用发射光谱学/残余气体分析仪结合离子电流的剂量测定

摘要

本发明主要提供了在等离子体工艺中控制实时离子剂量的方法和装置。在一个实施例中，离子剂量可利用从质量分布传感器的等离子体的原地测量结合从射频探针的原地测量进行控制。

说明书

技术领域

本发明的实施例主要涉及处理基板的方法和装置。尤其涉及半导体基板的等离子体工艺过程中一个或多个元素的剂量监控的方法和装置。

背景技术

在等离子体工艺中控制离子剂量是很重要的，例如等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)工艺、高密度等离子体化学汽相沉积(HDPCVD)工艺、等离子体浸没离子注入工艺(P3I)和等离子体蚀刻工艺。集成电路制作中的离子注入工艺尤其需要以在半导体基板上获得理想的离子剂量的仪器和控制。

离子注入中的剂量主要指通过处理中的基板的虚曲面的每单元面积的离子总量。注入的离子分布在基板的整体体积中。注入的离子密度(每单位体积的离子量)沿着离子流的方向发生主要变化，离子流方向通常为相对于基板表面正交(垂直的)的方向。沿垂直方向的离子密度(每单位体积的离子数)的分布称为离子注入深度剖面。调节离子注入剂量(每单位面积的离子量)的仪器和控制系统有时称为剂量测定。

离子注入可在离子束注入装置和等离子体浸没离子注入装置中完成。产生必须在基板表面经过光栅扫描的窄离子束的离子束注入装置通常每次只注入单一的原子元素。精确测量这种装置中的离子电流并对时间进行积分以计算实际剂量。因为整个离子束都进入基板且离子束中的原子元素已知，因此离子注入量能精确的测量。在离子束注入装置中这一点至关重要，因为其采用了在输出电流中会有显著偏移的直流离子源，且在束注入器中采用的各种栅格和电极也偏移(由于直流源易于受组件表面上沉积的材料的聚集物的影响)。因此，离子束注入装置中精确的剂量测定是至关重要的。将精确监控的离子束电流对时间进行积分以计算瞬时电流注入剂量，且一旦剂量达到预定的目标值则停止工艺。

相比之下，等离子体浸没离子注入反应器在剂量测定上存在一个难题。通常基板上的入射离子的原子量不能精确测量，因为这样的反应器采用包含所需离子注入元素和其它元素的气体前体。例如，由于纯硼在室温下是固体，对硼的等离子体浸没离子注入必须采用多元素气体如B₂H₆作等离子体前体，这样硼和氢离子都留在基板上。结果，从测量电流中得到硼的剂量很困难。在等离子体浸没离子注入反应器中实现剂量测定的另一个难点是等离子体离子不断的撞击整个基板，因此在到达基板的整个离子流的基板上方很难实现直接测量法。反之，只能从很小面积上得到的测量间接推断剂量。这尤其适用于采用RF(射频)等离子体电源或RF等离子体偏压电源的反应器。

采用直流(或脉冲直流)等离子体电源的等离子体浸没离子注入反应器对等离子体离子流中来自等离子体的内在反应器组件上材料的沉积导致的偏移很敏感。这样的反应器因此需要精确的实时剂量测定。这个问题已经通过在晶片支撑基座或基板外围外的阴极上提供一个小孔得到解决，使等离子体离子穿进阴极的体积内。有时被称为法拉第杯的电极对着该孔，并设置偏压以聚集通过小孔的离子。阴极内部可以抽空到比等离子体室稍低的气压以确保有效的聚集通过小孔的离子。阴极内的电流传感器测量离子聚集电极和偏压电源之间的电流。此电流能用作剂量测定法的基础。这种配置的一个问题是不同原子元素之间的电流测量无法区分，因此不能提供对所关心元素(如硼)的精确测量。另一个问题是从阴极内的电流传感器到外部控制器或处理器的测量电流的传输可能由于等离子体反应器的嘈杂电磁环境而失真。

另一个问题是阴极内的孔对理想的等离子体环境构成了干扰，因为该孔能使基板外围附近的电场失真。此外，穿过小孔的等离子体通过喷溅小孔表面或在小孔内表面沉积也能引发问题，需要对小孔内部进行定期清洗。

在采用RF等离子体电源的等离子体浸没离子注入反应器中，精确的或实时的剂量测量通常不是特别重要。这要部分归因于RF等离子体相对不受内室组件上的材料沉积影响，因此晶片表面的离子流与采用直流等离子体源的反应器相比没有显著偏移。而且，在这样的反应器中实时的剂量测量是困难的。例如，这种反应器的恶劣的射频环境将使阴极(如上所述)内获得的离子流测量在传到外部控制器或处理器的过程中失真。为避免这种问题，基于达到目标注入剂量而预知的或评估的时间，注入剂量能得到可靠的控制。然而，由于半导体设备中的部件尺寸越来越小，因此越来越需要实时的剂量控制。

因此，在等离子体处理室中需要精确的实时剂量测定，比如射频等离子体浸没离子注入反应器。

发明内容

本发明主要提供等离子体工艺中实时控制离子剂量的方法和装置。

本发明的一个实施例提供了一种处理基板的方法，该方法包括定位反应器中的基板，该反应器配置成实施等离子体工艺；通过给等离子体反应器施加射频偏压在等离子体反应器中产生等离子体，启动等离子体工艺；利用配置为监控在等离子体反应器中产生的等离子体的至少一个属性的第一传感器获得等离子体的至少一个属性的值；利用配置成监控配置为给等离子体反应器施加射频偏压的射频偏压电源的至少一个属性的第二传感器获得射频偏压电源的至少一个属性的值；以及从等离子体的至少一个属性值与射频偏压源的至少一个属性值中确定等离子体中一个或多个离子元素的实时剂量值。

本发明的另一个实施例提供了一种处理基板的装置，该装置包括限定工艺体积的工艺室；安置在工艺体积内的导电支撑基座；连接到气板并与导电支撑基座平行安置的气体分配组件，其中射频等离子体偏压电源连接在气体分配组件和导电支撑基座之间；配置成监控工艺体积内产生的等离子体的一个或多个属性的第一传感器；配置成监控射频等离子体偏压电源的一个或多个属性的第二传感器；以及连接到第一和第二传感器的控制器，其中控制器配置成接收并分析来自第一和第二传感器的信号。

本发明的另一个实施例提供了一种将所需剂量的材料注入基板的方法，该方法包括定位等离子体反应器中的基板，该等离子体反应器具有配置成在等离反应器中产生等离子体的射频偏压源；利用射频偏压源产生包括等离子体反应器中的材料的等离子体；利用配置成监控等离子体反应器中的等离子体的一个属性的第一传感器获得等离子体中材料属性的一个值；利用配置成监控射频偏压源的至少一个属性的第二传感器获得射频偏压源至少一个属性的值；利用材料的属性值和射频偏压源的至少一个属性值来确定材料的实时剂量值；以及当实时剂量值在所需剂量的误差范围内时终止等离子体。

附图说明

所以可以详细理解上述本发明特征的方式，且可以参考实施例对本发明的上述概要进行更详细的描述，有些实施例在附图中阐述。然而，值得一提的是附图只阐述了典型的实施例，因此不应理解为对本发明范围的限制，本发明承认其它同样有效的实施例。

图1示意性阐述了依照本发明的一个实施例的等离子体室的等距横截面图；

图2示意性的阐述了图1中等离子体室的等距俯视图；

图3示意性的阐述了利用质量分布传感器和电流传感器监控实时剂量的示范性方法；

图4示意性的阐述了从馈电点到安置在等离子体附近的基板表面的电流/电压转换值的方法；

图5阐述了依照本发明的一个实施例的等离子体处理的端点检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例提供了等离子体工艺中控制实时离子剂量的方法和实现该方法的装置。

图1依照本发明的一个实施例示意性的阐述了等离子体室1的等距横截面图。等离子体室1可为等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)工艺、高密度等离子体汽相沉积(HDPCVD)工艺、离子注入工艺、蚀刻工艺以及其它离子工艺进行配置。

等离子体室1包括连接到等离子体室1的主体3的环形等离子体源100。主体3包括连接到盖子10和底部15的侧壁5，该侧壁限制了内部体积20。可以在于2002年6月5日递交，于2005年9月6日授权的美国专利No.6939434和于2004年2月24日递交，于2005年5月17日授权的美国专利No.6893907中找到其它的等离子体室1的例子，这里完整的引入这两个专利作为参考。

内部体积20包括在气体分配组件200和基板支撑300之间形成的处理区25。抽吸区30围绕基板支撑300的一部分。抽吸区30通过设置在底部15中形成的端口45中的阀35与真空泵40进行有选择连接。在一个实施例中，阀35在没有O型环的情况下运行，且在于2005年4月26日递交的美国专利申请No.2006/0237136中作了进一步描述，这里完整的引入该申请作为参考。

环形等离子体源100设置在主体3的盖子10上。在一个实施例中，环形等离子体源100包括具有“U”型的第一导管150A和具有“M”型的第二导管150B。第一导管150A和第二导管150B各分别包含至少一根天线170A和170B。天线170A和170B配置为在各个导管150A/150B的内部区155A/155B中分别形成感应耦合等离子体。如图2中所示，每根天线170A/170B可以使连接到电源如射频等离子体电源171A/172A的绕组或线圈。射频阻抗匹配系统171B/172B也可连接到每根天线170A/170B。可将工艺气体如氦气、氩气和其它气体分别送入各个导管150A、150B的内部区155A、155B。在一个实施例中，工艺气体可以包括包含有提供给各个导管150A/150B的内部区155A/155B的气体的掺杂剂。在一个实施例中，工艺气体可从气板130B传给环形等离子体源100。在另一个实施例中，工艺气体可从气板130A通过气体分配组件200传输，其中气板连接到等离子体室1的主体3中形成的端口55。

在一个实施例中，导管150A/150B的各个相对端连接到等离子体室1的盖子10中形成的各个端口50A-50D(图中只示出了50A和50B)。处理过程中，工艺气体供应到各个导管150A/150B的内部区155A/155B，射频电源施加到每根天线170A/170B，以产生通过端口50A-50D和处理区25传播的循环等离子体通道。具体来说，在图1中，循环等离子体通道穿过端口50A到端口50B，或反之亦然，通过气体分配组件200和基板支撑300之间的处理区25。每个导管150A/150B包含连接到导管150A/150B的各端和端口50A-50D之间的等离子体管道装置400。在一个实施例中，等离子体管道装置400配置成分离并扩展在各个导管150A/150B内形成的等离子体通道。

气体分配组件200包括环形壁210和多孔板220。环形壁210和多孔板220以及盖子10限定稳压室230。多孔板220包括多个以对称或非对称形式形成的开口221。在一个实施例中，含有掺杂剂的工艺气体可从连接到气板130A的气体分配组件200传送到处理区25。诸如含掺杂剂的气体的工艺气体可从端口55提供给稳压室230。通常，含掺杂剂的气体是由掺杂剂杂质原子组成的化学物质，如硼(硅中的P型导电性杂质)或磷(硅中N型导电性杂质)和挥发性元素如氟和/或氢。因此，硼氟化物和/或氢化物、磷化物或其它掺杂剂元素如砷、锑等都可以是掺杂剂气体。例如用硼掺杂剂的情形含掺杂剂的气体可以包含三氟化硼(BF₃)或乙硼烷(B₂H₆)。该气体可流过开口221进入多孔板220下面的处理区25。在一个实施例中，多孔板220为射频偏压，以帮助产生和/或维持处理区25中的等离子体。

基板支撑300包括上层板310和阴极组件320。上层板310具有配置为支撑其上的基板的平滑的基板支撑表面310B。上层板310包括连接到直流电源306以促进工艺中上层板310的基板和基板支撑表面310B之间的静电吸引力的内置电极315。在一个实施例中，内置电极315也可用作给处理区25提供电容性射频能量的电极。内置电极315可经由射频阻抗匹配电路305B连接到射频等离子体偏压源305A。

基板支撑300也可包括升降杆组件500，升降杆组件包含多个配置成通过举起和支撑上层板310上的基板传送一个或多个基板的升降杆，且隔开一定空间允许在其之间安装机械刀片。

图2示意性示出了图1中所示等离子体室1的等距俯视图。等离子体室1的侧壁5具有可由狭缝阀(图中未示出)选择性密封的基板端口7。工艺气体由连接到端口55的气板130A供应到气体分配组件200。一种或多种工艺气体可通过气板130B供应给环形源150A、150B。

等离子体室1还包括配置为监控和控制在等离子体室1中实施的工艺的控制器600。该控制器600可与一个或多个传感器连接，且配置成采样、分析并存储传感数据。在一个实施例中，控制器600可有为不同工艺实现控制任务的能力。控制器600可连接到等离子体室1的操作部分，并向操作部分发送控制信号。控制器600通过根据传感器数据调节处理参数可执行闭环控制任务，以得到想要的处理结果。在本发明的一个实施例中，控制器600可配置成实现一种或多种元素的剂量控制、终点检测和其它控制任务。

在一个实施例中，射频探针606安置在射频阻抗匹配电路305B和内置电极315之间的馈电点607上。射频探针606可为电压/电流耦合器或定向耦合器。射频探针可由个别器械取代，如电压探针和电流探针。射频探针606可以同时或几乎同时测量射频电压、射频电流和射频电压与射频电流之间的瞬间阻抗相角。

总电流或电流实部(总电流和阻抗相角余弦的乘积，或吸收的偏压功率与偏压的商)可直接测量或从射频探针606的间接测量计算得到。测量电流可为RMS(均方根)电流、峰值电流或峰峰电流。测量电流可用来估算离子剂量率和/或剂量，而离子剂量率和/或剂量可用来控制剂量或确定终点。测量电流可用作控制剂量率。

等离子体处理过程中，由射频探针606测量的射频电流充分反应从接地电极如多孔板220流向射频偏压电极如内置电极315(或设置在偏压电极上的基板)的辐板的电流总量。在本发明的一个实施例中，可以计算转换，将馈电点607处的射频电压/电流值转换为设置在内置电极315上的基板处的射频电压/电流值。该转换将依照图4进行详细描述。

在一个实施例中，离子电流可以为对应最小射频电压值的射频电流值。利用射频电压最小值确定离子电流值的详细说明可在由Mark A.Sobolewski编著，2001年出版的Journal of Applied Physics，Volumne 90，(应用物理学刊物，卷90)，No.6，pp.2660-2671的“High-density Plasma Using RadiaoFrequency Current and Voltage Measurements(利用射频电流和电压测量方法测量高密度等离子体中的离子流)”中找到。

然而从射频探针606获得的电流值通常不等于将执行等离子体工艺的一种或多种离子元素的电流，至少部分是因为在等离子体中有别的离子元素。例如，在用B₂H₆作等离子体前体的等离子体注入过程中意欲将硼离子注入基板。该等离子体可包括离子B³⁺和H⁺且硼和氢离子都将留在基板上。从射频探针606获得的电流值既包括硼离子也包括氢离子的电流。为获得想要的硼的剂量，需要获得射频探针测量的电流中硼电流相对于总离子电流的比率。

在本发明的一个实施例中，利用配置成监控等离子体反应器中产生的等离体子体的质量分布传感器可在原地获得关心的一种或多种离子元素的比率。质量分布传感器可以是光学发射分光计、残气分析仪、地面质谱仪或任意合适的传感器。

在图1所示的一个实施例中，光学发射分光计601临近在主体3中形成的石英窗6设置。该光学发射分光计601配置成定量测量等离子体室1内产生的等离子体中受激元素的光学发射。等离子体中的受激元素从发射光的激发能级向较低能级衰变。由于跃迁是在显著不同的原子能级之间进行的，因此发射光的波长可用来鉴别受激元素。在一个实施例中，发射光的强度可反映包含一种或多种元素的等离子体中不同元素的浓度或分布。等离子体通常产生电磁辐射，该电磁辐射包含具有光学谱中波长的发射光，如波长从约180nm到约1100nm。这些发射光的一部分能被分光计检测到，如光学发射分光计601或其它合适的设备，如配备有一个或多个光电二极管的光谱过滤器的单色仪。

光学发射分光计(OES)601可包括设置在石英窗6附近的透镜602。透镜602可配置成校准通过石英窗6进入连接到分光计604的光纤电缆603的辐射。分光计604在光谱上基于波长将辐射分离，并为一个或多个空间分离的波长产生检测信号。控制器600中的数据采集器可用来收集反映分离的波长的数据，从而以周期采样率获得等离子体中离子元素的属性。处理并分析采集到的数据以产生控制信号，该控制信号送往射频等离子体偏压源305A、射频等离子体电源171A/172A、气板130A/130B、泵40或任意其它等离子体室1的可控制组件以校准处理参数，例如压力、功率密度、流速、工艺持续时间。

在一个实施例中，图1中所示的残气分析仪608可设置在侧壁5上。该残气分析仪608与处理区25流体连接，因此该残气分析仪608可分离、识别并测量处理区25种所有元素的量。该残气分析仪608能监控实时的等离子体行为，并提供数据以计算等离子体中不同离子元素的比率。该残气分析仪608连接到控制器600，控制器600可处理和分析从残气分析仪608处得到的测量结果以产生控制信号，产生的控制信号提供给射频等离子体偏压源305A、射频等离子体电源171A/172A、气板130A/130B、泵40或等离子体室1的任意其它可控制组件用来校准处理参数，例如压力、功率密度、流速或工艺持续时间。

在另一个实施例中，质谱仪605配置成测量可安置在气体分配组件200中的等离子体中不同元素的分布。与残气分析仪608或光学发射分光计601类似，质谱仪605可实时监控等离子体并在等离子体工艺中给可执行闭环控制以得到想要结果的控制器600提供测量。

在本发明的一个实施例中，质量分布传感器，如光学发射分光计601、残气分析仪608、质谱仪605或任意其它合适的设备，可与等离子体电流传感器如射频探针606一起使用，以监控感兴趣的一种或多种离子元素的实时剂量、检测终点或得到想要的处理结果。图3示意性的阐述了利用质量分布传感器连同电流传感器一起监控实时剂量的一种示范性方法700。

如图3所示，基板703由在电极704和接地电极701之间产生的等离子体702处理。电极704通过馈电点714处的阻抗匹配电路706与偏压电源707连接。等离子体702由偏压电源707施加的射频功率产生。

射频探针705在馈电点714连接到电极704。射频探针705配置成监控施加到电极704的射频偏压的实时电压、电流和相位。设置质量分布传感器710监控等离子体中的一种或多种离子元素的实时质量分布。质量分布传感器710可以为光学发射分光计、残气分析仪或质谱仪中的一种。质量分析传感器710和射频探针705都连接到处理器720，处理器720配置成根据来自质量分布传感器710和射频探针705的测量结果计算实时剂量值。

在一个实施例中的处理器720可编程为评估离子注入剂量。这将如图3所示，在图3中所示的处理器720内部的流程图中完成。处理器720可追踪来自射频探针705的瞬时电流值的输入流。在方块709中从射频探针705的输入可计算离子流总量。此离子流总量可通过将每个电流值与从射频探针705得到的阻抗相角的余弦相乘得到。为得到更精确的实现，根据本发明中后面将要提到的一个特征，在方块708中，射频探针705的电压、电流和阻抗相角的测量可从馈电点714向基板703的表面转换。

同时，质量分布数据可从质量分布传感器710输入到处理器720。在方块711中，从质量分布传感器710的测量结果可计算等离子体702中感兴趣的一种或多种离子元素的瞬时比率。

然后，在图3中的方块712中，将离子比率和离子流总量结合起来获得一种或多种感兴趣的离子元素的实际离子电流。在一个实施例中，一种离子元素的实际离子电流可通过将离子比率、离子流总量、离子元素的电荷的倒数和基板703表面积的倒数相乘得到。

在方块713中通过将实际离子流对时间进行积分可得到感兴趣的离子元素的实时剂量值。

图4示意性的阐述了一种方法800，将来自馈电点的电流/电压值转换到设置在等离子体附近的基板表面。方法800可用在图3中的方块708中。

如图4所示，来自设置在馈电点处的射频探针802的电压/电流输入首先在数字转换器804中数字化以在时域中离散电压/电流值。在步骤806中执行快速傅立叶变换，将电压/电流测量值转换到频域。在步骤808中，利用校准数据810为射频探针向电压/电流测量添加校正。校准射频探针的详细描述可在于2004年10月23日递交的编号为No.10/971772(代理人案卷号No.9615)的共同待决的美国专利申请总找到，这里引入其全部内容作为参考。

在步骤812中，馈电点到基板表面的转换将在时域中操作为校准的电压/电流测量。在步骤814中，对频域中转换的电压/电流值进行傅立叶反变换。则可得到时域中基板表面的电压/电流瞬时值，并可用在精确的程序监控和控制中。此馈电点到基板表面转换的详细描述可在于2004年10月23日递交的编号为No.10/971772(代理人案卷号No.9615)的共同待决的美国专利申请中找到，这里引入其全部内容作为参考。

图5根据本发明的一个实施例阐述了等离子体处理的终点检测的一种方法900的流程图。

在步骤910中，待处理的基板可设置在等离子体反应器中。

在步骤920中，可启动等离子体工艺。此步骤可包括给等离子体室抽气、流入处理气体和/或产生等离子体。

在步骤930中，等离子体反应器中的等离子体的离子流总量可利用射频探针监控。例如，连接到馈电点附近的射频偏压电源的射频探针。在一个实施例中，可执行馈电点到基板表面的转换以获得基板表面附近的离子流总量。

在步骤940中，等离子体反应器中的等离子体的质量分布可利用质量分布传感器进行监控，如光学发射分光计、残气分析仪或质谱仪。感兴趣的一种或多种离子元素的比例可从质量分布传感器的测量结果进行瞬时计算。

在步骤950中，感兴趣的一种或多种离子元素的实时剂量值可利用步骤940中计算的一种或多种离子元素的比率和步骤930中计算的离子流总量进行计算。实时剂量值的计算可包括离子元素的实际离子流和将实际离子流对时间进行积分。实际离子流的计算可包括将离子元素比率、离子流总量、离子元素的电荷的倒数和基板表面积的倒数相乘得到。

在步骤960中，将实时剂量值与所需剂量值比较。如果实时剂量值在所需剂量值的误差范围内，则处理过程在步骤980中终止。否则，处理过程将继续反复执行步骤930、940、950和960。在一个实施例中，执行步骤970调整工作参数以匹配实时剂量值，得到闭环控制。

本发明中描述了硼(B)的离子注入法，本发明的方法和装置也可用来监测和控制砷(As)、磷(P)、氢(H)、氧(O)、氟(F)、硅(Si)以及其它等离子体工艺中使用的元素。

虽然本发明描述了根据等离子体浸没离子注入工艺的方法和装置，本领域的技术人员理解此方法和装置也能用在其它的等离子体工艺中，如等离子体增强化学汽相沉积(PFCVD)工艺、高密度等离子体化学汽相沉积(HDPCVD)工艺、离子注入工艺以及蚀刻工艺。

根据前面所述的本发明的实施例，在不偏离本发明基本使用范围的情况下可设计出其它的和进一步的实施例，本发明的使用范围由下面的权利要求限定。