TW444293B - Nondestructive optical method for monitoring the situation of etching chamber - Google Patents

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4442 93 五'發明說明（1) 發明領域： 本發明是有關於一種具實地監視能力的改良式電漿蝕 刻製程，且本發明特別是有關於一種不會干擾且可實地監 視電漿蝕刻反應室的方法^本發明所揭示的方法優點在於 可利用製造半導體元件之蝕刻反應室内的蝕刻氣體作為監 視的「探針」’而不需要再添加外來的監視「探針」。 發明背景： 電聚蚀刻製程包括利用電漿所獲得的反應性自由基或 者離子，選擇性地去除材料。電漿是一種含相等正、負電 荷粒子濃度的游離氣體，而電裂也可含有電中性但具有反 應性的自由基。一般來說，電漿是藉由將氣體導入一個電 漿反應室内並且施加一無線電波頻率（RF)的磁場於該電漿 反應室内反應而得。導入氣體的挑選取決於是否會在特定 製程中參予化學反應；而RF磁場會使得電子與中性或帶電 的物質碰撞’並且放射出輻射。在半導體層材料之蝕刻過 程中’含有鹵素的化合物一般均可在氣相狀態作為蝕刻氣 在電漿蝕刻製程中，最常遇到的一個問題是此製程並 不易控制，因此電漿蝕刻製程必須連續偵測以減少蝕刻製 程的變異。例如’蝕刻反應室會老化，故蝕刻的時間會與 敍刻反應清理前所使用的餘刻時間有所差異，此外，晶圓 本身的屬性以及特性也有許多變異，而該些問題均可利用 清潔劑清潔姓刻反應室而獲得改善。然而，巨額的清潔費 用以及產能停擺的損失均顯示保持姓刻反應室的清理僅限

C:\Program Files\Patent\0492-3953-E.ptd第 4 頁 4442 93 五、發明說明（2) 於一定程度是絕對需要的。 目前’蝕刻反應室的監視一般均利用檢查蝕刻率、粒 子數4來完成’有時候得必須打開反應室直接觀察，不過 這些程序均會消耗晶圓以及時間’且打開反應室之步驟也 會造成不必要的高度製程干擾。另外’打開後的反應室狀 況在其真空時並不相同。 美國專利號5, 6 5 3，8 9 4揭示一種利用活化的中性網路 以偵測電漿蝕刻製程的终點’其中至少兩個參數，例如電 谷、電壓、電流、能量密度 '順、逆電源以及其他RF製程 的特徵需被收集’以利用此活化中性網路偵測電紫蝕刻製 程的終點。此專利揭示一種分析收集到的數據之改良方 法，但其並未顯示該些數據是如何利用新的方法加以收 集。此專利也揭示一種利用橢圓儀（e[lips〇|neter)監視晶 片之放射波長之方法’然而已有報導指出此利用橢圓儀追 蹤晶圓之放射波長的方法’會隨不同的晶圓特性而產生不 一致的追蹤結果。 美國專利號5, 559, 207揭示一種可在M〇s電晶體形成過 程中定性監視電漿蝕刻製程的技術，此監視法乃使用—包 括有一隔離導體板與半導體基底的薄氧化層之改質電 容器’此改質電容器之導體板周邊並環繞有一材料與閘極 相同的導體邊牆侧壁子。施加電性於所得到的改質M〇s電 容器便可獲得周邊區域的損壞資訊。 美國專利第5, 711，851號揭示一改善溫度敏感蝕刻製 程性能的方法。在此專利中，電漿蝕刻反應室進行的半導

C:\Program Files\Patent\0492-3953〜E.ptd第 5 頁 五、發明說明（3) 體基底乾蝕刻製程之溫度是被連續地監測並且控制，以保 持乾钱刻製程的選擇性以及高蝕刻率。當蝕刻溫度超過預 定值時’電漿的形成便會被終止’而溫度低於另一個預定 值時則電漿的形成將會重新開始。 美國專利第5, 643, 364號揭示一種適用於半導體晶圓 或基底電漿製程之裝置，其藉由將RF電源定位在距離偶合 凡件實質上小於八分之一波長的位置，使得在高RF頻率下 可使用固定的RF穩定電流，其中該偶合元件可為一電極或 偶合電漿反應室内之RF電源的天線。在此專利中，也揭示 一種用以偵測蝕刻或清理製程終點之裝置。此裝置乃在蝕 刻或清理基底時，於作為去除函數之反射電源或VSWR停止 改變時偵測之。 如上所述之專利均有各自的優點以及缺點’但由於監 視電漿蝕刻反應室具有極大的重要性，若能發展出另一種 效果更好的監視技術以節省更多的花費並且減少上述製程 之缺點，對於半導體製程的進步將有莫大的助益。 發明概要： 本發明之特徵是發展出一種具實地監視能力的電漿蝕 刻方法，且特別的是本發明之主要特徵是發展出一種改善 的非破壞性且可實地連續監測電漿蝕刻反應室之技術，以 確保電漿反應室内所製造出來的半導體元件具有良好的性 能。藉由挑選一種或數種電漿氣體，作為一個剛清潔完畢 的電紫蚀刻反應室的「探針」，該電漿氣體可在一預^波 長下顯示特定光譜強度，且該電漿氣體之光譜強度會隨Μ

C:\ProgramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 6 頁 4442 93 五、發明說明（4) 時間而增加或者減小’在特一波長下測量光子的分佈（例 如光譜強度），藉由一對或數對電漿「探針」之比值，以 所測到的光譜強度直接或間接對RF時間作圖，便可非破壞 性地監視到電漿反應室内部的情況。 在本發明中發現電漿餘刻反應室内之一種或數種電聚 物質的放射光譜強度與RF時間顯著地存有正比的關係，且 此電漿物質的較佳光譜強度是位在紫外光-可見光（波長 200nm ~800nm)。目前，被發現光譜強度正比於RF時間之 電漿物質包括氟、氟化碳、二氟化碳、三氟化碳、一氧化 碳以及氧氣。如上所述的該些電漿物質均可作為監視電漿 蝕刻反應室的「探針」。然而，為了降低監測信號波動並 且改善精確性以及再現性，監視過程最好使用一對「探 針」，然後以此對「探針」的比值報導監視結果。此外， 若能使用一對以上的「探針」，其結果將更好。適用於監 視過程的較佳的「探針」對包括二氟化碳/氟氣，或者一 氧化碳電漿氣體之兩個激發態。 本發明之優點之一是可在電漿蝕刻過程中非破壞性地 實地監視。監視過程中所需要的電漿光學儀器可為吸收式 的或放射式的，此二種儀器均為實地且不會產生干擾的。 吸收式的需要外來光源，而放射式的光源乃來自分子本 身。在電漿蝕刻過程中，蝕刻分子被打到非常高的激發 態° 一般來說，此激發的分子回到基態時會伴隨有光子的 放射。在特一波長下測量光子的分佈（例如光谱強度）’便 可監視到電漿反應室内部的情況。藉由一對或數對電漿

C:\Program Files\Patent\0492-3953-E.pt(l第 7 頁 4442 93 五、發明說明（5) 「探針」之比值，此監視技術之精確性便可保持在製程時 所需要的層次。 為使本發明之優點以及特徵更清楚可見’玆將以本發 明之較佳實施例，並配合相關圖式，詳細說明如下。 圖式之簡單說明： 第1圖顯示的是非破壞性地實地監視電漿姓刻反應室 内部之技術略圖。 第2圖顯示的以實施例1之[cf2]/[F] 「探針」之光譜 強度比值對RF時間之函數圖。 第3圖顯示的是實施例一氧化碳探真在波長439nm和 693nm之光譜強度比值對例1之rf時間座標的函數圖。 第4圖顯示的以實施例2之[CF2]/[F] 「探針」之光譜 強度比值對RF時間之函數圖。 第5圖顯示的是實施例一氧化碳探針在波長439nm和 6 9 3nm之光譜強度比值對例2之RF時間座標的函數圖》 實施例： 本發明揭示一種改良的非破壞性地且可連續實地監視 電漿蝕刻反應室狀況之技術，以確保電漿蝕刻反應室内所 製作出來的半導體元件具有良好的性能。 習知技術的方法已經揭示使用溫度、電容、電壓、電 流、能量密度、順/逆電源等以監視電漿蝕刻反應室内部 狀況之技術。在本發明中，發明人經由實驗發現電紫餘刻 反應室内之一種或數種電漿物質的放射光譜強度與奸時間 顯著地存有正比的關係，且此電漿物質的較佳光譜強度是

4442 93 五、發明說明（6) 位在紫外光-可見光（波長2〇〇nm〜8 00nm)。目前，被發現 光譜強度正比於RF時間之電漿物質包括氟、氟化碳、二氟 化碳、三氟化碳、一氧化碳以及氧氣。如上所述的該些電 漿物質均可作為監視電漿蝕刻反應室的「探針」。然而， 為了降低信號不規則波動並且改善精確性以及再現性，監 視過程最好使用一對「探針」，然後以此對「探針」的比 值報導監視結果。此外’若能使用一對以上的「探針」， 其結果將更好。 如前所述’本發明之優點之一是可在電漿蝕刻過程中 非破壞地實地監視。監視過程中所需要的電漿光學儀器可 為吸收式的或放射式的，此二種儀器均具有實地性且不會 產生干優的。吸收式的需要外來光源，而放射式的光源乃 來自分子本身。在電漿蝕刻過程中，蝕刻分子被打到非常 高的激發態。一般來說，此激發的分子回到基態時會伴隨 有光子的放射。在特一波長下測量光子的分佈（例如光譜 強度），便可監視到電漿反應室内部的情況。藉由一對或 數對電漿「探針」之比值，此監視技術之精確性便可保持 在製程時所需要的層次。 首先’請參照第1圖’其顯示的是第1圖顯示的是非破 壞性地實地監視電漿蝕刻反應室内部情況之技術。如第1 圖所示，包括有一電漿姓刻反應室1，一分光儀2，一連 接電漿蝕刻反應室1以及分光儀2之光纖3。電漿蝕刻反應 室内部用來蝕刻介電材料的蝕刻氣體一般包括有三氟甲 烷、氟甲烷、氟丁烷等，有時更添加有一氧化碳以及氧

C:\Program Files\Pateirt\0492-3953-E.ptd第 9 頁 4442 93

氣。來自電漿姓刻反庥—^ 到分光儀2内。分光儀至9内部的放射光可由光纖3被收集 二極體4，以將收集到之末端則裝置有—高光敏度感光 此電子訊號送到電腦5作$子轉換成電子訊號，然後再將 之光柵的角度，便可分析3\—门步的處理。調整分光儀2内 ΕΈ - r，^ β 析不同波長的光譜強度。第1圖所 顯不的間圖也顯示本發明* p /s 1 古土描订Μ议山 之另一優點，藉由本發明之簡單 方法便可開發出一煙潘Β γ , ^ ^ , ^ d濟且可有效收集到監視電漿蝕刻製程 所需要的資訊。 衣枉 為使本發月之優點以及特徵更清楚可見，兹將以根據 本發明之較佳實施例，酉己合圖式將本發明詳細說明如下。 然，’要注意的是此較佳實施例僅用以方便說明本發明之 内容以及優點，並非用以限定本發明之專利範圍，任何熟 悉此技藝者在參閱本發明之說明書後，在不脫離本發明之 範疇所作之任何潤飾均落在本發明之專利範圍内。 例1 : 在一剛清理過的電漿餘刻反應室内進行介電層之蝕刻 步驟’其中電漿蝕刻反應室内包含有壓力5 〇mT〇rr的蝕刻 氣體，該蝕刻氣體是由氟化丁烷（c4f8)/氧氣/氬氣 (5 :1 : 2 0 )所組成《此外，在蝕刻過程可實地性地測量光源 686nm以及255nm之光譜強度，其中光源686nm以及25 5nm相 當於電漿物質氟（3s4P3 — 3p4P3)以及二氟化碳（Ajjv，=4) — X^JvO))由激發態回到基態時所放出的光子波長。第 2圖顯示的是以實施例1之[CF2 ] / [ F ] 「探針」之光譜強度 比值對RF時間之函數圖。此外，與第2圖相同的數據也顯

C:\ProgramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 1〇 頁 4442 93 五、發明說明（8) 示於表1。 表1 RF時間 4.5小時 6.5小時 12小時 24小時 67小時 「CF,1/「F1 0.028 0.032 4.550 9.204 16.536 如第2圖所示，可看到[CF2]/[F]比值與RF時間的相關 性明顯是一正比關係。此曲線可在相似的條件下當作監視 電漿蝕刻反應室的參考數據。 第3圖顯示的是一氧化破在波長439nm(相當於d3n (ν’ =1 0))以及6 93nm相當於d3 Π (ν’ = 2))下的光譜強度比值 對第1圖所示的RF時間座標所作的之函數圖。如第2圖所 示，光譜強度比值與RF時間仍然存在正比的關係。此曲線 同樣可在相似的條件下當作監視電漿蝕刻反應室的參考數 據。 例2 : 在一剛清理過的電漿蝕刻反應室内進行介電層之蝕刻 步驟，其中電漿蝕刻反應室内包含有壓力4 OmTorr的蝕刻 氣體，該蝕刻氣體是由氟化丁烷（C4F8)/ —氧化碳/氬氣（1 : 2. 2 : 2 1)所組成。此外，在蝕刻過程並可實地性地測量光 源686nm以及255nm之光譜強度，其中光源686nm以及255nm 相當於電漿物質氟（354?3—30汴3)以及二氟化碳（4%(^’=4) —Χ]Α;(νΜ = 0))由激發態回到基態時所放出的光子波長。第 4圖顯示的是以實施例2之[CF2 ] / [ F ] 「探針」之光譜強度 比值對RF時間之函數圖。此外，與第4圖相同的數據也顯

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示於表2。 表2 RF時間 4.5小時 _6.5小時 12小時 24小時 67小時 『CF，1/[F] 0.016 0.027 0.380 2.229 4.212 如第2圖所示，光譜強度比值與RF時間仍然存在正比 的關係。此曲線同樣可在相似的條件下當作監視電漿蝕刻 反應室的參考數據。 第5圖顯示的是一氧化碳在波長43 9nm(相當於y π (ν’ =10))以及693mn相當於d3 π U，=2))下的光譜強度比值 對第1圖所示的RF時間座標所作的之函數圖。如第5圖所 示’光譜強度比值與RF時間仍然存在正比的關係。此曲線 同樣可在相似的條件下當作監視電漿蝕刻反應室的參考數 據。 [CF2 ] / [ F ]比值與RF時間的正比關係可用聚合物分子 沉積在反應室内壁所造成來解釋，此聚合物最主要的成分 是一種氟碳聚合物：-(CxFy)-。二氟化碳是一種聚合化的 前驅物。因此，在極短的RF時間内，如當蝕刻反應室清理 完畢後，在放電過程中所產生的大多數二氟化碳將會與反 應室内壁（一般是經陽極處理過的鋁）產生碰撞，而產生氟 碳聚合物。上述的情形將反應低[CF2]/[F]比值。隨著RF 時間增加，反應室内壁所沉積的氟碳聚合物將跟著增加， 此聚合物並不會與二氟化碳產生反應。此外’氟的濃度在 比較之後並不會影響反應室内壁的碰撞情況’且包括氟在

C:\FrogramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 12 頁 4 44 2 93 五、發明說明（ίο) 内的吸收反應在放射光譜隨RF時間逐漸減小時仍然是相當 顯著。其結果如第2圖和第4圖所示，[Cf2]/[F]的光譜強 度比值會隨RF時間延長而增加。 關於一氧化碳「探針」在（ν’=1〇)和（ν’=2)的光譜強 度比值與RF時間所呈現的正比關係，也被認為是由於聚合 物沉積於反應室内壁所造成。當一氧化碳分子與反應室内 壁碰撞時，一氧化碳分子易從高階振動狀態釋放到較低階 的振動狀態’而釋放的速率則因可供碰撞的表面而有所差 異。例如’金屬表面（例如銘）則比充滿聚合物（例如氟碳 聚合物）的表面具有較高度釋放速率《因此，在短RF時間 下，例如當蝕刻反應室剛清理完畢後，大多數的高振動狀 態的一氧化碳分子將會釋放到低振動狀態。相反地，在長 R F時間下，例如當反應室内壁被佈滿一層聚合物後，反應 室内的大多數一氧化碳則仍然保持在高振動狀態，此結果 將導致一氧化碳之4 3911«1〇’二10)以及69311111〇，=2)光譜強 度比值上升。 本發明成功的最關鍵要素乃在挑選合適的電漿「探 針」’其中較佳的電漿氣體對是如上所述之[cf2]/[f]， 或是一種單一電漿氣體但具有兩個波長性質，例如上述之 一氧化碳具有439nm(v，=l〇)以及693nm(v’=2)兩種性質， 藉由其比值便可排除雜訊干擾或者放大測量的結果。另 外，反應室内壁的改變也是影響光譜強度變化的一個主 因’因此本發明並未限定於監視反應室内壁的狀況。任何 會引起一種或數種「探針」電漿氣體之光譜強度改變的條

C:\ProgramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 13 頁 4 442 9 3

件均可利用本發明所揭示的方法加以監視。 雖…本發明已以較佳實施例揭露如， …發明，任何熟習此技藝者，在不脫離：：明= 和範圍内’所作之各種更動與潤飾，均落在本發 3 範圍内。此外，本發明之保護範圍當視後附之 的專利 圍所界定者為準。 ^專利範

C:\ProgramFiles\Patent\M92-3953-E.ptd第 14 頁

Claims (1)

1. 4442 93 六、申請專利範圍 - 1· 一種監視電聚蝕刻反應室的方法，其步驟包括： (a) 挑選一種電漿氣體，作為一個剛清潔完畢的電漿 蝕刻^應室的「探針」，該電漿氣體可在一預定波長下顯 不特定光譜強度，且該電漿氣體之光譜強度會隨RF時間而 增加或者減小； (b) 在一預定的波長下’測量該電漿氣體的光譜強 度；以及 (c) 以所測到的光譜強度直接或間接對RF時間作圖。 2‘如申請專利範圍第1項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法’其中該電漿氣體是氟氣、氟化碳、二氟化碳、一 氧化碳以及氧氣所構成之族群。 3. 如申請專利範圍第1項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法，其中： (a) 至少一對波長被選作共軛「探針」； (b) 該對波長其中之一可使得位在剛潔淨完畢的蝕刻 反應室内的蝕刻反應氣體之光譜強度隨RF時間而增加，另 一波長則是使光譜強度隨RF時間而減小； (c )藉由光譜強度與該對波長的比值對RF時間作圖， 監視該電漿蝕刻反應室。 4. 如申請專利範圍第3項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法，其中該對波長分別對應於兩種不同的電漿氣體。 5. 如申請專利範圍4項所述之監視電漿蝕刻反應室的 方法，其中該對電漿氣體分別是二氟化碳以及氟氣。 6. 如申請專利範圍第5項所述之監視電漿蝕刻反應室

   C:\Program Files\Patent\0492-3953-E.ptd第 15 頁 4 4 4 2 9 3 ------------------- 六、申請專利範圍 -- 的方法’其中該對波長分別為686ηιη以及255ηπι，其分別相 當於電漿氣體二氟化碳以及氟氣所放出的放射波長。 7. 如申請專利範圍第3項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法’其中該對波長相當於一個普通電漿氣體的兩個不 同能量狀態。 8. 如申請專利範圍第7項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法’其中該普通電漿氡體是一氧化碳。 9. 如申請專利範圍第8項所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法^其中該對波長是4#nm以及693nm，其分別相當於 /氧化碳在d3 Π(ν’=1〇)和^(v，=2)的能階。 1 〇 如申請專利範圍#所述之監視電漿蝕刻反應室 的方法’其中： —._ (a) 該方法更包括挑選一參考波長的步驟，其中該參 考波長之光譜強度相對於時間均保持一定，並且測量該 參考波長之光譜強度以作為參考光譜強度；以及 (b) 藉由該「探針」與該參考波長之光譜強度比對該 rF時間作圖’以檢測該電漿蝕刻反應室。 Π.—種利用電漿蝕刻法蝕刻半導體晶圓或基底之方 法，其步驟包括： (a) 獲得一利用光學導管連接一個電漿姓刻反應室； (b) 將數種電漿氣體導入該電漿反應室内； (c) 挑選一種電漿氣體作為該電漿蝕刻反應室的「探 針」’而該電漿氣體，可在一設定波長下，顯示特定光譜 強度，且該光譜強度會隨RF時間而增加或者減小；

   C:\ProgramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 16 頁 4442 93 六、申請專利範圊 (d) 使用一種以電源進行電漿蝕刻製程； (e) 在一設定的波長下測量該電漿氣體的光譜強度； 以及 (f) 以所測到的光譜強度直接或間接對RF時間作圖。 i 2.如申請專利範圍第11所述之電漿蝕刻方法，其中 該電漿氣體是選自氟氣' 氟化碳、二氟化碳、一氧化碳以 及氧氣所構成之族群。 1 3.如申請專利範圍第11項所述之電漿蝕刻方法，其 中： (a) 裘少一對波長被選作共軛「探針」； (b) 該對波長其中之一可使得位在剛潔淨完畢的蝕刻 反應室内的蝕刻反應氣體之光譜強度隨RF時間而增加，另 一波長則悬使光譜強度隨RF時間而減小； (c) 藉由光譜強度與該對波長的比值對RF時間作圊， 監視該電漿蝕刻反應室。 14. 如申請專利範圍第13項所述之電漿蝕刻方法，其 中該對波長分別對應於兩種不同的電漿氣體。 15. 如申請專利範圍第14項所述之電漿蝕刻方法，其 中該對電漿氣體分別是二氟化碳以及氟氣。 16. 如申請專利範圍第15項所述之電漿蝕刻方法，其 中該對波長分別為686nm以及255nm ’其分別相當於電聚氣 體二氟化碳以及氟氣所放出的放射波長。 1 7 _如申請專利範圍第丨3項所述之電漿蝕刻方法其 中該對波長相當於一個普通電漿氣體的兩個不同能量狀

   C:\Program Files\Patent\0492-3953-E.ptd第 17 頁 六'申請專利範圍 態。 1 8.如申請專利範圍第1 7項所述之電漿蝕刻方法，其 中該普通電漿氣體是一氧化碳。 1 9.如申請專利範圍第1 8項所述之電漿蝕刻方法，其 中該對波長是^^ιιη以及693nm，其分別相當於一氧化碳在 d3 Π (ν’ =10) (ν’ =2)的能階。 2 0.如申利範圍第1 1項所述之電漿蝕刻方法，其 中： (a) 該方法更包括挑選一參考波長的步驟，其中該參 考波長之光譜強度相對於RF時間均保持一定，並且測量該 參考波長之光譜強度以作為參考光譜強度；以及 (b) 藉由該「探針」與該參考波長之光譜強度比對該 RF時間作圖，以檢測該電漿蝕刻反應室。

   C:\ProgramFiles\Patent\0492-3953-E.ptd第 18 頁