Beschreibung
Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Bearbeitung eines Substrats in der Halbleiterfertigung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Halbleitertechnik und betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Bearbeitung eines Substrats in der Halbleiterfertigung.
Bei der Herstellung und Bearbeitung von Halbleitersubstraten zur Bildung von darin integrierten Halbleiterschaltungen werden eine Vielzahl von Herstellungsprozessen eingesetzt. Als Beispiele seien hier Abscheidungsprozesse sowie Ätzprozesse zum Strukturieren von auf einem Substrat aufgebrachte Schichten genannt. Diese Herstellungsprozesse müssen grundsätzlich überwacht werden, da aufgrund Ihrer Komplexität unbemerkte Störungen bzw. schlecht angepaßte Prozeßbedingungen zu feh¬ lerhaft hergestellten Halbleiterschaltungen führen können. Um diese Überwachung effizient durchführen zu können, besteht allgemein der Wunsch, den Herstellungsprozeß durch Echtzeitanalyse von bestimmten, während des Herstellundgsprozes- ses ermittelten Meßgrößen zu charakterisieren um dadurch gegebenenfalls regelnd eingreifen zu können.
Mögliche Verfahren zur Kontrolle von Herstellungsprozessen sind beispielsweise aus der US 5,877,032 bekannt. Darin wird ein Verfahren zur Bestimmung des Endpunkts eines Plasmaätz- prozesses beschrieben, bei dem die detektierte optische Emis- sion des Plasmas zur Ermittlung des Endpunkts herangezogen wird. Hintergrund dieser Herangehensweise ist die Tatsache, daß bei Ätzprozessen eine auf einem Substrats befindliche Schicht durchätzt und dabei das darunterliegende Substrat freigelegt wird. Die Wechselwirkung des Ätzgases mit dem freigelegten Substrat läßt sich spektroskopisch als Veränderung des Emissionsspektrums des Plasmas nachweisen. Diese Veränderung wird gemäß der US 5,877,032 mit einer Vielzahl
von vorgegebenen Referenzkurven verglichen und aus dem Vergleich auf den Endpunkt des Plasmaätzprozesses geschlossen.
Aus der US 5,739,051 ist ebenfalls ein Verfahren zur Ermittlung des Endpunkts eines Plasmaätzprozesses bekannt. Bei diesem wird ebenfalls die optische Emission des Plasmas zur Ermittlung des Endpunktes herangezogen, wobei Emissionslinien, die charakteristisch für die Wechselwirkung des Ätzgases mit dem Substrat sind, für die Bewertung verwendet werden.
Es ist jedoch sehr häufig schwierig, aus der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Spektren bzw. auch aus anderen Meßgrößen die für den Ätzprozeß charakteristische Meßgröße zu extrahieren. Daher wird gemäß der US 5,658,423 ein Verfahren basie- rend auf der sogenannten Hauptkomponentenanalyse vorgeschlagen, bei der die zeitlich Entwicklung des gesamten Emissionsspektrums von etwa 240 bis 600 Nanometern zur Endpunktanalyse herangezogen wird. Mittels der Hauptkomponentenanalyse wird die anfallende Datenmenge auf wenige sogenannte Basismuster reduziert und deren zeitliche Entwicklung für die Detektion des Endpunkts verwendet. Hierdurch basiert die Detektion des Endpunkts nicht mehr auf der Bewertung einer einzigen Emissionswellenlänge sondern auf der Veränderung des gesamten zur Verfügung stehenden Spektrums. Grundsätzlich bedarf es jedoch auch bei dieser Herangehensweise der Bereitstellung von Referenzwerten zum Vergleichen mit den aktuell gemessenen Meßgrößen.
Insbesondere das zuletzt ganannte Problem wird bei der US 5,737,496 versucht, durch Verwendung eines neuronalen Netzwerkes, zu umgehen. Das neuronale Netz wird anhand einer Vielzahl von ermittelten Meßgrößen trainiert, so daß es nachfolgend zur Entscheidungssfindung hinsichtlich der Endpunkterkennung herangezogen werden kann. Es hat sich jedoch ge- zeigt, daß neuronale Netze oftmals falsche Signale und Muster erlernen, so daß es zu einer Fehlinterpretation kommen kann. Ein fehlerhaftes Training des neuronalen Netzwerkes entsteht
beispielsweise durch Veränderung der Emmissionsspektren aufgrund von Alterungserscheinungen der Sensoren bzw. auftretender Kammerverschmutzung. Daher wird gemäß der US 5,864,773 ein sogenanntes virtuelles Sensorsystem vorgeschlagen, bei dem diese Veränderungen vor der eigentlichen Bewertung der Meßgrößen berücksichtigt werden. Dadurch soll ein virtueller Sensor geschaffen werden, der frei von kammerspezifischen bzw. prozeßspezifischen Fehlereinwirkungen ist. Da auch hierbei auf Erfahrungen des Bedienpersonals zurückgeriffen werden muß, können unerwartet auftretende Fehler und Veränderungen nicht automatisch berücksichtigt werden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung eines Herstellungsprozesses zur Bearbei- tung eines Substrats in der Halbleiterfertigung anzugeben, das eine sichere und möglichst fehlerfreie Überwachung des Herstellungsprozesses ermöglicht und insbesondere zur Ermittlung des Endpunktes des Herstellungsprozesses dient.
Diese Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst .
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Überwachung eines Her- stellungsprozesses zur Bearbeitung eines Substrats in der Halbleiterfertigung bereitgestellt, welches die folgenden Schritte aufweist:
Vorgabe eines ersten Modells zur Bestimmung des Endpunkts des Herstellungsprozesses, welches durch einen Algorith- mus, durch zumindest eine vorbestimmte, während des Herstellungsprozesses ermittelbare Meßgröße und durch ein Abbruchskriterium definiert ist, wobei der Algorithmus bei seiner Anwendung auf die ermittelte Meßgröße eine Entscheidungsgröße liefert, die bei Vergleich mit dem Ab- bruchskriterium zur Bestimmung des Endpunkts des Herstellungsprozesses dient;
Durchführen des Herstellungsprozesses in einer dafür geeigneten Kammer, wobei ein zu behandelndes Substrat in die Kammer eingebracht und darin bearbeitet wird; Ermitteln der durch das erste Modell vorbestimmten Meßgrö- ße während des Herstellungsprozesses;
Anwenden des Algorithmus des ersten Modells auf die ermittelte Meßgröße und Bestimmen der Entscheidungsgröße; Vergleichen der Entscheidungsgröße mit dem durch das erste Modell vorgegebenen Abbruchskriterium, wobei bei dessen Erfüllung der Herstellungsprozeß beendet wird;
Verwenden eines zweiten Modells zur vergleichenden Bestim¬ mung des Endpunkts dieses Herstellungsprozesses, welches ebenfalls durch einen Algorithmus, durch zumindest eine vorbestimmte, während des Herstellungsprozesses ermittel- bare Meßgröße und durch ein Abbruchskriterium definiert ist, wobei das zweite Modell für die Bestimmung des Endpunkts eines dem Herstellungsprozeß nachfolgenden weiteren Herstellungsprozesses verwendet wird, sofern die Bestimmung des Endpunkts durch das zweite Modell mit höherer Si- gnifikanz als mit dem ersten Modell erfolgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein erstes Modell vorgegeben. Dieses Modell ist dabei insbesondere durch einen Algorithmus, durch die Auswahl zumindest einer vorbe- stimmten, während des Herstellungsprozesses ermittelbaren Meßgröße und durch ein Abbruchskriterium bestimmt. Bei der Meßgröße kann es sich dabei beispielsweise um die Intensität der optischen Emission des Plasmas bei einer durch das Modell vorbestimmten Wellenlänge, um den Druck, Temperatur sowie an- dere, während des Herstellungprozesses ermittelbare Größen handeln. Die Meßgröße wird vorzugweise mittels eines an der Kammer vorgesehenen Sensors ermittelt und einer Datenverarbeitungsanlage zugeführt.
Der durch das Modell vorgegebene Algorithmus wird auf die während des Herstellungsprozesses ermittelte Meßgröße angewendet und liefert dabei eine Entscheidungsgröße. Dem vorge-
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Im folgenden wir die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels beschrieben und in den beiliegenden Figuren chematisch dargestellt.
Es zeigen Figur 1 einzelne Verfahrensschritte zur Ermittlung des Endpunktes eines Plasmaprozesses,
Figur 2 die Auswahl eines geeigneten Modells zur Ermittlung des Endpunkts,
Figur 3 a und b eine Isolationsschicht auf einem Substrat mit darin einzubringenden Kontaktlöchern unterschiedlicher Tiefe,
Figur 4 das normierte Spektrum eines Oxidätzprozesses zu verschiedenen Zeitpunkten,
Figur 5 der zeitliche Verlauf einer Emissionslinie dieses Oxidätzprozesses,
Figur 6 eine ausgewählte Emissionslini dieses Oxidätzprozesses zur Ermittelung des Endpunkts,
Figur 7 die veränderte Emissionslinie
fgrund von Kammerver- unreinigungen,
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verwendet werden soll. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird bei dem Plasmaprozeß zunächst noch das erste Modell verwendet, auch wenn das zweite Modell den Endpunkt mit einer höheren Signifikanz bestimmt hat. Dann wird jedoch bei einem nachfolgenden Plasmaprozeß das zweite Modell zur Er¬ mittlung des Endpunkts herangezogen.
Vorteil dieser Herangehensweise ist die Bestimmung des End¬ punkts mit geringer Schwankung, so daß die Ätzprozesse im we- sentlichen mit gleicher Zeitdauer erfolgen können. Sofern sich jedoch aufgrund von Verschmutzungen längere Ätzzeiten ergeben, werden diese durch das zweite Modell berücksichtigt, da diesem beispielsweise eine andere Emissionswellenlänge zugeordnet ist, in der die Veränderungen registrierbar manife- stiert sind.
Die Modellauswahl soll nachfolgend an Figur 2 vertieft werden. Grundsätzlich können mehr als nur zwei Modelle zur Endpunktermittlung vorgegeben werden. Sinnvoll ist, zunächst ein einziges Modell zur Endpunkterkennung des jeweils aktuellen
Plasmaprozesses zu verwenden. Die anderen Modelle werden dann zur vergleichenden Bestimmung des Endpunkts herangezogen. Dabei ist es auch möglich, Datensätze vorangehender Plasmaprozesse zur Modellbewertung zu verwenden, um so herauszufinden, welches Modell am robustesten gegenüber Prozeßveränderungen ist. Die Modellbewertung kann entweder parallel zur Endpunkterkennung des ersten Modells erfolgen, oder sich nach Beendigung des Plasmaprozesses anschließen. Somit ist erfindungsgemäß neben der Überwachung des Plasmaprozesses und der Er- mittlung des Endpunktes eine weitere Überwachung dahingehend vorgesehen, daß die verwendeten Modelle zur Endpunktbestimmung kontinuierlich auf ihre Eignung hin geprüft werden. Da¬ durch wird gesichert, daß immer mit zuverlässigen Modellen gearbeitet wird.
Die Erfindung soll nachfolgend an einem konkreten Ausfüh- rungsbeispiel vertieft werden. Dazu wird auf die Figuren 3a
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Die y-Achse zeigt die prozentuale Änderung der Wellenlängenintensitäten zwischen main und over etch. Fig. 4 verdeutlicht, daß für diesen Prozeß die maximale Änderung bei 918 nm liegt. Der Verlauf dieser Wellenlänge (918 nm) ist in Fig. 5 dargestellt. Dies Beispiel demonstriert, wie durch Vergleich der main und over etch Kurven die „beste" Wellenlänge gefunden werden kann.
Unter dem over etch wird üblicherweise eine Verlängerung der ermittelten Ätzzeit (main etch, d.h. der Zeit zum Durchätzen der Siliziumoxidschicht) verstanden, um mögliche Schwankungen der Ätzrate über dem Substrat auszugleichen.
Deutlich erkennbar ist in Figur 4, daß bei etwa 918 nm eine maxmimale Veränderung des Signalhubs zu verzeichnen ist.
Der zeitliche Verlauf der Emissionswellenlänge bei 918 nm ist in Figur 5 dargestellt. Auch hier ist erkennbar, daß ein starker Abfall der Intensität auftritt, der für die Detektion des Endpunkts verwendet werden kann.
Für die Erkennung bei der Kontaktlochätzung der Siliziumoxidschicht 105 des Endpunkts wurde jedoch eine andere Linie, nämlich die sog. CN Linie bei 378 nm verwendet. Diese ist in Figur 6 gezeigt. Deutlich erkennbar sind zwei lokale Maxima, wobei das erste Maximum dem flacheren Kontaktloch und das zweite Maximum dem tieferen Kontaktloch in der Siliziumoxidschicht 105 zuzuordnen ist. Die Maxima, d.h. die Veränderung der Intensität der CN-Linie, ist auf eine Wechselwirkung des Ätzgases mit den jeweils freigelegten Materialien, die sich am Boden der Kontaktlöcher befinden, zurückzuführen. Insbesondere aus der Lage des zweiten Maximums läßt sich der Endpunkt des Plasmaätzprozesses bestimmen. Vorzugsweise wird nach Erreichen des Endpunkts der Ätzprozeß noch um eine fest vorgegebene Zeit (over etch) fortgesetzt, um Schwankungen in der lokalen Ätzrate auszugleichen. Diese Schwankungen äußern sich beispielsweise in relativ breiten und flach ausgebilde-
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Endpunkt als erkannt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die aktuell ermittelte Meßkurve mit mehreren Modellverläufen zu vergleichen, um so einer Drift der Meßkurve begegnen zu können. Der Endpunkt wird dann dadurch bestimmt, daß die ak- tuell gemessene Meßkurve bei dem ihr zugeordneten Modellverlauf einen vorgegebenen Abschnitt erreicht. Ebenso lassen sich graphische Ableitungen der schwellwertbehafteten Analyse zuordnen.
Schwellwertfreie Analysen bilden dagegen die zweite Kategorie, die beispielsweise durch das Erkennen von Nulldurchgängen, Maxima und Wendepunkten charakterisiert ist.