CN110062950B - 物理气相沉积腔室中的颗粒减量 - Google Patents

物理气相沉积腔室中的颗粒减量 Download PDF

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Abstract

本文提供用于在处理腔室中进行的处理中减少产生的颗粒的方法和设备。在一些实施方式中，处理配件屏蔽件包括：主体，该主体具有表面，该表面面向物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中该主体由氧化铝(Al2O3)构成；和在该主体的该表面上的氮化硅层。

Description

物理气相沉积腔室中的颗粒减量
技术领域
本公开内容的实施方式一般涉及基板处理设备，更具体地涉及用于在物理气相沉积处理腔室中进行的处理期间减少产生的颗粒的数量的方法和设备。
背景技术
非晶硅薄膜可用于各种半导体制造应用中。例如，非晶硅经常被用作为在自对准双图案(self-aligned double patterning，SADP)处理或自对准四图案化处理(self-aligned quadruple patterning process，SAQP)中的牺牲层。非晶硅材料通常沉积在半导体晶片上，该半导体晶片位于处理腔室内的基板支撑件之上。诸如物理气相沉积(PVD)的处理可用于沉积材料。然而在沉积期间，非晶硅不仅沉积在半导体晶片上，而且也沉积在处理腔室的内表面上，例如在处理腔室的屏蔽件、沉积环、覆盖环和/或腔室壁上。沉积的非晶硅材料可在半导体晶片上及处理腔室的内表面上形成高应力膜。
另外，当在PVD处理腔室中进行处理时，处理腔室的内表面通常经历热循环，随着在循环开始的内表面变热而膨胀，并且随着在循环结束的内表面冷却而收缩。每次进行处理的时候，热循环在处理腔室内重复。发明人观察到沉积在处理腔室内表面上的膜上的高应力连同处理腔室的反复热循环不理想地造成该膜分层(delaminate)并产生颗粒。通常，在热膨胀期间产生较小的颗粒，且在热收缩期间产生较大的颗粒，这称为剥落。
剥落及颗粒产生的问题可通过对处理腔室进行预防性维护来解决，例如通过更换处理腔室内的屏蔽件或其他组件。然而，随着装置几何尺寸缩小，且因此颗粒尺寸和颗粒限制规格更为严谨，这种预防性维护的频率也会增加，不理想地导致停机时间增加及处理腔室的操作成本增加。
从而，本发明人提供用于在处理腔室中进行处理的期间减少产生的颗粒的数量的改进方法和设备。
发明内容
本文提供了用于在处理腔室中进行的处理中减少产生的颗粒的方法和设备。在一些实施方式中，处理配件屏蔽件包括：主体，该主体具有表面，该表面面向物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中该主体由氧化铝(Al2O3)构成；和氮化硅层，该氮化硅层在该主体的该表面上。
在一些实施方式中，用于沉积非晶硅材料的物理气相沉积(PVD)处理腔室包括：处理配件屏蔽件，该处理配件屏蔽件包括主体，该主体具有表面，该表面面向物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中该主体由氧化铝(Al2O3)构成；氮化硅层，该氮化硅层在该主体的该表面上具有第一厚度；和非晶硅层，该非晶硅层在该氮化硅层上具有第二厚度；基板支撑基座，该基板支撑基座设置在处理空间下方的处理腔室中；和与该基板支撑基座相对设置的靶材。
在一些实施方式中，一种在物理气相沉积(PVD)处理腔室中处理基板的方法包括以下步骤：(a)在处理配件屏蔽件的表面的顶上沉积氮化硅层，该表面面向该PVD处理腔室的处理空间，其中该处理配件屏蔽件包括主体，该主体由氧化铝(Al2O3)构成，且其中在没有基板设置在PVD处理腔室中的情况下沉积该氮化硅层；(b)随后在PVD处理腔室中的预定数量的基板上沉积非晶硅层，其中非晶硅材料也在该氮化硅层上形成非晶硅层。
本公开内容的其他及进一步实施方式描述如下。
附图说明
上方简要总结并在下方更详细讨论的本公开内容的实施方式可通过参考附图中描绘的本公开内容的说明性实施方式来理解。然而，附图仅绘示本公开内容的典型实施方式，且因此不被认为是对范围的限制，因为本公开内容可允许其他等效的实施方式。
图1是根据本公开内容的一些实施方式的流程图，该流程图绘示在处理腔室中减少产生的颗粒的数量的方法的范例。
图2是根据本公开内容的一些实施方式的处理腔室的示意性截面图。
图3是根据本公开内容的一些实施方式的图2所示的处理腔室的内壁的一部分的示意性截面图。
图4根据本公开内容的一些实施方式描绘了显示非晶硅颗粒添加物数据的图表，该非晶硅颗粒添加物用于沉积非晶硅材料。
为了促进理解，在可能的地方使用了相同的附图标记来指示附图中共有的相同元件。所述附图不是按比例绘制的，且可能为了清晰度而简化。一个实施方式的元件和特征可有益地并入其他实施方式中而无需进一步记载。
具体实施方式
本公开内容的实施方式有利地在一个或多个基板(例如一个或多个半导体晶片)上沉积非晶硅层的处理期间减少物理气相沉积处理腔室中产生的颗粒的数量。
图2描绘根据本公开内容的一些实施方式的示例性物理气相沉积(PVD)处理腔室(处理腔室200)的示意性截面图。适合用于根据本公开内容进行修改和使用的范例PVD腔室包括
Figure GDA0002082480080000031
Plus、SIP
Figure GDA0002082480080000032
及其他PVD处理腔室，这些腔室可从加利福尼亚州，圣克拉拉市的应用材料公司购买取得。来自应用材料公司或其他制造商的其他处理腔室也可受益于本文公开的创新设备。
处理腔室200包含基板支撑件202，该基板支撑件202用于接收基板204(例如，半导体晶片或其他合适的基板)、溅射源(例如靶材206)和处理配件屏蔽件274，该处理配件屏蔽件设置在基板支撑件202及靶材206之间。
处理配件屏蔽件274包括主体279，该主体具有表面280，该表面面向处理腔室200的处理空间248。处理空间248可定义为在处理期间位于基板支撑件202上方的空间(例如，在处理位置时的靶材206与基板支撑件202之间)。主体279由氧化铝(Al2O3)(也称为氧化铝(III))构成。
发明人观察到处理配件屏蔽件274的主体279典型地由铝(Al)制成。铝的热膨胀系数(CTE)是23。非晶硅的CTE是2.56。由于沉积的非晶硅材料与铝主体之间的CTE差异大，因此在热循环期间沉积的非晶硅材料上的应力增加，使得由处理腔室的重复热循环而产生的颗粒的数量增加。发明人判定氧化铝(Al2O3)，其CTE更接近沉积的非晶硅材料的CTE，将有利地在热循环期间减少沉积的非晶硅材料上的应力，使得由处理腔室的重复热循环所产生的颗粒的数量减少。
在处理配件屏蔽件274的表面280上形成具有第一厚度的氮化硅(SiN)层。图3显示了图2的处理腔室200的一部分的放大示意性截面图，其在处理配件屏蔽件274的表面280上具有氮化硅层302。氮化硅层302的厚度可取决于待处理的基板204的数量而变化。例如，在处理25个半导体晶片的运行之前，具有约4000埃至约5000埃(例如约4500埃)的第一厚度的氮化硅层302直接形成在处理配件屏蔽件274的表面280上。氮化硅层302与处理配件屏蔽件274的表面280直接接触(即，没有其他中间层或材料)。发明人观察到，氮化硅层302有利地对处理配件屏蔽件274的主体279具有改进的附着力，并且减少了由沉积在处理配件屏蔽件274的主体279上的非晶硅材料连同处理腔室200的重复热循环所产生的颗粒的数量。
图4描绘了图表400，该图表显示非晶硅颗粒添加物数据，该非晶硅颗粒添加物数据用于使用处理配件屏蔽件274来沉积非晶硅材料，该处理配件屏蔽件具有(1)铝(Al)主体(条402)、(2)氧化铝(Al2O3)主体(条404)、(3)在表面280上具有氮化硅层的铝主体(条406)和(4)在表面280上具有氮化硅层的氧化铝(Al2O3)主体(条408)。图表400显示了在处理一个半导体晶片(W1)、十个半导体晶片(W10)和二十五个半导体晶片(W25)之后，来自铝主体(条402)的非晶硅颗粒添加物相较于来自氧化铝(Al2O3)主体(条404)的非晶硅颗粒添加物相较下明显更高。图表400显示，虽然氧化铝(Al2O3)主体(条404)及铝主体上的氮化硅层(条406)减少非晶硅颗粒添加物，但在表面280上具有氮化硅层的氧化铝(Al2O3)主体(条408)在非晶硅颗粒添加物中提供最大的减量。
图1绘示了处理基板的方法100的范例。根据本公开内容的实施方式，所公开的方法有利地减少了在物理气相沉积(PVD)处理腔室中的一个或多个基板204(例如半导体晶片)上沉积非晶硅层的处理所形成的颗粒的数量。在一些实施方式中，可使用图2中所示的处理腔室。
方法100从102开始，在处理配件屏蔽件274的顶上沉积氮化硅层302。如上所述地，处理配件屏蔽件274包括由氧化铝(Al2O3)构成的主体279。氮化硅层302沉积在主体279的表面280上，该表面面向处理腔室200的处理空间248，而没有任何基板204设置在处理腔室200中。
通过在处理腔室200的处理空间248内由第一处理气体形成等离子体来沉积氮化硅层302，以从处理腔室200的处理空间248内的靶材206的表面溅射硅。第一处理气体包含惰性气体和氮气(N2)气体。在一些实施方式中，第一处理气体由惰性气体和氮气(N2)气体构成，或基本上由惰性气体和氮气(N2)气体构成。在一些实施方式中，惰性气体是氩气、氦气、氖气或氙气。
惰性气体以约50sccm至约200sccm的流率提供至处理腔室200的处理空间248。氮气(N2)气体以约50sccm至约1000sccm的流率提供至处理腔室200的处理空间248。在一些实施方式中，第一处理气体具有约4:1的氮气(N2)气体对惰性气体的比率。
通过从功率源耦合足够的能量以点燃上述处理气体来形成等离子体，第一处理气体可形成等离子体。功率源可以连续波(CW)或脉冲模式操作。功率源可包括直流(DC)、脉冲DC或射频(RF)功率。在一些实施方式中，功率源可提供脉冲DC功率，该脉冲DC功率为约100kHz至约200kHz的脉冲频率以及约10％至约40％的工作周期(例如，在给定周期中，开启时间与关闭时间的总和期间，开启时间占的百分比)。
用于沉积氮化硅层302的一般处理条件包括将处理腔室压力保持在约3毫托(millitorr)至约5毫托，并且将基板温度保持在约25摄氏度至约400摄氏度。在一些实施方式中，在如下方104处所述地沉积非晶硅层之前，第一处理气体可从处理腔室中清除。
接下来，在104处，将非晶硅层沉积到预定数量的一个或多个基板204(例如，一个或多个半导体晶片)上。如本文所使用地，非晶硅指的是硅的非晶体形态。在将非晶硅层沉积到预定数量的一个或多个基板204上的期间，非晶硅材料也沉积到主体279上的氮化硅层302上(例如，如图3所描绘的非晶硅层304)。沉积到主体279上的氮化硅层302上的非晶硅层304的厚度可取决于待处理的基板204的数量而变化。例如，对于25个半导体晶片的运行，非晶硅层304可具有约12500埃的第二厚度(即，每个半导体晶片约500埃)。在一些实施方式中，氮化硅层302的厚度与非晶硅层304的厚度的比例约为1：3。在一些实施方式中，在处理腔室内的颗粒添加物达到不可接受的值并且可施加氮化硅层302的另一个涂层(如102处所述)之前，基板204的预定数量可为约2000至约4500。如图3所示，非晶硅层304直接形成在氮化硅层302的顶部上。如上所述地，由氧化铝(Al2O3)构成的主体279及氮化硅层302的组合有利地大幅减少了处理腔室200内的非晶硅颗粒添加物。
沉积在基板204上并且因此沉积到主体279上的氮化硅层302上的非晶硅层是通过从处理腔室200的处理空间248内的第二处理气体形成等离子体，以从处理腔室200的处理空间248内的靶材206的表面溅射硅来沉积。第二处理气体包含惰性气体和氢气(H2)气体。在一些实施方式中，第二处理气体由惰性气体和氢气(H2)气体构成，或基本上由惰性气体和氢气(H2)气体构成。在一些实施方式中，惰性气体是氩气、氦气、氖气或氙气。在一些实施方式中，第二处理气体具有约0：1至约1：1的氢气(H2)气体与惰性气体的比例。
在一些实施方式中，惰性气体以约50sccm至约1000sccm的流率提供至处理腔室200的处理空间248。在一些实施方式中，氢气(H2)气体以约2sccm至约100sccm的流率提供给处理腔室的处理空间。
通过耦合来自功率源的足够能量以引燃上述处理气体以形成等离子体，第二处理气体可形成为等离子体。功率源可以连续波(CW)或脉冲模式操作。功率可包括直流(DC)、脉冲DC或射频(RF)功率。在一些实施方式中，功率源可示例性地以合适的频率(例如约13.56MHz)提供约500W至约6kW功率的RF功率以形成等离子体。在一些实施方式中，功率源可以约100kHz至约250kHz的脉冲频率和约10％至约40％的工作周期(例如，在给定周期中的开启时间及关闭时间的总和期间，开启时间的百分比)提供脉冲DC功率。
用于沉积非晶硅层304的一般处理条件包括将处理腔室压力保持在约3毫托至约10毫托，并将处理腔室温度保持在约25摄氏度至约400摄氏度。
接下来，在106处，可对于另一个预定数量的一个或多个基板204重复102-104。从而，主体279将包括氮化硅层302和非晶硅层304的重复交替层。在一些实施方式中，主体279将由氮化硅层302和非晶硅层304的重复交替层构成，或基本上由氮化硅层302和非晶硅层304的重复交替层构成。一旦氮化硅层302和非晶硅层304的重复交替层的总厚度达到预定的第三厚度，处理配件屏蔽件274就可从处理腔室中移除，并由新的处理配件屏蔽件274取代或清洁。第三厚度可取决于在处理腔室200中处理的基板204的数量而变化。
回到图2，基板支撑件202可位于接地的外壳壁208内，该外壳壁208可为腔室壁(如图所示)或接地屏蔽件。(接地屏蔽件240显示为覆盖位于靶材206上方的处理腔室200的至少某些部分。在一些实施方式中，接地屏蔽件240可延伸至靶材下方以更包围基板支撑件202)。
靶材206可通过介电隔离器244以被支撑在腔室的接地导电侧壁上，该侧壁在一些实施方式中称为适配器242。在一些实施方式中，腔室的接地导电侧壁或适配器242可由铝制造。靶材206包括例如硅的材料，该材料将在溅射期间被沉积在基板204上，例如用以形成非晶硅。
在一些实施方式中，背板246可耦合到靶材206的背表面232(即，与面向基板支撑件202的靶材表面相对的表面)。背板246可包括导电材料，例如铜-锌、铜-铬或与靶材相同的材料，使得RF和/或DC能量可经由背板246耦合到靶材206。替代地，背板246可为非导电材料，该非导电材料可包括导电元件，例如电馈通或类似者，以便将靶材206耦合到导电构件225，以促使将RF或DC功率的至少一者提供至靶材206。举例而言，背板246也可(或替代地)被包含以改善靶材206的结构稳定性。
可旋转的磁控管组件236可定位在靶材206的背表面232附近。可旋转的磁控管组件236包括多个磁体266，所述磁体由底板(base plate)268支撑。磁体266在处理腔室200的顶部周围产生电磁场，并经转动以旋转电磁场，从而以更均匀地溅射靶材206的方式改变处理的等离子体密度。
基板支撑件202包括材料接收表面，该材料接收表面面向靶材206的主要表面并且支撑基板204，以在与靶材206的主要表面相对的平面位置中被溅射涂覆。基板支撑件202可在处理腔室200的处理空间248中支撑基板204。处理空间248可被定义为在处理期间位于基板支撑件202上方的区域(例如，在处理位置时，靶材206及基板支撑件202之间)。
处理配件屏蔽件274可由将处理配件屏蔽件274保持在处理腔室200内的给定位置的任何合适方式来耦合到处理腔室200。例如，在一些实施方式中，处理配件屏蔽件274可连接到适配器242的凸耳(ledge)276。适配器242顺次地被密封并接地到外壳壁208。通常，处理配件屏蔽件274沿着适配器242的壁及外壳壁208向下延伸到基板支撑件202的顶表面之下，并接着向上延伸直到达到基板支撑件202的顶表面(例如，在底部形成U形部分284)。替代地，与其是U形部分284，处理配件屏蔽件的最下方部分可具有另一种合适的配置。当基板支撑件202处于较低的装载位置时，盖环286可安置在处理配件屏蔽件274的向上延伸的唇部288的顶上。当基板支撑件202处于较高的沉积位置时，盖环286可安置在基板支撑件202的外部周围上，以保护基板支撑件102免于溅射沉积。可使用一个或多个额外的沉积环(图2显示一个沉积环203)来屏蔽基板支撑件202的周围以免于沉积。
虽然前述内容涉及本公开内容的实施方式，但可在不脱离本公开内容的基本范围的情况下设计本公开内容的其他及进一步的实施方式。

Claims (15)

1.一种用于沉积非晶硅材料的处理配件屏蔽件，所述处理配件屏蔽件包括：
主体，所述主体具有表面，所述表面面向物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中所述主体由氧化铝(Al2O3)构成；和
氮化硅层，所述氮化硅层在所述主体的所述表面上。
2.如权利要求1所述的处理配件屏蔽件，进一步包括非晶硅层，所述非晶硅层在所述氮化硅层上。
3.如权利要求2所述的处理配件屏蔽件，其中所述氮化硅层的第一厚度对所述非晶硅层的第二厚度的比例为1：3。
4.如权利要求2所述的处理配件屏蔽件，其中所述主体包括第三层，所述第三层为所述氮化硅层和所述非晶硅层的重复交替层，所述第三层具有预定的第三厚度。
5.一种用于沉积非晶硅材料的物理气相沉积(PVD)处理腔室，所述物理气相沉积(PVD)处理腔室包括：
处理配件屏蔽件，所述处理配件屏蔽件包括：
主体，所述主体具有表面，所述表面面向所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中所述主体由氧化铝(Al2O3)构成；
氮化硅层，所述氮化硅层具有第一厚度在所述主体的所述表面上；和
非晶硅层，所述非晶硅层具有第二厚度在所述氮化硅层上；
基板支撑基座，所述基板支撑基座设置在所述处理空间下方的所述处理腔室中；和
靶材，所述靶材设置在与所述基板支撑基座相对处。
6.如权利要求5所述的物理气相沉积(PVD)处理腔室，其中所述氮化硅层的第一厚度对所述非晶硅层的第二厚度的比例为1：3。
7.如权利要求5所述的物理气相沉积(PVD)处理腔室，其中所述主体包括第三层，所述第三层为所述氮化硅层和所述非晶硅层的重复交替层，所述第三层具有预定的第三厚度。
8.一种在物理气相沉积(PVD)处理腔室中处理基板的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)在处理配件屏蔽件的表面的顶上沉积氮化硅层，所述表面面向所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间，其中所述处理配件屏蔽件包括主体，所述主体由氧化铝(Al2O3)构成，且其中在没有基板设置在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室中的情况下沉积所述氮化硅层；和
(b)随后在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室中的预定数量的基板上沉积非晶硅层，其中非晶硅材料也在所述氮化硅层上形成非晶硅层。
9.如权利要求8所述的方法，其中沉积所述氮化硅层的步骤进一步包括以下步骤：
在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间内，由第一处理气体形成等离子体，其中所述第一处理气体包含惰性气体和氮气(N2)气体，以在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的所述处理空间内，从靶材的表面溅射硅。
10.如权利要求9所述的方法，其中以下至少一者：
以50 sccm至200 sccm的流率提供所述惰性气体；
以50 sccm至1000 sccm的流率提供所述氮气(N2)气体；或
所述第一处理气体具有为4：1的氮气(N2)气体对惰性气体的比例。
11.如权利要求8所述的方法，其中沉积所述非晶硅层的步骤进一步包括以下步骤：
在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的处理空间内，由第二处理气体形成等离子体，其中所述第二处理气体包含惰性气体和氢气(H2)气体，以在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的所述处理空间内，从靶材的表面溅射硅。
12.如权利要求11所述的方法，其中以下至少一者：
以50 sccm至1000 sccm的流率提供所述惰性气体；
以2 sccm至100 sccm的流率提供所述氢气(H2)气体；或
所述第二处理气体具有0：1至1：1的氢气(H2)气体对惰性气体的比例。
13.如权利要求8至12任一项所述的方法，进一步包括：
(c)重复步骤(a)至(b)，以形成所述氮化硅层和所述非晶硅层的重复交替层，所述重复交替层具有第三厚度。
14.如权利要求8至12任一项所述的方法，其中以下至少一者：
在所述氮化硅层的沉积期间，在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的所述处理空间中的压力为3毫托至5毫托；或
在所述氮化硅层的沉积期间，在所述物理气相沉积(PVD)处理腔室的所述处理空间中的温度在25摄氏度至400摄氏度。
15.如权利要求8至12任一项所述的方法，其中所述氮化硅层的第一厚度对所述非晶硅层的第二厚度的比例为1：3。
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