本发明涉及一种蚀刻或沉积薄膜的方法，具体涉及一种使用等离子体蚀刻和原位双波长反射计(reflectometry)将薄膜层蚀刻至不同材料之间的界面的限定距离内的方法。
背景技术：
1、当执行需要部分蚀刻的干法蚀刻工艺时，监测蚀刻以确保实现所需的蚀刻程度是有利的。即使对于诸如原子层蚀刻(ale)的允许对蚀刻工艺进行高度控制的技术也是如此，因为执行此类工艺的方式的变化会对这些工艺产生负面影响。例如，如果用于掺杂待蚀刻材料表面的气体没有从蚀刻室中充分抽出，则剩余气体可能将会改变蚀刻工艺，或者待部分蚀刻的层的初始厚度可能会发生变化。
2、端点检测技术已被广泛用于检测蚀刻工艺何时到达材料界面，但几乎没有开发出用于精确蚀刻界面附近从而在界面上方留下限定的剩余层厚度的技术。
3、先前已使用的这种端点检测技术的示例涉及在蚀刻工艺期间监测样品的反射率的变化。由于待蚀刻的层通常将具有与下层材料不同的光学性质，因此样品的反射率将在蚀刻期间发生变化。通过选择待蚀刻层或下层材料呈现反射率的波峰或波谷的频率，样品的反射率的变化将在蚀刻期间增加或减少，一旦待蚀刻层已被完全去除，则达到高地(最大)。由此可见，原则上可以监测蚀刻工艺并确定蚀刻工艺的终点。
4、然而，该技术不适合精确地蚀刻待蚀刻层和下层材料之间的界面附近，以留下待蚀刻层的预定剩余厚度。此外，监测单个波长的反射率存在实际限制，这意味着很难准确确定蚀刻工艺何时到达与下层材料的界面，这可能导致过度蚀刻或蚀刻不足。
5、当试图将预定厚度的材料层沉积到衬底上时，例如在原子层沉积期间，面临类似的问题。虽然可以估计沉积速率，但是如果可以在沉积工艺期间监测所沉积的材料层的厚度将是优选的。
6、因此，需要一种更精确的技术来在包括至少一个另外的材料层的样品之中或之上蚀刻或沉积材料层。
技术实现思路
1、根据本发明的第一方面，提供了一种等离子体蚀刻样品中的目标材料层或将目标材料层等离子体沉积到样品上的方法，所述样品包括另一材料层。该方法包括：在所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺期间：将第一波长的光引导到所述样品处；测量由所述样品反射的所述第一波长的光的强度；将第二波长的光引导到所述样品处；以及测量由所述样品反射的所述第二波长的光的强度；以及基于由所述样品反射的光的强度，确定所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺的终点；以及基于所确定的终点结束对所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺。
2、术语"目标材料层"和"目标层"在整个说明书中用来指被蚀刻或沉积的材料层。从其蚀刻目标材料层或在其上沉积目标材料层的样品包括另一层，也就是说，除了目标层之外，样品还包括至少一个另一层。"另一层"可以是直接在目标层下面的层，或者可以存在一个或多个中间层。该另一层通常将具有与目标层不同的材料。
3、因此，在整个说明书中，表述"目标材料层"在蚀刻工艺的情况下应视为与"待蚀刻层"同义，而在沉积工艺的情况下应视为与"待沉积层"同义。目标层通常是上材料层，但是在该层之上可以设置首先被蚀刻的另一层，例如，在gan层上设置algan的层的情况下，gan的"封盖"层可以设置在algan层之上。然而，为了便于理解，在整个说明书中，表述"上层"总是指目标层。
4、根据本发明第一方面的实施例所执行的方法允许在等离子体蚀刻或沉积工艺期间精确地监测样品中的目标材料层的厚度，并且由此允许精确地确定等离子体蚀刻或等离子体沉积工艺的终点。为了清楚起见，我们所称的"等离子体蚀刻或等离子体沉积工艺的终点"是指等离子体蚀刻或沉积工艺结束的点。在等离子体蚀刻工艺的情况下，其是本发明第一方面的优选应用，这可以是当在样品的至少一个区域中的目标材料层已经被完全去除时，当在样品的一个区域中的目标材料层已经被部分蚀刻时，或者是两者的组合。同样地，当目标材料层已经沉积在样品上时或当目标材料层已经沉积在样品的至少一个区域中时，等离子体沉积过程可以结束。
5、当应用于等离子体蚀刻工艺时，该方法允许具有精确控制的剩余厚度的等离子体蚀刻。具体地，该方法允许以±0.5nm的精度和±0.2nm的再现性控制厚度。当制造具有紧密分组的电性质的装置(例如增强模式(常关)高电子迁移率晶体管(hemt))时，这两种方法都具有良好的良率。特别地，当生产这种装置时，重要的是使对余下的剩余层的损坏最小化，并且这在本发明的第一方面的实施例中是可能的。
6、这些优点部分地通过监测样品在两个波长处反射的光的强度来实现，这使得克服如果仅监测一个波长则自身存在的困难(包括诸如由于窗口模糊、晶片倾斜或杂散反射引起的信号电平的这种批次(run-to-run)变化)成为可能。
7、当应用于ale工艺时，该方法特别有益，因为在真正的表面限制状态下的ale运行是高度均匀的，并且可以补偿等离子体蚀刻的典型不均匀性。然后，剩余层的厚度均匀性接近原始外延生长薄膜中固有的不均匀性，并且结合对样品中目标材料层的厚度变化的精确监控，允许具有精确控制的剩余厚度的高度均匀的蚀刻。ale也是有利的，因为它在接近用于被蚀刻的层的溅射阈值能量下工作，因此适合于最小化对剩余层的损伤。
8、然而，应注意，本发明第一方面的实施例也可使用低偏压常规等离子体蚀刻或常规等离子体蚀刻与ale的组合。例如，该方法可以使用定时蚀刻或测量来管理连续等离子体蚀刻和ale之间的转变，并且可以使用终点方法来管理最终的剩余厚度，同时在该层中具有最小的损伤。该组合方法比仅使用原子层蚀刻具有更高的产量。
9、同样，当应用于等离子体沉积工艺时，也实现了本发明第一方面的益处。在这种情况下，对样品的目标材料层(在这种情况下指沉积材料层)的高精度监测允许沉积具有精确控制的厚度的层。
10、如下面更详细地解释的，本发明的第一方面的方法利用了样品的光学性质将随着目标层的厚度改变而变化的现象，其中当目标层较厚时，样品的光学性质由目标层的光学性质支配，并且当目标层较薄或不存在时，样品的光学性质由下层材料的光学性质支配。反射是最感兴趣的光学性质，因为该方法涉及测量从样品表面反射的光的强度。
11、因此，为了充分利用这种效应，通常将在目标层的反射率的峰值或谷值处选择第一波长。为了优选使用该方法，例如当目标层由algan制成时，第一波长在280nm至340nm的范围内，并且更优选在320nm至340nm的范围内。
12、同样，第二波长通常将位于另一材料层的反射率的峰值或谷值处，所述另一材料层可为直接位于目标层下方的材料层，如上文所述。为了优选使用该方法，例如当下层材料由gan制成时，第二波长在340nm至390nm的范围内，并且更优选在360nm至370nm的范围内。
13、也就是说，可以证明有利的是，分别在目标层或下层材料的反射光谱的没有峰值或谷值的区域处选择第一波长或第二波长，从而提供参考信号，以将在另一波长处反射的光的强度与该参考信号进行比较。
14、在本发明第一方面的优选实施例中，确定等离子体蚀刻或沉积工艺的终点包括：通常通过针对每个波长，获得由样品反射的所述波长的光的强度与引导到样品的所述波长的光的强度的比率来确定样品在第一波长和第二波长的反射率。
15、在蚀刻或沉积工艺期间，样品的反射率容易测量，因此是特别合适的性质，基于该性质确定何时停止等离子体蚀刻或沉积工艺，或何时从常规等离子体蚀刻或沉积转变为原子层蚀刻或沉积。
16、在更优选的实施例中，确定等离子体蚀刻或沉积工艺的终点包括获得样品在第一波长的反射率与样品在第二波长的反射率的比值。
17、通过获得两个反射率测量值的比值，可以克服如果仅监测一个波长将存在的困难，包括由于窗口模糊、晶片倾斜或杂散反射引起的信号电平的这种批次变化。
18、通常，确定何时结束等离子体蚀刻或沉积工艺将基于使用两个反射率测量值的比率来确定目标层的厚度，并且当目标层已经达到期望的厚度时结束等离子体蚀刻或沉积工艺。然而，在整个等离子体蚀刻或沉积工艺中，比率趋势的形式可能不是简单的线性(或近似线性)关系，在这种情况下，来自等离子体蚀刻或沉积工艺的一部分的比率趋势的斜率可以用于计算蚀刻速率或沉积速率，并且基于该蚀刻速率或沉积速率计算结束等离子体蚀刻或沉积工艺的点，以便留下期望的剩余厚度。
19、偏离简单线性关系可能是由于量子尺寸效应、由于下层材料的接近性引起的光学带隙偏移以及温度影响或应变影响中的一个或多个。因此，这些影响可包括在薄膜厚度模型中，以确定等离子体蚀刻或沉积工艺的终点，从而提高目标层的剩余厚度的精度。
20、样品的光学性质的非线性变化的另一个示例是ale期间的反射率的变化。如下面将更详细解释的，ale涉及用例如氯原子的单层掺杂样品表面、然后蚀刻掉样品的单原子层的循环。在掺杂阶段期间，反射率很大程度上是稳定的，其中反射率在蚀刻阶段期间改变。样品的反射率的变化可用于确定每个循环的蚀刻速率，然后可以在适当数量的ale循环之后停止蚀刻。
21、采用反射率测量值之间的比率来确定等离子体蚀刻或沉积工艺的终点，允许在等离子体蚀刻或沉积工艺中的各个点处的期望比率的一致性，从而允许该比率的值或斜率被用于推断等离子体蚀刻或沉积工艺的进展。然而，通常基于观察该比率何时达到高地(plateau)或该比率的斜率何时反转来确定何时结束等离子体蚀刻或沉积工艺。在这种情况下，不必获得反射率测量值的比率，并且确定等离子体蚀刻或沉积工艺的终点可以包括获得两个测量强度的比率。这仍然允许优选实施例的许多优点，其中反射率测量值的比率用于确定等离子体蚀刻的终点，但是这通常是更直接的。
22、上述工艺可以应用于设置在目标层上方的另外的层，以确定在gan的封盖层设置在algan层上的情况下何时开始等离子体蚀刻目标材料层，这将是开始蚀刻algan层的时刻。在此类情况下，光强度或反射率测量值中的转折点或其它可识别特性可用于使用双波长反射计来确定蚀刻目标层的开始。由于第一波长和第二波长是针对每种层堆叠类型或组成而理想地具体选择的，所以用于执行第一方面的方法的设备优选地包括宽带光源或可调激光器以给出最大灵活性。
23、通常，使用外部光源来产生第一波长和第二波长的光，在这种情况下，优选的是第一波长和第二波长中的一个或两个不对应于在等离子体蚀刻或沉积工艺中使用的等离子体的发射光谱中的特性波长。这简化了区分由样品反射的光与由等离子体蚀刻或沉积工艺中使用的等离子体发射的光的过程。
24、然而，被引导至样品的第一波长的光和第二波长的光中的一者或两者可以由在等离子体蚀刻或沉积工艺中使用的等离子体提供。
25、第一方面的方法可以包括在等离子体蚀刻或沉积工艺开始时测量由样品反射的第一波长和第二波长的光的强度的校准步骤。这允许确定光强度或反射率测量值的参考值，其可用于校准用于执行该方法的设备。校准步骤也可以在等离子体蚀刻或沉积工艺中的任何其它可识别的点处进行。例如，等离子体蚀刻工艺可涉及不同材料的蚀刻层之间的转变，例如在上述实例中，从样品的顶部移除封盖材料层。在由样品反射的第一波长和第二波长的光的强度的测量值中，该转变是可识别的，这意味着在该转变处进行的测量可用于校准该方法。
26、除了适用于校准用于执行该方法的设备之外，在等离子体蚀刻工艺开始时进行的测量可以用于确定在等离子体蚀刻工艺开始时样品的目标层的厚度，其然后可以用于确定等离子体蚀刻工艺应该执行多久。在一个或多个另外的层被设置在目标材料层的顶部上的情况下，一旦那些层已经被移除，就可以做出该确定。
27、终点通常用于以预定的剩余厚度(优选10nm或更小的厚度)结束等离子体蚀刻或等离子体沉积目标材料层的工艺。在本发明的优选实施例中，其中在等离子体蚀刻目标材料层的工艺之前，目标材料层将被蚀刻到预定剩余厚度，该方法还包括将目标材料层蚀刻到第一剩余厚度的较早步骤。在这些实施例中，预定剩余厚度是小于第一剩余厚度的第二剩余厚度。例如，第一剩余厚度可以是25nm，第二剩余厚度可以是10nm。第一蚀刻步骤不需要具有与第二蚀刻步骤一样精确限定的终点，并且同样不需要根据第一方面的实施例来执行。当在第二蚀刻阶段中使用诸如ale的相对慢的蚀刻工艺时，这种多阶段蚀刻工艺也是有利的。ale非常精确，并允许最小化对目标层的损坏，但它也比诸如电感耦合等离子体(icp)蚀刻的常规蚀刻方法慢。因此，多阶段工艺允许使用更快的常规等离子体蚀刻工艺来执行大部分蚀刻，并使用更精确的蚀刻工艺(例如ale)来实现最终的剩余厚度。
28、这些实施例非常适合于生产其中需要将目标层蚀刻到精确限定的剩余厚度的装置，并且还允许减少生产时间，从而提高了可以生产装置的速率。
29、等离子体蚀刻通常在约1毫托至100毫托的压力下进行，而等离子体沉积通常在约10毫托至3000毫托的压力下进行。
30、根据本发明的第二方面，提供了一种适于执行本发明的第一方面的任何实施例的方法的等离子体处理设备，该设备包括等离子体处理室；至少两个光学发射器；至少两个光学检测器；以及至少一个光学端口，其用于将所述至少两个光学发射器和所述至少两个光学检测器耦接到等离子体处理室的内部。
31、典型的处理设备包括气体输送系统，以控制进入等离子体处理室的气体反应物的流量；等离子体源，其可以构成等离子体处理室的一部分；支撑件，其在等离子体处理室内部并用于待处理样品；压力控制装置，其用于将等离子体处理室中的压力保持在期望的范围内；以及控制系统。该支撑件将通常是温度受控的，并且将与等离子体处理室的壁电隔离，其中rf电源连接到支撑件以允许产生电场。压力控制装置包括自动压力控制件和将等离子体处理室抽空到约1毫托到100毫托以进行蚀刻或10毫托到3000毫托以进行沉积的装置。
1.一种在包括另一材料层的样品中或样品上对目标材料层进行等离子体蚀刻或等离子体沉积的方法，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一波长在所述目标材料层或所述另一材料层的反射率中的峰值或谷值处。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一波长在280nm至340nm的范围内。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第二波长在所述目标材料层或所述另一材料层的反射率的峰值或谷值处。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二波长在340nm至390nm的范围内。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，确定所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺的终点包括：确定所述样品在所述第一波长和所述第二波长下的反射率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，确定所述样品在所述第一波长和所述第二波长下的反射率包括：对于每个波长，获得由所述样品反射的所述波长的光的强度与被引导到所述样品的所述波长的光的强度的比率。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，确定所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺的终点包括：获得所述样品在所述第一波长的确定的反射率与所述样品在所述第二波长的确定的反射率的比率。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，确定所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺的终点包括：获得所述两个测量强度的比率。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一波长和所述第二波长中的一者或两者对应于在所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺中使用的等离子体的发射光谱中的谷值。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，被引导至所述样品的所述第一波长的光和所述第二波长的光中的一者或两者由在所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺中使用的等离子体提供。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述方法包括在所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺开始时测量由所述样品反射的所述第一波长的光和所述第二波长的光的强度的校准步骤。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，基于由所述样品反射的光的强度来确定对所述目标材料层进行等离子体蚀刻的工艺的终点包括：在所述等离子体蚀刻工艺开始时确定所述样品的目标层的厚度。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中，所述终点用于在预定剩余厚度处结束所述目标材料层的等离子体蚀刻或等离子体沉积的工艺。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述预定剩余厚度为10nm或更小。
16.根据权利要求14或15所述的将目标材料层蚀刻到预定剩余厚度的方法，其中，在蚀刻所述目标材料层的工艺之前，所述方法包括将所述目标材料层蚀刻到第一剩余厚度的早期步骤。
17.一种适于执行权利要求1至16中任一项所述的方法的等离子体处理设备，所述设备包括：
