CN106920730A - 一种清洁刻蚀硅基片等离子体处理装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种有效清洁刻蚀硅基片等离子体处理装置的方法，所述方法包括第一步骤和第二步骤，在所述第一步骤中，输送O₂和SF₆至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少第一射频功率，将所述O₂和SF₆激发为等离子体，所述SF₆解离出的等离子体可以对刻蚀完硅基片后残留在反应腔内的硅的残余物进行反应，生成气态的产物排出反应腔，在所述第二步骤中，输送O₂至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少一第二射频功率，将所述O₂激发为等离子体对沉积物中的C_xF_y及第一步骤中生成的固态硫及其化合物进行清洁。本发明公开的方法可以高效的清除刻蚀完硅基片后的等离子体处理装置内部侧壁及部件。保证了每片硅基片的刻蚀环境具有良好的一致性。

Description

一种清洁刻蚀硅基片等离子体处理装置的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种等离子处理装置内部清洁的技术领域。

背景技术

等离子体反应装置广泛应用于集成电路的制造工艺中，如沉积、刻蚀等。其中，常用的等离子体刻蚀反应装置包括电容耦合型等离子体反应装置CCP和电感耦合型等离子体装置ICP，等离子体反应装置的原理主要是使用射频功率将输入反应装置中的反应气体解离成等离子体，利用该等离子体对放置于其内部的基片进行等离子体刻蚀处理，不同基片的刻蚀工艺需要不同的反应气体，同时也会产生不同的反应副产物，某些反应副产物彼此之间发生反应，沉积在反应腔内部侧壁或者其他部件上，对后续反应工艺造成影响。

为了保证每片基片的工艺环境稳定，当一片基片刻蚀工艺完成并移出反应腔后，需要对反应腔内部进行清洁，以除去上一片基片刻蚀工艺中反应副产物的沉积，由于不同的基片刻蚀需要不同的反应气体，沉积的反应副产物也不相同，因此，需要采用不同的清洁气体。在一种刻蚀硅基片的等离子体处理装置中，通常，反应后的副产物包括碳氟化合物，硅残渣，硅的氧化物及硅的不完全氟化物，现有技术通常采用氧气对其进行清洁，然而，氧气对硅及其氧化物和氟化物的清洁效果不佳，造成整个清洁工艺效率过低，降低了设备的使用效率，且难以保证每片基片的工艺环境一致。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种清洁刻蚀硅基片等离子体处理装置的方法，所述方法在一等离子体反应腔内移出刻蚀完成的硅基片后进行，包括下列步骤：

第一步骤，输送O2和SF6至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少第一射频功率，将所述O2和SF6激发为等离子体并维持等离子体在第一时间段内对反应腔进行清洁；

第二步骤，输送O2至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少一第二射频功率，将所述O2激发为等离子体并维持所述等离子体在第二时间段内对反应腔进行清洁；所述第二时间段大于所述第一时间段。

优选的，所述第一射频功率和第二射频功率大小相等。

优选的，所述第一射频功率和第二射频功率范围为100瓦-3000瓦。

优选的，执行所述第一步骤时反应腔内压力大于等于执行第二步骤时所述反应腔内压力。

优选的，所述第一步骤和所述第二步骤在所述反应腔内重复执行。

优选的，所述第一步骤和第二步骤重复执行两次，第一次执行时，第一步骤中所述O2和SF6的比例范围为1:1~1:20；第二次执行时第一步骤中所述O2和SF6的比例范围为20:1~1:1。

优选的，重复执行所述第一步骤和第二步骤时，最后一次执行的第二步骤内SF6气体流量为0，非最后一次执行的第二步骤内SF6气体不为0。

优选的，所述清洁等离子体处理装置内设置可上下移动的可移动部件，移动所述可移动部件位于所述反应腔的下方，执行所述第一步骤和所述第二步骤，此时，设置所述第一步骤内SF6气体流量为第一流量；移动所述可移动部件位于所述反应腔的上方，重复执行所述第一步骤和第二步骤，此时，设置所述第一步骤内SF6气体流量为第二流量；所述第一流量大于等于所述第二流量。

进一步的，当移动所述可移动部件位于所述反应腔下方时，所述反应腔内压力为第一压力，当移动所述可移动部件位于所述反应腔上方时，所述反应腔内压力为第二压力，设置所述第一压力大于等于所述第二压力。

优选的，所述第一压力大于等于100mT，所述第二压力小于等于60mT。

本发明的优点在于：本发明通过将清洁步骤分为两步，在所述第一步骤中，输送O₂和SF₆至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加射频功率，将所述O₂和SF₆激发为等离子体，所述SF₆解离出的等离子体可以对刻蚀完硅基片后残留在反应腔内的硅的残余物进行反应，生成气态的产物排出反应腔，在所述第二步骤中，输送O₂至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加射频功率，将所述O₂激发为等离子体对沉积物中的C_xF_y及第一步骤中生成的固态硫及其化合物进行清洁。通过控制清洁气体的输入种类及反应腔内其他可调节参数，可以高效的清除刻蚀完硅基片后的等离子体处理装置内部侧壁及部件。保证了每片硅基片的刻蚀环境具有良好的一致性。

附图说明

图1示出一种等离子体处理装置结构示意图；

图2示出另一种等离子体装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。本发明公开的技术适用于多种等离子体处理装置，尤其是对硅基片进行刻蚀的等离子体处理装置。

图1示出本发明所述方法适用的一种离子体处理装置结构示意图。本实施例中，所述等离子体处理装置为电感耦合型等离子体处理装置，电感耦合型等离子体反应装置包括真空反应腔100，真空反应腔包括由金属材料制成的大致为圆柱形的反应腔侧壁105，反应腔侧壁105上方设置一绝缘窗口130，绝缘窗口130上方设置电感耦合线圈140，电感耦合线圈140连接射频功率源145。反应腔侧壁105靠近绝缘窗口130的一端设置气体喷入口150，气体喷入口150连接气体供应装置10。气体供应装置10中的反应气体经过气体喷入口150进入真空反应腔100，射频功率源145的射频功率驱动电感耦合线圈140产生较强的高频交变磁场，使得低压的反应气体被电离产生等离子体160。在真空反应腔100的下游位置设置一基座110，基座110上放置静电卡盘115用于对基片120进行支撑和固定。等离子体160中含有大量的电子、离子、激发态的原子、分子和自由基等活性粒子，上述活性粒子可以和待处理基片的表面发生多种物理和化学反应，使得基片表面的形貌发生改变，即完成刻蚀过程。真空反应腔100的下方还设置一排气泵125，用于将反应副产物排出真空反应腔内。

刻蚀反应开始后，气体供应装置10通过150向反应腔内提供反应气体，在图1所示的实施例中，基片120为硅材料，反应腔内进行的刻蚀工艺为硅通孔刻蚀工艺，又称TSV刻蚀工艺。本刻蚀工艺的特点是，需要刻蚀的硅通孔深度较大，常用的刻蚀硅通孔的工艺包括博世工艺和非博世工艺，博世工艺包括两个步骤，第一，刻蚀步骤，在真空反应腔内通入刻蚀气体，在硅基底表面进行通孔刻蚀；第二，聚合物沉积步骤，在真空反应腔内通入沉积气体，所述沉积气体在通孔侧壁沉积形成侧壁保护。刻蚀步骤和沉积步骤交替进行，直至通孔刻蚀完成。非博世工艺中刻蚀气体和沉积气体同时通入反应腔内，在对硅基片进行深孔刻蚀的过程中，沉积气体生成的等离子体同时在刻蚀深孔的侧壁进行沉积工艺，保证刻蚀得到的硅通孔具有良好的形貌。

无论博世工艺或者非博世工艺，在对硅基片进行刻蚀的过程中，都会产生大量的C_xF_y、硅的氧化物、硅的氟化物及硅残渣等沉积物，现有技术中通常采用O₂对硅通孔刻蚀完成后的反应腔进行清洁，但是，O₂只对沉积物中C_xF_y沉积物具有良好的清洁效果，对于含硅的沉积物，目前O₂生成的等离子体不能对其进行有效清除。

本发明提供一种有效清洁刻蚀硅基片工艺后反应腔内沉积物的方法，所述清洁方法在移出刻蚀完成的硅基片步骤后进行，包括两个步骤，第一步骤，向反应腔内通入清洁气体O₂和SF₆，并向反应腔施加射频功率将O₂和SF₆激发成等离子体，该射频功率的施加方式与刻蚀工艺中施加给反应腔的方式相同，在本实施例中，通过射频功率源145施加到线圈140上实现将清洁气体激发为清洁等离子体。射频功率源145的输出功率大小可以决定反应腔内清洁等离子体的浓度，后文将详细描述射频功率源的输出大小与反应腔清洁效果的关系。清洁等离子体在反应腔内维持第一时间段，在此期间，O₂解离出的等离子体与沉积物中的C_xF_y反应生成碳的氧化物排出反应腔，同时SF₆气体解离出的氟离子及自由基会与沉积物中的硅发生反应，生成气态的Si_xF_y排出反应腔，完成清洁过程的第一步。在第一步骤的清洁过程中，虽然SF₆解离出的等离子体能够清洁硅及含硅的沉积物杂质，但清洁过程中，由于F离子被大量消耗用于与硅反应，S离子过剩，产生固态的硫或固态硫的不完全氧化物会沉积在静电夹盘或反应腔侧壁上，为反应腔增加新的杂质，因此，需要进行第二步骤。在第二步骤中，向反应腔内通入O₂，O₂解离出的含氧等离子体能够与固态的硫或硫的不完全氧化物进行反应，生成气态的SO₂，排出反应腔外，第二步骤的维持时间可以设定为第二时间段，第一时间段和第二时间段的设定根据具体工艺具体设定。

在本发明公开的上述方法中，O₂和SF₆气体均为硅深孔刻蚀工艺所需的气体，因此无需增加额外的气体，通过将清洁过程分为第一步骤和第二步骤，并在第一步骤中增加SF₆气体可以有效的清除硅深孔刻蚀工艺中含硅的沉积物，保证反应腔的清洁效果。

在本发明公开的清洁方法中，除了气体种类，还有多个工艺参数可以影响清洁效果，通过输送清洁气体与可调节的工艺参数配合可以有效清洁不同反应腔或者清洁同一反应腔进行不同刻蚀工艺后的内部环境。影响清洁效果的工艺参数至少包括：清洁气体的通入量，反应腔内压力，激发气体解离为等离子体的射频功率源输出功率，反应腔内温度，以及清洁步骤的持续时间等因素。具体而言，反应腔内温度升高虽然会提高清洁效率，但是由于电感耦合等离子体反应腔100内进行的硅深孔刻蚀工艺对温度的要求范围较小，反应腔内固有的加热部件很难将反应腔加热到较高的温度。因此，本发明的清洁方法可以不选择对温度进行调节。当对清洁工艺的工艺参数进行设定时，可以选择对解离等离子体的射频功率源的输出进行调节，当调节射频功率源的输出为高功率时，可以提高解离清洁气体的解离程度，增加反应腔内清洁等离子体的浓度，进而可以提高清洁效率，但过高的射频功率会导致等离子体轰击部件表面的轰击力会对反应腔内部部件造成损伤，因此输出功率不能过高，通常设置为100瓦-3000瓦之间，优选的，射频功率在500瓦-3000瓦之间。

输入反应腔内的清洁气体流量是产生清洁等离子体的基础，因此，每个步骤中通入气体的流量多少对该步骤的清洁效果起着决定性影响。在第一步骤中，由于主要清除的目标物是含硅的沉积物，因此，需要通入较大流量的SF₆气体，O₂在清除C_xF_y沉积物的同时还能抑制SF₆解离成的等离子体再次结合，因此在第一步骤中O₂也是必不可少，在本发明中，可以设置第一步骤中O₂和SF₆的气体比例范围为1:1~1:20。

除了对射频功率源的输出功率进行调节外，还可以对反应腔内压力进行调节，当反应腔内压力较高时，如超过100mT，等离子体中主要参与反应的自由基浓度较高，有利于提高反应腔内的清洁效率，但随着反应腔内压力的增大，在反应腔内一些边缘区域，或者需要清洁的部件与其他部件间隙较小的区域，较大的反应腔压力会使得等离子体的相互碰撞次数增多，降低等离子体的清洁活性。而当反应腔内气压较低时例如低于60mT，等离子体的分布较为平缓，可以到达边缘区域，因此可以有效清洁边缘区域的沉积物杂质。由此可见，反应腔内的压力需要维持在一定的范围内，实现既能达到有效清洁所需的等离子体浓度，又能避免压力过大造成的等离子体自由程太短，边缘区域的清洁效果不佳的问题，在一种可选的实施方式中，可以设置第一步骤反应腔内压力小于等于第二步骤反应腔内压力，使得在第一步骤中，反应腔内的清洁等离子体分布趋于平缓，更加有效的清除反应腔内各个区域的沉积物杂质，然后在第二步骤中，通过提高反应腔内压力提高清洁效率，以有效清洁反应腔内的沉积物。

在本发明所述的实施例中，由于某些硅深孔刻蚀沉积工艺会在反应腔内边缘区域沉积大量的沉积物杂质，根据上文描述，控制反应腔内较高压力虽然会使得反应腔内清洁等离子体浓度增加，但由于较高压力会缩短反应腔内分子自由程，尤其是在边缘区域，清洁等离子体发生碰撞的概率增加，使得清洁等离子体活性降低，为了保证边缘区域沉积的大量沉积物杂质能被有效清除，本实施例采取如下清洁步骤：第一步骤，向反应腔内通入清洁气体O₂和SF₆，并向反应腔施加射频功率将O₂和SF₆激发成等离子体，此时，设置反应腔内压力为第一压力，控制清洁等离子体在反应腔内维持第一时间段，在此期间，O₂解离出的等离子体与沉积在可移动部件上表面及反应腔内其他位置的沉积物中的C_xF_y反应生成碳的氧化物排出反应腔，同时SF₆气体解离出的氟离子及自由基会与沉积物中的硅发生反应，生成气态的Si_xF_y排出反应腔，完成清洁过程的第一步。在第二步骤中，向反应腔内通入O₂，维持反应腔内压力为第一压力，O₂解离出的含氧等离子体能够与固态的硫或硫的不完全氧化物进行反应，生成气态的SO₂产物，排出反应腔外。在第三步骤中，继续通入清洁气体O₂和SF₆，向反应腔施加射频功率将O₂和SF₆激发成等离子体，并将反应腔内压力设置为第二压力，按照第一步骤中的原理进行清洁，在第四步骤中，向反应腔内通入O₂，维持反应腔内压力为第二压力，O₂解离出的含氧等离子体能够与固态的硫或硫的不完全氧化物进行反应，生成气态的产物，排出反应腔外。在本实施例中，设置第一压力小于第二压力，在较低的第一压力反应腔内，较低的反应腔压力可以保证清洁等离子体的分子自由程较高，以有效清除边缘区域部件上的沉积物杂质，在较高的第二压力反应腔内，较高的反应腔压力可以增加清洁等离子体浓度，以提高反应腔内其他位置的清洁效率。

上述实施例重复设置两步清洁法清洁反应腔，通过调整反应腔内压力不同，可以有效的清除边缘区域部件沉积的沉积物杂质及反应腔内其他区域部件沉积的沉积物杂质，在某些沉积物杂质更厚，更难以去除的应用中，可以设置多次重复两步清洁法实现对反应腔内及其部件的沉积物去除。

在本发明所述的其他实施例中，本发明上文所述的清洁步骤还可以进行如下设置。例如，在图2所示的等离子体反应腔中，为了保证硅深孔刻蚀工艺的均匀性，该等离子体反应腔内设置可移动部件170，所述可移动部件170在升降杆175的作用下，实现在硅深孔刻蚀工艺的不同阶段移动到不同位置，因此，当刻蚀工艺完成后，该可移动部件的上表面和下表面都沉积有沉积物杂质，为了实现对所述可移动部件的彻底清除，本实施例采用如下步骤对反应腔及其部件进行清洁。

首先，移出完成刻蚀工艺的硅基片120，控制升降杆使得可移动部件170位置降低，将可移动部件向反应腔内通入清洁气体O₂和SF₆，并向反应腔施加射频功率将O₂和SF₆激发成等离子体，此时，可移动部件的上表面暴露于清洁等离子体中，控制清洁等离子体在反应腔内维持第一时间段，在此期间，O₂解离出的等离子体与沉积在可移动部件上表面及反应腔内其他位置的沉积物中的C_xF_y反应生成碳的氧化物排出反应腔，同时SF₆气体解离出的氟离子及自由基会与沉积物中的硅发生反应，生成气态的Si_xF_y排出反应腔，完成清洁过程的第一步。在第二步骤中，向反应腔内通入O₂，O₂解离出的含氧等离子体能够与沉积在可移动部件上表面及反应腔内其他部件的固态的硫或硫的不完全氧化物进行反应，生成气态的产物，排出反应腔外，第二步骤的维持时间可以设定为第二时间段。在第三步骤中，控制升降杆使得可移动部件170位置升高，通入清洁气体O₂和SF₆，并向反应腔施加射频功率将O₂和SF₆激发成等离子体，此时，可移动部件的下表面暴露于清洁等离子体中，控制清洁等离子体在反应腔内维持第三时间段，在此期间，O₂解离出的等离子体与沉积在可移动部件下表面及反应腔内其他位置的沉积物中的C_xF_y反应生成碳的氧化物排出反应腔，同时SF₆气体解离出的氟离子及自由基会与沉积物中的硅发生反应，生成气态的Si_xF_y排出反应腔；在第四步骤中，向反应腔内通入O₂，O₂解离出的含氧等离子体能够与沉积在可移动部件下表面及反应腔内其他部件的固态的硫或硫的不完全氧化物进行反应，生成气态的SO₂产物，排出反应腔外，第四步骤的维持时间可以设定为第四时间段。

表1示例性的示出一种实施例的工艺参数，在该表格中，当可移动部件位置降下时，进行第一步骤和第二步骤，在第一步骤中，O₂和SF₆的气体流量分别为200sccm和2000sccm，设置第一时间段为10s，在该步骤中，利用大流量的SF₆先对刻蚀工艺中产生的含硅沉积物中发生反应，在第二步骤中，通入大流量的O₂用于清除沉积物中的C_xF_y及在第一步骤中产生的固态的硫或硫的不完全氧化物，上述两个步骤的持续时间设定依据为刻蚀工艺结束后沉积物中的不同化学物质的含量，当含硅沉积物含量较高时可以适当延长第一步骤的持续时间，本实施例中，考虑到第二步骤中的O₂可以同时清除沉积物中的C_xF_y及第一步骤新产生的固体硫及硫的不完全氧化物，因此示例性的设置第二步骤的持续时间长于第一步骤的持续时间。

在第三步骤和第四步骤中，将可移动部件移动到反应腔上方以便对可移动部件的下表面进行清洁，重复上述第一步骤和第二部骤的气体通入，考虑到在第一步骤和第二步骤中，大部分的含硅沉积物已经被清除，因此在第三步骤中，降低SF₆的气体流量，增加O₂的气体流量，同时降低第三步骤和第四步骤反应腔内压力，使得反应腔内的清洁等离子体分布趋于平缓，更加有效的清除反应腔内各个区域的沉积物杂质，考虑到第四步骤中会有较大流量的O₂通入，因此在第二步骤中，可以设置SF₆的流量不为0，选择适当通入一定流量的SF₆。

表1

在上述实施例中，通过重复图1实施例中的清洁步骤，可以有效的清洁多个表面均沉积有沉积物杂质的反应腔部件，通过调节可移动部件的上下位置，将沉积有沉积物杂质的部件表面暴露于清洁等离子体中，可以实现对可移动部件的多个表面的有效清洁，在上述实施例中，不同步骤的清洁气体流量，施加到反应腔上的射频功率源功率以及反应腔内的压力都可以按照上文描述根据需要进行调节。由于重复实施第一步骤和第二步骤，最后一次步骤中只通入O₂进行清洁，因此在第二步骤中，可以适当通入一定量的SF₆以实现更好的清洁。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种清洁刻蚀硅基片等离子体处理装置的方法，所述方法在一等离子体反应腔内移出刻蚀完成的硅基片后进行，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

第一步骤，输送O₂和SF₆至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少第一射频功率，将所述O₂和SF₆激发为等离子体并维持等离子体在第一时间段内对反应腔进行清洁；

第二步骤，输送O₂至所述反应腔，向所述等离子体反应腔施加至少一第二射频功率，将所述O₂激发为等离子体并维持所述等离子体在第二时间段内对反应腔进行清洁；

所述第二时间段大于所述第一时间段。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述第一射频功率和第二射频功率大小相等。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述第一射频功率和第二射频功率范围为100瓦-3000瓦。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于：执行所述第一步骤时反应腔内压力大于等于执行第二步骤时所述反应腔内压力。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述第一步骤和所述第二步骤在所述反应腔内重复执行。

6.如权利要求5所述方法，其特征在于：所述第一步骤和第二步骤重复执行两次，第一次执行时，第一步骤中所述O₂和SF₆的比例范围为1:1~1:20；第二次执行时第一步骤中所述O₂和SF₆的比例范围为20:1~1:1。

7.如权利要求5所述方法，其特征在于：重复执行所述第一步骤和第二步骤时，最后一次执行的第二步骤内SF₆气体流量为0，非最后一次执行的第二步骤内SF₆气体不为0。

8.如权利要求1所述方法，其特征在于：所述清洁等离子体处理装置内设置可上下移动的可移动部件，移动所述可移动部件位于所述反应腔的下方，执行所述第一步骤和所述第二步骤，此时，设置所述第一步骤内SF₆气体流量为第一流量；移动所述可移动部件位于所述反应腔的上方，重复执行所述第一步骤和第二步骤，此时，设置所述第一步骤内SF₆气体流量为第二流量；所述第一流量大于等于所述第二流量。

9.如权利要求8所述方法，其特征在于：当移动所述可移动部件位于所述反应腔下方时，所述反应腔内压力为第一压力，当移动所述可移动部件位于所述反应腔上方时，所述反应腔内压力为第二压力，设置所述第一压力大于等于所述第二压力。

10.如权利要求9所述方法，其特征在于：所述第一压力大于等于100mT，所述第二压力小于等于60mT。