DE69029075T2

DE69029075T2 - Reinigungsverfahren zur Entfernung von Ablagerungen auf dem Träger in einer CVD-Anlage

Info

Publication number: DE69029075T2
Application number: DE69029075T
Authority: DE
Inventors: Mei Chang
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1989-08-25
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1997-05-22
Anticipated expiration: 2010-08-25
Also published as: JP3004696B2; JPH03120368A; KR910005405A; EP0418592A1; KR0181728B1; EP0418592B1; DE69029075D1

Description

Diese Erfindung betrifft die Verarbeitung von Halbleiterwafern in einer Vakuumbeschichtungskammer.
In der Verarbeitung eines Halbleiterwafers zur Bildung von integrierten Schaltkreisstrukturen in diesem ist es wünschenswert, den Wafer durch ein chemisches Dampfabscheide- (CVD-) Verfahren mit Materialien wie zum Beispiel Wolfram zu beschichten, entweder durch eine Deckbeschichtung und einen anschließenden Musterbildungsschritt oder durch eine selektive Beschichtung mit Wolfram über einer Maskenschicht wie einer Oxidschicht, die bereits mit einem Muster versehen wurde, so daß Silicium- oder Aluminiumoberflächen freiliegen, auf welchen das Wolfram selektiv abgeschieden wird.
In jedem Fall sammeln sich Materialablagerungen wie Wolfram für gewöhnlich auf dem Aufnehmer (der Basis oder dem Träger, auf dem der Halbleiterwafer während der Beschichtung ruht) in der CVD-Kammer an und derartige Ablagerungen müssen periodisch entfernt werden, da sie die Dimensionen der Kammer ändern können wie auch von den Aufnehmeroberflächen auf den in der Kammer in Verarbeitung befindlichen Wafer abblättern können oder das Beschichtungsmilieu chemisch verändern können, insbesondere für folgende selektive Beschichtungsverfahren.
Nach dem Stand der Technik war es üblich, solche Ablagerungen unter Verwendung eines plasmaunterstützten Fluorätzschrittes zu entfernen. Eine Gasquelle aus Fluor wird in die Vakuumbeschichtungskammer geleitet und dann wird ein Plasma in der Kammer während des Gasstroms entzündet, indem die Frontplatte, durch welche Gase während der Beschichtung in die Vakuumbeschichtungskammer geleitet werden, an eine Hochfrequenzquelle angeschlossen werden. Die Basis oder der Aufnehmer, auf dem der Wafer für gewöhnlich während der CVD-Beschichtung ruht, ist geerdet. Die erhaltene Fluorchemie reagiert mit den Ablagerungen wie Wolfram- oder Wolframsilicidablagerungen und das entstehende Reaktionsprodukt wird durch das Vakuumevakuierungssystem aus der Kammer entfernt.
Diese Verfahren entfernt zwar Wolfram oder andere Ablagerungen zufriedenstellend von dem Abnehmer in der Vakuumkammer, aber das Reinigungsverfahren hinterläßt Fluorrückstände in der Vakuumkammer, die zum Beispiel folgende Wolframbeschichtungen beeinträchtigen können. Wenn eine derartige anschließende Wolframbeschichtung in der Kammer eine Deckbeschichtung ist, weist die erhaltene Wolframschicht keine gleichförmige Dicke auf, wahrscheinlich weil die Wolframabscheidung durch die Fluorrückstände behindert wird. Wenn die nächste Beschichtung eine selektive Wolframbeschichtung ist, verhindert die Gegenwart von Fluorrückständen in der Kammer die Ablagerung von Wolfram auf den freiliegenden Silicium- oder Aluminiumoberflächen.
Die Schrift JP-A-62 291 664 offenbart die Verwendung eines Gasgemisches aus Halogenkohlenstoffgasen wie chloriniertem Kohlenstoffgas oder fluoriertem Kohlenstoffgas und Sauerstoff, um eine Aufrauhung der Oberfläche eines Aluminiumwerkstückes bei dessen Reinigung von Fremdstoffen in Gegenwart eines Plasmas zu verhindern; und das anschließende Aussetzen des Aluminiumwerkstückes einem H&sub2;-Gas in Gegenwart eines Plasmas.
Es wäre daher wünschenswert, ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen wie Wolfram- und Wolframsilicidablagerungen von dem Aufnehmer in einer Vakuumkammer nach einer Beschichtung wie CVD-Wolframbeschichtungen zu schaffen, wobei keine Fluorrückstände in der Beschichtungskammer am Ende des Reinigungsverfahren zurückbleiben. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale des Verfahrens gehen aus der Beschreibung und der einen Figur hervor.
Die Erfindung schafft ein verbessertes Reinigungsverfahren zur Entfernung von Ablagerungen wie Wolfram oder Wolframsilicidablagerungen von einer Vakuumbeschichtungsvorrichtung, ohne Fluorrückstände zu hinterlassen.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen wie Wolfram- oder Wolframsilicidablagerungen von dem Aufnehmer in einer Vakuumbeschichtungskammer geschaffen, wobei Fluorrückstände, die nach einem ersten Reinigungsschritt zur Entfernung solcher Ablagerungen von den Aufnehmeroberflächen zurückbleiben, in einem zweiten Reinigungsschritt entfernt werden.
Es ist ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen wie Wolframoder Wolframsilicidablagerungen von den Oberflächen eines Aufnehmers in einer Vakuumbeschichtungskammer zu schaffen, wobei Fluorrückstände, die nach einem ersten Reinigungsschritt zur Entfernung solcher Ablagerungen zurückbleiben, in einem zweiten Reinigungsschritt entfernt werden, indem die Fluorrückstände mit einer Gasquelle aus Wasserstoff in einem plasmaunterstützten Ätzschritt in Kontakt gebracht werden.
Es ist ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen wie Wolframoder Wolframsilicidablagerungen aus einer Vakuumbeschichtungskammer zu schaffen, welches die Verwendung eines plasmaunterstützten Fluorätzens in einem ersten Schritt zur Entfernung solcher Ablagerungen und eines plasmaunterstützten Wasserstoffätzens in einem zweiten Schritt zur Entfernung von Fluorrückständen, die nach dem ersten Reinigungsschritt hinterlassen wurden, umfaßt.
Diese und andere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und dem beiliegenden Fließdiagramm, das in der Zeichnung dargestellt ist, hervor.
Gemäß der Erfindung werden Ablagerungen wie Wolfram- oder Wolframsilicidablagerungen, die nach einem CVD-Verfahren zur Abscheidung auf einem Halbleiterwafer zurückbleiben, von dem Aufnehmer in einer Vakuumbeschichtungskammer entfernt, ohne Fluorrückstände zu hinterlassen, indem zunächst eine Gasquelle aus Fluor in eine Vakuumbeschichtungskammer geleitet und ein Plasma in der Kammer entzündet wird, während die Gasquelle aus Fluor darin zur Entfernung der Ablagerungen fließt; und dann eine Gasquelle aus Wasserstoff in die Kammer geleitet wird, während in der Kammer während des Stroms der gasförmigen Wasserstoffquelle ein Plasma aufrechterhalten wird, um alle Fluorrückstände, die in der Kammer zurückgeblieben sind, zu entfernen.
Die Ansammlung von Ablagerungen wie Wolfram oder Wolframsilicid an den Oberflächen des Aufnehmers in einer Vakuumkammer, die für die chemische Dampfabscheidung (CVD) solcher Materialien auf einem Halbleiterwafer verwendet wird, wird zunächst durch Strömen einer Gasquelle aus Fluor durch die Vakuumkammer bei einer Strömungsrate im Bereich von 20 bis 200 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) entfernt, während der Druck in der Vakuumkammer im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 1 Torr¹ und die Temperatur im Bereich von 450ºC bis 475ºC gehalten wird, wenn die Kammer und der Aufnehmer für Deckbeschichtungen verwendet werden, und im Bereich von 250ºC bis 400ºC, wenn die Kammer und der Aufnehmer für selektive Beschichtungen verwendet werden.
¹ 1 Torr = 1,333 mbar
1 mm Hg = 1 Torr
Die Gasquelle aus Fluor besteht aus einem oder mehreren fluorhaltigen Gasen, die zur Bildung von Fluorradikalen imstande sind, um eine Reaktion zwischen solchen Fluorradikalen und den Ablagerungen herbeizuführen. Beispiele für solche fluorhaltigen Gase sind SF&sub6;, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; und NF&sub3;. Die Gasquelle aus Fluor kann ferner inerte oder nichtreaktionsfähige Gase wie Argon, Neon oder Helium bei einer Strömungsrate von bis zu 200 sccm umfassen. Wenn solche inerten Gase mit der Gasquelle aus Fluor gemischt werden, ist der Gesamtstrom von Gas in die Kammer die Summe der Mischung, d.h. die Menge an fluorhaltigem Gas, die in die Kammer eintritt, sollte nicht durch die Gegenwart des inerten Gases in der Gasmischung verringert werden.
Während die Gasquelle aus Fluor durch die Vakuumkammer strömt, wird ein Plasma in der Kammer durch Anregen einer Hochfrequenzquelle entzündet, die zwischen zwei Elektroden in den Kammern angeschlossen ist, die im Bereich von etwa 0,51 bis etwa 2,54 cm (etwa 200 bis etwa 1000 mil) voneinander beabstandet sind. Diese beiden Elektroden umfassen für gewöhnlich jeweils die geerdete Basis oder den Aufnehmer und die Frontplatte oder den "Duschkopf", durch den die Gasquelle aus Fluor in die Vakuumkammer verteilt wird und der direkt an die Hochfreguenz-Leistungsquelle angeschlossen ist.
Die Leistung, die von der Hochfrequenzquelle zur Aufrechterhaltung des Plasmas in der Vakuumkammer verwendet wird, liegt für gewöhnlich im Bereich von etwa 50 bis etwa 400 Watt, wobei die tatsächlich verwendete Leistungsmenge von der Größe des Aufnehmers in der Kammer abhängt, die ihrerseits von der Größe der Wafer abhängt, die zuvor in der Kammer verarbeitet wurden.
Die Zeitspanne, in der das plasmaunterstützte Fluorätzen ausgeführt wird, hängt von der Dicke der Wolframablagerungen oder -rückstände in der Kammer wie auch von dem Leistungspegel und der Strömungsrate der gasförmigen Fluorquelle ab. Je höher die Strömungsrate und/oder je höher der Leistungspegel innerhalb der zuvor besprochenen Bereiche ist, desto rascher werden die Wolframablagerungen entfernt. Für gewöhnlich liegt die Zeit im Bereich von etwa 30 Sekunden bis etwa 2 Minuten pro µm Dicke des auf den Aufnehmeroberflächen abgelagerten Materials.
Nach der Entfernung der Ablagerungen von dem Aufnehmer in der Vakuumkammer müssen gemäß dem verbesserten Verfahren der Erfindung die entstandenen Fluorrückstände entfernt werden um zu verhindern, daß solche Fluorrückstände anschließend in der gereinigten Vakuumbeschichtungskammer auszuführende Beschichtungen beeinträchtigen.
Die Fluorrückstände werden durch Strömen einer Gasquelle aus Wasserstoff durch die Vakuumkammer entfernt, während ein Plasmastrom in der Kammer aufrechterhalten wird. Die Gasquelle aus Wasserstoff wird durch die Kammer mit einer Strömungsrate von etwa 100 bis etwa 500 sccm geströmt, während die anderen Reaktionsbedingungen gleich wie beim Fluorätzen bleiben, d.h., bei einem Druck im Bereich von etwa 0,2 bis etwa 1 Torr und einer Temperatur im Bereich von etwa 150ºC bis etwa 525ºC, vorzugsweise entweder im Bereich von etwa 450ºC bis etwa 475ºC oder im Bereich von etwa 250ºC bis etwa 400ºC, abhängig von der beabsichtigten Verwendung des Aufnehmers und der Beschichtungskammer, wie zuvor in Bezug auf das Fluorätzen besprochen wurde.
Wie in dem ersten Reinigungsschritt kann die Gasquelle aus Wasserstoff ferner wahlweise inerte oder nichtreaktionsfähige Gase wie Argon, Neon oder Helium in Mengen bis zu etwa 200 sccm enthalten, wobei diese Strömungsrate zu der Strömungsrate der Gasquelle aus Wasserstoff bei der Berechnung der Gesamtströmungsrate von Gasen in die Vakuumkammer während dieses zweiten Reinigungsschritts addiert wird.
Beispiele für wasserstoffhaltige Gase, die in diesem Verfahrensschritt verwendet werden, sind Wasserstoff (H&sub2;), Borwasserstoff (B&sub2;H&sub6;), Phosphorwasserstoff (PH&sub3;) und organische Quellen wie Kohlenwasserstoffe mit 1-2 Kohlenstoffatomen, z.B. CH&sub4; und C&sub2;H&sub6;, obwohl die Verwendung von H&sub2; bevorzugt ist. Wenn die folgende Beschichtung in der Kammer eine Wolframdeckbeschichtung ist, kann auch Silan (SiH&sub4;) als Wasserstoffquelle verwendet werden. Silan sollte jedoch nicht verwendet werden, wenn die anschließenden Wolframbeschichtungen selektive Beschichtungen sind, da bei Silan einige Siliciumrückstände zurückbleiben, die eine Wolframdeckbeschichtung nicht beeinträchtigen, aber eine selektive Wolframbeschichtung, z.B. über einer Siliciumoxidmaske, beeinträchtigen können.
Die Reaktion zwischen den Fluorrückständen und dem wasserstoffhaltigen Gas wird auch durch ein Plasma unterstützt, das in der Kammer während des Strömens der gasförmigen Wasserstoffquelle durch die Kammer aufrechterhalten wird. Wie bei dem Fluorätzen wird der Leistungspegel des Plasmas während des Strömens des wasserstoffhaltigen Gases durch die Kammer im Bereich von etwa 50 bis etwa 400 Watt gehalten und der Abstand zwischen den Elektroden in der Kammer wird im Bereich von etwa 200 bis etwa 1000 mil² gehalten.
² 1 mil = 0,0254 mm
Das plasmaunterstützte Wasserstoffätzen wird über eine Zeitspanne von etwa 20 Sekunden bis etwa 5 Minuten zur Entfernung der Fluorrückstände aus der Kammer durchgeführt. Längere Zeitspannen sind möglich, aber für gewöhnlich nicht notwendig und daher wirtschaftlich nicht plausibel. Die tatsächliche Zeitdauer, die zur Entfernung aller Fluorrückstände erforderlich ist, hängt auch von der Plasmaleistung und der Strömungsrate der Gasquelle aus Wasserstoff durch die Kammer ab.
Ob die Zeitspanne für das plasmaunterstützte Wasserstoffätzen lang genug war, um alle Fluorrückstände zu entfernen, kann gegebenenfalls empirisch festgestellt werden, indem die Gleichmäßigkeit der anschließenden Deckbeschichtung, zum Beispiel einer Wolframschicht, auf einem Halbleiterwafer geprüft wird. Wenn die Dicke der Wolframschicht sich nicht um mehr als 1% über den Wafer ändert, wurden alle Fluorrückstände entfernt. Wenn andererseits die Fluorrückstände in der Kammer zurückbleiben, kann der Unterschied in der Dicke der Wolframschicht über die Oberfläche des Wafers bis zu 3-4% betragen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Strom der Gasquelle aus Fluor gestoppt, d.h., das Gas wird abgedreht und das Plasma nach dem ersten Reinigungsschritt ausgelöscht. Dadurch wird eine unerwünschte Reaktion zwischen der Gasquelle aus Fluor und der Gasquelle aus Wasserstoff verhindert, die sonst eintreten könnte, wenn die beiden Reinigungsschritte durch langsames Abdrehen des Stroms der Gasquelle aus Fluor und langsames Aufdrehen des Stroms der Gasquelle aus Wasserstoff ineinander übergehen. Nachdem der Strom der Gasquelle aus Wasserstoff in die Vakuumkammer begonnen hat, wird das Plasma wieder gezündet und bleibt dann während des zweiten Reinigungsschrittes entzündet.
Das folgende Beispiel dient zur weiteren Veranschaulichung des verbesserten Reinigungsverfahrens der Erfindung.

Beispiel

Eine Vakuumbeschichtungskammer, die zur Abscheidung von Wolfram auf Halbleiterwafern verwendet worden war und in der sich CVD-Wolframablagerungen mit einer durchschnittlichen Dicke von etwa 1 µm auf den Oberflächen des Aufnehmers angesammelt haben, wurde gereinigt, indem zuerst NF&sub3; durch die Vakuumkammer mit einer Strömungsrate von 100 sccm geströmt wurde, während ein Druck in der Kammer von 0,75 Torr und eine Temperatur von 450ºC aufrechterhalten wurde. Ein Plasma wurde in der Kammer entzündet, während der NF&sub3;-Strom einen Leistungspegel von 200 Watt aufwies und der Abstand zwischen dem geerdeten Aufnehmer oder der Basis und der Frontplatte, die als jene Elektrode diente, die an die Hochfrequenz-Leistungsquelle angeschlossen war, 500 mil betrug. Das plasmaunterstützte Fluorätzen wurde 2 Minuten durchgeführt, wonach der NF&sub3;-Strom abgeschaltet und das Plasma ausgelöscht wurde.
Nach dem Fluorätzen wurde Wasserstoff (H&sub2;) durch die Kammer mit 200 sccm geströmt, während die Vakuumkammer weiterhin bei 0,75 Torr und einer Temperatur von 450ºC gehalten wurde. Während des Wasserstoffstroms durch die Kammer wurde wieder ein Plasma zwischen der Basis und der Frontplatte bei einem Leistungspegel von 200 Watt entzündet. Das plasmaunterstützte Wasserstoffätzen wurde 30 Sekunden durchgeführt.
Zur Testung der Wirksamkeit des Reinigungsverfahrens wurde dann ein Halbleiterwafer auf den gereinigten Aufnehmer geladen und eine Deckbeschichtung aus einer Wolframschicht durch CVD auf den Wafer aufgebracht. Der Wafer wurde dann aus der Kammer entfernt und die Wolframschicht auf Gleichmäßigkeit untersucht und es wurde ein Unterschied in der Dicke von weniger als 1% festgestellt.
So schafft die Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Entfernung von angesammelten Ablagerungen von Materialien wie Wolfram oder Wolframsilicid von den Oberflächen eines Aufnehmers in einer CVD-Beschichtungskammer, ohne unerwünschte Fluorrückstände zu hinterlassen, indem zuerst die Ablagerungen mit einem plasmaunterstützten Fluorätzen entfernt und dann die Fluorrückstände mit einem plasmaunterstützten Wasserstoffätzen entfernt werden.

Claims

1. Verfahren zur Entfernung von Ablagerungen von Wolfram oder Wolframsilicid von einem Aufnehmer in einer Vakuumbeschichtungskammer, wobei die Kammer innerhalb eines Druckbereichs von etwa 0,26 bis etwa 1,333 mbar (etwa 0,2 bis etwa 1 Torr) gehalten wird, ohne darin Fluorrückstände zu hinterlassen, mit folgenden Schritten:

Erwärmen des Aufnehmers und Halten des Aufnehmers innerhalb eines Temperaturbereichs von 450º bis 475ºC bei Verwendung der Kammer und des Aufnehmers zur Deckbeschichtung und von 250ºC bis 400ºC bei Verwendung der Kammer und des Aufnehmers zur selektiven Beschichtung;

Strömen einer Gasquelle aus Fluor ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus SF&sub6;, CF&sub4;, C&sub2;F&sub6; und NF&sub3; in die Kammer bei einer Rate im Bereich von 20 bis 200 sccm;

wahlweisem Strömen eines inerten oder nichtreaktionsfähigen Gases in die Kammer; und

Entzünden eines Plasmas in der Kammer bei einem Leistungspegel im Bereich von 50 bis 400 Watt, während die Gasquelle aus Fluor darin fließt, um die Ablagerungen von dem Aufnehmer zu entfernen;

Stoppen der Strömung der Gasquelle aus Fluor in die Kammer;

anschließendem Strömen einer Gasquelle aus Wasserstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H&sub2;, B&sub2;H&sub6;, PH&sub3; und eines C&sub1;-C&sub2;-Kohlenwasserstoffs in die Kammer bei einer Rate von 100 bis 500 sccm;

Aufrechterhalten eines Plasmas in der Kammer bei einem Leistungspegel im Bereich von 50 bis 400 Watt während der Strömung der Gasquelle aus Wasserstoff hierin zur Entfernung von restlichem Fluor von dem Aufnehmer, wobei der Aufnehmer in einem Temperaturbereich von etwa 150ºC bis etwa 525ºC während des Reinigungsvorgangs gehalten wird.