CN1891858A - 用于反应气净化工具部件的方法和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有在半导体沉积室中形成的多余的残留物涂层的沾污工具部件的净化的改进。在该方法中，将待净化的沾污部件从半导体沉积室中移走，并放置在离线于半导体沉积室的反应室中，即在离线气体反应室中。当在所述离线反应器中时，在将残留物转化为挥发性物质的条件下，使沾污部件与反应气接触，然后从所述离线气体反应室中除去挥发性物质，从而在离线反应器中除去沾污部件上的残留物涂层。

Description

用于反应气净化工具部件的方法和工艺
发明背景
在电子工业中，已经发展出各种各样的沉积技术，其中将选定的材料沉积到靶基材上以生产电子元件例如半导体。一种沉积方法是化学气相沉积(CVD)，其中将气体反应物引入热加工室中，导致将薄膜沉积到所需的基材上。
通常所有沉积方法例如CVD、ALD、PVD和PECVD导致薄膜和微粒材料堆积到除靶基材外半导体沉积室中的所有表面和设备上。累积在反应器壁、工具部件例如工具表面、喷头、基座和其它设备上的任何材料、薄膜及类似物都被认为是污染物，并可能在电子产品元件中导致缺陷。
普遍认为必须定期净化半导体沉积室和设备以除去多余的污染沉积物。通常离线净化沉积室内的某些固定装置，也就是工具部件。一般将这种离线净化称为“部件”净化，当整个腔室的净化不可行或不必要时，部件净化特别有效。常规地，使用机械方法例如喷砂，或者湿法例如在酸性或苛性溶液中浸泡，离线净化沉积室内的部件。可以联合应用机械方法和湿法以除去一些坚硬并且耐化学品的材料。机械法和湿法都是劳动密集并且环境不友好的。
下述参考文献说明在半导体生产中用于沉积薄膜并净化沉积室的方法：
US 2003/0109138A1公开了使用等离子气源例如NF3或SF6与含碳氟气例如CxHyFz结合在半导体结构中蚀刻钽涂层的方法。其还描述了远程等离子体除去形成于加工室内表面上的含Ta沉积物的用途。
US 6,274,058B1公开了远程等离子体净化加工室尤其是用于沉积钽的加工室的原位方法。适用于净化该室内沉积产物的反应气包括卤素气体例如NF3、F2、CF4、SF6、C2F6、CCl4和C2Cl6。
US 5421957公开了冷壁CVD室的低温净化方法。该方法在无水分条件下原位进行。使用蚀刻气体例如三氟化氮、三氟化氯、六氟化硫和四氟化碳净化各种材料例如外延硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅和难熔金属、钛、钨及其硅化物的薄膜。其显示出在400～600℃的温度下NF3蚀刻室壁。
US 6,067,999公开了控制并将对环境有害的材料的排放减至最小的两步净化方法，包括步骤：形成加工温度；提供流速超过55sccm(标准立方厘米每分钟)在惰性气体例如氦、氩、一氧化二氮及混合物中含15～25％NF3的混合物；在PECVD加工温度下形成1.5到9.5Torr的压力；在加工温度下形成等离子体；在加工室中形成低压，并在低压室中形成等离子体。
US 5,043,299公开了在掩蔽的半导体上选择性沉积钨的方法，在气密净化室中净化晶片的表面，然后输送到洁净的真空沉积室中进行选择性沉积。在选择性钨CVD方法中，当用H2作为还原气时，将底板或基座与晶片保持在从350到500℃的温度下，当用SiH4作为还原气时，保持在从200到400℃的温度下。将含卤素气体例如BCl3用于净化晶片的氧化铝表面，以及将NF3或SF6用于净化氧化硅。其还公开了净化CVD室以除去由前面用NF3等离子体然后用H2等离子体沉积方法产生的钨残留物的方法。
GB 2,183,204A公开了NF3用于原位净化CVD沉积金属构件、舟皿、管和石英器皿以及半导体晶片的用途。将NF3引入超过350℃的热反应器，足够长时间以除去氮化硅、多晶硅、硅化钛、硅化钨、难熔金属和硅化物。
发明概述
本发明涉及净化沾污的工具部件的改进，该部件上具有在半导体沉积法中在沉积期间在其上形成的多余的残留物涂层。在该方法中，将待净化的沾污的工具部件从半导体沉积室中移走，并放置于与半导体沉积室分离的离线气体反应室中。通过在所述离线气体反应室中与气相化学试剂反应形成挥发性物质的条件下，使覆盖有多余残留物的工具部件与反应气接触，然后从所述离线气体反应室中除去挥发性物质，从工具部件上除去沾污部件上的残留物涂层。
由该方法能够取得显著的优势，其中一部分包括：
干法净化部件的能力，这提供了较高产量、较少劳动量、较高选择性和降低的环境影响；
净化来自不同反应室的部件的能力，这些室可以执行不同的沉积或蚀刻步骤，或者在同一反应室中有不同的处理时间；
优化具有非所需量的残留物(厚层)的工具部件例如喷头、护罩及类似物的净化参数的能力，这些参数不同于固定定位的沉积室原位净化的净化参数；
能够通过移走并立即替换特定工具部件，使反应沉积室保持运转，从而有助于提高产量。例如，在原位净化反应室时，即使仅有一个固定装置需要净化，也必须使整个室离线并进行处理。用改进的方法离线净化工具部件，能够从反应沉积反应器中移走待净化的沾污部件，并且在反应沉积反应器中立即替换干净的部件，和允许反应沉积反应器运转；
利用不同的气体活化装置提供比原位净化高的净化效率的能力；和
能够通过离线反应气部件净化达到室净化的灵活性，允许更有效的净化，由于减少用于净化的停机时间而提高生产量，并且节省费用。
发明详述
本发明致力于改进用于净化工具部件的方法，该工具部件被在半导体沉积室中于沉积期间在其上形成的多余的沉积残留物污染。在一些半导体生产方法中，例如PVD(物理气相沉积)、溅射沉积、MOCVD(金属有机化学气相沉积)、ALD(原子气相沉积)、CVD(化学气相沉积)或PECVD(等离子体增强化学气相沉积)，方法残留物覆盖内室和工具部件。在用于平板显示器的反应器和涂覆工业的应用中，多余的材料也可能覆盖工具部件，例如喷头和防护罩等。工具部件净化方法的改进在于：将沾污部件从半导体沉积室中移走，并将沾污部件放置于离线气体反应室中。通过在与气相化学试剂反应形成挥发性物质的条件下，使工具部件与反应气接触，然后从离线气体反应室中除去挥发性物质，从沾污的工具部件上清除残留物。于是反应气净化的一项基本要求是，将沾污的工具部件上的固态、非挥发性的多余的残留物转化为能够用真空系统除去的挥发性物质。
适用于部件净化的反应气通常是含卤素的气体，例如含Cl或含F化合物。示例性的化合物是Cl2、HCl、BCl3、CF4、SF6、CHF3和NF3。通过等离子体与含卤素化合物的协同作用，能够产生化学活性的氟物质，例如离子和自由基，并且离子和自由基与室壁和其它设备上的薄膜反应，然后能够从CVD反应器中清扫气相残留物。
相对于工具部件的基底金属，所述反应气应当具有对包含在沾污的工具部件上的沉积残留物的高选择性。该基底金属可以是铝、钛、不锈钢或任何其它可用于制造室部件的金属。高选择性提供部件的完全净化，不会对下面的金属基材造成任何损坏。
用于在离线气体反应室中有效净化的外部能量源可以从热力加热、远程等离子体激活或原位等离子体激活，或热力加热与等离子体结合中提供。较高的温度能够加速化学反应，并使反应副产物更易挥发。然而，在许多半导体生产沉积室中仅使用温度作为能量源可能存在实用上的局限性。远程等离子体能够产生反应物质以促进反应，不会由于离子轰击导致损坏基材。
为了说明在离线气体反应室中净化工具部件的路线，提供如下内容。在沉积到半导体沉积室内的工具部件上的多余残留物的沉积累积到不能接受的水平后，从半导体沉积室中移走待净化的工具部件，并载入离线气体反应室中。必要的是离线气体反应室与半导体沉积室分离。
在将工具部件载入离线气体反应室后，将室抽空至压力一般为10-4Torr或更低。如果使用热力加热，离线气体反应室可以用电阻加热器提供。
将反应气从各种源，例如传统的气瓶、可靠的传送系统、真空传送系统、或固相或液基发生器，传送到离线气体反应室。如果将等离子体用作外部能量源，打开到离线气体反应室的动力，供应反应气，将产生的等离子体引入离线反应室。
将产生的等离子体输送到离线气体反应室。用反应气处理在离线干法气体反应室中的沾污工具部件，并且工具部件上的残留物被反应气转化为挥发性物质。在预定时间后，关闭等离子体源或加热器，并停止反应气流。抽空离线气体反应室并排气。然后可以从反应室中取回部件，并重新用于半导体沉积室。
下列实施例意在说明本发明的各种实施方案，而不是对其范围的限制。
                          实施例1
                  用远程NF3等离子体除去Ta/TaN
常规工序
将MKS Astron远程等离子体发生器安装于反应室顶部。Astron发生器出口和样品管之间的距离为约6英寸。将试样管放置于底座加热器的表面上。该加热器用于获得不同的基材温度。
在所有的流程中，打开远程等离子体，用400sccmNF3和400sccmAr的混合物作为过程气体，并将室压保持在4Torr。
将来自PVD室作为用反应气净化的Ta/TaN沉积残留物净化的实验样品，从19″的盾状(shield)切割为1.5″×3″的矩形。在每一次实验流程中，评估Ta/TaN和基底金属之间的选择性，将仅有基底金属(没有沾污的Ta/TaN涂层)的对照样品与有Ta/TaN涂层的其它样品并排放置。Ta/TaN涂层的初始厚度在十分之一毫米的范围内。由样品在反应气处理前和处理后的重量变化测定蚀刻率。
测试流程
Ta/TaN涂层沾污的工具部件样品一样品#2用于获取Ta/TaN蚀刻率，并且仅有基底材料(铝)的工具部件样品一样品#3用于校验除去污染物Ta/TaN和基底材料的选择性。在暴露于远程等离子体13分钟后，具有Ta/TaN涂层的样品2失重5.7591g。考虑到暴露的Ta/TaN涂层面积为约4.5in2，Ta/TaN蚀刻率为约0.1g/(min·in2)，高于Si或SiO2在同样实验条件下的蚀刻率。远程NF3等离子体从样品2有效地除去Ta/TaN沉积物。
与Ta/TaN涂层样品(#2)相反，基底铝样品(#3)没有失重。Al样品细致的视觉检查显示没有表面破损。
总之，提供这一使用NF3激活等离子体的离线净化方法，用于高选择性除去Ta/TaN涂覆的铝基工具部件。此外，激活的NF3不会对基底材料产生破坏。另一方面，当使用湿净化方法时，例如采用HCl这种用于这类化学沉积产品的一般净化试剂，可能导致损坏基底金属。
                          实施例2
       用远程NF3等离子体从不锈钢(SS)和钛(Ti)基底材料除去Ta/TaN
除工具部件的基底金属用不锈钢(SS)和钛(Ti)替代铝外，其它按照实施例1的工序。相似地，由于从工具部件有效地除去了Ta/TaN沾污物膜，并且SS和Ti材料未发现损坏，因此实现了高选择性。
表1列出在实施例1和2中从工具部件除去Ta/TaN薄膜的检测结果汇总。
                          表1
    在NF3远程等离子体(4Torr，400SccmNF3和400SccmAr)中
              从各种基底材料除去Ta/TaN的选择性
样品管 样品尺寸(in2)   蚀刻时间(min) 失重(g) 蚀刻率(g/(min·in2)) 选择性
  TaN 4.5   13   5.7591 0.1   1
  Al 4.5   13   0.0009 0   ＞1000
  SS   9   5   0   0   ＞1000
  Ti   5   5   0   0   ＞1000
概括而言，数据显示：从工具部件离线除去Ta/TaN残留物薄膜能够在与气体沉积室分离、能够形成挥发性物质并能够通过真空从室中除去挥发性物质的离线气体反应气体室中进行。等离子体增强激活也能够辅助除去多余的沉积残留物，不损伤基底金属，例如Al、SS和Ti。
该离线工具部件净化方法用于PVD方法可能是有利的。任何采用远程等离子体原位净化沉积室，可能导致损坏靶。常规地，为避免损坏靶，通过浸入强酸或苛性溶液，或通过机械方法例如擦洗或喷砂离线净化来自PVD方法的工具部件。湿法净化和机械方法都不能如此处和实施例1中描述的方法一样提供相对于基底材料从工具部件除去多余的残留物的高选择性。
                          实施例3
                  从底座加热器的表面除去TiN
在一般的氮化钛(TiN)低温CVD方法中，操作温度为约150℃。常规地，因为在这种低温沉积中使用的商用半导体沉积室的设计(一般地这样的室具有约200℃的上限设计操作温度)，所以在低温用极毒并且腐蚀性的过程气体例如ClF3净化该室。
在本实施例中，从TiN半导体沉积室中取出底座加热器，该加热器表面有约20μm的TiN沉积层。按照实施例1的工序，在离线气体反应室中用NF3作为反应气来进行远程等离子体净化，只是作如下变化：将从底座加热器切下的小部件用作样品，打开净化室内的电阻加热器并将温度保持在150℃。在45分钟内，从底座加热器部件完全除去氮化钛残留物层。在底座加热器的表面未观察到损伤。
本实施例举例说明了在专用工具部件净化反应器中离线净化底座工具部件，这可能是需要在半导体沉积室中净化的唯一零件。由于成本高昂，因此不必更改半导体沉积室以允许用可选择的反应物替代有毒的ClF3的高温或远程等离子体净化。
                          实施例4
                       除去HfO2材料
一般用原子层沉积(ALD)方法制备能用作高介电材料的HfO2薄膜。用于该方法的操作温度通常低于150℃，并且将沉积室设计为用于低温沉积。
HfO2耐化学品性强，此材料在半导体沉积室中的原位净化是困难的。为了达到从工具部件除去HfO2的适当速率，需要远高于150℃的温度。在热条件下，可能需要至少500℃的温度。
在本实施例中，从ALD沉积室中取出HfO2涂覆的晶片样品，并在离线气体反应室中高温蚀刻。按照实施例1的工序，只是作如下变化：样品是HfO2涂覆的晶片；过程气体是BCl3；离线气体反应室的温度保持在600℃，并且室压保持在100Torr。关闭远程等离子体发生器。在这样的实验条件下，达到1.1nm/min的HfO2蚀刻率。
本实施例表明，在半导体沉积室内原位除去沉积残留物无法实施，而离线净化难以除去的残留物能够实现。

Claims (16)

1、一种用于净化工具部件的方法，所述工具部件被在半导体沉积室中形成于所述工具部件上的沉积残留物污染，该方法包括：
将被沉积残留物污染的所述工具部件从所述半导体沉积室中移走；
将所述工具部件引入离线气体反应室；
在将所述沉积残留物转化为挥发性物质的条件下，使所述工具部件与反应气接触；
从所述离线气体反应室中除去所述挥发性物质；
从所述离线气体反应室中回收基本没有沉积残留物的所述工具部件；然后
在半导体沉积室中使用所述工具部件。
2、如权利要求1所述的方法，其中工具部件包含选自铝、不锈钢和钛的基底金属。
3、如权利要求1所述的方法，其中反应气是含卤素气体。
4、如权利要求3所述的方法，其中含卤素气体选自Cl2、HCl、BCl3、CF4、SF6、CHF3、NF3、C2F6和C3F8。
5、如权利要求3所述的方法，其中用热或等离子体激活反应气。
6、如权利要求3所述的方法，其中工具部件被TaN、HfO2或TiN薄膜污染。
7、如权利要求3所述的方法，其中反应气是NF3。
8、一种用于净化被其表面上的残留物污染的工具部件的方法，在具有约200℃的上限设计操作温度的半导体沉积室中，暴露于沉积在基材上的沉积材料产生所述残留物，选择性净化所述工具部件并生产干净的工具部件的改进包括：
将工具部件从所述半导体沉积室中移走；
将所述工具部件放置在与沉积反应器分离的离线气体反应室中；
当在所述离线气体反应室中时，在导致气体与在所述工具部件上的所述残留物之间发生反应将所述残留物转化为挥发性物质产生干净的工具部件的条件下，使所述工具部件与所述气体接触；
通过向所述离线气体反应室抽真空来除去所述挥发性物质；和
将所述干净的工具部件从所述离线气体反应室移走。
9、如权利要求8所述的方法，其中在所述离线气体反应室中，至少500℃的温度下，用反应气除去所述沉积残留物。
10、如权利要求9所述的方法，其中在所述工具部件上的残留物是HfO2。
11、如权利要求8所述的方法，其中将远程等离子体用于从所述工具部件除去多余的残留物。
12、如权利要求8所述的方法，其中通过低温化学气相沉积形成残留物。
13、如权利要求12所述的方法，其中反应气是NF3。
14、如权利要求13所述的方法，其中在所述工具部件上的残留物是TiN或TaN。
15、如权利要求9所述的方法，其中反应气是含卤素气体。
16、如权利要求15所述的方法，其中含卤素气体选自Cl2、HCl、BCl3、CF4、SF6、CHF3、NF3、C2F6和C3F8。
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