TWI284939B - Substrate processing apparatus using microwave plasma - Google Patents
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Description
1284939 五、發明說明（1) 【發明領域】 在 本發明一般而言係關於基板處理技術，尤其是g 矽基板上形成絕緣膜的基板處理方法。 亦屬 於半導體製造技術中，在矽基板上形成絕緣膜為夢 本且重要的技術。尤其是MOS電晶體之閘絕緣膜或快閃\基 憶體之隨道閘絕緣膜荨’必須為非常局品質之絕緣腹^ 隨著此一情況，能以高品質形成此種薄絕緣膜的技彳軒 半 必要。 【發明背景與技術】 習知使用於MOS電晶體閘的絕緣膜般之高品質的石夕氧 化膜，係藉由矽基板表面之熱氧化處理而形成。如此方式 所形成的矽氧化膜中所含的懸空鍵數目少，即使使用於L 閘絕緣膜般之設置成覆蓋住其隧道區域且施加高電場之絕 緣膜的情形，載流子之陷阱亦甚少，而能實現安定的臨界 值特性。 另一方面，隨著微細化技術之發展，現在逐漸可製造 出突破0· 1 # m閘長度之超微細化半導體裝置。 於此超微細化半導體裝置，若欲藉由_短閘長度而提 昇半導體裝置的動作速度，則須依照比例原則使閘絕緣嫉 之厚度減小。例如，閘長度為〇. 1 # m MOS電晶體之情形， 雖有必要使閘絕緣膜之厚度減小至2 nm以下，但若使習知 之熱氧化膜的膜厚如此般減小，則因隧道電流所造成的閘 漏電流將增大。因此，以往知認為2 nm膜厚係以熱氧化膜
第6頁 1284939 五、發明說明（2) 構成的閘絕緣膜之界限。於膜厚為2 nm之熱氧化膜，顯示L X l〇~2A/cm2左右之閘漏電流。 針對於此，有人提案藉由對矽基板進行以高密度微波 電漿施行的氧化處理，而形成更高品質矽氧化膜之技術。 圖1係顯示使用此一利用高密度微波電漿之基板處理 裝置1 0的構造圖。 參照圖1，基板處理裝置10之基本構造包含：上部處 理容器11與下部處理容器12，上下重疊而界定處理空間 11A ;基板支持台丨3，配置於該處理空間丨丨A中，用以支持 被處理基板w ;及鋁蓋板u，配置於堵塞該處理空間UA之 上方敞口部分，作為微波窗使用。另外，於上下之 容 、12之間’形成用以搬出或搬入被處理基板之基板 之排Πί板ί?台13之周®，形成圍繞該基板支持台13 空間11A係將其排氣系統連接於配置 在處理令态12下部的排氣口12A，透過該 氣。為了促進從該處理空間11A向排° 、i 订 於該基板支持台13周圍之排氣通路上 整流板13A。 上形成具有許多孔的 另夕卜’該上部處理裳哭1〗在刹二 埶性介質以11係利用通過通路11D中之傳 熱性；丨質U進仃溫度控制，於該上部 Ϊίΐΐ間UA之處理氣體的通路UC而形i t體導二埠。 ===置t軸線細缝天線或角^ =丄 大綠L禾以圖不）連接於贫料.齊 接於該被波_ 1 4。於是，自該氣體導
1284939 五、發明說明（3) 入埠11C導入Ar或Kr等之稀有氣體與〇2氣體，於此狀態下 藉由數百MHz至1 OGHz左右頻率的微波趨動微波天線，能夠 於該處理空間11 A中之被處理基板表面上，形成具有相同 分布的高密度電漿。 如此方式，被激發的稀有氣體電漿係與同時導入的氧 分子起反應，其結果，於該處理空間1 1 A内，形成有效且 均勻的原子狀態氧0*。藉由將此原子狀態氧〇*使用於矽基 板表面之氧化處理，於該被處理基板表面上，在6〇 〇它以 下之低溫，便能於被處理基板上均勻地生成超過1㈣艺以 上溫度所形成的熱氧化膜膜質之電漿氧化膜。 由於圖1之基板處理裝置10係利用從數百迎2 i1〇GHz 之微波以形成電漿，儘管所形成的電漿為高密度的，電子 溫度低並不會濺鍍處理容器11、1 2之内壁。藉此，所形成 的氧化膜，不會發生歸因於處理容器的金屬污染。另外， 最好所得到的氧化膜顯示如下之特徵：不會因微波或電漿 造成損壞，界面位準密度變得較熱氧化膜之情形為低。 如此方式，雖然圖1之基板處理裝置1 〇具有於低溫可 以形成高品質之氧化膜的優良特徵，本發明之作者，於本 發明之基礎的實驗’發現所形成的氧化膜之成長速度較使 用其他習知高密度微波電漿基板處理裝置之情形為差·。 例如，於基板處理裝置10，以2 〇 〇 0W功率供應頻率為 2· 45GHZ之微波，於i33Pa之壓力下，以1 000SCCM之流量供 應Ar氣體，20SCCM之流量供應氧氣體的情形，雖然可以得 到每6分鐘成長6 nm膜厚之氧化膜成長速度，即使將微波功
1284939 五、發明說明（4) ♦ 率更增大，氧化膜成長速度實質上也不會增大，而顯示氧 化膜成長速度是有其界限。另外，此氧化膜成長速度也較 — 以習知之其他高密度微波電漿基板處理裝置所得到的數值 為差。 * 圖2係顯示使用A 1作成圖1基板處理裝置1 〇之該處理容 _ 器11及1 2，於該條件下比較將s i基板表面氧化6分鐘之情 形，與使用不銹鋼（ SUS )作為該處理容器11及1 2之情 形，得到氧化膜膜厚之圖形。 麥照圖2，使用A 1之情形，6分鐘基板處理後得到的氧 化膜厚度為6 nm左右，氧化膜之長膜速度為每分鐘僅成長 約1 nm膜厚左右。另外，即使使用不銹鋼作為該處理容器 11及12的倩形，僅稍微獲得改善。 即使增大微波功率，從而增大於被處理基板W表面上 的電漿密度，也不會增大氧化膜之長膜速度，意指基板表 面上的原子狀態氧〇*之密度，不會隨著電漿密度之增大而 增大’因而所形成的原子狀態氧0*之一部分，並不會影響 被處理基板\之氧化，而於處理空間11A内之某處被消耗。 半導體裝置，尤其是具有快閃記憶體或EEpR〇M等之前 2閘電極的半導體裝置之製造，必須具備能有效形成某種 f膜厚.之高品質氧化膜的技術。藉晃，於圖1之基板處 5名置1 f f抑制對於氧化不影響之原子狀態氧〇*之消 耗，更提高氧化膜或絕緣膜之長膜速度。 【解決問題之方法】
第9頁 1284939 五、發明說明（5) 本發明之概括性課題 型且適用之基板處理裝置 本發明之更具體的課 延伸的微波窗，利用於微 漿，同樣地處理被處理基 由微波電漿所激發的自由 消耗’而將其減低至最小 善。 本發明之另一課題係 裝置，包含： 處理容器，界定進行 基板支持台，配置於 板， 排氣通路，於該處理 該基板支持台而形成； 排氣系統，連接於該 行該處理空間之排氣； 處理氣體供應系統， 微波窗，由電介賓材 之被處理基板，實質上平 該處理容器外壁之一部分 皮天線，連接於該 其特徵為： 該處理空間之至少一 係在於提供能夠解決該課題之新 題係具有平 波窗正下方 板表面之基 墓基板處理 的程度，使 行面對被處理基板之 所形成的高密度電 板處理裝置，對於藉 ’不會影響自由基之 基板處理效率獲得改 在於提供一種微波電漿基板處理 電漿處理之 該處理空間 容器與該基 處理容器， 將處理氣體 料形成，配 行於該被處 ， 微波窗；及 部分係以絕 處理空間； 内以支持被處理基 板,支持台之間， 圍繞 透過該排氣通路以進 導入該處理空間； 置於面對該支持台上 ί里基板並延伸以構成
緣層覆蓋的
Η 第10頁 1284939 五、發明說明（6) 本發明之另一課題係在於提供一種微波電漿基板處理 裝置，包含： 處理谷器’界定進行電漿處理之處理空間； 基板支持台’配置於該處理空間内，用以支持被處理 基板； 排氣通路，於談處理容器與該基板支持台之間所形 成； 排氣系統，連接於該處理容器，透過該排氣通路以進 行該處理空間之排氣； ，理氣體供應系統，將處理氣體導入該處理空間； 微波天線，連接於該處理容器；及 其特徵為： 該處理容器係由石英玻璃製成的，於面對該被處理美 板，部分，構成實質上平行於該被處理基板的微波窗，$ U波天線係連接於該微波窗。 採狀^發明之另一課題係在於更提供一植微波電漿基板處 攻衣置，包含： 基板支持台，用以支持被處理基板； 第1處理容器，圍繞該基板支持台所形成； 台與③2笛1:容!，„形成於該第^處理么器上’該基板支持 一、5 : 处理谷器共同界定進行電漿處理之處理空間· 形成排氣通路，於該基板支持台與該第1處理容器之間所 排氣系統，連接於該第i處理容器，透過該排氣通路
1284939 五、發明說明（7) " ----- 以進行該處理空間之排氣； 理鐵4體供應系統，將處理氣體導入該處理空間； 微波天線，連接該第2處理容器；及 其特徵為·· 該第2處理容器係由石英玻璃製成的，於面對該被處 ，基板的部分，實質上構成平行於該被處理基板的微波 窗，該微波天線係連接於該微波窗。 若根據本發明，藉由界定處理空間之處理容器内壁表 面以形成絕緣膜，最好是形成氟化鋁膜或石英内襯，能抑 制以面您度電漿所形成的氧自由基在處理容器11之内壁表 面或基板支持台1 3之露出表面，甚至在側壁表面被消滅。 再者’精由將微波窗1 4之材質由銘變更為石英玻璃，能抑 制銘被高密度電漿還原成A1，其結果，能抑制因a 1所造成 自由基之消滅。其結果，本發明之微波電漿基板處理裝 置，於被處理基板W表面能夠確保非常高的自由基密度， 可改善長膜速度。 【較佳實施例之詳細說明】 [第1實施例] 圖3係顯示根據本發明第1實施例之微波電漿基板處毽 裝置20構造的圖形。但是於圖3中，於先前說明過的部分 附加相同的對照符號，並省略其說明。 參照圖3，本實施例係以A1構成處理容器11，進—少 於其内壁表面，經由氟化處理而形成氟化鋁層2 1，。另外，
1284939 五、發明說明（8) 以A1N構成基板支持台13，其侧壁表面及放置被處理基板w 之情幵於露出的表面形成石英遮蓋23。另外，圖3之構 造係以铭或石英玻璃形成微波窗丨4而連接至軸線細縫天線 2 1 0，從外面微波源所供應的微波，通過該微波窗丨4而供 應至該處理空間11 A 〇 圖4係顯示與先前圖2說明的相同條件下，操作圖3之 微波電漿基板處理裝置2 〇而得到被處理基板界之氧化速 度，並與先前圖2之結果作一比較。 麥照圖4，藉由於處理容器11之内壁形成氟化鋁層， 付知氧化速度增大至習用技術的1 · 5倍。亦即，意指圖3之 微波電梁基板處理裝置20能夠以約略為習知i 5倍之速度 形成而品質之氧化膜。另外，圖4之結果，意指於圖1之微 波電漿基板處理裝置1 〇 ’於處理空間1 1 A中以高密度電漿 所形成的原子狀恶氧0*中之相當多的部分，將被處理容器 11之内壁所消滅。 再者’圖4所示的該微波窗1 4係使用石英玻璃替代 銘’發現氧化速度再增大為將近習用技術的2倍。此可以 被解釋為：微波窗1 4使用鋁之情形，於微波窗丨4之正下 为’經由被激發的高密度電漿還原鋁，所形成的A丨將消滅 原子狀態氧0*。針對於此，微波窗14i用石英玻璃之情 形’則不會發生如此般之問題，而認為能實現更大的氧化 速度。 再者，圖3之微波電漿基板處理裝置2〇，最好於該基 板支持台1 3周圍，利用A 1作成排氣通路的整流板丨3 a，氟
第13頁 1284939 五、發明說明（9) 化處理其表面而預先形成氟化鋁層。另外，也可以使用石 英内襯替代該氟化鋁層2 1。 還有，本實施例之微波電漿基板處理裝置30，不僅矽 基板之氧化處理，對於氮化處理或氧氮化處理也是有效 的。 矽基板氮化處理之情形，最好將Ar或Kr等稀有氣體與 NH3氣體、或與I氣體導入該處理空間11 a。另外，石夕基板 氧氮化處理之情形，最好再將〇2氣體添加於氮化處理所使 用的氣體之中。 [第2實施例] 圖5係顯示根據本發明第2實施例之微波電漿基板處理 裝置30構造的圖形。但是於圖5中，對應於先前說明過的 部分附加相同的對照符號，並省略其說明。 參照圖5，雖然微波電漿基板處理裝置3 〇係與第j實施 例之微波電漿基板處理裝置2 〇同樣地由上部處理容器丨丨與 下邓處理谷器1 2構成的，在構造上，於處理容器11内配置 安裝好的BERGAR型石英玻璃容器34替代遮蓋板14，該石英 玻璃谷器34實質上平行於該被處理基板w，並延伸至連接 f Ϊ容器11内壁表面之侧壁部分，作為該基板支持台1 3金 f 共同界定處理空間11Α的頂知。另外，於該處ς 内壁表面’以石英内概31覆蓋未配置該石英玻璃 入迨〗ίΓ卩分’於該石英内襯31形成連通於該處理氣體導 入埠11C之處理氣體導入埠3 1A。 导 如圖5所示，該石英玻璃容器34之頂部構成微波窗，
1284939 五、發明說明（10) 軸線細縫天線21 0連接至此微波窗。 如此構造之微波電漿基板處理裝置30，由於以石英玻 =覆蓋處理空間之内壁表面，將可抑制於金屬内壁表 原子狀態氧〇*的消滅’彳以因應於所施加之電聚功率 二虱化處理。其結果，如先前圖4之戶斤說明，便能使氧 化處理之際的氧化膜形成速度顯著地增大。 還有，本實施例之微波電漿基板處理裝置3〇，不僅矽 基板之氧化處理，對於氮化處理或氧氮化^理也是有效 的0 圖6係顯示根據本實施例之微波電漿基板處理裝置3 〇 之變形例之基板處理裝置4 0構造的圖形。 參照圖6，本實施例於下部處理容器12所形成的基板 搬入或搬出口 11B，形成由石英玻璃所構成的可動式擋門 31B、°&其^结^果\將可抑制於該基板搬入或搬出口 11B上的原 子狀恶氧0之消滅，進而提高基板處理效率。另外，於被 處理基板W之特定方向上，並不會減少原子狀態氧〇*的濃 度，便能進行如軸對稱一樣之基板處理。 [弟3實施例] ^圖7係顯示根據本發明第3實施例i微波電漿基板處理 1置50構造的圖形。但是於圖7中，對應於先前說明過的 部分附加相同的對照符號，並省略說明。 卜 參照圖7，雖然微波電漿基板處理裝置50係與先前實 施例之基板處理裝置3〇或4〇同樣具有上部處理容器丨丨與下
1284939 五、發明說明（11) 部處理容器1 2，在構造上，基板支持台1 3可自由上下升 降’對應於該基板支持台13之下降位置，於該下部處理容 器1 2中形成被處理基板W之搬入或搬出口 另外，該上部處理容器11安裝好先前說明的BERGAR型 石奂玻璃容器3 4 ’該基板支持台1 3上昇至既定之處理位置 時’於該石英玻璃容器3 4中形成處理空間11 a。此時，實 質上藉由石英玻璃容器34之内壁表面、基板支持台13上之 被處理基板W、及對應於該基板支持台丨3之處理位置所形 成的整流板1 3 A以界定該處理空間11 a。 圖7之構造，進一步於該上部處理容器11之石英玻璃 容器34與整流板13A之間，形成由石英或表面經由氟化處· 理之A1所構成的環31 a，於此環3 la上，形成可連通該處理 氣體導入埠1 1C之該處理氣體導入埠31 a。 如此構造之微波電漿基板處理裝置5 〇，實質上，由於 處理空間11 A完全由石英玻璃或氟化鋁所界定的，驅動軸 線細缝天線210而於處理空間lu中形成高密度電漿之情 形’激發因應於電漿密度之高密度的原子狀態氧Q*，藉由 使用此原子狀態氧〇*，便能形成效率佳、高品質之電漿氧 化膜。 還f，本實施例之微波電漿基板表理裝置5 〇，不僅砍 基板之氧化處理，對於氮化處理或氧氮化處理也是有效 的。 另外，雖然以上之說明係使用軸線細缝天線作為微波 天線’本發明並不侷限於此特定之天線構造，也可以使用
1284939 五、發明說明（12) 角型天線等其他的微波天線。 以上，針對本發明之較佳實施例加以說明，但並不侷 限於本發明此特定之實施例，於專利申請範圍所記載之要 旨内，各式各樣之變形與變更是可能的。 【產業上之利用可能性】 根據本發明，使用微波電漿之微波電漿基板處理裝置 上，藉由以不消滅已激發之自由基的絕緣膜，覆蓋界定處 理空間之内壁表面，便能實現因應於電漿密度之長膜速 度，大幅提昇基板處理效率。
1284939 圖式簡單說明 【圖示之簡單說明】 ^圖1係顯示習知微波電漿基板處理裝置之構造的圖 形。 2係顯示習知微波電漿基板處理裝置之課題的圖 形。 嘣3係顯示根據本發明第1實施態樣之微波電漿基板處 理裝置構造的圖形。 * 賓4係顯示圖3之微波電漿基板處理裝置之效果的圖 形。 '獨5係顯示根據本發明第2實施例之微波電漿基板處理 裝置構造的圖形。 1圖6係顯示圖5之微波電漿基板處理裝置之一變形例的 圖形。 4 7係顯示根據本發明第3實施例之微波電漿基板處理 裝置構造的圖形。 [符號說明] 10 :基板處理裝置 11 :上部處理容器 11Α :處理空間 ' . 11 Β :基板運送口 11 C :處理氣體導入璋 11D :通路 12 :下部處理容器
1284939 圖式簡單說明 12A :排氣口 13 :基板支持台 13A :整流板 14 :微波窗（鋁蓋板） 20 :微波電漿基板處理裝置 21 :氟化鋁層 23 ··石英遮蓋 3 0 :微波電漿基板處理裝置 31 :石英内襯 31 a :環 31A :處理氣體導入埠 31B :可動式擋門 34 :石英玻璃容器 40 :微波電漿基板處理裝置 5 0 :微波電漿基板處理裝置 2 1 0 :轴線細縫天線 W :被處理基板
第19頁
Claims (1)
- 六、申請專利範圍 種微波電漿基板處理ϋ : 9)毛基板 f、';r^lis? iR，uJ * τχ Λ ^ r. •炎告本 91124011 處理容器，界定進行電漿處理之處理空間； 基板支持台，配置於該處理空間内，用以支持被處理 ， 排氣通路，形成於該處理容器與該基板支持台之間； 排氣系統，連接於該處理容器，透過該排氣通路以進 行該處理空間之排氣； 處理氣體供應系統，將處理氣體導入該處理空間； 微波天線，連接於該處理容器；及 其特徵為： 該處理容器係由石英玻璃製成的，於面對該被處理基 板的部分’構成實質上平行於該被處理基板的微波窗，該 从波天線連接於該微波窗。 2.如申請專利範圍第1項之微波電漿基板處理裝置， 其中’於該排氣通路上配置整流板，該整流板係以氟化鋁 或Si 02層所覆蓋的。 3·如申請專利範圍第2項之微波電漿基板處理裝置， 其中’該基板支持台係被形成為可於進行被處理基板的處 理之處理位置與進行被處理基板的搬入或搬出之搬入或搬 出位置之間自由上下升降，在該處理位置，與該處理容器 及該整流板共同界定該處理空間。第20頁 1284939 -^1^91124011_年月 日 -----— 六、申請專利範圍 '^- 4 · 一種微波電漿基板處理裝置，包含·· ，板支持台，用以支持被處理基板； 第1處理容器，圍繞該基板支持台而形成； 第2處理容器，形成於該第i處理容器上，與該基板支 持台及該第1處理容器共同界定進行電漿處理之處理空 間； 排氣通路，形成於該基板支持台與該第1處理容器之 間； / 排氣系統，連接於該第1處理容器，透過該排氣通路 以進行該處理空間之排氣； ^ 處理氣體供應系統，將處理氣體導入該處理空間；及 微波天線，連接該第2處理容器；且 其特徵為： 該第2處理容器係由石英玻璃製成的，於面對該被處 理基板的部分，構成實質上平行於該被處理基板的微波 窗，該微波天線係連接於該微波窗。 b·如申請專利範圍第4項之微波電漿基板處理梦 其中，該第1處理容器的内壁表面係由石英坡 ^ 襯層所覆蓋。 ’表成的内 二如申請專利範圍第4項之微波電漿基板處理 其中’該第1處理容器的内壁表面係以si〇2層 ： 予以覆蓋。 \氣化紹 1284939 案號 91124011 曰 修正 六、申請專利範圍 7.如申請專利範圍第4項之微波電漿基板處理裝置， 其中，於該第1處理容器形成有被處理基板之搬入或搬出 口，該搬入或搬出口設有以氟化鋁層或Si 02層所覆蓋的可 動式擔門。 8.如申請專利範圍第4項之微波電漿基板處理裝 置，其中，該第2處理容器係由如下部份所構成：側壁部 分，對應於該第1處理容器的；及頂部，連接在該側壁部 分而形成，對應於該微波窗。第22頁
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