TWI718148B - 用於蝕刻和腔室清洗之方法以及用於該方法之氣體 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及用包含氟氣、氮氣和氬氣以及所述氣體混合物或由其組成的氣體混合物清洗用於半導體製造的裝置的腔室之方法。
Description
本申請案要求於2015年5月22日提交的歐洲申請號15168904.9之優先權，出於所有的目的將此申請案的全部內容藉由引用結合在此。本發明涉及用包含氟氣、氮氣和氬氣以及所述氣體混合物或由其組成的氣體混合物清洗用於半導體製造的裝置的腔室之方法。
處理腔室被廣泛地用來製造半導體、平板顯示器、或光伏達元件。該製造總體上包括對基底進行蝕刻或化學氣相沈積等操作，在該處理中，該基底典型地位於提供在該處理腔室內部的支持物上。在半導體、光電池、薄膜電晶體(TFT)液晶顯示器、以及微機電系統(MEMS)的製造過程中，經常在處理腔室中的基底上進行沈積材料的連續步驟，例如藉由化學氣相沈積(CVD)。在對應裝置的運作過程中，沈積不僅發生在基底上，而且也發生例如在該處理腔室的內壁上。此類沈積物的定期去除係希望的以獲得穩定並且可重複的沈積結果
並且總體上藉由用含有氟原子的氣體蝕刻所述沈積物來進行。
NF3作為蝕刻氣體在工業中廣泛使用。然而，NF3係溫室氣體，在100年的時間內比較時，它具有的全球變暖潛勢(GWP)比CO2的全球變暖潛勢大17,200倍。由此，已經提出了替代蝕刻氣體，如COF2或分子氟。WO 2013/092770揭露了在該混合物中具有相對低含量的氬氣的氟氣、氮氣和氬氣的三元混合物。
然而，仍存在對於用來清洗處理腔室的改進的方法和氣體混合物的需求。因此，本發明的一個目的係識別用於清洗處理腔室之改進方法以及作為蝕刻氣體的氣體組成物。本發明之方法和氣體混合物有利地導致在該處理腔室中不想要的沈積物的改進的蝕刻率，導致總清洗過程的減少的時間、該處理腔室的更有效清洗、含氟蝕刻氣體的消耗的降低和/或更經濟的清洗方法。另一個目的係提供在該清洗過程中可以更有效地並且容易地代替NF3作為蝕刻氣體的氣體混合物。
該等和其他目的係藉由根據本發明之方法和氣體混合物來實現的。
由此，本發明的第一方面涉及清洗用於半導體製造的裝置的處理腔室之方法，其中，使用包含以下各項或由以下各項組成的氣體混合物作為蝕刻氣體：相對於
氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氬氣。較佳的是，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於35%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氬氣。更較佳的是，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於37.5%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。特別地，該氣體混合物由約30%(v/v)的氟氣、約30%(v/v)的氮氣和約40%(v/v)的氬氣組成。
較佳的是，該氣體混合物可以由僅氟氣、氮氣和氬氣組成。可替代地，該氣體混合物可以含有其他組分，像氖氣、氧氣、氦氣、N2O、NO、或其混合物。
術語“約”旨在表示該等組分根據以上給出的
百分比值存在於該氣體混合物中。然而，由於用於製備該等氣體混合物的技術過程它們還可以在誤差界限內以給出的百分比存在。總體上，這種誤差界限被假定為約+/-0.5%(v/v)。
用於處理腔室的方法總體上在不同的階段中進行。例如，用於電漿輔助的清洗的合適方法可以包括至少4個不同的階段。
第一階段係引燃階段，其中該電漿被引燃。經常，該引燃階段用純氬氣進行，因為已知氬氣非常適合於引燃電漿。
出人意料地，現在已經發現，根據本發明的氣體混合物還可以用來引燃電漿源而不混合另外的量的氬氣到該混合物中。因此，可以用本發明之氣體混合物進行該完整的清洗循環而不需要在用於相應步驟的不同氣體混合之間切換。
第二階段係預清洗階段。在此階段中，該蝕刻氣體總體上含有更少的含氟氣體。如果在該腔室的某些部件中發現相對大量的沈積物，可以進行該階段。為了防止該腔室的部件的過熱，在該預清洗階段中用具有更少的氟氣的更溫和的氣體混合物蝕刻該等大的沈積物。
第三階段係主要清洗階段，其中從該處理腔室出去除該等沈積物的大部分。有利地，該主要清洗階段可以是該清洗過程中最長的階段。它還有可能是其中消耗最多蝕刻的階段。
第四階段係後清洗階段，其總體上使用具有更低氟氣濃度的蝕刻氣體。在此階段中，蝕刻在該腔室的更遠的並且更不易進入的部件中的任何殘留沈積物。
較佳的是，在該等清洗階段的至少一個中使用本發明之氣體混合物。更較佳的是，在該主要清洗階段中使用它。
該處理腔室的清洗總體上在相對低的壓力下進行；對於該主要清洗階段的合適的值係4托。出人意料地，已經發現，本發明之氣體混合物很可能由於其更高的反應性允許在該腔室內甚至更低的壓力。由此，該方法較佳的是在腔室內在1與3.5托之間範圍內的壓力下、更較佳的是在約3托的壓力下進行該過程。
經常地，該清洗過程藉由電漿輔助。電漿可以藉由將高頻電壓施加在相對的電極之間或者施加在磁控管(它提供頻率係射頻的上部範圍的微波)中產生。該等電磁波將電漿反應器內部的氣相加熱。形成了具有高反應性的原子(例如F原子)，該等原子然後將物質蝕刻掉，形成揮發性反應產物。出人意料地，本發明的氣體組成物允許使用相對低的頻率而保持穩定的電漿。由此，另一個實施方式係其中該過程係使用具有從100KHz至1GHz、較佳的是約400KHz的頻率的遠程電漿源的電漿輔助的。
NF3係當前用於腔室清洗的最常用的蝕刻氣體之一。因此，將有利的是提供允許NF3的代替的氣體混合物伴隨該裝置和其調節的最小改變。這總體上被稱為“直
接”替代物(“drop-in”substitution)。出人意料地，已經顯示出本發明的氣體混合物可以不僅用於為了使用NF3優化的和/或調節的裝置還提供與NF3相比甚至改進的結果。由此，另一個實施方式涉及其中為了使用NF3作為蝕刻氣體而優化的裝置之方法。
在該清洗方法中有待移除的沈積物包含無機材料，像Si、Si3N4、SiOxNy(其中0<x
3並且0
y
4)、SiO2、TaN、TiN或W。由此，本發明的另一個實施方式涉及以下方法，其中藉由用該蝕刻氣體蝕刻以移除Si、Si3N4、SiOxNy(其中0<x
3並且0
y
4)、SiO2、TaN、TiN或W，更較佳的是SiO2。
在第二方面，本發明涉及了以下氣體混合物，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氬氣。
較佳的是，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於35%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍
內的氬氣。更較佳的是，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於37.5%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。特別地，該氣體混合物由約30%(v/v)的氟氣、約30%(v/v)的氮氣和約40%(v/v)的氬氣組成。在另一個具體的實施方式中，該氣體混合物由約30%(v/v)的氟氣、約45%(v/v)的氮氣以及約25%(v/v)的氬氣組成，或該氣體混合物由30%(v/v)的氟氣、45%(v/v)的氮氣以及25%(v/v)的氬氣組成。
在第三方面，本發明涉及該氣體混合物之用途，係作為蝕刻氣體用來清洗用於半導體製造的裝置的腔室(例如在如以上描述的方法中)。較佳的是，該氣體混合物被用作為NF3的直接替代物(“drop-in”replacement)。
藉由將所希望量的氟氣、氬氣和氮氣凝縮或壓制在壓力瓶中可以容易地製備本發明之氣體混合物。
若任何藉由引用結合在此的專利案、專利申請案以及公開物的揭露內容與本申請案的描述相衝突的程度到了可能導致術語不清楚，則本說明應該優先。
下面的實例將進一步詳細解釋本發明，但是它們並非旨在限制本發明之範圍。
實例
1.蝕刻率測定：
蝕刻率係藉由使用針對樣品的645nm雷射器藉由反射測量術原位測定的。蝕刻率藉由膜厚度除以檢測到去除端點的時間而計算。
2.樣品：
該等樣品的大小係200mm晶片。所研究的材料被沈積在150nm的熱SiO2層上從而允許乾涉法測量。
由於它們的光學特性允許干涉法測量，將SiO2樣品沈積在大塊矽片上。
3.在Alta-CVD上的腔室清洗實驗
在AltaCVD工具上用具有“Brooks VX400”的裝料器的兩腔室系統進行實驗。腔室PM2被用於摻雜的/未摻雜的聚-Si膜。加熱器溫度被設定為400℃，壁溫係55℃。
以400kHz的頻率使用為NF3優化的MKS“Paragon”遠程電漿源。離解離子和自由基進入腔室接近真空閥並且在加熱器與噴頭之間流動。該遠程電漿源通常在純氬氣的存在下被引燃。直接地在該等離子處於穩定狀態之後，引入包含氟氣的氣體混合物。
相應氣體混合物從具有101的尺寸的氣缸遞送到該機器中。該裝置配備有適用於所有種類的腐蝕性氣體
的金屬密封的“Brooks GF 125”數字質量流量控制器，VCR。
清洗過程然後以三個單獨的清洗步驟(預清洗、主要清洗和後清洗)進行45s的組合時間。
實例1：用不同的F2/Ar/N2混合物的腔室清洗
將1-2μm厚的PETEOS膜沈積在200mm Si-基底上並且厚度用分光儀(OMT)/橢偏儀(科磊(tencor)UV1280SE)，49點，10mm邊緣排除測量。將晶片裝載到該腔室內。在測量後蝕刻TEOS膜厚度之後計算SiO2-蝕刻率。
對於每個實例，用純的蝕刻氣體混合物進行該主要清洗步驟(第二行)，而分別在1140和850sccm(“標準立方釐米”)的加入下進行預和後清洗步驟。其他參數(步驟時間t、壓力p和氬氣、蝕刻氣體和總氣體的相應流速)在下表中給出。
實例1a示出了本發明之混合物而對比實例1b和1c用在所要求的範圍之外的氣體混合物進行。
結果：
該等結果示出了出人意料地蝕刻率顯示出本發明的氣體混合物F2/N2/Ar(30%/30%/40%每v/v)的1253nm/min的出乎意料的最大值以及氣體混合物F2/N2/Ar(30%/45%/25%每v/v)的1343nm/min的另一個出乎意料的最大值。剛好在所要求的範圍之外的氮氣和氬氣含量的改變導致蝕刻率的降低。實驗1a的本發明之氣體混合物導致比對比實驗1b的使用該氣體混合物的次好的結果高出超過10%的蝕刻率。
對比實例2：用NF
3
/Ar混合物的腔室清洗
用如在下表中示出的不同的NF 3 /Ar混合物進行三個不同的清洗步驟。所有的其他參數係與在實驗1中提到的那些相同的。
結果：
該等結果表明實驗1a的本發明之氣體混合物導致比對比實驗2的使用NF3/Ar氣體混合物的次好的結果高出超過10%的蝕刻率。此外，與實驗1a的使用本發明之混合物的結果計算的消耗量相比，在對比實例2的最好的結果中氟氣的消耗量(基於所消耗的氟原子的總重量計算，最後一列)明顯更高。
Claims (17)
- 一種清洗用於半導體製造的裝置的處理腔室之方法，其中，使用包含以下各項或由以下各項組成的氣體混合物作為蝕刻氣體：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第1項之方法，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第2項之方法，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第3項之方法，其中，該氣體混合 物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於37.5%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第5項之方法，其中，該氣體混合物由約30%(v/v)的氟氣、約30%(v/v)的氮氣和約40%(v/v)的氬氣組成。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，該氣體混合物在主要腔室清洗步驟中使用。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，腔室的壓力在133與467Pa之間的範圍。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，該方法係電漿輔助的，使用具有100KHz至1GHz、較佳的是約400KHz的頻率的遠程電漿源。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其 中，該裝置為對使用NF3作為蝕刻氣體而優化的裝置。
- 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中，藉由用該蝕刻氣體蝕刻以移除選自下列者所組成之群組的無機材料：非晶質Si、Si3N4、SiOxNy其中0<x3並且0
y
4、SiO2、TaN、TiN或W。
- 一種氣體混合物，其包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第12項之氣體混合物，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於20%(v/v)至等於或小於40%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第13項之氣體混合物，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於25%(v/v)至等於或小於35%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等 於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第14項之氣體混合物，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於45%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於25%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第15項之氣體混合物，其中，該氣體混合物包含以下各項或由以下各項組成：相對於氟氣、氬氣、氮氣和任意的其他組分的總組成物為100%(v/v)，在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氟氣、在等於或大於27.5%(v/v)至等於或小於32.5%(v/v)範圍內的氮氣以及在等於或大於37.5%(v/v)至等於或小於42.5%(v/v)範圍內的氬氣。
- 如申請專利範圍第16項之氣體混合物，其中，該氣體混合物由約30%(v/v)的氟氣、約30%(v/v)的氮氣和約40%(v/v)的氬氣組成。
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