TW201508852A - 改善tsv刻蝕工藝的系統及刻蝕終點監測方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種改善TSV刻蝕工藝的系統及刻蝕終點監測方法，通過在等離子體反應腔外設置一氣體監測裝置，並將其與射頻功率源和終點監測裝置連接，實現對深反應等離子體刻蝕的刻蝕步驟和沉積步驟的監測；所述氣體監測裝置通過對基片表面的等離子體發出的光譜進行即時監測，確定基片表面反應氣體爲刻蝕氣體或者沉積氣體，並將結果發送至射頻功率源和終點監測裝置，指示射頻功率源輸出與所述氣體相匹配的功率，同時指示終點監測裝置選擇某一步驟採集特定波長的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線，根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。

Description

改善TSV刻蝕工藝的系統及刻蝕終點監測方法

本發明涉及半導體製造技術領域，特別涉及一種改善TSV刻蝕工藝的系統及刻蝕終點監測方法。

近年來，隨著半導體製造工藝的發展，對元件的集成度和性能要求越來越高，等離子體技術(Plasma Technology) 在半導體製造領域中正起著舉足輕重的作用。等離子體技術通過使工藝氣體激發形成的等離子體被應用在許多半導體工藝中，如沉積工藝( 如化學氣相沉積)、刻蝕工藝( 如乾式刻蝕)等。對等離子體處理工藝來說，其準確度直接關係到元件的特徵尺寸。隨著半導體器件特徵尺寸縮小，以及半導體製造過程中所用的等離子體處理工藝步驟的數量和複雜性的迅速增加，對等離子體處理工藝控制的要求變得更加嚴格，這就需要採用即時監控的手段來控制工藝過程的關鍵階段。

以等離子體刻蝕工藝爲例，在等離子體刻蝕過程中，一個關鍵的問題是當被刻蝕的介質層被刻蝕掉之後，應當及時停止等離子體刻蝕，以避免下層介質層受到等離子體的刻蝕而損傷，從而造成器件的失效。因此，精確判定等離子體刻蝕工藝終點(endpoint）以避免因刻蝕不足或刻蝕過度導致元器件失效就變得日益重要。現有技術中，通常採用光學發射光譜法(optical emission spectroscopy， OES)進行等離子體刻蝕終點檢測。OES 技術主要是基於在線光譜檢測設備對等離子體發射出的光譜進行即時檢測，由於刻蝕到不同物質層光譜會出現明顯的變化，特別當到達是刻蝕終點時，因刻蝕的材料發生轉換，氣相的組成及被刻蝕薄膜都會發生化學變化，這種變化通過OES光譜信號的强度變化表現出來。因此，通過連續監測等離子體發射，就能夠用OES終點檢測方法來檢測出此變化並利用它來確定薄膜被完全清除的時間。例如，當OES信號下降至預定閾值水平之下時，就利用這種轉變來觸發“終點”。因此，通過檢測刻蝕過程中刻蝕到不同層的物質時，反應物或生成物的發射譜線强度值，以此就能夠判斷刻蝕終點。例如美國專利US5565114公開了一種等離子體工藝中通過OES技術檢測終點的方法，通過先計算等離子體發光頻譜强度的總和平均值，然後計算總和平均值的差或是比值以决定刻蝕是否達到終點點。由此可知，通過OES技術能夠很好地實現了制程穩定的單一刻蝕步驟處理或有限分離蝕刻步驟的處理。

如今，對晶片進行深反應離子刻蝕以形成高深寬比結構（如矽通孔技術）正越來越受到廣泛的重視和研究，深反應離子刻蝕通常採用博世工藝（Bosch process）進行。而博世工藝是通過使等離子刻蝕工序和等離子澱積工序周期性地反復進行而對半導體襯底在垂直方向較深地進行刻蝕的工藝。博世工藝主要包括以下步驟：（1）刻蝕步驟，通常用含有SF6 的混合氣體進行化學反應離子刻蝕；（2）聚合物沉積鈍化步驟，通常用含有C4H8 的混合氣體在孔洞內側面形成氟碳聚合物層，以使下一個周期的刻蝕步驟中化學反應離子刻蝕時，SF6 氣體不會對側壁的聚合物進行刻蝕或者刻蝕速率非常慢；刻蝕步驟和沉積步驟交替循環進行，直到深孔刻蝕完成。由於博世工藝採用交替重複進行各向同性刻蝕和聚合物沉積工藝，而其中刻蝕和澱積步驟所使用的等離子體條件（如工藝氣體類型、壓力、RF功率等）並不相同，因此需要在切換工藝氣體的同時切換RF功率；由於工藝氣體注入反應腔內並達到所需壓力需要一定的時間，導致滿足要求的工藝氣體與與之匹配的RF功率重疊時間較短，很難提供穩定的等離子體條件對基片進行刻蝕和沉積保護。同時，將常規的OES技術應用於具有快速且周期性的等離子體擾動特性的博世工藝會導致周期性的終點軌跡，容易發生誤判等離子體發射强度的改變，因此其無法準確檢測終點。

因此，如何在切換工藝氣體的同時，提供穩定的與之匹配的等離子體條件（尤其是射頻功率條件），並且能夠實現一種準確性高，靈活性大的終點檢測方法，以準確找到具有交替循環步驟的等離子體處理工藝的終點，成爲應用等離子體技術的半導體製造工藝中的難點問題。

爲了克服現有技術的缺陷，本發明提供一種改善TSV刻蝕工藝的系統，包括一等離子體反應腔，所述等離子體反應腔連接反應氣體供應系統和射頻功率源，所述系統還包括一與等離子體反應腔相連的氣體監測裝置，所述氣體監測裝置與所述射頻功率源相連。

進一步的，所述等離子體反應腔外設置一與所述氣體監測裝置相連的終點監測裝置，所述氣體監測裝置用於向所述終點監測裝置和所述射頻功率源發射指示信號。

優選的，所述氣體監測裝置和終點監測裝置爲光學發射光譜監測裝置。

優選的，所述反應氣體供應系統包括刻蝕氣體和沉積氣體兩組氣體，所述刻蝕氣體和沉積氣體交替注入所述等離子體反應腔內。

優選的，所述的等離子體反應腔爲電感耦合式等離子體反應腔。

優選的，所述射頻功率源包括第一射頻功率源和第二射頻功率源，所述第一射頻功率源功率小於13兆赫茲，所述第二射頻功率源大於13兆赫茲。

進一步的，本發明還公開了一種監測TSV刻蝕工藝終點的方法，所述方法包括下列步驟：反應氣體供應系統向等離子體反應腔交替注入刻蝕氣體和沉積氣體；氣體監測裝置採集基片表面的光波長信號確定基片表面的氣體是刻蝕氣體或沉積氣體，氣體監測裝置發送指示信號至與等離子體反應腔相連的射頻功率源和終點監測裝置，指示所述射頻功率源調節至與基片表面的氣體匹配的功率條件，同時指示所述終點監測裝置對刻蝕反應或沉積反應的産物進行特定波長光信號監測，並確定等離子體反應終點。

優選的，所述終點監測裝置確定等離子體反應終點的步驟爲：

以一定時間間隔採集等離子體處理工藝過程中特定波長的的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線；

在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區，所述平緩區內具有至少一個即時光信號强度；

在每一所述平緩區的即時光信號强度中內抽取一個光信號强度特徵值；

根據所述光信號强度特徵值建立光信號强度特徵譜線；

根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。

優選的，在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區的步驟包括：將所述即時光信號强度相對於時間的變化量小於參考閾值的區域定義爲所述平緩區。

優選的，在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區的步驟包括：將所述即時光信號强度在預定範圍內且所述即時光信號强度相對於時間的變化量小於參考閾值的區域定義爲所述平緩區。

本發明的優點在於：通過在等離子體反應腔外設置一氣體監測裝置，並將其與射頻功率源和終點監測裝置連接，實現對深反應等離子體刻蝕的刻蝕步驟和沉積步驟的監測；所述氣體監測裝置通過對基片表面的等離子體發出的光譜進行即時監測，確定基片表面反應氣體爲刻蝕氣體或者沉積氣體，並將結果發送至射頻功率源和終點監測裝置，指示射頻功率源輸出與所述氣體相匹配的功率，同時指示終點監測裝置選擇某一步驟採集特定波長的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線，根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。本發明的技術方案延長了反應氣體和與之匹配的射頻功率的重和工作時間，提高了深反應刻蝕效率，同時提供一種穩定、有效地監測深反應刻蝕終點的監測方法。

爲使本發明的內容更加清楚易懂，以下結合說明書附圖，對本發明的內容作進一步說明。當然本發明並不局限於該具體實施例，本領域內的技術人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發明的保護範圍內。

如圖1所示，本發明示出一種改善TSV刻蝕工藝的系統，包括一等離子體反應腔100，等離子體反應腔100連接反應氣體供應系統200和射頻功率源150，等離子體反應腔100還連接一氣體監測裝置310和一終點監測裝置320，氣體監測裝置310與射頻功率源150和終點監測裝置320相連並向射頻功率源150和終點監測裝置320發射同步信號。本實施例中，氣體監測裝置310和終點監測裝置320採用光學發射光譜法（OES）進行監測。

反應氣體供應系統200至少包括刻蝕氣體和沉積氣體兩組氣體，所述刻蝕氣體和沉積氣體交替注入等離子體反應腔100內。本實施例中，等離子體反應腔100爲電感耦合式等離子體反應腔。本發明的射頻功率源150包括第一射頻功率源和第二射頻功率源，所述第一射頻功率源功率小於13兆赫茲，即偏置射頻功率源；所述第二射頻功率源大於13兆赫茲，即源射頻功率源。由於深反應離子刻蝕通常採用博世工藝（Bosch process）進行。而博世工藝是通過使等離子體刻蝕步驟和等離子體沉積步驟周期性地反復進行而對半導體襯底在垂直方向較深地進行刻蝕的工藝。在刻蝕步驟和沉積步驟中，射頻功率源的偏置射頻功率源和源射頻功率源需要提供不同的功率到等離子體反應腔。由於刻蝕步驟和沉積步驟的交替進行，射頻功率源150需要提供交替的偏置射頻功率和源射頻功率。在現有技術中，刻蝕氣體和沉積氣體的交替切換與射頻功率源的輸出變換同時進行，並保持同樣地時間，由於一種反應氣體從反應氣體供應系統200進入等離子體反應腔100並達到反應工藝所需的壓力條件需要一定的時間，如，刻蝕步驟和沉積步驟每一步的時間爲1s-2s，反應氣體填充滿等離子體反應腔的時間爲0.4s-0.8s，在射頻功率源150功率切換和反應氣體的切換同時進行的情况下，重疊時間最多只有80%，使得反應氣體和與其匹配的射頻功率重合工作的時間縮短，不僅降低了深反應刻蝕效率，同時由於無法提供較長時間的穩定等離子體濃度，使得刻蝕的終點監測變得極爲困難。

根據本發明公開的技術方案，增加一個與等離子體反應腔100和射頻功率源150連接的氣體監測裝置310，採用光學發射光譜法（OES）對基片表面的反應氣體産生的等離子體發出的光譜進行即時監測。當刻蝕氣體和沉積氣體交替切換時，氣體監測裝置310根據等離子體發出的光譜確定基片表面的氣體爲刻蝕氣體或是沉積氣體，並發射信號指示射頻功率源150輸出與該氣體匹配的偏置功率和源功率。本發明所述系統設置反應氣體到達基片表面時對等離子體反應腔提供該反應氣體匹配的功率，延長了反應氣體和與其匹配的射頻功率的重合時間，提高了深反應刻蝕效率。

爲了更好地對深反應刻蝕進行終點監測，本發明所述系統將氣體監測裝置310同時和終點監測裝置320相連，在向射頻功率源發射指示信號的同時向終點監測裝置320發送同步信號，終點監測裝置320根據接收到的同步信號統一選擇在刻蝕步驟或者沉積步驟採集特定波長的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線，根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。根據上述描述可知，本發明系統由於延長了反應氣體和與其匹配的射頻功率的重合時間，使得等離子體反應腔內每一步驟的等離子體分布相對穩定，同時終點監測裝置320根據從氣體監測裝置310處接收到的指示信號可以明確獲知等離子體反應腔內正在進行的反應爲刻蝕步驟或是沉積步驟，並統一選擇在某一步驟重複採集特定波長的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線。

在本實施例中，每個等離子體處理步驟均包括一個刻蝕步驟和一個沉積步驟，等離子體處理工藝爲博世工藝，通過使等離子刻蝕步驟和等離子沉積步驟周期性交替反復進行而進行刻蝕。當然在其他實施例中，每個等離子體處理步驟也可包括刻蝕步驟，沉積步驟，過渡步驟或清洗步驟等，本發明並不限於此。本發明所述的等離子體終點監測方法將一個刻蝕步驟和沉積步驟作爲一個單元進行監測，最爲簡單的監測方法爲：統一選擇刻蝕步驟或沉積步驟中的一個步驟進行監測，例如，可以選擇對單元中的刻蝕步驟進行監測，當終點監測裝置320接收到來自氣體監測裝置310的指示信號確認正在進行的步驟爲刻蝕步驟時，終點監測裝置320對基片表面的等離子體發出的特定波長的即時光信號强度進行一次採集，當下一個單元的刻蝕步驟開始時同樣進行一次採集，重複進行，建立具有周期性的即時光信號强度譜線，根據所述光信號强度譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。

由於等離子體反應腔內的刻蝕氣體和沉積氣體不斷流動，使得反應腔內的等離子體强度不斷變化。爲了更好地確定所測量的光信號强度譜線真實可靠，可以根據圖2所示的終點監測方法進行監測，具體可以包括以下步驟：

步驟201，以一定時間間隔採集等離子體處理工藝過程中特定波長的的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線；其中即時光信號强度與等離子體處理工藝的反應物組分濃度或産物組分濃度對應，本領域技術人員可以根據晶片的類型和工藝氣體的類型，選擇相應的特定波長的即時光信號，並獲取特定波長的即時光信號强度；

步驟202，在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區，所述平緩區內具有至少一個即時光信號强度；

步驟203，在每一所述平緩區的即時光信號强度中內抽取一個光信號强度特徵值；

步驟204，根據所述光信號强度特徵值建立光信號强度特徵譜線；

步驟205，根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。

圖3示出現有技術及採用本發明所述技術方案後監測到的等離子體濃度變化曲線示意圖，由圖3可以明確獲知，通過採用本發明所述的技術方案，等離子體濃度變化較爲平坦，更容易確定平緩區。

本發明的技術原理爲首先以一定時間間隔採集即時光信號强度並建立即時光信號强度譜線，在本實施例中，採集的時間間隔爲200ms。由於等離子體處理工藝具有周期性的多個處理步驟，採集的光信號强度所形成的譜線也相應具有周期性。本發明可採用不同方法定義平緩區，如在周期開始後通過時間延遲，或根據光信號强度的變化趨勢等。當平緩區中只有一個即時光信號强度時，容易發生抖動，爲了改善這一抖動現象，平緩區中可至少具有兩個即時光信號强度。在本實施例中，是依據即時光信號强度的變化，將即時光信號强度相對時間的變化量（斜率）小於參考閾值的部分定義爲平緩區。當然，在其他實施例中，即時光信號强度譜線的一個周期內可能會具有多個光信號强度變化平緩，即信號强度與時間的斜率符合要求的區域，此時可進一步限定即時光信號强度的大小，將光信號强度在預定範圍內且强度相對於時間的變化量小於參考閾值的區域定義爲平緩區。接著，抽取每一平緩區即時光信號强度的一個作爲光信號强度特徵值，再由這些特徵值來形成光信號强度特徵譜線。由於抽取的光信號强度特徵值均位於平緩區內，較爲穩定，不易發生偏差，由其所形成的特徵譜線對終點檢測更爲敏感。

綜上所述，本發明充分利用了圖形識別方法，通過在採集的即時光信號强度譜線中定義出平緩區並從中抽取特徵值來形成特徵譜線，從而形成平滑的光信號强度-時間曲線，提高了在等離子體周期性擾動的工藝中進行終點檢測的準確性。進一步的，本發明通過在平緩區中間時刻抽取特徵值，有效改善了因信號强度採集延時而導致的特徵值抽取不準的問題，具有較高的靈活性和實用性。

雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然所述諸多實施例僅爲了便於說明而舉例而已，並非用以限定本發明，本領域的技術人員在不脫離本發明精神和範圍的前提下可作若干的更動與潤飾，本發明所主張的保護範圍應以權利要求書所述爲準。

100‧‧‧等離子體反應腔
150‧‧‧射頻功率源
200‧‧‧反應氣體供應系統
310‧‧‧氣體監測裝置
320‧‧‧終點監測裝置

圖1示出一種改善TSV刻蝕工藝的系統結構示意圖； 圖2示出本發明實施例的一種等離子體處理工藝的終點檢測方法的步驟流程圖； 圖3示出現有技術及採用本發明所述技術方案後監測到的等離子體濃度變化曲線示意圖。

100‧‧‧等離子體反應腔

150‧‧‧射頻功率源

200‧‧‧反應氣體供應系統

310‧‧‧氣體監測裝置

320‧‧‧終點監測裝置

Claims (10)

1. 一種改善TSV刻蝕工藝的系統，包括一等離子體反應腔，所述等離子體反應腔連接反應氣體供應系統和射頻功率源，其中所述系統還包括一與等離子體反應腔相連的氣體監測裝置，所述氣體監測裝置與所述射頻功率源相連。
2. 如請求項1所述的系統，其中所述等離子體反應腔外設置一與所述氣體監測裝置相連的終點監測裝置，所述氣體監測裝置用於向所述終點監測裝置和所述射頻功率源發射指示信號。
3. 如請求項1所述的系統，其中所述氣體監測裝置和終點監測裝置爲光學發射光譜監測裝置。
4. 如請求項1所述的系統，其中所述反應氣體供應系統包括刻蝕氣體和沉積氣體兩組氣體，所述刻蝕氣體和沉積氣體交替注入所述等離子體反應腔內。
5. 如請求項1所述的系統，其中所述的等離子體反應腔爲電感耦合式等離子體反應腔。
6. 如請求項1所述的終點監測系統，其中所述射頻功率源包括第一射頻功率源和第二射頻功率源，所述第一射頻功率源功率小於13兆赫茲，所述第二射頻功率源大於13兆赫茲。
7. 一種監測TSV刻蝕工藝終點的方法，其中所述方法包括下列步驟：        反應氣體供應系統向等離子體反應腔交替注入刻蝕氣體和沉積氣體；        氣體監測裝置採集基片表面的光波長信號確定基片表面的氣體是刻蝕氣體或沉積氣體，氣體監測裝置發送指示信號至與等離子體反應腔相連的射頻功率源和終點監測裝置，指示所述射頻功率源調節至與基片表面的氣體匹配的功率條件，指示所述終點監測裝置對刻蝕反應或沉積反應的産物進行特定波長光信號監測，並確定等離子體反應終點。
8. 如請求項7所述的方法，其中所述終點監測裝置確定等離子體反應終點的步驟爲：        (a)   以一定時間間隔採集等離子體處理工藝過程中特定波長的的即時光信號强度並建立具有周期性的即時光信號强度譜線；        (b)   在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區，所述平緩區內具有至少一個即時光信號强度；        (c)   在每一所述平緩區的即時光信號强度中內抽取一個光信號强度特徵值；        (d)   根據所述光信號强度特徵值建立光信號强度特徵譜線；        (e)   根據所述光信號强度特徵譜線確定所述等離子體處理工藝的終點。
9. 如請求項8所述的方法，其中在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區的步驟包括： 將所述即時光信號强度相對於時間的變化量小於參考閾值的區域定義爲所述平緩區。
10. 如請求項8所述的方法，其中在所述即時光信號强度譜線的每一個周期內定義一個平緩區的步驟包括：        將所述即時光信號强度在預定範圍內且所述即時光信號强度相對於時間的變化量小於參考閾值的區域定義爲所述平緩區。