CN1914710A - 在基片处理过程中选择性蚀刻氮化硅的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够在氧化硅的存在下选择性地蚀刻氮化硅，从而在稳定氧化硅蚀刻速率的同时提供高选择性的系统(图5)和方法。本发明包括处理室(10)，分配管道(20，21，22)，加入管道(30，31，32)，回流管道(40)，过程控制器(200)，浓度传感器(50)，颗粒计数器(55)和排出管道(90)。本发明在处理至少一个基片的过程中动态地控制所用蚀刻剂组分的浓度比和/或动态地控制蚀刻剂中的颗粒数。结果可以延长蚀刻剂浴寿命，而且可以更严格地控制蚀刻过程的参数。

Description

在基片处理过程中选择性蚀刻氮化硅的系统和方法
                       相关申请交叉引用
本申请要求2003年12月30日提交的美国临时申请第60/533,097号的优先权，该专利全文结合在本文中。
                           发明背景
随着微电子器件尺寸的持续减小，目前已经减小到了纳米级，晶片表面制备过程在IC制造中的重要性越来越显著。处理用的化学试剂、操作顺序和清洁步骤的数量对所需最终结果的决定作用正在变得越来越关键。随着半导体制造的持续进步，人们正在设计出越来越小的器件，并将其构建在相同的晶片表面区域上。这些精细结构给制造工程师和科学家带来了一系列新问题。其中一个问题是相对于下面的氧化硅膜，选择性地蚀刻氮化硅(Si3N4)。
目前Si3N4的蚀刻是通过各种方法进行的，包括等离子体干蚀刻或活性离子蚀刻(RIE)。然而，对Si3N4的活性离子蚀刻对下面的氧化膜没有高选择性。另外，Si3N4的活性离子蚀刻会以表面点蚀的形式降解下面的膜或硅基片。另一种现有的蚀刻Si3N4的方法是通过施用磷酸(H3PO4)进行蚀刻。使用H3PO4已经有一定的历史，这是由于相对于二氧化硅(SiO2)，磷酸对Si3N4具有高蚀刻选择性。使用H3PO4的Si3N4蚀刻反应通常可描述如下：
在此反应中，水使Si3N4水解形成含水氧化硅和氨。氨保留在溶液中，形成磷酸铵。该反应表明水是蚀刻Si3N4的化学物质的组成部分。当蚀刻氮化物时，在溶液中形成水合的SiO2(H2OSiO2)，抑制了对SiO2的蚀刻，即产生了更高的选择性。如图1和图2所示，SiO2蚀刻持续减少，直至系统(磷酸液体和晶片)达到平衡(无传质)，此时SiO2蚀刻停止。一旦达到平衡，明显会重新沉淀SiO2膜。蚀刻浴寿命(bathlife)将取决于处理过程所容许的这种重新沉积的限度。尽管这种对氧化物蚀刻速率的减缓是有益的(即有更高的选择性)，但是这种重新沉积会在晶片上产生高颗粒数，这是不希望有的。这种现象如此显著，因此可以被预测。如图2所示，在蚀刻浴中对21×50的晶片进行处理，当观察到这种颗粒数量有显著增加时，颗粒的数量约为40个。
尽管已经开发出了大量的方法以试图在半导体制造过程中以相对于氧化硅更高的选择性蚀刻Si3N4，但是现有的系统并未达到最佳效果，存在大量的缺点。例如，在美国专利第6,376,261号(′261专利)中揭示了一种系统，该系统具有一种控制模式，可以预测晶片表面的蚀刻速率。该系统测量晶片上的薄膜的厚度，并根据在之前的过程中测得的膜厚度调节系统的参数。在晶片批料之间进行调节，使得制造时要停工，而且由于蚀刻液被污染和/或蚀刻液中组分的浓度比随时间发生变化，使得各批晶片中的蚀刻选择性减小。另外，′261专利中揭示的系统需要IC加工水平的高级加工控制系统(APC)。
在美国专利第3,715,249号(′249专利)，美国专利第6,087,273号(′273专利)和美国专利第5,885,903号(′903专利)中揭示了另外的蚀刻系统。尽管这些系统试图使用硫酸和磷酸的混合物达到选择性蚀刻，但是这些系统不含控制系统，不能通过控制加工和混合物参数来确保蚀刻中有最大的选择性。因此，由于蚀刻液被污染和/或蚀刻液中组分的浓度比随时间发生变化，这些系统使得各批晶片中的蚀刻选择性减小。
在美国专利第5,310,457号中，揭示了一种蚀刻系统，该系统向磷酸中加入HF和硝酸以提高氮化硅相对于氧化硅的选择性。然而，已证明向磷酸加入HF和硝酸在性能上并未达到最佳。
最后，尽管一些现有技术的蚀刻系统和方法可以达到氮化硅相对于二氧化硅的高蚀刻选择性，但是最大的蚀刻选择性并不是满意性的唯一目标。氮化硅蚀刻和氧化硅蚀刻速率的一致和稳定性也同样是需要的。如上所述，图1显示了使用磷酸(85重量％)的常规氮化硅蚀刻系统在165℃进行蚀刻的结果。可以看到，随着处理的晶片数量的增加，氮化物蚀刻速率保持稳定，而氧化物蚀刻速率会降低。图2中显示了类似的现象，其中监测了氮化物和氧化物蚀刻速率随时间(小时)的变化情况。选择性(即氮化硅蚀刻速率/氧化硅蚀刻速率)在图3中作图。由于氧化硅蚀刻速率持续下降，选择性很显然地随时间增大。尽管这种趋势是好的，会使得氧化硅损失最小，但是这也会限制能够进行处理的晶片的种类。通常将晶片浸入蚀刻酸内一段时间。因此，尽管氮化硅的蚀刻速率是固定的，但是不同批次之间氧化硅的去除量会改变，因此器件的尺寸会改变，使得性能改变。由于显而易见的原因，这是不希望出现的。另外，如图4所示，通过此方式连续处理晶片时，(来自蚀刻副产物的)颗粒将会在蚀刻浴中累积，并最终沉积在晶片上。对于在蚀刻浴中处理的20×50×200毫米的晶片(每个晶片上除去1500A)，晶片上颗粒的量仍然处在可接受的水平(在0.16微米时小于40)。此时，需要排掉蚀刻浴并用新鲜的酸重新注满，以进入新的处理周期。在此情况下，排/注/加热蚀刻浴需要大约2小时，这使得对蚀刻浴的利用减到最小。因此，蚀刻速率的可变性是现有的氮化硅蚀刻系统和方法的主要缺点。
                            发明简述
因此本发明的一个目的是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法能够提高氮化硅相对于氧化硅的蚀刻选择性。
本发明另一个目的是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法能够提供对加工条件和参数的动态控制。
本发明另一个目的是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法能够根据蚀刻混合物中组分的浓度比和/或硅酸盐浓度动态控制加工条件和参数。
本发明另一个目标是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法不需要IC加工水平的APC系统(APC)，而只需要达到氮化物蚀刻工具水平。
本发明另一个目标是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法可以实时测量磷酸(或磷酸/硫酸)浴中的颗粒污染物。
本发明另一个目标是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法可以提供稳定的氮化硅蚀刻速率，减小氧化物蚀刻速率的变化和/或减少颗粒污染物在蚀刻剂中的累积。
本发明另一个目标是提供从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统和方法，所述系统和方法可以在整个蚀刻浴寿命期限内提供稳定的高蚀刻选择性，稳定的氮化硅和氧化硅蚀刻速率，最小的氧化物损失，较长的蚀刻浴寿命(因此使用者成本降低)，基片上可接受的颗粒含量，和/或减少处理步骤的数量。
本发明满足了这些目标和其它的目标，在一个方面中，本发明涉及一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：提供闭合回路循环系统，该系统包括处理室和与处理室流体连接的回流管道；向闭合回路循环系统提供预定量的硫酸、磷酸和水，形成具有预定浓度比和预定体积的混合物，该混合物填充处理室，溢流进入循环管道；将至少一个基片浸没在处理室内的混合物中；使混合物循环通过闭合回路循环系统；用浓度传感器连续测量混合物的浓度比；将测得的浓度比与预定的浓度值相比较，以确定测得的浓度值是否在预定浓度比的预定范围之内；当确定测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围之内时，自动向闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，同时使基本相同体积的混合物从闭合回路循环系统中流出，这将在处理至少一个基片的过程中，使得混合物的浓度比回到预定范围内。
在一个实施方式中，本发明方法的这个方面还可包括：用颗粒计数器连续测量混合物中的固体颗粒数；将测得的颗粒数与预定的颗粒数相比较，以确定是否测得的颗粒数大于预定的颗粒数；当测得混合物的颗粒数大于预定的颗粒数时，自动地使一定体积的混合物从闭合回路循环系统流出，并向闭合回路循环系统加入基本相同体积的硫酸、磷酸和/或水，这将在处理至少一个基片的过程中，使得混合物中的颗粒数回到或小于预定的颗粒数。
在另一方面，本发明涉及一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：(a)向处理室提供预定量的硫酸、磷酸和水，以形成具有预定浓度比的预定体积的混合物；(b)使该混合物在闭合回路循环系统中循环通过处理室；(c)将至少一个基片浸没在处理室内的混合物中；(d)使一定体积的混合物从闭合回路系统中流出，以减少循环混合物中蚀刻副产物的影响；(e)加入磷酸、硫酸和/或水来代替从闭合回路中流出的混合物的体积；对流出物的体积进行选择，使混合物的浓度比保持或返回预定浓度比的预定范围内。
在此方面中，在一些实施方式中，本发明的排放步骤(d)和加入步骤(e)可连续进行或以预定的间隔进行。在其它实施方式中，本发明这个方面还可包括以下步骤：(f)在处理至少一个基片的过程中使用浓度传感器连续测量混合物的浓度比；(g)将测得的浓度比与预定的浓度值相比较，以确定是否测得的浓度值在预定浓度比的预定范围之内；(h)当确定测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围内时，自动进行步骤(d)和(e)。
在另一个方面中，本发明涉及从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统，该系统包括：闭合回路循环系统，其包括处理室和与处理室流体连接的回流管道；用来向闭合回路循环系统提供硫酸、磷酸和水，以形成具有预定浓度比的预定体积的混合物的装置；用来使混合物流过闭合回路循环系统的装置；浓度传感器，用来在处理室内处理至少一个基片的过程中，连续测量混合物的浓度比，并生成用来表示测得的浓度比的信号；用来向闭合回路循环系统加入硫酸、磷酸和水的加入装置；用来使混合物从闭合回路循环系统排出的排出装置；与所述浓度传感器、加入装置和排出装置可操作地连接的处理器；对该处理器编程，使得在处理至少一个基片的过程中，当其从浓度传感器接收到表示浓度比不在预定浓度比的预定范围内的信号时，该处理器自动激活加入装置，向闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，并且激活排出装置，使基本相同体积的混合物从闭合回路循环系统排出，使得混合物的浓度比回到预定浓度比的预定范围之内。
在一些实施方式中，本发明的系统还可包括：颗粒计数器，用来在处理室内处理至少一个基片的过程中连续测量混合物的颗粒数，并产生表示测得的颗粒数的信号；该处理器也与颗粒计数器可操作地连接；对处理器进一步编程，使得在处理至少一个基片的过程中，当其接收到表示测得的颗粒数高于预定颗粒数的信号的时候，该处理器自动激活加入装置，向闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，并激活排出装置，从闭合回路循环系统排出基本相同体积的混合物，使得混合物中的颗粒数将回到或低于预定的颗粒数。
在另一个方面中，本发明涉及一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：提供闭合回路循环系统，该系统包括处理室和与该处理室流体连接的回流管道；向闭合回路循环系统提供预定体积的蚀刻剂，该蚀刻剂填满处理室并溢流进入回流管道；将至少一个基片浸入该处理室内的蚀刻剂中；使混合物循环通过闭合回路循环系统；用颗粒计数器连续测量蚀刻剂中的颗粒数；在处理至少一个基片的过程中，当检测到蚀刻剂中测得的颗粒数高于预定的颗粒数时，从闭合回路循环系统自动排出一定体积的受污染的蚀刻剂，同时向闭合回路循环系统加入新鲜的蚀刻剂来代替这一定体积，使得闭合回路循环系统中蚀刻剂内的颗粒数回到或低于预定的颗粒数。
                           附图简述
图1是使用现有技术的仅含磷酸的混合物时，比较氮化物和氧化物蚀刻速率随处理的晶片数的变化关系图。
图2是使用现有技术的仅含磷酸的混合物成批处理50批200毫米的晶片时，比较氮化物和氧化物蚀刻速率随时间的变化关系图。
图3是使用现有技术的仅含磷酸的混合物成批处理50批200毫米的晶片时，氮化硅蚀刻速率与氧化硅蚀刻速率的选择性随时间的变化关系图。
图4是使用现有技术的仅含磷酸的混合物处理晶片时，比较颗粒和蚀刻速率随处理晶片数的变化关系图。
图5是根据本发明一个实施方式的选择性蚀刻系统的示意图。
图6是用系统控制器操纵根据本发明一实施方式的图5所示选择性蚀刻系统的高级流程图。
图7是根据本发明一个实施方式，图5所示的氮化物蚀刻系统测量颗粒污染物含量的典型操作和控制图。
图8是显示根据本发明一实施方式，使用用于仅含硫酸的蚀刻剂的加入和排放规则时，氮化硅和氧化硅的稳定性的图。
图9是显示根据本发明一实施方式，使用用于磷酸-硫酸混合物蚀刻剂的加入和排放规则时，氮化硅和氧化硅的稳定性的图。
图10是在根据本发明一实施方式处理晶片时，晶片的颗粒污染的稳定性的图。
                            附图详述
图1是根据本发明一个实施方式的基片蚀刻系统100的示意图。该基片蚀刻系统100包括处理室10，硫酸(H2SO4)分配管道20，磷酸(H3PO4)分配管道21，水(H2O)分配管道22，H2SO4加入管道30，H3PO4加入管道31，H2O加入管道32，回流管道40，过程控制器200，浓度传感器50，颗粒计数器55，泵60，加热器70，过滤器80和排放管道90。可调阀门23-25分别与分配管道20-22可操作地连接，用来控制流过其中的各种流体的流动。类似地，可调阀门33-35分别与分配管道30-32可操作地连接，用来控制流过其中的各种流体的流动。
尽管图中未显示，但是H2SO4分配管道20和H2SO4加入管道30各自与辅助鼓或存储槽之类的硫酸源可操作地连接。根据过程需要和/或空间限制，H2SO4分配管道20和H2SO4加入管道30可与相同或不同的H2SO4源连接。类似地，H3PO4分配管道21和H3PO4加入管道31各自与H3PO4源可操作地连接。根据过程需要和/或空间限制，H3PO4分配管道21和H3PO4加入管道31可与相同或不同的H2SO4源连接。H2O分配管道22和H2O加入管道32各自与H2O源可操作地连接。根据过程需要和/或空间限制，H2O分配管道22和H2O加入管道32可与相同或不同的H2SO4源连接。
处理室10包括回流堰11和处理空间(processing volume)12。在处理室10的处理空间12底部提供了一对入口歧管13，用来向处理空间12引入液体。处理空间12具有足够的尺寸，可将多个晶片14支承在其中。尽管图中显示的晶片14是以垂直的取向支承的，但是晶片也可为水平取向。另外，处理室10可设计成用于单晶片处理。
处理室10还包括排出管道90。该排出管道90与处理室10的排出口(图中未显示)流体连接，从而可以在晶片处理过程中将液体从处理室10的处理空间12排出。一个可调节的排出阀门91与排出管道90可操作地连接，使得流过排出管道90、以及流出闭合回路循环系统的流体的(质量或体积)流速可以得到控制。
回流管道40的一端与回流堰11底部的一个孔流体连接，使得溢过处理空间12进入回流堰11的液体可被引入回流管道40(如果需要的话)。回流管道40的另一端与进口歧管13流体连接。回流管道40形成从回流堰11通到处理室10的处理空间12的流体通路。因此，回流管道40与处理室10结合起来，形成闭合回路循环系统。
泵60，加热器70和过滤器80都与回流管道40可操作地连接和液体连接。因此，可以用加热器70将通过回流管道40的液体加热至所需的温度。过滤器80可以在液体通过回流管道40时从中除去离子和/或颗粒污染物。也可将浓度传感器50和颗粒计数器55与回流管道40可操作地连接，使得它们可以适当地测量任何通过回流管道40的流体。所述浓度传感器50可以是任何能够分析混合物，测定混合物组分的浓度比的仪器，例如NIR分光计或FT-NIR分光计。所述颗粒计数器55可以是任何能够对液体中的颗粒计数的仪器，例如液体中颗粒的计数器，这种仪器是本领域中的标准仪器。
过程控制器200与可调节的阀门33-35，浓度传感器50，颗粒计数器55和排出阀门91可操作地连接，以便在它们之间传递信号。可通过合适的电连接、光纤连接、电缆连接或其它合适的连接来促进这些可操作地连接。在图5中，部件33-35，50，55，91与过程控制器200的可操作地连接以虚线形式表示。所述过程控制器200是基于可编程逻辑控制器、个人计算机等的适用于过程控制的微处理器，优选包括各种输入/输出端口，用来与需要控制和/或连接的蚀刻系统100的各种部件33-35，50，55，91通信。
所述过程控制器200还优选包括足够的存储器，用来存储处理方法、参数和其它数据，例如预定的(即目标)浓度比、预定的颗粒数、预定的范围、流速、处理时间、处理条件等。过程控制器200可与与之可操作地连接的蚀刻系统100的任意和所有的各种部件通信，以自动调节处理条件，例如激活加入管道30-32中任意一个单独或结合地使流体通过，激活排出管道90使流体通过，激活泵，加热和过滤。尽管图中未显示，如果需要的话，过程控制器200还可与加热器70、泵60、进口歧管13和可调节阀门23-25可操作地连接。
还用合适的算法对过程控制器200编程，用来从浓度传感器55和颗粒计数器55接收数据，分析输入的数据信号，将输入的数据信号所表示的数值与存储的数值和范围相比较，通过管道30-32向循环中加入新鲜的蚀刻剂组分，和/或通过排出管道90将受污染的/旧的蚀刻剂排出，自动地适当调节用来处理晶片14的蚀刻剂，使得蚀刻剂混合物达到预定的特性。例如，过程控制器200可储存浓度比或颗粒数的预定数值或预定可接受的工作范围。这在下文中将结合系统100的操作进行详细讨论。所用过程控制器的种类取决于结合有该控制器的系统的实际需要。
下文中将讨论本发明一实施方式中的蚀刻系统的操作。为便于讨论，下面将结合图5的蚀刻系统100讨论该方法，应当理解在进行蚀刻过程时可以进行其它的改变、修改和蚀刻系统。
提供了大量需要蚀刻的晶片14。该晶片14优选是用于IC制造的晶片，其上包括氮化硅(Si3N4)层和氧化硅(SiO2)层。然而，也可使用其他种类的基片，例如MEMS基片，平板显示器等。在处理开始时，所有的阀门23-25，33-35，90都是关闭的。
首先，打开可调节阀门23-25，使得液体H2SO4，H3PO4和H2O通过管道20-22分配进入处理室10的处理空间12。当将H28O4，H3PO4和H2O输入处理室10的处理空间12时，H2SO4，H3PO4和H2O混合形成混合物(即蚀刻剂溶液)。可调节阀门23-25控制着通过分配管道20-22的H2SO4，H3PO4和H2O的流速，以形成具有预定的/所需的H2SO4∶H3PO4∶H2O浓度比的混合物。在一个实施方式中，该混合物的浓度比优选为2份H2SO4(96重量％)，2份H3PO4(85重量％)和1份H2O。但是，如果需要的话，可采用任意的浓度比。另外，如果需要的话，在本发明一些实施方式中，可以仅使用一种化学试剂作为蚀刻剂，例如仅使用H3PO4作为蚀刻剂。
通过管道20-22持续地向处理空间12提供H2SO4，H3PO4和H2O，直至混合物溢流过处理空间12进入回流堰11并进入回流管道40为止。一旦向闭合回路循环系统(即处理室10和回流管道40)提供并形成了预定体积的蚀刻剂混合物，便关闭阀门23-25，以切断向处理室10的H2SO4，H3PO4和H2O供应。
此时，泵60被激活，使得混合物以从处理室10(通过歧管11)，通过回流管道40，返回处理室10(通过进口歧管13)的形式循环流动。当混合物通过回流管道40时，其通过加热器70和过滤器80。加热器60优选将混合物加热至大约160-180℃，最优选加热至大约165℃。混合物还通过浓度传感器50和颗粒计数器55，浓度传感器50和颗粒计数器55都与回流管道40可操作地连接。
当混合物通过回流管道40时，浓度传感器50连续测量混合物的浓度比(即H2SO4∶H3PO4∶H2O之比)。对浓度的连续测量可以根据预定的形式每秒钟进行许多次，从而使其基本为连续的或周期性的。浓度传感器50产生表示测得的混合物浓度比的数据信号，通过电连接将这些信号连续地输送到过程控制器200用来处理。类似地，当混合物在回流管道40中通过的时候，颗粒计数器55也连续地测量混合物中颗粒的含量。颗粒计数器55产生表示测得的混合物中颗粒数量/含量的数据信号，并通过电连接将这些信号连续地传送给过程控制器200，用来进行处理。
从浓度传感器50和颗粒计数器55收到各种数字信号之后，过程控制器200对这些数据信号进行分析，将测得的数值与储存在其存储器中的预定/所需信号相比较。更具体来说，将测得的浓度比与储存的预定/所需浓度比进行比较，以确定是否测得的浓度比在预定浓度比的预定/可接受范围之内。将测得的颗粒数与存储的预定/所需颗粒数进行比较，以确定是否测得的颗粒数大于预定的颗粒数。预定的浓度比优选为85-50重量％的磷酸，0-30重量％的硫酸和15-20重量％的水。浓度比的预定/可接受范围优选为+/-5重量％。预定的颗粒数优选为，在0.2微米时，10-1000计数/毫升，最优选约为100计数/毫升。
在将测得的流过回流管道40的混合物的浓度比与预定/所需浓度比进行比较的时候，过程控制器200决定是否测得的浓度比在预定浓度比的预定范围内。类似地，过程控制器200还确定了是否测得的混合物颗粒数大于预定的颗粒数。
如果过程控制器200确定了(1)测得的浓度比在预定浓度比的预定范围内，且(2)测得的颗粒数等于或小于预定的颗粒数，则不会有任何举动，已经准备好了可以对晶片14进行处理。然而，如果(1)测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围内，或者(2)测得的颗粒数不是等于或小于预定的颗粒数，则过程控制器将会进行适当的加入和排出操作，使得混合物中达到可接受的浓度比和可接受的颗粒数。在下文中将详细讨论加入和排出操作。
假定(1)测得的浓度比例在预定浓度比的预定范围内，而且(2)测得的颗粒数等于或小于预定的颗粒数，过程控制器会向使用者界面输送信号，表示蚀刻浴已经准备好，可以用来蚀刻/处理晶片。此时，使晶片14批料下降进入处理室10的处理空间12内，直至它们被该混合物完全浸没。在整个加入和处理的过程中，泵60持续地使混合物流过闭合回路循环系统。在晶片处理和加入过程中，浓度传感器50和颗粒计数器55都在持续地执行它们各自的测量功能。
当将晶片14置入混合物(即蚀刻剂)中时，氮化硅相对于氧化硅被选择性地蚀刻。在常规条件下(165℃)，氮化硅处理的氮化物蚀刻速率为55±5A/min。通常刚制备的容器中的选择性约为40∶1。这样的选择性对于目前的浅沟槽隔离(shallowtrench isolation(STI))还不够大。大部分组织希望将氧化物的损失限制在几个埃。在使用这种混合物时，磷硅酸盐在混合物中累积，产生氧化物蚀刻的逆反应，实际上降低了氧化物蚀刻速率，提高了选择性。该过程持续进行，直到磷硅酸盐达到饱和。当能够发生氧化物沉积的时候，饱和效应会在晶片14上形成掺杂磷的氧化物层。因此，在饱和与“充分负载的”蚀刻浴之间，有一个处理机会(processingopportunity)的“窗口”，可以以大于80∶1，可能大于100∶1的选择性处理晶片。但是缺点在于，由于需要用氮化物模拟物对该混合物进行“调节适应”，造成产率降低，混合物达到饱和的蚀刻浴寿命又很短，导致生产率降低。
蚀刻系统100设计成通过监控/控制蚀刻浴中的硅酸盐含量，以及将硅酸盐含量保持在稳定的水平来弥补损失的产率。蚀刻系统100是通过以下的方法做到这一点的：(1)用浓度传感器50和颗粒计数器55密切监控混合物的浓度比和/或颗粒含量和/或(2)通过自动加入和排出装置密切控制混合物的浓度比和/或颗粒含量。在通常的加入和排出过程中向蚀刻浴中加入一定体积的新鲜混合物(或其组分)，同时除去等体积的″旧的″混合物。结果，磷硅酸盐的饱和几乎保持恒定。除了减少“调节”混合物浴的需要以外，还需要向新鲜溶液中加入已知体积的饱和溶液，使得即使起始的选择性也较高。
下面将讨论根据本发明一实施方式的加入和排出控制原理的例子。当对晶片14施加混合物进行处理，选择性蚀刻氮化硅层和氧化硅层时，包括颗粒在内的蚀刻副产物会在混合物中累积，混合物的浓度比将发生变化。在此处理过程中，浓度传感器50和颗粒计数器55各自如上所述持续地进行测量，过程控制器200如上所述进行数据分析。该混合物持续地流过闭合回路循环系统，没有任何改变地处理晶片14，直至过程控制器200确定(1)测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围内，或者(2)测得的颗粒数不等于或小于预定的颗粒数。
首先来看颗粒含量控制，假定过程控制器200在监控测得的颗粒数，检测到测得的颗粒数大于预定的颗粒数。此时，过程控制器200同时向阀门33-35和排出阀门91发送合适的控制信号。在收到控制信号时，阀门33-35和排出阀门91打开。打开排出阀门91通过排放管道90将旧的/受污染的混合物从闭合回路循环系统排出。打开阀门33-35，通过加入/掺料管道30-32以所需的比例将新鲜的H2SO4，H3PO4和H2O加入闭合回路循环系统。过程控制器200打开阀门33-35和排出阀门91，使得加入流速和排出流速在各个管道90，30-32被精确地控制。
排出阀门91保持打开，直至从闭合回路循环系统排出所需体积的旧混合物为止。阀门33-35也保持打开，直至向闭合回路循环系统加入一定体积的混合物(或其组分)。通过排出管道90从闭合回路循环系统排出的旧混合物的体积与通过加入管道30-32加入闭合回路循环系统的混合物(或其组分)体积基本相等。加入和排出持续进行，同时持续处理晶片，直至已经排出、替换了所需体积的混合物，能够将闭合回路循环系统中混合物的颗粒数/含量降至低于预定颗粒数为止。使用者将根据在提供给处理室10的初始混合物中测得的颗粒含量和总预定体积，对各种条件用程序设计出合适的排出和加入体积。通过这种方法，可以在晶片处理过程中动态地控制混合物中的颗粒含量(该含量可代表硅酸盐含量)。
下面来看浓度控制，假定过程控制器200在监控流过回流管道40的混合物中测得的浓度比，并确定测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围内。此时，过程控制器200同时向阀门33，34和/或35和排出阀门91传送合适的控制信号。收到该控制信号时，合适的阀门33，34和/或35和排出阀门91打开。打开排出阀门91，通过排放管道90将旧的混合物从闭合回路循环系统排出。根据混合物中比例减少的一种或多种组分，激活合适的阀门33，34和/或35，通过加入/掺料管道30，31和/或32向闭合回路循环系统中的混合物加入H2SO4，H3PO4和/或H2O。过程控制器200打开一个或多个合适的阀门33，34和/或35和排出阀门91，在各条管道90，30-32上精密控制加入流速和排放流速。
一个或多个合适的阀门33，34和/或35保持打开，直到加入了使闭合回路循环系统中剩余混合物的浓度比达到预定浓度比的浓度范围所需体积的H2SO4，H3PO4，和/或H2O为止。排出阀门91保持打开，直到从闭合回路循环系统排出了与加入的H2SO4，H3PO4，和/或H2O的体积基本相等的旧的混合物。加入和排出持续进行，同时持续处理晶片14。使用者将根据在提供给处理室10的初始混合物中测得的颗粒含量和总预定体积，对各种条件用程序设计出合适的排出和加入体积。通过这种方法，可以在晶片处理过程中动态地控制混合物的浓度比。
图6是在实施本发明时，使用蚀刻系统200的过程控制器200进行程序设计的高级流程图。图7是过程控制器200监控测得的颗粒数，并将其与预定的颗粒数、范围和可接受方差相比较的例子。
根据处理需要，上述用来控制颗粒含量和浓度比的加入和排出控制可独立地或结合地用于蚀刻系统。另外，对颗粒含量的加入和排出控制可用于使用单一的化学蚀刻剂(例如仅使用H3PO4)的蚀刻系统。本发明已开发了控制磷硅酸盐含量和水浓度所需的软件和硬件控制模式，所述控制磷硅酸盐含量和水浓度以及温度是氮化物蚀刻速率的主要因素。
总之，通过使用上述控制模式，本发明克服了现有技术蚀刻系统的许多问题。使得混合物浴被部分地排出，并提供新鲜的混合物，使得浴中的硅酸盐浓度保持恒定，所得的氧化物蚀刻速率也将是恒定的。如上所述，可以通过液体中的颗粒数监控硅酸盐浓度。如果颗粒数增至高于所需阈值，该系统将使混合物浴部分地排出，并提供新鲜的混合物。使用者将根据系统加入量和颗粒传感器(PS)测得的污染物数量输入频率和时间长度。所得的氮化物蚀刻速率保持稳定，同时氧化物蚀刻速率减小。一旦氧化物蚀刻速率达到允许的蚀刻速率(或颗粒数)下限，混合物浴将部分地排出，并且重新加入已知体积的新鲜酸，使颗粒数(和氧化物蚀刻速率)达到可接受的水平。理论上，该过程将无限持续进行，由使用者决定开始新的循环。
                            实施例
通过试验来测试本发明两个实施方式的效果。在进行试验时，使用酸浴来蚀刻氮化硅晶片。对该酸浴进行过滤、加热和过滤。处理顺序是化学蚀刻步骤，然后用去离子水淋洗，然后干燥。化学步骤由以下组分组成：硫酸96％∶磷酸(85重量％)∶水或磷酸(85重量％)∶水。化学步骤由硫酸(96重量％)，磷酸(85重量％)和水的混合物或磷酸(85重量％)和15重量％水的混合物组成。采用和/或设定以下参数和条件：
-用浓度控制保持整个酸浴内的混合比
-激活加入和排出规则
-具有热氮化物膜和氧化物膜的200毫米晶片
-具有回流和过滤的系统
-浴温＝165℃
-在测试之前，对晶片进行稀HF或SC1清洁，以进行表面标准化。
排出5毫米边界，使用Rudolph S300，以49点测量法来测量蚀刻速率。通过长时间处理氮化物晶片来测试氮化物加入效果。
采用以下控制方法：
-加入和排出：以减少蚀刻副产物的影响。将排出已知体积的酸浴，提供已知体积的化合物。使用者将用程序设计注入化学物质和/或水的频率和体积。
-液体中颗粒的计数设备：用来监控蚀刻过程中产生的颗粒。
-浓度传感器，例如NIR，FT-NIR：该系统将监控硫酸、磷酸和水的浓度。使用者将选择设定点，该系统将通过注入正确的组分进行调节来保持设定点。例如，如果硫酸浓度低于预定值，该系统将注入硫酸。
-调节一种或多种酸的供应(磷酸和/或硫酸)
-调节去离子水的供应
-一种或多种化学浓度传感器
-液体中的颗粒计数器
-控制规则
使用两种不同的蚀刻剂，依照上述流程处理晶片。在一个试验中，使用用于仅含磷酸的蚀刻剂的加入和排出规则处理晶片。在另一个试验中，使用用于磷酸-硫酸混合物蚀刻剂的加入-排出规则处理晶片。
                        仅使用磷酸的实施例
图8是显示根据本发明一实施方式，使用用于仅含磷酸的蚀刻剂的加入和排放规则时，氮化硅和氧化硅蚀刻速率稳定性的图。如图8所示，氮化物蚀刻速率约为50A/min，氧化物蚀刻速率为2.47A，获得了400∶1的选择性。这显著高于常规新鲜磷酸浴获得的选择性。如图8所示，随着处理晶片数的增加，氧化物蚀刻速率开始减小。一旦氧化物达到所允许的下限，加入/排出系统会被激活，向酸浴中注入已知体积的磷酸，将蚀刻速率调节到所需的零值。该系统持续进行加入/排出，将蚀刻速率保持在约-0.08A/min的平均值(或选择性理论值无穷大)(负的蚀刻速率表示假定的膜沉积)。
                    磷酸-硫酸混合物蚀刻实施例
图9是显示根据本发明一实施方式，使用用于磷酸-硫酸混合物蚀刻剂时，氮化硅和氧化硅蚀刻速率稳定性的图。如上图8所示，必须保持硅酸盐的浓度(通过成直线的颗粒计数表示)以达到所需的选择性。这需要在第一次使用时，对酸浴(初始浴)进行″适应调节″。如果在酸浴中处理一批虚拟氮化物晶片，将硅酸盐含量调节至能够得到所需选择性的水平，便可以克服该问题。该过程显然需要时间来处理这些晶片，即设备利用率较低。
另一种克服该问题(适应调节)的方法是在磷酸中注入可抑制氧化物蚀刻速率的化学物质，以得到所需的选择性。向磷酸中加入强氧化剂硫酸，结果见图9。如图9所示，开始氧化物蚀刻速率为最小。另外，氧化物蚀刻速率没有减小的趋势(同时氮化物蚀刻速率一直保持恒定)，从一开始便产生高选择性。加入和排出系统可以加入已知体积的磷酸(和/或硫酸)，将硅酸盐浓度(或颗粒数)保持在稳定的数值。
通常，使用颗粒清洁系统作为整个处理步骤的一部分。该颗粒去除步骤是SC1(标准清洁1)，包括以下步骤：在包含氢氧化铵、过氧化氢和水、并辅以兆频超声波(megasonic)的混合物处理晶片。该步骤可以非常有效地除去这些污染物，但是如果污染物含量足够高，颗粒去除效率将会降低。
在上述两个实施例中，一旦酸浴中的颗粒含量保持在最小含量，晶片上颗粒的增加也会保持在最低的可能数值。图10的结果显示，颗粒增加的平均值几乎保持在零。这些结果优于图4所示，在图4中，平均颗粒增加大于40。另外，由于用磷酸(或磷酸和硫酸的混合物)更新酸浴，使颗粒数保持稳定，颗粒数没有突然的增加。
以上讨论仅揭示和描述了本发明示例性的实施方式。本领域技术人员可以理解，可以以其他具体形式实施本发明，而不背离其精神或主要特征。具体来说，本发明不限于任何用于蚀刻剂的具体化学组成，可以不考虑化学组成和/或浓度比，与任何蚀刻剂组合使用。另外，本发明还包括一种能够仅控制浓度、仅控制颗粒数或其组合所需的能力和设备的系统。因此，本发明的说明书是用来说明而非限制本发明范围的，本发明的范围见以下的权利要求书。

Claims (23)

1.一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：
提供闭合回路循环系统，该系统包括处理室和与处理室流体连接的回流管道；
向所述闭合回路循环系统提供预定量的硫酸、磷酸和水，形成具有预定浓度比和预定体积的混合物，该混合物填充处理室，且溢流进入回流管道；
将至少一个基片浸没在处理室内的混合物中；
使所述混合物循环通过所述闭合回路循环系统；
用浓度传感器连续测量所述混合物的浓度比；
将测得的浓度比与预定的浓度值相比较，以确定测得的浓度值是否在预定浓度比的预定范围之内；
当确定测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围之内时，自动向所述闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，同时使基本上相同体积的混合物从闭合回路循环系统中流出，从而使得混合物的浓度比在处理所述至少一个基片的过程中回到预定范围内。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，开始时通过分配管道向所述处理室输送硫酸、磷酸和水。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在加入步骤中，通过掺料管道向所述混合物中加入硫酸、磷酸和/或水。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括在将至少一个晶片浸入所述混合物之前，加热该混合物。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述混合物加热至160-180℃或接近该温度范围。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述混合物加热至165℃或接近该温度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定的浓度比约为2份硫酸、2份磷酸和1份水。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括过滤所述溢流的混合物。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
用颗粒计数器连续测量混合物中的颗粒数；
将测得的颗粒数与预定的颗粒数相比较，以确定测得的颗粒数是否大于预定的颗粒数；
当测得混合物的颗粒数大于预定的颗粒数时，自动地使一定体积的混合物从闭合回路循环系统排出，并向所述闭合回路循环系统加入基本上相同体积的硫酸、磷酸和/或水，从而使得混合物中的颗粒数在处理所述至少一个基片的过程中回到或小于预定的颗粒数。
10.一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：
(a)向处理室提供预定量的硫酸、磷酸和水，以形成具有预定浓度比的预定体积的混合物；
(b)使该混合物循环通过闭合回路循环系统中的处理室；
(c)将至少一个基片浸没在处理室内的混合物中；
(d)将一定体积的混合物从所述闭合回路系统中排出，以减少循环混合物中蚀刻副产物的影响；
(e)加入磷酸、硫酸和/或水来代替从闭合回路中排出的混合物的体积；
其中，对排出物的体积进行选择，使混合物的浓度比保持在或返回至预定浓度比的预定范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述排出步骤(d)和加入步骤(e)连续进行或以设定的间隔进行。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
(f)在处理所述至少一个基片的过程中用浓度传感器连续测量混合物的浓度比；
(g)将测得的浓度比与预定的浓度值相比较，以确定测得的浓度值是否在预定浓度比的预定范围之内；
(h)当确定测得的浓度比不在预定浓度比的预定范围内时，自动进行步骤(d)和(e)。
13.一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统，该系统包括：
闭合回路循环系统，它包括处理室和与所述处理室流体连接的回流管道；
用来向所述闭合回路循环系统提供硫酸、磷酸和水以形成具有预定浓度比的预定体积的混合物的装置；
用来使所述混合物流过所述闭合回路循环系统的装置；
浓度传感器，用来在处理室内处理至少一个基片的过程中连续测量所述混合物的浓度比，并生成用来表示测得的浓度比的信号；
用来向所述闭合回路循环系统加入硫酸、磷酸和水的加入装置；
用来使混合物从所述闭合回路循环系统排出的排出装置；
与所述浓度传感器、加入装置和排出装置可操作地连接的处理器；
其中，对该处理器编程，使得在处理至少一个基片的过程中，当其从浓度传感器接收到表示浓度比不在预定浓度比的预定范围内的信号时，该处理器自动激活加入装置，以向闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，并且激活排出装置，使基本上相同体积的混合物从闭合回路循环系统排出，从而使得混合物的浓度比回到预定浓度比的预定范围之内。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述处理室适于接收许多基片。
15.如权利要求13所述的系统，其特征在于，该系统还包括与所述回流管道可操作地连接的过滤器。
16.如权利要求13所述的系统，其特征在于，该系统还包括与所述回流管道相连、适合用来加热所述混合物的加热器。
17.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述用来向处理室提供硫酸、磷酸和水的装置是许多具有阀门的分配管道。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述用来向混合物中加入硫酸、磷酸和水的装置是许多具有阀门的掺料管道。
19.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述用来向处理室提供硫酸、磷酸和水的装置与用来向混合物提供硫酸、磷酸和水的装置是相同的。
20.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述排出装置包括与排出管道可操作地连接的排出阀门。
21.如权利要求13所述的系统，其特征在于，该系统还包括：
颗粒计数器，用于在处理室内处理至少一个基片的过程中连续测量混合物的颗粒数，并产生表示测得的颗粒数的信号；
其中，该处理器也与颗粒计数器可操作地连接；并且
对处理器进一步编程，使得在处理至少一个基片的过程中，当其接收到表示测得的颗粒数高于预定颗粒数的信号时，该处理器自动激活加入装置，以向闭合回路循环系统加入一定体积的硫酸、磷酸和/或水，并激活排出装置，以从闭合回路循环系统排出基本上相同体积的混合物，从而使得混合物中的颗粒数回到或低于预定的颗粒数。
22.一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的方法，该方法包括：
提供闭合回路循环系统，该系统包括处理室和与该处理室流体连接的回流管道；
向所述闭合回路循环系统提供预定体积的蚀刻剂，该蚀刻剂填充处理室并溢流进入回流管道；
将至少一个基片浸入该处理室内的蚀刻剂中；
使混合物循环通过闭合回路循环系统；
用颗粒计数器连续测量蚀刻剂中的颗粒数；
在处理所述至少一个基片的过程中，当检测到蚀刻剂中测得的颗粒数高于预定的颗粒数时，从闭合回路循环系统自动排出一定体积的受污染的蚀刻剂，同时向闭合回路循环系统加入新鲜的蚀刻剂来代替该一定体积的受污染的蚀刻剂，从而使得闭合回路循环系统中蚀刻剂内的颗粒数回到或低于预定的颗粒数。
23.一种从至少一个基片上蚀刻氮化硅的系统，该系统包括：
闭合回路循环系统，其包括处理室和与所述处理室流体连接的回流管道；
用来向所述闭合回路循环系统提供预定体积的蚀刻剂的装置；
用来使混合物流过所述闭合回路循环系统的装置；
颗粒计数器，用来在处理室内处理至少一个基片的过程中，连续测量蚀刻剂内的颗粒数，并生成用来表示测得的颗粒数的信号；
用来向闭合回路循环系统加入蚀刻剂的加入装置；
用来使蚀刻剂从闭合回路循环系统排出的排出装置；
与所述颗粒计数器、加入装置和排出装置可操作地连接的处理器；
其中，对该处理器编程，使得在处理至少一个基片的过程中，当其接收到表示颗粒数大于预定颗粒数的信号时，处理器自动激活加入装置以向闭合回路循环系统加入一定体积的新鲜蚀刻剂，并且激活排出装置，以使基本上相同体积的蚀刻剂从闭合回路循环系统排出，从而使得混合物的颗粒数回到或低于预定的颗粒数。
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