CN113994023A - 减少腔室残留物的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于在处理腔室中的基板处理期间减少硬件残留物的形成并最小化二次等离子体形成的系统和方法。处理腔室可包含气体分配构件，所述气体分配构件被配置成使第一气体流入处理容积并从第一气体产生等离子体。第二气体被供应到处理容积的下部区域中。此外，排气端口设置在下部区域中以在处理期间或之后从处理容积移除过量的气体或副产物。
Description
背景
领域
本公开的实施例总体涉及用于最小化在基板沉积工艺期间在腔室壁和硬件部件上(诸如在半导体基板上沉积薄膜期间在处理腔室的硬件部件上)的残留物的形成的方法和设备。
相关技术说明
可使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以在用于半导体器件制造的基板上形成一个或多个薄膜。随着半导体器件由于它们不断减小的尺寸和多堆叠结构的利用而需要更高的存储器密度，对半导体器件的膜性质的控制越来越受到关注。膜形成工艺中缺陷的主要原因是在沉积腔室中存在残留物，特别是在诸如腔室底部和狭缝阀区域之类的不期望的区域中沉积的残留物。腔室中此类残留物的存在不仅导致半导体器件的缺陷，还增加了沉积循环之间的清洁时间，从而减少了整体良率产量并增加了制造成本。导致腔室残留物堆积的因素包含整个腔室中等离子体的错误分散以及不期望的寄生等离子体的形成。
因此，在本领域中需要用于最小化残留物在腔室部件上的沉积和堆积的改进的方法和设备。
发明内容
在一个实施例中，一种用于形成膜的方法包括以下步骤：以第一流率将第一气体引入处理腔室的处理容积；从第一气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及以第二流率将第二气体引入处理容积。第二气体经由设置在基板支撑组件下方的气体引导端口被引入处理容积的下部区域。第一流率与第二流率的比率在约0.5与约3之间。
在一个实施例中，一种用于形成膜的方法包括以下步骤：以第一流率将第一气体引入处理腔室的处理容积；从第一气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及以第二流率将第二气体引入处理容积，所述第二流率占处理腔室内的总流量的40％。第二气体经由设置在基板支撑组件下方的气体引导端口被引入处理容积的下部区域。
在一个实施例中，一种用于形成膜的方法包括以下步骤：以第一流率将第一处理气体引入处理腔室的处理容积；从第一处理气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及以第二流率将氧气引入处理容积，所述第二流率占处理腔室中的总流量的至少40％。第一流率与第二流率的比率在约0.5与约3之间。氧气经由设置在基板支撑组件下方的气体引导端口被引入处理容积的下部区域，并且氧气促进自燃反应以消耗基板支撑组件下方的等离子体的未反应的物质。
附图说明
因此，为了可详细地理解本公开的上述特征的方式，可通过参考实施例来对以上简要概述的本公开进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中图示。然而，应注意，附图仅图示示例性实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，并且可允许其他等效实施例。
图1A图示了根据本公开的一个实施例的示例性处理腔室的横截面示意图。
图1B图示了根据本公开的一个实施例的示例性处理腔室的横截面示意图。
图2图示了根据本文描述的一个实施例的方法的流程图。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来标示附图共有的相同元素。可预期的是，一个实施例的元素和特征可被有益地并入其他实施例中，而无需进一步叙述。
具体实施方式
本公开涉及用于在处理腔室中的基板处理期间减少硬件残留物的形成并最小化二次等离子体形成的系统和方法。处理腔室可包含气体分配构件，所述气体分配构件被配置成使第一气体流入处理容积并从第一气体产生等离子体。第二气体被供应到处理容积的下部区域中以减少等离子体的错误分散，减少晶片平面下方的活性自由基物质的存在，并主动清洁下部区域。此外，排气端口被设置在下部区域中以在处理期间或之后从处理容积中移除过量的气体或副产物。
图1A是根据一个实施例的处理腔室100的示意性横截面图。处理腔室100可以是适于在基板(诸如基板154)上沉积化学气相沉积膜(CVD)膜的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室。可适于如本文所述受益的处理腔室的示例包含可从加利福尼亚州圣克拉拉市的应用材料公司商购的
CVD处理设备和PRECISIONTM处理设备。根据本文描述的实施例，也可使用其他适当配置的处理腔室，包含来自其他制造商或用于其他应用的处理腔室。例如，本文所述的实施例可用于使蚀刻腔室、离子注入腔室和剥离腔室等受益。
处理腔室100可用于各种等离子体工艺，包含沉积和移除工艺。在一个方面中，处理腔室100用于使用具有或不具有射频(RF)电源的一种或多种前驱物气体来执行CVD。在另一实施例中，处理腔室100用于PECVD工艺。
处理腔室包含腔室主体102，腔室主体102具有至少部分地限定处理容积120的侧壁106和腔室底部108。处理腔室100进一步包含盖组件110和基板支撑组件104。基板支撑组件104设置在处理容积120中，并且被配置成在处理期间在其上支撑基板154。盖组件110在其上端处耦合到腔室主体102，从而将基板支撑组件104封闭在处理容积120内。通过在侧壁106中形成的狭缝阀开口126将基板154传送至处理容积120。选择性地打开和关闭狭缝阀开口126以使得能够由基板传送机械手(未示出)访问处理容积120以进行基板传送。在一些实施例中，可经由狭缝阀开口126将一种或多种处理气体和清洁气体引入处理容积。
电极109设置成与腔室主体102相邻并将腔室主体102与盖组件110的其他部件分离。电极109可以是盖组件110的部分，或可以是单独的侧壁电极。可由诸如陶瓷材料或金属氧化物材料(例如，氧化铝和/或氮化铝)之类的介电材料形成的隔离器107接触电极109，并且将电极109与盖组件110的其他部件和与腔室主体102电分离和热分离。在一个实施例中，电极109被夹在相对的隔离器107之间，使得隔离器107与侧壁106和盖组件110接触。
盖组件110包含气体分配构件112，气体分配构件112具有多个开口118以用于使一种或多种处理气体、前驱物、或清洁气体流入处理容积120。气体经由导管114从第一气体源111供应至处理腔室100，并且气体在经由开口118流入处理容积120之前流入混合气室116。在一个示例中，诸如氩气、氮气、氧气、氦气等的一种或多种惰性气体可在沉积或清洁工艺期间流入处理容积120。在沉积期间可流入处理容积120的前驱物气体的其他合适示例包含丙烯、氨、原硅酸四乙酯、硅烷等。以约每分钟1000标准立方厘米(sccm)与约20000sccm之间、诸如约5000sccm与约15000sccm之间、诸如约10000sccm的总流率将一种或多种气体引入处理容积120。
气体分配构件112进一步耦合到电源142，诸如射频(RF)电源，电源142被配置成向气体分配构件112提供功率。在一个实施例中，利用连续或脉冲RF功率以在处理容积120中形成等离子体。在其他实施例中，利用连续或脉冲DC功率在处理容积120中形成等离子体。电源142以约50kHz与约13.6MHz之间的频率提供约100瓦与约3000瓦之间的功率。
在操作中，处理气体或前驱物从第一气体源111供应至处理容积120，并且流过气体分配构件112中的多个开口118。通过由电源142供应给气体分配构件112的RF功率激活处理气体或前驱物而在处理容积120中形成等离子体。等离子体在由基板支撑组件104支撑的基板154上形成膜或从基板154中蚀刻膜。
基板支撑组件104由金属或陶瓷材料形成，诸如金属氧化物材料、金属氮化物材料、金属氧氮化物材料、或其任意组合。例如，由含铝材料、含氮化铝的材料、含氧化铝的材料、或含氧氮化铝的材料形成基板支撑组件104。基板支撑组件104包含设置在基板支撑组件104的第一表面上的基板支撑表面180，基板支撑表面180平行于基板支撑组件104的第二表面并且面对盖组件110。基板支撑表面180被配置成在处理期间直接支撑基板154。基板支撑组件104通过轴件144耦合到升降机构147，轴件144延伸穿过腔室底部108中的开口146。升降机构147使基板支撑表面180能够在下传送位置和一个或多个升高处理位置之间垂直移动穿过处理容积120。
静电吸盘(ESC)130设置在基板支撑组件104中。静电吸盘130包含一个或多个电极122。电极可以是板、穿孔板、网、丝网或任何其他分布式布置。一个或多个电极122耦合到电极电源124以向电极122提供功率，并促进在基板154的处理期间将基板154吸附至基板支撑表面180。在一个实施例中，电极电源124将DC电压施加到电极122以进行吸附。电极电源124能够产生连续或脉冲功率中的任一者或两者。
在可与其他实施例组合的一些实施例中，基板支撑组件104包含附加电极(未示出)以用于与电极109组合以在基板154的处理期间产生等离子体。电极109和设置在基板支撑组件104中或邻近基板支撑组件104以产生等离子体的附加电极可具有多种实施例。例如，可通过使用驱动信号来驱动电极109和附加电极中的至少一者来产生RF场，以促进在处理容积120内形成电容性等离子体。在一个实施例中，附加电极与电极109组合使用以在处理容积120中偏压等离子体。电极电源124以约13.56MHz的频率向电极122或附加电极提供高达约1000W的RF功率。然而，可预期的是，可根据应用提供其他频率和功率。例如，电极电源124可提供多个频率，诸如13.56MHz和2MHz。
基板支撑组件104进一步包含设置在基板支撑组件104中并耦合到加热器电源148的加热器设备140。使用加热器设备140以加热基板154，并且可在基板154的处理期间附带地加热处理容积120。在一个实施例中，加热器设备140是电阻加热器。在另一实施例中，加热器设备140是适于接收加热或冷却的流体流的通道，所述流体诸如空气、氮气、氦气、水、乙二醇等，所述流体流过通道以将热量传导到基板154。
一个或多个气体引导端口162穿过基板支撑组件104设置在腔室主体102下方并且耦合到第二气体源113。在一个实施例中，一个或多个气体引导端口162穿过侧壁106与处理容积120的下部区域150相邻地形成。在另一实施例中，一个或多个气体引导端口162穿过腔室底部108与开口146分开地形成，如图1A中所描绘。在又另一实施例中，开口146本身用作气体引导端口，开口146可以替代一个或多个气体引导端口162或与一个或多个气体引导端口162组合使用。
第二气体源113经由气体引导端口162和/或开口146将一种或多种处理气体、前驱物、清洁气体、或阻挡气体供应到处理容积120的下部区域150中。替代地或附加地，可经由狭缝阀开口126将一种或多种气体供应到下部区域150中。第二气体源113控制气体的种类和气体进入处理容积120的流率，并且更具体地，到下部区域150的流率。在一个实施例中，第二气体源113将净化气体供应到下部区域150中。净化气体可以是惰性气体。另外，净化气体可由相对于由第一气体源111供应的气体具有相对低的反应性并且具有的解离能大于双原子氩的解离能的物质(例如，非反应性物质)形成。例如，净化气体可由具有大于约4.73kJmol-1的解离能的物质形成。例如，净化气体可由氦气、氩气、氧气、氮气、氢气、氨气或其任意组合中的任一者形成。在这种示例中，减轻或防止了下部区域150中的第二气体的离子化。
排气端口152与处理容积120流体连通并延伸穿过腔室主体102。在一个实施例中，排气端口152穿过侧壁106设置。可预期的是，排气端口152可以是围绕处理容积120的环形泵送通道，或与处理容积120相邻的非环形泵送端口。在另一实施例中，排气端口152穿过腔室底部108设置。排气端口152耦合到真空泵156以在基板154的处理期间或之后从处理容积120移除过量的处理气体或副产物。
在操作中，经由气体引导端口162、开口146和/或狭缝阀开口126从第二气体源113将处理气体或净化气体供应至基板支撑组件104下方的下部区域150。当在基板支撑组件104上方形成等离子体以在基板154上沉积一个或多个膜时，由第二气体源113将处理气体或净化气体供应至下部区域150。因此，第一气体源111和第二气体源113同时将气体供应至处理容积120，尽管气体来自处理腔室100的不同区域。
在可与其他实施例组合的某些实施例中，由第二气体源113供应的气体物质与激活的等离子体物质反应以形成通过排气端口152排出的副产物。这可能例如在以下情况下发生：如果激活的等离子体物质扩散到下部区域150中，或者如果第二气体扩散到处理区域150的上部区域中。在某些实施例中，由第二气体源113供应的气体物质与激活的等离子体物质没有(或具有最小)反应性，但在通过排气端口152排出之前稀释了处理容积120中(或下部区域150中)的激活等离子体物质。在这种示例中，稀释减轻了下部区域150中不想要的沉积。
图1B是根据另一实施例的处理腔室100的示意性横截面图。图1B中描绘的处理腔室100与上述实施例基本上类似，但进一步包含设置在基板支撑组件104下方的辐射屏蔽件182。辐射屏蔽件182用于调节基板支撑组件104的底部表面处的辐射热损失，以补偿基板支撑组件104并因此补偿放置在基板支撑组件104上的基板154的任何温度非均匀性。
辐射屏蔽件182包含辐射轴件184和辐射板186。辐射轴件184是围绕轴件144的管状或圆柱形构件。在辐射轴件184和轴件144之间形成空间176，从第二气体源113供应的一种或多种气体可流过空间176。辐射轴件184进一步支撑辐射板186，并且由用于基板处理的任何合适材料形成，诸如石英材料。
辐射板186是具有与基板支撑组件104基本上类似的侧向尺寸的平面的且盘状的板。例如，辐射板186具有与基板支撑组件104的直径基本上类似的直径。辐射板包含中心孔，轴件144延伸穿过所述中心孔。辐射板186可进一步包含设置在轴件144的径向外侧的一个或多个孔以使升降杆(未示出)能够从通过所述一个或多个孔致动。在一个实施例中，辐射板186由氧化铝或氮化铝材料形成。
在操作中，辐射屏蔽件182可导引从第二气体源113供应的一种或多种气体穿过空间176，沿着基板支撑组件104的底部表面，并朝向侧壁106。例如，辐射屏蔽件182可控制一种或多种气体的流动，使得气体在与基板支撑组件104基本上平行的流动路径中沿着基板支撑组件104的底部表面径向向外并朝向侧壁106流动。因此，径向向外流动的气体可在下部区域150与处理容积120的其余部分之间形成与基板支撑组件104基本上平行的气帘。辐射屏蔽件182可替代气体引导端口162和/或狭缝阀开口126或与气体引导端口162和/或狭缝阀开口126组合使用以将气体引入处理容积120(诸如下部区域150)。
如本文所讨论的，膜沉积操作可包含在定位在基板支撑组件104上的基板154上形成一个或多个膜。图2根据一个或多个实施例图示了用于处理基板的方法200的流程图。可采用方法200以在基板154上形成一个或多个膜。
在操作210中，在处理腔室100的处理容积120中产生等离子体。例如，第一气体经由导管114从第一气体源111被引导至处理容积120。第一气体以约1000sccm与约20000sccm之间、诸如约8000sccm与约12000sccm之间的流率被引入处理容积。第一气体至少包含在处理容积120中被激活以形成等离子体的处理气体、前驱物气体、可电离气体、或载气。例如，电源142向气体分配构件112提供RF功率(诸如连续或脉冲RF功率)以将第一气体激活成等离子体。此外，第一气体用于在等离子体的存在下在基板154上形成膜。
在操作220中，在基板支撑组件104上方产生等离子体时，第二气体被引入基板支撑组件104下方的下部区域150。例如，第二气体通过在侧壁106和/或腔室底部108中形成的一个或多个气体引导端口162从第二气体源113被引入下部区域150。在另一示例中，第二气体通过轴件144与腔室底部108之间的开口146被引入下部区域150。在又另一示例中，第二气体通过辐射轴件184与轴件144之间的空间176被引入下部区域150。第二气体为非反应性气体或具有相对低反应性的气体，并且可由具有的解离能大于双原子氩的解离能的物质形成。例如，第二气体为氧。替代地或附加地，第二气体可为氢气、氦气、氩气或氨气等中的任一者。
第二气体可与第一气体同时被引入处理容积120，并起到阻挡帘的作用，从而减少整个处理腔室100中、特别是进入下部区域150的等离子体和未反应物质的错误分散量。例如，第二气体(诸如氩气或氮气)用作分散陷阱(trap)，从而将等离子体和未反应的物质定位在基板支撑组件104上方并减少其他地方的扩散(例如，迁移)。错误分散的减少进而减少了腔室部件上残留物的形成，诸如下部区域150中(例如，在基板支撑组件104下方)的那些部件上残留物的形成。在某些实施例中，第二气体的低反应性使得第二气体能够在不与等离子体相互作用或混合的情况下用作陷阱。此外，第二气体的低反应性促进减少下部区域150中存在的活性等离子体物质，从而减少由基板支撑组件104下方的寄生等离子体形成的腔室残留物的沉积。
在另一能力中，第二气体可用作净化或清洁气体，辅助在处理期间或之后经由排气端口152从处理容积120移除过量的处理气体或副产物。例如，第二气体可促进在基板支撑组件104下方迁移的未反应的处理气体的自燃。例如，在利用氧气作为第二气体的实施例中，氧气可促进消耗在基板支撑组件104下方分散的未反应的碳氢化合物(诸如C3H6)的自燃反应，导致可以随后经由排气端口152移除的CO2和H2O气体。因此，当膜被同时沉积在上面的基板154上时，第二气体可主动地清洁处理容积120的下部区域。
在可与其他实施例组合的某些实施例中，第二气体被提供至下部处理区域150以主动引起下部处理区域150中的第一气体(例如，激活的物质)中的任一者与第二气体之间的反应，同时提供用于第一气体进入下部区域150的阻挡层。第一气体和第二气体可反应以形成从处理腔室100排出的气态副产物，从而减轻或避免了材料沉积在处理容积120的下部区域150中。在这种示例中，第二气体可为反应性气体(例如，与过量前驱物材料反应的气体)。例如，第一气体处理可为碳氢化合物，而第二气体可为氧气或臭氧。在这种示例中，第一气体和第二气体之间的反应是燃烧反应。燃烧反应可在下部处理区域150中发生。在一个示例中，燃烧反应在基板154上方的处理容积120中不会发生或很少发生。
第二气体的流率和种类可基于第一气体的流率、第一气体的物质、要产生的等离子体量、沉积的膜的特性、要与第二气体反应的第一气体量、和/或要防止的等离子体分散的量。例如，第二气体流入处理容积120，使得第二气体占处理容积120中的总气体流量的约25％以上以稀释第一气体。例如，第二气体占处理容积120中的总流量的约30％以上，例如总流量的约40％。在某些实施例中，基于沉积的膜中的第二气体物质(例如，氮或氧)的浓度来确定第二气体的流率。在一些实施例中，第二气体的流率与第一气体的流率不同。例如，第一气体的流率与第二气体的流率的比率在约0.5与约3之间。例如，第一气体的流率与第二气体的流率的比率在约1与约2之间。在一个实施例中，第二气体以约每分钟50标准立方厘米与约5000sccm之间、诸如约500sccm与约4000sccm之间的流率流入处理容积120。例如，第二气体以约1000sccm与约3000sccm之间、诸如约2000sccm的流率流入处理容积120。
在操作230中，等离子体和第二气体通过排气端口152从处理腔室100排出。例如，排气端口152可耦合到真空泵156，并且真空泵156可在基板154的处理期间或之后从处理容积120移除过量的处理气体或副产物。
利用上述系统和方法在基板处理操作中提供了许多改进。具体地，上述方法提供了主动方法以通过减少等离子体和活性等离子体物质在基板支撑件下方的错误分散来减少或消除处理腔室部件上不期望的残留物形成和堆积。这样，减少了通过等离子体处理形成的膜中的缺陷的发生以及等离子体处理操作之间的清洁时间，导致改进的总体良率产量并降低了制造成本。本文公开的方法在碳或碳基硬掩模的沉积中特别有利。本文的方法提供了用于减少不想要的沉积的多个优点，包含在基板支撑平面处的气体/激活物质界面处提供用于减轻处理腔室的下部区域中的激活前驱物物质的气体阻挡层。另外，本文的方法通过引起燃烧反应来促进不想要的沉积。此外，本文的方法通过稀释处理腔室的下部区域中的反应性物质来促进不想要的沉积。
尽管前述内容针对本公开的实施例，但在不脱离本公开的基本范围的情况下，可设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求来确定。
Claims (15)
1.一种用于形成膜的方法，所述方法包括以下步骤：
以第一流率将第一气体引入处理腔室的处理容积；
从所述第一气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及
以第二流率将第二气体引入所述处理容积，所述第二气体经由设置在所述基板支撑组件下方的气体引导端口被引入所述处理容积的下部区域，其中所述第一流率与所述第二流率的比率在约0.5与约3之间。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述第二气体由具有的解离能等于或大于双原子氩的解离能的物质形成。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述第二气体选自由氩气、氨气、氦气、氢气和氧气组成的群组。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述第二气体提供用于防止所述等离子体在所述基板支撑组件下方的分散的阻挡层。
5.如权利要求1所述的方法，其中与所述处理容积的下部区域中的所述第一气体反应以形成反应副产物，并且从所述处理腔室排出所述反应副产物。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述第二气体促进自燃反应以消耗所述基板支撑组件下方分散的未反应的C3H6。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述第二气体与所述第一气体同时被引入所述处理容积，并且所述第二气体占所述处理容积中的总气体流量的25％以上。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述第二气体以约500sccm与约4000sccm之间的流率流入所述处理容积。
9.一种用于形成膜的方法，所述方法包括以下步骤：
以第一流率将第一气体引入处理腔室的处理容积；
从所述第一气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及
以第二流率将第二气体引入所述处理容积，所述第二气体经由设置在所述基板支撑组件下方的气体引导端口被引入所述处理容积的下部区域，其中所述第二流率占所述处理腔室中的总流量约40％。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述第二气体为具有等于或大于4.73kJmol-1的解离能的非反应性气体。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述第二气体选自由氩气、氨气、氦气、氢气和氧气组成的群组。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述第二气体与所述第一处理气体同时被引入所述处理容积。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述第一气体的流率与所述第二气体的流率的比率在约1与约2之间。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述第二气体促进自燃反应以消耗所述基板支撑组件下方分散的未反应的C3H6。
15.一种用于形成膜的方法，所述方法包括以下步骤：
以第一流率将第一处理气体引入处理腔室的处理容积；
从所述第一气体产生等离子体以在设置在基板支撑组件上的基板上形成膜；以及
以第二流率将氧气引入所述处理容积，所述氧气经由设置在所述基板支撑组件下方的气体引导端口被引入所述处理容积的下部区域，其中所述第一流率与所述第二流率的比率在约0.5与约3之间，所述第二流率占所述处理腔室中的总流量的至少40％，所述氧气促进自燃反应以消耗所述基板支撑组件下方的所述等离子体的未反应的物质。
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