專利名稱：用于檢測等離子處理室中激發(fā)步驟的電容耦合靜電(cce)探針裝置及其方法
用于檢測等離子處理室中激發(fā)步驟的電容耦合靜電OiCE)
探針裝置及其方法
背景技術(shù)：
在該等離子處理室中的襯底處理過程中，令人滿意的結(jié)果往往需要對工藝參數(shù)的 密切控制。這對于如沉積、蝕刻、清潔等用來制造現(xiàn)代高密度集成電路的工藝尤其正確。在特定的蝕刻工藝執(zhí)行中，例如，在襯底上執(zhí)行實際蝕刻步驟之前，等離子需要 穩(wěn)定以及良好地表征。為了引起穩(wěn)定且良好表征的等離子，往往采用稱作激發(fā)步驟制法 (recipe)的特別制法。在這個激發(fā)步驟過程中，該等離子處理室采用相對高的氣壓來確保 等離子引發(fā)(ignition)。通常將射頻(RF)功率保持較低以防止對襯底和/或室部件造成 無意的損傷。該激發(fā)步驟確保在按照預(yù)定的蝕刻步驟在襯底上開始實際蝕刻(通常采用較 高的RF功率)之前，室內(nèi)的等離子條件達到某種預(yù)定的、可接受的程度。因此，盡管激發(fā)步 驟可能包含對于實際蝕刻來說不穩(wěn)定的等離子條件，但是激發(fā)步驟是確保滿意的蝕刻結(jié)果 以及每個襯底的高器件成品率的重要步驟。現(xiàn)有技術(shù)中，激發(fā)步驟往往按照某種預(yù)定的已知最佳方法或BKM來執(zhí)行任意的時 間長度。激發(fā)步驟持續(xù)時間通常根據(jù)從測試襯底獲得的反饋數(shù)據(jù)提前憑借經(jīng)驗確定，并且 在執(zhí)行每個蝕刻制法之前執(zhí)行。例如，某些BKM可能需要5秒激發(fā)步驟以確保在蝕刻之前 等離子的可靠引發(fā)和穩(wěn)定。通常執(zhí)行完整的5秒激發(fā)步驟，而不管是否在這5秒持續(xù)時間 內(nèi)等離子是否在第一、第二、第三或第四秒中引發(fā)并穩(wěn)定。如果在該預(yù)定的激發(fā)步驟持續(xù)時間中非常早的引發(fā)并穩(wěn)定等離子，該激發(fā)步驟持 續(xù)時間的其余部分實際上是浪費的時間，因為等離子已經(jīng)引發(fā)并穩(wěn)定，而且在這段時間內(nèi) 沒有發(fā)生有用的蝕刻。浪費的時間減少等離子處理系統(tǒng)總的產(chǎn)量，導(dǎo)致更高的持有等離子 工具的成本(是生產(chǎn)的器件單元的函數(shù))。此外，在這個浪費的時間中，該室中存在的激發(fā) 等離子會促使室部件過早的退化(由此迫使更頻繁的清潔和維護循環(huán))和/或?qū)е乱r底被 不希望地蝕刻而沒有產(chǎn)生相應(yīng)的與改進和/或增加襯底產(chǎn)量有關(guān)的好處。另一方面，如果該激發(fā)步驟結(jié)束后，等離子沒有引發(fā)或者沒有保持穩(wěn)定，在沒有良 好表征的等離子的情況下，開始主蝕刻步驟往往導(dǎo)致?lián)p傷襯底?？紤]到前面所述，期望改進的技術(shù)以檢測激發(fā)步驟是否成功和/或最小化執(zhí)行激 發(fā)步驟所需的持續(xù)時間。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種識別等離子處理系統(tǒng)的處理室內(nèi)穩(wěn)定的等離 子的方法。該方法包括在該處理室內(nèi)執(zhí)行激發(fā)步驟以生成等離子。該激發(fā)步驟包括在該處 理室內(nèi)施加相當(dāng)高氣壓和在該處理室內(nèi)維持低射頻(RF)功率。該方法還包括采用探針頭 以采集一組激發(fā)步驟過程中的特性參數(shù)測量值，該探針頭在處理室的表面上，其中該表面 非常接近襯底表面。該方法進一步包括將該組特性參數(shù)測量值與預(yù)定的范圍對比。如果該 組特性參數(shù)測量值在該預(yù)定的范圍內(nèi)，則存在穩(wěn)定的等離子。上面的概述只涉及這里公開的本發(fā)明許多實施方式的一個并且不是為了限制本發(fā)明的范圍，這個范圍在權(quán)利要求中闡述。本發(fā)明的這些和其他特征將在下面的具體描述 中結(jié)合附圖更詳細地說明。


在附圖中，本發(fā)明作為示例而不是作為限制來說明，其中類似的參考標號指出相 似的元件，其中圖1示出示例CCE探針裝置。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)中的離子電流(單位時間單位面積上的離子通量)比時間的曲線。圖3示出，按照本發(fā)明一個實施方式，離子電流(單位時間單位面積上的離子通 量)比時間的曲線。討論的圖A示出等離子系統(tǒng)一部分的簡單示意圖，具有電容耦合至反應(yīng)器室以產(chǎn) 生等離子的射頻(RF)源。討論的圖Bl示出RF充電之后的電壓比時間圖表。討論的圖B2示出RF充電后采集的電流數(shù)據(jù)的圖表。討論的圖C示出RF爆發(fā)(RF burst)之間的單個時間間隔的簡單電流比電壓圖表。討論的圖D示出在本發(fā)明的一個實施方式中的簡單流程圖，說明在襯底處理過程 中自動表征等離子的總體步驟。討論的圖E示出，在本發(fā)明的一個實施方式中，確定關(guān)聯(lián)范圍和該種子值的簡單算法。討論的圖Fl示出RF爆發(fā)之后的電流比時間示例。討論的圖F2示出RF爆發(fā)之后的電壓比時間示例。
討論的圖F3示出拐點的示例。討論的圖F4示出應(yīng)用于電流比電壓圖表的曲線擬合的示例。
具體實施例方式現(xiàn)在將根據(jù)其如在附圖中說明的幾個實施方式來具體描述本發(fā)明。在下面的描述 中，闡述許多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，顯然，本發(fā) 明可不利用這些具體細節(jié)的一些或者全部而實施。在有的情況下，公知的工藝步驟和/或 結(jié)構(gòu)沒有說明，以避免不必要的混淆本發(fā)明。本發(fā)明的實施方式涉及使用電容耦合靜電(CCE)探針以檢測激發(fā)步驟的成功完 成。CCE探針已經(jīng)長期用于測量等離子處理參數(shù)。CCE探針是本領(lǐng)域公知的，并且細節(jié)可從 公開文獻得到，包括例如美國專利5，936，413，主題為“Method And Device For Measuring An Ion Flow In A Plasma”(1999年8月10號)，其通過引用結(jié)合在這里。CCE探針提供許 多優(yōu)點，包括例如改進的檢測敏感度、由于傳感器的小尺寸導(dǎo)致的最小的對等離子的擾動、 容易安裝在室壁上、對傳感器頭上的聚合物沉積不敏感。此外，該傳感器的面向等離子的表 面往往可由與圍繞該室壁的相同的材料制成，由此進一步最小化對等離子的干擾。這些優(yōu) 點使得非常希望將CCE探針用于感應(yīng)工藝參數(shù)。大體而言，CCE探針裝置包含連接到測量電容器的一個板的面向等離子的傳感器。這里在圖1中示出一個示例CCE探針裝置。圖1中，面向等離子的傳感器102(其設(shè)在室130 的壁中)連接到測量電容器104的一個板10如。測量電容器104的另一個板104b連接到 RF電壓源106。該RF電壓源106周期性提供RF振蕩波列(oscillation trains)，使得探 針變成負偏置，并且執(zhí)行跨該測量電容器的測量以確定每個RF振蕩波列結(jié)束之后緊跟著 的電容器電流放電的速率。電流測量裝置120串聯(lián)在測量電容器104和RF電壓源106之 間以檢測該電容器電流放電速率?？商鎿Q地或者額外地，電壓測量裝置122連接在板10 和地之間以測量探針頭的電勢。關(guān)于CCE探針裝置和CCE探針操作的細節(jié)在前面提到的美 國專利5，936，413中描述，并且這里將不再進一步討論。如所提到的，導(dǎo)電材料制成的探針頭安裝在室的表面中。將短RF波列施加于該探 針，使得該電容器(Cm)充電，并且使得探針的表面獲得負電勢(相對地負幾十伏特)。在 RF脈沖結(jié)束之后，探針的電勢隨著Cm放電而衰退回到該空載電勢(floating potential) 0 電勢變化的速率由等離子特性決定。在這個放電過程中，探針的電勢Vf利用電壓測量裝 置122來測量，而流到該探針并通過電容器Cm的電流利用電流測量裝置120來測量。曲線 V(t)和I(t)用來構(gòu)建電流-電壓特性VI，其之后由信號處理器來分析。將模型函數(shù)擬合 到這些數(shù)據(jù)點，產(chǎn)生空載電勢Vf、離子飽和電流Isat和電子溫度Te的估值。更多的細節(jié)可 在主題為“Methods for Automatically Characterizing a Plasma”、2008 年 6 月 26 好遞 交于美國專利局(申請?zhí)?1/075，948)以及2009年6月2日遞交于美國專利局(申請?zhí)?12/477, 007)的共同待決申請中找到，它們包含在這里的討論中。按照本發(fā)明的一個或多個實施方式，提出創(chuàng)新性的技術(shù)以能夠檢測激發(fā)步驟的成 功完成。發(fā)明人這里是這樣實現(xiàn)的，通過監(jiān)測離子通量，使用適當(dāng)?shù)男盘柼幚硐到y(tǒng)軟件和/ 或硬件可檢測該離子通量數(shù)據(jù)中等離子引發(fā)的信號階躍(signal step)特征。一旦出現(xiàn)等 離子引發(fā)，可監(jiān)測該離子通量一段時間。等離子引發(fā)的信號階躍特征的監(jiān)測可在預(yù)計發(fā)生 等離子引發(fā)的時間窗內(nèi)執(zhí)行。如果在這個時間窗內(nèi)觀察到建立穩(wěn)定的離子通量，那么就說 該等離子穩(wěn)定并認為該激發(fā)步驟成功。因此該激發(fā)步驟的成功完成要求檢測到等離子引發(fā) 事件以及確定對于給定時間段后續(xù)的等離子參數(shù)完全滿足特定條件?？商鎿Q地或額外地，可監(jiān)測電子溫度。通過監(jiān)測電子溫度，可得到額外的驗證數(shù)據(jù) 點以檢測等離子引發(fā)事件?？商鎿Q地或額外地，可監(jiān)測探針頭的空載電勢。通過監(jiān)測空載電勢，可使用適當(dāng)?shù)?信號處理系統(tǒng)軟件和/或硬件檢測該空載電勢數(shù)據(jù)中的等離子引發(fā)的信號階躍特征。一旦 發(fā)生等離子引發(fā)，則監(jiān)測空載電勢一段時間。如果在這個時間窗內(nèi)滿足特定條件，則說等離 子穩(wěn)定并且認為激發(fā)步驟成功。與離子通量監(jiān)測的情況相同，該激發(fā)步驟的成功完成要求 檢測等離子引發(fā)事件并確定對于給定時段內(nèi)后續(xù)等離子參數(shù)完全滿足特定的條件。圖2示出現(xiàn)有技術(shù)中離子電流(單位時間單位面積上的離子通量)比時間的曲 線。圖2中，點200表示激發(fā)步驟開始。點200和點210之間的時段表示該激發(fā)步驟。步 驟202反映等離子引發(fā)。實際上，如圖2中可見，從在點204開始，該等離子已經(jīng)穩(wěn)定。由 于該現(xiàn)有技術(shù)BKM要求激發(fā)步驟200開始之后的固定時間量，所以允許該激發(fā)步驟運行直 到在點210該固定的時段到期。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易理解點204和點210之間的時間 段實際上表示浪費的時間，這降低了系統(tǒng)產(chǎn)量并且由于在漫長的穩(wěn)定后點上存在激發(fā)等離 子而導(dǎo)致可能損傷襯底和/或室部件。
圖3示出，按照本發(fā)明一個實施方式，離子電流(單位時間單位面積上的離子通 量)比時間的曲線。圖3中，點300表示激發(fā)步驟開始。步驟302反映等離子引發(fā)。跟著 該引發(fā)事件之后等離子開始穩(wěn)定。在點304，等離子穩(wěn)定。通過監(jiān)測離子通量和/或電子溫 度和/或空載電勢，可檢測等離子引發(fā)。如果點302(等離子引發(fā))和點304之間的時間段 內(nèi)的等離子條件令人滿意，則蝕刻工藝可從點304開始，由此消除漫長的浪費時段(如現(xiàn)有 技術(shù)圖2的點204和210之間的時段)。注意如果一直都檢測不到等離子引發(fā)(例如，沒有 步驟30 ，則認為該激發(fā)步驟失敗。這樣，本發(fā)明提供比現(xiàn)有技術(shù)顯著的優(yōu)點，現(xiàn)有技術(shù)中 蝕刻步驟開始于預(yù)定的激發(fā)步驟持續(xù)時間的結(jié)束，不管等離子是否已經(jīng)成功引發(fā)和/或已 經(jīng)穩(wěn)定。在本發(fā)明一個或多個實施方式中，在示例蝕刻中，對于的等離子引發(fā)、對于該穩(wěn)定 時段等，特性參數(shù)測量值(如離子通量測量值，電子溫度測量值和/或空載電勢測量值)可 根據(jù)經(jīng)驗獲得。一旦對于某些測試襯底確定了這些特征參數(shù)，特征參數(shù)模式(pattern)可 用于與從將來的工藝獲得的參數(shù)讀數(shù)對比，以確定是否成功完成激發(fā)步驟。與現(xiàn)有參數(shù)測量技術(shù)相比，如測量入射或反射RF功率或RF阻抗探針，本發(fā)明基于 CCE探針的激發(fā)步驟檢測技術(shù)是高靈敏的。這是因為本發(fā)明的實施方式使用探針直接測量 到達靠近被處理襯底的室壁的離子通量。因此，探針測量的離子通量與到達襯底表面的通 量密切相關(guān)，使得這個測量值是固有地絕對測量值。所以，檢測系統(tǒng)可驗證離子通量是穩(wěn)定 的(例如，沒有過分的振蕩或不穩(wěn)定性)并且在觸發(fā)到蝕刻步驟的過渡(transition)前處 于設(shè)定的控制限度內(nèi)。這個直接測量方法與現(xiàn)有技術(shù)(如前面提到的RF功率測量或阻抗探針測量) 不同，現(xiàn)有技術(shù)傾向于更間接的測量并且更有可能提供激發(fā)步驟檢測的假肯定(false positives)和/或假否定(false negatives)，并且更難以校準或使之絕對。另外，對等離子的干擾最小，因為CCE探針頭傾向于更小、與等離子處理室的周圍 的面向等離子的結(jié)構(gòu)齊平安裝，并且具有由與該室面向等離子的部件相同的材料形成的面 向等離子的探針表面。此外，該創(chuàng)新的基于CCE探針的激發(fā)步驟檢測技術(shù)對于面向等離子 的探針頭上的聚合物沉積不敏感，因為電流電容耦合通過任何形成在探針頭的面向等離子 的表面上的沉積物。盡管本發(fā)明參照其多個優(yōu)選實施方式來描述，但是存在改變、置換和等同方式，其 落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。還應(yīng)當(dāng)注意有許多實現(xiàn)本發(fā)明的方法和裝置的替代途徑。盡管這里 提供各種示例，但意圖是這些示例是說明性的而不是對本發(fā)明的限制。并且，這里為了方便提供主題和概要，并且不應(yīng)當(dāng)用來解釋這里的權(quán)利要求的范 圍。進而，摘要是以高度概括的形式撰寫的并且在這里為了方便而提供，因此不應(yīng)當(dāng)用來解 釋或者限制在權(quán)利要求中表述的總的發(fā)明。如果這里使用了術(shù)語“組”，這種屬于意圖是具 有數(shù)學(xué)意義上的一般理解，涵蓋零個、一個或多于一個元素。還應(yīng)當(dāng)注意，有許多實現(xiàn)本發(fā) 明方法和設(shè)備的方式。所以，所以，其意圖是下面所附的權(quán)利要求解釋為包括所有這樣的落 入本發(fā)明主旨和范圍內(nèi)的改變、置換和各種替代等同物。該討論還可以在主題為‘‘Methods for Automatically Characterizing a Plasma",2008年6月沈日在美國專利局遞交(申請?zhí)?1/075，948)以及2009年6月2日 在美國專利局遞交(申請?zhí)?2/477,007)的共同待決申請中找到，并且通過引用結(jié)合在這里。用于自動表征等離子的方法的討論等離子處理的進步促進了半導(dǎo)體工業(yè)的增長。為了為典型的電子產(chǎn)品供應(yīng)芯片， 可處理數(shù)百或數(shù)千個襯底(比如半導(dǎo)體晶圓)。為了使制造公司具有競爭力，該制造公司必 須能夠在最小的處理時間內(nèi)將該襯底處理為合格的半導(dǎo)體器件。通常，在等離子處理過程中，可能出現(xiàn)會對該襯底造成負面影響的問題?？赡芨淖?被處理的襯底的品質(zhì)的一個重要的因素是等離子本身。為了有足夠的數(shù)據(jù)來分析該等離 子，可以使用傳感器收集有關(guān)每個襯底的處理數(shù)據(jù)?？梢苑治鍪占臄?shù)據(jù)以確定問題的原 因。為了便于討論，圖A顯示了在等離子系統(tǒng)A-100的一部分中的數(shù)據(jù)收集探針的簡 單示意圖。等離子系統(tǒng)A-100可包括射頻(RF)源A-102(比如脈沖式射頻頻率發(fā)生器)， 其電容耦合于反應(yīng)器室A-104以產(chǎn)生等離子106。當(dāng)射頻源A-102開啟時，在外部電容器 A-108兩側(cè)產(chǎn)生偏壓，該外部電容器A-108可以約為沈.2納法(nF)。在一個實施例中，射頻 源A-102可以每幾個毫秒(例如，約五毫秒)提供一個小的電力爆發(fā)(burst)(例如，11. 5 兆赫)，導(dǎo)致外部電容器A-108被充電。當(dāng)射頻源A-102被關(guān)閉時，具有極性的偏壓保留在 外部電容器A-108上，從而探針A-110被偏置以收集離子。隨著該偏壓的衰退，可以追蹤到 如圖B1、B2和C所示的曲線。本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識到，探針A-110通常是具有傳導(dǎo)平面的電探針，該傳導(dǎo)平 面可以靠著反應(yīng)器室A-104的室壁放置。從而探針A-110直接暴露于反應(yīng)器室A-104的環(huán) 境。可以分析由探針A-110收集的電流和電壓數(shù)據(jù)。因為某種配方可能使得非傳導(dǎo)性沉積 層A-116沉積在探針A-110上，所以不是所有的探針都能夠收集可靠的測量值。然而，本領(lǐng) 域的技術(shù)人員意識到，即使有非傳導(dǎo)性沉積層，PIF(平坦離子流)探針也能夠收集數(shù)據(jù)，因 為該PIF探針方案不需要吸收直流(DC)以實現(xiàn)測量。通過其它傳感器測量等離子系統(tǒng)A-100中的電流和電壓信號。在示例中，當(dāng)射頻 源A-102被關(guān)掉時，分別使用電流傳感器A-112和高阻抗電壓傳感器A-114測量電流和電 壓。然后繪制從電流傳感器A-112和電壓傳感器A-114收集的測量數(shù)據(jù)以創(chuàng)建電流圖和電 壓圖。數(shù)據(jù)可以手動繪制或者可以將數(shù)據(jù)輸入到軟件程序以創(chuàng)建這些圖。圖Bl顯示了在射頻充電周期后的電壓/時間圖。在數(shù)據(jù)點B1-202，在提供射頻 充電(即，射頻爆發(fā))之后射頻源A-102已被關(guān)掉。在此示例中，在數(shù)據(jù)點B1-202，探針 A-110兩端的電壓約為負57伏。當(dāng)?shù)入x子系統(tǒng)A-100返回到安靜狀態(tài)(數(shù)據(jù)點B1-204和 B 1-206之間的間隔)時，該電壓通常達到空載電壓電勢。在此示例中，該空載電壓電勢從 約負57伏升高到約零伏。然而，該空載電壓電勢無需非得為零，而可以是負的或正的偏壓 電勢。類似地，圖B2顯示了在射頻充電之后收集的電流數(shù)據(jù)的圖表。在數(shù)據(jù)點B2-252， 在已經(jīng)提供射頻充電之后射頻源A-102已被關(guān)掉。在衰退期B2-2M期間，外部電容器A-108 的返回電流會被放電。在一示例中，在完全充電(數(shù)據(jù)點B2-252)時，電流約為0. 86mA/cm2。 然而，當(dāng)該電流被徹底放電后(數(shù)據(jù)點B2-256)，電流回到零。根據(jù)該圖表，該放電花費約 75毫秒。從數(shù)據(jù)點B2-256到數(shù)據(jù)點B2-258，該電容器保持放電。因為該電流數(shù)據(jù)和該電壓數(shù)據(jù)兩者都是在一個時間段內(nèi)被收集的，所以通過協(xié)調(diào)變量可以生成電流/電壓圖。換句話說，可以將收集的電流數(shù)據(jù)針對收 集的電壓數(shù)據(jù)匹配起來。圖C顯示了對于射頻爆發(fā)之間的單一的時間間隔的簡單的電流/ 電壓圖。在數(shù)據(jù)點C-302，在提供射頻充電之后射頻源A-102已被關(guān)掉。通過對每個射頻爆發(fā)過程中收集的數(shù)據(jù)施加非線性擬合，可以表征等離子A-106。 換句話說，可以確定表征等離子A-106的參數(shù)(例如，離子飽和度、離子飽和度斜率、電子溫 度、空載電壓電勢等)。盡管等離子A-106可以用收集的數(shù)據(jù)表征，然而計算該參數(shù)的過程 是需要人為干預(yù)的沉悶的手動過程。在一示例中，當(dāng)每個射頻爆發(fā)后(即，當(dāng)已經(jīng)提供了射 頻充電然后將其關(guān)閉后)已經(jīng)收集了數(shù)據(jù)時，該數(shù)據(jù)可以被饋送到軟件分析程序。該軟件 分析程序可執(zhí)行非線性擬合以確定可以表征該等離子的參數(shù)。通過表征該等離子，工程師 能夠確定可以如何調(diào)整配方以最小化該襯底的標準處理。不幸的是，分析每個射頻爆發(fā)的數(shù)據(jù)的現(xiàn)有技術(shù)方法會需要若干秒或長達數(shù)分鐘 的時間來完成。因為通常有數(shù)千個(如果不是數(shù)百萬個的話)射頻爆發(fā)要分析，所以表征 配方的等離子的總時間可能要花幾小時來計算。結(jié)果，該現(xiàn)有技術(shù)方法無法有效地為工藝 控制目的而提供及時的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在參考附圖中描繪的一些實施方式，對本發(fā)明進行詳細描述。在下面的描述中， 闡明了許多具體細節(jié)以提供對本發(fā)明的徹底理解。然而，顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說，本發(fā)明沒有這些具體細節(jié)中的一些或全部仍然可以實施。在其它情況下，沒有對已知的 工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)進行詳細描述，以免不必要地模糊本發(fā)明。下面描述了包括方法和技術(shù)在內(nèi)的各種實施方式。應(yīng)當(dāng)記住，本發(fā)明也涵蓋包括 計算機可讀介質(zhì)的制造品，在該計算機可讀介質(zhì)上存儲有用于執(zhí)行本發(fā)明的技術(shù)的各實施 方式的計算機可讀指令。計算機可讀介質(zhì)可包括，例如，半導(dǎo)體、磁的、光磁的、光學(xué)的或者 其它形式的用于存儲計算機可讀編碼的計算機可讀介質(zhì)。進一步，本發(fā)明還可涵蓋用于實 現(xiàn)本發(fā)明的各實施方式的裝置。這樣的裝置可包括用以執(zhí)行與本發(fā)明的實施方式有關(guān)的任 務(wù)的專用的和/或可編程的電路。這樣的裝置的例子包括恰當(dāng)編程過的通用計算機和/或 專用計算裝置，也可包括適于執(zhí)行與本發(fā)明的實施方式有關(guān)的各種任務(wù)的計算機/計算裝 置和專用的/可編程的電路的結(jié)合。如上所述，該PIF探針法可用于收集關(guān)于該等離子的數(shù)據(jù)，其可位于該反應(yīng)器室 環(huán)境內(nèi)。從傳感器(例如，PIF探針)收集的數(shù)據(jù)可用于表征該反應(yīng)器室中的等離子。而 且，因為該傳感器使用如圖A中所示的收集表面，所以也可以確定有關(guān)該室表面的數(shù)據(jù)。在 現(xiàn)有技術(shù)中，由該PSD探針收集的數(shù)據(jù)提供了可用于分析的現(xiàn)成的數(shù)據(jù)源。不幸的是，可被 收集的巨大的數(shù)據(jù)量使得及時地分析該數(shù)據(jù)成為挑戰(zhàn)。因為可能收集數(shù)千甚或數(shù)百萬的數(shù) 據(jù)點，識別關(guān)聯(lián)間隔以準確地表征等離子成為一個艱巨的任務(wù)，特別是因為數(shù)據(jù)通常是手 動分析的。結(jié)果，收集的數(shù)據(jù)對提供能夠及時對等離子表征的等離子處理系統(tǒng)是沒有用的。然而，如果從數(shù)千/數(shù)百萬個收集的數(shù)據(jù)點中識別出表征等離子所必需的關(guān)聯(lián)數(shù) 據(jù)點，那么表征等離子所需的時間可以明顯減少。依照本發(fā)明的實施方式，提供一種在相對 短的時間段內(nèi)自動表征等離子的方法。此處描述的本發(fā)明的實施方式提供了一種用于識別 該關(guān)聯(lián)范圍以減少表征等離子所需要分析的數(shù)據(jù)點的算法。此處所述的“關(guān)聯(lián)范圍”指的 是從在每個射頻爆發(fā)之間采集的數(shù)千或數(shù)萬個數(shù)據(jù)點中的更小的一組數(shù)據(jù)點。本發(fā)明的實 施方式進一步提供了估算可用于計算表征等離子的值的數(shù)學(xué)模型的種子值。通過對該關(guān)聯(lián)范圍執(zhí)行曲線擬合，可以計算出可用來表征等離子的參數(shù)。參考下面的附圖和討論，可以更好地理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點。圖D顯示了，在本發(fā)明的一個實施方式中，描繪用于在襯底處理過程中自動表征 等離子的步驟的簡單流程圖?？紤]以下情況，其中在襯底處理中已經(jīng)提供了射頻充電。在第一個步驟D-402中，收集電流和電壓數(shù)據(jù)。在一個示例中，在該射頻源被開啟 后，提供射頻充電(脈沖)。在該射頻充電被關(guān)閉后，可以使用電流傳感器和電壓傳感器在 探針(比如平坦離子流探針，其可被安裝到該反應(yīng)器室的室壁)收集數(shù)據(jù)。如上所述，可以 由該傳感器收集的數(shù)據(jù)點的數(shù)量可以在數(shù)千到數(shù)百萬范圍內(nèi)。在一些情況下，在每個射頻 爆發(fā)之間可以收集數(shù)千到數(shù)萬個數(shù)據(jù)點，使得現(xiàn)有技術(shù)中接近實時的分析幾乎不可能。在現(xiàn)有技術(shù)中，可以分配若干小時來分析在半導(dǎo)體襯底處理過程中收集的測量數(shù) 據(jù)。在本發(fā)明的一個方面中，本發(fā)明的發(fā)明人意識到，不需要分析每個射頻爆發(fā)之間的測量 數(shù)據(jù)以表征等離子。相反，如果將曲線擬合應(yīng)用于數(shù)據(jù)組的關(guān)聯(lián)范圍，可以確定用于表征該 等離子的參數(shù)。在下一個步驟D-404中，確定關(guān)聯(lián)范圍。如上所述，該關(guān)聯(lián)范圍指的是在每個射頻 爆發(fā)之間收集的數(shù)據(jù)組的子集。在現(xiàn)有技術(shù)中，因為數(shù)據(jù)是手動分析的，所以收集的數(shù)據(jù)的 巨大的量使得計算該關(guān)聯(lián)范圍成為艱巨的任務(wù)。在許多情況下，可以目視估算該關(guān)聯(lián)范圍。 在識別該關(guān)聯(lián)范圍時，可以從數(shù)據(jù)組的子集中基本上消除可能存在的噪聲。在一個示例中， 在復(fù)雜的襯底處理過程中，在該探針上可能發(fā)生聚合物累積，導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)的一部分是 有偏差的。例如，被影響的這部分數(shù)據(jù)通常是一旦該電容器已經(jīng)完全被放電后收集的數(shù)據(jù)。 在識別該關(guān)聯(lián)范圍時，可以從分析中除去與該聚合物累積有關(guān)的數(shù)據(jù)。換句話說，該關(guān)聯(lián)范 圍的確定使得能夠進行等離子表征而不受隨機噪聲的影響。例如，在后面對圖E的討論中， 提供了有關(guān)如何確定關(guān)聯(lián)范圍的討論。除了識別該關(guān)聯(lián)范圍以外，在下一個步驟D-406中，還可以確定該種子值。此處討 論的“種子值”指的是該斜率、該電子溫度、該離子飽和度值、該空載電壓電勢等的估算值。 例如，在對圖E的討論中，提供了有關(guān)如何估算該種子值的討論。利用該關(guān)聯(lián)范圍和該種子值執(zhí)行曲線擬合。因為曲線擬合必須在下一個射頻爆發(fā) 之前執(zhí)行，所以用于確定該關(guān)聯(lián)范圍和/或種子值的方法必須利用最小的總開銷并產(chǎn)生接 近最終擬合值的值，從而減少實現(xiàn)快速收斂所需的曲線擬合迭代的次數(shù)。使用該關(guān)聯(lián)范圍和該種子值，在下一個步驟D-408中，可以執(zhí)行非線性擬合(例 如，曲線擬合)，從而使得該等離子能夠在更短的時間段內(nèi)被表征而無需昂貴的高端計算 機。與現(xiàn)有技術(shù)不同，該方法允許來自單一射頻爆發(fā)導(dǎo)致的衰退間隔的結(jié)果在大約20毫秒 內(nèi)被表征，而不是需要幾分鐘乃至幾小時來處理。具備了這種近似實時分析的能力，該方法 可以被用作自動控制系統(tǒng)的一部分以在等離子處理過程中向工程師提供關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。圖E顯示了，在本發(fā)明的一個實施方式中，用于確定該關(guān)聯(lián)范圍和種子值的簡單 算法。將聯(lián)系圖Fl、F2、F3和F4對圖E進行討論。在第一個步驟E-502中，自動繪制在每個射頻爆發(fā)過程中收集的數(shù)據(jù)。在一個示 例中，由該電流傳感器收集的電流數(shù)據(jù)被繪制到電流/時間圖F1-600中，比如在圖Fl中所 示的那個。在另一個示例中，收集的電壓數(shù)據(jù)可被繪制到電壓/時間圖F2-650中，如圖F2 中所示。盡管該數(shù)據(jù)可能產(chǎn)生與現(xiàn)有技術(shù)類似的圖表，然而與現(xiàn)有技術(shù)不同，該收集的數(shù)據(jù)被自動饋送到分析程序中而無需人為干預(yù)。替代地，無需繪制收集的測量數(shù)據(jù)。相反，可以 直接將數(shù)據(jù)饋送到該分析程序中。相反，該圖被用作可視的示例來解釋該算法。與現(xiàn)有技術(shù)不同，不分析整個數(shù)據(jù)組來表征等離子。相反，確定關(guān)聯(lián)范圍。為了確 定關(guān)聯(lián)范圍，在下一個步驟E-504中，可以首先確定百分比衰退點。此處所述的“百分比衰 退點”指的是原始值衰退到該原始值的某個百分比的那個數(shù)據(jù)點。在一個實施方式中，該百 分比衰退點可代表被分析的數(shù)據(jù)間隔的末尾。在一個示例中，當(dāng)該射頻源被關(guān)掉時，該電流 值約為0.86mA/cm2。圖Fl的圖表F1-600上的數(shù)據(jù)點F1-602代表了該值。如果百分比衰 退點被設(shè)定為該原始值的百分之十，該百分比衰退點在數(shù)據(jù)點F1-604，約為0. 086mA/cm2。 換句話說，通過對該原始值應(yīng)用預(yù)定義的百分比，可以確定該百分比衰退點，其中該原始值 是當(dāng)該射頻源被關(guān)掉而該系統(tǒng)正返回平衡狀態(tài)時的電荷的值。在一個實施方式中，百分比 是根據(jù)經(jīng)驗確定的。在一個實施方式中，不是使用百分比衰退點來確定該數(shù)據(jù)間隔的末尾， 而是計算在每個射頻爆發(fā)時收集的數(shù)據(jù)的一階導(dǎo)數(shù)的峰值。在下一個步驟E-506中，該算法可確定該離子飽和區(qū)間，其是該原始值和第二衰 退點之間的數(shù)據(jù)子集。此處所述的“離子飽和區(qū)間”指的是該電流-電壓(IV)曲線的區(qū) 域，在該區(qū)域中該探針的電勢相對于該空載電勢足夠負從而到該探針的電子通量是微不足 道的。在此區(qū)域中，到該探針的電流隨著負電勢的增加而緩慢且線性地增加。另外，該離子 飽和區(qū)間是一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下該偏壓相對于該空載電勢足夠負從而該探針會收集該系 統(tǒng)中所有的現(xiàn)有離子。換句話說，當(dāng)該偏壓被升到足夠高時，收集的電流“飽和”。而且，此 處所述的“現(xiàn)有離子”指的是碰撞在該包層邊界(當(dāng)偏壓進一步增加時其會擴大)上的離 子的通量。換句話說，該離子飽和區(qū)間是與圖Fl的數(shù)據(jù)點F1-602和F1-606的間隔。在一個 實施方式中，通過取該原始值的一個百分比(即，數(shù)據(jù)點F1-602)可以確定該第二衰退點。 在一個示例中，如果該第二衰退點是該原始值的約百分之95，該第二衰退點約為0.81mA/ cm2(即，數(shù)據(jù)點F1-606)。因此，該離子飽和區(qū)間是從該原始值(數(shù)據(jù)點F1-602)到該第二 衰退點(數(shù)據(jù)點F1-606)。注意，該第二衰退點在該原始值(數(shù)據(jù)點F1-60》和該百分比衰 退點(數(shù)據(jù)點F1-604)之間。與該百分比衰退點類似，在一個實施方式中，該第二衰退點也 可以是基于該預(yù)定義閾值的。在一個實施方式中，該百分比是根據(jù)經(jīng)驗確定的。一旦確定了該離子飽和區(qū)間，在下一個步驟E-508中，可以估算該斜率()和該離 子飽和度(io)。如上所述，該斜率O和該離子飽和度Gtl)是可用于數(shù)學(xué)模型(下面的方 程2)以確定表征等離子的參數(shù)的四個種子值中的兩個。在一個示例中，可以通過執(zhí)行線性 回歸確定該斜率O。在另一個實施方式中，該算法還可以通過取數(shù)據(jù)點F1-602和F1-606 之間的數(shù)據(jù)值的平均值而確定該離子飽和度(、)。在下一個步驟E-510中，該算法可確定該拐點，其是該一階導(dǎo)數(shù)改變正負號的點。 在一個實施方式中，該拐點可以通過識別該百分比衰退點和該第二衰退點之間的電流值 的一階導(dǎo)數(shù)的最小值來計算。為了描繪，圖F3顯示了電流信號F3-660的百分比衰退點 (F3-664)和原始點(F3-66》之間的值的一階導(dǎo)數(shù)。拐點是該一階導(dǎo)數(shù)(F3-670)的最小數(shù) 據(jù)點，其具有-0. 012mA/cm2的值和226的索引值(如數(shù)據(jù)點F3-666所示)。為了確定該轉(zhuǎn) 折值，該索引值被映射到電流信號繪圖F3-660。在此示例中，當(dāng)該一階導(dǎo)數(shù)的索引值被映射 到電流信號F3-660時，該轉(zhuǎn)折值是0. 4714mA/cm2,如數(shù)據(jù)點F3-668所示。
在一個實施方式中，該關(guān)聯(lián)范圍被定義為該原始值和該拐點之間的范圍。附加地 或替代地，百分比衰退閾值可以被設(shè)定(例如，在百分之3 而不是計算該拐點。在一個示 例中，使用百分之35的百分比衰退點(其可以根據(jù)經(jīng)驗確定)，該關(guān)聯(lián)范圍可降到圖Fl的 點 F1-602 和 F1-604 之間。
權(quán)利要求
1.一種識別等離子處理系統(tǒng)的處理室內(nèi)穩(wěn)定的等離子的方法，包括 在所述處理室執(zhí)行激發(fā)步驟以生成等離子，其中所述激發(fā)步驟包括 在所述處理室內(nèi)施加相當(dāng)高的氣壓，以及在所述處理室內(nèi)維持低射頻(RF)功率；采用探針頭以采集一組所述激發(fā)步驟過程中的特性參數(shù)測量值，所述探針頭在所述處 理室的表面上，其中所述表面非常接近襯底表面；以及將該組特性參數(shù)測量值與預(yù)定的范圍對比，如果該組特性參數(shù)測量值在所述預(yù)定的范 圍內(nèi)，則存在所述穩(wěn)定的等離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述探針頭是電容耦合靜電(CCE)探針。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述探針頭是小型裝置，其中所述探針頭的面向 等離子的表面由與所述處理室的其他面向等離子的部件類似的材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該組特性參數(shù)測量值是一組離子通量測量值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該組特性參數(shù)測量值是一組電子溫度測量值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該組特性參數(shù)測量值是一組空載電勢測量值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中如果該組特性參數(shù)測量值不在所述預(yù)定的范圍 內(nèi)，則所述等離子不穩(wěn)定并且應(yīng)用校正動作。
8.一種識別等離子處理系統(tǒng)的處理室內(nèi)穩(wěn)定的等離子的裝置，包括 襯底，其中所述襯底設(shè)在所述處理室內(nèi)的下部電極上；射頻(RF)功率源，其中以低RF功率在所述處理室利用所述RF功率源；氣體輸送系統(tǒng)，其中將氣體輸送到所述處理室以與所述RF功率相互作用而產(chǎn)生等離子；壓力模塊，其中在所述處理室內(nèi)以相當(dāng)高的力利用所述壓力模塊； 探針裝置，其中所述探針裝置包括面向等離子的傳感器并且設(shè)在所述處理室的表面 上，所述表面非常接近所述襯底的表面，其中所述探針裝置構(gòu)造為至少采集一組激發(fā)步驟 過程中的特性參數(shù)測量值；以及檢測模塊，其中所述檢測模塊構(gòu)造為將該組特性參數(shù)測量值與預(yù)定的范圍對比，如果 該組特性參數(shù)測量值在所述預(yù)定的范圍內(nèi)，則存在所述穩(wěn)定的等離子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述面向等離子的傳感器是電容耦合靜電(CCE) 探針頭。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述面向等離子的傳感器是小型裝置，其中所述 面向等離子的傳感器的面向等離子的表面由與所述處理室的其他面向等離子的部件類似 的材料制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中該組特性參數(shù)測量值是一組離子通量測量值。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中該組特性參數(shù)測量值是一組電子溫度測量值。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中該組特性參數(shù)測量值是一組空載電勢測量值。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述檢測模塊是軟件算法。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中如果所述檢測模塊不能確定所述穩(wěn)定的等離子， 則應(yīng)用校正動作。
16.一種制造品，包括嵌入計算機可讀代碼的程序存儲介質(zhì)，所述計算機可讀代碼配置為識別等離子處理系統(tǒng)的處理室內(nèi)穩(wěn)定的等離子，包括用于在所述處理室內(nèi)執(zhí)行激發(fā)步驟以生成等離子的代碼，其中所述激發(fā)步驟包括 用于在所述處理室內(nèi)施加相當(dāng)高的氣壓的代碼，和 用于在所述處理室內(nèi)維持低射頻(RF)功率的代碼；用于使用探針頭采集一組所述激發(fā)步驟過程中的特性參數(shù)測量值的代碼，所述探針頭 在所述處理室的表面上，其中所述表面非常接近襯底表面；以及用于將該組特性參數(shù)測量值與預(yù)定的范圍對比的代碼，如果該組特性參數(shù)測量值在所 述預(yù)定的范圍內(nèi)，則存在所述穩(wěn)定的等離子。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造品，其中所述探針頭是電容耦合靜電(CCE)探針。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造品，其中該組特性參數(shù)測量值是一組離子通量測量 值、一組電子溫度測量值和一組空載電勢測量值之一。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造品，其中如果該組特性參數(shù)測量值不在所述預(yù)定的范 圍內(nèi)，則所述等離子不穩(wěn)定并且應(yīng)用校正動作。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的制造品，其中所述用于將該組特性參數(shù)測量值與所述預(yù)定 的范圍對比的代碼由檢測模塊執(zhí)行。
全文摘要
提供一種識別等離子處理系統(tǒng)的處理室內(nèi)穩(wěn)定的等離子的方法。該方法包括在該處理室內(nèi)執(zhí)行激發(fā)步驟以生成等離子。該激發(fā)步驟包括在該處理室內(nèi)施加相當(dāng)高氣壓并在該處理室內(nèi)維持低射頻(RF)功率。該方法還包括采用探針頭以采集一組激發(fā)步驟過程中的特性參數(shù)測量值，該探針頭在處理室的表面上，其中該表面非常接近襯底表面。該方法進一步包括將該組特性參數(shù)測量值與預(yù)定的范圍對比。如果該組特性參數(shù)測量值在預(yù)定的范圍內(nèi)，則存在穩(wěn)定的等離子。
文檔編號H01L21/66GK102084473SQ200980126807
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月7日
發(fā)明者杰-保羅·布斯, 道格拉斯·L·凱爾 申請人:朗姆研究公司