专利名称：具有循环高压及低压清洗步骤的远程等离子体清洗工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有循环高压及低压清洗步骤的远程等离子体清洗工艺。
背景技术：
制造新型半导体器件的主要步骤之一是在基板或晶片上形成诸如氧化硅层的层。 众所周知，该层可通过化学气相沉积法(CVD)得以沉积。在传统的热CVD工艺中，提供反应性气体到基板表面，在该基板表面发生热诱导化学反应以形成所要薄膜。在传统的等离子体CVD工艺中，使用(例如)射频(RF)能量或微波能量来形成受控等离子体，以分解及/ 或赋能反应性气体内的反应物种，进而产生所要薄膜。在这些CVD工艺期间，还将在诸如处理腔室壁的位置上产生不良沉积。行业中皆知，通常的做法是使用原位腔室清洗操作来移除堵塞于腔室壁内部区域上的不良沉积材料。普通的腔室清洗技术包括使用诸如氟的蚀刻气体，自腔室壁及其它区域移除沉积材料。 在一些工艺中，将蚀刻气体引入腔室且形成等离子体，以使蚀刻气体与沉积材料反应并自室壁移除沉积材料。通常在每一个晶片或每η个晶片的沉积步骤之间执行这些清洗程序。一些半导体制造商使用远程等离子体清洗工艺作为原位等离子体清洗操作的替代方法。可使用一种如下远程等离子体清洗程序其中通过高密度等离子体源，诸如微波等离子体系统、超环形等离子体产生器或类似装置，从基板处理腔室远处产生蚀刻等离子体。 自蚀刻等离子体解离的物种随后经输送至基板处理腔室，在处理腔室内该物种可与不当的沉积堵塞反应并将该不当的沉积堵塞蚀刻掉。生产商之所以有时使用远程等离子体清洗程序，是因为远程等离子体清洗程序提供与原位等离子体清洗相比而言“更柔性”的蚀刻，即， 由于等离子体未与腔室组件接触，故对腔室组件的离子轰击及/或实体损伤较少。
发明内容
本发明的实施例是关于在腔室内处理过基板(例如在基板上沉积材料层)之后， 自基板处理腔室的一个或多个内部表面移除不良沉积堵塞的技术。一些现有使用的远程等离子体清洗工艺存在一个问题是，清洗工艺中产生的反应性氟物种与自腔室内部蚀刻出的硅重新结合，形成四氟化硅(SiF4)气相副产物，这些副产物将干扰清洗工艺的效率。特别地，SiF4在气相下可与清洗工艺期间产生的氧物种反应，形成SiO2粒子。本发明的实施例是关于一种如下远程等离子体清洗工艺其中在清洗工艺期间，使用在高压与低压水平之间周期性循环的腔室压力将SiF4气相副产物泵出。根据一实施例，在将基板转移出基板处理腔室之后，将含氟蚀刻气体流引入远程等离子体源，在远程等离子体源中形成反应性物种。当重复基板处理腔室内的高压及低压清洗步骤的循环时，得以产生自远程等离子体源至基板处理腔室的反应性物种的连续流。在高压清洗步骤期间，当将腔室内的压力维持在4至15托之间的同时，使反应性物种流入基板处理腔室。在低压清洗步骤期间，当将腔室的压力较高压清洗步骤中所达到的高压减少至少50%的同时，使反应性物种流入基板处理腔室。一些实施例重复高压及低压清洗步骤的循环至少四次。在一些实施例中，高压步骤期间的腔室压力在4至15托之间，低压步骤期间的腔室压力在0. 5至4托之间。在一些其它实施例中，高压步骤中的腔室压力在5至8托之间， 低压步骤中的腔室压力在0. 5至2. 5托之间。在一些实施例中，含氟蚀刻气体为三氟化氮， 该三氟化氮在高压步骤期间，按至少每分钟4升的速率引入远程等离子体源。在另一实施例中，本发明的工艺包含以下步骤将基板转移出基板处理腔室，及随后通过以下步骤移除不良沉积堵塞(a)将含氟蚀刻气体流入流体地耦接至基板处理腔室的远程等离子体源，自蚀刻气体形成反应性物种，且输送反应性物种至基板处理腔室内；及 (b)将含氟蚀刻气体连续地流入远程等离子体腔室且将反应性物种连续地输送至基板处理腔室内的同时，使基板处理腔室内的压力在第一范围内的高压与第二范围内的低压之间循环达至少两个高压及低压的循环，其中高压高于低压。本发明的这些及其它实施例以及本发明的许多优点及特征将更详细地描述于下文中。
图1为描述根据本发明的一实施例的步骤的流程图；图2A为图示根据本发明的一特定实施例的腔室压力随时间的变化的图表；图2B为描述根据图2A所述的清洗工艺的SiF4散发量与时间的关系的图表；图3A为图示根据现有已知的清洗工艺的腔室压力随时间的变化的图表；图3B为描述根据图3A所述的清洗工艺的SiF4散发量与时间的关系的图表；图4A及图4B为将根据本发明的实施例的清洗工艺与现有已知清洗工艺就清洗率与时间的关系进行比较的图表；图5A及图5B分别描述了根据本发明的技术与根据现有技术执行的清洗工艺的测试结果；以及图6为可与本发明的实施例同用的示范性基板处理系统的简化横截面图。
具体实施例方式本发明的实施例是关于在腔室内处理过基板(例如在基板上沉积氧化硅层或类似材料层)之后，自基板处理腔室的一个或多个内部表面移除不良沉积堵塞的技术。氟为远程等离子体清洗工艺中常用的蚀刻物种，而三氟化氮(NF3)为此类工艺中常用的氟源。在远程等离子体清洗期间，若用含氟气体作为反应性蚀刻物种源，且有含硅材料(诸如掺杂或未掺杂的氧化硅、氮化硅或类似物)自腔室内部移除，则清洗工艺中产生的反应性氟物种与自腔室内部蚀刻出的硅将重新结合，形成四氟化硅(SiF4)气相副产物，这些副产物将干扰清洗工艺的效率。SiF4在气相下可与清洗工艺期间产生的氧物种反应，形成SiO2粒子。 本发明的实施例通过在清洗工艺期间使腔室压力在高压与低压水平之间周期性地循环，而将腔室及/或排气前管内SiF4的累积降至最低。在标准的压力均勻的远程等离子体腔室清洗期间，SiF4的分压最初随时间增加，直到该分压达到峰值或者达到稳态，而后由于含硅材料大多被移除，故SiF4的分压在清洗接近尾声时下降。在该清洗期间，需要阻止SiF4分压达到足够量以致在腔室内含氟材料与含硅材料之间的反应反向进行，形成氧化硅或其它含硅的粒子。在本发明的实施例中，在低压循环期间，自腔室及/或前管泵出过量SiF4，从而降低SiF4的分压，且减少粒子形成的可能性。尽管本发明的实施例适用于诸多不同的远程等离子体清洗工艺，然而本发明的实施例尤其适用于将高流速(例如每分钟3.0升或更高的流速)的含氟气体流入远程等离子体产生器的工艺中。此类高流速工艺产生相对更高体积的解离的反应性物种并将该物种输送至腔室内，以便同较低流速清洗工艺相比增加腔室的有效清洗率。图1为描述根据本发明的一实施例的步骤的流程图。如图1所示，在基板沉积工艺或其它类型的基板处理步骤(步骤幻在基板处理腔室内发生之后，将基板转移出腔室(步骤4)。然后，进行可选的原位等离子体加热步骤(步骤6)，其中在基板处理腔室内由诸如氩的惰性气体形成等离子体。在远程等离子体清洗工艺之前，等离子体将基板处理腔室加热至高于早先的基板处理操作(例如沉积步骤)的温度。一旦将腔室加热至适合的温度，原位等离子体消失且在流体地耦接至基板处理腔室的远程等离子体腔室内产生等离子体(步骤8)。在一实施例中，在将NF3引入远程等离子体腔室之前，以氩或类似惰性气体的初始流启动远程等离子体。然后，当将NF3引入远程等离子体腔室时，降低氩的流速。举例而言，可用3000sCCm的氩流启动远程等离子体，随着 NF3以lOOOsccm的初始流速引入远程等离子体腔室且随后将流速增至1500sCCm，将该氩流流速逐步降至lOOOsccm继而降至500sCCm。在一实施例中，远程等离子体启动步骤使用的清洗功率为主要清洗步骤中使用的清洗功率的40%至70%之间。尽管腔室内的一些不良沉积材料堵塞在步骤8中得以移除，但是清洗工艺的大部分发生在如下文详述的步骤10至 16期间。接着，在初始高压远程等离子体清洗步骤(步骤12)期间，增加NF3的流速。在一实施例中，高压远程等离子体清洗步骤12将NF3以8000至HOOOsccm之间的流速引入远程等离子体腔室，且在基板处理腔室内建立4至15托之间的压力。较高NF3流速及较高腔室压力通常等同于更高的清洗率，但若腔室压力过高，则清洗均勻性可变差。因此，本发明的一些实施例在步骤12期间建立5至8托之间的腔室压力。在一些实施例中，通过运用一适合的设定的节流阀将压力维持在较佳水平。此外，可将低速(例如25至eOsccm)氩流经由工艺气喷嘴直接引入腔室而不经过远程等离子体单元，以阻止高压回流。在高压远程等离子体清洗步骤12期间，由腔室内的清洗反应堵塞产生的SiF4副产物增加从而导致SiF4的分压增加。本发明的实施例通过降低NF3的流速及/或完全打开节流阀两种方法中的一个或全部，降低腔室压力以促进由清洗步骤12(步骤14)产生的气体副产物的移除，从而减少SiF4的分压。在一些实施例中，NF3的流速在步骤12期间跌至 NF3流速的20%至50%之间，且在一些实施例中，在步骤12的结尾，腔室压力跌至步骤10 期间所达高压的10%至50%之间。一般而言，需要将步骤12中的压力尽快降至尽可能低的压力水平。在降低的腔室压力水平下，清洗效率暂时降低。步骤12可基于时间或者基于压力结束。即，在一些实施例中，降低压力清洗步骤12在X秒后停止，而在其它实施例中，一旦压力跌至X托，则该清洗步骤12停止。在一实施例中，在4至8秒之间的选定时域后，步骤12结束。在另一实施例中，在达到0. 5至4托之间的选定压力后，步骤12结束。在另一实施例中，在达到0. 5至 2. 5托之间的选定压力后，步骤12结束。为维持总体较高的清洗效率，本发明的实施例将步骤12的持续时间相对于步骤10降至最低。在一些实施例中，步骤12的持续时间为步骤 10的持续时间的10%至33%之间。在步骤12之后，将步骤10及12的高压及低压循环重复一次或多次，直到产生所需的腔室清洗量(步骤14)。在一些实施例中，步骤10及12至少循环四次。在一些实施例中，清洗工艺在步骤14之后得以完成。在其它实施例中，NF3的流速自步骤10的流速下降， 且腔室压力经设定至位于步骤10的水平与步骤12中所达到的最低水平之间的降低水平， 以允许扩散支配清洗时域(步骤16)，进而减少有效清洗腔室所需的清洗气体量，如美国专利7，159，597(以引用的方式全部并入本文)中所详述。应注意尽管图1图示了发生于步骤12之后的步骤16，但是，在一些实施例中，扩散支配清洗步骤16紧接于步骤10的最终循环之后。举例而言，在一特定实施例中，清洗序列可为步骤2、4、6、8、10、12、10、12、10、12、 10、12、10、16。图2A为图示根据本发明的一特定实施例的腔室压力随时间的变化的图表，其中腔室压力在约9托与2托之间循环。如图2A所示，该特定清洗工艺包括6个高压循环10， 这些高压循环10由相应数目的低压循环12分开。图2A图示了各步骤12的持续时间与各步骤10的持续时间相比短得多。清洗工艺接近尾声时，对应清洗步骤16，在延长时域中腔室压力设定在约6托的降低水平上。图2B为描述用本领域技术人员皆知的FIlR技术测量的SiF4的散发量的图表，该图表表示在图2A中描述的工艺期间腔室内SiF4的量。线18的斜率表示循环工艺步骤10 及12期间腔室受清洗的速率。为进一步理解且领会本发明，现参阅图3A及图:3B，这些图为分别类似于图2A及图2B的图表，这些图表示的是现有已知清洗工艺，在该现有已知清洗工艺中，在减低水平的清洗步骤22(大致对应于图2A中图示的工艺中的步骤16)之前执行初始延伸长度的高水平压力清洗步骤20(图3A)。在图;3B中，线观的斜率表示步骤20期间清洗腔室的速率。将图;3B与图2B比较，线18的斜率大于线观的斜率，意味在根据本发明的技术的远程清洗工艺期间，自高至低循环腔室压力所产生的清洗效率与简单地将清洗压力保持在较高水平相比较高。图4A及图4B提供了本发明的实施例同现有已知清洗工艺相比清洗效率更高的进一步证据。图4A及图4B各图中，图示了三个独立清洗工艺的清洗率随时间的变化，其中在高压步骤期间，将NF3的流速设定为每分钟12升。这三个工艺包括第一现有已知工艺，该第一现有已知工艺类似于图3A中图示的工艺，其中步骤22的压力为9托(图 4A的工艺30)或者为6托(图4B的工艺40)；第二工艺，该第二工艺类似于图2A中的工艺，其中步骤10的压力为9托(图4A的工艺32)或者为6托(图4B的工艺42)；以及每 30秒循环步骤10及12，且其中步骤10的压力为9托(图4A的工艺34)或者为6托(图 4B的工艺44)，且每15秒循环步骤10及12。将工艺32及34的清洗率与工艺30的清洗率相比较，且将工艺42及44的清洗率与工艺40的清洗率相比较，显而易见，在一切情况下， 根据本发明的技术执行的清洗工艺与现有已知清洗工艺相比较，具有较高的清洗效率。本发明的益处的进一步证据图示于图5A与图5B的比较中，这些图表示各腔室位置处的清洗率。特别地，为产生比较数据，在图5A及图5B中，将10个独立氧化硅试片放置在基板处理腔室内如图所示的诸位置上(位置1靠近腔室流量阀)，并使其在同一时域经受根据本发明的技术的清洗工艺(类似于图2A的清洗工艺)与现有已知的清洗工艺(类似于图2B)，前者图示于图5A上，后者图示于图5B上。在各清洗工艺完成之后测量氧化硅试片的厚度，以确定各腔室位置处的试片各有多少氧化硅被移除，实际移除数量图示于图5A 及图5B中。对图5A及图5B中相同位置处材料移除量的比较表明，在各腔室位置，根据图 5A的清洗率大于根据图5B中描述的腔室的相应位置的清洗率。若基板处理腔室具有自与腔室形成流体连通的远程等离子体源将远程解离的反应性物种输送至腔室内的能力，则本发明的实施例可使用各种基板处理腔室得以实施。另外，若使用可选步骤6(图1)，则腔室需要具有通过在腔室内形成蚀刻等离子体(原位等离子体)而在腔室内产生反应性蚀刻物种的能力。下文阐述了里面可实施本发明的方法的一些实施例的电感耦合HDP-CVD腔室实例。应了解，下列腔室描述仅为示范的目的，因为本发明的技术可用于各种包括热CVD腔室的其它沉积腔室及尤其包括PECVD腔室及ECR-HDP腔室的其它等离子体腔室。图6为高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)系统100的简化横截面图，其中可使用根据本发明的腔室清洗技术。CVD系统100主要包括腔室主体102，基板支撑 104(例如静电吸盘)，气喷嘴106、108，腔室圆顶110，远程等离子体清洗系统112及真空系统114。在诸如化学气相沉积操作的基板处理操作期间，腔室主体102、圆顶110及基板支撑104相组合以界定处理区域116，基板118安置于处理区域116内。为方便起见，系统 100的与本发明无直接关系的众多特征已经自图6省略且未详述于本文。举例而言，系统 100包括气体分配系统120，其将工艺气体传递至气喷嘴106、108 ；及源与偏压等离子体系统(未图标)，其耦接至腔室以提供能量，从而由引入腔室内的工艺气体在腔室内形成等离子体。真空系统114包括主体构件126，其形成腔室102的较低部分且将腔室接合至真空系统；及节流主体128，其收纳三刃节流阀130且附着于闸阀132及涡轮分子泵134，该节流主体1 允许在基板处理操作期间对腔室压力进行低至约1毫托的精稳控制。间阀132 可将泵134与节流主体1 及工艺区域116隔离。真空系统114还包括额外隔离阀140及142、终点侦测器144、额外节流阀146及低真空泵148。在基板处理操作期间，隔离阀140关闭，而闸阀132及隔离阀142打开。气体经由端口 152及气体导管150a得以排入前管150内。基板处理操作期间的压力由节流阀130控制。在腔室清洗操作期间，闸阀132及隔离阀142关闭，而阀140打开。清洗气体经由端口 IM及气体导管150b得以排入前管150内。腔室清洗操作期间的压力由节流阀 146控制。气体导管150a及150b为气体前管150的部分。腔室主体102、主体构件1 及节流主体1 焊接在一起以形成整体外壳。端口巧4为三个端口之一，这三个端口在腔室100上位于大致相同的高度。其它两个端口位于端口巧4的左90度及右90度，且因此未图示于图6中。上述三个端口的各端口在闸阀132 及涡轮分子泵134的上游(相对于基板处理及腔室清洗操作期间流入及流出腔室的气体)。 在本发明的一些实施例中，常用未图示的端口将诸如压力计或氦气净化器的组件耦接至腔室100。然而，在利用增加的泵容量的实施例中，这些额外端口通过适当配件及阀直接耦接至前管，以在腔室清洗操作期间提供经由端口 1 的路径之外的气体流路径到达前管，从而在腔室清洗操作期间增加腔室100的泵容量。该前管配置的更多细节详述于美国申请 12/265,641中，该申请在2009年5月14日以美国公开2009/0120464公告，其以引用的方式并入本文。 因已完全描述本发明的若干实施例，故本发明的大量其它等效或替代实施例对本领域技术人员而言将很明白。举例而言，尽管描述本发明用于清洗CVD腔室，其也可用以清洗其它类型的腔室，包括蚀刻腔室(若适当)。此外，以上阐述的实例均使用NF3作为蚀刻气体，但其它蚀刻气体可用于其它实施例中。因此，以上描述为说明性而非限制性。这些等效实施例及/或替代实施例欲包括于本发明的范畴内。
权利要求
1.一种在处理过安置于基板处理腔室内的基板之后，自该基板处理腔室的一个或多个内部表面移除不良沉积堵塞的工艺，该工艺包含以下步骤将该基板转移出该基板处理腔室； 通过以下步骤移除该不良沉积堵塞(a)将含氟蚀刻气体流入流体地耦接至该基板处理腔室的远程等离子体源内，自该蚀刻气体形成反应性物种，且输送所述反应性物种至该基板处理腔室内；且(b)将该含氟蚀刻气体连续地流入该远程等离子体腔室，且将所述反应性物种连续地输送至该基板处理腔室内的同时，使该基板处理腔室内的压力在第一范围内的高压与第二范围内的低压之间循环达至少两个高压及低压的循环，其中该高压高于该低压。
2.如权利要求1所述的工艺，其中该高压小于15托，且该低压为该高压的50%或小于 50%。
3.如权利要求1所述的工艺，其中该高压在4至15托之间，且该低压在0.5至4托之间。
4.如权利要求1所述的工艺，其中该高压在5至8托之间，且该低压在0.5至2. 5托之间。
5.如权利要求2所述的工艺，其中在该高压循环期间，当该基板处理腔室内的压力在该第一范围内时，流入该远程等离子体源的该含氟气体的流速为至少每分钟4升。
6.如权利要求1所述的工艺，其中该含氟蚀刻气体包含三氟化氮。
7.如权利要求1所述的工艺，其中各低压循环的持续时间为先前的高压步骤的持续时间的10%至33%之间。
8.如权利要求1所述的工艺，所述工艺进一步包含以下步骤在将该蚀刻气体流入该远程等离子体源之前，使用由惰性气体形成的原位等离子体加热该基板。
9.如权利要求1所述的工艺，其中在该工艺期间，所述高压及低压步骤至少循环进行4次。
10.一种在处理过安置于基板处理腔室内的基板之后，自该基板处理腔室的一个或多个内部表面移除不良沉积堵塞的工艺，该工艺包含以下步骤将该基板转移出该基板处理腔室；将含氟蚀刻气体流入流体地耦接至该基板处理腔室的远程等离子体源内，且自该蚀刻气体形成反应性物种；维持自该远程等离子体源至该基板处理腔室的连续的反应性物种流，同时重复以下循环多次(i)高压清洗步骤，在该高压清洗步骤中将该基板处理腔室内的压力维持在4至15托之间的同时，将该反应性物种流入该基板处理腔室，及( )低压清洗步骤，在该低压清洗步骤中将该基板处理腔室的压力较该高压清洗步骤中所达到的高压减少至少50 %的同时，将该反应性物种流入该基板处理腔室。
11.如权利要求10所述的工艺，其中该高压在5至8托之间，且该低压在0.5至2. 5托之间。
12.一种流入该远程等离子体源的该含氟气体的流速，在该高压循环期间，当该基板处理腔室内的压力在该第一范围内时，该流速为至少每分钟4升。
13.如权利要求10所述的工艺，其中该含氟蚀刻气体包含三氟化氮。
14.如权利要求10所述的工艺，其中在该工艺期间，所述高压及低压步骤至少循环4次。
15.如权利要求10所述的工艺，其中该低压为该高压的10%至50%之间，并且具有一段持续时间，该持续时间是在该高压清洗步骤的持续时间的10%至33%之间。
全文摘要
本发明是关于一种远程等离子体工艺，所述工艺用以在处理过安置于基板处理腔室内的基板之后，自该基板处理腔室的一个或多个内部表面移除不良沉积堵塞。在一实施例中，将基板转移出基板处理腔室，且将含氟蚀刻气体流引入远程等离子体源，在远程等离子体源中形成反应性物种。当重复高压及低压清洗步骤的循环时，自该远程等离子体源至该基板处理腔室的该反应性物种的连续流得以产生。在高压清洗步骤期间，将基板处理腔室内的压力维持在4至15托之间的同时，将反应性物种流入基板处理腔室。在低压清洗步骤期间，将基板处理腔室的压力较高压清洗步骤中所达到的高压减少至少50％的同时，将反应性物种流入基板处理腔室。
文档编号H01L21/205GK102265387SQ200980152211
公开日2011年11月30日 申请日期2009年10月7日 优先权日2008年10月22日
发明者华忠强, 安亚娜·M·帕特尔, 希恩-明·赫·勒, 怡利·Y·叶, 桑杰·卡马斯, 永·S·李, 苏希尔·R·冈德哈勒卡尔 申请人:应用材料股份有限公司