使用光學(xué)傳感器的脈沖等離子體監(jiān)測的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本描述設(shè)及半導(dǎo)體晶片處理領(lǐng)域，且具體地，設(shè)及測量等離子體響應(yīng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)中，在腔室內(nèi)使用等離子體工藝W在晶片上形成不同層及器 件。隨后切割晶片W形成單獨的半導(dǎo)體忍片。使用單一或混合氣體及高功率RF(射頻)能量 來產(chǎn)生等離子體。
[0003] 盡管在過去數(shù)十年期間利用Wcw模式遞送的RF功率的等離子體蝕刻工藝已普遍 用于半導(dǎo)體制造中。但目前在蝕刻工藝腔室中更經(jīng)常使用脈沖等離子體(pulsed plasma)， W便減少由等離子體所引起的對晶片的損害W及更好地控制蝕刻輪廓。脈沖等離子體亦能 夠被更精確地控制，從而允許更精確地控制蝕刻的量。隨著技術(shù)節(jié)點持續(xù)收縮，運些因素變 得更加重要。
[0004] 為了更精確地控制等離子體，通過經(jīng)由等離子體腔室上的窗口來觀察等離子體的 光學(xué)發(fā)射來監(jiān)測等離子體。傳統(tǒng)的光學(xué)發(fā)射光譜(Optical血iSSion Spectroscopy;0ES) 利用從lOOHz到IOs范圍的采樣頻率來測量來自等離子體的平均光學(xué)發(fā)射。將來自樣本的此 信息聚集在一起，并且可在曲線圖上顯示此信息。在一些時間量(諸如0.1秒)上由光子檢測 器所累積的很多樣本通過在時間上對噪聲求平均來提供較高的信噪比。當(dāng)氣體處于激發(fā)態(tài) 時，傳統(tǒng)的OES信號與某些種類的等離子體氣體的密度相關(guān)聯(lián)。因此，傳統(tǒng)的OES已普遍用于 等離子體蝕刻工藝期間來監(jiān)測工藝條件及工藝進展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 描述了使用光學(xué)傳感器對脈沖等離子體的監(jiān)測。在一個示例中，本發(fā)明包括:接收 由半導(dǎo)體等離子體處理腔室中的脈沖等離子體所發(fā)射的光；W比脈沖等離子體的脈沖速率 高得多的采樣率對所接收的光進行采樣，其中所采樣的光具有周期性的振幅波形并且采樣 率比振幅波形的周期高得多；累積多個經(jīng)采樣的波形W形成平均波形；W及將平均波形的 特性傳輸至腔室控制工具。
【附圖說明】
[0006] 在附圖的各圖中W示例而非限制的方式來圖示本發(fā)明的實施例。
[0007] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有等離子體監(jiān)測傳感器模塊的晶片處理腔室的示 圖。
[000引圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有光學(xué)固定裝置的工藝腔室的光學(xué)等離子體監(jiān)測 傳感器部分的框圖。
[0009] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的可由等離子體發(fā)射的光學(xué)波形的示例。
[0010] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實施例的使用光學(xué)傳感器監(jiān)測等離子體的工藝流程圖。
[0011] 圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的分析來自光學(xué)傳感器的等離子體脈沖波形的工藝流 程圖。
【具體實施方式】
[0012] 可W較高的頻率監(jiān)測等離子體對RF等離子體電源所生成的脈沖信號的響應(yīng)，W獲 得關(guān)于等離子體的更多信息。此信息可被用于確保工藝穩(wěn)定性和增強腔室至腔室匹配W及 其他目的。可通過使用具有高達(dá)數(shù)百K化或MHz的采樣頻率的高速光學(xué)傳感器來監(jiān)測每個脈 沖循環(huán)期間的等離子體發(fā)射。由高速光學(xué)傳感器所生成的波形提供關(guān)于等離子體的動態(tài)響 應(yīng)的有用信息，諸如脈動頻率、占空比W及在RF功率的上升與下降期間的瞬態(tài)行為。對運些 波形的分析可被用于在一系列等離子體反應(yīng)器中監(jiān)測等離子體條件，控制工藝終點，執(zhí)行 校準(zhǔn)W及執(zhí)行腔室匹配。
[0013] 本文中描述用于通過使用快速光學(xué)檢測器來解決脈沖等離子體在時間域內(nèi)的光 學(xué)響應(yīng)的方法?？焖俟鈱W(xué)檢測器生成大量數(shù)據(jù)，W使通過W下方式使得此數(shù)據(jù)對半導(dǎo)體制 造設(shè)備有用:在數(shù)據(jù)被接收到時首先分析該數(shù)據(jù)，檢測故障，并且隨后僅將數(shù)據(jù)摘要W及任 何故障警報傳輸至制造腔室控制系統(tǒng)。
[0014] 在一些實施例中，使用等離子體光學(xué)發(fā)射信號來監(jiān)測脈沖等離子體。傳感器模塊 W高速收集監(jiān)測數(shù)據(jù)并檢測任何故障。傳感器模塊可即時(on the fly)應(yīng)用平均中屯、化 和/或歸一化來減少由熱漂移和傳感器至傳感器變化所引起的脈沖變化。將故障檢測代碼 (Fault detection code;FDC)發(fā)送至控制系統(tǒng)或分析工具。另外，將所監(jiān)測的脈沖的參數(shù) 發(fā)送至該工具。運些參數(shù)可包括在報告周期上的平均波形、從光學(xué)信號提取的脈動頻率和 占空比值。
[0015] W比對脈沖進行采樣低得多的速率發(fā)送運些參數(shù)。較低的傳輸速率適應(yīng)收集、處 理和存儲其他腔室數(shù)據(jù)的速率。在一些實施例中，除脈沖等離子體監(jiān)測之外，傳感器模塊還 可提供等離子體接通的大體驗證。
[0016] 圖1是等離子體處理腔室、監(jiān)測和控制系統(tǒng)的概覽圖。等離子體腔室110具有在載 體114上的晶片112(諸如娃基板)或某個其他工件。該腔室具有入口 116及出口 118W控制腔 室內(nèi)的氣體環(huán)境。使用RF電源120來激勵等離子體122。經(jīng)激勵的等離子體發(fā)射光學(xué)信號 126,該光學(xué)信號126的一部分傳輸通過腔室中的窗口 124。隨后通過光學(xué)載體（諸如光纖 128)將此光載運至傳感器模塊130。
[0017] 傳感器模塊經(jīng)由光學(xué)通道128接收光學(xué)信號并分析該光學(xué)信號。隨后通過數(shù)據(jù)連 接140將對光學(xué)信號的分析發(fā)送至腔室控制工具145?？刂乒ぞ呋跀?shù)據(jù)確定處理參數(shù)，基 于任何接收的FDC確定動作，并存儲記錄。取決于特定實現(xiàn)，可將控制工具禪接至許多不同 的處理腔室傳感器模塊。通過數(shù)據(jù)連接150將控制工具禪接至腔室控制器155。腔室控制器 通過一個或更多個控制接口 160實施對腔室的任何處理腔室調(diào)節(jié)。經(jīng)由此環(huán)，可在控制工具 中分析通過光學(xué)傳感器所監(jiān)測的條件并且通過工具控制器補償或調(diào)節(jié)運些條件。如果必要 的話，將由系統(tǒng)觀察任何所得的變化，并可作出適當(dāng)調(diào)節(jié)。
[0018] 圖2是傳感器模塊的框圖。傳感器模塊130通過禪接至腔室的窗口的光學(xué)連接器 128來接收光學(xué)信號。通過光檢測器132將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換至電壓。電壓被禪接至數(shù)字化器(諸 如采樣保持電路或模數(shù)轉(zhuǎn)換器134) W產(chǎn)生所接收的光學(xué)波形的數(shù)字表示。數(shù)字化器被禪接 至信號分析器136W檢測故障及對波形參數(shù)求平均。隨后通過通信接口 138將此信息轉(zhuǎn)換成 適于由控制工具145處理的形式。在一個示例中，對該數(shù)據(jù)進行分組，并在數(shù)據(jù)分組網(wǎng)絡(luò)接 口（諸如W太網(wǎng)或化herCAT)上將該數(shù)據(jù)傳輸至控制工具。
[0019] 傳感器模塊接收由等離子體所發(fā)射的光。該光可處于200nm至1200nm或W上的范 圍內(nèi)。光檢測器可具有光學(xué)帶通濾波器，W根據(jù)需要限制波長的范圍。特定波長可被適配成 配合(suit)特定等離子體。數(shù)字化器W比RF等離子體電源的頻率顯著更高的速率對經(jīng)轉(zhuǎn)換 的光學(xué)信號進行采樣。在當(dāng)前等離子體處理腔室中，可WO.0至IOkHz的速率使等離子體脈 動。傳感器模塊數(shù)字化器可W-速率采樣光學(xué)信號，該速率高得多，例如高出100倍或高達(dá) 某個數(shù)量的MHz。為此，光檢測器被選擇成具有針對MHz采樣率的快的響應(yīng)時間。類似地，數(shù) 字化器具有足夠快的采樣電路并將樣本流饋送至信號分析器。
[0020] 信號分析器136接收樣本，將它們暫時地存儲在緩沖器中，并累積運些樣本。信號 分析器組合在一個報告周期上所收集的信號的數(shù)據(jù)，并W低得多的報告速率將所組合的數(shù) 據(jù)集發(fā)送至控制工具。在一些實施例中，WlO化或W下的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。約10次/秒的速率 足W允許控制工具對處理腔室中的變化作出響應(yīng)。
[0021] 信號分析器收集樣本并分析樣本W(wǎng)確定波形的周期。隨后針對每個連續(xù)的波形對 樣本求平均W累積復(fù)合(composite)波形。如果W比使等離子體脈動的速率慢大約1000倍 的速率制作報告，則可累積或組合大約1000個波形W形成單個復(fù)合波形，W發(fā)送至控制工 具。雖然可組合1000個波形，但只組合100個或更少個可能是足夠的。運允許充裕的時間來 對復(fù)合波形執(zhí)行統(tǒng)計分析，執(zhí)行故障檢測，釋放(flush)樣本緩沖器，W及組裝數(shù)據(jù)分組，W 通過通信接口 138來發(fā)送至控制工具。
[0022] 可W各種不同的方式累積樣本?？苫诓ㄐ蔚闹芷谑惯\些樣本關(guān)聯(lián)并且隨后可對 波形上的相應(yīng)點處的所有樣本求平均W形成平均的波形形狀。可通過插值將樣本制圖為連 續(xù)的波形并且隨后可對經(jīng)插值的波形求平均。插值方法可被用于補償采樣率或等離子體脈 沖頻率中的漂移。取決于特定實現(xiàn)，可替代地使用各種其他技術(shù)。已使用運些或任何其他求 平均或其他統(tǒng)計方法建立平均波形后，信號分析器可確定該平均波形的參數(shù)。運可作為形 成平均波形的一部分完成或在已確定平均波形之后完成。參數(shù)可包括振幅、最大值、最小 值、周期、斜率(諸如上升斜率與下降斜率)等。運些參數(shù)可為平均波形的參數(shù)或經(jīng)采樣的波 形中的每一個的參數(shù)的平均值。
[0023] 對于FDC，信號分析器可生成故障數(shù)據(jù)分組，該故障數(shù)