CN110289212A - 蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备 - Google Patents

蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备 Download PDF

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Abstract

该发明涉及一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备，其中所述蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法包括以下步骤：量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度；将所述晶圆放入蚀刻溶液；实时检测蚀刻溶液比重，并根据蚀刻溶液的实时比重确定蚀刻时长，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。本发明的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备通过实时检测溶液的比重，来确定具体的蚀刻时长，实时对工艺时间进行修正，从而达到对蚀刻量的精准控制，防止对多批晶圆进行蚀刻时，不同批次间的晶圆蚀刻后具有较大的膜层厚度差异，提升制程能力。

Description

蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备
技术领域
本发明涉及晶圆生产制造加工设备领域，具体涉及一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备。
背景技术
在半导体制造工艺中，经常需要对晶圆表面的膜层进行蚀刻。在蚀刻的过程中，经常会出现不同批次之间的晶圆蚀刻后膜层厚度不同的情况，严重影响了机台的加工生产良率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备，能够实时检测蚀刻溶液的比重，使不同批次的晶圆的膜层被蚀刻后具有厚度一致性，改善制程工艺水平。
为解决上述技术问题，以下提供了一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，包括以下步骤：量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度；将所述晶圆放入蚀刻溶液；实时检测蚀刻溶液比重，并根据蚀刻溶液的实时比重确定蚀刻时长，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
可选的，将至少两个晶圆放入磷酸溶液进行蚀刻反应，且量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，还包括以下步骤：将膜层厚度一致的晶圆归为一类。
可选的，将被归为同一类的晶圆放入蚀刻溶液。
可选的，待蚀刻的膜层为氮化硅层，量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，包括以下步骤：量测所述晶圆表面的氮化硅层厚度；量测晶圆表面的氧化物层厚度。
可选的，将所述晶圆放入蚀刻溶液之前，还包括以下步骤：获取蚀刻用的蚀刻溶液的初始比重。
可选的，还包括以下步骤：根据对膜层的预设蚀刻厚度以及蚀刻用的蚀刻溶液的初始比重，确定初始蚀刻时长。
可选的，根据蚀刻溶液的实时比重与初始比重的差值，计算出实时蚀刻时长与初始蚀刻时长的差值，从而调整剩余蚀刻时长。
可选的，所述蚀刻溶液为磷酸溶液，通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。
为了克服上述技术问题，以下还提供了一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的设备，包括：比重计，设置到盛装有蚀刻溶液的液体槽内，用于实时检测蚀刻溶液的比重；控制器，连接到所述比重计，用于根据检测到的蚀刻溶液比重控制晶圆的蚀刻时间，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
可选的，所述蚀刻溶液为磷酸溶液，所述比重计通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。
本发明的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备通过实时检测溶液的比重，来确定具体的蚀刻时长，实时对工艺时间进行修正，从而达到对蚀刻量的精准控制，防止对多批晶圆进行蚀刻时，不同批次间的晶圆蚀刻后具有较大的膜层厚度差异，提升制程能力。
附图说明
图1为本发明的一种具体实施方式中的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法的步骤示意图。
图2为不同体积分数的磷酸溶液对氮化硅层的蚀刻速率的示意图。
具体实施方式
研究发现，造成蚀刻过程中不同批次的晶圆在蚀刻后膜层厚度不一样的原因，是蚀刻过程中蚀刻溶液的损耗。例如在使用磷酸溶液蚀刻晶圆表面的氮化硅层时，由于使用的150℃到200℃的热磷酸溶液，高温磷酸溶液中的水分易蒸发，因此随着反应的进行，蚀刻的速率会逐渐降低。在使用氮化硅膜作为STI(浅沟道隔离)蚀刻、多晶硅蚀刻的阻挡层时，会对氮化硅层下方的氧化物层造成较大的影响，不同批次获取到的蚀刻后的晶圆表面的氧化物层的厚度存在较大区别，对后续的离子注入工艺造成较大影响。
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法和设备作进一步详细说明。
请参阅图1，为本发明的一种具体实施方式中的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法的步骤示意图图。
在该具体实施方式中，提供了一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，包括以下步骤：S11量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度；S12将所述晶圆放入蚀刻溶液；S13实时检测蚀刻溶液比重，并根据蚀刻溶液的实时比重确定蚀刻时长，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
该具体实施方式中的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法通过实时检测溶液的比重，来确定具体的蚀刻时长，实时对工艺时间进行修正，从而达到对蚀刻量的精准控制，防止对多批晶圆进行蚀刻时，不同批次间的晶圆蚀刻后具有较大的膜层厚度差异，提升制程能力。
在一种具体实施方式中，将至少两个晶圆放入蚀刻溶液进行蚀刻反应，且量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，还包括以下步骤：将膜层厚度一致的晶圆归为一类。
这是由于，一次放入蚀刻溶液进行蚀刻的晶圆的数目是大于等于两个的，若各个晶圆的膜层厚度不一致，在各晶圆进行了一样时长的蚀刻反应后，获得的膜层厚度会不一致，这使同一批次间的晶圆也存在膜层的厚度差异，影响了制程能力。
因此，在一种具体实施方式中，将被归为同一类的晶圆放入蚀刻溶液。这样，同一批次的晶圆的膜厚差异被控制到最小。实际上，采用这种方法，不同批次的晶圆的膜厚差异也可以缩小。
实际上，一次放入蚀刻溶液进行蚀刻的晶圆的数目也可以是一个。
在一种具体实施方式中，待蚀刻的膜层为氮化硅层，量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，包括以下步骤：量测所述晶圆表面的氮化硅层厚度；量测晶圆表面的氧化物层厚度。在该具体实施方式中，使用热磷酸溶液(150℃至200℃)对晶圆表面的氮化硅层进行蚀刻，以露出氮化硅层下方的氧化物层，作为离子注入的阻挡层。若氧化物层厚度不均，也会直接影响离子注入工艺的精准度，影响在基体硅中制作器件的成功率。由于热磷酸溶液不仅会蚀刻氮化硅层，也会蚀刻所述氧化硅层，因此，在计算对晶圆的膜层的蚀刻时长时，需要参考这两个值。
在一种具体实施方式中，还包括以下步骤：根据对膜层的预设蚀刻厚度以及蚀刻用的蚀刻溶液的初始比重，确定初始蚀刻时长。在该具体实施方式中，对膜层的蚀刻要求是，使氮化硅被蚀刻殆尽，同时保留第一预设厚度的氧化物层。
在该具体实施方式中，一个确定的初始蚀刻时长还可以用来触发实现磷酸溶液湿法蚀刻工艺的机台，使所述机台开始对磷酸溶液的比重进行实时检测，便于控制。
在一种具体实施方式中，由于磷酸溶液对氮化硅和对氧化物的蚀刻速率比很大，因此，实际上，也可只检测所述氮化硅层厚度，而不检测所述氧化物层的厚度，只由所述氮化硅层厚度、磷酸溶液的实时比重与蚀刻速率的关系来确定蚀刻时长。
具体的，蚀刻时长等于氮化硅层的厚度除以磷酸对该氮化硅层的蚀刻速率。在一种具体实施方式中，实时检测磷酸溶液比重时，两次检测之间会有一时间差d。在一种具体实施方式中，两次检测之间的时间差d越小，最终得到蚀刻精度就越高。
在该具体实施方式中，不同比重的磷酸溶液对氮化硅的蚀刻速率可以参考图2，为不同体积分数的磷酸溶液对氮化硅层的蚀刻速率的示意图。
在一种具体实施方式中，若在蚀刻开始时获取了初始蚀刻时长，那么，在进行后续的检测磷酸溶液比重的过程中，需要反馈一修正值β，来不断修正磷酸溶液对氮化硅的蚀刻时长，使得能够获取到所需的氮化硅膜层厚度。在一种具体实施方式中，该修正值β可由先进工艺控制(APC)***计算得出。
由于蚀刻时长是根据实时检测到的磷酸溶液的比重实时变化的，因此，可以实现多批次进行的晶圆蚀刻的表面膜层厚度的一致化。
在一种具体实施方式中，根据蚀刻溶液的实时比重与初始比重的差值，计算出实时蚀刻时长与初始蚀刻时长的差值，从而调整剩余蚀刻时长。所述实时蚀刻时长与初始蚀刻时长的差值即为所述修正值β。
在一种具体实施方式中，所述蚀刻溶液为磷酸溶液，通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。这里选用的是比重计来测定所述磷酸溶液的比重，实际上，也可以选用浓度计作为检测磷酸溶液比重的设备，浓度计可以侦测溶液中各个成分中任意一种成分的浓度，但比重计比浓度计便宜很多。
为解决上述技术问题，以下还提供了一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的设备，包括：比重计，设置到盛装有蚀刻溶液的液体槽内，用于实时检测蚀刻溶液的比重；控制器，连接到所述比重计，用于根据检测到的蚀刻溶液比重控制晶圆的蚀刻时间，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
该具体实施方式中的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的设备可以通过比重计实时检测溶液的比重，来确定具体的蚀刻时长，实时对工艺时间进行修正，从而达到对蚀刻量的精准控制，防止对多批晶圆进行蚀刻时，不同批次间的晶圆在蚀刻后表面的膜层具有较大的厚度差异，提升制程能力。
在一种具体实施方式中，所述比重计所述蚀刻溶液为磷酸溶液，通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，包括：
量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度；
将所述晶圆放入蚀刻溶液；
实时检测蚀刻溶液比重，并根据蚀刻溶液的实时比重确定蚀刻时长，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
2.根据权利要求1所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，将至少两个晶圆放入蚀刻溶液进行蚀刻反应，且量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，还包括以下步骤：
将膜层厚度一致的晶圆归为一类。
3.根据权利要求2所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，将被归为同一类的晶圆放入蚀刻溶液。
4.根据权利要求1所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，待蚀刻的膜层为氮化硅层，量测待蚀刻的晶圆的膜层厚度时，包括以下步骤：
量测所述晶圆表面的氮化硅层厚度；
量测晶圆表面的氧化物层厚度。
5.根据权利要求1所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，将所述晶圆放入蚀刻溶液之前，还包括以下步骤：
获取蚀刻用的蚀刻溶液的初始比重。
6.根据权利要求5所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
根据对膜层的预设蚀刻厚度以及蚀刻用的蚀刻溶液的初始比重，确定初始蚀刻时长。
7.根据权利要求6所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，根据蚀刻溶液的实时比重与初始比重的差值，计算出实时蚀刻时长与初始蚀刻时长的差值，从而调整剩余蚀刻时长。
8.根据权利要求1所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的方法，其特征在于，所述蚀刻溶液为磷酸溶液，通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。
9.一种蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的设备，其特征在于，包括：
比重计，设置到盛装有蚀刻溶液的液体槽内，用于实时检测蚀刻溶液的比重；
控制器，连接到所述比重计，用于根据检测到的蚀刻溶液比重控制晶圆的蚀刻时间，以达到对膜层的蚀刻厚度要求。
10.根据权利要求9所述的蚀刻工艺中精确控制膜层厚度的设备，其特征在于，所述蚀刻溶液为磷酸溶液，所述比重计通过检测磷酸溶液的相对密度来检测磷酸溶液的比重。
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