專利名稱：用于等離子體處理中故障識別的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在由射頻源供電的等離子體處理反應(yīng)器中故障識別的方法。
背景技術(shù)：
很多薄膜處理使用等離子體處理，以促進(jìn)快速而準(zhǔn)確地造出特性合乎要求的微小結(jié)構(gòu)。等離子體處理包括沉積和刻蝕襯底例如，硅晶片上的金屬、導(dǎo)體和半導(dǎo)體。等離子體處理通常涉及把襯底放在真空室里，引入處理氣體和應(yīng)用典型頻率為0.1至100兆赫的射頻(RF)功率，以制成等離子體。等離子體含有離子、電子、原子團(tuán)氣體核素和中性氣體，它們都準(zhǔn)許進(jìn)行期望的反應(yīng)。等離子體反應(yīng)的輸入很多，包括射頻功率、氣體流、室壓力、襯底和壁溫度、室壁條件、電極間距等等。
改進(jìn)制造工藝的關(guān)鍵在于控制復(fù)雜的等離子體處理，即，要達(dá)到準(zhǔn)確而可重復(fù)的處理，等離子體本身應(yīng)可重復(fù)?？上В壳磅r有辦法用于直接等離子體的監(jiān)視和控制。更通常的則是監(jiān)視或控制氣體流、射頻發(fā)生器的功率輸出、室壓力或溫度等等，即處理參數(shù)或處理輸入。不過，由于等離子體處理直接取決于等離子體參數(shù)，故測量這些間接變量通常是不夠的。
等離子體在電氣術(shù)語里代表非線性復(fù)數(shù)負(fù)載。這就導(dǎo)致了射頻驅(qū)動信號的諧波的生成。這些諧波即傅立葉分量，其對于等離子體處理和處理參數(shù)的變化都很敏感。
普遍接受的觀點(diǎn)是，監(jiān)視射頻功率信號的傅立葉分量為監(jiān)視等離子體處理提供了一條有用的途徑。這些分量更直接地測量了等離子體處理，因?yàn)樗鼈兣c基波等離子體參數(shù)更直接地相關(guān)。
已知可通過測量電壓和電流的傅立葉分量來使用射頻傳感器監(jiān)視和控制射頻等離子體。傳感器可用于閉環(huán)或開環(huán)控制，例如，在等離子體處理的刻蝕末點(diǎn)控制中或中段監(jiān)視中。在任一情形里，當(dāng)一個或多個傅立葉分量到達(dá)預(yù)定限制時，都可終止等離子體。
可惜，當(dāng)由于輸入?yún)?shù)出現(xiàn)了不期望的變化諸如氣體流速率的變化，而導(dǎo)致等離子體反應(yīng)器出問題時，上述射頻傳感器僅能確定故障的出現(xiàn)，即它不能確定哪個參數(shù)發(fā)生了變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，這就需要一種克服目前對于等離子體反應(yīng)器的故障檢測方案的限制的方法。
因此，本發(fā)明提供了一種在由射頻源供電的等離子體處理中的故障識別的方法，包含以下步驟(a)對于給定的基線等離子體處理，確定射頻源的多個傅立葉分量的幅度變化，該變化是由多個處理輸入?yún)?shù)相對它們的基線值而變化所導(dǎo)致的，(b)把所述幅度變化存儲為參考數(shù)據(jù)，(c)在后續(xù)的產(chǎn)品運(yùn)行期間運(yùn)行等離子體處理，(d)在所述產(chǎn)品運(yùn)行期間確定等離子體處理中是否有故障，(e)若有故障，則以與步驟(a)的基線標(biāo)稱值相同的輸入?yún)?shù)來重復(fù)基線處理，(f)對于重復(fù)的基線處理，確定所述傅立葉分量的幅度，和(g)比較步驟(f)所確定的數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)，以確定哪個(些)參數(shù)發(fā)生了變化。
在本申請文本里，基線等離子體處理是帶有用于處理輸入?yún)?shù)的預(yù)定值的等離子體處理。
本發(fā)明提供了一種技術(shù)，其允許操作者診斷故障原因，或至少消除大量的可能原因，否則調(diào)查的花費(fèi)將很大。


以下通過示例并參考附圖來描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中圖1描繪了典型的等離子體處理室；圖2示出了射頻傳感器對處理壓力的響應(yīng)；圖3示出了用等離子體反應(yīng)器上的射頻傳感器所取得的實(shí)驗(yàn)設(shè)計數(shù)據(jù)集；圖4描繪了根據(jù)本實(shí)施例的方法的流程圖；和圖5形象地代表了等離子體處理的傅立葉分量的變化。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了典型的等離子體處理反應(yīng)器。它包括等離子體室1，內(nèi)含要被處理的晶片或襯底2。用射頻功率源3在室內(nèi)建立和保持等離子體。該源通常具有實(shí)數(shù)阻抗，該阻抗需經(jīng)變換以匹配復(fù)數(shù)的等離子體負(fù)載。這是經(jīng)過匹配網(wǎng)絡(luò)4來完成的。功率通常是以容性耦合、通過電極8耦合至等離子體室的。處理氣體從氣體入口7通入，并通過排氣管10來抽氣，以使室保持理想的壓力?？墒褂枚罅鏖y9來控制壓力。等離子體準(zhǔn)許通過改變化學(xué)氣體來高效地制造例如，半導(dǎo)體器件。例如，諸如碳12這樣的氣體可用來刻蝕硅和金屬，該氣體被轉(zhuǎn)化成活性的、離子化的核素。通過等離子體的活性氣體、離子和電子，有可能刻蝕極其細(xì)微的幾何圖形，其用來造出半導(dǎo)體器件。
處理晶片是根據(jù)一些秘訣(recipe)，其受控于工具操作者。該秘訣包括輸入?yún)?shù)設(shè)置，諸如處理氣體流速率、室壓力、襯底/壁溫度、對一個或多個功率發(fā)生器的射頻功率設(shè)置、秘訣處理時間、電極間距等等。這是對于諸如刻蝕、沉積等所有等離子體處理工具的情形。晶片將要經(jīng)歷非常多的等離子體處理步驟方可完成。每一步都關(guān)系到總體產(chǎn)品量；任何一步的故障都可毀掉潛在的產(chǎn)品。
再次參考圖1，使用射頻傳感器5來測量復(fù)數(shù)后匹配電氣線中射頻電氣功率信號的電壓和電流。使用采樣技術(shù)，其抽取電壓和電流的傅立葉分量和這些向量之間的相位角，從而在數(shù)據(jù)采集電路6里進(jìn)行傅立葉變換。該數(shù)據(jù)采樣應(yīng)具有足夠高的分辨率，以在很大的動態(tài)范圍(90dB)里以高達(dá)0.001°的相位分辨率確定傅立葉分量(在本實(shí)施例里，頭五個分量包括基波)。在美國專利5,808,415中，對傅立葉分量的高分辨率采樣和測量的適用技術(shù)作了說明。
這些傅立葉分量對等離子體的狀況很敏感。例如，圖2示出了等離子體的電流基波和三次諧波隨著處理壓力的變化的變化。這些信號是典型的，并且所有15個傅立葉分量(在基波和頭四個諧波處的各電壓、電流和相位)都以相同方式響應(yīng)諸如壓力、氣體流、功率等等的輸入?yún)?shù)的變化。
晶片制造過程涉及以相似的等離子體處理秘訣來運(yùn)行整批晶片，以確保可靠的批量生產(chǎn)。若每個晶片上的等離子體處理都相同，則測得的傅立葉分量會反映出這一點(diǎn)來。等離子體處理里的任何變化都會體現(xiàn)為傅立葉分量里的變化。
圖3示出了從運(yùn)行于等離子體化學(xué)蒸發(fā)沉積工具的所謂實(shí)驗(yàn)設(shè)計(DOE)所得出的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來自三級、五因子Box-Behnken表面響應(yīng)的運(yùn)行。DOE的全部數(shù)據(jù)描繪了所有15個傅立葉分量的幅度的預(yù)期變化，其就是上文所指的在五個處理輸入?yún)?shù)里的變動函數(shù)。圖3示出的數(shù)據(jù)僅涉及這些輸入變量之中的兩個SiH4濃度和射頻功率。改變五個處理輸入?yún)?shù)里的任何一個都導(dǎo)致15個傅立葉分量里具體和可重復(fù)的變化模式。
以上在生產(chǎn)運(yùn)行里識別故障的技術(shù)在使用時，如圖4，使用非產(chǎn)品測試晶片在基線等離子體處理中運(yùn)行DOE(步驟20)。這就確定了上述15個傅立葉分量的幅度變化，它們是多個處理輸入?yún)?shù)相對它們的基線值的變化的函數(shù)。選擇該基線值以代表處理通常用于生產(chǎn)運(yùn)行的輸入?yún)?shù)的值，且DOE觀察這些變量可能的游移范圍。把DOE數(shù)據(jù)作為參考而存儲，并視其為特定等離子體處理的“指紋”。
在后續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行期間，(步驟22)監(jiān)視等離子體處理的故障，(步驟24)若在等離子體處理中檢測到故障(例如，使用標(biāo)準(zhǔn)SPC方法、最終電氣測試、成品數(shù)據(jù)、等離子體SPC、MVA技術(shù)等等)，則再次在測試晶片上運(yùn)行基線處理(步驟26)，并確定相對它們原始基線值的傅立葉分量的變化(步驟28)。圖5形象地代表了從步驟28得出的15個傅立葉分量相對原始基線值的變化。
由于第二基線處理(步驟26)在運(yùn)行時，用于處理輸入?yún)?shù)的標(biāo)稱值與用于原始DOE(步驟20)的基線值相同，故圖5所代表的變化可與所存儲的指紋比較，以在合理的可信度上確定哪個(些)處理輸入?yún)?shù)變化了(步驟30)，且該處理可被修正。
應(yīng)該理解本發(fā)明旨在檢測的處理輸入?yún)?shù)的變化并非響應(yīng)于相關(guān)外部輸入設(shè)置的變化；顯然，后者很容易確定。相反，即使在這些輸入設(shè)置的標(biāo)稱值在等離子體處理出現(xiàn)某些故障時仍保持不變，它也要發(fā)生變化。例如，整體流速率傳感器可能顯出故障，以致向室內(nèi)引入氣體的速率偏離了傳感器的指示值，或匹配單元可能吸收功率，以致分得的射頻功率少于與射頻源關(guān)聯(lián)的功率計的指示值。
使用標(biāo)準(zhǔn)模式的識別軟件11(圖1)可與存儲的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。這可使用標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計軟件技術(shù)；例如，諸如降冪(最小平方)的簡單相關(guān)技術(shù)可用來統(tǒng)計測量與先前存儲數(shù)據(jù)匹配的置信度。該軟件可以在個人計算機(jī)、數(shù)字信號處理器等上。
上述技術(shù)不限于處理輸入?yún)?shù)。在等離子體處理室里會出現(xiàn)很多其他故障。例如，在常規(guī)預(yù)防性維護(hù)之后，處理室被剝皮和擦洗。零件可能被或不被替換?？赡軙焉漕l分量的變化與室零件的壽命相聯(lián)系，以致把單個零件的故障包括在參考數(shù)據(jù)里。此外，在襯底自身上的故障，由于先前步驟的誤處理也可能包括在本技術(shù)里。簡而言之，本系統(tǒng)可被編程以用于新的故障機(jī)制。
應(yīng)該理解本技術(shù)不限于測量所述15個傅立葉分量?？墒褂萌魏螖?shù)目，只要獨(dú)立分量的數(shù)目足夠多、以正確地給多個處理輸入歸類。
還應(yīng)理解故障檢測的方法(圖4，步驟24)沒有限制?？墒褂萌魏渭夹g(shù)。本發(fā)明所針對的是故障的識別，而非檢測。
還應(yīng)理解可以無需測試晶片。可以在替代襯底上、或不要襯底而運(yùn)行基線處理。此外，也可能在產(chǎn)品晶片上進(jìn)行基線處理。
還應(yīng)理解不一定非要使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計來確定射頻分量與處理輸入?yún)?shù)的相關(guān)性。例如，每個處理輸入都可在其他全保持固定時獨(dú)立改變。
還應(yīng)理解整個處理可以用或不用軟件來自動化。所述技術(shù)是按分步形式來進(jìn)行的。不過，也可能使各個例程自動化，從采集相關(guān)數(shù)據(jù)到報告故障。
還應(yīng)理解本處理可不必僅限于使用射頻傅立葉分量來定義參考數(shù)據(jù)。可優(yōu)選地加入其他獨(dú)立的等離子體傳感器輸入作為數(shù)據(jù)的一部分。例如，來自等離子體的離子通量密度提供了等離子體處理的獨(dú)立測量，并可被加入以改進(jìn)本技術(shù)。
本發(fā)明不限于此處所述的實(shí)施例，其可被修改或變動，而不背離本發(fā)明的范疇。
權(quán)利要求
1.一種在由射頻源供電的等離子體處理中故障識別的方法，包含以下步驟(a)對于給定的基線等離子體處理，確定射頻源的多個傅立葉分量的幅度變化，該變化是由多個處理輸入?yún)?shù)相對它們的基線值而變化所導(dǎo)致的，(b)把所述幅度變化存儲為參考數(shù)據(jù)，(c)在后續(xù)的產(chǎn)品運(yùn)行期間運(yùn)行等離子體處理，(d)在所述產(chǎn)品運(yùn)行期間確定等離子體處理中是否有故障，(e)若有故障，則以與步驟(a)的基線標(biāo)稱值相同的輸入?yún)?shù)來重復(fù)基線處理，(f)對于重復(fù)的基線處理，確定所述傅立葉分量的幅度，和(g)比較步驟(f)所確定的數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)，以確定哪個(些)參數(shù)發(fā)生了變化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟(a)的傅立葉分量是射頻功率信號的電壓、電流和相位的傅立葉分量。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，基線處理是在測試晶片上執(zhí)行的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，基線處理是在產(chǎn)品晶片上執(zhí)行的。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，基線處理無需晶片即可執(zhí)行。
6.如以上任何權(quán)利要求之一所述的方法，進(jìn)一步包括確定除射頻功率外的量變作為輸入?yún)?shù)相對基線值的變化的函數(shù)，并把該變化包括在參考數(shù)據(jù)中。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，除射頻功率外的量是離子通量密度。
8.如以上任何權(quán)利要求之一所述的方法，其中，步驟(g)以統(tǒng)計技術(shù)執(zhí)行。
全文摘要
一種在由射頻源供電的等離子體處理中故障識別的方法，首先包含對于給定的基線等離子體處理，確定射頻源的多個傅立葉分量的幅度變化，該變化是由多個處理輸入?yún)?shù)相對它們的基線值而變化所導(dǎo)致的。把這些幅度變化存儲為參考數(shù)據(jù)。在后續(xù)的產(chǎn)品運(yùn)行期間，監(jiān)視等離子體處理的故障，并且若發(fā)現(xiàn)有故障，則以與原始基線標(biāo)稱值相同的輸入?yún)?shù)來重復(fù)基線處理。確定傅立葉分量對于原始基線值的變化，并與參考數(shù)據(jù)比較，以確定哪個(些)參數(shù)發(fā)生了變化。
文檔編號H01J37/32GK1436360SQ01811324
公開日2003年8月13日 申請日期2001年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月20日
發(fā)明者約翰·斯坎倫, 賈斯廷·勞勒, 斯蒂芬·丹尼爾斯 申請人:科學(xué)系統(tǒng)研究有限公司