CN105810615A - 通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统。所述的方法包括：将刻蚀样品与镀有薄膜的晶振放置在刻蚀设备内的等效刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的刻蚀条件下，并且在相同刻蚀条件下，所述刻蚀样品的刻蚀速率与所述晶振上薄膜的刻蚀速率成线性比例关系；使所述刻蚀样品的刻蚀表面和所述晶振上的薄膜直接暴露在刻蚀环境内，通过监控所述晶振上薄膜的厚度变化而实现对所述刻蚀样品的刻蚀速率的实时监控，并相应的实时调整刻蚀条件，从而实现对样品精确可控的刻蚀。本发明利用晶振等对样品的刻蚀过程进行原位监测，可以有效的计算出实时的刻蚀速率和刻蚀深度，达到精确控制的目的，同时满足复杂刻蚀的要求。

Description

通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统，尤其涉及精确复杂的刻蚀工艺进行开发的方法和系统。

背景技术

在现有的半导体制造工艺过程中，刻蚀工艺发挥着举足轻重的作用，并且与光刻工艺、镀膜工艺和封装工艺被称为半导体工艺中的“四大基本工艺”，可以说日常生活中用到的电子产品器件几乎在制作工程中，都会采用刻蚀工艺。刻蚀工艺技术主要分为干法刻蚀与湿法刻蚀。干法刻蚀主要利用反应气体与等离子体进行刻蚀；湿法刻蚀主要利用化学试剂与被刻蚀材料发生化学反应进行刻蚀。在干法刻蚀过程中同时兼有物理和化学两种作用。辉光放电在零点几到几十帕的低真空下进行。硅片处于阴极电位，放电时的电位大部分降落在阴极附近。大量带电粒子受垂直于硅片表面的电场加速，垂直入射到硅片表面上，以较大的动量进行物理刻蚀，同时它们还与薄膜表面发生强烈的化学反应，产生化学刻蚀作用。选择合适的气体组分，不仅可以获得理想的刻蚀选择性和速度，还可以使活性基团的寿命短，这就有效地抑制了因这些基团在薄膜表面附近的扩散所能造成的侧向反应，大大提高了刻蚀的各向异性特性。反应离子刻蚀是超大规模集成电路工艺中很有发展前景的一种刻蚀方法。

随着半导体制作工艺的提高，一些新型的纳米电子器件也不断涌现，并且在性能方面表现突出。然而在器件的制作过程中，纳米级或亚纳米级的刻蚀对现有的刻蚀设备提出了挑战，特别是具有低选择比的样品刻蚀，如铝镓氮和氮化镓、氧化硅和碳化硅、磁性材料、金属薄膜等，无法实现刻蚀的自停止，简单的通过刻蚀速率和刻蚀时间实现高精度的半导体刻蚀非常困难。必须通过对现有设备的改造和升级实现高精度、高复杂度的样品刻蚀，以满足目前半导体制作过程中的需要。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其包括：

将刻蚀样品与镀有薄膜的晶振放置在刻蚀设备内的等效刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的刻蚀条件下，并且在相同刻蚀条件下，所述刻蚀样品的刻蚀速率与所述晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成线性比例关系；

使所述刻蚀样品的刻蚀表面和所述晶振上的薄膜直接暴露在刻蚀环境内，通过监控所述晶振上薄膜的厚度变化而实现对所述刻蚀样品的刻蚀速率的实时监控，并相应的实时调整刻蚀条件，从而实现样品精确、可控的刻蚀。

之中，所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法还包括：在刻蚀过程中，以控制单元实时接收和处理所述晶振的上薄膜的厚度变化信号，并输出反馈指令而实时调控刻蚀条件。

在一些较为具体的实施方案之中，所述刻蚀条件包括所述刻蚀设备的功率、所述刻蚀设备内的气压、所述刻蚀设备内的气体组份，以及所述刻蚀设备的刻蚀频率中的任意一者或两种以上的组合。

在一些实施方案之中，所述晶振上的薄膜至少选自金属薄膜、半导体氮化物薄膜、氧化物薄膜中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

在一些实施方案之中，所述刻蚀样品表面覆设有图形化掩膜，且所述刻蚀样品的刻蚀表面从图形化掩膜中暴露出。

在一些实施方案之中，在刻蚀样品表面覆设图形化掩膜的方法包括光刻、激光直写和/或电子束曝光，但不限于此。

在一些实施方案之中，所述刻蚀设备采用等离子刻蚀设备。

在一些实施方案之中，所述刻蚀样品的外延层结构中包含待刻蚀层和刻蚀终止层，且所述待刻蚀层与刻蚀终止层之间具有较小的刻蚀选择比(可以为0.5～2，优选为1左右)，即所述刻蚀终止层对于刻蚀物质的耐蚀性不强于所述待刻蚀层对于刻蚀物质的耐蚀性。

本发明实施例还提供了一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的系统，其包括：

晶振，用以在原位刻蚀过程中与刻蚀样品放置在刻蚀设备内的等效刻蚀位置，所述晶振上设有薄膜，下，并且在相同刻蚀条件下，所述刻蚀样品的刻蚀速率与所述晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成线性比例关系；

膜厚仪，至少用于监测晶振上薄膜的厚度变化；

以及，控制单元，用以在刻蚀过程中实时接收和处理所述晶振的上薄膜的厚度变化信号，以实现对刻蚀样品的刻蚀速率的实时监控，并输出反馈指令而实时调控刻蚀条件。

在一些实施方案之中，所述控制单元包括刻蚀设备的控制系统和/或计算机系统，但不限于此。

在一些实施方案之中，所述刻蚀设备选自等离子刻蚀设备，所述等离子刻蚀设备包括反应等离子体刻蚀设备、感应等离子体刻蚀设备或离子束刻蚀设备，但不限于此。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明提供了一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统，通过晶振对样品的刻蚀过程进行原位监测，可以有效的计算出实时的刻蚀速率和刻蚀深度，达到精确控制的目的；

(2)本发明提供的一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法及系统，通过晶振测量出的刻蚀速率信号和深度信号作为反馈信号，将反馈信号输入到信号处理单元中，经过信号处理单元的处理结果，利用控制系统对刻蚀条件做进一步的处理，如：压强的变化、功率的变化、气体组份的变化及刻蚀频率的变化等，最终达到较为复杂的刻蚀要求；

(3)本发明提供的一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的系统可以作为一种新型的刻蚀设备制造，也可以对现有的刻蚀设备做一定的改造，并且改造过程简单，成本低廉，对于大部分刻蚀设备，如反应等离子体刻蚀、感应等离子体刻蚀、离子束刻蚀等具有较高的兼容性。

附图说明

图1是本发明一典型实施例中通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的系统的原理图；

图2a和图2b分别是镀有一定厚度薄膜的晶振示意图和具有较为复杂外延结构样品的示意图；

图3是本发明一实施例中GaN/AlGaN耗尽型HEMT器件的结构示意图；

图4是本发明一实施例中通过原位刻蚀监控实现凹栅增强型HEMT器件的结构示意图；

附图标记说明：1—真空腔室，2—上电极，3—下电极，4—刻蚀控制系统，5—样品，6—晶振，7—膜厚仪，8—等离子体，9—计算机，10—外延第一层材料，11—外延第二层材料，12—外延第3层至第n-2层材料(n为整数)，13—第n-1层材料，14—第n层材料，15—晶振，16—薄膜，17—衬底，18—氮化镓，19—二维电子气，20—空间层氮化铝，21—势垒层铝镓氮，22—盖帽层氮化镓，23—源电极，24—栅电极，25—漏电极，26—栅介质。

具体实施方式

下文将对本发明的技术方案作更为详尽的解释说明。但是，应当理解，在本发明范围内，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明一个典型实施例提供了一种对刻蚀工艺中进行原位的刻蚀监控，尤其是涉及精确复杂的刻蚀工艺进行开发的系统，其包括：

镀有一定厚度薄膜的晶振，

膜厚仪，用作不同晶振薄膜厚度的频率监测和厚度测量。

计算机，用作处理监测得到的输入信号，并根据信号的结果调整刻蚀工艺条件，实现刻蚀的反馈作用。

本发明一个典型实施例还提供了一种对刻蚀工艺中进行原位的刻蚀监控的方法，其包括：

S1、提供刻蚀样品；

S2、可以但不限于在刻蚀样品表面设置图形化掩膜，从而暴露出刻蚀表面，或者直接将样品放置在刻蚀位置；

S3、将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在等离子体中，并将镀有薄膜的晶振放置在与样品等效的刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的等离子体刻蚀条件下。样品上的刻蚀速率与晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成线性比例关系，可以通过晶振上的薄膜厚度的实时变化监测样品的刻蚀速率。并且可以通过将刻蚀速率信号输入到计算机，计算机控制刻蚀的条件，实现可控、精确及带有反馈的刻蚀工艺。

进一步的，所述刻蚀样品可以选择为单一体材料或者包括复杂外延层结构，所述外延层结构中，一般更适用刻蚀的薄膜与终止薄膜间具有较小的刻蚀选择比(可以为0.5～2，优选为1左右)，即前述刻蚀终止层对于刻蚀物质的耐蚀性不强于前述待刻蚀层对于刻蚀物质的耐蚀性。

进一步的，在晶振放入到刻蚀系统前，需要在晶振表面镀上一定厚度的薄膜(可选但不限1微米)，薄膜材料在等离子中具有一定的刻蚀速率。

在一些实施例之中，所述的晶振与膜厚仪连接，并且膜厚仪与计算机连接，计算机与刻蚀的控制系统连接，但不限于此。

进一步的，将所述刻蚀样品的刻蚀表面直接暴露在等离子体中，并将镀有薄膜的晶振放置在与样品等效的刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的等离子体刻蚀条件下。

在一些实施例之中，所述等离子体可以为单一气体也可以为混合气体。

在一些实施例之中，所述晶振上薄膜为金属薄膜、半导体氮化物或氧化物薄膜等，但不限于此。

进一步的，通过实时的监控晶振表面薄膜厚度的变化，经过简单的数据处理，可以有效的得出样品上刻蚀薄膜的刻蚀速率和刻蚀深度。

进一步的，将得出的刻蚀速率作为输入信号输入到计算机中，并且通过计算机中提前设定好的程序，将数据处理结果作为输出信号输入到刻蚀的控制系统，从而确定刻蚀条件。

在一些实施例之中，所述的刻蚀条件变化可以为但不限于压强的变化、功率的变化、气体组份的变化及刻蚀频率的变化等。

进一步的，由于晶振的厚度测量主要取决有刻蚀前后晶振频率的变化，所以上述晶振可以重复使用，并且待晶振上薄膜厚度刻蚀到一定程度时，可以重新生长薄膜，反复利用。

总之，藉由本发明的方法及系统，可以有效地实现刻蚀工艺的原位监测，且具有设备简单，成本低廉，易于进行大规模生产和在刻蚀工艺中的大范围推广等特点。

下面将结合附图及一些典型实施案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

如图1所示，在干法刻蚀中，通过在上电极2和下电极3施加射频功率，从而产生等离子体8，等离子体的状态可以由刻蚀控制系统4控制，一般包括刻蚀压强、刻蚀气体、刻蚀功率等关键参数。在传统的刻蚀系统中，产生的等离子体8会对样品5表面产生物理刻蚀和化学刻蚀。一般通过提前测得的刻蚀速率乘以刻蚀时间来得到刻蚀深度。但是等离子体在刚刚产生是出于非稳定状态，并且设备本身也存在参数的漂移，所以对于传统的刻蚀设备，要想获得纳米级或者亚纳米级的刻蚀结果非常困难。

鉴于上述传统刻蚀设备存在的缺陷，本案发明人提出了本发明的技术方案。

在刻蚀过程中，在刻蚀样品(如下简称样品，例如HEMT器件等)的等效位置放置一个镀有一定厚度薄膜16的晶振6，在样5的刻蚀过程中，样品5的刻蚀速率和晶振6上薄膜16的刻蚀速度相同或者成一定的比例关系(特别是线性比例关系)，因此可以通过晶振6上薄膜16的厚度变化计算出刻蚀样品5的刻蚀速率和刻蚀深度，并且将得到的结果作为输入信号输入到计算机9中，通过计算机9对于输入的数据进行处理，处理结果作为输出信号输入到刻蚀的控制系统4中，从而保持或改变刻蚀条件，达到实时监控，精确刻蚀的目的。

如图2a所示，在现代半导体器件中，多层的外延材料体系制作的器件已经发挥着巨大的作用，在器件性能和成本方面表现突出，如硅基氮化镓HEMT器件、氮化镓激光器器件、发光二极管(对于GaN基发光二极管，一般采用铟镓氮/氮化镓的多量子阱结构)和砷化镓器件等，但在制作器件过程中，由于每一层的外延结构都很薄(几个纳米)，并且每一层外延结构的刻蚀速率基本相同，如果将第n层材料14刻蚀出图形或者刻蚀干净，并且要让刻蚀停止在第n-1层13的表面，由于第n层材料和第n-1层的材料具有较小的刻蚀选择比，简单的通过刻蚀时间调整刻蚀深度是非常困难的。本发明使用的一种晶振的示意图如图2b所示。

为了更好的理解本发明的实际应用价值，详细的阐述本发明在制作GaN基凹栅增强型器件的具体应用，详文如下：

如图3所示，对于普通HEMT器件(以AlGaN/GaN器件为例)，一般而言，当在栅电极24施加零偏压或者没有加偏压时，源电极23和漏电极25都与二维电子气19相连接，所以HEMT器件的源电极23和漏电极25是导通的，HEMT器件处于开启状态，称这种HEMT器件为耗尽型HEMT器件，也可以称作常开型HEMT器件。为了使HEMT器件处于断开状态，必须使源电极23和漏电极25之间的二维电子气19耗尽或者某个区域的二维电子气耗尽。可以通过在栅电极24施加一定的电压实现，当栅电极24加负偏压达到栅极电压Vg<Vth时，Vth为器件的阈值电压，对于普通HEMT器件一般Vth为负值，可以耗尽栅下区域的二维电子气，从而使HEMT器件处于关断状态。这种HEMT器件在实际电路应用过程中由于只有在栅极24施加负偏压时，HEMT器件才能关断，与增强型HEMT器件相比，增加了普通HEMT器件的功耗，并且系统的安全性较差。

鉴于上述普通HEMT器件存在的缺陷，凹栅增强型HEMT器件可以有效的解决这个问题，但是在凹栅刻蚀过程中，整个势垒层AlGaN的厚度在20nm左右，并且AlGaN与GaN具有非常低的刻蚀选择比，如果凹栅刻蚀深度低于设计深度，在栅下仍会有部分二维电子气，使得器件在零偏压下具有较高的漏电，增加功耗。如果刻蚀深度超过设定深度，沟道受到损伤，器件在开启状态下的电流会减小，电阻会明显增加。所以精确的控制栅下势垒层的刻蚀深度对于实现高性能凹栅增强型HEMT器件至关重要。本发明提出的通过使用晶振作为刻蚀工艺的原位监测，可以很好的解决这个问题。如图4所示，刻蚀样品包括衬底17和衬底17上的外延层结构，外延层结构包括衬底17上的空间层20、势垒层21和盖帽层22，实际外延层结构还可包括其他外延结构，如成核层、高阻层和过渡层等结构，外延层结构中形成有二维电子气19。

之后，在器件表面进行图形化处理，处理的方法可以选择但不限于光刻、激光直写和电子束曝光等，将需要刻蚀的栅电极24下端的势垒层21暴露在刻蚀溶液等离子中，其余部分使用掩膜作为保护，刻蚀的掩膜可以选择但不限于光刻胶、二氧化硅和氮化硅等。

然后，如图1所示，将AlGaN/GaNHEMT器件外延片放置在真空腔室1中，并将镀有薄膜的晶振6放置在与样品等效的刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的等离子体刻蚀条件下。样品上的刻蚀速率与晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成一定的比例关系(特别是线性比例关系)，可以通过晶振6上的薄膜厚度的实时变化监测样品的刻蚀速率，并且可以通过将刻蚀速率信号输入到计算机9，计算机9控制刻蚀的条件，当AlGaN刻蚀完全后，刻蚀自动停止。实现可控、精确及带有反馈的刻蚀工艺。

刻蚀结束后将样品清洗干净，并且通过溶液(如盐酸或硝酸等)处理，实现栅介质与GaN或AlGaN一个较低的界面态。在样品的表面制作源电极23和漏电极25，首先在样品表面旋涂光刻胶，然后通过设计的掩膜版和光刻技术在样品表面形成源、漏电极的图形化，然后再沉积金属，一般选择沉积钛、铝、镍、金(Ti、Al、Ni、Au，厚度分别为20nm、130nm、50nm、150nm)等多层金属，金属沉积后将源、漏电极外的金属剥离干净，然后进行快速退火，条件为890℃退火30秒，退火后源电极23和漏电极25与二维电子气19相连接。

然后在样品表面生长介质层26，其生长方式可以但不限于等离子增强化学气相沉积(PECVD)、原子层沉积(ALD)、低压化学气相沉积(LPCVD)和感应耦合等离子体化学气相沉积等常用的半导体沉积技术。沉积的介质可选但不限于氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硅等半导体中常用的介质薄膜。

沉积完成后再通过光刻的方法形成栅金属的图形，在样品的势垒层刻蚀区域的上方沉积栅金属和剥离工艺，形成栅电极24，最后将源、漏电极上的介质层刻蚀干净。栅金属一般选择Ni、Au，厚度分别为50nm、150nm。

参照图4所示，最后制作实现的增强型HEMT器件包括源、漏、栅电极、栅介质26、栅下凹槽以及异质结构，源、漏电极通过形成于异质结构中的二维电子气电连接，异质结构由GaN和AlxGa_(1-x)N半导体组成，源、漏电极位于氮化镓22表面并且通过欧姆接触与二维电子气19相连接，栅电极24设于源、漏电极之间，在栅电极金属和AlxG_a(1-x)N表面之间存在栅介质26，形成增强型MISHEMT结构，并与半导体表面形成肖基特接触，栅电极24的下端的势垒层AlxGa(1-x)N通过带有晶振原位监控的方法进行刻蚀完成。

本发明实现的增强型HEMT的工作原理为：参考图4图示，在增强型HEMT器件中，阈值电压Vth为正值，当在栅电极24加零偏压或不加偏压时，栅电压Vg<Vth，由于栅下势垒层21被部分刻蚀或全部刻蚀，所以在刻蚀区域的下端的二维电子气被耗尽，这时由于栅下没有导电沟道，所以源电极23和漏电极25处于断开，所以器件处于断开状态。当在栅极加正向电压时，栅电压Vg>Vth，这时栅下区域会积累电子，积累的电子形成新的导通沟道，使源电极23和漏电极25导通，器件处于开启状态。HEMT器件从原有的耗尽型器件转变成增强型器件。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于包括：

将刻蚀样品与镀有薄膜的晶振放置在刻蚀设备内的等效刻蚀位置，以保证刻蚀样品与晶振处于相同的刻蚀条件下，并且在相同刻蚀条件下，所述刻蚀样品的刻蚀速率与所述晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成线性比例关系；

使所述刻蚀样品的刻蚀表面和所述晶振上的薄膜直接暴露在刻蚀环境内，通过监控所述晶振上薄膜的厚度变化而实现对所述刻蚀样品的刻蚀速率的实时监控，并相应的实时调整刻蚀条件，从而实现对样品精确可控的刻蚀。

2.根据权利要求1所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于还包括：在刻蚀过程中，以控制单元实时接收和处理所述晶振上薄膜的厚度变化信号，并输出反馈指令而实时调控刻蚀条件。

3.根据权利要求2所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于：所述刻蚀条件包括所述刻蚀设备的功率、所述刻蚀设备内的气压、所述刻蚀设备内的气体组份，以及所述刻蚀设备的刻蚀频率中的任意一者或两种以上的组合。

4.根据权利要求1所述通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于：所述晶振上的薄膜包括金属薄膜、半导体氮化物薄膜、氧化物薄膜中的任意一种或两种以上的组合。

5.根据权利要求1所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于：所述刻蚀样品表面覆设有图形化掩膜，且所述刻蚀样品的刻蚀表面从图形化掩膜中暴露出。

6.根据权利要求1所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于：所述刻蚀设备采用等离子刻蚀设备。

7.根据权利要求1所述的通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的方法，其特征在于：所述刻蚀样品的外延层结构中包含待刻蚀层和刻蚀终止层，且所述刻蚀终止层对于刻蚀物质的耐蚀性不强于所述待刻蚀层对于刻蚀物质的耐蚀性。

8.一种通过晶振实现对刻蚀样品原位刻蚀监控的系统，其特征在于包括：

晶振，用以在原位刻蚀过程中与刻蚀样品放置在刻蚀设备内的等效刻蚀位置，所述晶振上设有薄膜，下，并且在相同刻蚀条件下，所述刻蚀样品的刻蚀速率与所述晶振上薄膜的刻蚀速率相同或成线性比例关系；

膜厚仪，至少用于监测晶振上薄膜的厚度变化；

以及，控制单元，用以在刻蚀过程中实时接收和处理所述晶振的上薄膜的厚度变化信号，以实现对刻蚀样品的刻蚀速率的实时监控，并输出反馈指令而实时调控刻蚀条件。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述控制单元包括刻蚀设备的控制系统和/或计算机系统。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：所述刻蚀设备选自等离子刻蚀设备，所述等离子刻蚀设备包括反应等离子体刻蚀设备、感应等离子体刻蚀设备或离子束刻蚀设备。