CN100419969C - 用于陈化感测等离子体设备的半导体装置的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
一种等离子体设备陈化方法和被应用该陈化方法的等离子体设备。所述陈化方法包括以下步骤：在操作等离子体设备执行等离子体工艺前、测量在等离子体设备的工艺室中出现的基于硅氧化物(SiOX)的化学物质的光发射强度与基于碳氟化物化合物(CFY)的化学物质的光发射强度的比；确定所测量的光发射强度比的值是否在正常状态的预定范围内；以及，当基于确定结果为使得所测量的光发射强度比的值在正常状态的预定范围内时，将待在等离子体工艺中使用的反应气体供给到工艺室时，陈化工艺室的内部以改变反应气体的成分比，并由此改变光发射强度比。
Description
技术领域
本发明涉及一种在制造半导体器件中使用的等离子体设备，更具体而言，涉及一种等离子体设备陈化方法和被应用该等离子体设备陈化方法的等离子体设备。
背景技术
近来，等离子体设备愈来愈多地用在半导体器件制造工艺中。等离子体设备主要用来在半导体晶片上沉积材料层或蚀刻半导体晶片。
然而，当操作等离子体设备来执行如沉积工艺或蚀刻工艺的半导体制造工艺时，可出现以下问题。当在一预定的室空闲时段后、在等离子体设备的工艺室中执行沉积或蚀刻工艺时，可发生被称作第一晶片效应的初始缺陷。尤其当执行蚀刻工艺时，第一晶片效应严重。
当蚀刻速率高于或低于正常状态时，发生这种第一晶片效应。为此原因，需要相应地改变消除第一晶片效应的方法，例如陈化方法(seasoningmethod)。然而，这种陈化方法的具体规则和标准还没有报道。因而，在实际大规模生产期间，遇到第一晶片效应的晶片被丢弃，因此降低了生产率。
尤其，在连续生产期间不可避免地会出现室空闲时间，因此，除了在等离子体设备的室中的产品的初始缺陷外，在连续生产期间可产生有缺陷的产品。从而，优选连续诊断室状态，使得如第一晶片效应的初始缺陷在制造少量或大量的产品时被防止。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题做出的，本发明的一个目的是提供一种等离子体设备陈化方法和应用该等离子体设备陈化方法的等离子体设备，该方法能在初始操作等离子体设备时，或在预定的室空闲时段后再次操作等离子体设备时，防止初始缺陷。
根据本发明的一个方面，通过等离子体设备的陈化方法的提供可实现上述和其它目的，该方法包括下列步骤：在操作等离子体设备来执行等离子体工艺前，测量在等离子体设备的工艺室中出现的基于硅氧化物(SiOX)的化学物质(chemical species)的光发射强度与基于碳氟化物化合物(CFY)的化学物质的光发射强度的比；确定所测量的光发射强度的比值是否在正常状态的预定范围内；以及，当基于确定结果将在等离子体工艺中使用的反应气体供给到工艺室、使得所测量的光发射强度比的值在正常状态的预定范围内时，陈化工艺室的内部以改变反应气体的成分比，并由此改变光发射强度比。
优选地，光发射强度比测量步骤包括：将待在等离子体工艺中使用的反应气体供给到工艺室，将反应气体激发成等离子体，并通过光发射测量执行光谱分析。
优选地，陈化步骤包括：如果所测量的光发射强度的比值在正常状态的预定范围的上限值以上，则执行第一陈化以将第一反应气体供给到工艺室，在该反应气体的成分中，增加基于碳氟化物化合物(CFY)化学物质的光发射强度的成分的百分比相对增加；以及如果所测量的光发射强度的比值在正常状态的预定范围的下限值以下，执行第二陈化以将第二反应气体供给到工艺室，在该反应气体的成分中，增加了基于硅氧化物(SiOX)化学物质的光发射强度的成分的百分比相对增加。
优选地，在等离子体工艺中待用的反应气体包括四氟化碳(CF4)和氧气(O2)，在第一陈化步骤增加基于碳氟化物化合物(CFY)化学物质的光发射强度的成分是四氟化碳(CF4)，在第二陈化步骤增加基于硅氧化物(SiOX)化学物质的光发射强度的成分是氧气(O2)。
根据本发明的另一个方面，提供一种等离子体设备，包括：工艺室，其中限定有内空间，用于执行等离子体工艺；等离子体生成线圈(coil)，设置在所述工艺室上，用于生成等离子体；光发射谱光光谱分析分析单元，安装到工艺室的壁，用于对出现在工艺室中的化学物质进行光谱分析；光发射强度比值计算单元，用于从通过光发射谱光光谱分析分析单元收集和光谱分析的结果、计算基于硅氧化物(SiOX)的化学物质的光发射强度与基于碳氟化物化合物(CFY)的化学物质的光发射强度的比，并将所计算的光发射强度的比值与正常状态的预定范围进行比较，以确定陈化是否是必须的和确定如果陈化为必须则哪种陈化是合适的；以及主控制单元，用于控制传到工艺室的反应气体的供给，以基于光发射强度比值计算单元的确定、执行陈化。
附图说明
从下列结合附图的详细描述，本发明的以上和其它目的、特点以及其它优势将被更清楚的理解。
图1是示意性图示根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法的流程图；
图2是示出被应用根据本发明优选实施例的等离子体陈化方法的等离子体蚀刻目标的实例的截面视图；
图3至5是分别示意性图示根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法的陈化选择的图；以及
图6是示意性示出被应用根据本发明优选实施例的等离子体陈化方法的等离子体设备的视图。
具体实施方式
当执行用于制造半导体器件的等离子体工艺如沉积工艺或蚀刻工艺的等离子体设备在一预定室空闲时段后再操作时，在晶片被引入到工艺室前将反应气体供应到工艺室中，使得生成等离子体，然后诊断工艺室的内部状态，使得防止如第一晶片效应的初始缺陷。此发明由本发明的优选实施例提出，以下将详细描述。
为了有效诊断工艺室的内部状态，本发明的优选实施例提出使用硅氧化物(SiOx)的发射强度与碳氟化物化合物(CFx)的发射强度的比作为用于诊断的测量参数，所述比从对室中等离子体状态的光谱分析的结果获得。在本发明的优选实施例中，发射强度的比(即，硅氧化物(SiOx)的发射强度/碳氟化物化合物(CFx)的发射强度)被设定为测量参数K。
而且关于测量参数K的值是否在正常状态的预定范围内做出确定，该预定范围根据本发明的优选实施例例如在上限值KU和下限值KL之间。另一方面，如果确定测量参数值在正常状态的预定范围内，则晶片被引入室中以执行预定工艺。如果确定测量参数值不在正常状态的预定范围内，则陈化该室内部的状态。一般地，执行两类陈化。具体地，当测量参数K的值在上限值KU以上时执行第一陈化，当测量参数K的值在下限值KL以下时执行第二陈化。在证实通过这种陈化测量参数K的值在正常状态的预定范围内后，晶片被引入室中，然后执行实际的等离子体工艺。
本发明还提供等离子体设备，其被构建为使得测量参数K在等离子体设备的操作期间被有效地测量，并依赖于相应情况执行所需陈化。此等离子体设备对连续诊断该室的状态而言是有用的，使得防止了少量或大量的产品有缺陷。
在等离子体设备在预定室空闲时段后被再操作时生成的初始缺陷，如第一晶片效应在使用等离子体的蚀刻工艺中实质上更严重和致命，这在以下作为实例将详细描述。虽然本发明的优选实施例应用到这种情形，即当等离子体设备在一预定室空闲时段后被再操作，同时等离子体设备正常操作时，初始缺陷生成的情形，但本发明的优选实施例可有效地用于在等离子体设备被操作的同时、连续检查和诊断室的状态，或当等离子体设备被初始操作时检查和诊断室的状态。
图1是示意性图示根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法的流程图，图2是示出被应用根据本发明优选实施例的等离子体陈化方法的等离子体蚀刻目标的实例的截面视图，图3至5是分别示意性图示根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法的陈化选择的图，以及图6是示意性示出被应用根据本发明优选实施例的等离子体陈化方法的等离子体设备的视图。
参考图1，根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法在这种情形中十分有用，该情形为等离子体设备在一预定室空闲预定时段后被再操作，同时等离子体设备被正常操作，但根据本发明优选实施例的等离子体设备陈化方法在等离子体设备被操作的同时或当等离子体设备被初始操作时，对检查和诊断室内部状态也有用。然而，为了描述清楚，此后将给出的以下情形的详细描述，该情形为在一预定室空闲时间段后在等离子体设备中执行等离子体工艺，例如使用等离子的蚀刻工艺。
室空闲时间表示需要将等离子体设备在保持在此状态的时间，该状态为反应气体没有供给到室且没有施加射频(RF)功率来将反应气体激发成等离子体同时在执行实际等离子体工艺的室中保持真空。等离子体工艺还可以是沉积工艺或蚀刻工艺。为了描述清楚，以下将详细描述例如使用等离子体的蚀刻工艺，其当等离子体设备在一预定室空闲时间段后被再操作时，生成如第一晶片效应的严重缺陷。
如图1中所示，陈化等离子体设备的室内部的方法开始于确定室空闲时间t，即该室不工作的时间是否大于预定参考时间tD的确定(步骤100)。
室空闲时间t是在等离子体设备的室中不对晶片执行等离子体工艺的时间，其易于测量。参考时间tD通过实验测量。具体地，参考时间表示不生成如第一晶片效应的初始缺陷的最大时间。因而，参考时间tD可根据等离子体工艺或等离子体设备而改变，且因此，参考时间tD通过实验设定，用于不同的等离子体工艺或不同的等离子体设备。
如果作为在室空闲时间t和参考时间tD之间的比较结果、室空闲时间t在参考时间tD以下，陈化等离子体设备的室的工艺可省略，其就生产而言非常有利。如果作为在室空闲时间t和参考时间tD之间的比较结果，室空闲时间t不小于参考时间tD，执行根据本发明优选实施例的陈化工艺。
当作为在室空闲时间t和参考时间tD之间的比较结果，室空闲时间t不小于参考时间tD，并由此需要室陈化时，测量在等离子体设备的室中当前状态上的测量参数K的值(步骤200)。
获得测量参数K的值来检查或诊断室内部的当前状态。从而等离子体设备的室内部的当前状态被测量，从测量结果获得测量参数K的值。测量参数K的值通过对室中化学物质的成分分析而测量，其严重地影响等离子体工艺。
例如，当在等离子体设备中执行的等离子体工艺是用于图案化材料层的蚀刻工艺时，碳氟化物化合物(CFY)和硅氧化物(SiOX)被选为严重影响蚀刻工艺的化学物质，在典型的半导体器件制造工艺中，它们可以是直接参与蚀刻反应或构成由蚀刻反应获得的副产品的主要成分。
例如，当等离子体工艺是用于图案化等离子体蚀刻目标的蚀刻工艺时，碳氟化物化合物(CFY)和硅氧化物(SiOX)被选为工艺室中的化学物质，它们影响蚀刻工艺，其中，所述蚀刻目标包括：下材料层510，形成在晶片上，该下材料层510为硅氧化物层；钛/氮化钛(Ti/TiN)层520，厚度约60
/200，形成在下材料层上；氮化钛层530，形成在钛/氮化钛层上，氮化钛层530为厚度约200
的的阻挡层；钨(W)层540，具有约900
的厚度，形成在氮化钛层上；氮化硅(SiN)层550，形成在钨层上，氮化硅层550为厚度约2300的硬掩模；硅氧氮化物(SiON)层560，形成在氮化硅层上，硅氧化物-氮化物层560为抗反层(ARC)，具有约1000
的厚度；有机底抗反层(OBARC)570，具有约600
的厚度，形成在硅氧化物-氮化物层上；以及光致抗蚀剂图案580，形成在有机底抗反层上，如图2中所示，。
选择碳氟化物化合物(CFY)和硅氧化物(SiOX)的原因在于，在室中分析的化学物质的成分是多种多样的，且化学物质的这些不同成分的选择是非常难和无效的，此外化学物质的这些不同成分不同地影响等离子体工艺。从而，碳氟化物化合物(CFY)和硅氧化物(SiOX)被选来获得测量参数K的值，它们是直接参与等离子体工艺或构成作为副产品被吸收到室内壁的聚合物的主要成分。
在本发明的优选实施例中，测量参数K的值被设定为硅氧化物(SiOx)的发射强度与碳氟化物化合物(CFx)的发射强度的比，即硅氧化物(SiOx)的发射强度/碳氟化物化合物(CFx)的发射强度，其从对室中等离子体状态的光谱分析结果获得。测量参数K的值的这种设定非常适于实验评估其中执行等离子体工艺的室的内部状态。
必须获得室内部状态的光谱分析的结果，以便于测量测量参数K的值。为此，等离子体设备被构造成分析出现在室中的化学物质的成分，如图6中所示。因而，首先将描述用于实时分析出现在室中的化学物质的成分的构造。
参考图6，在本发明优选实施例中使用的等离子体设备一般地包括工艺室610，其具有与外部隔离的内部空间，以便晶片在工艺室610的内空间中接受等离子体工艺，例如等离子体蚀刻工艺。在工艺室610的内空间中的较低部分中，设置了晶片支撑部件650，在其上安装了晶片。虽然没有示出，偏置功率部件电连接到晶片支撑部件650，用于将偏置功率供应给晶片。晶片支撑部件650可以是通常用在半导体制造设备中的静电夹具(ESC)。
在工艺室610上设置了圆顶(dome)640，用于封闭地密封工艺室610。在顶640上，设置了等离子体生成线圈(coil)620，用于提供生成等离子体所需的电磁场。等离子体生成线圈620可制造成不同形状。源功率部件630电连接到等离子体生成线圈620，用于将射频(RF)功率作为源功率施加到等离子体生成线圈620。
在处理室610的壁上，安装了观察口(view port)660，用于允许在处理室610内空间中存在的化学物质利用光分析工具来分析。观察孔660用作用于收集在工艺室610中生成的光的通道。通过观察孔660收集的光信息被传输到光成分分析单元670，其连接到观察孔660。光成分分析单元670分析在工艺室610中生成的光，以识别出现在工艺室610中的化学物质的成分。
光成分分析单元670可以是光发射谱光光谱分析(OES)。光发射谱光光谱分析(OES)用于测量通过化学反应新生成的副产品或测量被照射的外部光源的反射强度。在本发明的优选实施例中，光发射谱光光谱分析用来分析存在于工艺室610中的副产品或化学物质的成分。光发射谱光光谱分析(OES)包括多沟道电荷耦合器件(CCD)和分析部件，用于分析从多沟道电荷耦合器件获得的光信号信息。因而，光发射谱光光谱分析在执行实时的光谱分析中是有利的。
在本发明的优选实施例中，构成这种光发射谱光光谱分析(OES)的光成分分析单元670不仅用来提供获得测量参数K值所需的成分分析的结果，还用来检测在晶片上执行等离子体工艺时的终点(终点检测(EPD)功能)。
从构成光发射谱光光谱分析(OES)的光成分分析单元670获得的成分分析的结果，以用于化学物质的发射强度来表示。所述结果被传送到K值计算单元680。K值计算单元680对有关硅氧化物(SiOx)的发射强度与碳氟化物化合物(CFx)的发射强度的数据抽样，以计算测量参数K的值。
K值计算单元680将所计算的K值与预定上限值KU和预定下限值KL进行比较，并将比较结果传送到主控单元690，其将在下文详细描述。主控单元690基于比较结果选择合适的陈化工艺，然后控制气体供给单元700使得反应气体根据所选陈化工艺被供给到室610。气体供给单元包括用于控制反应气体源和所供给的反应气体的流量的控制阀，例如，质量流量控制器(MFC)。
在供给了在等离子体设备的室中执行等离子体工艺所要求的反应气体的同时，将源功率供给到等离子体生成线圈620以产生等离子体601，执行光谱分析来测量测量参数K的值。在此情形中，在由反应器激发的等离子体中的化学物质和通过在等离子体与之前等离子体工艺的副产品，如被吸收到室610的内壁的聚合物，之间的反应产生的化学物质影响光谱分析的结果，。在实际等离子体工艺中，涉及在等离子体和聚合物之间的反应。因而，需要在最大程度上类似于实际等离子体工艺的条件下收集所述光谱分析的结果。这时，可不将晶片引入到室610以防止不必要的晶片消耗。
参考之前的图1，将所测量和计算的测量参数K的值与预定上限值KU和预定下限值KL进行比较，以确定陈化是否需要以及如果需要陈化，哪种陈化合适(步骤300和步骤400)。
具体地，将测量参数K的值与预定上限值KU和预定下限值KL进行比较。预定上限值KU和预定下限值KL被实验地设定。例如，实验地测量在执行等离子体工艺时不生成如第一晶片效应的初始缺陷的K值的范围。所测K值的上限值被设定为上限值KU，所测K值的下限值被设定为下限值KL。不产生此类初始缺陷的K值的范围表示当正常执行等离子体工艺时可测量的K值的范围。
从而，如果确定前面所测的K值在正常状态的K值的范围内，如图3中所示，则无需执行任何陈化工艺。如果所测K值不在图3中所示正常状态的K值的范围内，如图4和5中所示，则需要执行合适的陈化工艺，使得K值在正常状态的K值的范围内。
具体地，当所测K值在预定上限值KU以上，即所测K值在正常状态的K值范围的上限以上时，如图4中所示，执行第一陈化使得K值在正常状态的K值范围内(步骤310)。所测K值在预定上限值KU以上表示多于所需百分比的硅氧化物(SiOX)出现在工艺室610中(见图6)。因而，执行第一陈化(步骤310)以减少硅氧化物(SiOX)的百分比，即增加碳氟化物化合物(CFx)的百分比，这是决定K值的另一个因素。
根据光谱分析的结果，执行第一陈化(步骤310)以进一步将反应气体供给到工艺室610(见图6)使得碳氟化物化合物(CFx)的发射强度增加，该反应气体包括可提供此碳氟化物化合物(CFx)的成分。例如，当在等离子体工艺中使用的反应气体，如蚀刻气体包括基于碳氟化物(CFY)的气体，如四氟化碳(CF4)和氧气(O2)时，执行第一陈化工艺(步骤310)来增加四氟化碳(CF4)的百分比，使得供给到工艺室610的蚀刻气体的四氟化碳(CF4)与氧气(O2)的百分比高于正常状态的蚀刻气体的四氟化碳(CF4)与氧气(O2)的百分比。
在如上所述地执行第一陈化(步骤310)后通过光谱分析测量并计算测量参数K的值，以确定测量参数K的值是否在正常状态的K值的范围内。如果所测K值仍在预定上限值KU以上，重复第一陈化工艺(步骤310)直到所测K值在正常状态的K值内，如图1中所示。另一方面，如果所测K值在预定上限值KU之下，执行以下步骤。
如果在执行第一陈化(步骤310)后测量的K值或初始测量的K值在预定上限值KU之下，则将所测K值与预定下限值KL进行比较(步骤400)。如果所测K值在预定下限值KL以下，即所测K值在正常状态的K值范围的下限以下，如图5中所示，执行第二陈化使得K值在正常状态的K值范围内(步骤410)。所测K值在预定下限值KL以下表示多于所需百分比的碳氟化物化合物(CFY)存在于工艺室610中(见图6)。因而，执行第二陈化(步骤410)以减少碳氟化物化合物(CFY)的百分比，即增加硅氧化物(SiOX)的百分比，这是决定K值的另一个因素。
根据光谱分析的结果执行第二陈化(步骤410)以进一步将反应气体供给到工艺室610(见图6)使得硅氧化物(SiOX)的发射强度增加，该反应气体包括可增加硅氧化物(SiOX)发射强度的成分。例如，当在等离子体工艺中使用的反应气体如蚀刻气体包括基于碳氟化物(CFY)的气体，如四氟化碳(CF4)和氧气(O2)时，执行第二陈化工艺(步骤410)来减少四氟化碳(CF4)的百分比，使得供给到工艺室610的蚀刻气体的四氟化碳(CF4)与氧气(O2)的百分比低于正常状态的蚀刻气体的四氟化碳(CF4)与氧气(O2)的百分比。
在如上所述执行第二陈化(步骤410)后，通过光谱分析测量并计算测量参数K的值，以确定测量参数K的值是否在正常状态的K值的范围内。如果所测K值仍在预定下限值KL以下，重复第二陈化工艺(步骤410)直到所测K值在正常状态的K值的范围内，如图1中所示。这时，如果前面测量的K值在预定上限值KU以上，重复第一陈化工艺(步骤310)。
当所测K值在预定上限值KU和预定下限值KL之间时，陈化工艺完成。
虽然为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员将认识到，在不脱离所附权利要求公开的本发明的范围和精神内，各种修改、添加和置换是可能的。
根据本发明，如第一晶片效应的初始缺陷通过对现有等离子体设备的最小修改被有效地防止，因此降低了半导体器件的制造成本。此外，在等离子体设备的预定空闲时段后被再次操作前，可做出关于陈化是否需要的确定，并可基于该确定执行合适的陈化。用于确定是否需要陈化和执行陈化的系统的结构简单，因此，陈化系统可易于安装到等离子体设备。
工业适用性
本发明应用于其中使用等离子体设备制造半导体器件的半导体制造设备领域，以及其中使用半导体制造设备的半导体制造领域。
Claims (5)
1. 一种等离子体设备陈化方法，包括以下步骤：
在操作所述等离子体设备执行等离子体工艺前，测量在等离子体设备的工艺室中出现的基于硅氧化物的化学物质的光发射强度与基于碳氟化物化合物的化学物质的光发射强度的比；
确定所述测量的光发射强度比的值是否在正常状态的预定范围内；以及
当基于确定结果将待在所述等离子体工艺中使用的反应气体供给到所述工艺室，而使得所述测量的光发射强度比的所述值在所述正常状态的预定范围内时，陈化所述工艺室的内部以改变所述反应气体的成分比，并由此改变所述光发射强度比。
2. 如权利要求1的方法，其中所述光发射强度比的测量步骤包括：
将要在所述等离子体工艺中使用的所述反应气体供给到所述工艺室，将所述反应气体变成等离子体状态，并通过光发射测量执行光谱分析。
3. 如权利要求1的方法，其中所述陈化步骤包括：
如果所测量的光发射强度比的所述值在所述正常状态的预定范围的上限值以上，
执行第一陈化以将第一反应气体供给到所述工艺室，在所述反应气体的成分中，增加所述基于碳氟化物化合物的化学物质的光发射强度的成分的百分比相对增加；以及
如果所测量的光发射强度比的所述值在正常状态的预定范围的下限值以下，
执行第二陈化以将第二反应气体供给到所述工艺室，在所述反应气体的成分中，增加所述基于硅氧化物的化学物质的光发射强度的成分的百分比相对增加。
4. 如权利要求3的方法，其中
要在所述等离子体工艺中使用的所述反应气体包括四氟化碳(CF4)和氧气(O2)，
在所述第一陈化步骤增加所述基于碳氟化物化合物的化学物质的所述光发射强度的所述成分是四氟化碳(CF4)，以及
在所述第二陈化步骤增加所述基于硅氧化物的化学物质的所述光发射强度的所述成分是氧气(O2)。
5. 一种等离子体设备，包括：
工艺室，具有限定在其中的内空间，用于执行等离子体工艺；
等离子体生成线圈，设置在所述工艺室上，用于产生等离子体；
光发射光谱分析单元，安装到所述工艺室的壁，用于对存在于所述工艺室中的化学物质进行光谱分析；
光发射强度比值计算单元，用于从通过所述光发射光谱分析单元收集并进行光谱分析的结果计算基于硅氧化物的化学物质的光发射强度与基于碳氟化物化合物的化学物质的光发射强度的比，并将所计算的光发射强度比的值与正常状态的预定范围进行比较，以确定是否必须陈化且如果必须陈化则确定哪种陈化合适；以及
主控制单元，用于控制引入到所述工艺室的反应气体的供给，以基于所述光发射强度比值计算单元的所述确定执行陈化。
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