[发明专利]使用宽带反射测定法的工艺终点检测方法

说明书

本申请是申请号为03819426.0、申请日为2003年8月12日、发明名称为“使用宽带反射测定法的工艺终点检测方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明主要涉及监测和控制用于在半导体衬底上形成特征部分的工艺的方法。更具体地，本发明涉及用于检测半导体衬底加工过程中的终点的方法。

背景技术

在半导体制造中，多种工艺如蚀刻、薄膜沉积、和化学机械抛光的组合，被用于在半导体衬底上形成特征部分。特征部分是通过从半导体衬底的表面选择性除去材料和在半导体衬底的表面选择性地沉积材料而形成的。在形成特征部分的同时，监测半导体衬底以确定在处理过程中何时已到达终点。终点可以是工艺操作条件将会改变的一个点，或工艺将会停止的一个点。

深沟槽和凹槽蚀刻工艺用于制造半导体器件，如动态随机存取存储器(DRAM)和嵌入式DRAM(eDRAM)。DRAM(或eDRAM)单元包含用于存储信息的晶体管和电容器。通常，存储电容器被安置在半导体衬底的沟槽中。用于形成沟槽电容器的典型工艺涉及在半导体衬底中蚀刻深沟槽，用多晶硅填充沟槽，将多晶硅蚀刻下来以在沟槽中形成凹槽。其它材料(如介电材料)也可按需要沉积于沟槽或凹槽中或被蚀刻，以形成所需的存储结构。通常，沟槽具有高纵横比(即，大于1.0，其中“纵横比”被定义为高度/宽度)。在当前技术中，例如，沟槽的深度通常是几微米深，而沟槽的宽度通常是约300nm。随着集成技术上所做出的进步，沟槽的宽度有望更小，如缩小至90nm到100nm。

图1A示出典型的半导体衬底100，其具有通常由硅形成的衬底层102，通常由二氧化硅形成的衬垫层104，和通常由氮化硅形成的掩膜层106。在衬底100中形成深沟槽之前，除去将形成沟槽的光致抗蚀剂掩膜108的区域110，使得其下层(即掩膜层106)暴露。然后衬底100被放置到工艺腔室(未示出)中，如等离子体腔室，且蚀刻沟槽穿过掩膜层106和衬垫层104进入衬底层102。图1B示出在衬底100中蚀刻的沟槽112。在衬底100中蚀刻沟槽112之后，除去余下的光致抗蚀剂掩膜(图1A中108)。

图1C示出衬底100中用多晶硅114回填的沟槽112。在回填工艺中，多晶硅垫层116形成于掩膜层106上。通常，作为回填工艺的结果，小碟(或凹陷)118出现在沟槽112的上面。在沟槽112中的多晶硅114形成凹槽之前，所有或部分多晶硅116垫层通过平面化工艺(如平面层蚀刻或化学机械抛光)去除。图1D示出平面化工艺之后的衬底100。作为平面化工艺的结果，凹陷120可出现在沟槽112的开口上。在平面化步骤之后，沟槽112中的多晶硅柱114被向下蚀刻至预定深度以形成凹槽。图1E示出形成于多晶硅柱114上的凹槽122。

相对于衬底100中的参考点(如损失的掩膜层106的底部)，凹槽122的深度通常是高要求尺寸。然而，多个因素使得精确地形成所需深度的凹槽具有挑战性。一个因素是沟槽的开口非常小，例如，约300nm或更小，凹槽是通过该开口蚀刻的。这样，蚀刻工艺必须被仔细地控制以确保蚀刻被限定在沟槽内。另一个因素是多晶硅柱上的凹陷易与要被蚀刻的凹槽的精度或甚至绝对深度在同一量级。这样，尺寸控制范围非常严密。另一个因素是从一衬底到另一衬底有进入材料变化，如，掩膜层厚度(如，平面化处理的结果)和多晶硅柱上凹陷的深度的变化。没有变化方面的知识，将难于确定要向下蚀刻多深的多晶硅以达到所需的凹槽深度。

为了精确地形成所需深度的凹槽，有检测蚀刻工艺中的终点的精确和可靠的方法是重要的。光学诊断方法通常被用来在图样化衬底加工中检测终点，因为它们是非破坏性的。光发射光谱法是最广泛被使用的用于检测终点的光学诊断方法。该方法涉及监测等离子体发射中等离子体种类的变化，其中当从衬底的一层移动到另一层时发生变化。该方法的响应通常被延迟，因为其监测等离子体状态而非衬底状态。光发射光谱法通常不适合于深沟槽和凹槽蚀刻，以及其它没有有效蚀刻停止层的蚀刻应用。