专利名称：清洁反应室的方法
技术领域：
本发明有关于一种清洁反应室(process chamber)内部表面的残余物(residue)的方法；且本发明特别有关于一种新颖的反应室清洁的方法，其中氧化亚氮(nitrous oxide)气体是与三氟化氮(nitrogen tri-fluoride)气体反应而产生用以清洁蚀刻室(etchant chamber)的一氧化氮(nitric oxide)以及氟自由基(radical)。
背景技术：
于半导体生产工业中，多种制程步骤是用于制造集成电路于一半导体晶片上，这些步骤包括不同材料层如包含金属层、护层、以及绝缘层于晶片基底上的沉积，以及光阻的去除与侧壁保护聚合物层(sidewall passivationpolymer layer)的移除。举例来说，近代的存储元件中需提供多层金属导体(metal conductor)以用于形成定义晶片上的电路(circuit)的多层金属内联机(interconnection)结构。而化学气相沉积(chemical vapor depositionCVD)制程则广泛应用在半导体晶片上形成材料层。
化学气相沉积制程包括热沉积(thermal deposition)制程，其中气体是与半导体晶片基底的受热表面反应以及等离子体加强型化学气相沉积(plasma-enhanced CVD PECVD)制程，其中气体为转变成一反应性更强的等离子体而受到电磁能量的支配，而形成该反应性更强的等离子体后是可用于降低在晶片基底上沉积材料层的所需温度、增加层别的沉积速率，或两者均可。然而，在进行这些不同化学气相沉积制程的等离子体反应室中，例如聚合物等材料是于反应进行时覆于该反应室屏壁以及其它内部反应室组件与表面上，而这些聚合物的覆料则经常不慎从反应室表面逐出而产生颗粒，并污染晶片。
在半导体的生产中，半导体晶片上集成电路的品质是与生产制程环境的清洁直接相关，其有赖于制造环境的洁净度。再者，近年来在半导体电路愈加小型化的技术进步下亦需要相对地对于等离子体反应室中杂质与污染物实行严密的控制。当芯片上的电路为次微米(submicron)尺寸时，再小量的污染物都有可能显著降低芯片良率；例如，当颗粒存在下进行薄膜的沉积或蚀刻将可能引起空隙(void)、差排(dislocation)、或电流短路(short-circuit)等问题，而因此对该电路所构成的组件效能以及可信度具有不利的影响。
多年来，在半导体工业中，颗粒与薄膜的污染已藉由提升无尘室(cleanroom)的品质、使用设计于处理半导体基底的自动化设备、以及清洁基底表面的技术改进等方法而有显著的下降。然而，材料的沉积例如氮化硅或氧化硅于反应室内部表面的残余物却始终是个问题。有鉴于此，近年来已发展各种不同可用于原位(in-situ)清理反应室的方法。
用以清洁的气体例如三氟化氮、三氟化氯(chlorine trifluoride)、六氟乙烷(hexafluoroethane)、六氟化硫(sulfur hexafluoride)、四氟化碳(carbon tetrafluoride)以及其中的混合物已于多种清洁的应用上使用，将这些气体引入至具有一预定温度与压力的反应室中以得到一清理反应室内部表面所欲的时间长。然而，这些清洁的方法对于清洁或移除所有覆于反应室屏壁上的薄膜或颗粒并非总是有效，极少量的污染物经此清理程序后仍然留于该腔室中，并可能在接下来的制造过程中引发显著的问题。
直到最近，氟碳化合物(fluorocarbon)气体广泛地用于移除反应室内部表面的残余物。在一离子化的等离子体中，氟碳化合物气体分离成二氧化碳以及氟自由基；然而，氟碳化合物气体对于环境施加了一可观的全球暖化潜能(global warming potential；GWP)的影响，因此有越来越多的各国政府以及国际条约开始要求应该减少或排除具有高全球暖化潜能的化学物质的排放，也因此近来不断地寻找在半导体制造工业中可用于清理反应室的气体氟碳化合物的替代品。
其中一种近来用以替代清洁反应室的氟碳化合物的化合物为三氟化氮，且特别是用于清洁化学气相沉积室。通常，三氟化碳与氧及氩混合并以一气体混合物形式引入至腔室中，在反应室的等离子体环境下，三氟化碳分离成氟自由基，其可用于蚀刻腔室内部表面的氮化硅与氧化硅的残余物。
然而当三氟化氮的清洁效率要符合要求时，三氟化氮的使用成本将近为氟碳化合物的四倍；再者，三氟化氮的蚀刻率也相对较低，如移除反应室内部表面的碳化硅(silicon carbide)以及/或有机硅酸物(organosilicate)的效率小于每分钟5,000埃。有鉴于此，业者需要一种可促进三氟化碳清理反应室的移除效率以及减低成本的方法。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种新颖且适用于清理反应室内部表面的方法。
本发明的另一目的是提供一种新颖的方法，其可增加三氟化碳用以清理反应室的清洁效果。
本发明更另一目的是提供一种新颖的方法，其可降低三氟化碳为求达到有效清理反应室的所需量。
本发明又另一目的是提供一种新颖的腔室清洁方法，其不仅有效且成本并不昂贵。
本发明更进一步目的是提供一种新颖的腔室清洁方法，其包括将氧化亚氮气体与三氟化氮反应以产生一氧化氮与氟自由基，并可将氮化硅以及/或氧化硅残余物自反应室内部表面移除。
本发明又另一目的是提供一种新颖并可促进腔室的清理时间的方法。
本发明的另一目的是提供一种新颖的腔室清洁方法，并可适用于不同类型的反应室。
为达上述与其它目的，本发明大体而言是针对一种适于清洁一反应室内部表面的新颖方法；且本发明对于移除化学气相沉积室的内部表面的氮化硅以及氧化硅残余物特别有效。该方法包括于一等离子体中利用三氟化氮气体与氧化亚氮气体反应以产生一氧化氮与氟自由基；而由于自氧化亚氮所产生的一氧化氮自由基密度的增加将使得腔室内部表面的残余物的蚀刻以及移除率增加，因而可减少所需用于有效且迅速执行腔室清洁的三氟化氮数量。
图1是显示一可用于实施本发明的典型化学气相沉积室系统的概略图式。
图2是阐述一依照本发明方法所实施的连续处理步骤的流程图。
图3为一用以说明氮化硅蚀刻率(Y轴)相对氧化亚氮/三氟化氮的气体混合物于不同体积比(X轴)情况下的图表。
符号说明10～气体混合物； 12～等离子体；36～化学气相沉积室系统；100～反应室； 101～反应室内部表面；102～真空泵浦；103～物质残余物；106～电源供应器； 110～控制装置；120～喷头或气体分配板；130～气体控制盘；150～晶片支撑座； 151～等离子体产生室；153～气体供应器； 155～气流控制器；157～腔室入口；170～加热组件；172～温度传感器； 180～遥距等离子体源；S1～将氧化亚氮与三氟化氮混合；S2～将气体混合物引入反应室中；S3～由气体混合物产生等离子体；S4～将等离子体自该反应室抽离。
具体实施例方式
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下
本发明对于在半导体晶片基底上沉积材料层的化学气相沉积室的内部表面残余的物质的移除具有特别有利的功效。然而，本发明并非受限于此应用，而仅以此类化学气相沉积室为例作为参考；本发明更可大体应用于移除蚀刻反应室以及其它用于半导体晶片基底制造集成电路制程的反应室内部表面的残余物。
本发明是关于一种新颖且适用于清理反应室例如一化学气相沉积室内部表面的方法。该方法包括将三氟化氮气体与氧化亚氮气体于一等离子体中反应以产生一氧化氮与氟自由基；而由于来自氧化亚氮以及三氟化氮所产生的一氧化氮自由基密度的增加将使得腔室内部表面的残余物的蚀刻以及移除率增加，因而可大致减少该成本相对昂贵的三氟化碳所需用以有效而迅速执行腔室清洁的数量。
图1中是显示一可用于实施本发明的化学气相沉积室系统36。该化学气相沉积室36是可用于沉积不同材料层例如氮化硅及氧化硅于一半导体晶片上。一化学气相沉积系统36的实施例为美国加州圣克拉拉市(Santa Clara)的应用材料公司(Applied materials，Inc)商用的DXZ.TM系统。然而，图1所示的化学气相沉积系统36是仅为可适于实施本发明的化学气相沉积处理系统的一个范例，因此，本发明所述的方法可同样适用于清理具有与图1中所示的化学气相沉积处理系统36的不同特征的反应室。
一般化学气相沉积处理系统36包含有一反应室100，而该反应室100则包含有一晶片支撑座(wafer support pedestal)150；一可埋置于该晶片支撑座150内的加热组件170，其可用于加热晶片支撑座150上所支撑的晶片；一交流电源供应器106，其通常与该加热组件170连接；一温度传感器(temperature sensor)172，其通常是埋置于晶片支撑座150内以监测支撑座150的温度，而该所量测的温度则于一回馈线路(feedback loop)中藉由交流电源供应器106以控制该供应至加热组件170的电力。
提供一喷头(showerhead)或气体分配板(gas distribution plate)120于反应室100的上部；一气体控制盘(gas panel)130与喷头120连接，该气体控制盘是用于选择欲经由喷头120引入至反应室100中的气体；一真空泵浦102连接至该反应室100以维持反应室100中适当的气流及压力，并抽离反应室100中反应物的副产物(by-product)。
控制装置110连接至气体控制盘130以及其它反应室100中不同的操作组件，例如该真空泵浦102以及该交流电源供应器106，以控制反应室100中所发生的化学气相沉积制程。而藉由质流控制器(mass flow controller)(未示)以及一微处理控制器(microprocessor controller)(未示)的帮助可对于流经气体控制盘130的反应气体(process gas)的控制有所促进。在化学气相沉积的制程中，该喷头120是可帮助反应气体于该支撑座150上的晶片基底(未示)表面有一均匀的分布。
喷头120及晶片支撑座150是于反应室100中形成一对空间上分离的电极。当一电场(electric field)于上述电极间产生，则经由喷头120流至反应室100中的反应气体将受到激发而形成等离子体。一般来说，该电场是藉由将该晶片支撑座150经一匹配网络(matching network)而连接至一射频(radio-frequency；RF)功率源；而另外也可将射频功率源(RF power source)与匹配网络连接至喷头120，或者同时连接至该喷头120以及晶片支撑座150。
反应室100可连接至一遥距等离子体源(remote plasma source)180以提供一远程产生的等离子体至该反应室100。该遥距等离子体源180包含一气体供应器153、一气流控制器155、一等离子体产生室151以及一腔室入口157。该气流控制器155是用于控制气体供应器153至该等离子体产生室151中的反应气体流速。
藉由对等离子体产生室151中的反应气体施加一电场可产生遥距等离子体，进而引发具有活性物种(reactive species)的等离子体。一般而言，等离子体产生室151中的电场是以一射频功率源(未示)产生，而在遥距等离子体源180中所产生的活性物种则经由腔室入口157而引入至反应室100内。
化学气相沉积系统36的一般操作过程中，在晶片支撑座150上的晶片(未示)上以化学气相沉积材料层时，物质残余物103将逐渐累积于反应室100的内部表面101上，这些物质残余物103包含例如氮化硅与氧化硅。而来自残余物103中的粒子则倾向于阻断或可能污染后续于该反应室100中处理的晶片上所制造的组件，故为求达到理想的制造过程，必须定期将残余物103自反应室内部的表面101上移除。
依照本发明的方法，利用一氧化亚氮/三氟化氮的混合物10将反应室100内部表面101上的氮化硅与氧化硅残余物103移除。该氧化亚氮/三氟化氮的混合物10于反应室100内形成一等离子体12，在等离子体12中，氧化亚氮是与三氟化氮反应而形成一氧化氮自由基、氟自由基、以及氮分子，依照下列反应式
高活性的一氧化氮自由基以及氟自由基与反应室内部表面101的氮化硅及氧化硅残余物103反应并将其移除。而在清洁程序后，则通常利用真空泵浦102将反应室100中所产生的以氮及氟为主的气体抽离。
图2是阐述一依照本发明方法所实施的连续处理步骤的流程图。在处理步骤S1时，氧化亚氮气体是与三氟化氮气体混合，而一般而言，该氧化亚氮气体以及三氟化氮气体是通常与一惰性载流气体(inert carrier gas)例如为氩(Ar)或氦(He)一同混合。由于氩相对于氦而言是可提供一较有效率的清洁方法，故较佳使用氩为载流气体。
氧化亚氮与三氟化氮一般是以一氧化亚氮/三氟化氮体积比至少大体为0.2的气体混合物10存在；且一般而言该氧化亚氮/三氟化氮于气体混合物中的体积比是较佳大体介于0.2至0.8之间。在该气体混合物10中，一氧化亚氮/三氟化氮的至少为大体0.8的体积比对于反应室内部表面101的氮化硅及氧化硅残余物103而言是具有最佳蚀刻以及移除的效果。
在图2的处理步骤S2时，是将图1的气体混合物10引入至反应室100中。而在处理步骤S3时，则由该气体混合物10产生等离子体12。一般而言，接下来所举例的制程参数(process parameter)是可于反应室100中用以产生一以氧化亚氮/三氟化氮为基本的等离子体。有关反应室温度的制程参数是大体介于65℃至300℃之间；反应室压力则大体介于1托耳(torr)至20托耳间；气体混合物的流速一般是大体介于5sccm至500sccm之间；而一般射频功率是大体介于1至20瓦特/平方公分(Watt/cm2)。
等离子体12与该反应室100内部表面101接触，而自氧化亚氮所产生的一氧化氮自由基以及自三氟化氮所产生的氟自由基将蚀刻反应室内部表面101上的残余物103。因此相较于以三氟化氮作为清洁作用的唯一来源气体的情况，可仅仅使用一较为少量的相对昂贵的三氟化氮，并已足够用于清洁反应室内部表面101。
在处理步骤S4时，将等离子体12自反应室100中抽离，此步骤是可藉由真空汞浦102的操作而完成。当清理反应室内部表面101上的残余物103后，反应室100已足够干净并可重新用以继续处理反应室100中的晶片。
图3为一图表，用以说明氮化硅蚀刻率(沿Y轴增加)相对氧化亚氮/三氟化氮的气体混合物于不同体积比(沿X轴增加)的情况下所绘制的函数图形。依照该图示，氮化硅的蚀刻率是随着气体混合物中该氧化亚氮相对三氟化氮的比例增加而稳定增加。而对于可促进清洁作用、相较于单独使用三氟化氮而言较为迅速的氧化亚氮/三氟化氮的体积比范围一般大体至少介于0.2至0.8，而更佳的氧化亚氮/三氟化氮体积比是至少为大体0.8，而超过此范围，该氮化硅的蚀刻以及移除率则大体趋向平稳。相较于习知使用三氟化氮的反应室的清洁方法，本发明的反应室的清洁方法已减少大致20％的清洁时间。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。
权利要求
1.一种清洁反应室的方法，包括下列步骤提供一气体混合物，其包含氧化亚氮以及三氟化氮，其中一氧化亚氮/三氟化氮的体积比至少为0.2；引入该气体混合物至该反应室；以及以该气体混合物产生一等离子体。
2.根据权利要求1所述的清洁反应室的方法，其更包括提供一惰性载流气体于该气体混合物中的步骤。
3.根据权利要求1所述的清洁反应室的方法，其中该氧化亚氮/三氟化氮的体积比介于至少0.2至0.8。
4.根据权利要求2所述的清洁反应室的方法，其中该惰性载流气体包含氦或氩。
5.一种清洁反应室的方法，包括下列步骤提供一气体混合物，其包含氧化亚氮以及三氟化氮，其中氧化亚氮/三氟化氮的体积比至少为0.8；引入该气体混合物至该反应室；以及以该气体混合物产生一等离子体。
6.一种清洁反应室的方法，其是利用三氟化氮以迅速清洁该反应室，包括以下步骤形成一气体混合物，其包含氧化亚氮以及三氟化氮，其中氧化亚氮/三氟化氮的体积比至少为0.2；引入该气体混合物至该反应室；以及以该气体混合物产生一等离子体，并因而于该反应室中形成一氧化氮自由基及氟自由基。
7.根据权利要求6所述的清洁反应室的方法，其更包括提供一惰性载流气体于该气体混合物中的步骤。
8.根据权利要求6所述的清洁反应室的方法，其中该氧化亚氮/三氟化氮的体积比介于至少0.2至0.8。
9.根据权利要求6所述的清洁反应室的方法，其中该氧化亚氮/三氟化氮的体积比至少为0.8。
10.根据权利要求9所述的清洁反应室的方法，其更包括提供一惰性载流气体于该气体混合物中的步骤，其中该惰性载流气体包含氦或氩。
全文摘要
本发明揭露一种适于清洁一反应室内部表面的方法，且本发明对于将化学气相沉积室的内部表面上的氮化硅以及氧化硅残余物移除特别有效。该方法包括将三氟化氮气体与氧化亚氮气体于一等离子体中反应以产生一氧化氮与氟自由基；而由于自氧化亚氮所产生的一氧化氮自由基密度的增加将使得腔室内部表面的残余物的蚀刻以及移除率增加，因而可减少所需用于有效且迅速执行腔室清洁的三氟化氮数量。
文档编号B08B7/00GK1644251SQ20051000059
公开日2005年7月27日 申请日期2005年1月7日 优先权日2004年1月20日
发明者张简旭珂, 陈圣文, 张宏睿, 张振凉, 王英郎 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司