半导体行业(一百四十六)——化学气相沉积(二十五)

等离子体等离子体加热过程中,氧的来源气体如N20和02与碳(来自氟碳化合物)反应形成CO以及C02,并释放出更多的氟自由基增加F/C的比例,这样可以避免氟化碳的聚合作用以提高清洁的效率。

重要的一点是F/C的比例要高于2,否则可能发生聚合作用,并产生一层类似铁氟龙的聚合物涂敷在反应室中。在等离子体中,CF4会分解成CF3和F,CF3将继续分解成CF2和F。当许多自由基连成一个长链时就形成聚合作用(见下图所示)。这种情形下,白色的、类似铁氟龙的聚合物将沉积在反应室内部,这时需要打开反应室并使用湿法清洗和利用机械性刮除的方式将聚合物从表面擦掉。这种清洁过程将造成停机并影响生产率。

半导体行业(一百四十六)——化学气相沉积(二十五)
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反应室清洁工艺通常包括六个过程:稳定压力、等离子体清洁、真空泵抽气降压、沉积压力设定、沉积和真空泵抽气降压。在沉积过程中,大约]仪℃Å的氧化层将无意间沉积在晶圆夹盘以及反应室内部的每个地方。这个重要的过程可以保持每一个晶圆有相同的沉积状从而获得好的晶圆对晶圆(WFW)均匀性,并提高生产的可重复性。也可以通过覆盖的方式减少残留的化学污染,并可以密封住残留松散的薄膜碎片来减少粒子污染。

一个200mm晶圆的硅烷PECVD反应室清洁如下表所示。

半导体行业(一百四十六)——化学气相沉积(二十五)
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当沉积1um USG薄膜后,需时约90s清洁反应室。在二氧化硅清洁工艺中,刻蚀的化学反应从薄膜释放氧气,并造成额外的碳氧化。由于没有额外的氧气从薄膜释放,氮化硅清洁需要更高的N20(耗时约600s)与碳发生反应释放更多的氟,并保持大的F/C比以防止聚合。在1min氮化硅薄膜沉积后,大约需要2min清洗氮化物反应室。相比较而言,它需要约1mm沉积1um二氧化硅,约85s,沉积1um氮化硅。

一个问题:如果将1200sccm的CF4注入工艺反应室,有多少真正用于氧化物清洗?

答:小于3%。多于97%的CF4被送入反应室却没有用于清洗而被抽走。CFA是一种稳定的气体而且不会被废弃清洗出去,释放到空气中是安全的。然而碳氟化合物气体是引起全球温室效应的气体之一,因而限制了它们的使用量,并且释放问题变得很关键。

在等离子体中,电子、原子和分子间的激发一松弛碰撞会引起辉光效应。因为不同的气体有不同的原子结构,等离子体中发光的颜色可以提供反应室内部与化学成分有关的信息监控清洁过程。

当清洁工艺开始时,等离子体会产生自由的氟原子,所以氟开始增加。清洁过程中,氟原子会刻蚀氧化硅或氮化硅,所以等离子体中的自由氟原子浓度很低,而且氟发出的光强度(光波长为704nm)也很低。当清洁过程完成时,氧化硅将逐渐被移除,等离子体中的自由氟原子浓度将增加,氟发出的光强度也增加。当氧化物完全从工艺工具及反应室内壁移除时,氟自由基的浓度将变成一个常数,这表明清洁已经完成(见下图所示)。

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