CN101540272A

CN101540272A - 一种去除腔室副产物的等离子清洗方法和等离子处理系统

Info

Publication number: CN101540272A
Application number: CN200910082929A
Authority: CN
Inventors: 吴桂龙
Original assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Beijing North Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2009-04-24
Publication date: 2009-09-23
Anticipated expiration: 2029-04-24
Also published as: CN101540272B

Abstract

本发明公开了一种去除腔室副产物的等离子清洗方法和一种刻蚀工艺的等离子处理系统，其中，所述等离子清洗方法在具体刻蚀工艺步骤完成后，可以包括以下步骤：排空腔室中的残气；通入清洗气体，以形成等离子体进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％－15％；清洗完成后，排空腔室中的残气。本发明可以应用在主要产生碳基副产物的刻蚀工艺之后，由于本发明在清洗气体中增加了适量的含氟气体，将通常的两步清洗过程改进为一步清洗过程，缩短片间的针对碳基副产物的清洗时间，提高清洗效率；并且由于减少了进入腔室的含氟气体，可以减少对机台的损伤，提高机台的保养周期。

Description

一种去除腔室副产物的等离子清洗方法和等离子处理系统

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺过程的技术领域，特别是涉及一种在工艺过程中，去除腔室副产物的等离子清洗方法以及一种刻蚀工艺的等离子处理系统。

背景技术

随着半导体工业中集成电路的尺寸不断的缩小，对于集成电路制造的等离子刻蚀工艺来说，片间的刻蚀的稳定性成为一个主要的考虑因素。而腔室中的沉积的化合物将是对工艺的漂移(例如：刻蚀速率、刻蚀的形貌、刻蚀的选择性及其刻蚀的均匀性等)产生非常重要的影响。

具体的，随着对晶圆的刻蚀会在腔室壁上形成一些副产物的沉积，这种沉积的副产物在后续的刻蚀过程中，会放出对后面晶圆刻蚀有影响的其他气体，或者通过反应消耗掉正常刻蚀所需的反应气体，这对工艺的稳定性来说是很不利的。因此设备供应商一直致力研究控制腔室环境的自动清洗步骤(WAC)，其目的就是增加机台的稳定性、提高机台的保养周期(MTBC)。

一种典型的硅刻蚀设备的反应腔室如图1所示。在进行刻蚀工艺时，硅片102被传入工艺腔室101内，硅片被放置在静电卡盘(ESC)103上，当静电卡盘完成对硅片的吸附后，工艺气体由喷嘴104通入工艺腔室，并对工艺气体施加RF功率，使之产生等离子体105，从而实现对硅片102的刻蚀。而在刻蚀之后，就会随着各种具体工艺的不同，产生各种可能的副产物沉积，其中碳基的副产物沉积是一个重要的副产物。

现有技术方案中，在形成副产物沉积后，一般通过等离子清洗工艺对其进行消除。通常的等离子清洗工艺由两个主要工艺步骤组成：第一步工艺的工艺气体包含比例大于75％的含氟气体(X_yF_z)，在高压、高上射频功率的条件下形成等离子体，以去除硅和硅基反应产物；第二步工艺的工艺气体包含比例大于50％的氧气(O₂)，形成等离子体并主要去除碳和碳基反应产物。

一般的，上述等离子清洗方法可以针对不同工艺形成的副产物沉积进行清除，如果沉积物较多的话，可以通过延长时间的方法来清洗副产物。但是这样的话，在某种程度上会降低机台的产能。同时，由于大量的含氟气体引入腔室，而氟会对机台腔室内部涂层进行破坏，生成额外的副产物，影响腔室中的环境，影响工艺结果的稳定性。

因此，目前迫切需要本领域技术人员解决的一个技术问题是：如何能够快速有效的去除腔室中的副产物，减少对腔室中环境的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种去除腔室副产物的等离子清洗方法以及一种具有自动清洗功能的等离子处理系统，其能够快速有效的去除腔室中的碳基副产物，并且可以减少对机台的损伤，提高机台的保养周期。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种去除腔室副产物的等离子清洗方法，在具体刻蚀工艺步骤完成后包括：排空腔室中的残气；通入清洗气体，以形成等离子体进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％-15％；清洗完成后，排空腔室中的残气。

优选的，所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为0％-10％。

更优选的，所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为5％。

优选的，所述进行清洗操作的时间为5-10秒。

更优选的，所述进行清洗操作的时间为5秒。

优选的，针对含氟气体X_yF_z，z/y大于等于2。

优选的，所述含氟气体为SF₆，或者NF₃，或者二者的混合物。

优选的，所述氧气的流量为200sccm标况毫升每分。

优选的，所述刻蚀工艺步骤为零层刻蚀工艺步骤。

依据本发明的另一实施例，还公开了一种刻蚀工艺的等离子处理系统，包括具有进气口和抽气系统的腔室，还包括：

排气控制装置，用于在具体刻蚀工艺步骤完成后开始清洗之前，以及清洗完成后，通过腔室的进气口通入惰性气体，并通过抽气系统抽空腔室，以排走腔室中的残气；

清洗控制装置，用于通过腔室的进气口通入清洗气体，并通过控制工艺条件形成等离子体，对腔室进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％-15％。

优选的，所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为5％；所述进行清洗操作的时间为5秒；所述氧气的流量为200sccm标况毫升每分。

优选的，所述含氟气体为SF₆，或者NF₃，或者二者的混合物；所述刻蚀工艺步骤为零层刻蚀工艺步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将两步清洗过程改为一步清洗过程，在清洗气体中增加了适量的含氟气体，从而可以非常有效的去除碳基副产物，缩短片间的清洗时间，提高清洗效率，提高机台产能。并且，本发明整个清洗过程中减少了进入腔室的含氟气体，减少了对机台内部涂层的损害，减少对机台的损伤，提高机台的保养周期。总之，本发明可以应用在主要产生碳基副产物的刻蚀工艺之后，将通常的两步清洗过程改进为一步清洗过程，提高清洗效率，提高机台保养周期。

附图说明

图1是一种现有的典型的硅刻蚀设备的反应腔室示意图；

图2是一种含氟气体SF₆的电离方式示意图；

图3是本发明的一种去除腔室副产物的等离子清洗方法的步骤流程图；

图4是一种典型的零层刻蚀工艺中硅片的示意图；

图5是图4中图形区域401的一种典型的膜层结构示意图；

图6是应用本发明进行片间清洗之后，机台刻蚀速率的测量值变化图。

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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

通过研究发现，在清洗气体中添加少量的含氟气体可以促使氧气的电离，提高对碳基副产物的清洗效果，但是大量的含氟气体则可能和碳基副产物结合，生成难以去除的物质，而具体的比率则需要通过实验确定的。参照图2，示出了含氟气体SF₆的电离方式示意图。本发明就是基于上述发现而提出的。

参照图3，示出了本发明一种去除腔室副产物的等离子清洗方法的步骤流程图，在某一具体刻蚀工艺步骤完成之后，进行下述步骤：

步骤301、向腔室中通入惰性气体，以排走腔室中的残气；

步骤302、通入清洗气体，以形成等离子体进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％-15％；

步骤303、清洗完成后，向腔室中通入惰性气体，以排走腔室中的残气。

需要说明的是，在排空腔室中的残气时，也可以采用通入其他气体的方式完成，并不局限于惰性气体；当然，采用惰性气体的效果更佳。

本发明具体的实验方案是首先通过公认有效的清洗过程使腔室足够‘干净’，然后进行零层刻蚀(零层的刻蚀采用的CxFy的单气体组分或者含有CxFy的多气体组分为反应气体)，刻蚀完成后，通入惰性气体排走腔室中的残气，接着进行表1所示的各个参数下的清洗工艺，并通入惰性气体排走腔室中的残气，最后进行刻蚀速率的测量。进而从多个实施例中，找出最有效的去除碳基副产物的等离子清洗程式，提高机台的工艺稳定性。

本发明的实验方案针对零层刻蚀工艺之后的腔室进行清洗，其原因是其刻蚀后腔室壁上覆盖的主要是碳基副产物，应用本发明的效果比较突出。下面对零层刻蚀工艺步骤进行简单介绍。

零层的刻蚀是半导体工艺中很必要的、很关键的一个刻蚀工艺，是大规模、超大规模集成电路制造的重要组成部分。零层的刻蚀工艺直接关系到半导体各层的曝光和对准，直接影响器件性能。零层的光阻的覆盖比率＞99％，所以零层的刻蚀过程中腔室壁上覆盖着主要是碳基的副产物，这和其他层的刻蚀工艺来说有很大的不同。这也是本发明应用在对零层刻蚀工艺之后的腔室的清洗过程中，效果非常突出的原因之一。

参照图4，是一种典型的零层刻蚀工艺中硅片的示意图，其中，黑色区域401用于标识零层刻蚀中有图形的位置，剩余区域402整个完全由光阻(PR)覆盖。通常情况下，零层刻蚀工艺中的整片晶圆上99％以上都被光阻(PR)覆盖，因此，刻蚀完成后产生的基本都是碳基副产物。

参照图5，是图4中图形区域401的一种典型的膜层结构示意图，其中，单晶硅衬底501上沉积了二氧化硅层502，并在二氧化硅层502上覆盖了具有一定图形的光阻(PR)层503，在图5中，没有被光阻(PR)层503覆盖的区域504就是需要在零层刻蚀工艺步骤中被刻蚀掉的区域。

下面是本发明具体试验方案的实例表格。

表1

在上面的5个实例中，均是先采用CxFy的单气体组分或者含有CxFy的多气体组分为反应气体进行零层刻蚀，刻蚀时间大约为120s。然后分别采用现有技术方案的两步清洗过程，以及采用本发明不同的O₂/SF₆的配比进行试验，以观察其对清洗时间和刻蚀速率的影响。其中的清洗时间可以通过检测清洗终点等方式得到(例如，通过光学发射光谱仪OES检测反应终点而停止清洗，以得到清洗时间数值)；其中的刻蚀速率可以通过现有的光学检测方法测量刻蚀前值，刻蚀后测量后值，然后用后值减去前值除以刻蚀时间，即可得到刻蚀速率。

从上面的5个实例的具体数据中，可以看出，为了达到相对稳定的刻蚀速率，本发明的各个实现方案均可以获得比现有技术更快的清洗时间。而由于实际应用中的清洗，都是在各个片间进行的，每次清洗缩短一些，整个机台的产能将大大提高。

需要说明的是，在本发明的试验方案中，需要通过检测终点的方式控制清洗过程，在具体的带有自动清洗功能的刻蚀设备中，则可以直接通过时间来控制清洗过程，例如，直接设定为输入清洗气体的流量配比为200O₂/10SF₆，清洗时间为5s。

另外，上述的各个试验方案中，都是直接以氧气的流量为200sccm(标况毫升每分)作为基准的，而实际上，在本发明中，氧气的流量(或者说清洗气体的流量)是可变的，一般的可以氧气的流量可以在50-500sccm之间进行选择，比较优选的是200sccm，因此在上面的试验方案中均采用200sccm进行。由于氧气的流量太大的话，会导致整个腔室的压力比较难控制(例如，低压效果)，从而会影响清洗效果，所以一般可以采用50-500sccm之间的流量。

在上述的各个试验方案中，采用的是SF₆作为含氟气体和氧气进行配合使用，而在实际应用中，采用其他的含氟气体也完全是可行的，例如NF₃；甚至二者的混合气体也是可行的。再扩展一些，假设含氟气体采用X_yF_z来表示，则只要z/y大于等于2，在本发明应用条件下为气态的含氟化合物都可以作为本发明的含氟气体进行使用，例如，C₄F₈。

参照图6，示出了应用本发明进行片间清洗之后，机台刻蚀速率的测量值变化图。其中，均是先采用CxFy的单气体组分或者含有CxFy的多气体组分为反应气体进行零层刻蚀，刻蚀时间大约为120s；然后在片间采用本发明流量配比为200O₂/10SF₆，清洗时间为5s的清洗方案进行腔室的清洗，每完成一盒零层产品的刻蚀之后，对机台的刻蚀速率进行测量，记录形成图6。从图6可以看出，应用本发明作为片间的清洗方案，可以保持较好的刻蚀速率稳定性，不会造成工艺的漂移。

对于本发明的各个试验方案，在清洗时的腔室压力以及功率等条件均可以采用和现有技术基本相似的条件，例如，清洗时的腔室压力可以在2mTorr(mT)至40mTorr(mT)之间，优选的是20mT；变压器耦合等离子(TCP)功率可以约为500W至1500W，较佳的是800W至1000W，最优的是1000W。由于本发明的清洗过程和现有技术比较接近，主要的改进是清洗气体配比和清洗时间上，所以对于其他未详细说明之处，应属于本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述。

相应的，本发明还公开一种具有自动清洗功能的等离子处理系统实施例，包括具有进气口和抽气系统的腔室，其还具有射频电源以产生辉光放电，从而形成等离子体以完成刻蚀或者清洗过程。本发明实施例的特点在于，还包括：

排气控制装置，用于在具体刻蚀工艺步骤完成后开始清洗之前，以及清洗完成后，通过腔室的进入口通入惰性气体，并通过抽气系统抽空腔室，以排走腔室中的残气；

清洗控制装置，用于通过腔室的进入口通入清洗气体，并通过控制工艺条件形成等离子体，对腔室进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％-15％。

上述两个装置可以采用计算机软件的方式实现，通过计算机控制操作，而自动的在设定的晶片处理间隔中执行清洗操作。优选的，设定参数值为：所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为5％；所述进行清洗操作的时间为5秒；所述氧气的流量为200sccm标况毫升每分。其中，所述含氟气体可以为SF₆，或者NF₃，或者二者的混合物。

在本发明的一个优选应用中，在零层刻蚀工艺步骤后的自动清洗设置中采用本发明进行，而在其他硅基副产物较多的刻蚀工艺步骤之后，仍然采用现有的两步清洗方式，即将本发明和现有技术结合使用，各取所长，既可以充分利用本发明提高机台产能，又不会由于本发明对某些刻蚀工艺副产物清洗效果不佳而影响整个机台的清洗效果和保养周期。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的一种去除腔室副产物的等离子清洗方法以及一种具有自动清洗功能的等离子处理系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1、一种去除腔室副产物的等离子清洗方法，其特征在于，在具体刻蚀工艺步骤完成后包括：

排空腔室中的残气；

通入清洗气体，以形成等离子体进行清洗操作；所述清洗气体由氧气和含氟气体组成，其中，含氟气体/氧气的流量比率为0％-15％；

清洗完成后，排空腔室中的残气。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为0％-10％。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为5％。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述进行清洗操作的时间为5-10秒。

5、如权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述进行清洗操作的时间为5秒。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

针对含氟气体X_yF_z，z/y大于等于2。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述含氟气体为SF₆，或者NF₃，或者二者的混合物。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述氧气的流量为200sccm标况毫升每分。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述刻蚀工艺步骤为零层刻蚀工艺步骤。

10、一种刻蚀工艺的等离子处理系统，包括具有进气口和抽气系统的腔室，其特征在于，还包括：

11、如权利要求10所述的等离子处理系统，其特征在于，

所述清洗气体中含氟气体/氧气的流量比率为5％；

所述进行清洗操作的时间为5秒；

所述氧气的流量为200sccm标况毫升每分。

12、如权利要求10或11所述的等离子处理系统，其特征在于，

所述含氟气体为SF₆，或者NF₃，或者二者的混合物；

所述刻蚀工艺步骤为零层刻蚀工艺步骤。