CN101102909B - 从用于等离子体处理设备的硅和碳化硅电极表面除去黑硅和黑碳化硅的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种从等离子体处理腔的上电极的等离子体暴露表面除去黑硅或黑碳化硅的方法。该方法包括使用包含含氟气体的气体组合物形成等离子体，并且用该等离子体从表面除去黑硅或黑碳化硅。该方法还可以从上电极以外的处理腔中元件的表面除去黑硅或黑碳化硅。

Description

从用于等离子体处理设备的硅和碳化硅电极表面除去黑硅和黑碳化硅的方法
发明背景
在半导体基产品例如集成电路的制造期间，使用刻蚀和/或沉积步骤在半导体衬底上形成或者除去材料层。传统的刻蚀程序将工艺气体激励成等离子体态，以便等离子体刻蚀半导体衬底上的材料。
由于在等离子体处理腔内进行的等离子体处理，等离子体处理腔的暴露内表面可能被改变。能够发生这种表面改变的原因在于，通常由等离子体放电产生的，以及来自参与腔中半导体衬底处理的各种反应的高能离子、光子和各种中性原子和分子的流。
发明概述
提供了一种从平行板等离子体处理设备的上电极表面除去黑硅和黑碳化硅的方法。
提供了从等离子体处理腔的电极表面除去黑硅或黑碳化硅的方法的优选实施方案，包括向包含下电极和上电极的等离子体处理腔中供应含氟的气体组合物。所述上电极是(i)硅的并且包括表面上具有黑硅的等离子体暴露表面，或者是(ii)碳化硅的并且包括表面上具有黑碳化硅的等离子体暴露表面。如本文所述，“黑硅”和“黑碳化硅”是在处理腔中进行衬底的等离子体刻蚀处理期间可能由电极的等离子体暴露表面的形态(morphological)改变产生的形成物。该气体组合物被激励产生等离子体并且至少一部分黑硅或黑碳化硅被从上电极的等离子体暴露表面刻蚀掉。
在另一个优选实施方案中，可以对除电极以外的等离子体处理设备的至少一个元件(其包括表面上具有黑硅或黑碳化硅的等离子体暴露表面)进行等离子体清洗，以便从等离子体暴露表面刻蚀至少一部分黑硅或黑碳化硅。
在优选的实施方案中，所述气体组合物进一步包含含氧气体和/或惰性气体。可以改变处理条件，包括含氟气体的流速与O2流速的比率，以便对进行等离子体暴露表面进行各向同性刻蚀。
在优选的实施方案中，可以将上电极的温度控制为对于提供较高的黑硅或黑碳化硅去除速率有效的温度。
附图简述
图1是使用扫描电子显微镜(SEM)拍摄的显微照片，显示出表面上具有黑硅的硅表面。
图2显示了表面上具有黑硅的硅电极的等离子体暴露表面。
图3显示了适于实施本文所述的清洗方法的实施方案的示例性电容耦合等离子体处理设备。
图4显示了清洗前黑硅要素(feature)和清洗后黑硅要素之间的高度差与用于等离子体清洗的清洗气体组合物的氟浓度的关系。
图5显示了开始时，分别刻蚀25、50、75和100片晶片后，以及随后根据本文所述方法的实施方案清洗等离子体处理腔的上电极后的氧化硅刻蚀速率和刻蚀速率均匀性。
优选实施方案详述
平行板等离子体处理腔包括上电极和下电极。上电极具有底表面，该底表面典型朝向其上支持有半导体衬底的衬底支架。可以操作这些类型的等离子体处理腔来等离子体刻蚀各种材料，例如提供在半导体衬底上的电介质材料。在等离子体刻蚀处理期间，向等离子体处理腔中供应刻蚀气体并且通过向至少一个电极供电激励该刻蚀气体，以便产生等离子体。选择处理条件，使得在半导体衬底材料中刻蚀出所需的要素。
平行板等离子体处理腔可以包括由例如硅或碳化硅构成的上电极。该上电极可以包括喷头状电极，该喷头状电极包括用于在处理腔中分配气体的气体注入孔。上电极可以是单片电极(例如具有气体注入孔的盘形喷头状电极)、或者多片电极(例如被外部电极环-例如没有气体注入孔的连续或者分段的环-围绕着的内部盘形喷头状电极)。
已经确定通过由等离子体放电以及在半导体衬底处理中发生的各种反应产生的高能离子、光子和各种中性原子和分子的流，可以在形态上改变上电极的等离子体暴露表面。上电极底表面的“形态变化”的特征在于表面形貌(topography)的变化，这是由跨底表面宽度(例如跨越喷头状电极的圆形底表面和/或任选的外部电极环)的不均匀的材料去除引起的。这种从底表面的不均匀材料去除导致不同的表面区域具有不同的形貌。与未改变的表面区域相比，形态上改变的表面的特征在于具有微观粗糙的区域。
已经发现，特征在于存在可以是针状、棒状或锥状形状的要素的硅上电极表面的形态改变是由某些等离子体刻蚀处理和包含该电极的等离子体处理腔中使用的工艺条件引起的。图1显示了包括这些要素的形态改变的硅表面的SEM显微照片。如图所示，针状要素是紧密间隔的。这些要素典型具有约10nm-约1mm的长度，以及约10nm-约1000nm的(1μm)的宽度。还确定了图1中所示的针状要素的长度随刻蚀时间指数增加，实际的时间相关性取决于处理腔中使用的刻蚀工艺条件。图2显示了上电极的硅外部电极环的等离子体暴露底表面上的黑硅形成物。
已经确定，在腔中对电介质材料例如低k电介质材料进行等离子体刻蚀期间，等离子体暴露的硅上电极表面上会形成与图1中所示类似的要素。已经发现对于这些要素的形成更有利的典型工艺条件包括高N2、低O2和低CF流量、以及适度的用于产生等离子体的RF功率水平。上电极的形态改变的表面可以包括一个或多个改变的表面区域，例如外部电极环上的至少一个改变的区域和/或喷头状电极上的至少一个改变的区域。
通常将图1和2中所示的改变的表面形态称作“黑硅”。“黑硅”可以形成在等离子体暴露的硅表面上的原因在于，在等离子体处理操作期间该表面被其上形成的材料沉积物微掩蔽。微掩蔽可以在约100nm-约100微米的尺度。
尽管不希望受任何具体理论的限制，然而认为硅上电极的等离子体暴露底表面上的黑硅形成是等离子体处理操作期间电极上的不邻接的聚合物沉积的结果。例如，在刻蚀半导体衬底上的电介质材料例如低k电介质材料层的主要刻蚀步骤期间，不邻接的聚合物沉积物可能形成在硅电极的底表面上。聚合物沉积物形成保护下面的硅表面不被刻蚀的三维岛状形成物。例如，一旦形成针状要素，则聚合物沉积物优先在针尖上形成，从而促进了连续衬底刻蚀期间的微掩蔽机制和黑硅的扩展。(一个或多个)微掩蔽表面区域的不均匀、各向异性的刻蚀(即在上电极宏观底表面的法线方向上)导致在底表面上形成紧密间隔的要素，例如具有图1所示形状的要素。这些要素可以防止光从硅表面的改变区域反射，使这些区域具有黑色外观。
除了在等离子体暴露硅表面上形成黑硅以外，还可以在碳化硅电极的等离子体暴露表面上形成使改变的表面区域具有黑色外观的类似的针状、棒状或棒状要素的形成物。本文将碳化硅表面的这些改变区域称作“黑碳化硅”。
因为黑硅和黑碳化硅都增加了改变表面的等离子体暴露表面积，因此不希望在平行板(例如电容耦合的)等离子体处理腔的上电极的(一个或多个)等离子体暴露表面上形成黑硅或黑碳化硅。当黑硅或黑碳化硅的形成程度变得“过度”时(即(一个或多个)改变的表面区域的面积和/或要素的尺寸达到一定水平)，黑硅或黑碳化硅可能引起刻蚀等离子体性质的变化，导致工艺变化。结果，在处理腔中对一批晶片的单个晶片处理期间，等离子体刻蚀速率可以从晶片至晶片和/或跨晶片表面变化。例如，已经发现半导体衬底的刻蚀速率在更接近存在黑硅的电极区的半导体衬底的表面区域处可能低很多(例如低约10％-约20％)。黑硅或黑碳化硅的过度形成还可能显著降低跨晶片表面的刻蚀均匀性。
根据可能由平行板(例如电容耦合的)等离子体处理腔的硅或碳化硅上电极的等离子体暴露底表面的形态改变引起的上述问题，希望在黑硅或黑碳化硅的程度变得过度从而引起工艺变化之前，从这种电极的等离子体暴露表面除去刚形成的黑硅或刚形成的黑碳化硅。换句话说，优选不使黑硅或黑碳化硅的水平达到过度的水平。
提供了用于清洗硅或碳化硅上电极(例如喷头状电极、或者包括内部喷头状电极和外部环的上电极)的方法。在等离子体处理腔中原位实施该方法。上电极可以具有一片或多片结构。上电极是在处理腔中在等离子体处理半导体衬底(如硅片)期间已经使用过的先前使用的电极。已用电极在至少等离子体暴露的底表面上具有黑硅或黑碳化硅。黑硅可以在喷头状电极的底表面上和/或两片上电极的外部环的底表面上。
已经确定，一旦这种黑硅或黑碳化硅的形成物在硅或碳化硅上电极上变得过度，则清洗处理可能不能令人满意地除去这些形成物，即通过将随后在处理腔中处理的生产衬底(晶片)的刻蚀速率和刻蚀均匀性恢复到所需值，例如生产规格。
在优选的实施方案中，对至少在其各自的底表面上具有黑硅或黑碳化硅形成物的已用电极进行等离子体清洗，以便除去这些形成物并且恢复电极的底表面状态。在等离子体处理腔中等离子体刻蚀半导体衬底期间，在上电极上形成黑硅或黑碳化硅。在等离子体暴露表面上的黑硅或黑碳化硅形成物达到一定水平使得在利用上电极对生产晶片进行等离子体刻蚀期间可能引起不希望的工艺变化之前，优选对硅或碳化硅上电极进行等离子体清洗。
更具体而言，本方法的优选实施方案包括对电容耦合等离子体处理腔的硅或碳化硅上电极的等离子体暴露的底表面进行等离子体清洗。可以以选定的时间间隔(如每小时、每天或每周)清洗上电极的等离子体暴露的底表面；或者当使用该上电极在腔中处理一定数量的生产晶片后，例如每个生产晶片之后，或者在腔中已处理一定数量的晶片之后，例如2至多达约1000片晶片之后。另外，可以在达到选定的等离子体持续时间(RF小时数)之后进行等离子体清洗。可以根据半导体衬底刻蚀处理期间黑硅或黑碳化硅的形成速率来选择实施的频率和每次实施时的等离子体清洗处理的持续时间。
可以实施该清洗方法以便从上电极除去选定量的黑硅或黑碳化硅。例如，在一个实施方案中，通过等离子体清洗可以将上电极表面上的基本上全部的黑硅或黑碳化硅形成物除去。
在另一个优选实施方案中，可以除去一部分黑硅或黑碳化硅，使得电极表面上的残留黑硅或黑碳化硅的程度低于在利用刚清洗的上电极在腔中等离子体刻蚀生产晶片上的层如电介质(如低k)层期间可能引起不希望的工艺变化的水平。被除去的黑硅或黑碳化硅部分优选是大部分，即大于50％的黑硅或黑碳化硅形成物的竖直要素长度(即垂直于电极宏观底表面或者另一个硅或碳化硅元件表面的方向上的要素长度，或高度)，例如至少约60％、70％、80％、90％、95％或者甚至100％的竖直要素长度。
例如，基于已经被从电极表面除去的黑硅或黑碳化硅的估计量(即平均要素长度的估计变化)，以及基于使用该电极在处理腔中刻蚀晶片期间黑硅或黑碳化硅在表面上形成的估计速率，可以估计能够利用刚清洗的上电极在处理腔中进行处理直至发生不希望的工艺变化时的晶片数量。
优选使用位于处理腔中的挡片(dummy wafer)实施该清洗方法。例如，在清洗方法期间可以将裸硅片，或者覆盖有膜(例如氧化硅或者光刻胶材料的膜)的晶片放置在衬底支架上。
所述清洗方法将其上形成黑硅或黑碳化硅的上电极底表面的形态改变的区域的至少一部分除去。特别地，所述清洗对于去除赋予电极黑硅或黑碳化硅外观的要素的至少一部分长度是有效的。由于通过等离子体放电、通过等离子体处理操作期间底表面与等离子体处理腔中存在的化学反应物的相互作用所产生的高能离子、光子和中性原子和分子的流，该刻蚀方法还可以除去上电极底表面的其它形态改变的区域。还可以除去表面上的聚合物沉积物。
在优选的实施方案中，通过将适宜的含氟气体组合物激励成等离子体态来刻蚀硅或碳化硅上电极的等离子体暴露的底表面。优选地，所述气体组合物包含至少一种氟碳化合物、氢氟碳化合物或它们的混合物。例如，该气体组合物可以包含CHxF4-x(例如CF4、CHF3、CH2F2或CH3F)、C2HxF6-x(例如C2F6或C2H2F4)、C2HxF4-x(例如C2F4)、C3F6、C3F8、C4F6、C4F8、C5F8、NF3或它们的混合物。优选地，该气体组合物包含CF4或NF3。
该清洗气体组合物优选地包含至少一种附加气体。该附加气体优选是O2。在其它实施方案中，该附加气体可以是至少一种稀有气体(例如氦、氩或氖)。在优选实施方案中，该气体组合物包含CF4和O2，CF4和稀有气体(例如氩)，NF3和O2，或者NF3和稀有气体。在这样的气体组合物中，含氟气体可以占总气体组合物的任何适宜部分，包括小部分(即小于总气体组合物流的50％)、均等部分、或大部分(即大于总气体组合物流的50％)。一般而言，增加气体组合物中含氟气体的部分会提高气体组合物的氟浓度，最高达约50％的氟碳化物浓度。
增加清洗气体组合物的氟浓度可以提高从上电极的等离子体暴露底表面去除黑硅的效率。还可以通过增加清洗气体组合物的总流量(flow)来增加清洗气体组合物的氟浓度。例如，在给定的腔压力下，可以通过将CF4(或NF3)和O2的流量(flow rate)从125sccm CF4∶125sccm O2改变为例如500sccm CF4∶500sccm O2或1000sccm CF4∶1000sccm O2，来提高氟浓度。可以使用含氟气体与O2或另外气体的其它流量比(flow ratio)。还可以通过增加腔压力来提高氟浓度。
可产生高的黑硅(或黑碳化硅)刻蚀速率的处理条件不一定能提供关于黑硅去除的最佳结果。即在各向异性刻蚀条件(即在与元件例如上电极的宏观表面垂直的方向上刻蚀)下可以实现高的硅刻蚀速率。但是，各向异性刻蚀对于刻蚀跨电极底表面宽度的黑硅要素(或黑碳化硅要素)不是最优的。相反地，当刻蚀是各向同性并且刻蚀速率优选适当高时，实现了黑硅(或黑碳化硅)的刻蚀效率。已经确定可通过提高等离子体中的氟自由基浓度来获得刻蚀效率。
优选地，选择清洗气体组合物中含氟气体相对(一种或多种)其它气体的流量比以便在等离子体中提供足够高浓度的氟自由基，从而实现硅或碳化硅的各向同性刻蚀，并且优选还提供适当高的刻蚀速率。例如，对于CF4/O2清洗气体组合物，CF4∶O2的流量比优选为约1∶10至约5∶1，更优选为约1∶5至约2∶1。对于NF3/O2清洗气体组合物，NF3∶O2的流量比优选为约1∶10至约5∶1，更优选为约1∶5至约2∶1。增加清洗气体组合物的总流量增加了可用于刻蚀的未反应试剂的量。当增加的F可以原子态获得时，CF4/O2流量比或者NF3/O2流量比被最优化。当稀释原子态的F以便限制F-F复合形成F2时，NF3/O2流量比或NF3/Ar流量比被最优化。已经确定在约5分钟等离子体清洗中，长度约500nm的黑硅要素一般可被基本除去。通过原位等离子体辅助清洗方法，一般可以以每分钟约50nm-约300nm的速率刻蚀硅。
清洗气体组合物的总流量一般可以在约250sccm至约2000sccm的范围内。清洗处理期间的腔压力一般可以在约20mT至约1000mT的范围内。通过调整任选的等离子体约束环组件在处理腔中的位置来调整腔压力。在共同转让的美国专利No.5,534,751、5,998,932和6,527,911中描述了可以使用的示例性的约束环组件，这里通过引用将这些专利都整体并入本文。还可以通过控制位于泵(例如设备的涡轮分子泵)附近的阀(例如节流阀)的位置来调整腔压力。
在清洗处理期间，上电极优选处于约20℃至约200℃的温度下，更优选处于约100℃至约200℃的升高温度下。已经确定在该范围内提高电极温度可以在减小等离子体暴露底表面上黑硅要素平均长度的幅度方面提高电极的清洗效率。在包括具有加热和冷却能力的喷头状电极组件的等离子体处理腔的实施方案中可以控制上电极的温度。在其它实施方案中，可以通过散热器(heat sink)，例如提供在电极组件中的一块或多块金属板和/或控温固定板将离子轰击引起的热量从电极上除去。
上电极清洗处理优选进行足够长的时间以便从上电极的整个等离子体暴露底表面上除去足够的厚度，使得清洗后的等离子体暴露表面上的任何残留的(一个或多个)形态改变区域优选低于使用刚清洗的上电极在腔中对生产晶片进行等离子体刻蚀期间可引起不希望的工艺变化的黑硅或黑碳化硅的水平。
该清洗方法可能引起等离子体处理腔的刻蚀速率性能的变化。当其发生时，为了增强清洗上电极之后刻蚀速率和刻蚀均匀性性能的恢复，可以在清洗电极之后任选地对等离子体处理腔进行等离子体调节。根据使用的工艺条件，等离子体调节能够在已实施清洗步骤之后从上电极除去残留的黑硅或黑碳化硅。例如，等离子体腔调节步骤可以从含有含氟气体、氧气和稀有气体(如氩气)的气体组合物产生等离子体。该含氟气体可以是例如C4F8，而含氧气体优选是O2。可以使用下面的示例性近似工艺条件来实施所述调节步骤：100mT的腔压力/施加给下电极的27MHz下2000W和2MHz下3000W/20sccm C4F8/20sccm O2/250sccm氩气/120s的等离子体调节。
在一个实施方案中，可以在等离子体处理腔中对每个生产晶片进行刻蚀之后，或者对两个或多个(例如2、5和10片)生产晶片进行刻蚀之后，实施任选的无晶片自动清洗处理。该无晶片自动清洗处理产生对于从腔的等离子体暴露内表面除去各种沉积材料有效的氧等离子体。优选通过在等离子体处理腔中不存在生产晶片(即进行处理以产生半导体基产品的晶片)的情况下激励包含O2的气体组合物来形成氧等离子体。
在另一个优选实施方案中，可以对除电极以外的等离子体处理设备的至少一个元件进行等离子体清洗以便从等离子体暴露表面除去至少一部分黑硅或黑碳化硅，所述元件是硅的或碳化硅的并且包括分别在表面具有黑硅或黑碳化硅的等离子体暴露表面。例如，该元件可以是支持半导体衬底的衬底支架的一个或多个硅或碳化硅的边缘/聚焦环。
图3描绘了可以用来实施本文所述方法的优选实施方案的示例性等离子体处理设备100。等离子体处理设备100包含可以产生中密度等离子体的电容耦合等离子体处理腔102。等离子体处理腔102包括腔壁103。腔壁103可以任选地涂覆有适当的耐磨材料，例如等离子体喷涂的陶瓷材料。为了提供接地的电通路，腔壁103可以由电接地的铝等制成。等离子体处理腔102包括提供在腔壁103中的晶片转移槽118用以将半导体衬底转移入和转移出等离子体处理腔102。
等离子体处理腔102包括具有底表面108的上电极104。底表面108优选是平坦的，任选地具有台阶，例如共同转让的美国专利No.6,391,787中所述，这里通过引用将该专利整体并入本文。上电极104可以是单片电极或者多片电极。例如，上电极104可以具有包括喷头状电极板的单片结构，或者它可以包括喷头状电极板和外部电极环。在较后的实施方案中，喷头状电极板和外部电极环两者都可以任选被通过结合材料例如弹性体材料结合到其上的石墨板支持。可以调整上电极104的大小以处理例如200mm晶片或者300mm晶片。上电极(在多片结构中包括外部电极环)可以是硅的(例如单晶硅、多晶硅或者无定形硅)或者碳化硅的。设备100包括向上电极104供应工艺气体的气体源(未显示)。优选通过RF电源106经由匹配网络向上电极104供电。在另一个实施方案中，可以使上电极104接地，以便为等离子体处理腔102的下电极供应的电力提供回路，如下面所述。
在图3中所示的设备100的实施方案中，在上电极104和支持在衬底支架111上的半导体衬底10例如半导体晶片之间形成的等离子体区域处，向等离子体处理腔102内供应工艺气体。衬底支架111优选包括通过静电夹持力将半导体衬底10固定在衬底支架上的静电卡盘114。静电卡盘114充当下电极并且优选通过RF电源116(典型经由匹配网络)施加偏压。静电卡盘114的上表面115优选具有与半导体衬底10大致相同的直径。
采用真空泵(未显示)在等离子体处理腔102内维持所需的真空压力。通常在以箭头110代表的方向上通过泵抽出气体。
可以使用的示例性平行板等离子体反应器是双频等离子体刻蚀反应器(参见例如共同转让的美国专利No.6,090,304，这里通过引用将该专利整体并入本文)。在这样的反应器中，可以从气体供应源向喷头状电极供应刻蚀气体并且通过从两个RF源向喷头状电极和/或下电极供应RF能量在反应器中产生等离子体，或者可以将喷头状电极电接地而对下电极供应两个不同频率下的RF能量。
实施例1
使用四个硅上电极用于晶片的等离子体刻蚀，这些硅上电极具有在不同位置处与其各自底表面电和热结合的(100)硅的试样(coupon)。这些电极和试样的底表面在其上具有黑硅形成物。然后，在平行板等离子体处理腔中对已用电极进行等离子体清洗。在等离子体清洗期间将挡片放置在衬底支架上。
表1中显示了用于等离子体清洗电极的工艺条件。对于每个电极，等离子体清洗处理使用包含CF4和O2并且CF4流量为200sccm的清洗气体组合物，60秒的清洗时间，以及约20℃的电极温度。对于清洗处理，改变腔压力、施加到下电极的功率和频率水平、O2流量和/或CF4∶O2流量比。
对于硅试样，假定清洗前黑硅平均要素长度对每个电极具有相同的估计值。这种相同的估计长度是基于均已经受大致相同的等离子体刻蚀条件的电极，在此期间黑硅在试样和电极上形成。对于每个电极，通过使用扫描电子显微镜(SEM)分析相关试样来确定清洗后的黑硅要素长度。如表1中所示，对于使用1∶2的CF4/O2流量比清洗的样品1，发现清洗前和清洗后的平均黑硅要素长度之间的差异最大。
                                                    表1
编号   腔压力(mT)   下电极第一功率水平/第一频率(W/MHz)   下电极第二功率水平/第二频率(W/MHz)   CF4∶O2流量比   电极温度(℃)   清洗时间(秒)   清洗前平均黑Si要素长度(nm)   清洗后平均黑Si要素长度(nm)
  1   600   2500/27   1000/2   1∶2   20   60   500   200
  2   500   1000/27   2500/2   1∶9   20   60   500   485
  3   500   1000/27   2500/2   1∶5   20   60   500   360
  4   600   1000/27   2500/2   1∶5   20   60   500   260
实施例2
在实施例2中，使用五个硅上电极用于晶片的等离子体刻蚀，这些硅上电极具有在不同位置处与其各自底表面电和热结合的(100)硅的试样。这些电极和试样的底表面在其上具有黑硅。然后，在平行板等离子体处理腔中对已用电极进行等离子体清洗。在等离子体清洗期间将挡片放置在衬底支架上。
表2中显示了用于等离子体清洗电极的处理条件。对于每个电极，等离子体清洗处理使用包含CF4和O2并且CF4流量为200sccm的清洗气体组合物，5分钟的清洗时间，以及约20℃的电极温度。改变腔压力、施加给下电极的功率和频率水平、和/或CF4∶O2流量比来清洗电极。
对于硅试样，按照上面关于实施例1所述，假定清洗前黑硅平均要素长度对每个电极具有相同的估计值。通过SEM，对提供在电极样品6和7上的试样确定清洗后的黑硅要素长度。在样品5、8和9上没有观察到黑硅。基于具有更平坦的刚清洗试样轮廓的该样品，确定用于样品5的工艺条件(包括1∶2的CF4∶O2流量比)提供了各向异性刻蚀和黑硅刻蚀速率的最希望的组合。
                                                    表2
编号   腔压力(mT)   下电极第一功率水平/第一频率(W/MHz)   下电极第二功率水平/第二频率(W/MHz)   CF4∶O2流量比   电极温度(℃)   清洗时间(秒)   清洗前平均黑Si要素长度(nm)   清洗后平均黑Si要素长度(nm)
  5   600   2500/27   1000/2   1∶2   20   300   500   无黑Si
  6   600   1000/27   2500/2   1∶2   20   300   500   214
  7   500   2500/27   1000/2   1∶9   20   300   500   240
  8   500   1000/27   2500/2   1∶9   20   300   500   无黑Si
  9   600   1000/27   2500/2   1∶5   20   300   500   无黑Si
实施例3
在实施例3中，使用四个硅上电极用于晶片的等离子体刻蚀然后在平行板等离子体处理腔中进行等离子体清洗，以便确定清洗气体的氟浓度对从电极去除黑硅的效率的影响。每个电极具有在不同位置与底表面电和热结合的(100)硅的试样。电极和试样的底表面在其上具有黑硅形成物。在清洗处理期间将挡片放置在衬底支架上。
表3中显示了用于等离子体清洗电极的工艺条件。对于每个电极，使用相同的清洗时间和电极温度。使用不同的腔压力、施加到下电极的功率和频率水平、CF4流量、O2流量和/或CF4∶O2流量比。对于样品10和12，清洗气组合物包含氩气，以便允许使用actimetry方法由光发射确定氟浓度。
表3中给出了实施例3的试验结果。如表所示，对于使用1∶2的CF4∶O2流量比清洗的样品12实现了清洗前和清洗后的平均黑硅要素长度间的最大差异。
在图4中显示了清洗前黑硅要素和清洗后黑硅要素之间的长度差异与清洗气组合物的氟浓度的关系。
                                                    表3
编号 腔压力(mT)   下电极第一功率水平/第一频率(W/MHz)   下电极第二功率水平/第二频率(W/MHz) CF4∶O2∶Ar流量比(sccm) 电极温度(℃) 清洗时间(秒)   清洗前平均黑Si要素长度(nm)   清洗后平均黑Si要素长度(nm)
  10   50   2000/27   3000/2   200∶50∶50   20   60   580   460
  11   200   1000/27   2500/2   200∶400∶0   20   60   460   300
  12   500   2000/27   3000/2   83∶167∶50   20   60   480   190
  13   600   1000/27   2500/2   200∶400∶0   20   60   480   240
实施例4
在实施例4中，除不同的上电极温度外，使用相同的工艺条件在平行板等离子体处理腔中对已经用于晶片等离子体刻蚀的三个不同的硅上电极进行等离子体清洗。对于每个电极，在不同位置将(100)硅的试样电和热结合到底表面上。电极和试样的底表面在其上具有黑硅形成物。
使用下面的工艺条件对三个电极进行等离子体清洗：600mT的腔压力/2500瓦和27MHz的下电极第一功率水平/第一频率/1000瓦和2MHz的下电极第二功率水平/第二频率/200sccm的CF4流量/400sccm的O2流量/60秒的清洗时间。清洗期间各个电极的电极温度是约20℃、约80℃和约105℃。对于20℃、80℃和105℃的温度，黑硅平均要素长度分别降低约100nm、约105nm和约140nm。这些结果证实通过将电极温度提高到至少约100℃可以改善电极的清洗效率。
实施例5
在实施例5中，在平行板等离子体处理腔中使用硅上电极对100片晶片进行刻蚀步骤，每片晶片均包含低k氧化硅层。在处理了100片晶片后，使用下面的工艺条件清洗硅上电极：600mT的腔压力/2500瓦和27MHz的下电极第一功率水平/第一频率/1000瓦和2MHz的下电极第二功率水平/第二频率/200sccm的CF4流量/400sccm的O2流量/15分钟的清洗时间。如图5中所示，在开始时，分别刻蚀25、50、75和100片晶片后，以及刻蚀所有100片晶片后清洗上电极之后，确定氧化硅刻蚀速率和刻蚀速率％均匀性(3σ)。试验结果证实根据本文所述方法的实施方案通过清洗上电极可以恢复上电极底表面的状态和氧化硅刻蚀速率。
实施例6
在实施例6中，使用下面的工艺条件对包含平均要素长度约500nm的黑硅的第一个硅上电极进行等离子体清洗：200mT的腔压力/2500瓦和27MHz的下电极第一功率水平/第一频率/1000瓦和2MHz的下电极第二功率水平/第二频率/200sccm的CF4流量/400sccm的O2流量/20℃的电极温度/30秒的清洗时间。清洗后黑硅的平均要素长度是约460nm。使用下面的工艺条件对包含平均要素长度为约430nm的黑硅的第二个硅上电极进行等离子体清洗：200mT的腔压力/2500瓦和27MHz的下电极第一功率水平/第一频率/1000瓦和2MHz的下电极第二功率水平/第二频率/200sccm的NF3流量/400sccm的O2流量/30秒的清洗时间。清洗后的平均要素长度是约360nm。这些试验结果证实CF4/O2和NF3/O2气体混合物对于去除黑硅都是有效的，并且NF3/O2气体混合物更为有效。
前面已经说明了本发明的原理、优选的实施方案和操作方式。但是不应认为本发明局限于所讨论的具体实施方案。因此，应该认为上述实施方案只是举例说明，而不是限制性的，并且应当清楚本领域的技术人员可以在这些实施方案中做出改变而不会背离由下面的权利要求书所限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种从等离子体处理腔的已用电极的表面除去黑硅或黑碳化硅的方法，所述方法包括：
向包括下电极和上电极的等离子体处理腔中供应含氟气体组合物，所述上电极是(i)硅的并且包含表面上具有黑硅的等离子体暴露表面，或者是(ii)碳化硅的并且包含表面上具有黑碳化硅的等离子体暴露表面；
激励所述气体组合物以便产生等离子体；和
从所述上电极的等离子体暴露表面刻蚀至少一部分黑硅或黑碳化硅。
2.权利要求1的方法，其中所述上电极包括喷头状电极和分段的外部电极环，每个均由单晶硅、多晶硅或者无定形硅制成。
3.权利要求1的方法，其中所述含氟气体组合物包含CF4、CHF3、CH2F2、CH3F、C2F6、C2H2F4、C2F4、C3F6、C3F8、C4F6、C4F8、C5F8、NF3、或者它们的混合物。
4.权利要求1的方法，其中所述气体组合物基本上由CF4和O2或者由NF3和O2组成。
5.权利要求1的方法，其中
所述气体组合物基本上由CF4和O2组成，并且CF4流量与O2流量的比为1∶10-5∶1；或者
所述气体组合物基本上由NF3和O2组成，并且NF3流量与O2流量的比为1∶10-5∶1。
6.权利要求5的方法，其中CF4流量与O2流量的比、或者NF3流量与O2流量的比为1∶5-2∶1。
7.权利要求6的方法，其中气体组合物的总流量为250sccm-2000sccm，并且等离子体处理腔处于20mTorr-1000mTorr的压力下。
8.权利要求1的方法，其中通过以两种不同的频率向下电极供应两个不同的功率水平同时使上电极接地来激励所述气体组合物。
9.权利要求1的方法，其中各向同性地刻蚀所述上电极的等离子体暴露表面。
10.权利要求1的方法，其中在刻蚀期间上电极的温度为50℃-200℃。
11.权利要求1的方法，该方法还包括：
在等离子体处理腔中等离子体刻蚀多个包含低k电介质层的半导体衬底，其中在等离子体刻蚀低k电介质层期间在上电极的等离子体暴露表面上形成黑硅或黑碳化硅。
12.权利要求1的方法，其中所述刻蚀从上电极的等离子体暴露表面除去50nm-500nm的深度。
13.权利要求1的方法，该方法还包括从上电极以外的等离子体处理腔中的硅元件上刻蚀黑硅，或者从上电极以外的等离子体处理腔中的碳化硅元件上去除黑碳化硅。
14.一种从电容耦合等离子体处理腔的已用电极表面除去黑硅的方法，所述方法包括：
向等离子体处理腔供应(i)CF4流量与O2流量的比或者(ii)NF3流量与O2流量的比为1∶10-5∶1的包含CF4和O2或者NF3和O2的气体组合物，所述等离子体处理腔包括硅的下电极和上电极，其具有表面上具有黑硅的等离子体暴露表面；
激励所述气体组合物以产生等离子体；和
从所述上电极的等离子体暴露表面各向同性刻蚀至少一部分黑硅。
15.权利要求14的方法，该方法包括从上电极的等离子体暴露表面除去50nm-500nm的深度。
16.权利要求14的方法，其中所述上电极包括喷头状电极和外部电极环，每个均由单晶硅、多晶硅或者无定形硅制成。
17.权利要求14的方法，其中在刻蚀期间所述上电极的温度为50℃-200℃.
18.权利要求14的方法，其中CF4流量与O2流量的比或者NF3流量与O2流量的比为1∶5-2∶1。
19.权利要求18的方法，其中气体组合物的总流速为250sccm-2000sccm，并且等离子体处理腔处于20mTorr-1000mTorr的压力下。
20.权利要求14的方法，其中通过以两种不同的频率向下电极供应两个不同的功率水平同时使上电极接地来激励所述气体组合物。
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