用于测量等离子体刻蚀工艺的工艺参数的方法和装置的制作方法

专利名称：用于测量等离子体刻蚀工艺的工艺参数的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体刻蚀工艺。更具体地，本发明涉及用于确定
在特定的晶片批次(wafer batch)的半导体晶片上的等离子体刻蚀工 艺中的多个工艺参数的方法和装置。这些工艺参数包括晶片刻蚀速率 和刻蚀深度，以及刻蚀工艺的终点(endpoint)。
背景技术：
半导体制造涉及的主要工艺之一是半导体的刻蚀。典型的刻蚀工 艺需要等离子体放电来移除在半导体晶片表面上暴露的材料的被图 形化的层。晶片可以由一层或多层构成。在硅片上刻蚀图形化的槽的 工艺被称为深反应离子刻蚀(DRIE)或浅槽隔离(STI)。
存在许多半导体工业使用的刻蚀工艺。用于刻蚀工艺的两种常用 的刻蚀工具或反应器是电容耦合等离子体(CCP)工具和变压器耦合 等离子体(TCP)工具。
可以参考图1-3来解释刻蚀工艺的原理。图1示出了典型的CCP 处理工具的截面图。真空室10包括底电极2和顶电极7，在底电极2 上放置有晶片或衬底3。还提供了进气口 8和排气管路9。该室还包 括底电极射频(RF)电源1。
图2示出了典型的TCP处理工具的截面图。该处理工具包括与 CCP处理工具基本相同的组件，但不包括顶电极。其还包括第二RF 电源12、天线13和电介质窗6。通常在RF电源1和12与净皮供电的 电极/天线之间放置匹配网络(未示出)。该网络的目的是将电源阻抗 (典型地为5011)与电极/天线阻抗匹配。
对于CCP工具，参考图3解释这样的工具的典型操作。其包括
15在底电极2上放置晶片或衬底3，以及通过射频电源l将恒定量的能 量施加到电极2和/或天线来使等离子体激发(ignite)。还提供恒定 气流的一纟且原料气体(feedstock gas ) 11，以恒定流量(throughput) 将原料气体11注入室中。
通过溅射、化学刻蚀或反应离子刻蚀，刻蚀工艺导致材料从晶片 3上移除。接着，移除的材料被挥发到等离子体放电(plasma discharge) 5中。这些挥发性的材料4皮称作刻蚀副产物4，并且与原 料气体11 一起对等离子体放电5的化学性质(chemistry)有影响。 通过排气或抽气口 9抽出刻蚀副产物4和气体11。 TCP工具的刻蚀 工艺以类似方式工作。
应当理解，非常希望能够测量等离子体刻蚀或材料移除速率，从
而可以确定刻蚀特征深度。这是由于如下事实，即被刻蚀图形的深度 对于根据晶片构造的电子器件的性能来说是关键的。
在当前许多技术被用于检测刻蚀速率或刻蚀深度。在美国专利 No. 4367044中描述的一种这样的技术基于折射。其它技术涉及使用 衍射(美国专利No. 5337144)、反射计(美国专利No. 6939811 )和 发射光^普(OES)(美国专利No. 4430151 )。
这些技术中的许多技术需要复杂的被适当安置的装置，例如提供 光源、光学对准检测器(optical alignment detector)和等离子体刻蚀 工具周围的空间。这当然具有不期望的、增加半导体制造成本的缺点。 此外，这些技术常基于对晶片的某些区域的测量，在一些情形下，这 些测量没有考虑刻蚀深度的中心到边缘的变化。最后，这些技术中有 一些依赖于同时被刻蚀的掩模的厚度。应当理解，这些技术对在半导 体工业中成问题的深度测量准确性具有不利的影响。
还应当理解，为了降低材料成本以及防止对在构造中的电子器件 的损坏，能够检测刻蚀工艺何时结束将会非常有利。
在这点上，已经发现，刻蚀工艺的许多参数在刻蚀工艺完成时改 变。例如，在晶片顶层的下面，提供不同化学成分的另一层。如果该 层暴露于与第一层相同的等离子体，则将产生放电的化学性质的改变。化学性质的改变归因于在新的 一层材料被棵露并且开始挥发时来 自晶片或衬底表面的刻蚀副产物的成分上的改变。该化学变化可能影 响刻蚀工艺的功率、匹配网络设置、压强以及等离子体光发射。
因此，刻蚀工艺终点可以被定义为刻蚀工艺的任何、 一些或全部 参数发生变化的时间段，其对应于刻蚀一层(例如，未掩蔽的顶层) 的结束，暴露了下面的层。
为了检测工艺终点，使用传感器监视这些参数中的一个或多个的
时间演化(evolution)。这些参数不仅可以包括在上述处理晶片的放 电和表面中的物理和化学过程，而且可以包括等离子体工具操作条 件。已经被发现在刻蚀工艺期间发生改变的其它参数包括射频功率、 各种气体的气体压强和流量以及各种波长(即发射光谦(OES))处 的等离子体光强。
图4详述了在刻蚀工艺期间工艺参数随时间变化的理想表现的 曲线图。其由下列五个部分组成
1. 在开始放电时的初始瞬变(IT)区。
2. 当晶片上未掩蔽的材料被连续地刻蚀时的主刻蚀(ME)区。
3. 从主刻蚀到过刻蚀转变的终点(EP)区。该终点始于被刻蚀 的材料开始从晶片上被清除时。
4. 当已经从晶片移除大部分或所有材料并且放电继续刻蚀下面 的层时的过刻蚀(OE)区。在许多情况下，避免过刻蚀是关键的。
5. 当放电^L停止时的最终瞬变(FT)区。
应当理解，对于刻蚀工艺的参数的理想信号，主刻蚀是连续的过 程，通过信号电平突变来识别终点。理想信号的过刻蚀是始终如一的 过程(uniform process )。因此，在理想信号中，终点典型地被视为 信号强度的剧降。这对应于产生信号的刻蚀副产物的耗尽。然而，其 也可以是信号的上升，例如可能由于最初被刻蚀副产物耗尽的等离子 体中其它物质(species)的增力口。
由于工艺的化学性质受晶片上正被刻蚀的材料的影响，将预期当 层被完全地移除时，放电的化学性质将同时发生改变。然而，在实际的刻蚀工艺期间，应当理解，在晶片的整个区域之上可能不会均匀地
刻蚀晶片，这不遵循图4的理想表现。因此，在晶片的一些区域中可 能先于其它区域而移除被刻蚀的层。因此，在工艺参数的实际信号中， 终点不是剧降或剧升，而是在一定量的时间内从主刻蚀到过刻蚀的转 变。这被示出在图5中，其中实际的刻蚀信号在时间At期间内具有 下降的终点。还应注意，参数还可以具有与整个工艺期间的各种变化 相关联的复杂时间结构，不是所有变化都与终点相关联，例如多步刻 蚀工艺。因此，终点的确定必须用通过工具监视传感器观察的相应信 号改变来仔细地进行分析。
在一些情形下，刻蚀工艺的参数之一足够用作监视等离子体工艺 终点的工艺监视信号，因为其能够足够清楚地检测变化。然而，实际 信号还可能包含相当量的噪声，并且在一些情形下包含偏移(drift)。 低信噪比和/或强偏移可能导致终点检测算法的低灵敏度。这些是仅晶 片的一小部分被刻蚀的低开口面积情形(总面积的l到0. 5%)中的 主要问题。该情形中，许多参数可以被用作工艺监视信号。然后可以 利用多变量分析技术(MVA)来结合这些工艺监视信号以将工艺演化 精简为单个监视信号。在现有技术中，MVA技术是众所周知的，因 此这里将不再进一步详述。
传统地，使用光学传感器来实现等离子体刻蚀工艺的终点检测。 电传感器也可以被用于终点检测。然而，随着半导体制造工业中新工 艺的开发，存在实现减小半导体几何尺寸的驱动力。因此，相应地需 要开发用于工艺控制和工艺终点检测的高级传感器。
因此，近几年来，进一步开发了光学系统以包括宽带发射光i普 (OES)系统，该系统使用多波长测量和各种算法以更精确地确定工 艺中终点的出现。
典型的光学传感器由快速光敏器件(例如光电二极管或光电倍增 管)的阵列组成。这些器件检测来自等离子体的光发射，并且将它们 记录为电信号以作为工艺监视信号使用。通过靠窗放置传感器，或者 通过使用在观察口和传感器之间的光纤光导，传感器可以通过在工具
18室中的观察口被暴露于来自等离子体的光发射。在观察口和传感器之 间使用透镜和/或光滤波器是可选的，并且可以取决于具体的等离子体 工艺。光滤波器允许对特定光波段的光进行检测。为了改善传感器对 工艺的灵敏度，在一些情形中，可以优选光纤和传感器。
如前面讨论的，这些终点检测的方法可以测量来自等离子体发射 的 一 个或多个光语线的时间平均强度。在所测量的光谱发射中主体等
离子体(bulk plasma)之内具有长衰变时间的发射占支配地位，该发 射产生非调制或DC信号。大部分系统使用电荷耦合器件来测量具有 数量级为10-lOOms的积分时间的强度。于是，可以执行各种单变量 和多变量统计算法来提高终点转变的信噪比。然而，这些技术对于等 离子体刻蚀工艺的精确的终点检测可能是无法令人满意的，尤其是由 于半导体芯片上组件尺寸不断减小。
标题为"System and method for determining endpoint in etch
processes using partial least squares discriminant analysis in the time domain of optical emission spectra，，的美国专利No. 6,830,939示出了 化学计量学算法(chemometric algorithm )越来越多地3皮应用在终点 检测系统中。
因此，应当理解，期望提供可以提供精确的终点检测以及确定刻 蚀工艺的刻蚀速率和刻蚀纟果度的方法和系统。

发明内容
如在所附权利要求中阐明的，本发明提供一种用于检测在半导体 晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的至少一个工艺参数的方法，该方法 包括以下步骤
检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光；
过滤所检测的光以提取调制光；以及
处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的至少一个工艺参数。
通过检测由等离子体发出的调制光，可以获得对刻蚀工艺的工艺 参数的非常精确的评估。工艺参数可以是刻蚀工艺的终点。 工艺参数可以是刻蚀工艺的刻蚀速率。
本发明还包括用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工
艺的刻蚀速率的方法，该方法包括以下步骤
检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光；
过滤所检测的光以提取调制光；以及
处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的刻蚀速率。
通过检测由等离子体发出的调制光，可以获得对刻蚀工艺的刻蚀 速率和刻蚀深度的非常精确的评估。
该检测的步骤还可以包括过滤光以检测所选的波段的步骤。
该处理的步骤可以包括以下步骤
将所检测的光转换为数字信号；
将该数字信号变换为频域信号；
从该频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监 视信号；
生成与刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度成比例的曲
线，以及根据该曲线确定刻蚀速率。
生成与刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度成比例的曲
线的步骤可以包括
校准工艺监视信号的值以生成转换信号值；以及 生成在刻蚀工艺经过的时间内该转换信号值的曲线。 优选地，校准步骤包括将工艺监视信号的值乘以转换常数。 该方法还可以包括对曲线进行积分以生成在刻蚀工艺经过的时
间内刻蚀面积(etch area)的第二曲线以及根据第二曲线确定刻蚀深
度的步骤。
该方法还可以包括在第二曲线中的信号电平转变与表示目标刻 蚀深度的存储值匹配时生成指示符的步骤。
适合地，该指示符是指示已经到达目标刻蚀深度的视觉的或听觉 的指示符。优选地，数字信号的变换包括对数字信号进行快速傅里叶变换。 优选地，在对与该晶片同一批次的晶片的测试晶片分析期间，确
定工艺监视信号。
优选地，在对与该晶片同一批次的晶片的测试晶片分析期间，可
以确定转换常数。
对该批次的测试晶片分析可以包括以下步骤 在刻蚀工艺持续时间内检测由被刻蚀的测试晶片的等离子体产 生的调制光；
将所检测的调制光转换为数字信号； 将该数字信号变换为频域信号； 确定该频域信号的主频率；以及
选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号。 选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的 步骤可以包括以下步骤
生成在刻蚀工艺内的一组测试晶片的电子显微镜图像， 根据所生成的图像测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速率和
刻蚀深度；以及
选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变化的
值(value over time)的那些主频率作为工艺监视信号。
合适地，该方法还包括在所选的随时间变化的工艺监视信号的值
和实际刻蚀速率之间建立线性关系的步骤。
优选地，所建立的线性关系被存储作为转换常数。 确定主频率的步骤包括确定具有较高的信号强度值的那些频域
信号的步骤。
本发明还包括 一 种确定供检测来自特定晶片批次的半导体晶片 上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的方法使用的工艺监视信号 和转换常数的方法，该方法包括以下步骤
在等离子体刻蚀工具中放置晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀
工艺；
21在刻蚀工艺持续时间内检测由测试晶片的等离子体产生的调制
光；
将所检测的调制光转换为数字信号；
将该数字信号变换为频域信号；
确定该频域信号的主频率；
选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号； 在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率之间 建立线性关系；以及
存储所建立的线性关系作为转换常数。
选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的 步骤可以包括以下步骤
生成测试晶片的电子显微镜图像，
根据所生成的图像来测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速率 和刻蚀-果度；以及
选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变化的
值的那些主频率作为工艺监视信号。
确定主频率的步骤可以包括确定具有较高的信号强度值的那些
频域信号的步骤。
本发明还提供一种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻
蚀工艺的刻蚀速率的装置，该装置包括
用于检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光的装置； 用于过滤所检测的光以提取调制光的装置；以及 用于处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的刻蚀速率的装置。 用于检测的装置还可以包括用于过滤光以检测所选的波段的装置。
用于处理的装置可以包括
用于将所检测的光转换为数字信号的装置；
用于将该数字信号变换为频域信号的装置；
用于从该频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号的装置；
用于生成与刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度成比例 的曲线的装置；以及
用于根据该曲线确定刻蚀速率的装置。
用于生成与刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度成比例
的曲线的装置可以包括
用于校准工艺监视信号的值以生成转换信号值的装置；以及 用于生成在刻蚀工艺经过的时间内该转换信号值的曲线的装置。 用于校准的装置可以包括用于对工艺监视信号的值乘以转换常
数的装置。
该装置还可以包括对曲线进行积分以生成在刻蚀工艺经过的时 间内刻蚀面积的第二曲线的装置，以及根据第二曲线确定刻蚀深度的 装置。
优选地，该装置还包括当在第二曲线中的信号电平转变与表示目 标刻蚀深度的存储值匹配时生成指示符的装置。
优选地，该指示符是指示已经达到目标刻蚀深度的视觉的或听觉 的指示符。
用于检测的装置可以是光敏器件。
用于变换的装置可以包括微控制器。
用于变换的装置可以包括现场可编程门阵列。
用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺 监视信号的装置，以及用于生成与刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信 号的强度成比例的曲线的装置可以包括计算机。
对曲线进行积分以生成在刻蚀工艺经过的时间内刻蚀面积的第 二曲线的装置，以及当在第二曲线中的信号电平转变与表示目标刻蚀 深度的存储值匹配时生成指示符的装置可以包括计算机。
本发明还提供一种用于确定在检测来自特定晶片批次的半导体 晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率中使用的工艺监视信号 和转换常数的装置，该装置包括等离子体刻蚀工具；
用于检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的 调制光的装置；
用于将所检测的调制光转换为数字信号的装置； 用于将该数字信号变换为频域信号的装置； 用于确定该频域信号的主频率的装置；
用于选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信 号的装置；
用于在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率 之间建立线性关系的装置；以及
用于存储所建立的线性关系作为转换常数的装置。
用于选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信 号的装置包括
用于生成测试晶片的电子显微镜图像的装置；
用于根据所生成的图像测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速 率和刻蚀深度的装置；以及
用于选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变 化的值的那些主频率作为工艺监视信号的装置。
还提供包括程序指令的计算机程序，该程序指令用于使可以具体 实现在记录介质、载波信号或只读存储器上的计算机程序实现上述方 法。
本发明还提供用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工 艺的刻蚀速率的方法，该刻蚀工艺产生紧邻晶片的等离子体鞘层 (plasma sheath )，该方法包括基本上仅利用从等离子体鞘层发出的 光确定刻蚀速率的步骤。
所检测的光可以包括调制光和非调制光。
优选地，从等离子体鞘层以及等离子体其余部分发出的光被一起 检测，但基本上仅利用从等离子体鞘层发出的光确定刻蚀速率。
本发明还提供一种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻
24蚀工艺的终点的方法，该方法包括以下步骤 检测由等离子体产生的光； 过滤所检测的光以提取调制光；
处理所检测的调制光以确定何时到达刻蚀工艺的终点；以及 在已经确定终点时生成指示符。
半导体晶片典型地包括多个层，刻蚀工艺涉及对一层的多个部分
的移除。由于光的调制将在终点处改变(例如转变到下一层)，因此 通过检测调制光发射，可以实现对刻蚀工艺终点的精确确定。
该检测的步骤还可以包括过滤光以检测所选的波段的步骤。
该处理的步骤可以包括对所检测的调制光执行终点检测算法。
终点检测算法可以包括以下步骤
将所检测的光转换为数字信号；
将该数字信号变换为频域信号；
确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与对应于 何时到达刻蚀工艺的终点的所存储的信号电平转变值匹配。
确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与所存储 的信号电平转变值匹配的步骤可以包括以下步骤
从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视
信号；
生成在刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度的曲线；以及 确定曲线中的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变值匹配。
数字信号的变换可以包括对数字信号进行快速傅里叶变换。 指示符可以是停止刻蚀工艺的控制信号。 指示符可以是视觉的或听觉的指示符，指示刻蚀工艺已经完成。 可以在与该晶片同 一批次的晶片的测试晶片分析期间确定所存 储的信号电平转变值和工艺监视信号。
该批次的测试晶片分析可以包括以下步骤
在刻蚀工艺持续时间内检测由被刻蚀的测试晶片的等离子体产生的调制光；
将所检测的调制光信号转换为数字信号；
将该数字信号变换为频域信号；
确定该频域信号的主频率；
选择在到达刻蚀工艺的终点时表现出(exhibit)信号电平转变的 那些主频率作为工艺监视信号；以及
存储该信号电平转变的值用作所存储的信号电平转变值。
选择在到达刻蚀工艺的终点时表现出信号电平转变的那些主频 率作为工艺监视信号的步骤可以包括以下步骤
生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线；以及
选择在到达刻蚀工艺的终点时在曲线中表现出信号电平转变的 那些主频率作为工艺监视信号。
本发明还公开了 一种确定供检测来自特定晶片批次的半导体晶 片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的方法使用的工艺监视信号和 信号电平转变值的方法，该方法包括以下步骤
在等离子体刻蚀工具中放置晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀
工艺；
检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制
光；
将所检测的调制光转换为数字信号；
将该数字信号变换为频域信号；
确定该频域信号的主频率；
生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线；
选择在到达刻蚀工艺的终点时在该曲线中表现出信号电平转变
的那些主频率作为工艺监视信号；以及
选择该信号电平转变的值作为要被存储的信号电平转变值。
该方法还可以包括以下步骤 生成测试晶片的电子显微镜图像；
并且其中选择的步骤还包括选择在测试晶片图像示出到达刻蚀工艺的终点时在该曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为工 艺监视信号。
确定主频率的步骤可以包括确定具有较高的信号强度值的那些 频域信号的步骤。
本发明还可以包括用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻
蚀工艺的终点的装置，该装置包括 等离子体刻蚀工具；
用于检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光的装置； 用于过滤所检测的光以提取调制光的装置； 用于处理所检测的调制光以确定何时到达刻蚀工艺的终点的装 置；以及
用于在已经确定终点时生成指示符的装置。
用于检测的装置还可以包括用于过滤光以检测所选的波段的装置。
用于处理的装置可以包括
用于将所检测的光转换为数字信号的装置；
用于将数字信号变换为频域信号的装置；以及
用于确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与对 应于何时到达刻蚀工艺终点的所存储的信号电平转变值相匹配的装 置。
用于确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与所 存储的信号电平转变值相匹配的装置可以包括
用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺 监视信号的装置；
用于生成在刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度的曲线 的装置；以及
用于确定曲线中的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变 值匹配的装置。
用于检测的装置可以是光敏器件。用于变换的装置可以包括微控制器。
用于变换的装置可以包括现场可编程门阵列。
用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺 监视信号、生成在刻蚀工艺经过的时间内工艺监视信号的强度的曲 线、以及确定曲线中的信号电平转变是否与对应于何时到达刻蚀工艺 终点的所存储的信号电平转变值相匹配的装置可以包括计算机。
本发明还提供一种用于确定要被存储以在检测来自特定晶片批 次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点中使用的工艺监
视信号和信号电平转变值的装置，该装置包括 等离子体刻蚀工具；
用于在刻蚀工艺持续时间内检测由晶片批次的测试晶片的等离 子体产生的调制光的装置；
用于将检测的调制光信号转换为数字信号的装置； 用于将数字信号变换为频域信号的装置； 用于确定频域信号的主频率的装置；
用于选择在到达刻蚀工艺的终点时表现出信号电平转变的那些
主频率作为工艺监视信号的装置；以及
用于选择该信号电平转变的值作为信号电平转变值的装置。 用于选择在到达刻蚀工艺的终点时表现出信号电平转变的那些
主频率作为工艺监视信号的装置可以包括
生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线的装置；以及 选择在到达刻蚀工艺的终点时在曲线中表现出信号电平转变的
那些主频率作为工艺监视信号的装置。
还提供包括程序指令的计算机程序，该程序指令用于使可以具体
实现在记录介质、载波信号或只读存储器上的计算机程序实现上述方法。
本发明还提供用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工 艺的终点的方法，该刻蚀工艺产生紧邻晶片的等离子体鞘层，该方法 包括基本上仅利用从等离子体鞘层发出的光来确定终点的步骤。
28从等离子体鞘层以及等离子体其余部分发出的光可以被一起检 测，但基本上仅利用从等离子体鞘层发出的光来确定终点。 所检测的光可以包括调制光和非调制光。


参考附图，从本发明实施例(仅作为实例给出)的下列描述中将
更清楚地理解本发明，在附图中
图l是典型的CCP处理工具的截面图； 图2是典型的TCP处理工具的截面图3是图1的CCP处理工具的截面图，其详述了刻蚀副产物； 图4是在刻蚀工艺期间工艺参数随时间的变化的理想曲线图； 图5是在刻蚀工艺期间工艺参数随时间的变化的实际曲线图； 图6是实现本发明中涉及的组件的一个实施例的示意图； 图7详述了本发明一个实施例的工艺流程； 图8详述了图5的工艺流程的进一步的步骤，用于确定刻蚀速率 和深度；
图9详述了图5的工艺流程的进一步的步骤，用于确定刻蚀工艺 的终点；
图10a详述了本发明的示例性的刻蚀速率曲线； 图lOb详述了本发明的示例性的刻蚀深度曲线； 图11详述了在确定用于特定晶片批次的最佳工艺监视信号中的 最初几步的工艺流程；
图12示出了通过检测调制光而生成的实例电压波形；
图13示出了通过将FFT应用到图12的波形而生成的FFT波
形；
图14详述了在确定用于特定晶片批次的最佳工艺监视信号中的 进一步的步骤的工艺流程；以及
图15示出了来自等离子体工具中记录的FFT中的许多频率之一 的时间工艺信号的实例。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于在晶片刻蚀工艺期间用对刻蚀工艺期间 由等离子体发出的辐射的调制强度敏感的传感器来监视等离子体反
应器的方法。接着，由传感器收集的数据可以被用于检测正被刻蚀的 晶片的刻蚀速率和刻蚀深度以及确定晶片刻蚀工艺的终点。
为了理解本发明的原理，应该明白发生在刻蚀工艺期间的化学反 应。在晶片的刻蚀期间，等离子体发出一定幅度的调制光。调制光的 幅度与刻蚀速率有关。此外，在到达终点时，来自刻蚀工艺的副产物 的浓度将发生转变。该副产物浓度变化将导致来自等离子体的光发射 的转变。
用于在放电中激发原子或分子的主要的源之一是电子碰撞激发。
这些激发与电子密度成正比。在等离子体主体(plasma bulk)中原子 和分子的激发是随时间不变的(time uniform)，其中电子密度是随 时间不变的。另一方面，如图1到图3中的4所指出的，在等离子体 鞘层(即在等离子体和电极/晶片之间的区域)中的电子密度以刻蚀工 具的驱动射频被高度调制。
被激发的物质经由具有特征衰变速率的自发发射而发光。被激发 的物质也可以通过来自射频周期的受激发射发出辐射。通常，等离子 体发射与在激发态中的物质的数密度成正比。如果在激发态中的物质 的密度被调制，则期望光发射将被以类似方式调制。这引起非调制的 或DC发射分量和以驱动射频被调制的附加分量。调制光是在特定频 率处表现出周期性时间强度变化的那种光。
由于局部的副产物密度在等离子体鞘层区域中更高，因此存在于 晶片表面附近的刻蚀副产物更可能被电子激发。由于在等离子体鞘层 区域中电子被强烈地调制，因此来自这些区域的光将被高度调制并且 该调制将与驱动射频相关。
由于调制光发射对应于主要由晶片或衬底之上的"鞘"区处被激 发的刻蚀副产物发出的光，因此应当理解，从晶片表面移除材料的速度的任何变化(其对应于刻蚀速率的改变)还将被视为调制光发射的 改变。因此，在刻蚀速率和深度的监视中使用调制光是理想的。
还发现调制光发射对终点更敏感，因为其与具有长去激活时间的 物质(例如从壁上解除吸附的气体以及工具偏移)的记忆效应无关， 并且因为其对应于主要由激发的刻蚀副产物发出的光。因此，在刻蚀 工艺终点的检测中使用调制光也是理想的。
在单频刻蚀工具中，期望调制光与驱动射频和谐波对应。但是在 双频系统中，很可能发现以双驱动频率的混合产品以及以射频本身及 其谐波被调制的光。
本发明的光学传感器检测该等离子体光调制。接着，为了确定刻 蚀速率、刻蚀深度以及刻蚀工艺终点，使用所检测的等离子体光调制。
由于调制光基本在等离子体鞘层中，因此本发明涉及基本上仅使用从 等离子体鞘层发出的光来确定刻蚀速率、刻蚀深度以及刻蚀工艺终点。
图6示出了实施本发明中涉及的组件的一个实施例的示意图。多 个传感器14提供对来自位于刻蚀工具(刻蚀工具未示出)中的等离 子体15的等离子体光的检测。传感器14可以采取光电二极管或光电 倍增管的形式。为了成功地检测等离子体光调制，传感器应该具有快 速响应时间。多个光滤波器16可以与传感器14结合使用，每个滤波 器适合于检测特定光波段，这些滤波器位于传感器和等离子体之间。 光滤波器具有将输入到传感器的光变窄为以特定波长为中心的几纳 米宽的波段的作用，以便选择来自等离子体中特定物质(例如反应物 或刻蚀副产物)的光。这具有移除不想要的波段的作用。因此，滤波 器允许实时监视特定光线，使得能够对在鞘处的等离子体化学性质进 行分类。
信号调节块17接收来自传感器14的输出数据。在信号调节块 17处，来自传感器14的所检测的光信号被调节和数字化。在本发明 一个实施例中，通过跨阻抗放大器和可编程电压放大器来实现调节。 跨阻抗放大器将来自传感器的信号转换为电压信号，而电压放大器放大这些电压信号。被放大的电压信号由模数转换器(ADC)数字化。 在本发明优选实施例中，ADC以达70MHz的频率工作。为了使得能 够由计算机(PC) 19对刻蚀速率、深度和终点进行估计，处理器18 提供将数字信号处理为所需的格式。处理器可以是任何适合的处理设 备，例如微控制器或现场可编程门阵列(FPGA)。计算机19提供对 处理器输出信号的进一步处理以确定刻蚀工艺的刻蚀速率、深度和终 点，以及在到达预先设置的刻蚀深度和已经确定终点时生成一个或多 个指示符。
图7详述了本发明一个实施例的工艺流程。在步骤1中，由在刻 蚀工具中正被刻蚀的特定批次的晶片的等离子体产生光。光学传感器 连续地检测从等离子体鞘层发出的调制光以及来自等离子体其余部 分的非调制光(步骤2)。另外，可以过滤光以仅检测特定光波段的 光。在步骤3中，实时处理所检测的等离子体光调制信号以确定刻蚀 工艺的至少一个工艺参数。可以通过刻蚀速率和深度算法处理信号。 该算法确定刻蚀速率以及何时达到期望的刻蚀深度。接着，在达到该 深度时生成指示符。也可以通过终点检测算法来实时处理等离子体光 调制信号，以确定何时到达刻蚀工艺的终点并且在已经确定终点时生 成指示符。
工艺流程可以被分解为许多进一步的步骤，下面参考图8和图9 更详细地描述这些步骤。图8详述了用于确定刻蚀速率和深度的步骤， 而图9详述了用于确定终点的步骤。应当注意，在两图中步骤1到4 是相同的。
参考图8，刻蚀工艺开始于步骤l。在步骤2a中，通过光学传感 器检测不同光波段的调制等离子体光。也可以检测非调制光。通过跨 阻抗放大器将光转换为电压信号，随后通过电压放大器放大该电压信 号(步骤2b)。接着，被放大的电压信号由ADC数字化以提供数字 信号(步骤2c)。处理器中的快速傅里叶变换滤波器通过计算数字信 号的FFT将数字信号变换到频域中(步骤2d)。
重复步骤2a到2d约两千次，对得到的一组FFT求平均值以生成样品FFT(步骤2e)。应当注意，整个平均过程仅费时约250ms。 计算机记录该样品FFT (步骤3 )。
在步骤4中，提取已经被预先选择充当工艺监视信号的样品FFT 的一个或多个频率的数据值。这些工艺监视信号已经被选择为将提供 对要确定的工艺参数(即，刻蚀工艺的刻蚀速率和深度和/或何时到达 终点的参数)的最精确的评估的那些信号。在测试晶片分析期间实现 对工艺监视信号的选择，稍后将描述其中的细节。因此，通过对可以 估计刻蚀速率的这些工艺监视信号的数据值的监视，可以确定是否已 经到达刻蚀工艺中所需的刻蚀深度和终点。
应当理解，上述步骤提供了对所检测光的过滤以从等离子体光 (其可以包括调制光和非调制光)中提取调制光，随后监视预先选择 的调制光信号以便确定刻蚀工艺的刻蚀速率、刻蚀深度和/或终点。
从在刻蚀工艺经过的时间内已经生成的样品FFT值中提取的一 个或多个频率的数据值被用于计算刻蚀速率和深度，和/或确定刻蚀终 点，长口下戶斤述。
为了便于理解，将首先描述确定刻蚀速率和深度所涉及的进一步 的处理步骤，随后描述在确定刻蚀工艺的终点时涉及的进一步的处理 步骤。
1.用于确定刻蚀速率和刻蚀深度的过程步骤
为了确定已经被选择作为工艺监视信号的单频处的刻蚀速率，必 须首先校准从样品FFT值提取的数据值。该校准包括对每个数据值乘 以转换常数，以便生成在刻蚀工艺的时间上作曲线时提供刻蚀工艺的 实际刻蚀速率的转换信号值。转换常数表示在工艺监视信号和实际刻 蚀速率之间的关系。
在之前已经执行的测试晶片分析期间建立工艺监视信号的值和 实际刻蚀速率之间的相关性，接着将转换常数存储在计算机中。稍后 描述这一过程。
在进行转换后，实时生成所转换的工艺监视信号对时间的曲线， 如图10a所示。该曲线对应于刻蚀工艺的刻蚀速率。因此，可以由该
33曲线确定刻蚀工艺的刻蚀速率(步骤5)。
多于一个频率被选择作为工艺监视信号时，可以利用多变量分析 (MVA )技术将与各种频率分量的强度成比例的时间演化结合为单个 曲线。
应当注意，在刻蚀工艺期间等离子体连续地并且以恒定的速率移 除晶片材料时，工艺监视信号将保持恒定。应当理解，在工艺监视信 号保持恒定时，面积和时间之间将是线性关系。
在图10a的曲线下面的面积与刻蚀深度成正比。因此，为了确定 刻蚀深度，需要对曲线下面的面积进行估计。在步骤6中，为了计算 当前的刻蚀深度，对刻蚀速率信号进行数值积分。图10b示出了刻蚀 深度计算的图示。因此，可以由图10b的曲线来确定刻蚀深度。
接着，分析图10b的曲线以确定对于刻蚀工艺来说是否已经达到 目标刻蚀深度。在本发明一个实施例中，这通过确定在刻蚀深度曲线 上的信号电平转变与所存储的表示目标刻蚀深度的信号电平值是否 匹配来实现。目标刻蚀深度对于生产中的特定半导体器件的工艺是必 要的，并且典型地由工艺的最初设计者指定。
如果信号电平转变与刻蚀深度的目标值匹配，则工艺进行到步骤 7。如果没有发现匹配，则倘若刻蚀工艺尚未完成，工艺流程就返回 到步骤2。
在步骤7中，计算机生成指示符，其指示已经达到刻蚀工艺中的 目标刻蚀深度。在本发明一个实施例中，计算机生成的指示符是视觉 的或听觉的指示符。在本发明另一实施例中，指示符是刻蚀工具停止 刻蚀工艺的控制信号。
应当理解，在达到所要求的刻蚀深度后，根据用户对刻蚀工艺的 要求，处理器可以执行许多可替代的任务。
同样可以使用其它数值技术代替傅里叶分析来确定刻蚀速率/深度。
2.用于确定刻蚀工艺的终点的过程
现在参考图9,为了在已经选择单个频率作为工艺监视信号时确定终点，基于从在刻蚀工艺经过的时间内生成的样品FFT值中提取的 该频率的数据值，实时生成信号的相应强度作为时间函数的曲线。多 于一个频率被选择作为工艺监视信号时，可以将各种频率分量的强度 的时间演化结合为单个曲线(步骤5)。
在步骤6中，分析曲线以确定是否已经满足刻蚀工艺的终点条 件。在本发明一个实施例中，这通过确定曲线中的信号电平转变与对 应于何时对于晶片批次的所选工艺监视信号来说已经到达刻蚀工艺 终点的所存储的信号电平转变值是否匹配来实现。该存储的信号电平 转变值在测试晶片分析期间被确定，随后被预编程到计算机中，稍后 将详细描述。如果发现匹配，则过程进行到步骤7。如果没有发现匹 配，则倘若刻蚀工艺尚未完成，工艺流程就返回到步骤2。
在步骤7中，计算机生成指示符，其指示已经检测到刻蚀工艺中 的终点。在本发明一个实施例中，计算机生成的指示符是视觉的或听 觉的指示符。在本发明另一实施例中，指示符是刻蚀工具停止刻蚀工 艺的控制信号。
应当理解，在已经检测到终点后，根据用户对于刻蚀工艺的要求， 处理器可以执行许多可替代的任务。
同样可以使用其它数值技术代替傅里叶分析来确定何时到达终点。
应当理解，也可以使用其它方法来由所选的工艺监视信号确定终 点。例如，模式(pattern)识别技术可以被用于将所选的工艺监视信 号的曲线和存储的特性曲线进行比较。
如在本发明的背景技术中所解释的，为了能够精确地检测特定晶 片的工艺参数，首先必须选择最适合的工艺监视信号来监视期望确定 的一个或多个工艺参数。在本发明的情况下，这涉及确定调制光的哪 些频率最适合充当监视信号。实际上，每个晶片批次具有其独有的特 性。因此，在能够确定用于特定晶片批次的晶片的刻蚀工艺的刻蚀速 率、深度和/或终点之前，必须通过执行对每个单独晶片批次的分析来 实现提前准备，以选择为了使得能够确定来自该特定批次的晶片的刻
35蚀速率、深度和/或终点而应该被监视的最适合的频率。这通过批次的 测试晶片分析来实现。此外，当存在多于一个层时，每个层的工艺监 视信号的值可以不必相同，因为每层产生不同的刻蚀副产物，以不同 的方式影响放电。因此，需要对每个晶片层执行测试晶片分析。
下面描述利用通过傅里叶分析执行的实现来选择最佳工艺监视 信号的过程。然而，如之前所建议的，应当理解，同样可以使用许多 其它数值技术代替傅里叶分析。
确定最佳工艺监视信号的最初几个步骤与在上述的刻蚀速率、深 度和终点监视技术期间执行的那些相同。然而，为了便于理解，下面 将再次简要地描述它们。
图11详述了确定用于特定晶片批次的最佳工艺监视信号的工艺 流程。在步骤1中，在刻蚀工具中放置该批次的测试晶片并且开始刻
蚀工艺。在步骤2a中，通过传感器检测来自等离子体的光，并且将 光信号转换为电压信号。该光可以包括调制分量和非调制分量。接着， 放大电压信号(步骤2b )。在步骤2c中，电压信号被数字化并且输 入到处理器中。处理器利用快速傅里叶变换将数字化的电压信号变换 到频域中以提供FFT (步骤2d)。
重复步骤2a到2d约两千次，对得到的一组FFT求平均值以生 成样品FFT (步骤2e)，计算机记录该样品FFT (步骤2f)。应当 注意，整个平均过程仅费时约250ms。
在直到刻蚀工艺完成的时间内重复步骤2a到2f。此时，处理器 将已经记录了覆盖测试晶片的整个刻蚀工艺的持续时间的 一組样品 FFT。工艺完成后，生成的样品FFT波形已经准备^皮检查以确定用作 监视该特定晶片批次的刻蚀速率、深度和/或终点的工艺监视信号的最 佳频率。
在对于批次的所有晶片选择用作工艺监视信号的调制光的最佳 频率中的第一步涉及确定样品FFT的主频率分量。
图12和图13描述了可以怎样确定主频率分量。图12示出了由 检测调制光而生成的实例电压波形。应当理解，该波形包含多于一个频率加噪声。图13示出了由将FFT应用到该电压波形而生成的FFT 波形。这是强度与频率的关系曲线。在这个实例中，可以清楚地看到， 存在四个峰，每个低于100MHz。这些峰指示包含在波形中的频率信 号，峰的高度指示在波形中其对应频率的相对强度。因此，应当理解， 主频率分量对应于在样品FFT波形中的峰(即那些具有较高的信号强 度值的频域信号)。
如图12所示，要确定终点时，应该检查主频率分量(步骤l)。 接着，应该确定在测试晶片图像示出已经到达终点时表现出信号电平 转变的那些频率分量(步骤2)。接着，这些频率分量被用作工艺监 视信号(步骤3),工艺监视信号需要被编程到计算机中(步骤4)。
要确定刻蚀速率和刻蚀深度时，在建立主频率分量后，还必须从 主频率分量中找到具有满足两个条件的时间信号的那些频率。第一条 件为时间信号是稳定的。第一条件基于刻蚀速率应该恒定的这一认 识。第二条件为时间信号对小的刻蚀速率改变敏感。施加第二条件以 确保一个或多个工艺监视信号确实与刻蚀速率相关联。
通常，可以假定通过每个单层的刻蚀速率(在存在多于一个层的 情况下)近似恒定。当刻蚀一层时，由于刻蚀速率在整个工艺期间不 是完全恒定的，因此可能出现刻蚀速率的微小变化。刻蚀速率的小变 化还可能由刻蚀工艺中小的偏移引起。然而，刻蚀速率的大变化更可 能与刻蚀层转变(终点)或工艺控制参数的变化(例如功率、压强、 气流或混合物的改变)相关。
通过结合对于主频率分量获得的值分析测试晶片图像，并且确定 在刻蚀工艺时间内哪些主频率表现出与由测试晶片图像确定的实际 刻蚀速率最紧密相关的值，来测试第二条件，如下面所解释的。
可以利用现有技术中已知的任何技术来获得测试晶片图像。 一种 这样的技术涉及在刻蚀工具中放置第一测试晶片并且运行刻蚀工艺 直到已经经过了预定时间段为止。接着，从刻蚀工具中移出测试晶片， 并且通过对晶片切片来检查其表面的状态。然后，在刻蚀工具中放置 第二测试晶片并且运行刻蚀工艺，直到已经经过了第二预定时间段为止，第二时间段大于第一时间段(第二时间段典型地比第一时间段多
几秒)。接着，移出第二测试晶片，并且检查其表面。对来自该批次 的一组测试晶片中的其它测试晶片重复该工艺，直到预定时间段超过
对于该特定晶片批次到达刻蚀深度和/或终点花费的时间为止，这组晶 片中的每个晶片具有相同的质量并且具有相同的特性。可以对于同样 质量和特性的几批晶片重复该工艺，在每批上运行的测试操作具有小 的工具操作参数变化。
在已经将来自该组的所有测试晶片放置在刻蚀工具中后，对于每
单个晶片生成扫描电子显微镜(SEM)图像。也可以使用其它成像技 术，例如原子力显微镜(AFM)技术。这些图像揭示出工艺的时间演 化。应当理解，尽管技术上它不是单个晶片的工艺的时间演化，但如 果在处理之前已经全部以类似方式准备该组晶片，则结果应当反映了 单个晶片的时间演化是公认的。根据SEM图像，有可能测量作为时 间函数的刻蚀速率和深度和/或工艺终点。
这些测试晶片图像允许计算作为时间函数的刻蚀速率和深度和/ 或工艺终点。接着，由光学传感器检测到的、具有与用于刻蚀速率和 深度和/或工艺终点的测试晶片结果最相关的值的主频率的时间信号 被选择用作工艺监视信号。
当然，应当理解，如果频率信号在刻蚀工艺内根本不改变，则终 点检测是没有价值的。然而，另一方面，在整个工艺期间，信号可以 表现出许多改变。图15示出了来自等离子体工具中记录的FFT中的 许多频率之一的时间工艺信号的实例。在这种情况下，已经发现刻蚀 终点对应于在85和100秒之间的信号电平转变。
因此，优选将工艺工程师的知识和测试晶片分析结合使用，以确 定哪个信号电平转变实际对应于在到达终点时发生的转变。
在单频信号被选择作为工艺监视信号时，工艺监视基于该单信 号。可替代地，如果多于一个频率被选择作为工艺监视信号，则可以 使用多变量分析技术(MVA)来结合这些信号，以输出用于确定刻蚀 速率和深度和/或工艺终点的单个结合的时间工艺信号。此处可以使用的典型的MVA技术是主成分分析(PCA)。在测试晶片分析过程中 的最后一步中，为了使得能够为经历刻蚀工艺的特定晶片确定至少一 个工艺参数，必须用各种值对计算机编程。
要确定刻蚀速率和深度时，必须校准被选择充当用于刻蚀速率的 工艺监视信号的那些频率。该校准包括确定在实际刻蚀速率(根据晶 片分析估计的)和被选择在刻蚀工艺过程内充当工艺监视信号的频率 之间的转换常数的值。这涉及在多于一个有用频率的情况下，在所选 的频率或MVA信号随时间变化的值和实际刻蚀速率之间建立线性关 系。这通过将所测量的刻蚀速率(在晶片分析之后)除以所选频率的 信号值来计算。因此，该常数将信号值(为任意单位)转换为实际刻 蚀速率(典型地，微米/分)。在确定关系后，记录该转换常数。如之 前解释的，需要该常数，以便在执行本发明的确定刻蚀速率的技术时 转换将从随时间变化的工艺监视信号中获得的值，从而表示实际刻蚀 速率。应当注意，该常数对于给定的晶片批次工艺是特定的，并且如
果晶片的质量或特性或者工艺参数变化，则无法将信号正确地转换为 刻蚀速率。
还必须用所记录的转换常数对计算机编程。
此外，还必须用目标刻蚀深度值对计算机编程。该值是对于在晶 片层上刻蚀的深度所期望的值，并且由工艺设计师基于在特定晶片上 制造的半导体器件而设置。
期望确定刻蚀工艺的终点时，必须用在测试晶片分析期间记录 的、对应于对于一个或多个所选频率何时到达刻蚀工艺终点的信号电 平转变值对计算机预编程。
最终，计算机被编程以监视所选的、在测试晶片分析期间被确定 充当工艺监视信号的一个或多个频率。
如之前提到的，要在多于一个层上进行刻蚀工艺时，对每层的工 艺监视信号所获得的值可以不必相同。因此，对于每层应该分别地重 复测试晶片分析过程。
在完成上述准备后，可以监视对于来自所分析批次的晶片的任何层在刻蚀工艺中的刻蚀速率和深度和/或终点。这通过将来自该批次的
任何晶片放置到刻蚀工具中，并且遵循之前参考图8和图9解释的本 发明的步骤来实现。
应当理解，本发明的方法和装置可被用于电容耦合等离子体 (CCP)工具、变压器耦合等离子体(TCP)工具以及这些工具的任 何其它变体中。出于等离子体刻蚀/处理衬底、表面或晶片的目的，也 可以使用由射频(RF)驱动的任何其它等离子体源。
也可以将该技术和其它传感器(例如传统的光发射、下游等离子 体监视、RF电流、电压或功率)结合使用。
参考附图描述的本发明实施例包括计算机装置和/或在计算机装
置中执行的处理。然而，本发明还延伸到计算机程序，具体地是适于
实行本发明的存储在载体上或在载体中的计算机程序。程序可以是源 代码、目标代码或者源和目标代码中间的代码的形式，例如以部分编
式。载体可以包括诸如ROM的存储介质(如CD ROM)或磁记录介 质(如软盘或硬盘)。载体可以是电或光信号，其可以经由电或光缆 或者通过无线电或其它手段被发送。
本发明不局限于以上描述的实施例，而可以在结构和细节方面有 变化。在本文中关于本发明使用的词"包括"和词"具有/包含"用于指定 所陈述的部件、整体、步骤或組件的存在，而不排除一个或多个其它 部件、整体、步骤、組件或其群组的存在或加入。
应当理解，为清楚起见，也可以在单个实施例中组合地提供在单 独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征。反之，为了简便起 见，也可以分别 下文中描述的本发明的各特征，
权利要求
1.一种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的至少一个工艺参数的方法，所述方法包括以下步骤检测在所述刻蚀工艺期间由等离子体产生的光；过滤所检测的光以提取调制光；以及处理所检测的调制光以确定所述刻蚀工艺的至少一个工艺参数。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述工艺参数是刻蚀工艺的终点。
3. 根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述工艺参数是刻蚀工艺的刻蚀速率。
4. 一种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的方法，所述方法包括以下步骤检测在所述刻蚀工艺期间由等离子体产生的光；过滤所检测的光以提取调制光；以及处理所检测的调制光以确定所述刻蚀工艺的刻蚀速率。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述检测的步骤还包括过滤光以检测所选的波段的步骤。
6. 根据权利要求4或权利要求5所述的方法，其中所述处理的步骤包括以下步骤将所检测的光转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；从所述频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号；生成与刻蚀工艺经过的时间内的所述工艺监视信号的强度成比例的曲线；以及根据所述曲线确定刻蚀速率。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中生成与刻蚀工艺经过的时间内的所述工艺监视信号的强度成比例的曲线的步骤包括校准所述工艺监视信号的值以生成转换信号值；以及生成在刻蚀工艺经过的时间内的所述转换信号值的曲线。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中校准步骤包括将所述工艺监视信号的值乘以转换常数。
9. 根据权利要求7或权利要求8所述的方法，还包括对所述曲线进行积分以生成在刻蚀工艺经过的时间内刻蚀面积的第二曲线，以及根据所述第二曲线确定刻蚀深度的步骤。
10. 根据权利要求9所述的方法，还包括在第二曲线中的信号电平转变与表示目标刻蚀深度的存储值匹配时生成指示符的步骤。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中所述指示符是指示已经达到目标刻蚀深度的视觉的或听觉的指示符。
12. 根据权利要求6到11中任何一个所述的方法，其中数字信号的变换包括对数字信号进行快速傅里叶变换。
13. 根据权利要求6到12中任何一个所述的方法，其中在对与所述晶片同一批次的晶片进行测试晶片分析期间，确定所述工艺监视信号。
14. 根据权利要求8到13中任何一个所述的方法，其中在对与所述晶片同一批次的晶片进行测试晶片分析期间，确定所述转换常数。
15. 根据权利要求13或权利要求14所述的方法，其中对所述批次进行的测试晶片分析包括以下步骤检测在刻蚀工艺持续时间内由被刻蚀的测试晶片的等离子体产生的调制光；将所检测的调制光转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；确定所述频域信号的主频率；以及选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号。
16. 根据权利要求15所述的方法，其中选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的步骤包括以下步骤生成在刻蚀工艺期间的一組测试晶片的电子显微镜图像；根据所生成的图像来测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速率和刻蚀深度；以及选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变化的值的那些主频率作为工艺监视信号。
17. 根据权利要求16所述的方法，还包括在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率之间建立线性关系的步骤。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中所建立的线性关系被存储作为转换常数。
19. 根据权利要求15到18中任何一个所述的方法，其中确定主频率的步骤包括确定具有较高的信号强度值的那些频域信号的步骤。
20. —种确定供检测在特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的方法使用的工艺监视信号和转换常数的方法，所述方法包括以下步骤在等离子体刻蚀工具中放置所述晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀工艺；检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制光；将所检测的调制光转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；确定所述频域信号的主频率；选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号；在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率之间建立线性关系；以及存储所建立的线性关系作为转换常数。
21. 根据权利要求20所述的方法，其中选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的步骤包括以下步骤生成测试晶片的电子显微镜图像；根据所生成的图像来测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速率和刻蚀深度；以及选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变化的值的那些主频率作为工艺监视信号。
22. 根据权利要求20或权利要求21所述的方法，其中确定主频率的步骤包括确定具有较高的信号强度值的那些频域信号的步骤。
23. —种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的装置，包括用于检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光的装置；用于过滤所检测的光以提取调制光的装置；以及用于处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的刻蚀速率的装置。
24. 根据权利要求23所述的装置，其中用于检测的装置还包括用于过滤光以检测所选的波段的装置。
25. 根据权利要求23或24所述的装置，其中用于处理的装置包括用于将所检测的光转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；用于从所述频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号的装置；用于生成与刻蚀工艺经过的时间内的所述工艺监视信号的强度成比例的曲线的装置；以及用于根据所述曲线确定刻蚀速率的装置。
26. 根据权利要求25所述的装置，其中用于生成与刻蚀工艺经过的时间内的所述工艺监视信号的强度成比例的曲线的装置包括用于校准所述工艺监视信号的值以生成转换信号值的装置；以及用于生成在刻蚀工艺经过的时间内的所述转换信号值的曲线的装置。
27. 根据权利要求26所述的装置，其中用于校准的装置包括用于将所述工艺监视信号的值乘以转换常数的装置。
28. 根据权利要求26或权利要求27所述的装置，还包括对所述曲线进行积分以生成在刻蚀工艺经过的时间内的刻蚀面积的第二曲线的装置，以及根据所述第二曲线确定刻蚀深度的装置。
29. 根据权利要求28所述的装置，还包括当第二曲线中的信号电平转变与表示目标刻蚀深度的存储值匹配时生成指示符的装置。
30. 根据权利要求29所述的装置，其中所述指示符是指示已经达到目标刻蚀深度的视觉的或听觉的指示符。
31. 根据权利要求23到30中任何一个所述的装置，其中用于检测的装置是光敏器件。
32. 根据权利要求25到31中任何一个所述的装置，其中用于变换的装置包括微控制器。
33. 根据权利要求25到31中任何一个所述的装置，其中用于变换的装置包括现场可编程门阵列。
34. 根据权利要求25到33中任何一个所述的装置，其中用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号的装置以及用于生成与刻蚀工艺经过的时间内的所述工艺监视信号的强度成比例的曲线的装置包括计算机。
35. 根据权利要求28到34中任何一个所述的装置，其中对所述曲线进行积分来生成在刻蚀工艺经过的时间内的刻蚀面积的第二曲线的装置以及当第二曲线中的信号电平转变与表示目标刻蚀深度的存储值匹配时生成指示符的装置包括计算机。
36. —种用于确定在检测特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率中使用的工艺监视信号和转换常数的装置，包括等离子体刻蚀工具；用于检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制光的装置；用于将所检测的调制光转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；用于确定所述频域信号的主频率的装置；用于选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的装置；用于在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率之间建立线性关系的装置；以及用于将所建立的线性关系存储作为转换常数的装置。
37. 根据权利要求36所述的装置，其中用于选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的装置包括用于生成测试晶片的电子显微镜图像的装置；用于根据所生成的图像来测量作为时间函数的刻蚀工艺的刻蚀速率和刻蚀深度的装置；以及用于选择具有与所测量的刻蚀速率和刻蚀深度相关的、随时间变化的值的那些主频率作为工艺监视信号的装置。
38. —种包括使计算机执行权利要求3到22中任何一个的方法的程序指令的计算机程序。
39. 根据权利要求38所述的计算机程序，被具体实现在记录介质上。
40. 根据权利要求38所述的计算机程序，被具体实现在载波信号上。
41. 根据权利要求38所述的计算机程序，被具体实现在只读存储器上。
42. —种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的计算机实现的系统，包括用于检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光的装置；用于过滤所检测的光以提取调制光的装置；以及用于处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的刻蚀速率的装置。
43. —种用于确定在检测特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率中使用的工艺监视信号和转换常数的计算机实现的系统，包括用于在等离子体刻蚀工具中放置所述晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀工艺的装置；用于检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制光的装置；用于将所检测的调制光转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；用于确定所述频域信号的主频率的装置；用于选择对刻蚀速率的变化敏感的那些主频率作为工艺监视信号的装置；用于在所选的随时间变化的工艺监视信号的值和实际刻蚀速率之间建立线性关系的装置；以及用于存储所建立的线性关系作为转换常数的装置。
44. 一种检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的刻蚀速率的方法，所述刻蚀工艺生成紧邻晶片的等离子体鞘层，所述方法包括基本上仅利用从所述等离子体鞘层发出的光来确定刻蚀速率的步骤。
45. 根据权利要求44所述的方法，其中从所述等离子体鞘层以及等离子体其余部分发出的光被一起检测，但基本上仅利用从所述等离子体鞘层发出的光来确定刻蚀速率。
46. 根据权利要求45所述的方法，其中所检测的光包括调制光和非调制光。
47. —种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的方法，所述方法包括以下步骤检测由等离子体产生的光；过滤所检测的光以提取调制光；处理所检测的调制光以确定何时到达刻蚀工艺的终点；以及在已经确定终点时生成指示符。
48. 根据权利要求47所述的方法，其中所述检测的步骤还包括过滤光以检测所选的波段的步骤。
49. 根据权利要求47或权利要求48所述的方法，其中所述处理的步骤包括对所检测的调制光执行终点检测算法。
50. 根据权利要求49所述的方法，其中所述终点检测算法包括以下步骤将所检测的光转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与对应于何时到达刻蚀工艺终点的所存储的信号电平转变值匹配。
51. 根据权利要求50所述的方法，其中确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变值匹配的步骤包括以下步骤从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号；生成在刻蚀工艺经过的时间内所述工艺监视信号的强度的曲线；以及确定所述曲线中的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变值匹配。
52. 根据权利要求50或权利要求51所述的方法，其中数字信号的变换包括对数字信号进行快速傅里叶变换。
53. 根据权利要求47到52中任何一个所述的方法，其中所述指示符是停止所述刻蚀工艺的控制信号。
54. 根据权利要求47到53中任何一个所述的方法，其中所述指示符是指示刻蚀工艺已经完成的视觉的或听觉的指示符。
55. 根据权利要求50到54中任何一个所述的方法，其中在与所述晶片同 一批次的晶片的测试晶片分析期间确定所存储的信号电平转变值和所述工艺监视信号。
56. 根据权利要求55所述的方法，其中所述批次的测试晶片分析包括以下步骤检测在刻蚀工艺持续时间内由被刻蚀的测试晶片的等离子体产生的调制光；将所检测的调制光信号转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；确定所述频域信号的主频率；选择在到达刻蚀工艺终点时表现出信号电平转变的那些主频率作为所述工艺监视信号；以及存储所述信号电平转变的值用作所存储的信号电平转变值。
57. 根据权利要求56所述的方法，其中选择在到达刻蚀工艺终点时表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号的步骤包括以下步骤生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线；以及选择在到达刻蚀工艺的终点时在所述曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号。
58. —种确定供检测特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的方法使用的工艺监视信号和信号电平转变值的方法，所述方法包括以下步骤在等离子体刻蚀工具中放置所述晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀工艺；检测在刻蚀工艺持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制光；将所检测的调制光信号转换为数字信号；将所述数字信号变换为频域信号；确定所述频域信号的主频率；生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线；选择在到达刻蚀工艺终点时在所述曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号；以及选择所述信号电平转变的值作为要被存储的信号电平转变值。
59. 根据权利要求56到58中任何一个所述的方法，还包括以下步骤生成测试晶片的电子显微镜图像；并且其中选择的步骤还包括选择在测试晶片图像示出到达刻蚀工艺终点时在所述曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为所述工艺监视信号。
60. 根据权利要求56到59中任何一个所述的方法，其中确定主频率的步骤包括确定具有较高的信号强度值的那些频域信号的步骤。
61. —种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的装置，包括等离子体刻蚀工具；用于检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光的装置；用于过滤所检测的光以提取调制光的装置；用于处理所检测的调制光以确定何时到达刻蚀工艺的终点的装置；以及用于在已经确定终点时生成指示符的装置。
62. 根据权利要求61所述的装置，其中用于检测的装置还包括用于过滤光以检测所选的波段的装置。
63. 根据权利要求61或权利要求62所述的装置，其中用于处理的装置包括用于将所检测的光转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；以及用于确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与对应于何时到达刻蚀工艺终点的所存储的信号电平转变值相匹配的装置。
64. 根据权利要求63所述的装置，其中用于确定一个或多个预先选择的频率的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变值相匹配的装置包括用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号的装置；用于生成在刻蚀工艺经过的时间内所述工艺监视信号的强度的曲线的装置；以及用于确定所述曲线中的信号电平转变是否与所存储的信号电平转变值匹配的装置。
65. 根据权利要求61到64中任何一个所述的装置，其中用于检测的装置是光敏器件。
66. 根据权利要求63或权利要求64所述的装置，其中用于变换的装置包括微控制器。
67. 根据权利要求63或权利要求64所述的装置，其中用于变换的装置包括现场可编程门阵列。
68. 根据权利要求64到67中任何一个所述的装置，其中用于从频域信号中提取一个或多个预先选择的频率来用作工艺监视信号、生成在刻蚀工艺经过的时间内所述工艺监视信号的强度的曲线、以及确定曲线中的信号电平转变是否与对应于何时到达刻蚀工艺终点的所存储的信号电平转变值相匹配的装置包括计算机。
69. —种用于确定被存储以在检测特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺终点中使用的工艺监视信号和信号电平转变值的装置，包括等离子体刻蚀工具；用于检测在刻蚀工艺持续时间内由所述晶片批次的测试晶片的等离子体产生的调制光的装置；用于将所检测的调制光信号转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；用于确定所述频域信号的主频率的装置；用于选择在到达刻蚀工艺终点时表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号的装置；以及用于选择所述信号电平转变的值作为信号电平转变值的装置。
70. 根据权利要求69所述的装置，其中用于选择在到达刻蚀工艺终点时表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号的装置包括生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线的装置；以及选择在到达刻蚀工艺终点时在所述曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号的装置。
71. —种包括使计算机执行权利要求47到60中任何一个的方法的程序指令的计算机程序。
72. 根据权利要求71所述的计算机程序，被具体实现在记录介质上。
73. 根据权利要求71所述的计算机程序，被具体实现在载波信号上。
74. 根据权利要求71所述的计算机程序，被具体实现在只读存储器上o
75. —种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的计算机实现的系统，包括用于检测由等离子体产生的光的装置；用于过滤所检测的光以提取调制光的装置；用于处理所检测的调制光以确定何时到达刻蚀工艺终点的装置；以及用于在已经确定终点时生成指示符的装置。
76. —种用于确定在检测特定晶片批次的半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点中使用的工艺监视信号和信号电平转变值的计算机实现的系统，包括用于在等离子体刻蚀工具中放置所述晶片批次的测试晶片并且启动刻蚀工艺的装置；用于检测在刻蚀工艺的持续时间内由测试晶片的等离子体产生的调制光的装置；用于将所检测的调制光信号转换为数字信号的装置；用于将所述数字信号变换为频域信号的装置；用于确定所述频域信号的主频率的装置；用于生成在刻蚀工艺的持续时间内主频率的强度的曲线的装置；用于选择在到达刻蚀工艺终点时在所述曲线中表现出信号电平转变的那些主频率作为工艺监视信号的装置；以及用于选择所述信号电平转变的值作为要被存储的信号电平转变值的装置。
77. —种检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的终点的方法，所述刻蚀工艺产生紧邻晶片的等离子体鞘层，所述方法包括基本上仅利用从等离子体鞘层发出的光来确定终点的步骤。
78. 根据权利要求77所述的方法，其中从等离子体鞘层以及等离子体其余部分发出的光被一起检测，但基本上仅利用从等离子体鞘层发出的光来确定终点。
79. 根据权利要求78所述的方法，其中所检测的光包括调制光和非调制光。
80. —种基本上如参考并示出在图4到图15中的在本文中描述的方法。
全文摘要
本发明提供了用于测量等离子体刻蚀工艺的工艺参数的方法和装置。一种用于检测在半导体晶片上进行的等离子体刻蚀工艺的至少一个工艺参数的方法。该方法包括以下步骤检测在刻蚀工艺期间由等离子体产生的光；过滤所检测的光以提取调制光；以及处理所检测的调制光以确定刻蚀工艺的至少一个工艺参数。
文档编号H01J37/32GK101675495SQ200880007160
公开日2010年3月17日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年2月2日
发明者F·索伯罗恩, M·迪帕卡, S·丹尼尔斯, S·格林 申请人:雷克萨斯研究有限公司