CN101058883A

CN101058883A - 气体供应装置

Info

Publication number: CN101058883A
Application number: CNA2007100937565A
Authority: CN
Inventors: 姚亮吉; 陈佳麟; 王铭芳; 游明丰; 李昆池; 陈世昌
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2007-10-24
Also published as: TW200741837A; US20070240826A1

Abstract

本发明提供一种气体供应装置，包括：一第一气体来源，提供惰性载气且连接于一第一管线；一第二气体来源，提供无水反应气体且连接于一第二管线；一第三气体来源，提供具有化学成份的气体且连接于一第三管线；一主管线，连接于该第一管线、第二管线及第三管线，以供应一混合气体，其中该混合气体是具有惰性载气、无水反应气体及具有化学成份的气体；及一温度控制器，位于该第二管线上。本发明所述的气体供应装置，具有良好蚀刻均匀性且又具低污染的优势洁净制程。

Description

气体供应装置

技术领域

本发明是有关于一种气体供应装置，且特别有关于一种蚀刻或洁净基底的气体供应装置。

背景技术

在微米制造技术中，随着微机电元件的关键尺寸逐渐缩小，对于硅晶片上污染移除的洁净制程的效果改善已随之渐形重要，一般而言，晶片污染来自晶片制造与包装过程期间，晶片暴露于大气中受污染机率提高，且在量产过程中，在人体接触的环境下，使晶片暴露于含有大量的微粒、有机残余物、吸附的金属离子及其他污染物，这些因素皆会对晶片产生不利的影响。因此，在微米制造过程中的晶片洁净步骤则扮演很重要的角色，且一般半导体制程中约有三分之一的步骤为洁净步骤，由此更可窥得其重要性。

为了提高微米制造产品的良率，洁净制程需倚赖晶片污染物的移除，且不会伤害、损耗晶片，此外，其亦不得导入其他更多的污染物于晶片上。对于硅晶片而言，这样的洁净步骤典型地包含晶片上既有原生氧化层的移除，在晶片制造过程中，金属及其他污染物会落入此原生氧化层中且关键性地污染高温制程机台。因此，一般会在实施高温晶片制程前，对整合性晶片进行洁净制程期间移除原生氧化层。

传统上，硅晶片是通过气相洁净步骤进行清洗，其一般是施以酸、碱及各种化合物的混合物进行，以往，液态气相制程已有效地移除污染物及原生氧化层，但是目前，随着微机电图案缩小至次微米等级，晶片表面图型的深宽比(aspect ratio)逐渐增大，传统的液态洁净制程已无法提供有效的清洁功能甚而完全失去效能，润湿(rinse)溶液在高深宽比图形的内部或周围的干燥愈显困难，且会导致污染物陷入所述图形内；更甚者，在过去认为对传统使用的微机电材料为有利的传统上使用的液态清洗化学药品，现今已对新型微机电材料的污染及新外来的微机电材料为有害的。

此外，形成于硅基底上的原生氧化层相当细薄，因此难以控制对该层的蚀刻均匀性以选择性地对原生氧化层进行蚀刻，其导致除了原生氧化层的其他氧化层容易同时与原生氧化层进行蚀刻；尤甚者，在单一晶片上，会有周边区域的蚀刻率高于中心区域的蚀刻率的现象；换句话说，传统干式蚀刻方法并不满足于单一晶片上的全表面上的蚀刻率均匀性。

因此，如上所述，制程均匀度的控制不良与不必要制程污染物的产生是目前所面临的问题，此外，传统上认为，污染物与原生氧化层移除制程不易具有可重复性，或其蚀刻均匀度表现不佳，这种情况与起始晶片的状态，如起始晶片的污染情况，息息相关，这些各种因素，可用以衡量及评估污染物与原生氧化层移除制程效果的优劣。

对于以上所提欲解决的问题，因此，对清洗硅晶片制程以至于原生氧化层的移除及厚二氧化硅层的蚀刻，使用无水反应气体，如氟化氢气体，以进行深入研究，进而达到具有良好蚀刻均匀性且又具低污染的优势洁净制程。

发明内容

为解决上述问题，本发明是提供一气体供应装置，通过气体以蚀刻或洁净元件的基底，进而改善传统蚀刻均匀性污染高的洁净制程能力不足问题。

为达上述目的，本发明主要是提供一种气体供应装置，包括：一第一气体来源，提供惰性载气(inert carrier gas)且连接于一第一管线(pipeline)；一第二气体来源，提供无水反应气体且连接于一第二管线；一第三气体来源，提供具有化学成份的气体且连接于一第三管线；一主管线，连接于该第一管线、第二管线及第三管线，以供应一混合气体，其中该混合气体是具有惰性载气、无水反应气体及具有化学成份的气体；及一温度控制器，位于该第二管线上。

本发明所述的气体供应装置，其中该温度控制器包括一连接于该第二管线的加热带。

本发明所述的气体供应装置，其中该第二气体来源维持一第一温度，以稳定该第二气体来源所提供的气体的分子结构。

本发明所述的气体供应装置，其中该温度控制器维持一第二温度，其中该第二温度与该第一温度相同。

本发明所述的气体供应装置，其中该温度控制器维持该第二温度范围自30℃至70℃。

本发明所述的气体供应装置，其中该混合气体用以蚀刻一氧化膜层，以维持蚀刻均匀度于2％以下。

本发明所述的气体供应装置，其中该第二气体来源所提供的气体包括一可提供一稳流气体的反应气体，其中该稳流气体为无水含卤素气体、联氨、氨、二氧化碳或含氮氧化物。

本发明所述的气体供应装置，其中该无水含卤素气体包括无水氟化氢。

本发明所述的气体供应装置，其中该混合气体包括水或一有机化合物，其中该有机化合物选自由醇、醛、酮及羧酸所组成的群。

另外，本发明亦提供一种用以蚀刻或洁净基底的装置，包括：一制程反应室，用以承载及处理基底；及一种气体供应装置，用以提供一混合气体于气体反应室内。其中此气体供应装置包括：一第一气体来源，提供惰性载气且连接于一第一管线；一第二气体来源，提供无水反应气体且连接于一第二管线；一第三气体来源，提供具有化学成份的气体且连接于一第三管线；一主管线，连接于该第一管线、第二管线及第三管线，以供应一混合气体，其中该混合气体是具有惰性载气、无水反应气体及具有化学成份的气体；及一温度控制器，位于该第二管线上。

本发明所述的气体供应装置，具有良好蚀刻均匀性且又具低污染的优势洁净制程。

附图说明

图1是绘示依据本发明的一实施例的气体供应装置的示意图。

图2是绘示依据本发明的一实施例的用以蚀刻或洁净基底的装置的示意图。

具体实施方式

本发明将通过以下的较佳具体实施例而作更进一步地详细说明，且范例是伴随着图式说明之，但这些具体实施例仅是作为举例说明，而非用以限定本发明的范畴。在图式或描述中，相似或相同的部分是使用相同的图号。在图式中，实施例的形状或是厚度可扩大，以简化或是方便标示。图式中各元件的部分将分别描述说明之，值得注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以具有各种本领域技术人员所知的形式。

由于既有的提供蚀刻混合气体的气体供应装置无法提供适当的蚀刻均匀度，因此，发展一用以蚀刻或洁净基底的装置，提供适当的蚀刻均匀性表现，为本领域的重要关键。

以下的实施例是提供一气体供应装置，其提供可提供良好蚀刻均匀度的混合气体，通过使用具有温度控制器的气体供应装置以移除氧化层。

请参考图1，其揭示一提供无水反应气体系统的元件100，此图描述此气体供应装置100。此蚀刻混合气体的供应装置100是包括第一气体来源110、第二气体来源130、第三气体来源150、主管线170及温度控制器180。其中，第一气体来源110为提供惰性载气，且连接于第一管线120；第二气体来源130为提供无水反应气体，连接于第二管线140；第三气体来源150为提供具有化学成份的气体，且连接于第三管线160；主管线170为连接于上述的第一管线、第二管线及第三管线，以供应一混合气体，此混合气体是具有惰性载气、无水反应气体及具有化学成份的气体；而温度控制器180则位于该第二管线140上。

一般而言，含有无水反应气体的第二气体来源130选自可提供一稳流气体的反应气体，例如，气态氟化氢、联氨(hydrazine)、氨(ammonia)、二氧化碳或含氮氧化物。氟化氢的供应源可由存于圆柱状容器内的液体提供，在足以气化液态氟化氢的温度下，将其自供应源气体处蒸发，典型上来说，氟化氢的供应源是维持于一适当温度下以确保氟化氢维持在无水状态下，据此，无水氟化氢供应源约维持在43℃。

连接于第二管线140的温度控制器180可维持在一固定温度范围内以防止无水反应气体分子的凝结并稳定其内的无水反应气体系统，若第二管线140未加热至足够高的温度，气体压力则不足以驱动无水反应气体分子，因此，维持温度控制器180于足够高温状态是重要的关键，较佳为维持30℃至70℃的高温。此外，由于制程于常态温度下进行时，温度控制器180可使整个气体供应装置有效地使用于各种环境下，无须顾虑周遭温度变化，亦无须考虑可能需要额外的改良以防止分子凝结问题产生。温度控制器180可以任何形式存在于气体供应装置100内，较佳者为设置一加热带于其上。

一般而言，含有无水反应气体的第二气体来源130是维持一第一温度，以稳定此气体的分子结构，且温度控制器180是维持与第一温度接近的第二温度，此第二温度较佳为30℃至70℃；其中，此温度控制器180较佳为加热带，连接于第二管线140上。

反应气体可自任何可提供稳定无水含卤素气体流的供应源衍生而得，且此供应源可经由反应系统维持完整的气体状态，其中，氟化氢为使用于此制程中的一较佳的含卤素气体，例如，可以纯无水氟化氢作为气体来源。

由于无水氟化氢在晶片表面上的反应速率与移除均匀度的控制表现良好，因此，一般认为较佳的气体来源为于蒸气压力下以液体形式存在的无水氟化氢。

于一实施例中，虽然无水氟化氢为用于蚀刻制程中的较佳气体来源，但其他含卤素气体亦可取代之，举例而言，这些气体可以是无水含卤气体，这些卤素包括氯、溴、氟及碘，而卤化氢气体则包含碘化氢、溴化氢及氯化氢。

于一实施例中，使用于半导体制程中的惰性载气110，可以是对欲处理材料不具反应活性的任何气体，其余制程条件下维持在气态状态，适合的气体包括钝气(noble gas)，如氮、氩、氖、氦、氪(krypton)及氙(xenon)。在一较佳实施例中，此半导体制程是使用纯氮气体为其惰性气体。

惰性载气110在反应过程之前与之后，使用于净化(purge)制程反应室与连接系统的气体管线内，且可用于稀释反应气体及制备为水蒸气惰性气体，惰性载气与反应气体混合而形成蚀刻剂介质，如上所述，惰性气体可与反应气体为相同或不同的惰性气体，较佳实施例为氮气，以配合本发明制程的干燥气体或水蒸气惰性气体所使用。

提供一含有惰性载气110的气体来源，如干燥的氮气气体，一般而言，氮气气体来源需具有极高的纯度，且氮气气体来源可维持于室温下。

提供一具有化学成份的气体的气体来源150，如水蒸气类物质，同样地，所供应的水需具有高纯度，如去离子水。

除了如水、甲醇、乙醇及异丙醇等醇类的化合物，亦可使用其他有机液体的蚀刻化合物，举例而言，可使用酮类，如丙酮、甲基乙基酮(methyl ethyl ketone)，醛类，如甲醛(formaldehyde)、乙醛(acetaldehyde)及羧酸，如甲酸(formicacid)、乙酸(acetic acid)于部分实施例中，其中，较佳实施例为异丙醇。

典型地，在气体供应装置100中的蚀刻气体混合物是用以对氧化层进行蚀刻，借此维持蚀刻均匀度于2％以下。

图2显示用以气体蚀刻或清洗基底的装置，此装置用以结合上述的气体供应装置，在一实例中，制程装置300描述于图中，如图所示，制程反应室310经由一主要管线270供给制程气体，与此主要管线270相连接者为分支管线，这些管线分别为第一管线220、第二管线240、第三管线260，其分别连接提供如氮气的惰性载气的第一气体来源210、提供无水反应气体的第二气体来源230、提供气相化合物的第三气体来源250；此外，温度控制器280位于第二管线240上。

参考图2，提供一欲蚀刻的晶片340，对此晶片的一表侧350进行蚀刻或清洗反应，如前所述，欲进行蚀刻或移除的膜层可位于晶片340的表侧350，可完全移除或选择性移除此膜层，该膜层包括二氧化硅、二氧化多晶硅、氮化硅或其他前述的相关材料，虽然上述实施例为使用硅晶片基底，本发明仍可使用其他基底，例如其他半导体材料如锗化硅的基底，亦可作为平面显示器。

本图示中显示进行此制程的适当装置，晶片340以可转换水平平台320所支撑，此基底欲蚀刻者为晶片340的单一表侧350，之后此晶片可制成半导体整合电路晶圆。制程反应室310可为开放式或封闭式，提供一排放口330于制程反应室310内，制程反应室310一般与外界气氛相通，以使洁净气体与蚀刻气体在各种气相制程期间得以排放出去，排放口330是完全开放以避免制造任何反向压力(back pressure)于制程反应室中。制程反应室310可以任何材料建构而成，在各种制程条件下不与蚀刻气体产生反应，举例而言，适当的材料可包含不锈钢。

一般而言，本发明实施例所处理的基底材料可为各种型态的基底材料，这些材料不会与含卤素气体蚀刻剂介质反应，当基底材料为待制备为整合电路晶圆的晶片，其典型地可为硅、多晶硅、红宝石(garnet)、二元相化合物如砷化镓(galliumarsenide)及磷化铟(indium phosphide)、三元相化合物如镉汞碲(CdHgTe)、镓铝砷(GaAlAs)及镓铟磷(GaInP)、四元相化合物如镓铟砷磷(GaInAsP)，其他欲进行蚀刻、清洗及/或研磨制程处理的基底材料包括不锈钢、石英、铝、锗、镓及硒。

典型上可对晶片基底进行一次蚀刻或同时进行多次蚀刻，同时于制程反应室中对一完整承载25片晶片的晶舟盒或承载物进行蚀刻。

这些不同基底可具有各种性质的膜层，可通过高温条件下施以氧气对硅晶片上的氧化膜层进行高温成长，或于梯度温度下以水气与氧随蒸气产生，亦或是可由化学气相沉积制程生成此膜层。此外，在部分实施例中，硅晶片上的氧化膜层可以如磷、砷或硼的材料进行掺杂，可对这些不同的膜层进行蚀刻。值得注意的是，以磷掺杂的膜层可随着本发明同时进行蚀刻，部分实施例中所述及的蚀刻制程常对氧或蒸气成长膜层进行。

由上可知，高温成长的膜层是为极致密且具有较低的蚀刻速率，因此，对蚀刻制程所使用的无水反应气体浓度做些许调整是必要的，在梯度温度中，典型使用的欲蚀刻膜层为成长于蒸气与氧气氛围下的蒸气产生膜层，对这些蒸气产生膜层稳定地进行蚀刻所使用的反应气体浓度往往低于对高温成长膜层蚀刻所使用的气体浓度，一般，通过化学气相沉积制程所使用膜层的致密度低于一般膜层，且其于低反应气体浓度下的蚀刻速率较快。

对于无水反应气体而言，如无水氟化氢气体，已掺杂的膜层可视为具有高度可蚀刻性，且仅需要稀释的反应气体浓度即可完成所需的蚀刻步骤，对这样的已掺杂膜层，无需额外的惰性气体混合水蒸气，已可为稳定地完成蚀刻步骤。

多晶硅层可形成于硅基底上，且此多晶硅的上方具有氧化膜层，于部分实施例中，可以与二氧化硅膜层相同的蚀刻方式对该氧化膜层部分或全面性进行蚀刻。

一般而言，通过混合少量无水反应气体及一定量的无水惰性气体并亦混合少量含水氮气以进行蚀刻制程，其中该无水反应性气体较佳地为无水氟化氢气体，该无水惰性气体较佳为氮气，其可作为无水反应室气体的稀释剂。此混合气体可留置制程反应室310内以使晶片340的膜层表侧350暴露于此稀释的反应气体氛围内，且少量水蒸气可起始化氧化膜层与无水反应气体间的反应且可延长蚀刻制程的作用时间。

如上所述，蚀刻制程包含以无水氮气进行预清洗，接着当反应气体导入并留经制程反应室310至晶片340时，真正的蚀刻步骤开始进行，最后，在反应气体终止时，进行最后的后清洗步骤。

自硅晶片的表侧进行移除二氧化硅的蚀刻步骤，所得到的产物是以蒸气形式存在，真正的蚀刻制程为相当复杂，可包含多道步骤，正式的反应机制并未明确，但所进行的制程可以下述解释说明，在蚀刻晶片表面时，通过化学反应以如氟化氢蒸气的无水反应气体蒸气对二氧化硅进行移除，其将固态二氧化硅转换为气态形式，此气态形式可以是四氟化硅(SiF₄)。

若欲在没有载气存在下操作此装置，一般本领域技术人员可知悉了解载气的气体来源可自装置内消除且并未影响本发明的范畴与精神实质。

本发明可广泛地应用于在半导体制程设备及LCD制程设备等领域的清洁蚀刻用途。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

100、200：气体供应装置

110、210：第一气体来源

120、220：第一管线

130、230：第二气体来源

140、240：第二管线

150、250：第三气体来源

160、260：第三管线

170、270：主管线

180、280：温度控制器

300：制程装置

310：制程反应室

320：可转换水平平台

330：排放口

340：晶片

350：表侧

Claims

1.一种气体供应装置，其特征在于，该气体供应装置包括：

一第一气体来源，提供惰性载气且连接于一第一管线；

一第二气体来源，提供无水反应气体且连接于一第二管线；

一第三气体来源，提供具有化学成份的气体且连接于一第三管线；

一主管线，连接于该第一管线、第二管线及第三管线，以供应一混合气体，其中该混合气体具有该惰性载气、该无水反应气体及该具有化学成份的气体；及

一温度控制器，位于该第二管线上。

2.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于，该温度控制器包括一连接于该第二管线的加热带。

3.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于，该第二气体来源维持一第一温度，以稳定该第二气体来源所提供的气体的分子结构。

4.根据权利要求3所述的气体供应装置，其特征在于，该温度控制器维持一第二温度，其中该第二温度与该第一温度相同。

5.根据权利要求4所述的气体供应装置，其特征在于，该温度控制器维持该第二温度范围自30℃至70℃。

6.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于，该混合气体用以蚀刻一氧化膜层，以维持蚀刻均匀度于2％以下。

7.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于，该第二气体来源所提供的气体包括一可提供一稳流气体的反应气体，其中该稳流气体为无水含卤素气体、联氨、氨、二氧化碳或含氮氧化物。

8.根据权利要求7所述的气体供应装置，其特征在于，该无水含卤素气体包括无水氟化氢。

9.根据权利要求1所述的气体供应装置，其特征在于，该混合气体包括水或一有机化合物，其中该有机化合物选自由醇、醛、酮及羧酸所组成的群。