用于最优化等离子体处理系统中的大气等离子体的装置的制作方法

专利名称：用于最优化等离子体处理系统中的大气等离子体的装置的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及衬底制造技术，尤其涉及一种用于最优化等离子体处理系统中的大气等离子体的装置。
背景技术：
在衬底(诸如，半导体衬底或使用在平板显示器的制造过程中的玻璃嵌板)处理过程中，常常采用等离子体。以衬底处理过程的一部分为例，将衬底划分为多个小片或矩形区域，其中的每个小片或矩形区域都将成为集成电路。然后，通过一系列有选择地移除(蚀刻)和沉积材料的步骤对衬底进行处理。接着，由于从目标门信号宽度的每纳米的偏离都可能直接转换成这些器件的操作速度，因此最重要的是将晶体管门电路的临界尺寸(CD)控制在大约几纳米的数量级。
然后，有选择地移除硬化乳剂层区域，从而暴露出下层的元件。接着将衬底置于包括单极或双极电极的、称为卡盘或支座的衬底支撑结构上的等离子体处理腔中。然后，使适当的蚀刻剂源(etchantsource)流入该腔中并放电，以形成用于蚀刻衬底的暴露区域的等离子体。
由于半导体制造中的联合工艺的复杂性，衬底清洁处理对于提高器件的产率非常重要。这是因为在每个处理步骤之后，都可能存在会导致缺陷形成和器件故障的潜在污染源(如，粒子、金属杂质、痕迹有机污染物(trace organic contaminant)等)。
通常，由于湿法净化在减少污染物的存在方面的有效性，所以湿法净化是任何衬底制造顺序中最经常重复的步骤。为了提高生产率，通常将一组清洁腔连接至等离子体处理腔。在世界范围内的半导体工业中，过氧化氢基化学物质是最为普遍的清洁剂。例如，可以顺序将衬底浸入高温下的NH4OH-H2O2-H2O混合物(SC-1)和HCl-H2O-H2O混合物(SC-2)数分钟，然后再将衬底浸入室温下的稀释的HF中。
最常见类型的清洁方法是单衬底旋转清洁法(spin cleaning)。例如，旋转清洁系统可以通过交替地将臭氧水和稀释的HF应用于衬底表面数秒钟来起作用，这种循环可以根据需要重复多次直到表面达到期望的清洁水平。在最后的稀释HF处理之后，或将DI水应用于衬底以获得疏水性硅表面，或将臭氧水应用于衬底以获得亲水性硅表面。然后在氮气氛中进行旋转干燥(spin drying)，以防止在图样化的衬底上形成斑点。
例如，在一般的现代的衬底制造过程中，前段制程(FEOL)中存在约54个清洁步骤，后段制程(BEOL)中存在约45个清洁步骤。扩散前清洁(20个步骤)和灰化后清洁(30个步骤)一般都包括RCA清洁处理的多个变体。
RCA是基于过氧化氢溶液的湿式化学硅衬底清洁工艺。通常，通过两个步骤来清洁衬底，第一步使用过氧化氢和氢氧化氨的混合水溶液，第二步使用过氧化氢和HCl的混合物。该工艺可以使用多种系统通过多种技术来实现。
现在参考图1，示出了简化的衬底制造过程。首先，在步骤102中，将一组LP(低压)氧化物、氮化物、多晶硅、以及一些防护材料沉积在衬底上。接着，在步骤104中，通过光刻处理形成一组衬底掩膜图样。然后在步骤106中，使用化学显性蚀刻处理(chemically dominant etch process)对衬底进行蚀刻和进一步图样化。接着在步骤108中，通常进行湿式化学清洁处理。每个衬底的这个过程花费2个小时。
随着器件几何结构的更加小型化，清洁步骤的数量增加并且在一些最近的处理流程中达到大于100个步骤。清洁循环数量的增加导致了额外的循环时间、附加的硅和氧的损失、以及对脆弱结构的损坏。因此，更短、更有效率的清洁处理对于实现高生产率的器件制造是非常重要的。另外，有关地下水和空气污染、温室气体、以及相关的健康和安全问题的考虑的增加已经严重制约了一般的挥发性有机溶剂在湿式化学清洁处理中的使用。
鉴于以上所述的问题，提出了一种用于最优化等离子体处理系统中的等离子体的装置。

发明内容
本发明的一个实施例涉及一种用于在活性离子蚀刻处理中清洁衬底的装置。该装置被配置为通过使用RF发生装置来产生大气等离子体。该装置包括等离子体形成腔，该等离子体形成腔包括由电介质材料组成的一组内腔壁限定的空穴。该装置还包括由RF发生装置生成的大气等离子体，该大气等离子体从空穴的第一端伸出，以清洁衬底。
结合下面的附图，在下面的本发明的详细描述中对本发明的以上和其它特征进行更详细的说明。


在附图中，通过实施例的方式而不是限制的方式对本发明进行阐述，其中，相同的参考标号表示相似的元件，其中图1示出了衬底制造过程的简图；图2示出了一般的DC等离子体清洁装置的简图；图3示出了RF等离子体清洁装置的简图；图4A-B示出了根据本发明的一个实施例的用于清洁衬底的一组RF微空心阴极放电腔；图5示出了根据本发明的一个实施例的从平行于放电腔的角度看的图4的RFMHCD清洁装置；以及图6示出了根据本发明的一个实施例的简化的衬底制造过程。
具体实施例方式
现在，参考附图所示的本发明的多个优选实施例来详细说明本发明。在下面的说明中陈述了多个特定细节，以提供本发明的全面理解。然而，本领域技术人员将明白的是，在没有一些或者所有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其它的例子中，为了不对本发明造成不必要的混淆，没有对公知的处理步骤和/或结构进行详细说明。
虽然不希望受到理论的限制，但是发明人相信，可以在活性离子蚀刻(RIE)处理中使用大气等离子体来最优地清洁衬底。
在一个实施例中，可以将最优的大气等离子体以充分高的蚀刻速率集中到衬底上的特定区域。
在另一实施例中，将局域的最优的大气等离子体与原湿法净化处理(in-situ wet cleaning process)相结合。
在另一实施例中，在系统的操作压力下，通过具有与等离子气体的平均自由程基本相等的长度的孔生成局域的最优的大气等离子体。
在另一实施例中，可以通过将反应气体注入一组RF电介质微空心阴极放电腔(或空穴)而产生大气等离子体。
在另一实施例中，RF电介质微空心阴极放电腔组包括电介质绝缘体。
如前所述，由于每个处理步骤之后都可能存在会导致缺陷形成和器件故障的潜在的污染源(如，粒子、金属杂质、痕迹有机污染物等)，所以清洁处理对于提高器件的产率是非常重要的。然而，通常包括许多处理步骤和对有害液体化学物质的处理的湿法净化方法成本高且耗时。
湿法净化的替代是通过使用传统的低压(一般在从高真空(小于0.1mTorr)到几Torr的范围内变化)等离子体来干法蚀刻衬底。等离子体清洁的主要优点在于，它是“完全干燥”的处理，其产生的流出物最少，不需要危险的压力，并且可以用于包括硅、金属、玻璃、以及陶瓷的多种真空兼容材料。例如，普通的干法蚀刻处理包括纯离子蚀刻或溅射，其中，离子用于从衬底移除材料(例如，氧化物等)。通常，惰性气体(如氩)在等离子体中被电离，并向带有负电的衬底加速。纯离子蚀刻是各向同性(即，主要沿一个方向)且非选择性的。也就是说，由于在离子刻蚀处理过程中离子轰击的方向基本与晶片表面垂直，因此对特定材料的选择性趋于不足。另外，主要依赖于离子轰击的通量和能量的纯离子蚀刻的蚀刻速率相对较低。纯离子蚀刻广泛使用在电介质薄膜应用中，以减小空隙开口。
另一种普通的干法蚀刻处理包括活性离子刻蚀(RIE)，也叫做离子增强蚀刻。为了从衬底移除材料(如光阻材料、BARC、氮化钛、氧化物等)，RIE将化学和离子处理结合在了一起。通常，等离子体中的离子通过轰击衬底的表面，然后断开表面上的原子的化学键以使得它们更易于与化学处理的分子反应，来增强化学处理。
然而，由于传统的低压等离子体处理通常需要诸如新型真空系统(advanced vacuum system)的复杂组件，因此具有相对较高的成本。所以，传统的低压等离子体技术一般用在不存在其它处理衬底材料的更经济的方式的情况中。
一种解决方法是使用大气(或高压)等离子体。例如，可以通过使用诸如氩的等离子体工作气体，在两个电极之间放电而形成DC等离子体。当电子在正极消失时，通过在暴露的阴极处释放二次电子来补充。然而，当等离子体中的带电物质(即，离子等)的密度增加(一般大于2％)时，在暴露的电极处发生破坏性的电弧放电的可能性也增加了。因此，大多数大气等离子体处理一般主要包括非带电物质(如，能够限制电离的氦)。
电弧通常是具有最小爆炸效应的高功率密度的短路。当电弧在目标材料或腔紧固件的表面上或者附近发生时，将会发生诸如局部熔化的实质损坏。等离子体电弧通常由会导致电流稳定增加的低等离子体电阻引起。在电阻足够低的情况下，电流将无限增加(仅受电源和电阻限制)，从而产生其中的所有能量都发生传输的短路。这将会导致对衬底和等离子体腔的损坏。因此，为了抑制电弧放电，通常必须诸如通过限制等离子体中的电离速率来保持相对较高的等离子体电阻。
然而，许多等离子体清洁处理都需要使用会增加电弧放电的可能性的RIE(以及离子)。例如，清洁氧化物薄膜通常需要超过5％的活性离子物质(诸如，CF4、SF6、C2F6、以及O2)；清洁光阻材料和残留物通常需要超过5％的活性离子物质(诸如，CF4、SF6、C2F6、以及O2)；以及清洁多晶硅通常需要超过5％的活性离子物质(如，Cl2、CF4、SF6、C2F6、以及O2)。
现在参考图2，示出了普通的DC等离子体清洁装置的简图。通常，使一组适当的气体从气体分配系统204流入腔206中。在腔206的一端，通常都存在电绝缘材料222。在由阴极210限定的腔206的另一端，产生用于蚀刻衬底220的等离子体。用于密封该装置的一端的电绝缘体222由任何合适的电绝缘材料制成，并且一般由塑料制成。电绝缘体222通常具有沿其中心延伸的洞或孔，用来接收金属正极212。金属正极212通常由任一种方便的材料制成(通过不锈钢来制造比较方便)。高压D.C.电源214通常输出足够量的能量。然而，如前所述，诸如RIE的具有足够量的带电物质的蚀刻剂，将增加接下来会对衬底220或诸如位置216处的腔206造成损坏的破坏性电弧放电218的可能性。因此，DC等离子体清洁装置通常不适于RIE应用。
现在参考图3，示出了传统的RF等离子体清洁装置的简图。通常，由于等离子体放电是RF驱动并且是弱电离的，所以等离子体中的电子不与离子热平衡。也就是说，尽管较重的离子通过碰撞来有效地与背景气体(例如，氩等)交换能量，但电子吸收了热能。因为电子具有充分小于离子的质量的质量，所以电子热速度比离子热速度高很多。这易于使较快速移动的电子在等离子体处理系统内的表面上消失，从而形成可以用来清洁衬底324的带正电的离子层。然后对进入该层的离子进行加速。
在腔306的一端，通常都存在电绝缘材料322。在腔306的另一端，产生用于蚀刻衬底320的等离子体。然后与前面的图2中一样，使适当的等离子体处理气体流入腔306并且通过通常与RF源314连接的暴露的电极312电离。电极312起的作用类似于变压器的作用，其通过在初级线圈中相继开启和关掉电流来在等离子体工作气体中引入随时间变化的电压和电位差以产生等离子体。
如前所述，RIE(以及离子)的使用增加了发生随后会对衬底320和(诸如)位于点316处的腔306造成损坏的电弧放电318的可能性。因此，RF等离子体清洁装置通常不适于RIE应用。
在非显著的方式中，可以在RF等离子体清洁装置中采用电介质层来基本减小电弧放电的风险。在一个实施例中，RF等离子体清洁装置是绝缘的RF微空心阴极放电(RFMHCD)清洁装置。按照本技术领域的一般理解，RFMHCD装置通常包括相对较小直径(一般小于10密耳)的腔。它们允许在相对较小的空间内通过相对较高的功率密度(即，高电子能量等)来产生稳定的大气等离子体。
在另一实施例中，每个放电腔(空穴)都包括至少一个电极中的电介质阻挡。通常，可能需要相对较小量的能量(约100mW/空穴至约10W/空穴)来维持等离子体。从表面看，将一组等离子体流从一组孔的底部引向(射向)衬底。
使用具有电介质层的微空心结构使得清洁装置能够提供足够高的电离度、能够充分降低阴极材料的污染、并且能够减少电弧放电的可能性。通过限制暴露时间，RFMHCD清洁装置基本可以在不损坏衬底(即，边移除等)的情况下保持较高的蚀刻速率。另外，没有复杂的真空系统可以充分减少操作和分期偿还费、以及潜在的维修问题。例如，非常大的衬底(即，LCD面板等)倾向于需要更大的腔来处理，并倾向于难以控制在真空条件下。因此，减少真空的使用可以有效减少成本和增加产率。
图4A-B示出了根据本发明实施例的包括电介质的RF等离子体清洁装置的一组简图。现在参考图4A，示出了根据本发明的一个实施例的具有单个空穴的RF等离子体清洁装置的简图。在一个实施例中，RF等离子体清洁装置包括RFMHCD装置。可以将包括内腔壁的电介质材料442置于RF发生器414(RF发生装置)和等离子体408之间。电介质材料442允许由RF发生器414产生的RF电场穿透放电腔空穴406，而基本不需要将放电腔壁暴露于等离子体408中的电子，从而减小了电弧放电的可能性。所以，在用于RIE处理的等离子体中可以存在更大浓度的离子物质。通常，使一组适当的气体从气体分配系统404流入用于加压的密封盒412中。在一个实施例中，密封盒412包括聚四氟乙烯。接着，再将气体送入一组放电腔空穴406中，在放电腔空穴中轰击等离子体408从而使其从空穴406的一端伸出，以蚀刻衬底430。
在另一实施例中，放电腔消耗介于约100mW和10W之间的能量。在另一实施例中，放电腔消耗约50SCCM的氦。在另一实施例中，每个等离子体束在30秒内能够蚀刻介于约0.2mm和约2mm之间的宽度。在另一实施例中，在清洁处理过程中，RFMHCD清洁装置基本是静止的，而衬底是旋转的。
现在参考图4B，示出了根据本发明的一个实施例的具有一组空穴的RF等离子体清洁装置的简图。与图4A一样，RF等离子体清洁装置可以包括RFMHCD装置。如前所述，可以将电介质材料422置于RF发生器和等离子气体之间，允许用于RIE处理的等离子体408中有更大的离子浓度。
现在参考图5，示出了根据本发明的一个实施例的从平行于放电腔的角度看的图4的RFMHCD清洁装置。如前所述，可以将电介质材料442置于RF发生器和放电腔空穴406内的等离子气体之间。在另一实施例中，放电腔空穴406的直径约为10密耳。
现在参考图6，示出了根据本发明的一个实施例的简化的衬底制造过程。首先，在步骤602中，将一组LP(低压)氧化物、氮化物、多晶硅、以及一些防护材料沉积在衬底上。接着，在步骤604中，通过光刻处理形成一组衬底掩膜的图样。然后在步骤606中，使用化学显性蚀刻处理来对衬底进行蚀刻和进一步的图样化。然而，与图1中所述的消耗大约1到2小时的湿式化学清洁处理不同，在步骤608中，RFMHCD清洁装置能够以每衬底大约30秒到大约2分钟之间的速度处理衬底。
另外，本发明在多个方面充分区别于现有技术。例如，该装置既不通过等离子体活性(plasma-activated)气体物质来处理粒子的表面从而来改变粒子的表面，也不通过使用槽、高流速、以及铝盖来减小电弧放电的可能性。
虽然通过多个优选实施例的形式对本发明进行了描述，但是存在多个落入本发明的范围内的替代、置换、及等同物。例如，尽管结合Lam Research等离子体处理系统(例如，ExelanTM、ExelanTMHP、ExelanTMHPT、2300TM、VersysTMStar等)对本发明进行了描述，但也可以使用其它的等离子体处理系统。本发明也可以用于各种直径(例如，200mm、300mm、LCD等)的衬底。
本发明的优点包括在活性离子蚀刻(RIE)处理中使用大气等离子体来最优地清洁衬底。其它的优点包括可以简单地将RFMHCD清洁装置与原湿法净化处理相结合、以及衬底制造处理的最优化。
本发明公开了示例性的实施例和最优方式，在不偏离权利要求限定的本发明的主题和范围的条件下，可以对已公开的实施例作出各种修改和改变。
权利要求
1.用于在活性离子蚀刻处理过程中清洁衬底的装置，所述装置被配置为通过使用RF发生装置来产生大气等离子体，所述装置包括等离子体形成腔，包括由电介质材料组成的一组内腔壁限定的空穴；大气等离子体，由所述RF发生装置生成，所述大气等离子体从所述空穴的第一端伸出，以清洁所述衬底。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括气体分配系统，与所述空穴的第二端相连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，用于对一组气体加压的密封盒连接在所述气体分配系统和所述第二端之间。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述密封盒包括聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括CF4。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括SF6。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括C2F6。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括O2。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括N2。
10.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一组活性离子物质。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活性离子物质组包括多于5％的所述大气等离子体。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活性离子物质组包括多于5％的所述大气等离子体。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，每个所述等离子体形成腔都需要介于大约100mW/空穴到大约10W/空穴之间的能量。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述空穴是微空心阴极放电腔。
14.用于在活性离子蚀刻处理过程中清洁衬底的装置，所述装置被配置为通过使用RF发生装置来产生大气等离子体，所述装置包括一组等离子体形成腔，该组等离子体形成腔中的每个等离子体形成腔都包括由电介质材料组成的一组内腔壁限定的空穴；大气等离子体，由所述RF发生装置生成，所述大气等离子体从所述空穴的第一端伸出，以清洁所述衬底。
15.根据权利要求14所述的装置，进一步包括气体分配系统，与所述空穴的第二端相连接。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，用于对一组气体加压的密封盒连接在所述气体分配系统和所述第二端之间。
16.根据权利要求3所述的装置，其中，所述密封盒包括聚四氟乙烯。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括CF4。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括SF6。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括C2F6。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括O2。
21.根据权利要求1所述的装置，其中，大气等离子体包括N2。
22.根据权利要求1所述的装置，进一步包括一组活性离子物质。
23.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活性离子物质组包括多于5％的所述大气等离子体。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，所述活性离子物质组包括多于5％的所述大气等离子体。
25.根据权利要求1所述的装置，其中，所述等离子体形成腔中的每一个都需要介于大约100mW/空穴到大约10W/空穴之间的能量。
26.根据权利要求1所述的装置，其中，所述空穴是微空心阴极放电腔。
27.用于在活性离子蚀刻处理中清洁衬底的装置，所述装置被配置为通过使用RF发生装置来产生大气等离子体，所述装置包括一组等离子体形成腔，该组等离子体形成腔中的每一个等离子体形成腔都包括由电介质材料组成的一组内腔壁限定的空穴；气体分配系统，与所述空穴的第二端相连接；密封盒，用于对一组气体加压，连接在所述气体分配系统和所述第二端之间；大气等离子体，由所述RF发生装置生成，所述大气等离子体从所述空穴的第一端伸出，以清洁所述衬底。
全文摘要
本发明公开了一种用于在活性离子蚀刻处理过程中清洁衬底的装置。该装置被配置为使用RF发生装置来产生大气等离子体。该装置包括等离子体形成腔，该等离子体形成腔包括由电介质材料组成的一组内腔壁限定的空穴。该装置还包括大气等离子体，该大气等离子体由RF发生装置产生，该大气等离子体从空穴的第一端伸出，以清洁衬底。
文档编号C23F1/00GK101023201SQ200580030305
公开日2007年8月22日 申请日期2005年8月31日 优先权日2004年9月10日
发明者金润相, 安德拉斯·库蒂 申请人:朗姆研究公司