專利名稱：時(shí)分復(fù)用處理中的包絡(luò)跟隨器終點(diǎn)檢測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及半導(dǎo)體晶片處理的領(lǐng)域。更具體而言，本發(fā)明是關(guān)于在時(shí)分復(fù)用蝕刻和淀積處理期間確定蝕刻處理的終點(diǎn)。
背景技術(shù)：
在許多微機(jī)電(MEMS)器件的制造期間，需要蝕刻一層材料以便在該層之下完全停止(例如，絕緣體上硅(SOI)清除硅(Si)層而停止在其下的二氧化硅(SiO2)層)。隨著蝕刻處理進(jìn)行，一旦超過(guò)第一層已經(jīng)被去除掉的時(shí)間，就會(huì)導(dǎo)致下停止層的厚度減少、或者特征輪廓劣化(本領(lǐng)域中對(duì)于SOI應(yīng)用所公知的“凹陷”)。
因此，在等離子體處理工藝諸如蝕刻中，精確判定等離子體處理的終點(diǎn)，以便無(wú)延遲地終止等離子體處理，是極重要的。作為一種用于檢測(cè)等離子體處理的終點(diǎn)的方法，本領(lǐng)域眾所周知的一種方法是，檢測(cè)處理室中的等離子體之中所包含的特定物質(zhì)的光譜的任何變化，基于這種變化檢測(cè)出終點(diǎn)。這種方法是從等離子體中的物質(zhì)隨襯底蝕刻的進(jìn)行而改變的觀測(cè)結(jié)果想到的，其目的在于通過(guò)監(jiān)測(cè)特定物質(zhì)的光譜強(qiáng)度的變化來(lái)精確檢測(cè)蝕刻處理的實(shí)時(shí)終點(diǎn)。通常用于檢測(cè)等離子體工藝終止時(shí)間的這種方法就是光發(fā)射光譜測(cè)定法(OES)。
OES分析從等離子體源發(fā)射出的光以便進(jìn)行有關(guān)等離子體處理的化學(xué)狀態(tài)和物理狀態(tài)的推斷。在半導(dǎo)體處理中，這種技術(shù)通常用于檢測(cè)等離子體蝕刻處理期間的材料界面。OES技術(shù)包含監(jiān)測(cè)由等離子體發(fā)射的射線，通常位于光譜的紫外光/可見光范圍(200nm-1100nm)部分。圖1示出了典型OES配置的示意圖。等離子體的成分且特別是反應(yīng)性蝕刻物質(zhì)或蝕刻副產(chǎn)品的出現(xiàn)將決定發(fā)射射線的光譜(即，強(qiáng)度與波長(zhǎng))。在蝕刻處理過(guò)程期間，特別在材料轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，等離子體的成分改變，從而導(dǎo)致發(fā)射光譜的變化。通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射，就能夠用OES終點(diǎn)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)出此變化并利用它來(lái)確定薄膜被完全清除的時(shí)間。例如，當(dāng)OES信號(hào)下降至預(yù)定閾值水平之下時(shí)，就利用這種轉(zhuǎn)變來(lái)觸發(fā)“終點(diǎn)”。實(shí)際上，大多數(shù)有關(guān)終點(diǎn)的信息通常包含在對(duì)應(yīng)于消耗的反應(yīng)物或在蝕刻期間產(chǎn)生的蝕刻副產(chǎn)品的幾個(gè)波長(zhǎng)之中。
研發(fā)OES終點(diǎn)對(duì)策的常規(guī)方法是收集在預(yù)終點(diǎn)和過(guò)終點(diǎn)條件兩者期間的大量等離子體發(fā)射光譜(發(fā)射強(qiáng)度與波長(zhǎng))。利用多種方法能夠確定終點(diǎn)波長(zhǎng)候選區(qū)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法諸如因素分析或主要組分分析就能夠選擇出終點(diǎn)檢測(cè)的光譜區(qū)(參見Angell等人的美國(guó)專利5,658,423)。確定終點(diǎn)候選的另一種對(duì)策是通過(guò)在預(yù)終點(diǎn)(主蝕刻)和過(guò)終點(diǎn)(過(guò)蝕刻)光譜之間構(gòu)成差值圖(difference plot)。一旦選擇出了候選區(qū)，就對(duì)候選區(qū)進(jìn)行可能化學(xué)物質(zhì)的指定(即，來(lái)自于游離氣態(tài)前體的反應(yīng)物質(zhì)或蝕刻產(chǎn)品)。這種指定在確定對(duì)策的成功方面并不是關(guān)鍵的，而是有助于理解和優(yōu)化波長(zhǎng)選擇處理?？梢岳迷S多參考文獻(xiàn)，包括Zaidel等人的光譜線表(Tables of Spectral Lines)和Pearse等人的分子譜識(shí)別(The Identification of Molecular Spectra)，結(jié)合工藝化學(xué)的知識(shí)，來(lái)對(duì)候選線指定出可能的物質(zhì)。對(duì)于六氟化硫(SF6)等離子體中的硅蝕刻處理的可能終點(diǎn)候選的一個(gè)例子是在687nm和703nm處的氟(F)線以及在440nm處的氟化硅(SiF)發(fā)射譜帶。一旦確定了這些區(qū)域，利用相同的OES對(duì)策，就能夠處理后續(xù)部分。
雖然這些OES方法很好地實(shí)現(xiàn)了單一步驟處理或有限分離蝕刻步驟的處理(諸如初始蝕刻、隨后主蝕刻)，但難于將OES應(yīng)用于快速且周期性的等離子體擾動(dòng)的等離子體處理。在Laermer等人的美國(guó)專利5,501,893、Okudaira等人的美國(guó)專利4,985,114和Kawasaki等人的美國(guó)專利4,795,529中公開了這種時(shí)分復(fù)用(TDM)處理的例子。Laermer等人公開了一種利用一系列交替的蝕刻和淀積步驟來(lái)將高深寬比結(jié)構(gòu)蝕刻到硅Si中的TDM處理。
圖2(a)到2(d)是一種用于深度硅蝕刻的TDM處理的圖示例子。典型地在一個(gè)由高密度等離子體源、典型的感應(yīng)耦合等離子體(ICP)與射頻(RF)偏置的襯底電極組合構(gòu)成的反應(yīng)室中進(jìn)行TDM Si蝕刻處理。在對(duì)于Si的TDM蝕刻處理中，所采用的最常用的處理氣體是六氟化硫(SF6)和八氟環(huán)丁烷(C4F8)。典型地將SF6作為蝕刻氣體，將C4F8作為淀積氣體。在蝕刻步驟期間，SF6易于自發(fā)并各向同性蝕刻Si(圖2(a)和2(b))；在淀積步驟中，C4F8促進(jìn)保護(hù)聚合物淀積在蝕刻出的結(jié)構(gòu)的側(cè)壁以及底部(圖2(c))。TDM Si蝕刻處理周期性地在蝕刻和淀積步驟之間交替，由此就能夠在掩蔽的Si襯底上限定出高深寬比結(jié)構(gòu)?；诔霈F(xiàn)在蝕刻步驟中的對(duì)Si襯底的高能和直接離子轟擊，就會(huì)去除來(lái)自于先前的淀積步驟而在蝕刻出的結(jié)構(gòu)的底部上覆蓋的聚合物膜，從而暴露出進(jìn)一步蝕刻的Si表面(圖2(d))。因?yàn)槲g刻出的結(jié)構(gòu)的側(cè)壁上的聚合物膜不會(huì)受到直接離子轟擊、不會(huì)橫向蝕刻，因此它就會(huì)保留。利用TDM Si蝕刻方法，就會(huì)在高蝕刻速度之下在Si襯底上限定出高深寬比特征。圖2(e)示出了利用TDM處理蝕刻出的硅結(jié)構(gòu)的剖面圖的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。
如圖3所示，由于在淀積和蝕刻步驟中使用不同的等離子體條件(例如，處理氣體類型、壓力、RF功率等)，在TDM Si蝕刻處理中蝕刻300和淀積305步驟的等離子體發(fā)射光譜就會(huì)顯著不同。如圖4中所示，將常規(guī)OES方法應(yīng)用于TDM硅蝕刻處理就會(huì)導(dǎo)致周期性的終點(diǎn)軌跡400，而不能用于檢測(cè)終點(diǎn)。對(duì)于TDM硅蝕刻，希望蝕刻終點(diǎn)信息主要包含于處理的蝕刻階段之中。
Becker等人的美國(guó)專利6,200,822展示了一種從TDM Si蝕刻處理的等離子體發(fā)射之中提取終點(diǎn)信息的方法。通過(guò)利用外部提供的觸發(fā)器(典型的從一個(gè)處理步驟到下一個(gè)處理步驟的轉(zhuǎn)變)，Becker等人驗(yàn)證了僅僅在蝕刻步驟期間的等離子體中的至少一種物質(zhì)(對(duì)于Si蝕刻、典型為F或SiF)的發(fā)射強(qiáng)度。通過(guò)利用外部觸發(fā)，結(jié)合延遲功能和取樣與保持(峰值保持)電路，就能夠把在后續(xù)蝕刻步驟中觀測(cè)到的發(fā)射強(qiáng)度聚到一起，以獲得實(shí)際上非周期性的發(fā)射信號(hào)。在隨后的淀積步驟期間，以最終獲知的數(shù)值來(lái)保持蝕刻步驟中物質(zhì)的發(fā)射強(qiáng)度的數(shù)值。按照這種方式，將周期性的發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換為類似于可以用來(lái)處理終點(diǎn)確定的階梯函數(shù)的曲線。這種方法的限制在于，在蝕刻步驟期間，需要外部提供的觸發(fā)器，在觸發(fā)和獲得發(fā)射數(shù)據(jù)之間還需要用戶輸入延遲。
為了努力增加OES方法的靈敏性，Jerde等人的美國(guó)專利4,491,499公開了測(cè)量窄帶的發(fā)射光譜并同時(shí)同步測(cè)量以該窄帶為中心的較寬本底帶的強(qiáng)度。按照這種方式，就能夠從終點(diǎn)信號(hào)中減去背景信號(hào)，從而產(chǎn)生窄帶信號(hào)的更加精確的值。
因此，需要一種用于TDM等離子體處理的終點(diǎn)對(duì)策，這種對(duì)策不需要外部觸發(fā)器和觸發(fā)之后的用戶輸入延遲，以便使等離子體發(fā)射數(shù)據(jù)的收集與處理步驟同步。
現(xiàn)有技術(shù)中根本沒有提供本發(fā)明伴隨著的優(yōu)點(diǎn)。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)，其克服了現(xiàn)有技術(shù)裝置中的缺點(diǎn)并且對(duì)半導(dǎo)體處理領(lǐng)域的發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種用于在襯底中蝕刻特征的方法，該方法包括步驟在等離子體室之中對(duì)襯底進(jìn)行交替處理；監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的變化；采用包絡(luò)跟隨器算法從所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度中提取幅度信息；以及在根據(jù)所述監(jiān)測(cè)步驟的一定時(shí)間中斷所述交替處理。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括步驟對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理；監(jiān)測(cè)從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的信號(hào)的屬性；采用包絡(luò)跟隨器處理從所述時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性；以及在根據(jù)所述處理步驟的一定時(shí)間中斷所述時(shí)分復(fù)用處理。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括步驟在蝕刻步驟中通過(guò)與反應(yīng)蝕刻氣體接觸來(lái)蝕刻襯底表面，以從襯底表面去除材料并提供暴露的表面；在鈍化步驟中鈍化襯底表面，由鈍化層覆蓋在先前的蝕刻步驟中暴露的表面，由此形成臨時(shí)性蝕刻停止層；交替重復(fù)蝕刻步驟和鈍化步驟；通過(guò)采用包絡(luò)跟隨器算法，分析等離子體發(fā)射的至少一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的強(qiáng)度；以及在根據(jù)所述分析步驟的一定時(shí)間中斷時(shí)分復(fù)用處理。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括步驟對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理；監(jiān)測(cè)從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的信號(hào)的屬性；采用峰值保持和衰減算法處理從所述時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性；以及在根據(jù)所述處理步驟的一定時(shí)間中斷時(shí)分復(fù)用處理。
前面已經(jīng)簡(jiǎn)述了本發(fā)明的一些相關(guān)的目的。這些目的應(yīng)當(dāng)理解為僅僅是說(shuō)明本發(fā)明的某些更加重要的特征和應(yīng)用。通過(guò)以不同方式應(yīng)用公開的本發(fā)明或在本公開的范圍之內(nèi)進(jìn)行修改就能夠獲得許多其它有益的效果。因此，除了由權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍之外，通過(guò)參照發(fā)明內(nèi)容和結(jié)合附圖的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明可以獲得其它目的和本發(fā)明的進(jìn)一步理解。

發(fā)明內(nèi)容
為了總結(jié)本發(fā)明起見，本發(fā)明包括一種用于在交替周期性蝕刻處理或時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法和設(shè)備。注意，所述處理的等離子體發(fā)射強(qiáng)度可以是周期性的。
本發(fā)明的特征在于提供一種在襯底中蝕刻特征的方法。要蝕刻的襯底可以包括硅或III族元素和/或V族元素，諸如砷化鎵。該方法包括以下步驟。將襯底放置在等離子體室中并進(jìn)行交替處理。交替處理可以包括只有蝕刻步驟、只有淀積步驟、至少一個(gè)蝕刻步驟和至少一個(gè)淀積步驟、或多個(gè)蝕刻步驟和多個(gè)淀積步驟。此外，在交替周期性處理中，至少一個(gè)處理參數(shù)可以隨時(shí)間改變。采用公知的光發(fā)射光譜測(cè)定技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度中的變化。監(jiān)測(cè)可以是對(duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域?？梢圆捎媒y(tǒng)計(jì)方法，諸如因素分析，或通過(guò)脫機(jī)分析，選擇等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。可以利用光譜求差來(lái)確定脫機(jī)分析。此外，可以對(duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行本底校正?？梢詫?duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。采用包絡(luò)跟隨器算法，從等離子體發(fā)射強(qiáng)度的復(fù)雜波形中提取幅度信息。包絡(luò)跟隨器算法可以采用多種峰值檢測(cè)算法，并且可以按照循環(huán)方式依次復(fù)位。而且，復(fù)位可以基于比所關(guān)注的最低頻率的半周期長(zhǎng)的時(shí)鐘周期。當(dāng)在根據(jù)監(jiān)測(cè)步驟的一定時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)時(shí)中斷交替處理。
本發(fā)明的另一個(gè)特征在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括以下步驟。在一個(gè)真空室之中對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理。采用公知的光發(fā)射光譜技術(shù)，監(jiān)測(cè)通過(guò)時(shí)分復(fù)用處理產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性，諸如發(fā)射強(qiáng)度或等離子體阻抗?？梢詫?duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用統(tǒng)計(jì)方法，諸如因素分析，或通過(guò)脫機(jī)分析，選擇等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。可以通過(guò)利用光譜求差來(lái)確定脫機(jī)分析。此外，可以對(duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行本底校正?？梢詫?duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。采用包絡(luò)跟隨器算法，處理通過(guò)時(shí)分復(fù)用處理產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性。包絡(luò)跟隨器算法可以采用多個(gè)峰值檢測(cè)算法，可以按照循環(huán)方式依次復(fù)位，并且可以進(jìn)行并行處理。而且，復(fù)位可以基于時(shí)分復(fù)用處理的至少一半處理周期的時(shí)鐘周期。此外，可以對(duì)提取的幅度檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括采用無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器或有限脈沖響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波的數(shù)字信號(hào)處理。當(dāng)在根據(jù)處理步驟的一定時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)時(shí)中斷時(shí)分復(fù)用處理。
本發(fā)明的再一個(gè)特征在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括以下步驟。在真空室之中對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理。在蝕刻步驟中，通過(guò)與反應(yīng)性蝕刻氣體接觸來(lái)各向異性蝕刻襯底表面，以從襯底表面去除材料并提供暴露的表面。然后，在鈍化步驟期間鈍化襯底表面，從而由鈍化層覆蓋在先前的蝕刻步驟中暴露出的表面，由此形成臨時(shí)性蝕刻停止層。蝕刻步驟和鈍化步驟交替重復(fù)該時(shí)分復(fù)用處理的長(zhǎng)度。采用公知的光發(fā)射光譜技術(shù)監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射的至少一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的強(qiáng)度，并通過(guò)利用包絡(luò)跟隨器算法進(jìn)行分析。當(dāng)在根據(jù)分析步驟的一定時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)時(shí)中斷時(shí)分復(fù)用處理。
本發(fā)明的另一個(gè)特征在于提供一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括以下步驟。在真空室之中對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理。采用公知的光發(fā)射光譜技術(shù)，監(jiān)測(cè)通過(guò)時(shí)分復(fù)用處理產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性，諸如發(fā)射強(qiáng)度或等離子體阻抗?？梢詫?duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用統(tǒng)計(jì)方法，諸如因素分析，或通過(guò)脫機(jī)分析，選擇等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域?？梢酝ㄟ^(guò)利用光譜求差來(lái)確定脫機(jī)分析。此外，可以對(duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行本底校正?？梢詫?duì)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。采用峰值保持和衰減算法，處理通過(guò)時(shí)分復(fù)用處理產(chǎn)生的周期性信號(hào)的屬性。峰值保持和衰減算法可以采用線性衰減算法或非線性衰減算法。此外，可以對(duì)提取的幅度檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，包括采用無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器或有限脈沖響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波的數(shù)字信號(hào)處理。當(dāng)在根據(jù)處理步驟的一定時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)時(shí)中斷時(shí)分復(fù)用處理。
前面敘述已經(jīng)非常寬泛地說(shuō)明了本發(fā)明的更加顯著和重要的特征，以便更好地理解以下的本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明，從而更加全面地了解對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)。此后將說(shuō)明本發(fā)明的附加特征，其構(gòu)成了本發(fā)明的權(quán)利要求的主題。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)清楚，公開的概念和具體實(shí)施例可以容易地用作為了實(shí)施本發(fā)明的相同目的而進(jìn)行修改或設(shè)計(jì)其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)清楚，這種等同不會(huì)脫離所附權(quán)利要求書中所提出的本發(fā)明的精神和范圍。


圖1是典型的光發(fā)射光譜檢測(cè)配置的示意圖；圖2是一種用于深度硅蝕刻的TDM處理的圖示例子；圖3是深度硅蝕刻處理的淀積和蝕刻等離子體發(fā)射光譜的強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的圖；圖4是典型深度硅蝕刻處理的重點(diǎn)在440nm峰值范圍的發(fā)射光譜的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖；圖5是用于TDM處理的改進(jìn)OES技術(shù)的框圖；圖6是深度硅蝕刻處理的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的圖；其重點(diǎn)在清除硅之前和已經(jīng)清除了硅之后來(lái)自于蝕刻B步驟的發(fā)射光譜；圖7是深度硅蝕刻處理以確定終點(diǎn)候選的差值(蝕刻后-蝕刻前)等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的圖；圖8是深度硅蝕刻處理的蝕刻部分的440nm區(qū)域范圍的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于波長(zhǎng)的圖；圖9是深度硅蝕刻處理的關(guān)注信號(hào)(440nm)和本底(445nm)的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖；圖10是深度硅蝕刻處理的關(guān)注信號(hào)(440nm)和本底(445nm)的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，并示出了440nm信號(hào)與445nm本底之比；
圖11是在蝕刻期間從440nm信號(hào)與445nm本底之比中所獲得的已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖；圖12是包絡(luò)跟隨器TDM終點(diǎn)算法的流程圖；圖13是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其在已經(jīng)應(yīng)用了有限響應(yīng)濾波之后采用圖11的數(shù)據(jù)用于深度硅蝕刻處理；圖14是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其采用包絡(luò)跟隨器算法以及峰值保持和復(fù)位應(yīng)用于圖13的濾波輸入數(shù)據(jù)，；圖15是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其采用包絡(luò)跟隨器算法以及多峰值保持和復(fù)位應(yīng)用于圖13的濾波輸出數(shù)據(jù)；圖16是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其采用包絡(luò)跟隨器算法以確定順序峰值保持電路的最大值；圖17是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其采用本發(fā)明的包絡(luò)跟隨器應(yīng)用于TDM蝕刻處理；圖18是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其采用在應(yīng)用FIR濾波之前和之后的包絡(luò)跟隨信號(hào)；圖19是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了初始已校正輸入數(shù)據(jù)以及已濾波包絡(luò)跟隨器終點(diǎn)軌跡；圖20是用于峰值保持和衰減TDM終點(diǎn)算法的流程圖；圖21是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了將線性和非線性衰減函數(shù)應(yīng)用于相同輸入數(shù)據(jù)的例子；圖22是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了峰值保持以及線性衰減的例子；圖23是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了峰值保持以及線性衰減應(yīng)用于濾波輸入數(shù)據(jù)；圖24是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了具有在應(yīng)用FIR濾波器之前和之后的衰減信號(hào)的峰值保持；圖25是已校正的等離子體發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)于時(shí)間的圖，其示出了初始已校正的發(fā)射輸入數(shù)據(jù)以及已濾波的峰值保持衰減終點(diǎn)軌跡。
在所有的幾個(gè)附圖之中，相同的參考符號(hào)表示相同的部件。
具體實(shí)施例方式
我們公開了一種不用同步觸發(fā)器而通過(guò)分析等離子體發(fā)射的至少一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的強(qiáng)度以時(shí)分復(fù)用(TDM)處理方式來(lái)檢測(cè)不同材料之間的轉(zhuǎn)變的方法。
由于TDM處理的周期性和重復(fù)性特性，通過(guò)設(shè)計(jì)，處理就具有與它相關(guān)的多個(gè)特性頻率。作為一個(gè)例子，考慮由依次重復(fù)多次的五秒蝕刻步驟和五秒淀積步驟組成的兩步驟TDM硅蝕刻處理(參見下面的表1)。由總循環(huán)時(shí)間(10秒)確定的一個(gè)特征頻率是0.1Hz。
表1

注意，淀積和蝕刻步驟在化學(xué)上不同，RF偏置功率和壓力產(chǎn)生顯著不同的發(fā)射光譜。
圖5的方框圖示出了對(duì)于TDM處理的改進(jìn)OES技術(shù)的總體圖。TDM處理的構(gòu)成是本領(lǐng)域中眾所周知的。對(duì)于處理終點(diǎn)檢測(cè)，確認(rèn)TDM處理的等離子體發(fā)射光譜(對(duì)于等離子體發(fā)射，典型在200-1100nm之間)的至少一個(gè)區(qū)域。在TDM蝕刻處理期間全程監(jiān)測(cè)光譜區(qū)域。來(lái)自TDM處理的原始發(fā)射信號(hào)實(shí)際是周期性的。
具有多種方法來(lái)檢測(cè)TDM處理中的材料轉(zhuǎn)變點(diǎn)，而不用使終點(diǎn)檢測(cè)算法與TDM處理同步。這些方法包括包絡(luò)跟隨器算法、峰值保持和衰減算法以及應(yīng)用信號(hào)處理濾波器。
包絡(luò)跟隨器技術(shù)可以用于從復(fù)雜波形中提取幅度信息。包絡(luò)跟隨器算法由依次按照循環(huán)(round-robin)方式復(fù)位的并行操作的兩個(gè)或多個(gè)峰值保持例程組成。
第二種技術(shù)由峰值保持算法與衰減算法組合構(gòu)成。峰值保持算法被應(yīng)用于輸入數(shù)據(jù)。將輸入數(shù)據(jù)值與峰值保持值進(jìn)行比較。如果輸入值小于保持的峰值，則允許峰值按照用戶定義的函數(shù)隨時(shí)間減小。衰減函數(shù)可以是線性的或非線性的任何一種。一旦輸入值大于衰減的保持值，峰值就會(huì)被更新為輸入值，并且重啟衰減算法。結(jié)果，每當(dāng)輸入的數(shù)據(jù)值超過(guò)保持值時(shí)，該算法自身就會(huì)復(fù)位，由此，就不需要使該算法與TDM處理同步。
本發(fā)明的替換實(shí)施例對(duì)在應(yīng)用終點(diǎn)檢測(cè)算法之前的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波。進(jìn)行濾波的例子包括(但不限于)有限脈沖響應(yīng)(FIR)和無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波。
類似地，一旦已經(jīng)通過(guò)終點(diǎn)檢測(cè)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行了處理，就能夠?yàn)V除掉得到的終點(diǎn)軌跡，從而改善最終信號(hào)的信噪比特性。此外，可以應(yīng)用FIR、IIR和其它濾波器。
注意，該方法不限于兩步驟循環(huán)處理。實(shí)際上，通常可以將處理的蝕刻部分進(jìn)一步劃分為多個(gè)子步驟。
重要的是還應(yīng)當(dāng)注意，每個(gè)重復(fù)循環(huán)之中的處理參數(shù)不需要逐個(gè)循環(huán)保持恒定。例如，在硅的TDM蝕刻期間，通常在整個(gè)處理期間會(huì)逐漸降低淀積步驟的效率以便維持輪廓控制(本領(lǐng)域中公知的處理形貌)。在形貌處理中，在一定數(shù)量的蝕刻步驟或淀積步驟之間進(jìn)行微小的參數(shù)改變，包括(但不限于)RF偏置功率、處理壓力、ICP功率等。這些改變還包括改變TDM循環(huán)內(nèi)處理步驟的持續(xù)時(shí)間。
確定在TDM處理中材料轉(zhuǎn)變點(diǎn)的第三種方法是采用FIR、IIR或類似的濾波器而不用峰值檢測(cè)算法來(lái)濾除數(shù)據(jù)。與Litvak等人在WO91/18283中的教導(dǎo)不同，為了有效，在整數(shù)的等離子體修正循環(huán)中不必應(yīng)用濾波器。
雖然采用基于SF6/C4F8的處理對(duì)于深度硅蝕刻示范說(shuō)明這些方法，但這些方法是與化學(xué)無(wú)關(guān)的，在利用TDM處理的情況下是有效的。這些方法還用于檢測(cè)采用重復(fù)TDM處理下的其它材料(諸如介質(zhì)材料和金屬)的材料轉(zhuǎn)變點(diǎn)。
蝕刻硅的例子采用TDM方法來(lái)蝕刻絕緣體上硅(SOI)晶片。以下的表2列舉了此方法。以下的例子將本發(fā)明應(yīng)用于3步驟TDM Si蝕刻處理。
表2

在市場(chǎng)上可得到的Unaxis Shuttlelock系列深度硅蝕刻(DSE)設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用市場(chǎng)上可得到的Unaxis Spectraworks發(fā)射光譜儀在1Hz頻率下收集發(fā)射光譜。
為了確定所關(guān)注的光譜區(qū)，蝕刻測(cè)試晶片，并且在清除硅層之前和在已經(jīng)清除硅層之后(處理終點(diǎn))分析淀積和蝕刻B的等離子體發(fā)射光譜。由于在處理的淀積相期間，希望幾乎沒有蝕刻，圖6重點(diǎn)關(guān)注了在清除了硅之前600和清除了硅之后605來(lái)自于蝕刻B步驟的發(fā)射光譜。注意，在接近450nm的蝕刻光譜中有輕微不同。為了確定終點(diǎn)候選，逐點(diǎn)構(gòu)成差值光譜。圖7示出了所得到的光譜。終點(diǎn)檢測(cè)的候選出現(xiàn)在440nm(700)和686nm(705)處。440nm峰值可指定給SiF發(fā)射(蝕刻產(chǎn)品隨著硅清除而降低)，而686nm峰值可指定給F發(fā)射(反應(yīng)物隨著硅清除而增加)。如前面的圖4中所示，440nm區(qū)域之中的值對(duì)時(shí)間的圖顯示出，隨著蝕刻進(jìn)行，振蕩信號(hào)的峰到峰數(shù)值僅輕微減少，并且難于確定處理終點(diǎn)。
根據(jù)440nm發(fā)射峰值構(gòu)建改進(jìn)的終點(diǎn)對(duì)策。圖8示出終點(diǎn)前800和終點(diǎn)后805蝕刻B發(fā)射光譜的放大圖，以便更加精確地檢驗(yàn)440nm峰值。為了降低相關(guān)噪聲，監(jiān)測(cè)兩個(gè)光譜區(qū)域，即窄440nm峰值810(SiF發(fā)射)和用于本底校正的以445nm為中心的較寬光譜區(qū)815。
圖9示出了在整個(gè)蝕刻時(shí)間的300到400秒范圍之內(nèi)的440nm和445nm下的發(fā)射強(qiáng)度的放大圖。注意，在較高強(qiáng)度淀積步驟期間，信號(hào)900(440nm)和本底905(445nm)區(qū)域彼此很好地跟隨(相等或平行)，但是接近蝕刻B步驟結(jié)束910處則偏離。構(gòu)成440nm信號(hào)(標(biāo)記R1)與445nm本底(標(biāo)記R3)之比就產(chǎn)生了圖10中所示的數(shù)據(jù)。注意，比率信號(hào)1000是周期性的和重復(fù)性的。
圖11示出了在整個(gè)蝕刻過(guò)程期間的本底校正信號(hào)(440nm SiF/445nm本底之比)。注意，在接近600秒處，標(biāo)記出了連續(xù)的峰值高度的下降1100。
圖12示出了包絡(luò)跟隨器TDM終點(diǎn)算法的流程圖。一旦獲得了數(shù)據(jù)，就在應(yīng)用包絡(luò)跟隨器之前對(duì)它進(jìn)行濾波。圖13示出了圖11的數(shù)據(jù)1300在應(yīng)用了有限響應(yīng)濾波(5點(diǎn)移動(dòng)平均)之后的情況1305。
圖14和15示出了本發(fā)明的包絡(luò)跟隨器算法的第一步驟。圖14是峰值保持算法1400及復(fù)位1410應(yīng)用于圖13的濾波輸入數(shù)據(jù)1405的圖。而圖15是采用多峰值保持(1500和1505)及順序復(fù)位的包絡(luò)跟隨器算法應(yīng)用于圖13的濾波輸入數(shù)據(jù)1510的圖。對(duì)于圖14和15，以1Hz獲取數(shù)據(jù)。
包絡(luò)跟隨器算法的下一步驟確定順序峰值保持電路1601的最大值(參見圖16)。圖17示出了該處理的最終包絡(luò)跟隨器1700。注意，接近550秒時(shí)幅值下降1705。
一旦已經(jīng)計(jì)算了包絡(luò)跟隨器，就可以應(yīng)用附加的濾波以便進(jìn)一步增加信號(hào)噪聲比。圖18示出了在應(yīng)用FIR濾波(45秒移動(dòng)平均)之前1800和之后1805的包絡(luò)跟隨信號(hào)。
總之，圖19示出了初始已校正發(fā)射輸入數(shù)據(jù)以及已濾波包絡(luò)跟隨器終點(diǎn)軌跡1905。
隨后可以采用眾所周知的技術(shù)(諸如閾值交叉檢測(cè)或?qū)?shù)處理)對(duì)已濾波包絡(luò)跟隨器軌跡進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便確定“終點(diǎn)”產(chǎn)生的時(shí)間。
圖20示出了峰值保持和衰減TDM終點(diǎn)算法的流程圖。一旦獲得數(shù)據(jù)并濾波(再次參見圖13，以1Hz獲得，和用5點(diǎn)移動(dòng)平均濾波)，就應(yīng)用峰值保持和衰減算法。
圖21示出了線性2100和非線性2105衰減函數(shù)應(yīng)用于相同的輸入數(shù)據(jù)2110的例子。
圖22示出了具有55秒的線性衰減的峰值保持2200的例子(例如，在55取樣間隔下當(dāng)前峰值數(shù)值就會(huì)衰減至0數(shù)值)。以1Hz獲得數(shù)據(jù)。
圖23示出了應(yīng)用于濾波輸入數(shù)據(jù)2305的峰值保持以及線性衰減2300。為了進(jìn)一步改進(jìn)終點(diǎn)軌跡的信號(hào)噪聲比特性，在峰值保持衰減算法之后應(yīng)用FIR濾波。
圖24示出了在應(yīng)用FIR濾波(30秒去除平均)之前2400和之后2405的峰值保持及衰減信號(hào)。
總之，圖25示出了初始已校正的發(fā)射輸入數(shù)據(jù)2500以及已濾波的峰值保持衰減終點(diǎn)軌跡2505。
隨后可以采用眾所周知的技術(shù)(諸如閾值交叉檢測(cè)或?qū)?shù)處理)對(duì)已濾波的峰值保持衰減軌跡進(jìn)行進(jìn)一步處理，以便確定“終點(diǎn)”產(chǎn)生的時(shí)間。
本發(fā)明公開包括在所附權(quán)利要求書中包含的內(nèi)容以及前面說(shuō)明書的內(nèi)容。雖然按照優(yōu)選方式在某些具體方面描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，僅僅通過(guò)利用實(shí)例來(lái)進(jìn)行優(yōu)選方式的本公開，并且在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)上及部件的組合和布置上進(jìn)行多種變化。
現(xiàn)在，就已經(jīng)描述了本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在襯底中蝕刻特征的方法，包括以下步驟在等離子體室中對(duì)襯底進(jìn)行交替處理；監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度中的變化；采用包絡(luò)跟隨器算法，從所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度中提取幅度信息；以及在根據(jù)所述監(jiān)測(cè)步驟的一定時(shí)間中斷所述交替處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中要蝕刻的襯底包括硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中要蝕刻的襯底包括III族元素。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中要蝕刻的襯底包括V族元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述交替處理進(jìn)一步包括至少一個(gè)蝕刻步驟和至少一個(gè)淀積步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述交替處理進(jìn)一步包括多個(gè)蝕刻步驟和多個(gè)淀積步驟。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，在所述交替處理期間，至少一個(gè)處理參數(shù)隨時(shí)間改變。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度是周期性的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中采用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)選擇出所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步包括因素分析。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中采用脫機(jī)分析來(lái)選擇出所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述脫機(jī)分析進(jìn)一步包括光譜求差。
14.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中對(duì)所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行本底校正。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟還包括對(duì)所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述提取步驟進(jìn)一步包括采用多個(gè)峰值檢測(cè)算法。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中按照循環(huán)方式順序復(fù)位所述多個(gè)峰值檢測(cè)算法。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中所述復(fù)位還包括大于最低所關(guān)注頻率的半周期的時(shí)鐘周期。
19.一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，包括以下步驟對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理；監(jiān)測(cè)從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的信號(hào)的屬性；采用包絡(luò)跟隨器，處理從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的周期性信號(hào)的所述屬性；以及在根據(jù)所述處理步驟的一定時(shí)間中斷時(shí)分復(fù)用處理。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述屬性是等離子體發(fā)射強(qiáng)度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟進(jìn)一步包括監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中采用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)選擇所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述采用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步包括因素分析。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中采用脫機(jī)分析來(lái)選擇所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述采用脫機(jī)分析進(jìn)一步包括光譜求差。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中對(duì)所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行本底校正。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述監(jiān)測(cè)步驟進(jìn)一步包括對(duì)所述等離子體發(fā)射強(qiáng)度的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。
28.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述屬性是等離子體阻抗。
29.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述處理步驟進(jìn)一步包括采用多個(gè)峰值檢測(cè)算法。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中并行處理所述多個(gè)峰值檢測(cè)算法。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中按照循環(huán)方式順序復(fù)位所述多個(gè)峰值檢測(cè)算法。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述復(fù)位還包括時(shí)分復(fù)用處理的至少一半處理周期的時(shí)鐘周期。
33.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述處理步驟進(jìn)一步包括對(duì)提取的幅度檢測(cè)信號(hào)的后處理。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述后處理是數(shù)字信號(hào)處理。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中所述數(shù)字信號(hào)處理包括濾波。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述濾波是無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述濾波是有限脈沖響應(yīng)濾波。
38.一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，該方法包括以下步驟a.在蝕刻步驟中，通過(guò)與反應(yīng)性蝕刻氣體接觸來(lái)蝕刻襯底表面，以從所述襯底表面去除材料并提供暴露的表面；b.在鈍化步驟中鈍化所述襯底表面，由鈍化層覆蓋在先前的蝕刻步驟中暴露出的表面，由此形成臨時(shí)性蝕刻停止層；c.交替重復(fù)所述蝕刻步驟和鈍化步驟；d.通過(guò)利用包絡(luò)跟隨器算法分析等離子體發(fā)射的至少一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的強(qiáng)度；以及e.在根據(jù)所述分析步驟的一定時(shí)間中斷時(shí)分復(fù)用處理。
39.一種在時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法，包括以下步驟對(duì)襯底進(jìn)行時(shí)分復(fù)用處理；監(jiān)測(cè)從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的信號(hào)的屬性；采用峰值保持和衰減算法，處理從時(shí)分復(fù)用處理中產(chǎn)生的周期性信號(hào)的所述屬性；在根據(jù)所述處理步驟的一定時(shí)間中斷時(shí)分復(fù)用處理。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述屬性是等離子體發(fā)射強(qiáng)度。
41.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述處理步驟進(jìn)一步包括采用線性衰減算法。
42.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述處理步驟進(jìn)一步包括采用非線性衰減算法。
43.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述處理步驟進(jìn)一步包括對(duì)提取的幅度檢測(cè)信號(hào)的后處理。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中所述后處理是數(shù)字信號(hào)處理。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的方法，其中所述數(shù)字信號(hào)處理包括濾波。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述濾波是無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波。
47.根據(jù)權(quán)利要求45的方法，其中所述濾波是有限脈沖響應(yīng)濾波。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于在交替循環(huán)蝕刻處理或時(shí)分復(fù)用處理期間確立終點(diǎn)的方法和設(shè)備。把襯底放置在一個(gè)等離子體室中并進(jìn)行具有一個(gè)蝕刻步驟和一個(gè)淀積步驟的交替循環(huán)處理。利用公知的光發(fā)射光譜測(cè)定技術(shù)，監(jiān)測(cè)等離子體發(fā)射強(qiáng)度的變化。利用包絡(luò)跟隨器算法，從等離子體發(fā)射強(qiáng)度的復(fù)雜波形之中提取幅度信息。當(dāng)在根據(jù)監(jiān)測(cè)步驟的一定時(shí)間到達(dá)終點(diǎn)時(shí)中斷交替循環(huán)處理。
文檔編號(hào)G01L21/30GK1784778SQ200480012570
公開日2006年6月7日 申請(qǐng)日期2004年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者魯塞爾·韋斯特曼, 大衛(wèi)·約翰遜 申請(qǐng)人:優(yōu)利訊美國(guó)有限公司