CN102507003B

CN102507003B - 等离子体点火状态的检测方法

Info

Publication number: CN102507003B
Application number: CN201110300339.XA
Authority: CN
Inventors: 熊磊; 奚裴
Original assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Current assignee: Shanghai Huahong Grace Semiconductor Manufacturing Corp
Priority date: 2011-09-28
Filing date: 2011-09-28
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2031-09-28
Also published as: CN102507003A

Abstract

一种等离子体点火状态的检测方法，包括：提供等离子体的光谱强度参考阈值；进行等离子体点火，点火过程中光谱检测仪检测等离子体的光谱强度，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值；比较所述光谱强度选定值和光谱强度参考阈值的大小，当所述光谱强度选定值大于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为成功状态，当所述光谱强度选定值小于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为失败状态。本发明提供的等离子体点火状态的检测方法，避免了等离子体刻蚀过程中等立体点火失败导致晶圆报废的问题，降低了生产成本。

Description

等离子体点火状态的检测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种等离子体点火状态的检测方法。

背景技术

在半导体集成电路制造工艺中，通过一系列的沉积、光刻、刻蚀、平坦化工艺在半导体衬底上形成半导体结构。其中，光刻工艺在于形成掩膜图案，定义待刻蚀区域；而刻蚀工艺用于将光刻定义的图案转移到材料层中。等离子体刻蚀工艺为常用的一种刻蚀工艺，等离子体刻蚀工艺中，选择合适的气体作为刻蚀气体，通过能量源如射频源激发腔室内的气体，使其从气态转化为等离子体状态。在这个过程中，气体吸收射频功率，被电离、激发、离解等。

图1为现有技术产生等离子体的刻蚀装置的简要结构示意图。

参考图1，所述等离子体刻蚀装置包括工艺腔室100；位于所述工艺腔室100顶部的射频电极102(上电极)，与所述射频电极102电连接的激励射频电源104；位于所述工艺腔室100顶部中央并穿过该顶部的刻蚀气体喷嘴103；位于所述工艺腔室100内部的与所述射频电极102相对设置的静电卡盘101(下电极)，所述卡盘101用于放置待加工的晶圆105。

等离子体刻蚀过程为：将待加工的晶圆105置于所述静电卡盘101上；进行等离子点火，包括：所述喷嘴103向工艺腔室100喷入刻蚀气体，所述激励射频电源104向所述激励电极102输入射频功率，并通过所述射频电极102施加到所述工艺腔室100中的刻蚀气体中，使刻蚀气体电离；通过等离子体的物理轰击和化学反应对所述晶圆105进行刻蚀。等离子体点火后，一般在7～9秒后等离子体浓度达到稳定值，现有等离子体刻蚀过程中等离子体刻蚀装置通常在等离子体点火开始后10～13秒时检测射频电压的大小来判断等离子体点火的状态，当射频电压大于或等于设定阈值时，则判定离子点火成功，若射频电压大于或等于设定阈值，则判定等离子点火失败。但是实际生产过程中，由于有些介质层的厚度比较薄，如自然二氧化硅层厚度为(20～30埃)，刻蚀步骤时间小于10秒，一般为5～8秒，如果刻蚀所述自然二氧化硅层过程中，等离子体点火失败，而没有产生报警，自然二氧化硅层未被刻蚀掉，5～8秒后转到下一刻蚀步骤，将导致下一刻蚀步骤的停止，最终导致晶圆的报废。

更多关于等离子点火及其检测方法请参考公开号为US20070181063A1的美国专利。

发明内容

本发明解决的问题是，提供一种等离子体点火状态的检测方法，避免晶圆报废，降低了生产成本。

为解决上述问题，本发明提供了一种等离子体点火状态的检测方法，包括步骤：

提供等离子体的光谱强度参考阈值；

进行等离子体点火，点火过程中光谱检测仪检测等离子体的光谱强度，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值；

比较所述光谱强度选定值和光谱强度参考阈值的大小，当所述光谱强度选定值大于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为成功状态，当所述光谱强度选定值小于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为失败状态。

可选的，所述等离子体光谱强度包括上升沿、饱和沿。

可选的，所述饱和沿光谱强度为光谱强度最大值。

可选的，所述光谱强度选定值小于光谱强度最大值。

可选的，所述获得光谱强度选定值时间点范围为1.5～2.5秒。

可选的，所述获得光谱强度选定值时间点为1.5秒、2秒或2.5秒。

可选的，所述光谱检测仪数量大于或等于1个。

可选的，所述光谱强度参考阈值的获得方法为：进行等离子体点火，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度基准值，以大小为所述光谱强度基准值60％～85％的值作为光谱强度参考阈值。

可选的，所述获得光谱强度基准值的时间点范围为1.5～2.5秒。

可选的，所述获得光谱强度基准值的时间点为1.5秒、2秒或2.5秒。

可选的，所述获得光谱强度基准值的时间点与获得光谱强度选定值时间点相同。

可选的，还包括给出所述离子体点火失败报警信号。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：

获得等离子体点火后等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的光谱强度作为光谱强度选定值，比较所述光谱强度选定值与光谱强度参考阈值的大小，在等离子体光谱强度上升沿过程中就判断出等离子体点火的状态，与现有技术在饱和沿(10～13秒)判断等离子体点火的状态相比，能更早的判断出离子体点火的状态，克服了现有技术刻蚀时间小于10秒时等离子体点火失败不能及时给出报警，最后导致晶圆报废的问题，降低了生产成本。

附图说明

图1为现有技术产生等离子体的刻蚀装置的简要结构示意图；

图2为本发明等离子体点火状态检测方法的流程示意图；

图3～图4为本发明实施例等离子体点火状态检测方法采用的等离子体刻蚀装置简要结构示意图；

图5～图7为本发明图4所示光谱检测仪检测的等离子体光谱强度随点火时间变化的曲线示意图。

具体实施方式

现有晶圆沟槽的刻蚀一般分为两步，包括：自然二氧化硅层的开启(BTEtch)；沟槽的刻蚀。自然二氧化硅层的厚度比较薄，为20～30埃，刻蚀时间为5～8秒，等离子刻蚀使用的气体为四氟化碳(CF4)；自然二氧化硅层的开启后，进行沟槽的刻蚀，刻蚀时间为60～63秒，等离子刻蚀使用的气体为溴化氢(HBr)。发明人发现，刻蚀所述自然二氧化硅层时，由于等离子体点火的失败，造成自然二氧化硅层的未刻蚀或刻蚀不完全，在刻蚀沟槽时，由于等离子体刻蚀采用的气体HBr对硅和二氧化硅的高刻蚀选择比30∶1，未刻蚀或刻蚀不完全的自然二氧化硅层的对沟槽的刻蚀产生阻挡，造成沟槽刻蚀的失败，导致晶圆的报废。现有技术中检测等离子点火状态，一般是在等离子体点火后10～13秒时通过检测射频电压的大小，来判断等离子体点火的状态，当射频电压大于或等于设定阈值时，则判断为等离子点火为成功状态(等离子点火后，等离子体光谱强度在一段时间内上升至最大值并趋于稳定的状态为成功状态，所述最大值为光谱强度稳定值，所述状态也称为稳定状态)。在刻蚀时间(一个刻蚀步骤)大于10～13秒时，若检测到等离子体点火失败时，一般可以通过补刻蚀完成刻蚀过程，但是对于刻蚀时间小于10～13秒的刻蚀，如自然二氧化硅层(30～40埃)5～8秒的刻蚀，5～8秒后转为下一刻蚀步骤，即使10～13秒后检测到等离子体点火失败，由于涉及到两个刻蚀步骤的刻蚀已经不能通过补刻蚀对晶圆进行补救，导致晶圆的报废。

等离子体刻蚀装置中等离子体点火的状态的检测时间点(10～13秒)为检测装置自己设置，用户不能更改，且不能提前判断等离子体点火的状态，为解决上述问题，发明人提出了一种等离子体点火状态的检测方法，包括：提供等离子体光谱强度参考阈值；进行等离子点火，等离子体光谱强度上升至最大值并趋于稳定，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值，所述光谱强度选定值小于最大值；比较所述光谱强度选定值和光谱强度参考阈值的大小，当所述光谱强度选定值大于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为成功状态，当所述光谱强度选定值，小于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为失败状态。多次等离子体点火，等离子体点火过程中等离子体光谱强度的具有重复性(如：一次等离子体点火后到达等离子体光谱强度稳定状态，第二次等离子体点火经由相似的等离子体光谱强度变化过程到达等离子体光谱强度稳定状态)，本发明通过检测等离子体点火过程中等离子体光谱强度的变化，提前判断等离子体点火的状态。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明提供了一种等离子体点火状态的检测方法，具体的流程示意图请参考图2，包括步骤：

步骤S201，提供等离子体的光谱强度参考阈值；

步骤S202，进行等离子体点火，点火过程中光谱检测仪检测等离子体的光谱强度，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值；

步骤S203，比较所述光谱强度选定值和光谱强度参考阈值的大小，当所述光谱强度选定值大于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为成功状态，当所述光谱强度选定值小于光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火为失败状态。

参考图3，为本发明实施例等离子体点火状态的检测方法使用的等离子体刻蚀装置的简要结构示意图，包括：工艺腔室300；位于所述工艺腔室300顶部的射频电极302(上电极)，与所述射频电极302电连接的激励射频电源304；位于所述工艺腔室300顶部中央并穿过该顶部的刻蚀气体喷嘴303；位于所述工艺腔室300内部的与所述射频电极302相对设置的静电卡盘301(下电极)，所述卡盘301用于放置待加工的晶圆305。

参考图4，所述等离子体刻蚀装置还包括位于所述工艺腔室300顶部的用于检测等离子体光谱强度的光谱检测仪，所述光谱检测仪的数量大于或等于1个，本实施例中所述光谱检测仪的数量为3个，包括光谱检测仪306a、306b、306c，分布在以所述喷嘴303为中心的等边三角形的3个顶点上，顶点距离中心的距离为工艺腔室300半径的1/2，采用3个(多个)光谱检测仪，可以更好的检测工艺腔内的等离子体的光谱强度，提高了光谱强度检测的准确性。光谱检测仪306检测等离子体光谱强度的技术为公知技术，在此不再赘述。

步骤S201，提供等离子体的光谱强度参考阈值。

等离子体光谱强度参考阈值的方法包括：进行等离子体点火，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度基准值，以大小为所述光谱强度基准值60％～85％的值作为光谱强度参考阈值。等离子体点火开始后，等离子体的光谱强度的变化过程包括两个阶段：上升沿阶段和饱和沿阶段，上升沿阶段为离子体点火后，等离子体的光谱强度从零到逐渐增大到最大值的过程；饱和沿阶段为离子体的光谱强度达到最大值后，并在光谱强度最大值趋于稳定的过程。等离子体光谱强度与等离子体的浓度正相关，即等离子体的浓度小，等离子体光谱强度也小，等离子体的浓度大，等离子体光谱强度也大。

参考图5，为等离子体点火成功状态下等离子体点火过程中一个光谱检测仪306a(图4所示)检测到的等离子体光谱强度随时间变化的曲线示意图，其中横坐标为等离子体点火的时间，纵坐标为等离子体光谱强度，曲线30为不同时间点的等离子体光谱强度。等离子体点火后等离子体的光谱强度的变化过程为：从0～T2秒之间，等离子体光谱强度从0上升到最大值V2a，此阶段为等离子体点火后，等离子体光谱强度的上升沿阶段；T2秒之后，等离子体光谱强度在最大值V2a处趋于稳定或围绕最大值V2a小幅震荡，此阶段为等离子体点火后，等离子体光谱强度的饱和沿阶段。所述T2的范围为4～8秒。

获得时间T1秒时的等离子体光谱强度V1a作为光谱强度第一基准值，所述光谱强度第一基准值小于光谱强度最大值V2a。所述时间T1的范围为：1.5～2.5秒，优选为1.5秒、2秒、2.5秒，本实施例为2秒。

获得光谱强度第一参考阈值，所述光谱强度第一参考阈值为光谱强度第一基准值的60％～85％，本实例中所述光谱强度第一参考阈值为光谱强度第一基准值的80％。

发明人经过反复研究发现，若等离子体点火为失败状态，在T1秒时的等离子体光谱强度小于成功点火状态T1秒时的等离子体光谱强度，为成功点火状态下T1秒时等离子体光谱强度的10％～50％，因此设置光谱强度参考阈值为光谱强度基准值的60％～85％，保证了本发明在判断等离子体点火状态的准确性和灵敏度。

参考图6，为同图5相同的等离子体点火过程中，光谱检测仪306b检测到的等离子体光谱强度随时间变化的曲线示意图，横坐标、纵坐标、和曲线40代表的含义与图5相似在此不再详述，并且T1、T2时间数值与图5的T0、T1、T2时间数值相同。

获得时间T1秒时的等离子体光谱强度V1b作为光谱强度第二基准值，所述光谱强度第二基准值小于光谱强度最大值V2b。所述时间T1的范围为：1.5～2.5秒，优选为1.5秒、2秒、2.5秒，本实施例为2秒。

获得光谱强度第二参考阈值，所述光谱强度第二参考阈值为光谱强度第二基准值的60％～85％，本实例中所述光谱强度第二参考阈值为光谱强度第二基准值的80％。

参考图7，为同图5相同的等离子体点火过程中，光谱检测仪306c检测到的等离子体光谱强度随时间变化的曲线示意图，横坐标、纵坐标、和曲线50代表的含义与图5相似在此不再详述，并且T1、T2时间数值与图5的T0、T1、T2时间数值相同。

获得时间T1秒时的等离子体光谱强度V1c作为光谱强度第三基准值，所述光谱强度第三基准值小于光谱强度最大值V2c。所述时间T1的范围为：1.5～2.5秒，优选为1.5秒、2秒、2.5秒，本实施例为2秒。

计算获得光谱强度第三参考阈值，所述光谱强度第三参考阈值为光谱强度第三基准值的60％～85％，本实例中所述光谱强度第三参考阈值为光谱强度第三基准值的80％。

步骤S202，进行等离子体点火，点火过程中光谱检测仪检测等离子体的光谱强度，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值。

所述等离子体光谱强度包括上升沿和饱和沿，饱和沿对应的等离子体强度为最大值，所述光谱强度选定值小于最大值，等离子体点火失败状态的等离子体光谱强度也包括上升沿和饱和沿，只是等离子体点火失败状态下的光谱强度选定值和最大值均小于等离子体点火成功状态下的相应的光谱强度选定值和最大值。

需要说明的是，获得光谱强度选定值时的等离子体点火的工艺参数和腔室环境等条件均与获得光谱强度基准值时等离子体点火的工艺参数和腔室环境等条件相同。

参考图3和图4，将待检晶圆305放置在卡盘301上，进行等离子体点火，通过所述光谱检测仪306a、306b、306c分别获得等离子体光谱强度上升过程中T1时间点的等离子体光谱强度作为T1时间点的光谱强度第一选定值、光谱强度第二选定值、光谱强度第三选定值。

所述获得光谱强度选定值的时间点T1的选择与获得所述光谱强度基准值的时间点T1相同，范围为：1.5～2.5秒，1.5秒、2秒、2.5秒，本实施例为2秒。

作为其他的实施例，光谱强度选定值和光谱强度参考阈值均为1个时，仅需进行一次判断，即光谱强度选定值大于光谱强度参考阈值时，则判定等离子体点火成功，反之，则判定离子体点火失败，并给出点火失败报警信号。

本实施例中，所述等离子体点火状态的具体判断过程为：比较所述光谱强度第一选定值与光谱强度第一参考阈值大小、光谱强度第二选定值与光谱强度第二参考阈值大小、光谱强度第三选定值与光谱强度第三参考阈值的大小；当至少有两个(包括两个)光谱强度选定值大于相应的光谱强度参考阈值时，判定等离子体点火成功，反之，则判定等离子体点火失败，同时给出等离子体点火失败的报警信号，用户根据报警信号，对相应的晶圆进行处理，如补刻蚀工艺，防止晶圆的报废。

本实施例中采用比较3个光谱强度选定值与相应的光谱强度参考阈值的大小，相比于只比较一个光谱强度选定值与一个光谱强度参考阈值的大小的其他实施例，提高了等离子体点火状态检测的准确率，提高了生产的效率。

综上，本发明实施例等离子体点火状态的检测方法，获得等离子体点火后等离子体光谱强度上升过程中某一时间点(1.5～2.5)的光谱强度作为光谱强度选定值，比较所述光谱强度选定值与光谱强度参考阈值的大小，在等离子体光谱强度上升沿过程中就判断出等离子体点火的状态，与现有技术在饱和沿(10～13秒)判断等离子体点火的状态相比，能更早的判断出离子体点火的状态，克服了现有技术刻蚀时间小于10秒时等离子体点火失败不能及时给出报警，最后导致晶圆报废的问题，降低了生产成本。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，包括步骤：

提供等离子体的光谱强度参考阈值，所述光谱强度参考阈值的获得方法为：进行等离子体点火，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度基准值，以大小为所述光谱强度基准值60％～85％的值作为光谱强度参考阈值；

进行等离子体点火，点火过程中光谱检测仪检测等离子体的光谱强度，获得等离子体光谱强度上升过程中某一时间点的等离子体光谱强度作为光谱强度选定值，获得光谱强度选定值时的等离子体点火的工艺参数和腔室环境条件以及时间点与获得光谱强度基准值时等离子体点火的工艺参数和腔室环境条件以及时间点相同；

2.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述等离子体光谱强度包括上升沿、饱和沿。

3.如权利要求2所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述饱和沿光谱强度为光谱强度最大值。

4.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述光谱强度选定值小于光谱强度最大值。

5.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述获得光谱强度选定值时间点范围和光谱强度基准值的时间点范围为1.5～2.5秒。

6.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述获得光谱强度选定值时间点和光谱强度基准值的时间点为1.5秒、2秒或2.5秒。

7.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，所述光谱检测仪数量大于或等于1个。

8.如权利要求1所述等离子体点火状态的检测方法，其特征在于，还包括给出所述等离子体点火失败报警信号。