[發(fā)明專利]一種多種檢測(cè)功能的RIE半導(dǎo)體材料刻蝕裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911333786.8
• 申請(qǐng)日: 2019-12-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110931399A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉勝;李瑞;東芳;王詩(shī)兆;陽(yáng)學(xué)進(jìn);韓旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L21/67
• 分類號(hào): H01L21/67;H01L21/66
• 代理公司: 武漢科皓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 許蓮英

本發(fā)明提出了一種多種檢測(cè)功能的RIE半導(dǎo)體材料刻蝕裝置，包括：RIE半導(dǎo)體材料刻蝕腔體、氣體流量計(jì)、質(zhì)譜?光譜聯(lián)用儀、RHEED、原子力顯微鏡、氣體壓強(qiáng)計(jì)、溫度測(cè)試儀、翹曲測(cè)試儀、X射線衍射儀、射頻電源、真空泵、采集板卡、電腦終端。其將光譜檢測(cè)、質(zhì)譜檢測(cè)、XRD檢測(cè)、原子力顯微鏡檢測(cè)、溫度、應(yīng)力、氣體流量和壓強(qiáng)檢測(cè)集成于RIE半導(dǎo)體材料刻蝕系統(tǒng)中，提供了一種具備氣態(tài)/固態(tài)/粒子態(tài)/等離子態(tài)的多維度質(zhì)量檢測(cè)功能的反應(yīng)離子刻蝕原位在線檢測(cè)系統(tǒng)。該裝置測(cè)量手段基本實(shí)現(xiàn)了覆蓋元素、晶格、物質(zhì)等與缺陷直接相關(guān)的信息的監(jiān)測(cè)以及薄膜表面粗糙度、刻蝕深度、深寬比等薄膜信息的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了低損傷高性能的材料刻蝕過(guò)程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料的干法刻蝕技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多種檢測(cè)功能的RIE半導(dǎo)體材料刻蝕裝置。

背景技術(shù)

刻蝕是半導(dǎo)體制造、微電子制造以及微納制造中極其重要的一步工藝，是半導(dǎo)體材料圖形化(pattern)處理的一種重要方式。材料刻蝕水平的優(yōu)劣直接對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和壽命等產(chǎn)生重要影響。在半導(dǎo)體材料刻蝕過(guò)程中，在線檢測(cè)技術(shù)作為控制材料刻蝕水平的前提，是半導(dǎo)體材料刻蝕技術(shù)提升的重要組成部分。要達(dá)到刻蝕材料的均勻性、可控性、低損傷、低缺陷等要求，在材料刻蝕過(guò)程中，需要對(duì)腔室溫度、材料組分、材料翹曲、刻蝕速度、氣體流量、氣體壓力等直接影響刻蝕后薄膜性能的參數(shù)進(jìn)行精確控制。

半導(dǎo)體薄膜刻蝕中能量的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換機(jī)制以及缺陷的產(chǎn)生、演化、調(diào)控涉及電子密度(等離子體)、原子、分子等動(dòng)力學(xué)。目前，關(guān)于半導(dǎo)體薄膜反應(yīng)離子刻蝕裝置的研究已經(jīng)廣泛開(kāi)展，并取得部分成果，但對(duì)于刻蝕過(guò)程中的檢測(cè)與調(diào)控的研究尚處于起始階段，并且檢測(cè)手段較單一，大都是采用某一種檢測(cè)方法對(duì)刻蝕情況進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)能力和精度較低。但是，反應(yīng)離子刻蝕過(guò)程本質(zhì)上是物理作用及化學(xué)作用導(dǎo)致的薄膜微觀結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程，結(jié)構(gòu)變化取決于化學(xué)鍵的形成和斷裂以及原子的重排過(guò)程，這種時(shí)間尺度的原子運(yùn)動(dòng)最終決定了材料的成型(相變)過(guò)程及功能。隨著刻蝕功率的提高，反應(yīng)離子刻蝕導(dǎo)致的不均性也會(huì)增加，因此刻蝕功率改變后對(duì)刻蝕均勻性的在線監(jiān)測(cè)顯得十分必要。

半導(dǎo)體圖形化襯底進(jìn)一步的精細(xì)化對(duì)刻蝕分辨率提出了更高的要求，因此需要采用多種更先進(jìn)的測(cè)量手段來(lái)在線表征這些微觀的變化過(guò)程，使我們從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)材料反應(yīng)離子刻蝕的過(guò)程，提高檢測(cè)能力和精度，從而更科學(xué)的優(yōu)化反應(yīng)離子刻蝕工藝。

目前市場(chǎng)上的設(shè)備主要針對(duì)刻蝕腔內(nèi)溫度、刻蝕均勻性和材料表面形貌這些參數(shù)的測(cè)量，在線PL和拉曼檢測(cè)、XRD檢測(cè)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室研究中已經(jīng)有所應(yīng)用，但在生產(chǎn)設(shè)備上的使用還未見(jiàn)報(bào)道。質(zhì)譜儀、掃面電子顯微鏡、超快RHEED等未見(jiàn)集成于半導(dǎo)體材料刻蝕系統(tǒng)的報(bào)道。質(zhì)譜儀可以將物質(zhì)離子化，然后根據(jù)不同物質(zhì)的荷質(zhì)比進(jìn)行分離，根據(jù)測(cè)量的不同離子的譜峰強(qiáng)度檢測(cè)刻蝕腔內(nèi)刻蝕氣體以及被刻蝕材料的組分，建立刻蝕等離子氣體隨時(shí)間的變化規(guī)律，根據(jù)其變化趨勢(shì)可以準(zhǔn)確反映出某一時(shí)刻內(nèi)發(fā)生的特殊變化，確定氣體組分對(duì)刻蝕效果的影響關(guān)系。但目前并未有集成質(zhì)譜儀在線檢測(cè)的半導(dǎo)體薄膜刻蝕設(shè)備，且質(zhì)譜儀對(duì)于離子質(zhì)量過(guò)于類相似的物質(zhì)分辨能力稍差，而光譜儀作為鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成和相對(duì)含量的儀器，其具有檢測(cè)靈敏、迅速等優(yōu)點(diǎn)。

刻蝕腔內(nèi)的氣體組分及其比例、氣體流量及壓強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體薄膜的刻蝕速率及刻蝕均勻性具有重要作用，氣體組分的實(shí)時(shí)監(jiān)控可以幫我們更好地理解刻蝕過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)刻蝕、物理刻蝕的占比及其對(duì)刻蝕變化的影響，掌握其反應(yīng)機(jī)理，優(yōu)化刻蝕參數(shù)。另一種重要的檢測(cè)儀器RHEED設(shè)備，可以通過(guò)電子的衍射圖案實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刻蝕過(guò)程，但無(wú)法捕獲材料結(jié)構(gòu)的瞬間變化信息，利用超快RHEED進(jìn)行半導(dǎo)體材料刻蝕過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨的檢測(cè)，確定半導(dǎo)體薄膜刻蝕過(guò)程中的吸附及解吸附等過(guò)程；原子力顯微鏡AFM是測(cè)量薄膜表面形貌尤其是亞納米級(jí)起伏的常用設(shè)備，目前都是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種能實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜材料刻蝕過(guò)程中對(duì)氣態(tài)、固態(tài)、粒子態(tài)、等離子態(tài)、應(yīng)力、溫度、缺陷、損傷等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且通過(guò)檢測(cè)結(jié)果反饋調(diào)節(jié)刻蝕參數(shù)的裝置。