CN1990910B - 成膜装置及其运转方法 - Google Patents
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Abstract
在反应容器内,在被晶舟所保持的基板上形成氮化硅膜,然后从反应容器中搬出晶舟,接着,在将保持有应进行处理的未处理基板的晶舟搬入反应容器中时,从晶舟开始被搬入反应容器内到反应容器的搬入搬出口被封闭为止的这一期间,使加热反应容器用的加热器的设定温度连续上升。这样,不仅可以防止因搬入冷的晶舟导致反应容器的内壁温度下降,还能防止附着在反应容器内壁上的反应主产物或者反应副产物发生意外的剥离,防止剥离片引起的对未处理晶片的污染。
Description
技术领域
本发明涉及在氮化硅膜的成膜装置中,抑制因附着在反应容器内的膜的剥离而产生微粒的技术。
背景技术
在半导体设备的制造工序中,有在半导体晶片(以下称为“晶片”)W等的基板的表面形成氮化硅膜(Si3N4膜(以下称为“SiN膜”))的处理。该处理的典型方式是通过批量式的热处理装置来实施,该热处理装置具有被配置在其周围的加热器进行加热的立式的石英制的反应容器。将在多层上载置有晶片W的晶片保持件搬入已被加热的反应容器内,将反应容器内保持在规定的压力,向反应容器内供给成膜所需的气体,由此,利用CVD(化学气相沉积)法在晶片W上形成SiN膜。
如果在上述成膜装置中进行SiN膜的成膜处理,那么,SiN膜的成膜反应的主生成物以及副生成物的膜堆积在反应容器的内壁以及晶片保持件上。如果因反复进行成膜处理使膜厚增大并超过规定的值,就会在对反应容器内进行加热时,从所堆积的膜中产生不可忽视的量的不需要的气体,而且,在所堆积的膜上出现裂纹而剥离,变成微粒的可能性很高。为了防止发生这种情况,每次成膜处理结束后都要进行清洗处理。
一般情况下,将搭载着处理完毕的晶片W的晶片保持件从反应容器中搬出,然后再将搭载着将要被处理的未处理的晶片的晶片保持件搬入反应容器内,该清洗处理就是在这两个处理的期间内实施的。清洗处理通过如下方式来实施,将未搭载晶片的空的晶片保持件搬入反应容器内,在将反应容器内保持在规定的压力以及规定的温度的状态下,将清洗气体例如氮气(N2)导入反应容器内,同时,在反应容器内实施急速冷却、真空排气、以及加热等。尤其是在即将剥落的状态下,通过主动除去附着在反应容器内的膜的表层部,不仅有效地防止在成膜处理过程中膜的意外剥落,同时也可以减少因附着膜而产生的的气体。
即使进行上述的清洗处理,仍然可能产生因膜剥落而引起的微粒。例如,当把冷的晶片保持件搬入(装载)反应容器内时,或者当使反应容器内的温度从工艺温度降温至搬出(卸载)晶片保持件的温度(卸载温度)时,反应容器内的环境温度下降,随着温度下降产生收缩,于是就很可能在膜上产生裂纹,发生膜剥落。即,在晶片保持件的装载以及卸载时,很可能在反应容器内产生微粒。此外,在现有的技术中,由于在搬入晶片保持件时将加热器的设定温度设置为一定,并且由于搬入搭载有冷的晶片的、比炉内温度还低温的晶片保持件,因此,就无法避免反应容器的内壁温度的下降。
在现有技术中,为了除去因上述原因而产生的微粒,从设置在反应容器的下方的装载区域上的喷射器朝着晶片保持件喷射N2气体,由此除去附着在晶片表面上的微粒。此外,在晶片保持件的装载以及卸载时,经由设置在反应容器的上部的排气管,利用排气泵为反应容器内排气,从而排出微粒。
即使采用上述的对策,也并非能够完全防止微粒附着在晶片上。特别是如果微粒在装载时附着在晶片的表面,则由于在它的上面形成SiN膜,如果今后元件的精细化进一步发展,就有可能引起成品率的降低。
在JP59-175719A中有如下记载:当将搭载有半导体基板的晶舟插入炉(反应容器)中时,在晶舟的一部分到达炉的均热带时,使炉入口侧的设定温度升高而高于目的热处理温度,之后,使设定温度下降至目的热处理温度,由此,就不会出现炉内的半导体基板因区域不同而加热过多或不足的现象。但是,此处所公开的技术着眼于专门用于半导体基板的热处理,而且由于容许炉壁的温度暂时下降,无法解决上述问题。
发明内容
本发明是基于上述情况而发明出来的,其目的在于提供一种在基板表面上形成氮化硅膜时,能够抑制产生来源于反应容器上的附着物的微粒的技术。
为了达到上述目的,本发明提供一种成膜装置的运转方法,上述成膜装置包括能够容纳用来保存整齐排列着的多个基板的基板保持件的反应容器;加热上述反应容器的加热器;和为了使上述反应容器变成预先设定的设定温度而控制上述加热器的控制部,其特征在于,具有以下工序:通过向容纳着保持有多个基板的上述基板保持件的上述反应容器内供给处理气体,同时利用上述加热器来加热上述反应容器,从而在上述基板上形成氮化硅膜的成膜工序;上述成膜工序结束后,经由设置在上述反应容器上的搬入搬出口,从上述反应容器中搬出保持着已形成上述氮化硅膜的基板的上述基板保持件的搬出工序;和上述搬出工序结束后,将保持着多个未处理的基板的上述基板保持件搬入上述反应容器内,同时封闭上述搬入搬出口的搬入工序,其中,上述搬入工序是至少在从开始将上述基板保持件搬入上述反应容器内之时至封闭上述搬入搬出口为止的期间内,一边使上述设定温度升高一边进行实施的。
本发明提供一种存储着用来实施上述方法的计算机程序的存储介质。
本发明提供一种成膜装置,是用于在基板上形成氮化硅膜的成膜装置,其特征在于:包括能够容纳用来保持整齐排列着的多个基板的基板保持件的反应容器;加热上述反应容器的加热器;和为了使上述反应容器变成预先设定的设定温度而控制上述加热器的控制部,其中,设定上述设定温度,使之至少在从开始将上述基板保持件搬入上述反应容器内之时至封闭上述搬入搬出口为止的期间内上升。
在基板保持件的搬出与搬入的之间,封闭反应容器中的基板保持件的搬入搬出口,为了强制剥离附着在反应容器内的氮化硅膜,也可以使反应容器内的温度急速降温。降温能够通过向反应容器内供给冷却用气体来实施。冷却用气体可以是清洗气体,或者说也可以是专用的冷气体例如空气。优选在反应容器内的急速降温之前,使反应容器内的温度升温。
附图说明
图1是表示用来实施本发明所涉及的成膜方法的成膜装置的一例的纵横截面图。
图2是表示成膜装置的温度控制系统的结构的框图。
图3是表示收纳在控制部中的反应容器内的设定温度的图表。
图4是用来说明成膜处理的各个工序的工序图。
图5是表示反应容器内的设定温度与反应容器的实际的内壁温度的关系的图表。
图6是表示实验中涉及的设定温度的图表。
图7是表示附着在实验中涉及的基板表面上的微粒的数量以及微粒的大小的图表。
具体实施方式
首先对成膜装置的结构进行说明。图1是作为成膜装置的批量(batch)式减压CVD装置,符号2是中心轴朝着纵向的圆筒形的石英制成的反应容器。反应容器2在其下端具有作为搬入搬出口(炉口)的开口21。在开口21的周边,反应容器2具有形成为一体的凸缘22。在反应容器22的下方设置着石英制成的第1盖体23。第1盖体23利用具有升降机构20a的晶舟升降机20上升,与凸缘22的下面接触从而密闭地封闭开口21,而且,下降则打开开口21。旋转轴24贯穿第1盖体23的中央部,在旋转轴24的上端部搭载着作为基板保持件的晶舟25。
晶舟25具备三根以上例如四根支柱26。在支柱26上形成有多个槽或者切槽,从而能够将多个片(在本例中为125片)的晶片W(基板)保持在多层。在处理时,将多个片的模拟晶片(Dummy Wafer)保持在晶舟25的上下端区域中,产品晶片被保持在它们之间的区域上。在旋转轴24的下部连接着使旋转轴24旋转的电机M,通过操作电机M使晶舟25旋转。在盖体23上设置保温单元27使之包围旋转轴24。
通过使晶舟升降机20动作,晶舟25能够在反应容器2内的第1位置(此时,第1盖体23封闭着反应容器2的开口21)和反应容器2的下方的装载区域28(此处,相对于晶舟升降机20进行晶片的移载)内的第2位置之间升降。在反应容器2的下方设置着石英制成的第2盖体29,为了在第1盖体23位于装载区域28内时密闭地封闭反应容器2的开口21,使之利用驱动机构29a沿着水平方向移动。因此,当晶舟25位于装载区域28内时也能够密闭地封闭反应容器2内。
在反应容器2的下部的凸缘22内通插有用来向反应容器2内的晶片W供给气体的L字型的喷射器31。其一端与喷射器31连接的气体供给管32的另一端,经由供给控制部33与多个例如两个成膜气体供给源34、35以及清洗气体供给源36相连,这样,经由气体供给管32以及喷射器31就能够向反应容器2中供给成膜所需的气体。供给控制部33由包括阀V1~V3、流量调整部M1~M3等的供给控制仪器群构成。
在本例中,成膜气体供给源34、35分别是SiH2Cl2(二氯甲硅烷:DCS)气体、氨气(NH3)的供给源,清洗气体供给源36是不活性气体例如氮气(N2)等的供给源。此外,清洗气体并非局限于不活性气体。
在反应容器2的上部形成有用来对反应容器2内进行排气的排气口。在排气口上连接着排气管43,它包括构成可将反应容器2内减压排气至所希望的真空度的真空排气单元的真空泵41以及由例如蝶形阀构成的压力调整部42。
在反应容器2的周围设置有加热炉52,它分别具备用来加热反应容器2内的规定的分割区域、例如分割成三级的区域的加热器51(51a、51b、51c)。作为加热器51(51a、51b、51c)来说,最好使用不会产生污染而且升降温特性好的碳丝,但是也并非局限于此。在加热器51(51a、51b、51c)的附近,设置有作为分别检测出加热器51(51a、51b、51c)的温度的温度检测部的热电偶6(6a、6b、6c)。
设置有用来分别控制各个加热器51(51a、51b、51c)的发热量的电力控制部7(7a、7b、7c),各个电力控制部7(7a、7b、7c)构成为根据反应容器2内壁的设定温度(目标温度)和热电偶6(6a、6b、6c)所检测出的温度,来控制向各个加热器51(51a、51b、51c)的供电,控制发热量。即,为使反应容器2内壁的实际温度成为预先设定的反应容器2内壁的设定温度,利用热电偶6(6a、6b、6c)检测反应容器2内壁的实际温度,根据该检测结果与预先设定的反应容器2内壁的设定温度的偏差来控制加热器51(51a、51b、51c)的发热量。此外,虽然热电偶6(6a、6b、6c)被设置在反应容器2的外面,通过实验事先掌握热电偶6(6a、6b、6c)检测出的实际温度与反应容器2内壁的实际温度之差,电力控制部7(7a、7b、7c)基于此修正由热电偶检测出的实际温度。此外,在本说明书中,虽然把“设定温度”的对象作为“反应容器2内壁的温度”,但这是为了更易于理解说明,当然即便是“反应容器2内的环境温度”也无所谓。
图2表示控制部70的一部分与电力控制部7(7a、7b、7c)中的一个。控制部70具备输出预先设定的反应容器2内壁的设定温度的温度设定值输出部61。在晶片W的表面形成氮化硅膜(Si3N4膜(以下称“SiN膜”))时,与使用上述DCS(SiH2Cl2)气体与NH3气体作为成膜气体的方法(recipe)相对应的反应容器2内壁的设定温度被存储在温度设定值输出部61中。
将温度设定值输出部61的输出与热电偶6检测出的温度输入比较运算部62中,比较运算部62对两者进行比较(检测出差别)。作为比较运算部62的输出的比较结果(操作信号)在增幅器63中被增幅,并作为开关部65的控制信号而输出,开关部用来控制从电源部64供给加热器51的电力。在本例中,电力控制部7(7a、7b、7c)由电源部64以及开关部65构成。
控制部70由例如计算机构成,其构成为控制晶舟升降机20的升降机构20a、第2盖体29的驱动机构29a、加热器51的电力控制部7、供给控制部33、压力调整部42、和空气供给系统58等的包括在成膜装置中的各种功能元件。更具体地讲,控制部70包括:存储着用来运行在反应容器2内所进行的后述一系列处理的步骤的顺序程序的存储部、和读出各个程序的命令并向各个功能元件输出控制信号的单元等。此外,该程序以存储在例如硬盘、软盘、压缩盘、磁光盘(MO)、和存储卡等的存储介质中的方式,被收纳在控制部70中。
下面,参照图3至图5,对上述成膜装置的作用进行说明。此处,对从结束第n-1次的成膜处理到开始随后所进行的第n次成膜处理为止,进行说明。如图3所示,通过从成膜气体供给源34、35向反应容器2内供给规定量的DCS(SiH2Cl2)气体以及NH3气体,进行在保持在晶舟25中的晶片W的表面形成SiN膜的第n-1次的成膜处理。在该成膜处理时,反应容器2内的设定温度为700℃。然后,第n-1次的成膜处理结束后,使反应容器2内的温度降至600℃,并进行晶舟25的搬出(卸载)。
如图4所示,晶舟25的搬出通过由晶舟升降机20使晶舟25从反应容器2下降至装载区域28而进行。接着,在待机区域待机的第2盖体29水平移动,反应容器2的开口21再次被密闭地封闭。
接着,从清洗气体供给源36向反应容器2内供给规定量的氮气(N2),同时使反应容器2内的温度快速降温,由此,进行用来除去因第n-1次的成膜或者之前的成膜处理而附着的膜的清洗处理(储存清洗(Storage Purge)处理)。在清洗处理过程中,使反应容器2内壁的设定温度从600℃升高至800℃之后,使它从800℃快速下降至350℃(参照图3)。在清洗处理中,由真空泵41对反应容器2内进行真空排气。在使温度从800℃下降至350℃时,为了快速冷却,从送气口53向反应容器2与加热炉52之间供给冷空气、例如0℃的空气,同时,从排气通路57排出该空气。为了供给冷空气,冷空气的供给源58经由配设有风扇56的供给管54与送气口53相连接,这些部件53、54、56、58构成冷却用的气体供给装置。
如上所述,当对反应容器2进行快速冷却时,由于附着在反应容器2的内壁表面的反应主产物或者反应副产物的膜迅速收缩,而反应容器2本身则被比较缓慢地冷却,所以在膜上产生裂纹。由此,使即使原样放置也终会剥落的膜的表层部强制剥离。剥离片随着排气流一同被排出至反应容器2的外部。
在对反应容器2内进行清洗处理的过程中,从被搬出至装载区域28的晶舟25中取出由第n-1次的成膜处理处理过的晶片W,而把将要由第n次的成膜处理实施处理的晶片W搭载到晶舟25中。清洗处理结束后,使气密地密封反应容器2的开口21的第2盖体29移动到待机区域。之后,使晶舟25上升并将其搬入反应容器2内,利用第1盖体23气密地密封反应容器2的开口21。在从该晶舟25开始被搬入反应容器2内的时刻开始到反应容器2的开口21被晶舟25气密地密封的时刻为止的期间内,使反应容器2内壁的设定温度从350℃上升至450℃。即,使反应容器2内壁的设定温度上升,同时把晶舟25搬入反应容器2内。在搬入该晶舟25时,设定温度的上升速度是例如2℃/min。
由于晶舟25以及保温单元27被放置在反应容器2的外面,温度降低。另外,多个片未处理的冷的晶片W被保持在晶舟25中。因此,如果晶舟25的上端部进入反应容器2内,则反应容器2经由反应容器2内的环境被冷却,而且,加热器51经由反应容器2与加热器51之间的环境被冷却。此时,如果不在使设定温度上升的同时进行搬入,则会产生温度下降,附着在反应容器2的内壁上的反应主产物或者反应副产物的膜再次剥离,从而污染未处理的晶片W。但是,在本实施方式中,由于在晶舟25的上端部进入反应容器2内的时候使设定温度上升,并且由于反应容器2的温度没有下降,因此,进一步防止了产生膜的剥离。
但是,在搬入晶舟25时温度是否下降,也会影响反应容器2以及加热器51的热容量、以及搬入开始时的反应容器2的温度。在反应容器2以及加热器51的热容量较小的情况下,搬入冷的晶舟25所产生的冷却效果超过由设定温度升高而使加热器51发热所产生的加热效果,反应容器2的温度就可能在搬入开始时暂时下降。例如,在搬入开始时的反应容器2的温度较高的情况下,即在反应容器2与晶舟25之间存在比较大的温度差的情况下,反应容器2的温度就可能在搬入开始时暂时下降。在反应容器2以及加热器51的热容量较大的情况下,搬入冷的晶舟25所产生的冷却效果的影响较小。因此,优选基于反应容器2以及加热器51中的至少一个的热容量来决定搬入开始时的反应容器2的设定温度。在图5所示的实施方式中,虽然搬入开始时的设定温度是350℃,但是如果上述热容量更小,则优选降低开始搬入时的设定温度,反之,如果上述热容量更大,则也可以提高开始搬入时的设定温度。总之,开始搬入晶舟25时的反应容器2内壁的设定温度优选基于上述各主要原因来设定,以使之不会因晶舟25的搬入而产生反应容器2内壁的温度下降或者使其下降幅度小到可以忽略的程度。
此外,在搬入时使设定温度一下子上升至搬入时的最终温度并且将设定温度保持在一定的方式(参照后述的根据图6进行说明的比较例)并不是理想的方式。这样的话,实际温度过冲(overshoot),之后温度下降,该温度下降就成为膜剥落的原因。与此相对应,如果一边使设定温度上升一边进行搬入,则实际温度很好地追踪设定温度(参照图5的虚线),不会发生过冲。
于是,向反应容器2内搬入晶舟25结束后,使反应容器2内壁的温度上升至规定的成膜温度、例如700℃,进行第n次的成膜处理。如上所述,在上述实施方式的成膜装置中,根据存储在温度设定值输出部61中的反应容器2内的设定温度进行温度调整,同时依次进行成膜处理以及清洗处理。
根据上述的实施方式,由于一边使反应容器2内壁的设定温度升温一边搬入保存着晶片W的晶舟25,所以在搬入时,附着在反应容器2的内壁的氮化硅膜不会因温度下降产生收缩而出现龟裂。因此,能够抑制微粒在成膜前附着在基板上。
另外,通过在搬入晶舟25之前使反应容器2内的温度急速下降,附着在反应容器2内的氮化硅膜被预先强制剥离,所以,能够进一步抑制微粒在成膜前附着在晶片W的表面上。此时,优选使反应容器2内的温度一次升温,优选该最高温度比工艺温度高。
在上述实施方式中,通过使设定温度上升,使开始搬入时的反应容器2内壁的实际温度也上升,但本发明并非局限于此。至少应该注意到只要在开始搬入时反应容器2内壁的实际温度没有下降或者降温幅度小到可以忽视的程度就是充分的。另外,设定温度开始上升的时刻可以是结束清洗处理、打开第2盖体29的时刻,也可以是在晶舟25的上端即将进入反应容器2内之前。
另外,在上述实施方式中,在晶片W的表面形成SiN膜时,虽然使用了DCS(SiH2Cl2)气体和NH3气体作为成膜气体,但是,也并非局限于此,还可以使用Si2Cl6(HCD)气体和NH3气体或者双叔丁基氨基硅烷(bis(tertiary-butylamino silane))(BTBAS)气体、和NH3气体。
【实施例】
下面,对于为了确认本发明的效果所进行的实验进行说明。
在实验中,反复进行SiN膜的成膜处理,反应容器2内的累积膜厚变成一种规定的厚度。使用与图1所示的成膜装置相同种类的成膜装置。首先,使用该成膜装置,将搭载着晶片W的晶舟25搬入反应容器2内,在晶片W的表面形成氮化硅膜。开始将晶舟25搬入反应容器2内时的反应容器2内壁的设定温度定为400℃,反应容器2的开口21被第1盖体23气密地密闭时的反应容器2内壁的设定温度为450℃。在此期间的设定温度的上升速度为3℃/min。加工时反应容器2内壁的设定温度是710℃,反应容器2内的设定压力为33Pa(0.25Torr)。另外,作为加工时的成膜气体使用DCS(SiH2Cl2)气体以及NH3气体,DCS气体以及NH3气体的流量分别是120sccm以及1200sccm。在图6中用实线表示实施例中的设定温度的变化。
(比较例)
将从晶舟25被开始搬入反应容器2内之时到反应容器2的开口21被第1盖体23气密地密闭为止的反应容器2内的设定温度一定地保持在450℃,除此之外,依照与实施例相同的处理进形成膜处理。在图6中用实线表示比较例中的设定温度的变化。
(观察方法)
在实施成膜处理之后,从反应容器2中搬出晶舟25,各取出一片载置在晶舟25的上层上的晶片(TOP)、载置在晶舟25的中层上的晶片(CTR)以及载置在晶舟25的下层上的晶片(BTM),并向各个晶片(TOP、CTR、BTM)的表面照射光,观察附着在晶片的表面的微粒。接着,同时在实施例以及比较例中,在相同的条件下进行成膜处理,成膜处理之后,按照上述的方法,第二次观察微粒。
(结果以及考察)
在图7中表示本实施例及比较例的结果。如图7所示,可知与比较例相比,在实施例中,附着在各晶片(TOP、CTR、BTM)表面的微粒的数量大幅减少。从这个结果可知,一边使反应容器2内壁的设定温度上升一边搬入晶舟,不会使反应容器2的内壁温度下降,由此,可以抑制附着在反应容器2的内壁上的氮化硅膜的膜剥落。
Claims (6)
1.一种成膜装置的运转方法,所述成膜装置包括能够容纳用来保存整齐排列着的多个基板的基板保持件的反应容器;加热所述反应容器的加热器;和为了使所述反应容器变成预先设定的设定温度而控制所述加热器的控制部,其特征在于,具有以下工序:
通过向容纳着保持有多个基板的所述基板保持件的所述反应容器内供给处理气体,同时利用所述加热器加热所述反应容器,由此在所述基板上形成氮化硅膜的成膜工序;
所述成膜工序结束后,经由设置在所述反应容器上的搬入搬出口,从所述反应容器中搬出保持着已形成所述氮化硅膜的基板的所述基板保持件的搬出工序;和
所述搬出工序结束后,将保持着多个未处理的基板的所述基板保持件搬入所述反应容器内,同时封闭所述搬入搬出口的搬入工序,其中,
所述搬入工序是至少在从开始将所述基板保持件搬入所述反应容器内之时至封闭所述搬入搬出口为止的期间内,一边使所述设定温度升高一边实施的。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,还包括:
强制剥离工序,在所述搬出工序和所述搬入工序之间,封闭所述反应容器的搬入搬出口,使所述反应容器的温度急速下降,强制剥离附着在所述反应容器的内壁上的氮化硅膜或者其反应副产物。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:
在使所述反应容器的温度急速下降之前,使所述反应容器的温度上升。
4.一种成膜装置,用于在基板上形成氮化硅膜,其特征在于,包括:
能够容纳用来保持整齐排列着的多个基板的基板保持件的反应容器;
加热所述反应容器的加热器;和
为了使所述反应容器变成预先设定的设定温度而控制所述加热器的控制部,其中,
设定所述设定温度,使之至少在从开始将所述基板保持件搬入所述反应容器内之时至封闭所述搬入搬出口为止的期间内上升。
5.根据权利要求4所述的成膜装置,其特征在于,还包括:
向所述反应容器供给用来使所述反应容器的温度急速降温的冷却用气体的气体供给装置,
所述控制部构成为,在将保持已形成氮化硅膜的基板的基板保持件从所述反应容器中搬出之后,在封闭所述反应容器中的基板保持件的搬入搬出口的状态下,为了强制剥离附着在所述反应容器的内壁上的氮化硅膜,控制所述气体供给装置以使所述反应容器内的温度急速下降。
6.根据权利要求4所述的成膜装置,其特征在于:
所述控制部构成为,控制所述加热器以在使反应容器内的温度急速降温之前使反应容器的温度上升。
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