[发明专利]用于测量等离子体刻蚀工艺的工艺参数的方法和装置

说明书

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与被供电的 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50Ω)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 在底电极2上放置晶片或衬底3，以及通过射频电源1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 气流的一组原料气体(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。这些挥发性的材料被称作刻蚀副产物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 发射光谱(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裸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。