改善pecvd不定形碳膜层的膜内缺陷的方法

专利名称：改善pecvd不定形碳膜层的膜内缺陷的方法
技术领域：
本发明的实施例大体上涉及 一 种具有用在半导体处理腔室中的保护性涂 层的物件，以及一种制造该物件的方法。
背景技术：
集成电路已经发展成在单一芯片上包括有数百万个晶体管、电容与电阻的 复杂器件。芯片设计的发展持续地需要更快速的电路与更大的电路密度，这是 要通过更精确的制造技术与处理来达到。等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 是时常被使用的处理。
PECVD通常被用来在基板或半导体晶片上沉积一薄膜。PECVD通常是通 过导引一或多种前驱物气体进入一真空腔室来完成。典型地，前驱物气体是被 导引穿过一靠近腔室顶部的喷洒头，其中该喷洒头是由铝所制成。真空腔室内 形成有等离子体。前驱物气体会与等离子体反应，以在基板表面上沉积薄的材 料层，其中该基板被定位于一基板支撑件上。净化气体(purgegas)穿过支撑件 中的多个孔洞而抵达基板边缘，以避免在基板边缘沉积(其会致使基板黏附至支 撑件)。反应期间产生的沉积副产物是经由一排气系统从腔室被抽吸走。
使用PECVD处理所时常形成在基板上的材料是不定形碳。由于不定形碳 的化学惰性、光学穿透性与良好的机械性质，不定形碳在半导体应用中被用做 为硬掩模材料。大体上，用来形成不定形碳的前驱物气体包括碳氢化合物(例如 丙烯与氢)。
不定形碳膜层的蚀刻选择性已经与膜层密度相关联。不定形碳膜层的离子 轰击致密化是一种增加不定形碳膜层的蚀刻选择性的方法，然而离子轰击所导 致的膜层致密化不可避免地导致可压缩膜层应力的等比例的增加，在PECVD 腔室的喷洒头与基板上皆如此。喷洒头上的高度可压缩碳残余物较弱地縣附至 喷洒头表面，从而在沉积处理期间产生了薄片与微粒。游离碳残余物会在喷洒 头上累积，且变成腔室中的污染源。最后，游离碳残余物会堵塞喷洒头中促进前驱物气体通过的孔洞，因而需要移除且清洁喷洒头或可能更换。
所以，需要一种设备或方法，其在半导体处理腔室中可以减少在铝表面上 形成松弛的碳沉积物。

发明内容
本发明的实施例大体上提供一种设备与方法，其可以减少在铝表面上形成 松弛的碳沉积物，并且在半导体处理腔室中减少膜内微粒的形成。
本发明提供一种具有用在半导体应用中的保护性涂层的物件，以及多种制 造该物件的方法。在一实施例中，本发明提供一种涂覆一物件的侣表面的方法， 其中该物件是应用在半导体处理腔室中。此方法包含提供一处理腔室；置放 该物件至该处理腔室内；使第一气体流入该处理腔室，其中该第一气体包含一 碳源；使第二气体流入该处理腔室，其中该第二气体包含一氮源；以及在该铝 表面上沉积一涂覆材料。在一实施例中，涂覆材料包含一含氮的不定形碳层。 在一实施例中，经涂覆的物件是一喷洒头，该喷洒头被配置成输送气体至处理 腔室。
在另 一 实施例中，本发明提供一种减少在半导体处理腔室中所沉积的层中 的污染物的方法，其中该半导体处理腔室包含一铝表面。此方法包含提供一 半导体处理腔室；置放一基板至该处理腔室内；使第一气体流入该处理腔室， 其中该第一气体包含一碳源；使第二气体流入该处理腔室，其中该第二气体包 舍一氢源；在该处理腔室内从惰性气体中形成等离子体；以及在该基板上沉积 一个层。
在另一实施例中，本发明提供一种用于半导体处理腔室的物件。此物件包 含喷洒头；支撑栽座；或具有铝表面的真空腔室本体；以及涂层，其包含在 等离子体增强化学气相沉积处理中涂覆的不定形碳层。
在另一实施例中，本发明提供一种具有经涂覆有一含氮不定形碳层的铝表 面的喷洒头。含氮不定形碳层是通过包含下述步骤的方法来涂覆至喷洒头使 第一气体流入处理腔室，其中该第一气体包含一碳源；使第二气体流入该处理 腔室，其中该第二气体包含一氮源；在该处理腔室内形成等离子体；以及在该 铝表面上沉积该含氮不定形碳层。在另一实施例中，本发明提供一种被配置成输送气体至半导体处理腔室的
喷洒头。该喷洒头包含上表面；包含铝的下表面，其中该下表面的表面粗糙 度介于约30纳米与约50纳米之间；以及多个开口，其形成在该上表面与该下 表面之间。


通过参照附图所示出的实施方式，可以更详细地理解本发明的上述特征以 及关于本发明的更特定的描述。然而，注意到，附图仅示出了本发明的典型实 施方式，因此，不被视为限制了本发明的范围，因为本发明可能承认其它等效 的实施方式。
图1为一 PECVD腔室组件的截面图。
图2为用在图1的PECVD腔室组件的一喷洒头的截面图。
图3绘示涂覆一物件的铝表面的方法实施例的流程图。
图4为一图表，其绘示本发明的涂覆材料的一实施例对于10 kA厚的低k 不定形碳的膜内微粒性能的影响。
图5A为喷洒头在被处理以增加表面粗糙度以前的喷洒头的截面图。
图5B为具有粗糙化表面的喷洒头的截面图。
图5C为具有碳残余物黏附至粗糙化表面的喷洒头的截面图。
图6为一图表，其显示面板粗糙度对于10 kA厚的低k不定形碳层的膜内 微粒性能的影响。
图7为一图表，其显示H2稀释对于10 kA厚的低k不定形碳层的膜内微 粒性能的影响。
具体实施例方式
本发明大体上提供一种具有经涂覆的铝表面的处理系统，其中该经涂覆的 铝表面有利于不定形碳与其它膜层的沉积。
图1为一 PECVD腔室器件100的截面图。PECVD腔室可以为任何等离 子体增强CVD腔室或系统，其包4舌例如CENTURA ULTIMA HDP-CVDTM系 统、PRODUCER APF PECVDTM系统、PRODUCER BLACK DIAMOND 系统、PRODUCER BLOK PECVD 系统、PRODUCER DARC PECVD 系统、 PRODUCER HARP 系统、PRODUCER PECVD 系统、PRODUCER STRESS NITRIDE PECVDTM系统与PRODUCER TEOS FSG PECVDTM系统
等系统，其可以由美国加州圣大克劳拉市(Santa Clara)的应用材料公司 (Applied Materials, lnc.)所购得。共同转让且于1999年1月5日领证的美国专 利US5，855，681更描述一范例性PRODUCEF^系统，其在此被并入本文以作 为参考。
通常，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术是通过施加电场至靠近基
反应物气体的激化与/或解离。等离子体中的物质的反应性减少了发生化学反应 所需的能量，效果上减少了这样的PECVD所需要的温度。
图1为一 PECVD腔室器件100的截面图。腔室器件100具有侧壁105、 室顶106与基底107，其围绕住一处理区域121。基板载座115支撑基板120, 基板栽座115被安装到腔室器件100的基底107。背侧气体供应源(未示出)向 基板120背侧与基板载座115之间的间隙提供一气体(例如氦)，以改善基板载 座115与基板120之间的热传导。在一实施例中，通过使用内嵌热传送流体线 (未示出)或内嵌热电装置(未示出)，对基板栽座115进行加热与/或冷却，以改 善在基板120表面上的等离子体处理结果。真空泵135控制处理腔室100内 的压力，通常是保持压力在低于0.5毫托耳以下。气体散布喷洒头110包含气 体容室140,气体容室140连接至气体供应源125且经由多个气体喷嘴开口 142与基板120上方的处理区域相通。喷洒头110由导电材料(例如阳极化铝) 制成，喷洒头110通过接附至第一阻抗匹配构件175A与第一 RF功率源180A 而充当等离子体控制装置。偏压RF产生器162经由阻抗匹配构件164向基板 载座115与基板120施加RF偏压功率。控制器170适用于控制阻抗匹配构件 (即175A与164)、 RF功率源(即180A与162)、以及等离子体处理所涉及的其 它构件。在一实施例中，通过频率微调(frequency tuning)与/或通过前馈功率伺 月良(forward power serving),动态阻抗匹配被提供至基板载座115与喷洒头 110。
在操作时，通过在基板120与基板载座115之间提供真空，基板120被固定至基板载座115。通过加热构件(未示出)来控制至基板栽座115的热传送， 基板温度被升高至预定处理温度。在沉积处理期间，基板被加热至稳定的温度
(典型地是介于约200'C与700'C之间)。
多个气体成分(在一实施例中可以包括丙烯与氢)经由喷洒头110中的气体 喷嘴开口 142被供应至处理腔室100。通过施加RF功率至一气体源(例如氩或 氮)，等离子体形成于处理腔室100中。气体混合物发生反应，以在基板120 表面上形成一层不定形碳(例如美国加州圣大克劳拉市获得的先进图案化膜层 (Advanced Patterning Film, APF》。
图2为可以用在本发明的一示范性喷洒头110的截面图。如图2所示，喷 洒头包含上表面215与下表面205。多个气体喷嘴开口 142形成在下表面205 与上表面215之间。在一实施例中，涂层210位于喷洒头110的下表面205 上。涂层210可以在处理腔室100的最终组装之前被涂覆。涂层210也可以 被涂覆至喷洒头110的其它部件，例如面板与气体散布板。在另一实施例中， 涂层210可以在处理腔室100的最终组装之后被涂覆至喷洒头110。选择性地， 涂层210可以被涂覆至处理腔室100内的其它铝表面，例如腔室100本身与 支撑栽座115。
大体上，涂层210包含一层含氮不定形碳或其它可以避免碳残余物从喷洒 头110薄片化(flaking)的材料。涂层210的厚度足以提供一 r黏的(sticky) J改 质层，且厚度典型地介于约500埃与约3000埃之间(譬如介于约1000埃与约 2000埃之间，例如1500埃)。涂层210可用作在喷洒头110的棵露下表面205 与不定形碳沉积期间所沉积在喷洒头110上的碳残余物之间的黏附性促进层。 由此，涂层210必须黏附至铝表面与不定形碳表面。因为碳可以与碳及铝表面 接合，所以它建立了 一 「黏的(sticky) J改质层。这种主要由碳构成的改质层 (seasoned layer)允许即将来到的不定形碳残余物教附至喷洒头，并且避免薄片 化或微粒。
图3绘示涂覆一物件的铝表面的方法实施例的流程图300。在步骤310， 提供一处理腔室。在步骤320,物件被置放到处理腔室内。在步骤330,使含 有碳源的第一气体流入处理腔室。在步骤340,使含有氮源的第二气体流入处 理腔室。在步骤350，等离子体形成于腔室中。在步骤360,涂层材料被沉积在紹表面上。
典型的碳源包括碳氢化合物，其具有一般化学式CxHy,其中x介于2与 10之间且y介于2与22之间。例如，可以使用丙烯(C3He)、丙炔(。31^)、丙 烷(C3Hs)、 丁烷(C4Hnj)、 丁烯(OjH8)、 丁二烯(C4He)、乙炔(。21"12)、戊烷、戊 烯、戊二烯、环戊烷、环戊二烯、笨、曱苯、a-松油烯(alpha terpinene)、酚、 伞花烃(cymene)、简菠二烯(norbomadiene)、及其組合物作为碳氢化合物。液 态前驱物可以用来沉积不定形碳膜层。在不定形碳膜层的沉积中使用液态前驱 物进一步地被讨论于美国专利公开案号2005/028771,其公开于2005年12 月29日且标题为"LIQUID PRECURSORS FOR THE CVD DEPOSITION OF AMORPHOUS CARBON FILMS",在此被并入本文以作为参考且并入的程度 使其不与本发明沖突。这些液态前驱物包括但不限定于曱苯、a-柏、油烯(alpha terpinene, A-TRP)与简菠二烯(norbornadiene, BCHD)。
同样地，若希望的话，可以添加各种气体(例如(H2)、氮(N2)、氨(NH;j)、或
其组合)至气体混合物。氩(Ar)、氦(He)与氮(N2)可以被用来控制不定形碳层的
密度与沉积速率。
碳源化合物能够以介于约200 sccm与约2000 sccm之间的流速(譬如介于 约1500 sccm与约2000 sccm之间，例如700 sccm)被导引至腔室内。氮源 化合物能够以介于约100 sccm与约15000 sccm之间的流速(譬如介于约5000 sccm与约10000 sccm之间，例如8000 sccm)被导引至腔室内。选择性地， 载气以介于约0 sccm与约20000 sccm之间的流速被导引至腔室内。载气可 以是氮气或惰性气体。流速被选择，从而使涂层主要为碳。例如碳源化合物能 够以第一流速被导引至腔室内，且氮源化合物能够以第二流速被导引至腔室 内，从而使第二流速对第一流速的比例介于约50:1与约1:1之间(譬如介于约 10:1与约1:1之间，例如约7:1)。在某些实施例中，碳源化合物为丙烯，且氮 源化合物为氮。
在含氮的不定形碳层的沉积期间，基板典型地被维持在介于约200'C与约 700'C之间(较佳地介于约25CTC与约35CTC之间，譬如约30(TC)。对于300毫 米基板，介于约20瓦特与约1600瓦特之间的RF功率水平(例如1000瓦特) 被用在腔室中。以介于约0.01 MHz与300 MHz之间的频率(较佳地为13.56MHz)来提供RF功率。通常，RF功率被提供至腔室中的气体散布组件或r喷 洒头」电极。替代性地或此外地，RF功率可以被施加至腔室中的一基板支撑 件。RF功率能够以混合频率(例如约13.56 MHz的高频或约350 kHz的低频) 来提供。RF功率能够被循环或脉沖化，并且是持续的或间断的。
在含氮的不定形碳层的沉积期间，喷洒头与支撑栽座之间的间隔可以介于 约280密尔与约1500密尔之间(例如400密尔)，并且腔室压力可以介于约1 托耳与约10托耳之间(例如7托耳〉。
图4为一图表，其绘示本发明的涂层的一实施例对于10kA厚的低k不定 形碳的膜内微粒性能的影响。图4显示约1500A厚的含氮的不定形氮层的影响， 其在主体低k不定形碳沉积之前就被沉积在喷洒头上。碳层使用以下条件来沉 积30(TC的基板温度、7托耳的腔室压力、8000 sccm的氮流速、700 sccm 的丙烯流速、1000瓦特的RF功率水平、与2100 A/分钟的沉积速率。这些条 件产生了一含氮的不定形碳层，其具有1.69的折射率、0.02的光吸收系数、 与-80 MPa的应力。
低k不定形碳层被沉积在晶片1上而不具有含氮的不定形碳层的优点。低 k不定形碳层被沉积在晶片2-4上而具有含氮的不定形碳层的优点。结果显示， 对于沉积在晶片2-4上的低k不定形碳层，显著减少了膜内添加物或污染物(分 别由A1与A2来表示)。
在另一实施例中，本发明提供一种用以改善喷洒头110的下表面205的|占 附性强度的方法。图5A为喷洒头110在被处理以增加表面粗糙度以前的喷洒 头110的截面图。喷洒头110包含上表面215与下表面205。多个气体喷嘴开 口 142形成在下表面205与上表面215之间。此方法增加了喷洒头110的下 表面205的表面粗糙度。此方法也可以用来增加腔室100的其它部件的表面粗 糙度。此方法增加了喷洒头"0的下表面205的方均根(root mean square, RMS)粗糙度，大约从20納米到约30-50纳米之间(例如约40纳米)。图5B为 具有一粗糙化表面502的喷洒头110的截面图。将下表面205粗糙化以产生 粗糙化表面502可以由本领域技术人员所熟知的各种方法来执行。 一种这样的 粗糙化方法能够利用小铝球来机械地轰击喷洒头来达成，其被称为r珠粒喷砂 处理(bead blasting process)」，与/或此领域中已知的各种化学处理方式来达成。
r珠粒喷砂处理」提供了一紋理化且粗糙化的表面502,其可以提高碳残 余物504对于喷洒头110的粗糙化表面502的勒附性。在珠粒喷砂中，固态 珠粒通过一压力下的空气被迫使朝向表面，其中该压力足够高以将表面粗糙 化。珠粒包含硬度高于下方结构的材料，以使珠粒将喷洒头110的下表面205 腐蚀且粗糙化，而形成粗糙化表面502。适当的珠粒材料包括有例如氧化铝、 玻璃、硅土、或硬塑料。在一实施例中，珠粒包含氧化铝，其具有可以适当地 轰击表面的网筛尺寸(例如具有约200的网筛尺寸的铝微粒)。珠粒喷砂可以执 行于例如一珠粒喷砂器中，其中该珠粒喷砂器包含一外壳。图5C为具有碳残 余物504黏附至粗糙化表面502的喷洒头的截面图。
图6为一图表，其显示面板粗糙度对于10 kA厚的低k不定形碳层的膜内 微粒性能的影响。图6比较沉积在含有本发明经珠粒喷砂的面板与标准面板的 腔室中的10 kA厚的低k不定形碳层的膜内增添物。经珠粒轰击的面板具有40 纳米的粗糙度，标准面板具有10纳米的粗糙度。相对于含有10纳米粗糙度的 标准面板的腔室，结果显示含有40纳米粗糙度的经珠粒喷砂的面板的腔室显 著减少了膜内增添物/污染物。这些结果证实了增加喷洒头表面粗糙度可以增大 喷洒头与碳残余物之间的黏附性强度，因而减少了所沉积的低k不定形碳层中 膜内增添物的存在。
在另一实施例中，本发明提供一种减少膜内增添物的存在的方法。此方法 包含在主体沉积处理期间，添加作为稀释气体的H2。此方法能够被用在美国 专利公开案号2005/0287771 (其公开于2005年12月29日且标题为"LIEQUID PRECURSORS FOR THE CVD DEPOSITION OF AMORPHOUS CARBON FILMS")与美国专利申请案号11/427，324(其申请于2006年6月28日且标题 为"METHOD FOR DEPOSITING AN AMORPHOUS CARBON FILM WITH IMPROVED DENSITY AND STEP COVERAGE")所描述的沉积处理中，其在 此被并入本文以作为参考并且并入的程度使其不与本发明沖突。添加H2已经 被证实可以显著地减少膜内微粒。所相信的是， 一些机制在此现象中扮演一定 的角色。第一，氬物质可以钝化气相CHx物质，藉此限制这些自由基成长为潜 在的微粒晶核。第二，添加H2可以使位于电极表面处的等离子体鞘层变宽，因而减少了轰击电极的离子的动量。
图7为一图表，其显示H2稀释对于10 kA厚的低k不定形碳层的膜内微
粒性能的影响。第一范例的沉积(由"A"表示)是在氩流速为8000 sccm且氦流速 为400 sccm的情况下进行的。第二范例的沉积(由"B"表示)是在氩流速为7000 sccm且氢流速为1000 sccm的情况下进行的。第三范例的沉积(由"C"表示)是 在氩流速为5000 seem且氢流速为2000 seem的情况下进行的。第四范例的 沉积(由"D"表示)是在氩流速为5000 sccm且氢流速为3000 sccm的情况下进 行的。结果显示出增加作为稀释气体的H2的添加量可以减少膜内增添物。
虽然前述说明着重在本发明的实施例，在不脱离本发明的基本范围下，可 以构想出本发明的其它与进 一 步实施例，并且本发明的范围由随附权利要求书 来界定。
权利要求
1. 一种用于涂覆物件的铝表面的方法，该物件是用在半导体处理腔室中，该方法包括将该物件置放到处理腔室内；使包含碳源的第一气体流入该处理腔室；使包含氮源的第二气体流入该处理腔室；在该处理腔室内形成等离子体；以及在该铝表面上沉积涂覆材料。
2. 如权利要求1所述的方法，其中该涂覆材料包括含不定形碳氮的层。
3. 如权利要求1所述的方法，其中该第一气体的流速介于200 sccm与 2000 sccm之间。
4. 如权利要求1所述的方法，其中该第二气体的流速介于100 sccm与 15000 sccm之间。
5. 如权利要求1所述的方法，其中在该处理腔室内形成等离子体的步骤 包括施加介于0.01 MHz与300 MHz之间的RF功率。
6. 如权利要求2所述的方法，其中该涂覆材料的厚度介于500埃与3000 埃之间。
7. 如权利要求1所述的方法，更包含使包含氢源的第三气体流入该处 理腔室。
8. 如权利要求8所述的方法，其中该第三气体的流速介于500 sccm与 5000 sccm之间。
9. 如权利要求1所述的方法，其中具有该铝表面的物件选自下述所构成 群组中的至少一种物件用在半导体处理过程中的喷洒头、支撑载座与腔室本体。
10. —种具有涂覆有含氮不定形碳层的铝表面的喷洒头，该含氮不定形碳 层是通过包含下述步骤的方法来涂覆的使包含碳源的第 一 气体流入处理腔室； 使包含氮源的第二气体流入该处理腔室； 在该处理腔室内形成等离子体；以及 在该铝表面上沉积含氮不定形层。
11. 如权利要求10所述的喷洒头，其中该第 一 气体的流速介于200 sccm 与2000 sccm之间。
12. 如权利要求10所述的喷洒头，其中该第二气体的流速介于500 sccm 与5000 sccm之间。
13. 如权利要求10所述的喷洒头，其中在该处理腔室内形成等离子体的 步骤包含向惰性气体施加介于0.01 MHz与300 MHz之间的RF功率。
14. 如权利要求13所述的喷洒头，其中该惰性气体选自下述所构成的群 组氦、氖、氩、氪、氙、氡与氮。
15. 如权利要求13所述的喷洒头，其中该惰性气体的流速介于700 sccm 与7000 sccm的间。
16. 如权利要求10所述的喷洒头，其中该含氮不定形碳层的厚度介于500 埃与3000埃之间。
17. —种用于半导体处理腔室中的物件，该物件包括 具有铝表面的喷洒头、支撑组件或真空腔室本体；以及 包括含氮不定形碳层的涂层，该涂层是在等离子体增强化学气相沉积处理中被涂覆的。
18. 如权利要求17所述的物件，其中该含氮不定形碳层的厚度介于500 埃与3000埃之间。
19. 一种被配置成将气体输送至半导体处理腔室的喷洒头，该喷洒头包括 上表面；包含铝的下表面，其中该下表面的表面粗糙度介于30 nm与50nm之间；以及多个开口，其形成于该上表面与该下表面之间。
20. 如权利要求19所述的喷洒头，其中通过珠粒喷砂处理，实现介于30 nm与50 nm之间的表面粗糙度。
21. 如权利要求19所述的喷洒头，其中该下表面的表面粗糙度为40 nm。
全文摘要
本发明提供一种具有用在半导体应用中的保护性涂层的物件，以及多种制造该物件的方法。在一实施例中，本发明提供一种涂覆一物件的铝表面的方法，其中该物件是应用在半导体处理腔室中的。此方法包含提供一处理腔室；置放该物件至该处理腔室内；使第一气体流入该处理腔室，其中该第一气体包含碳源；使第二气体流入该处理腔室，其中该第二气体包含氮源；在该处理腔室内形成等离子体；以及在该铝表面上沉积一涂覆材料。在一实施例中，涂覆材料包括一含不定形碳氮的层。在一实施例中，该物件包含一喷洒头，喷洒头被配置成输送气体至处理腔室。
文档编号C23C16/26GK101473062SQ200780023174
公开日2009年7月1日 申请日期2007年6月14日 优先权日2006年6月23日
发明者C·陈, D·R·威蒂, D·帕德希, G·巴拉苏布拉马尼恩, H·姆塞德, J·周, K·杰纳基拉曼, M·J·西蒙斯, S·拉蒂, V·斯瓦拉马克瑞希楠 申请人:应用材料股份有限公司