一种提高混合刻蚀工艺稳定性的方法与流程

本发明涉及一种提高晶圆制程工艺稳定性的方法，特别是涉及一种提高混合刻蚀工艺稳定性的方法。

背景技术：

在铜互连工艺中，无法通过干法刻蚀金属铜来完成图形化工艺，所以铜互连工艺采用金属镶嵌式工艺来完成布线，称为大马士革工艺。如图1a～图1h所示，大马士革工艺最主要的特点就是不需要进行金属刻蚀，而是先在图1a的金属层01上的介质层02上刻蚀好金属布线结构，经过涂光刻胶后，在曝光和显影，然后通过电镀工艺填入金属铜，最后用化学机械研磨的方法实现铜互连布线。大马士革刻蚀工艺需要完成两种结构刻蚀：一种为金属层间接触通孔结构，另一种为导线沟槽结构工艺。根据刻蚀通孔和沟槽结构形成工艺不同分为单大马士革工艺和双大马士革工艺。单大马士革工艺如图1a～图1h所示，图1b是通孔03的刻蚀，图1c铜04的填充，图1d是对填充后上层多余的铜进行研磨使其与介质层02的表面齐平；图1e是对顶层沟槽图形002的形成，图1f是顶层沟槽05的光刻；图1g对沟槽05进行电化学镀膜工艺；图1h是对层多余铜04的研磨。单大马士革工艺中，通孔03和沟槽05独立刻蚀，并独立进行后续铜04填充和研磨工艺，形成独立的导通结构。

双大马士革工艺如图2a～图2d所示，图2a中，包含有基底101、掺碳氮化硅102、第一液源硅氧薄膜103、氮化硅104、第二液源硅氧薄膜105以及底部抗反射层106的半导体多层结构中，在该半导体多层结构上进行曝光，形成通孔图形100，图2b是在通孔图形上进行刻蚀形成通孔03，图2c在该通孔03中形成光刻胶001回刻，图2d是形成沟槽05。双大马士革工艺中，对通孔03和沟槽05独立刻蚀，形成通孔和沟槽双结构后进行铜填充和研磨。

在通孔和沟槽进行独立刻蚀过程中，所使用的金属介质层均是一样的，刻蚀过程中产生的聚合物也一样。在目前大量产刻蚀工艺中，一般是根据刻蚀介质层的种类和生成聚合物的种类来定义作业模式，一样的被刻蚀介质层可以在同一个作业模式下进行作业。因此在半导体制造工艺上常常将通孔刻蚀和沟槽刻蚀定义为同一个作业模式，即两者混合作业。对于两者混合作业过程中由于工艺差异导致的工艺不稳定性，大多是通过对腔体的自清洁作用来消除，这种方法在一定程度上可以有效地消除不同制程产生聚合物差异累积。但是对于不同制程导致的物理轰击作用差异，仅仅依靠自清洁工艺是难以消除和解决的，因为刻蚀过程的物理轰击，又称物理刻蚀作用，它除了刻蚀会产生不同程度聚合物外，更重要的是物理轰击作用会对腔体部件产生不同程度的刻蚀损伤，例如聚焦环的损伤，会带来更多的刻蚀污染颗粒源，如图3所示，不同程度物理轰击强度下聚焦环凹嵌程度不同，聚合物累积不同，导致后续被溅射的颗粒程度不同。严重情况下甚至造成某些部件被损坏，因此急需一种新方法来改善和解决不同工艺带来的物理轰击造成的部件损伤等。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提高混合刻蚀工艺稳定性的方法，用于解决现有技术中由于刻蚀腔体与接触部件的损耗过大，造成部件异常和腔体环境变化，从而导致晶圆出现颗粒污染等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高混合刻蚀工艺稳定性的方法，该方法至少包括如下步骤：步骤一、提供一具有初始刻蚀量的刻蚀腔和具有不同刻蚀工序需求的晶圆；步骤二、使所述刻蚀腔提供与其中一个所述刻蚀工序对应的功率和刻蚀时间，并在该功率和刻蚀时间下针对所述晶圆进行刻蚀；步骤三、提供一控制系统，该控制系统对所述功率和刻蚀时间进行实时采集；步骤四、所述控制系统提供与步骤三中所述功率和刻蚀时间对应的运算系数，并对所述功率、时间及该运算系数进行乘积运算，得到与该刻蚀工序对应的刻蚀量；步骤五、所述控制系统将所述初始刻蚀量与步骤四中所述刻蚀量进行加和运算得到累积刻蚀量；步骤六、所述控制系统提供一基准刻蚀量，并将步骤五中的累积刻蚀量与所述基准刻蚀量进行比较，若所述累积刻蚀量小于所述基准刻蚀量，则针对所述晶圆的其它刻蚀工序逐个进行步骤二至步骤五，直到所述累积刻蚀量达到所述基准刻蚀量，对所述刻蚀腔进行维护保养。

优选地，所述步骤一中的刻蚀腔为等离子反应腔体。

优选地，所述步骤二中对所述晶圆进行刻蚀，形成多个通孔和沟槽；所述通孔和沟槽的被刻蚀区域为相同材质的半导体介质。

优选地，所述等离子反应腔体的工作频率为2mhz。

优选地，所述步骤三中的控制系统为apc先进控制系统。

优选地，所述apc先进控制系统提供所述运算系数的步骤包括：(1)所述等离子反应腔采用不同的刻蚀偏压和不同的刻蚀速率对所述晶圆进行刻蚀，得到多个不同的刻蚀偏压和多个不同的刻蚀速率，所述刻蚀偏压与所述刻蚀速率具有线性关系；

(2)所述apc先进系统对所述步骤(1)中的不同刻蚀偏压和刻蚀速率进行采集并根据所述线性关系式计算出所述运算系数。

优选地，所述步骤(1)中的所述刻蚀偏压的取值范围为50～850伏。

优选地，所述步骤(1)中刻蚀速率的取值范围为200～900a/min。

优选地，所述步骤四中运算系数的值为0.767。

优选地，所述刻蚀腔对所述晶圆进行的刻蚀包括去掉主要介质的主刻蚀和去掉残留介质的过刻蚀。

优选地，所述主刻蚀中功率为1.2kw和刻蚀时间为100s构成一个刻蚀条件；功率为2.0kw和刻蚀时间为250s构成另一个刻蚀条件。

优选地，所述过刻蚀中功率为1kw和刻蚀时间为120s构成一个刻蚀条件；功率为1.6kw和刻蚀时间为150s构成另一个刻蚀条件。

优选地，该方法还包括步骤七、待所述维护保养结束后重复所述步骤一至步骤六。

优选地，所述基准刻蚀量为2160000kw*a/v，达到该基准量所需要的刻蚀时间为500小时。

如上所述，本发明的提高混合刻蚀工艺稳定性的方法，具有以下有益效果：可以根据混合作业中不同刻蚀工艺的物理轰击刻蚀强度来智能化计算刻蚀腔体与其接触部件的损耗以及刻蚀污染颗粒源的情况，及时计算出刻蚀腔体部件需要的维护保养时间，避免刻蚀腔体部件损耗过大造成部件异常，以及带来刻蚀腔体环境变化，从而导致刻蚀作业晶圆出现颗粒污染，甚至报废问题以及多制程工艺混合作业带来的刻蚀工艺异常问题。

附图说明

图1a～图1h显示为现有技术中的金属沟槽和通孔的单大马士革工艺流程图

图2a～图2d显示为现有技术中的金属沟槽和通孔的双大马士革工艺流程图

图3显示为现有技术中刻蚀腔体部件损伤目视图

图4显示为本发明的提高混合刻蚀工艺稳定性的方法流程图

图5显示为刻蚀偏压与氧化硅刻蚀速率关系图

元件标号说明

01金属层

02介质层

03通孔

04铜

001光刻胶

002沟槽图形

05沟槽

100通孔图形

101基底

102掺碳氮化硅

103第一液源硅氧薄膜

104氮化硅

105第二液源硅氧薄膜

106底部抗反射层

107光阻

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的基于提高混合刻蚀工艺稳定性的方法包括以下步骤：如图4所示，

步骤一、提供一具有初始刻蚀量的刻蚀腔和具有不同刻蚀工序需求的晶圆；所述初始刻蚀量可以是所述刻蚀腔进行某一个刻蚀工序之前的所有累计刻蚀量。进一步地，该刻蚀腔为等离子反应腔体，本实施例中，等离子反应腔体的工作频率为2mhz。

步骤二、使所述刻蚀腔提供与其中一个所述刻蚀工序对应的功率和刻蚀时间，并在该功率和刻蚀时间下针对所述晶圆进行刻蚀。所述功率和刻蚀时间是对所述刻蚀腔针对同一刻蚀工序设置的。也就是说相同刻蚀工序中所使用的刻蚀腔功率、刻蚀时间是相同的。

步骤三、提供一控制系统，该控制系统对所述功率和刻蚀时间进行实时采集。参见表1，所述刻蚀腔采用某一功率和某一刻蚀时间对所述晶圆进行刻蚀，得到由功率和刻蚀时间二者相组合成的数据组合；表1所列出的是多个由功率和刻蚀时间组成的刻蚀条件的菜单；所述步骤二中对所述晶圆进行刻蚀，形成多个通孔和沟槽；本实施例中所述通孔和沟槽的被刻蚀区域为相同材质的半导体介质。所述刻蚀腔对所述晶圆进行的刻蚀包括去掉主要介质的主刻蚀和去掉残留介质的过刻蚀。菜单1为2mhz低频条件下作业的功率为w11和刻蚀时间t11，菜单2为2mhz低频条件下作业的功率为w21和刻蚀时间t21，过刻蚀下分别有菜单1和菜单2，其中菜单1为2mhz低频条件下作业的功率为w12和刻蚀时间t12，菜单2为2mhz低频条件下作业的功率为w22和刻蚀时间t22。

表1

优选地，所述步骤三中的控制系统为apc先进控制系统。

步骤四、所述控制系统提供与步骤三中所述功率和刻蚀时间对应的运算系数，并对所述功率、时间及该运算系数进行乘积运算，得到与该刻蚀工序对应的刻蚀量。参见表2，所述控制系统提供一运算系数ε，并对功率、时间及该运算系数进行乘积运算，表2列出的是多个包含有功率和刻蚀时间以及刻蚀量的菜单。主刻蚀下分别有菜单1和菜单2，其中菜单1为2mhz低频条件下作业的功率为w11和刻蚀时间t11，刻蚀腔体部件被刻蚀量为w11*t11*ε，菜单2为2mhz低频条件下作业的功率为w21和刻蚀时间t21，刻蚀腔体部件被刻蚀量为w21*t21*ε，过刻蚀下分别有菜单1和菜单2，其中菜单1为2mhz低频条件下作业的功率为w12和刻蚀时间t12，刻蚀腔体部件被刻蚀量为w12*t12*ε，菜单2为2mhz低频条件下作业的功率为w22和刻蚀时间t22，刻蚀腔体部件被刻蚀量为w22*t22*ε。表2中每个菜单中的功率和刻蚀时间对应一个刻蚀工序，并且对晶圆的一次刻蚀采用其中一个菜单设置。

表2

所述步骤四中所述apc先进控制系统提供所述运算系数的步骤包括：

(1)所述等离子反应腔采用不同的刻蚀偏压和不同的刻蚀速率对所述半导体产品进行刻蚀，得到多个不同的刻蚀偏压和多个不同的刻蚀速率，所述刻蚀偏压与所述刻蚀速率具有线性关系；如图5，所述步骤(1)中的刻蚀偏压的取值范围为50～850伏。所述步骤(1)中刻蚀速率的取值范围为200～900a/min。

(2)所述apc先进系统对所述步骤(1)中的不同刻蚀偏压和刻蚀速率进行采集并根据所述线性关系式计算出所述运算系数。参见图5，所述步骤四中运算系数的值为0.767，即为所述刻蚀偏压和所述刻蚀速率的线性系数。

本实施例中给出了不同功率和不同刻蚀时间以及刻蚀量的具体参数，参见下表3，

表3

表3中所述主刻蚀的数据组合由所述功率为1.2kw和所述刻蚀时间为100s构成以及由所述功率为2.0kw和所述刻蚀时间为250s构成。所述过刻蚀的数据组合由所述功率为1kw和所述刻蚀时间为120s构成以及由所述功率为1.6kw和所述刻蚀时间为150s构成。同时，各菜单下的刻蚀量分别依次为92、383.5、92、184.1。

步骤五、所述控制系统将所述初始刻蚀量与步骤四中所述刻蚀量进行加和运算得到累积刻蚀量。参见表2，假设第一次进行的刻蚀得到主刻蚀下的菜单1的刻蚀量w11*t11*ε，之后将初始刻蚀量与w11*t11*ε相加得到累积刻蚀量，然后进行第二次刻蚀得到主刻蚀下的菜单2的刻蚀量w21*t21*ε，累积刻蚀量为初始刻蚀量+w11*t11*ε+w21*t21*ε；之后再进行第三次刻蚀得到过刻蚀下的菜单1的刻蚀量w12*t12*ε，累积刻蚀量为初始刻蚀量+w11*t11*ε+w21*t21*ε+w12*t12*ε；之后再进行第四次刻蚀得到过刻蚀下的菜单2的刻蚀量w22*t22*ε，累积刻蚀量为初始刻蚀量+w11*t11*ε+w21*t21*ε+w12*t12*ε+w22*t22*ε。

步骤六、所述控制系统提供一基准刻蚀量，并将步骤五中的累积刻蚀量与所述基准刻蚀量进行比较，若所述累积刻蚀量小于所述基准刻蚀量，则针对所述晶圆的其它刻蚀工序逐个进行步骤二至步骤五，直到所述累积刻蚀量达到所述基准刻蚀量，对所述刻蚀腔进行维护保养。本实施例中，所述基准刻蚀量为2160000kw*a/v，达到该基准量所需要的刻蚀时间为500小时。根据apc先进系统计算的累积刻蚀量与基准条件下的设备维护保养的基准刻蚀量比较，来自动判断刻蚀腔体的维护保养时间，得出所述刻蚀腔的保养周期。

优选地，本实施例在实施步骤六之后还包括步骤七、待所述保养周期结束后重复所述步骤一至步骤六。在一个腔体保养周期结束后，后续apc系统从新开始计算累积刻蚀量，根据采集数据结果循环步骤一至步骤六。

本发明利用控制系统对由功率和刻蚀时间数据进行数据采集，已知的初始刻蚀量与运算得到的刻蚀量相加得到累积刻蚀量，将累积刻蚀量与已知的基准刻蚀量比较，若累积刻蚀量小于基准刻蚀量，则对其它刻蚀工序逐个重复以上步骤，直到累积刻蚀量达到基准刻蚀量，才对刻蚀腔进行维护保养。

综上所述，本发明可以根据混合作业中不同刻蚀工艺的物理轰击刻蚀强度来智能化计算刻蚀腔体与其接触部件的损耗以及刻蚀污染颗粒源的情况，及时计算出刻蚀腔体部件需要的维护保养时间，避免刻蚀腔体部件损耗过大造成部件异常，以及带来刻蚀腔体环境变化，从而导致刻蚀作业中对晶圆造成颗粒污染，甚至报废问题以及多种制程工艺混合作业带来的刻蚀工艺异常问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。