TWI599671B - 使用熱線化學氣相沉積腔室清潔基材表面之方法 - Google Patents

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Description

使用熱線化學氣相沉積腔室清潔基材表面之方法
本發明之實施例大體上關於半導體基材的處理。
在沉積製程中(例如磊晶生長製程)，期望有清潔的及/或無污染的表面以得具有待沉積之期望組成物的均勻層。為了提供清潔的及/或無污染的表面，執行清潔製程。例如，用於移除含氧或含碳污染層的習知基材清潔製程一般包括藉由將配置在製程腔室內的鉭(Ta)管加熱至大於約攝氏1600度的溫度以解離吸附在管表面上的氫(H2)，而產生原子氫源。然而，由於解離氫(H2)需要高溫，發明人已觀察到此等製程耗時且耗能。
因此，發明人已提供使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的改良方法。
在此提供用於使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的方法。一些實施例中，用於清潔基材表面的方法可包括以下步驟：提供基材至熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室，該基材具有配置在該基材之表面上的材料；提供氫氣(H2)至HWCVD腔室；加熱配置在該HWCVD腔室中的一或多個燈絲至一溫度，該溫度足 以解離該氫氣(H2)；及將該基材暴露至該解離的氫氣(H2)以從該基材之表面移除至少一些該材料。
下文中描述本發明之其他與進一步的實施例。
本發明的實施例提供使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的方法。本發明之方法可有利地提供比習知基材清潔製程更有效率且較不耗時的清潔基材表面的方法(例如，移除表面污染物、氧化物層、碳化物層或類似物)。
第1圖是根據本發明一些實施例使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的方法100之流程圖。第2A圖至第2B圖是根據本發明一些實施例在第1圖的處理順序之不同階段期間的說明性基材剖面圖。本發明之方法可在根據本發明多個實施例的適合用於處理半導體基材的任何HWCVD腔室中執行，該HWCVD腔室諸如為下文中針對第3圖討論的HWCVD腔室。
該方法100大體上開始於102，此處基材(例如基材200)可視情況加熱到期望溫度。該期望的溫度可以是任何溫度，諸如約室溫(例如大約攝氏20至25度)至約攝氏1000度。在執行清潔製程(例如，下文所述的清潔基材200之表面)之前加熱基材200可助於由基材200去氣及/或移除一些污染物。再者，在執行清潔製程之前 加熱基材200可提供至少一部分能量，這些能量是助於移除基材上所配置的材料或一或多層(例如下文所述的層202)以清潔基材200所需，因而減少需要由HWCVD腔室提供的能量的量。一些實施例中，基材200可在用於執行清潔製程的腔室(例如下文所述的HWCVD腔室300)中加熱。一些實施例中，基材200可在與用於執行清潔製程的腔室(例如下文所述的HWCVD腔室300)有別的腔室中加熱。在基材200於不同腔室中加熱的實施例中，可減少HWCVD腔室受到來自基材材料之污染的發生率。
在與用於執行清潔製程的腔室有別的腔室中加熱基材的實施例中，該腔室可以是適合將基材200加熱至期望溫度的任何類型的腔室，例如退火腔室、沉積腔室或類似腔室。在一些實施例中，該腔室可以是HWCVD腔室，諸如下文中針對第3圖討論的HWCVD腔室。一些實施例中，該腔室可以是一個或複數個耦接多腔室工具的腔室，所述多腔室工具諸如為群集工具或沿線HWCVD工具，諸如描述於Dieter Haas等人的美國專利申請案公開號2011/0104848之工具，該案於2011年5月5日公開，且該案讓渡給本發明的受讓人。
參考第2A圖，基材200可以是任何適合的基材，諸如摻雜的或無摻雜的矽基材、三五族複合基材(compound substrate)、二六族複合基材、矽鍺(SiGe)基材、磊晶基材(epi-substrate)、絕緣體上覆矽(SOI)基材、顯示 器基材(諸如液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器、電致發光(EL)燈顯示器)、發光二極體(LED)基材、太陽能電池陣列、太陽能板或類似基材。一些實施例中，基材200可以是半導體晶圓，諸如200或300 mm的半導體晶圓。一些實施例中，基材200可以是大型的LCD或玻璃基材，例如約1000 mm x 1250 mm的基材或約2200 mm x 2500 mm的基材。
一些實施例中，該基材200可包含一或多層，例如氧化物層、氮化物層、高或低K介電層、導電層或類似層。一些實施例中，以替代形式或結合方式，可在基材200中或基材200上(及/或在形成於基材上的一或多層中或一或多層上)形成一或多個特徵結構(例如通孔(via)、溝槽、雙鑲嵌結構或類似物)。該等特徵結構可經由任何適合的製程形成，例如蝕刻製程。此外，基材200可在預熱前經歷額外的處理，諸如溼式化學清潔製程，或類似製程。
一些實施例中，基材200可包含配置在基材200之表面204上的待移除之材料。一些實施例中，該待移除的材料可形成配置在基材200的表面204上的層202。該層202可以是需要此類移除的任何類型之層。例如，一些實施例中，該層202可包含碳，例如碳化物層。或者，該層202可包含氧，例如氧化物層，諸如表面氧化物層或原生氧化物層，該層包含氧化矽(SiO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化鎳(NiO2)或類似物。該層202可具有例 如約1奈米至約2奈米的厚度。
在104，提供基材200至熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室。HWCVD腔室可以是任何適合用於處理半導體基材的HWCVD腔室，諸如下文中針對第3圖討論的HWCVD腔室。在提供基材200至HWCVD腔室前加熱基材200(即前文中在102所討論之步驟)的實施例中，可經由任何適合移送基材200同時盡量減少基材200的熱損失的手段移送基材200。一些實施例中，例如HWCVD腔室是群集工具之部分的實施例中，可經由配置在移送室中的移送機器人移送基材200。或者，在一些實施例中，例如在HWCVD腔室是沿線工具之部分的實施例中，可經由線性輸送器直接從預熱腔室移送基材200至HWCVD腔室，或經由配置在預熱腔室與HWCVD腔室之間的分隔腔室從預熱腔室移送基材200至HWCVD腔室。
在106，處於HWCVD腔室的同時，可視情況將基材200加熱到期望溫度。可除了在102的前述視情況任選的加熱之外(或取代在102的前述視情況任選的加熱)，而執行在106的視情況任選的加熱。進一步而言，在106的視情況任選的加熱可在下文所述的清潔製程之前執行或同步(concurrent)執行。可將基材200加熱至任何溫度，例如由助於移除材料或層202所需的能量的量所影響。例如，期望的溫度可以大約是室溫(例如攝氏約20-25度)至攝氏約1000度。可經由任何適合的機構加熱基材 200，該機構例如為嵌在HWCVD腔室的基材支撐件中的基材加熱器(例如下文所述的基材支撐件328的加熱器329)，或者是配置在HWCVD腔室中的一或多個燈絲(filament，例如下文所述的燈絲或燈線(wire)310)。執行清潔製程(例如下文所述的清潔基材200之表面)之前加熱基材200可提供至少一部分能量，這些能量是助於移除基材上所配置的一或多層(例如下文所述的層202)以清潔基材200所需，因而減少暴露時間及需要由HWCVD腔室提供的氫氣的量。
接著，在108，可提供氫氣(H2)至HWCVD腔室。可用任何適合的流速提供氫氣(H2)至HWCVD腔室，例如對300 mm的晶圓製程腔室而言，該流速諸如為約50至約700 sccm。在此提供的流速可取決於受清潔的基材尺寸及/或HWCVD腔室的處理空間之尺寸而變化。一些實施例中，可用例如惰氣稀釋氫氣(H2)，該惰氣諸如為氦(He)、氬(Ar)或類似氣體。氫氣(H2)對惰氣的比例可為任何比例，例如約1：9至約9：1。該比例可經調整以提供產生所需量的能量必需的氫(H2)量(解離時)，以助於移除層202，如下文所論。
在稀釋氫氣(H2)的實施例中，可在提供氫氣(H2)與惰氣至HWCVD腔室之前混合這些氣體(例如，先混合氫氣(H2)與惰氣，再提供氫氣(H2)與惰氣混合物至入口332及/或噴頭333，如下文所述)。或者，在一些實施例中，氫氣(H2)與惰氣可經由兩個獨立的氣體供 應器共同流入HECVD腔室並且在HWCVD腔室內混合(例如，在下文所討論的內部處理空間304中)。
在110，提供電流至配置在HWCVD腔室中的一或多個燈絲，以使該等燈絲加熱到足以解離氫氣(H2)的溫度。該一或多個燈絲可以是配置在任何類型的HWCVD腔室中的任何類型的燈絲，例如下文中針對第3圖描述的HWCVD腔室中所配置的複數個燈絲。該溫度可以是適合引發氫氣(H2)解離且進一步提供移除期望材料(或層202)所需的適當量之能量的任何溫度，諸如攝氏約1000度至約2400度。一些實施例中，該溫度可至少部分由層202的組成主宰，也因此受解離的氣體與層202之間的反應之活化能主宰及/或受斷裂層202化合物之化學鍵所需的能量之量主宰，因而有助於移除材料或層202。例如，在層202包含氧化矽(SiO2)的實施例中，介於解離的氫原子之間的反應可以下列反應式代表：2H＊(g)+SiO2(s)=SiO(g)+H2O(g)
在這樣的實施例中，助於前述反應所需的溫度可大於約攝氏700度，或在一些實施例中大於約攝氏750度。
接著，在112，藉由使基材200暴露至解離的氫氣(H2)而清潔基材200之表面204。藉由將基材200暴露至解離的氫氣(H2)，氫原子與配置在基材表面上的材料(諸如層202)反應，從而助於移除材料或層202，故清潔了基材200之表面204。例如，在該層包含氧化物(例如原生氧化物層)的實施例中，氫原子與氧化物反應，而 引發氧化物還原及揮發性產物形成，即元素分子或元素的氫化物及/或較低級的氧化物。例如，在氧化物層包含氧化矽(SiO2)的實施例中，該等反應的揮發性產物可以是水(H2O)與矽(Si)的氫化物及碳(C)的氫化物。一些實施例中，除了氫原子與材料或層202之間的反應之外，原子氫可進一步與基材200的表面204反應，因而形成表面204材料之揮發性產物，從而引發基材200之表面204被蝕刻。例如，在基材200包含砷化鎵(GaAs)的實施例中，可產生揮發性產物砷(As)與鎵(Ga)的氫化物。
基材200可暴露至解離的氫氣(H2)達任何適合助於移除層202的時間量。例如，在一些實施例中，該基材可暴露至解離的氫氣(H2)達約10秒至約300秒，或者在一些實施例中達低於約1分鐘。
為了助於移除材料或層202，該基材200可定位在HWCVD源(例如，下文中針對第3圖所描述的燈絲或燈線310)下，使得基材200暴露至氫氣及氫氣的分解物種。基材200可處於靜態的位置定位於基材支撐件(例如，下文中針對第3圖所述的基材支撐件328)上及HWCVD源下，或在一些實施例中，動態地定位於基材支撐件上及HWCVD源下，以在基材200通過HWCVD源下方時有助於清潔。
除了上述之外，可利用額外的製程參數幫助從基材200移除層202，且可至少部分受到移除層202所需的能量 之量主宰。例如，在一些實施例中，製程腔室可維持在約10 mTorr至約500 mTorr的壓力下，或在一些實施例中，維持在約100 mTorr下(例如，對於300 mm的晶圓製程腔室而言)。在此提供的腔室壓力可取決於受清潔的基材之尺寸及/或HWCVD腔室之處理空間的尺寸而變化。以替代的方式或以組合的方式，在一些實施例中，HWCVD腔室的物理參數(例如燈絲直徑、燈絲至燈絲的距離336或燈絲至基材的距離340，在下文中所述)可經調整以助於從基材200移除層202。
任一前述實施例中，任一製程參數(例如，氫氣(H2)之流速、氫氣(H2)對惰氣之比例、基材溫度、燈絲溫度、額外製程參數、HWCVD腔室之物理參數或類似參數)可相對於彼此調整，以提供助於移除層202所需的能量之量，例如解離的氣體與層202之間的反應之活化能及/或斷裂層202化合物之化學鍵所需的能量之量，因而有助於移除層202。
在110清潔基材200之表面204之後，方法100大體上結束，且基材200可進行進一步處理。一些實施例中，可在基材200上執行額外製程(例如額外的層沉積、蝕刻、退火或類似製程)，以例如形成半導體元件於基材200上或製備表面200以用於多種應用，該等應用諸如光電電池(PV)、發光二極體(LED)或顯示器(例如，液晶顯示器(LCD)、電漿顯示器、電致發光(EL)燈顯示器或類似的顯示器)。
第3圖描繪HWCVD製程腔室300的示意側視圖，該腔室300適合依據本發明之實施例而使用。製程腔室300大體上包含腔室主體302，該腔室主體302具有內部處理空間304。複數個燈絲或燈線310配置在腔室主體302內，例如位在內部處理空間304內。複數個燈線310也可以是橫跨內部處理空間304來回拉線(route)的單一燈線。複數個燈線310包含HWCVD源。燈線310可包含任何適合的導電材料，例如鎢、鉭、銥、鎳鉻、鈀或類似材料。燈線310可包含任何適合提供期望溫度的厚度，以助製程腔室300中的製程。例如，一些實施例中，每一燈線310可包含約0.2至約1 mm的直徑，或在一些實施例中，約0.5 mm。
每一燈線310是藉由支撐結構(圖中未示)夾箝於適當位置，以當被加熱到高溫時保持燈線被拉緊，且提供對燈線的電接觸。一些實施例中，每一燈線310之間的距離(即燈線至燈線的距離336)可變化，以提供製程腔室300內的期望溫度分佈曲線。例如，一些實施例中，燈線至燈線的距離336可為約10至約120 mm，或在一些實施例中為約20 mm，或在一些實施例中為約60 mm。
電源313耦接燈線310以提供電流而加熱燈線310。基材330(例如上述的基材200)可定位在HWCVD源(例如燈線310)下，例如於基材支撐件328上。基材支撐件328可處於靜態以用於靜態沉積，或可移動(如箭號305所示)以當基材330通過HWCVD源下時用於動態 沉積。一些實施例中，基材支撐件328可包含加熱器329，該加熱器329嵌在基材支撐件中，以助於控制基材200的溫度。該加熱器329可以是任何類型的加熱器，諸如電阻式加熱器。
一些實施例中，每一燈線310與基材330之間的距離(即燈線至基材的距離340)可變化以助製程腔室300中正在執行的特定製程。例如，一些實施例中，燈線至基材的距離340可為約20至約120 mm，或在一些實施例中為約45 mm，或在一些實施例中為約60 mm。
腔室主體302進一步包括一或多個氣體入口(圖中顯示一個氣體入口332)及一或多個出口(圖中顯示兩個出口334)，該等氣體入口提供一或多個製程氣體，該等出口接至真空泵以維持製程腔室300內適合的操作壓力並且移除過多的製程氣體及/或製程副產物。氣體入口332可饋通進入噴頭333(如圖所示)或其他適合的氣體分配元件，以均勻地(或如期望般)於燈線310上方分配氣體。
一些實施例中，可在例如燈線與基材之間提供一或多個遮蔽件320，且該遮蔽件320可界定開口324(該開口324界定基材的沉積區域)且可減少腔室主體302之內部表面上不必要的沉積。以替代方式或以結合方式，可使用一或多個腔室襯墊322使清潔更加容易。使用遮蔽件與襯墊可預先排除或減少使用非期望的清潔氣體，諸如溫室氣體NF3。遮蔽件320與腔室襯墊322大體上保 護腔室主體的內部表面免受非期望地匯集的沉積材料，這些沉積材料是由於製程氣體在腔室中流動所致。遮蔽件320與腔室襯墊322可以是可移除的、可置換的及/或可清潔的。該遮蔽件320與腔室襯墊322可設以覆蓋腔室主體可能轉為受到塗佈的每一區域，這些區域包括燈線310周圍及塗佈隔室的所有室壁上，但不以此為限。一般而言，遮蔽件320與腔室襯墊322可由鋁(Al)製造且可具有經粗糙化的表面，以強化沉積材料的附著(以防止沉積材料的剝落)。遮蔽件320與腔室襯墊322可以任何適合的方式裝設在製程腔室的期望區域中，諸如在HWCVD源的周圍。一些實施例中，可藉由開啟沉積腔室的上部而將源、遮蔽件與襯墊移除以供維修與清潔。例如在一些實施例中，沉積腔室蓋(或頂壁)可沿著凸緣338耦接沉積腔室主體，該凸緣338支撐該蓋並且提供將該蓋固定至該沉積腔室之主體的表面。
控制器306可耦接製程腔室300的各部件以控制各部件的操作。雖然圖中示意性地顯示該控制器耦接製程腔室300，但該控制器可合用地連接任何可由該控制器控制的部件，以根據在此揭露的方法控制HWCVD沉積製程，該等部件諸如電源312、耦接入口332的氣體供應器(圖中未示)、耦接出口334的真空泵及/或節流閥(圖中未示)、基材支撐件328與類似部件。控制器306大體上包含中央處理單元(CPU)308、記憶體312與用於CPU 308的支援電路316。控制器306可直接控制 HWCVD製程腔室300，或經由其他與特定支援系統部件相聯的電腦或控制器(圖中未示)控制該HWCVD製程腔室300。控制器306可以是任何形式的通用電腦處理器之一，該通用電腦處理器可用於工業設施中以控制各腔室與次處理器。CPU 308的記憶體(或電腦可讀媒體)312可以是一或多個容易取得的記憶體，諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)、軟碟、硬碟、快閃記憶體或任何其他形式的本地端或遠端的數位儲存裝置。支援電路316以習知方式耦接CPU 308以支援處理器。這些電路包括高速緩衝儲存器、電源、時脈電路、輸入/輸出電路與次系統及類似物。可將如此述的發明性方法儲存在記憶體312中作為軟體常式314，可執行或援用該軟體常式314以將控制器轉為特定用途的控制器，以用此述的方式控制製程腔室300的操作。該軟體常式也可由第二CPU(圖中未示)儲存及/或執行，該第二CPU位在由CPU 308控制的硬體的遠端。
因此，在此提供了使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的方法。本發明之方法可有利地提供清潔基材表面的方法(例如移除氧化物層、碳化物層或類似物)，且該方法比習知基材清潔製程更有效率且較不耗時。
雖前述內容涉及本發明之實施例，然而可在不背離本發明之基本範疇的情況下設計其他與進一步的本發明之實施例。
100‧‧‧方法
102-112‧‧‧步驟
200‧‧‧基材
202‧‧‧層
204‧‧‧表面
300‧‧‧熱線化學氣相沉積腔室
302‧‧‧腔室主體
304‧‧‧內部處理空間
305‧‧‧箭號
306‧‧‧控制器
308‧‧‧中央處理單元
310‧‧‧燈線
312‧‧‧記憶體
313‧‧‧電源
314‧‧‧軟體常式
316‧‧‧支援電路
320‧‧‧遮蔽件
322‧‧‧腔室襯墊
324‧‧‧開口
328‧‧‧基材支撐件
329‧‧‧加熱器
330‧‧‧基材
332‧‧‧氣體入口
333‧‧‧噴頭
334‧‧‧出口
336‧‧‧燈線至燈線的距離
338‧‧‧凸緣
340‧‧‧燈絲至基材的距離
藉由參考描繪於附圖中的本發明之說明性實施例，能夠瞭解在發明內容中簡短總結與在實施方式中更加詳細討論的本發明之實施例。然而應注意附圖僅說明此發明的典型實施例，因而不應將該等附圖視為限制本發明之範疇，因為本發明可容許其他等效實施例。
第1圖是根據本發明一些實施例使用熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室清潔基材表面的方法之流程圖。
第2A圖至第2B圖是根據本發明一些實施例在第1圖的處理順序之不同階段期間的說明性基材剖面圖。
第3圖是根據本發明一些實施例適用於執行描繪於第1圖之方法的HWCVD腔室。
為了助於瞭解，若可能則使用同一元件符號標定各圖中共通的同一元件。該等圖式並未按照比例尺繪製且可能為了清楚起見而經過簡化。應考量到在一個實施例中的元件與特徵結構可有利地併入其他實施例而無須進一步敘述。
100‧‧‧方法
102-112‧‧‧步驟

Claims (18)

  1. 一種用於清潔一基材之一表面的方法，包含以下步驟：在將一基材提供至一熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室之前，將該基材加熱到約攝氏20度至約攝氏1000度的一期望溫度，該基材具有配置在該基材之一表面上的一材料；提供該基材至該熱線化學氣相沉積(HWCVD)腔室內的一基材支撐件；將該基材維持在約攝氏20度至約攝氏1000度的一期望溫度；提供氫氣(H2)至該HWCVD腔室；將配置在該HWCVD腔室中的一或多個燈絲加熱至一溫度，該溫度足以解離該氫氣(H2)；及將該基材暴露至該解離的氫氣(H2)以從該基材之該表面移除至少一些該材料。
  2. 如請求項1所述之方法，其中提供該氫氣(H2)至該HWCVD腔室之步驟包含以下步驟：以一惰氣稀釋該氫氣(H2)。
  3. 如請求項2所述之方法，其中以一惰氣稀釋該氫氣(H2)之步驟包含以下步驟：提供該氫氣(H2)對該 惰氣的一比例，該比例為約1：9至約9：1。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該惰氣是氬(Ar)或氦(He)之一。
  5. 如請求項2所述之方法，其中稀釋該氫氣(H2)之步驟包含以下步驟：混合該氫氣(H2)與該惰氣；及提供該氫氣(H2)與該惰氣的混合物至該HWCVD腔室。
  6. 如請求項2所述之方法，其中稀釋該氫氣(H2)之步驟包含以下步驟：使該氫氣(H2)與該惰氣共流至該HWCVD腔室。
  7. 如請求項1至6之任一項所述之方法，進一步包含以下步驟：在將該基材提供至該HWCVD腔室之後及在提供該氫氣(H2)至該HWCVD腔室之前，將該基材加熱到一期望溫度。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該期望溫度是約攝氏20度至約攝氏1000度。
  9. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中該一或多個燈絲包含複數個燈絲，且其中該複數個燈絲的各者配置成離另一相鄰的燈絲約10mm至約120mm。
  10. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中該一或多個燈絲配置在該基材上方約20mm至約120mm。
  11. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中該一或多個燈絲具有約0.2mm至約1mm的一直徑。
  12. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中配置在該HWCVD腔室中的該一或多個燈絲之該溫度是約攝氏1000度至約攝氏2400度。
  13. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中將該基材暴露至解離的氫氣(H2)以移除該材料之步驟包含以下步驟：將該基材暴露至解離的氫氣(H2)達約10秒至約300秒。
  14. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中在從該基材之該表面移除至少一些該材料的同時，該HWCVD腔室維持在約10mTorr至約500mTorr的一壓力下。
  15. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中該材料包 含碳或氧之一。
  16. 如請求項1至6之任一項所述之方法，其中該材料具有約1奈米至約2奈米的一厚度。
  17. 如請求項1至6之任一項所述之方法，進一步包含以下步驟：清潔該基材之該表面的同時，加熱該基材。
  18. 如請求項17所述之方法，其中加熱該基材之步驟包含以下步驟：將該基材加熱至約攝氏20度至約攝氏1000度的一溫度。
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