CN114945706A - 用于ald生产率的调节处理 - Google Patents

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陈璐
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Abstract

描述了用于调节处理套件以增加处理套件寿命的方法及装置。形成于处理套件上的氮化物膜被暴露至包含氮及氢自由基调节处理，以调节所述氮化物膜，从而减少来自所述处理套件的颗粒污染。

Description

用于ALD生产率的调节处理
技术领域
本公开内容的实施方式大致关于用于调节处理腔室部件的装置及方法。具体而言，本公开内容的实施方式关于用于具有改进生产率的氮化物沉积的方法及装置。
背景技术
用于沉积某些类型的氮化物膜的原子层沉积(ALD)处理腔室需要经常清洁及维护。归因于在处理套件上沉积材料的特性(例如，在沉积腔室中使用的消耗零件)，具有低的清洁之间平均晶片数(mean wafer between cleaning；MWBC)。处理套件包括但非限于作为在处理期间接触反应化学物的可移除零件的沉积腔室的元件。例如，腔室喷淋头、泵送衬垫、泵护罩等等。
在处理期间，ALD氮化钽(TaN)沉积在晶片以及处理套件上。晶片温度及处理套件温度不同，其中晶片温度大于处理套件。部分归因于该温度差异，沉积在处理套件上的TaN不同于沉积在晶片上的膜。在处理套件上的TaN是低密度的且具有高含量的杂质。形成的TaN为粉状的且造成颗粒问题。并无已知的原位清洁处理能够从处理套件清洁ALD TaN，因此需要较长的设备停机时间以用于清洁及维护。
此外，归因于在腔室主体上的等离子体引起的应力积累，基于等离子体的处理易受增加的微粒污染。在等离子体处理中的处理套件的颗粒寿命是在热处理腔室中的处理套件的颗粒寿命的约20％。
因此，需要一种方法及装置来延长用于氮化物沉积处理的清洁之间平均晶片数(MWBC)。
发明内容
本公开内容的一个或多个实施方式涉及沉积方法，该沉积方法包含将其上具有氮化物膜的处理腔室的处理套件暴露至包含氮及氢自由基的调节处理，以形成调节的氮化物膜。在处理腔室中的多个晶片上沉积氮化物层。
本公开内容的额外实施方式涉及沉积方法，该沉积方法包含在处理腔室之中处理多个晶片，以在处理腔室之中的晶片上沉积氮化钽(TaN)并在处理套件上沉积氮化物膜。氮化物膜具有小于9g/cm3的密度。在处理多个晶片之后，使用调节处理来调节处理套件。调节处理包含将处理套件暴露至氮及氢自由基，以将氮化物膜的密度增加至大于9g/cm3，且产生具有压应力的氮化物膜。
本公开内容的进一步实施方式涉及包括指令的非暂时性计算机可读取介质，当通过处理腔室的控制器执行时，使得处理腔室执行以下的操作：将基板暴露至沉积处理调节，以沉积氮化物膜；及将处理腔室的处理套件暴露至调节处理。
附图说明
以便可详细理解本公开内容的上述特征的方式，可以通过参考实施方式而获得以上简要概述的本公开内容的更具体说明，实施方式的一些图示于附图中。然而，应理解，附图仅图示本公开内容的典型实施方式，且因此不应考量为是对其范围的限制，因为本公开内容可认可其他均等效果的实施方式。
图1示出了根据本公开内容的一个或多个实施方式的处理腔室的示意图；
图2绘示了根据本公开内容的一个或多个实施方式的处理方法的流程图；
图3A示出了根据本公开内容的一个或多个实施方式的在调节处理之前图1的区域155的放大视图；及
图3B示出了根据本公开内容的一个或多个实施方式的在调节处理之后图3A的视图。
具体实施方式
在说明本公开内容的多个示例性实施方式之前，应理解本公开内容并非限于在以下说明中提及的构造或处理步骤的细节。本公开内容能够包含其他实施方式，且能够以各种方式实践或执行。
如此说明书及随附权利要求书中所使用，“基板”一词代表在其上作用处理的表面或表面的一部分。本领域技术人员也将理解引用基板亦可仅指基板的一部分，除非上下文另有明确说明。此外，引用基板上的沉积可指裸基板及具有在其上沉积或形成的一个或多个膜或特征的基板两者。
本文所使用的“基板”是指形成在制造处理期间在其上执行膜处理的任何基板或在基板上形成的材料表面。举例而言，在其上可执行处理的基板表面所包括的材料例如是硅、氧化硅、应变硅、绝缘体上硅(SOI)、碳掺杂的氧化硅、非晶硅、掺杂的硅、锗、砷化镓、玻璃、蓝宝石，及任何其他材料，例如金属、金属氮化物、金属合金及其他导电材料，其取决于应用。基板包括但非限于半导体晶片。基板可暴露至预处置处理(pretreatment process)，以抛光、蚀刻、还原、氧化、羟化、退火、UV固化、电子束固化(e-beam cure)和/或烘烤基板表面。除了直接在基板本身的表面上的膜处理之外，在本公开内容中，所公开的任何膜处理步骤亦可在形成于基板上的下层上执行，这将在下文更详细公开，且“基板表面”一词意图包括如上下文指示的此下层。因此，举例而言，当膜/层或部分膜/层已沉积至基板表面上时，新沉积的膜/层的暴露的表面变成基板表面。
本公开内容的实施方式涉及使用调节处置以强化形成于处理套件上的膜的膜特性的方法。本公开内容的某些实施方式在腔室喷淋头、泵送衬垫、腔室绝缘器或边缘环上提供调节处置。本公开内容的某些实施方式有利地提供在沉积期间提高处理套件上的膜的附着力的方法。一个或多个实施方式有利地提供减少来自形成于处理套件上的膜的颗粒污染的方法。某些实施方式有利地提供用于扩展用于氮化物沉积处理的清洁之间平均晶片数(MWBC)的方法。
本公开内容的某些实施方式使用混合的氨、氢及氩等离子体处置来调节腔室主体，以通过改变膜成分来使沉积于处理套件上的膜致密。在某些实施方式中，沉积于处理套件上的膜被处置以增加膜的密度。在某些实施方式中，处置处理造成膜材料具有更中性的膜应力。某些实施方式提高沉积于处理套件上材料的膜特性，使得随着时间推移改善对处理套件的附着力。在某些实施方式中，通过降低由于分层、应力膜断裂和/或喷淋头剥落而导致的随着时间推移的在腔室中的颗粒形成来改善附着力。在某些实施方式中，处理颗粒性能被改善以增加处理套件的颗粒寿命。在某些实施方式中，颗粒性能由颗粒添加物(particle adder)>32nm而限定。在某些实施方式中，颗粒性能在尺寸大于32nm的颗粒添加物(处理添加至晶片上的颗粒)小于5个的范围中。在某些实施方式中，颗粒使用例如使用光散射的表面检测系统来测量。在某些实施方式中，颗粒使用扫描电子显微镜(SEM)来测量，以基于图像分析确定颗粒尺寸。在某些实施方式中，颗粒地图及格槽尺寸通过光学测量指示在晶片表面上的缺陷的表面形貌像差来确定颗粒地图(particle map)及面元尺寸(binsize)。在较小的颗粒尺寸上，测量的颗粒可以是晶片缺陷，而并非由处理添加的颗粒，且SEM可用于在从另一技术接收缺陷地图之前或之后检视晶片的顶部。在某些实施方式中，在缺陷地图上的多个位置处以一个或多个倍率获取SEM图像，且被检视是否存在颗粒、正确的面元尺寸、颗粒形态和/或颗粒成分。
在某些实施方式中，在各种功率、处理气体流率和/或处置时间下的氨(NH3)/氢气(H2)/氩气(Ar)等离子体处置改善膜密度和/或颗粒性能。沉积于处理套件上的ALD氮化物膜(例如，TaN)的硝化作用将拉伸、低密度、松散的膜转变成更高密度且更应力中性的膜。除非另有说明，本领域技术人员将认识到类似“氮化钽”的术语或类似“TaN”的化学式的使用表明所述材料的元素成分，而并非暗示成分的任何特定化学计量关系。举例而言，除非另有说明，TaN是指具有钽及氮原子的膜。在使用特定化学计量值的示例中，包含TaN的低密度、拉伸的膜被修改成更高密度、更应力中性的Ta3N5。
在沉积期间沉积在处理套件上的膜通常具有高杂质且形成粉状材料，这可造成颗粒问题，从而减少用于生产中腔室的MWBC。本公开内容的某些实施方式在套件寿命期间周期性修改沉积于处理套件上的膜特性，以帮助保持膜附着至处理套件，使得膜更致密和/或更应力中性，使得不太可能发生造成颗粒问题的缺陷。
根据本公开内容的某些实施方式，图1显示处理腔室100，且图2显示处理方法200。显示于图1中的处理腔室100包括腔室主体110、喷淋头120(或其他气体分配板)、限制环(confinement ring)125(可省略)、基座130(或其他基板支撑件)及晶片140。在图1中的处理套件150包含基座130及限制环125。其上具有氮化物膜160的处理套件150暴露至调节处理210以形成调节的氮化物膜165。某些实施方式的调节处理包含氮自由基及氢自由基。方法200进一步包含沉积处理220，在沉积处理220中，氮化物层170被沉积在处理腔室100之中的多个晶片140上。某些实施方式的多个晶片140被单独处理。在某些实施方式中，一次在超过一个的晶片上发生沉积。
在沉积处理220期间，其中氮化物层170形成在晶片140的表面上，沉积在处理套件150(例如，喷淋头120和/或限制环125)上的某些材料作为氮化物膜160。形成于处理套件150上的氮化物膜160具有与形成于晶片140上的氮化物层170不同的特性。不受操作的任何特定理论束缚，氮化物膜160及氮化物层170之间特性的差异尤其是由于晶片140及处理套件150之间的温度差异导致的。
图3A图示在调节处理210之前的区域155的放大视图，且图3B图示在调节处理210之后的图3A的视图。在图3A中，形成于处理套件150上的氮化物膜160具有相对低的密度，且受到拉应力。在某些实施方式中，调节处理210增加氮化物膜160的密度，以形成如图3B中所显示的调节的氮化物膜165。调节的氮化物膜165亦可称为致密化的氮化物膜。
在某些实施方式中，在一个或多个晶片上形成氮化物层的氮化物沉积处理期间，在处理套件150上形成氮化物膜160。在某些实施方式中，氮化物层提供化学气相沉积(CVD)或原子层沉积的一者或多者来沉积。在某些实施方式中，氮化物层及氮化物膜由原子层沉积来沉积。在某些实施方式中，同时或依序地将氮化物层沉积于多个晶片上。
在某些实施方式中，沉积于处理套件150上的氮化物膜160包含以下中的一者或多者：氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化锰(MnN)、氮化钨(WN)、氮化钌钽(RuTaN)或氮化铌(NbN)。在某些实施方式中，沉积于处理套件150上的氮化物膜160包含或本质上由氮化钽(TaN)组成。如以此方式所使用的，“本质上由…组成”一词是指以原子为基础，膜的成分大于或等于所述元素的总和的90％、92.5％、95％、98％、99％或99％。在某些实施方式中，沉积于处理套件150上的氮化物膜160包含或本质上由氮化钛组成。在某些实施方式中，沉积于处理套件150上的氮化物膜160包含或本质上由氮化铌组成。
在某些实施方式中，氮化物膜160包含氮化钽，其在拉伸应力下具有相对低的密度。如以此方式所使用的，“相对低的密度”一词是指在调节处理之前，氮化钽膜的密度小于或等于8g/cm3、7.5g/cm3、7g/cm3、6.5g/cm3、6g/cm3、5.5g/cm3或5g/cm3。
在某些实施方式中，形成于处理套件上的氮化钽膜在调节处理之前具有在5g/cm3至6.5g/cm3的范围中的密度。在某些实施方式中，形成于处理套件上的氮化物膜160在调节处理之前包含具有拉伸应力的氮化钽。在某些实施方式中，椭偏仪(ellipsometry)用以测量具有已知厚度的沉积的膜中的差应力(由XRF测量)。在处置之前，ALD TaN膜具有很强的拉伸性，拉伸应力范围从100MPa至1500MPa。在某些实施方式中，在处置之后，ALD Ta3N5膜为更加应力中性/压缩。在某些实施方式中，处置的膜的应力在0至-500MPa的范围中。在某些实施方式中，椭偏仪用以在膜沉积之前及之后测量晶片的曲率的半径。曲率增量(curvature delta)用以计算具有已知膜厚度的膜应力。
调节处理210将氮化物膜160改变成调节的氮化物膜165。某些实施方式的调节的氮化物膜165具有大于或等于9g/cm3、9.5g/cm3或10g/cm3的密度。在某些实施方式中，调节的氮化物膜165包含氮化钽，其具有在9g/cm3至10.5g/cm3或9.5g/cm3至10g/cm3的范围中的密度。
在某些实施方式中，调节的氮化物膜具有压应力。在某些实施方式中，如由椭圆仪所测量，压应力在约0至约-500MPa的范围中。
某些实施方式的调节处理包含氮自由基及氢自由基。在某些实施方式中，氮自由基及氢自由基是通过将调节气体通过热线(hot wire)而形成的。在某些实施方式中，氮自由基及氢自由基是在从调节气体产生的等离子体之中形成的。在某些实施方式中，等离子体是直接等离子体。在某些实施方式中，等离子体为远程等离子体。
某些实施方式的调节气体包含以下中的一者或多者：氨(NH3)、联氨(N2H4)、氮(N2)、氢(H2)或氩(Ar)。某些实施方式的调节气体包含以下中的一者或多者：氨(NH3)、联氨(N2H4)、氮(N2)、氢(H2)或氩(Ar)，附带条件为氮(N2)、氢(H2)或氩(Ar)的各者与至少一个额外气体物种一起使用，以提供氮及氢自由基。在某些实施方式中，调节气体包含氨氢化合物(氮烷)。在某些实施方式中，调节气体包含以下中的一者或多者：二氮烷(联氨)、三氮烷(N3H5)、二氮烯(N2H2)或三氮烯(N3H3)。在某些实施方式中，调节气体包含具有氮原子及氢原子两者的至少一个物种。在某些实施方式中，调节气体包含或本质上由氨(NH3)组成。如以此方式所使用的，“本质上由…组成”一词是指在分子的基础上，调节气体之中的反应物种大于或等于所述物种的95％、98％、99％或99.5％的，或所述物种的总和，不计入惰性或稀释物种。在某些实施方式中，调节气体包含或本质上由联氨(N2H4)组成。在某些实施方式中，调节气体包含或本质上由氨及氢(H2)组成。在某些实施方式中，调节气体包含或本质上由氢(H2)及氮(N2)组成。
在某些实施方式中，调节气体包含氨(NH3)、氢(H2)及氩(Ar)。在某些实施方式中，调节气体本质上由氨(NH3)、氢(H2)及氩(Ar)组成。某些实施方式的氨:氢:氩(NH3:H2:Ar)的比例为在0.9-1.1的NH3:0.9-1.1的H2:0.9-1.1的Ar的范围中。在某些实施方式中，氨:氢:氩(NH3:H2:Ar)的比例为约1:1:1。在某些实施方式中，氨:氢:氩(NH3:H2:Ar)的比例在1-20的NH3:1-20的H2:1的Ar的范围中，或在1-10:1-10:1的范围中，或在10:10:0.1-10的Ar的范围中。在某些实施方式中，氨(NH3)及氢(H2)的量在相对±10％之间，且氩(Ar)为任何适合的量的稀释剂，以在处理腔室中提供足够的反应物种。
在某些实施方式中，调节气体包含等离子体，其具有在约2MHz至100MHz、13.56MHz至60MHz、13.56MHz至40MHz的范围中的频率。在某些实施方式中，调节气体包含等离子体，其具有在约0.5torr至约25torr范围中的压力，或在约1torr至15torr的范围中，或在约1.5torr至约10torr的范围中。在某些实施方式中，调节气体包含等离子体，且调节处理执行小于或等于五分钟。
参照图2，在调节处理210之后，在一个或多个晶片(基板)上沉积220氮化物层。在重新进行调节处理套件150之前，沉积的晶片的数量取决于例如所使用的调节处理参数、沉积参数及氮化物层成分。某些实施方式的使用调节处理210在重新调节之间的晶片的数量为在5至50个晶片的范围中。在某些实施方式中，相较于不执行调节处理210的处理套件，下述方法200使处理套件150的寿命增加至少5倍(5x)。在某些实施方式中，处理套件的寿命限定为在清洁或预防维护之间可处理的晶片的数量。对于任何给定处理，通常的参考寿命为在<1K至10K的范围中。
方法的某些实施方式以调理处理(seasoning process)205开始，以调理处理套件150。某些实施方式的调理处理205使用沉积处理220并随后使用调节处理210，以准备处理套件150以供使用。在某些实施方式中，处理套件150在安装于沉积腔室中之前经历调理处理205。在某些实施方式中，调理处理205包含一种形式的沉积处理和随后的一种形式的调理处理。在某些实施方式中，调理处理包含一种形式的沉积处理，且方法200移动至调节处理210以作为下一个程序，以调节并完成调理处理。在其中调理处理包括一种形式的调节处理的某些实施方式中，在调理处理205之后，方法跟随可选路径222进行至沉积处理220。
参照图1，本公开内容的额外实施方式涉及用于执行本文所述的方法的处理腔室100。图1图示根据本公开内容的一个或多个实施方式的可用于处理基板的腔室100。处理腔室100包含至少一个控制器190，至少一个控制器190被配置成控制腔室100的各种部件。在某些实施方式中，具有不只一个的处理器连接至处理腔室100，其具有耦合至单独的处理器的各者的主要控制处理器，以控制腔室100。控制器190可为可在工业设定中使用以用于控制各种腔室及子处理器的任何形式的通用计算机处理器、微控制器、微处理器等等中的一者。
在某些实施方式中，控制器190具有处理器192(亦称为CPU)、耦合至处理器192的存储器194、耦合至处理器192的输入/输出设备196及支持电路198，以在不同电子部件之间通信。在某些实施方式中，存储器194包括暂时性存储器(例如，随机存取存储器)或非暂时性存储器(例如，储存装置)中的一者或多者。
处理器的存储器194，或计算机可读取介质可以是以下中的一者或多者：容易获得的存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、软盘、硬盘或任何形式的数字储存装置，不论是本地的还是远程的。存储器194可保存指令集，所述指令集可由处理器192操作以控制系统的参数及部件。支持电路198耦合至处理器192，用于以传统方式支持处理器。电路可包括例如高速缓存、电源供应器、时钟电路、输入/输出电路系统、子系统及类似者。
处理可通常储存于存储器中以作为软件例程，当由处理器执行时，使得处理腔室执行本公开内容的处理。软件例程亦可由第二处理器(未显示)储存及/或执行，该第二处理器远离藉由处理器控制的硬件定位。本公开内容的某些或所有方法亦可在硬件中执行。如此，处理可在软件中实施并使用计算机系统执行，在硬件中实施，例如作为特定应用集成电路或其他类型的硬件，或作为软件及硬件的组合来实施。当由处理器执行时，软件例程将通用计算机转换成专用计算机(控制器)，而控制腔室操作，使得能够执行处理。
在某些实施方式中，控制器190具有一个或多个配置，以执行个别处理或子处理，从而执行方法。在某些实施方式中，控制器190连接至并被配置成操作中间部件，以执行方法的功能。举例而言，某些实施方式的控制器190连接至并被配置成控制气体阀门、致动器、马达、狭缝阀、真空控制等等中的一者或多者。
某些实施方式的控制器190具有从以下中选择的一个或多个配置：将基板暴露至沉积处理调节，以沉积氮化物膜的配置；将处理腔室的处理套件暴露至调节处理的配置。非暂时性计算机可读取介质包括指令，当由处理腔室的控制器执行时，使得处理腔室执行以下操作：将基板暴露至沉积处理调节，以沉积氮化物膜；及将处理腔室的处理套件暴露至调节处理。
本说明书全篇引用的“一个实施方式”、“某些实施方式”、“一个或多个实施方式”或“一实施方式”是指与实施方式关联说明的特定特征、结构、材料或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。因此，在本说明书全篇各处中出现的例如“在一个或多个实施方式中”、“在某些实施方式中”、“在一个实施方式中”或“在一实施方式中”的短语并非必须是指本公开内容的相同实施方式。再者，特定特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施方式中通过任何适合的方式组合。
尽管已参考特定实施方式说明本公开内容，本领域技术人员将理解所描述的实施方式仅为本公开内容的原理及应用的说明。对于本领域技术人员而言所显而易见的是，在不悖离本公开内容的精神及范围的情况下，可对本公开内容的方法及装置进行各种修改及改变。因此，本公开内容可包括落入随附权利要求书及其等同物的范围之中的修改及改变。

Claims (20)

1.一种沉积方法，包含以下步骤：
将其上具有氮化物膜的处理腔室的处理套件暴露至包含氮及氢自由基的调节处理，以形成调节的氮化物膜；及
在所述处理腔室之中的多个晶片上沉积氮化物层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节处理增加所述处理套件上的所述氮化物膜的密度。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述调节的氮化物膜包含氮化钽(TaN)，具有在9.5g/cm3至10g/cm3的范围中的密度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述调节的氮化物膜具有压应力。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个晶片上的所述氮化物层通过原子层沉积来沉积。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述处理套件上的所述氮化物膜是在晶片上的所述氮化物层的沉积期间形成的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述氮化物膜包含以下中的一者或多者：氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、氮化钌钽(RuTaN)、氮化锰(MnN)、氮化钨(WN)或氮化铌(NbN)。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节处理包含从调节气体形成的等离子体，所述调节气体包含至少一个具有氮及氢原子的等离子体物种。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述调节气体包含以下中的一者或多者：氨(NH3)、联氨(N2H4)、氮(N2)、氢(H2)或氩(Ar)。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述调节气体本质上由氨、氢及氩组成。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述氨、氢及氩(NH3：H2：Ar)的比例在0.9-1.1：0.9-1.1：0.9-1.1的范围中。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体具有在13.56至40MHz的范围中的频率。
13.根据权利要求8所述的方法，其中所述等离子体具有在1.5至10torr的范围中的压力。
14.根据权利要求8所述的方法，其中所述调节处理执行小于或等于五分钟。
15.根据权利要求1所述的方法，其中在额外暴露至所述调节处理之前，所述多个晶片在5至50个的范围中。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理套件的寿命相对于没有所述调节处理的处理增加至少5倍。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理套件包含喷淋头、泵送衬垫或边缘环中的一者或多者。
18.一种沉积方法，包含以下步骤：
在处理腔室之中处理多个晶片，以在所述处理腔室之中在所述晶片上沉积氮化钽(TaN)并在处理套件上沉积氮化物膜，所述氮化物膜具有小于9g/cm3的密度；及
在处理所述多个晶片之后，使用调节处理调节所述处理套件，所述调节处理包含将所述处理套件暴露至氮及氢自由基，以将所述氮化物膜的所述密度增加至大于9g/cm3，且产生具有压应力的氮化物膜。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个晶片在5至50个的范围中。
20.一种包括指令的非暂时性计算机可读取介质，当通过处理腔室的控制器执行时，使得所述处理腔室执行以下操作：
将基板暴露至沉积处理调节，以沉积氮化物膜；及
将所述处理腔室的处理套件暴露至调节处理。
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