專利名稱:自清潔干式蝕刻用的系統、方法與設備的制作方法
技術領域:
本發明一般是關于半導體基板的蝕刻,尤其關于干式蝕刻半導體 基板以及清潔蝕刻處理室所用的系統與方法。
背景技術:
一般而言,集成電路裝置(以半導體基板與晶片的型式存在)的 制造包含等離子體蝕刻的使用。等離子體蝕刻室是能蝕刻如由一掩模 或圖案所限定的基板上的選擇層。等離子體蝕刻室是設計成用以在一
射頻(RF)功率是被施加至等離子體蝕刻室的一或多個電極時來接收 處理氣體(也即蝕刻化學劑)。等離子體蝕刻室內部的壓力也被控制 以供特定工藝使用。在將所期望的射頻(RF)功率施加至電極時,處 理室中的處理氣體會被活化而建立等離子體。因此,等離子體是用以 執行所期望的半導體晶片的選擇層蝕刻。
在某些已知技術的等離子體蝕刻工藝中會產生低揮發性副產物。 舉例而言,在一種使用含氯氣體(例如Ch與HC1)的銅蝕刻工藝中, 副產物為CuClx。 CuClx于室溫下為非揮發性的。低揮發性副產物一般 凝結在處理室壁面上。在每次等離子體蝕刻循環期間,這些副產物累 積在處理室壁面上。最后,副產物累積至某一厚度。然后,累積的副 產物開始從處理室壁面"剝離"下來,而因此變成顯著的微粒來源。 這些微粒會污染處理室中正被蝕刻的基板。
導電副產物的沉積物也可阻礙等離子體的運作。舉例而言,導電 沉積物可能致使等離子體減弱甚至消失。導電沉積物也可改變等離子 體密度,其可大幅地影響一電感耦合等離子體室中的工藝。 一種非導 電沉積物可改變一電容耦合等離子體室中的電極區域條件。這些與其 他效果可動擊蝕刻多層薄膜堆疊的功效。
在本領域認定等離子體蝕刻室的內部表面是暴露至等離子體,這 些處理室常被設計成允許使用簡單內襯零件(例如圓盤、環狀物與圓 柱狀物)。因為這些內襯零件是設計成用以將等離子體局限在正被處 理的基板上面,這些零件連續地暴露于處理等離子體能量并受到侵蝕,由于此種暴露,這些零件最后腐蝕或累積副產物的累積層,因此 需要更換或徹底清潔.然而,在清潔和更換所需要的實際成本及損失 的生產時間兩者上,這些內襯零件的清潔及/或更換成本會變得很昂 貴。
此外,處理室也必須經常清潔,以減少微粒污染或由于橫越過覆
蓋內表面的副產物的可變RF耦合所導致的等離子體條件上的變化。經 常清潔的需求減少處理室可用于蝕刻工藝的時間,進而減少處理室的 基板產能。
鑒于上迷說明,在本領域需要一種用于降低處理室清潔需求的系 統與方法,藉此增加處理室可用于蝕刻工藝的時間。
發明內容
廣義來說,本發明借助提供一種用以減少處理室清潔需求的系統 與方法來滿足這些需求。在本領域應該明白可利用許多方式來實現本 發明,包含以工藝、設備、系統、電腦可讀媒體或裝置的方式。茲將 本發明的數個發明實施例說明于下。
一個實施例提供用以清潔一處理室的方法。此方法包含將處理室 的一內表面加熱至一第一溫度。第一溫度足以使一第一物質揮發,第 一物質可以是沉積在內表面上的數種物質其中之一。 一種清洗化學劑 被注入至處理室中。清洗化學劑可以與這些物質的其中第二物質反 應,以將該第二物質轉換成第一物質。揮發性的第一物質也可從處理 室輸出。
處理室也可包含一待處理基板。基板的表面也可于大致在處理室 被清洗的同時被蝕刻。蝕刻基板的表面可包含蝕刻在一單一處理室中 的基板上的多層薄膜堆疊。
此方法也可包含加熱基板。基板可被一夾頭所支撐。夾頭可被加 熱。基板可被加熱至大致第一溫度。 一偏壓也可被施加至基板。
從處理室輸出揮發性的第一物質可包含令在溫度低于第一溫度的 第二表面上的揮發性第一物質的至少一部分凝結。
將清洗化學劑注入至處理室中可包含還原這些物質中的第二物 質。第一物質是金屬與卣素化合物以及金屬與氧化合物的至少一種, 而第二物質是非揮發性金屬與含金屬化合物的至少一種。此金屬可包含由銅、鉭、鎢、白金、銥、釕、鉿、鋯與鋁所組成的組中的至少一 種。
內表面被加熱至約200至400TC的范圍。內表面可以由形成于處理 室內的等離子體所加熱。清洗化學劑可包含由卣素氣體、惰性氣體與 含氫氣體所組成的組中的至少一種。
另一實施例提供一種基板的蝕刻方法。此方法包含在一處理室中 蝕刻第 一基板的笫 一表面,而同時輸出 一揮發性物質并使一非揮發性 物質沉積在處理室的內表面上。第一基板的第一表面被鈍化,而同時 將內表面上的沉積的非揮發性物質的至少一部分還原并轉換成一揮發 性物質。第一基板從處理室被移除。
此方法也可包含將一第二基板裝栽至處理室中。第二基板的第二 表面可被蝕刻,而同時輸出揮發性物質并使非揮發性物質沉積在處理 室的內表面上。第二基板的第二表面可被鈍化,而同時將內表面上的 沉積的非揮發性物質的至少一部分還原并轉換成揮發性物質。
另一個實施例提供一種處理室,其包含上面具有多種沉積物的多 個內表面、進氣口、出口以及熱源。熱源能將至少一內表面加熱至約 200至約4001C的范圍內的一第一溫度。
熱源可以是等離子體。處理室也可包含用以支撐一基板的熱夾頭 以及連接至夾頭的偏壓源。
處理室也可包含具有低于第一溫度的溫度的冷凝表面。冷凝表面 可接近出口。
本發明提供降低或實質上消除處理室清潔需求進而增加基板產能 的益處。本發明也提供一種比以前所利用的更簡化的清潔工藝與清洗 化學劑。簡化的清洗化學劑也可減少清潔處理室的財務成本。
本發明實質上也可降低因由等離子體室的內表面上的沉積物所導 致的等離子體密度改變所引起的工藝變異性。因此,從基板到基板的 變異性不但可大幅地被降低,而且允許對等離子體條件具有不同敏感 度的多層薄膜堆疊的整合處理。舉例而言, 一銅互連堆疊具有例如 Ta/TaN與內金屬介電層的銅阻隔材料。這個好處可被延伸至例如蝕刻 一MRAM堆疊的其他應用上。
本發明的其他實施例與優點將從配合經由本發明的原理的例子所 描述的附圖的下述詳細說明而更顯清楚。
本發明將借助下述詳細說明配合附閨而得以輕易理解,而相同的 參考數字標示相同的構造元件。
圖1是為依據本發明的一實施例的用以處理一基板的方法操作的 流程圖。
圖2為依據本發明的一個實施例的處理室的簡化視圖。 圖3A與3B顯示依據本發明的一個實施例的發生在處理室內的方法的 更詳細視圖。
具體實施例方式
現在將說明一種改變的處理室清潔工藝的數個例示實施例。本領
細節的情;l下實現。 P
鹵素氣體(例如氯、氟、溴等)工藝可被用于干蝕刻銅以供互連 應用。在本領域可施行銅回蝕的鹵素干蝕刻工藝,以供無應力拋光或 鑲嵌銅的平坦化或銅互連的圖案化使用,例如說明于申請號為 10/390,117,申請日為2003年3月14日,名稱為"改良全面雙重鑲嵌 平坦化的系統、方法與設備(System, Method and appauatus FOr Improved Global Dual-Damascene Planarization )"的美國專利申請中。 又,也說明于申請號為10/390,520,申請日為2003年3月14日,名稱 為"改良局部雙重鑲曲直平坦化的系統、方法與設備(System, Method and apparatus For Improved Local Dual-Damascene Planarization )" 的美國專利申請中。
然而, 一卣素銅干蝕刻工藝可在處理室的內表面上形成含銅蝕刻 副產物沉積,此為銅干蝕刻工藝中的典型現象。這些沉積物最后可脫 落離開內表面,并導致正被蝕刻的基板的表面的微粒污染。此外,這 些沉積物可改變可因此影響工藝的等離子體條件。因此必須經常清潔 處理室以減少微粒污染。經常清潔的需求減少處理室可利用來蝕刻工 藝的時間,進而減少處理室的基板產能。
又,含銅蝕刻副產物沉積也可能極難以從處理室的內表面清潔 掉。各種不同的清洗化學劑是用以清潔形成于處理室的內表面上的沉積物.這些處理化學劑有很多是很復雜且昂貴的。舉例而言,美國專
利6,352,081,名稱為"銅蝕刻工藝后的半導體裝置處理室的清潔方法 (Method of Cleaning a Semiconductor Device Processing Chamber After a Copper Etch Process)"說明一種使用1,1,1,5,5,5-六氟-2,4-戊二 嗣的處理室清潔方法。
本發明結合一銅蝕刻工藝與一清潔工藝,該清潔工藝可用以移除 于大致在將銅蝕刻工藝施加至基板上時即已沉積于處理室內表面的含 銅物質。因此,基本消除了對單獨處理室清潔工藝的需求,從而增加 處理室可利用于蝕刻工藝的時間,并借以增加處理室的基板產能。
銅-卣素物質在某一揮發溫度之上是揮發性的。每個不同的銅-離素 物質具有各自的揮發溫度。于適合的揮發溫度或之上加熱處理室的內
表面,基本可在處理室的內表面上的銅-卣素物質的沉積與來自基板的 銅蝕刻間建立一平衡。
圖1是為依據本發明的一實施例的用以處理基板的方法操作的流 程圖100。操作105是將一工藝應用在一處理室中,此工藝可包含一蝕 刻工藝(例如自一基板蝕刻銅或其他材料)。于此蝕刻工藝中,蝕刻 副產物(例如,銅-卣素物質)是從基板釋出。此工藝也可包含一清潔 操作(例如,在一基板正在處理室中接受處理或沒有接受處理的情況 下減少及/或移除來自處理室的內表面的沉積物)。于一清潔工藝中, 以前沉積于處理室的內表面上的蝕刻副產物是從內表面釋出。
此工藝可使用一種囟素蝕刻化學劑,其與也可被輸入至處理室的 含氫化學物混合。舉例而言, 一種含氯蝕刻化學劑(例如,Cl2、 HC1、 BCb等)可被輸入至處理室;含氯蝕刻化學劑也可與例如一惰性氣體 或氮的惰性載氣一起被輸入。氫氣或含氫氣體(例如,H2、 NH3、 CH4、 HC1、 HBr等)也可與含氯蝕刻化學劑一起被輸入。舉例而言,總流速 大約5至大約500sccm的氣體混合物可被輸入至處理室。于一實施例
中,氯分子與氫分子的比率是維持于大約1:1的比率,然而,也可使用 較小(例如約l:2的比率)或較大(例如2:1的比率)的比率。
在操作110中,蝕刻副產物的第一部分(例如CuC12、 CuCl或元 素銅)可沉積于處理室的內表面上。在操作115中,其余的揮發性蝕 刻副產物可例如借助凈化或真空而從處理室被輸出。
舉例而言, 一含氯蝕刻化學劑可蝕刻基板上的銅層,藉以形成包含Cii3Cl3、 CuCl2、 CuCl與元素銅的蝕刻副產物。于大約200TC或更高 的處理溫度下,Cii3Cl3可揮發性,而CuCh、 CuCl與元素銅可能為非 揮發性。即使在遠高于200^C的溫度下(例如大于約4001C),蝕刻副 產物的揮發性第一部分(例如CuCl2、 CuCl與元素銅)可沉積在處理 室的內表面上;蝕刻副產物的揮發性第二部分(例如Cu3Cl3)是從處 理室被輸出。
然而,當Cll3Cl3的第二部分冷卻時(例如當Cll3Cb接觸例如處理
室的內表面的冷卻器表面時),第二部分轉換成在處理溫度下是非揮
發性的CllCl2。因此,當Cll3Cl3在蝕刻工藝期間形成時,一CuCl2層
可以形成于處理室的內表面上。
在操作120中,處理室的內表面被加熱至處理溫度。在操作125 中,與卣素蝕刻化學劑一起輸入的氫可與形成于處理室的內表面上的 蝕刻副產物層(例如CuCl2)反應。非揮發性氯化銅還原成元素銅且, 氯與氫結合以形成于處理溫度下為揮發性的HC1。
在操作130中,元素銅可與卣素等離子體反應,以變成可經由在 操作135中透過出口而從處理室被移除的一或多種揮發性物質,然后 這些方法操作即可結束。在本領域應理解操作105-1:35并不需要依所顯 示的順序執行。某些操作實質上可同時或以所述以外的順序發生。
圖2是為依據本發明的一個實施例的處理室200的簡化圖。處理 室200可包含一處理用基板202; —基板支座(例如一夾頭)204,可 支撐該處理用基板,也可包含一扣環205,以更牢固地支撐并使基板置 于夾頭204上。也設有一進氣口 206,便能使處理氣體與其他化學劑可 被輸入至處理室200。多個入口氣體源208A-208-N可以連接至入口 206。
多個入口氣體源208A-208-N允許每一種氣體以處理室中待施行的 工藝可能需要的不同流速、濃度與壓力來混合并化合。舉例而言,一 入口氣體源1 208A可提供惰性載氣(例如一種或多種惰性氣體或氮)。 入口氣體源2 208B可提供卣素處理化學劑,而入口氣體源N 20&N可 提供氫。不同的入口氣體源208A、 208B與208-N的各個流速與壓力可 受到控制,以提供鹵素處理化學劑與氫的期望濃度與混合物,其中鹵 素處理化學劑和氫是借助栽氣而輸送至處理室200中。
處理室200也包含一出口 210。此出口可以連接至一真空泵(未顯示),便能從處理室排出工藝副產物。雖然所顯示的處理室200具有 單一入口 206與單一出口 210,但是在本領域應注意到也可包含多重入 口與出口.
一相對應的冷卻器表面212可被設置在接近出口 210處或甚至在 出口210內側。如上所述,冷卻器表面212具有小于處理溫度的溫度, 以收集許多可能沉積在這樣的冷卻器表面上的副產物.冷卻器表面212 可經由主動或被動冷卻而被維持于小于處理溫度的溫度(例如大約比 處理溫度低50"C以上)。出口 210及/或冷卻器表面212也可包含一流 向改道裝置213,用以至少局部且物理上使出口 210與基板202隔離。
等離子體214可以利用感應或電容的方式產生。處理室200、基板 202與夾頭204可借由等離子體214而被加熱至處理溫度。或者,處理 室200與夾頭204可借助各個熱源218A、 218B、 218C與216來加熱。 等離子體214及各熱源218A、 218B、 218C與216也可組合使用,以加 熱處理室200與夾頭204。熱夾頭也可將基板202加熱至處理溫度。
一偏壓源200也可連接至夾頭204。施加至夾頭204且藉以施加至 基板202的偏壓可增進基板的處理。
圖3A與3B顯示依據本發明的一個實施例的發生在處理室200內 的方法操作100的更詳細視圖。圖3A與3B顯示具有多個特征部302 的基板202,其中也可包含一擴散阻隔層(例如鉭)304。 一銅層306 已填滿這些特征部302,且一覆蓋層部分已形成在這些特征部302上 面。 現在參考圖3A, 一卣素等離子體214是形成在處理室內。基板2。2 的內表面310與頂層306暴露至面素等離子體2]4。卣素等離子體214 與銅層306的元素銅及/或氧化銅反應,且銅及/或氧化銅314可能形成 于內表面310上。卣素等離子體214與銅306、 3W反應以形成揮發性 的銅-卣素化合物308 (例如Cu3Cl3)。揮發性的銅-卣素化合物316的 第一部分可從處理室被輸出。 一層非揮發性的銅-卣素化合物312 (例 如CuCh)可以形成于內表面310上。當揮發性的銅-卣素化合物308 凝結于內表面上時,即可形成非揮發性的銅-囟素化合物312。鹵素等 離子體214與銅306、 314間的反應的生成物也可形成非揮發性的銅-由素化合物312。
現在參考圖3B,將含氫氣體320加至處理室200。在本領域應理解到可于卣素等離子體214形成于處理室200中的同時來提供含氫氣 體320。氫320借助移除卣素成分而還原非揮發性的銅-卣素化合物 312。舉例而言,如果氯是卣素成分,則氬與氯形成HCX HC1于處理 溫度下是具有揮發性的,且可從處理室200的出口 210輸出,還原非 揮發性的銅-卣素化合物312使元素銅或氧化銅312,遺留在內表面310 上。然后,卣素等離子體214可起反應以使內表面310上的元素銅或 氧化銅312,揮發。依此方式,可能形成于處理室200的內表面上的沉 積物312、 M2,與314大致在這種沉積物形成的同時(例如在一蝕刻工 藝期間)被移除。
雖然上述操作是從移除銅的角度(例如,在各種不同的蝕刻與清 潔工藝中)來作說明,但是在本領域應理解到可應用類似的工藝來移 除鉭、TaN、 Pt、 Ir、 Al、 A10x、 HfOx與ZrOx (其中x是為整數)以 及類似的材料。又,雖然在上述例子中所說明的氫是還原物質,但是 在本領域應理解到于類似的應用中也可能使用其他還原物質。舉例而 言,沉積物可借助其他物質例如氧與卣素而被還原,因為還原可包含 改變化學化合物或氧化態。換言之,當沉積物正在含氫化學劑中揮發 時,沉積物正從非揮發物質被還原成一揮發物質。因此,02、 Cl2、 HX (其中X-Cl,Br,F ) 、 SF6、 BC13也可被使用作為還原劑。
于此所說明的形成本發明的一部分的任何操作均作為有用的機器 操作,本發明也關于一種用以執行這些操作的裝置或設備。此設備可 能為所需要的目的而特別建構,或其可能是由儲存于電腦中的一電腦 程序選擇性地啟動或配置的通用電腦。尤其,各種不同的通用機器可 能與依據此處的教導所寫入的電腦程序一起使用,或者建構較專門的 設備來執行所需要的操作可能更方便。
本發明也可實現為一電腦可讀媒體上的電腦可讀代碼,電腦可讀 媒體是任何能儲存數據的數據存儲裝置,數據接著可被一電腦系統讀 取。電腦可讀媒體的例子包含硬盤、網路附加儲存器(NAS)、只讀 存儲器、隨機存取存儲器、CD-ROM、 CD-R、 CD-RW、磁帶以及其 他光學與非光學的資料儲存裝置。電腦可讀媒體也可分散于網絡耦合
電腦系統上,以〗更電腦可讀程序碼可以一種分散方式來儲存與執行。 在本領域將更進一步明白以任一上述附圖的操作來表示的指令
并不需要依所顯示的順序來執行,且以這些操作表示的所有處理可能不是實現本發明所必要的。又,任一上述附圖所說明的工藝也可以儲
存于RAM、 ROM或硬盤驅動器的任一個或其組合的軟件來實施。
雖然為了清楚理解,已相當詳細地說明上述發明,但是在本領域 將明白在以下權利要求書的范疇內可實行某些改變與修改。因此,本 實施例被視為例示性而非限制性,且本發明并未受限于此處所提供的 細節,而是可在以下權利要求書的范疇與等效設計內作變化。
權利要求
1. 一種處理室的清潔方法,包含以下步驟將該處理室的內表面加熱至第一溫度,該第一溫度足以使第一物質揮發,該第一物質是沉積于該內表面的多種物質之一;將清洗化學劑注入至該處理室中,該清洗化學劑與該多種物質中的第二物質反應,以將該第二物質轉換成該第一物質;以及從該處理室輸出該揮發性第一物質。
2. 如權利要求l所述的處理室的清潔方法,其中該處理室中包含 待處理基板。
3. 如權利要求2所述的處理室的清潔方法,還包含以下步驟大 致在處理室被清洗的同時蝕刻該基板的表面。
4. 如權利要求3所述的處理室的清潔方法,其中蝕刻該基板的該表面的該步驟包含在單一處理室中蝕刻該基板上的多層薄膜堆疊。
5. 如權利要求2所述的處理室的清潔方法,還包含加熱該基板的步驟。
6. 如權利要求2所述的處理室的清潔方法,其中該基板被一夾頭 所支撐。
7. 如權利要求6所述的處理室的清潔方法,其中該夾頭被加熱。
8. 如權利要求2所述的處理室的清潔方法,還包含將該基板加熱至大致該第一溫度的步驟。
9. 如權利要求2所述的處理室的清潔方法,還包含將偏壓施加至該基板的步驟。
10. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中從該處理室輸 出該揮發性第一物質包括使至少一部分該揮發性第一物質凝結在溫度 低于該第一溫度的第二表面上。
11. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中將該清洗化學 劑注入至該處理室中的該步驟包含還原該多種物質中的第二物質。
12. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中該第一物質是 金屬與卣素化合物以及金屬與氧化合物的至少一種,且其中該第二物質是非揮發性金屬與含金屬的化合物的至少一種。
13. 如權利要求12所述的處理室的清潔方法,其中該金屬包含由銅、鉭、鴒、白金、銥、釕、鉿、鋯與鋁所組成的組中的至少一種。
14. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中內表面被加熱 至約200t:至約400TC的范圍.
15. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中內表面是由形 成于該處理室內的等離子體所加熱。
16. 如權利要求1所述的處理室的清潔方法,其中該清洗化學劑 包含由卣素氣體、惰性氣體與含氫氣體所組成的組中的至少一種。
17. —種基板的蝕刻方法,包含以下步驟在處理室中蝕刻第一基板的第一表面,而同時輸出一揮發性物質 并使一非揮發性物質沉積在該處理室的內表面上;使該第一基板的該笫一表面鈍化,而同時將內表面上的該沉積非 揮發性物質的至少一部分還原和轉換成揮發性物質;以及從該處理室移除該笫一基板。
18. 如權利要求17所述的處理室的清潔方法,還包含以下步驟 將第二基板裝栽入該處理室中;蝕刻該第二基板的第二表面,而同時輸出該揮發性物質并使該非 揮發性物質沉積在該處理室的內表面上;以及使該第二基板的該第二表面鈍化,而同時將內表面上的該沉積非 揮發性物質的至少一部分還原和轉換成該揮發性物質。
19. 一種處理室,包含多個內表面,其上有多種沉積物;進氣口; 出口 ;以及熱源,其能將該多個內表面的至少一個加熱至約200TC至4001C范 圍內的第一溫度。
20. 如權利要求19所述的處理室的清潔方法,其中該熱源是等離子體。
21. 如權利要求19所述的處理室的清潔方法,還包含 熱夾頭,用以支撐基板;以及偏壓源,連接至該夾頭。
22. 如權利要求19所述的處理室的清潔方法,還包含具有低于該 第一溫度的溫度的冷凝表面,該冷凝表面接近該出口。
全文摘要
一種處理室的清潔方法,其包含將處理室的一內表面加熱至一第一溫度,第一溫度可足以使一第一物質揮發;第一物質可以是沉積于內表面上的數種物質之一。一種清洗化學劑被注入至處理室中。清洗化學劑可以與這些物質中的第二物質反應,以將第二物質轉換成第一物質。揮發性第一物質也可從處理室輸出。本發明也說明一種處理室的清潔系統。
文檔編號H01L21/00GK101421056SQ200480043061
公開日2009年4月29日 申請日期2004年12月30日 優先權日2004年3月16日
發明者A·D·貝利三世, A·M·霍瓦德, S·P·洛霍卡雷, Y·金 申請人:蘭姆研究有限公司