本發(fā)明涉及一種反應(yīng)腔體的清潔工藝，特別涉及一種PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法及清潔氣體。

背景技術(shù)：

PECVD是等離子體增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積的簡稱，利用RF射頻將氣體分子激活成活性離子并加熱進(jìn)行反應(yīng)生成薄膜，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于IC及MEMS加工領(lǐng)域，可以沉積生成二氧化硅、氮化硅及非晶硅等多種薄膜。

PECVD屬于熱壁反應(yīng)腔體(如圖1所示)，除了在晶圓表面沉積薄膜以外，腔體內(nèi)壁邊緣也會反應(yīng)鍍上薄膜，但是，在沉積薄膜的時候，腔體內(nèi)(中部及邊緣)會產(chǎn)生薄膜顆粒(含有Si和O元素的顆粒)，由此引入了腔體清潔的工藝。圖1中，腔體在晶圓(Wafer)1上沉積薄膜，也會在熱壁2的邊緣沉積上薄膜，待Wafer傳送出腔體外后且沉積薄膜總厚度到達(dá)一定設(shè)定值時，再進(jìn)行腔體內(nèi)的清潔工藝。清潔時，在氣體進(jìn)氣口4與腔體底部晶圓的間距為500～600mils下通入清潔氣體3，使腔體內(nèi)清潔氣體3壓力為5～7torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻RF下反應(yīng)一定的時間后，所產(chǎn)生的氣體7通過泵(Pump)8抽走。其中，RF為射頻功率，Spacing間距5為晶圓(Wafer)1到上方反應(yīng)氣體進(jìn)氣口4(Showerhead)之間的間距。

經(jīng)過長期觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔體的清潔效果不足時，腔體內(nèi)壁邊緣的薄膜容易剝落造成污染。而現(xiàn)有的腔體清潔工藝，由于只能清潔腔體的中部，無法清潔腔體的邊緣，因此經(jīng)常會遇到清潔過后，晶圓(Wafer)受污染的問題(如圖2所示)。從圖2中對晶圓上受污染的顆粒掃描圖和成分進(jìn)行分析來看，顆粒主要集中分布在晶圓邊緣，從成分上來看主要是Si和O，即為SiO₂薄膜的成分。打開腔體后發(fā)現(xiàn)，加熱器(Heater)與上方反應(yīng)氣體進(jìn)氣口(Showerhead)的中間部分清潔比較干凈，但是邊緣有白色粉末(如圖6所示)。由于現(xiàn)有清潔工藝對腔體內(nèi)邊緣的清潔不佳，造成邊緣有白色粉末(主要成分為Si和O)殘留，從而污染了晶圓，進(jìn)而影響了器件性能和產(chǎn)品良率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法，通過該方法可以很好的清潔腔體中部和邊緣，可提高產(chǎn)品良率，同時保證了產(chǎn)品品質(zhì)。

為達(dá)到上述目的，一種PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法，采用可與腔體內(nèi)的含有Si和O元素的顆粒進(jìn)行反應(yīng)的清潔氣體對其進(jìn)行清潔，包括如下步驟：

S1：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800～999mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)清潔氣體壓力為2～4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體中部和邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完；

S2：通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走。

進(jìn)一步的：所述清潔氣體包括N₂O和含有F元素的氣體中的至少一種。

進(jìn)一步的：所述含有F元素的氣體為CF₄。

進(jìn)一步的：所述射頻頻率為13.56MHz。

本發(fā)明還提供了一種PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法，采用可與腔體內(nèi)的含有Si和O元素的顆粒進(jìn)行反應(yīng)的清潔氣體對其進(jìn)行清潔，包括如下步驟：

清潔腔體中部：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為500～600mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)清潔氣體壓力為5～7torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體中部的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完；通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走；

清潔腔體邊緣：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800～999mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)清潔氣體壓力為2～4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走。

進(jìn)一步的：所述清潔氣體包括N₂O和含有F元素的氣體中的至少一種。

進(jìn)一步的：所述含有F元素的氣體為CF₄。

進(jìn)一步的：所述射頻頻率為13.56MHz。

本發(fā)明還提供了一種清潔氣體，應(yīng)用于上述PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法中，以清潔腔體內(nèi)的含有Si和O元素的顆粒，所述混合氣體包括N₂O和含有F元素的氣體中的至少一種。

進(jìn)一步的：所述含有F元素的氣體為CF₄。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明改善了原有工藝對PECVD腔體邊緣清潔不干凈的問題，采用該清潔方法對腔體中部和邊緣進(jìn)行清潔，可以取得很好的清潔效果，可提高產(chǎn)品良率，保證產(chǎn)品品質(zhì)。

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中PECVD反應(yīng)腔體的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為腔體內(nèi)晶圓(Wafer)受污染的顆粒分布圖及其成分分析圖；

圖3為本發(fā)明在不同壓力條件下對腔體中間和邊緣進(jìn)行清潔的清潔蝕刻速率分布圖；

圖4為本發(fā)明在不同溫度條件下對腔體中間和邊緣進(jìn)行清潔的清潔蝕刻速率分布圖；

圖5為本發(fā)明在不同Spacing間距條件下對腔體中間和邊緣進(jìn)行清潔的清潔蝕刻速率分布圖；

圖6為采用現(xiàn)有工藝對Heater與Showerhead進(jìn)行清潔后腔體內(nèi)的效果圖；

圖7為采用本發(fā)明的技術(shù)方案對Heater與Showerhead進(jìn)行清潔后腔體內(nèi)的效果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明以沉積二氧化硅和氮化硅薄膜的PECVD反應(yīng)腔體為例，采用CF₄和N₂O混合氣體作為清潔氣體對腔體進(jìn)行清潔。其腔體清潔的反應(yīng)方程式為:CF₄+N₂O+SiO₂(或Si₃N₄)→SiF₄↑+CO₂↑+N₂↑，腔體內(nèi)中部和邊緣處的固態(tài)二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)薄膜與CF₄和N₂O混合氣體反應(yīng)生成氣態(tài)的反應(yīng)物，最后被泵(Pump)抽走。

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，經(jīng)過詳細(xì)的對壓力條件、溫度條件和Spacing間距條件等實(shí)驗參數(shù)進(jìn)行研究，具體如下：

實(shí)驗時，首先在晶圓(Wafer)上沉積約3.2um(即32000埃米)的二氧化硅薄膜，記錄好二氧化硅薄膜的前值厚度，然后把Wafer傳送到腔體里，運(yùn)行擬定實(shí)驗條件的清潔工藝菜單，接著把Wafer傳送出來，記錄好二氧化硅薄膜的后值厚度，以及采集其他相應(yīng)的實(shí)驗數(shù)據(jù)。

實(shí)驗一：在其他工藝參數(shù)不變的情況下，分別在5torr、4.4torr、3.8torr壓力下進(jìn)行清潔實(shí)驗，實(shí)驗參數(shù)如表1所示。

表1實(shí)驗一的實(shí)驗參數(shù)

在一分鐘(60s)的時間，根據(jù)清潔蝕刻前、后值的厚度差，可以計算出不同壓力條件下的C/R(清潔蝕刻速率，Clean Rate)，厚度單位為A(埃米，Angstrom)，蝕刻速率單位為A/60s(即埃米每分鐘)，測試結(jié)果如表2所示。

表2不同壓力條件下的清潔蝕刻速率

從表2可以看出，壓力越大，清潔蝕刻速率越大。同時根據(jù)前后的厚度差可以畫出清潔蝕刻速率的分布圖(如圖3所示)。由圖3可見，腔體中間的蝕刻速率高，邊緣蝕刻速率較低。當(dāng)壓力逐漸降低時，腔體清潔效果會逐漸向邊緣延伸。

實(shí)驗二：在其他工藝參數(shù)不變的情況下，分別在400℃、300℃、200℃溫度下進(jìn)行清潔實(shí)驗，實(shí)驗參數(shù)如表3所示。根據(jù)清潔蝕刻前、后值的厚度差，算出了不同溫度條件下的C/R值，結(jié)果如表4所示。

表3實(shí)驗二的實(shí)驗參數(shù)

表4不同溫度條件下的清潔蝕刻速率

從表4可以看出，溫度越高，清潔蝕刻速率越大。同時根據(jù)前后的厚度差可以畫出清潔蝕刻速率的分布圖(如圖4所示)。由圖4可見，腔體中間蝕刻速率較快，邊緣蝕刻速率較低。

實(shí)驗三：在其他工藝參數(shù)不變的情況下，分別在600mils、500mils、400milsSpacing間距下進(jìn)行清潔實(shí)驗，實(shí)驗參數(shù)如表5所示。根據(jù)清潔蝕刻前、后值的厚度差，算出了不同Spacing間距下的C/R值，結(jié)果如表6所示。

表5實(shí)驗三的實(shí)驗參數(shù)

表6不同Spacing間距下的清潔蝕刻速率

從表6可以看出，Spacing間距越大，清潔蝕刻速率越大，但總體上來說，Spacing間距變化對清潔蝕刻速率影響不大。同時根據(jù)前后的厚度差可以畫出清潔蝕刻速率的分布圖(如圖5所示)。由圖5可見，腔體中間蝕刻速率較快，邊緣蝕刻速率較低，隨著Spacing間距的增大時，蝕刻效果逐漸偏向于邊緣。

綜合實(shí)驗一至三的實(shí)驗結(jié)果，可以得出：(1)壓力越大，清潔蝕刻速率越大，但當(dāng)壓力越小時邊緣清潔效果越好；(2)溫度越高，清潔蝕刻速率越大；(3)Spacing間距越大，清潔蝕刻速率越大，且隨著Spacing間距的增大，腔體邊緣的清潔效果越好。

通過上述實(shí)驗及后續(xù)的多次實(shí)驗及理論分析，本發(fā)明得到如下兩種的清潔方法：

方法一

PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法采用可與腔體內(nèi)的含有Si和O元素的顆粒進(jìn)行反應(yīng)的清潔氣體對其進(jìn)行清潔，其特征在于，包括如下步驟：

S1：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800～999mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為2～4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體中部和邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完；

S2：通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走。

方法二

PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法，采用可與腔體內(nèi)的含有Si和O元素的顆粒進(jìn)行反應(yīng)的清潔氣體對其進(jìn)行清潔，其特征在于，包括如下步驟：

清潔腔體中部：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為500～600mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為5～7torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體中部的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完；通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走；

清潔腔體邊緣：在氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800～999mils下通入清潔氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為2～4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300～400℃，在一定的射頻頻率下反應(yīng)直至腔體邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走。在清潔腔體邊緣的時候，同時，可以稍微的清潔腔體的中部。

在上述方法二中，“清潔腔體中部”步驟與“清潔腔體邊緣”根據(jù)實(shí)際情況順序可以互換。上述方法一與方法二雖然都能夠完成清潔腔體邊緣及中部，但是，由于腔體的側(cè)壁同樣是Si和O元素的薄膜，所以，當(dāng)使用方法一的時候，由于邊緣清潔效率會大于中部的清潔效率，所以，會造成在完成中部清潔的時候，腔體的側(cè)壁被過多的刻蝕，可能會對腔體部件造成損傷及降低部件的使用壽命，但方法二由于采用中部和邊緣分開清潔，所以，方法二為最佳清潔方法。

下面通過具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例一：PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：參見圖1所示，在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為2torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X s后(腔體中部和邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，進(jìn)而完成對腔體中部和邊緣的清潔。

實(shí)施例二：PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：參見圖1所示，在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為900mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為3torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到350℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X s后(腔體中部和邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，進(jìn)而完成對腔體中部和邊緣的清潔。

實(shí)施例三：PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：參見圖1所示，在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為999mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到400℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X s后(腔體中部和邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，進(jìn)而完成對腔體中部和邊緣的清潔。

實(shí)施例四：參見圖1所示，PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：步驟一、清潔腔體中部：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為500mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為5torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體中部的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體中部的清潔；步驟二、清潔腔體邊緣：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為800mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為2torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到300℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體邊緣的清潔。

實(shí)施例五：參見圖1所示，PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：步驟一、清潔腔體中部：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為550mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為6torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到350℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體中部的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體中部的清潔；步驟二、清潔腔體邊緣：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為900mils下通入CF₄/N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為3torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到350℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體邊緣的清潔。

實(shí)施例六：參見圖1所示，PECVD反應(yīng)腔體的清潔方法包括如下步驟：步驟一、清潔腔體中部：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為600mils下通入CF₄/N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為7torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到400℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體中部的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體中部的清潔；步驟三、清潔腔體邊緣：在上方氣體進(jìn)氣口與腔體底部晶圓的間距為999mils下通入CF₄和N₂O混合氣體，使腔體內(nèi)氣體壓力為4torr，加熱使腔體內(nèi)溫度達(dá)到400℃，在射頻頻率13.56MHz下反應(yīng)X/2s后(腔體邊緣的含有Si和O元素的顆粒反應(yīng)完)，通過泵將腔體內(nèi)反應(yīng)完成后的氣體抽走，完成對腔體邊緣的清潔。

上述實(shí)施例一至六中混合氣體CF₄和N₂O混合氣體中的CF₄也可以采用其它含F(xiàn)元素的氣體來代替。

對采用實(shí)施例一至六的清潔方法對腔體進(jìn)行清潔后，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，腔體內(nèi)的清潔效果得到了明顯改善，腔體中間和邊緣都清潔得非常干凈(如圖7所示)，與圖6進(jìn)行比較，可以更明顯地發(fā)現(xiàn)采用本發(fā)明的清潔方法所得到的清潔效果。

綜上所述：采用本發(fā)明的技術(shù)方案，可以有效改善原有工藝對PECVD腔體邊緣清潔不干凈的問題，對腔體中部和邊緣進(jìn)行清潔時，可以取得很好的清潔效果，可提高產(chǎn)品良率，保證產(chǎn)品品質(zhì)。

以上所述實(shí)施例的各技術(shù)特征可以進(jìn)行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實(shí)施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進(jìn)行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是本說明書記載的范圍。

以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。