CN114496703A - 一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，包括以下步骤：S1：腔体预处理；S2：低功率预跑片；S3：腔体老化；S4：腔体等离子体预热；S5：正常生产跑片；S6：正常生产跑片结束后等离子体处理。本发明与现有技术的优点是：本发明通过对工艺腔体内部零部件进行预处理和老化，并设计一种腔体压力、气体种类、气体比例在晶圆跑货中始终维持稳定的方法，解决了造成的刻蚀/去胶速率和腔体材质的不稳定现象。稳定的跑片工艺，提高了成品率，减少了研发或者量产过程中的故障检查，节约了大量的人力物力。
Description
技术领域
本发明涉及一种稳定刻蚀速率方法，尤其涉及一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，属于晶圆制造技术领域。
背景技术
在半导体制造工艺中，通常晶圆会被按序放在一个晶圆载盒中按照从下至上的顺序进行跑片，这种晶圆盒通常有12槽或者25槽（如图1所示）。每一片晶圆完成工艺后，会从工艺腔体中取出，然后腔体等待下一片晶圆到来。这时的工艺腔体可以不进行任何动作，也可以进行无晶圆等离子体净化处理，比如使用清洁处理的气体，如氧气来去除工艺过程中腔体内残留的聚合物；也可以使用腔体沉积的气体，如SiCl4来保护腔体，使得腔体内壁产生一个含Si成分的保护层；无论如何，目的都是使得在不同时期跑货的每一片晶圆在工艺腔体中从工艺开始至结束能够得到几乎相同的腔体内部环境，这样有利于控制工艺的稳定性。图2显示了刻蚀/去胶速率随着跑片顺序逐渐变高的趋势，使得线宽逐渐变大，在晶圆制造中是不被允许的。这种初始晶圆速率低，随着跑片量的增加，速率越来越快的现象，通常被成为“首片效应”。另外，随着跑片数量的增加，速率变低或者速率变化非常大也是不被允许的。
另一个考虑是，随着腔体的大量跑货，不能产生微型颗粒，因此需要对新腔体的内壁进行老化加固。这种老化加固通常的方法是跑500-1000片的工艺，这些工艺有可能是高功率条件，这些突然恶化的条件可能使得腔体内壁材质处于一种不稳定的状态，会存在突然掉落或者粘附性逐步松懈的可能。因此，在大量的跑片前对腔体进行合适的处理就显得非常必要。
第三，对于通氧气类的等离子去胶设备，无论跑片多少，自始至终腔体都处于一个清洁的状态，通常不需要晶圆之间的特殊处理，因此上一片晶圆取出后，工艺腔体就在等待下一片晶圆到来，期间不进行任何等离子处理。虽然腔体始终处于清洁状态，但连续工艺造成的热量积聚是不可避免的，而且大规模量产也不允许等到腔体完全冷却后再进行下一片工艺（会影响产出），有些腔体设计了通过水冷来自动控制工艺腔体温度，从而达到每片晶圆工艺温度的稳定性。
然而，水冷不会遍及的整个腔体，总有部分材质不会受到水冷的顾及，因此腔体的热不稳定性和积累效应始终存在。另外，腔体内壁、gas baffle（离子滤网）、载盘形貌也会随着等离子体作用时间的增加而发生变化，进而造成工艺不稳定。因此，如何控制腔体的老化、状态、跑货顺序，成为一项难度棘大的事情。同时，随着跑片数的增加，速率增加，CD（关键尺寸）会变大（如图3所示）及腔体掉落的微型颗粒（如图4所示）。
因此，研发一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述不足，提供了一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法。
本发明的上述目的通过以下的技术方案来实现：一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，包括以下步骤：
S1：腔体预处理：通过等离子体处理对新工艺腔体内壁附着的一些有机和无机的微颗粒进行清除，清除过程中采用高压力和低压力循环处理的方式，循环次数推荐3-10次，通过高压力下等离子体对腔体内表面的化学刻蚀行为和低压力下等离子体对腔体内表面的物理轰击行为进行有机和无机物的清除。
腔体预处理的目的是对新工艺腔体生产完成后，内壁附着的一些有机和无机的微颗粒进行清除，同时对工艺腔体内壁进行一定的氧化处理。高压力可以维持高的气体密度，有利于机加工带来的腔体内壁的各向同性有机物清除和清除后内壁氧化；低压力下会产生更强的粒子轰击效果，从而去除那些黏附在内壁上的微型颗粒物。
S2：低功率预跑片：进行低功率预跑片，跑片时所使用的腔体压力、气体种类、气体配比均和后续生产用工艺配方一致，只是功率选择低功率，所选择的功率是后续生产工艺所用功率的1/2-1/3。该步骤的作用是在腔体预处理和正式生产跑片前对腔体材质进行渐进式的改变，从而在腔体本体上形成一层材质渐变的缓冲层，有利于腔体内壁材质的稳定，防止微颗粒由于材质突变和本体结合不牢，在后续的生产中掉落到晶圆上。
S3：腔体老化：采用生产时的工艺参数跑100-500片，使得腔体内的环境达到正常跑货的状态。连续多片的预生产跑片，能够使得腔体内壁的材质保持一种饱和稳定的状态。这个过程通常采用光片晶圆（光片晶圆指整片晶圆上只覆盖有一层或几层薄膜，没有曝光显影的图案），光片晶圆上面的薄膜（该薄膜指光片晶圆上涂敷的有机薄膜或者物理/化学气相沉积生长的无机薄膜）需要模拟产品跑货的状态。比如，后续要跑去胶工艺，那么光片晶圆就用光刻胶晶圆（光刻胶晶圆是指在硅片上涂敷光刻胶的晶圆片）即可；如果后续跑的是氧化硅/氮化硅的制程，那该步骤老化工艺也应使用氧化硅/氮化硅的光片晶圆。
S4：腔体等离子体预热：采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，该步骤的生产功率为步骤S5正常生产跑片生产功率的2-3倍，生产时间为步骤S5正常生产跑片生产时间的3-5倍，主要作用是腔体预热至一个温度几乎饱和的状态，防止后面越跑越热。
S5：正常生产跑片：在步骤S4完成后，进行正常的生产跑片；正常生产时，所采用的腔体压力范围为30-1000mT，气体种类为O2/N2或CF4/O2或SF6/O2，气体比例范围10:1至2:1；
S6：正常生产跑片结束后等离子体处理：在正常生产跑片完成后，对腔体进行后处理，所述后处理是指腔体工艺跑片结束后，在无晶圆状态下，进行等离子体处理，目的是对跑片过程中产生的附着在腔体内壁的副产物进行清洁，进行后处理时，采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，生产功率相对于步骤S5减半，生产时间相对于步骤S5减为三分之一，该步骤完成后，腔体可以维持在恒定的压力状态，从而有利于下一批晶圆产品的继续跑片。
进一步地，在步骤S3完成后，在一个腔体维护周期内不需要再次进行步骤S1-S3，所述维护周期是1000-1500小时。
本发明与现有技术的优点是：本发明通过对工艺腔体内部零部件进行预处理和老化，并设计一种腔体压力、气体种类、气体比例在晶圆跑货中始终维持稳定的方法，解决了造成的刻蚀/去胶速率和腔体材质的不稳定现象。稳定的跑片工艺，提高了成品率，减少了研发或者量产过程中的故障检查，节约了大量的人力物力。
图1是晶圆在晶圆盒中的位置示意图。
图2是生产中随着跑片数的增加，速率增加的示意图。
图3是生产中随着跑片数的增加，CD（关键尺寸）会变大的示意图。
图4是腔体掉落的微型颗示意图。
图5是本发明的工艺方法流程图。
图6是本发明中腔体预处理过程的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详述。
如图5所示，一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，包括以下步骤：
S1：腔体预处理：通过等离子体处理对新工艺腔体内壁附着的一些有机和无机的微颗粒进行清除，清除过程中采用高压力和低压力循环处理的方式，循环次数推荐3-10次，通过高压力下等离子体对腔体内表面的化学刻蚀行为和低压力下等离子体对腔体内表面的物理轰击行为进行有机和无机物的清除。如图6所示。
腔体预处理的目的是对新工艺腔体生产完成后，内壁附着的一些有机和无机的微颗粒进行清除，同时对工艺腔体内壁进行一定的氧化处理。高压力可以维持高的气体密度，有利于机加工带来的腔体内壁的各向同性有机物清除和清除后内壁氧化；低压力下会产生更强的粒子轰击效果，从而去除那些黏附在内壁上的微型颗粒物。
S2：低功率预跑片：进行低功率预跑片，跑片时所使用的腔体压力、气体种类、气体配比均和后续生产用工艺配方一致，只是功率选择低功率，所选择的功率是后续生产工艺所用功率的1/2-1/3。该步骤的作用是在腔体预处理和正式生产跑片前对腔体材质进行渐进式的改变，从而在腔体本体上形成一层材质渐变的缓冲层，有利于腔体内壁材质的稳定，防止微颗粒由于材质突变和本体结合不牢，在后续的生产中掉落到晶圆上。
S3：腔体老化：采用生产时的工艺参数跑100-500片，使得腔体内的环境达到正常跑货的状态。连续多片的预生产跑片，能够使得腔体内壁的材质保持一种饱和稳定的状态。这个过程通常采用光片晶圆（光片晶圆指整片晶圆上只覆盖有一层或几层薄膜，没有曝光显影的图案），光片晶圆上面的薄膜（该薄膜指光片晶圆上涂敷的有机薄膜或者物理/化学气相沉积生长的无机薄膜）需要模拟产品跑货的状态。比如，后续要跑去胶工艺，那么光片晶圆就用光刻胶晶圆（光刻胶晶圆是指在硅片上涂敷光刻胶的晶圆片）即可；如果后续跑的是氧化硅/氮化硅的制程，那该步骤老化工艺也应使用氧化硅/氮化硅的光片晶圆。
S4：腔体等离子体预热：采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，该步骤的生产功率为步骤S5正常生产跑片生产功率的2-3倍，生产时间为步骤S5正常生产跑片生产时间的3-5倍，主要作用是腔体预热至一个温度几乎饱和的状态，防止后面越跑越热。
S5：正常生产跑片：在步骤S4完成后，进行正常的生产跑片；正常生产时，所采用的腔体压力范围为30-1000mT，气体种类为O2/N2或CF4/O2或SF6/O2，气体比例范围10:1至2:1；
S6：正常生产跑片结束后等离子体处理：在正常生产跑片完成后，对腔体进行后处理，所述后处理是指腔体工艺跑片结束后，在无晶圆状态下，进行等离子体处理，目的是对跑片过程中产生的附着在腔体内壁的副产物进行清洁，进行后处理时，采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，生产功率相对于步骤S5减半，生产时间相对于步骤S5减为三分之一，该步骤完成后，腔体可以维持在恒定的压力状态，从而有利于下一批晶圆产品的继续跑片。
进一步地，在步骤S3完成后，在一个腔体维护周期内不需要再次进行步骤S1-S3，所述维护周期是1000-1500小时。
传统的新腔体跑货方法，一般为2步完成：第一步大量的跑片使得腔体的刻蚀/去胶速率保持恒定，第二步开始产品跑片。这种方法，没有从新腔体内壁材质自身的变化来考虑，也没有考虑腔体跑片过程中的热效应。因此，难免在跑到一定程度时，腔体内壁材质的粘附性不足导致微型颗粒产生，从而导致晶圆产生缺陷；另外，由于缺乏预热处理，速率的稳定性也不能保证。
本发明的方法起始于腔体内部附着物的清理、腔体内壁的预处理、大批量跑片老化，结合产品跑片前的预热处理，以及跑片后的清理过程，从物理和材料方面综合考虑了防止未来腔体掉微颗粒物和达到稳定的速率方法，有利于大规模的晶圆量产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：腔体预处理：通过等离子体处理对新工艺腔体内壁附着的一些有机和无机的微颗粒进行清除，清除过程中采用高压力和低压力循环处理的方式，循环次数推荐3-10次，通过高压力下等离子体对腔体内表面的化学刻蚀行为和低压力下等离子体对腔体内表面的物理轰击行为进行有机和无机物的清除；
S2：低功率预跑片：进行低功率预跑片，跑片时所使用的腔体压力、气体种类、气体配比均和后续生产用工艺配方一致，只是功率选择低功率，所选择的功率是后续生产工艺所用功率的1/2-1/3；
S3：腔体老化：采用生产时的工艺参数跑100-500片，使得腔体内的环境达到正常跑货的状态；连续多片的预生产跑片，能够使得腔体内壁的材质保持一种饱和稳定的状态；这个过程采用光片晶圆，光片晶圆上面的薄膜需要模拟产品跑货的状态；
S4：腔体等离子体预热：采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，该步骤的生产功率为步骤S5正常生产跑片生产功率的2-3倍，生产时间为步骤S5正常生产跑片生产时间的3-5倍；
S5：正常生产跑片：在步骤S4完成后，进行正常的生产跑片；
S6：正常生产跑片结束后等离子体处理：在正常生产跑片完成后，对腔体进行后处理，所述后处理是指腔体工艺跑片结束后，在无晶圆状态下，进行等离子体处理，目的是对跑片过程中产生的附着在腔体内壁的副产物进行清洁，进行后处理时，采用与步骤S5正常生产跑片相同的腔体压力、气体种类和气体比例，生产功率相对于步骤S5减半，生产时间相对于步骤S5减为三分之一，该步骤完成后，腔体可以维持在恒定的压力状态，从而有利于下一批晶圆产品的继续跑片。
2.根据权利要求1所述的一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，其特征在于在步骤S3完成后，在一个腔体维护周期内不需要再次进行步骤S1-S3，所述维护周期是1000-1500小时。
3.根据权利要求1所述的一种大规模量产中实现稳定的刻蚀速率方法，其特征在于：步骤S5中，正常生产时，所采用的腔体压力范围为30-1000mT，气体种类为O2/N2或CF4/O2或SF6/O2，气体比例范围10:1至2:1。
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