CN1377457A - 使用脉动宽带光源原位监测等离子体刻蚀和淀积工艺的方法和装置 - Google Patents

使用脉动宽带光源原位监测等离子体刻蚀和淀积工艺的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用于使用一个提供高瞬时功率脉冲和具有宽光谱宽度的脉冲闪光灯、原位监测薄膜厚度以及刻蚀或淀积速率的干涉测量方法和装置。闪光灯与用于检测从一晶片反射的光的光谱摄制仪之间的光路实质上对于光谱的紫外线区是可透射的。利用软件算法计算膜厚度以及刻蚀和淀积速率。

Description

使用脉动宽带光源原位监测等离子体刻蚀和淀积工艺的方法和装置
发明领域
本发明涉及半导体衬底处理领域，具体涉及在半导体衬底的等离子体刻蚀和淀积工艺期间监测材料厚度以及刻蚀和淀积速率。
背景技术
集成电路器件的生产需要在一个基衬底上形成各种层(导电的、半导电的、和非导电的)以形成所需的部件和互连。在该生产工艺期间，必须除去一个特定层或这些层的特定部分以便形成各种部件和互连。这通常是利用刻蚀工艺完成的。所使用的刻蚀技术包括湿式刻蚀或化学刻蚀和干式刻蚀或等离子体刻蚀。后一种技术通常依赖于冲积所要刻蚀的材料表面的工艺气体所产生的活性物质。在材料和这些活性物质之间发生化学反应，然后从材料表面除去气态反应产物。
参见图1，通常通过把各种工艺气体引入一个等离子体反应器(标记为12)的等离子体室10中来开始产生在生产或制造工艺中使用的等离子体。这些气体通过入口13进入室10并通过出口15排出。工件14(例如一个集成电路晶片)被设置在室10中固定在一个晶片支架16上。反应器12还包括一个等离子体密度产生机构18(例如一个感应线圈)。由等离子体感应电源20提供的等离子体感应信号被施加给等离子体密度产生机构18，该等离子体感应信号优选是一个RF信号。一个由可透射RF辐射的材料(例如陶瓷或石英)构成的顶部22被结合在室10的上表面中。顶部22允许来自线圈18的RF辐射有效透射到室10的内部。该RF辐射进而激励室10中的气体分子以产生等离子体24。如本领域所公知的，所产生的等离子体24用于刻蚀掉一个晶片上的层或用于在一个晶片上淀积层。
在所有刻蚀和淀积工艺中的一个重要考虑是监测工艺参数(例如刻蚀和淀积速率，膜厚度)和确定被称为终点的时间，即工艺结束的时间。用于监测等离子体刻蚀和淀积的通常方法包括光谱测量和干涉测量。光谱测量方法包括当在刻蚀工艺期间一个膜层被清除而露出下层膜时监测等离子体室中的化学物质并且检测等离子体中某一发射物质的浓度。但是，在几种不露出下层膜的刻蚀工艺中这种方法没有用。例如，在栅刻蚀工艺中，在一个薄氧化物层上有一个多晶硅层或非晶硅层。必须刻蚀掉多晶硅层以留下薄氧化物层，而不造成穿透到氧化物层的任何蚀点或穿孔。为了实现此目的，必须在多晶硅层被清除前的一个时间改变刻蚀的化学性质。在浅沟槽隔离和凹进刻蚀工艺中光谱测量也没有用。
在Sawin等人的美国专利5,450,205中公开了干涉测量方法，包括激光干涉测量和光发射干涉测量。在激光干涉测量中，一个入射激光束投射到一个晶片和一个室环境(例如等离子体室的等离子体)之间的交界部分。所反射的激光束通过一个带通滤光器被引导到一个光电二极管，在光电二极管处把一个干涉测量信号作为时间的函数记录下来。带通滤光器防止等离子体发射进入光电二极管，而允许所反射的激光束投射到光电二极管。
在光发射干涉测量中，把由等离子体产生的光用作干涉测量的光源。利用一个透镜从等离子体室收集光并通过一个带通滤光器到达光电二极管。带通滤光器限定用作干涉测量信号的光的波长并阻塞不希望波长的光，以防止等离子体背景到达光电二极管。在激光干涉测量和光发射干涉测量中，通过检测干涉测量信号中相邻最大值或相邻最小值之间的时间很容易计算出刻蚀速率和膜厚度。
在干涉测量方法中使用宽带光源在现有技术中也是已知的，Ledger的美国专利5,291,269公开了一种用于测量薄膜层厚度的装置，包括一个形成一漫射多色光束的扩展光源。光束照射一个晶片的整个表面并在晶片上反射，通过滤光器以形成投射到一个检测器阵列上的单色光束。该单色光束在检测器阵列上显示一个干涉条纹图形。处理该图形以产生一个把所测量的反射比数据与参考反射比数据相比较的映射，从而产生一个在晶片的全孔径范围上薄膜层厚度的映射。
为了通过等离子体进行干涉测量，需要从干涉仪信号中除去等离子体发射的贡献，并从而减小该贡献对用于对晶片上的薄膜结构建模的算法的影响。等离子体发射中的波动还会对干扰用于确定晶片上膜的刻蚀速率的模型。激光干涉测量的使用极大减小了对等离子体发射的敏感性，但是把测量限定为单个波长。光发射干涉测量技术依赖于等离子体发射自身，因此对发射中的波动敏感并且可用于分析的波长范围随着工艺化学性质而改变。使用扩展宽带光源的方法为分析提供了一个有用的波长范围，但是通常会遇到低信噪比和低强度干涉测量信号的问题。
因此希望提供一种用于监测等离子体刻蚀或淀积工艺的方法和装置，其可以减小检测器对等离子体发射的敏感性，但是允许在一个宽波长范围上的测量，特别是在光谱的紫外线区中的测量。集成电路制造中使用的材料通常在紫外线区更具有反射性，使用较短的波长以用于干涉测量信号的更高分辨率，从而提供更高精度的膜厚度测量。
现有技术紫外线光源通常是扩展光源(extended sources)，在光学上有效地从这些光源耦合光是困难的。而且，这些光源趋向于是单色光源。最后，这些光源通常具有相对低的强度，从而使得更难在等离子体发射背景之上检测干涉测量信号。
因此希望提供一种用于监测等离子刻蚀或淀积工艺的方法和装置，其提供一个用于产生被有效耦合到一光学系统中的光的非扩展光源。
还希望提供一种用于监测等离子体刻蚀或淀积工艺的方法和装置，其提供一个具有宽光谱范围、高强度和高信噪比的干涉测量信号。
最后，希望提供一种用于监测等离子体刻蚀或淀积工艺的装置，其包括一个使用寿命比现有技术的扩展宽带光源更长的光源。
发明内容
本发明提供一种用于使用一个提供具有宽光谱宽度的高瞬时功率脉冲的脉冲闪光灯、原位监测薄膜厚度以及刻蚀和淀积速率的方法和装置。闪光灯与用于检测从一晶片反射的光的光谱摄制仪之间的光路实质上对于光谱的紫外线区是可透射的，使得用于计算膜厚度以及刻蚀和淀积速率的软件算法可以使用希望的短波长。
根据本发明的第一方面，该装置包括：一个光源；一个准直器；一个光敏检测器，例如一个用于监测从晶片反射的光的强度的光谱摄制仪，该光谱摄制仪用于把光分散为由多个检测器检测的多个波长；和数据处理元件，用于处理来自光谱摄制仪的信号并估算衬底上任何膜的厚度。光源优选是一个闪光灯，其发射与光谱摄制仪的数据采集周期同步的宽带光辐射。仅在来自闪光灯的短输出脉冲期间记录数据，从而减小光谱摄制仪的积分时间。从处理用等离子体接收的背景光与积分时间成比例，从而在很大程度上消除了等离子体辐射对光谱摄制仪信号的影响。
根据本发明的第二方面，在闪光灯关闭时记录等离子体强度，并从在闪光灯打开状态下记录的信号中减去所检测的信号。该实施例进一步减小了等离子体发射对测量的影响。
根据本发明的第三方面，光谱摄制仪包括一个多通道光谱摄制仪。该光谱摄制仪的一个通道用于监测每个脉冲上的闪光灯信号。从信号中除去闪光灯信号中的变化以减小干涉测量信号中的变化。
本领域技术人员通过阅读下面的本发明说明和研究附图，可以了解本发明的这些和其它优点。
附图说明
通过以下参考附图的详细说明可以更容易理解本发明，在附图中相同元件使用相同符号。
图1是现有技术等离子体反应器的示意图。
图2是本发明的监测系统的方框图。
图3是本发明的光学图。
优选实施例的详细说明
图2显示一个使用多波长照射的系统(标记为30)的部件。系统30包括一个照射组件33，照射组件33包括一个闪光灯35和一个具有触发器的电源37。系统30还包括一个多通道光谱摄制仪40，一个模数转换器43，一个同步器和总线接口45，第一和第二数据文件47和49，和一个数据处理和算法展开块50。光纤60光学地把闪光灯35和光谱摄制仪40连接到一个设置在一等离子体室外部的光束形成组件70。如下所述，该系统30用于计算设置在等离子体室内的一个晶片上一膜层的厚度。
闪光灯35产生在约200nm到2微米范围内的宽带光。光纤60把宽带光从闪光灯35传送到设置在等离子体室外部的光束形成组件70。光束形成组件70包括一个准直器72(图3)，准直器72改变宽带光的直径以使晶片74上基本上平行的光束基本上垂直于晶片74的表面投射到晶片74上。准直器72包括单个或多个透镜或显微镜物镜。准直器72进一步把所反射的光聚焦回到光纤60上。
当宽带光束照射晶片74时，晶片74反射该宽带光束的一部分。光谱摄制仪40测量反射光的光谱并产生一个代表反射光谱的模拟信号。模数转换器43把该模拟信号转换为数字信号并把该数字信号发送到同步器和总线接口45。
同步器和总线接口45可以触发光源35以产生光束并促使光谱摄制仪40检测在预定时间间隔来自晶片74的反射光束的光谱。同步器和总线接口45还可以使光谱摄制仪检测在闪光灯35不照射晶片74时从晶片74反射的等离子体发射光谱。
同步器和总线接口5协调三个功能。首先，它把一个周期性触发信号发送到电源37，造成闪光灯35产生一个宽带光脉冲以与光谱摄制仪40的数据采集周期同步地照射晶片74。第二，同步器和总线接口45把来自模数转换器43的数字信号记录在第一数据文件47中。第三，同步器和总线接口45在晶片74不被照射时把来自模数转换器43的一个第二数字信号记录在第二数据文件49中。
第一和第二数据文件47和49中存储的信息在数据处理和算法展开块50中使用。根据本发明的第一方面，块50使用第一数据文件47中存储的信息来计算晶片74上膜的厚度以及刻蚀或淀积速率。对所检测的光谱反射函数(尤其是它的最小值和最大值)的计算机分析可以提供膜的厚度以及刻蚀或淀积速率。还可以很容易地从这个数据计算出工艺终点。
根据本发明的第二方面，块50使用第二数据文件49中存储的信息以从照射的光谱测量信号中减去等离子体发射信号。然后，块50使用该信息和存储在第一数据文件47中的信息来计算晶片74上膜的厚度以及刻蚀或淀积速率。
根据本发明的第三方面，由闪光灯35产生的脉冲的强度由光谱摄制仪40利用光纤62来检测。与由例如闪光灯35的老化造成的脉冲强度变化有关的信息被存储在第三数据文件(未示出)中。块50使用存储在第三数据文件中的信息来根据脉冲强度变化规格化第一数据文件47的信息。然后，块50使用该规格化信息和第一数据文件47中存储的信息来计算晶片74上膜的厚度以及刻蚀或淀积速率。
优选实施例的闪光灯45优选是一个具有小弧尺寸的氙闪光灯，以便更近似于一个点光源，从而有效地与本发明的光学系统耦合。有利地，氙闪光灯提供短持续时间的高能量脉冲(一微秒级)。因此，可以减少光谱摄制仪40的积分时间，并且极大消除等离子体发射对干涉测量信号的影响。而且，传送到晶片74的平均能量较低。此外，通过使用脉冲光源，可以延长光源的寿命。
本发明的方法和装置优选用于一个实质上可透射紫外线辐射的系统。可透射紫外线辐射的光学观察窗口和准直器在本领域是已知的，不再进一步说明它们的性质和在等离子体室中的布置。
尽管此处只详细说明了本发明的几个实施例，但是应该理解，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以以很多其它特定形式实施本发明。因此，这些示例和实施例应被认为是示意性而不是限制性的，本发明不局限于此处所给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围内加以修改。

Claims (31)

1.一种用于确定在晶片的等离子体刻蚀工艺期间的工艺参数的工艺监测器，该工艺监测器包括：
闪光灯，用于发射宽带光辐射；
光谱摄制仪，响应从晶片反射的光辐射；和
数据处理元件，用于处理来自光谱摄制仪的第一信号并确定一个工艺参数，该第一信号代表从晶片反射的发射光辐射。
2.根据权利要求1所述的工艺监测器，进一步包括光束形成组件，用于使发射的光辐射准直。
3.根据权利要求2所述的工艺监测器，其中准直后的光辐射垂直地入射到晶片上。
4.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中光谱摄制仪积分周期与闪光灯同步。
5.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理一个第二信号并把它从第一信号中减去以确定一个工艺参数，该第二信号代表在闪光灯不发射宽带光辐射期间从晶片反射的光辐射。
6.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理一个第三信号以规格化第一信号，该第三信号代表所发射的辐射的强度。
7.根据权利要求6所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理被规格化的第一信号以确定该工艺参数。
8.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的厚度。
9.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的刻蚀速率。
10.根据权利要求1所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括工艺终点。
11.一种用于确定在晶片的等离子体淀积工艺期间的工艺参数的工艺监测器，该工艺监测器包括：
闪光灯，用于发射宽带光辐射；
光谱摄制仪；响应从晶片反射的光辐射；和
数据处理元件，用于处理来自光谱摄制仪的第一信号并确定一个工艺参数，该第一信号代表从晶片反射的发射光辐射。
12.根据权利要求11所述的工艺监测器，进一步包括光束形成组件，用于使发射的光辐射准直。
13.根据权利要求12所述的工艺监测器，其中准直后的光辐射垂直地入射到晶片上。
14.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中光谱摄制仪积分周期与闪光灯同步。
15.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理一个第二信号并把它从第一信号中减去以确定一个工艺参数，该第二信号代表在闪光灯不发射宽带光辐射期间从晶片反射的光辐射。
16.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理一个第三信号以规格化第一信号，该第三信号代表所发射的辐射的强度。
17.根据权利要求16所述的工艺监测器，其中数据处理元件处理被规格化的第一信号以确定该工艺参数。
18.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的厚度。
19.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的刻蚀速率。
20.根据权利要求11所述的工艺监测器，其中工艺参数进一步包括工艺终点。
21.一种用于确定在晶片的等离子体工艺期间的工艺参数的工艺监测方法，该方法包括：
提供一个发射宽带光辐射的闪光灯；
提供一个响应从晶片反射的光辐射的光谱摄制仪；和
提供一个用于处理来自光谱摄制仪的第一信号并确定一个工艺参数的数据处理元件，该第一信号代表从晶片反射的发射光辐射。
22.根据权利要求21所述的工艺监测方法，进一步包括提供一个用于使发射的光辐射准直的光束形成组件。
23.根据权利要求22所述的工艺监测方法，其中准直后的光辐射垂直地入射到晶片上。
24.根据权利要求21所述的工艺监测方法，进一步包括使光谱摄制仪积分周期与闪光灯同步。
25.根据权利要求21所述的工艺监测方法，进一步包括处理一个第二信号并减去所处理的第二信号以确定一个工艺参数，该第二信号代表在闪光灯不发射宽带光辐射期间从晶片反射的光辐射。
26.根据权利要求21所述的工艺监测方法，进一步包括处理一个第三信号以规格化第一信号，该第三信号代表所发射的辐射的强度。
27.根据权利要求26所述的工艺监测方法，进一步包括处理被规格化的第一信号以确定该工艺参数。
28.根据权利要求21所述的工艺监测方法，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的厚度。
29.根据权利要求21所述的工艺监测方法，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的刻蚀速率。
30.根据权利要求21所述的工艺监测方法，其中工艺参数进一步包括由晶片承载的一个层的淀积速率。
31.根据权利要求21所述的工艺监测方法，其中工艺参数进一步包括工艺终点。
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