CN114914165A - 监测晶圆腐蚀液更换周期的方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，包括：获取腐蚀液的测试作业量，测试作业量表征在腐蚀液的腐蚀速率由第一测试腐蚀速率下降至第二测试腐蚀速率期间对应完成的作业量；根据第二测试腐蚀速率与第一测试腐蚀速率之差获得腐蚀速率变化量；根据测试作业量与腐蚀速率变化量之比获得单位速率作业量；根据第一预设腐蚀速率与第二预设腐蚀速率(工艺允许下的临界腐蚀速率)之差获得腐蚀液的腐蚀速率变化量的预设值；根据单位速率作业量与腐蚀速率变化量的预设值之积获得腐蚀液的预估作业量；根据实际作业量与预估作业量的比较结果，确定是否更换所述腐蚀液。该方法既能充分使用腐蚀液，避免不必要的浪费，又能保证腐蚀质量和作业效率。

Description

监测晶圆腐蚀液更换周期的方法

技术领域

本公开涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及一种监测晶圆腐蚀液更换周期的方法。

背景技术

湿法腐蚀，或称为湿法刻蚀，是利用腐蚀液与二氧化硅等结构层进行化学反应而获得所期望的结构。常用的一种湿法腐蚀是缓冲氧化物腐蚀(Buffered Oxide Etch，BOE)。BOE腐蚀液是氢氟酸与氟化铵按比例混合而成的缓冲腐蚀液，其中HF作为主刻蚀液，NH₄F则起缓冲剂的作用。BOE腐蚀主要用于对二氧化硅薄膜的腐蚀。与采用干法刻蚀相比，BOE腐蚀具有设备成本低、单片成本低、生产效率高等优势。

在BOE腐蚀工艺中，通常是将承载有晶圆的片架浸入BOE腐蚀槽中，使晶圆表面的二氧化硅与BOE腐蚀液充分接触，以去除未被掩膜所保护的二氧化硅薄膜。随着作业晶圆数量增加，腐蚀速率会随之下降，甚至会发生刻蚀不干净、残留等质量问题，造成产品不合格。所以为了保证腐蚀质量，需要对BOE腐蚀液进行适时更换，以避免出现上述问题。

当下，把握BOE腐蚀液更换的时机主要采用两种方式，其一为定期更换方式，很显然，这种方式在设备作业批次较少的情况下，容易造成浪费；其二是根据作业总批次量进行更换，但是也难以保证作业质量，有时候也会造成不必要的浪费。

因此，需要提供一种改进的方法，以更好地把握晶圆腐蚀液的更换时机，既能充分利用BOE腐蚀液，避免不必要的浪费，又能保证工艺质量和作业效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，既能实现腐蚀液的充分利用，避免不必要的浪费，又能保证腐蚀工艺的质量和作业效率。

为实现上述目的，本发明提供的监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，包括：

获取腐蚀液的腐蚀速率变化量和测试作业量，腐蚀速率变化量是根据第一测试腐蚀速率与第二测试腐蚀速率之差获得，测试作业量表征在达到腐蚀速率变化量期间对应完成的作业量；

根据测试作业量与腐蚀速率变化量之比，获得单位速率作业量；

根据第一预设腐蚀速率与第二预设腐蚀速率之差，获得腐蚀液的腐蚀速率变化量的预设值，其中第一预设腐蚀速率大于第二预设腐蚀速率，第二预设腐蚀速率为腐蚀液在工艺允许下的临界腐蚀速率；

根据单位速率作业量与腐蚀速率变化量的预设值之积，获得腐蚀液的预估作业量；以及

根据实际作业量与预估作业量的比较结果，确定是否更换所述腐蚀液。

可选地，根据比较结果确定是否更换腐蚀液的步骤包括：根据预估作业量与预设系数的比值获得校正值，在实际作业量达到校正值的情况下，确定更换腐蚀液。

可选地，上述预设系数的取值范围是1.05～1.25。

可选地，第一测试腐蚀速率不大于第一预设腐蚀速率，第二测试腐蚀速率大于第二预设腐蚀速率。

可选地，前述第一预设腐蚀速率为新更换腐蚀液的腐蚀速率。

可选地，获取测试作业量的步骤包括：

获取腐蚀液对单片测试晶圆的单片作业量；以及

根据单片作业量与测试晶圆的数量，获得测试作业量；其中测试晶圆的数量是在达到上述腐蚀速率变化量期间对应完成作业的晶圆数量。

可选地，获取前述单片作业量的步骤包括：

获得单片测试晶圆上需要去除的结构层的厚度，以及需要去除的结构层的面积在该测试晶圆面积中的占比；

根据前述厚度与占比之积，获得单片作业量。

可选地，结构层的材料包括二氧化硅。

可选地，腐蚀液包括氢氟酸与氟化铵。

根据本公开实施例提供的监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，通过测试作业量以及对应的腐蚀速率变化量，确定单位速率作业量；根据腐蚀液的腐蚀速率变化量的预设值以及上述单位速率作业量，获得腐蚀液在上述预设值范围内允许加工的最大作业量，即评估作业量；最终根据实际作业量和预估作业量的比较结果，确定是否更换腐蚀液。采用上述方法可以较为准确地把握腐蚀液的更换时机，既能保证腐蚀质量，又能够将作业效率控制在允许的范围内，因此本发明提供的监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，既能充分利用腐蚀液，避免不必要的浪费，又能保证腐蚀工艺的质量和作业效率。

具体实施方式

本发明可以以各种形式呈现，以下将描述其中一些实施例。

对于既定工步和既定的腐蚀液而言，当腐蚀速率在一定范围时，不仅可以保证腐蚀质量，避免因发生腐蚀不干净而导致不合格的发生，而且也可以将作业效率控制在允许的范围内。比如新更换的腐蚀液的腐蚀速率为V_s(可视作第一预设腐蚀速率)，随着晶圆腐蚀作业量的增大，当腐蚀液的腐蚀速率降低到V_d(可视作第二预设腐蚀速率)时，作业质量将不能满足工艺要求，即作业质量达到临界点。可以认为，该工艺允许的腐蚀速率范围为：V_s～V_d，也即允许的腐蚀速率变化量(腐蚀速率变化量的预设值)为d＝V_s-V_d。

腐蚀液的腐蚀速率随作业量的增加会逐渐变慢，且理论上变慢的速度并不一定均匀。对于既定的腐蚀液而言，在腐蚀去除结构层的初始阶段，腐蚀液的腐蚀速率下降较慢，随着作业量的增加，腐蚀液的腐蚀速率下降速度逐渐变快。但发明人经过大量的摸索、统计、分析和验证，发现在能接受的范围内，可以按照腐蚀速率匀速变慢的方式确定该腐蚀液在允许的腐蚀速率变化量范围内的作业量，进而为适时更换腐蚀液提供依据。上述腐蚀液具体可以是BOE腐蚀液，结构层包括但不限于二氧化硅薄膜。

本实施例首先根据对小批量晶圆作业情况的检测和统计，从而获得作业量与腐蚀液的腐蚀速率变化量之间的关系，即通过对某一批(batch)或几批作业的晶圆片数、结构层厚度、结构层面积在晶圆面积中的占比、及腐蚀液的腐蚀速率进行统计和检测，获得腐蚀液的腐蚀速率变化量与作业量之间的关系，预估腐蚀液从第一预设腐蚀速率V_s降低到或临近第二预设腐蚀速率V_d的过程中的作业量，即预估作业量W，最终即以实际作业量C是否达到预估作业量W作为更换腐蚀液的依据。详解如下：

步骤一、设某一工步单片晶圆需要去除的结构层的厚度为a，需要去除的结构层的面积在整片晶圆面积中所占的比例为b％，本实施例定义单片晶圆需要去除的结构层的量m为结构层的厚度a与结构层的面积在整片晶圆面积中所占的比例b％之积，即每片晶圆需要去除的结构层的量，也就是单片作业量m＝a×b％。

步骤二、通过使用样片检测可知腐蚀液的腐蚀速率，比如将新更换的腐蚀液的初始腐蚀速率记为第一测试腐蚀速率V₁，完成一定量测试晶圆(测试晶圆的数量记为T₀)的腐蚀加工之后，腐蚀速率降低至第二测试腐蚀速率V₂，两次测试得到的腐蚀速率之间的差值△V＝V₁-V₂即为腐蚀速率的变化量。

上述测试晶圆的数量T₀可以根据作业批次与单批次晶圆数量确定：设一个批次包含的晶圆数量为i，理想情况下，每批次晶圆数量i为50片；若完成腐蚀作业n个批次(n为整数，n≥1)，此时测试晶圆的数量T₀＝i×n。但在实际加工过程中，一个批次包含的晶圆数量有可能不足50片，比如49片、48片、40片甚至更少，此时测试晶圆的数量T₀为各批次晶圆数量之和，比如共加工了三批晶圆，每批晶圆数量分别为48片、50片和49片，则测试晶圆的数量T₀为48+50+49＝147。

测试作业量T为所有测试晶圆的单片作业量m的总和，具体可由测试晶圆的数量T₀和每片测试晶圆的单片作业量m确定。比如所有测试晶圆的单片作业量m均相同，则测试作业量T为测试晶圆的数量T₀与单片作业量m的乘积，即T＝T₀×m。再比如多批测试晶圆的单片作业量不完全相同，则可以首先利用各批晶圆数量乘以本批晶圆的单片作业量，分别得到每批晶圆数量的总作业量，再将各批晶圆的总作业量进行加和，即得到测试作业量T。如上述三批晶圆中，各批测试晶圆的单片作业量分别为m₁、m₂和m₃，则T＝48×m₁+50×m₂+49×m₃。

需要说明的是，虽然将上述达到腐蚀速率变化量△V期间对应完成作业的晶圆称为测试晶圆，但该测试晶圆具体可以是正式的晶片，即正常加工的晶圆，而不必须是测试片(Test Wafer)等陪片。

如前述，随着作业量(去除结构层的量)增加，腐蚀液对结构层的腐蚀速率随之降低。发明人经过大量的试验以及验证，认为当腐蚀液的腐蚀速率在一定范围内，可假定腐蚀速率的变化量与作业量为线性关系，并据此估算腐蚀液的作业量，即预估作业量。基于此构思，假定测试作业量T与腐蚀速率变化量△V之间存在线性关系，进一步可以得到：当腐蚀速率下降1个单位(比如单位为：

)时，对应的单位速率作业量B为测试作业量T与腐蚀速率的变化量△V的比值(B＝T/△V)。

在本实施例中，本步骤的第一次测试腐蚀速率V₁是在新更换一槽腐蚀液后进行检测获得。对于BOE腐蚀液等多数腐蚀液，若在新更换腐蚀液后即检测，则第一测试腐蚀速率V₁即为第一预设腐蚀速率V_s。当然，上述第一测试腐蚀速率V₁也可以是在已经加工了少量晶圆后检测获知，此种情况下，第一测试腐蚀速率V₁通常小于第一预设腐蚀速率。

本步骤中，第二次检测获得第二测试腐蚀速率V₂的时机一般是在已腐蚀晶圆125～250片时进行，即述测试晶圆的数量为125～250片；按照每批次晶圆数量约为50片，则大约作业3～5批次时进行第二次检测，也即n＝3～5，按照上述测试晶圆数量所最终得到的预估作业量，与实际工艺允许最大作业量基本吻合，特别是针对BOE腐蚀液，所获得的预估作业量与实际工艺允许最大作业量较为吻合。当然，在具体实践中，本领域技术人员可根据实际情况摸索出能够最大限度地拟合这种线性关系的监测时机。

步骤三、设定腐蚀速率变化量的预设值为d(d＝V_s-V_d)，那么，预估作业量W为单位速率作业量B与腐蚀速率变化量的预设值d的乘积，即W＝B×d；当实际作业量C达到或接近预估作业量W时，即当C≈W时，则需要更换腐蚀液。也就是说，统计实际作业量C，当其数值达到或接近预估作业量W时，即可更换腐蚀液。

在一示例中，采用BOE腐蚀液，某工步二氧化层的厚度a＝18,000，每批次包含八英寸晶圆数量i＝50，每片晶圆需要去除二氧化硅层的面积占比b％均为90％，则每片晶圆要去除二氧化硅层的量m＝18,000×90％＝16,200，在作业3批次(n＝3)后，通过检测，作业前后BOE腐蚀液的腐蚀速率变化量△V＝10，所以，引起单位速率变化量对应的作业量B＝(i×m×n)/△V＝(50×16,200×3)/10＝243,000(以上相当于利用小样本空间检测统计出引起速率变化量为1时对应的作业量T)。

若本工步允许的BOE腐蚀液的腐蚀速率范围为960～860(V_s～V_d)，也即允许的腐蚀速率变化量d＝960-860＝100。那么，这一槽BOE腐蚀液的预估作业量W＝B×d＝243,000×100＝24,300,000；也就是说，当累计作业量达到24,300,000时，就需要更换新的腐蚀液。所以，在作业过程中通过对已经被腐蚀去除的结构层的量(实际作业量C)进行统计，并与预估作业量W进行对比，当实际作业量C达到或接近W时，即可对腐蚀液进行更换。

上述示例中，结构层厚度的单位为埃米，腐蚀速率以及腐蚀速率变化量的单位均为埃米/分钟

在实践中，在获得一槽BOE腐蚀液的预估作业量W之后，还可以确定该槽BOE腐蚀液对不同产品、不同工步的结构层进行作业的组合。例如在第一类产品中的工步甲中，结构层的厚度a＝3,600，每片晶圆需要去除结构层的面积占比b％为30％，则每片晶圆要去除结构层的量m＝3,600×30％＝1080；在第一类产品中的工步乙中，结构层的厚度a＝18,000，每片晶圆需要去除结构层的面积占比b％为90％，则每片晶圆要去除结构层的量m＝18,000×90％＝16200；在第二类产品中的工步丙中，结构层的厚度a＝6,700，每片晶圆需要去除结构层的面积占比b％为90％，则每片晶圆要去除结构层的量m＝6,700×90％＝6030；在第二类产品中的工步丁中，结构层的厚度a＝8,000，每片晶圆需要去除结构层的面积占比b％为90％，则每片晶圆要去除结构层的量m＝8,000×90％＝7200；在第三类产品中的工步戊中，结构层的厚度a＝5,000，每片晶圆需要去除结构层的面积占比b％为90％，则每片晶圆要去除结构层的量m＝5,000×90％＝4,500……在采用该槽BOE腐蚀液对这多类产品、多个工步进行作业时，除了可以动态统计实际作业量以确定是否更换腐蚀液的时机外，还可以确定该槽BOE腐蚀液所能够加工的多种工步产品的多种组合，再结合实际生产安排，确定最佳组合，并按此最佳组合安排腐蚀作业，提高产线加工效率。

并且，在加工某工步产品之前，可以根据上述预估作业量W与实际作业量C之差，以及即将要加工的产品及工步，计算出当前的BOE腐蚀液所能够加工的该工步产品的最大晶圆数量或最大加工批次，其中最大晶圆数量＝(预估作业量W-实际作业量C)/该工步产品所要去除结构层的量m，从而合理安排生产，保障产能。或者，也可以根据上述预估作业量W与实际作业量C之差，以及即将要加工的产品及工步、晶圆数量(或批次)，确定该槽BOE腐蚀液是否足矣加工上述晶圆数量的工步产品。

考虑到实际生产中，为了达到腐蚀干净、彻底的目的，一般都要适量过刻蚀，加上实际工作中腐蚀速率的变化量与实际作业量并不是很严格的线性关系，而是随着腐蚀的进行，腐蚀速率下降幅度越来越快，所以，为了确保工艺质量和作业效率，根据经验，需要根据不同的情况设定不同的校正系数k，k＞1。具体地，可以先根据预估作业量W与预设系数k的比值获得校正值，再将实际作业量C与校正值进行比对，当实际作业量C达到校正值或基本等于校正值时，即可更换腐蚀液。经过实践验证，校正系数k的取值范围是1.05～1.25。在实践中，可以根据腐蚀液的具体情况，比如成分、浓度等因素合理确定校正系数k。

比如在上述示例中，该槽BOE腐蚀液的预估作业量W为24,300,000，根据实践经验，BOE腐蚀液的校正系数通常可设定为1.1，则校正值为W/k＝24,300,000/1.1≈22,090,909，当实际作业量C为接近或达到上述校正值时，即可更换BOE腐蚀液。

本实施例提供的一种监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，利用腐蚀液的腐蚀速率由第一预设腐蚀速率下降至第二预设腐蚀速率期间对应完成的测试作业量，结合腐蚀液的腐蚀速率变化量的预设值，确定腐蚀液的预估作业量，并根据实际作业量与预估作业量的比较结果，确定是否更换腐蚀液。实践表明，采用上述方法可准确把握腐蚀液的更换时机，既能够保证腐蚀质量和作业效率，而且实现了腐蚀液的充分利用，避免不必要的浪费。

在以上的描述中，对于结构层的构图、湿法腐蚀等的技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，形成结构层、湿法腐蚀可以是本领域的通用或专有技术手段；而且，以上描述的监测晶圆腐蚀液更换周期的方法并不特别限定形成结构层以及湿法刻蚀的具体技术细节。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，上述实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种监测晶圆腐蚀液更换周期的方法，包括：

获取腐蚀液的腐蚀速率变化量和测试作业量，所述腐蚀速率变化量是根据所述第一测试腐蚀速率与第二测试腐蚀速率之差获得，所述测试作业量表征在达到所述腐蚀速率变化量期间对应完成的作业量；

根据所述测试作业量与所述腐蚀速率变化量之比，获得单位速率作业量；

根据第一预设腐蚀速率与第二预设腐蚀速率之差，获得所述腐蚀液的腐蚀速率变化量的预设值，其中所述第一预设腐蚀速率大于所述第二预设腐蚀速率，所述第二预设腐蚀速率为所述腐蚀液在工艺允许下的临界腐蚀速率；

根据所述单位速率作业量与所述腐蚀速率变化量的预设值之积，获得所述腐蚀液的预估作业量；以及

根据实际作业量与所述预估作业量的比较结果，确定是否更换所述腐蚀液。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据所述比较结果确定是否更换所述腐蚀液的步骤包括：根据所述预估作业量与预设系数的比值获得校正值，在所述实际作业量达到所述校正值的情况下，确定更换所述腐蚀液。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述预设系数的取值范围是1.05～1.25。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述第一测试腐蚀速率不大于所述第一预设腐蚀速率，所述第二测试腐蚀速率大于所述第二预设腐蚀速率。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一预设腐蚀速率为新更换腐蚀液的腐蚀速率。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，获取所述测试作业量的步骤包括：

获取所述腐蚀液对单片测试晶圆的单片作业量；以及

根据所述单片作业量与测试晶圆的数量，获得所述测试作业量；其中所述测试晶圆的数量是在达到所述腐蚀速率变化量期间对应完成作业的晶圆数量。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，获取所述单片作业量的步骤包括：

获得单片测试晶圆上需要去除的结构层的厚度，以及需要去除的结构层的面积在该测试晶圆面积中的占比；

根据所述厚度与所述占比之积，获得所述单片作业量。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述测试晶圆的数量为125～250。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中，所述结构层的材料包括二氧化硅；所述腐蚀液包括氢氟酸与氟化铵。