CN105990175B - 半导体刻蚀工艺的终点检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种半导体刻蚀工艺的终点检测方法，所刻蚀的半导体结构至少包括阻挡层和介质层，选用的刻蚀气体为二氟化氙，其中：在刻蚀工艺结束前，向刻蚀环境中通入HF气体以产生终点标记产物，当监测到终点标记产物生成时，终结刻蚀工艺。采用本发明所提供的技术方案，能够大大提高终点检测的精确度，帮助操作人员及时地终结刻蚀工艺，以改善半导体结构的品质，避免刻蚀不完全或过刻。
Description
技术领域
本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体的说，涉及一种半导体刻蚀工艺中的终点检测方法。
背景技术
近年来，随着半导体工艺的不断发展，愈来愈多的新产品走进了千家万户，为消费者提供了全新的用户体验。在众多工艺当中，尤以半导体结构的刻蚀工艺发展迅速，并对工艺的精准度提出了更高的要求。
为了满足器件的不同性能，半导体结构经历刻蚀工艺处理在所难免。行业中通常使用选择比较高的二氟化氙作为刻蚀气体，对各种不同的半导体结构加以刻蚀去除。以图1为例，给出了现有技术当中对半导体结构进行刻蚀的原理和装置。该装置由气源101释放刻蚀所需的二氟化氙气体，通过管路104的传输依次流通至扩散腔102和流量调节计103，并最终进入刻蚀腔105，在喷头106的喷射下接触到基板107，反应刻蚀基板107表面的半导体结构。刻蚀过程中产生的尾气在真空泵110的抽取下经由设置在载台108下方的排放通道109排出刻蚀腔。
可以看到，上述装置缺乏对刻蚀终点进行检测的机构部件，所以如何在恰当的时间停止供气，终结刻蚀工艺，成为了本领域内的一大难题。即使是行业内经验丰富的技术人员，也仅能通过预估时间的方法来控制刻蚀的进程，从而导致实际生产中过刻或刻蚀不完全的情况频频出现。工艺的缺陷延及终端设备，致使电子产品的可靠性缺失，严重的损害了广大消费者的切身利益。
现有技术用于确定刻蚀工艺终点的方法具有很大的不确定性，不符合先进的半导体行业对精确控制的要求，从某种程度上将，代表了一种落后的生产力，因此有必要探索出一种新的方法，在刻蚀工艺中进行更加精确的终点检测。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提出一种技术方案，其具体内容如下：
一种半导体刻蚀工艺的终点检测方法，该半导体刻蚀工艺对半导体结构进行刻蚀，该半导体结构至少包括阻挡层和介质层，刻蚀气体为XeF2，在刻蚀工艺结束前，向刻蚀环境中通入HF气体以产生终点标记产物，当监测到终点标记产物生成时，终结刻蚀工艺。
进一步地，终点标记产物为SiF4。
进一步地，阻挡层包括Ta、Ru、TaN或它们之间的组合。
进一步地，介质层包括TEOS或SiO2。
在其中一个实施方式中，半导体结构还包括掩膜层。
进一步地，掩膜层为TiN。
优选地，终点标记产物的产生由光谱仪监测。
进一步地，光谱仪监测所述刻蚀环境中所述终点标记产物的浓度。
进一步地，阻挡层、掩膜层和介质层依次排布。
进一步地，HF气体与所述介质层表面发生反应生成终点标记产物。
采用本发明申请提供的技术方案对刻蚀工艺进行终点检测，能够使操作人员清楚地掌握刻蚀工艺的进程，在第一时间终止刻蚀工艺，避免了过刻或少刻，大大提高了半导体结构的可靠性。
附图说明
图1 揭示了现有技术中对半导体结构进行刻蚀的装置的示意图。
图2揭示了本发明的第一具体实施方式中的半导体结构未被刻蚀时的结构示意图。
图3揭示了本发明的第一具体实施方式中的半导体结构在刻蚀终结时的结构示意图。
图4揭示了本发明第一具体实施方式中的刻蚀装置的结构示意图。
图5a、图5b、图5c和图5d揭示了本发明第一具体实施方式中刻蚀工艺的示意图。
图6揭示了本发明第一具体实施方式中光谱仪反馈的结果示意图。
图7a、图7b和图7c揭示了本发明第二具体实施方式中刻蚀工艺的示意图。
具体实施方式
下面将介绍本发明的具体实施方式：
首先，通过图2-5d介绍本发明第一具体实施方式中的刻蚀工艺所针对的半导体结构。本实施方式中的半导体结构大致包括了阻挡层、掩膜层和介质层，参考图2可知，它们是由上到下地依次排布的，是一种半导体行业中比较通用的结构。其中，位于最上的Ta（钽）层201和TaN（氮化钽）层202共同构成了该半导体结构的阻挡层，紧邻TaN层202、位于其下方的是作为掩膜层的TiN（氮化钛）层203，以上三层在刻蚀工艺结束后均需被完全地刻蚀去除，以裸露出作为介质层表层的TEOS层204（正硅酸乙酯沉积而成的二氧化硅）。图2即展示了这种结构在被刻蚀之前的形态。
针对上述半导体结构进行刻蚀，通常选用XeF2（二氟化氙）气体作为刻蚀气体，它能够和Ta层201、TaN层202、TiN层203均发生反应，对上述三层逐层地进行刻蚀，且刻蚀的速率基本相同，刻蚀出的表面非常平整。然而，由于XeF2气体的性质，在与上述三层反应完全后，其与TEOS层204不反应，但还会继续向下刻蚀，与位于侧壁的Ta层201和TaN层202发生反应，造成阻挡层过刻，介质层与阻挡层的表面不平整。图3所展示的则是图2中的结构被完美刻蚀、恰好停止在TEOS层的理想情形。
采用传统的工艺，往往只能凭借经验对刻蚀工艺终结的时间点加以控制，在绝大多数情况下，这种粗糙的终点检测方法要么导致刻蚀不充分，二氟化氙气体在到达TEOS层之前就被关断而终结刻蚀工艺；要么则导致过量的二氟化氙气体进入，刻蚀完阻挡层和掩膜层并获得理想的平整表面之后，未被及时停止而使侧壁的阻挡层遭到侵蚀并过刻。这些情况的出现与本领域的完美预期都相去甚远，是业内技术人员根本不愿意见到的。
在这种情况下，现有的终点检测方法亟待完善，而本发明申请则恰如其分地给出了解决方案。
具体而言，本发明在刻蚀工艺进行的过程中除了向刻蚀环境中通入了XeF2刻蚀气体以外，还额外的填充了HF气体。由于HF气体能够与最表层的介质层TEOS层204发生反应生成SiF4，因此本发明考虑利用该性质，将SiF4作为一种终点标记产物，对刻蚀尾气中的SiF4含量进行监测。这样，在二氟化氙去除掉TEOS层204上表面上的掩膜层以及阻挡层之前，由于HF气体无法接触到TEOS层204，所以在刻蚀环境中当然的也就检测不到SiF4的存在，可以持续地对半导体结构进行刻蚀；而TEOS层204上表面的掩膜层和阻挡层一旦被去除，HF气体就能够和TEOS层204发生反应生成作为终点标记产物的SiF4，此时只要通过灵敏的监测仪器检测到刻蚀环境中SiF4含量的变化，就得到了终止刻蚀工艺的可靠依据。以该时间点为标志停止通入二氟化氙气体，则能保证刻蚀工艺恰好停在了TEOS层204的位置，避免了刻蚀不完全或过刻，使TEOS层204的高度与侧壁的阻挡层的高度齐平。不过需要注意的是，本发明中的HF气体应该在刻蚀工艺结束之前，也即二氟化氙与TEOS层204接触之前通入，比较方便的方法是直接将二氟化氙气体与HF气体混合在一起通入刻蚀环境即可。
结合图4对实施本发明第一具体实施方式的装置进行更深层次的说明。周知的，刻蚀工艺需要一定的条件和环境，而图4中的刻蚀腔410正提供了这样一种符合刻蚀条件的工艺环境。腔内设置有承载台409用于固持带有半导体结构的晶圆407。由于本实施方式在刻蚀中使用到了两种气体：二氟化氙气体和HF气体，因此相应地备有两个气源，二氟化氙气源401和HF气源403。气源之后分别接有两个流量控制器404和流量控制器402，在一个混合腔405内，两种气体混合并更充分地扩散，沿着管路406流通至刻蚀腔410内的喷头408中，并由喷头408喷出。刻蚀腔410的尾部设置有排放通道412，此位置处设置有一部光谱仪411，用于检测由HF气体和TEOS层204反应产生的、存在于尾气中的SiF4。光谱仪411的反应十分灵敏，能够准确的检测出刻蚀环境中SiF4的浓度变化，并在极短时间内给出反馈，这样就保证了操作人员能够及时的终止刻蚀工艺，将刻蚀终点停在TEOS层204上表面位置处。同时，剩余的尾气将被排放通道412后方的真空泵413抽走。
图5a、图5b、图5c和图5d则进一步给出了第一具体实施方式中刻蚀工艺进行的过程。二氟化氙对阻挡层和掩膜层的刻蚀是依次地逐层进行的。当刻蚀气体进入之后，位于最上的Ta层501将被率先刻蚀，之后分别是TaN层502以及TiN层503。当上述三层均被去除之后，TEOS层504裸露出来，这是HF气体就可顺利的与之发生反应，从而生成终点标记产物四氟化硅供光谱仪411检测。
图6所展示的是本发明第一实施方式中，光谱仪411给出监测结果。由于光谱仪411的输出通常是波动的，而不是稳定的停留在一个固定的值，所以可以看到图6中四氟化硅的监测曲线601的前半段一直在0ppm的位置上下波动，但这并不代表工艺环境中四氟化硅的浓度在增加或减少。实际上这段时间内由于HF气体还无法接触到TEOS层504，所以根本没有四氟化硅的产生。但是在图中的A点之后，工艺环境中四氟化硅的浓度有一个迅速的爬升，此时说明刻蚀工艺以到达终点，应当及时停止。如果光谱仪411足够先进，这一爬升甚至能够在几微秒之内就显示出来，从而能够为操作人员终止刻蚀工艺提供及时、可靠的参考依据。
下面将介绍本发明申请的第二实施方式，主要由图7a、图7b和图7c来加以展示。与第一实施方式中的半导体结构有所不同，虽然在第二实施方式中，半导体结构同样具有阻挡层和介质层，但该半导体结构并不包含掩膜层。具体的说，其结构由上到下依次是作为阻挡层的Ru（钌）层701，同样作为阻挡层的TaN层702，以及作为介质层的SiO2层703。该实施方式同样可以使用图4中的装置加以实现，且依据的原理基本是相同的。
当二氟化氙刻蚀去除Ru层701和TaN层702组成的阻挡层只有，表层的介质层SiO2层裸露，从而使HF气体得以与之接触并反应。反应所得产物同样是四氟化硅，以此作为终点标记产物，利用光谱仪进行检测，即可获知较为准确的终点时间，及时关断刻蚀气体的输送，并停止可以工艺。
毋庸赘言地，本申请所公开的特定的具体实施方式仅仅描述了本发明中的技术方案及其一般原理，其作用是倾向于释明性的，而非自囿性的。因此，即使本领域技术人员在该发明的基础上作出了无实质性特点和显著进步的更动和润饰，使之方案貌似地区别于本发明的精神实质，其仍然不能被划归在本发明申请的保护范围之外。
Claims (8)
1.一种半导体刻蚀工艺的终点检测方法，所述半导体刻蚀工艺对半导体结构进行刻蚀，该半导体结构至少包括阻挡层和介质层，刻蚀气体为二氟化氙（XeF2），其特征在于，在半导体刻蚀工艺结束前，向刻蚀环境中通入氟化氢（HF）气体以产生终点标记产物，当监测到所述终点标记产物生成时，终结所述半导体刻蚀工艺，所述氟化氢（HF）气体与所述介质层表面发生反应生成所述终点标记产物，终点标记产物为四氟化硅（SiF4）。
2.根据权利要求1所述的终点检测方法，其特征在于，所述阻挡层包括钽（Ta）、钌（Ru）、氮化钽（TaN）或它们的组合。
3.根据权利要求1所述的终点检测方法，其特征在于，所述介质层包括正硅酸乙酯（TEOS）或二氧化硅（SiO2）。
4.根据权利要求1所述的终点检测方法，其特征在于，所述半导体结构还包括掩膜层。
5.根据权利要求4所述的终点检测方法，其特征在于，所述掩膜层为氮化钛（TiN）。
6.根据权利要求1所述的终点检测方法，其特征在于，所述终点标记产物的产生由光谱仪监测。
7.根据权利要求6所述的终点检测方法，其特征在于，所述光谱仪监测所述刻蚀环境中所述终点标记产物的浓度。
8.根据权利要求4所述的终点检测方法，其特征在于，所述阻挡层、掩膜层和介质层依次排布。
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