TWI358769B - Method and apparatus for forming silicon oxynitrid - Google Patents

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TWI358769B
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Hiroyuki Matsuura
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Description

1358769 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係與一種用於在目標基板（例如半導體晶圓）上形 成氮氧化矽膜之半導體製程之膜形成方法及裝置有關。本 文所用術語”半導體製程"包括為藉由在一目標基板（例如半 導體晶圓或用於LCD(液晶顯示器）或FPD(平板顯示器）之玻 璃基板）上以預定圖案形成半導體層、絕緣層及導電層而在
該目標基板上製造一半導體元件或一具有欲連接至半導體 元件之線路層、電極及類似物之結構而執行的各種製程。 【先前技術】 裟^用於構成半導體積體電路之半導體元件中，對目 標基板(例如半導體晶圓)執行各種製程，例如膜形成 '勉 刻、氧化、擴散、重組、退火及天然氧化膜移除。例如， 若在半導體㈣上形成氧切膜，則可在（所㈣批次類型 的卜垂直熱處理褒置中使用四乙氧 了5)4)來執行一⑽州 成製紅）。依據此製程，首先將半 ”' 、7 垂直晶圓舟上，並使其沿垂直方向導^曰.晶圓厘轉移至 圓舟上得到支撐。晶圓g可儲存 在该垂直晶 舟可支撐3〇至15〇個晶圓。接 下25個晶圓，而晶圓 宜哭，廿n < 下方將晶圓舟載入制π …並且以氣密方式將該製程容器封I接：载：“ 預疋熱製程，同時控制製程條件 執仃- 程壓力及製程溫度。 如I程氣體流速、製 近年來，由於對增加半導 體電路之小型化與整合程 IJ2067.doc 1358769 度的而求’故需要減輕各製造步驟中半導體元件的熱歷 史，從而改善該等元件的特徵。對於垂直處理裝置，還需 要依據上述需求來改善半導體處理方法。例如，存在一㈣ 製程，其執行膜形成同時間歇性供應一源氣體等等以逐個 或-次若干個地重複形成各層，各層具有原子或分子級厚 度。一般而言’此膜形成方法稱為ALD(原子層沈積），其允 許執行預定製程而不必將晶圓曝露於極高的溫度。此外， ALD膜形成提供良好的階梯覆蓋，因而適於填充半導體元 件之凹陷部分（例如，閘極間間隙），其隨著增加的元件小型 化程度而變得更窄。 Ή如日本專利申请案ΚΟΚΑΙ公告案第2004-28 1 853號 (專利文件1)揭示一種在300至600〇c的低溫下藉由ald形成 氮化矽膜之方法。#而，還未曾提出過合適的藉由ald形 成氮氧化矽膜之方法。 【發明内容】 本發明之一目的係提供一種氮氧化矽膜之形成方法及形 成裝置’其可在低溫下形成具有良好階梯覆蓋之氮氧化矽 膜。 依據本發明之一第一方面，提供一種用於一半導體製程 之膜形成方法’該半導體製程係用於在配置成選擇性地供 應有含一氯矽烷系氣體的一第一製程氣體、含一氧化氣體 的一第二製程氣體及含一氮化氣體的一第三製程氣體的一 製程場中藉由CVD在一目標基板上形成一氮氧化矽膜，該 方法以下述順序交替地包含： 112067.doc 1358769 第-步驟’其執行該第一製程氣體至該製程 應，同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場的供庫: —弟二步驟’其停止該等第-、第二及第三製程氣體至 該製程場的供應； ”體至 -第三步驟’其執行該第二製程氣體至該製程場之供 應’同時停止該等第-與第三製程氣體至該製程場之供 應：該第三步驟包含將該第二製程氣體供應至該製程場同 時藉由一激發機制來激發該第二製程氣體之一激發期間； -第四步驟，其停止該等第…第二及第三製程氣體至 該製程場的供應； 一第五步驟，其執行該第三製程氣體至該製程場之供 應，同時停止該等第一與第二製程氣體至該製程場之供 應，該第五步驟包含將該第三製程氣體供應至該製程場同 時藉由一激發機制來激發該第三製程氣體之一激發期 間；及
一第六步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣體至 該製程場的供應。 依據本發明的一第二方面，提供一種用於半導體製程的 膜形成裝置，其包含： 一製程容器’其具有配置成容納—目標基板的一製程場； 一支撐部件，其係配置成支撐該製程場内部之該目標基 板； 一加熱器，其係配置成加熱該製程場内部之該目標基板； 一排氣系統，其係配置成排出該製程場内部之氣體； 112067.doc •9· 々一第一製程氣體供應電路，其係配置成將含—氯矽烷系 氣體的一第—製程氣體供應至該製程場； 一第二製程氣體供應電路，其係配置成將含—氧化氣體 的—第二製程氣體供應至該製程場； 、—第三製程氣體#應電a，其係'配置成將含—氮化氣體 的一第三製程氣體供應至該製程場； 激發機制，其係配置成選擇性地激發欲供應至該 場的該等第二與第三製程氣體；及 控制區段，其係配置成控制該裝置的一作業， 其中’為了藉由CVD在該目標基板上形成一氮氧化矽 犋，該控制區段以下述順序交替地執行： 第步驟，其執行該第一製程氣體至該製程場的供 二同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場的供應: ▲-第二步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣體至 5亥製程場的供應； 第一步驟其執1行该第二製程氣體至該製程場之供 :’同時停止該等第一與第三製程氣體至該製程場之供 \該第三步驟包含將該第二製程氣體供應至該製程場同 時错由該激發機制來激發該第二製程氣體之—激發期間； ▲第四步驟’其停止該等第―、第二及第三製程氣體至 s亥製程場的供應； 第五步驟’其執行該第三製程氣體至該製程場之供 α同時知止4等第-與第二製程氣體至該製程場之供 應’該第五步驟包含將該第三製程氣體供鮮該製程場同、 112067.doc 時藉由該激發機制來激發該第三製程氣體之一激發期 間；及 一第六步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣體至 該製程場的供應。 依據本發明之一第三方面’提供一種包含用於在一處理 态上執行之程式指令之電腦可讀取媒體，其係用於一種用 於半導體製程的膜形成裝置，該半導體製程係用於在配 置成選擇性地供應有含一氣矽烷系氣體的一第一製程氣 體、含一氧化氣體的一第二製程氣體及含一氮化氣體的一 第三製程氣體的一製程場中藉由CVD在一目標基板上形成 一氮氧化矽膜，其中該等程式指令在該處理器執行時可致 使該膜形成裝置以下述順序交替地執行： —第一步驟，其執行該第一製程氣體至該製程場的供 應，同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場的供應1 -第二步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣體至 该製程場的供應； —第三步驟，其執行該第二製程氣體至該製程場之供 應，同時停止該等第一與第三製程氣體至該製程場之供 應，忒第三步驟包含將該第二製程氣體供應至該製程場同 時藉由一激發機制來激發該第二製程氣體之一激發期間； -第四步驟，其停止該等第第二及第三製程氣體至 該製程場的供應； 第五步驟，其執行該第三製程氣體至該製程場之供 應，同時停止該等第一與第二製程氣體至該製程場之供 112067.doc • 11 - 1358769 應，§玄第五步驟包含將兮楚_ 肘°玄第二製程氣體供應至該製裎妤π 時藉由一激發機制來激發該 好问 間；及 χ Λ第—製程氣體之一激發期 一第六步驟，其停止該等第一、 該製程場的供ρ —帛4程氣體至 以下說明中將提出本發明的其他目的與優勢， 可從說明中理解，或可藉由本發明之實作而習得。本= 的目的及優勢可藉由以下特別指出之方法及組合而實現及 獲得。 7|現及 【實施方式】 現將參考附圖來說明本發明的—具體實施例。在 =，具有實質上相同功能與配置的組成元件係由相同的 參考編號表示，並且僅在雷 m牡鴻要時才予以重複說明。 圖1為顯禾依據本發明一項具體實施例之膜形成裝置（垂 直CVD裝置）之斷面圖。圖2係顯示^所示裝置之部分的斷 面平面圖。膜形成裝置2具有一製程場，其係配置成選擇性 地供應有含二氯残（DCS: SiH2Cl2)氣體（作為—氣石夕烧系 =的-第-製程氣體、含氧(〇2)氣體(作為一氧化氣體) 、一第一製程氣體及含氨⑽3)氣體（作為一氣化氣體）的一 第二製程氣體。膜形成裝置2係配置成在該製程場中藉由 CVD在目標基板上形成一氫氧化梦膜。 膜形成裝置2包括-製程容器4 ’其形狀為具有頂部及開 口底部的圓柱，其中界1製程場5來容納及處理沿垂直方 向以-定間隔堆疊的複數個半導體晶圓（目標基板）。舉例而 I I2067.doc •12· 丄 言’整個製程容器4係由萝 -石笨TIU 田石央氣成裝私办益4的頂部具有 石央頂板ό，用於將頂部以氣密方式密封。。 底部係透過-密封部㈣(例如，◦環）而連接至1谷= 管8。製程容器亦可形成為-單-單元…包括歧= —石英圓柱。 歧管8係由（例如）不銹鋼製成且支撐製程容器4之底部。 由石英製成的-晶圓舟i 2透過歧管8之底部蟑上下移動，藉 此將晶圓舟12載入製程容器4/自製程容器4卸載。若干目標 基板或半導體晶圓W係堆疊於晶圓舟12上。例如，在此具 體實施例中，晶圓舟12具有支柱12A，其可支樓，例如，^ 約50至1〇〇個直徑為3〇〇 _的晶圓（其沿垂直方向隔開本質 上規則的間隔）。 透過由石英製成的絕熱圓柱M將晶圓舟12放置於臺面Μ 上。臺面16係由旋轉軸20支撐，其穿透由（例如）不銹鋼製成 的蓋子18，並且係用於開啟/閉合歧管8的底部埠。
蓋子18中由旋轉軸20穿透的部分具有，例如，一磁流體 讼封體22，以使旋轉軸2〇旋轉式支撐於氣密式密封的狀態 中。一密封部件24,例如〇環，係插入蓋子18之周邊與歧管 8之底部之間，以使製程容器4之内部保持密封狀態。 旋轉軸20係附著於由升降機制25(例如舟升降機）支撐的 臂26的末端。升降機制25向上或向下整體地移動晶圓舟 12與蓋子18。臺面16可固定於蓋子18，以便處理晶圓|時 不必旋轉晶圓舟12。 氣體供應區段係連接至歧管8之用以將預定製程氣體 112067.doc -13- 1358769 '、應至製程夺器4内部之製程場5的側。明確言之，該氣體 供應區段包括製程氣體供應電路u二製程氣 體供應電路32、一第三製程氣體供應電路及一淨化氣體 供應電路3 6。該第一制& a 製程氟體供應電路3 0係配置成供應含
氯石夕统系氣體（例如’二氯石夕烧（DCS · SiH2CD氣體）的一 第一製程氣體°該第二製程氣體供應電路32係配置成供應 :氧化氣體（例如，氧（〇2)氣體）的一第二製程氣體。該第 二製程氣體供應電路3 4係配置成供應含-氮化氣體（例 如，氨_3)氣體）的—第三製程氣體。該淨化氣體供應電 路36係配置成供應—惰性氣體，例如&氣體，作為淨化氣 體視需要，將6亥等第一至第三製程氣體中的各製程氣體 與-適當數量的載體氣體混合 '然而，為簡化說明，下文 將不再提及該載體氣體。
更明確言之’該第一製程氣體供應電路3〇包括一氣體分 配噴嘴40,而該等第二與第三製程氣體供應電路32與㈣ 括-共通氣體分配嘴嘴42。氣體分配喷嘴4〇與42各由一石 英管形成，該石英管從外部穿透歧f8之側壁且接著轉向而 向上延伸（參見圖D。氣體分配喷嘴4〇與42分別且有複數個 喷氣孔椒與42Α，各組孔係在晶圓舟12上的所有晶圓^ 方、沿縱向（垂直方向）隔開預定間隔而形成。噴氣孔4〇Α與 心中的各喷氣孔沿水平方向幾乎均句地輸送對應的製程 氣體，從而形成與晶圓舟12上之晶圓，平行的氣流…淨化 氣體供應電㈣包括-短氣料嘴46’其沿卜部穿透歧管8 的側壁。 112067.doc 14 1358769 噴嘴40與46係分別透過氣體供應線（氣體通道）50與56而 分別連接至DCS氣體與&氣體之氣體來源30S與36S。噴嘴 42係分別透過氣體供應線（氣體通道）52與54而連接至〇2氣 體與NHS氣體之氣體來源32S與34S。氣體供應線50、52、 54及56分別具有切換閥5〇a、52A、54A及56A與流速控制器 5 0B、5 2B、54B及5 6B ’例如質量流量控制器。使用此配置， 可以有控制的流速來供應DCS氣體、〇2氣體、NH3氣體及 N2氣體。 一氣體激發區段66沿垂直方向形成於製程容器4的侧壁 處。在製程容器4之與氣體激發區段66相反的側上，藉由沿 (例如）垂直方向切割製程容器4之側壁而形成用於真空排出 内部空氣之細長的排氣埠68。 明確言之’氣體激發區段66具有一垂直細長開口 7〇，其 係藉由沿垂直方向切割製程容器4之侧壁之預定寬度而形 成。開口 70係覆蓋有一石英封蓋72，其藉由焊接而以氣密 方式連接至製程容器4的外表面。封蓋72具有一垂直細長形 狀，此形狀具有一凹形斷面，以使其從製程容器4向外伸出。 使用此配置形成氣體激發區段66，以使其從製程容器4 的側壁向外伸出且在製程容器4之内部另—側開啟。換言 之，氣體激發區段66之内部空間與製程容器4内部的製程^ 5連通1 口 70具技以涵蓋晶圓舟12上沿垂直方向的^ 晶圓W的一垂直長度β 一對細長的電極74係置放於封蓋72之相反的外表面上且 彼此面對’同時沿縱向(垂直方向)延伸。電極74係透過饋線 112067.doc -15- 1358769 7 8而連接至一 rf (射頻）電源供應76，用於電聚產生。將一 (例如）13.5 6 MHz的RF電壓施加於電極74以在電極74之間 形成一用於激發電漿的RF電場。rf電壓之頻率不限於I〗.56 MHz，亦可將其設定成另一頻率，例如，4〇〇 kHz。 第二與第三製程氣體之氣體分配喷嘴42在低於晶圓舟12 上之最低晶圓W的一位置處沿著製程容器4之徑向向外彎 曲。接著，氣體分配噴嘴42在氣體激發區段66中的最深位 置（離製程容器4之中心最遠的位置）處垂直延伸。亦如圖2 所示，氣體分配喷嘴42自夾置在該對電極74之間的一區域 (RF電場最強的一位置），即，實際產生主要電漿的一電漿 產生£域PS而向外分離。自氣體分配喷嘴42之噴氣孔42A 朝電衆產生區域PS噴出含〇2氣體之第二製程氣體與含Nh3 氣體之第三製程氣體中的各製程氣體。接著，該等第二與 第三製程氣體中的各製程氣體在電漿產生區域卩8中受到激 發（分解或活化）並以此狀態供應至晶圓舟12上的晶圓w上。 由（例如）石英製成的一絕緣防護封蓋80係附著於封蓋72 之外表面且覆蓋該外表面。一冷卻機制（未顯示）係置放於該 絕緣防護封蓋80中且包含冷卻劑通道，其分別面對電極 74。冷卻劑通道供應有冷卻劑（例如，冷卻的氮氣）以冷卻電 極74。絕緣防護封蓋80係覆蓋有一護罩（未顯示），其係置放 於外表面上以防止RF洩漏。 在位於氣體激發區段66之開口 70之附近且在其外邻的一 位置處置放第一製程氣體之氣體分配噴嘴4(^氣體分配喷 嘴40在（製程容器4中）開口 70之外部之—側上向上垂直延 112067.doc 另一方面’與氣體激發區 ^ 匕& 66對置而形成的排氣埠68係 覆蓋有一排氣埠覆蓋部件82
卞Z排亂埠覆羞部件82係由具有U 狀斷面的石英製成'且兹 藉由~接而附著。排氣埠覆蓋部件82 沿著製程容器4之側壁向上驻抽n曰‘ 延伸且具有位於製程容器4之頂 部處的一氣體出口 84。齑土 孔體出口 84係連接至一真空排氣系
統GE，其包括一真空幫浦等。 製程容器4係由一加熱器86(其係用於加熱製程容器4内 部之空氣以及晶圓w)環繞著。在製程容器4中的排氣埠68 附近置放一熱電耦（未顯示）以控制加熱器％。
膜形成裝置2進-步包括一主要控制區段1〇〇，其係由（例 如卜電腦形成’以控制整個裝置。圖3係顯示該主要控制 區筱100之結構的圖式。如圖3所示，主要控制區段1〇〇係連 接至一操作面板121、（一組）溫度感測器122、（一組）壓力計 123、一加熱器控制器124、MFC 125(對應於圖1之流速控制 器50B、52B、54B及5 6B)、閥控制器126、一真空幫浦127(對 應於圖1之真空排氣系統GE)、一舟升降機128(對應於圖i 之升降機制2 5 )、一電漿控制器12 9等。 操作面板121包括一顯示螢幕與操作按鈕且係配置成將 操作者之指令發送給主要控制區段丨〇〇，並在顯示螢幕上顯 示主要控制區段1 00發送的各種資料。溫度感測器122係配 置成測量製程容器4與排氣線内部之個別部分處的溫度並 將測量值發送給主要控制區段丨〇〇。壓力計123係配置成測 112067.doc 17 量製程容器4與排氣線内部之個別部分處的壓力並將測量 值發送給主要控制區段1 〇〇。 加熱器控制器124係配置成控制加熱器86之個別區段。加 熱器控制器124依據來自主要控制區段1〇〇之指令開啟加熱 器86之個別區段以產生熱。加熱器控制器124亦配置成測量 加熱器86之個別區段之功率消耗並將讀數發送給主要控制 區段100。 MFC 125係分別置放於氣體供應線之管路上。各mfc 125 係配置成依據自主要控制區段1 〇〇接收到的指示值控制氣 體流經對應之線之流速。此外，各MFC 125係配置成測量 實際流動之氣體之流速並將讀數發送給主要控制區段丨〇〇。 閥控制器1 26係分別置放於氣體供應線之管路上且係配 置成依據自主要控制區段1〇〇接收到的指示值控制置放於 管路上之閥之開啟速率。真空幫浦127係連接至排氣線且係 配置成排出製程容器4内部的氣體。 舟升降機128係配置成向上移動蓋子18，以將放置於旋轉 臺面16上的晶圓舟12(半導體晶圓w)载入到製程容器4中。 舟升降機128亦配置成向下移動蓋子18，以自製程容器4卸 載放置於旋轉臺面16上的晶圓舟i2(半導體晶圓w)。 電楽·控制器129係配置成依據自主要控制區段1 〇〇接收到 的指令控制氣體激發區段66。因此，在氣體激發區段66中 供應有氣體且活化該氣體時，電漿控制器129控制氧氣或氨 氣之自由基之產生。
主要控制區段100包括一配方儲存部分1U、一 ROM 112067.doc •18- 1358769 ⑴早114及......-扣寻邯件經 由一匯流排116而互連，⑼而可透過匯流排116在並 資料。 配方儲存部分111儲存一設定配方及複數個製程配方。製 泣膜形成裝置2之後’最初僅儲存設定配方。形成特定膜形 成裝置之熱模型等的時候’執行設定配方。針對使用者實 際要執行的熱製程，分別製備其製程配方。各製程配方二
定，將半導體晶圓W載入到製程容器4中之時間至卸載經過 處理之晶圓w之時間的時間期間，個別部分處的溫度變 化、製程容器4内部的壓力變化、製程氣體之供應的開始/ 停止時序及製程氣體之供應速率。 R〇M 11 2係由EEP職、快閃記憶體或硬碟形成的一記 錄媒體且係用以儲存CPU 115或類似者所執行的操作程 式。RAM 113係用作CPU 115的一工作區域。
1/〇蟑114係連接至操作面板⑵、溫度感測器122、麼力 計123、加熱器控制器124、MFCm、闊控制器126、真空 幫浦】27、舟升降機128及電漿控制器129且係配置成控制資 料或信號之輸出/輸入。 CPU(中央處理單元）115係主要控制區段⑽之集線器。 CPU 115係配置成運行儲存MRQM 112中之控制程式且遵 循來自操作面板121之指令、依據儲存於配方儲存部分111 中的一配方（製程配方）控制膜形成裝置2之作業。明確言 之CPU 115致使溫度感測器122、塵力計m及⑽c⑵來 測量製程容器4與排氣線内部之個別部分處的溫度、麼力及 112067.doc • 19. 1358769 流速。此外，CPU 115基於測量資料將控制信號輸出至加熱 器控制器124、MFC 125、閥控制器126及真空幫浦127，以 依據製程配方控制上面提及的個別部分。
以下，將給出在圖1所示裝置中的主要控制區段1〇〇之控 制下執行的一膜形成方法（所謂的ALD(原子層沈積）膜形 成）之說明。在依據此具體實施例之膜形成方法中藉由 CVD在半導體晶圓W上形成一氮氧化矽膜。為了實^此 點，將含二氯矽烷（DCS)氣體（作為一氣矽烷系氣體）的一第 一製程氣體、含〇2氣體（作為一氧化氣體）的一第二製程氣 體及含NH3氣體（作為一氮化氣體）的一第三製程氣體選擇 性地供應到容納晶圓W之製程場5中。
首先，將室溫下的晶圓舟12(其支撐若干（例如5〇至ι〇〇啦 具有300 mm直徑的晶圓）載入在預定溫度下加熱的製程 益4中，並且以氣密方式將製程容器4封閉。接著，將製 容器4的内部真空排氣並將其保持於職的製程壓力下， 且將晶圓溫度升高至用於膜形成的製程溫度。此時，該 置處於—等待狀態，直至該溫度變為穩^。接著，在晶 舟12旋轉時’間歇性地自個別氣體分配喷嘴4〇與42按控 流速供應該等第一至第三製程氣體。 總而言之’首先，自氣體分配噴嘴4G之喷氣孔惋供應 DCS氣體的第—製程氣體以形成與晶圓扣上之晶圓; 行的氣流。供應的同時，DCS氣體之分子以及藉由氣體 解所產生的分解產物之分子與科在晶圓W上被吸收化 成一吸收層（第一階段：DCS吸收）。 112067.doc -20- 1358769 接著自氣體分配噴嘴42之噴氣孔42 A供應含〇2氣體的第 二製程氣體以形成與晶圓舟12上之晶圓W平行的氣流。第 一製程氣體在通過該對電極74之間的電漿產生區域ps時受 到選擇性激發並部分轉換成電漿。此時，產生氧自由基（已 活化物種），例如〇*與〇2*(符號[*]表示其係一自由基卜自 由基從氣體激發區段66的開口 70流出而朝製程容器4的中 心流動，並以層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。氧自 由基供應到晶圓W上時，其與晶圓w上的吸收層中的以發生 反應，藉此在晶圓W上形成一氧化矽薄膜（第二階段：氧化 接著，自氣體分配喷嘴42之喷氣孔42A供應含Nh3氣體的 第三製程氣體以形成與晶圓舟上之晶圓w平行的氣流。 第二製程氣體在通過該對電極74之間的電漿產生區域ps時 受到選擇性激發並部分轉換成電漿。此時，產生氮自由基 與氣自由基（已活化物種），例如，N*、nh*、NH2*及NH3*。 自由基從氣體激發區段66的開口 70流出而朝製程容器4的 中心流動’並以層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。氮 自由基與氛自由基供應到晶圓W上時，其使氧化石夕薄膜氮 化，藉此在晶圓…上形成一氮氧化矽薄膜（第三階段：氮化 圖4係顯示依據本發明該具體實施例之膜形成方法之配 方之時序圖。如圖4所示，依據此具體實施例之膜形成方法 係配置成以此順序交替重複第一至第三階段ST丨至ST3。將 包含第一至第三階段ST1至ST3之循環重複若干次（例如， 200次），並且層壓藉由個別循環所形成的氮氧化矽薄膜， 從而獲得具有目標厚度的氮氧化矽膜。以下更詳細地說明 II2067.doc 1358769 個別階段。 [第一階段STl : DCS吸收] 首先，按預定流速（例如，〇.5 slm(標準公升/分鐘））將氮 氣供應到製程場5中，如圖4(c)所示。此外，將製程場5設定 成處於預定溫度（例如，20(TC )下，如圖4(a)所示，。此時， 對製程場5進行排氣以將製程場5設定成處於預定壓力（例 如，900 Pa)下，如圖4(b)所示》繼續此等操作，直至製程 場5穩定而處於預定壓力與溫度下（穩定化步驟）。 製程場5穩定而處於預定壓力與溫度下時，按預定流速 (例如，1 slm)將DCS氣體供應到製程場5中，圖4(d)所示， 並且按預定流速（例如，0.5 slm)亦將氮氣供應到製程場5 中，圖4(c)所示（流動步驟）。對如此供應到製程場$中的DCS 氣體加熱’藉此使其在製程場5中活化而在晶圓w之表面上 形成一吸收層。 將製程場5之溫度較佳地設定為4 〇 〇至5 5 0 °C。溫度低於 400°C時，可能無法形成氮氧化矽膜。溫度高於550°c時， 可能形成不規則的吸收層’因此會使欲形成之氮氧化石夕膜 之品質與厚度之一致性劣化。將製程場5之溫度更佳地設定 為450至500°C。此溫度範圍可進一步改善欲形成之氮氧化 矽膜之品質與厚度之一致性。 將製程場5之壓力較佳地設定為400至1，2〇〇 Pa。此壓力範 圍可有助於將DCS吸收到晶圓W上。將製程場5之壓力更佳 地設定為800至1，000 Pa。此壓力範圍使得可很容易控制製 程場5之壓力。 112067.doc •22- 1358769
將DCS氣體之流速較佳地設定為〇.5至2 sime流速低於〇 5 slm時，晶圓W上的DCS吸收可能不充分。流速高於2 slm 時’得以吸收到晶圓W上的DCS之比可能變得太低。將DCS 氣體之流速更佳地設定為1至2 slm »此流速範圍可有助於 將DCS吸收到晶圓W上。 持續一預定時間期間供應DCS氣體之後，停止DCS氣體之 供應。另一方面，增大氮氣之流速，並且按預定流速（例如， 5 slm)將氮氣供應到製程場5中，如圖4(c)所示。此時，對 製程場5進行排氣以將其中的氣體排出製程場5(淨化步驟 應注忍，依據膜形成序列，在第一至第三階段期間，將 製程場5之溫度較佳地設定為恆定。因此，在此具體實施例 中，在第一至第二階段期間，將製程場5之溫度設定為45〇 °c。此外，在第一至第三階段期間，使製程場5保持排空。 [第二階段ST2 :氧化] 隨後，按預定流速（例如，〇.5 Slm)將氮氣供應到製程場5 中，如圖4(c)所示。此外，將製程場5設定成處於預定溫度（例 如，45〇 C )下，如圖4(a)所示。此時，對製程場5進行排氣 以將製程場5設定成處於預定壓力（例如，4〇〇 pa)下，如圖 4⑻所示。繼續此等操作，直至製程場5穩定而處於預定壓 力與溫度下（穩定化步驟）。 製程場5穩定而處於預定壓力與溫度下時，.在電極u之間 施加一 RF電源（RF:開啟）’如圖4(g)所示。此外，按預定 流速（例# ’ 3 Slm)將氧氣供應至電極n(在&體激發區段6 中）之間的-位置’如圖4(e)所示。如此供應的氧氣在電極 112067.doc -23· 1358769 11之間受激發（活化）而轉換成電漿並產生氧自由基。將如此 產生的氧自由基自氣體激發區段66供應到製程場5中。此 外’按預定流速（例如，0.5 slm)亦將氮氣供應到製程場5中， 如圖4(c)所示（流動步驟）。 將氧氣之流速較佳地設定為0_5至5 slm。此流速範圍使得 可毫無困難地產生電漿並供應足以氧化晶圓W上之吸收層 中之Si的氧自由基。將氧氣之流速更佳地設定為2.5至3.5 slm。此流速範圍使得可穩定地產生氧電漿。
將RF電源較佳地設定為1 〇至1，5 〇 〇 w。該電源低於1 〇 w 時，難以產生氧自由基。該電源高於1500 w時，氣體激發 區段66之石英壁可能會受損。*RF電源更佳地設定為3〇〇 至500 W。此電源範圍使得可高效地產生氧自由基。 將製程場5之壓力更佳地設定為4〇至4〇〇 pa。此壓力範圍 使得可很容易產生氧自由基且可增加製程場5中氧自由基 之平均自由路徑。將製程場5之壓力更佳地設定為5〇至7〇
Pa。此壓力範圍使得可很容易控制製程場5之壓力。 將氣體激發區段66内的壓力（喷氣孔處的壓力）較佳地設 定為70至4G0 pa且更佳地設定為別至彻ρ&。此壓力範圍 使得可毫無_地產生錢並供應足以氧化晶®W上之吸 收層中之Si的氧自由基。 /續一職時間期間供應氧氣之後，停止氧氣之供應並 停亡RF電源之施加。另_方面，維持氮氣之流速，並且按 預定流速（例如’0.5 Slm)將氮氣供制製程場5中，如圖价） 所示。此時，對製程場5進行排氣以將其中的氣體排出製程 112067.doc -24 - 作…：此淨化步驟設定成使用-較小的氮氣(用 作惰性氣體）流速’例如，.小於第—至第三階段奶至⑺ 之各淨化步驟中所使用的流速之"5的一流速且較佳地為 該等⑽驟中所使用流速之1/8。明確言之，此時所供： 的氮乳僅包括自氣體分配喷嘴4()與42所供應之氮氣，用於 防止至其中之回流。 [第三階段ST3:氮化]
隨後’按預定流速（例如’ 0.5 Slm)將氮氣供應到製程場5 中，如圖4(c)所示。此外，將製程場5設定成處於預定溫度（例 如’ 450t)下，如圖4⑷所示。此時，對製裎場5進行排氣 以將製程場5設定成處於預定壓力（例如，4〇卩幻下，如圖4(b) 所示。繼續此等操作，直至製程場5穩定而處於預定壓力與 溫度下（穩定化步驟）。
製程場5穩定而處於預定壓力與溫度下時，在電極丨〗之間 施加一 RF電源（RF :開啟），如圖4(g)所示。此外，按預定 流速（例如，3 slm)將氨氣供應至電極ιι(在氣體激發區段6 中）之間的一位置’如圖4(f)所示。如此供應的氨氣在電極 11之間受激發（活化）而轉換成電漿並產生氮自由基與氨自 由基。將如此產生的自由基自氣體激發區段66供應到製程 場5中。此外，按預定流速（例如，0.5 slm)亦將氮氣供應到 製程場5中，如圖4(c)所示（流動步驟）。 將氨氣之流速較佳地設定為1至8 slm。此流速範圍使得 可毫無困難地產生電漿並供應足以氮化晶圓W上之氧化妙 膜之自由基。將氨氣之流速更佳地設定為3至4 s 1 m。此流 112067.doc -25- 1358769 速範圍使得可穩定地產生氨電漿。 將RF電源較佳地設定為1〇至U00 w。該電源低於10 w 時’難以產生氮自由基與氨自由基。該電源高於L500 W 時’氣體激發區段66之石英壁可能會受損。將rf電源更佳 地设疋為300至500 W。此電源範圍使得可高效地產生自由 基。 將製程場5之壓力更佳地設定為40至l〇〇Pa。此壓力範圍 使得可很容易產生氮自由基與氨自由基且可增加製程場5 中自由基之平均自由路徑。將製程場5之壓力更佳地設定為 50至70 Pa。此壓力範圍使得可很容易控制製程場5之壓力。 將氣體激發區段66内的壓力（喷氣孔處的壓力）較佳地設 定為70至600 Pa且更佳地設定為280至330 Pa。此壓力範圍 使得可毫無困難地產生電漿並供應足以氮化晶圓w上之氧 化矽膜之自由基。 ▲持續—預定時間㈣供應氨氣之後，停錢氣之供應並 停止RF電源之施加。另一方面，增大氮氣之流速，並且按 預定流速（例如，5 slm)將氮氣供應到製程場5中，如圖4(c) 所不。此時，對製程場5進行排氣以將其中的氣體排出製程 場淨化步驟接著，使氮氣之流速減至〇5_，同時對 製程場5進行排氣。使用較低氮氣流速的此額外淨化可 略。 在第一 P白& ST3中，藉由氨自由基氮化晶圓上的氧化碎膜 時’採用媽基部分取代存在於氧化石夕膜之表面上之_〇H 基與-Η基。因此，執行第三階段ST3之後開始第一階段印 n2067.doc -26- 1358769 時’在氮氧化矽膜之表面上存在-nh2基。在此狀態下供應 DCS時’在氮氧化矽膜之表面上發生以下方程式（丨）所示反 應，且藉此加速DCS之吸收。因此，可改善氮氧化石夕膜之 膜形成速率。 -NH2+SiH2Cl2— -NH(SiH2Cl)+HCl …（l) [結果與修改] 如上所述’依據此具體實施例之膜形成方法係配置成以 此順序交替地重複第一至第三階段ST1至ST3，例如200 次。在此製程中，首先將DCS供應到晶圓W上以形成一 dCS 吸收層’接著供應用以氧化該吸收層之氧自由基以形成一 氧化矽膜，然後供應氨自由基以氮化氧化矽膜。從而，可 高效地形成高品質氮氧化矽膜。 半導體晶圓W之表面上所形成的氮氧化矽膜達到一預定 厚度時，卸載晶圓W。明確言之，按預定流速將氮供應到 製程場5中，從而使製程場5内的壓力恢復為大氣壓力且將 製程場5設定成處於預定溫度下。接著，藉由舟升降機25 使蓋子18向下移動，進而將晶圓舟12以及晶圓％從製程容 器4中卸載出去。 就Ρό梯覆蓋檢查如此形成之氮氧化石夕膜，發現階梯覆蓋 幾乎為100%。此外，此膜之膜厚度之一致性良好。因此， 已證實，可在低溫下形成具有良好階梯覆蓋之氮氧化矽膜。 在上述具體實施例中，膜形成裝置2之用於產生電漿的激 發區段66係以整合方式與製程容器4組合。或者，可以與製 程容器4分離之方式置放激發區段66，以激發製程容器々外 II2067.doc -27* 1358769 部之氣體（所謂的遠端電漿），且接著將受激發氣體供應到製 程容器4中。若供應未活化氣體’則需要在某種程度上提高 製程溫度以補償沒有正在使用之電漿引起之能量減少。 在上述具體實施例中，該第一製程氣體包含DCS氣體作 為一氯矽烷系氣體。就此點而言，氣矽烷系氣體可為選自 由二氯矽烷（DCS)、六氣二矽烷（HCD: Si2Cl6)、三氯石夕院 (SiHClO及四氯化矽（TCS: SiC14)所組成之群組的一或多2 氣體。
在上述具體實施例中，該第二製程氣體包含氧氣作為一 氧化氣體。就此點而言，該氧化氣體可為選自由氧（〇2)、 氧化氮（NO)及氧化二氮（ΝΑ)所組成之群組的一或多個氣
在上述具體實施例中，藉由執行2〇〇個循環而在半導體晶 圓W上形成-氮氧化賴。就此點而言’循環數目可減至SB 例如，50個循環或100個循環，或者，可增至，例如，則 個循環或4〇0個循環。此外’在此情況下，可依據循環之數 目藉由調整（例如）DCS氣體、氧氣及氨氣之流速以及 =:成::預定厚度之氮氧”膜。此外，#由調整此 等參數’可控制t氧化石夕膜中氧與氮之比。 由：上述具體實施例中’使用電漿來產生氧自由基與氣自 土就此點而言，可藉由另一類型的能量(例如 外線輻射）使氧與氨活化。 或糸 在上述具體實施例中，在供廊久制*9名/ 體/ ^程氣體（例如，DCS氣 供應氮氣。就此點而言，在供應各製程氣體時，亦 H2067.doc -28· 1358769 可不供應氮氣。不過，各製程氣體較佳地包含氮氣作為一 稀釋氣體，因為如此配置可更容易控制製程時間。稀釋氣 體較佳地包括一惰性氣體（例如，氮氣、氦氣（He)、氖氣（Ne) 或氬氣（Ar))以及氮氣。 在上述具體實施例中’透過一共通氣體供應喷嘴供應氧 氣與氨氣。或者，依據氣體類型分別置放氣體供應噴嘴。 此外，複數個氣體供應噴嘴可連接至製程容器4之靠近底部 之側壁’以透過複數個噴嘴供應各氣體。在此情況下，透 過複數個氣體供應喷嘴將一製程氣體供應到製程容器4 中，從而使其更均勻地分散在製程容器4中。 在上述具體實施例t ’所採用的熱處理裝置係批次類型 的熱處理裝置，其具有單管結構。不過，舉例而言，本發 明可應用於批次類型的垂直熱處理裝置，其具有一雙管（其 係由内與外管形成）類型的製程容器4。或者，本發明可應 用於單基板類型的熱處理裝置。目標基板不受限於半導體 晶圓W ’其亦可為用於（例如）lcd之玻璃基板。 熱處理裝置之控制區段1 〇〇不受限於一特定系統，其亦可 藉由普通電細糸統而貫現。例如，用於執行上述製程之 程式可藉由使用其中儲存有該程式的記錄媒體（軟碟、 CD-ROM等等）而安裝到—多用途電財，以製備用於執行 上述製程之控制區段100。 用於供應此種類程式的構件係各種各樣的。例如，可藉 由一通信線、通信網路或通信系統（取代上述預定記錄媒體 來供應-程式。在此情況下，❹，可將程式黏貼到通信 112067.doc -29- 1358769 網路上的佈告攔（BBS)上，接著在疊加於一載波上的同時透 過網路加以供應。接著 ’如此提供的程式將如同其他應用 程式一樣付以啟動並在電腦之〇S之控制下運行，從而執> 該製程。 熟習此項技術人士可易於發現額外的優點及修改。因 此，本發明的廣泛方面並不限定於本文所述的特定細節及 其代表的具體實施例。據此’只要不背離隨附申請專利範
圍及其等效範圍所定義的-般發明概念的精神及範嘴，即 可進行各種修正。 【圖式簡單說明】 併入並建構說明書之一部分的附圖⑨明本發明的具體實 施例，並且連同前面的一般說明與文中具體實施例的詳細 說明係用來解說本發明原理。 圖1為顯示依據本發明—瑁且納香 ^ ^孭具體貫施例之膜形成裝置（垂 直CVD裝置）之斷面圖；
圖2係顯示圖丨所示裝置之部分的斷面平面圖； 圖3係顯示圖1所示奘罟夕士 吓丁瑕置之主要控制區段之結構的圖 圖4係顯*依據本發明該具體實施例之膜形成方法之配 方之時序圖。 【主要元件符號說明】 2 膜形成裝置 4 製程容器 5 製程場 112067.doc 1358769 6 石英頂板 8 歧管 10 密封部件 11 電極 12 晶圓舟 12A 支柱 14 絕熱圓柱 16 臺面 18 蓋子 20 旋轉軸 22 磁流體密封體 24 密封部件 25 升降機制 26 臂 30 第一製程氣體供應電路 30S 氣體來源 32 第二製程氣體供應電路 32S 氣體來源 34 第三製程氣體供應電路 34S 氣體來源 36 淨化氣體供應電路 36S 氣體來源 40 氣體分配喷嘴 40A 噴氣孔 112067.doc -31 - fI358769
42 共通氣體分配噴嘴 42A 喷氣孔 46 氣體喷嘴 50 氣體供應線/氣體通道 50A 切換閥 50B 流速控制器 66 氣體激發區段 52 氣體供應線/氣體通道 52A 切換閥 52B 流速控制器 54 氣體供應線/氣體通道 54A 切換閥 54B 流速控制器 56 氣體供應線/氣體通道 56A 切換閥 56B 流速控制器 68 排氣埠 70 開口 72 石英封蓋 74 電極 76 射頻電源供應 78 饋線 80 絕緣防護封蓋 82 排氣埠覆蓋部件 112067.doc -32- 1358769
84 氣體出口 86 加熱器 100 主要控制區段 111 配方儲存部分 112 ROM 113 114 115
121 122 123 124 125 126
128 129 GE PS W RAM 輸入/輸出埠 中央處理單元 匯流排 操作面板 溫度感測器 壓力計 加熱器控制器 MFC 闊控制器 真空幫浦 舟升降機 電漿控制器 真空排氣系統 電漿產生區域 晶圓 112067.doc -33-

Claims (1)

1358769 十、申請專利範圍： 1. 一種用於一半導體製程之膜形成方法，該半導體製程 係用於在配置成選擇性地供應有含一氣矽烷系氣體 的一第一製程氣體、含一氧化氣體的一第二製程氣體 及含一氮化氣體的一第三製程氣體的一製程場中，藉 由CVD在一目標基板上形成一氮氧化矽臈，該方法以 下述順序交替地包含： 一第一步驟’其執行該第一製程氣體至該製程場的 • 供應，同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場 的供應； 一第二步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應； 一第二步驟，其執行該第二製程氣體至該製程場之 供應，同時停止該等第一與第三製程氣體至該製程場 之供應，該第三步驟包含將該第二製程氣體供應至該 • 製程場同時藉由一激發機制來激發該第二製程氣體 之一激發期間； 一第四步驟，其停止該等第一、第二及第 體至該製程場的供應； — 一第五步驟，其執行該第三製程氣體至該製程場之 供應，同時停止該等第一與第二製程氣體至該製程場 之供應，該第五步驟包含將該第三製程氣體供應至該 '易同時藉由一激發機制來激發該第三製程氣體 之一激發期間；及 ^2067.^, 2.
第〇步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應。 如明求項1之方法’其中該等第一至第六步驟係配置 成將4製程場設定為400至550。（：。 如請求項1 > ^ u。β 之方法，其中，該第一步驟係配置成將該 二:昜叹疋成處於4〇〇至i，2〇〇 pa下，該第三步驟係配 置成將。玄製程場設定成處於40至4〇〇 pa下，而該第五 4 乂 ：係配置成將該製程場設定成處於40至1〇〇 pa下。 月长項1之方法，其中，該氯矽烷系氣體包含至少 選自由二氯矽烷、六氣二矽烷、三氣矽烷及四氯化 石夕所組成之群組之氣體。 如請求項1 $ 法’其中’該氧化氣體包含至少一選 自 最 主、氧化氮及氧化二氮所組成之群組之氣體。 ^ D月求項i之方法’其中該氮化氣體包含氨氣。 如請求項1夕·*·、+ # , 方法，其中，在該第一步驟至該第六步 驟期間，—直排出該製程場内部之氣體。 I月求項7之方法，其中該等第二與第六步驟均包含 供應—惰性氣體至該製程場之一期間。 如請求項8 $ ^ t ，八中該第四步驟包含以小於該等 ::與第六步驟中之1/5的一流速將該惰性氣體供應 至該1程場之一期間。 1 0 ·如請求項1 $ tL 二盥一、 法，其中自一共通供應埠供應該等第 ::第二製程氣體，而且’用於激發該第二製程氣體 激發機制與用於激發該第三製程氣體之該激發 3. 5. 6. 8. 9. 112067.doc 1358769 機制包含一共通激發機制。 U·如請求項10之方法，其中該共通激發機制包含一電滎 產生區域，其係置放於一與該製程場連通並介於該目 標基板與該共通供應埠之間的空間中，並且該等第二 與第三製程氣體均係在通過該電衆產生區域時受到 激發。 如°月求項11之方法，其中該第一製程氣體係從該電漿 • 產生區域與該目標基板之間的-位置供應至該製程 場。 如°月求項11之方法，其中該第三步驟係配置成將該共 通供應埠設定成處於70至400 PaT，而該第五步驟係 配置成將該共通供應埠設定成處於70至600 Pa下。 14·如請求項！之方法，其中該製程場係配置成容納沿一 垂直方向以一定間隔隔開的複數個目標基板，並且藉 由置放於該製程場周圍的一加熱器來加熱該等目標 φ 基板。 15.如請求項14之方法，其中該等第―、第二及第三 氣體均係從複數個喷氣孔供應，以形成與該等目標基 板平行的氣流，而且，該等喷氣孔係沿一垂直方向排 列於該等目標基板上方。 Μ. 一種用於一半導體製程之膜形成裝置，其包含： -製程容器’其含有配置成容納—目標基板的一製 程場； -支擇部件’其係、配置成支樓該製程場内部之該目 112067.doc 標基板； —加熱器，其係配置成加熱該製程場内部之該目標 基板； —排氣系統，其係配置成排出該製程場内部之氣 體； 一第一製程氣體供應電路，其係配置成將含一氣矽 炫*糸氣體的一第一製程氣體供應至該製程場. —第二製程氣體供應電路.，其係配置成將含一氧化 氣體的一第二製程氣體供應至該製程場； —第三製程氣體供應電路，其係配置成將含一氮化 氣體的一第三製程氣體供應至該製程場； ，一激發機制，其係配置成選擇性地激發欲供應至該 製程場的該等第二與第三製程氣體；及 —控制區段，其係配置成控制該裝置的—作業， 其中’為了藉由CVD在該目標基板上形成一氮氧化 矽膜，該控制區段以下述順序交替地執行： —第-步驟，其執行該第一製程氣體至該製程場的 供應，同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場 的供應； 乂驟其停止該等第―、第二及第三製程氣 體至邊製程場的供應； —第三步驟，其執行該第二製程氣體至該製程場之 :…同夺^止6亥等第—與第三製程氣體至該製程場 之供應1¾第二步驟包含將該第二製程氣體供應至該 1358769 製程場同時藉由該激發機制來激發該第二製程氣體 之一激發期間； 一第四步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應； 一第五步驟，其執行該第三製程氣體至該製程場之 供應，同時停止該等第一與第二製程氣體至該製程場 之供應，該第五步驟包含將該第三製程氣體供應至該 製程場同時藉由該激發機制來激發該第三製程氣體 之一激發期間；及 一第六步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應。 17. 如請求項16之裝置，其中該激發機制包含一電漿產生 區域，其係置放於一與該製程場連通並介於該目標基 板與該f第一與第三製程氣體之一共通供應淳之間 的空間中，並且該等第二與第三製程氣體均係在通過 s玄電漿產生區域時受到激發。 18. 如請求項17之裝置，其中該製程容器具有一電極及一 RF電源供應’並且該電聚產生區❺包含一藉由該電極 與該RF電源供應而形成於該目標基板與該共通供應 埠之間的RF電場。 ^ 19. 如請求項16之裝置，其中該製程場係酉己置成容納沿一 垂直方向以一定間隔隔開的複數個目標基板，並且藉 由置放於該製程場周圍㈣加熱器來加執該等： 基板。 ’’、、 不 112067.doc 2°.=項19之裝置’其中該等第-、第二及第三製程 從複數個喷氣孔供應以料與料目標基 平行的氣流，而且，該等噴氣孔係沿一垂直方向排 列於該等目標基板上方。 21· 一種電腦可讀取媒體，其包含用於在―處理器上執行 H ’其係用於一種用於一半導體製程的膜形 裝置，該半導體製程係用於在配置成選擇性地供應 有含-氯石夕院系氣體的一第一製程氣體、含一氧化氣 體的帛一製程氣體及含_氮化氣體的_第三製程 氣體的-製程場中’藉由CVD在一目標基板上形成一 氮氧化石夕膜，其令在該處理器執行該等程式指令時可 致使該膜形成裝置以下述順序交替地執行： 第步驟，其執行該第一製程氣體至該製程場的 供應同時停止該等第二與第三製程氣體至該製程場 的供應； 一第二步驟，其停止該等第―、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應； -第三步驟，其執行該第二製程氣體至該製程場之 供應’同時停止該等第一與第三製程氣體至該製程場 η:該第三步驟包含將該第二製程氣體供應至該 製程场同時藉由—激發機制來激發該第二製程氣體 之一激發期間； 一第四步驟，其停止該等第-、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應； I12067.doc 1358769 一第五步驟，其執行該第三製程氣體至該製程場之 供應，同時停止該等第一與第二製程氣體至該製程場 之供應，該第五步驟包含將該第三製程氣體供應至該 製程場同時藉由一激發機制來激發該第三製程氣體 之一激發期間；及 一第六步驟，其停止該等第一、第二及第三製程氣 體至該製程場的供應。 112067.doc
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