專利名稱：用稀釋的nf的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室和設備中沉積副產品原位清潔工藝的改進，其中工藝熱預算要求基座(suseceptor)溫度升高最小化。
背景技術：
在電子工業中，已經發展了各種沉積技術，其中，將選擇的材料沉積在目標基質上來生產電子元件例如半導體。一種類型的沉積工藝是化學氣相沉積(CVD)，其中，將氣相反應物引入加熱工藝室導致薄膜沉積在所要求的基質上。CVD的一種子類型是等離子增強CVD(PECVD)，其中在CVD工藝室中形成等離子。在CVD室中將反應物暴露給等離子以增加它們的活性，因而，在室中就要求較少的熱以獲得需求的沉積。
通常，所有沉積工藝導致薄膜和顆粒物質積聚在表面上而不只是在目標基質上，即，沉積材料還會聚集在壁上、工具表面、基座和用于沉積工藝中的其它設備上。在壁上、工具表面、基座和其它設備上聚集的任何材料、薄膜和類似物被認為是污染物，并可能導致電子產品元件的瑕疵。
必須定期清潔沉積室和設備以除去不想要的污染沉積材料是被普遍接受的。清潔沉積手段通常優選的工藝包括使用全氟化合物(PFC)，例如，C2F6、CF4、C3F8、SF6和NF3作清潔試劑。通過等離子和PFC的組合產生如離子和自由基等化學活性氟類物質，所述離子和自由基與室壁和其它設備上的薄膜反應。隨后將氣相殘余物從CVD反應器中清除。
以下參考是對用于半導體制造中薄膜的沉積和清潔沉積室的工藝的說明US5,421,957公開了一種低溫清潔冷壁CVD室的工藝。在干燥的條件下，原位實施該工藝。使用一種腐蝕氣體，例如，三氟化氮、三氟化氯、六氯化硫和四氟化碳來完成各種材料例如外延硅、多晶硅、氮化硅、氧化硅和難熔金屬、鈦、鎢和它們的硅化物的薄膜的清潔。其公開了在溫度400-600℃時室壁的NF3熱腐蝕。
US 6,067,999公開了控制并最小化對環境有毒的物質排放的兩步清潔工藝，該工藝包括確定工藝溫度的步驟；以高于55sccm(標準立方厘米每分鐘)的流量提供15-25％的NF3在如氦、氬、一氧化二氮及其混合物等惰性氣體中的混合物。在PECVD工藝溫度下形成1.5-9.5Torr的壓力，在工藝溫度下形成等離子，在工藝室中形成低壓和在低壓室中形成等離子。
US 5,043,299公開了一種在掩蔽的半導體(masked semiconductor)上的鎢組分的選擇沉積工藝，清潔晶片表面和將其轉移到清潔的真空沉積室。在選擇性鎢CVD工藝中，當使用H2作為還原氫氣時，晶片和基板或基座維持在350-500℃的溫度，當使用SiH4作為還原氣時，溫度維持在200-400℃。將含有鹵素的氣體，例如BCl3用于清潔晶片表面的氧化鋁，將NF3或SF6用于清潔氧化硅。還公開了一種在H2等離子之后，使用NF3等離子清潔CVD室的工藝。
GB 2,183,204A公開了將NF3用于CVD沉積設備、船形器皿(boat)、管和石英器皿以及半導體晶片的原位清潔。把NF3引入超過350℃的加熱過的反應器一段時間以充分除去氮化硅、多晶硅、硅化鈦、硅化鎢、難熔金屬和硅化物。
發明內容
本發明涉及一種在低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室和設備中沉積副產品原位清潔的改進，其中工藝熱預算要求基座溫度升高最小化。在基本的原位PECVD工藝中，將清潔氣體引入室，其持續時間和溫度足以除去沉積的副產品，然后從所述的PECVD室中除去含有沉積副產品的清潔氣體。在清潔過程中，用于使低溫PECVD室的基座溫度升高最小化的改進包括使用基本上由NF3組成的清潔氣體清潔，并將其用足量的氦稀釋以帶走等離子增強低溫化學氣相沉積室清潔期間產生的熱。使基座保持在150℃或以下。
通過這里描述的工藝可以獲得幾個優點。
這些包括能通過優化降溫室清潔來減少消潔時間；與一些PFC清潔化學物質(chemistries)相比，能使基座溫度升高降低＞50％能通過伴生物數量(concomitant amount)縮短清潔后的冷卻周期和提高用于沉積薄膜的PECVD反應器的產量。
在清潔室之后，能縮短基座冷卻周期；和能在較低的等離子能量下清潔。
圖1說明了DOE運行10的SiF4分布；圖2說明了在AMZ07上的NF3清潔DOE期間的SiF4濃度分布。
具體實施例方式
原位清潔沉積副產品的傳統清潔化學物質的應用已經導致，尤其是，在室清潔期間顯著的相對基座溫度升高，所述副產品是例如來自包括其中包含設備的低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室的硅基薄膜、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、氟化硅玻璃和碳化硅。正如有時涉及的，在低溫PECVD工藝中，該過高溫度(over temperature)對于用于制造半導體設備的活性基質具有潛在的有害性。為了避免有害效應，在加工下一個晶片之前冷卻基座。因此，過高溫度導致工藝質量結果與在低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室內基座的不充分冷卻相關，并與由于冷卻工藝本身導致的延遲相關。從而會影響工藝生產量和最終影響制造成本。
在清潔工藝中可以獲得低基座溫度升高，即通過使用基本上由氦氣中的NF3組成的清潔氣體使溫度一致保持在150℃以下，其中NF3與He以10-15％的混合比率混合，典型地12-14體積％。該比率優選保持在低的NF3水平從而確保將清潔工藝中產生的熱有效遠離室中的設備表面，尤其是晶片基座的清潔。
在清潔工藝中，使用以至少100-500sccm流量的NF3在氦中的混合物以避免產生過高溫度。較低的流量可以導致為充分清潔室需要的時間增加，并由于較長的等離子暴露而使溫度升高增加。每微米沉積的薄膜使用50-80秒的清潔時間。
在每微米沉積膜80-140秒的分配時間內，在這些條件下使用0.6-4.8w/cm2的等離子水平以除去至少90％的沉積膜。例如O2和C2F6以及在氬和氮中的NF3提供有限的熱量去除，并經常使基座產生顯著的表面溫度變化。基座溫度通常超過150℃。正如所述的，基于全氟氣體并用惰性氣體例如氬稀釋的其它清潔化學物質對于原位清潔工藝是不充分的。使用所述的化學物質與其它PFC化學物質相比可以減少溫度升高＞50％。通常認為傳統的清潔化學物質要求較高的水平以在分配時間內達到同樣的清潔水平，而且它們不能適當地控制熱產生速率。總而言之，不能除去由這種清潔化學物質產生的熱來一致控制基座溫度。
所述的清潔工藝可被優化以獲得在室清潔時間和溫度升高最小化之間的最佳平衡。影響該平衡的主要參數包括等離子功率、壓力、NF3流量和He流量。由于N-F鍵相對于C-F具有較低的鍵能，NF3的應用使該清潔相對于含有氟化碳的氣體能在較低的等離子功率情況下實施，在室內產生更低的能量分散。
提供以下的實施例說明本發明的各種實施方案，但并不是要限制其范圍。
設計不但優化氣體消耗和環境影響，而且注重使室清潔過程中觀察到的基座溫度升高最小化的試驗。使用試驗設計路徑進行評價。使用試驗設計(Desighof Experiments，DOE)方法學來創建一個將例如功率、壓力和氣體消耗等工藝參數與包括清潔時間、基座溫度升高和腐蝕副產品排放量的響應曲線(response)相關聯的經驗模型，。
評價兩種截然不同的工藝化學物質。這些工藝化學物質包括基于C2F6/O2/NF3的化學物質，它是用于現有的非揮發性和揮發性存儲技術的HVM(高體積制造)工業中的標準清潔化學物質和基于用He稀釋的NF3的化學物質。在所有的情況下，DOE結果都比作標準結果。
為了獲得可接受的清潔化學物質，使用以下的參數一種清潔室的方法，這里使等離子能量保持在0.6-4.8watts/cm2的范圍，優選能量為1.7-2.7watts/cm2；一種清潔室的方法，清潔時間為80-140秒/微米沉積的介電膜；和一種清潔室的工藝，借此將硅以SiF4的形式除去，去除速率為0.20-0.75克/分鐘/微米沉積的非介電膜；和，一種在基本一致的基礎上清潔室的方法，在清潔期間，使基座溫度升高保持在5-15℃，基座溫度升高保持在150℃或更低。
用以下的實施例來說明權利要求的各種實施方案
實施例1在這個實施例中，將與標準清潔化學物質相關的基座溫度升高、清潔時間和積分的SiF4排放量(integrated SiF4emissions)與優化的稀釋的NF3/氦清潔化學物質相比較。使用試驗設計方法來模擬作為等離子功率、壓力和PFC流量函數的基座溫度升高、至終點的清潔時間和積分的SiF4排放量的響應曲線。通過將數據輸入商購的統計軟件中創建模型。創建中心合成曲線表面模型。每種模型運行3個中心點平行測定，對于每一次DOE運行，反應室清潔的時間為45秒。每次運行在晶片上沉積的膜厚度為3000埃。在各DOE之間，使用標準的方法運行清潔30秒以確保在隨后的DOE運行之前除去剩余的膜。
以下列方式獲得數據支持模型。監控基座溫度。由通過安裝在工藝室內的質譜儀獲得的SiF4(SiF3+)的信號強度確定工藝清潔時間。從這些數據中可以確定室清潔終點。通過將圖1中SiF4分布示意圖的平坦部分外推至向下傾斜部分確定終點。
在每個試驗清潔期間，將積分的SiF4排放量與從室中除去的二氧化硅的數量比較。由圖2所示的分布積分SiF4的排放量。
在室清潔期間，注重對基座溫度升高最小化的優化。表I含有用于標準工藝化學物質的基座溫度升高、達到清潔終點需要的時間(清潔時間)和積分的SiF4排放量，該化學物質由C2F6/O2/NF3組成，并使用原始設備制造商(OEM)提供的最知名工藝(BKM)。具體地說，BKM方法要求在約4Torr室壓力和3.1W/cm2RF功率下的600sccmC2F6/600sccm O2/75sccmNF3。表II含有用于稀釋的NF3DOE的每次運行的基座溫度升高、達到清潔終點需要的時間(清潔時間)和積分的SiF4排放量。
稀釋的NF3DOE參數是NF3流量、等離子功率和室壓力。響應曲線包括在35秒清潔時間后的基座溫度升高、清潔時間終點和積分的SiF4排放量。模擬的工藝范圍包括180-520sccm的NF3流量，0.7-3.4torr的室壓力和1.38-2.93watts/cm2的等離子功率。
表I用于從室中清除3000A沉積SiO2的標準清潔方法的BKM響應曲線
表IIa稀釋的NF3DOE每次運行的條件最后一欄提供條件，這里代碼0代表中心點，+和-分別代表高和低點，相應地，a和A分別代表較低和較高的星點。
表IIb用于從室中清除3000A沉積SiO2的稀釋的NF3DOE運行的響應曲線
實施例說明●稀釋的NF3/氦基清潔化學物質相對于標準清潔化學物質的BKM降低13-21℃。
●稀釋的NF3化學物質相對于標準清潔化學物質的BKM相同或甚至更短時間的工藝終點；和，●稀釋的NF3化學物質相對于標準清潔化學物質的BKM的高20-70％的積分SiF4排放量。
實施例2優化的稀釋NF3基化學物質相對于優化的標準化學物質的模型模擬條件的比較在這個實施例中，將與優化的標準清潔化學物質相關的基座溫度升高、清潔時間和積分的SiF4排放量與優化的稀釋的NF3清潔化學物質相比較。使用試驗設計方法來模擬作為等離子功率、壓力和PFC流量的函數的基座溫度升高、終點的清潔時間和積分的SiF4排放量響應曲線。通過將數據輸入商購的統計軟件創建模型。創建中心合成的響應曲線表面模型。每個模型運行三個中心點平行測定。對于每個DOE運行，反應室清潔的時間為45秒。在各個DOE之間，使用標準方法進行室清潔30秒以確保在隨后的DOE運行之前除去殘余薄膜。
通過以下的方式獲得數據支持模型。監控基座溫度。由通過安裝在工藝室內的質譜儀獲得的SiF4(SiF3+)的信號強度確定工藝清潔時間。從這些數據中可以確定室清潔終點。通過如實施例1將圖1中的SiF4分布的平坦部分外推至向下傾斜部分確定終點。
在每個試驗清潔期間，將積分的SiF4排放量與從室中除去的二氧化硅量比較。SiF4排放量由圖2所示的分布積分。
用每種化學物質，稀釋的NF3和標準的C2F6/O2/NF3，產生的響應曲面(response surface)，產生用于與化學物質進行特定清潔時間比較而設計的模擬曲線(simulation)。表III含有使用稀釋的NF3化學物質進行30秒清潔的基座溫度升高、清潔時間和積分的SiF4排放量的模擬曲線。表IV含有使用優化標準化學物質進行30秒清潔的基座溫度升高、清潔時間和積分的SiF4排放量的模擬曲線。對于每一種化學物質，預測的溫度升高用于35秒工藝，其中包括30秒清潔時間加上5秒腐蝕時間。
表III對于產生30秒或更短清潔時間終點的工藝條件，等離子暴露35秒后最小化基座溫度的模型模擬。
在表III所有的運行中，He∶NF3比固定在ca.7∶1
表IV對于C2F6/O2/NF3基清潔的產生30秒或更短清潔時間終點的工藝條件，等離子暴露35秒后最小化基座溫度的模型模擬。
比較表III和表IV說明，對于30秒的清潔時間，稀釋的NF3基化學物質(在氦中10-15體積％NF3)的基座溫度升高相對于標準化學物質降低30％是可能的。使用稀釋的NF3化學物質，使用的PFC氣體量降低40-50％也是可能的。
使用稀釋的NF3化學物質將為基座溫度的升高提供足夠的降低，以至于通過降低加工隨后的晶片要求的冷卻使制造能力顯著增加。
本發明可以提供的好處優化的稀釋NF3工藝可以使基座溫度的升高相對于基于標準化學物質和使用設備制造商提供的BKM的室清潔明顯降低；與使用標準化學物質并通過設備制造商提供的BKM比較，稀釋的NF3可以降低溫度升高17℃。減少一半的冷卻時間，總清潔時間降低45％；稀釋的NF3產生最快的清潔時間。
稀釋的NF3產生最低的PFC排放量-比使用標準化學物質并通過設備制造商提供的BKM降低84％；和，稀釋的NF3產生最高的積分SiF4排放量，表明更大區域的清潔。該工藝性能的效果是未知的。
半導體工藝發動機可使用這些結果來選擇室清潔條件，該發動機可在要求低于150℃的極低熱預算的設備制造中極好地工作。如果生產量是最重要的參數，稀釋的NF3明顯是最好的消潔類物質。同樣的如果溫室氣體排放是關注的，稀釋的NF3也表現出減少排放的最大優點。
總之，優化室清潔以在充分清潔室要求的時間和使由離子轟炸產生的基座溫度升高最小化之間建立平衡。該優化是基于氣體流量和用于產生并維持原位等離子的功率。比較使用本發明和工業標準碳氟化合物(C2F6)基清潔物質的綜合研究結果表明對于低于150℃下運行的優化的稀釋的NF3清潔物質，基座溫度升高降低50％。對于優化的稀釋NF3，清潔時間也降低15％。相對于標準碳氟化合物基清潔物質來說，對于基于稀釋的NF3的清潔物質，全球的溫暖氣體排放降低＞80％。
權利要求
1.在低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室和設備中的硅沉積副產品薄膜的原位清潔工藝中，將清潔氣體引入該室，其持續時間和溫度足以除去硅沉積副產品，隨后將含有沉積副產品的清潔氣體從所述的PECVD室中除去，其中工藝熱預算要求在清潔期間的基座溫度升高最小化的改進包括使用基本上由用于清潔的足量NF3和足量氦組成的清潔氣體來帶走PECVD室清潔期間產生的熱。
2.根據權利要求1所述的工藝，其中該清潔氣體基本上由氦中的10-15體積％的NF3組成。
3.根據權利要求2所述的工藝，其中使基座溫度保持在150℃或更低。
4.根據權利要求3所述的工藝，其中在所述的清潔步驟中使用的清潔氣體的流量為100-500sccm。
5.根據權利要求4所述的工藝，其中在所述清潔室中的功率為0.6-4.8watts/cm2。
6.根據權利要求5所述的工藝，其中清潔期間基座溫度的升高保持在5-15℃。
7.根據權利要求6所述的工藝，其中清潔速率為每微米硅沉積副產品薄膜0.2-0.75克/分鐘。
8.根據權利要求3所述的工藝，其中該清潔氣體基本上由12-14體積％NF3成，余量是氦。
9.根據權利要求8所述的工藝，其中所述PECVD工藝的功率為1.7-2.7watts/cm2。
全文摘要
本發明涉及一種在低溫等離子增強化學氣相沉積(PECVD)室和設備中沉積副產品的原位清潔工藝的改進，其中工藝熱預算要求基座溫度升高最小化。在基本的原位PECVD工藝中，將清潔氣體引入室，其持續時間和溫度足以除去沉積副產品的薄膜，隨后將含有沉積副產品的清潔氣體從所述的PECVD室中除去。在清潔期間使低溫PECVD室內的基座溫度升高最小化的改進包括使用基本上由用于清潔和用足量氦稀釋的NF
文檔編號C23C16/513GK1727082SQ20051007620
公開日2006年2月1日 申請日期2005年5月12日 優先權日2004年5月12日
發明者R·G·里德格韋, 齊賓, P·J·馬勞里斯 申請人:氣體產品與化學公司