CN1497666A - 用于半导体工作室的氟气热活化 - Google Patents

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Abstract

用于半导体工作室清洗工艺的热活化氧化清洗气体的方法和系统。氧化清洗气体通过使该氧化清洗气体与加热的惰性气体反应进行热活化。得到的热活化氧化清洗气体不容易失活，因此提供了增强的清洗能力。

Description

用于半导体工作室的氟气热活化
背景技术
1.技术领域
本发明主要涉及用来供给半导体工作室气体的装置。本发明尤其涉及用来供给热活化的氟气或氧化清洗气体以清洗半导体工作室的装置，以及用该热活化氟气或氧化清洗气体清洗处理工作室的工艺。
2. 在前技术说明
半导体器件制造的一个主要步骤是通过气相母体的化学反应在半导体衬底上形成薄膜。典型的沉积工艺包括化学气相沉积(CVD)。常规的热CVD工艺供给反应气体至衬底表面，在该衬底表面发生热活化化学反应以在正在加工的衬底表面上形成薄膜层。
然而，沉积在整个工作室腔体中发生，并不仅仅在衬底上发生。最厚的沉积发生在腔体最热的区域，该最热区域通常为衬底区域，但是一些沉积在其他的区域发生，甚至是非常冷的区域或者没有直接暴露于气相母体的区域，例如工作室壁、窗口、气体喷嘴、工具等等。
这些沉积可能导致许多问题，例如堵塞气体喷嘴的细小孔洞，破坏气体的均匀流动并影响处理均匀性，以及玷污工作室的窗口，影响检查工作室的能力。另外，它们可能形成微粒，该微粒可能会落到衬底上并在沉积层中形成缺陷或者妨碍沉积系统的机械运作。
为了避免这样的问题，工作室的内表面被进行常规的清洗以将不需要的沉积材料从工作室的腔体壁和类似区域去除。这样的清洗程序通常在每一个晶片或者每n个晶片的沉积步骤之间进行。一种类型的程序包括拆卸腔体并用溶液或溶剂清洗每个部件，然后进行烘干并重新装配系统。该程序耗费大量劳力并且费时，降低了晶片加工作业生产线的效率并且增加了费用。
进行原位清洗操作是合乎需要的。典型的原位清洗操作在清洗作业中使用，例如用三氟化氮(NF3)、分子氟(F2)和三氟化氯(ClF3)作为腐蚀气体。在这些典型的清洗作业中，气体流向工作室。NF3或F2通常通过(在工作室中或在工作室前的一个遥控室内提供)射频电场或磁控管法形成低压等离子体进行活化。ClF3或F2能够直接导入加热的工作室，但是由于气体的反应性，工作室必须从它的操作工况冷却下来以避免对部件的损坏。
Vasudev等的美国专利No.6,242,347公开了另一种清洗处理工作室的方法。该公开方法包括在晶片之间使用氯气作为卤素清洗气体的简短热清洗步骤。该氯气以大约500～700°F的高温导入工作室。该氯气可以与约达99.9％体积的惰性稀释气体进行混合。
Ishibashi的美国专利No.6,375,756公开了去除沉积在成膜室内的膜的方法。一个热的元件暴露在工作室中并且在工作室被抽空之后加热到2000℃或更高的温度。然后，通过热的元件分解和/或活化以产生将沉积薄膜转变成气体物质的活化物质的氧化清洗气体被导入工作室。该氧化清洗气体可以是氟气、氯气、三氟化氮、四氟化碳、六氟乙烷、八氟丙烷、四氯化碳、五氟氯乙烷、三氟氯、三氟氯甲烷、六氟化硫，或者它们的混合物。
有几个与使用加热元件来加热氧化清洗气体的系统相关的缺点。在美国专利No.6,242,347中，使用了活性不如F2或ClF3并且仅仅适合于包含钛的淀积物的Cl2气体。由于快速去除淀积物对于减少非生产性的清洗时间是合乎需要的，F2或ClF3会是更加理想的清洗剂，但是加热的工作室在该工艺所使用的温度下可能会被严重地损坏。因此，较小活性的Cl2被使用了。
在美国专利No.6,375,756中，另一个缺点是氧化清洗气体与元件起化学反应。如专利中所述，温度在2000℃以上必须小心控制以避免反应。当元件冷却进行沉积工艺时，元件非常容易受侵害。结果，元件性能恶化并且不能按照需要发挥其性能。在2000℃温度下，金属原子会从灯丝蒸发并沉积在腔体中，因此玷污腔体。同样，通过位于腔体内的元件对工作室进行过度加热可能引起腔体内部件和真空密封的损坏。这一点通过用铂涂覆电连接器以保护它们免受侵害的建议进行了说明。该过程昂贵并且不可靠。
发明内容
热活化氧化清洗气体的工艺包括以下步骤：(a)使氧化清洗气体与预热的惰性气体进行反应以形成包含自由基的气态混合物；以及(b)将气态混合物通到反应室，其中自由基与反应室内所包含的一种或多种淀积物进行反应以形成废气，例如SiF4、CF4或者TiF4。
氧化清洗气体最好选自包括以下气体的小组：氟气、氯气、XeF2、ClFx、BrFx(其中x＝1，3，5)、O2、O3、NF3、任何碳氟化合物气体、其他的高度氧化性或活性气体，以及它们的任意组合。该氧化清洗气体以大约1到20slpm之间的流量流入混合室。
惰性气体最好选自包括以下气体的小组：氩气、氮气、氦气，以及它们的任意组合。该惰性气体以大约1到大约20slpm之间的流量流入混合室。该惰性气体最好预热至大约400℃到大约650℃之间的温度。
反应室中发现的淀积物通常为二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化钨、氮化钛、TaN，或者它们的组合物，使得废气为SiF4、CF4、WF6、TaF5或者TiF4。
本发明同样包括热活化氧化清洗气体的系统，该系统包括：能够使氧化清洗气体和预热惰性气体进行反应以形成具有基团的气态混合物的混合室；以及用于半导体加工过程的反应室，它与混合室气体连通，其中自由基与反应室内所包含的一种或多种淀积物进行反应以形成废气。
更为适宜的是，氧化清洗气体通过具有大约1/4英寸到大约3/4英寸之间直径的氟进气管输入混合室。
预热的惰性气体通常通过具有大约1/2英寸到大约2英寸之间直径的惰性气体进气管输入混合室，其中，惰性气体进气管包含导热材料例如金属粉末制成的填料床。该金属粉末最好选自以下金属：镍、哈司特洛伊耐蚀镍基合金、不锈钢，以及它们的组合。如果没有对特定工艺的玷污顾虑，铜合金和铝合金同样可以被使用。惰性气体进气管进一步包含加热装置，其中加热装置围绕着惰性气体进气管。该加热装置选自包括以下加热器的小组：电阻加热器、辐射加热器、煤气燃烧加热器，以及它们的任意组合。
反应室用选自包括以下材料的惰性材料进行制造：蓝宝石、致密氧化铝、镍、哈司特洛伊耐蚀基镍合金以及它们的任意组合。反应室包含外管和插入外管的内衬。更为适宜的是，反应室包含镍外管和蓝宝石内管。该内管可在与活化气体混合物的出口相反的一端的冷区域被封接到外管上。
附图说明
图1阐明了本发明的热活化装置。
发明说明
本发明提供了无需使用加热元件用于清洗工艺的热活化氧化清洗气体的系统。将氧化清洗气体与加热的惰性气体进行混合热活化了氧化清洗气体。该系统不仅消除了加热元件接触氧化清洗气体的需要，而且产生热活化的气体，由于该气体与惰性气体进行混合以保持自由基物质分离，该气体不容易失活。
参考图1，用于供给热活化氧化清洗气体至工作室的热活化设备通过参照数字10进行大体说明。热活化设备10具有氧化清洗气体进气管12、惰性气体进气管14、混合室20、排气管24以及反应室26。
氧化清洗气体被通入进气管12。用于本发明的合适氧化清洗气体包括，例如氟气、氯气、XeF2、ClFx、BrFx(其中x＝1，3，5)、O2、O3、NF3、碳氟化合物气体、其他的高度氧化性或活性气体，以及它们的任意组合。氧化清洗气体为氟气更为适宜。
进气管12用能够通入本发明氧化清洗气体的任何合适材料进行制造。合适的材料包括，例如蓝宝石、致密氧化铝、镍、哈司特洛伊耐蚀镍基合金以及它们的任意组合。
进气管12具有大约1/4英寸到大约3/4英寸的直径。进气管具有大约1/4英寸到大约1/2英寸的直径更为适宜。
氧化清洗气体以大约1splm到大约20slpm的流量流过进气管12。氧化清洗气体以大约2splm-6slpm的流量流动更为适宜。
惰性气体进气管14具有金属细粒填料床16和围绕进气管14的加热器18。加热器18加热该金属细粒，该金属细粒又加热流过进气管14的惰性气体。用于填料床16的合适金属细粒包括，例如，镍、哈司特洛伊耐蚀镍基合金、不锈钢，以及它们的任意组合。如果没有对特定工艺的玷污顾虑，铜合金和铝合金同样可以被使用。金属细粒以镍更为适宜。
用于本发明的合适惰性气体包括，例如，氩气、氮气、氦气，以及它们的任意组合。
进气管14用能够运载惰性气体以与本发明的氧化清洗气体混合的任何合适材料进行制造。合适的材料包括，例如，镍、哈司特洛伊耐蚀镍基合金、不锈钢，以及它们的任意组合。
进气管14具有大约1/2英寸到大约2英寸的直径。进气管具有大约1/2英寸到大约1英寸的直径更为适宜，大约为3/4英寸尤其适宜。
惰性气体以大约1splm到大约20slpm的流量流过进气管14。惰性气体以大约1splm到大约10slpm的流量流动更为适宜，为大约2splm到大约6slpm尤其适宜。
加热器18围绕进气管14并且加热流过进气管的惰性气体至大约400℃到大约650℃的温度。加热器18可以是用于加热流过进气管14的惰性气体的任何合适加热器。合适的加热器包括，例如，电阻加热器、辐射加热器、煤气燃烧加热器，以及它们的任意组合。
来自进气管14的加热的惰性气体流入混合室20并且通过氧化清洗气体进气管12的外部周围。在混合室20中，加热的惰性气体与氧化清洗气体进行混合。该混合气流然后立即流过反应室22，该反应室由高度惰性的材料例如蓝宝石或致密氧化铝制成。
使用惰性材料例如蓝宝石制造反应室22是本发明的一个关键方面。如果不使用惰性材料，由于氧化清洗气体对其他材料的反应性，反应室会变得无效并且可能导致危险操作。
用来制造反应室22的合适惰性材料包括，例如镍、致密氧化铝、蓝宝石、氟化铝、氟化钙，或者它们的任意组合。反应室22由蓝宝石制成更为适宜，该蓝宝石是一种形成氟化铝钝化层的晶体氧化铝材料。
在一个较佳实施例中，蓝宝石内管在冷的惰性气体吹扫端被封接到镍外管上。这使得标准的高弹体密封，例如Viton或Kalrez密封能够被使用，而没有被氧化清洗气体损坏的危险。
反应室22的大小可确保氧化清洗气体与加热惰性气体之间的足够接触。为了达到氧化清洗气体与加热惰性气体之间足够的接触，反应室22具有大约1/2英寸到大约1英寸的直径。反应室22具有大约1/2英寸到大约1英寸的直径更为适宜。
与高温惰性气体进行混合的氧化清洗气体通过短的排气管24并进入待清洗的工作室。再次，排气管24用惰性材料进行制造以避免与热活化氧化清洗气体进行反应是关键的。合适的惰性材料包括用于制造反应室22的相同材料。排气管24由镍管内部为蓝宝石的镍管制成更为适宜。
氧化清洗气体通过工作室26并与工作室内的一种或多种淀积物进行反应。该反应导致废气的形成，该废气经由排气管线28从工作室26排出。通常在工作室26内发现的淀积物包括，例如，二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化钨、氮化钛、TaN，或者它们的组合。当氟气作为氧化清洗气体使用时，废气通常为SiF4、CF4、WF6、TaF5或者TiF4。
在该过程中，几种可能的化学反应可能产生。如果惰性气体例如氦气或者氮气被使用，并且氧化清洗气体为氟气，反应将会倾向形成氟自由基。氟气会分裂成高度活性并且非常具有氧化能力的状态，在该状态下氟元素形成自由基。由于通过惰性气体提供的稀释作用，这些自由基此刻不能互相重新结合，直至足够的混合发生。这会使该混合物的活性保持一段时间，使它通过工作室并且与想得到的淀积物进行反应。
如果氩气作为惰性气体使用并且氟气作为氧化清洗气体使用，可能会形成中间化合物【ArFx】。这是一种亚稳化合物，该化合物在通入待清洗的工作室时容易释放出氟自由基。氟化氩可以使活性氟稳定更长的一段时间，因此在该过程中使氟保持在活性状态它是有效的。把氟化氩增加到最大限度将依赖于相对的氩气流量以及混合室的合适温度。
关于氟气，就一切情况而论，由于贮存在钢瓶内的氟气是不实用的，该氟气可以在电解氟气发生器中产生。惰性气体通过压缩的气体钢瓶或者液态贮存系统供给。
总的来说，通过使用本发明的装置，热清洗工艺具有将更高百分比的分子氟转变成氟自由基的潜力。这是由于热能存在于整个反应室中而胜于集中为“冠状”放热的事实，并且整个氟气流会与该高温惰性气体接触。一旦氟气分裂成基团，该惰性气体本身保持这些物质分离，使这些自由基通入需要清洗的腔体，而不会重新结合形成分子氟。
本发明的另一个优势是元素氟比其他常规使用的氧化清洗气体，例如NF3更为便宜。本发明的热活化系统考虑用更低的成本生成氟气以用相当低的所有权价格为设备使用者提供必需的反应物来清洗腔体。
应该理解的是，前面的描述仅仅是本发明的说明。各种替代形式或更改可能通过那些本领域熟悉人员进行设计而不偏离本发明。相应地，本发明意在包含所有这样的替代形式、更改以及变化。

Claims (24)

1.热活化氧化清洗气体的工艺，包括以下步骤：
(a)使氧化清洗气体与预热的惰性气体进行反应以形成具有一个或多个自由基的气态混合物；以及
(b)将上述气态混合物通到反应室，其特征在于，上述一个或多个自由基与上述反应室内所包含的一种或多种淀积物进行反应以形成废气。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述氧化清洗气体选自以下气体：氟气、氯气、XeF2、ClFx、BrFx、O2、O3、NF3、碳氟化合物气体，以及它们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述氧化清洗气体以大约1splm-20slpm的流量流入所述混合室。
4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述惰性气体选自以下气体：氩气、氮气、氦气，以及它们的任意组合。
5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述惰性气体以大约1splm-20slpm的流量流入上述混合室。
6.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述惰性气体被预热至大约250℃-800℃之间的温度。
7.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述一种或多种淀积物选自以下淀积物：二氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化钨、氮化钛、TaN，或者它们的任意组合。
8.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，上述废气为选自以下至少一种气体：SiF4、CF4、WF6、TaF5或者TiF4。
9.热活化氧化清洗气体的系统，包括：
(a)混合室，能够使氧化清洗气体和预热惰性气体进行反应形成具有一个或多个自由基的气态混合物；以及
(b)用于与上述混合室进行气态传递的半导体加工过程的反应室，其特征在于，上述一个或多个自由基与上述反应腔室所包含的一种或多种淀积物进行反应以形成废气。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述氧化清洗气体选自以下气体：氟气、氯气、XeF2、ClFx、BrFx、O2、O3、NF3、碳氟化合物气体，以及它们的任意组合。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述氧化清洗气体通过具有大约1/4英寸至大约1英寸的直径的进气管输入上述混合室。
12.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述惰性气体选自以下气体：氩气、氮气、氦气，以及它们的任意组合。
13.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述预热惰性气体通过直径大约为1/2英寸至大约2英寸的惰性气体进气管输入上述混合室。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，上述惰性气体进气管包含导热材料制成的填料床。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，上述导热材料为金属细粒。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，上述金属细粒选自以下金属：镍、哈司特洛伊耐蚀镍基合金、不锈钢、铜合金、铝合金，以及它们的任意组合。
17.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，上述惰性气体进气管还包括加热装置。
18.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，上述加热装置包围着上述惰性气体进气管。
19.根据权利要求17所述的系统，其特征在于，上述加热装置选自以下加热器：电阻加热器、辐射加热器、煤气燃烧加热器，以及它们的任意组合。
20.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述反应室用惰性材料构造。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，上述惰性材料选自以下材料：镍、致密氧化铝、蓝宝石、氟化铝、氟化钙，或者它们的任意组合。
22.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述反应室包含外管和插入外管的内衬。
23.根据权利要求22所述的系统，其特征在于，上述反应室包含镍外管和蓝宝石内衬。
24.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，上述废气为选自以下的至少一种气体：SiF4、CF4、WF6、TaF5，以及TiF4。
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