信号(例如电压和相位)的多元(多变量)技术(multivariate technique)。另外，可以将时间窗口结合到检测方法中，从而使得其中预期的终点时间范围能够有效地在谐波曲线上突出。来自曲线的终点检测的更详细内容将参照图4在下文中讨论。
在图3中，在步骤310之后，如果还没有检测到终点，则判定框312发送流程至继续蚀刻的步骤314。然后，流程从步骤314可以进行到步骤308。如果检测到终点，则可以进行终点后行为(活化，post-endpoint activity)，如蚀刻指定的附加时间周期或者替代其它化学品或者任何其它的加工行为(步骤316)。流程能够在步骤318完成。
根据本发明的实施例，有许多可以使用的可能工艺配方(process recipe)和晶片堆叠组合。根据本发明实施例的试验方法中所使用的一个示例性配方示于下表中。图4-6示出了相应的谐波波形，并在下文中详细讨论。
  通孔(氧)：
  BARC：   450mT/0W27/800W2/O2/CH3F/200CO/N2/
  主蚀刻：   50mT/2500W(27)/3500W(2)/Ar/C4F8/O2/CH2F2/CO/
  剥离(strip)1：   150mT/200W(27)/0W(2)/O2/CO/
  剥离2：   400mT/0W(27)/600W(2)/O2/CO/
  无晶片自动清洗：   700mT/500W(27)/0W(2)/O2
  SEM晶片堆叠信息：Sematech图案化晶片：61nm BARC/10KA TEOS/1KATiN/Si
现在参照图4，示出了根据本发明实施例的用于终点检测的电压谐波波形图，并以总括附图标号400表示。这是一个示例性波形瞬态图，示出了使用用于终点检测的基本谐波或二次谐波曲线的可能性。如上所述，普通方法可以用于确定在给定RF频率下的参数(例如，电压、电流、或相位)的最佳谐波。通常，可以使一个波形优于另一个波形的特性包括：终点附近的最大振幅变化，以及晶片与晶片间(wafer-to-wafer)可重复和可复制的最大振幅变化。这种重复性对于生产环境是重要的特性。
在图4中，波形402示出了用于约27MHz的RF频率的电压参数的第一谐波(即基本谐波)曲线。根据该图，将终点确定为对应于区域406。作出这种确定的一种这样的方法为寻找曲线上的最小值(波谷)的算法，可能包括滤波以使小变化(较高频率)平滑。另外，如上所述，延迟因子可以用于“括住”或形成终点附近的窗口，因为人们不能及时预测终点在某一点之前或之后发生。其它可能方法包括利用信号振幅差异、导函数、比例、或者任何其它标准技术。图1中的蚀刻工艺模块控制器116例如可以进行滤波和用于终点检测的最小值的识别，如由软件控制的程序化那样。在图4中，波形404示出了用于约2MHz的RF频率的电压参数的第二谐波曲线。类似地，如所示的那样，波形示出了用于确定终点的特性。因此，根据本发明的实施例，波形402或者波形404都可以有效地被选定，并用于终点检测。
现在参照图5，示出了根据本发明实施例的用于终点检测的相位谐波波形图，并以总括附图标号500表示。波形502示出了用于约27MHz的RF频率的相位参数的第一谐波(即基本谐波)曲线。如所标示的，根据该图可以确定终点。波形504示出了用于约2MHz的RF频率的相位参数的第二谐波曲线。如从图中能看出的那样，用于约2 MHz相位参数第二谐波曲线比用于约27MHz相位参数基本谐波曲线确定终点更困难。因此，可以选择其它参数和/或谐波以确定对于约2MHz RF电源的终点。
现在参照图6，示出了根据本发明实施例的用于终点检测的电流谐波波形图，并以总括附图标号600表示。波形602示出了用于约2MHz的RF频率的电流参数的第二谐波曲线。如所标示的那样，根据该图可以确定终点。因此，电压、相位、以及电流参数每一个都具有适于根据本发明实施例的终点检测的谐波。在其它应用中，其它参数和/或谐波可以提供最佳的终点检测曲线。
对于同时给上电极和下电极提供RF电源的系统，V-I探针可以单独设置有下电极，单独设置有上电极，或者设置有两个电极。图7示出了可替换的实施例，其中V-I探针732和相应的DSP734设置有上供电电极704。V-I探针712和DSP 714设置有下供电电极708。上供电电极704还设置有相关的部件，包括RF匹配网络730、RF电源728、以及上电极绝缘体738用于使上电极704与接地的室700绝缘。在图7所示的实施例中，终点信号能够由V-I探针712、V-I探针732或者由两个V-I探针测量。
尽管通过几个优选实施例对本发明进行了描述，但是存在的改变、替换、以及等同物均落入本发明的范围内。例如，在示例性实施例中存在三个参数：电压、相位、以及电流，但是可以采用任何合适数量的参数和/或参数的组合。另外，可以优选不同谐波，并且一个系统或应用和另一个可以是不同的，可以对于不同的系统或应用经验地进行确定。同样，可获得更多的相位系统谐波，如V-I探针系统改善，因此，这样的可获得的谐波也在本发明的范围内。作为进一步的实例，第五、第六、第七等谐波曲线可以提供根据本发明实施例的最有效的终点检测。尽管约2MHz、约27MHz、以及约60MHz的RF频率作为示例性RF频率被提及，作为其它实例也可以采用任何其它RF频率或者可用于等离子体加工系统的合适类型的频率。应该注意，存在许多实施本发明的系统或方法的可替换方式。因此，所附的权利要求书解释为包括落入在本发明的实质精神和范围内的所有这些改变、替换、以及等同物。

Claims (22)

1.一种等离子体加工控制系统，包括：
探针，耦接至等离子体加工室的电极和射频(RF)发生器上，其中，所述探针被构造成当所述RF发生器被激发时，提供与多种电参数相关的数据；
处理器，耦接至所述探针上，并构造成为每一种所述多种电参数提供多种谐波；
控制器，耦接至所述处理器上，并构造成选择所述多种电参数中预定的一种电参数以及用于等离子体加工步骤的终点检测的多种谐波中预定的一种谐波。
2.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述RF发生器提供约2MHz的频率。
3.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述RF发生器提供约27MHz的频率。
4.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述RF发生器提供约60MHz的频率。
5.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种电参数包括电压。
6.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种电参数包括相位。
7.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种电参数包括电流。
8.根据权利要求5所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种谐波包括第一和第二谐波。
9.根据权利要求6所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种谐波包括第一和第二谐波。
10.根据权利要求7所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种谐波包括第一和第二谐波。
11.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述多种谐波中预定的一种谐波不是第一谐波。
12.根据权利要求1所述的等离子体加工控制系统，其中，所述等离子体加工步骤包括介电蚀刻。
13.一种用于检测等离子体加工室中等离子体加工步骤的终点的方法，包括：
接收第一数据，所述第一数据识别给定的电参数以及所述给定的电参数的给定谐波；
提供等离子体加工控制系统，包括：
探针，耦接至所述等离子体加工室的电极和射频(RF)发生器上，其中，将所述探针构造成当所述RF发生器被激发时，提供与多种电参数相关的第二数据；
以及
处理器，耦接至所述探针上，并构造成提供来自第二数据的第三数据，所述第三数据与所述多种电参数的一种具体电参数的具体谐波相关，所述具体电参数与所述给定的电参数为相同类型，所述具体谐波与所述给定的谐波为相同级；以及
采用所述第三数据用于所述检测。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一数据还包括识别在所述给定的电参数的给定谐波中的所希望的终点特性的参数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述给定谐波不是所述给定的电参数的第一级谐波。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述RF发生器提供约2MHz的频率。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述RF发生器提供约27MHz的频率。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述RF发生器提供约60MHz的频率。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多种电参数包括电压。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多种电参数包括相位。
21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述多种电参数包括电流。
22.根据权利要求15所述的方法，其中，所述等离子体加工步骤包括介电蚀刻。
CNA2005800104724A 2004-03-30 2005-03-30 利用v－i探针识别的等离子体蚀刻终点检测方法 Pending CN1998069A (zh)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US10/813,829 US20050217795A1 (en) 2004-03-30 2004-03-30 Method of plasma etch endpoint detection using a V-I probe diagnostics
US10/813,829 2004-03-30

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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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