利用近红外线光谱反射的先进处理感测与控制的制作方法

专利名称：利用近红外线光谱反射的先进处理感测与控制的制作方法
技术领域：
本发明实施方式大致与在衬底上制造电子装置的处理相关，更明确地，是关于监 控电子装置制造过程中的处理参数。
背景技术：
更快速、功能更强大的集成电路(IC)的需求对IC制造技术而言是一项新的挑战， 包括在衬底(如，半导体晶片)上必须蚀刻出高深宽比的特征结构(例如，沟槽及通孔)。 举例而言，用于某些动态随机存取内存应用中的深沟槽储存结构需要在半导体衬底中蚀刻 出较深的深宽比沟槽。深的硅沟槽蚀刻通常是在反应性离子蚀刻(reactive ion etching, RIE)处理中使用氧化硅掩膜进行。在半导体晶片中蚀刻高深宽比特征结构，并呈现稳健性能的传统系统为 APPLIEDCENTURAHART 蚀刻系统和解耦等离子体源(DecoupledPlasma Source,DPS )系 统，其可由位于SantaClara，California的AppliedMaterials公司获得。HART 蚀刻系统 利用能够蚀刻沟槽深宽比高至70 1的MERIE反应器，同时维持5百分比的沟槽深度的均 勻性(由中心至边缘)。然而，为了能够制造低于90nm的关键尺寸的集成电路，电路设计者 已经提出改善更高深宽比沟槽的均勻性的需求。因此，改善蚀刻性能有助于实现下一代装 置。为了应对这些挑战，必须在处理中改善监控晶片上的处理参数，例如晶片的温度 及特征结构的深度或尺寸。通常，传统的测量技术及装置包括设在晶片附近的热电偶或探 针，例如高温计(pyrometers)或可监测衬底温度的其它探针。其它传统技术包括散射测 量学、光发射光谱学、激光干涉测量法及其类似技术，或者传统对时间域及/或频率域的测 量，用以促进蚀刻处理终点。在某些例子中，这些传统的处理可以提供有用的结果，但是当 沟槽深度、深宽比、以及关键尺寸增加时，可能使传统的测量技术无法用于下一代处理。因此，为了提供精确与实时的处理参数的测量，必须要改进装置及方法。

发明内容
在此所述的实施例提供一种在使用等离子体制造衬底的处理中获得处理信息的 方法及装置。在实施例中，揭示一种处理腔室。该处理腔室包括具有处理空间的腔室主体组件； 喷头组件，与该腔室主体的顶盖耦接，且具有可传递光学测量信号的区域；光学监控组件， 配置在该腔室主体的径向位置处，用以观察该处理空间；以及光谱感测系统，配置在垂直于 该喷头平面的角度上，经由该喷头组件的该可传递区，以观察该腔室主体的该处理空间。在另一实施例中，揭示光纤缆束，耦接于辐射源以及光谱仪。此光纤缆包括有第一 部，包括至少一个源光纤；第二部，包括复数个第一源光纤以及与该辐射源通讯的复数个第 一信号光纤，其中该复数个第一源光纤的一部分相对于该复数个第一信号光纤间隔一段距 离；以及第三部，其包括复数个第二源光纤、复数个第二信号光纤、以及复数个被动光纤。
在另一实施例中，揭示处理衬底的方法。此方法包括蚀刻衬底，该衬底位在蚀刻腔 室内的衬底支撑件上，该衬底在有等离子体存在时经由图案化掩膜层而被蚀刻；引入光能 量至该等离子体中，并引导朝向该衬底；收集来自等离子体的第一信号以及第二信号；经 由光纤束发送该第一信号至一检测器，以及响应该收集的信号而控制该蚀刻处理。在另一实施例中，揭示光纤缆束，其耦接至辐射源以及至少一个光谱仪。此光纤缆 束包括复数个光纤捆成一束，该束包括第一部，其包括至少一个源光纤，且该源光纤具有与 该辐射源耦接的第一端以及用以引导该光源的光进入处理腔室的第二端；第二部，其包括 复数个第一回传光纤，其具有可与该至少一个光谱仪通讯的第一端以及用以接收源自该处 理腔室的光学信号的第二端；以及包括有复数个被动光纤的第三部，其中该第二部以及该 第三部是配置在共同半径(common radius)上，且每一源光纤沿着该共同半径以至少一个 回传光纤、至少一个被动光纤、或该回传光纤与该被动光纤两者而彼此分隔。
在另一实施例中，揭示处理衬底的方法。此方法包括蚀刻衬底，该衬底位在蚀刻腔 室内的衬底支撑件上，当有等离子体存在时可经由图案化掩膜层而蚀刻该衬底；引入光能 量至该等离子体中，并引导其朝向该衬底；收集来自该等离子体的第一信号以及第二信号； 经由光纤束发送该第一信号至检测器，其中该光纤缆束包括第一部，其包括至少一个源光 纤，且该源光纤具有连接于辐射源的第一端以及用以引导该光源的光进入处理腔室的第二 端；第二部，包括复数个第一回传光纤，其具有与该至少一个光谱仪通讯的第一端以及用以 接收源自该处理腔室的光学信号的第二端；以及包括有复数个被动光纤的第三部，其中该 第二部以及该第三部配置在共同半径上，且每一源光纤在沿着该共同半径以至少一个回传 光纤、至少一个被动光纤、或该回传光纤及被动光纤两者而彼此分隔，以及响应该收集的信 号而控制该蚀刻处理。在另一实施例中，提供计算机可读媒体以控制蚀刻处理。在实施例中，计算机可读 媒体包含多数指令，当该些指令被处理系统执行时，可控制在该处理系统中进行的蚀刻处 理；该蚀刻处理包括蚀刻衬底，该衬底位在处理系统的衬底支撑件上，当有等离子体存在时 经由图案化掩膜层而蚀刻该衬底；经由该等离子体，将光能量导向该衬底；收集来自该等 离子体的第一信号以及第二信号；经由光纤束，引导该第一信号至检测器；以及响应该收 集的信号而控制该蚀刻处理。该光纤缆束包括第一部，其包括至少一个源光纤，且该源光纤 具有与辐射源耦接的第一端以及用来引导该光源的光进入处理腔室的第二端；第二部，包 括复数个第一回传光纤，其具有与该至少一个光谱仪通讯的第一端以及用以接收源自该处 理腔室的光学信号的第二端；以及包括有复数个被动光纤的第三部，其中该第二部以及该 第三部是位在共同半径上，且每一源光纤在沿着该共半径以至少一个回传光纤、至少一个 被动光纤、或该回传光纤及该被动光纤两者而彼此分隔。


图1为处理腔室的一个实施例的剖面视图。图2为图1的喷头组件的一个实施例的剖面视图。图3为光谱感测系统的一个实施例的示意图。图4A为光纤缆束的一个实施例的等角剖面视图。图4B图为光纤缆束的另一实施例的剖面视图。
图5图为光学传送组件的一个实施例的剖面示意图。
图6A及6B图示出衬底在蚀刻处理中的剖面示意图。图7为衬底在蚀刻处理中的另一实施例的剖面示意图。图8示出在微机电系统蚀刻处理中所收集的资料的图形。图9示出在蚀刻处理中所收集的等离子体放射资料的图形。图10示出硅吸收边缘的点为衬底温度的函数的图形。图11示出光学传送组件中不同组件的反射的示意图。图12示出等离子体过滤方法的一个实施例的示意图。图13示出原始的吸收光谱资料与过滤的吸收光谱资料的比较。图14示出终点检测方法的一个实施例的流程图。为了帮助了解，本文中尽可能使用相同的标号来标示各图示中共同的相同组件。 应理解一个实施例中的组件可以有益地使用在其它的实施例中，而无需进一步的记载。
具体实施例方式在此叙述的实施例是示范性地叙述在蚀刻腔室内进行的蚀刻处理，应理解在此 叙述的各方面可以使用在其它的腔室及处理中。示例包括有沉积腔室，例如外延沉积腔 室、化学气相沉积(CVD)腔室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室、物理气相沉 积(PVD)腔室及其类似的腔室。其它的处理包括等离子体处理以及快速热处理(rapid thermalprocessing,RTP)腔室、其它处理中的利用高温及/或需要实时监控处理参数的处 理。图1为示范性处理腔室100改造为等离子体腔室的实施例的剖面图。在一个实施 例中，处理腔室100适合于蚀刻衬底144中高深宽比的特征结构。处理腔室100包括腔室主 体102以及盖子104，其构成处理空间106。腔室主体102通常是由铝、不锈钢或其它适当 的材料所制造。腔室主体102大致包括侧壁108以及底部110。衬底存取端口(未示出) 一般设置在侧壁108上，并以狭缝阀选择性地加以密封，以帮助由处理空间106中的衬底支 撑组件148传出及传入衬底144。排放口 126设置在腔室主体102中并将处理空间106连 接到泵系统。泵系统大致包括一或多个泵及节流阀，用以排空及调节处理腔室100的处理 空间106中的压力。在一个实施例中，泵系统维持处理空间106的压力在约IOmTorr至约 20Torr的通常操作压力之间。衬垫112连接于侧壁108的内表面以保护处理腔室100的内 部。衬垫112也可以配置在衬底支撑组件148的一部分上。衬底支撑组件148配置于处理腔室100的处理空间106的喷头组件130下方，且 在处理中保持衬底144。衬底支撑组件148的接收衬底表面的平面是大致上平行于喷头组 件130的平面。在传统的方法中，衬底支撑组件148大致包括有复数个举升销(未示出)， 其配置成可从支撑组件148举起衬底，并有助于以机械手臂(未示出)交换衬底144。控制器150连接于处理腔室100。控制器150包括中央处理单元(CPU)、复数个输 入/输出(I/O)装置、支持电路(例如电源供应器、时钟电路、总线控制器、高速缓冲存储器 等)、只读存储器(ROM)以及随机存取内存(RAM)。蚀刻处理的指令(如下所述)可以储存 在控制器150内的计算机可读取的媒体上，并以控制器150来执行。在一个实施例中，衬底支撑组件148包括装配平台162、基底164和静电卡盘166。装配平台162连接于腔室主体102的底部110，包括多个用来导引诸如流体、电力线及感测 引线等其它设施至基底164及卡盘166的通道。至少一个基底164或卡盘166可包括有至 少一个非必要的嵌埋加热器176以及复数个槽，以控制支撑组件148的水平温度分布。在 此实施例中，如第1图所示，设置两槽168、170于基底164中，而电阻式加热器176配置在 卡盘166内。槽168、170及加热器176用以控制基底164的温度，由此加热及/或冷却静 电卡盘166，并因此至少能部分地控制配置在静电卡盘166上的衬底144的温度。盖子104密封地支撑在腔室主体102的侧壁108上，且可以打开而得以进入处理 腔室100的处理空间106中。盖子104包括窗口 142，其有助于以光学方式进行处理监控。 在一个实施例中，窗口 142是由蓝宝石、石英或其它可传递光学监控系统140所使用的光学 信号的适当的材料所构成。处理腔室100包括至少一个光学测量模块，例如光学监控系统140及/或光学监 控组件128。光学监控系统140及光学监控组件128两者设置在可观察或接近腔室主体102 的处理空间106及衬底144两者或至少其一的位置上。在一个应用中，光学监控系统140 所分析的光学信号能够提供补偿进入的图案不一致性的处理调整所需的信息(例如关键 尺寸(⑶)、膜厚、 结构的宽度/维度等)、提供处理状态的监控(例如等离子体的监控、温度 监控、CD等)及/或其它功能中的终点检测。光学监控组件128亦包括窗口 127，而窗口 127大致上径向地配置在相对于衬底支 撑组件148的腔室主体102上，且可作为光学放射光谱(opticalemission spectrum,0ES) 监控器的功能。此光学监控组件128可设定成能监控等离子体状态、腔室匹配的程度、腔室 故障的来源以及处理腔室100内其它光学特性。在此叙述的实施例可采用的光学监控工具 为EyeD 全光谱干涉测量仪模块，可从SantaClara，California的AppliedMaterials公 司购得。因此，光学监控系统140及光学监控组件128两者或其一能提供关于图案的不一 致、处理状态的监控、及/或终点检测的信息，而上述信息是可以由相对于衬底144平面的 垂直及侧向配置的有利位置而被监控。喷头组件130连接于盖子104的内部表面。喷头组件130包括多数个孔135，该 些孔135是以跨过腔室100内的待处理衬底144表面的预定的方式分布，使气体由入口端 口 132经喷头组件130进入处理腔室100的处理空间106。喷头组件130另外包括有可传 递光学测量信号的区域。喷头组件130中的光学上可传递区域或通道138是适合让光学监 控系统140观察处理空间106及/或位于衬底支撑组件148上的衬底144。通道138可以 是形成或配置在喷头组件130上的材料、孔、或多数个孔，其本质上是可传递光学测量系统 140所产生的、以及反射回光学测量系统的能量波长。通道138配置在大致上垂直衬底144 平面的位置。在一个实施例中，通道138包括平板143，以保护窗口 142免于处理空间106 内的严峻环境。平板143可为蓝宝石材料、石英材料、以及例如氧化钇(Y2O3)的光学陶瓷或 其它适当的材料。或者也可将平板143配置在介于窗口 142以及处理空间106之间的盖子 104 中。在一个实施例中，喷头组件130被设置成含有复数个区域，用以分别控制流进处 理腔室100的处理空间106中的气体。在图1的实施例中，喷头组件130具有分别连接 于气体面板的内部区以及外部区，而气体面板连接于处理腔室100并经由个别的入口端口 132’、132”提供处理及/或清洗气体至处理空间106。气体面板连接于气体源(未示出)以供应处理气体或载气进入入口端口。处理气体的例子包括有SiCl4、HBr、NF3、02以及SiF4 等等。载气的例子包括N2、He、Ar、对于处理是惰性的其它气体和非反应性气体。 在一个实施例中，光学监控系统140能够测量处理中(在等离子体处理过程中) 及/或处理外(在等离子体处理之前或之后)的⑶、膜厚、以及等离子体特性。光学监控系 统140可以使用一或多个非破坏性光学测量技术，例如光谱学、干涉测量学、散射测量学、 反射测量学及其它相似技术。举例而言，可装设光学监控系统140以进行干涉测量监控技 术(例如，在时间域(time domain)中计算干涉条纹、在频率域中测量条纹的位置等)，以 实时测量衬底144上形成的结构的蚀刻深度轮廓。对特定应用的如何使用光学监控的细节 已经大致揭露在美国专利申请号No. 10/674，568(2003年9月29日申请，美国专利公开号 No. 2004/0203177, 2004 年 10 月 14 日公开)以及美国专利号 No. 6，413，837 (2002 年 7 月 2 日颁布)，上述两者在此并为参考资料。图2为喷头组件130的一个实施例的剖面图。喷头组件130大致包括盖板202、上 气室平板204与下气室平板206以及气体分配板210。上气室板与下气室平板204、206是 以空间隔开的关系而彼此耦接在一起，且配置在形成于盖板202的凹处270中，并以此限定 喷头组件130的上部结构。限定在平板204、206之间的内部区134被阻障物236流动式地 分开成至少两个区域。在图2所示的实施例中，阻障物236将内气室218与外气室220隔 开。通道138通过喷头组件130而形成以帮助光学监控系统140监控腔室处理及/或 衬底特性，且包括光学传送组件205。通道138大致位于喷头组件130的几何中心，且是以 形成在盖板202、上气室平板204以及下气室平板206中的同轴对准孔来限定。一般而言， 通道138以大致上垂直于盖板202、上气室平板204、下气室平板206以及衬底144(未示 出)的组合或其中之一的平面的角度而形成。在一个实施例中，盖板202以及平板204、206中的每一同轴对准孔适合接收透镜 组件211以及插塞254，而透镜组件211以及插塞254是光学传送组件205的部件。在一 个实施例中，透镜元件211是准直器的部件，而准直器以光纤缆束215连接于光学监控系统 140。窗口 142是密封地配置在通道138中，以防止气体经由喷头组件130漏到光学监 控系统140。设置0型环(并未标示在图2中)将窗口 142密封于上气室平板204及盖板 202。盖板202以及形成在盖板202、上气室平板204及下气室平板206之间的通道138的 额外细节以及图1的处理腔室100的额外细节可参照美国专利申请号No. 11/381,523(2006 年5月3日申请)，其在此通过引用而结合于此。插塞254设置成可传递光学监控系统140所使用的信号。在一个实施例中，插塞 254包括复数个通道260，该通道使光学监控系统140可与腔室100的处理空间106形成界 面相连接，并避免在通道260中形成等离子体。在一个实施例中，通道260的深宽比(深度 对直径)至少约为10 1，例如为14 1。在另一实施例中，通道260的直径为小于或等 于DEBYE长度及/或电子平均自由径，举例而言，小于约1. 5mm,例如为0. 9mm。在另一实施 例中，通道260定义开口面积，其中开口面积高达约60 %。插塞254 —般是由与处理化学性 质匹配的材料所制造。在一个实施例中，插塞254是由介电材料所制造，例如陶瓷。在另一 实施例中插塞254为铝。
为了延长喷头组件130的使用寿命，气体分配面板210至少为钇所制造或涂布钇 或其氧化物。在一个实施例中，气体分配板210是由整块钇或其氧化物所制造，以提供对含 氟化学物质的耐受性。在其它实施例中气体分配板210是由整块氧化钇(Y2O3)所制造。
非必要地或额外地，气体分配板210可以包括有平板143，其是可传递光学信号 的。平板143可以连接或固定在气体分配面板210的大致上的几何中心。在本实施例中， 平板143是由钇或其氧化物所制造，例如整体的Y203。形成于插塞254中的通道260与形成在气体分配板210中的多个孔262对准。在 使用平板143的应用中，该些孔隙262形成在平板143中，并大致上与形成在插塞254中的 通道260对准。该些孔262是群聚在气体分配面板210的中心，并具有适合且有益于通过 气体分配板210的光学信号的有效传递的密度、直径(宽度)、外观以及开口面积。在一个 实施例中，孔262的数目与截面外观与通道260相似。窗口 142使通道260及孔262对气 体的流动没有感应，但允许光学上的传递。因此，通道260、孔262及窗口 142有助于光学监 控系统140对腔室100内的光学监控，而无真空损失或不会对用来限定光学观察途径的结 构造成等离子体损害。图3为光谱感测系统300的一个实施例的示意图，其可与图1的处理腔室100—起 使用。光谱感测系统300以光纤缆束215以及光学传送组件205 (将在第4图中叙述)而与 光学监控系统140以及腔室100的处理空间106耦接。光谱感测系统300包括宽频带光源 325，用以发射出具有紫外-可见光(UV-Vis)范围以及近红外线范围(NIR)波长的光。在 另一实施例中，宽频带光源325可发射波长为约200nm至约1800nm的光。宽频带光源325 可为汞灯、氘灯、氙灯、卤素灯、发光二极管(LEDs)或其组合。宽频带光源325可更调整成 为适以在预设频率下开及关及/或利用快门开关预定时间，例如闪控或闪光。在一个实施 例中，宽频带光源325为氙闪光灯，适以发射出波长在约200nm至约ISOOnm之间的光。光谱感测系统300也包括有至少两光谱仪320、335，用以接收由处理空间106而 来的光能量。装设光谱仪320、335以接收UV-Vis及/或NIR波长内的光波长。在一个实 施例中，光谱仪320、335为具有嵌入式控制器的双通道光谱仪。可装设光谱仪320以处理 NIR波长内的光学信号，同时可装设光谱仪335处理UV-Vis波长内的光学信号。在一个应 用中，装设光谱仪320处理介于约900nm至约1700nm之间的光波长，而装设光谱仪335处 理介于约200nm至约800nm之间的光波长。每一光谱仪320、335连接于控制器150，例如藉 由以太网络电缆(Ethernet cables) 308连接，其可为局部局域网络(LAN)电缆以及其它电 缆的应用。此外，线350可由控制器150供给信号至光谱仪320、335的其一或两者，使光谱 仪内的磁场同步。图3中示出有各式信号线连接于光谱仪320、335与光学监控组件128以及光学传 送组件205。在此实施例中，标号为315A至315C的信号线代表光纤缆束215的一或多条 个别的光纤。由宽频带光源325而来的宽频带光经由连接光学传送组件205的线315A传 送至处理空间106，并照射衬底144(将在图5中更完整叙述)。由衬底144及/或等离子 体305反射的光能量的一部分经由线315B及315C回到光谱仪320、335的其一或两者。例 如，波长介于约900nm至1700nm之间的光被送到光谱仪320，且波长介于约200nm至800nm 之间的光被送到光谱仪335。光学监控组件128连接于信号线330 (连接到光谱仪335)以 提供来自腔室100的回传信号。信号线330以连接器355与线315C连接。在一个实施例中，回传信号是来自腔室100内的等离子体305的反射能量。信号线330可为金属线、电缆或光纤纤维。如上所述，为了 OES测量而装设光谱仪335，OES测量是处理空间106内蚀刻状态 的指针。例如，光罩上正被蚀刻的膜的实时监控传送有助于改善蚀刻处理的控制。屏蔽的 吸收层(例如，铬(Cr))在蚀刻开始时的穿透率(通常为至15%，取决于膜的种类)通 常很小，但是可测量，当在蚀刻过程中膜变薄直到完全消失(100%穿透)，穿透率是以预期 的方式增加，因此可用来指示蚀刻终点。图4A为光纤缆束215的一个实施例的等角剖面视图。所示的光纤缆束215由19 条光纤所组成，但若需要的话，可使用更多或更少的光纤。光纤束215中个别的光纤尺寸及 光纤的数量的选择在于使光纤缆束215的尺寸最小化，以减少光纤缆束215的整体体积。 请再参照图3，光纤410及420共同地以线315A表示，且用于传送宽频带光源325的光学 信号。光纤415及425分别以线315B及315C表示，且用于传送由衬底144及/或等离子 体305反射的光学信号。光纤405是“死的”，且可交替使用或用在额外的光学传送装置中。 在一个实施例中，使用光纤405来增加光纤缆束215的机械强度，且称为结构光纤405。在 一个实施例中，光纤405、410、415、420以及425中的一或多者，为多模光纤。图4B为光纤缆束215的另一实施例的剖面图。在本实施例中，每一光纤405、410、 415,420以及425是以部分或区域方式安排，且每一部分或区域包括至少一个光纤。例如， 区域450包括单独的光纤(410)，区域455包括6条光纤(包括410、415)，以及区域460包 括12条光纤(包括405、420、425)。此外，为了清楚起见，光纤410、415、420以及425以“S” 或“R”标示，其中“S”表示源光纤，其由宽频带光源325传输光能量(第3图)，以及“R”表 示回传光纤，其是由处理空间106传送光能量至光谱仪320、335(图3)。将光纤410s、415R、420s以及425κ设置成可提供波长的选择性地衰减。例如，将 光纤410s以及415κ设定成可衰减绿色及蓝色波长，且优先传送红外线，同时设定光纤420s 以及425κ以优先传送UV-Vis范围的波长。此外，在区域450、455以及460的光纤配置样 式可最小化或消除光纤之间的串因(cross-talk)。例如，提供NIR波长至处理空间106的 光纤410s位在内区域450中，且第二区域455为外区域460的光纤425κ提供了空间分隔。 光纤405、410s、415R、420s，以及425κ的空间分隔有助于光能量的优先传播，而使光纤之间 残存的串音被最小化或消除。每一区域450、455、460以彼此为径向及/或同轴的关系配置，且包括有大致上圆 形的几何形状，其包括大致上圆形、大致上六边形、及其组合(在其它多边形中相似于圆形 或六边形)。例如，区域455由区域450径向向外并以大致上为圆形的几何形状配置。相似 的，区域460由区域455径向向外并以大致上为圆形的几何形状而配置。在一个实施例中，内区域450大致上位于光纤缆束215的几何中心，并且第二及第 三区域455、460大约以内部区域450为中心而同心配置。第二区域455包括复数个源线 (光纤410s)以及复数个回传线(光纤415κ)以交错的样式配置，其中没有源线邻接任何回 传线。外部区域460也包括复数个源线(光纤420s)以及复数个回传线(光纤425κ)，其中 一个源光纤420s配置在两回传光纤425κ之间。此外，在外部区域460中每一个回传光纤 425ε以结构光纤405分隔。图5为光学传送组件205的一个实施例的剖面示意图。光学传送组件205是对准图1及图2的通道138而装设，且适于从光学监控系统140经光纤缆束215传送及接收光 学信号。光学传送组件205包括有光纤缆束215、例如透镜组件211的透镜组件(例如准直 器)，其可包括有安装架505，用于连接盖板202的上表面、窗口 142以及插塞254。透镜组 件211用以从光学监控系统140传送光能量至光纤缆束215、窗口 142、经由插塞254中的 通道260以及配置在气体分配板210中的孔262而形成光束525，而光束是大致上正交于 (例如大致上垂直)衬底支撑组件148以及配置于其上的衬底144的上表面的平面。类似 地，反射的光能量的全部或大部分朝向孔262以及通道260，且最后经光纤缆束215至光学 监控系统140在此所述的实施例提供根据硅(Si)的光学吸收边线(opticalabsorption edge) 的光学度量，其通常发生在硅能带隙的光学吸收边线附近。通常当温度增加时，硅能带隙下 降，而导致硅的吸收边缘向较低的光能量或较长的波长移动。参照硅的能带隙在室温或接 近室温时约为1. 12eV，对应于约1. 107微米(μ m)的光能量，而在约410°C时，硅的能带隙 下降至约0. 9eV,对应于约1. 291 μ m的光能量。换句话说，当硅晶片的温度上升时，硅的不 透明度下降，且该光谱感测系统300监控其转折点以从硅晶片提取信息，而此转折点可定 义为介于不透明与透明之间的转变，在个别波长下转折点为温度及强度变化的函数。图6A及6B示出蚀刻处理中的衬底144的剖面示意图。在图6A中，层602及图 案化掩膜610示出在衬底144上。层602可包括单一材料膜(例如介电层、金属层或集成 电路中所使用的任何其它层)或多层膜的堆栈，其可以是未被图案化的或是图案化的。在 随后的蚀刻处理中，可使用图案化掩膜610作为蚀刻掩膜来蚀刻层602。层602可使用任 何传统的薄膜沉积技术而形成，例如原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉 积(CVD)、等离子体辅助化学气相沉积(PECVD)、以及使用由SantaClara，California的 Applied Materials公司提供的例如CENTURA 、ENDURA 或其它处理系统的各自 的处理反应器的类似技术。图案化掩膜610—般可以是光阻剂掩膜、α-碳(例如非晶体碳)掩膜、硬掩 膜、Santa Clara，California 的 Applied Materials 公司提供的 Advanced Patterning Film (APF)等。在一个示范性实施例中，图案化掩膜610为光阻剂掩膜。参照图6A，说明 性地，图案化掩膜610具有高度614，且包括有结构620及630 (例如，线、壁、圆柱等)，其分 别具有宽度606及618。宽度606是小于宽度618或图案化掩膜610的任何其它结构的宽 度。在一个实施例中，设置光谱感测系统300以实时测量在蚀刻处理中对应于衬底 144上结构620的高度614的度量。在蚀刻处理中，光学传送组件205使用宽频源325以产 生波长在UV-Vis及NIR范围(例如从约200nm至约1700nm)内的入射光并照射衬底144。 通常此光以大致上垂直于衬底144的方向入射衬底144上约Imm至约12mm的区域范围，因 此，在一个应用中，光束的直径尺寸为约Imm至约12mm。在一个实施例中，照射在衬底144 上区域的光束尺寸直径约为10mm。在另一个实施例中，光束尺寸是小于或等于4mm，例如直 径约为1mm。更明确地，光学传送组件205照射衬底144的区域是具有关键维度(例如宽度 606)的结构620所占据。为增加测量的精确度，来自宽频带光源325的入射光的强度可以被调变及/或脉 冲化以及极化。在一个实施例中，入射光的调变频率可以高至约10Hz。一般而言，可装设光学传送组件205以进行如上所述的干涉度量及/或光谱度量的测量。当由光学传送组件205辐射出的入射光照射在结构620上时，入射光(射线Rl) 部分地由表面621反射回来(射线R3)，且部分地传递进入结构620中(射线R5)。射线R5 更局部地经由结构620下的表面605而传播进入层602 (射线R6)中，且在其中被吸收。射 线R5的一部分(射线R7)被结构620的材料所吸收(例如光阻剂)，且射线R5的一部分反 射回来(射线R4)。此外，照射在接近结构620的区域603的入射光(射线R2)的一部分可 以局部地传递进入层602中(射线R8)，射线R2在其中被吸收，但是同时一部分辐射由层 602反射回来(射线R9)。图7为蚀刻处理中衬底144的另一实施例的剖面示意图。在本实施例中，衬底144 为硅(Si)，且使用图案化掩膜610以及子掩膜612在垂直方向上(方向Z)蚀刻衬底144上 的沟槽715。来自光学传送组件205的入射光(射线R10)照射于衬底144上的不同垂直 深度，且射线的一部分(射线Rll)反射回来，而反射是取决于衬底的温度及/或来自光学 传送组件205的光能量的波长。在某些温度及/或波长下，射线RlO可由衬底144的背面 720反射回来，如图7所示。不同层的折射率的不连续性(以数字725、730、735、以及740 表示)产生明显的干涉条纹。基于傅立叶频率分析技术或相同领域的其它分析技术，可利 用干涉条纹的资料计算出蚀刻深度。图8是在微机电系统(MEMS)的蚀刻处理中(于波长1. 6 μ m下)所 收集的资料的 图形800。线805表示在蚀刻处理中收集的干涉信号。根据第8图所示的资料，点810表示 约为4. 39 μ m的沟槽深度。图9是在蚀刻处理中以使用NIR信号的光谱仪320 (图3)收集 来自腔室100的等离子体放射资料的图形900。图10是硅吸收边缘的点为衬底温度的函数的图形1000。在使用光学传送组件205 时，可以发现约为4nm的光谱分辨率可提供温度测量的精确度约在2°C以内。相对吸收光谱的计算图11是光学传送组件205的不同组件的折射率的示意图，例如透镜组件211、窗口 142以及插塞254，其可能与施加于衬底144的光能量发生干涉。为了补偿非预期的折射率， 提供相对吸收光谱的测定。在标示1115的图标中，光纤缆束215提供标示为射线R12的光， 其通过透镜组件211、窗口 142以及插塞254而到达维持在已知温度(例如约为25°C)的 衬底144的表面。光线被反射而离开衬底144，并经由插塞254、窗口 142以及透镜组件211 至光纤缆束215。反射光(标示为射线R13)指示衬底温度，但其包括源自系统硬件(例如 插塞254、窗口 142以及透镜组件211)的反射光所导致的误差。为了计算这项误差，如1110所示，在腔室中无衬底情况下，经由插塞25、窗口 142 以及透镜组件211提供光线(标示为射线R12)。放置光线吸收盘于衬底支撑组件上，以避免 光线经由插塞254、窗口 142及透镜组件211反射回光源。因此，反射回光纤缆束215的光 线主要(如果不是唯一的)从插塞254及/或窗口 142(射线R14)及/或透镜组件211(射 线R15)所反射的。通过利用1115的参考衬底以及1110的反射误差所得的信息，可以计算并得到衬 底144的温度，如1105所示。光纤缆束215提供光线(标示为射线R12)，光线经由透镜组 件211、窗口 142及插塞254到达欲确定温度的衬底144的表面。光线反射离开衬底144， 并经由插塞254窗口 142及透镜组件211至光纤缆束215，如射线R13所标示。反射光R13包括有由衬底144、插塞254及/或窗口 142(射线R14)以及透镜组件211 (射线R15)反 射的光线(射线R13)。利用1110、1115中提到的技术所得的信息，可以排除插塞254、窗口 142及透镜组件211反射的光线而计算出衬底144的相对光吸收，并可在已知温度下计算衬 底反射的光线。也可将灯源输出差异的校正因子包括在计算中。消除等离子体放射效应
在蚀刻处理中，来自等离子体放射的噪声可以被光谱仪320、335感测到，并可能 提供不精确的信息。因此，期望通过过滤等离子体噪声以降低或消除等离子体放射，而提供 更精确的光学信息给光谱仪。图12是使用宽频带光源325的过滤等离子体方法的一个实施例的示意图。在本 实施例中，宽频带光源为灯1202，例如为氙气闪光灯。字段1205表示灯1202是开启，且射 线R12朝向衬底144。射线R15表示由衬底144及硬件反射回来，加上来自等离子体305辐 射的回射辐射。字段1210表示灯1202是“关闭”，且射线R16表示来自等离子体305的辐 射。可以确定射线R15以及射线R16的强度“I”，且可经由下式计算出硬件及灯的反射光 谱I1 ampon_ 11 amp off在另一实施例中，可以利用中值光谱滤器过滤等离子体放射效应。在此实施例中， 使用以下的算法Ai =中值(Ai^n72，Ami，…Ai+n/H，Ai+n/2)其中i =强度，以及n =衬底的数目。图13是原始吸收光谱资料与过滤的吸收光谱资料的比较图形1300。未过滤的吸 收光谱资料是以轨迹1305表示以及过滤的吸收光谱资料是以轨迹1310表示。如图所示， 来自等离子体放射的尖波强度大致上可以被消除。在操作中，将衬底144提供至如上述配 置的处理腔室内，并放置在衬底支撑件上。供给蚀刻气体至处理腔室中，并点燃等离子体。 被导引到处理腔室上部的光学可传递区的光纤缆束215可传送至少一频率或频率范围的 电磁能进入处理腔室中。举例而言，光纤束可包括含有第一源光纤束的第一主动光纤束以 传送第一频率的电磁能至处理腔室，以及用以检测处理腔室内第一频率的电磁能的第一接 收光纤束。光纤束也可包含有用于传送率第二频的第二源光纤束以及第二接收光纤束。光 纤缆束也可包括间隔光纤束(spacing bundle)，其可为第三光纤束，用以将经其它主动光 纤束传递的信号间的干涉最小化。也可以采用结构光纤束以增强光纤缆束的硬度或机械强 度。光纤缆束215以正交于衬底表面的方式将能量引导向衬底。提供给光纤缆束的 能量能够以一或多个特定频率而产生，或者可以是宽频带光谱能量。入射能量的至少一部 份由衬底反射回到光纤束，且被光纤束传送到一或多个光谱分析器。光谱分析器比较反射 能量的光谱特征与入射能量的光谱特征而确定衬底的状态，例如蚀刻处理的进度及/或温 度。可根据分析反射能量而调整处理条件。图14为终点检测方法1400的一个实施例的流程图。在1410中，将衬底提供至腔 室100中，并放置在衬底支撑件上。腔室100包括有第一光学窗口，例如窗口 142，其设置在 正交于衬底及/或衬底支撑件的平面的位置；以及第二窗口，例如窗口 127，其位在相对于 衬底及/或衬底支撑件的大致的径向方向上。在1420中，将光罩(例如图案化掩膜610)放置于邻近衬底，以助于在衬底上形成图案。在1430中，将处理气体导入腔室中，以及在 1440中，在衬底与第一光学窗口(142)之间产生处理气体的等离子体。在1450中，将例如 UV-Vis及/或NIR光谱的光能量导入等离子体中并朝向衬底。在处理中，在第一窗口检测 第一信号(例如由衬底反射的光线)，以及在第二窗口(127)检测第二信号(例如等离子体 特性的信号指针)，如1460所示。在一个实施例中，第一信号包括IEP度量，并且第二信号 包括OES度量。根据在窗口 142及/或127所检测到的IEP及OES度量的其一或两者，将 1440中所产生的等离子体结束，如1470所示。举例而言，IEP度量可包括例如沟槽深度、沟 槽宽度及其它特征的特性以及代表蚀刻进度与温度指针的度量。OES度量包括等离子体状 态指针及蚀刻进度。此外，在结束等离子体之前，可以根据在第一窗口所检测到的信息监控 及/或调整衬底温度。在此所述的实施例是有关于使用宽频带能量源的IEP以及OES分析，例如在此所 述的宽频带光源325及/或灯1202。这些分析的其一或两者可用以确定其它参数中的蚀刻 处理终点、衬底温度、或蚀刻选择率，且可根据此分析的其一或两者调整处理条件。因此，可 以通过设置在衬底的径向关系上的腔室侧壁中的检测器，检测等离子体所放射的电磁能， 并且以设置在大致上垂直衬底的角度上的检测器，检测已知频率的电磁能或光。等离子体 所发射的能量及/或已知频率的光线能够被分析，并且可与上述的其它分析比较而改善结 果的精确性。在此所述的实施例提供的处理优点包括了达到OES终点及IEP终点的确认(为了 更高的可靠度)，特别是低开口面积的沟槽处理。举例而言，通过比较此两种方法，OES及 IEP终点可以用来检测使用单一终点方法的处理飘移及/或不精确性。对于中心-快速或 Φ'HitStM1J (center-fast or center-slow etch conditions) ifyWM, ^hS^^lii W 评估及监控可通过比较IEP 及OES终点的终点时间(平均值)而获得改善。经由光罩以 OES信号除以IEP信号而使OES信号得以被常规化。此常规化提供真实的透射测量，其大部 分是与等离子体的亮度及变动无相依性，并允许所测量的光罩光谱透射性与透射性的实时 模式互相比较，因此能够确定蚀刻过程中蚀刻层的厚度(例如铬层)。常规化也允许测量得 到的光罩的光谱透射与实时模式的光谱透射之间互相比较，因此能够确定蚀刻过程中屏蔽 层的厚度(例如光阻剂)。虽然上述是以实施例的方式呈现本发明，在不脱离其基本范围的情况下，本发明 可推衍出其它以及更进一步的实施例，本发明的范围是由权利要求所确定。
权利要求
一种处理腔室，其包括腔室主体组件，其具有处理空间；喷头组件，其耦接至所述腔室主体的顶盖，且具有可传递光学测量信号的区域；光学监控装置，其配置在所述腔室主体的径向位置处以观察所述处理空间；以及光谱感测系统，其配置在垂直于所述喷头平面的角度处经由所述喷头组件的可传递区来观察所述腔室主体的所述处理空间。
2.根据权利要求1所述的处理腔室，其中，所述光谱感测系统包括光纤束，其中，所述 光纤束还包括第一主动部，其包括复数个第一源光纤以及复数个第一信号光纤； 第二主动部，其包括复数个第二源光纤以及复数个第二信号光纤；以及 第三被动部，其包括复数个被动光纤。
3.根据权利要求2所述的处理腔室，其中，所述复数个第一源光纤的一部分相对于所 述复数个第一信号光纤以间隔关系配置，并且其中，所述复数个第一源光纤的所述部分以 及所述复数个第一信号光纤以大致上圆形的几何形状而交替配置。
4.根据权利要求2所述的处理腔室，其中，每一所述复数个第二信号光纤邻接于至少 一个所述复数个第一源光纤以及至少一个所述复数个第一信号光纤，并且其中，所述复数 个第二信号光纤以大致上圆形的几何形状配置，并且所述复数个第二源光纤之一置于其 间。
5.根据权利要求2所述的处理腔室，其中，所述复数个第二信号光纤以及所述复数个 被动光纤以大致上圆形的几何形状配置，并且其中，每一所述复数个第二信号光纤以一个 被动光纤而彼此分隔开。
6.一种与辐射源以及至少一个光谱仪耦接的光纤缆束，其包括复数个光纤，其捆成一束，所述束包括第一部，其包括至少一个源光纤，且所述源光纤 具有与所述辐射源连接的第一端以及为引导所述辐射源的辐射进入处理腔室而设置的第~■丄山J而；第二部，其包括复数个第一回传光纤，其具有与所述至少一个光谱仪通讯的第一端以 及为接收源自所述处理腔室的光学信号而设置的第二端；以及第三部，其包括有复数个被动光纤，其中，所述第二部以及所述第三部是配置在共半径 上，且每一源光纤沿着所述共半径以至少一个所述回传光纤、至少一个所述被动光纤、或回 传及被动光纤两者而彼此分隔开。
7.根据权利要求6所述的光纤缆束，其中所述第一部、第二部以及第三部以大致上圆 形的几何形状而交替配置。
8.根据权利要求6所述的光纤缆束，其中，所述第二部包括复数个第一源光纤以及复 数个第一信号光纤，每一所述复数个第二信号光纤系邻接于至少一个所述复数个第一源光 纤以及至少一个所述复数个第一信号光纤，并且其中，所述复数个第二信号光纤以大致上 圆形的几何形状配置，且所述复数个第二源光纤之一置于其间。
9.根据权利要求6所述的光纤缆束，其中，所述第三部包括复数个第二信号光纤，其以 大致上圆形的几何形状邻接于所述复数个被动光纤，并且其中，每一所述复数个第二信号 光纤以一个被动光纤而分隔开。
10.根据权利要求6所述的光纤缆束，其中，所述光纤缆还包括大致上圆形的几何形 状，其包括相对于所述第三部为径向往内的所述第二部，并且所述至少一个源光纤相对于 所述第二部径向往内定位。
11.一种处理衬底的方法，其包括蚀刻衬底，所述衬底设在在蚀刻腔室内的衬底支撑件上，所述衬底在有等离子体存在 下经由图案化掩膜层而被蚀刻；导入光能量进入所述等离子体并朝向所述衬底； 收集来自所述等离子体的第一信号以及第二信号； 经由光纤束将所述第一信号发送至检测器，其中所述光纤缆束包括 第一部，其包括至少一个源光纤，且所述源光纤具有与辐射源耦接的第一端以及为引 导所述辐射源的辐射进入处理腔室而设置的第二端；第二部，其包括复数个第一回传光纤，其具有与所述至少一个光谱仪通讯的第一端以 及为接收源自所述处理腔室的多个光学信号而设置的第二端；以及第三部，其包括复数个被动光纤，其中，所述第二部以及所述第三部是配置在共半径 上，且每一源光纤在沿着所述共半径以至少一个所述回传光纤、至少一个所述被动光纤、或 所述回传及所述被动光纤两者而彼此分隔开；以及 响应所收集的所述信号控制所述蚀刻处理。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一信号由从所述衬底反射的光能量所 产生，并且其中，所述第二信号是由来自所述等离子体的光能量所产生。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述光能量通过所述光纤的所述第一部而被 引导朝向所述衬底，并且其中，所述光能量以与所述衬底平面垂直的角度被引导朝向所述 衬底。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述第一信号在相对于所述衬底平面为垂直 的角度被所述第二部所收集，并且其中，所述第二信号从相对于所述衬底为径向的位置收集。
15.一种包含多个指令的计算机可读媒体，当所述指令被处理系统执行时，控制在所述 处理系统中执行的蚀刻处理，所述蚀刻处理包括蚀刻衬底，所述衬底位于处理系统的衬底支撑件上，所述衬底在等离子体存在下通过 图案化掩膜层而被蚀刻；引导光能量穿过所述等离子体而朝向所述衬底； 收集来自所述等离子体的第一信号以及第二信号； 经由光纤束发送所述第一信号至检测器，其中，所述光纤缆束包括 第一部，其包括至少一个源光纤，且所述源光纤具有与辐射源耦接的第一端以及为引 导所述辐射源的辐射进入处理腔室而设置的第二端；第二部，其包括复数个第一回传光纤，其具有与所述至少一个光谱仪通讯的第一端以 及为接收源自所述处理腔室的多个光学信号而设置的第二端；以及第三部，其包括复数个被动光纤，其中，所述第二部以及所述第三部是配置在共半径 上，且每一源光纤在沿着所述共半径以至少一个所述回传光纤、至少一个所述被动光纤、或 所述回传及所述被动光纤两者而彼此分隔开；以及响应所收集的所述信号控制所述蚀刻处理。
全文摘要
所揭示的实施方式提供一种在使用等离子体的衬底处理中获取处理信息的方法及设备。在一个实施方式中，提供具有一或多个光学测量模块的腔室，该些光学测量模块设置成可于大致垂直的角度上检测等离子体处理的光能量。由检测到的光能量所获得的测量信息可用以确定终点、衬底温度以及监控衬底上的关键尺寸。
文档编号H01L21/66GK101960580SQ200980107050
公开日2011年1月26日 申请日期2009年2月17日 优先权日2008年2月29日
发明者连雷, 马修·芬顿·戴维斯 申请人:应用材料公司