TWI640031B - Plasma processing device and method for monitoring plasma process - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種監測製程的電漿處理裝置及方法，包括一處理基片的電漿反應腔及監測基片處理製程的一監測裝置，監測裝置包括一入射光源，用於向反應腔內的基片表面發射脈衝入射光；一光譜儀，用於採集反應腔內的光訊號；一資料處理裝置，用於接收光譜儀採集到的光訊號並提供週期與脈衝入射光週期相同的調製訊號，調製訊號具有正負兩個方向，且每個週期內調製訊號與背景光訊號的乘積疊加後相互抵消；脈衝反射光訊號與調製訊號的乘積不為零；資料處理裝置利用獲得的脈衝反射光訊號計算得出電漿製程的終點。

Description

監測電漿製程的電漿處理裝置和方法

本發明涉及電漿製程處理技術領域，尤其涉及一種對電漿處理製程進行監測的技術領域。

電漿處理技術廣泛應用於半導體製作製程中。在對半導體基片進行沉積或蝕刻過程中，需要對製程進行密切監控，以確保沉積製程或蝕刻製程結果得到良好控制。目前常用的一種蝕刻製程控制方法為光學發射光譜法(OES)。電漿中的原子或分子被電子激發到激發態後，在返回到另一個能態過程中會發射出特定波長的光線。不同原子或者分子所激發的光波的波長各不相同，而光波的光強變化反映出電漿中原子或者分子濃度變化。OES是將能夠反映等離子蝕刻過程變化的、與電漿化學組成密切相關的物質的電漿的特徵譜線(OES特徵譜線)提取出來，藉由即時檢測其特徵譜線訊號強度的變化，來提供電漿蝕刻製程中的反應情況的資訊，這種方法的侷限在於只能監測到薄膜蝕刻完成後的狀態，只有當一種被蝕刻的目標層蝕刻完畢，電漿蝕刻到下一層目標層時，對應的電漿的特徵譜線才會有明顯變化，因此該方法只能用於蝕刻製程的終點監測。

隨著積體電路中的器件集成密度及複雜度的不斷增加，對半導體製程過程的嚴格控制就顯得尤為重要。對於亞深微米的多晶矽柵蝕刻製程而言，由於柵氧層的厚度已經變得非常的薄，如何精確控制電漿蝕刻過程是人們面臨的一個技術上的挑戰。目前半導體工業上所使用的高密度電漿蝕刻機，如 電感耦合電漿(ICP)源，電容耦合電漿(CCP)源，以及電子自旋共振電漿(ECR)源等。其所產生的電漿具有較高的蝕刻速率，如果製程控制不合理，出現的過度蝕刻很容易會造成下一層材料的損傷，進而造成器件的失效。因此必須對蝕刻過程中的一些參數，如蝕刻用的化學氣體、蝕刻時間、蝕刻速率及蝕刻選擇比等參數進行嚴格控制。此外，蝕刻機狀態的細微改變，如反應腔體內氣體流量、溫度、氣體的回流狀態、或是批與批之間晶片之間的差異，都會影響到對蝕刻參數的控制。因而必須監控蝕刻過程中各種參數的變化情況，以確保蝕刻過程中蝕刻的一致性。而干涉終點法(IEP)就是為了實現對蝕刻過程進行即時監控而設計的。

干涉終點法(IEP)為入射一光訊號至半導體基片表面，入射光訊號經半導體基片發射後攜帶了基片薄膜厚度變化的資訊，藉由對反射後的光訊號波長進行測量，並根據測量結果進行分析計算，可以得出實際的蝕刻速率，實現即時監控基片薄膜的蝕刻過程。但是在對光譜監測過程中，電漿中的原子或分子被電子激發到激發態後會發射的特定波長的光訊號一直存在，且強度較大，有時甚至電漿發出的光訊號強度會超過入射光訊號強度，干擾對反射後的入射光訊號的讀取使得測量入射光訊號變得困難。

為了解決上述技術問題，本發明公開了一種監測製程的電漿處理裝置，包括一處理基片的反應腔及監測基片處理製程的監測裝置，所述監測裝置包括一入射光源，用於向所述反應腔內的基片表面發射脈衝入射光；一光譜儀，用於採集所述反應腔內的光訊號，所述光訊號包括所述脈衝入射光在基片表面的脈衝反射光訊號及基片處理過程中電漿發出的背景光訊號；一資料處理裝 置，用於接收所述光譜儀採集到的光訊號並提供週期與所述脈衝入射光週期相同的調製訊號，所述調製訊號具有正負兩個方向，且每個週期內所述調製訊號與所述背景光訊號的乘積疊加後相互抵消；所述脈衝反射光訊號與所述調製訊號的乘積不為零；所述資料處理裝置利用獲得的脈衝反射光訊號計算得出所述電漿製程的終點。

較佳地，所述調製訊號在一個週期內方向為正的訊號積分面積與方向為負的訊號積分面積相同。

較佳地，所述脈衝反射光訊號與所述調製訊號的乘積大於0。

較佳地，所述調製訊號為正弦訊號或餘弦訊號。

較佳地，每個週期內，所述脈衝反射光訊號與所述正弦訊號或餘弦訊號的波峰相對應。

較佳地，每個週期內，所述脈衝反射光訊號與所述正弦訊號或餘弦訊號的波谷相對應。

較佳地，所述調製訊號為高低電位脈衝週期訊號，所述高電位大於零，所述低電位小於零，所述一個週期內高電位對應的區域面積與低電位對應的區域面積大小相等。

較佳地，所述調製訊號的幅值大於等於所述脈衝反射光訊號的光強數值。

較佳地，所述入射光源發出的入射光為全光譜。

較佳地，所述入射光源為閃光燈。

較佳地，所述光譜儀向所述入射光源發送脈衝觸發訊號，以控制所述入射光源發射脈衝入射光的週期。

進一步地，本發明還公開了一種監測電漿處理製程的方法，所述方法在一電漿處理裝置內進行，所述方法包括如下步驟：將基片放置在所述電漿處理裝置的反應腔內，對所述基片進行電漿製程處理；向所述基片發射一脈衝入射光，所述脈衝入射光在基片表面發生反射；用一光譜儀採集所述反應腔內發出的光訊號並將所述光訊號輸送到一資料處理裝置，所述光訊號包括基片表面反射的脈衝反射光訊號及反應腔內電漿產生的背景光訊號；所述資料處理裝置提供一與所述脈衝入射光週期相同的調製訊號，並對該調製訊號和光譜儀採集的光訊號進行乘法運算；所述調製訊號設置為具有正負方向且與所述背景光訊號的乘積在每個週期內相互抵消；設置所述調製訊號與所述脈衝反射光訊號的位置，使得二者的乘積不為零；利用消除背景光訊號後的脈衝反射光訊號資訊進行電漿處理製程的終點計算。

較佳地，所述資料處理裝置調節所述調製訊號與所述脈衝反射光訊號的位置，使得二者的乘積大於零。

較佳地，所述資料處理裝置提供的調製訊號為正弦訊號或餘弦訊號。

較佳地，所述資料處理裝置控制所述脈衝入射光訊號與所述正弦調製訊號或餘弦調製訊號的波峰或波谷相對應。

較佳地，所述調製訊號的幅值大於等於所述脈衝反射光訊號的強度。

較佳地，所述入射光訊號為全光譜訊號。

較佳地，所述調製訊號為高低電位脈衝週期訊號，所述高電位大於零，所述低電位小於零，所述一個週期內高電位對應的區域面積與低電位對應的區域面積大小相等。

較佳地，所述光譜儀發送一脈衝觸發訊號至所述入射光源，控制所述入射光源的脈衝週期。

較佳地，所述資料處理裝置為一電腦系統。

本發明的優點在於：對光譜儀採集到的背景光訊號和脈衝反射光訊號施加一調製訊號，所述調製訊號的週期與所述脈衝反射光訊號的週期相同，且所述調製訊號在一個週期內方向為正的訊號積分面積與方向為負的訊號積分面積相同。由於背景光訊號相對穩定，在一個週期內變化幾乎為零，因此對背景光訊號與調製訊號的乘積進行疊加時，由於背景光訊號與調製訊號的乘積大小相同，方向相反，因此，疊加後的數值為零，從而消除了背景光訊號的干擾，資料處理裝置控制脈衝反射光與調製訊號的乘積不為零，由於一個調製訊號週期內反射光訊號只出現非常短暫的時間，即便在一個週期內進行疊加，也不會對反射光訊號造成影響，特別的，當設置調製訊號的幅值大於反射光訊號的光強時，所述調製訊號還能放大反射光訊號的光強，使得資料處理裝置能夠更為準確的利用反射光訊號對蝕刻終點進行計算。

10‧‧‧基片

100‧‧‧電漿處理裝置

102‧‧‧入射光源

103‧‧‧光訊號出入口

104‧‧‧光譜儀

111‧‧‧電漿

114‧‧‧資料處理裝置

藉由閱讀參照以下圖式對非限制性實施方式所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯。

第1圖示出一種設置干涉終點監測裝置的電漿處理裝置結構示意圖。

第2圖示出反射光訊號、背景光訊號及調製訊號示意圖。

第3圖示出另一種實施例的反射光訊號、背景光訊號及調製訊號示意圖。

第4圖示出具有放大倍數的調製訊號及反射光訊號、背景光訊號示意圖。

第5圖示出另一種設置干涉終點監測裝置的電漿處理裝置結構示意圖。

為使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書圖式，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不侷限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。需說明的是，圖式均採用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、清晰地達到輔助說明本實施例的目的。

第1圖示出一種設置干涉終點監測裝置的電漿處理裝置100結構示意圖。第1圖中，電漿處理裝置100內部放置半導體基片10，電漿處理裝置100的反應腔內部通入的反應氣體在施加到電漿處理裝置100的射頻功率的作用下解離成電漿111，電漿111對基片10進行蝕刻。產生電漿111的方法可以為電容耦合方式、電感耦合方式或者電子迴旋方式，因此本發明適用於多種方式的電漿處理裝置100。基片10上通常包括若干層待蝕刻薄膜，蝕刻不同的薄膜需要用到不同的反應氣體和蝕刻製程參數。電漿111在蝕刻不同薄膜過程中反應產物會發出不同波長的光訊號，這些光訊號作為背景光訊號，在蝕刻過程一直持續存在。

在本發明公開的干涉終點法(IEP)監測電漿處理過程的裝置及方法中，一干涉終點監測裝置設置用於對電漿處理裝置100進行終點監測。干涉終點監測裝置包括一入射光源102及一光譜儀104，一光訊號出入口103設置在電漿處理裝置100的頂壁上，用以允許入射光源102發射的光訊號進入電漿處理裝置100入射到基片表面，並允許反射後的光訊號進入設置在電漿處理裝置100外的光譜儀104。具體工作原理為：入射光源102發射入射光訊號至被蝕刻薄膜表面後，薄膜上表面反射的光線與穿透該薄膜後被下層材料反射的光線相互干涉。由於薄膜厚度決定了相互干涉的兩條光的光程差，不同的光程差又會形成交替相間的干涉條紋。因此，隨著蝕刻製程的進行，薄膜不斷被蝕刻減薄，在△d滿足下列公式的條件下，可以得到干涉加強：△d=λ/2n

式中，λ為入射光訊號的波長，n為薄膜材料的折射率，△d為被監測薄膜厚度的變化，每出現一個△d變化，則會在光譜儀104上示出一個光強的最大值。這樣隨著薄膜厚度的不斷減薄，會形成諸多的正弦波狀的訊號曲線。 在已知入射光訊號波長和折射率的前提下，可以計算得出被監測薄膜的厚度變化△d，根據光譜儀104接收到的正弦波訊號曲線，可以得出出現一個干涉加強的週期，利用該監測薄膜厚度的變化△d及產生該厚度變化的一個週期即可以計算出蝕刻製程中實際的蝕刻速率。在蝕刻薄膜總體厚度已知的前提下可以計算出到達蝕刻終點需要的時間。

在監測過程中，由於反應腔內電漿111發出的背景光訊號強度較大，有時甚至會超過入射光在基片薄膜上反射的光訊號強度，由於入射光和背景光訊號都為全光譜光訊號，當設置光譜儀104採集某種波長的光訊號時，光譜儀 104採集到的光訊號為該波長的反射光訊號和背景光訊號之和，背景光訊號產生的雜訊會給利用反射光訊號進行上述蝕刻終點的計算帶來困難，無法如上文對蝕刻速率進行運算，為了避免光譜儀104在接收基片薄膜反射光訊號時受到電漿111發出的背景光訊號的影響，保證光譜儀104能夠準確讀取入射光訊號，本發明需要排除背景光訊號的干擾。

為了消除背景光訊號的干擾，本發明提供的干涉終點監測裝置更包括資料處理裝置114，光譜儀104將採集到的背景光訊號和反射光訊號之和輸送到資料處理裝置114，資料處理裝置114對背景光訊號和反射光訊號之和施加一調製訊號，利用該調製訊號消除背景光訊號。

第2圖示出光譜儀104採集的反射光訊號、背景光訊號及資料處理裝置114施加的調製訊號示意圖。本發明選擇設置入射光源102為一脈衝入射光源102，其可以以一定頻率向反應腔內發射短持續時間的高能量脈衝光，如具有全光譜的閃光燈，閃光燈在每個脈衝週期內發光的時間極短，通常為微秒級，可以近乎在一個時間點上發射暫態光訊號，因此，在第2圖所示示意圖中，將脈衝入射光訊號在基片表面反射產生的脈衝反射光訊號表現為具有一定間隔的豎直線段，豎直線段的長度表示了脈衝反射光訊號的強度，兩條豎直線段的間隔表示脈衝入射光的週期t0。而電漿111發出的背景光訊號在整個電漿製程期間一直存在，且光強變化範圍較小，表示為一條大致水平的平滑曲線。光譜儀104採集反應腔內的脈衝反射光訊號和背景光訊號，並將採集到的光訊號輸送到資料處理裝置114，資料處理裝置114施加一調製訊號至背景光訊號和反射光訊號，利用調製訊號消除背景光訊號的干擾。

調製訊號為具有正負方向且與入射光訊號頻率相同的週期訊號，調製訊號能夠消除背景光訊號的關鍵在於調製訊號在每個週期內正負方向對應的面積大小相等。如第2圖虛線所示，調製訊號可以為正弦訊號或餘弦訊號。資料處理裝置114將調製訊號與光譜儀104採集到的背景光訊號和脈衝反射光訊號進行乘法運算，由於背景光訊號在相鄰時間段內強度變化不大，在一個週期內可以近乎相同，當對其施加一正弦訊號或餘弦訊號時，由於正弦訊號或餘弦訊號的在一個週期內大於零的數值與小於零的數值相等，相當於將背景光訊號的光強數值在每個週期內調製為一半為正一半為負，因此，當對每個週期內的數值進行疊加運算，帶有正負的光強數值疊加後相互抵消，從而消除了背景光訊號。脈衝反射光訊號由於是短持續時間的高能量脈衝光，一個發光週期內只有很短的時間內光強不為零，只要控制調製訊號與脈衝反射光進行乘法運算時，每個週期內調製訊號為0的位置與反射光訊號不對應，即可得到具有一定數值的反射光訊號強度。由於背景光訊號已經被消除，資料處理裝置114內對乘法運算結構疊加後只得到反射光訊號的資訊，進而據此進行蝕刻製程的終點計算。為了保證與調製訊號運算後得到的反射光訊號強度數值較大，以便於對蝕刻終點的計算，每個週期內脈衝反射光訊號與正弦訊號或餘弦訊號靠近波峰的位置對應，較佳地，反射光訊號的位置與正弦訊號或餘弦訊號的波峰位置對應。

本發明所述的調製訊號除了上述實施例描述的正弦訊號和餘弦訊號外，還可以有多種其他形式，只要能保證調製訊號具有正負方向且在一個週期內對正負方向積分後數值相同既可實現本發明目的。在第3圖所示的實施例中，公開了一種具有高低電位的脈衝週期訊號，由圖可知，調製訊號一半週期為正一半週期為負且正負幅值相同，因此，在將調製訊號與背景光訊號的乘積 進行疊加時，每個週期內的疊加結果均為零，從而實現對背景光訊號的去噪。 在進行乘法運算時，資料處理裝置114避免調製訊號的上升邊緣或下降邊緣與脈衝反射光訊號位置相對應，進而得到只有反射光訊號的資訊，以據此進行蝕刻終點的計算。

在本發明中調製訊號除了可以消除背景光訊號外還能對計算所需的反射光訊號強度數值進行放大，藉由設置調製訊號的幅度值大於反射光訊號的強度數值，並設置反射光訊號與調製訊號的波峰位置相對應，如第4圖所示，當資料處理裝置114對光譜儀104採集到的光訊號與調製訊號的進行乘法運算時，背景光訊號被消除，反射光訊號強度被放大A倍(A為調製訊號的幅度)。 放大後的反射光訊號光強數值可以彌補入射光源102發射的入射光強度較弱，反射光訊號不明顯導致的對蝕刻終點的預測不準確等問題。本發明利用一資料處理裝置114可以方便的產生各種幅度的調製訊號，根據入射光源102的入射光強度及計算所需的反射光強度進行靈活調節。

本發明所述的脈衝入射光源102發射入射光訊號的週期可以藉由多種方式設定，如本發明採用的閃光燈可以週期性的發出入射光訊號，為了更加靈活的調節入射光訊號的週期，也可以如第5圖所示，光譜儀104輸送一脈衝訊號觸發入射光源102的發光週期。採用第5圖所示的方式觸發入射光源102可以有效的控制反射光訊號與調製訊號的週期同步，並能夠調節反射光訊號與調製訊號的位置關係，在資料處理裝置114的運算過程中，得到最優化的反射光訊號資訊。

相比於習知技術中藉由設置入射光源102週期性開通和斷開以使光譜儀104採集得到脈衝式反射光訊號，本發明採用持續發射脈衝式光訊號的閃 光燈作為入射光源102可以避免頻繁的對入射光源102進行機械開關，降低入射光源102的機械損傷；同時，由於閃光燈每個脈衝週期內發射入射光的時間短於藉由機械開關控制的入射光源102在一個週期內發射入射光的時間，可以延長入射光源102的有效發光時間，提高入射光源102的使用壽命。此外，本發明採用閃光燈作為入射光源102，可以提供全光譜的入射光，讓電漿處理裝置100的使用者有更多波長範圍的選擇。同時，閃光燈可以按照一定週期發射持續時間較短的高能量光訊號，既能夠保證光譜儀104接收到的反射光訊號強度夠大，同時入射光源102的持續發光時間短暫可以延長光源的使用壽命。光譜儀104採集到的光訊號可以即時處理運算，提高準確度和效率。

本發明藉由將光譜儀104採集到的光訊號施加一調製訊號，利用調製訊號的正負幅值相等且與入射光訊號的頻率相同除去背景光訊號的干擾，除此之外，調製訊號可以放大反射光訊號強度數值，提高計算蝕刻終點的準確性。從而準確監控基片10薄膜的蝕刻製程進程。資料處理裝置114可以為一電腦系統。

本發明所述的IEP除了可以監測蝕刻製程外，還可以監測沉積製程的過程，與蝕刻製程不同的是，沉積製程是一個薄膜厚度不斷變大的過程，藉由向沉積反應腔內投射一入射光訊號，根據上文描述，可以計算得出沉積製程的沉積速率，當根據該準確的沉積速率及需要沉積的薄膜厚度可以準確得知沉積製程的終點。

本發明雖然以較佳實施方式公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護範圍應當以本發明權利要求所界定的範圍為準。

Claims (20)

1. 一種監測製程的電漿處理裝置，包括處理一基片的一反應腔及監測基片處理製程的一監測裝置，其中該監測裝置包括：一入射光源，用於向該反應腔內的該基片表面發射一脈衝入射光；一光譜儀，用於採集該反應腔內的一光訊號，該光訊號包括該脈衝入射光在該基片表面的一脈衝反射光訊號及該基片處理過程中電漿發出的一背景光訊號；一資料處理裝置，用於接收該光譜儀採集到的光訊號並提供週期與一脈衝入射光週期相同的一調製訊號，該調製訊號具有正負兩個方向，且每個週期內該調製訊號與該背景光訊號的乘積疊加後相互抵消；該脈衝反射光訊號與該調製訊號的乘積不為零；以及該資料處理裝置利用獲得的該脈衝反射光訊號計算得出電漿製程的終點。
2. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該調製訊號在一個週期內方向為正的訊號積分面積與方向為負的訊號積分面積相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該脈衝反射光訊號與該調製訊號的乘積大於0。
4. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該調製訊號為正弦訊號或餘弦訊號。
5. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中每個週期內，該脈衝反射光訊號與正弦訊號或餘弦訊號的波峰相對應。
6. 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中每個週期內，該脈衝反射光訊號與正弦訊號或餘弦訊號的波谷相對應。
7. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該調製訊號為高低電位脈衝週期訊號，高電位大於零，低電位小於零，一個週期內高電位對應的區域面積與低電位對應的區域面積大小相等。
8. 如申請專利範圍第4項或第7項所述之裝置，其中該調製訊號的幅值大於等於該脈衝反射光訊號的光強數值。
9. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該入射光源發出的入射光為全光譜。
10. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該入射光源為閃光燈。
11. 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該光譜儀向該入射光源發送脈衝觸發訊號，以控制該入射光源發射該脈衝入射光的週期。
12. 一種監測電漿處理製程的方法，該方法在一電漿處理裝置內進行，其中該方法包括如下步驟：將一基片放置在該電漿處理裝置的一反應腔內，對該基片進行電漿製程處理；向該基片發射一脈衝入射光，該脈衝入射光在該基片表面發生反射； 用一光譜儀採集該反應腔內發出的一光訊號，並將該光訊號輸送到一資料處理裝置，該光訊號包括該基片表面反射的一脈衝反射光訊號及該反應腔內電漿產生的一背景光訊號；該資料處理裝置提供與脈衝入射光週期相同的一調製訊號，並對該調製訊號和該光譜儀採集的光訊號進行乘法運算；該調製訊號設置為具有正負方向且與該背景光訊號的乘積在每個週期內相互抵消；設置該調製訊號與該脈衝反射光訊號的位置，使得二者的乘積不為零；以及利用消除該背景光訊號後的一脈衝反射光訊號資訊進行電漿處理製程的終點計算。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該資料處理裝置調節該調製訊號與該脈衝反射光訊號的位置，使得二者的乘積大於零。
14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該資料處理裝置提供的調製訊號為正弦訊號或餘弦訊號。
15. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該資料處理裝置控制脈衝入射光訊號與正弦調製訊號或餘弦調製訊號的波峰或波谷相對應。
16. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該調製訊號的幅值大於等於該脈衝反射光訊號的強度。
17. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該入射光訊號為全光譜訊號。
18. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該調製訊號為高低電位脈衝週期訊號，高電位大於零，低電位小於零，一個週期內高電位對應的區域面積與低電位對應的區域面積大小相等。
19. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該光譜儀發送一脈衝觸發訊號至該入射光源，控制該入射光源的脈衝週期。
20. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該資料處理裝置為一電腦系統。