采用反射辐射监控衬底处理的制作方法

专利名称：采用反射辐射监控衬底处理的制作方法
采用反射辐射监控衬底处理背景本发明涉及衬底处理的监控。在衬底处理方法中，通过例如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉 积(PVD)、氧化、氮化、离子注入和蚀刻工艺在衬底上形成包括半导 体、绝缘材料和导体材料、包括但不限制的硅、多晶硅、二氧化硅、 铝、铜和硅化钨材料的部件。在CVD工艺中，采用反应气体在衬底上 沉积材料。在PVD工艺中，溅射靶以在衬底上沉积材料。在氧化和氮 化工艺中，通过将衬底暴露于合适的气体环境中，在衬底上形成氧化 物或氮化物材料如二氧化硅或氮化硅。在离子注入中，将离子注入到 衬底中。在常规蚀刻工艺中，包括抗蚀剂或硬掩模的抗蚀刻部件形成 在衬底上，并且蚀刻抗蚀刻部件之间的衬底的露出部分(衬底开口区 域)以形成栅极、通路、接触孔或互连线的图形。监控衬底处理或监控在衬底处理室中进行的工艺的常规方法经常 出现问题。工艺监控方法可用于例如在被处理部件或材料中发生预定 改变之后、在工艺阶段之后或在工艺结束时停止或改变工艺。例如， 在硅晶片上的绝缘材料如二氧化硅中的沟槽的蚀刻中，希望在达到预 定深度之后停止蚀刻。在一种常规方法中，在衬底中蚀刻特定深度所 需要的时间是由预定蚀刻速度和被蚀刻的衬底层或材料的起始厚度计 算的。在另一方法中，计算由从衬底反射的辐射的的相长和相消干涉 产生的峰值以确定衬底蚀刻深度。然而，在衬底上的材料的起始厚度 因衬底而互不相同时或在其它工艺参数改变时，这种技术通常是不准 确的。特别是在被蚀刻的衬底在抗蚀刻部件之间具有小开口区域时难 以精确地监控蚀刻工艺，这是因为来自这个区域的处理信号相对于来 自衬底其它部分的处理信号来说太小了。而且例如在将绝缘或金属材 料沉积在通路或沟槽中期间难以确定沉积在衬底上的通路或沟槽中的 材料深度，这是因为沉积的材料面积小造成的。因此，希望检测在衬底处理期间可能产生的小变化。还希望定量
地评估这种变化，例如蚀刻深度、或沉积在衬底上的材料的厚度。还 希望在具有小开口区域的衬底蚀刻期间或在将材料沉积到衬底的小区 域中期间精确地监控衬底处理。概述一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、适于将辐射偏振到相对于衬底上的被处理部件(feature)的取向所选择 的一个或多个偏振角的辐射偏振器、在处理期间检测从衬底反射的辐 射并产生第一信号的辐射检测器、以及处理第一信号的控制器。一种在处理区中处理衬底的方法包括以下步骤提供在处理区中的衬底、设置用被激励气体(energized gas)处理衬底的处理条件、提 供选择成与衬底上的被处理部件取向相关的以一个或多个偏振角偏振 的辐射、检测从衬底反射的辐射和响应该检测辐射而产生的信号、以 及处理该信号。一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、 适于将辐射偏振到多个偏振角的辐射偏振器、在处理期间检测从衬底 反射的辐射并产生信号的辐射检测器、以及处理该信号的控制器。一种在处理区中处理衬底方法包括以下步骤提供在处理区中的衬底、设置用受激励的气体处理衬底上的部件的处理条件、提供以多 个偏振角偏振的辐射、检测从衬底反射的辐射和响应被检测的辐射而 产生的信号、以及处理该信号。一种衬底处理设备包括能处理衬底的腔室、提供辐射的辐射源、 在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生信号的辐射检测器、以及过 滤该信号的带通滤波器。一种衬底处理方法包括将衬底放置在处理区中、设置被激励气体 的处理条件以处理衬底、在处理区中提供辐射源、检测在处理衬底期 间从衬底反射的辐射并产生信号、以及过滤该信号。一种衬底处理设备包括处理室，其包括衬底支撑件、气体入口、 气体激励器、气体出口和具有凹槽的壁，该凹槽中带有窗口和在窗口 上的遮蔽装置(mask);处理监控系统，它能通过壁的凹槽中的窗口监 控在处理室中进行的处理。
一种在腔室中处理衬底的方法包括将衬底放置在腔室中，在腔 室中提供受激励的气体以处理衬底，掩敝设置在腔室壁的凹槽中的窗 口，以及通过壁的凹槽中的窗口监控在腔室中进行的处理。一种在处理区中蚀刻衬底和监控蚀刻工艺的方法包括(a)通过将衬底放置在处理区中蚀刻衬底，在处理区提供被激励的处理气体， 和排出处理气体，由此被激励气体可产生辐射发射；(b)通过检测辐 射发射的一个或多个波长的强度，产生与该被检测的强度相关的第一 信号，并评估第一信号，由此确定蚀刻工艺的第一阶段的完成；(C) 通过检测从被蚀刻衬底反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度，产 生与被检测强度产相关的第二信号，并评估第二信号，由此确定蚀刻 工艺的第二阶段的完成。一种衬底处理设备包括腔室，其包括接收衬底的衬底支撑件、 将处理气体引入腔室的气体入口、激励处理气体以形成能蚀刻衬底并 产生辐射发射的受激励气体的气体激励器、和排出处理气体的排气装 置；适于检测辐射发射的一个或多个波长的强度并产生与被检测的强 度相关的第一信号以及检测从被蚀刻衬底反射的偏振辐射的一个或多 个波长的强度并产生与被检测强度相关的第二信号的一个或多个辐射 检测器；以及评估第一信号以确定蚀刻工艺的第一阶段的完成和评估 第二信号以确定蚀刻工艺的第二阶段的完成的控制器。一种在处理区中蚀刻衬底并监控蚀刻工艺的方法包括(a)通过将衬底放置在处理区中以蚀刻衬底，该衬底包括第一层和位于第一层 下面的第二层，在处理区提供受激励的处理气体，和排出处理气体，由此受激励气体产生辐射发射；(b)通过检测辐射发射的一个或多个 波长的强度，产生与该被检测的强度相关的第一信号，并评估第一信 号以确定从蚀刻第二层产生的辐射发射的一个或多个波长的强度的变 化，由此确定蚀刻工艺的第一阶段的完成；(c)通过检测从被蚀刻衬 底反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度，其中偏振辐射以一个或 多个第一偏振角和第二偏振角被偏振，产生与被检测强度相关的第二 信号，并评估第二信号，由此确定第二层的蚀刻深度，其中所述第一 偏振角基本上平行于衬底上被蚀刻部件的取向，第二偏振角基本上垂 直于衬底上被蚀刻部件的取向。 一种适于蚀刻衬底的衬底蚀刻设备，其中衬底包括第一层和位于 第一层下面的第二层，该设备包括腔室，其包括接收衬底的衬底支 撑件、将处理气体引入腔室的气体入口、激励处理气体以形成能蚀刻 衬底和产生辐射发射的受激励气体的气体激励器、和排出处理气体的 排气装置；适于以一个或多个第一偏振角和第二偏振角偏振辐射的辐 射偏振器，其中第一偏振角基本上平行于衬底上的被蚀刻部件的取向， 第二偏振角基本上垂直于衬底上的被蚀刻部件的取向； 一个或多个辐射检测器，适于检测辐射发射的一个或多个波长的强度并产生与该检 测强度相关的第一信号，以及检测从被蚀刻衬底的表面反射的偏振辐射的一个或多个波长的强度并产生与被检测强度相关的第二信号；以 及控制器，适于评估第一信号以确定在蚀刻第二层期间产生的辐射发 射的一个或多个波长的强度的变化，由此确定第一层的完成，并评估 第二信号以监控第二层的蚀刻深度。附图通过下列表示本发明例子的附图、文字说明和所附权利要求使本 发明的这些和其它特征、方案和优点更易于被理解。然而，应该理解 一般可用在本发明中的每个特征，不仅在特定附图所示范围中，而且 本发明包括这些特征的组合。

图1A是衬底中的被蚀刻第一部件和用于接收具有多个偏振角的衬底反射辐射的装置的示意图；图1B是图1A的衬底中被蚀刻的另一特征的示意图，第二特征的主要取向不同于第一特征的主要取向；图2A和2B分别是表示在部分蚀刻该部件之前和之后，在辐射从 氧化层中的被蚀刻部件和从抗蚀刻材料的表面反射时产生的相长和相 消干涉效果的示意图；图3是衬底反射辐射的干涉信号的不同频率的相对幅值的标绘图；图4A和4B分别是在蚀刻具有5%和20%的开口区域的二氧化硅 层中的0.4微米沟槽期间检测的反射辐射的幅值的部分轨迹；图5A和5B分别是在蚀刻具有30%开口区域的二氧化硅层中的尺 寸为0.4和1微米的沟槽期间检测的反射辐射的幅值的部分轨迹；
图6是作为部件尺寸和暴露的二氧化硅的开口面积的函数的表示 反射辐射的总和信号的强度质量的曲线；图7是示出％频率响应与带通滤波器的多通的标准化频率的关系 曲线图；图8A和8B是根据本发明的腔室和处理监控系统的剖面侧视图； 图9是适于操作腔室并监控在其中进行的处理的计算机程序的示 意方框图；图IOA是具有凹陷窗口的腔室的部分剖面侧视示意图，窗口具有 遮蔽装置和设置成减少沉积在窗口上的处理残余物的磁场发生器； 图10B是图10A的窗口遮蔽装置的示意平面图； 图11是具有凹陷窗口的另一种腔室的部分剖面侧视示意图，窗口 具有遮蔽装置和设置成减少沉积在窗口上的处理残余物的电场发生 器；图12是表示对于裸窗口、带叠加遮蔽装置的凹陷窗口以及带叠加 遮蔽装置和相邻磁铁的凹陷窗口随着处理时间的辐射衰减的曲线；图13示出在偏振辐射、成比例地检测偏振辐射信号、以及通过带 通滤波器中的两个周期处理成比例信号之后的反射辐射信号轨迹；图14A示出在蚀刻衬底期间通过受激励的气体产生的辐射发射的 波长强度的信号轨迹；和图14B示出偏振辐射之后的反射辐射信号。说明本发明例如可用于监控衬底20的处理，以便检测衬底20上的被 处理部件25的处理阶段的完成。例如，如图1A和1B所示，衬底20 可包括抗蚀刻材料21 (抗蚀剂)，例如光刻胶或硬掩模层，这是所希望 的构图结构。抗蚀刻材料21叠加在其它材料22、 24上，其它材料22、 24可以成形为层状并且形成在硅、化合物半导体或绝缘材料的晶片26 上。层22、 24是衬底20的薄层(stratum),其由单种材料或一种以上 的材料构成。在处理材料22、 24期间，例如在蚀刻该材料时，希望在 接近或达到第一材料22和第二材料24之间的界面23时或在完成第一 或第二材料22、 24的一个或两个处理之后停止处理。例如，当蚀刻部10
件25时，如衬底20中的通路或凹槽，希望在达到第一材料22的预定 深度时或在蚀刻只通过下层第二材料24的一小部分之后停止蚀刻处理 或减慢蚀刻处理。还希望在第一蚀刻阶段中蚀刻通过第一层22，并且 在第二蚀刻阶段中在达到第二层24中的预定深度时停止蚀刻处理后减 慢蚀刻处理。虽然所提供的蚀刻处理说明本发明的示例性的应用，但 是应该理解本发明还可以应用于在衬底20上沉积材料期间形成的材料 或其它处理方法。形成在衬底20上的特定层22中的部件25还可以具有取向33，如 沿着主要方向的主要取向。例如，部件25在主要取向上定向成以便电 信号可以更加有效地通过它。在形成在被蚀刻层22上面或下面的另一 层35中，例如，如图1B所示，部件36可以定向在另一个或第二主要 取向39，它不同于第一层22中的部件25的第一主要取向33。例如， 第二层35中的部件36可主要定向于垂直于取向33的方向39，即如果 第一层22中的部件25基本上沿着(T方向定向，则上层第二层35中的 部件36可以主要沿着9(T取向而定向。例如，互相垂直取向的相邻上 层和下层上的电互连线减少了如在操作期间产生的热点或过量电感-电容(LC)交扰等问题，特别是随着通过的信号的频率或速度的增加 将会产生这些问题。在本发明的一个方面，衬底20的处理通过以下操作监控监控从 衬底反射的辐射的幅值，并相对于从抗蚀刻材料21反射的辐射的强度 调制提高从部件25反射的辐射的幅值调制的信号强度，检测具有一个 或多个偏振角的衬底反射辐射31。偏振角是在垂直于辐射运行方向的 平面内的辐射31的振动模式。例如，图1A还示出从被蚀刻部件25和 从衬底20上的可蚀刻材料21反射的具有多个偏振角的辐射31。辐射 31相对于取向33如衬底20上的被处理部件25的主要取向被偏振成一 个或多个偏振角。例如，辐射31沿着偏振角被偏振，该偏振角基本上 平行或垂直于部件25的主要取向33。偏振角可包括例如基本上平行于 主要取向33的第一偏振角《(0°)和基本上垂直于主要取向33的第二 偏振角(90°)。参见图1A，具有基本上平行于部件25的主要取向或沿着其长度1 引导的第一偏振角的部件反射辐射分量In (或P -分量)的强度具有大
于相对于主要取向的另一偏振角的部件反射辐射分量的幅度。例如，具有基本上平行于部件25取向33的宽度w的偏振角的辐射分量11(或 s-分量)具有小于以其它偏振角反射辐射的幅度。测量的1 和1±分 量可用于从下列等式中提高部件反射分量 In (总和)=Ih (部件) (抗蚀剂)I丄(总和)=1丄(部件)+1丄(抗蚀剂)这些等式的差或和允许部件反射分量和抗蚀刻材料反射分量分 开，如下△ 1=1丄(总和)—In (总和〉=I丄(部件)—In (部件)这是因为 丄n (抗蚀剂) 分量与i 丄(抗蚀剂) 分量相同，因而，从等式种消除 了，只留下部件反射分量。这样，以多个偏振角反射辐射的监控衬底 可更加精确地确定部件反射分量的强度。这种现象可参照图2A和2B解释，这两幅图示出可采用反射辐射 的幅值与入射辐射的幅值的比例确定垂直相长/相消相位干涉，该辐 射例如是光，在等式中，r总和二 (n+r,e^1) / (l+r,r,e"1)，其中 rj二(l一n)/ (l+n。； r2=( 一n2) / (n,+ri2);以及ji:4;rn!d"义； 其中m和n2分别是氧化层和衬底中的部件反射率，d,是氧化层的厚度，A是波长。横向干涉效应是由1=10|/ ^。/部件％件I2， 其中/p,是光刻胶覆盖面积的百分比，f部件是部件开口面积的百分比，rlpr= (rlp+r2*e-i<51) / (1+rlp*r2*e""其中rip气np-n0/(np+n0r2二(n广n2)/(n!+ri2)，禾口^ i二47rrhd部件/ /1 rpr= (rp+rlpr*e"2) / (1+rp*rlpr*e"2) 其中rp-(l—np)/(l+np)，禾口^2=4 rnpdp / A ，禾口 r部f (r一r/e"3) / (1十r,r2承e-"3) 其中,"n,di / A，禾口So二47rdo /义。
从部件反射的辐射的强度由1总和=10|^和|2给定。由于垂直和横向 干涉的组合产生的复合频率分量是Wpr (光刻胶分量)、W。x (二氧化硅 分量)、Wp。(光刻胶和二氧化硅之间的差)、W。x —Wp" W。x + Wpn Wp。 —Wpr、 Wp0 + Wpr、 Wp。一Wpr、 Wpo +Wpr+Wox、 Wox 一 Wpr — Wpo禾D Wox + Wpr 一Wp。。然而，出现了作为幅值的函数的频率分量的变化，这是因为由 于垂直和水平干涉效应的耦合而破坏了干涉条纹的形状。例如，图3 示出了不同频率分量Wpr、 W。x和Wp。的相对幅值和频率。通常，衬底20中的部件25的蚀刻深度与入射辐射的波长通过上述公式有关，部件 蚀刻深度二波长/2"0R)，其中IOR是入射辐射的反射率。随着衬底 20上的被处理部件25的蚀刻深度增加，来自蚀刻部件25的反射辐射 经受相消/相长干涉以提供可检测振荡信号，该信号具有与蚀刻速率 和入射辐射的波长相关的第一频率。同时，从以不同蚀刻速度被蚀刻 的衬底20的其余表面反射的辐射也经受相消/相长干涉以提供具有不 同的第二频率的可检测振荡信号。在一种情况中，确定第一蚀刻阶段期间的第一层22的蚀刻完成， 以便可通过监控第二蚀刻阶段中的偏振辐射反射更精确地确定第二层 24的蚀刻深度。确定第一层22的蚀刻完成的一种方法是通过检测来自 用于蚀刻衬底20的被激励气体发射的辐射。由被激励气体发射的辐射 发射的波长的强度与存在的被激励气体种类相关，如处理气体种类和 可通过处理气体与衬底20反应产生的其它气体种类。由于辐射发射的 特定波长的强度与存在于被激励气体中的种类相关，这些强度的任何 变化都可能发生，例如，当处理气体与具有不同成分的衬底层反应时。 这样，可以监控特定的被激励气体种类的存在或不存在的被选预定波 长的强度以确定例如当被激励气体己经充分蚀刻第一层22时第二层 24至少部分地露出。在另一方式中，第一蚀刻阶段的完成可通过检测辐射发射的被选 波长的强度的增加来确定。例如，与由处理气体与第二层24反应得到的被激励气体物质的存在相关的被选波长强度的增加可表示已经充分 蚀刻第一层24并暴露第二层24。例如，当蚀刻通过第一层22并到达包括碳和氢的第二层24时，在包括N2的被激励气体中，与通过处理气体与第二层24反应形成的含C-N物质相关的辐射波长可被监控在
3865埃的波长。具有这个波长的辐射强度的增加表示正在形成含C-N 物质，因此已经充分蚀刻了第一层22并露出第二层24。这样，通过监 控辐射发射的被选波长和检测这些强度的增加(或减少)可确定第一 蚀刻阶段的完成。一旦第一蚀刻阶段已经完成，进行蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段。 可通过采用与用在第一蚀刻阶段中的相同的处理参数或通过改变用在 第一蚀刻阶段中的一个或多个处理参数来蚀刻第二层24。例如，用于 蚀刻第一层的相同的处理气体也可以用来来蚀刻第二层，或者可提供 不同的处理气体。可通过监控反射偏振辐射以确定衬底20上的被蚀刻 的部件25的深度来确定第二蚀刻阶段的完成。衬底20上的被蚀刻的 部件25的蚀刻深度可通过计算从反射偏振辐射的相消/相长干涉得到 的信号最小值或最大值来确定。通过评估该信号和确定衬底20上的被 蚀刻的部件25的预定深度己经得到时，可确定蚀刻工艺终点和蚀刻第 二层24的第二蚀刻阶段的完成。然而，通过检测反射偏振辐射来确定衬底20上的被蚀刻部件25 的深度在蚀刻包括具有第一反射率的第一层22和具有第二反射率的第 二层24的衬底20时可能会出现问题。这是因为在蚀刻第一层期间得 到的幅值调制信号是从第一和第二层22、 24反射的偏振辐射的相长和 相消干涉的复杂函数。这样，不能可靠地计算干涉信号的最小值和最 大值，以便在不知道第一层22已经被蚀刻通过到露出第二层24的情 况下，确定什么时候已经得到部件25的所希望的深度。为此，在第一 蚀刻阶段监控由被激励气体产生的辐射发射，以便确定第一蚀刻阶段 的完成。 一旦已经确定完成了第一蚀刻阶段，第二蚀刻阶段可以通过 检测反射偏振辐射来监控，以便确定第二蚀刻阶段的完成。通过确定 第一蚀刻阶段的完成，在第二蚀刻阶段期间可以更精确地确定衬底20 上的被蚀刻的部件25的深度和蚀刻工艺的结束。当衬底20在抗蚀刻部件21之间具有小开口面积时检测部件分量 的调制特别困难，这是因为来自抗蚀刻结构21的大面积的抗蚀剂分量 的调制优于总信号的调制。图4A表示在部件25的蚀刻期间得到的反 射辐射信号的轨迹，其中该部件25包括具有至少约20%开口面积的衬 底20中的二氧化硅层中的开口尺寸约为0.4微米的沟槽。总和信号的
这个轨迹包括第一阶段(1)，其中被蚀刻的部件25和也被部分除去的 抗蚀剂材料21对互相干涉的成分起作用，并且都对无法预料地改变频 率和形状的检测振荡调制幅值起作用。然而，对应基本上只蚀刻抗蚀 刻材料21 (因为部件25完成被蚀刻)的第二阶段(II)提供具有主要 由抗蚀剂分量构成的更可重复的周期性波前的幅值轨迹。位于两个轨 迹之间和在约140秒的累计处理时间的蚀刻工艺的结束表示为"蚀刻 终点"。当对具有一小部分开口面积例如5 Q%开口面积的衬底20进行相 同的轨迹研究时，如图4B所示，检测的反射辐射提供具有周期性的和 可重复的波形的信号轨迹，这主要是从占据衬底20面积的95%以上的 抗蚀刻材料21的表面反射的抗蚀剂分量的信号强度。来自被蚀刻衬底 20上的部件25的相对小开口面积的反射辐射具有非常小的相对信号 强度，这是在较大抗蚀剂分量信号中损失的。确定总和信号的强度也取决于在衬底20中被蚀刻的部件25的尺 寸。图5A和5B分别表示在硅衬底20上的多晶硅上的二氧化硅中蚀 刻约为0.4微米和1微米部件期间得到的幅值轨迹，两个衬底都具有相 同的30%的开口面积。再一次地，对应蚀刻叠加的抗蚀刻材料21和二氧化硅的第一阶段提供具有复合的和可变的形状的总幅值轨迹；而对 应基本上只蚀刻残余抗蚀剂的第二阶段提供具有可重复的和周期性的波形的总幅值轨迹。图6示出与衬底25中的被处理或蚀刻的部件25的尺寸相关的总 和信号的质量和作为衬底20上的二氧化硅的露出面积的函数之间的关 系。有两种方式， 一种是总和信号的强度是可接受的，另一种是总和 信号强度是不可接受的。蚀刻部件窗口 41表示被蚀刻部件尺寸的典型 区域和在其中处理现有很多沟槽结构的衬底开口区域。这样，在衬底 上的部件尺寸或开口面积很小时，常规工艺监控方法只允许分析反射 辐射的小窗口区域。在本发明的另一方面，滤波器53可选择性地用于过滤由辐射检测 器54产生的与反射辐射的被检测强度相关的信号。在一种方式中，滤 波器53是带通滤波器，它增与反射辐射的其它频率分量相关的选定的 通带频率的相对强度的。例如，带通滤波器53可适合于过滤来自辐射 检测器54的输入信号以使其通过与从衬底20上被处理的部件25反射 的辐射频率相关的频带，同时减小从衬底20上被处理的部件25反射 的辐射所产生的信号的强度。采用的带通滤波器53的类型取决于预定 工艺使用和通带频率限制。在一种方式中，带通滤波器53是通过过滤 信号和选择地只通过通带频率而操作的电信号处理器。电信号处理器 可以是使从辐射检测器接收的辐射信号数字化并过滤该数字化信号的 数字信号处理器。在一种方式中，被选频率约等于通带的中心频率。例如，如果带 通滤波器具有从A到BHz的通带，则中心频率为(A+B) /2Hz。当 通带频率范围的中心约为由从被蚀刻部件25反射的辐射分量获得的相 消/相长干涉信号的被选频率时，由此减弱或排除由从衬底20的其余 表面反射的辐射分量得到的相消/相长信号，例如衬底20的其余表面 为衬底20上的形成图案的抗蚀刻材料。然而，被选频率不必是通带的 中心频率。即，通过选择通带内的其它频率可实现可比较的结果。在 一个例子中，通带频率范围包括位于从衬底20反射的辐射分量的被选 频率的约±10%内的频率。例如，对于在衬底20上的绝缘材料中被蚀 刻的沟槽成形部件25，对于约为5000埃/分钟的氧化蚀刻速度，合适 的频率为约0.09Hz到约0.11Hz。在一种方式中，通带频率范围可选择成提供非相干辐射源58的相 干长度，该辐射源例如可以是具有多个波长和相位的等离子发射体。 相干长度是可观察的来自辐射源58的辐射的干涉效应的长度。对于非 相干辐射源，相干长度涉及公式？/nA;i，其中n是被蚀刻层22的折 射率，义是等离子体发射光谱的中心的波长，AA是波长范围，也因此 是被带通滤波器通过的频率范围。在选择A义以便;i2/ A;i大于被蚀刻 层22的厚度时可得到相干长度。在一种方式中，对于中心约为254纳 米的等离子体发射，带通滤波器53的AA可以是1.5纳米。还可以在一个或多个周期中通过带通滤波器53处理反射辐射信 号，以便在每个周期中，信号被过滤以使对应于来自被蚀刻部件25的 反射辐射的频率的辐射信号的分量通过，同时减弱对应于来自衬底20 的其它或抗蚀剂21部分的反射辐射的频率的辐射信号。例如，在蚀刻 工艺期间，在每次通过时，带通滤波器53将相对于从其余衬底表面反 射的辐射的信号强度增加从被蚀刻部件25的反射辐射的信号强度。合
适的周期数量是约为1到约10个周期，并且更优选为约2到约5个周期。图7示出频率响应(％)与多个通过带通滤波器53的标准化频率 的关系曲线，示出例如相对于抗蚀剂分量或在处理期间使用的旋转磁 场分量，具有约在被蚀刻部件分量中心的频率的辐射强度的增加。随 着通过数量从1增加到2，得到的非部件反射辐射分量的幅值的减少提 高了来自与自衬底的其它表面的其它信号相关的部件的反射辐射信号 的信噪比。本发明可用于在设备27中蚀刻衬底20，例如示意地示于图8A和 8B中的设备。 一般情况下，设备27包括腔室35，腔室35具有用于在 处理区中接收衬底20的支撑件32。可通过气体供给装置34将处理气 体引入腔室35，其中气体供给装置34包括气源36、位于衬底20的周 边周围(如所示)或安装在腔室的顶板上的喷头中(未示出)的气体 入口 38。气流控制器40可用于控制处理气体的流速。通过排气装置 42将废处理气体和蚀刻剂副产物从腔室35排出，排气装置包括粗选和 涡轮分子泵(未示出)和可用于控制腔室35内的处理气体的压力的节 流阀44。通过给腔室35的处理区中30的处理气体耦合电磁能的气体激励 器46，由处理气体产生被激励的气体或等离子体。例如，第一处理电 极54，如腔室35的侧壁，和第二处理电极52，如衬底20下面的支撑 件32的导电部分可用于进一步激励腔室35中的气体，如图8A所示。 第一和第二处理电极52、 54相对于彼此偏置由电极电压供给装置62 提供的RF电压。施加于电极52、 54的RF电压的频率通常约为50KHz 到约60MHz中。作为另一例子，气体激励器46可包括将电磁能感应 耦合到腔室35中的气体的电感器线圈47，如图8B所示。在包括第一层22和第二层24的衬底20的蚀刻中，处理参数如气 流成分、流速、压力、偏置功率以及温度在整个蚀刻工艺期间可保持 相同，或者例如当已经完成第一蚀刻阶段和开始第二蚀刻阶段时可以 改变这些参数。引入到腔室35中的处理气体可根据衬底20上的待蚀 刻层22、 24的成分来选择。例如，用于蚀刻包括碳和氢的有机防反射 层22的合适处理气体可包括CF4。作为另一例子，用于蚀刻衬底20
上的氧化硅层24的合适处理气体可包括CF4和N2。例如，为蚀刻包括 含有碳和氢的防反射层的第一层22，包括约为20到约100sccmCF4的 处理气体可引入到腔室35中。腔室35中的压力可保持在约20到约100 毫乇，处理电极R.F.偏置功率大小可保持在约100到约500瓦，部分 腔室可保持在约-15°到约40。的温度。作为另一例子，为蚀刻包括由 TEOS(Si(OCH3)3)沉积的氧化硅的第二层24，包括约50到约200sccm CF4和约15到约100sccmN2的处理气体可引入腔室35中。腔室35中 的压力可保持在约100到约500毫乇，处理电极R.F.偏置功率大小可 保持在约400到约1200瓦，部分腔室可保持在约-15°到约40。的温度。 入射到衬底20上的辐射31可由辐射源58提供，该辐射源例如可 以是腔室内部或外部的等离子体、辐射灯、LED或激光等。辐射源58 可提供如紫外线(UV)、可见或红外辐射等辐射；或者它可以提供其 它种辐射，如X射线。辐射源58可例如包括来自在腔室28内部产生 的等离子体的发射，其一般是具有延伸穿过光谱的多个波长的多光谱 的发射，如图8A所示，并且通常也是非相干的，即具有多个相位。辐 射源58还可以设置在腔室35的外部，以便辐射31可以从辐射源58 通过窗口 130传输到腔室35中，如图8B所示。辐射源58还可提供具 有主要特性波长例如单波长的辐射，如单色光，如He - Ne或Nd - YAG 激光器提供的。激光源也提供具有主要或单个相位的相干光。作为一 种选择，辐射源58可包括提供具有多个波长的辐射发射的灯，如多色 光的灯，它可以选择地被过滤到单个波长。用于提供多色光的合适辐 射源58包括产生具有在约180到约600纳米范围内的波长的多色光谱 的Hg放电灯；电弧灯，如氙或Hg-Xe灯和钨一卤素灯；以及发光二 极管(LED)。在一种方式中，采用提供非偏振光如紫外线、红外线或可见光的 非偏振辐射源58。当偏振辐射在处理期间例如被激励的气体或等离子 体或积累在腔室窗口上的残余物优先吸收时可采用非偏振源。偏振状 态也影响具有定向结晶结构的材料的辐射吸收特性，如具有不同于立 方对称的晶体。辐射垂直入射到衬底20上还可以用于精确地检测在层22、 24上 具有高和窄间隔部件如抗蚀刻部件的衬底20的处理结束点。垂直入射
辐射不被抗蚀刻材料部件的高度阻止到达层22、 24。然而，应该理解 垂直入射对于检测反射的辐射不是必须的，可以采用其它入射角。通过入射在衬底20和被衬底20反射的辐射路径中放置第一和第 二辐射偏振器59a、 59b，可以将辐射偏振到多个偏振角。本例示出了 在入射到衬底20的辐射路径中的第一和第二辐射偏振器59a、 59b，它 们也可以位于被衬底20反射回来的路径中，或者它们可以是辐射检测 器54的一部分。第一偏振器59a选择地使以第一偏振角取向的辐射通 过，第二偏振器59b选择地使以第二偏振角取向的辐射通过。第一和 第二偏振器59a、 59b可以是单个结构或一个以上的结构。在一种方式 中，偏振器59a、 59b包括用一个或多个薄膜涂敷的辐射可穿透材料， 所述薄膜选择地偏振通过该材料的辐射；或者在另一方式中，它们可 以是可旋转的滤波器。当采用旋转偏振器59a、 59b时，辐射以周期间 隔被采样以便只获得与部件角度取向有关的反射辐射信号分量。采用一个或多个辐射检测器54检测被衬底20反射的辐射31。辐 射检测器54可包括辐射传感器，如光伏电池、光电二极管、光电倍增 器或光电晶体管。辐射检测器54响应反射辐射的测量强度提供电输出 信号，其中该反射辐射的测量强度包括通过电部件的电流大小的变化或施加在电部件两端的电压的变化。还可以使用多个辐射检测器54(未 示出)。例如，可使用各设置成捕获具有不同偏振角的辐射的多个检测 器54。作为另一个例子，可采用各设置成可检测从衬底20反射的偏振 辐射或来被自激励气体的辐射反射的多个检测器54。检测器54向控制 器100提供与被检测的辐射相关的信号。例如，检测器可提供与辐射 发射的一个或多个波长的检测强度相关的第一信号和与从衬底20反射的偏振辐射的一个或多个波长的检测强度相关的第二信号。评价检测 器信号以便由控制器100分离来自部件25的反射辐射信号和抗蚀刻材 料21反射辐射分量。控制器100还适于评估检测信号以确定具有不同 偏振角的辐射的幅度和由被激励气体发射的辐射的强度。衬底反射辐射可以以小入射角或沿着基本上垂直方向被检测。垂 直检测角能够更精确地监控在腔室35中被处理的部件25，例如，为了确定部件25的蚀刻深度或沉积在部件25中的材料深度或作为衬底20 上的一层。在被蚀刻的部件25具有高尺寸比时尤其希望垂直角，并且
以小入射(或反射)角引入的辐射穿透部件25的深度而不被部件25 的侧壁或形成图案的抗蚀刻材料21所阻挡是特别困难的。垂直检测角 可以通过正好垂直地在衬底20上方设置辐射检测器54、以及选择地辐 射源58 (除已经在衬底20上方的等离子体源以外)来获得。腔室35可由在计算机系统104上执行计算机-可读处理控制程序 102的控制器100操作，该计算机系统104包括中心处理单元(CPU) 106，如从Synergy Microsystems 、 California商业上得到的68040微 处理器，或从Intel Corporation Santa Clara、 California商业上可得到 的Pentium处理器，它耦合到存储器108和外围计算机部件。存储器 108包括具有嵌入其中的计算机可读程序102的计算机可读介质。优 选，存储器108包括硬盘驱动器110、软盘驱动器112、以及随机存取 存储器114。计算机系统104还包括多个接合卡，例如包括模拟和数字 输入和输出板、接口板、和电机控制器板。操作者和控制器110之间 的接口可以例如通过显示器118和光笔120。光笔120在光笔120的尖 端检测由具有光传感器的显示器118发射的光。为选择特定荧光屏或 功能，操作者触摸显示器118上的荧光屏的指示区并按压光笔120上 的按钮。通常，被触摸的区域改变颜色，或显示新菜单，确认用户和 控制器110之间的通信。计算机可读程序如那些存储在例如包括软盘或插入在软盘驱动器 112或其它合适驱动器中的其它计算机程序产品的其它存储器上的程 序或存储在硬盘驱动器上的程序也可用于操作控制器110。处理控制器 程序102 —般包括含有用于操作腔室28的程序码的处理控制软件124 及其部件、用于监控在腔室28中进行的工艺的处理监控软件126、安 全系统软件、以及其它控制软件。计算机可读程序102可以以任何常 规计算机可读编程语言写入，如汇编语言、C吣、帕斯卡、或Fortran。 合适的程序码采用常规文本编辑器输入单个文件或多个文件中，并储 存或嵌入计算机系统的存储器108的计算机可用介质中。如果输入的 编码文本处于高电平语言，则该编码被编辑，并且然后得到的编辑器 码与预编辑库存程序的目的码连接。为执行被连接的、被编辑的目的 码，用户调用该目的码，使CPU106读取和执行该码，以便进行在该 程序中被识别的任务。 图9是根据本发明的处理控制程序102的特殊实施例的分级控制 结构的示意方框图。采用光笔接口，用户响应显示在CRT终端上的菜 单或屏幕将程序设置和腔室数量输入到处理选择程序132中。处理室 程序124包括程序码以设置定时、气体成分、气体流速、腔室压力、 RF功率水平、支撑位置和特定处理的其它参数。处理设置是用于进行 特殊处理所必须预定处理参数组。处理参数是处理条件，包括(但不 限于)气体成分、气体流速、压力和气体激励器的设置。此外，操作 处理监控程序126所需要的参数也可由用户输入到处理选择器程序中。 这些参数包括材料的公知特性、特别是辐射吸收和反射特性，如反射 率和消光系数；由试验确定数据模拟的处理监控算法；可用于监控处 理的试验确定表或计算值；以及在衬底上被处理的材料的特性。处理定序程序134包括用于从处理选择程序132接收腔室类型和 处理参数设置并控制其操作的程序码。通过将特定处理参数输入到控 制处理室28中的多个处理任务的腔室管理程序136中，定序程序134 起动处理设置的执行。通常，处理室程序124包括衬底定位程序138、 气体流动控制程序140、气体压力控制程序142、气体激励器控制程序 144和加热器控制程序146。通常，衬底定位程序138包括用于控制腔 室部件的程序码，该腔室部件用于将衬底20装入支撑件32上并选择 地用于将衬底20升高到腔室35中的预定高度以控制衬底20和气体供 给装置34的气体入口 38之间的间隔。处理气体控制程序140具有用 于控制处理气体的不同成分的流速的程序码。处理气体控制程序140 控制安全截流阀的打开/关闭位置，并且还向上/下倾斜气流控制器 40以获得预定气体流速。压力控制程序142包括用于通过调整腔室的 排气装置42中的节流阀44的孔尺寸来控制腔室28内的压力的程序码。 气体激励器控制程序144包括用于设置施加于腔室35内的处理电极 52、 54的低和高频RF功率水平的程序码。选择地，加热器控制程序 146包括用于控制加热器元件(未示出)的温度的程序码，其中所述加 热器元件用电阻加热支架32和衬底20。处理监控程序126可包括程序码以从辐射源58、辐射检测器54 或控制器100获得样品或参考信号并根据预编程准则处理该信号。通 常，通过辐射检测器54中的模拟_数字转换器板向控制器100提供辐 射幅值或光谱轨迹。处理监控程序126也可将指令发送给控制器100 以操作如辐射源58、辐射检测器54和其它部件等部件。例如， 一旦已 经确定完成第一蚀刻阶段，处理监控程序126可向控制器100发送指 令以操作辐射检测器54，以便检测从衬底20反射的偏振辐射。该程序 也可以向腔室管理器程序136或其它程序发送指令以改变处理条件或 其它腔室设置。处理监控程序126也可包括用以获得和评估来自辐射检测器54的 信号的程序码。该程序码可设计成以减少反射辐射的不希望的频率成 分的强度，例如由不是从衬底20上被处理的部件25反射的辐射产生 的频率成分。例如，带通滤波器可适于过滤来自检测器54的入射辐射 信号以获得以从衬底20反射的辐射的一个或多个选择频率为中心的频 带。处理监控程序126也可包括用以评估来自检测器54的第一信号和 来自检测器54的第二信号的程序码，该第一信号的产生是与辐射发射 的一个或多个波长的强度的检测相关，第二信号的产生是与从衬底20 反射的偏振辐射的检测相关的。处理监控程序可评估第一和第二信号 以确定第一和第二蚀刻阶段的完成。例如，处理监控程序126可通过 评估辐射发射的一个或多个波长的强度的变化如强度的增加而评估第 一信号。处理监控程序126例如可通过相对于其它信号分量增加由从 衬底20上被蚀刻的部件反射的偏振辐射所产生的信号分量。这个信号 分量的强度可通过处理以不同角度偏振的被检测偏振辐射的信号分量 和确定该信号分量的比例或相减值来增加。处理监控程序126可评估 处理第二信号以确定衬底20上的被蚀刻部件的深度，由此能够确定第 二蚀刻阶段的完成。为确定处理监控程序126的参数，开始，选择具有预定材料厚度 的一个或多个衬底20用于处理。每个衬底20 —次放置在处理室3中 并设置处理条件以处理衬底20上的材料22或下层材料24。采用一个 或多个辐射检测器54监控从衬底反射和/或从腔室中的等离子体发射 的辐射。产生一系列这种轨迹之后，检测它们以识别用作算法形式的 计算机程序的输入的轨迹特性的可识别变化、数值表、或适于评估腔 室35中的事件或衬底20的特性的其它准则。例如，处理监控程序126 可包括用于评估对应于反射辐射的强度的信号的程序码，其中该信号
可用于检测处理衬底20的开始和完成。作为另一例子，计算机程序126 包括用于评估对应于从等离子体发射和/或从衬底20反射的辐射的第一和第二信号。这样，处理监控程序126可包括用于分析由辐射检测器54提供的 输入信号轨迹和在达到所希望的一组准则时如在被检测信号的特征基 本上与预定编程值相同时确定处理结束点或处理阶段的完成的程序 码。例如，处理监控程序126可包括用于确定已经完成蚀刻第一层的 第一阶段或在已经完成在第二层24中蚀刻预定深度的部件的第二蚀刻 阶段的时间的程序码。处理监控程序126也可用于检测衬底上的被处 理材料的特性，如厚度、或其它特性，例如结晶自然状态、微观结构、 孔隙率、衬底20上的材料的电学、化学和成分特性。计算机程序126 还可被编程，以便例如通过检测辐射31的幅值的变化或幅值的变化率， 检测处理衬底20的开始和完成。希望的准则作为预置或存储参数和算 法被编程到处理监控程序126中。程序126还可包括用于模拟辐射的' 轨迹、从被模拟的轨迹中选择特征或允许用户选择该特征、存储被模 拟的轨迹或特征、检测来自辐射检测器54的一部分输入信号、相对于 储存轨迹或特征评估被测量的信号和调用在衬底20上进行处理的处理 阶段结束或显示衬底20上的材料的测量特性的程序码。在一种方式中，处理监控软件包括用于通过抽取轨迹端部周围的 逻辑框或"窗口"和及时返回并利用在预编程算法中建立的信号高度 和时间尺度来连续分析反射辐射的测量幅值的轨迹的程序码。可编程 一组窗口以检测反射强度的轨迹的谷值和峰值，向上斜面上的触发器 以检测后者的结束时间，或到向下斜面上的触发器以在轨迹中的谷值 之前的结束点。当轨迹中的信号变得太陡并移出预编程逻辑框 ("WINDOWOUT")时或者当它变得平缓和进入逻辑框("WINDOW IN")时，满足第一准则。附加的窗口依次施加于移动轨迹上以产生准 则的完成设置，以便确定在实时测量的信号中的变化是否是处理的结 束点，如处理的开始或完成，材料的特性的变化，或者只是噪声。进 入或移出逻辑框的方向也可被规定为预编程输入准则的一部分，用于 操作处理监控程序126。在检测处理的开始和结束时，处理监控向处理 室程序126发送信号，处理室程序126向控制器100发送指令以改变23 正在其中进行处理衬底20的腔室35中的处理条件。控制器100适于 控制气体供给装置34、气体激励器46或节流阀44中的一个或多个， 以改变与接收信号相关的腔室35中的处理条件。由控制器100接收和/或评估的数据信号可以发送给工厂自动主 计算机300。工厂自动主计算机300可包括评估来自几个系统27、工 作台或腔室35的数据和用于衬底20的批量或在时间的延长部分期间 的主软件程序302，以便识别下列的统计处理控制参数(i)在衬底20 上进行的处理；(ii)在单个衬底20上以统计关系变化的特性；或(iii) 在一批衬底20上以统计关系变化的特性。主软件程序302还可采用用 于进行原位处理评估或用于控制其它处理参数的数据。合适的主软件 程序包括从前述的应用材料公司得到的WORKSTREAMTM软件。工厂 自动主计算机300还可用于提供指令信号以便(i)从处理序列中除去 特定衬底20，例如，如果衬底特性不合适或没有落入在统计确定数值 范围内，或者如果处理参数由可接收的范围而得来；(ii)结束特定处 理室35中的处理；或(iii)通过确定衬底20的不合适特性或处理参数 而调整处理条件。工厂自动主计算机300还可响应由主软件程序302 进行的数据评估而在衬底的处理开始或结束时提供指令信号。还公开了通过以下方式在腔室35的壁中的凹槽61中设置窗口 130 而进一步提高了反射辐射信号的信噪比辐射检测器54通过该窗口 130可检测被衬底反射掉的辐射。图IOA是腔室的示意侧视图，该腔 室具有在腔室35的壁51中的凹槽中的窗口 130、用于检测从衬底反射 的并通过窗口 130的辐射以及响应该检测辐射产生信号的检测器54、 以及用于评估被检测信号以控制处理的控制器100。窗口 130包括可使 被控制器100监控的辐射波长穿过的材料。对于红外线、可见光和UV 辐射，窗口 130可由陶瓷制成，如八1203、 Si、 Si02、 Ti02、 Zr02中的 一种或多种，或其混合物和化合物。陶瓷还可包括单晶材料，例如作 为单晶氧化铝的蓝宝石，其对卤素等离子体、特别是含氟的等离子体 呈现良好抗腐蚀特性。腔室35的壁51中的凹槽61的形状和尺寸允许可在其中接收遮蔽 装置140，如图IO所示。例如，当遮蔽装置140的形状为圆柱形时， 凹槽61也可以为圆柱形。遮蔽装置140的尺寸允许基本上覆盖窗口 130，由此减少或防止在窗口 130上沉积处理残余物。遮蔽装置140可 由能抵抗腔室35中的处理气体或等离子体的腐蚀的材料构成，如抗等 离子体材料，例如A1203、 Si02、 A1N、 BN、 Si、 SiC、 Si3N4、 Ti02、 Zr02中的一种或多种，或者其混合物和化合物。遮蔽装置140在其中包括一个或多个孔145，如图IOB所示。孔 145的形状和尺寸允许减少其中的处理残余物的沉积同时允许足够量 的辐射通过以操作控制器100。例如，孔145的形状和尺寸允许通过入 射和反射辐射束-对用干涉测量或椭圆分析-或者其形状和尺寸允许 监控来自等离子体的光谱发射，用于等离子体发射分析。相信通过减 少中性气体物质(通常是残余物形成物质)的进入或通过允许高度被 激励气体离子以蚀刻掉形成在孔145的壁上的处理残余物孔145，孔 145减少了在其中沉积的处理残余物。凹槽145的长宽比和深度一般控 制在被激励的气体物质到达凹槽145的内部表面如凹槽145中的窗口 130之前由被激励的气体物质所经过的距离。合适的孔145包括至少约 为0.25:1的长宽比，该长宽比还可小于约12:1。在一种方式中，孔145 包括约为约0.1到约50mm的开口尺寸和约为0.5到约500mm的深度。 遮蔽装置140还可包括多个孔145，如六边形或圆形孔。电磁场源可用于保持在窗口 130周围的电磁场。电磁场源包括电 场或磁场源。施加于壁51周围的电磁场可减少处理残余物沉积在壁的 凹槽61中的窗口 130上。例如，在图IOA中所示的实施例中，电磁场 源包括适于保持在部分壁51附近、凹槽61周围或穿过窗口 130的磁 场的磁场源195。磁场源195包括至少一个磁铁200或电磁铁(未示出)， 它位于凹槽、壁或窗口 130附近或靠着它们设置，以便提供在其周围 的磁场。例如，在一个方式中，磁能可限制在凹槽61或窗口 130周围 的空间，并只可以穿透小距离进入腔室35。在这种方式中，磁场源195 提供相对于腔室其他部分优先集中穿过凹槽61或窗口 130的磁场。通 常情况下，合适的磁场强度可以为约10到约10000高斯，并且更优选 为约50—约2000高斯，但是选择的实际磁场强度取决于窗口尺寸、等 离子体离子的能量和其他因素。在图IOA所示的实施例中，磁场源195 包括设置在壁中的凹槽周围并具有相反磁极性的多个磁极200。在另一实施例中，如图11所示，电磁场源包括在壁51、凹槽61
周围或穿过窗口 130 (如所示)提供电能以维持其周围的电场的电场源 220。相信电场减少了壁51上、凹槽61中或窗口 130上的处理残余物 的沉积，例如通过抵制带电残余物形成物质或通过使被激励的气体物 质撞击窗口 130以蚀刻掉处理残余物。电场源220可位于壁51附近、 靠着它或在其后面、在凹槽61周围或在窗口 130附近的电极225，用 于在其周围耦合电能。该电场可适合于具有平行或垂直于壁51或窗口 130的平面的电场分量。电极225的尺寸充分大以提供覆盖壁51或窗 口 130的整个区域的电场。电极225还可包括涡流减少狭缝，其形状 和尺寸允许减少可能被包含于电极225中的任何涡流。电压源245电 偏置具有DC、 AC或RF电压的电极225，电压通常为约IO —约10000 伏，更优选为约20—约4000伏。图12示出对于裸窗口、凹陷窗口 130和具有相邻磁铁的凹陷窗口 130，随着处理时间的辐射衰减。可以看到通过缺乏电磁场源的裸的未 凹陷窗口的辐射在少于40等离子体处理小时达到最大可接受衰减。相 反，通过凹陷窗口 130的辐射在100小时左右达到最大可接受衰减， 并且通过包括一相邻磁铁200的凹陷窗口 130的辐射在100小时之后 达到最大可接受衰减。这个数据表明凹陷窗口 130在等离子体处理期 间提供对辐射强度衰减的实质减少。附加电磁场源在这种情况下为相 邻磁铁200，基本上增强了衰减的减少。例子下列例子证实了本发明的效果。然而，本发明可用在其它工艺中 和用于对于本领域技术人员公知的其它用途，并且本发明不应限于这 里提供的例子。例1在本例中，在磁性增强蚀刻室中在衬底20中蚀刻部件25，其中磁性增强蚀刻室具有被遮蔽装置覆盖的凹陷窗口并具有在窗口周围的磁 场发生器，如图10A中所示的例子。被蚀刻的衬底20是包括介质层 22的硅晶片，该介质层包括1微米二氧化硅层、0.1微米氮化硅层、和 1微米二氧化硅层。上层形成图案的光刻胶层21覆盖介质层22。采用 包括40sccmCHF3、20sccm CFjQ 50sccmAr的处理气体蚀刻介质层22。 腔室中的压力保持在200毫乇，处理电极R.F.偏置功率水平为1300瓦，26
并且部分腔室维持在约15°C的温度。被蚀刻部件25的开口尺寸为约 0.4微米到约1微米，硅晶片上的暴露介质(二氧化硅)面积约为5% 到约50%。在本例中，从衬底20反射的辐射在两个偏振角中被检测，并且带 通滤波器用于评估从辐射检测器产生的信号。采用第一和第二辐射检 测器检测和测量偏振辐射的p -分量和s _分量。入射到衬底20上的 辐射包括具有254nm波长的辐射。位于辐射路径中的带通滤波器适于 选择通过具有在通带范围内的频率的辐射，该通带范围的中心在从衬 底20上被蚀刻的部件25反射的辐射频率周围。图13示出在辐射被偏振之后得到的、与被检测偏振辐射信号成比 例和通过带通滤波器中的两个周期处理成比例信号的信号轨迹。入射 辐射具有254nm的波长。确定从部件25和抗蚀刻材料21反射的辐射 的比例。成比例信号轨迹通过带通滤波器的两个周期被处理。对于具 有50%开口氧化物面积的衬底，预定蚀刻深度与被测量的蚀刻深度相 同，都在约0.46微米。当在具有30%开口氧化物面积的衬底上进行相 同的测试时，预定蚀刻深度为0.49微米，测量蚀刻深度为0.5微米， 稍微不同；对于20%的开口氧化物面积，预定蚀刻深度为0.46微米， 测量蚀刻深度为0.48微米。这些结果证实了本方法和设备的准确度。例2在本例中，在包括第一层22和第二层24的衬底20中蚀刻部件25， 第一层22具有第一折射率，第二层24具有第二折射率。蚀刻工艺在 具有被遮蔽装置140覆盖的凹陷窗口 61并具有在窗口 61周围的磁场 源195的磁性增强蚀刻室35中进行，如图9中所示的例子。衬底20 是硅晶片，它从上到下包括厚度为500埃的碳化硅层、包括厚度为1 微米并用TEOS (Si (OCH3) 3)沉积的氧化硅的介质层24、和包括厚 度为600埃的碳和氢的黑金刚石 的防反射层22。上层形成图案的光 刻胶层21覆盖防反射层22。在第一蚀刻阶段，用包括50sccm CF4的被激励处理气体蚀刻防反 射层22。腔室中的压力维持在50毫乇，处理电极R.F.偏置功率水平在 300瓦，部分腔室维持在15°C的温度。来自被激励处理气体的辐射发 射的波长的强度被控制在3865埃的波长，以便确定第一蚀刻阶段的完 成。图14A示出做为时间函数的观察到的辐射波长的强度。在这个图中，辐射波长的强度降低，直到约20秒。之后，看到强度急剧上升， 这表示防反射层22已经被蚀刻以暴露介质层24。此后，用包括100sccmCF4和30sccmN2的激励处理气体在第二蚀 刻阶段蚀刻介质层24。腔室中的压力维持在200毫乇，处理电极R.F. 偏置功率水平在800瓦，部分腔室维持在15°C的温度。从衬底20反 射的辐射在两个偏振角中被检测以确定第二蚀刻阶段的完成。两个偏 振角包括基本上垂直于衬底上被蚀刻的部件的主取向的角度和基本上 平行于部件的主取向的第二角度。入射到衬底20上的辐射包括波长为 254nm的辐射。图14B示出在从衬底反射的辐射被偏振之后得到的、 与被检测偏振辐射角成比例的信号轨迹。在这个信号基础上，确定蚀 刻处理的结束时间为15秒，蚀刻深度为800埃。这些结果表明了本发明的方法和设备的精度。本发明的方法和设 备能够确定蚀刻衬底20上的第一层22的第一蚀刻阶段的完成和蚀刻 第二层24的第二蚀刻阶段的完成。特别是，在蚀刻包括第一折射率的 第一层22和包括第二折射率的第二层24的衬底20时，通过首先确定 己经蚀刻完第一层以暴露第二层的时间，本方法和设备能够更精确地 确定蚀刻第二层24的第二蚀刻阶段的完成。通过确定蚀刻第一层22 的第一蚀刻阶段的完成，可在已经开始蚀刻第二层24时开始反射偏振 辐射的监控，由此减少完成第二蚀刻阶段的计算错误的可能性。前面已经参照某些优选方式介绍了本发明，然而，其它方式也是 可能的。例如，可采用检测工艺的结束时间用于检测其它工艺和其它 腔室中的结束点，如本领域普通技术人员所显而易见的，包括(但不 限于)蚀刻腔室的其它类型，包括(但不限于)容性耦合的腔室、离 子注入室、以及沉积室，如PVD或CVD室。因此，所附权利要求书 的精神和范围不限于这里包含的优选方式的说明。
权利要求
1.一种衬底处理设备，包括(a)一个能处理衬底的腔室；(b)一个提供辐射的辐射源；(c)一个辐射检测器，用于在处理期间检测从所述衬底反射的辐射并产生一个信号；和(d)一个带通滤波器，所述带通滤波器过滤所述信号以便可选择地通过相对于其它信号分量的由所述衬底上正被处理的特征反射的辐射所产生的信号分量，从而相对于其它信号分量增加特征反射的辐射的信号分量的强度。
2. 根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器可选择地通过由 反射辐射所产生的与特征反射的辐射频率相关的选定的通带频率范围 内的信号分量。
3. 根据权利要求2的设备，其中所述通带频率范围的中心约为对 应于具有所检测的振荡调制幅值的特征反射辐射频率的中心频率。
4. 根据权利要求3的设备，其中所述通带频率范围包括所述中心 频率的±10%范围内的频率。
5. 根据权利要求2的设备，其中所述沟槽成形特征在衬底上的绝 缘材料中被蚀刻，并且其中所述通带频率为约0.09Hz到约O.llHz。
6. 根据权利要求2的设备，其中所述辐射源是一个非相干辐射源， 所述辐射源包括提供多波长或相位辐射的等离子发射体，并且其中所 述通带频率可被选择以提供来自所述非相干辐射源的相干长度。
7. 根据权利要求6的设备，其中所述相干长度是在特征反射辐射 中可观察的干扰效应的长度。
8. 根据权利要求6的设备，其中根据公式义2/^U选择所述相干长 度，其中n是被蚀刻层的折射率，A是等离子体发射光谱的中心波长， A义是波长范围，相当于通带频率。
9. 根据权利要求8的设备，其中选择相干长度以便"MA;i大于被 蚀刻层的厚度。
10. 根据权利要求2的设备，其中所述辐射源发射中心约为254纳 米频率的辐射，所述带通滤波器对应于约为1.5纳米的波长范围A义。
11. 根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器经过一个或多个 周期处理信号，且其中在每个周期中，所述信号被过滤以使对应于来 自所述衬底中被蚀刻特征的反射辐射的频率的信号分量通过，同时减 弱对应于来自所述衬底的其它部分的反射辐射的频率的信号分量。
12. 根据权利要求11的设备，其中周期数量是约为1到约10个周期。
13. 根据权利要求1的设备，其中所述带通滤波器包括一个电信号 处理器。
14. 根据权利要求13的设备，其中所述电信号处理器包括一个数 字信号处理器。
15. 根据权利要求1的设备还包括一个辐射偏振器，适于将所述辐 射偏振至基本上平行于衬底中正被处理的特征的主取向的偏振角，或 基本上垂直于所述主取向的偏振角。
16. 根据权利要求15的设备，其中所述特征包括主取向，并且其 中所述辐射被偏振到基本上平行于所述主取向的第一偏振角和基本上 垂直于所述主取向的第二偏振角。
17. 根据权利要求1的设备，其中所述腔室包括衬底支撑件、气 体入口、气体激励器和排气装置；且其中所述装置还包括一个控制器，用以(1)分析所述信号以检测与处理结束点相关的 信号特性，所述特性包括所述信号中的谷值、峰值、向上倾斜、或向 下倾斜；和(2)操作所述衬底支撑件、气体供给装置、气体激励器和 排气装置中的一个或多个，以便根据对所述信号特性的检测来改变处 理条件。
18. —种衬底处理方法包括(a) 将衬底放置在处理区中；(b) 设置被激励气体的处理条件以处理所述衬底； (C)在所述处理区中提供辐射源；(d) 检测在处理所述衬底期间从所述衬底反射的辐射并产生信号；和(e) 过滤所述信号以便可选择地通过相对于其它信号分量由所述 衬底上正被处理的特征反射的辐射所产生的信号分量，从而相对于其 它信号分量增加特征反射的辐射的信号分量的强度。
19. 根据权利要求18的方法，包括过滤所述信号以便可选择地通 过由反射辐射所产生的具有通带频率范围内的频率的信号分量。
20. 根据权利要求19的方法，其中所述通带频率的中心约为对应 于具有所检测的振荡调制幅值的特征反射辐射频率的中心频率。
21. 根据权利要求19的方法，其中所述通带频率包括所述中心频率的土10。/o范围内的频率。
22. 根据权利要求18的方法，其中所述沟槽成形特征在衬底上的 绝缘材料中被蚀刻，并且其中所述通带频率为约0.09Hz到约O.llHz。
23. 根据权利要求18的方法包括一个辐射偏振器，适于将所述辐 射偏振至基本上平行于所述衬底中正被处理的特征的主取向的偏振角，或基本上垂直于所述主取向的偏振角。
24.根据权利要求23的方法，其中所述特征包括主取向，并且其 中所述辐射被偏振到基本上平行于所述主取向的第一偏振角和基本上 垂直于所述主取向的第二偏振角。
全文摘要
一种衬底处理设备具有一个能处理衬底的腔室，一个提供辐射的辐射源，一个适于将辐射偏振到一个或多个偏振角的辐射偏振器，偏振角选择成与衬底上的被处理部件的取向相关，一个在处理期间检测从衬底反射的辐射并产生信号的辐射检测器，以及一个处理该信号的控制器。
文档编号H01L21/3065GK101165867SQ20071014781
公开日2008年4月23日 申请日期2001年10月23日 优先权日2000年10月23日
发明者C·弗鲁姆, C-L·谢, H·努尔巴赫什, H·单, J·袁, N·约翰松, Y·关, Z·隋 申请人:应用材料有限公司