CN105448634B - 一种腔室环境的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种腔室环境的控制方法，包括以下步骤：步骤S1，向腔室内通入预清洗气体，对腔室的内表面进行清洗；步骤S2，向腔室内通入第一气体，以在腔室内表面上沉积第一涂层，第一涂层不含氟；步骤S3，将待加工的基片传输至腔室内进行工艺，且在工艺完成后，将其移出腔室；步骤S4，向腔室内通入第二清洗气体，并将第二清洗气体激发形成等离子体，以去除在步骤S3中腔室内表面形成的副产物；步骤S5，向腔室内通入不含氟的第一清洗气体，并将第一清洗气体激发形成等离子体，以去除第一涂层来恢复所述腔室环境。该方法可以避免氟对腔室内表面腐蚀，还可使腔室从根本上消除氟记忆效应，因而实现每次工艺的腔室环境的一致性。
Description
技术领域
本发明属于微电子加工技术领域，具体涉及一种腔室环境的控制方法。
背景技术
随着技术的发展，集成电路的特征尺寸在不断地缩小，这使得对半导体工艺的要求越来越严格，尤其针对光刻工艺和硅刻蚀工艺。在实际应用中，硅刻蚀工艺主要利用等离子体刻蚀，而等离子体所在的腔室环境是影响刻蚀工艺稳定性和重复性的重要因素之一。
具体地，在一次刻蚀工艺完成之后，腔室内表面上会沉积副产物(例如，含氟含碳的副产物)，该副产物会对腔室环境产生影响，这会造成对下次刻蚀工艺的工艺结果产生影响，例如，特征尺寸、刻蚀速率、刻蚀均匀性、刻蚀形貌发生变化，这种现象称之为腔室记忆效应，其中，氟记忆效应对工艺影响较大，从而形成工艺漂移现象，进而造成工艺质量差和良品率低。
申请号为US 6776851B1的专利申请提供了一种清除在半导体加工过程中产生的腔室沉积物的方法。具体地，包括以下步骤：步骤S10，在干净的腔室内表面上沉积一层含氟聚合物；步骤S11，将晶圆传入上述腔室内对晶圆进行加工处理，在加工过程中产生的副产物会沉积在上述含氟聚合物上；步骤S12，在工艺完成后将晶片传出反应腔室，之后对腔室进行含氧的清洗操作，借助氧替换含氟聚合物中氟，从而实现将含氟聚合物清除；步骤S13，单次工艺完成，下次工艺时，再依次执行上述步骤S10～S12。
在实际应用中，采用上述方法不可避免地存在以下问题：由于沉积的含氟聚合物会与腔室内表面的Al2O3发生Al2O3+F→AlF3↓+O2反应，其中，AlFx为难以挥发且不易去除的含氟沉积物，因此，采用上述方法会存在以下问题：(1)对腔室内表面造成腐蚀，从而降低设备的使用寿命；(2)腐蚀产生的含氟沉积物逐渐积累会容易自腔室内表面剥落，从而对工艺造成污染或影响；(3)腐蚀产生的含氟沉积物会存在氟记忆效应，在下次工艺时氟会释放出来对腔室环境产生影响，从而会产生工艺漂移现象，因而造成工艺稳定性和重复性差；(4)腐蚀产生的含氟沉积物会缩短腔室清洗时间间隔，从而造成设备的利用率低。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种腔室环境的控制方法，可以避免氟对腔室内表面腐蚀，因而可以延长腔室清洗时间间隔，从而可以提高设备的使用寿命和利用率；而且还可以使得腔室从根本上消除氟记忆效应，因而可以实现每次工艺的腔室环境的一致性，从而可以避免工艺漂移，进而可以保证工艺的稳定性和重复性。
为解决上述问题之一，本发明提供了一种腔室环境的控制方法，包括以下步骤：步骤S1，向腔室内通入预清洗气体，对腔室内表面进行清洗；步骤S2，向所述腔室内通入第一气体，以在所述腔室内表面上沉积第一涂层，所述第一涂层不含氟；步骤S3，将待加工的基片传输至所述腔室内进行工艺，且在所述工艺完成后，将其移出所述腔室；步骤S4，向所述腔室内通入第二清洗气体，并将所述第二清洗气体激发形成等离子体，以去除在所述步骤S3中腔室内表面形成的副产物；步骤S5，向所述腔室内通入不含氟的第一清洗气体，并将所述第一清洗气体激发形成等离子体，以去除所述第一涂层来恢复所述腔室环境。
其中，在所述步骤S2和步骤S3之间还包括步骤S23，向所述腔室内通入第二气体，以在所述腔室内表面的第一涂层上沉积第二涂层，所述第二涂层和所述副产物中的元素部分相同或全部相同；在所述步骤S4中还包括，在去除所述副产物的同时去除所述第二涂层。
其中，所述第二涂层和所述副产物中的元素均包括硅、卤素和氢。
其中，所述第一气体包括含碳、氢类气体，或者，所述第一气体包括含碳、氢、溴类气体。
其中，所述第一涂层的厚度范围在2～200nm。
其中，所述第一涂层的厚度范围在50～150nm。
其中，所述第二涂层的厚度范围在2～100nm。
其中，所述第二涂层的厚度范围在10～30nm。
其中，所述第一涂层和/或所述第二涂层采用等离子体激发沉积方式或者气体分子聚合沉积方式形成。
其中，所述第一清洗气体包括含氧气体。
其中，所述第一清洗气体还包括含氮气体和惰性气体中的一种或者至少两种。
其中，所述第二清洗气体包括含氟气体。
其中，所述第二气体包括含氢、硅、卤素类气体。
其中，所述腔室包括用于激发形成等离子体的上电极电源，以及向承载基片的承载装置提供负偏压的下电极电源，在所述步骤S2中，所述第一气体包括C4H6和HBr，所述上电极电源的输出功率范围在100～1000W；所述下电极电源的输出功率为0W；C4H6气流量范围在10～500sccm；HBr气流量范围在10～500sccm；所述腔室的气压范围在1～100mTorr。
其中，所述腔室包括用于激发形成等离子体的上电极电源，以及向承载基片的承载装置提供负偏压的下电极电源，在所述步骤S23中，所述第二气体包括CH4、SiCl4和HBr，所述上电极电源的输出功率范围在100～1000W；所述下电极电源的输出功率为0W，CH4气流量范围在10～500sccm；SiCl4的气流量范围在10～500sccm；HBr的气流量范围在10～500sccm；所述腔室的气压范围在1～100mTorr。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的腔室环境的控制方法，其借助步骤S2在对基片进行工艺之前，预先在腔室内表面上沉积不含氟的第一涂层，该第一涂层可以实现将步骤S3中产生的副产物以及步骤S4中对副产物进行清洗的第二清洗气体中的氟与腔室内表面进行隔离，并且，在步骤S5中借助不含氟的第一清洗气体去除第一涂层。由上可知，整个腔室环境的控制方法中氟离子均不会与腔室内表面直接接触，这不仅可以避免氟对腔室内表面腐蚀，因而可以延长腔室清洗时间间隔，从而可以提高设备的使用寿命和利用率；而且还可以使得腔室从根本上消除氟记忆效应，因而可以实现每次工艺的腔室环境的一致性，从而可以避免工艺漂移，进而可以保证工艺的稳定性和重复性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的腔室环境的控制方法的流程图；
图2为完成步骤S1之后的腔室结构示意图；
图3为完成步骤S2之后的腔室结构示意图；
图4为完成步骤S23之后的腔室结构示意图；
图5为完成步骤S3之后的腔室结构示意图；以及
图6为完成步骤S4之后的腔室结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明实施例提供的腔室环境的控制方法进行详细描述。
为便于理解本发明，本申请中所述的“腔室内表面”是指暴露在腔室环境中的表面。
图1为本发明实施例提供的腔室环境的控制方法的流程图。请参阅图1，本实施例提供的腔室环境的控制方法包括以下步骤：
步骤S1，向腔室内通入预清洗气体，对腔室内表面进行清洗，以使腔室为洁净的腔室；
步骤S2，向腔室内通入第一气体，以在腔室内表面上沉积第一涂层，该第一涂层不含氟；
步骤S3，将待加工的基片传输至腔室内进行工艺，且在工艺完成后，将其移出腔室；
步骤S4，向腔室内通入第二清洗气体，并将第二清洗气体激发形成等离子体，以去除在步骤S3中在腔室内表面上形成的副产物；
步骤S5，向腔室内通入不含氟的第一清洗气体，并将第一清洗气体激发形成等离子体，以去除第一涂层来恢复腔室环境。
在上述步骤S1中，采用等离子体方式对腔室进行预清洗，具体地，将预清洗气体激发形成等离子体，其中，预清洗气体为不对后续步骤产生影响的气体，预清洗气体包括诸如O2、H2O2等含氧气体中至少一种。可以理解，在实际应用中，也可以采用其他方式对腔室进行预清洗，只要保证在进行步骤S2之前腔室为洁净的腔室即可。
在上述步骤S2中，为实现沉积上述不含氟的第一涂层，优选地，第一气体为不含氟、易沉积且其形成的沉积物易被氧气等的等离子体清除的气体。具体地，第一涂层为含碳的聚合物层，第一气体包括含碳(C)、氢(H)类气体，例如，C3H6，C4H6，C4H8等气体；或者，第一气体包括含碳(C)、氢(H)、溴(Br)类气体，例如，C4H6和HBr；当然，第一气体也可以添加O2、N2等。在该步骤中，优选地，第一涂层的厚度范围在2～200nm，进一步优选地，第一涂层的厚度范围在50～150nm。
在上述步骤S3中，可对基片进行等离子体刻蚀工艺、等离子体气相沉积工艺等。
在上述步骤S4中，第二清洗气体与上述步骤S3中沉积在腔室内表面的副产物反应，以去除该副产物，例如，在上述步骤S3中完成的是对基片进行等离子体刻蚀工艺，刻蚀气体一般包括HBr、Cl2、O2和CHF3气体中的3种或4种，副产物一般为含碳(C)、硅(Si)、溴(Br)、氧(O)和氢(H)等的沉积物，在这种情况下，第二清洗气体包括含氟气体，例如，SF6和O2；或者，SF6和NH3等，相应的反应式如下：
CxSiyHzOwBrv+SF6→CFn↑+SiF4↑+SO2↑+HBr↑+CO2↑。
在上述步骤S5中，第一清洗气体不含氟来去除第一涂层，例如，第一清洗气体包括含氧气体，或者，第一清洗气体还包括含氮气体或惰性气体中的一种或者至少两种，其中，含氧气体包括O2、H2O2，相应的反应式如下：
CxHyBrz+O2→CO2↑+H2O↑+HBr↑+CHx↑。
通过上述步骤S1～S5，可以实现完成单次工艺，当需要进行下次工艺时重复进行上述步骤S1～S5即可。
由上可知，其借助步骤S2在对基片进行工艺加工之前，预先在腔室内表面上沉积不含氟的第一涂层，该第一涂层可以实现将步骤S3中产生的副产物以及步骤S4中对副产物进行清洗的第二清洗气体中的氟与腔室内表面进行隔离，并且，在步骤S5中借助不含氟的第一清洗气体以去除第一涂层。由上可知，整个腔室环境的控制方法中氟离子均不会与腔室内表面直接接触，这不仅可以避免氟对腔室内表面腐蚀，因而可以延长腔室清洗时间间隔，从而可以提高设备的使用寿命和利用率；而且还可以使得腔室从根本上消除氟记忆效应，因而可以实现每次工艺的腔室环境的一致性，从而可以避免工艺漂移，进而可以保证工艺的稳定性和重复性。
在本实施例中，优选地，在步骤S2和步骤S3之间还包括步骤S23，向腔室内通入第二气体，以在腔室内表面的第一涂层上沉积第二涂层，第二涂层和副产物中的元素部分相同和全部相同，在上述情况下，在步骤S3中对基片工艺加工产生的副产物则沉积在该第二涂层上；在步骤S4中，还包括在去除副产物的同时去除第二涂层。
具体地，在上述步骤S3中完成的是对基片进行等离子体刻蚀工艺，第二涂层和副产物中的元素均包括硅、卤素和氢。例如，第二涂层含硅、碳、卤素和氢，在这种情况下，第二气体包括含碳(C)、氢(H)、硅(Si)和卤素的气体，具体地，第二气体包括含碳、氢类气体和含硅、卤素类气体，或者还包括含氢、卤素类气体。其中，含碳、氢类气体包括CH4、CF4、CHF3等，含硅、卤素类气体为SixRy，其中，R为F、Cl、Br等，含氢、卤素类气体包括HBr、HF。
由于需要沉积的第二涂层和副产物中的元素部分相同或全部相同，则在步骤S23中第二气体和步骤S3的腔室环境中气体的成分部分或全部相同，因而可以在一定程度上使得腔室环境快速稳定，从而可以提高工艺质量；而且还可以提高副产物和第二涂层的粘附力，从而可以避免副产物地掉落对工艺的影响。为使第二涂层和副产物中的元素部分相同或全部相同，优选地，第二气体和步骤S3所需的工艺气体中相同元素的各元素的原子数目比例一致。
另外优选地，第二涂层的厚度范围在2～100nm；进一步优选地，第二涂层的厚度范围在10～30nm。
下面结合图2和图6详细描述本实施例提供的腔室环境的控制方法的具体工作过程。具体地，在本实施例中，步骤S1中沉积第一涂层和步骤S23中沉积第二涂层均采用等离子体激发沉积方式，并且，步骤S3中完成对基片进行等离子体刻蚀工艺，腔室20内设置有用于承载基片的承载装置21；腔室20还包括用于激发反应腔室内工艺气体形成等离子体的上电极电源(图中未示出)，以及用于向承载装置21提供偏压的下电极电源(图中未示出)。
步骤S1：预清洗气体包括O2，上电极电源的输出功率的范围在100～1000W，优选地，上电极电源的输出功率的范围在300～700W；下电极电源的输出功率为0W；O2的气流量的范围在20～500sccm，优选地，O2的气流量的范围在100～200sccm；腔室20的气压范围在1～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在5～50mTorr；根据上述工艺参数对腔室20完成预清洗工艺之后，如图2所示。
步骤S2：第一气体包括C4H6和HBr，上电极电源的输出功率的范围在100～1000W，优选地，上电极电源的输出功率范围在300～700W；下电极电源的输出功率为0W；C4H6气流量范围在10～500sccm，优选地，C4H6气流量范围在100～300sccm；HBr气流量范围在10～500sccm，优选地，HBr气流量范围在100～300sccm；腔室20的气压范围在1～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在10～30mTorr；根据上述工艺参数在腔室20内表面形成第一涂层201，如图3所示，第一涂层201主要成分是CxHyBrz膜层。
步骤S23：第二气体包括CH4、SiCl4和HBr，上电极电源的输出功率的范围在100～1000W，优选地，上电极电源的输出功率范围在300～700W；下电极电源的输出功率为0W；CH4气流量范围在10～500sccm，优选地，CH4气流量范围在100～200sccm；SiCl4的气流量范围在10～500sccm，优选地，SiCl4的气流量范围在50～100sccm；HBr的气流量范围在10～500sccm，优选地，HBr的气流量的范围在50～200sccm；腔室20的气压范围在1～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在10～30mTorr；根据上述工艺参数在腔室20内表面上第一涂层201上沉积第二涂层202，如图4所示，第二涂层202主要成分是CxSiyBrzHw膜层；并且，优选地，第二涂层202的厚度范围在2～100nm，进一步优选地，第二涂层202的厚度范围在10～30nm；
步骤S3：将基片传输至承载装置21上，向腔室内通入工艺气体，对基片进行等离子体刻蚀工艺加工，等离子体刻蚀工艺参数为：工艺气体包括HBr、Cl2、CHF3和O2，上电极电源的输出功率范围在100～1500W，优选地，上电极电源的输出功率范围在300～1000W；下电极电源的输出功率范围在50W～500W，优选地，下电极电源的输出功率范围在100W～300W；HBr气流量范围在10～200sccm，优选地，HBr气流量范围在50～150sccm；Cl2气流量范围在10～100sccm，优选地，Cl2气流量范围在40～60sccm；CHF3气流量范围在10～100sccm；优选地，CHF3气流量范围在20～50sccm；O2气流量范围在1～20sccm，优选地，O2气流量范围在1～10sccm；腔室20的气压范围在1～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在10～20mTorr；在完成上述硅刻蚀工艺过程之后，将基片传出腔室20，并且，除了被基片覆盖的区域，腔室20内表面上沉积有非挥发性的副产物203，如图5所示，该副产物203的主要成分包括SiOxBryClz(或SiOxBryFz)和含碳沉积物等；
步骤S4：向腔室20内输送第二清洗气体，第二清洗气体包括SF6和O2，上电极电源的输出功率范围在100～1000W，优选地，上电极电源的输出功率范围在400～800W；下电极电源的输出功率范围为0W；SF6气流量范围在50～300sccm，优选地，SF6气流量范围在100～200sccm；O2气流量范围在10～100sccm，优选地，O2气流量范围在10～30sccm；腔室20的气压范围在10～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在10～80mTorr；根据上述工艺参数第二清洗气体主要作用是去除上述成分相同的副产物203和第二涂层202，但第二清洗气体中还会对第一涂层201有一定的刻蚀作用，如图6所示，并有部分氟离子吸附在第一涂层201的内表面；由于腔室20内表面上受到第一涂层201的保护，因此，第二清洗气体中的氟离子不会与腔室20内表面直接接触；
步骤S5：第一清洗气体包括O2，上电极电源的输出功率的范围在100～1000W，优选地，上电极电源的输出功率范围在400～800W；下电极电源的输出功率为0W；O2气流量范围在10～200sccm，优选地，O2气流量范围在50～100sccm；腔室20的气压范围在10～100mTorr，优选地，腔室20的气压范围在10～80mTorr，根据上述工艺参数第一清洗气体产生的等离子体能够完全去除的主要成分为CxHyBrz的第一涂层201，同时将位于第一涂层201表面的氟离子脱附，从而获得如图2所示的腔室20。
在实际应用中，为实现腔室20环境更快速稳定，通常使得第二涂层202和副产物203中元素大部分相同。如上述所示，第二涂层202主要成分是CxSiyBrzHw膜层，其元素包括碳、硅、溴和氢，副产物主要成分是碳沉积物和SiOxBryClz，其元素包括碳、硅、溴、氢、氧和氯，其中，第二涂层202所包含的全部元素均与副产物中的元素相同，分别为碳、硅、溴、氢。
需要说明的是，在本实施例中，在步骤S2中沉积第一涂层201和在步骤S23沉积第二涂层202均采用等离子体激发沉积方式。但是，本发明并不局限于此，在实际应用中，第一涂层201和/或第二涂层202也可以采用其他沉积方式获得，例如，采用气体分子聚合沉积方式获得。
还需要说明的是，当在步骤S3完成等离子体刻蚀SiN时，第二气体包括含碳(C)、氢(H)、氧(O)、氟(F)、硅(Si)和氮(N)类气体，例如，第二气体包括CHF3，CF4、O2和SiH4等；当在步骤S3完成浅沟槽隔离(Shallow Trench Isolation，简称STI)刻蚀时，第二气体应包括含硅(Si)、氟(F)、溴(Br)和氮(N)类气体，例如，NF3、HBr和SiH4等。在实际应用中，根据实际情况可具体设置形成第二涂层202的第二气体的成分，只要满足该第二气体形成第二涂层202和步骤S3中在腔室内表面沉积的副产物中的元素部分相同或者全部相同即可。
另外还需要说明的是，在实际应用中，可以根据实际情况增加第一涂层201的厚度，以防止在对第二涂层202和副产物203的去除之后，对第一涂层201过渡刻蚀使得腔室20内表面暴露在腔室环境中；也可以根据实际情况减少第一涂层201的厚度，但应保证在对第二涂层202和副产物203的去除之后不会使得腔室20内表面暴露在腔室环境中，这可以减小工艺周期，从而可以提高工艺效率和经济效益。
此外还需要说明的是，在本实施例中，在单次工艺完成之后，在进行下次工艺时需要重复执行上述步骤S1～S5。但是，在实际应用中，也可以增加步骤S5的工艺时间，以在步骤S5中既完成去除第一涂层，又完成对腔室进行预清洗，在这种情况下，在进行下次工艺时需要重复执行步骤S2～S5。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种腔室环境的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，向腔室内通入预清洗气体，对腔室内表面进行清洗；
步骤S2，向所述腔室内通入第一气体，以在所述腔室内表面上沉积第一涂层，所述第一涂层不含氟；
步骤S3，将待加工的基片传输至所述腔室内进行工艺，且在所述工艺完成后，将其移出所述腔室；
步骤S4，向所述腔室内通入含氟的第二清洗气体，并将所述第二清洗气体激发形成等离子体，以去除在所述步骤S3中腔室内表面形成的副产物；
步骤S5，向所述腔室内通入不含氟的第一清洗气体，并将所述第一清洗气体激发形成等离子体，以去除所述第一涂层来恢复所述腔室环境。
2.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，在所述步骤S2和步骤S3之间还包括步骤S23，向所述腔室内通入第二气体，以在所述腔室内表面的第一涂层上沉积第二涂层，所述第二涂层和所述副产物中的元素部分相同或全部相同；
在所述步骤S4中还包括，在去除所述副产物的同时去除所述第二涂层。
3.根据权利要求2所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第二涂层和所述副产物中的元素均包括硅、卤素和氢。
4.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一气体包括含碳、氢类气体，或者，所述第一气体包括含碳、氢、溴类气体。
5.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一涂层的厚度范围在2～200nm。
6.根据权利要求5所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一涂层的厚度范围在50～150nm。
7.根据权利要求2所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第二涂层的厚度范围在2～100nm。
8.根据权利要求7所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第二涂层的厚度范围在10～30nm。
9.根据权利要求2所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一涂层和/或所述第二涂层采用等离子体激发沉积方式或者气体分子聚合沉积方式形成。
10.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一清洗气体包括含氧气体。
11.根据权利要求10所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第一清洗气体还包括含氮气体和惰性气体中的一种或者至少两种。
12.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第二清洗气体包括含氟气体。
13.根据权利要求2或3所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述第二气体包括含氢、硅、卤素类气体。
14.根据权利要求1所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述腔室包括用于激发形成等离子体的上电极电源，以及向承载基片的承载装置提供负偏压的下电极电源，在所述步骤S2中，所述第一气体包括C4H6和HBr，所述上电极电源的输出功率范围在100～1000W；所述下电极电源的输出功率为0W；C4H6气流量范围在10～500sccm；HBr气流量范围在10～500sccm；所述腔室的气压范围在1～100mTorr。
15.根据权利要求2所述的腔室环境的控制方法，其特征在于，所述腔室包括用于激发形成等离子体的上电极电源，以及向承载基片的承载装置提供负偏压的下电极电源，在所述步骤S23中，所述第二气体包括CH4、SiCl4和HBr，所述上电极电源的输出功率范围在100～1000W；所述下电极电源的输出功率为0W，CH4气流量范围在10～500sccm；SiCl4的气流量范围在10～500sccm；HBr的气流量范围在10～500sccm；所述腔室的气压范围在1～100mTorr。
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