CN106876238B - 监测等离子体工艺制程的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种监测工艺制程的等离子体处理装置，包括一处理基片的等离子体反应腔及监测基片处理制程的一监测装置，所述监测装置包括一入射光源，用于向等离子体处理装置内的基片表面发射脉冲光信号；一光谱仪，用于接收等离子体处理装置内发出的光信号，其工作模式为脉冲模式；所述入射光源与所述光谱仪之间设置一同步控制系统，所述同步控制系统控制所述入射光源的时钟信号和所述光谱仪的时钟信号具有相同的上升沿。本发明在光谱仪中直接进行减法运算可以大大降低计算机系统的运算负载，同时避免计算机系统的运算周期与入射光源的工作周期无法一致（或同步）造成的计算不准确的问题。

Description

监测等离子体工艺制程的装置和方法

技术领域

本发明涉及等离子体工艺处理技术领域，尤其涉及一种对等离子体处理制程进行监测的技术领域。

背景技术

等离子体处理技术广泛应用于半导体制作工艺中。在对半导体基片进行沉积或刻蚀过程中，需要对工艺制程进行密切监控，以确保沉积工艺或刻蚀工艺结果得到良好控制。目前常用的一种刻蚀工艺控制方法为光学发射光谱法（OES）。等离子体中的原子或分子被电子激发到激发态后，在返回到另一个能态过程中会发射出特定波长的光线。不同原子或者分子所激发的光波的波长各不相同，而光波的光强变化反映出等离子体中原子或者分子浓度变化。OES是将能够反映等离子刻蚀过程变化的、与等离子体化学组成密切相关的物质的等离子体的特征谱线（OES特征谱线）提取出来，通过实时检测其特征谱线信号强度的变化，来提供等离子体刻蚀工艺中的反应情况的信息，这种方法的局限在于只能监测到薄膜刻蚀完成后的状态，只有当一种被刻蚀的目标层刻蚀完毕，等离子体刻蚀到下一层目标层时，对应的等离子体的特征谱线才会有明显变化，因此该方法只能用于刻蚀工艺的终点监测。

随着集成电路中的器件集成密度及复杂度的不断增加，对半导体工艺过程的严格控制就显得尤为重要。对于亚深微米的多晶硅栅刻蚀工艺而言，由于栅氧层的厚度已经变得非常的薄，如何精确控制等离子体刻蚀过程是人们面临的一个技术上的挑战。目前半导体工业上所使用的高密度等离子体刻蚀机，如电感耦合等离子体(ICP)源，电容耦合等离子体(CCP)源，以及电子自旋共振等离子体(ECR)源等。其所产生的等离子体具有较高的刻蚀速率，如果工艺控制不合理，出现的过度刻蚀很容易会造成下一层材料的损伤，进而造成器件的失效。因此必须对刻蚀过程中的一些参数，如刻蚀用的化学气体、刻蚀时间、刻蚀速率及刻蚀选择比等参数进行严格控制。此外，刻蚀机状态的细微改变，如反应腔体内气体流量、温度、气体的回流状态、或是批与批之间晶片之间的差异，都会影响到对刻蚀参数的控制。因而必须监控刻蚀过程中各种参数的变化情况，以确保刻蚀过程中刻蚀的一致性。而干涉终点法（IEP）就是为了实现对刻蚀过程进行实时监控而设计的。

干涉终点法（IEP）为入射一光信号至半导体基片表面，入射光信号经半导体基片发射后携带了基片薄膜厚度变化的信息，通过对反射后的光信号波长进行测量，并根据测量结果进行分析计算，可以得出实际的刻蚀速率，实现实时监控基片薄膜的刻蚀过程。但是在对光谱监测过程中，等离子体中的原子或分子被电子激发到激发态后会发射的特定波长的光信号一直存在，且强度较大，有时甚至等离子体发出的光信号强度会超过入射光信号强度，干扰对反射后的入射光信号的读取使得测量入射光信号变得困难。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种监测工艺制程的等离子体处理装置，包括一处理基片的等离子体反应腔及监测基片处理制程的一监测装置，所述监测装置包括一入射光源，用于向等离子体处理装置内的基片表面发射脉冲光信号；还包括一光谱仪，用于接收等离子体处理装置内发出的光信号，其工作模式选为脉冲模式；所述入射光源与所述光谱仪之间设置一同步控制系统，所述同步控制系统控制所述入射光源的时钟信号和所述光谱仪的时钟信号具有相同的上升沿。

优选的，在一个脉冲周期内，所述光谱仪工作的时间大于所述入射光源工作的时间。

优选的，所述入射光源为LED光源或激光光源。

优选的，所述入射光源为单波长光源。

优选的，所述光谱仪用于显示等离子体处理装置内光信号的波长和强度。

优选的，所述光谱仪为CCD图像控制器。

本发明的另一目的在于提供一种监测等离子体处理工艺的方法，所述方法包括如下步骤：将基片放置在一等离子体处理装置内，对所述基片进行等离子体工艺处理；向所述基片发射一脉冲式入射光信号，所述入射光信号在基片上发生反射；用一光谱仪接收基片表面的反射光信号，所述光谱仪为脉冲式工作模式；所述入射光信号和所述光谱仪具有相同的脉冲时钟上升沿；所述光谱仪在所述入射光源打开时接收基片表面的反射光信号和等离子体发出的背景光信号，在入射光源关闭时只接收等离子体发出的背景光信号；所述的光谱仪内进行减法运算，将在所述入射光源打开时接收到的基片表面的反射光信号和等离子体发出的背景光信号减去入射光源关闭时等离子体发出的背景光信号，得到除去背景光信号的反射光信号；利用减法运算后得到的反射光信号信息计算等离子体处理工艺的速率，进而实现对工艺进程的监测。

进一步的，在一个脉冲周期内，所述光谱仪工作的时间大于所述入射光源工作的时间。

进一步的，所述减法运算后得到的反射光信号信息至少包括所述反射光信号波长。

进一步的，所述入射光源发出的入射光信号为单波长光信号。

进一步的，所述光谱仪与一计算机系统相连，并将所述减法运算的结果发送给所述计算机系统。

本发明所提供的监测工艺制程的等离子体处理装置及方法具有诸多优点，本发明设置光谱仪的工作状态为脉冲模式，并且通过一同步控制系统控制光谱仪与入射光源具有相同的脉冲时钟上升沿。光谱仪接收入射光源在工作和关闭两种状态下的光信息后直接进行减法运算并将运算结果发送给计算机系统中进行后续计算。相比于光谱仪将测量结果直接发送给计算机系统让计算机系统进行减法运算，本发明在光谱仪中直接进行减法运算可以大大降低计算机系统的运算负载，同时避免计算机系统的运算周期与入射光源的工作周期无法一致造成的计算不准确的问题。本发明适合入射光源在各种频率的脉冲模式，特别的，当入射光源的开关频率较大时，本发明的效果尤为显著。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施方式所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出一种设置干涉终点监测装置的等离子体处理装置结构示意图；

图2示出入射光源和光谱仪的工作脉冲信号曲线图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

图1示出一种设置干涉终点监测装置的等离子体处理装置结构示意图。图1中，等离子体处理装置100内部放置半导体基片10，等离子体处理装置100内部通入的反应气体在施加到等离子体处理装置100的射频功率的作用下解离成等离子体，所述等离子体对基片10进行刻蚀。基片10上通常包括若干层待刻蚀薄膜，刻蚀不同的薄膜需要用到不同的反应气体和刻蚀工艺参数。等离子体在刻蚀不同薄膜过程中反应产物会发出不同波长的光信号，这些光信号作为背景光信号，在刻蚀过程一直持续存在。

在本发明公开的干涉终点法（IEP）监测等离子体处理过程的装置及方法中，一干涉终点监测装置设置用于对等离子体处理装置100进行终点监测。所述干涉终点监测装置包括一入射光源101及一光谱仪102，一光信号出入口103设置在等离子体处理装置100的顶壁上，用以允许入射光源101发射的光信号进入等离子体处理装置入射到基片表面，并允许反射后的光信号进入设置在等离子体处理装置100外的光谱仪102。入射光源101通常选择单波长光源，以方便光谱仪102接收反射回的光信号进行测量计算，具体工作原理为：入射光源101发射单波长入射光信号至被刻蚀薄膜表面后，薄膜上表面反射的光线与穿透该薄膜后被下层材料反射的光线相互干涉。由于薄膜厚度决定了相互干涉的两条光的光程差，不同的光程差又会形成交替相间的干涉条纹。因此，随着刻蚀工艺的进行，薄膜不断被刻蚀减薄，在Δd满足下列公式的条件下，可以得到干涉加强：

Δd=λ/2n

式中，λ为入射光信号的波长，n为薄膜材料的折射率，Δd为被监测薄膜厚度的变化，每出现一个Δd变化，则会在光谱仪102上示出一个光强的最大值。这样随着薄膜厚度的不断减薄，会形成诸多的正弦波状的信号曲线。在已知入射光信号波长和折射率的前提下，可以计算得出被监测薄膜的厚度变化Δd，根据光谱仪接收到的正弦波信号曲线，可以得出出现一个干涉加强的周期，利用该监测薄膜厚度的变化Δd及产生该厚度变化的一个周期即可以计算出刻蚀工艺中实际的刻蚀速率。在刻蚀薄膜总体厚度已知的前提下可以计算出到达刻蚀终点需要的时间。

在监测过程中，由于反应腔内等离子体发出的背景光信号强度较大，有时甚至光强会超过入射光源入射到基片薄膜上的光信号强度，造成光谱仪读取基片薄膜反射的光信号不准确，为了避免光谱仪在接收基片薄膜反射光信号时受到等离子体发出的背景光信号的影响，保证光谱仪能够准确读取入射光信号，本发明选择设置入射光源101为脉冲模式，即设置入射光源发出的光信号为开-关-开-关的模式。当入射光源为开时，有光信号入射到基片表面，此时，光谱仪探测到的光信号为入射光源101在基片薄膜上发生反射后的光信号和等离子体自身发射的背景光信号之和，当入射光源为关时，没有入射光入射到基片表面，此时，光谱仪探测到的光信号仅为等离子体发出的背景光信号。光谱仪102分别将入射光源101在开和关两种状态下接收到的光信号输送到与之相连接的计算机软件系统，通过在计算机软件系统内将入射光源开的状态下光谱仪接收到的光信号之和减去入射光源关闭状态下光谱仪接收到的等离子体发出的背景光信号即可得到入射光源101在基片薄膜上发生反射后的光信号。通过设置入射光源的开-关-开-关脉冲模式，可以去除背景光信号，只留下对监测刻蚀工艺有用的基片薄膜上反射的光信号，通过对该反射光信号的波长进行读取并按照上文描述的公式计算，即可得到等离子体处理装置内部基片薄膜的实际刻蚀速率，从而准确监控基片薄膜的刻蚀工艺进程。

当入射光源101的脉冲频率较小时，每个周期入射光信号开和关的状态持续时间较长，此时，计算机软件系统在执行将入射光源在开和关两种状态下的减法运算时尚可以承受，然而，随着半导体加工技术朝着精密化方向飞速发展，为了提高对等离子体刻蚀工艺的监控，入射光源101的脉冲频率逐渐变大，即每个周期入射光信号开和关的状态持续时间逐渐减小，这会大大增加计算机系统的工作量，导致计算机软件系统的运算负载难以承受。

除此之外，由于入射光源101脉冲周期和光谱仪102输送到计算机中的光信号脉冲周期并非一个同步时钟，因此，随着入射光源的脉冲频率不断提高，两个时钟之间较小的差异也会导致计算结果的偏差较大。为了解决上述问题，本发明设置光谱仪102接收光信号的模式也为脉冲模式，并在入射光源101和光谱仪102之间设置一同步控制系统105。光谱仪102设置为开-关-开-关的脉冲模式，意味着光谱仪102只在开模式下接收等离子体处理装置内的光信号，当光谱仪处于关模式时拒绝接收等离子体处理装置内的光信号。图2示出入射光源101和光谱仪102的脉冲信号图形及运算过程图形。图2中第一组曲线为入射光源发出的光信号的脉冲图形，第二组曲线为光谱仪102接收光信号的脉冲图形，由两组曲线可知，同步控制系统105向入射光源101和光谱仪102之间输送同一时钟信号，即每个周期入射光源101和光谱仪102打开的时刻相同，目的在于光谱仪能及时准确的接收入射光在基片薄膜上的反射光信息。由于光的传播速度很快，一旦入射光源101打开，向基片薄膜表面发射入射光信号，光谱仪就能接收到经基片薄膜反射回的光信号。入射光源101和光谱仪102在同一脉冲时钟的控制下，可以保证光谱仪102能完整接收一个周期内入射光在基片薄膜上发生的反射光信号，特别的，在入射光源脉冲频率较高的应用中，可以大大提高接收基片薄膜处反射光信号的准确性。图2中第二组曲线显示光谱仪102处于打开状态的时间长于入射光源处于打开状态的曲线，即，光谱仪102和入射光源101在每个周期内同时打开却不同时关闭。目的在于，光谱仪102需要在一个周期内既接收背景光信号与入射光源发出的光信号之和，又要接收入射光源关闭时等离子体发出的背景光信号。图2第三组曲线显示，每个脉冲周期内光谱仪102与入射光源101同时打开，在光谱仪102与入射光源101同时工作的过程中，光谱仪102接收入射光线在基片薄膜上的反射光信号及等离子体发出的背景光信号，在入射光源101关闭，光谱仪102继续工作过程中，光谱仪102只接收等离子体发出的背景光信号。因此，在同一个脉冲周期内，光谱仪接收到至少两组不同强度的光信号。为了避免背景光信号干扰光谱仪对反射光信号的测量，图2第4组曲线显示，光谱仪执行减法后得到的反射光信号曲线示意图。本发明中，光谱仪102内部可以执行一减法运算，该减法运算为光谱仪102工作时在入射光源打开时接收到的反射光信号和背景光信号之和减去入射光源关闭时接收到的背景光信号，得到的结果为消除了背景光信号干扰后的入射光信号在基片薄膜表面发生的发射光信号。由于该反射光信号只携带了基片薄膜厚度变化的信息，利用上文所述的原理，可以实现对基片薄膜刻蚀速率的准确计算和对刻蚀终点的实时监控。

本发明设置光谱仪102的工作状态为脉冲模式，并且通过一同步控制系统105为与入射光源101具有相同的脉冲时钟。光谱仪102接收入射光源101在工作和关闭两种状态下的光信息后直接进行减法运算并将运算结果发送给计算机系统中进行后续计算。相比于光谱仪将测量结果直接发送给计算机系统让计算机系统进行减法运算，本发明在光谱仪中直接进行减法运算可以大大降低计算机系统的运算负载，同时避免计算机系统的运算周期与入射光源的工作周期无法一致造成的计算不准确的问题。本发明适合入射光源在各种频率的脉冲模式，特别的，当入射光源的开关频率较大时，本发明的效果尤为显著。

由于等离子体发出的背景光信号光强较大，为了避免背景光信号对入射光信号的干扰，本发明的入射光源选择光强较大的LED光源或激光光源。为了计算方便，本发明的本发明的入射光源选择单波长光源。光谱仪102可以选择CCD（Charge-coupled Device）图像传感器，也可以选择其他能够测量光波长和光强度的光谱仪。

本发明所述的IEP除了可以监测刻蚀工艺外，还可以监测沉积工艺的过程，与刻蚀工艺不同的是，沉积工艺是一个薄膜厚度不断变大的过程，通过向沉积反应腔内投射一单波长光信号，利用校准后的光谱仪对反射后的光信号进行测量，得到准确的入射光波长，可以计算得出沉积工艺的沉积速率，当根据该准确的沉积速率及需要沉积的薄膜厚度可以准确得知沉积工艺的终点。

本发明虽然以较佳实施方式公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种监测工艺制程的等离子体处理装置，包括一处理基片的等离子体反应腔及监测基片处理制程的一监测装置，其特征在于，所述监测装置包括：一入射光源，用于向等离子体处理装置内的基片表面发射脉冲光信号，所述入射光源为LED光源或激光光源，所述入射光源为单波长光源；

一光谱仪，用于接收等离子体处理装置内发出的光信号，其工作模式设置为脉冲模式，所述光谱仪用于执行减法运算，所述减法运算为光谱仪工作时在入射光源打开时接收到的反射光信号和背景光信号之和减去入射光源关闭时接收到的背景光信号；

所述入射光源与所述光谱仪之间设置一同步控制系统，所述同步控制系统用于控制所述入射光源的脉冲时钟信号和所述光谱仪的脉冲时钟信号具有相同的上升沿，同一脉冲周期所述光谱仪的脉冲时钟信号的下降沿迟于所述入射光源的脉冲时钟信号的下降沿。

2.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，在一个脉冲周期内，所述光谱仪工作的时间大于所述入射光源工作的时间。

3.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述光谱仪用于显示等离子体处理装置内光信号的波长和强度。

4.如权利要求1所述的等离子体处理装置，其特征在于，所述光谱仪为CCD图像控制器。

5.一种监测等离子体处理工艺的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

将基片放置在一等离子体处理装置内，对所述基片进行等离子体工艺处理；

一入射光源，向所述基片发射一脉冲式入射光信号，所述入射光信号在基片上发生反射，所述入射光源发出的入射光信号为单波长光信号；

用一光谱仪接收基片表面的反射光信号，所述光谱仪为脉冲式工作模式；所述入射光信号和所述光谱仪具有相同的脉冲时钟上升沿，同一脉冲周期所述光谱仪的脉冲时钟信号的下降沿迟于所述入射光源的脉冲时钟信号的下降沿；

所述光谱仪在所述入射光源打开时接收基片表面的反射光信号和等离子体发出的背景光信号，在入射光源关闭时只接收等离子体发出的背景光信号；

所述的光谱仪内进行减法运算，将在所述入射光源打开时接收到的基片表面的反射光信号和等离子体发出的背景光信号减去入射光源关闭时等离子体发出的背景光信号，得到除去背景光信号的反射光信号；

利用减法运算后得到的反射光信号信息计算等离子体处理工艺的速率，进而实现对工艺进程的监测。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在一个脉冲周期内，所述光谱仪工作的时间大于所述入射光源工作的时间。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述减法运算后得到的反射光信号信息至少包括所述反射光信号波长。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述光谱仪与一计算机系统相连，并将所述减法运算的结果发送给所述计算机系统。

Images