一种刻蚀终点确定方法、晶圆刻蚀方法以及刻蚀系统与流程

本发明涉及半导体器件制作技术领域，尤其涉及一种刻蚀终点确定方法、晶圆刻蚀方法以及刻蚀系统。

背景技术：

在半导体器件制作过程中，干法刻蚀是常用的一种刻蚀方法。在干法刻蚀中，用低压等离子体放电来去除集成电路中小尺寸图形里的材料，等离子体与硅片的表面发生发应，然后去掉表面的材料。

干法刻蚀不同于湿法腐蚀之处在于，它对下面的材料没有好的选择比。因此，需要终点探测来检测刻蚀工艺并停止刻蚀以减小对下面材料的过度刻蚀。现有技术中等离子处理工艺终点检测的方法有很多，如质谱法、光学发射光谱法和等离子体阻抗变换法等，但这些方法都有一些缺点。如，质谱法主要通过分析残余的气体，但在辉光放电区常常漏掉一些短寿命的活性物质；光学发射光谱法随着半导体器件的特征尺寸进一步缩小，刻蚀面积不断缩小，所检测到的终点信号强度下降，信号信噪比降低；等离子体阻抗变换法依赖于刻蚀完成时等离子体中的化学变化，但是这种方法会直接因小讯号电平而损坏，且对膜的种类、压力和其他工艺参数很敏感。

现有技术中还提供另一种终点检测法，光干涉法(iep)，是指用氙灯光源检测透明薄膜厚度的变化，当厚度变化停止时，则意味着达到了刻蚀终点。其基本原理是当氙灯光源入射到薄膜表面时，在透明薄膜前被反射的光线与穿透该薄膜后被下层材料反射的光线互相干涉。在δd满足下面条件时，可以得到干涉加强：δd＝λ/(2n)。式子中：δd为被检测薄膜厚度的变化；n为薄膜材料的折射率；λ为入射光的波长。每出现一个δd的变化，则会出现一个最大值。这样随着薄膜厚度的不断减薄，就形成了诸多的正弦波状的信号曲线。

但是现有技术中采用光干涉法得到的晶圆刻蚀终点无法进行精确控制，导致产品合格率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种刻蚀终点确定方法、晶圆刻蚀方法以及刻蚀系统，以解决现有技术中光干涉法得到的晶圆刻蚀终点无法精确控制，导致产品合格效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种刻蚀终点确定方法，包括：

获取光谱数据，所述光谱数据由样品晶圆刻蚀过程采集得到，所述光谱数据为横轴为时间，纵轴为光强的正弦曲线图；

获取所述光谱数据中的多个波峰和多个波谷；

基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期；其中，所述矩形窗口包括相对设置的上边框和下边框，以及相对设置的左边框和右边框，所述矩形窗口的参数包括窗口宽度和窗口高度，与所述波峰对应的所述矩形窗口的上边框中点与所述波峰重合，与所述波谷对应的所述矩形窗口的下边框中点与所述波谷重合；

根据所述光谱数据中最后一个波峰和最后一个波谷时间差，以及所述样品晶圆刻蚀被刻蚀所述多个半周期之后的剩余厚度，得到刻蚀终点对应的时间。

优选地，所述基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期，具体包括：

预设所述矩形窗口的窗口高度，所述矩形窗口的上边框或下边框与所述正弦曲线的两个交点即为窗口宽度；

根据所述矩形窗口的左边框和右边框所对应时间获取所述矩形窗口对应的波峰时间或波谷时间；

计算相邻波峰和波谷对应时间的差，得到多个半周期。

优选地，所述基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期，具体包括：

预设所述矩形窗口的窗口高度，所述矩形窗口的上边框或下边框与所述正弦曲线的两个交点即为窗口宽度；

对所述矩形窗口内的所有光谱数据进行最小二乘拟合，得到波峰或波谷对应的时间；

计算相邻波峰和波谷对应时间的差，得到多个半周期。

优选地，所述预设所述矩形窗口的窗口高度具体包括：

若所述矩形窗口为第n个波峰对应的矩形窗口，则根据所述第n-1个波谷至所述第n个波峰的光强幅度的预设百分比设定。

优选地，在所述获取光谱数据之后，且在所述获取所述光谱数据中的多个波峰和多个波谷之前，还包括：

对所述光谱数据优化处理。

优选地，在所述根据所述光谱数据中最后一个波峰和最后一个波谷时间差，以及所述样品晶圆刻蚀被刻蚀所述多个半周期之后的剩余厚度，得到刻蚀终点对应的时间之后，还包括：

判断所述刻蚀终点对应的时间是否准确，若是，则保存所述刻蚀终点对应的时间，以及所述矩形窗口的参数；

若否，则接收用户操作，调整所述矩形窗口的参数，并返回所述基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期步骤。

本发明还提供一种晶圆刻蚀方法，包括：

提供晶圆；

对所述晶圆进行刻蚀第一时间，所述第一时间根据上面任意一项所述的刻蚀终点确定方法得到。

优选地，所述晶圆刻蚀系统包括：

晶圆刻蚀腔，所述晶圆刻蚀腔包括封闭腔体，位于所述封闭腔体内的安装台，所述安装台用于固定晶圆；

位于所述封闭腔体外的反射光探测器，所述反射光探测器用于接收所述晶圆被刻蚀过程中反射的光；

处理器，所述处理器接收所述反射光探测器的信号，并进行处理，用于确定晶圆刻蚀终点，并控制晶圆的刻蚀。

优选地，所述安装台为静电吸盘。经由上述的技术方案可知，本发明提供的刻蚀终点确定方法，采用矩形窗口选取波峰或波谷附近的多个数据，计算得到波峰或波谷的较为准确的位置，再以最后的半个周期的刻蚀速率作为最后不足半个周期的样品晶圆刻蚀速率，从而将多个刻蚀时间求和，得到最终样品晶圆的刻蚀终点对应的刻蚀时间，得到样品晶圆的刻蚀终点。也即，每个周期刻蚀厚度是固定的δd，获取得到波峰波谷位置就可以知道每个周期的时间t了，δd/t就得到刻蚀速率v。需要刻蚀的厚度d是已知设定的，通过δd的不断累加，如果剩下的厚度不足半个周期，剩下的厚度/v就是剩下需要刻蚀的时间，从而得到刻蚀终点。

由于本发明提供的刻蚀终点确定方法，相对于现有技术中认为刻蚀速率为均匀的，且光谱数据为平滑曲线而言，考虑了更多的影响因素，从而使得刻蚀终点的确定更加精确，使后续晶圆刻蚀的刻蚀终点更加精确，减少了刻蚀不到位或过量刻蚀的情况出现，进而提高了产品合格率。

本发明还提供一种晶圆刻蚀方法，所述晶圆刻蚀终点控制采用上面所述的晶圆刻蚀终点确定方法得到，从而减少刻蚀不到位或过量刻蚀的情况，基进而提高了产品合格率。

本发明还提供一种晶圆刻蚀系统，应用于所述晶圆刻蚀方法，包括晶圆刻蚀腔。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种晶圆刻蚀终点确定方法流程图；

图2为本发明实施例提供的矩形窗口确定方式示意图；

图3-图8为本发明提供的实际刻蚀终点确定方法数据处理过程图；

图9为本发明实施例提供的一种晶圆刻蚀系统示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中采用光干涉法得到的晶圆刻蚀终点无法进行精确控制，导致产品合格率较低。

发明人发现，出现上述问题的原因是，现有技术中获得正弦波信号曲线后，直接从曲线图中读取波峰位置，如为5秒位置，读取波谷位置，如为10秒，则以此判断刻蚀半个周期为4秒时间，根据刻蚀的晶圆厚度，得到平均刻蚀速率，从而根据晶圆总厚度，计算刻蚀终点。

但是，在刻蚀过程中，刻蚀速率不是完全均匀的，而且上述方式，是假定了信号时平滑的，但在实际刻蚀过程中，任何信号都会伴有噪声和杂讯，尤其在信号的极大值和极小值区域内，信号相对平坦，所读取的极大值和极小值所对应的时间会存在较大的误差。如，真正的波峰位置可能在4.8秒而非5秒位置，真正的波谷位置可能在9.2秒而非9秒。

基于此，本发明提供一种刻蚀终点确定方法，包括：

获取光谱数据，所述光谱数据由样品晶圆刻蚀过程采集得到，所述光谱数据为横轴为时间，纵轴为光强的正弦曲线图；

获取所述光谱数据中的多个波峰和多个波谷；

基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期；其中，所述矩形窗口包括相对设置的上边框和下边框，以及相对设置的左边框和右边框，所述矩形窗口的参数包括窗口宽度和窗口高度，与所述波峰对应的所述矩形窗口的上边框中点与所述波峰重合，与所述波谷对应的所述矩形窗口的下边框中点与所述波谷重合；

根据所述光谱数据中最后一个波峰和最后一个波谷时间差，以及所述样品晶圆刻蚀被刻蚀所述多个半周期之后的剩余厚度，得到刻蚀终点对应的时间。

本发明提供的刻蚀终点确定方法，相对于现有技术中认为刻蚀速率为均匀的，且光谱数据为平滑曲线而言，考虑了更多的影响因素，从而使得刻蚀终点的确定更加精确，使后续晶圆刻蚀的刻蚀终点更加精确，减少了刻蚀不到位或过量刻蚀的情况出现，进而提高了产品合格率。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种刻蚀终点确定方法，请参见图1所示，为刻蚀终点确定方法的流程图，所述刻蚀终点确定方法包括：

s101：获取光谱数据，所述光谱数据由样品晶圆刻蚀过程采集得到，所述光谱数据为横轴为时间，纵轴为光强的正弦曲线图；

本实施例中采用光干涉法进行刻蚀终点确定，所述样品晶圆在刻蚀过程中，采用特定光源入射到待刻蚀的样品晶圆上，检测样品晶圆的厚度变化过程中，反射光的光强随时间变化，从而得到光谱数据，所述光谱数据在显示装置上显示为横轴为时间，纵轴为光强的正弦曲线图。

s102：获取所述光谱数据中的多个波峰和多个波谷；

需要说明的是，在实际操作过程中，可能出现晶圆刻蚀过程故障，因此，需要获取光谱数据中的多个波峰和多个波谷，若检测不到波峰波谷，则说明光谱数据不可用于刻蚀终点的确定，则需要重新获取光谱数据。

另外，在实际晶圆刻蚀过程中，不可避免地出现干扰因素，造成光谱数据带有杂质，为保证波峰波谷位置获取的准确性，可选地，获取所述光谱数据中的多个波峰和多个波谷之前还可以包括对所述光谱数据优化处理的步骤，需要说明的是，本实施例中对光谱数据优化处理的具体方式不做限定。

s103：基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期；其中，所述矩形窗口包括相对设置的上边框和下边框，以及相对设置的左边框和右边框，所述矩形窗口的参数包括窗口宽度和窗口高度，与所述波峰对应的所述矩形窗口的上边框中点与所述波峰重合，与所述波谷对应的所述矩形窗口的下边框中点与所述波谷重合；

请参见图2所示，所述矩形窗口包括相对设置的上边框a和下边框b，以及相对设置的左边框c和右边框d，所述矩形窗口的参数包括窗口宽度w和窗口高度h1，所述矩形窗口的宽度平行于所述时间轴，用时间表征，所述矩形窗口的高度平行于所述光谱曲线的强度轴，用光强度表征。

本实施例中为得到局部范围内波峰和波谷对应的时间，同时考虑了波峰和波谷位置附近的一些数据，用于确定波峰和波谷对应的时间。在波峰或波谷位置设置预设的矩形窗口，对于波峰位置，矩形窗口的上边框与所述波峰位置重叠，然后设置矩形窗口的高度，所述矩形窗口的高度为预先设定的参数，该参数由前一个波谷到该波峰的幅值的百分比。也即，若所述矩形窗口为第n个波峰对应的矩形窗口，则根据所述第n-1个波谷至所述第n个波峰的光强幅度的预设百分比设定。

需要说明的是，所述百分比根据实际需要的精度来设定，当波峰位置精度需要较高时，可选的，所述百分比数值可以稍微大一些，从而使得波峰位置附近更多的数据落入到矩形窗口中，以作为波峰位置确定时的参考。可选的，如图2所示，本实施例中矩形窗口高度h1等于前一波谷到波峰幅度h1的百分之8。

也即，本发明实施例中预设所述矩形窗口的窗口高度，所述矩形窗口的上边框或下边框与所述正弦曲线的两个交点即为窗口宽度；当确定矩形窗口后，落在矩形窗口内的数据可用于决定波峰或波谷对应的时间，本实施例中不限定确定波峰和波谷位置对应时间的方法。在本发明的一个实施例中，可选的，根据所述矩形窗口的左边框和右边框所对应时间获取所述矩形窗口对应的波峰时间或波谷时间；计算相邻波峰和波谷对应时间的差，得到多个半周期。也即，确定矩形窗口的左边框对应的时间t1和矩形窗口的右边框对应的时间t2，以两个时间的平均值作为波峰或波谷对应的时间。

为了提高波峰或波谷对应的时间精确度，本发明另一个实施例中，还可可选的，对所述矩形窗口内的所有光谱数据进行最小二乘拟合，然后得到拟合出的波峰和波谷对应的时间，计算相邻波峰和波谷对应时间的差，得到多个半周期。

本发明实施例中采用矩形窗口采集波峰位置或波谷位置的时间，相对于现有技术中直接读取波峰和波谷位置对应的时间而言，能够更加精确。如，如现有技术中5秒对应的波峰位置，采用本发明实施例提供的方式可能为4.5秒；再找到现有技术中10秒对应的波谷位置，可能为9.8秒，从而得到更加精确的半个周期时间。

s104：根据所述光谱数据中最后一个波峰和最后一个波谷时间差，以及所述样品晶圆刻蚀被刻蚀所述多个半周期之后的剩余厚度，得到刻蚀终点对应的时间。

需要说明的是，经过多个半个周期时间的刻蚀后，样品晶圆最终剩下的厚度不足半个周期，则不能再采用步骤s103中的方式确定最终刻蚀终点的时间，若样品晶圆最终剩下的厚度正好也是半个周期时间刻蚀的厚度，则可计算得到刻蚀终点的时间。

而实际情况中，大部分时间内，刻蚀终点不会出现在波峰或波谷位置，而对于非波峰或波谷位置的刻蚀终点，无法通过上述步骤s103的步骤进行判定，所述本实施例中将刻蚀终点前的最后一个波峰和最后一个波谷的时间差，也即刻蚀终点前的最后半个周期，以及样品晶圆刻蚀半个周期时间刻蚀的厚度，得到刻蚀终点前的最后半个周期的刻蚀速率作为不足半个周期的刻蚀速率，再由最终样品晶圆剩下的厚度得到，刻蚀所述剩下厚度需要的时间。

最终将所有的半个周期与后续不足半个周期的时间计算得到整个样品晶圆刻蚀所需的总体时间，从而能够得到刻蚀终点对应的时间。

由于本发明实施例中依次获得多个波峰和多个波谷对应的时间，计算得到半个周期所用时间，而不像现有技术中将整个样品晶圆的刻蚀速率作为均匀刻蚀来确定刻蚀终点，从而使得刻蚀终点的检测更加准确，避免后续晶圆刻蚀时出现过量刻蚀或刻蚀不到位的情况出现，进而提高产品的合格率。

需要说明的是，为了保证刻蚀终点的准确性，本实施例中在得到刻蚀终点后，还包括步骤s105：判断所述刻蚀终点对应的时间是否准确，若是，则执行s106：保存所述刻蚀终点对应的时间，以及所述矩形窗口的参数；

若否，则执行s107：接收用户操作，调整所述矩形窗口的参数，并返回所述基于预设的多个矩形窗口，从所述光谱数据中获取每个所述波峰和所述波谷对应的时间，得到多个半周期步骤。

本实施例中的刻蚀终点方法，可选的入射光波长范围为200nm-800nm，以上波长可以任意选择。

基于上述的晶圆刻蚀终点确定方法，本实施例中还提供一种晶圆刻蚀方法，包括：提供晶圆；

对所述晶圆进行刻蚀第一时间，所述第一时间根据上面实施例中所述的刻蚀终点确定方法得到。

为方便理解，请参见图3-图8，以目标刻蚀深度500nm，矩形窗口高度是波峰到波谷的8％为例进行说明。

请参见图3所示，当刻蚀进行到12秒左右时，第一个波峰出现，波峰上显示了一个矩形窗口3，它的窗口高度是信号从0秒到波峰幅度的8％。从图3上来看，这个矩形窗口的宽度有4秒多，即包含了40几个数据，把在这个矩形窗口内的数据作最小二乘拟合，得到了波峰的位置用垂直虚线1标出，同时，用垂直虚线2标出斜率最大的时间点。

当刻蚀进行到14秒左右时，图4显示了第一个波谷出现，波谷上显示了一个矩形窗口，它的窗口高度是信号从第一个波峰到第一个波谷幅度的8％。从图上来看，这个矩形窗口的宽度有2秒多，即包含了20几个数据。把在这个矩形窗口内的数据作最小二乘拟合，得到了波峰的位置用垂直虚线1标出。同时用垂直虚线2标出斜率最大的时间点。

当刻蚀进行到21秒左右时，图5显示了第二个波峰出现，波峰上显示了一个矩形窗口，它的窗口高度是信号从第一个波谷到第二个波峰幅度的8％。从图上来看，这个矩形窗口的宽度有3秒多，即包含了30几个数据。把在这个矩形窗口内的数据作最小二乘拟合，得到了波峰的位置用垂直虚线标出。同时用垂直虚线标出了斜率最大的时间点。

当刻蚀进行到24秒左右时，图6显示了第二个波谷出现，波谷上显示了一个矩形窗口，它的窗口高度是信号从第二个波峰到第二个波谷幅度的8％。从图上来看，这个矩形窗口的宽度有2秒多，即包含了20几个数据。把在这个矩形窗口内的数据作最小二乘拟合，得到了波峰的位置用垂直虚线标出。同时用垂直虚线标出了斜率最大的时间点。

当刻蚀进行到53秒左右时，图7显示了五个波峰和五个波谷，垂直虚线标出了波峰和波谷的位置。同时用垂直虚线标出了斜率最大的时间点。

当刻蚀进行到71.0秒时，图8显示了一条垂直虚线，它表示预先设置的刻蚀深度500纳米已经达到。从图上可以看出，在71.0秒以后，光干涉的信号消失了，这说明500纳米的二氧化硅被刻蚀光了，剩下的时间是在刻蚀硅晶基板。

从这个实例可以看出，垂直虚线标出了波峰、波谷的位置和斜率最大的时间点。从图上来看，波峰和波谷的位置都被非常精确的定位。

另外，本发明实施例还提供一种晶圆刻蚀系统，如图9所示，所述晶圆刻蚀系统包括：

晶圆刻蚀腔4，所述晶圆刻蚀腔4包括封闭腔体41，位于所述封闭腔体内41的安装台42，所述安装台42用于固定晶圆6；

位于所述封闭腔体41外的反射光探测器5，所述反射光探测器用于接收所述晶圆被刻蚀过程中反射的光；

处理器(图中未示出)，所述处理器接收所述反射光探测器的信号，并进行处理，用于确定晶圆刻蚀终点，并控制晶圆的刻蚀。

另外，本发明实施例提供的晶圆刻蚀系统还可以包括显示器，所述显示器与所述处理器相连，用于显示显示所述光谱数据和所述矩形窗口，并将处理器处理数据的过程展示出来。

本发明实施例中不限定固定晶圆的安装台的具体结构，可选的，本实施例中所述安装台为静电吸盘，采用静电吸引力将晶圆固定在封闭腔体内，然后通过等离子体7进行干法刻蚀。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。