TW494465B - Fluorine process for cleaning semiconductor process chamber - Google Patents

Description

494465 A7 B7 五、發明說明（） 發明領媸： 本發明係關於一種洗淨或移除一種用以製造電子產 品之真空室内層表面之殘留物的製程。更特定說來，本 發明係關於在該製程中對氟氣的使用。 U背景： 在製造含有半導體之電子產品的製程中，材料層或 材料特徵區都會在真空室中被加以沉積或圖案化（即以 蚀刻方式加以圖案化），其中該真空室一般被稱作半導 體處理室。在處理室中該沉積或蝕刻製程所產生之化學 副產物和未使用完的試劑大多都會經由一抽氣t浦排 出’但有些殘留物則仍無可避免地沉積於處理室牆或其 它表面上。這種殘留物必須定期加以洗淨或移除，以維 持製程條件之穩定性，並防止殘留物剥落而使製造中之 違子產品受到污染。 傳統用以洗淨處理室内表面上殘留物的方法之一為 在處理室中加入含有電漿分解後產生之原子團的氣流混 合物，其中該電漿可在該處理室中產生或由一遠端電裝 源產生之。更詳言之，這些含氟之氣體化合物在傳統上 是被用於移除含矽、氧化矽或氮化矽之殘留物者，其中 這些殘留物通常是因沉積矽、氧化矽、或氮化矽於基板 上之製程或對這些位於基板上之物$加以錢擊餘刻或反 應性離子姓刻所產生的 使用上述含氟之氣體混合物的做法有一大缺點，即 一般相信當該氣體被使用、並被釋放至大氣層中後會造 第2頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ---- 訂——-------線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^^465 ^^465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（） 成一種全球暖化效應。因此，政。、 成全球暖化現象之氣體的使：早垃當會對能造 化學氣體的開發乃是勢所當：加:更多的限制，故其它 憂目的及概沭： 本發明提出一種在半導體處理室中以及八 氣體當作主前驅試劑而將處⑨ H F2) 製程。氟> + « ^ 0 ^ |綫田物加以移除的 虱刀于轧體的一大優點在於其不丄 斗# . 弁不會造成全球暖化 政應，而傳統用於洗淨室内的本 „ . , ϋ鼠化合物則都會造成該 效應，如NF3，C2F6及SF6皆屬之。 本案發明人發現氣態氟分子在 产 丁在為私漿分解後所產生 的氟原子及原子團能有效地移除今 、. 夕陈令矽、虱化矽、或氮化 矽之殘留物。甚且’本案發明人還發現氟分子氣體能在 無需任何電浆的條件下有效地將含珍之殘留物加以移 除。 發明詳細說明： 本發明揭示之處理室洗淨製程的測試都在傳統市面 上可購得之真空室（用以對大型基板或工部進行化學氣 相沉積（CVD)之真空室）中進行，其中該基板或工部可為 製造薄膜電晶體（TFT)平板顯示器所用的玻璃基板。 當工業上生產此類顯示器時，一般都希望能讓基板 留在室中連續進行不同膜層的沉積，因此洗淨處理室内 部的製程最好能具有移除各種不同沉積製程在處理室内 部所留下之殘留物的能力。 第3肓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----r-----▲-----------訂-----------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494465 五、發明說明（ 本案發明人發現由電漿對氣態氟原子分解所生成之 氟原子（F )和氣態氟分子（F2 )的混合物能夠成功地在 製造TFT顯示器或其它矽半導體原件時將一般在電漿 CVD立中’冗積之二膜層之任一者加以洗淨（此三種膜分 別為氮化矽、氧化矽和非晶矽膜），而該三種膜在利用化 子氣相/儿積法（CVD )沉積時所產生的所有殘留物也都 可加以洗淨之。以上測試中利用了 一傳統微波遠端電漿 源1 (RPSC)，並以其來將氟原子和氟分子的混合物供應 至需要被洗淨的傳統CVD室中。 在氮化矽、氧化矽及矽膜的濺擊蝕刻或反應式離子 蝕刻製程中，蝕刻製程室内部表面上通常都會沉積一些 被蝕刻之膜的殘留物質，因此本發明之洗淨製程當能對 蝕刻製程室及CVD製程室兩者同樣有效發揮洗淨作用。 實驗結果 實質上純的氟分子被供應至電漿室中，該電装室與 需要被洗淨之CVD室為不同者。如此之電漿室通常被視 為一”遠端”電漿室。在遠端室中的氟分子因遠端室與微 波電源相耦合而被微波能量激發成電漿狀態，其中微波 能量係由微波電源供應器提供。遠端微波電漿室的排出 口與需被洗淨之CVD室的氣體供入口相接，以讓遠端電 •桌A所產生之氟原子和氟分子的混合物能被送入Cvd室 中。在洗淨動作進行時，排出幫浦與該CVD室相接，以 將該室之壓力控制在250至600亳托耳之間。 首先，氟分子分解為氟原子所需的微波能量須先確 第4頁 M·氏張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公髮 ^ ：------------I---------T (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 定。接著，氣態氟以1000 seem及2000 seem的流速供應 至一般遠端微波電漿室中，其中該電漿室被輕合以頻率 2.4拾億赫兹、2 0 0 0至4 0 0 0瓦特的微波能量。氟原子與 氟分子之比在該室的排出口被測量。當能量介於範圍 2 5 0 0瓦特至4 0 0 0瓦特之間時，所測得的比為3比2 (即 60%氟原子和40%氟分子）。由此數據可知，2500瓦特 的能量應已足夠，而以下將描述之洗淨製程測試中所使 用的微波能量則為4000瓦特。 為對洗淨製程加以測試，三個不同的電漿CVD製程 在C V D室中予以分別執行之。該三個電漿c V D製程分 別為：（1)使用11〇50(：111的3出4、55〇3(：(：111的^^3及 3 5 00 seem的N2氣體混合物來沉積1微米的siNx ; ( 2 ) 使用330 seem的SiH4及8000 seem的N2O氣體混合物來 沉積1微米的Si〇x(主要為Si〇2);及（3 )使用50 seem 的SiH4及1400 seem的H2氣體混合物來沉積0,25微米 的非晶矽（a-Si )。在以上各例中，各膜層厚度皆係沉積 於一 40x50公分的玻璃基板上，但該三個CVD製程在 CVD室牆上所形成的殘留物各不相同。 在每個CVD製程都執行完畢後，本案發明人分別對 以傳統利用電漿分解NF3的製程與以本發明利用電漿分 解氣怨氟分子（F2 )之製程在處理室牆上所留下的殘留 物所需化費的洗淨時間加以比對。 3000 sccm 的 F2 與 20〇〇 sccm 的 NF3 在洗淨由 SiNx CVD製程所產生的殘留物時所使用的時間相同。這證明 本發明與傳統NF3處理氣體在功效上相當。 • I W-----------I I ^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第5頁

494465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 洗淨速率是F 2流進遠端電漿室之速率的線性函數。 當將F2流動速率分別降至2000 sccm及1 000 seem時， 洗淨速率分別降低了 36%和72% (即洗淨所需時間增加 了）° 加入氮氣或氫氣至已有氣態氟分子的遠端電漿室中 並不會影響洗淨速率。更明確地說，當在1〇〇〇 sccm的 F2中加入200 seem的H2或500至1〇〇〇 sccm的％並不 會影響F 2的洗淨速率。 當在遠端電漿室中加入相等分子莫耳濃度之F2與 NF3氣體混合物時，所用的洗淨時間為各別使用等總流率 之F2或NF3的一半。這項結果指出該兩種試劑有線性加 成的效果，且在洗淨氣體混合物至少含分子莫耳濃度5〇 %之F2時，以該等含f 2之混合氣體當作洗淨製程中之洗 淨氣體的做法是可行的。然而，若要將本發明的優點發 揮到最大’ F2的分子莫耳濃度在試劑氣體混合物中以至 少具70%為佳，並以至少具80%為更佳，至少具9〇%則 為最佳。氣分子與非反應性載氣（如氦）的混合不應影 響整個製程，除了因氟分子的流動速率被降低而使蝕刻 速率降低外。 在Si〇xCVD的製程中，所產生的殘留物以3〇〇〇sccm 的Η或2000 sccm的NFs加以洗淨，該兩物質之流速則 同於SiNx CVD製程中對所產生之殘留物加以之洗淨氣 體流速。因此，本發明與傳統NF3製程在洗淨上具有同 等效力。此外，將F2的流動速率減至2〇〇〇 sccm將會使 洗淨速率降低28% (即洗淨時間增加了）。 -----；— --------訂—--------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 第6頁

A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 雖然本發明之愈】> ,& 秸比傳統NF3製程所需的氣體流 動速率兩’但是義辦F各a 虱4 F2郃有其不會造成全球暖化現象之 優勢。因此，本發 么相對於傳統NF3製程而言確實獲致 重大的改善。 非晶碎在 CVD塑rk 士 . t心中產生的殘留物在室内氣壓為 I70愛托耳（於CVD室中）時，若以i_s…F2洗 乎：所化費（時間為59秒；而在室内壓力為570毫托耳 (;CVD立中）時，以2〇〇〇 sccm的ρ2則需花費32秒 ’里的時間/先淨。在此非晶碎沉積的實驗中，叫之洗淨速 率並未加以測試，故不加以比較。 本案發明人也嘗試在當被洗淨之CVD室内產生電 漿，以測知是否能增加對牆的洗淨速率。在進行這項實 驗時，金屬氣體散流板（或"陽極”電極）被連接至射頻 電源供應器（該”陽極"能源供應器），遠端微波電漿室 中之氣體就經由該分配盤而被送進該CVD室中。其中該 罜中的牆及在室中的其它金屬零件都被接地，而射頻電 源會將CVD室内的氣體激發至電漿狀態。 本案中’加以陽極電源的影響被加以測試。該測試 動作首先在室内牆上形成殘留物，即在CVD室内的一基 板上利用上述SiOx之CVD製程沉積1微米的SiOx而形 成殘留物。而後，該殘留物以下列兩種製程之一加以洗 淨：（1 )前述之製程，即於遠端電漿室内供應純氟分子、 且CVD室内無陽極電源者，或（2)不同於前述的洗淨 製程’即將400瓦特、13.56佰萬赫茲的射頻電源加至 CVD室中的氣體散流板上，其中該陽極電源增加了 2 i % 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） ---------^-----------訂----------線* (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494465 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 的洗淨速率（即洗淨時間減少了）。 製程用之硬體H 本洗淨製程發明對任何因沉 . u /儿積或圖案化製程而使得 殘留物積聚在真空室内部的洗淨

尤于上有所助益。傳統CVD 室及蝕刻室的設計與操作在下 # Γ以吴國專利中有所描述： 第4,854,263號專利（Chang等人擁有，核准於Μ/, 第5，_，⑴號專利（Wang等人擁有核准# 3/1_)、 第5,366,5 85 t專利（R〇berts〇n等人擁有核准於 n/22/94 )及第 5,844,2G5 號“（Whit^人擁有，核 准於U/W98)。本案與上述美國專利為具有共同的專利 權受讓人，在此並將上述美國專利併入本案中，以供參 閱。 μ 本洗淨製程發明需要一些使至少一部份氟分子 (F2 )試劑分解為氟原子的設備。在上述之所有測試中， 分解動作是由傳統遠端微波電漿源達成的，即將遠端電 漿室加以耦合，以從微波電源供應器接收能量。遠端微 波電漿源的更進一步說明可見於下列美國專利中：第 5，780,3593號專利（Brown等人擁有，核准於7/14/98)、 第5,788,778號專利（Shang等人擁有，核准於8/4/98) 及第5,812,403號專利（Fong等人擁有，核准於 9/22/98 )。以上各專利皆併入本案中，以供參閱。在以 上各專利中，第5,780,3 59號專利說明者為同時提供一遠 端微波電漿源與一射頻電源，其中該射頻電源被加至磁 式增強型反應離子蝕刻（FERIE )用之晶座上。 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------)-----------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 另外，任何其它傳統用於讓至少一部份的氟分子 (F2 )試劑分解為氟原子的裝置或設備都可使用之。 舉例而言，遠端電漿源除了可以微波電源供應器激 發（即利用耦合而接收能源）以外，其也可以電磁能源 激發之。更明確說來，射頻電源供應器可以電感式或電 容式耦合至遠端電漿室中。在D.L Flamm等人於1 979年 1 〇 月發表之 ’’Reaction of Fluorine atoms with Si〇2"(發 表於 J. Appl. Phys.，vol· 50，η〇· i〇，pages 6211 — 6213 中）中描述了一項氟分子的實驗測試設備，其中一 1 4佰 萬赫茲的射頻能源係以電容式輕合至一遠端電漿源中， 用以將氟分子分解成氟原子，在此將該論文併入本案内 容中，以供參閱。然而，以微波頻率能源（大於丨拾億 赫知者）來激發遠端電漿源較諸以射頻頻率能源（小於1 拾fe、赫茲者）來激發而言’前者可預期的優點為較高的 頻率通常能夠在較大的室内壓力中繼續維持電漿的存 在’且在分解特定比率的氟分子時所需的能量相對較 少Ο 現再舉另一例，即不對氟分子加以遠端電漿源，而 改以直接將氣態氟分子供應至需加以洗淨之處理室的做 法代替之，其中該處理室中至少一部份的氣體會被處理 室内產生的電漿所分解，而該電漿（同步電漿）可以各種傳 統電槳激發裝置產生之，如以微波電源、或電感式或電 容式耦合之射頻能量激發之。Watatani等人擁有之美國 專利第5,620,526號（核准於1997年4月15日）中描述由 一微波波導來將微波能量耦合至電漿室之傳統電子迴旋 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） r-------------β----------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

共振設備。與本案具有共同專利權受讓人之美國專利第 5,4 5 4,903(Redeker等人擁有，核准於1995年1〇月3曰 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 者）中揭露一射頻電源供應器，其用以將射頻能量以電感 式轉合至一 CVD室或触刻真空室，以產生同步電漿而洗 淨該室。在美國專利第5,63 2,821號（Doi擁有，核准於 5/27/98者）、與本案具共同專利權受讓人之第4,96〇,488 號美國專利（Law等人擁有，核准於10/2/90者）及第 5，756,400號美國專利（Ye等人擁有，核准於5/26/98者） 中揭露一射頻電源供應器，其以電容式將射頻能源耦合 至一半導體處理室’以產生同步電漿而洗淨該室。在此 將以上專利併入本案中，以供參閱。 使用同步電漿而非遠端電漿源的做法有其缺點，即 同步電漿會因離子轟擊而加速室中零件的腐蝕現象，不 過其卻有省去遠端電漿室之成本的優點。 無需電漿之洗淨製程 本案發明人也對洗淨製程中在不加以產生電漿狀況 下，氣怨氣分子（F2)是否也能從先前討論過之三種膜， 氮化矽（SiNx )、氧化矽（SiOx )及非晶矽（a-Si )的表 面上加以移除進行測試。在該測試中，需要洗淨之表面 的溫度被充份提升，以讓F2能與表面上需加以移除之膜 反應，以此機制來代替電漿對該F2的分解作用。 在這些測試中，室内牆上並不加以洗淨，本案發明 人所測試者在於室中氣態氟是否能從加熱過後的基板上 移除該三種膜之任一種。具體地說，本案發明人將三片 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 χ 297公釐） *--------I --------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494465

五、發明說明（） 80 X 80 @玻璃基板固定在—晶座上，並分別在各基板上 覆^一種膜層其中該晶座被加熱至450。(：，意圖讓ρ2 與需由基板上移除的膜反應。、结果發現，該氟未姓刻掉 、 礼儿π仁匕確貫移除了非晶矽。當使用流動 速率1000 sccrn的畜能备π去 7心鼠寺，該非晶碎之被姓刻速率為 5000埃/分鐘。 ” 以上敘述也明了氣態氟分子在無電漿的激發下（即 無電漿協助對F2的分解）也能夠洗淨非晶矽。因此，當 以熱或電漿加強式製程將矽沉積於一基材之上、或利用 錢擊蝕刻或反應性離子蝕刻製程而將矽從—基材上移除 時，在：£内牆上非晶矽將會是主要的殘留物。因此，這 種熱（無電漿）洗淨製程對於洗淨任何因沉積矽或蝕刻 碎所產生於罜内邵表面的殘留物來說應是相當有效用 的。 雖然該熱洗淨製程的測試只在基板溫庋為45〇t：的條 件下進行’但可預期的是表面上之矽無需達到如此高之溫 度即可被移除，其中可將該矽移除之最低溫度的判斷為一 般實驗上常須做的決定。 , --------^----------^ i^w— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

T 本紙張尺度細中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱）

Claims (1)

1. 494465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 1. 一種在半導體處理室中將室中暴出之内部零件的一或 多表面上之殘留物加以移除的製程，該製程至少包含 下列步驟： 供給包含有一或多種氣體之氣體混合物至一電漿 室中， 其中該氣體之一者為氟分子，及 其中該氟分子的分子莫耳濃度至少佔該氣體 混合物之百分之五十； 形成電漿於該電漿室中，以將該氟分子的一部份分 解成氟原子；及 暴出半導體處理室之内部，以使該半導體處理室内 部與該氟原子之至少一部份相接觸。 2·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該暴出步驟至 少包含下列步驟：輸送該氟原子的一部份由該電漿室 至該半導體處理室中。 3 ·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該電漿室及該 半導體處理室為同一室。 4·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中更包含下列步 驟： 在該暴出步驟之前，在該半導體處理室中沉積一層 膜於一基板之上，以產生殘留物於該室中零件表面 上； 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 教 訂---------線丨一 -ϋ ϋ ϋ H ϋ n I n ϋ n n n I I ϋ n · 494465 A8 B8 ， C8 D8 六 _I 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 其中該沉積步驟至少包含沉積一或多層矽、氧化碎 或氮化碎的步驟。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 ·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中更包含下列步 驟： 在該暴出步驟之如’在該半導體處理室中蚀刻一基 板上之一層膜，以產生殘留物於該室中零件表面上； 其中該蝕刻步驟至少包含蝕刻一或多層矽、氧化矽 或氮化碎的步驟。 6 ·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該氟分子的分 子莫耳濃度至少佔該氣體混合物之百分之五十。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之製程，其中該氣體混合物 除包含氟分子外，大致上不含有其它任何易反應氣 體。 8·—種在一半導體處理室中將室中暴出之内部零件的一 或多表面上之殘留物加以移除的製程，該製程至少包 含下列步驟： 供應包含一或多種氣體之氣體混合物至該半導體 處理室中， 其中該氣體之一者為氟分子，及 其中該氟分子的莫耳分子濃度至少佔該氣體混合 物之百分之五十。 第13頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 494465 A3 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 9·如申請專利範圍第8項所述之製程，其中更包含將該表 面充分地加熱至足以讓該氟分子與該表面上之所有碎 產生反應之程度的步驟。 10·如申請專利範圍第8項所述之製程，其中更至少包本 下列步驟： 在該供應氣體混合物之步驟之如’在該半導體處理 室中沉積一矽膜於一基板上、以產生含矽之殘留物於 該室中零件表面上；及 在該供應氣體混合物時’將該表面充分地加熱至足 以讓該氟分子與該殘留物中之碎在該表面上產生反應 之程度的步驟。 1 1 ·如申請專利範圍第8項所述之製程，其中該氟分子的 莫耳分子濃度至少佔該氣體混合物之百分之七十。 1 2 ·如申請專利範圍第8項所述之製程，其中該氣體混合 物大致上不包含氟分子以外的其它任何易反應氣體。 (請先閱讀背而之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經·濟部智慧时4局貸工消費合作社印製 準 標 家 一國 一國 ί中 I用 一適 Η 尺 I張 紙 i本 貫 4 一釐 一公