CN101238238A - 使用氟化硫从cvd/pecvd腔的内部除去表面沉积物的远程腔方法 - Google Patents

使用氟化硫从cvd/pecvd腔的内部除去表面沉积物的远程腔方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及改进的远程等离子体清洗方法，用于从表面除去表面沉积物，例如除去用于制造电子设备的加工腔内部的表面沉积物。所述改进包括向含有氧源和氟化硫的供给气体混合物中加入氮源。

Description

使用氟化硫从CVD/PECVD腔的内部除去表面沉积物的远程腔方法
背景技术
1.技术领域
本发明涉及用经远程活化含有氧源、氟化硫和氮源的气体混合物而产生的活化的气体混合物来除去表面沉积物的方法。更具体地，本发明涉及使用通过远程活化含有氧源、氟化硫和氮源的气体混合物而产生的活化的气体混合物来除去化学气相沉积腔内表面上沉积物的方法。
2.相关现有技术的描述
在半导体加工工业中，需要对化学气相沉积(CVD)腔和等离子体增强化学气相淀积(PECVD)腔进行常规清洗。常见的清洁方法包括原位等离子体清洗和远程腔等离子体清洗。
在原位等离子体清洗过程中，清洗气体混合物在CVD/PECVD加工腔中被活化为等离子体，并对沉积物进行原位清洗。原位等离子体清洗方法存在若干缺陷。第一，没有直接暴露于等离子体的腔部分无法得到清洗。第二，清洗过程包括离子轰击诱导的反应和自发的化学反应。由于离子轰击溅射会腐蚀腔部件，因此需要进行昂贵的和耗时的部件更换。
认识到原位等离子体清洗的这些缺点后，远程腔等离子体清洗方法越来越受到欢迎。在远程腔等离子体清洗过程中，清洗气体混合物在与CVD/PECVD加工腔不同的分离的腔中被等离子体活化。然后，等离子体中性产物经过源腔而到达CVD/PECVD加工腔的内部。传输通道例如可以是由短连接管和CVD/PECVD加工腔的喷头构成。与原位等离子体清洗方法不同的是，远程腔等离子体清洗过程仅包括自发的化学反应，从而避免了由加工腔中的离子轰击导致的腐蚀问题。
对于进行等离子体清洗来说，清洗气体的选择是至关重要的。由于具有相对较弱的氮-氟键，NF3很快发生离解，这使其一直是流行的高效清洗气体。然而，NF3具有毒性、性质活泼并且昂贵。在进行运输时也需小心防止降解的发生。
因此，需要一种替代的清洗气体，其在不牺牲清洗性能如腐蚀速率之下较为便宜和更加安全。
发明综述
本发明涉及除去表面沉积物的方法，所述方法包括：(a)在远程腔内对含有氧源、氟化硫和氮源的气体混合物进行活化以及，然后(b)使所述活化的气体混合物接触表面沉积物而除去至少一些所述表面沉积物。
附图说明
图1是用于进行本方法的一种装置的示意图。
图2是向SF6+O2+Ar供给气体混合物中加入N2和NF3对氮化硅的腐蚀速率的影响图示。
图3中比较了NF3/O2/Ar体系和SF6/O2/N2/Ar体系对氮化硅的腐蚀速率。
图4是向SF6+O2+Ar供给气体混合物中加入N2对二氧化硅的腐蚀速率的影响图示。
图5是对暴露于SF6+O2+Ar+N2等离子体后的蓝宝石晶片的X-射线光电子分光光谱(XPS)检验。
发明详述
用本发明除去的表面沉积物包括那些通常由化学气相沉积或等离子体增强化学气相沉积或类似过程沉积下来的材料。这些材料包括硅、掺杂的硅、氮化硅、钨、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅和各种被称之为低K材料的硅氧化合物，例如FSG(氟硅玻璃)、碳化硅和SiCXOXHX或PECVD OSG，包括Black Diamond(Applied Materials)，Coral(Novellus Systems)和Aurora(ASM International)。本发明中优选的表面沉积物是氮化硅。
本发明的一种实施方式是从用于制造电子设备的加工腔内部除去表面沉积物。这样的加工腔可以是化学气相沉积(CVD)腔或等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔。
本发明的其他实施方式包括但不限于：从金属除去表面沉积物、清洗等离子体腐蚀腔和剥去光致抗蚀剂。
本发明的方法包括一活化步骤，其中，清洁气体混合物将在一远程腔中被活化。活化可通过任何一种能够使大部分的供给气体发生离解的方式来达到，这些方式如：射电频率(RF)能量、直流电(DC)能量、激光照射和微波能量。本发明的一种实施方式是使用变压器耦合的感应耦合的低频RF功率源，其中的等离子体具有环形构造，并起到变压器输出方的作用。采用了低频RF功率源后，就能够使用那些可增强与电容耦合相关的电感耦合的磁芯；这样可更有效地将能量转化为等离子体而不会产生过多的限制远程等离子体源腔内部寿命的离子轰击。用于本发明的典型的RF功率源具有的频率低于1000KHz。本发明中功率源的另一种实施方式是远程微波、电容或感应耦合的等离子体源。
本发明的一种实施方式包括一活化步骤，其使用足以在足够长时间内形成具有至少约3000K的中性温度的活化的气体混合物的功率。所得等离子体的中性温度取决于功率和气体混合物在远程腔中的停留时间。在一定的功率输入和一定条件下，中性温度将随着停留时间的延长而增高。这里，优选的中性温度高于约3000K。在适当的条件下(考虑到功率、气体组成、气压和气体停留时间)，可获得至少约为6000K的中性温度。
活化的气体是在加工腔之外但靠近加工腔的分离的远程腔中形成。本发明中，远程腔是指在其内生成等离子体的腔，加工腔是指在其内具有表面沉积物的腔。远程腔和加工腔之间通过允许从远程腔到加工腔传输活化的气体的任何装置连接。例如，传输通道可以由短连接管和CVD/PECVD加工腔的喷头构成。远程腔以及用于将远程腔连接到加工腔上的装置由本领域中已知的能够用于容纳活化的气体混合物的材料制成。例如，通常使用铝和阳极氧化铝作为腔组件。有时，在内表面进行Al2O3涂覆以降低表面复合。
经活化而形成活化的气体的气体混合物包括氧源、氟化硫和氮源。本发明中“氧源”在这里是指能够在本发明的活化步骤中产生原子氧的气体。这里，氧源的例子包括但不限于O2和氮氧化物。本发明的氮氧化物在这里是指含有氮和氧的分子。氮氧化物的例子包括但不限于NO、N2O、NO2。优选的氧源为氧气。在清洗气体混合物中的不需要的氧气将限制腐蚀速率。氧气与氟化硫的优选的摩尔比率小于5∶1。本发明中的氟化硫是SF6、SF5或SF4。优选的氟化硫是SF6。本发明中“氮源”在这里是指能够在本发明的活化步骤中产生原子氮的气体。这里，氮源的例子包括但不限于N2，NF3和氮氧化物。优选的氮源为氮气。
经活化而形成活化的气体的气体混合物可进一步包括载气，如氩和氦。
活化步骤中，远程腔的总压力可以在约0.1托到约20托。
发现本发明中氮源可显著地增加氟化硫对氮化硅的腐蚀速率。在本发明的一种实施方式中，如以下实施例1所示，加入少量的氮气可使SF6/O2/Ar清洗气体混合物对氮化硅的腐蚀速率增加十三倍。事实上，本发明的SF6/O2/Ar/N2体系在相似条件下的腐蚀速率甚至优于NF3/O2/Ar体系。另见对比例2。
发现在本发明条件下，加工腔内表面在用活化的气体处理后无含硫沉积物。另见实施例4和图5。
下面的实施例将用于对本发明进行举例说明，但并无限制之意。
实施例
图1示出了用于本发明的远程等离子体源、传输管、加工腔和废气排放装置的示意图。远程等离子体源是由MKS Instruments，Andover，MA，USA制造的商用环形MKS ASTRONex活化气体生成器单元。供给气(例如氧、氟化硫、NF3、氮源、氩)从左侧引入远程等离子体源，并穿过环形放电，在这里它们受到400KHz射频功率的放电而形成活化的气体混合物。氧是由Airgas制造的，纯度为99.999％。SF6是由Airgas制造的，纯度为99.8％，NF3气是由DuPont制造的，纯度为99.999％。氮气是由Airgas制造的级别为4.8的产品，氩是由Airgas制造的级别为5.0的产品。活化的气体混合物然后穿过铝制的水冷却的热交换器来降低铝制加工腔的热负荷。覆盖了表面沉积物的晶片被置于加工腔中温度得到控制的底座上。中性温度由发射光谱(OES)测定，理论上将测定中像C2和N2那样的双原子的旋振转换带被采用来产生中性温度。另见B.Bai和H.Sawin，Journal of Vacuum Science&Technology A 22(5)，2014(2004)，其在此通过引用而并入本文。活化的气体对表面沉积物的腐蚀速率由加工腔中的干涉测量装置测量。在排出泵入口处加入N2气，用以将产物稀释到适合进行FTIR测量的浓度以及减少产物在泵中的残留。FTIR用于测量泵排气中物质的浓度。
实施例1
该实施例展现了加入氮源对SF6/O2/Ar体系的氮化硅腐蚀速率的影响。结果也示于图2中。该实验中，供给气体由O2、SF6、Ar组成，也任选含有N2或NF3，其中的O2流速为667sccm，Ar流速为2000sccm，SF6流速为667sccm。腔压为2托。供给气体由400KHz 4.8KwRF功率活化至超过3000K的中性温度。活化的气体然后进入加工腔，对控制在50℃的温度下的底座上的氮化硅表面沉积物进行腐蚀。当供给气体混合物中不含氮源时，即供给气体混合物由667sccm的O2、2000sccm的Ar和667sccm的SF6构成时，腐蚀速率仅为189/min。如图2中间的方柱所示，当向供给气体混合物中加入了100sccm的N2后，即供给气体混合物由100sccm的N2、667sccm的O2、2000sccm的Ar和667sccm的SF6组成时，氮化硅的腐蚀速率从189增加到2465/min。如果供给气体混合物中改为加入了300sccm的NF3，即供给气体混合物由300sccm的NF3、667sccm的O2、2000sccm的Ar和667sccm的SF6组成时，腐蚀速率增加到2975/min。
实施例2(对比)
该例示出了在与实施例1类似条件下NF3/O2/Ar体系的氮化硅腐蚀速率。将NF3流动速率控制在1333sccm，这样总氟原子数量与实施例1中的相同。在该实验中，供给气体由O2、NF3和Ar组成，其中，O2流速为200sccm，Ar流速为2667sccm，NF3流速为为1333sccm。腔压为2托。供给气体由400KHz 4.6Kw RF功率活化至超过3000K的中性温度。活化的气体然后进入加工腔，对控制在50℃的温度下的底座上的氮化硅表面沉积物进行腐蚀。腐蚀速率测得为2000/min，约低于SF6/O2/Ar/N2混合物的20％。(另见图3)
实施例3
该实施例展现了加入氮源对SF6/O2/Ar体系的SiO2腐蚀速率的影响。结果也示于图4中。该实验中，供给气体由O2、SF6、Ar组成，也任选含有N2，其中的O2流速为667sccm，Ar流速为2000sccm，SF6流速为667sccm。腔压为2托。供给气体由400KHz 4.8Kw RF功率活化至超过3000K的中性温度。活化的气体然后进入加工腔，对控制在100℃的温度下的底座上的SiO2表面沉积物进行腐蚀。当供给气体中不含氮源时，即供给气体混合物由667sccm O2、2000sccm Ar和667sccmSF6组成时，腐蚀速率仅为736/min。而当向供给气体中加入100sccmN2后，即供给气体混合物由100sccm N2、667sccm O2、2000sccm Ar和667sccm SF6组成时，SiO2的腐蚀速率从736增加到854/min。
实施例4
在该实验中，供给气体由O2、N2、SF6和Ar组成，其中，O2流速为667sccm、N2流速为100sccm、Ar流速为2000sccm、SF6流速为667sccm。腔压为2托。供给气体由400KHz 4.8Kw RF功率活化至超过3000K的中性温度。活化的气体然后进入加工腔，对控制在25℃的温度下的底座上的蓝宝石晶片表面处理10分钟。图5显示出处理后的表面干净无硫。

Claims (17)

1.一种除去表面沉积物的方法，所述方法包括：
(a)在远程腔内对含有氧源、氟化硫和氮源的气体混合物进行活化并形成活化的气体混合物，以及，然后
(b)使所述活化的气体混合物接触表面沉积物而除去至少一些所述表面沉积物。
2.权利要求1的方法，其中，所述表面沉积物从用于制造电子设备的加工腔内部除去。
3.权利要求1的方法，其中，所述氧源是氧气或氮氧化物。
4.权利要求3的方法，其中，所述氧源是氧气。
5.权利要求4的方法，其中，所述氧气和所述氟化硫的摩尔比率小于5∶1。
6.权利要求1的方法，其中，所述氮源是氮气、NF3或氮氧化物。
7.权利要求6的方法，其中，所述氮源是氮气。
8.权利要求1的方法，其中，所述表面沉积物选自由硅、掺杂的硅、氮化硅、钨、二氧化硅、氮氧化硅、碳化硅和各种被称之为低K材料的硅氧化合物组成的组。
9.权利要求8的方法，其中，所述表面沉积物是氮化硅。
10.权利要求1的方法，其中，所述气体混合物通过使用足够强度功率活化足够长的时间而使所述气体混合物达到至少为约3000K的中性温度。
11.权利要求10的方法，其中，所述功率由RF源、DC源或微波源产生。
12.权利要求11的方法，其中，所述功率由RF源产生。
13.权利要求12的方法，其中，所述RF源为频率低于1000KHz的变压器耦合的感应耦合的RF源。
14.权利要求10的方法，其中，远程腔中的压力在0.1托到20托之间。
15.权利要求1的方法，其中，所述气体混合物进一步含有载气。
16.权利要求15的方法，其中，所述载气是至少一种选自由氩和氦组成组中的气体。
17.权利要求1的方法，其中，所述氟化硫是SF6。
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