一种用于时分复用蚀刻工艺中的过程控制的方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种在时分复用工艺期间控制腔室内压力的方法。在所述时分复用蚀刻工艺的至少一个步骤内根据开环压力控制算法定位节流阀。评估该步骤的压力响应并且将其与期望的压力响应相比。然后，根据对期望压力响应的评估通过比例积分微分控制器对时分复用蚀刻工艺的逐一步骤定位节流阀。

【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半导体晶片加工领域。尤其是，本专利技术涉及一种 用于在时分复用蚀刻和淀积工艺期间控制反应腔室压力的方法和装 置。
技术介绍
在硅中制作高纵横比特征被广泛应用于在微型机电系统(MEMS) 的制造中。这种特征经常具有范围从十几到几百微米的深度。为了确 保可制造性，蚀刻工艺必须以高蚀刻速率操作，以维持合理的吞吐量 以其它性能要求例如光滑蚀刻断面。传统的、单一步骤的等离子蚀刻工艺不能同时满足这些要求，已 经开发了时分复用蚀刻工艺。Suzuki等(U.S. 4,579,623) ， Kawasaki 等(U.S. 4,795,529)和Laermer等(U.S. 5,501,893)已经描述了用于 蚀刻硅的时分复用(TDM)方法。TDM蚀刻工艺通常采用交替的蚀刻 和淀积步骤。例如，在蚀刻硅(Si)衬底时，六氟化硫(SF6)用作蚀 刻气体，八氟环丁烷(octofluorocyclobutane， C4F8)作为淀积气体。在 蚀刻步骤中，SF6便于硅(Si)的自发和各向同性蚀刻；在淀积步骤，C4F8便于在蚀刻结构的侧壁和底部上的保护聚合物钝化。在之后的蚀 刻步骤中，在进行高能和有方向性的离子轰击时，通过之前的淀积步 骤而覆在蚀刻结构底部的聚合物膜将被除去以暴露了硅表面，用于进一步蚀刻。在侧壁上的聚合物膜仍然保留着，防止横向蚀刻。TDM工艺在蚀刻和淀积工艺步骤之间循环交替，以使得可以以高蚀刻速率在 掩模的硅衬底中限定出高纵横比结构。在每个工艺步骤中，气体(例如，SF6和OtF8)通过气体入口以在 工艺操作单(recipe)所指定的流速引入反应腔室。TDM蚀刻工艺通常 在高密度等离子体反应器(即，感应耦合等离子体(ICP)，电子回旋 加速器(ECR)等)中进行。TDM工艺操作单由一系列工艺循环和步骤组成。每个循环由两个 或多个控制工艺变量(即，气体流速、腔室压、RF功率、工艺步骤时 间、腔室温度、晶片温度等)的工艺步骤组成。在执行整个工艺操作 单中的下一个步骤或者循环之前，将一个循环内的步骤重复多次。已 知，随着循环重复来改变工艺步骤的参数以提高蚀刻性能，在现有技 术中称之为工艺变形(morphing)(见，Teixeira等的U.S. 6,417,013) 所知的那样。压力控制是蚀刻和淀积工艺的重要部分。必须仔细控制腔室内的 工艺气体的流速和压力，以便提供用于可重复的制造工艺的期望的淀 积和蚀刻特性。TDM等离子体反应器抽空系统通常包括通过节流阀与反应腔室 分离的涡轮泵。压力控制器使用来自压力计的反应器腔室压力数据来 控制节流阀。控制器打开或关闭节流阀以增加或降低从涡轮泵提供给 反应腔室的真空。以这种方式，控制器可以在反应腔室内保持期望的 压力。在TDM工艺期间，腔室压力设定点和气流流速在工艺循环内循 环地交替。气流可以为单个组分也可以为多组分的混合物。压力控制器必须调节节流阀位置以补偿这些变化的气流和压力状态。理想状态 下，压力控制器调节节流阀位置以便即时获得压力设定点而不会出现 压力设定点过冲或下冲。目前可用的节流阀和控制器通常以压力控制模式或位置控制模式 工作。在压力控制模式中，控制器监控反应腔室中的压力并且通过调 节节流阀的位置来维持设定点压力(即，闭环压力控制)。在位置控 制模式中，控制器将节流阀定位在设定点位置，而不监控腔室压力(即， 开环压力控制)。许多研究组已经着眼于用于等离子腔室中过程控制的装置。Kessel等(U.S. 4,253,480)描述了一种压力调节器，其釆用可调节的电磁阀来控制压力。Kessel教导了指示真空腔室中所使用的许多节流阀的操作的基本机理。测量容器中的实际压力并将其转换为电信号。比较器产 生表示实际压力和指令压力之间的差值的调节信号。调节器使用该调节信号以如此方式指引该阀，即，阀部件可以在阀的打开和关闭位置 之间的范围内的中间位置之间进行调节。事实上，用在TDM工艺工具 中的节流阀按照这些原理进行操作。但是，正如早前所述的那样，在 经常交替的TDM工艺步骤的转变期间不能控制压力是个真正的问题， 并且不能通过Kessel的技术来解决。Kaveh等(U.S. 5,758,680)和McMillin等(U.S. 6,142,163)描述 了使用将气体插入抽空系统的压载口 (ballastport)来补偿反应腔室中 的压力波动，以便将不同工艺步骤之间节流阀的移动减小到最小。他 们还公开了一种方法来降低在真空腔室中稳定气体的时间。首先将节 流阀预先定位在期望位置上。使用预先确定的估计曲线来估计期望位 置。然后，在一个特定的时期内，可以使用比例和微分(PD)控制来 控制节流阀的移动。然后，可以使用比例积分和微分(PID)控制来调 节节流阀的移动。公开中所教导的这些实例表明用于稳定压力的时期 从 20秒钟减少到3-5秒钟。尽管Kaveh和McMillin构思了在工艺步骤从一个变换到下一个时改变气流流速和压力，但是没有教导使用循环和交替的TDM工艺。此外，许多TDM工艺釆用仅仅持续几秒钟或更短时间的交替工艺步骤，这使得使用所公开的技术进行压力控制变 得不实际。Brown等(U.S. 6，119，710)描述了使用到反应腔室中的可调节的 气流以补偿腔室内的压力变化。但是，在许多TDM工艺中，在工艺步 骤期间变化的工艺气流流速是不期望的。Beyer等(U.S. 5，944，049)描述了通过控制真空泵的排气侧的排气 压力或者在第一个真空泵的压縮阶段上的内部压力来调节腔室压。使 用调节真空泵速度或者将惰性气体注入到排气侧中或者真空泵的压縮 阶段，来控制反应腔室的压力。Beyer没有教导如何在TDM工艺中使 用这种技术。Puech (美国专利申请20020168467)描述了一种通过以互补的流 速将钝性控制气体注入与抽空部分邻近的区域内来控制压力的方法。 所控制的钝态气体的流速被调节以便将流入真空外壳中的总气流保持 在基本恒定的速率。尽管Puech教导了在TDM工艺中的压力控制，其 采用一秒量级的工艺步骤，但该方法没有教导在压力控制中使用主动 调节的节流阀。目前的用于TDM工艺的压力控制、压力控制和位置控制的方法具 有局限。在TDM工艺中压力控制模式的一个问题是，实践中，通常在 实现快速压力响应时间同时将设定点偏差减小到最小之间存在折中。 在以压力设定点过冲的周期为代价下，快速响应时间是可能的。优化 可用的压力控制模式算法以将设定点过冲减小到最小会导致较慢的响 应时间。随着TDM步骤的持续时间减小，试图达到操作单指定的设定 点而花费的时间将会变为工艺时间的重要部分。目前的在TDM工艺中位置控制模式的方法的问题是不可接受的 长压力响应时间。尽管位置模式将工艺过冲减小到最小，较慢的响应 时间会导致腔室压力花费大部分的工艺时间来接近所要求的设定点值 (即，不依从操作单指定的设定点)。位置控制模式方法的另一个问题是它是开环压力控制算法。因此， 对于气流或者泵浦效率的扰动没有任何校正。这些扰动易于引起工艺 压力和随后的工艺性能随时间变化。因此，需要一种用于TDM工艺的压力控制手段，优选用于采用持 续时间为几秒钟或更小的工艺步骤的那些工艺。现有技术中没有提供本专利技术所附的优点。因此，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在蚀刻工艺期间控制腔室内压力的方法，该方法包括：在该腔室内设置衬底；在该腔室内执行时分复用蚀刻工艺；在所述时分复用蚀刻工艺的至少一个步骤内根据开环压力控制算法定位节流阀；从所述时分复用蚀刻工艺的逐一步骤根 据闭环压力控制算法定位所述节流阀；以及将所述衬底从该腔室中移出。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2005-6-20 11/155,9041.一种在蚀刻工艺期间控制腔室内压力的方法，该方法包括在该腔室内设置衬底；在该腔室内执行时分复用蚀刻工艺；在所述时分复用蚀刻工艺的至少一个步骤内根据开环压力控制算法定位节流阀；从所述时分复用蚀刻工艺的逐一步骤根据闭环压力控制算法定位所述节流阀；以及将所述衬底从该腔室中移出。2. 如权利要求1所述的方法，其中所述时分复用蚀刻工艺还包括 通过等离子体在所述衬底上淀积钝化层； 通过等离子体从所述衬底蚀刻材料；以及 执行重复淀积步骤和蚀刻步骤的工艺循环。3. 如权利要求l所述的方法，其中所述开环压力控制算法是节流 阀位置控制。4. 如权利要求3所述的方法，其中在所述时分复用蚀刻工艺的步 骤内，通过所述节流阀位置控制，将所述节流阀保持在恒定位置。5. 如权利要求3所述方法，其中在所述时分复用蚀刻工艺的步骤 内，基于时间的函数，通过所述节流阀位置控制，来定位所述节流阀。6. 如权利要求5所述方法，其中所述时间的函数是线性的。7. 如权利要求5所述方法，其中所述时间的函数是非线性的。8. 如权利要求l所述方法，其中所述闭环压力控制算法是比例积分微分控制器，通过所述比例积分微分控制器定位所述节流阀。9. 一种在蚀刻工艺期间控制腔室内压力的方法，该方法包括 在该腔室内设置衬底； 在该腔室内执行时分复用蚀刻工艺；在所述时分复用蚀刻工艺的至少一个步骤内，将节流阀定位在预 定位置；将所述节流阀的所述预定位置保持一段预定时间； 对于所述时分复用蚀刻工艺的所述步骤的剩余部分，将所述节流 阀重新定位在操作单指定的位置；以及 将所述衬底从该腔室中移出。10. 如权利要求9所述方法，其中所述时分复用蚀刻工艺还包括 通过等离子体在所述衬底上淀积钝化层； 通过等离子体从所述衬底蚀刻材料；以及 执行重复淀积步骤和蚀刻步骤的工艺循环。11. 如权利要求9所述方法，其中所述预定位置是从操作单位置 设定点中得出的。12. 如权利要求ll所述方法，其中所述预定位置与所述操作单位 置设定点成比例。13. 如权利要求ll所述方法，其中所述预定位置从所述操作单位 置设定点偏移。14. 如权利要求9所述方法，其中所述的一段预定时间小于用于 所述时分复用蚀刻工艺的所述步骤的时间。15. —种在蚀刻工艺期间控制腔室内压力的方法，该方法包括在该腔室内设置衬底； 在该腔室内执行时分复用蚀刻工艺；在所述时分复用蚀刻工艺的至少一个步骤内通过节流阀预设参数 控制节流阀；与期望的压力响应相比，评估所述步骤的压力响应； 应用控制算法以根据所述评估步骤在所述时分复用蚀刻工艺逐一 步骤修改所述节流阀预设参数；以及 将所述衬底从该腔室中移出。16. 如权利要求15所述方法，其中所述时分复用蚀刻工艺还包括 通过等离子体在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁塞尔韦斯特曼，迈克泰克西拉，大卫约翰逊，赖守亮，
申请(专利权)人：奥立孔美国公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]