任意基板上的膜厚度的測量的制作方法
【專利摘要】本公開的實施例使用反射測量實現(xiàn)膜屬性(諸如厚度)的測量，而不考慮在基板或基層上的下層圖案，因為生長的膜在任何波長上所造成的相移的量與所述基板或所述基層無關(guān)。所述方法的一個實施例包括從時間序列數(shù)據(jù)確定所述基板的屬性。所述方法的另一個實施例包括通過分別在光源接通和斷開的情況下作出兩次連續(xù)測量來去除等離子體背景以便測量數(shù)據(jù)。另一個實施例包括通過監(jiān)測等離子體標(biāo)記或光學(xué)屬性的相移來確定沉積開始時間。
【專利說明】
任意基板上的膜厚度的測量
[0001 ] 背景
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本公開的實施例涉及用于測量沉積在具有未知表面屬性的基板上的膜的厚度的 裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0003] 當(dāng)在常規(guī)反射測量中測量膜厚度或其他屬性時，需要被測量的膜下方基板的屬 性，以用于計算被測量的膜的屬性。因此，常規(guī)反射測量僅僅在完全了解下方基板時才會適 當(dāng)?shù)仄鹱饔?。例如，?dāng)下方基板僅是裸硅晶片或具有已知的覆蓋膜堆疊的硅晶片時。
[0004] 然而，在半導(dǎo)體處理中，處理腔室通常用來將膜沉積在各種基板上。此外，通常將 膜沉積在具有圖案化表面的基板上。即使圖案是已知的，被測量的點也可能不落在每個被 測量的基板的圖案的相同區(qū)域中。
[0005]因此，需要一種用于測量形成在具有未知表面屬性的基板位置上的膜的屬性的裝 置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本公開的實施例涉及用于測量沉積在具有未知表面屬性的隨機基板位置上的膜 的厚度的裝置和方法。
[0007] 本公開的一個實施例提供一種用于測量薄膜的屬性的方法。所述方法包括:將具 有未知表面屬性的基板定位在處理腔室中；以一時間間隔來重復(fù)地測量所述基板的反射光 譜以獲得時間序列數(shù)據(jù);使一種或多種處理氣體流動以將所述薄膜沉積在所述基板上，同 時維持重復(fù)的測量;從所述時間序列數(shù)據(jù)中的多個反射光譜測量來確定所述基板的未知表 面的一個或多個屬性；以及根據(jù)所述未知表面的所述一個或多個屬性和所述薄膜的反射光 譜測量來確定所述薄膜的厚度。
[0008] 本公開的另一實施例提供一種形成膜堆疊的方法。所述方法包括:將基板定位在 等離子體處理腔室中；以一時間間隔來重復(fù)地測量所述基板的反射光譜以獲得時間序列數(shù) 據(jù)；點燃處理氣體的等離子體以將第一膜和第二膜交替地沉積在所述基板上，同時維持對 反射光譜的重復(fù)測量;從所述時間序列數(shù)據(jù)中的多個反射光譜測量來確定所述基板的復(fù)合 反射率；以及根據(jù)所述基板的復(fù)合反射率和每個第一膜或第二膜的反射光譜測量來確定每 個第一膜或第二膜的厚度。
[0009] 本公開的又一個實施例提供一種用于沉積一個或多個膜的裝置。所述裝置包括： 腔室主體，所述腔室主體限定處理容積;基板支撐件，所述基板支撐件設(shè)置在所述處理容積 內(nèi)；以及度量組件，所述度量組件設(shè)置在所述基板支撐件上方。所述度量組件包括閃光光 源、光譜儀、連接在所述閃光光源與所述光譜儀之間的多個光纖通道。每個光纖被定位成將 來自所述閃光光源的光朝所述基板支撐件上的測量點引導(dǎo)，接收來自所述測量點的反射， 并且將所接收的反射引導(dǎo)到所述光譜儀。
【附圖說明】
[0010]因此，為了能夠詳細理解本公開的上述特征的方式，參考實施例得出上文所簡要 概述的本公開的更具體的描述，實施例中的一些在附圖中示出。然而，應(yīng)當(dāng)注意，所附附圖 僅僅示出本公開的典型實施例，并且因此不應(yīng)視為限制本公開的范圍，因為本公開可允許 其他等效實施例。
[0011] 圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的等離子體處理腔室的示意性截面圖。
[0012] 圖2是形成在圖案化基板上的膜堆疊體的示意性截面圖。
[0013] 圖3是用于測量形成在具有未知表面屬性的基板上的多個膜的厚度的方法的流程 圖。
[0014] 圖4描繪用于確定圖案化基板的屬性的時間序列數(shù)據(jù)擬合的示例。
[0015] 圖5描繪使用在沉積膜堆疊的前三層期間收集的時間序列數(shù)據(jù)的時間序列數(shù)據(jù)擬 合的示例。
[0016] 圖6描繪根據(jù)本公開的實施例的膜堆疊沉積中的各種階段的光譜擬合結(jié)果。
[0017] 圖7描繪根據(jù)本公開的一個實施例的膜堆疊的厚度測量的結(jié)果。
[0018] 圖8是根據(jù)本公開的一個實施例的示出數(shù)據(jù)緩沖過程的示意性流程圖。
[0019] 圖9是根據(jù)本公開的一個實施例的示出并行計算結(jié)構(gòu)的示意性框圖。
[0020] 圖10包括示出達到不透明的多晶硅膜的與波長有關(guān)的厚度的曲線。
[0021] 圖11示意性地描繪根據(jù)本公開的一個實施例的用于輥壓(roll)基板的示例。
[0022]圖12描繪根據(jù)本公開的一個實施例的反射光譜的標(biāo)準(zhǔn)化(normalization)。
[0023] 圖13包括根據(jù)本公開的一個實施例的厚度結(jié)果的線性擬合。
[0024] 圖14描繪根據(jù)本公開的一個實施例的用于確定時間零點的等離子體發(fā)射標(biāo)志線。 [0025]為了促進理解，已盡可能地使用相同元件符號指定附圖所共有的相同元件。構(gòu)想 到，一個實施例中公開的元件可有益地用于其他實施例，而無需特定的敘述。
【具體實施方式】 [0026] 概述
[0027] 本公開的實施例涉及用于測量沉積在具有未知表面屬性的基板上的膜的厚度的 裝置和方法。更具體地，本公開的實施例提供一種用于測量形成在基板上方的多個膜的厚 度或其他屬性的無損方法。所述方法的一個實施例包括從時間序列數(shù)據(jù)來確定所述基板表 面所的屬性。所述方法的另一個實施例包括通過分別利用接通的和斷開的光源作出兩次連 續(xù)測量來去除等離子體背景以供測量數(shù)據(jù)。另一個實施例包括通過監(jiān)測等離子體標(biāo)記或光 學(xué)屬性的相移來確定沉積開始時間。
[0028] 本公開的實施例可以用于在未提前知曉基板的表面屬性的情況下，測量被沉積在 基板上的膜的厚度或者其他屬性。本公開的實施例實時測量膜的厚度或者其他屬性，并且 可以用于閉環(huán)控制。本公開的實施例可以用于測量被形成的多個層的厚度或者其他屬性。 例如，本公開的實施例可以用于測量豎直存儲器堆疊，諸如NAND閃存的存儲器堆疊，此NAND 閃存包括形成在基板上的圖案化的下層的頂部上的多達72層的交替膜。
[0029] 硬件
[0030] 圖1是根據(jù)本公開的一個實施例的等離子體處理腔室100的示意性截面圖。等離子 體處理腔室100能夠在不使用在被處理的基板上的基層的信息的情況下，執(zhí)行原位的膜屬 性測量。例如，等離子體處理腔室100能夠在形成閃存設(shè)備的膜堆疊的同時測量膜的厚度。
[0031] 等離子體處理腔室100可以包括腔室主體102以及設(shè)置在腔室主體102上方的蓋組 件104。腔室主體102和蓋組件104限定處理容積106。蓋組件104可以包括噴淋頭108。氣源 110可連接到蓋組件104,使得來自氣源110的一種或多種處理氣體可通過噴淋頭108輸送到 處理容積106。基板支撐件112可以設(shè)置在處理容積106中以用于在處理期間支撐基板114。 在一個實施例中，射頻(RF)功率源116可通過匹配網(wǎng)絡(luò)118耦接到基板支撐件112。RF功率源 116可以在基板支撐件112與噴淋頭108之間施加 RF功率以便生成等離子體120以供處理。在 一個實施例中，等離子體120可以用于通過化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝來沉積膜。
[0032] 等離子體處理腔室100還包括原位度量組件122。原位度量組件122可以包括光源 124、一個或多個光纖束126和光譜儀128。一個或多個光纖束126中的每者具有設(shè)置在噴淋 頭108中的對應(yīng)的一個觀察窗口 130外側(cè)的第一端132。每個光纖束126具有光學(xué)地連接到光 源124的第二端134和光學(xué)地耦接到光譜儀128的第三端136。每個光纖束126被布置成通過 觀察窗口 130朝向基板114傳輸來自光源124的光，使得來自光源124的光以垂直入射朝向基 板114上的測量點138行進。隨后，光纖束126捕獲垂直入射的光從基板114的反射，并且朝向 光譜儀128傳輸此反射。光纖束126可使來自光源124的光準(zhǔn)直，以便照亮測量點138處的約 2mm的直徑。
[0033]光源124可以是閃光光源，能夠以較短的持續(xù)時間來散發(fā)脈沖光。光源124可以是 白光光源。在一個實施例中，光源124可以是氣閃光燈。光譜儀128可以包括電荷親合器件 (CCD)陣列光檢測器。在一個實施例中，光譜儀128可以測量具有在約200nm至約800nm之間 的波長范圍的未偏振光。
[0034]觀察窗口 130可以是設(shè)置在穿過噴淋頭108形成的開口中的藍寶石窗口。一個或多 個觀察窗口 130可定位在各種位置，以便對應(yīng)于基板114的各種徑向位置。
[0035]在一個實施例中，參考光纖束140可連接在光源124與光譜儀128之間，以提供參考 通道來補償光源124隨時間的任何波動/漂移。
[0036]等離子體處理腔室100可以包括系統(tǒng)控制器142。系統(tǒng)控制器142被連接到原位度 量組件122。系統(tǒng)控制器142可以包括控制軟件。當(dāng)操作時，控制軟件可以指示原位度量組件 122執(zhí)行測量，從原位度量組件122接收并處理測量數(shù)據(jù)，以便獲得基板114的屬性。系統(tǒng)控 制器142還連接到氣源110、RF功率源116和等離子體處理腔室100的其他部件，以便執(zhí)行工 藝配方。
[0037] 雖然示出三個光纖束126來用于測量基板114上的三個測量點138,但是也可根據(jù) 工藝要求使用更多或更少的光纖束126。在一個實施例中，兩個等離子體處理腔室100可并 排地定位并且共享光源124和光譜儀128。
[0038]方法概述
[0039]本公開的實施例包括用于形成在基板上的隨機基層上的多個膜的屬性(諸如厚 度）的原位測量的方法。可使用上述等離子體處理腔室100來執(zhí)行此方法。所述方法可以用 于在閃存膜堆疊的形成期間測量并控制膜厚度。
[0040] 圖2是閃存膜堆疊200的示意性截面圖。膜堆疊體200可形成在基板202的基層204 上?；鶎?04可以是包括第一材料204a和第二材料204b的圖案化層。多個膜對SOe 1IOen順序 地形成在基層204上。每個膜對206可以包括第一膜208和第二膜210,使得膜堆疊200包括交 替地形成的多個第一膜208和第二膜210?？梢栽谝粋€處理腔室（諸如等離子體處理腔室 100)中通過化學(xué)氣相沉積形成多個膜對206:-206^
[0041] 在一個實施例中，閃存膜堆疊200可以是NAND架構(gòu)，這種NAND架構(gòu)具有多達72層氮 化物-氧化物(NO)或氧化物-多晶硅(OP)膜。每個膜208、210可以是約200A 500Λ厚。在 膜堆疊體200中的層的數(shù)量和厚度排除使用無損光學(xué)工具(諸如橢圓儀或反射計）的處理后 的測量。此外，在沉積所有膜后，橢圓儀或反射計可以測量膜堆疊200的總厚度，但是不能立 即分解各個膜厚度。在傳統(tǒng)上，各個膜的厚度僅可通過有損測量技術(shù)(諸如截面透射電子顯 微術(shù)(TEM))來測量。
[0042]本公開的實施例提供用于原位地測量各個膜208、210的厚度的裝置和方法。圖3是 根據(jù)一個實施例的用于測量形成在具有未知表面屬性的基板上的多個膜的厚度的方法300 的流程圖。具體地，方法300可以用于在不預(yù)先知曉當(dāng)在沉積腔室中形成膜堆疊時其上形成 有膜堆疊的基層的情況下，測量閃存膜堆疊(諸如膜堆疊200)中的各個膜的厚度。可使用具 有度量組件的等離子體處理腔室(諸如等離子體處理腔室100)來執(zhí)行方法300。
[0043]在方框310中，被處理的基板定位在處理腔室中。基板的表面屬性可以是未知或圖 案化的。
[0044] 在方框320中，重復(fù)地測量基板的光學(xué)屬性，諸如反射率。測量可由控制器收集并 存儲為時間序列數(shù)據(jù)以供分析。在待測量的膜的沉積的持續(xù)時間中維持重復(fù)的測量。在一 個實施例中，可以以每一個相等且連續(xù)的時間間隔作出一個測量點。時間間隔的長度可根 據(jù)處理配方來預(yù)定，使得可收集足夠的時間序列數(shù)據(jù)來確定基層和將形成的各層的屬性。 可使用度量組件(諸如度量組件122)通過將來自光源的光以垂直入射來撞擊（impinging) 到基板的表面并且檢測撞擊光的反射來作出此測量。
[0045] 在一個實施例中，每一個測量點可以包括在時間順序上彼此緊接地作出兩次測 量?？梢酝ㄟ^在不接通光源的情況下測量來自基板表面的反射來作出第一次測量。可以通 過在將光源接通的情況下測量此反射來作出第二次測量。通過將第一次測量與第二次測量 進行比較，可去除來自背景中的噪聲(諸如基板和其他腔室部件的等離子體和發(fā)射）。
[0046] 在一個實施例中，每一個測量點中收集到的數(shù)據(jù)可以包括在測量光譜內(nèi)的多個波 長處的反射強度。在一個實施例中，可根據(jù)被測量的膜的屬性和厚度來選擇測量光譜。在一 個實施例中，測量光譜在約200nm的波長與約800nm的波長之間。
[0047]在方框330中，點燃并維持處理腔室中的一種或多種處理氣體的等離子體以促進 基板表面上的沉積工藝。當(dāng)可在工藝配方中形成多于一個的膜時，可以在處理期間切換和/ 或改變處理氣體。在一個實施例中，可交替地切換工藝氣體的兩種組合，以便以交替的方式 沉積兩個不同種類的膜。如方框320所述，在點燃并維持等離子體以供膜沉積期間連續(xù)地執(zhí) 行由時間間隔分開的重復(fù)的測量。
[0048]在方框340至方框360中，分析從重復(fù)的測量收集的時間序列數(shù)據(jù)，以便獲得沉積 在基板上的膜的屬性。在方框340中，可以確定指示沉積的開始時間的時間零點。在一個實 施例中，可通過獲取用于沉積的等離子體被點燃的時間來獲得時間零點?；蛘撸赏ㄟ^檢測 在時間序列數(shù)據(jù)中的等離子體標(biāo)記或相移來確定時間零點。用于檢測等離子體標(biāo)記和相移 的細節(jié)在稍后的章節(jié)中論述。在時間零點后收集到的時間序列數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)將會用來確定 基板/基層和被沉積的膜的屬性。
[0049] 在方框350中，可從在時間零點后獲得的時間序列數(shù)據(jù)中的第一組多個測量來確 定基層的屬性(諸如基層的反射率）。在一個實施例中，可通過在數(shù)值上求解表示膜堆疊的 數(shù)學(xué)模型的遞歸方程來確定基層的屬性。用于確定基層屬性的實施例在稍后的章節(jié)中論 述。
[0050] 在方框360中，可根據(jù)基層屬性和時間序列數(shù)據(jù)來確定被沉積在處理腔室中的每 個膜層的屬性(諸如厚度）。在一個實施例中，可通過在數(shù)值上求解表示膜堆疊的數(shù)學(xué)模型 的遞歸方程來確定被沉積的層的屬性。用于確定膜屬性的細節(jié)在稍后的章節(jié)中論述。通過 使用當(dāng)前可用的計算資源，一旦度過用于確定基層的屬性的延遲，就可以實時地確定被處 理的每個膜的屬性。
[0051 ]在方框370中，當(dāng)實時地確定被處理的膜的屬性時，所確定的屬性可以用來調(diào)整處 理參數(shù)，以便獲得期望的工藝結(jié)果。例如，在沉積用于閃存的膜堆疊的過程中，期望的是在 相同組分的多個膜層之間具有均勻的厚度?？梢栽诒恍纬傻哪てx期望的厚度時調(diào)整處理 參數(shù)。
[0052]去除等離子體背景
[0053]如方法300的方框340中所述，光譜儀獲得的測量點可以包括來自環(huán)境的噪聲。例 如，典型的等離子體增強CVD工藝在處理腔室內(nèi)創(chuàng)建等離子體來輔助沉積工藝，等離子體發(fā) 射各種波長的光，這些波長的光連同來自光源的撞擊光的反射一起被光譜儀的光纖束接 收。這種等離子體發(fā)射是測量數(shù)據(jù)中的不想要的干擾。本公開的實施例包括通過使用閃光 光源或脈沖光源并取得兩次測量來進行去除，以便從測量數(shù)據(jù)中去除來自連續(xù)源的噪聲， 諸如等離子體發(fā)射。在一個實施例中，通過在每一個數(shù)據(jù)時間點處收集兩次測量(光源接通 情況下的第一次測量和光源斷開情況下的第二次測量)并從第一次測量中減去第二次測量 來從測量數(shù)據(jù)中去除等離子體干擾或來自連續(xù)源的其他噪聲。在一個時間間隔內(nèi)的極接近 的時間內(nèi)第一次測量和第二次測量，使得兩次測量中的等離子體干擾是基本上類似的?？?在光源斷開情況下的測量前取得光源接通情況下的測量，反之亦然。
[0054] 從時間序列數(shù)據(jù)中獲得基板屬性
[0055] 如果已知薄膜下方的基板或基層的屬性，那么可從使用膜堆疊模型來進行的薄膜 的反射率的測量中確定薄膜的厚度和其他屬性。然而，在半導(dǎo)體處理中，出于各種原因（諸 如基層被圖案化、在工藝前對基層的改變、對工藝的改變或完全未知的），在被執(zhí)行的工藝 之前可能不會知曉基板或基層在各測量點處的屬性。本公開的實施例提供一種用于從在形 成在基板或基層上的一個或多個層的形成期間獲得的時間序列數(shù)據(jù)來確定基板或基層的 屬性的方法。
[0056] 根據(jù)本公開的一個實施例，可通過在數(shù)值上求解表示多層膜堆疊的呈以下方程的 形式的數(shù)學(xué)模型來獲得基板或基層的反射率：
[0057]
方程 1
[0058 方程2
[0059 方程3
[0060 方程4
[0061： 方程5
[0062: 方程 6
[0063: 方程 7
[0064] 方程1用膜堆疊的s偏振反射率和p偏振反射率(木、〇來表達膜堆疊的未 偏振反射比f(A，t)。在此，λ指示波長，并且t指示膜沉積的開始時的時間。上標(biāo)s和p是指當(dāng) 光從圖案化基板反射時的光源的s和p偏振。加權(quán)參數(shù)w表示s偏振的光的部分。如果基板是 裸硅晶片或基層是各向同性的覆蓋膜，并且光垂直于晶片入射，那么s和P分量變?yōu)橄嗤?，?且w等于0.5。
[0065] 方程2和方程3是菲涅爾方程的遞歸形式，表示了作為在第（j-Ι)層處的膜堆疊的 反射率/$#、〇、的函數(shù)的在膜堆疊中的第j層處的復(fù)合反射率 F/(h)、F/H)，所述膜堆疊包括j層的膜并且第j層是最頂層。ndPkj是第j膜的實數(shù)和 虛數(shù)的折射率。當(dāng)膜的組分已知時，如和h是已知常數(shù)。Dr,謙示第j膜的沉積速率。可以從沉 積速率Dr, j和第j膜被沉積的時間獲得時間t處的第j膜的厚度。
[0066] 當(dāng)?shù)谝粚邮亲铐攲訒r，當(dāng)j = l時，復(fù)合反射率/:'，(疋〇是基板或基層的 反射率校(辦、if (I)的函數(shù)。方程6和方程7是用振幅和相位來表達的基板或基層的復(fù)合 反射率。
[0067] 當(dāng)基板或基層的反射率已知時，方程1-7的膜堆疊模型包括要計算的5個參數(shù)。5個 參數(shù)是:沉積速率Dr^基板/基層的復(fù)合反射率的振幅值和基板/基層的復(fù) 合反射率的相位值乂^^、當(dāng)使用度量組件(諸如上述度量組件122)在時間t處作 出測量點時，在任意波長λ處收集一個未偏振反射比t)。在具有僅一個測量點和5個未 知參數(shù)的情況下，無法使用光譜儀的常規(guī)(靜態(tài))算法求解方程1-7的膜堆疊體模型。
[0068] 根據(jù)本公開的一個實施例，可通過在第一膜的沉積期間以多個時間間隔作出多個 測量點來收集時間序列數(shù)據(jù)。時間序列數(shù)據(jù)提供確定方程1-7的膜堆疊模型中的所有5個參 數(shù)所需要的附加的數(shù)據(jù)點?？梢砸远鄠€時間間隔收集時間序列數(shù)據(jù)，這些時間間隔允許時 間序列數(shù)據(jù)中的各個測量之間的足夠的相移/變化。在一個實施例中，可通過在第一膜的沉 積期間以相等的時間間隔(例如，約100ms)測量基板的反射比來收集時間序列數(shù)據(jù)。
[0069] 在一個實施例中，可通過將時間序列數(shù)據(jù)與膜堆疊模型動態(tài)地擬合來確定基板/ 基層的復(fù)合反射率和膜的沉積速率(或厚度）?？赏ㄟ^擬合在第一膜層沉積期間收集到的時 間序列數(shù)據(jù)來執(zhí)行如在方法300的方框350中所述的確定基板/基層的屬性。
[0070] 在擬合時間序列數(shù)據(jù)期間，基板/基層的復(fù)合反射率的估計值以及沉積速率被插 入到膜堆疊模型(諸如方程1-7)中，以便計算每一個進行測量時的時間點的估計反射比，以 產(chǎn)生反射比的估計時間序列。反射比的估計時間序列與時間序列數(shù)據(jù)中的實際測量相比較 以產(chǎn)生差異?；?基層的復(fù)合反射率的估計值以及沉積速率根據(jù)此差異來調(diào)整并且隨后 插入到膜堆疊模型中，以便計算反射比的另一個估計時間序列，以用于與測量出的時間序 列數(shù)據(jù)的另一個比較?？梢灾貜?fù)地執(zhí)行此調(diào)整、計算和比較，直到在反射比的估計時間序列 與測量到的時間序列數(shù)據(jù)之間的產(chǎn)生的差異在閾值范圍內(nèi)，因此由基板/基層的復(fù)合反射 率的估計值以及沉積速率來擬合時間序列數(shù)據(jù)?？墒褂煤线m的數(shù)值方法來計算差異并調(diào)整 估計值。
[0071] 根據(jù)本公開的實施例，可以在多個波長處并行地執(zhí)行時間序列數(shù)據(jù)的擬合。圖4描 繪分別在波長230nm、350nm、500nm和700nm處擬合的時間序列數(shù)據(jù)的示例。圖4中的時間序 列數(shù)據(jù)是在圖案化基板上沉積500埃麴而氮化硅層期間收集的。如圖4所示，膜堆疊的反射 比隨厚度變化。反射比-厚度變化的模式還取決于波長。通常，反射比隨厚度的變化在較短 的波長處要比在較長的波長處具有較高的頻率。通過在多個波長處擬合時間序列，本公開 的實施例采用不同波長的變化以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。
[0072]為進一步提高時間序列數(shù)據(jù)擬合的準(zhǔn)確性，可以在前兩層或前更多個層的沉積期 間取得時間序列數(shù)據(jù)測量。具體地，當(dāng)?shù)谝怀练e層不太厚時，時間序列數(shù)據(jù)中的相移信息可 能不足以產(chǎn)生準(zhǔn)確的基板/基層反射率?；?基層的反射率中的任何不準(zhǔn)確性都會導(dǎo)致從 靜態(tài)膜堆疊模型確定的后續(xù)層的厚度中的較大誤差。在一個實施例中，可通過擬合在前兩 層或前更多個層的沉積期間收集到的時間序列數(shù)據(jù)來確定基板/基層的反射率，以便提高 基板/基層的所確定的反射率的準(zhǔn)確性。
[0073] 圖5描繪使用在沉積膜堆疊的前三層期間收集的時間序列數(shù)據(jù)的時間序列數(shù)據(jù)擬 合的示例。前三層是500A的氮化硅、300,\的氧化硅和50?Α的氮化硅。如圖5所示，三層的 膜提供測量的反射比中的附加的變化，以便提高基板/基層的所確定的反射率的準(zhǔn)確性。
[0074] 在計算基板/基層的反射率后，就可使用膜堆疊模型的靜態(tài)模式在后續(xù)層被沉積 時來求解后續(xù)層的厚度。在一個實施例中，可通過執(zhí)行對與波長有關(guān)的測量的反射比的最 小平方擬合或其他數(shù)值近似來求解任何給定時間t處的未知厚度?？赏ㄟ^使用膜堆疊模型 的靜態(tài)模式來擬合測量到的光譜而執(zhí)行方法300的方框360。
[0075]圖6描繪根據(jù)本公開的一個實施例的膜堆疊沉積中的各種階段的光譜擬合結(jié)果。 圖6中的左上曲線示出已通過擬合來自第一層（500A厚氮化硅層）的時間序列數(shù)據(jù)來成功 計算的未知圖案化基板的反射光譜。所確定的基板的復(fù)合反射率實現(xiàn)在這個圖案化基板的 頂部上的24個氮化物-氧化物對的沉積過程中的所有反射比光譜的準(zhǔn)確擬合。圖6中的剩余 三個曲線圖分別示出在第一氮化硅層、第12氧化硅層和第24氮化硅層的沉積結(jié)束時的此類 光譜擬合的示例。
[0076]在每一層的結(jié)束沉積時的光譜擬合的結(jié)果(諸如圖6所示的光譜擬合)提供對應(yīng)層 的厚度。圖7示出根據(jù)本公開的一個實施例的膜堆疊的厚度測量的結(jié)果。圖7包括具有形成 在圖案化基板上的交替的氮化硅層和氧化硅層的膜堆疊的厚度測量結(jié)果。氮化硅膜和氧化 硅膜的目標(biāo)厚度分別是5O0A和300A，不同之處在于每第6對膜，其中目標(biāo)厚度分別為 350A和200A ,在圖7中，將本公開的厚度結(jié)果與透射電子顯微術(shù)(TEM)截面測量相比較。 圖7描繪根據(jù)本公開的一個實施例的厚度測量在TEM的預(yù)期不確定性范圍內(nèi)。
[0077]數(shù)據(jù)緩沖
[0078]如上所述，本公開的實施例可以用于在膜堆疊的沉積期間測量膜堆疊中的膜的厚 度或其他屬性。在理論上，可使用本發(fā)明的實施例來計算每個膜的實時厚度。然而，在計算 資源無法滿足涉及的密集計算的情況下，尤其在為了解決未知基板反射率的初始動態(tài)時間 序列擬合期間，當(dāng)膜被沉積時，計算可滯后于來自度量組件的輸入數(shù)據(jù)的連續(xù)流。本公開的 一個實施例包括在系統(tǒng)控制器內(nèi)（諸如在計算機的數(shù)據(jù)存儲器中）提供數(shù)據(jù)緩沖器，以在計 算機處理器正執(zhí)行時間序列擬合以計算基板反射率時存儲來自度量組件的測量數(shù)據(jù)。在完 成基板反射率計算后，可使用更快的算法(諸如用于靜態(tài)擬合的算法)來處理緩沖的數(shù)據(jù)， 以便計算沉積膜的厚度，并且最終趕上實時的數(shù)據(jù)流。圖8是根據(jù)本公開的一個實施例的示 出數(shù)據(jù)緩沖過程的示意性流程圖。圖8描繪沿時間軸的計算和數(shù)據(jù)收集。在數(shù)據(jù)緩沖時段期 間將收集的數(shù)據(jù)存儲在緩沖器中，直到計算趕上數(shù)據(jù)收集。
[0079]并行計算
[0080] 在本公開的一個實施例中，多個計算機處理器（核）和/或多個圖形處理單元 (GPU)、或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)可以用于并行地執(zhí)行動態(tài)擬合計算以趕上實時的數(shù) 據(jù)流或減少對第一組多個層發(fā)生的數(shù)據(jù)計算與數(shù)據(jù)收集之間的延遲。在一個實施例中，并 行計算可以至少將計算時間減少到小于沉積膜的第一層所花費的時間的一半?？赏ㄟ^將數(shù) 據(jù)劃分成兩組或更多組波長或兩組或更多組時間并將每組分配給不同的處理器來完成跨 多個處理器的計算的并行。
[0081 ]在一個實施例中，并行地使用多核/GPU/FPGA來處理來自多個數(shù)據(jù)收集通道中的 數(shù)據(jù)。例如，在圖1的等離子體處理腔室100中，基板114上的多個測量點138可以在每一個時 間點處作出。從多個測量點138中的每者收集的數(shù)據(jù)可由系統(tǒng)中的多核/GPU/FPGA中的一個 或多個來并行地處理。類似地，可以在同時處理多個基板時使用多核/GTO/FPGA，例如，可以 在雙腔室配置中同時處理兩個基板，可通過一個或多個通道來測量每一個基板。
[0082]圖9是根據(jù)本公開的一個實施例的示出并行計算結(jié)構(gòu)的示意性框圖900?？赏瑫r處 理一個或多個基板901(諸如具有所沉積的膜堆疊）?？墒褂枚攘拷M件902以從一個或多個基 板901收集數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^多個通道904來收集數(shù)據(jù)。度量組件902可連接到數(shù)據(jù)處理單元906。 數(shù)據(jù)處理單元906包括數(shù)據(jù)收集和劃分單元908。數(shù)據(jù)收集和劃分單元908從度量組件902的 多個通道904接收測量數(shù)據(jù)，并且將收集到的數(shù)據(jù)劃分到多個組，每組數(shù)據(jù)被發(fā)送到多個計 算單元910中的一者以供并行處理。數(shù)據(jù)收集和劃分單元908可按波長、通道和/或時間來對 數(shù)據(jù)進行分組。每個計算單元910可以包括計算機處理器（核）和/或多個圖形處理單元 (GPU)、或者現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)。多個計算單元910并行地處理數(shù)據(jù)。在一個實施例 中，數(shù)據(jù)處理單元906可以包括編譯器912,用以編譯來自多個計算單元910的計算結(jié)果以獲 得最終的結(jié)果。
[0083] 測量透明膜
[0084]本公開的實施例進一步包括根據(jù)被沉積的膜的屬性修改計算算法。在一個實施例 中，上述計算方法的多個變型可被用于測量多個類型的膜或模組合。例如，可以將計算方法 的不同變型用于測量氮化硅膜、氧化硅膜和多晶硅膜。對于透明膜(諸如氮化硅-氧化硅對 的堆疊(氮化娃是在230nm至800nm的波長范圍內(nèi)大部分透明的）），可通過跨一個層或多個 層的數(shù)據(jù)執(zhí)行時間序列擬合以計算未知的基板反射率、接著對其余的層進行靜態(tài)擬合來獲 得最準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，當(dāng)可以容忍較低的準(zhǔn)確性或期望更快的計算時間時，可以在更少的 波長上執(zhí)行時間序列擬合。在一個實施例中，當(dāng)無法避免來自于硬件的某些限制(諸如光譜 儀的有限波長分辨率)時，可將最短波長中的一些(例如，短于約300nm的波長)從計算中排 除，因為短于約300nm的波長在很大程度上受到硬件的波長分辨率限制的影響。
[0085] 測量高折射率或高吸收膜
[0086] 在一個實施例中，可通過對反射比相對于時間數(shù)據(jù)的直接條紋(循環(huán))計數(shù)來提取 高折射率膜的厚度。高折射率膜(諸如非晶硅或多晶硅）中的大的實數(shù)折射率(η)允許對反 射比相對于時間數(shù)據(jù)的直接條紋(循環(huán))計數(shù)來提取出膜的厚度。在一個實施例中，可以在 折射率較高的較短波長處執(zhí)行條紋計數(shù)方法。在替代實施例中，高吸收膜(諸如非晶硅或多 晶硅)的厚度可以基于與波長有關(guān)的膜的不透明的初始來計算，因為膜尤其是在較短波長 處進行吸收。圖10包括示出與波長有關(guān)的達到不透明的多晶硅膜的厚度的曲線1002。
[0087]測量透明-高吸收膜對
[0088] 對于透明膜與高吸收膜的組合(諸如氧化硅-多晶硅(OP)對），可使用輥壓基板方 法來測量膜堆疊中的層的厚度。對于前幾對的透明膜與高吸收膜，諸如前三對的透明膜與 高吸收膜，可以利用用于透明膜對(諸如氮化硅-氧化硅對）的動態(tài)-靜態(tài)擬合方法。在若干 對(例如，3對）的透明膜與高吸收膜已經(jīng)形成在基板上后，由于高吸收膜的高吸收率，基板 可變?yōu)閷慕刂共ㄩL開始的光譜不可見。當(dāng)基板變成為對短于約600nm的波長不可見時，截 止波長為約600nm。精確的截止波長取決于高吸收膜的特定屬性，包括厚度。當(dāng)原始基板變 成為不可見時，原始基板的屬性在膜的模型中可被忽略并且可被最近幾對透明-高吸收膜 的堆疊替代。當(dāng)更多的膜被沉積時，連續(xù)地更新最近幾對透明-高吸收膜的厚度，從而有效 創(chuàng)建"輥壓"基板。
[0089] 圖11示意性地描繪根據(jù)本公開的一個實施例的用于輥壓基板的示例。在圖11中， 膜堆疊1100形成在原始基板1102上。膜堆疊體1100包括多對高吸收膜1104和透明膜1106。 當(dāng)膜堆疊1100達到特定厚度時，由于高吸收膜1104,原始基板1102透過被沉積的膜不再可 見的。根據(jù)本公開的一個實施例，可如同它直接形成在輥壓基板1108上來測量最頂部膜。在 一個實施例中，輥壓基板1108可以包括位于最頂部層正下方的兩對或更多對高吸收膜1104 和透明膜1106?？蓮妮亯夯?108的兩個或更多個膜對的屬性確定輥壓基板1108的屬性。 在處理期間，可針對膜1104、1106中的每層或針對每個膜對更新輥壓基板1108的屬性。
[0090] 測量基板靈敏度函數(shù)
[0091] 膜堆疊的反射光譜取決于在其上形成有膜堆疊(特別對于諸如氮化硅-氧化硅對 的透明膜)的基板。厚度的測量靈敏度直接與這個反射光譜隨著頂部膜厚度的增量變化而 變化多少成正比。因此，當(dāng)形成在不同基板上時，相同的膜堆疊可以具有不同的測量靈敏 度。當(dāng)基板未知時，膜堆疊的測量靈敏度同樣是未知的。
[0092] 本公開的一個實施例包括通過計算其上形成有膜堆疊的基板的靈敏度函數(shù)而來 確定膜堆疊的測量靈敏度。靈敏度函數(shù)是反射比相對于厚度的導(dǎo)數(shù)。靈敏度函數(shù)是波長相 關(guān)的。在一個實施例中，可計算光譜靈敏度函數(shù)來識別具有對厚度的最高測量靈敏度的波 長區(qū)域。后續(xù)計算可被調(diào)諧至所標(biāo)識的波長區(qū)域，以便最大化的準(zhǔn)確性和/或計算速度。在 已針對一個基板識別了具有最高測量靈敏度的波長區(qū)域后，后續(xù)的同一類基板可以使用相 同的標(biāo)識的波長區(qū)域而不經(jīng)歷靈敏度計算。
[0093] 最小化噪聲
[0094] 與任何測量結(jié)果一樣，通過度量組件測量到的反射光譜可以包括會消極地影響準(zhǔn) 確性的各種噪聲。本公開的實施例還包括用于最小化反射光譜中的噪聲的影響的方法。
[0095] 在一個實施例中，可對反射光譜應(yīng)用移動平均數(shù)。可以在預(yù)定窗口跨時間計算移 動平均數(shù)，例如在數(shù)個時間間隔上，并且在每個時間間隔中具有對原始反射光譜的預(yù)定加 權(quán)。例如，窗口尺寸是五個時間間隔，并且每個時間間隔中的測量的加權(quán)是0.2。在另一個示 例中，窗口尺寸是五個時間間隔，并且每個時間間隔中的測量的加權(quán)從當(dāng)前時間間隔開始 分別為0.33、0.267、0.2、0.133和0.067。
[0096] 在另一個實施例中，可標(biāo)準(zhǔn)化每個反射光譜。反射光譜可由反射光譜在預(yù)定的波 長范圍上的平均值來標(biāo)準(zhǔn)化?？筛鶕?jù)反射光譜的屬性來選擇波長范圍。在一個實施例中，波 長范圍可小至零，并且可由在單個波長處的值來標(biāo)準(zhǔn)化反射光譜?；蛘?，波長范圍可大到為 整個反射光譜的波長范圍，并且由整個光譜的平均值來標(biāo)準(zhǔn)化反射光譜。圖12描繪根據(jù)本 公開的一個實施例的反射光譜的標(biāo)準(zhǔn)化。
[0097] 在如上所公開的應(yīng)用反射光譜來計算基板的復(fù)合反射率以及膜堆疊中的每個層 的厚度前，可使用一個或多個降噪工藝來處理反射光譜。
[0098] 或者，可通過處理厚度結(jié)果來降低噪聲。在一個實施例中，可應(yīng)用針對每個層的厚 度結(jié)果相對于時間的線擬合來獲得直線。與厚度結(jié)果的原始數(shù)據(jù)相比，來自擬合線的直線 提供對厚度的更好的估計?？墒褂镁€性最小平方擬合來執(zhí)行線擬合。線性最小平方擬合適 合于當(dāng)沉積速率可預(yù)期為常數(shù)時的每一個層沉積的短持續(xù)時間。線擬合可應(yīng)用至每一個層 沉積內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)點?；蛘?，可以應(yīng)用在預(yù)定數(shù)量的數(shù)據(jù)點上的起伏(rolling)線性擬 合。圖13包括通過所有的數(shù)據(jù)點的線擬合和20個數(shù)據(jù)點的起伏擬合對厚度結(jié)果的線性擬 合。
[0099]確定時間零點
[0100] 如方法300的方框330中所述，時間零點（沉積開始的時間點）可在不依賴工藝控制 軟件的情況下確定。時間零點提供經(jīng)過時間t的值，所述經(jīng)過時間t在第一層數(shù)據(jù)的動態(tài)時 間序列擬合中用來獲得基板的反射率和膜的沉積速率(DR)。通過將經(jīng)過時間t乘以沉積速 率DR計算在任何給定時間t的厚度。因此，初始時間零點中的任何誤差會消極地影響之后的 計算結(jié)果。本公開的實施例提供用于確定時間零點的方法。
[0101] -個實施例時間零點可通過檢測等離子體發(fā)射的標(biāo)記的第一次出現(xiàn)來確定。這個 實施例利用如先前所述的反射光譜中所包括的等離子體發(fā)射背景。由于等離子體發(fā)射是沉 積工藝的組成部分，因此在由度量組件檢測到的光譜中的指示等離子體發(fā)射的標(biāo)記的第一 次出現(xiàn)指示沉積工藝的開始。等離子體發(fā)射標(biāo)記一般包含在頻譜中的特定波長處的窄帶 線，這取決于等離子體中的物種。例如，氧、氮和硅的等離子體各自具有唯一的發(fā)射線標(biāo)志。 圖14示出等離子體發(fā)射線譜標(biāo)志的示例。時間_1中的信號表示在背景中沒有等離子體發(fā)射 的情況下的檢測到的光譜。時間_2中的信號表示在背景中具有等離子體發(fā)射的情況下的檢 測到的光譜。時間_2處的信號中的尖峰是等離子體發(fā)射線標(biāo)志。通過檢測等離子體發(fā)射線 標(biāo)志的第一次出現(xiàn)，可以確定時間零點。
[0102] 在另一個實施例中，可通過在時間序列數(shù)據(jù)中的第一組多個反射比測量點中監(jiān)測 在給定波長處或在幾個波長處反射率、相移的變化來確定時間零點。與時間有關(guān)的相移的 導(dǎo)數(shù)隨后可用直線來擬合，并外推(extrapolate)回相移導(dǎo)數(shù)等于零的位置以便確定準(zhǔn)確 的時間零點。
[0103] 在另一個實施例中，可通過將時間零點作為變量添加到動態(tài)時間序列數(shù)據(jù)擬合以 在動態(tài)擬合期間確定時間零點來確定時間零點。例如，時間零點變量to可添加到方程1-7的 堆疊-膜模型。時間被表達為
[0104] t = to+n*dt
[0105] 其中to是未知時間零點，η是在當(dāng)前時間以前已計數(shù)的時間間隔的數(shù)量，并且dt是 每次數(shù)據(jù)測量之間的時間步長。而且，方程4可由以下方程替代：
[0106]
方程 4'
[0107] 盡管上述內(nèi)容針對本公升的買施例，但可設(shè)計本公開的其他和進一步的實施例而 不背離本公開的基本范圍，并且本公開的范圍由所附權(quán)利要求書來確定。
【主權(quán)項】
1. 一種用于測量薄膜的屬性的方法，所述方法包括： 將具有未知表面的基板定位在處理腔室中； 以一時間間隔來重復(fù)地測量所述基板的反射光譜，以便獲得時間序列數(shù)據(jù)； 使一種或多種處理氣體流動以將所述薄膜沉積在所述基板上，同時維持重復(fù)的測量； 從所述時間序列數(shù)據(jù)中的多個反射光譜測量來確定所述基板的所述未知表面的一個 或多個屬性；以及 根據(jù)所述未知表面的所述一個或多個屬性以及所述薄膜的反射光譜測量來確定所述 薄膜的厚度。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括點燃所述一種或多種處理氣體的等離子體， 其中測量反射光譜包括： 接通導(dǎo)向所述基板的閃光光源并且作出第一次測量；以及 斷開所述閃光光源并且作出第二次測量。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，進一步包括確定指示所述薄膜的沉積的開始的時間零 點。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定所述未知表面的一個或多個屬性包括 將所述時間序列數(shù)據(jù)動態(tài)擬合到膜堆疊模型。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，確定所述薄膜的厚度包含將一個反射光譜 測量靜態(tài)擬合到所述膜堆疊模型。6. -種用于形成膜堆疊的方法，所述方法包括： 將基板定位在等離子體處理腔室中； 以一時間間隔來重復(fù)地測量所述基板的反射光譜，以便獲得時間序列數(shù)據(jù)； 點燃處理氣體的等離子體，以便將第一膜和第二膜交替地沉積在所述基板上方，同時 維持對反射光譜的重復(fù)的測量； 從所述時間序列數(shù)據(jù)中的多個反射光譜測量來確定所述基板的復(fù)合反射率；以及 根據(jù)所述基板的復(fù)合反射率以及每個第一膜或第二膜的反射光譜測量來確定每個第 一膜或第二膜的厚度。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，測量反射光譜包括： 朝向所述基板引導(dǎo)來自閃光光源的光；以及 測量所述光從所述基板的第一反射比。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，測量反射光譜進一步包括： 在將所述閃光光源斷開的情況下，測量所述光從所述基板的第二反射比；以及 通過從所述第一反射比中減去所述第二反射比來去除背景噪聲。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進一步包括確定指示沉積的開始的時間零點。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，確定時間零點包括從所述時間序列數(shù)據(jù) 的第一組多個測量檢測等離子體發(fā)射線標(biāo)志。11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，確定時間零點包括從所述時間序列數(shù)據(jù) 的第一組多個測量監(jiān)測相移。12. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，確定所述基板的復(fù)合反射率包括將所述 時間序列數(shù)據(jù)動態(tài)擬合到膜堆疊模型。13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，確定每個第一膜或第二膜的厚度包括將 對應(yīng)的反射光譜測量靜態(tài)擬合到所述膜堆疊模型。14. 一種用于沉積一個或多個膜的裝置，所述裝置包括： 腔室主體，所述腔室主體限定處理容積； 基板支撐件，所述基板支撐件設(shè)置在所述處理容積內(nèi)；以及 度量組件，所述度量組件設(shè)置在所述基板支撐件上方，其中所述度量組件包括： 閃光光源； 光譜儀； 多個光纖通道，所述多個光纖通道連接在所述閃光光源與所述光譜儀之間，其中每個 光纖被定位成:朝向所述基板支撐件的測量點引導(dǎo)來自所述閃光光源的光，接收來自所述 測量點的反射，并且將所接收的反射引導(dǎo)到所述光譜儀。15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，進一步包括控制器，所述控制器被耦接到所述度量組 件，其中所述控制器從所述光譜儀接收測量數(shù)據(jù)，其中所述控制器包括軟件，所述軟件在運 行時執(zhí)行以下步驟： 指示所述度量組件以一時間間隔來重復(fù)地測量定位在所述基板支撐件上的基板的反 射光譜，以便獲得時間序列數(shù)據(jù)； 從所述時間序列數(shù)據(jù)中的多個反射光譜測量來確定所述基板的復(fù)合反射率；以及 根據(jù)所述基板的復(fù)合反射率以及所述膜的反射光譜測量來確定沉積在所述基板上的 膜的厚度。
【文檔編號】H01L21/66GK105917456SQ201580005173
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年1月7日
【發(fā)明人】E·布迪亞爾托, T·諾瓦克, T·伊甘, S·斯塔里克
【申請人】應(yīng)用材料公司