CN1500204A - 利用偏最小二乘法探测终点的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于刻蚀反应室中特征刻蚀完成的探测的方法。该方法包括通过下述方法确定关联矩阵：记录关于第一刻蚀工艺在连续时间间隔内的第一测量数据以形成第一记录数据矩阵(110)，使用用于特定刻蚀工艺的目标终点数据建立第一终点信号矩阵，对记录数据矩阵和第一终点信号矩阵进行偏最小二乘法分析(130)以改进记录数据矩阵，以及根据改进的记录数据矩阵和第一终点信号矩阵计算关联矩阵(180)。本方法进一步包括进行第二刻蚀工艺以形成第二记录数据矩阵。分析关联矩阵和第二记录数据矩阵以确定是否达到第二刻蚀工艺的终点。

Description

利用偏最小二乘法探测终点的方法和设备

相关申请的交叉参考

本申请要求对2001年3月23日提出的U.S.申请系列号No.60/277,981的优先权。这一申请的内容在此引入作为参考。

发明背景

发明领域

本发明一般涉及半导体制造过程中的终点探测。

背景讨论

本发明识别传统加工反应室和使用那些反应室的方法所带来的问题，而这些问题在使用本发明之后就能得以解决。

通常，在半导体加工过程中，利用(干法)等离子刻蚀工艺沿构图在硅衬底上的细线或通孔或接触中除去或刻蚀材料。等离子刻蚀工艺一般包括将带有覆盖于其上的已构图的保护层——例如光刻胶层——的半导体衬底定位于加工室中。一旦衬底定位在加工室中，则以预定流速向室内通入离化分解的气体混合物，同时节流真空泵以获得环境加工压。之后，当部分通入的气体被电子——这些电子通过利用电感或电容的射频(RF)能的转换或使用，例如，电子回旋共振(ECR)的微波能的转换来加热——电离。此外，被加热的电子用于分解某些环境气体物质并产生适合于暴露表面的刻蚀化学特性的反应物质。一旦形成了等离子体，衬底所有暴露的表面都会被等离子体所刻蚀。调整这一过程以获得最佳条件，包括所需反应物的合适浓度和用来刻蚀衬底暴露区域中不同特征(例如，沟槽、通孔、接触，等等)的离子数量。需要进行刻蚀的衬底材料包括二氧化硅(SiO2)、多晶硅和氮化硅。

由于特征尺寸缩小，以及集成电路(IC)制造过程中所用的刻蚀工艺步骤的数量和复杂性的迅速增加，对严格的工艺控制的要求变得更加紧迫。因此，在半导体IC的制造中对这种工艺的实时监视和控制变得日益重要。例如，一种这样的对刻蚀步骤或工艺及时完成的监视和控制诊断需要就是终点探测。

终点探测指的是对刻蚀步骤的控制以及，尤其是，对特征刻蚀的完成或者刻蚀前端到达刻蚀停止层的那一瞬间的探测。如果没有正确探测刻蚀工艺终点，那么由于过刻蚀，就会发生特征的严重下切，或者由于下刻蚀而导致部分完成的特征。结果，差的终点探测会导致差质量的器件，增大了失效的可能性。因此，在制造工艺过程中，刻蚀工艺的准确和精密的完成是要考虑的一个重要方面。

一种用于终点探测的方法是使用光发射谱(OES)及时监视预定波长的光的发射强度。这种方法可识别相应于在刻蚀工艺中出现的化学物质——它在刻蚀工艺终点表现出显著的改变——的波长。之后，分析所得信号以探测发射强度的明显变化，然后用所得结果的分析与刻蚀工艺的完成联系起来。通常，所选的物质相应于反应物或挥发性刻蚀产物。例如，在刻蚀SiO₂和聚合物膜时所选波长可相应于CO^*发射，在刻蚀氮化物膜时可相应于N₂ ^*或CN^*发射，在刻蚀多晶硅时可相应于SiF^*发射，而在刻蚀铝时可相应于AlCl^*发射。

除了上面描述的监视单一波长出发射强度的方法之外，另一种方法是监视两个波长的光强度并记录两个强度的比值(或它们的某些数学变换)。例如，一种波长相应于在终点处浓度降低的物质而第二种波长相应于在终点处浓度升高的物质。因此，比值给出了改善的信噪比。

然而，由于IC器件尺寸降低，暴露无遮盖的面积也相应降低，由于单和双波长终点探测方案因为从中只能得到低信噪比(S/N)的终点信号而导致的稳定性降低，它们的使用受到了限制。之后，工艺工程师就面临着艰难的挑战，要选择在制造环境中具有足够稳定性的正确的波长，结果，出现了更复杂的终点探测方案。复杂的终点探测方案在数千个波长处取样数据(即，在刻蚀工艺过程的每一个瞬时记录一个宽的发射谱)并应用像主成分分析这样的多元数据分析技术来获取终点信号。

在PCA中，使用几种技术——包括特征值分析、奇值分解(SVD)和非线性偏最小二乘法——来识别多维空间中的数据分散的变化最大的主要方向。多维空间的维度等于所记录的变量的数目，即所记录的发射强度的离散波长的数目。因此，PCA将识别多维空间中发射强度的变化最大的方向。换句话说，主成分充当每个变量的一系列加权系数。通常，选择最前的三个或四个主成分(相应于三个或四个最大特征值)并将其用于从新记录的数据中选取三个或四个终点信号。然而，对光发射数据的多元分析使用PCA的一个缺点包括这种分析必然伴随的对数学的严格要求和复杂性，以及，更重要的，缺少对与刻蚀工艺相关的能得到总量较少的一组包括终点信号的数据的物理准则的使用。

所以，需要为终点探测提供改善的设备和方法，它们克服了上述缺点。

发明概述

因此，本发明有利地给出了用于特征刻蚀完成的改善探测的设备和方法。

本发明的实施方案有利地给出了包括下述步骤的方法：通过关于第一刻蚀工艺在连续的时间间隔内记录第一测量数据确定关联矩阵以形成第一记录数据矩阵，使用用于特定刻蚀工艺的目标终点数据组合第一终点信号矩阵，对第一记录数据矩阵和第一终点信号矩阵进行偏最小二乘法分析以改进第一记录数据矩阵，根据改进的记录数据矩阵和第一终点信号矩阵计算关联矩阵。该方法一进步包括进行第二刻蚀工艺以形成第二记录数据矩阵，其中分析关联矩阵和第二记录数据矩阵以确定是否达到了第二刻蚀工艺的终点。

确定本发明的方法的优选实施方案，从而进行偏最小二乘法分析的步骤包括如下步骤：在定义为对第一测量数据的第一终点信号矩阵的影响的投影数据中计算变量重要性，根据投影数据中变量重要性的分析改进第一记录数据矩阵。改进第一记录数据矩阵的步骤包括：分析投影数据中的变量重要性以确定第一记录数据矩阵中的一个变量是否可以因其对第一终点信号矩阵的影响最小而排除。在改进过程中删除的所用的变量可定义为在投影数据值中具有低于预定阈值或处于预定范围内的变量重要性。作为选择，可如此规定改进：使用投影数据值中变量重要性对变量数的一阶导数来为投影数据中的变量重要性选择阈值，处于该值之下的变量被删除。

确定本方法的优选实施方案从而进行第二刻蚀工艺的步骤包括如下步骤：在加工室中启动第二刻蚀工艺，关于第二刻蚀工艺在连续时间间隔内记录第二测量数据以形成至少有一个记录数据向量的第二记录数据矩阵，通过将该至少一个记录数据向量与关联矩阵的至少一个加权向量相乘计算至少一个终点信号，通过检查该至少一个终点信号确定是否达到终点，当达到终点时停止刻蚀工艺。

在优选实施方案中，在一个加工室中进行第一刻蚀工艺和第二刻蚀工艺。优选地，对在选定的加工室中进行的选定的刻蚀工艺计算关联矩阵。优选地通过选定加工室中的实验来确定目标数据，而选定的加工室用于第二刻蚀工艺。在优选实施方案中，测量数据为光发射数据，然而，作为选择，测量数据可以是电信号数据和/或匹配网络电容设置数据。

在优选实施方案中，第一记录数据矩阵、第一终点信号矩阵和关联矩阵由下面的关系确定：

XB＝ Y

其中 X代表第一记录数据矩阵，具有m×n个数据点， B代表关联矩阵，具有n×p个数据点， Y代表第一终点信号矩阵，具有m×p个数据点。第一记录数据矩阵和第二记录数据矩阵中给定瞬时处的数据优选地通过下述方法进行平均中心：计算某个矩阵一列元素的平均值并将每个元素减去该平均值；或通过下述方法进行归一化：确定某个矩阵一列中的数据的标准差。

本发明的实施方案有利地给出包括如下部分的设备：刻蚀反应室，在其中进行刻蚀工艺，其中刻蚀工艺由与刻蚀反应室相连的电源驱动；终点探测器，用于探测刻蚀工艺的终点。终点探测器包括探测部分，用于在刻蚀反应室中顺序探测涉及刻蚀工艺的数据。终点探测器还包括计算部分，利用关于连续时间间隔内的第一刻蚀工艺的第一测量数据来确定关联矩阵以形成第一记录数据矩阵，使用特定刻蚀工艺的目标终点数据来组合第一终点信号矩阵，对第一记录数据矩阵和第一终点信号矩阵进行偏最小二乘法分析以改进第一记录数据矩阵，根据改进的记录数据矩阵和第一终点信号矩阵计算关联矩阵，形成第二刻蚀工艺的第二记录数据矩阵。计算部分用于分析关联矩阵和第二记录数据矩阵并在达到第二刻蚀工艺终点时产生终点信号。本设备还包括控制器，用于从计算部分接收终点信号，并根据终点信号控制电源的驱动。

本发明的设备的优选实施方案如此配置以使探测部分包括光电探测器，用于顺序探测刻蚀反应室内的发射谱。光电探测器部分优选地包括高分编录光发射谱感应器。刻蚀反应器优选地包括真空室，它具有由透明材料制成的观察窗，探测部分透过观察窗探测发射谱。

优选的刻蚀反应室为电容耦合等离子体反应室，包括真空室、处于真空室内的一对平行的平板电极、与真空室相连的气体注入线，以及与真空室相连的气体排出线，其中电源为与平板电极中的一个相连的高频电源。作为选择，刻蚀反应室可以是多频电容耦合等离子体反应室、电感耦合等离子体反应室、电子回旋共振反应室，或螺旋等离子体反应室。

在优选实施方案中，计算部分计算投影数据——定义为对第一测量数据的第一终点信号矩阵的影响——中的变量重要性，根据投影数据中变量重要性的分析改进第一记录数据。计算部分优选地通过如下方法改进第一记录数据矩阵：分析投影数据中的变量重要性以确定第一记录数据矩阵中的变量是否可以因其对第一终点信号矩阵具有最小的影响而排除。

在替代实施方案中，探测部分顺序探测刻蚀反应室中涉及刻蚀工艺的电信号数据和/或匹配网络电容设置数据。

附图简述

参考下面的详细描述，尤其是当与附图一同考虑时，本发明的更详细的评价及其许多伴随的优点将变得更为明显，其中：

图1示出根据本发明实施方案的等离子体刻蚀反应室和用于探测刻蚀工艺终点的终点探测器；

图2示出使用图1示出的器件记录的从240nm至1000nm的发射谱；

图3A示出第一终点信号y₁(t)，而图3B示出第二终点信号y₂(t)；

图4为输入本发明实施方案的年最小二乘法分析的数据输入的图示以及相应的输出；

图5示出投影中的变量重要性(VIP)关于变量数目值的示例性曲线；

图6为根据本发明实施方案确定加权系数的方法的流程图；以及

图7为根据本发明实施方案用于监视和探测刻蚀工艺终点的方法的流程图。

优选实施方案描述

如上所述，本发明者认识了传统加工反应室的和使用那些反应室的方法的问题，这些问题通过使用本发明能够得以解决。因此，本发明给出用于终点探测的改善的设备和方法，克服了传统加工反应室所带来的缺点。

发明者认识到要对小开口面积的衬底的刻蚀工艺精确地探测终点是困难的。随着器件尺寸的减小，开口面积也减小，并且终点信号和信噪比也相应降低。所需要的是利用刻蚀工艺设定的已知物理准则选取终点信号的简化多元分析方法。

另外，发明者认识到要对不同晶片的刻蚀工艺重复探测终点是困难的。终点探测算法必需足够稳定以克服工艺条件在不同晶片之间的变化。所需要的是稳定的算法，在不同晶片之间操作者的介入最少直到没有。

发明者认识到选择含有提供信息最多的终点信号的波长是重要的。如上所述，用于选取终点信号的传统多元分析技术在数学上复杂且要求严格，并且还不包括用于选取信号的关于工艺的信息。在PCA中，只选择几个主要成分来从数据中选取终点信号，然而，用于选择这些成分的准则会很特别。因此，所需要的是利用根据刻蚀工艺物理性质的知情决定选择重要波长并分配权重的方法。所需要的是用于做出关于波长的选择和从发射谱中剔除的知情决定的一套物理准则。

现在将参考优选实施方案描述本发明，优选实施方案给出克服了发明者所表明并且在上面描述过的问题的有利结构和方法。

现在参见附图，图1示出等离子体刻蚀反应室或器件B以及用于刻蚀工艺终点探测的终点探测器A’，由等离子体刻蚀器件B来处理。等离子体刻蚀器件B优选地包括由导电材料——例如铝——形成的真空工艺室1，以及置于真空室1上、下部分中的一对平行的平板电极2和3。电极2和3置于真空室1中，电极2和3之间具有预定间距。气体注入线4和气体排出线5与真空工艺室1相连。气体注入线4用于从刻蚀气体供应部分20向真空室1注入碳氟化合物(例如，CF系，例如CF₄)刻蚀气体。气体排出线5用于通过真空泵将未使用的处理气体和真空室1中产生的反应产物排出到真空室1的外部排出处理单元(例如，废料系统)。

下电极2形成在真空室1的底表面上，用作装配加工目标——例如半导体衬底或晶片W——的基底。下电极2优选地为接地电极而上电极3与高频电源6相连。如前所述，向真空工艺室1通入处理气体以及向电极3施加电源产生了加工等离子体P，由此形成了适合于在晶片W上刻蚀已构图材料膜的反应物和离子数量。

此处示出并描述的真空工艺室1为电容耦合等离子体(CCP)反应室。然而，正如熟练的技术人员所树枝的，只要不偏离此处讨论的材料，本发明也可适用于多频CCP反应室、电感耦合等离子体(ICP)反应室、电子回旋共振(ECR)反应室和螺旋型等离子体反应室。

在真空工艺室1外围表面的一部分上附加薄且常的观察窗1a，它优选地沿水平方向延伸。观察窗1a由像石英玻璃这样的透明材料制成，可让产生于真空工艺室1中的等离子体P的发射谱透过。为了探测半导体晶片W的刻蚀工艺的高级状态，将穿过观察窗1a的等离子体P的发射谱引入终点探测器A’来探测等离子体刻蚀的终点。

终点探测器A’优选地包括光电探测器7和计算部分8。光电探测器7顺序探测从真空工艺室1的观察窗1a发出的要进行光电转换的等离子体P的发射谱。计算部分8根据通过导线S1送入计算部分8的光电探测器7的探测信号来计算刻蚀的高级状态。计算部分8用于向控制器9发送，例如，依据终点探测的电信号。控制器9根据从计算部分8送来的电信号控制高频电源6的驱动。根据上述结构，对半导体晶片W的表面进行了适合于预定构图的刻蚀工艺，直到终点探测器A’探测到刻蚀终点。

光电探测器7优选地包括：像差纠正透镜71，用于会聚从真空工艺室1的观察窗1a发出的等离子体P的发射谱；入射狭缝72，置于像差纠正透镜71的焦点处；光圈73，用于降低穿过入射狭缝72的发射谱。此外，光电探测器7还包括第一光学系统30，第一光学系统30包括：反射镜74，用于反射从光圈73送入的发射谱；凹面衍射光栅75，用于接收从反射镜74送来的反射光；第一光接收传感器79。第一光接收传感器79接收一阶衍射光以进行光电转换，该一阶衍射光具有特定波长，从凹面衍射光栅75发出，经过反射镜76、77并经过发射狭缝78。为了将来自凹面衍射光栅75的一阶衍射光放大以大量捕捉激发物质——刻蚀中的反应产物(例如，在刻蚀氧化硅膜情形中的CO^*)——的改变，第一光接收传感器79优选地包括光电倍增管来对接收到的光进行光电放大。

形成凹面衍射光栅75以使光接收角可以改变。因此，当光栅75的光接收角设置为预定角度时，可通过反射镜76和77以及发射狭缝78向第一光接收传感器79发射具有特定波长的一阶衍射光。此外，如果光栅75顺序旋转，则可顺序记录各递增波长的发射强度，建立一个宽的发射谱。递增分辨率取决于分光计的设计(例如，几个埃)。

通常光电探测器7硬件(分光计)包括光弥散机构(例如，光栅等)和/或波长选择器件(例如，滤波器等)、光探测器(例如，CCD线列、CID线列、光电倍增管等)，以及用于记录测量发射谱的计算处理器。光电探测器的一个实施例及其组件在U.S.Patent No.5,888,337中进行了描述。光电探测器的一个替代实施例包括用于终点探测的高分辨率OES传感器，例如Peak Sensor Systems出品的高分辨率OES传感器。这样的OES传感器具有跨越紫外(UV)、可见(VIS)和近红外(NIR)光谱的宽光谱。分辨率大约为1.4埃，例如该传感器能够收集从240到1000nm的5550个波长。传感器装备了高敏微型光纤光学UV-VIS-NIR分光计，它们依次与2048像素的线性CCD阵列集成。分光计接收通过单根和成束的光纤传输的光，其中使用固定光栅让从光纤输出的光弥散通过线型CCD阵列。与上述结构相似，通过光学真空窗口发射的光经由凸球面透镜聚焦到光纤的输入端上。三个被调整用于给定光谱范围(UV、VIS和NIR)的分光计形成工艺室所用的传感器。每个分光计包括独立的A/D转换器。最后，取决于传感器的使用，每0.1至1.0秒的时间可记录一个完整的发射谱。

图2示出使用上面定义的器件从240nm至1000nm记录的典型发射谱。发射强度与出现在晶片上的等离子体中的特定物质的总量有关，图2指出的波长指示原子/分子。像图2示出的那样的发射谱可包括，例如，1024个分立波长处的发射强度的记录，对于一个加工工艺来说，可以，例如，在每一秒记录一次发射光谱。因此，如果刻蚀工艺大约需要两分钟的话，那么就记录了120个单独的发射谱。换句话说，操作者在UV-VIS-NIR光谱中以1024个分立波长记录了时间迹120秒的发射强度。

光电探测器7接收到的数据被传送给计算部分8，数据以数字形式记录并储存在计算部分8中的处理器上。某一瞬时的每个发射谱作为矩阵 X中的一行来储存，这样，一旦建立了矩阵 X，则对于给定波长，每一行代表不同瞬时而每一列代表不同强度。因此，对于这一实施例，矩阵 X为120×1024——或更一般地，m×n——的矩形矩阵，一旦数据储存在了矩阵中，如果需要的话，则优选地将数据进行平均中心和/或归一化。对储存在矩阵列中的数据进行平均中心的处理包括计算该列元素的平均值并将每个元素减去该平均值。此外，属于矩阵一列的数据通过确定该列数据的标准差来进行归一化。

下面的描述讨论了从储存在矩阵 X中的数据选取终点信号的方法。

该方法的初始阶段开始于为终点信号选取选择加权系数。在将终点探测算法用于制造环境中的实际刻蚀工艺之前，必需定义将这一大组发射谱数据与终点信号联系起来的一组负荷系数。通常，对于多元分析，测量数据和终点信号之间的关系表达如下

                  XB＝ Y   (1)

其中 X代表上述m×n矩阵， B代表n×p(p＜n)负荷(或关联)矩阵， Y代表含有终点信号的m×p矩阵。通常，当使用PCA时，负荷矩阵 B包括相应于协方差矩阵 X^T X(上标“T”表示转置)的三个或四个最大特征值的特征向量作为列，其中所保留的向量的数目(例如，三或四)定义了维度p。然而，与其它对终点探测利用多元分析的尝试(例如PCA)不同，本发明的偏最小二乘(PLS)方法对特定刻蚀工艺使用已知的或预定的终点数据作为目标数据来“推动”终点信号(“分数”矩阵 Y)，并通过PLS分析从中得出加权系数(“负荷”矩阵 B)。

例如，图3A和图3B示出了两个这样的终点信号。图3A示出第一终点信号y₁(t)，可以表示为一个m×1矩阵或列向量 y₁，储存在 Y的第一列中，图3B示出第二终点信号y₂(t)，可以表示为一个m×1矩阵或列向量 y₂，储存在 Y的第二列中，即

                  Y＝[ y₁， y₂]            (2)

在此情形中，终点信号矩阵 Y包括两列，然而，终点信号矩阵 Y可更一般地表示为列维度为p，或具有p个终点信号。从研究特殊刻蚀工艺的发射谱特性得到的重要经验中确定了用来“推动”矩阵 Y的初始定义的目标终点信号。终点信号的这一初始定义现在将用来“训练”终点探测模型(即，负荷矩阵 B的形成)从大量光发射数据中如何选取稳定的终点信号。此外，可调整终点信号或矩阵 Y的列来优化光发射数据和终点信号之间的关系以得到最稳固的模型。

因此，在上述图3A和图3B中示出的为矩阵 X设置的实施例和为矩阵 Y设置的终点信号之后，矩阵X将具有120×1024的维度，矩阵 B将具有1024×2的维度，而矩阵 Y将具有120×2的维度。

一旦建立了数据矩阵 X和终点信号矩阵 Y，就使用PLS分析确立了最近似表达 X和 Y之间的空间并使 X和 Y之间的关联最大化的关系。

在PLS模型中，如下分解矩阵 X和 Y：

         X＝ TP^T+ E；    (3a)

         X＝ UC^T+ F；    (3b)

以及

         U＝ T+ H；      (3c)

其中 T为将 X的变量相加的分数矩阵， P为用于矩阵 X的负荷矩阵， U为将 Y的变量相加的分数矩阵， C为表示 Y和 T( X)之间关系的加权矩阵，而 E、 F和 H为剩余矩阵。此外，在PLS模型中，还有附加的负荷 W，称作权重，关联 U和 X，用于计算 T。总之，PLS分析在几何上相当于用线、平面或超平面拟合表示为多维空间中的点的 X和 Y数据，目的在于最好地近似原始数据表 X和 Y，并使超平面上的观察位置之间的协方差最大。

图4给出输入给PLS分析的数据输入—— X和 Y——以及相应的输出 T、 P、 U、 C、 W、 E、 F、 H和投影中的变量重要性(VIP)的图示。支持PLS模拟的商用软件的实施例有SIMCA-P8.0。关于该软件进一步的细节见用户手册(SIMCA-P8.0用户指南：多元数据分析的新标准，Umetrics AB，Version 8.0，1999.9)。

一旦完成了PLS分析并且计算了上面的输出矩阵，就确定了 X矩阵中每一项或列对 Y矩阵的影响，即，VIP。VIP是有贡献的变量影响(VIN)的所有模型维度之和。对于给定的PLS维度，(VIN)_ij ²关系到那一项的平方PLS权重(w_ij)²。累积(对所有PLS维度)值，

${\mathrm{VIP}}_{\·j}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{{\left(\mathrm{VIN}\right)}_{\·j}}^2,------\left(4\right)$

用于进一步的分析。一旦对矩阵 X中的每个变量计算了VIP，就可将它们关于变量数目按降序进行排序和绘图。那些具有最大VIP的变量将对矩阵 Y中的终点信号具有最大的影响。

图5示出VIP关于变量数目的示例性曲线。从图5中可估计给定变量对终点信号 Y的相对权值，从而通过减少原始数据矩阵 X的变量维度n来改进数据矩阵 X。用于剔除对终点信号具有最小影响或小权值的变量的示例性准则包括：(1)剔除VIP小于预定阈值的那些变量；(2)剔除VIP处于最低10个百分点或某些其它预定范围内的那些变量(或，换句话说，保留VIP处于最大90百分点范围内的那些变量；注意所选的百分比阈值或范围可以不同于此处描述的90/10的实施方案)；以及(3)使用VIP关于变量数目的一阶、二阶或更高阶导数来为VIP选择一个值，剔除低于其下的那些变量(即，一阶或二阶倒数的最大值，或当一阶导数变得小于预定阈值斜率时)。

使用上述准则中的任何一个，可以剔除对终点信号具有最小影响的那些变量。这一数据简化或改进反过来将数据矩阵 X的列空间从p(在上面的实施例中为1024)降低到了q(例如，50个变量)，并形成“新的”、简化或改进的维度为m×q(120×50)的数据矩阵X^*；现在一个超定系统遵循式(1)。一旦发生了初始数据简化，就可储存对于终点探测来说重要的那些变量(即，标出那些分立波长)。之后，可进行数据矩阵 X^*的进一步改进或简化，和/或如下进行该方法：使用简化数据矩阵 X^*重新计算从PLS模型输出的矩阵并确定矩阵 B以确立在储存的分立波长处测得的数据和终点信号之间的关系。

此时，按图4所示的简图重复了PLS模型，除了现在是用简化矩阵 X^*输入PLS分析。然后重新计算输出矩阵。如上所述，可按照与图5相关的描述研究VIP来进一步改进数据矩阵 X^*，或者矩阵 B可使用下面的关系来从输出数据中估算：

          B＝ W( P^T W)^-1 C^T                   (5)

一旦优化了数据矩阵 X^*，通常需要最后过一遍PLS分析以更新或重新计算那些计算矩阵 B所必需的输出矩阵。在下文中，式(5)的求值得到一组加权系数，将用于从样本数据矩阵中选取终点信号。

上面的讨论给出确定矩阵 B的方法的某一实施方案，其中使用两个终点信号 y₁和 y₂作为起始点。然而，也可以用一个或更多个组合在矩阵 Y中的初始终点信号——它们依次进行调整以改善或优化数据矩阵 X和终点信号 Y之间的关系——来完成PLS模型。对终点信号的调整可包括对终点信号形状、图3A中拐点位置或图3B中信号最小值的位置的调整。

上面的实施方案描述了从光发射信号建立数据矩阵 X，然而，也可使用在特定时间段以特定速率取样的其它反应室信号。例如，除了光学数据之外，还可使用其它反应室信号，例如电信号或匹配网络电容设置，或者用这些信号来代替光学数据，这些信号作为不同列储存在矩阵 X中。

计算部分8所进行的用于确定加权系数的程序100示于图6中。在步骤110中，从测量光发射数据(和/或像电信号、匹配网络电容设置等这样的数据)建立矩阵 X，其中每一列代表每个测量变量的时间迹。然后在步骤120中，用投影终点建立矩阵 Y，其中每一列代表一个如图3A和3B所示的终点信号。在步骤130中，将矩阵 X和 Y输入PLS分析模型以计算上述权重、负荷、变量影响和分数矩阵。步骤140包括绘图和分析投影中的变量重要性(VIP)数据(按降序进行排序和绘图，如图5所示)。步骤150确定在PLS分析给出结果之后是否需要对投影终点信号矩阵 Y进行调整。如果是，则用这些改变重新建立矩阵 Y，并且将 X和 Y矩阵重新输入PLS分析。如果否，这分析程序进入步骤160。步骤160确定是否要改进(即，简化)矩阵 X，并且，如果是，那么在步骤170之后用新的数据矩阵X^*重复PLS分析以重新计算相应的新的权重、负荷、变量影响和分数矩阵。在步骤170中，使用与图5所示的VIP信息相关描述的准则来将矩阵 X简化为新的矩阵 X^*，其中简化矩阵剔除了认为是对终点信号不重要(即，数据变量和终点信号之间关联很弱或影响最小)的那些变量(列)。一旦定下了矩阵 X^*，就进行步骤180。步骤180包括从式(5)计算关联矩阵 B用于以后的实际终点探测工艺。步骤190包括将关联矩阵和用于刻蚀工艺的终点探测算法进行合并。

一旦估算了关联矩阵 B，则关联矩阵 B可用作终点探测算法的一部分来以从晶片到晶片和从wafer lot到wafer lot最小的变化给出刻蚀工艺终点的稳定的确定。通常，终点探测算法可用于多种刻蚀工艺，然而，如上形成的特定关联矩阵将特定地对应于特定反应室中的具体工艺。例如，氧化物刻蚀可以在很类似于图1的反应室中进行。参见图1，描述了CCP刻蚀反应室，其中晶片置于接地下电极(或卡盘电极)之上而上电极通电以便一旦向真空室中通入处理气体时产生处理等离子体。对于氧化物刻蚀来说典型的处理气体化学性质包括C₄F₈/CO/O₂/Ar的混合。如上所述，这一气体混合物的分解和离化产生适合于与优选材料(例如，SiO₂)反应的刻蚀化学性质。

一旦在等离子体的发生之后启动了刻蚀工艺，则包括上述光发射传感器的终点监视系统和/或其它电学测量器件开始以预定速率记录数据。例如，光发射传感器能够每0.1至1秒记录一次发射谱。优选取样速率为一个赫兹(Hz)。监视系统如材料支撑图6中描述的那样记录对终点信号最为重要的那些信号。例如，为了减少数据扫描时间和数据储存需求，可以用电荷注入器件(CID)线列来代替用于探测来自等离子体反应室的弥散光谱的电荷耦合器件(CCD)线列，其中只有那些属于被认为是重要的波长的元素(或像素)被记录(与CID阵列不同，CCD阵列中的所有元素都必需被读出)。一旦对于刻蚀工艺过程中的某一瞬间完成了光发射数据(和/或其它数据信号)的扫描，则填入数据矩阵 X中的一行。使用图1中的硬件的计算部分并遵循式(5)，可将数据矩阵 X的行向量投影到储存在矩阵 B中的一个或多个加权(列)向量上，以便计算该一个或多个终点信号中的一个数据点。随着刻蚀工艺的进行和数据(矩阵 X中的行)的填入，及时推算出这一个或多个终点信号，很像图3A和3B中的那些。随着这些终点信号的及时推算出，用于探测这种信号中的终点的装置将像图3A和图3B所示的那些那样执行。

图7示出用于根据本发明监视和探测刻蚀工艺的终点的典型步骤200。该方法通常开始于步骤210，为刻蚀工艺设置反应室条件。例如，反应室设置包括：载入要处理的衬底，将真空室(例如，图1所示的真空室)抽到基准压力，开始处理气体的通入，调整真空泵节流阀以确立反应室加工压力。在步骤220中，如参考图1讨论的那样通过向上电极施加RF电源激发等离子体，从而开始刻蚀工艺。步骤230包括在第一瞬时记录第二组测量数据。在数据取样过程中，将在第二……第n瞬时记录数据，直到达到终点。步骤240包括通过矢量相乘(或矩阵相乘)将记录数据矢量(每个变量作为一个矢量维度)投影到一个或多个加权矢量上。图250包括绘图和更新(如果必要)这一个或多个终点信号。因为它们是及时推算出的，故而曲线看上去将和图3A和3B所示的非常相像。在步骤260中，从对终点信号的检查确定是否达到终点。如果达到终点，那么该方法进入步骤270。如果没有达到终点，那么该方法继续刻蚀工艺并以规则的间隔(例如，每1秒)取样测量数据。在步骤270中，达到终点并且，在这一点，控制器9断开施加给上电极的RF电源，等离子体消失，刻蚀工艺突然停止。

本发明有利地给出了一种设备和方法，其中使用现有的或人为的信号来为终点探测设置目标。更有利地，选择并利用与终点信号关联最大的波长来确定终点信号。另外，本发明给出一种设备和方法，其中可利用几种类型的终点信号，例如具有不同形状的终点信号。通过改变目标，可选取不同的信号图形。

本发明还有利地给出利用PLS分析的设备和方法。PLS分析不仅是要选取变化最大的信号，还要找出那些与目标变量关联最大的信号。其它使用PCA的方法和其它因子分析方法不具有目标。通过PCA选出的信号可能含有或可能不含有终点信息。反过来，本发明的PLS分析迫使模型学习矩阵 Y中的图形(即，终点探测信号(s))。PCA可能不会给出终点信号，然而使用PLS分析直接吧OES数据和终点信号关联起来并且使得选出终点图形的可能性最大化。

根据上面的说明，可以给出本发明的许多调整和变化。所以应当理解，在所附权利要求的领域之内，可以按不同于此处特别描述的方式实践本发明。

Claims (26)

1.用于特征刻蚀完成的探测的方法，该方法包含下列步骤：确定关联矩阵，这是通过：

记录关于第一刻蚀工艺在连续时间间隔内的第一测量数据以形成第一记录数据矩阵，

使用用于特定刻蚀工艺的目标终点数据建立第一终点信号矩阵，

对第一记录数据矩阵和第一终点信号矩阵进行偏最小二乘法分析以改进第一记录数据矩阵，以及

根据改进的记录数据矩阵和第一终点信号矩阵计算关联矩阵；以及

进行第二刻蚀工艺以形成第二记录数据矩阵，其中关联矩阵和第二记录数据矩阵被分析以确定是否达到第二刻蚀工艺的终点。

2.根据权利要求1的方法，其中所述进行偏最小二乘法分析的步骤包括下列步骤：

计算投影数据中的变量重要性，它定义为第一测量数据对第一终点信号矩阵的影响；以及

根据对投影数据中变量重要性的分析改进第一记录数据矩阵。

3.根据权利要求2的方法，其中改进第一记录数据矩阵的步骤包含分析投影数据中的变量重要性以确定第一记录数据矩阵中的一个变量是否能够因其对第一终点信号矩阵具有最小的影响而去除。

4.根据权利要求3的方法，其中具有低于预定阈值的投影数据中变量重要性的变量被剔除。

5.根据权利要求3的方法，其中具有处于预定范围内的投影数据中变量重要性的变量被剔除。

6.根据权利要求3的方法，其中至少使用投影数据值中变量重要性相对于变量数目的一阶导数来为投影数据中的变量重要性选择阈值，在这个值之下的变量被剔除。

7.根据权利要求1的方法，其中所述进行第二刻蚀工艺的步骤包含下列步骤：

在加工室中开始第二刻蚀工艺；

记录关于第二刻蚀工艺在连续时间间隔内的第二测量数据以形成至少一个记录数据向量的第二记录数据矩阵；

通过将该至少一个记录数据向量和关联矩阵的至少一个加权向量相乘来计算至少一个终点信号；

通过检查该至少一个终点信号来确定是否达到终点；以及

当达到终点时停止刻蚀工艺。

8.根据权利要求1的方法，其中第一刻蚀工艺和第二刻蚀工艺在单一的加工室中进行。

9.根据权利要求1的方法，其中对选定加工室中进行的选定刻蚀工艺计算关联矩阵。

10.根据权利要求1的方法，其中通过选定加工室中的实验来确定目标数据，并且其中利用选定加工室来进行第二刻蚀工艺。

11.根据权利要求1的方法，其中测量数据为光发射数据。

12.根据权利要求1的方法，其中测量数据为电信号数据。

13.根据权利要求1的方法，其中测量数据为匹配网络电容设置数据。

14.根据权利要求1的方法，其中第一记录数据矩阵、第一终点信号矩阵和关联矩阵由下面的关系定义：

                    XB＝ Y，

其中 X代表第一记录数据矩阵，具有m×n个数据点， B代表关联矩阵，具有n×p个数据点，而 Y代表第一终点信号矩阵，具有m×p个数据点。

15.根据权利要求1的方法，其中通过如下方法将第一记录数据矩阵和第二记录数据矩阵中给定瞬时的数据进行平均中心：计算各矩阵一列中的元素的平均值并从每个元素减去这个平均值。

16.根据权利要求1的方法，其中通过如下方法将第一记录数据矩阵和第二记录数据矩阵中给定瞬时的数据进行归一化：确定各矩阵一列中的数据的标准偏差。

17.一种设备，包含：

刻蚀反应室，在其中进行刻蚀工艺，所述刻蚀工艺由与刻蚀反应室相连的电源驱动；

终点探测器，探测所述刻蚀工艺的终点，终点探测器包含探测部分和计算部分，探测部分顺序探测涉及刻蚀反应室中的刻蚀工艺的数据，计算部分使用关于第一刻蚀工艺在连续时间间隔内的第一测量数据确定关联矩阵以形成第一记录数据矩阵，使用用于特定刻蚀工艺的目标终点数据建立第一终点信号矩阵，对第一记录数据矩阵和第一终点信号矩阵进行偏最小二乘法分析以改进第一记录数据矩阵，根据改进的记录数据矩阵和第一终点信号矩阵计算关联矩阵，为第二刻蚀工艺形成第二记录数据矩阵，其中计算部分分析关联矩阵和第二记录数据矩阵并在达到第二刻蚀工艺的终点时产生终点信号；以及

控制器，接收来自所述计算部分的终点信号，控制器根据终点信号控制所述电源。

18.根据权利要求17的设备，其中所述探测部分包含光电探测器，顺序探测刻蚀反应室中的发射谱。

19.根据权利要求18的设备，其中所述光电探测器部分包含高分辨率光发射谱传感器。

20.根据权利要求18的设备，其中所述刻蚀反应室包括真空室，该真空室具有由透明材料制成的观察窗，探测部分通过观察窗探测发射谱。

21.根据权利要求17的设备，其中所述刻蚀反应室为电容耦合等离子体反应室，它包括：真空室、置于真空室内的一对平行的平板电极、与真空室相连的气体注入线以及与真空室相连的气体排出线，其中电源为与平板电极中的一个电极相连的高频电源。

22.根据权利要求17的设备，其中所述刻蚀反应室选自基本上由下列这些组成的组中：多频电容耦合等离子体反应室、电感耦合等离子体反应室、电子回旋共振反应室，以及螺旋等离子体反应室。

23.根据权利要求17的设备，其中所述计算部分计算投影数据中的变量重要性，它定义为第一测量数据对第一终点信号矩阵的影响，并根据对投影数据中的变量重要性的分析改进第一记录数据矩阵。

24.根据权利要求23的设备，其中所述计算部分通过下述方法来改进第一记录数据矩阵：分析投影数据中的变量重要性以确定第一记录数据矩阵中的一个变量是否可因其对第一终点信号矩阵具有最小的影响而被去除。

25.根据权利要求17的设备，其中所述探测部分顺序探测涉及刻蚀反应室中的刻蚀工艺的电信号数据。

26.根据权利要求17的设备，其中所述探测部分顺序探测涉及刻蚀反应室中的刻蚀工艺的匹配网络电容设置数据。

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