检测等离子处理反应器的故障状况的方法和设备.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200780021091.5

申请日:

2007.05.25

公开号:

CN101595238A

公开日:

2009.12.02

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效|||公开

IPC分类号:

C23C14/00

主分类号:

C23C14/00

申请人:

朗姆研究公司

发明人:

道格拉斯·凯尔; 埃里克·赫德森; 克里斯·金柏; 安德烈亚斯·菲舍尔

地址:

美国加利福尼亚州

优先权:

2006.6.7 US 11/447,946

专利代理机构:

北京康信知识产权代理有限责任公司

代理人:

章社杲;吴贵明

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内容摘要

提供一种用于等离子处理室的失效检测方法。该方法包括检测该等离子室内的等离子参数和分析所得到的信息。这种分析使得能够检测如工艺副产物聚集、氦泄漏、匹配重调谐时间、差稳定速率和等离子限制损失的失效。还使得能够在该晶片处理过程中进行失效模式诊断。该方法包括测量该等离子参数与时间的函数和分析得到的数据。可利用如探针的探测器进行监测,该探测器优选地保持在该等离子室内基本上与该室内的表面共面并且直接测量净离子通量和其他等离子参数。

权利要求书

1.   一种用于监测等离子工艺的方法,包括下面步骤:
在等离子室中起始等离子工艺;
获得该等离子工艺的等离子参数数据,其中该等离子参数数据通过使用探针获得,其中该探针的感应表面暴露于该等离子并且与该等离子室内的壁或部件表面同延;以及
评估用于表征故障状态的等离子参数数据。

2.
  根据权利要求1所述的方法,其中评估该等离子参数数据的方法,包括下面的任何组合:
将该等离子参数数据存储在计算机可读存储介质系统上,
过滤该等离子参数数据,
使该等离子参数数据经历算法,
使该等离子参数数据经历数学运算;以及
将该等离子参数数据与已有的参照数据对比,由此产生解释;以及,状态报告和/或警告的发布基于该解释。

3.
  根据权利要求1所述的方法,其中获得该等离子参数数据而基本上不会干扰该等离子。

4.
  根据权利要求1所述的方法,其中该探针设置在延伸入射频偏置表面的或在接地表面上的凹部中。

5.
  根据权利要求1所述的方法,其中该探针是平面离子通量(PIF)类型或非电容耦合探针。

6.
  根据权利要求1所述的方法,其中通过在介电等离子分界面产生表面波获得该等离子参数数据以及基于该表面波测量等离子密度。

7.
  根据权利要求1所述的方法,其中(a)该等离子参数数据在处理晶片过程中收集为一系列测量值,(b)该等离子参数数据包括RF斜坡后等离子密度数据和/或(c)该等离子参数数据包括该等离子室的RF匹配系统的随机重调谐。

8.
  根据权利要求7所述的方法,其中等离子参数这一系列测量值与时间的函数以图表形式绘制。

9.
  根据权利要求7所述的方法,其中该故障状态是该工艺室中工艺副产物聚集或氦气泄漏。

10.
  根据权利要求7所述的方法,其中(a)该RF斜坡后等离子密度数据斜率的变化用来表明该等离子室故障状态是该工艺室工艺副产物的聚集,(b)RF斜坡之后的该等离子密度的振荡在该等离子密度的绝对值的大约5%到大约20%之间用来表明该等离子室故障状态是氦气泄漏,和/或(c)发生在该RF斜坡之后,幅度小于该等离子密度绝对值5%以及持续时间小于5秒的该等离子密度振荡用来表明该等离子室故障状态是该匹配系统的随机重调谐。

11.
  根据权利要求1所述的方法,其中该等离子参数数据用来表明该等离子室故障状态是差稳定速率的发生。

12.
  根据权利要求7所述的方法,其中在匹配调谐后,在回到其恰当平衡点之前,该等离子密度幅度的稳定用了超过大约0.5秒,这表明该等离子室故障状态是差稳定速率的发生。

13.
  根据权利要求1所述的方法,其中该等离子参数数据用来表明该等离子室故障状态是等离子限制损失的发生。

14.
  根据权利要求1所述的方法,其中该等离子参数数据用来表明该等离子室故障状态是在同样类型晶片上运行同样工艺制法的一组等离子室间缺乏室匹配。

15.
  根据权利要求2所述的方法,其中(a)该状态报告和/或警告在该系统起始校正步骤,(b)该状态报告和/或警告在包含晶片历史的日志中记录该解释和/或(c)该状态报告和/或警告停止该等离子室中的晶片处理。

16.
  一种用于执行权利要求1所述的方法的设备,其中(a)该探针嵌入壁或下面任何等离子处理室部件:喷头电极、衬垫、限制环、聚焦环、没有气体出口的电极、气体分配板和基片支撑件,(b)该探针通过使用温度控制部件而加热,(c)该探针能够补偿该探针感应表面与邻近和围绕的该探针嵌入的室部件表面之间不同的磨损速率,和/或(d)该探针嵌入电容耦合等离子处理室、电感耦合等离子处理室或电子回旋共振等离子处理室中。

17.
  根据权利要求16所述的设备,其中该PIF探针嵌入多片喷头电极组件的内部或外部电极部件。

18.
  根据权利要求16所述的设备,其中该探针设在喷头电极内并且该探针包括一个或多个气体穿通孔,其建立从该感应表面,通过并到该探针背面的气体通道,和(a)该气体穿通孔设置为近似在没有该探针的情况下存在的总的气体分布,或(b)该气体穿通孔位于该探针中,在没有该探针的情况下它们将位于该喷头电极中。

19.
  根据权利要求1所述的设备,其中该等离子参数数据通过多个探针获得。

20.
  根据权利要求18所述的设备,其中该多个探针设置为使每个探针的感应表面暴露于该等离子并且与该等离子室内的壁或部件表面基本上共面。

说明书

检测等离子处理反应器的故障状况的方法和设备
背景技术
随着每个连续的半导体技术时代,晶片直径趋向于增加并且晶体管尺寸减小,结果是在晶片工艺中需要比以往更高程度的精确性和可重复性。半导体基片材料(如硅晶片)由包括使用真空室的技术来处理。这些技术包括非等离子应用,如溅射沉积,以及等离子应用,如等离子增强化学气相沉积(PECVD),抗蚀剂剥除和等离子蚀刻。
现有的等离子处理系统经受许多特定的故障模式。许多这样的模式在处理实际的器件晶片之前是难以检测的并且会导致对晶片的错误处理。尽管存在检测系统来诊断等离子的某些方面,如离子密度或电场,但是对于故障检测还缺乏足够的方法。此外,这需要具有改进的均匀性、一致性和自我诊断的等离子室。强烈地需要便于实现这些目标的改进的等离子感应技术。
发明内容
按照优选实施例,提供用于等离子工艺直接测量的方法,其包括这些步骤,在等离子室开始等离子工艺,获得该等离子工艺的等离子参数数据和评估用来表明故障状态的等离子参数数据,其中该等离子参数数据通过使用探针获得,其中该探针的感应表面暴露于该等离子并且与该等离子室的壁或部件表面同延。
评估等离子参数数据的方法包括将该数据存储在计算机可读存储介质系统上、过滤该数据、使该数据经历算法和/或将该数据与已有的参照数据对比,由此产生解释;以及,状态报告和/或警告的发布基于该解释。
等离子参数(如离子通量、等离子电势、等离子密度、电子温度、离子物质温度和中性电子碰撞频率)可以使用各种直接的探测方法测量。这些方法包括使用探针,其中该探针的感应表面暴露于该等离子并且基本上与该等离子室的壁或部件表面共面。示例部件包括接地喷头电极、限制环、衬垫、气体分配板和基片支撑件。
直接传感器的优选实施例是平面离子通量(PIF)类型。在别的实施例中,直接传感器可以是非电容耦合朗穆尔(Langmuir)类型,其中通过DC电源直接向该探针表面施加变化的电压而不使用耦合电容,以及测量电流。在另外的实施例中,使用检测系统。检测系统的类型包括在介电等离子分界面上产生表面波并且在该表面波的基础上测量该等离子密度的系统。
故障状态的表征包括:
a)等离子密度数据的RF斜坡后的斜率的改变表征该工艺室中工艺副产物的聚集;
b)RF斜坡后的等离子密度的振荡在该等离子密度的绝对值的大约5%到大约20%表明氦气泄漏;
c)发生在该RF斜坡后,幅度小于其绝对值的5%以及持续时间小于5秒的等离子密度振荡,表明匹配系统重调谐事件;
d)匹配调谐之后,等离子密度的幅度的稳定在回到其正确的平衡点之前用了超过大约0.5秒,这表明差稳定速率的发生;以及,
e)等离子密度突然下降超过其绝对值的大约15%,然后部分恢复,表明发生等离子限制的损失。
在别的优选实施例,其中该探测器嵌入等离子处理室内的表面中,该探测器可包括增强与周围的壁表面相容的特征。例如该探测器可以温控以匹配局部壁状况。如果该壁包含气体穿通孔,那么该探测器还可构造有一个或多个气体穿通孔。这将通过建立至少一个从该感应表面,通过并到该探针的背面的气体通道来完成,该气体穿通孔设置为近似在没有该探测器的情况下存在的总的气体分布。
附图说明
图1示出故障评估方案的流程图。
图2示出PIF探针的示范性实施例。
图3示出PIF探针和代表性电路的示范性图解。
图4示出节点A处的示范性RF信号脉冲。
图5示出节点B处的响应信号。
图6示出检测需要室清洁的诊断方法的实施例。
图7示出检测由于不正确地安装电极组件螺栓而导致的氦“电火”的诊断方法的实施例。
图8示出检测匹配“重调谐”事件的诊断方法的实施例。
图9示出检测匹配/等离子稳定率的诊断方法的实施例。
图10示出检测等离子限制的损失的诊断方法的实施例。
图11示出设置在等离子处理室的上部电极中的PIF探针的实施例。
图12示出等离子处理室上部电极中的PIF探针的可选实施例。
图13示出等离子处理室上部电极中的PIF探针的另外的可选实施例。
图14示出等离子处理室上部电极的内部和外部部分的PIF探针的实施例。
图15示出示范性的等离子处理室。
具体实施方式
半导体基片材料(如硅晶片)可以在等离子处理室中使用各种等离子工艺处理,这些工艺包括沉积、蚀刻和抗蚀剂剥除。等离子处理系统可包括等离子处理室、气体源(其将至少一种工艺气体提供进该室)和能量源(其通过激发该工艺气体产生等离子)。用于处理晶片的给定的步骤和输入参数设置次序(例如RF功率、气体流量、开始时间等)可以称为“等离子工艺”。由于现代半导体制造设备的复杂性要求,通常等离子处理系统容易受到各种不同的化学、电和/或机械故障的影响。例如,这些故障包括不充分清洁地处理环境、真空和空气控制设备的泄漏、工艺重复性的缺失和等离子限制的缺失。往往,这种故障直到晶片或一批晶片处理后才能检测出来。
已经确定的是某些等离子参数(如离子通量、等离子电势、等离子密度、电子温度、离子物质温度和中性电子碰撞频率)会与特定的故障有关。所以这些和其他等离子参数的检测提供了检测和识别这些故障的方法。在一个优选的实施例中,执行等离子参数检测的工艺而没有对正在监测的等离子的可检测到的干扰。
用于在处理期间等离子参数检测的方法可分类为直接检测方法和间接检测方法。间接方法包括解释由该等离子发出的信号,如电磁辐射(例如光频或射频辐射)以及可能需要某些假设以便从该信号中提取等离子参数,降低该测量的可靠性。用来检测的直接方法包括设置直接暴露于等离子的探测器。对于直接方法的结果的解释会包括比对于间接方法的结果的解释较少的假设、更简单的分析和更高的可靠性。然而,插入物体直接暴露于正在监测的等离子的要求可能会导致对该等离子的干扰并且对于常规的工业工艺监测是较难接受的。因此,拥有具有直接检测的良好可靠性和间接检测的优良非侵扰性的方法是有利的。在实施例中,优选的方法包括直接暴露于等离子而不将物体插入该等离子。
按照一个优选实施例,用于等离子处理室(如等离子蚀刻器)的故障检测方法包括使用安装在等离子室壁或部件内的传感器直接监测。该传感器的感应表面经由该等离子鞘直接暴露于该等离子,该等离子鞘本来就存在于该室壁或部件表面的前面。优选地通过表面安装该感应设备降低对该等离子(特别是该等离子鞘)从而该感应表面与该壁或部件表面同延。
优选地,故障检测系统可运行以收集等离子参数数据以及评估表征故障状态的等离子参数数据。等离子参数数据可以任何方式观察、描述、与已知的故障库(“参照数据”)对比、数字化、处理或分析以显示出具体的故障。在一个优选实施例中,评估该等离子参数数据的方法包括将该等离子参数数据存储在计算机可读存储介质系统上和执行解释步骤。该解释步骤包括通过过滤、经过算法、经过数学运算和/或将该等离子参数数据与已有的参照数据对比、产生解释来解释该等离子参数数据。该解释步骤进一步包括向晶片跟踪系统或用户发布包括该解释的状态报告和/或警告。可选地,该状态报告和/或警告在该系统中开始校正步骤,在包含晶片历史的日志中记录该事件,或停止该等离子室中的基片处理。在图1的流程图中指出示范性的方法。因此提取用以故障检测的信息并没有用来改变晶片后续处理的处理设置。
一个优选实施例包括使用探针或传感器来测量等离子参数。该探针设置在等离子室壁或部件内并且可以设置在该反应器内的射频(RF)偏置或接地表面从而该探针的感应表面暴露于该等离子。该故障检测系统进一步分析该结果数据。这种分析允许在晶片处理过程中在等离子处理反应器内故障模式的实施诊断。该故障检测系统所使用的方法因此包括在等离子室起始等离子工艺、从该等离子获得作为时间函数的等离子参数数据以及评估表征故障状态的该等离子参数数据。
故障可进一步分类为室故障和系统故障。室故障是该等离子室内的错误(如脏的室或机械问题)导致的故障,相反系统故障是由于开始于该工艺室外部的错误导致的故障,如气体输送或电源的问题。
在一个实施例中,该探测器是平面离子通量(Planar Ion Flux)(PIF)探针。PIF探针是大区域平面朗缪尔探针,其与脉冲RF源电容耦合。在处理过程中该探针感应表面是优选地比该等离子鞘(例如,取决于等离子状态,该等离子鞘的范围从1到5mm)。在RF脉冲的应用中,纵贯该耦合电容产生偏置电压。当该RF脉冲终止,那么该电容提供足以偏置该收集表面的电压以便收集来自该等离子的离子。如果该偏置足以获得称为“离子饱和”的状态,那么在由该收集表面区域分开的放电阶段的该“离子饱和”部分期间收集到的测量电流给出该离子通量的测量值。此外,随着纵贯该偏置电容的电压衰减,该收集电流也将衰减。在该整个衰减阶段电压比电流关系图产生可以分析以获得各种等离子参数的数值的特征轨迹。
图2示意性地示出按照本发明的、用来测量离子流的PIF探测器的一方面。探针20由通过导体22连接到端子B的平面碟片21组成。该碟片21具有感应表面25,其直接接收和感应该离子流并具有表面积Sd。该碟片优选地用导电保护环23围绕以减小边缘效应。保护环23基本上轴向地并且从下面围绕平面碟片21。保护环23具有表面积为Sg的表面26,其与感应表面25共面。表面26和感应表面25的共面优选地通过具有高度的垂直壁27实现从而该保护环的上表面和该碟片共面。
保护环23包括水平底28,其提供对该碟片21和垂直壁27的物理支撑,并且具有足够大的直径从而碟片21由垂直壁27围绕。保护环23还包括垂直圆柱形中空轴,其具有足够大的直径以包含导体22和绝缘体24。该保护环可包括如图2所示方式成形的整体,或可包括两个或更多分开的电接触的块。该导电碟片以及该导体22的垂直壁27和水平底28表面通过绝缘体24完全与保护环23绝缘。该绝缘体24是连续的,优选地具有一致厚度和足够完整性和介电常数以确保该碟片和该保护环之间的电绝缘。该保护环23因此周向围绕该导电碟片21和该导体22,但是与它们处处电绝缘。一个PIF探针和分析方法的示例在美国专利No.5,936,413中公开,其全部内容通过引用结合在这里。
按照该当前实施例,如图3所示,探针20的碟片21连接到节点B。节点B优选地还连接到高阻抗电压读数设备,如示波器34。该高阻抗读数设备的另一侧接地。在节点A和B之间连接值为Cm的阻塞电容31。保护环23还优选地通过值Cg的电容33连接到节点。节点A还连接到具有低输出阻抗(通常为50欧姆)的射频(RF)电压源32的第一节点。RF源32的第二节点连接到该反应器壁(未示)以及参照电势,通常是地(示出)。为了该保护环的电势保持为接近该探针电势,Cg是优选地这样选择,即Cg/Cm=Sg/Sd。可选的低阻抗电流测量设备35优选地保持在电容Cm的放电路径上,能够直接测量该放电电流。
使用PIF探针来测量等离子参数有时称为Booth和Braithwaite方法。按照这个方法,节点A用一系列顺序的RF信号脉冲,在图4中示范性地示出。这些脉冲的平均值为零伏特,波幅由Vcc给出,持续时间为T1和脉冲之间的延迟为T2。该RF振荡频率优选地不同于该等离子的激励频率。例如,如果该等离子的激励频率是13.56MHz,该RF振荡频率可以选择为12.0MHz。
节点A的驱动脉冲在节点B的响应,在图5中示出,是该同样波幅Vcc、同样频率和同样平均电压零的振荡信号。在该源32的RF脉冲的影响,和该等离子的影响下,朝向该探针的电子的平均流量最开始超过正电子的平均,使得电容31充电。节点B的脉冲的平均电势逐渐降低直到达到饱和负值Vbias,这时电子和离子通量相等并且该平均电流为零。
然后,在一个脉冲的末端,当切断该RF信号时,朝向该探针的电子的平均流量再次重新存储以平衡正离子的平均流量。然而,Vbias处于足够负的电势以便阻止电子流,同时将离子吸引到该收集表面。如果Vbias足够高,该系统将处于称为“离子饱和”的状态。得到的净离子流开始放电该电容31。在这个状态下,节点B的电势降低,最初与时间呈线性,并且可以确定每单位收集面积的净离子电流(离子通量)。这可以由示波器33通过dVB/dt来完成,其按照下面方程与该离子电流成比例,
IB=CmdVB/dt
然后测定的这个IB作为放电电流的测量值。
或者,可以在电容Cm的放电路径上引入低阻抗电流测量装置35。这种装置提供对作为时间函数的放电电流的直接测量并且可以用作上面测定的确认和替代。使用直接测量技术测定该放电电流由在该离子饱和状态期间测量电流的值组成。
另外,可以分析该电压或电流数据之一以确定该电子温度。当跨Cm的电压下降到系统退出该离子饱和状态51的点,该放电电流将表现出类似指数级衰减,直到该系统回到流到该收集表面的净电子和离子平衡的状态(未示)的时刻。在这个类似指数级衰减的过程中,可以执行该放电电流(或跨Cm的电压)的分析,其产生该等离子的电子温度的测量值。在这个状态中,该等离子鞘接近该漂移电势Vf
所以,单个RF脉冲和切断序列足以搜集净离子通量或其他等离子参数的单个测量值。可以在变化非常大的时间段内进行这样的测量,从几毫秒到更长的时间。例如,通常的脉冲时间可以是3-5ms以及通常的延迟时间可以是5-10ms。在处理半导体基片过程中对于一系列这些测量值的收集为构建给出作为时间函数的等离子参数的图表提供信息。
那么,对于给定的脉冲和切断序列,该PIF探针直接测量离子通量。为了确定等离子密度,考虑下面的关系。按照等离子理论,对于正电性的等离子,由该Bohm条件调节该电流。该调整关系是:
Ji=qnvB(1)
其中Ji是离子电流密度(即离子通量),q是基本电荷,n是等离子或离子密度以及VB是Bohm速度,其由下面公式给出
VB=(kTe/Mi)1/2(2)
这里,Te是该等离子中的电子温度和Mi是该离子质量。该等离子密度和该测得的IB之间的关系因此是
n=Ji/(qvB)=IB/(SdqVB)。(3)
因此,为了由离子通量数据确定等离子密度,Te和Mi必须已知。Mi由所使用的气体得知以及Tc的确定可由上面给出分析完成,或Te可以估算。例如,可使用4eV的估算值。
在另一个优选实施例中,该探测器是非电容类型的。在该非电容传感器的例子中,电压通过DC电源直接施加在该表面而不是用耦合电容。然后变化该电压并且测量所得电流。然后使用标准朗缪尔探针理论来分析得到的电流比电压数据。朗缪尔探针理论的一方面包括该等离子鞘的I-V特性分析,即,等离子流到表面的电流密度是该鞘上压降的函数。可以从这种分析中提取的示例等离子参数包括电子温度、电子密度和等离子电势。在某些情况中,同样可以确定离子密度、离子温度和电子能量分布函数。非电容类型的传感器优选的几何图形是平面的。
在又一进一步的优选实施例中,可使用其他检测系统,如包括在介电等离子界面产生表面波和在该表面波的基础上测量该等离子参数的系统。可从这种系统提取的示例等离子参数包括等离子密度。这种系统公开在美国专利No.6,541,982,其全部内容通过引用结合在这里。额外的示范性检测系统包括电子方法,如该“Hercules”等离子监测系统,其基于自激发电子等离子共振光谱学(SEERS)。该Hercules方法使用插入该室壁的同轴传感器,其作为该室壁的一部分。使用Hercules方法可以确定等离子参数如电子碰撞速率、电子密度和大容量电源(bulk power)。
在一个优选实施例中,该方法因此包括实时检测至少一个等离子参数,绘制至少一个等离子参数关于时间的函数和评估这个或这些图以识别室或系统故障。或者,这个或这些图可与已知故障库对比以识别相关的故障。一旦检测到故障,可选地通知该操作者或晶片控制系统。该信息可以是对操作者警告或警报的形式,例如通过在用来操作该室的监视器上显示资料信息,或通过将用来操作该室的系统记录为“不运转(down)”。或者,可将该信息存储在晶片跟踪系统或其他数据库中用于之后的评估。
在实施例中,使用安装在室内不同位置的多个传感器可以提供给定等离子参数一致性的测量。等离子一致性的实时测量值可提供额外的故障检测方案并且能够进行改进的自我诊断。
因此,说明按照优选实施例、在等离子处理室中若干故障检测的示例。在全部的例子中,PIF探针嵌入在Exelan 2300TM等离子蚀刻系统的喷头电极的中间位置以能够在半导体晶片处理过程中收集等离子参数数据。使用通常的蚀刻制法处理晶片并且以每30ms一次测量的名义频率收集数据(大约33次测量/秒)。在这些示例中,所确定的该等离子参数是等离子密度,其在每个情况中绘制为时间的函数。由于数据收集的高频率,所绘制的数据点看上去为实线。在这些示例图线中,数据收集由于硬件的限制通常在大约27秒终止。在示例1到6中使用的制法包括在下面条件范围内的蚀刻工艺:室压力:50-150mtorr,2MHz RF功率:2600-3600W,27MHz RF功率:1700-2500W,使用的气体:Ar 250-350sccm,C4F8 13-23sccm,O2 4-12sccm。
示例1:在等离子处理室中可执行各种工艺。蚀刻和抗蚀剂剥除工艺通常在等离子环境中进行并且需要在单个等离子室中连续地进行这两个工艺。在同一室中执行不同等离子处理步骤的能力认为是有好处的,因为总的处理时间(“循环时间”)可由此减少。当不同的等离子处理步骤在同一室中连续地执行时,一个工艺步骤的剩余物优选地在开始接下来的工艺步骤之前完全去除。彻底的剩余物去除提高了工艺一致性并且减少“工艺记忆”-剩余物聚集效应,其导致晶片到晶片的工艺性能的漂移。
所以,拥有一种确定对应需要室清洁的室故障状态的方法是有好处的。这样的方法将会促进最佳清洁计划的确定并且将允许用户寻找晶片工艺或设备性能和室状态之间的关系。太频繁的清洁该室会降低产量,与之相反清洁该室太少会导致工艺漂移。
等离子参数数据的第一分析在图6a和6b中提供。图6a示出在干净室中晶片处理过程中等离子密度与时间的函数。该数据示出跟在该RF斜坡63后面的下降斜线61和最高等离子密度(在大约17.5秒)的获得。图6b示出处理过另外大约50晶片之后在同一室中处理的晶片的同样的曲线。该数据示出非常类似的曲线,但是跟在该RF斜坡后面的数据斜线是较平坦的62,即具有较小的负斜率。该较小的负斜率表示在等离子蚀刻工艺中常见类型的工艺室内有聚合的、氟碳基副产物聚集并且表明需要室清洁以将该系统恢复到其初始工艺状态。
在一个优选实施例中,当该RF斜坡后数据的斜率的绝对值数值上低于某个值时,这个状态可以识别室故障。因此,通过执行这个方法,可以识别由于室清洁度的损失而导致的室故障。在其他实施例中,该RF斜坡后数据的斜率可通过建立该斜率与工艺性能特性之间的关系而用作室清洁度的指示。这样,可以监测该室的状态并且可以做出关于何时可以预见故障的决定。
在可选实施例中,在执行蚀刻工艺之前故意将可测量量的聚合物沉积在该室壁表面。这种过程称为“室调节”。上面详细说明的方法,其中该RF斜坡后数据的斜率的绝对值数值上低于某个数值,可用来识别出表明室未准备好开始蚀刻工艺的室故障。
示例2:在定期的维护和其他修理过程中,等离子室可能会拆开以清洁、修理或升级。由于该等离子室中的工艺条件是在高度真空下执行的,所以在维护后正确的组装该室是关键的。在组装过程中,用来固定该室以及该室内的零件的螺栓通常应当以正确的顺序恰当地拧紧,以便该室最佳地运行。在结合氦气通道的喷头电极中或具有用于晶片背部冷却的氦气通道的底部电极中未恰当拧紧的螺栓会导致氦气在等离子处理过程中“点燃”,其中该背部氦气在等离子处理期间无意间引入该室并且离子化,形成等离子。
等离子参数数据的第二分析由此在图7a和7b中提供。图7a示出晶片处理过程中等离子密度与时间的函数,其中该室由于底部电极的螺栓不正确地拧紧而导致氦气泄漏。该数据示出该RF斜坡73后的振荡71为8×109离子/cm3的量级,大约该等离子密度绝对值的10%。该等离子的这个振荡视觉上不明显。图7b示出在这些电极螺栓正确拧紧之后在同一室中处理的晶片的相同曲线。该数据示出非常类似的缺陷,但是该RF斜坡后振荡已经基本上消除72。在一个优选实施例中,这个状态,分类为室故障,可用来提醒该操作者关于该室或存储在数据库中的条件。因此,通过执行这个方法,其可以识别由于氦气泄漏导致的室故障。
示例3:对于晶片与晶片之间的工艺一致性,希望对于每个晶片该处理室经历同样顺序的步骤。例如,箝位电压优选地具有同样的幅度以及每次处理晶片应用同样的持续时间。气体流必须到达设定的流率和持续时间,以及在那些持续时间中工艺步骤持续时间和等离子状态必须高度准确地复制以确保一致的晶片之间的处理。所以,不希望该系统的参数在处理过程中漂移。特别是,RF匹配系统找到所需要的调谐点之后,期望该系统应当在整个蚀刻步骤过程中保持在那个点。在蚀刻步骤过程中该匹配系统的随机重调谐会导致不可控制的工艺变化。
等离子参数数据的第三分析由此在图8a和8b中提供。图8a示出晶片处理期间等离子密度与时间的函数,其中该匹配系统是重调谐的。在这个示例中,该重调谐发生在该RF斜坡85起始之后大约7秒以及在该后RF斜坡期间,导致该数据的短暂振荡81。等离子密度的振荡幅度小于该等离子密度绝对值的5%并且持续时间小于5秒。在图8b的屏幕图像中,该事件证实为匹配系统重调谐事件。图8b示出第一组双曲线83,显示2MHz和27MHz RF源频率与时间的函数,以及第二组双曲线84,显示单位为瓦特的该2MHz和27MHz RF正向功率。该2MHz正向功率82在对应该RF斜坡86起始后大约7秒的时间处的观察到的跳跃证实图8a中所见的该重调谐事件。
在一个优选实施例中,这个状态(归类为系统故障)可用来提醒操作者或晶片追踪系统正在处理的特定晶片在处理过程中经历了重调谐。例如,根据在非顺序工艺过程中匹配系统重调谐事件有时随机发生,可以确定存在系统故障,需要检查该等离子系统。任意匹配系统重调谐事件的检测表明会发生硬件或其他类型的故障。因此,通过执行这个方法,可以识别由于发生匹配系统重调谐事件而导致的系统故障。作为响应,操作者会停止处理并且启动维护过程。
示例4:对于工艺一致性和室诊断,在该系统附近的额外的零件可能是有用的。一个任何系统所希望的特性是稳定性。在蚀刻工艺过程中,对该等离子的扰动会导致工艺错误,如蚀刻率的变化。这可能是由于质量流控制器或其他硬件错误导致的。另一个所希望的特性是快速稳定速率。在发生扰动后,系统应当快速地回到其正确的平衡点。在恢复过程中过多的延迟也表明需要调查该等离子发生硬件的故障。
等离子参数数据第四分析由此在图9中提供。类似上面讨论的其他图表,该图9图表示出等离子密度与时间的函数,但是在这个例子中,转变并扩展了比例,从而在该RF斜坡之后仅示出11秒。示出匹配调谐的振荡出现在大约17秒,如以91所示,其示出在调谐后的稳定需要整一秒。该图还示出重调谐事件,其仅持续大约0.5秒。
在一个优选实施例中,这个状态可用来建立关于等离子系统或单独等离子系统的某些特性。这种特性对于室之间的特征化和单个室的缺陷识别是有用的。导致这个状态的原因包括与维持等离子限制和维持设定气体流量有关的硬件的故障。当检测到这个故障时,该晶片处理会停止并且废弃该晶片。匹配调谐和重调谐事件之间的区别可通过与其他传感器的相关性来建立。在其他传感器以较低频率(例如0.1Hz)记录相关匹配数据的事件中,那么该事件可以理解为重调谐事件。因此,通过执行这个方法,可以识别由于发生差的稳定速率而导致的系统故障。
示例5:另一个任何系统都希望的特性是晶片与晶片之间等离子特征保持不变。在这些特征中,等离子密度和离子通量是首要的。万一在处理过程中发生室故障事件,其中该等离子密度或离子通量改变,可能发生对晶片处理不利的影响。特别是,已知蚀刻速率会受到影响。
因此在图10中提供等离子参数数据的第五分析。在这个例子中,该图表示出对于两个连续处理的晶片等离子密度与时间的函数。这些晶片称为“晶片n”,由数据曲线103表示,和“晶片n+1”,由数据曲线104表示(晶片n+1的干扰数据点已经去除)。这两条曲线重叠并且实际上在从数据开始的时间点(5秒处)到RF斜坡开始的时间点(以101示出,发生在大约14秒)之间无法区分。在晶片n+1的RF斜坡期间,其发生在大约17秒,该等离子变得不受限制,即发生该等离子经过限制环的泄漏。这通过该等离子密度的突然降低反映出来,以102示出,接着部分恢复。等离子密度的下降超过该等离子密度绝对值的15%。可以看到,该晶片n+1的处理的剩余部分(104示出)以比处理程序103中同样时期晶片n的处理所用等离子密度低的等离子密度进行。等离子密度下降的一种可能的结果是产生不良处理或错误处理的晶片。
在一个优选实施例中,这个状态,其可以是室故障或系统故障,可用来建立关于单独等离子室的某些特性。这种特性对于室与室之间的表征以及单独的室中缺陷识别是有用的。导致这个状态的原因包括与维持等离子限制或气流有关的硬件的故障,脏的室环境和在其表面有不希望的材料(如抗蚀剂膜中的污染物)的晶片。当检测到这个故障,该晶片处理会停止并且废弃该晶片。因此,通过执行这个方法,可以识别由于限制损失导致的故障。
等离子参数数据的这些分析还可用来识别一组在同样类型的晶片上运行同样工艺制法的等离子室中室匹配的缺失,或用于确保新的室或已经清洁过或经过维护的室匹配或满足某些室合格规范。例如,一组工艺室可以在结构上完全相同并由同样的工艺条件运行,所以通过由该PIF探针获得的数据来对比在操作条件下这些室的性能将是非常理想的。因此,通过执行该室匹配,可以识别可能没有适当运行的室。
在一个优选实施例中,通过使用探针获得等离子参数,该探针具有暴露于等离子室内部的感应表面,以及更优选地,其中该探针嵌入该等离子室的室壁或部件,如接地电极。如图2所示的,嵌入多片喷头电机组件的内部电极部分的PIF探针的示范性图解描述如图11所示。探针110优选地这样设置,即平面碟片113的感应表面117与喷头电极118同延(例如,共面),从而该探针对该等离子有最低限度的影响。该探针包括导体111,其由如铝或石墨的材料制成。为了建立运行该探针所必需的电路,如图3中示意性地示出的,到该探针的电连接-导体111优选地贯穿该室容积,从该室的内部到该室外部,穿过壁、窗、真空穿通(feed-through)或连接器(未示)。本领域技术人员将理解探针110对应探针20,平面碟片113对应平面碟片21和导体111对应导体22。图2的保护环23和绝缘体24在图11中对应绝缘体112。
导体111由电绝缘体112围绕以将该探针与电子组件电绝缘。绝缘体112优选地由绝缘材料(如石英)制成并且具有包括该探针211背面的表面。优选地通过由用来制作该喷头电极的同样的材料(如硅)来制作该平面碟片113而降低对等离子和该等离子鞘的扰动。此外,如果将电极118掺杂至给定的电阻率,平面碟片113优选地掺杂至相同电阻率,但是如果需要也可以掺杂至不同电阻率。例如,如果该石英绝缘体112扰乱该RF路径,可利用不同于电极118掺杂程度的碟片113掺杂程度而获得恒定的RF路径。如果需要,该探针110可安装在别的室表面和/或该感应表面117可由与该等离子处理条件相容的介电涂层覆盖,例如,该碟片113可以是在表面117上具有阳极氧化层的铝或铝合金。
为了进一步实现该探针对该等离子最低程度的影响,可以改变该探针的温度和该探针附近的气流。特别地,该探针优选地使用例如温度控制部件115来加热。部件115可以是电阻加热器或可以是用于循环可以加热或冷却的温度控制流体的管。电阻加热器可由AC或DC电源(未示)供电。可由温度控制器(未示)来控制加热,这样设置使得该感应表面117的温度与该喷头电极的温度相同。
由于该探针的存在会扰乱一般由气体穿通孔114提供的气体流。对该气流并因此对该等离子的扰乱优选地通过在该探针中使用一个或多个可选的气体穿通孔116以产生至公共空间(未示)的气体通道而最小化,该空间将气体提供至位于该电极后面的石墨背板119。该石英绝缘体和该平面碟片113中的共线气体通道116形成连续的气体通道并优选地布置为近似在没有该探针的情况下存在的总的气体分布状况。在一个优选实施例中,这些气体通道设在该探针中,在没有该探针情况下它们一般位于该喷头电极。
嵌入多片喷头电极组件的内部电极部分的PIF探针的示范性可选实施例的图解描述在图12中示出。平面碟片113适于通过减少该感应表面的厚度而降低寄生电容。平面碟片123具有管状延伸部225,其适于容纳并与导体122协同运转以提高对准和传导性。平面碟片123和导体122通过导电弹簧片125机械上和电连通。弹簧片125还提供装配的便捷,例如,通过能够独立地移除平面碟片123而不用移除该探针的其他部分。
导电螺栓226使平面碟片123能够前进以补偿碟片123和暴露的硅表面227之间由于长时间暴露于该等离子环境导致的不同的磨损速率。由于存在可压缩材料的密封件127(例如,O形环),该螺栓226可以在密封件127扩张或压缩的限度内前进或缩回以由此将该表面227移动至所需要的位置。为了确保该探针中的气体穿通孔保持对准,一个或多个锁钥或销124确保施加在平面碟片123上的扭矩(由于导电螺栓226的前进而产生)将不会相对绝缘体223转动平面碟片123。为了安装这些锁钥或销124,该围绕的介电材料223优选地分为两部分,其围绕该管状延伸部225安装。优选地,平面碟片123和导体122由绝缘体223围绕,其用来将探针123,导体122和螺栓226与电极128和石墨背板129电绝缘。为了建立运行该探针所需的电路,通过导电螺栓226至该探针的电连接优选地贯穿该室容积,从该室内部到该室外部,通过壁、窗、真空穿通或连接器(未示)。
绝缘体223还用来支撑平面碟片123和保持其朝向该室内部的方位。绝缘体223因此包括该探针121的背面。该探针与该电子组件的电绝缘通过外部绝缘体222完成,该外部绝缘体为圆柱形形状,具有上部台肩,其安装在背板129的上侧的凹部中。绝缘体223上类似的台肩位于绝缘体222的上部台肩上,同时绝缘体222围绕并且与绝缘体223密切接触。外部绝缘体222延伸至并且具有与电极123和感应表面227的下表面共面的表面。在暴露于该等离子期间,外部绝缘体222会经历磨损。外部绝缘体的优点包括降低由于暴露于该等离子环境所导致的磨损而必须替换的部件的大小和复杂度。
通过该探针的气流228受到气体穿通孔229影响。该石英绝缘体和该平面碟片中的共线气体穿通孔形成连续的气体通道。这些气体通道优选地布置为近似没有探针的情况下将存在的总体气体分布。在一个优选实施例中,这些气体通道设置在该探针中,而在没有该探针的情况下,它们一般位于该喷头电极中。
O形环127用来保持该导体122的位置和与部分喷头组件的电绝缘。O形环127和锁钥124优选地由非导电、耐热和机械上弹性材料制成,如Teflon。温度控制部件221可以是电阻加热器或循环温度控制流体的管,该流体可以加热或冷却该探针以匹配周围部件温度。
嵌入多片喷头电极组件的外部电极部分中的PIF探针的另外的示范性可选实施例的图解说明在图13中示出。该设计类似图12中示出用于内部电极的设计,但是包括某些改变。在这个设计中,取消了可选的气体穿通孔。另外,用于前进平面碟片136A以补偿该暴露的硅表面227和喷头电极表面之间任何不同磨损速率的可选装置的详细描述已经省略。
如图12,平面碟片136A适于减小寄生电容并且具有管状延伸部136B容纳并且与导体135协同工作以提高对准和导电性。具有延伸部136B的平面碟片136A和导体135由绝缘体133围绕,该绝缘体133用来将探针和导体135与围绕的电极139和石墨背板132电绝缘。绝缘体133优选地为两部分片,其围绕管状延伸部136B安装,以便支撑平面碟片136A并且保持其朝向该室内部的方位。该探针与该电子组件的电绝缘通过外部绝缘体133A完成,其是圆柱管状形状,具有安装在背板132中凹部的上部台肩。
O形环138用来保持该导体135的位置以及与该喷头电极其余部分电绝缘。O形环138优选地由非导电、耐热和机械上弹性材料制成如Teflon。热控制板131与石墨背板132密切接触。建立与该探针的电接触的RF输送杆134示为垂直于嵌入导体135内的图的平面。为了建立运行该探针所需的电路,RF输送杆134优选地贯穿该室容积,从该室内部到该室外部,通过壁、窗、真空穿通或连接件(未示)。平面碟片136A通过使用弹簧片和在分界面137应用于该延伸部136B的导电溅射涂层而保持与该导体135良好的电接触。
包括一个或多个探针的喷头电极100的一半的图解描述在图14中示出。该喷头包括顶部电极143和固定于该顶部电极143的可选的背部构件142、热控制板141和顶板146。该顶板146可形成等离子处理室可移除的顶壁。该顶部电极143优选地包括内部电极构件145和可选的外部电极构件147。该内部电极构件145优选地是有单晶硅制成的圆柱形碟片。如果需要,该内部和外部电极145、147可由单片材料制成,如CVD碳化硅、单晶硅或其他合适的材料。
该外部电极构件147可以是连续构件(例如,多晶硅或碳化硅构件,如环),或分段的构件(例如,布置为环形结构的2-6分开的段,如单晶硅的段)。在其中该顶部电极143包括多段外部电极构件147的实施方式中,这些段优选地具有彼此覆盖的边缘以保护下层的粘结材料免于暴露于等离子。等离子限制环组件(未示)优选地围绕该外部电极。该内部电极构件145优选地包括多个气体通道144用于将工艺气体喷射进该顶部电极143下面的等离子反应室中的空间。该外部电极147优选地在该电极143的边缘形成突出台阶。台阶电极的更多详情可以在共同所有的美国专利No.6,824,627中找到,其披露由此通过引用而结合。
图14还示出图2所示类型的探针的示范性实施例,其嵌在可结合一个或多个这种探针的喷头电极组件140中。由图11和12中示出的探针包括可选的气体穿通孔,该顶部电极143优选地分别对应图11和12的118和128。并且,背部构件142优选地分别对应图11、12的119和129。例如,如图11和图12中所描述探针,探针148优选地构造有气体穿通孔。由于图13中示出的探针不包括气体穿通孔,外部电极147优选地对应图13的电极139。并且,热控制板141优选地对应图13的热控制板131。例如,探针149优选地没有配置气体穿通孔,就像图13中示出的探针。
按照优选实施例的等离子工艺室的示范性简化图解在图15中示出。所描述的系统是平行板等离子系统150,如EXELANTM 2300系统,可从Lam Research Corporation获得。该系统150包括室,其具有内部157,通过连接到该反应器底部的出口的真空泵158保持在所需要的真空度。将蚀刻气体从气体输入(未示)提供进该等离子反应器。通过双频装置在该反应器中产生中等密度等离子,其中将来自RF源159的RF能量通过匹配网络(未示)提供到通电的下电极151。该RF源159示为配置为在27MHz和2MHz提供RF功率,然而,可以使用不同频率源的许多组合。通过限制环154帮助进行等离子限制。上部电极153接地并且连接到加热的顶板152。基片,例如晶片(未示),夹在静电卡盘(ESC)156,其由热的边缘环155围绕。
另外,可使用别的电容耦合反应器,如EXELANTM HPT系列,或者将RF功率提供到两个电极的电容耦合反应器,如在共有美国专利No.6,090,304中描述的双频等离子蚀刻反应器,由此通过引用结合其公开内容。尽管结合电容耦合等离子处理室讨论了优选实施例,但是这些实施例还适用于电感耦合等离子处理室(如变压器耦合等离子或TCPTM等离子处理室,来自Lam Research Corporation),或电子回旋共振(ECR)等离子处理室。
尽管前面的图14示出结合在喷头电极中的平面探针,但是探针可以结合在其他室部件(如壁、衬垫、限制环、聚焦环、没有气体出口的电极、气体分配板和基片支撑件)中,只要该探针表面暴露于该室内的等离子环境。平面探针可设置在上部电极的中间部分以便测量靠近基片的等离子参数,或可设置在该上部电极的外部,从而其并不是直接位于基片上方。
在进一步的实施例中,设置多个表面面向等离子室的内部的该探针。多个探针可以提供关于该等离子均匀性的信息,或可提供内部相对校准。例如,一个探针可以设置在或靠近该喷头电极的中间,以及另外的探针可以设置在该喷头电极内距中心位置不同的半径。尽管本发明根据其具体实施例详细地描述,但是对于本领域技术人员来说,显然,可以进行各种变化和修改以及可以利用各种等同方式,而没有脱离所附权利要求的范围。

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提供一种用于等离子处理室的失效检测方法。该方法包括检测该等离子室内的等离子参数和分析所得到的信息。这种分析使得能够检测如工艺副产物聚集、氦泄漏、匹配重调谐时间、差稳定速率和等离子限制损失的失效。还使得能够在该晶片处理过程中进行失效模式诊断。该方法包括测量该等离子参数与时间的函数和分析得到的数据。可利用如探针的探测器进行监测,该探测器优选地保持在该等离子室内基本上与该室内的表面共面并且直接测量净离子。

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