CN117116732A - 一种均一化反应腔环境的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种均一化反应腔环境的方法，包含：提供一可形成等离子体环境的反应腔，反应腔内设有反应腔内壁及若干暴露于等离子环境中的零部件；向反应腔内输入取代的甲基硅烷；开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层。本发明通过向反应腔内通入单一的取代的甲基硅烷化合物作为涂层前驱体，在等离子射频源、真空、较低温度下，解离为涂层等离子体，该涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层作为保护层。可通过控制取代的甲基硅烷的流速、流量、通入时间，实现SiC涂层厚度可控，满足不同刻蚀制程的需求，提高刻蚀效率。
Description
技术领域
本发明属于半导体设备领域，涉及一种设备清洁方法，具体涉及一种均一化反应腔环境的方法。
背景技术
等离子体刻蚀制程在集成电路制造领域发挥着至关重要的作用。在刻蚀晶圆工艺过程中,为了保障刻蚀机台的稳定性，保持环境的均一性，通常需要在每批晶圆处理完成移出反应腔后至下一批晶圆进入反应腔处理前，需要先进行清洁处理。
通常的清洁处理步骤包含：1)通入含氟反应气体，除去反应腔内壁及暴露于等离子环境的零部件表面的氧化硅涂层；2)除去残余的含氟反应气体，以及其与氧化硅反应生成C-F等副产物；3)重新对所述反应腔内壁、所述零部件进行涂层处理，形成新的氧化硅涂层。
然而，对于特别长的晶圆刻蚀制程，由于刻蚀时间长，对反应腔内壁、零部件的耐刻蚀性能要求高，通常需要较厚的氧化硅涂层。然而，现有技术难以形成较厚的氧化硅涂层，或者说，为得到需要厚度的氧化硅涂层需要的时间过长，影响制程周期。而且，由于氧化硅涂层不容易清除，即使得到了较厚的氧化硅涂层，在下一次清洁处理时，又需要较长的时间除去该氧化硅涂层。因此，现有的氧化硅涂层及清洁处理方法不适用于较长的晶圆刻蚀制程。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效的等离子反应腔环境的均一化处理方法，其形成的表面涂层厚度可控，尤其适用于较长的晶圆刻蚀制程。
为了达到上述目的，本发明提供了一种均一化反应腔环境的方法，其包含：
提供一可形成等离子体环境的反应腔，所述反应腔内设有反应腔内壁及若干暴露于等离子环境中的零部件；
向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷；该取代的甲基硅烷中，Si与C的原子比例为1：1；
开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层。
可选地，向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷之前向所述反应腔内输入清洁气体，所述清洁气体用于清洁所述反应腔内壁和/或零部件表面的涂层。
可选地，向所述反应腔内输入清洁气体之前，将所述反应腔内的晶圆移出。
可选地，所述清洁气体包括含氟气体和/或含氧气体。
可选地，所述含氟气体为CF4和NF3中的至少一种。
可选地，所述含氟气体的流量大于含氧气体的流量。
可选地，所述的取代的甲基硅烷中的H原子全部或部分被卤素取代。
可选地，所述取代的甲基硅烷中的H原子全部或部分被F和/或Cl取代。
可选地，所述取代的甲基硅烷为CH3SiCl3。
可选地，所述SiC涂层厚度大于0.2毫米。
可选地，当需要每组晶圆刻蚀完成后均一化反应腔环境时，所述SiC涂层厚度为微米级。
可选地，当需要多组晶圆刻蚀完成后再均一化反应腔环境时，所述SiC涂层厚度为毫米级。
可选地，所述取代的甲基硅烷为CH2ClSiHCl2，CHCl2SiH2Cl，CH3SiF3，CH2FSiHCl2，CHF2SiH2F中的至少一种。
本发明的均一化反应腔环境的方法，在待刻蚀晶圆进入反应腔之前进行，通过向反应腔内通入单一化合物取代的甲基硅烷作为涂层前驱体，在等离子射频源、真空、较低温度下，解离为涂层等离子体，该涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层作为保护层。本发明可通过控制取代的甲基硅烷的流速、流量、通入时间，实现SiC涂层厚度可控，满足不同刻蚀制程的需求，使得刻蚀制程的刻蚀效率提高。
附图说明
图1为本发明的一种均一化反应腔环境的方法的工艺流程图。
图2为本发明的一种等离子处理装置的结构示意图。
图3为本发明的一个实施例的均一化反应腔环境的方法的工艺流程图。
图4为本发明的另一个实施例的均一化反应腔环境的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
刻蚀晶圆工艺中，等离子处理装置的反应腔处于等离子体环境，反应腔内壁以及处于反应腔内的半导体零部件暴露于等离子体环境中，易受到等离子体的腐蚀。需要在反应腔内壁及所述半导体零部件表面设置保护涂层，以阻挡等离子体对反应腔内壁及半导体零部件本体的腐蚀，维持刻蚀环境的均一性。然而，经过一段时间的刻蚀晶圆工艺，所述保护涂层还是无法避免地受到原子级别的损伤，进而影响到反应腔内环境的稳定性，导致晶圆的良品率下降。因此，需要对反应腔内环境进行均一化处理，如，可以采用清洁处理，以维护反应腔内环境的稳定性。
通常的清洁处理步骤包含：步骤a，向反应腔内通入含氮或含氟气体以除去保护涂层；步骤b，清扫残余气体及C-F杂质气体；步骤c，形成新的保护涂层。
现有技术一般采用SiO涂层作为保护涂层。现有SiO涂层的形成机理为：
SiCl4+O2→SiOx (I)
其中，x代表O与Si的原子数比例。
式(I)中，形成SiO涂层的原料气体SiCl4、O2为异种化合物，在进入反应腔后被等离子射频源解离为等离子体，其中，用于形成SiO涂层的Si和O的等离子体的量，要受制于气体流量的控制以及两种化合物解离的同时空需求，对工艺要求比较高，且形成的涂层厚度、致密性和覆盖度均无法有效控制。
一方面，SiO涂层由于采用异种气体作为原料，在形成过程中厚度不易控制，难以形成较厚的保护层，需频繁清洁处理；另一方面，即使能形成较厚的保护层，耗时较长，且由于SiO涂层分解效率较低，通入清洁气体清除涂层耗时较长。也就是说，采用SiO涂层作为保护层进行清洁处理，影响有效的刻蚀时间，导致刻蚀效率不高，尤其无法适用长期刻蚀晶圆的工艺制程。
基于此，本发明提供一种利用SiC涂层进行反应腔内环境均一化的思路，由于SiC涂层更耐刻蚀，作为保护涂层，更加适用于较长时间的晶圆刻蚀。
其中，一种SiC涂层的制备方法为采用异种气体制备，机理如下：
SiCl4+CH4+H2(载气)→SiC+4HCl+H2(载气) (II)
式(II)中，形成SiC涂层的原料气体SiCl4、CH4为异种化合物，需要严格的流速、流量控制，以确保Si：C的原子比例为1：1。该方法对工艺要求比较高，形成的涂层厚度、致密性和覆盖度均无法有效控制。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种SiC涂层作为保护层，采用单一的化合物取代的甲基硅烷作为原料气体，在等离子射频源作用下，在具有较低温度的超真空的反应腔内解离为涂层等离子体，该涂层等离子体在等离子反应腔内壁和/或暴露于该等离子环境中的零部件的表面形成致密的SiC涂层。
所述取代的甲基硅烷是指，甲基硅烷(CH3SiH3)中，Si-H键和/或C-H键上的H原子部分或全部被卤素取代，该卤素可以是Cl和/或F。例如，本发明所述取代的甲基硅烷可以是CH3SiCl3，CH2ClSiHCl2，CHCl2SiH2Cl，CH3SiF3，CH2FSiHCl2，CHF2SiH2F等等。
本发明采用一种取代的甲基硅烷化合物作为原料气体，在等离子射频源作用下，容易解离成1:1原子比的Si、C等离子体，在反应腔内壁及零部件表面形成SiC涂层，厚度可控，且形成的SiC涂层更加致密，覆盖性，厚度更均匀，更加有效率。
如图1所示，为本发明的均一化反应腔环境的方法的工艺流程图。该方法包含：
步骤S1，提供一可形成等离子体环境的反应腔，所述反应腔内设有反应腔内壁及若干暴露于等离子环境中的零部件；
步骤S2，向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷；该取代的甲基硅烷中，Si与C的原子比例为1：1；
步骤S3，开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层。
一些实施例中，还可以在向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷之前，向所述反应腔内输入清洁气体，所述清洁气体用于清洁所述反应腔内壁和/或零部件表面的涂层，该涂层可以是SiC涂层、SiO涂层或其他保护涂层。
一些实施例中，向所述反应腔内输入清洁气体之前，将所述反应腔内的晶圆移出。此时，反应腔内无晶圆，也无需放置仿真晶圆(dummy wafer)。
所述清洁气体包括含氟气体和/或含氧气体。
一些实施例中，所述氟基气体为CF4和NF3中的至少一种。
一些实施例中，所述清洁气体包括含氟气体和含氧气体，所述含氟气体的流量大于含氧气体的流量。
所述取代的甲基硅烷的取代是指甲基硅烷的H全部或部分被F和/或Cl取代，呈气态或易气化的液态。为了控制气体流速和反应速率，还可以通入载气，该载气可以选择氢气。
一些实施例中，所述取代的甲基硅烷为CH3SiCl3，其反应机理如下式(III)所示：
一些实施例中，所述SiC涂层厚度根据需要能达到mm级(如，该厚度可以做到超过0.2mm)，且形成时间可以接受。而通常两片晶圆之间的清洁步骤中SiO涂层只能做到微米级厚度。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明所述的可形成等离子体环境的反应腔可以是等离子体刻蚀装置的反应腔。该等离子体刻蚀装置可以为电感耦合等离子体刻蚀装置或电容耦合等离子体刻蚀装置。以下以所述等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体刻蚀装置进行说明。
如图2所示，本发明的一种等离子体刻蚀装置包括：
反应腔109，位于晶圆w上方的空间A为等离子体环境；腔室内部的半导体零部件暴露于等离子体环境中。
基座110，用于承载晶圆w。
在本实施例中，等离子体刻蚀装置为电感耦合等离子体反应装置，相应地，暴露于等离子体环境中的半导体零部件包括：衬套101、气体喷嘴102、静电吸盘组件103、聚焦环104、绝缘环105、覆盖环106、等离子体约束装置107、陶瓷盖板108或气体连接法兰(图中未示)等，这些零部件的表面涂覆有耐腐蚀涂层以防止等离子体的腐蚀。
由于等离子体具有较强的腐蚀性，当刻蚀一组或若干组晶圆后，反应腔内壁、暴露于等离子体环境中的半导体零部件或多或少会受到原子级损伤或者环境的均一性受到影响，为了保证片与片之间的晶圆加工的均一性，需要对反应腔内的暴露于等离子体中的反应腔壁及零部件表面进行清洁处理。
在清洁步骤开始前，先将晶圆w移出反应腔109，向反应腔109内通入含氟清洁气体，例如NF3，使其与反应腔109内壁及暴露于等离子体环境中的半导体零部件的表面的SiC涂层发生反应，以除去上一个清洁步骤中在腔室内壁及零部件表面生成的SiC涂层。对反应腔109内进行清扫，将反应副产物气体及残留气体除去。然后，向反应腔109内通入取代的甲基硅烷，本例中，采用CH3SiCl3作为反应气体，氢气作为载气，根据需要的涂层厚度控制流速和通入时间。开启等离子射频源，在真空、不高于150℃条件下，使得CH3SiCl3解离为涂层等离子体，该涂层等离子体在所述反应腔内壁和暴露于等离子体环境的半导体零部件的表面均匀形成SiC涂层。由于本发明中用于产生涂层的工艺气体为取代的甲基硅烷，其Si与C的原子比例为1：1，因此与需要多种气体反应生成的涂层制作方法相比，可以大大降低工艺气体的输送控制难度，可通过控制CH3SiCl3的流量和流速控制形成的SiC涂层的致密性、覆盖性，流速和流量越小，形成相同厚度涂层的时间延长，但致密性和覆盖性会更好。流速和流量一定时，延长通入时间可获得更厚的SiC涂层。
SiC涂层厚度的选择与晶圆制程相关。随着晶圆刻蚀精度的不断提高，例如，在3nm、5nm的先进制程，对晶圆刻蚀要求较高，晶圆对环境更敏感，要求等离子刻蚀环境更加均一、稳定；或者是，需要在一次涂层处理后进行连续多批次晶圆刻蚀，就需要形成较厚的涂层，本发明制作的SiC涂层可以在短时间内生成较大厚度，例如可以达到mm级厚度，可以极大的满足高精度的晶圆处理要求。当然，本发明的技术方案同样可以适于晶圆要求比较低的场合，例如，对刻蚀环境均一性要求不高的，或者只需要刻蚀很少量晶圆的，可以不必形成很厚的涂层，微米级即可。容易理解，形成较厚的涂层需要更多的原料气体流量，更长的通气时间。对于致密性要求更高的涂层，需要原料气体的通入流速更慢，时间更长。
由于本发明的涂层形成方法，SiC涂层的形成和刻蚀去除速度都较快，使用者很容易利用本发明的方法形成不同厚度的SiC涂层，进而灵活适用不同的刻蚀场景。当只需要进行一个或几个晶圆的刻蚀时，可通过控制取代的甲基硅烷的流速和通入时间，形成较薄的涂层，如微米级；当需要进行几组或几十组(lot)的晶圆刻蚀时，可延长取代的甲基硅烷的通入时间，以形成较厚的涂层，如毫米级。而无需像现有技术的SiO涂层作为保护层一样，需要每个晶圆刻蚀之间进行清洁处理，影响刻蚀效率，且无法形成用于长刻蚀周期的刻蚀制程的保护层。
与需要采用化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)方法生成SiC涂层的工艺条件不同，本发明将取代的甲基硅烷，例如为CH3SiCl3作为晶圆片与片之间均一化清洁步骤中涂层的产生气体，等离子体环境下，将取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，只需要在不超过150°的温度下即可进行，与CVD工艺需在高于1700℃的工况下生成SiC涂层，本发明大大降低了SiC涂层的制作难度。此外，本发明无需另外设置等离子射频源、压力控制器及温度控制器，利用该等离子体处理装置现有的功能部件即可实现解离并形成SiC涂层，可根据需要涂层厚度，选择相应的功率、真空度、加热温度、气体流速和通气时间等。通常的射频功率为0.5×102～2×103瓦，压力为3毫托～103毫托，气体流速为50sccm～2000sccm；通气时间5s～600s，根据具体的刻蚀场景选择。
以下对于本发明在等离子刻蚀装置的反应腔内壁、暴露于等离子体环境中的半导体零部件形成涂层实现环境均一化的方法举例说明。
实施例1
打开等离子刻蚀装置，设置工艺参数如下：射频源功率源输出功率1000W，维持反应腔内气压10mT，反应腔内温度100℃，以200sccm的流速通入CH3SiCl3，通入时间10s，在所述等离子刻蚀装置的反应腔内壁、暴露于等离子体环境中的半导体零部件上均匀形成厚度为50nm的SiC涂层。
实施例2
打开等离子刻蚀装置，设置工艺参数如下：射频源功率源输出功率2000W，维持反应腔内气压80mT，反应腔内温度120℃，以1000sccm的流速通入CH3SiF3，通入时间120s，在所述等离子刻蚀装置的反应腔内壁、暴露于等离子体环境中的半导体零部件上均匀形成厚度为10um的SiC涂层。
实施例3
打开等离子刻蚀装置，设置工艺参数如下：射频源功率源输出功率2000W，维持反应腔内气压120mT，反应腔内温度150℃，以2000sccm的流速通入CH3SiCl3，通入时间600s，在所述等离子刻蚀装置的反应腔内壁、暴露于等离子体环境中的半导体零部件上均匀形成厚度为100um的SiC涂层。
具体应用中，等离子体刻蚀装置也可以为电容耦合等离子体反应装置，相应的，暴露于等离子体环境中的零部件包括：喷淋头、上接地环、移动环、气体分配板、气体缓冲板、静电吸盘组件、下接地环、覆盖环、绝缘环或等离子体约束装置中的至少一种，这些零部件的表面需要涂覆耐腐蚀涂层以防止等离子体的腐蚀。本例中，在这些零部件的本体基底上形成本发明的耐等离子体腐蚀涂层结构。
在一些实施例中，上述生成SiC涂层的方法可以在每一个晶圆片与片之间均一化清洁步骤中进行，如图3所示，该方法包含：
S3.1，将刻蚀后的晶圆从反应腔中移出；
S3.2，通入清洁气体，以除去所述反应腔内壁和/或零部件表面的涂层；
S3.3，向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷；该取代的甲基硅烷中，Si与C的原子比例为1：1；
S3.4，开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层，控制该SiC涂层厚度为微米级；
S3.5，刻蚀下一批次晶圆。
根据需要，依S3.1-3.5步骤可进行若干次循环处理。
在另一些实施例中，由于本发明方法可以产生较大厚度的SiC涂层，且制作的SiC涂层具有较高的耐等离子体腐蚀能力，因此，可以制作一次SiC涂层后进行若干片晶圆的加工处理，可以大大提高等离子体刻蚀装置处理晶圆的速率，提高产能。如图4所示，该方法包含：
S4.1，将刻蚀后的晶圆从反应腔中移出；
S4.2，通入清洁气体，以除去所述反应腔内壁和/或零部件表面的涂层；
S4.3，向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷；该取代的甲基硅烷中，Si与C的原子比例为1：1；
S4.4，开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层，控制该SiC涂层厚度为毫米级；
S4.5，刻蚀下一批次晶圆；
S4.6，将刻蚀后的晶圆从反应腔中移出；
重复S4.5、S4.6至少两次；
继续S4.2-S4.4的均一化步骤。
一些实施例中，需要将现有的等离子体刻蚀装置用于长期晶圆刻蚀。然而，等离子反应腔内壁、暴露于等离子体的半导体零部件的表面涂层厚度不够，不能满足长期晶圆刻蚀的环境稳定要求。此时，可无需通入清洁气体刻蚀原表面涂层，直接在无晶圆的情况下，向反应腔内通入取代的甲基硅烷化合物，开启等离子体射频源，使其在真空，不高于150℃的工况下，解离为涂层等离子体，该涂层等离子体在原表面涂层上继续形成SiC涂层，直到设定的厚度。
综上所述，本发明以Si与C的原子数比例为1：1的单一的取代的甲基硅烷化合物作为原料气体，在等离子射频源、真空，低温下，即可解离为涂层等离子体，从而在等离子体处理装置的反应腔内壁及暴露于等离子体环境的半导体零部件上形成SiC表面涂层，厚度可控，对工艺要求更低。形成的SIC涂层更加致密，覆盖性及厚度更均匀更厚，更加有效率。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (13)
1.一种均一化反应腔环境的方法，其特征在于，该方法包含：
提供一可形成等离子体环境的反应腔，所述反应腔内设有反应腔内壁及若干暴露于等离子环境中的零部件；
向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷；该取代的甲基硅烷中，Si与C的原子比例为1：1；
开启等离子射频源，使得所述取代的甲基硅烷解离为涂层等离子体，所述涂层等离子体在所述反应腔内壁和/或所述零部件的表面形成SiC涂层。
2.如权利要求1所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，向所述反应腔内输入取代的甲基硅烷之前向所述反应腔内输入清洁气体，所述清洁气体用于清洁所述反应腔内壁和/或零部件表面的涂层。
3.如权利要求2所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，向所述反应腔内输入清洁气体之前，将所述反应腔内的晶圆移出。
4.如权利要求2所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，所述清洁气体包括含氟气体和/或含氧气体。
5.如权利要求4所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，所述含氟气体为CF4和NF3中的至少一种。
6.如权利要求4所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，所述含氟气体的流量大于含氧气体的流量。
7.如权利要求1所述的晶圆涂层的形成方法，其特征在于，所述的取代的甲基硅烷中的H原子全部或部分被卤素取代。
8.如权利要求1所述的晶圆涂层的形成方法，其特征在于，所述取代的甲基硅烷中的H原子全部或部分被F和/或Cl取代。
9.如权利要求1所述的晶圆涂层的形成方法，其特征在于，所述取代的甲基硅烷为CH3SiCl3。
10.如权利要求1所述的晶圆涂层的形成方法，其特征在于，所述SiC涂层厚度大于0.2毫米。
11.如权利要求1所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，当需要每组晶圆刻蚀完成后均一化反应腔环境时，所述SiC涂层厚度为微米级。
12.如权利要求1所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，当需要多组晶圆刻蚀完成后再均一化反应腔环境时，所述SiC涂层厚度为毫米级。
13.如权利要求1所述的均一化反应腔环境的方法，其特征在于，所述取代的甲基硅烷为CH2ClSiHCl2，CHCl2SiH2Cl，CH3SiF3，CH2FSiHCl2，CHF2SiH2F中的至少一种。
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