评估等离子体处理装备中内表面调节的系统与方法

摘要

在实施例中，一种等离子体源包括：第一电极，配置成用于移送一种或更多种等离子体源气体通过所述第一电极中的第一穿孔；绝缘体，设置成绕所述第一电极的外周与所述第一电极接触；以及第二电极，设置成使所述第二电极的外周抵靠所述绝缘体，使得所述第一和第二电极以及所述绝缘体界定等离子体生成腔。所述第二电极配置成用于使来自所述等离子体生成腔的等离子体产物移动通过所述第二电极而前往工艺腔室。电源跨所述第一和第二电极提供电功率以在所述等离子体生成腔中利用所述一种或更多种等离子体源气体点燃等离子体，从而产生所述等离子体产物。所述第一电极、所述第二电极和所述绝缘体中的一者包括端口，所述端口提供来自所述等离子体的光学信号。

权利要求

1.一种等离子体源，包含：

第一穿孔电极，包含第一平坦表面，所述第一穿孔电极配置成用于移送一种或更多种等离子体源气体通过所述第一穿孔电极中的第一穿孔；

第二穿孔电极，包含第二平坦表面，所述第二穿孔电极配置成用于使等离子体产物移动通过所述第二穿孔电极而前往工艺腔室，所述第二穿孔电极保持电接地；

绝缘体，具有上表面和下表面，所述上表面和所述下表面绕所述第一穿孔电极的外周和所述第二穿孔电极的外周并与所述第一平坦表面和所述第二平坦表面接触，使得所述第一穿孔电极、所述第二穿孔电极和所述绝缘体界定等离子体生成腔；以及电源，所述电源跨所述第一穿孔电极和所述第二穿孔电极提供电功率以在所述等离子体生成腔中利用所述一种或更多种等离子体源气体点燃等离子体，从而产生所述等离子体产物；

其中所述绝缘体包括端口，所述端口提供来自所述等离子体的光学信号，所述光学信号用于监测所述等离子体源，所述端口包括：形成于所述绝缘体内的径向孔；

光学窗，所述光学窗跨所述径向孔的外开口能密封至所述绝缘体；以及夹具，所述夹具将光纤定位成邻近所述光学窗，使得光学发射传播到所述光纤中以形成所述光学信号，所述光纤定向成所述光学信号限于在所述等离子体生成腔内所产生的光学发射。

2.如权利要求1所述的等离子体源，其中在所述等离子体产物移动通过所述第二穿孔电极而前往所述工艺腔室之后，所述光学信号不受所述等离子体产物的相互作用的影响。

3.如权利要求1所述的等离子体源，其中所述绝缘体是陶瓷环。

4.如权利要求1所述的等离子体源，其中所述光学窗包含蓝宝石或石英。

5.如权利要求1所述的等离子体源，进一步包含光学发射光谱仪，所述光学发射光谱仪接收所述光学信号并从所述光学信号中生成发射峰数据。

6.如权利要求5所述的等离子体源，进一步包含计算机，所述计算机配置成用于生成所述发射峰数据的记录。

7.如权利要求6所述的等离子体源，所述发射峰数据包括氢发射峰数据，所述计算机配置成用于计算所述氢发射峰数据在所述等离子体源的连续工艺序列期间的稳定性度量。

8.如权利要求1所述的等离子体源，其中所述第一穿孔电极和所述第二穿孔电极中的至少一者包含氧化钇。

9.如权利要求1所述的等离子体源，所述一种或更多种等离子体源气体包含氟源。

10.如权利要求9所述的等离子体源，所述氟源包含NF3。

说明书

评估等离子体处理装备中内表面调节的系统与方法

技术领域

[0001] 本公开广泛适用于等离子体处理装备领域。更具体地，公开了用于使用光学发射光谱学对等离子体生成器进行内表面调节评估的系统与方法。

背景技术

[0002] 半导体工艺经常利用等离子体处理以在半导体晶片上蚀刻、清洁或沉积材料。可预测和可再现的晶片处理通过稳定和良好受控的等离子体处理参数来促成。对等离子体处理中所涉及的装备和/或材料的某些改变会暂时破坏等离子体处理的稳定性。相比在单个工艺中长期使用所产生的表面化学性质，所述暂时破坏等离子体处理稳定性通常发生在此类改变影响等离子体系统部件的表面化学性质时。例如，等离子体腔室部件可能在首次使用时或腔室被排空至大气之后可能需要调节。在这种情况下，等离子体工艺最初可呈现变化但随时间(例如，随着工艺腔室内的表面涂层与等离子体工艺条件达到平衡)可稳定的可交付事项(deliverable)(诸如，蚀刻速率、蚀刻选择率或沉积速率)。半导体制造商看重工艺条件的迅速稳定以及工艺稳定性的可靠确认，使得新的或维修好的等离子体腔室可尽快投入使用。

发明内容

[0003] 在实施例中，一种等离子体源包括：第一电极，配置成用于移送一种或更多种等离子体源气体通过所述第一电极中的第一穿孔；绝缘体，设置成绕所述第一电极的外周与所述第一电极接触；以及第二电极，设置成使得所述第二电极的外周抵靠所述绝缘体，使得所述第一和第二电极以及所述绝缘体界定等离子体生成腔。所述第二电极配置成用于使来自所述等离子体生成腔的等离子体产物移动通过所述第二电极而前往工艺腔室。电源跨所述第一和第二电极提供电功率以在所述等离子体生成腔中利用所述一种或更多种等离子体源气体点燃等离子体，从而产生所述等离子体产物。所述第一电极、所述第二电极和所述绝缘体中的一者包括端口，所述端口提供来自所述等离子体的光学信号。

[0004] 在实施例中，一种方法评估等离子体处理系统的一个或更多个内表面的表面调节。所述方法包括以下步骤：在所述等离子体处理系统的等离子体生成腔内引入一种或更多种等离子体源气体，所述等离子体生成腔至少部分地由所述一个或更多个内表面界定；以及跨所述等离子体处理系统的电极施加功率，以便在所述等离子体生成腔内利用所述等离子体源气体点燃等离子体。利用光学探针捕获来自所述等离子体的光学发射，所述光学探针设置成邻近所述等离子体生成腔，并定向成使得所捕获的光学发射不受所述等离子体与工件的相互作用影响。监测所捕获的光学发射的一个或更多个发射峰以评估所述一个或更多个内表面的表面调节。

[0005] 在实施例中，一种等离子体处理系统包括：远程等离子体系统，用于电离第一源气体；以及两个处理单元，所述两个处理单元中的每一个处理单元都配置成用于至少接收来自所述远程处理系统的电离的第一源气体、以及第二源气体。所述处理单元中的每一个处理单元都包括：等离子体生成腔室，所述等离子体生成腔室由以下定界：第一平坦电极，所述第一平坦电极配置成用于移送所述电离的第一源气体和所述第二等离子体源气体通过所述第一平坦电极中的第一穿孔而进入所述等离子体生成腔室；第二平坦电极，所述第二平坦电极设置有穿孔，所述穿孔配置成用于将等离子体产物从所述等离子体生成腔移送至工艺腔室；以及环形绝缘体，所述环形绝缘体设置成绕所述第一电极的外周并与所述第一电极的外周接触，并且所述环形绝缘体设置成绕所述第二电极的外周并与所述第二电极的外周接触。处理单元中的每一个处理单元进一步包括电源，所述电源跨所述第一和第二平坦电极提供电功率以在所述等离子体生成腔中利用所述电离的第一源气体和所述第二等离子体源气体点燃等离子体，从而产生所述等离子体产物。所述第一电极、所述第二电极和所述绝缘体中的一者包括端口，所述端口提供来自所述等离子体的光学信号。所述端口设置并定向成使得在所述等离子体产物转移通过所述第二电极而前往所述工艺腔室之后，所述光学信号不受所述等离子体产物的相互作用影响。

[0006] 在实施例中，一种调节等离子体源的内表面的方法包括以下步骤：使第一源气体流入所述等离子体源的等离子体生成腔，所述等离子体生成腔至少部分地由所述内表面包围。在将功率传输到所述等离子体生成腔中之后，所述第一源气体点燃以形成第一等离子体，从而产生第一等离子体产物，部分的所述第一等离子体产物附着至所述内表面。所述方法进一步包括以下步骤：使所述第一等离子体产物流出所述等离子体生成腔而前往工艺腔室，在所述工艺腔室处，由所述第一等离子体产物处理工件；以及使第二源气体流入所述等离子体生成腔。在将功率传输到所述等离子体生成腔之后，所述第二源气体点燃以形成第二等离子体，从而产生第二等离子体产物，所述第二等离子体产物至少部分地从所述内表面去除部分的所述第一等离子体产物。

[0007] 在实施例中，一种在内表面暴露于大气之后调节等离子体源的一个或更多个内表面的方法包括以下步骤：至少使含氢气体流入等离子体源的等离子体生成腔，所述等离子体生成腔至少部分地由一个或更多个内表面包围；将功率传输至所述等离子体生成腔中以生成含氢等离子体，使得H基团从所述内表面去除过量的氧；以及监测所述等离子体的发射峰直到所述发射峰稳定为止。

[0008] 在实施例中，一种保持从晶片蚀刻材料的等离子体处理系统的工艺属性的稳定性的方法包括以下步骤：在所述等离子体处理系统内生成蚀刻等离子体以形成蚀刻等离子体产物，其中部分的所述蚀刻等离子体产物附着至所述等离子体处理系统的一个或更多个内表面；使用所述蚀刻等离子体产物以从所述晶片中的一个晶片蚀刻材料，其中附着至所述一个或更多个内表面的部分所述蚀刻等离子体产物影响所述工艺属性；以及在所述等离子体处理系统内生成调节等离子体以形成调节等离子体产物，其中所述调节等离子体产物至少去除一些附着至所述一个或更多个内表面的所述蚀刻等离子体产物。

附图说明

[0009] 可通过结合以下简要描述的附图来参照以下具体实施方式来理解本公开，其中贯穿若干附图，使用相似的元件符号来指称类似的部件。应当注意的是，为了清楚说明的目的，附图中的某些元件可能不是按比例绘制的。在示出物品的多个示例的实例中，为了说明清楚，仅标出这些实例中的一些实例。

[0010] 图1示意性地图示根据实施例的等离子体处理系统的主要元件。

[0011] 图2以剖视图示意性地图示根据实施例的等离子体处理系统的主要元件。

[0012] 图3示意性地图示图2中示出的区域A的细节。

[0013] 图4示意性地图示根据实施例的配置成用于执行各种类型的处理操作的示例性等离子体处理系统的俯视平面图。

[0014] 图5示意性地图示根据实施例的一对处理腔室，所述一对处理腔室设置为具有串接式盘(tandem tray)的串接的处理腔室对。

[0015] 图6是根据实施例用于评估等离子体处理系统的一个或更多个内表面的表面调节的方法的流程图。

[0016] 图7A和图7B图示根据实施例的、利用类似图2和图3中示出的设备、通过使用图6中图示的方法所获得的发射峰信息。

[0017] 图8A和图8B图示根据实施例的、在等离子体腔室中测得的氢峰和氟峰的发射峰强度随时间变化的图。

[0018] 图9是根据实施例的、来自图8A的氢发射峰中的所选择的氢发射峰以及在对应于选择的氢发射峰的蚀刻取得的蚀刻速率测量值的图。

[0019] 图10A图示根据实施例的不含氢的氧化钇表面。

[0020] 图10B图示根据实施例的图10A的氧化钇表面，其中所述氧化钇表面具有通过悬空键(dangling bond)而附着至表面的H基团(radical)。

[0021] 图10C图示根据实施例的图10B的氧化钇表面，其中F基团与一些H基团反应。

[0022] 图11是图示根据实施例的蚀刻制作方法的流程图，所述蚀刻制作方法使在工件上的蚀刻与调节步骤交替进行。

[0023] 图12A图示根据实施例的、具有通过悬空键而附着至表面的一些F原子的氧化钇表面。

[0024] 图12B图示根据实施例的进行反应以去除氟的氧化钇表面。

[0025] 图13A图示根据实施例的、具有吸附的氟的氧化钇表面，所述吸附的氟与水分反应以形成固体形式的YO2和HF，所述HF以气体形式被带走。

[0026] 图13B图示根据实施例的图13A的氧化钇表面，其中具有固体形式的YO2的氧原子与H基团反应以形成H2O，所述H2O被以蒸汽形式被带走。

具体实施方式

[0027] 图1示意性地图示根据实施例的等离子体处理系统100的主要元件。系统100被描绘为单个晶片、半导体晶片等离子体处理系统，但是对于本领域技术人员而言将显而易见的是，本文中的技术和原理适用于任何类型的等离子体生成系统(例如，不一定处理晶片或半导体的系统)。处理系统100包括壳体110，所述壳体110用于晶片接口115、用户接口120、等离子体处理单元130、控制器140以及一个或更多个电源150。处理系统100由各种设施支持，所述设施可以包括(多种)气体155、外部电源170、真空160以及任选的其他设施。为了清楚说明起见，未示出出处理系统100内的内部管道和电接线。

[0028] 将处理系统100示出为所谓的间接(或远程)等离子体处理系统，所述间接等离子体处理系统在第一位置中生成等离子体并将所述等离子体和/或等离子体产物(例如，离子、分子片段、被激发的物质等)引导到处理所发生的第二位置。因此，在图1中，等离子体处理单元130包括远程等离子体源132，所述远程等离子体源132为工艺腔室134供应等离子体和/或等离子体产物。工艺腔室134包括一个或更多个晶片基座135，晶片接口115将工件50(例如，半导体晶片，但可以是不同类型的工件)放在晶片基座135上以进行处理。在操作中，(多种)气体155被引入等离子体源132，并且射频生成器(RF Gen)165供应功率，以在等离子体源132内点燃等离子体。等离子体和/或等离子体产物从等离子体源132通过扩散板137而到达工艺腔室134，在所述工艺腔室134处，工件被处理。

[0029] 虽然在图1和本公开中的其他地方图示间接等离子体处理系统，但是本领域技术人员应清楚的是，本文中公开的技术、设备和方法同样适用于直接等离子体处理系统-例如，其中等离子体在(多个)工件的位置处被点燃。类似地，在实施例中，处理系统100的部件可以被重组、重新配置和/或复制，例如：(1)以提供具有多个工艺腔室的单个处理系统；(2)以为单个工艺腔室提供多个远程等离子体源；(3)以在单个工艺腔室内提供多个工件夹具(例如，晶片基座135)；(4)以利用单个远程等离子体源来将等离子体产物供应至多个工艺腔室；和/或(5)以便以串联/并联的组合提供等离子体和气体源，使得各种源气体可被电离零次、一次、两次或更多次，并且在进入工艺腔室等之前或之后与其他源气体混合。

[0030] 利用OES进行仅等离子体的监测

[0031] 图2以剖视图示意性地图示根据实施例的等离子体处理系统200的主要元件。等离子体处理系统200是图1中的等离子体处理单元130的示例。等离子体处理系统200包括工艺腔室205和等离子体源210。如图2中所示，等离子体源210通过RF电极215直接引入气体155(1)、和/或引入通过上游远程等离子体源202电离的气体155(2)作为等离子体源气体212。RF电极215包括(例如，被电连接到)第一气体扩散器220和面板225，所述第一气体扩散器
220和面板225用于重新定向源气体的流，使得气流跨等离子体源210是均匀的。在流过面板
225之后，绝缘体230将RF电极215与被保持电接地的扩散器235电绝缘(例如，扩散器235充当面对RF电极215的面板225的第二电极)。RF电极215、扩散器235和绝缘体230的表面界定出等离子体生成腔(参见图3，等离子体生成腔240)，其中当源气体存在，并且通过RF电极
215提供RF能量时产生等离子体245。RF电极215和扩散器235可以由任何导体形成，并且在实施例中由铝(或铝合金，诸如，已知的“6061”合金类型)形成。面板225和扩散器235的面向等离子体腔或以其他方式暴露于反应气体的表面可以被涂覆氧化钇(Y2O3)或氧化铝(Al2O3)，用于抵抗反应气体以及在等离子体腔中生成的等离子体产物。绝缘体230可以是任何绝缘体，并且在实施例中由陶瓷形成的。在图2中以A表示的区域在图3中被更详细地示出。来自等离子体245的发射进入光纤270，并且在光学发射光谱仪(“OES”)280中进行分析，如下文中进一步所讨论。

[0032] 等离子体245中生成的等离子体产物通过扩散器235，所述扩散器235再次帮助促进等离子体产物均匀分布，并且可以辅助电子温度控制。通过扩散器235之后，等离子体产物通过促进均匀性(如由小箭头227所指示)的进一步的扩散器260，并且进入工艺腔室205，在所述工艺腔室205处，所述等离子体产物与晶片基座135顶部的工件50(诸如，半导体晶片)相互作用。扩散器260包括进一步的气体通道250，当等离子体产物进入工艺腔室205时，气体通道250可用于将一种或更多种另外的气体155(3)引入到所述等离子体产物中，如由非常小的箭头229所指示。

[0033] 本文中的实施例可以被重新安排，并且可以形成各种形状。例如，在图2中示出的实施例中，RF电极215和扩散器235基本上是径向对称的，并且对于将圆形半导体晶片作为工件50来处理的应用，绝缘体230是具有上平坦表面和下平坦表面的环，所述上平坦表面和下平坦表面抵靠面板225和扩散器235的外周区域而设置。然而，此类特征可以具有与用作等离子体源一致的任何形状。此外，用于引进和分配气体和/或等离子体产物的特征(诸如，扩散器、面板等)的确切数量和位置也可以改变。同样地，以扩散器260包括气体通道250以在来自等离子体245的等离子体产物进入工艺腔室205时将气体155(3)添加到所述等离子体产物类似的方式，等离子体处理系统200的其他部件也可配置以在其他气体和/或等离子体产物以自己的方式通过系统而至工艺腔室205时添加气体155或将气体155与所述其他气体和/或等离子体产物混合。

[0034] 图3示意性地图示图2中示出的区域A的细节。面板225、绝缘体230和扩散器235彼此密封，使得由面板225、绝缘体230和扩散器235包围的等离子体生成腔240可以被排空。面板225的接触面226和/或扩散器235的接触面236可以涂有氧化钇(Y2O3)或氧化铝(Al2O3)，用于抵抗待使用的气体和/或等离子体。

[0035] 当跨面板225和扩散器235引入等离子体源气体并提供电功率时，等离子体245可以在其中形成。绝缘体230形成径向孔237；光学窗310在孔237上方对绝缘体230密封。光学窗310由蓝宝石所形成，然而应理解的是，可以基于以下因素来选择用于光学窗310的其他材料：对等离子体源气体和/或等离子体245的等离子体产物的抗性；或如下文所讨论的对光学发射的透射率。在图3中示出的实施例中，O形环340座落于凹部中，以便于将光学窗310密封于绝缘体230；然而，可以使用其他密封几何形状与方法。在实施例中，等离子体生成腔240被排空，使得大气压力(在等离子体生成腔240外部)辅助将诸如光学窗310之类的部件密封于绝缘体230。

[0036] 光纤270经定位，使得当等离子体245存在于等离子体生成腔240中时，光发射350起源于等离子体245，传播通过径向孔237和光学窗310，并且进入光纤270，从而在其中生成光学信号。光纤270将光学发射350传输至OES280(见图2)。在实施例中，光纤270是400μm的芯光纤；然而，可以为了光发射350的透射率并为了管理光纤270内的信号强度来选择其他芯尺寸和各种纤维材料。例如，可利用相对宽芯(例如400μm)的光纤270监测生成低光学发射350水平的等离子体245，而可利用相对较窄的芯(例如110μm、100μm、62.5μm、50μm、9μm或其他的芯尺寸)监测生成较高的光学发射350水平的等离子体，以限制到达OES 280的光学信号。可以在OES 280处使用一个或更多个过滤器，以吸收杂散光和/或不在感兴趣的光谱带内的发射。

[0037] OES 280分析从光纤270接收的光学信号以辨识所述信号内的发射峰，包括将特定的发射峰辨识为对应于特定元素的能量跃迁。在一些实施例中，可在OES 280上观察和/或操纵表征其中的发射峰的光谱和/或信息。在这些实施例中的一些实施例中以及在其他实施例中，发射峰信息可被传送到计算机290以进行分析、操纵、存储和/或显示。

[0038] 在实施例中，光纤连接器330终止光纤270，并且块体320相对于光学窗310来定位光纤连接器330，如图3中所示。然而，这种布置仅是作为示例；其他的实施例可以提供不涉及连接器330的光纤270定制的终止，而且可以取代块体320来实现用于相对于窗310来定位光纤270和/或连接器330的各种布置。当被利用时，块体320可以延伸进并延伸出图3中图示的横截面平面以形成附接区，并且可以在此类区域中使用诸如螺钉之类的紧固件而紧固至绝缘体230。块体320和/或将块体320附接至绝缘体230的螺钉有利地使用诸如塑料或陶瓷之类的绝缘材料制造，以减轻前往或来自面板225和扩散器235、和/或其他结构的电起弧的任何可能性。

[0039] 可理解的是，至少孔237和光学窗310充当端口的功能，所述端口用于提供来自等离子体245的光学信号，所述光学信号可用于监测等离子体源210的多个方面。还可理解的是，可在等离子体源内的各位置处提供此类端口。例如，一般来说，电容性耦合的等离子体源将包括由绝缘体分开的至少两个电极；诸如上述的端口可以与电极或绝缘体中的任一者一起设置。类似地，电感性耦合等离子体源(或任何其他类型的等离子体源)可以包括与任何容器一起设置的端口，其中等离子体最初在所述容器中生成。应当选择此类端口的材料和/或位置，以免破坏对等离子体源重要的电路或磁电路(例如，以减轻电感性耦合的等离子体源的磁场分布的起弧和/或干扰)。

[0040] 回到图2，在等离子体在远程等离子体源中生成的地方对等离子体进行光学监测提供了独特的益处。因为等离子体245在与工件50(例如，晶片)相互作用的上游被监测，所以所述监测提供等离子体源单独的表征，所述表征可与通过与工件相互作用所产生的效应对比或关联。也就是说，绝缘体230和径向孔237的几何结构将倾向于将有效“观察”(view)提供给光纤270，所述有效“观察”限于从等离子体245产生的光学发射以及那些发射与相邻表面的相互作用，而不是从下游相互作用产生的发射和/或对工艺腔室内的表面的直接观察。在等离子体尚未有机会与工件相互作用的位置处对等离子体进行的监测在本文中被称为“上游”等离子体监测。

[0041] 相比之下，对工件本身的光学监测、和/或与此类工件的等离子体相互作用可用于监测对工件某些等离子体效应，但易受工件的影响。受工件影响的等离子体特性(包括利用光学探针而捕获的光学发射)有时用于决定等离子体处理终点，即辨识工艺基本上完成使得等离子体工艺的某个方面可以被关闭的时刻。例如，与工件的相互作用会通过从工件释放反应产物来影响等离子体，和/或工件会耗尽来自等离子体的反应物质。当不再检测到来自工件的反应产物时，可以指示待蚀刻的层已经“被清除”，使得蚀刻气体和/或RF能量可以被关闭。然而，此类光学探针位于所捕获的光学发射受工件影响之处。

[0042] 受工件影响的和上游的等离子体监测在以下方面可以是有用的工具：判断经处理的工件中的变化是否由于所生成的等离子体中的变化，或由于工件与等离子体相互作用之前就存在于工件中的变化。在本文的某些实施例中，稳定的工艺结果与上游等离子体监测结果强相关。具体来说，已经发现工艺结果与利用结合图2和图3所描述的设备而测得的某些发射峰相关。当对等离子体发射峰的上游监测与工艺结果之间的强相关可辨识时，在实施例中运行调节工艺循环而不使贵重的工件暴露于风险直到观察到那些发射峰稳定变得可能。一旦发射峰是稳定的，则能以工艺结果将如预期的信心来处理工件。

[0043] 从上游监测获得的发射峰的稳定性可以指示在所生成的等离子体与相邻表面之间的反应的平衡。例如，电极、扩散器等某些表面会与等离子体相互作用以缓慢放出(或吸收)对工艺结果重要的某些元素，使得所得的等离子体工艺直到表面与等离子体处于平衡时才将稳定。在实施例中，电极、扩散器等可被涂覆耐火材料(诸如，氧化钇(Y2O3)或氧化铝(Al2O3))，用于抵抗待使用的气体和/或等离子体。这些材料可与等离子体产物(诸如，自由氢)相互作用，使得围绕此类表面生成的等离子体直到表面饱和或基本上耗尽氢才可能稳定。在任一种情况下，通过上游等离子体监测而生成的发射峰对于评估等离子体稳定性可能是有用的。

[0044] 准确地辨识等离子体装备何时运行稳定的工艺在半导体产业中是有价值的。半导体工艺的特征在于以下两者：具有高成本的无用装备；以及如果工艺不是最理想的，则处于风险中的高价值工件。例如，单个等离子体处理系统可能代表数十万或数百万美元的资金投资，并且数百万美元的晶片制造面积输出仅依赖于少数的此类系统。然而，单个半导体晶片可能累加数百或数千美元所投资处理费用，并且一台等离子体装备每小时可以处理几十个此类晶片。因此，装备停机时间或不正确操作的利用装备的财务成本都相当高。

[0045] 图4示意性地图示配置成用于执行各种类型的处理操作的示例性等离子体处理系统400A的俯视平面图。在图4中，一对前开式晶片传送盒(“FOUP”)或保持腔室402供应各种尺寸的工件(例如，半导体晶片)，所述工件由机械臂404接收并置于低压力装载腔室406中，之后被放入定位在串接式盘409a-c上的工件处理腔室408a-f中的一个中。在替代布置中，系统400A可以具有附加的FOUP，并且可以例如具有3个、4个、5个、6个等或更多个FOUP。工艺腔室可以包括本公开中别处所描述的腔室中的任一者。机械臂411可用于将工件从装载腔室406传输到工件处理腔室408a-f，并且通过移送腔室410往回传输工件。图示出两个装载腔室406，但是系统可以包括多个装载腔室，每一个装载腔室配置成用于将工件接收到真空环境中以进行处理。处理腔室408和移送腔室410可诸如利用氮气净化而被维持在惰性环境中，可以使氮气连续地流过腔室中的每一个以保持惰性气氛。装载腔室406可类似地配置成在接收工件之后使用氮气来净化，以便将工件提供至处于类似环境的工艺区段。

[0046] 每一个工件处理腔室408a-f都可配备成用于执行一个或更多个工件处理操作，包括干法蚀刻工艺、循环层沉积(CLD)、原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、蚀刻、预清洁、除气、定向以及其他工件工艺。在所公开的实施例中，举例来说，系统可以包括至少两对串接处理腔室。所述至少两对串接处理腔室中的第一对可配置成用于执行氧化硅蚀刻操作，并且所述至少两对串接处理腔室中的第二对可配置成用于执行硅或氮化硅蚀刻操作。给定的一对处理腔室408两者都可配置成用于特定的工艺步骤，并且使用本文中描述的方法受监测，以确保由这对腔室中的每一者提供的处理紧密匹配另一者。当成对配置时，每一个处理腔室408都可独立与支持装备(诸如，气体供应、RF生成器、远程等离子体生成器等)耦接，但是在实施例中，相邻的处理腔室408共享与某些此类支持装备的连接。

[0047] 工件处理腔室408a-f可以包括一个或更多个系统部件，用于沉积、退火、固化和/或蚀刻工件上的膜。在一个配置中，两对处理腔室(例如，408c-d和408e-f)可用于在工件上执行第一蚀刻操作，并且第三对处理腔室(例如，408a-b)可用于在工件上执行第二蚀刻操作。在另一种结构中，全部三对腔室(例如408a-f)皆可设以蚀刻工件上的电介质膜。在另一配置中，第一对处理腔室(例如，408a-b)可以执行沉积操作，诸如，沉积可流动膜、天然氧化物或附加的材料。第二对处理腔室(例如，408c-d)可以执行第一蚀刻操作，而第三对处理腔室(例如，408e-f)可以执行第二蚀刻操作。可以在与不同实施例中示出的制造系统分离的腔室中交替地执行所述工艺中的任何一个或更多个工艺。将理解的是，由系统400A构想了用于膜的沉积、蚀刻、退火和固化腔室的附加配置。

[0048] 本文中的处理腔室可以执行任何数量的工艺(诸如，PVD、CVD(例如，电介质CVD、MCVD、MOCVD、EPI)、ALD、去耦等离子体氮化(DPN)、快速热处理(RTP)、或干法蚀刻工艺)以在工件的表面上形成各种器件特征。各种器件特征可以包括但不限于层间电介质层、栅极电介质层、多结晶硅(“多晶硅”)层或栅极的形成和/或蚀刻、形成通孔和沟槽、平坦化步骤以及沉积触点或通孔级互连件。在一个实施例中，某些位置可由适用于除气、定向、冷却、分析等的服务腔室占据。例如，一个腔室可以包括计量腔室以便在执行处理序列中的处理步骤之前或之后分析工件的性质，所述计量腔室适用于执行准备/分析步骤和/或后处理/分析步骤。一般来说，可以在计量腔室中被测量的工件的性质可以包括但不限于：沉积在工件表面上的一个或更多个层中的内在或外在应力的测量值；一个或更多个所沉积的层的膜成分；工件表面上的颗粒数量；和/或在工件表面上发现的一个或更多个层的厚度。随后，从计量腔室收集到的数据可由系统控制器使用以调整一个或更多个处理步骤中的一个或更多个工艺变量，从而在后续经处理的工件上产生有利的工艺结果。

[0049] 系统400A在接口区段403的相对侧上可包括附加腔室405、407。接口区段403可以包括至少两个接口移送装置(诸如，机械臂404)，所述接口移送装置配置成用于在FOUP 402与多个装载腔室406之间递送工件。保持腔室402可以在接口区段403的第一位置处与所述接口区段耦接，而装载腔室可以在接口区段403的第二位置与所述接口区段403耦接，所述第二位置与所述多个保持腔室402相对。附加腔室可以由接口机械臂404接取，并且可配置成用于移送工件通过接口区段403。例如，腔室405可以提供例如湿法蚀刻能力，并且可以由接口机械臂404a通过接口区段403的侧面来接取。湿法站可以在接口区段403的第三位置处与接口区段403耦接，所述第三位置在接口区段的第一位置与第二位置之间。在所公开的实施例中，第三位置可以邻近接口区段403的第一位置和第二位置中的任一者。另外，腔室407可以提供例如附加的储存，并且可以由接口机械臂404b通过接口区段403与腔室405相对的侧面来接取。腔室407可以在接口区段403的第四位置处与接口区段耦接，所述第四位置与所述第三位置相对。接口区段403可以包括附加结构，用于允许工件在机械臂404之间的移送，包括定位在机械臂404之间的移送区段412。移送区段412可配置成用于保持一个或更多个工件，并且可配置成用于在任何给定时刻保持2个、5个、10个、15个、20个、25个、50个、100个等或更多个工件用于递送进行处理。移送区段412可以包括附加能力，包括例如在低于大气压条件下对工件的冷却以及对晶片的大气压下的清洗。系统400A可以另外包括气体递送系统和系统控制器(未示出)，用于提供前体以及用于执行各种处理操作的指令。

[0050] 图5是图示一对处理腔室408g和408h的示意性侧视图，处理腔室408g和408h设置为具有串接式盘409的串接的处理腔室对。每一个处理腔室408g、408h都以相对于图2和图3中示出的特征简化的形式来示出，但应当被理解为包括相同的部件。对于处理腔室408g、408h两者相同的部件包括RF电极215、绝缘体230和扩散器260。在图5中示出的实施例中，远程等离子体源(RPS)202是用于处理腔室408g、408h两者的共享资源。RPS 202接收(多种)输入工艺气体155(2)；另外的(多种)输入工艺气体155(1)可与来自RPS 202的等离子体产物混合，并且被提供至处理腔室408g和408h，如图所示。处理腔室408g和408h可以接收另外的(多种)工艺气体155(3)和155(4)，而且可以分别由RF电源510(1)和510(2)供能。气体155(3)和155(4)以及RF电源510(1)和510(2)对于处理腔室408g和408h是单独地可受控的。也就是说，提供(多种)不同的气体和通过气体连接件的流率，和/或一次操作RF电源510(1)和
510(2)中的一者，或在不同的功率等级下操作电源510(1)和510(2)都是可能的。独立地控制气体155(3)和155(4)以及RF电源510(1)和510(2)的能力对于处理和腔室调节的目的来说是重要的特征，如下文中进一步所讨论。

[0051] 图6是图示用于评估等离子体处理系统的一个或更多个内表面的表面调节的方法600的流程图。方法600开始于在等离子体系统的等离子体生成腔内引入一种或更多种等离子体源气体(610)。所述腔至少部分地由所述内表面界定。例如，可以评估图2的等离子体处理系统200的面板225(RF电极215的一部分)和扩散器235的表面的表面调节。在这种情况下，如图2和图3中所示，等离子体生成腔240至少部分地由内表面226和236(仅在图3中标示)界定。如图2中所示，等离子体源气体212可以被引入。方法600继续进行以跨等离子体设备的电极施加功率，从而在等离子体生成腔内以等离子体源气体点燃等离子体(620)。如图
2和图3中所示，例如，可以跨RF电极215(包括面板225)和扩散器235提供RF功率，从而在等离子体生成腔240内点燃等离子体245。方法600进一步进行以利用设置在等离子体生成腔附近的光学探针捕获来自等离子体的光学发射(630)。光学探针定向成使得所捕获的光学发射不受等离子体与工件的相互作用的影响。捕获光学发射的示例是接收通过光学窗310而进入光纤270的光学发射350(见图3)。方法600进一步进行以监测所捕获的光学发射的一个或更多个发射峰，从而评估对一个或更多个内表面的调节(640)。监测所捕获的光学发射的一个或更多个发射峰的示例是光发射光谱仪280(见图2)，光发射光谱仪280分析被捕获到光纤270中的光学信号以辨识发射峰，并利用发射峰的信息来评估表面的调节。

[0052] 在实施例中，发射峰信息可以由人进行评估。或者，OES 280和/或计算机290可以从信息中生成稳定性度量。例如，工艺序列(以下称为“制作方法”，所述“制作方法”可以是“蚀刻制作方法”、“沉积制作方法”、“调节制作方法”或其他类型，取决于由工艺序列执行的处理)可以包括过程中OES 280测量光学发射并创建关于发射峰的信息的步骤。所述信息可以包括什么峰(例如，光谱波长或波长带)被检测到和/或一个或更多个检测到的发射峰的强度。所述信息可以进一步通过评估趋势(诸如，发射峰强度随制作方法循环的变化)或通过统计学(诸如，计算制作方法循环组的平均值、中位数、标准差等)来处理。

[0053] 图7A和图7B图示通过使用方法600、利用像图2和图3中示出的那样的设备、对于多晶硅蚀刻工艺而生成的等离子体所获得的发射峰信息。使用自动地辨识已知的发射峰的OES 280来测量并显示等离子体的光学发射。在图7A和图7B中示出的示例中，标示出对应于He、N2、H和F的峰。图7A和图7B中的每一个图的垂直轴都是任意单位(AU)的信号强度。发射峰的信息(诸如，个别峰的强度、峰强度的比率和其他统计信息)可用于评估邻近所测量的等离子体的表面的条件。

[0054] 在图8A、图8B和图9中图示评估邻近等离子体的表面的条件的示例。图8A和图8B图示对于氢峰(图8A，数据700)以及对于氟峰(图8B，数据710、720)的、在生成用于多晶硅蚀刻工艺的等离子体的腔室中测得的发射峰强度随时间的图。图8A和图8B两者都示出在执行装备干预之后开始的同一时刻的来自同一等离子体腔室的数据，在所述装备干预期间，腔室被开放于大气达一段时间。运作调节循环，并且周期性地测量多晶硅上的等离子体工艺的蚀刻速率。图8A和图8B中表示的时间段为约18小时。

[0055] 在图8A中，可以在数据700中看出，氢峰强度随时间逐渐增强。在图8B中，可以在数据710和720中看出，氟峰强度在约前两个小时内略微增强，但之后保持大致恒定。

[0056] 图9是来自图8A的氢发射峰中的所选择的氢发射峰以及在对应于所选择的氢发射峰的时间取得的多晶硅蚀刻速率测量值的图。图9中的钻石形点是H发射峰强度，关联到左手侧垂直轴；方形点是多晶硅蚀刻速率测量值，关联到右手侧垂直轴；时间在水平轴上。可以看出，多晶硅蚀刻速率随着时间的变化与H发射峰强度类似。蚀刻速率对H发射峰强度的趋势分析揭示了蚀刻速率对H发射峰强度的关系的相关系数r2为0.97。因此，H发射峰强度强烈地预测出蚀刻速率，使得H峰的稳定性可用作装备稳定性的指标。现在解释这些现象的基本反应机制以及用于改善蚀刻工艺稳定性的调节等离子体制作方法。

[0057] Si蚀刻和腔室调节化学与制作方法

[0058] 与图7A、图7B、图8A、图8B和图9中的数据相关联的多晶硅(Si)蚀刻工艺根据以下反应进行：

[0059] 2NF3+H2+Si(s)→2HF+SiF4+N2   反应(1)

[0060] 其中除了以(s)标记的固体，所有提及的物质都处于气体形式。在反应(1)中，多晶硅是固体Si并被提供为工件50(半导体晶片)上的膜；NF3和H2被提供为气体和/或等离子体产物(例如，在等离子体245中生成，参见图2)。在反应(1)中省略某些中间步骤；例如，在等离子体245中生成的等离子体产物包括H自由基团。

[0061] 等离子体245中H自由基团可以附着至面板225和扩散器235的氧化钇表面。虽然氧化钇的完整化学式是Y2O3，但是氧化钇表面通常在表面的最外部存在YO，且H基与所述YO可以形成悬空键：

[0062] H+YO→YOH   反应(2)

[0063] 图10A图示不含氢的氧化钇表面750(1)，而图10B图示具有一些H基团的同一表面，所述H基团通过悬空键附着表面而形成表面750(2)。因为表面750(1)与等离子体245中的一小部分H基团反应，所以通过扩散器235的H基团浓度被消耗。随着越来越多的H基团键结到表面而形成表面750(2)，H基团的消耗速率降低，从而造成到达工件50的H基团浓度增加，导致根据反应(1)的蚀刻速率提高。

[0064] 虽然在某些情况下利用氢来使氧化钇表面饱和以稳定蚀刻速率也许是可能的，但这样做会是非常耗时的，而且可能导致某些不良的工艺特性。替代的作法是至少去除一部分的氢，并且使表面保持至少基本上无氢，使得蚀刻速率至少是可预测的。根据以下反应，氟自由基团可以清除氢：

[0065] F+YOH(s)→YO(s)+HF   反应(3)

[0066] 可以供应F自由基团，以便通过调节等离子体步骤来执行反应(3)。在实施例中，调节等离子体步骤从NF3中生成等离子体。虽然其他含F气体可用于调节步骤，但是如果NF3已被通入等离子体处理装备用于Si蚀刻步骤，则可以有利地使用NF3。图10C图示氧化钇表面750(3)，与氧化钇表面750(2)相比，氧化钇表面750(3)与F自由基团反应以剥除一些H。为了在氧化钇表面上具有过量H的腔室中重新建立蚀刻速率稳定性，去除所有的H不是必要的。
为了在合理的时间量内稳定蚀刻速率，利用调节制作方法去除与蚀刻步骤中所添加的大约同样多的H可能是足够的。这可以通过在连续的工件处理步骤之间执行调节等离子体来完成。当多晶硅蚀刻工艺和正在被蚀刻的晶片稳定时，调节制作方法可以作为定时的NF3等离子体步骤来运行。在NF3等离子体期间监测H发射峰以确定停止等离子体的适当时刻(例如，基于落到特定值的H发射峰)也可以是理想的。可以在调节NF3等离子体步骤期间监测H峰，或是H峰可以在蚀刻步骤期间被监测并用于调整后续调节等离子体步骤的一个或更多个参数(诸如，调节等离子体步骤期间的气流、压力、RF功率或时间)。

[0067] 图11是图示蚀刻制作方法800的流程图，蚀刻制作方法800交替进行在工件上的蚀刻与调节步骤。如现在所讨论的那样，蚀刻制作方法800被概括为可以使用各种蚀刻和调节步骤。

[0068] 制作方法800通过装载待蚀刻的工件而开始于步骤810。步骤810的示例是将具有待蚀刻的Si的半导体晶片装载到等离子体处理系统200(见图2)中。接着，在步骤820中，执行蚀刻。步骤820的示例是根据以上反应(1)、以NF3+H2来蚀刻Si。在步骤820期间，等离子体处理系统的表面可能被等离子体产物和/或用于蚀刻的气体降解。此类降解的示例是H基团根据以上反应(2)形成对氧化钇表面的悬空键。例如上文所讨论的设备(参见图2和图3)，可以与步骤820同时执行任选的步骤825：使用OES监测等离子体中的发射峰。发射峰信息可被用作装备监测器，以确认腔室的条件，并因此确认蚀刻速率从工件到工件是稳定的、和/或调整调节步骤的时间(步骤840)。在步骤825的示例中，H发射峰信息被监测、记录和/或使用以确定何时停止后面的步骤840。步骤820之后，在任选的步骤830中，工件可以被卸载；或者，如果步骤840中描述的处理将不影响工件，则可以省略步骤830。由于通常需要时间来排空工艺腔室以进行卸载以及重新建立用于在步骤840中生成等离子体的气流，因此省略步骤830会导致制作方法800运作地比包括步骤830快。

[0069] 接着，在步骤840中，执行调节等离子体。步骤840的示例是根据以上反应(3)、以NF3等离子体调节等离子体生成腔室以从氧化钇表面去除H。可以与步骤840同时执行任选的步骤845：使用OES监测等离子体中的发射峰。任选的步骤845的示例是使用OES监测等离子体中的H发射峰。发射峰信息可用于调整步骤840的时间、和/或作为装置监测器以在每次重复制作方法800之后确认腔室的状况(并因此确认蚀刻速率)是一致的。

[0070] 考虑图4和图5的上下文中的制作方法800，应理解的是，当一对处理腔室408专用于类似的工艺时，可以专门为这对腔室408中的每一个腔室调整蚀刻步骤820和/或调节等离子体步骤840，并且这种定制可以基于发射峰监测。例如，制作方法800可以在蚀刻步骤820或调节等离子体步骤840期间监测发射峰，并且跨两个腔室调整参数(诸如，气流、压力、RF功率和/或调节步骤840的时间)，从而在蚀刻步骤820处将两个腔室的性能保持为紧密匹配。

[0071] Si3N4蚀刻和腔室调节化学与制作方法

[0072] 示例性氮化硅(Si3N4，在本文中有时简称为“氮化物”)蚀刻工艺根据以下反应进行：

[0073] 4NF3+Si3N4→3SiF4+4N2   反应(4)

[0074] 在反应(4)中，Si3N4被提供为工件50(半导体晶片)上的膜；NF3的等离子体产物被提供至工件(例如，在等离子体245中生成的，参见图2)。在反应(1)省略某些中间步骤；例如，等离子体245中生成的等离子体产物包括F自由基团。

[0075] 等离子体245中的F自由基团可以附着至面板225和扩散器235的氧化钇表面，从而形成悬空键：

[0076] F+YO→YOF   反应(5)

[0077] 图12A图示氧化钇表面900(1)，所述氧化钇表面900(1)具有通过悬空键而附着至所述表面的一些F基团。在蚀刻期间F基团会从氧化钇表面脱附，并使氮化物蚀刻相对于二氧化硅(SiO2，本文中有时简称为“氧化物”)的蚀刻选择率降级。在至少一些处理场景中，相比对氧化物，氮化物蚀刻需要对氮化物具有选择性，也就是说，氮化物蚀刻应当以比蚀刻氧化物高得多的速率来蚀刻氮化物。有点类似于上文讨论的Si蚀刻，随着腔室壁上的F增加，氧化物蚀刻速率会上升，因此选择率将降级。

[0078] 制作方法800的另一种应用提供改善这个问题的方法。H自由基图可以从腔室壁清除F，很像以上反应(3)的逆向：

[0079] H+YOF(s)→YO(s)+HF   反应(6)

[0080] 图12B图示进行反应(6)的氧化钇表面900(2)。像上文讨论的Si蚀刻和吸附的H，从氧化钇表面900(2)去除所有的F可能不是必要的，但此有助于只将F清除到对氧化物的差选择率不再是问题的足够低的水平。

[0081] 因此，在一个实施例中，可通过以下方式来运行制作方法800：在蚀刻步骤820中，使用NF3来驱动反应(4)；蚀刻Si3N4；以及在调节步骤840中，使用含氢气体(诸如，NH3和/或H2)以生成H自由基团来驱动反应(6)。在这种情况下，可以在步骤845中监测F发射峰，以便在下一个制作方法循环之前将执行蚀刻步骤820時确保在步骤840结束时等离子体腔室条件的一致性。如果将处理的下一个(多个)工件将受益于极高选择率的蚀刻，则运行调节步骤840更久以驱使所吸附的F到极低的水平也是可能的。此外，在此实施例中，如果工件将不会被具有微量HF的氢等离子体产物不利地影响，则没有运行步骤830的制作方法800可以是可能的。

[0082] 腔室调节化学和制作方法-来自水分的所吸附的氧

[0083] 当等离子体装备是新建的或在维护工作期间暴露于大气时，水分可能与氟化钇表面反应，使得额外的氧附着至此类表面。氧吸附过程根据以下反应进行：

[0084] 2YOF+H2O→YO+YO2+2HF   反应(7)

[0085] 这在图13A中图示，图13A示出表面950(1)，所述表面950(1)具有所吸附的氟，从而进行反应以形成固体形式的YO2和HF，HF以气体形式被带走。氧化钇表面上额外的O可与处理等离子体反应和/或干扰此类等离子体的预期反应。

[0086] 就像还原所吸附的F，可利用含氢气体(诸如，NH3和/或H2)来处理YO2以形成等离子体，所述等离子体去除额外的氧，从而使氧化钇保持在天然状态。等离子体产生H自由基图案作为等离子体产物，所述等离子体产物根据下式反应：

[0087] 2H+YO2(s)→YO(s)+H2O   反应(8)

[0088] 图13B示出具有固体形式YO2实例的表面960(1)。如图13B中所示，H基团与YO2的氧原子反应以形成H2O，H2O以蒸汽形式从生成的表面960(2)被带走。就像上文讨论的Si蚀刻情况，可以为等离子体生成腔表面的稳定性监测H发射峰，恒定的H峰指示稳定的YO表面。此外，如上文结合图10B所讨论，含H等离子体会使H保持附着至YO表面。因此，取决于旨在用于等离子体处理装备的处理，腔室可以被进一步以从含氟气体(例如，NF3)种生成的等离子体调节，从而减少在H基团处理期间可能附着至YO表面的氢，如第10C图所示。调节处理将相当于仅运行制作方法800的步骤840(图11)，任选地利用光发射光谱仪监测一个或更多个发射峰(步骤845)，直到峰值稳定为止。

[0089] 已经描述了若干实施例，本领域技术人员将理解的是，可以使用各种修改、替代构造和等效方案而不背离本发明的精神。此外，未描述一些众所周知的工艺和元件，以免不必要地使本发明含糊。因此，以上描述不应当视为限制本发明的范围。

[0090] 在提供数值范围的情况下，应当理解，除非上下文另外明确地说明，否则每一个介于所述范围的上限和下限之间的、到下限单位的十分之一的中间值也被具体公开。在所陈述的范围中的任何所陈述的值或中间值与所述所陈述的范围中的任何其他所陈述的值或中间值之间的每一个较小的范围也被涵盖。这些较小的范围的上限和下限可以被独立包括在所述范围中或在所述范围中被排除，并且在任一限值、没有限值或两个限值被包括在所述较小范围中情况下的每一个范围也被涵盖在本发明内，服从与所述所陈述的范围中任何具体排除的限值。在所陈述的范围包括限值中的一者或限值两者时，排除那些所包括的限值中的任一者或排除限值两者的范围也被包括在内。

[0091] 本文中和所附权利要求书中使用，单数形式“一(a,an)”和“所述(the)”也包括复数引用，除非上下文另外明确地说明。因此，举例来说，提及“一工艺”或”一制作方法”也包括多个此类工艺和制作方法，提及“所述电极”包括提及一个或更多个电极以及为本领域技术人员所知的电极等效物，以此类推。同样地，词语“包含(comprise,comprising)”和“包括(including,include)”当在本说明书中和所附权利要求书中使用时，旨在指明存在所陈述的特征、整数、部件或步骤，但是上述词语并不排除存在或添加一个或更多个其他的特征、整数、部件、步骤、动作或组。