CN1193812A - 半导体器件的等离子体处理方法及制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种干清洗方法,它能清除粘附在半导体制造装置内壁的淀积薄膜,亦即清除微尘产生根源。为达到这目的,该干清洗过程包括以下步骤:清除装置内部组件材料的离子溅射物质及其衍生物,清除装置内部组件材料和刻蚀气体的化学混合物,以及刻蚀化学反应物。从而可能消除微尘的产生,这些微尘是随着加工晶片数量上的增多导致淀积膜的剥落而产生的。最终提高制造装置的制造产量和工作效率。
Description
本发明涉及半导体制造装置内部干清洗的方法，这些装置用于半导体器件制造过程中衬底上的微制造或薄膜的形成。而且，本发明涉及利用清洗内部的半导体制造装置进行半导体器件制造的方法。
半导体器件的制造过程中，衬底上微尘(杂质)的吸附或粘结在所加工的器件中产生图形缺陷，结果导致制造过程中产量的降低。
现有的制造过程中，有些技术尤为重要，其中包括等离子体干刻技术，化学汽相淀积(CVD)，等等。特别地，这些方法是通过引入加工装置的各种气体的等离子体反应来实现薄膜形成，刻蚀等等微加工的。在这些过程中，淀积的薄膜常吸附在加工装置的内壁，而不是微加工所用的衬底上。比如，在干刻过程中，由于等离子体内刻蚀气体的分解或结合及其刻蚀中次级刻蚀物的形成，淀积的薄膜就粘附在装置的内壁。随着加工晶片数量上的增加，薄膜的厚度相应增加，这些淀积的薄膜从吸附表面部分脱落，成为微尘或杂质，从而在加工器件中产生图形缺陷。因此，这些粘附的淀积物必须定期进行清除。
传统上，常用的清除这些粘附淀积物的方法就是所谓的湿清洗技术，即：让装置暴露在空气中，用酒精，纯水等催化物质把淀积物清洗掉。另一个现有技术就是干清洗法，用氯基气体和氟基气体的混合气体清洗，如公开在未审查的日本专利申请(PUJPA)No.3-62520中的方法。再一个现有干清洗技术，用氧气和氯气混合物的等离子体来清洗，如公开在PUJPANo.7-508313中的方法。
但是，这些现有技术都存在以下严重问题：
首先，湿洗技术要求每次都拆开装置，装置定期暴露于空气中。每次湿洗后要求真空蒸发。显然，每次清洗都会增加了装置运转停止时间，从而减少了产量，最终导致这个装置的工作效率严重下降。
其次，PUJPA No.3-62520中的干洗法所用的刻蚀材料是包含铝和钨的合金，因此，这个方法的特点在于多种被刻蚀物的清洗步骤同时进行，以清除铝和钨的刻蚀反应物。第三个现有干洗方法(PUJPA No.7-508313)的特点在于清除所谓的反应物质，这些反应物质最初产生于被刻蚀材料和用来刻蚀的气体，或者是用作掩模层材料的光致抗蚀剂(碳)和刻蚀气体之间的化学反应，以及刻蚀气体的聚合物。这些方法都未考虑清洗离子溅射物质，装置内部组件材料的残留物以及装置内部组件材料和刻蚀气体的化学化合物，尽管这些方法包括如何清洗刻蚀气体和剩留在衬底晶片上材料之间化学反应所产生的某些物质，所述材料包括被刻蚀材料，掩模材料等等。
在刻蚀装置中，刻蚀气体产生的等离子体刻蚀物质表面，同时溅射装置内部组件的材料，这些可能导致某些物质吸附在装置内壁。这些物质除了刻蚀反应物，还包括装置内部组件材料的离子溅射物，及其装置内部组件材料和刻蚀气体的化学反应物。
换句话说，现有干洗方法面临一个无法解决的问题，既不可能完全清除装置内部组件材料的离子溅射物，以及这些装置材料和刻蚀气体的化学化合物。这些物质留在装置内壁而不能清除，随着它们的积累，最后导致污染。
本发明的目的就是更避开现有技术所存在的问题，提供一种能有效清除吸附在加工装置内壁的任何淀积薄膜的方法，而且，它能成功清除任何可能的微尘源。
上述目标是通过提供一种特殊的干刻过程来实现的。这些过程包括清除刻蚀反应物，清除加工装置内部组件材料的离子溅射物质及其这些装置材料和刻蚀气体的化学化合物。
上述目标还通过提供一种干清洗过程来达到。这种过程就是利用某种经选择的气体，其中包含这样的材料，它和构成刻蚀和清洗时所用气体元素的原子间键合能，在数值上大于构成被刻蚀材料元素和构成刻蚀和清洗时所用气体元素的原子间键合能。
上述目标也还通过采用一种干清洗过程来实现。这种过程就是利用某种特定气体，其中包含这样的材料，它和构成刻蚀和清洗时所用气体元素的原子间键合能，在数值上大于构成装置内部组件材料元素和构成刻蚀和清洗时所用气体元素的原子间键合能。
这些和本发明的其他目标，特征和优点，在下面发明优选方式更为详细的描述中明显地体现出来，如附图所示。
图1是结合说明本发明原理的半导体加工装置示意图。
图2A和2B是根据本发明第一实施方式阐明半导体晶片加工中两个主要步骤的横截面图。
图3A和3B是根据本发明第二实施方式阐明半导体晶片加工中两个主要步骤的横截面图。
图4A和4B是根据本发明第三实施方式的半导体晶片加工中两个主要步骤的横截面图。
下面参照附图，详细解释本发明的干清洗方法的优选实施方式。
图1是根据本发明实现干洗方法的微波刻蚀装置的结构。图中标号1代表用于微加工的硅晶片(衬底)，标号3和标号4代表保持真空要求的石英球阈和主处理室。标号10代表真空蒸发的输出口，而标号15代表引入干洗或刻蚀气体的引入通道。标号9代表刚性支持加工晶片的衬底台。标号8代表固定晶片的固定夹，常由陶瓷制成，如氧化铝陶瓷，但不局限于此。通过静电吸力，晶片被刚性支持在衬底台9上。7是接地板，11代表高频电源，在接地板7和晶片支撑台9之间施加射频(RF)偏压。
图中微波刻蚀装置首先引入一种所选气体，用于在高真空蒸发完成后产生等离子体。接着，微波14由磁控管(图中未标出)激发，通过波导管5进入石英球阈3(处理室)。环绕在处理室周围的螺线管6产生磁场，磁场产生电子回旋共振(ECR)，使得处理室中的气体转变为用作刻蚀处理的等离子体。在接地板7和晶片支撑台9之间的高频电源11施加射频(RF)偏压，通过离子的吸附，射频(RF)偏压完成各向异性刻蚀的目的。
同时，作为刻蚀过程中的次级产物，某些反应物吸附在处理室的构成部分，如石英球阈3，主处理室4，进气管道的出口15，固定夹8，等等。从而在多处形成淀积薄膜13。随着处理的晶片数量上的增多，类似的淀积膜13也在厚度上增加，最后从内壁上脱落，形成微尘或者污染，在加工的器件产品里产生图形缺陷。
作为例子，假设图2(图2A和2B)中的绝缘膜为二氧化硅(SiO2)，用氟碳基气体如CF4的等离子体，和附加的氩气与氧气的等离子体来刻蚀。如图所示，衬底16上是SiO2膜17，SiO2膜上是所选光致抗蚀剂材料形成的掩模图案18，然后通过图1所示的刻蚀装置对最终的结构进行刻蚀处理。此时，刻蚀气体设法分离于轰击目标晶片的离子束中，使刻蚀过程得以进行。当这一步完成后，被刻蚀物质形成的粘附在刻蚀装置内壁的任何不需要的淀积物都会变成含硅的氧化物和含有机物的化学化合物。
需要说明的是，用来干清洗的气体，通过和被清除淀积物的反应，其目的是形成高气压的化学化合物，最终通过气化和真空蒸发把它们清除。假设淀积物是碳的化合物，通过和氧气的等离子体反应，碳化物就气化成为CO和CO2气体而被清除。为达到这一目的，现有技术是通过利用含氯和含氧的混合清洗气体，如引言部分所介绍的PUJPA No.7-508313中的方法。当用氯来清洗金属时，掺入氧气就能把碳从含金属，氯和有机物的化合物中分开或分离出来，从而整体上提高效率。
在本实施方式刻蚀SiO2膜，常用的清洗剂是含氟和含氧的气体混合物或化合物。然而，如前所述，刻蚀气体形成的等离子体，在刻蚀衬底17和18的同时，也轰击装置的内部构件或组件的材料，如固定夹8和接地板7，结果产生大量的不需要的次级刻蚀产物，这些次级产物形成淀积膜13。这些次级产物除了被刻蚀材料的反应物，还包括装置内部组件材料的离子溅射物，和这些装置内部材料以及刻蚀气体的化学化合物。
氧化铝成分用在包括刻蚀装置在内的应用离子束的半导体加工装置中。在这个实施方式中(如图2所示)，堆积和粘附在装置内壁的多余淀积物，包括被刻蚀的SiO2和被刻蚀物上形成的抗蚀剂之间的有机化合物，含氧化铝的固定夹8受到离子束轰击离子溅射产生的氧化铝，以及刻蚀时铝和氟化学反应产生的部分氟化铝。而现有干清洗技术仅仅是清洗SiO2和抗蚀材料的有机化合物等有限的材料。而且，现有技术根本没有考虑装置内壁组件材料的溅射物质以及这些材料和刻蚀气体的化学化合物的淀积，显然，这些现有技术更没有考虑任何清除它们的方法。因而，这些淀积物最后成为了污染的根源。
根据本发明，在干刻过程中，通过加上两个步骤，即清除刻蚀反应物，清除装置内部组件材料与刻蚀气体的任何化学化合物，成功地除去装置内部构件材料形成的淀积物，这些淀积物长期来被传统干洗方法所忽略。这不仅提高了清洗效果，同时有效地抑制了污染根源。
图例阐明的实施方式特别地设计为加入用BCl3和Cl2的混合气体的清洗步骤作为装置内部材料的清洗处理。通过用氯气的等离子体产生AlCl3的高气压，铝的粘附可以有效地清除。然而，如果这时的铝换成氧化物或氟化物，仅仅氯气的等离子体不能产生AlCl3，也就不可能实现清洗任何应清除的物质。这是因为：Al-O和Al-F的原子间键合能大于Al-C的原子间键合能。考虑到这一点，特别选择含B的气体，(如BCl3)，由于B-F和B-O的原子间键合能大于Al-O和Al-F的原子间键合能，B就能把O和F从Al-O和Al-F中断开，因此它和氯气混合就能达到有效清除的目的。从而达到成功清除装置内部组件材料的离子溅射物和刻蚀本身所产生的反应物。
相继利用O2和六氟化硫(SF6)的清洗处理以及BCl3和Cl2的混合气体的清洗处理，可以明显提高装置内部的清洗效果和污染的抑制作用。
如上所述，通过干洗过程，清除装置内部组件材料的离子溅射物质及其这些装置内部本身材料和刻蚀气体的化学化合物，同时干洗清除被刻蚀物质的反应物，装置内部的清洗效果可以显著改善。在这个实施方式中，刻蚀反应物质的干洗和装置内部组件材料的清洗是相继进行的，这两种清洗气体可以相互混合在一起。
另外，应用本发明原理，结合图3(图3A和图3B)，解释针对钨铅丝的另一实施方式。衬底16上是钨铅丝层19，钨铅丝层上是有图案的掩模层，它由所选的光致刻蚀剂构成。最终的结构在图1所示的刻蚀装置中进行刻蚀处理。对于钨，实现刻蚀过程的是六氟化硫气的等离子体。
在上述过程中，吸附在装置内壁的多余的淀积物以化合物的形式存在，其中含有钨，氟和有机物，在处理室8中甚至含有离子溅射形成的铝的氧化物，因为处理室8是装置中由含铝组分材料构成的组件之一，它又受到等离子体的轰击。还有部分淀积物是以铝的氟化物形式存在，因为刻蚀所用的等离子体是六氟化硫(SF6)气体。同样地，利用六氟化硫(SF6)的清洗处理和利用BCl3和Cl2的混合气体的清洗处理也是相继进行的。用六氟化硫(SF6)清洗处理钨和有机物。BCl3和Cl2的混合气体清洗处理含铝的氧化物和氟化物，这已在第一个实施方式中做了解释。这种清洗方式在改善抑制污染的效果方面，作用尤为显著。和第一个实施方式一样，通过清除刻蚀材料的反应物的干洗过程，和装置内部组件材料的干洗过程，清洗效果可以明显改善。
这里还要结合本发明原理解释另一种实施方式，讨论的实例是如图4(图4A和4B)所示的铝铅丝的刻蚀。
近来，大多数金属铅丝都做成迭层结构，上面有一势垒金属层21，如图4，而不是单层铝膜结构，因此刻蚀处理时可以使用许多种类的刻蚀气体。这样就可以取得很好的抗电迁移特性和势垒扩散特性。作为实例，讨论的刻蚀结构主要由铝铅丝层20和钛钨(TiW)势垒金属21组成。如前所述，刻蚀是通过形成一种和被刻蚀材料有关的高气压的所选化学化合物来实现的。在这种情形下，铝构成的第一层20的刻蚀是通过Cl2转变为高气压的AlCl3来完成。这一步完成后，Al或AlClx粘附在装置内壁成为淀积物，这些内壁包括处理室里的几个结构组件，如石英球阈3，主处理室4，气体引入通道15，固定夹8。然后，TiW2O构成的第二层通过六氟化硫(SF6)的等离子体处理。这时，Ti或W可能堆积或粘附在装置的内壁和/或处理室的构件上。
常见的情形是，清洗Al和AlClx以及清洗Ti时，Cl2的等离子体把它们转变成高气压的AlCl3和TiCl，从而清除它们。当清洗W时，氟化物气体的等离子体(如SF6等离子体)把W转变为高气压的WF6，从而清除它们。
遗憾的是，需要处理的铅丝结构是多层薄膜结构，而不是单层膜结构，最后粘附在装置内壁和处理室组件上的淀积物也不是简单的形式存在，而是以这些气体的化学化合物的复杂形成存在，因为处理时采用了多种气体的等离子体和多种清洗气体。
特别地，这些多余的可能淀积物包括：1〕在第一层的刻蚀中Al或AlClx粘附成为淀积物。在第二层TiW刻蚀时，SF6等离子体把这些淀积物转变为铝氟化物。然后，第二层的TiW2O经SF6等离子体处理，在装置内壁和处理室组件上形成Ti或W的粘附和淀积。2〕在第二层TiW刻蚀时，产生W的淀积。当用SF6等离子体清除W的清洗处理时，第一层的刻蚀中淀积的Al和AlClx进一步产生铝氟化物。
3)刻蚀气体或者清洗气体形成的等离子体轰击装置内部组件材料，即，铝组分就是常见的装置内部组件的材料，结果通过离子溅射反应，在装置内壁上形成铝氧化物的的粘附和淀积。
4)在第二层TiW刻蚀中，由离子溅射反应在装置内壁粘附的铝氧化物，在SF6等离子体的作用下，部分地转变成铝氟化物。
5)在W的清洗过程中，由离子溅射反应在装置内壁粘附的铝氧化物，在SF6等离子体的作用下，部分地转变成铝氟化物。
从上面对多层铅丝刻蚀的讨论中可以看出，某一层刻蚀处理的气体等离子体往往改变另一层铅丝刻蚀处理时粘附在装置内壁的淀积物，使之变成某些化学化合物，从而很难把它们清除。而且，清除处理某种元素的淀积物时，所用的气体等离子体可能把另一种元素的淀积物变成化合物，因而很难把它们清除。这些都给清洗处理带来了困难。
而且，刻蚀气体和清洗气体的等离子体很可能轰击装置内部的材料，这也会导致这些材料的离子溅射物粘附在装置内壁。这些粘附物也可以和刻蚀气体及清洗气体结合变成化学化合物。这些也给清洗的完成和它的可靠性带来严重的障碍。
根据本发明，干洗处理过程中加上一个特定步骤，即应用某种特定的气体，其中包含某种所选择的材料，它和刻蚀气体元素的原子间键合能在数值上大于组成被刻蚀物的元素与刻蚀气体元素的原子间键合能，从而可能成功清除任何多余的淀积物，正如在1)中所讨论的。特别地，它可能清除那些铝的氟化物。这些氟化物是SF6等离子体把第一层刻蚀的淀积物Al在第二层TiW刻蚀中转变过来的。
本发明的另一个优点就是清除3)中所讨论的淀积物。这是因为在清除刻蚀反应物的同时，又加上清除装置内部组件材料的离子溅射物。最终可能清除任何含铝组分的离子溅射物，而铝组分是组成刻蚀装置及其内部组件的材料之一。
而且，整个干洗过程经过特定的安排，其中包括这样一个清洗步骤：利用某种特殊的刻蚀气体，其中包含某种所选择的材料，它和此刻清洗时所用刻蚀气体元素的原子间键合能，在数值上大于本身材料元素间的原子间键合能。所谓本身材料，包括被刻蚀物，装置组成材料和在其他清洗步骤里所用的清洗气体元素。因此，本方面的优势是可能清除2)，4)和5)讨论的各种淀积物。换言之，它可能清除W清洗处理时SF6等离子体引起的任何含铝分的氟化物淀积物。
实际上，刻蚀和清洗时使用的SF6等离子体把铝变成氟化物所产生的铝氟化物，是不能通过仅仅使用Cl2等离子体的清洗来清除的。因此在干洗过程中利用Cl2和BCl3的混合气体。选择BCl3是因为其中包含元素B，它和氟的原子间键合能，在数值上大于刻蚀和清洗所使用的氟与被刻蚀物铝之间的原子间键合能，使得F从Al-F键中断开，从而使得Cl2的清洗变得有效。
对于B元素，其B-O的原子间键合能大于铝氧化物中的Al-O的原子间键合能，这种氧化物是由内部组件材料的离子溅射所产生的。因此，在Cl2混合含B的气体和BCl3，使O从Al-O键中断开，从而使Cl2的清洗也变得更有效。这也使得清除装置内部组件材料的任何离子溅射物成为可能。
因为是多层迭压膜结构，在单独清洗处理刻蚀反应物之前和/或之后，要求进行清洗处理由下一步刻蚀或清洗处理所用气体的反应而产生的淀积薄膜。
必须指出的是，尽管本发明的实施方式是以微波刻蚀装置的使用具体实例来阐明的，但本发明绝不局限于此，可以相应地调整推广在任何刻蚀装置上，只要它是利用等离子体清洗装置内壁的淀积物。这些装置包括(但不局限于)：平行平台刻蚀装置，感应耦合刻蚀装置，CVD装置。本发明在这些装置的应用上也都具有与前面讨论的类似的技术优势。
正如上面所讨论的，根据本发明，有效清除粘附在加工装置内壁的任何淀积物成为可能，同时使得清除由于淀积薄膜厚度的增加而导致的剥落和分离，以及由此产生的微尘成为可能。因而提高所使用的加工装置的工作效率，同时也提高了加工的产品产量。
由于本发明是参照具体实施方式说明的，因此本发明的阐述是例证性的，不要曲解仅仅局限于此。熟练技术人员可以根据本发明的真正内涵对它做各种修正和推广，但它们没有超出权利要求书定义的范围。
Claims (14)
1.用于等离子体刻蚀装置中晶片的刻蚀和干清洗处理的等离子体处理方法，其特征在于：
所述干清洗处理是这样的干清洗过程，使用清除刻蚀反应物的清洗气体以及使用或者除去刻蚀装置的内部组件材料的离子溅射物或者除去刻蚀装置内部组件材料和刻蚀气体的化学化合物的清洗气体。
2.用于等离子体刻蚀装置中晶片的刻蚀和干清洗处理的等离子体处理方法，其特征在于：
所述干清洗处理包含以下步骤，清除刻蚀反应物，清除刻蚀装置内部组件材料和所用刻蚀气体的化学化合物。
3.用于等离子体刻蚀装置中晶片的刻蚀和干清洗处理的等离子体处理方法，其特征在于：
所述干清洗处理包括以下步骤：利用某种所选择的气体进行清洗，该气体中包含这样的材料，它和构成刻蚀处理所用刻蚀气体元素的原子间键合能，在数值上大于构成被刻蚀材料元素和构成刻蚀处理所用刻蚀气体元素之间的原子间键合能。
4.用于等离子体刻蚀装置中晶片的刻蚀和干清洗处理的等离子体处理方法，其特征在于：
所述干清洗处理有以下的步骤，清洗粘附在刻蚀装置内部的淀积化合物，所用清洗气体包含这样的材料，它和构成所述化合物的至少一种元素的原子间键合能，在数值上大于构成所述化合物元素之间的原子间键合能。
5.利用多种气体的等离子体干清洗等离子体刻蚀装置的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步清洗和第二步清洗，其中第二步清洗所用气体包含以下的材料，它和构成所述第一步清洗所用气体的元素的原子间键合能，在数值上大于构成被刻蚀材料元素和构成第一步清洗时所用气体的元素之间的原子间键合能。
6.等离子体刻蚀装置的干清洗方法，其特征在于进行干刻蚀的步骤包括：
清洗步骤，所用气体包含以下的材料，它和构成刻蚀所用气体的元素的原子间键合能，在数值上大于构成刻蚀装置内部组件材料的元素和构成刻蚀所用气体的元素的原子间键合能。
7.在等离子体刻蚀装置内利用多种气体的等离子体干清洗所处理材料的方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步清洗和第二步清洗，其中第二步清洗所用气体包含以下的材料，它和构成所述第一步清洗所用气体的元素的原子间键合能，在数值上大于构成刻蚀装置内部组件材料的元素和构成第一步清洗时所用气体的元素之间的原子间键合能。
8.干清洗方法，在刻蚀装置内的刻蚀或清洗过程中，当被刻蚀材料含有金属氧化物时，使用的气体等离子体含有氟，氯和氧中的一种，其特征在于：
干清洗过程至少包括这样一个清洗步骤，即采用含硼气体和氯气的混合气体。
9.干清洗方法，在刻蚀装置内的刻蚀或清洗过程中，当被刻蚀材料含有铝，钨，铜和铂之一时，使用的气体等离子体至少含有氟，氯和氧中的一种，其特征在于：
干清洗过程至少包括这样一个清洗步骤，即采用含硼气体和氯气的混合气体。
10.刻蚀加工装置，其内部组件包括由有氧陶瓷，石英和表面氧化膜的金属材料制成的物体，其特征在于：
干清洗过程至少包括这样一个清洗步骤，即采用含硼气体或者包含这种含硼气体的混合气体。
11.根据前述权利要求1到9的任一项的清洗方法，其特征在于：
根据给定数选择性地进行等离子体清洗。
12.半导体器件的制造方法，其特征在于：
应用权利要求1到10的任一清洗方法，清洗制造装置内部，然后利用这些制造装置进行半导体晶片的表面处理。
13.在加工装置内对加工材料进行等离子体处理的等离子体处理方法，其特征在于：
在完成所述等离子体处理后，本方法包括一个干清洗过程，该清洗过程就是使用用于清除刻蚀反应物的清洗气体，以及使用用于清除加工装置的内部组件材料的离子溅射物或加工装置内部组件材料和刻蚀气体的化学化合物的清洗气体。
14.在加工装置内对加工材料进行等离子体处理的等离子体处理方法，其特征在于：
在完成所述等离子体处理后，本方法包括清除刻蚀反应物的步骤，以及清除加工装置的内部组件材料的离子溅射物或加工装置内部组件材料和刻蚀气体的化学化合物的步骤。
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