TW386250B - Method and apparatus for reducing the first wafer effect - Google Patents

Description

五、發明説明（1 ) ~ ~ ~ 本發明係關於薄膜沈積，並特別是對於一個不管處理 室閒置時間而用來維持一致的高品質沈積薄媒之方法和嚴 置。 背景 .薄膜沈積對於製造固態電子元件是必須的。以指定的 圖樣將各種材料構層於基材上“製作圖樣”，而形成固態 電子兀*件。在半導體元件的工業中，一直存在著要求較複 雜的多層型結構及較小的元件尺寸的趨勢。因此，經製作 圖樣的晶片之成本持續上升，而有些經製作的晶片之成本 咼達美金100,000元。由於一個品質不良的薄層能毀壞整 個晶片，所以能一致的沈積高品質的材料層是必須的。 經濟部中央樣準局負工消費合作社印裝 商業化規模的半導體元件製造在具有多重處理室的自 動化系統中進行。常常這些處理室在轉移之時，從一製程 條件變為另一製程條件時，或是在設備修理時，會有閒置 的時候。在設備修理時，不僅故障的處理室閒置著，前後 處於良好工作狀況的處理室也間置著。當一個熱沈積處理 室(一個配備有加熱晶片至3〇(Tc至600°C之間的裝置之處 理室）閒置約20至30分鐘時間，’沈積於前面幾個晶片的材 料層“膜”在閒置時間之後會呈現比穩.定製程狀態下（非 緊接閒置時段之時段）所沈積的薄膜具有較低而不想要之 反射度（晶體方向）廣泛分佈之象徵，可能在生成的晶片上 產生早期電子遷移以及/或是接下來光蝕刻形成圖樣的困 難）’以及/或是具有與JL常生產情形下所沈積的薄膜不 同的片電阻質。這現象為所知的第一晶圓效應。因此，緊 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 五 經濟部中央標準扃負工消費合作社印裝 2 A7 B7 發明説明（ 接於間置時段後（足夠引起第一晶圓效應的時段）薄膜品質 和製程可靠度會變差。沈積有呈現第一晶圓效應薄膜的晶 片必須抛棄。 由第一晶圓所顯現的問題可由VLSI及ULSI電路中使 用的濺鍍沈積方法而更加瞭解。濺鍍為一熟知的將材料層 沈積於半導體基材的方法。一個典型的濺鍍裝置包含有一 個靶材和一個基材支撐架於一真空處理室中。此靶一般是 接在處理室的頂端，但與處理室壁電絕緣。一電壓源維持 此靶相對於處理室壁成負電壓，產生一電壓差而激發位於 處理室内的氣體成電漿:。電漿離子產生並朝向靶材而將電 漿離子的動能傳遞給靶材的原子，使得靶材原子從靶材中 被放出（此為濺射）。被濺射出的挺材原子沈積於基材上， 而形成一薄膜。最好這薄膜具相當均勻的厚度。 如前所討論，半導體元件領域中的常數為降低橫向尺 寸的驅動力。例如為了降低儲存電容的橫向元件面積，高 的深寬比（高的深度對寬度比）構形（例如，梯階、渠溝、 介層）變的常見到。這樣的外形具有大的侧壁表面積，可 讓橫向元件尺件縮小而保持不奐的電容面積（因此一不變 電容值）。當濺鍍沈積薄膜於高深寬比構形，靶材行經相 當不垂直於基材的路徑會趨向沈積於接近構形之最高表面 (最接近於沈積材料源或材靶的表面），並阻止之後的沈積 材料到達此構形的低部表面，使得沈積層厚度不同並含有 空洞（沒有沈稹材料的區域為了避免這些不想要的厚度 差異，發展出了一個稱為離予金屬電漿（ΙΜρ)的濺鍍製程 本紙張尺Μ财關家轉(CNS ) ( 21〇xT97^t )

五、 發明説明（

7 *7 A B 經濟部中央標準局舅工消費合作杜印製 ° IMP製程詳細的描述於共同讓渡之相關申請案序號08/ 511,825中，發明名稱為“接觸、介層、渠構之低溫熱預 算金屬填塞及平垣化的方法與裝置，，存檔於1995年8月7曰 ° 一般情形’ IMP製程使用線圈圍繞真空處理室的濺鍍區 域。線圈裝置來用以RF射頻電力加於線圈產生電場，使 得靶材原子經過電漿而離子化。離子化的靶材經過一高度 方向性且垂直的路徑，被吸引至基材上（經由電漿 區域和 基材間的電位差’以及/或是經由加於基材上的負電壓） 。被濺鍍離子路徑的垂直性增強了介層、渠溝以及類似之 物的覆蓋性質。 ： 雖然IMP製程大幅增加了高的深寬比之構形的覆蓋， IMP濺鍍處理室因無法克服處理室間置一時段後的第一晶 圓效應而有些問題。先前技藝曾尋求在生產製程時減少第 一晶圓效應而處理IMP濺鑛處理室（在處理室中燃燒）。先 前技藝之“燒上（burn-in)，，過程施加一直流電壓於靶材， 並使惰性氣體流至處理室中而沈積靶材物質層於非生產物 件上（例如樣片、沈積處理室的圓板擋門等）。沈積層數目 變化的範圍可高達8個樣片。 這些先前技藝的方法降低系統的生產力並增加晶片成 本’然而在許多情形下第一晶圓效應仍然發生。因此在半 導體製造領域中，特別是IMP濺鍍沈積中，認為需要有一 製程方法能消除第一晶圓效應。這樣的方法需符合成本效 益’且必須能用現有的設備和材料迅速達成。 因此’本發明之一目的為提供一方法和裝置，其可消 (CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ©. 装. 訂 Α7 _________ Β7 " - 五、發明説明（4 ) ~~~~ ~ ~~ > 除或大幅降低於標準沈積處理室錢IMP軸沈積處理室 中第一晶圓效應之發生。 本發明之進一步目的為降低處理室的“燒上(bum-in)，， 時間，減少由於第一晶圓效應而必須拋棄的晶片，因而降 低每個晶片‘的平均成本。 發明概述 ‘‘本發明係針對-可大幅減少甚至消除第一晶圓效應的 “燒上（burn-in)”方法，以及實行此本發明之“燒上 (burn in)方法的半導體製造系統。本發明與先前技藝的 方法相較，能讓沈積處理室於間置時段後，能較快準備好 雨開始沈積生產薄膜，而使得具有高度穩定品質的薄膜在 處理室“燒上（burn-in)”後或穩定製程狀態時能立刻沈積 上去。因此’本發明達成增加生產率及降低每個晶片成本 的優點。除此之外，本發明對MIMp製程處理室和標準沈 積處理至均有幫助，且可應用於需要靶材處理及不需靶材 處理的製程。 在第一特點中本發明供應無線電波頻率（RF)電力於位 於沈積處理室内的線圈而迅速加·熱沈積處理室於穩定狀態 恤度（穩定製程狀態時處理室維持之溫度）。由於經由線圈 供應的RF電力比一般的方法加熱處理室快狼多，本發明 之此一特點減少在間置時段後，準備一個用於生產製程的 處理室所需的時間。沈積處理室的生產時間因此增加。 在第二特點十本發明加熱一般沈積處理室於比穩狀態 溫度為高的溫度’而接著將製程處理室冷卻至穩定狀態溫 本紙張尺度適用t國固家禚準（) A4規格（2ί〇Χ297公釐） 讀 先 閲 .南 之 注 意 事 項

經濟部中央標準局貞工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（ 度。雖然RF電力訊號在沈積處理室冷卻時可關閉，使用 降低的RF電力使得處理室零件冷卻而不至遭受過度的熱 應力（例如處理室零件遭受較小的熱變化率）^此特點使得 可用較高之電力，因而增加加熱的上升速度而減少處理室 加熱時間。在許多應用中本發明之此一特點提供較短的„ 燒上（burn-in)’時間而讓生產製程能開始的更早一些。 本發明之第一和第二特點為在“燒上（burn_in)”時， 讓作為熱導體的氣體流進處理室會更有效率。對於需要靶 材處理的沈積處理室（描述於下），在生產製程時一般用的 氣體流進沈積處理室，且一直流電壓加於製程處理室的靶 材而使得乾材原子濺鍍於非生產物件（例如樣片及沈積處 理室的圓盤擋板）。 如前所述，本發明減少了處理室“燒上卬町…化)，，所 需的時間’且顯著地減少了或是消除第—晶圓效應。此發 明廣泛地用於許多的沈積裝置與製程方法，並對驗激鍛 製程特別有幫助。 , 本發明之其他目的、特點及優點從接下來的較佳實施 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 例、後附中請專利範圍及關之詳細描述中會變得更加明 顯。 較佳實施例之簡要說明 第1圖為一流程圖，解釋本發明之各項較佳的特點， 並且大致地描繪了用來控制依據本發明之沈積系統的控制 程序，以及 第.2圖為-圖示說明，以拆解方式，說明了用來實作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4現iT^x297公楚) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ----一 B7 _____ 五、發明説明（6 ) ^~ ' 本發明所用之IMP濺鍍處理室的相關部位。 較佳實施例之詳細描述 第1圖為一流程圖來解釋本發明之各項較佳的特點， 且大致描繪·用來控制依據本發明之沈積系統的控制程序。 如方塊1所示，一控制器（於第2圖中以數字“ 3〗，，代 表）決定是否處理室的閒置時段曾經發生。假設閒置時段 曾經發生，控制器接著如方塊2所示，決定靶材處理是否 是需要的。當底下的製程（實施於生產物件的製程）為穩定. 製程狀態時製程氣體薄膜形成於靶材上以及/或是處理室 閒置時氧化物膜形成於輕材上的情形時，乾材處理是需要 的。為了要在不穩定狀態維持一定薄膜的品質，靶材必須 處理直到製程氣體膜形成於靶材上以及/或是直到氧化物 層從靶材上濺射而出。 為了要形成製程氣體臈於靶材上，以及/或是由靶材 上去除氧化物層，當製程氣體流進處理室時靶材上被施以 一直流電壓。此直流電壓足以使得氣體成為電漿狀態。從 氣體電漿來的離子撞擊靶材，使得靶材物質的原子，以及 形成於乾材上的氧化物膜，由乾·材上被滅射而出。這些氣 體離子連接於乾材上而形成製程氣體膜。因此，如方塊3 所不，如果控制器決定靶材處理是需要的，製程處理室的 圓盤擋被置於靶材和台架之間，或是一樣片被置於處理室 内而讓減射出的原子沈積於其上。製程氣體讓其流進處理 至並最好在製程進行至方塊4之前使其穩定。 於本發明中發現，為了讓沈積於其中的層膜具有與穩 用巾賴g鱗（⑽）A4規格（2丨Q ------— 、Φ (諳先閱m背面之注意事頊再填寫本頁j 裝 Α7 Β·7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（7 ) 定製程狀態所沈積的層膜具有一致的電阻值（或其他與溫 度相關的性質）’沈積處理室必須加熱至穩定狀態溫度。 層膜電阻受層膜晶粒方向和晶粒大小影響。對許多物質而 言所需的晶粒方向以及/或是所需的晶粒大小需於相對地 、高溫達成。因此當沈積這些物質時，於生產製程前將沈積 處理室加熱至穩定狀態溫度是重要的。 因此，如方塊4所示，為了要保證一致的沈積層品質 ;⑴於生產製程前靶材經由施以一足夠的直流電力訊號於 靶材而處理至穩定狀態（例如，在上面形成有製程氣體膜) ，且⑵於生產製程前沈積處理室經由施以一足夠的無線電 波頻率（RF)電力訊號於線圈，而加熱至穩定狀態溫度。當 .直流和RF電力分別施於靶材和線圈上，製程氣體繼續流 至终積處理室，在靶材上形成一製程氣體膜。直流*RF 電力訊號使得製程氣撞擊電漿，且傳遞至沈積處理室零件 的電漿能量使得沈積處理室零件變熱。施於線圈的尺卩電 力訊號最好相等或是大於底下製程中施於線圈的111?電 訊號，較佳的電力訊號提供較快的加熱速度。 控制器可設定程序成加熱沈·積處理室至與其穩定狀 相同之溫度，如方塊5所示，或是加熱至比穩定狀態高之 溫度，如方塊6所示。當加熱沈積處理室於一溫度高於其 穩定狀態溫度時，加熱上升速率可由施以線圈較大的RF 電力而増加。以此方式可顯著達到較快的加熱速度。 如方塊7所示，如果製程處理室加熱至大於穩定狀態 的溫度，在開始生產製程前製程處理室必須冷卻至穩定狀 力 態 本紙張尺度朝ηχ,ΤΤ 丁

® $ uy / A ο 11

A7 B7 五、發明説明（8 ) 態的溫度。在沈積處理室冷卻時可關掉RF電力，或最好 是降低RF電力。使用降低的RF電力訊號可減少熱升降率 ’而使處理室零件冷卻而不遭受過度的熱應力。 如方塊8和9所示’在靶材經處理後以及製程處理室穩 定於其穩定溫度，氣流被關掉且處理室被抽氣至預定的真 空程度。此時沈積處理室已準備好可接受作為生產製程的 物件。 當乾材不需要處理時，氣流至處理室為選擇性的。然 而如方塊10所示，氣體最好流進處理室來幫助處理室加熱 之後如方塊11所示，RF電力訊號施於線圈（施加直流 電力訊號於把材，以及/或是連續的氣流亦皆為選擇性的） 。沈積處理室接著加熱至穩定狀態溫度（方城12)或是高於 穩定狀態溫度之溫度（方塊13)。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 如果處理室加熱至高於穩定狀態溫度之溫度，如方塊 14所示在生產製程前此處理室最好冷卻至穩定狀態溫度。 為了加熱處理室至高於穩定狀態溫度之溫度，可使用較高 的電力而達到較快的加熱上升速率。在許多應用上可將處 理室加熱至高於穩定狀態的溫度並冷卻處理室而較迅速達 到所想要之穩定狀態溫度。處理室冷卻最好是由如前參考 方塊7所述藉由降低rf電力訊號而達成。 在沈積處理室穩定·於穩定狀態溫度後，處理室如方塊 15和16所示處理室抽氣至預定的真空程度，此處理室因而 準備好可接受物件來做生產製程❶ 本紙張尺度適财關家轉CNS ) M規格（21QX297公楚) " A7 B7 五、發明説明（9.) '一-；一- #接著前述發明之“燒上（burn-in)，，製程後沈積的層 膜品質約與穩定製程狀態沈積的層膜之品質相同；此外整 個“燒上（burn-in)’’製程如底下參考第2圖的特定例子中 所示，花費了相對的少量時間。 第2圖為一圖不按區域說明用來實作本發明濺 鍍處理室11之相關部位。KIMp濺鍍處理室包含一操作上 與RF電力源15結合之線圈丨3。如第2圖所示線圈13沿著lMp 濺鍍處理室11之内表面，在濺鍍靶材17和基材支撐台19之 間放置。基材支撐台19置於IMp濺鍍處理室u之下方部位 而濺鍍乾材17置於IMP濺鍵處理室1丨的上方部位β IMp濺 鍍處理室11一般包含有一個真空處理室外壁21具有至少一 個氣體入口 23和至少一個操作上與排氣幫浦27結合的排氣 口 25。濺鍍靶材17與外壁21間絕電。外壁21最好是接地， 因而可經由一操作上連結於靶材17和外壁u之間的直流電 力源施於濺鍍靶材17—負電壓（相對於揍地的外壁21)。控 制器3 1操作上與rf電力供應源丨5、Dc電力供應源29、氣 體入口 23和排氣口 25結合。 在此例中假設IMP濺鍍處理室設置用來沈積氮化鈦層 且此發明之方法是為了用於不論是在間置時段之後或是 穩定製程狀態中，都可得到一致的沈積層之電阻值。此外 假設此特定沈積製程需要氬氣和氮氣兩者經由氣體入口 23 流至IMP濺鍍處理室丨丨中，同時25kw的電力訊號經*RF 電力供應源15施於線圈13，以及5kW電力訊號經由直流電 力供應源29施於靶材17。在穩,定製程狀態中，氮膜形成於 請 kj 閲 之 注 意 事 項

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 -

Μ V N 2 ti A7 ________ 五、發明説日月（l〇) — 靶材17之上，因此需要靶材處理。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 一在操并中操作上與排氣口 25結合的節流閥（未顯 示風置於中間位置以維持沈積處理室於所需的低真空度 氬氣和氮氣之為合物經由氣體人口 23流至iMp濺鍵處理 室11。在氣體穩定後（約10秒鐘），3kw的直流電力訊號經 由直流電力供應源29施於_17，且3kw的灯電力訊號 經由RF電力供應源15施於線圈13，而同時氣體混合物持 續經由氣體入口 23流進IMP濺鍍處理室u。施於輕材17的 DC電力使得氬/氮氣體混合物形成錢，且蓋生具能量 的電漿粒子來撞擊輕材17,而讓纪材原子從其中被放射出 來並使氮層形成於靶材17之上。施於線圈13iRF電力使 得IMP藏鍍處理室U和其零件迅速加熱，且使得被放射出 來的靶材原子被離子化。在大約18〇秒之後，處理室溫度 到達並超越穩疋製程狀態溫度（加熱速率依據沈積處理室 特定之大小及構形而改變）。為了將IMp濺鍍處理室冷卻 至穩定狀態溫度。最好施加5kW的DC電力訊號於祀材 17kW以及施加1.75之RF電力訊號於線圈13。rf電力訊號 之減小使得IMP濺链處理室和其中的零件慢慢冷卻至穩定 狀態溫度而不會遭受物件冷卻過快時可能產生的熱應力。 在大约60秒後IMP濺鍍處理室冷卻至穩定狀態溫度。之後 流經氣體入口 23的氣流被關掉，且操作上與廢氣出口 25連 結的節流閥（未顯示）被打開，讓IMP濺鍍處理室被迅速抽 氣至高真空狀態，而準備好接受用來生產製程的物件。 實際之測試數據證實本發明之價值一一前述之例的260 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（11 ) 秒氮化鈦IMP濺錄處理室“燒上（burn_in)”達到了在25個 晶片中3%的電阻值變化，比產生1〇%的電阻值的變化於25 個晶片中的先前技藝之方法有明顯的改善（5kw DC施於靶 材’ 8分鐘“燒上（burn-in)”沈積於總計5個樣片）。 雖然前述發明的“燒上（burn-in)”製程為針對用來做 IMP濺鍍沈積用之處理室構形，本發明並不僅限於此。任 何標準沈積處理室可供應一線圈及RF電力供應源，而得 到RF電力線圈提供之迅速加熱的好處。事實上，標準賤 鑛處理至的濺鍍擋物可分開，因而RJJ電力訊號可施於濺 鍍擋物之一部份，而讓標準濺鍍擋物（加上簡單修改）同時 當做擋物和RF線圈。 所發明的“燒上（burn-in)，，製程除了前述的氮化鈦外 ，對於許多物質的沈積均有用。任何具有所需之溫度相關 性質（例如晶體方向性、反射度、電阻值.）的物質均可從本 發明中受益。這些物質包含有鈦、氮化鈦、氮化鈦鎢等， 但非僅限於此。總結來說，前面之敘述僅揭露了本發明之 較佳實施例。屬於本發明範疇中前所揭露之裝置和方法的 修改’對於此技藝中一般人是相·當清楚的。例如，製程狀 況非限於前面例子中所提供的條件。可接受的〇(：電力訊 號範圍由硬體的溫度極限而決定；500臂至3〇kw的範圍是 較佳的。可接受的RF電力範圍僅受限於線圈的熱性質， 500W至10kW目前是較佳的。 此外需知道的是，對於一特定製程和一特定性質，一 個範園内數值是可接受的。在這樣範圍内的數值具有相當 本紙張尺度適用中國國家標準:（CNS ) Λ4規格（21〇χ 297公楚 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ 裝- 五、發明説明（12 —致的性質。所需之藉h 穩疋狀態性質可以是 圍内的任一數值。因 疋決定為了接又範 度可達到可接受性質的所製程，-個範圍的溫 A … ，斤需範圍。這樣的溫度範圍因此相 當於穩定狀態溫度。 @ 因此，雖然本發明與其較佳實施例一齊揭露，其他的 實施例亦可在本發明之精神與範鳴中，如下述的專利 範圍中所定義。 元件標號對照 11·" j賤鍍處理室 13…線圈 15’”RF電力源 P·"濺鍍靶材 19···基材支撐台 21…處理室外壁 23…氣體入口 25···排氣口 27·"排氣幫浦 29··· DC電力源 31…控制器 本紙張尺度適用中關家標準（CNS ) A4規格（2似297公釐）

Claims (1)

1. S86B5.Q Αδ Β8 C8. D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 申請專利範圍 i 一種用來製備用於生產製程之沈積處理室的方法，其 包含有： 施加RF電力訊號於沈積處理室線圈；以及 加沈積處理室至所需之溫度，其中RF電力訊號施 加於生產製程前。 如申"奢專利範圍第1項之方法，其中施加於沈積處理室 線圈之RF電力大於生產製程中施加於沈積處理室線圈 之RF電力》 .3.如申請專利範圍第2項之方法，其中所需之溫度大於穩 叱製程狀態之溫度，：該方法進一步包含將沈積處理室 冷卻至穩定製程狀態溫度。 4. 如申請專利範圍第3項之方*，進—步包含當施加rf 電力於沈積處理室線圈時，將氣體淹至沈積處理室中 〇 5. 如申請專利:範圍第4項之方法，進—步包含當讓氣體流 至沈積處理室中時，施加DCt祕沈積處理室之乾材 上。 6. =請專利範圍第5項之方法·，進-步包含在沈積處理 至中濺鍍靶材物質於非生產物件上。 7. 如申請專利範圍第2項之方法，其赞 製程狀態溫度。、中所需之溫度為穩定 8. 如申請專利範圍第7項之方法，進— 電力於沈積處理室線圈時，讓氣體流進;;積 中 (錆先閩讀背面之注意事項再填寫本頁) ο I 訂-------1-- 張尺度適用中國 -II I^i -- · 386250

   1〇.=請專利範圍第9項之方法，進一步包含於沈積處理 至中，濺鍍靶材物質於非生產物件上。 U·如申請專利範圍第2項之方法，其中施加於沈積處理室 線圖之处電力相同於生產製程中施加於沈積處理室之 電力訊號。 12.如申請專利範圍第u . 圓弟1項之方法，其中所需之溫度為穩 定製程狀態溫度。： U·如申請專利範圍第12項之方法，進一步包 電力於沈積處理室線圈時，讓氣體流進沈積：理室中 U·如申請專利範圍第13項之方法，進—步包含當讓氣體 流進沈積處理室中時，施加Dc電力於沈積處理室中的 輕材上。 15. 如申請專利範圍第14項之方法，進—步包含於沈積處 理室中，濺鍍靶材物質於非生產物件上。 16. —種用來製造半導體晶片之方法，其包含有： 於間置時段後，施加RF電力於沈積處理室内之線 圈，而將沈積處理室至少加熱至穩定狀態溫度；且於 沈積處理室加熱至所需溫度後，開始生產製程。 17. —種沈積系、统，其包含有： 一沈積處理室； ABCD *386250 &、申請專利範圍 一在該處理室内之線圈；以及 一控制器用來閒置時段後及開始生產製程前，施 加RF電力於該線圈。 (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 18 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）