任意基板上的膜厚度的测量的利记博彩app

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【专利摘要】本公开的实施例使用反射测量实现膜属性(诸如厚度)的测量，而不考虑在基板或基层上的下层图案，因为生长的膜在任何波长上所造成的相移的量与所述基板或所述基层无关。所述方法的一个实施例包括从时间序列数据确定所述基板的属性。所述方法的另一个实施例包括通过分别在光源接通和断开的情况下作出两次连续测量来去除等离子体背景以便测量数据。另一个实施例包括通过监测等离子体标记或光学属性的相移来确定沉积开始时间。
【专利说明】
任意基板上的膜厚度的测量
[0001 ] 背景
技术领域
[0002] 本公开的实施例涉及用于测量沉积在具有未知表面属性的基板上的膜的厚度的 装置和方法。
【背景技术】
[0003] 当在常规反射测量中测量膜厚度或其他属性时，需要被测量的膜下方基板的属 性，以用于计算被测量的膜的属性。因此，常规反射测量仅仅在完全了解下方基板时才会适 当地起作用。例如，当下方基板仅是裸硅晶片或具有已知的覆盖膜堆叠的硅晶片时。
[0004] 然而，在半导体处理中，处理腔室通常用来将膜沉积在各种基板上。此外，通常将 膜沉积在具有图案化表面的基板上。即使图案是已知的，被测量的点也可能不落在每个被 测量的基板的图案的相同区域中。
[0005]因此，需要一种用于测量形成在具有未知表面属性的基板位置上的膜的属性的装 置和方法。

【发明内容】

[0006] 本公开的实施例涉及用于测量沉积在具有未知表面属性的随机基板位置上的膜 的厚度的装置和方法。
[0007] 本公开的一个实施例提供一种用于测量薄膜的属性的方法。所述方法包括:将具 有未知表面属性的基板定位在处理腔室中；以一时间间隔来重复地测量所述基板的反射光 谱以获得时间序列数据;使一种或多种处理气体流动以将所述薄膜沉积在所述基板上，同 时维持重复的测量;从所述时间序列数据中的多个反射光谱测量来确定所述基板的未知表 面的一个或多个属性；以及根据所述未知表面的所述一个或多个属性和所述薄膜的反射光 谱测量来确定所述薄膜的厚度。
[0008] 本公开的另一实施例提供一种形成膜堆叠的方法。所述方法包括:将基板定位在 等离子体处理腔室中；以一时间间隔来重复地测量所述基板的反射光谱以获得时间序列数 据；点燃处理气体的等离子体以将第一膜和第二膜交替地沉积在所述基板上，同时维持对 反射光谱的重复测量;从所述时间序列数据中的多个反射光谱测量来确定所述基板的复合 反射率；以及根据所述基板的复合反射率和每个第一膜或第二膜的反射光谱测量来确定每 个第一膜或第二膜的厚度。
[0009] 本公开的又一个实施例提供一种用于沉积一个或多个膜的装置。所述装置包括： 腔室主体，所述腔室主体限定处理容积;基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理容积 内；以及度量组件，所述度量组件设置在所述基板支撑件上方。所述度量组件包括闪光光 源、光谱仪、连接在所述闪光光源与所述光谱仪之间的多个光纤通道。每个光纤被定位成将 来自所述闪光光源的光朝所述基板支撑件上的测量点引导，接收来自所述测量点的反射， 并且将所接收的反射引导到所述光谱仪。
【附图说明】
[0010]因此，为了能够详细理解本公开的上述特征的方式，参考实施例得出上文所简要 概述的本公开的更具体的描述，实施例中的一些在附图中示出。然而，应当注意，所附附图 仅仅示出本公开的典型实施例，并且因此不应视为限制本公开的范围，因为本公开可允许 其他等效实施例。
[0011] 图1是根据本公开的一个实施例的等离子体处理腔室的示意性截面图。
[0012] 图2是形成在图案化基板上的膜堆叠体的示意性截面图。
[0013] 图3是用于测量形成在具有未知表面属性的基板上的多个膜的厚度的方法的流程 图。
[0014] 图4描绘用于确定图案化基板的属性的时间序列数据拟合的示例。
[0015] 图5描绘使用在沉积膜堆叠的前三层期间收集的时间序列数据的时间序列数据拟 合的示例。
[0016] 图6描绘根据本公开的实施例的膜堆叠沉积中的各种阶段的光谱拟合结果。
[0017] 图7描绘根据本公开的一个实施例的膜堆叠的厚度测量的结果。
[0018] 图8是根据本公开的一个实施例的示出数据缓冲过程的示意性流程图。
[0019] 图9是根据本公开的一个实施例的示出并行计算结构的示意性框图。
[0020] 图10包括示出达到不透明的多晶硅膜的与波长有关的厚度的曲线。
[0021] 图11示意性地描绘根据本公开的一个实施例的用于辊压(roll)基板的示例。
[0022]图12描绘根据本公开的一个实施例的反射光谱的标准化(normalization)。
[0023] 图13包括根据本公开的一个实施例的厚度结果的线性拟合。
[0024] 图14描绘根据本公开的一个实施例的用于确定时间零点的等离子体发射标志线。 [0025]为了促进理解，已尽可能地使用相同元件符号指定附图所共有的相同元件。构想 到，一个实施例中公开的元件可有益地用于其他实施例，而无需特定的叙述。
【具体实施方式】 [0026] 概述
[0027] 本公开的实施例涉及用于测量沉积在具有未知表面属性的基板上的膜的厚度的 装置和方法。更具体地，本公开的实施例提供一种用于测量形成在基板上方的多个膜的厚 度或其他属性的无损方法。所述方法的一个实施例包括从时间序列数据来确定所述基板表 面所的属性。所述方法的另一个实施例包括通过分别利用接通的和断开的光源作出两次连 续测量来去除等离子体背景以供测量数据。另一个实施例包括通过监测等离子体标记或光 学属性的相移来确定沉积开始时间。
[0028] 本公开的实施例可以用于在未提前知晓基板的表面属性的情况下，测量被沉积在 基板上的膜的厚度或者其他属性。本公开的实施例实时测量膜的厚度或者其他属性，并且 可以用于闭环控制。本公开的实施例可以用于测量被形成的多个层的厚度或者其他属性。 例如，本公开的实施例可以用于测量竖直存储器堆叠，诸如NAND闪存的存储器堆叠，此NAND 闪存包括形成在基板上的图案化的下层的顶部上的多达72层的交替膜。
[0029] 硬件
[0030] 图1是根据本公开的一个实施例的等离子体处理腔室100的示意性截面图。等离子 体处理腔室100能够在不使用在被处理的基板上的基层的信息的情况下，执行原位的膜属 性测量。例如，等离子体处理腔室100能够在形成闪存设备的膜堆叠的同时测量膜的厚度。
[0031] 等离子体处理腔室100可以包括腔室主体102以及设置在腔室主体102上方的盖组 件104。腔室主体102和盖组件104限定处理容积106。盖组件104可以包括喷淋头108。气源 110可连接到盖组件104,使得来自气源110的一种或多种处理气体可通过喷淋头108输送到 处理容积106。基板支撑件112可以设置在处理容积106中以用于在处理期间支撑基板114。 在一个实施例中，射频(RF)功率源116可通过匹配网络118耦接到基板支撑件112。RF功率源 116可以在基板支撑件112与喷淋头108之间施加 RF功率以便生成等离子体120以供处理。在 一个实施例中，等离子体120可以用于通过化学气相沉积(CVD)工艺来沉积膜。
[0032] 等离子体处理腔室100还包括原位度量组件122。原位度量组件122可以包括光源 124、一个或多个光纤束126和光谱仪128。一个或多个光纤束126中的每者具有设置在喷淋 头108中的对应的一个观察窗口 130外侧的第一端132。每个光纤束126具有光学地连接到光 源124的第二端134和光学地耦接到光谱仪128的第三端136。每个光纤束126被布置成通过 观察窗口 130朝向基板114传输来自光源124的光，使得来自光源124的光以垂直入射朝向基 板114上的测量点138行进。随后，光纤束126捕获垂直入射的光从基板114的反射，并且朝向 光谱仪128传输此反射。光纤束126可使来自光源124的光准直，以便照亮测量点138处的约 2mm的直径。
[0033]光源124可以是闪光光源，能够以较短的持续时间来散发脉冲光。光源124可以是 白光光源。在一个实施例中，光源124可以是氣闪光灯。光谱仪128可以包括电荷親合器件 (CCD)阵列光检测器。在一个实施例中，光谱仪128可以测量具有在约200nm至约800nm之间 的波长范围的未偏振光。
[0034]观察窗口 130可以是设置在穿过喷淋头108形成的开口中的蓝宝石窗口。一个或多 个观察窗口 130可定位在各种位置，以便对应于基板114的各种径向位置。
[0035]在一个实施例中，参考光纤束140可连接在光源124与光谱仪128之间，以提供参考 通道来补偿光源124随时间的任何波动/漂移。
[0036]等离子体处理腔室100可以包括系统控制器142。系统控制器142被连接到原位度 量组件122。系统控制器142可以包括控制软件。当操作时，控制软件可以指示原位度量组件 122执行测量，从原位度量组件122接收并处理测量数据，以便获得基板114的属性。系统控 制器142还连接到气源110、RF功率源116和等离子体处理腔室100的其他部件，以便执行工 艺配方。
[0037] 虽然示出三个光纤束126来用于测量基板114上的三个测量点138,但是也可根据 工艺要求使用更多或更少的光纤束126。在一个实施例中，两个等离子体处理腔室100可并 排地定位并且共享光源124和光谱仪128。
[0038]方法概述
[0039]本公开的实施例包括用于形成在基板上的随机基层上的多个膜的属性(诸如厚 度）的原位测量的方法。可使用上述等离子体处理腔室100来执行此方法。所述方法可以用 于在闪存膜堆叠的形成期间测量并控制膜厚度。
[0040] 图2是闪存膜堆叠200的示意性截面图。膜堆叠体200可形成在基板202的基层204 上。基层204可以是包括第一材料204a和第二材料204b的图案化层。多个膜对SOe 1IOen顺序 地形成在基层204上。每个膜对206可以包括第一膜208和第二膜210,使得膜堆叠200包括交 替地形成的多个第一膜208和第二膜210。可以在一个处理腔室（诸如等离子体处理腔室 100)中通过化学气相沉积形成多个膜对206:-206^
[0041] 在一个实施例中，闪存膜堆叠200可以是NAND架构，这种NAND架构具有多达72层氮 化物-氧化物(NO)或氧化物-多晶硅(OP)膜。每个膜208、210可以是约200A 500Λ厚。在 膜堆叠体200中的层的数量和厚度排除使用无损光学工具(诸如椭圆仪或反射计）的处理后 的测量。此外，在沉积所有膜后，椭圆仪或反射计可以测量膜堆叠200的总厚度，但是不能立 即分解各个膜厚度。在传统上，各个膜的厚度仅可通过有损测量技术(诸如截面透射电子显 微术(TEM))来测量。
[0042]本公开的实施例提供用于原位地测量各个膜208、210的厚度的装置和方法。图3是 根据一个实施例的用于测量形成在具有未知表面属性的基板上的多个膜的厚度的方法300 的流程图。具体地，方法300可以用于在不预先知晓当在沉积腔室中形成膜堆叠时其上形成 有膜堆叠的基层的情况下，测量闪存膜堆叠(诸如膜堆叠200)中的各个膜的厚度。可使用具 有度量组件的等离子体处理腔室(诸如等离子体处理腔室100)来执行方法300。
[0043]在方框310中，被处理的基板定位在处理腔室中。基板的表面属性可以是未知或图 案化的。
[0044] 在方框320中，重复地测量基板的光学属性，诸如反射率。测量可由控制器收集并 存储为时间序列数据以供分析。在待测量的膜的沉积的持续时间中维持重复的测量。在一 个实施例中，可以以每一个相等且连续的时间间隔作出一个测量点。时间间隔的长度可根 据处理配方来预定，使得可收集足够的时间序列数据来确定基层和将形成的各层的属性。 可使用度量组件(诸如度量组件122)通过将来自光源的光以垂直入射来撞击（impinging) 到基板的表面并且检测撞击光的反射来作出此测量。
[0045] 在一个实施例中，每一个测量点可以包括在时间顺序上彼此紧接地作出两次测 量。可以通过在不接通光源的情况下测量来自基板表面的反射来作出第一次测量。可以通 过在将光源接通的情况下测量此反射来作出第二次测量。通过将第一次测量与第二次测量 进行比较，可去除来自背景中的噪声(诸如基板和其他腔室部件的等离子体和发射）。
[0046] 在一个实施例中，每一个测量点中收集到的数据可以包括在测量光谱内的多个波 长处的反射强度。在一个实施例中，可根据被测量的膜的属性和厚度来选择测量光谱。在一 个实施例中，测量光谱在约200nm的波长与约800nm的波长之间。
[0047]在方框330中，点燃并维持处理腔室中的一种或多种处理气体的等离子体以促进 基板表面上的沉积工艺。当可在工艺配方中形成多于一个的膜时，可以在处理期间切换和/ 或改变处理气体。在一个实施例中，可交替地切换工艺气体的两种组合，以便以交替的方式 沉积两个不同种类的膜。如方框320所述，在点燃并维持等离子体以供膜沉积期间连续地执 行由时间间隔分开的重复的测量。
[0048]在方框340至方框360中，分析从重复的测量收集的时间序列数据，以便获得沉积 在基板上的膜的属性。在方框340中，可以确定指示沉积的开始时间的时间零点。在一个实 施例中，可通过获取用于沉积的等离子体被点燃的时间来获得时间零点。或者，可通过检测 在时间序列数据中的等离子体标记或相移来确定时间零点。用于检测等离子体标记和相移 的细节在稍后的章节中论述。在时间零点后收集到的时间序列数据中的数据将会用来确定 基板/基层和被沉积的膜的属性。
[0049] 在方框350中，可从在时间零点后获得的时间序列数据中的第一组多个测量来确 定基层的属性(诸如基层的反射率）。在一个实施例中，可通过在数值上求解表示膜堆叠的 数学模型的递归方程来确定基层的属性。用于确定基层属性的实施例在稍后的章节中论 述。
[0050] 在方框360中，可根据基层属性和时间序列数据来确定被沉积在处理腔室中的每 个膜层的属性(诸如厚度）。在一个实施例中，可通过在数值上求解表示膜堆叠的数学模型 的递归方程来确定被沉积的层的属性。用于确定膜属性的细节在稍后的章节中论述。通过 使用当前可用的计算资源，一旦度过用于确定基层的属性的延迟，就可以实时地确定被处 理的每个膜的属性。
[0051 ]在方框370中，当实时地确定被处理的膜的属性时，所确定的属性可以用来调整处 理参数，以便获得期望的工艺结果。例如，在沉积用于闪存的膜堆叠的过程中，期望的是在 相同组分的多个膜层之间具有均匀的厚度。可以在被形成的膜偏离期望的厚度时调整处理 参数。
[0052]去除等离子体背景
[0053]如方法300的方框340中所述，光谱仪获得的测量点可以包括来自环境的噪声。例 如，典型的等离子体增强CVD工艺在处理腔室内创建等离子体来辅助沉积工艺，等离子体发 射各种波长的光，这些波长的光连同来自光源的撞击光的反射一起被光谱仪的光纤束接 收。这种等离子体发射是测量数据中的不想要的干扰。本公开的实施例包括通过使用闪光 光源或脉冲光源并取得两次测量来进行去除，以便从测量数据中去除来自连续源的噪声， 诸如等离子体发射。在一个实施例中，通过在每一个数据时间点处收集两次测量(光源接通 情况下的第一次测量和光源断开情况下的第二次测量)并从第一次测量中减去第二次测量 来从测量数据中去除等离子体干扰或来自连续源的其他噪声。在一个时间间隔内的极接近 的时间内第一次测量和第二次测量，使得两次测量中的等离子体干扰是基本上类似的。可 在光源断开情况下的测量前取得光源接通情况下的测量，反之亦然。
[0054] 从时间序列数据中获得基板属性
[0055] 如果已知薄膜下方的基板或基层的属性，那么可从使用膜堆叠模型来进行的薄膜 的反射率的测量中确定薄膜的厚度和其他属性。然而，在半导体处理中，出于各种原因（诸 如基层被图案化、在工艺前对基层的改变、对工艺的改变或完全未知的），在被执行的工艺 之前可能不会知晓基板或基层在各测量点处的属性。本公开的实施例提供一种用于从在形 成在基板或基层上的一个或多个层的形成期间获得的时间序列数据来确定基板或基层的 属性的方法。
[0056] 根据本公开的一个实施例，可通过在数值上求解表示多层膜堆叠的呈以下方程的 形式的数学模型来获得基板或基层的反射率：
[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用膜堆叠的s偏振反射率和p偏振反射率(木、〇来表达膜堆叠的未 偏振反射比f(A，t)。在此，λ指示波长，并且t指示膜沉积的开始时的时间。上标s和p是指当 光从图案化基板反射时的光源的s和p偏振。加权参数w表示s偏振的光的部分。如果基板是 裸硅晶片或基层是各向同性的覆盖膜，并且光垂直于晶片入射，那么s和P分量变为相同，并 且w等于0.5。
[0065] 方程2和方程3是菲涅尔方程的递归形式，表示了作为在第（j-Ι)层处的膜堆叠的 反射率/$#、〇、的函数的在膜堆叠中的第j层处的复合反射率 F/(h)、F/H)，所述膜堆叠包括j层的膜并且第j层是最顶层。ndPkj是第j膜的实数和 虚数的折射率。当膜的组分已知时，如和h是已知常数。Dr,谦示第j膜的沉积速率。可以从沉 积速率Dr, j和第j膜被沉积的时间获得时间t处的第j膜的厚度。
[0066] 当第一层是最顶层时，当j = l时，复合反射率/:'，(疋〇是基板或基层的 反射率校(办、if (I)的函数。方程6和方程7是用振幅和相位来表达的基板或基层的复合 反射率。
[0067] 当基板或基层的反射率已知时，方程1-7的膜堆叠模型包括要计算的5个参数。5个 参数是:沉积速率Dr^基板/基层的复合反射率的振幅值和基板/基层的复 合反射率的相位值乂^^、当使用度量组件(诸如上述度量组件122)在时间t处作 出测量点时，在任意波长λ处收集一个未偏振反射比t)。在具有仅一个测量点和5个未 知参数的情况下，无法使用光谱仪的常规(静态)算法求解方程1-7的膜堆叠体模型。
[0068] 根据本公开的一个实施例，可通过在第一膜的沉积期间以多个时间间隔作出多个 测量点来收集时间序列数据。时间序列数据提供确定方程1-7的膜堆叠模型中的所有5个参 数所需要的附加的数据点。可以以多个时间间隔收集时间序列数据，这些时间间隔允许时 间序列数据中的各个测量之间的足够的相移/变化。在一个实施例中，可通过在第一膜的沉 积期间以相等的时间间隔(例如，约100ms)测量基板的反射比来收集时间序列数据。
[0069] 在一个实施例中，可通过将时间序列数据与膜堆叠模型动态地拟合来确定基板/ 基层的复合反射率和膜的沉积速率(或厚度）。可通过拟合在第一膜层沉积期间收集到的时 间序列数据来执行如在方法300的方框350中所述的确定基板/基层的属性。
[0070] 在拟合时间序列数据期间，基板/基层的复合反射率的估计值以及沉积速率被插 入到膜堆叠模型(诸如方程1-7)中，以便计算每一个进行测量时的时间点的估计反射比，以 产生反射比的估计时间序列。反射比的估计时间序列与时间序列数据中的实际测量相比较 以产生差异。基板/基层的复合反射率的估计值以及沉积速率根据此差异来调整并且随后 插入到膜堆叠模型中，以便计算反射比的另一个估计时间序列，以用于与测量出的时间序 列数据的另一个比较。可以重复地执行此调整、计算和比较，直到在反射比的估计时间序列 与测量到的时间序列数据之间的产生的差异在阈值范围内，因此由基板/基层的复合反射 率的估计值以及沉积速率来拟合时间序列数据。可使用合适的数值方法来计算差异并调整 估计值。
[0071] 根据本公开的实施例，可以在多个波长处并行地执行时间序列数据的拟合。图4描 绘分别在波长230nm、350nm、500nm和700nm处拟合的时间序列数据的示例。图4中的时间序 列数据是在图案化基板上沉积500埃麴而氮化硅层期间收集的。如图4所示，膜堆叠的反射 比随厚度变化。反射比-厚度变化的模式还取决于波长。通常，反射比随厚度的变化在较短 的波长处要比在较长的波长处具有较高的频率。通过在多个波长处拟合时间序列，本公开 的实施例采用不同波长的变化以获得准确的结果。
[0072]为进一步提高时间序列数据拟合的准确性，可以在前两层或前更多个层的沉积期 间取得时间序列数据测量。具体地，当第一沉积层不太厚时，时间序列数据中的相移信息可 能不足以产生准确的基板/基层反射率。基板/基层的反射率中的任何不准确性都会导致从 静态膜堆叠模型确定的后续层的厚度中的较大误差。在一个实施例中，可通过拟合在前两 层或前更多个层的沉积期间收集到的时间序列数据来确定基板/基层的反射率，以便提高 基板/基层的所确定的反射率的准确性。
[0073] 图5描绘使用在沉积膜堆叠的前三层期间收集的时间序列数据的时间序列数据拟 合的示例。前三层是500A的氮化硅、300,\的氧化硅和50?Α的氮化硅。如图5所示，三层的 膜提供测量的反射比中的附加的变化，以便提高基板/基层的所确定的反射率的准确性。
[0074] 在计算基板/基层的反射率后，就可使用膜堆叠模型的静态模式在后续层被沉积 时来求解后续层的厚度。在一个实施例中，可通过执行对与波长有关的测量的反射比的最 小平方拟合或其他数值近似来求解任何给定时间t处的未知厚度。可通过使用膜堆叠模型 的静态模式来拟合测量到的光谱而执行方法300的方框360。
[0075]图6描绘根据本公开的一个实施例的膜堆叠沉积中的各种阶段的光谱拟合结果。 图6中的左上曲线示出已通过拟合来自第一层（500A厚氮化硅层）的时间序列数据来成功 计算的未知图案化基板的反射光谱。所确定的基板的复合反射率实现在这个图案化基板的 顶部上的24个氮化物-氧化物对的沉积过程中的所有反射比光谱的准确拟合。图6中的剩余 三个曲线图分别示出在第一氮化硅层、第12氧化硅层和第24氮化硅层的沉积结束时的此类 光谱拟合的示例。
[0076]在每一层的结束沉积时的光谱拟合的结果(诸如图6所示的光谱拟合)提供对应层 的厚度。图7示出根据本公开的一个实施例的膜堆叠的厚度测量的结果。图7包括具有形成 在图案化基板上的交替的氮化硅层和氧化硅层的膜堆叠的厚度测量结果。氮化硅膜和氧化 硅膜的目标厚度分别是5O0A和300A，不同之处在于每第6对膜，其中目标厚度分别为 350A和200A ,在图7中，将本公开的厚度结果与透射电子显微术(TEM)截面测量相比较。 图7描绘根据本公开的一个实施例的厚度测量在TEM的预期不确定性范围内。
[0077]数据缓冲
[0078]如上所述，本公开的实施例可以用于在膜堆叠的沉积期间测量膜堆叠中的膜的厚 度或其他属性。在理论上，可使用本发明的实施例来计算每个膜的实时厚度。然而，在计算 资源无法满足涉及的密集计算的情况下，尤其在为了解决未知基板反射率的初始动态时间 序列拟合期间，当膜被沉积时，计算可滞后于来自度量组件的输入数据的连续流。本公开的 一个实施例包括在系统控制器内（诸如在计算机的数据存储器中）提供数据缓冲器，以在计 算机处理器正执行时间序列拟合以计算基板反射率时存储来自度量组件的测量数据。在完 成基板反射率计算后，可使用更快的算法(诸如用于静态拟合的算法)来处理缓冲的数据， 以便计算沉积膜的厚度，并且最终赶上实时的数据流。图8是根据本公开的一个实施例的示 出数据缓冲过程的示意性流程图。图8描绘沿时间轴的计算和数据收集。在数据缓冲时段期 间将收集的数据存储在缓冲器中，直到计算赶上数据收集。
[0079]并行计算
[0080] 在本公开的一个实施例中，多个计算机处理器（核）和/或多个图形处理单元 (GPU)、或者现场可编程门阵列(FPGA)可以用于并行地执行动态拟合计算以赶上实时的数 据流或减少对第一组多个层发生的数据计算与数据收集之间的延迟。在一个实施例中，并 行计算可以至少将计算时间减少到小于沉积膜的第一层所花费的时间的一半。可通过将数 据划分成两组或更多组波长或两组或更多组时间并将每组分配给不同的处理器来完成跨 多个处理器的计算的并行。
[0081 ]在一个实施例中，并行地使用多核/GPU/FPGA来处理来自多个数据收集通道中的 数据。例如，在图1的等离子体处理腔室100中，基板114上的多个测量点138可以在每一个时 间点处作出。从多个测量点138中的每者收集的数据可由系统中的多核/GPU/FPGA中的一个 或多个来并行地处理。类似地，可以在同时处理多个基板时使用多核/GTO/FPGA，例如，可以 在双腔室配置中同时处理两个基板，可通过一个或多个通道来测量每一个基板。
[0082]图9是根据本公开的一个实施例的示出并行计算结构的示意性框图900。可同时处 理一个或多个基板901(诸如具有所沉积的膜堆叠）。可使用度量组件902以从一个或多个基 板901收集数据。可通过多个通道904来收集数据。度量组件902可连接到数据处理单元906。 数据处理单元906包括数据收集和划分单元908。数据收集和划分单元908从度量组件902的 多个通道904接收测量数据，并且将收集到的数据划分到多个组，每组数据被发送到多个计 算单元910中的一者以供并行处理。数据收集和划分单元908可按波长、通道和/或时间来对 数据进行分组。每个计算单元910可以包括计算机处理器（核）和/或多个图形处理单元 (GPU)、或者现场可编程门阵列（FPGA)。多个计算单元910并行地处理数据。在一个实施例 中，数据处理单元906可以包括编译器912,用以编译来自多个计算单元910的计算结果以获 得最终的结果。
[0083] 测量透明膜
[0084]本公开的实施例进一步包括根据被沉积的膜的属性修改计算算法。在一个实施例 中，上述计算方法的多个变型可被用于测量多个类型的膜或模组合。例如，可以将计算方法 的不同变型用于测量氮化硅膜、氧化硅膜和多晶硅膜。对于透明膜(诸如氮化硅-氧化硅对 的堆叠(氮化娃是在230nm至800nm的波长范围内大部分透明的）），可通过跨一个层或多个 层的数据执行时间序列拟合以计算未知的基板反射率、接着对其余的层进行静态拟合来获 得最准确的结果。然而，当可以容忍较低的准确性或期望更快的计算时间时，可以在更少的 波长上执行时间序列拟合。在一个实施例中，当无法避免来自于硬件的某些限制(诸如光谱 仪的有限波长分辨率)时，可将最短波长中的一些(例如，短于约300nm的波长)从计算中排 除，因为短于约300nm的波长在很大程度上受到硬件的波长分辨率限制的影响。
[0085] 测量高折射率或高吸收膜
[0086] 在一个实施例中，可通过对反射比相对于时间数据的直接条纹(循环)计数来提取 高折射率膜的厚度。高折射率膜(诸如非晶硅或多晶硅）中的大的实数折射率(η)允许对反 射比相对于时间数据的直接条纹(循环)计数来提取出膜的厚度。在一个实施例中，可以在 折射率较高的较短波长处执行条纹计数方法。在替代实施例中，高吸收膜(诸如非晶硅或多 晶硅)的厚度可以基于与波长有关的膜的不透明的初始来计算，因为膜尤其是在较短波长 处进行吸收。图10包括示出与波长有关的达到不透明的多晶硅膜的厚度的曲线1002。
[0087]测量透明-高吸收膜对
[0088] 对于透明膜与高吸收膜的组合(诸如氧化硅-多晶硅(OP)对），可使用辊压基板方 法来测量膜堆叠中的层的厚度。对于前几对的透明膜与高吸收膜，诸如前三对的透明膜与 高吸收膜，可以利用用于透明膜对(诸如氮化硅-氧化硅对）的动态-静态拟合方法。在若干 对(例如，3对）的透明膜与高吸收膜已经形成在基板上后，由于高吸收膜的高吸收率，基板 可变为对从截止波长开始的光谱不可见。当基板变成为对短于约600nm的波长不可见时，截 止波长为约600nm。精确的截止波长取决于高吸收膜的特定属性，包括厚度。当原始基板变 成为不可见时，原始基板的属性在膜的模型中可被忽略并且可被最近几对透明-高吸收膜 的堆叠替代。当更多的膜被沉积时，连续地更新最近几对透明-高吸收膜的厚度，从而有效 创建"辊压"基板。
[0089] 图11示意性地描绘根据本公开的一个实施例的用于辊压基板的示例。在图11中， 膜堆叠1100形成在原始基板1102上。膜堆叠体1100包括多对高吸收膜1104和透明膜1106。 当膜堆叠1100达到特定厚度时，由于高吸收膜1104,原始基板1102透过被沉积的膜不再可 见的。根据本公开的一个实施例，可如同它直接形成在辊压基板1108上来测量最顶部膜。在 一个实施例中，辊压基板1108可以包括位于最顶部层正下方的两对或更多对高吸收膜1104 和透明膜1106。可从辊压基板1108的两个或更多个膜对的属性确定辊压基板1108的属性。 在处理期间，可针对膜1104、1106中的每层或针对每个膜对更新辊压基板1108的属性。
[0090] 测量基板灵敏度函数
[0091] 膜堆叠的反射光谱取决于在其上形成有膜堆叠(特别对于诸如氮化硅-氧化硅对 的透明膜)的基板。厚度的测量灵敏度直接与这个反射光谱随着顶部膜厚度的增量变化而 变化多少成正比。因此，当形成在不同基板上时，相同的膜堆叠可以具有不同的测量灵敏 度。当基板未知时，膜堆叠的测量灵敏度同样是未知的。
[0092] 本公开的一个实施例包括通过计算其上形成有膜堆叠的基板的灵敏度函数而来 确定膜堆叠的测量灵敏度。灵敏度函数是反射比相对于厚度的导数。灵敏度函数是波长相 关的。在一个实施例中，可计算光谱灵敏度函数来识别具有对厚度的最高测量灵敏度的波 长区域。后续计算可被调谐至所标识的波长区域，以便最大化的准确性和/或计算速度。在 已针对一个基板识别了具有最高测量灵敏度的波长区域后，后续的同一类基板可以使用相 同的标识的波长区域而不经历灵敏度计算。
[0093] 最小化噪声
[0094] 与任何测量结果一样，通过度量组件测量到的反射光谱可以包括会消极地影响准 确性的各种噪声。本公开的实施例还包括用于最小化反射光谱中的噪声的影响的方法。
[0095] 在一个实施例中，可对反射光谱应用移动平均数。可以在预定窗口跨时间计算移 动平均数，例如在数个时间间隔上，并且在每个时间间隔中具有对原始反射光谱的预定加 权。例如，窗口尺寸是五个时间间隔，并且每个时间间隔中的测量的加权是0.2。在另一个示 例中，窗口尺寸是五个时间间隔，并且每个时间间隔中的测量的加权从当前时间间隔开始 分别为0.33、0.267、0.2、0.133和0.067。
[0096] 在另一个实施例中，可标准化每个反射光谱。反射光谱可由反射光谱在预定的波 长范围上的平均值来标准化。可根据反射光谱的属性来选择波长范围。在一个实施例中，波 长范围可小至零，并且可由在单个波长处的值来标准化反射光谱。或者，波长范围可大到为 整个反射光谱的波长范围，并且由整个光谱的平均值来标准化反射光谱。图12描绘根据本 公开的一个实施例的反射光谱的标准化。
[0097] 在如上所公开的应用反射光谱来计算基板的复合反射率以及膜堆叠中的每个层 的厚度前，可使用一个或多个降噪工艺来处理反射光谱。
[0098] 或者，可通过处理厚度结果来降低噪声。在一个实施例中，可应用针对每个层的厚 度结果相对于时间的线拟合来获得直线。与厚度结果的原始数据相比，来自拟合线的直线 提供对厚度的更好的估计。可使用线性最小平方拟合来执行线拟合。线性最小平方拟合适 合于当沉积速率可预期为常数时的每一个层沉积的短持续时间。线拟合可应用至每一个层 沉积内的所有的数据点。或者，可以应用在预定数量的数据点上的起伏(rolling)线性拟 合。图13包括通过所有的数据点的线拟合和20个数据点的起伏拟合对厚度结果的线性拟 合。
[0099]确定时间零点
[0100] 如方法300的方框330中所述，时间零点（沉积开始的时间点）可在不依赖工艺控制 软件的情况下确定。时间零点提供经过时间t的值，所述经过时间t在第一层数据的动态时 间序列拟合中用来获得基板的反射率和膜的沉积速率(DR)。通过将经过时间t乘以沉积速 率DR计算在任何给定时间t的厚度。因此，初始时间零点中的任何误差会消极地影响之后的 计算结果。本公开的实施例提供用于确定时间零点的方法。
[0101] -个实施例时间零点可通过检测等离子体发射的标记的第一次出现来确定。这个 实施例利用如先前所述的反射光谱中所包括的等离子体发射背景。由于等离子体发射是沉 积工艺的组成部分，因此在由度量组件检测到的光谱中的指示等离子体发射的标记的第一 次出现指示沉积工艺的开始。等离子体发射标记一般包含在频谱中的特定波长处的窄带 线，这取决于等离子体中的物种。例如，氧、氮和硅的等离子体各自具有唯一的发射线标志。 图14示出等离子体发射线谱标志的示例。时间_1中的信号表示在背景中没有等离子体发射 的情况下的检测到的光谱。时间_2中的信号表示在背景中具有等离子体发射的情况下的检 测到的光谱。时间_2处的信号中的尖峰是等离子体发射线标志。通过检测等离子体发射线 标志的第一次出现，可以确定时间零点。
[0102] 在另一个实施例中，可通过在时间序列数据中的第一组多个反射比测量点中监测 在给定波长处或在几个波长处反射率、相移的变化来确定时间零点。与时间有关的相移的 导数随后可用直线来拟合，并外推(extrapolate)回相移导数等于零的位置以便确定准确 的时间零点。
[0103] 在另一个实施例中，可通过将时间零点作为变量添加到动态时间序列数据拟合以 在动态拟合期间确定时间零点来确定时间零点。例如，时间零点变量to可添加到方程1-7的 堆叠-膜模型。时间被表达为
[0104] t = to+n*dt
[0105] 其中to是未知时间零点，η是在当前时间以前已计数的时间间隔的数量，并且dt是 每次数据测量之间的时间步长。而且，方程4可由以下方程替代：
[0106]
方程 4'
[0107] 尽管上述内容针对本公升的买施例，但可设计本公开的其他和进一步的实施例而 不背离本公开的基本范围，并且本公开的范围由所附权利要求书来确定。
【主权项】
1. 一种用于测量薄膜的属性的方法，所述方法包括： 将具有未知表面的基板定位在处理腔室中； 以一时间间隔来重复地测量所述基板的反射光谱，以便获得时间序列数据； 使一种或多种处理气体流动以将所述薄膜沉积在所述基板上，同时维持重复的测量； 从所述时间序列数据中的多个反射光谱测量来确定所述基板的所述未知表面的一个 或多个属性；以及 根据所述未知表面的所述一个或多个属性以及所述薄膜的反射光谱测量来确定所述 薄膜的厚度。2. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括点燃所述一种或多种处理气体的等离子体， 其中测量反射光谱包括： 接通导向所述基板的闪光光源并且作出第一次测量；以及 断开所述闪光光源并且作出第二次测量。3. 根据权利要求2所述的方法，进一步包括确定指示所述薄膜的沉积的开始的时间零 点。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述未知表面的一个或多个属性包括 将所述时间序列数据动态拟合到膜堆叠模型。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述薄膜的厚度包含将一个反射光谱 测量静态拟合到所述膜堆叠模型。6. -种用于形成膜堆叠的方法，所述方法包括： 将基板定位在等离子体处理腔室中； 以一时间间隔来重复地测量所述基板的反射光谱，以便获得时间序列数据； 点燃处理气体的等离子体，以便将第一膜和第二膜交替地沉积在所述基板上方，同时 维持对反射光谱的重复的测量； 从所述时间序列数据中的多个反射光谱测量来确定所述基板的复合反射率；以及 根据所述基板的复合反射率以及每个第一膜或第二膜的反射光谱测量来确定每个第 一膜或第二膜的厚度。7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，测量反射光谱包括： 朝向所述基板引导来自闪光光源的光；以及 测量所述光从所述基板的第一反射比。8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，测量反射光谱进一步包括： 在将所述闪光光源断开的情况下，测量所述光从所述基板的第二反射比；以及 通过从所述第一反射比中减去所述第二反射比来去除背景噪声。9. 根据权利要求6所述的方法，进一步包括确定指示沉积的开始的时间零点。10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定时间零点包括从所述时间序列数据 的第一组多个测量检测等离子体发射线标志。11. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定时间零点包括从所述时间序列数据 的第一组多个测量监测相移。12. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，确定所述基板的复合反射率包括将所述 时间序列数据动态拟合到膜堆叠模型。13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，确定每个第一膜或第二膜的厚度包括将 对应的反射光谱测量静态拟合到所述膜堆叠模型。14. 一种用于沉积一个或多个膜的装置，所述装置包括： 腔室主体，所述腔室主体限定处理容积； 基板支撑件，所述基板支撑件设置在所述处理容积内；以及 度量组件，所述度量组件设置在所述基板支撑件上方，其中所述度量组件包括： 闪光光源； 光谱仪； 多个光纤通道，所述多个光纤通道连接在所述闪光光源与所述光谱仪之间，其中每个 光纤被定位成:朝向所述基板支撑件的测量点引导来自所述闪光光源的光，接收来自所述 测量点的反射，并且将所接收的反射引导到所述光谱仪。15. 根据权利要求14所述的装置，进一步包括控制器，所述控制器被耦接到所述度量组 件，其中所述控制器从所述光谱仪接收测量数据，其中所述控制器包括软件，所述软件在运 行时执行以下步骤： 指示所述度量组件以一时间间隔来重复地测量定位在所述基板支撑件上的基板的反 射光谱，以便获得时间序列数据； 从所述时间序列数据中的多个反射光谱测量来确定所述基板的复合反射率；以及 根据所述基板的复合反射率以及所述膜的反射光谱测量来确定沉积在所述基板上的 膜的厚度。
【文档编号】H01L21/66GK105917456SQ201580005173
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月7日
【发明人】E·布迪亚尔托, T·诺瓦克, T·伊甘, S·斯塔里克
【申请人】应用材料公司