使用多变量分析的等离子体蚀刻终点检测制造技术

公开了一种用于使用光学发射光谱(OES)数据作为输入确定蚀刻过程的终点的方法。由附接至等离子体蚀刻处理工具的光谱仪获得光学发射光谱(OES)数据。首先将获得的时间演变光谱数据过滤和去均值，之后使用诸如主成分分析的多变量分析，将获得的时间演变光谱数据变换成变换后的光谱数据或趋势，在主成分分析中先前计算的主成分权重用来实现该变换。包含多个趋势的函数形式可以用于更精确地确定蚀刻过程的终点。公开了用于在实际蚀刻之前基于从先前蚀刻处理收集的OES数据计算主成分权重的方法，该方法有助于趋势和包含多个趋势的函数形式的快速计算，用于蚀刻过程终点的有效和准确的在线确定。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请基于2012年10月17日提交的、题目为“使用多变量分析的等离子体蚀刻过程的终点检测的方法(METHOD OF ENDPOINT DETECTION OF PLASMA ETCHING PROCESS USING MULTIVARIATE ANALYSIS)”(参考号：TTI-240PROV)的共同未决的美国临时专利申请第61/715,047号，并要求该美国临时专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用被合并在本文中。本专利技术的背景
本专利技术涉及例如在半导体制造中用于控制在衬底上蚀刻结构的过程的方法和系统。更具体地，本专利技术涉及用于确定蚀刻过程的终点的方法。
技术介绍
在制造半导体器件、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)和一些光伏器件(PV)的过程中通常与光刻结合地使用等离子体蚀刻工艺。一般来说，诸如光致抗蚀剂的辐射敏感材料的层首先被涂覆在衬底上，并且被暴露于图案化的光以对其给出潜像。之后，曝光的辐射敏感材料显影，以移除曝光的辐射敏感材料(或未曝光的，如果使用负性光致抗蚀剂)，从而留下露出随后要被蚀刻的区域的辐射敏感材料的图案，并覆盖不希望被蚀刻的区域。在例如等离子体蚀刻过程的蚀刻过程期间，在等离子体处理室中衬底和辐射敏感材料图案被暴露于活跃离子，以引起辐射敏感材料下的材料的移除，以形成诸如通孔、沟槽等的蚀刻的特征。在蚀刻下层材料中的特征之后，使用灰化或剥离处理，辐射敏感材料的剩余物从衬底被移除，以暴露形成的蚀刻结构，准备好进一步处理。在诸如半导体器件的许多类型的器件中，在叠置在第二材料层上的第一材料层中执行等离子体蚀刻过程，并且重要的是：在不继续蚀刻下层的第二材料层的情况下，一旦蚀刻过程在第一材料层中已形成开口或图案，蚀刻过程应准确地被停止。出于控制蚀刻过程的目的，使用各种类型的终点控制，一些终点控制依靠分析等离子体处理室中的气体的化学组成以推断例如蚀刻过程是否已进行到与正被蚀刻的层的化学组成不同的化学组成的下层。其它过程可以依靠由正被蚀刻的结构制成的直接当场(in-situ)测量。在前组中，光学发射光谱(OES)经常被用于监视等离子体处理室中的气体的化学组成。通过正被使用的等离子体激活机制激活等离子体处理室中的气体的化学组成种类，并且在等离子体的光学发射谱中，激活的化学组成种类产生不同的频谱特征。例如正被蚀刻的层的清除和衬底上的下层的暴露引起的光学发射谱的变化能够被监视并被用于精确地结束，即终止蚀刻过程，以避免下层的蚀刻或形成诸如底切等的其它导致生产失败的缺陷。根据正被蚀刻的结构的类型和蚀刻过程参数，蚀刻过程的终点处的等离子体的光学发射谱的变化可以很明显且容易检测，或反之微妙且很难检测。例如，使用用于处理光学发射光谱(OES)数据的当前的算法，具有很低开口率的结构的蚀刻能够使终点检测困难。因此需要改进以使基于光学发射光谱(OES)数据的蚀刻终点检测在这种挑战性的蚀刻过程条件下更鲁棒。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是用于确定蚀刻过程终点数据的方法，包括在等离子体蚀刻处理工具中执行一个或更多个等离子体蚀刻过程运行，该等离子体蚀刻处理工具包括用于获得光学发射光谱(OES)数据的光谱仪。在等离子体蚀刻过程运行中的每次运行期间，按照相等时间间隔取样光学发射光谱(OES)数据集，并以时间样本占据行且像素位置(即波长)占据列地形成光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]。在本专利技术的另一个方面中，然后逐个元素地平均获得的光学发射光谱数据矩阵[X]以形成一个或更多个等离子体蚀刻过程运行的平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg。之后，能够过滤平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg，以从光学发射光谱(OES)数据移除噪声。为了改进数据质量以供进一步处理，对光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]和平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg中的每个进行截舍以移除对应于等离子体启动状况和蚀刻过程的终点之后的任何状况的数据集的任何部分。通过计算均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]进一步进行计算，在均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]中，每个列的每个元素表示针对该光谱仪像素，即矩阵列，在截舍之后剩余的所有时间样本上的光谱仪像素强度的平均。然后从光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]中的每个减去均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]。因此，光学发射光谱(OES)数据被去均值。然而，与在多变量分析中做的不同的，在被用作多变量分析的输入之前，光学发射光谱(OES)数据不被标准化(normalize)。在本专利技术的另一方面中，去均值和非标准化的光学发射光谱(OES)数据现在被用作主成分分析(PCA)的输入，主成分分析(PCA)将物理光学发射光谱(OES)数据变换成变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]。它也提供主成分权重向量[P]，主成分权重向量[P]能够被用于随后将任何物理光学发射光谱(OES)数据变换成主成分域。在本专利技术的又一个方面中，为了可靠地确定蚀刻过程的终点，变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素能够被组合成函数形式f(Ti)，也被称为趋势变量，其尤其强调在蚀刻过程达到终点时的时间期间，变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]元素发生的变化。在一个实施方式中，趋势变量f(Ti)可以只包括变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的单个元素。在其它实施方式中，趋势变量f(Ti)可以包含变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的两个元素的比。比本身可以被提升至整数或非整数次幂。为了进一步增加终点检测的可靠性，能够通过减去在蚀刻过程期间针对所有样本时间评估的变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的每个元素的最小值或最小值的倍数来移动(shift)变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素。从变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素移动或移除“基础”进一步地协助使方法对与特定蚀刻过程相关联的等离子体化学组成的微妙变化更敏感。在一个实施方式中，趋势变量的函数形式可以是f(Ti)＝(T2–2.min(T2))2/(T3–2.min(T3))2，其包含变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素T2和T3的比的平方，每个元素被移动了相应元素的每个元素的最小值的两倍。在本专利技术的另一方面中，主成分权重向量[P]的值、均值光学发射光...

【技术保护点】
一种用于确定蚀刻过程终点数据的方法，包括：在等离子体蚀刻处理工具中，进行k次等离子体蚀刻过程运行，其中k是大于零的整数，所述k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行包括步骤：把要被处理的衬底装载入所述等离子体蚀刻处理工具，所述等离子体蚀刻处理工具包括具有检测器的光谱仪，所述检测器包括m个像素，每个像素对应于不同的光波长；在所述等离子体蚀刻处理工具中引发等离子体；收集在k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行期间按相等时间间隔取样的n个光学发射光谱(OES)数据集，所述n个光学发射光谱(OES)数据集中的每个数据集包括对应于所述光谱仪的m个像素的m个像素强度；针对k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行形成n×m光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]，每个时间样本占据所述光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]的一行，所述光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]的列对应于所述光谱仪的像素；计算n×m平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg，其中所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的每个元素被计算为所述k次蚀刻过程运行的光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]的元素的平均；从所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg中过滤噪声；截舍每个光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]以消除在等离子体启动期间以及超过蚀刻过程终点的时间获得的光学发射光谱(OES)数据；截舍所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg以消除在等离子体启动期间以及超过蚀刻过程终点的时间获得的平均光学发射光谱(OES)数据；计算n×m均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]，其中所述均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]的列中的每列的每个元素被计算为在所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的所述列上，所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的n个像素强度中的每个的平均；从光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]减去所述均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]，以将所述光学发射光谱(OES)数据去均值，以及对所述去均值的并且非标准化的相减结果执行主成分分析[T]＝([X][i]‑[Savg])[P]，以获得变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]以及主成分权重向量[P]；存储所述均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]以供以后用于蚀刻过程终点的当场确定；存储所述主成分权重向量[P]以供以后用于所述蚀刻过程终点的当场确定。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.10.17 US 61/715,0471.一种用于确定蚀刻过程终点数据的方法，包括：
在等离子体蚀刻处理工具中，进行k次等离子体蚀刻过程运行，其中
k是大于零的整数，所述k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行包括步
骤：
把要被处理的衬底装载入所述等离子体蚀刻处理工具，所述等离子体
蚀刻处理工具包括具有检测器的光谱仪，所述检测器包括m个像素，每
个像素对应于不同的光波长；
在所述等离子体蚀刻处理工具中引发等离子体；
收集在k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行期间按相等时间间
隔取样的n个光学发射光谱(OES)数据集，所述n个光学发射光谱(OES)
数据集中的每个数据集包括对应于所述光谱仪的m个像素的m个像素强
度；
针对k次等离子体蚀刻过程运行中的每次运行形成n×m光学发射光
谱(OES)数据矩阵[X]，每个时间样本占据所述光学发射光谱(OES)
数据矩阵[X]的一行，所述光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]的列对应于
所述光谱仪的像素；
计算n×m平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg，其中所述平
均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的每个元素被计算为所述k次蚀
刻过程运行的光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]的元素的平均；
从所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg中过滤噪声；
截舍每个光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]以消除在等离子体启动
期间以及超过蚀刻过程终点的时间获得的光学发射光谱(OES)数据；
截舍所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg以消除在等离子
体启动期间以及超过蚀刻过程终点的时间获得的平均光学发射光谱
(OES)数据；
计算n×m均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]，其中所述均
值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]的列中的每列的每个元素被计算
为在所述平均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的所述列上，所述平
均光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]avg的n个像素强度中的每个的平均；
从光学发射光谱(OES)数据矩阵[X]减去所述均值光学发射光谱
(OES)数据矩阵[Savg]，以将所述光学发射光谱(OES)数据去均值，
以及对所述去均值的并且非标准化的相减结果执行主成分分析
[T]＝([X][i]-[Savg])[P]，以获得变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]
以及主成分权重向量[P]；
存储所述均值光学发射光谱(OES)数据矩阵[Savg]以供以后用于蚀
刻过程终点的当场确定；
存储所述主成分权重向量[P]以供以后用于所述蚀刻过程终点的当场
确定。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤噪声的步骤包括应用
移动平均滤波器。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述过滤噪声的步骤包括应用
特征特定于所述等离子体蚀刻处理工具的滤波器。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
选择涉及所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素的
函数形式f(Ti)作为用于所述蚀刻过程终点的当场确定的趋势变量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述趋势变量的所选择的函数
形式f(Ti)是所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的单个元素。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述趋势变量的所选择的函数
形式f(Ti)包含所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的两个元
素的比。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括：
计算所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的至少一个元
素的时间演变；
根据所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的所述至少一
个元素的所计算的时间演变来确定所述变换后的光学发射光谱(OES)数
据向量[T]的至少一个最小值min(Ti)；
存储所述变换后的光学发射光谱(OES)数据向量[T]的元素的确定
的所述至少一个最小值min(Ti)以供以后用于所述蚀刻过程终点的当场确
定。
8.根据权利要求7...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈艳，谢尔盖·科马罗夫，维·翁，
申请(专利权)人：东京毅力科创株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP