CN111211065A - 半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法，半导体生产设备包括反应腔室，反应腔室的内壁沉积有污染物，清洗方法包括：于反应腔室的底部设置挡片晶圆；于反应腔室中通入等离子体，等离子体与污染物进行化学反应生成气体及固体颗粒，固体颗粒沉积于挡片晶圆表面，气体随等离子体的排出口排出。通过本发明的清洗方法可以有效降低反应腔室内壁上黏附的微尘粉粒(污染物)剥落至晶圆表面所导致的缺陷，由此提高产品的良率，降低机台维护周期及降低生产成本。

Description

半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法

技术领域

本发明属于半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法。

背景技术

随着集成电路集成度的增加，半导体元器件以及线宽等越来越小，半导体生产环境的要求也越来越严格，因此微尘粉粒(particle)已成为影响产品良率的重要因素。

在集成电路制造过程中，晶圆在半导体生产设备中经过若干工艺制成所需器件，晶圆的加工程序繁复且精密，大致上包括有：微影、刻蚀、扩散、离子布植、外延薄膜生长等等过程，其中很多工艺过程中都会有微颗粒形成，微颗粒会黏附于半导体生产设备反应腔室的内壁，随着内壁上黏附的微颗粒厚度的增加，其应力逐渐增加，黏附在反应腔室内壁上的微颗粒会随着应力的增加而剥落，这些剥落的微颗粒(污染物)若掉落在晶圆的表面，会在晶圆表面形成缺陷，进而影响后续元件导致器件失效，从而影响产品的良率。

因此，如何提供一种半导体生产设备清洗方法及半导体工艺方法，以解决现有技术中所存在的上述问题实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种半导体生产设备清洗方法及半导体工艺方法，用于解决现有技术中半导体生产设备的反应腔室内壁上黏附的微尘粉粒剥落至晶圆表面所导致的缺陷等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体生产设备的清洗方法，所述半导体生产设备包括反应腔室，所述反应腔室的内壁沉积有污染物，所述清洗方法至少包括步骤：

1)于所述反应腔室的底部设置挡片晶圆；

2)于所述反应腔室中通入等离子源气体产生等离子体，所述等离子体与所述污染物进行反应生成气体及固体颗粒，所述固体颗粒沉积于所述挡片晶圆表面，所述气体随所述等离子体的排出口排出。

可选地，步骤2)中，于所述反应腔室中通入所述等离子源气体包括由氢气、三氟化氮和氯气组成的群组中的一种或多种的混合气体，所述反应时间介于20s～750s。

进一步地，步骤2)中，形成所述等离子体的氢气流量介于80sccm～200sccm，形成所述等离子体的功率介于700W～2000W，所述反应腔室的温度介于100℃～200℃。

可选地，所述挡片晶圆包括裸硅晶圆或表面形成有氧化硅的晶圆。

可选地，所述清洗方法还包括从所述反应腔室中取出沉积有所述固体颗粒的所述挡片晶圆的步骤。

进一步地，所述清洗方法还包括执行上述所述步骤，并以所述步骤作为清洗周期反复进行，直至对所述反应腔室的内壁的清洗洁净度达到目标要求。

进一步地，重复所述清洗周期的次数介于1次～25次，每次所述清洗周期中通入所述等离子体的时间介于10s～30s。

本发明还提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法至少包括步骤：

1)于半导体生产设备的反应腔室中进行预设时间的产品制程工艺；

2)完成所述预设时间的产品制程工艺后，采用上述任一方案所述的半导体生产设备的清洗方法对所述反应腔室进行清洗；

3)清洗完毕后，进行下一次所述预设时间的所述产品制程工艺。

可选地，步骤3)之后还包括步骤：重复步骤2)及步骤3)至少一次。

可选地，步骤1)中，所述预设时间介于6h～24h。

如上所述，本发明的半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法，利用等离子体的化学作用，对污染物进行还原反应生成气体和固体颗粒，并通过挡片晶圆承载固体颗粒以及通过等离子体的排出口排出气体实现对污染物的清洗；另外，利用等离子体的夯实功能，可使反应腔室内壁上的污染物更加致密，从而不易剥落。通过本发明的清洗方法可以有效降低反应腔室内壁上黏附的微尘粉粒(本发明中的污染物)剥落至晶圆表面所导致的缺陷，由此提高产品的良率，降低机台维护周期及降低生产成本。

附图说明

图1～图8显示为现有技术中晶圆形成互连导线工艺中氧化物颗粒如何污染晶圆的过程的结构示意图。

图9显示为本发明的半导体生产设备的清洗方法的流程图。

图10显示为本发明的半导体生产设备的清洗方法中污染物与等离子体反应的示意图。

图11显示为本发明的半导体生产设备的清洗方法中反应腔室清洗后的示意图。

图12显示为本发明的半导体生产设备的清洗方法中等离子体夯实污染物的原理图。

图13显示为晶圆在形成互连导线工艺中，不清洗反应腔室的情况下，晶圆上掉落的污染物颗粒随时间的变化图。

图14显示为晶圆在形成互连导线工艺中，使用本发明的清洗方法清洗反应腔室的情况下，晶圆上掉落的污染物颗粒随时间的变化图。

元件标号说明

10 介质层

101 第一介质层

102 第二介质层

103 第三介质层

11 导电栓塞

12 氧化物

13 凹槽

14 互连导线

141 钽金属层

142 铜金属层

15 反应腔室

16 氧化物颗粒

17 污染物

20 反应腔室

21 污染物

22 挡片晶圆

23 固体颗粒

S1～S2 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在集成电路制造过程中，半导体生产设备的反应腔室内壁上会黏附多种物质，相对制程中的晶圆来说，这些物质为污染物，如果这些污染物剥落掉在相应制程的晶圆表面，会在晶圆表面形成缺陷，进而影响后续元件导致器件失效。形成这些污染物的方式有很多，下面就以现有技术中晶圆形成互连导线工艺中氧化物颗粒如何污染晶圆的过程为例进行说明。

如图1所示，在晶圆形成互连导线的制程中，通过在介质层10与导电栓塞11形成的凹槽13中填充金属形成互连导线结构。形成所述凹槽13的步骤包括：形成所述介质层10，所述介质层10包括依次层叠的第一介质层101、第二介质层102及第三介质层103；光刻定义出需形成所述凹槽13的位置并刻蚀形成窗口；于所述窗口中形成所述导电栓塞，至此由所述介质层10及所述导电栓塞11形成所述凹槽13。

一般所述导电栓塞11为金属材质，当所述导电栓塞11接触外界大气后，会与大气中的水汽和氧气反应生成一层薄薄的氧化物12；另外，通常在利用刻蚀定义出互连导线的形状窗口后会用一些化学品(例如：硫酸或盐酸)清洗以去除刻蚀所产生的副产物，同时，清洗也会造成化学品残留在窗口内，也会形成所述氧化物12。

如图2所示，由于所述氧化物12的存在，所以在形成互连导线前需要先去除所述氧化物12，一般通过于反应腔室15内通入惰性气体(例如氩气)形成的等离子体去除所述氧化物12，晶圆上的所述氧化物12通过等离子体的作用从晶圆上剥离会黏附于所述反应腔室15的内壁上形成污染物17。

如图3所示，随着制程批次的增加，黏附于所述反应腔室15内壁上的所述污染物17的厚度将不断增大。

如图4所示，当所述污染物17的厚度不断增大时，其应力将逐渐增加，黏附在所述反应腔室15内壁上的氧化物颗粒16会随着应力的增加而剥落，这些剥落的氧化物颗粒16可能会掉在所述导电栓塞11的表面以及晶圆表面的其他部分。

如图5所示，这里仅以所述氧化物颗粒16掉在所述导电栓塞11的表面为例进行说明，实际上所述氧化物颗粒16也可能会掉在晶圆表面的其他部分，从而对晶圆的后续制程产生影响。当所述氧化物颗粒16掉在所述导电栓塞11的表面后，在形成互连导线14的第一层金属层时(本实施例中第一金属层为钽金属层141)，所述凹槽13底部上的钽金属层141会沉积在所述氧化物颗粒16上，而不能直接与所述导电栓塞11相接触。

如图6及图7所示，接着于所述钽金属层141上通过PVD工艺(如图6所示)、ECD及退火工艺(如图7所示)形成铜金属层142。

如图8所示，通过化学机械研磨工艺掩膜所述钽金属层141及铜金属层142，形成所述互连导线14。如图8中的虚线框所示，由于所述氧化物颗粒16的存在，形成的所述互连导线不能直接与所述导电栓塞11接触，这将导致晶圆的互连导线短路或者短路的问题，不利于器件良率的提升。所以，本领域中存在如何有效清洗反应腔室的内壁以降低反应腔室内壁上黏附的微尘粉粒剥落至晶圆表面导致缺陷，进而影响后续元件失效的问题。

基于以上所述，本发明提供一种半导体生产设备的清洗方法，该方法利用等离子体的化学作用以及夯实功能，并结合挡片晶圆，可有效减薄甚至完全去除半导体生产设备反应腔室内壁上的污染物。

具体而言，本发明提供一种半导体生产设备的清洗方法，所述半导体生产设备包括反应腔室，所述反应腔室的内壁沉积有污染物，所述清洗方法至少包括步骤：

1)于所述反应腔室的底部设置挡片晶圆；

2)于所述反应腔室中通入等离子源气体产生等离子体，所述等离子体与所述污染物进行反应生成气体及固体颗粒，所述固体颗粒沉积于所述挡片晶圆表面，所述气体随所述等离子体的排出口排出。

实施例1

下面将结合附图来详细阐述本发明的半导体生产设备的清洗方法。

请注意，本领域技术人员均能理解，在本领域内的半导体生产设备上经过多批次的制程均会在设备上产生污染物，所以，本实施例的清洗方法适用于任何半导体生产设备含有反应腔室的环境。

如图9及图10所示，示出了本实施例的半导体生产设备的清洗方法的流程图，所述半导体生产设备包括反应腔室20，所述反应腔室20的内壁沉积有污染物21。可以理解的是，所述污染物21可能是经过多批次的生产制程沉积形成的，对于所述污染物21的允许厚度由不同的制程条件确定，在此不做限制。

请参阅图9及图10所示，首先进行步骤S1，于所述反应腔室20的底部设置挡片晶圆22。

作为示例，所述挡片晶圆22为非生产晶圆，可以包括裸硅晶圆或表面通过热氧氧化或CVD沉积形成有氧化硅层的晶圆。所述挡片晶圆22用于承载等离子体与所述污染物21化学反应生成的固体颗粒，后续通过从腔室中移走所述挡片晶圆22实现对固体颗粒的移除。

作为示例，所述反应腔室包括物理气相沉积反应腔室，所述物理气相沉积反应腔室包括晶圆卡盘，所述挡片晶圆22设置于所述晶圆卡盘上。此时，所述挡片晶圆22除了可以承载固体颗粒还可以避免等离子体对晶圆卡盘的损伤。

请参阅图9至图11，接着进行步骤S2，于所述反应腔室20中通入等离子源气体产生等离子体，所述等离子体(图10中箭头所示)与所述污染物21进行反应生成气体及固体颗粒23，所述固体颗粒23沉积于所述挡片晶圆22表面，所述气体随所述等离子体的排出口排出。随着等离子体与所述污染物21不断反应，所述污染物21的厚度不断减薄(如图10至图11的变化)，甚至被完全清除。

这里需要说明的是，根据不同的工艺制程环境要求，所述污染物21可能需要被完全清除才能达到工艺环境需求，也可能只要将所述污染物21的厚度控制在合理的厚度范围内即可达到工艺环境的要求。当不需要完全去除所述污染物21时，如图12所示，黏附在所述反应腔室20内壁上的所述污染物21会在等离子体的夯实作用下变的更致密，所以所述污染物21更不容易从反应腔室20内壁上剥落。

作为示例，于所述反应腔室20中通入所述等离子源气体包括由氢气、三氟化氮和氯气组成的群组中的一种或多种的混合气体，于所述反应腔室20中通入所述等离子体的时间介于20s～750s。

作为示例，形成所述等离子体的氢气流量介于80sccm～200sccm，形成所述等离子体的功率介于700W～2000W。

作为示例，在步骤S2的清洗过程中，所述反应腔室20的温度介于100℃～200℃。由于等离子体与污染物21发生氧化还原反应会有气体产生，所以将反应腔室20的温度保持在100℃～200℃，可保证反应腔室20内的反应产物保持为气态，从而从反应腔室20中排出。

作为示例，所述污染物21包括由金属氧化物、金属氮化物及金属氮氧化物组成群组中的一种或多种的混合物。

作为示例，所述清洗方法还包括步骤S3，从所述反应腔室20中取出沉积有所述固体颗粒23的所述挡片晶圆22的步骤。

如图13所示，为晶圆在形成互连导线工艺中，不清洗反应腔室的情况下，晶圆上掉落的污染物颗粒随时间的变化图，图中可以得出其平均污染物颗粒值为13.2，且污染无颗粒值随时间变化浮动很大。如图14所示，为晶圆在形成互连导线工艺中，使用本实施例的清洗方法清洗反应腔室的情况下，晶圆上掉落的污染无颗粒随时间的变化图，其中使用的清洗频率是每隔24小时清洗一次，其平均污染物颗粒值为8.67，且污染物颗粒值随时间变化较为稳定。即采用本实施例的清洗方法可有效降低反应腔室内壁污染物颗粒掉落的问题，并且采用本方法获得的清洗结果比较稳定；另外本实施例所述清洗方法工艺简单、易于操作，便于工业化推广。

实施例2

本实施例的清洗方法与实施例1的清洗方法基本相同，不同在于，重复执行实施例1中步骤S1及步骤S3组成的清洗周期，直至对所述反应腔室20的内壁的清洗洁净度达到目标要求。

作为示例，重复所述清洗周期的次数介于1次～25次，且每次所述清洗周期中通入所述等离子体的时间介于10s～30s。重复所述清洗周期的次数也可根据实际情况进行调整，例如，当半导体生产设备的产能很大时，需要增加重复的清洗周期，例如18次、19次、20次或者更多次，以达到制程环境的标准要求。

本实施例可以进一步避免仅使用一批挡片晶圆22，致使不能将所有反应产生的固体颗粒承载在挡片晶圆22上而影响清洗效果，本实施例中通过重复多次清洗周期，每个清洗周期都把沉积有所述固体颗粒23的所述挡片晶圆22取出，然后重新于所述反应腔室20中放入新的挡片晶圆22，可以有效承载清洗过程中产生的固体颗粒，提高清洗效果。

实施例3

本实施例提供一种半导体工艺方法，所述半导体工艺方法至少包括步骤：

1)于半导体生产设备的反应腔室中进行预设时间的产品制程工艺；

2)完成所述预设时间的产品制程工艺后，采用如实施例1及实施例2所述的任一方案所述的半导体生产设备的清洗方法对所述反应腔室进行清洗；

3)清洗完毕后，进行下一次所述预设时间的所述产品制程工艺。

作为示例，步骤1)中，所述产品制程工艺包括半导体生产工艺的所有工艺中会在反应腔室中产生污染物的工艺。例如，所述生产工艺包括PVD工艺制程，但也可以是其他半导体工艺制程，在此不做限定。

作为示例，步骤1)中，所述预设时间介于6h～24h。所述预设时间也可根据实际情况进行调整，当半导体生产设备的产能很大时，反应腔室中更容易产生污染物，所以需要缩短所述预设时间，例如，调整为6h～12h，也可是其他更短的预设时间，在此不做限定；当半导体生产设备的产能不大时，反应腔室中不易产生污染物，所以可以适当加长所述预设时间，例如12h～24h或者24h～36h，也可是其他更长的预设时间，在此不做限定。

作为示例，步骤3)之后还包括步骤：重复步骤2)及步骤3)至少一次。即在半导体生产设备的工艺制程中，每个预定时间就对所述半导体生产设备进行清洗一次，进行上述重复处理，从而保证该机台设备运行的稳定性，提高产品的良率，降低机台的维护周期以及降低生产成本。

综上所述，本发明的半导体生产设备的清洗方法及半导体工艺方法，利用等离子体的化学作用，对污染物进行还原反应生成气体和固体颗粒，并通过挡片晶圆承载固体颗粒以及通过等离子体的排出口排出气体实现对污染物的清洗；另外，利用等离子体的夯实功能，可使反应腔室内壁上的污染物更加致密，从而不易剥落。通过本发明的清洗方法可以有效降低反应腔室内壁上黏附的微尘粉粒(本发明中的污染物)剥落至晶圆表面所导致的缺陷，由此提高产品的良率，降低机台维护周期及降低生产成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种半导体生产设备的清洗方法，所述半导体生产设备包括反应腔室，所述反应腔室的内壁沉积有污染物，其特征在于，所述清洗方法至少包括步骤：

于所述反应腔室的底部设置挡片晶圆；

于所述反应腔室中通入等离子源气体产生等离子体，所述等离子体与所述污染物进行反应生成气体及固体颗粒，所述固体颗粒沉积于所述挡片晶圆表面，所述气体随所述等离子体的排出口排出。

2.根据权利要求1所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：于所述反应腔室中通入所述等离子源气体包括由氢气、三氟化氮和氯气组成的群组中的一种或多种的混合气体，所述反应时间介于20s～750s。

3.根据权利要求2所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：形成所述等离子体的氢气流量介于80sccm～200sccm，形成所述等离子体的功率介于700W～2000W，所述反应腔室的温度介于100℃～200℃。

4.根据权利要求1所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：所述挡片晶圆包括裸硅晶圆或表面形成有氧化硅的晶圆。

5.根据权利要求1所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：所述清洗方法还包括从所述反应腔室中取出沉积有所述固体颗粒的所述挡片晶圆的步骤。

6.根据权利要求5所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：所述清洗方法还包括执行权利要求5所述步骤，并以所述步骤作为清洗周期反复进行，直至对所述反应腔室的内壁的清洗洁净度达到目标要求。

7.根据权利要求6所述的半导体生产设备的清洗方法，其特征在于：重复所述清洗周期的次数介于1次～25次，每次所述清洗周期中通入所述等离子体的时间介于10s～30s。

8.一种半导体工艺方法，其特征在于，所述半导体工艺方法至少包括步骤：

1)于半导体生产设备的反应腔室中进行预设时间的产品制程工艺；

2)完成所述预设时间的产品制程工艺后，采用如权力要求1-7任意一项所述的半导体生产设备的清洗方法对所述反应腔室进行清洗；

3)清洗完毕后，进行下一次所述预设时间的所述产品制程工艺。

9.根据权利要求8所述的半导体工艺方法，其特征在于，步骤3)之后还包括步骤：重复步骤2)及步骤3)至少一次。

10.根据权利要求8所述的半导体工艺方法，其特征在于：步骤1)中，所述预设时间介于6h～24h。

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