TWI516631B - 半導體處理用之批次化學氣相沉積方法及設備 - Google Patents

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Description

半導體處理用之批次化學氣相沉積方法及設備
本申請案主張日本專利申請案第2009-171557號之優先權，其申請於2009年7月22日，其全部內容係以參考文獻之方式合併於此。
本申請案主張日本專利申請案第2009-171557號之優先權，其申請於2009年7月22日，其全部內容係以參考文獻之方式合併於此。
本發明係關於一種批次CVD(化學氣相沉積)方法和設備，特別是關於一種用以在目標物(例如半導體晶圓)上形成產物膜之半導體處理技術。本文所述之「半導體處理」包含各種處理，其藉由在目標物上之預定圖案中形成半導體層、絕緣層和導電層，以在目標物上製造半導體裝置或具有與半導體裝置相連接之佈線層、電極及其類似物之結構，例如目標物為半導體晶圓或用於FPD(平面顯示器，例如LCD(液晶顯示器))之玻璃基板。
在製造用以組成半導體積體電路之半導體裝置中，目標物(例如半導體晶圓)會經過各種處理，例如薄膜形成、蝕刻、氧化、擴散和重整。可在單基板式薄膜形成設備(例如揭露在日本專利申請案公開號第09-077593號中之設備)和批次式薄膜形成設備(例如揭露在日本專利申請案公開號第2004-006801號中之設備)中執行此種薄膜形成處理。
圖5為概要展示習知批次CVD設備之結構圖。例如，當形成氧化矽薄膜時，將在垂直方向間隔地容納有目標物或半導體晶圓W之晶圓舟4載入垂直式處理容器2中。將晶圓W藉由配置在處理容器2周圍之加熱器6加熱到一預定溫度(例如約600℃)。從氣體供應系統通入矽源氣體和反應性氣體(例如臭氧)。將這些氣體，從形成在處理容器2內部垂直延伸之分佈噴嘴8和10上的一些噴氣孔8A和10A，通入處理容器2中。再者，藉由包含真空泵16之真空排氣系統14使處理容器2之內部空間經由形成在處理容器2底側之排氣口12真空排氣。在這些狀況下，在維持於預定壓力 下之處理容器2內部執行用以形成氧化矽薄膜之處理。
近年來，由於半導體積體電路之增加微型化和整合的需求，必須要在製造步驟中減輕半導體裝置的熱歷程(thermal history)，藉此改善裝置之特性。就垂直式處理設備而言，亦必須依照上述之需求來改善半導體處理方法。例如，有一種薄膜形成處理之CVD方法，其執行薄膜形成，同時間歇地通入來源氣體等等，以一層接一層或幾層接幾層的方式重覆形成各具有原子或分子等級厚度之材料層。一般來說，此薄膜形成處理叫做ALD(原子層沉積)或MLD(分子層沉積)，其允許執行一預定處理而不會將晶圓暴露在非常高之溫度下。
當使用如圖5所示之設備，使氧化矽薄膜藉由ALD或MLD而形成，其操作執行如下。特別是，操作矽源氣體切換閥8B與作為氧化氣體之臭氧的切換閥10B以交替通入矽源氣體和氧化氣體。再者，操作真空排氣系統14之排氣閥14B以調整其閘閥開口度，用以控制處理容器2內部之壓力。
圖6展示使用如圖5所示之設備，閘閥狀態與在其中以ALD來形成氧化矽薄膜之處理容器內部壓力之間的關係。圖6(A)展示矽源氣體切換閥8B之狀態；圖6(B)展示反應性氣體切換閥10B之狀態；圖6(C)展示真空排氣系統之排氣閥14B的狀態(閘閥開口度)；以及圖6(D)展示處理容器內部之壓力。
依據圖6所示之方法，將依序包含有吸附步驟T11、排氣步驟T12、反應步驟T13、和排氣步驟T14之循環重複數次。在如圖6(A)所示之吸附步驟T11中，將矽源氣體切換閥8B設定為開啟以通入矽源氣體，使得此氣體被吸附在晶圓W表面上。在如圖6(B)所示之反應步驟T13中，將反應性氣體切換閥10B設定為開啟以通入反應性氣體或臭氧，使得臭氧與吸附於晶圓表面上之矽源氣體互相作用，因此形成SiO2薄膜。在排氣步驟T12和T14中，將排氣閥14B設定為開啟以從處理容器2內部排出氣體，且不通入矽源氣體及反應性氣體。
藉由執行一次循環，可形成具有原子或分子等級厚度之薄 膜。藉由分別重複此循環數次而形成之薄膜經層疊而形成具有預定厚度之產物膜。在一個循環中，每一個吸附步驟T11和反應步驟T13之時間長度為約60秒，且每一個排氣步驟T12和T14之時間長度為約10秒。此批次CVD方法允許執行此處理而不會將晶圓暴露在非常高之溫度下。然而，如以下所述，本案發明人已發現此種批次CVD方法就一些關於薄膜品質、生產率、和來源氣體消耗量之特性而言，尚有進步空間。
本發明之一目的為提供一種批次CVD方法和設備，其具有關於薄膜品質、生產率、和來源氣體消耗量之改善的特性。
依據本發明之第一態樣，提供一種半導體處理用之批次CVD(化學氣相沉積)方法，用於批次CVD設備中，此設備包含垂直式長處理容器，配置來容納複數個目標物；支座，配置來在處理容器內部之垂直方向間隔地支托目標物；來源氣體供應系統，配置來通入來源氣體至處理容器中，此來源氣體供應系統包含用以調整來源氣體供應之來源氣體閥；反應性氣體供應系統，配置來通入反應性氣體至處理容器中，此反應性氣體供應系統包含用以調整反應性氣體供應之反應性氣體閥；以及排氣系統，配置來從處理容器內部排出氣體，此排氣系統包含用以調整排氣速率之排氣閥；預設此方法以重複一循環複數次，用以層疊各次所形成之薄膜，且藉此在目標物上形成具有預定厚度之產物膜，此循環包含：吸附步驟，用以將來源氣體吸附至目標物上，同時藉由先將來源氣體閥在第一期間設定為開啟然後再設定來源氣體閥為關閉，而將來源氣體通入處理容器中；藉由將反應性氣體閥保持關閉而不通入反應性氣體至處理容器中；且藉由將排氣閥保持關閉而不從處理容器內部排出氣體；接著，第一中間步驟，用以從處理容器內部移除剩餘氣體，藉由將來源氣體閥和反應性氣體閥保持關閉而不將來源氣體及反應性氣體通入處理容器中，同時藉由將排氣閥設定為開啟而從處理容器內部排出氣體；接著，反應步 驟，用以造成反應性氣體與吸附於目標物上之來源氣體互相反應，藉由將來源氣體閥保持關閉而不將來源氣體通入處理容器中，同時藉由將反應性氣體閥設定為開啟而將反應性氣體通入處理容器中，且藉由將排氣閥設定為從預定開啟狀態逐漸減小其閘閥開口度而從處理容器內部排出氣體；以及接著，第二中間步驟，用以從處理容器內部移除剩餘氣體，藉由將來源氣體閥和反應性氣體閥保持關閉而不將來源氣體及反應性氣體通入處理容器中，同時藉由將排氣閥之閘閥開口度設定為大於在反應步驟結束時之排氣閥之閘閥開口度而從處理容器內部排出氣體。
依據本發明之第二態樣，提供一種電腦可讀儲存媒體，其包含在處理器上執行之程式指令，當處理器執行程式指令時，程式指令控制批次CVD設備以執行如第一態樣所述之半導體處理用之批次CVD方法。
依據本發明之第三態樣，提供一種半導體處理用之批次CVD(化學氣相沉積)設備，包含：垂直式長處理容器，配置來容納複數個目標物；支座，配置來在處理容器內部之垂直方向間隔地支托目標物；來源氣體供應系統，配置來通入來源氣體至處理容器中，此來源氣體供應系統包含用以調整來源氣體供應之來源氣體閥；反應性氣體供應系統，配置來通入反應性氣體至處理容器中，此反應性氣體供應系統包含用以調整反應性氣體供應之反應性氣體閥；排氣系統，配置來從處理容器內部排出氣體，此排氣系統包含用以調整排氣速率之排氣閥；以及控制部，配置來控制此設備之操作，其中控制部被預設來執行批次CVD方法，此方法重複一循環複數次，用以層疊各次所形成之薄膜，且藉此在目標物上形成具有預定厚度之產物膜，此循環包含：吸附步驟，用以將來源氣體吸附至目標物上，同時藉由先將來源氣體閥在第一期間設定為開啟然後再設定來源氣體閥為關閉，而將來源氣體通入處理容器中；藉由將反應性氣體閥保持關閉而不通入反應性氣體至處理容器中；且藉由將排氣閥保持關閉而不從處理容器內部排出氣體；接著，第一中間步驟，用以從處理容器內部移除剩餘氣 體，藉由將來源氣體閥和反應性氣體閥保持關閉而不將來源氣體及反應性氣體通入處理容器中，同時藉由將排氣閥設定為開啟而從處理容器內部排出氣體；接著，反應步驟，用以造成反應性氣體與吸附於目標物上之來源氣體互相反應，藉由將來源氣體閥保持關閉而不將來源氣體通入處理容器中，同時藉由將反應性氣體閥設定為開啟而將反應性氣體通入處理容器中，且藉由將排氣閥設定為從預定開啟狀態逐漸減小其閘閥開口度而從處理容器內部排出氣體；以及接著，第二中間步驟，用以從處理容器內部移除剩餘氣體，藉由將來源氣體閥和反應性氣體閥保持關閉而不將來源氣體及反應性氣體通入處理容器中，同時藉由將排氣閥之閘閥開口度設定為大於在反應步驟結束時之排氣閥之閘閥開口度而從處理容器內部排出氣體。
本發明之額外的目的和優點將於以下敘述中提出，且其部份由敘述看來應為顯而易知，或可由實施本發明而知悉。藉由以下所特別指出之設備和組合當可了解和獲知本發明之目的和優點。
在發展本發明之過程中，發明人業已研究有關對此種半導體處理用之習知批次CVD方法及設備的問題。因此，本案發明人已獲得以下之結果。
前述參照圖5和6之方法為依據習知概念所安排，以致當在吸附步驟T11中通入矽源氣體時，較佳是在晶圓表面或之上形成矽源氣體流動，因為被吸附在晶圓表面上之矽源氣體的量會因此而增加。由於此原因，在吸附步驟T11中(如圖6(C)所示)，將真空排氣系統14之排氣閥14B設定為部份程度的開啟，例如約30%之閘閥開口度，以便於在一定程度上排出氣體而在晶圓表面或之上形成矽源氣體流動。在此情況中，由於將矽源氣體設定為約10到500sccm(每分鐘之標準立方公分)的流速，處理容器2內部之壓力會逐漸且線性增加，如圖6(D)所示。
另一方面，在反應步驟T13中，將排氣閥14B設定為比上述之 吸附步驟T11更大的開口，例如約60%之閘閥開口度，以便於有效地促使反應發生。在此情況中，由於將臭氧設定為約20slm(每分鐘之標準公升)的流速(其遠大於矽源氣體之流速)，處理容器2內部之壓力藉由臭氧供應會先瞬間增加並且呈飽和一段時間，然後會逐漸降低。再者，在排氣步驟T12和T14中，將排氣閥14B設定為100%之閘閥開口度，以執行強制真空排氣，以便於從處理容器2內部迅速地移除剩餘氣體。在所有步驟之整個期間皆保持真空泵16的運作。
然而，依照上述之習知方法，將排氣閥14B設定為一定程度的開啟以維持在吸附步驟T11期間之矽源氣體流動。因此，矽源氣體會被大量消耗，特別是矽源氣體價格昂貴，而使運作成本變得相當高。
再者，在反應步驟T13中，先將處理容器2內部壓力藉由臭氧供應而增加至如圖6(D)所示之P1點，對臭氧來說此壓力極高，因此可輕易使臭氧去活化，同時喪失其活性。於是，由於不當之臭氧供應，在晶圓之周邊部份上薄膜形成會充分地進行，但在晶圓之中心部份上則無法充分地進行，因此惡化薄膜厚度之平面均勻性。特別是，當晶圓表面包含溝槽結構時，這會帶來顯著的負載效應，此負載效應會大大地增加臭氧消耗量，同時會使晶圓中心部份上之膜厚極小。就這方面的對策可為設定處理容器2內部壓力遠低於反應步驟T13中之壓力，但此對策並不可取，因為沉積速率會隨著壓力降低而大量的降低，因此降低生產率。
基於上述之結果所達成之本發明的實施例將參照隨附之圖式加以敘述。在以下敘述中，具有實質上相同之功能和配置的組成元件由相同之參考數字所標示，且僅在需要時會做重複的敘述。
圖1概要展示依據本發明實施例之批次CVD設備的結構圖。此設備藉由使用包含3DMAS(三-二甲胺基矽烷)之來源氣體(其為含矽有機材料)與包含臭氧之反應性氣體(其為氧化氣體，特別是O3和O2之氣體混合物)，來形成薄膜或氧化矽(SiO2)膜。
如圖1所示，此薄膜形成設備20包含處理容器22，在其中處理場23被界定來容納和處理依垂直方向間隔堆疊之複數個半導體晶圓(目標物)。處理容器22具有包含內管24和外管26(兩者皆為垂直式長管)的雙管結構。內管24之形狀為具有頂罩和開放之底部的圓柱狀物，處理場23被界定於其中。外管26之形狀為具有頂罩和開放之底部的圓柱狀物，且以介於內外管間之一預定間隙來圍繞內管24。內管24和外管26係以石英製成。
處理容器22之直徑為(例如)約400到500 mm，用以容納直徑300 mm之晶圓W。處理容器22之內容量取決於欲載入其中之晶圓W的數量，且被設定為(例如)約200公升以容納最多150個晶圓W。
外管26底部經由密封組件30(例如O型環)氣密式地連接至由(例如)不銹鋼製成之圓柱狀歧管28。外管26底部由歧管28支撐，同時歧管28由基座板(圖中未示)支撐。歧管28包含由其內表面延伸之環支撐件32，內管24底部被固定在環支撐件32上。由石英製成之支托器或晶圓舟34被放置在處理容器22之內管24內部。
將晶圓舟34穿過歧管28底部向上和向下移動，因此將晶圓舟34載入處理容器22之處理場23中或是從其中卸下。將一些目標物或半導體晶圓W堆疊在晶圓舟34上。例如，在此實施例中，晶圓舟34可在垂直方向依基本上固定之間隔來支托(例如)直徑300 mm之約50到100個晶圓。
將晶圓舟34經由石英製成之隔熱圓柱件40放置在檯座42上。檯座42由旋轉軸44(其穿過由(例如)石英或不銹鋼製成之蓋體36)所支托，並用以打開/關上歧管28底埠。蓋體36中旋轉軸44穿過的部份裝配有(例如)磁液軸封46，以便以氣體密封狀態將旋轉軸44可旋轉地支撐住。將密封組件38(例如O型環)插入蓋體36周圍和歧管28底部之間，以便能將處理容器22內部保持密封。
將旋轉軸44連接在由升降機構48(例如晶舟升降機)支撐之器臂50末端。升降機構48將晶圓舟34和蓋體36一同向上和向下移動。再者，當旋轉軸44由內建於器臂50之旋轉機構驅動時，會轉動晶圓舟34，因此晶圓舟34上之晶圓亦會對延伸通過其中心之縱軸做旋轉。然而，可將檯座42固定於蓋體36，以便不旋轉晶圓舟34而處理晶圓W。
將隔熱套管51配置在處理容器22周圍。隔熱套管51之內表面上裝配有加熱器52，用以加熱處理容器22內之環境與晶圓W。例如，加熱器52由碳線(其不會造成污染且具有良好之升溫和降溫特性)製成。將熱電偶(圖中未示)配置在處理容器22之內管24內部以控制加熱器52。
將氣體供應部與歧管28側邊連接以通入預定製程氣體到處理容器22之處理場23。特別是，氣體供應部包含來源氣體供應系統54、反應性氣體供應系統56、和清除氣體供應系統58。配置來源氣體供應系統54以供應3DMAS氣體作為矽源氣體。配置反應性氣體供應系統56以供應臭氧氣體(特別是O3和O2之氣體混合物)作為反應性氣體或氧化氣體。配置清除氣體供應系統58以供應惰性氣體(例如N2氣)作為清除氣體。若有需要，將每一個來源和反應性氣體與適當量的載體氣體(例如N2氣)混合。然而，以下為了簡化說明，只有需要時才會提及此等載體氣體。清除氣體或載體氣體可為稀有氣體(例如Ar或He)，來取代N2氣。
更特別是，來源氣體供應系統54、反應性氣體供應系統56、和清除氣體供應系統58分別包含氣體分佈噴嘴60、64和68，其每一個是由從歧管28外部穿過其側壁然後轉彎並在內管24內部向上延伸之石英管所形成(見圖1)。氣體分佈噴嘴60、64和68分別具有複數個噴氣孔60A、64A和68A，每一組噴氣孔以預定間隔形成在遍及晶圓舟34上所有晶圓W之縱向(垂直方向)上。每一組噴氣孔60A、64A和68A依水平方向幾乎一致地輸送相對應之氣體，以便根據需要而形成與晶圓舟34上之晶圓W成平行之氣流。
噴嘴60、64和68分別經由氣體供應管線(氣體通道)62、66和70而分別與3DMAS氣、O3氣和N2氣之氣體源54S、56S和58S連接。氣體供應管線62、66和70分別裝配有流速控制器62A、66A和70A(例如質流控制器)，以及切換閥62B、66B和70B。依此配置，可依控制之流速通入3DMAS氣、O3氣和N2氣，並選擇性地通入和停止。
噴嘴60、64和68聚集在內管24內部之一側(雖然由於圖面空間的限制，圖1展示噴嘴68是配置在相對於其它噴嘴60和64之另一側)。內管24側壁具有複數個大直徑之通氣孔72，其形成在相對於噴嘴60、64和68之另一側上，且依垂直方向排列。依水平方向在晶圓之間流動的每個氣體，通過通氣孔72而流進內管24和外管26之間的間隙74。
歧管28有形成於其中且與內管24和外管26之間的間隙74相通之排氣口76。排氣口76與配置以對處理容器22內部真空排氣之真空排氣系統78相連接。真空排氣系統78具有與排氣口76連接之排氣管線80，其裝配有用以從處理容器22內部真空排氣之真空泵82，以及藉由改變閘閥開口度來調整處理容器22內部壓力之排氣閥80B。排氣閥80B不僅用以隨意調整閘閥開口度，並可用以在完全開啟狀態和完全關閉狀態之間做切換，以徹底結束排氣。
薄膜形成設備20更包含由(例如)電腦形成之主控制部84，以控制整個設備。主控制部84可參照薄膜厚度和欲形成之薄膜成分，依據事先儲存於其儲存部86中之處理配方，來執行以下所述之批次CVD處理。在儲存部86中，製程氣體流速與薄膜厚度和成分之間的關係亦被事先儲存為控制資料。因此，主控制部84可基於儲存之處理配方和控制資料，來控制升降機構48、氣體供應系統54、56和58、排氣系統78、加熱器52等等。儲存媒體之例子為磁碟(軟碟、硬碟(其代表例為包含於儲存部86中之硬碟)等等)、光碟(CD、DVD等等)、磁光碟(MO等等)、和半導體記憶體。
接著，將對執行於如圖1所示之設備中的批次CVD方法(稱為ALD或MLD薄膜形成)進行說明。在此批次CVD方法中，將氧化矽薄膜藉由ALD或MLD形成於半導體晶圓上。為達此目標，將作為矽源氣體之3DMAS氣與作為氧化反應性氣體之臭氧(O3)氣選擇性地通入容納有晶圓W之處理場23。此選擇性供應用以交替地重複複數次吸附步驟(吸附3DMAS氣體於晶圓W表面上)以及反應步驟(導致臭氧氣體與吸附於晶圓W表面上之3DMAS氣體互相反應)而形成氧化矽薄膜。特別是，將薄膜形成處理與以下操作一同執行。
當薄膜形成設備20被設定為待機狀態而沒有載入其中之半導體晶圓W時，將處理場23維持在低於製程溫度之溫度。當啟動處理時，首先，將處於室溫之晶圓舟34(其支托一些(例如50個)半導體晶圓W)從下方載入處於預定溫度之處理場23(處理容器22處於熱壁狀態)中。然後，將處理容器22之底部開口由蓋體36蓋上，以氣體密封處理容器22。
接著，將處理場23真空排氣使處理場23處於預定製程壓力。然後，提高施加於加熱器52之功率以加熱處理場23到薄膜形成處理之製程溫度。將處理場23穩定於製程壓力和製程溫度之後，將薄膜形成所需之預定製程氣體通入處理場23中。在此實施例中，將3DMAS氣體和臭氧氣體依控制之流速，分別從氣體供應系統54和56之噴嘴60和64通入處理場23中。然後，調整真空排氣系統78之排氣閥80B的閘閥開口度以控制處理容器22內部之壓力。
從氣體分佈噴嘴60之噴氣孔60A通入3DMAS氣體，以形成與晶圓舟34上之晶圓W成平行之氣體流。當通入3DMAS氣體時，3DMAS氣體會藉由加熱處理場23之溫度而被活化，且3DMAS氣體分子與其由分解作用產生之分解產物的分子和原子會被吸附在晶圓W上。
另一方面，從氣體分佈噴嘴64之噴氣孔64A通入臭氧氣體，以形成與晶圓舟34上之晶圓W成平行之氣體流。當通入臭氧氣體時，臭氧氣體會藉由加熱處理場23之溫度而被活化，且臭氧氣體分子與其由分解作用產生之分解產物的分子和原子，會與衍生自3DMAS氣體且吸附於晶圓W上的分解產物等等互相反應。因此，在晶圓W上形成氧化矽薄膜。或者，當衍生自3DMAS氣體的分解產物等等，流到衍生自臭氧氣體且吸附於晶圓W上的分解產物等等上時，會產生相同的反應，因此在晶圓W上形成氧化矽薄膜。
藉由從處理容器2內部排出氣體且不通入3DMAS氣體及臭氧氣體，在上述之吸附步驟和反應步驟之間執行排氣步驟。然後，在每個排氣步驟中，若有需要，則將作為清除氣體之N2氣依控制之流速從氣體供應系統58之噴嘴68通入。流經處理場23之氣體成 分經由通氣孔72而流入內管24和外管26之間的間隙74。然後，藉由真空排氣系統78將這些氣體成分經由位於外管26底部之排氣口76而排出。
圖2展示使用如圖1所示之設備，閘閥狀態與在其中以ALD來形成氧化矽薄膜之處理容器內部壓力之間的關係。圖2(A)展示矽源氣體之切換閥62B的狀態；圖2(B)展示反應性氣體之切換閥66B的狀態；圖2(C)展示真空排氣系統之排氣閥80B的狀態(閘閥開口度)；以及圖2(D)展示處理容器內部之壓力。
如圖2所示，依據此實施例安排薄膜形成方法，使得依序包含有吸附步驟T1、排氣步驟T2、反應步驟T3、和排氣步驟T4之循環被重複數次。安排吸附步驟T1以設定矽源氣體之切換閥62B為開啟，如圖2(A)所示，用以執行3DMAS氣體通入，以使衍生自此氣體的分解產物等等吸附於晶圓W表面上。安排反應步驟T3以設定反應性氣體之切換閥66B為開啟，如圖2(B)所示，用以執行臭氧氣體通入，以導致此氣體與吸附於晶圓表面上的分解產物等等互相反應，以便於形成SiO2薄膜。安排每個排氣步驟T2和T4以從處理容器2內部排出氣體而不通入3DMAS氣體及臭氧氣體。在所有步驟T1到T4之整個期間皆保持真空泵82的運作。
具有原子或分子等級厚度的薄膜可藉由上述之一次循環而形成。藉由分別重複此循環數次而形成之薄膜被層疊，因此形成具有預定厚度之產物膜。在一次循環中，每個吸附步驟T1和反應步驟T3之時間長度為2到120秒，例如約60秒。每個排氣步驟T2和T4之時間長度為2到20秒，例如約10秒。可將排氣步驟T2和T4省略以增進薄膜形成處理的生產率。
尤其特別是，安排吸附步驟T1，如圖2(A)所示，將矽源氣體之切換閥62B先在預定期間t1設定為開啟，然後設定為關閉，以便只在預定期間t1通入矽源氣體。此時，如圖2(C)所示，將真空排氣系統之排氣閥80B在整個吸附步驟T1期間均保持關閉。此吸附步驟T1有別於習知方法之吸附步驟T11，在吸附步驟T11中，將排氣閥14B依一預定閘閥開口度保持開啟以真空排氣，如圖6(C)所示。因 此，在此實施例中，吸附步驟T1繼續進行，以致矽源氣體(3DMAS氣體)被侷限在處理容器22內部而不會流出，同時此矽源氣體被吸附在晶圓W之表面上。在此情況中，即使矽源氣體的流速較低，仍會促進矽源氣體在晶圓表面上之吸附作用。
將上述預定期間t1之時間長度設定為吸附步驟T1之時間長度的1至50%，且較佳是為5至30%(例如，t1等於相對於T1範圍內的2至60秒)。若預定期間t1大於50%，則減少矽源氣體消耗量之效應會變得不樂見的小。再者，會浪費矽源氣體，因為矽源氣體在晶圓表面上之吸附作用會飽和。此時將矽源氣體之流速設定為約10至500sccm。在吸附步驟T1中，先將處理容器22內部壓力快速增加，然後當矽源氣體之切換閥62B被關閉時此壓力變為定值。此時之壓力為(例如)約667Pa，雖然其取決於矽源氣體之流速。
然後，在吸附步驟T1結束之後，開始第一排氣步驟T2。在此步驟中，不通入任何氣體，且將真空排氣系統之排氣閥80B設定為完全開啟以從處理容器22內部快速地排出剩餘氣體。然而，此時可將作為清除氣體之N2氣通入以促進剩餘氣體之移除。在此排氣步驟T2中，處理容器22內部之壓力會快速降低(圖2(D))。
然後，反應步驟T3開始。在此步驟中，如圖2(B)所示，在整個反應步驟T3期間，將反應性氣體之切換閥66B設定為開啟以通入反應性氣體或臭氧。此時，如圖2(C)所示，先將真空排氣系統之排氣閥80B設定為開啟，然後隨著反應步驟T3的進行逐漸減小其閘閥開口度。此反應步驟T3有別於習知方法的反應步驟T13，在反應步驟T13中，將真空排氣系統之排氣閥14B依約60%之閘閥開口度保持開啟，如圖6(C)所示。
因此，反應性氣體或臭氧氧體會與來源氣體或吸附於晶圓表面上之矽源氣體互相反應，因此形成薄膜或氧化矽膜。一般來說，可在臭氧產生器(ozonizer)中由氧氣來產生上述之臭氧氧體，其中將O3氧體依約10%之體積比混合在O2氧體中，且此等氣體混合物實際上用以作為含臭氧氣體。在反應步驟T3中，在從排氣步驟T2後之第一預定期間t3，先將真空排氣系統之排氣閥80B保持完全開啟，然後立刻減小其閘閥開口度至一預定程度(例如50%)，且進一步逐漸且線性地減小其閘閥開口度至另一預定程度(例如20%)。在此情況中，將反應性氣體或臭氧之流速設定為約20 slm，其遠大於上述之矽源氣體流速。
就習知方法而言，如圖6(D)所示之P1點所指出，快速的壓力增加會出現且帶來顯著的負載效應。另一方面，安排依據本發明實施例之方法的反應步驟T3，以便將真空排氣系統之排氣閥80B只在第一預定期間t3設定為完全開啟，然後立刻減小其閘閥開口度至約50%，且進一步逐漸減小其閘閥開口度。因此，防止處理容器22內部壓力產生快速增加，並使此壓力幾乎為線性且逐漸地增加，如圖2(D)所示。例如，在此反應步驟期間之最大壓力為約133 Pa(1托爾)。
如上所述，安排反應步驟T3，以便先將真空排氣系統之排氣閥80B設定為完全開啟，然後逐漸減小其閘閥開口度。在此情況中，可增加此壓力而不會造成顯著的負載效應，因為反應步驟T3可以防止快速的壓力增加(例如P1點所示，其會帶來此等負載效應)。因此，會促進反應性氣體或臭氧與吸收於晶圓表面上之矽源氣體的反應。換句話說，由於沒有高壓狀態，會防止臭氧被去活化且延長其使用壽命。因此，會抑制此負載效應並且保持高沉積速率。再者，可保持晶圓表面上之薄膜厚度的高平面均勻性，以及增加生產率。
將上述預定期間t3之時間長度設定為反應步驟T3之時間長度的1至50%，且較佳是為5至30%(例如，t3等於相對於T3範圍內的2至60秒)。若預定期間t3大於50%，處理容器22內部壓力的增加會被過度抑制，因此阻礙臭氧反應並且沉積速率會變得不樂見的低。吾人應當了解，在真空排氣系統之排氣閥80B操作中途出現的50%和20%閘閥開口度(圖2(C))僅為範例。閘閥開口度之最佳值是依照臭氧和矽源氣體之反應速率來決定。然而，在反應步驟T3中，較佳是將排氣閥80B之閘閥開口度的最大值設定為與用於排氣步驟T2中之排氣閥80B之閘閥開口度相同(例如100%)，且其最小值為2%以上。
然後，在反應步驟T3結束之後，開始第二排氣步驟T4。在此步驟中，不通入任何氣體，且將真空排氣系統之排氣閥80B設定為完全開啟以從處理容器22內部快速排出剩餘氣體。然而，此時可通入作為清除氣體之N2氧體以促進剩餘氣體之移除。在排氣步驟T2中，處理容器22內部壓力會快速減低(圖2(D))。藉由這樣做，將薄膜形成之一次循環結束。重複此循環數次以形成具有所需膜厚度之薄膜或氧化矽膜。
在上述實施例中，排氣閥80B之閘閥開口度包含完全開啟狀態(閘閥開口度=100%)以及完全關閉狀態(閘閥開口度=0%)。然而，實際上使用之排氣閥80B的閘閥開口度為90%以上，對處理容器22的排氣傳導幾乎與完全開啟狀態所獲得之排氣傳導相同而未改變太多。再者，當閘閥開口度小於2%，對處理容器22的排氣傳導幾乎與完全關閉狀態所獲得之排氣傳導相同而未改變太多。因此，在上述實施例中，排氣閥80B的「完全開啟狀態」可替換為「90至100%之閘閥開口度」。再者，排氣閥80B的「完全關閉狀態」可替換為「0至20%之閘閥開口度」。
再者，在上述實施例中，如圖2(C)所示，將排氣閥80B只在反應步驟T3中之預定期間t3設定為完全開啟。圖3A和3B展示反應步驟的兩個修正，其就真空排氣系統之排氣閥之閘閥開口度的改變而論。依據圖3A所示之修正，在預定期間t3中將閘閥開口度從100%線性改變至50%。依據圖3B所示之修正，在整個反應步驟期間將閘閥開口度從100%線性改變至20%。這些關於閘閥開口度改變的修正亦僅為範例。
再者，可依曲線或梯狀線改變閘閥開口度，例如，逐步改變開口度數次。一重點在於，在反應步驟T3開始時將排氣閥80B之閘閥開口度設定為較大，如此可防止處理容器22內部壓力在開始時增加，因此不會造成負載效應。若有需要，反應步驟T3可包含將作為載體氣體之惰性氣體(例如N2氧或稀有氣體)與反應性氣體一起通入。
如上所述，依據本發明之實施例，藉由使用包含處理容器22(其用以容納複數個目標物，例如半導體晶圓W)之薄膜形成設備20，交替地重複吸附步驟和反應步驟(伴有介於兩步驟之間的中間期間(排氣期間))，以在目標物上形成薄膜。在吸附步驟中，當將真空排氣系統78之排氣閥80B保持關閉時，先將來源氣體供應系統54之切換閥62B在一預定期間設定為開啟，然後立刻設定為關閉。藉由這樣做，將來源氣體(例如作為矽源氣體之3DMAS氧體)暫時通入處理容器22中以在目標物上吸附來源氣體。在此反應步驟中，當將反應性氣體供應系統56之切換閥66B保持開啟以將反應性氣體通入處理容器22中時，先將真空排氣系統78之排氣閥80B設定為開啟，然後設定為逐漸減小其閘閥開口度，如此以導致反應性氣體(例如臭氧)與來源氣體互相反應。因此，可以顯著地減少來源氣體消耗量，同時維持高水準的薄膜品質以及防止生產量降低。
<實驗>
為了評估依據上述實施例之批次CVD方法，進行以下之實驗。在本案範例PE中，依據如圖2所示之方法在如圖1所示之設備中，在晶圓上形成氧化矽膜。在本案範例PE中，使用3DMAS氧體作為矽源氣體，以及使用臭氧氧體(氧氣與10%體積百分比之臭氧的氣體混合物)作為反應性氣體。將製程溫度設定為550℃，而將製程壓力(最大值)設定為1.2 kPa。將吸附步驟T1之時間長度設定為不同的值，但設定矽源氣體之切換閥62B為開啟的預定期間t1則固定為7秒。另一方面，反應步驟T3之時間長度固定為7秒，且設定真空排氣系統之排氣閥80B為完全開啟之預定期間t3固定為2秒。使用吸附步驟T1之時間長度作為改變在吸附步驟T1中將矽源氣體之切換閥62B設定為關閉之時間的參數，即保持時間H(=T1-t1)。
再者，在對照範例CE中，依據圖6所示之方法在圖1所示之設備中，除了3DMAS氧體流速和閘閥操作以外，依與本案範例PE相同之條件在晶圓上形成氧化矽膜。特別是，在對照範例CE中，將3DMAS氧體流速設定為大於本案範例PE之流速的四倍，且將吸附步驟之時間長度設定為30秒。
圖4展示此實驗之結果。在圖4中，橫軸標示保持時間，且縱軸標示每循環之沉積速率。如圖4所示，於其中通入X克3DMAS氧體之對照範例CE，呈現約每循環0.13 nm的沉積速率。另一方面，本案範例PE呈現隨著保持時間增加而線性增進之沉積速率，即使僅通入X/4克之較小量的3DMAS氧體。在此情況中，當保持時間為約40秒時，此沉積速率幾乎與對照範例CE之沉積速率相同。因此，可以確定即使將來源氣體流速減低為1/4，藉由將保持時間設定為40秒以上即可獲得高於對照範例CE或與其幾乎相等的沉積速率。換句話說，藉由依據本發明之實施例之方法來操作個別的閘閥，可以顯著地減低來源氣體流速，同時維持與對照範例CE幾乎相同的沉積速率。
再者，使用圖案化晶圓就上述之本案範例PE和對照範例CE之負載效應加以檢驗。「圖案化晶圓」意指「藉由形成部份之電路圖案而在表面上具有突出部和凹陷部之晶圓」。由於圖案化晶圓之氣體消耗量大於平面晶圓，負載效應可顯著地發生。根據檢驗的結果，對照範例CE在圖案化晶圓上的薄膜厚度呈現約±4.3%的平面均勻性。本案範例PE則在圖案化晶圓上的薄膜厚度呈現約±3.8%的平面均勻性。因此，已發現可藉由依據本發明之實施例的方法來增進在圖案化晶圓上之薄膜厚度的平面均勻性。
<修正>
在上述實施例中，矽源氣體為3DMAS氧體。或者，矽源氣體可選自於其它胺基矽烷有機氣體，例如BTBAS(二(三級丁胺基)矽烷，bistertialbutylaminosilane)、4DMAS(四(二甲胺基)矽烷)、和DIPAS(二異丙胺基矽烷，diisopropylaminosilane)。
在上述實施例中，反應性氣體為作為氧化氣體之臭氧氧體。或者，反應性氣體可選自於其它氧化氣體，例如O2、N2O和NO。再者，如日本專利申請案公開號第2005-175441號所揭露，可使用在133 Pa以下之低壓下所產生的氧自由基和羥自由基。
在上述實施例中，氧化矽薄膜藉由批次CVD方法來形成。或者，本發明可被應用在用以形成其它薄膜(例如氮化矽(SiN)薄膜或氮氧化矽(SiON)薄膜)之批次CVD方法。當形成氮化矽薄膜時，矽源氣體可為DCS(二氯矽烷，dichloro silane)、HCD(六氯二矽烷，hexachloro disilane)、或TCS(四氯矽烷，tetrachloro silane)；且反應性氣體可為NH3(例如)。當形成氮氧化矽薄膜時，矽源氣體可為胺基矽烷有機氣體，且反應性氣體可為O3、O2、N2O、NO或NH3(例如)。
在上述實施例中，是在包含具有雙管結構之處理容器22的批次處理設備中執行批次CVD方法。或者，本發明可應用在包含具有單管結構之處理容器的批次處理設備中。
本文提及之作為目標物的半導體晶圓包含矽基板和化合物半導體基板，例如GaAs、SiC或GaN。再者，本發明可應用在其它目標物上，例如用於LCD裝置之玻璃基板或陶瓷基板。
熟悉本技藝者當可輕易思及額外的優點與修正。因此，本發明就其較廣泛之態樣並未限制於本文所敘述和展示之特定細節以及代表性實施例。所以，在未偏離由隨附之申請專利範圍及其均等物所定義之通常發明概念之精神或範疇下，可做各種的修正。
2．．．處理容器
4．．．晶圓舟
6．．．加熱器
8．．．分佈噴嘴
8A．．．噴氣孔
8B．．．矽源氣體切換閥
10．．．分佈噴嘴
10A．．．噴氣孔
10B．．．反應性氣體切換閥
12．．．排氣口
14．．．真空排氣系統
14B．．．排氣閥
16．．．真空泵
20．．．薄膜形成設備
22．．．處理容器
23．．．處理場
24．．．內管
26．．．外管
28．．．歧管
30．．．密封組件
32．．．環支撐件
34．．．晶圓舟
36．．．蓋體
38．．．密封組件
40．．．隔熱圓柱件
42．．．檯座
44．．．旋轉軸
46．．．磁液軸封
48．．．升降機構
50．．．器臂
51．．．隔熱套管
52．．．加熱器
54．．．來源氣體供應系統
54S．．．3DMAS5之氣體源
56．．．反應性氣體供應系統
56S．．．O3之氣體源
58．．．清除氣體供應系統
58S．．．N2之氣體源
60．．．氣體分佈噴嘴
60A．．．噴氣孔
62．．．氣體供應管線
62A．．．流速控制器
62B．．．切換閥
64．．．氣體分佈噴嘴
64A．．．噴氣孔
66．．．氣體供應管線
66A．．．流速控制器
66B．．．切換閥
68．．．氣體分佈噴嘴
68A．．．噴氣孔
70．．．氣體供應管線
70A．．．流速控制器
70B．．．切換閥
72．．．通氣孔
74．．．間隙
76．．．排氣口
78．．．真空排氣系統
80．．．排氣管線
80B．．．排氣閥
82．．．真空泵
84．．．主控制部
86．．．儲存部
H．．．保持時間
W．．．晶圓
T1．．．吸附步驟
T2．．．排氣步驟
T3．．．反應步驟
T4．．．排氣步驟
T11．．．吸附步驟
T12．．．排氣步驟
T13．．．反應步驟
T14．．．排氣步驟
t1．．．預定期間
t3．．．預定期間
被併入且構成本說明書之一部份的隨附圖示，說明本發明之實施例，且連同上述之一般敘述與上述實施例之詳細敘述，用以解釋本發明之原則。
圖1概要展示依據本發明實施例之批次CVD設備的結構圖；
圖2展示使用如圖1所示之設備，閘閥狀態與在其中以ALD來形成氧化矽薄膜之處理容器內部壓力之間的關係；
圖3A和3B展示反應步驟的兩個修正，其就真空排氣系統之排氣閥之閘閥開口度的改變而論；
圖4展示與實施例相關之實驗的結果；
圖5概要展示習知批次CVD設備之結構圖；以及
圖6展示使用如圖5所示之設備，閘閥狀態與在其中以ALD來形成氧化矽薄膜之處理容器內部壓力之間的關係。
20．．．薄膜形成設備
22．．．處理容器
23．．．處理場
24．．．內管
26．．．外管
28．．．歧管
30．．．密封組件
32．．．環支撐件
34．．．晶圓舟
36．．．蓋體
38．．．密封組件
40．．．隔熱圓柱件
42．．．檯座
44．．．旋轉軸
46．．．磁液軸封
48．．．升降機構
50．．．器臂
51．．．隔熱套管
52．．．加熱器
54．．．來源氣體供應系統
54S．．．3DMAS5之氣體源
56．．．反應性氣體供應系統
56S．．．O3之氣體源
58．．．清除氣體供應系統
58S．．．N2之氣體源
60．．．氣體分佈噴嘴
60A．．．噴氣孔
62．．．氣體供應管線
62A．．．流速控制器
62B．．．切換閥
64．．．氣體分佈噴嘴
64A．．．噴氣孔
66．．．氣體供應管線
66A．．．流速控制器
66B．．．切換閥
68．．．氣體分佈噴嘴
68A．．．噴氣孔
70．．．氣體供應管線
70A．．．流速控制器
70B．．．切換閥
72．．．通氣孔
74．．．間隙
76．．．排氣口
78．．．真空排氣系統
80．．．排氣管線
80B．．．排氣閥
82．．．真空泵
84．．．主控制部
86．．．儲存部
W．．．晶圓

Claims (15)

  1. 一種半導體處理用之批次CVD(化學氣相沉積)方法，用於一批次CVD設備中，該設備包含一垂直式長處理容器，配置來容納複數個目標物；一支座，配置來在該處理容器內部之垂直方向上間隔地支托該等目標物；一來源氣體供應系統，配置來通入一來源氣體至該處理容器中，該來源氣體供應系統包含用以調整該來源氣體供應之一來源氣體閥；一反應性氣體供應系統，配置來通入一反應性氣體至該處理容器中，該反應性氣體供應系統包含用以調整該反應性氣體供應之一反應性氣體閥；以及一排氣系統，包含一真空泵及一排氣閥，該真空泵係配置成自該處理容器內部排出氣體，且該排氣閥係用以調整一排氣速率；該方法重複一循環複數次，用以層疊各次所形成之薄膜，且藉此在該等目標物上形成具有一預定厚度之一產物膜，該循環包含下列步驟，同時使該真空泵在整個該循環期間保持運行，並基於該排氣閥的完全關閉狀態及完全開啟狀態分別為0~2%的閥開啟程度及90~100%的閥開啟程度之定義來使用該排氣閥：一吸附步驟，在整個該吸附步驟期間藉由將該反應性氣體閥保持關閉而不通入該反應性氣體至該處理容器中、以及藉由將該排氣閥保持在該完全關閉狀態而不自該處理容器內部排出氣體的情況下，同時藉由先將該來源氣體閥在一第一期間設定為開啟然後再設定該來源氣體閥為關閉而將該來源氣體通入該處理容器中，從而將該來源氣體吸附至該等目標物上；接著，一第一中間步驟，在藉由將該來源氣體閥和該反應性氣體閥兩者保持關閉而不將該來源氣體及該反應性氣體 通入該處理容器中的情況下，同時藉由將該排氣閥設定在該完全開啟狀態而自該處理容器內部排出氣體，從而自該處理容器內部移除剩餘氣體；接著，一反應步驟，在整個該反應步驟期間藉由將該來源氣體閥保持關閉而不將該來源氣體通入該處理容器中的情況下，但藉由將該反應性氣體閥設定為開啟而開始將該反應性氣體通入該處理容器中，同時藉由將該排氣閥設定在該完全開啟狀態而自該處理容器內部排出氣體，並隨後將該排氣閥設定為從一預定開啟狀態逐漸減小其閥開啟程度，以逐漸增加該處理容器內部之壓力，同時持續將該反應性氣體通入該處理容器中、並持續自該處理容器內部排出氣體，從而造成該反應性氣體與吸附於該等目標物上之該來源氣體互相反應；以及接著，一第二中間步驟，在藉由將該來源氣體閥和該反應性氣體閥兩者保持關閉而不將該來源氣體及該反應性氣體通入該處理容器中的情況下，同時藉由將該排氣閥設定在該完全開啟狀態而自該處理容器內部排出氣體，從而自該處理容器內部移除剩餘氣體；其中該反應步驟先將該排氣閥設定為在一第二期間以第一下降速率從該完全開啟狀態逐漸減小其閥開啟程度至該預定開啟狀態，接著在該第二期間後將該排氣閥設定為以較該第一下降速率更為和緩的第二下降速率從該預定開啟狀態逐漸減小其閥開啟程度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第一和第二中間步驟包含將一惰性氣體通入該處理容器中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第一和第二中間步驟不包含將任何氣體通入該處理容器 中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第一期間之長度係在該吸附步驟長度之1到50%的範圍內。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第二期間之長度係在該反應步驟長度之1到50%的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該反應步驟不包含將該排氣閥設定為該完全關閉狀態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該反應步驟不包含將該反應性氣體閥設定為關閉。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該吸附步驟之時間長度為2到120秒；該反應步驟之時間長度為2到120秒；且每一個該第一和第二中間步驟之時間長度為2到20秒。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第一期間之時間長度為2到60秒，其係在該吸附步驟時間長度之1到50%的範圍內。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該第二期間之時間長度為2到60秒，其係在該反應步驟時間長度之1到50%的範圍內。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該產物膜係選自於由一氧化矽薄膜、一氮氧化矽薄膜、和一氮化矽薄膜所構成之群組。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該來源氣體包含一矽源氣體，選自於由三(二甲胺基)矽烷、二(三級丁胺基)矽烷、四(二甲胺基)矽烷、二異丙胺基矽烷、二氯矽烷、六氯二矽烷、和四氯矽烷所構成之群組。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該反應性氣體包含選自於由O3、O2、N2O、NO、和NH3所構成之群組中之一氣體。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法，其中該產物膜為氧化矽膜，該來源氣體包含一矽源氣體，選自於由三(二甲胺基)矽烷、二(三級丁胺基)矽烷、四(二甲胺基)矽烷、和二異丙胺基矽烷所構成之群組；且該反應性氣體包含O3和O2之一氣體混合物。
  15. 一種非暫態電腦可讀儲存媒體，包含在一處理器上執行之程式指令，當該處理器執行該程式指令時，該程式指令控制一批次CVD設備以執行如申請專利範圍第1項所述之半導體處理用之批次CVD方法。
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