CN102426421B - 用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法，包括下述步骤：S1：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；S2：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行实时的数据采集；S3：根据所采集的数据调整所述晶圆当前的刻蚀参数，然后转入步骤S1，直至完成刻蚀。本发明能够精确控制刻蚀过程，提高刻蚀质量和良品率，减少返工和废弃率。

Description

用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法。

背景技术

美国专利(公开号：US 2008/0233662A1，“ADVANCED PROCESSCONTROL FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING”)描述了先进制程控制APC(Advanced Process Control)的基本概念以及在半导体制造领域的应用。一般而言，APC工作流程是从Lithography(光刻)完成以后开始的，晶圆(Wafer)先进入OCD(光学关键尺寸度量)机台采集曝光后检测ADI数据(即，显影后，形成于光刻胶之上的图形的参数)，然后APC系统会根据设定好的算法以及OCD机台所采集的信息计算出最佳等离子刻蚀时间，随后将该数值发送到刻蚀机台，刻蚀机台以APC发送的参数生成工艺菜单，对Wafer进行刻蚀。

然而，在上述流程中，由于无法在刻蚀过程中实时获取相关数据，业界现行的方案大多是基于lot to lot(批次间)等级的先进制程控制，即用先前批次产品的测量结果反馈给APC系统后，输出改进的参数对后续批次产品的刻蚀进行改进。由于上述方法由于是基于批次的控制，若某批次条件出现异常，则整批产品会被返工甚至报废，损失较大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法，能够使用先进的光学探测方案收集刻蚀数据，并与APC(先进制程控制)系统结合，达到晶圆内(within wafer)或晶片之间(wafer to wafer)级别的APC解决方案，从而精确控制刻蚀过程，提高刻蚀质量和良品率，减少返工和废弃率。

为实现上述目的，根据本发明的一个方案，本发明提供一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法，包括下述步骤：S1：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；S2：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行实时的数据采集；S3：根据所采集的数据调整所述晶圆当前的刻蚀参数，然后转入步骤S1，直至完成刻蚀。

在该方案中，根据本发明的一实施例，所述步骤S3中具体包括：通过APC系统对所采集的数据进行分析，输出反馈结果给刻蚀机；所述刻蚀机根据所接收到的反馈结果，生成所述晶圆当前的刻蚀参数。

在该方案中，根据本发明的一实施例，所述步骤S2具体包括：S21：将来自光源的入射光处理成平行偏振光，并通过加装在刻蚀机台上电极的保偏光纤传输，垂直入射到所述晶圆的刻蚀图案上；S22：经由所述保偏光纤将所述晶圆刻蚀图案上的反射光引出，并采集所述反射光的光谱；S23：将所述采集的光谱发送给计算机辅助系统进行处理，以获得与所述晶圆刻蚀图案有关的至少一个刻蚀参数。根据本发明的一实施例，在采集所述反射光的光谱时，还包括：不断旋转所述保偏光纤来调整入射光的TE模偏振方向，使得所采集的反射光的光谱的特征Q因子最大，其中Q因子为所述反射光的光谱的谐振中心频率与谐振频率带宽之比。根据本发明的一实施例，当所述刻蚀图案为沟槽时，通过使所述入射光的TE模偏振方向垂直于沟槽的延伸方向，来获得最大化的特征Q因子。根据本发明的另一实施例，当所述刻蚀图案为通孔阵列时，通过使所述入射光的TE模偏振方向平行于所述通孔阵列的对称轴方向，来获得最大化的特征Q因子。

根据本发明的一实施例，所述计算机辅助系统对所述采集的反射光进行处理的步骤包括：接收所述反射光的光谱；基于一预设值应用时域有限差分方法对所述反射光的光谱进行分析拟合，得到与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数的中间结果，其中所述预设值包括所述刻蚀图案的设计参数；基于所述预设值对所述中间结果进行筛选，排除不合理的值，以获得与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数。

根据本发明的另一方案，本发明还提供一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制APC方法，其特征在于，包括下述步骤：S1’：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；S2’：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行数据采集；S3’：根据所采集的数据确定下一晶圆的刻蚀参数；S4’：根据所确定的刻蚀参数对下一晶圆进行刻蚀。

在该方案中，根据本发明的一个实施例，所述步骤S3’中具体包括：通过APC系统对所采集的数据进行分析，输出反馈结果给刻蚀机；所述刻蚀机根据所接收到的反馈结果，生成下一晶圆的刻蚀参数。

在该方案中，根据本发明的一实施例，所述步骤S2’具体包括：S21：将来自光源的入射光处理成平行偏振光，并通过加装在刻蚀机台上电极的保偏光纤传输，垂直入射到所述晶圆的刻蚀图案上；S22：经由所述保偏光纤将所述晶圆刻蚀图案上的反射光引出，并采集所述反射光的光谱；S23：将所述采集的光谱发送给计算机辅助系统进行处理，以获得与所述晶圆刻蚀图案有关的至少一个刻蚀参数。根据本发明的一实施例，在采集所述反射光的光谱时，还包括：不断旋转所述保偏光纤来调整入射光的TE模偏振方向，使得所采集的反射光的光谱的特征Q因子最大，其中Q因子为所述反射光的光谱的谐振中心频率与谐振频率带宽之比。根据本发明的一实施例，当所述刻蚀图案为沟槽时，通过使所述入射光的TE模偏振方向垂直于沟槽的延伸方向，来获得最大化的特征Q因子。根据本发明的另一实施例，当所述刻蚀图案为通孔阵列时，通过使所述入射光的TE模偏振方向平行于所述通孔阵列的对称轴方向，来获得最大化的特征Q因子。

根据本发明的一实施例，所述计算机辅助系统对所述采集的反射光进行处理的步骤包括：接收所述反射光的光谱；基于一预设值应用时域有限差分方法对所述反射光的光谱进行分析拟合，得到与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数的中间结果，其中所述预设值包括所述刻蚀图案的设计参数；基于所述预设值对所述中间结果进行筛选，排除不合理的值，以获得与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数。

本发明所述的用于等离子刻蚀的within wafer或wafer to wafer级别的先进工艺控制方案，较目前业界普遍使用lot to lot(批次间)级别的APC方案而言，能够更精密的控制刻蚀的效果，提高刻蚀质量和良品率，减少返工和废弃率。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法的流程图；

图2为根据本发明另一实施例的用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法的流程图；

图3为根据本发明实施例的用于等离子体刻蚀结构的光学探测方法的流程图；

图4为根据本发明实施例的入射光和反射光光路的结构示意图；

图5为根据本发明实施例的在刻蚀机台上加装保偏光纤的示意图；

图6为根据本发明实施例的入射光偏振方向与沟槽的关系的示意图；

图7为根据本发明实施例的入射光偏振方向与通孔阵列的关系的示意图；

图8为根据本发明实施例的计算机辅助系统的结构框图。

上述附图中的附图标记说明如下：

21～光纤光源；22～偏振滤镜；23～遮光光圈；24～中继光路；25～分光镜；26～物镜；27～待测量结构；28～伯特兰物镜；29～接收器；101～上电极；102～等离子体；103～保偏光纤；105～待测量结构；104～下电极；106～光路。

具体实施方式

将参照附图对本技术的优选实施例进行阐释。

本发明的用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法通过应用改进的光学探测方案，原位实时获取干法刻蚀过程中复杂结构的关键尺寸、刻蚀深度和刻蚀坡度等信息；进而与APC(Advanced process control，先进制程控制)系统结合，实现对整个等离子体刻蚀过程进行within wafer或wafer to wafer级别的先进制程控制，从而使刻蚀结果更加稳定而精确。

根据本发明的一个方案，如图1所示，本发明的用于等离子体刻蚀的先进工艺控制方法包括下述步骤：S1：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；S2：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行实时的数据采集；S3：根据所采集的数据调整所述晶圆当前的刻蚀参数，然后转入步骤S1，直至完成刻蚀。

根据本发明的另一方案，如图2所示，本发明的用于等离子体刻蚀的先进工艺控制APC方法包括下述步骤：S1’：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；S2’：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行数据采集；S3’：根据所采集的数据确定下一晶圆的刻蚀参数；S4’：根据所确定的刻蚀参数对下一晶圆进行刻蚀。

在步骤S2和S2’中，通过应用改进的光学探测方案，对于半导体制造干法刻蚀过程中的复杂结构(如周期排列沟槽或者通孔阵列结构)通过保偏光纤引入入射光并通过对反射光谱进行原位实时的采集；而后通过计算机辅助系统对其进行分析拟合，从而得到其关键尺寸、刻蚀深度和坡度等重要参数数据。

所实时获得的刻蚀参数数据会传输给APC系统，APC系统对所采集的数据进行分析，获得反馈结果，并将该反馈结果反馈给刻蚀机，这里根据APC系统中预设的公式或者判断条件，所述的反馈结果可包括工艺时间、气体流量、气压、输入功率等工艺参数，其可用作当前刻蚀晶圆的当前刻蚀参数，也可用作下一晶圆的当前刻蚀参数；刻蚀机根据所接收到的反馈结果，生成工艺菜单，从而能够实时调整刻蚀参数以精确完成晶圆精细结构的刻蚀。这里所述的APC系统为含有公知算法的APC系统。

因此，根据本发明的一个实施例，如图3所示，在步骤S2和S2’中，还具体包括下述步骤：

步骤S21：将来自光源的入射光处理成为平行偏振光，并通过加装在刻蚀机台上电极的保偏光纤进行传输，垂直入射到晶圆的刻蚀图案上。

上述步骤S21涉及两个技术要点，首先，需将来自光源的入射光经由特殊的光路进行处理成为平行偏振光，特殊光路的示意图参见图4，来自光纤光源21的平行光经过偏振滤镜22成为平行偏振光，然后将处理之后的平行偏振光经过遮光光圈23、中继光路24、以及分光镜25等光路传输之后，经由加装在刻蚀机台上的保偏光纤103传输给晶圆的刻蚀图案，由于保偏光纤一般较粗(为几个微米级别)，而晶圆的刻蚀图案，其尺寸一般在1微米左右或在纳米级别内，因此，保偏光纤传输的入射光还需物镜镜头26进行聚焦，以使入射光垂直入射到晶圆的刻蚀图案上。

其次，这里所述的保偏光纤可被加装在刻蚀机台的上电极上的任意位置，只要能够使从光路出来的入射平行偏振光垂直投射到晶圆上且以不影响等离子体生成和传输为宜，如图5所示。保偏光纤的加装保证了入射的平行偏振光的线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。所述刻蚀机台可以为反应式离子蚀刻机RIE、感应耦合式等离子体刻蚀机ICP、变压器耦合式刻蚀机TCP、电容耦合式刻蚀机CCP等。

步骤S22：经由所述保偏光纤将所述晶圆刻蚀图案上的反射光引出，并采集所述反射光，获得所述反射光的光谱信号。

入射到晶圆的刻蚀图案上的平行偏振光被晶圆的刻蚀图案反射出，这里所述的晶圆的刻蚀图案例如为晶圆表面上的复杂结构图案，例如，晶圆表面上的周期排列的沟槽(光栅)结构或者通孔阵列等。

反射出的反射光一般为点光源，参考图4的光路，反射光经由物镜26成为平行光，再经由所述保偏光纤引出，从分光镜透射出之后，通过接收器29采集所述的反射光，以获得反射光谱，这里在图4的光路中，还设置有伯兰特物镜28，由于反射光经过传输之后光强微弱，因此设置伯兰特物镜28用于将反射光聚焦以保证接收器29接收到的反射光足够强。所述接收器29可为已知的光谱仪、分光计、或分光光度计。由于制造商的不同，接收器具有各种不同体积、不同精度以及不同量测范围的型号，因此，所述接收器可以独立刻蚀机台之外，也可集成于刻蚀机台之上。

在通过接收器采集反射光时，观察接收器中的反射光谱，来调整入射光的偏振方向。这里所述的反射光谱为经由例如上述光谱仪、分光计、或分光光度计采集后生成的数字信号，该数字信号会显示在例如光谱仪的显示屏上。调整入射光的方式为例如不断地旋转光纤以调整入射平行偏振光束的偏振方向，使得所述入射的平行偏振光的TE模与晶圆的刻蚀图案处于正交状态。该正交状态反映在反射光谱上，为反射光谱的吸收峰最窄的状态(主要观察发生谐振现象的波长处，即反射光谱上随光纤旋转而有明显变化的吸收峰)，在该状态下，晶圆的刻蚀图案的反射光谱的特征Q因子最大，这里所述的Q因子为光电子学基本概念，被定义为光谱的谐振中心频率与谐振频率带宽之比，Q值越大，则谐振谱线的峰或谷越窄越尖锐。一般而言，Q因子与晶圆的刻蚀图案的结构本身有关，例如，当晶圆的刻蚀图案为周期排列的沟槽结构时，需使得入射偏振光的TE模方向与沟槽的延伸方向相垂直，当晶圆的刻蚀图案为通孔阵列时，需使得入射偏振光的TE模方向平行于通孔阵列的对称轴。

图6和图7为入射光偏振方向与晶圆的刻蚀图案的关系的示意图，如图7所示，偏振方向水平轴P为TE模，偏振方向垂直轴S为TM模，在晶圆的刻蚀图案为沟槽时，应使TE模垂直于沟槽方向，即P垂直于沟槽的延伸方向，在晶圆的刻蚀图案为通孔阵列时，P平行于通孔阵列的对称轴，这里需要说明的是，由于通孔的阵列不同，会存在不同方向的对称轴，依据结构需求，来选择合适的对称轴方向。这种由于晶圆的刻蚀图案的不同而对入射偏振光的偏振方向的不同需求，会在如上所述的光谱的谐振谱线上体现出来。换言之，当入射偏振光的偏振方向与晶圆的刻蚀图案的相适配时，会使光谱的谐振谱线的峰或谷越窄，即特征Q因子最大。

步骤S23，将所述获得的反射光谱信号发送给计算机辅助系统进行处理，以获得与所述晶圆的刻蚀图案有关的实际参数。

在该第三步骤中，通过计算机辅助系统来对反射光谱信号进行处理，来获得与晶圆的刻蚀图案有关的实际参数。如图8所示，这里的计算机辅助系统包括初始化模块、信号采集模块、分析拟合模块、校验模块、以及输出模块。

初始化模块811，用于读取用于简化拟合过程并用于筛选结果的预设值，其中该预设值包括晶圆的刻蚀图案的设计参数，例如刻蚀深度和坡度等。根据本发明的一个实施例，该预设值可预存在计算机中，也可在使用时根据需要通过输入装置实时输入，例如通过键盘手动输入所需的预设值。

信号采集模块812，用于接收来自接收器的反射光的光谱信号。

分析拟合模块813，用于基于在初始化模块中的预设值对信号采集模块所接收到的光谱信号进行分析拟合，以获得与晶圆的刻蚀图案有关的实际参数的中间结果，这里分析拟合的方法采用的是时域有限差分方法(FDTD)。其中在进行分析拟合时，可基于预存在计算机中的预设值进行拟合，如果拟合过程中难以收敛，则可选择手动输入其它的预设值，以获得收敛解，从而获得正确的晶圆的刻蚀图案的实际参数。

校验模块814，用于基于在初始化模块中的预设值对在分析拟合模块中所获得中间结果进行筛选，排除不合理的值，获得与晶圆的刻蚀图案有关的实际参数的计算结果，例如得到所测量结构的特征尺寸(如关键尺寸)、刻蚀深度和坡度等数据。

输出模块815，用于输出所述计算结果。

在本发明中，APC系统和计算机辅助系统可设置在同一计算机中，也可设置在不同的计算机中，其中这些计算机用来与刻蚀机进行数据交换，也可包括用于控制刻蚀机等处理的控制器。

本发明基于用于干法刻蚀的复杂结构的光学探测方案，能够集成性地获取复杂结构的原位实时数据，进而通过所获取的各种数据，来实时调整刻蚀参数，从而精确控制刻蚀过程。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制APC方法，包括下述步骤：

S1：通过刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；

S2：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行实时的数据采集；

S3：根据所采集的数据调整所述晶圆当前的刻蚀参数，然后转入步骤S1，直至完成刻蚀；

其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S21：将来自光源的入射光处理成平行偏振光，并通过加装在刻蚀机台上电极的保偏光纤传输，垂直入射到所述晶圆的刻蚀图案上；

S22：经由所述保偏光纤将所述晶圆刻蚀图案上的反射光引出，并采集所述反射光的光谱；

S23：将所述采集的光谱发送给计算机辅助系统进行处理，以获得与所述晶圆刻蚀图案有关的至少一个刻蚀参数。

2.根据权利要求1所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，所述步骤S3中具体包括：

通过APC系统对所采集的数据进行分析，输出反馈结果给所述刻蚀机；

所述刻蚀机根据所接收到的反馈结果，生成所述晶圆当前的刻蚀参数。

3.根据权利要求1所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，在所述步骤S22中，在采集所述反射光的光谱时，还包括：不断旋转所述保偏光纤来调整入射光的TE模偏振方向，使得所采集的反射光的光谱的特征Q因子最大，其中Q因子为所述反射光的光谱的谐振中心频率与谐振频率带宽之比。

4.根据权利要求3所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，当所述刻蚀图案为沟槽时，通过使所述入射光的TE模偏振方向模垂直于沟槽的延伸方向，来获得最大化的特征Q因子；当所述刻蚀图案为通孔阵列时，通过使所述入射光的TE模偏振方向平行于所述通孔阵列的对称轴方向，来获得最大化的特征Q因子。

5.根据权利要求1-4任一项所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，所述计算机辅助系统对所述采集的反射光进行处理的步骤包括：

接收所述反射光的光谱；

基于一预设值应用时域有限差分方法对所述反射光的光谱进行分析拟合，得到与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数的中间结果，其中所述预设值包括所述刻蚀图案的设计参数；

基于所述预设值对所述中间结果进行筛选，排除不合理的值，以获得与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数。

6.一种用于等离子体刻蚀的先进工艺控制APC方法，包括下述步骤：

S1’：通过一刻蚀机对一晶圆进行刻蚀；

S2’：对所述晶圆的至少一个刻蚀参数进行数据采集；

S3’：根据所采集的数据确定下一晶圆的刻蚀参数；

S4’：根据所确定的刻蚀参数对下一晶圆进行刻蚀；

其特征在于，所述步骤S2’具体包括：

S21’：将来自光源的入射光处理成平行偏振光，并通过加装在刻蚀机台上电极的保偏光纤传输，垂直入射到所述晶圆的刻蚀图案上；

S22’：经由所述保偏光纤将所述晶圆刻蚀图案上的反射光引出，并采集所述反射光的光谱；

S23’：将所述采集的光谱发送给计算机辅助系统进行处理，以获得与所述晶圆刻蚀图案有关的至少一个刻蚀参数。

7.根据权利要求6所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，所述步骤S3’中具体包括：

通过APC系统对所采集的数据进行分析，输出反馈结果给所述刻蚀机；

所述刻蚀机根据所接收到的反馈结果，生成下一晶圆的刻蚀参数。

8.根据权利要求6所述的先进工艺控制APC方法，其特征在于，所述计算机辅助系统对所述采集的反射光进行处理的步骤包括：

接收所述反射光的光谱；

基于一预设值应用时域有限差分方法对所述反射光的光谱进行分析拟合，得到与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数的中间结果，其中所述预设值包括所述刻蚀图案的设计参数；

基于所述预设值对所述中间结果进行筛选，排除不合理的值，以获得与所述刻蚀图案有关的刻蚀参数。