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TW202437315A - 時間解析的ｏｅｓ資料收集 - Google Patents

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TW202437315A
TW202437315A TW112140013A TW112140013A TW202437315A TW 202437315 A TW202437315 A TW 202437315A TW 112140013 A TW112140013 A TW 112140013A TW 112140013 A TW112140013 A TW 112140013A TW 202437315 A TW202437315 A TW 202437315A
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Taiwan
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power
plasma
oes
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plasma processing
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TW112140013A
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English (en)
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謝爾蓋 沃羅寧
安卓 密卓維克
布雷茲 梅瑟
陳艷
均祥 伍
艾絲維亞 莎琳尼
英 朱
達 宋
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日商東京威力科創股份有限公司
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Abstract

一種處理基板之方法，該方法包括：將一電漿處理腔室中的該基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加第一功率而供電；在該第一持續時間後，關閉施加至該第一電極的該第一功率；當該第一功率關閉時，向該電漿處理腔室的第二電極施加第二功率達第二持續時間，該第二持續時間比該第一持續時間短，在該第二持續時間期間的該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該第一功率之能量小至少兩倍；及偵測來自該電漿處理腔室中的物質的一光發射光譜(OES)。

Description

時間解析的OES資料收集
[共同申請案之交互參照]本申請案主張美國非臨時專利申請案第17/973,083號(申請於2022年10月25日)的優先權，該申請案乃藉由參考文獻方式合併於此。本申請案係涉及美國專利申請案第17/972,958號(申請於2022年10月25日)，該申請案乃藉由參考文獻方式合併於此。
本發明大致關於處理基板的系統和方法，並且在特定實施例中，關於時間解析光發射光譜(optical emission spectroscopy ，OES)的資料收集。
一般而言，諸如積體電路(IC)的半導體裝置是透過在基板上依序沉積和圖案化介電質、導電和半導體材料層以形成整合在單片結構中的電子組件和互連元件(例如，電晶體、電阻器、電容器、金屬線、接觸件和通孔)的網路來製造的。用於形成半導體裝置的組成結構的製程通常涉及沉積和去除多種材料，同時些許材料的圖案可能暴露在工作基板的表面中。
涉及半導體製造中的原位製程特徵化(process characterization)和故障偵測的進階製程控制對於複雜結構的可重現生產至關重要。隨著圖案化層中特徵部的最小尺寸週期性地縮小以及IC中引入新材料，對改進製程特徵化以確保製程合規性和成本降低的需求已經增加。
依據本發明的實施例，一種處理基板之方法，該方法包括：將一電漿處理腔室中的該基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加第一功率而供電；在該第一持續時間後，關閉施加至該第一電極的該第一功率；當該第一功率關閉時，向該電漿處理腔室的第二電極施加第二功率達第二持續時間，該第二持續時間比該第一持續時間短，在該第二持續時間期間的該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該第一功率之能量小至少兩倍；及偵測來自該電漿處理腔室中的物質的一光發射光譜(OES)。
依據本發明的實施例一種處理基板之方法，該方法包括將一電漿處理腔室中的該基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加一脈衝RF功率而供電，該脈衝RF功率以第一頻率被脈衝；當該脈衝RF功率在該第一持續時間期間關閉時，施加包括具有第二頻率的一波形之第二功率至該電漿處理腔室的第二電極；偵測來自該電漿的一系列光發射光譜(OES)，該系列OES在與該波形的該第二頻率相關聯的時段被偵測；及基於該系列OES獲得該電漿的特性。
依據本發明的實施例一種電漿處理系統，包括： 一電漿處理腔室，其配置以固持受處理的一基板；一RF功率源，其配置以在該電漿處理腔室中產生一電漿；一光發射光譜(OES)偵測裝置，其連接至該電漿處理腔室，該OES偵測裝置被配置以在一製程期間測量來自該電漿處理腔室的OES訊號；一電極，其連接至該OES偵測裝置；一微處理器；及一非暫態記憶體，其儲存待於該微處理器中執行的一程式，該程式包含以下指令：在一基板上執行一蝕刻製程；在該蝕刻製程期間，向該電漿處理腔室的該電極施加一系列功率脈衝以激發該電漿處理腔室中的物質；偵測來自該電漿處理腔室中的被激發的該等物質的一系列OES，偵測該系列OES的定時與該系列功率脈衝的定時相關聯；及基於該系列OES，在該蝕刻製程期間執行被激發的該等物質之時間分析。 【圖示簡單說明】
為了更完整地理解本發明及其優勢，現在參考以下結合附隨圖式所做的描述，其中：
圖1繪示根據諸多實施例的具有配置為與電漿處理同步操作的光發射光譜(OES)的範例電漿處理系統；
圖2繪示根據諸多實施例的OES偵測裝置及其組件的示意圖；
圖3A-3C繪示根據諸多實施例的脈衝電漿製程的一個功率脈衝週期以及所得到的電漿特性的時間分布的範例時序圖，其中圖3A繪示源功率的時序圖，圖3B繪示用於OES訊號增強的功率的時序圖，並且圖3C繪示電漿的自由基密度、電子密度和電子溫度的時間分布；
圖4A-4F繪示根據諸多實施例的與用於OES訊號增強的功率脈衝同步的電漿製程的範例時序圖，其中圖4A繪示具有一對一功率-激發脈衝配對的實施例，圖4B繪示具有減少的激發脈衝的另一實施例，圖4C繪示具有延遲激發脈衝的替代實施例，圖4D繪示具有激發斜升的又另一實施例，圖4E繪示具有與源功率重疊的激發脈衝的另一實施例，並且圖4F繪示具有無電漿製程的又另一實施例；
圖5A-5B繪示根據諸多實施例的OES資料收集方法的製程流程圖，其中圖5A繪示一實施例，並且圖5B繪示另一實施例。
本申請案涉及製程特徵化的系統和方法，更具體地涉及用於進階製程特徵化的時間解析光發射光譜(OES)。具體地，OES資料收集的方法可有利地應用於脈衝電漿製程中，其中可顯著增強OES訊號強度以用於特別是在餘輝時段(afterglow period)的偵測。在半導體製造中，電漿處理在各個階段用於沉積和蝕刻諸多材料，以建構奈米級精度的複雜結構。由於電漿是由離子和自由基物質組成的高能量且複雜的系統，因此在操作期間準確特徵化電漿並監測電漿製程的進展通常具有挑戰性。光發射光譜(OES)是一種強大的光譜工具，可透過偵測激發態物質的光發射來分析電漿中存在的原子和離子，並且OES系統已併入一些電漿處理系統中，以用於製程特徵化，例如，美國專利第5,862,060號和美國專利第 5,862,060號及第 10,453,653號。例如，使用OES從製程電漿收集光發射訊號，可實現諸如反應離子蝕刻(RIE)和原子層蝕刻(ALE)的電漿蝕刻製程的終點偵測(EPD)。
然而，根據被處理的材料的類型和處理參數，在處理期間電漿的光發射光譜的變化可能是細微的並且相對難以偵測。此外，一些製程條件需要非常溫和甚至零電漿放電，導致現有OES方法因光發射激發不足而靈敏度有限。OES的靈敏度也可能是脈衝電漿製程的重大挑戰，其中功率開啟和關閉階段快速切換以實現脈衝電漿放電。基於時間解析 OES診斷的進階製程特徵化依賴於足夠的OES訊號偵測。然而，在脈衝電漿製程的功率關閉階段，OES訊號偵測變得困難，因為在餘輝階段中，隨著電子溫度快速下降，電漿可能快速衰減。因此，需要具有更高靈敏度的新OES方法來進行進階的製程特徵化，特別是在脈衝電漿、低功率電漿或無電漿製程。
本申請案的實施例揭露了半導體處理期間OES資料收集的改進方法，其中向電漿處理腔室提供短工作功率尖峰(激發脈衝)以用於OES訊號增強。 OES資料收集方法在脈衝電漿處理中可能特別有用，其中每個短工作功率尖峰針對脈衝電漿製程的功率關閉階段(餘輝放電時段)進行定時。短工作功率尖峰提供的能量激發電漿處理腔室中的物質並增加電子溫度以實現足夠的OES訊號偵測。將源功率脈衝和短負載功率尖峰(激發脈衝)同步，從而可實現時間解析的OES診斷。由於其低負載，這些功率尖峰有利地使得電漿系統中的時間平均功率的增加可忽略不計，從而對電漿處理本身的影響最小。使用短負載功率尖峰收集OES資料的方法也可用於增強弱電離電漿(例如，連續波電漿或脈衝電漿的功率開啟階段)中的 OES 訊號。該方法可進一步擴展到無電漿製程。該方法還可包括在OES採集時段期間的激發功率調製，這使得能夠檢索關於電漿處理腔室中的反應的附加資訊。
在下文中，分別參考圖1和圖2而描述範例電漿處理系統和OES偵測裝置。然後參考圖3A-3C和4A-4F而描述用於OES訊號增強的功率脈衝的各種範例時序圖，包括對電漿性質的影響。範例製程流程圖在圖5A和5B中繪示。本揭露中的所有附圖僅出於說明目的而繪製，並非按比例繪製。
圖1繪示根據諸多實施例的具有被配置為與電漿處理同步操作的OES的範例電漿處理系統10。
為了描述之目的，圖1繪示放置在電漿處理腔室120內部靠近底部的基板固持器110(例如，圓形靜電卡盤(ESC))上的基板100。可選地，可使用圍繞基板固持器110的加熱器/冷卻器115將基板100維持在期望的溫度。基板100的溫度可透過連接到基板固持器110和加熱器/冷卻器115的溫度控制器130來維持。ESC可塗有導電材料(例如，基於碳的或基於金屬氮化物的塗層)，使得可與基板固持器110進行電連接。
製程氣體可透過氣體輸送系統170引入電漿處理腔室120。氣體輸送系統170包括複數氣體流量控制器以控制進入腔室中的複數氣體的流量。氣體輸送系統170的每個氣體流量控制器可被分配到碳氟化合物、貴族氣體和/或平衡劑中的各者。在一些實施例中，可選的中心/邊緣分流器可用於獨立調節基板100的中心和邊緣處的氣體流速。可使用真空幫浦180從電漿處理腔室120中排出處理氣體或任何廢氣。
如圖1所繪示，基板固持器110可以是電漿處理腔室120的底部電極。如圖1所示範例，基板固持器110連接到兩個RF功率源140和142。在一些實施例中，電漿處理腔室120內部靠近頂部的導電圓板是頂部電極150。在圖1中，頂部電極150連接到電漿處理系統10的另一RF功率源144。在諸多實施例中，用於電漿處理的所有功率源(例如，RF功率源140、142和144)連接到控制單元155以實現功率源的同步操作。此外，控制單元155也連接到OES偵測裝置145。OES偵測裝置145可設置在測量來自基板100和頂部電極150之間的電漿160的處理區域的光發射的位置。
在諸多實施例中，控制單元155被配置成例如基於使用OES方法的製程監測來實現電漿製程的回饋控制。控制單元155可包括函數產生器，函數產生器包括適當的數位和/或類比電路，例如振盪器、脈衝產生器、調製器、組合器等。函數產生器能夠產生一或更多任意波形，該等波形可用於 RF功率源的功率調變和OES資料採集。在特定實施例中，一些功率調變可由RF功率源本身而不是函數產生器來執行。在這種情況下，函數產生器可產生與RF功率源的功率調變同步的脈衝列(train)以用於OES資料採集。在特定實施例中，雖然圖未示出，但是附加組件(例如，寬頻放大器和寬頻阻抗匹配網路)可連接到RF功率源。
在特定實施例中，功率可包括DC功率。 RF和/或DC功率(例如，RF功率140、142和144)可被配置為產生連續波(CW)RF、脈衝RF、DC、脈衝DC、高頻矩形波(例如，方波)或三角波(例如鋸齒波)脈衝列，或多於一個此類波形的組合或疊加。另外，功率可被配置為生成週期函數，例如正弦曲線，其諸如振幅和頻率之類的特性可在電漿處理期間調節。
RF源功率的典型頻率範圍可從大約0.1MHz到大約6GHz。在特定實施例中，RF功率源142和144可用於分別同時提供低頻RF功率和高頻RF功率。
在本揭露中，OES的方法主要涉及特徵化低功率電漿製程或無電漿製程。在特定實施例中，可使用脈衝電漿來執行電漿蝕刻製程。本揭露中的脈衝電漿是指其中源功率、偏壓功率或兩者以任何頻率產生脈衝的任何類型的電漿。在諸多實施例中，頻率在0.1kHz和100kHz之間的脈衝可用於調變電漿源功率或偏壓功率。在特定實施例中，kHz範圍的RF脈衝可用於為電漿提供動力。在諸多實施例中，任何占空比(duty ratio)(例如，0.1%至99.9%)可用於任何電漿工具。在特定實施例中，10%至70%或10%至80%之間的中等佔空比可用於電容耦合電漿(CCP)，而3%至90%可用於電感耦合電漿(ICP) 。在一實施例中，1MHz的正弦RF訊號可用100Hz的開關頻率來調變。在另一實施例中，可用100Hz的開關頻率來調變DC訊號。在又另一實施例中，可用100Hz的開關頻率來調變1MHz的方波DC脈衝訊號。在替代實施例中，可使用演算法以較低頻率(例如，＜100Hz)執行RF或快速DC脈衝波形的週期調變。
諸多配置可用於配備OES偵測裝置145的電漿處理系統10。例如，電漿處理系統10可以是電容耦合電漿(CCP)系統，如圖1所示，或電感耦合電漿(ICP)電漿系統。在替代實施例中，電漿處理系統10可包括諧振器，例如螺旋諧振器。此外，還可使用微波電漿(MW)或其他合適的系統。在諸多實施例中，可根據相應的製程配方來選擇RF功率、腔室壓力、基板溫度、氣體流速和其他電漿製程參數。
圖2繪示根據諸多實施例的OES偵測裝置145及其組件的示意圖。
OES偵測裝置145可包括感測器200、收發器202、濾波器204、記憶體206和處理器208。在諸多實施例中，OES偵測裝置145可被配置為從控制單元155(圖1)接收命令並相應地執行一系列操作：在感測器處獲取OES資料、在收發器202處接收OES資料、在濾波器204處過濾OES資料、以及在處理器208處判定電漿的特性。電漿的特性可例如是電漿密度和/或反應離子物質、蝕刻副產物或其他感興趣物質的濃度。電漿的特性還可包括關於電子溫度的資訊。在特定實施例中，OES偵測裝置145更可被配置為在判定電漿的特性之前透過例如求平均和/或平滑來處理所獲得的原始OES資料。
在取得OES資料時，感測器200可包含例如對電漿的光發射光譜進行採樣的光譜儀。在此範例中，光譜可包括作為波長或頻率的函數的光強度。感測器200可包括電荷耦合元件(CCD)感測器、互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器、或可利用其他類型的光偵測元件或光電感測器來測量在電漿處理系統10的電漿處理腔室中的光強度。在特定實施例中，感測器200可包括具有毫秒時間解析度能力的CCD感測器。在另一實施例中，感測器200可包括具有微秒時間解析度能力的CMOS影像感測器。
在諸多實施例中，記憶體206可包含用於儲存由處理器208執行以進行本文所述的諸多功能的指令的非暫態電腦可讀儲存媒體。例如，記憶體206通常可包括揮發性記憶體和非揮發性記憶體(例如，RAM、ROM等)。記憶體206在本文中可稱為記憶體或電腦可讀儲存媒體。記憶體206能夠將電腦可讀、處理器可執行的程式指令儲存為電腦程式碼，該電腦程式碼可由作為被配置成執行本文的實施例中所描述的操作和功能的特定機器的處理器208來執行。
OES偵測裝置145能夠收集從電漿處理腔室中氣體的輝光放電(glow discharge)發出的複數波長的光發射光譜。這些波長可與進入反應氣體產生的特定化學物質相關，可由氣相反應以及晶圓和腔室表面上的反應產生。 OES偵測裝置145可被配置為偵測各種化學物質，包括矽的鹵化物和鹵素物質本身(例如Cl、F和Br)。在一或更多實施例中，電漿製程可包括使用含氟化學物質(例如碳氟化合物或氫氟碳化合物氣體)來蝕刻氧化矽。在這樣的實施例中，動態偵測矽的鹵化物和由碳氟化合物或氫氟碳化合物氣體分解而釋放的鹵素物質(F)以監測蝕刻製程的過程和穩定性是有用的。其他可偵測的副產物可包括一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO 2)，它們是由來自膜或氣體混合物中的氧(O)與來自碳氟化合物或氫氟碳化合物氣體中的碳(C)反應形成的。
光發射光譜的波長也可隨著晶圓的表面組成從穩態蝕刻轉變為蝕刻材料的完全去除而偏移。除了晶圓表面成分的變化之外，操作條件(例如氣體流速、壓力和功率脈衝條件)也會導致光發射光譜的偏移。基於這些偏移的偵測的時間分析可提供關於電漿特性的有用資訊，從而提供關於電漿製程的進展的有用資訊。
在諸多實施例中，OES偵測裝置145的配置可針對通常在電漿處理系統10中使用的電漿放電類型而特別設置。例如，用於偵測的物質和波長的範圍對於高密度ICP、低密度CCP、電子迴旋共振(ECR) 電漿等可不相同。
圖3A-3C繪示根據諸多實施例的脈衝電漿製程的一個功率脈衝週期以及所得到的電漿特性的時間分布的範例時序圖。
圖3A繪示源功率300的一個功率脈衝週期的範例時序圖。在所示的範例中，電漿製程基於脈衝電漿，並且圖3A-3C的圖僅表示一個脈衝週期。在圖3A中，源功率300從時間t 1到時間t 2開啟一個週期。在諸多實施例中，源功率300可以是以0.1kHz與100kHz之間的頻率脈衝的脈衝RF功率。因此，在一範例中，從t 1到時間t 2的持續時間可在1µs和10ms之間。儘管光發射光譜(OES)是特徵化電漿系統的強大分析工具，但當電漿放電相對較弱時(例如，在脈衝電漿製程的功率關閉階段或在低功率電漿製程中)可能因為激發態物質的光發射不足而具有挑戰性。為了克服激發不足的問題，這些方法引入了一或更多短佔空比的功率尖峰(激發脈衝)，可顯著增強或啟用 OES 訊號。
圖3B繪示OES訊號增強的功率尖峰310的範例時序圖。在圖3B中，根據一實施例，在脈衝的功率開啟階段在t 2處結束之後，在時間t 3處提供功率尖峰310。換句話說，可在功率關閉階段期間提供功率尖峰310。此額外功率尖峰可透過對電漿處理腔室的一或更多功率源(例如，圖1中的RF功率源140、142和144中的任何一或更多者)供電來提供。在特定實施例中，它可與用於源功率300的功率相同。在其他實施例中，它可以是不同的功率源(例如，偏壓功率源)或其組合。在一或更多實施例中，電漿處理系統可包括專用於OES檢測裝置的功率源，其可配置為獨立於任何現有源/偏壓功率進行操作。儘管圖3B中僅示出了一個功率尖峰，但是如下文參考圖4A-4F進一步描述的，一系列功率尖峰的各種模式可用於在諸多實施例中的OES訊號增強。
在諸多實施例中，一個功率週期中的功率尖峰310通常可能需要滿足以下標準：(1)功率尖峰的功率位準足夠高以使得能夠響應於功率尖峰的OES訊號強度增強; (2)功率尖峰310提供的總能量(例如，功率和時間的乘積)遠低於源功率300在一個功率週期(例如，從t 1到t 2的持續時間)期間提供的總能量，使得功率尖峰310的添加不會顯著干擾脈衝電漿製程。一般而言，電漿的額外能量越多，OES 訊號的增強程度就越大，但也會導致干擾脈衝電漿製程的風險更大。因此，在諸多實施例中，可仔細選擇功率尖峰310的製程條件以平衡這兩個要求。在特定實施例中，由功率尖峰310提供的總能量最多為在脈衝電漿製程期間由源功率300提供的總能量的50%。換言之，功率尖峰310的總能量比脈衝電漿製程期間源功率300的能量小至少2倍。在另一實施例中，兩個能量之間的這個倍數可至少為5，或在又一實施例中為至少10。在替代實施例中，該倍數可在20和1000之間。
在諸多實施例中，功率尖峰310提供短激發時間τ ex的功率，例如在1µs和1ms之間。在特定實施例中，τ ex可在1ms和100ms之間。短激發時間τ ex可有利地最小化功率尖峰310對低功率電漿製程的潛在干擾。此外，在一或更多實施例中，激發時間τ ex可短於OES時間解析度(即，執行一次OES測量所需的時間)。在其他實施例中，激發時間τ ex可長於OES時間解析度。
圖3C繪示電漿的自由基密度、電子密度和電子溫度的時間分布。
在t 1處源功率300的功率開啟階段開始時，只要適當的氣體在適當的壓力下流動，就可在電漿處理腔室中產生電漿。電漿參數最初隨時間(過衝時段)快速變化，然後達到穩定開啟期。當功率開啟階段在t 2結束時，電漿參數通常會隨時間衰減。在圖3C中，顯示了自由基密度(n r)、電子密度(n e)和電子溫度(T e)的一些範例時間歸一化衰減曲線。在此範例中，源功率在t 1處打開，並在t 2處關閉。
過衝時段是初始的短暫態時段，其表示在電漿變得穩定之前從功率關閉狀態到功率開啟狀態的快速變化。在此期間，如圖3C所示，電子溫度T e可能在下降到穩定位準之前達到尖峰，而自由基密度(n r)和電子密度(n e)可能增加而不超過穩定位準。圖3C中的此分布圖僅為範例，且在其他實施例中，任何參數可表現不同(例如，有或沒有過衝)。在一實施例中，過衝時段可被假定為t 1之後的初始1µs或更短。
穩定開啟時段是n r、n e和/或T e被認為是穩定的後續時段，並且在源功率關閉時在t 2結束。在一實施例中，當參數的變化速率變得小於設定閾值速率並維持至少設定閾值持續時間時，參數被認為是穩定的。
衰減時段(餘輝放電時段)是t 2之後的時段。在所示範例中，衰減時段可以是從t 2到下一個脈衝週期(圖3A-3C未示出)開始為止的持續時間，在此期間n r、n e和T e以基本上不同的速率衰減。在一實施例中，這些參數下降到可忽略位準的衰減時間，對於n r可以是＞1ms，對於n e可以是~100µs，並且對於T e可以是~10µs。源功率的脈衝頻率決定每個脈衝的持續時間。例如，根據特定實施例，0.1kHz和100kHz範圍內的脈衝頻率將導致每個脈衝週期(開啟和關閉階段)在10µs和10ms之間。在一或更多實施例中，每個脈衝週期可在1ms和100ms之間(即，10Hz到1kHz的脈衝頻率)。因此，根據脈衝頻率，可在參數(例如，n r或n e)衰減到可忽略的位準之前或之後開始下一個脈衝週期。在替代實施例中，雖然圖3A中未具體示出，但電漿參數的衰減也可以是源功率從初始功率位準降低到低功率位準的結果，而不是完全關閉。在這種情況下，衰減期不是餘輝放電時段或功率關閉階段，但因為減少的源功率可能顯著降低電子溫度，所以OES訊號可能變得太弱而無法進行足夠的測量。因此，如果需要，添加功率尖峰310不僅可用於增強脈衝電漿製程的功率關閉階段中的OES訊號，還可用於增強功率開啟階段中的OES訊號。
仍參照圖3C，響應於t 3處的功率尖峰310，電漿處理腔室中的物質被激發，並且因此電子溫度T e可在短時間內達到尖峰。在特定實施例中，取決於功率尖峰310的持續時間和功率位準，其他參數(例如，n r、n e)也可被增強。一般而言，如圖3C所示，電子溫度T e可對功率尖峰310做出最快速和最大的反應，且電子密度n e可稍微增加，而自由基密度n e基本上可不受影響。在諸多實施例中，可選擇功率尖峰310的條件以最小化對電子密度和自由基密度的影響。例如，激發時間τ ex可足夠短(例如，微秒級)以僅影響電子溫度。這種增強的激發反應在T e的增加上，導致來自激發物質的OES訊號增強。T e的增加所反映的這種增強的激發導致來自激發物質的OES訊號增強。因此，在諸多實施例中，用於OES訊號增強的功率尖峰310可與OES測量同步，使得OES資料收集在增強的光發射淬滅回原始衰減位準之前發生。
在諸多實施例中，功率尖峰310和OES測量可同時執行。在特定實施例中，每個OES測量的時序可與具有延遲(例如~3ms)的功率尖峰310同步。具有同步延遲可有利於在完全激發階段而不是在激發製程仍在進行的暫態階段獲得更穩定的OES訊號。在其他實施例中，一系列OES測量可在功率尖峰310之前開始並且在提供功率尖峰310的同時連續地執行。
在OES資料收集的一個週期期間，OES測量的數量不限於任何數量，並且可等於或不等於功率尖峰310的數量，其可為任何數量。
圖4A-4F繪示根據諸多實施例的與用於OES訊號增強的功率脈衝同步的電漿製程的範例時序圖。圖4A繪示具有一對一功率-激發脈衝配對的實施例。
在圖4A中，繪示具有一系列功率尖峰310(激發脈衝)的源功率300的四個功率脈衝週期。對於每個功率週期，在功率關閉階段，提供一個功率尖峰(一對一)。在圖4A中，功率尖峰310被提供為具有恆定佔空比的恆定功率位準。在其他實施例中，不同的功率脈衝模式可用於OES訊號增強，如下文進一步描述的。
圖4B繪示根據另一實施例的用於OES訊號增強的具有減少的激發脈衝的另一範例時序圖。
在圖4B中，繪示源功率300的相同系列的功率脈衝，但功率尖峰310(激發脈衝)的數量減少了一半。對於源功率300，每隔一個功率關閉階段就跳過功率尖峰。減少功率尖峰310和對應的OES測量的數量可有利地降低製程干擾的風險。儘管圖未示出，但在其他實施例中，功率尖峰310的數量的減少可以任何模式應用任何次數。在一實施例中，減少可為三分之一，其中例如每三個功率關閉階段跳過一功率尖峰。
圖4C繪示根據又另一實施例的具有用於OES訊號增強的延遲激發脈衝的另一範例時序圖。
在圖4C中，繪示源功率300的相同系列的功率脈衝，但是功率尖峰310(激發脈衝)的系列在一些功率脈衝之後開始。在所示範例中，在源功率300的第三功率關閉階段提供第一功率尖峰310。在替代實施例中，取決於用於OES診斷的電漿製程的特定感興趣區域，可在任意數量的功率關閉階段之後提供第一功率尖峰310。
圖4D繪示根據又另一實施例的具有激發斜升的又另一範例時序圖。
在圖4D中，功率尖峰310包括具有從弱功率位準到較高功率位準的功率斜升的尖峰。在圖4D中，繪示具有與圖4C所示相同的延遲的源功率300的相同系列的功率脈衝。在一實施例中，對於每個尖峰，功率尖峰310的激發功率位準可逐步斜升。在OES資料收集時段期間的這種激發功率調製可提供有關電漿的附加資訊，從而提供電漿製程的進展。這在特徵化具有不同發射特性的多於一種物質時可能特別有利。當未預先建立OES的最佳激發功率位準時，激發功率調變也可用於動態地判定實現目標OES訊號強度所需的激發功率位準。
圖4E繪示根據又另一實施例的具有與源功率重疊的功率脈衝的電漿製程的範例時序圖。
在圖4E中，用於OES訊號增強的功率脈衝允許在源功率300開啟時出現功率尖峰310。此實施例可應用於脈衝電漿製程，其中在功率開啟階段期間提供功率尖峰310(激發脈衝)。此外，其可應用於非脈衝低功率電漿製程，其中源功率300單獨可能不足以用於OES訊號偵測。在這些實施例中，為了實現足夠的OES訊號增強並避免製程干擾，考慮源功率300和功率尖峰310的總和可能是關鍵的。
然而在替代實施例中，利用用於訊號增強的功率脈衝來收集OES資料的方法可被整合成為多步驟和/或週期電漿製程的一部分。在特定實施例中，整個電漿製程的僅一部分可使用需要OES訊號增強的低功率電漿。因此，這樣的電漿製程可包括在沒有任何用於OES訊號增強的附加功率脈衝的情況下可進行OES資料收集的製程步驟，以及具有功率脈衝的另一步驟。
圖4F繪示根據又另一實施例的無電漿製程的又另一範例時序圖。
雖然本揭露主要描述低功率電漿製程的OES資料收集方法，但可進一步將這些方法應用於無電漿製程，其中在不存在電漿的情況下處理基板，除了功率脈衝(或單一功率尖峰)可能撞擊電漿以進行OES測量的短時段以外。在諸多實施例中，由功率脈衝提供的總能量可被限制到對於OES測量而言足夠高的位準，但該位準又足夠低使得不會發生對無電漿製程的實質干擾。在一範例中，功率脈衝可在1W和5kW的功率範圍內執行。
圖5A及5B繪示根據諸多實施例的OES資料收集方法的製程流程圖。
在圖5A中，製程流程50開始於將電漿處理腔室中的基板暴露於透過向電漿處理腔室的第一電極施加第一功率而供電之電漿達第一持續時間 (方塊510)。接著，可在第一持續時間後關閉第一功率(方塊520)。當第一功率關閉時，可向電漿處理腔室的第二電極施加第二功率達第二持續時間以激發電漿處理腔室中的物質，並使得夠從激發的物質進行光發射(方塊530)。然後可從激發物質收集光發射光譜(OES)(方塊540)。
在圖5B中，製程流程52開始於將電漿處理腔室中的基板暴露於透過向電漿處理腔室的第一電極施加脈衝RF功率而供電之電漿達第一持續時間(方塊512)。當脈衝RF功率在第一持續時間期間關閉時，可將包括具有頻率的波形之第二功率施加到電漿處理腔室的第二電極(方塊532)。接著，可在與波形的頻率相關聯的時段偵測來自電漿的一系列光發射光譜(OES)(方塊542)，然後可基於這一系列OES獲得電漿的特性(方塊552)。
在此總結本發明的例示實施例。其他實施例亦可由本說明書整體以及在此提出的申請專利範圍而理解。
範例1、一種處理基板之方法，該方法包括：將一電漿處理腔室中的該基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加第一功率而供電；在該第一持續時間後，關閉施加至該第一電極的該第一功率；當該第一功率關閉時，向該電漿處理腔室的第二電極施加第二功率達第二持續時間，該第二持續時間比該第一持續時間短，在該第二持續時間期間的該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該第一功率之能量小至少兩倍；及偵測來自該電漿處理腔室中的物質的一光發射光譜(OES)
範例2、如範例1之方法，其中施加該第二功率包括一功率脈衝列，且更包括偵測來自該等物質的一系列OES，偵測該系列OES中之一者的定時與該功率脈衝列相關聯。
範例3、如範例1或2之方法，其中在該電漿正在衰減時以及在該電漿完全熄滅之前開始施加該第二功率。
範例4、如範例1至3之方法，其中該第一電極和該第二電極為相同的電極。
範例5、如範例1至4之方法，其中該第一持續時間介於30秒和600秒之間。
範例6、如範例1至5之方法，其中該第二持續時間介於1µs和100ms之間。
範例7、如範例1至6之方法，其中該第一功率係作為RF功率而施加。
範例8、如範例1至7之方法，其中該第一功率介於1W和500W之間。
範例9、一種處理基板之方法，該方法包括將一電漿處理腔室中的該基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加一脈衝RF功率而供電，該脈衝RF功率以第一頻率被脈衝；當該脈衝RF功率在該第一持續時間期間關閉時，施加包括具有第二頻率的一波形之第二功率至該電漿處理腔室的第二電極；偵測來自該電漿的一系列光發射光譜(OES)，該系列OES在與該波形的該第二頻率相關聯的時段被偵測；及基於該系列OES獲得該電漿的特性。
範例10、如範例9之方法，其中該第一頻率介於0.1kHz和100kHz之間。
範例11、如範例9或10之方法，其中該波形包括複數最大值，其中週期性偵測之一者的OES偵測的定時與該複數最大值中之一者匹配。
範例12、如範例9至11之方法，其中該波形包含複數最大值，其中針對週期性偵測中之一者的OES偵測的定時與該複數最大值中之一者偏離。
範例13、如範例9至12之方法，其中該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該脈衝RF功率之能量小至少兩倍。
範例14、如範例9至13之方法，其中該第二頻率介於1Hz和1kHz之間。
範例15、如範例9至14之方法，其中該第一電極和該第二電極為相同的電極。
範例16、 一種電漿處理系統，包括： 一電漿處理腔室，其配置以固持受處理的一基板；一RF功率源，其配置以在該電漿處理腔室中產生一電漿；一光發射光譜(OES)偵測裝置，其連接至該電漿處理腔室，該OES偵測裝置被配置以在一製程期間測量來自該電漿處理腔室的OES訊號；一電極，其連接至該OES偵測裝置；一微處理器；及一非暫態記憶體，其儲存待於該微處理器中執行的一程式，該程式包含以下指令：在一基板上執行一蝕刻製程；在該蝕刻製程期間，向該電漿處理腔室的該電極施加一系列功率脈衝以激發該電漿處理腔室中的物質；偵測來自該電漿處理腔室中的被激發的該等物質的一系列OES，偵測該系列OES的定時與該系列功率脈衝的定時相關聯；及基於該系列OES，在該蝕刻製程期間執行被激發的該等物質之時間分析。
範例17、如範例16之方法，其中各該功率脈衝的持續時間介於1毫秒和1秒之間。
範例18、如範例16或17之方法，其中在施加各該功率脈衝時，不提供其他功率。
範例19、如範例16至18之方法，其中該電極也連接至該RF功率源。
範例20、如範例16至19之方法，其中該程式更包括以下指令： 對該RF功率源供電並維持該電漿處理腔室中的一電漿，該RF功率以介於0.1kHz和100kHz之間的脈衝頻率被脈衝；及在該蝕刻製程中將該基板暴露於該電漿。
雖然本發明已藉由參考說明性實施例加以敘述，此實施方法章節不旨在被理解為限制性的意義。說明性實施例的各種不同修飾及組合，以及本發明的其他實施例，藉由參考本實施方法章節，對本技術領域中通常知識者將係顯而易見的。因此，附隨的申請專利範圍旨在涵蓋任何此類的修飾或實施例。
10:電漿處理系統 100:基板 110:基板固持器 115:加熱器/冷卻器 120:電漿處理腔室 130:溫度控制器 140:RF功率源 142:RF功率源 144:RF功率源 145:OED偵測裝置 150:頂部電極 155:控制單元 160:電漿 170:氣體輸送系統 180:真空幫浦 200:感測器 202:收發器 204:濾波器 206:記憶體 208:處理器 300:源功率 310:功率尖峰 50:製程流程 510:方塊 520:方塊 530:方塊 540:方塊 52:製程流程 512:方塊 532:方塊 542:方塊 552:方塊
10:電漿處理系統
100:基板
110:基板固持器
115:加熱器/冷卻器
120:電漿處理腔室
130:溫度控制器
140:RF功率源
142:RF功率源
144:RF功率源
145:OED偵測裝置
150:頂部電極
155:控制單元
160:電漿
170:氣體輸送系統
180:真空幫浦

Claims (20)

  1. 一種處理基板之方法，該方法包括： 將一電漿處理腔室中的基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加第一功率而供電； 在該第一持續時間後，關閉施加至該第一電極的該第一功率； 當該第一功率關閉時，向該電漿處理腔室的第二電極施加第二功率達第二持續時間，該第二持續時間比該第一持續時間短，在該第二持續時間期間的該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該第一功率之能量小至少兩倍；及 偵測來自該電漿處理腔室中的物質的一光發射光譜(OES)。
  2. 如請求項1之方法，其中施加該第二功率包括一功率脈衝列，且更包括偵測來自該等物質的一系列OES，偵測該系列OES中之一者的定時(timing)與該功率脈衝列相關聯。
  3. 如請求項1之方法，其中在該電漿正在衰減時以及在該電漿完全熄滅之前開始施加該第二功率。
  4. 如請求項1之方法，其中該第一電極和該第二電極為相同的電極。
  5. 如請求項1之方法，其中該第一持續時間介於30秒和600秒之間。
  6. 如請求項1之方法，其中該第二持續時間介於1µs和100ms之間。
  7. 如請求項1之方法，其中該第一功率係作為RF功率而施加。
  8. 如請求項1之方法，其中該第一功率介於1W和500W之間。
  9. 一種處理基板之方法，該方法包括： 將一電漿處理腔室中的基板暴露於一電漿達第一持續時間，該電漿係透過向該電漿處理腔室的第一電極施加一脈衝RF功率而供電，該脈衝RF功率以第一頻率而脈衝； 當該脈衝RF功率在該第一持續時間期間關閉時，施加包括具有第二頻率的一波形之第二功率至該電漿處理腔室的第二電極； 偵測來自該電漿的一系列光發射光譜(OES)，該系列OES在與該波形的該第二頻率相關聯的時段被偵測；及 基於該系列OES獲得該電漿的特性。
  10. 如請求項9之方法，其中該第一頻率介於0.1kHz和100kHz之間。
  11. 如請求項9之方法，其中該波形包括複數最大值，其中針對週期性偵測中之一者的OES偵測的定時與該複數最大值中之一者匹配。
  12. 如請求項9之方法，其中該波形包含複數最大值，其中針對週期性偵測中之一者的OES偵測的定時與該複數最大值中之一者偏離。
  13. 如請求項9之方法，其中該第二功率之能量比在該第一持續時間期間的該脈衝RF功率之能量小至少兩倍。
  14. 如請求項9之方法，其中該第二頻率介於1Hz和1kHz之間。
  15. 如請求項9之方法，其中該第一電極和該第二電極為相同的電極。
  16. 一種電漿處理系統，包括： 一電漿處理腔室，其配置以固持受處理的一基板； 一RF功率源，其配置以在該電漿處理腔室中產生一電漿； 一光發射光譜(OES)偵測裝置，其連接至該電漿處理腔室，該OES偵測裝置被配置以在一製程期間測量來自該電漿處理腔室的OES訊號； 一電極，其連接至該OES偵測裝置； 一微處理器；及 一非暫態記憶體，其儲存待於該微處理器中執行的一程式，該程式包含以下指令： 在一基板上執行一蝕刻製程； 在該蝕刻製程期間，向該電漿處理腔室的該電極施加一系列功率脈衝以激發該電漿處理腔室中的物質； 偵測來自該電漿處理腔室中的被激發的該等物質的一系列OES，偵測該系列OES的定時與該系列功率脈衝的定時相關聯；及 基於該系列OES，在該蝕刻製程期間執行被激發的該等物質之時間分析。
  17. 如請求項16之方法，其中各該功率脈衝的持續時間介於1毫秒和1秒之間。
  18. 如請求項16之方法，其中在施加各該功率脈衝時，不提供其他功率。
  19. 如請求項16之方法，其中該電極也連接至該RF功率源。
  20. 如請求項19之方法，其中該程式更包括以下指令： 對該RF功率源供電並維持該電漿處理腔室中的一電漿，該RF功率以介於0.1kHz和100kHz之間的脈衝頻率被脈衝；及 在該蝕刻製程中將該基板暴露於該電漿。
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