CN116334594A - 基板处理方法及利用pecvd的氮化硅膜沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基板处理方法及利用PECVD的氮化硅膜沉积方法，所述基板处理方法包括以下步骤：将基板装载到反应腔室内；将第一反应气体供给到所述反应腔室内；为了分解所述第一反应气体，在所述反应腔室内部开始等离子体放电；以及在保持等离子体放电的状态下，将第二反应气体供给到所述反应腔室内并进行分解，以在所述基板上沉积薄膜。

Description

基板处理方法及利用PECVD的氮化硅膜沉积方法
技术领域
本发明涉及一种基板处理方法。更详细来说，本发明涉及一种利用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方法、特别是低温PECVD方法在基板上沉积薄膜的方法。
另外，本发明涉及一种利用PECVD方法在基板上沉积氮化硅膜的方法。
背景技术
可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)等各种方式沉积薄膜。其中，CVD方法是通过使反应气体流入到反应腔室内部，在反应腔室内分解反应气体，且反应气体在基板上进行化学反应来沉积薄膜的方法。近来，为了容易地产生这种反应气体的离子或生成自由基，广泛使用在腔室内部使等离子体放电从而使反应气体即便在低温下也可容易形成自由基的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法。PECVD方法与一般CVD方法相比具有可大幅降低基板温度的优点。
图1表示在根据以往技术的利用PECVD方法沉积氮化硅膜时反应气体与等离子体放电的时序(timing)控制。
如图1所示的例子，以往利用低温PECVD进行的氮化硅膜的沉积中，供给包含主要工艺气体(SiH4)的所有气体(SiH4、NH3、H2、N2)并在数十秒期间实现稳定化(T1)，之后通过等离子体放电沉积薄膜(T2)，在沉积薄膜之后中断等离子体放电(T3)。
如上所述，首先将所有的气体供给到反应腔室并在稳定化的状态下开始等离子体放电的情形是为了实现均匀的等离子体放电，此情形在PECVD方法中是通用的。例如，在专利文献1中，在将工艺气体供给到安装有基板的工艺腔室内后，通过在喷头与基座之间使等离子体放电来使工艺气体分解从而开始沉积薄膜。
但是，在利用低温PECVD方法沉积薄膜的情况，在等离子体放电初期由不完全反应生成的自由基吸附在基板上后使化学反应不能正常进行，从而成为对所沉积的薄膜的表面粗糙度均匀性造成不利影响的原因。
发明内容
[发明所要解决的问题]
本发明欲解决的课题是提供一种在利用PECVD方法、特别是低温PECVD方法在基板上沉积薄膜时可改善薄膜的表面粗糙度的基板处理方法。
另外，本发明欲解决的课题是提供一种利用PECVD方法在基板上沉积高品质的氮化硅膜的方法。
[解决问题的技术手段]
用于解决所述课题的根据本发明的基板处理方法是利用第一反应气体及第二反应气体在基板上形成薄膜的基板处理方法，其特征在于包括以下步骤：将基板装载到反应腔室内；将第一反应气体供给到所述反应腔室内；为了分解所述第一反应气体，在所述反应腔室内部开始等离子体放电；以及在保持等离子体放电的状态下，将第二反应气体供给到所述反应腔室内并进行分解，以在所述基板上沉积薄膜。
所述第二反应气体可包含基板成分。
所述第二反应气体可包含金属、碳或硅。
供给所述第二反应气体的步骤可在开始等离子体放电之后10秒之内将所述第二反应气体供给到所述反应腔室内。
所述基板处理方法在所述沉积薄膜的步骤之后，可进一步包括以下步骤：中断供给所述第二反应气体；以及中断所述等离子体放电。
在所述反应腔室内部使等离子体放电的步骤可在供给所述第一反应气体后经过10秒以上后执行。
所述基板处理方法可在200℃以下的基板温度下利用PECVD方法执行。
用于解决所述课题的根据本发明的氮化硅膜沉积方法是利用PECVD方法在基板上沉积氮化硅膜的方法，其特征在于包括以下步骤：将基板装载到反应腔室内；将氮前体气体供给到所述反应腔室内；在所述反应腔室内部开始等离子体放电；以及在保持等离子体放电的状态下，将硅前体气体供给到所述反应腔室内，并通过由氮前体气体及硅前体气体的分解生成的自由基进行的化学反应在基板上沉积氮化硅膜。
供给所述硅前体气体的步骤可在开始等离子体放电之后10秒之内将所述硅前体气体供给到所述反应腔室内。
在供给所述硅前体气体来沉积氮化硅膜的步骤之后，可进一步包括以下步骤：中断供给所述硅前体气体；以及中止等离子体放电。
在所述反应腔室内部使等离子体放电的步骤可在供给所述氮前体气体后经过10秒以上后执行。
[发明的效果]
依据根据本发明的基板处理方法，通过控制与反应气体供给及等离子体放电相关联的工艺时序，可改善所沉积的薄膜的表面粗糙度均匀性。
即，依据根据本发明的基板处理方法，通过在等离子体放电后经过数秒后将主要反应气体供给到反应腔室内部，从而可抑制工艺初期不期望的基板上的化学反应。由此，可抑制在基板上大量生成数百纳米大小的岛型的凝聚体，因此，与在进行等离子体放电之前供给主要反应气体的以往技术相比，具有可显著改善所沉积的薄膜的表面粗糙度均匀性的效果。
依据根据本发明的氮化硅膜沉积方法，通过如上所述般控制与反应气体供给及等离子体放电相关联的工艺时序，可沉积表面粗糙度均匀性优异的高品质的氮化硅膜。
本发明的效果不限定于以上所提及的效果，未提及的另一效果通过以下详细的说明对本领域技术人员而言可清楚地理解。
附图说明
图1表示根据以往技术的在低温PECVD方法中反应气体与等离子体放电的时序控制。
图2是概略性地示出根据本发明实施例的基板处理方法的流程图。
图3表示根据本发明实施例的在低温PECVD方法中反应气体与等离子体放电的时序控制。
图4a表示利用比较例1的方法沉积的氮化硅膜的表面状态。
图4b表示利用实施例1的方法沉积的氮化硅膜的表面状态。
具体实施方式
参照附图以及以下详细描述的实施例，本发明的优点及特征、以及达成所述优点及特征的方法将变得明确。然而，本发明不限定于以下揭示的实施例，而是以彼此不同的各种形式实现。
贯穿整个说明书，相同的参考符号指代相同的构成要素。为了说明的明了性，对图中层及区域的大小及相对大小可进行夸张说明。
称在步骤或工艺“之后”或“之前”不仅包括另一步骤或工艺直接在之后或之前执行，而且包括在中间介置其他步骤或工艺的情形。相反，称在步骤或工艺“后”或“前”的情形表示在中间不介置其他步骤或工艺。
作为空间相对性用语的“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等可用于容易地记述如图所示一个元件或构成要素与另一元件或构成要素的相关关系。空间相对性用语应理解为除图中所示的方向以外还包括元件在使用或操作时彼此不同的方向的用语。例如，在将图中所示的元件翻转的情况，被记述为另一元件的“下方”的元件可能被置于另一元件的“上方”。因此，作为例示性的用语的“下方”可包括下方与上方两个方向。
在本说明书中，除非在句子中特别提及，否则单数形也包括复数形。在说明书中使用的“包括”和/或“包括的”提及的构成要素、步骤、动作和/或元件不排除存在或附加一个以上的其他构成要素、步骤、动作和/或元件。
以下，参照附图关于根据本发明优选实施例的基板处理方法及利用PECVD的氮化硅膜沉积方法详细地进行说明，如下所示。
图2是概略性地示出根据本发明实施例的基板处理方法的流程图。
参照图2，根据本发明的基板处理方法包括基板装载步骤(S210)、第一反应气体供给步骤(S220)、等离子体放电步骤(S230)以及第二反应气体供给及薄膜沉积步骤(S240)。另外，参照图2，根据本发明的基板处理方法在沉积薄膜后可进一步包括中断供给第二反应气体步骤(S250)、中断等离子体放电步骤(S260)及中断供给第一反应气体步骤(S270)。
根据本发明的基板处理方法是利用第一反应气体及第二反应气体通过化学反应在基板上形成薄膜的基板处理方法，对各步骤进行说明如下所示。
首先，在基板装载步骤(S210)中将基板装载到反应腔室内。具体来说，可将基板装载到反应腔室内的基座上。
在基座上可布置加热器，从而可控制基板温度。基板温度可控制为如室温(20℃)、50℃、100℃、150℃、200℃等200℃以下，更具体来说可控制为室温至200℃。反应腔室内部的压力视需要可控制为约100毫托(mTorr)至约10托(Torr)左右。另外，在反应腔室中形成等离子体放电区域的第一电极与第二电极间的间隙(例如，喷头与基座间的间隙、上部喷头与下部喷头间的间隙)可为约10mm至约100mm左右。
在第一反应气体供给步骤(S220)中将第一反应气体供给到反应腔室内。第一反应气体是指在为了形成薄膜而参与化学反应的包含自由基成分的反应气体中除第二反应气体之外的反应气体。
例如，如果第二反应气体是含有基板成分的反应气体，则第一反应气体可为不含有基板成分的反应气体。作为另一例，如果第二反应气体是包含金属、硅或碳的反应气体，则第一反应气体可为不包含这些成分的反应气体。另外，在第一反应气体供给步骤中，可一同供给如氮气(N2)、氩气(Ar)等惰性气体。
在等离子体放电步骤(S230)中，为了分解第一反应气体，在反应腔室内部开始等离子体放电。
例如在喷头作为第一电极(射频(radio frequency，RF)电极)起作用且基座作为第二电极(接地电极)起作用的情况，等离子体放电可在喷头与基座间的间隙中进行。作为另一例，在上部喷头作为第一电极起作用且下部喷头作为第二电极起作用的情况，等离子体放电可在上部喷头与下部喷头间的间隙中进行。
为了进行等离子体放电，施加到第一电极的RF功率可为约500W～2000W左右。RF频率可例如为13.56MHz，但不限于此，可使用各种RF频率。
另一方面，可在供给第一反应气体后经过10秒以上后开始等离子体放电。这是为了通过使反应气体内部的气体流动稳定化来获得均匀的等离子体放电效果。
在第二反应气体供给及薄膜沉积步骤(S240)中，在保持等离子体放电的状态下，将第二反应气体供给到反应腔室内并进行分解，以在基板上沉积薄膜。
第二反应气体可包含基板成分。例如，在基板为硅基板且沉积对象薄膜为氮化硅膜或氧化硅膜的情况，第二反应气体可为包含基板成分、即硅的气体，例如SiH4。
作为另一例，第二反应气体可为包含金属、碳或硅的气体。
另一方面，供给第二反应气体的步骤(S240)可在开始等离子体放电之后10秒之内将第二反应气体供给到反应腔室内。由于由在开始等离子体放电后数秒之内形成的自由基进行的不完全的化学反应而使表面粗糙度均匀性不佳，因此在开始等离子体放电后经过数秒后将第二反应气体供给到腔室内。但，由于在开始等离子体放电后在数秒(约5秒)左右后可基本上抑制这种不完全的化学反应，因此在考虑生产性时，优选为在开始等离子体放电后10秒之内将第二反应气体供给到腔室内。
另一方面，在根据本发明的基板处理方法中，在沉积薄膜的步骤之后，可进一步包括中断供给第二反应气体的步骤(S250)、中止等离子体放电的步骤(S260)及中断供给第一反应气体的步骤(S270)。
通过首先中断供给第二反应气体(S250)可最大限度排除可使薄膜的表面粗糙度均匀性下降的可能性。
在图2中示出在中断等离子体放电之后中断供给第一反应气体的情形，但不限定于此，且可实质上同时执行中断等离子体放电与中断供给第一反应气体，视需要可首先中断供给第一反应气体后中断等离子体放电。
根据本发明的基板处理方法可在基板温度为200℃以下的低温下利用PECVD方法执行。如前文所述，利用PECVD的薄膜沉积按照以下过程执行：通过等离子体放电生成的自由基吸附在经加热的基板上，并通过二次化学反应实现薄膜生长。但在低温PECVD的情况，由于基板温度低且在基板上的化学反应是受限的，因此等离子体放电时生成的自由基的种类很大程度上决定薄膜的品质。
因此，根据以往技术在利用PECVD沉积薄膜时，在等离子体放电初期由不完全反应生成的自由基吸附在基板上后使化学反应不能正常进行，从而成为对表面粗糙度造成不利影响的原因，但在本发明中，为了阻止这种自由基的生成，在除沉积中所需要的主要工艺气体的状态下进行等离子体放电，且在数秒后施加主要工艺气体，由此抑制这种自由基的生成，从而改善薄膜的表面粗糙度，因此在基板温度为200℃以下的低温下亦可进行。
图3表示根据本发明实施例的在低温PECVD方法中反应气体与等离子体放电的时序控制。
参照图3，在步骤T11中，向反应腔室内部供给惰性气体及第一反应气体。此时，与图1的T1不同，不向反应腔室内部供给第二反应气体。
之后，在步骤T12中，开始等离子体放电。在进行步骤T12之前，优选为T11持续10秒以上实现气体稳定化。另一方面，在步骤T12中，仍然不向反应腔室内部供给第二反应气体。
之后，在步骤T13中，才向反应腔室内部供给第二反应气体，并进行薄膜沉积。在进行步骤T13之前，T12可持续10秒之内的时间。
之后，在步骤T14中，在完成薄膜沉积后，中断第二反应气体的供给。更具体来说，在步骤T14中，保持等离子体放电，且首先仅中断供给第二反应气体。由此，可最大限度地抑制因不期望的化学反应而使薄膜表面品质下降的情形。
之后，在步骤T15中，中断等离子体放电。在中断等离子体放电之后，可中断第一反应气体的供给或可在中断等离子体放电的同时中断第一反应气体的供给。
如上所述的根据本发明的基板处理方法可例如应用于利用PECVD方法的氮化硅膜沉积。可沉积氮化硅膜用于绝缘膜、钝化膜、有机发光二极管(organic light emittingdiode，OLED)的封装(encapsulation)等各种目的。
根据本发明的氮化硅膜沉积方法可图2中说明的各步骤进行。因此，根据本发明的氮化硅膜沉积方法包括基板装载步骤(S210)、第一反应气体供给步骤(S220)、等离子体放电步骤(S230)以及第二反应气体供给及薄膜沉积步骤(S240)。
在基板装载步骤(S210)中将基板装载到反应腔室内。
之后，在第一反应气体供给步骤(S220)中将氮前体气体供给到反应腔室内。氮前体气体可包括例如氨气(NH3)与氢气(H2)。
之后，在等离子体放电步骤(S230)中，为了在反应腔室内部的喷头与基座之间或上部喷头与下部喷头之间开始等离子体放电，对喷头或上部喷头施加RF功率。此时，不向反应腔室内部供给第二反应气体，因此，在本步骤中，不进行用于在基板上形成薄膜的化学反应。另一方面，为了实现反应腔室内部气体的稳定化，可在供给氮前体气体后经过10秒以上后开始等离子体放电。
之后，在第二反应气体供给及薄膜沉积步骤(S240)中，在保持等离子体放电的状态下，将硅前体气体供给到所述反应腔室内。硅前体气体可为例如单硅烷气体(SiH4)。硅前体气体可在开始等离子体放电之后10秒之内供给到反应腔室内。
可通过由氮前体气体及硅前体气体的分解生成的自由基的化学反应在基板上沉积氮化硅膜。
之后，在中断供给硅前体气体后，可中止等离子体放电。
依据根据本发明的基板处理方法，通过控制与反应气体供给及等离子体放电相关联的工艺时序，可改善所沉积的薄膜的表面粗糙度均匀性。
即，依据根据本发明的基板处理方法，通过在等离子体放电后经过数秒后将主要反应气体供给到反应腔室内部，从而可抑制工艺初期不期望的基板上的化学反应。由此，可抑制在基板上大量生成数百纳米大小的岛型的凝聚体，因此，与在进行等离子体放电之前供给主要反应气体的以往技术相比，具有可显著改善所沉积的薄膜的表面粗糙度均匀性的效果。
依据根据本发明的氮化硅膜沉积方法，通过如上所述般控制与反应气体供给及等离子体放电相关联的工艺时序，可沉积表面粗糙度均匀性优异的高品质的氮化硅膜。
实施例
以下，将通过本发明的优选实施例更详细地对本发明的构成及作用进行说明。但，这是作为本发明的优选的例示而提出，在任何含义上都不能解释为利用其限制本发明。此处未记载的内容对于熟悉此技术领域的技术人员来说可足以进行技术性推导，因此省略其说明。
以表1及表2中示出的工艺条件利用比较例1及实施例1的方法在基板上沉积氮化硅膜。
表1及表2中记载的工艺条件的其余条件是相同的。例如，基板温度保持为150℃，工艺压力保持为1500毫托，且喷头与基座间的间隔为23mm。
[表1](比较例1)
Figure BDA0003987778800000091
[表2](实施例1)
Figure BDA0003987778800000092
表1的步骤T1及T2对应于图1的步骤T1及T2。
参照表1，在根据比较例1的方法中，在步骤T1中所有的反应气体被供给到反应腔室内并在10秒期间实现稳定化。之后，在步骤T2中执行等离子体放电。
相比之下，参照表2，在根据实施例1的方法中，在步骤T11中向反应腔室内供给除硅前体气体(SiH4)之外的其余气体并在10秒期间实现稳定化。之后，在步骤T12中执行等离子体放电。在步骤T13中，在开始等离子体放电5秒之后，向反应腔室内供给硅前体气体(SiH4)来进行沉积。之后，在步骤T14中中断硅前体气体(SiH4)的供给。
图4a表示利用根据比较例1的方法沉积的氮化硅膜的表面状态。图4b表示利用根据实施例1的方法沉积的氮化硅膜的表面状态。
参照图4a，在利用根据比较例1的方法沉积的氮化硅膜的情况，可看出形成大量数百纳米大小的岛形凝聚体(410)，因此可看出表面粗糙度均匀性不佳。
相反，参照图4b，在利用根据实施例1的方法沉积的氮化硅膜的情况，可看出与比较例1不同，几乎看不到岛形凝聚体，因此与比较例1相比表面粗糙度均匀性得到显著改善。此情形如前文所述，可看出以下结果：通过在开始等离子体放电之后供给主要反应气体，从而抑制工艺初期在基板上发生不完全的化学反应。
以上，虽然以本发明的实施例为中心进行说明，但可在本领域技术人员的水平上进行各种变更或变形。这种变更与变形在不脱离本发明的范围的情况下均可属于本发明。因此，本发明的权利范围应根据以上所记载的权利要求来判断。

Claims (10)

1.一种基板处理方法，是利用第一反应气体及第二反应气体在基板上形成薄膜的基板处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
将基板装载到反应腔室内；
将第一反应气体供给到所述反应腔室内；
为了分解所述第一反应气体，在所述反应腔室内部开始等离子体放电；以及
在保持等离子体放电的状态下，将第二反应气体供给到所述反应腔室内并进行分解，以在所述基板上沉积薄膜。
2.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
所述第二反应气体包含基板成分。
3.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
所述第二反应气体包含金属、碳或硅。
4.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
供给所述第二反应气体的步骤在开始等离子体放电之后10秒之内将所述第二反应气体供给到所述反应腔室内。
5.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
在所述沉积薄膜的步骤之后，进一步包括以下步骤：
中断供给所述第二反应气体；以及
中断所述等离子体放电。
6.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
在所述反应腔室内部使等离子体放电的步骤在供给所述第一反应气体后经过10秒以上后执行。
7.根据权利要求1所述的基板处理方法，其特征在于，
所述基板处理方法在200℃以下的基板温度下利用等离子体增强化学气相沉积方法执行。
8.一种氮化硅膜沉积方法，是利用等离子体增强化学气相沉积方法在基板上沉积氮化硅膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将基板装载到反应腔室内；
将氮前体气体供给到所述反应腔室内；
在所述反应腔室内部开始等离子体放电；以及
在保持等离子体放电的状态下，将硅前体气体供给到所述反应腔室内，并通过由氮前体气体及硅前体气体的分解生成的自由基进行的化学反应在所述基板上沉积氮化硅膜。
9.根据权利要求8所述的氮化硅膜沉积方法，其特征在于，
供给所述硅前体气体的步骤在开始等离子体放电之后10秒之内将所述硅前体气体供给到所述反应腔室内。
10.根据权利要求8所述的氮化硅膜沉积方法，其特征在于，
在所述反应腔室内部使等离子体放电的步骤在供给所述氮前体气体后经过10秒以上后执行。
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