在原位干涉量测终点侦测及非干涉量测终点监控中执行氮化物垫片蚀刻工艺的方法与设备的制作方法

专利名称：在原位干涉量测终点侦测及非干涉量测终点监控中执行氮化物垫片蚀刻工艺的方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明是关于半导体元件的制造，更明确的说，通过加强氮化层蚀刻终点的侦测来改善垫片的制造。
背景技术：
众所周知的，半导体制造工艺包含许多步骤，在这些步骤中数百万包含源极/漏极扩散区域的晶体管、导电多晶硅栅极、及介电栅极氧化层被制造于单一个半导体晶片上。这些制造步骤的其中一个就是氮化硅垫片的蚀刻工艺，在此步骤中一层氮化硅沉积于具有晶体管的基板表面上。接着利用等离子体蚀刻工艺来蚀刻氮化硅层，于是沿着多晶硅栅极的两边产生了氮化硅垫片。
随着集成元件及如垫片的特征尺寸缩小的需求增加，利用一更可掌控的蚀刻工艺的需求也随之增加。然而，当所使用蚀刻化学品积极的蚀刻特性导致栅极氧化层的击穿而改变栅极氧化层的尺寸时，在单一步骤氮化硅垫片蚀刻工艺中此需求会更明显。如众人所知，改变栅极氧化层是较为不利的，因为它们会改变栅极氧化层及晶体管的导电率。
通常，氮化硅层通过利用一单一步骤等离子体蚀刻的方法(例如干法蚀刻)来去除。典型的等离子体蚀刻工艺常在一等离子体反应室中施行，在其中，强大的电场会使包含正电荷离子与负电荷电子的高能量气体加速撞击氮化硅层暴露的表面。在此单一步骤等离子体蚀刻工艺中，由于被正电离子所轰击，所以暴露的氮化硅层被化学性及物理性的去除。
通常，一旦确定氮化硅已被蚀刻穿透及已从基板表面上去除时，氮化硅层的单一步骤蚀刻工艺就必须停止。此外，此单一步骤蚀刻工艺亦须在不伤害下层的情况下完成。因此，为了达到这个目标，采用一可以在氮化硅层一被蚀刻穿透便立即停止此单一步骤蚀刻工艺的终点侦测法是非常重要的。
到目前为止，我们常用光学放射光谱(OES，Optical EmissionSpectroscopy)法来侦测终点。依此方法，蚀刻反应室内气体的放射光被用来识别特定的被蚀刻材料。因为光放射强度直接正比于蚀刻反应室内特定气体的浓度，所以理论上，终点侦测器能够决定何时氮化硅层的蚀刻已结束。
然而，已经证实OES法并不是非常可靠且不能有效的检测蚀刻终点，因为其会造成氮化硅层的过度蚀刻或者不足蚀刻，也使得单一步骤蚀刻工艺的结果无法预测。具体来说，这是因为在同一批及不同一批晶片之间的氮化硅层的厚度不同所造成。举例来说，在利用惯用的积极性化学品的单一步骤蚀刻工艺中，氮化硅层的过度蚀刻会造成栅极氧化层的部分去除或者，最终击穿栅极氧化层。
不幸的，关于OES法的不可靠性及不可预测性会对制造步骤及半导体的制造造成严重的负面影响。其他，此不可预测性要求密切监控此单一步骤蚀刻工艺，在此单一步骤蚀刻工艺期间必须做很多半导体基板的检查，且必须对同一批和不同一批晶片中的每一片基板做机台的重新校正，如此不必要地浪费了宝贵的时间，降低生产，产量损失，最后减少了半导体基板的产量。
有鉴于此，我们需要一垫片蚀刻终点侦测方法及设备来增进半导体基板的产量，而其可以消除在单一步骤蚀刻工艺中所使用公知的OES蚀刻终点侦测法的不可预测性及不可靠性。

发明内容
概括说来，本发明通过提供制造氮化物垫片的设备及方法来满足上述需求，其利用一可以基本上精确控制蚀刻工艺及氮化物垫片形状的原位二步骤蚀刻工艺。在一较佳实施例中，氮化物垫片通过利用干涉量测终点侦测法在氮化物垫片层上实施一主要蚀刻工艺来制造。在主要蚀刻工艺之后，氮化物垫片薄层在过蚀刻工艺中被蚀刻。在某实施例中，氮化物垫片薄层利用一定时蚀刻法及高选择性蚀刻化学品来蚀刻。在另一个例子中，此过蚀刻工艺为一利用非IEP蚀刻终点侦测法来监控工艺参数的时间模式蚀刻。在一实施例中，此被用来监控工艺参数的非IEP蚀刻终点侦测法为利用高选择性蚀刻化学品的光学放射光谱(OES)法。
此处应了解，本发明可以多种方法来施行，包含工艺、设备、系统、元件、或是方法。一些关于本发明的实施例说明如下。
在一实施例中，揭示一种制造栅极结构垫片的方法。此方法包含实施一利用一第一蚀刻气体的第一蚀刻工艺。此第一蚀刻工艺被设计为利用IEP检测法来检测垫片层的去除部分。此方法还包含一去除部分的垫片层就停止第一蚀刻工艺，如此留下一垫片薄层。此方法还包含实施一利用第二蚀刻气体来去除垫片薄层的第二蚀刻工艺。还包含第二蚀刻工艺停止于其已持续一段预定时间之后。第二蚀刻工艺被设置为去除垫片薄层而留下栅极结构的垫片。
在另一个实施例中，揭示一种制造栅极结构垫片的方法。此方法包含实施一利用一第一蚀刻气体的第一蚀刻工艺。此第一蚀刻工艺被设置为利用IEP检测法来检测具有一特定厚度的垫片层的一部分从基极表面上去除，如此留下一垫片薄层。此方法还包含实施一利用第二蚀刻气体并持续一预定时间的第二蚀刻工艺。此第二蚀刻工艺被设置为去除垫片薄层而留下栅极结构的垫片。
在另一个实施例中，揭示一种形成一氮化硅垫片的方法。此方法包含沉积一氮化硅垫片层于其上有栅极结构形成的基板上。还包含于一等离子体反应室内对氮化硅垫片层实施一第一蚀刻工艺及监控氮化硅垫片层的反射光。此方法还包含停止第一蚀刻操作以留下一垫片薄层于其上有栅极结构形成的基板表面上。还包含排出等离子体反应室内的第一等离子体内容物及在等离子体反应室内实施一第二蚀刻操作。第二蚀刻操作被用来去除垫片薄层。此方法还包含在第二蚀刻操作期间监控由第二等离子体所产生的光学信号及停止第二蚀刻操作于其已持续一段预定时间之后。第一蚀刻操作及第二蚀刻操作皆于原位实施以便于控制氮化物垫片的形状及垫片层的去除。
在另一个实施例中，揭示一原位二步骤蚀刻终点侦测系统。此系统包含一蚀刻反应室、一IEP监控系统、及一非IEP终点监控系统。蚀刻反应室包含一静电夹头(ESC，Electrostatic Chuck)、一顶端电极、及一底端电极。ESC被设计做为支撑一具有垫片层形成于栅极结构上的晶片。干涉量测终点(IEP)监控系统用来监控在第一蚀刻操作中被垫片层上表面所反射的光子束与垫片层底端界面的反射光的干涉。非IEP终点监控系统被设置为利用监控蚀刻时间来监测第二蚀刻操作。实施IEP监控系统的第一蚀刻操作停止，在留下一在第二蚀刻操作中将被蚀刻的垫片薄层。
本发明有许多优点。尤其是本发明的实施例设置为以原位二步骤的方式来实施垫片蚀刻工艺。本发明另外一个优点为氮化物垫片蚀刻工艺可以精确的控制蚀刻终点及垫片的形状。本发明另一个益处为原位二步骤垫片蚀刻工艺可准确的蚀刻具有不同厚度的垫片层，如此可减少晶片的不良率及增加产量。本发明另外的优势为原位二步骤垫片蚀刻工艺可增加工具可靠性及生产率。
本发明其他的实施方式与优点通过接下来详细的说明并配合附图及本发明原理性的例子将可更容易了解。


本发明通过结合附图的详细描述而更容易理解，相同的参考标号表示相同的元件。
图1为依照本发明的实施例，一栅极氧化层形成于基板上的半导体晶片的横剖面图；图2为依照本发明的实施例，图1所示的晶片在多个多晶硅栅极形成于栅极氧化层上之后的横剖面图；图3为依照本发明的实施例，一垫片层108沉积于之前所形成的多晶硅栅极上的横剖面图；图4A为依照本发明的实施例，实施一蚀刻速率较快并利用IEP蚀刻终点侦测法的主要蚀刻工艺的横剖面图，在此期间大部分的垫片层108被蚀刻掉；图4B为依照本发明的实施例，利用干涉量测法来检测主要蚀刻工艺的终点的横剖面图；图4C为依照本发明的实施例，描绘反射的干涉光束强度对蚀刻时间的正弦曲线图；图4D为依照本发明的实施例，垫片层主要蚀刻工艺获取已达要求蚀刻深度的时机的示意图；图4E为依照本发明的实施例，描绘实施IEP蚀刻终点侦测的单一步骤垫片层蚀刻工艺延伸超过要求厚度的示意图；图5A为依照本发明的实施例，在实施OES蚀刻终点侦测法的第二蚀刻工艺之后，垫片沿着多晶硅栅极的侧壁形成的横剖面图；图5B及5C为依照本发明的实施例，在蚀刻反应室中OES放射光信号的变化的示意图；
图6为依照本发明的实施例，一示范性的原位二步骤蚀刻工艺系统的示意横剖面图；图7为依照本发明的实施例，在一原位双蚀刻处理器中施行的工艺方法的流程图；及图8为依照本发明的实施例，在一原位双蚀刻处理系统中施行并实施IEP蚀刻终点侦测法来控制主要蚀刻而以OES法来监控过蚀刻的工艺方法的流程图。
具体实施例方式
本发明是提供一种通过实施一原位二步骤蚀刻工艺来增加晶片产量的方法。通常此原位二步骤蚀刻工艺被用来蚀刻形成于一具有多个栅极结构的半导体基板之上的氮化物(即氮化硅)垫片层。在第一个步骤中，干涉量测终点(IEP)系统被用来检测主要蚀刻过程中的蚀刻终点。接下来，施行一过蚀刻工艺。通常，主要蚀刻过程会去除一定深度的氮化物垫片层而留下一层很薄的氮化物。其后，此残留的氮化物薄层再于过蚀刻过程中被去除。在某一个例子中，蚀刻深度通过利用一特定终点侦测波长的两相邻最大或最小条纹之间的距离来监测。在一个实施例中，氮化物薄层在施行时间模式蚀刻的过蚀刻过程中被去除。在另外的例子中，采用时间模式蚀刻的过蚀刻工艺，通过利用高选择性蚀刻化学品的OES来监测。
图1为依照本发明的实施例，一栅极氧化层104形成于基板102上的半导体晶片100的横剖面图。虽然没有显示出来，但基板102包含多个晶体管，而每一个晶体管均包含源极/漏极扩散区域。在此实施例中，基板102是由硅材料所构成，可让栅极氧化层104通过一氧化炉管来加热生成。举例来说，基板102被置入氧化炉管中，使基板102暴露于氧气中，便会使一氧化物薄层生成于基板102的表面上。藉此方法，栅极氧化层104厚度的范围是大约由100埃至200埃，较佳范围是介于大约20埃至大约150埃之间。栅极氧化层的较佳厚度约为90埃。
图2为依照本发明的实施例，晶片100在多个多晶硅栅极106形成于栅极氧化层104上之后的横剖面图。在此实施例中，多晶硅栅极106藉着先在栅极氧化层104上沉积一多晶硅层而形成于栅极氧化层104上。接著，多晶硅栅极106通过多晶硅栅极材料上首先进行对光致抗蚀剂构图及接下来对多晶硅材料进行等离子体蚀刻而定义形成。因为在制造过程中，要求维持基本相同的多晶硅栅极106宽度，所以进行制造工艺中，基本不影响多晶硅栅极106的宽度是非常重要的。
图3为依照本发明的实施例，一垫片层108沉积于之前所形成的多晶硅栅极106上的横剖面图。在此例中，垫片层108通过利用化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)工艺沉积一层氮化物而形成。依照本发明的某一个实施例，此氮化物为氮化硅。藉此例子，垫片层108厚度的范围是约由400埃至约1200埃，较佳范围是介于约500埃到约1000埃之间。而垫片层的较佳厚度约为1000埃。
图4A为依照本发明的实施例，实施一蚀刻速率较快并利用IEP蚀刻终点侦测法的主要蚀刻工艺的横剖面图，在此期间大部分的垫片层108被蚀刻掉。如图所示，在主要蚀刻操作之后，垫片层108的基本薄层108’残留一厚度d2。如接下来关于图4B至4E的详细说明，IEP检测法可用来决定在主要蚀刻操作之后的垫片层108的深度d2。依此方式，IEP检测法可用来几乎精确的控制主要蚀刻过程的终点，如此便可使用一更积极的蚀刻操作。因此，在本发明的实施例中，主要蚀刻工艺被规划做为一积极的蚀刻工艺。在此实施例中，垫片层108的薄层厚度d2是约由50埃至约300埃，较佳范围是介于约100埃至约200埃之间，而较佳厚度约为100埃。
图4B为依照本发明的实施例，利用干涉量测法来检测主要蚀刻工艺的终点的横剖面图。此处所使用的，“干涉量测术”为利用一光检测仪器来检测当光子束入射到将被蚀刻的层表面上时的具有一定波长的光子束的反射部分。多个光束B1、B2、及B3被射向被蚀刻的薄膜层，即垫片层108。如示，一部份射向垫片层108的光束B1、B2、及B3被垫片层108的上表面108a反射而分别产生光束B1-a、B2-a、及B3-a。然而，如图示，另外一部份光束B1、B2、及B3被垫片层108的下表面108b反射而分别产生光束B1-b、B2-b、及B3-b。反射光束B1-a和B1-b或B2-a和B2-b或B3-a和B3-b产生光学干涉而产生最大强度及最小强度条纹。随着主要蚀刻工艺的进行与垫片层108厚度的减少，反射光束B1-a和B1-b或B2-a和B2-b或B3-a和B3-b(即任何个别的光束对)的强度随时间作周期性的正弦波动。那就是，相邻最大或最小条纹之间产生一距离，可用来测量在一特定时间被去除的材料的厚度。举例来说，在本发明的实施例中，主要蚀刻工艺的蚀刻深度d1可通过计算在一特定波长处的干涉条纹的具体数目来得到。
通过计算干涉条纹的数目来计算蚀刻深度d1的方法通过图4C将更容易了解。图4C为依照本发明的实施例，描绘反射的干涉光束B1-a及B1-b的强度对蚀刻时间的绘图400的正弦曲线406。如示，图400说明了反射光束B1-a及B1-b随着蚀刻操作进行(即x轴402)，其强度的变化(即y轴404a)。多个最大干涉条纹406a、406b、406c、及406d分别对应到在时间t1、t3、t5、及t7时的强度I4。如图示，两相邻最大条纹406a与406b之间的距离D1、两相邻最大条纹406b与406c之间的距离D2、及两相邻最大条纹406c与406d之间的距离D3都等于x。依此方式，若有需要的话，当任何最大条纹406b、406c、或406d被检测为分别对应到垫片层108被去除的厚度x、2x或3x时，主要蚀刻操作便可以被控制。因此非常有利的，IEP检测法可用来在击穿多晶硅栅极的机会发生前停止蚀刻操作，如此可减少不良元件的数目。
通过达到一要求蚀刻深度，留下一层垫片薄层108而停止垫片层108的主要蚀刻操作通过本发明实施例中图4D中的图400’的曲线408及410将可更容易了解。如示，如图400’显示了反射光束强度(y轴404’)随蚀刻操作进行(x轴402’)的变化。特别地，曲线408描绘出当垫片层108被蚀刻时，波长为550nm的光束其强度随时间的变化，而曲线410则显示了波长为250nm时的状况。对于每一个所举出的波长来说，实施IEP蚀刻终点侦测法的主要蚀刻操作都是起始于时间0和强度0且中断于时间约120,000毫秒时。如图示，在具有较长波长550nm的曲线408中，可以检测到两相邻最大条纹408a及408b之间有较大的时间间距。相对来说，在具有较短波长250nm的曲线410中，可以检测到两相邻最大条纹410a及410b之间有较小的时间间距。
此处需注意，垫片层108的主要蚀刻操作可被中断于一要求的蚀刻深度而留下一薄垫片层，与光束的波长及相邻条纹的数目无关。举例来说，蚀刻深度可依关系式2d＝N(λ/n)来决定，其中d为沿光束的路径的层厚(如垫片层108)，λ为光子束的波长，n为沿光子路径的薄膜层的折射率，N为条纹计数的数目。因此，当施行垫片层108的主要蚀刻操作时，两相邻最大条纹408a及408b之间的距离在波长为550nm时约为112nm(氮化物n＝2.04，N＝1)的氮化物厚度，而两相邻最大条纹410a及410b之间的距离在波长为250时约为62nm。因此，如之前所提到的，光子束的波长愈长，相邻最大条纹之间的距离也愈大。因此，为了成功达到主要蚀刻操作所需要的正弦周期数目根据所使用光子束的波长而改变。即是，波长愈长，可观察的正弦周期的数目愈少，相反，波长愈短，可检测的正弦周期的数目愈多。在此实施例中，在IEP终点时，短波长可以让更好地控制留下的厚度。
相对于垫片层108的蚀刻是通过利用IEP终点侦测控制而停止的图400’，本发明实施例中，图4E中的图400”的曲线412及414说明如果主要蚀刻工艺已经穿过垫片层108的终点时，IEP蚀刻终点的信号。如示，波长400nm的曲线412有多个最大条纹412a、412b、及412c，而波长250nm的曲线414有多个最大条纹414a到414f。如图示，曲线412及414相交于点413t及413t’。如示，在点413t及413t’之间所形成的环状区域造成正弦周期的中断，以此做为蚀刻操作结束的信号。因此，依此方式是非常有利的，通过IEP检测法来检测的正弦周期被用来监控主要蚀刻操作，便可采用一较积极的蚀刻速率，可在主要蚀刻操作到达下一层之前将其中断。
图5A为依照本发明的实施例，在直接去除垫片薄层108’的过蚀刻工艺(即第二蚀刻操作)之后，垫片108c沿着栅极106的侧壁形成的横剖面图。在一个例子中，过蚀刻工艺为一时间模式的蚀刻操作。在另外的例子中，利用时间模式蚀刻法的过蚀刻工艺可以用OES来监控。在该蚀刻操作中，垫片薄层108’(即过蚀刻层)利用具有基本高选择性的蚀刻化学品来去除。此处所提到，高选择性定义为相对于下层材料(如氧化物)的去除速率，垫片薄层108’的去除速率较高。在一示范性的实施中，如图5A的实施例所示，在过蚀刻操作中，尽管蚀刻化学品对多晶硅及氧化物有高选择性，但还是会有一部份下层栅极氧化层104被去除。结果在过蚀刻操作之后，具有厚度小于栅极氧化层104的栅极氧化层104’会留下来。
特别地，过蚀刻操作持续一段预先决定的时间。在一个例子中，过蚀刻操作持续时间介于大约10”及大约150”之间，更好是介于约20”及130”之间，而最好在50”左右。在一实施例中，OES可用来监控过蚀刻操作。举例来说，当进行垫片薄层108’的蚀刻时，在蚀刻反应室中的蚀刻剂分子和垫片材料会不断的发射信号。然而，随着过蚀刻操作的进行与预先决定时间的接近，发射光产生变化而做为过蚀刻操作结束的信号。
在蚀刻反应室中利用OES监控发射信号的变化的情形，通过本发明的实施例中图5B及5C的图500及500’的曲线506及506’将可更容易了解。图500及500’以强度为y轴(分别为504及504’)，时间为x轴(分别为502及502’)，显示了在过蚀刻操作过程中，蚀刻反应室内发射的光强度的变化。如示，在垫片层108及下层氧化物104的界面处，即点506a及506a’，图500上升而图500’下降，代表了过蚀刻操作的终点。此强度对时间曲线图突然的变化则代表垫片材料浓度的减少及下层栅极氧化物浓度的增加。
图6为依照本发明的实施例，说明一示范性的原位二步骤蚀刻操作系统600的示意横剖面图，其实施IEP蚀刻终点侦测法及利用OES监控时间模式过蚀刻方法。此原位二步骤蚀刻操作系统600包含一个内含静电夹头(ESC)606的蚀刻反应室604、一接地的射频(RF，Radio Frequency)功率元件618、一接地的ESC功率元件620、一光源616、一IEP终点监控电路622、及一OES终点监控电路624。
依照本发明的一个实施例，蚀刻反应室604包含用来将等离子体612限制在等离子体区域614内的多个封锁环610。此外，蚀刻反应室604还包含一具有多个孔608a及一透光孔608b的中央注射器608。在另一个实施例中，中央注射器可被设计为莲蓬头型。依此设计，反应气体(即蚀刻化学品)通过多个孔608a被引进蚀刻反应室604内。在图6的实施例中，偏压耦合ESC 606的偏置射频功率元件620被用来由下方激发等离子体612，而射频功率元件619(TCP)耦合等离子体反应室顶端窗口并且被用来由上方激发等离子体612。
在一个示范性的实施例中，ESC 606为一具有被设计做为正负电极的一对导电部分的单极静电夹头。然而，在不同的实施例中，一双极静电夹头亦可被利用。因此，一旦ESC功率元件620及射频功率元件619开始作用，激发蚀刻反应室604内部的等离子体612，便会在ESC 606的相对电极上引发正电压与负电压。结果，在ESC 606的正电极和负电极与晶片602的相应覆盖部分之间产生静电力。依此方式，晶片602在通过IEP来控制的主要蚀刻与通过OES来监控的时间模式过蚀刻过程中，便能稳固的相对于ESC 606固定。
如示，通过透光孔608b，一光纤束616’用来将光线由光源616引导至晶片602上，而光纤束618用来接收由晶片602反射回来的光线。如示，光线束618耦合IEP终点监控元件622来检测反射光。
如上面的详细说明，本发明实施例中，在通过IEP来控制的蚀刻操作与通过OES来监控的过蚀刻操作中，可利用不同的处理气体。此外，本发明的主要等离子体蚀刻操作被设计为遵循一特定工艺参数的组合以便蚀刻穿过一预先决定厚度的氮化物垫片层(如蚀刻反应物反应室压力、气体混合物、气体流量、温度、射频功率(顶端及底端)、晶片相对于等离子体的位置等)。如接下来的表1-4所示，本发明的实施例可在一广泛范围的蚀刻参数及化学品之下作用良好。举例来说，如表1所示，某一个实施例中，在主要蚀刻过程(即IEP蚀刻过程)之间，利用C2F6、CH2F2、和O2的组合。
表1.IEP蚀刻工艺第一组替换性化学品范例

在不同的实施例中，如接下来表2-4所示，替代性蚀刻化学品可用在通过IEP来控制的蚀刻操作中。
表2 IEP蚀刻工艺第二组替代性化学品范例

表3 IEP蚀刻工艺第三组替代性化学品范例

表4 IEP蚀刻工艺第四组替代性化学品范例

在此需注意，光源616可以是任何适当的光源(如钨卤灯、水银灯、氙气灯等)。举例来说，钨卤灯所利用的波长约介于400nm至850nm之间。同样的，汞氩灯所利用的波长约在254nm至850nm之间。同样的，氙气灯所利用的波长约在250nm至850nm之间，而较佳的范围约在250nm至650nm之间。
IEP终点监控元件622可以是任何具有可检测到由晶片602反射而来的宽的波长光谱的检测器的装置。此外，合适的IEP终点监控元件622可包含一具有外围设备(如输入装置、输出装置等)的适当的可编程的计算机，此计算机可接收和分析由其检测器元件接收的数据。此外，虽然在此实施例中，检测器被设置为IEP终点监控元件622的一个元件，但在不同的实施例中，检测器元件和可编程计算机系统可分开来使用。另外，虽然此实施例中光纤616’及618分别用来将光线由光源引导至晶片及引导反射光给IEP终点监控元件622的检测器元件，但在不同实施例中，任何可实施这些功能的装置都可使用(如反射镜的结合等)。
IEP终点监控元件622一检测被蚀刻层(如氮化硅垫片材料)所需厚度的去除，蚀刻操作就停止而在整片晶片表面上留下一层大致上厚度相同的垫片薄层。接下来，蚀刻反应室604的内容物(如等离子体612、聚合物、副产物等)通过多个公知的排气管613a及613b从蚀刻反应室604中排出。
一释放蚀刻反应室604的内容物，第二处理气体就通过中央注射器608的孔608a被引入蚀刻反应室604内。接着通过启动ESC 606及中央注射器608，第二等离子体被激发而开始第二蚀刻操作。此时，OES终点监控元件624被用来监控去除晶片602表面上残留氮化物薄层的第二蚀刻操作的终点。在一个例子中，当过蚀刻操作被OES所监控时，过蚀刻会持续一段已预先决定的时间。举例来说，蚀刻反应室604内限定的第二等离子体所发射的光的强度的变化会随着蚀刻反应室604内的氮化物垫片层的浓度(即厚度)的减少而改变。
在图6的实施例中，在蚀刻反应室604及OES监控元件624内的OES检测器元件之间的光纤束611被用来引导等离子体发射的光至可检测发射光的OES检测器。随着蚀刻操作的进行与预定时间的接近，蚀刻反应室604内被蚀刻材料(如氮化物)的浓度减少而使OES检测器元件检测到OES信号突然下降或上升，表明第二蚀刻操作(如过蚀刻)的终点。
如上面的详细说明，本发明的等离子体蚀刻工艺被设计为遵循一特定工艺参数的组合以便蚀刻穿过残留的垫片薄层(如蚀刻反应物反应室压力、气体混合物、气体流量、温度、射频功率(顶端及底端)、晶片相对于等离子体的位置等)。如表5-6所示，本发明的实施例可在一广泛范围的各个参数之下作用良好。举例来说，如表5所示，一个实施例中，一组高选择性化学品(如C2F6、CH2F2、和O2的组合)可用来蚀刻氮化物垫片薄层。
表5 过蚀刻的蚀刻化学品范例

然而，在不同的实施例中，如表6所示，一组对下面多晶硅层及氧化层具有高选择性地替代性化学品可用来蚀刻氮化物垫片薄层。
表6过蚀刻工艺的蚀刻化学品范例

接下来参考本发明的实施例中，说明在一设计做为基本精确控制蚀刻终点检测的原位双蚀刻处理器中施行的操作方法的图7中的流程图700。此方法由操作702开始，其提供了一具有将被蚀刻的毯覆式氮化层的基板。此毯覆式氮化层覆盖在一栅极结构上，在一个实施例中其包含栅极氧化层及多晶硅层。然后，在操作704中，利用第一蚀刻剂气体的第一主要蚀刻操作被实施。此主要蚀刻操作利用IEP蚀刻终点侦测法，在主要蚀刻操作期间控制氮化层的去除，如此使得整片晶片表面上留下的氮化层厚度都能保持均匀。举例来说，此主要蚀刻操作利用C2F6、CH2F2、及O2；C2F6、CH2F2、及O2；HBr、SF6、及O2；或者CF4、HBr、及O2等组合作为蚀刻剂气体。依此方式非常有利，当蚀刻操作进行时，此积极性的主要蚀刻操作可以精确控制氮化层的去除。
接续到操作706，当留下一层薄毯覆式氮化层时，第一蚀刻操作通过IEP的控制而停止。如之前详细的说明，此例中被去除氮化层的厚度(即蚀刻深度)可通过在一特定波长下的干涉条纹的数目计算而得到。在此实施例中，在第一主要蚀刻操作完成时，毯覆式氮化层残留的厚度约由50埃到300埃，较佳范围是介于约100埃到200埃之间，而较佳厚度约为100埃。
进行到操作708，第二蚀刻操作(即过蚀刻)利用第二蚀刻剂气体的组合来施行，并通过非IEP蚀刻终点侦测法来监控。举例来说，在一个实施例中，第二蚀刻操作为一时间模式蚀刻操作。在另一个例子中，利用时间模式法的过蚀刻操作通过OES来监控。然而，在不同的例子中，过蚀刻时间模式蚀刻操作可通过任何适合作为检测毯覆式氮化物薄层的蚀刻终点的非IEP蚀刻终点监控方法来监控(如电容调整设定改变等)。
较佳地，过蚀刻(即第二蚀刻操作)利用对上层氮化硅材料而不是下层材料(即栅极氧化层的氧化硅材料及多晶硅栅极的多晶硅材料)具有高选择性的蚀刻气体组合(如对氧化硅来说为HBr/O2/SF6等，对多晶硅来说为CH2F2/C2F6/O2等)。众所周知，此高选择性蚀刻剂气体可去除氮化层而对下层材料有最小的影响。举例来说，此高选择性蚀刻剂气体可以是C2F6、CH2F2、及O2的组合。在不同的实施例中，过蚀刻操作可采用对下层材料具有中等选择性的蚀刻剂气体。在一个实施例中，此中等选择性蚀刻剂气体是O2，HBr、及SF6的组合。
接下来在操作710中，当过蚀刻操作已进行了一段预定时间时，过蚀刻(即第二蚀刻)操作便会停止。在一个实施例中，过蚀刻操作通过非IEP蚀刻终点侦测法来监控。在某一个实施例中，此非IEP蚀刻终点侦测法为OES。当过蚀刻操作通过OES来监控时，被去除的氮化物的发射的光的强度的减小产生了一显著的变化。在某些例子中，此显著变化为发射的光的强度的下降或上升。举例来说，在不同的实施例中，在通过偏置补偿蚀刻终点侦测法来监控的第二蚀刻操作中，此显著变化为一先前确定及预期的步骤在电压方面的上升或下降。
在一原位双蚀刻处理系统中施行并在主要蚀刻操作过程中实施IEP蚀刻终点侦测法及过蚀刻操作过程中采用时间模式的操作方法，参考本发明实施例的图8中的流程图800可以更容易了解。此方法开始于操作802，其提供具有栅极结构的基板。如之前所述，栅极结构包含形成于栅极氧化层上的多晶硅栅极。接着，在操作804中，氮化硅层沉积于基板及栅极结构的表面之上。在某实施例中，此氮化硅层利用CVD沉积技术而形成。接下来，基板被送入一蚀刻反应室中。
在操作808中，第一蚀刻剂气体被引入蚀刻反应室中。如上所述，在某个例子中，蚀刻剂气体利用蚀刻反应室中的莲蓬头(或气体注射器)被引入蚀刻反应室中。此外，选择第一蚀刻剂气体以便施行一积极性的蚀刻操作。举例来说，当第一蚀刻操作利用IEP蚀刻终点侦测法时，在较佳的实施例中第一蚀刻剂气体是C2F6、CH2F2、及O2的组合。在替代性的实施中，CH2F2、及O2；HBr、SF6、及O2；或者CF4、HBr和O2等组合被用来作为第一蚀刻剂气体。举例来说，当利用较佳的第一蚀刻剂气体组合时，先设定C2F6的流量，接着再设定CH2F2的流量。最后，设定O2的流量。每一个气体流量的范围、较佳范围、及最佳条件如表1-4所示。
接下来，蚀刻反应室被启动以便激发第一等离子体，开始第一蚀刻操作。在某个例子中，分别设定好顶端电极及底端电极功率。如之前所述，每一个顶端与底端电极都结合了射频功率。然后，设定压力。很有利地，本发明的实施例可施行蚀刻操作以便产生横向平滑的垫片。在某实施例中，此任务通过降低提供给底端电极的功率而实现。依此方式，在某个例子中，依照被蚀刻层及蚀刻化学品的性质，工艺的蚀刻操作的因子可以盖过沉积因子，如此可以将垫片层减到最小。
操作812中，从基板表面反射的光被监测。在某个例子中，这通过光检测器监控光子束射向基板表面的那部分而达到。对于任一个波长来说，当氮化层被去除时，相邻最大或最小条纹之间的距离被用来测量氮化层的厚度。以此方式，第一蚀刻操作的进展简单地通过观察与计算正弦周期的数目来监控。接着，在操作814中，第一蚀刻操作停止而留下一毯覆式氮化硅薄层。以此方式，通过利用IEP蚀刻终点侦测法，便可以利用一积极性的第一蚀刻操作来精确地控制蚀刻过程，而不需担心关于和现有技术中的栅极氧化层被击穿的问题。其后，在操作816中，第一等离子体被排出等离子体反应室。
在接下来的操作818中，第二蚀刻气剂体被引入蚀刻反应室中。在某实施例中，第二蚀刻操作利用OES蚀刻终点侦测法来监控蚀刻终点。较佳地，利用高选择性蚀刻剂气体来去除留下的氮化硅薄层。然而，中等选择性的蚀刻剂气体也可被使用，视工艺参数而定。
接下来，在操作820中，蚀刻反应室被启动，激发第二蚀刻剂气体。如前所述，启动蚀刻反应室包含了设定顶端电极及底端电极的大小与设定压力大小。以此方式，有利的，举例来说，氮化物垫片层的形状可通过改变底端电极的大小而被精确地控制。
在操作824中，第二蚀刻操作期间所产生的光信号被监控。如前所述，被检测的光信号的强度正比于被蚀刻材料(如氮化硅)的浓度。因此，随着氮化硅薄层被去除，蚀刻反应室中的氮化硅也随之降低，代表快速接近第二蚀刻操作的终点。接着，在操作826中，一旦第二蚀刻操作已持续一段预定时间，第二蚀刻操作便会停止。在某个例子中，在第二蚀刻操作停止之前，可检测到一明显的OES信号。在某一个例子中，OES明显的变化为在强度对时间曲线图中的下降，而在不同的例子中，此变化为在图中的上升。然后，在操作828中，基板从蚀刻反应室中移出而预备另外的制造工艺。
虽然在此实施例中，第二蚀刻操作利用时间模式来停止过蚀刻处理，但在不同的实施例中，任何合适的方法都可以用来掌握过蚀刻的终点(如电容改变等)。此外，虽然在此实施例中，OES法被用来监控过蚀刻处理，但在不同实施例中任何合适的蚀刻终点监控系统都可以被使用(如偏置电压的改变等)。另外，在不同的蚀刻终点监控系统中，任何可分辨的信号都可以代表蚀刻终点的变化。此外，不管信号的形状，每一个蚀刻操作的终点都是通过强度对时间的曲线图中明显的形状变化来表示。因此，在样本基板上实施样本蚀刻操作可用来决定IEP蚀刻终点侦测法所利用的特定正弦周期数及实施过蚀刻操作的时间周期与OES蚀刻终点监控信号的特征与形状。以此方式，可指示IEP终点监控系统来寻求预定正弦周期数、预定过蚀刻的时间长度及OES图中明确的特征与形状以便定出各阶段的蚀刻终点。
虽然前述发明已在某些细节中说明清楚，但很明显的，本发明可在不离开附属的权利要求的范围下作一些变化及修改。举例来说，在此说明的实施例可用在具有任何种类的金属导线(如铜、铝、钨及其他金属或合金)的半导体结构制造中。此外，虽然所提到的参数都是关于一示范性的8英寸晶片，但这些参数可做一些修改而应用到不同大小及形状的基板上，就如它们被用在半导体元件及平面显示器的制造一样。因此本实施例应被视为举例性而非限制性，且本发明并非由前述说明所限制，所有与附属的权利要求范围意义相等的变化均应包含在本发明之中。
权利要求
1.一种栅极结构的垫片的制造方法，包含实施利用第一蚀刻剂气体的第一蚀刻操作，该第一蚀刻操作被设置为利用干涉量测终点(IEP)侦测法来检测具有一特定厚度的垫片层的一部分的去除状况；一去除该垫片层的该部分就停止该第一蚀刻操作而留下一垫片薄层；实施利用第二蚀刻剂气体的第二蚀刻操作，该第二蚀刻操作被用来去除该垫片层；及在第二蚀刻操作已持续一段预定时间之后停止该第二蚀刻操作；其中第二蚀刻操作被设置为去除垫片薄层而留下栅极结构的垫片。
2.如权利要求1的方法，其中该第二蚀刻操作被设置为通过一非IEP蚀刻终点监控法来监控。
3.如权利要求1的方法，其中该IEP蚀刻终点监控法被用来监控被垫片层所反射的光子束以便在第一蚀刻操作中利用相邻最大强度之间的距离来决定蚀刻深度的厚度。
4.如权利要求2的方法，其中该非IEP蚀刻终点监控法为光学放射光谱(OES)法。
5.如权利要求1的方法，其中该垫片层为一氮化层。
6.一种栅极结构的垫片的制造方法，包含实施利用第一蚀刻剂气体的第一蚀刻操作，该第一蚀刻操作被设置为利用干涉量测终点(IEP)侦测法来检测具有一特定厚度的垫片层的一部分从基板表面上去除的状况，而留下一垫片薄层；及实施利用第二蚀刻剂气体并持续一段预定时间的第二蚀刻操作；其中该第二蚀刻操作被设置为去除垫片薄层而留下栅极结构的垫片。
7.一种氮化硅的垫片的形成方法，该方法包含在其上形成有栅极结构的基板上沉积一氮化硅垫片层；在等离子体反应室中对该氮化硅垫片层实施第一蚀刻操作；监控被氮化硅垫片层所反射的光；停止该第一蚀刻操作以在基板表面和其上形成的栅极结构上留下一垫片薄层；排出在等离子体反应室中的第一等离子体内容物；在该等离子体反应室中实施第二蚀刻操作，该第二蚀刻操作被用来去除该垫片薄层；监控在第二蚀刻操作中由第二等离子体所产生的光学信号；及在第二蚀刻操作已持续一段预定时间之后停止该第二蚀刻操作；其中该第一蚀刻操作及该第二蚀刻操作均于原位实施以便于控制氮化物垫片的形状及垫片层的去除。
8.如权利要求7的方法，其中监控被基板表面反射的光包含引导一光子束到氮化物垫片层上；观测被氮化物垫片层所反射的光子束；及决定当第一蚀刻操作进行时的蚀刻深度。
9.如权利要求8的方法，其中决定蚀刻深度包含监测反射光的强度；决定两相邻最大强度对之间的距离；及利用相邻最大强度之间的距离来决定蚀刻深度的厚度。
10.如权利要求7的方法，其中在等离子体反应室中实施第一蚀刻操作包含引入第一蚀刻剂气体到等离子体反应室中；及启动等离子体反应室来激发第一等离子体，以开始第一蚀刻操作。
11.如权利要求7的方法，其中在等离子体反应室中实施第二蚀刻操作包含引入第二蚀刻剂气体到等离子体反应室中；及启动等离子体反应室来激发第二等离子体，以开始第二蚀刻操作。
12.如权利要求7的方法，其中该垫片薄层厚度被设置的范围约在50埃至300埃之间。
13.如权利要求7的方法，其中该垫片薄层厚度被设置的范围约在100埃至200埃之间。
14.如权利要求7的方法，其中该垫片薄层的厚度被设置为约100埃。
15.如权利要求10的方法，其中第一蚀刻剂气体为C2F6、CH2F2、及O2的组合、CF4、CH2F2、及O2的组合、及CF4、HBr、及O2的组合的其中一个。
16.如权利要求11的方法，其中第二蚀刻剂气体为C2F6、CH2F2、及O2的组合及O2、HBr、及SF6的组合的其中一个。
17.一种原位二步骤蚀刻终点侦测系统，该系统包含蚀刻反应室，包含静电夹头(ESC)、顶端电极、及底端电极，ESC被用来支撑具有在栅极结构上形成的垫片层的晶片；干涉量测终点(IEP)监控系统，被用来监控在第一蚀刻操作中被垫片层所反射的光子束；及非IEP终点监控系统，被设置为利用监控蚀刻时间来监测第二蚀刻操作；其中实施IEP监控系统的第一蚀刻操作被停止以便留下在第二蚀刻操作中将被蚀刻的垫片薄层。
18.如权利要求17的系统，其中该非IEP蚀刻终点监控系统被设置为利用光学放射光谱(OES)来监控第二蚀刻操作。
19.如权利要求17的系统，其中该IEP监控系统被设置为监控垫片层反射的光子束，以便在第一蚀刻操作中利用相邻最大强度之间的距离来决定蚀刻深度的厚度。
20.如权利要求17的系统，其中第一蚀刻操作利用蚀刻剂气体，该蚀刻剂气体为C2F6、CH2F2、及O2的组合、CF4、CH2F2、及O2的组合、及CF4、HBr、及O2的组合的其中一个，而第二蚀刻操作利用第二蚀刻剂气体，该第二蚀刻剂气体为C2F6、CH2F2、及O2的组合及O2、HBr、及SF6的组合的其中一个。
全文摘要
本发明是提供一种栅极结构的垫片的制造方法。此方法实施利用第一蚀刻剂气体的第一蚀刻操作。此第一蚀刻操作被设置为利用干涉量测终点(IEP，Interferometry Endpoint)侦测法来检测具有一特定厚度之垫片层的一部分从基板表面上去除的状况，如此留下一垫片薄层。此方法还包含实施利用第二蚀刻剂气体并持续一预定时间的第二蚀刻操作。此第二蚀刻操作被设置为去除垫片薄层而留下栅极结构的垫片。
文档编号H01L21/8234GK1633707SQ02826533
公开日2005年6月29日 申请日期2002年10月23日 优先权日2001年10月31日
发明者周文彬, 程士远, 杜文江 申请人:兰姆研究有限公司