TWI423335B - 膜形成方法及半導體製程用裝置 - Google Patents

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Description

膜形成方法及半導體製程用裝置
本發明係關於一種膜形成方法及一用於在一諸如一半導體晶圓之目標基板上形成一氧化物膜的半導體製程用裝置。本文中所使用之術語"半導體製程"包括經執行以藉由在一諸如一半導體晶圓或一用於FPD(平板顯示器)(例如，LCD(液晶顯示器))之玻璃基板的目標基板上以預定圖案形成半導體層、絕緣層及導電層來製造一半導體設備或一在該目標基板上具有待連接至一半導體設備之佈線層、電極及其類似物的結構之各種製程。
在製造用於構成半導體積體電路之半導體設備中，諸如半導體晶圓之目標基板經受諸如膜形成、蝕刻、氧化、擴散、重新形成、退火及自然氧化膜移除的各種製程。舉例而言，在於半導體晶圓上形成氧化矽膜處，四乙氧基矽烷(TEOS：Si(OC2 H5 )4 )可用以在垂直熱處理裝置(為所謂分批型)中執行CVD(化學氣相沈積)製程作為膜形成製程。
近年來，由於對半導體積體電路之增長之小型化及整合的需求，需要緩和半導體設備在製造步驟中之熱歷程，藉此改良設備之特性。對於垂直處理裝置而言，亦需要根據上文所述之需求來改良半導體處理方法。舉例而言，存在執行膜形成同時間歇地供應源氣體等等以一個接一個或幾個接幾個重複地形成各具有原子級或分子級厚度之層的CVD製程。一般而言，此膜形成方法被稱為ALD(原子層沈積)或MLD(分子層沈積)，其允許在晶圓未暴露於非常高之溫度的情況下執行預定製程。另外，該ALD或MLD膜形成提供了良好的階梯覆蓋(step coverage)，且因此適合於填充半導體設備之諸如閘極間間隙之凹陷部分，該等間隙已隨著設備之增長之小型化而變得較窄。舉例而言，日本專利申請公開案第2004－281853號(專利文件1)揭示一在300℃至600℃之低溫下藉由ALD來形成氮化矽膜的方法。
另一方面，在諸如氧化矽膜之氧化物膜隨設備之增長之小型化一起而較薄的情況下，其可能視品質而引起各種問題。舉例而言，在閘極氧化物膜較薄的情況下，若膜品質不好，則漏電流可能增加。
本發明之一目標為提供一種膜形成方法及一可在低溫下形成一具有高品質之氧化物膜的半導體製程用裝置。
根據本發明之一第一態樣，提供一種一用於在一製程域中藉由CVD來在一目標基板上形成一氧化物膜的半導體製程用膜形成方法，該製程域經組態以選擇性地供應有一包含一含有一膜源元素且不含有胺基之源氣體的第一製程氣體、一包含一氧化氣體之第二製程氣體及一包含一初步處理氣體之第三製程氣體，該方法經配置以執行複數個循環而層壓分別由該等循環形成之薄膜，藉此形成具有一預定厚度之該氧化物膜，循環中之每一者以下文所陳述之次序交替地包含：一第一步驟，其在停止供應第一及第二製程氣體至製程域的同時執行供應第三製程氣體至製程域，該第一步驟包含一在由一激發機構激發第三製程氣體的同時供應第三製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之初步處理氣體之自由基來對目標基板之一表面執行一初步處理；一第二步驟，其在停止供應第二及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第一製程氣體至製程域，藉此將膜源元素吸附於目標基板之表面上；及一第三步驟，其在停止供應第一及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第二製程氣體至製程域，該第三步驟包含一在由一激發機構激發第二製程氣體的同時供應第二製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之氧化氣體之自由基來氧化吸附於目標基板之表面上的膜源元素。
根據本發明之一第二態樣，提供一種一半導體製程用膜形成裝置，該裝置包含：一製程容器，其具有一經組態以容納一目標基板之製程域；一支撐部件，其經組態以支撐該製程域內部之該目標基板；一加熱器，其經組態以加熱製程域內部之目標基板；一排氣系統，其經組態以排盡來自製程域內部之氣體；一第一製程氣體供應迴路，其經組態以供應一包含一含有一膜源元素且不含有胺基之源氣體的第一製程氣體至製程域；一第二製程氣體供應迴路，其經組態以供應一包含一氧化氣體之第二製程氣體至製程域；一第三製程氣體供應迴路，其經組態以供應一包含一初步處理氣體之第三製程氣體至製程域；一激發機構，其經組態以選擇性地激發待供應至製程域之第二及第三製程氣體；及一控制區，其經組態以控制裝置之操作，其中為了藉由CVD來在目標基板上形成一氧化物膜，該控制區執行複數個循環以層壓分別由該等循環形成之薄膜，藉此形成具有一預定厚度之該氧化物膜，循環中之每一者以下文所陳述之次序交替地包含：一第一步驟，其在停止供應第一及第二製程氣體至製程域的同時執行供應第三製程氣體至製程域，該第一步驟包含一在由一激發機構激發第三製程氣體的同時供應第三製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之初步處理氣體之自由基來對目標基板之一表面執行一初步處理；一第二步驟，其在停止供應第二及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第一製程氣體至製程域，藉此將膜源元素吸附於目標基板之表面上；及一第三步驟，其在停止供應第一及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第二製程氣體至製程域，該第三步驟包含一在由一激發機構激發第二製程氣體的同時供應第二製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之氧化氣體之自由基來氧化吸附於目標基板之表面上的膜源元素。
根據本發明之一第三態樣，提供一種含有用於在一處理器上執行之程式指令的電腦可讀媒體，其用於一用於在一製程域中藉由CVD來在一目標基板上形成一氧化物膜的半導體製程用膜形成裝置，該製程域經組態以選擇性地供應有一包含一含有一膜源元素且不含有胺基之源氣體的第一製程氣體、一包含一氧化氣體之第二製程氣體及一包含一初步處理氣體之第三製程氣體，其中該等程式指令在由該處理器執行時控制該膜形成裝置執行複數個循環以層壓分別由該等循環形成之薄膜，藉此形成具有一預定厚度之該氧化物膜，循環中之每一者以下文所陳述之次序交替地包含：一第一步驟，其在停止供應第一及第二製程氣體至製程域的同時執行供應第三製程氣體至製程域，該第一步驟包含一由一激發機構激發第三製程氣體的同時供應第三製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之初步處理氣體之自由基來對目標基板之一表面執行一初步處理；一第二步驟，其在停止供應第二及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第一製程氣體至製程域，藉此將膜源元素吸附於目標基板之表面上；及一第三步驟，其在停止供應第一及第三製程氣體至製程域的同時執行供應第二製程氣體至製程域，該第三步驟包含一在由一激發機構激發第二製程氣體的同時供應第二製程氣體至製程域的激發週期，藉此藉由使用因此所產生之氧化氣體之自由基來氧化吸附於目標基板之表面上的膜源元素。
本發明之額外目標及優點將在隨後之描述中加以陳述，且將部分地自該描述而顯而易見或可藉由實踐本發明而瞭解。可借助於在下文中特別指出之工具及組合而實現且獲得本發明之目標及優點。
現將參看隨附圖式來描述本發明之一實施例。在以下描述中，具有大體上相同之功能及配置的構成元件由相同參考數字表示，且將僅在需要時進行重複描述。
圖1為展示一根據本發明之一實施例之膜形成裝置(垂直CVD裝置)的截面圖。圖2為展示圖1中所示之裝置之部分的截面平面圖。膜形成裝置2具有一製程域，其經組態以選擇性地供應有一包含作為含有膜源元素且不含有胺基之源氣體之二氯矽烷(DCS：SiH2 Cl2 )氣體的第一製程氣體、一包含作為氧化氣體之氧(O2 )氣體的第二製程氣體，及一包含作為初步處理氣體之氨(NH3 )氣體的第三製程氣體。膜形成裝置2經組態以在製程域中藉由CVD來在目標基板上形成一氧化矽膜。
膜形成裝置2包括一具有一頂及一開放底部的形狀為圓柱形管柱的製程容器4，在製程容器4中界定一製程域5以容納且處理在垂直方向上以一定間隔堆疊之複數個半導體晶圓(目標基板)。製程容器4完全由(例如)石英製成。製程容器4之頂部具備一石英頂板6以氣密地密封頂部。製程容器4之底部經由一密封部件10(諸如O形環)連接至一圓柱形歧管8。製程容器亦可形成為單一單元，亦即，包括一歧管8之圓柱形石英管柱。
歧管8由(例如)不鏽鋼製成且支撐製程容器4之底部。一由石英製成之晶舟12穿過歧管8之底部口上下移動，以使得晶舟12載入製程容器4/自製程容器4卸載。若干目標基板或半導體晶圓W堆疊於一晶舟12上。舉例而言，在此實施例中，晶舟12具有可支撐(例如)在垂直方向上處於基本上規則之間隔的具有300 mm之直徑之約50至100個晶圓的撐桿12A。
晶舟12經由一由石英製成之熱絕緣圓柱14而置放於一台16上。台16由一旋轉軸20支撐，旋轉軸20穿透一由(例如)不鏽鋼製成之蓋18且用於打開/關閉歧管8之底部口。
蓋18之被旋轉軸20穿透之部分具備(例如)一磁性流體密封部分22，以使得旋轉軸20以氣密地密封之狀態可旋轉地被支撐。一諸如O形環之密封部件24插入於蓋18之周邊與歧管8之底部之間，以使得製程容器4之內部可保持為密封的。
旋轉軸20附著於由諸如晶舟升降機之升降機構25支撐的臂26之遠端處。升降機構25使晶舟12與蓋18成一體地上下移動。台16可固定至蓋18，以使得在晶舟12並未旋轉之情況下處理晶圓W。
一氣體供應區連接至歧管8之側以供應預定製程氣體至製程容器4內之製程域5。具體言之，該氣體供應區包括一第一製程氣體供應迴路30、一第二製程氣體供應迴路32、一第三製程氣體供應迴路34及一惰性氣體供應迴路36。第一製程氣體供應迴路30經配置以供應包含含有膜源元素(在此實施例中為Si)且不含有胺基之源氣體(諸如二氯矽烷(DCS：SiH2 Cl2 )氣體)的第一製程氣體。第二製程氣體供應迴路32經配置以供應包含氧化氣體(諸如氧(O2 )氣體)之第二製程氣體。第三製程氣體供應迴路34經配置以供應包含初步處理氣體(諸如氨(NH3 )氣體)之第三製程氣體。惰性氣體供應迴路36經配置以供應作為用於稀釋、淨化或壓力控制之惰性氣體的惰性氣體，諸如N2 氣。視需要，第一至第三製程氣體中之每一者可與合適量之運載氣體(稀釋氣體)混合。然而，為了解釋之簡單，在下文中將不提及該運載氣體。
更具體言之，第一製程氣體供應迴路30及惰性氣體供應迴路36包括一共同氣體分配噴嘴40，且第二製程氣體供應迴路32及第三製程氣體供應迴路34包括一共同氣體分配噴嘴42。氣體分配噴嘴40及42中之每一者由一自外部穿透歧管8之側壁且接著回轉並向上延伸之石英管形成(參見圖1)。氣體分配噴嘴40及42分別具有複數個氣體噴出孔40A及42A，每一組孔在縱向方向(垂直方向)上以預定間隔形成於晶舟12上之所有晶圓W之上。氣體噴出孔40A及42A中之每一者幾乎均一地在水平方向上傳遞對應製程氣體，以便形成與晶舟12上之晶圓W平行的氣流。
第一製程氣體供應迴路30及惰性氣體供應迴路36可具有各別氣體分配噴嘴。類似地，第二製程氣體供應迴路32及第三製程氣體供應迴路34可具有各別氣體分配噴嘴。
噴嘴40分別經由氣體供應管線(氣體通路)50及56分別連接至DCS氣體及N2 氣體之氣體源30S及36S。噴嘴42分別經由氣體供應管線(氣體通路)52及54分別連接至O2 氣體及NH3 氣體之氣體源32S及34S。氣體供應管線50、52、54及56分別具備切換閥50A、52A、54A及56A及諸如質量流量控制器之流動速率控制器50B、52B、54B及56B。在此配置之情況下，可以受控流動速率來供應DCS氣體、O2 氣體、NH3 氣體及N2 氣體。
一氣體激發區66在垂直方向上形成於製程容器4之側壁處。在製程容器4之與氣體激發區66相對的側上，一用於真空排盡內部大氣的長且細之排氣口68係藉由在(例如)垂直方向上切割製程容器4之側壁而形成。
具體言之，氣體激發區66具有一藉由在垂直方向上切割製程容器4之一預定寬度之側壁而形成的垂直長且細之開口70。開口70覆蓋有一藉由焊接而氣密地連接至製程容器4之外表面的石英覆蓋層72。覆蓋層72具有一具凹入橫截面之垂直長且細之形狀，以使得其自製程容器4向外突出。
在此配置之情況下，氣體激發區66經形成以致其自製程容器4之側壁向外突出且在另一側上朝向製程容器4之內部開放。換言之，氣體激發區66之內部空間與製程容器4內之製程域5連通。開口70在垂直方向上具有一足以覆蓋晶舟12上之所有晶圓W的垂直長度。
一對長且細之電極74安置於覆蓋層72之相對外表面上且在於縱向方向(垂直方向)上延伸的同時面向彼此。電極74經由進料管線78連接至用於電漿產生之RF(射頻)電源76。一為(例如)13.56 MHz之RF電壓經施加至電極74以形成一用於激發電極74之間的電漿之RF電場。RF電壓之頻率並不限於13.56 MHz，且其可設定於另一頻率(例如，400 kHz)處。
第二及第三製程氣體之氣體分配噴嘴42在低於晶舟12上之最低晶圓W的位置處在製程容器4之徑向方向上向外彎曲。接著，氣體分配噴嘴42在氣體激發區66中之最深位置(離製程容器4之中心最遠之位置)處垂直地延伸。如亦展示於圖2中，氣體分配噴嘴42與一夾於電極對74之間的區域(RF電場最強烈之位置)(亦即，實際上產生主要電漿之電漿產生區域PS)向外分離。包含O2 氣體之第二製程氣體及包含NH3 氣體之第三製程氣體中的每一者自氣體分配噴嘴42之氣體噴出孔42A朝向電漿產生區域PS噴出。接著，第二及第三製程氣體中之每一者在電漿產生區域PS中激發(分解或激活)，且以含有氧自由基(O＊ ，O2 ＊ ))或氨自由基(NH3 ＊ )之此狀態供應至晶舟12上之晶圓W上(符號[＊ ]表示其為自由基)。
一由(例如)石英製成之絕緣保護覆蓋層80附著至覆蓋層72之外表面且覆蓋該外表面。一冷卻機構(未圖示)安置於絕緣保護覆蓋層80中且包含分別面向電極74之冷卻劑通路。該等冷卻劑通路供應有諸如已冷卻氮氣體之冷卻劑以冷卻電極74。絕緣保護覆蓋層80覆蓋有一安置於外表面上之遮罩(未圖示)以防止RF漏洩。
在於氣體激發區66之開口70附近且外部之位置處，安置第一製程氣體及惰性氣體之氣體分配噴嘴40。氣體分配噴嘴40在開口70外部之一側上(在製程容器4中)向上垂直地延伸。包含DCS氣體之第一製程氣體及包含N2 之惰性氣體中的每一者自氣體分配噴嘴40之氣體噴出孔40A朝向製程容器4之中心噴出。
另一方面，在氣體激發區66對面形成之排氣口68覆蓋有一排氣口覆蓋部件82。排氣口覆蓋部件82由具有U形橫截面之石英製成，且藉由焊接而附著。排氣覆蓋部件82沿製程容器4之側壁向上延伸，且在製程容器4之頂部具有一氣體出口84。氣體出口84連接至一包括真空泵等等之真空排氣系統GE。
製程容器4由一用於加熱製程容器4內之大氣及晶圓W的加熱器86環繞。一熱電偶(未圖示)安置於製程容器4中排氣口68附近以控制加熱器86。
膜形成裝置2進一步包括一由(例如)電腦形成之主控制區100以控制整個裝置。圖3為展示主控制區100之結構之視圖。如圖3中所示，主控制區100連接至一操作面板121、(一群)溫度感測器122、(一群)壓力錶123、一加熱器控制器124、MFC 125(對應於圖1中之流動速率控制器50B、52B、54B及56B)、閥控制器126、一真空泵127(對應於圖1中之真空排氣系統GE)、一晶舟升降機128(對應於圖1中之升降機構25)、一電漿控制器129等等。
操作面板121包括一顯示螢幕及操作按鈕且經組態以傳輸操作者之指令至主控制區100，且在顯示螢幕上展示自主控制區100傳輸之各種資料。溫度感測器122經組態以量測製程容器4及排氣管線內部之各別部分處的溫度且傳輸量測值至主控制區100。壓力錶123經組態以量測製程容器4及排氣管線內部之各別部分處的壓力且傳輸量測值至主控制區100。
加熱器控制器124經組態以控制加熱器86之各別區。加熱器控制器124根據來自主控制區100之指令而接通加熱器86之各別區以產生熱。加熱器控制器124亦經組態以量測加熱器86之各別區之功率消耗且傳輸讀數至主控制區100。
MFC 125分別安置於氣體供應管線之管路上。每一MFC 125經組態以根據自主控制區100接收之指示值而控制流過對應管線之氣體的流動速率。另外，每一MFC 125經組態以量測實際上流動之氣體的流動速率，且傳輸讀數至主控制區100。
閥控制器126分別安置於氣體供應管線之管路上且經組態以根據自主控制區100接收之指示值而控制安置於管路上之閥的開放速率。真空泵127連接至排氣管線且經組態以排盡來自製程容器4內部之氣體。
晶舟升降機128經組態以使蓋18上移，以便將置放於旋轉台16上之晶舟12(半導體晶圓W)載入製程容器4。晶舟升降機128亦經組態以使蓋18下移，以便將置放於旋轉台16上之晶舟12(半導體晶圓W)自製程容器4卸載。
電漿控制器129經組態以根據自主控制區100接收之指令而控制氣體激發區66。因此，當在氣體激發區66中供應且激活氧氣體或氨氣體時，電漿控制器129控制氣體之自由基之產生。
主控制區100包括一方案儲存部分111、一ROM 112、一RAM 113、一I/O埠114及一CPU 115。此等部件經由一匯流排116互連以使得資料可經由匯流排116在其之間傳輸。
方案儲存部分111儲存一設置方案及複數個製程方案。在製造膜形成裝置2之後，僅該設置方案最初得以儲存。設置方案在形成特定膜形成裝置之熱模型或其類似物時得以執行。製程方案分別為實際上待由使用者執行之熱製程而準備。每一製程方案指定自將半導體晶圓W載入製程容器4之時間至卸載經處理晶圓W之時間的各別部分處之溫度改變、製程容器4內部之壓力改變、供應製程氣體之開始/停止時序及製程氣體之供應速率。
ROM 112為由EEPROM、快閃記憶體或硬碟形成之儲存媒體，且用以儲存由CPU 115或其類似物執行之操作程式。RAM 113用作CPU 115之工作區域。
I/O埠114連接至操作面板121、溫度感測器122、壓力錶123、加熱器控制器124、MFC 125、閥控制器126、真空泵127、晶舟升降機128及電漿控制器129且經組態以控制資料或信號之輸出/輸入。
CPU(中央處理單元)115係主控制區100之集線器。CPU 115經組態以遵循來自操作面板121之指令，根據儲存於方案儲存部分111中之方案(製程方案)而執行儲存於ROM 112中之控制程式，且控制膜形成裝置2之操作。具體言之，CPU 115使溫度感測器122、壓力錶123及MFC 125量測製程容器4及排氣管線內部之各別部分處的溫度、壓力及流動速率。另外，CUP 115基於量測資料而輸出控制信號至加熱器控制器124、MFC 125、閥控制器126，及真空泵127以根據製程方案而控制上文所提及之各別部分。
其次，將給出在圖1中所示之裝置中之主控制區100的控制下執行之膜形成方法(所謂ALD(原子層沈積)或MLD(分子層沈積)膜形成)的解釋。在根據此實施例之膜形成方法中，藉由CVD來在半導體晶圓W上形成一氧化矽膜。為了達成此，選擇性地供應一包含作為含有膜源元素且不含有胺基之源氣體之二氯矽烷(DCS)氣體的第一製程氣體、一包含作為氧化氣體之O2 氣體的第二製程氣體，及一包含作為初步處理氣體之NH3 氣體的第三製程氣體至容納晶圓W之製程域5中。
首先，將在室溫下支撐具有300 mm之直徑的若干(例如，50至100個)晶圓之晶舟12載入在預定溫度下加熱之製程容器4，且氣密地關閉製程容器4。接著，使製程容器4之內部真空排盡且保持於預定製程壓力下，且晶圓溫度增加至用於膜形成之製程溫度。此時，裝置處於等待狀態直至溫度變得穩定為止。接著，在使晶舟12旋轉同時，以受控流動速率自各別氣體分配噴嘴40及42間歇地供應第一至第三製程氣體。
總之，首先，自氣體分配噴嘴42之氣體噴出孔42A供應包含NH3 氣體之第三製程氣體以形成與晶舟12上之晶圓W平行的氣流。當第三製程氣體穿過電極對74之間的電漿產生區域PS時，選擇性地激發第三製程氣體且使其部分地轉變成電漿。此時，產生氨自由基(激活物質)NH3 ＊ 。該等自由基自氣體激發區66之開口70出來朝向製程容器4之中心流動，且以層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。當供應氨自由基至晶圓W上時，其提供對晶圓W之表面的初步處理(第一階段：初步處理)。
接著，自氣體分配噴嘴40之氣體噴出孔40供應包含DCS氣體之第一製程氣體以形成與晶舟12上之晶圓W平行的氣流。在被施加時，DCS氣體之分子及藉由氣體分解產生之分解產物之分子及原子吸附於晶圓W之經預處理表面上以形成一吸附層(第二階段：DCS吸附)。
接著，自氣體分配噴嘴42之氣體噴出孔42A供應包含O2 氣體之第二製程氣體以形成與晶舟12上之晶圓W平行的氣流。當第二製程氣體穿過電極對74之間的電漿產生區域PS時，選擇性地激發第二製程氣體且使其部分地轉變成電漿。此時，產生諸如O＊ 及O2 ＊ 之氧自由基(激活物質)。該等自由基自氣體激發區66之開口70出來朝向製程容器4之中心流動，且以層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。當供應氧自由基至晶圓W上時，其與晶圓W上之吸附層中的Si反應，且藉此在晶圓W上形成一氧化矽薄膜(第三階段：氧化)。
圖4為展示一根據本發明之實施例之膜形成方法之方案的時序圖。如圖4中所示，根據此實施例之膜形成方法經配置而以此次序交替地重複第一階段ST1至第三階段ST3。重複包含第一階段ST1至第三階段ST3的循環達若干次(例如，100次)，且層壓藉由各別循環形成之氧化矽薄膜，藉此達到一具有目標厚度之氧化矽膜。下文將更詳細地解釋各別階段。
[第一階段ST1：初步處理]
首先，如圖4(c)中所示，以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中。另外，如圖4(a)中所示，將製程域5設定於預定溫度(諸如550℃)下。此時，如圖4(b)中所示，使製程域5排盡以將製程域5設定於預定壓力(諸如66.5 Pa(0.5托))下。繼續此等操作直至製程域5在預定壓力及溫度下安定化(安定化步驟)為止。
當製程域5在預定壓力及溫度下安定化時，如圖4(g)中所示，在電極11之間施加RF功率(RF：ON)。另外，如圖4(f)中所示，以預定流動速率(諸如3 slm(每分鐘標準公升))供應氨氣體至電極11之間的一位置(在氣體激發區66中)。將因此所供應之氨氣體激發(激活)成電極11之間的電漿且產生氨自由基。自氣體激發區66供應因此所產生之自由基至製程域5中。另外，如圖4(c)中所示，亦以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中(流動步驟)。
製程域5之溫度較佳設定為自室溫(RT)至800℃。若溫度低於室溫，則可能不形成氧化物膜，若溫度高於880℃，則待形成之氧化矽膜之品質及厚度的均一性可能劣化。製程域5之溫度更佳設定為100℃至800℃而且較佳為400℃至600℃。此溫度範圍使得有可能進一步改良待形成之氧化矽膜之品質及厚度的均一性。
氨氣體之流動速率較佳設定為10 sccm至50 slm。此流動速率範圍使得有可能無困難地產生電漿且供應足以對半導體晶圓W之表面執行初步處理的自由基。
RF功率較佳設定為10 W至1,500 W。若功率低於10 W，則難以產生氨自由基。若功率高於1,500 W，則可能損壞氣體激發區66之石英壁。RF功率更佳設定為50 W至500 W。此功率範圍使得有可能有效地產生自由基。
製程域5之壓力較佳設定為0.133 Pa(1毫托)至13.3 kPa(100托)。此壓力範圍使得有可能易於產生氨自由基且增加製程域5中自由基之平均自由路徑。製程域5之壓力更佳設定為40 Pa至100 Pa。此壓力範圍使得有可能易於控制製程域5之壓力。
氣體激發區66內部之壓力(氣體噴出孔處之壓力)較佳設定為0.133 Pa至13.3 kPa，且更佳為70 Pa至600 Pa。此壓力範圍使得有可能無困難地產生電漿且供應足以對半導體晶圓W之表面執行初步處理的自由基。
在供應氨氣體持續預定時段之後，停止氨氣體之供應且停止RF功率之施加。另一方面，如圖4(c)中所示，保持以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中。另外，使製程域5排盡以將其中氣體自製程域5排盡(淨化步驟)。
應注意，按照膜形成序列，製程域5之溫度較佳設定為在第一至第三階段內恆定的。因此，在此實施例中，製程域5之溫度在第一至第三階段內設定於550℃下。另外，在第一至第三階段內使製程域5保持排盡。
[第二階段ST2：DCS吸附]
隨後，如圖4(c)中所示在以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中同時，如圖4(a)中所示將製程域5設定於預定溫度(諸如550℃)下。此時，如圖4(b)中所示，使製程域5排盡以將製程域5設定於預定壓力(諸如66.5 Pa)下。繼續此等操作直至製程域5在預定壓力及溫度下安定化(安定化步驟)為止。
當製程域5在預定壓力及溫度下安定化時，如圖4(d)中所示，以預定流動速率(諸如2 slm)供應DCS氣體至製程域5中，且如圖4(c)中所示，亦以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中(流動步驟)。在製程域5中加熱且藉此激活因此所供應至製程域5中之DCS氣體，且在晶圓W之表面上形成一吸附層。
在第一階段ST1中，當藉由氨自由基來對晶圓W之表面執行初步處理時，存在於晶圓W之表面上的－OH基團及－H基團部分地以－NH2 基團置換。因此，當第二階段ST2開始時，－NH2 基團存在於晶圓W之表面上。當以此狀態供應DCS時，DCS經熱激活且與晶圓W之表面上的－NH2 基團反應，藉此加速Si在晶圓W之表面上的吸附。
DCS氣體之流動速率較佳設定為10 sccm至10 slm。若流動速率低於10 sccm，則至晶圓W上之DCS供應可能不足。若流動速率高於10 slm，則有助於至晶圓W上之吸附的DCS之比率可能變得過低。DCS氣體之流動速率更佳設定為0.5 slm至3 slm。此流動速率範圍使得有可能促進至晶圓W上之DCS吸附。
製程域5之壓力較佳設定為0.133 Pa至13.3 kPa。此壓力範圍使得有可能促進至晶圓W上之DCS吸附。製程域5之壓力更佳設定為40 Pa至100 Pa。此壓力範圍使得有可能易於控制製程域5之壓力。
在供應DCS氣體持續預定時段之後，停止DCS氣體之供應。另一方面，如圖4(c)中所示，保持以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中。另外，使製程域5排盡以將其中氣體自製程域5排盡(淨化步驟)。
[第三階段ST3：氧化]
隨後，如圖4(c)中所示在以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中同時，如圖4(a)中所示將製程域5設定於預定溫度(諸如550℃)下。此時，如圖4(b)中所示，使製程域5排盡以將製程域5設定於預定壓力(諸如66.5 Pa)下。繼續此等操作直至製程域5在預定壓力及溫度下安定化(安定化步驟)為止。
當製程域5在預定壓力及溫度下安定化時，如圖4(g)中所示，在電極11之間施加RF功率(RF：ON)。另外，如圖4(e)中所示，以預定流動速率(諸如1 slm)供應氧氣體至電極11之間的一位置(在氣體激發區66中)。將因此所供應之氧氣體激發(激活)成電極11之間的電漿且產生氧自由基(O＊ 及O2 ＊ )。自氣體激發區66供應因此所產生之氧自由基至製程域5中。另外，如圖4(c)中所示，亦以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中(流動步驟)。
氧氣體之流動速率較佳設定為10 sccm至50 slm。此流動速率範圍使得有可能無困難地產生電漿且供應足以氧化晶圓W上之吸附層中之Si的氧自由基。氧氣體之流動速率更佳設定為0.5 slm至5 slm。此流動速率範圍使得有可能穩定地產生氧電漿。
RF功率較佳設定為10 W至1,500 W。若功率低於10 W，則難以產生氧自由基。若功率高於1,500 W，則可能損壞氣體激發區66之石英壁。RF功率更佳設定為50 W至500 W。此功率範圍使得有可能有效地產生氧自由基。
製程域5之壓力較佳設定為0.133 Pa至13.3 kPa。此壓力範圍使得有可能易於產生氧自由基且增加製程域5中氧自由基之平均自由路徑。製程域5之壓力更佳設定為40 Pa至400 Pa。此壓力範圍使得有可能易於控制製程域5之壓力。
氣體激發區66內部之壓力(氣體噴出孔處之壓力)較佳設定為0.133 Pa至13.3 kPa，且更佳為70 Pa至400 Pa。此壓力範圍使得有可能無困難地產生電漿且供應足以氧化晶圓W上之吸附層中之Si的氧自由基。
在供應氧氣體持續預定時段之後，停止氧氣體之供應且停止RF功率之施加。另一方面，如圖4(c)中所示，保持以預定流動速率供應氮氣體至製程域5中。另外，使製程域5排盡以將其中氣體自製程域5排盡(淨化步驟)。
[膜形成之完成]
如上文所述，根據此實施例之膜形成方法經配置而以此次序交替地重複包含第一階段ST1至第三階段ST3之循環達(例如)100次。在每一循環中，供應氨自由基至晶圓W上以對表面執行初步處理，接著供應DCS至晶圓W上以形成一DCS吸附層，且接著供應氧自由基以氧化該吸附層以形成一氧化矽膜。結果，可以高效率形成具有高品質之氧化矽膜。
當形成於半導體晶圓W之表面上的氧化矽膜達到預定厚度時，卸載晶圓W。具體言之，以預定流動速率供應氮至製程域5中，以使得製程域5內部之壓力返回至大氣壓力，且製程域5設定於預定溫度下。接著，由晶舟升降機25使蓋18下移，且藉此將晶舟12連同晶圓W一起自製程容器4卸載出來。
[實驗]
在圖1中所示之裝置中藉由一根據上文所述之實施例之膜形成方法來形成一氧化矽膜，且在該氧化矽膜之組份方面對其進行檢查。在此實驗中，形成於矽晶圓W上之氧化矽膜之厚度在本發明實例PE1中設定於2 nm(30個循環)且在本發明實例PE2中設定於3 nm(95個循環)。上文在實施例中所述之製程條件用作膜形成製程之參考。在晶圓W之中心部分(CT)及端部分(ED)處量測因此所形成之氧化矽膜中的組份(Si、O及N)之濃度。對於此量測，使用XPS(X射線光電子光譜儀)。
圖5為展示由該實驗獲得之氧化矽膜中之組份之濃度的圖表。如圖5中所示，確認，藉由根據實施例之膜形成方法而形成的薄膜為氧化矽膜(SiO2 )。該等膜以不多於0.7%之濃度基本上不含有氮。
另外，量測本發明實例PE1及PE2之氧化矽膜之平坦均一性。結果，本發明實例PE1(2 nm：30個循環)再現0.067 nm之膜厚度波動帶。本發明實例PE2(3 nm：95個循環)再現0.085 nm之膜厚度波動帶。因此，確認藉由根據實施例之方法而形成的氧化矽膜具有良好的平坦均一性。
[結果及修改]
上文所述之實施例經配置以重複一包含初步處理階段、吸附階段及氧化階段之循環達複數次以便在半導體晶圓W上形成一氧化矽膜。因此所形成之氧化矽膜基本上不含有氮且具有良好的平坦均一性。結果，可在低溫下形成具有高品質之氧化矽膜。
藉由一用於形成氧化矽膜之製程來例證上文所述之實施例。在此方面，可將本發明應用於用於形成另一元素之氧化物膜的製程，該元素諸如鍺(Ge)、銻(Sb)、碲(Te)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鋯(Zr)、鍶(Sr)、鈦(Ti)、釔(Y)、鑭(La)、氡(Rn)、鉭(Ta)、鋇(Ba)、鎢(W)、銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au)。在此狀況下，可藉由使用一含有作為膜源元素之對應元素且不含有胺基的源氣體(複合氣體)來在低溫下形成一具有高品質之氧化物膜。特定言之，在將根據本發明之方法應用於一用於形成鋯、鉿或釔之氧化物(ZrO2 、HfO2 或Y2 O3 )膜之製程的情況下，在低溫下形成具有高品質之氧化物膜的效應係顯著的。
在上文所述之實施例中，電漿用以產生氧自由基及氨自由基。在此方面，另一激發介質(諸如催化劑、UV、熱或磁力)可用於激活氧化氣體及初步處理氣體。
在上文所述之實施例中，第一製程氣體含有作為含有Si且不含有胺基之源氣體的DCS氣體。在此方面，含有Si且不含有胺基之源氣體可為選自由DCS、單矽烷(SiH4 )、四氯矽烷(TCS：SiCl4 )、二矽烷(Si2 H6 )、六氯二矽烷(Si2 Cl6 )及TEOS(Si(OC2 H5 )4 )組成之群的一或多種氣體。
在上文所述之實施例中，第二製程氣體含有作為氧化氣體之氧氣體。在此方面，氧化氣體可為選自由氧、臭氧(O3 )、氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2 )、氧化二氮(N2 O)及水蒸氣(H2 O)組成之群的一或多種氣體。
在上文所述之實施例中，第三製程氣體含有作為初步處理氣體之氨氣體。在此方面，用於在吸附階段加速Si之吸附的初步處理氣體可為選自由氨、氮(N2 )、氧化氮(NO)、氧化二氮(N2 O)及二氧化氮(NO2 )組成之群的一或多種氣體。
在上文所述之實施例中，藉由執行100個循環來在半導體晶圓W上形成氧化矽膜。在此方面，循環之數目可減少至(例如)50個循環或可增加至(例如)200個循環。亦在此狀況下，可藉由根據循環之數目而調整(例如)DCS氣體、氧氣體及氨氣體之流動速率及RF功率來形成氧化矽膜以具有預定厚度。
在上文所述之實施例中，當供應製程氣體中之每一者(諸如DCS氣體)時，供應氮氣體作為稀釋氣體。在此方面，當供應製程氣體中之每一者時，可能不供應氮氣體。然而，製程氣體中之每一者較佳含有氮氣體作為稀釋氣體，由於若如此配置，則可更易於控制製程時間。稀釋氣體較佳由諸如氮氣體或代替氮氣體之氦氣體(He)、氖氣體(Ne)、氬氣體(Ar)或氙氣體(Xe)之惰性氣體組成。
在上文所述之實施例中，經由共同氣體供應噴嘴供應DCS氣體及氮氣體，且經由共同氣體供應噴嘴供應氧氣體及氨氣體。或者，可根據氣體之類型而分別安置氣體供應噴嘴。另外，複數個氣體供應噴嘴可連接至製程容器4之在底部附近的側壁以經由複數個噴嘴供應每一氣體。在此狀況下，製程氣體係經由複數個氣體供應噴嘴而供應至製程容器4中且藉此更均一地展布於製程容器4中。
在上文所述之實施例中，所採用之膜形成裝置係具有單管結構的為分批型之熱處理裝置。然而，例如，可將本發明應用於為分批型之垂直熱處理裝置，其具有由內管及外管形成的為雙管型之製程容器4。或者，可將本發明應用於為單基板型之熱處理裝置。目標基板並不限於半導體晶圓W，且其可為用於(例如)LCD之玻璃基板。
膜形成裝置之控制區100並不限於特定系統，且其可藉由一般電腦系統而實現。舉例而言，用於執行上文所述之製程的程式可使用其中儲存有該程式之儲存媒體(軟碟、CD－ROM或其類似物)而安裝入多用途電腦，以便為執行上文所述之製程準備控制區100。
用於供應此種程式之構件係多種多樣的。舉例而言，如上文所述，可代替預定儲存媒體藉由通信線、通信網路或通信系統來供應程式。在此狀況下，例如，可將程式黏貼於通信網路上之布告欄(BBS)上，且接著在疊加於載波上時經由網路來供應。接著將在電腦之OS之控制下啟動且執行因此所提供之程式(如在其他應用程式中)，藉此執行製程。
熟習此項技術者將易於想到額外優點及修改。因此，本發明在其更廣泛態樣中並不限於本文中所展示及描述之特定細節及代表性實施例。因此，在不脫離如附加之申請專利範圍及其均等物所界定之總發明性概念之精神或範疇的情況下可作出各種修改。
2．．．膜形成裝置
4．．．製程容器
5．．．製程域
6．．．石英頂板
8．．．歧管
10．．．密封部件
12．．．晶舟
12A．．．撐桿
14．．．熱絕緣圓柱
16．．．台
18．．．蓋
20．．．旋轉軸
22．．．磁性流體密封部分
24．．．密封部件
25．．．晶舟升降機/升降機構
26．．．臂
30．．．第一製程氣體供應迴路
30S．．．氣體源
32．．．第二製程氣體供應迴路
32S．．．氣體源
34．．．第三製程氣體供應迴路
34S．．．氣體源
36．．．惰性氣體供應迴路
36S．．．氣體源
40．．．氣體分配噴嘴
40A．．．氣體噴出孔
42．．．氣體分配噴嘴
42A．．．氣體噴出孔
50．．．氣體供應管線(氣體通路)
50A．．．切換閥
50B．．．流動速率控制器
52．．．氣體供應管線(氣體通路)
52A．．．切換閥
52B．．．流動速率控制器
54．．．氣體供應管線(氣體通路)
54A．．．切換閥
54B．．．流動速率控制器
56．．．氣體供應管線(氣體通路)
56A．．．切換閥
56B．．．流動速率控制器
66．．．氣體激發區
68．．．排氣口
70．．．開口
72．．．覆蓋層
74．．．電極
76．．．RF(射頻)電源
78．．．進料管線
80．．．絕緣保護覆蓋層
82．．．排氣口覆蓋部件
84．．．氣體出口
86．．．加熱器
100．．．主控制區
111．．．方案儲存部分
112．．．ROM
113．．．RAM
114．．．I/O埠
115．．．CPU
116．．．匯流排
121．．．操作面板
122．．．溫度感測器
123．．．壓力錶
124．．．加熱器控制器
125．．．MPC
126．．．閥控制器
127．．．真空泵
128．．．晶舟升降機
129．．．電漿控制器
GE．．．真空排氣系統
PS．．．電漿產生區域
W．．．半導體晶圓
圖1為展示一根據本發明之一實施例之膜形成裝置(垂直CVD裝置)的截面圖；圖2為展示圖1中所示之裝置之部分的截面平面圖；圖3為展示圖1中所示之裝置之主控制區之結構的視圖；圖4(a)至(g)為展示一根據本發明之實施例之膜形成方法之方案的時序圖；及圖5為展示由一實驗獲得之氧化矽膜中之組份之濃度的圖表。
2．．．膜形成裝置
4．．．製程容器
5．．．製程域
6．．．石英頂板
8．．．歧管
10．．．密封部件
12．．．晶舟
12A．．．撐桿
14．．．熱絕緣圓柱
16．．．台
18．．．蓋
20．．．旋轉軸
22．．．磁性流體密封部分
24．．．密封部件
25．．．晶舟升降機/升降機構
26．．．臂
30．．．第一製程氣體供應迴路
30S．．．氣體源
32．．．第二製程氣體供應迴路
32S．．．氣體源
34．．．第三製程氣體供應迴路
34S．．．氣體源
36．．．惰性氣體供應迴路
36S．．．氣體源
40．．．氣體分配噴嘴
40A．．．氣體噴出孔
42．．．氣體分配噴嘴
42A．．．氣體噴出孔
50．．．氣體供應管線(氣體通路)
50A．．．切換閥
50B．．．流動速率控制器
52．．．氣體供應管線(氣體通路)
52A．．．切換閥
52B．．．流動速率控制器
54．．．氣體供應管線(氣體通路)
54A．．．切換閥
54B．．．流動速率控制器
56．．．氣體供應管線(氣體通路)
56A．．．切換閥
56B．．．流動速率控制器
66．．．氣體激發區
68．．．排氣口
70．．．開口
72．．．覆蓋層
74．．．電極
76．．．RF(射頻)電源
78．．．進料管線
80．．．絕緣保護覆蓋層
82．．．排氣口覆蓋部件
84．．．氣體出口
86．．．加熱器
100．．．主控制區
GE．．．真空排氣系統
W．．．半導體晶圓

Claims (20)

  1. 一種用於在一製程容器中藉由CVD在一目標基板上形成一包含低濃度氮之矽氧化物膜的膜形成方法，該製程容器經組態以選擇性地供應有一矽源氣體、一氧氣及一氨氣，且配置有一經組態以藉由激發該氧氣及該氨氣而產生電漿之激發機構，該方法執行複數個循環以積層薄膜，該等循環中之每一者以下述次序交替地包含：一第一供應步驟，其在不供應該矽源氣體及該氧氣至該製程容器之情形下，供應該氨氣至該製程容器，該第一供應步驟包含一在於該激發機構內藉由激發而產生該氨氣之電漿該的同時、供應該氨氣至該製程容器的激發週期；一第一中間步驟，其供給一惰性氣體至該製程容器，且在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣；一第二供應步驟，其在不供應該氧氣及該氨氣至該製程容器之情形下，供應該矽源氣體至該製程容器，藉此於該目標基板上形成一含矽之吸附層；及一第三供應步驟，其在不供應該矽源氣體及該氨氣至該製程容器之情形下，供應該氧氣至該製程容器，該第三供應步驟包含一在於該激發機構內藉由激發而產生該氧氣之電漿的同時、供應該氧氣至該製程容器的激發週期，藉此氧化該吸附層；其中該方法使用參考條件範圍內之條件，以使該低濃度氮 不超過0.7原子%，該參考條件如下：該矽源氣體為一不含胺基之氣體，選自由二氯矽烷、單矽烷、四氯矽烷、二矽烷、六氯二矽烷及四乙氧矽烷所組成之群中；於該等複數個循環之開頭執行該第一供應步驟，以利用氨自由基處理該目標基板之一初期底層，俾有助於後續第二供應步驟中該吸附層之形成；且該製程容器於該等循環之每一者中之溫度係設定為400℃至600℃，於該第一供應步驟及該第三供應步驟中之壓力係分別設定為40Pa至100Pa及40Pa至400Pa。
  2. 如請求項1之方法，其中該第二供應步驟中之該製程容器之壓力係設定為與該第一供應步驟中實質相同。
  3. 如請求項1之方法，其中該等循環中之每一者進一步包含一在此循環之該第三步驟與下一循環之該第一步驟之間的中間步驟，其係在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣。
  4. 如請求項3之方法，其中該等循環中之每一者進一步包含一在該第二與該第三步驟之間的中間步驟，其係在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣。
  5. 如請求項4之方法，其中該等循環中之每一者在其整個週期中連續地對該製程容器進行排氣。
  6. 如請求項1之方法，其中該氧氣與該氨氣係自一共同供 應口供應。
  7. 如請求項6之方法，其中該激發機構係整體附接於該製程容器之一側壁且形成一電漿產生區域，且該氧氣及該氨氣均在穿過該電漿產生區域時被激發。
  8. 如請求項1之方法，其中該製程容器經組態以容納在一垂直方向上間隔放置之複數個目標基板，且該等目標基板藉由一安置於該製程容器周圍之加熱器而被加熱。
  9. 如請求項8之方法，其中該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之每一者係自複數個氣體噴出孔供應，以形成與該等目標基板平行之氣流，且該等氣體噴出孔在一垂直方向上排列於該等目標基板之上方。
  10. 如請求項1之方法，其中該製程容器於該等循環之每一者中係設定為實質恆溫。
  11. 如請求項1之方法，其中該製程容器於該等循環之每一者中之溫度係設定為550℃至600℃。
  12. 一種用於在一製程容器中藉由CVD在於一垂直方向上間隔放置之複數個目標基板上形成一包含低濃度氮之矽氧化物膜的膜形成方法，該製程容器經組態以選擇性地供應有一矽源氣體、一氧氣及一氨氣，且配置有一經組態以藉由激發該氧氣及該氨氣而產生電漿之激發機構，該方法執行複數個循環以積層薄膜，該等循環中之每一者以下述次序交替地包含：一第一供應步驟，其在不供應該矽源氣體及該氧氣至該製程容器之情形下，供應該氨氣至該製程容器，該第 一供應步驟包含一在於該激發機構內藉由激發而產生該氨氣之電漿的同時、供應該氨氣至該製程容器的激發週期；一第一中間步驟，其供給一惰性氣體至該製程容器，且在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣；一第二供應步驟，其在不供應該氧氣及該氨氣至該製程容器之情形下，供應該矽源氣體至該製程容器，藉此於該等目標基板上形成一含矽之吸附層；一第二中間步驟，其在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣；一第三供應步驟，其在不供應該矽源氣體及該氨氣至該製程容器之情形下，供應該氧氣至該製程容器，該第三供應步驟包含一在於該激發機構內藉由激發而產生該氧氣之電漿的同時、供應該氧氣至該製程容器的激發週期，藉此氧化該吸附層；及一第三中間步驟，其在不供應該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之任一者至該製程容器之情形下，對該製程容器進行排氣；其中該方法使用參考條件範圍內之條件，以使該低濃度氮不超過0.7原子%，該參考條件如下：該矽源氣體為一不含胺基之氯矽烷系氣體；於該等循環之開頭執行該第一供應步驟，以利用氨自 由基處理該目標基板之一初期底層，俾有助於後續第二供應步驟中該吸附層之形成；且該製程容器於該等循環之每一者中之溫度係設定為400℃至600℃，於該第一供應步驟及該第三供應步驟中之壓力係分別設定為40Pa至100Pa及40Pa至400Pa。
  13. 如請求項12之方法，其中該矽源氣體係選自由二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷所組成之群中。
  14. 如請求項12之方法，其中該矽源氣體為二氯矽烷。
  15. 如請求項12之方法，其中該激發機構係整體附接於該製程容器之一側壁且形成一電漿產生區域，且該氧氣及該氨氣均在穿過該電漿產生區域時被激發。
  16. 如請求項12之方法，其中該等目標基板藉由一安置於該製程容器周圍之加熱器而被加熱。
  17. 如請求項12之方法，其中該矽源氣體、該氧氣及該氨氣之每一者係自一排列於垂直方向上之複數個氣體噴出孔供應。
  18. 如請求項12之方法，其中該製程容器於該等循環之每一者中係設定為實質恆溫。
  19. 如請求項15之方法，其中該製程容器於該第二供應步驟中之壓力係設定為與該第一供應步驟中實質相同。
  20. 如請求項15之方法，其中該製程容器於該等循環之每一者中之溫度係設定為550℃至600℃。
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