CN1777974A - 通过局部晶片温度控制对晶片上的临界尺寸变化的补偿 - Google Patents

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Abstract

一种用于刻蚀材料晶片的刻蚀系统具有测量装置，刻蚀腔和控制器。测量装置沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸试验特征图形(CD)。刻蚀腔接纳来自测量装置的晶片。刻蚀腔包括一个支撑晶片的卡盘和多个设置在卡盘中的加热元件。每一个加热元件被定位成和晶片上的每一个预定位置相邻。刻蚀系统控制器耦合到测量装置以接收特定晶片的实际测量的CD。该刻蚀系统控制器也连接到多个加热元件。控制器通过应用刻蚀工艺的温度依赖的刻蚀特性在工艺过程中调节每个加热元件的温度以减少多个预定位置中临界尺寸的变化，补偿刻蚀工艺之前由光刻工艺引入的CD变化。

Description

通过局部晶片温度控制对晶片上的临界尺寸变化的补偿
交互引用
本申请涉及和本发明共同转让的由发明人Neil Benjamin和Bobert Steger申请于2001年4月30日，题为“Method and Apparatus for controlling thespatial temperature distribution across the surface of a workpiece support”的美国专利申请系列号09/846432。本申请也涉及和本发明共同转让的由发明人Neil Benjamin和Bobert Steger申请于2002年2月1日，题为“Method andApparatus for controlling the spatial temperature distribution across the surface ofa workpiece support”的美国专利申请系列号10/062395。
发明领域
本发明涉及对经受等离子处理的材料晶片的温度分布进行改变的方法和设备，该改变的目的在于补偿引起等离子处理期间衬底上的被刻蚀特征图形的尺寸变化的其他非温度效应。
发明背景
典型的等离子刻蚀设备包括一个反应体，该反应体中有一个腔体，一种或多种反应气体通过该腔体而流动。在该腔体中，反应气体通常通过无线电频率的能量电离后成为等离子体。等离子气体的高度反应性的离子能够和诸如被加工成集成电路(IC)的半导体晶片表面的聚合物掩膜的材料进行反应。在刻蚀之前，晶片先被置于腔体中，由卡盘或支架保持在适当的位置，卡盘或支架使晶片的顶表面暴露于等离子体。卡盘提供了等温表面并被用作晶片的热阱。在技术上已知有多种类型的卡盘(有时也叫做基座)。在一种类型中，半导体晶片由机械夹具保持在刻蚀的适当位置。在另一种类型中，半导体晶片由设置在卡盘和晶片之间的电场产生的静电力保持在适当位置。本发明被应用于该两种类型的卡盘。
在典型的等离子刻蚀的操作中，等离子体的反应离子和半导体晶片表面上的材料的各个部分进行化学反应。在大多数场合下，高度理想化的情况是，被刻蚀的特征图形的均匀性达到几乎完美的程度，因为如果不是这样的话，被制造的集成电路的电子性能的偏离将比要求的规范大。光刻工艺以及刻蚀工艺中的变化能引起被刻蚀特征图形尺寸偏离理想程度的变化。另外，随着晶片尺寸的每一次增加，在越来越大的晶片中保证集成电路的均匀性的问题也变得更困难。光刻工艺中的变化导致处于晶片表面限定刻蚀图形的光刻胶掩膜的非理想尺寸。从理想尺寸的偏离可被看成平均特征图形尺寸的整体改变以及遍及晶片表面的为数众多的特征图形中的变化。
在晶片表面的多位置上限定试验图形是普通的操作实践，这些试验图形经常被称为“临界尺寸特征图形”或简称为“CD”。光成像工艺之后对这些CD的测量可用于确定来自光刻操作的“CD偏移”。同样，对光刻胶中CD的测量可以和刻蚀工艺之后由该CD限定的经刻蚀的特征图形进行比较，CD偏移可被计算并被认为是由刻蚀工艺引起的结果。理想的是这些CD偏移在晶片之间是稳定不变的并且在整个晶片的表面均匀，因此对初始掩膜图形的简单的纠正偏置就可用于补偿该系统性的CD偏移。
从历史上看这样整体的偏移纠正是可行的，但是随着集成电路最小图形尺寸减小到0.1微米及以下，无论是整体的还是单片晶片，该CD偏移不再能被充分控制，使先前简单的掩膜纠正不适合。此时的要求是测量或许是整批量的甚至是单片晶片的光刻胶掩膜中的CD偏移的手段，以及在刻蚀工艺中应用该信息改变CD偏移。
已知等离子刻蚀是刻蚀和淀积的组合工艺。在特征图形的侧壁上的淀积过程允许对特征图形的宽度进行控制。该过程是温度依赖性的，但是在例如超过2微米的更大的尺寸下，该效应对于线宽控制不再有意义。然而，当尺寸降低到0.1微米以下时，温度的依赖性在特征图形宽度控制上具有显著的效果。
因此就存在对于半导体晶片在基于晶片上特定的特征图形尺寸的反应离子刻蚀和类似工艺中的温度控制的方法和设备的需求。本发明的主要目的是解决这些需求问题并进一步提供相关的各种优点。
发明内容
用于刻蚀材料晶片的刻蚀系统具有测量装置，刻蚀腔和控制器。测量装置沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸试验特征图形(CD)。刻蚀腔接纳来自测量装置的晶片。刻蚀腔包括一个支撑晶片的卡盘和多个设置在卡盘中的加热元件。每一个加热元件被定位成和晶片上的每一个预定位置相邻。刻蚀系统控制器耦合到测量装置以接收特定晶片的实际测量的CD。该刻蚀系统控制器也连接到多个加热元件。控制器通过应用刻蚀工艺的温度依赖的刻蚀特性在工艺过程中调节每个加热元件的温度以减少多个预定位置中临界尺寸的变化，补偿刻蚀工艺之前由光刻工艺引入的CD变化。
附图说明
结合进本说明书并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的一个或多个实施例，并且和详尽的叙述一起用以解释本发明的原理和实施。
附图中：
图1是说明根据本发明的一个实施例的用于控制晶片在工艺处理下的温度和刻蚀率的系统的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的刻蚀工艺诱发的CD偏移和晶片温度之间的关系的实例的曲线图。
图3是显示根据本发明的一个实施例的卡盘上的不同区域的示意图。
图4是说明根据本发明的另一个实施例的用于控制晶片在工艺处理下的温度和刻蚀率的系统的示意图。
图5是说明根据本发明的另一个实施例的用于控制晶片在工艺处理下的温度和刻蚀率的系统的示意图。
图6是说明根据本发明的另一个实施例的用于控制晶片在工艺处理下的温度和刻蚀率的方法的流程图。
具体实施方式
在本文中以用于通过局部晶片温度控制的方法减少晶片上的表面分布变化的系统的角度对本发明的实施例进行叙述。本技术领域的熟练的人员将认识到，下文对本发明的详尽叙述仅用于说明而不是任何方式的限制。本发明的其他实施例也将很容易地向可从本发明受益的这样的熟练人员展示。本文将详尽参考如附图所示的对本发明的各种实施。在涉及相同的或相似的各个部分时，在所有的附图和下文的详尽叙述中都使用相同的参考标记。
为了清楚起见，并非本文所述的实施过程的所有常规特征都被显示和叙述。当然应该理解的是，在任何这样的实施过程的开发中，为了达到开发者的诸如与和应用以及业务相关的各种制约的一致性的特定目标，必须作出为数众多的对于实施过程的特定的决定，而这些特定的目标将因为不同的实施过程以及不同的开发者而发生变化。另外，应该理解的是，这样的开发计划很可能是复杂的和费时的，但对于可从本发明受益的本技术领域中的普通熟练人员而言仍然是常规的工程上的任务。
通过根据图2改变晶片温度(或对于光刻胶和所使用的刻蚀化学药剂的和晶片温度相等价的参数)，刻蚀工艺中的温度依赖性的CD偏移可被用于补偿每一片晶片或一批晶片中的光刻诱发的CD偏移，总体上将最后的CD精确性改进到所要求的尺度。
在不久的将来可以预期，即使在每片个别的晶片上分别进行，单独的全面纠正对于纠正由光刻工艺引起的CD偏移也将是不适合的。这样，晶片可以被分解为几个区域，并且可以计算出多个局部的CD偏移。通过使用这些数据以及图2的曲线，多区域加热的支座可以被用于在晶片上局部进行CD偏移的纠正。
图1显示了用于根据本发明的一个实施例控制晶片104的温度和刻蚀率的刻蚀系统100。刻蚀系统100包括腔体102，一种或多种反应气体通过该腔体流动(未显示)。在腔体102中，反应气体由设置在腔体102的顶窗(未显示)上方与其相邻的RF天线(未显示)产生的无线电频率能量电离为等离子体106。等离子体106的高度反应性离子能够和被加工的半导体晶片104的表面起反应。在刻蚀之前，晶片104被置于腔体102中，并由将晶片104的顶表面暴露于等离子体106的卡盘108将晶片104保持在适当的位置。
几个加热元件110设置在卡盘108中的预定位置。为了说明的目的，加热元件110可包括小到足以安装在卡盘108中的薄膜加热器或任何其他类型的加热器。本技术领域的普通熟练人员将认识到还有许多加热卡盘108的其他方法。加热元件110的排列的一个实例在下面的图3中进一步显示。加热元件110被耦合到调节每个加热元件110温度的控制器112。
耦合到控制器112的测量装置114在加工前先测量每片晶片上的临界尺寸试验特征图形尺寸(CD)。临界尺寸计量工具可用于探测和测量特征图形轮廓的变化。为了说明的目的，测量装置114可以包括基于作为测量薄膜厚度和薄膜性能的光学技术的分光光谱椭圆测量(SE)的分光光谱CD计量工具。测量装置114从特殊的光栅目标上的分光光谱CD测量可以确定CD(在轮廓上的任何点)，线高或沟深以及侧壁角。晶片的截面剖面也可以被确定。测量装置114将包含晶片104上的几个预定位置的测量值的数据发送到控制器112。测量的位置可以根据测量数选择。晶片104上的预定位置相应于卡盘108上的独立的加热区域。本技术领域的普通熟练人员将理解的是，上文讨论的分光光谱CD计量工具不是限制，使用其他的测量工具并不背离本文揭示的本发明的原理。
控制器112包括含有处理过程中晶片的特征图形尺寸的测量值和温度之间的关系的算法。为了说明的目的，图2是CD偏移和晶片温度之间的关系的实例的曲线图。这样的关系可以从例如经验数据中获得。一旦控制器112从测量装置114接收数据，控制器112应用上述算法将测量的数据转换成温度数据。因此，包含在晶片104上的几个位置的测量值的数据可被用于产生被测量晶片104的定制的温度分布。因此，对于晶片104上的特定位置的特定测量，控制器112根据上述限定的关系调节相应于该晶片上的特定位置的加热元件110的温度。
因此，刻蚀系统100包括一个前馈系统，该前馈系统中刻蚀系统100在接收到关于晶片上的特定特征图形尺寸的信息后动态实时改变每片晶片的温度分布。控制器112在工艺过程之前和/或工艺过程期间调节每个加热元件110的温度以减少晶片104上预定位置中晶片104上的临界尺寸的变化。
测量装置114在晶片104上的预定位置测量特征图形的尺寸。具体地说，该预定位置可以分散在晶片104的表面上。每个预定位置或一组预定位置可以表示晶片104和卡盘110上的一个区域。图3是说明根据本发明的一个实施例的卡盘上的不同区域的示意图。图3显示的卡盘300具有七个区域：在卡盘300的中心的一个中心六角形区域302和在中心区域302周围的六个相邻区域304。本技术领域的普通熟练人员将理解的是，所显示的卡盘上的区域不是限制性的，也可以用其他的区域构型而不背离本文揭示的本发明的原理。卡盘300上的每一个区域可以相应于晶片上的一个区域，因为晶片座落在卡盘300的顶部。卡盘300上的每一个区域可以包括其自身的加热元件(未显示)及其自身的控制器(未显示)，因此卡盘300上的每一个区域的温度可以独立地控制。
测量装置114可在晶片104上从几个预定位置测量特征图形的尺寸。每个区域可以包括至少一个预定位置，测量装置114就从该预定位置测量晶片104上的特征图形的尺寸。如果在一个区域中存在多于一个的预定位置，从该区域的测量值被包括在样品平均值中，该样品平均值表示从该区域的平均测量值。
为了说明的目的，刻蚀系统100可以具有如下功能：测量装置114在预定位置测量晶片104上的特征图形的尺寸。每个预定区域可以定义晶片104上的一个区域。控制器112从测量装置114接收晶片104的有关包含预定位置上的特征图形尺寸的数据。控制器112基于处理过程中已知的特征图形尺寸的差别和晶片的温度之间的关系将这些数据转换成温度分布。该温度分布包括晶片104上每个所测量的预定位置的特定温度以及因此卡盘110上每个相应区域的特定温度。控制器112据此通过调节卡盘的相应加热元件110调节每个区域的温度。
根据本发明的另一个实施例，图4显示了控制晶片404的温度和刻蚀率的刻蚀系统400。刻蚀系统400包括腔体402，一种或多种反应气体通过该腔体流动(未显示)。在腔体402中，反应气体由设置在腔体402的顶窗(未显示)上方与其相邻的RF天线(未显示)产生的无线电频率能量电离为等离子体406。等离子体406的高度反应性离子能够和被加工的半导体晶片404的表面起反应。在刻蚀之前，晶片404被置于腔体402中，并由将晶片404的顶表面暴露于等离子体406的卡盘408将晶片404保持在适当的位置。
几个加热元件410设置在卡盘408中的预定位置。为了说明的目的，加热元件410可包括小到足以安装在卡盘408中的薄膜加热器或任何其他类型的加热器。加热元件410被耦合到调节每个加热元件410温度的控制器412。
干涉仪416周期性地通过切换器420在几个预定位置对刻蚀深度取样，该切换器420依次将光从几根光纤418中的一根引导到干涉仪416。因为获取光谱的时间小于0.1秒，晶片可以在小于一秒的时间内在例如七个位置上被取样。
处理过程中控制器412从干涉仪416接收数据。干涉仪416在刻蚀过程中测量晶片404的刻蚀深度。瞄准晶片404的一定数量的光纤418定位在腔体402的顶部。该一定数量的光纤418相应于卡盘408中一定数量的加热元件410或如上述图3所示的卡盘408中一定数量的加热区域。光学切换器420将信息从光纤418中继传输到干涉仪416。光学切换器通过每若干毫秒例如每0.1秒进行扫描逐区域地对来自晶片404的信号进行时间多路传输。
这样，刻蚀系统400包括一个原位反馈系统，在该原位反馈系统中，刻蚀系统400基于来自干涉仪416的信息动态实时改变每片晶片的温度分布。控制器412在处理过程之前和/或处理过程期间调节每个加热元件410的温度以局部修改刻蚀率并因此减少晶片404上预定位置中晶片404上沟槽刻蚀深度的变化。
图5是显示根据本发明的另一个实施例的控制晶片的温度和刻蚀率的刻蚀系统的示意图。刻蚀系统500控制晶片504的温度和刻蚀率。刻蚀系统500包括腔体502，一种或多种反应气体通过该腔体流动(未显示)。在腔体502中，反应气体由设置在腔体502的顶窗(未显示)上方与其相邻的RF天线(未显示)产生的无线电频率能量电离为等离子体506。等离子体506的高度反应性离子能够和被加工的半导体晶片504的表面起反应。在刻蚀之前，晶片504被置于腔体502中，并由将晶片504的顶表面暴露于等离子体506的卡盘508将晶片504保持在适当的位置。
卡盘508可包括几个可区别的区域，流体可通过这些区域流动。通过用温度控制器510控制流过每个区域的流体的温度，该每个区域的温度可独立地进行调节。每个区域可设置成和卡盘508上的每个预定位置相一致。每一个温度控制器510耦合到控制器512，控制器512调节每一个温度控制器510。
在加工处理之前，耦合到控制器512的测量装置514测量每片晶片上的临界尺寸试验特征图形尺寸(CD)。测量装置514将包含晶片504上几个预定位置上的测量值的数据发送到控制器512。晶片504上的预定位置相应于卡盘508上的不同的区域。
控制器512包括含有处理过程中晶片的特征图形尺寸的测量值和温度之间的关系的算法，该关系类似于图2所示的关系。一旦控制器512从测量装置514接收数据，控制器512应用上述算法将测量的数据转换成温度数据。因此，包含在晶片504上的几个位置的测量值的数据可被用于产生被测量晶片504的定制的温度分布。因此，对于晶片504上的特定位置的特定测量，控制器512根据上述限定的关系调节相应于该晶片上的特定位置的加热元件510的温度。
因此，刻蚀系统500包括一个前馈系统，该前馈系统中刻蚀系统500在接收到关于晶片上的特定特征图形尺寸的信息后动态实时改变每片晶片的温度分布。控制器512在工艺过程之前和/或工艺过程期间调节每个加热元件510的温度以减少晶片504上预定位置中晶片504上的临界尺寸的变化。
图6显示了利用图1的刻蚀系统的方法。在第一方框602中，测量装置测量晶片上多个位置上的临界尺寸或其他尺寸。每个位置和上文讨论的区域相关。在604，控制器基于所测量的晶片上的临界尺寸产生温度分布。在606，等离子刻蚀系统处理定位在具有和晶片上的多个位置一致的加热元件的卡盘上的晶片。在处理过程期间，控制器基于所产生的温度分布调节加热元件的温度。
虽然上文对本发明的实施例及其应用进行了显示和叙述，但对于可从本发明受益的本技术领域的熟练人员而言显而易见的是，还可以进行比上述更多的各种修改而不背离本文叙述的本发明的原理。因此，本发明不受除了附后的权利要求的精神以外的其他限制。

Claims (17)

1.一种用于刻蚀材料晶片的刻蚀系统，包括：
沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸试验特征图形的测量装置：
接纳来自测量装置的晶片的刻蚀腔，所述刻蚀腔具有：
支撑晶片的卡盘，
多个设置在所述卡盘中的加热元件，每一个加热元件被定位成和晶片上的每一个预定位置相邻；和
耦合到所述测量装置和所述多个加热元件的控制器，所述控制器在工艺过程中调节每个加热元件的温度以减少所述多个预定位置中被刻蚀特征图形的变化。
2.如权利要求1所述的刻蚀系统，其特征在于，其中所述多个预定位置被分组为基本覆盖晶片的整个表面的多个相邻的区域，每个区域和所述多个加热元件中的一个加热元件相关联。
3.如权利要求2所述的刻蚀系统，其特征在于，其中晶片的表面包括一个中心区域和多个在所述中心区域周围的相邻区域。
4.如权利要求1所述的刻蚀系统，其特征在于，其中所述测量装置包括分光光谱临界尺寸(CD)测量系统。
5.如权利要求1所述的刻蚀系统，进一步包括：
耦合到所述控制器的多个传感器，一个传感器周期性地测量晶片表面上每个预定位置的局部区域中的平均沟槽深度，
其中所述控制器基于所述测量的沟槽深度计算每个预定位置的局部刻蚀率，所述控制器在工艺过程中调节每个加热元件的温度以减少所述多个预定位置中局部刻蚀率的变化。
6.如权利要求5所述的刻蚀系统，其特征在于，其中所述多个传感器包括干涉仪。
7.一种用于刻蚀材料晶片的方法，包括：
沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸试验特征图形；
在所述多个位置加热晶片的下侧；
在工艺过程中调节所述加热以减少所述多个预定位置中被刻蚀特征图形的变化。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中所述多个预定位置被分组为基本覆盖晶片的整个表面的多个相邻的区域，每个区域和一个加热元件相关联。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，其中晶片的表面包括一个中心区域和多个在所述中心区域周围的相邻区域。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，其中所述测量包括使用分光光谱临界尺寸(CD)测量系统。
11.如权利要求7所述的方法，进一步包括：
周期性地测量晶片表面上每个预定位置的沟槽深度；
基于所述测量的沟槽深度计算每个预定位置的局部刻蚀率；和
在工艺过程中调节所述加热以减少所述多个预定位置中局部刻蚀率的变化并且因此而减少晶片上最后沟槽深度的变化。
12.一种用于刻蚀材料晶片设备，包括：
沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸的装置；
在所述多个位置加热晶片的下侧的装置；
在工艺过程中调节所述加热以减少所述多个预定位置中临界尺寸的变化的装置。
13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，其中所述多个预定位置被分组为基本覆盖晶片的整个表面的多个相邻的区域，每个区域和一个加热元件相关联。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，其中晶片的表面包括一个中心区域和多个在所述中心区域周围的相邻区域。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，其中每个区域的形状为六角形。
16.如权利要求12所述的设备，进一步包括：
周期性地测量晶片表面上每个预定位置的沟槽深度的装置；
基于所述测量的沟槽深度计算每个预定位置的局部刻蚀率的装置；和
在工艺过程中调节所述加热以减少所述多个预定位置中局部刻蚀率的变化的装置。
17.一种用于刻蚀材料晶片的刻蚀系统，包括：
沿晶片的轮廓在多个预先设定的位置测量临界尺寸试验特征图形的测量装置；
接纳来自所述测量装置的晶片的刻蚀腔，所述刻蚀腔具有：
支撑晶片的受到温度控制的卡盘，
所述卡盘包括多个充灌流体的可区别的区域，每个区域的流体通过再循环流体温度控制系统加热到不同的温度；
每个区域定位成和晶片上的每个预定位置相邻；和
耦合到所述测量装置和所述受到温度控制的卡盘的控制器，所述控制器在工艺过程中调节每个区域中的流体的温度以减少所述多个预定位置中被刻蚀特征图形的变化。
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