使用宽带反射测定法的工艺终点检测方法技术

一种在图样化衬底的处理过程中确定感兴趣的参数的方法，该方法包括：获得测量的净反射光谱，该反射光谱通过用具有宽带光谱的光束照射图样化衬底的至少一部分产生；计算建模的净反射光谱，作为构成图样化衬底的部分的不同区域的反射系数的加权非相干和；以及，确定一组参数，该组参数提供在测量的净反射光谱和建模的净反射光谱之间的紧密匹配。对于在选择的转换波长以下的波长，第一光学模型用于计算每个区域的反射率，作为对应于构成该区域的横向不同区的薄膜叠层的反射场。对于在选择的转换波长以上的波长，基于有效介质近似的第二光学模型用于计算每个区域的反射率。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及监测和控制用于在半导体衬底上形成特征部分的工艺的方法。更具体地，本专利技术涉及用于检测半导体衬底加工过程中的终点的方法。
技术介绍
在半导体制造中，多种工艺如蚀刻、薄膜沉积、和化学机械抛光的组合，被用于在半导体衬底上形成特征部分。特征部分是通过从半导体衬底的表面选择性除去材料和在半导体衬底的表面选择性地沉积材料而形成的。在形成特征部分的同时，监测半导体衬底以确定在处理过程中何时已到达终点。终点可以是工艺操作条件将会改变的一个点，或工艺将会停止的一个点。深沟槽和凹槽蚀刻工艺用于制造半导体器件，如动态随机存取存储器(DRAM)和嵌入式DRAM(eDRAM)。DRAM(或eDRAM)单元包含用于存储信息的晶体管和电容器。通常，存储电容器被安置在半导体衬底的沟槽中。用于形成沟槽电容器的典型工艺涉及在半导体衬底中蚀刻深沟槽，用多晶硅填充沟槽，将多晶硅蚀刻下来以在沟槽中形成凹槽。其它材料(如介电材料)也可按需要沉积于沟槽或凹槽中或被蚀刻，以形成所需的存储结构。通常，沟槽具有高纵横比(即，大于1.0，其中“纵横比”被定义为高度/宽度)。在当前技术中，例如，沟槽的深度通常是几微米深，而沟槽的宽度通常是约300nm。随着集成技术上所做出的进步，沟槽的宽度有望更小，如缩小至90nm到100nm。图1A示出典型的半导体衬底100，其具有通常由硅形成的衬底层102，通常由二氧化硅形成的衬垫层104，和通常由氮化硅形成的掩膜层106。在衬底100中形成深沟槽之前，除去将形成沟槽的光致抗蚀剂掩膜108的区域110，使得其下层(即掩膜层106)暴露。然后衬底100被放置到工艺腔室(未示出)中，如等离子体腔室，且蚀刻沟槽穿过掩膜层106和衬垫层104进入衬底层102。图1B示出在衬底100中蚀刻的沟槽112。在衬底100中蚀刻沟槽112之后，除去余下的光致抗蚀剂掩膜(图1A中108)。图1C示出衬底100中用多晶硅114回填的沟槽112。在回填工艺中，多晶硅垫层116形成于掩膜层106上。通常，作为回填工艺的结果，小碟(或凹陷)118出现在沟槽112的上面。在沟槽112中的多晶硅114形成凹槽之前，所有或部分多晶硅116垫层通过平面化工艺(如平面层蚀刻或化学机械抛光)去除。图1D示出平面化工艺之后的衬底100。作为平面化工艺的结果，凹陷120可出现在沟槽112的开口上。在平面化步骤之后，沟槽112中的多晶硅柱114被向下蚀刻至预定深度以形成凹槽。图1E示出形成于多晶硅柱114上的凹槽122。相对于衬底100中的参考点(如损失的掩膜层106的底部)，凹槽122的深度通常是高要求尺寸。然而，多个因素使得精确地形成所需深度的凹槽具有挑战性。一个因素是沟槽的开口非常小，例如，约300nm或更小，凹槽是通过该开口蚀刻的。这样，蚀刻工艺必须被仔细地控制以确保蚀刻被限定在沟槽内。另一个因素是多晶硅柱上的凹陷易与要被蚀刻的凹槽的精度或甚至绝对深度在同一量级。这样，尺寸控制范围非常严密。另一个因素是从一衬底到另一衬底有进入材料变化，如，掩膜层厚度(如，平面化处理的结果)和多晶硅柱上凹陷的深度的变化。没有变化方面的知识，将难于确定要向下蚀刻多深的多晶硅以达到所需的凹槽深度。为了精确地形成所需深度的凹槽，有检测蚀刻工艺中的终点的精确和可靠的方法是重要的。光学诊断方法通常被用来在图样化衬底加工中检测终点，因为它们是非破坏性的。光发射光谱法是最广泛被使用的用于检测终点的光学诊断方法。该方法涉及监测等离子体发射中等离子体种类的变化，其中当从衬底的一层移动到另一层时发生变化。该方法的响应通常被延迟，因为其监测等离子体状态而非衬底状态。光发射光谱法通常不适合于深沟槽和凹槽蚀刻，以及其它没有有效蚀刻停止层的蚀刻应用。单一波长干涉测定法是另一个用于检测终点的光学诊断的例子。干涉测定法涉及在衬底表面上定向(directing)光束。随着膜、沟槽或凹槽被蚀刻，来自衬底的反射信号建设性或破坏性地组合以产生周期性的干涉带(也称干涉条纹)。干涉带的相位决定于光束通过被蚀刻层的厚度的路径长度。在蚀刻时，观察的测量的干涉带的周期数目与计算的层厚度的减少或蚀刻的沟槽或凹槽的深度变化关联，以估计工艺中的终点。干涉测量终点检测方法涉及计算蚀刻过程中牵涉的干涉带的数目。当计数到相应于要除去的材料厚度的预定干涉带数目时，蚀刻工艺停止。单一波长干涉测量方法受限于它们监测蚀刻应用(如凹槽蚀刻)的能力。其中一个原因是它们监测衬底上结构的垂直尺寸的相对变化，而不是结构的绝对垂直尺寸。这样，它们不能补偿从一衬底到另一衬底的进入材料变化，如掩膜层厚度的变化、沟槽起始深度的变化、图案密度的变化、和晶片取向的变化。如前面提到的那样，没有这些进入材料变化的知识，将难于精确地确定要通过蚀刻除去多少材料。另一个原因是随着结构变小(如，比入射光波长小)和变深，由衬底下降和任何小噪声产生的干涉带的对比可以消除干涉带，使得在工艺中不可能确定何时已到达终点。分光镜椭圆偏光法、偏振测定法和反射测量法是光学诊断方法的例子，其可与严格的光学模型技术结合以确定特殊测试结构的特征结构的绝地垂直和横向尺寸，特殊测试结构如，图样化衬底上的一维点阵晶格(gratings)。然而，这些技术受限于按序计量(inlinemetrology)应用(即，加工前和加工后计量)而非原位诊断，因为它们涉及仅在特殊测试结构上的测量，而且计算量大。已经做出努力以结合使用分光镜椭圆偏光法和简单的、相当不精确的、模型技术用于原位诊断。从前面可以看出，需要健壮的、易于使用的、且精确的用于原位诊断的方法，其将便于衬底加工中的终点检测，即使感兴趣的结构比入射光的波长小。
技术实现思路
一方面，本专利技术涉及一种在图样化衬底加工过程中确定感兴趣参数的方法，其包括获得测量的净反射光谱(reflectance spectrum)，该反射光谱通过用具有宽带光谱的光束照射图样化衬底的至少一部分产生，并计算作为不同区域的反射率的加权非相干和的建模的净反射光谱，这些不同的区域构成图样化衬底的部分。对于在宽带光谱中小于所选转换波长(transition wavelength)的波长，使用第一光学模型计算作为对应于横向不同区的薄膜叠层的反射场的加权相干和的每个区域的反射率，这些横向不同区(laterally distinctarea)构成该区域。对于在宽带光谱内大于所选择的转换波长的波长，第二光学模型用于计算每个区域的反射率作为薄膜叠层的反射场，该薄膜叠层是通过用有效的均匀介质替换区域内的层获得的。该方法进一步包括确定一组参数，其提供测量的净反射光谱和建模的净反射光谱之间的紧密匹配。另一方面，本专利技术涉及控制图样化衬底加工过程的方法，其包括获得测量的净反射光谱，该净反射光谱通过用具有宽带光谱的光束照射图样化衬底的至少一部分产生，和计算建模的净反射光谱作为不同区域的反射率的加权非相干和，该不同区域构成图样化衬底的部分。对于宽带光谱中小于选择的转换波长的波长，使用第一光学模型计算每个区域的反射率作为薄膜叠层的反射场的加权相干和，该薄膜叠层对应于横向不同区，这些横向不同区构成该区域。对于在宽带光谱内大于所选择的转换波长的波长，第二光学模型用于计算每个区域的反射率作为薄膜叠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在图样化衬底的加工过程中确定感兴趣的参数的方法，所述方法包括：获得测量的净反射率谱，所述测量的净反射光谱由具有宽带光谱的光束照射图样化衬底的至少一部分产生；计算作为不同区域的反射率的加权非相干和的建模的净反射光谱，所述不 同区域构成所述图样化衬底的部分：对于所述宽带光谱中小于选择的转换波长的波长，使用第一光学模型计算每个区域的所述反射率，将所述反射率作为薄膜叠层的反射场的加权相干和，所述薄膜叠层对应于构成所述区域的横向不同区；对于所述宽带光谱 中大于选择的转换波长的波长，使用第二光学模型计算作为薄膜叠层的反射场的每个区域的所述反射率，所述薄膜叠层是通过用有效的均匀介质替换所述区域中的层获得的；以及确定用于提供所述测量的净反射光谱和所述建模的净反射光谱之间的紧密匹配的一组参 数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2002-8-13 60/403,213;US 2002-9-6 60/408,619;US 1.一种在图样化衬底的加工过程中确定感兴趣的参数的方法，所述方法包括获得测量的净反射率谱，所述测量的净反射光谱由具有宽带光谱的光束照射图样化衬底的至少一部分产生；计算作为不同区域的反射率的加权非相干和的建模的净反射光谱，所述不同区域构成所述图样化衬底的部分对于所述宽带光谱中小于选择的转换波长的波长，使用第一光学模型计算每个区域的所述反射率，将所述反射率作为薄膜叠层的反射场的加权相干和，所述薄膜叠层对应于构成所述区域的横向不同区；对于所述宽带光谱中大于选择的转换波长的波长，使用第二光学模型计算作为薄膜叠层的反射场的每个区域的所述反射率，所述薄膜叠层是通过用有效的均匀介质替换所述区域中的层获得的；以及确定用于提供所述测量的净反射光谱和所述建模的净反射光谱之间的紧密匹配的一组参数。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转换波长功能上依赖于所述图样化衬底上的主要特征部分的尺寸。3.根据权利要求1所述的方法，其中，确定这组参数包括原位确定所述转换波长的最优值。4.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述过渡波长以下的波长，所述光束的自由空间波长比得上或小于主要特征部分的特征尺寸，所述主要特征部分在所述图样化衬底的部分上。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述自由空间波长至少为所述特征尺寸的2.0倍。6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述转换波长以上的波长，所述光束的自由空间波长大于主要特征部分的特征尺寸，所述主要特征部分在所述图样化衬底的部分上。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述自由空间波长大于所述特征尺寸的2.0倍。8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括从这组参数中提取感兴趣的参数。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述感兴趣的参数是所述图样化衬底的部分上的特征部分的垂直尺寸。10.根据权利要求1所述的方法，其中，对应于所述第一光学模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：维贾雅库马尔C韦努戈帕尔，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]