CN104237205A - 等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及***，具有不受电子温度影响，准确度高，可广泛地应用于多种刻蚀工艺条件等优点。该方法包括步骤：向含有氟原子的刻蚀反应腔中通入已知密度的氩气；检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度；根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

Description

等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及***

技术领域

本发明属于半导体刻蚀工艺领域，具体涉及一种等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法和***。

背景技术

等离子体刻蚀工艺是现代超大规模集成电路制造过程中不可或缺的工艺环节，是目前半导体制造工业中对材料进行定向刻蚀的唯一可行的方法。对硅和二氧化硅等材料的刻蚀主要依赖于氟原子对硅原子的化学刻蚀作用。因此，氟原子密度是影响刻蚀速率和刻蚀形貌的重要参数，需要在刻蚀过程中进行实时检测。

工业用等离子体刻蚀机普遍安装有光谱仪以测量等离子体的发射光谱，通过实时监测光谱的变化实现对刻蚀过程的监控。为了利用发射光谱对氟原子密度进行检测，目前普遍采用的方法是测量氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为750.4nm的两条谱线。假设氟原子密度与这两条谱线的强度比成正比，由测量的谱线强度比结合理论模型给出的比例系数即可计算氟原子密度。然而，该方法具有一定的缺陷，因为这两根谱线的上能级的激发阈能有较大差别，导致该谱线比不仅依赖于氟原子和氩原子的密度比还依赖于电子温度。由于不同工艺条件下电子温度不同，该方法给出的氟原子密度存在较大的误差，无法满足新一代半导体刻蚀设备研发工作对测量准确性的要求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的受电子温度影响大、测量不准确的技术问题。为此，本发明提出一种等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法和***。

根据本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法，可以包括以下步骤：向含有氟原子的刻蚀反应腔中通入已知密度的氩气；检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度；根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

由于检测的两条谱线的激发阈能近似相等，因此氟原子和氩原子的电子碰撞激发基态原子的速率系数之比不受温度影响，几乎恒定，因此本发明的光谱检测方法也具有不受电子温度影响、准确度高的优点，可广泛地应用于多种刻蚀工艺条件。

在本发明的其他实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法中，还可以具有如下技术特征：

可选地，所测量的两条原子发射谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

可选地，对同一测量点的光谱信号采用光纤分光后分别测量所述I_F和I_Ar。

根据本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测***，可以包括以下部分：光谱检测装置，与含有氟原子和已知密度氩气的刻蚀反应腔相连，用于检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度；数据处理计算机，用于根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

由于检测的两条谱线的激发阈能近似相等，因此氟原子和氩原子的电子碰撞激发基态原子的速率系数之比不受电子温度影响，几乎恒定，因此本发明的光谱检测***也具有不受电子温度影响、准确度高的优点，可广泛地应用于多种刻蚀工艺条件。

在本发明的其他实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测***中，还可以具有如下技术特征：

可选地，所测量的两条谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

可选地，所述光谱检测装置包括：两台CCD光谱仪，其中一台用于采集氟原子的发射谱线的强度，另一台用于采集氩原子的发射谱线的强度；一分二光纤束，所述一分二光纤束的输入端设置在所述刻蚀反应腔的光学窗口上，所述一分二光纤束的两个输出端分别连接至两台所述CCD光谱仪。

可选地，所述CCD光谱仪为采用CCD阵列作为检测器的光栅光谱仪。

附图说明

图1是本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法的流程图。

图2是本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测***的结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的原理，申请人对发射光谱谱线比测原子密度法、现有技术中采用的原子谱线和本发明采用的原子谱线做如下简要介绍。

(1)发射光谱谱线比测原子密度法

发射光谱谱线比测原子密度法基于一个简单的理论模型。该模型假设，对于分属氟原子和氩原子的两条谱线所对应的上能级原子，其产生过程均为基态原子的电子碰撞激发，而损失过程主要是自发辐射，即满足

n_Fn_eQ_F＝I_F    (1)

n_Arn_eQ_Ar＝I_Ar    (2)

其中n_F是基态氟原子密度，n_Ar是基态氩原子密度，n_e是电子密度，Q_F是电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar是电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度。

利用以上两式可以得到下式：

$n_F=\frac{Q_{\mathrm{Ar}}}{Q_F}\frac{I_F}{I_{\mathrm{Ar}}}{n}_{\mathrm{Ar}}---\left(3\right)$

实际应用时，预先已知基态氩原子密度n_Ar、并且已知速率系数比(可以根据已有的截面数据计算得到的)，仅需要测量两条原子发射谱线强度比就可以计算出基态氟原子密度n_F。

(2)现有技术采用的原子发射光谱

现有技术中，仅用一台光谱仪来测量波长较接近的氟原子703.7nm和氩原子750.4nm的谱线强度比。其中：氟原子的703.7nm谱线的强度正比于“氟原子受电子碰撞激发由0eV基态跃迁到14.75eV激发态”的速率，对应的激发阈能(即基态与激发态的能级差)ΔE_F(703.7)＝14.75eV。氩原子的750.4nm谱线的强度正比于“氩原子受电子碰撞激发由0eV基态跃迁到13.48eV激发态”的速率，对应的激发阈能ΔE_Ar(750.4)＝13.48eV。由于ΔE_F(703.7)与ΔE_Ar(750.4)差值较大，根据激发速率系数(对应于某个激发过程Q₀为常数，ΔE为激发阈能，T_e为电子温度)可知，不同电子温度下速率系数比Q_Ar(750.4)/Q_F(703.7)不同。不同工艺条件下电子温度不同，因此，现有技术给出的氟原子密度存在较大的误差，其测量准确度无法满足精密半导体装备研发的需求。

(3)本发明采用的原子发射光谱

为了避免电子温度的影响，本发明中选取氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的两条发射谱线。其中：氩原子的425.9nm谱线的强度正比于“氩原子受电子碰撞激发由0eV基态跃迁到14.74eV激发态”的速率，对应的激发阈能ΔE_Ar(425.9.7)＝14.74eV。由于ΔE_F(703.7)与ΔE_Ar(425.9.7)近似相等，不同电子温度下速率系数比Q_Ar(425.9.7)/Q_F(703.7)近似恒定。因此，本发明选取的谱线比只依赖于氟原子和氩原子的密度比而对于其他等离子体参数(如电子密度、电子温度)不敏感，因此可广泛应用于多种等离子体刻蚀工艺条件。

下面结合图1和图2详细介绍本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法及***。

如图1所示，根据本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法，可以包括以下步骤：

A.向含有氟原子的刻蚀反应腔中通入已知密度的氩气。

B.检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度。

可选地，所测量的两条原子发射谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

可选地，对同一测量点的光谱信号采用光纤分光后分别测量I_F和I_Ar。需要测量波长为703.7nm和425.9nm的谱线，波长差接近280nm。同时为了区分相邻波长的谱线，要求光谱分辨率至少为0.3nm。单台CCD难以同时满足以上波长范围和光谱分辨率的要求，故需采用光纤分光后分别进行测量的方案。

C.根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F。

计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

由于检测的两条谱线的激发阈能近似相等，因此氟原子和氩原子的电子碰撞激发基态原子的速率系数之比不受电子温度影响，几乎恒定，因此本发明的光谱检测方法也具有不受电子温度影响、准确度高的优点，可广泛地应用于多种刻蚀工艺条件。

如图2所示，根据本发明实施例的等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测***，可以包括光谱检测装置10和数据处理计算机20。

光谱检测装置10与含有氟原子和已知密度氩气的刻蚀反应腔相连，用于检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度。

数据处理计算机20用于根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。数据处理计算机20还可以用于存储光谱数据并将光谱数据和计算结果显示给用户。

可选地，所测量的两条谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

需要说明的是，对于本发明提出的谱线比法，需要测量波长为703.7nm和425.9nm的谱线，波长差接近280nm。同时为了区分相邻波长的谱线，要求光谱分辨率至少为0.3nm。单台CCD难以同时满足以上波长范围和光谱分辨率的要求。因此本发明提出的***采用了两台CCD光谱仪对两根谱线分别进行测量的方案。

因此，可选地，光谱检测装置10包括一分二光纤束110和两台CCD光谱仪120a、120b。一分二光纤束110的输入端设置在刻蚀反应腔的光学窗口上，一分二光纤束110的两个输出端分别连接至两台CCD光谱仪120a、120b。其中一台CCD光谱仪120a用于采集氟原子的发射谱线的强度，另一台CCD光谱仪120b用于采集氩原子的发射谱线的强度。

可选地，CCD光谱仪为采用CCD阵列作为检测器的光栅光谱仪。

由于检测的两条谱线的激发阈能近似相等，因此氟原子和氩原子的电子碰撞激发基态原子的速率系数之比不受电子温度影响，几乎恒定，因此本发明的光谱检测***也具有不受电子温度影响、准确度高的优点，可广泛地应用于多种刻蚀工艺条件。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

向含有氟原子的刻蚀反应腔中通入已知密度的氩气；

检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度；

根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所测量的两条原子发射谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对同一测量点的光谱信号采用光纤分光后分别测量所述I_F和I_Ar。

4.一种等离子体刻蚀工艺中氟原子密度的光谱检测***，其特征在于，包括以下部分：

光谱检测装置，与含有氟原子和已知密度氩气的刻蚀反应腔相连，用于检测激发阈能近似相等的、分别对应氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度；

数据处理计算机，用于根据氟原子和氩原子的两条原子发射谱线强度计算氟原子密度n_F，计算公式为：其中，Q_F表示电子碰撞激发基态氟原子的速率系数，Q_Ar表示电子碰撞激发基态氩原子的速率系数，为已知物理量，I_F是氟原子对应的谱线强度，I_Ar是氩原子对应的谱线强度，n_Ar是基态氩原子密度。

5.如权利要求4所述的氟原子密度的光谱检测***，其特征在于，所测量的两条谱线为氟原子波长为703.7nm和氩原子波长为425.9nm的发射谱线。

6.如权利要求4所述的氟原子密度的光谱检测***，其特征在于，所述光谱检测装置包括：

两台CCD光谱仪，其中一台用于采集氟原子的发射谱线的强度，另一台用于采集氩原子的发射谱线的强度；

一分二光纤束，所述一分二光纤束的输入端设置在所述刻蚀反应腔的光学窗口上，所述一分二光纤束的两个输出端分别连接至两台所述CCD光谱仪。

7.如权利要求1所述的氟原子密度的光谱检测***，其特征在于，所述CCD光谱仪为采用CCD阵列作为检测器的光栅光谱仪。