DE602004010786T2

DE602004010786T2 - Endpunktbestimmung in zeitmultiplex-ätzprozessen

Info

Publication number: DE602004010786T2
Application number: DE602004010786T
Authority: DE
Inventors: Russell Largo WESTERMAN; David Palm Harbor JOHNSON
Original assignee: Unaxis USA Inc
Current assignee: Oerlikon Management USA Inc
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-04
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2024-02-05
Also published as: DE602004010786D1; EP1593141B1; US20040175913A1; CN1739185B; US6982175B2; WO2004075255A2; EP1593141A2; ATE381773T1; JP2006518913A; WO2004075255A3; JP4724795B2; CN1739185A

Description

Anwendungsbereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Halbleiterherstellung. Genauer ausgedrückt betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes in einem Zeitteilungs-Multiplex-Ätz- und Abscheide- bzw. Ablagerungsprozess.
Hintergrund der Erfindung
Bei der Herstellung vieler Speichervorrichtungen ist es erforderlich, eine Werkstoffschicht vollständig zu ätzen, wobei die darunterliegende Schicht die Untergrenze bildet (zum Beispiel Silizium auf einem Isolator Entfernen einer Silizium (Si)-Schicht, wobei die darunterliegende Siliziumdioxidschicht die Untergrenze bildet). Wenn zugelassen wird, dass der Ätzprozess über die Zeit hinaus fortgesetzt wird, wenn die erste Schicht entfernt wurde, kann eine verringerte Dicke der darunterliegenden Sperrschicht oder eine Merkmalsprofilverschlechterung zum Ergebnis haben (in dem Bereich als „Kerbung" für SOI-Anwendungen bekannt).
Ein Verfahren, welches allgemein zur Erkennung von Plasmaprozess-Endzeiten verwendet wird, ist die optische Emissionsspektrometrie (Eingangs- und Ausstoßöffnungen). Die OES analysiert von einer Plasmaquelle ausgestrahltes Licht, um daraus Schlussfolgerungen über den chemischen und physikalischen Status des Plasmaprozesses zu ziehen. Bei der Halbleiterverarbeitung wird diese Technik allgemein verwendet, um Werkstoffgrenzflächen während Plasmaätzprozessen zu erkennen. In Selwyns Monographie „Optical Diagnostic Techniques for Plasma Processing" wird eine hervorragender Einblick in die Prinzipien und die Anwendung von Plasmaemissionsspektrometrie gegeben.
Die OES-Technik beinhaltet die Überwachung der von dem Plasma abgegebenen Strahlung, gewöhnlich in dem UV/VIS-(200 nm–1100 nm)Anteil des Spektrums. In 1 ist ein Schema einer typischen OES-Konfiguration dargestellt. Die Zusammensetzung des Plasmas und insbesondere das Vorhandensein reaktiver Ätzarten oder von Ätznebenprodukten wird durch die Spektren (d. h. Intensität gegen Wellenlänge) der abgegebenen Strahlung bestimmt. Im Verlauf eines Ätzprozesses und insbesondere eines Werkstoffüberganges verändert sich die Zusammensetzung des Plasmas, was eine Veränderung des Emissionsspektrums zum Ergebnis hat. Durch ununterbrochene Überwachung der Plasmaemission ist es für ein OES-Endpunktsystem möglich, eine Veränderung des Emissionsspektrums zu erkennen und sie zu verwenden um zu bestimmen, wann der Film vollständig entfernt ist. In der Praxis ist die Mehrzahl der sich auf Endpunkte beziehenden Informationen gewöhnlich innerhalb einiger weniger Wellenlängen enthalten, die verbrauchten Recktanten oder während der Ätzung erzeugten Ätznebenprodukten entsprechen.
Ein häufiges Verfahren zur Entwicklung einer OES-Endpunktstrategie ist das Sammeln einer Anzahl von Spektren der Plasmaemission (Emissionsintensität gegen Wellenlänge) während beiden Vor- und Nach-Endpunktzuständen. Diese Spektren können verwendet werden, um Wellenlängenbereiche zu identifizieren, die Kandidaten für den Prozess sind. Kandidatenbereiche enthalten die Wellenlängen, die eine bedeutende Intensitätsveränderung an den Tag legen, wenn der Prozess den Übergang zwischen den zwei interessierenden Werkstoffen erreicht. Als Kandidaten dienende Endpunktwellenlängenbereiche können unter Verwendung einer Anzahl von Verfahren bestimmt werden. Spektralbereiche für die Endpunkterkennung können durch statistische Verfahren wie zum Beispiel Faktorenanalyse oder Hauptkomponentenanalyse ausgewählt werden (siehe US 5,658,423 Angell et al).
Eine weitere Strategie zur Bestimmung von Endpunktkandidaten besteht in der Erstellung eines Differenzdiagramms zwischen Vor-(Hauptätzung) und Nach-Endpunkt(Überätzung)-Spektren. Sobald Kandidatenbereiche ausgewählt wurden, können Zuweisungen von wahrscheinlichen chemischen Arten für die Kandidatenbereiche vorgenommen werden (d. h. Reaktantenarten von dissozierten Gasvorstufen- oder Ätzprodukten) Eine Anzahl von Referenzen einschließlich „Tables of Spectral Lines" von Zaidel et al. und „The Identification of Molecular Spectra" von Pearse et al. können zusammen mit der Kenntnis der Prozesschemie verwendet werden, um wahrscheinliche Artenidentitäten für die Kandidatenlinien zuzuweisen. Ein Beispiel wahrscheinlicher Endpunktkandidaten für einen Silizium-(Si)Ätzprozess in einem Schwefelhexafluorid-(SF₆)Plasma wären Fluoridlinien (F) bei 687 nm und 703 nm sowie das Siliziumfluoridemissions-(SiF)Band bei 440 nm. Sobald diese Bereiche bestimmt wurden, können nachfolgende Teile unter Verwendung derselben OES-Strategie verarbeitet werden.
Während diese OES-Ansätze bei Einzelschrittprozessen oder Prozessen mit einer begrenzten Anzahl getrennter Ätzschritte gut funktionieren (wie zum Beispiel bei einer Ätzeinleitung, der eine Hauptätzung folgt), ist es schwierig, OES auf Plasmaprozesse mit schnellen und periodischen Plasmaperturbationen anzuwenden. Beispiele solcher Prozesse sind die Zeitteilungs-Multiplexprozesse, die von Okudaira et al. in dem U.S.-Patent 4,985,114 und Laermer et al. in dem U.S.-Patent 5,501,893 offenbart werden. Diese Autoren offenbaren einen TDM-Prozess zum Ätzen von feinsten Detailmerkmalen in Si unter Verwendung einer alternierenden Reihe von Ätz- und Ablagerungsschritten.
In 2(a–e) wird eine schematische Darstellung des TDM-Ätzprozesses gezeigt. Der TDM-Ätzprozess wird ty pischerweise in einem Reaktor ausgeführt, der mit einer Plasmaquelle mit hoher Dichte konfiguriert ist, typischerweise ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP), gemeinsam mit einer radiofrequenz-(RF)-vorgespannten Substratelektrode. Die Prozessgase, die am häufigsten bei dem TDM-Ätzprozess für Si verwendet werden, sind Schwefelhexafluorid (SF₆) und Oktofluorozyklobutan (C₄F₈). SF₆ wird typischerweise als Ätzgas, und C₄F₈ als Ablagerungsgas verwendet. Während des Ätzschrittes erleichtert SF₆ das spontane und isotrope Ätzen von Silizium (2(b)); in dem Ablagerungsschritt erleichtert C₄F₈ die Schutzpolymerablagerung auf den Seitenwänden sowie auf dem Boden geätzter Strukturen (2(c)). Der TDM-Prozess wechselt zyklisch zwischen Ätz- und Ablagerungsprozessschritten, wodurch die Festlegung von feinsten Detailmerkmalen in einem maskierten Siliziumsubstrat ermöglicht wird. Nach einer energetischen und gerichteten Innenbombardierung, die in den Ätzschritten vorhanden ist, wird der Polymerfilm, der bei dem vorangegangenen Ablagerungsschritt auf den Boden der geätzten Strukturen beschichtet wurde, entfernt, um die Oberfläche des Siliziums zum weiteren Ätzen freizugeben (2(d)). Der Polymerfilm auf der Seitenwand wird bleiben, da er der direkten Ionenbombardierung nicht ausgesetzt ist, wodurch seitliches Ätzen verhindert wird. Unter Verwendung des TDM-Ansatzes wird es ermöglicht, feinste Detailmerkmale in Siliziumsubstraten mit hohen Si-Ätzraten festzulegen. In 2(e) ist ein Rasterelektronenmikroskop-(SEM)Bild eines Querschnittes einer Siliziumstruktur dargestellt, die unter Verwendung eines TDM-Prozesses geätzt wurde.
Die Plasmaemissionsspektren von Ätz- und Ablagerungsschritten unterscheiden sich auf Grund unterschiedlicher Plasmazustände dramatisch, die bei den Ablagerungs- und Ätzschritten (Prozessgasarten, Drücke, RF-Kräfte usw. – siehe 3) vorhanden sind. Die Anwendung herkömmlicher OES-Verfahren auf einen TDM-Siliziumätzprozess hat eine Endpunktspur zum Ergebnis, die periodisch ist (4). Es wird erwartet, dass die Mehrheit der Ätzendpunktinformationen innerhalb der Ätzsegmente des Prozesses enthalten ist.
In Becker et al. ( U.S.-Patent 6,200,822 ) wird ein Verfahren zur Extraktion von Endpunktinformationen von der Plasmaemission eines TDM-Prozesses offenbart. Becker untersucht die Emissionsintensität mindestens einer Art (typischerweise Fluor oder SiF für eine Si-Ätzung) in dem Plasma nur während des Ätzschrittes durch die Verwendung eines extern zur Verfügung gestellten Auslösers (typischerweise der Übergang von einem Prozessschritt zum nächsten). Durch die Verwendung eines Auslösers in Verbindung mit einer Abtast- und Halteschaltung kann die in nachfolgenden Ätzschritten beobachtete Emissionsintensität zusammengefügt werden, um ein Emissionssignal zu erhalten, welches in seiner Art nicht periodisch ist. Der Wert der Emissionsintensität für die Art in dem Ätzschritt wird während des nachfolgenden Ablagerungsschrittes auf dem letzten bekannten Wert gehalten. Auf diese Weise wird das periodische Emissionssignal in eine Kurve konvertiert, die einer Schrittfunktion ähnlich ist, die für eine Bestimmung des Prozessendpunktes verwendet werden kann. Die Begrenzungen dieses Ansatzes liegen in dem Bedürfnis nach einem extern zur Verfügung gestellten Auslöser zusätzlich zu dem Bedürfnis nach einer Benutzereingabeverzögerung zwischen dem Auslöser und der Erfassung der Emissionsdaten während Ätzschritten.
Im Rahmen einer Bemühung, die OES-Verfahrensempfindlichkeit zu erhöhen, wird bei Jerde et al. ( U.S.-Patent 4,491,499 ) eine schmale Bandbreite des Emissionsspektrums offenbart, wobei gleichzeitig die Intensität einer größeren Hintergrundbandbreite gemessen wird, die um die schmale Bandbreite herum zentriert ist. Auf diese Weise kann das Hintergrundsignal von dem Endpunktsignal subtrahiert werden, was einen genaueren Wert des Signals mit schmaler Bandbreite zum Ergebnis hat.
Eine Anzahl von Gruppen hat einen Blick auf Frequenzkomponenten von Plasmaemissionsspektren geworfen. Bei Buck et al. ( U.S.-Patent 6,104,487 ) wird die Verwendung digitaler Signalverarbeitungstechniken wie zum Beispiel Fast-Fourier-Transformationen (FFT) verwendet, um Frequenzkomponenten von dem Plasmaemissionsspektrum zu extrahieren. Buck lehrt, dass diese Komponenten Informationen über Veränderungen bei dem Plasmazustand geben und zur Erkennung von Übergängen in dem Substratwerkstoff verwendet werden können, wo durch die Ätzendpunkterkennung ermöglicht wird. Buck lehrt die Überwachung von Infraschallfrequenzen bis hinunter auf 10 Hz. Buck zieht in Betracht, dass sich die überwachten Frequenzen für unterschiedliche Prozesse verändern werden; wobei er jedoch nur Dauerzustands-(Einzelschritt)-Prozesse berücksichtigt, wobei eine optische FFT-Emission in Verbindung mit Zeitteilungs-Multiplex-(TDM)Prozessen verwendet wird, die periodisch sind, wobei keine Wiederholung gelehrt wird.
In Kornblit et al. ( U.S.-Patent 6,021,215 ) wird ebenfalls die Verwendung von Fourier-Transformationen gemeinsam mit optischer Emissionsspektroskopie beschrieben. Kornblit lehrt die gleichzeitige Überwachung aller Frequenzkomponenten, lehrt jedoch nicht die Verwendung optischer FFT-Emission für einen TDM-Prozess.
Bei Davidow et al. ( U.S.-Patent 6,455,437 ) wird ebenfalls die Erzeugung von Frequenzkomponenten von Plasmaemissionen und die Überwachung der Amplitude des Signals über die Zeit beschrieben. Obwohl Davidow Mehrschrittprozesse zum Ätzen von Mehrschichtstapeln in Betracht zieht, wird die Verwendung von optischer Emission in Verbindung mit FFT nicht für TDM-Prozesse gelehrt. Weiterhin charakterisiert Davidow den Plasmaprozess dadurch, indem er notiert, welche Frequenzen während dem Verlauf des Prozesses auftreten, wobei die Größenordnung der Kennfrequenzen, die dem Prozess durch die zyklische Art des TDM-Prozesses auferlegt wird, nicht untersucht wird.
Bei O'Neill et al. ( U.S.-Patent 5,308,414 ) wird ein optisches Emissionssystem beschrieben, bei dem eine optische Signaldemodulation verwendet wird. Bei O'Neill wird ein enger Spektralbereich, der mit einem Ätzprodukt verbunden ist, zusammen mit einem breiteren Spektralband beobachtet, welches als eine Hintergrundkorrektur zu verwenden ist. Bei O'Neill wird auch eine Frequenzdemodulation der Signale durch die Verwendung eines Lock-in-Verstärkers offenbart. Der Lock-in-Verstärker erfordert ein externes Synchronisationssignal. O'Neill zieht keine Mehrschritt- oder TDM-Prozesse in Betracht.
Bei Sawin et al. ( U.S.-Patent 5,450,205 ) wird ein System beschrieben, bei dem optische Emissionsinterferometrie (OEI) zusammen mit FFT verwendet wird, um den Prozessendpunkt zu bestimmen. Im Gegensatz zu der optischen Emissionsspektrometrie (OES), welche die Plasmaemission analysiert, bildet die Emissionsinterferometrie von der Wafer-Oberfläche reflektierte Plasmaemissionen ab, um die Filmdicke auf der Wafer zu bestimmen. Anders als bei OES ist es bei OEI-Techniken erforderlich, dass der Abbildungsdetektor eine klare Sichtlinie zu der Scheibenoberfläche hat. Die OEI-Technik ist für TDM-Prozesse ungeeignet, die wiederholte Ablagerungs- und Ätzschritte auf Grund der zyklischen Zugabe und Abtragung eines Passivierungsfilmes umfassen, wenn die Ätzung fortschreitet.
Bei Kawahara et al. ( US 4 795 529 A ) wird ein System beschrieben, bei dem Plasmaemission lediglich während des Ätzschrittes überwacht wird.
In der EP 1 009 014 A (Orbis Technologies Ltd.) wird ein ähnliches System beschrieben.
Dementsprechend ist ein Bedürfnis nach einer Endpunktstrategie für TDM-Prozesse vorhanden, bei der kein externer Auslöser benötigt wird, um die Plasmaemissionsdatensammlung mit den Prozessschritten zu synchronisieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes in einem Plasmaätzprozess gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Endpunktes während eines anisotropen Plasmaätzprozesses eines Substrates, um darin seitlich festgelegte Aussparungsstrukturen durch eine Ätzmaske durch Verwendung eines Plasmas bereitzustellen. In Übereinstimmung mit dem Verfahren wird eine Oberfläche eines Substrates in einem Ätzschritt durch Kontakt mit einem reaktiven Ätzgas plasmageätzt, um Werkstoff von der Oberfläche des Substrates zu entfernen und freigelegte Oberflächen bereitzustellen. Die Oberfläche des Substrates wird in einem Ablagerungsschritt so passi viert, dass horizontale und vertikale Oberflächen, die in einem vorangegangenen Ätzschritt freigelegt wurden, durch eine Passivierungsschicht abgedeckt werden. Der Ätzschritt und der Passivierungsschritt werden wechselweise wiederholt. Die Plasmaemission wird bei einer spezifischen Wellenlänge oder Wellenlängenbereich(en) und bei einer Kennfrequenz überwacht, die durch die wechselweise Art des TDM-Prozesses auferlegt wird. Die spezifische(n) Wellenlängen) wird/werden vorzugsweise auf der Grundlage von während eines Prozesses verwendeten Emissionsspektren bestimmt. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Plasmaemission bei zwei oder mehr Wellenlängenbereichen überwacht, und das Verhältnis (oder ein anderer mathematischer Vorgang) der Größenordnung des ersten Wellenlängenbereiches und der zweite oder mehr Wellenlängenbereiche werden berechnet. Bei einer solchen Ausführungsform können ein oder mehr Wellenlängenbereiche ausgewählt werden, um das Hintergrundsignal zu repräsentieren. Die auferlegte Prozesskennfrequenz wird auf der Grundlage der Summe der Dauer des Ätzschrittes und der Dauer des Passivierungsschrittes bestimmt. Die Kennfrequenz des Prozesses beträgt weniger als 5 Hz für einen typischen TDM-Prozess. Der Prozess wird zu einem Zeitpunkt angehalten, der von dem Überwachungsschritt abhängig ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Schema einer typischen OES-Konfiguration dargestellt;
In 2(a-e) werden Darstellungen eines TDM-Ätzprozesses gezeigt;
3 ist eine Kurve der Ablagerung und der Ätzplasmaemissionsspektren für einen beispielhaften TDM-Prozess;
4 ist eine Endpunktspur für einen beispielhaften TDM-Prozess;
In 5 ist eine Übersicht über eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt, die eine verbesserte OES-Technik für TDM-Prozesse betrifft;
In 6 ist die Intensität gegen Wellenlänge in einem Diagramm für eine Test-Wafer dargestellt, die bei der Validierung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
In 7 ist eine Kurve der Ätzspektren vor und nach dem Endpunkt eines TDM-Prozesses dargestellt;
In 8 ist eine Kurve eines normalisierten Differenzspektrums für das Ätzspektrum von 7 dargestellt;
In 9 ist eine vergrößerte Ansicht der Vor- und Nach-Endpunkt-Ätzemissionsspektren dargestellt;
In 10 ist ein Diagramm der Werte der Spektralintensität innerhalb der in 9 identifizierten Spektralbereiche gegen die Zeit dargestellt;
In 11 ist eine vergrößerte Ansicht von 10 über den Bereich von 300 bis 400 Sekunden der Gesamtätzzeit dargestellt;
12 ist eine Kurve des Verhältnisses des 440 nm-Signals und des in 11 dargestellten 443 nm-Signals dargestellt;
13 ist eine Kurve des in 12 dargestellten Verhältnissignals über den Verlauf der Ätzung;
14 ist eine Kurve des Signals in 13 in dem Frequenzbereich;
15 ist ein Diagramm der Amplituden des Frequenzbereichssignals von 14 vor und nach dem Endpunkt des Prozesses; und
16 ist ein Diagramm der Frequenz der in 15 dargestellten 0,6 Hz-Komponente.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen des Überganges zwischen unterschiedlichen Werkstoffen in einem Zeitmultiplex-(TDM)Plasmaätzprozess durch die Analyse mindestens einer Wellenlängenkomponente der gesammelten elektrischen Emissionen bei einer der Frequenz (ν) des TDM-Prozesses entsprechenden Frequenz.
Auf Grund der periodischen und wiederholenden Art eines TDM-Prozesses weist der Prozess konstruktionsbedingt eine Anzahl von damit in Verbindung stehenden Kennfrequenzen auf. Als Beispiel ist von einem Zweischritt TDM-Siliziumätzprozess auszugehen, der aus einem 4 (vier)-Sekunden-Ätzschritt und einem zweiten 6 (sechs)-Sekunden-Ablagerungsschritt besteht, die im Wesentlichen eine Anzahl von Malen wiederholt werden (siehe Tabelle I unten) (1 mtorr = 133Pa).

Ablagerung Ätzung

SF₆-Strom sccm 0,5 100

C₄F₈-Strom sccm 70 0,5

Ar-Strom sccm 40 40

Druck mtorr 22 23

RF-Vorspannungskraft w 1 12

ICP-Kraft w 1000 1000

Schrittzeit Sekunde 4 6
Es ist zu bemerken, dass sich die Ablagerungs- und Ätzschritte in der Chemie, RF-Vorspannungskraft und Druck unterscheiden, was Emissionsspektren mit bedeutendem Unterschied zum Ergebnis hat. Auf Grund der wiederholenden Art des TDM-Prozesses und der Dauer der Ablagerungs- und Ätzschritte weist der Beispielprozess in Tabelle I eine Zykluswiederholungszeit von 10 Sekunden auf, und damit eine erwartete Kennfrequenz von 0,1 Hz. Die Abtastrate der Spektren muss schnell genug sein, um die periodische Art der Plasmaemission ohne Stufenbildung zu erfassen. Folglich muss die Abtastfrequenz höher als die Nyquist-Frequenz sein, und vorzugsweise das 10fache der erwarteten charakteristischen Frequenz betragen.
Das Schema in 5 stellt eine Übersicht über eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die eine verbesserte OES-Technik für TDM-Prozesse betrifft. Ein TDM-Prozess wird mit mindestens einer Kennfrequenz hergestellt, die von der Dauer der Schritte des Prozesses in Schritt 500 abhängig ist. Die Kennfrequenz von TDM-Prozessen beträgt typischerweise weniger als 5 Hz. Mindestens ein Wellenlängenbereich des Plasmaemissionsspektrums (typischerweise innerhalb 200–1100 nm für Plasmaemission) des TDM-Prozesses ist für die Prozessendpunkterkennung identifiziert. Der/die Spektralbereich(e) wird/werden während des Verlaufes des TDM-Ätzprozesses in Schritt 502 überwacht. Da das Emissionssignal für einen TDM-Prozess periodisch und wiederholend ist, kann das Emissionssignal in Frequenzkomponenten aufgelöst werden. Mindestens eine Frequenzkomponente liegt bei der Prozesskennfrequenz, und wird in Schritt 504 extrahiert. Ein Verfahren zur Extraktion der Frequenzkomponenten erfolgt durch die Verwendung von Fast-Fourier-Transformationen (FFT), obwohl andere Digitalsignalverarbeitungs-(DSP)-Techniken ebenfalls verwendet werden können. Wenn ein Werkstoffübergang in Schritt 506 erkannt wird, geht das Verfahren zu Schritt 508 weiter, wobei das Verfahren zu dem nächsten Prozessschritt oder TDM-Folge weitergeht. Wenn in Schritt 506 kein Werkstoffübergang entdeckt wird, kehrt das Verfahren zu Schritt 502 zurück, wobei die Plasmaintensität mindestens eines Spektralbereiches überwacht wird, bis ein Werkstoffübergang erkannt wird. Im Gegensatz zu vorherigen Lehren mit Verwendung von OES mit FFT wird durch die Überwachung der Größenordnung des Emissionssignals bei einer TDM-Prozesskennfrequenz (typischerweise, jedoch nicht immer weniger als 5 Hz) über die Zeit ein zuverlässiges Verfahren zur Erkennung von Übergängen zwischen Schichten während eines TDM-Ätzprozesses bereitgestellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung werden zwei oder mehr Wellenlängenkomponenten verwendet, die von den Emissionsdaten abgeleitet sind, um die Empfindlichkeit der Endpunkterkennung zu verbessern. Mindestens eine der Wellenlängenkomponenten ist eine Kennwellenlänge des TDM-Prozesses. Andere Wellenlängenkomponenten können ein Hintergrundsignal darstellen. Die mathematische Kombination von zwei oder mehr Komponenten (wie zum Beispiel Addition, Subtraktion oder Teilung) bietet bei bestimmten Anwendungen eine größere Empfindlichkeit.
Wir weisen darauf hin, dass der Ansatz der vorliegenden Erfindung nicht auf einen zyklischen Zweischrittprozess begrenzt ist. In der Praxis ist es üblich, den Ätzabschnitt des Prozesses weiter in eine Anzahl von Unterschritten zu teilen. Die weitere Aufteilung des TDM-Prozesses in Unterschritte hat lediglich zusätzliche, vom Prozess auferlegte Kennfrequenzen zum Ergebnis.
Es ist auch wichtig zu bemerken, dass die Prozessparameter innerhalb einer jeden wiederholenden Prozessschleife eines Ätzschrittes und eines Ablagerungsschrittes nicht von einem Zyklus zum anderen konstant bleiben müssen. So ist es zum Beispiel während der TDM-Ätzung von Silizium üblich, den Wirkungsgrad des Ablagerungs- oder Ätzschrittes über den Verlauf des Prozesses allmählich zu verändern, um die Profilkontrolle aufrechtzuerhalten (in dem Bereich als Prozess-Morphing bekannt). Bei einem Morphing-Prozess werden kleine Parameterveränderungen bei den Prozessparametern zwischen einer Anzahl von Ätz- oder Ablagerungsschritten vorgenommen. Diese umfassen Gasdurchsatzrate, RF-Vorspannungskraft, Prozessdruck, Induktivquellenkraft (ICP) usw., sind jedoch nicht darauf begrenzt. Diese Veränderungen können auch die Veränderung der Zeitdauer der Prozessschritte innerhalb eines TDM-Zyklus umfassen. Wenn die Veränderungen der Zykluszeit während des Verlaufes des Prozesses größer als die Frequenzauflösung des Transforms sind, dann wird der Algorithmus so abgeändert, dass er die Summe angrenzender Frequenzkomponenten überwacht, um die auferlegte Prozessfrequenzverlagerung zu erfassen.
Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine tiefe Si-Ätzung unter Verwendung eines auf SF₆/C₄F₈ basierenden Prozesses demonstriert wird, sind die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unabhängig von der Chemie unter der Voraussetzung gültig, dass ein Zeitteilungsmultiplexprozess verwendet wird. Die bevorzugten Verfahren sind auch insbesondere zur Erkennung von Werkstoffübergängen in anderen Werkstoffen verwendbar, wie zum Beispiel dielektrische Werkstoffe und Metalle, wobei ein wiederholender Zeitteilungsmultiplexprozess verwendet wird.

Um die Nützlichkeit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren, wurde ein TDM-Rezept verwendet, um einen Silizium-Wafer auf einem Isolator (SOI) zu ätzen. Das Rezept ist in Tabelle 2 unten aufgeführt. Das unten aufgeführte Beispiel gilt für eine Ausführungsform der Erfindung bei einem 3-Schritt-TDM-Si-Ätzprozess.

		Ablagerung	Ätzung A	Ätzung B
SF₆-Durchsatz	sccm	1	50	100
C₄F₈-Durchsatz	sccm	70	1	1
Ar-Durchsatz	sccm	40	40	40
Druck	mtorr	22	23	23
RF-Vorspannungskraft	w	1	12	12
ICP-Kraft	w	1500	1500	1500
Schrittzeit	Sekunde	6	3	7

Die Versuche wurden mit einem im Handel erhältlichen „Unaxis Shuttlelock series Deep Silicon Etch (DSE)"-Werkzeug ausgeführt. Die Emissionsspektren wurden bei einer Frequenz von 1 Hz unter Verwendung eines im Handel erhältlichen „Unaxis Spectraworks"-Emissionsspektrometers gesammelt.
Zur Bestimmung des/der interessierenden Wellenlängenbereich(e)s wurde eine Testwafer geätzt und Plasmaemissionsspektren sowohl in dem Ablagerungsschritt als auch in dem Ätzschritt analysiert, bevor und nachdem die Siliziumschicht freigelegt bzw. entfernt wurde (Prozessendpunkt). In 6 ist sind die Intensitäts-gegen-Wellenlänge-Diagramme für die Plasmaemissionsspektren der Testwafer dargestellt. Die Ablagerungsspektren vor dem Endpunkt des Prozesses 600, Ablagerung nach dem Endpunkt des Prozesses 602, Ätzspektren vor dem Endpunkt des Prozesses 604 und Ätzspektren nach dem Endpunkt des Prozesses 608 sind in 6 dargestellt. Die Detektorsättigung 608 wird durch die Linie an der Spitze der Kurve repräsentiert. Da während der Ablagerungsphasen des Prozesses wenig Ätzung erwartet wird, konzentriert sich 7 auf die Emissionsspektren von dem Ätzschritt vor 700 und nach 702, als das Silizium entfernt wurde. Es ist zu bemerken, dass sich der leichte Unterschied 704 bei Ätzspektren an 450 nm annähert. Um Endpunktkandidaten zu bestimmen, wurde ein Punkt-für-Punkt-Differenzspektrum geschaffen.
Das sich ergebende Spektrum 800 ist in 8 dargestellt. Kandidaten für die Endpunkterkennung treten bei 440 nm und 686 nm auf. Die 440 nm-Spitze kann einer Siliziumfluoridemission (SiF) (Ätzprodukt – verringert sich, wenn das Si entfernt wird), während die 686 nm-Spitze der Fluor (F)-Emission zugeordnet werden kann (Reaktant – erhöht sich, wenn das Si freigelegt wird).
Auf der Grundlage der 440-Emissionsspitze wurde eine Endpunktstrategie entwickelt. In 9 ist eine vergrößerte Ansicht der Vor- 900 und Nach-Endpunkt 902-Ätzemissionsspektren dargestellt, um die 440 nm-Spitze genauer zu untersuchen. Um korreliertes Rauschen zu verringern, wurden zwei Spektralbereiche 904 und 906 überwacht – eine schmale 440 nm-Spitze (SiF-Emission) und ein breiterer Spektralbereich, der zwecks Hintergrundkorrektur um 445 nm herum zentriert war.
In 10 werden die Werte innerhalb der zwei Bereiche gegen die Zeit dargestellt. Obwohl es eine leichte Abnahme bei ihren Spitze-zu-Spitze-Werten des Schwingungssignals gibt, ist es schwierig, einen Prozessendpunkt zu bestimmen. In 11 ist eine vergrößerte Ansicht von 10 über den Bereich von 300 bis 400 Sekunden der Gesamtätzzeit dargestellt. Es ist zu bemerken, dass die Signal-(440 nm) 1100 und Hintergrund-(445 nm) 1102-Bereiche einander während des Ablagerungsschrittes 1104 mit höherer Intensität gut folgen, jedoch in der Nähe des Endes des Ätzschrittes 1106 auseinanderlaufen. Die Konstruktion des Verhältnisses des 440 nm-Signals und des 445 nm-Hintergrundes hat 12 zum Ergebnis, wo die großen Emissionsschwankungen zwischen den Ätz- und Ablagerungsschritten beseitigt wurden, wobei das sich ergebende Signal repräsentativer für den Grad der Ätzung ist, der stattfindet. Es ist zu bemerken, dass die periodische und wiederholende Art des Verhältnissignals 1200 in 12 dargestellt wird.
In 13 ist das Verhältnissignal (440 nm SiF/445 nm Hintergrund) 1300 über den Verlauf der Ätzung dargestellt. Wir weisen auf die Abnahme der aufeinanderfolgenden Spitzenhöhen in der Nähe von 600 Sekunden hin, wie in 13 dargestellt. Die Kennfrequenz der in 13 dargestellten Spur beträgt 0,06 Hz. Dies ist die vom Rezept auferlegte Frequenz, die 16 Sekunden entspricht, welches die Summe der Zeiten der einzelnen Prozessschritte des zyklischen Prozesses in Tabelle 2 ist.
Die Konvertierung des Signals in 13 von der Zeitdomäne in die Frequenzdomäne unter Verwendung einer Fast-Fourier-Transformations-(FFT)Berechnung hat das in 14 dargestellte Leistungsspektrum zum Ergebnis. Die FFT-Berechnung wurde auf einer 128-Elementanordnung aufgebaut, die angehängt wurde, um ein sich entwickelndes Fenster des OES-Signals auszubilden, wenn der Prozess fortschritt. Die mittels der gepunkteten Box hervorgehobenen Frequenzen sind diejenigen, die auf Grund der periodischen und wiederholenden Art des TDM-Prozessrezeptes erwartet werden. In 15 sind die Amplituden der FFT-Leistungsspektren an zwei Punkten in dem Prozess dargestellt. Wir weisen darauf hin, dass die 0,06 Hz-Komponente vor dem Endpunkt eine große Amplitude aufweist und fast auf Null abnimmt, nachdem die Si-Schicht entfernt wurde. Eine Darstellung der Größenordnung der 0,06 Hz-Komponente hat die in 16 dargestellte Prozessendpunktspur zum Ergebnis. Die Bestimmung der tatsächlichen Endpunktzeit an Hand dieser Kurve kann durch eine Vielfalt von Mitteln erfolgen, einschließlich der einfachen Schwellenwerterkennung oder Differenzerkennung, jedoch nicht darauf beschränkt. Solche Techniken sind Fachleuten auf diesem Gebiet gut bekannt.
Die oben abgehandelten Ausführungsformen ermöglichen eine genaue Bestimmung des Endpunktes eines TDM-Prozesses mittels Überwachung der Emissionsspektren der Ablagerungs- und Ätzschritte bei einer Kennfrequenz des Prozesses. Die Fähigkeit, einen Endpunkt eines solchen Prozesses genau zu bestimmen, minimiert oder beseitigt die Möglichkeit des Überätzens des gewünschten Merkmals und bewirkt somit die Verringerung der Dicke der darunterliegenden Sperrschicht. Zusätzlich wird auch die auf diesem Gebiet als „Kerbung" bekannte Merkmalsprofilverschlechterung minimiert. Weiterhin ist die Erfindung gut zur Verwendung in beliebigen Plasmaprozessen mit schnellen und periodischen Plasmaperturbationen geeignet. Daher ist die vorliegende Erfindung eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zum Stand der Technik.
Die vorliegende Offenbarung umfasst die Teile, die in den beigefügten Ansprüchen enthalten sind, sowie diejenigen der vorangegangenen Beschreibung. Obwohl diese Erfindung in ihrer bevorzugten Form mit einem bestimmten Grad der Besonderheit beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Form ausschließlich beispielhaft erfolgte, und dass auf zahlreiche Änderungen bei den Konstruktionsdetails und der Kombination und Anordnung von Teilen zurückgegriffen werden kann, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Endpunktes in einem Plasmaätzprozess mit den folgenden Schritten: Einbringen eines Substrats in eine Vakuumkammer; Abätzen eines Materials von dem Substrat mittels eines Plasmas; Abscheiden einer Passivierungsschicht auf dem Substrat mittels eines Plasmas; Durchlaufen einer Prozessschleife, in der der Ätzschritt und der Abscheidungsschritt mit einer bestimmten Wiederholungsrate wiederholt werden; Erfassen einer Plasmaemissionsintensität in mindestens einem vorbestimmten Wellenlängenbereich während sowohl des Ätzschritts als auch des Abscheideschritts zur Erzeugung eines Emissionssignals; Zerlegen des Emissionssignals in Frequenzkomponenten und Betrachten einer Variation einer Plasmaemissionsintensität bei einer charakteristischen Frequenz, die der Wiederholungsrate des Ätzschrit tes und des Abscheideschrittes in der Prozessschleife entspricht; Abbrechen der Prozessschleife anhand des Überwachungsschritts; und Entfernen des Substrats aus der Vakuumkammer.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die charakteristische Frequenz anhand der Summe der Dauer des Ätzschrittes und des Abscheideschrittes während der Prozessschleife festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die charakteristische Frequenz kleiner als 5 Hz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschleife mehrere Ätzschritte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessschleife mehrere Abscheideschritte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsschritt eine Überwachung der Plasmaemissionsintensität bei einer Mehrzahl von Wellenlängenbereichen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsschritt, in dem mehrere Wellenlängenbereiche überwacht werden, die Durchführung mathematischer Operationen zur Extraktion einer Mehrzahl von Frequenzkomponenten umfasst, wodurch mindestens eine charakteristische Frequenz erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Operation eine Fast-Fourier-Transformation ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsschritt, in dem eine Mehrzahl von Wellenlängenbereichen überwacht wird, die Durchführung einer mathematischen Operation zur Korrektur der Hintergrund-Plasmaemission umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlängenbereiche mittels einer mathematischen Analyse des Plasmaemissionsspektrums ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mathematische Analyse eine Principal Component-Analyse ist.