TWI246137B - Method and apparatus for non-invasive measurement and analysis of semiconductor process parameters - Google Patents

Description

1246137 (1) 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於電漿製程工具，本發明尤其關於電漿製 程工具之參數之無侵入測量與分析的感應裝置。 【先前技術】

電漿製程系統係大量地使用於材料製程，以及半導 體、積體電路、顯示器與其他電子裝置的製造與製程中， 兩者均用於蝕刻與沈積於譬如半導體晶圓的基板上。一般 而言，電漿製程系統的基本元件包括有電漿形成於其中的 反應室、連接到真空埠以來注入與移除製程氣體的幫浦區 域、以及在該反應室內形成電漿的電源。額外的元件可包 括支撐一晶圓的墊塊以及加速電漿離子的電源，以致使該 些離子將以一希望的能量來擊中該晶圓表面，以蝕刻或者 形成一沈積於晶圓上。亦可將使用來產生電漿的電源使用 來將該些離子加速，或者可將不同電源使用於各遮罩。 爲了確保精確晶圓之製造，基本上，電漿製程系統使 用感應器來監視，以決定電漿製程系統的情況。一般而 言，在此一系統中，該感應器係放置於該電漿內以監視某 些參數，或者在耦合到製程反應室內之電極的輸送線中。 【發明內容】 本發明提供新的方法與裝置來測量並分析電漿製程參 數。 一 4- 1246137 (2) ^ 用來感應電漿製程參數的RF感應器設有 具與天線，以用來接收從電漿製程工具所輻射 量。該天線係鄰近電漿製程工具而放置，以 性。該天線可能是寬頻的單極天線。 在本發明的態樣中，RF感應器可能放置 而且該罩殻可能設有複數個接收器，以用來接 該罩殻可藉由減弱另一鄰近源所產生的RF能 望RF能的失真而降低天線所看到的干擾量。 低入射RF能之反向散射到天線。 【實施方式】 本發明將參考所揭露的說明性具體實施例 明的更詳細。 第 1圖顯示根據本發明具體實施例而丨 (RF )感應器。電漿製程工具包括一反應室1 程工具一般由射頻（RF )電源（沒顯示）所 RF電源的RF能120產生電漿130，並保持於 處理基板之電漿製程工具的反應室1 1 〇中。電 可以種種任何已知的結構來組裝，所有這些結 在有電漿1 3 0以來加工處裡的反應室1 1 0。部 例如包括感應耦合電漿（ICP )源、靜電ί (ESRF )電漿源、變壓器耦合電漿（TCP )源 耦合電漿（CCP )源。不管射頻能量源，反應】 的電漿1 3 0是由RF電源所產生的RF能所激 電漿製程工 出的RF能 致於無侵入 於罩殼中， 收RF倉g 。 以及減少希 該吸收器降 而於下文說 没計的射頻 1 〇。電漿製 啓動。來自 一般使用來 漿製程工具 構均包含存 分這些結構 ζ遮罩射頻 、與電容性 g 1 1 0裡頭 起。於是， - 5- 1246137 (3) RF能以基本R]F頻率以及基本R]F頻率的諧波而從反應室 1 1 〇輻射出。諧波頻率是產生於反應室1 3 0裡。該些諧波 頻率的強度與相位提供訊息於電漿丨3 〇與反應室1 1 0的狀 態上。例如，以種種功率、壓力與流動速率的實驗指出所 輻射出能量與製程參數間的高度相關性。尤其是，該分析 指示出’第一與第二諧波以超過99 %的匹配程度而與電漿 的電子密度有關。

X線1 40係設置於電漿反應室〗丨〇外面，以接收從電 獎1 3 0所輻射出的射頻能量，並且將該射頻能量轉換成射 頻信號。在第1圖中，天線1 40係顯示於反應室1 1 0以 外。或者’它可置於反應室i〗〇裡面，但卻放在電漿1 3 〇 的製程區域外面。在此結構中，因爲已知侵入型感應器是 用來改變該些製程參數，所以天線會具有不內凸到電漿 1 3 0的優點。天線丨4 〇係耦合到處理器i 5 〇。處理器1 5 〇 接收來自天線1 4 0的RF信號，並且相應地架構來處理RF 信號’以提供希望的訊息於電漿的狀態上。此外，因爲能 量源的基本頻率可能是兆赫的等級，所以該天線〗4()可能 是寬頻、單極的天線，以致使它能夠接收放射出來的大帶 寬RF能。例如，天線硏究模型raM-220可使用當作寬頻 單極天線。 第2圖是根據本發明具體實施例而設計之天線與處理 器的簡化方塊圖。在顯示出來的具體實施例中，天線1 4 〇 係耦合到高通濾波器2 1 0。或者，天線i 4 〇可耦合到另一 種濾波器’譬如帶阻、帶通或者低通濾波器。高通濾波器 -6 - (4) 1246137

210的輸出係耦合到低雜訊放大器（LN A ) 220，而且被 放大的訊號則隨後輸入到處理器23 0。因爲傳統上寧可將 有用的訊息包含於RF能量的諧波內，而不可能將有用的 訊息包含在基本頻率裡，所以就可能應用高通濾波器以將 來自收到信號的基本頻率移除。當然，關係到基本頻率的 數據可藉由刪除或調整高通濾波器2 1 0的截止信號而收 集。在高通濾波器之截止點以下的典型信號衰減可能在 40分貝的範圍裡。LN A 2 20將從高通濾波器提供的RF信 號放大，所以該些信號就可由處理器23 0適當地處理。 LN A的典型增益可能是在20-30分貝的範圍裡。

如第2圖所示，可將處理器230架構以支撐多重輸 入。在此情形中，許多的處理可能可予以獨立地監視並且 由單一處理器2 3 0所處理。處理器2 3 0可能包括一類比至 數位（AD )轉換器，以用來將收到的類比信號轉換成數 位實例。該信號的樣本化速率可能以種種方法來決定。例 如，假如RF能的基本頻率是1 3 . 5 6兆赫的話，那麼1 2 5 兆赫的帶寬則適合量測8個諧波（第8個諧波具有1 22· 〇4 兆赫的頻率）。在此情形中，假如A/D轉換器的樣本化 間隔是1 0 0 m s (毫秒），並選擇了 1 〇千赫的頻率接收器 的話，那麼樣本化速率將藉由 Nyquist準則而以至少 250MS/S來計算，而且該樣本化尺寸將是25,000。 耦合到處理器2 3 0的係爲使用者界面2 4 0、外部計算 機250與網路260。使用者界面240爲了允許使用者與處 理器2 3 0互動而包含種種已知的元件。例如，假如該處理 -7- !246137 (5) 器在樣本化以後進行樣本化數據之F F T (快速傅立葉轉 換）的話，那麼該些結果則會顯示在允許使用者與系統有 相互關係的觸摸式銀幕上。外部電腦2 5 0適合種種目的， 包括處理參數與反應室1 1 0的即時控制。網路2 6 0適合允 許使用者的遠程存取到處理器以及來自處理器的遠程存 取。例如，對外部電腦2 5 0或者網路2 6 0而言，F F T訊息 可以是有效的。 在此一天線與處理器的一實例中，反應室參數在校準 狀態內具有特徵，而且由天線丨4〇所收集到的數據可予以 施加到與反應室以及電漿之種種參數有關的模組。例如， 有些該參數可能包括電子密度、組件淸潔度、電子溫度與 #點檢測。此一模組的使用可能在不考慮到可能簡化感應 器設計參數之天線之絕對較準的情形下，允許天線的使 用。 第3圖係爲根據本發明具體實施例而設計之天線的簡 化方塊圖。反應室1 1 〇、電漿1 3 0、天線1 4 0與處理器 1 5 0可相同於那些在第1圖與第2圖中所揭露出的。該天 線1 4 0係放置於經由連接牆3〗〇而連接到反應室} } 〇的罩 殼3 4 0中。該連接牆3〗〇係設計以通過從電漿丨3 〇輻射出 的RF (射頻）能量，其係並且可能是石英、礬土或者任 何其它合適的材料。或者，可在連接牆3丨〇中設置一洞， 以允許RF能量貫穿通過。吸收器3 2 〇與3 3 〇係利用來吸 收來自多餘來源的RF能量並且降低由罩殼34〇共振所造 成的失真’亦即，在沒有吸收器3 2 0與3 3 0的情形下，天 (6) 1246137 線可能會收到多餘的共振，以將應該被接收到的信號失 真。一般而言，吸收器可包含吸收離散或者寬頻頻率之能 量的材料。 雖然如罩殻3 4 0的背面所示，吸收器3 2 0與3 3 0可能 繞著該罩殼3 40的五個.側邊上放置（假如將該罩殼考慮爲 一矩形盒的話）。當吸收器是在該盒的其它五邊側時，該 吸收器的此種配置允許RF能量從電漿1 3 0輻射經過連接 牆3 1 0而到罩殼中。 在具體實施例中，可挑選吸收器3 2 0與3 3 0，以便將 吸收器3 2 0選擇來吸收基本頻率，並且將吸收器3 3 0選擇 來吸收第一諧波。四分之一波的配置可提供選出頻率的最 大衰減。此外，可如希望地應用額外的吸收層。雖然在上 文已經說明了吸收器的特定配置，但是降低有害干擾的任 何吸收器結構則可能予以應用。 第4圖是根據本發明之具體實施例而設計之電漿製程 系統的簡化方塊圖。爲了說明，反應室1 1 〇係以具有上電 極1 2 5的電容性耦合反應室來顯示，不過，亦可同樣地應 用任何種類的系統。如上述，電漿1 3 0、天線1 4 0與處理 器1 5 0可相同。如先前所述，電漿1 3 0是由RF (射頻） 產生益4 2 0所激發。射頻產生器4 2 0可能可直接地稱合到 反應室1 1 〇，或者如第4圖所示，經由匹配網路4 1 0或者 44 0而耦合到反應室1 1 〇。在第4圖中，兩RF產生器係 爲了說明而顯示，不過，它有可能依據反應室Π 〇的結構 而應用單一的RF產生器420。上電極（UEL)匹配網路 (7) 1246137 4 1 〇係耦合到上電極丨2 5，而下電極（L E L )匹配網路4 4 Ο 則親合到下電極45 0。電漿130是由RF產生器420所激 發。於是，電漿1 3 0則以基本頻率與基本頻率的諧波來輻 射RF能。RF能係由反應室丨丨〇所輻射出並且由放置於電 紫1 3 〇外部的天線1 4 0所收到。梢早已經予以部份說明 的’天線1 4 0係耦合到處理器1 5 0。參考第1圖所說明 的’上述配置提供收到電漿製程參數的無侵入方法。

處理器1 5 0收到RF能，並將類比信號經由類比至數 位（A/D )轉換器而轉換成數位信號。基本上，類比信號 的樣本化速率取決於相關的帶寬（亦即，該帶寬係爲基本 頻率與相關諧波的函數）。例如，基本上可以每秒1 0億 樣本的速率來將5 0 0兆赫的帶寬取樣。當然，取樣速率可 如希望地予以決定，並且不應受限於以上實例。包括諧波 之RF能的量値與相位，其可能提供大約電漿1 3 〇狀態的 訊息，並且相應地將之提供於反應室1〗0的狀態上。該數 據隨後可能由處理器1 5 0所處理，而且譬如快速傅立葉轉 換（FFT )與主要元件分析（PCA )的操作可基本地使用 來收集來自RF信號的訊息。由處理器1 5 0所得到的訊息 可令人深刻地理解譬如組件淸潔度、電漿密度、電子溫度 與終點檢測之諸參數。 在該處理器的一具體實施例中，可將收到的RF能追 蹤數據藉由使用包括FFT的習知技術而轉換成頻域輸出 信號。隨後可藉由在校準電漿製程系統之期間內所得到並 且由P C A所決定的係數，而將在諧波頻率的訊息攫取並 -10_ 1246137 (8) 且成倍地增加。因爲PCA允許大組的相關値轉換成較小 組的主要値’所以它可能對決定該些係數來說是有用的。 該組大小的縮小可藉由將原先組的數値轉換成原先（較 大）組非相關線性組合的新組而來得到。

使用收到RF能之基本頻率與諧波頻率的量値來進行 包括功率分析、流體分析與壓力分析的種種不同分析是有 可能的。經由處理從該量値所得到的訊息，可能可進一步 地決定在哪些諧波之間存在有最大的相關性，結果則能決 定各頻率元件的可接受係數。從屬分析亦可能決定出在一 參數的改變是否能夠影響該系統中的其它參數，不過，最 初的結果指示出可將該些參數予以獨立地調整。 再者，終點檢測有可能來自追蹤數據的分析。一旦將 之繪製的話，在收到RF能的諧波中顯然會有明顯的移 位。更尤其是，主要的諧波分佈可能會在製程完成時改 變 〇

例如，如第5圖所示，其係顯示出簡化、希望的數 據，第三諧波的改變明顯出現於τ 1，而在基本與第三諧 波兩者的改變則明顯出現於T2。該些製程的分析指示出 迨些改變乃起因於該製程之完成。此終點檢測方法可能是 終點檢測之正確與划算的方法。 隨後將處理過的數據發送到工具控制器43 〇。該工具 控制器4 3 0可能架構來進行種種任務。工具控制器4 3 〇可 進行的一些任務包括端點測定、功率控制與氣體控制（流 K、壓力等等）。如第4圖所示，工具控制4 3 0係耦合到 -11 ~ (9) 1246137 反應室1 1 0與RF (射頻）產生器4 2 0。工具控制可能以 此方式根據從處理器1 5 0得到的數據而調整這些裝置的參 數，以便將可重複的製程維持於該反應室1 1 〇內。

如上述，PCA係爲允許大組相關變數縮小爲小組主要 元件的多變量統計步驟。因此，在校準相內，PCA可利用 來首先從包含種種諧波之數據的數據集而產生共分散陣 列。接著，本徵解答可從共分散陣列得到，並且可相應地 將本徵向量組算出。從該本徵解答，可算出各主要元件的 百分率分佈。使用該百分率，可藉由具有得到百分率之本 徵向量的加權總和而相應地將係數選出。可將此計算進行 用於種種參數，包括功率、氣體流與反應室壓力。一旦完 成該校準’並決定出種種係數的話，工具控制則可以熟諳 該技藝者所明瞭的控制回圈來應用該消息。在此種反餽迴 圈中，可維持複製的製程。

如第2圖所示，處理器！ 5 〇可能耦合到許多裝置。某 些衣置在本具體貫施例中具有重要性，包括使用者介面 2 4 0與外部電腦2 5 0。此外，使用者介面2 4 〇與外部電腦 2 5 0兩者均爲單一裝置，例如個人電腦。 最後’由熟詣該技藝者可以明瞭的，由處理器i 5 〇所 處裡的數據數量可能明顯地很大。就此，可能需要將外部 儲存裝置（未顯示）應用。用來連接該儲存裝置的一種可 肯匕木構可直接地到該處理器]5 〇。或者，經由網路2 6 〇而 使用遠程儲存可能有利（顯示於第2圖）。不管怎樣，儲 存該數據的任何方法均是可接受的。儲存該數據的一好處 -12- 1246137 (10) 係用於未來的製程與分析。此外’可將該檔案數據應用’ 以做一可接受控制系統的模型，以來操作該工具控制430 並且相應地控制該電漿製程。 上述具體實施例的先前描述係提供來使任何人能夠熟 諳該技藝以應用本發明。這些具體實施例的種種變更有可 會g，而且用來測量在此所呈現之半導體製程參數之RF感 應器的一般原則亦可能施加在其他的具體實施例。因此， 本發明並不打算受限於以上所述的具體實施例，但更切確 地’符合在此以任何方式揭露之諸特徵之原理與新穎性一 致的最寬廣範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖顯示出根據本發明具體實施例而設計的RF感 應器； 第2圖係爲根據本發明具體實施例而設計之天線與處 理器的簡化方塊圖； 第3圖係爲根據本發明具體實施例而設計之天線的簡 化方塊圖； 弟4圖係爲根據本發明具體實施例而設計之電漿製程 系統的簡化方塊圖；以及 第5圖係爲根據本發明具體實施例而設計之希望諧波 數據的簡化圖。 主要元件對照表 -13 - 反應室 RF能 上電極 電漿 天線 處理器 高通濾波器 低雜訊放大器 處理器 使用者介面 外部電腦 網路 連接牆 吸收器 吸收器 罩殼 匹配網路 RF產生器 工具控制 匹配網路 - 14 -

Claims (1)

1246137 ⑴ 拾、申請專利範圍 1 . 一種感應電漿製程參數的系統，該系統包含： 一電漿製程工具； 一罩殼，鄰近該電漿製程工具地放置； 一天線，置於該罩殼內，以用來接收從該電漿製程工 具所射出的RF能；以及 一處理器，耦合到該天線，以處理由該天線收到的該 RF 肯g 。 2.如申請專利範圍第1項的系統，其中該罩殼係附加 到該電漿製程工具。 3 .如申請專利範圍第1項的系統，進一步包含： 設有該罩殼的至少一吸收器，以用來吸收RF能。 4 .如申請專利範圍第3項的系統，其中該罩殼具有鄰 近該電漿製程工具之表面的至少一表面，而且該至少一表 面與該電漿製程工具的該表面係架構來通過RF能。 : 5 .如申請專利範圍第1項的系統，其中該罩殼與該工 具相鄰並且定義出其間的開口。 6 .如申請專利範圍第4項的系統，其中該至少一吸收 器係放置來避免吸收通過鄰近該電漿製程工具之該罩殼之 該至少一表面的RF能。 7 .如申請專利範圍第3項的系統，其中一吸收器係架 構來吸收該RF能的基本頻率，而另一吸收器則架構來吸 收該RF能的諧波頻率。 8 .如申請專利範圍第3項的系統，其中該罩殼係爲矩 _ 15 - 1246137 (2) 形，而且該吸收器係設置於除了鄰近該電漿製程工具而設 置之邊側以外的該罩殼所有邊側上。

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