專利名稱：用于去除表面沉積物的遠(yuǎn)距腔室法的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及使用活化氣體去除表面沉積物的方法，將包含氧氣和碳氟化合物的氣體混合物遠(yuǎn)距活化得到所述活化氣體。更具體地，本發(fā)明涉及利用富含碳氟化合物的等離子對(duì)遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的通路的內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)處理。
2.相關(guān)技術(shù)描述產(chǎn)生氟原子的遠(yuǎn)距等離子源在半導(dǎo)體加工工業(yè)被廣泛用于腔室清洗，尤其用于化學(xué)氣相沉積(CVD)和等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的腔室清洗。遠(yuǎn)距等離子源的使用避免了發(fā)生在現(xiàn)場(chǎng)腔室清洗中的內(nèi)部腔室材料的某些刻蝕，所述現(xiàn)場(chǎng)腔室清洗通過在PECVD腔室內(nèi)產(chǎn)生等離子放電實(shí)現(xiàn)清洗。盡管已為這類應(yīng)用開發(fā)了電容和電感耦合射頻與微波遠(yuǎn)距源，該工業(yè)正朝電感耦合變壓器耦合源迅速發(fā)展，其中等離子體具有環(huán)形構(gòu)型并作為變壓器的次級(jí)。使用低頻射頻能量使磁芯的使用成為可能，相對(duì)于電容耦合，所述磁芯增強(qiáng)電感耦合；因此使得能量能更有效地轉(zhuǎn)移到等離子而不需要過多的離子轟擊，所述離子轟擊會(huì)降低遠(yuǎn)距等離子源腔室內(nèi)部的使用壽命。
由于多種原因，半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)擯棄了用于腔室清洗的碳氟化合物和氧氣的混合物，所述混合物最初是用于現(xiàn)場(chǎng)等離子清洗的主要?dú)怏w。首先，這些方法排放的全球溫室氣體一般大大高于三氟化氮(NF3)方法的排放量。三氟化氮在放電時(shí)更容易解離，同時(shí)還不會(huì)通過產(chǎn)物的再化合明顯地生成三氟化氮。因此更容易實(shí)現(xiàn)全球溫室氣體的低排放。相反，碳氟化合物在放電時(shí)更難解離，并再化合生成較其他碳氟化合物更難解離的物質(zhì)如四氟化碳(CF4)。
其次，普遍發(fā)現(xiàn)碳氟化合物放電產(chǎn)生“聚合物”沉積物，多次干洗后積累的這種沉積物需要更經(jīng)常性的濕洗予以去除。因?yàn)樵谶h(yuǎn)距清洗過程中沒有發(fā)生離子轟擊，碳氟化合物清洗沉積“聚合物”的可能性更大。這些現(xiàn)象阻礙了以碳氟化合物進(jìn)料氣為基礎(chǔ)的工業(yè)方法在半導(dǎo)體工業(yè)中的發(fā)展。實(shí)際上，PECVD設(shè)備制造商試驗(yàn)了以碳氟化合物放電為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)距清洗，但由于反應(yīng)室中的聚合物沉積至今尚未取得成功。
然而，假如能夠解決上述兩個(gè)缺點(diǎn)，由于其低成本和低毒性，碳氟化合物是理想的選擇。
然而，已有前期工作對(duì)全氟化碳/氧氣放電并加入氮?dú)庖栽鰪?qiáng)其對(duì)氮化硅的刻蝕作了研究。所述增強(qiáng)被認(rèn)為是由于放電形成了NO，NO接著和氮化硅表面的N反應(yīng)，然后Si原子被有效氟化形成揮發(fā)性產(chǎn)物。參見CH.Oh等Surface and Coatings Technology 171(2003)267。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種去除表面沉積物的方法，所述方法包括(a)在遠(yuǎn)距腔室中將含有碳氟化合物和任選的氧氣的預(yù)處理氣體混合物活化，其中氧氣和碳氟化合物的摩爾比小于1∶1；并且隨后(b)將所述活化的預(yù)處理氣體混合物與遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的通路的至少一部分內(nèi)表面接觸；(c)在遠(yuǎn)距腔室中將含有氧氣和碳氟化合物的清洗氣體混合物活化，其中氧氣和碳氟化合物的摩爾比至少是1∶3；并且隨后(d)將所述活化的清洗氣體混合物通過所述通路；(e)將所述活化的清洗氣體混合物與表面沉積物接觸，由此去除至少某些所述表面沉積物。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是用于實(shí)施本方法的裝置的示意圖。
圖2是將ZyronC318N4(C4F8)中的氧氣關(guān)閉的瞬間對(duì)(a)FTIR測(cè)定的氣體排放，(b)刻蝕速率的影響的關(guān)系圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明去除的表面沉積物包括通常由化學(xué)氣相沉積或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積或相似工藝沉積的物質(zhì)。這些物質(zhì)包括硅、摻雜硅、氮化硅、鎢、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅和被稱為低K材料的各種硅氧化合物，例如FSG(氟硅酸鹽玻璃)和SiCOH或包括BlackDiamond(Applied Materials)、Coral(Novellus Systems)和Aurora(ASMInternational)在內(nèi)的PECVD OSG。
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案去除制造電子器件的反應(yīng)室的內(nèi)部的表面沉積物。這些反應(yīng)室(process chamber)可能是化學(xué)氣相沉積(CVD)室或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)室。
本發(fā)明的方法包括使用足夠的能量以形成活化氣體混合物的活化步驟?；罨赏ㄟ^實(shí)現(xiàn)大部分進(jìn)料氣離解的任意方法完成，例如射頻能量、直流電能、激光照射和微波能。生成的等離子的中性溫度取決于功率和氣體混合物在遠(yuǎn)距腔室中的停留時(shí)間。在一定的功率輸入和條件下，停留時(shí)間越長(zhǎng)，中性溫度越高。在本發(fā)明中，優(yōu)選活化的清洗氣體混合物的中性溫度大于約3,000K。在適合條件下(綜合考慮功率、氣體組成、氣體壓力和氣體停留時(shí)間)，中性溫度可達(dá)到至少約6000K，例如采用八氟環(huán)丁烷。
活化氣體雖然在反應(yīng)室外的遠(yuǎn)距腔室中生成，但其離反應(yīng)室很近。遠(yuǎn)距腔室通過允許活化氣體從遠(yuǎn)距腔室轉(zhuǎn)移至反應(yīng)室的任何方式與反應(yīng)室相連。遠(yuǎn)距腔室及將其與反應(yīng)室連接的設(shè)備使用本領(lǐng)域熟知的能容納活化氣體混合物的材料制造。例如鋁和不銹鋼普遍用于腔室部件。有時(shí)將Al2O3涂布在內(nèi)表面以降低表面再化合。
活化用于處理通路內(nèi)表面的預(yù)處理氣體混合物含有碳氟化合物和任選的氧氣，其中活化清洗氣體通過所述通路進(jìn)入反應(yīng)室。優(yōu)選預(yù)處理氣體混合物中氧氣和碳氟化合物的摩爾比小于1∶1。更優(yōu)選預(yù)處理氣體混合物不含氧氣。
活化用于去除表面沉積物的清洗氣體混合物含有氧氣和碳氟化合物。優(yōu)選清洗氣體混合物中氧氣和碳氟化合物的摩爾比至少是1∶3。更優(yōu)選清洗氣體混合物中氧氣和碳氟化合物的摩爾比至少?gòu)募s2∶1至約20∶1。
本發(fā)明的碳氟化合物在這指含有C和F的化合物。優(yōu)選本發(fā)明的碳氟化合物是全氟化碳化合物。本發(fā)明的全氟化碳化合物在這指由C、F和任選的O組成的化合物。這些全氟化碳包括，但不局限于四氟甲烷、六氟乙烷、八氟丙烷、六氟環(huán)丙烷、十氟丁烷、八氟環(huán)丁烷、碳酰氟和八氟四氫呋喃。
活化形成預(yù)處理氣體混合物或清洗氣體混合物的氣體混合物可能還含有氬氣和氦氣等載氣。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案是一種去除制造電子器件的反應(yīng)室的內(nèi)部的表面沉積物的方法，所述方法包括(a)在遠(yuǎn)距腔室中將含有全氟化碳化合物但不含氧氣的預(yù)處理氣體混合物活化；(b)將所述活化的預(yù)處理氣體混合物與遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的通路的至少一部分內(nèi)表面接觸；(c)在遠(yuǎn)距腔室中將含有氧氣和全氟化碳化合物的清洗氣體混合物活化，其中氧氣和全氟化碳化合物的摩爾比至少是1∶3，使用足夠的能量作用足夠的時(shí)間使所述氣體混合物達(dá)到至少約3,000K的中性溫度以形成活化清洗氣體混合物；并且隨后(d)將所述活化清洗氣體混合物與所述沉積室的內(nèi)部接觸，由此去除至少某些所述表面沉積物。
已發(fā)現(xiàn)利用富含碳氟化合物的等離子對(duì)遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的通路的內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)處理能提高刻蝕速率?！案缓挤衔锏牡入x子”指含有碳氟化合物和任選的氧氣的氣體混合物被活化形成等離子，其中氧氣和碳氟化合物的摩爾比小于約1∶1。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，如實(shí)施例1所述，當(dāng)清洗氣體混合物由氧氣、ZyronC318N4(C4F8)和氬氣組成時(shí)，快速關(guān)閉和打開氧氣閥幾秒鐘能提高刻蝕速率。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，如實(shí)施例2和3所述，將由碳氟化合物和氬氣組成的預(yù)處理氣體混合物活化并通過熱交換器和遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的部分通路。該處理也能提高刻蝕速率。
還發(fā)現(xiàn)在本發(fā)明的類似條件下，全氟化碳化合物的缺點(diǎn)(即全球溫室氣體的排放和聚合物沉積)能得到克服。在本發(fā)明的清洗過程中，在反應(yīng)室的內(nèi)表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的聚合物沉積。如圖2a所示，全球溫室氣體排放也很低。
以下實(shí)施例用于闡述本發(fā)明，但不會(huì)對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制實(shí)施例圖1是用于測(cè)量刻蝕速度、等離子中性溫度和廢氣排放的遠(yuǎn)距等離子源和裝置的示意圖。所述遠(yuǎn)距等離子源是由MKS Instruments，Andover，MA，USA制造的市售的環(huán)形MKS ASTRONex活性氣體發(fā)生器單元。將進(jìn)料氣(例如氧氣、碳氟化合物和氬氣)從左邊引入遠(yuǎn)距等離子源，并通過環(huán)形放電器(toroidal discharge)，在這里進(jìn)料氣被400KHz射頻能量放電形成活化氣體混合物。氧氣是Airgas制造的純度為99.999％的氧氣。碳氟化合物是八氟環(huán)丁烷最小含量為99.99％體積的ZyronC318N4和八氟環(huán)丁烷最小含量為99.9％體積的Zyron8020，二者均由DuPont制造并以氣瓶供應(yīng)。實(shí)施例中的氮?dú)庠词茿irgas制造的4.8級(jí)氮?dú)?，氬氣是Airgas制造的5.0級(jí)氬氣。然后將活化氣體通過鋁質(zhì)水冷熱交換器以降低鋁質(zhì)反應(yīng)室的熱負(fù)荷。將覆有表面沉積物的晶片放置在反應(yīng)室中的溫控裝置上。中性溫度通過發(fā)射光譜儀(Optical Emission Spectroscopy，OES)測(cè)定，其中雙原子物質(zhì)(如C2和N2)的轉(zhuǎn)振過渡帶在理論上適于得到中性溫度。也可參考B.Bai和H.Sawin，Journal of Vacuum Science & TechnologyA22(5)，2014(2004)，該文獻(xiàn)通過引用結(jié)合到此處?；罨瘹怏w對(duì)表面沉積物的刻蝕速度通過反應(yīng)室中的干涉儀測(cè)定。在泵的進(jìn)口加入氮?dú)庖詫a(chǎn)物稀釋至FTIR測(cè)量所需的適合濃度，并在使用濕泵(wetpump)時(shí)減少產(chǎn)物在泵中沉積。FTIR用于測(cè)定泵廢氣中的物質(zhì)濃度。
實(shí)施例1發(fā)現(xiàn)使用一段時(shí)間后，ZyronC318N4的刻蝕速率就會(huì)降至約為原有速率的一半。同時(shí)在廢氣中發(fā)現(xiàn)更多的COF2。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)快速關(guān)閉和打開氧氣閥幾秒鐘能提高刻蝕速率至原有水平。
在本試驗(yàn)中，進(jìn)料氣由氧氣、ZyronC318N4(C4F8)和氬氣組成，其中氧氣的流速是1750sccm，氬氣的流速是2000sccm，C4F8的流速是250sccm。腔室壓力是2托。將400KHz 8.9KW RF能量(powder)開至-800秒，同時(shí)將進(jìn)料氣活化至中性溫度為5000K。然后活化氣體進(jìn)入反應(yīng)室并刻蝕溫度恒定在100℃的裝置上的SiO2表面沉積物。當(dāng)時(shí)間為零時(shí)，將氧氣閥關(guān)閉兩秒并再次打開。這種氧氣料流瞬變的結(jié)果是COF2排放的急劇降低和CO2排放的增加(該增加是為了維持碳的質(zhì)量平衡)。瞬變后，COF2的濃度慢慢升高，CO2的濃度則慢慢降低。然而，五分鐘后，COF2和CO2的排放濃度保持穩(wěn)定，并且似乎不再恢復(fù)到氧氣誘導(dǎo)的瞬變前的先前水平。所得結(jié)果見圖2a。如圖2b所示，刻蝕速率在關(guān)閉氧氣的瞬間迅速升高。對(duì)應(yīng)于排放氣體中COF2和CO2的濃度變化，刻蝕速率接著會(huì)慢慢降低直至保持穩(wěn)定。RF能量在450秒關(guān)閉。
實(shí)施例2設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的目的在于測(cè)試富含碳氟化合物的等離子對(duì)裝置內(nèi)表面進(jìn)行處理后的效果。在富含碳氟化合物的等離子處理前，依據(jù)下述條件測(cè)得的刻蝕速率是900埃/分。進(jìn)料氣由氧氣、Zyron8020(C4F8)和氬氣組成，其中氧氣的流速是1750sccm，氬氣的流速是2000sccm，C4F8的流速是250sccm。腔室壓力是2托。進(jìn)料氣通過400KHz8.8KW射頻能量活化至中性溫度為5000K。然后活化氣體通過熱交換器連接裝置進(jìn)入反應(yīng)室并刻蝕溫度恒定在100℃的裝置上的SiO2表面沉積物。
遠(yuǎn)距等離子源和反應(yīng)室間的熱交換器連接裝置用富含碳氟化合物的等離子進(jìn)行處理。用于該處理的進(jìn)料氣混合物由Zyron8020和氬氣組成，其流速分別是250sccm和2000sccm。使用400KHz 7.0KWRF能量將其活化后，將該氣體混合物通過熱交換器并持續(xù)2分鐘。
處理后，按照處理前的相同條件再次對(duì)刻蝕速率進(jìn)行測(cè)定。發(fā)現(xiàn)刻蝕速率為1350埃/分，比處理前的值高出30％。
實(shí)施例3設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的目的在于測(cè)試富含碳氟化合物的等離子對(duì)裝置內(nèi)表面進(jìn)行處理后的效果。在富含碳氟化合物的等離子處理前，依據(jù)下述條件測(cè)得的刻蝕速率是850埃/分。進(jìn)料氣由氧氣、C3F8和氬氣組成，其中氧氣的流速是1000sccm，氬氣的流速是2750sccm，C3F8的流速是250sccm。腔室壓力是2托。進(jìn)料氣通過400KHz 6.0KW射頻能量活化至中性溫度為4500K。然后活化氣體通過熱交換器連接裝置進(jìn)入反應(yīng)室并刻蝕溫度恒定在100℃的裝置上的SiO2表面沉積物。
遠(yuǎn)距等離子源和反應(yīng)室間的熱交換器連接裝置用富含碳氟化合物的等離子進(jìn)行處理。用于該處理的進(jìn)料氣混合物由C3F8和氬氣組成，其流速分別是250sccm和2750sccm。使用400KHz 5.0KW RF能量將其活化后，將該氣體混合物通過熱交換器中并持續(xù)2分鐘。
處理后，按照處理前的相同條件再次對(duì)刻蝕速率進(jìn)行測(cè)定。發(fā)現(xiàn)刻蝕速率為1150埃/分，比處理前的值高出30％。
權(quán)利要求
1.一種去除表面沉積物的方法，所述方法包括(a)在遠(yuǎn)程腔室中將含有碳氟化合物和任選的氧氣的預(yù)處理氣體混合物活化，其中氧氣和碳氟化合物的摩爾比小于1∶1，并且隨后(b)將所述活化的預(yù)處理氣體混合物與遠(yuǎn)程腔室至表面沉積物的通路的至少一部分內(nèi)表面接觸；(c)在遠(yuǎn)程腔室中將含有氧氣和碳氟化合物的清洗氣體混合物活化，其中氧氣和碳氟化合物的摩爾比至少是1∶3；并且隨后(d)將所述活化的清洗氣體混合物通過所述通路；(e)將所述活化的清洗氣體混合物與表面沉積物接觸，由此去除至少某些所述表面沉積物。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)處理氣體混合物不含氧氣。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面沉積物從制造電子器件的沉積室的內(nèi)部去除。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體混合物由射頻能量源、直流電能量源或微波能量源產(chǎn)生。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述活化的清洗氣體混合物的中性溫度是至少約3000K。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述碳氟化合物是全氟化碳化合物。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣體混合物還含有載氣。
8.權(quán)利要求1的方法，其中所述表面沉積物選自硅、摻雜硅、氮化硅、鎢、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅和被稱為低K材料的各種硅氧化合物。
9.權(quán)利要求1的方法，其中所述清洗氣體混合物中氧氣和碳氟化合物的摩爾比是至少?gòu)募s2∶1至約20∶1。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的遠(yuǎn)距等離子清洗方法，該方法用于去除制造電子器件的沉積室的內(nèi)部等表面的表面沉積物。所述改進(jìn)涉及利用富含碳氟化合物的等離子對(duì)遠(yuǎn)距腔室至表面沉積物的通路的內(nèi)表面進(jìn)行預(yù)處理。
文檔編號(hào)B44C1/22GK101052742SQ200580009415
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月24日
發(fā)明者H·H·薩溫, B·白 申請(qǐng)人:麻省理工學(xué)院