TWI462162B - 沈積含碳膜之裝置的清潔方法 - Google Patents

Description

沈積含碳膜之裝置的清潔方法

本發明是有關於一種製造半導體之裝置的清潔方法，且特別是有關於一種沈積含碳膜之裝置的反應器的乾式清潔方法。

通常，藉由使用多個單元製程來製造半導體元件，諸如離子植入製程(ion implantation process)、成膜製程(film formation process)、擴散製程(diffusion process)、微影製程(photolithography process)以及蝕刻製程(etching process)。在上述單元製程中，為了增加半導體元件製造的再現性及可靠性，改良成膜製程是必要的。

藉由使用以下方法將半導體元件的膜形成於晶圓上，諸如濺鍍、蒸發、化學氣相沈積(chemical vapor deposition，CVD)以及原子層沈積(atomic layer deposition，ALD)等。用以執行上述方法的膜沈積裝置通常包括反應器、供應各種氣體至反應器的氣體管線以及放置晶圓的晶圓塊(wafer block)。

然而，當藉由使用膜沈積裝置進行成膜製程時，在成膜製程期間産生的反應產物沈積於(附著於)半導體膜的表面及反應器的內壁上。用以進行半導體大規模生産(mass production)的膜沈積裝置處理大量晶圓。因此，當在反應産物附著至反應器的狀態下持續地進行半導體製程時，半導體製程中的膜特性將改變。其最具代表性的例子是膜電 阻或厚度的改變以及由於反應産物的脫落而最終産生的粒子。這些粒子在沈積製程中會導致缺陷並且附著於晶圓上，這將導致半導體元件產量的退化。

因此，在習知的半導體製造方法中，在膜發生變化之前，也就是在晶圓沈積製程進行預定時間後或者沈積預定數量的晶圓後停止膜沈積裝置，並且將反應器暴露於空氣，使得反應器和反應器的各元件彼此分開。在藉由使用揮發性材質(諸如酒精)清潔沈積於反應器以及各元件上的異物後，將分開的反應器重組。通常，這種清潔方法被稱為非原位(ex-situ)清潔。在非原位清潔方法中，當製造半導體時生產力顯著地降低，並且産生設備的改變點(change-point)。

膜沈積裝置的另一種清潔方法是所謂原位(in-situ)清潔的乾式清潔方法，藉由此方法可在不停止膜沈積裝置運轉的情况下透過使用腐蝕性氣體來移除反應器內部的沈積産物。例如，將CF₄ 、C₂ F₆ 、C₃ F₈ 、C₄ F₈ 、CHF₃ 、SF₆ 或NF₃ 等全氟化合物氣體(perfluorized compound gas)作爲清潔氣體注入到反應器內，以清潔沈積矽(Si)、氧化矽(SiO_x )或氮化矽(SiN_x )等膜之裝置，而移除上述膜。

特別是，隨著半導體元件的積集度不斷上升，為了降低漏電流，已嘗試將碳加入膜內，例如沈積諸如SiOCH的低介電常數(low-k)膜。金屬氮化物膜(例如TaN)可包含10-20%的碳。因此，在沈積含碳爲5%或更多的膜之裝置中，當藉由使用習知的腐蝕氣體進行乾式清潔時，會産 生基於氟化碳(CF*)之白色粉末的副產物。因此，需要一種沈積含碳膜之裝置的改良乾式清潔方法。

本發明提供了一種沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法。

根據本發明的一方面，提供了一種沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，此方法包括清潔此裝置的反應器的內部，其中清潔此裝置的反應器的內部包括供應清潔氣體至反應器，清潔氣體包括藉由使用遠程電漿産生器激活之鹵素，並同時供應未激活之碳移除氣體至反應器。

在本發明中，清潔氣體可以是從由NF₃ 、C₂ F₆ 、CF₄ 、CHF₃ 、F₂ 及其組合所組成的群組中選擇的一種氣體。碳移除氣體可以是包括氧(O)或氫(H)的氣體。碳移除氣體可以是從由O₂ 、N₂ O、O₃ 、NH₃ 、H₂ 及其組合所組成的群組中選擇的一種氣體。

在供應清潔氣體及碳移除氣體之前，此方法更包括進行O₂ 處理，以預先移除存在於反應器內部之副産物表面上的碳。在清潔反應器的內部之後，此方法更包括藉由使用含氫氣體處理沈積含碳膜之裝置，以移除清潔氣體的殘留。在此情况下，含氫氣體可以是從由H₂ 、NH₃ 、SiH₄ 、H₂ O及其組合所組成的群組中選擇的一種氣體。

在清潔反應器的內部之後，此方法更包括藉由使用含碳膜來陳化反應器的內部。

現在將參照附圖更全面地描述本發明，本發明的範例性實施例顯示於附圖中。然而，本發明可具體化爲不同形式，並不應解釋爲侷限於本案所闡述的實施例。更確切地，提供這些實施例是爲了使本發明透徹且完整，並向本領域熟知此項技藝者全面地傳達本發明的概念。

首先，根據本發明的清潔方法可用於清潔圖1所示的膜沈積裝置。

圖1的膜沈積裝置1包括具有內部空間的反應器10、安裝在反應器10的內部空間內可升降且放置晶圓W的晶圓塊12、噴射氣體的噴頭11，噴頭11使得膜形成於放置在晶圓塊12上之晶圓W上。

裝置1用以在半導體晶圓W(例如，矽晶圓或液晶顯示器(LCD)玻璃基板)上沈積含碳膜。裝置1更包括氣體供應裝置20，其可經由氣體管線供應某一製程的源氣體及惰性氣體到反應器10。在根據本發明的清潔方法中，清潔氣體包括鹵素，並且藉由使用遠程電漿産生器22激活清潔氣體並其供應至反應器10。

包括鹵素的清潔氣體可以是從由NF₃ 、C₂ F₆ 、CF₄ 、CHF₃ 、F₂ 及其組合所組成的群組中選擇的一種清潔氣體。碳移除氣體可以是包括氧或氫的氣體。例如，碳移除氣體可以是從由O₂ 、N₂ O、O₃ 、NH₃ 、H₂ 及其組合所組成的群組中選擇的一種氣體。

接下來，將描述根據本發明實施例的圖1的裝置1之反應器10的清潔方法。

第一實施例

圖2是根據本發明第一實施例的清潔方法的流程圖。

參照圖1和圖2，在圖2的操作S1中，裝置1的反應器10的內部壓力被調節成適合進行清潔。反應器10內部的壓力爲0.3-10托爾(torr)。隨著反應器10的內部壓力降低，清潔效率增加。反應器10的內部壓力維持在0.5-4torr。

接下來，在操作S2中，藉由供應清潔氣體至反應器10，此清潔氣體包括藉由使用遠程電漿産生器22激活之鹵素，並且同時供應未被激活之碳移除氣體至反應器10，在不停止運轉裝置1的情况下清潔反應器10的內部。清潔操作S2的時間根據反應器10的污染程度而變化，並且可根據處理了1000個還是500個晶圓而變化。儘管根據條件而有所變化，但含碳膜是以大約1000Å/min的速度來移除。因此，當處理1000個具有膜厚為200Å的晶圓時，清潔要進行200分鐘。

當使用裝置1沈積諸如TaCN的膜時，包括鹵素的清潔氣體可以是NF₃ ，而碳移除氣體可以是O₂ 。藉由操作遠程電漿産生器22、電漿化清潔氣體並供應清潔氣體至反應器10可進一步最大化清潔效率。氬(Ar)可作爲用以産生電漿的基本製程氣體(base process gas)。

當僅使用一般乾式清潔氣體的腐蝕氣體來進行清潔時，存在於反應器內的碳及氟化物會彼此反應而形成氟化碳(fluoride carbon)並且産生固體形式的副產物。因此， 反應器10無法完全地清潔。在本發明中，藉由使用包括鹵素的清潔氣體且將碳移除氣體添加至包括鹵素的清潔氣體來移除反應器10中的金屬副產物，可在不產生固體形式之副産物的情况下清潔反應器10。因此，在處理預定數量之晶圓後，在不停止運轉膜沈積裝置的情况下進行原位清潔，使得膜沈積裝置的生産力得以最大化。特別是，藉由部份激活的氣體來實現本發明。清潔氣體在激活狀態下使用，而碳移除氣體在未被激活的情況下使用。

當清潔氣體及碳移除氣體同時激活並供應至反應器時，它們會彼此反應並産生有機副產物，例如聚四氟乙烯(Teflon)。根據本發明人所進行的實驗結果，清潔氣體及碳移除氣體的各自流量(flux)必須調節到非常窄的範圍內以免産生有機副產物。因此，本發明提供了一種方法，此方法透過僅激活清潔氣體來最大化清洗效率，並且在未被激活碳移除氣體的情况下移除碳，同時不產生有機副産物。在此方法中，不需藉由精細調整清潔氣體及碳移除氣體的各自流量來避免有機副產物的産生。因此，反應器的再現性極好，並且可獲得更寬的清潔製程容限(process margin)。

當清潔操作S2的反應完成時，進行移除殘留於反應器10內之氣體的清洗操作S3。反應器10、氣體管線及遠程電漿産生器22被清洗。這是因為清潔氣體等可能會殘留於反應器10及氣體管線內。當此類問題不會發生時，可省略清洗操作S3。在此考量上，清洗氣體可以是隋性氣體， 例如Ar或N₂ 。

第二實施例

圖3是根據本發明第二實施例的清潔方法的流程圖。

根據本發明第二實施例的清潔方法類似於圖2中的清潔方法，但與圖2之清潔方法的不同之處在於還包括其他操作。

參照圖1和圖3，在圖3的操作S11中，將反應器10的內部壓力調節成適合進行清潔。

接下來，在操作S12中，進行O₂ 處理。進行O₂ 處理(操作S12)來氧化反應器10內部之副産物表面上的碳，並預先移除碳。

隨後，在操作S13中，藉由供應清潔氣體至反應器10，此清潔氣體包括藉由使用遠程電漿産生器22激活之鹵素，並且同時供應未被激活之碳移除氣體至反應器10來清潔反應器10的內部。

當清潔操作S13完成時，進行移除殘留在反應器10內之氣體的操作S14。圖2中的操作S3可作為操作S14。

接下來，在操作S15中，藉由使用含氫氣體進一步進行處理裝置1的操作，以移除清潔氣體的殘留。在此情况下，含氫氣體可以是從由H₂ 、NH₃ 、SiH₄ 、H₂ O及其組合組成的群組中選擇的一種氣體。含氫氣體可簡單地進行清洗或藉由在含氫氣體內産生電漿來進行處理。

接下來，藉由使用含碳膜來進行陳化(seasoning)反應器10內部的操作，並且使反應器10最適於進行膜沈積。

在清潔完成後，爲了藉由裝載晶圓來進行膜沈積，需組合反應器10內的大氣。這是因爲會發生在清潔完成後第一次沈積的膜與後續製程沈積的膜具有不同屬性(例如膜厚度降低)的問題。因此，作爲清潔方法的最後操作，在加載第一個晶圓之前，預先進行陳化操作S16，也就是在反應器10的內部表面上覆蓋即將沈積於晶圓上之膜。

儘管參照其範例性實施例具體顯示且描述了本發明，但本領域熟知此項技術者應理解在不脫離如後續申請專利範圍所定義之本發明的精神和範圍的情況下還可以進行各種形式及細節上的修改。

根據本發明，可有效地清潔沈積含碳膜之裝置。藉由供應清潔氣體至反應器，此清潔氣體包括藉由使用遠程電漿産生器激活之鹵素，並且同時供應未被激活之碳移除氣體至反應器來清潔反應器內部的金屬副產物，使得可以在不産生固體形式之副產物的情况下清潔反應器。因此，在處理預定數量的晶圓後，在不停止運轉沈積含碳膜之裝置的情况下進行原位清潔，使得沈積含碳膜之裝置的生産力得以最大化。

特別是，在使用部份激活氣體的反應器清潔方法中，清潔氣體是在激活狀態下使用，而碳移除氣體是在未被激活的情況下使用。故在此方法中，反應器的再現性極好，並且可獲得更寬的清潔製程容限。

如上所述，本發明提供了一種沈積含碳膜之裝置的原位清潔方法。一般來說，藉由僅使用腐蝕氣體進行清潔時， 會在反應器內産生固體形式的副產物，並且因此無法完全地清潔反應器。在本發明中，藉由使用包括鹵素的清潔氣體且添加碳移除氣體至包括鹵素的清潔氣體來移除反應器中的金屬副產物，可在不產生固體形式之副産物的情况下清潔反應器。

特別是，本發明介紹一種使用部份激活氣體的反應器清潔方法。清潔氣體在激活狀態下使用，而碳移除氣體在未被激活的情況下使用。在此方法中，反應器的再現性極好，並且可獲得更寬的清潔製程容限。

1‧‧‧膜沈積裝置

10‧‧‧反應器

11‧‧‧噴頭

12‧‧‧晶圓塊

20‧‧‧氣體供應裝置

22‧‧‧遠程電漿產生器

W‧‧‧晶圓

S1、S2、S3‧‧‧步驟

S11、S12、S13、S14、S15、S16‧‧‧步驟

圖1繪示了用以進行根據本發明一實施例之清潔方法的沈積含碳膜之裝置。

圖2是根據本發明第一實施例的清潔方法的流程圖。

圖3是根據本發明第二實施例的清潔方法的流程圖。

S1、S2、S3‧‧‧步驟

Claims (7)

1. 一種沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，所述方法包括清潔所述裝置的反應器的內部，其中清潔所述裝置的所述反應器的所述內部包括供應清潔氣體至所述反應器並同時供應未被激活之碳移除氣體至所述反應器，所述清潔氣體包括藉由使用遠程電漿產生器激活的鹵素，在供應所述清潔氣體及所述碳移除氣體之前，進行O₂ 處理，以預先移除存在於所述反應器內部之副產物表面上的碳。
2. 如申請專利範圍第1項所述之沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，其中所述清潔氣體是從由NF₃ 、C₂ F₆ 、CF₄ 、CHF₃ 、F₂ 及其組合組成的群組中選擇的一種氣體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，其中所述碳移除氣體是包括氧或氫的氣體。
4. 如申請專利範圍第1項所述之沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，其中所述碳移除氣體是從由O₂ 、N₂ O、O₃ 、NH₃ 、H₂ 及其組合組成的群組中選擇的一種氣體。
5. 如申請專利範圍第1項所述之沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，更包括在清潔所述反應器的所述內部之後，藉由使用含氫氣體處理所述沈積含碳膜之裝置來移除所述清潔氣體的殘留。
6. 如申請專利範圍第5項所述之沈積含碳膜之裝置的乾式清潔方法，其中所述含氫氣體是從由H₂ 、NH₃ 、SiH₄ 、H₂ O及其組合組成的群組中選擇的一種氣體。
7. 如申請專利範圍第1項所述之沈積含碳膜之裝置的 乾式清潔方法，更包括在清潔所述反應器的所述內部之後，藉由使用所述含碳膜來陳化所述反應器的所述內部。