TW202225450A - 薄膜形成方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及薄膜形成方法及裝置，詳言之，涉及形成閘氧化膜的方法及裝置。本發明的薄膜形成方法的實施例包括：氧化矽薄膜形成步驟，在基板上形成氧化矽薄膜；第一氧氮化矽薄膜形成步驟，在氧化矽薄膜上形成第一氧氮化矽薄膜，且還包括調節第一氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量的第一製程條件來形成第一氧氮化矽薄膜；及第二氧氮化矽薄膜形成步驟，在第一氧氮化矽薄膜上形成第二氧氮化矽薄膜，且還包括調節第二氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量的第二製程條件來形成第二氧氮化矽薄膜；其中，調節第一製程條件和第二製程條件，以使第一氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量大於第二氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量。

Description

薄膜形成方法及裝置
本發明涉及薄膜形成方法及裝置，更詳言之，涉及形成閘氧化膜的方法及裝置。
諸如NFET和PFET的場效應電晶體(Field Effect Transistor,FET)通常存在於CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體)裝置。在MOSFET裝置中，閘電極或者閘極可包括諸如閘氧化膜的絕緣體或者形成在閘絕緣體上的摻雜的多晶矽或者金屬導電體。另外，閘電極堆疊(stack)包括形成有閘絕緣膜的半導體層或者基板。閘氧化膜下邊的基板區域為溝道區域，在溝道兩側源極/汲極對形成在基板內。
在半導體製程中，可利用矽(Si)作為基板材料。矽鍺(SiGe)作為矽的替代品，使電晶體能夠更快地切換並實現高性能。例如，SiGe可使用於高頻裝置，SiGe製程提高奈米裝置的PMOS性能。
SiGe具有比Si更大的晶格常數，並且在氧化時比Si更容易錯位(dislocated)。從而，在SiGe表面上使用氧化製程(oxidation process)的替代方法。
因此，需要通過氧化製程的替代方法形成閘氧化膜。為此，對將氧化矽薄膜的一部分進行氮化(Nitridation)處理以在氧化矽薄膜表面形成含氮(N)的氧化矽薄膜的結構的閘氧化膜正在進行研究。這種結構的閘氧化膜的氮(N)含量在圖1顯示。若在氧化矽薄膜增加氮(N)，則容易調節介電常數。這種閘氧化膜在形成氧化矽薄膜之後需執行在氧氣環境下的熱處理、用於氮化處理的電漿處理、在氧氣環境下的熱處理、氮氣環境下的熱處理等複雜的熱處理和電漿處理，因此存在降低生產力的問題。另外，由於通過上述的方法製造閘氧化膜，因此在一台設備無法原位(in-situ)製造閘氧化膜。
然後，在通過上述的方法形成閘氧化膜的情況下，如圖1所示，在基板與氧化矽薄膜介面之間堆積(pile-up)氮，存在電特性劣化的問題。
本發明是為了解決如上所述的習知的問題而提出的，目的在於提供一種薄膜形成方法及裝置，其中為了調節介電常數，形成包含氧氮化矽薄膜的閘氧化膜，而且還可原位(in-situ)形成閘氧化膜，並且將在基板和氧化膜的介面堆積氮最小化。
用於解決上述技術課題的本發明的薄膜形成方法的一實施例包括：氧化矽薄膜形成步驟，在基板上形成氧化矽薄膜；第一氧氮化矽薄膜形成步驟，在所述氧化矽薄膜上形成第一氧氮化矽薄膜，而且還包括調節所述第一氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量的第一製程條件來形成第一氧氮化矽薄膜；以及第二氧氮化矽薄膜形成步驟，在所述第一氧氮化矽薄膜上形成第二氧氮化矽薄膜，而且還包括調節所述第二氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量的第二製程條件來形成第二氧氮化矽薄膜；其中，調節所述第一製程條件和所述第二製程條件，以使所述第一氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量大於所述第二氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次第一含矽(Si)氣體供應步驟、第一含氧(O)氣體供應步驟及第一含氮(N)氣體供應步驟的第一循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行；所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次第二含矽(Si)氣體供應步驟、第二含氧(O)氣體供應步驟及第二含氮(N)氣體供應步驟的第二循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一製程條件和所述第二製程條件為含氧(O)氣體種類，在所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟供應的第一含氧(O)氣體和在所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟供應的第二含氧(O)氣體可以是相互不同種類的氣體。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一含氧(O)氣體為一氧化二氮(N2O)，所述第二含氧(O)氣體可以是氧(O2)。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，在所述氧化矽薄膜形成步驟與所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟之間還包括第三氧氮化矽薄膜形成步驟，以在所述氧化矽薄膜上形成第三氧氮化矽薄膜，而且還包括可調節所述第三氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量的第三製程條件來形成第三氧氮化矽薄膜；調節所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件，以使所述第三氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量小於所述第二氧氮化矽薄膜中的氮(N)含量；所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次第一含矽(Si)氣體供應步驟、第一含氧(O)氣體供應步驟及第一含氮(N)氣體供應步驟的第一循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行；所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次第二含矽(Si)氣體供應步驟、第二含氧(O)氣體供應步驟及第二含氮(N)氣體供應步驟的第二循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行；所述第三氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次第三含矽(Si)氣體供應步驟、第三含氧(O)氣體供應步驟及第三含氮(N)氣體供應步驟的第三循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件為含氧(O)氣體種類，所述第一含氧(O)氣體為一氧化二氮(N2O)，所述第二含氧(O)氣體為氧(O2)，所述第三含氧(O)氣體可以是氧(O2)和氫(H2)的混合氣體及氧(O2)中的至少一種。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，可調節所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件，以使所述第一氧氮化矽薄膜中氮(N)含量為20~40%、所述第二氧氮化矽薄膜中氮(N)含量為10~20%、所述第三氧氮化矽薄膜中氮(N)含量在10%以下。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述氧化矽薄膜形成步驟可通過原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)執行。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，在所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟之後還可包括熱處理所述薄膜的步驟。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述熱處理步驟可在氮(N2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氫(H2)及氨(NH3)中至少一種氣體的環境下執行。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述氧化矽薄膜形成步驟、所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟、所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟、所述第三氧氮化矽薄膜形成步驟及所述熱處理的步驟為可原位(in-situ)執行。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述含氧(O)氣體可包含：氧(O2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)及氧(O2)和氫(H2)的混合氣體中的至少一種。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述含氮(N)氣體可包含氨(NH3)。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述含矽(Si)氣體可包含矽烷系氣體及矽氧烷系氣體中的至少一種。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，在所述氧化矽薄膜形成步驟之後還可包括利用氧(O2)和氫(H2)的混合氣體熱處理所述氧化矽薄膜的步驟。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件為在一個循環週期所包含的含氧(O)氣體供應步驟次數；所述第一循環週期為將所述第一含矽(Si)氣體供應步驟和所述第一含氧(O)氣體供應步驟反復n(n為自然數)次之後執行所述第一含氮(N)氣體供應步驟；所述第二循環週期為將所述第二含矽(Si)氣體供應步驟和所述第二含氧(O)氣體供應步驟反復m(m為自然數)次之後執行所述第二含氮(N)氣體供應步驟；以及所述第三循環週期為將所述第三含矽(Si)氣體供應步驟和所述第三含氧(O)氣體供應步驟反復l(l為自然數)次之後執行所述第三含氮(N)氣體供應步驟；其中，可以是l>m>n。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件可以是含氧(O)氣體供應時間、供應的含氧(O)氣體的壓力、供應的含氧(O)氣體的流量、含氮(N)氣體供應時間、供應的含氮(N)氣體的壓力、供應的含氮(N)氣體的流量、在一個循環週期所包含的含氮(N)氣體供應步驟次數及製程溫度中的至少一種。
在本發明的薄膜形成方法的一部分實施例中，所述薄膜可以是閘氧化膜。
用於解決上述課題之本發明的薄膜形成裝置的一實施例為在矽基板上形成薄膜的裝置，所述薄膜通過上述記載的薄膜形成方法形成。
根據本發明，形成氧化矽薄膜、形成氧氮化矽薄膜及熱處理製程全部可原位(in-situ)執行，因此提高生產力。亦即，可更加容易形成包含調節介電常數的氧氮化矽薄膜的閘氧化膜。另外，在如同本發明將氧化矽薄膜和氧氮化矽薄膜全部通過沉積形成的情況下，可將在基板和氧化膜介面堆積氮的現象最小化，因此提高電特性。
100:薄膜形成裝置
110:反應容器(外管)
111:排氣口
113:外管凸出部
115:外管固定凸緣
120:反應容器(內管)
122:排氣口
125:內管凸出部
130:加熱器
135:加熱器底座
140:晶舟
141:支柱
142:基板裝載部
144:隔熱部
150:蓋凸緣
155:旋轉軸
160:歧管
162:氣體噴嘴
165:供氣口
183:溫度感測器保護管
192:含矽氣體供應工具
194:含氧氣體供應工具
196:含氮氣體供應工具
197:吹掃氣體供應工具
198:熱處理氣體供應工具
310:基板
320:氧化矽薄膜
330:第三氧氮化矽薄膜(氧氮化矽薄膜)
340:第一氧氮化矽薄膜(氧氮化矽薄膜)
350:第二氧氮化矽薄膜(氧氮化矽薄膜)
S210~S250:步驟
圖1是在通過習知的方法形成閘氧化膜的情況下將閘氧化膜中的氮濃度概略顯示的視圖；
圖2是概略顯示用於執行本發明的薄膜形成方法的裝置的示意圖；
圖3是概略顯示本發明的薄膜形成方法的一實施例的執行過程的流程圖；
圖4至圖7是用於說明在圖3所示之實施例的執行過程的示意圖；
圖8及圖9是用於說明在本發明的薄膜形成方法中用於形成氧氮化矽薄膜的概略的氣體供應順序的視圖；以及
圖10是顯示通過本發明的薄膜形成方法形成的薄膜中的氮濃度的視圖。
以下，參照附圖詳細說明本發明的實施例。本發明的實施例是為了給在本發明所屬技術領域中具有通常知識者更加完整說明本發明而提供的，以下實施例可變化為各種形態，本發明的範圍不限於以下實施例。反而，這些實施例是為了更加真實且完整地公開並且為了將本發明的思想完整地傳達給技術人員而提供的。
在附圖中，例如，根據製造技術及/或者公差(tolerance)可預測顯示的形狀的變化。從而，本發明的實施例不得限於在本說明書所示的區域的特定形狀來解釋，而是應該包括例如製造引起的形狀變化。相同的元件符號始終是指相同的構成元件。更進一步地，在附圖中大致繪製了各種構成元件和區域。因此，本發明不限於在附圖所示的相對尺寸或者間距。
圖2是概略顯示用於執行本發明的薄膜形成方法的裝置的一示例的視圖。在圖2所示的裝置為垂直型的批量式基板處理裝置，是用於實施本發明的氧化膜形成方法的基板處理裝置的一示例。執行本發明的氧化膜形成方法 的裝置不限於在圖2所示的基板處理裝置，當然可利用可適用本發明的技術思想的其他基板處理裝置，為此可以有對該技術領域的普通技術人員來說顯而易見的程度的結構增加、改變。
參照圖2，用於執行本發明的薄膜形成方法的薄膜形成裝置100的一示例具有反應容器110、120、歧管160、晶舟140、蓋凸緣150、以及加熱器130。
反應容器110、120由內管120和外管110構成，並可由包含石英等的耐熱性材料來構成。外管110形成為下部開口的圓柱形狀，在內部形成有容納部。內管120配置在外管110的內部容納部，形成為下部開口的圓柱形狀，並在內部可容納晶舟140，進而在內管120內部具有執行基板處理的基板處理空間。在內管120的側壁形成有用於排放內管120中的氣體的排氣口122。在外管110的下部側面形成有用於對外管110內部進行排氣的排氣口111，排氣口111與具有抽氣能力的泵(圖未顯示)連接。在內管120內部以垂直方向延伸的溫度感測器保護管183內部配置有輪廓溫度感測器。
外管110位於歧管160上面，外管110通過在外管110的下端外周側凸出的外管凸出部113被外管固定凸緣115以固定的方式固定在歧管160上面。在內管120的下端外周側凸出的內管凸出部125也位於歧管160的上面。
在歧管160設置有用於將氣體供應於內管120的複數個供氣口165。複數個供氣口165可與用於形成氧化矽薄膜或者氮氧化矽薄膜的含矽氣體供應工具192、含氧氣體供應工具194、含氮氣體供應工具196及吹掃氣體供應工具197連接。另外，供氣口165可與用於熱處理氧化矽薄膜或者氧化膜的熱處理氣體供應工具198連接。複數個供氣口165在歧管160內部分別與氣體噴嘴162結合。複數個氣體噴嘴162向內管120內部的上方延伸形成，以供應含矽氣體、含氧氣體、含氮氣體、吹掃氣體、熱處理氣體。氣體噴嘴162向內管120的上部延長而形成，構成為可水平噴射氣體的噴射孔形狀，可分別噴射於以上下方向層疊的基板。
含矽氣體供應工具192將含矽(Si)的氣體供應於基板上，例如可供應SiH4、Si2H6、HCDS(Hexachlorodisilane)等的矽烷系氣體或者HCDSO(Hexachlorodisiloxane)等的矽氧烷系氣體。含氧氣體供應工具194將含氧(O)的氣體供應於基板上，例如可供應氧(O2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氧(O2)和氫(H2)的混合氣體等的氣體。氧(O2)和氫(H2)的混合氣體通過單 獨的氧(O2)氣體供應工具、氫(H2)氣體供應工具可分別供應到內管120內部。含氮氣體供應工具196將含氮(N)的氣體供應於基板上，例如可供應氨(NH3)等的氣體。吹掃氣體供應工具197為將吹掃氣體供應於基板上，可供應惰性氣體，例如氮(N2)。熱處理氣體供應工具198是為了營造熱處理環境而供應的，例如可供應氧(O2)、氫(H2)、氮(N2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氨(NH3)等的氣體。在氣體供應工具192、194、196、197、198中利用相同的氣體的情況下，能夠以兩種以上的目的利用一個氣體供應工具。例如，在吹掃氣體和熱處理氣體全部利用氮(N2)的情況下，吹掃氣體供應工具197和熱處理氣體供應工具198可只設置有一個；在含氧氣體和熱處理氣體都利用一氧化二氮(N2O)的情況下，含氧氣體供應工具194和熱處理氣體供應工具198可只設置有一個。
氣體供應工具192、194、196、197、198分別可具有儲氣容器或者汽化器、氣體管線、流量調節器等，並且接收控制的信號，通過流量調節器或者氣閥等可供應或者阻擋氣體，並且可調節供應的氣體的流量。
在反應容器110、120的下方配置有蓋凸緣150，所述蓋凸緣150為可開關反應容器110、120的下部開口的圓盤形狀。蓋凸緣150連接於升降工具(圖未顯示)以進行升降。配置在反應容器110、120下方的蓋凸緣150上升並被配置在反應容器110、120下部的歧管160密封，進而密封反應容器110、120的下部開口。然後，蓋凸緣150下降，間隔歧管160和蓋凸緣150，進而開放反應容器110、120的下部開口。在蓋凸緣150的上面配置有密封部件(圖未顯示)。當蓋凸緣150上升以密封與歧管160之間時，密封部件插設於蓋凸緣150與歧管160之間，進而密封蓋凸緣150與歧管160之間。
晶舟140配置在蓋凸緣150上，並由以上下方向放置複數個基板的基板裝載部142和隔熱部144構成。隔熱部144支撐基板裝載部142，並具有傳遞至反應容器110、120內部的熱難以傳遞於蓋凸緣150的結構及材料。基板裝載部142構成為能夠以上下方向間隔間距地放置複數個基板。基板裝載部142具有複數個支柱141，所述支柱141形成為以上下方向拉長的條狀並垂直且並排形成複數個插槽的結構，進而能夠支撐基板。為了穩定支撐基板，除了支柱141以外還可配置輔助支柱(圖未顯示)。晶舟140通過貫通蓋凸緣150設置的旋轉軸155進行旋轉，隨著晶舟140進行旋轉，配置在晶舟140的基板也隨之進行旋轉。
加熱器130設置在加熱器底座135上而被支撐，並包圍外管110以加熱反應容器110、120，進而加熱配置在裝入內管120中的晶舟140的基板。加熱器130由隔熱壁和位於隔熱壁內周面的熱管線(圖未顯示)構成，在加熱器130的隔熱壁內部形成有具有圓柱形空間的冷卻通道(圖未顯示)。在該冷卻通道供應用於急速冷卻的氣體。
圖3是概略顯示本發明的薄膜形成方法的一實施例的執行過程的流程圖；圖4至圖7是用於說明在圖3所示之實施例的執行過程的視圖；在圖3所示的本發明的薄膜形成方法的一實施例可利用在圖2所示的裝置執行，但是不限於此。
一同參照圖3和圖4至圖7，本發明的薄膜形成方法的一實施例為，如圖4所示，首先在基板310上形成氧化矽薄膜320(S210)。氧化矽薄膜320可通過沉積方法形成，對於沉積方法沒有特別限制，可利用原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)沉積。作為含矽(Si)氣體可使用諸如HCDS的矽烷系氣體，作為含氧(O)氣體可使用氫(H2)和氧(O2)的混合氣體。
在執行S210步驟之後，可熱處理氧化矽薄膜320。此時，熱處理可通過在氧(O2)和氫(H2)的混合氣體環境下執行的自由基氧化(radical oxidation)方法執行。如此，若將氧化矽薄膜320自由基氧化，則提高氧化矽薄膜320的物理性質。
然後，如圖5所示，在氧化矽薄膜320上形成第三氧氮化矽薄膜330(S220)。接著，如圖6所示，在第三氧氮化矽薄膜330上形成第一氧氮化矽薄膜340(S230)。接著，如圖7所示，在第一氧氮化矽薄膜340上形成第二氧氮化矽薄膜350(S240)。
執行第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230，包括可調節第一氧氮化矽薄膜340中的氮(N)含量的第一製程條件；執行第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240，包括可調節第二氧氮化矽薄膜350中的氮(N)含量的第二製程條件；執行第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220，包括可調節第三氧氮化矽薄膜330中的氮(N)含量的第三製程條件。此時，調節第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件以使第一氧氮化矽薄膜340中的氮(N)含量最多、第三氧氮化矽薄膜330中的氮(N)含量最少、第二氧氮化矽薄膜350中的氮(N)含量介於中間來執行S220步驟至S250步驟。例如，調節第一製程條件以使第一氧氮化矽薄膜340中的氮(N)含量達到20~40%的程度來執行S230步驟，調節第二製程條件以使第二 氧氮化矽薄膜350中的氮(N)含量達到10~20%的程度來執行S240步驟，調節第三製程條件以使第三氧氮化矽薄膜330中的氮(N)含量在10%以下來執行S220步驟。
氧氮化矽薄膜330、340、350全部可通過沉積方法形成，對於沉積方法沒有特別限制，可利用原子層沉積法進行沉積。氧化矽薄膜320及氧氮化矽薄膜330、340、350全部可利用原子層沉積法沉積，並可在圖2所示的相同的設備進行原位(in-situ)沉積。
具體地說，第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230可通過反復執行至少包含一次第一含矽(Si)氣體供應步驟、第一含氧(O)氣體供應步驟、第一含氮(N)氣體供應步驟的第一循環週期的原子層沉積法(Atomic Layer Deposition,ALD)來執行；第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240可通過反復執行至少包含一次第二含矽(Si)氣體供應步驟、第二含氧(O)氣體供應步驟及第二含氮(N)氣體供應步驟的第二循環週期的原子層沉積法來執行；第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220通過反復執行至少包含一次第三含矽(Si)氣體供應步驟、第三含氧(O)氣體供應步驟及第三含氮(N)氣體供應步驟的第三循環週期的原子層沉積法來執行。含矽(Si)氣體可使用諸如HCDS的矽烷系氣體或者諸如HCDSO的矽氧烷系氣體；含氧(O)氣體可使用氧(O2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氧(O2)和氫(H2)的混合氣體或者這些的組合；含氮(N)氣體可使用諸如氨(NH3)的氣體。
用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件的第一實施例為，對於含氧(O)氣體種類使用相互不同種類的含氧(O)氣體可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。例如，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中使用一氧化二氮(N2O)作為第一含氧(O)氣體，在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中使用氧(O2)作為第二含氧(O)氣體，在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中可使用氧(O2)和氫(H2)的混合氣體作為第三含氧(O)氣體。用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件中可使氮(N)含量變化最大的製程條件就是改變含氧(O)氣體的種類。
以下，相比於改變含氧(O)氣體的種類的情況，是用於在小範圍內調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件。
用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件的第二實施例為，對於含氧(O)氣體的供應時間以相互不同的時間供應含氧(O)氣體可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。例如，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中的第一含氧(O)氣體供應時間最短，在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中的第二含氧(O)氣體供應時間介於中間，在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中的第三含氧(O)氣體供應時間最長。
用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件的第三實施例為，對於供應的含氧(O)氣體的壓力以相互不同的壓力供應含氧(O)氣體可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。例如，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中供應的第一含氧(O)氣體壓力最小，在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中供應的第二含氧(O)氣體壓力介於中間，在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中供應的第三含氧(O)氣體供應壓力最大。
用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件的第四實施例為，對於供應的含氧(O)氣體的流量以相互不同的流量供應含氧(O)氣體可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。例如，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中供應的第一含氧(O)氣體流量最小，在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中供應的第二含氧(O)氣體流量介於中間，在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中供應的第三含氧(O)氣體供應流量最大。
用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件的第五實施例為，對於在一個循環週期所包含的含氧(O)氣體供應步驟的次數在每一個循環週期具有相互不同次數的含氧(O)氣體供應步驟，進而可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。例如，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中每一個第一循環週期的第一含氧(O)氣體供應步驟的次數最少，在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中每一個第二循環週期的第二含氧(O)氣體供應步驟的次數介於中間，在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中每一個第三循環週期的第三含氧(O)氣體供應步驟的次數最多。
更具體地說，在第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230中的第一循環週期為將第一含矽(Si)氣體供應步驟和第一含氧(O)氣體供應步驟反復n(n為自然數)次之後執行第一含氮(N)氣體供應步驟；在第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240中的第二循環週期為將第二含矽(Si)氣體供應步驟和第二含氧(O)氣體供應步驟反復m(m為自然數)次之後執行第二含氮(N)氣體供應步驟；在第三氧氮化矽薄膜330形成步驟S220中的第三循環週期為將第三含矽(Si)氣體供應步驟和第三含氧(O)氣體供應步驟反復l(l為自然數)次之後可執行第三含氮(N)氣體供應步驟。此時，可以l>m>n地執行S220步驟至S240。
如上所述的概略的氣體供應順序顯示在圖8及圖9。
如圖8所示，以含矽(Si)氣體、吹掃氣體、含氧(O)氣體、吹掃氣體、含氮(N)氣體、吹掃氣體的順序供應作為一個循環週期可執行原子層沉積法，此時，改變含氧氣體或者含氮氣體的供應時間等，可調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量。
然後，如圖9所示，以含矽(Si)氣體、吹掃氣體、含氧(O)氣體、吹掃氣體、含矽(Si)氣體、吹掃氣體、含氧(O)氣體、吹掃氣體、含矽(Si)氣體、吹掃氣體、含氧(O)氣體、吹掃氣體、含氮(N)氣體、吹掃氣體的順序供應作為一個週期可執行原子層沉積法。
若以如圖9所示的氣體供應順序供應氣體，則每一個循環週期供應三次含氧(O)氣體；若以如圖8所示的氣體供應順序供應氣體，則每一個循環週期供應一次含氧(O)氣體。據此，若以如圖8所示的氣體供應順序供應來形成氧氮化矽薄膜，則相比於以如圖9所示的氣體供應順序供應來形成氧氮化矽薄膜的情況，增加了氮(N)含量。從而，第一氧氮化矽薄膜340形成步驟S230以如圖8所示的氣體供應順序供應氣體，第二氧氮化矽薄膜350形成步驟S240能夠以如圖9所示的氣體供應順序供應氣體。
除此之外，用於調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量的第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件可以是含氮(N)氣體供應時間、供應的含氮(N)氣體的壓力、供應的含氮(N)氣體的流量、一個循環週期所包含的含氮(N)氣體供應步驟次數及製程溫度中的至少一種。
為了增加氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮含量，增加含氮(N)氣體供應時間或者提高供應的含氮(N)氣體壓力、增加供應的含氮(N)氣體的流量、增加每個循環週期的含氮(N)氣體供應次數。
然後，在供應含氧(O)氣體而氧化反應的活化能大於供應含氮(N)氣體而氮化反應的活化能的情況下，降低製程溫度時，氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量增加；在供應含氧(O)氣體而氧化反應的活化能小於供應含氮(N)氣體而氮化反應的活化能的情況下，提高製程溫度時，氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量會增加。
與此相反地，為了減少氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量，減少含氮(N)氣體供應時間或者降低供應的含氮(N)氣體壓力、減少供應的含氮(N)氣體流量、減少每個循環週期的含氮(N)氣體供應次數。
然後，在供應含氧(O)氣體而氧化反應的活化能大於供應含氮(N)氣體而氮化反應的活化能的情況下，提高製程溫度時，氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量減少；在供應含氧(O)氣體而氧化反應的活化能小於供應含氮(N)氣體而氮化反應的活化能的情況下，降低製程溫度時，氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量會增加。
如上所述，若調節第一製程條件、第二製程條件及第三製程條件來執行S220步驟、S230步驟及S240步驟，則調節氧氮化矽薄膜330、340、350中的氮(N)含量，以使第一氧氮化矽薄膜340中的氮(N)含量最多，其次是第二氧氮化矽薄膜350中的氮(N)含量，而第三氧氮化矽薄膜330中的氮(N)含量最少，進而如圖10所示可調節氧化膜中的氮(N)濃度。若如同本發明以沉積方法形成氧化矽薄膜320、氧氮化矽薄膜330、340、350，則能夠在圖2所示的裝置原位形成，不僅如此還可將在氧化矽薄膜320與基板310之間的介面堆積氮(N)最小化。
然後，將薄膜320、330、340、350全部熱處理(S250)。通過S250步驟增加所有薄膜320、330、340、350的密度(densification)或者可調節所有薄膜320、330、340、350表面的氮(N)含量。為此，S250步驟可在氮(N2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、氫(H2)及氨(NH3)環境下執行。然後，S250步驟也可與S210步驟至S240步驟原位執行。亦即，利用圖2所示的裝置，S210步驟至S250步驟全部可原位執行。如此形成的薄膜320、330、340、350可作為閘氧化膜。
如上所述，根據本發明，形成氧化矽薄膜、形成氧氮化矽薄膜及熱處理製程全部可原位(in-situ)執行，因此提高生產力。亦即，可更加容易形成包含調節介電常數的氧氮化矽薄膜的閘氧化膜。另外，在如同本發明將氧化矽 薄膜和氧氮化矽薄膜全部通過沉積形成的情況下，可將在基板310和氧化矽薄膜320介面堆積氮的現象最小化，提高電特性，因此適合作為閘氧化膜。
以上，顯示並說明了本發明的實施例，但是本發明不限於上述的特定實施例，而是在不超出在申請專利範圍請求保護的本發明的要點的情況下，在本發明所屬技術領域中具有通常知識的任何人當然可進行各種變化實施，如此的改變都在申請專利範圍內。
S210~S250:步驟

Claims (19)

  1. 一種薄膜形成方法，包括：
    一氧化矽薄膜形成步驟，在一基板上形成一氧化矽薄膜；
    一第一氧氮化矽薄膜形成步驟，在所述氧化矽薄膜上形成一第一氧氮化矽薄膜，而且還包括調節所述第一氧氮化矽薄膜中的氮含量的一第一製程條件來形成所述第一氧氮化矽薄膜；以及
    一第二氧氮化矽薄膜形成步驟，在所述第一氧氮化矽薄膜上形成一第二氧氮化矽薄膜，而且還包括調節所述第二氧氮化矽薄膜中的氮含量的一第二製程條件來形成所述第二氧氮化矽薄膜，
    其中，調節所述第一製程條件和所述第二製程條件，以使所述第一氧氮化矽薄膜中的氮含量大於所述第二氧氮化矽薄膜中的氮含量。
  2. 根據請求項1所述的薄膜形成方法，其中，
    所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少含次一第一含矽氣體供應步驟、一第一含氧氣體供應步驟及一第一含氮氣體供應步驟的第一循環週期的原子層沉積法來執行；以及
    所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次一第二含矽氣體供應步驟、一第二含氧氣體供應步驟及一第二含氮氣體供應步驟的第二循環週期的原子層沉積法來執行。
  3. 根據請求項2所述的薄膜形成方法，其中，所述第一製程條件和所述第二製程條件為含氧氣體種類，在所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟供應的一第一含氧氣體和在所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟供應的一第二含氧氣體為相互不同種類的氣體。
  4. 根據請求項3所述的薄膜形成方法，其中，所述第一含氧氣體為一氧化二氮，所述第二含氧氣體為氧。
  5. 根據請求項1所述的薄膜形成方法，其中，
    在所述氧化矽薄膜形成步驟與所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟之間還包括一第三氧氮化矽薄膜形成步驟，在所述氧化矽薄膜上形成一第三氧氮化矽薄膜，而且還包括調節所述第三氧氮化矽薄膜中的氮含量的一第三製程條件來形 成所述第三氧氮化矽薄膜；
    調節所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件，以使所述第三氧氮化矽薄膜中的氮含量小於所述第二氧氮化矽薄膜中的氮含量；
    所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次一第一含矽氣體供應步驟、一第一含氧氣體供應步驟及一第一含氮氣體供應步驟的第一循環週期的原子層沉積法來執行；
    所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次一第二含矽氣體供應步驟、一第二含氧氣體供應步驟及一第二含氮氣體供應步驟的第二循環週期的原子層沉積法來執行；以及
    所述第三氧氮化矽薄膜形成步驟通過反復執行至少包含一次一第三含矽氣體供應步驟、一第三含氧氣體供應步驟及一第三含氮氣體供應步驟的第三循環週期的原子層沉積法來執行。
  6. 根據請求項5所述的薄膜形成方法，其中，
    所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件為含氧氣體種類，
    所述第一含氧氣體為一氧化二氮，
    所述第二含氧氣體為氧，以及
    所述第三含氧氣體為氧和氫的混合氣體及氧中的至少一種。
  7. 根據請求項5所述的薄膜形成方法，其中，調節所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件，以使所述第一氧氮化矽薄膜中氮含量為20~40%、所述第二氧氮化矽薄膜中氮含量為10~20%、以及所述第三氧氮化矽薄膜中氮含量在10%以下。
  8. 根據請求項5所述的薄膜形成方法，其中，所述氧化矽薄膜形成步驟通過原子層沉積法執行。
  9. 根據請求項5至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，在所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟之後還包括熱處理所述薄膜的步驟。
  10. 根據請求項9所述的薄膜形成方法，其中，所述熱處理步驟在氮、一氧化二氮、一氧化氮、氫及氨中至少一種氣體的環境下執行。
  11. 根據請求項9所述的薄膜形成方法，其中，所述氧化矽薄膜形成步驟、所述第一氧氮化矽薄膜形成步驟、所述第二氧氮化矽薄膜形成步驟、所述第三氧氮化矽薄膜形成步驟及所述熱處理的步驟為原位(in-situ)執行。
  12. 根據請求項1至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，所述含氧氣體包含：氧、臭氧、一氧化二氮、一氧化氮及氧和氫的混合氣體中的至少一種。
  13. 根據請求項1至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，所述含氮氣體包含氨。
  14. 根據請求項1至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，所述含矽氣體包含矽烷系氣體及矽氧烷系氣體中的至少一種。
  15. 根據請求項1至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，在所述氧化矽薄膜形成步驟之後還包括利用氧和氫的混合氣體熱處理所述氧化矽薄膜的步驟。
  16. 根據請求項5至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，
    所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件為在一個循環週期所包含的含氧氣體供應步驟次數；
    所述第一循環週期為將所述第一含矽氣體供應步驟和所述第一含氧氣體供應步驟反復n次之後執行所述第一含氮氣體供應步驟，其中，n為自然數；
    所述第二循環週期為將所述第二含矽氣體供應步驟和所述第二含氧氣體供應步驟反復m次之後執行所述第二含氮氣體供應步驟，其中，m為自然數；以及
    所述第三循環週期為將所述第三含矽氣體供應步驟和所述第三含氧氣體供應步驟反復l次之後執行所述第三含氮氣體供應步驟，其中，l為自然數；以及，其中，l>m>n。
  17. 根據請求項5至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，所述第一製程條件、所述第二製程條件及所述第三製程條件為含氧氣體供應時間、供應的含氧氣體的壓力、供應的含氧氣體的流量、含氮氣體供應時間、供應的含氮氣體的壓力、供應的含氮氣體的流量、在一個循環週期所包含的含氮氣體供應步驟次數及製程溫度中的至少一種。
  18. 根據請求項1至8中任一項所述的薄膜形成方法，其中，所述薄膜為閘氧化膜。
  19. 一種薄膜形成裝置，作為在一矽基板上形成薄膜的裝置，其中，所述薄膜通過在請求項1至8中任一項記載的薄膜形成方法形成。
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