专利名称：具有原位监视和过程参数调谐的等离子体处理方法
技术领域：
本发明涉及具有原位监视和过程参数调谐的等离子体处理方法。
背景技术：
等离子体处理(Plasma processing)广泛用于半导体和其它工业已有 数十年。等离子体处理用于例如清洗(cleaning),蚀刻、研磨(milling) 和沉积等任务。最近，等离子体处理已用于掺杂。等离子体掺杂有时称为 PLAD或等离子体浸没离子植入(plasma immersion ion implantation, PIII )。已开发出等离子体掺杂系统以满足某些现代电子和光学装置的掺杂 要求。
等离子体掺杂在根本上不同于常规的射束线离子植入系统(beara-1 ine ion implantation systems),所述系统用电场使离子加速且接着根据其质 荷比来对所述离子进行过滤，以选择所需的离子用于植入。相反，等离子体 植入系统将目标物浸没在含有掺杂剂离子(dopant ions)的等离子体中，并 用一连串负电压脉冲(negative voltage pulses)来偏置(bias)目标物。等 离子体壳层(plasma sheath)内的电场使离子朝向目标物加速，进而将所 述离子植入到目标物表面中。
用于半导体工业的等离子体掺杂系统通常需要非常高精度的过程控 制。广泛用于半导体工业的常规射束线离子植入系统在等离子体掺杂期间 具有优良的过程控制且还具有优良的批次间过程控制(run-to-run process
control )。常规的射束线离子植入系统在现有技术半导体衬底的整个表面 上提供高度均匀的掺杂。 一般来说，等离子体掺杂系统的过程控制并不如 常规的射束线离子植入系统那么好。
通过从各种离线实验(off-line experiments)获得数据、对所述数 据进行分析且接着响应于所述分析而改变制法参数(recipe parameters)来 优化已知的等离子体掺杂过程。本发明涉及等离子体处理设备(例如等离 子体4参杂设备)的原位监一见(In-situ monitoring)和优化。原位监碎见和 优化可大大改进等离子体掺杂设备的过程控制
发明内容
无
根据优选和示范性实施例，在结合附图所进行的以下详细描述中更特 定地描述本发明及其进一步优点。所述图式未必按比例绘制，而是大体上 着重于说明本发明的原理。
图1绘示根据本发明的具有原位监视和过程参数调谐的等离子体掺杂 方法的流程图。
具体实施例方式
现将参看如附图中所示的示范性实施例来更详细地描述本发明的教 示。尽管结合各种实施例和实例来描述本教示，但不希望本教示限于此些 实施例。相反，本教示涵盖各种替代方案、修改和等效物，如所属领域的 技术人员将了解。阅读了本文教示的所属领域的技术人员将认识到额外的 实施方案、修改和实施例，以及其它使用领域，这些均处于如本文所描述 的本发明的范围内。
举例来说，虽然结合等离子体掺杂来描述改进本发明的过程控制的方 法，但应了解，本发明的方法可应用于任何类型的等离子体过程。具体地说， 根据本发明的均勻性改进方法还可应用于等离子体处理系统，包含用于沉 积(例如化学和物理沉积)的系统和用于蚀刻(包含反应性离子蚀刻
(reactive ion etching)和物理独刻)的系统。
应了解，本发明的方法的各个步骤可以任何顺序来执行和/或同时执 行，只要本发明仍为可操作的。另外，应了解，本发明的设备可包含任何 数目的或所有的所述实施例，只要本发明仍为可操作的。
在已知的等离子体掺杂系统中，通过利用实验设计(design of experiment, DOE )方法来优化等离子体掺杂制法参数，例如等离子体功率、 腔室压力、气体流动速率、剂量、均匀性和能量。术语"制法参数"在本 文中经定义以指改变处理工具中的等离子体掺杂条件的实际设备设置或操 作参数。制法参数构成用于执行特定处理操作(即，等离子体掺杂操作) 的过程或制法。
实验设计方法包含执行晶片参数(wafer parameters)的各种离线测 量，所述晶片参数例如为退火后电阻率(resistivity after anneal, Rs ) 和/或结深度(junction d印th )以及退火之前与之后的陡度(abruptness )。 举例来说，可从简单的探针测量(probe measurements)来进行电阻率测 量。可用实验方法从二次离子质语测量(secondary ion mass spectrometry, SIMS)数据获得结深度的测量。接着分析来自离线测量的数据。可手动或 通过计算机程序来分析所述数据。举例来说，可使用各种市售的软件分析 工具来分析数据，或可由用户写入专用的数据分析程序。接着从所述数据分析获得改进的制法参数。
接着使用经改进的制法参数来创建改进的处理条件。不再使用对固定
制法参数所创建的等离子体掺杂条件的在线(on 1 ine)测量或原位测量来执 行进一步的改进或优化。术语"原位测量，，在本文中经定义以指在处理晶 片或其它工件的同时执行的对等离子体掺杂条件的任何测量。这种类型的 优化有时称为"开环优化(open-loop optimization)",因为当前等离子 体掺杂条件的测量不用于在等离子体摻杂操作期间动态地修改制法参数。
开环优化往往会由于许多原因而达不到最佳的工具操作。举例来说，已 知开环等离子体处理系统中的等离子体掺杂条件倾向于会随时间而偏移， 因为腔室条件和等离子体特性倾向于会根据时间而变化。已知的等离子体 掺杂、等离子体增强型化学汽相沉积(plasma enhanced chemical vapor d印osition, PECVD )和等离子体蚀刻系统试图通过周期性地清洗和/或调 节过程腔室来补偿腔室和等离子体特性中的此类改变。
腔室清洗和调节程序用于在某种量度的处理时间逝去之后，例如在已 经处理完预定数目的晶片之后，有效地将等离子体腔室条件(plasma chamber conditions)复位到某些初始条件。晶片级(wafer level)结果 对等离子体腔室条件改变的敏感性确定清洗和调节的时间间隔。确定最大 清洗和/或调节时间间隔对于最大化总的工具处理量和过程可重复性来说 是重要的。然而，周期性地清洗和/或调节过程腔室将降低晶片处理量且增 加总处理成本。另外，需要补偿由调节造成的工具闲置，工具闲置还不利 地影响生产处理的工具可用性。
高级半导体制造过程经常需要严密的过程控制。具体来说，用于制造 高级半导体的等离子体掺杂过程需要非常精确地控制每一晶片内、晶片间
和批次间的植入物剂量和物质混合。过程腔室的周期性清洗和/或调节对于 这些应用来说可能是不合意的，因为制法参数可能在清洗步骤之间发生偏 移(drift)。
根据本发明的方法执行制法参数闭环调谐(closed-loop tuning)以调
整等离子体掺杂条件，以便以某种方式来稳定和/或改进处理工具性能。术 语"制法参数闭环调谐"在本文中经定义以指使用原位测量来提供关于当 前操作条件的数据，所述数据用于在处理期间调整制法参数。在一些实施 例中，本发明的方法执行制法参数闭环调谐以调整等离子体掺杂条件，以便 优化一个或多个处理条件。另外，在一些实施例中，本发明的方法执行制 法参数闭环调谐以调整等离子体掺杂条件，以便改进过程工具成本量度，例 如过程工具处理量和/或利用率。
举例来说，在一些实施例中，本发明的方法执行制法参数选择或优化， 其提供过程改进，例如更高(或最高)的晶片处理量(晶片/小时)、较高(或最高)的保留剂量、晶片上的均匀性和/或从用户要求得到的任何其它 过程参数。在一些具体实施例中，本发明的方法针对某些客户要求(例如
区角剂量控制(angle dose control))而优化过程工具。区角剂量控制对 于许多应用来说是重要的。举例来说，区角剂量控制对于保形掺杂应用 (confo皿l doping applications)来说必须相对较高，且对于某些其它 应用(例如源极漏极扩展(source drain extension, SDE ))来说必须相 对较窄。
更具体地说，在本发明的一些实施例中，根据本发明的等离子体过程优 化方法包含使用基于模型的制法参数产生器以选择初始制法参数。术语"基 于模型的制法参数产生器，，在本文中经定义以指基于以数值或规则为基础 的方法来计算制法参数的任何构件。在当前操作条件下进行原位测量。接 着对原位测量进行分析并使其与至少一个过程结果相关。接着响应于原位 测量与至少一个等离子体掺杂结果的相关而调整或"调谐"所述制法参数 中的一者或一者以上，以便改进或优化过程。这些经改进或优化的制法参 数经选择以实现所需的结果，例如更高水平的过程可重复性、更高水平的 剂量循环(dose loop)和/或系统处理量及利用率的改进或优化。在许多 实施例中，此方法是非线性优化方法。
图1展示根据本发明的具有原位监视和过程参数调谐的等离子体掺杂 方法的流程图100。在一些实施例中，所述方法执行原位监视和过程参数调 谐以实现改进的过程性能和/或改进的过程成本量度。在其它实施例中，所 述方法执行原位监视和过程参数调谐以优化至少一个过程性能量度和/或 过程成本量度。
在第一步骤102中，用户输入所需的过程结果。对于等离子体掺杂过 程，所需的过程结果包含晶片级植入参数，例如植入剂量、植入能量、最 小均匀性、掺杂物质、表面电阻(sheet resistance)(所植入的)和退火 的结;果度曲线陵度(annealed junction depth profile abruptness)(户斤 植入的)。通常，退火的结深度曲线由结深度和结陡度来表征。
在第二步骤104中，针对第一步骤102中所键入的所需等离子体处理 结果而创建制法参数数据库。在一些实施例中，所述方法使用基于模型的制 法参数产生器以产生制法参数数据库。在各种其它实施例中，用户直接将数 据输入到制法参数数据库中或使用若干预定的制法参数数据库中的 一者。
在一些实施例中，通过首先使用实验设计方法进行离线测量来产生制 法参数数据库。术语"离线测量，'在本文中经定义为在过程终止之后进行 的测量。通常，处理多个测试晶片，且接着将其从处理设备移除以执行离 线测量。接着使用离线测量来确定各种等离子体处理工具参数或设置、与 过程或晶片级结果之间的关系。在许多实施例中，各种等离子体处理工具参数与过程级(process level)结果之间的关系存储在计算机数据库中。
在第三步骤106中，从第二步骤104中所产生的制法参数数据库键入 (entered)或输入初始制法参数。使用各种等离子体处理工具参数与处理 结果之间的关系的分析来确定初始制法参数。处理结果是过程的晶片级结 果。等离子体处理工具参数是用于产生和维持等离子体和处理环境的实际 处理工具设置。这些处理工具参数或设置通过手动键入或被键入到计算机 程序中。可从制法参数数据库确定的处理工具参数的实例是RF功率、腔室 压力、DC偏压、4参杂剂和稀释气体流动(dopant and dilution gas flows )、 DC脉冲频率和脉沖长度。
在一些实施例中，初始制法参数表示针对直接实现所需处理结果的制 法参数的用户最佳估计。在其它实施例中，初始制法参数是适用于使用本 发明的方法来进行"调谐，，以有效收敛于改进或优化过程结果的制法参数 的参数。
在一些实施例中，使用分析/统计模型根据制法参数数据库来确立初始 制法参数，所述模型使等离子体操作条件与来自各种实验设计和/或单变量 测试的等离子体掺杂结果相关。在其它实施例中，根据先前优化的等离子 体掺杂条件来确立初始制法参数。
在第四步骤108中，通过执行原位传感器测量来监视等离子体掺杂条 件。等离子体掺杂条件的原位传感器测量可用多种类型的传感器和沉积/蚀 刻/剂量监视器(例如反射计)来进行，所述传感器例如为光学发射光谱仪 (optical emission spectrometers )、 飞行时间(time of flight, T0F) 分析探针、朗谬尔(Langmuir )探针、质量及能量分析仪(mass and energy analyzers )、法拉第杯传感器(Faraday cup sensor )。原位传感器测量还 可用于触发过程的终止和清洗/调节序列的起始。
在第五步骤110中，使来自第四步骤108中所获得的等离子体掺杂条 件的原位监视的数据与至少一个等离子体掺杂结果相关。所述至少一个等 离子体掺杂结果是用来表征掺杂的晶片级结果，例如电阻率、结深度和退 火之前与之后的陡度。上述相关包含了响应于各种制法参数而解释传感器 数据的原位测量。举例来说，可使T0F传感器所测量的等离子体离子组分 的改变与总离子剂量的测量相关。
在第六步骤112中，响应于第五步骤110中所执行的相关而改变至少 一个制法参数，以便通过至少一个成本量度或性能量度来改进或优化等离 子体掺杂条件。换句话说，在第六步骤112中，基于第五步骤110中所执 行的相关而将至少一个制法参数"调谐"到更合意(即，改进或优化至少 一个成本或性能量度)的新制法参数。在各种实施例中，"调谐"所述至少 一个制法参数以实现某些客户要求，例如实现特定处理目标、最大化工具处理量及利用率和改进过程可重复性。
在第七步骤114中，确定在第六步骤112中执行的至少一个制法参数的 改变所产生的新等离子体掺杂条件。
在第八步骤116中，作出在第七步骤114中所确定的新等离子体掺杂条 件是否为可接受的决策，所述新等离子体掺杂条件对应于在第六步骤112中 响应于所述相关而改变的所述至少一个制法参数。在一些实施例中，作出是 否针对至少一个等离子体掺杂参数而优化新等离子体摻杂条件的决策。如 果第八步骤116中的决策指出制法参数是可接受的，那么终止方法100且 可在第九步骤118中对晶片运行等离子体摻杂过程。
然而，如果第八步骤116中的决策指出制法参数是不可接受的，那么 方法IOO使控制返回到第四步骤108，其中再次通过执行原位传感器测量来 监视等离子体掺杂条件。方法110接着重复进行，直到过程在第九步骤118 中运行为止。以此方式，结合图1描述的方法100以非线性方式主动"调 谐，，制法参数以针对等离子体掺杂或其它晶片级结果进一步改进或优化等 离子体掺杂条件。
在各种实施例中，结合图1来描述的原位监视和过程参数选择方法可用 于单独地或与其它或所有制法参数同时地调谐任何一个制法参数。在一个 实施例中，设置多个制法参数中的每一者，且接着使用结合图1来描述的 原位监视和过程参数选择方法来个别地调谐制法参数以改进或优化等离子 体掺杂条件。在另一实施例中，结合图1来描述的原位监视和过程参数选择 方法用于同时调谐一些或所有制法参数以改进或优化等离子体掺杂条件。
结合图1来描述的原位监视和过程参数选择方法可用于降低或最小化 由于清洗和/或调节等离子体腔室而引起的设备停机时间，且因此可改进工 具利用率和处理量。另外，结合图1来描述的原位监视和过程参数选择方
法可用于补偿等离子体掺杂条件中的偏移，且因此可产生更稳定的等离子 体掺杂条件，其改进了过程可重复性。 等效物
尽管结合各种实施例和实例来描述本教示，但不希望本教示限于此类 实施例。相反，本教示涵盖各种替代方案、修改和等效物，如所属领域的 技术人员将明白，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下在本教示中作 出这些替代方案、修改和等效物。
权利要求
1、一种选择等离子体掺杂过程参数的方法，其特征在于其包括a. 确定制法参数数据库以实现至少一个等离子体掺杂结果；b. 根据所述制法参数数据库来确定初始制法参数；c. 执行至少一个等离子体掺杂条件的原位测量；d. 使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与至少一个等离子体掺杂结果相关；以及e. 响应于所述相关而改变至少一个制法参数，以便改进至少一个等离子体掺杂过程性能量度。
2、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过实验设计测试来确定 所述制法参数数据库。
3、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过至少一个单变量实验 来确定所述制法参数数据库。
4、 根据权利要求1所述的方法，其进一步包括重复所述执行所述原位 测量的步骤、与所述原位测量相关的步骤以及改变所述至少一个制法参数 的步骤，直到实现所述至少一个等离子体掺杂过程性能量度的所需改进为 止。
5、 根据权利要求4所述的方法，其特征在于将所述初始制法参数选择 为有效收敛于导致所述至少一个等离子体掺杂过程性能量度的所述所需改 进的制法参数的制法参数。
6、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述执行所述原位测量包 括执行以下至少之一光学发射光谱测定、飞行时间分析、质量分析、中 性组分分析、离子能量分析、剂量分析和等离子体特性分析。
7、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体掺 杂过程性能量度包括等离子体掺杂工具处理量。
8、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体掺 杂过程性能量度包括等离子体掺杂剂量。
9、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体掺 杂过程性能量度包括等离子体掺杂均匀性。
10、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体 掺杂过程性能量度包括等离子体区角分布。
11、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述响应于所述相关而 改变所述至少一个制法参数优化了至少一个等离子体掺杂过程性能量度。
12、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述响应于所述相关而 改变所述至少一个制法参数优化了至少两个等离子体掺杂过程性能量度。
13、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等 离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少一个等离子体掺杂结果相关包 括与分析模型相关。
14、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少一个等离子体掺杂结果相关包 括与统计模型相关。
15、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等 离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少 一个等离子体掺杂结果相关包 括与来自实验设计测试的数据相关。
16、 根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等 离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少 一个等离子体掺杂结果相关包 括与来自单变量测试结果的数据相关。
17、 一种优化至少一个等离子体掺杂过程参数的方法，其特征在于其包括a. 确定制法参数数据库以优化至少 一个等离子体掺杂结果；b. 根据所述制法参数数据库来确定初始制法参数；c. 执行至少一个等离子体掺杂条件的原位测量；d. 使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与至少一个等离 子体掺杂结果相关；e. 响应于所述相关而改变至少一个制法参数，以便改进至少一个等离 子体掺杂过程性能量度；以及f. 重复所述执行所述原位测量的步骤、与所述原位测量相关的步骤以 及改变所述至少一个制法参数的步骤，直到优化至少一个等离子体掺杂过 程性能量度为止。
18、 根据权利要求17所述的方法，所述执行所述原位测量包括执行以 下至少一者光学发射光谱测定、飞行时间分析、质量分析、中性组分分 析、离子能量分析、剂量分析和等离子体特性分析。
19、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体 掺杂过程性能量度包括等离子体掺杂工具处理量。
20、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体掺杂过程性能量度包括等离子体掺杂剂量。
21、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述至少一个等离子体 掺杂过程性能量度包括等离子体掺杂均匀性。
22、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等 离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少 一个等离子体掺杂结果相关包 括与分析模型相关。
23、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少一个等离子体掺杂结果相关包 括与统计模型相关。
24、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等 离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少一个等离子体掺杂结果相关包 括与来自实验设计测试的数据相关。
25、 根据权利要求17所述的方法，其特征在于所述使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与所述至少一个等离子体掺杂结果相关包 括与来自单变量测试结果的数据相关。
26 、 一种同时优化至少两个等离子体掺杂过程参数的方法，其特征在于 其包括a. 确定制法参数数据库以优化至少 一个等离子体掺杂结果；b. 根据所述制法参数数据库来确定初始制法参数；c. 执行至少一个等离子体掺杂条件的原位测量；d. 使所述至少一个等离子体掺杂条件的所述原位测量与至少一个等离 子体掺杂结果相关；e. 响应于所述相关而改变至少两个制法参数，以便改进至少一个等离子体掺杂过程性能量度；以及f. 重复所述执行所述原位测量的步骤、与所述原位测量相关的步骤以 及改变所述至少两个制法参数的步骤，直到优化至少一个等离子体掺杂过 程性能量度为止。
全文摘要
本发明提供一种选择等离子体掺杂过程参数的方法，其包含确定一制法参数数据库以实现至少一个等离子体掺杂条件。根据所述制法参数数据库来确定初始制法参数。执行至少一个等离子体掺杂条件的原位测量。使所述至少一个等离子体掺杂条件的原位测量与至少一个等离子体掺杂结果相关。响应于所述相关而改变至少一个制法参数，以便改进至少一个等离子体掺杂过程性能量度。
文档编号H01L21/66GK101432865SQ200780015283
公开日2009年5月13日 申请日期2007年3月20日 优先权日2006年3月21日
发明者乔治·帕帕守尔艾迪斯, 安东尼·雷诺, 提摩太·米勒, 爱德温·阿雷瓦洛, 田容培, 维克拉姆·辛, 阿塔尔·古普塔 申请人:瓦里安半导体设备公司