一种PECVD反应腔体的清洁方法及清洁气体与流程

本发明涉及一种反应腔体的清洁工艺，特别涉及一种PECVD反应腔体的清洁方法及清洁气体。

背景技术：

PECVD是等离子体增强型化学气相沉积的简称，利用RF射频将气体分子激活成活性离子并加热进行反应生成薄膜，该技术广泛应用于IC及MEMS加工领域，可以沉积生成二氧化硅、氮化硅及非晶硅等多种薄膜。

PECVD属于热壁反应腔体(如图1所示)，除了在晶圆表面沉积薄膜以外，腔体内壁边缘也会反应镀上薄膜，但是，在沉积薄膜的时候，腔体内(中部及边缘)会产生薄膜颗粒(含有Si和O元素的颗粒)，由此引入了腔体清洁的工艺。图1中，腔体在晶圆(Wafer)1上沉积薄膜，也会在热壁2的边缘沉积上薄膜，待Wafer传送出腔体外后且沉积薄膜总厚度到达一定设定值时，再进行腔体内的清洁工艺。清洁时，在气体进气口4与腔体底部晶圆的间距为500～600mils下通入清洁气体3，使腔体内清洁气体3压力为5～7torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频RF下反应一定的时间后，所产生的气体7通过泵(Pump)8抽走。其中，RF为射频功率，Spacing间距5为晶圆(Wafer)1到上方反应气体进气口4(Showerhead)之间的间距。

经过长期观察，发现当腔体的清洁效果不足时，腔体内壁边缘的薄膜容易剥落造成污染。而现有的腔体清洁工艺，由于只能清洁腔体的中部，无法清洁腔体的边缘，因此经常会遇到清洁过后，晶圆(Wafer)受污染的问题(如图2所示)。从图2中对晶圆上受污染的颗粒扫描图和成分进行分析来看，颗粒主要集中分布在晶圆边缘，从成分上来看主要是Si和O，即为SiO₂薄膜的成分。打开腔体后发现，加热器(Heater)与上方反应气体进气口(Showerhead)的中间部分清洁比较干净，但是边缘有白色粉末(如图6所示)。由于现有清洁工艺对腔体内边缘的清洁不佳，造成边缘有白色粉末(主要成分为Si和O)残留，从而污染了晶圆，进而影响了器件性能和产品良率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种PECVD反应腔体的清洁方法，通过该方法可以很好的清洁腔体中部和边缘，可提高产品良率，同时保证了产品品质。

为达到上述目的，一种PECVD反应腔体的清洁方法，采用可与腔体内的含有Si和O元素的颗粒进行反应的清洁气体对其进行清洁，包括如下步骤：

S1：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800～999mils下通入清洁气体，使腔体内清洁气体压力为2～4torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体中部和边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完；

S2：通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走。

进一步的：所述清洁气体包括N₂O和含有F元素的气体中的至少一种。

进一步的：所述含有F元素的气体为CF₄。

进一步的：所述射频频率为13.56MHz。

本发明还提供了一种PECVD反应腔体的清洁方法，采用可与腔体内的含有Si和O元素的颗粒进行反应的清洁气体对其进行清洁，包括如下步骤：

清洁腔体中部：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为500～600mils下通入清洁气体，使腔体内清洁气体压力为5～7torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体中部的含有Si和O元素的颗粒反应完；通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走；

清洁腔体边缘：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800～999mils下通入清洁气体，使腔体内清洁气体压力为2～4torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走。

进一步的：所述清洁气体包括N₂O和含有F元素的气体中的至少一种。

进一步的：所述含有F元素的气体为CF₄。

进一步的：所述射频频率为13.56MHz。

本发明还提供了一种清洁气体，应用于上述PECVD反应腔体的清洁方法中，以清洁腔体内的含有Si和O元素的颗粒，所述混合气体包括N₂O和含有F元素的气体中的至少一种。

进一步的：所述含有F元素的气体为CF₄。

本发明的有益效果在于：本发明改善了原有工艺对PECVD腔体边缘清洁不干净的问题，采用该清洁方法对腔体中部和边缘进行清洁，可以取得很好的清洁效果，可提高产品良率，保证产品品质。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明中PECVD反应腔体的结构示意图；

图2为腔体内晶圆(Wafer)受污染的颗粒分布图及其成分分析图；

图3为本发明在不同压力条件下对腔体中间和边缘进行清洁的清洁蚀刻速率分布图；

图4为本发明在不同温度条件下对腔体中间和边缘进行清洁的清洁蚀刻速率分布图；

图5为本发明在不同Spacing间距条件下对腔体中间和边缘进行清洁的清洁蚀刻速率分布图；

图6为采用现有工艺对Heater与Showerhead进行清洁后腔体内的效果图；

图7为采用本发明的技术方案对Heater与Showerhead进行清洁后腔体内的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明以沉积二氧化硅和氮化硅薄膜的PECVD反应腔体为例，采用CF₄和N₂O混合气体作为清洁气体对腔体进行清洁。其腔体清洁的反应方程式为:CF₄+N₂O+SiO₂(或Si₃N₄)→SiF₄↑+CO₂↑+N₂↑，腔体内中部和边缘处的固态二氧化硅(SiO₂)和氮化硅(Si₃N₄)薄膜与CF₄和N₂O混合气体反应生成气态的反应物，最后被泵(Pump)抽走。

针对现有技术的不足，经过详细的对压力条件、温度条件和Spacing间距条件等实验参数进行研究，具体如下：

实验时，首先在晶圆(Wafer)上沉积约3.2um(即32000埃米)的二氧化硅薄膜，记录好二氧化硅薄膜的前值厚度，然后把Wafer传送到腔体里，运行拟定实验条件的清洁工艺菜单，接着把Wafer传送出来，记录好二氧化硅薄膜的后值厚度，以及采集其他相应的实验数据。

实验一：在其他工艺参数不变的情况下，分别在5torr、4.4torr、3.8torr压力下进行清洁实验，实验参数如表1所示。

表1实验一的实验参数

在一分钟(60s)的时间，根据清洁蚀刻前、后值的厚度差，可以计算出不同压力条件下的C/R(清洁蚀刻速率，Clean Rate)，厚度单位为A(埃米，Angstrom)，蚀刻速率单位为A/60s(即埃米每分钟)，测试结果如表2所示。

表2不同压力条件下的清洁蚀刻速率

从表2可以看出，压力越大，清洁蚀刻速率越大。同时根据前后的厚度差可以画出清洁蚀刻速率的分布图(如图3所示)。由图3可见，腔体中间的蚀刻速率高，边缘蚀刻速率较低。当压力逐渐降低时，腔体清洁效果会逐渐向边缘延伸。

实验二：在其他工艺参数不变的情况下，分别在400℃、300℃、200℃温度下进行清洁实验，实验参数如表3所示。根据清洁蚀刻前、后值的厚度差，算出了不同温度条件下的C/R值，结果如表4所示。

表3实验二的实验参数

表4不同温度条件下的清洁蚀刻速率

从表4可以看出，温度越高，清洁蚀刻速率越大。同时根据前后的厚度差可以画出清洁蚀刻速率的分布图(如图4所示)。由图4可见，腔体中间蚀刻速率较快，边缘蚀刻速率较低。

实验三：在其他工艺参数不变的情况下，分别在600mils、500mils、400milsSpacing间距下进行清洁实验，实验参数如表5所示。根据清洁蚀刻前、后值的厚度差，算出了不同Spacing间距下的C/R值，结果如表6所示。

表5实验三的实验参数

表6不同Spacing间距下的清洁蚀刻速率

从表6可以看出，Spacing间距越大，清洁蚀刻速率越大，但总体上来说，Spacing间距变化对清洁蚀刻速率影响不大。同时根据前后的厚度差可以画出清洁蚀刻速率的分布图(如图5所示)。由图5可见，腔体中间蚀刻速率较快，边缘蚀刻速率较低，随着Spacing间距的增大时，蚀刻效果逐渐偏向于边缘。

综合实验一至三的实验结果，可以得出：(1)压力越大，清洁蚀刻速率越大，但当压力越小时边缘清洁效果越好；(2)温度越高，清洁蚀刻速率越大；(3)Spacing间距越大，清洁蚀刻速率越大，且随着Spacing间距的增大，腔体边缘的清洁效果越好。

通过上述实验及后续的多次实验及理论分析，本发明得到如下两种的清洁方法：

方法一

PECVD反应腔体的清洁方法采用可与腔体内的含有Si和O元素的颗粒进行反应的清洁气体对其进行清洁，其特征在于，包括如下步骤：

S1：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800～999mils下通入清洁气体，使腔体内气体压力为2～4torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体中部和边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完；

S2：通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走。

方法二

PECVD反应腔体的清洁方法，采用可与腔体内的含有Si和O元素的颗粒进行反应的清洁气体对其进行清洁，其特征在于，包括如下步骤：

清洁腔体中部：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为500～600mils下通入清洁气体，使腔体内气体压力为5～7torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体中部的含有Si和O元素的颗粒反应完；通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走；

清洁腔体边缘：在气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800～999mils下通入清洁气体，使腔体内气体压力为2～4torr，加热使腔体内温度达到300～400℃，在一定的射频频率下反应直至腔体边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走。在清洁腔体边缘的时候，同时，可以稍微的清洁腔体的中部。

在上述方法二中，“清洁腔体中部”步骤与“清洁腔体边缘”根据实际情况顺序可以互换。上述方法一与方法二虽然都能够完成清洁腔体边缘及中部，但是，由于腔体的侧壁同样是Si和O元素的薄膜，所以，当使用方法一的时候，由于边缘清洁效率会大于中部的清洁效率，所以，会造成在完成中部清洁的时候，腔体的侧壁被过多的刻蚀，可能会对腔体部件造成损伤及降低部件的使用寿命，但方法二由于采用中部和边缘分开清洁，所以，方法二为最佳清洁方法。

下面通过具体实施例进行详细说明。

实施例一：PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：参见图1所示，在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为2torr，加热使腔体内温度达到300℃，在射频频率13.56MHz下反应X s后(腔体中部和边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，进而完成对腔体中部和边缘的清洁。

实施例二：PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：参见图1所示，在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为900mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为3torr，加热使腔体内温度达到350℃，在射频频率13.56MHz下反应X s后(腔体中部和边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，进而完成对腔体中部和边缘的清洁。

实施例三：PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：参见图1所示，在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为999mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为4torr，加热使腔体内温度达到400℃，在射频频率13.56MHz下反应X s后(腔体中部和边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，进而完成对腔体中部和边缘的清洁。

实施例四：参见图1所示，PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：步骤一、清洁腔体中部：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为500mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为5torr，加热使腔体内温度达到300℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体中部的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将反应完成后的气体抽走，完成对腔体中部的清洁；步骤二、清洁腔体边缘：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为800mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为2torr，加热使腔体内温度达到300℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，完成对腔体边缘的清洁。

实施例五：参见图1所示，PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：步骤一、清洁腔体中部：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为550mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为6torr，加热使腔体内温度达到350℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体中部的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将反应完成后的气体抽走，完成对腔体中部的清洁；步骤二、清洁腔体边缘：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为900mils下通入CF₄/N₂O混合气体，使腔体内气体压力为3torr，加热使腔体内温度达到350℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，完成对腔体边缘的清洁。

实施例六：参见图1所示，PECVD反应腔体的清洁方法包括如下步骤：步骤一、清洁腔体中部：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为600mils下通入CF₄/N₂O混合气体，使腔体内气体压力为7torr，加热使腔体内温度达到400℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体中部的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将反应完成后的气体抽走，完成对腔体中部的清洁；步骤三、清洁腔体边缘：在上方气体进气口与腔体底部晶圆的间距为999mils下通入CF₄和N₂O混合气体，使腔体内气体压力为4torr，加热使腔体内温度达到400℃，在射频频率13.56MHz下反应X/2s后(腔体边缘的含有Si和O元素的颗粒反应完)，通过泵将腔体内反应完成后的气体抽走，完成对腔体边缘的清洁。

上述实施例一至六中混合气体CF₄和N₂O混合气体中的CF₄也可以采用其它含F元素的气体来代替。

对采用实施例一至六的清洁方法对腔体进行清洁后，通过观察可以发现，腔体内的清洁效果得到了明显改善，腔体中间和边缘都清洁得非常干净(如图7所示)，与图6进行比较，可以更明显地发现采用本发明的清洁方法所得到的清洁效果。

综上所述：采用本发明的技术方案，可以有效改善原有工艺对PECVD腔体边缘清洁不干净的问题，对腔体中部和边缘进行清洁时，可以取得很好的清洁效果，可提高产品良率，保证产品品质。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。