CN109256315A - 用于在单一处理腔室中从半导体膜去除氧化物和碳的设备和方法 - Google Patents
用于在单一处理腔室中从半导体膜去除氧化物和碳的设备和方法 Download PDFInfo
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Abstract
公开了一种用于在单个处理腔室内从半导体衬底去除碳基污染物和氧基污染物两者的系统和方法。本发明可以包括利用远程等离子单元和多个气体源在所述单个处理腔室中执行处理。
Description
技术领域
本公开总体上涉及用于制造电子器件的设备和方法。更具体地讲，本公开涉及去除在处理腔室中形成的半导体膜内的氧化物和碳。
背景技术
在制造半导体器件之前，希望晶片或衬底的表面是清洁的。衬底上的污染可能不利地影响所形成的半导体器件的机械和电特性。希望在将特定膜沉积到衬底上之前去除这些污染物。
存在于硅或硅锗衬底上的污染物可包括碳基污染物，如含碳污染物和碳氢化合物污染物。其他污染物可包括氧基污染物，如天然氧化物。在可以开始外延过程之前去除这些污染物可能是必要的。
先前的污染物去除方法着重于去除其中一种污染物，无论是碳基还是氧基的，但不是两者。这可能部分是由于先前方法的设备限制。因此，希望去除碳基和氧基两种污染物的系统和方法。
附图说明
下文参考某些实施方案的附图来描述本文公开的本发明的这些及其他特征、方面和优点，这些实施方案旨在说明而不是限制本发明。
图1是根据本发明的至少一个实施方案的系统的横截面图。
图2是根据本发明的至少一个实施方案的系统的横截面图。
图3A、图3B和图3C是根据本发明的至少一个实施方案的方法的流程图。
图4是根据本发明的至少一个实施方案的步骤的流程图。
图5是根据本发明的至少一个实施方案的步骤的流程图。
图6是根据本发明的至少一个实施方案的步骤的流程图。
具体实施方式
尽管下文公开某些实施方案和实例，但所属领域的技术人员应理解，本发明延伸超出了所具体公开的实施方案和/或本发明的用途以及显而易见的修改和其等效物。因此，预期本发明所公开的范围不应受下文所描述具体公开实施方案的限制。
本发明的实施方案涉及具有单个处理腔室的系统，该系统具有去除碳基污染物和氧基污染物两者的能力。这些实施方案与先前的方法相比具有若干优点，这些优点包括：(1)结合了至少一个具有产生氢自由基和氟自由基两者的能力的远程等离子单元(RPU)；和(2)处理腔室与氢自由基和氟自由基两者均相容。
本发明的实施方案可以用于清洁由以下材料中的至少一种制成的半导体衬底：例如硅、硅锗、或锗。在一个实施方案中，硅锗中锗的百分比可以从10％至90％变化。而且，本发明的实施方案可以用于蚀刻碳层，例如先进图案化膜(APF)；光致抗蚀剂；或其他碳污染物，包括CHFx、SiC或SiOC。另外，本发明的实施方案可以用于清洁电介质材料的表面，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟化氧化硅、碳氧化硅(silicon carboxide)和硅氧氮化硅(silicon carboxynitride)。此外，本发明的实施方案可以应用于图案化的晶片表面。
图1示出了根据本发明的至少一个实施方案的系统100。系统100可以包括反应腔室110、基座120、喷头130、远程等离子单元140以及远程等离子单元140与反应腔室110之间的传送路径145。衬底150放置在基座120上以进行处理。
反应腔室110限定对衬底150进行处理的空间。反应腔室110、基座120、喷头130和传送路径145可以涂覆有材料或块状陶瓷材料以允许与不同的自由基相容。用于涂覆的材料可以包括以下至少一种：阳极氧化铝(Al2O3)；原子层沉积(ALD)形成的氧化铝；等离子喷涂的Al2O3；具有天然氧化铝的裸露铝部件；氧化钇(Y2O3)；氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；氧化锆(ZrO2)；氧化镧锆(LZO)；钇铝石榴石(YAG)；氧氟化钇(YOF)；上述材料的组合；或掺杂有其他玻璃相材料的上述衬底。在一些情况下，涂覆材料可以由两层制成。例如，第一层可以用阳极Al2O3涂覆，第二层可以用ALD形成的Al2O3涂覆。涂层可以是无定形相、结晶相或混合的。块状陶瓷材料可以包括：氧化铝(Al2O3)；氧化锆(ZrO2)；氧化钇(Y2O3)；或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
系统100还可以包括第一气体源160、第二气体源170、第三气体源180和第四气体源190，它们都可以向远程等离子单元140提供气体。例如，远程等离子单元140可以包括得自MKS Instruments的Paragon H*远程等离子单元。第三气体源180还可以被构造成将气体直接提供到反应腔室110中而不经过远程等离子单元140。例如，第一气体源160可以包括产生氟自由基的前体气体源，例如NF3、CF4、C2F6、C4F6、C4F8、COF2、SF6或WF6等。例如，第二气体源170可以包括产生氢自由基的气体源，例如H2、NH3或H2O。例如，第二气体源170可以包括产生氧自由基的气体，例如氧气或臭氧。第三气体源180可以是NH3源。例如，第四气体源190可以是惰性气体源，例如氩气、氦气、氮气或氖气。
远程等离子单元140产生从气体源提供的自由基。产生的自由基然后穿过喷头130进入反应腔室110，再流到衬底150上。远程等离子体源可以包括：由不同RF频率驱动的环式ICP源或线圈式ICP源，诸如400kHz、2MHz、60MHz和2.56GHz微波源。
图2示出了根据本发明的至少一个实施方案的系统200。系统200可以包括反应腔室210、基座220、喷头230、专用于用F*去除氧化物的第一远程等离子单元240、专用于用H*去除碳的第二远程等离子单元245、在第一远程等离子单元下方的传送路径246以及在第二远程等离子单元下方的传送路径247。衬底250放置在基座220上以进行处理。系统200还可以包括第一闸阀248和第二闸阀249。
反应腔室210限定对衬底250进行处理的空间。反应腔室210、基座220和喷头230可涂覆有材料或块状陶瓷材料以允许与不同的自由基相容，这些材料例如为：阳极氧化铝(Al2O3)；原子层沉积(ALD)形成的氧化铝；等离子喷涂的Al2O3；具有天然氧化铝的裸露铝部件；氧化钇(Y2O3)；氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；氧化锆(ZrO2)；氧化镧锆(LZO)；钇铝石榴石(YAG)；氧氟化钇(YOF)；上述材料的组合；或掺杂有其他玻璃相材料的上述衬底。在一些情况下，涂覆材料可以由两层制成。例如，第一层可以用阳极Al2O3涂覆，第二层可以用ALD形成的Al2O3涂覆。涂层可以是无定形相、结晶相或混合的。块状陶瓷材料可以包括：氧化铝(Al2O3)；氧化锆(ZrO2)；氧化钇(Y2O3)；或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。除了用于不同自由基的上述涂层和块状材料之外，用于第二远程等离子单元下方的传送路径247的材料还可以包括块状石英材料。
系统200还可以包括第一气体源260、第二气体源270、第三气体源280和第四气体源290，它们都可以向第一远程等离子单元240和第二远程等离子单元245提供气体。第一远程等离子单元240和第二远程等离子单元245可以包括由不同RF频率驱动的环式ICP源或线圈式ICP源，例如400kHz、2MHz、60MHz和2.56GHz微波源。第三气体源280也可以被构造成将气体直接提供到反应腔室210中而不经过第一远程等离子单元240或第二远程等离子单元245。例如，第一气体源260可以包括产生氟自由基的前体气体源，例如NF3、CF4、C2F6、C4F6、C4F8、COF2、SF6或WF6等。例如，第二气体源270可以包括产生氢自由基的气体源，例如H2、NH3或H2O。例如，第二气体源270可以包括产生氧自由基的气体，例如氧气或臭氧。第三气体源280可以是NH3源。例如，第四气体源290可以是惰性气体源，例如氩气、氦气、氮气或氖气。
第一远程等离子单元240(其可以专用于F*自由基)和第二远程等离子单元245(其可以专用于H*自由基)生成从气体源提供的自由基。产生的自由基然后穿过喷头230进入反应腔室210，再流到衬底250上。为了防止由一个远程等离子单元产生的自由基回流到第二远程等离子体中，闸阀248和249可以位于RPU的出口处。
图3A示出了根据本发明的至少一个实施方案的方法。该方法包括氧化物转化步骤300、氧化物升华步骤400和碳去除步骤500。根据需要可以重复这些步骤中的任何一个或这些步骤的任何组合。整个方法可以通过重复循环600来重复。
图3B示出了根据本发明的至少一个实施方案的方法。该方法包括碳去除步骤500、氧化物转化步骤300和氧化物升华步骤400。根据需要可以重复这些步骤中的任何一个或这些步骤的任何组合。整个方法可以通过重复循环600来重复。图3B的方法与图3A的不同之处在于，碳去除步骤500在氧化物转化步骤300之前。
图3C示出了根据本发明的至少一个实施方案的方法。该方法包括碳去除步骤500、氧化物转化步骤300、氧化物升华步骤400和碳去除步骤500。根据需要可以重复这些步骤中的任何一个或这些步骤的任何组合。整个方法可以通过重复循环600来重复。图3C的方法与图3B的不同之处在于，氧化物升华步骤400之后存在附加的碳去除步骤500。
根据本发明的至少一个实施方案，图4中示出了氧化物转化步骤300。氧化物转化步骤300可以包括使气态前体流入远程等离子单元的步骤310以及使产生的自由基和附加前体流到衬底上的步骤320。根据本发明的至少一个实施方案，步骤310可以包括使氩气、氢气和NF3流入远程等离子单元。氩气流量可以在0.01与20slm之间、0.1与10slm之间或1与8slm之间的范围内。氢气流量可以在10sccm与1500slm之间、25与1200slm之间或50sccm与1000slm之间的范围内。当等离子体在远程等离子单元中打开时，NF3的流动可以发生特定的时长，范围在0.1与120秒之间、1与100秒之间或5与80秒之间。步骤310可包括将反应腔室210加热到5至120℃之间、5至80℃之间或5至60℃之间的温度。
作为步骤310的结果，在远程等离子单元中产生氟自由基气体。氟自由基离开远程等离子单元，并且可以在步骤320中与任选的附加前体气体结合到设置在反应腔室中的衬底上。任选的附加前体气体可以包括以10sccm与1500slm之间、25与1200slm之间或50sccm与1000slm之间的速率流动的氨气。步骤320可包括将反应腔室210加热到5至120℃之间、5至80℃之间或5至60℃之间的温度。氧化物转化步骤300可以导致与具有氧化物的硅锗衬底上的氧化物的化学反应，具体如下：
NH4F(g)+SiGeOx(s)→(NH4)2SiF6(s)+(NH4)2GeF6(s)+H2O(g)
作为氧化物转化步骤300的结果，氧化物可以在衬底上转化为固体六氟硅酸铵化合物和固体六氟锗酸铵化合物。
根据本发明的至少一个实施方案，图5中示出了氧化物升华步骤400。氧化物升华步骤400包括第一加热步骤410或第二加热步骤420或两者。第一加热步骤410可以包括将衬底加热到高于125℃、高于100℃或高于90℃的温度。第一步骤410的结果可以是根据以下反应的固体六氟硅酸铵化合物的升华：
(NH4)2SiF6(s)→NH3(g)+HF(g)+SiF4(g)
然后可以从反应腔室中去除气态产物。
第二加热步骤420可以包括将衬底加热到此第一加热步骤410更高的温度。该温度可高于275℃、高于250℃或高于225℃。为了达到高操作温度，高温喷头可以被设计成加热到250℃-300℃而不加热反应腔室。第二步骤420的结果可以是根据以下反应的固体六氟锗酸铵化合物的升华：
(NH4)2GeF6(s)→NH3(g)+HF(g)+GeF4(g)
然后可以从反应腔室中去除气态产物。
根据本发明的至少一个实施方案，图6中示出了碳去除步骤500。碳去除步骤500包括使氢前体和其他气态前体流入远程等离子单元的步骤510以及使产生的自由基和任选的附加前体流到衬底上的步骤520。第一加热步骤510可以包括使氩气、氢气和氨气流入远程等离子单元。这些气体可以流动0.1秒与180秒之间、1秒与120秒之间或10秒与90秒之间的持续时间。结果，在远程等离子单元中产生氢自由基。
步骤520使所产生的氢自由基与衬底中的碳基污染物反应。这一步骤可在介于25℃与500℃之间、介于75℃与400℃之间或介于150℃与300℃之间的温度下发生。较高温度的喷头可以允许加热衬底并导致碳的有效去除。步骤520的结果可以是根据以下反应去除碳：
C(s)+H*(g)→CxHy(g)
其他反应可包括碳与氧自由基的反应。然后可以从反应腔室中去除气态产物。
所示出和描述的特定实现方式是对本发明及其最佳模式的说明，而无意以任何方式限制各方面和实现方式的范围。事实上，为了简洁起见，系统的常规制造、连接、准备和其他功能方面可能未详细描述。此外，各图中所示的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。许多另选的或附加的功能关系或物理连接可能存在于实际的系统中，和/或在一些实施方案中可能不存在。
应该理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些具体实施方案或实例不被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。本文描述的具体例程或方法可以表示各种处理策略中的一个或多个。因此，所示的各种动作可以以所示的顺序执行、以其他顺序执行或者在一些情况下可以省略。
本公开的主题包括本文公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或特性及其任何和所有等价物的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
Claims (21)
1.一种用于处理半导体衬底的设备，包括：
反应腔室；
被构造成保持衬底的基座；
用于提供第一气体的第一气体源；
用于提供第二气体的第二气体源；
被构造成接收所述第一气体并产生第一自由基气体的第一远程等离子单元；
被构造成使所述第一自由基气体和所述第二气体流到所述衬底上的气体分配装置；以及
将所述远程等离子单元连接到所述气体分配装置的传送路径，其中所述第一自由基气体穿过所述气体分配装置到达所述衬底上；
其中所述气体分配装置、所述反应腔室、所述传送路径和所述基座涂覆有以下至少一种：阳极氧化铝(Al2O3)；原子层沉积(ALD)形成的氧化铝；等离子喷涂的Al2O3；具有天然氧化铝的裸露铝部件；氧化钇(Y2O3)；氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)；氧化锆(ZrO2)；氧化镧锆(LZO)；钇铝石榴石(YAG)；氧氟化钇(YOF)；氧化铝(Al2O3)；氧化锆(ZrO2)；氧化钇(Y2O3)；或氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一气体包括以下至少一种：NF3、CF4、C2F6、C4F6、C4F8、COF2、SF6或WF6。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二气体包括以下至少一种：H2、NH3、H2O、O2或O3。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
用于提供第三气体的第三气体源；以及
用于提供第四气体的第四气体源。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第三气体包括NH3。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所第四气体包括以下至少一种：氩气、氦气、氮气或氖气。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一气体用于从所述衬底去除氧化物。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二气体用于从所述衬底去除碳。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二气体穿过所述第一远程等离子单元并转化成第二自由基气体。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括被构造成接收所述第二气体并产生第二自由基气体的第二远程等离子单元。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述传送路径包括块状石英材料。
12.一种用于处理半导体衬底的方法，包括：
提供反应腔室和被构造成保持衬底的基座；
在所述衬底上执行氧化物转化步骤，所述氧化物转化步骤包括：(1)使第一气体流入第一远程等离子单元以形成第一自由基气体；和(2)使所述第一自由基气体流到所述衬底上；
在所述衬底上执行氧化物升华步骤，所述氧化物升华步骤包括：(1)第一加热步骤；和(2)第二加热步骤；以及
在所述衬底上执行碳去除步骤；
其中所述氧化物转化步骤、所述氧化物升华步骤和所述碳去除步骤各自在所述反应腔室中进行；并且
其中根据需要重复所述氧化物转化步骤、所述氧化物升华步骤和所述碳去除步骤中的任一步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述碳去除步骤包括：
使第二气体流入所述第一远程等离子单元以形成第二自由基气体；以及
使所述第二自由基气体流到所述衬底上。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述碳去除步骤包括：
使第二气体流入第二远程等离子单元以形成第二自由基气体；以及
使所述第二自由基气体流到所述衬底上。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一气体包括以下至少一种：NF3、CF4、C2F6、C4F6、C4F8、COF2、SF6或WF6。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二气体包括以下至少一种：H2、NH3、H2O、O2或O3。
17.一种用于处理半导体衬底的方法，包括：
提供反应腔室和被构造成保持衬底的基座；
在所述衬底上执行碳去除步骤；
在所述衬底上执行氧化物转化步骤，所述氧化物转化步骤包括：(1)使第一气体流入第一远程等离子单元以形成第一自由基气体；和(2)使所述第一自由基气体流到所述衬底上；
在所述衬底上执行氧化物升华步骤，所述氧化物升华步骤包括：(1)第一加热步骤；和(2)第二加热步骤；以及
其中所述碳去除步骤、所述氧化物转化步骤和所述氧化物升华步骤各自在所述反应腔室中进行；并且
其中根据需要重复所述碳去除步骤、所述氧化物转化步骤和所述氧化物升华步骤中的任一步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述碳去除步骤包括：
使第二气体流入所述第一远程等离子单元以形成第二自由基气体；以及
使所述第二自由基气体流到所述衬底上。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述碳去除步骤包括：
使第二气体流入第二远程等离子单元以形成第二自由基气体；以及
使所述第二自由基气体流到所述衬底上。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一气体包括以下至少一种：NF3、CF4、C2F6、C4F6、C4F8、COF2、SF6或WF6。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二气体包括以下至少一种：H2、NH3、H2O、O2或O3。
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