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CN1990898A - 对于用于沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜的装置的清洁方法 - Google Patents

对于用于沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜的装置的清洁方法 Download PDF

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CN1990898A
CN1990898A CNA2006101269468A CN200610126946A CN1990898A CN 1990898 A CN1990898 A CN 1990898A CN A2006101269468 A CNA2006101269468 A CN A2006101269468A CN 200610126946 A CN200610126946 A CN 200610126946A CN 1990898 A CN1990898 A CN 1990898A
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李起薰
李相镇
徐泰旭
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Integrated Process Systems Ltd
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Abstract

本发明提供一种对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜。所述方法包括将用于沉积薄膜的装置反应室内部温度维持在430℃或更高，且通过向所述反应室内供应包括氯气的清洁气体来清洁所述反应室内部。当难以将反应室内部温度维持在430℃或更高时，所述方法包括通过使用包括氯气等离子的清洁气体来清洁所述反应室内部。因此，可有效清洁用于沉积薄膜的装置，而不具有残余产物和颗粒物，所述装置沉积氮化铝钛膜和相似类型的薄膜。

Description

对于用于沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜的装置的清洁方法
技术领域
本发明涉及一种对于用于制造半导体元件的装置的清洁方法，且具体来说，涉及一种对于用于沉积薄膜的装置反应室的干燥清洁方法。
背景技术
通常经过多个单元操作来制造半导体元件，例如离子植入法、薄膜沉积法、扩散法、摄影法和蚀刻法。上述方法中的薄膜沉积法需要改良半导体元件制造方法的重复性和可靠性。
通过使用溅射法、蒸发法、化学气相沉积法或原子层沉积法来在半导体基板上形成半导体元件薄膜。对于进行上述方法用于沉积薄膜的装置通常包括一反应室、一用于向反应室内供应各种气体的气体管线和一用于固持半导体基板的基板固持器单元。
在使用用于沉积薄膜的装置的薄膜形成方法中，将薄膜形成时所产生的反应产物不仅沉积于半导体薄膜的表面上，而且沉积于反应室内表面上。由于用于沉积薄膜以供大规模生产半导体的装置处理大量的半导体基板，因此当在反应产物所沉积的反应室内进行薄膜沉积过程时，反应产物剥落，从而产生颗粒物。上述颗粒物可导致在沉积过程中产生品质较差的产物，从而降低半导体元件的良率。因此，在预定时间段之后，或者在完成预定数目半导体基板的沉积过程之后，必须清洁反应室内部。
在对于用于沉积薄膜的装置的常见清洁方法中，一种方法包括将反应室暴露于空气中，拆卸各组件，通过使用诸如醇的挥发性物质来清洁反应室和各组件，及装配反应室，其以所述顺序进行。然而，上述清洁方法尚未经系统性建立，且因此延长了清洁反应室所需的时间，从而降低了生产力。
在对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法中，一种干燥清洁方法包括通过使用腐蚀性气体移除所沉积的物质。例如，用于清洁供沉积薄膜的装置(其沉积硅层、二氧化硅层或氮化硅层)的反应室的气体为全氟化合物气体，诸如六氟乙烷(C2F6)、八氟丙烷(C3F8)、八氟环丁烷(C4F8)和六氟化硫(SF6)或三氟化氮(NF3)，且将清洁气体注入至反应室内以移除上述层。用于沉积薄膜的装置在用于沉积氮化钛(TiN)的情况下，通过使用三氟化氯(ClF3)气体或通过使用NF3等离子以远程等离子法来清洁反应室。
近来，已需要一种对于用作扩散屏障、电极或加热元件的氮化铝钛(TiAlN)的干燥清洁方法。尽管TiAlN薄膜与TiN薄膜类似，但不同于TiN层，当将ClF3气体用作清洁气体，或将含有氟的NF3或氟(F2)气体用作清洁气体时，如图1所示，残留氟化铝(AlF3)的固体残余物。因此，反应室未经有效清洁。图1是说明Al-F二元系统相平衡的吉布斯(Gibbs)自由能对温度的图示。尽管使用另一清洁气体，但根据加工条件，可易于产生大量残余物和颗粒物，且因此需要一种对于用于沉积薄膜的装置(其沉积TiAlN和相似类型的薄膜)的有效干燥清洁方法。
发明内容
本发明经设计以解决上述问题。本发明的一个目标在于提供一种对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含Al金属膜和含Al金属氮化物膜。
根据本发明的一个方面，提供一种对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含Al金属膜和含Al金属氮化物膜，所述方法包含：将用于沉积薄膜的装置反应室内部温度维持在430℃或更高；且通过向反应室中供应包括Cl2的清洁气体来清洁反应室内部。
根据本发明的另一方面，提供一种对于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含Al金属膜和含Al金属氮化物膜，所述方法包含通过向反应室中供应包括Cl2等离子的清洁气体来清洁反应室内部。
在本发明的上述方面中，通过以远程等离子法将Cl2气体转化为Cl2等离子，或向涂覆直接等离子的反应室中供应Cl2气体而获得Cl2等离子。
此外，上述方法另外包含在注入清洁气体之前净化反应室内部和气体管线。在清洁反应室之后，为了移除残留于反应室中的清洁气体，净化反应室内部，或用至少一种选自由Ar、N2和H2组成的群组的等离子处理。
此外，当含Al金属氮化物膜是氮化铝钛(TiAlN)或氮化铝钽(TaAlN)时，根据本发明实施例的方法有效。
附图说明
通过参考以下附图详细描述本发明的例示性实施例，使得本发明上述和其他特征和优点将变为更加显而易见。
图1是说明Al-F二元系统相平衡的吉布斯自由能对温度的图示。
图2展示由根据本发明一实施例的对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法所清洁的用于沉积薄膜的装置。
图3是根据本发明第一实施例的对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法流程图。
图4是说明Ti-Cl二元系统相平衡的吉布斯自由能对温度的图示。
图5是说明Al-Cl二元系统相平衡的吉布斯自由能对温度的图示。
图6是根据本发明第二实施例的对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法流程图。
10：反应室          11：喷头
12：晶片块          12a：加热器
13：抽气挡板        14：气幕块
20：供气装置        100：装置
具体实施方式
下文将参考附图详细描述本发明的例示性实施例。然而，本发明可以多种不同形式表现，且不应理解为限制于本文所述的实施例；相反，提供所述实施例以使得本揭示案更为详尽且完整，且可向所属领域技术人员全面传达本发明的概念。
可应用根据本发明一实施例的清洁方法来清洁如图2所示的用于沉积薄膜的装置。
将图2用于沉积薄膜的装置100用于在半导体基板w上沉积含Al金属膜或含Al金属氮化物膜，所述半导体基板w诸如安装于反应室10中的晶片块12上的液晶显示器(LCD)的硅晶片或玻璃基板。在本实施例中，含Al金属膜例如是Al膜，且含Al金属氮化物膜例如是氮化铝钛(TiAlN)或氮化铝钽(TaAlN)膜。
用于沉积薄膜的装置100包括沉积薄膜的反应室10、经由一气体管线向反应室10内供应源气体、惰性气体和清洁气体的供气装置20。在根据本发明的本实施例的清洁方法中，清洁气体包括Cl2或Cl2等离子。因此，为进行根据本实施例的方法，通过供气装置20供应包括Cl2或Cl2等离子的清洁气体。通过以远程等离子法将Cl2气体转化为Cl2等离子，或向应用直接等离子的反应室内供应Cl2气体来获得Cl2等离子。尽管未展示，但在反应室10的外部提供远程等离子发生器或直接等离子发生器。所应用的等离子具有50～2000W的功率，和300～500KHz的低频率和/或13.56MHz～21.12MHz的高频率。
反应室10包括一位于反应室10内上端部分的喷头11(经其喷射各种气体)，一位于喷头11下方的晶片块12(其上安装一半导体基板w)，位于晶片块外周的抽气挡板13(其用于有效且均匀地抽吸源气体，惰性气体和反应副产物)及一向喷头11的外周喷射惰性气体的气幕块14。
加热器12a包括于晶片块12中，且将所安装的半导体基板w加热至200℃至700℃的温度范围内。气幕块14向半导体基板w的外周内喷射惰性气体，控制半导体基板w外周的组成变化，且将反应室10内壁的污染降至最低，更具体来说，将由源引起的抽气挡板13内壁的污染降至最低。
接下来将描述图2所示的对于用于沉积薄膜的装置100的反应室10的清洁方法实施例。
第一实施例
图3是根据本发明的第一实施例，对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法流程图。
首先，在图3所示的步骤s1中，将用于沉积薄膜的装置100的反应室10的内部温度维持在430℃或更高。例如，将待经干燥清洁的喷头11、晶片块12等的温度维持在等于或高于430℃。
接着，在步骤s2中，净化反应室10内部和气体管线。这是因为当气体残留于反应室10和气体管线内时，可能发生剧烈反应或产生大量颗粒物，且随后向反应室10和气体管线中供应清洁气体。当无所提及的问题时，可省略步骤s2。例如，将氩气(Ar)或氮气(N2)的惰性气体用作净化气体。
或者，可以相反顺序进行步骤s1和步骤s2。
接着，在步骤s3中，通过向反应室10中供应包括Cl2的清洁气体来清洁反应室10内部。反应室10中的压力可维持为2托(Torr)，且清洁气体的通量可为约500标准状态毫升/分(sccm)。尽管可根据反应室10的污染程度改变步骤s3所需的时间，但3至20分钟可适合于清洁反应室10。
如图4和5的图示所示，当用于沉积薄膜的装置100是沉积TiAlN膜的装置时，TiAlN的主要成分钛(Ti)和铝(Al)与氯(Cl2)反应而产生稳定气态反应产物。图4是说明Ti-Cl二元系统相平衡的吉布斯自由能对温度的图示。图5是说明Al-Cl二元系统相平衡的吉布斯自由能对温度的图示。
换句话说，可通过使用化学反应方程式1来移除TiAlN。
[化学反应方程式1]
TiAlN+(7/2)Cl2→TiCl4(g)+AlCl3(g)+(1/2)N2
如图4和5所示，由于四氯化钛(TiCl4)(g)和三氯化铝(AlCl3)(g)的化学活性较强，因此上述反应较为稳定。然而，应注意在低于430℃的温度下产生AlCl3(s)。因此，在步骤s1中，根据本发明的实施例，将反应室10的内部温度维持在430℃或更高，从而防止产生AlCl3(s)。根据本发明的实施例，可通过使用氯(Cl2)移除粘附于反应室10内部的含Al金属氮化物膜，诸如TiAlN膜，而无残余产物。反应室10内部温度的上限不受限制。为了改良清洁效率，高温较为有利，且然而，通过考虑能量、反应室10内部物质的热阻等来选择适当温度。所属领域技术人员可适当选择反应室10内部温度的上限。
在清洁步骤s3之后，进行移除残留于反应室10中的含Cl清洁气体的步骤s4。例如，长时间净化反应室10的内部，或通过使用诸如移除氯(Cl2)的氢气(H2)的气体等离子，或诸如不与任何其他元素发生化学反应但进行溅射的氩气(Ar)或氮气(N2)的气体等离子来进行处理。
第二实施例
图6是根据本发明的第二实施例，对于用于沉积薄膜的装置的清洁方法流程图。
如第一实施例所述，可通过使用氯(Cl2)来移除诸如TiAlN的含Al金属氮化物膜，且然而，通过在低于430℃的温度下与铝(Al)反应来产生残余产物AlCl3(s)。因此，重要的是将反应室10内部温度维持在430℃或更高。如在本实施例中，当不可将反应室10内部温度升高至高于430℃时，使用包括Cl2等离子的清洁气体。
首先，如在图6的步骤s11中，净化反应室10内部和气体管线。这是因为当气体残留于反应室10和气体管线内时，可能发生剧烈反应或产生大量颗粒物，且随后向反应室10和气体管线中供应清洁气体。当无所提及的问题时，可省略步骤s11。
接下来，在步骤s12中，通过向反应室10中供应包括Cl2的清洁气体来清洁反应室10的内部。通过以远程等离子法将Cl2气体转化为Cl2等离子，或向应用直接等离子的反应室内供应Cl2气体来获得Cl2等离子。如上文所述，当通过使用等离子来活化Cl2时，尽管并未将反应室10的内部温度维持为高温，但仍可防止产生残余产物。
在清洁步骤s12之后，进行移除残留于反应室10中的含Cl清洁气体的步骤s13。例如，长时间净化反应室10的内部，或通过使用诸如移除氯(Cl2)的氢气(H2)的气体等离子，或诸如不与任何其他元素发生化学反应但进行溅射的氩气(Ar)或氮气(N2)的气体等离子来进行处理。
实验实例
表1说明如在第一实施例中通过使用氯(Cl2)移除TiAlN的结果。在实验实例中，反应室内压力为2托，且清洁气体(Cl2)的通量为500标准状态毫升/分。供应氯(Cl2)的时间为3至20分钟。
[表1]
样品号 清洁气体 温度和时间条件 清洁前所沉积物质的厚度(埃) 清洁后所沉积物质的厚度(埃)
1 Cl2 350℃，5分钟 400 153.78
2 Cl2 440℃，3分钟 400 15.93
3 Cl2 440℃，4分钟 400 15.2
4 Cl2 440℃，6分钟 400.23 7.52
5 Cl2 440℃，20分钟 387.48 9.31
6 Cl2 510℃，6分钟 357.27 14.36
如表1所示，当将反应室内温度维持在430℃或更高，且通过使用Cl2(样品号2至6)来处理反应室时，几乎可完全移除粘附于反应室内部的TiAlN薄膜。随后，在高温下几乎完全移除TiAlN(样品号2至6)，且然而存在少量残余三氯化铝AlCl3(s)(样品号1)。
根据本发明，可有效干燥蚀刻用于沉积薄膜的装置，所述装置沉积用于扩散屏障、电极或加热元件的含Al金属氮化物膜或类似膜，诸如TiAlN。换句话说，可有效清洁用于沉积薄膜的装置反应室，而不具有残余产物和颗粒物。因此，可通过使用用于沉积薄膜的装置来完成有效大规模生产。因此，可改良半导体装置的生产力，包括含Al金属膜或含Al金属氮化物膜。
尽管已参考其例示性实施例来特别展示且描述本发明，但所属领域技术人员应了解在不偏离附加权利要求书所定义的本发明的精神和范畴下，可对本文进行各种形式和细节上的改变。应仅认为例示性实施例具有描述意义，而并非限制目的。因此，本发明的范畴并非由本发明的详细描述加以定义，而是由附加权利要求书来定义，且应将所述范畴内的所用差异理解为包括于本发明内。

Claims (18)

1、一种对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜，所述对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法包含：
将用于沉积薄膜的所述装置的反应室的内部温度维持在430℃或更高；和
通过向所述反应室内供应包括氯气的清洁气体来清洁所述反应室内部。
2、根据权利要求1所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后净化所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
3、根据权利要求1所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，用至少一种选自由氩气、氮气和氢气组成的群组的等离子处理所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
4、根据权利要求1所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述含铝氮化物膜由氮化铝钛或氮化铝钽制成。
5、根据权利要求1所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在注入所述清洁气体之前，净化所述反应室内部和气体管线。
6、根据权利要求5所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，净化所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
7、根据权利要求5所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，用至少一种选自由氩气、氮气和氢气组成的群组的等离子处理所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
8、根据权利要求5所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述含铝氮化物膜由氮化铝钛或氮化铝钽制成。
9、一种对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，所述装置沉积含铝金属膜和含铝金属氮化物膜，所述对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法包含通过向用于沉积薄膜的所述装置的反应室内供应用于清洁所述反应室的包括氯气等离子的清洁气体来清洁所述反应室内部。
10、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述氯气等离子是通过以远程等离子法将氯气转化为所述氯气等离子。
11、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述氯气等离子是通过向应用直接等离子的所述反应室内供应氯气来获得。
12、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，净化所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
13、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，用至少一种选自由氩气、氮气和氢气组成的群组的等离子处理所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
14、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述含铝氮化物膜由氮化铝钛或氮化铝钽制成。
15、根据权利要求9所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在注入所述清洁气体之前，净化所述反应室内部和气体管线。
16、根据权利要求15所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，净化所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
17、根据权利要求15所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，进一步包含在清洁所述反应室内部之后，用至少一种选自由氩气、氮气和氢气组成的群组的等离子处理所述反应室内部，以移除残留于所述反应室中的所述清洁气体。
18、根据权利要求15所述的对于用于沉积薄膜的装置的干燥清洁方法，其中所述含铝氮化物膜由氮化铝钛或氮化铝钽制成。
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