一种直流偏压控制方法及等离子体处理装置与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种直流偏压控制方法及等离子体处理装置。


背景技术：

2.等离子体在对晶圆w进行处理时，由于等离子体中的电子和正电离子在质量上存在差异，因而具有不同的运动速度。电子质量小，更容易被电场加速，因而电子具有比正电离子更大的速度。由于一般约束等离子体的环境是接地的，如反应腔壁，这样在等离子体和反应腔壁(电位较低)间，运动速度快的电子被接地的反应腔壁导走，而运动速度慢的正电离子就聚集在离反应腔壁一定距离的位置并稳定存在，因此反应腔壁附近产生一个电场，该电场加速正离子、减速电子，通过该电场将由于热运动的而飞向反应腔壁的电子打回等离子内部。电子和正离子最终稳定了以后，就形成了鞘层结构。同样原理，晶圆上方的等离子体与晶圆w之间也会形成鞘层结构，并使得晶圆w具有一个直流偏置电压(负偏压)，通过该直流偏置电压控制轰击至晶圆表面的正离子能量，进而控制晶圆w的刻蚀速率。
3.直流偏置电压的大小反映了等离子体的一些参数状态，如果直流偏置电压大小发生变化，说明反应腔内的等离子体状态发生了变化，需要予以调节，以免影响等离子体工艺进程。在偏置射频功率源输出的射频功率恒定时，晶圆表面的直流偏置电压相对较稳定，可以直接对其进行模拟信号采集，实现对晶圆表面直流偏置电压的监控。然而，在一些工艺中，偏置射频功率源输出的射频功率为脉冲输出，从而晶圆表面直流偏置电压会随着射频功率脉冲的变化而发生变化，也形成复杂的脉冲波。采集的直流偏置电压信号会夹杂较大的噪声，并包含信号上升沿和下降沿。某些工艺在直流偏置电压信号上升和下降的过程中会出现过冲现象(overshoot)，还有一些工艺在直流偏置电压信号上升和下降的过程中会出现一个坡度，因而采集到的直流偏置电压信号不为理想的方波信号。若直接根据采集的直流偏置电压信号对偏置射频功率源输出的射频功率进行反馈，必将引起较大的误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种直流偏压控制方法及等离子体处理装置，本发明不受偏置射频功率源输出方式的限制，能够有效补偿反应腔内偏置射频回路中的功率损耗，精准控制晶元表面直流偏置电压，实现精确控制晶圆的刻蚀速率。
5.为了达到上述目的，本发明提供一种直流偏压控制方法，将偏置射频功率源加载到基座上，使得基座上承载的待加工晶圆表面产生直流偏置电压，所述方法包含：
6.探测晶圆表面的直流偏置电压信号；
7.同步偏置射频功率源的输出时钟信号，根据所述输出时钟信号判断偏置射频功率源的输出方式，并根据所述输出时钟信号、输出方式对探测的直流偏置电压信号进行处理后计算反馈值；
8.根据所述反馈值调整偏置射频功率源的输出功率。
9.优选的，所述同步偏置射频功率源的输出时钟信号包含：根据偏置射频功率源的输出功率同步偏置射频功率源的输出时钟信号：当偏置射频功率源输出射频功率时，所述输出时钟信号处于高电平；当偏置射频功率源不输出射频功率时，所述输出时钟信号处于低电平。
10.优选的，所述同步偏置射频功率源的输出时钟信号包含：根据偏置射频功率源的输出功率同步偏置射频功率源的输出时钟信号：当偏置射频功率源输出第一功率时，所述输出时钟信号处于高电平；当偏置射频功率源输出第二功率时，所述输出时钟信号处于低电平；第一功率大于第二功率。
11.优选的，所述对探测的直流偏置电压信号进行处理包含：当偏置射频功率源输出射频功率时，对所述直流偏置电压信号进行采样；在输出时钟信号的单个时钟周期的高电平时长内，采样次数为n次，依序得到采样信号s1～sn；舍弃采样信号s1～si以及sj～sn，实现对采样得到的直流偏置电压信号去噪；其中1＜i＜j＜n；i、j为与反应腔工艺对应的第一校准值、第二校准值；依采样的时间顺序实时存储被保留的采样信号。
12.优选的，所述对探测的直流偏置电压信号进行处理包含：当偏置射频功率源输出第一功率时，对所述直流偏置电压信号进行采样；在输出时钟信号的单个时钟周期的高电平时长内，采样次数为n次，依序得到采样信号s1～sn；舍弃采样信号s1～si以及sj～sn，实现对采样得到的直流偏置电压信号去噪；其中1＜i＜j＜n；i、j为与反应腔工艺对应的第一校准值、第二校准值；依采样的时间顺序实时存储被保留的采样信号。
13.优选的，所述对探测的直流偏置电压信号进行处理包含：当偏置射频功率源输出第二功率时对所述直流偏置电压信号进行采样；在输出时钟信号的单个时钟周期的低电平时长内，采样次数为n次，依序得到采样信号s1～sn；舍弃采样信号s1～si以及sj～sn，实现对采样得到的直流偏置电压信号去噪；其中1＜i＜j＜n；i、j为与反应腔工艺对应的第一校准值、第二校准值；依采样的时间顺序实时存储被保留的采样信号。
14.优选的，对存储的采样信号求均值得到当前时刻的反馈值fk
t
：
[0015][0016]
其中，m为预设的自然数，t为当前时刻，sk为最近一次存储的采样信号；sk为第k次存储的采样信号。
[0017]
优选的，当反馈值fk
t
低于预设的第一阈值，驱动偏置射频功率源增加其输出功率；当所述反馈值高于预设的第二阈值，驱动偏置射频减小其输出功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。
[0018]
优选的，所述直流偏压控制方法，还包含建立信号校准表，所述信号校准表包含若干三元组，所述三元组包含：反应腔工艺代码、与反应腔工艺对应的所述第一校准值和第二校准值；通过查找信号校准表获取第一校准值、第二校准值。
[0019]
本发明还提供一种等离子体处理装置，用于本发明所述的直流偏压控制方法，所述等离子体处理装置包括一等离子体反应腔，所述等离子体反应腔内底部设有放置晶圆的基座，所述基座作为等离子体反应腔的下电极，所述等离子体处理装置还包含：
[0020]
模拟信号探测器，连接所述下电极，用于探测晶圆表面的直流偏置电压信号；
[0021]
信号处理单元，获取偏置射频功率源的输出时钟信号，根据所述输出时钟信号判
断并根据所述输出时钟信号对模拟信号探测器探测的直流偏置电压信号进行处理后计算反馈值；
[0022]
控制器，根据所述反馈值调整偏置射频功率源的输出功率。
[0023]
优选的，所述信号处理单元还包含存储模块，用于存储被保留的采样信号、反馈值和信号校准表；所述信号校准表包含若干三元组，所述三元组包含：反应腔工艺代码、与反应腔工艺代码对应的所述第一校准值和第二校准值；不同的反应腔工艺代码对应不同的反应腔工艺。
[0024]
优选的，所述的等离子体处理装置，还包含与信号处理单元通讯连接的图形用户界面，用于向信号处理单元输入所述反应腔工艺代码并显示信号处理单元计算得到的反馈值。
[0025]
优选的，所述信号处理单元是逻辑可编程电路，其包含与所述控制器通信的接口。
[0026]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0027]
1)本发明所提供的直流偏压控制方法及等离子体处理装置能够使待加工晶元表面的负偏压保持在预设范围内，从而使待加工晶元的工艺速率(如刻蚀或沉积)也保持在预设的范围内；
[0028]
2)本发明能够适用于各种输出方式的偏置射频功率源，不受射频功率源输出方式、输出波形的限制；
[0029]
3)本发明采集晶圆表面直流偏置电压信号，用于反馈偏置射频功率源输出功率；并根据偏置射频功率源的输出时钟信号来控制直流偏置电压信号的采集，在采集中屏蔽了反应腔中鞘层崩塌时的直流偏置电压信号，保证了反馈数据的有效性；
[0030]
4)本发明还屏蔽了直流偏置电压信号的上升沿和下降沿，因此对直流偏置电压的控制方法更为精确，能够持续为射频功率源提供稳定的反馈信号；
[0031]
5)本发明通过逻辑可编程电路作为信号处理单元来计算偏置射频功率源的反馈值，具有计算速度快、处理能力强、抗外部干扰以及内置的反馈值计算算法易于根据反应腔内不同的工艺扩展的优点。
附图说明
[0032]
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图：
[0033]
图1为现有技术的等离子体处理装置结构示意图；
[0034]
图2为本发明的等离子体处理装置结构示意图；
[0035]
图3为本发明的直流偏压控制方法流程图；
[0036]
图4为实施例一中，偏置射频功率源输出电压波形、偏置射频功率源的输出时钟信号、探测的晶圆表面直流偏置电压信号、信号处理单元输出的反馈值示意图；
[0037]
图5为实施例一中，偏置射频功率源交替输出第一功率和第二功率时，偏置射频功率源的输出时钟信号示意图。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
电容耦合等离子体(ccp)刻蚀设备结构如图1所示。电容耦合等离子体刻蚀设备是一种由施加在基座110上的射频电源通过电容耦合的方式在反应腔内产生等离子体并用于刻蚀的设备。其包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁101，反应腔侧壁上设置一开口102用于容纳晶圆w进出。反应腔内设置一气体喷淋头120和一与所述气体喷淋头相对设置的基座110，所述气体喷淋头120与一气体供应装置125相连，用于向真空反应腔输送反应气体，同时作为真空反应腔的上电极，所述基座上方设置一静电吸盘112，同时作为真空反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源150通过匹配网络152施加到所述上电极或下电极之一，在所述上电极和所述下电极之间产生射频电场，用以将反应气体解离为等离子体。等离子体中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理晶圆w的表面发生多种物理和化学反应，使得晶圆w表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵140，用于将反应副产物排出反应腔，维持反应腔的真空环境。
[0040]
在进行晶圆w加工时，通常将一偏置射频功率源160通过对应的匹配网络162被施加在基座110上用于在基座110上承载的晶圆w表面产生直流偏置电压。
[0041]
反应腔内偏置射频回路中的偏置射频功率难以避免会有损耗，因此为偏置射频功率源预设的输出功率值并不能够满足晶圆w加工工艺的实际需求，需要在晶圆w加工的过程中不断调整。然而目前并没有精确获取反应腔内偏置射频功率损耗值的有效办法。
[0042]
晶圆w表面直流偏置电压的大小直接影响待加工晶圆的处理速率。当增大偏置射频功率源的输出功率时，晶圆w表面的直流偏置电压随之增大，增加晶圆表面的刻蚀速率；当减小偏置射频功率的输出功率时，晶圆w表面的直流偏置电压也随之减小，降低晶圆表面的刻蚀速率。因此，根据探测的晶圆w表面直流偏置电压来调整偏置射频功率源输出功率，不仅能够有效补偿反应腔内的偏置射频功率损耗，还能实现对晶圆w表面直流偏置电压的精准控制。
[0043]
晶圆w表面的直流偏置电压通常作为模拟信号直接被探测出来。然而，如图4所示，当偏置射频功率源为脉冲输出方式时，测得的直流偏置电压也为脉冲波。直流偏置电压不仅夹杂较大的噪声，同时在偏置射频功率的每个输出周期中，直流偏置电压也将伴随着出现上升沿和下降沿，甚至在其上升沿和下降沿还会出现过冲(overshoot)现象。因而探测的直流偏置电压并不是理想的方波形式。如果直接将探测的直流偏置电压用于为偏置射频功率源提供反馈，必将引起较大的误差。
[0044]
如何处理直流偏置电压复杂的脉冲波，利用探测的直流偏置电压信号为偏置射频功率源提供精确的反馈值，是业内一直在探索的问题。
[0045]
本发明提供一种直流偏压控制方法，如图3所示，所述方法包含：
[0046]
s101、探测晶圆表面的直流偏置电压信号；
[0047]
s102、同步偏置射频功率源的输出时钟信号，根据所述输出时钟信号判断偏置射频功率源的输出方式，并根据所述输出时钟信号、输出方式对探测的直流偏置电压信号进行采样、滤波、去噪处理后计算反馈值；
[0048]
s103、根据所述反馈值调整偏置射频功率源的输出功率。
[0049]
实施例一
[0050]
本实施例的步骤s101中，可以通过连接基座的模拟信号探测器231来获取所述直流偏置电压信号。在本实施例中，偏置射频功率源的输出电压波形如图4中的波形1所示，探测的直流偏置电压信号如图4中的波形3所示。
[0051]
本实施例的步骤s102中，根据偏置射频功率源的输出功率同步偏置射频功率源的输出时钟信号。如图4所示，当偏置射频功率源输出射频功率时(例如，偏置射频功率源的输出功率为800w)，所述输出时钟信号处于高电平；当偏置射频功率源不输出射频功率时(例如，偏置射频功率源的输出功率为0w)，所述输出时钟信号处于低电平。此时也可称为偏置射频功率源工作在on-off模式。输出时钟信号波形如图4的波形2所示。
[0052]
本实施例中输出时钟信号包含高电平和低电平，判断偏置射频功率源的输出方式为脉冲波。图4中的正弦脉冲波仅为示例，本发明能够适用于任何脉冲波形的偏置射频功率源，例如矩形脉冲波、三角脉冲波等。
[0053]
本实施例中，仅在偏置射频功率源输出射频功率时，也即输出时钟信号处于高电平时，采样所述直流偏置电压信号。因为此时反应腔内的鞘层处于建立状态。当偏置射频功率源不输出射频功率时，也即输出时钟信号处于低电平时，反应腔内的鞘层处于崩塌状态，此时晶圆表面的直流偏置电压信号作为无效信号，不对其进行采样。
[0054]
在本实施例中，反应腔内进行刻蚀工艺，偏置射频功率源的输出频率为1mhz，采样频率为100mhz。也即，输出时钟信号的单个时钟周期的高电平时长内，采样次数为100次，依序得到采样信号s1～s
100
。获取与反应腔工艺对应的第一校准值i＝10、第二校准值j＝10。如图4所示，舍弃前10个和后10个采样信号，即采样信号s1～s
10
以及s
90
～s
100
，实现对采样得到的直流偏置电压信号去噪(去除上升沿和下降沿的采样信号)。在输出时钟信号的每个时钟周期的高电平时长内，进行相同的采样、去噪步骤。
[0055]
第一校准值、第二校准值为根据反应腔内工艺预设的值，可以通过反复实验得到。本实施例中，建立了信号校准表，可以通过查找该表获取与反应腔工艺对应的第一、第二校准值。所述信号校准表包含若干三元组，所述三元组包含：反应腔工艺代码、与反应腔工艺对应的所述第一校准值和第二校准值；通过查找信号校准表获取第一校准值、第二校准值。在本实施例中设置刻蚀工艺的工艺代码为0001，建立三元组“0001，10，10”放入信号校准表。
[0056]
依采样的时间顺序实时存储被保留的采样信号。本实施例中，在第一个输出时钟信号周期内得到的80个采样信号被存储为s1～s
80
，在第二个输出时钟信号周期内得到的80个采样信号被存储为s
81
～s
160
，以此类推。
[0057]
t为当前时刻，对存储的采样信号求均值得到当前时刻的反馈值fk
t
。本实施例中，令s
200
为最近一次存储的采样信号，根据存储的采样信号s
200
，s
199
，
…
，s
151
，计算得到当前时刻的反馈值：
[0058][0059]
本实施例中，一次采用50个存储的采样信号用于计算反馈值，此仅为示例，不应作为本发明的限制。
[0060]
可以在存储的采样信号达到设定的数量阈值(本实施例中为50)才开始计算反馈值。本实施例中，反馈值的输出波形如图4中的波形4所示。
[0061]
本实施例的步骤s103中，当反馈值fk
t
低于预设的第一阈值，驱动偏置射频功率源增加其输出功率；当反馈值fk
t
高于预设的第二阈值，驱动偏置射频减小其输出功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。
[0062]
实施例二
[0063]
如图5所示，本实施例中偏置射频功率源依序交替输出第一功率和第二功率。当偏置射频功率源输出第一功率(800w)时，所述输出时钟信号处于高电平；当偏置射频功率源输出第二功率(400w)时，所述输出时钟信号处于低电平；显然第一功率大于第二功率。此时也可称为偏置射频功率源工作在high-low模式。
[0064]
本实施例中，仅在偏置射频功率源输出第一功率时，也即输出时钟信号处于高电平时，对直流偏置电压信号进行采样、去噪。
[0065]
本实施例中反馈值的计算实施例一相同。根据反馈值调节偏置射频功率源的输出功率，当反馈值低于预设的第一阈值，驱动偏置射频功率源增加其输出的第一功率；当反馈值高于预设的第二阈值，驱动偏置射频减小其输出的第一功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。
[0066]
实施例三
[0067]
本实施例中偏置射频功率源依序交替输出第一功率和第二功率。当偏置射频功率源输出第一功率(800w)时，所述输出时钟信号处于高电平；当偏置射频功率源输出第二功率(400w)时，所述输出时钟信号处于低电平；显然第一功率大于第二功率。
[0068]
本实施例中，仅在偏置射频功率源输出第二功率时，也即输出时钟信号处于低电平时，对直流偏置电压信号进行采样、去噪。
[0069]
本实施例中反馈值的计算实施例二相同。本实施例中根据反馈值调节偏置射频功率源的输出功率，当反馈值低于预设的第一阈值，驱动偏置射频功率源增加其输出的第二功率；当反馈值高于预设的第二阈值，驱动偏置射频减小其输出的第二功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。
[0070]
实施例四
[0071]
在本实施例中，偏置射频功率源持续的输出设定的功率，如800w。此时输出时钟信号仅包含高电平。按照设定的频率对探测的直流偏置电压信号进行持续的实时采样，依时间顺序得到若干采样信号zk，zk为第k时刻的采样信号，k＝1,2,3,
…
。
[0072]
本实施例中，当前时刻为第300时刻，z
300
为当前时刻的采样信号，计算得到当前时刻的反馈值fk
300
：
[0073]
[0074]
本实施例中，一次采用100个采样信号用于计算反馈值，此仅为示例，不应作为本发明的限制。
[0075]
当反馈值fk
300
低于预设的第一阈值，驱动偏置射频功率源增加其输出功率；当反馈值fk
300
高于预设的第二阈值，驱动偏置射频减小其输出功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。
[0076]
本发明的另一个技术方案是提供一种等离子体处理装置，用于本发明所述的直流偏压控制方法。如图2所示，所述等离子体处理装置包含一等离子体反应腔200，所述等离子体反应腔包括反应腔侧壁201，反应腔侧壁201上设置一开口202用于容纳晶圆w进出。反应腔内设置一气体喷淋头220和一与所述气体喷淋头相对设置的基座210，所述气体喷淋头220与一气体供应装置225相连，用于向等离子体反应腔输送反应气体，同时作为等离子体反应腔的上电极，所述基座上方设置一静电吸盘212，同时作为等离子体反应腔的下电极，所述上电极和所述下电极之间形成一反应区域。至少一射频电源250通过匹配网络252施加到所述上电极或下电极之一。一偏置射频功率源260通过对应的匹配网络262被施加在基座210上用于在晶圆w表面产生直流偏置电压。在本发明的实施例一中，该偏置射频功率源260的输出方式为脉冲波，偏置射频功率源260的输出电压波形如图4的波形1所示。
[0077]
如图2所示，所述等离子体处理装置还包含：模拟信号探测器231、信号处理单元232、控制器233、图形用户界面234。
[0078]
如图2所示，所述模拟信号探测器231连接所述下电极，用于探测晶圆表面的直流偏置电压信号。在本发明的实施例一中，探测的直流偏置电压信号如图4中的波形3所示。
[0079]
如图2所示，所述信号处理单元232通讯连接模拟信号探测器231、控制器233、偏置射频功率源260。通过信号处理单元232同步偏置射频功率源的输出时钟信号，根据所述输出时钟信号判断并根据所述输出时钟信号对模拟信号探测器231探测的直流偏置电压信号进行处理(采样、去噪)后计算反馈值。信号处理单元232是逻辑可编程电路，其包含与所述控制器233通信的接口。在本发明的实施例一中，输出时钟信号波形如图4中的波形2所示。
[0080]
当偏置射频功率源260的输出方式为脉冲波，偏置射频功率源260工作在on-off模式时，信号处理单元232在偏置射频功率源260输出射频功率时处理晶圆w表面的直流偏置电压信号，且在偏置射频功率源260不输出射频功率时停止处理晶圆w表面的直流偏置电压信号。
[0081]
根据反应腔200内工艺需要，偏置射频功率源260工作在on-off模式时，信号处理单元232仅在输出时钟信号处于高电平时处理晶圆w表面的直流偏置电压信号；或者，信号处理单元232仅在输出时钟信号处于低电平时处理晶圆w表面的直流偏置电压信号；
[0082]
所述信号处理单元232还包含存储模块(图中未示出)，用于存储被保留的采样信号、反馈值和信号校准表；所述信号校准表包含若干三元组，所述三元组包含：反应腔工艺代码、与反应腔工艺代码对应的所述第一校准值和第二校准值；不同的反应腔工艺代码对应不同的反应腔工艺。
[0083]
当偏置射频功率源的输出方式为脉冲波时，信号处理单元232根据第一校准值和第二校准值删除输出时钟信号的单个时钟周期内的若干个采样信号，实现对采样的直流偏置电压去噪。
[0084]
所述控制器233还信号连接偏置射频功率源，控制器233根据预设的算法，基于信
号处理单元232计算的反馈值调整偏置射频功率源的输出功率。当所述反馈值低于预设的第一阈值，控制器233驱动偏置射频功率源增加其输出功率；当所述反馈值高于预设的第二阈值，控制器233驱动偏置射频减小其输出功率；其中所述第二阈值大于第一阈值。在本发明的实施例一中，反馈值的波形如图4中的波形4所示。
[0085]
所述图形用户界面234通讯连接信号处理单元232，用于向信号处理单元232输入所述反应腔工艺代码并显示信号处理单元232计算得到的反馈值。
[0086]
本发明屏蔽了反应腔中鞘层崩塌时的直流偏置电压信号，还屏蔽了采集的直流偏置电压信号的上升沿和下降沿，因此对直流偏置电压的控制方法更为精确，能够持续为射频功率源提供稳定的反馈信号。
[0087]
本发明通过逻辑可编程电路作为信号处理单元232，根据信号处理单元232内置的算法来计算偏置射频功率源的反馈值，该算法易于根据反应腔内不同的工艺进行扩展。
[0088]
需要强调的是，本发明不仅仅限于一个偏置射频功率源，还适用于多个偏置射频功率源的混合、脉冲直流电源等，本发明并不受偏置射频功率源个数、偏置射频功率源输出方式的限制。
[0089]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。