实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法及半导体刻蚀设备与流程

1.本发明涉及半导体通孔刻蚀技术领域，更具体地，涉及一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法及半导体刻蚀设备。


背景技术：

2.gaas材料具有宽禁带，高频，高压，抗辐射、耐高温及发光效率高等特性，其下游应用领域包括：移动通信(智能手机等)、无线通信(基站)、光纤通信、led、光伏、卫星导航等，它的工作频率主要在8ghz以内，适合中低功率器件如微基站和手机射频材料等。尽管gaas材料具有杰出的电学特性，但其热导率差，使得其很难有效的去除器件产生的热量。通常的解决方案是从晶圆背面到正面形成通孔，以此形成良好的散热通道。
3.背孔工艺是器件制备流程中最后阶段的其中一步，在完成正面工艺后，晶圆键合到一个载片上并将gaas衬底减薄至约100μm，然后进行光刻图形化及等离子体刻蚀，刻蚀至正面金属层截止，光阻移除后进行金属互联，图1示出了gaas衬底背孔刻蚀示意图，如图1所示，背孔工艺结构包括背金1，gaas衬底2、gaas器件正面结构3(包括金属层)以及金属电极4。
4.gaas背孔工艺通常采用光刻胶掩膜，刻蚀形貌有垂直孔、y型孔、v型孔等，其中垂直孔掩膜角度约为75-90
°
，y型及v型孔掩膜角度约为30-45
°
，通过优化工艺参数，实现需求的刻蚀形貌。刻蚀需要高速、高选择比，因gaas减薄厚度存在轻微差异，通常采用光学发射光谱(optical emission spectroscopy，oes)进行刻蚀终点检测。
5.oes(原子光谱仪)是半导体设备常用来判断腔室内部状态的一种设备。其原理通过光栅分辨工艺中等离子体辉光放电产生的光谱，每种气体或元素都有其对应的发光波长，当某种气体或元素含量升高或者减少时，其对应的发光谱线强度随之增强或减弱。根据不同波长的光谱随着时间的变化确认工艺进行的状态，常用于终点检测。在不同的膜层结构中，不同层对应的元素不同，进而刻蚀后检测到的光谱也不同。oes常用检测元素及对应波长见表1。
6.表1-1不同检测元素对应波长表
7.元素gaalinsisinco波长(nm)417.2396.1451.1288.2440.7519.8
8.通常gaas背孔工艺仅通过检测ga_417nm元素光谱强度下降(即gaas膜层刻蚀完)进行终点判断。
9.gaas背孔侧壁形貌受刻蚀选择比(选择比＝gaas刻蚀速率/pr刻蚀速率)影响较大，当选择比偏低时，侧壁倾斜，选择比高时，侧壁接近垂直。工艺参数如压力、上射频功率、下射频功率、气体总流量及比例、晶片表面温度均对选择比有影响。现有电感耦合等离子体刻蚀工艺，采用恒定的工艺参数进行作业，受光胶条件差异、设备不同run次之间温度参数差异、腔室环境差异等因素影响，会导致连续作业后侧壁形貌存在差异，进而影响器件性能。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提出一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法及半导体刻蚀设备，实现提高连续通孔刻蚀中通孔侧壁形貌的一致性。
11.为实现上述目的，本发明提出了一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法，包括：
12.步骤1：基于预设的工艺配方对工艺腔室内的晶片进行通孔刻蚀工艺；
13.步骤2：采集所述工艺腔室内反应气体等离子体辉光放电产生的oes光谱，实时获取所述oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度，并计算所述光谱信号强度的斜率，所述斜率为单位时间内所述光谱信号的强度变化，用于表征当前时刻垂直刻蚀速率与水平刻蚀速率之比；
14.步骤3：若当前时刻所述特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于对应的基准斜率范围之内，则继续进行刻蚀工艺，若当前时刻所述特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于对应的基准斜率范围之外，则调整特定工艺参数，使下一时刻所述特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于下一时刻对应的基准斜率范围之内，其中，所述特定工艺参数与所述特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率之间具有函数关系；
15.步骤4：重复步骤2-3直至完成通孔刻蚀工艺。
16.本发明还提出一种半导体刻蚀设备，包括工艺腔室、与所述工艺腔室连接的反应气体供应系统、射频功率源、oes光谱仪以及下位机；
17.所述反应气体供应系统用于向所述工艺腔室内通入反应气体；
18.所述射频功率源用于产生射频功率使所述反应气体离子化，以产生等离子体；
19.所述oes光谱仪用于采集所述工艺腔室内所述等离子体辉光放电产生的oes光谱，并实时获取所述oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度；
20.所述下位机用于执行以上所述的实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法。
21.本发明的有益效果在于：
22.本发明的方法通过采集工艺腔室内反应气体等离子体辉光放电产生的oes光谱，并实时获取oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率变化，若当前时刻的斜率位于对应的基准斜率范围之内，则继续刻蚀工艺，若当前时刻的斜率位于对应的基准斜率范围之外，则调整特定工艺参数，使下一时刻特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于下一时刻对应的基准斜率范围之内，基于实时斜率与对应的基准斜率范围的匹配调控，实现提高通孔连续刻蚀过程中通孔侧壁形貌的一致性。
23.本发明的方法及装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
24.通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
25.图1示出了现有gaas衬底背孔刻蚀示意图。
26.图2示出了根据本发明的一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法的步骤图。
27.图3示出了根据本发明实施例的一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法的流程图。
28.图4示出了根据本发明实施例的一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法中垂直孔刻蚀对应的oes谱线。
29.图5示出了根据本发明实施例的一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法中倾斜孔刻蚀对应的oes谱线。
30.图6示出了根据本发明的一个实施例的一种半导体刻蚀设备的结构示意图。
具体实施方式
31.现有技术一为解决电感耦合等离子体砷化镓背孔刻蚀工艺刻蚀速率低，受表面清洁程度和剩余残留物影响较大而产生微米级支柱的问题，提供了一种能有效提高刻蚀背孔质量，大幅提高刻蚀速率以迅速提高产能的电感耦合等离子体干法刻蚀砷化镓背孔工艺。该工艺主要包括以下步骤：
32.(1)将已完成正面器件工艺加工的砷化镓半导体基片正面朝下黏附在蓝宝石载体上进行机械减薄及化学湿法刻蚀。
33.(2)在砷化镓半导体基片上光刻胶并进行固化热处理形成光刻胶掩膜。
34.(3)在光刻胶光刻仪上进行曝光后显影，将设计的背孔图形转移复印在砷化镓背面的光刻胶掩膜上。
35.(4)利用电感耦合等离子体干法刻蚀机进行背孔刻蚀，之后去除光刻胶并进行表面清洁处理即可。其中干法刻蚀工艺参数为：反应气体ar/cl2/bcl3，其中cl2所占的体积百分比为20～80％，气压：8～25mtorr，反应气体总流量：100～450sccm，电感耦合功率：600～1300w，射频偏压功率：50～150w。通过调控电感耦合等离子体干法刻蚀工艺的各种可调参数以达到砷化镓半导体背孔刻蚀工艺最优化的目的。
36.现有技术一存在以下缺点：
37.该方法通过调控工艺参数实现砷化镓背孔刻蚀工艺最优化目的，但是采用恒定的工艺参数进行作业，受光胶条件差异、设备不同run次之间温度参数差异、腔室环境差异等因素影响，会导致连续作业后侧壁形貌存在差异，影响器件性能。
38.现有技术二公开了一种金属硬质掩模一体化刻蚀通孔过刻蚀量的检测方法，在采用金属硬掩模一体化刻蚀技术进行通孔的刻蚀过程中，通过光谱epd系统建立刻蚀生成物光谱信号强度随时间变化的光谱曲线，定义光谱曲线的斜率变化率按时间顺序在一定的连续时间内达到第一阈值时为通孔部分接触铜阶段、达到第二阈值时为通孔完全接触铜阶段，自通孔完全接触铜的时间点开始计算通孔的过刻蚀时间，并通过控制过刻蚀时间，将通孔的过刻蚀量控制在一定范围。该方案利用光谱epd系统进行非破坏性的实时监测，可减少工艺研发的成本，加强生产监测，降低风险。
39.现有技术二存在以下缺点：
40.现有技术二通过光谱epd系统进行终点检测，仅确认刻蚀终点对应时间，并据此控制过刻时间。没有通过epd光谱信号变化对应进行刻蚀参数实时调整，实现刻蚀形貌的实时调节。
41.本发明为解决连续刻蚀中刻蚀形貌存在差异的问题，提供一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法，通过oes特定元素例如ga(417nm)元素光谱强度斜率变化，与基准光谱数据进行对比，通过实时连续调节下电极功率实现与基准信号的匹配，实现连续刻蚀的形貌一致性。
42.下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
43.图2示出了根据本发明的一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法的步骤图。
44.如图2所示，一种实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法，包括：
45.步骤s101：基于预设的工艺配方对工艺腔室内的晶片进行通孔刻蚀工艺；
46.具体地，通孔刻蚀工艺可以为背孔刻蚀的主刻蚀工艺或深孔刻蚀工艺，晶片可以为gaas衬底或sic衬底等。
47.步骤s102：采集工艺腔室内反应气体等离子体辉光放电产生的oes光谱，实时获取oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度，并计算光谱信号强度的斜率，斜率为单位时间内光谱信号的强度变化，用于表征当前时刻垂直刻蚀速率与水平刻蚀速率之比；
48.具体地，需要在执行步骤s101之前，针对通孔刻蚀工艺的具体类型，采用满足要求的工艺参数对晶片进行完整的通孔刻蚀工艺，采集完整工艺过程中腔室oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度数据；
49.然后，基于光谱信号强度数据，计算出特定元素发光波长对应光谱信号强度随时间变化的斜率曲线，基于多次完整的通孔刻蚀工艺的光谱信号强度数据采集建立数据库；
50.之后，确定通孔刻蚀工艺过程中不同时刻特定元素发光波长对应光谱信号强度的斜率的最小值与最大值，作为不同时刻的基准斜率范围。
51.其中，特定元素可以为腔室气体中晶片材料所含元素，例如采用含氯等离子体对gaas衬底进行通孔刻蚀时腔室oes光谱中的ga元素(417nm信号)，也可以为反应气体与晶片材料反应物中的元素，例如采用含氟等离子体对sic衬底进行通孔刻蚀时oes光谱中的sif元素(440nm信号)。特定工艺参数优选为下射频功率值，可选为晶片表面温度值。
52.特定元素发光波长对应光谱信号强度的斜率可以认为被刻蚀材料垂直刻蚀与水平刻蚀速率比值的间接体现，当刻蚀垂直形貌时，特定元素发光波长对应的光谱信号强度在光谱中对应的斜率在刻蚀过程中接近水平；当刻蚀倾斜形貌时，除了垂直向下刻蚀的速率，还增加了水平刻蚀产生的刻蚀产物，特定元素发光波长对应的光谱信号强度不断提升，对应的斜率在刻蚀过程中也不断变大。
53.本步骤中，在实时获取oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度，通过计算光谱信号强度在单位时间内光谱信号的强度变化，确定特定元素对应光谱信号强度在当前时刻的斜率。
54.步骤s103：若当前时刻特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于对应的基准斜率范围之内，则继续刻蚀工艺，若当前时刻特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于对应的基准斜率范围之外，则调整特定工艺参数，使下一时刻特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率位于下一时刻对应的基准斜率范围之内，其中，特定工艺参
数与特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率之间具有函数关系；
55.具体地，特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率与特定工艺参数之间的函数关系为：
56.k
t
＝n
t
·
△a57.其中，k
t
为t时刻特定元素发光波长光谱信号强度对应的斜率，
△
a为特定工艺参数的数值变化量，n
t
为t时刻特定工艺参数单位参数值变化引起的特定元素光谱信号强度的斜率变化系数。
58.本步骤中，调整特定工艺参数包括：
59.根据所述特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率与所述特定工艺参数之间的函数关系，计算所述特定工艺参数的在下一时刻对应的参数值，并连续调整所述特定工艺参数至下一时刻对应的参数值，同时保持其他工艺参数不变。
60.其中，根据特定元素发光波长对应的光谱信号强度的斜率与特定工艺参数之间的函数关系计算特定工艺参数的在下一时刻对应的参数值，具体包括：
61.当k
t
＞k
(t,max)
时，aj＝a
i-(k
t-k
(t,max)
)/n
t
；
62.当k
t
＜k
(t,min)
时，aj＝ai (k
t-k
(t,min)
)/n
t
；
63.当k
t
∈[k
(t,min)
，k
(t,max)
]时，继续进行工艺；
[0064]
其中，k
t
为t时刻特定元素发光波长光谱信号强度的斜率，k
(t,max)
为t时刻特定元素发光波长光谱信号强度对应的基准斜率范围的上限值，n
t
为t时刻特定工艺参数单位参数值变化引起的特定元素光谱信号强度的斜率变化系数，ai为i时刻特定工艺参数对应的参数值，aj为j时刻特定工艺参数对应的参数值。
[0065]
步骤s104：重复步骤s102-s103直至完成通孔刻蚀工艺。
[0066]
具体地，当通孔刻蚀工艺为背孔刻蚀的主刻蚀工艺时，以特定元素发光波长对应的光谱信号强度出现下降标识刻蚀至刻蚀停止层，主刻蚀工艺结束。
[0067]
当通孔刻蚀工艺为背孔刻蚀的主刻蚀工艺时，在完成主刻蚀工艺后还需继续进行过刻蚀工艺，可采用主刻蚀完成时刻的所有工艺参数值继续进行过刻蚀工艺，过刻蚀时间为主刻蚀时间的10-20％。
[0068]
下面以gaas衬底背孔刻蚀工艺实施例对本发明做进一步的解释。
[0069]
实施例
[0070]
如图3所示，本实施例的gaas衬底背孔刻蚀工艺方法具体如下：
[0071]
步骤s201：采用base recipe(基本工艺配方)，确定不同时刻斜率的最小值k
(t,min)
与最大值k
(t,max)
。
[0072]
采用满足要求的工艺参数进行完整通孔刻蚀工艺，收集oes ga(417nm)光谱信号，并计算出对应斜率曲线(单位时间内ga光谱强度的变化)，建立基础数据库，确定不同时刻斜率的最小值k
(t,min)
(t时刻ga信号斜率最小值)与最大值k
(t,max)
(t时刻ga信号斜率最大值)，其中，ga信号斜率可以认为gaas材料垂直刻蚀与水平刻蚀速率比值的间接体现，如图4所示，当刻蚀垂直形貌时，ga信号强度在刻蚀过程中接近水平；如图5所示，当刻蚀倾斜形貌时，除了垂直向下刻蚀的速率，还增加了水平刻蚀产生的刻蚀产物，ga信号强度在刻蚀过程中不断提升。
[0073]
步骤s202：进行工艺参数对侧壁角度影响数据收集，通过调整不同的下射频功率，
确认ga信号斜率与不同下射频功率对应函数关系：
[0074]kt
＝n
t
·
△
p
[0075]
其中，k
t
为t时刻ga信号斜率，
△
p为下射频功率变化，n
t
为t时刻单位功率变化引起的ga信号斜率变化，其为一个系数；
[0076]
步骤s203：进行gaas衬底的背孔刻蚀的主刻蚀工艺(背孔结构可参考图1)，并采集oes ga(417nm)光谱信号；主刻蚀工艺参数包括：pressure(腔室压力)＝10-20mt，srf(激励功率)＝600-1000w，brf(下电极射频功率，即pi)＝100-300w，cl2流量＝100-300sccm，bcl3流量＝10-50sccm；
[0077]
步骤s204：通过实时与基准oes数据进行对比，并进行实时调节，实时调节过程仅调整下电极射频功率，其他工艺参数保持不变，实时调节步骤如下：
[0078]
步骤s301：将k
t
与[k
(t,min)
，k
(t,max)
]区间进行对比；
[0079]
步骤s302：当k
t
∈[k
(t,min)
，k
(t,max)
]时，继续进行工艺；
[0080]
步骤s303：当k
t
＞k
(t,max)
，连续降低下射频功率至pj＝p
i-(k
t-k
(t,max)
)/n
t
；
[0081]
步骤s304：当k
t
＜k
(t,min)
，连续增加下射频功率至pj＝pi (k
t-k
(t,min)
)/n
t
；其中，pi，pj分别为i，j时刻下电极功率；
[0082]
重复步骤s301-s304直到刻蚀至截止层(gaas衬底正面的金属刻蚀截止层)，刻蚀至截止层时ga信号出现下降，完成主刻蚀工艺。
[0083]
因主刻蚀对刻蚀形貌起决定作用，因此主要针对主刻蚀步骤进行调控。
[0084]
步骤s205：进行过刻蚀工艺，过刻蚀通常采用步骤204的最终条件进行，刻蚀时间一般为主刻蚀时间的10-20％，最终完成gaas衬底背孔刻蚀的整个工艺步骤。
[0085]
本实施例通过oes光谱ga(417nm)元素光谱强度斜率变化，与基准光谱数据进行对比，通过实时连续调节下电极功率实现与基准信号的匹配，实现提高连续刻蚀的形貌一致性，有效解决了连续通孔刻蚀中侧壁形貌存在差异的问题。
[0086]
需要说明的是，本实施例中，因晶片温度的变化同样会导致刻蚀选择比变化，进而影响侧壁角度形貌，因此下射频功率的连续变化也可以采用晶片表面温度的连续变化替代。调控方法与上述基于下射频功率的调控方法一致，本领域技术人员容易实现此处不做赘述。
[0087]
进一步地，本发明的方法不仅适用于gaas背孔刻蚀，对于深孔刻蚀工艺中侧壁角度调节同样适用，如sic衬底深孔刻蚀工艺中，可以监测oes光谱中sif(440nm)信号强度的光谱斜率，并采用本发明的方法对应做实时特定工艺参数的调控，获取对应sif(440nm)信号强度的斜率与目标斜率一致的结果。
[0088]
如图6所示，本发明实施例还提出一种半导体刻蚀设备，包括工艺腔室1、与工艺腔室连接的反应气体供应系统2、射频功率源3、oes光谱仪4以及下位机5；
[0089]
反应气体供应系统2用于向工艺腔室内通入反应气体；
[0090]
射频功率源3用于产生射频功率使反应气体离子化，以产生等离子体；
[0091]
oes光谱仪4用于采集工艺腔室内等离子体辉光放电产生的oes光谱，并实时获取oes光谱中特定元素发光波长对应的光谱信号强度；
[0092]
下位机5用于执行以上实施例步骤s101-步骤s104的实时调节通孔刻蚀形貌的刻蚀方法。
[0093]
其中，射频功率源3可以包括上射频功率源和下射频功率源，oes光谱仪还可作为终点监测装置，例如在gaas衬底背孔刻蚀工艺中，当监测ga(417nm)元素光谱强度逐渐下降时表征刻蚀到截止层，主刻蚀工艺完成。本实施例的刻蚀设备中的其他部件与现有刻蚀机台保持一致，此处不再赘述。
[0094]
综上，本发明通过特定元素的发光波长在oes光谱中的斜率与基准斜率的对比，对应连续变化下的相关特定工艺参数的调整，实时调节刻蚀通孔的侧壁角度，可以实现连续刻蚀中刻蚀形貌一致性，能够解决因光胶条件、腔室温度、腔室环境等变化引起的刻蚀结果变化，实现较高的工艺结果重复性。
[0095]
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。