[发明专利]半导体加工工艺的监测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种半导体加工工艺的监测系统和方法。

背景技术

半导体加工是集成电路制造关键的工艺制程，例如等离子刻蚀就是其中一种常用的半导体加工技术，其原理在于，被刻蚀物质与等离子体中的活性基团反应，反应生成物脱离基底表面，被真空系统抽出腔体，从而除去特定层或者层的特定部分。其目的是完整地将掩膜图形复制到硅片表面，范围涵盖前端CMOS栅极大小的控制，以及后端金属的刻蚀，刻蚀质量好坏直接影响着图形的完整性、分辨率和精度。

在半导体加工过程中，监测刻蚀速率、加工深度等工艺参数相当重要，这通常需要准确的确定工艺终点，即工艺结束的时间。目前用于工艺终点监测的方法包括光谱发射法(Optical Emission Spectrometry，OES)和光干涉测量法(Interferometry Endpoint，IEP)。光谱发射法用于穿透一种材料而在另一种材料的表面终止的刻蚀过程，由于在刻蚀去除一种材料进入另一种材料时，刻蚀产生的反应物不同，其等离子体的发射光谱会产生变化，因此可以用作工艺终点的监测；显然，在刻蚀同种材料时该方法就没有作用，而采用光干涉测量法，在同一种材料内刻蚀到所需的深度后，通过监测被刻蚀膜层表面的反射光相互干涉而形成的干涉信号，监测膜层厚度从而控制刻蚀的终点。在实际的刻蚀工艺过程中，被刻蚀物可能为同种材料也可能为不同的材料，因此监测系统一般既可以采集等离子体发射光谱也可以采集干涉信号，以便原位的精确控制工艺终点。

专利公开号为CN1148563C的中国专利中公开了一种监测等离子刻蚀工艺的方法和装置。该技术采用OES和IEP的相结合的方法获取信号，主要包括：提供了宽光谱脉冲光源、用于采集信号的多通道光谱摄制仪和数据处理单元。其中脉冲光源发射宽带光辐射的周期与光谱摄制仪的采集数据的周期相同。同步器和总线接口把一个周期性的触发信号发送到电源，使脉冲光源产生一个宽带光脉冲照射刻蚀腔室，同时光谱摄制仪同步的采集干涉信号，脉冲光不照射刻蚀腔室时，光谱摄制仪通过另一通道采集刻蚀腔室中等离子光谱发射信号，然后经数据处理和算法展开模块，计算出工艺终点、刻蚀或淀积速率等参数。现有技术虽然可以原位监测薄膜厚度以及确定工艺终点，该方法本质上是用脉冲光源实现了OES和IEP信号的周期性交替采集，直到工艺终点，然而脉冲光源的强度稳定性不高，一般来说OES信号依赖于等离子体发射光谱本身，通过光谱仪监测发射光谱中的敏感波长并分析的该波长的变化趋势来确定工艺终点，但是由于在刻蚀过程中原位监测，IEP信号不可避免的会受到等离子发射光谱的影响，因此强度不稳定的脉冲光源更易受到等离子发射光谱及其波动的干扰，带来低信噪比的问题；此外，脉冲光源的波动还会导致入射光与反射光强度波动，造成较差的干涉信号分辨率，影响工艺监测的精确度和可靠性。

发明内容

本发明提供了一种半导体加工工艺的监测系统和方法，能够采集较高信噪比和分辨率的信号，改善了工艺监测的可靠性和精确度，此外，还能够实时监测光源的强度稳定性和寿命。

为解决上述问题，本发明提供了一种半导体加工工艺的监测系统，包括：连续光源、间歇机构、光路控制器、光学准直装置、光谱仪、数据处理单元和算法单元；所述连续光源发出的光经由所述间歇机构及光学准直装置进入半导体加工腔室，所述光路控制器控制间歇机构将连续光源发出的光转换成脉冲光，并控制所述光谱仪采集半导体加工腔室中发出的光谱信号，并将所述光谱信号送入数据处理单元进行处理，再由算法单元计算出工艺终点。

所述间歇机构为光电码盘或TTL电子快门。

所述系统还包括与采集光源信号的光谱仪相连接的光源强度和寿命评价单元。

所述连续光源为宽频高功率的氘卤灯，或宽频高功率的钨卤灯。

所述连续光源为宽频高功率的氘卤灯光谱范围为180-2000nm或180-1000nm，所述连续光源为宽频高功率钨卤灯光谱范围为330nm-850nm。

所述光谱信号包括光谱仪采集的半导体加工腔室中等离子体发射光谱信号和脉冲入射光在基底反射产生的干涉光谱信号。

所述光谱信号还包括光谱仪采集的连续光源的信号。

相应的，本发明还提供了一种半导体加工工艺的监测方法，预设目标加工深度作为工艺终点，所述方法包括：

将连续光源发出的光转换为脉冲光入射至半导体加工腔室；

采集半导体加工腔室中的光谱信号；

对所述光谱信号进行数据处理；