CN106952799A - 使用基于等离子体的工艺消除氟残余物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用基于等离子体的工艺消除氟残余物的系统和方法。一种用于操作衬底处理室的方法，包括在所述衬底处理室中使用氟基气体执行处理之后：a)在第一预定时间段期间，将气体混合物供应到所述衬底处理室并且提供RF功率以在衬底处理室中激励等离子体，所述气体混合物包括选自由分子氧、分子氮、一氧化氮和一氧化二氮组成的组中的一种或者多种气体；b)在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段期间，向所述衬底处理室供应分子氢气体和RF功率；c)重复a)和b)一次或多次；d)用分子氮气吹扫所述衬底处理室；e)增加室压强；f)排空所述衬底处理室；和g)重复d)、e)和f)一次或多次。

Description

使用基于等离子体的工艺消除氟残余物的系统和方法
技术领域
本公开涉及衬底处理系统，并且更具体地涉及用于消除衬底处理系统中的氟残留物的系统和方法。
背景技术
这里提供的背景描述是为了一般地呈现本公开的上下文的目的。目前所命名的发明人的工作，在该背景技术部分以及本说明书的在申请时不会以其他方式被认为是现有技术的方面中描述的程度上，既不明确地也不隐含地被承认为针对本公开的现有技术。
衬底处理系统可用于灰化或蚀刻诸如半导体晶片之类的衬底上的膜。衬底处理系统通常包括处理室、气体分配装置和衬底支撑件。在处理期间，衬底被布置在衬底支撑件上。可以将不同的气体混合物引入到处理室中，并且射频(RF)等离子体可以用于活化化学反应。
在诸如灰化或蚀刻工艺之类的衬底处理期间，可以使用包含氟的气体混合物。包含氟的气体混合物也可以在用于位于衬底处理室内的部件的清洁工艺中使用。
在衬底处理或室清洁工艺期间，含氟气体(例如六氟化硫(SF6)、三氟化氮(NF3)或四氟化碳(CF4))被解离。氟离子和自由基与衬底处理室中的衬底表面和/或暴露的表面反应。氟离子和自由基附着到衬底处理室内的部件。当衬底处理室随后被打开并暴露于大气时，空气中的水分与氟离子和自由基反应并产生氢氟(HF)酸。
环境空气吹扫工艺可以用于减轻当衬底处理室打开时产生的HF酸的影响。在该过程期间，衬底处理室保持在恒定的真空压下，并且引入环境空气。环境空气包含水，其与处理室的部件上的氟离子和自由基反应。该反应产生气态HF，其然后将被泵出并通过洗涤器处理。
发明内容
本发明涉及一种用于操作衬底处理室的方法。该方法在衬底处理室中使用氟基气体的工艺之后执行。该方法包括：a)在第一预定时间段期间向所述衬底处理室供应气体混合物并且供应RF功率以在所述衬底处理室激励等离子体，所述气体混合物包括选自由分子氧、分子氮、一氧化氮和一氧化二氮构成的组中的一种或多种气体；b)在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段期间，向所述衬底处理室供应分子氢气体和RF功率；c)重复a)和b)一次或多次；d)用分子氮气吹扫所述衬底处理室；e)增加室压强；f)排空所述衬底处理室；和g)重复d)、e)和f)一次或多次。
在其它特征中，该方法包括在a)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第一预定压强。第一预定压强在400毫托(mTorr)至3托(Torr)的范围内。
在其它特征中，该方法包括在b)期间将衬底处理室中的压强设定为第二预定压强。第二预定压强在400毫托和3托之间的范围内。
在其它特征中，该方法包括在c)期间将衬底处理室中的压强设定为第三预定压强。第三预定压强在5托和15托之间的范围内。
在其它特征中，a)中的RF功率在从500W到2kW的范围内。该方法包括向设置在衬底处理室中的衬底支撑件提供RF偏置。RF偏置在100W至500W的功率范围内。一种或多种气体以100至5000sccm之间的流率供应。分子氢气体以500至3000sccm之间的流率供应。
根据详细描述、权利要求和附图，本公开的其它适用领域将变得显而易见。详细描述和具体示例仅意图用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
具体而言，本发明的一些方面可以描述如下:
1.一种用于操作衬底处理室的方法，包括：
在所述衬底处理室中使用氟基气体进行处理之后的以下步骤：
a)在第一预定时间段期间，向所述衬底处理室供应气体混合物并且供应RF功率以在所述衬底处理室激励等离子体，所述气体混合物包括选自由分子氧、分子氮、一氧化氮和一氧化二氮构成的组中的一种或多种气体；
b)在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段期间，向所述衬底处理室供应分子氢气体和RF功率；
c)重复a)和b)一次或多次；
d)用分子氮气体吹扫所述衬底处理室；
e)增加室压强；
f)排空所述衬底处理室；以及
g)重复d)、e)和f)一次或多次。
2.根据条款1所述的方法，还包括在a)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第一预定压强。
3.根据条款2所述的方法，其中所述第一预定压强在400毫托至3托的范围内。
4.根据条款2所述的方法，还包括在b)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第二预定压强。
5.根据条款4所述的方法，其中所述第二预定压强在400毫托和3托之间的范围内。
6.根据条款4所述的方法，还包括在c)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第三预定压强。
7.根据条款6所述的方法，其中所述第三预定压强在5托和15托之间的范围内。
8.根据条款1所述的方法，其中a)中的所述RF功率在从500W到2kW的范围内。
9.根据条款1所述的方法，还包括向设置在所述衬底处理室中的衬底支撑件提供RF偏置。
10.根据条款9所述的方法，其中所述RF偏置在100W至500W的功率范围内。
11.根据条款1所述的方法，其中所述一种或多种气体以在100和5000sccm之间的流率供应。
12.根据条款1所述的方法，其中所述分子氢气体以500sccm至3000sccm之间的流率供应。
附图说明
从详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的衬底处理系统的示例的功能框图；
图2是示出在使用氟气的清洁或衬底处理工艺之后从衬底处理室中的部件除去氟的方法的示例的流程图；
图3是根据本公开的衬底处理系统的另一示例的功能框图；和
图4是示出在使用氟气的清洁或衬底处理工艺之后从衬底处理室中的部件中除去氟的方法的另一示例的流程图。
在附图中，附图标记可以重新使用以标识类似和/或相同的元件。
具体实施方式
根据本公开的系统和方法通过消除在后处理期间向环境空气的暴露而消除了在使用氟气的处理之后HF酸在衬底处理室中的可能性。如上所述，环境空气吹扫工艺引入环境空气，其可引起HF酸污染。此外，环境空气吹扫工艺将水分引入衬底处理室中。在执行维护操作之后，水分可能保留在衬底处理室中，并且可能导致各种问题，包括颗粒、污染、工艺漂移等。根据本公开的系统和方法消除了对环境空气吹扫工艺的需要，这消除了相关的生产率问题。
现在参考图1，示出了根据本公开的衬底处理室10的示例。尽管示出和描绘了特定的衬底处理室10，但本文所述的方法也可以使用其他类型的衬底处理系统来实现。衬底处理室10包括室外壳11。气体分配装置12在室外壳11中分配气体。在一些示例中，气体分配装置12包括喷头，但也可以使用其他气体分配装置。诸如板、基座、静电卡盘等之类的衬底支撑件14也布置在室外壳11中。在诸如沉积或蚀刻之类的衬底处理期间，衬底16布置在衬底支撑件14上。衬底16可以在清洁工艺期间从室外壳11移除。
气体输送系统18向气体分配装置12供应一种或多种工艺气体混合物、吹扫气体混合物、清洁气体混合物或单个的气体。在一些实例中，气体混合物包括氟基气体。等离子体发生器20选择性地提供RF功率以产生等离子体。RF功率可以输出到气体分配装置12或衬底支撑件14中的一个。在一些示例中，气体分配装置12或衬底支撑件14中的另一个连接到诸如地之类的参考电位。RF偏置发生器22选择性地向衬底支撑件14提供RF偏置。
气体去除系统26选择性地从室外壳11排出反应物和/或控制室外壳11内的压强。一个或多个传感器28可布置在室中以感测室参数，例如温度、压强等。控制器30可以连接到气体输送系统18、等离子体发生器20、RF偏置发生器22、气体去除系统26和/或传感器28。
现在参考图2，示出了用于消除室外壳11中的氟的方法50。在52处，在第一预定压强下使用基于氟的气体在衬底处理室中执行衬底处理或室清洁工艺。在一些实例中，基于氟的工艺涉及灰化、蚀刻、清洁或任何其它留下氟残余物的工艺。在一些示例中，第一预定压强在400毫托和3托之间的压强范围内。在一些示例中，第一预定压强在1.5托和3托之间的压强范围内。在一些示例中，可以在开始工艺之前吹扫室。
在53处，使用等离子体气体混合物在第二预定压强下持续预定时间段在衬底处理室中产生等离子体，所述等离子体气体混合物包括选自分子氧(O2)，一氧化氮(NO)，一氧化二氮(N2O)和分子氮(N2)。在一些实例中，一种或多种气体的流率在100和5000sccm之间。在一些示例中，预定时间段在200s和400s之间。在一些示例中，预定时间段为大约300s+/-25s。
在一些示例中，第二预定压强小于第一预定压强。在一些示例中，第二预定压强在400毫托和3托之间的压强范围内。在一些示例中，第二预定压强在400毫托和1托之间的压强范围内。在一些示例中，第二预定压强为800毫托+/-50毫托。在一些示例中，提供500瓦特与2kW之间的RF功率。在一些示例中，将100至500瓦特范围内的RF偏置功率提供给衬底支撑件。
在54处，使用包含分子氢(H2)的等离子体气体混合物在室中在第三预定压强下持续预定时间段产生等离子体。在一些示例中，预定时间段在200s和400s之间。在一些示例中，预定时间段为300s+/-25s。在一些示例中，第三预定压强在400毫托和3托之间的压强范围内。在一些示例中，第三预定压强是800毫托+/-50毫托。在一些示例中，提供500瓦特与2kW之间的RF功率。在一些示例中，将100至500瓦特范围内的RF偏置功率提供给衬底支撑件。在一些实例中，H2的流率在500和3000sccm之间。
在58处，步骤53和54可以重复零次、一次或多次。在一些实例中，步骤53和54重复5至15次。在一些示例中，步骤53和54重复10次+/-2次。当58为假时，该方法在60处通过用分子氮(N2)吹扫室而继续进行。在62处，将室加压至第四预定压强。在一些示例中，第四预定压强在5托和15托之间的压强范围内。在一些示例中，第四预定压强为10托+/-2托。
在66处，将反应物从衬底处理室中抽出。在70，步骤60、62和66可以重复零次、一次或多次。在一些示例中，步骤60、62和66重复30至70次。在一些示例中，步骤53和54重复50次+/-5次。
现在参考图3，示出了根据本公开的衬底处理室100的示例。尽管示出和描绘了另一特定的衬底处理室，但本文所述的方法也可以使用其它类型的衬底处理系统来实现。
衬底处理室100包括下室区域102和上室区域104。下室区域102由室侧壁表面108、室底表面110和气体分配装置114的下表面限定。
上室区域104由气体分配装置114的上表面和圆顶118的内表面限定。在一些示例中，圆顶118搁置在第一环形支撑件121上。在一些示例中，第一环形支撑件121包括用于将工艺气体输送到上室区域104的一个或多个间隔开的孔123。在一些示例中，工艺气体通过一个或多个间隔开的孔123以相对于包括气体分配装置114的平面成锐角沿向上方向输送，但也可以使用其它角度/方向。在一些示例中，第一环形支撑件121中的气体流动通道134向一个或多个间隔开的孔123供应气体。
第一环形支撑件121可以搁置在第二环形支撑件125上，第二环形支撑件125限定用于将工艺气体从气体流动通道129输送到下室区域102的一个或多个间隔开的孔127。在一些示例中，气体分配装置114中的孔131与孔127对准。在其他示例中，气体分配装置114具有较小的直径，并且不需要孔131。在一些示例中，处理气体通过一个或多个间隔开的孔127以相对于包括气体分配装置114的平面成锐角朝向衬底以向下方向输送，但也可以使用其它角度/方向。
在其他示例中，上室区域104是具有平坦顶表面的圆柱形，并且可以使用一个或多个平坦的感应线圈。在其他示例中，单个室可以与位于喷头和衬底支撑件之间的间隔物一起使用。
衬底支撑件122布置在下室区域104中。在一些示例中，衬底支撑件122包括静电卡盘(ESC)，但也可以使用其他类型的衬底支撑件。在蚀刻期间，衬底126布置在衬底支撑件122的上表面上。在一些示例中，衬底126的温度可以由加热板125、具有流体通道的可选冷却板和一个或多个传感器(未示出)控制；但也可以使用任何其它合适的温度控制系统。
在一些示例中，气体分配装置114包括喷头(例如，具有多个间隔开的孔129的板128)。多个间隔孔129从板128的上表面延伸到板128的下表面。在一些示例中，间隔孔129具有在0.4英寸至0.75英寸范围内的直径，并且喷头由诸如铝之类的导电材料或诸如具有由导电材料制成的嵌入电极的陶瓷之类的非导电材料制成。
一个或多个感应线圈140围绕圆顶118的外部部分布置。当通电时，一个或多个感应线圈140在圆顶118内部产生电磁场。在一些示例中，使用上部线圈和下部线圈。气体喷射器142从气体输送系统150-1喷射一种或多种气体混合物。
在一些示例中，气体输送系统150-1包括一个或多个气体源152、一个或多个阀154、一个或多个质量流量控制器(MFC)156和混合歧管158，但也可以使用其它类型的气体输送系统。
等离子体发生器170可以用于产生输出到一个或多个感应线圈140的RF功率。等离子体190在上室区域104中产生。在一些示例中，等离子体发生器170包括RF发生器172和匹配网络174。匹配网络174将RF发生器172的阻抗与一个或多个感应线圈140的阻抗匹配。在一些示例中，气体分配装置114连接到诸如地之类的参考电位。阀178和泵180可以用于控制下室区域102和上室区域104内部的压强并且用于抽空反应物。
控制器176与气体输送系统150-1和150-2、阀178、泵180和/或等离子体发生器170连通，以控制工艺气体、吹扫气体、RF等离子体的流动和室压强。在一些示例中，通过一个或多个感应线圈140在圆顶118内维持等离子体。使用气体喷射器142(和/或孔123)从室的顶部引入一种或多种气体混合物，并且使用气体分配装置114限制等离子体在圆顶118内。
在一些示例中，提供RF偏置。提供RF偏置发生器184，并且RF偏置发生器184包括RF发生器186和匹配网络188。RF偏置可以用于在气体分配装置114和衬底支撑件之间产生等离子体，或者在衬底126上产生自偏置以吸引离子。控制器176可以用于控制RF偏置。
现在参考图4，示出了用于从衬底处理室中消除氟的方法200。在204，在第一预定压强下执行使用氟基气体的衬底处理(例如灰化，蚀刻或清洁)。在208，将反应物从衬底处理室中抽出。在210，将压强设定为第二预定压强。在一些示例中，第二预定压强小于第一预定压强。在214，将包括从由O2、N2、NO和N2O组成的组中选择的一种或多种气体的气体混合物供应到衬底处理室。
在218，提供RF功率并且在衬底处理室中激励等离子体。在222，可选地将RF偏置提供给衬底支撑件。在226，该方法确定第一预定时间段是否到达。当226为真时，该方法在228继续并且熄灭等离子体并从衬底处理室排出反应物。
在232处，气体输送系统将分子氢(H2)供应到衬底处理室，并且在衬底处理室中激励等离子体。在240，可选地将RF偏置提供给衬底支撑件。在244，方法确定第二预定时间段是否到达。当244为真时，该方法以248继续并且选择性地在步骤208和240之间重复该工艺(零次、一次或多次)。当248为假时，该方法在252继续。用分子氮(N2)吹扫衬底处理室。在256，室压强增加到第三预定压强。在260，室被抽空。在260，该方法确定是否重复步骤252至260(零次、一次或多次)。在一些示例中，使用图2的RF功率电平、RF偏置电平、流率和处理时间。
前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，尽管本公开包括特定示例，但本公开的真实范围不应当如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方式在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方式描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其它实施方式中实现和/或与任何其它实施方式的特征组合，即使该组合没有明确描述也如此。换句话说，所描述的实施方式不是相互排斥的，并且一个或多个实施方式彼此的排列保持在本公开的范围内。
元件之间(例如，模块，电路元件，半导体层等之间)的空间和功能关系使用包括“连接”、“接合”、“联接”、“相邻”、“邻近”、“在...上”、“上方”、“下方”和“设置”之类的各种术语进行描述。当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，除非明确地描述为“直接”，否则这种关系可以是其中没有其他中间元件存在于所述第一和第二元件之间的直接的关系，但也可以是其中一个或多个中间元件(或者在空间上或功能上)存在于所述第一和第二元件之间的间接的关系。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应该被解释为指使用非排他性的逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，且不应该被解释为指“A中的至少一个，B中的至少一个，和C中的至少一个”。
在一些实施方案中，控制器是系统的一部分，该系统的一部分可以是上述实施方式的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个加工工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定的处理部件(晶片基座、气体流动系统等)。这些系统可与电子器件集成，以便在半导体晶片或衬底的处理之前、期间或之后控制这些系统的操作。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种组件或子部分。根据处理要求和/或系统的类型，控制器可以被编程，以控制本发明所公开的工艺中的任何一些，包括控制处理气体的输送、温度的设置(例如，加热和/或冷却)、压强的设置、真空的设置、功率的设置、射频(RF)产生器的设置、RF匹配电路的设置、频率的设置，流率的设置、流体输送的设置、位置和操作的设置、晶片的进出工具和其他输送工具和/或连接到特定系统的或与特定系统接口的装载锁的传送。
从广义上讲，控制器可以被定义为接收指令、发出指令、控制操作、使能清洁操作、使能终点测量等的具有各种集成电路、逻辑、存储器、和/或软件的电子器件。该集成电路可以包括固件形式的存储程序指令的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片和/或执行程序指令(例如，软件)的一个或多个微处理器或微控制器。程序指令可以是与各种单个的设置(或程序文件)形式的控制器通信的指令，该设置(或程序文件)定义在半导体晶片上或用于半导体晶片或向系统进行特定处理的操作参数。在一些实施方式中，所述操作参数可以是由工艺工程师定义的以完成晶片的一个或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或管芯的制造过程中的一个或多个处理步骤的配方的一部分。
在一些实施方案中，控制器可以是与系统集成、耦接或者说是通过网络连接系统或它们的组合的计算机的一部分或者与该计算机耦接。例如，控制器可以在“云端”或者是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，它们可以允许远程访问晶片处理。计算机可以启用对系统的远程访问以监测制造操作的当前处理，检查过去的制造操作的历史，检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数，设置处理步骤以跟随当前的处理或者开始新的工艺。在一些实例中，远程计算机(例如，服务器)可以通过网络给系统提供工艺配方，网络可以包括本地网络或互联网。远程计算机可以包括允许输入或编程参数和/或设置的用户界面，这些输入或编程参数和/或设置然后从远程计算机传送到系统。在一些实例中，控制器接收数据形式的指令，这些指令指明在一个或多个操作期间将要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，这些参数可以针对将要执行的工艺类型以及工具类型，控制器被配置成连接或控制该工具类型。因此，如上所述，控制器可以例如通过包括一个或多个分立的控制器而分布，这些分立的控制器通过网络连接在一起并且朝着共同的目标(例如，本发明所述的工艺和控制)工作。用于这些目的的分布式控制器的实例可以是与一个或多个远程集成电路(例如，在平台水平或作为远程计算机的一部分)通信的室内的一个或多个集成电路，它们结合以控制室内工艺。
示例的系统可以包括但不限于，等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转冲洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及在半导体晶片的制备和/或制造中可以关联上或使用的任何其他的半导体处理系统。
如上所述，根据工具将要执行的一个或多个工艺步骤，控制器可以与一个或多个其他的工具电路或模块、其他工具组件、组合工具、其他工具界面、相邻的工具、邻接工具、位于整个工厂中的工具、主机、另一个控制器、或者在将晶片的容器往来于半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口搬运的材料搬运中使用的工具通信。

Claims (10)

1.一种用于操作衬底处理室的方法，包括：
在所述衬底处理室中使用氟基气体进行处理之后的以下步骤：
a)在第一预定时间段期间，向所述衬底处理室供应气体混合物并且供应RF功率以在所述衬底处理室激励等离子体，所述气体混合物包括选自由分子氧、分子氮、一氧化氮和一氧化二氮构成的组中的一种或多种气体；
b)在所述第一预定时间段之后的第二预定时间段期间，向所述衬底处理室供应分子氢气体和RF功率；
c)重复a)和b)一次或多次；
d)用分子氮气体吹扫所述衬底处理室；
e)增加室压强；
f)排空所述衬底处理室；以及
g)重复d)、e)和f)一次或多次。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在a)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第一预定压强。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一预定压强在400毫托至3托的范围内。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括在b)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第二预定压强。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二预定压强在400毫托和3托之间的范围内。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括在c)期间将所述衬底处理室中的压强设定为第三预定压强。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第三预定压强在5托和15托之间的范围内。
8.根据权利要求1所述的方法，其中a)中的所述RF功率在从500W到2kW的范围内。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括向设置在所述衬底处理室中的衬底支撑件提供RF偏置。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述RF偏置在100W至500W的功率范围内。
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