CN100505176C - 在薄膜的等离子体蚀刻过程中探测终止点的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在蚀刻具有置于终止点生成层之上的第一层的叠层时控制等离子体蚀刻过程的方法。该方法包括在监控穿过等离子体处理室内部的光束的吸收率时，蚀刻穿过第一层并至少部分蚀刻穿过终止点生成层，其中，终止点生成层选自从当被蚀刻时能产生可探测的吸收率变化的材料。终止点生成层的特征在于第一特征和第二特征中的至少一个。第一特征是厚度不足以作为蚀刻终止层，及第二特征是用于蚀刻穿过第一层的蚀刻剂的选择性不足以作为蚀刻终止层。该方法还包括在探测到可探测的变化时产生终止点信号。
Description
背景技术
本发明主要涉及用于监控和控制制造集成电路装置中使用的过程的方法。更具体些，本发明涉及一种用于在等离子体蚀刻膜叠层(例如电介质膜叠层)的过程中探测终止点的方法。
在集成电路的制造中，特征被蚀刻到膜叠层中并填充不同的材料以形成所需的电路。为了便于理解，此公开集中在作为涉及膜叠层的蚀刻的一个典型技术的双镶嵌整合。然而，应该理解，在此公开的技术不局限于双镶嵌整合(dual damascene integration)并可以应用到需要终止点的任何膜叠层的蚀刻中。
通常，双镶嵌整合用来形成复杂集成电路装置中的高速线路互连。在双镶嵌整合中，槽和通孔是由低介电常数(低-κ)材料构成的，例如氟硅酸盐玻璃(FSG)，有机硅酸盐玻璃(OSG)，例如黑金刚石(BLACK DIAMOND)或珊瑚(CORAL)，或者旋转涂布有机物(spin-on organic，SOO)，例如SILK或FLARE，并填充铜或其它合适的导体。铜被用来减少金属互连线的阻抗，及低-κ材料用来减少金属互连间的寄生电容。
图1A示出了在铜线102上形成的双镶嵌叠层100。通常，双镶嵌叠层由硬掩模和层间绝缘体的序列制造。在下面的论述中，术语例如“上面”和“下面”在此用来论述层间的空间关系，但不总是表示所涉及的层间的直接接触。应该注意可能表示所示或所述层的上面、下面或层间的其它额外的层。而且，不是所有的所述或所述层需要被表示并且一些或所有可能被其它不同层替代。
例如，双镶嵌叠层100包括顶部硬掩模104，介电膜叠层106及扩散式叠层(diffusion barrier，也称扩散势垒)108。介电膜叠层106包括低-κ层间绝缘体110、112和嵌入的硬掩模114。顶部硬掩模104保护层间绝缘体(dielectric，也称绝缘材料)110不受光致抗蚀剂脱模过程中使用的化学药品的影响及可以根据目标应用被忽略。扩散式叠层108防止铜102和层间绝缘体112之间的原子的不需要的扩散。嵌入的硬掩模114和扩散式叠层108分别作为用于槽和通孔蚀刻的蚀刻终止层。
双镶嵌整合有两种主要的方法：先蚀刻槽的方法和先蚀刻通孔的方法。在先蚀刻槽的方法中，当在叠层100中形成槽后，在双镶嵌叠层100中形成通孔图案并蚀刻。在先蚀刻通孔的方法中，当在叠层100中形成通孔后，在双镶嵌叠层100中形成槽图案并蚀刻。一种叫做掩埋通孔或自对准镶嵌过程的较不通用的双镶嵌整合的方法包括在沉积层间绝缘体110和顶部硬掩模104之前使嵌入的硬掩模114形成图案并在叠层100中一步完成槽和通孔的蚀刻。
图1B-1D示出了典型的先蚀刻槽的双镶嵌过程。在图1B中，具有槽图案的光致抗蚀剂掩模116被施于顶部硬掩模104上。通过蚀刻槽掩模116，穿过顶部硬掩模104和层间绝缘体110，终止在嵌入的硬掩模114上，在叠层100中形成槽118。在图1C中，已经剥掉槽掩模(图1B中的116)，并且将具有通孔图案的光致抗蚀剂掩模120施于顶部硬掩模104和暴露的嵌入的硬掩模114上。通过蚀刻通孔掩模120，穿过嵌入的硬掩模114和层间绝缘体112，终止在扩散式叠层108上，在叠层100中形成通孔122。
在图1D中，暴露的扩散式叠层108已经通过蚀刻过程被打开，并且通孔掩模(图1C中的120)已被剥掉。铜124沉积到槽118和通孔122中，并被磨光与槽118的表面相平。槽118和通孔122通常由诸如钽这样的材料作为衬里以防止铜扩散到层间绝缘体110、112中。在图1E中，一层扩散式叠层125沉积于叠层100上以覆盖铜124。
图1F-1I示出了先蚀刻通孔的双镶嵌过程。在图1F中，具有通孔图案的光致抗蚀剂掩模126被施于顶部硬掩模104上。通过蚀刻通孔掩模126，穿过顶部硬掩模104、层间绝缘体110、嵌入的硬掩模114和层间绝缘体112，并终止在扩散式叠层108上，在叠层100中形成通孔128。在图1G中，光致抗蚀剂掩模(图1F中的126)已经被剥掉，并将具有槽图案的光致抗蚀剂掩模130施于顶部硬掩模104上。通过蚀刻槽掩模130，穿过顶部硬掩模104和层间绝缘体110，终止在嵌入的硬掩模114上，在叠层100中形成槽132。
在图1H中，暴露的嵌入硬掩模114已经通过蚀刻过程被打开，并且槽掩模(图1G中的130)已经被剥掉。铜134沉积到通孔128和槽132中，并被磨光与槽132的表面相平。通孔128和槽132通常由诸如钽这样的材料作衬里以防止铜扩散到层间绝缘体110、112中。在图1I中，一层扩散式叠层135沉积于叠层100上以覆盖铜134。
例如，在槽蚀刻中，嵌入的硬掩模114通常保持在介电膜叠层106中。当被用作蚀刻终止层时，嵌入的硬掩模114需要有选择性以蚀刻，通常意味着嵌入的硬掩模114的蚀刻速度显著慢于层间绝缘体110的蚀刻速度。通常，被用作蚀刻终止层的材料，例如SiNx或SiC，趋向于相对于低-κ层间绝缘体具有高介电系数(κ)值，提高了介电膜叠层106的总κ值。介电膜叠层106的总κ值的提高导致寄生电容的增加并损害了叠层减轻电延迟的能力。因此，希望消除高-κ嵌入的硬掩模114，或至少减少其对寄生电容的影响。然而，蚀刻控制在没有有效蚀刻终止层时是困难的。
在没有有效蚀刻终止层时控制蚀刻的一种方法是定时蚀刻(timed-etch)。然而，定时蚀刻可能具有很低的成品率，因为其没有解决引入材料的变化，例如，从一个叠层到下一个叠层的膜厚度的变化，材料成分导致的蚀刻速度的不同，及实质相同的蚀刻***的蚀刻速度的不同。
单个或多个离散波长干涉测量是在蚀刻过程中不需要蚀刻终止层来探测终止点的光学诊断方法的实例。在单波长干涉测量中，光束指向晶片的表面。然后从晶片反射的信号建设性地或破坏性地结合以产生周期性干扰带。当达到对应于要除去的材料的厚度的干涉带的预定数量时，蚀刻过程停止。通常，来自双镶嵌结构中的接口(或下面的金属特性)的强烈反射使得很难使用干涉测量方法来探测蚀刻终点。此外，干涉测量方法在解决引入材料变化时有局限性，因为其测定的是与绝对特征尺寸相反的特征尺寸中的相对变化。
如前所述，需要一种在蚀刻膜叠层过程中探测终止点而不会明显增加膜叠层的总κ值的方法。
发明内容
在一实施例中，本发明涉及在等离子体处理室中控制等离子体蚀刻过程的方法。该方法包括：确定终止点生成层的厚度；如果所述终止点生成层的介电常数(κ)值低于或等于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度被确定为相对于所述第一层的厚度更厚，如果所述终止点生成层的介电常数值高于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度被确定为相对于所述第一层的所述厚度更薄，将在其上具有叠层(layer stack)的基片引入等离子体处理室中，叠层包括置于终止点生成层上的第一层。该方法还包括当监控穿过等离子体处理室内部的光束的吸收率时，蚀刻穿过第一层并至少部分蚀刻穿过终止点生成层，其中，终止点生成层选自当蚀刻时产生可探测的吸收率的变化的材料。终止点生成层的特征在于至少第一特征和第二特征至少之一。第一特征为所述终止点生成层的所述厚度小于用于所述蚀刻的可应用的蚀刻终止层的厚度，及第二特征为用于蚀刻穿过第一层的蚀刻剂的选择性低于用于蚀刻的可应用的蚀刻终止层的选择性。另外，该方法包括当探测可探测的变化时产生终止点信号。
在另一实施例中，本发明涉及用于在等离子体处理室中蚀刻的基片。基片包括第一层和置于第一层下的终止点生成层。终止点生成层由当所述终止点生成层被蚀刻时产生穿过所述等离子体室的内部的光束的吸收率的可探测的变化的材料形成。终止点生成层的厚度小于可应用的蚀刻终止层的厚度，所述终止点生成层的进行蚀刻的选择性低于所述蚀刻终止层进行所述蚀刻的选择性，如果所述终止点生成层的介电常数(κ)值小于或等于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度相对于所述第一层的所述厚度更厚，如果所述终止点生成层的所述介电常数值高于所述第一层的所述介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度相对于所述第一层的所述厚度更薄。
在另一实施例中，本方法涉及检测蚀刻过程中的终止点。该方法包括：在所述低-κ层中用至少两种元素的同位素富集所述低-κ层而不使用蚀刻终止层；监控所述等离子体处理室中的等离子体种类的浓度，所述等离子体种类包括所述同位素中的至少一种元素与至少一种蚀刻气体的元素的化合物；以及基于所述等离子体种类的所述浓度的改变，使用终止点生成层生成所述终止点信号，其中，所述终止点生成层的特征在于第一特征和第二特征中的至少一个，所述第一特征为所述终止点生成层的所述厚度小于用于所述蚀刻的可应用的蚀刻终止层的厚度，所述第二特征为用于蚀刻穿过所述终止点生成层的蚀刻剂的选择性低于用于所述蚀刻的所述可应用的蚀刻终止层的选择性。
结合附图，在下面的具体描述中详细论述本发明的这些和其它的特征及优点。
附图说明
本发明是通过举例来描述的，但是不仅限于此。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。其中：
图1A示出了在形成槽和通孔之前的双镶嵌叠层。
图1B示出了在图1A所示的双镶嵌叠层中形成的槽。
图1C示出了在图1B所示的双镶嵌叠层中形成的通孔。
图1D示出了图1B和图1C中的分别填充了铜的槽和通孔。
图1E示出了沉积于图1D所示的叠层上的用于覆盖铜的一层扩散式叠层。
图1F示出了在图1A所示的双镶嵌叠层中形成的通孔。
图1G示出了在图1F所示的双镶嵌叠层中形成的槽。
图1H示出了图1F和图1G中的分别填充了铜的槽和通孔。
图1I示出了沉积于图1H所示的叠层上的用于覆盖铜的一层扩散式叠层。
图2示出了根据本发明的实施例的包括终止点生成层的膜叠层。
图3A是根据本发明实施例的装配有单通道直接吸收测量装置的蚀刻***的示意图。
图3B是根据本发明的实施例的装配有多通道直接吸收测量装置的蚀刻***的示意图。
图3C是装有腔环降吸收测量装置的蚀刻***的示意图。
具体实施方式
参考附图中的优选实施例详细描述本发明。在以下的描述中，列出了许多特殊的细节以便完全理解本发明。然而，对于本领域的技术人员来说，很显然，没有部分或全部这些特殊细节本发明可以实现。在其它的例子中，没有详细论述众所周知的过程步骤和/或特征以防止模糊本发明。参考附图和下面的描述可以更好地理解本发明的特征和优点。
依照本发明的一方面，为膜叠层提供一终止点生成层。与现有技术的蚀刻终止层不同，终止点生成层不是必须含有必备的选择性或厚度来终止蚀刻。事实上，因为使用低κ电介质材料是基于减少寄生电容的重要考虑，所以可以从具有低κ值、相同κ值、或稍高κ值的材料中选择终止点生成层，而不考虑终止蚀刻的蚀刻选择性和厚度需求。
在本发明的一个实施例中，终止点生成层可以具有与被蚀刻层相同的化学成分但是稍微不同的化学计量(stoichiometry)。化学计量仅需要与在蚀刻到达终止点生成层时由探测装置触发信号足够不同。在本发明的另一实施例中，终止点生成层可以具有相同的化学成分但是富集(enrich)有一种或多种同位素。同位素的类型和同位素掺杂物浓度被选择以至少足够在蚀刻到达终止点生成层时由探测装置触发信号。在本发明的另一实施例中，终止点生成层可以具有与被蚀刻层不同的化学成分。层的化学成分的差别是探测装置可以探测到的差别，以在蚀刻到达终止点生成层时产生终止点信号。
与传统的蚀刻终止层不同，终止点生成层导致对膜叠层的总κ值或者膜叠层的其它电学和/或化学性质的可忽略的和/或有利低扰动。在一实施例中，使用直接吸收测量技术完成终止点生成层的蚀刻的探测。在本发明的各种实施例中，可以使用配置有单通道结构(single-pass configuration)或多通道结构(multi-pass configuration)来实现探测。在本发明的另一实施例中，蚀刻终止点生成层的蚀刻的探测是使用波长调制光谱法来完成的。在又一实施例中，使用波长调制光谱法完成终止点生成层的蚀刻的探测。完成蚀刻终止点生成层的蚀刻的探测也可以使用电气测量技术，发射光谱法(OES)，或其它诸如傅里叶变换红外光谱学(FTIR)的基于吸收的方法，或腔环降技术，如果其能够在等离子体中探测终止点生成层材料或材料的副产品的存在。
参考典型附图和以下的描述可以更好的理解本发明的多种实施例及其优点。为了举例说明，图2示出了根据本发明的实施例的膜叠层200。膜叠层200包括膜层(film layer)202、204。作为例子，膜层202、204可以由诸如氟硅酸盐玻璃(FSG)、有机硅酸盐玻璃(OSG)或旋转涂布(spin-on)有机物(SOO)的低κ材料制造。OSG的例子包括黑金刚石和珊瑚。SOO的例子包括SILK和FLARE。依照本发明的一个实施例，终止点生成层206使用诸如多方法膜沉积过程嵌入膜叠层200中，例如膜层202、204之间。对于双镶嵌整合，膜叠层200可以被堆叠在铜线上。
在一个实施例中，终止点生成层206是与膜层202、204具有相同化学成分的薄膜，但是化学计量稍微与膜层202、204不同。有利地，仅化学计量稍微不同(确切的变化程度依赖于所用探测技术和探测设备的敏感度)以避免实质上改变膜叠层200的电学和/或化学特性。例如，膜层202、204及终止点生成层206可能是由具有SiOxCyHz成分的OSG制造的，并且可以增加终止点生成层206中的一个或多个C、Si、O和H的馏分(fraction)使得层206具有与膜层202、204稍微不同的化学计量。
在等离子体蚀刻期间，为了产生终止点信号而监控的气相种类依靠在终止点生成层206中的具有不同相对比例的化学元素和蚀刻气体(etchant gases)。通常，蚀刻气体包括氧气和含氟气体。例如，如果在终止点生成层206中的具有不同相对比例的化学元素是C和/或H，那么CO或HF等离子体种类(plasma species)浓度的变化可以在蚀刻过程中被探测到并被用于产生终止点信号。应当注意CO和HF可以在蚀刻终止点生成层206前在等离子体中被观测，但是在层202被蚀刻穿过或终止点生成层206被至少部分蚀刻时，可以观测到CO或HF等离子体种类的浓度的显著变化。
因此，在层202被蚀刻穿过或终止点生成层206被蚀刻时发生等离子体种类的浓度的变化，也就是，副产品。当探测到浓度的变化时，可产生终止点信号。如上解释，该变化可以通过使终止点生成层206的化学计量稍微不同于膜层202和/或204的化学计量来实现。
在本发明的另一实施例中，终止点生成层206是具有与膜层202、204相同的化学元素的薄膜，但是富集(enrich)有同位素，以致该元素的同位素比例基本上是由该元素的自然或典型比例修改得到的。注意用于富集而选的同位素的自然或典型水平在富集前在终止点生成层中可以为0或非0。优选地，在终止点生成层206中被富集的同位素与膜层一致，例如，在终止点生成层206中的同位素可以是膜层202、204中的化学元素的同位素。例如，如果膜层202、204和终止点生成层206是由含有SiOxCyHz成分的OSG制造的，那么可以在终止点生成层206中富集一个或多个下列同位素：碳-13(13C)，氘(2H或D)，氧-17(17O)，氧-18(18O)，硅-29(29Si)和硅-30(30Si)。
在等离子体蚀刻期间，为了产生终止点信号而监控的气相种类依靠在终止点生成层206中的富集的同位素和蚀刻剂气体。例如，如果13C和/或D包括在终止点生成层206中，那么13CO或DF可以在蚀刻终止点生成层206时被监控，并且在观测到13CO或DF的浓度的变化时产生终止点信号。应当注意，在蚀刻终止点生成层206前可观测CO和HF，但是仅在终止点生成层206被蚀刻时可以观测到13CO或DF的浓度的显著变化。
在可选实施例中，代替用同位素标记的终止点生成层206，而是用同位素标记或富集在终止点生成层206上方的膜层202或在终止点生成层206下方的膜层204。在另一实施例中，层(202或204)中之一可以被用同位素标记或富集并且终止点生成层206可以被一起忽略。如前述实施例，监控附加物(interest)的等离子体种类的浓度以确定何时产生终止点信号。
本发明的另一实施例中，终止点生成层206是具有与膜层202、204不同化学成分的膜。通常，终止点生成层206的化学成分被选择，以使膜叠层200的整体化学性质没有被实质改变。例如，膜层202、204和终止点生成层206可以都是由硅酸盐材料制成，但是选择与膜层202、204的硅酸盐材料不同的终止点生成层206的硅酸盐材料。
例如，如果膜层202、204都是由OSG或FSG制成的，终止点生成层206可以用硼磷硅酸盐玻璃(borophosphosilicate，BPSG)或由原硅酸四乙酯(orthosilicate，TEOS)的化学蒸气沉积形成的二氧化硅制造的。在BPSG的情况下，可以通过监控等离子体中BF、BH、PF、PH、BO、PO或其它包括B-和P-的种类的浓度变化而探测蚀刻过程的终止点。在TEOS的情况下，可以通过监控等离子体中的CO浓度的变化而探测蚀刻过程的终止点。如果膜层202、204是由OSG制造的，终止点生成层206可以由FSG制造，并且可以监控等离子体中的HF浓度的变化。
表1显示了对于不同的低-κ电介材料的终止点生成层的例子。
表1：对于低-κ电介材料的终止点生成层的例子
与本发明原理相符，表1中列出的终止点生成层在嵌入到膜叠层时不会导致膜层叠的总κ值的显著变化。除了表1中列出的终止点生成层，其它的终止点生成层也可行。下面讨论用于选择合适的终止点生成层的一般准则。
通常，终止点生成层206选择为与膜层202、204兼容，也就是，本发明没有显著地改变膜叠层200的化学和/或物理特征。终止点生成层206的κ值可能低于、相似或稍微高于薄膜202、204的κ值。通常，终止点生成层206的κ值越低越好。
终止点生成层206对膜叠层200的总κ值的影响是κ值和终止点生成层206的厚度的函数。如果终止点生成层206的κ值与膜层202、204的κ值相当或较低，终止点生成层206可以被制造为相对较厚以保证不显著增加叠层的总κ值而可靠的探测终止点。然而，如果终止点生成层206的κ值高于膜层202、204的κ值，那么终止点生成层206可以被制造为相对较薄以限制其对总κ值的影响为较小值。因为终止点生成层206不是必须作为蚀刻终止层(也就是，具有必要的选择性或厚度以终止蚀刻)，终止点生成层仅需要具有通过所选的探测技术/设备的触发探测所需的厚度。
再次强调终止点生成层206与蚀刻终止层不同。例如，终止点生成层206不需要具有蚀刻的选择性(selectivity to etching)，而传统的蚀刻终止层需要具有蚀刻选择性。该情况易使得选择的终止点生成层206具有与膜层202、204相似或较低的κ值，这就导致对膜叠层200的总κ值的扰动很小或可忽略。
此外，在终止点生成层206被暴露时，蚀刻在终止点生成层206上的薄膜202的特征不停止。相反，可以在终止点信号产生前完全移开暴露的终止点生成层206。这就减少了形成特征所需的步骤数。在传统蚀刻终止层的情况下，蚀刻在蚀刻终止层暴露时停止。在随后的步骤中可能需要移开暴露的蚀刻终止层。
传统的蚀刻终止层通常需要有足够的厚度来补偿过蚀刻。在本发明中，不用担心过蚀刻。事实上，有必要蚀刻暴露的终止点生成层206以引起可探测的附加物的等离子体种类的浓度的变化，其用来产生终止点信号。因为不需要终止点生成层206来补偿过蚀刻，可以把终止点生成层制造成比传统蚀刻终止层更薄而仍然能够产生终止点信号。
等离子体种类或蚀刻副产品的浓度取决于生产率和损失率的结合。附加物的等离子体种类的生产率会在蚀刻由薄膜202进行到终止点生成层206时改变。在优选实施例中，该变化是通过使用多个敏感探测技术之一，例如直接吸收、波长调制光谱法、频率调制光谱法、FTIR或腔环降法，监控附加物的等离子体种类的吸收来确定的。也可以采用发射光谱法，尽管其敏感度可能较低。
通常，吸收光谱法涉及使光束穿过蚀刻等离子体。光束的波长要选择为与附加物的等离子体种类的共振吸收波长之一接近。作为由附加物等离子体种类吸收的结果的光束亮度的变化表明附加物等离子体种类浓度的变化。当观测到该变化时，可以产生终止点信号。
图3A示出了根据本发明的实施例的适合的原位监控膜叠层的等离子体蚀刻的蚀刻***300。注意到蚀刻***300仅是一个举例，本发明可以在任何等离子体蚀刻器中实现，与所使用的激发、维持和/或控制等离子体的技术无关。典型的蚀刻***300包括光源302、反应室304和光探测器306。反应室304具有与直径方向相对的窗口308、310，该窗口在选定的波长或波长区域内是光学透明的。晶片312安装在反应室304内部，位于电极314、316之间。电极314由RF电源(图中未显示)提供电压，而电极316接地。在其它实施例中，顶部电极316可以由RF电源以相同或不同的RF频率供电。尽管图3A示出了电容耦合等离子体反应器，该技术可以应用于诸如电感耦合或微波***的其它反应器类型中。晶片312包括带有诸如如上所述的终止点生成层的膜叠层，例如电介膜叠层。
在运行时，适当的蚀刻剂气体(图中未显示)供给反应室304并被施加电压以在晶片312上方形成等离子体320。为了原位监控附加物的等离子体种类，控制光源302将光束322通过窗口308指入反应室304。尽管图中未显示，诸如准直透镜***或光纤***的光学***可以被用来引导来自光源302的光束322到达窗口308。光束322在离开窗口310前通过等离子体320。光束322的波长选择与附加物的等离子体种类的吸收波长之一相近。同样，如果在反应室304中存在附加物的等离子体种类，光束322可能在通过等离子体320之后被部分吸收。由光探测器306探测在324指示的发射光束。
在一实施例中，光源302是能够在红外线、可视和/或UV光谱范围内运行的温控激光二极管。等离子体蚀刻中多个附加物的种类具有接近红外线的吸收跃迁(transition)，例如HF在1.33μm，CO在1.567μm，HCI在1.747μm及O2在0.761μm。其它的种类例如CF、CF2和CF3具有较长波长的基本跃迁，但是可以通过探测振动谐音跃迁在红外线附近获取。
在一实施例中，激光二极管302产生波长或频率调制激光束。频率调制光谱法使用与吸收谱线宽度同等的或大于吸收谱线宽度的调制频率，然而，波长调制光谱法使用远小于吸收谱线宽度的调制频率。激光驱动电流326可以由低噪声电流驱动器328产生，低噪声电流驱动器对由信号发生器332(例如以100Hz)产生的输入锯齿波形330与由信号发生器336(例如以50Hz)产生的输入正弦波形334的叠加作出响应。波形330、334在被输入到电流驱动器328前由电路338相加。
激光驱动电流326的DC量级和激光的温度(通常接近房间温度，例如在0-50℃之间)决定了用来扫描的初始激光波长。锯齿成分扫描通过吸收跃迁的激光波长。正弦调制使得使用光束吸收的相敏探测更容易。激光波长被选择为与附加物的等离子体种类的吸收跃迁波长相近，并且通常选择锯齿波形330，以使激光波长扫描宽度与被监控的光谱特性的谱线宽度相当。
在一实施例中，光探测器306是高速光电二极管，并且激光频率被锁定在附加物的等离子体种类的振动跃迁的独立旋转分量，使得甚至于在高背景电噪声存在时的敏感探测成为可能。在一实施例中，锁定方案包括将光电二极管电流340沿着来自信号发生器336的正弦波形342输入到锁定放大器342。锁定放大器342通常提供应用在调制频率f或在谐波nf的光电二极管电流340的相敏探测的适当的增益、滤波和相位调节的性能。然后，锁定放大器342的输出被模数转换器344数字化并被计算机346分析。
在运行时，光电二极管电流340的相对变化被用来确定吸收的变化并因此确定蚀刻过程中附加物等离子体种类的浓度。例如，当使用运行在标称的波长1.33μm的激光时，可以通过由光电二极管306探测到的光电二极管电流340的相对变化而探测出在反应室304中的HF的相对浓度的变化。基于终止点生成层和蚀刻剂气体确定的HF或其它合适的蚀刻副产品的浓度的变化可以用来作为蚀刻终止点的指示标志。
上述的吸收探测技术涉及将光束322通过等离子体320一次，也就是，单通道结构。为了提高敏感性，光束322可以通过等离子体320多次，也就是，多通道(或白血球)结构。在出版物中也讨论了许多这些探测技术。例如作者为H.S.Sun，V.Patel，B.Singh，C.K.Ng和E.A.Whittaker的标题为《使用可调二极管激光吸收光谱法的敏感等离子体蚀刻终止点探测》(《Sensitive plasma etchingendpoint detection using tunable diode laser absorption spectroscopy》)(应用物理文摘，卷64，21期，pp.2279-2781)及作者为DavidE.Copper和Ramon U.Martinelli的《近红外二极管激光监控分子种类》(《Near-infrared diode lasers monitor molecular species》)(激光器聚焦世界，1992年11月)，所有结合于此作为参考。
图3B示出了蚀刻***347，其中两个多通道反射镜348、350以与直径相对的方式安装在反应室304的外部。反射镜348、350安装在反应室304的外部以防止在蚀刻过程中污染晶片312。激光二极管302将激光束351指向反射镜348。激光束351经过反射镜348并在反射镜348、350之间来回反射。激光束351在其在反射镜348、350之间来回反射时经过等离子体320。随着每次往返，部分激光束351离开反射镜350。在激光束351使得预定通道数量通过等离子体320后由光电二极管306探测在353标记的发射的激光束。
图3C示出了另一蚀刻***355，其中反应室304位于光腔352内，该光腔是由直径相对、高反射凹面镜354、356构成。运行时，光源302将激光束358在与附加物的等离子体种类的吸收跃迁波长接近的波长注入光腔352。通常，将激光束358以选择的循环率注入到光腔352中以持续监控附加物的等离子体种类的发展直到探测到蚀刻终止点。激光束358在反射镜354、356之间来回反射多次直到其强度衰减。可替换地，室窗口308和/或室窗口310可能包括内表面上的反射涂层来达到示出的反射镜354和/或反射镜356的目的。激光束358在反射镜354、356之间的每次反射过程中经过反应室304和等离子体320。在光腔352中的部分激光束358随着激光束358的每次来回反射被传过反射镜356并被光探测器306探测到。图中标号为360的发射束显示在示波器362上。
发射束360的强度衰减到注射光束358的强度的1/e所需的时间被称为光腔352中的“环降时间”。腔环降时间是光腔352的长度、激光束358的往返通过时间、本征腔损失量级和附加物的等离子体种类的吸收的函数。通过测定腔环降时间，可以确定附加物的等离子体种类的吸收。测定的腔环降时间所具有的准确度对本征腔损失敏感。因此光腔352形成稳定的共振腔非常重要，例如通过光学匹配多种嵌入的光腔。
在另一实施例中，频率调制光谱法技术可以被用来在完成槽蚀刻时，及更特别地，在等离子体蚀刻器中的电介质槽蚀刻时产生来自“传统的”蚀刻终止层的终止点信号。在传统蚀刻终止层上使用频率调制光谱法提高了很多情况下的探测灵敏度，保证了蚀刻在将具有更高处理量时终止。
如前所述，HF或CO的吸收率可以被测定并被用来在蚀刻穿过上覆盖层时产生终止点信号。注意到在一些情况下，不需要刻入下面层(但是如果需要可以蚀刻下面层)来获取终止点信号，这是因为暴露给蚀刻剂的上覆盖层的表面积在上覆盖层被蚀刻穿过时被减小，因此改变了产生的蚀刻副产品的成分。蚀刻副产品成分的变化可能被用来产生终止点信号。在这种情况下，下面层可能代表任何与上覆盖层不同的层，只要下面层的存在可以在用来蚀刻上覆盖层的蚀刻剂蚀刻穿上覆盖层时能够引起蚀刻副产品的可探测的变化。因此在这些情况下，尽管可以提供独立的终止点生成层，但是不是绝对必须的。
例如，某双镶嵌叠层可以使用置于TEOS或BPSG层上的SiO2上覆盖层。例如，当在TEOS或BPSG层上形成通孔时，可以在SiO2层上蚀刻槽。该种情况下，HF或CO的浓度会在蚀刻穿过SiO2上覆盖层时改变，因此触发终止点信号的产生。当然如果需要，在蚀刻进行到下面TEOS层或BPSG层时由于HF或CO的浓度的变化引起的吸收率的变化同样也可以被用来产生终止点信号。
作为另一有用的应用实例，可以监控HF(或CO)的吸收率以在低-κ双镶嵌应用中产生终止点信号，例如在低-κ层置于另一层之上时的情况下。作为例子，一些双镶嵌应用可能包括OSG层(低-κ)被置于FSG层(比OSG层的κ稍高)之上。该种情况下，可以在OSG层内形成槽，而通孔被置于FSG层内。因为在给定水平的线间电容比面间电容更显著(由于较小的线间间隔)，这种安排是可行的。通过监控基于CO或HF的浓度的吸收率，可以探测到何时一层(例如：OSG)被蚀刻穿过或何时蚀刻进行到下面层(例如：FSG)。OSG是作为低-κ材料的举例，也可以采用其它合适的低-κ材料。同样，FSG也是作为形成双镶嵌的通孔的所在层的举例，也可以采用其它合适的层。
如前所述，本发明提供了多个优点。一个主要的优点是源自终止点生成层的使用，在产生终止点信号时，该层不需要具有蚀刻终止层的选择性和/或厚度的要求。使用该终止点生成层是有优点的，因为这样的终止点生成层可以被设计成对膜叠层的总κ值和/或其它电气和/或化学特性几乎没有扰动。这在双镶嵌整合中特别有用，其中电介膜叠层的总κ值的增加可以损害叠层的减小电延迟的能力。
另一主要优点是终止点生成层厚度选择的灵活性，因为终止点生成层不需要补偿过蚀刻。这在现代高密度IC应用中是特殊的优点，该类型的应用中，特性随着更窄的设计规划和更薄的膜叠层日益提高，推动了高密度应用。只要选择的探测技术和/或设备可以探测蚀刻过程中的变化，终止点生成层的厚度和/或蚀刻层和终止点生成层之间的差异可以根据需要达到最小。
此外，提供终止点生成层可能花费较少。可以使用比蚀刻终止层材料成本低的材料和/或涂漆或放置终止点生成层的过程花费较少。在某些情况下，创建终止点生成层所需的步骤比放置蚀刻终止层所需的步骤少。因此，创建合成电路的时间较短和/或花费较少。
尽管用多个不同的优选实施例对本发明进行了描述，在本发明的范围内可以有各种更改，变化或等同替换。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何更改，变化或等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (44)
1.一种用于控制在等离子体处理室中的等离子体蚀刻过程的方法，包括：
确定所述终止点生成层的厚度；
将在其上具有叠层的基片引入所述等离子体处理室，所述叠层包括设置在终止点生成层之上的第一层，如果所述终止点生成层的介电常数(κ)值低于或等于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度被确定为相对于所述第一层的厚度更厚，如果所述终止点生成层的介电常数值高于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度被确定为相对于所述第一层的所述厚度更薄；
当监控穿过所述等离子体处理室的内部的光束的吸收率时，蚀刻穿过所述第一层并至少部分蚀刻穿过所述终止点生成层，其中，所述终止点生成层选自当被蚀刻时产生所述吸收率的可探测的变化的材料，所述终止点生成层的特征在于第一特征和第二特征中的至少一个，所述第一特征为所述终止点生成层的所述厚度小于用于所述蚀刻的可应用的蚀刻终止层的厚度，所述第二特征为用于蚀刻穿过所述终止点生成层的蚀刻剂的选择性低于用于所述蚀刻的所述可应用的蚀刻终止层的选择性；以及
当探测所述可探测的变化时，产生终止点信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ材料形成，以及所述终止点生成层的所述介电常数值低于所述第一层的所述介电常数值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ材料形成，所述终止点生成层的所述介电常数值等于所述第一层的所述介电常数值，并且所述终止点生成层的所述厚度被确定为相对于所述第一层的所述厚度更厚。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ材料形成，以及所述终止点生成层的所述介电常数值高于所述第一层的所述介电常数值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在生成所述终止点信号之前，完全去除所述终止点生成层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述终止点生成层的终止点生成层材料与所述第一层的第一层材料相比在化学计量上不同，选择所述终止点生成层材料，以当在没有偏离所述第一层材料的电特性和化学特性中的至少之一的情况下进行蚀刻时，产生所述可探测的变化。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，除了在所述终止点生成层中使在所述终止点生成层材料的所述化学成分中的至少一种元素的至少一种同位素被富集以外，所述终止点生成层的终止点生成层材料的化学成分与所述第一层的第一层材料的化学成分相同，当蚀刻所述终止点生成层时，所述一种同位素的浓度足以产生所述可探测的变化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一种元素是碳(C)以及所述一种同位素是13C。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一种元素是氢(H)以及所述至少一种同位素是2H。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一种元素是氧(O)以及所述一种同位素是氧-17(17O)和氧-18(18O)中的一种。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述一种元素是硅(Si)以及所述一种同位素是硅-29(29Si)和硅-30(30Si)中的一种。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述终止点生成层的化学成分与所述第一层的化学成分不同，选择所述终止点生成层的所述化学成分，以当在没有偏离所述第一层的电特性和化学特性中的至少之一的情况下进行蚀刻时，产生所述可探测的变化。
13.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测使用直接吸收测量技术。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述探测使用多通道结构。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述探测使用单通道结构。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测使用频率调制光谱法。
17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测使用波长调制光谱法。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述监控使用傅立叶变换红外光谱法。
19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述探测使用腔环降技术。
20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ氟硅酸盐玻璃材料形成。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比所述低-κ氟硅酸盐玻璃材料的κ值更低的κ值的终止点生成层材料形成。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有与所述低-κ氟硅酸盐玻璃材料相关的κ值相等的κ值的终止点生成层材料形成。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比所述低-κ氟硅酸盐玻璃材料的κ值更高的κ值的终止点生成层材料形成。
24.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ有机硅酸盐玻璃材料形成。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比所述低-κ有机硅酸盐玻璃材料的κ值更低的κ值的终止点生成层材料形成。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有与所述低-κ有机硅酸盐玻璃材料相关的κ值相等的κ值的终止点生成层材料形成。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比所述低-κ有机硅酸盐玻璃材料的κ值更高的κ值的终止点生成层材料形成。
28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一层由低-κ旋转涂布有机材料形成。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比所述低-κ旋转涂布有机材料相关的κ值更低的κ值的终止点生成层材料形成。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有与所述低-κ旋转涂布有机材料相关的κ值相等的κ值的终止点生成层材料形成。
31.根据权利要求28所述的方法，其中，所述终止点生成层由具有比与所述低-κ旋转涂布有机材料相关的κ值更高的κ值的终止点生成层材料形成。
32.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光束的波长等于与所述可探测的变化相关的至少一个等离子体种类的吸收波长。
33.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸收率的所述可探测的变化相应于所述等离子体处理室的所述内部中的CO浓度的变化。
34.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸收率的所述可探测的变化相应于所述等离子体处理室的所述内部中的HF浓度的变化。
35.一种用于在等离子体处理室中蚀刻的基片，包括：
第一层，以及
终止点生成层，设置在所述第一层之下，所述终止点生成层由当所述终止点生成层被蚀刻时产生穿过所述等离子体室的内部的光束的吸收率的可探测的变化的材料形成，所述终止点生成层的厚度小于可应用的蚀刻终止层的厚度，所述终止点生成层的进行蚀刻的选择性低于所述蚀刻终止层进行所述蚀刻的选择性，如果所述终止点生成层的介电常数(κ)值小于或等于所述第一层的介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度相对于所述第一层的厚度更厚，如果所述终止点生成层的所述介电常数值高于所述第一层的所述介电常数值，则所述终止点生成层的所述厚度相对于所述第一层的所述厚度更薄。
36.根据权利要求35所述的基片，其中，所述第一层由氟硅酸盐玻璃和有机硅酸盐玻璃中的至少一种形成，所述终止点生成层由硼磷硅酸盐玻璃、二氧化硅和氟硅酸盐玻璃中的至少一种形成，所述可探测的改变与包括B-的种类和包括P-的种类、CO和HF中的至少一种相关。
37.根据权利要求35所述的基片，其中，所述第一层由低-κ有机硅酸盐玻璃材料形成。
38.根据权利要求35所述的基片，其中，所述第一层由低-κ旋转涂布有机材料形成。
39.一种用于在等离子体处理室中检测蚀刻低κ层的过程中终止点的方法，所述方法包括：
在所述低-κ层中用至少两种元素的同位素富集所述低-κ层而不使用蚀刻终止层；
监控所述等离子体处理室中的等离子体种类的浓度，所述等离子体种类包括所述同位素中的至少一种元素与至少一种蚀刻气体的元素的化合物；以及
基于所述等离子体种类的所述浓度的改变，使用终止点生成层生成所述终止点信号，其中，所述终止点生成层的特征在于第一特征和第二特征中的至少一个，所述第一特征为所述终止点生成层的所述厚度小于用于所述蚀刻的可应用的蚀刻终止层的厚度，所述第二特征为用于蚀刻穿过所述终止点生成层的蚀刻剂的选择性低于用于所述蚀刻的所述可应用的蚀刻终止层的选择性。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述同位素至少包括13C和D。
41.根据权利要求39所述的方法，其中，所述等离子体种类表示13CO和DF中的至少之一。
42.根据权利要求39所述的方法，其中，在所述富集之前，所述低-κ层中的所述同位素的水平为零。
43.根据权利要求39所述的方法，其中，在所述富集之前，所述低-κ层中的所述同位素的水平为非零。
44.根据权利要求39所述的方法，其中，基于所述等离子体种类的所述浓度改变来生成所述终止点信号。
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