在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法技术

本发明专利技术提供了一种在沉积期间确定薄膜的厚度的方法。设置目标膜厚度。将基片放置在沉积系统内。在沉积系统内将薄膜沉积到基片上。在薄膜的沉积期间使用标准OEI技术监测在多个波长下从基片反射的辐射。监测从所反射的辐射得出的值。检测得出的值处于目标值的时间。计算在检测到的时间的膜厚度以生成数据。对生成的数据执行数学分析以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程。所计算出的沉积的膜厚度相对于时间的方程被用于达到目标膜厚度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于测量薄膜的厚度的方法，且具体地说，涉及一种用于在现场测量使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术沉积的薄膜的厚度并在多个波长下测量等离子体发射。
技术介绍
介电材料、半导体材料及导体材料的薄膜广泛地用于制造半导体器件。这些膜通常沉积到诸如硅或砷化镓的基片上，并随后形成图案以生产诸如晶体管、电容、二极管等等的器件并使其互相连接。类似地制造诸如发光二极管的分立器件。沉积使用包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积等等的各种技术及诸如PECVD和高密度PECVD(HDPECVD)的等离子体增强技术执行。在真空系统中使用等离子体处理的沉积是众所周知(PECVD和HDPECVD)，同样也是作为在膜中蚀刻并定义图案的方法的等离子体蚀刻。 由于厚度决定器件在其设计限制内的操作，因此这些沉积膜的厚度是小心控制的参数。由于所有膜不会沉积在一件设备上，因此必须在很长一段时间上进行控制且从机器到机器进行控制。因此，为了正确测量膜的厚度，已开发了很多技术。对于诸如很多电介质(包括二氧化硅、氮化硅和聚合物材料)、半导体(诸如氮化镓的薄膜)和某些导体(诸如氧化铟锡)的透明膜，光学技术可用于测量膜厚度。椭圆偏光法用于基于膜与偏振光的相互作用测量膜厚度，而反射率测量法用于基于测到的反射光谱与反射光谱的理论模型的比较确定膜厚度。两种技术主要用作后处理的手段，用于核实沉积膜厚度在所需范围内，或者用于如果膜厚度在所需范围外则启动矫正测量。 更令人满意的厚度测量是在处理步骤期间进行的，使得当达到所需的膜厚度时过程可终止。因此，可通过调整过程时间补偿在过程中的任何长期或短期变化或机器到机器的变化。这种“终点”技术通常用于其中膜完全去除的很多蚀刻过程。例如，膜的去除可通过监测等离子体发射中的改变来检测，当膜不再被蚀刻时，等离子体发射发生改变。为了获得关于膜在其沉积时的厚度的信息，反射率测量法可在现场通过测量光源从膜表面反射后的强度进行。光源可以是诸如激光或宽带光源的外部光源或其是等离子体发射本身的内部光源，在这种情况下该技术被称为光学发射干涉测量法(OEI)，或者内部和外部源的某种组合。例如，在氮化硅的沉积期间，可有效地利用从基片表面反射的在300nm至400nm区间的分子态氮的辐射。反射以接近垂直入射膜表面的角度理想地测量，这需要特殊布置的观察光学系统，具体地说是真空观察孔。光学必须布置成使得没有局部干扰的过程，且还使得没有由于暴露于等离子体的降解。Sawin(美国专利第5，450，205号)描述了蚀刻系统的这种布置，而Johnson (美国专利第7，833，381号)描述了沉积系统的这种布置，其中，反射通过气体引入喷头中的孔监测。 当反射在单一波长下测量时，信号强度由于当膜厚度改变时膜内的干涉作用，会以正弦曲线的方式变化。(图1a)导致完整周期的干涉信号的膜厚度改变d通过方程I给出: d = A/2^nf 其中:λ =监测反射率所处的波长，nf =膜在该波长下的折射率 因此，通过计算干涉信号中的最大值(和最小值)以及它们之间的插值，可计算膜厚度相对于时间的改变并当所需的厚度改变发生时终止过程(图la、lb)。由于厚度改变d是与波长λ成正比，因此有利于测量在短波长(例如，小于400nm)的反射率，因此这可提供厚度测量分辨率的提高。对于不要求这种分辨率的不太重要的应用，可采用较长的波长。注意，适当波长的选择是来自光源的可用波长以及所测量的材料的光学特性的函数。反射率测量法可因此用于精确测量在沉积过程期间生成多个干涉周期的膜的厚度。每当检测到信号极值(最大值或最小值)，沉积速度的估计可重新计算，并通过平均这些多个测量值，或相反使用统计方法以更接近实际沉积速度，沉积在目标厚度的几个百分比内的膜是可能的。 然而，存在着某些器件(例如，某些薄膜电容)，其需要非常薄的电介质层。这种膜的设计厚度可约小于10nm至小于几十个纳米。为了确保一致的器件性能，膜厚度的再现性的要求是大约1%，这意味着，目标厚度必须符合在小于Inm的近似范围内，优选地小于 0.5nm。对于这种非常薄的膜，在沉积过程期间，通常不会生成多个干涉周期。例如，在具有 2.0的折射率及337nm的测量波长的氮化硅膜的沉积期间，完整周期只生成于大约84nm的厚度。因此，对于等于或小于该厚度的膜，不能达到通过平均多个测量值获得的提高的精确度。进行单次测量(例如，第一次干涉最小值的时间)，使用该数值计算沉积速度并接着外推计算所需的过程终止时间，由于这种方法本质上假设沉积厚度对时间的线性反应，因此容易出现显著误差。由于沉积速度在过程的第一个几秒期间可能异常高或低，该第一个几秒的时间表示这种薄膜沉积的过程时间的主要部分，因此这通常不是这样的。不稳定性可能是由于多个因素引起的，诸如当施加RF电源时稳定等离子体所需的时间。 在多个波长下监测干涉提供了附加数据，该附加数据可用于计算沉积速度的更可靠数值(参见美国专利第6，888，639号)。然而，美国专利第6，888，639号所述的方法依赖于“周期计算”和膜厚度相对于时间的线性反应。这种方法适于生成多个干涉周期的膜，但不教导如何将多个波长测量值应用于未生成完整干涉周期的薄膜的测量。 同样地，美国专利第7，833，381号中描述了在多个波长下使用0ΕΙ，但没有教导关于这些测量值如何可用于确定未生成完整干涉周期的薄膜的厚度的方法。 因此，没有具有所需的精确度使用多波长的现有技术教导如何计算未生成完整干涉周期的薄膜的厚度。 没有方法描述如何克服薄膜的这种干涉限制性。 现有技术中没有提供本专利技术附带的益处。 因此，本专利技术的目的是提供一种改善措施，该改善措施克服现有技术方法的不足，并显著有助于推进使用OEI精确测量等离子体处理系统中沉积的薄膜的厚度的半导体基片处理。 本专利技术的另一目的是提供在沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤:设置目标膜厚度；将基片放置在沉积系统内；在沉积系统内将薄膜沉积到基片上；在薄膜沉积期间监测在多个波长下从基片反射的辐射；监测从反射的辐射得出的值；检测得出的值达到目标值的时间；计算在检测到的时间的膜厚度以生成数据；对生成的数据执行数学分析以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程；以及使用确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程以获得达到目标膜厚度的估计时间。 本专利技术的又一目的是提供，所述方法包括步骤:设置目标膜厚度；将基片放置在等离子体沉积系统内；将反应气体引入等离子体沉积系统；在等离子体沉积系统内点燃来自反应气体的等离子体；在等离子体沉积系统内将薄膜从点燃的等离子体沉积到基片上；在薄膜沉积期间监测在多个波长下从基片反射的等离子体发射的辐射；监测从反射的等离子体辐射得出的值；检测得出的值达到目标值的时间；计算在检测到的时间的膜厚度以生成数据；对生成的数据执行数学分析以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程；以及使用确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程以获得达到目标膜厚度的估计时间。 本专利技术的另一目的是提供在沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤:使用至少两个波长为折射率设置初始值；设置目标膜厚度；将基片放置在沉积系统内；在沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤：设置目标膜厚度；将基片放置在沉积系统内；在所述沉积系统内将所述薄膜沉积到所述基片上；在所述薄膜的所述沉积期间监测在多个波长下从所述基片反射的辐射；监测从所反射的辐射得出的值；检测所得出的值达到目标值的时间；计算在所检测到的时间的膜厚度以生成数据；对所生成的数据执行数学分析以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程；以及使用所确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程以获得达到所述目标膜厚度的估计时间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.04.12 US 13/445,2111.一种在沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤: 设置目标膜厚度； 将基片放置在沉积系统内； 在所述沉积系统内将所述薄膜沉积到所述基片上； 在所述薄膜的所述沉积期间监测在多个波长下从所述基片反射的辐射； 监测从所反射的辐射得出的值； 检测所得出的值达到目标值的时间； 计算在所检测到的时间的膜厚度以生成数据； 对所生成的数据执行数学分析以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程；以及 使用所确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程以获得达到所述目标膜厚度的估计时间。2.根据权利要求1所述的方法，还包括:当所估计的时间达到了所述目标膜厚度时，终止所述薄膜的所述沉积。3.根据权利要求1所述的方法，还包括:当所估计的时间达到了所述目标膜厚度时，改变所述薄膜的所述沉积。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述目标值是极值。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个波长还包括290nm至420nm之间的波长。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个波长还包括由分子态氮发射的波长。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学分析还包括回归分析。8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述回归分析还包括线性拟合。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述回归分析还包括多项式拟合。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述检测步骤还包括应用统计技术以检测最小值的真实时间。11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述计算步骤还包括使用所述薄膜的预先计算的折射率和已知波长。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述折射率是根据所述薄膜的厚膜预先计算的。13.一种在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤: 设置目标膜厚度； 将基片放置在等离子体沉积系统内； 将反应气体引入所述等离子体沉积系统； 在所述等离子体沉积系统内点燃来自所述反应气体的等离子体； 在所述等离子体沉积系统内将所述薄膜从所点燃的等离子体沉积到所述基片上； 在所述薄膜的所述沉积期间监测在多个波长下从所述基片反射的等离子体发射的辐射； 监...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·约翰逊，
申请(专利权)人：等离子瑟姆有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US