CN107710386A - 工艺腔室 - Google Patents
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Abstract
本文描述的实施方式大体涉及用于等离子体处理工艺腔室的方法和设备。基板可放置在工艺腔室中，所述基板具有形成于其上的栅极堆叠，且含氢等离子体可用于处理栅极堆叠，以消除栅极堆叠中的缺陷。由于含氢等离子体处理，栅极堆叠具有较低的泄漏和改良的可靠度。为了保护工艺腔室免受含氢等离子体产生的Hx +离子和H*自由基的影响，可在没有基板置放于工艺腔室中的情况下且在含氢等离子体处理之前，用等离子体处理工艺腔室。此外，由介电材料制成的工艺腔室的部件可用陶瓷涂层涂覆，所述陶瓷涂层包括含钇氧化物，以保护这些部件免受等离子体的影响。
Description
技术领域
本文描述的实施方式大体涉及用于处理半导体基板的方法和设备，更特定而言，涉及用于等离子体处理工艺腔室的方法。
背景技术
集成电路(IC)由许多(例如数百万个)器件组成，比如晶体管、电容器和电阻器。晶体管(比如场效应晶体管(FET))通常包括源极、漏极、和栅极堆叠。栅极堆叠通常包括基板(比如硅基板)、栅极电介质和在栅极电介质上的栅极电极(比如多晶硅)。栅极介电层由介电材料形成，比如二氧化硅(SiO2)或具有大于4.0的介电常数的高k介电材料，比如SiON、SiN、氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfSiO2)、氮氧化硅铪(HfSiON)、氧化锆(ZrO2)、硅酸锆(ZrSiO2)、钛酸锶钡(BaSrTiO3或BST)、锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3或PZT)、氮化钛(TiN)和类似材料。在一些情况下，栅极电介质包括介电层的堆叠，比如设置在硅基板上的SiO2/HfO2/TiN堆叠。然而，应当注意的是，膜堆叠可包括其他材料形成的层。
缺陷(比如原子空位)在介电层中是常见的，例如，HfO2层中的O空位。诸如界面缺陷(例如悬挂键)之类的其他缺陷在各种界面(比如TiN/HfO2或HfO2/SiO2)中亦是常见的。原子空位和界面缺陷可能导致泄漏、热不稳定性、迁移率不稳定性和瞬态阈值电压不稳定性。因此，需要一种改良的设备和方法。
发明内容
本文描述的实施方式大体涉及用于等离子体处理工艺腔室的方法和设备。在一个实施方式中，一种方法包括以下步骤：用含有氮或氧的等离子体来等离子体处理工艺腔室；将基板放置到工艺腔室中，堆叠设置在所述基板上；及等离子体处理设置在所述基板上的所述堆叠。
在另一个实施方式中，一种方法包括以下步骤：将第一一或多种气体引入至工艺腔室中，将所述第一一或多种气体激发成第一等离子体；将基板放置到工艺腔室中，堆叠设置在所述基板上；将第二一或多种气体引入至工艺腔室中；及将所述第二一或多种气体激发成第二等离子体。
在另一个实施方式中，一种方法包括将第一一或多种气体引入至工艺腔室中，且所述第一一或多种气体包括O2、N2、NH3、Ar、H2或以上物质的组合。所述方法进一步包括以下步骤：将所述第一一或多种气体激发成第一等离子体；将基板放置到工艺腔室中，堆叠设置在所述基板上；将第二一或多种气体引入至工艺腔室中，且第二一或多种气体包含H2。所述方法进一步包括将所述第二一或多种气体激发成第二等离子体。
附图说明
为了能详细了解本公开内容的上述特征，可通过参考实施方式获得以上简要概述的本公开内容的更特定的描述，一些实施方式示于附图中。然而，应注意的是，附图只绘示了本公开内容的典型实施方式，因此附图不应视为本公开内容范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
图1是根据本文描述的实施方式的工艺腔室的示意截面图。
图2图示根据本文描述的实施方式的用于等离子体处理放置于图1所示的工艺腔室中的基板的处理过程。
图3A至3D是根据本文描述的实施方式图示在不同压力和RF功率设定下H2和O2气体混合物中不同H2百分比导致不同的自由基密度的图表。
图4A至4B是根据本文描述的实施方式图示RF功率和压力对自由基浓度的影响的图表。
图5A至5B是根据本文描述的实施方式图示在不同压力和RF功率设定下H2和Ar气体混合物中不同H2百分比导致不同的自由基密度的图表。
图6A至6D是根据本文描述的实施方式图示在不同压力和RF功率设定下H2和Ar气体混合物中不同H2百分比导致不同的自由基密度的图表。
为便于理解，已尽可能使用相同的标号表示各图共有的相同元件。应考虑到，一个实施方式的元件和特征可有利地并入其它实施方式中而无需赘述。
具体实施方式
本文描述的实施方式大体涉及用于等离子体处理工艺腔室的方法和设备。基板可放置在工艺腔室中，所述基板具有形成于其上的栅极堆叠，且含氢等离子体可用于处理栅极堆叠，以消除(cure)栅极堆叠中的缺陷。由于含氢等离子体处理，栅极堆叠具有较低的泄漏和改良的可靠度。为了保护工艺腔室免受含氢等离子体产生的HX +离子和H*自由基的影响，可在没有基板放置于工艺腔室中的情况下且在含氢等离子体处理之前，用等离子体处理所述工艺腔室。此外，介电材料制成的工艺腔室的部件可用陶瓷涂层涂覆，所述陶瓷涂层包括含钇氧化物，以保护这些部件免受等离子体的影响。
图1是根据本文描述的实施方式的工艺腔室100的示意截面图。工艺腔室100可以是任何合适的等离子体工艺腔室，比如电感耦合等离子体(ICP)工艺腔室。如图1所示，工艺腔室100可包括腔室壁106、腔室盖108和设置在腔室壁106内的基板支撑基座104。腔室壁106通常耦接至电气接地116。腔室盖108可由任何合适的电介质构成，比如石英。对于一些实施方式，介电盖108可采用不同的形状(例如圆顶形)。腔室盖108可用陶瓷涂层(比如含钇氧化物)涂覆，以保护腔室盖108免受H2等离子体的影响。在一个实施方式中，陶瓷涂层是由化合物Y4Al2O9和固溶体Y2-xZrxO3(Y2O3-ZrO2固溶体)组成的高性能材料(HPM)。在一个实施方式中，HPM陶瓷含有77％的Y2O3、15％的ZrO2和8％的Al2O3。在另一个实施方式中，HPM陶瓷含有63％的Y2O3、23％的ZrO2和14％的Al2O3。在又另一个实施方式中，HPM陶瓷含有55％的Y2O3、20％的ZrO2和25％的Al2O3。相对百分比可以是摩尔比例。例如，HPM陶瓷可含有77mol％的Y2O3、15mol％的ZrO2和8mol％的Al2O3。这些陶瓷粉末的其他分配亦可用于HPM材料。陶瓷涂层可具有在从约100微米至约300微米范围中的厚度，比如约200微米。
包括至少一个感应线圈元件110(示出两个同轴线圈元件)的射频(RF)天线可设置在腔室盖108的上方。在一些实施方式中，感应线圈元件110可绕腔室壁106的至少一部分设置。感应线圈元件110的一端可通过第一阻抗匹配网络而耦接至RF电源114，另一端可如图所示连接至电气接地117。电源114通常能够产生在从2至160MHz范围中的可调谐频率的高达10千瓦(kW)，典型工作频率为13.56MHz。供应到感应线圈元件110的RF功率可以是从1至100kHz范围的频率的脉冲的(pulsed)(即在开启与关闭状态间切换)或功率循环的(即功率输入从高电平变化到低电平)功率。
屏蔽电极118可插入于RF天线的感应线圈元件110与腔室盖108之间。屏蔽电极118可以交替地电浮动或经由任何合适的构件耦接至电气接地119，所述构件用于接通和断开电气连接，比如图1所示的开关120。
对于一些实施方式，检测器122可附接至腔室壁106以确定腔室100内的气体混合物何时已经被激发成等离子体。例如，检测器122可检测激发的气体发射的辐射或使用光学发射光谱(OES)来测量与产生的等离子体相关的光的一或多个波长的强度。
基座104可通过第二阻抗匹配网络124而耦接至偏压电源126。偏压电源126通常能够产生具有从2至160MHz范围的可调谐频率及在0与10kW之间的功率的RF信号，偏压电源126类似于RF电源114。选择性地，偏压电源126可以是直流(DC)或脉冲DC源。
在操作中，基板128(比如半导体基板)可放置在基座104上，并且处理气体可从气体控制板130通过入口端口132供应以形成气态混合物134。入口端口132可用陶瓷涂层涂覆，比如HPM。气态混合物134可通过施加来自RF电源114的功率而在工艺腔室100中被激发成等离子体136。可使用节流阀138和真空泵140来控制工艺腔室100内部中的压力。在一些实施方式中，可使用穿过腔室壁106的含液体的导管(未示出)或嵌入在腔室壁106中的加热元件(例如加热匣(cartridge)或线圈)或缠绕工艺腔室100的加热元件(例如加热器缠绕物(wrap)或带)来控制腔室壁106的温度。
可通过稳定基座104的温度来控制基板128的温度。在一些实施方式中，来自气源142的氦(He)气可经由气体导管144而提供至基板128下的基座表面中形成的通道(未示出)。氦气可利于基座104与基板128之间的热传递。在处理期间，可通过嵌入基座104中的加热元件(未示出，比如电阻加热器)或通常指向基座104或基座104上的基板128的灯来加热基座104到一稳定态温度，且接着氦气可利于基板128的均匀加热。使用这种热控制，基板128可保持在约20至350摄氏度(℃)之间的温度。
为了允许控制本文描述的工艺腔室100的部件，可提供控制器146。控制器146可包括中央处理单元(CPU)148、存储器150和用于CPU 148的支持电路152。控制器146可连接RF电源114、开关120、检测器122和偏压电源126。
控制器146可以是能在工业装置中用于控制各种腔室和子处理器的任何适合的类型的通用计算机处理器。用于CPU 148的存储器150或其他计算机可读媒介可以是一或多个任何容易取得的存储器形式，比如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或本地的或远程的任何其他形式的数字储存器。支持电路152可与CPU 148耦接以用传统方式支持处理器。这些电路可包括高速缓冲存储器、电源、时钟电路、输入/输出(I/O)电路和子系统以及类似物。对于一些实施方式，本文揭露的用于激发及维持等离子体的技术可作为软件程序而储存于存储器150中。软件程序亦可由第二CPU(未示出)储存和/或执行，第二CPU位于CPU 148控制的硬件的远端。
图2图示根据本文描述的实施方式的用于等离子体处理放置于工艺腔室100中的基板的处理过程200。本文所用的等离子体处理是指暴露材料以通过等离子体进行处理。等离子体可以是电容耦合或电感耦合。可原位(in-situ)形成等离子体或可远程形成等离子体。在方块202，在用H2等离子体处理基板之前且在基板未放置于工艺腔室中的情况下，用等离子体处理所述工艺腔室(比如工艺腔室100(图1))。在将基板引入至腔室中之前的工艺腔室的等离子体处理可被称为每个晶片等离子体(Plasma Every Wafer，PEW)。工艺腔室的等离子体处理或PEW可以包括将一或多种气体(比如O2、N2、NH3、Ar、H2或以上物质的组合)引入至工艺腔室中，并激发所述一或多种气体以形成等离子体。或者，PEW可包括将含有自由基和/或氧、氮、氢、氨、氢氧化物的离子或以上物质的组合的等离子体引入工艺腔室中，并且等离子体形成于工艺腔室外面的远程等离子体源中。在一个实施方式中，NH3和Ar气体被引入工艺腔室中。在另一个实施方式中，O2和H2气体被引入工艺腔室中。在另一个实施方式中，O2和Ar气体被引入工艺腔室中。在另一个实施方式中，O2气被引入工艺腔室中。在又另一个实施方式中，N2气被引入工艺腔室中。在引入基板之前的工艺腔室的等离子体处理通常包含在工艺腔室中引入或形成含氧或氮的等离子体。
在一些实施方式中，一或多种气体被RF电源(比如RF电源114(图1))激发。RF功率可以2％至70％的占空比脉冲化且可在从约100W至约2500W的范围中。RF功率可以是从约100W至约2500W范围的连续波。在工艺腔室的等离子体处理期间，工艺腔室可具有从约10mT至约200mT范围的腔室压力。处理温度(可以是基板支撑基座(比如基座104)的温度)可在从20℃至约500℃的范围中。
工艺腔室内部的等离子体产生的自由基(比如O*、OH*或NH*)能与易受含氢等离子体侵蚀(attack)的工艺腔室的部件的表面键合，并形成抵抗含氢等离子体侵蚀的受保护表面键。例如，工艺腔室内部的腔室衬垫可由阳极Al2O3(anodized Al2O3)制成，具有不饱和键的一些Al原子在暴露于含氢等离子体产生的H*自由基和H3 +离子时，可形成AlHx。AlHx可从腔室衬垫的表面被蚀刻掉，且可能成为基板上的污染物。O*、OH*或NH*自由基可通过与暴露的Al原子键合而修复表面，且新形成的键抵抗含氢等离子体的侵蚀。同样地，由石英制成的工艺腔室内部的部件易受含氢等离子体侵蚀，并可能在基板上形成污染物(比如SiOx)。石英部件亦可由与阳极Al2O3部件相似的方式被O*、OH*或NH*自由基保护。
图3A至3D是图示在不同压力与RF功率设定下H2和O2气体混合物中不同H2百分比导致不同自由基密度的图表。自由基的浓度可取决于RF功率，使得相较于较低的RF功率(500W)，较高的RF功率(2000W)导致较高的自由基浓度。自由基的浓度亦可取决于压力，使得相较于较高的压力(100mT)，较低的压力(20mT)导致较高的自由基浓度。当一或多种气体是H2和O2时，H2的体积百分比可在从约10％至约20％的范围中，且可导致各种自由基的密度不同。
在用等离子体处理工艺腔室之后，基板(比如基板128(图1))被放置在工艺腔室的内部，如方块204所示。基板可包括形成在基板上的栅极堆叠。在方块206，基板和栅极堆叠可由含氢等离子体处理，以消除栅极堆叠中的缺陷。含氢等离子体处理基板可包括将含氢气体(比如H2气)或含氢气体和惰性气体(比如Ar气)引入至工艺腔室中，并激发H2气或H2/Ar气体以形成含氢等离子体。Ar气可被加到H2气以提高工艺腔室的使用寿命(防止含氢等离子体侵蚀工艺腔室内部的部件)并调制H*自由基的浓度。在一些实施方式中，H2气或H2/Ar气体由RF电源(比如RF电源114(图1))激发。RF功率可以2％至60％的占空比脉冲化且可在从约100W至约2500W的范围内。RF功率可以是在从约100W至约2500W范围内的连续波。在基板的含氢等离子体处理期间，工艺腔室可具有在从约10mT至约200mT范围内的腔室压力。处理温度(可以是基板支撑基座(比如基座104)的温度)可在从20℃至约500℃的范围内。基板可由含氢等离子体处理约10至360秒。在一个实施方式中，腔室压力为约100mT，H2气以每分钟约25标准立方厘米(sccm)流入工艺腔室，且Ar气以约975sccm流入工艺腔室，RF功率为约500W，处理温度为约400℃，且基板由含氢等离子体处理约30至90秒。在用含氢等离子体处理基板之后，可从工艺腔室移除基板，且在将另一基板放置到工艺腔室中之前可对工艺腔室执行PEW。换句话说，可重复方块202至206。
图4A至4B是根据本文描述的实施方式图示RF功率和压力对自由基浓度的影响的图表。H*自由基的浓度可取决于RF功率，使得相较于较低的RF功率(500W)，较高的RF功率(2000W)导致较高的自由基浓度。自由基的浓度亦可取决于压力，使得在较高的压力(200mT)下，H*自由基的再结合居支配位置(dominate)。在约60mT下，H*自由基的浓度是最高的。
图5A至5B是根据本文描述的实施方式图示在不同压力和RF功率设定下H2和Ar气体混合物中不同H2百分比导致不同的自由基密度的图表。如图5A和5B所示，在低压下，H*浓度随着H2/Ar气体混合物中较高的H2百分比而增大，而在高压下，H*浓度随着H2/Ar气体混合物中较高的H2百分比而降低。
图6A至6D是根据本文描述的实施方式图示在不同压力和RF功率设定下H2和Ar气体混合物中不同H2百分比导致不同的自由基密度的图表。如图6A至6D所示，当RF功率增大时，H*浓度增大。此外，在较低的压力(20mT)下，H*浓度随着H2/Ar气体混合物中较高的H2气体积百分比而增大。然而，在较高的压力(100mT)下，H*浓度随着H2/Ar气体混合物中较低的H2气体积百分比而增大。
虽然前述内容针对本公开内容的实施方式，但在不背离本公开内容的基本范围的情况下，可设计本公开内容的其他及进一步的实施方式，且本公开内容的范围由以下权利要求书确定。
Claims (15)
1.一种方法，包括以下步骤：
用含有氮或氧的等离子体来等离子体处理工艺腔室；
将基板放置到所述工艺腔室中，其中堆叠设置在所述基板上；及
等离子体处理设置在所述基板上的所述堆叠。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述含有氮或氧的等离子体通过将一或多种气体引入所述工艺腔室并激发所述一或多种气体而形成。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述一或多种气体包括O2、N2、NH3、Ar、H2或以上物质的组合。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述含有氮或氧的等离子体在远程等离子体源中形成。
5.如权利要求1所述的方法，其中等离子体处理所述堆叠的步骤包括以下步骤：用含氢等离子体处理所述堆叠。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述含氢等离子体通过将含氢气体引入所述工艺腔室并激发所述含氢气体而形成。
7.如权利要求5所述的方法，其中所述含氢等离子体通过将含氢气体和惰性气体引入所述工艺腔室中并激发所述含氢气体和所述惰性气体而形成。
8.如权利要求5所述的方法，其中用所述含氢等离子体处理所述堆叠约10至360秒。
9.一种方法，包括以下步骤：
将第一一或多种气体引入至工艺腔室中；
将所述第一一或多种气体激发成第一等离子体；
将基板放置到所述工艺腔室中，其中堆叠设置在所述基板上；
将第二一或多种气体引入至所述工艺腔室中；及
将所述第二一或多种气体激发成第二等离子体。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一一或多种气体包括O2、N2、NH3、Ar、H2或以上物质的组合。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第一等离子体中的自由基与所述工艺腔室的部件的表面键合以形成抵抗含氢等离子体侵蚀的受保护表面键。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述第二一或多种气体包括Ar和H2。
13.如权利要求9所述的方法，进一步包括重复以下步骤：将所述第一一或多种气体引入至所述工艺腔室中、将所述第一一或多种气体激发、将基板放置到所述工艺腔室中、将所述第二一或多种气体引入至所述工艺腔室中、及将所述第二一或多种气体激发成第二等离子体。
14.一种方法，包括以下步骤：
将第一一或多种气体引入至工艺腔室中，其中所述第一一或多种气体包括O2、N2、NH3、Ar、H2或以上物质的组合；
将所述第一一或多种气体激发成第一等离子体；
将基板放置到所述工艺腔室中，其中堆叠设置在所述基板上；
将第二一或多种气体引入到所述工艺腔室中，其中所述第二一或多种气体包含H2；及
将所述第二一或多种气体激发成第二等离子体。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述第一等离子体中的自由基与所述工艺腔室的部件的表面键合以形成抵抗含氢等离子体侵蚀的受保护表面键。
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