技术领域
[0001] 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
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种监测工艺制程的等离子体处理装置，包括一处理基片的反应腔及监测基片处理制程的监测装置，所述监测装置包括：
[0006] 一入射
光源，用于向所述反应腔内的基片表面发射脉冲入射光；
[0007] 一光谱仪，用于采集所述反应腔内的光信号,所述光信号包括所述脉冲入射光在基片表面的脉冲反射光信号及基片处理过程中等离子体发出的背景光信号；
[0008] 一
数据处理装置，用于接收所述光谱仪采集到的光信号并提供周期与所述脉冲入射光周期相同的调制信号,所述调制信号具有正负两个方向，且每个周期内所述调制信号与所述背景光信号的乘积
叠加后相互抵消；
[0009] 所述脉冲反射光信号与所述调制信号的乘积不为零；
[0010] 所述数据处理装置利用获得的脉冲反射光信号计算得出所述等离子体工艺制程的终点。
[0011] 优选的，所述调制信号在一个周期内方向为正的信号积分面积与方向为负的信号积分面积相同。
[0012] 优选的，所述脉冲反射光信号与所述调制信号的乘积大于0。
[0013] 优选的，所述调制信号为正弦信号或余弦信号。
[0014] 优选的，每个周期内，所述脉冲反射光信号与所述正弦信号或余弦信号的波峰相对应。
[0015] 优选的，每个周期内，所述脉冲反射光信号与所述正弦信号或余弦信号的波谷相对应。
[0016] 优选的，所述调制信号为高低电平脉冲周期信号，所述高电平大于零，所述低电平小于零，所述一个周期内高电平对应的区域面积与低电平对应的区域面积大小相等。
[0017] 优选的，所述调制信号的幅值大于等于所述脉冲反射光信号的光强数值。
[0018] 优选的，所述入射光源发出的入射光为全光谱。
[0020] 优选的，所述光谱仪向所述入射光源发送脉冲触发信号,以控制所述入射光源发射脉冲入射光的周期。
[0021] 进一步的，本发明还公开了一种监测等离子体处理工艺的方法，所述方法在一等离子体处理装置内进行，所述方法包括如下步骤：
[0022] 将基片放置在所述等离子体处理装置的反应腔内，对所述基片进行等离子体工艺处理；
[0023] 向所述基片发射一脉冲入射光，所述脉冲入射光在基片表面发生反射；
[0024] 用一光谱仪采集所述反应腔内发出的光信号并将所述光信号输送到一数据处理装置，所述光信号包括基片表面反射的脉冲反射光信号及反应腔内等离子体产生的背景光信号；
[0025] 所述数据处理装置提供一与所述脉冲入射光周期相同的调制信号，并对该调制信号和光谱仪采集的光信号进行乘法运算；
[0026] 所述调制信号设置为具有正负方向且与所述背景光信号的乘积在每个周期内相互抵消；
[0027] 设置所述调制信号与所述脉冲反射光信号的
位置，使得二者的乘积不为零；
[0028] 利用消除背景光信号后的脉冲反射光信号信息进行等离子体处理工艺的终点计算。
[0029] 优选的，所述数据处理装置调节所述调制信号与所述脉冲反射光信号的位置，使得二者的乘积大于零。
[0030] 优选的，所述数据处理装置提供的调制信号为正弦信号或余弦信号。
[0031] 优选的，所述数据处理装置控制所述脉冲入射光信号与所述正弦调制信号或余弦调制信号的波峰或波谷相对应。
[0032] 优选的，所述调制信号的幅值大于等于所述脉冲反射光信号的强度。
[0033] 优选的，所述入射光信号为全光谱信号。
[0034] 优选的，所述调制信号为高低电平脉冲周期信号，所述高电平大于零，所述低电平小于零，所述一个周期内高电平对应的区域面积与低电平对应的区域面积大小相等。
[0035] 优选的，所述光谱仪发送一脉冲触发信号至所述入射光源，控制所述入射光源的脉冲周期。
[0036] 优选的，所述数据处理装置为一
计算机系统。
[0037] 本发明的优点在于：对光谱仪采集到的背景光信号和脉冲反射光信号施加一调制信号，所述调制信号的周期与所述脉冲反射光信号的周期相同，且所述调制信号在一个周期内方向为正的信号积分面积与方向为负的信号积分面积相同。由于背景光信号相对稳定，在一个周期内变化几乎为零，因此对背景光信号与调制信号的乘积进行叠加时，由于背景光信号与调制信号的乘积大小相同，方向相反，因此，叠加后的数值为零，从而消除了背景光信号的干扰，数据处理装置114控制脉冲反射光与调制信号的乘积不为零，由于一个调制信号周期内反射光信号只出现非常短暂的时间，即便在一个周期内进行叠加，也不会对反射光信号造成影响，特别的，当设置调制信号的幅值大于反射光信号的光强时，所述调制信号还能放大反射光信号的光强，使得数据处理装置能够更为准确的利用反射光信号对刻蚀终点进行计算。
附图说明
[0038] 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：
[0039] 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；
[0040] 图2示出反射光信号、背景光信号及调制信号示意图；
[0041] 图3示出另一种
实施例的反射光信号、背景光信号及调制信号示意图；
[0042] 图4示出具有放大倍数的调制信号及反射光信号、背景光信号示意图；
[0043] 图5示出另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。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 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的反应腔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111，所述等离子体对基片10进行刻蚀。产生等离子体的方法可以为电容耦合方式、电感耦合方式或者电子回旋方式，因此本发明适用于多种方式的等离子体处理装置。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。
[0046] 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102及一光谱仪104，一光信号出入口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102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104。具体工作原理为：入射光源102发射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：
[0047] Δd＝λ/2n
[0048] 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104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。
[0049] 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，有时甚至会超过入射光在基片薄膜上反射的光信号强度，由于入射光和背景光信号都为全光谱光信号,当设置光谱仪采集某种波长的光信号时,光谱仪采集到的光信号为该波长的反射光信号和背景光信号之和，背景光信号产生的噪声会给利用反射光信号进行上述刻蚀终点的计算带来困难，无法如上文所述对刻蚀速率进行运算，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，本发明需要排除背景光信号的干扰。
[0050] 为了消除背景光信号的干扰，本发明提供的干涉终点监测装置还包括数据处理装置114，光谱仪将采集到的背景光信号和反射光信号之和输送到数据处理装置114，数据处理装置114对背景光信号和反射光信号之和施加一调制信号，利用该调制信号消除背景光信号。
[0051] 图2示出光谱仪采集的反射光信号、背景光信号及数据处理装置施加的调制信号示意图。本发明选择设置入射光源102为一脉冲入射光源，其可以以一定
频率向反应腔内发射短持续时间的高
能量脉冲光，如具有全光谱的闪光灯，闪光灯在每个脉冲周期内发光的时间极短，通常为微秒级，可以近乎在一个时间点上发射瞬时光信号，因此，在图2所示示意图中，将脉冲入射光信号在基片表面反射产生的脉冲反射光信号表现为具有一定间隔的竖直线段，竖直线段的长度表示了脉冲反射光信号的强度，两条竖直线段的间隔表示脉冲入射光的周期t0。而等离子体发出的背景光信号在整个等离子体工艺期间一直存在，且光强变化范围较小，表示为一条大致
水平的平滑曲线。光谱仪采集反应腔内的脉冲反射光信号和背景光信号，并将采集到的光信号输送到数据处理装置114，数据处理装置114施加一调制信号至所述背景光信号和反射光信号，利用所述调制信号消除背景光信号的干扰。
[0052] 所述调制信号为具有正负方向且与所述入射光信号频率相同的周期信号，调制信号能够消除背景光信号的关键在于调制信号在每个周期内正负方向对应的面积大小相等。如图2虚线所示，所述调制信号可以为正弦信号或余弦信号。数据处理装置114将调制信号与光谱仪采集到的背景光信号和脉冲反射光信号进行乘法运算，由于背景光信号在相邻时间段内强度变化不大，在一个周期内可以近乎相同，当对其施加一正弦信号或余弦信号时，由于正弦信号或余弦信号的在一个周期内大于零的数值与小于零的数值相等，相当于将背景光信号的光强数值在每个周期内调制为一半为正一半为负，因此，当对每个周期内的数值进行叠加运算，带有正负的光强数值叠加后相互抵消，从而消除了背景光信号。脉冲反射光信号由于是短持续时间的高能量脉冲光，一个发光周期内只有很短的时间内光强不为零，只要控制所述调制信号与所述脉冲反射光进行乘法运算时，每个周期内调制信号为0的位置与反射光信号不对应，即可得到具有一定数值的反射光信号强度。由于背景光信号已经被消除，数据处理装置114内对乘法运算结构叠加后只得到反射光信号的信息，进而据此进行刻蚀工艺的终点计算。为了保证与调制信号运算后得到的反射光信号强度数值较大，以便于对刻蚀终点的计算，每个周期内脉冲反射光信号与正弦信号或余弦信号靠近波峰的位置对应，优选的，反射光信号的位置与正弦信号或余弦信号的波峰位置对应。
[0053] 本发明所述的调制信号除了上述实施例描述的正弦信号和余弦信号外，还可以有多种其他形式，只要能保证调制信号具有正负方向且在一个周期内对正负方向积分后数值相同既可实现本发明目的。在图3所示的实施例中，公开了一种具有高低电平的脉冲周期信号，由图可知，所述调制信号一半周期为正一半周期为负且正负幅值相同，因此，在将调制信号与背景光信号的乘积进行叠加时，每个周期内的叠加结果均为零，从而实现对背景光信号的去噪。在进行乘法运算时，数据处理装置114避免调制信号的上升沿或下降沿与脉冲反射光信号位置相对应，进而得到只有反射光信号的信息，以据此进行刻蚀终点的计算。
[0054] 在本发明中调制信号除了可以消除背景光信号外还能对计算所需的反射光信号强度数值进行放大，通过设置调制信号的幅度值大于反射光信号的强度数值，并设置反射光信号与调制信号的波峰位置相对应，如图4所示，当数据处理装置114对光谱仪104采集到的光信号与所述调制信号的进行乘法运算时，背景光信号被消除，反射光信号强度被放大A倍(A为调制信号的幅度)。放大后的反射光信号光强数值可以弥补入射光源102发射的入射光强度较弱，反射光信号不明显导致的对刻蚀终点的预测不准确等问题。本发明利用一数据处理装置114可以方便的产生各种幅度的调制信号，根据入射光源的入射光强度及计算所需的反射光强度进行灵活调节。
[0055] 本发明所述的脉冲入射光源102发射入射光信号的周期可以通过多种方式设定，如本发明采用的闪光灯可以周期性的发出入射光信号，为了更加灵活的调节入射光信号的周期，也可以如图5所示，所述光谱仪104输送一脉冲信号触发入射光源的发光周期。采用图5所示的方式触发入射光源102可以有效的控制反射光信号与调制信号的周期同步，并能够调节反射光信号与调制信号的位置关系，在数据处理装置的运算过程中，得到最优化的反射光信号信息。
[0056] 相比于
现有技术中通过设置入射光源周期性开通和断开以使光谱仪采集得到脉冲式反射光信号，本发明采用持续发射脉冲式光信号的闪光灯作为入射光源可以避免频繁的对入射光源进行机械
开关，降低入射光源的机械损伤；同时，由于闪光灯每个脉冲周期内发射入射光的时间短于通过机械开关控制的入射光源在一个周期内发射入射光的时间，可以延长入射光源的有效发光时间，提高入射光源的使用寿命。此外，本发明采用闪光灯作为入射光源，可以提供全光谱的入射光，让等离子体处理装置的使用者有更多波长范围的选择。同时，闪光灯可以按照一定周期发射持续时间较短的高能量光信号，既能够保证光谱仪接收到的反射光信号强度够大，同时入射光源的持续发光时间短暂可以延长光源的使用寿命。光谱仪采集到的光信号可以实时处理运算，提高准确度和效率。
[0057] 本发明通过将光谱仪采集到的光信号施加一调制信号，利用调制信号的正负幅值相等且与入射光信号的频率相同除去背景光信号的干扰，除此之外，调制信号可以放大反射光信号强度数值，提高计算刻蚀终点的准确性。从而准确监控基片薄膜的刻蚀工艺
进程。所述数据处理装置可以为一计算机系统。
[0058] 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入射光信号，根据上文描述，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。
[0059] 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。
