改善硅片背面金属污染的方法

摘要

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种改善硅片背面金属污染的方法。本发明公开了一种改善硅片背面金属污染的方法，去除腔体内壁上环境膜后，通过在腔体内壁的表面上依次制备掺氮的环境膜和非掺氮的环境膜，进而形成新的环境膜，以在后续的等离子体化学气相沉积工艺时，在降低颗粒物等缺陷的同时，有效的降低硅片的铝沾污，进而提高产品的性能和良率。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种改善硅片背面金属污染的方法。

背景技术

目前，在集成电路（尤其是超大规模集成电路）中，其最主要组成器件金属 -氧化物-半导体场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，简 称MOS晶体管）的几何尺寸一直在不断缩小，而随着器件尺寸的不断缩小，铝 互连早已被铜互连所取代，MOS晶体管的栅极使用的硅化物也从钨化物、钛化 物、钴化物一路发展到镍化物，甚至金属栅（如Al₂O₃或Ta₂O₅等）。

在新一代的技术中，钌作为电镀种子层和锰作为铜阻挡层的出现更是使晶体 管制造工艺中使用的金属数量更加丰富，从而也使器件制造有了更多的选择，而 与此同时，如果在工艺过程中上述的金属沾污在硅片的背面，就会造成后续工艺 设备的沾污，相应的进入后续设备的硅片也会被设备沾污，从而造成硅片和设备 的交叉沾污，而由于在晶体管制造的过程中，有很多工艺需要在相当高的温度（甚 至高于1000摄氏度）条件下进行，上述沾污在硅片背面的金属就会扩散至硅片 内部，从而会造成整个器件的失效；所以，在集成电路领域中，硅片背面的金属 沾污控制是非常关键和必要的。

其中，在集成电路制备过程中，化学气相沉积（CVD）是造成上述金属沾污 的主要工艺流程；由于，进行化学气相沉积工艺的设备在对硅片进行沉积薄膜工 艺前都需要对设备腔体进行清洗，以去除腔体中积累的沉积膜及悬浮在腔体中的 微粒等污染，而在清洗过程中，常需要在腔体中通入清洗气体NF₃，NF₃气体在 等离子体中电离出氟（F）离子，该氟离子会与覆盖在腔体壁和加热器（Heater） 上的沉积膜反应生成含氟气体，然后被泵抽走，以达到清洁腔体的目的。同时， 为了使腔体内的氛围接近真实沉积薄膜时的环境，通常需要在腔体中沉积一层薄 膜（Season），在减少掉落在硅片（wafer）上的颗粒（particle）的同时，使得在 成膜工艺时，腔室内的环境和膜沉积时的环境一致。

但是，在实际的工艺过程中，使用应用材料非晶碳膜（APF）机台沉积APF 薄膜时，全X射线反射荧光测试（TXRF）发现了硅片背面金属铝含量严重超出 了业界的标准（铝小于1E11A/cm²，其他金属小于5E10A/cm²）。

图1-4是传统的对腔体进行清洗工艺的结构流程示意图；如图1-4所示，传 统的对腔体进行清洗工艺时，清洗气体NF₃在等离子场中产生的氟离子会与 Heater所用材料AlN层11发生反应，以在Heater表面生成了一层很薄的Al_xF_yO_z薄 膜12；然后，在腔体清洗后，通入N₂和C₂H₂气体进行保护膜（season）沉积，以 在Al_xF_yO_z薄膜上制备一层保护膜13；而由于N₂会与Al_xF_yO_z反应析出AlN，形成 析出ALN薄膜14，从而导致沉积的保护膜13的表面含有金属铝（即在保护膜的 表面生成的析出AlN薄膜14），且当硅片进入机台进行非晶碳薄膜沉积时，该硅 片背面会与保护膜13的表面（即析出AlN薄膜14）接触，进而导致硅片背面沾 污金属，使得该硅片的背面金属超标（即铝大于5E10atom/cm²），致使制备的半 导体器件良率降低。

发明内容

本发明公开了一种改善硅片背面金属污染的方法，应用于等离子体增强化学 气相成膜的腔体清洗工艺中，其中，包括以下步骤：

提供一需要进行清洗工艺的腔体，且该腔体的内壁上覆盖有第一环境膜；

去除所述第一环境膜；

于所述腔体的内壁上制备掺氮的环境膜；

制备非掺氮的环境膜覆盖所述环境膜的表面，进而形成第二环境膜；

在所述腔体中继续进行等离子体增强化学气相成膜工艺。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，依次采用远程等离子体清洗工 艺和原位等离子清洗工艺去除所述第一环境膜。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，采用含有C₂H₂、N₂和He的混 合气体制备所述掺氮的环境膜。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，采用气体流量为 5000-10000sccm的N₂，500-800sccm的C₂H₂，在射频的高频为13.56MHz，功率 为800-1200w的工艺条件下，制备所述掺氮的环境膜。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，进行所述掺氮的环境膜的沉积 工艺时间为5-12s。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，采用含有C₂H₂、Ar和He的混 合气体制备所述非掺氮的环境膜。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，进行所述掺氮的环境膜的沉积 工艺时间大于5s且小于20s。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，还包括：

相邻的工艺步骤之间设置有气体流量稳定工艺步骤和抽气工艺步骤。

上述的改善硅片背面金属污染的方法，其中，所述第一环境膜和所述第二环 境膜均为非晶碳薄膜。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明提出一种改善硅片背面金属污 染的方法，去除腔体内壁上环境膜后，通过在腔体内壁的表面上依次制备掺氮的 环境膜和非掺氮的环境膜，进而形成新的环境膜，以在后续的等离子体化学气相 沉积工艺时，在降低颗粒物等缺陷的同时，有效的降低硅片的铝沾污，进而提高 产品的性能和良率。

附图说明

图1-4是传统的对腔体进行清洗工艺的结构流程示意图；

图5-7为本发明改善硅片背面金属污染的方法中一实施例的结构流程示意 图；

图8为本发明改善硅片背面金属污染的方法中一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：

图5-7为本发明改善硅片背面金属污染的方法中一实施例的结构流程示意 图；图8为本发明改善硅片背面金属污染的方法中一实施例的流程示意图如图 5-8所示，一种改善硅片背面金属污染的方法，应用于等离子体增强化学气相成 膜（PECVD）的腔体清洗工艺中，其中，包括以下步骤：

首先，在利用上述的PECVD腔体对多个硅片（wafer）如6对硅片进行过沉 积工艺后（间隔硅片进行清洗工艺的数目可根据具体的工艺需求设定），需要对 该PECVD腔体进行清洗（chamber clean）；因腔体内壁上的环境膜等工艺条件由 于长时间的进行沉积工艺有所改变，会对后续硅片的沉积工艺造成一定的负面影 响，如造成硅片颗粒物（particle）污染等缺陷产生，就需要对反应腔室进行清洗， 以保证后续产品的良率。

其次，采用远程等离子清洗工艺（RPS clean）对该腔体进行清洗，具体的 是采用NF₃清洗气体对腔体进行200s以上（如230s、250s、或300s等）的清洗工 艺，通过高频电源将反应气体NF₃电离产生含氟等离子体，并将该含氟等离子体 通入腔室内进行清洗工艺后，关闭RPS设备，并利用泵抽走上述的含氟反应气体。

然后，继续对上述的腔体进行10s-60s（优选的为10s、25s、35s或60s等） 的原位等离子清洗工艺（RF clean），即向腔体中通入氧气（O₂）和氦气（He）， 且当氧气和氦气的流量达到一定量且稳定的时候（如氧气的气体流量为 4000sccm-8000sccm如4000sccm、5000sccm或8000sccm等，氦气的气体流量为 2000sccm-6000sccm如2000sccm、3000sccm或4500sccm等，优选的氧气的气体流 量为5500sccm，氦气的气体流量为4500sccm），开启射频RF（优选的高频为 13.56MHz），在功率为600w-1000w（优选的为600w、800w或1000w等），并在 进行30s的工艺后，关闭氧气和RF，继续通入4s的氦气后，利用泵抽走反应气体 （可以进行10s的泵抽气步骤）；其中，该原位等离子清洗工艺具体的清洗时间 可根据清洗工艺后硅片上沉积薄膜的参数如厚度等来进行相应的调整，并在清洗 完成后用泵抽走所有的反应气体，以改善腔室内的温度和其他环境参数，使得腔 室环境与沉积时的工艺环境一致。

如图5所示，在依次经过上述远程等离子清洗工艺和原位等离子清洗工艺 后，腔室基底（AlN）1上的经过清洗工艺的环境膜（第一环境膜）已经被完全 去除，只有AlFO薄膜2覆盖在该基底1的表面。

之后，采用气体流量为5000-10000sccm（如5000sccm、6000sccm、8000sccm 或10000sccm等）的N₂，500-800sccm（如500sccm、600sccm、700sccm或800sccm 等）的C₂H₂和Ar的混合气体，在射频的高频为13.56MHz，功率为800-1200w（如 800w、9000w、1100w或1200w等）的工艺条件下，进行5-12s（如5s、6s、8s、 10s或12s等）的沉积工艺，在此工艺过程中，C₂H₂与含氮等离子体反应形成一层 碳氮化合物，即于AlFO薄膜2的表面制备掺氮的环境膜3，进而形成如图6所示 的结构；该掺氮的环境膜3能够增加后续非晶碳层与腔体的粘附力，能有效的防 止非晶碳从腔体上脱落形成悬浮颗粒（particle）；具体的，在上述原位等离子清 洗工艺后，继续向腔体中通入5000sccm的氮气（N₂）、1400sccm的C₂H₂和1000sccm 的氦气（He），气体流量稳定5s后，开启射频，其功率为1400w，进行10s的沉 积工艺后完成上述的掺氮的环境膜3的沉积工艺（N dope season），关闭气体和 RF后，用泵抽走反应气体(约20S)。

最后，将C₂H₂、Ar和He的混合气体通入腔体中，并打开射频，使得C₂H₂解 离形成一层纯碳化合物，即在掺氮的环境膜3的表面形成非掺氮的环境膜4，由 于在制备非掺氮的环境膜4的时候，其反应的气体不包含氮气，因而在沉积的过 程中AlFO薄膜就不会发生反应析出ALN，进而后续硅片也就会被Al污染，在进 行沉积工艺时，其具体的工艺参数可参照现有的非晶硅沉积工艺的参数设定；具 体的，继续1400sccm的C₂H₂、10000sccm的Ar和1000sccm的He，且气体流量稳 定5S后，开启高频RF，在功率为1400W的条件下，进行10s的沉积工艺，以在 掺氮的环境膜3的表面制备非掺氮的环境膜4，然后关闭气体和RF，用泵抽走反 应气体（约20s）后，形成由掺氮的环境膜3和非掺氮的环境膜4构成的新的环 境膜（第二环境膜）。

其中，上述掺氮的环境膜4的沉积工艺（N free season）的时间大于5s且小 于20s（如6s、8s、12s、14s或18s等）。

进一步的，上述的相邻的工艺步骤之间均设置有气体流量稳定工艺步骤和抽 气工艺步骤，即在向腔体中通入气体时均经过气体流量稳定工艺步骤，相应的在 进行过一个工艺步骤后均需要利用泵将该工艺步骤中的反应气体抽走。

优选的，所述第一环境膜和所述第二环境膜均为非晶碳薄膜。

优选的，上述实施例中的改善硅片背面金属污染的方法应用于45/40nm、 32/28nm、≤22nm等技术节点，其应用的平台为Logic、Memory、RF、HV等。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明提出一种改善硅片背面金属污 染的方法，去除腔体内壁上环境膜后，通过在腔体内壁的表面上依次制备掺氮的 环境膜和非掺氮的环境膜，进而形成新的环境膜，在改善膜与腔室的粘附性的同 时，有效降低腔室内颗粒物等缺陷，而外层的非含氮环境膜还能阻挡AlN的析 出，进而大大改善硅片背面的铝沾污，以延长化学气相沉积设备的维护周期和使 用寿命，提高产品的性能和良率。

通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，基于本发 明精神，还可作其他的转换。尽管上述发明提出了现有的较佳实施例，然而，这 些内容并不作为局限。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而 易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变 化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本 发明的意图和范围内。