TW471083B - Systems and methods for dry cleaning process chambers - Google Patents

Description

471083 _案號89111276_和年[{?月 曰 修正_ 五、發明說明（1) 本申請案申請訴求1 9 9 8年6月1 2日列檔之美國專利臨時 申請序號第6 0 / 0 8 9，1 1 7號之利益範圍。 韻^明範圍 本發明係關於半導體製造設備之保養，更具體言之，係 關係於一製程室内部清潔之系統與方法。 發明背景 製造半導體元件之新科技與方法對於保養與操作該製造 半導體元件之機具產生新的挑戰。 製造如微處理器與記憶晶片、之半導體元件，主要是以化 學製程為之。一般稱作反應室之機具中進行這些製程，其 中最常見之一製程稱為化學蒸氣沉積（CVD) °CVD —如其 名，為一種供製造者能夠沉積，或長成一層材料在如矽晶 圓之基材上的化學製程。進行CVD製程時，反應室會在基 材周圍製造一種選定之製程條件環境。通常包括了控制該 室内之溫度與壓力。另以氣體輸送系統將反應物原料送入 室中。藉著保持在適當環境與引入適當原料，CVD反應可 進行，而該氣態反應物原料可形成，或沉積一固態相於該 基材表面。每一層固態原料形成一種式樣，通常採用照相 製版，或採用蝕刻方式。在基材上沉積了多層不同式樣 後，可生成一完成之半導體元件。 正如可預知者，這些化學製程導致反應室内部壁面與組 件上固體原料的堆積。一段時間後，這些沉積物會累積， 終至形成一層厚厚的副產物，或廢棄物物質，塗覆在室的 内側。此物質層形成一種特殊要務源頭，傷及到半導蜂元 件的形成。具體而言之，這層膜已知會在製程設備熱膨脹

O:\64\64704.ptc 第5頁 471083 _案號89111276_咖年㈧月 日 修正_ 五、發明說明（2) 與收縮時，自反應器壁面剝落，有時卻因與水份反應發 生。剝落之副產物可污染到在室内處理中的基材，妨礙元 件高品質膜之沉積作用。 污染物可藉打開室，以液體溶劑手工清理室壁面，而自 室壁面與反應器組件除去，甚為類似清潔烤箱内部。這種 方法可行，然而因清潔要求程度甚高，故過程十分費力與 費時。 為提供較佳解決之道，已發展出其它清潔方式，包括線 上清潔方式，其係在室内供入氣體藥劑，與副產品物質反 應，使副產品物質溶入藥劑，而由室内排出。在某些此種 方式中，加入反應劑並同時施加電漿。電漿是用來協助打 斷反應劑分子，提供反應性蝕溶離子以供清潔之用。已知 之此種電漿輔助方式有數種，包括以NF3，SF6與(：34反應劑 為基礎之方式。 三氟化氯（C 1 F3)為一種可在不配合電漿輔下，仍能清潔 反應器壁面之清潔劑。C 1 F3為弱鍵結分子，當接觸到大多 數熱金屬表面時會放熱分解。放熱反應所釋出熱量用來揮 發反應副產物，其可再泵出室内到達適當減量站，留下乾 淨之反應器表面。C 1 F3這種不需電漿的清潔劑能力，使其 較其它清潔劑有相當大優點。舉例而言，C 1 F 3可與電漿無 法達到表面反應並清潔之，例如反應器壁面，熱交換機段 背側，及排氣管線部份。 然而新的金屬C VD技術所產生的副產物，為現有之線上 清潔帶來挑戰。尤其是許多新的金屬化技術用到以函素為 基礎之先質氣體，增加了富含鹵素與金屬之殘餘膜。這一

O:\64\64704.ptc 第6頁 471083 _案號 89111276_W年 月 曰_ίΜ：_ 五、發明說明（3) 類膜經證實較矽沉積時之矽基膜對現有清潔技術具抵抗 性。造成未清潔，可能污染處理中晶圓之表面。亦有建議 採取使用較長清潔時間作為解決，然其結果混淆，而造成 之延滯增加操作該半導體生產設備之花費，且增加因增加 使用C 1 F3之清潔成本，因其為價格不低之反應劑。 因此，該技藝界需要一種改良的清潔技術，包括更能適 合將金屬C V D製程產生膜去除之技術。 發明摘要 本發明之一特色，在於提供\一種改良之線上清潔方法。 本發明之另一特色，在於提供一種藉著提供加速清潔反 應，且降低對價昂清潔原料依賴之更加具成本效益之清潔 方法。 、 現有之線上清潔技術，不能滿足提供作為去除金屬CVD 製程中沉積在反應器室壁面與組件之膜之有效且具成本效 益方法。在供這些金屬CVD製程所研發之反應器中，本申 請人已發現到，較冷反應器表面可塗覆有一層富含鹵素而 較不導電沉積物，與C 1 F3之反應性不足。與C i F3起弱反應 據瞭解會僅造成沉積物與非揮發副產物之氟化反應。如此 則造成表面不潔。如上所討論者，有人建議以較長的清潔 時間作為解決之道，但所達成結果混淆，而造成之延滯增 加半導體生產設備操作費用，增加因提升C 1 F3用量而增之 清潔成本。 本文所述系統與方法中，反應性添加物，如_一_氧二化鼻 (N20)或二氧化二氮（N2 02 )與氧（02)均與清潔劑共用，以在 接觸含鹵素與金屬副產物膜時，增加反應並產出更多揮發

O:\64\64704.ptc 第7頁 『471083 修正 __案號 89111276 五、發明說明（4) 性物質。 附圖簡述 圖1說明進行本文所述製程之一系統。 圖2說明如圖1所述反應室之反應室内部功能性塊狀圖之 咅1j面。 元件符號簡述 符號 10 12 14 16 18 20 22，24 28 30 32 34 38 40 意義 系統 反應室 泵 洗氣器 第一儲槽 第二儲槽 閥 流量控制單元 喷頭 加熱器段 基材 排出口 入口 示範性具體實例詳細敘述 本發明以下參考某些示範性具體實例敘述，更針對參考 自反應室表面清潔金屬性膜之系統與方法。然而對一般諳 於此藝者當可認知，本文所述系統與方法可應用於其它用 途，包括去除其它種膜之方法，包括主含矽之膜，例如氧

O:\64\64704.ptc 第8頁 471083 _案號 891Π276 五、發明說明（5) 和年「ο月 曰 修正 化矽膜。 圖1說明可進行本文所述清潔方法之系統1 〇。具體而 言，該系統1 0包含反應室1 2，泵1 4，洗氣器1 6，第一儲槽 1 8，供儲存清潔氣體，與第二儲槽2 0，供儲存氧化性氣 體，閥2 2，2 4，及流量控制單元2 8。 反應室12，泵14，與洗氣器16可用來沉積膜於基材上， 如沉積T i或T i N膜於一矽基材表面。依此，圖1所述系統1 0 可容許金屬CVD製程在反應室12進行，將先質氣體引入室 内，選定溫度供内部氣體反應並沉積在室1 2所含矽基材上 一層所需金屬膜。泵14與洗氣器16可用來將室12内部這些 已於沉積製程反應過之氣體，而非實質廢棄無用原料移、 出，於適合環境條件下回收。 由以上敘述可知，沉積膜於基材之CVD製程，依賴注入 如室1 2之室内部氣體原料。這些氣體原料可填入室1 2内部 空間，促使反應在整個室内發生。因此，雖然在插入室内 之基材上會形成膜，同樣的，膜亦會生成在室1 2之側壁， 底壁，與内部組件上。由圖2可更看出膜在室1 2側壁與組 件成型之過程。 圖2是特別是對圖1所述室1 2之内部之剖面觀。室1 2包括 喷頭3 0，加熱器段3 2附有其上之基材3 4，並出口 3 8與入口 40。一般諳於此蓋者當可認知，如上所述CVD製程中，先 質氣體流過入口 40，透過噴頭30分佈過室12内部容積。基 材34保持在加熱器段32，其可由溫控單元操作保持基材34 於選定之高溫。流入室12内部先質氣體可與基材34反應， 沉積含金屬膜於基材3 4之上。然而由於加熱器段3 2通常亦

O:\64\64704.ptc 第9頁 471083 _案號89111276_和年ig月 曰_iMi_ 五、發明說明（6) 處於高溫，可瞭解到先質會與加熱器段3 4反應，在其上沉 積膜。同樣的，膜亦令在室1 2側壁上’室1 2底壁上，及排 出口 3 8内部上生成。通常品質較佳膜在此沉積過程中沉積 在基材，以及加熱器段邊緣上，而低品質膜沉積在較冷喷 頭3 0。此外，更冷之反應室1 2壁表面與室底，與排出管線 38均塗覆上一含Ti Ix之黑膜。 以下參考一些範例性操作敘述本發明方法，其中該等在 鈦與氮化鈦膜沉積中生出之廢料膜，係自.如圖1所述反應 室1 2之反應室加熱段，喷頭，側壁與排氣管線清除。然而 一般諳於此藝者當可認知，本文所述方法可適於用在其它 用途，包括應用於將矽與氧化矽膜自一反應室之内部與組 件上除去。 範例1 製程模組各包含真空室（反應器），冷卻水器，乾泵，與 洗氣器，用以自四碘化鈦（Ti 14)先質沉積Ti與TiN膜。製 程室壁與喷頭以Inconel 6 0 0合金製成，保持在2 0 0 °C ，而 段加熱器（承放體）為鋁塗覆Inc one 1 6 0 0，沉積過程保持 在5 0 0 °C到6 6 0 °C ，視用途而定。該室以平行板電容組合方 式附有電漿能力，加熱段作為接地，而該喷頭作為被動R F 電極。該被動電極（噴頭）以厚（約3 0 mm )石英片與接地室 絕緣，而以固體氧化鋁環與其支撐夾絕緣。 C1F3清潔工作係在2/ΖΠ1 Ti或旦am TiN膜沉積作用完成 後，以加熱器溫度為3 0 0 °C，環境壁與喷頭溫度為2 0 0 °C下 進行。吾人經驗為熱C1F3可清理Ti或TiN膜離開加熱器 段，但會遺留下黑副產物，其含有T i I x，T i Fy與T i C lz，而

O:\64\64704.ptc 第10頁 471083 _案號89111276_^年卬月 曰__ 五、發明說明（7) 鹵素濃度（X，y，Z )程度則視清潔溫度與時間而定。即使 以T i與T i N反應器清潔時間延長，最後清潔度仍未能令人 滿意。清潔中以電漿撞擊，可以加速C 1 F3反應，產得白 色，富含氟，但仍不揮發副產物’以能量散射光線螢光 光譜儀（EDS)技術判別為金屬鹵化物，N i Fx，CrFx與？6?<混 合物。 為改良室的清潔工作，在清潔時於C 1 F3中加入一氧化二 氮（N20)。初步清潔後對反應器之目視檢查感覺甚佳。以 往僅以C 1 F3清潔後必然留下之黑粉粒副產物，在以N20混合 使用下，僅餘留非常少之塗覆在壁上。在熱C1F3/N20流後. 一段預設時間後以電漿撞擊，顯示更佳改良，以及更令人 滿意之清潔效果。將C 1 F3與N2 0流降到各為1 0 0 s c c Π1而降低 清潔壓力到0. 1 Torr或更低，可以增加反應性物質平均自 由途徑，加強對製程反應器壁面與底板之清潔。再將清潔 參數調到最佳後，可得到以下兩步驟清潔配方： 步驟1 :0·5 slm C1F3，0·5 slm Ν20，0·2 slm Ν2，0.2 T〇r r，3 0 0 °C加熱器溫度，2 0 0 °C壁面與喷頭溫度。 步驟2 :0.1 slm C1F3，01.2 slm Ν20，〇·1 slm N2，0.1 T o r r，3 0 0 °C加熱器溫度，2 0 0 °C壁面與喷頭溫度。 N20在改良C1F3清潔效果的角色可綜合如下：Ti與TiN膜 自段加熱器蝕剝過後，C 1 F3反應受輔助，而增加C 1 F3分子 部份能夠解離。加入之N20係作為觸媒更促使C 1 F3根據以下 反應解離： N20 + C1F3 + (Ti 或TiN) —— ->C102(氣體）+TiF4 (氣體）+N2 (氣體）（T i N製程）。

O:\64\64704.ptc 第11頁 471083 _案號 89111276_°1〇年化月 曰__ 五、發明說明（8) 以上分析係以Fourier Transform Infra Red (FTIR)技 術支持，其係用來檢查T i製程模組清潔反應排氣。此技術 中，I R光線通過製程室下游排氣管線產生多反射，再到達 檢知器。I R光線被清潔排氣中分子多種吸收模式吸收。這 些分子的吸收波特徵可用來判別泵出物質之分子結構及化 學組成。測試結果如下： ‘ N20加入後，製程室下游Cl F3濃度降低，表示N20並不加 速C1F3之解離速率。 製程室下游四氟化鈦（TiF4)濃度隨N20流而更快增加，表 示、0使清潔方式（Ti移出）更有效率。 該室下游之金屬氟化物濃度未受N20流改變，表示增加_ CiF；^不會增加腐钱。 對於加入或不加入N20混合之C1F3清潔工作後，吾人對製 程室目視檢查配合以上FTIR結果，顯示出在C1F3添加N20， 可改進C 1 F3清潔反應，增進室清潔工作，尤其對於僅以 C 1 F3單獨反應時較無效之較冷表面區域。 本方法之優點包括以下： 以一氧化；.惠.混合C 1 F3可增進C 1 F3解離過程，改良對金 屬CVD設備内Ti 14為基礎之Ti與TiN膜之線上清潔工作。 加入N20並未顯示對CVD反應器之Inconel氧化铭與石英 組件增加腐姓。 加入N20可增加在CVD反應器内部反應之C1F3部份，降低 製程模組下游組件（冷卻水器，乾燥泵與排氣管線）反應， 減少腐蝕並延長其等使用壽命。 於平行板電容組合内以RF電漿配合1〇/(： 1 F3流撞擊，可

O:\64\64704.ptc 第12頁 471083 _案號 89111276 五、發明說明（9) 年月 曰 修正 更增進該清潔製程方法。 各降低N20與Cl F3流率到1 0 0 seem，清潔壓力到0 · 1 Torr 或更低，可改進對製程室壁面與底板之清潔。 另外應注意到，雖然使用時是一氧化二氮，二氧化二 氮，與三氟化氯之清潔氣體混合物，其它能夠與沉積室内 沉積之含金屬物質反應並蝕剝除之清潔氣體亦可使用。

O:\64\64704.ptc 第13頁 471083 _案號89111276_和年P月 日 修正 圖式簡單說明 第14頁 O:\64\64704.ptc

Claims (1)

1. 471083 _案號89111276_，年㈧月 曰__ 六、申請專利範圍 1 . 一種自供處理基材裝置之室内清潔金屬膜之方法，其 包含： 引入含三氟化氯清潔氣體進入該室， 引入含N20氧化氣體進入該室， 於該室建立一種環境，其具選定之溫度與選定壓力， 以供該清潔氣體與該氧化氣體於該室内與該金屬膜反應， 且 自該室排出該清潔氣體與該氧化氣體之反應產物。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其尚包括對該清潔氣 體與該氧化氣體之混合動作。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其尚包括令該清潔氣 體及該氧化氣體與含鹵素成份之含金屬膜反應的動作，以 令該膜自該室移出。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其尚包括於該室内提 供電漿之動作。 5. 如申請專利範圍第4項之方法，其尚包括令該電漿於 一選定相對於引入該氣體之一之時間在該室内撞擊之動 作。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該引入清潔氣體 包括令該清潔氣體以約1 0 0 s c c m流率流入壓力在約0 . 1 Torr之該室内。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中於該室建立一環 境係包括於該室内建立介於1 0 0 °C到5 0 0 °C之溫度。 8. —種清潔在其室壁面生成具含欽膜之室之方法，包

   O:\64\64704.ptc 第15頁 471083 案號 891Π276 修正 f、申請專利範圍 含： 引入 引入 於該 令該 而生成可 9. 該 種 引入 引入 於該 環境， 令該 在下反應 自該 含三氟化氣清潔氣體於該室， 含氧化反應物之氧化氣體於該室， 室内建立具有選定溫度與選定壓力之環境， 清潔氣體與該氧化氣體接觸該含鈦膜，使其反應 揮發性產物，及 室排出該可揮發性產物。 清潔供處理基材裝置之室之熱清潔方法，包含： 含三氟化氯清潔氣體於該室， 含氧化反應物之氧化氣體於該室' 室内建立溫度範圍在1 0 0 °C到5 0 0 °C且選定壓力之 清潔氣體與該氧化氣體於該室内在不具有電漿存 ，及 室排出該清潔氣體與該氧化氣體之反應產物。

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