TW560080B - A method for detecting the end point of plasma etching process by using matrix - Google Patents

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560080 _案號 91120919_年月日 修正_ 五、發明說明（1) 5 - 1發明領域： 本發明係有關於一種終端點偵測法，特別是有關於一 種使用矩陣之終端點偵測法。 5 - 2發明背景： 一般而言，在半導體製程中，反應式離子蝕刻（RIE ;Reactive Ion Etch)製程是用來餘刻在矽晶圓上的微 細圖案。反應式離子蝕刻包含了將一個有光阻圖案的晶圓 放在一個具有電漿的反應室。電漿包括了蝕刻氣體（ etchant gas)，其可以在一射頻（RF ; Radio Frequency )場中垂直地分解使得在蝕刻電漿中所包含的反應離子可 以從晶圓表面加速離去。被加速離去的反應離子包括晶圓 表面上未被光阻圖案遮住的材料。因此，產生的揮發性的 蝕刻產物。在這樣的蝕刻過程中，可以移除一層或是多層 的材料或是薄膜。舉例來說，被移除的材料可以包括了氧 化矽，多晶矽，氮化矽，或是金屬鋁。 當一個未被光阻圖案遮住的薄膜被蝕刻後，揮發性的 蝕刻產物會合併到電漿中。當反應式離子蝕刻製程到達終 端點的時候，蝕刻氣體會因而減少而揮發性的蝕刻產物會 增加。而在電漿中這些增加或是減少的量可以回溯以決定 反應式離子蝕刻製程是否到達終端點。在美國專利

560080 _to 91120919_年月曰 修正___ 五、發明說明（2) 4, 246, 060或是4，263, 089中的第一圖（A)(B)介紹了 一種終 端點偵測法的裝置，其中利用了一個光電池將接收到電漿 的發光強度轉換成電流或是電位，然後利用電流的強度或 是電位的高低來判斷電漿的發光強度以決定電漿蝕刻製程 中的每個過程。 在半導體製程的進展中，相繼的提出許多改良的終端 點4貞測法。例如，在美國專利5，6 9 0，7 8 4中，主要是在使 用電f來餘刻一塗佈的底材時，同時在一具有相同塗佈之 監控底材上’利用一光束通過該監控底材。在蝕刻的過程 中該光束的強度會產生變化。將光束的強度與一個預定的 值或是一參考值來決定該塗佈的底材是否到達蝕刻終點。 另外，在美國專利5, 1 6 0, 576中，主要是將電漿放電產生 的光源經由一種有皺摺的濾鏡反射，可以降低雜訊而較容 易偵測是否到達終端點。還有其他改良的終端點偵測法的 方法，如美國專利5, 288, 3 6 7，美國專利4, 93 6, 96?，美國 專利4, 345, 968，美國專利4, 6 8 7, 5 3 9，及美國專利 5, 837, 094等，上述之專利在此謹作為參考。 而在電漿蝕刻反應中的終端點偵測法，製程的穩定是 很重1的。通常，會有一種簡單的演算法以決定是否到達 一終端點。這包含了延遲時間，以越過（bypass )在射頻 電源打開時開始的時候不需要的電漿所產生之不穩定的期 間。然後，在穩定的期間，終端點訊號是由時間平均。最

560080 _ 案號91120919_年 月 B 修正_ 五、發明說明（3) 後，使用平均的訊號來比較目前的訊號水平以決定何時結 束製程。在此，可以偵測到從有興趣的電漿種類 (species)之單一波長的發射。曾經有許多的技巧用來 得到更佳的終端點偵測效果，主要是在數學上面的增強以 改善平均的訊號。例如美國專利5，5 6 5，11 4，是先計算電 漿發光頻譜之強度的總和平均值，然後計算總和平均值的 差或是比值以決定餘刻是否達到終端點。然而，這種技巧 只有在製程是穩定的或是在一些不穩定的狀態下具有一些 容許度下才可以實施。

比較複雜的方法包括同時偵測兩種發射波長。這樣的 方法特別是在電漿中偵測較弱的發射是有用的。通常兩個 不同波長強度之間的比例是用來測試是否達到終端點。然 而，由於電漿不穩定的天性，圍繞在蝕刻機台的敏感的電 子儀器，以及持續的改變的反應室狀況，所有從任何來源 產生的各種種類的雜訊，很容易的被終端點偵測系統挑 出。因此，如果只有使用前述的簡單的演算法，由於突然 的射頻電源激增或是一塊聚合物被當作是終端點訊號，不 可避免的電腦系統會誤判強度的改變。其他的干擾來自於 不適當的接地，反應室組件鬆散的接觸，老化以及遮蔽電 子元件的不足，反應室/晶圓污染，或是在電漿中的電 孤0 當電漿不穩定性是一個很難克服之本徵的問題，其他

第7頁 560080 案號91120919 年月日 修基 五、發明說明（4) 的干擾源可以經由數學方法縮小，例如時間平均。對於最 佳的時間平均結果，需要長時間的來做訊號平均。在實際 的製程，這是不切實際的。很明顯地，製造上的進步也會 因此而延遲。 5 - 3發明目的及概述：

鑒於上述之發明背景中，傳統的利用時間的平均來判 斷終端點所產生的諸多缺點，本發明主要的目的在於利用 比較終端點矩陣與參考終端點矩陣以判斷是否達到電漿蝕 刻的終端點。 本發明的另一目的在同時量測至少兩種以上的電漿種 類在不同波長之蝕刻前後強度變化，而得以降低不同的雜 訊來源。 本發明的又一目的在於使用矩陣的運算可以快速的判 斷是否達到電漿蝕刻的終端點。

根據以上所述之目的，本發明提供了一種終端點偵測 的方法，其步驟是先在一電漿蝕刻製程中提供一參考終端 點矩陣。然後，在蝕刻開始時偵測偵測至少兩種以上電漿 種類在不同的波長之發光強度，其中上述之至少兩種以上 電漿種類在不同的波長之發光強度組成一起始矩陣之元

1111 第8頁 560080 _案號91120919_年月 日 修正_ 五、發明說明（5) 素。接著，在進行蝕刻製程時偵測該至少兩種以上電漿種 類在相對應之不同的波長之發光強度，其中相對於起始矩 陣上述之至少兩種以上電漿種類在相對應之不同的波長之 發光強度組成一蝕刻矩陣。之後，利用起始矩陣與蝕刻矩 陣計算一終端點矩陣使得起始矩陣與終端點矩陣的乘績等 於蝕刻矩陣，並且藉由比較終端點矩陣與參考終端點矩陣 以判斷是否達到蝕刻終點。 5 - 4發明詳細說明： 本發明的一些實施例會詳細描述如下。然而，除了詳 細描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例施行，且 本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為準。 本發明主要是提供一種使用矩陣之終端點偵測的方法。主 要的步驟是在蝕刻開始時偵測偵測至少兩種以上電漿種類 在不同的波長之發光強度，其中上述之至少兩種以上電漿 種類在不同的波長之發光強度組成一起始矩陣之元素。然 後，在進行蝕刻製程時偵測上述之至少兩種以上電漿種類 在相對應之該不同的波長之發光強度，其中相對於起始矩 陣上述之至少兩種以上電漿種類在相對應之不同的波長之 發光強度組成一蝕刻矩陣。之後，利用起始矩陣與蝕刻矩 陣計算一終端點矩陣使得起始矩陣與終端點矩陣的乘績等 於蝕刻矩陣。藉由比較終端點矩陣與一參考終端點矩陣以

第9頁 560080 _案號 91120919_年月日__ 五、發明說明（6) 判斷是否達到蝕刻終點。 上述之起始矩陣與蝕刻矩陣的不同列表示不同種類電 漿，而每一列元素包含同一種電漿在不同發光波長之強度 。另外，起始矩陣與蝕刻矩陣可更包含一電漿參數列，其 中電漿參數列的每一元素為該電漿蝕刻製程之電漿參數。 至少兩種以上電漿種類在不同的波長之發光強度的偵測係 使用光通道分析儀的電荷耦合裝置陣列。

獲得上述之參考終端點矩陣之步驟包含在一測試電漿 蝕刻製程中，在蝕刻開始時偵測一第一矩陣，其中第一矩 陣具有蝕刻前的至少兩種以上電漿種類在不同的波長之發 光強度。然後，在蝕刻製程完成時偵測一第二矩陣，其中 第二矩陣相對於第一矩陣具有前述之蝕刻後的至少兩種以 上電漿種類在相對應之不同的波長之發光強度。利用第一 矩陣與第二矩陣計算出參考終端點矩陣使得第一矩陣與參 考終端點矩陣的乘績等於第二矩陣。

接下來，係根據本發明描述一個終端點偵測演算法的 實施例。如第一圖（A )( B )所示，在電漿蝕刻過程中可觀察 到不同的發射電漿種類。每一個種類i有自己的特徵發射 波長螝 。依賴於反應機制，螝的強度隨著電漿蝕刻的時間（B )以 及終端點達到的時間（A)而變化。因此，如果螝的強度較 強，則強度差B-A為正，表示種類i是位在第j個態；如果

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β 月 浔 、發明說明（7) B A為負，這代表種類丨在並不位於第〗個態並且發射較弱 〇 一由，許多的干擾因子是同時共同存在的，只藉由觀察 θ固或是兩個發射波長強度的改變來決定是否達到終端點 保險的。在電漿蝕刻過程中一種推廣的以及嚴格的方 以真正的反映了即時的反應室狀況，是同時使用具有 了 Α類電漿及其多個波長來監控終端點。在上述的觀念下 疋義了一個終端點矩陣X以滿足下列方程式： BX = A, 2中矩陣B與A包含各種電漿種類在蝕刻反應的開始以及結 時不同波長的發光強度。矩陣的每一列元素表示一電漿 種類i的不同波長j強度。

B 欠2…厶； 厶31厶Μ…厶2» • · ·· ： ,A- r Λ11 αΏ … αη α72 ::··.: m · 太11 太12 ··· ^22 …^2* ： ：·.： 〜k…b' m 9Xnl χη2 ·.· Χ抑· 對於一般的狀況，矩陣X應該是不變的（就好像是在 兩個波長的例子下B / A的比值是常數）。在A與B之間強度 改變的關聯性會遵循基本的分子反應動力學以及光譜規則 。然而，如果外界的條件，反應室壁聚合物或是氣體污染 的干擾，造成的A或B的強度背景的改變。當然，比例X是

麵 560080 案號 91120919 年 月 修玉 五、發明說明（8) 會改變的。因此，矩陣X可以作為終端點條件改變的指標 第 一般電 到的C N 的強度 触刻前 中，除 來偵測 刻後矽 減少。 同的H， 使用多 成· 一圖（A)(B)與第二圖（A)(B)顯示在蝕刻前與蝕刻後 漿發射光譜。舉例來說，在第一圖（A)(B )中，偵測 電漿有多個發射波長，在蝕刻前後每一個具有自己 變化。在蝕刻後，e = 3860 A有較低的強度，並且在 ，e = 5146A有較高的強度。在一般的介電質蝕刻 了 CN電漿以外，不同的F， CF2， 0, C0電漿都可用 。第二圖（A)(B)給出本發明一個較佳的描述。在# 發射強度在e = 288 0 Α增加；在蝕刻後在e = 5 043A會 在典型的多晶矽蝕刻中，除了 S i與C 1電漿之外，不 Br， 0， F， SiF， SiCl電漿也可用來偵測。因此， 晶矽蝕刻作為一個實際的例子，終端點矩陣可以寫 ^3851 ^3852 ^3861 ^4372

B 及2880 0 0 0 ^^3360 ^^4400 7770 〇

SiCL 2514

SiCl 2820

SiCl 2871

Cl： 3851

A ^3852 ^3861 ^4372 及 2880 〇 0 0 ^^3360 ^^4400 ^^7770 〇

SiCl^5U SiCl^20 SiCl^m 0

X xn 0 0 0 hi X71 0 ^31 XZ2 % 0 ，41 ^42 ^43 ^44 e

560080

在上面的4x4矩陣中，具有最大4個發射 類（C1， Si， SiF， and SiC1)電漿用以組成終之4 =種 矩陣A與矩陣B元素的丁標代表著種類被測到的發矩陣° 矩陣A與矩陣B元”上標代表著姓刻前後的強度射=陣 X中的某些元素為0疋因為矩陣A與矩陣B的本性。 中的元素的特性依賴於在A與B中矩陣元素的排列矩p x 上述的矩陣X，在一個測試電漿蝕刻製程中， 在先量測完矩陣A與矩陣B之後計算而得，可以’ °果曰疋 餘刻製程的一個參考終端點矩陣Xref。然後，一凡aa石夕 晶矽蝕刻製程中，只需要在蝕刻製程開始的 =般的f

中的每一個元素，經由方程式BX = A來計算出終端點矩P 斷=端點矩陣X與參考終端點矩陣Xref比較就 斷疋否達到蝕刻終點。 力 本發明推廣的終端點偵測方法的明顯優點科、θ 舌*、士 e •仇疋具有多 重波長之多重種類可以同時被偵測以及修正。外界條彳、 改變在矩陣X中的每一個元素的變化會被拆解，么、件的 告ΛΑ傲^ ’水。在適 田的變動尺度（fluctuation criteria)或是宜 &谷许度（

第13頁 560080 _案號91120919_年月曰 條正_ 五、發明說明（10) t ο 1 e r a n c e)下，終端點偵測可以比其他的傳統的方法更加 的精確。 關於發射具有多重波長之多重種類的同時偵測，普遍 的實際做法是從電漿發射的光會被連接到用以同時全頻譜 分析的光通道分析儀（OMA; Optical Channel Analyzer )的電荷耦合裝置（CCD; Charge-Coupled Device )陣列 接收。強度的變化，以及矩陣的元素，可以很快的用電腦 分析並且可以在適當的時間決定何時會達到終端點。 本發明最主要的特徵就是在電漿中的光發射頻譜。同 樣的方法可以延伸到同時偵測到其他的電漿參數。在本發 明中使用矩陣法，從電漿反應是中所有可能接觸點之射頻 阻抗的變化在終端點偵測上是最實用的參數。因此，以蝕 刻後的矩陣為例，矩陣可能的形式為 ^ 3851 ^3852 C/386I ^ 4372 及 2880 〇 〇 0 ^^3360 ^^4400 SiF7a?7〇 〇

K V2 v3a K 其中在最後一列的Vi具有不同的電漿參數，其中可能包含 的電漿參數有反應室壓力，反應氣體的流量，射頻功率

第14頁 560080 _案號 91120919 I 曰 修基--- 五、發明說明（11) (RF power)，射頻阻抗（RF impedance) ’射頻匹配電 容（RF matching capacitance)，以及峰值對峰值得電 位（peak-to-peak voltage) 〇 本發明利用矩陣之終端點偵測法，由於同時量測至少 兩種以上的電t種類在不同波長之蝕刻前後強度變化， 於單一電漿種類之單一波長所產生的雜訊可以有效、 低。並且，相對於時間平均而言，使用矩陣， 以快速的判斷是否達到電漿蝕刻的終端點。疋异的確可 上的確有相當好的優點。以上所述僅為本發日終端點偵測 例而已，並非用以限定本發明之申請專利矿明之較佳實施 離本案發明所揭示之精神下所完成之等效^ 凡其它未 應包含在下述之申請專利範圍内。 良或修飾，均

第15頁 560080 _案號91120919 _年 月 日 修正_ 圖式簡單說明 第一圖（A)顯示一種電漿CN在蝕刻前後的過程中不同波長 之強度； 第一圖（B)顯示第一圖（A)中反應前後強度之變化； 第二圖（A)顯示另一種電漿Si在蝕刻前後的過程中不同波 長之強度；以及 第二圖（B)顯示第二圖（A)中反應前後強度之變化。

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Claims (1)

1. 560080 _案號 9U20919 年 J J 修JL_ 六、申請專利範圍 1 . 一種終端點偵測的方法，包含： 在一電漿製程中提供一參考終端點矩陣； 在製程開始時偵測至少兩種以上電漿種類在不同的波 長之發光強度，其中該至少兩種以上電漿種類在不同的波 長之發光強度組成一起始矩陣之元素；

   在製程進行時偵測該至少兩種以上電漿種類在相對應 之該不同的波長之發光強度，其中相對於該起始矩陣該至 少兩種以上電漿種類在相對應之該不同的波長之發光強度 組成一製程矩陣； 利用該起始矩陣與該製程矩陣計算一終端點矩陣使得 該起始矩陣與該終端點矩陣的乘積等於該製程矩陣；以及 藉由比較該終端點矩陣與該參考終端點矩陣以判斷是否達 到製程終點。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之起始矩陣與 製程矩陣的不同列表示不同種類電漿。

   3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中上述之起始矩陣與 製程矩陣的每一列元素包含同一種電漿在不同發光波長之 強度。 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之起始矩陣與 製程矩陣更包含一電漿參數列，其中該電漿參數列的每一 元素為該電漿製程之電漿參數。

   第17頁 560080 _案號91120919_年月日 修正_ 六、申請專利範圍 5·如申請專利範圍第4項之方法，其中上述之電漿參數係 於反應室壓力，反應氣體的流量，射頻功率，射頻阻抗， 射頻匹配電容，以及峰值對峰値得電位所組成之族群中選 出。 6·如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之至少兩種以 上電漿種類在不同的波長之發光強度的偵測係使用光通道 分析儀的電荷耦合裝置陣列。 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之參考終端點 矩陣係藉由下列之步驟得到： 在一測試電漿製程中，在製程開始時偵測至少兩種以 上電漿種類在不同的波長之發光強度，其中該至少兩種以 上電漿種類在不同的波長之發光強度組成一第一矩陣； 在製程完成時偵測該至少兩種以上電漿種類在相對應 之該不同的波長之發光強度，其中相對於該第一矩陣該至 少兩種以上電漿種類在相對應之該不同的波長之發光強度 組成一第二矩陣；以及 利用該第一矩陣與該第二矩陣計算該參考終端點矩陣 使得該第一矩陣與該參考終端點矩陣的乘積等於該第二矩 陣。 8.如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之製程為電漿

   第18頁 560080 _案號91120919 年 月 日 修正_ 六、申請專利範圍 蝕刻製程。 9. 一種終端點偵測的方法，包含： 在一測試電漿製程中，在製程開始時偵測一第一矩 陣，其中該第一矩陣具有蝕刻前的至少兩種以上電漿種類 在不同的波長之電漿參數；

   在製程完成時偵測一第二矩陣，其中該第二矩陣相對 於該第一矩陣具有製程完成後的該至少兩種以上電漿種類 在相對應之該不同的波長之電漿參數； 利用該第一矩陣與該第二矩陣計算該參考終端點矩陣 使得該第一矩陣與該參考終端點矩陣的乘積等於該第二矩 陣；

   在一電漿製程中，在蝕刻開始時偵測至少兩種以上電 漿種類在不同的波長之電漿參數，其中該至少兩種以上電 漿種類在不同的波長之電漿參數組成一起始矩陣之元素； 在進行製程時偵測該至少兩種以上電漿種類在相對應 之該不同的波長之電漿參數，其中相對於該起始矩陣該至 少兩種以上電漿種類在相對應之該不同的波長之電漿參數 組成一製程矩陣； 利用該起始矩陣與該製程矩陣計算一終端點矩陣使得 該起始矩陣與該終端點矩陣的乘積等於該製程矩陣；以及 藉由比較該終端點矩陣與該參考終端點矩陣以判斷是否達 到製程終點。

   第19頁 560080 案號 91120919 年 月 日 修正 六、申請專利範圍 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中上述之起始矩陣與 製程矩陣的不同列表示不同種類電漿。 11 ·如申請專利範圍第1 0項之方法，其中上述之起始矩陣 與製程矩陣的每一列元素包含同一種電漿在不同發光波長 之強度。

   1 2.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中上述之電漿參 數係於發光波長之強度，反應室壓力，反應氣體的流量， 射頻功率，射頻阻抗，射頻匹配電容，以及峰值對峰值得 電位所組成之族群中選出。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項之方法，其中上述之至少兩種 以上電漿種類在不同的波長之發光強度的偵測係使用光通 道分析儀的電荷辆合裝置陣列。 14.如申請專利範圍第9項之方法，其中上述之製程為電漿 蝕刻製程。

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