CN101903984B - 利用等离子体清洁处理形成钝化层以降低自然氧化物生长的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述的实施例提供用于去除基板上的自然氧化物,同时将下方的基板表面予以钝化的方法。在一实施例中,提供一种方法,所述方法包括:将包含氧化物层的基板放置于处理腔室内;调整所述基板的第一温度到约80℃或更小;在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体,其中所述气体混合物包含氨和三氟化氮且NH3/NF3摩尔比例为约10或更高;及使所述清洁等离子体凝结到所述基板上。在等离子体清洁工艺期间,部分地由自然氧化物形成含有六氟硅酸铵的薄膜。所述方法还包括在所述处理腔室内加热所述基板到约100℃或更高的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面。

Description

利用等离子体清洁处理形成钝化层以降低自然氧化物生长的方法

技术领域

[0001] 本发明的实施例大致上涉及用以处理基板的方法,并且特别是涉及等离子体清洁工艺期间的氧化物蚀刻的方法。

背景技术

[0002] 在半导体、显示器、太阳能电池与其他电子装置制造中,当基板表面暴露于空气中的氧和水,典型地会形成自然氧化物。在大气或外界(ambient)条件下或在少量氧留置在工艺腔室中时移动基板于多个工艺腔室之间时发生氧的暴露。自然氧化物也可以由蚀刻工艺期间的污染造成。自然氧化物膜通常非常薄,例如介于5-20人之间,但厚到足以造成后续制造过程中的困难。所以,通常不希望有自然氧化物层,且需要在后续的制造过程之前将所述自然氧化物层去除。

[0003] 这样的困难通常会影响形成在基板上的电子器件的电学性质。例如,特定问题出现在自然氧化硅膜形成于暴露的含硅层上时,尤其是在处理金属氧化物硅场效应晶体管(“M0SFET”)结构期间。氧化硅膜是电绝缘的,并且氧化硅膜在与接触电极或互连电路径之间的界面处是不希望有的,这是因为氧化硅膜会造成高的电接触电阻。在MOSFET结构中,电极与互连路径包括硅化物层,其中所述硅化物层是通过沉积耐熔金属于裸硅上及将所述层退火以产生金属硅化物层来形成。位于基板与金属之间界面的自然氧化硅膜通过阻碍用以形成金属硅化物的扩散化学反应而降低金属硅化物层的组成均匀性。由于电接触处的过热,这会导致低的基板良率以及高的失效率。自然氧化硅膜也会阻碍其他CVD层或溅射层的附着,其中所述CVD层或溅射层后续地被沉积在基板上。

[0004] 溅射蚀刻工艺已经用来减少深宽比小于约4 : I的大特征结构中或小特征结构中的污染物。然而,溅射蚀刻工艺会通过物理轰击损坏精致的硅层。对此,使用氢氟酸的湿法蚀刻工艺也已经用来去除自然氧化物。然而,湿法清洁蚀刻工艺对于深宽比超过4 : I且特别是深宽比超过10 : I的更小的器件是不利的。尤其,液体溶液具有穿透到通孔、接触或其他形成在基板表面内的小特征结构的困难度。因此,自然氧化物膜的去除并不完全。同样地,如果蚀刻溶液成功地穿透小特征结构,一旦蚀刻完成后,湿法蚀刻溶液更加难以从特征结构去除。此外,湿法蚀刻工艺通常具有严格的时序控制、会在基板上产生不期望的水痕、并且因大量的有毒废水而造成环境问题。

[0005] 另一种去除自然氧化物膜的方式是干法蚀刻工艺,例如使用氟(F2)气体的干法蚀刻工艺。但是,使用含氟气体的缺点即是氟典型地会残留在基板表面上。残留在基板表面上的氟原子或氟基团是有害的。例如,残留的氟原子会持续蚀刻基板,在基板内形成孔隙。

[0006] 更近来的一种去除自然氧化物的方式是在基板表面形成含氟/硅盐,所述盐随后由热退火工艺来去除。在此方式中,通过使含氟气体与氧化硅表面反应来形成薄的盐层。然后,盐层被加热到足以将盐层分解成挥发性副产物的高温,其中所述副产物随后从处理腔室来去除。反应性含氟气体的形成通常是由热力加成或由等离子体能量来辅助。通常在基、板表面的冷却所需要的低温形成盐层。此种冷却而接着加热的顺序是通过将基板从冷却腔室(在此处基板被冷却)传送到独立的退火腔室或炉(在此处基板被加热)来达成。

[0007] 基于各种理由,此反应性氟处理顺序是不期望的。也就是,由于所述反应性氟处理顺序涉及基板传送的时间,产能会大幅地降低。此外,在多个腔室之间传送基板的期间,基板极容易遭受进一步的氧化或其他的污染。再者,因需要两个独立的腔室来完成氧化物去除工艺,这会使成本加倍。

[0008] 因此,需要一种方法来去除或蚀刻自然氧化物,同时可钝化下方的基板表面,较佳是在单个处理腔室内进行。

发明内容

[0009] 本文描述的实施例提供用于去除基板上的自然氧化物,同时将下方的基板表面钝化的方法。在一个实施例中,本发明提供一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述 方法包括:将表面上含有氧化物层的基板放置于处理腔室内;调整所述基板的第一温度到约80°C或更小;在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体,其中所述气体混合物包含氨和三氟化氮且NH3/NF3摩尔比例为约10或更高;及在等离子体清洁工艺期间,使所述清洁等离子体凝结到所述基板上且形成薄膜。所述薄膜包含部分由自然氧化硅层的硅形成的六氟硅酸铵。所述方法还包括在所述处理腔室内加热所述基板到约100°c或更高的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面。在一实例中,所述基板的第一温度介于约20°C至约80°C之间,所述基板的第二温度介于约100°C至约200°C之间。在另一实例中,所述基板的第一温度介于约22°C至约40°C之间,所述基板的第二温度介于约110°C至约150°C之间。

[0010] 在另一实施例中,本文提供一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述方法包括:将表面上含有氧化物层的基板放置于处理腔室内;调整所述基板的第一温度到小于约100°C ;在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体。所述气体混合物包含氨和三氟化氮且NH3/NF3摩尔比例为约20或更高,并且所述清洁等离子体以约5瓦至约50瓦之间的RF功率来产生。所述方法还包括在等离子体清洁工艺期间,将所述基板暴露于所述清洁等离子体以形成含六氟硅酸铵的薄膜。所述方法还包括在所述处理腔室内加热所述基板到约100°C或更高的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面。

[0011] 在另一实施例中,本文提供一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述方法包括:将表面上含有氧化物层的基板放置于处理腔室内;调整所述基板的第一温度到小于约100°C ;在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体。所述气体混合物包含氨和三氟化氮且NH3/NF3摩尔比例为约10或更高,并且所述清洁等离子体以约5瓦至约50瓦之间的RF功率来产生。所述方法还包括:在等离子体清洁工艺期间,将所述基板暴露于所述清洁等离子体以形成薄膜,其中所述薄膜包含部分由氧化硅层形成的六氟硅酸铵;在所述处理腔室内加热所述基板到约100°C或更高的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面;及在所述基板的钝化表面上生长外延层。

[0012] 本发明的实施例提供使NH3/NF3摩尔比例可以为约10、约15、约20或更高,同时所述清洁等离子体以约5瓦至约50瓦之间(较佳为约15瓦至约30瓦)的RF功率来产生。所述气体混合物是通过将氨和三氟化氮流到且结合到所述处理腔室内来形成的。氨的流速可以介于约20sccm至约300sccm之间,较佳为介于约40sccm至约200sccm之间,更佳为介于约60sccm至约150sccm之间,且更佳为介于约75sccm至约IOOsccm之间。三氟化氮的流速可以介于约Isccm至约60sccm之间,较佳为介于约2sccm至约50sccm之间,更佳为介于约3sccm至约25sccm之间,且更佳为介于约5sccm至约15sccm之间。

[0013] 在随后暴露于所述处理腔室外面的外界条件时,所述钝化表面限制了在所述基板上额外的自然氧化物生长的进一步形成。例如,在外界环境中,后形成的自然氧化物层可以在约5小时至约25小时之间的时间内形成为具有约6A或更小的厚度。在另一实施例中,在外界环境中,后形成的自然氧化物层可以在约15小时至约30小时之间的时间内形成为具有约8人或更小的厚度。在另一实施例中,在去除自然氧化物层之后,可以在所述基板的钝化表面上生长外延层。

附图说明

[0014] 本发明的前述特征、详细说明可以通过参照实施例来详细地了解,一些实施例图示在附图中。然而,值得注意的是附图仅示出本发明的典型实施例,并且因此不会限制本发明范围,本发明允许其他等效的实施例。

[0015] 图I示出基板的部分透视图,其中所述基板具有浅沟槽隔离区,所述浅沟槽隔离区形成在所述基板中,如本文的实施例所述。

[0016] 图2示出浅沟槽隔离区的部分截面图,如本文的实施例所述。

[0017] 图3示出根据本发明实施例的处理腔室的截面图。

[0018] 图4A至图41示出根据本发明另一实施例的用于形成浅沟槽隔离区的工艺顺序的截面示意图。

[0019] 图5A至图5H示出用于形成以STI隔离的电子器件的工艺顺序的截面示意图,如本文的实施例所述。

[0020] 图6显示在各种钝化基板表面上氧化物生长速率的图表,如本文的一些实施例所述。

具体实施方式

[0021] 图I示出基板10的部分透视图,其中所述基板10具有浅沟槽隔离区,所述浅沟槽隔离区形成在基板10中。图中显示的基板10仅部分地制造,并且具有形成在硅层I中的浅沟槽2。硅层I可以是含硅的底层或可以是实际的下层基板。浅沟槽2被填以氧化物,并用来隔离内建的电子器件(在此例中为晶体管)。源极3和漏极4可以通过注入离子到浅沟槽2内来形成在浅沟槽2中。多晶硅5设置在源极3与漏极4之间,而栅极氧化物层6设置在娃层I与多晶娃5之间。

[0022] 图2示出沿着切线2-2的基板10的部分截面图。图2显示多晶硅5接触浅沟槽2之处。浅沟槽2是由热氧化物层7与沉积的氧化物层8来形成。预-多晶蚀刻/清洁步骤是通过使用HF的湿法蚀刻工艺来执行。因HF蚀刻热氧化物层7的速度比蚀刻沉积的氧化物层8更快,间隙9形成在浅沟槽2中。随后的多晶硅沉积使得多晶硅5填入间隙9且包覆源极3或漏极4,造成了寄生结(parasitic junctions)或漏电流。[0023] 图3示出根据本发明实施例的处理腔室100的截面图。在此实施例中,处理腔室100包括设置在腔室主体112的上端的盖组件200、以及至少部分设置在腔室主体112内的支撑组件300。处理腔室也包括远程等离子体产生器140,远程等离子体产生器140具有U型截面的远程电极。较佳地,处理腔室100与相关的部件是由一或多种与工艺相容的材料来形成,例如铝、阳极化铝、镀镍的铝、镀镍的铝6061-T6、不锈钢、以及前述组合和上述材料的合金。

[0024] 支撑组件300部分地设置在腔室主体112中。支撑组件300由轴314来上升和下降,其中所述轴314被折箱(bellow) 333围绕。腔室主体112包括形成于腔室主体的侧壁中的狭缝阀开口 160,以提供进入处理腔室100的内部的入口。选择性开启和关闭狭缝阀开口 160,以便允许基板处理机器手臂(未示出)进出腔室主体112内部。在一实施例中,可透过狭缝阀开口 160将基板传送进出处理腔室100到邻近的传送腔室和/或负载锁定腔室(未示出),或组合工具内的其他腔室。示范的群集工具包括但不限于可从加州的圣克拉拉市的应用材料公司购得的PRODUCER®、CENTURA®、ENDURA®和ENDURA@SL平台。 [0025] 腔室主体112还包括形成于所述腔室主体112中的通道113,用于在所述通道113中流通传热流体。传热流体可以是加热流体或冷却剂,用于在处理和基板传送期间控制腔室主体112的温度。腔室主体112的温度是重要的,以防止气体或副产物在腔室壁上的不期望凝结。示范性传热流体包括水、乙二醇或上述流体的混合物。示范性传热流体还可包括氮气。

[0026] 腔室主体112还包括内衬133,内衬133围绕支撑组件300并且为了维护和清洗是可拆卸的。内衬133较佳由例如铝的金属或陶瓷材料所制成。然而,在处理期间可以使用相容的其它材料。为了增加沉积于内衬133上的任何材料的附着,可喷砂处理内衬133,从而避免导致处理腔室100的污染的材料剥落。内衬133通常包括一或多个孔洞135和形成于所述内衬中的泵送通道129 (所述泵送通道129与真空系统流体连通)。孔洞135提供气体进入泵送通道129的流动路径,而泵送通道提供通过内衬133的流动路径,以便气体可以离开处理腔室100。

[0027] 真空系统可以包括真空泵125和节流阀127,以用于调节处理腔室100内的气体流动。真空泵125连接到设置在腔室主体112上的真空口 131,并且流体连通于形成在内衬133中的泵送通道129。为了调节处理腔室100内的气体流动,可通过节流阀127选择性隔离真空泵125和腔室主体112。除非另外指出,可互换地使用术语“气体”和“多种气体”,且指一或多种前驱物、反应物、催化剂、载体、净化剂(purge)、清洁剂、上述物质的组合以及任何导入腔室主体112内的其他流体。

[0028] 盖组件200包括堆叠在一起的多个部件。例如,盖组件200包括盖缘210、气体输送组件220和顶板250。盖缘210设计成支撑构成盖组件200的多个部件的重量,并且所述盖缘210耦接到腔室主体112的上表面,以提供对内部腔室部件的入口。气体输送组件220耦接到盖缘210的上表面,并布置成使所述气体输送组件与盖缘的热接触达到最小。盖组件200的部件较佳由具有高热导率和低热阻的材料所制成,诸如具有高光滑度表面的铝合金。部件的热阻较佳小于约5X10_4m2K/W。

[0029] 气体输送组件220可包括气体分布板225或喷头。通常用气体供应面板(未不出)向处理腔室100提供一或多种气体。取决于将要在处理腔室100内执行的工艺而使用特定的气体或数种气体。例如,典型的气体包括一或多种前驱物、还原剂、催化剂、载体、净化剂、清洁剂、或上述物质的混合物或组合。通常,使导入处理腔室100的一或多种气体进入盖组件200并随后经由气体输送组件220进入腔室主体112。电子操作阀和/或流动控制机构(未示出)可用来控制从气体供应器到处理腔室100内的气体流动。

[0030] 一方面中,将气体从气体供应面板输送到处理腔室100,其中气体路线分成两个独立的气体路线,所述独立的气体路线如上述般提供气体给腔室主体112。取决于工艺,可以用这种方式来输送任何数目的气体,并可在处理腔室100中或在将所述气体传送到处理腔室100之前将所述气体混合。 [0031] 仍然参照图3,盖组件200还可包括电极240,用以在盖组件200内产生反应物种的等离子体。在此实施例中,电极240被支撑在顶板250上,并且与所述顶板电性隔离。隔离体填充环(未示出)设置在电极240的底部周围,使电极240与顶板250分离。环形隔离体(未示出)设置在隔离体填充环的上部周围并设置在顶板250的上表面上,如图3所示。接着将环形隔离体(未示出)设置在电极240的上部附近,以便让电极240与盖组件200的其他部件电性隔离。这些环、隔离体填充环和环形隔离体的每个可以由氧化铝或任何其他与工艺相容的电绝缘材料制成。

[0032] 电极240耦接到功率源340,同时气体输送组件220接地。因此,一或多种处理气体的等离子体可在电极240和气体输送组件220之间形成的空间内引燃。等离子体也可容纳于区隔板形成的空间中。在缺少区隔板组件的情况下,等离子体被引燃并被容纳于电极240和气体输送组件220之间。在任一实施例中,等离子体可良好地被限制或被容纳于盖组件200内。

[0033] 可使用能够将气体活化成反应物种并保持反应物种的等离子体的任何功率源。例如,可使用射频(RF)、直流电流(DC)、交流电流(AC)或微波(MW)基功率放电技术。还可由热基技术、气体击穿技术、高强度光源(例如UV能量)或暴露于X-射线源来产生活化。替代地,可使用例如远程等离子体产生器的远程活化源,来产生随后将传送到处理腔室100中的反应物种的等离子体。示范性远程等离子体产生器可由诸如MKS Instruments, Inc.和Advanced Energy Industries, Inc.的供应商提供。较佳地,RF功率供应稱接至电极240。

[0034] 取决于处理气体和将要在处理腔室100内执行的操作,可加热气体输送组件220。在一个实施例中,例如电阻式加热器的加热构件270耦接至气体输送组件220。在一个实施例中,加热构件270是管状构件,并且嵌入气体输送组件220的上表面。气体输送组件220的上表面包括具有略小于加热构件270的外径的宽度的沟槽或凹陷通道,以便利用过盈配合(interference fit)将加热构件270固持在沟槽中。

[0035] 由于输送组件220 (包括气体输送组件220和区隔元件230)的每个部件是彼此传导耦接的,因此加热构件270可调节气体输送组件220的温度。可以在2005年2月22日申请的美国专利申请案号11/063,645而公开为US2005-0230350中获得处理腔室的额外细节,这里将所述美国专利申请作为参考文献。

[0036] 对于执行需要加热和冷却基板表面而不破坏真空的等离子体辅助干法蚀刻工艺而言,处理腔室100是特别有用的。在一个实施例中,处理腔室100可用来选择性去除基板上的一或多种氧化物。

[0037] 在一个实例中,使用氨(NH3)和三氟化氮(NF3)的气体混合物来去除一或多种硅氧化物的干法蚀刻工艺可以执行于处理腔室100内。相信除了均在单一处理环境内的基板加热和冷却以外,对于可从等离子体处理受益的任何干法蚀刻工艺(包括退火工艺)而言,处理腔室100是有利的。

[0038] 参照图3,干法蚀刻工艺开始于将基板110放入处理腔室100中。基板通常通过狭缝阀开口 160被放入腔室主体112中,并设置在支撑构件310的上表面上。可将基板110夹持到支撑构件310的上表面。较佳地,可通过抽取真空将基板110夹持到支撑构件310的上表面。接着,如果支撑构件310还没有处于处理位置,则将支撑构件310上升至腔室主体112内的处理位置。较佳地将腔室主体112加热至约50°C至约80°C之间的温度,例如约65°C。通过使传热介质流过通道113而保持腔室主体112的温度。

[0039] 通过将传热介质或冷却剂流过形成于支撑组件300内的通道,基板110被冷却至约65°C以下,例如约15 V至约50 V之间。在一个实施例中,将基板保持在室温或室温以下。在另一实施例中,将基板加热到约22°C至约40°C之间的温度下。通常,为了达到期望的基板温度,将支撑构件310保持在约22°C以下。为了冷却支撑构件310,使冷却剂流过形成于 支撑组件300内的流体通道。为了更好地控制支撑构件310的温度,较佳地使用连续流动的冷却剂。在一实例中,冷却剂含有约50体积百分比(vol % )的乙二醇和50体积百分比(vol%)的水。只要能将基板保持在期望的温度,可以使用其他比例的水和乙二醇。

[0040] 为了选择性去除基板110表面上的各种氧化物,将蚀刻气体混合物导入处理腔室100。在一个实施例中,接着将氨和三氟化氮气体导入处理腔室100内以形成蚀刻气体混合物。导入腔室内的各气体的量是可变的并且可进行调整,以便相配于例如将要去除的氧化物层的厚度、被清洗的基板的几何形态、等离子体的体积容量、腔室主体112的体积容量以及耦接至腔室主体112的真空系统的能力。

[0041] 可预先决定蚀刻气体混合物的比例,以选择性去除基板表面上的多种氧化物。在一个实施例中,可调整蚀刻气体混合物中的多种气体的比例,以去除诸如热氧化物、沉积氧化物和/或自然氧化物的多种氧化物。在一个实施例中,可设定蚀刻气体混合物中的氨与三氟化氮的摩尔比例(在本文中称为順3/即3摩尔比例)以去除自然氧化物。在一个实施例中,添加气体以提供氨与三氟化氮的摩尔比例为至少I : I的气体混合物。在另一实施例中,蚀刻气体混合物的NH3/NF3摩尔比例至少为约10,较佳为约15或更大,且更佳为约20或更大(例如约30)。

[0042] NH3/NF3摩尔比例正比于氨与三氟化氮的气体流速比例。在一个实施例中,氨流入处理腔室内的流速可以介于约20sccm至约300sccm之间,较佳为介于约40sccm至约200sccm之间,更佳为介于约60sccm至约150sccm之间,且更佳为介于约75sccm至约IOOsccm之间。三氟化氮流入处理腔室内的流速可以介于约Isccm至约60sccm之间,较佳为介于约2sccm至约50sccm之间,更佳为介于约3sccm至约25sccm之间,且更佳为介于约5sccm至约15sccm之间。

[0043] 也可将净化气体或载气加入蚀刻气体混合物中。可以使用任何合适的净化气体/载气,例如氩、氦、氢、氮或上述气体的混合物。通常,整个蚀刻气体混合物的氨和三氟化氮为介于约0. 05%至约20%体积百分比,其余为载气。载气流入处理腔室内的流速可以介于约200sccm至约5000sccm之间,较佳为介于约500sccm至约4000sccm之间,更佳为介于约IOOOsccm至约3000sccm之间。在一个实施例中,为了稳定腔室主体112内的压力,在反应气体前先将净化气体或载气导入腔室主体112中。腔室主体112内的操作压力是可变的。通常,腔室主体112的内部压力可以介于约500mTorr至约30Torr之间,较佳为约ITorr至约IOTorr之间,且更佳为介于约3Torr至约6Torr之间。

[0044] 为了在容纳于气体输送组件220中的空间261、262和263内引燃气体混合物的等离子体,可对电极240施加RF功率。RF功率可以介于约5瓦至约600瓦之间,较佳为小于约100瓦(例如约60瓦或更小),较佳为约50瓦或更小,且更佳为约40瓦或更小。在一个实施例中,可在处理期间使用较低的RF功率来点燃气体混合物并形成清洁等离子体。RF功率可以介于约5瓦至约50瓦之间,较佳为介于约15瓦至约30瓦之间。在一个实例中,用约30瓦或更小的RF功率来产生等离子体。在另一实例中,用约15瓦或更小的RF功率来产生等离子体。通常,施加功率的频率是非常低的,例如小于100kHz。较佳地,频率可以介于约50kHz至约90kHz之间。

[0045] 等离子体能量将氨和三氟化氮分解为反应物种,所述反应物种会结合而形成诸如氟化铵(NH4F)和/或氟化氢铵(NH4F^HF2)的反应气体。此气体混合物经由气体分布板225的孔洞225A流过气体输送组件220,以便与含有氧化物层(例如自然氧化硅层)的基 板表面反应。在一个实施例中,首先将载气导入处理腔室100中,产生载气的等离子体,并且随后将反应气体、氨和三氟化氮加到等离子体中。

[0046] 不希望受理论限制,相信蚀刻气体、氟化铵和/或氟化氢铵与氧化硅表面反应,以形成六氟硅酸铵((NH4)2SiF6)、氨和水。可由真空泵125将气体的氨和水从处理腔室100中去除。特别地,在气体经由真空口 131离开处理腔室100进入真空泵125之前,挥发性气体流过形成于内衬133中的孔洞135而进入泵送通道129。含六氟硅酸铵的薄膜形成在基板表面上。可以如下概述这种反应机制:

[0047] NF3+xsNH3 — NH4F+NH4F • HF2+N2

[0048] 2NH4F+2NH4F • HF2+Si02 — (NH4) 2SiF6+2H20+2NH3

[0049] (NH4) 2SiF6+ 热量—2NH3+2HF+SiF4

[0050] 在基板表面上形成薄膜之后,可将支撑构件310上升到紧靠加热的气体分布板225的退火位置。从气体分布板225辐射的热量可将六氟硅酸铵薄膜分解或升华为诸如四氟化硅、氨和氟化氢的挥发性化合物。如上所述,接着可通过真空泵125将这些挥发性产物从处理腔室100中去除。通常,在约75°C或更大的温度下,较佳为约100°C或更大(例如介于约115°C至约200°C之间),将薄膜从基板分解且去除。

[0051] 将六氟硅酸铵薄膜分解成挥发性成分的热能是由气体分布板225来对流或辐射。如上所述,将加热构件270直接耦接到分布板225,并且使加热构件270工作,以便将分布板225及与所述分布板225热接触的部件加热至介于约75°C至约300°C之间的温度,较佳为介于约100°C至约200°C,更佳为介于约110°C至约150°C (例如约120°C )。

[0052] 可以多种方式实现这种上升变化。例如,升降机构330可以朝向分布板225的下表面上升支撑构件310。在此上升步骤期间,将基板110固定至支撑构件310,例如由如上所述的真空夹持或静电夹持。替代地,可以由穿过升降环320来上升升降梢325,将基板110自支撑构件310上升并且置于紧靠加热的分布板225之处。

[0053] 上面具有薄膜的基板110的上表面与分布板225之间的距离不是决定性的,而是例行实验的结果。任何本领域技术人员可以轻易地决定可快速且有效地蒸发薄膜且不损伤下方基板所需的间隔。然而,相信约0. 254mm(10mils)和5. 08mm(200mils)之间的间隔是

有效的。

[0054] 一旦已经将薄膜从基板上去除,便净化(purge)并排空(evacuate)处理腔室100。随后通过将基板支撑件300下降到传送位置、松持基板、以及经由狭缝阀开口 160传送基板,而将处理的基板移出腔室主体112。

[0055] 本发明的一个实施例可用来在浅沟槽隔离区的制造期间均匀地去除多种氧化物。STI是用于亚-0. 25微米工艺的器件隔离技术的主要形式。STI制造通常包括沟槽掩模和蚀刻、侧壁氧化、沟槽填充和平坦化。图4A至图41是根据本发明一实施例的用于形成浅沟槽隔离区的工艺顺序的截面示意图。

[0056] 图4A示出形成氧化物势垒层402和沉积氮化物层403之后的半导体基板401。基板401可以是具有〈100〉晶相且直径为150mm (6英寸)、200mm(8英寸)或300mm (12英寸)的硅基板。可在高温氧化炉中在基板401上生长氧化物势垒层402。氧化物势垒层402的厚度可以为约150人。在后续的氮化物剥离步骤期间,氧化物势垒层402可保护基板401免受污染。可在高温低压化学汽相沉积(LPCVD)炉中形成氮化物层403。氮化物层403 —般是由氨和二氯硅烷气体反应所形成的氮化硅(例如Si3N4)的薄膜。氮化物层403是耐用的掩模材料,所述氮化物层在氧化物沉积期间保护基板401并且在后续化学机械研磨(CMP)期间作为研磨终止材料。

[0057] 图4B示出在氮化物层403上形成、曝光和显影的光刻胶层404。可在光刻胶层404上形成沟槽图案。后续的氮化物蚀刻和氧化物蚀刻步骤可在氮化物层403和势垒层402中形成沟槽图案405,以暴露基板401中指定为隔离区域的位置。

[0058] 图4C示出使用例如干法等离子体蚀刻的蚀刻工艺在基板401内形成浅沟槽406。浅沟槽406稍后将以介电质材料来填充,且所述浅沟槽将作为建构在基板401上的电子器件(例如,基板上金属场效应晶体管(MOSFET))间的隔离材料。

[0059] 图4D示出在浅沟槽406内部形成的内衬氧化物层407。通常在高温氧化炉中生长内衬氧化物层407。内衬氧化物层407的目的是为了改善基板401与将要填充的沟槽氧化物之间的界面。

[0060] 图4E示出在浅沟槽406内的内衬氧化物层407上形成的氮化物内衬408。可通过等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)工艺由载气(诸如氮或氩)中的硅烷和氨形成氮化物内衬408。氮化物内衬408的目的是为了在浅沟槽406中产生应力并避免由受应力的氧化物引起的机械失效。

[0061] 图4F示出填充在浅沟槽406和沟槽图案405内的沟槽氧化物409。通常通过CVD工艺以相当高的沉积速率来形成沟槽氧化物409。过度填充(overfill)沟槽氧化物409,以致沟槽氧化物409高于基板401的顶表面。

[0062] 为了获得如图4G所示的平坦表面,可应用CMP工艺。CMP工艺可从沟槽氧化物409去除过量的氧化物。

[0063] 为了去除氮化物层403及暴露多种氧化物、势垒层402的热氧化物、沟槽氧化物409的沉积氧化物、内衬氧化物层407的热氧化物和氮化物内衬408的氮化氧化物,可执行氮化物剥离步骤,如图4H所示。 [0064] 通常,将执行氧化物蚀刻步骤,以便使浅沟槽结构可用于后续工艺步骤,例如各种阱区离子注入。图41示出在干法蚀刻工艺之后的STI。本发明的干法蚀刻工艺可用于蚀刻图4H中暴露的多种氧化物,以便在浅沟槽409上获得大致上平坦的顶表面并避免不期望的结或漏电流。在一个实施例中,可在与处理腔室100相似的处理腔室内执行干法蚀刻工艺。可将基板400放置在处理腔室内并将所述基板加热到约100°C或更小的温度,较佳为约80°C或更小,且更佳为约60°C或更小,例如介于约20°C至约60°C之间,较佳为介于约25°C至约50°C之间,且更佳为介于约30°C至约40°C之间(例如约35°C )。

[0065] 为了去除基板400表面上的多种氧化物,将蚀刻气体混合物导入处理腔室100。在一实施例中,将包含氨和三氟化氮气体的蚀刻气体混合物导入处理腔室中。为了相配于例如将要去除的氧化物层的厚度、基板400的几何形态、等离子体的体积容量、腔室的体积容量、真空系统的能力以及基板400上不同氧化物的性质,可调整氨和三氟化氮的量和比例。还可将净化气体或载气加到蚀刻气体混合物中。接着引燃蚀刻气体混合物的等离子体。等离子体与氧化物反应而在基板400上留下含六氟硅酸铵的薄膜层。

[0066] 然后,为了将薄膜升华,将基板400加热到约10(TC或更大的温度,例如介于约 100°C至约200°C之间,较佳为介于约100°C至约150°C之间,且更佳为介于约110°C至约125°C之间。接着可净化和排空处理腔室,并且基板100做好进行后续步骤准备。在一个实施例中,基板在蚀刻工艺期间介于约20°C至约80°C之间的第一温度,并且接着在升华工艺期间基板被加热到介于约100°C至约150°C之间的第二温度。在另一实例中,基板在蚀刻工艺期间介于约22°C至约40°C之间的第一温度,并且接着在升华工艺期间基板被加热到介于约110°C至约125°C之间的第二温度。

[0067] 此处描述的蚀刻工艺可用于制造期间的各种蚀刻步骤中,特别是用于去除一或多种氧化物的步骤中。例如,可用此处描述的蚀刻工艺进行注入和沉积之前的多种回蚀。在一个实施例中,可在用来形成含硅材料的外延生长/沉积工艺、多晶硅沉积工艺、或硅化工艺之前使用此处描述的蚀刻工艺。

[0068] 图5A至图5H示出用于形成例如MOSFET结构500的电子器件的工艺顺序的截面示意图,包括此处描述的干法蚀刻工艺和处理腔室100。可在例如硅或砷化锗基板525的半导体材料上形成MOSFET结构500。基板525较佳是具有〈100〉晶相且直径为150mm(6英寸)、200mm(8英寸)、或300mm(12英寸)的硅基板。通常,MOSFET结构500包括以下的组合:(i)介电质层,诸如二氧化硅、有机硅酸盐、碳掺杂的氧化硅、磷硅酸盐玻璃(PSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、氮化硅或上述物质的组合;(ii)半导体层,诸如掺杂的多晶硅、n-型或P-型掺杂的单晶硅;以及(iii)由金属层或金属硅化物层(诸如钨、硅化钨、钛、硅化钛、硅化钴、硅化镍或上述物质的组合)形成的电接触和互连线。

[0069] 参照图5A,有源电子器件的制造开始于形成可使有源电子器件与其他器件电性隔离的电隔离区结构。存在几种类型的电隔离区结构,诸如场氧化物势垒、或浅沟槽隔离区。在此情况中,浅沟槽隔离区545A和545B围绕暴露区域,在所述暴露区域中形成并制备器件的电子有源元件。STI可包括如图4A至图41所述的两种或更多种氧化物。为了形成厚度约50到300埃的薄栅极氧化物层550,而热氧化暴露区域。接着沉积、图案化并蚀刻多晶硅层,以便形成栅极电极555。为了形成绝缘介电质层560,可以再氧化多晶硅栅极电极555的表面,以提供图5A所示结构。

[0070] 图5B示出源极570A和漏极570B,所述源极570A和漏极570B通过以适当的掺杂原子来掺杂合适区域来形成。例如,对于P-型基板525,使用包含砷或磷的n-型掺杂物。通常,掺杂通过离子注入机加以执行,并且可包括例如浓度为约IO13原子/cm2且能量约30到80keV的磷、或剂量约I X IO15到I X IO17原子/cm2且能量约10到IOOkeV的砷。在注入工艺之后,通过加热基板(例如在快速热工艺(RTP)设备中)促使掺杂物进入基板525。此后,通过如上所述的干法蚀刻工艺剥离覆盖源极570A和漏极570B区域的薄栅极氧化物层550,以便去除由注入工艺导致薄栅极氧化物层550中捕获的任何杂质。也可蚀刻浅沟槽隔离区545A和545B中的两种或更多种氧化物。为了相配于不同氧化物所需的各种蚀刻速率,可调整蚀刻气体混合物。

[0071] 参照图5C和图通过低压化学汽相沉积(LPCVD)使用硅烷(SiH4)、氯(Cl2)和氨(NH3)的气体混合物在栅极电极555上和基板525表面上沉积氮化娃层575。如图所示,为了在栅极电极555的侧壁上形成氮化物间隙壁580,随后使用反应离子蚀刻(RIE)技术来蚀刻氮化娃层575。间隙壁580将栅极电极555顶表面上形成的娃化物层与源极570A和漏极570B上沉积的其他硅化物层电性隔离。应该注意的是,可以由例如氧化硅的其他材料来制造电性隔离侧壁间隙壁580。通常通过CVD或PECVD用四乙氧硅烷(TEOS)的原料气在约600°C到约1000°C的温度下沉积用于形成侧壁间隙壁580的氧化硅层。虽然图中示出的是在注入和RTP活化之后形成间隙壁580,但是可在源极/漏极注入和RTP活化之前形成间隙壁580。

[0072] 参照图5E,通常通过在工艺之前和之后将娃暴露于大气中,而在暴露的娃表面上形成自然氧化硅层585。为了改进所形成的金属硅化物的合金化反应和电导率,必须在形成栅极电极555、源极570A和漏极570B上的导电金属硅化物接触前去除自然氧化硅层585。自然氧化硅层585可增加半导体材料的电阻,且不良地影响接下来沉积的硅和金属层的硅化反应。因此,必须在形成用于将有源电子器件互连的金属硅化物接触或导体前使用所述的干法蚀刻工艺去除所述自然氧化硅层585。上述的干法蚀刻工艺可用于去除自然氧化硅层585,以便暴露源极570A、漏极570B和栅极电极555的顶表面,如图5F所示。浅沟槽隔离区545A和545B中的氧化物同样暴露于干法蚀刻工艺。为了在不同表面获得均匀的去除速率,可对干法蚀刻工艺进行适当调整,例如反应气体比例。

[0073] 此后,如图5G所示,为了沉积金属层590,使用物理汽相沉积(PVD)或溅射工艺。随后,为了在金属层590与硅接触的区域中形成金属硅化物,使用传统炉内退火来退火金属和硅层。通常在独立的处理系统中执行退火。因此,可在金属590上沉积保护覆盖层(未示出)。覆盖层通常是氮化物材料,且可以包括由氮化钛、氮化钨、氮化钽、氮化铪、氮化硅、上述物质的衍生物、上述物质的合金或上述物质的组合所构成的群组中选择的一或多种材料。覆盖层可由任何沉积工艺加以沉积,所述沉积工艺较佳为PVD工艺。

[0074] 退火通常包括在氮气环境中将MOSFET结构500加热至介于600°C与800°C之间的温度持续约30分钟。替代地,可使用将MOSFET结构500快速加热到约1000°C持续约30秒的快速热退火工艺来形成金属硅化物595。合适的导电金属包括钴、钛、镍、钨、钼和任何其他金属,所述其他金属具有低接触电阻且可以在多晶硅和单晶硅上形成可靠金属硅化物接触。

[0075] 可以通过使用不侵蚀金属娃化物595、间隙壁580或场氧化物545A和545B而去 除金属的王水(HCl和HNO3)的湿法蚀刻来去除金属层590的未反应部分,由此在栅极电极555、源极570A和漏极570B上留下自对准(self-aligned)金属硅化物595,如图5H所示。此后,可以在电极结构上沉积包括例如氧化硅、BPSG或PSG的绝缘罩层。可以通过在CVD室中的化学汽相沉积来沉积所述绝缘罩层,其中来自原料气的材料在低压或常压下凝结,例如如共同受让的美国专利US 5,500249所描述的,这里将所述美国专利作为参考文献。然后,为了形成光滑的平坦表面,在玻璃化转变温度下退火MOSFET结构500。

[0076] 虽然已经描述了有关MOSFET器件的形成的上述工艺顺序,此处描述的干法蚀刻工艺也可用于形成需要去除各种氧化物的其他半导体结构和器件。还可以在沉积包括例如铝、铜、钴、镍、硅、钛、钯、铪、硼、钨、钽、上述物质的合金或上述物质的组合的不同金属层的沉积之前使用所述干法蚀刻工艺。

[0077] 在一个实施例中,如实施例中描述的干法蚀刻工艺可以与液相腐蚀工艺相结合。例如,对于具有至少两种氧化物的氧化物结构,干法蚀刻工艺可以用于选择性去除第一氧化物,相对于第二氧化物完全地或部分地减少第一氧化物特征。液相HF腐蚀工艺可接着用于去除第二氧化物。 [0078] 为了提供前述描述的更好理解,给出下列非限制性实例。虽然此实例可能涉及特定实施例,但不能认为实例在任何特定方面限制了本发明。

[0079]实例:

[0080] 将基板暴露于各种蚀刻工艺,以去除自然氧化物层且在基板上形成钝化表面。接着将基板在一时序期间暴露于外界条件,并且在钝化表面上形成次自然氧化物层。在将基板暴露于外界条件的同时,依时序来监测次自然氧化物层的厚度,如图6所绘示。所述各种蚀刻工艺包括实验A-E,如下表所概述。

[0081 ] 基板NH3流速(sccm) NF3流速(sccm) NH3/NF3摩尔比例等离子体功率(W)

[0082]

基板NH3流速 NF3流速 NH3/NF3摩尔等离子体功

_(sccm)_(sccm)_比例_率(W)_

A - - - -

_B__70__14__5__30

C__1_00__50__2__30

D__1_00__5__20__30

E I 100 _5 _20 _15

[0083] 在实验A中,基板A暴露于HF湿法清洁溶液与工艺。在实验B与C中,基板B与C分别暴露于NH3/NF3摩尔比例为约5和约2的蚀刻气体混合物,并且皆暴露于以约30瓦的RF功率来引燃的等离子体。在实验D与E中,基板D与E皆暴露于NH3/NF3摩尔比例为约20的蚀刻气体混合物,但分别暴露于以约30瓦和15瓦的不同RF功率来引燃的等离子体。[0084] 对于实验B-E,还将氩以约3500sCCm流速随着氨和三氟化氮导入处理腔室。处理腔室的内部压力为约3Torr,并且基板温度为约35°C。为了形成含六氟硅酸铵的膜,将基板蚀刻长达120秒。

[0085] 在随后的退火工艺期间,基板表面与喷头间的间隔为约750mils。在腔室内以约1500sccm流速的IS进行载座净化,以约500sccm流速的IS进行边缘净化。为了通过升华与/或分解将膜去除同时将基板表面予以钝化,将盖加热到约120°C的温度且将基板退火长达约60秒。约50人的含自然氧化硅的材料从各基板表面去除。

[0086] 一旦实验A-E完成了蚀刻工艺,将基板A-E退出处理腔室且将所述基板A-E放置在外界环境中,从而使基板在室温(约22°C )下暴露于空气中的氧和水。在约5小时的等待时间后,基板A、B和C各包含有大于约5人的氧化物层,而基板D和E各包含有小于约5A的氧化物层。在约10小时的等待时间后,基板A、B和C各包含有大于约7人的氧化物层,而基板D和E各包含有小于约6人的氧化物层。在约15小时、20小时和25小时的等待时间后,基板A、B和C各包含有大于约8A的氧化物层,而基板D和E各包含有小于约6A的氧化 物层。此外,在约30小时的等待时间后,基板A、B和C各包含有约9A或更大的氧化物层,而基板D和E各包含有小于约7A的氧化物层。

[0087] 在实验D与E期间形成的钝化表面会于基板暴露于处理腔室外面的外界条件时在约5小时至约25小时之间的时间内将在基板上进一步形成的另一自然氧化物的厚度限制到约6A或更小。此外,在实验D与E期间形成的钝化表面会于基板暴露于处理腔室外面的外界条件时在约15小时至约30小时之间的时间内将在基板上进一步形成的另一自然氧化物的厚度限制到约8A或更小(较佳为约7A或更小,且更佳为约6人或更小)。

[0088] 除非另外指出,否则在说明书和权利要求书中用来表示性质的量、反应条件等的所有数字应该理解为近似值。这些近似值是基于本发明欲获得的期望性质和测量误差,并且至少应该考虑记录的有效数字位数并应用一般的四舍五入技术来解读。另外,可以进一步最优化本文表示的任何数量,包括温度、压力、间隔、摩尔比例、流速等,以便获得期望的蚀刻选择性和性能。

[0089] 虽然前述说明涉及本发明的实施例,但在不偏离本发明的基本范围条件下可以设计出本发明的其他和额外实施例,因此本发明的范围由权利要求书所确定。

Claims (15)

1. 一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述方法包含: 将包含氧化物层的基板放置于处理腔室内; 调整所述基板的第一温度到80°C或更小; 在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体,其中所述气体混合物包含氨和三氟化氮,且NH3/NF3摩尔比例为10或更高; 在等离子体清洁工艺期间,使所述清洁等离子体凝结到所述基板上且形成薄膜,其中所述薄膜包含部分由所述氧化物层形成的六氟硅酸铵;以及 在所述处理腔室内加热所述基板到100°c至200°C的范围内的第二温度同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面。
2.如权利要求I所述的方法,其中所述NH3/NF3摩尔比例为20或更高。
3.如权利要求2所述的方法,其中所述清洁等离子体以5瓦至50瓦之间的RF功率来产生。
4.如权利要求3所述的方法,其中所述RF功率介于15瓦至30瓦之间。
5.如权利要求I所述的方法,其中所述气体混合物是通过结合流速为40sCCm至200sccm的氨与流速为2sccm至50sccm的三氟化氮来形成的。
6.如权利要求5所述的方法,其中氨的流速介于75sccm至IOOsccm之间,三氟化氮的流速介于5sccm至15sccm之间。
7.如权利要求I所述的方法,其中所述第一温度介于20°C至80°C之间。
8.如权利要求7所述的方法,其中所述第一温度介于22°C至40°C之间,所述第二温度介于IlO0CM 150°C之间。
9.如权利要求I所述的方法,所述方法还包含在所述基板的钝化表面上生长外延层的步骤。
10. 一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述方法包含: 将包含氧化物层的基板放置于处理腔室内; 调整所述基板的第一温度到小于100°c ; 在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体,其中所述气体混合物包含氨和三氟化氮且MVNF3摩尔比例为20或更高,并且所述清洁等离子体以5瓦至50瓦之间的RF功率来产生; 在等离子体清洁工艺期间,将所述基板暴露于所述清洁等离子体以形成薄膜,其中所述薄膜包含部分由所述氧化物层形成的六氟硅酸铵;以及 在所述处理腔室内加热所述基板到100°C至200°C的范围内的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述RF功率介于15瓦至30瓦之间。
12.如权利要求10所述的方法,其中所述气体混合物是通过结合流速为Isccm至IOsccm的氨与流速为50sccm至200sccm的三氟化氮来形成的。
13.如权利要求10所述的方法,其中所述第一温度介于20°C至80°C之间。
14.如权利要求10所述的方法,其中于所述基板暴露于所述处理腔室外面的外界条件时,所述钝化表面在5小时至25小时之间的时间内将在所述基板上进一步形成的另一自然氧化物层的厚度限制到6人或更小。
15. 一种用于从基板表面去除自然氧化物的方法,所述方法包含: 将包含氧化物层的基板放置于处理腔室内; 调整所述基板的第一温度到小于100°C ; 在所述处理腔室内由气体混合物产生清洁等离子体,其中所述气体混合物包含氨和三氟化氮且NH3/NF3摩尔比例为10或更高,并且所述清洁等离子体以5瓦至50瓦之间的RF功率来产生; 在等离子体清洁工艺期间,将所述基板暴露于所述清洁等离子体以形成薄膜,其中所述薄膜包含部分由所述氧化物层形成的六氟硅酸铵; 在所述处理腔室内加热所述基板到100°C至200°C的范围内的第二温度,同时从所述基板去除所述薄膜且在所述基板上形成钝化表面;以及在所述基板的钝化表面上生长外延层; 其中所述处理腔室内的操作压力介于500毫托至30托之间。
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