CN107393801A - 一种减少下电极损伤的腔体清洗方法 - Google Patents

一种减少下电极损伤的腔体清洗方法 Download PDF

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    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32798—Further details of plasma apparatus not provided for in groups H01J37/3244 - H01J37/32788; special provisions for cleaning or maintenance of the apparatus
    • H01J37/32853—Hygiene
    • H01J37/32862—In situ cleaning of vessels and/or internal parts

Abstract

本发明公开一种减少下电极损伤的腔体清洗方法，包括以下步骤：保护下电极的牺牲层形成步骤，通过位于下电极附近的下部喷口通入反应气体，对下电极表面进行薄膜沉积，作为保护下电极表面的牺牲层；以及干法清洗步骤，通过腔体上部喷口通入反应气体对腔体进行等离子清洗。本发明通过引入薄膜沉积步骤，既避免了因下电极直接暴露于等离子环境而造成下电极损伤，从而延长了下电极的使用寿命，同时节约了晶圆消耗，提高了设备工作效率，有效地兼顾了下电极寿命和晶圆消耗及设备传输效率这两个方面的问题的解决。此外，通过改变进气方式，有效提高了薄膜沉积的可控性，使薄膜尽量沉积在下电极表面，进一步提高了设备工作效率、降低原材料成本。

Description

一种减少下电极损伤的腔体清洗方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种减少下电极损伤的腔体清洗方法。
背景技术
在半导体工艺中，常常需要在批量晶片间(或单片间)进行等离子清洗工艺，以维持腔室环境稳定，提高工艺的重复性、稳定性和良品率。比如等离子刻蚀工艺中，由于等离子体对硅片表面的轰击以及工艺气体与晶圆表面材料的反应往往会产生一些工艺副产物，如聚合物，附着在腔室内壁表面，而下电极被刻蚀硅片阻挡，所以其表面并无刻蚀副产物附着。为了清除由刻蚀工艺产生的工艺副产物，目前应用的方法是在晶圆刻蚀前后、每片晶圆的刻蚀间隔，以及在一批晶圆开始刻蚀之前，进行干法清洗(dryclean)，如用SF6、O2等工艺气体的等离子体与含Si产物及有机聚合物发生化学反应，生成气态产物被抽出腔室，从而达到清洁腔室的目的。
目前现有清洗腔体工艺的方法主要分无挡片和有挡片两大类：
一种方法是无挡片干法清洗工艺，如图1所示，在干法清洗腔室时，基座(下电极)暴露在等离子环境中。该工艺的优点是不需要额外的陪片来作挡片，因此能够节约晶圆消耗，同时也省去了挡片的传输动作，节约了设备的传输资源，提高了工作效率。缺点是等离子会对基座(下电极)造成损伤从而影响其寿命。
另一种方法是有挡片干法清洗工艺，如图2所示，在干法清洗腔室时在基座(下电极)上放置硅片，以保护基座(下电极)不受等离子损伤，提高了配件的使用寿命。但是，由于需要额外的陪片，因此增加了晶圆消耗，同时生产过程中需要穿插传输挡片，占用了设备传输资源，降低了生产效率。
综上所述，目前的等离子清洗工艺方法无法兼顾解决基座(下电极)寿命和晶圆消耗及设备传输效率这两个方面的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开一种减少下电极损伤的腔体清洗方法，包括以下步骤：牺牲层形成步骤，通过位于下电极附近的下部喷口通入反应气体，对下电极表面进行薄膜沉积，作为保护下电极的牺牲层；以及干法清洗步骤，通过腔体上部喷口通入反应气体对腔体进行等离子清洗。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述下部喷口位于顶针上。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述牺牲层的厚度根据在所述干清洗步骤中所需消耗的厚度设定。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述牺牲层的厚度为10nm～100nm。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述牺牲层为SiO2、CxFy或SixNy，或是几种成分的多组分复合膜。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，在所述牺牲层形成步骤中，开启下电极功率。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述下电极功率为50W～500W。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，在所述干法清洗步骤中，开启上电极功率，并保持低下电极功率。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，所述上电极功率为100W～800W，所述下电极功率为0W～50W。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，优选为，还包括吹扫步骤，在所述干法清洗步骤后立即通过下部喷口向腔体内通入氮气或惰性气体。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法通过引入薄膜沉积步骤，并且在下电极附近设置喷气口，既避免了因下电极直接暴露于等离子环境而造成下电极损伤，从而延长了下电极的使用寿命，同时节约了晶圆消耗，提高了设备工作效率，有效地兼顾了下电极寿命和晶圆消耗及设备传输效率这两个方面的问题。
附图说明
图1是现有技术的无挡片干法清洗工艺腔的示意图。
图2是现有技术的有挡片干法清洗工艺腔的示意图。
图3是本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法的第一实施方式的流程图。
图4是下部喷口设置在顶针上部时气体流向示意图。
图5是四个工艺环节中进气方式的示意图：(a)刻蚀工艺环节，(b)取片工艺环节，(c)形成牺牲层工艺环节，(d)干法清洗工艺环节。
图6是本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法的第二实施方式的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图3是本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法的第一实施方式的流程图。如图3所示，在牺牲层形成步骤S1中，通过位于下电极附近的下部喷口通入反应气体，在下电极表面沉积薄膜，形成保护下电极的牺牲层。在干法清洗步骤S2中，通过腔体上部喷口通入反应气体对腔体进行等离子清洗。其中，牺牲层的厚度根据在后续干法清洗步骤S2中所需消耗的厚度进行设定，以达到在干法清洗步骤S2结束时牺牲层被消耗干净的效果。也就是说，在整个干法清洗工艺完成后，既能够极大减少清洗等离子对下电极表面的损伤，又不会在下电极表面增加额外的膜层而影响后续工艺加工。牺牲层可以是SiO2、CxFy、SixNy或几种成分的多组分复合膜等，可以根据具体工艺条件进行选择。
本发明通过改变进气方式，使薄膜集中沉积在下电极表面，有效提高了薄膜沉积的可控性。在具体的一例中，下部喷口设置在顶针上部。在图4中示出了下部喷口设置在顶针上部时气体流向的示意图。如图4所示，在顶针结构中设置有气体通路，气体自基座底部进气口进入，经由气体通路流向顶针上部的喷口，而后自喷口喷向下电极表面。图4中用箭头表示了气体的流动方向。但是本发明不限定于此，上部喷口例如还可以设置在上电极表面等，只要是能够使反应气体近距离的喷向下电极表面即可。
为了更清楚的说明本发明的进气方式，在图5中进一步示出了四个工艺环节中进气方式的示意图。如图5(a)所示，进行刻蚀工艺时，反应气体自腔体上部喷口进入，下部喷口停止进气。当顶针抬起准备取出晶圆时，上部喷口和下部喷口均停止进气，如图5(b)所示。形成保护下电极的牺牲层的工艺中，反应气体自腔体下部喷口进入腔体，上部喷口停止进气。在该具体的一例中下部喷口为设置在顶针上部的喷口，此时，顶针抬起，反应气体自顶针上部的喷口进入腔体，如图5(c)所示。在干法清洗工艺环节，反应气体自上部喷口进入，下部喷口停止进气，如图5(d)所示。
本发明第一实施方式的减少下电极损伤的腔体清洗方法中，通过薄膜沉积步骤，既避免了因下电极直接暴露于等离子环境而造成下电极损伤，从而延长了下电极的使用寿命，同时节约了晶圆消耗，提高了设备工作效率，有效兼顾解决了下电极寿命和晶圆消耗及设备传输效率这两个方面的问题。此外，通过改变进气方式，有效提高了薄膜沉积的可控性，使薄膜尽量沉积在下电极表面，进一步提高了设备工作效率、降低原材料成本。
图6是本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法的第二实施方式的流程图。如图6所示，本发明第二实施方式与第一实施方式基本相同，区别在于还包括吹扫步骤S3，通过下部喷口向腔体内通入氮气或惰性气体。也即在干法清洗步骤S2结束后立即通过下部喷口通入氮气、氦气或氩气等，能够进一步有效去除工艺腔内的残留颗粒。并且，气体自下部喷口通入，能够在下电极表面产生较大气流，这样吹扫的动力及效果远优于传统的从腔体上部工艺气体喷口进气的效果，有效消除落在下电极表面的颗粒。
本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法适用于对多种设备的工艺腔清洗工艺，例如感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)、电容耦合等离子体刻蚀机(CCP)以及薄膜沉积设备等。以下以感应耦合等离子体刻蚀机工艺腔为例，针对本发明的减少下电极损伤的腔体清洗方法的具体实施例进行详细说明。
实施例1
利用感应耦合等离子体刻蚀机对硅进行深度刻蚀，刻蚀硅槽的工艺气体为公知的SF6和C4F8，刻蚀过程中将在ICP刻蚀腔室壁上沉积因物理轰击Si和光刻胶所产生的CxHy等。在每片晶圆间进行减少下电极损伤的腔体清洗。
在牺牲层形成步骤S1中，关闭上电极功率，将下电极功率设在50W～500W之间，将腔室压力设定在3mT～100mT之间，通过下部喷口通入C4F8气体，气体流量为20sccm～200sccm，通入时间为3s～20s，在下电极表面沉积10nm～100nm的CxFy作为牺牲层。反应气体自下部喷口通入并且启动下电极功率，使CxFy集中沉积在下电极表面。
在干法清洗步骤S2中，开启上电极功率，将上电极功率设为100W～800W，将下电极功率控制在低位，例如0W～50W。腔室压力设定在3mT～100mT之间，通入O2和SF6气体，去除腔室壁上的CxHy和气体硅基副产物，将所生成的气态的SiF4、CO2和CO等气体抽走。其中，O2通入流量为20sccm～200sccm，SF6通入流量为20sccm～200sccm，通入时间为10s～120s。通过启动较高位的上电极功率，能够提高等离子密度，从而提高将腔室壁上的副产物去除的效率。同时，将下电极功率控制在较低位，例如0W～50W，使在牺牲层形成步骤S1中所沉积的CxFy薄膜基本在本步骤中充分反应完全，从而使下电极表面恢复到清洗前的状态，同时尽可能减少其表面的损伤。
实施例2
利用感应耦合等离子体刻蚀机对硅进行刻蚀，刻蚀硅的工艺气体为公知的Cl2/HBr/O2，刻蚀过程中将在刻蚀腔室壁上沉积因物理轰击Si和光刻胶产生的Si，CxHy以及等离子反应下不易挥发的SiBr4，SiBrxOy，SiClxOy等。在每片晶圆间进行减少下电极损伤的腔体清洗。
在牺牲层形成步骤S1中，关闭上电极功率，将下电极功率设定在100W～500W之间，腔室压力设定在3mT～100mT之间，通过下部喷口通入SiH4气体和NH3气体，其中SiH4通入流量为20sccm～200sccm，NH3通入流量为20sccm～200sccm，通入时间为3s～20s，在下电极表面沉积30～100nm的SiN作为牺牲层。反应气体自下部喷口通入并且启动下电极功率，能够使SiN集中沉积在下电极表面。
在干法清洗步骤S2中，开启上电极功率，上电极功率为100W～800W，将下电极功率控制在较低位，例如0W～50W。腔室压力在3mT～100mT之间，通入O2和SF6气体，去除腔室壁上的CxHy和气体硅基副产物，将所生成的气态的SiF4抽走。其中，O2通入流量为20sccm～200sccm，SF6通入流量为20sccm～200sccm，通入时间为10s～120s。通过启动较高位的上电极功率，能够提高等离子密度，从而提高将腔室壁上的副产物去除的效率。同时，控制较低位的下电极功率，使在牺牲层形成步骤S1中所沉积的SiN薄膜基本在本步骤中充分反应完全，从而使下电极表面恢复到清洗前的状态，同时尽可能减少其表面的损伤。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
包括以下步骤：
牺牲层形成步骤，通过位于下电极附近的下部喷口通入反应气体，对下电极表面进行薄膜沉积，作为保护下电极的牺牲层；以及
干法清洗步骤，通过腔体上部喷口通入反应气体对腔体进行等离子清洗。
2.根据权利要求1所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述下部喷口位于顶针上。
3.根据权利要求1所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述牺牲层的厚度根据在所述干清洗步骤中所需消耗的厚度设定。
4.根据权利要求3所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述牺牲层的厚度为10nm～100nm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述牺牲层为SiO2、CxFy、SixNy、或其组合。
6.根据权利要求1所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
在所述牺牲层形成步骤中，开启下电极功率。
7.根据权利要求6所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述下电极功率为50W～500W。
8.根据权利要求1所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
在所述干法清洗步骤中，开启上电极功率，并将电极功率保持在低位。
9.根据权利要求8所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
所述上电极功率为100W～800W，所述下电极功率为0W～50W。
10.根据权利要求1所述的减少下电极损伤的腔体清洗方法，其特征在于，
还包括吹扫步骤，在所述干法清洗步骤后立即通过下部喷口向腔体内通入氮气或惰性气体。
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