在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法

在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法
【专利摘要】本发明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。
【专利说明】在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法

【技术领域】
[0001]本发明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。

【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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:
[0006]d = A/2^nf
[0007]其中:λ =监测反射率所处的波长，nf =膜在该波长下的折射率
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]没有方法描述如何克服薄膜的这种干涉限制性。
[0014]现有技术中没有提供本发明附带的益处。
[0015]因此，本发明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。
[0016]本发明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。
[0017]本发明的又一目的是提供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。
[0018]本发明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；在沉积系统内将薄膜沉积到基片上；在薄膜的沉积期间监测在至少两个波长下相对于时间的强度；当达到目标膜厚度时，终止过程；测量膜厚度；使用测量到的膜厚度计算在至少两个波长下的折射率；对于至少两个波长更新折射率的初始值；以及使用对于至少两个波长更新的折射率的初始值处理下一基片。
[0019]以上已概述了本发明的某些相关目的。这些目的应解释成仅说明本预期发明的某些更突出特征及应用。很多其它有益效果可通过以不同的方式应用本公开的发明或在本公开的范围内修改本发明获得。因此，除了通过结合附图的权利要求书所限定的本发明的范围外，参照
【发明内容】
和优选实施例的详细描述，本发明可具有其它目的及更全面的理解。


【发明内容】

[0020]本发明是一种在等离子体处理室中在薄膜的沉积期间通过OEI测量多个波长以实时计算薄膜的厚度的方法。
[0021]本发明的特征是提供一种在沉积期间确定薄膜的厚度的方法。方法包括设置薄膜沉积的目标膜厚度的步骤。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。监测可使用标准OEI技术完成。用于监测的多个波长可在290nm至420nm之间或者是由分子态氮发射的波长。在沉积期间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。计算在每个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(诸如回归分析)以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程。回归分析可使用线性拟合或多项式拟合。确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程用于获得达到沉积的目标膜厚度的估计时间。当估计的时间达到了目标膜厚度时，可终止薄膜的沉积。当估计的时间达到了目标膜厚度时，可改变薄膜的沉积。
[0022]本发明的又一特征是提供在等离子体沉积期间确定薄膜的厚度的方法。该方法包括设置薄膜的等离子体沉积的目标膜厚度的步骤。将基片放置在等离子体沉积系统内。反应气体被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。监测可使用标准OEI技术完成。用于监测的多个波长可在290nm至420nm之间或者是由分子态氮发射的波长。在等离子体沉积期间监测从反射辐射得出的值。检测得出的值达到目标值的时间。计算在每个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(诸如回归分析)以确定沉积的膜厚度相对于时间的方程。回归分析可使用线性拟合或多项式拟合。确定的沉积的膜厚度相对于时间的方程用于获得达到等离子体沉积的目标膜厚度的估计时间。当估计的时间达到了目标膜厚度时，可终止薄膜的等离子体沉积。当估计的时间达到了目标膜厚度时，可改变薄膜的等离子体沉积。
[0023]本发明的又一特征是提供在沉积期间确定薄膜的厚度的方法。该方法包括使用在薄膜沉积期间将会被监测的至少两个波长为折射率设置初始值的步骤。为沉积设置目标膜厚度。将基片放置在沉积系统内。在沉积系统内薄膜沉积到基片上。在薄膜沉积期间监测在已为折射率设置初始值的两个波长下的反射的辐射的相对于时间的强度。当目标膜厚度达到时过程终止并测量膜厚度。使用测量到的膜厚度计算在至少两个波长下的折射率。对于至少两个波长更新折射率的初始值，并使用对于至少两个波长更新的折射率的初始值处理下一基片。
[0024]为了可更好理解以下的【具体实施方式】，以上已相当广泛地概述了本发明的更恰当和重要的特征，以便更充分地理解对现有技术的贡献。在下文中将会描述形成本发明的权利要求书的主题的本发明的附加特征。本领域的技术人员应理解，所公开的概念和具体实施例可容易地用作修改或设计用于完成本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应认识到，这些等同的构造不偏离所附权利要求书中所阐述的本发明的精神和范围。

【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1a是如现有技术所教导的多个干涉周期的信号相对于时间的曲线图；
[0026]图1b是如现有技术所教导的多个干涉周期的膜厚度相对于时间的曲线图；
[0027]图2a是如现有技术所教导的观察到的第一最小值的信号相对于时间的曲线图；
[0028]图2b是如现有技术所教导的观察到的第一最小值的膜厚度相对于时间的曲线图；
[0029]图3a是等离子体系统中的喷头孔的示意放大图；
[0030]图3b是等离子体系统中的喷头组件的示意放大图；
[0031]图4是在氮化硅和二氧化硅等离子体沉积期间氮发射的信号相对于波长的曲线图；
[0032]图5是根据本发明在多个波长下的干涉信号中的第一最小值的信号相对于时间的曲线图；
[0033]图6是干涉信号中的虚假最小值的信号相对于时间的曲线图；
[0034]图7是根据本发明示出干涉信号中计算的真实最小值的信号相对于时间的曲线图；
[0035]图8是根据本发明示出计算的膜厚度的膜厚度相对于时间的曲线图；
[0036]图9是根据本发明的膜厚度相对于目标膜厚度的曲线图；
[0037]图10是根据本发明的沉积过程的流程图；
[0038]图11是根据本发明的折射率确定的流程图；
[0039]图12是氮化硅膜的折射率测量的表；
[0040]图13是根据本发明在第一干涉最小值下计算的膜厚度的表。
[0041]图14是根据本发明的50nm的氮化硅膜沉积的膜厚度相对于时间的计算结果的表；以及
[0042]图15是根据本发明的沉积薄膜的方法的实施例中的一个的流程图。
[0043]贯穿附图的几个视图类似的附图标记标示类似的部分。

【具体实施方式】
[0044]本发明提供了在现场测量诸如PVD、CVD或ALD系统等的沉积系统中以及尤其是等离子体沉积系统(PECVD或HDPECVD)中沉积的膜的厚度的装置。这种装置在半导体工业中是众所皆知的，并通常包括:真空室，该真空室包括基片放置在其上的加热基片支撑件；将过程气体引入室的装置；生成等离子体的诸如13.56MHz的RF电源的电源或多个电源；以及从真空室泵吸反应过的气体的装置。这种典型设备是由Plasma Therm, LLC供应的Versaline PECVD，但其它类似的设备可以是合适的。此外，例如，该技术允许测量在作为蚀刻过程的一部分的等离子体蚀刻系统中可沉积的诸如聚合物膜的薄膜。
[0045]为了监测来自基片表面的反射，观察孔定位在基片上方的点且反射光最方便地使用光缆引到检测器。反射率测量所需的光源可以是诸如激光或例如氙弧灯的宽带的外部光源，或者内部光源，该内部光源是可使用的等离子体发射本身，即0ΕΙ。或者，可使用外部和内部光源的某种组合。由于不需要包括外部光源和电源的附加部件以及聚焦调整光学系统，这大大地简化了技术的实际实施方式，因此OEI方法提供了明显的优点。检测器可以是分散发射的辐射并允许检测大范围的波长的光谱仪，或者例如，可以是离散波长滤波器和个别检测器的阵列。用于获得OEI测量的合适布置在图3a、3b中示出(在Johnson的美国专利第7，833，381号之后)。来自等离子体(30)的发射从基片(110)法线地被反射并经过位于气体引进喷头(50)中的喷头孔(40)。透镜(100)将穿过观察孔(80)的发射聚焦到光缆(90)，光缆(90)将发射引到位于远端的多通道光谱仪检测器。
[0046]在诸如氮化硅和二氧化硅的介电膜的沉积期间，氮通常存在于等离子体内，作为反应气体(例如，NH3或N2O)之一的成分或作为用作载气的分子态氮。分子态氮的发射因此是从如图4所示在290nm至420nm波长区间内的这种沉积等离子体发射的光谱的主要成分。如果沉积过程中不存在氮，那示踪气体(诸如氮、氩或氦)可故意地添加到过程以增加发射辐射的等离子体的量。示踪气体可以是添加到过程气体混合物以提供附加的等离子体发射波长或者增强现有的发射波长的强度而没有显著地改变等离子体过程性能的任何气体。在优选实施例中，示踪气体会添加在400nm以下的光谱区内的等离子体发射波长。当在337nm下反射的氮发射例如当400nm厚的氮化硅膜沉积时相对于时间监测，那生成如图1a所示的周期性干涉信号。该膜(折射率为2.0)的一个周期的厚度改变从方程I得知且是84.25nm。使用现有技术(图1a)，标注每个干涉最大值和最小值的时间Tl至T9，并绘制膜厚度相对于时间的曲线图(图lb)。通过外推该曲线图，当400nm的目标厚度到达时，过程可终止。
[0047]例如，当75nm的较薄膜沉积时,在337nm观察到的干涉信号如图2a所示,其中，仅信号中的第一最小值(干涉周期的一半)可在时间Tl测量。如果如前述示例绘制了相对于时间的膜厚度，那就获得了如图2b所示的曲线图。在时间Tl的点120对应于的42.1nm的膜厚度，而线100表示假设当过程时间是零时膜厚度为零的膜厚度相对于时间的估计。通过向前外推，当预测到75nm的膜厚度时，过程在时间140终止。实际上，膜厚度相对于时间可显著偏离如线100所示的线性关系。当等离子体稳定时，在过程的开始的一段时间130内，有少量的沉积并不少见，使得实际的膜厚度相对于时间通过虚曲线110更恰当表示。该曲线仍将会经过点120，但具有不同于线100的斜率(即，表示不同的沉积速度)。因此，当过程在时间140终止时，最终的膜厚度中有误差150。本发明解决了这个问题，如以下详细说明。
[0048]使用如图3所示的装置或使用适于所用的特殊沉积设备的布置，反射的等离子体发射使用多通道检测器或多个分立检测器测量，以便同时测量多个波长。当沉积过程中存在氮时，由于这种测量会导致最强信号和最高S/N(信噪)比，因此有利于在与分子态氮的发射波长一致的波长下测量。氮发射不会发生在单一波长而在窄带波长上(例如，337nm的发射遍布在334nm至338nm的范围)。当使用多通道光谱仪时，通过监测发射遍布在其上的多个检测器元件的输出并接着平均这些数值获得S/N比的进一步增加。用于提高S/N的这种像素平均技术对本领域的技术人员来说是众所皆知的。使用诸如装配有600条/mm的光栅的USB2000的光谱仪(是由海洋光学公司生产的)，大约12个检测器元件的输出可在每个氮发射带下平均。
[0049]在50nm的氮化硅膜的沉积期间在多个所选的波长下(在该实例中，氮发射带在315nm、337nm、354nm、377nm和397nm)的检测器输出如图5所示。为了清晰，在不同波长下的输出已标准化并沿纵轴分开。在每个波长下的输出分别在时间T1-T5经过最小值，在该时间点，膜厚度具有对应于1/2干涉周期的值。在这些时间中的每个，膜厚度可从已知波长和膜在该波长的折射率的方程2计算。方程2:
[0050]d = λ /4氺％
[0051]其中:λ =监测反射率所处的波长
[0052]nf =膜在该波长下的折射率
[0053]由于该技术依赖于膜的光学特性，因此膜厚度测量精度主要取决于已知的膜折射率的精度。重要的是，在测量波长下的折射率是已知的，且因此由于这些通常是在较长波长下(例如，在632.Snm的激光波长下)获得的数值，不能使用折射率的所谓的“账面值”。例如，在300nm至400nm的较短波长下，折射率不具有恒定值，通常随波长减小而增加。而且，通过PECVD沉积的膜不是化学当量的且可能包含其它成分，例如氢，以便膜成分及因此其光学特性是沉积过程及所用的沉积设备所独有的。因此必须为具体沉积的膜确定折射率的精确值。
[0054]光谱椭圆偏光法可用于获得在不同波长下的折射率，但必须注意确保膜厚度在可进行可靠的折射率测量的范围内。一种可替代技术是使用适当过程和设备沉积厚膜(例如，大约500nm至100nm厚的膜)并监测在如前面所述的所选波长下的反射率。在该沉积过程期间，生成了多个干涉周期，计数包括小数部分周期的干涉周期数目。优选地使用诸如AFM,SEM或轮廓测定法的非光学技术获得膜厚度的精确值。可使用方程3从膜厚度d、波长λ及干涉周期的数量N的已知值计算折射率的精确值。方程3:
[0055]nf = N.λ /2.d
[0056]为通过沉积527.5nm厚的膜的氮化硅膜计算的折射率的数值列在图12所示的表中。使用折射率的这些值，在每个波长下在第一干涉最小值的膜厚度可接着精确地计算。这些值在图13所示的表中示出。
[0057]干涉信号中有最小值的时间还必须以高精确度地确定以精确控制过程。具有小于10nm的厚度的薄膜通常会在小于100秒内沉积，甚至当过程调节成降低沉积速度时可能小于50秒。对于非常薄的膜(<50nm)，只有几十秒的过程时间可能是典型的。为了精确控制这种膜的最终厚度在几个百分比的精确度内，过程的终止要求在零点几秒的目标时间内。由于目标时间从反射率最小值的时间的测量值计算，因此这些测量值也必须具有小数秒的精确度。
[0058]在图6中，示出了干涉信号经过最小值时来自检测器的典型输出(600)。即使像素平均应用到信号，在信号上也仍然有一些噪声，这可能产生虚假最小值(例如，601、602、603)。如果使用了这些值的时间，那显著误差被引入过程控制方法。噪声的振幅漂移可通过信号平均减小:然而，诸如“运行点平均”的简单平均由于这使信号失真，且具体地说通过引进延迟移动最小值的时间是已知的而不能应用。另外，更复杂的算法可用于检测在存在噪声的情况下最小值的真实时间。例如，发明人已知的这种算法采用统计技术，该统计技术对数据点执行方程的最佳拟合，例如二阶多项式方程。还可采用包括三角函数、更高阶的多项式、幂函数及这些函数的组合的其它方程。由于多个数据点的拟合过程有效地减小了误差，因此最小值的时间从该方程更精确地计算。图7示出了拟合原始数据￠00)的最佳拟合曲线(610)及计算出的最小值的时间(605)。使用这种算法，最小值的时间直到最小值出现后才知道。重要的是使用最小值的计算时间￠05)，而不是执行计算的时间￠20)。通过参数的适当选择，这些数值中必须仅有很小的差别:例如，发生在55.1秒的最小值在57秒检测到。
[0059]使用这种检测算法，干涉信号中最小值的计算时间在图14所示的表中示出。为了说明目的，膜厚度相对于时间的曲线图可从图14所示的表的数据构造成如图8所示。使用该数据执行数学分析以得出提供膜厚度相对于时间的关系的估计的方程￠40)。例如，如本领域众所皆知的，可执行使用线性拟合或多项式拟合的回归分析。或者，任何其它适当的统计方法可用于得出这种方程。
[0060]每当在所监测的波长的一个下检测到最小值，就执行数学分析，在该时间，附加数据点添加到膜厚度相对于时间的数据。因此，每当发现最小值，就更新最佳拟合方程。从这个方程，计算出目标厚度将要被达到的过程时间Tmd，这个时间在附加数据可用的每一种情况下也被更新。这个时间与目前的过程时间相比较，且当过程时间等于Tmd时过程终止。在这个时间，膜厚度等于目标厚度。或者，如果需要附加处理，那一旦目标厚度达到，就可改变过程，或者做出决定酌情采取其它措施。
[0061]图10示出了本发明的一个实施例的流程总览。本发明的这个实施例包括步骤:将基片放置在沉积系统中，设置所需薄膜沉积的目标厚度，选择至少两个波长的光以监测沉积的膜生长，开始沉积过程并监测至少所选的波长，找出所选的波长强度中的强度极值(即，最大值或最小值)，基于找出的极值计算膜厚度，建立根据时间描述沉积厚度的方程，使用建立的沉积厚度方程预测到达目标膜厚度的过程时间，对比运行的过程时间与预测的目标厚度时间。如果预测目标时间已到达，那目标厚度已达到。如果预测目标时间尚未到达，那波长强度随着过程持续进一步监测。如果新强度极值在过程时间到达预测目标厚度时间之前找出，那根据时间描述沉积厚度的沉积方程被更新，并基于更新过的方程计算新目标厚度时间。过程时间再次与更新过的目标厚度时间对比。重复监测时间并基于新选的波长强度极值的位置更新沉积厚度方程的这个过程直到过程时间超过达到目标沉积厚度的预测目标厚度时间。重要的是，应当注意，存在所述实施例的很多变型。例如，可在将基片放置在沉积系统中之前设置目标膜厚度。类似地，所监测的波长的选择可发生在将基片放置在沉积室中或者目标膜厚度选择之前或之后。在另一实施例中，所监测的波长在沉积过程开始时选择。在其中波长在沉积过程开始时选择的情况下，该波长优选地在过程的第一个10秒内选择。
[0062]在本发明的另一实施例中，方法可有利地应用于具有不恒定成分的膜。这些不恒定膜可由分离层或分级成分变量组成。在这种情况下，估计的折射率将用于复合膜堆。
[0063]为了将所监测的一个或多个波长强度的极值转化成膜厚度，必须具有对应于所监测的波长的沉积膜的折射率的估计。图11示出了获得在所选波长的折射率估计的一个方法。为了估计折射率，测试基片放置在沉积系统中，选择要监测的至少一个波长，沉积过程开始，并监测所选的波长，沉积过程持续直到观察所监测的波长的至少一个完整周期。一旦沉积过程已完成，估计周期数(整数和小数部分的周期)并测量沉积膜的实际厚度。使用观察到的周期数和实际膜厚度，膜的折射率的估计使用用于所选波长的方程3计算。请注意，确定膜的折射率的所述方法有很多变型。例如，要监测的所选波长可在基片已放置在沉积系统中之后确定。此外，可在过程已经开始之后选择波长。
[0064]在本发明的另一实施例中，方法可有利地应用于具有不恒定成分的膜。这些不恒定膜可由分离层或分级成分变量组成。在这种情况下，估计的折射率将用于复合膜堆。
[0065]使用本发明，借助给出的示例，对50nm的膜厚度计算出85.8秒的过程终止时间。这在图9中示出￠50)。如果现有技术用于计算过程终止时间，那就存在显著误差。例如，在337nm的第一最小值发生在62.5秒，当膜厚度是39.0nm时(660)，从这些值计算出
0.624nm/s的明显沉积速度。如果以这样的速度外推沉积(670)，那50nm的膜厚度的估计时间是80.1秒(680)。这会导致沉积过程时间太短，且膜小于目标值大约3.6nm或7.2%，这是不可接受的高偏差。
[0066]虽然所述的沉积示例是用于薄膜，但由于使用获得的附加数据点的数学分析考虑了膜厚度相对于时间的方程的更精确估计，因此在多个波长下监测反射率可提高更厚的膜的厚度精确度。当膜的厚度足以生成多个干涉周期时，那干涉信号中的最大值和最小值都用于生成这种数据。以类似于检测信号最小值所述的方式检测信号最大值。
[0067]如图15所示，过程的流程图包括步骤:使用至少两个波长设置折射率的初始值，该至少两个波长在薄膜沉积期间会被监测。为薄膜的沉积设置目标膜厚度。基片放置在沉积系统内。在沉积系统内薄膜沉积到基片上。在薄膜沉积期间监测在已设置折射率的初始值的两个波长下的反射辐射相对于时间的强度。强度极值从所监测的波长中的至少一个确定。使用从所监测的波长确定的强度极值计算沉积的膜厚度。使用计算的膜厚度建立沉积的膜厚度相对于时间的函数。为沉积的膜厚度建立的函数用于获得达到目标膜厚度的估计时间。如果时间大于或等于预测时间，那沉积过程可终止或改变。在该点，测量膜厚度，计算至少两个波长的折射率，更新折射率值，并将下一基片放置在用于薄膜沉积的沉积系统中。如果时间小于预测时间，那确定新强度极值，使用从所监测的波长确定的新强度极值计算沉积的膜厚度，使用新计算的膜厚度建立沉积的膜厚度的新函数，以及沉积的膜厚度的新函数用于获得达到目标膜厚度的新估计时间。
[0068]虽然前述示例已关注了沉积过程，但本发明还可有利地应用于薄膜的蚀刻。此外，本发明可应用于包括诸如在本领域中众所皆知的DRIE过程的蚀刻和沉积过程的组合的过程。
[0069]本公开包括所附权利要求书中包含的内容，以及前述说明书的内容。虽然已经以其具有一定程度的特殊性的优选形式中描述了本发明，但应当理解，优选形式的本公开仅通过举例的方式进行，且部件的构造及组合和布置的细节上可采取很多改变而不偏离本发明的精神和范围。
[0070]既然已描述了本发明。
【权利要求】
1.一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； 监测从所反射的等离子体辐射得出的值； 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。
14.根据权利要求13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。
15.根据权利要求13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。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，当所计算出的方程膜厚度等于所述目标厚度时，终止所述薄膜的所述等离子沉积。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，当所计算出的方程膜厚度等于所述目标厚度时，改变所述薄膜的所述等离子沉积。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个波长还包括290nm至420nm之间的波长。
19.根据权利要求13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。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述数学分析还包括回归分析。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述回归分析还包括线性拟合。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述回归分析还包括多项式拟合。
23.根据权利要求13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。
24.根据权利要求13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。
25.根据权利要求24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。
26.一种在沉积期间确定薄膜的厚度的方法，所述方法包括步骤: 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所述两个波长下的相对于时间的强度； 当达到所述目标膜厚度时，终止过程； 测量所述膜厚度； 使用所测量的膜厚度计算在所述至少两个波长下的所述折射率； 对于所述至少两个波长更新折射率的所述初始值；以及 使用对于所述至少两个波长更新的折射率的初始值处理下一基片。
【文档编号】G01B11/06GK104246009SQ201380015708
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年4月12日
【发明者】大卫·约翰逊 申请人:等离子瑟姆有限公司