CN113846312A - 一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，该包括在工艺腔室的内壁形成介质层的步骤，其中形成介质层的步骤包括：向工艺腔室中通入第一气体和第二气体，并使第一气体和第二气体电离形成等离子体并发生化学反应，以在工艺腔室的内壁上沉积形成不含金属元素的介质层。本发明在工艺腔室的内壁形成介质层，从而起到保护晶圆的作用，使其不会被金属所污染，从而保证了金属污染测试的通过率，进而节省大量的机台闲置时间，提高机台产能，增加了晶圆上芯片元器件的可靠性，提升器件良率。

Description

一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法。
背景技术
随着信息时代的高速发展，半导体制造业也发展迅猛，其相关半导体产品正在向高运行速度以及更微小的尺寸方向发展。半导体器件尺寸的不断缩小以及芯片中的元器件密度不断增加，芯片中存在金属污染元素就会污染半导体器件造成缺陷，从而影响整个芯片的良率。例如：碱金属与重金属(Na，K，Ca，Mg，Ba等)污染可能会导致元器件击穿电压的降低；过渡金属与重金属(Fe，Cr，Ni，Cu，Mn，Pb等)污染会导致元件寿命变短或者是元器件在工作的时候暗电流增大。所以目前半导体芯片制造设备在装机的时候都会对机台设备传输路径的金属含量进行测试。目前的做法为：在金属污染测试之前对腔室进行简单的清洁，目前的常规操作都是通入氯气进入腔室形成等离子自由基去清理腔室中的金属污染成分，反应式如下：M+Cl·->MClx↑。这种方法的主要问题是不能完全清理干净腔室里的金属污染成分，仍然会使晶圆表面被金属所污染，使得金属污染测试没法通过。
因此，期待一种可以有效降低晶圆在腔室传输过程中被金属所污染的方法，从而使金属污染测试成功率大大增加，提高了设备的量产时间。
发明内容
本发明的目的是提出一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，能够防止晶圆在传输中晶圆的金属污染，该方法包括在所述工艺腔室的内壁形成介质层的步骤，其中形成所述介质层的步骤包括：
向所述工艺腔室中通入第一气体和第二气体，并使所述第一气体和所述第二气体电离形成等离子体并发生化学反应，以在所述工艺腔室的内壁上沉积形成不含金属元素的介质层。
可选方案中，所述介质层为硅的化合物。
可选方案中，所述第一气体和所述第二气体分别为四氯化硅和氧气，以生成所述硅的化合物。
可选方案中，形成所述硅的化合物的工艺条件包括：所述工艺腔室的压力范围为10-20毫托,电源功率为1100-1300W，所述四氯化硅的流量为80-120sccm，氧气的流量为150-250sccm，氩气的流量为150-250sccm，静电卡盘的温度大于50-70度，工艺维持时间15-25S。
可选方案中，形成所述介质层的步骤包括：
向所述工艺腔室中通入氧气和三氟化氮，并使所述氧气和三氟化氮形成等离子体；设定时间后，向所述工艺腔室中通入所述四氯化硅和所述氧气，并使所述四氯化硅和氧气形成等离子体，以在所述工艺腔室的内壁形成所述介质层。
可选方案中，在形成所述介质层之前还包括去除金属污染的步骤，所述去除金属污染的步骤包括：向所述工艺腔室内通入含氯气体，并使所述含氯气体电离形成含氯等离子体，以去除所述工艺腔室内的金属污染。
可选方案中，所述含氯气体包括氯气和三氯化硼，所述去除金属污染的步骤的工艺参数为：所述工艺腔室的压力为8-12mTorr，电源功率为1400-1600W，三氯化硼的流量为100-200sccm，氯气的流量为150-250sccm，氩气的流量为150-250sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为1600-2000秒。
可选方案中，所述去除金属污染的步骤与形成介质层的步骤之间或者所述去除金属污染的步骤之前，还包括第一清理步骤，所述第一清理步骤包括：
向所述工艺腔室中通入含氟气体和含氧气体，并经电离形成含氟和含氧等离子体，以清理所述工艺腔室内的含碳聚合物和硅。
可选方案中，所述含氟气体包括三氟化氮，所述含氧气体包括氧气，所述第一清理步骤包括：
第一阶段：所述工艺腔室的压力为300-500mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为400-600sccm，氩气的流量为100-300sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第二阶段：所述工艺腔室压力的压力为55-75mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为100-300sccm，氩气的流量为80-120sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第三阶段：所述工艺腔室压力的压力为20-40mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为40-60sccm，氩气的流量为40-60sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第四阶段：所述工艺腔室压力的压力为10-20mTorr，电源功率为1400-1600W，氧气的流量为300-500sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒。
可选方案中，所述第一清理步骤之前且所述去除金属污染的步骤之前，所述方法还包括预处理步骤，所述预处理步骤包括：
向所述工艺腔室内循环通入和排出不与所述工艺腔室反应的普气，以对所述工艺腔室进行清理。
本发明的有益效果在于：
在工艺腔室的内壁形成介质层，介质层覆盖了工艺腔室内壁，使晶圆不会被工艺腔室中的金属所污染，从而保证了金属污染测试的通过率，进而节省大量的机台闲置时间，提高机台产能，增加了晶圆上芯片元器件的可靠性，提升器件良率。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了本发明一实施例的一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法的流程图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明。虽然本发明提供了优选的实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
不管在装机阶段还是日常的机台维护阶段，金属污染测试都是一项重要的指标，不管是采用TXRF元素分析仪(Total X-xay Fluorescence)检测还是采用化学气相分解VPD(Vapor Phase Decomposition)进行测试，都需要较长的时间。如果能保证金属污染测试的通过率，无疑将节省大量的机台闲置时间，提高机台产能。
作为可选的应用场景，本发明的方法适用于预防裸晶圆在等离子刻蚀机台中传输的金属污染。大多数芯片代工厂对于电感耦合等离子体刻蚀机台的金属污染测试流程如下：
晶圆背面与机台各零件之间的接触测试：这种测试的流程是需要提前把晶圆正面反转过来，让晶圆的正面接触机台所经过的传输路径中的所有零件，最终再传送回来，检测晶圆中的金属含量，当背面金属含量超过10E+10A/cm2的时候，需要对工艺腔室进行重新清理，再进行检测。晶圆正面传送到工艺腔室中，流入单一气体，例如氧气，再传输回来，检测晶圆中的金属含量，当正面金属含量超过1E+10A/cm2的时候，需要对工艺腔室进行重新清理，再进行检测。
整个刻蚀机台，工艺腔室之外的地方金属污染成分都比较低，或者说工艺腔室之外的地方清理比较方便，但对于工艺腔室之内的清理比较麻烦且耗时间，本发明的方法能够减低工艺腔室内的金属污染，因此能够有效降低裸晶圆在等离子刻蚀机台中的传输的金属污染。
本发明一实施例提供了一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法。该方法包括在工艺腔室的内壁形成介质层的步骤，其中形成介质层的步骤包括：
向工艺腔室中通入第一气体和第二气体，并使第一气体和第二气体电离形成等离子体并发生化学反应，以在工艺腔室的内壁上沉积形成不含金属元素的介质层。
具体地，本实施例通过第一气体和第二气体电离形成的等离子体的化学反应，以在工艺腔室的内壁形成介质层，从而使晶圆不会被工艺腔室内壁的金属所污染，从而保证了金属污染测试的通过率，进而节省大量的机台闲置时间，提高机台产能。
本实施例中，第一气体和第二气体分别为四氯化硅和氧气，生成的介质层为二氧化硅，实现在腔室内沉积一层致密硅氧化物。在其他实施例中，也可以形成其他类型的介质层，该介质层不含金属元素，防止引入新的金属元素污染。另外，在工艺腔室中待处理的晶圆一般为硅晶圆，生成的介质层最好为硅的化合物，避免引入新的颗粒污染。四氯化硅在常温下为液态，本实施例先对四氯化硅进行加热气化，如加热到60度，通入工艺腔室的四氯化硅为气态。
本实施例中，生成硅的化合物的工艺条件包括：工艺腔室的压力范围为10-20毫托，可选为15毫托，电源功率为1000-1400W，可选为1200W，四氯化硅的流量为80-120sccm，可选为100sccm，氧气的流量为150-250sccm，可选为200sccm，氩气的流量为150sccm-250sccm，可选为200sccm，静电卡盘的温度50-70度，如60度，工艺维持时间20S左右。生成的硅的化合物为二氧化硅。二氧化硅结构致密，与工艺腔室的内壁面结合紧密。对于生成的其他介质层，最好与工艺腔室的内壁面结合紧密，避免脱落。
在一个优选的实施例中，形成介质层的步骤包括：向工艺腔室中通入含氟气体和含氧气体，并经电离形成含氟和含氧等离子体；设定时间后(一般为10秒左右)，向工艺腔室中通入四氯化硅和氧气，并使四氯化硅和氧气形成等离子体，以在腔室的内壁形成硅的化合物。该实施例在正式形成硅的化合物之前，预先通入含氟气体和含氧气体(如氧气和三氟化氮)，并使氧气和三氟化氮形成等离子体设定时间，一方面是为了进一步清理腔室(可以去除含碳聚合物以及硅)，另一方面是为后面的沉积做好暖机的作用，设定时间后，紧接着通入四氯化硅气体和氧气，进行沉积工艺。
在一个实施例中，在形成介质层之前还包括去除金属污染的步骤，去除金属污染的步骤包括：向工艺腔室内通入含氯气体，并使含氯气体电离形成含氯等离子体，以去除工艺腔室内的金属污染。反应式如下：M+Cl·->MClx↑。在一个具体的实例中，去除金属污染的步骤包括：工艺腔室的压力为8-12mTorr，如10mTorr，电源功率为1400-1600W，如1500W，三氯化硼的流量为100-200sccm，如150sccm，氯气的流量为150-250sccm，如200sccm，氩气的流量为150-250sccm，如200sccm，静电卡盘的温度为50-70度，如60度，时间为1600-2000秒，如1800秒。
在一个实施例中，去除金属污染的步骤与形成介质层的步骤之间或者去除金属污染的步骤之前，还包括第一清理步骤，第一清理步骤包括：向所述工艺腔室中通入含氟气体和含氧气体，并经电离形成含氟和含氧等离子体，以清理所述工艺腔室内的含碳聚合物和硅。具体的，所述含氟气体包括三氟化氮，含氧气体包括氧气，第一清理步骤包括：
第一阶段：工艺腔室的压力为300-500mTorr，如400mTorr，电源功率为1700-1900W，如1800W，三氟化氮的流量为400-600sccm，如500sccm，氩气的流量为100-300sccm，如200sccm，静电卡盘的温度为50-70度，如60度，时间为500-700秒，如600秒；
第二阶段：工艺腔室压力的压力为55-75mTorr，如65mTorr，电源功率为1700-1900W，如1800W，三氟化氮的流量为150-250sccm，如200sccm，氩气的流量为80-120sccm，如100sccm，静电卡盘的温度为50-70度，如60度，时间为500-700秒，如600秒；
第三阶段：工艺腔室压力的压力为20-40mTorr，如30mTorr，电源功率为1700-1900W，如1800W，三氟化氮的流量为40-60sccm，如50sccm，氩气的流量为40-60sccm，如50sccm，静电卡盘的温度为50-70度，如60度，时间为500-700秒，如600秒；
第四阶段：工艺腔室压力的压力为10-20mTorr，如15mTorr，电源功率为1400-1600W，如1500W，氧气的流量为300-500sccm，如400sccm，静电卡盘的温度为50-70度，如60度，时间为500-700秒，如600秒。
其中第一阶段至第三阶段用于清理工艺腔室中的硅残留，第四阶段用于清理工艺腔室的聚合物残留。可以看出前3个阶段的腔压逐渐降低，因为腔压的不同影响等离子体的分布，第一阶段用于清理腔室的上部，第二阶段用于清理腔室中部，第三阶段用于清理腔室底部。此外，前3个阶段所需的三氟化氮的流量和氩气的流量也逐渐减少，可以理解，这样有规律的变化更有利于工艺的调整。当然，在其他实施例中，腔压和气体流量也可以逐渐增大。
在一个实施例中，第一清理步骤之前且去除金属污染的步骤之前，还包括预处理步骤，预处理步骤包括：向工艺腔室内循环通入和排出不与所述工艺腔室反应的普气，普气可以是氮气、氧气、惰气等。以对工艺腔室进行清理。该步骤通过氮气吹扫出工艺腔室中的残留气体。氮气的流量为500sccm左右，持续1小时左右。
请参考图1，下面以一个具体的实例，简单描述该方法步骤顺序，具体工艺条件和参数参照前文即可。请参考图1：
1、预处理阶段：向工艺腔室内循环通入和排出氮气，以对工艺腔室进行清理。该步骤通过氮气吹扫出工艺腔室中的残留气体。
2、第一清理步骤：向工艺腔室中通入三氟化氮和氧气，并形成等离子体，以清理工艺腔室内的含碳聚合物和硅。
3、去除金属污染的步骤：向工艺腔室内通入氯气和三氯化硼，并使氯气和三氯化硼形成等离子体，以去除工艺腔室内的金属污染。
4、形成介质层的步骤：向工艺腔室中通入氧气和三氟化氮，并使氧气和三氟化氮形成等离子体；设定时间后，向工艺腔室中通入四氯化硅和氧气，并使四氯化硅和氧气形成等离子体，以在工艺腔室的内壁形成硅的化合物。
表1
Figure BDA0003237485480000081
表2
Figure BDA0003237485480000091
参照表1和表2，表1为现有技术测出的裸晶圆的正面金属污染，表2为采用本实施例的方法测出的裸晶圆的正面金属污染，PM1、PM2、PM3、PM4代表四个工艺腔室。由前文所述可知，当正面金属含量超过1E+10A/cm2的时候，污染超标。可见，表1中四个工艺腔室的Cr元素污染超标，表2中金属污染均没有超标，且相对于表1在不同程度上减少了金属污染。可见，本方法能够有效的降低金属污染含量。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，包括在所述工艺腔室的内壁形成介质层的步骤，其中形成所述介质层的步骤包括：
向所述工艺腔室中通入第一气体和第二气体，并使所述第一气体和所述第二气体电离形成等离子体并发生化学反应，以在所述工艺腔室的内壁上沉积形成不含金属元素的介质层。
2.根据权利要求1所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述介质层为硅的化合物。
3.根据权利要求2所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述第一气体和所述第二气体分别为四氯化硅和氧气，以生成所述硅的化合物。
4.根据权利要求3所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，形成所述硅的化合物的工艺条件包括：所述工艺腔室的压力范围为10-20毫托,电源功率为1100-1300W，所述四氯化硅的流量为80-120sccm，氧气的流量为150-250sccm，氩气的流量为150-250sccm，静电卡盘的温度为50-70度，工艺维持时间15-25S。
5.根据权利要求2所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，形成所述介质层的步骤包括：
向所述工艺腔室中通入氧气和三氟化氮，并使所述氧气和三氟化氮形成等离子体；设定时间后，向所述工艺腔室中通入所述四氯化硅和所述氧气，并使所述四氯化硅和氧气形成等离子体，以在所述工艺腔室的内壁形成所述介质层。
6.根据权利要求1所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，在形成所述介质层之前还包括去除金属污染的步骤，所述去除金属污染的步骤包括：向所述工艺腔室内通入含氯气体，并使所述含氯气体电离形成含氯等离子体，以去除所述工艺腔室内的金属污染。
7.根据权利要求6所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述含氯气体包括氯气和三氯化硼，所述去除金属污染的步骤的工艺参数为：所述工艺腔室的压力为8-12mTorr，电源功率为1400-1600W，三氯化硼的流量为100-200sccm，氯气的流量为150-250sccm，氩气的流量为150-250sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为1600-2000秒。
8.根据权利要求6所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述去除金属污染的步骤与形成介质层的步骤之间或者所述去除金属污染的步骤之前，还包括第一清理步骤，所述第一清理步骤包括：
向所述工艺腔室中通入含氟气体和含氧气体，并经电离形成含氟和含氧等离子体，以清理所述工艺腔室内的含碳聚合物和硅。
9.根据权利要求8所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述含氟气体包括三氟化氮，所述含氧气体包括氧气，所述第一清理步骤包括：
第一阶段：所述工艺腔室的压力为300-500mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为400-600sccm，氩气的流量为100-300sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第二阶段：所述工艺腔室压力的压力为55-75mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为100-300sccm，氩气的流量为80-120sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第三阶段：所述工艺腔室压力的压力为20-40mTorr，电源功率为1700-1900W，三氟化氮的流量为40-60sccm，氩气的流量为40-60sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒；
第四阶段：所述工艺腔室压力的压力为10-20mTorr，电源功率为1400-1600W，氧气的流量为300-500sccm，静电卡盘的温度为50-70度，时间为500-700秒。
10.根据权利要求8所述的降低半导体设备工艺腔室内金属污染的方法，其特征在于，所述第一清理步骤之前且所述去除金属污染的步骤之前，所述方法还包括预处理步骤，所述预处理步骤包括：
向所述工艺腔室内循环通入和排出不与所述工艺腔室反应的普气，以对所述工艺腔室进行清理。
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