TWI411028B - 膜形成裝置及使用其之方法 - Google Patents

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Mitsuhiro Okada
Toshiharu Nishimura
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Description

膜形成裝置及使用其之方法
本發明係關於一種用於在一目標基板(諸如一半導體晶圓)上形成一膜之半導體製程的膜形成裝置，且亦係關於使用該裝置之方法。本文中所使用之術語“半導體製程”包括各種製程，該等製程經執行以藉由在目標基板上以預定圖案形成半導體層、絕緣層及導電層，而在目標基板(諸如半導體晶圓或用於FPD(平板顯示器)之玻璃基板，例如LCD(液晶顯示器))上製造具有待連接至半導體設備之配線層、電極及其類似物之半導體設備或結構。
在製造半導體設備過程中，執行諸如CVD(化學氣相沈積)之製程，以在諸如半導體晶圓之目標基板上形成一薄膜，諸如氮化矽膜或二氧化矽膜。舉例而言，此種膜形成製程係配置為如下所述在半導體晶圓上形成薄膜。
首先，藉由加熱器在預定負荷溫度下加熱熱處理裝置之反應管(反應室)內部，且載入持有複數個半導體晶圓之晶舟。接著，將反應管內部加熱至預定製程溫度，且經由排氣口排放反應管內部之氣體，使得反應管內部之壓力減小至預定壓力。
接著，當將反應管內部保持在預定溫度及壓力下(保持排放)時，經由製程氣體饋給管路供給膜形成氣體至反應管中。舉例而言，在CVD之情況下，當將膜形成氣體供給至反應管中時，膜形成氣體導致熱反應且藉此產生反應產物。該等反應產物沈積於各半導體晶圓之表面上，且在半導體晶圓之表面上形成薄膜。
在膜形成製程期間產生之反應產物不僅沈積(黏附)於半導體晶圓之表面上，而且沈積(黏附)於例如反應管之內表面及其他構件上，後者係作為副產物膜。若膜形成製程係在副產物膜存在於反應管內部時繼續，則某些副產物膜自其分離且產生顆粒。該等顆粒可掉落於半導體晶圓上，且降低了待製造之半導體設備之產量。
為了解決此問題，在膜形成製程重複若干次之後執行反應管內部之清潔。在此清潔過程中，藉由加熱器在預定溫度下加熱反應管內部，且將諸如氟氣與含鹵素酸性氣體之混合氣體的清潔氣體供給至反應管中。對經沈積於反應管之內表面之副產物膜進行乾式蝕刻，且藉由清潔氣體將其移除。日本專利申請案KOKAI公開案第3－293726揭示了此種清潔方法。然而，如稍後之描述，本發明已發現當在清潔反應管內部後執行膜形成製程時，可能會出現問題，即膜形成速率(沈積速率)降低，或產物薄膜遭受顆粒污染。
本發明之一目標為提供一種用於半導體製程之膜形成裝置及一種使用該裝置之方法，其可防止清潔後的沈積速率之降低及顆粒污染。
根據本發明之第一態樣，提供一種使用一用於半導體製程之膜形成裝置之方法，該方法包含：在供給一清潔氣體至該膜形成裝置之一反應室中且將該反應室之一內部設定在一第一溫度及一第一壓力下以活化該清潔氣體時，藉由該清潔氣體移除一經沈積於該膜形成裝置之該反應室之一內表面上的副產物膜，其中該反應室之該內表面含有作為一主成分之選自由石英與碳化矽組成之群的材料；及接著，在供給一平坦化氣體至該反應室中且將該反應室之該內部設定在一第二溫度及一第二壓力下以活化該平坦化氣體時，藉由該平坦化氣體以化學方式平坦化該反應室之該內表面，其中該平坦化氣體含有氟氣及氫氣。
根據本發明之第二態樣，提供一種用於半導體製程之膜形成裝置，該膜形成裝置包含：一反應室，其經配置以容納一目標基板，其中該反應室之一內表面含有作為一主成分之選自由石英與碳化矽組成之群的材料；一加熱器，其經配置以加熱該反應室之一內部；一排氣系統，其經配置以對該反應室之該內部進行排氣；一膜形成氣體供給迴路，其經配置以將一用於在該目標基板上形成一膜之膜形成氣體供給至該反應室中；一清潔氣體供給迴路，其經配置以將一用於自該內表面移除一源自該膜形成氣體之副產物膜的清潔氣體供給至該反應室中；一平坦化氣體供給迴路，其經配置以將一用於以化學方式平坦化該內表面之平坦化氣體供給至該反應室中，該平坦化氣體含有氟氣及氫氣；及一控制部，其經配置以控制該裝置之一操作，其中，該控制部執行：在供給該清潔氣體至該反應室中且將該反應室之該內部設定在一第一溫度及一第一壓力下以活化該清潔氣體時，藉由該清潔氣體移除一經沈積於該反應室之該內表面上之副產物膜；及接著，在供給該平坦化氣體至該反應室中且將該反應室之該內部設定在一第二溫度及一第二壓力下以活化該平坦化氣體時，藉由該平坦化氣體以化學方式平坦化該反應室之該內表面。
根據本發明之第三態樣，提供一種含有用於在一處理器上執行之程式指令之電腦可讀媒體，該等程式指令在由該處理器執行時，使得一用於半導體製程之膜形成裝置執行：在供給一清潔氣體至該膜形成裝置之一反應室中且將該反應室之一內部設定在一第一溫度及一第一壓力下以活化該清潔氣體時，藉由該清潔氣體移除一經沈積於該膜形成裝置之該反應室之一內表面上的副產物膜，其中該反應室之該內表面含有作為一主成分之選自由石英與碳化矽組成之群的材料；及接著，在供給一平坦化氣體至該反應室中且將該反應室之該內部設定在一第二溫度及一第二壓力下以活化該平坦化氣體時，藉由該平坦化氣體以化學方式平坦化該反應室之該內表面，其中該平坦化氣體含有氟氣及氫氣。
本發明之額外目標及優勢將在下文之描述中進行闡述，且根據該描述部分目標及優勢將顯而易見，或可藉由本發明之實施而瞭解。本發明之目標及優勢可藉由下文中特別指出之手段及組合來實現及獲得。
在開發本發明之過程中，發明者研究了關於清潔在用於半導體製程之膜形成裝置中所用的反應管之內部的習知方法，在清潔之後沈積速率之降低及顆粒污染的問題。為此，發明者已獲得以下發現。
具體而言，在膜形成製程重複複數次之後，反應管之內表面可由於由副產物膜所給予之應力而受到損壞且可在其之上形成裂紋。特定而言，當在石英反應管中執行氮化矽膜之膜形成製程時，藉由此製程所形成之副產物膜施加相對較大之應力至反應管。因此，在反應管之內表面上趨向於容易形成較大裂紋。
在藉由清潔自反應管之內表面移除副產物膜時該等裂紋在其之上被暴露。反應管之內表面上之裂紋增加了表面積，且可藉此導致沈積速率降低。另外，石英粉末可容易地自反應管之裂紋分離及掉落，且產生顆粒。
為了解決此問題，例如可使用氟化氫(HF)溶液來清潔反應管。在此情況下，可藉由濕式蝕刻將副產物膜及裂紋一起移除。然而，此濕式蝕刻需要如下操作：拆下反應管、手動清潔反應管，且接著重新附接及調整該反應管。此外，需要長時間關閉熱處理裝置，因此增加了裝置之停工時間且降低了其操作速率。
現將參看隨附圖式描述基於上述發現而實現之本發明之實施例。在以下描述中，藉由相同的參考數字來指示具有大體上相同的功能及配置之組成元件，且僅在必要時才進行重複性描述。
圖1係展示根據本發明之一實施例之垂直熱處理裝置的視圖。如圖1中所示，熱處理裝置1包括一基本上為圓柱形之反應管(反應室)2，其縱向方向係經設定為垂直方向。反應管2係由諸如石英之耐熱性及耐腐蝕性材料製成。
反應管2之頂部係形成為朝向頂部直徑遞減之基本上為圓錐形之頂板3。頂板3具有一形成於中央處之排氣口4，其用於排放反應管2內部之氣體。排氣口4係經由氣密排氣管路5連接至排氣部分GE。該排氣部分GE具有一壓力調節機構，包括(例如)一閥門及一真空排氣泵。排氣部分GE係用於排放反應管2內部之大氣，且將其設定在預定壓力(真空級)下。
將蓋子6安置於反應管2之下面。蓋子6係由諸如石英之耐熱性及耐腐蝕性材料製成。蓋子6係藉由一稍後描述之晶舟升降機(在圖1中未圖示，但在圖2中圖示，參考符號為128)向上及向下移動。當蓋子6藉由晶舟升降機向上移動時，反應管2之底部(載入埠)關閉。當蓋子6藉由晶舟升降機向下移動時，反應管2之底部(載入埠)打開。
將熱絕緣圓筒7安置於蓋子6上。熱絕緣圓筒7配備有一由電阻加熱體製成之平坦加熱器8，以防止反應管內部之溫度由於來自反應管2之載入埠之熱輻射而降低。加熱器8藉由圓柱支撐物9相對於蓋子6之頂面支撐於一預定高度處。
將旋轉台10安置於熱絕緣圓筒7之上。旋轉台10係用作用於可旋轉地在其之上安裝固持目標基板(諸如半導體晶圓W)之晶舟11的工作臺。具體而言，將旋轉台10連接至安置於其之下之旋轉機械軸12。旋轉機械軸12穿過加熱器8之中央且被連接至用於使旋轉台10旋轉之旋轉機構13。
旋轉機構13主要係由馬達(未圖示)及一具有自下面氣密地穿過蓋子6之軸14的旋轉進給器15形成。將軸14耦接至旋轉台10之旋轉機械軸12，以經由旋轉機械軸12傳遞馬達之旋轉力至旋轉台10。當軸14藉由旋轉機構13之馬達旋轉時，軸14之旋轉力被傳遞至旋轉機械軸12，且使旋轉台10旋轉。
晶舟11係經配置以在垂直方向上以預定間隔固持複數個(例如100個)半導體晶圓W。晶舟11係由諸如石英之耐熱性及耐腐蝕性材料製成。因為晶舟11係安裝於旋轉台10上，所以晶舟11隨旋轉台10一起旋轉，且因此使固持於晶舟11中之半導體晶圓W旋轉。
將由(例如)電阻加熱體製成之加熱器16安置於反應管2附近以圍繞反應管2。藉由加熱器16加熱反應管2內部，以使得半導體晶圓W加熱(溫度增加)至預定溫度。
製程氣體饋給管路17穿過底部附近反應管2之側壁，且用於供給製程氣體(諸如膜形成氣體、清潔氣體及平坦化氣體)至反應管2中。各製程氣體饋給管路17係經由一稍後描述之質量流量控制器(MFC)(在圖1中未圖示，但在圖2中圖示，參考符號為125)連接至製程氣體供應源GS1。
舉例而言，將六氯二矽烷(Si2 Cl6 )及氨(NH3 )之混合氣體用作膜形成氣體，以在半導體晶圓W上形成氮化矽膜。舉例而言，將氟氣(F2 )、氫氣(H2 )及氮氣(N2 )之混合氣體用作清潔氣體，以移除經沈積於反應管2內部之副產物膜。將含有氟氣(F2 )及氫氣(H2 )之氣體，諸如氟氣(F2 )、氫氣(H2 )及氮氣(N2 )之混合氣體用作平坦化氣體。
雖然圖1僅展示一個製程氣體饋給管路17，但在此實施例中根據待在相應製程步驟中供給至反應管2之氣體可安置複數個製程氣體饋給管路17。具體而言，用於供給膜形成氣體至反應管2中之膜成形氣體饋給管路、用於供給清潔氣體至反應管2中之清潔氣體饋給管路，及用於供給平坦化氣體至反應管2中之平坦化氣體饋給管路穿過底部附近反應管2之側壁。
沖淨(purge)氣體饋給管路18亦穿過底部附近反應管2之側壁。沖淨氣體饋給管路18係經由一稍後描述之MFC(在圖1中未圖示，但在圖2中圖示，參考符號為125)連接至沖淨氣體供應源GS2。
熱處理裝置1進一步包括一用於控制裝置各部分之控制部100。圖2係展示控制部100之結構的視圖。如圖2中所示，將控制部100連接至操作面板121、(一組)溫度感測器122、(一組)壓力計123、加熱器控制器124、MFC 125、閥控制器126、真空泵127、晶舟升降機128等。
操作面板121包括一顯示幕及操作按鈕，且經配置以傳輸操作者之指令至控制部100，且在顯示幕上顯示自控制部100傳輸之各種資料。溫度感測器122係經配置以量測在反應管2及排氣管路5內部各部分處的溫度，且傳輸量測值至控制部100。壓力計123係經配置以量測在反應管2及排氣管路5內部各部分處的壓力，且傳輸量測值至控制部100。
加熱器控制器124係經配置以控制加熱器8及加熱器16。加熱器控制器124根據來自控制部100之指令接通加熱器8及加熱器16以產生熱。加熱器控制器124亦經配置以量測加熱器8及加熱器16之功率消耗，且將其傳輸至控制部100。
將MFC 125分別安置於管路線上，諸如製程氣體饋給管路17及沖淨氣體饋給管路1。每一MFC 125係經配置以根據自控制部100接收之指令值控制流經相應管路之氣體的流動速率。此外，每一MFC 125係經配置以量測氣體實際流動之流動速率，且傳輸讀數至控制部100。
將閥控制器126分別安置於管路線上且經配置以根據自控制部100接收之指令值控制經安置於管路線上之閥門的開口率。將真空泵127連接至排氣管路5且經配置以排放反應管2內部之氣體。
晶舟升降機128係經配置以向上移動蓋子6，以便將經置放於旋轉台10上之晶舟11(半導體晶圓W)載入反應管2中。晶舟升降機128亦經配置以向下移動蓋子6，以便自反應管2卸載經置放於旋轉台10上之晶舟11(半導體晶圓W)。
控制部100包括一方案儲存部分111、一ROM 112、一RAM 113、一I/O埠114及一CPU 115。此等構件經由匯流排116而互連，以使得資料可經由匯流排116在此等構件之間傳輸。
方案儲存部分111儲存設置方案及複數個製程方案。在製造熱處理裝置1之後，最初僅儲存設置方案。當用於特定熱處理裝置之熱模型或其類似者形成時，執行設置方案。製程方案分別為實際待由使用者執行之熱製程而準備。每一製程方案指定自半導體晶圓W被載入反應管2中之時間至經處理之晶圓W被卸載之時間，各部分處之溫度變化、反應管2內部之壓力變化、供給製程氣體之開始/停止時序，及製程氣體之供給速率。
ROM 112係由EEPROM、快閃記憶體或硬碟形成之記錄媒體，且用於儲存由CPU 115或其類似者執行之操作程式。RAM 113係用作CPU 115之工作區域。
將I/O埠114連接至操作面板121、溫度感測器122、壓力計123、加熱器控制器124、MFC 125、閥控制器126、真空泵127及晶舟升降機128，且經配置以控制資料或信號之輸出/輸入。
CPU(中央處理單元)115為控制部100之中樞。CPU 115係經配置以執行經儲存於ROM 112中之控制程式，且按照來自操作面板121之指令，根據經儲存於方案儲存部分111中之方案(製程方案)來控制熱處理裝置1之操作。具體而言，CPU 115致使溫度感測器122、壓力計123及MFC 125量測反應管2及排氣管路5內部各部分處之溫度、壓力及流動速率。此外，CUP 115基於量測資料輸出控制信號至加熱器控制器124、MFC 125、閥控制器126及真空泵127以根據製程方案控制以上提及之各部分。
接著，將參看圖3及圖4給出對使用上述熱處理裝置1之方法的解釋說明。具體而言，首先在反應管2內半導體晶圓W上形成氮化矽膜。接著，移除經沈積於反應管2內部之含有作為主成分(其意謂50%或更多)之氮化矽的副產物膜。接著，以化學方式平坦化反應管2之內表面。圖3係展示根據本發明之一實施例之膜形成製程之方案的視圖。圖4係展示根據本發明之一實施例之清潔及平坦化製程之方案的視圖。
下述之熱處理裝置1之各組件係在控制部100(CPU 115)之控制下進行操作的。在製程期間，根據圖3及圖4中所示之方案設定反應管2內部之溫度與壓力及氣體流動速率，而控制部100(CPU 115)如上所述控制加熱器控制器124(用於加熱器8及16)、MFC 125(在製程氣體饋給管路17及沖淨氣體饋給管路18上)、閥控制器126及真空泵127。
在膜形成製程過程中，首先藉由加熱器16在預定負荷溫度下(諸如300℃，如圖3中(a)所示)加熱反應管2內部。此外，以預定流動速率(如圖3中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。接著，將固持半導體晶圓W之晶舟11置放於蓋子6上，且藉由晶舟升降機128向上移動蓋子6。為此，將其上支撐有半導體晶圓W之晶舟11載入至反應管2中且將反應管2氣密地關閉(載入步驟)。
接著，以預定流動速率(如圖3中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。此外，藉由加熱器16將反應管2內部加熱至預定膜形成溫度(製程溫度)，諸如600℃，如圖3中(a)所示。此外，排放反應管2內部之氣體以將反應管2內部設定在預定壓力下，諸如13.3 Pa(0.1托)，如圖3中(b)所示。不斷執行減壓及加熱操作直至反應管2穩定在預定壓力及溫度(穩定步驟)下。
旋轉機構13之馬達係經控制以經由旋轉台10使晶舟11旋轉。晶舟11係與其上支撐之半導體晶圓W一起旋轉，藉此均勻地加熱半導體晶圓W。
當反應管2內部穩定在預定壓力及溫度下時，停止經由沖淨氣體饋給管路18供給氮氣。接著，經由製程氣體饋給管路17將含有含矽氣體之第一膜形成氣體及含有氮化氣體之第二膜形成氣體供給至反應管2中。在此實施例中，第一膜形成氣體含有以預定流動速率(諸如0.1公升/分鐘，如圖3中(d)所示)供給之六氯二矽烷(Si2 Cl6 )。第二膜形成氣體含有以預定流動速率(諸如1公升/分鐘，如圖3中(e)所示)供給之氨(NH3 )。
經供給至反應管2中之六氯二矽烷及氨利用反應管2中之熱量導致熱分解反應。分解組份產生氮化矽(Si3 N4 )，自該氮化矽在半導體晶圓W表面上形成氮化矽膜(膜形成步驟)。
當形成於半導體晶圓W表面上之氮化矽膜達到一預定厚度時，停止經由製程氣體饋給管路17供給六氯二矽烷及氨。接著，對反應管2內部進行排氣，且經由沖淨氣體饋給管路18以預定流動速率(如圖3中(c)所示)供給氮氣。如此操作可將反應管2內部之氣體排放至排氣管路5(沖淨步驟)。較佳地，重複對製程管2內部進行排氣及氮氣供給複數次，以便可靠地排放製程管2內部之氣體。
接著，藉由加熱器16將反應管2內部設定在預定溫度下，諸如300℃，如圖3中(a)所示。此外，以預定流動速率(如圖3中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。藉此使製程管2內部之壓力恢復至大氣壓力，如圖3中(b)所示。接著，藉由晶舟升降機128向下移動蓋子6，且藉此卸載晶舟11(卸載步驟)。
重複此膜形成製程複數次後，由該膜形成製程所產生之氮化矽不僅沈積(黏附)於半導體晶圓W之表面上，而且作為副產物膜沈積(黏附)於反應管2之內表面等上。因此，在重複膜形成製程複數次之後，執行清潔製程以移除含有作為主成分之氮化矽之副產物膜。此外，執行平坦化製程以便移除當藉由清潔製程自反應管2內表面移除副產物膜時於反應管2內表面上被暴露之裂紋。此等清潔及平坦化製程係藉由利用蝕刻操作來執行。配置清潔製程之條件，以使得對氮化矽之蝕刻速率較高，且對形成反應管2內表面之材料(石英)之蝕刻速率較低。在另一方面，配置平坦化製程之條件，以使得對石英之蝕刻速率較高。
在清潔製程中，首先藉由加熱器16將反應管2內部維持在預定負荷溫度下，諸如300℃，如圖4中(a)所示。此外，以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。接著，將未固持半導體晶圓W之空晶舟11置放於蓋子6上，且藉由晶舟升降機128向上移動蓋子6。為此，晶舟11被載入至反應管2中且將反應管2氣密地關閉(載入步驟)。
接著，以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。此外，藉由加熱器16在預定清潔溫度下(諸如350℃，如圖4中(a)所示)加熱反應管2內部。此外，排放反應管2內部之氣體以將反應管2之內部設定在預定壓力下，諸如53,200 Pa(400托)，如圖4中(b)所示。不斷執行減壓及加熱操作直至反應管2穩定在預定壓力及溫度下(穩定步驟)。
當反應管2之內部穩定在預定壓力及溫度下時，經由製程氣體饋給管路17將清潔氣體供給至反應管2中。在此實施例中，清潔氣體含有以預定流動速率(諸如2公升/分鐘，如圖4中(d)所示)供給之氟氣(F2 )、以預定流動速率(諸如0.75公升/分鐘，如圖4中(e)所示)供給之氫氣(H2 )及以預定流動速率(諸如12公升/分鐘，如圖4中(c)所示)供給之氮氣或稀釋氣體。
在反應管2中加熱清潔氣體，且使清潔氣體中之氟氣活化，藉此形成其中存在許多反應性自由原子之狀態。經活化之氟氣與經沈積於反應管2之內表面等上的副產物膜(含有作為主成分之氮化矽)接觸。為此，蝕刻副產物膜且將其移除(蝕刻步驟)。
在此清潔步驟中，反應管2內部之溫度較佳地係設定為低於400℃，且更佳地為250℃至380℃。若溫度低於250℃，則清潔氣體難以活化，因此清潔氣體對氮化矽之蝕刻速率可能會低於必需值。若溫度高於380℃，則對石英或碳化矽(SiC)之蝕刻速率可能變得過高，因此蝕刻選擇性惡化。
在此清潔步驟中，反應管2內部之壓力較佳地係設定為13.3 Pa(0.1托)至66.5 kPa(500托)，且更佳地為13.3 kPa(100托)至59.85 kPa(450托)。使用此範圍時，對氮化矽之蝕刻速率高，因此相對於石英或碳化矽(SiC)改良了對氮化矽之蝕刻選擇性。
對於清潔氣體，氫氣相對於氟氣之流率比(H2 /F2 )較佳地係設定為0.05/2至1.95/2，且更佳地為0.1/2至1/2。使用此範圍時，對氮化矽之蝕刻速率高，而對使用或碳化矽(SiC)之蝕刻速率低，因此改良了蝕刻選擇性。
當移除經沈積於反應管2內部之副產物膜時，停止經由製程氣體饋給管路17供給清潔氣體。接著，對反應管2內部進行排氣，且經由沖淨氣體饋給管路18以預定流動速率(如圖4中(c)所示)供給氮氣至反應管2中。如此操作可將反應管2內部之氣體排放至排氣管路5。此外，藉由加熱器16將反應管2內部設定在預定溫度下，諸如500℃，如圖4中(a)所示。此外，將反應管2內部設定在預定壓力下，諸如53,200 Pa(400托)，如圖4中(b)所示。不斷執行此等操作直至反應管2穩定在預定壓力及溫度下(沖淨/穩定步驟)。
當反應管2之內部穩定在預定壓力及溫度下時，經由製程氣體饋給管路17將平坦化氣體供給至反應管2中。在此實施例中，平坦化氣體含有以預定流動速率(諸如2公升/分鐘，如圖4中(d)所示)供給之氟氣(F2 )、以預定流動速率(諸如0.25公升/分鐘，如圖4中(e)所示)供給之氫氣(H2 )及以預定流動速率(諸如11公升/分鐘，如圖4中(c)所示)供給之氮氣。
在反應管2中加熱平坦化氣體且藉此使其活化，且蝕刻反應管2之整個內表面等，藉此以化學方式平坦化反應管2之內表面等。因此，平坦化步驟係經配置，以蝕刻反應管2之整個內表面等，藉此移除其上形成之裂紋。因此，有可能在膜形成製程期間，抑制膜形成速率(沈積速率)之降低及顆粒之產生。
在此平坦化步驟中，反應管2內部之溫度較佳地係設定為200℃至600℃。若溫度低於200℃，則平坦化氣體難以活化，為此平坦化氣體對石英之蝕刻速率可能會低於必需值。若溫度高於600℃，則對氮化矽之蝕刻速率可能變得過高，因此蝕刻選擇性惡化。此溫度更佳地係設定為200℃至500℃。使用此範圍時，改良了反應管2之縱向方向上之蝕刻均勻性，因此反應管2之內表面等得以進一步平坦化。
在此平坦化步驟中，反應管2內部之壓力較佳地係設定為13.3 Pa(0.1托)至66.5 kPa(500托)，且更佳地為13.3 kPa(100托)至59.85 kPa(450托)。使用此範圍時，對石英或碳化矽(SiC)之蝕刻速率變高，因此有效平坦化反應管2之內表面等。
對於平坦化氣體，氫氣相對於氟氣之流率比(H2 /F2 )較佳地係設定為0.05/2至1.95/2，且更佳地為0.1/2至1/2。使用此範圍時，對石英或碳化矽(SiC)之蝕刻速率高，因此改良了移除裂紋之效率。此外，平坦化氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比較佳地係設定為小於清潔氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比。
在平坦化反應管2之內表面等後，停止經由製程氣體饋給管路17供給氟氣、氫氣及氮氣。接著，對反應管2內部進行排氣，且經由沖淨氣體饋給管路18以預定流動速率(如圖4中(c)所示)供給氮氣至反應管2中。如此操作可將反應管2內部之氣體排放至排氣管路5(沖淨步驟)。
接著，藉由加熱器16將反應管2內部設定在預定溫度下，諸如300℃，如圖4中(a)所示。此外，以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮氣(N2 )經由沖淨氣體饋給管路18供給至反應管2中。藉此使製程管2內部之壓力恢復至大氣壓力，如圖4中(b)所示。接著，藉由晶舟升降機128向下移動蓋子6，且藉此卸載晶舟11(卸載步驟)。
在執行上述製程時，移除了在反應管2之內表面、晶舟11之表面等上沈積之副產物膜及形成之裂紋。其後，將其上安裝有許多新的半導體晶圓W之晶舟11置放於蓋子6上，且以上述方式再次開始膜形成製程。
<實驗1>
在上述清潔步驟中，為了移除含有作為主成分之氮化矽的副產物膜，對條件進行配置以使得對氮化矽之蝕刻速率較高，且對形成反應管2之內表面的材料(石英)之蝕刻速率較低。為了研究清潔氣體之組成以實現此特徵，進行如下實驗。具體而言，以不同流動速率值之氟氣及氫氣製備清潔氣體，且量測其對氮化矽(Si3 N4 )、石英(SiO2 )及碳化矽(SiC)之蝕刻速率。在實驗1中，將反應管2內部之溫度設定在300℃下，且將反應管2內部之壓力設定在53,200 Pa(400托)下。圖5係展示在實驗1中使用之清潔氣體(亦即組成CP1至CP4)之組份氣體之流動速率(公升/分鐘)的視圖。
圖6係展示由圖5中所示之清潔氣體所獲得之蝕刻速率的視圖。如圖6中所示，在清潔氣體不含氫氣(組成CP1)時，對氮化矽之蝕刻速率低。因此，清潔氣體需要含有氫氣。在另一方面，在清潔氣體含有氫氣(組成CP2至CP4)時，對氮化矽之蝕刻速率較高，而對石英及碳化矽之蝕刻速率並未增加。具體而言，相對於形成反應管2之內表面之材料(石英或其類似物)對副產物膜之蝕刻選擇性得到了改良。因此，清潔氣體較佳含有氫氣以及氟氣。特定而言，與組成CP2及CP3相比，組成CP4提供對氮化矽之更高的蝕刻速率及更高的蝕刻選擇性。因此，如在組成CP4中，清潔氣體較佳含有大量氫氣(氫氣之流動速率係設定為0.75公升/分鐘)。
<實驗2>
在上述平坦化步驟中，為了移除當自反應管2之內表面移除副產物膜時於反應管2之內表面上被暴露的裂紋，對條件進行配置以使得對石英(或碳化矽)之蝕刻速率較高。為了研究平坦化氣體之組成以實現此特徵，進行如下實驗。具體而言，以不同流動速率值之氫氣製備平坦化氣體，且量測其對石英(SiO2 )之蝕刻速率。在實驗2中，將反應管2內部之溫度設定在550℃下，且將反應管2內部之壓力設定在53,200 Pa(400托)下。圖7係展示在實驗2中使用之平坦化氣體(亦即組成CP5至CP8)之組份氣體之流動速率(公升/分鐘)的視圖。
圖8係展示藉由圖7中所示之平坦化氣體所獲得之蝕刻速率的視圖。如圖8中所示，隨著平坦化氣體中之氫氣流動速率的減小，對石英之蝕刻速率增大。在另一方面，如參考圖6所描述，隨著氫氣流動速率之減小，對氮化矽之蝕刻速率減小。因此，如在組成CP5中，平坦化氣體較佳含有較低流動速率之氫氣(氫氣之流動速率係設定為0.25公升/分鐘)。平坦化氣體中之氫氣的流動速率較佳地係設定為低於清潔氣體中之氫氣的流動速率。
<實驗3>
進行一項實驗以檢查上述製程是否將移除經沈積於反應管2之內表面上之副產物膜且平坦化反應管2之內表面。具體而言，根據圖3中所示之方案，使含有作為主成分之氮化矽之副產物膜在反應管2內表面上沈積至3 μm之厚度。接著，根據圖4中所示之方案，處理反應管2內表面，且檢查經處理的反應管2內表面之表面狀態。將顯微鏡攝影術用於檢查反應管2內表面之表面狀態。
結果，在清潔製程之後，在反應管2內表面上基本上觀察不到副產物膜。因此，已證實根據該實施例之清潔製程可移除經沈積於反應管2內部之副產物膜。此外，在平坦化製程之後，於反應管2內表面上形成之小裂紋得以完全移除。因此，已證實根據該實施例之平坦化製程可充分地平坦化反應管2之內表面。
<結果及修改>
如上所述，根據上述實施例，依序執行清潔步驟及平坦化步驟，以便移除經沈積於反應管2內部之副產物膜，且平坦化反應管2之內表面。因此，有可能在膜形成製程期間，抑制膜形成速率(沈積速率)之降低及顆粒之產生。此外，與使用濕式蝕刻來清潔熱處理裝置1之情況相比，有可能抑制操作速率之降低。此外，因為上述實施例針對清潔氣體及平坦化氣體中之各者採用氟氣、氫氣及氮氣之混合氣體，所以製程氣體可容易地進行切換。
在上述實施例中，為了在半導體晶圓W上形成氮化矽膜，將六氯二矽烷用作包含於第一膜形成氣體中之含矽氣體，且將氨用作包含於第二膜形成氣體中之氮化氣體。一替代性組合可由用作含矽氣體之二氯矽烷(SiH2 Cl2 )及用作氮化氣體之氨形成。
在上述實施例中，移除目標為含有作為主成分之氮化矽之副產物膜，其係在氮化矽膜形成於半導體晶圓W上時，沈積於反應管2內部。或者，本發明可應用於移除目標為當另一含矽絕緣膜(例如二氧化矽膜或氮氧化矽膜)形成於半導體晶圓W上時沈積於反應管2內部之副產物膜的情況。在此情況下，為了形成二氧化矽膜或氮氧化矽膜，可供給含有含矽氣體之第一膜形成氣體及含有氧化氣體或氮氧化氣體之第二膜形成氣體。此外，經沈積於反應管2內部之物質並不限於含矽絕緣膜，且其可為(例如)氯化銨膜。
在上述實施例中，清潔氣體為氟氣(F2 )、氫氣(H2 )及氮氣(N2 )之混合氣體。然而，清潔氣體可為任何氣體，只要其經配置以使得對沈積於反應管2內部之物質的蝕刻速率高於對形成反應管2內部之材料(石英或其類似物)的蝕刻速率即可。舉例而言，清潔氣體可為氟氣、氯氣及氮氣之混合氣體，或為氟氣、氟化氫氣體及氮氣之混合氣體。此外，在上述實施例中，平坦化氣體為氟氣、氫氣及氮氣之混合氣體。然而，平坦化氣體可為任何氣體，只要其含有氟氣及氫氣即可。平坦化氣體可具有與清潔氣體相同之組成，或可含有不同於清潔氣體之彼等氣體種類的氣體。
在上述實施例中，每當執行清潔步驟時，執行平坦化步驟。或者，平坦化步驟可在清潔步驟之重複次數達到預定數目時執行。舉例而言，可對其進行配置以使得在膜形成製程重複十次後，執行清潔步驟以移除經沈積於反應管2內部之副產物膜，且在此時序之清潔步驟的重複次數達到十時，執行平坦化步驟。在此情況下，修改圖4中所示之方案，其中不執行平坦化步驟，以使得其在不執行跟隨清潔步驟之後的沖淨穩定化步驟及平坦化步驟之情況下結束，但執行沖淨步驟及卸載步驟。
在上述實施例中，平坦化氣體及清潔氣體含有氮氣作為稀釋氣體。此等氣體較佳含有稀釋氣體，此係因為其若如此配置，則可更容易地控制處理時間。然而，平坦化氣體及清潔氣體可不含稀釋氣體。稀釋氣體較佳地由諸如氮氣、氦氣(He)、氖氣(Ne)或氬氣(Ar)之惰性氣體組成。
在上述實施例中，反應管2、蓋子6及晶舟11係由石英製成。或者，此等構件可主要由選自諸如碳化矽(SiC)之其他含矽材料的材料製成。同樣在此情況下，依序執行清潔步驟及平坦化步驟，以便移除經沈積於反應管2內部之副產物膜，且平坦化反應管2之內表面。
在上述實施例中，根據製程步驟之類型安置製程氣體饋給管路17。或者，舉例而言，可根據氣體類型安置複數個製程氣體饋給管路17(例如，用於氟氣、氫氣、六氯二矽烷、氨及氮氣之五條管路)。此外，可將複數個製程氣體饋給管路17在底部附近連接至反應管2之側壁，以經由複數個管路供給各氣體。在此情況下，經由複數個製程氣體饋給管路17將製程氣體供給至反應管2中，且藉此更均勻地散佈於反應管2中。
在上述實施例中，所採用之熱處理裝置為具有單管結構之批式熱處理裝置。然而，舉例而言，本發明可應用於具有由內管及外管形成之雙管型反應管2的批式垂直熱處理裝置。或者，本發明可應用於單基板型熱處理裝置。目標基板並不限於半導體晶圓W，且其可為用於(例如)LCD之玻璃基板。
熱處理裝置之控制部100並不限於特定系統，且其可由普通電腦系統來實現。舉例而言，可利用其中儲存程式之記錄媒體(軟性磁碟、CD－ROM或其類似者)將用於執行上述製程之程式安裝於多用電腦中安裝，以便準備用於執行上述製程之控制部100。
用於提供此類程式之構件係多種多樣的。舉例而言，可藉由通信線路、通信網路或通信系統代替如上所述之預定記錄媒體來提供程式。在此情況下，舉例而言，可將程式黏貼於通信網路上之佈告欄(BBS)上，且接著在疊加於載波上時經由網路來提供。如在其他應用程式中，接著將啟動如此提供之程式且在電腦之OS的控制下執行，藉此執行製程。
熟習此項技術者將易於想到額外優勢及修改。因此，本發明在其更廣泛之態樣中並不限於本文中所展示且描述之特定細節及代表性實施例。因此，在不脫離如由隨附申請專利範圍及其均等體所界定之一般發明概念之精神或範疇的情況下，可進行各種修改。
1．．．熱處理裝置
2．．．反應管/反應室/製程管
3．．．頂板
4．．．排氣口
5．．．排氣管路
6．．．蓋子
7．．．圓筒
8．．．平坦加熱器
9．．．圓柱支撐物
10．．．旋轉台
11．．．晶舟
12．．．旋轉機械軸
13．．．旋轉機構
14．．．軸
15．．．旋轉進給器
16．．．加熱器
17．．．製程氣體供給管路
18．．．沖淨氣供給管路
100．．．控制部
111．．．方案儲存部分
112．．．ROM
113．．．RAM
114．．．I/O埠
115．．．CUP
116．．．匯流排
121．．．操作面板
122．．．溫度感測器
123．．．壓力計
124．．．加熱器控制器
125．．．質量流量控制器MFC
126．．．閥控制器
127．．．真空泵
128．．．晶舟升降機
GE．．．排氣部分
GS1．．．製程氣體供應源
GS2．．．沖淨氣體供應源
W．．．半導體晶圓
圖1係展示根據本發明之一實施例之垂直熱處理裝置的視圖；圖2係展示圖1中所示裝置之控制部之結構的視圖；圖3(a)－(e)係展示根據本發明之一實施例的膜形成製程之方案的視圖；圖4(a)－(e)係展示根據本發明之一實施例的清潔及平坦化製程之方案的視圖；圖5係展示在實驗1中使用之清潔氣體(亦即組成CP1至CP4)之組份氣體之流動速率(公升/分鐘)的視圖；圖6係展示由圖5中所示之清潔氣體所獲得之蝕刻速率的視圖；圖7係展示在實驗2中使用之平坦化氣體(亦即組成CP5至CP8)之組份氣體之流動速率(公升/分鐘)的視圖；及圖8係展示由圖7中所示之平坦化氣體所獲得之蝕刻速率的視圖。
1．．．熱處理裝置
2．．．反應管/反應室/製程管
3．．．頂板
4．．．排氣口
5．．．排氣管路
6．．．蓋子
7．．．圓筒
8．．．平坦加熱器
9．．．圓柱支撐物
10．．．旋轉台
11．．．晶舟
12．．．旋轉機械軸
13．．．旋轉機構
14．．．軸
15．．．旋轉進給器
16．．．加熱器
17．．．製程氣體供給管路
18．．．沖淨氣供給管路
100．．．控制部
CONT．．．控制
GE．．．排氣部分
GS1．．．製程氣體供應源
GS2．．．沖淨氣體供應源
W．．．半導體晶圓

Claims (17)

  1. 一種使用一用於一半導體製程之垂直膜形成裝置之方法，該半導體製程係經配置為於一反應室內在沿垂直方向依間隔所保持之複數個目標基板上形成一薄膜者；該方法包含：在供給一清潔氣體至該膜形成裝置之一反應室中、且將該反應室之一內部設定在一第一溫度及一第一壓力下以活化該清潔氣體時，於該等目標基板未保持於該反應室內的情況下，藉由該清潔氣體移除一沈積於該反應室之一內表面上的副產物膜；及接著，在供給一主要含有氟氣、氫氣及氮氣之平坦化氣體至該反應室中、且將該反應室之該內部設定在一第二溫度及一第二壓力下以活化該平坦化氣體時，於該等目標基板未保持於該反應室內的情況下，藉由該平坦化氣體以化學方式平坦化該反應室之該內表面；其中該反應室之該內表面含有選自由石英及碳化矽所組成之群的材料作為一主成分。
  2. 如請求項1之方法，其中該第二壓力係設定為13.3 Pa至66.5 kPa。
  3. 如請求項2之方法，其中該第二壓力係設定為13.3 kPa至59.85 kPa。
  4. 如請求項1之方法，其中該第二溫度係設定為200至600℃。
  5. 如請求項1之方法，其中該平坦化氣體係經配置以便將 氫氣相對於氟氣之流率比設定為0.05/2至1.95/2。
  6. 如請求項1之方法，其中該副產物膜含有選自由氮化矽、氧化矽及氮氧化矽所組成之群的一物質作為一主成分，且該清潔氣體含有氟氣及氫氣。
  7. 如請求項6之方法，其中該副產物膜含有氮化矽作為一主成分，且該平坦化氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比係設定為小於該清潔氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比。
  8. 如請求項6之方法，其中該第一溫度係設定為250至380℃。
  9. 如請求項6之方法，其中該第一壓力係設定為13.3 Pa至66.5 kPa。
  10. 如請求項6之方法，其中該清潔氣體係經配置以便將氫氣相對於氟氣之流率比設定為0.05/2至1.95/2。
  11. 如請求項10之方法，其中該清潔氣體主要含有氟氣、氫氣及氮氣。
  12. 如請求項6之方法，其中，在該移除之前及在該平坦化之後的每一期間內，該方法進一步包含在供給一含有一含矽氣體之第一膜形成氣體及一含有一選自由氮化氣體、氧化氣體及氮氧化氣體所組成之群的氣體之第二膜形成氣體至該反應室中時，於該反應室內藉由CVD在一目標基板上形成一選自由氮化矽、氧化矽及氮氧化矽所組成之群的物質之薄膜。
  13. 如請求項1之方法，其中該方法進一步包含以一惰性氣 體在該移除與該平坦化之間沖淨(purging)該反應室之該內部。
  14. 一種使用一用於一半導體製程之垂直膜形成裝置之方法，該半導體製程係經配置為於一反應室內在沿垂直方向依間隔所保持之複數個目標基板上形成一薄膜者；該方法包含：在供給一主要含有氟氣、氫氣及氮氣之清潔氣體至該膜形成裝置之一反應室中、且將該反應室之一內部設定在一第一溫度及一第一壓力下以活化該清潔氣體時，於該等目標基板未保持於該反應室內的情況下，藉由該清潔氣體移除一沈積於該反應室之一內表面上的副產物膜；及接著，在供給一主要含有氟氣、氫氣及氮氣之平坦化氣體至該反應室中、且將該反應室之該內部設定在一第二溫度及一第二壓力下以活化該平坦化氣體時，於該等目標基板未保持於該反應室內的情況下，藉由該平坦化氣體以化學方式平坦化該反應室之該內表面；其中該反應室之該內表面含有選自由石英及碳化矽所組成之群的材料作為一主成分；該副產物膜含有氮化矽作為一主成分；且該平坦化氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比係設定為小於該清潔氣體中的氫氣相對於氟氣之流率比。
  15. 如請求項14之方法，其中該第二溫度高於該第一溫度。
  16. 如請求項15之方法，其中該平坦化氣體係經配置以便將 氫氣相對於氟氣之流率比設定為0.1/2至1/2。
  17. 如請求項14之方法，其中，在該移除之前，該方法進一步包含在供給一含有一含矽氣體之第一膜形成氣體及一含有一氮化氣體之第二膜形成氣體至該反應室中時，於該反應室內藉由CVD在一目標基板上形成一氮化矽膜。
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