专利名称：蚀刻用的高压无晶片自动清洗的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及清洗工艺处理室的设备和方法，可用于移除先前沉积而积聚在设备内表面上的处理室残留物。具体而言，本发明涉及用于清除所述工艺处理室内壁上的残留物的高压无晶片等离子体清洗方法。
背景技术：
对于半导体装置来说，其几何形状趋小的持续趋势使得越来越难以保持其关键尺寸的一致性和精确性。此外，为了确保各晶片之间的关键尺寸的偏差仍在可接受的范围之内，越来越重要的是，工艺处理室内的环境应保持清洁和一致。如本领域的技术人员所知，在半导体工艺处理室内进行的许多工艺步骤会在该工艺处理室的内表面上留下沉积物。当这些沉积物逐渐积聚后，它们将成为微粒污染物的来源，一旦这些微粒污染物剥落并沉降到正在处理中的基板的表面，将会损害基板。
此外，在处理室内表面上的沉积物的积聚会导致环境前后不一致，而不一致的环境会影响进行中的处理操作。也即，沉积物的积累会随着各处理操作而增多。因此，各连续的处理操作并不是以相同的处理室条件开始的。于是，各连续处理操作的起始条件的改变将导致最终超出可接受限度的偏差，所述的偏差会造成蚀刻速度的漂移、关键尺寸的漂移和板型的漂移等问题。
解决此类问题的一种方法是试图在处理操作之间运行现场清洗程序。然而，这些清洗程序易于留下其本身的残留物。因此，试图清洗工艺处理室中的一种污染物的结果是，该清洗程序留下了另一种残留物，所留下的残留物将逐渐积聚并最终剥落而掉到半导体基板上。另外，由于没做到蚀刻处理室的完全清洗，这将影响下一半导体基板的处理。也即，各晶片间的蚀刻速度的再现性和重复性将逐渐受到影响，从而使得必须对该工艺处理室进行湿式清洗，以便在可接受的限度内进行处理。由此，因为湿式清洗之间的平均时间受限，所以将使系统产能受到不利影响。
图1A是蚀刻室的简化横截面图。蚀刻室100包括配置在窗部104的射频(RF)线圈102。窗部104具有一个底面104a和顶面104b。待处理的半导体基板106置于基板支座108上。在各处理操作之间，可进行无晶片自动清洗(WAC)程序，以使蚀刻室100的内表面上的残留物的积聚达到最小化。然而，据观察，在窗部104的底面104a上，WAC程序本身留下了灰尘即微粒或残留物的薄环。图1B是图1A的窗部104的仰视图。在此，显示了沿着窗部104的周边的灰尘环。随着窗部104上的残留物越积越多，对处理操作例如蚀刻操作的影响也会因窗部的残留物积聚而变得越来越严重。另外，窗部104上的残留物会将各晶片间的蚀刻操作的差异增至不可接受的高水平。
鉴于上述问题，需要一种不留下任何残留物的现场清洗工艺处理室的方法和设备，从而延长湿式清洗之间的平均时间。
发明内容
本发明提供了一种设备和方法，所述设备和方法可用于提供实质上无残留物的无晶片自动清洗程序。应当理解的是，本发明可以多种方式进行实施，包括作为设备、系统、装置或方法等方式。以下将描述本发明的各实施方案。
在一个实施方案中，提供一种清洗工艺处理室的方法。该方法是以将含氟的气态混合物导入工艺处理室而开始的。然后，由所述工艺处理室内的含氟的气态混合物产生等离子体。接着，形成一个处理室压力，所述压力对应的离子能量阈值使得所述等离子体的离子清洗所述工艺处理室而不留下残留物。
在本发明的另一实施方案中，提供了用于实质上清除残留的氟化铝颗粒的一种方法，所述氟化铝颗粒是对至少一部分由铝形成的半导体工艺处理室实施现场清洗程序而沉积的。该方法是以对置于半导体工艺处理室内的半导体基板实施处理操作而开始的。然后，在完成所述处理操作和移去所述半导体基板时，启动现场清洗程序。所述现场清洗程序的启动包括使含氟的气体流入所述工艺处理室。然后，在所述工艺处理室内形成一个压力，其中，所述的压力可使由所述含氟的气体形成的等离子体清洗沉积在所述工艺处理室的内表面的硅副产物，而不会溅射所述工艺处理室的任何含铝部分。接着，在所述工艺处理室内产生含氟的等离子体，以清洗所述的硅副产物。
在另一实施方案中，提供了一种用于实施现场清洗程序的等离子体处理系统。所述的等离子体处理系统包括一个铝基的工艺处理室，在现场清洗操作期间，设定所述的工艺处理室在高压下进行操作，以便实质上清除该现场清洗操作期间形成的氟化铝。所述的工艺处理室包括用于导入含氟的清洗气的一个气体入口，所述的含氟清洗气被最优化，以便移除沉积在所述工艺处理室的内表面的硅类副产物；以及用于由所述的含氟的清洗气形成等离子体以进行现场清洗程序的顶部电极。所述处理室还包括一个可变电导计，设置所述的可变电导计，使其可控制该工艺处理室内的压力，使该压力与处理气体的流速无关。所述的可变电导计置于工艺处理室的一个出口处。所述处理室还包括一个光学发射分光计(OES)，用以检测在所述工艺处理室内实施的所述现场清洗程序的各个步骤的终点。所述的OES与所述工艺处理室连接。所述处理室还包括一个泵系统，用以在所述现场清洗程序的各步骤之间抽空所述工艺处理室。
结合考虑以下的详细描述和以举例的方式说明本发明要旨的附图，本发明的其他方面和优点也是显而易见的。
通过以下的结合附图的详细描述以及表示类似要素的类似参照数字，可以很容易地理解本发明。
图1A是蚀刻室的简化横截面图。
图1B是图1A的窗部104的仰视图。
图2是微粒材料的能量分散X射线(EDX)光谱图，该图显示了该微粒物质的元素组成主要是AlFx。
图3是等离子蚀刻系统的简化横截面示意图，设置该系统是为了实施依照本发明的一个实施方案的双步骤清洗程序。
图4是依照本发明的一个实施方案，实施双步骤的、副产物移除的无晶片自动清洗(WAC)技术的方法操作的流程图。
图5是有关图4所述的移除硅副产物的方法操作的更详细的流程图。
图6是有关图4所述的移除碳副产物的方法操作的更详细的流程图。
图7是描述依照本发明的一个实施方案的WAC程序对蚀刻速度性能的影响的图。
图8是描述使用多栅极释放(Polygate Release)方法的蚀刻速度重复性的图，其中，依照本发明的一个实施方案，在各晶片之后实施WAC。
图9是有关实施依照本发明的一个实施方案的高压WAC程序之前和之后，出现在处理室内表面上的硅类副产物的比较图。
图10是将图9中的Si-O峰下的面积作为依照本发明的一个实施方案的高压WAC时间的函数而制成的图。
图11是在实施依照本发明的一个实施方案的两步骤高压WAC程序之前和之后，硅类副产物和碳类副产物的比较图。
具体实施例方式
所述的本发明提供了一种最优化的无晶片自动清洗(WAC)程序，该程序在实质上是无残留物的，即不会留下与清洗机理或清洗气相关的残留物。但对于本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可在没有某些或全部具体细节的情况下进行实施。在其他的实例中，为了突出本发明的要点，没有详细描述公知的程序操作。“背景技术”部分中描述了图1A和1B。
当前在工艺处理室中运行的无晶片自动清洗(WAC)程序可通过采用含氟的等离子体来清洗由所述工艺处理室内进行的处理操作而产生的内表面的残留物。所述的WAC程序是在低压即低于50毫托(mT)下运行的。在工艺处理室内运行重复的WAC程序后，在用于隔离处理室和位于处理室顶部的射频(RF)线圈的窗部上可观察到微粒状膜。在其他处理室部分也能观察到所述的微粒状膜。
微粒材料是易于在窗部上呈现褐色或白色的灰尘，通过能量分散X射线(EDX)对该微粒材料进行分析发现，该微粒材料的主要成分是氟化铝(AlFx)。图2是所述微粒材料的EDX谱图，该谱图显示了所述微粒物质的元素组成主要是AlFx。继而可判定AlFx的来源是所述WAC。通过在工艺处理室内运行单独的WAC循环，发现其导致了所述微粒状膜的形成，由此可作出所述判断。所述WAC循环包括含氟的等离子体。因此，氟化铝的唯一来源是由所述WAC操作的含氟的等离子体对经阳极化处理的铝处理室部分和含铝的陶瓷部分的攻击以及同时进行的离子轰击。如以下更详细的解释，可将离子能量降至低于某阈值，而使得离子可充分地清洗该处理室但不留下氟化铝残留物。也即，在某一个压力水平之后，可越过离子能量阈值，而使其中的离子能量对处理室的侵蚀性较小。换句话说，当越过该离子能量阈值后，也就实质上排除了形成AlFx的可能性，因为低能态的离子不会攻击经阳极化处理的铝或含铝的陶瓷部分，所述的经阳极化处理的铝或含铝的陶瓷部分是形成所述处理室的组分。然而，即使所述的铝和陶瓷不受影响，即所述的铝和陶瓷没有受到溅射，但是入射在处理室壁上的氟自由基的通量非常高，以至于足以清除例如硅类副产物等蚀刻副产物，因此硅副产物仍然将被清除。
可以单步骤程序或多步骤程序实施高压WAC。所述的单步骤WAC针对沉积在处理室表面上的硅类副产物。在一个实施方案中，可以加入可变量的氧气来增加清洗碳类副产物的有效性。在另一实施方案中，可实施两步骤高压WAC程序，其中第一步骤针对硅类副产物的清除，第二步骤针对碳类副产物的清除。以下描述的是示范性的单步骤和双步骤高压WAC程序，其中的压力使得可越过处理室壁上的离子能量阈值和通量，从而使得足够量的自由基通量入射到处理室壁上以清除沉积的副产物。然而，离子能量不足以在处理室表面留下残留物AlFx。本领域的技术人员可以理解，也可采用附加的技术来将离子能量降至阈值以下，例如加入具有较大的电离截面的气体(如Ar、Kr或Xe)。
了解有关等离子体蚀刻系统中的电位分布是很有用的，因为粒子撞击在蚀刻表面上的能量取决于电位分布。此外，等离子体电位决定了离子冲撞处理室其他表面的能量，而且对这些表面的高能量的轰击可导致溅射以及随后的溅射材料的再沉积。在处理操作例如涉及硅晶片的沉积和蚀刻操作中，经常会在内表面上形成硅类残留物。此外，当蚀刻具有光刻胶的晶片时，或者在基板处理步骤中使用含碳气体(例如CH4、CH2F2或CHF3)时，也会在内表面上形成碳类残留物。
本发明的无晶片自动清洗(WAC)技术有效地清除了这些沉积物，并使每次蚀刻操作的开始具有一致的初始环境。在一个实施方案中，通过由导入工艺处理室的处理蚀刻气体形成第一等离子体来开始两步骤WAC。将第一等离子体最优化，而使之与硅类残留物反应形成可从处理室内部清除的气体。在第一等离子体处理之后，由导入工艺处理室的处理蚀刻气体形成第二等离子体。将第二等离子体最优化，而使之与碳类残留物反应形成可从处理室内部清除的气体。
因为硅类残留物在处理室内较为普遍，所以可将所述的两步骤方法设置成将较多时间用于确保硅类副产物的清除，将较少时间用于清除碳类副产物，以避免过度清洗。因此，与复合的单步骤程序相比，所述的两步骤程序将不会显著影响系统产能。此外，在各操作之间，最优化的两步骤程序为工艺处理室内部提供了更一致的环境。结果，通过两步骤WAC技术为工艺处理室提供了前后一致的环境，各晶片之间的蚀刻操作的重复性因此得到了增强。也即，实质上清除了副产物在工艺处理室的内表面上的逐渐积聚，从而提供了各晶片间的稳定/可重复的蚀刻速度和延长的清洗间隔平均时间(MTBC)。
应当理解的是，还可以采用单步骤WAC来实施本发明。例如，在碳类副产物不成问题的情况下，可以在高压条件下运行单步骤WAC，以便实质上清除由WAC程序所留下的AlFx残留物。作为选择，可在高压条件下，操作具有复合气体混合物的单步骤WAC程序，以降低离子能量，而使其越过不攻击铝或陶瓷处理室的阈值水平，所述的复合气体混合物中既具有针对硅类副产物的气体种类，也具有针对碳类副产物的气体种类。
图3是等离子蚀刻系统的简化横截面示意图，设置该系统是为了实施依照本发明的一个实施方案的双步骤清洗程序。示范性的等离子体蚀刻系统包括2300 VERSYSTM无硅晶片自动清洗系统(也称为PolyWAC)和TCP9400PTX，两者均为受让人所有。等离子体蚀刻系统100是由多个部件组成，例如蚀刻室102、用于在处理操作之间抽空该蚀刻室的泵系统104、用于监测室内压力的压力计106、介于泵系统104和蚀刻室102之间的可变电导计108，因此蚀刻室内的压力和流速可被独立地控制。射频(RF)电源110通过RF线圈103形成了等离子体105。气体处理器112可计量并控制反应性气体的流动。光学发射光谱(OES)监测器116可监测蚀刻室102的沉积移除产物和沉积移除反应物的特有波长。应当理解的是，以前的等离子体清洗是用于清洗反应器室内采用晶片覆盖电极的反应器，但现在更为普遍的是将等离子体清洗用于无晶片等离子体自动清洗。这已经导致了无晶片自动清洗(WAC)的使用。在一个实施方案中，使用电脑控制操作，以使得在设定好的晶片处理间隙自动启动无晶片等离子体清洗。例如，可设定在处理完每一晶片之后、处理完许多晶片之后或在其他一些适当的间隔后运行所述WAC程序。在另一实施方案中，以输入下述的程序参数作为一种方法，所述的程序参数通过例如与反应室对接的程控逻辑控制器等控制系统进行控制。
所述的WAC程序常规上使用复合的单步骤方法，该方法关注的是移除所有的处理室沉积副产物，并包括用于移除硅类副产物和碳类副产物的蚀刻气体混合物。然而，用于移除硅类副产物和碳类副产物的复合WAC方法受制于较低的硅类和碳类沉积副产物的清除速度。如上所述，由使用氟类蚀刻剂的单步骤或双步骤WAC程序所留下的氟化铝化合物将逐渐地对蚀刻操作产生不利的影响。
如本领域技术人员所知，在例如涉及硅晶片的沉积和蚀刻操作等处理操作中，经常会在内表面形成硅类残留物。在处理操作期间，碳类残留物也会在处理室上形成。通常，由于据发现硅类副产物的量要大于碳类副产物，因而硅类副产物对碳类副产物的百分比并非1∶1的比率。对本领域的技术人员来说显而易见的是，在多晶硅蚀刻设备中，硅类副产物是主要的处理室沉积物质。
本发明提供了清洗半导体工艺处理室的内表面的一种方法，所述的清洗方法是通过由针对待清除副产物并已最佳化的处理蚀刻气体形成等离子体，其中，所述的清洗方法不会留下沉积物或残留物。也即，将用于硅类副产物的清洗程序最佳化，以便有效地移除硅类副产物，同时也将用于碳类副产物的清洗程序最佳化，以便有效地移除碳类副产物。此外，为了实质上清除任何AlFx沉积物，使用氟类蚀刻剂的、用于硅类副产物的清洗程序是在高压下实施的。在一个实施方案中，对准目标的副产物清洗程序是两步骤程序，其中第一步骤使用SF6化学物质，或者使用例如NF3或CF4等其他氟类化学物质，以便移除硅类副产物。第二步骤使用氧气(O2)类化学物质来从处理室壁上移除碳类副产物。所述的清除程序优选在处理完每一晶片之后进行，然而，也可采用任何适当的清洗频率。
图4是依照本发明的一个实施方案，实施双步骤的、副产物移除的无晶片自动清洗(WAC)技术的方法操作的流程图。该方法起始于移除硅副产物的操作142。应当理解的是，可在处理完一个晶片或多个晶片之后实施操作142。此处，将氟类蚀刻气体导入处理室，并放电产生等离子体。所述的氟类等离子体从工艺处理室的内表面上移除硅类副产物。所述方法接着进行到移除碳类副产物的操作144。此处，将氧气(O2)类蚀刻气体导入处理室，并放电形成等离子体。应当理解的是，将两个处理步骤脱钩使得每步程序可针对特定的副产物进行最优化。如上所述，当硅是主要的处理室沉积物质时，可将用于每个处理步骤的时间最优化。更具体地说，可延长用于硅清洗步骤的时间，同时缩短用于碳清洗步骤的时间。因此，相对用于复合WAC程序的清洗时间，不用实质上增加所述方法的清洗时间。应当理解的是，可采用特定量的时间实施所述操作，或者可通过使用检测终点的软件来控制清洗操作。
然后，所述方法前进到在处理室内加工产品晶片的操作146。如上所述，可以在清洗操作之间处理多个晶片，或者可以在清洗操作之间处理单个晶片。在产品晶片上实施的处理可以是任何蚀刻或者沉积程序，例如多栅极、浅槽隔离(STI)应用以及其他适当的、可能会在工艺处理室的内表面沉积材料的半导体处理操作。然后，将该方法推进到测定对该晶片实施的处理是否完成的决策操作148。如果所述的处理尚未完成，则将所述的方法返回到操作142。重复所述的程序直到完成所有的晶片为止。如果根据测定，该处理已经完成，则终止所述方法。
图5是有关图4所述的移除硅副产物的方法操作的更详细的流程图。所述的方法起始于在工艺处理室中导入含氟的气体混合物的操作162。适用的工艺处理室是如图3所描述的处理室。将氟用作移除硅类副产物的蚀刻剂。在一个实施方案中，所述的氟蚀刻剂是包含至少约60％的、由分子式XyFz表示的含氟化合物的气体组合物，并且所述的氟蚀刻剂被导入支持无晶片自动清洗(WAC)程序的反应室，例如图3所述的工艺处理室。为了从工艺处理室内表面最大程度地移除硅以及硅类副产物，将使用氟蚀刻剂移除硅副产物的方法的程序参数最优化，所述的程序参数举例来说有压力、反应性气体流速、变压器耦合的等离子体功率和偏压。以下的表1提供了程序参数的程序操作范围，该程序参数是为依照本发明的一个实施方案的、受让人的TCP 9400等离子蚀刻机配置的。此外，表1的范围是用于等离子蚀刻系统例如TCP 9400PTX蚀刻系统的最优范围。本领域的技术人员应当理解，所述的范围可依照不同蚀刻系统的处理室的尺寸而按比例变化。如下所示，在本发明的一个实施方案中，操作162的含氟的气体混合物即SF6的流速可在约50立方厘米每分钟(sccm)至约1000sccm的范围内变动。SF6的流速的优选范围介于约100sccm和约500sccm之间。
表1
然后，所述方法前进至由所述的含氟的气体混合物形成等离子体的操作164。参见表1所提供的处理参数。具体而言，其压力可大于40mT，优选范围为约85mT。应当理解的是，所提供的范围可随工艺处理室的不同配置而变化。例如，用于2300 VERSYS系统的优选压力是约65mT，这是由该工艺处理室与所述的9400系统的几何形状不同而引起的，在所述的9400系统中，用于降低离子能量以便实质上清除氟化铝化合物的优选压力是约85mT。所述的变压器耦合的等离子体(TCP)功率介于约500瓦(W)和约1500W之间，其优选范围是约800W。本领域的技术人员可以理解的是，可将工艺处理室设置成电容性耦合的处理室、电感性耦合的处理室或者波激发等离子体处理室。此外，所述的含氟的气体可包括SF6和NE3的混合物。在一个实施方案中，所述的混合物是1∶1比率的SF6和NF3气。作为选择，NF3、CF4和C2F6可代替SF6。在另一个实施方案中，所述气体混合物可包含少量百分比的O2。在此，O2流速可介于约0至约40sccm之间。
然后，将图5所述的方法推进到实施移除硅类副产物的WAC步骤的操作166。此处，如上解释，硅清洗步骤是在参照上述表1设定程序参数的条件下实施的。由高压所致，氟类等离子体不会攻击工艺处理室的铝基表面。因此，不会因硅清洗步骤而留下AlFx残留物。然后，所述的方法前进到测定所述硅副产物是否移除的决策操作168。在一个实施方案中，通过例如图3中OES监测器116等光学发射光谱(OES)来判定终点。
图6是有关图4所述的移除碳副产物的方法操作的更详细的流程图。所述方法起始于将含氧(O2)的气体混合物导入半导体工艺处理室的操作172。应当理解的是，所述的氧气流可以包括或不包括少量百分比的含氟气体，例如参见图5及上述的含氟的气体蚀刻剂。为了从工艺处理室内表面最大程度地移除碳以及碳类副产物，将使用氧蚀刻剂移除碳副产物的方法的程序参数最优化，所述的程序参数举例来说有压力、反应性气体流速、TCP功率和偏压。以下的表2提供了程序参数的程序操作范围，该程序参数用于依照本发明的一个实施方案的碳清洗，其中少量的含氟气体是选择性的。应当理解的是，如上所述，所提供的范围可随工艺处理室的不同配置而变化。此外，表2的范围是用于等离子蚀刻系统例如上述9400系统的最优范围。如下所示，操作172的含氧的气体混合物的流速可在约50立方厘米每分钟(sscm)至约1000sccm的范围内变动，优选的氧流速是约50sccm。
表2
然后，图6所述方法前进至由所述的含氧的气体混合物形成等离子体的操作174。参见表2所提供的处理参数。具体而言，其压力可介于0mT至40mT之间，优选范围为约20mT。应当理解的是，所提供的范围可随工艺处理室的不同几何形状而变化。所述的变压器耦合的等离子体(TCP)功率介于约500瓦(W)和约1500W之间。本领域的技术人员可以理解的是，可将工艺处理室设置成电容性耦合的处理室、电感性耦合的处理室或者波激发等离子体处理室。可将含氟的气体以相当于含氧气体最大流速的约0％至约10％的流速导入。对本领域的技术人员显而易见的的是，虽然在此列出SF6作为所述含氟的气体，但也可替换成其他含氟的气体例如NF3。在一个实施方案中，将含氧气体连同一种惰性气体导入工艺处理室。例如，所述的含氧气体可与氮气、氩气或氦气等混合。在此实施方案中，惰性气体流速介于含氧气体最大流速的约0％至20％之间。处理室温度可以是约20℃至约100℃的范围内的任何温度。
然后，将图6所述的方法推进到实施移除碳类副产物的WAC步骤的操作176。此处，如上解释，碳清洗步骤是在设定参照表2或表3所述的程序参数的条件下实施的。在决策操作178中，测定所述碳副产物是否移除。在一个实施方案中，通过例如图3中的OES监测器116等光学发射光谱(OES)来判定终点。
由于在碳清洗步骤中，含氟气体的添加是选择性的，因此，依照本发明的一个实施方案，表3列出了仅使用含氧气体形成等离子体的用于碳清洗步骤的程序参数。应当理解的是，表3中所提供的范围实质上类似于以上表2所提供的范围，不同的是表3排除了含氟气体。本领域的技术人员可以理解，由于在碳清洗步骤中没有使用氟或者仅使用微量的氟，所以碳清洗步骤是在低压下运行的。
表3
所述两步骤程序的实施优选先实施所述硅清洗步骤，再实施所述碳清洗步骤。但是，所述步骤的次序也可相反。
如上所述，硅清洗步骤和碳清洗步骤的终点可采用光学发射光谱(OES)来监测处理室沉积移除产物和处理室沉积移除反应物的特定波长。所监测的特定波长是685nm和703nm处的氟发射谱线。所述谱线可用于判定含硅物质的终点。将所述特定波长的强度作为时间的函数，记录其斜率。当所述特定波长的强度曲线显示其斜率约为零时，表示没有额外的清洗发生，而且各反应物或产物的相对浓度没有改变。在一个实施方案中，当推荐的波长(685nm或703nm)产生初始干净处理室强度和强度对时间的曲线斜率约为零时，则达到用于硅类副产物的WAC终点时间。
用于监测清洗含碳化合物的特定波长是516nm。因此，当所述516nm波长产生初始干净处理室的强度和强度对时间的曲线斜率约为零时，则达到用于碳类化合物的WAC终点时间。应当理解的是，当碳清洗中包括含氟化合物时，则可监测所有以上列举的波长以判定终点。
表4总结了依照本发明的一个实施方案的两步骤WAC方法。如上所述，可基于由OES监测器所检测到的信号判定用于硅清洗时间和碳清洗时间的终点时间。所述的OES监测器被设置为检测如上所述的适当的波长，然后将所得信号与干净处理室状态下的基线信号作比较。
表4
本领域的技术人员可以理解，所述的稳定性步骤是对处理室内的环境进行调节，因而在开始硅清洗步骤之前，所述环境是稳定并且一致的。如上所述，所述的碳清洗步骤可在仅使用含氧化合物的条件下或在使用含氧化合物和含氟化合物的条件下实施。此外，在步骤编号3，可以将惰性气体随含氧化合物一起导入。表4的示出仅作示范性的目的，而不是为了限制。程序参数除了可随工艺处理室的设计而变动之外，还可采用表1-3所提供的范围内的参数值来进行替代。
如表4所示，分配给所述硅清洗步骤和碳清洗步骤的时间可根据程序类型作适当的改变。也即，如果该程序在处理室壁上沉积了较多的硅类副产物，则可在不过度清洗或清洗不足的前提下，将所述硅清洗步骤设置成移除所述沉积副产物。由此，提供了更一致的环境，以便实质上消除因改变处理室条件而引起的蚀刻速度的漂移。此外，所述的高压条件实质上清除了由WAC程序留下的任何AlFx残留物。虽然表4提供了各步骤所需的特定时间，但也可通过由配置用于检测某些波长的OES监测器检测终点的方式，控制各个步骤。在此，OES监测器将检测终点，并输出触发完成各个清洗步骤的信号。
图7是描述依照本发明的一个实施方案的WAC程序对蚀刻速度性能的影响的图。已知干净的处理室的初始蚀刻速度较低，直到采用足够量的调节用晶片来稳定蚀刻速度，该蚀刻速度在清洗循环(即湿式清洗)间隔平均时间(MTBC)内又会发生缓慢的漂移。图线200表示氧化物的蚀刻速度，其中WAC是以不同的时间周期实施。点202以前是在每完成一个晶片后实施无晶片自动清洗。然后，在点202之后，在不实施WAC的条件下处理5个裸硅晶片。如图所示，相对于每完成一个晶片后实施WAC，在不实施WAC的条件下，图案氧化物晶片上的氧化物蚀刻速度增大了约27％。也即，在不实施WAC的条件下处理5个裸晶片之后，已蚀刻晶片的蚀刻深度上升了27％。应当理解的是，在点204处，在每处理完一个晶片后重新开始实施WAC。
仍参见图7，当比较在每处理完一个晶片后实施和不实施WAC的结果时，由图线206表示的光刻胶(PR)的蚀刻速度也受到了相似的影响。也即，在处理5个裸晶片的点208与210之间，其PR蚀刻速度约有25％的增长。同样地，一旦在点210处重新开始实施WAC，则各晶片间的蚀刻速度趋于稳定。因此，在每个循环后实施所述WAC为每一蚀刻操作提供了恒定的起始点，由此使得各晶片之间的蚀刻速度的偏差得到最小化。应当理解的是，所述的WAC使各连续的蚀刻操作具有蚀刻速度在狭小的范围内的重复性。
图8是描述使用多栅极释放方法的蚀刻速度重复性的图，其中，依照本发明的一个实施方案，在每处理完一个晶片之后实施WAC。图线212、214、216和218分别表示多晶硅主蚀刻(poly main etch)、多晶硅过度蚀刻(poly over etch)、氧化物主蚀刻和光刻胶主蚀刻。当在一开始和处理完每一晶片之后实施WAC时，测定从第一个晶片到第25个晶片的蚀刻速度的重复性和稳定性。在处理每个晶片的间隙实施WAC的条件下，完成25个晶片后，所述蚀刻速度的重复性和稳定性对于多晶硅主蚀刻是在0.7％以内，对于多晶硅过度蚀刻是在2.6％以内，对于氧化物主蚀刻是在3.1％以内，对于光刻胶主蚀刻是在4.6％以内。因此，通过实施为优化每种硅和碳副产物而设计的WAC来提供各晶片间的一致环境，以及使起始条件标准化，从而实现了对蚀刻速度的严密控制。而且，还将通过蚀刻程序限定的关键尺寸控制在适当的范围内。
图9是有关实施依照本发明的一个实施方案的高压WAC程序之前和之后，出现在处理室内表面上的硅类副产物的比较图。通过衰减全内反射傅里叶变换红外光谱(ATIR-FTIR)来监测壁清洗的有效性。对本领域的技术人员来说显而易见的是，可将ATIR-FTIR用于检测沉积在位于处理室壁上的锌硒(ZnSe)晶体上的沉积物。如图9所示，蚀刻副产物的沉积物在ATIR-FTIR信号中表现为氧化硅(Si-O)的伸展(波数1020-1270cm-1)对红外(IR)光束的吸收度。图线240表示实施WAC程序之前处理室内表面的ATIR-FTIR信号记录线。因此，大的氧化硅峰表示在处理室表面沉积有硅类副产物。在对处理室运行了高压WAC之后，图线242说明已经从所述处理室的内表面移除了硅类副产物。
图10是将图9中的Si-O峰下的面积作为依照本发明的一个实施方案的高压WAC时间的函数而制成的图。适当的高压WAC包括上述有关表1-4的WAC程序的硅清洗步骤。通过检测得到的由图线244表示的Si-O吸收度信号的下降，所述的高压WAC在少于15秒的时间内清除了壁上的含硅沉积物。
图11是在实施依照本发明的一个实施方案的两步骤高压WAC程序之前和之后，硅类副产物和碳类副产物的比较图。图线250表示的是，在实施现场开掩模浅槽隔离程序后，实施所述WAC程序之前的处理室内表面的ATIR-FTIR信号记录线。图线252表示的是实施了两步骤WAC的硅清洗步骤后的处理室内表面的ATIR-FTIR信号记录线。此处，硅清洗步骤在85mT下采用SF6/O2清洗化学物质运行16秒。可参照表1所述，限定其余的程序参数。高压下运行的硅清洗步骤移除了处理室壁上的硅类副产物，而没有留下任何氟化铝。然而，如图线252以下的区域所示，还没有从处理室壁上移除碳类副产物。因此，在运行碳清洗步骤并通过如图9所示的上述ATIR-FTIR监测处理室之后，记录信号得到图线254，该图线说明已经移除了硅类副产物和碳类副产物。碳清洗步骤采用氧气(O2)清洗化学物质在20mT下运行30秒。可参照表2和3所述，限定其余的程序参数。
总之，所述的高压WAC程序能实质上排除由WAC所导致的铝溅射。应当理解的是，单步骤或多步骤WAC均可在高压条件下应用。所述的高压条件调节了离子能量，从而使其越过了阈值。所述的阈值表示足以从处理室壁上清洗沉积产物的离子能量，然而，该阈值以下的离子能量不足以溅射铝，即不会产生源于WAC的A1Fx残留物。因此，通过实质性地清除在低压条件下运行WAC程序时可观察到的AlFx微粒灰尘，增加了湿式清洗间隔平均时间。于是，由于增加了湿式清洗间隔平均时间，系统产能得到了提高。此外，也提高了产率，特别是对0.18微米技术节点及0.18微米以下的技术来说，这是因为AlFx可导致对半导体基板的严重微粒污染。
此外，还保持了各晶片之间的处理室内一致的环境。再者，当在工艺处理室内完成各处理操作之后实施高压WAC时，对于每一待处理的晶片来说，其初始程序和环境条件实质上都是相同的。所述的一致环境使得所述处理操作的重复性和再现性在晶片之间的偏差达到最小化。虽然为了清楚理解的目的对上述的本发明进行了详细的描述，但应当理解的是，可在所附加的权利要求的范围内进行某些改变和修正。因此，应当认为所列举的实施方案只作说明性而非限制性的用途，而且本发明不受此处所给出的细节的限制，因而可在附加的权利要求的范围内及其等同物的范围内作某些改进。
权利要求
1.一种用于实质上清除残留的氟化铝微粒的方法，所述的氟化铝微粒是因至少部分地由铝形成的半导体工艺处理室的现场清洗程序而沉积的，所述方法包括对置于半导体工艺处理室内的半导体基板实施处理操作；以及完成所述处理操作并移走所述半导体基板后，启动现场清洗程序，所述的启动包括使含氟的气体流入所述工艺处理室；以及在所述工艺处理室内形成压力，所述压力使由所述含氟的气体形成的等离子体能清洗沉积在所述工艺处理室内表面的硅类副产物而不溅射所述工艺处理室的任何含铝部分。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述的完成所述处理操作并移走所述半导体基板后，启动现场清洗程序的方法操作还包括移除所述硅副产物后，在保持压力的同时使含氧的气体流入所述的工艺处理室；以及由所述的含氧气体形成等离子体来移除沉积在所述工艺处理室的内表面的碳类副产物。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述的含氟的气体选自由SF6、NF3、CF4和C2F6组成的组。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述的压力介于约60毫托至约90毫托之间。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述的含氟的气体包括用于移除碳类副产物的氧。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述的处理操作选自由多晶硅蚀刻和晶体硅蚀刻组成的组。
7.如权利要求1所述的方法，其还包括限定程序参数，该程序参数包括所述工艺处理室的温度、应用于变压器耦合的等离子体(TCP)线圈的功率和含氟的气体混合物的流速。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述的温度为约60℃，所述的功率为约800瓦，所述的流速介于约100至约500立方厘米每分钟之间。
9.如权利要求1所述的方法，其还包括设置所述的处理室的压力最小为50毫托。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述的处理室的压力为约85毫托。
11.如权利要求1所述的方法，其还包括根据选自由处理室沉积移除产物和处理室沉积移除反应物组成的组的发射强度，判定所述清洗程序的终点。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述的判定清洗程序终点的方法操作还包括对选自由685nm、703nm和516nm组成的组的至少一个波长进行监测。
13.一种用于实施现场清洗程序的等离子体处理系统，所述系统包括一个铝基工艺处理室，所述工艺处理室设置为在进行现场清洗操作时在高压下进行操作，以便实质上清除实施所述现场清洗程序期间氟化铝的形成，所述的工艺处理室包括一个气体入口，用于导入含氟的清洗气，所述的含氟清洗气被最优化，以便移除沉积在所述工艺处理室的内表面的硅类副产物；以及一个射频(RF)线圈，用于由所述的含氟的清洗气形成等离子体以进行现场清洗程序；一个可变电导计，所述的可变电导计设置为控制所述工艺处理室内的压力，使该压力与处理气体的流速无关，所述的可变电导计位于所述工艺处理室的出口；一个光学发射分光计(OES)，用于检测在所述工艺处理室内实施的现场清洗程序的各个步骤的终点，所述的OES与所述工艺处理室连接；以及一个泵系统，用于在两步骤现场清洗程序的各步骤之间抽空所述工艺处理室。
14.如权利要求13所述的等离子体处理系统，其中所述的含氟的清洗气选自由SF6、NF3、CF4和C2F6组成的组。
15.如权利要求13所述的等离子体处理系统，其中所述的工艺处理室是铝陶瓷的处理室。
16.如权利要求13所述的等离子体处理系统，其中设置所述的OES监测器用于监测对应于硅类副产物的波长。
全文摘要
本发明提供了用于清洗工艺处理室的方法。该方法起始于将含氟的气体混合物导入工艺处理室。然后，在工艺处理室内，由该含氟的气体混合物形成等离子体。接着，形成处理室压力，该压力对应的离子能量阈值能使该等离子体的离子清洗工艺处理室的内表面的同时不留下残留物。本发明还提供了用于实施现场清洗程序的等离子体处理系统和用于实质上清除残留氟化铝微粒的方法，该氟化铝微粒是因半导体工艺处理室的现场清洗程序而沉积的。
文档编号H01J37/32GK1520609SQ02809387
公开日2004年8月11日 申请日期2002年5月3日 优先权日2001年5月4日
发明者哈密特·辛格, 约翰·E·多尔蒂, 绍拉巴赫·J·乌拉尔, E 多尔蒂, 哈密特 辛格, 赫 J 乌拉尔 申请人:拉姆研究公司