CN103811296B - 关键尺寸控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种关键尺寸控制系统以及等离子体处理装置，包括如第一温控装置和/或第二温控装置，第一温控装置与气体喷淋头接触，用于检测并调控气体喷淋头的温度，第二温控装置与接地环接触，用于检测并调控接地环的温度；以及控制单元，对应于第一温控装置和/或第二温控装置而生成如下控制信号中的至少一种：第一控制信号，用于控制第一温控装置调节气体喷淋头的温度；第二控制信号，用于控制第二温控装置调节接地环的温度。其通过对气体喷淋头和接地环的温度控制，实现了对晶圆不同区域的关键尺寸的调控，实现代价小，易于扩展应用。

Description

关键尺寸控制系统

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺领域，更具体地说，涉及一种关键尺寸(Criticaldimension，简称CD)控制系统。

背景技术

半导体加工领域的等离子体处理工艺是在反应腔室中进行，向反应腔室施加射频电源而在反应腔室中形成射频电场，向反应腔室中导入由多种原料气体混合成的反应气体后，反应气体在射频电场的作用下产生等离子体，并与待加工的晶圆进行等离子体反应。

在处理工艺中，为符合工艺要求，必须严格控制大量工艺参数，晶圆的关键尺寸就是其中至关重要的一个参数，反应腔室中的温度对晶圆关键尺寸的影响最为显著。通常，反应腔室温度高的区域，该区域中的自由基的浓度也高，而基于高浓度自由基的等离子体而加工成的晶圆的关键尺寸也较小。在实际工艺过程中，通常反应腔室中央部的温度相对较高、边缘部的温度较低，容易造成晶圆中间区域的关键尺寸小、边缘区域关键尺寸大，从而使晶圆不同区域的关键尺寸失去均一性。

由于等离子体处理工艺的精密要求、以及晶圆各区域的关键尺寸应具有均一性的工艺要求，现有技术难以对反应腔室本身作出改进以调控其中等离子体的浓度分布，进而达成晶圆不同区域关键尺寸的均一性。或者，实现这种调控需要较大的开销，增加了工艺的复杂性。

因此，以较小的代价实现对反应腔室中自由基浓度分布的调控，进而调控或圆上不同区域的关键尺寸，使其满足均一性要求，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种关键尺寸控制系统，用于在等离子体处理工艺中调控晶圆不同区域的关键尺寸，使其满足均一性要求。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种关键尺寸控制系统，用于在等离子体处理工艺中控制晶圆的关键尺寸，等离子体处理工艺在一反应腔室中进行，反应腔室中设有气体喷淋头和接地环，接地环环绕并支撑气体喷淋头，控制系统包括第一控温装置和/或第二控温装置，其中，第一温控装置与气体喷淋头接触，用于检测并调控气体喷淋头的温度；第二温控装置与接地环接触，用于检测并调控接地环的温度；以及控制单元，对应于第一温控装置和/或第二温控装置而生成如下控制信号中的至少一种：第一控制信号，由控制单元根据气体喷淋头的温度生成，用于控制第一温控装置调节气体喷淋头的温度；第二控制信号，由控制单元根据接地环的温度生成，用于控制第二温控装置调节接地环的温度。

优选地，第一温控装置包括至少一第一温控单元，第一温控单元包括：一用于检测气体喷淋头的温度的传感器，以及如下部件中的至少一种：一加热器，用于加热气体喷淋头；一冷却器，用于冷却气体喷淋头；第二温控装置包括至少一第二温控单元，第二温控单元包括：一用于检测接地环的温度的传感器，以及如下部件中的至少一种：一加热器，用于加热接地环；一冷却器，用于冷却接地环。

优选地，第一温控单元设于反应腔室中气体喷淋头上部，第二温控单元设于反应腔室中接地环上部。

优选地，气体喷淋头包括多个互不重合的喷淋头部位；每个喷淋头部位与一第一温控单元接触，第一温控单元根据第一控制信号调节该喷淋头部位的温度。

优选地，接地环包括多个互不重合的接地环部位；每个接地环部位与一第二温控单元接触，第二温控单元根据第二控制信号调节该接地环部位的温度。

本发明提供的关键尺寸控制系统，通过对气体喷淋头和接地环的温度控制，实现对反应腔室中自由基浓度分布、或等离子体能量的调控，进而调控晶圆不同区域的关键尺寸，使其满足均一性要求。其实现代价小，易于扩展应用。

本发明还提供一种等离子体处理装置，包括反应腔室、气体喷淋头、环绕并支撑气体喷淋头的接地环和关键尺寸控制系统，气体喷淋头向反应腔室中通入反应气体以进行等离子体处理工艺，关键尺寸控制系统控制气体喷淋头、接地环的温度。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的关键尺寸控制系统的结构示意图；

图2示出本发明第二实施例的关键尺寸控制系统的结构示意图；

图3示出图2中沿A-A线的剖视图；

图4示出本发明第三实施例的关键尺寸控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明第一实施例用于等离子体处理工艺中控制晶圆200的关键尺寸，等离子体处理工艺在一反应腔室100中进行，反应腔室100顶部设有气体喷淋头110和接地环120，接地环120环绕并支撑气体喷淋头110，反应腔室100底部的承载部件130用于承载晶圆200。第一实施例提供的关键尺寸控制系统包括：控制单元300、第一温控装置310，其中，第一温控装置310由一个第一温控单元构成，第一温控单元与气体喷淋头110接触。

具体地，第一温控单元包括一温度传感器、一加热器和一冷却器，温度传感器用于感测气体喷淋头110的温度，加热器、冷却器分别用于加热、冷却气体喷淋头110。第一温控单元可利用加热器和冷却器来调控气体喷淋头110的温度；加热器和冷却器不会同时工作，在较精确的温度控制下，加热器和冷却器只有一个处于工作状态。

具体地，控制单元300根据温度传感器感测到的气体喷淋头110的温度，结合对晶圆关键尺寸参数的要求，产生第一控制信号，通过对第一温控装置310中第一温控单元的控制，实现对气体喷淋头110温度的调控功能。

为实现较精确的温度控制，应先利用带有关键尺寸控制系统的等离子体处理设备进行多次实验，测得在气体喷淋头从何种温度升到何种温度的情况下，晶圆各部分的关键尺寸会发生何种程度的变化，从而获得一个温度变化和晶圆关键尺寸变化的对照关系，记录在控制单元300中。

在一个具体工艺过程中，发现晶圆的中间部分的CD比其边缘部分CD大5nm，温度传感器感测到气体喷淋头110的温度为60摄氏度。为满足晶圆CD的均一性的工艺要求，根据事先得到的温度变化和晶圆关键尺寸变化的对照关系，控制单元300发出第一控制信号，指示第一温控装置310中第一温控单元进行调控动作，以使其中的加热器工作，使得气体喷淋头110的温度升到85摄氏度，导致气体喷淋头110下方的等离子体中的自由基浓度升高，等离子体能量增加，从而使得晶圆的中间区域的关键尺寸降低，随着等离子体工艺过程的进行，最终使晶圆中间区域的CD等于其边缘区域的CD，从而符合CD均一性的工艺要求。

进一步地，第一温控装置310设于反应腔室100中气体喷淋头110的上方，偏离气体喷淋头110下方到晶片200之间的制程区域，从而不会受到等离子体处理反应的影响。

可以理解，第一温控单元可以由一加热器、或加热器与冷却器的组合构成，也可由任一能检测并调控气体喷淋头温度的装置构成。

进一步地，第一温控单元还包括一选通电路，加热器和冷却器连接该选通电路的两个选通端，第一控制信号控制该选通电路的选通状态。加热器和冷却器不会同时处于工作状态。

进一步地，第一控制信号为一脉宽信号，其高电平选通加热器工作，其低电平选通冷却器工作。在另一个实施例中，也可以在第一控制信号为高电平时选通冷却器工作，而在第一控制信号为低电平时选通加热器工作。

如图2和图3所示，本发明第二实施例中的气体喷淋头包括两个不重合的喷淋头部位1100、1101，分别为气体喷淋头的中心部位和边缘部位，喷淋头部位1101包围喷淋头部位1100。关键尺寸控制系统包括控制单元300、第一温控装置包括两个第一温控单元3100、3101。喷淋头部位1100与第一温控单元3100接触，喷淋头部位1101与另一个第一温控单元3101接触。第一温控单元3100的温度传感器感测到喷淋头部位1100的温度，其还设有一加热器，用于升高喷淋头部位1100的温度。第一温控单元3101的温度传感器感测到喷淋头部位1101的温度，其还设有一加热器，用于升高喷淋头部位1101的温度。

控制单元300根据感测到的喷淋头部位1100的温度、喷淋头部位1101的温度，结合对晶圆关键尺寸参数的要求，而发出第一控制信号，通过对第一温控单元3100、3101的控制，以相应的加热器调控喷淋头部位1100和喷淋头部位1101的温度，进而使喷淋头部位1100下方以及喷淋头部位1101下方的自由基浓度发生相应的变化，等离子体的能量也相应变化，从而改变对应的晶圆区域的关键尺寸。当某一喷淋头部位得到加热而温度升高时，其下方反应腔室中自由基浓度也升高，从而使得对应的晶圆区域CD降低。

进一步地，第一温控装置设于反应腔室100中气体喷淋头的上方，偏离气体喷淋头下方到晶片200之间的制程区域，从而不会受到等离子体处理反应的影响。

进一步地，第一控制信号为一脉宽信号，其高电平选通第一温控单元中的加热器工作，其低电平选通同一第一温控单元的冷却器工作。在另一个实施例中，也可以在第一控制信号为高电平时选通冷却器工作，而在第一控制信号为低电平时选通加热器工作。

进一步地，喷淋头部位1100、1101之间由隔热材料隔开。

或者，气体喷淋头整体由热传导率低于金属的有机材料制成，其表面的温度呈渐变趋势。

可以理解，第一温控单元3100、3101均可以由一加热器、或一冷却器、或加热器与冷却器的组合构成，也可由任一能检测并调控气体喷淋头部位的温度的装置构成。

可以理解，当发现晶圆各区域CD不同而需进行温度调控以达到CD均一性时，可经由对某一喷淋头部位进行加热而达到，也可以先对晶圆进一步加热以升高整个反应腔室温度后，再对另一喷淋头部位进行降温而达到。

本发明第三实施例如图3和图4所示，其中，气体喷淋头也包括两个不重合的喷淋头部位1100、1101，分别为气体喷淋头的中心部位和边缘部位，喷淋头部位1101包围喷淋头部位1100。

如图4所示，关键尺寸控制系统包括控制单元300、第一温控装置和第二温控装置320。第一温控装置包括两个第一温控单元3100、3101，分别与喷淋头部位1100、喷淋头部位1101接触，第二温控装置320包括一个第二温控单元，其与环绕包围喷淋头部位1100、1101的接地环120接触。

两个第一温控单元3100、3101及第二温控装置320的第二控温单元分别设有一温度传感器、一加热器和一冷却器，温度传感器用于感测相对应的喷淋头部位或接地环120的温度，加热器、冷却器用于调控它们的温度。

具体地，控制单元300根据感测到的喷淋头部位1100的温度、喷淋头部位1101的温度，结合对晶圆关键尺寸参数的要求，而发出第一控制信号，根据感测到的接地环120的温度，结合对晶圆关键尺寸参数的要求，而发出第二控制信号。

第一控制信号通过对第一温控单元3100、3101的控制，分别调控喷淋头部位1100和/或喷淋头部位1101的温度，进而使喷淋头部位1100下方以及喷淋头部位1101下方的自由基浓度以及等离子体能量发生相应的变化；第二控制信号通过对第二温控单元的控制，调控接地环120的温度，使其下方的自由基浓度以及等离子体能量发生相应变化。喷淋头110各部位下方和/或接地环120下方的自由基浓度或等离子体能量的变化，将相应地改变对应的晶圆不同区域的关键尺寸。

为实现较精确的温度控制，应先利用带有关键尺寸控制系统的等离子体处理设备进行多次实验，测得在喷淋头部位1100、1101及接地环120的温度呈现何种组合的情况下，晶圆各部分的CD会发生何种程度的变化，从而获得一个温度变化和晶圆关键尺寸变化的对照关系，记录在控制单元300中。

在一个具体工艺过程中，发现晶圆的CD从晶圆中间区域到其边缘区域呈递增趋势，晶圆最边缘区域的CD明显高于其他区域的CD，为47nm，中间区域的CD为45nm。温度传感器感测到喷淋头部位1100的温度、喷淋头部位1101的温度、及接地环120的温度分别为70摄氏度、63摄氏度和60摄氏度。为满足晶圆CD的均一性的工艺要求，根据事先得到的温度变化和晶圆关键尺寸变化的对照关系，控制单元300发出第一控制信号，指示第一温控装置310中的第一温控单元3100进行调控动作，以使其中的冷却器工作，使得喷淋头部位1100的温度降低到60摄氏度，控制单元300还发出第二控制信号，指示第二温控装置320中的第二温控单元进行调控动作，以使其中的加热器工作，使得接地环120的温度升高到80摄氏度，从而使喷淋头部位1100下方的自由基浓度减小、接地环120下方的自由基浓度增加，进而使晶圆中间区域CD不变或略微上升，其边缘区域CD降低，以满足晶圆各区域CD均一性的工艺要求。

进一步地，第一温控装置310设于反应腔室100中气体喷淋头110的上方，第二温控装置320设于反应腔室100中接地环120的上方，均偏离气体喷淋头110下方到晶片200之间的制程区域，从而不会受到等离子体处理反应的影响。

进一步地，第一、第二温控单元均包括一选通电路，加热器和冷却器连接该选通电路的两个选通端，第一、第二控制信号分别控制相应选通电路的选通状态，使加热器和冷却器不会同时处于工作状态。

进一步地，第一、第二控制信号均为一脉宽信号，其高电平选通加热器工作，其低电平选通冷却器工作。

可以理解，无论关键尺寸控制系统仅设有第一温控装置或第二温控装置，抑或设有它们的组合，均可实施本发明，并得到类同的技术效果。

可以理解，无论第一温控装置、第二温控装置包括一个温控单元或是多个温控单元，均可实施本发明，并得到类同的技术效果。

可以理解，无论温控单元仅设有冷却器或加热器，或它们的组合，或任一能检测并调控气体喷淋头温度或接地环温度的装置均可实施本发明，并得到类同的技术效果。

可以理解，当发现晶圆各区域CD不同而需进行温度调控以达到CD均一性时，可经由对相应的喷淋头部位或接地环进行加热而达到，也可以先对晶圆进一步加热以升高整个反应腔室温度后，再对接地环或相应的喷淋头部位进行降温而达到。

可以理解，无论气体喷淋头包括几个喷淋头部位、或接地环又包括几个接地环部位，只要为每个喷淋头部位接入一个第一温控单元，以及为每个接地环部位接入一个第二温控单元，均可以实现对它们下方的反应腔室中的自由基浓度的控制，进而根据工艺要求改变晶圆不同区域的关键尺寸，应落入本发明的保护范围。

本发明第四实施例提供一种等离子处理设备，包括反应腔室、气体喷淋头、环绕并支撑气体喷淋头的接地环和关键尺寸控制系统，气体喷淋头向反应腔室中通入反应气体以进行等离子体处理工艺，关键尺寸控制系统控制气体喷淋头、接地环的温度。

其中，关键尺寸控制系统可采用本发明第一、第二或第三实施例中任一种的结构，均可实现本发明的技术效果，进而使等离子体处理设备具备对晶圆各区域关键尺寸的控制功能。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种关键尺寸控制系统，用于在等离子体处理工艺中控制晶圆的关键尺寸，所述等离子体处理工艺在一反应腔室中进行，所述反应腔室中设有气体喷淋头和接地环，所述接地环环绕并支撑所述气体喷淋头，所述控制系统包括第一温控装置和/或第二温控装置，其中，

所述第一温控装置与所述气体喷淋头接触，用于检测并调控所述气体喷淋头的温度；

所述第二温控装置与所述接地环接触，用于检测并调控所述接地环的温度；

以及控制单元，对应于所述第一温控装置和/或第二温控装置而生成如下控制信号中的至少一种：

第一控制信号，由所述控制单元根据所述气体喷淋头的温度生成，用于控制所述第一温控装置调节所述气体喷淋头的温度；

第二控制信号，由所述控制单元根据所述接地环的温度生成，用于控制所述第二温控装置调节所述接地环的温度，

所述第一温控装置包括至少一第一温控单元，所述第一温控单元包括：一用于检测所述气体喷淋头的温度的传感器，以及如下部件中的至少一种：

一加热器，用于加热所述气体喷淋头；

一冷却器，用于冷却所述气体喷淋头；

所述第二温控装置包括至少一第二温控单元，所述第二温控单元包括：一用于检测所述接地环的温度的传感器，以及如下部件中的至少一种：

一所述加热器，用于加热所述接地环；

一所述冷却器，用于冷却所述接地环；

所述第一温控装置设于所述反应腔室中所述气体喷淋头上部，所述第二温控装置设于所述反应腔室中所述接地环上部；

所述气体喷淋头包括两个互不重合的喷淋头部位，相邻的所述喷淋头部位之间形成环形包围；每个所述喷淋头部位与一所述第一温控单元接触，所述第一温控单元根据所述第一控制信号调节该喷淋头部位的温度。

2.如权利要求1所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，与所述喷淋头部位接触的所述第一温控单元包括一所述传感器、一所述加热器、一所述冷却器以及一选通电路，该加热器和该冷却器连接该选通电路的两个选通端，所述第一控制信号控制该选通电路的选通状态。

3.如权利要求2所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，所述第一控制信号为一脉宽信号，所述脉宽信号的高电平控制所述选通电路使所述加热器工作，所述脉宽信号的低电平控制所述选通电路使所述冷却器工作。

4.如权利要求1至3中任一项所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，相邻的所述喷淋头部位间设置有隔热材料。

5.如权利要求1所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，所述接地环包括多个互不重合的接地环部位；每个所述接地环部位与一所述第二温控单元接触，所述第二温控单元根据所述第二控制信号调节该接地环部位的温度。

6.如权利要求5所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，与所述接地环部位接触的所述第二温控单元包括一所述传感器、一所述加热器、一所述冷却器以及一选通电路，该加热器和该冷却器连接该选通电路的两个选通端，所述第二控制信号控制该选通电路的选通状态。

7.如权利要求6所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，所述第二控制信号为一脉宽信号，所述脉宽信号的高电平控制所述选通电路使所述加热器工作，所述脉宽信号的低电平控制所述选通电路使所述冷却器工作。

8.如权利要求5至7中任一项所述的关键尺寸控制系统，其特征在于，相邻的所述接地环部位间设置有隔热材料。

9.一种等离子体处理装置，包括反应腔室、气体喷淋头、环绕并支撑所述气体喷淋头的接地环和如权利要求1至8中任一项所述的关键尺寸控制系统，所述气体喷淋头向所述反应腔室中通入反应气体以进行等离子体处理工艺，所述关键尺寸控制系统控制所述气体喷淋头、所述接地环的温度。