自清洁干式蚀刻用的系统、方法与设备的制作方法

专利名称：自清洁干式蚀刻用的系统、方法与设备的制作方法
技术领域：
本发明一般是关于半导体基板的蚀刻，尤其关于干式蚀刻半导体 基板以及清洁蚀刻处理室所用的系统与方法。
背景技术：
一般而言，集成电路装置(以半导体基板与晶片的型式存在)的 制造包含等离子体蚀刻的使用。等离子体蚀刻室是能蚀刻如由一掩模 或图案所限定的基板上的选择层。等离子体蚀刻室是设计成用以在一
射频(RF)功率是被施加至等离子体蚀刻室的一或多个电极时来接收 处理气体(也即蚀刻化学剂)。等离子体蚀刻室内部的压力也被控制 以供特定工艺使用。在将所期望的射频(RF)功率施加至电极时，处 理室中的处理气体会被活化而建立等离子体。因此，等离子体是用以 执行所期望的半导体晶片的选择层蚀刻。
在某些已知技术的等离子体蚀刻工艺中会产生低挥发性副产物。 举例而言，在一种使用含氯气体(例如Ch与HC1)的铜蚀刻工艺中， 副产物为CuClx。 CuClx于室温下为非挥发性的。低挥发性副产物一般 凝结在处理室壁面上。在每次等离子体蚀刻循环期间，这些副产物累 积在处理室壁面上。最后，副产物累积至某一厚度。然后，累积的副 产物开始从处理室壁面"剥离"下来，而因此变成显著的微粒来源。 这些微粒会污染处理室中正被蚀刻的基板。
导电副产物的沉积物也可阻碍等离子体的运作。举例而言，导电 沉积物可能致使等离子体减弱甚至消失。导电沉积物也可改变等离子 体密度，其可大幅地影响一电感耦合等离子体室中的工艺。 一种非导 电沉积物可改变一电容耦合等离子体室中的电极区域条件。这些与其 他效果可动击蚀刻多层薄膜堆叠的功效。
在本领域认定等离子体蚀刻室的内部表面是暴露至等离子体，这 些处理室常被设计成允许使用简单内衬零件(例如圆盘、环状物与圆 柱状物)。因为这些内衬零件是设计成用以将等离子体局限在正被处 理的基板上面，这些零件连续地暴露于处理等离子体能量并受到侵蚀，由于此种暴露，这些零件最后腐蚀或累积副产物的累积层，因此 需要更换或彻底清洁.然而，在清洁和更换所需要的实际成本及损失 的生产时间两者上，这些内衬零件的清洁及/或更换成本会变得很昂 贵。
此外，处理室也必须经常清洁，以减少微粒污染或由于横越过覆
盖内表面的副产物的可变RF耦合所导致的等离子体条件上的变化。经 常清洁的需求减少处理室可用于蚀刻工艺的时间，进而减少处理室的 基板产能。
鉴于上迷说明，在本领域需要一种用于降低处理室清洁需求的系 统与方法，藉此增加处理室可用于蚀刻工艺的时间。

发明内容
广义来说，本发明借助提供一种用以减少处理室清洁需求的系统 与方法来满足这些需求。在本领域应该明白可利用许多方式来实现本 发明，包含以工艺、设备、系统、电脑可读媒体或装置的方式。兹将 本发明的数个发明实施例说明于下。
一个实施例提供用以清洁一处理室的方法。此方法包含将处理室 的一内表面加热至一第一温度。第一温度足以使一第一物质挥发，第 一物质可以是沉积在内表面上的数种物质其中之一。 一种清洗化学剂 被注入至处理室中。清洗化学剂可以与这些物质的其中第二物质反 应，以将该第二物质转换成第一物质。挥发性的第一物质也可从处理 室输出。
处理室也可包含一待处理基板。基板的表面也可于大致在处理室 被清洗的同时被蚀刻。蚀刻基板的表面可包含蚀刻在一单一处理室中 的基板上的多层薄膜堆叠。
此方法也可包含加热基板。基板可被一夹头所支撑。夹头可被加 热。基板可被加热至大致第一温度。 一偏压也可被施加至基板。
从处理室输出挥发性的第一物质可包含令在温度低于第一温度的 第二表面上的挥发性第一物质的至少一部分凝结。
将清洗化学剂注入至处理室中可包含还原这些物质中的第二物 质。第一物质是金属与卣素化合物以及金属与氧化合物的至少一种， 而第二物质是非挥发性金属与含金属化合物的至少一种。此金属可包含由铜、钽、钨、白金、铱、钌、铪、锆与铝所组成的组中的至少一 种。
内表面被加热至约200至400TC的范围。内表面可以由形成于处理 室内的等离子体所加热。清洗化学剂可包含由卣素气体、惰性气体与 含氢气体所组成的组中的至少一种。
另一实施例提供一种基板的蚀刻方法。此方法包含在一处理室中 蚀刻第 一基板的笫 一表面，而同时输出 一挥发性物质并使一非挥发性 物质沉积在处理室的内表面上。第一基板的第一表面被钝化，而同时 将内表面上的沉积的非挥发性物质的至少一部分还原并转换成一挥发 性物质。第一基板从处理室被移除。
此方法也可包含将一第二基板装栽至处理室中。第二基板的第二 表面可被蚀刻，而同时输出挥发性物质并使非挥发性物质沉积在处理 室的内表面上。第二基板的第二表面可被钝化，而同时将内表面上的 沉积的非挥发性物质的至少一部分还原并转换成挥发性物质。
另一个实施例提供一种处理室，其包含上面具有多种沉积物的多 个内表面、进气口、出口以及热源。热源能将至少一内表面加热至约 200至约4001C的范围内的一第一温度。
热源可以是等离子体。处理室也可包含用以支撑一基板的热夹头 以及连接至夹头的偏压源。
处理室也可包含具有低于第一温度的温度的冷凝表面。冷凝表面 可接近出口。
本发明提供降低或实质上消除处理室清洁需求进而增加基板产能 的益处。本发明也提供一种比以前所利用的更简化的清洁工艺与清洗 化学剂。简化的清洗化学剂也可减少清洁处理室的财务成本。
本发明实质上也可降低因由等离子体室的内表面上的沉积物所导 致的等离子体密度改变所引起的工艺变异性。因此，从基板到基板的 变异性不但可大幅地被降低，而且允许对等离子体条件具有不同敏感 度的多层薄膜堆叠的整合处理。举例而言， 一铜互连堆叠具有例如 Ta/TaN与内金属介电层的铜阻隔材料。这个好处可被延伸至例如蚀刻 一MRAM堆叠的其他应用上。
本发明的其他实施例与优点将从配合经由本发明的原理的例子所 描述的附图的下述详细说明而更显清楚。


本发明将借助下述详细说明配合附闺而得以轻易理解，而相同的 参考数字标示相同的构造元件。
图1是为依据本发明的一实施例的用以处理一基板的方法操作的 流程图。
图2为依据本发明的一个实施例的处理室的简化视图。 图3A与3B显示依据本发明的一个实施例的发生在处理室内的方法的 更详细视图。
具体实施例方式
现在将说明一种改变的处理室清洁工艺的数个例示实施例。本领
细节的情;l下实现。 P
卤素气体(例如氯、氟、溴等)工艺可被用于干蚀刻铜以供互连 应用。在本领域可施行铜回蚀的卤素干蚀刻工艺，以供无应力抛光或 镶嵌铜的平坦化或铜互连的图案化使用，例如说明于申请号为 10/390,117，申请日为2003年3月14日，名称为"改良全面双重镶嵌 平坦化的系统、方法与设备(System, Method and appauatus FOr Improved Global Dual-Damascene Planarization )"的美国专利申请中。 又，也说明于申请号为10/390,520，申请日为2003年3月14日，名称 为"改良局部双重镶曲直平坦化的系统、方法与设备(System, Method and apparatus For Improved Local Dual-Damascene Planarization )" 的美国专利申请中。
然而， 一卣素铜干蚀刻工艺可在处理室的内表面上形成含铜蚀刻 副产物沉积，此为铜干蚀刻工艺中的典型现象。这些沉积物最后可脱 落离开内表面，并导致正被蚀刻的基板的表面的微粒污染。此外，这 些沉积物可改变可因此影响工艺的等离子体条件。因此必须经常清洁 处理室以减少微粒污染。经常清洁的需求减少处理室可利用来蚀刻工 艺的时间，进而减少处理室的基板产能。
又，含铜蚀刻副产物沉积也可能极难以从处理室的内表面清洁 掉。各种不同的清洗化学剂是用以清洁形成于处理室的内表面上的沉积物.这些处理化学剂有很多是很复杂且昂贵的。举例而言，美国专
利6，352，081，名称为"铜蚀刻工艺后的半导体装置处理室的清洁方法 (Method of Cleaning a Semiconductor Device Processing Chamber After a Copper Etch Process)"说明一种使用1，1，1，5，5，5-六氟-2，4-戊二 嗣的处理室清洁方法。
本发明结合一铜蚀刻工艺与一清洁工艺，该清洁工艺可用以移除 于大致在将铜蚀刻工艺施加至基板上时即已沉积于处理室内表面的含 铜物质。因此，基本消除了对单独处理室清洁工艺的需求，从而增加 处理室可利用于蚀刻工艺的时间，并借以增加处理室的基板产能。
铜-卣素物质在某一挥发温度之上是挥发性的。每个不同的铜-离素 物质具有各自的挥发温度。于适合的挥发温度或之上加热处理室的内
表面，基本可在处理室的内表面上的铜-卣素物质的沉积与来自基板的 铜蚀刻间建立一平衡。
图1是为依据本发明的一实施例的用以处理基板的方法操作的流 程图100。操作105是将一工艺应用在一处理室中，此工艺可包含一蚀 刻工艺(例如自一基板蚀刻铜或其他材料)。于此蚀刻工艺中，蚀刻 副产物(例如，铜-卣素物质)是从基板释出。此工艺也可包含一清洁 操作(例如，在一基板正在处理室中接受处理或没有接受处理的情况 下减少及/或移除来自处理室的内表面的沉积物)。于一清洁工艺中， 以前沉积于处理室的内表面上的蚀刻副产物是从内表面释出。
此工艺可使用一种囟素蚀刻化学剂，其与也可被输入至处理室的 含氢化学物混合。举例而言， 一种含氯蚀刻化学剂(例如，Cl2、 HC1、 BCb等)可被输入至处理室；含氯蚀刻化学剂也可与例如一惰性气体 或氮的惰性载气一起被输入。氢气或含氢气体(例如，H2、 NH3、 CH4、 HC1、 HBr等)也可与含氯蚀刻化学剂一起被输入。举例而言，总流速 大约5至大约500sccm的气体混合物可被输入至处理室。于一实施例
中，氯分子与氢分子的比率是维持于大约1:1的比率，然而，也可使用 较小(例如约l:2的比率)或较大(例如2:1的比率)的比率。
在操作110中，蚀刻副产物的第一部分(例如CuC12、 CuCl或元 素铜)可沉积于处理室的内表面上。在操作115中，其余的挥发性蚀 刻副产物可例如借助净化或真空而从处理室被输出。
举例而言， 一含氯蚀刻化学剂可蚀刻基板上的铜层，藉以形成包含Cii3Cl3、 CuCl2、 CuCl与元素铜的蚀刻副产物。于大约200TC或更高 的处理温度下，Cii3Cl3可挥发性，而CuCh、 CuCl与元素铜可能为非 挥发性。即使在远高于200^C的温度下(例如大于约4001C)，蚀刻副 产物的挥发性第一部分(例如CuCl2、 CuCl与元素铜)可沉积在处理 室的内表面上；蚀刻副产物的挥发性第二部分(例如Cu3Cl3)是从处 理室被输出。
然而，当Cll3Cl3的第二部分冷却时(例如当Cll3Cb接触例如处理
室的内表面的冷却器表面时)，第二部分转换成在处理温度下是非挥
发性的CllCl2。因此，当Cll3Cl3在蚀刻工艺期间形成时，一CuCl2层
可以形成于处理室的内表面上。
在操作120中，处理室的内表面被加热至处理温度。在操作125 中，与卣素蚀刻化学剂一起输入的氢可与形成于处理室的内表面上的 蚀刻副产物层(例如CuCl2)反应。非挥发性氯化铜还原成元素铜且， 氯与氢结合以形成于处理温度下为挥发性的HC1。
在操作130中，元素铜可与卣素等离子体反应，以变成可经由在 操作135中透过出口而从处理室被移除的一或多种挥发性物质，然后 这些方法操作即可结束。在本领域应理解操作105-1:35并不需要依所显 示的顺序执行。某些操作实质上可同时或以所述以外的顺序发生。
图2是为依据本发明的一个实施例的处理室200的简化图。处理 室200可包含一处理用基板202; —基板支座(例如一夹头)204，可 支撑该处理用基板，也可包含一扣环205，以更牢固地支撑并使基板置 于夹头204上。也设有一进气口 206，便能使处理气体与其他化学剂可 被输入至处理室200。多个入口气体源208A-208-N可以连接至入口 206。
多个入口气体源208A-208-N允许每一种气体以处理室中待施行的 工艺可能需要的不同流速、浓度与压力来混合并化合。举例而言，一 入口气体源1 208A可提供惰性载气(例如一种或多种惰性气体或氮)。 入口气体源2 208B可提供卣素处理化学剂，而入口气体源N 20&N可 提供氢。不同的入口气体源208A、 208B与208-N的各个流速与压力可 受到控制，以提供鹵素处理化学剂与氢的期望浓度与混合物，其中卤 素处理化学剂和氢是借助栽气而输送至处理室200中。
处理室200也包含一出口 210。此出口可以连接至一真空泵(未显示)，便能从处理室排出工艺副产物。虽然所显示的处理室200具有 单一入口 206与单一出口 210，但是在本领域应注意到也可包含多重入 口与出口.
一相对应的冷却器表面212可被设置在接近出口 210处或甚至在 出口210内侧。如上所述，冷却器表面212具有小于处理温度的温度， 以收集许多可能沉积在这样的冷却器表面上的副产物.冷却器表面212 可经由主动或被动冷却而被维持于小于处理温度的温度(例如大约比 处理温度低50"C以上)。出口 210及/或冷却器表面212也可包含一流 向改道装置213，用以至少局部且物理上使出口 210与基板202隔离。
等离子体214可以利用感应或电容的方式产生。处理室200、基板 202与夹头204可借由等离子体214而被加热至处理温度。或者，处理 室200与夹头204可借助各个热源218A、 218B、 218C与216来加热。 等离子体214及各热源218A、 218B、 218C与216也可组合使用，以加 热处理室200与夹头204。热夹头也可将基板202加热至处理温度。
一偏压源200也可连接至夹头204。施加至夹头204且藉以施加至 基板202的偏压可增进基板的处理。
图3A与3B显示依据本发明的一个实施例的发生在处理室200内 的方法操作100的更详细视图。图3A与3B显示具有多个特征部302 的基板202，其中也可包含一扩散阻隔层(例如钽)304。 一铜层306 已填满这些特征部302，且一覆盖层部分已形成在这些特征部302上 面。 现在参考图3A， 一卣素等离子体214是形成在处理室内。基板2。2 的内表面310与顶层306暴露至面素等离子体2]4。卣素等离子体214 与铜层306的元素铜及/或氧化铜反应，且铜及/或氧化铜314可能形成 于内表面310上。卣素等离子体214与铜306、 3W反应以形成挥发性 的铜-卣素化合物308 (例如Cu3Cl3)。挥发性的铜-卣素化合物316的 第一部分可从处理室被输出。 一层非挥发性的铜-卣素化合物312 (例 如CuCh)可以形成于内表面310上。当挥发性的铜-卣素化合物308 凝结于内表面上时，即可形成非挥发性的铜-囟素化合物312。卤素等 离子体214与铜306、 314间的反应的生成物也可形成非挥发性的铜-由素化合物312。
现在参考图3B，将含氢气体320加至处理室200。在本领域应理解到可于卣素等离子体214形成于处理室200中的同时来提供含氢气 体320。氢320借助移除卣素成分而还原非挥发性的铜-卣素化合物 312。举例而言，如果氯是卣素成分，则氩与氯形成HCX HC1于处理 温度下是具有挥发性的，且可从处理室200的出口 210输出，还原非 挥发性的铜-卣素化合物312使元素铜或氧化铜312，遗留在内表面310 上。然后，卣素等离子体214可起反应以使内表面310上的元素铜或 氧化铜312，挥发。依此方式，可能形成于处理室200的内表面上的沉 积物312、 M2，与314大致在这种沉积物形成的同时(例如在一蚀刻工 艺期间)被移除。
虽然上述操作是从移除铜的角度(例如，在各种不同的蚀刻与清 洁工艺中)来作说明，但是在本领域应理解到可应用类似的工艺来移 除钽、TaN、 Pt、 Ir、 Al、 A10x、 HfOx与ZrOx (其中x是为整数)以 及类似的材料。又，虽然在上述例子中所说明的氢是还原物质，但是 在本领域应理解到于类似的应用中也可能使用其他还原物质。举例而 言，沉积物可借助其他物质例如氧与卣素而被还原，因为还原可包含 改变化学化合物或氧化态。换言之，当沉积物正在含氢化学剂中挥发 时，沉积物正从非挥发物质被还原成一挥发物质。因此，02、 Cl2、 HX (其中X-Cl，Br，F ) 、 SF6、 BC13也可被使用作为还原剂。
于此所说明的形成本发明的一部分的任何操作均作为有用的机器 操作，本发明也关于一种用以执行这些操作的装置或设备。此设备可 能为所需要的目的而特别建构，或其可能是由储存于电脑中的一电脑 程序选择性地启动或配置的通用电脑。尤其，各种不同的通用机器可 能与依据此处的教导所写入的电脑程序一起使用，或者建构较专门的 设备来执行所需要的操作可能更方便。
本发明也可实现为一电脑可读媒体上的电脑可读代码，电脑可读 媒体是任何能储存数据的数据存储装置，数据接着可被一电脑系统读 取。电脑可读媒体的例子包含硬盘、网路附加储存器(NAS)、只读 存储器、随机存取存储器、CD-ROM、 CD-R、 CD-RW、磁带以及其 他光学与非光学的资料储存装置。电脑可读媒体也可分散于网络耦合
电脑系统上，以〗更电脑可读程序码可以一种分散方式来储存与执行。 在本领域将更进一步明白以任一上述附图的操作来表示的指令
并不需要依所显示的顺序来执行，且以这些操作表示的所有处理可能不是实现本发明所必要的。又，任一上述附图所说明的工艺也可以储
存于RAM、 ROM或硬盘驱动器的任一个或其组合的软件来实施。
虽然为了清楚理解，已相当详细地说明上述发明，但是在本领域 将明白在以下权利要求书的范畴内可实行某些改变与修改。因此，本 实施例被视为例示性而非限制性，且本发明并未受限于此处所提供的 细节，而是可在以下权利要求书的范畴与等效设计内作变化。
权利要求
1. 一种处理室的清洁方法，包含以下步骤将该处理室的内表面加热至第一温度，该第一温度足以使第一物质挥发，该第一物质是沉积于该内表面的多种物质之一；将清洗化学剂注入至该处理室中，该清洗化学剂与该多种物质中的第二物质反应，以将该第二物质转换成该第一物质；以及从该处理室输出该挥发性第一物质。
2. 如权利要求l所述的处理室的清洁方法，其中该处理室中包含 待处理基板。
3. 如权利要求2所述的处理室的清洁方法，还包含以下步骤大 致在处理室被清洗的同时蚀刻该基板的表面。
4. 如权利要求3所述的处理室的清洁方法，其中蚀刻该基板的该表面的该步骤包含在单一处理室中蚀刻该基板上的多层薄膜堆叠。
5. 如权利要求2所述的处理室的清洁方法，还包含加热该基板的步骤。
6. 如权利要求2所述的处理室的清洁方法，其中该基板被一夹头 所支撑。
7. 如权利要求6所述的处理室的清洁方法，其中该夹头被加热。
8. 如权利要求2所述的处理室的清洁方法，还包含将该基板加热至大致该第一温度的步骤。
9. 如权利要求2所述的处理室的清洁方法，还包含将偏压施加至该基板的步骤。
10. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中从该处理室输 出该挥发性第一物质包括使至少一部分该挥发性第一物质凝结在温度 低于该第一温度的第二表面上。
11. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中将该清洗化学 剂注入至该处理室中的该步骤包含还原该多种物质中的第二物质。
12. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中该第一物质是 金属与卣素化合物以及金属与氧化合物的至少一种，且其中该第二物质是非挥发性金属与含金属的化合物的至少一种。
13. 如权利要求12所述的处理室的清洁方法，其中该金属包含由铜、钽、鴒、白金、铱、钌、铪、锆与铝所组成的组中的至少一种。
14. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中内表面被加热 至约200t:至约400TC的范围.
15. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中内表面是由形 成于该处理室内的等离子体所加热。
16. 如权利要求1所述的处理室的清洁方法，其中该清洗化学剂 包含由卣素气体、惰性气体与含氢气体所组成的组中的至少一种。
17. —种基板的蚀刻方法，包含以下步骤在处理室中蚀刻第一基板的第一表面，而同时输出一挥发性物质 并使一非挥发性物质沉积在该处理室的内表面上；使该第一基板的该笫一表面钝化，而同时将内表面上的该沉积非 挥发性物质的至少一部分还原和转换成挥发性物质；以及从该处理室移除该笫一基板。
18. 如权利要求17所述的处理室的清洁方法，还包含以下步骤 将第二基板装栽入该处理室中；蚀刻该第二基板的第二表面，而同时输出该挥发性物质并使该非 挥发性物质沉积在该处理室的内表面上；以及使该第二基板的该第二表面钝化，而同时将内表面上的该沉积非 挥发性物质的至少一部分还原和转换成该挥发性物质。
19. 一种处理室，包含多个内表面，其上有多种沉积物；进气口； 出口 ；以及热源，其能将该多个内表面的至少一个加热至约200TC至4001C范 围内的第一温度。
20. 如权利要求19所述的处理室的清洁方法，其中该热源是等离子体。
21. 如权利要求19所述的处理室的清洁方法，还包含 热夹头，用以支撑基板；以及偏压源，连接至该夹头。
22. 如权利要求19所述的处理室的清洁方法，还包含具有低于该 第一温度的温度的冷凝表面，该冷凝表面接近该出口。
全文摘要
一种处理室的清洁方法，其包含将处理室的一内表面加热至一第一温度，第一温度可足以使一第一物质挥发；第一物质可以是沉积于内表面上的数种物质之一。一种清洗化学剂被注入至处理室中。清洗化学剂可以与这些物质中的第二物质反应，以将第二物质转换成第一物质。挥发性第一物质也可从处理室输出。本发明也说明一种处理室的清洁系统。
文档编号H01L21/00GK101421056SQ200480043061
公开日2009年4月29日 申请日期2004年12月30日 优先权日2004年3月16日
发明者A·D·贝利三世, A·M·霍瓦德, S·P·洛霍卡雷, Y·金 申请人:兰姆研究有限公司