CN104183514B - 改善tsv刻蚀工艺的系统及刻蚀终点监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善TSV刻蚀工艺的系统及刻蚀终点监测方法,通过在等离子体反应腔外设置一气体监测装置,并将其与射频功率源和终点监测装置连接,实现对深反应等离子体刻蚀的刻蚀步骤和沉积步骤的监测;所述气体监测装置通过对基片表面的等离子体发出的光谱进行实时监测,确定基片表面反应气体为刻蚀气体或者沉积气体,并将结果发送至射频功率源和终点监测装置,指示射频功率源输出与所述气体相匹配的功率,同时指示终点监测装置选择某一步骤采集特定波长的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线,根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域,特别涉及一种改善TSV刻蚀工艺的系统及刻蚀终点监测方法。
背景技术
近年来,随着半导体制造工艺的发展,对元件的集成度和性能要求越来越高,等离子体技术(Plasma Technology)在半导体制造领域中正起着举足轻重的作用。等离子体技术通过使工艺气体激发形成的等离子体被应用在许多半导体工艺中,如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。对等离子体处理工艺来说,其准确度直接关系到元件的特征尺寸。随着半导体器件特征尺寸缩小,以及半导体制造过程中所用的等离子体处理工艺步骤的数量和复杂性的迅速增加,对等离子体处理工艺控制的要求变得更加严格,这就需要采用实时监控的手段来控制工艺过程的关键阶段。
以等离子体刻蚀工艺为例,在等离子体刻蚀过程中,一个关键的问题是当被刻蚀的介质层被刻蚀掉之后,应当及时停止等离子体刻蚀,以避免下层介质层受到等离子体的刻蚀而损伤,从而造成器件的失效。因此,精确判定等离子体刻蚀工艺终点(endpoint)以避免因刻蚀不足或刻蚀过度导致元器件失效就变得日益重要。现有技术中,通常采用光学发射光谱法(optical emission spectroscopy,OES)进行等离子体刻蚀终点检测。OES技术主要是基于在线光谱检测设备对等离子体发射出的光谱进行实时检测,由于刻蚀到不同物质层光谱会出现明显的变化,特别当到达是刻蚀终点时,因刻蚀的材料发生转换,气相的组成及被刻蚀薄膜都会发生化学变化,这种变化通过OES光谱信号的强度变化表现出来。因此,通过连续监测等离子体发射,就能够用OES终点检测方法来检测出此变化并利用它来确定薄膜被完全清除的时间。例如,当OES信号下降至预定阈值水平之下时,就利用这种转变来触发“终点”。因此,通过检测刻蚀过程中刻蚀到不同层的物质时,反应物或生成物的发射谱线强度值,以此就能够判断刻蚀终点。例如美国专利US5565114公开了一种等离子体工艺中通过OES技术检测终点的方法,通过先计算等离子体发光频谱强度的总和平均值,然后计算总和平均值的差或是比值以决定刻蚀是否达到终点点。由此可知,通过OES技术能够很好地实现了制程稳定的单一刻蚀步骤处理或有限分离蚀刻步骤的处理。
如今,对晶片进行深反应离子刻蚀以形成高深宽比结构(如硅通孔技术)正越来越受到广泛的重视和研究,深反应离子刻蚀通常采用博世工艺(Bosch process)进行。而博世工艺是通过使等离子刻蚀工序和等离子淀积工序周期性地反复进行而对半导体衬底在垂直方向较深地进行刻蚀的工艺。博世工艺主要包括以下步骤:(1)刻蚀步骤,通常用含有SF6的混合气体进行化学反应离子刻蚀;(2)聚合物沉积钝化步骤,通常用含有C4H8的混合气体在孔洞内侧面形成氟碳聚合物层,以使下一个周期的刻蚀步骤中化学反应离子刻蚀时,SF6气体不会对侧壁的聚合物进行刻蚀或者刻蚀速率非常慢;刻蚀步骤和沉积步骤交替循环进行,直到深孔刻蚀完成。由于博世工艺采用交替重复进行各向同性刻蚀和聚合物沉积工艺,而其中刻蚀和淀积步骤所使用的等离子体条件(如工艺气体类型、压力、RF功率等)并不相同,因此需要在切换工艺气体的同时切换RF功率;由于工艺气体注入反应腔内并达到所需压力需要一定的时间,导致满足要求的工艺气体与与之匹配的RF功率重叠时间较短,很难提供稳定的等离子体条件对基片进行刻蚀和沉积保护。同时,将常规的OES技术应用于具有快速且周期性的等离子体扰动特性的博世工艺会导致周期性的终点轨迹,容易发生误判等离子体发射强度的改变,因此其无法准确检测终点。
因此,如何在切换工艺气体的同时,提供稳定的与之匹配的等离子体条件(尤其是射频功率条件),并且能够实现一种准确性高,灵活性大的终点检测方法,以准确找到具有交替循环步骤的等离子体处理工艺的终点,成为应用等离子体技术的半导体制造工艺中的难点问题。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,本发明提供一种改善TSV刻蚀工艺的系统,包括一等离子体反应腔,所述等离子体反应腔连接反应气体供应系统和射频功率源,所述系统还包括一与等离子体反应腔相连的气体监测装置,所述气体监测装置与所述射频功率源相连。
进一步的,所述等离子体反应腔外设置一与所述气体监测装置相连的终点监测装置,所述气体监测装置用于向所述终点监测装置和所述射频功率源发射指示信号。
优选的,所述气体监测装置和终点监测装置为光学发射光谱监测装置。
优选的,所述反应气体供应系统包括刻蚀气体和沉积气体两组气体,所述刻蚀气体和沉积气体交替注入所述等离子体反应腔内。
优选的,所述的等离子体反应腔为电感耦合式等离子体反应腔。
优选的,所述射频功率源包括第一射频功率源和第二射频功率源,所述第一射频功率源功率小于13兆赫兹,所述第二射频功率源大于13兆赫兹。
进一步的,本发明还公开了一种监测TSV刻蚀工艺终点的方法,所述方法包括下列步骤:反应气体供应系统向等离子体反应腔交替注入刻蚀气体和沉积气体;气体监测装置采集基片表面的光波长信号确定基片表面的气体是刻蚀气体或沉积气体,气体监测装置发送指示信号至与等离子体反应腔相连的射频功率源和终点监测装置,指示所述射频功率源调节至与基片表面的气体匹配的功率条件,同时指示所述终点监测装置对刻蚀反应或沉积反应的产物进行特定波长光信号监测,并确定等离子体反应终点。
优选的,所述终点监测装置确定等离子体反应终点的步骤为:
f)以一定时间间隔采集等离子体处理工艺过程中特定波长的的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线;
g)在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区,所述平缓区内具有至少一个实时光信号强度;
h)在每一所述平缓区的实时光信号强度中内抽取一个光信号强度特征值;
i)根据所述光信号强度特征值建立光信号强度特征谱线;
j)根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。
优选的,在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区的步骤包括:将所述实时光信号强度相对于时间的变化量小于参考阈值的区域定义为所述平缓区。
优选的,在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区的步骤包括:将所述实时光信号强度在预定范围内且所述实时光信号强度相对于时间的变化量小于参考阈值的区域定义为所述平缓区。
本发明的优点在于:通过在等离子体反应腔外设置一气体监测装置,并将其与射频功率源和终点监测装置连接,实现对深反应等离子体刻蚀的刻蚀步骤和沉积步骤的监测;所述气体监测装置通过对基片表面的等离子体发出的光谱进行实时监测,确定基片表面反应气体为刻蚀气体或者沉积气体,并将结果发送至射频功率源和终点监测装置,指示射频功率源输出与所述气体相匹配的功率,同时指示终点监测装置选择某一步骤采集特定波长的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线,根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。本发明的技术方案延长了反应气体和与之匹配的射频功率的重和工作时间,提高了深反应刻蚀效率,同时提供一种稳定、有效地监测深反应刻蚀终点的监测方法。
附图说明
图1示出一种改善TSV刻蚀工艺的系统结构示意图;
图2示出本发明实施例的一种等离子体处理工艺的终点检测方法的步骤流程图;
图3示出现有技术及采用本发明所述技术方案后监测到的等离子体浓度变化曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂,以下结合说明书附图,对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例,本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
如图1所示,本发明示出一种改善TSV刻蚀工艺的系统,包括一等离子体反应腔100,等离子体反应腔100连接反应气体供应系统200和射频功率源150,等离子体反应腔100还连接一气体监测装置310和一终点监测装置320,气体监测装置310与射频功率源150和终点监测装置320相连并向射频功率源150和终点监测装置320发射同步信号。本实施例中,气体监测装置310和终点监测装置320采用光学发射光谱法(OES)进行监测。
反应气体供应系统200至少包括刻蚀气体和沉积气体两组气体,所述刻蚀气体和沉积气体交替注入等离子体反应腔100内。本实施例中,等离子体反应腔100为电感耦合式等离子体反应腔。本发明的射频功率源150包括第一射频功率源和第二射频功率源,所述第一射频功率源功率小于13兆赫兹,即偏置射频功率源;所述第二射频功率源大于13兆赫兹,即源射频功率源。由于深反应离子刻蚀通常采用博世工艺(Bosch process)进行。而博世工艺是通过使等离子体刻蚀步骤和等离子体沉积步骤周期性地反复进行而对半导体衬底在垂直方向较深地进行刻蚀的工艺。在刻蚀步骤和沉积步骤中,射频功率源的偏置射频功率源和源射频功率源需要提供不同的功率到等离子体反应腔。由于刻蚀步骤和沉积步骤的交替进行,射频功率源150需要提供交替的偏置射频功率和源射频功率。在现有技术中,刻蚀气体和沉积气体的交替切换与射频功率源的输出变换同时进行,并保持同样地时间,由于一种反应气体从反应气体供应系统200进入等离子体反应腔100并达到反应工艺所需的压力条件需要一定的时间,如,刻蚀步骤和沉积步骤每一步的时间为1s-2s,反应气体填充满等离子体反应腔的时间为0.4s-0.8s,在射频功率源150功率切换和反应气体的切换同时进行的情况下,重叠时间最多只有80%,使得反应气体和与其匹配的射频功率重合工作的时间缩短,不仅降低了深反应刻蚀效率,同时由于无法提供较长时间的稳定等离子体浓度,使得刻蚀的终点监测变得极为困难。
根据本发明公开的技术方案,增加一个与等离子体反应腔100和射频功率源150连接的气体监测装置310,采用光学发射光谱法(OES)对基片表面的反应气体产生的等离子体发出的光谱进行实时监测。当刻蚀气体和沉积气体交替切换时,气体监测装置310根据等离子体发出的光谱确定基片表面的气体为刻蚀气体或是沉积气体,并发射信号指示射频功率源150输出与该气体匹配的偏置功率和源功率。本发明所述系统设置反应气体到达基片表面时对等离子体反应腔提供该反应气体匹配的功率,延长了反应气体和与其匹配的射频功率的重合时间,提高了深反应刻蚀效率。
为了更好地对深反应刻蚀进行终点监测,本发明所述系统将气体监测装置310同时和终点监测装置320相连,在向射频功率源发射指示信号的同时向终点监测装置320发送同步信号,终点监测装置320根据接收到的同步信号统一选择在刻蚀步骤或者沉积步骤采集特定波长的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线,根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。根据上述描述可知,本发明系统由于延长了反应气体和与其匹配的射频功率的重合时间,使得等离子体反应腔内每一步骤的等离子体分布相对稳定,同时终点监测装置320根据从气体监测装置310处接收到的指示信号可以明确获知等离子体反应腔内正在进行的反应为刻蚀步骤或是沉积步骤,并统一选择在某一步骤重复采集特定波长的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线。
在本实施例中,每个等离子体处理步骤均包括一个刻蚀步骤和一个沉积步骤,等离子体处理工艺为博世工艺,通过使等离子刻蚀步骤和等离子沉积步骤周期性交替反复进行而进行刻蚀。当然在其他实施例中,每个等离子体处理步骤也可包括刻蚀步骤,沉积步骤,过渡步骤或清洗步骤等,本发明并不限于此。本发明所述的等离子体终点监测方法将一个刻蚀步骤和沉积步骤作为一个单元进行监测,最为简单的监测方法为:统一选择刻蚀步骤或沉积步骤中的一个步骤进行监测,例如,可以选择对单元中的刻蚀步骤进行监测,当终点监测装置320接收到来自气体监测装置310的指示信号确认正在进行的步骤为刻蚀步骤时,终点监测装置320对基片表面的等离子体发出的特定波长的实时光信号强度进行一次采集,当下一个单元的刻蚀步骤开始时同样进行一次采集,重复进行,建立具有周期性的实时光信号强度谱线,根据所述光信号强度谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。
由于等离子体反应腔内的刻蚀气体和沉积气体不断流动,使得反应腔内的等离子体强度不断变化。为了更好地确定所测量的光信号强度谱线真实可靠,可以根据图2所示的终点监测方法进行监测,具体可以包括以下步骤:
步骤201,以一定时间间隔采集等离子体处理工艺过程中特定波长的的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线;其中实时光信号强度与等离子体处理工艺的反应物组分浓度或产物组分浓度对应,本领域技术人员可以根据晶片的类型和工艺气体的类型,选择相应的特定波长的实时光信号,并获取特定波长的实时光信号强度;
步骤202,在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区,所述平缓区内具有至少一个实时光信号强度;
步骤203,在每一所述平缓区的实时光信号强度中内抽取一个光信号强度特征值;
步骤204,根据所述光信号强度特征值建立光信号强度特征谱线;
步骤205,根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。
图3示出现有技术及采用本发明所述技术方案后监测到的等离子体浓度变化曲线示意图,由图3可以明确获知,通过采用本发明所述的技术方案,等离子体浓度变化较为平坦,更容易确定平缓区。
本发明的技术原理为首先以一定时间间隔采集实时光信号强度并建立实时光信号强度谱线,在本实施例中,采集的时间间隔为200ms。由于等离子体处理工艺具有周期性的多个处理步骤,采集的光信号强度所形成的谱线也相应具有周期性。本发明可采用不同方法定义平缓区,如在周期开始后通过时间延迟,或根据光信号强度的变化趋势等。当平缓区中只有一个实时光信号强度时,容易发生抖动,为了改善这一抖动现象,平缓区中可至少具有两个实时光信号强度。在本实施例中,是依据实时光信号强度的变化,将实时光信号强度相对时间的变化量(斜率)小于参考阈值的部分定义为平缓区。当然,在其他实施例中,实时光信号强度谱线的一个周期内可能会具有多个光信号强度变化平缓,即信号强度与时间的斜率符合要求的区域,此时可进一步限定实时光信号强度的大小,将光信号强度在预定范围内且强度相对于时间的变化量小于参考阈值的区域定义为平缓区。接着,抽取每一平缓区实时光信号强度的一个作为光信号强度特征值,再由这些特征值来形成光信号强度特征谱线。由于抽取的光信号强度特征值均位于平缓区内,较为稳定,不易发生偏差,由其所形成的特征谱线对终点检测更为敏感。
综上所述,本发明充分利用了图形识别方法,通过在采集的实时光信号强度谱线中定义出平缓区并从中抽取特征值来形成特征谱线,从而形成平滑的光信号强度-时间曲线,提高了在等离子体周期性扰动的工艺中进行终点检测的准确性。进一步的,本发明通过在平缓区中间时刻抽取特征值,有效改善了因信号强度采集延时而导致的特征值抽取不准的问题,具有较高的灵活性和实用性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上,然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已,并非用以限定本发明,本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰,本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。
Claims (3)
1.一种监测TSV刻蚀工艺终点的方法,其特征在于:所述方法包括下列步骤:反应气体供应系统向等离子体反应腔交替注入刻蚀气体和沉积气体;气体监测装置采集基片表面的光波长信号确定基片表面的气体是刻蚀气体或沉积气体,气体监测装置发送指示信号至与等离子体反应腔相连的射频功率源和终点监测装置,指示所述射频功率源调节至与基片表面的气体匹配的功率条件,指示所述终点监测装置对刻蚀反应或沉积反应的产物进行特定波长光信号监测,并确定等离子体反应终点;
所述终点监测装置确定等离子体反应终点的步骤为:
a)以一定时间间隔采集等离子体处理工艺过程中特定波长的的实时光信号强度并建立具有周期性的实时光信号强度谱线;
b)在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区,所述平缓区内具有至少一个实时光信号强度;
c)在每一所述平缓区的实时光信号强度中内抽取一个光信号强度特征值;
d)根据所述光信号强度特征值建立光信号强度特征谱线;
e)根据所述光信号强度特征谱线确定所述等离子体处理工艺的终点。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:在所述实时光信号强度谱线的每一个周期内定义一个平缓区的步骤包括:将所述实时光信号强度相对于时间的变化量小于参考阈值的区域定义为所述平缓区。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:在所述实时光信号强度谱线 的每一个周期内定义一个平缓区的步骤包括:将所述实时光信号强度在预定范围内且所述实时光信号强度相对于时间的变化量小于参考阈值的区域定义为所述平缓区。
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Address after: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee after: Medium and Micro Semiconductor Equipment (Shanghai) Co., Ltd. Address before: 201201 No. 188 Taihua Road, Jinqiao Export Processing Zone, Pudong New Area, Shanghai Patentee before: Advanced Micro-Fabrication Equipment (Shanghai) Inc. |
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