CN121237703B - 一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统，清洗终点判断方法包括以下步骤，获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A；获取清洗过程中产生的特征气体的电气参数V；对光学参数和电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；得到决策指标S；设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值；当决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成。清洗终点判断系统包括半导体腔室、尾气排放管路和检测装置；检测装置设于尾气排放管路以实时检测特征气体的浓度。本发明能够提升检测过程中的抗干扰能力。

Description

一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统

技术领域

本发明涉及半导体检测技术领域，尤其涉及一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统。

背景技术

在半导体制造中，化学气相沉积（CVD）或原子层沉积（ALD）等镀膜设备的工艺腔室每完成若干次薄膜生长后，内壁、匀气盘及石英窗等部位会累积反应副产物膜层。当该膜层厚度达到微米级时，极易因热应力差异发生微小开裂或剥落，形成颗粒源，直接落在后续晶圆表面，造成不可修复的缺陷，良率骤降。同时，附着膜会改变腔室热辐射与气体流场，导致批次间膜厚、折射率及应力漂移，器件电性一致性变差。此外，不同工艺切换时，前序材料残留（如金属、掺杂剂）可能掺入下一道膜层，形成杂质能级或漏电通道。因此，必须在工艺间隙对腔室进行高效、彻底的干法清洗，以恢复初始表面状态。

现有技术中，半导体薄膜生长腔室清洗终点检测普遍采用光学发射光谱（OES）或红外吸收光谱（IR）等单一光学信号，光路一旦被颗粒污染、镜面雾化或窗口镀膜，基线漂移即导致固定阈值误跳，清洗过早停机残留膜或过度刻蚀损伤腔壁；同时固定阈值亦无法随工艺压力、温度、功率波动自适应，造成同一设备不同批次间清洗时间差异，设备利用率下降。

因此，有必要提供一种新的用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统，以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本申请要解决的技术问题是如何提供一种抗干扰能力强的用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统。

为解决上述技术问题，根据本申请的实施例，提供一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法，包括以下步骤，

获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对所述光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A；

获取清洗过程中产生的特征气体的电气参数V；

对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；

对所述光学终点指标、所述光学权重、所述电气终点指标以及所述电气权重进行数据处理，得到决策指标S；

设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值；

当所述决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成，其中，M为常数，取值范围为0.5-3。

根据本申请的实施例，所述获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对所述光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A，包括，

其中，为清洗过程中产生的特征气体的吸收强度；为清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强。

根据本申请的实施例，所述对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，包括，

对所述光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q；

对所述光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重；

根据所述光学权重得到所述电气权重。

根据本申请的实施例，所述对所述光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，包括，

获取清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强；

计算参考光强的标准差S，

其中，为在第i个采样时刻时的参考光强；N为30秒窗口内的采样点数，当采样频率为10Hz时，则N=300；为30秒窗口内参考光强的算数平均值；

对所述标准差S进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，

其中，k为常数，取值0.5-2。

根据本申请的实施例，所述对所述光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重，包括，

;

所述根据所述光学权重得到所述电气权重，包括，

=1-。

根据本申请的实施例，所述对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，还包括，

对所述光学参数进行数据处理，得到光学终点指标；

对所述电气参数V进行数据处理，得到电气终点指标；

。

根据本申请的实施例，所述对所述光学终点指标、所述光学权重、所述电气终点指标以及所述电气权重进行数据处理，得到决策指标S，包括，

其中，为清洗周期内光学终点指标的最大值；为清洗周期内电气终点指标的最大值。

根据本申请的实施例，所述设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，包括，

所述第一阈值为，

其中，为时刻对应的归一化吸收率A的数值。

根据本申请的实施例，所述设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，还包括，

所述第二阈值为，

其中，为清洗周期内归一化吸收率A的一阶导数绝对值的实时最大值。

一种用于半导体工艺腔室清洗的清洗终点判断系统，用于实施上述的清洗终点判断方法，所述清洗终点判断系统包括半导体腔室、尾气排放管路和检测装置；

所述尾气排放管路与所述半导体腔室连通以排出所述半导体腔室内的产物和副产物；

所述检测装置设于所述尾气排放管路以实时检测特征气体的浓度。

通过采用上述技术方案，采集光学参数以及电气参数，并根据光学参数和电气参数计算得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；根据光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重计算决策指标S，根据决策指标S以及归一化吸收率A判定是否到达清洗终点。即通过光学和电学的配合，在多个指标的条件下判定清洗是否完成，减小了误判的概率，即实时采集并融合光学参数与等离子体电气参数，从而构建决策模型，以抵抗信号干扰，同时提高终点判断的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的一种清洗终点判断方法的步骤图；

图2为本发明实施例的一种干扰场景下信号对比示意图，其中横坐标为反应时间，单位为s，纵坐标为特征气体浓度，单位为ppm；黑色虚线为受干扰的特征气体的浓度，黑色实线为未受干扰的特征气体的浓度；

图3为本发明实施例的一种特征气体的浓度变化率的曲线图，其中横坐标为反应时间，单位为s，纵坐标为特征气体浓度变化率，单位为ppm/s。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

下面结合附图1-3，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明的实施例提供了一种用于半导体工艺腔室清洗的清洗终点判断方法，具体的，在半导体工艺腔室清洗过程中，现有清洗终点检测方法多依赖于单一信号源，如光学发射光谱（OES）或红外吸收光谱（IR），存在明显局限性，即其抗干扰能力差、可靠性不足、适应性弱。例如，光学信号易受镜面污染或颗粒物散射干扰，而固定阈值判断逻辑无法适应工艺波动。而且其固定阈值判断无法处理不同清洗阶段的变化，增加了过清洗或清洗不足的风险。因此提供了一种用于半导体工艺腔室清洗的清洗终点判断方法，具体的，清洗终点判断方法包括以下步骤，

S1、获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A；

S2、获取清洗过程中产生的特征气体的电气参数V；

S3、对光学参数和电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；

S4、对光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重进行数据处理，得到决策指标S；

S5、设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值；

S6、当决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成，其中，M为常数，取值范围为0.5-3。

一些实施例中，根据工艺腔室内的沉积膜的不同，选用的清洁气体也不同，例如当沉积膜为或时，清洁气体可以为；当沉积膜为或时，清洁气体可以为；具体在此不做限定，以沉积膜为，清洁气体为为示例，其中，二者反应生成的产物如下，

其中，其主要特征气体为，即在生成产物中，的浓度最高，最容易被检测，因此使用作为特征气体。

一些实施例中，需要对光学参数的归一化吸收率A和特征气体的电气参数V进行监控，其中，归一化吸收率A和电气参数V均可以表示半导体工艺腔室内的清洗过程是否结束，即半导体工艺腔室内的是否反应完成。更具体的，归一化吸收率A能够反应特征气体的浓度的实时映像，即通过归一化吸收率A能够判断半导体工艺腔室内的是否反应完成；而电气参数V能够反应等离子体的能量状态，即判断参与反应的氟原子密度，氟原子密度下降时表示反应有停止的趋势，因此通过归一化吸收率A和电气参数V配合，能够判断半导体工艺腔室内的清洗过程是否反应完成。

一些实施例中，在得到归一化吸收率A以及电气参数V后，需要根据归一化吸收率A以及电气参数V进行计算，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重。具体的，虽然归一化吸收率A和电气参数V可以用于进行判断，但是由于归一化吸收率A和电气参数V形成的曲线的粗糙度、量纲以及噪声均不同，因此在其判断过程中会产生误差造成判断结果不准确，因此需要将其变为具有同量纲、可比较的指标和权重，即光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；其中，光学终点指标能够判断半导体工艺腔室内特征气体的浓度变化率，电气终点指标能够判断半导体工艺腔室内的等离子体能量跌落速度，即等离子体空间电势的变化速率。而光学权重和电气权重能够防止误判。

一些实施例中，在得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重后，还需要对光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重进行数据处理，得到决策指标S；具体的，根据光学终点指标能够判断反应过程的特征气体浓度变化，根据光学权重能够量化光学终点指标的可靠程度，根据电气终点指标可以判断反应过程中等离子体空间电势的变化速率，根据及电气权重能够电气终点指标的可靠程度；而在进行清洗终点判断时，仅具有清洗完成和清洗未完成两个状态，因此需要将上述的指标形成一个能够决策是否清洗完成的指标，即对光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重进行数据处理，得到决策指标S。

一些实施例中，得到决策指标S后，还需要设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值；当决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成。其中，第一阈值作为归一化吸收率A的限制指标，能够保证在清洗过程中反应物消耗在80%以上；第二阈值作为决策指标S的限制指标，二者配合从而实现保证在判定清洗终点时不会发生过度清洗的情况。

一些具体的实施例中，获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A，包括，

其中，为清洗过程中产生的特征气体的吸收强度；为清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强。具体的，根据清洗过程中产生的特征气体的吸收强度，可以判断在清洗过程中参与反应的的量，从而判断清洗进度；清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强不会被吸收，但在反应过程中会受到窗口污染或颗粒散射的影响，因此将参考光强作为实时基准，配合特征气体的吸收强度计算归一化吸收率A，使归一化吸收率A不会受到窗口污染或颗粒散射的影响，精准程度提升。

一些实施例中，对光学参数和电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，包括，

对光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q；

对光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重；

根据光学权重得到电气权重。

一些具体的实施例中，对光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，包括，

获取清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强；

计算参考光强的标准差S，

其中，为在第i个采样时刻时的参考光强；N为30秒窗口内的采样点数，当采样频率为10Hz时，则N=300；为30秒窗口内参考光强的算数平均值；具体的，在计算过程中，设置采样频率1-10Hz，优选为10Hz，检测的窗口为30s，即最近30s内的参考光强的采样数据序列；例如，采样频率为10 Hz，在30s的窗口内具有300个采样点，计算300个采样点的标准差，从而计算光学信号质量因子Q，以判断光学信号的质量；具体的，参考光强的标准差S可以作为干扰程度的量化指标，即参考光强的标准差S的值越小，代表参考光强越稳定，参考光强的标准差S的值越大，代表参考光强波动越剧烈。

对标准差S进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，

其中，k为常数，取值0.5-2。具体的，采用指数的形式计算光学信号质量因子Q，使其具有非线性敏感的特性和自动饱和的特性，其中非线性敏感指的是小的波动对光学信号质量因子Q影响小，大的波动会导致光学信号质量因子Q急剧下降，从而增加光学信号质量因子Q的稳定性，过滤不会影响到终点判断结果的小波动。自动饱和指的是，无论标准差S的范围多大，光学信号质量因子Q职中在0-1的范围内。更具体的，在本实施例中，k取值为1；当k大于1时，例如k为2时，适用于更高纯度的工艺过程；当k小于1时，例如k为0.5时，适用于杂质更多的反应环境。

一些具体的实施例中，光学信号质量因子Q的阈值为0-1，当其趋近1时，代表光学信号质量好，信号可靠；当其趋近0时，代表光学信号质量差，信号不可靠。

一些实施例中，对光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重，包括，

;

即将阈值为0-1的光学信号质量因子Q映射为光学权重，使光学权重的阈值为0-1，从而判断光学信号质量因子Q的可靠程度。

根据光学权重得到电气权重，包括，

=1-

其中，光学权重和电气权重之和为1，因此电气权重=1-。

一些实施例中，对光学参数和电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，还包括，

对光学参数进行数据处理，得到光学终点指标；

对电气参数V进行数据处理，得到电气终点指标；

。

其中，当光学终点指标＞0，代表的浓度上升，反应剧烈；当光学终点指标＜0，代表的浓度下降，反应快要结束。电气终点指标＞0，代表快要到达终点，即反应即将结束；电气终点指标＜0，代表反应仍在进行中。

一些具体的实施例中，电气参数V为等离子体空间电势，通过朗缪尔探针探测得到，其探测频率为0.1s。

一些实施例中，对光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重进行数据处理，得到决策指标S，包括，

其中，为清洗周期内光学终点指标的最大值；为清洗周期内电气终点指标的最大值。具体的，可以理解为，将清洗周期内抖动最大的瞬间作为最大点，即；此时为清洗周期内光学终点指标相对于清洗周期内光学终点指标的最大值的比例。即光将学终点指标的可靠程度以及电气终点指标的可靠程度限制在(-1)-1的范围内。因此多个参数配合可以计算得到决策指标S，然后根据决策指标进行判断，从而确定清洗过程是否达到了清洗终点。

一些实施例中，设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，包括，

第一阈值为，

其中，为时刻对应的归一化吸收率A的数值。具体的，第一阈值实际为本清洗周期内归一化吸收率A的实时最大值，也就是说半导体工艺腔室内在最大浓度；由于，其中，M的取值范围为0.5-3，在此以M取0.2为示例，在判断过程中，在最大浓度值的基础上下降百分之八十后才作为清洗终点判断的依据；即。

一些实施例中，设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，还包括，

第二阈值为，

其中，为清洗周期内归一化吸收率A的一阶导数绝对值的实时最大值。具体的，第二阈值为本清洗周期内归一化吸收率A的一阶导数绝对值的实时最大值−10%，也就是在判定过程中，决策指标S小于归一化吸收率ADE 一阶导数绝对值的实时最大值的−10%，才认为清洗反应结束。即同时满足决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成。

本发明的实施例还公开了一种半导体工艺腔室清洗的清洗终点判断系统，该清洗终点判断系统用于实施上述的清洗终点判断方法；清洗终点判断系统包括半导体腔室、尾气排放管路和检测装置；

尾气排放管路与半导体腔室连通以排出半导体腔室内的产物和副产物；

检测装置设于尾气排放管路以实时检测特征气体的浓度。

一些实施例中，半导体工艺腔室用于放置晶圆，晶圆在半导体工艺腔室内进行反应，尾气排放管路设置于半导体工艺腔室的底部，并与半导体工艺腔室的内部连通，尾气排放管路在晶圆加工时产生的加工产物和副产物，从而使腔室保持在不会影响工艺生产过程的状态；具体的，尾气排放管路的设置方式可以为粘接、卡接或一体成型等，在此不做限制，以尾气排放管路能够固定在半导体工艺腔室上并与半导体工艺腔室内部连通以排出加工产物和副产物为主。

一些具体的实施例中，检测装置设于尾气排放管路的内部，其设置方式可以为粘接、卡接或螺栓固定等，在此不做限制，以能够实现对尾气排放管路的特征气体进行检测为主。

本申请一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法及系统的实施原理为，采集光学参数以及电气参数，并根据光学参数和电气参数计算得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；根据光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重计算决策指标S，根据决策指标S以及归一化吸收率A判定是否到达清洗终点。即通过光学和电学的配合，在多个指标的条件下判定清洗是否完成，减小了误判的概率，即实时采集并融合光学参数与等离子体电气参数，从而构建决策模型，以抵抗信号干扰，同时提高终点判断的可靠性。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。

Claims (10)

1.一种用于半导体工艺腔室的清洗终点判断方法，其特征在于，包括以下步骤，

获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对所述光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A；

获取清洗过程中产生的特征气体的电气参数V；

对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重；

对所述光学终点指标、所述光学权重、所述电气终点指标以及所述电气权重进行数据处理，得到决策指标S；

设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值；

当所述决策指标S连续低于第二阈值，且时，判定清洗完成，其中，M为常数，取值范围为0.5-3。

2.根据权利要求1所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述获取清洗过程中产生的特征气体的光学参数，对所述光学参数进行数据处理，得到归一化吸收率A，包括，

其中，为清洗过程中产生的特征气体的吸收强度；为清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强。

3.根据权利要求1所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，包括，

对所述光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q；

对所述光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重；

根据所述光学权重得到所述电气权重。

4.根据权利要求3所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述对所述光学参数进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，包括，

获取清洗过程中产生检测特征气体的光学系统的参考光强；

计算参考光强的标准差S，

其中，为在第i个采样时刻时的参考光强；N为30秒窗口内的采样点数，当采样频率为10Hz时，则N=300；为30秒窗口内参考光强的算数平均值；

对所述标准差S进行数据处理，得到光学信号质量因子Q，

其中，k为常数，取值0.5-2。

5.根据权利要求4所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述对所述光学信号质量因子Q进行数据处理，得到光学权重，包括，

;

所述根据所述光学权重得到所述电气权重，包括，

=1-。

6.根据权利要求3所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述对所述光学参数和所述电气参数V进行数据处理，得到光学终点指标、光学权重、电气终点指标以及电气权重，还包括，

对所述光学参数进行数据处理，得到光学终点指标；

对所述电气参数V进行数据处理，得到电气终点指标；

。

7.根据权利要求1所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述对所述光学终点指标、所述光学权重、所述电气终点指标以及所述电气权重进行数据处理，得到决策指标S，包括，

其中，为清洗周期内光学终点指标的最大值；为清洗周期内电气终点指标的最大值。

8.根据权利要求1所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，包括，

所述第一阈值为，

其中，为时刻对应的归一化吸收率A的数值。

9.根据权利要求1所述的清洗终点判断方法，其特征在于，所述设定归一化吸收率A的第一阈值和决策指标S的第二阈值，还包括，

所述第二阈值为，

其中，为清洗周期内归一化吸收率A的一阶导数绝对值的实时最大值。

10.一种用于半导体工艺腔室清洗的清洗终点判断系统，其特征在于，用于实施权利要求1-9任一所述的清洗终点判断方法，所述清洗终点判断系统包括半导体腔室、尾气排放管路和检测装置；

所述尾气排放管路与所述半导体腔室连通以排出所述半导体腔室内的产物和副产物；

所述检测装置设于所述尾气排放管路以实时检测特征气体的浓度。