CN112530773B - 半导体工艺设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种半导体工艺设备，包括上电极组件、工艺腔室以及功率调整组件，工艺腔室中设置有用于承载待加工件的卡盘，其中，上电极组件用于在工艺腔室中激发等离子体；功率调整组件用于检测卡盘上表面的偏置电压，并在偏置电压与目标偏置电压的差值大于等于预设阈值时，根据差值调节上电极组件的功率，直至该差值小于预设阈值。本发明提供的半导体工艺设备能够提高半导体工艺中等离子体离子密度的准确性，进而提高不同工艺腔室之间的工艺一致性。

Description

半导体工艺设备
技术领域
本发明涉及半导体工艺设备领域，具体地，涉及一种半导体工艺设备。
背景技术
随着半导体元器件制造工艺的迅速发展，对元器件性能与集成度要求越来越高，使得等离子体技术得到了极广泛的应用。在等离子体刻蚀或沉积系统中，通过在真空反应腔室内引入各种反应气体，如氯气(Cl2)、六氟化硫(SF6)、八氟环丁烷(C4F8)、氧气(O2)等，利用外加电磁场(直流或交流)使气体原子内束缚电子摆脱势阱成为自由电子，获得动能的自由电子再与分子、原子或离子产生碰撞使得气体完全解离，形成等离子体。等离子体中含有大量电子、离子(包括正离子和负离子)、激发态原子、分子和自由基等活性粒子，这些活性粒子和置于腔体并曝露在等离子体中的晶圆表面相互作用，使晶圆材料表面发生各种物理化学反应，从而使材料表面性能发生变化，完成刻蚀或其他工艺过程。在用于半导体制造工艺的等离子体设备的研发中，最重要的因素是增大对衬底的加工能力，以便提高产率，以及执行用于制造高度集成器件工艺的能力。
集成电路特征尺寸不断减小，其要求的加工工艺也越来越严格，其中一个很重要的要求是刻蚀产品的一致性问题，在工艺过程中，对同一型号的机台所有腔室的工艺结果一致性均需做严格要求，来避免由于各腔室的一致性问题造成的工艺风险，因此不同腔室间需要通过严格的过程管控，实现工艺结果一致性。
然而，现有的半导体工艺设备中，不同工艺腔室之间的一致性较差，不同工艺腔室中产生的等离子体密度之间存在难以消除的差异，产品质量不稳定。
发明内容
本发明旨在提供一种半导体工艺设备，该半导体工艺设备能够提高工艺腔室中等离子体离子密度的准确性，进而提高不同工艺腔室之间的工艺一致性。
为实现上述目的，本发明提供一种半导体工艺设备，包括上电极组件、工艺腔室以及功率调整组件，所述工艺腔室中设置有用于承载待加工件的卡盘，其中，
所述上电极组件用于在所述工艺腔室中激发等离子体；
所述功率调整组件用于检测所述卡盘上表面的偏置电压，并在所述偏置电压与目标偏置电压的差值大于等于预设阈值时，根据所述差值调节所述上电极组件的功率，直至所述差值小于所述预设阈值。
可选地，所述功率调整组件包括电压比较器和电压传感器，其中，
所述电压传感器用于检测所述卡盘上表面的所述偏置电压，并将所述偏置电压的数值发送至所述电压比较器；
所述电压比较器用于比较所述偏置电压与所述目标偏置电压，在所述偏置电压低于所述目标偏置电压，且所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值大于所述预设阈值时，减小所述上电极组件的功率；在所述偏置电压高于所述目标偏置电压，且所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值大于所述预设阈值时，增大所述上电极组件的功率；在所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值小于等于所述预设阈值时，保持所述上电极组件的功率。
可选地，所述电压比较器调节所述上电极组件功率的调节幅度与所述偏置电压和所述目标偏置电压的差值正相关。
可选地，所述电压比较器用于判断所述差值对应的差值区间，并根据该差值区间对应的调节幅度调节所述上电极组件的功率。
可选地，所述电压比较器用于在所述差值大于等于50％所述目标偏置电压时，按照第一调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于20％所述目标偏置电压且小于50％所述目标偏置电压时，按照第二调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于5％所述目标偏置电压且小于20％所述目标偏置电压时，按照第三调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于1％所述目标偏置电压且小于5％所述目标偏置电压时，按照第四调节幅度调节所述上电极组件的功率；其中，所述第一调节幅度大于所述第二调节幅度，所述第二调节幅度大于所述第三调节幅度，所述第三调节幅度大于所述第四调节幅度。
可选地，所述第一调节幅度大于等于50W，所述第二调节幅度大于等于20W，所述第三调节幅度大于等于5W，所述第四调节幅度大于等于1W。
可选地，所述预设阈值为1％所述目标偏置电压。
可选地，在所述卡盘的上表面为陶瓷材料层时，所述电压传感器用于检测所述陶瓷材料层的射频电压，并根据预设的对应关系将所述射频电压转换为所述偏置电压。
可选地，在所述卡盘的上表面为金属层时，所述电压传感器用于检测所述金属层的直流电压，所述直流电压即为所述偏置电压。
可选地，所述功率调整组件还包括模数转换器，所述模数转换器用于将所述电压传感器以模拟信号发送的所述偏置电压的数值转换为数字信号，并发送至所述电压比较器。
在本发明实施例提供的半导体工艺设备中，功率调整组件能够检测卡盘上表面的偏置电压，并根据该偏置电压确定当前工艺腔室中等离子体的离子密度是否正常，并直接根据离子密度及时调节上电极组件的功率，从而提高了半导体工艺中等离子体离子密度的准确性，进而提高了不同工艺腔室之间的工艺一致性。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施例提供的半导体工艺设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明的发明人在研究后发现，现有的半导体工艺设备中工艺腔室一致性差的主要原因在于，现有的半导体工艺设备中不同工艺腔室的线圈、介质窗等硬件之间存在差异，虽然存在通过调节射频电源改变线圈电流的调节方案，但仅矫正线圈电流并不能保证最终产生的等离子体密度的准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种半导体工艺设备，如图1所示，包括上电极组件、工艺腔室6以及功率调整组件，工艺腔室6中设置有用于承载待加工件的卡盘9(可以为静电卡盘，Echuck)。
其中，上电极组件用于在工艺腔室6中激发等离子体。功率调整组件用于检测卡盘9上表面的偏置电压(DC Bias)，并在该偏置电压与目标偏置电压的差值大于等于预设阈值时，根据该差值调节上电极组件的功率，直至该差值小于预设阈值。
本发明的发明人经过研究发现，卡盘9上表面的偏置电压可以实时、准确地反映该卡盘9上方等离子体10的离子密度，具体地，根据泊松方程可得等离子体鞘层电压V(t)随时间变化的表达式为：
其中，I0为卡盘9上的下电极接收到的射频电流幅值，ε0为介电常数，e为电子电量，ω为下电极接收到的射频信号的角频率，n为等离子体10的离子密度，A为下电极极板的面积。由表达式可知，在下射频电流幅值I0、角频率ω、极板面积A均保持不变的情况下，等离子体鞘层电压V(t)与等离子体的离子密度n(以及上电极5的耦合功率)成反比。
而鞘层电压V(t)与卡盘9上表面的偏置电压(DC Bias)直接相关且变化趋势相同。因此，仅需实时检测卡盘9上表面的偏置电压，即可实时确定等离子体的离子密度n是否处在正常范围。
本发明实施例对上电极组件的结构不做具体限定，例如，该上电极组件可以包括射频电源1和上电极5，功率调整组件通过调节射频电源1的功率，来改变上电极5向工艺腔室6中发出射频信号的功率，进而实现改变上电极组件激发等离子体的功率。
在本发明实施例提供的半导体工艺设备中，功率调整组件能够检测卡盘9上表面的偏置电压，根据该偏置电压确定当前工艺腔室6中等离子体10的离子密度n是否正常，并直接根据离子密度n及时调节上电极组件的功率，从而提高了半导体工艺中等离子体离子密度的准确性，进而提高了不同工艺腔室之间的工艺一致性。
并且，本发明实施例提供的半导体工艺设备中，功率调整组件直接根据等离子体10的离子密度n实时调节上电极组件的功率，无需考虑工艺腔室中其他结构对等离子体密度的影响，可适应工艺腔室6中安装的绝缘及非绝缘的ESC结构，且能够适用于13.56MHz以及其他频率的ICP射频等离子体源。
本发明实施例对功率调整组件如何根据该差值调节所述上电极组件的功率不做具体限定，例如，可选地，如图1所示，该功率调整组件可以包括电压比较器12和电压传感器131，其中：
电压传感器131用于检测卡盘9上表面的偏置电压，并将该偏置电压的数值Vi发送至电压比较器12。
电压比较器12用于比较该偏置电压和目标偏置电压V0，并在卡盘9上表面的偏置电压低于目标偏置电压V0(即等离子体10的离子密度n高于预设标准)，且该偏置电压与目标偏置电压V0的差值大于预设阈值时，减小上电极组件的功率，以降低等离子体10的离子密度n；在卡盘9上表面的偏置电压高于目标偏置电压V0(即等离子体10的离子密度n低于预设标准)，且该偏置电压与目标偏置电压V0的差值大于预设阈值时，增加上电极组件的功率，以提高等离子体10的离子密度n。
考虑到电压检测存在精度误差，为避免该偏置电压的数值Vi接近目标偏置电压V0时引起频繁调整，优选地，电压比较器12用于在该偏置电压与目标偏置电压V0的差值小于等于预设阈值时，保持上电极组件的功率。
该预设阈值可以为目标偏置电压V0左右允许的精度范围，即V0±△Vth。本发明实施例对该允许的预设阈值△Vth的大小不做具体限定，例如，可选地，预设阈值△Vth可以为1％目标偏置电压V0，即，电压比较器12在偏置电压的数值Vi位于(1±1％)V0这一区间内时，保持上电极组件的功率。
为提高上电极组件的功率调节效率，优选地，该功率调整组件调节上电极组件功率的调节幅度与该偏置电压和目标偏置电压V0之间的差值△V正相关，从而在差值△V较大时(即等离子体10的离子密度n与预设标准相差较大时)，更大幅度地调节上电极组件的功率，提高调节效率。
为简化计算步骤，进一步提高调节效率，优选地，电压比较器12用于判断电压差值对应的差值区间，并根据该差值区间对应的预设调节幅度调节上电极组件的功率。
本发明实施例对如何分出差值区间不做具体限定，例如，为便于技术人员理解，作为本发明的一种可选实施方式，该电压比较器12用于在差值△V大于等于50％目标偏置电压V0(即|△V|≥50％*V0)时，按照第一预设调节幅度调节上电极组件的功率；在差值△V大于等于20％预设电压△Vth且小于50％目标偏置电压V0(即20％*V0≤|△V|＜50％*V0)时，按照第二预设调节幅度调节上电极组件的功率；在差值△V大于等于5％预设电压△Vth且小于20％目标偏置电压V0(即5％*△Vth≤|△V|＜20％*V0)时，按照第三预设调节幅度调节上电极组件的功率；在差值△V大于等于1％目标偏置电压V0且小于5％目标偏置电压V0(即1％*△Vth≤|△V|＜5％*V0)时，按照第四调节幅度调节上电极组件的功率；其中，第一调节幅度大于第二调节幅度，第二调节幅度大于第三调节幅度，第三调节幅度大于第四调节幅度。
本发明实施例对每个差值区间对应的预设调节幅度(即上电极组件功率值的调节步长△P)不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，第一调节幅度大于等于50W，第二调节幅度大于等于20W，第三调节幅度大于等于5W，第四调节幅度大于等于1W。
可选地，电压比较器12用于在差值△V大于等于50％目标偏置电压V0(即|△V|≥50％*V0)时，按照50W的步长调节上电极组件的功率；在差值△V大于等于20％预设电压△Vth且小于50％目标偏置电压V0(即20％*V0≤|△V|＜50％*V0)时，按照20W的步长调节上电极组件的功率；在差值△V小于20％目标偏置电压V0(即5％*△Vth≤|△V|＜20％*V0)时，按照5W的步长调节上电极组件的功率；在差值△V大于等于1％目标偏置电压V0且小于5％目标偏置电压V0(即1％*△Vth≤|△V|＜5％*V0)时，按照1W的步长调节上电极组件的功率。
本发明实施例对该半导体工艺设备中的其余结构不做具体限定，例如，如图1所示，射频电源1通过匹配器2将功率加载至上电极5(可以为耦合线圈)上，工艺气体通过石英介质窗7上安装的喷嘴11进入工艺腔室6中(工艺腔室中的内衬及聚焦环等相关部件均未标出)，同时电极5上的射频能量通过介质窗7耦合至工艺腔室6中，产生等离子体10，作用于晶片8，晶片8置于卡盘9上，偏压射频电源4通过匹配器3将射频能量加载至位于卡盘9底部的射频铜柱上，从而提供射频场，产生射频偏压，在晶圆表面形成离子加速鞘层进行晶片9的刻蚀。
可选地，如图1所示，功率调整组件还包括模数转换器132，其中电压传感器131用于检测卡盘9上的偏压值，并将检测出的电压值以模拟信号的形式输出给模数转换器132，模数转换器132具有模/数转换功能，用于将电压传感器131以模拟信号形式发送的偏置电压的数值Vi转换为数字信号，并将该数字信号发送至电压比较器12。
本发明实施例对卡盘9的结构类型不做具体限定，例如，作为本发明的一种可选实施方式，在卡盘9的上表面为陶瓷材料层时，电压传感器131可以为射频电压传感器，用于检测陶瓷材料层的射频电压，并根据预设的对应关系将射频电压转换为偏置电压。
具体地，该射频电压传感器实时检测距离Echuck表面最近的射频电压信号Vpp，用以表征晶片上方的DC Bias偏压，模数转换器132用于将该射频电压传感器采集到的射频信号转换为检测电压信息，并将检测电压信息发送至电压比较器12。
作为本发明的一种可选实施方式，在卡盘9的上表面为金属层时，电压传感器131可以为直流电压传感器，用于检测金属层的直流电压，该直流电压即为偏置电压。相应地，模数转换器132用于将该直流电压传感器检测到的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号发送至电压比较器12。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体工艺设备，其特征在于，包括上电极组件、工艺腔室以及功率调整组件，所述工艺腔室中设置有用于承载待加工件的卡盘，其中，
所述上电极组件用于在所述工艺腔室中激发等离子体；
所述功率调整组件用于检测所述卡盘上表面的偏置电压，并在所述偏置电压与目标偏置电压的差值大于预设阈值时，根据所述差值调节所述上电极组件的功率，直至所述差值小于等于所述预设阈值。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述功率调整组件包括电压比较器和电压传感器，其中，
所述电压传感器用于检测所述卡盘上表面的所述偏置电压，并将所述偏置电压的数值发送至所述电压比较器；
所述电压比较器用于比较所述偏置电压与所述目标偏置电压，在所述偏置电压低于所述目标偏置电压，且所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值大于所述预设阈值时，减小所述上电极组件的功率；在所述偏置电压高于所述目标偏置电压，且所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值大于所述预设阈值时，增大所述上电极组件的功率；在所述偏置电压与所述目标偏置电压的差值小于等于所述预设阈值时，保持所述上电极组件的功率。
3.根据权利要求2所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压比较器调节所述上电极组件功率的调节幅度与所述偏置电压和所述目标偏置电压的差值正相关。
4.根据权利要求3所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压比较器用于判断所述差值对应的差值区间，并根据该差值区间对应的调节幅度调节所述上电极组件的功率。
5.根据权利要求4所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述电压比较器用于在所述差值大于等于50%所述目标偏置电压时，按照第一调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于20%所述目标偏置电压且小于50%所述目标偏置电压时，按照第二调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于5%所述目标偏置电压且小于20%所述目标偏置电压时，按照第三调节幅度调节所述上电极组件的功率；在所述差值大于等于1%所述目标偏置电压且小于5%所述目标偏置电压时，按照第四调节幅度调节所述上电极组件的功率；其中，所述第一调节幅度大于所述第二调节幅度，所述第二调节幅度大于所述第三调节幅度，所述第三调节幅度大于所述第四调节幅度。
6.根据权利要求5所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述第一调节幅度大于等于50W，所述第二调节幅度大于等于20W，所述第三调节幅度大于等于5W，所述第四调节幅度大于等于1W。
7.根据权利要求5所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述预设阈值为1%所述目标偏置电压。
8.根据权利要求2至7中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，在所述卡盘的上表面为陶瓷材料层时，所述电压传感器用于检测所述陶瓷材料层的射频电压，并根据预设的对应关系将所述射频电压转换为所述偏置电压。
9.根据权利要求2至7中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，在所述卡盘的上表面为金属层时，所述电压传感器用于检测所述金属层的直流电压，所述直流电压即为所述偏置电压。
10.根据权利要求2至7中任意一项所述的半导体工艺设备，其特征在于，所述功率调整组件还包括模数转换器，所述模数转换器用于将所述电压传感器以模拟信号发送的所述偏置电压的数值转换为数字信号，并发送至所述电压比较器。
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