CN111261544A - 原位实时等离子腔室状态监测 - Google Patents

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Abstract

公开了原位实时等离子腔室状态监测。提供了用于原位和实时的腔室状态监测的方法。例如，在一个实施例中，对于腔室中的每个晶片，原位监测所述腔室中的自由基的频率和波长。所述自由基的所述频率和所述波长与至少一种选定的化学物质相关联。将所相关联的自由基与指数进行比较。所述指数包括所述至少一种选定的化学物质中的每种化学物质的目标范围。

Description

原位实时等离子腔室状态监测
技术领域
本公开的实施例大体涉及半导体处理技术，并且更具体地涉及原位处理监测的方法。
背景技术
半导体制造包括根据电路设计在半导体(例如，硅晶片)中产生电路的一系列的工艺。这些工艺在一系列的腔室中执行。现代半导体制造设施的成功操作需要在形成晶片中的电路的过程中使稳定的晶片流从一个腔室移动到另一个腔室。这些工艺不可避免地产生不同种类的蚀刻副产物。一些副产物沉积在其中执行等离子体蚀刻工艺的腔室的内表面上。
副产物在内表面(诸如，腔室壁)上的持续堆积对半导体制造提出了两个挑战。首先，堆积的副产物的结构不稳定。因此，副产物倾向于从腔室壁上剥离，产生可以落在晶片表面上的颗粒和薄片，从而导致产品缺陷，诸如两条导线之间的短路或在上层不能覆盖碎片的地方的不连续性。其次，保留在腔室壁上的副产物与等离子体反应并且不利地影响蚀刻性能，这种现象也被称为“工艺漂移”。
为了减轻蚀刻副产物的影响，需要腔室清洁以周期性地从腔室壁上移除沉积物。为此，使腔室从生产脱离并将清洁等离子体引入腔室中。该等离子体与沉积物反应，并将该反应的产物泵出腔室外。然而，在这样的腔室清洁之后，已观察到清洁的腔室壁使腔室不适于立即生产晶片蚀刻。
当腔室打开时，湿气从环境引入腔室中。湿气是可以影响腔室性能的污染物。腔室调配是蚀刻一系列的空白硅晶片以恢复适于生产晶片蚀刻的腔室壁状态的过程。在腔室调配后，一层氧化硅薄层覆盖腔室壁。在腔室调配之后，腔室经历检定周期，其中生产和检查检定晶片以确定腔室是否准备好返回到生产周期。如果检定晶片符合规范，那么使腔室返回到生产晶片蚀刻。如果检定晶片不符合规范，那么运送更多的晶片以进一步调配腔室，并且之后运送和检查更多的检定晶片。
腔室调配时间和晶片检定时间非常耗时。如果检定晶片第一次不符合规范，那么花费更多的时间来重新调配腔室和测试更多晶片以进行检定，从而增加腔室停机的时间。
因此，非常希望开发一种不依赖测量蚀刻速率并由此避免中断生产或调配的工艺监测和腔室调配的方法。还优选地，这种方法以某种方式监测腔室壁状态，以便提供关于工艺漂移和腔室调配的实时、准确的信息。
发明内容
本文中的实施例大体涉及半导体处理技术，并且更具体地涉及原位处理监测的方法。本文中的一些实施例大体涉及用于原位和实时腔室状态监测的方法。例如，在一个实施例中，对于腔室中的每个晶片，原位监测所述腔室中的自由基的频率和波长。所述自由基的所述频率和所述波长与至少一种选定的化学物质相关联。将所述相关联的自由基与指数进行比较。所述指数包括所述至少一种选定的化学物质中的每种化学物质的目标范围。
在另一个实施例中，将至少一个晶片插入腔室中。将气体注入所述腔室中。所述气体包括自由基源。监测探测气体中的所述自由基的频率和波长。所述自由基的所述频率和所述波长与至少一种选定的化学物质相关联。将所述相关联的自由基与指数进行比较。所述指数包括至少一种选定的化学物质中的每种化学物质的目标范围。当所述相关联的自由基不在所述目标范围内时，ICC配方响应于所述比较而改变。
在又一个实施例中，对于腔室中的每个晶片，原位监测所述腔室中的氟的自由基的频率和波长。将指示氟的所述自由基的所述频率和所述波长与指数进行比较。所述指数包括氟的目标范围。当指示氟的自由基接近所述目标范围的下限时，增加所述腔室中的氟水平。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征所用方式，上文简要地概述的本公开的更具体的描述可以参考实施例进行，其中一些实施例在附图中示出。然而，将注意，所附附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应视为对本公开的范围的限制，因为本公开可以允许其它等效实施例。
图1是根据本文公开的实施例的电感耦合等离子体反应器的示意图。
图2描绘了根据本文公开的实施例的用于原位工艺监测的方法。
图3描绘了根据本文公开的实施例的绘图。
图4描绘了根据本文公开的实施例的绘图。
为了促进理解，已经尽可能使用相同的附图标记指定各图共有的相同元件。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了许多特定细节以提供对本公开的更透彻的理解。然而，对于本领域的技术人员将是显而易见的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行使用不同配置的各种改变。在其它实例中，没有描述众所周知的特征，以避免模糊本公开。因此，本公开不限于本说明书中所示的特定说明性实施例，并且所有这些替代实施例都旨在包括在所附权利要求的范围内。
图1提供了这种反应器的示意图。等离子体反应器/腔室100包括上腔室体105和下腔室体108。在上腔室体105的顶部上是电介质顶120。腔室壁118包围下腔室体。顶材料是氧化铝，并且腔室壁118是阳极化铝。电介质顶120和腔室壁118保持恒定的温度(顶为80摄氏度，并且腔室壁118为65摄氏度)。
通过将12.56MHz的射频(RF)电源110施加到电介质顶120上的感应线圈115来产生高密度的等离子体，电介质顶120设置在上腔室体105的顶部上。配备有静电吸盘(未示出)的阴极125保持半导体晶片130，该半导体晶片130在使用氦背面冷却的蚀刻期间也被热控制。将13.56MHz的单独RF偏置电源135施加到阴极125以控制到晶片130的离子轰击能量。通过由干式机械泵(未示出)支撑的2000l/s涡轮分子泵140抽空腔室100。
通过腔室壁上的四个气体分配环145以受控的流率引入工艺气体。用节流阀150将腔室压力保持在指定值处。包括棱镜162、单色仪164和光电二极管阵列(PDA)检测器166的光谱仪160用于记录光学发射光谱。光学信号从腔室中的传感器170收集并通过多股光纤175馈送。传感器170将该数据传输到光谱仪160。光谱仪160将自由基分离成与那些频率和波长相关联的化学物质。如本文所使用的“化学物质”广义地定义为包括化学物质和化学物质化合物。光谱仪160可以分离化学物质(例如，氟或氧)和/或化学物质化合物(例如，硝酸氟或硝酸硅)的自由基。为了节省处理器资源，客户/最终用户可以选择识别哪些化学物质。
包括CPU 182、存储器184和用于CPU 182的支持电路186的控制系统180控制等离子体反应器100的各种部件。存储在存储器184中的软件程序或一系列的程序指令当由CPU182执行时使反应器100执行本文公开的材料的工艺。在各种实施例中，存储器184还包括用于执行本文所述的实施例的程序(未示出)。
在其它实施例中，存储器184包括用于以下操作的程序(未示出)：基于自由基波长和频率识别腔室100中的化学物质；基于目标范围与相关联的自由基的频率和波长之间的关系而提供警报；和通过原位监测腔室100内的自由基的频率和波长而增加清洁之间的时间(Green-2-Green time)。
处理器182与诸如电源、时钟电路、高速缓冲存储器等的常规的支持电路186以及帮助执行存储在存储器184中的软件例程(未示出)的电路协作。因此，可以预期，本文讨论的作为软件工艺的一些工艺步骤可以从存储设备(例如，光盘驱动器、软盘驱动器、磁盘驱动器等)加载并在存储器184内实现，并且由处理器182操作。因此，本公开的各种步骤和方法可以存储在计算机可读介质上。
腔室100周期性地需要预防性维护(“PM”)维修，并且在本文中称为“PM周期”。腔室100基于工具的性能而从生产脱离并置于PM周期中。PM周期可以采取“次PM”周期或“主PM”周期的形式。在次PM周期中，更换几个零件，而在主PM中，更换更多零件。为了执行PM，需要打开腔室100并将其暴露于在腔室100外的大气。更换腔室100中的更多零件使腔室100打开更长的时间并增加腔室100中对湿气(例如，OH)的暴露。已经被引入腔室100中的零件也将湿气(例如，OH)引入腔室100中。
为了使腔室100再投入生产，腔室100经历调配周期和检定周期。根据本文所述的实施例，可以监测化学物质的波长和频率以减少调配周期和检定周期。出于说明目的，图3描绘了在调配周期和检定周期期间OH和氟水平的绘图。
图2描绘了用于原位监测处理腔室100中的选定的气体的频率和波长的示例性方法200。例如，在调配周期期间，方法200在框202处开始并朝向框204前进。在框204处，传感器170原位监测腔室100内的气体的自由基的频率和波长。
在框206处，自由基基于其频率和波长而与至少一种化学物质相关联。例如，具有指示氯的波长和频率的自由基与氯相关联并被分离到用于氯的通道中。由于其频率和波长而可以相关联的其它气体的示例是碳氮化物、氧、氟、氙、碳、氩、硅、氮化硅、氢和氢化物。
此外，可以与第二硅不同地监测和分类处于一个波长和频率的第一硅，第二硅处于与第一硅不同的波长和频率。在各种实施例中，可以(例如，由客户)进行选择以监测一种化学物质(例如，生产周期期间的氟)或化学物质的任何组合(在调配周期期间通常在腔室中发现的所有化学物质)。
在框208处，将每个通道中的自由基(即，相关联的自由基)与指数(未示出)进行比较。指数包括至少一种化学物质中的每种化学物质的目标范围。例如，如果选择一种化学物质(例如，氟)，那么选择氟的目标范围以用于与被识别为在腔室100中的与氟相关联的自由基进行比较。用户可以选择监测哪些相关联的自由基。用户还可以绘制相关联的自由基的强度变化。例如，在调配周期期间，在腔室100中更换零件，然后关闭腔室100。可以监测指示OH的自由基的波长和频率并将其与关于OH的指数进行比较。在调配周期期间，运送调配晶片降低腔室100中的OH水平。
任选地，可以绘制相关联的自由基。例如，OH浓度提供腔室100中的OH浓度的降低的图形表示。在与OH相关联的自由基的原位监测的同时连续地运送调配晶片允许客户运送晶片以减少OH，直至OH为最低水平(即，OH水平已经稳定而不再以快速水平下降)。
在调配二十五个晶片的过程期间，当将新的零件置于腔室100中时OH水平的降低的曲线与清洁后的零件的OH水平的降低的曲线不同。图3描绘了具有曲线302和曲线304的曲线图300。曲线302示出了当新的零件在腔室100中时在每次调配晶片之后OH浓度的降低。曲线304示出了在清洁后的零件在腔室100中时在每次调配晶片之后OH浓度的降低。腔室100中的OH的稳定状态(变化率小或无变化)对于新的零件而言与使用过的零件不同。
当OH处于可接受的水平或稳定状态水平时，可以监测指示氟的自由基的波长和频率，以确定因腔室100内的零件而造成的腔室100中的氟水平。腔室100中的新的零件将提供比已清洁的使用过的零件更高的氟水平。当使用新的零件时，可以改变蚀刻沟槽速率，使其更快，因为可以处理晶片。当使用清洁后的零件时，它们提供较低的氟水平(相对于新的零件提供的水平)，蚀刻沟槽速率可以降低。
当氟水平和OH水平处于可接受的水平时，调配周期结束。在调配周期结束后，运送仿真晶片进行检定周期。因为已经原位监测OH水平，并且运送晶片直到OH的下降速率最小(或没有OH)，所以检定时间显著减少。例如，在已经调配二十五个晶片之后运行检定周期将比在已经调配十个晶片之后运行检定周期产生更短的检定时间。此外，本文公开的方法允许进行调配并且然后进行检定，而不需要执行调配周期、执行检定周期并且然后如果晶片未通过第一检定则重新执行调配周期，并且然后执行第二检定周期。此外，相关联的自由基的原位监测在使用诸如新的零件或清洁后的零件的变量时提供效率，无论发生次PM还是主PM，或者相关联的自由基的原位监测在使用一个腔室而不是另一个腔室时提供变化。
返回图2，方法200还包括可选的框210和212。在可选的框210处，当相关联的自由基不在目标范围内时，响应于比较而改变原位腔室状态(“ICC”)配方。例如，当相关联的自由基不在目标范围内时，可以改变化学物质可以添加到腔室中的速率，并且可以改变蚀刻沟槽。
在可选的框212处，当相关联的自由基低于目标范围时，可以将腔室100从生产周期脱离并置于预防性维护中以进行维修、调配和检定。当相关联的自由基在目标范围内时，可以再次将腔室100置于生产周期中。
本文公开的实施例还可以用于增加清洁之间的平均时间。此外，原位监测自由基的波长和频率允许根据需要添加化学物质。例如，图4描绘了根据本文公开的实施例相对于现有技术的氟水平的原位监测和提高的图示比较400。图示比较400包括目标范围402，该目标范围402指示氟水平的可接受的操作范围。不可接受的水平404指示如果氟水平低于不可接受的水平404，那么需要将腔室100从生产脱离并进入预防性维护中。波406指示氟水平下降到要进行预防性维护并且然后再投入生产。波408利用本文公开的材料并包括原位监测指示氟的自由基的波长和频率，并且当氟接近目标范围的下限时增加氟水平。添加的氟的结果在波部分410处示出。随时间的推移，氟水平开始下降，并且在波部分412处示出。当氟水平再次接近目标范围的下限时，可以再次将氟添加到腔室100。通过原位监测和重复地将氟添加到腔室中，可以增加清洁之间的平均时间。例如，清洁之间的平均时间可以增加远远超过600RF小时，而不需要次PM或主PM。
如本文所使用，术语“具有”、“含有”、“包括”、“包含”等是开放性术语，其指示所述的元件或特征的存在，而不排除其它元件或特征。除非上下文另有明确地说明，否则冠词“一”、“一个”和“所述”旨在包括复数以及单数。
虽然以上针对的是本公开的实施例，但是可以在不背离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其它和进一步实施例，并且本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
对于腔室中的每个晶片，原位监测所述腔室中的自由基的频率和波长；
将所述自由基的所述频率和所述波长与至少一种选定的化学物质相关联；以及
将所相关联的自由基与指数进行比较，其中所述指数包括所述至少一种选定的化学物质中的每种化学物质的目标范围。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括当所相关联的自由基不在所述目标范围内时，响应于所述比较而改变原位腔室状态配方。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述腔室置于以下中的一个中：
当所相关联的自由基降至低于所述目标范围时将所述腔室置于预防性维护周期；并且
当所相关联的自由基在所述目标范围内时将所述腔室置于生产周期中。
4.如权利要求1所述的方法，进一步包括绘制每个比较。
5.如权利要求1所述的方法，进一步包括当在以下中的至少一个时提供警报：
所相关联的自由基在所述目标范围内；
所相关联的自由基低于所述目标范围；以及
所相关联的自由基高于所述目标范围。
6.如权利要求1所述的方法，其中在以下中的一个期间发生监测：
晶片生产周期；以及
腔室清洁周期。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述腔室清洁周期包括：
腔室调配周期；以及
腔室检定周期。
8.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
调配晶片，直到所述腔室内的氢氧化物水平处于稳定状态；以及
执行检定周期。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述监测和所述比较包括以下中的至少一个：
监测在所述腔室中与氢氧化物相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢氧化物自由基与关于氢氧化物的指数进行比较；以及
监测在所述腔室中与氟相关联的所述自由基的频率和波长，并将所相关联的氟自由基与关于氟的指数进行比较。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述监测和所述比较包括以下中的至少一个：
监测在所述腔室中与氢氧化物相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢氧化物自由基与关于氢氧化物的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氟相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氟自由基与关于氟的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氢相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢自由基与关于氢的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氯相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氯自由基与关于氯的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氧相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氧自由基与关于氧的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氩相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氩自由基与关于氩的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氙相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氙自由基与关于氙的指数进行比较；
监测在所述腔室中与硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的硅自由基与关于硅的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氮化硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氮化硅自由基与关于氮化硅的指数进行比较；以及
监测在所述腔室中与碳相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的碳自由基与关于碳的指数进行比较。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包括将多个晶片插入所述等离子体腔室中。
12.一种用于原位和实时的腔室状态监测的方法，包括：
将至少一个晶片插入等离子体腔室中；
将气体注入等离子体腔室中，其中所述气体包括自由基源；
监测所述气体中的所述自由基的频率和波长；
将所述自由基的所述频率和所述波长与至少一种选定的化学物质相关联；和
将所相关联的自由基与指数进行比较，其中所述指数包括所述至少一种选定的化学物质中的每种化学物质的目标范围。
13.如权利要求13所述的方法，进一步包括：
响应于所述比较而改变原位腔室状态(“ICC”)配方。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述监测和所述比较包括以下中的至少一个：
监测在所述腔室中与氢氧化物相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢氧化物自由基与关于氢氧化物的指数进行比较；以及
监测在所述腔室中与氟相关联的所述自由基的频率和波长，并将所相关联的氟自由基与关于氟的指数进行比较。
15.如权利要求12所述的方法，进一步包括当在以下中的至少一个时提供警报：
所相关联的自由基在所述目标范围内；
所相关联的自由基低于所述目标范围；和
所相关联的自由基高于所述目标范围。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述监测和所述比较包括以下中的至少一个：
监测在所述腔室中与氢氧化物相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢氧化物自由基与关于氢氧化物的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氟相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氟自由基与关于氟的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氢相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢自由基与关于氢的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氯相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氯自由基与关于氯的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氧相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氧自由基与关于氧的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氩相关联的所述自由基的频率和波长，并且将相关联的氩自由基与关于氩的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氙相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氙自由基与关于氙的指数进行比较；
监测在所述腔室中与硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的硅自由基与关于硅的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氮化硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氮化硅自由基与关于氮化硅的指数进行比较；和
监测在所述腔室中与碳相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的碳自由基与关于碳的指数进行比较。
17.一种方法，包括：
对于腔室中的每个晶片，原位监测所述腔室中的自由基的频率和波长；
将所述自由基的所述频率和所述波长与化学物质相关联；以及
将所相关联的自由基与指数进行比较，其中所述指数包括每种化学物质的目标范围；以及
响应于所述比较而改变所述腔室中的气体配方。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述监测和所述比较包括以下中的至少一个：
监测在所述腔室中与氢氧化物相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢氧化物自由基与关于氢氧化物的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氟相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氟自由基与关于氟的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氢相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氢自由基与关于氢的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氯相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氯自由基与关于氯的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氧相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氧自由基与关于氧的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氩相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氩自由基与关于氩的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氙相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氙自由基与关于氙的指数进行比较；
监测在所述腔室中与硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的硅自由基与关于硅的指数进行比较；
监测在所述腔室中与氮化硅相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的氮化硅自由基与关于氮化硅的指数进行比较；以及
监测在所述腔室中与碳相关联的所述自由基的频率和波长，并且将所相关联的碳自由基与关于碳的指数进行比较。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述气体是氟，并且所述气体配方包括当氟的所相关联的自由基接近预定目标范围时增加所述腔室中的氟水平。
20.如权利要求17所述的方法，进一步包括当在以下中的至少一个时提供警报：
所相关联的自由基在所述目标范围中的所述预定值内；
所相关联的自由基低于所述目标范围中的所述预定值；以及
所相关联的自由基高于所述目标范围中的所述预定值。
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