CN104285288B - 用于半导体制造工艺监测及控制的旋转吸收光谱 - Google Patents

Abstract

本文提供用于半导体制造工艺监测与控制的方法与设备。在一些实施方式中，用于基板处理的设备可包括：工艺腔室，所述工艺腔室用于在所述工艺腔室的内部空间内处理基板；辐射源，所述辐射源设置于所述工艺腔室的外部，以提供频率在约200GHz至约2THz之间的辐射，所述辐射通过在真空工艺腔室的壁中的介电窗进入所述内部空间；检测器，所述检测器用于在信号已经穿过所述内部空间后检测所述信号；及控制器，所述控制器耦接到所述检测器并被配置以根据被检测到的信号确定所述内部空间内的物种的组分。

Description

用于半导体制造工艺监测及控制的旋转吸收光谱

技术领域

本发明的实施方式大体涉及半导体工艺设备，尤其涉及用于半导体工艺的方法与设备。

背景技术

光学发射光谱是一种常用的技术以检测某些半导体工艺的终点，比如等离子体蚀刻工艺。举例来说，产物物种或反应物的等离子体转变发射光子，所述光子能被检测及用于确定等离子体工艺的终点。被检测的光子可被监测，并基于关于反应物的增加信号或关于产物的减少信号确定终点。当反应物或产物达到特定浓度(即个别信号跨越阈值水平的)时，所述终点即被确定。

然而，随着形成在基板上的集成电路或其它器件的器件节点和特征尺寸持续缩小，增加的工艺控制变得更为重要。发明人观察到传统的光学发射光谱及其他传统终点检测技术可能无法提供想要的灵敏度，以满意地控制基板工艺。举例来说，由工艺腔室内不同物种所提供的信号可能会交叠，不合需要地提供低信噪比，这对精细工艺控制而言是不合需要的。

因此，发明人提供用于半导体制造工艺监测与控制的改良的设备与方法。

发明内容

本文提供用于半导体制造工艺监测与控制的方法与设备。在一些实施方式中，用于基板处理的设备可包括：工艺腔室，所述工艺腔室用于在所述工艺腔室的内部空间内处理基板；辐射源，所述辐射源设置于所述工艺腔室的外部，用以提供频率在约200GHz至约2THz之间的辐射，所述辐射通过在所述真空工艺腔室的壁中的介电窗进入所述内部空间；检测器，所述检测器用于在所述信号已经通过所述内部空间后检测所述信号；及控制器，所述控制器耦接到所述检测器并被配置以根据被检测到的信号确定内部空间内的物种的组分。

在一些实施方式中，一种用于监测基板工艺腔室的方法可包括：在工艺腔室内执行工艺；提供频率在约200GHz至约2THz之间的辐射到所述基板工艺腔室的内部空间；在所述辐射已经通过所述内部空间后检测所述辐射；及对被检测到的辐射使用分子旋转吸收强度分析来特征化(characterize)所述内部空间的内容物(content)。

在一些实施方式中，所述特征化可包括以下之一或更多：在工艺的执行期间控制所述工艺；确定工艺的终点；鉴别工艺腔室的特征；比较所述工艺腔室与第二工艺腔室间的执行情况，所述第二工艺腔室被用来执行相同的工艺；或确定在工艺腔室的执行情况中的缺点。

在一些实施方式中，非瞬时计算机可读媒介具有储存于其上的指令，当由处理器执行所述指令时，所述指令使所述处理器执行监测基板工艺腔室的方法，所述方法可包括：在工艺腔室内执行工艺；提供频率在约200GHz至约2THz之间的辐射至所述基板工艺腔室的内部空间中；在所述辐射已通过所述内部空间后检测所述辐射；及对被检测的辐射使用分子旋转吸收强度分析来特征化所述内部空间的内容物。

本发明的其他及进一步的实施方式描述于下。

附图说明

能通过参考描绘于附图中的本发明的说明性实施方式来理解以上简要概述的且下文更加详细论述的本发明的实施方式。然而，应注意到附图仅示出本发明的典型的实施方式，因此附图不应被视为对本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等同有效的实施方式。

图1为根据本发明的一些实施方式的基板工艺系统的示意侧视图。

图2为根据本发明的一些实施方式的用于监测基板工艺腔室的方法的流程图。

为了便于理解，已尽可能使用相同的标记数字来表示各图共有的相同元件。这些附图并未按比例绘制且可为了清楚而被简化。可以预期的是一个实施方式的元件与特征可有益地并入其他实施方式中而无需进一步详述。

具体实施方式

本发明的实施方式提供用于使用分子旋转吸收光谱来诊断半导体制造工艺的运行状况(health)的方法与设备。适合的半导体制造工艺的非限制性实例包括真空工艺、等离子体增强真空工艺及类似工艺。

来自分子(至第一阶)的旋转光谱要求分子具有偶极矩及要求在分子的电荷中心与分子的质量中心间有差异，或等效地两种不同的电荷间分开。就是此偶极矩使电磁辐射的电场能够施加扭矩于所述分子，从而使所述分子旋转的更快(激发)或更慢(去激发；de-excitation)。有益的频率范围由频带限定，在所述范围内分子具有旋转光谱响应。在一些实施方式中，所述频率范围可以是约200GHz至约2THz。在其他实施方式中，所述频率范围可以是从约10GHz至约2THz的更大范围。这是光谱的新且未探索的部分，所述部分富有用于特征化半导体制造工艺的独特的分子信息。

举例而言，等离子体蚀刻化学物质是十分复杂的。就介电蚀刻而言，碳氟化合物气体化学物质被用来蚀刻介电材料，比如SiO₂和SiN及类似物。蚀刻等离子体化学物质包括反应物气体分子片段，比如CF、CF₂、CF₃、C₂F₂等等，及蚀刻剂气体分子片段。尽可能准确地知道每一片段的小部分会更好地理解正在使用的工艺配方的组成。此知识能被用于比较蚀刻腔室的执行情况。根据本发明的实施方式的监测及使用从分子旋转吸收光谱获得的信息的方法能提供这种有用的信息。

因为等离子体内的实际密度和温度被测量，所以与传统使用的射频功率、腔室压强、气流等等相比，可使用被测量的密度和温度作为设定点而控制等离子体工艺。举例而言，在一些实施方式中，工艺可替代地被控制到目标物种密度、物种温度及腔室设定范围，而不是设定腔室压强、射频功率、气流及类似的典型工艺参数，这些典型工艺参数传统地用于控制半导体基板工艺。腔室的设定可包括在工艺过程中能在预先限定的范围内变化的工艺参数，比如射频功率或类似参数，而不是被保持为固定值的工艺参数。举例而言，腔室设定范围能设定上限与下限，在特定工艺过程中功率或其他可变工艺参数能变化到所述上限和所述下限。界定腔室设定范围能有利地提供工艺灵活性同时避免失控工艺。然后，功率、压强、气流等等可由腔室运转状态的模型或计算确定。用于在基板上执行特定工艺的设定可基于所测量的密度与温度偏离目标的偏差量，且所述设定可在操作窗口中变化，所述操作窗口设立在用于在工艺腔室中执行特定工艺的工艺配方中。在这种方式中，所述工艺控制基板上方所需的测量的等离子体。对于不同的腔室而言，这可能针对每一单独的腔室导致稍微不同的功率、压强、流及类似操作条件，以实现所需的物种目标。这种方法有利地允许不同腔室中等离子体产生(plasma generation)的变化，同时获得较好的基板上的结果。

本发明设备的使用实例包括：使用分子旋转吸收强度来比如在等离子体蚀刻腔室内执行用于基板工艺的终点检测；使用分子旋转吸收光谱强度来鉴别等离子体工艺腔室的特征，并比较用于相同工艺的腔室间的执行情况；使用分子旋转吸收光谱强度来为半导体工艺腔室执行缺点检测。

举例而言，图1为根据本发明的一些实施方式的基板工艺系统100的示意侧视图。基板工艺系统100通常可包括基板工艺腔室102，基板工艺腔室102具有内部空间104。气源106可流体连通到内部空间104以提供一或多种气体至内部空间，举例而言，以处理基板、清洁面向工艺腔室面的内部空间或进行类似操作。气源106可以任何合适的方式流体连通到内部空间104，比如通过气体进口、喷头、喷嘴或类似方式。喷头140说明性地图示于图1中。

在一些实施方式中，射频(RF)电源108可操作性地耦接到工艺腔室102以提供射频能量，所述射频能量足以在内部空间104中形成和/或维持等离子体112。匹配电路110可沿着射频传输线被提供至腔室，以最小化反射回射频电源108的任何射频能量。射频电源108可以任何合适的方式耦合到腔室，比如电容耦合(如图示)、电感耦合(如虚线所示)或类似方式。在一些实施方式中，射频电源108可通过一或多个同轴线圈142电感耦合到腔室。

基板支撑件114设置于工艺腔室102的内部空间104中以支撑基板支撑件114上的基板116。所述基板通常可以是在真空工艺中使用的任何适合的基板，比如半导体晶片、玻璃面板或类似基板。

支持系统118包括使用以利于在工艺腔室102中执行预设工艺的部件。这些部件通常包括工艺腔室102的各种子系统(例如气体面板、气体分配导管、真空与排气子系统及类似子系统)和装置(例如电源、工艺控制仪器及类似装置)。

控制器120可被提供以本文所描述的方式帮助基板工艺系统100的控制。控制器120通常包含中央处理单元(CPU)122、存储器124以及支持电路126，且控制器120直接地耦接到并控制工艺腔室102和支持系统118，或选择性地经由与工艺腔室和/或支持系统相关联的其他计算机(或控制器)耦接到并控制工艺腔室102和支持系统118。中央处理单元122可以是用于工业设定的任何形式的通用计算机处理器。软件程序能被储存于存储器124，比如随机存取存储器、只读存储器、软盘或硬盘或本地或远程的其它形式的数字储存器。支持电路126传统上耦接到中央处理单元122，且可包含高速缓冲存储器(cache)、时钟电路、输入/输出子系统、电源及类似装置。当中央处理单元122执行所述软件程序时，所述软件程序将所述中央处理单元转变为特定目的的计算机(控制器)120，控制器120控制基板工艺系统100，以使得所述工艺根据本发明而被执行。软件程序也可被第二控制器储存和/或执行，所述第二控制器距离基板工艺系统100远程地定位。

提供辐射源128以发射频率范围介于几百GHz至几THz间的辐射。举例而言，在一些实施方式中，此频率范围可以是约200GHz至约2THz。在其他实施方式中，所述频率范围可以是从约10GHz至约2THz的更大的范围。提供这些频率的辐射有利地促使获得定量物种信息，包括工艺腔室内的所有极性物种：自由基、中性粒子或离子。此外，在基板工艺中通常使用的低温等离子体不产生具有这些频率的辐射，从而有利地提供低噪环境(即允许建立高信噪比)。辐射可经由介电窗132提供至工艺腔室102的内部空间104中，介电窗132对所述辐射而言是透明的。在一些实施方式中，辐射源128可包含射频源与相关电路以倍增射频能量的频率数次，以获得想要的频率。在一些实施方式中，所述射频源可以是频率调谐射频源，所述频率调谐射频源能在一频率范围内提供射频能量，以便能提供多个所需的频率而不需要不同的辐射源128。

提供检测器130以在辐射已穿过内部空间104后接收所述辐射。检测器130被配置以在辐射已穿过内部空间104后(即在所述辐射的一些辐射已被内部空间104中的物种吸收后)检测所述辐射的强度。检测器130发送数据到控制器120(或到一些其他控制器)，所述数据代表频带范围内的辐射强度，以使得内部空间104的内容物能被特征化，如以下更加详细地论述。

辐射源128与检测器130的位置可以变化。举例而言，辐射源128与检测器130可被配置以通过相同的介电窗132发射与接收辐射。在这样的实施方式中，辐射可反射离开相对的腔室壁，或可提供一或多个反射器134以增加反射的辐射的量。或者，辐射源128与检测器130可被配置以通过不同的介电窗132发射和接收辐射。举例而言，辐射源128和检测器130可设置于工艺腔室102的相对侧(如图1的虚线所示)或一些其他位置中，第二介电窗136可被提供以允许辐射离开工艺腔室102。在没有直接的视线的地方，辐射可反射离开一或多个腔室壁表面和/或反射器134以从辐射源128行进至检测器130。反射器134可由任何适合的材料制造，以用于反射由辐射源128产生的波长范围的辐射。此外，反射器134可由任何适合的材料制造，以供在工艺腔室中或周围使用，所述材料能耐受工艺腔室操作环境且可容易地被清洁。

虽然图1图示辐射源128相对于基板116水平地提供辐射，但在一些实施方式中，辐射源128可提供垂直于基板116的辐射，且按照需要，使用反射器134来引导所述辐射穿过工艺腔室。在其他实施方式中，辐射源128可提供垂直于基板116的辐射，以使得辐射反射离开基板116。

有利的是，由于使用的频率的范围，本发明不需要高质量反射来操作，因为例如低噪环境提供高的信噪比。举例而言，与可能需要干净及高反射的表面的现有技术的设备和技术相比，腔室壁表面或一或多个反射器可能因为它们在工艺腔室内的位置而随时间变脏，然而所述腔室壁表面或一或多个反射器仍然是能使用的。

辐射源128与检测器130的位置可被选择以提供所需质量的信号(即足以特征化腔室内容物)。举例而言，一或多个介电窗132(或136)可被提供于腔室的主体内、提供于接近等离子体形成处的源区中、提供于腔室内容物被排出的泵口区中或提供于类似位置处。多个反射器134可被提供以使辐射穿过内部空间数次，来提高从检测器130检测到的辐射所获得的数据的可靠性。

利用代表由检测器130获得的辐射的强度的数据，可获得腔室内容物的各种特征化。这种特征化可被用来控制正在工艺腔室102内执行的工艺、监测工艺腔室102的状态或比较工艺腔室102与可能正在执行相同工艺的不同工艺腔室102的执行情况。

举例而言，图2描绘根据本发明的一些实施方式的方法200的流程图，方法200用于监测基板工艺腔室。方法200可于任何适合的基板工艺系统内执行，比如以上描述的说明性的基板工艺系统100。在一些实施方式中，方法200可开始于步骤202，在步骤202工艺可被执行于工艺腔室中。所述方法可以是典型地执行于基板工艺中的任何工艺，比如蚀刻、沉积或类似工艺。接着，于步骤204，可提供频率在约几百GHz至几THz的辐射至基板工艺腔室的内部空间中(例如，提供一频率的辐射以提供内部空间中的物种的分子信息)。在步骤206，在辐射已穿过内部空间后，检测辐射。在步骤208，对被检测的辐射使用分子旋转吸收强度分析可特征化内部空间的内容物。

在一些实施方式中，如步骤210所示，在步骤208的内部空间特征化可包括以下之一或更多：在工艺的执行期间控制所述工艺；确定工艺的终点；鉴别工艺腔室的特征；比较所述工艺腔室与第二工艺腔室间的执行情况，所述第二工艺腔室被用来执行相同的工艺；或确定工艺腔室的执行情况中的缺点。

虽然前述内容针对本发明的实施方式，但在不背离本发明的基本范围的情况下，可设计出本发明的其他及进一步的实施方式。

Claims (14)

1.一种用于基板处理的设备，包含：

工艺腔室，所述工艺腔室用于在所述工艺腔室的内部空间内处理基板；

辐射源，所述辐射源设置于所述工艺腔室的外部，以提供频率在200GHz至2THz的辐射，所述辐射通过在所述工艺腔室的壁中的介电窗进入所述内部空间；

检测器，所述检测器用于在所述辐射已经穿过所述内部空间后检测所述辐射；及

控制器，所述控制器耦接到所述检测器并被配置以对所被检测到的辐射使用分子旋转吸收强度分析来确定所述内部空间内的物种的信息，

其中确定所述内部空间内的所述物种的信息包括测量所述内部空间中产生的等离子体内的密度和温度，并且基于测量的所述密度与目标密度之间的密度偏差和测量的所述温度与目标温度之间的温度偏差而控制工艺。

2.如权利要求1所述的设备，进一步包含：

气源，所述气源用以提供一或多种气体至所述内部空间；

射频源，所述射频源用以提供射频能量至所述内部空间，以由提供至所述内部空间的一或多种气体形成等离子体。

3.如权利要求1所述的设备，进一步包含：

一或多个反射器，所述一或多个反射器设置于所述内部空间内，以将来自所述辐射源的所述辐射反射至所述检测器。

4.如权利要求1至权利要求3的任一项所述的设备，其中所述检测器被配置以在所述辐射已穿过所述内部空间后检测所述辐射的强度。

5.如权利要求1至权利要求3的任一项所述的设备，其中选定的所述辐射的频率提供在所述内部空间内的物种的分子信息。

6.一种用于监测基板工艺腔室的方法，包含：

在工艺腔室内执行工艺；

提供频率在200GHz至2THz的辐射到所述基板工艺腔室的内部空间；

在所述辐射已经穿过所述内部空间中产生的等离子体后检测所述辐射；

对被检测到的辐射使用分子旋转吸收强度分析来确定关于所述内部空间中产生的所述等离子体的信息，其中确定关于产生的所述等离子体的所述信息的步骤包括测量所述等离子体内的密度和温度；及

基于测量的所述密度与目标密度之间的密度偏差和测量的所述温度与目标温度之间的温度偏差来控制所述工艺。

7.如权利要求6所述的方法，其中确定的关于所述内部空间中产生的所述等离子体的所述信息被用于在所述工艺的执行期间控制所述工艺。

8.如权利要求6所述的方法，其中确定关于所述内部空间中产生的所述等离子体的信息的步骤包括确定所述工艺的终点。

9.如权利要求6所述的方法，其中确定关于所述内部空间中产生的所述等离子体的信息的步骤包括鉴别所述工艺腔室的特征。

10.如权利要求6所述的方法，其中确定的关于所述内部空间中产生的所述等离子体的所述信息被用于比较所述工艺腔室与第二工艺腔室间的执行情况，所述第二工艺腔室被用来执行相同的工艺。

11.如权利要求6所述的方法，其中确定关于所述内部空间中产生的所述等离子体的信息的步骤包括确定所述工艺腔室的执行情况中的缺点。

12.如权利要求6至权利要求11的任一项所述的方法，其中提供所述频率的辐射有利于获得定量的物种信息，所述物种信息包括所述工艺腔室内的一或多种极性物种。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述工艺腔室内的所述一或多种极性物种包括自由基、中性粒子或离子物种。

14.如权利要求6至权利要求11的任一项所述的方法，其中所使用的所述辐射的频率不同于由所述工艺腔室内使用的等离子体产生的辐射的频率。