CN114026674A - 衬底表面的蒸气清洁 - Google Patents

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Abstract

一种清洁衬底的方法包含：将所述衬底布置在处理室中；将所述处理室的压强控制在预定压强范围内；将所述处理室的温度控制在预定温度范围内；在第一期间中持续供应包含金属螫合物蒸气的蒸气混合物，以从所述衬底的表面去除金属污染物。

Description

衬底表面的蒸气清洁
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年6月24日申请的美国临时申请No.62/865,647的利益。上述引用的申请的全部公开内容都通过引用合并于此。
技术领域
本公开内容总体上涉及衬底处理系统，更具体而言，本公开内容涉及用于例如半导体晶体的衬底蒸气清洁的衬底处理系统。
背景技术
这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。
衬底处理系统可以用来处理例如半导体晶片之类的衬底上的膜。处理的示例包含蚀刻、沉积、灰化和其他种类的处理。在衬底处理期间，可以在一或多个处理室中执行多个处理。衬底通常是在两次处理之间进行清洗，以在进一步于下游处理室中进行处理之前先去除来自上游处理室的污染物。
可以执行湿式清洁来清洗衬底。例如，衬底可被安装在卡盘上。当卡盘旋转时，流体喷嘴可用于分配例如液体之类的流体和/或热量可被施加以处理衬底。
一些衬底包含有高深宽比(HAR)结构。例如，HAR结构可包括纳米柱、沟槽或通孔。HAR结构的宽度(平行于衬底的表面)明显小于特征的深度(垂直于衬底的表面)。深宽比大于5:1的HAR结构相当常见。更先进的处理包括具有更高深宽比的HAR结构。
图案崩塌在一或更多个HAR结构崩塌、相对于衬底表面侧向移动和/或直接接触相邻的HAR结构时发生。图案崩塌经常发生在湿式清洁之后的干燥期间。图案塌陷会导致性能问题和缺陷。
发明内容
一种清洁衬底的方法包含：将所述衬底布置在处理室中；将所述处理室的压强控制在预定压强范围内；将所述处理室的温度控制在预定温度范围内；在第一期间中持续供应包含金属螫合物蒸气的蒸气混合物，以从所述衬底的表面去除金属污染物。
在其他特征中，包含以下至少一者：位于所述处理室内的部件由非金属材料制成；以及/或者位于所述处理室内的所述部件的暴露表面以非金属涂层涂覆。
在其他特征中，所述金属螯合蒸气包含β-二酮以及β-二酮衍生物。所述金属螯合蒸气选自由下列各项组成的群组：乙酰丙酮(acac)、三氟乙酰丙酮(tfa)、六氟乙酰丙酮(hfacH)、新戊酰三氟丙酮(pivaloyltrifluoroacetone)、四甲基庚二酮、以及七氟二甲基辛二酮(fod)。
在其他特征中，所述金属螯合蒸气包含三氟乙酸和乙二胺。
在其他特征中，所述蒸气混合物进一步包含含有氢卤化物的蒸气。
所述方法包含：在所述第一期间之后，从所述处理室去除反应物；在第二期间中向所述处理室供应氧化气体混合物；以及在所述第二期间之后，从所述处理室去除反应物。
在其他特征中，在供应所述蒸气混合物至所述处理室之前，所述方法进一步包含：在第二期间中向所述处理室供应氧化气体混合物；以及在所述第二期间之后，从所述处理室去除反应物。
在其他特征中，所述预定压强范围是从0.1Torr至100Torr。所述预定温度范围是从50℃至300℃。
一种用于清洁衬底的衬底处理系统包含：处理室，其包含顶表面、底表面、以及侧壁，所述侧壁是由非金属材料制成以及/或者以非金属材料涂覆中的至少一者。衬底支撑件支撑衬底。加热器将所述衬底加热至预定范围内的温度。蒸气输送系统在第一期间中供应含有金属螯合蒸气的蒸气混合物至所述处理室，以从所述衬底的表面去除金属污染物。
在其他特征中，所述金属螯合蒸气包含β-二酮以及β-二酮衍生物。所述金属螯合蒸气包含：乙酰丙酮(acac)、三氟乙酰丙酮(tfa)、新戊酰三氟丙酮、四甲基庚二酮、六氟乙酰丙酮(hfacH)、以及七氟二甲基辛二酮(fod)。所述金属螯合蒸气包含三氟乙酸和乙二胺。
在其他特征中，所述蒸气混合物进一步包含含有卤素物质的蒸气。在所述第一期间之后，气体输送系统在第二期间中输送氧化气体混合物至所述处理室。气体输送系统在第二期间中输送氧化气体混合物至所述处理室。所述气体输送系统在所述蒸气输送系统供应所述蒸气混合物之前就输送所述氧化气体混合物至所述处理室。
在其他特征中，所述处理室维持在从0.1Torr至100Torr之间的预定压强范围内的压强下。所述预定温度范围是从50℃至300℃。
所述处理室包含透明窗。所述加热器被布置在所述处理室的外部而与所述透明窗相邻。所述加热器包含多个发光二极管。
在其他特征中，所述加热器被布置在所述处理室的内部。所述加热器的暴露表面由非金属材料制成和/或以非金属涂层涂覆。所述加热器包含嵌入式加热器及冷却剂通道两者中的至少一者。
根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。
附图说明
根据详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：
图1A是具有高深宽比特征的衬底在清洁前的示例的横截面图；
图1B是具有高深宽比特征的衬底的示例的横截面图，该衬底在湿式清洁后具有图案塌陷；
图1C是具有高深宽比特征的衬底的示例的横截面图，其在根据本公开内容使用蒸气混合物清洗之后并无图案塌陷；
图2A和2B是功能框图，说明根据本公开内容的用于清洁衬底的衬底处理系统的示例；以及
图3为一流程图，其说明根据本公开内容使用蒸气清洁衬底的方法示例。
在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。
具体实施方式
衬底的金属污染可能是由上游处理室金属(UPCM)(例如不锈钢(铁(Fe)、铬(Cr)、镍(Ni)和钼(Mo)))、例如钇(Y)之类的处理室涂层、和/或例如铝(Al)之类的室体材料引起。也可能由于其他金属的存在而发生污染：过渡金属(例如钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、镁(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、钇(Y)、锆(Zr)、钼(Mo)和钨(W))、碱土金属(例如镁(Mg)和钙(Ca))以及碱金属(例如钠(Na)和钾(K))。
根据本公开内容的衬底清洁系统及方法使用蒸气混合物以清洁衬底并去除金属污染物而不留下残留物或引起HAR结构的塌陷。如将在下面进一步描述的，蒸气混合物会将金属转换成挥发性金属化合物。
在一些示例中，该蒸气混合物包含金属螯合蒸气。在一些示例中，该金属螯合蒸气包含β-二酮及其衍生物。β-双酮的示例包含乙酰丙酮(acac)、三氟乙酰丙酮(tfa)、六氟乙酰丙酮(hfacH)、新戊酰三氟丙酮(pivaloyltrifluoroacetone)、四甲基庚二酮、以及七氟二甲基辛二酮(fod)。在其他示例中，该金属螯合蒸气包含三氟乙酸(C2HF3O2)以及乙二胺。β-二酮的衍生物的示例包含卤化衍生物(举例来说，例如三氟乙酰丙酮、六氟乙酰丙酮等氟化衍生物)。
一些金属螯合蒸气(例如hfacH)对金属(例如不锈钢)具有反应性。在一些示例中，暴露于金属螯合蒸气的衬底清洁系统的表面由非金属材料制成或被非金属涂层涂覆。例如，所有位于处理室内的部件可以由非金属材料制成、或包含金属的部件的暴露表面被用例如铁氟龙、硅碳化物、硅之类的非金属涂层或其他适合的涂层涂覆。
在一些示例中，在清洁期间，衬底被加热到大于50℃并且小于500℃的预定温度。在一些示例中，在清洁期间，衬底被加热到大于50℃并且小于300℃的预定温度。在一些示例中，使用加热器来加热衬底。在一些示例中，加热器位于处理室的外部而与透明窗相邻，并且可选地包含发光二极体(LED)加热器。在一些示例中，加热器位于处理室内部并且可选地被分区。在一些示例中，在清洁期间，室压强被控制在从0.1Torr至100Torr之间的预定压强范围内。
在一些示例中，蒸气混合物可以进一步包含另一蒸气，该另一蒸气包含例如氟化氢(HF)蒸气、氯化氢(HC1)蒸气、溴化氢(HBr)蒸气、碘化氢(HI)蒸气等卤素物质。卤素物质蒸气可以与金属螯合蒸气一起输送，因为它们大致是化学兼容的。然而，金属螯合蒸气和卤素物质蒸气可以在不同的期间分别输送至处理室和/或在处理室中使用。
在一些示例中，衬底使用氧化气体(例如臭氧(O3)气体、分子氧(O2)气体、氮氧化物(NO)气体和类似物)进行处理。该氧化气体可以用于去除有机污染物。在一些示例中，在将蒸气混合物输送到处理室和/或在处理室中使用之前或之后来输送氧化气体，以防止金属螯合蒸气和/或卤素物质蒸气的分解。
在一些示例中，本清洁系统和方法提供蒸气，该蒸气与金属反应(其也可以是金属氧化物或金属氟化物的形式)以在适当的处理温度(＜300℃)下形成挥发性的金属化合物。在一些示例中，该蒸气和金属化合物在这些处理温度下相对稳定。在一些示例中，清洁处理对基于硅的材料是选择性的。
β-二酮在β-碳原子位置包含酮基(例如acac、tfa、hfacH和fed)。β-二酮主要以烯醇形式存在。β-二酮可作为双齿状配体以形成挥发性金属螯合复合物。β-二酮与过渡金属之间的复合作用由这些金属中d-轨道的可用性所衍生出。金属二酮酸盐(尤其是由氟化的β-二酮形成的那些)具有较高的蒸气压强。
现在参考图1A至1C，其显示出具有高深宽比(HAR)特征的衬底120。在清洗之前，衬底120包含一或多个下伏层124和126，如图1A所示。HAR特征122以间隔关系布置在下伏层124上。衬底120的暴露层(如附图标记134所示)可能被金属污染，并且可能需要在执行下游处理之前先清洁。
在图1B中，显示出使用湿式清洁处理进行清洁后的衬底120。可以看出，一些HAR特征122在清洁之后可能经历了图案塌陷(如160所示)。在图1C中，显示使用如本文所述的蒸气混合物(以及可选的氧化气体混合物)进行清洁之后的衬底120。暴露层134被去除且没有导致HAR特征122图案塌陷。如可以理解的，虽然此处显示清洁HAR特征122，但也可以清洁其他类型的表面和/或特征。
现在参考图2A和图2B，其显示出用于清洁衬底的衬底处理系统200。在图2A中，衬底处理系统200包含处理室210，而处理室210包含顶表面214、底表面216以及侧壁218。在蒸气清洗期间，衬底222布置在处理室210的内部。在一些示例中，衬底222可以布置在支撑衬底222的径向外缘的支撑件224上。窗226沿着邻近于衬底222的表面的处理室的表面布置。在一些示例中，窗226为光学式透明的。在一些示例中，窗226由石英制成。在一些示例中，位于处理室210内并暴露于金属螯合蒸气的部件的暴露表面是由非金属材料制成。在一些示例中，这些部件由非金属材料制成、或者由金属制成并以例如铁氟龙、硅、硅碳化物之类的非金属涂层材料涂覆。
喷头230包含气室234和通孔238。蒸气混合物流入气室234并由通孔238分配。加热器240布置在处理室210的内部或外部。加热器240将衬底222加热到期望的温度以进行处理。举例来说，例如静电卡盘、基座或机械式卡盘之类的已加热的衬底支撑件被布置在处理室210的内部。可替代地，可以将红外加热器、激光、闪光灯、LED加热器或其它类型的以光为基础的加热器布置在处理室210的外部，并且可以使用窗226。
气体输送系统250可用于向喷头230供应一或多种气体。例如，气体输送系统250可用于供应载气、惰性气体、氧化气体等。气体输送系统250包含气体源252-1、252-2、.....和252-N(统称为气体源252)、阀254-1、254-2、.....和254-N(统称为阀254)和质量流量控制器256-1、256-2、.....和256-N(统称为质量流量控制器252)。歧管260接收质量流量控制器256的输出。歧管260连接至喷头230。
蒸气源260-1、260-2和260-V(统称蒸气源260)经由阀262-1、262-2和262-V向喷头230供应蒸气。在一些示例中，蒸气源260包含安瓿、起泡器或其他蒸气产生器。
阀270和泵272可以用于从处理室210中除去反应物和/或控制处理室210中的压强。
控制器280可用于控制从气体输送系统250输送气体的时间、加热器240对衬底222的加热、从蒸气源260输送蒸气混合物、调节处理室210(例如通过来自压强传感器281的反馈)内部的压强和/或通过清扫或抽空来去除反应物。
如可以理解的，当蒸气混合物包含多于一种蒸气时，可以在输送之前先将蒸气混合物混合，然后输送至处理室。可替代地，在蒸气混合物中的蒸气可以单独输送并且在室中混合。在其它示例中，蒸气被分别输送到处理室而不混合。在一些示例中，氧化气体混合物与金属螯合蒸气混合物分开输送。
在图2B中，加热器290可以位于处理室210的内部。加热器290可以包含单个区域或多个区域。在一些示例中，加热器290由非金属材料制成或由本文所述的涂覆有非金属材料的金属材料制成。加热器290可以包含冷却剂通道294和/或例如热控制元件(TCE)、电阻加热器、帕耳帖加热器等嵌入式加热器。
现在参考图3，其显示出使用蒸气清洁衬底的方法300。在310处，将衬底布置在处理室中。在314，将室压强设置为预定压强范围内的压强。在318，将衬底加热到预定温度范围内的温度。在322处，在第一期间内持续供应包含金属螯合蒸气的蒸气混合物至处理室。在一些示例中，将卤素物质蒸气与金属螯合蒸气一起或分开供应。在324处，在第一期间之后，通过清扫或抽空而将反应物从处理室去除。
在326，在第二期间内持续供应包含氧化气体的气体混合物到处理室。在328处，在第二期间之后通过清扫或抽空将反应物从处理室去除。
在330处，将衬底从处理室去除。在332处，本方法要判定是否要处理另一衬底。如果332为真，则方法返回到310。否则，本方法结束。
前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方案在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方案描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施方案的特征中实现和/或与任何其它实施方案的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方案不是相互排斥的，并且一个或多个实施方案彼此的置换保持在本公开的范围内。
使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。
在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何处理，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。
概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定处理的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。
在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供处理配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的处理的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的处理和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的处理。
示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。
如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。

Claims (22)

1.一种清洁衬底的方法，其包含：
将所述衬底布置在处理室中；
将所述处理室的压强控制在预定压强范围内；
将所述处理室的温度控制在预定温度范围内；以及
在第一期间中持续供应包含金属螫合物蒸气的蒸气混合物，以从所述衬底的表面去除金属污染物。
2.根据权利要求1所述的方法，其包含以下至少一者：
位于所述处理室内的部件由非金属材料制成；以及/或者
位于所述处理室内的所述部件的暴露表面以非金属涂层涂覆。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述金属螯合蒸气包含β-二酮以及β-二酮衍生物。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属螯合蒸气选自由下列各项组成的群组：乙酰丙酮(acac)、三氟乙酰丙酮(tfa)、六氟乙酰丙酮(hfacH)、新戊酰三氟丙酮、四甲基庚二酮、以及七氟二甲基辛二酮(fod)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属螯合蒸气包含三氟乙酸和乙二胺。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述蒸气混合物进一步包含含有氢卤化物的蒸气。
7.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
在所述第一期间之后，从所述处理室去除反应物；
在第二期间中向所述处理室供应氧化气体混合物；以及
在所述第二期间之后，从所述处理室去除反应物。
8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
在供应所述蒸气混合物至所述处理室之前，在第二期间中向所述处理室供应氧化气体混合物；以及
在所述第二期间之后，从所述处理室去除反应物。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定压强范围是从0.1Torr至100Torr。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定温度范围是从50℃至300℃。
11.一种用于清洁衬底的衬底处理系统，其包含：
处理室，其包含顶表面、底表面、以及侧壁，所述侧壁是由非金属材料制成以及/或者以非金属材料涂覆中的至少一者；
衬底支撑件，其用于支撑衬底；
加热器，其将所述衬底加热至预定范围内的温度；以及
蒸气输送系统，其在第一期间中供应含有金属螯合蒸气的蒸气混合物至所述处理室，以从所述衬底的表面去除金属污染物。
12.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述金属螯合蒸气包含β-二酮以及β-二酮衍生物。
13.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述金属螯合蒸气包含：乙酰丙酮(acac)、三氟乙酰丙酮(tfa)、新戊酰三氟丙酮、四甲基庚二酮、六氟乙酰丙酮(hfacH)、以及七氟二甲基辛二酮(fod)。
14.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述金属螯合蒸气包含三氟乙酸和乙二胺。
15.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述蒸气混合物进一步包含含有卤素物质的蒸气。
16.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其进一步包含气体输送系统，其用于在所述第一期间之后，在第二期间中输送氧化气体混合物至所述处理室。
17.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其进一步包含气体输送系统，其用于在第二期间中输送氧化气体混合物至所述处理室，其中所述气体输送系统在所述蒸气输送系统供应所述蒸气混合物之前就输送所述氧化气体混合物至所述处理室。
18.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述处理室维持在从0.1Torr至100Torr之间的预定压强范围内的压强下。
19.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述预定温度范围是从50℃至300℃。
20.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中：
所述处理室包含透明窗；以及
所述加热器被布置在所述处理室的外部而与所述透明窗相邻。
21.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中所述加热器包含多个发光二极管。
22.根据权利要求11所述的衬底处理系统，其中：
所述加热器被布置在所述处理室的内部；
所述加热器的暴露表面由非金属材料制成和/或以非金属涂层涂覆；以及
所述加热器包含嵌入式加热器及冷却剂通道两者中的至少一者。
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