專利名稱：用于檢測等離子體處理室中的等離子體不穩(wěn)定的無源電容耦合靜電(cce)探針裝置的制作方法
用于檢測等離子體處理室中的等離子體不穩(wěn)定的無源電容 耦合靜電(CD探針裝置
背景技術：
在等離子體處理室中處理襯底的過程中，滿意的結果通常需要對工藝參數(shù)的緊密 控制。用于制造現(xiàn)代高密度集成電路的沉積、刻蝕、清潔等工藝尤其如此。當處理參數(shù)(比 如偏壓、射頻功率、離子通量、等離子體密度、壓強等)超出了一個預定的窄窗口時，所謂的 工藝偏差就發(fā)生了。這些工藝偏移代表了經(jīng)常會導致不良處理結果(例如，不良的蝕刻輪 廓、低選擇性等)的不良事件。相應地，工藝偏差的檢測、表征和避免是集成電路制造中工 藝工程師的重要任務。檢測工藝偏差通常是通過監(jiān)控各種工藝參數(shù)進行的。一些工藝參數(shù)(比如偏壓、 反射功率等)可以直接測量，然而其它的可以從測得的參數(shù)推斷。等離子體不穩(wěn)定問題通常由例如遷移(transitions)和接地輸送缺陷引起，代表 一類有可能減少產量、損害襯底和/或損害室元件的工藝偏差。而且，無約束等離子體事件 (其通常對成品率帶來負面影響并通?？s短室元件的預期壽命)通常是由等離子體不穩(wěn)定 引起的。相應地，檢測等離子體不穩(wěn)定對于診斷和調整制法以改善工藝結果和工藝成品率 并防止對襯底和/或室元件的損害是重要的。

發(fā)明內容
在一個實施方式中，本發(fā)明涉及一種用于檢測襯底處理過程中等離子體處理系統(tǒng) 的處理室內的等離子體不穩(wěn)定的裝置。該裝置包含探針裝置，其中所述探針裝置設置于所 述處理室的表面上并被配置為測量至少一個等離子體處理參數(shù)。所述探針裝置包括面向等 離子體的傳感器和測量用電容器，其中所述面向等離子體的傳感器耦合于所述測量用電容 器的第一板。該裝置還包括檢測裝置，所述檢測裝置耦合于所述測量用電容器的第二板。所 述檢測裝置被配置為將流過所述測量用電容器的感應電流轉換為一組數(shù)字信號，該組數(shù)字 信號被處理以檢測所述等離子體不穩(wěn)定。上述發(fā)明內容只涉及此處披露的本發(fā)明的許多實施方式中的一個，并不是為了限 制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范圍如權利要求所述。在下面本發(fā)明的具體實施方式
部分結合 附圖，對本發(fā)明的這些及其他特征進行更加詳細的描述。


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顯示，按照本發(fā)明的一個實施方式，一種使用無源CCE探針架構的等離子體不 穩(wěn)定事件檢測裝置。替換地或者附加地，如圖2所示，電壓測量器件可以耦合于該測量用電容器的板， 該測量用電容器也耦合于該探針頭。
圖3A和;3B顯示，按照本發(fā)明的一個實施方式，指示一些等離子體不穩(wěn)定事件的振 蕩圖案的繪圖。圖4A和4B顯示，按照本發(fā)明的一個實施方式，指示在等離子體無約束事件之前并 導致該等離子體無約束事件的等離子體不穩(wěn)定的振蕩圖案的繪圖。討論的圖A顯示等離子體系統(tǒng)的一部分的簡單示意圖，其中射頻(RF)源電容耦合 于反應器室以產生等離子體。討論的圖Bl顯示射頻充電后的電壓/時間圖。討論的圖B2顯示射頻充電后收集的電流數(shù)據(jù)圖。討論的圖C顯示對于射頻爆發(fā)(RF burst)之間的單個時間區(qū)間的電流/電壓簡 圖。討論的圖D顯示，在本發(fā)明的一個實施方式中，描繪在襯底處理過程中自動表征 等離子體的全部步驟的簡單流程圖。討論的圖E顯示，在本發(fā)明的一個實施方式中，一種用于確定關聯(lián)范圍和種子值 的簡單算法。討論的圖Fl顯示射頻爆發(fā)后的電流/時間示例。討論的圖F2顯示射頻爆發(fā)后的電壓/時間示例。討論的圖F3顯示轉折點的示例。討論的F4顯示應用到電流/電壓圖的曲線擬合的示例。
具體實施例方式現(xiàn)在參考附圖中描繪的一些優(yōu)選實施方式，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，對于本領域的技術人 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/或結構進行詳細描述，以免不必要地模糊本發(fā)明。本發(fā)明的實施方式涉及使用電容耦合靜電(CCE)探針裝置或其子集檢測等離子 體不穩(wěn)定事件。作為背景，CCE探針已經(jīng)長期被用來測量等離子體處理參數(shù)，比如離子通量、 電子溫度、空載電勢(floating potential)、薄膜厚度等。CCE探針是本領域已知的，其細 節(jié)可從公眾可得的著作中得到，包括例如名稱為“Method And Device For Measuring An Ion Flow in A Plasma”的美國專利5，936，413 (1999年8月10日)，通過援引將其并入本 文。CCE探針提供了許多優(yōu)點，包括例如更高的探測靈敏度、由于傳感器的小尺寸而對等離 子體的最小擾動、易于安裝到室壁上、對傳感器頭上的聚合物沉積不敏感等等。而且，該傳 感器面對等離子體的表面通常由與周圍室壁相同的材料組成，從而進一步最小化了對等離 子體的擾動。這些優(yōu)點使得CCE探針用于感測工藝參數(shù)是高度理想的。一般而言，CCE探針裝置包括連接于測量用電容器的一個板的面向等離子體的傳 感器。該測量用電容器的另一個板耦合于射頻電壓源。該射頻電壓源定期供應射頻然而，到目前為止，CCE探針已被用于測量比如離子通量、電子溫度、空載電位測量 值等參數(shù)。而且，傳統(tǒng)上，CCE探針通過用該射頻電壓源對該測量用電容器充電并測量射頻 振蕩串之間的電容器衰減電流而以傳統(tǒng)方式進行測量。到目前為止，尚未有改造該CCE探 針裝置或其子集以測量等離子體不穩(wěn)定事件的嘗試。
根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式，提出一種能夠檢測等離子體不穩(wěn)定事件的創(chuàng) 新性無源CCE探針裝置。盡管根據(jù)本發(fā)明的實施方式的CCE探針裝置是無源的，然而本文 提供的示例和討論使得即便該CCE裝置是由外部射頻電壓源有源激勵的(正如現(xiàn)有技術中 測量振蕩串之間的跨越測量用電容器的衰減電流所做的那樣)，也能夠檢測等離子體不穩(wěn) 定事件。因此，在一個或更多實施方式中，該測量是無源進行的，因為不需要像傳統(tǒng)CCE探 針裝置所做的那樣使用外部射頻電壓源對該測量用電容器進行充電。本申請的發(fā)明人意識到，當探針表面處于空載電勢時，探針和等離子體之間的凈 電流是零。換句話說，盡管有從等離子體到探針的電子和陽離子的通量，探針頭和等離子體 之間交換的凈電荷是零，導致零凈電流。然而，如果探針頭和等離子體之間的電勢差變化的 話，電流平衡被瞬間打破，導致流過該測量用電容器的瞬時非零感應電流。如果例如該等離 子體的電勢被改變的話，探針頭和等離子體之間的電勢差可能變化。等離子體不穩(wěn)定事件 是具有改變該等離子體電勢的能力的這樣一種事件。通過檢測通過該測量用電容器的瞬時 非零感應電流，可以檢測到等離子體不穩(wěn)定事件。本申請的發(fā)明人還意識到，可以消除等離子體不穩(wěn)定事件檢測中對傳統(tǒng)的CCE探 針架構的射頻激勵源的需要。相反，通過監(jiān)控通過該測量用電容器的感應電流，可以無源地 執(zhí)行監(jiān)控，其中該感應電流是由等離子體不穩(wěn)定事件產生的。用這種方式，無源CCE探針的 架構可以不同并且可以比現(xiàn)有技術CCE探針的架構簡單得多。而且，檢測算法和策略在圖形檢測和時機(timing)方面也可不同。一般地說，首 先獲得等離子體不穩(wěn)定“簽名”信號的庫。例如，工藝工程師可在處理測試襯底的同時迫使 特定的不穩(wěn)定事件發(fā)生。監(jiān)控流過該監(jiān)控電容器的電流。監(jiān)控并記錄電流信號中的任何振 蕩或擾動。記錄的信號可被認為是所發(fā)生的特定不穩(wěn)定事件的簽名?？梢援a生不同類型的 等離子體不穩(wěn)定以創(chuàng)建等離子體不穩(wěn)定“簽名”信號的庫。在后續(xù)對量產襯底的生產處理 過程中，監(jiān)控跨越該測量用電容器的電流。如果監(jiān)控的電流與存儲的等離子體不穩(wěn)定簽名 信號匹配，可以確定與所存儲的信號相關的不穩(wěn)定。通過確定該等離子體不穩(wěn)定，工藝工程師可以對室參數(shù)進行調整以使得室的參數(shù) 符合。如同提到過的，一些等離子體不穩(wěn)定導致更嚴重的、更有破壞性的事件，比如等離子 體無約束。通過早早檢測等離子體不穩(wěn)定，工藝工程師在處理室缺陷時變得更有效并更有 預見性，從而最小化或至少減小嚴重系統(tǒng)損壞的可能性。參考下面的附圖和討論，可以更好地理解本發(fā)明的實施方式的特征和優(yōu)點。圖1 顯示，按照本發(fā)明的一個實施方式，一種使用無源CCE探針架構的等離子體不穩(wěn)定活動檢 測裝置。室102是傳統(tǒng)的，并用于在其中產生等離子體104以進行襯底處理。在圖1的示 例中，等離子體104是由射頻源106(其不用于激勵圖1的示例中的CCE探針裝置)產生和 維持的。探針110被配置在該上電極中，然而探針頭110也可被配置該室壁上的其他地方。 例如，探針頭110可代表傳統(tǒng)的CCE探針頭。探針頭110與測量用電容器112的一個板串 聯(lián)連接。測量用電容器112的另一個板耦合于檢測裝置120。如同提到過的，由導電材料制成的探針頭被安裝在該室的表面中。向該探針施加 短射頻串，使得該電容器(Cm)被充電而該探針的表面獲得負電勢(相對于地為負幾十伏)。 在射頻脈沖的末尾，隨著Cm放電，探針的電勢衰減回空載電勢。電勢變化的速率是由等離 子體的特性決定的。在此放電過程中，用電壓測量器件測量探針的電勢Vf，然后用電流測量器件測量流向該探針并通過電容器Cm的電流。曲線V(t)和I(t)被用于構造電流-電 壓特性，VI，然后由信號處理器對其進行分析。模型函數(shù)被擬合到這些數(shù)據(jù)點，產生空載電 勢Vf、離子飽和電流Isat和電子溫度Te的估計值。更多細節(jié)可以在名稱為“Methods for Automatically Characterizing A Plasma”、2008年6月洸日提交到美國專利局的共同待 定的申請(申請?zhí)?1/075，948)以及2009年6月2日提交到美國專利局的申請(申請?zhí)?12/477，007)中找到，將其包括在本文的討論中。在另一個實施方式中，該CCE探針可以無源執(zhí)行該監(jiān)控而不需要通過外部射頻源 對該測量電容器進行外部射頻激勵。在圖1的示例中，檢測裝置120被配置為將流過測量用電容器112的感應電流轉 換為數(shù)字信號以進行分析。從而，就存在電流電壓轉換器130，其被配置為將流過測量用電 容器112的感應電流轉換為模擬電壓。模數(shù)轉換器132將來自電流電壓轉換器130的模擬 電壓信號轉換為數(shù)字信號，然后該數(shù)字信號被提供到信號處理器108。信號處理器108可代 表用于對該數(shù)字信號執(zhí)行信號處理以檢測等離子體不穩(wěn)定事件的高頻擾動特性的硬件和/ 或軟件。根據(jù)等離子體不穩(wěn)定事件的類型，精確的擾動可在不同室之間變化。無論如何，這 些擾動通常在傳感器信號中帶來獨特的信號簽名。該擾動可以是周期性的或者是無規(guī)律 的。通過將該傳感器信號將等離子體不穩(wěn)定簽名信號的庫進行比較，可以檢測等離子體不 穩(wěn)定事件。然后等離子體不穩(wěn)定事件的檢測可被提供給工具管理電路140以協(xié)助修正動 作，包括例如改變工藝參數(shù)和/或關閉該等離子體處理系統(tǒng)以防止進一步的損害。替換地或者附加地，如圖2所示，電壓測量器件202可以耦合于測量用電容器的板 204，該測量用電容器也耦合于該探針頭206。使用電壓測量器件202檢測該探針頭的電勢 中的擾動。再說一次，可以分析該電壓測量值以發(fā)現(xiàn)代表等離子體不穩(wěn)定事件的高頻擾動 圖案。如果需要的話，可以將電壓測量值轉換為數(shù)字信號以進行信號處理，從而使用數(shù)字分 析技術檢測該探針電壓中的高頻擾動。替換地或者附加地，變換器可耦合于該電容器的沒有耦合于該探針頭的那個板， 以協(xié)助檢測流過該測量用電容器的電流中的擾動。本領域的技術人員很容易意識到，還存 在檢測電流信號或電壓信號中的高頻瞬變的其它技術，也可以使用這些技術協(xié)助檢測等離 子體不穩(wěn)定事件。注意，因為等離子體不穩(wěn)定事件的檢測依賴該傳感器信號中的具體圖案的檢測， 所以有可能實現(xiàn)一種雙功能CCE探針，通過該雙功能CCE探針，該測量用電容器也可以被周 期性射頻脈沖串充電，如同在傳統(tǒng)CCE探針裝置中所做的那樣。例如，有可能在沒有對該測 量電容器施加射頻激勵脈沖的時間段內執(zhí)行這個檢測(對該探針頭的感應電流或電勢)。 例如，有可能在該探針頭在相對穩(wěn)定的空載電勢或當該電容器被充電時在相鄰激勵射頻振 蕩串之間的時間段中執(zhí)行這個檢測，因為不穩(wěn)定的信號通常比該測量用電容器的相對緩慢 的放電速率具有更高的頻率。本領域的技術人員從前述討論可以看出，具體圖案的感應電 流信號或電壓信號的檢測可以在有或者沒有對該測量用電容器的外部射頻激勵的情況下 進行。圖3A和;3B顯示了，按照本發(fā)明的一個實施方式，指示一些等離子體不穩(wěn)定事件的 振蕩圖案的繪圖。跡線302追蹤等離子體處理過程中通過該測量用電容器的感應電流。圖3B顯示跡線302的一部分304的放大視圖。在圖中，可以看出，該傳感器電流信號是周 期性的，大約為4KHz，并具有雙峰波形。與等離子體不穩(wěn)定信號庫的比較顯示該傳感器電流 信號呈現(xiàn)出于等離子體不穩(wěn)定有關的特性，而且，該不穩(wěn)定與高室內壓強有關。的確，在實 驗過程中室內壓強是約750毫托。用這種方式，可以檢測并分類等離子體不穩(wěn)定，從而使得 工藝工程師和/或工具管理計算機能夠更快更高效地做出響應。圖4A和4B顯示，按照本發(fā)明的一個實施方式，表現(xiàn)出等離子體無約束事件之前和 導致該等離子體無約束事件的等離子體不穩(wěn)定的振蕩圖案的繪圖。跡線402追蹤等離子體 處理過程中的離子飽和電流。圖4B顯示了跡線402的一部分404的放大視圖。在圖4A中， 可以看出，在無約束事件之前大概1. 5秒，傳感器電流信號以大約260Hz的頻率震蕩。該無 約束事件本身在圖4A中在點410開始(圖4B中的參考標號412)。從圖4A中可以看出，無約束事件之前(圖4中的點410之前)的傳感器電流信號 具有在特定頻率范圍內的特征化震蕩。通過將該傳感器電流信號與等離子體不穩(wěn)定簽名信 號庫進行比較，這種圖案可能與代表等離子體無約束事件之前的等離子體不穩(wěn)定的存儲的 等離子體不穩(wěn)定簽名信號有關。通過確定該等離子體正在經(jīng)歷導致無約束等離子體事件的 不穩(wěn)定類型，工具管理計算機或操作員能夠采取修正動作(比如改變處理參數(shù)或簡單地關 掉該工具)來避免等離子體無約束事件對襯底和/或室的元件的損害。與現(xiàn)有技術等離子體不穩(wěn)定檢測技術(比如測量ESC卡盤上的電壓和/或前向射 頻電力和/或反射射頻電力)不同，本發(fā)明的基于無源CCE探針的等離子體不穩(wěn)定檢測技 術高度靈敏。而且，因為CCE探針頭通常很小，與等離子體處理室的周圍的面向等離子體的 結構齊平安裝，并具有由與該室的面向等離子體的元件相同的材料制成的面向等離子體的 探針表面，所以對等離子體的擾動最小。而且，本發(fā)明的基于無源CCE探針的等離子體不穩(wěn) 定檢測技術對面向等離子體的探針頭上的聚合物沉積不敏感，因為電流是通過形成在該等 離子體上的任何沉積電容耦合的。盡管本發(fā)明是根據(jù)若干優(yōu)選實施方式進行描述的，然而存在落入本發(fā)明范圍的變 更、置換和等同。還應注意，有許多實現(xiàn)本發(fā)明的方法和裝置的替代方式。盡管此處提供了 各種實施例，我們的意圖是這些實施例是對本發(fā)明的說明而非限制。而且，本文提供的發(fā)明名稱和發(fā)明內容也是為了方便，不應當用于解釋此處權利 要求的范圍。而且，摘要是用高度濃縮的形式寫成的，在此提供是為了方便，而不應當用來 解釋或限制整個發(fā)明，發(fā)明用權利要求來表示。如果本文使用了術語“集合”，此術語是為了 具有其通常理解的數(shù)學含義，涵蓋0、1或多于1個成員。而且，所附權利要求應當被解釋為 包括所有這些變更、置換和等同，均落入本發(fā)明的真實精神和范圍。在2008年6月26日提交到美國專利局的名稱為"Methods for Automatically Characterizing a Plasma”，申請?zhí)枮?1/075，948的共同待定申請以及2009年6月2日 提交到美國專利局的申請?zhí)枮?2/477,007的申請中還發(fā)現(xiàn)了所述“討論”，通過援引將該 申請并入本文。對用于自動表征等離子體的方法的討論等離子體處理的進步促進了半導體工業(yè)的增長。為了為典型的電子產品供應芯 片，可處理數(shù)百或數(shù)千個襯底(比如半導體晶圓)。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將該襯底處理為合格的半導體器件。
通常，在等離子體處理過程中，可能出現(xiàn)會對該襯底造成負面影響的問題?？赡芨?變被處理的襯底的品質的一個重要的因素是等離子體本身。為了有足夠的數(shù)據(jù)來分析該等 離子體，可以使用傳感器收集有關每個襯底的處理數(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顯示了在等離子體系統(tǒng)A-100的一部分中的數(shù)據(jù)收集探針的 簡單示意圖。等離子體系統(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)，其電容耦合于反應器室A-104以產生等離子體106。當射頻源A-102開啟時，在外部 電容器A-108兩側產生偏壓，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)，導致外部電容器A-108被充電。當射頻源A-102被關閉時，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Bl、B2和C所示的曲線。本領域的技術人員意識到，探針A-110通常是具有傳導平面的電探針，該傳導平 面可以靠著反應器室A-104的室壁放置。從而探針A-110直接暴露于反應器室A-104的環(huán) 境?？梢苑治鲇商结楢-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 域的技術人員意識到，即使有非傳導性沉積層，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體系統(tǒng)A-100中的電流和電壓信號。在示例中，當射 頻源A-102被關掉時，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?shù)入x子體系統(tǒng)A-100返回到安靜狀態(tài)(數(shù)據(jù)點B1-204 和B1-206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被收集的，所以通過協(xié)調 該時間以消除時間變量可以生成電流/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，可以表征等離子體 A-106。換句話說，可以確定表征等離子體A-106的參數(shù)(例如，離子飽和度、離子飽和度斜勢等)。盡管等離子體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的沉悶的手動過程。在一示例中，當每個射頻爆發(fā)后(即，當已 經(jīng)提供了射頻充電然后將其關閉后)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體的參數(shù)。通過表征該等 離子體，工程師能夠確定可以如何調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 配方的等離子體的總時間可能要花幾小時來計算。結果，該現(xiàn)有技術方法無法有效地為工 藝控制目的而提供及時的關聯(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，對于本領域的技術人員來 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/或結構進行詳細描述，以免不必要地模糊本發(fā)明。下面描述了包括方法和技術在內的各種實施方式。應當記住，本發(fā)明也涵蓋包括 計算機可讀介質的制造品，在該計算機可讀介質上存儲有用于執(zhí)行本發(fā)明的技術的各實施 方式的計算機可讀指令。計算機可讀介質可包括，例如，半導體、磁的、光磁的、光學的或者 其它形式的用于存儲計算機可讀編碼的計算機可讀介質。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)明的實施方式有關的任 務的專用的和/或可編程的電路。這樣的裝置的例子包括恰當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)明的實施方式有關的各種任務的計算機/計算裝 置和專用的/可編程的電路的結合。如上所述，該PIF探針法可用于收集關于該等離子體的數(shù)據(jù)，其可位于該反應器 室環(huán)境內。從傳感器(例如，PIF探針)收集的數(shù)據(jù)可用于表征該反應器室中的等離子體。 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該室表面的數(shù)據(jù)。 在現(xiàn)有技術中，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，鑒別關聯(lián)間隔以準確地表征等離子體成為一個艱巨的任務，特別是因為數(shù)據(jù)通常 是手動分析的。結果，收集的數(shù)據(jù)對提供能夠及時對等離子體表征的等離子體處理系統(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)點中鑒別出表征等離子體所必需的關聯(lián) 數(shù)據(jù)點，那么表征等離子體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 相對短的時間段內自動表征等離子體的方法。此處描述的本發(fā)明的實施方式提供了一種用 于鑒別該關聯(lián)范圍以減少表征等離子體所需要分析的數(shù)據(jù)點的算法。此處所述的“關聯(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體的值的數(shù)學模型的種子值。通 過對該關聯(lián)范圍執(zhí)行曲線擬合，可以計算出可用來表征等離子體的參數(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 等離子體的步驟的簡單流程圖。考慮以下情況，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。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)有技術中接近實時的分析幾乎不可能。在現(xiàn)有技術中，可以分配若干小時來分析在半導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)以表征等離子體。相反，如果將曲線擬合應用于數(shù)據(jù)組的關聯(lián)范圍，可以確定用于表征 該等離子體的參數(shù)。在下一個步驟D-404中，確定關聯(lián)范圍。如上所述，該關聯(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聯(lián)范圍成為艱巨的任務。在許多情況下，可以目視估算該關聯(lián)范圍。 在鑒別該關聯(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)。 在鑒別該關聯(lián)范圍時，可以從分析中除去與該聚合物累積有關的數(shù)據(jù)。換句話說，該關聯(lián)范 圍的確定使得能夠進行等離子體表征而不受隨機噪聲的影響。例如，在后面對圖E的討論 中，提供了有關如何確定關聯(lián)范圍的討論。除了鑒別該關聯(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，提供了有關如何估算該種子值的討論。利用該關聯(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，所以用于確定該關聯(lián)范圍和/或種子值的方法必須利用最小的總開銷并產生接 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)，從而使得該等離子體能夠在更短的時間段內被表征而無需昂貴的高端計算 機。與現(xiàn)有技術不同，該方法允許來自單一射頻爆發(fā)導致的衰退間隔的結果在大約20毫秒 內被表征，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體處理過程中向工程師提供關聯(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)可能產生與現(xiàn)有技術類似的圖表，然而與現(xiàn)有技術不同，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。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)有技術不同，不分析整個數(shù)據(jù)組來表征等離子體。相反，確定關聯(lián)范圍。為了 確定關聯(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，當該射頻源被關掉時，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，通過對該原始值應用預定義的百分比，可以確定該百分比衰退點，其中該原 始值是當該射頻源被關掉而該系統(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(s)和該離 子飽和度(io)。如上所述，該斜率(S)和該離子飽和度Gci)是可用于數(shù)學模型(下面的方程 2)以確定表征等離子體的參數(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(S)。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，其是該一階導數(shù)改變正負號的點。 在一個實施方式中，該拐點可以通過鑒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》之間的值的一階導數(shù)。拐點是該一階導數(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 折值，該索引值被映射到電流信號繪圖F3-660。在此示例中，當該一階導數(shù)的索引值被映射 到電流信號F3-660時，該轉折值是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)，該關聯(lián)范圍可降到圖Fl的 點 F1-602 和 F1-604 之間。
權利要求
1.一種用于檢測襯底處理過程中等離子體處理系統(tǒng)的處理室內的等離子體不穩(wěn)定的 裝置，包含探針裝置，其中所述探針裝置設置于所述處理室的表面上并被配置為測量至少一個等 離子體處理參數(shù)，其中所述探針裝置包括 面向等離子體的傳感器，以及測量用電容器，其中所述面向等離子體的傳感器耦合于所述測量用電容器的第一板;以及檢測裝置，所述檢測裝置耦合于所述測量用電容器的第二板，其中所述檢測裝置被配 置為將流過所述測量用電容器的感應電流轉換為一組數(shù)字信號，該組數(shù)字信號被處理以檢 測所述等離子體不穩(wěn)定。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述面向等離子體的傳感器設置于上電極中。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述面向等離子體的傳感器被設在所述處理室的 室壁上。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述面向等離子體的傳感器是由導電材料制造的。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述面向等離子體的傳感器是電容耦合靜電 (CCE)探針頭。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中所述檢測裝置包括電流電壓轉換器，其中所述電流電壓轉換器被配置為至少將流過所述探針裝置的所述 電流轉換為一組模擬電壓信號，模數(shù)轉換器，其被配置為至少將該組模擬電壓信號轉換為該組數(shù)字信號，以及 信號處理器，其中所述信號處理器被配置為至少處理該組數(shù)字信號以檢測高頻擾動， 所述高頻擾動指示所述等離子體不穩(wěn)定。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括工具管理電路，其中所述工具管理電路被 配置為當檢測所述等離子體不穩(wěn)定時從所述檢測裝置接收消息，所述工具管理電路被配置 為施加修正動作以修復所述等離子體不穩(wěn)定。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括耦合于所述測量用電容器的所述第一板的 電壓測量器件，其中所述電壓測量器件被配置為至少收集電壓測量值以及測量所述面向等 離子體的傳感器的電勢變化。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其中由所述電壓測量器件收集的電壓測量值被轉換為 數(shù)字信號以進行信號處理從而檢測所述等離子體不穩(wěn)定。
10.根據(jù)權利要求1所述的裝置，進一步包括變換器，所述變換器耦合于所述測量用電 容器的所述第二極，其中所述變換器被配置為至少鑒別所述感應電流中的擾動。
11.一種用于檢測襯底處理過程中等離子體處理系統(tǒng)的處理室內的等離子體不穩(wěn)定的 方法，包含收集一組工藝數(shù)據(jù)，所述工藝數(shù)據(jù)包括流過測量用電容器的感應電流信號； 將所述感應電流信號轉換為一組模擬電壓信號； 將該組模擬電壓信號轉換為一組數(shù)字信號；以及分析該組數(shù)字信號以檢測高頻擾動，所述高頻擾動指示所述等離子體不穩(wěn)定。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括將所述電流信號的變化速率與預定義閾 值相比較，其中如果所述變化速率在所述預定義閾值之外，則存在所述等離子體不穩(wěn)定。
13.根據(jù)權利要求12所述的方法，進一步包括當檢測到所述等離子體不穩(wěn)定時，向工 具管理電路發(fā)送消息，所述工具管理電路被配置為應用修正動作以修復所述等離子體不穩(wěn)定。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括在處理過程中從面向等離子體的傳感器 收集電壓測量數(shù)據(jù)以確定電勢變化。
15.根據(jù)權利要求14所述的方法，進一步包括將所述電壓測量數(shù)據(jù)轉換為一組數(shù)字信號。
16.根據(jù)權利要求15所述的方法，進一步包括分析該組數(shù)字信號以檢測所述高頻擾 動，其中所述高頻擾動指示所述等離子體不穩(wěn)定。
17.根據(jù)權利要求16所述的方法，進一步包括將所述電壓信號的變化速率與預定義閾 值相比較，其中如果所述變化速率在所述預定義閾值之外，則存在所述等離子體不穩(wěn)定。
18.根據(jù)權利要求11所述的方法，進一步包括向所述測量用電容器施加一組周期性射 頻(RF)脈沖串并測量所述測量用電容器的電流衰減信號。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，進一步包括應用電弧檢測算法來檢測所述測量用電 容器的電流衰減信號上高于所述預定閾值的所述高頻擾動。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，進一步包括將所述電流衰減信號的變化速率與預定 義閾值相比較，其中如果所述變化速率在所述預定義閾值之外，則存在所述等離子體不穩(wěn) 定。
全文摘要
提供一種用于檢測襯底處理過程中等離子體處理系統(tǒng)的處理室內的等離子體不穩(wěn)定的裝置。該裝置包含探針裝置，其中所述探針裝置設置于所述處理室的表面上并被配置為測量至少一個等離子體處理參數(shù)。所述探針裝置包括面向等離子體的傳感器和測量用電容器，其中所述面向等離子體的傳感器耦合于所述測量用電容器的第一板。該裝置還包括檢測裝置，所述檢測裝置耦合于所述測量用電容器的第二板。所述檢測裝置被配置為將流過所述測量用電容器的感應電流轉換為一組數(shù)字信號，該組數(shù)字信號被處理以檢測所述等離子體不穩(wěn)定。
文檔編號H01L21/302GK102084471SQ200980126805
公開日2011年6月1日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權日2008年7月7日
發(fā)明者杰-保羅·布斯, 米琪奧·納蓋, 道格拉斯·L·凱爾 申請人:朗姆研究公司