TWI501340B - 用於半導體製造設備之清理設備及使用該清理設備之半導體裝置之製造方法 - Google Patents
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Description
在此揭露的實施例是關於用於半導體製造設備之清理設備及使用該清理設備之半導體裝置之製造方法。
近幾年，已經積極發展出設有以此順序形成於基板上的氮化鎵(GaN)層與氮化鋁鎵(AlGaN)層以使用該GaN層做為電子運送層的電子裝置(化合半導體裝置(compound semiconductor device))。GaN系高電子移動率電晶體(GaN-based high electron mobility transistor，簡稱GaN-based HEMT)是化合半導體裝置的其中一者。形成於AlGaN與GaN的異界面(hetero-interface)處的密集二維電子氣(two-dimensional electron gas，簡稱2DEG)是為了該GaN系HEMT而使用。
GaN具有3.4eV的能帶隙(band gap)，其大於矽(Si)的能帶隙(1.1eV)與GaAs的能帶隙(1.4eV)。換句話說，GaN具有高崩潰電場強度(breakdown field strength)。GaN也具有高電子飽和速度(electron saturation velocity)。因此，GaN是能實現高電壓操作與提供高電源輸出的化合半導體裝置的大有可為的材料。GaN也是容許節省電源的電源供應裝置的大有可為的材料。
例如GaN的化合半導體是藉由於基板(例如矽基板、碳化矽基板與藍寶石基板)上進行金屬有機氣相磊晶(metal organic vapor phase epitaxy，簡稱MOVPE)而形成。使
用以藉由MOVPE來形成化合半導體膜(film)的半導體製造設備具有各種設置其中的組件。當形成該膜時，該化合半導體的原料附著至所述組件。因此，當重複膜形成製程時，該化合半導體的原料累積在所述組件上。隨著該已累積物質的量增加，該已附著物質可能因為應力釋放而從所述組件脫離。該已脫離物質可能污染該半導體製造設備的內部，且也防止適合的晶體成長。當該已附著物質存在該半導體製造設備的內部時，在晶體成長期間，該已附著物質的外皮可能蒸發，漂浮在該半導體製造設備中並附著至晶圓。在此時，也防止適合的晶體成長。因此，適當清理該半導體製造設備的組件內部是重要的。
濕清理(wet cleaning)與乾清理(dry cleaning)是建議做為清理所述組件的方法。因為該濕清理不可避免地會在所述組件上留下少量的水，且該水可能在該化合半導體的膜形成期間蒸發，所以該乾清理係較佳。該乾清理具有可僅選擇性地移除關注的材料的另一優點。換句話說，藉由該乾清理，可不實質地蝕刻所述組件而移除沉積物(deposit)。
然而，所述組件的乾清理要花許多時間。因為除非清理完所述組件，否則無法使用該半導體製造設備，在清理期間無法進行該化合半導體的膜形成。因此，減低了該半導體裝置的製造產出量。
[專利文獻1]：日本特開第2003-282543號公報
本發明之目的係提供一種能有效清理半導體製造設備的組件之清理設備及使用該清理設備之半導體裝置之製造方法。
根據本發明的一態樣，提供一種用於半導體製造設備之清理設備，係包含：移除附著至該半導體製造設備的組件的沉積物的表面上的氧化物的氧化物移除單元，以及在藉由該氧化物移除單元移除該表面上的氧化物之後，移除該沉積物的沉積物移除單元。
根據本發明的另一態樣，提供一種用於半導體製造設備的清理方法，係包含：移除附著至該半導體製造設備的組件的沉積物的表面上的氧化物，以及在移除該氧化物之後，移除該沉積物。
已經研究為何乾清理組件需要長時間的原因。所以，發明人發現附著至一些組件的沉積物具有已氧化的表面。按照步驟的數量與成本，一般來說，在預定數量的組件達到要被清理的組件之後，共同進行所述組件的乾清理。因此，在一些組件要被乾清理之前，所述組件是被儲存在周遭大氣(ambient atmosphere)中一段時間。
附著至此種組件的沉積物的表面係逐漸氧化以產生氧化物。傳統上，該乾清理的條件的設定是考慮到化合半導體的原料的組成元件。然而，在此種條件下移除該氧化物是困難的。舉例來說，一般使用氯氣來乾清理。然而，該氧化物係物理地穩定且其與該氯氣的反應性是低的。因
此，需要延伸的清理以移除該氧化物。所以根據習知技術的乾清理需要長時間。
本發明的實施例將參照所附圖式而於下面詳細解釋。第1圖是根據本實施例的用於半導體製造設備的清理設備的示意圖。
根據本實施例，用以移除附著至該半導體製造設備的組件的沉積物的沉積物移除部件(deposit removal part)2及用以移除該沉積物的表面上的氧化物的氧化物移除部件(oxide removal part)3係設置於用於該半導體製造設備的清理設備(cleaning apparatus)1。當使用GaN、AlGaN與氮化鋁(AlN)做為原料來製造化合半導體裝置時，其沉積物係包含做為氮化物半導體的GaN、AlGaN與AlN的至少一者。
舉例來說，使用電漿處理裝置做為該氧化物移除部件3，以將腔體(chamber)中的所述組件暴露於惰性氣體的電漿。換句話說，該氧化物移除部件3在該氧化物上進行電漿蝕刻。可將氬氣使用做為該惰性氣體。或者，可將該氬氣混合氫氣以使用做為該惰性氣體。該氧化物移除部件3並不限於該電漿處理裝置。
舉例來說，該氧化物移除部件3可為用以進行噴珠處理(bead blasting treatment)的裝置或用以磨光該沉積物的表面的裝置。當該沉積物的表面上的氧化物的厚度為接近10奈米時則已飽和。因此，只要求該氧化物移除部件3可移除具有接近10奈米的厚度的氧化物。
舉例來說，使用用以進行乾處理(例如化學反應蝕刻)的乾清理設備做為該沉積物移除部件2。可將氫氣、氯氣與氯化氫之至少一者使用成為蝕刻氣體。
待藉由該清理設備1來清理的該半導體製造設備及其組件並不限於此。舉例來說，該半導體製造設備可為MOVPE裝置，且其組件可如第2A圖所示地為接受器蓋體(susceptor cover)6與如第2B圖所示地為天花板(ceiling plate)7。晶圓夾持區6a係設於該接受器蓋體6上。該接受器蓋體6可由塗有SiC的碳所製成，且該天花板7可由石英所製成。然而，所述組件的材料並不限於此。
接著，將於下面解釋用於使用待藉由該清理設備1清理的該半導體製造設備的半導體裝置的製造方法及用於使用該清理設備1的半導體製造設備的清理方法。第3A至3C圖與第4A至4B圖係為根據本實施例的用於GaN系HEMT(化合半導體裝置)的製造方法的連續步驟的剖視圖。
首先，參照第3A圖，緩衝層12、i-GaN層13、i-AlGaN層14a、n-AlGaN層14b與n-GaN層22係形成在矽基板11上。AlN層或AlGaN層係形成以做為該緩衝層12。或者，可於該AlN層上形成該AlGaN層以當作該緩衝層12。該緩衝層12、i-GaN層13、i-AlGaN層14a、n-AlGaN層14b與n-GaN層22係藉由例如MOVPE方法的晶體成長來形成。在此時，這些層可藉由選擇原料氣體來依序形成。可分別使用鋁(Al)的原料與鍺(Ga)、三甲鋁(trimethylaluminum，簡稱TMA)與三甲基鎵(trimethygallium，簡稱TMG)的原
料。可使用氮(N)、氨(NH3
)的原料。也可使用包含在該n-AlGaN層14b與該n-GaN層22中做為雜質的矽、矽甲烷(silane)(SiH4
)的原料。
參照第3B圖，在形成該n-GaN層22之後，藉由剝離(lift-off)方法以於該n-GaN層22上形成源極電極15s與汲極電極15d。為了形成該源極電極15s與汲極電極15d，形成開設有待形成該源極電極15s與汲極電極15d的區域的阻層圖案(resist pattern)，且於其上沉積鈦與鋁。接著，移除該阻層圖案與沉積其上的鈦與鋁。隨後，藉由在400至1000℃(例如600℃)處的氮氣中的熱處理而形成歐姆接觸。
接著，參照第3C圖，於該n-GaN層22上形成鈍化膜(passivation film)23以覆蓋該源極電極15s與汲極電極15d。藉由電漿化學氣相沉積(CVD)可形成氮化矽膜以做為該鈍化膜23。
然後，形成開設有待形成開口23a的區域的阻層圖案。藉由使用該阻層圖案蝕刻，於該鈍化膜23上形成開口23a，如第4A圖所示。隨後，藉由剝離方法於該鈍化膜23上形成閘極電極15g，該閘極電極15g經由該開口23a接觸該n-GaN層22。在移除使用來形成該開口23a的阻層圖案之後，形成開設有待形成該閘極電極15g的區域的另一阻層圖案。於其上沉積鎳與金，且之後移除該阻層圖案與沉積其上的鎳與金，使得形成該閘極電極15g。
參照第4B圖，於該鈍化膜23上形成鈍化膜24以覆
蓋該閘極電極15g。藉由電漿CVD方法形成氮化矽膜以做為該鈍化膜24。
接著，形成連接複數個閘極電極15g的閘極線、連接複數個源極電極15s的源極線與連接複數個汲極電極15d的汲極線。因此，可獲得該GaN系HEMT。
當根據上述方法而製造該半導體裝置時，沉積物不可避免地附著至使用來形成該氮化物半導體(化合半導體)(例如該緩衝層12、i-GaN層13、i-AlGaN層14a、n-AlGaN層14b與n-GaN層22)的半導體製造設備(例如，MOVPE裝置)的該等組件。因此，每次結束預定次數的處理就要清理該半導體製造設備的該等組件。
為了清理所述組件，首先將該等組件運送(convey)至該氧化物移除部件3並暴露至氬氣的電漿，使得該沉積物的表面受到電漿處理所影響。因此，該氧化物被移除，即使當該氧化物存在於該沉積物的表面上。該電漿處理的條件並不限於此。然而，設定該條件以使得當該氧化物存在於該沉積物的表面上時，可移除具有接近10奈米厚度的氧化物。這是因為，在開始該清理前，即使當該沉積物的表面上產生該氧化物時，而當該氧化物的厚度為接近10奈米時，該氧化物已飽和。該等組件本身已經嚴重地被電漿處理給損毀。
接著，將該等組件運送至該沉積物移除部件2，以藉由使用氯化氫氣體的乾蝕刻來從該等組件分離出該沉積物。即使當開始該清理之前在該沉積物的表面上產生該氧
化物時，該氧化物在該氧化物移除部件3處被移除。因此，可快速地分離該沉積物。該等組件本身已經嚴重地被此種乾清理給損毀。
如上所述，可迅速地清理該等組件。換句話說，可短時間有效地清理該等組件。
附帶說明，在從該氧化物移除部件3處的處理結束至該沉積物移除部件2處的處理的開始的期間，較佳係將待清理的組件保持遠離周遭大氣。因此，較佳係在該氧化物移除部件3處的處理結束之後，該氧化物移除部件3的腔體中的空氣是足夠耗盡，且之後將該等組件運送至被該負載鎖固腔體(load lock chamber)所分割的該沉積物移除部件2的腔體，以開始在該沉積物移除部件2處的處理。
藉由將該矽基板11上設置電阻與電容而可由單晶微波積體電路(microwave integrated circuit，簡稱MMIC)提供化合半導體裝置。
該GaN系HEMT可使用做為高輸出放大器。第5圖說明該高輸出放大器的外觀的範例。根據此範例，連接至源極電極的源極終端81s係設於封裝件的表面上。連接至閘極電極的閘極終端81g與連接至汲極電極的汲極終端81d係從該封裝件的側邊延伸。
根據本實施例的GaN系HEMT也可使用做為電源供應裝置。第6A圖說明PFC(功因校正(power factor correction))電路，且第6B圖說明包含第6A圖所說明的該PFC電路的伺服電源供應(server power supply)(電源供應裝置)。
參照第6A圖，該PFC電路90係包含連接至二極體橋(diode bridge)91的電容92，該二極體橋91係連接交流電源供應(AC)。阻流圈(choke coil)93的一終端係連接至該電容92的一終端，該阻流圈93的另一終端係連接至切換元件(switching element)94的一終端與二極體96的陽極。該切換元件94係對應至根據本實施例的該HEMT，且其一終端係對應至根據本實施例的該HEMT的汲極電極。該切換元件94的另一終端係對應至根據本實施例的該HEMT的源極電極。電容95的一終端係連接至該二極體94的陰極。該電容92的另一終端、該切換元件94的另一終端與該電容95的另一終端係接地。直流電源供應(DC)在該電容95的終端之間被除去。
參照第6B圖，該PFC電容90係合併至該伺服電源供應100中。
能高速操作的電源供應裝置係可以相似於該伺服電源供應100的方式來形成。類似該切換元件94而形成的切換元件也可使用於切換電源供應或電子裝置。此外，這些半導體裝置可使用做為用於全橋(full-bridge)電源供應電路(例如伺服電源供應電路)的組件。
接著，將於下面解釋本發明人所實施的實驗。
首先，使用該半導體製造設備藉由金屬有機氣相磊晶(MOVPE)來重複形成GaN層。然後，藉由掃瞄式電子顯微鏡(scanning electron microscope，簡稱SEM)取得該半導體製造設備的組件的影像。第7A圖係為該SEM影像。如第7A
圖所示，觀察到沉積物具有50至80微米的厚度。此外，Ga2p的強度係藉由X射線光電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy)來量測。該量測結果係說明在第7B圖。從第7B圖發現該沉積物包含Ga原子。
接著，該半導體製造設備的組件係使用根據本實施例(範例)的清理設備1來清理。為了清理該等組件，在實施該氧化物移除部件3處的處理之後，實施該沉積物移除部件2處的處理。在該氧化物移除部件3處，氬氣係以20sccm的流速供應至該腔體中，該等組件係運送至該腔體。氬電漿係在200W的放電輸出與10mTorr的腔體壓力下產生。然後，移除該沉積物的表面上的氧化物。在該沉積物移除部件2處，氯化氫氣體被引入至該腔體中，該等組件係在2l/m的流速與900℃的高溫被運送至該腔體，以進行乾清理。進行該乾清理1小時。接著，在該乾清理之後，藉由該SEM取得該等組件的影像。第8A圖說明該SEM影像。如第8A圖所示，未觀察到該沉積物。此外，藉由X射線光電子能譜來量測Ga2p的強度。該量測結果係說明在第8B圖中。也從第8B圖發現沒有沉積物。
為了比較，如上述藉由重複形成該GaN層而附著有該沉積物的組件係無需移除該氧化物的處理而清理(比較範例)。換句話說，在不移除該氧化物的如上述的相同條件下實施該乾清理。然而，實施該乾清理2小時。在該乾清理之後，藉由該SEM取得該等組件的影像。第9A圖說明該SEM影像。如第9A圖所示，觀察到具有10至20微米厚度
的沉積物。即使在該乾清理之後，該沉積物的總量減少，但是存在接近20%的該沉積物。此外，藉由X射線光電子能譜來量測Ga2p的強度。該量測結果係說明在第9B圖中。從第9B圖發現該沉積物包含剩餘的Ga原子。
從所述實驗的結果可知，藉由使用根據本實施例的該清理設備1可高移除效率且短時間而清理所述組件。
在此詳述的所有範例與條件語言是有教學目的，以幫助讀者瞭解本發明及由發明人所貢獻之促進技術的概念，且所述範例與條件語言是理解為非限於此種特定詳述的範例與條件，亦非限於相關於顯示本發明的優勢與劣勢的說明中的此種範例的組織。雖然已經詳述本發明的實施例，但是應瞭解的是，可不背離本發明的精神與範疇而進行各種改變、替換與變更。
1‧‧‧清理設備
2‧‧‧沉積物移除部件
3‧‧‧氧化物移除部件
6‧‧‧接受器蓋體
6a‧‧‧晶圓夾持區
7‧‧‧天花板
11‧‧‧矽基板
12‧‧‧緩衝層
13‧‧‧i-GaN層
14a‧‧‧i-AlGaN層
14b‧‧‧n-AlGaN層
15d‧‧‧汲極電極
15g‧‧‧閘極電極
15s‧‧‧源極電極
22‧‧‧n-GaN層
23、24‧‧‧鈍化膜
23a‧‧‧開口
81d‧‧‧汲極終端
81s‧‧‧源極終端
81g‧‧‧閘極終端
90‧‧‧PFC電路
91‧‧‧二極體橋
92、95‧‧‧電容
93‧‧‧阻流圈
94‧‧‧切換元件
96‧‧‧二極體
100‧‧‧伺服電源供應
第1圖係根據實施例的用於半導體製造設備的清理設備的示意圖；第2圖係說明該半導體製造設備的組件的範例；第3A至3C圖係用於GaN系HEMT的製造方法的連續步驟的剖視圖；第4A及4B圖係在第3A至3C圖所述的步驟之後的用於該GaN系HEMT的製造方法的連續步驟的剖視圖；第5圖係說明高輸出放大器的外觀的範例；第6A及6B圖係說明電源供應裝置；第7A及7B圖係說明附著有沉積物的組件；
第8A及8B圖係說明根據範例的已清理組件；以及第9A及9B圖係說明根據比較範例的已清理組件。
1‧‧‧清理設備
2‧‧‧沉積物移除部件
3‧‧‧氧化物移除部件
Claims (10)
- 一種用於半導體製造設備之清理設備，係包括：氧化物移除單元，係組構成移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及沉積物移除單元，係組構成在藉由該氧化物移除單元移除該表面上的該氧化物之後，移除該沉積物；其中，該氧化物移除單元係於該氧化物上進行電漿蝕刻且將該氧化物暴露於用於該電漿蝕刻的惰性氣體的電漿。
- 一種用於半導體製造設備之清理設備，係包括：氧化物移除單元，係組構成移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及沉積物移除單元，係組構成在藉由該氧化物移除單元移除該表面上的該氧化物之後，移除該沉積物；其中，該沉積物移除單元係於該沉積物上進行化學反應蝕刻，且使用氫氣、氯氣與氯化氫氣體之至少一者做為用於該化學反應蝕刻的蝕刻氣體。
- 如申請專利範圍第1和2項中任一項所述之用於半導體製造設備之清理設備，其中，在該氧化物移除單元對該等組件之處理結束之後，將該等組件在保持遠離周遭大氣下運送至該沉積物移除單元。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於半導體製造設備之 清理設備，其中，該半導體製造設備的該等組件包含石英、碳化矽與碳之至少一者。
- 一種用於半導體製造設備的清理方法，係包括：移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及在移除該氧化物之後，移除該沉積物，其中，在移除該氧化物時，係在該氧化物上進行電漿蝕刻，且該氧化物係暴露於用於該電漿蝕刻的惰性氣體的電漿。
- 一種用於半導體製造設備的清理方法，係包括：移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及在移除該氧化物之後，移除該沉積物，其中，在移除該沉積物時，係在該沉積物上進行化學反應蝕刻，且氫氣、氯氣與氯化氫氣體之至少一者係使用做為用於該化學反應蝕刻的蝕刻氣體。
- 如申請專利範圍第5和6項中任一項所述之用於半導體製造設備的清理方法，其中，該等組件之該氧化物經移除之後，將該等組件在保持遠離周遭大氣下運送至用以移除該沉積物的腔體。
- 一種用於半導體製造設備的清理方法，係包括：移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及在移除該氧化物之後，移除該沉積物。
- 如申請專利範圍第5項所述之用於半導體製造設備的清理方法，其中，該等組件包含石英、碳化矽與碳之至少一者。
- 一種半導體裝置之製造方法，係包括：使用半導體製造設備於基板上形成含鎵或鋁的氮化物半導體層；以及藉由用於半導體製造設備的清理設備來清理該半導體製造設備的組件，其中，該清理設備包括：氧化物移除單元，係移除附著至該半導體製造設備的組件的含有鎵或鋁的氮化物半導體的沉積物的表面上的氧化物；以及沉積物移除單元，係在藉由該氧化物移除單元移除該表面上的該氧化物之後，移除該沉積物。
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