[发明专利]等离子体处理工艺的终点检测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种等离子体处理工艺的终点检测装置及方法。

背景技术

近年来，随着半导体制造工艺的发展，对元件的集成度和性能要求越来越高，等离子体技术(Plasma Technology)在半导体制造领域中正起着举足轻重的作用。等离子体技术通过使工艺气体激发形成的等离子体被应用在许多半导体工艺中，如沉积工艺(如化学气相沉积)、刻蚀工艺(如干法刻蚀)等。对等离子体处理工艺来说，其准确度直接关系到元件的特征尺寸。随着半导体器件特征尺寸缩小，以及半导体制造过程中所用的等离子体处理工艺步骤的数量和复杂性的迅速增加，对等离子体处理工艺控制的要求变得更加严格，这就需要采用实时监控的手段来控制工艺过程的关键阶段。

以等离子体刻蚀工艺为例，在等离子体刻蚀过程中，一个关键的问题是当被刻蚀的介质层被刻蚀掉之后，应当及时停止等离子体刻蚀，以避免下层介质层受到等离子体的刻蚀而损伤，从而造成器件的失效。因此，精确判定等离子体刻蚀工艺终点(endpoint）以避免因刻蚀不足或刻蚀过度导致元器件失效就变得日益重要。现有技术中，通常采用光学发射光谱法(optical emission spectroscopy，OES)进行等离子体刻蚀终点检测。OES技术主要是基于在线光谱检测设备对等离子体发射出的光谱进行实时检测，由于刻蚀到不同物质层光谱会出现明显的变化，特别当到达是刻蚀终点时，因刻蚀的材料发生转换，气相的组成及被刻蚀薄膜都会发生化学变化，这种变化通过OES光谱信号的强度变化表现出来。因此，通过连续监测等离子体发射，就能够用OES终点检测方法来检测出此变化并利用它来确定薄膜被完全清除的时间。例如，当OES信号下降至预定阈值水平之下时，就利用这种转变来触发“终点”。因此，通过检测刻蚀过程中刻蚀到不同层的物质时，反应物或生成物的发射谱线强度值，以此就能够判断刻蚀终点。例如美国专利US5565114公开了一种等离子体工艺中通过OES技术检测终点的方法，通过先计算等离子体发光频谱强度的总和平均值，然后计算总和平均值的差或是比值以决定刻蚀是否达到终端点。由此可知，通过OES技术能够很好地实现了制程稳定的单一刻蚀步骤处理或有限分离蚀刻步骤的处理。

如今，对晶片进行深反应离子刻蚀以形成高深宽比结构（如硅通孔技术）正越来越受到广泛的重视和研究，深反应离子刻蚀通常采用博世工艺（Bosch process）进行。而博世工艺是通过使等离子刻蚀工序和等离子淀积工序周期性地反复进行而对半导体衬底在垂直方向较深地进行刻蚀的工艺。博世工艺主要包括以下步骤：（1）刻蚀步骤，通常用含有SF₆的混合气体进行化学反应离子刻蚀；（2）聚合物沉积钝化步骤，通常用含有C₄H₈的混合气体在孔洞内侧面形成氟碳聚合物层，以使下一个周期的刻蚀步骤中化学反应离子刻蚀时，SF₆气体不会对侧壁的聚合物进行刻蚀或者刻蚀速率非常慢；刻蚀步骤和沉积步骤交替循环进行，直到深孔刻蚀完成。由于博世工艺采用交替重复进行各向同性刻蚀和聚合物沉积工艺，而其中刻蚀和淀积步骤所使用的等离子体条件（如工艺气体类型、压力、RF功率等）并不相同，因此在进行博世工艺过程中刻蚀步骤和淀积步骤的等离子体发射光谱就会显著不同。如图1所示，将常规的OES技术应用于具有快速且周期性的等离子体扰动特性的博世工艺会导致周期性的终点轨迹，容易发生误判等离子体发射强度的改变，因此其无法准确检测终点。