CN104106128A - 用于基板的选择性氧化的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本文提供了用于改进针对工艺腔室中的金属的选择性氧化的方法和设备。在一些实施方式中，氧化设置在具有由一或多个腔室壁界定的处理空间的工艺腔室中的基板的第一表面的方法可包括：将基板暴露于氧化气体以氧化第一表面；和主动地加热一或多个腔室壁的至少一个腔室壁以使一或多个腔室壁的温度升高至至少水的露点的第一温度，同时暴露基板至氧化气体。

Description

用于基板的选择性氧化的方法和设备
技术领域
本发明的实施方式大体涉及基板处理。
背景技术
在半导体装置的制造中，选择性氧化被用于将某些材料作为目标，所述材料比如硅和硅的氧化物，同时避免诸如金属之类的其他材料的氧化。快速热处理(Rapid thermal processing；RTP)也被用于制造半导体装置以改变沉积膜或晶格的特性，快速热处理通常包括诸如基板表面的退火、硅化和氧化之类的工艺。发明者已发现，使用氢和氧的RTP工艺中的针对(against)金属的选择氧化工艺能不理想地导致RTP腔室内的湿气或冷凝液的形成。发明者已进一步观察到，这种湿气能起作用以将污染物颗粒输送到工艺腔室内的半导体晶片上，并且所述湿气可进一步导致基板上的金属的不希望的氧化。
因此，发明者已提供用于针对金属的选择性氧化的改进的方法和设备。
发明内容
本文提供了用于改进针对工艺腔室中的金属的选择性氧化的方法和设备。在一些实施方式中，氧化设置在具有由一或多个腔室壁界定的处理空间的工艺腔室中的基板的第一表面的方法可包括：将基板暴露于氧化气体以氧化第一表面；主动地加热一或多个腔室壁的至少一个腔室壁以使一或多个腔室壁的温度升高至至少水的露点(dew point)的第一温度，同时将基板暴露至氧化气体。
在一些实施方式中，氧化设置在具有由一或多个腔室壁界定的处理空间的工艺腔室中的基板的第一表面的方法可包括：将一或多个腔室壁暴露于第一气体，所述第一气体包含氢(H2)、氮(N2)或惰性气体中的至少一种气体，同时使一或多个腔室壁的温度上升到比水的露点高的第一温度；当一或多个腔室壁开始达到第一温度时或之后，将基板暴露于氧化气体以选择性地氧化第一表面达第一时段，其中一或多个腔室壁的温度在第一时段从第一温度升高到第二温度，并且其中一或多个腔室壁在第一时段的剩余时段的温度保持高于第一温度；在第一时段之后，停止流动氧化气体；以及随后将一或多个腔室壁暴露于包含氮(N2)的第二气体，同时将一或多个腔室壁的温度上升至比第二温度高的第三温度。
在一些实施方式中，用于热处理基板的设备可包括：腔室，所述腔室具有界定处理空间的侧壁且具有设置在处理空间内的基板支撑件；第一热源，包含相对基板支撑件设置的多个灯，以当基板设置在基板支撑件上时提供热能至基板，其中多个灯的能量密度是约30瓦每平方厘米至约80瓦每平方厘米；以及第二热源，被耦接到侧壁以提供热能至侧壁。
在下文中描述本发明的其他和进一步的实施方式。
附图说明
能通过参考附图中描绘的本发明的说明性实施方式来理解上文简要概述且下文更加详细论述的本发明的实施方式。然而，应注意，附图仅图示本发明的典型实施方式且因此不将附图视为本发明的范围的限制，因为本发明可允许其他等同效果的实施方式。
图1描绘根据本发明的一些实施方式的用于氧化工艺腔室中的基板的方法的流程图。
图2描绘根据本发明的一些实施方式的用于氧化工艺腔室中的基板的方法的流程图。
图3描绘根据本发明的一些实施方式的适用的热反应器的示意截面图。
为了便于理解，已尽可能使用相同标记数字来表示各图共用的相同元件。附图并未按比例绘制，且为清楚起见可将附图简化。可以预期，一个实施方式的元件和特征可有利地并入其他实施方式中而无需进一步详述。
具体实施方式
本文提供了用于改进针对工艺腔室中的金属的选择性氧化的方法和设备。图1描绘根据本发明的一些实施方式的选择性地氧化设置在工艺腔室中的基板的第一表面的方法100的流程图，所述工艺腔室具有由一或多个腔室壁界定的处理空间。尽管本文结合选择性氧化工艺进行描述，但是本发明的方法和设备可用于可能需要抑制工艺腔室内的湿气的非选择性氧化工艺或其他工艺。
当氧化工艺需要在有暴露的金属或金属合金的情况下进行时，可能出现选择性氧化(例如基板上的结构或装置的部分的氧化)的需求。在这种情况下，氧化工艺需要在无暴露的金属/金属合金的异常氧化的情况下进行。在存在金属栅极时，对逻辑件、动态随机存取存储器(DRAM)、闪存装置或类似装置而言对选择性氧化的需要通常在栅极堆叠蚀刻之后的栅极侧壁再氧化工艺期间出现，所述金属栅极比如包含钛(Ti)、氮化钛(TiN)、钨(W)、硅化钨氮化物(tungsten silicide nitride；WSixN)、氮化钨(WN)、碳化钽(TaC)、氮化钽(TaN)或类似物的栅极。然而，本文所述的方法和设备也可用于需要选择性氧化的其他工艺中。
工艺腔室可以是被配置以执行选择性氧化工艺的任何类型的工艺腔室，如由本文提供的示教所修改的工艺腔室。适合用于修改的工艺腔室的实例包括RADIANCE工艺腔室、RADIANCEPLUS工艺腔室或VANTAGE工艺腔室中的任一工艺腔室，或能够执行例如快速热处理(RTP)的热处理的任何其他工艺腔室，上述全部工艺腔室可从加利福尼亚圣克拉拉(Santa Clara,California)的应用材料公司(Applied Materials,Inc.)获得。包括可从其他制造商获得的那些工艺腔室的其他适合的工艺腔室也可根据本文提供的示教修改和使用。在一些实施方式中，工艺腔室可类似于下文关于图3描述的工艺腔室。
方法100通常通过将基板的第一表面暴露于氧化气体以氧化基板的第一表面而在102处开始。第一表面是在基板顶上的含非金属层，所述第一表面可包含以下材料，比如晶体硅(例如Si<100>或Si<111>)、氧化硅、张力硅、硅锗、掺杂或无掺杂多晶硅、掺杂或无掺杂硅晶片、图案化或非图案化晶片、绝缘体上硅(silicon on insulator；SOI)、碳掺杂氧化硅、氮化硅、掺杂硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石或类似材料。在一些实施方式中，氧化工艺可以是选择性氧化工艺，在所述工艺中，基板进一步包含暴露的金属表面。例如，在一些实施方式中，基板的第一表面可以是非金属性的，且基板可进一步包含金属性的暴露的第二表面，并且第一表面和第二表面可暴露于氧化气体以氧化第一表面，而实质上不氧化暴露的第二表面。
在一些实施方式中，氧化工艺可利用氧化气体，所述氧化气体包含氧(O2)、一氧化二氮(N2O)、氧化氮(NO)或上述气体的组合。在一些实施方式中，氧化气体可进一步包括包含氢(H2)的额外气体。在一些实施方式中，氧化气体可进一步包括第一气体，所述第一气体包含氮(N2)、氨(NH3)或惰性气体的至少一种和氢(H2)。在一些实施方式中，氧化气体包含氧(O2)和氢(H2)。在一些实施方式中，氧化气体可以平衡为主导地包含至少85％的氢(H2)，或实质上仅包含氧(O2)。氧化气体可根据例如基板/腔室大小、基板材料、氧化气体组成或类似因素的一或多个以任何适合的流率流动。在一些实施方式中，可以在约10,000sccm至约20,000sccm的范围中的总流率提供氧化气体。在一些实施方式中，提供氧化气体，同时将工艺腔室保持在约450托至约530托的压强下，尽管可提供更高和更低的压强。
发明者已发现，使用氢和氧的氧化工艺可在工艺腔室内不理想地产生湿气。湿气可不理想地将污染物颗粒输送到基板表面上，且湿气也可不理想地氧化基板的金属组成部分。在不希望被理论约束的情况下，发明者认为，此问题可能是腔室壁的温度低于工艺腔室的处理空间中的水的露点的结果。发明者已观察到，即使在传统氧化腔室中的腔室壁可能在氧化工艺期间被被动加热，腔室壁也不会被加热到足够的温度或不会以足以消除或减少工艺腔室内的湿气形成的足够快的速率变热。例如，在具有位于基板上方以供应热量至基板的灯组件的工艺腔室中，也可间接地加热腔室壁，和/或从基板辐射的热量可加热腔室壁。然而，发明者已观察到，这种间接或被动的加热不会使腔室壁的温度足够地升高至将抑制工艺腔室内的湿气形成的水平。
发明者已发现，主动地加热腔室壁到至少等于水的露点的温度，可有利地抑制工艺腔室内的湿气形成。此外，发明者已发现，将工艺腔室内的湿气形成降至最低进一步有利地减少基板上的污染物颗粒，包括减少基板上金属的不希望的氧化。因此，在104处，至少一个腔室壁被主动地加热以使腔室壁的温度升高至至少水的露点，同时暴露基板于氧化气体。
如本文所使用，主动加热或主动地加热意指通过设置在腔室壁内或耦接到腔室壁的加热设备直接施加热量或能量以升高工艺腔室的壁的温度，所述加热设备比如围绕且加热腔室壁的热交换器或加热套(heat jacket)，所述热交换器或加热套例如使用热传递介质、电阻加热器、辐射加热灯或类似物。主动地加热腔室壁有利地促进比通过以上所述的间接加热更快地将腔室壁的温度上升至露点。与依赖被动方法以加热壁相比，腔室壁的主动加热也可在工艺步骤之前提供更可重复的腔室壁温度，因为腔室壁的主动加热能被良好地控制。例如，在一些实施方式中，可提供诸如热电偶或其他适合的传感器之类的传感器(例如312)以指示腔室壁的温度。传感器可提供直接对应于腔室壁的内表面温度的数据，或传感器可提供对应于腔室壁的外表面温度的数据，可由该数据确定内腔室壁的温度。来自传感器的温度数据可被提供至控制器(例如302)以便于控制腔室壁的主动加热(例如以反馈回路配置)。
氧化气体的流动可持续达所需时段，直到工艺完成为止。在完成氧化工艺之后，停止至基板的氧化气体的流动，如在106处所描述的，且可根据需要进一步处理基板。
选择性地，在一些实施方式中，在暴露基板于氧化气体之前，工艺腔室可被暴露于第一气体，所述第一气体包含氢、氮或惰性气体中的至少一种，所述惰性气体比如氩。在一些实施方式中，第一气体是氢(H2)。例如，在一些实施方式中，氧化气体可以是氧(O2)和氢(H2)的混合物，且氢(H2)可被最初地提供为第一气体，氧(O2)随后被引入以开始氧化气体混合物的流动。
在一些实施方式中，第一气体被引入工艺腔室，同时例如通过用来自加热灯的能量辐照基板来加热基板。在一些实施方式中，提供到基板的能量约等于在氧化工艺期间提供的能量。在一些实施方式中，提供至基板的能量对于对准基板背侧的高温计(例如318)足以读取约700摄氏度至约1000摄氏度的温度。提供热能的同时提供第一气体可促进使腔室壁的温度更快速地上升至第一温度，所述第一温度高于露点温度约5摄氏度至约10摄氏度。发明者已观察到，在提供热能的同时提供第一气体进一步有利地促进加热腔室的部分，所述腔室的部分通常被保护而不受被动加热的影响，所述腔室的部分比如可被保护的或相对于工艺热源和/或基板更远距离设置的流量阀开口或其他部件，从而进一步减少在这些部件上的湿气形成。在一些实施方式中，可在提供第一气体时同时地主动加热腔室壁。在一些实施方式中，工艺腔室被暴露于第一气体达约15秒，同时基板被加热，尽管可以使用其他时段。在一些实施方式中，第一气体被以约10slm至约20slm的流率范围提供。发明者已发现，提供第一气体同时结合主动地加热腔室壁来提供热能进一步有利地提高氧化工艺的针对金属的选择性。
也可使用本发明的方法的其他变化。例如，图2描绘根据本发明的一些实施方式的选择性地氧化设置在工艺腔室中的基板的第一表面的方法200的流程图，所述工艺腔室具有由一或多个腔室壁界定的处理空间。关于基板的第一表面、基板和工艺腔室的细节已关于图1提供于上文中。
方法200通过将工艺腔室的腔室壁暴露于第一气体而在202处开始，所述第一气体包含氢、氮或惰性气体的至少一种，所述惰性气体比如氩。当加热基板时将第一气体引入工艺腔室，以使得对准基板背侧的高温计将读取约700摄氏度至约1000摄氏度的温度。可执行加热基板时提供第一气体达足够的时间段，以使腔室壁的温度上升至第一温度，所述第一温度高于露点温度约5摄氏度至约10摄氏度。
然后，在204处，基板被暴露于氧化气体以选择性地氧化基板的第一表面达第一时段。氧化气体可以是如上文关于图1论述的任何氧化气体。当腔室壁达到第一温度时，第一时段开始。在第一时段期间，腔室壁从第一温度升高至第二温度。在第一时段的剩余时段期间，腔室壁的温度保持高于第一温度。一旦选择性氧化工艺完成，第一时段结束。
然后，在206处，在第一时段之后停止至工艺腔室的氧化气体的流动且在208处，腔室壁随后被暴露于第二气体，所述第二气体包含氮(N2)、惰性气体或氢(H2)的一或多种。在一些实施方式中，第二气体是氮(N2)。当将腔室壁的温度上升到第三温度时引入第二气体，所述第三温度高于第二温度。例如，可例如通过使用指向基板的灯提供热量至工艺腔室的处理空间来升高腔室壁的温度。所述灯可以是用于在氧化工艺期间提供热量至基板的灯，所述灯可以例如足以加热基板以便对准基板背侧的高温计读取约700摄氏度至约1000摄氏度的温度。发明者已发现，提供以上描述的氧化后的暴露至第二气体且持续加热腔室壁进一步降低腔室壁上的湿气形成且进一步减少基板上的颗粒。此外，发明者已发现，提供以上描述的氧化后的暴露至第二气体且持续加热腔室壁进一步提高氧化工艺的针对金属的选择性。
图3描绘根据本发明的一些实施方式的所使用的热反应器的示意截面图。热处理腔室300通常包含灯组件310、界定处理空间339的腔室组件330和设置在处理空间339中的基板支撑件338。
灯组件310(例如第一热源)位于腔室组件330上方，且灯组件310被配置以经由设置在腔室组件330上的石英窗314供应热量到处理空间339。灯组件310被配置以容纳工艺加热源，所述工艺加热源比如用于提供适应的(tailored)红外线加热手段到基板301的多个卤钨灯，所述基板301设置在基板支撑件338上。在一些实施方式中，多个灯具有约30瓦每平方厘米至约80瓦每平方厘米的能量密度。一或多个高温计(图示一个高温计318)可被设置在基板301之下且对准基板301的背侧以提供对应于基板温度的数据。来自一或多个高温计的数据可被提供到控制器(例如302)以促进对工艺加热源的反馈控制和用于促进本文描述的方法。
腔室组件330通常包含基座环340，所述基座环340具有与石英窗314和底壁316一起界定处理空间339的一或多个腔室壁。尽管本文中使用术语环，但是基座环340不必是环形且也考虑其他形状。基座环340可具有耦接到气源335的入口331，以提供一或多种工艺气体至处理空间339(所述工艺气体比如上文论述的氧化气体、第一气体和/或第二气体)。设置在基座环340的入口331的相对侧上的出口334被耦接到排气组件324，排气组件324与泵系统336流体连通。排气组件324界定排气空间325，排气空间325通过出口334与处理空间339流体连通。排气空间325被设计以允许横跨处理空间339的均匀气流分布。
在一些实施方式中，加热设备可被提供为至少部分地设置在腔室壁内或耦接到腔室壁(例如第二热源)。例如在一些实施方式中，第一热交换器355被耦接到基座环340以通过使热交换流体经由设置在基座环340中的一或多个导管328循环来控制腔室壁的温度。在一些实施方式中，第一热交换器355被设置至至少60摄氏度。替代地或结合地，加热套328可被热耦接到基座环340以提供热量至腔室壁，此举例如通过使热传递流体流经加热套328、通过在加热套328内提供加热元件或类似方式来实现，所述加热元件比如电阻加热器或加热灯。
在一些实施方式中，第二热交换器356被耦接到灯组件310以允许热交换流体通过入口309被循环至灯组件310，以在处理期间保持灯组件310冷却。在一些实施方式中，第一热交换器和第二热交换器可被保持在不同温度。在一些实施方式中，第二热交换器356也可被耦接到底壁316，如虚线322所示。或者，在一些实施方式中，第一热交换器355也可被耦接到底壁316，如虚线320所示。
热电偶312或其他适合的传感器可被耦接到基座环340以监测外腔室壁温度并确定内腔室壁温度。热电偶312可为系统控制器的一部分，或被耦接到系统控制器，所述系统控制器比如可控制热处理腔室300的操作的系统控制器302。
为了便于控制如上描述的工艺腔室300，控制器302包含中央处理单元(central processing unit；CPU)304、存储器306和用于CPU 304的支持电路308，控制器302促进控制腔室300的部件。控制器302可以是任何形式的通用计算机处理器中的一个，所述通用计算机处理器可用于工业设定中以用于控制各种腔室和子处理器。CPU 304的存储器306或计算机可读介质可以是易得到的存储器中的一或多个，所述易得到的存储器比如随机存取存储器(random accessmemory；RAM)、只读存储器(read only memory；ROM)、软盘、硬盘或者本地或远程的任何其他形式的数字存储器。支持电路308被耦接到CPU 304以用于以常规方式支持处理器。这些电路包括高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出电路和子系统和类似电路。在工艺腔室300中执行的方法或所述方法的至少部分可作为软件程序而被存储在存储器306中。也可通过第二CPU(未图示)存储和/或执行所述软件程序，所述第二CPU距通过CPU 304控制的硬件很远。
因此，本文提供了用于改进针对金属的选择性的方法和设备。本发明的方法和设备可有利地提供针对金属的改进的选择性氧化，且使经由工艺腔室中形成的冷凝液的污染物至基板的输送降至最低。
虽然上文针对本发明实施方式，但是在不背离本发明的基本范围的情况下可设计本发明的其他和进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种氧化设置在工艺腔室中的基板的第一表面的方法，所述工艺腔室具有由一或多个腔室壁界定的处理空间，所述方法包含：
将所述基板暴露于氧化气体以氧化所述第一表面；和
主动地加热所述一或多个腔室壁的至少一个腔室壁，以使所述一或多个腔室壁的温度升高至至少水的露点的第一温度，同时将所述基板暴露于所述氧化气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中将所述基板暴露于所述氧化气体以氧化所述第一表面进一步包含：加热所述处理空间内的氢(H2)和氧(O2)的混合物并使所述混合物反应。
3.如权利要求1所述的方法，进一步包含：
将所述一或多个腔室壁暴露于第一气体，所述第一气体包含氢(H2)、氮(N2)或惰性气体的至少一种，同时使所述一或多个腔室壁的温度上升至所述第一温度，其中所述第一温度高于所述露点约5摄氏度至约10摄氏度。
4.如权利要求3所述的方法，进一步包含：
加热所述基板以使用高温计读取约700摄氏度至约1000摄氏度的温度，所述高温计对准所述基板的背侧，同时使所述一或多个腔室壁的温度上升至所述第一温度。
5.如权利要求1所述的方法，其中暴露所述基板至所述氧化气体以氧化所述第一表面进一步包含：
结合所述氧化气体，将所述基板暴露于额外的气体，所述额外的气体包含氢(H2)，或氮(N2)、氨(NH3)或惰性气体的至少一种与氢(H2)的结合。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述额外的气体是以大于约4:1的相对于所述氧化气体的流率比率提供的。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述基板的所述第一表面是非金属的，且其中所述基板进一步包含金属性的暴露的第二表面，且其中将所述基板暴露于所述氧化气体以氧化所述第一表面进一步包含实质上不氧化所述暴露的第二表面。
8.如权利要求1所述的方法，进一步包含：
在氧化所述第一表面之后，停止所述氧化气体的流动；和
随后使所述一或多个腔室壁的温度上升至比所述第一温度高的第二温度。
9.如权利要求8所述的方法，进一步包含：
将所述一或多个腔室壁暴露于包含氮(N2)的第二气体，同时使所述一或多个腔室壁的温度上升至所述第二温度。
10.如权利要求9所述的方法，进一步包含：
加热所述基板以使用高温计读取约700摄氏度至约1000摄氏度的温度，所述高温计对准所述基板的背侧，以使所述一或多个腔室壁的温度被动地上升至所述第二温度。
11.如权利要求1所述的方法，进一步包含：
独立地控制所述工艺腔室的底壁的温度，所述底壁设置在被主动加热的所述一或多个腔室壁之下。
12.一种用于热处理基板的设备，包含：
腔室，所述腔室具有界定处理空间的侧壁，且具有设置在所述处理空间内的基板支撑件；
第一热源，所述第一热源包含与所述基板支撑件相对设置的多个灯，以当基板被设置在所述基板支撑件上时提供热能至所述基板，其中所述多个灯的能量密度是约30瓦每平方厘米至约80瓦每平方厘米；和
第二热源，所述第二热源耦接到所述侧壁的至少一个以提供热能至所述侧壁。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述第二热源包含以下一或多个：
热交换回路，所述热交换回路具有用于使热交换介质流经所述侧壁或流经邻近所述侧壁设置的主体的导管；或
一或多个电阻加热器，所述一或多个电阻加热器设置在所述侧壁中或邻近所述侧壁设置。
14.如权利要求12所述的设备，进一步包含以下一或多个：
热交换回路，所述热交换回路具有邻近所述灯经过的导管，以从邻近所述灯的所述工艺腔室的部件去除热量；或
热交换回路，所述热交换回路具有穿过或邻近所述腔室的下部的导管，所述热交换回路设置在所述基板支撑件之下以独立于耦接到所述第二热源的所述侧壁控制所述腔室的所述下部的温度。
15.如权利要求12所述的设备，其中所述腔室进一步包含：
基座环，所述基座环包括所述侧壁且将所述处理空间界定为圆筒形中心处理空间；
顶壁，所述顶壁耦接至所述基座环以将所述圆筒形中心处理空间与所述基座环的上端密封；和
底壁，所述底壁耦接到所述基座环以将所述圆筒形中心空间与所述基座环的所述侧壁的下端密封，其中所述第一热源被设置在所述顶壁上方，且其中所述第二热源被耦接到所述基座环。
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