TWI415189B - 膜形成裝置及其使用方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種用於半導體製程以在諸如半導體晶圓之目標基板上形成膜之膜形成裝置，且亦係關於該裝置之使用方法。本文所用之術語"半導體製程"包括經執行以藉由在諸如半導體晶圓或用於FPD(平板顯示器)(例如，LCD(液晶顯示器))之玻璃基板之目標基板上以預定圖案來形成半導體層、絕緣層及導電層從而在該目標基板上製造半導體設備或製造具有連接於半導體設備之配線層、電極及其類似物之結構的各種製程。
在製造半導體設備中，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薄膜，諸如氮化矽膜或氧化矽膜。舉例而言，此種膜形成製程經如下配置以在半導體晶圓上形成薄膜。
首先，由加熱器將熱處理裝置之反應管(反應室)內部加熱於預定負荷溫度下，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，且經由排氣口將反應管內部之氣體排出，使得反應管內部之壓力減小至預定壓力。
接著，在將反應管內部保持在預定溫度及壓力下(保持排空)的同時，將膜形成氣體經由製程氣體饋給管線供給至反應管中。舉例而言，在CVD之狀況下，當將膜形成氣體供給至反應管中時，膜形成氣體引起熱反應且藉此產生
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，且亦沈積(黏附)於(例如)反應管之內表面及其他部件上，後者成為副產物膜。若當副產物膜存在於反應管之內表面上時膜形成製程繼續進行，則產生壓力且由於石英與副產物膜之間的熱膨脹係數差異而引起反應管之副產物膜及石英少許剝落。因此，顆粒產生且可降低待製造之半導體設備之產率及/或使處理裝置之一些組件損壞。
為解決此問題，在重複膜形成製程數次之後執行反應管內部之清潔。在此清潔過程中，由加熱器將反應管內部加熱於預定溫度下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。藉此，沈積在反應管之內表面上的副產物膜經乾式蝕刻且由清潔氣體移除。日本專利申請公開案第3-293726號揭示一種此類清潔方法。然而，如稍後所述，本發明者已發現此類習知清潔方法可產生問題，因為當清潔反應管後在反應管內部執行膜形成製程時，在所形成之膜上出現諸如金屬污染之污染，因此待製造之半導體設備之產率降低。
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其使用方法，該方法可防止所形成之膜在清潔之後受到污染。
根據本發明之一第一態樣，提供一種用於半導體製程之膜形成裝置的使用方法，該方法包含：一第一清潔製程，該製程係在將一第一清潔氣體供給至該膜形成裝置之反應室中，且將反應室內部設定於第一溫度及第一壓力下以活化第一清潔氣體的同時，由該第一清潔氣體自反應室之內表面移除副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係接著在將一第二清潔氣體供給至反應室中，且將反應室內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化第二清潔氣體的同時，由該第二清潔氣體自反應室之內表面移除污染物，第二清潔氣體包含含氯氣體。
根據本發明之一第二態樣，提供一用於半導體製程之膜形成裝置，其包含：一反應室，其經組態以容納一目標基板；一排氣系統，其經組態以對反應室內部進行排氣；一膜形成氣體供給迴路，其經組態以將膜形成氣體供給至該反應室中，以在該目標基板上形成膜；一第一清潔氣體供給迴路，其經組態以將第一清潔氣體供給至反應室中，以自反應室之內表面移除來源於膜形成氣體之副產物膜；一第二清潔氣體供給迴路，其經組態以將第二清潔氣體供給至反應室中，以自反應室之內表面移除污染物，該第二清潔氣體包含含氯氣體；一第一活化機構，其經組態以活化第一清潔氣體；一第二活化機構，其經組態以活化第二清潔氣體；及一控制部分，其經組態以控制裝置之操作，其中該控制部分執行以下製程：一第一清潔製程，該製程係在將第一清潔氣體供給至反應室中，且將反應室內部設定
於第一溫度及第一壓力下以活化第一清潔氣體的同時，由該第一清潔氣體自反應室之內表面移除副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係接著在將第二清潔氣體供給至反應室中，且將反應室內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化第二清潔氣體的同時，由該第二清潔氣體自反應室之內表面移除污染物。
根據本發明之一第三態樣，提供一種電腦可讀媒體，其含有在處理器上執行之程式指令，該等程式指令在由處理器執行時使用於半導體製程之膜形成裝置執行以下製程：一第一清潔製程，該製程係在將第一清潔氣體供給至膜形成裝置之反應室中，且將反應室內部設定於第一溫度及第一壓力下以活化第一清潔氣體的同時，由第一清潔氣體自反應室之內表面移除副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係接著在將第二清潔氣體供給至反應室中，且將反應室內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化第二清潔氣體的同時，由第二清潔氣體自反應室之內表面移除污染物，該第二清潔氣體包含含氯氣體。
本發明之其他目標及優點將在以下描述中加以闡述，且部分將自該描述顯而易見，或可藉由實踐本發明而瞭解。可藉助於在下文特別指出之手段及組合來實現及獲得本發明之目標及優點。
在研製本發明之過程中，本發明者研究了關於清潔用於半導體製程之膜形成裝置中所用之反應管內部的習知方法
之問題。結果，本發明者已得出如下研究結果。
特定而言，在將諸如氟化氫之清潔氣體供給至反應管中時，可腐蝕氣體供給管線之內部，且藉此產生之金屬化合物及/或金屬元素沈積在反應管之內表面上及/或滲入反應管之內表面中。當在反應管內低壓下執行膜形成製程時，此類污染物自反應管之內表面排出。因此，在所形成之膜上出現諸如金屬污染之污染，藉此降低半導體設備之產率。
為解決此等問題，例如可使用氟化氫(HF)溶液來清潔反應管。在此狀況下，藉由濕式蝕刻來移除副產物膜。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連接及調整反應管。此外，熱處理裝置需要關閉較長時間，藉此增加裝置之停工期且降低其操作速率。
現參考隨附圖式來描述基於以上給出之研究結果而達成之本發明之一實施例。在以下描述中，具有大體上相同功能及配置之組成元件係由相同參考數字表示且僅在必要時進行重複描述。
圖1為展示一根據本發明之一實施例之垂直熱處理裝置的圖。圖2為圖1中所示之裝置之剖視平面圖。如圖1中所示，該熱處理裝置1包括一縱向設為垂直方向之基本上為圓柱形之反應管(反應室)2。該反應管2係由耐熱且耐腐蝕之材料(諸如石英(或碳化矽(SiC)))製成。
反應管2之頂部形成為一直徑朝向頂部遞減之基本上為
圓錐形之頂板3。該頂板3具有一在中心形成之排氣口4以排放反應管2內部之氣體。該排氣口4經由一氣密排氣管線5連接於一排氣部分GE。該排氣部分GE具有一壓力調整機構，包括例如一閥及一真空排氣泵(圖1中未圖示，但在圖3中以參考符號127展示)。排氣部分GE用以排放反應管2內之空氣，且將其設定於預定壓力(真空度)下。
一蓋板6安置於反應管2之下方。該蓋板6係由耐熱且耐腐蝕之材料(諸如石英(或碳化矽(SiC)))製成。蓋板6由一稍後加以描述之晶舟升降器(圖1未圖示，但在圖3中以參考符號128展示)上下移動。當蓋板6由該晶舟升降器向上移動時，反應管2之底部(載入埠)閉合。當蓋板6由晶舟升降器向下移動時，反應管2之底部(載入埠)打開。
一熱絕緣圓筒7安置在蓋板6上。該熱絕緣圓筒7具有一平面加熱器8，該平面加熱器8係由電阻式加熱體製成以防止反應管內部之溫度由於自反應管2載入埠之熱輻射而降低。加熱器8由一圓柱形支撐物9支撐於相對於蓋板6之頂面預定高度水平處。
一轉台10安置在熱絕緣圓筒7之上方。該轉台10用作一用於將一持有目標基板(諸如半導體晶圓W)之晶舟11可旋轉式安裝於其上之台。特定而言，轉台10連接於一安置於其下之轉軸12。該轉軸12穿過加熱器8之中央且連接於一旋轉機構13以使轉台10旋轉。
旋轉機構13主要係由一馬達(未圖示)及一具有一自下方氣密式穿過蓋板6之軸14的旋轉饋給器15形成。軸14與轉
台10之轉軸12耦接以經由轉軸12將馬達之旋轉力傳輸至轉台10。當軸14由旋轉機構13之馬達旋轉時，軸14之旋轉力傳輸至轉軸12，且使轉台10旋轉。
晶舟11經組態以在垂直方向上以預定間隔固持複數個(諸如100個)半導體晶圓W。晶舟11係由耐熱且耐腐蝕材料(諸如石英(或碳化矽(SiC)))製成。因為晶舟11安裝在轉台10上，所以晶舟11隨轉台10一起旋轉，且因此使固持在晶舟11中之半導體晶圓W旋轉。
一由(例如)電阻式加熱體製成之加熱器16安置在反應管2附近以包圍反應管2。反應管2內部由加熱器16加熱，以便將半導體晶圓W加熱(溫度升高)至預定溫度。
製程氣體饋給管線17穿過反應管2接近底部之側壁，且用於將製程氣體(諸如膜形成氣體及清潔氣體)供給至反應管2中。各製程氣體饋給管線17經由一質量流量控制器(MFC)(未圖示)連接於一製程氣體供給部分20。
舉例而言，使用含有矽烷家族氣體之第一膜形成氣體及含有氮化性氣體之第二膜形成氣體作為用於藉由CVD在半導體晶圓W上形成氮化矽膜(產物膜)之膜形成氣體。在此實施例中，矽烷家族氣體為二氯矽烷(DCS:SiH2
Cl2
)氣體且氮化性氣體為氨(NH3
)氣。
使用含鹵素酸性氣體或鹵素氣體與氫氣之混合氣體作為用於移除沈積在反應管2內部之副產物膜的第一清潔氣體。在此實施例中，第一清潔氣體為氟氣、氟化氫氣體及用作稀釋氣體之氮氣的混合氣體。
使用包含含氯氣體之氣體作為用於移除反應管2之內表面上存在之污染物的第二清潔氣體。在此實施例中，第二清潔氣體為包含DCS之氣體。
雖然圖1僅展示一個製程氣體饋給管線17，但如圖2中所示之此實施例中，根據氣體類型，安置複數個製程氣體饋給管線17。明確而言，此裝置包括五個穿過反應管2接近底部之側壁的製程氣體饋給管線17，該等製程氣體饋給管線17由以下管線形成：用於供給DCS之DCS饋給管線17a、用於供給氨之氨饋給管線17b、用於供給氟之氟饋給管線17c、用於供給氟化氫之氟化氫饋給管線17d及用於供給氮之氮饋給管線17e。
一淨化氣體供給管線18亦穿過反應管2靠近底部之側壁。淨化氣體供給管線18經由一質量流量控制器(MFC)(未圖示)連接於一淨化氣體供給來源PGS。
熱處理裝置1進一步包括一用於控制裝置之各別部分的控制部分100。圖3為展示控制部分100之結構之圖。如圖3中所示，控制部分100連接於一操作面板121、(一組)溫度感應器122、(一組)壓力錶123、加熱器控制器124、MFC控制器125、閥控制器126、一真空泵127、一晶舟升降器128等。
操作面板121包括一顯示幕及操作按鈕，且經組態以將操作者之指令傳輸至控制部分100，且在顯示幕上顯示自控制部分100傳輸之各種資料。溫度感應器(組)122經組態以量測反應管2、排氣管線5及製程氣體饋給管線17內部之
各別部分的溫度，且將量測值傳輸至控制部分100。壓力錶(組)123經組態以量測反應管2、排氣管線5及製程氣體饋給管線17內部之各別部分的壓力，且將量測值傳輸至控制部分100。
加熱器控制器124經組態以分別控制加熱器8及加熱器16。加熱器控制器124根據來自控制部分100之指令打開此等加熱器以產生熱量。此外，加熱器控制器124量測此等加熱器之功率消耗且將其傳輸至控制部分100。
MFC控制器125經組態以分別控制安置在製程氣體饋給管線17(17a至17e)及淨化氣體供給管線18上之MFC(未圖示)。MFC控制器125根據來自控制部分100之指令控制流經MFC之氣體的流動速率。此外，MFC控制器125量測流經MFC之氣體之流動速率且將其傳輸至控制部分100。
閥控制器126分別安置在管路線上且經組態以根據自控制部分100接收之指示值控制安置在管路線上之閥的開放速率。真空泵127連接於排氣管線5且經組態以自反應管2內部排放氣體。
晶舟升降器128經組態以向上移動蓋板6，以便將置放在轉台10上之晶舟11(半導體晶圓W)載入反應管2中。晶舟升降器128亦經組態以向下移動蓋板6，以便自反應管2卸載置放在轉台10上之晶舟11(半導體晶圓W)。
控制部分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。此等部件經由一匯流排116相互連接，使得資料可經由匯流排116在該等部件
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物形成時，執行設置方案。製程方案係分別為待由使用者實際執行之熱製程而準備。各製程方案指定自半導體晶圓W載入反應管2中之時刻至卸載經處理之晶圓W之時刻，各別部分之溫度改變、反應管2內部之壓力改變、製程氣體供給之開始/停止定時及製程氣體之供給速率。
ROM 112為由EEPROM、快閃記憶體或硬碟形成之儲存媒體，且用以儲存由CPU 115或其類似物執行之操作程式。RAM 113用作CPU 115之工作區域。
I/O埠114連接於操作面板121、溫度感應器122、壓力錶123、加熱器控制器124、MFC控制器125、閥控制器126、真空泵127及晶舟升降器128，且經組態以控制資料或信號之輸出/輸入。
CPU(中央處理單元)115為控制部分100之集線器。CPU 115經組態以按照來自操作面板121之指令，根據儲存在方案儲存部分111中之方案(製程方案)執行儲存在ROM 112中之控制程式且控制熱處理裝置1之操作。特定而言，CPU 115使溫度感應器(組)122、壓力錶(組)123及MFC控制器125量測反應管2、排氣管線5及製程氣體饋給管線17內部之各別部分的溫度、壓力及流動速率。此外，CPU 115基於量測資料輸出控制信號至加熱器控制器124、MFC控制
器125、閥控制器126及真空泵127，以根據製程方案控制如上提及之各別部分。
接著，參考圖4，說明一種使用上述熱處理裝置1之方法。特定而言，首先，在反應管2內之半導體晶圓W上形成氮化矽膜。接著，移除沈積在反應管2內部之含有氮化矽作為主要組份(其意謂50%或50%以上)之副產物膜。接著，移除反應管2之內表面上存在之污染物(尤其金屬污染物)。圖4為展示根據本發明之一實施例之一膜形成製程及清潔製程的方案之圖。
下述之熱處理裝置1之各別組件係在控制部分100(CPU 115)之控制下操作。在製程期間反應管2內部之溫度及壓力及氣體流動速率係根據圖4中所示之方案來設定，同時如上所述，控制部分100(CPU 115)控制加熱器控制器124(針對加熱器8及16)、MFC控制器125(針對製程氣體饋給管線17及淨化氣體饋給管線18)、閥控制器126及真空泵127。
在膜形成製程中，首先，由加熱器16將反應管2內部加熱於預定負荷溫度下，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(N2
)經由淨化氣體饋給管線18供給至反應管2中。接著，將持有半導體晶圓W之晶舟11置放於蓋板6上，且由晶舟升降器128使蓋板6向上移動。因此，上面支撐有半導體晶圓W之晶舟11載入反應管2中且反應管2氣密性閉合(載入步驟)。
接著，以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮經由淨化
氣體饋給管線18供給至反應管2中。此外，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760℃，如圖4中(a)所示。此外，排放反應管2內部之氣體以將反應管2內部設定於預定壓力下，諸如26.5Pa(0.2托(Torr))，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)。
控制旋轉機構13之馬達以經由轉台10使晶舟11旋轉。晶舟11與其上所支撐之半導體晶圓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，停止經由淨化氣體饋給管線18供給氮。接著，經由製程氣體饋給管線17(饋給管線17a及17b)將含有含矽氣體之第一膜形成氣體及含有氮化性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0.075公升/分鐘，如圖4中(e)所示)供給之DCS(SiH2
Cl2
)。第二膜形成氣體含有以預定流動速率(諸如0.75公升/分鐘，如圖4中(d)所示)供給之氨(NH3
)。
供給至反應管2中之DCS及氨使用反應管2內部之熱引起熱分解反應。分解組份產生氮化矽(Si3
N4
)，從而在半導體晶圓W之表面上形成氮化矽膜(膜形成步驟)。
當在半導體晶圓W之表面上形成之氮化矽膜達到預定厚度時，停止經由製程氣體饋給管線17供給DCS及氨。接著，對反應管2內部進行排氣，且以預定流動速率(如圖4中(c)所示)經由淨化氣體饋給管線18供給氮。如此操作，
使反應管2內部之氣體排放至排氣管線5(淨化步驟)。較佳執行以下循環淨化以確實排空製程管2內部之氣體：重複針對製程管2內部之氣體排放及氮氣供給複數次。
接著，由加熱器16將反應管2內部設定於預定負荷溫度下，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)將氮經由淨化氣體饋給管線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，由晶舟升降器128將蓋板6向下移動，且藉此卸載晶舟11(卸載步驟)。
重複此膜形成製程複數次後，由該膜形成製程產生之氮化矽不僅沈積(黏附)於半導體晶圓W之表面上，且亦沈積(黏附)於反應管2之內表面等上，成為副產物膜。因此，在重複膜形成製程複數次之後，執行第一清潔製程以移除含有氮化矽作為主要組份之副產物膜。此外，當副產物膜藉由第一清潔製程自反應管2之內表面移除時執行第二清潔製程以移除在反應管2之內表面上出現之污染物。配置第一清潔製程之條件以使得氮化矽之蝕刻速率較高且形成反應管2之內表面之材料(石英)的蝕刻速率較低。另一方面，配置第二清潔製程之條件以使得藉由第二清潔氣體中所含之氯與金屬污染物(諸如Fe、Al、Ni、Co、Na及Ca)之反應來促進金屬氯化物之形成。
在第一清潔製程中，首先，由加熱器16使反應管2內部保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)將氮經由淨化氣體
饋給管線18供給至反應管2中。接著，將未持有半導體晶圓W之空晶舟11置放於蓋板6上，且由晶舟升降器128使蓋板6向上移動。因此，晶舟11載入反應管2中且反應管2氣密性閉合(載入步驟)。
接著，以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮經由淨化氣體饋給管路18供給至反應管2中。此外，由加熱器16將反應管2內部加熱於預定清潔溫度下，諸如300℃，如圖4中(a)所示。此外，排放反應管2內部之氣體以將反應管2內部設定於預定壓力下，諸如20,000Pa(150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(穏定步驟)。
當反應管2內部穩定在預定壓力及溫度下時，停止經由淨化氣體饋給管線18供給氮。接著，將包含氟(F2
)、氟化氫(HF)及氮之第一清潔氣體經由製程氣體饋給管線17(饋給管線17c、17d及17e)供給至反應管2中。在此實施例中，以預定流動速率(諸如2公升/分鐘，如圖4中(f)所示)供給氟，以預定流動速率(諸如2公升/分鐘，如圖4中(g)所示)供給氟化氫，且以預定流動速率(諸如8公升/分鐘，如圖4中(c)所示)供給氮或稀釋氣體。
在反應管2中加熱第一清潔氣體，且使第一清潔氣體中之氟活化，藉此形成存在大量反應性自由原子之狀態。經活化之氟觸及沈積於反應管2之內表面等上之副產物膜(含有氮化矽作為主要組份)。因此，蝕刻且移除副產物膜(第一清潔步驟)。
在此第一清潔步驟中，反應管2內部之溫度較佳設定為低於400℃，且更佳為250℃至380℃。若溫度低於250℃，則第一清潔氣體幾乎未活化，因此第一清潔氣體對氮化矽之蝕刻速率可能低於需要值。若溫度高於400℃，則石英或碳化矽(SiC)之蝕刻速率可能變得過高，因此降低蝕刻選擇性。
在此第一清潔步驟中，反應管2內部之壓力較佳設定為13.3Pa(0.1托)至66.5kPa(500托)，且更佳為13.3kPa(100托)至59.85kPa(450托)。使用此範圍時，對氮化矽之蝕刻速率較高，因此改良相對於石英或碳化矽(SiC)對氮化矽之蝕刻選擇性。
當沈積在反應管2內部之副產物膜移除時，停止經由製程氣體饋給管線17供給第一清潔氣體。接著，開始第二清潔製程。
在第二清潔製程中，首先對反應管2內部進行排氣，且以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮經由淨化氣體饋給管線18供給至反應管2中。如此操作，使反應管2內部之氣體排放至排氣管線5。此外，由加熱器16將反應管2內部設定於預定溫度下，諸如400℃，如圖4中(a)所示。此外，將反應管2內部設定於預定壓力下，諸如13.3Pa(0.1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(淨化/穩定步驟)。
當反應管2內部穩定在預定壓力及溫度下時，停止經由淨化氣體饋給管線18供給氮。接著，將包含DCS之第二清
潔氣體經由製程氣體饋給管線17(饋給管線17a)供給至反應管2中。在此實施例中，以預定流動速率(諸如0.05公升/分鐘，如圖4中(e)所示)供給DCS。
在反應管2中加熱第二清潔氣體，且使第一清潔氣體中之氯活化，藉此形成存在大量反應性自由原子之狀態。經活化之氯與反應管2之內表面(在石英表面上及石英表面內)存在之金屬污染物反應，且藉此產生金屬氯化物。因此產生之金屬氯化物昇華且自反應管2中排出，同時由廢氣流運載。因此，可防止膜形成製程期間自反應管2排出金屬污染物，藉此抑制在所形成之膜上諸如金屬污染之污染(第二清潔步驟)。
在第二清潔步驟中，反應管2內部之溫度較佳設定為200℃或200℃以上。若溫度低於200℃，則含氯氣體(DCS)可能液化且協同殘留水分引起腐蝕。反應管2內部之溫度較佳設定為700℃或700℃以下，且更佳為500℃或500℃以下。若溫度高於500℃，尤其高於700℃，則含氯氣體可能引起矽膜形成。因此，在DCS用作含氯氣體之情況下，溫度較佳設定為200℃至700℃，且更佳為200℃至500℃。
在第二清潔步驟中，反應管2內部之壓力較佳設定為13.3Pa(0.1托)至53332Pa(400托)，且更佳為13.3Pa(0.1托)至13333Pa(100托)。在使用此範圍之情況下，第二清潔氣體中之氯與反應管2之內表面上存在之金屬污染物反應以產生金屬氯化物。依據此實施例，膜形成步驟之製程壓力較佳設定為13.3Pa(0.1托)至53332Pa(400托)，且更佳
為13.3Pa(0.1托)至13333Pa(100托)，諸如小於1333Pa(10托)。在滿足上述條件之情況下，可能在膜形成製程期間排出之金屬污染物確實轉變成金屬氯化物且自反應管2中排放。
反應管2之內表面上存在的金屬污染物移除之後，停止經由製程氣體饋給管線17供給第二清潔氣體。接著，對反應管2內部進行排氣，且以預定流動速率(如圖4中(c)所示)將氮經由淨化氣體饋給管線18供給至反應管2中。如此操作，使反應管2內部之氣體排放至排氣管線5(淨化步驟)。
接著，由加熱器16將反應管2內部設定於預定溫度下，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)將氮經由淨化氣體饋給管線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，如圖4中(b)所示。接著，由晶舟升降器128將蓋板6向下移動，且藉此卸載晶舟11(卸載步驟)。
隨著上述製程之執行，反應管2之內表面、晶舟11之表面等上沈積或存在之副產物膜及金屬污染物得以移除。此後，將上面安裝有新一批半導體晶圓W之晶舟11置放於蓋板6上，且以上述方式再次開始膜形成製程。
作為上述實施例之本發明實例PE1，如上所述在圖1及2中所示之熱處理裝置中執行膜形成製程及第一及第二清潔製程，使得反應管2因此經預處理。作為比較實例CE1，在與本發明實例PE1相同之條件下執行膜形成製程及第一清
潔製程，且接著僅執行氮氣淨化而非第二清潔製程，使得反應管2因此經預處理。將半導體晶圓載入因此經預處理之反應管2中，且接著將反應管2內部加熱至800℃以執行在半導體晶圓上之熱製程。接著，將半導體晶圓自反應管2卸載，且量測晶圓表面上之Fe濃度(原子/平方公分)。
圖5為展示本發明實例PE1及比較實例CE1中由此實驗獲得之矽晶圓表面上Fe濃度的圖。如圖5中所示，證實半導體晶圓上之Fe濃度由第二清潔製程而大大減小。進一步執行針對Al及Ni濃度之相同量測，且結果為半導體晶圓上之金屬濃度由第二清潔製程而減少。認為上述結果係由於經活化之氯與反應管2、晶舟11等之石英上及石英內存在之金屬反應，從而產生金屬氯化物，該等金屬氯化物接著自反應管2中排出。
如上所述，根據實施例，在第一清潔步驟之後執行第二清潔製程，使得反應管2內部存在之金屬污染物得以移除。因此，防止膜形成製程期間反應管2自其排出金屬污染物，藉此抑制所形成之膜上諸如金屬污染之污染。
在上述實施例中，第二清潔氣體包含DCS氣體作為含氯氣體。在此方面，含氯氣體可包含一或多種選自由下列各物組成之群之氣體：氯、氯化氫、二氯矽烷(DCS)、四氯矽烷、六氯二矽烷、三氯矽烷及三氯化硼。
在第二清潔氣體之含氯氣體包含氯、氯化氫或三氯化硼之情況下，若製程溫度高於700℃，尤其高於1,050℃，則
反應管2或其類似物之石英可經蝕刻。因此，在此狀況下，在第二清潔步驟期間反應管2內部之溫度較佳設定為200℃至1,050℃，且更佳為200℃至700℃。
在第二清潔氣體之含氯氣體包含二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷或三氯矽烷之情況下，此氣體可用作第一膜形成氣體之矽源氣體。若在第二清潔步驟期間氣體反應管2內部之溫度過高，則二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷或三氯矽烷可引起矽膜形成。因此，在此狀況下，反應管2內部之溫度較佳設定為200℃至700℃，且更佳為200℃至500℃。
在上述實施例中，第一清潔氣體包含氟、氟化氫氣體與用作稀釋氣體之氮的混合氣體(不含氯)；此為含鹵素酸性氣體或鹵素氣體與氫氣之混合氣體的實例。然而，第一清潔氣體可為任何氣體，只要其可移除由於膜形成製程而沈積之副產物膜即可。第一清潔氣體較佳含有稀釋氣體，此係因為若如此配置則處理時間可更易控制。然而，第一清潔氣體可不含稀釋氣體。稀釋氣體較佳由諸如氮氣、氦氣(He)、氖氣(Ne)或氬氣(Ar)之惰性氣體組成。
在上述實施例中，Fe、Al及Ni係藉由第二清潔製程移除，不過其僅為可移除金屬污染物之實例。在此方面，諸如Co、Na及/或Ca之另外金屬污染物可藉由第二清潔製程移除。
在上述實施例中，當將第一及第二清潔氣體供給至加熱至預定溫度之反應管2中時，第一及第二清潔氣體得以活
化。或者，可將第一清潔氣體及/或第二清潔氣體供給至反應管2中，同時在反應管2外由安置在相應製程氣體饋給管線17上之活化機構GAM(參見圖1)活化。在此狀況下，可降低第一及第二清潔步驟期間反應管2內部之溫度。該活化機構GAM可經配置以利用一或多個選自由熱、電漿、光及催化劑組成之群之介質。
在上述實施例中，移除目標為含有氮化矽作為主要組份之副產物膜，該等副產物膜係在氮化矽膜在半導體晶圓W上形成時沈積於反應管2內部。或者，本發明可應用於一種狀況，其中移除目標為當另一含矽絕緣膜(諸如氧化矽膜或氮氧化矽膜)在半導體晶圓W上形成時沈積於反應管2內部之副產物膜。在此狀況下，為形成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性氣體或氮氧化性氣體之第二膜形成氣體。
在上述實施例中，製程氣體饋給管線17係根據氣體類型來安置。或者，舉例而言，製程氣體饋給管線17可根據製程步驟類型來安置。此外，可將複數個製程氣體饋給管線17連接於反應管2靠近底部之側壁，以經由複數個管線供給各氣體。在此狀況下，經由複數個製程氣體饋給管線17將製程氣體供給至反應管2中，且藉此更均勻地散布於反應管2中。
在上述實施例中，所用熱處理裝置為具有單管結構之分批型熱處理裝置。然而，舉例而言，本發明可應用於具有雙管型反應管之分批型垂直熱處理裝置，該反應管係由內
管及外管形成。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分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，可使用儲存有程式之儲存媒體(軟碟、CD-ROM或其類似物)將用於執行上述製程之程式安裝至多用途電腦中，以製備用於執行上述製程之控制部分100。
用於供給此類程式之構件為多種多樣的。舉例而言，程式可由通信線路、通信網路或通信系統來提供而非如上所述之預定儲存媒體。在此狀況下，舉例而言，程式可黏貼於通信網路上之布告欄(BBS)上，且接著在疊加於載波上的同時經由網路來提供。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。
其他優點及修改易於為熟習此項技術者想到。因此，本發明在其更廣泛態樣中並不限於本文展示及描述之詳情及代表性實施例。因此，在不偏離如由隨附申請專利範圍及其等效物所定義之總發明性概念的精神或範疇下可進行各種修改。
1‧‧‧熱處理裝置
2‧‧‧反應室/反應管
3‧‧‧頂板
4‧‧‧排氣口
5‧‧‧排氣管線
6‧‧‧蓋板
7‧‧‧熱絕緣圓筒
8‧‧‧加熱器
9‧‧‧支撐物
10‧‧‧轉台
11‧‧‧晶舟
12‧‧‧轉軸
13‧‧‧旋轉機構
14‧‧‧軸
15‧‧‧旋轉饋給器
16‧‧‧加熱器
17‧‧‧製程氣體饋給管線
17a‧‧‧DCS饋給管線
17b‧‧‧氨饋給管線
17c‧‧‧氟饋給管線
17d‧‧‧氟化氫饋給管線
17e‧‧‧氮饋給管線
18‧‧‧淨化氣體供給管線
20‧‧‧製程氣體供給部分
100‧‧‧控制部分
111‧‧‧方案儲存部分
112‧‧‧ROM
113‧‧‧RAM
114‧‧‧I/O埠
115‧‧‧CPU
116‧‧‧匯流排
121‧‧‧操作面板
122‧‧‧溫度感應器
123‧‧‧壓力錶
124‧‧‧加熱器控制器
125‧‧‧MFC控制器
126‧‧‧閥控制器
127‧‧‧真空泵
128‧‧‧晶舟升降器
GAM‧‧‧活化機構
GE‧‧‧排氣部分
PGS‧‧‧淨化氣體供給來源
W‧‧‧半導體晶圓
圖1為展示根據本發明之一實施例之一垂直熱處理裝置的圖；圖2為圖1中所示之裝置之剖視平面圖；
圖3為展示圖1中所示之裝置之控制部分結構的圖；圖4為展示根據本發明之一實施例之一膜形成製程及清潔製程的方案之圖；圖5為展示本發明實例PE1及比較實例CE1中由實驗獲得之矽晶圓表面上Fe濃度之圖。
1‧‧‧熱處理裝置
2‧‧‧反應室/反應管
3‧‧‧頂板
4‧‧‧排氣口
5‧‧‧排氣管線
6‧‧‧蓋板
7‧‧‧熱絕緣圓筒
8‧‧‧加熱器
9‧‧‧支撐物
10‧‧‧轉台
11‧‧‧晶舟
12‧‧‧轉軸
13‧‧‧旋轉機構
14‧‧‧軸
15‧‧‧旋轉饋給器
16‧‧‧加熱器
17‧‧‧製程氣體饋給管線
18‧‧‧淨化氣體供給管線
20‧‧‧製程氣體供給部分
100‧‧‧控制部分
GAM‧‧‧活化機構
GE‧‧‧排氣部分
PGS‧‧‧淨化氣體供給來源
W‧‧‧半導體晶圓
Claims (20)
- 一種用於一半導體製程之一膜形成裝置之使用方法，該方法包含：一第一清潔製程，該製程係在將一第一清潔氣體供給至該膜形成裝置之一反應室中、且將該反應室之內部設定於第一溫度及第一壓力下以活化該第一清潔氣體的同時，以該第一清潔氣體自該反應室之內表面移除一副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係在將一第二清潔氣體供給至該反應室中、且將該反應室之該內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化該第二清潔氣體的同時，接著以該第二清潔氣體自該反應室之該內表面移除一污染物，該第二清潔氣體包含一含氯氣體。
- 如請求項1之方法，其中該污染物為一金屬污染物。
- 如請求項2之方法，其中該金屬污染物包含一或多種選自由下列各物組成之群之金屬：Fe、Al、Ni、Co、Na及Ca。
- 如請求項3之方法，其中該含氯氣體包含一或多種選自由下列各物組成之群之氣體：氯、氯化氫、二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷、三氯矽烷及三氯化硼。
- 如請求項4之方法，其中該反應室之該內表面含有一選自由石英及碳化矽組成之群之材料作為一主要組份。
- 如請求項4之方法，其中該第二溫度係設定為200℃至700℃。
- 如請求項4之方法，其中該第二壓力係設定為13.3 Pa至53332 Pa。
- 如請求項1之方法，其中該副產物膜含有一選自由氮化矽、氧化矽及氮氧化矽組成之群之物質作為一主要組份，且該第一清潔氣體含有鹵素及氫作為元素。
- 如請求項8之方法，其中該第一清潔氣體包含一不含氯之氣體，該氣體係選自由下列各物組成之群：一含鹵素酸性氣體及一鹵素氣體與氫氣之一混合氣體。
- 如請求項9之方法，其中該第一溫度係設定為250℃至380℃。
- 如請求項9之方法，其中該第一壓力係設定為3.3 kPa至59.85 kPa。
- 如請求項1之方法，其中在將該第一清潔氣體之供給轉換至該第二清潔氣體之供給之間插入一將一惰性氣體供給至該反應室中而不供給該第一清潔氣體及該第二清潔氣體之時段。
- 如請求項1之方法，其中在該第一清潔製程及該第二清潔製程之前及之後的各時段內，該方法進一步包含一膜形成製程，該製程係在將一含有一含矽氣體之第一膜形成氣體及一含有一選自由一氮化性氣體、一氧化性氣體及一氮氧化性氣體組成之群之氣體的第二膜形成氣體供給至該反應室中的同時，藉由CVD在該反應室內在一目標基板上形成一由一選自由氮化矽、氧化矽及氮氧化矽組成之群之物質製成的膜。
- 如請求項13之方法，其中該第一膜形成氣體包含一含有矽及氯之氣體，該氣體被進一步用於該第二清潔氣體。
- 如請求項14之方法，其中該第一膜形成氣體包含一或多種選自由二氯矽烷、四氯矽烷、六氯二矽烷及三氯矽烷組成之群之氣體。
- 如請求項13之方法，其中該膜形成製程經配置以使用一設定為13.3 Pa至1333 Pa之製程壓力P0，該第一壓力P1係設定為3.3 kPa至59.85 kPa，且該第二壓力P2係設定為13.3 Pa至53332 Pa。
- 一種用於一半導體製程之膜形成裝置，其包含：一反應室，其經組態以容納一目標基板；一排氣系統，其經組態以對該反應室之內部進行排氣；一膜形成氣體供給迴路，其經組態以將一膜形成氣體供給至該反應室中以在該目標基板上形成一膜；一第一清潔氣體供給迴路，其經組態以將一第一清潔氣體供給至該反應室中，以自該反應室之一內表面移除一源自於該膜形成氣體之副產物膜；一第二清潔氣體供給迴路，其經組態以將一第二清潔氣體供給至該反應室中，以自該反應室之該內表面移除一污染物，該第二清潔氣體包含一含氯氣體；一第一活化機構，其經組態以活化該第一清潔氣體；一第二活化機構，其經組態以活化該第二清潔氣體；及 一控制部分，其經組態以控制該裝置之一操作，其中該控制部分執行以下製程：一第一清潔製程，該製程係在將該第一清潔氣體供給至該反應室中、且將該反應室之該內部設定於第一溫度及第一壓力下以活化該第一清潔氣體的同時，以該第一清潔氣體自該反應室之該內表面移除一副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係在將該第二清潔氣體供給至該反應室中、且將該反應室之該內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化該第二清潔氣體的同時，接著以該第二清潔氣體自該反應室之該內表面移除一污染物。
- 如請求項17之裝置，其中該第一活化機構及該第二活化機構中之一或兩者經組態以利用一或多種選自由熱、電漿、光及催化劑組成之群之介質。
- 如請求項17之裝置，其中在該第一清潔製程及該第二清潔製程之前及之後的各時段內，該控制部分進一步執行一膜形成製程，該製程係在將一含有一含矽氣體之第一膜形成氣體及一含有一選自由一氮化性氣體、一氧化性氣體及一氮氧化性氣體組成之群之氣體的第二膜形成氣體供給至該反應室中的同時，藉由CVD在該反應室內在一目標基板上形成一由一選自由氮化矽、氧化矽及氮氧化矽組成之群之物質製成的膜。
- 一種電腦可讀媒體，其含有在一處理器上執行之程式指令，當由該處理器執行時，該等指令使一用於一半導體製程之膜形成裝置執行以下製程： 一第一清潔製程，該製程係在將一第一清潔氣體供給至該膜形成裝置之一反應室中、且將該反應室之內部設定於第一溫度及第一壓力下以活化該第一清潔氣體的同時，以該第一清潔氣體自該反應室之內表面移除一副產物膜；及一第二清潔製程，該製程係在將一第二清潔氣體供給至該反應室中，且將該反應室之該內部設定於第二溫度及第二壓力下以活化該第二清潔氣體的同時，接著以該第二清潔氣體自該反應室之該內表面移除一污染物，該第二清潔氣體包含一含氯氣體。
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