CN100459032C - 减少反应室颗粒的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种减少反应室颗粒的工艺方法，包括步骤：将至少一片表面含有粘附阻挡材料的晶片传入所述反应室中；对所述反应室进行加热和抽真空处理；对所述晶片进行等离子体处理；取出所述晶片。本发明通过上述方法可在反应室内部形成一层粘附阻挡层，减少反应室内脱落的颗粒数量，改善了现有的反应室在生产运作过程中出现的颗粒污染问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种减少反应室颗粒的工艺方法。
背景技术
随着器件关键尺寸的缩小，对晶片表面玷污的控制变得越来越关键。如果在生产过程中引入了颗粒等污染源，就可能引起电路的开路或断路，因而在半导体工艺制造中，如何避免在工艺制造中的污染是必须要关注的问题。随着生产中设备自动化程度的提高，人员与产品的交互变少，防止生产中带来颗粒的重点已更多地放到了生产设备所产生的颗粒上面。如设备长期工作后，其内部各组件上会积累一些附着物，该附着物，尤其是靠近反应气体入口的反应室(chamber)内表面及位于反应室顶部的气体分流器等处所积累的附着物很可能会脱落、转移到晶片上，从而导致对晶片的颗粒玷污，使得生产的成品率降低。
在各种生产设备中，化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)设备的颗粒污染问题是关注的重点之一，这是由其工作原理所决定的。化学气相沉积设备通常会用于形成氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅等薄膜，沉积时，向反应室内通入气态的含有形成薄膜所需的原子或分子的化学物质，该化学物质在反应室内混合并发生反应，最终在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物。在这一薄膜形成过程中，除了在晶片表面形成薄膜外，必然也会在反应室的内壁表面积累附着物。因此，在多次沉积后，当内壁上的附着物较厚时，易因附着物发生脱落，对沉积室和晶片造成玷污，形成晶片上的缺陷，降低产品的成品率。图1为说明现有技术中因颗粒玷污造成刻蚀结果不正常的器件剖面图，如图1所示，对衬底101上的薄膜102进行刻蚀时，若晶片表面平整没有缺陷，刻蚀开孔103的边缘整齐，图形完整；但若晶片表面存在颗粒104，则会导致刻蚀开孔105的边缘变形严重，而这一刻蚀图形的变形，会造成器件性能下降，成品率降低。
为此，在生产中，通常都会在反应室运作一段预定时间或反应室内污染到一定的预定程度后，对反应室进行在位清洗，通入可与附着物发生反应的气体去除部分附着物，以减轻污染程序。另外，因在位清洗方法不能彻底去除反应室内的附着物，在运作较长一段时间后，仍需对反应室进行湿法清洗以较为彻底地消除附着物。而在湿法清洗后，一般需对反应室进行一暖机程序(season process)，以使反应室内部环境恢复稳定，然后才能进入正常的生产使用。两种清洗方法中，在位清洗的效果有限，但对生产的影响较小；湿法清洗清洗效果较好，但所需时间较长，会导致设备利用率和生产效率降低，希望有保证产品质量的情况下，能尽量减少湿法清洗的次数。而实践中发现，机台在运作过程中，还未达到预计的湿法清洗时机，但因维修或生产安排暂停生产一段时间后，即使仅有一个小时，再次投入生产时，在晶片的表面也会落有大量的颗粒。并且在利用试片进行多次在位清洗和暖机后，该颗粒污染现象仍不会消失，只有在对反应室进行彻底的清洗、暖机后，才能再次正式投入生产，导致设备利用率和生产效率的降低。
申请号为02143321.6的中国专利申请公开了一种减少反应室杂质含量的方法，该方法在对反应室进行定期的清洗后，利用不同于制造程序的材料在反应室的内表面形成一层保护层，该保护层在生产制造程序与反应室内表面之间起到隔离作用，可以减少因生产制造程序与反应室内表面发生反应而产生的颗粒杂质数；然后，执行一次制造程序，完成暖机操作，再进入正式的生产运行。但是，该申请所公开的方法只是应用于反应室清洗后，阻止的是制造程序与反应室内表面间的相互作用，其应用范围较窄。且该方法对于前面所述的设备运作一段时间后，还不应进行湿法清洗时所出现的颗粒问题，也没有提出对应的解决方案。
发明内容
本发明提供了一种减少反应室颗粒的工艺方法，通过在反应室内部形成一层粘附阻挡层，减少了反应室内脱落的颗粒数量，改善了现有的反应室在生产运作过程中出现的颗粒污染问题。
本发明提供的一种减少反应室颗粒的工艺方法，包括步骤：
将至少一片表面含有粘附阻挡材料的晶片传入所述反应室中；
对所述反应室进行加热和抽真空处理；
对所述晶片进行等离子体处理；
取出所述晶片。
其中，所述粘附阻挡材料为铜、铝、钛、银、金材料中的任一种。
其中，所述反应室加热的温度在250至500℃之间；所述抽真空处理实现反应室的压力维持在2至5Torr之间。
其中，所述等离子体处理时通入的气体为氨气、氦气氩气中的任一种或两种的组合。
其中，所述等离子体处理时通入流量在500至1000sccm之间的氨气，及流量在1000至2000sccm之间的氦气。
此外，还可以在将所述晶片传入所述反应室之前，增加一步对反应室进行在位清洁或湿法清洗的处理。
其中，所述在位清洁处理的温度在250至500℃之间；反应室压力在2至5Torr之间。并在所述在位清洁处理过程中通入了氟化氮和氩气，且所述氟化氮的流量在2000至5000sccm之间；所述氩气的流量在3000至8000sccm之间。
其中，所述反应室可以为等离子体化学气相沉积反应室。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的减少反应室颗粒的工艺方法，利用离子化的气体对表面含有粘附阻挡材料的晶片进行处理，使得该晶片上的该种材料飞扬至反应室内表面上形成一层粘附阻挡层。一方面利用该层较强的粘附性，可以将反应室内的颗粒杂质粘附在反应室内壁上，另一方面，还可以利用该层将生产过程中产生的颗粒杂质隔离阻挡在该层之下，从两个方面阻止反应室内颗粒的脱落，有效降低了颗粒污染的数量。经本发明方法处理后的反应室，对生产运作过程中，因设备暂停生产而出现的反应室颗粒污染较为严重的问题，有明显改善。
本发明的工艺方法易于实现，无需进行额外的湿法清洗工作，经本发明工艺方法处理后的设备，可以直接投入生产使用，在确保生产成品率的前提下，提高了设备的利用率和生产效率。
附图说明
图1为说明现有技术中因颗粒玷污造成刻蚀结果不正常的器件剖面图；
图2为等离子体化学气相沉积设备的结构示意图；
图3为本发明的减少反应室颗粒的工艺方法的流程图；
图4为利用本发明工艺方法处理前后的晶片上颗粒数测试结果。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明的处理方法可被广泛地应用到许多应用中，而不应理解为仅仅适用于对化学气相沉积反应室的处理，对其它设备减少颗粒污染方面的问题，本发明的方法也同样可以适用。下面是通过较佳的实施例对本发明的处理方法加以具体说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。
本发明的第一实施例，是对用于生长碳化硅(SiC)薄膜的等离子体化学气相沉积反应室进行减少颗粒污染的处理。图2为等离子体化学气相沉积设备的结构示意图，如图2所示，该设备主要包括：反应室201，射频电源202，气体供给装置207，真空系统208，与射频电源202相连的上、下电极203和204，支撑台205，以及气体电离化腔室206和气体分流器210。在该设备生长薄膜过程中，先将晶片放置在支撑台205上，利用加热系统(图中未示出)和真空系统208对系统进行加热和抽真空的处理，然后，再通过气体供给装置207将反应气体通入气体电离化腔室206进行离子化处理，再将离子化后的气体经气体分流器210充入反应室201中，在与射频电源202相连的上、下电极203和204的作用下，实现在晶片表面上沉积形成碳化硅薄膜。在这一薄膜沉积过程中，在反应室的内壁表面必然也会积累一定的附着物，在多次沉积后，当反应室内的附着物较厚时，易脱落转移到晶片上，对反应室和晶片造成颗粒玷污，形成晶片上的缺陷，降低产品的成品率。
除因反应室内附着物较厚引起的颗粒污染外，在生产过程中，每次该设备因进行维护或生产安排，暂停生产一段时间，即使只有一小时，当其再次投入生产时，在晶片的表面都会落有大量的颗粒。通过对晶片表面上脱落的颗粒进行观察分析，发现所脱落的颗粒较大，且多呈片状，组成物质包含有硅、碳及某些金属物质。分析认为，该金属物质与反应室内表面有关，当设备暂停使用时，反应室温度降低，再次投入使用时，经加热后，其温度再次回升，这一反复加热和冷却的过程，使得位于等离子体下的反应室内表面，如气体分流器表面的附着物与气体分流器间的粘附性变差。设备再次投入工作时，虽然反应室内的附着物厚度还未达到需进行湿法清洗的标准，在等离子体中的轰击下该附着物也易发生脱落，在晶片上形成颗粒污染。并且这一因附着物粘附性变差引起的颗粒污染现象，即使在进行多次在位清洗和试片暖机后仍不会消失，只有在对反应室进行彻底的清洗、暖机后，该设备才能重新恢复生产使用。这一额外的湿法清洗步骤，导致了设备的利用率和生产效率降低。为改善这一问题，本实施例中，为减少反应室颗粒污染，在设备暂停生产后，增加了一步形成粘附阻挡层的工艺操作。
图3为本发明的减少反应室颗粒的工艺方法的流程图，下面结合图3对本发明的第一实施例进行详细说明。
当设备暂停生产后，出现了颗粒污染严重的现象时，需对设备的反应室进行减少反应室颗粒的处理。首先，可以对反应室进行在位清洁处理(S301)。本实施例中，反应室是用于沉积SiC薄膜的，其内的附着物主要是SiC，为此，其在位清洁时，采用的工艺条件可以为：将反应室加热到250至500℃之间，如为300℃、350℃或400℃等；并对反应室进行抽真空处理，使其工作压力维持在2至5Torr之间，如为3Torr、4Torr等；向气体电离化腔室通入氟化氮(NF3)气体和氩气(Ar)，利用其离子化后产生的F离子去除反应室内积累的SiC附着物，达到清洁反应室的目的。其中，通入的氟化氮的流量可以在2000至5000sccm之间，如为3000sccm、4000sccm等；所述氩气的流量可以在3000至8000sccm之间，如为5000sccm、6000sccm或7000sccm等。本步的在位清洁处理，可以将反应室内附着物的浮渣去除，但对于已粘附于反应室内的附着物，即使其与反应室内表面的粘附性已经变差，仍无法将其去除。即，仅经过在位清洁步骤，并不能消除前面所述的片状脱落的颗粒物。
为不经过湿法清洗而消除该片状颗粒物，本实施例中，在位清洁反应室后，向反应室内传入了至少一片，如两片或四片等，表面含有粘附阻挡材料的晶片(S302)。该粘附阻挡材料既可以对后面生产过程中产生的颗粒(主要是SiC)起到良好的粘附作用，又可以对反应室内已有的附着物的脱落起到阻挡作用，其材料可以为铜、铝、钛、银、金等，本实施例中采用了铜材料。该种带铜晶片的制作很简单，将晶片放入用于生长铜材料的设备中生长一层铜金属即可，并且该表面为铜材料的晶片可以多次重复使用。
该表面为铜材料的晶片传入反应室中后，对反应室进行加热和抽真空的准备工作(S303)。本实施例中，可将反应室加热到250至500℃之间，如为300℃、350℃或400℃等；并经抽真空处理，使反应室工作压力维持在2至5Torr之间，如为3Torr、4Torr等。
接着，将气体通入气体电离化腔室，再将离子化后的气体通入反应室中，对晶片进行等离子体处理(S304)。本步通入的气体可以为氩气、氦气、氨气等中的一种或多种，具体选用何种气体可根据该设备生长薄膜工艺确定，如本实施例中，通入的气体是正常生产工艺前进行预处理时所用的氨气(NH3)和氦气(He)。其中，通入的NH3的流量可以在500至1000sccm之间，如为600sccm、700sccm或800sccm等；所述He气的流量在1000至2000sccm之间，如为1200sccm、1500sccm或1800sccm等。
经过本步等离子体处理步骤，晶片表面的铜金属会被溅起，飞扬至反应室的内壁上，尤其是与晶片位置所对应的位置上，如气体分流器，并在其上形成一薄层粘附阻挡层。该粘附阻挡层可以从多方面减少反应室内的颗粒数：一则，其与颗粒间的粘附性较强，可以将后面生产中所产生的SiC颗粒较好地粘附在该层上，不易脱落，减少在反应内悬浮的颗粒数；二则，其与反应室内壁的粘连性也较强，可以较好地粘附于反应室的内壁上，不会脱落；三则，因其自身的粘连性，可将位于其下层的原来的粘附性变差的附着物阻挡在其下，有效防止原附着物的片状脱落。
本步等离子体处理后，将晶片取出(S305)。对经过等离子体处理后的晶片进行观察，可以发现其表面状态有所不同，测试得到处理后的晶片表面反射率要高于处理前的晶片表面反射率，证明在等离子体处理过程中，该晶片表面的铜自然氧化层已被去除，也就证实了在等离子体处理过程中晶片表面铜金属确实减少，并飞扬到了反应室内。
至此，减少反应室颗粒的工艺步骤已完成，可将设备投入正式生产中使用。图4为利用本发明工艺方法处理前后的晶片上颗粒数测试结果，如图4所示，图中纵坐标是测得的晶片上颗粒数，横坐标是晶片号，图中所示的401区域是利用本发明方法进行处理前生产的晶片上颗粒数测试结果，可以看到，颗粒污染较为严重的晶片比例约在50％以上，明显不符合工艺要求。图中所示的402区域是利用本发明方法进行处理后再进行生产时，晶片上颗粒数测试结果，可以看到，颗粒污染严重的晶片数明显减少，晶片的颗粒污染现象有了明显改善。
另外，为了验证本发明的工艺方法对减少反应室的颗粒污染具有较长的维持时间，将经本发明处理后的反应室再闲置一小时(如果对于未经本发明方法处理的反应室，此时会出现较严重的颗粒污染)，然后再测试其投入生产时的晶片上颗粒数，结果发现此时晶片上颗粒数仍较少，保持了反应室颗粒污染较轻的特性。
本实施例中，开始所进行的在位清洁步骤并不是必须的，若不经过该步而直接进入本实施例后面的工艺步骤，也可以达到减少反应室颗粒的目的，尤其是在设备的反应室刚经过湿法清洗处理的时间不长时。
本实施例中，所用清洁气体和等离子体处理气体均由该设备生长的薄膜类型而定，如果所生长的薄膜为氧化硅、氮化硅等其他材料，所用清洁气体和等离子体处理气体也可随之而变化，该种替换应为本领域普通技术人员所熟知，在此不再赘述。
本实施例中，本发明的减少反应室颗粒的工艺处理是在设备暂停工作后进行的，在本发明的其他实施例中，还可以在每次进行湿法清洗后进行本发明的工艺处理步骤，利用本发明的粘附阻挡层对生产中产生的颗粒的良好粘附性减少反应室内悬浮的颗粒数，也可以减少晶片上的颗粒污染程度。
本实施例中，以等离子体化学气相沉积反应室为例，以等离子轰击的方法在反应室内形成一层粘附阻挡层；在本发明的其他实施例中，还可以利用本发明的方法对其他反应室进行对应处理，如高密度等离子体CVD反应室，脉冲等离子化学气相沉积(PACVD)或物理气相沉积反应室等，只需采用类似方法能够在反应室内表面上形成一层粘附阻挡层即可。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (12)
1、一种减少反应室颗粒的工艺方法，其特征在于，包括步骤：
将至少一片表面含有粘附阻挡材料的晶片传入所述反应室中；
对所述反应室进行加热和抽真空处理；
对所述晶片进行等离子体处理，使所述晶片上的所述粘附阻挡材料飞扬至反应室内表面形成粘附阻挡层；
取出所述晶片。
2、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述粘附阻挡材料为铜、铝、钛、银、金材料中的任一种。
3、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述反应室加热的温度在250至500℃之间。
4、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述抽真空处理实现反应室的压力维持在2至5Torr之间。
5、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述等离子体处理时通入的气体为氨气、氦气、氩气中的任一种或两种的组合。
6、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述等离子体处理时通入流量在500至1000sccm之间的氨气，及流量在1000至2000sccm之间的氦气。
7、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：将所述晶片传入所述反应室之前，对反应室进行在位清洁或湿法清洗的处理。
8、如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：所述在位清洁处理的温度在250至500℃之间。
9、如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：所述在位清洁处理时的反应室压力在2至5Torr之间。
10、如权利要求7所述的工艺方法，其特征在于：所述在位清洁处理过程中通入了氟化氮和氩气。
11、如权利要求10所述的工艺方法，其特征在于：所述氟化氮的流量在2000至5000sccm之间；所述氩气的流量在3000至8000sccm之间。
12、如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述反应室为等离子体化学气相沉积反应室。
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