TWI634599B - 等離子體蝕刻製程的處理裝置及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開了一種等離子體蝕刻製程的處理方法，該方法包括交替迴圈的沉積和蝕刻製程子過程，在每個子過程進行中，時間控制模組控制第一輸氣管路、第二輸氣管路、抽氣管路的啟閉，使該子過程的氣體輸送到製程腔內，同時檢測模組的檢測單元檢測製程腔內氣體濃度所形成的特徵值，通過特徵值確定氣體的種類和濃度，檢測模組的切換單元判斷所述特徵值是否達到預定的閾值，如果達到預定的閾值，則切換偏壓電源輸出滿足該子過程的偏壓功率。本發明還公開了一種等離子體蝕刻製程的處理裝置。本發明提高了整個製程的穩定性和控制性，得到更小的傾斜角度。
Description
本發明涉及半導體技術領域，尤其涉及一種用於補償氣體輸送和偏壓功率快速切換時不同步的等離子體蝕刻製程的處理裝置及方法，其中，該等離子體蝕刻製程包括兩個相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程。
近年來，汽車電子、航空航太、通訊、電腦等領域對微電子技術要求提高，要求其更趨向於小型化、超輕超薄、性能可靠、功耗低、多功能和低成本方向發展，從而對蝕刻製程的要求越來越高。
蝕刻製程包括乾法蝕刻和濕法蝕刻。乾法蝕刻常採用的為等離子體蝕刻製程。等離子體是指被電離的氣體，主要由電子、離子、原子、分子或自由基等粒子組成的集合體。等離子體蝕刻是採用高頻輝光放電反應，使反應氣體啟動成活性離子，如原子或游離基，這些活性離子擴散到許可時的部位，在哪裡與被蝕刻材料反應，形成揮發性反應物而被去除。
等離子體蝕刻製程已成為半導體未加工領域的一個重要技術，並且隨著對蝕刻製程的要求越來越高，迴圈蝕刻成為一大趨勢，比如用於矽通孔蝕刻製程。矽通孔蝕刻製程是一種採用等離子體乾法蝕刻的深矽蝕刻製程，深矽蝕刻製程一般採用博世(Bosch)製程。Bosch製
程是一種改進的等離子體蝕刻製程。Bosch製程是在反應離子蝕刻過程中，反復在側壁上沉積抗蝕層和鈍化側壁，在保護側壁的條件下，形成高深寬比的溝槽。在沉積過程中，含碳氟等離子體氣體通入反應腔中，能夠形成氟化碳類高分子聚合物，沉積在側壁上和底部，起到側壁鈍化的作用。在蝕刻過程中，含氟的氣體進入反應腔中，形成等離子體，由於各向異性蝕刻，將底部的保護膜去除，並進一步蝕刻槽底部，而側壁上的聚合物保護膜在消失殆盡之前又堆積一層保護膜，反復交替進行這一過程，從而實現高深寬比的蝕刻。
Bosch製程使用SF6作為蝕刻氣體，C4F8作為沉積氣體。在高深寬比蝕刻中，為了得到更小的傾斜角度，一是通過減少Bosch製程蝕刻和沉積的時間，並盡可能快地讓流量達到預定的閾值，二是通過匹配不同的偏壓功率，通SF6氣體時進行蝕刻時，需要配合使用高功率偏壓電源，增加垂直方向的物理轟擊；通C4F8氣體時進行沉積時，需要配合低功率偏壓電源，減少底部物理轟擊。
等離子體光譜檢測技術(OES)是目前使用最廣泛的終點檢測手段。其原理是利用檢測等離子體中某種反應性化學基團或揮發性基團所發射波長的光強的變化，來實現終點檢測。等離子體中的原子或分子被電子激發到激發態後，在返回到另一個能態時，伴隨著這一過程所發射出來的光線。光線強度變化可以從反應腔室側壁上的觀測孔進行觀測。不同原子或分子所激發的光波波長各不相同，光線強度的變化反應出等離子體中原子或分子濃度的變化。在預期的蝕刻終點處可檢測到發
射光譜的改變，就是檢測到的蝕刻終點。根據被檢測得到的光線強度變強或變弱的改變，從而對製程步驟的終點即時監控。
通常的等離子體蝕刻製程的處理裝置中，利用等離子體光譜檢測技術形成的等離子體光譜檢測儀來進行終點檢測，等離子體光譜檢測儀通常包含上千個CCD單元的線性陣列，所監控的波長範圍從200nm到1100nm，在等離子體光譜檢測儀內，經光電轉換、電信號的A/D轉換及複雜的數位信號處理後得到資料，再將這些資料送到相應的應用軟體處理後就可即時觀測等離子體變化的等離子體光譜譜圖。
例如，在Bosch製程中，利用時間控制模組控制沉積或蝕刻過程，利用等離子體光譜檢測儀對製程過程進行終點檢測。在蝕刻或沉積過程交替進行過程中，由時間控制模組同時控制輸氣閥和偏壓電源的開啟，然而，由於射頻功率切換和氣體輸送的延遲時間不同，分別為一百毫秒以下和0.4-0.8秒，較大的延遲時間差造成在射頻電源開啟和氣體輸送之間產生較大的異相位，由於氣體進入到等離子腔中的濃度，不可能在開始就達到所要求的值，如果這時候施加了滿足要求的偏壓功率，則不能很好地形成所需的等離子體，導致沉積或蝕刻製程子過程的製程品質和穩定性下降，影響到整個製程的品質和穩定性，比如對圖案的蝕刻控制和ER控制等變得困難。
圖1為習知技術中的一個等離子體製程腔室的結構示意圖。如圖1所示，等離子體製程腔10具有一個處理腔體11，處理腔體11基本上為柱形，且處理腔體11的側壁基本上垂直，處理腔體11的頂部設置上電極12。處理腔體11內的底部設置基座13，基座13內設置靜電夾盤131和下
電極132；在靜電夾盤131上方放置待要加工的基片W，該基片W可以是待要蝕刻或加工的半導體基片或者待要加工成平板顯示器的玻璃平板。其中，所述靜電夾盤131用於夾持基片W。通常，在上電極12與下電極132之間的區域為處理區域P，該處理區域P將形成高頻能量以點燃和維持等離子體。製程條件輔助單元包括第一輸氣管路14、第二輸氣管路15、偏壓電源17；其中，第一輸氣管路包含通過管道連接的第一品質流量控制器141和第一輸氣閥142，其中，第一品質流量控制器141的出氣端與第一輸氣閥142的進氣端，第一品質流量控制器141的進氣端連接沉積步驟中的氣體源143(C4F8氣體源)，第一輸氣閥142的出氣端通過輸氣管道140將沉積步驟中的氣體輸送至處理腔體11；第二輸氣管路15包含通過管道連接的第二品質流量控制器151和第二輸氣閥152，其中，第二品質流量控制器151的出氣端與第二輸氣閥152的進氣端，第二品質流量控制器151的進氣端連接蝕刻步驟中的氣體源153(SF6氣體源)，第一輸氣閥152的出氣端與第一輸氣閥142的出氣端合併後通過輸氣管道140將蝕刻步驟中的氣體輸送至處理腔體11；偏壓電源17與下電極132連接。
如圖1所示，一般品質流量控制器(MFC)的回應速度至少為0.5s，而MFC後端的氣動閥(普通的氣動閥)開、關速度更長。當蝕刻和沉積切換的時間減少到0.3s或更小時，MFC和普通的氣動閥已經不能滿足要求。再者，隨著Bosch製程蝕刻和沉積時間的不斷縮短，該時間可能遠遠小於氣體從MFC出發到達反應腔的傳輸時間。在第一品質流量控制器141打開的時候，第一輸氣閥142同時打開，第二輸氣閥152關閉，此時打開低功率偏壓電源，實際上，C4F8氣體和低功率偏壓電源是不匹
配的，同理，在第二品質流量控制器151打開的時候，第二輸氣閥152同時打開，第一輸氣閥142關閉，此時打開高功率偏壓電源，實際上，SF6氣體和高功率偏壓電源是不匹配的。第一品質流量控制器141和第二品質流量控制器151的回應速度一般大於0.5s，第一輸氣閥142和第二輸氣閥152的回應速度一般1s左右。在Bosch製程中為了得到更小的傾斜角度，需要盡可能地減少SF6氣體和C4F8氣體的切換時間。當切換時間小於0.3s時，MFC和氣動閥的回應速度已經達不到要求。
如圖2所示，顯示了Bosch製程中氣體輸送和偏壓功率切換的不同步現象。
此外，在其他包含快速轉換的迴圈蝕刻製程中，也會存在氣體輸送和所施加的偏壓電源切換不同步的現象。
因此，需要一種方法能夠補償迴圈蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率切換的不同步現象，從而促進氣體輸送和偏壓功率切換達到同步，進一步提高整個製程的穩定性和可控性。
本發明的目的在於提供一種等離子體蝕刻製程的處理裝置及方法，能夠有效提高整個製程的穩定性和可控性，得到更小的傾斜角度。
為了達到上述目的，本發明通過以下技術方案實現：一種等離子體蝕刻製程的處理裝置，所述蝕刻製程包括兩個相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程，所述裝置包含等離子體製程腔和製程條件輔助單元，其特點是，所述輔助單元包括：
第一輸氣管路，用於向所述等離子體製程腔輸送沉積步驟中的氣體；第二輸氣管路，用於向所述等離子體製程腔輸送蝕刻步驟中的氣體；抽氣管路，用於抽取所述等離子體製程腔內的沉積步驟結束後的氣體和蝕刻步驟結束後的氣體，並通過第一支路連接至第一輸氣管路，通過第二支路連接至第二輸氣管路；偏壓電源，用於提供所述沉積製程子過程中的偏壓功率或提供所述蝕刻製程子過程中的偏壓功率；時間控制模組，用於控制所述沉積或蝕刻製程子過程的時間，以及第一輸氣管路、第二輸氣管路、抽氣管路的啟閉切換，其中，蝕刻和沉積製程子過程的時間長度小於0.5秒；檢測模組，包括：檢測單元，用於檢測在所述沉積步驟或蝕刻製程子過程中進入所述等離子體製程腔內氣體濃度所形成的特徵值；切換單元，通過所述特徵值判斷所述沉積或蝕刻製程子過程中進入所述等離子體製程腔內氣體種類和濃度，並根據氣體種類和濃度，切換所述偏壓電源輸出滿足所述沉積或蝕刻製程子過程的偏壓功率。
所述的第一輸氣管路包含通過管道連接的第一品質流量控制器和第一輸氣閥，其中，第一品質流量控制器的出氣端與所述的第一輸氣閥的進氣端，所述的第一品質流量控制器的進氣端連接沉積步驟中的氣體源，所述的第一輸氣閥的出氣端通過輸氣管道將沉積步驟中的氣體輸送至所述等離子體製程腔；所述的第二輸氣管路包含通過管道連接的第二品質流量控制器和第二輸氣閥，其中，第二品質流量控制器的出
氣端與所述的第二輸氣閥的進氣端，所述的第二品質流量控制器的進氣端連接蝕刻步驟中的氣體源，所述的第二輸氣閥的出氣端與所述的第一輸氣閥的出氣端合併後通過輸氣管道將蝕刻步驟中的氣體輸送至所述等離子體製程腔。
所述的抽氣管路包含排氣泵，在所述等離子體製程腔的底部設置有排氣通道，使用排氣泵能夠將等離子體製程腔內的沉積步驟結束後的氣體和蝕刻步驟結束後的氣體經由這些排氣通道抽出，所述的排氣泵的出氣端通過第一支路連接至第一輸氣閥的進氣端，通過第二支路連接至第二輸氣閥的進氣端，並且，在第一支路上設置有第一抽氣閥，在第二支路上設置有第二抽氣閥。
所述的第一輸氣閥、第二輸氣閥、第一抽氣閥及第二抽氣閥均為ALD氣動閥。
所述檢測模組中的檢測單元包括等離子體光譜檢測儀，所述等離子體製程腔的側壁上具有一個石英窗，所述等離子體光譜檢測儀透過所述石英窗檢測輸送進製程腔內氣體的特徵值，其中，所述特徵值為進入所述等離子體製程腔內所述氣體的特徵譜中特徵峰的強度。
一種等離子體蝕刻製程的處理方法，應用於上述的處理裝置中，其包括相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程，其特點是，所述沉積和蝕刻製程子過程具體包括如下步驟：在所述沉積製程子過程中：
步驟S102：所述時間控制模組控制開啟所述第一輸氣管路輸入在所述沉積製程子過程中所需氣體，同時關閉所述第二輸氣管路及第一支路；步驟S104：所述檢測模組的檢測單元檢測在所述等離子體製程腔內的氣體的濃度所形成的特徵值；步驟S106：所述切換單元，根據所述特徵值判斷進入等離子體製程腔內氣體種類和濃度，當所述特徵值達到預定的閾值時，切換所述偏壓電源輸出所述沉積製程子過程的偏壓功率；以及在所述蝕刻製程子過程中：步驟S202：所述時間控制模組控制開啟所述第二輸氣管路輸入在所述蝕刻製程子過程中所需氣體，同時關閉所述第一輸氣管路及第二支路；步驟S204：所述檢測模組的檢測單元檢測在所述等離子體製程腔內氣體濃度所形成的特徵值；步驟S206：所述切換單元，根據所述特徵值判斷進入等離子體製程腔內氣體種類和濃度，當所述特徵值達到預定的閾值時，切換所述偏壓電源輸出所述蝕刻製程子過程的偏壓功率；其中，所述沉積和蝕刻製程子過程的時間長度小於0.5秒。
所述的特徵值為進入所述製程腔內所述氣體的特徵譜中的特徵峰的強度。
所述沉積製程子過程氣體包括含碳氟氣體，所述蝕刻製程子過程氣體包括含氟氣體。
所述的特徵值為輸入氣體的等離子體光譜的特徵譜中特徵峰的強度。
所述得蝕刻製程為矽通孔蝕刻製程。
所述的矽通孔製程為博世製程。
所述的沉積製程子過程的偏壓功率為第一功率，所述蝕刻製程子過程的偏壓功率為第二功率，且第二功率大於第一功率。
本發明一種等離子體蝕刻製程的處理裝置及方法與習知技術相比具有以下優點：本發明將氣體輸送和偏壓功率切換分別由時間控制模組和檢測模組控制，通過檢測模組監控通入等離子體製程腔內氣體的變化狀態，即氣體的種類和濃度，可以更加精確的控制偏壓功率切換時間，從而克服了氣體輸送和偏壓功率切換的延遲時間不同所造成的不同步現象，提高了整個製程的穩定性和控制性，得到更小的傾斜角度；通過開關第一輸氣閥和第一抽氣閥，實現輸送C4F8氣體；通過開關第二輸氣閥和第二抽氣閥，實現輸送SF6氣體；第一輸氣閥、第一抽氣閥、第二輸氣閥、第二抽氣閥均為回應速度只有5ms的ALD氣動閥，同時，增加抽氣管路抽走用過的反應氣體及副產品氣體，減少SF6和C4F8的切換速度，保證短時間內管路和等離子體製程腔內的氣體流量就達到預設的閾值。
1‧‧‧反應腔
10‧‧‧等離子體製程腔
11‧‧‧處理腔體
12‧‧‧上電極
13‧‧‧基座
131‧‧‧靜電夾盤
132‧‧‧下電極
14‧‧‧第一輸氣管路
140‧‧‧輸氣管道
141‧‧‧第一品質流量控制器
142、142’‧‧‧第一輸氣閥
143‧‧‧C4F8氣體源
15‧‧‧第二輸氣管路
151‧‧‧第二品質流量控制器
152、152’‧‧‧第二輸氣閥
153‧‧‧SF6氣體源
16‧‧‧抽氣管路
161‧‧‧排氣泵
162‧‧‧第一支路
1621‧‧‧第一抽氣閥
163‧‧‧第二支路
1631‧‧‧第二抽氣閥
17‧‧‧偏壓電源
18‧‧‧等離子體光譜檢測儀
W‧‧‧基片
P‧‧‧處理區域
S102~S206‧‧‧步驟
圖1為習知技術中的一個等離子體製程腔的結構示意圖，其使用是根據習知技術中的的補償方法；
圖2為Bosch製程中氣體輸送和偏壓功率切換的不同步示意圖；圖3為本發明的一個較佳實施例的等離子體處理腔的示意圖，其使用是根據本發明的一個較佳實施例的補償方法；圖4為本發明的上述較佳實施例補償迴圈等離子體蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率切換不同步的方法的流程示意圖。
圖5為本發明的實施例效果圖；圖6為習知技術中開關MFC的回應速度為0.5S的情況下的氣體流量示意圖；圖7為本發明中開關MFC的回應速度為0.3S的情況下的氣體流量示意圖。
體現本發明特徵與優點的實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當做說明之用，而非用以限制本發明。
通常情況下，蝕刻製程包括兩個相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程，本發明的等離子體蝕刻製程的處理裝置，用於補償迴圈蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率切換不同步的問題，該裝置包含等離子製程腔和製程條件輔助單元。在本發明中，等離子製程腔可以採用任何種類的，不做任何限定。
圖3為本實施例中的一個等離子體製程腔的結構示意圖。圖3與圖1相比，在處理腔體11的底部設置有排氣通道，用以在處理過程中將用過的反應氣體及副產品氣體抽出等離子體製程腔10，還設有抽氣管路16，抽氣管路16上設有排氣泵161，使用排氣泵161能夠將處理腔體11內用過的反應氣體及副產品氣體抽出等離子體製程腔10，所述的排氣泵161的出氣端通過第一支路162連接至第一輸氣閥142’的進氣端，通過第二支路163連接至第二輸氣閥152’的進氣端，並且，在第一支路162上設置有第一抽氣閥1621，在第二支路163上設置有第二抽氣閥1631；檢測模組中的檢測單元包括等離子體光譜檢測儀18(OES)，處理腔體11的側壁上具有一個石英窗，所述等離子體光譜檢測儀18透過所述石英窗檢測輸送進等離子體製程腔10內氣體的特徵值，其中，所述特徵值為進入所述等離子體製程腔10內所述氣體的特徵譜中特徵峰的強度。
在本實施例中，檢測模組的檢測單元可以是等離子體光譜檢測儀18，本實施例中以等離子體檢測儀18進行解釋說明，這不用於限制本發明的範圍。反應氣體包括沉積製程子過程中的氣體和蝕刻製程子過程中的氣體。通常情況下，沉積製程子過程氣體包括含碳氟氣體，蝕刻製程子過程氣體包括含氟氣體。在本實施例中，含碳氟氣體為C4F8，含氟氣體為SF6。
本發明與習知技術相比，在製程條件輔助單元中將第一輸氣閥142’、第二輸氣閥152’由普通氣動閥替換為ALD氣動閥，ALD氣動閥的回應速度只有5ms；增加抽氣管路16及等離子體光譜檢測儀18；抽氣管
路16中的第一抽氣閥1621及第二抽氣閥1631均為ALD氣動閥；第一輸氣管路14和第二輸氣管路15的位置不做限定。
上述圖3所示為本實施例中的等離子體蝕刻裝置示意圖，僅為解釋本實施例，不用於限制本發明的範圍。
現結合附圖3~5，通過具體實施例對本發明的補償蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率切換不同步的等離子體蝕刻裝置的輔助單元和方法作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均採用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、明晰地達到輔助說明本發明實施例的目的。
本發明中，採用的蝕刻製程可以但不限於是矽通孔蝕刻製程，採用的蝕刻矽通孔的方法可以但不限於是博世製程。本實施例中，採用博世製程用以進一步詳細解釋說明本發明，其它不一一贅述。
本實施例的博世製程中，採用的偏壓電源為射頻電源為例進行解釋說明，包括沉積和蝕刻製程兩個製程子過程，但這不用於限制本發明的範圍。
沉積製程子過程中所需的製程氣體和蝕刻製程子過程中所需的製程氣體分別從C4F8氣體源143和SF6氣體源153中被輸入至處理腔體11內。在本實施例中，第一輸氣管路14用於向處理腔體11內輸送沉積製程子過程中的氣體；第二輸氣管路15用於向處理腔體11內輸送蝕刻製程子過程中的氣體。
偏壓電源用於提供沉積製程子過程中的偏壓功率或提供蝕刻製程子過程中的偏壓功率。本發明實施例中，偏壓電源17可以是射頻
電源，本實施例中，以射頻電源為例進行解釋說明，但這不用於限制本發明的範圍。
如圖3所示，射頻電源(偏壓電源)17可以施加在上電極12與下電極132上，用以將射頻電源(偏壓電源)17，從而在處理腔體11內部產生大的電場。眾所周知，大多數電場線被包含在上電極12和下電極132之間的處理區域P內，此電場對少量存在於處理腔體11內部的電子進行加速，使之與輸入的反應氣體的氣體分子碰撞。這些碰撞導致反應氣體的離子化和等離子體的激發，從而在處理腔體11內產生等離子體。反應氣體的中性氣體分子在經受這些強電場時失去了電子，留下帶正電的離子。帶正電的離子向著下電極方向加速，與被處理的基片中的中性物質結合，激發基片加工，即蝕刻、沉積製程子過程等。
其中，沉積或蝕刻製程子過程的時間是不同的，且沉積或蝕刻製程子過程中所輸入的氣體也是不同的，時間控制模組用於控制沉積或蝕刻製程子過程的時間切換，並且，在時間切換的同時，進行第一輸氣管路14、第二輸氣管路15、抽氣管路16的啟閉切換。也就是說，當時間控制模組控制從沉積製程子過程轉換到蝕刻製程子過程轉換的同時，關閉了第一輸氣管路14、第二支路163，停止輸入沉積製程子過程中所輸入的氣體，開啟了第二輸氣管路15，向處理腔體11內部輸入蝕刻製程子過程中所輸入的氣體；在本實施例中，第一輸氣管路14、第二輸氣管路15啟閉切換的時間間隔為0.3s。
在通常情況下，由於沉積製程子過程中的偏壓功率或提供所述蝕刻製程子過程中的偏壓功率是不同的，在本實施例中，沉積製程子
過程的射頻電源(偏壓電源)17提供的功率可以為50W，蝕刻製程子過程的射頻電源(偏壓電源)17提供的射頻功率可以為100W。
時間控制模組也控制了沉積製程子過程中的偏壓功率或提供所述蝕刻製程子過程中的偏壓功率的切換。如先前技術中所述，時間控制模組受控於終點檢測手段，由於氣體輸入存在延遲，而且射頻功率的延遲時間小於氣體輸入的延遲時間，氣體進入到等離子腔中的濃度，不可能在開始就達到所要求的值，如果這時候施加了滿足要求的偏壓功率，不能很好地形成所需的等離子體，導致沉積或蝕刻製程子過程的製程品質和穩定性下降。
為了很好地解決上述問題，在本發明的實施例中，增加了檢測模組，該模組包括檢測單元和切換單元，檢測單元用於檢測在沉積步驟或蝕刻製程子過程中進入所述處理腔體11內部氣體所形成的等離子體光譜的特徵值；切換單元通過所述特徵值判斷沉積或蝕刻製程子過程中進入處理腔體11內部氣體種類和濃度，並根據氣體種類和濃度，切換所述偏壓電源17輸出滿足所述沉積或蝕刻製程子過程的偏壓功率。在本發明中，任何一種可以檢測出輸入處理腔體11內部氣體的種類和濃度的檢測設備，均可適用於本發明，在本實施例中，採用了等離子體光譜檢測技術。
等離子體光譜檢測技術原理是利用檢測等離子體中某種反應性化學基團或揮發性基團所發射波長的光強的變化，來實現氣體性能的檢測，例如，氣體的種類和濃度。等離子體中的原子或分子被電子激
發到激發態後，在返回到另一個能態時，不同原子或分子所激發的光波波長各不相同。
等離子體光譜檢測儀通常包含上千個CCD單元的線性陣列，在等離子體光譜檢測儀內，經光電轉換、電信號的A/D轉換及複雜的數位信號處理後得到資料，再將這些資料送到相應的應用軟體處理後就可即時觀測等離子體變化的等離子體光譜譜圖，等離子體光譜譜圖中的光線強度等特徵值的變化能反應出等離子體中原子或分子濃度的變化。
在實際使用中，等離子體製程腔10的側壁上可以具有一個石英窗，等離子體光譜檢測儀18可以包括一台等離子光譜發射儀，其放置於等離子體製程腔10外，透過所述石英窗檢測輸送進處理腔體11內部氣體的特徵值，其中，特徵值為特徵譜中特徵峰的強度。需要說明的是，如果本實施例中終點檢測手段採用的是等離子體光譜檢測技術，那麼，本實施例中的檢測模組中的檢測單元可以合併採用終點檢測手段中的等離子光譜發射儀，所不同的是，後續處理等離子體光譜譜圖中的資料方式不同，產生的觸發信號和方式不同。
以下結合附圖4，對本發明的本實施例的補償迴圈蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率切換不同步的補償方法做詳細說明。
首先，在博世製程開始時，可以但不限於先進行沉積製程子過程。沉積製程子過程中時間控制模組控制氣體的輸送，檢測模組控制沉積過程的射頻功率，此時的氣體可以但不限於是C4F8。
步驟S102：時間控制模組發出信號，第一輸氣管路14打開，同時第二輸氣管路15、第一支路162關閉，C4F8氣體進入處理腔體11內；即打開第一輸氣閥142’，關閉第二輸氣閥152’、第一抽氣閥1621。
步驟S104：檢測模組的檢測單元檢測處理腔體11內部氣體濃度所形成的特徵值，本發明中的特徵值可以輸入氣體的特徵峰的強度等，根據特徵值的峰值強度，可以判斷出輸入氣體的種類和濃度。在本實施例中該特徵值為輸入氣體的等離子體光譜的特徵峰的強度。
步驟S106：當判斷氣體的特徵譜中的特徵值達到預定的閾值時，例如，處理腔體11內部C4F8氣體的濃度達到了80%，切換單元控制射頻電源(偏壓電源)17，改變射頻功率為沉積製程子過程的射頻功率。在本實施例中當切換單元判斷等離子體光譜的特徵譜中顯示的特徵峰強度達到預定閾值時，將通過控制射頻電源(偏壓電源)17來改變射頻功率為沉積過程的射頻功率；需要說明的是，這裡的預定閾值根據實際製程中氣體達到等離子體製程腔10內時等離子體光譜的特徵譜線的強度(即氣體濃度達到了預定的閾值)，本實施例的沉積製程子過程中，選用F的703nm的特徵譜線。
本實施例中，沉積製程子過程的射頻功率可以但不限於為50W，射頻功率變為沉積製程子過程的射頻功率後，氣體中的等離子體的穩定時間可以但不限於為0.2-0.4秒，這不用於限制本發明的範圍。
然後，可以但不限於進行蝕刻製程子過程。蝕刻製程子過程中時間控制模組控制氣體的輸送，檢測模組控制蝕刻製程子過程的射頻功率切換，此時的氣體可以但不限於是SF6。
步驟S202：時間控制模組分別向沉積製程子過程和蝕刻製程子過程的第一輸氣管路14、第二輸氣管路15、抽氣管路16發出信號，然後沉積過程的第一輸氣管路14關閉，第一支路162打開，而蝕刻過程的第二輸氣管路15打開，第二支路163關閉，此時，SF6氣體進入處理腔體11內部；即打開第二輸氣閥152’、第一抽氣閥1621，關閉第一輸氣閥142’、第二抽氣閥1631。
步驟S204：檢測模組的等離子體光譜檢測儀監控等離子體製程腔10內氣體濃度所形成的特徵值，本發明中的特徵值可以是輸入氣體的特徵峰的強度等。在本實施例中該特徵值為輸入氣體的等離子體光譜的特徵峰的強度，這樣就可以通過檢測氣體的特徵值來判斷處理腔體11內部氣體的種類和濃度。
步驟S206：當判斷氣體的特徵譜中的特徵值達到預定的閾值時，例如，處理腔體11內部SF6的濃度達到了80%，切換單元控制射頻電源(偏壓電源)17，改變射頻功率為蝕刻製程子過程的射頻功率；其中，所述沉積和蝕刻製程子過程的時間長度小於0.5秒。
在本實施例中當切換單元判斷等離子體光譜的特徵譜中顯示的特徵峰強度達到預定閾值時，將通過控制射頻電源來改變射頻功率為蝕刻過程的射頻功率。需要說明的是，這裡的預定閾值根據實際製程中氣體達到等離子製程腔10內時等離子體光譜的特徵譜線的強度(即氣體濃度達到了預定的閾值)，本實施例的沉積製程子過程中，選用F的703nm的特徵譜線。
本實施例中，蝕刻製程子過程的射頻功率可以但不限於為100W，射頻功率變為蝕刻製程子過程的射頻功率後，氣體中的等離子體的穩定時間可以但不限於為0.2-0.4秒，這不用於限制本發明的範圍。
本實施例中，如圖5所示，使用OES檢測等離子體製程腔10內的等離子成分，當採集到F的光譜強度時，打開100w的射頻功率，當採集到CF2的光譜強度時，打開50w的射頻功率。F主要由SF6提供，參與蝕刻過程，CF2由C4F8提供，參與沉積過程；這樣可以完全匹配等離子成分和射頻功率，間隔0.3s，CF2和F交替出現，從而進一步改善高深寬比特徵的傾斜角度。
為了更好的說明本發明的效果，請參閱圖6和圖7，圖6顯示了在習知技術中開關MFC的相應速度為0.5S的情況下，142中的氣流從零逐漸增加到最大值需要0.5S，隨後第一輸氣閥142串聯的MFC關閉，同時第二輸氣閥152中氣流開始增加有0.1s時間是兩種氣流混合的，這還是開關時間在0.5S情況下的示意圖，有20%的時間是兩種氣體混合供應的。如果要達到0.3S的氣體切換時間則MFC中流出的氣體還沒達到最大值就已經需要關閉了，而且1/3的開通時間裡是兩種氣體混合進入處理腔體11內的。這時候本發明如果要用反應氣體的光譜來確定進入反應腔的具體成分就變成很困難，因為有大量時間(1/3)沒法確定處理腔體11內所進行的製程，也就沒法施加合適的偏壓功率到處理腔體內。再如圖7所示，本發明中的第一輸氣閥142’因為採用了ALD氣動閥門，切換時間降低到5ms，相對0.3s的反應時間來說基本可以忽略不計其所占的比例，所以本
發明才能夠實現利用通入反應腔內的氣體光譜來確定當前在進行的反應。
在本實施例中，依此反復進行上述沉積和蝕刻製程子過程，直至形成矽通孔。但這不用於限制本發明的範圍。
綜上所述，本發明提供的補償蝕刻製程中氣體輸送和偏壓功率不同步的等離子體蝕刻製程的處理裝置及蝕刻方法，利用檢測模組控制偏壓功率的改變，時間控制模組控制氣體的輸送，從而促進了氣體輸送和偏壓功率切換達到同步，提高了整個製程的穩定性和可控性。
以上所述的僅為本發明的實施例，所述實施例並非用以限制本發明的專利保護範圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護範圍內。
Claims (12)
- 一種等離子體蝕刻製程的處理裝置，所述蝕刻製程包括兩個相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程，該處理裝置包含一等離子體製程腔和一製程條件輔助單元，其中，該製程條件輔助單元包括：一第一輸氣管路，配置以向該等離子體製程腔輸送沉積步驟中的氣體；一第二輸氣管路，配置以向該等離子體製程腔輸送蝕刻步驟中的氣體；一抽氣管路，配置以抽取該等離子體製程腔內的沉積步驟結束後的氣體和蝕刻步驟結束後的氣體，並通過第一支路連接至該第一輸氣管路，通過第二支路連接至該第二輸氣管路；一偏壓電源，配置以提供所述沉積製程子過程中的偏壓功率或提供所述蝕刻製程子過程中的偏壓功率；一時間控制模組，配置以控制所述沉積或蝕刻製程子過程的時間，以及該第一輸氣管路、該第二輸氣管路、該抽氣管路的啟閉切換，其中，蝕刻和沉積製程子過程的時間長度小於0.5秒；一檢測模組，包括：一檢測單元，配置以檢測在所述沉積步驟或蝕刻製程子過程中進入該等離子體製程腔內氣體濃度所形成的一特徵值；一切換單元，通過該特徵值判斷所述沉積或蝕刻製程子過程中進入該等離子體製程腔內氣體種類和濃度，並根據氣體種類和濃度，切換該偏壓電源輸出滿足所述沉積或蝕刻製程子過程的偏壓功率。
- 如申請專利範圍第1項所述的處理裝置，其中，該第一輸氣管路包含通過管道連接的一第一品質流量控制器和一第一輸氣閥，其中，該第一品質流量控制器的出氣端與該第一輸氣閥的進氣端連接，該第一品質流量控制器的進氣端連接沉積步驟中的氣體源，該第一輸氣閥的出氣端通過輸氣管道將沉積步驟中的氣體輸送至所述等離子體製程腔；該第二輸氣管路包含通過管道連接的一第二品質流量控制器和一第二輸氣閥，其中，該第二品質流量控制器的出氣端與該第二輸氣閥的進氣端連接，該第二品質流量控制器的進氣端連接蝕刻步驟中的氣體源，該第二輸氣閥的出氣端與該第一輸氣閥的出氣端合併後通過輸氣管道將蝕刻步驟中的氣體輸送至該等離子體製程腔。
- 如申請專利範圍第2項所述的處理裝置，其中，該抽氣管路包含一排氣泵，在該等離子體製程腔的底部設置有排氣通道，使用該排氣泵能夠將該等離子體製程腔內的沉積步驟結束後的氣體和蝕刻步驟結束後的氣體經由這些排氣通道抽出，該排氣泵的出氣端通過第一支路連接至該第一輸氣閥的進氣端，通過第二支路連接至該第二輸氣閥的進氣端，並且，在第一支路上設置有一第一抽氣閥，在第二支路上設置有一第二抽氣閥。
- 如申請專利範圍第3項所述的處理裝置，其中，該第一輸氣閥、該第二輸氣閥、該第一抽氣閥及該第二抽氣閥均為ALD氣動閥。
- 如申請專利範圍第1項所述的處理裝置，其中，該檢測模組中的檢測單元包括等離子體光譜檢測儀，該等離子體製程腔的側壁上具有一個石英窗，所述等離子體光譜檢測儀透過所述石英窗檢測輸送進該等離子體製程腔內氣體的該特徵值，其中，該特徵值為進入該等離子體製程腔內所述氣體的該特徵譜中特徵峰的強度。
- 一種等離子體蝕刻製程的處理方法，應用於申請專利範圍第1至5項中任意一項所述的處理裝置中，其包括相互交替迴圈執行的沉積和蝕刻製程子過程，其中，所述沉積和蝕刻製程子過程具體包括如下步驟：在所述沉積製程子過程中：步驟S102：該時間控制模組控制開啟該第一輸氣管路輸入在所述沉積製程子過程中所需氣體，同時關閉該第二輸氣管路及第一支路；步驟S104：該檢測模組的該檢測單元檢測在該等離子體製程腔內的氣體的濃度所形成的該特徵值；步驟S106：該切換單元，根據該特徵值判斷進入等離子體製程腔內氣體種類和濃度，當該特徵值達到預定的閾值時，切換該偏壓電源輸出所述沉積製程子過程的偏壓功率；以及在所述蝕刻製程子過程中：步驟S202：該時間控制模組控制開啟該第二輸氣管路輸入在所述蝕刻製程子過程中所需氣體，同時關閉該第一輸氣管路及第二支路；步驟S204：該檢測模組的該檢測單元檢測在該等離子體製程腔內氣體濃度所形成的該特徵值；步驟S206：該切換單元，根據該特徵值判斷進入該等離子體製程腔內氣體種類和濃度，當該特徵值達到預定的閾值時，切換該偏壓電源輸出所述蝕刻製程子過程的偏壓功率；其中，所述沉積和蝕刻製程子過程的時間長度小於0.5秒。
- 如申請專利範圍第6項所述的處理方法，其中，該特徵值為進入該等離子體製程腔內所述氣體的特徵譜中的特徵峰的強度。
- 如申請專利範圍第6項所述的處理方法，其中，所述沉積製程子過程氣體包括含碳氟氣體，所述蝕刻製程子過程氣體包括含氟氣體。
- 如申請專利範圍第6項所述的處理方法，其中，該特徵值為輸入氣體的等離子體光譜的特徵譜中特徵峰的強度。
- 如申請專利範圍第6項所述的處理方法，其中，所述的蝕刻製程為矽通孔蝕刻製程。
- 如申請專利範圍第10項所述的處理方法，其中，所述的矽通孔製程為博世製程。
- 如申請專利範圍第6項所述的處理方法，其中，所述的沉積製程子過程的偏壓功率為第一功率，所述蝕刻製程子過程的偏壓功率為第二功率，且第二功率大於第一功率。
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