[发明专利]使用燃烧火焰的衬底处理方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用燃烧火焰处理衬底的方法和装置，更具体地，涉及一种在非电离的环境中采用氢气和非氧类氧化剂的燃烧火焰蚀刻衬底表面的方法和装置。

背景技术

在制造集成电路期间，硅衬底晶片接受广泛的处理，包括电介质、金属和其他材料的沉积和蚀刻。在制造过程中的不同阶段，有必要“清洁”处理中的晶片，以去除不想要的薄膜和污染物。这包括在晶片顶侧(主要的处理侧)、背侧和边缘区域(边缘附近、斜面和顶部)上生长的薄膜和污染物。具有挑战性的是，以有效且经济的方式去除薄膜和污染物。这种挑战由于可能对最终产品有不利影响的化学方法和处理的使用而加剧。

对于有效去除薄膜和污染物，存在多种不同的公知选择。可以在潮湿或干燥的处理环境中进行蚀刻。湿式化学蚀刻指的是采用液态化学蚀刻剂接触晶片表面。例如随着搅拌液或喷雾经过衬底表面上方，材料得到去除。干式蚀刻通常指的是采用气态等离子体蚀刻剂接触衬底表面。

湿式化学蚀刻广泛应用在晶片处理中。甚至在热氧化或外延生长之前，晶片就得到化学清洁以去除由于操作和存储所出现的污染物。在湿式化学蚀刻中，处于液体或蒸气状态的化学反应物通过扩散传送到反应表面，在该表面处发生化学反应，并去除从该表面得到的产物。一种通常用于硅蚀刻的湿式化学蚀刻的形式由硝酸(HNO₃)和氢氟酸(液态HF)的混合物形成。硝酸使硅得到氧化而形成SiO₂层，而氢氟酸用于溶解SiO₂层。不过，化学蚀刻具有其局限性，而并非在所有应用场合中都得到广泛欢迎。湿式化学蚀刻的一个相关问题在于，蚀刻材料成分会在晶片表面上的被蚀刻或局部被蚀刻的开口中移动。进一步，湿式蚀刻可导致不完全或不均匀的蚀刻。另外，湿式蚀刻为各向同性，从而导致不精确的蚀刻。此外，湿式蚀刻需要在处理步骤之间对晶片进行重复干燥，从而增加处理时间和成本。

干式蚀刻通常指等离子体辅助蚀刻，它代表采用形式为低压放电的等离子体的多种技术。干式蚀刻等离子体方法包括等离子体蚀刻、反应性离子蚀刻(RIE)、溅射蚀刻、反应性离子束蚀刻和其他基于等离子体的蚀刻方法。

当量级足够的电场(或电磁场)施加于气体时，导致该气体分解并被离子化，于是就产生等离子体。因此等离子体为完全或局部离子化的气体。许多化学材料已经用于晶片的等离子体处理，包括使用氢气(H₂)和三氟化氮(NF₃)的等离子体。不过，基于等离子体的干式蚀刻具有其自身的局限性和问题。这包括只对晶片的一部分(例如晶片边缘)进行处理所出现的困难。在低操作压力下扩散效应占主导，从而难于在晶片上控制暴露位置。对于整个晶片处理，会出现离子和电荷所引发的损伤。进一步，这些处理所用的高架设备较为笨重，要求具有真空室和泵送设备。真空要求也会降低产量，并增大设备和运行成本。

例如在美国专利No.5,961,772中公开的近大气压等离子体源也可用于晶片处理。这些类型的活性反应组分(reactive species)源更适用于局部晶片处理，其中，在所述源的输出气流附近去除衬底的一部分。这类处理的困难在于，需要保持稳定排放的大量氦气流。高度损耗的氦(不可恢复来源)抬高了运行成本。另外，采用这类工艺通常导致较低的材料去除速度，原因在于气流温度较低，从而供给到衬底的活化能也成正比地较低。这些因素结合起来扩大了每个晶片的处理成本。

由氢气(H₂)和氧气(O₂)形成的燃烧火焰也已经用于处理衬底表面，例如在美国专利No.5,314,847中所公开的。作为氧化剂的氧气的引入，将得到的活性反应组分固有地限制于只对特定薄膜进行蚀刻。

除了湿式化学处理和基于等离子体的干式处理，已经使用了研磨抛光方法来处理晶片边缘的斜面和顶部区域。然而，这些方法固有地不洁净，并且往往导致在衬底中出现微粒污染物和随后的缺陷。这就需要另行清洁的后续处理步骤。研磨方法带来的另一问题在于，处理之后遗留的亚表面(sub-surface)损伤。由于这种处理，在衬底Si水晶结构中引发了上述损伤，这种损伤在后续处理期间具有负面效果。

因此，上述每项工艺具有内在局限性和问题，限制了其针对特定应用的适用性，在要求从晶片中包括晶片顶侧、边缘区域和背侧清洁薄膜或污染物的情况下尤为如此。需要一种避免用湿式化学、干式等离子体和研磨方法处理晶片的固有问题的处理衬底的方法。重要的是，该方法应该有效且经济，而不导致损伤，或者不导致在晶片上执行进一步处理步骤的必要。