专利名称：控制蚀刻深度的装置和方法
技术领域：
本发明一般涉及用于作为半导体器件制造工艺一部分的蚀刻部件的装置和方法，更具体地，涉及允许精确控制被蚀刻的部件深度的光学控制方法和装置。
背景技术：
在半导体器件的制造中存在许多竞争压力。精确地制造器件，以避免器件失效或减少在晶片上失效器件的数量是重要的。即使器件没有失效，也满足制造规范，以保证器件正确地操作同样重要。还存在可重复性的要求，从而由不同晶片制造的器件都满足制造规范。即使事实上满足可重复性的容许程度，也可以感到器件设计师寻求安慰的可重复性，能够总是满足制造规范，而不是仅仅由于运气而满足制造规范。
还存在要求半导体器件制造工具快速操作以便提供要求的器件生产能力的生产能力的竞争压力。然而，制造速度倾向于对器件制造的可重复性和准确性产生影响。
在半导体器件的制造中常见的步骤是在晶片的层中蚀刻部件。部件的深度往往是器件正确操作或失效的关键因素，或相反，是关键的制造规范。
人们试着去蚀刻保证具有正确深度的部件的一种途径是在蚀刻之前在晶片中提供蚀刻停止层。蚀刻停止层的存在提供了防止部件被蚀刻得比蚀刻停止层更深的方法，但是首先要求更复杂的晶片结构，因此是复杂和昂贵的。并且，在一些器件中，不能使用蚀刻停止层，因为它将妨碍器件的正确操作。此外，可能必须蚀刻到不包括蚀刻停止层的晶片衬底中。
已经使用各种光学技术控制蚀刻工艺。例如，在栅极制造工艺中，使用发射光谱学确定何时已经蚀刻通过多晶硅层。当露出栅极氧化层并开始蚀刻时，发射光谱变化，从而能够检测栅极氧化层。然而，这又要求在晶片中存在有效地作为蚀刻停止指示器的专用层。此外，需要进行一些栅极氧化层的蚀刻，以便发射光谱产生变化，因而不能精确地控制蚀刻通过多晶硅层的深度。
不提供足够精确的蚀刻深度控制的另一个方法使用基于干涉测量法的技术。使用单步蚀刻来蚀刻部件，并且使用干涉测量终点(IEP)器件测量已经蚀刻到晶片中的部件深度的相对变化。当测量到蚀刻深度的希望的相对变化时，停止蚀刻。然而，高蚀刻速度工艺不能以可再现的方式马上停止蚀刻，因而实际蚀刻深度往往会有显著的变化。缺乏蚀刻深度的控制以及缺少可重复性能够导致器件失效或不能满足制造规范，或者晶片到晶片的变化不满足器件设计师的要求。
因此存在对精确地控制蚀刻深度，同时还提供足够的工艺生产能力的简单的、可再现方法的需要。
发明内容
公开了一种在晶片中蚀刻部件到预定深度的方法。方法包括以第一蚀刻速度蚀刻部件。然后以比第一蚀刻速度慢的第二蚀刻速度蚀刻部件。光学确定蚀刻深度并停止蚀刻，从而部件具有预定深度。使用两个不同的蚀刻速度提供具有优良的深度控制的高生产能力。使用比第一蚀刻速度慢的第二蚀刻速度有利于改善光学终点分辨率。
根据另一个方案，本发明提供在晶片的硅层中蚀刻沟槽的方法。方法包括以第一蚀刻速度蚀刻，然后以比第一蚀刻速度慢的第二蚀刻速度蚀刻。光学确定当前蚀刻深度并停止蚀刻，从而沟槽深度到达希望的终点。
根据又一个方案，本发明提供在晶片中蚀刻部件的装置。装置包括包含固定晶片的卡盘的蚀刻工具。提供光学终点装置并定位，以测量蚀刻深度。电子控制器与光学终点装置和蚀刻工具通讯。控制器控制工具以便在蚀刻部件的中途减小蚀刻速度并停止蚀刻工具，从而部件蚀刻到预定深度。
参考以下结合附图的介绍能更好地理解本发明及其另外的优点，其中图1是根据本发明的方案的蚀刻装置的示意剖面图；图2是具有蚀刻沟槽的晶片的示意剖面图，并说明了本发明的蚀刻方法；图3示出了说明本发明的蚀刻方法的流程图；以及图4是根据本发明的方案的蚀刻装置的另一个实施例的示意剖面图。
在图中，同样的参考数字指的是相同的部件和元件。
具体实施例方式
本发明涉及在制造半导体器件期间控制在晶片中的蚀刻部件的深度的方法和装置。
图1是等离子体处理系统100的示意图，包括等离子体处理工具101。等离子体处理工具101是感应耦合等离子体蚀刻工具，包括具有等离子体处理室104的等离子体反应器102。变压器耦合功率(TCP)控制器150和偏置功率控制器155分别控制影响在等离子体室104中产生的等离子体124的TCP电源151和偏置电源156。
TCP功率控制器150为TCP电源151设置调整点，由TCP匹配网络152调谐，在13.56MHz为靠近等离子体室104的TCP线圈153供应射频信号。提供RF透明窗154，以将TCP线圈153与等离子体室104分离，同时允许能量从TCP线圈153传递到等离子体室102。由位于RF透明窗154中的小孔中的直径大约2.5cm(1英寸)的圆片蓝宝石提供光学透明窗165。
偏置功率控制器155为偏置电源156设置调整点，通过偏置匹配网络157调谐，为位于等离子体室104中在适合于容纳正在处理的例如半导体晶片工件的衬底106的电极108，上产生直流(DC)偏置的卡盘电极108供应RF信号。
气体供应机构或气源110包括通过气体管线117连接的蚀刻剂气体源116，为等离子体室104的内部供应蚀刻工艺要求的适当化学成分。排气机构118包括压力控制阀119和排气泵120，从等离子体室104里面除去粒子并在等离子体室104中维持特定的压力。
温度控制器180通过控制加热器电源184控制在卡盘108中提供的加热器182的温度。
大体上，在等离子体室104中，通过将衬底106暴露在真空下的离子化的(inonized)气体化合物(等离子体)中实现衬底蚀刻。当气体输送到等离子体室104中时刻蚀工艺开始。由TCP线圈153传递并由TCP匹配网络110调谐的RF功率电离气体。由电极108传递的功率在衬底106上感应DC偏置，以控制离子轰击衬底106的方向和能量。在刻蚀工艺期间，等离子体与衬底106的表面起化学反应，除去不被光致抗蚀掩模覆盖的材料。
在本发明的一个优选实施例中，合适的等离子体处理工具是2300Versys Silicon Etch System，由California的Lam ResearchCorporation of Fremont提供。
在一个实施例中，蚀刻系统包括位于等离子体处理室104外部的单波长干涉测量的终点装置160。由包括插入在RF透明窗154中的小孔中的直径大约为2.5cm(一英寸)的蓝宝石的窗口165提供对等离子体处理室的光学访问。靠近窗口165定位终点装置160，并且定位终点装置160，以便能够在基本上垂直于晶片平面的方向中测量蚀刻到晶片106中的部件的深度。终点装置160产生并发射基本上单波长或窄带(频宽≤10nm)的光，在蚀刻工艺期间光从晶片表面反射并实时监视，如以下将更详细介绍的。在本发明的一个实施例中，提供终点装置160作为等离子体处理室104或蚀刻工具101的必要的组成部分。
蚀刻系统100还包括与终点装置160和蚀刻工具101通信的电子控制电路170。电子控制电路包括电学和光学装置，以处理来自终点装置的光信号，提供表示蚀刻部件的当前深度的电信号，还提供控制蚀刻工具的操作的电信号。电子控制电路170可以是适当编程的通用数字计算机的形式。电子控制电路170不断地监视在晶片中正在蚀刻的部件的深度的相对变化，并且可以根据以下介绍的蚀刻方法控制蚀刻工具的蚀刻操作。
在本发明的另一个实施例中，使用基于宽带反射测定法的(光谱范围大约190-1000nm)技术和装置光学确定蚀刻工艺的终点，代替单个窄波段技术以及以上提到的装置。宽带测量装置和技术可以提供部件深度的绝对度量。技术包括使用确定性的方法通过匹配模型化的和在任何时刻测得的宽带光谱来参数地估计部件深度。在2002年8月13日以Vijaykumar C Venugopal和Andrew J Perry的名义申请的题为″Endpoint Strategies for in situ Control of Recess and Deep TrenchEtch Processes″的美国临时专利申请序列号60/403,213以及2002年9月6日以Vijaykumar C Venugopal和Andrew J Perry的名义申请的题为″Reflectometry-based Approaches For in situ Monitoring ofEtch Depths in Plasma Etching Processes″的美国临时专利申请序列号60/408,619中介绍了合适的宽带反射测定法技术，在此两者都引入作为参考。
图4示出了类似于图1所示的蚀刻系统的蚀刻系统400的示意剖面图，但是包括宽带终点测量装置460。宽带终点测量装置460包括宽带辐射源461，通过一段UV等级的光纤462连接到邻近蓝宝石窗口465的准直仪464。准直仪464通过另一段UV等级的光纤466连接到190-1000nm摄谱仪468，摄谱仪468连接到控制电路470。在本实施例中，控制电路470适于处理来自宽带终点装置460的信号，并确定蚀刻深度。
在使用中，控制蚀刻工具101引燃并维持等离子体室104中的用来蚀刻在晶片106中的所希望的部件的等离子体124。现在将具体参考图2和3介绍蚀刻方法。图2示出了根据该方法蚀刻的晶片200的一部分的示意剖面图，图3示出了说明蚀刻方法的流程图300。参考作为浅沟槽隔离(STI)工艺一部分的在晶片的硅衬底层中蚀刻沟槽，介绍方法的实施例。
图2示出了在进行刻蚀工艺之后的晶片200。晶片包括晶体硅衬底层202、衬垫氧化层204和氮化硅硬掩模层206，预先构图氮化硅硬掩模层206，以便定义要蚀刻的沟槽部件210的位置。
在方法302开始时，进行沟槽的第一高蚀刻速度蚀刻304。可以认为高蚀刻速度是大于大约4000/min的蚀刻速度。大约5000到8000/min的蚀刻速度用作第一快速蚀刻304。监视蚀刻的部件深度306，确定部件是否到达部件所需的接近目标终点深度214的第一深度212。第一深度212大于终点深度214的大约65％，最好超过终点深度的大约70％，更优选超过终点深度的大约80％。第一深度212在终点深度214的大约65％到85％的范围内，并且更可以在终点深度214的大约80％到85％的范围内。
可以使用以下工作条件和配方进行高蚀刻速度蚀刻等离子体压力在大约10mT到70mT的范围内，TCP功率在大约500W到1400W的范围内，底部电极偏置在大约0到800W的范围内并且蚀刻剂气体成分包括Ar、Cl2、HBr、CF4、O2、SF6和He。可以使用在晶片200中使用提供要求的部件的高蚀刻速度蚀刻的任何合适的蚀刻剂气体混合物和蚀刻工具工作参数。
通过光学终点装置160和控制电路170就地监视蚀刻的进展306，并且继续307第一高速蚀刻304，直到确定306当前沟槽深度达到第一深度212。高蚀刻速度工艺为沟槽216的底部提供包括平滑的圆形底部表面的良好的外形。由于当用氧化物材料填满沟槽时它有助于避免空隙的形成，所以是有利的，并且因而有助于避免器件失效。
然后进行比第一蚀刻的蚀刻速度更低的第二、较慢的蚀刻308。小于大约3000/min的蚀刻速度对于STI工艺被认为是缓慢的。然而，选择第二蚀刻步骤的速度，从而基本上保持沟槽底部的光滑的和圆形的外形，从而完成的沟槽具有所希望的外形。
当光学终点装置和控制电路确定截面深度212已经达到时，控制蚀刻工具减小蚀刻速度，从而以较慢的速度蚀刻沟槽到所要求的终点深度214。虽然其它方法可用于提供所要求的缓慢的蚀刻速度，但是这可以通过改变蚀刻剂气体的成分从而HBr用作蚀刻剂物质的源和改变蚀刻工具的工作参数来实现。可以使用以下蚀刻气体成分和蚀刻工具工作参数提供大约1000-3000/min的蚀刻速度等离子体压力在大约10mT到80mT的范围内，TCP功率在大约200W到1200W的范围内，底部电极偏置在大约0到500W的范围内并且蚀刻剂气体成分包括Ar、Cl2、HBr、CF4、O2、SF6和He。
由光学终点装置160和控制电路170就地监视较慢的蚀刻速度蚀刻的进展310，确定是否停止蚀刻，从而沟槽到达所要求的终点深度214，或保持蚀刻311。进行较慢的沟槽深度到达308意思是可以由光学终点测量装置提供更大的分辨率，并且可用更多的时间控制蚀刻工具，以便在合适的时刻停止蚀刻，从而沟槽深度是正确的。因而改善沟槽深度的测量精度。当确定已经达到终点时310，控制蚀刻工具停止蚀刻沟槽312。然后结束刻蚀工艺314，并且提供具有预定深度214的蚀刻沟槽，并且还具有所要求的外形，由于以高蚀刻速度进行大部分蚀刻，所以具有高生产能力。
当测量深度对应于所要求的部件深度214时，或者，例如，如果在刻蚀工艺中存在一些′过冲量′，则在测量深度达到所要求的部件深度以前，停止蚀刻312。后面的实施例可以用在不能瞬间停止蚀刻的情况下。在那种情况下，这通过控制蚀刻工具在实际上达到预定深度以前停止蚀刻来补偿，从而沟槽实际上到达预定深度而不是超过预定深度。
当仅使用高蚀刻速度时，从晶片到晶片在终点触发时间、等离子体点火、RF上升(ramping)和匹配调谐中的变化足以使晶片在可重复性的可接受范围外。实际上在处理时间中小于1秒的变化对于来自不同工艺的晶片中的沟槽不满足制造可重复性公差已经足够了。通过增加较慢的蚀刻速度步骤，本发明不仅改善了分辨率，并因此改善了确定终点的准确度，而且由于直至终点的缓慢的蚀刻速度，由蚀刻工具中的时差或变化所引起的总处理时间的任何变化不会产生沟槽深度的大的变化，改善了从晶片到晶片的工艺的可重复性。此外，缓慢的蚀刻速度可以不必提供所要求的沟槽外形特征。然而，使用高蚀刻速度工艺，允许产生所要求的沟槽外形，然后如果不进行足够显著地改变沟槽外形的时间段的缓慢的蚀刻，则可以由缓慢的蚀刻有用地传播。并且高和低蚀刻速度的组合意味着可以提供具有高可重复性的晶片的高制造生产率。
当使用单个窄波段IEP装置和技术时，由于该技术只能测量相对于起始位置的深度(例如，开始蚀刻之前的晶片表面)，所以不断地监视沟槽的深度。如果使用宽带反射测定法技术或其它可以测量绝对深度值的光学终点技术，则不需要贯穿整个蚀刻工艺而是仅仅朝向终点时才需要不断地监视沟槽的深度，麻石需要确定使用缓慢的速度进一步蚀刻多少，或者确定何时停止快速蚀刻并改为缓慢的蚀刻时进行测量。在本发明的一个实施例中，方法包括使用沟槽的当前测量深度确定何时改变为较慢的蚀刻速度，并且可以控制蚀刻工具自动地改变蚀刻速度。或者，可以进行固定时间的第一高速蚀刻，之后减小蚀刻速度，并且测量沟槽的深度，确保到达预定深度。
方法不局限于仅使用两种不同的蚀刻速度。例如，对应于截面深度的数量可以使用三个或更多不同的蚀刻速度。此外，蚀刻速度之间的过渡不必是瞬时的(阶跃变化)，蚀刻速度可以是逐渐(连续的)变化的，从而蚀刻速度改变发生在区域上而不是在具体的深度上。
在STI工艺的背景中进行了上述介绍，本发明不局限于该工艺。例如，本发明也可以用在凹槽工艺中。凹槽工艺一般用在存储单元器件的制造中。在硅层中蚀刻沟槽，并且围绕沟槽的顶部制造介质材料的凸缘(collar)。用叠覆大量的电介质凸缘的大量的多晶硅填满沟槽，以便提供具有所要求的电容量的电容器件。然而，沟槽深度的变化将改变叠覆电介质凸缘的多晶硅的数量，并因此改变电容量。因此，精细的硅沟槽深度控制是制造这种器件的重要方面。
根据正在蚀刻的部件深度的环境确定′高′和′低′，或者′快′和′慢′蚀刻速度。如果深度5％的变化是可接受的可重复性尺度，则更深部件的5％是比更浅部件的5％大的距离，因而可以相对更快的蚀刻。例如，在如上所述的STI工艺中，典型的沟槽深度在大约2000到5000的范围内，在这种情况下，高蚀刻速度是大约4000/min和更高，低蚀刻速度是3000/min和更低。对于深沟槽工艺，要求100000到150000的沟槽深度。于此，高蚀刻速度是10000/min和更高，低蚀刻速度是5000/min和更低。
蚀刻速度的比(高∶低)大于1.3∶1，优选大于1.5∶1，更优选大于2.5∶1，最优选大于3.5∶1。蚀刻速度比(高∶低)在从大约1.5∶1到2.5∶1的范围中，优选来自大约2.5∶1到3.5∶1，更优选大约3.5∶1到10∶1。
因此，本发明可以用在各种部件的蚀刻中，而不只是沟槽，并且可以用在各种制造工艺中，提供改善的蚀刻深度控制和晶片到晶片的可重复性。
虽然为了清楚的理解本发明相当详细地介绍了上述发明，但是显然在附带的权利要求书的范围内可以实践某些变化和修改。因此，介绍的实施例应该认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明将不限于在此给出的细节，而应该由以下的权利要求书及他们的等价物的全部范围定义。
权利要求
1.一种在晶片的层中蚀刻具有部件深度的部件的方法，该方法包括以第一蚀刻速度蚀刻到部件的第一深度；以第二蚀刻速度从第一深度蚀刻到第二深度，第二蚀刻速度比第一蚀刻速度慢；光学确定何时第二深度达到部件深度；以及停止蚀刻部件。
2.权利要求1的方法，其中蚀刻到第一深度包括形成所要求的部件的外形。
3.权利要求2的方法，其中从第一深度蚀刻到第二深度基本上保持所要求的部件的外形。
4.权利要求1的方法，其中第一蚀刻深度在部件深度的大约百分之65到百分之85的范围内。
5.权利要求1的方法，其中部件是沟槽。
6.权利要求1的方法，其中层是晶体硅层。
7.权利要求1的方法，其中在整个方法中光学确定蚀刻深度。
8.权利要求7的方法，还包括光学确定何时达到第一深度。
9.权利要求1的方法，其中通过改变蚀刻剂的成分改变蚀刻速度。
10.权利要求1的方法，其中层不具有相关的蚀刻停止指示器。
11.权利要求1的方法，其中层不具有蚀刻停止层。
12.权利要求1的方法，其中使用光学终点技术进行光学确定。
13.权利要求12的方法，其中光学终点技术是从包括干涉测量终点和基于宽带反射测定法终点的组中挑选出来。
14.权利要求1的方法，其中方法是从包括凹槽和浅沟槽隔离的组中挑选出来的工艺的一部分。
15.权利要求1的方法，其中光学确定绝对部件深度。
16.在晶片的硅层中蚀刻具有终点的沟槽的方法，包括以第一蚀刻速度蚀刻；以小于第一蚀刻速度的第二蚀刻速度蚀刻；光学确定当前蚀刻深度；以及停止蚀刻，从而沟槽深度达到终点。
17.权利要求16的方法，其中以第一蚀刻速度蚀刻形成所要求的沟槽外形。
18.权利要求17的方法，其中以第二蚀刻速度蚀刻基本上保持所要求的蚀刻外形。
19.权利要求16的方法，包括光学确定何时改变蚀刻速度。
20.一种在晶片的层中蚀刻具有部件深度的部件的装置，该装置包括包括用于固定晶片的卡盘的蚀刻工具；邻近蚀刻工具的光学终点装置，定位以测量要蚀刻的部件的蚀刻深度；以及与光学终点装置和蚀刻工具通信的电子控制器，在小于部件深度的第一蚀刻深度降低蚀刻工具的蚀刻速度，以及停止蚀刻工具蚀刻，从而蚀刻深度达到部件深度。
全文摘要
介绍了在晶片中蚀刻部件的装置和方法，具有改善的深度控制和可重复性。以第一蚀刻速度蚀刻部件，然后以比第一蚀刻速度慢的第二蚀刻速度蚀刻部件。光学终点装置用来确定蚀刻深度并停止蚀刻，从而部件具有预定深度。两个不同的蚀刻速度提供具有优良的深度控制和可重复性的高生产能力。装置包括用于固定要蚀刻晶片的卡盘的蚀刻工具。定位光学终点装置，以测量部件蚀刻深度。电子控制器与光学终点装置和蚀刻工具通讯，控制工具在蚀刻部件的中途降低蚀刻速度并停止蚀刻工具，从而部件蚀刻到预定深度。
文档编号H01L21/00GK1701420SQ03825366
公开日2005年11月23日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月25日
发明者T·A·坎普, A·J·米勒, V·C·维努戈帕尔 申请人:兰姆研究有限公司