CN106876236A - 监测等离子体工艺制程的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种监测等离子体工艺制程的方法，将一基片放置在一等离子体处理腔室内进行等离子体处理，所述等离子体处理装置连接一入射光源和一光谱仪；等离子体在对所述基片进行处理的过程中发射背景光信号，所述背景光信号中包括波长已知的参考光信号；启动所述入射光源向所述基片发射入射光信号；启动所述光谱仪接收经基片反射后的入射光信号及所述背景光信号，利用所述参考光信号实现对所述光谱仪的校准；利用校准后的光谱仪对读取的入射光信号的波长进行校准，得到准确的入射光信号波长；利用该准确的入射光信号波长计算基片的处理速率，实现对基片处理工艺的监测。

Description

监测等离子体工艺制程的装置和方法

技术领域

本发明涉及等离子体工艺处理技术领域，尤其涉及一种对等离子体处理制程进行监测的技术领域。

背景技术

等离子体处理技术广泛应用于半导体制作工艺中。在对半导体基片进行沉积或刻蚀过程中，需要对工艺制程进行密切监控，以确保沉积工艺或刻蚀工艺结果得到良好控制。目前常用的一种刻蚀工艺控制方法为光学发射光谱法（OES）。等离子体中的原子或分子被电子激发到激发态后，在返回到另一个能态过程中会发射出特定波长的光线。不同原子或者分子所激发的光波的波长各不相同，而光波的光强变化反映出等离子体中原子或者分子浓度变化。OES是将能够反映等离子刻蚀过程变化的、与等离子体化学组成密切相关的物质的等离子体的特征谱线（OES特征谱线）提取出来，通过实时检测其特征谱线信号强度的变化，来提供等离子体刻蚀工艺中的反应情况的信息，这种方法的局限在于只能监测到薄膜刻蚀完成后的状态，只有当一种被刻蚀的目标层刻蚀完毕，等离子体刻蚀到下一层目标层时，即两个目标刻蚀层的交界面时，对应的等离子体的特征谱线才会有明显变化，因此该方法通常用于刻蚀工艺的终点监测。

随着集成电路中的器件集成密度及复杂度的不断增加，对半导体工艺过程的严格控制就显得尤为重要。对于亚深微米的多晶硅栅刻蚀工艺而言，由于栅氧层的厚度已经变得非常的薄，如何精确控制等离子体刻蚀过程是人们面临的一个技术上的挑战。目前半导体工业上所使用的高密度等离子体刻蚀机，如电感耦合等离子体(ICP)源，电容耦合等离子体(CCP)源，以及电子自旋共振等离子体(ECR)源等。其所产生的等离子体具有较高的刻蚀速率，如果工艺控制不合理，出现的过度刻蚀很容易会造成下一层材料的损伤，进而造成器件的失效。因此必须对刻蚀过程中的一些参数，如刻蚀用的化学气体、刻蚀时间、刻蚀速率及刻蚀选择比等参数进行严格控制。此外，刻蚀机状态的细微改变，如反应腔体内气体流量、温度、气体的回流状态、或是批与批之间晶片之间的差异，都会影响到对刻蚀参数的控制。因而必须监控刻蚀过程中各种参数的变化情况，以确保刻蚀过程中刻蚀的一致性。而干涉终点法（IEP）就是为了实现对刻蚀过程进行实时监控而设计的。

干涉终点法（IEP）为入射一光信号至半导体基片表面，入射光信号经半导体基片发射后携带了基片薄膜厚度变化的信息，通过对反射后的光信号波长进行测量，并根据测量结果进行分析计算，可以实现实时监控基片薄膜的刻蚀过程。但是在对光谱监测过程中，由于入射光源置身于非恒温环境，可能受系统环境温度变化的影响，光波长会发生变化，加上光谱仪在使用过程中会存在偏差，使得读取到的光波长不够准确，从而导致监控结果不够准确，影响工艺制程的控制精确度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种监测等离子体工艺制程的方法，所述方法包括下列步骤：提供一等离子体处理装置，所述等离子体处理装置连接一入射光源和一光谱仪；将基片放置在所述等离子体处理腔室内进行等离子体处理，等离子体在对所述基片进行处理的过程中发射背景光信号，所述背景光信号中包括至少一波长已知的参考光信号；启动所述入射光源向所述基片发射入射光信号；启动所述光谱仪接收经基片反射后的入射光信号及所述背景光信号，利用所述参考光信号实现对所述光谱仪的校准；利用校准后的光谱仪对读取的入射光信号的波长进行校准，得到准确的入射光信号波长；利用该准确的入射光信号波长计算基片的处理速率，实现对基片处理工艺的监测。

进一步的，所述光谱仪的校准方法为所述光谱仪读取所述背景光信号中的参考光信号波长，根据读取到的参考光信号波长和参考光信号已知的波长进行比较，确定光谱仪的读取偏差，实现对所述光谱仪的校准。

所述参考光信号为氩气解离时发出的光信号，所述参考光信号可以为任意工艺处理过程中参与的反应气体解离时发出的光信号，优选的，所述参考光信号选择在处理工艺中持续存在且光波长稳定的光信号。

可选的，所述光谱仪的校准方法为手动校准或自动校准。

优选的，所述入射光源为单波长光源。

优选的，所述入射光源为LED光源或激光光源。

优选的，所述入射光信号入射到所述基片表面为开-关-开-关的脉冲模式。

优选的，获得所述入射光信号的方法为所述光谱仪在所述入射光源打开状态下接收到的光信号减去所述入射光源关闭状态下接收到的光信号。

可选的，所述等离子体处理工艺为等离子体刻蚀工艺或等离子体沉积工艺。

可选的，所述光谱仪为CCD图像传感器。

本发明在等离子体处理装置连接一入射光源和一光谱仪实现对工艺进程的实时监测；选取气体解离为等离子体时发出的稳定的光信号波长作为参考光信号实现对光谱仪的准确校准，然后利用校准后的光谱仪读取入射光源中的光信号在基片薄膜上反射的光信号波长。保证读取到的光波长的准确性，避免入射光源在非恒温环境，受系统环境温度变化的影响，光波长可能发生的变化给计算处理速率带来的影响，进而保证了处理工艺的准确监控，正确判断工艺终点或需要调整工艺参数的节点。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施方式所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出一种设置干涉终点监测装置的等离子体处理装置结构示意图；

图2示出光谱仪测得的等离子体刻蚀薄膜发出的光信号波长与实际光波长的示意图；

图3示出计算入射光波长的过程示意图。

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。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

图1示出一种设置干涉终点监测装置的等离子体处理装置结构示意图。图1中，等离子体处理装置100内部放置半导体基片10，基片10通常放置在一基座上，并在处理工艺中被基座固定夹持，由于本发明不涉及基座支撑基片的细节技术，故在图1中省略了基座的结构及其他与本发明不直接涉及的技术特征。等离子体处理装置100内部通入的反应气体在施加到等离子体处理装置100的射频功率的作用下解离成等离子体，所述等离子体对基片10进行刻蚀。基片10上通常包括若干层待刻蚀薄膜，刻蚀不同的薄膜层需要用到不同的反应气体和刻蚀工艺参数。不同等离子体在刻蚀不同薄膜过程中会发出不同波长的光信号，这些光信号由于是原子能级的，其波长受反应腔内温度影响不大，光波长相对比较稳定。这些等离子体发出的不同波长的光信号作为背景光信号，随着刻蚀过程的一直持续，等离子体刻蚀薄膜层产生的背景光信号也一直存在。

本发明公开了一种干涉终点法（IEP）监测等离子体处理过程的装置及方法，在本发明中，一干涉终点监测装置设置用于对等离子体处理装置100进行终点监测。所述干涉终点监测装置包括一入射光源101及一光谱仪102，一光信号出入口103设置在等离子体处理装置100的顶壁上，用以允许入射光源101发射的光信号进入等离子体处理装置，入射到基片表面，并允许反射后的光信号进入设置在等离子体处理装置100外的光谱仪102。入射光源101通常选择单波长光源，以方便光谱仪102对接收到的反射光信号的波长进行测量计算，具体工作原理为：入射光源101发射单波长入射光信号至被刻蚀薄膜表面后，薄膜上表面反射的光线与穿透该薄膜后被下层薄膜材料反射的光线相互干涉。由于被刻蚀薄膜厚度决定了相互干涉的两条光的光程差，不同的光程差又会形成交替相间的干涉条纹。因此，随着刻蚀工艺的进行，薄膜不断被刻蚀减薄，在Δd满足下列公式的条件下，可以得到干涉加强：

Δd=λ/2n

式中，λ为入射光信号的波长，n为薄膜材料的折射率，Δd为被监测薄膜厚度的变化，每出现一个Δd变化，则会在光谱仪102上示出一个光强的最大值。这样随着薄膜厚度的不断减薄，可以得到反射光信号的强度有规律的高低变化，形成连续的正弦波状的信号曲线。在已知入射光信号波长和折射率的前提下，可以计算得出被监测薄膜的厚度变化Δd，根据光谱仪接收到的正弦波信号曲线，可以得出出现一个干涉加强的周期，利用该监测薄膜厚度的变化Δd及产生该厚度变化的一个周期即可以计算出刻蚀工艺中实际的刻蚀速率。在刻蚀薄膜总体厚度已知的前提下可以计算出到达刻蚀终点需要的时间。

采用该方法可以准确的预测刻蚀终点，在一层薄膜刻蚀完成时，迅速切换相应的反应气体和工艺参数至下层薄膜刻蚀所需状态；特别的，随着半导体行业朝着精细化方向飞速发展，基片表面的刻蚀薄膜层有的厚度较大而有的厚度较小，刻蚀厚度较大的薄膜层需要较快的主刻蚀工艺才能达到刻蚀要求，而如果较厚薄膜层下方设置厚度较小的薄膜层，如果继续采用较快的刻蚀速率，一旦刻蚀终点监测的不够准确或者薄膜的总厚度实际与标定的存在一定偏差，即会造成厚度较小的薄膜层在不准确的刻蚀参数下被刻穿的不可逆结果。这必然会导致产品的不合格率提升。采用本发明所述的IEP终点监测技术后，可以在预测的刻蚀终点前调整反应气体和工艺参数为过刻蚀工艺，使得调整后的过刻蚀工艺采用较慢的刻蚀速率对剩余的薄膜层进行刻蚀，以确保能对其进行有效的监控，从而减少由于监控过程中不可避免的误差导致厚度较小的薄膜层被误刻蚀的后果。即，本发明采用的IEP不仅可以准确的预测一层薄膜的刻蚀终点，还能监测薄膜的厚度变化，在需要的情况下对一层薄膜的刻蚀采用两种或两种以上的刻蚀工艺。

入射光源102在购买时会标明其发射光信号的波长，然而，该标明的波长通常为在常温下测定获得，当光信号入射到等离子体处理装置100内部时，由于等离子体在解离过程及刻蚀过程中会散发热量，使得等离子体处理装置100内部的温度较高，也会引起系统周边环境的温度变化。如果入射光源置身于这样的环境中，无恒定温度控制，其发出的入射光信号波长就会发生变化，而入射光信号波长的准确与否直接决定了刻蚀速率的计算是否准确，从而决定了对薄膜终点监测是否准确。因此在实际计算中，不能直接使用入射光源101上标明的波长。

光谱仪102用于接收并显示经薄膜反射回的光信号及等离子体刻蚀薄膜过程中发射出的背景光信号，正常情况下，光谱仪上显示的薄膜反射回的光信号波长值即为经过等离子体处理装置内部温度影响改变后的波长值，然而，作为一种光学测量仪器，光谱仪102 在实际工作过程中总是存在不可避免的误差，因此，如果直接用光谱仪上显示的光波长，势必会影响对工艺制程的监控。

为了准确测定经薄膜反射回的入射光信号波长，本发明首先对光谱仪102进行校准，校准方法为：用光谱仪102接收并读取等离子体刻蚀薄膜过程中发出的某一已知波长的参考光信号波长，例如读取氩气(Argon)气体的波长，由于反应气体解离过程中发出的光信号为原子能级，其波长是一个已知的绝对值，不会随着温度等环境因素的变化发生改变，因此，将光谱仪102读取到的Ar气体的光信号波长与已知的Ar气体光信号波长进行比较，可以得出该光谱仪102读取的光波长与实际光波长的误差。例如图2所示，已知Ar气体的波长为750nm，而光谱仪读取的Ar气体的波长为753nm，这意味着光谱仪102在波长读取时有3nm的误差。当采用标定为405nm的入射光源入射到等离子体处理装置内时，假设光谱仪102读取的反射光波长为410nm，由于光谱仪存在3nm的误差，因此可以获得受温度影响后的入射光信号的波长实际为407nm。

对光谱仪102读取的入射光信号进行校准，得到入射光受温度影响后的准确光波长，利用该准确的入射光波长计算出准确的刻蚀速率，从而实现对刻蚀工艺的准确监测。

本发明的IEP终点监测方法，可以通过手动方式实现对光谱仪102的校准，当工作一段时间后，通过人工读取光谱仪上某一已知光信号波长与该已知光信号波长的准确值做比较，可以得知该光谱仪的测量误差，对入射光信号进行校正，并在后续监控过程中，利用经过校正的入射光信号对等离子体处理装置100内的刻蚀速率进行计算。除此之外，还可以对光谱仪102进行自动校正，通过设定控制程序，每隔一定时间，自动对光谱仪102进行上述校正，并将校正后的入射光波长应用到后续的刻蚀工艺监控中。

由于等离子体发出的背景光信号光强较大，为了避免背景光信号对入射光信号的干扰，本发明的入射光源选择光强较大的LED光源或激光光源。本发明的光谱仪102可以选择CCD（Charge-coupled Device）图像传感器，也可以选择其他能够测量光波长和光强度的光谱仪。

本发明所述的IEP除了可以监测刻蚀工艺外，还可以监测沉积工艺的过程，与刻蚀工艺不同的是，沉积工艺是一个薄膜厚度不断变大的过程，通过向沉积反应腔内投射一单波长光信号，利用校准后的光谱仪对反射后的光信号进行测量，得到准确的入射光波长，可以计算得出沉积工艺的沉积速率，当根据该准确的沉积速率及需要沉积的薄膜厚度可以准确得知沉积工艺的终点。

在用干涉终点法监测刻蚀工艺过程中，由于刻蚀过程中等离子体刻蚀薄膜发出的背景光信号一直存在，并且光信号强度较大，有时甚至背景光信号强度会超过入射光源101射入基片表面的LED或激光光强，为避免入射光在基片表面反射后的光信号被等离子体刻蚀薄膜发出的背景光信号掩盖，保证光谱仪能够接收到有效的单波长LED光信号或激光光信号用于监控薄膜的厚度变化，本发明可以设置入射光源101为开-关-开-关状态。图3示出一种计算入射光波长的过程示意图，当入射光源为开时，有入射光入射到基片表面，此时，光谱仪102探测到的光信号为入射光经薄膜反射后的光信号和等离子体自身发射的光信号之和，如曲线a所示；当入射光源为关时，没有入射光入射到基片表面，此时，光谱仪探测到的光信号仅为等离子体自身发射的光信号，如曲线b所示。入射光源开的状态下光谱仪接收到的光信号之和减去入射光源关闭状态下光谱仪接收到的等离子体发出的光信号即可得到入射光信号反射后的光波长及光强度信息。

本发明利用等离子体刻蚀薄膜层时发出的光信号波长先对光谱仪102进行校准，由于该光信号是原子能级的，其波长受反应腔内温度影响不大，光波长比较稳定，可以用于准确标定光谱仪的读数，因此可以得到准确的反射光信号的波长，对刻蚀工艺进行准确的监测和控制。

本发明虽然以较佳实施方式公开如上，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，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种监测等离子体工艺制程的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

提供一等离子体处理装置，所述等离子体处理装置连接一入射光源和一光谱仪；

将基片放置在所述等离子体处理腔室内进行等离子体处理，等离子体在对所述基片进行处理的过程中发射背景光信号，所述背景光信号中包括至少一波长已知的参考光信号；

启动所述入射光源向所述基片发射入射光信号；

启动所述光谱仪接收经基片反射后的入射光信号及所述背景光信号，利用所述参考光信号实现对所述光谱仪的校准；

利用校准后的光谱仪对读取的入射光信号的波长进行校准，得到准确的入射光信号波长；

利用该准确的入射光信号波长计算基片的处理速率，实现对基片处理工艺的监测。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光谱仪的校准方法为所述光谱仪读取所述背景光信号中的参考光信号波长，根据读取到的参考光信号波长和参考光信号已知的波长进行比较，确定光谱仪的读取偏差，实现对所述光谱仪的校准。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述参考光信号为氩气解离时发出的光信号。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述光谱仪的校准方法为手动校准或自动校准。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：所述入射光源为单波长光源。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述入射光源为LED光源或激光光源。

7.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于：所述入射光信号入射到所述基片表面为开-关-开-关的脉冲模式。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：获得所述入射光信号的方法为所述光谱仪在所述入射光源打开状态下接收到的光信号减去所述入射光源关闭状态下接收到的光信号。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述等离子体处理工艺为等离子体刻蚀工艺或等离子体沉积工艺。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述光谱仪为CCD图像传感器。