TWI421938B - 用於半導體製程之薄膜形成裝置 - Google Patents

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Description

用於半導體製程之薄膜形成裝置
本發明係關於一種用於一半導體製程之薄膜形成裝置，該半導體製程用於在諸如半導體晶圓之目標基板上形成諸如氮化矽薄膜之薄膜。本文中所使用之術語"半導體製程"包括各種種類之製程，其經執行以藉由在諸如半導體晶圓或用於FPD(平面顯示器)(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器件或一具有待連接至一半導體器件之佈線層、電極及其類似物之結構。
在製造半導體器件之過程中，諸如CVD(化學氣相沈積)之製程經執行以在諸如半導體晶圓之目標基板上形成諸如氮化矽薄膜或氧化矽薄膜之薄膜。舉例而言，此種類之薄膜形成製程經配置以如下方式在半導體晶圓上形成薄膜。
首先，熱處理裝置之反應管(反應腔室)之內部由加熱器以預定負載溫度加熱，且裝載固持複數個半導體晶圓之晶舟。接著，反應管之內部被加熱至預定製程溫度，且反應管內之氣體經由排氣口而排放，以使得反應管內之壓力降低至預定壓力。
接著，在將反應管之內部保持於該預定溫度及壓力(保持排氣)時，經由一氣體供應線將薄膜形成氣體供應至反應管中。舉例而言，在CVD之狀況下，當將薄膜形成氣體供應至反應管中時，薄膜形成氣體導致熱反應且藉此產生反應產物。反應產物沈積在每一半導體晶圓之表面上且在半導體晶圓之該表面上形成薄膜。
在薄膜形成製程期間產生之反應產物不僅沈積(黏著)在半導體晶圓之表面上而且沈積(黏著)在(例如)反應管及其他構件之內表面上，沈積在內表面上之薄膜被視為副產物薄膜。若在副產物薄膜存在於反應管等之內表面上時繼續薄膜形成製程，則歸因於反應管等之石英與副產物薄膜之間的熱膨脹係數之差異，應力產生且導致副產物薄膜中的一些及石英之剝落。因此，顆粒產生且可降低待製造之半導體器件之良率及/或損壞處理裝置之一些組件。
為了解決此問題，在重複若干次薄膜形成製程後執行反應管之內部之清潔。在此清潔過程中，由加熱器以預定溫度加熱反應管之內部，且將諸如氟氣與含鹵素之酸性氣體之混合氣體之清潔氣體供應至反應管內。沈積在反應管等之內表面上之副產物薄膜藉此由清潔氣體乾式蝕刻並移除(例如，日本專利申請案KOKAI公開案第3-293726號)。然而，如稍後描述，本發明者已發現此種類之習知薄膜形成裝置伴有與反應管內執行之清潔製程相關之問題，使得清潔製程可在反應管之上側效果較差且清潔氣體之氣體噴嘴容易損壞。
本發明之一目標在於提供一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，其允許在反應管內整體均勻且有效地執行清潔製程。本發明之另一目標在於提供一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，其可防止損壞清潔氣體之氣體噴嘴。
根據本發明之第一態樣，提供一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，該裝置包含：一反應腔室，其經組態以在一垂直方向上間隔容置複數個目標基板；一支撐構件，其具有複數個支撐階層，該複數個支撐階層經組態以支撐該反應腔室內之該等目標基板；一加熱器，其裝設在該反應腔室周圍以加熱該等目標基板；一薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一薄膜形成氣體供應至該反應腔室中，該薄膜形成氣體供應系統包括一氣體分布噴嘴，該氣體分布噴嘴具有涵蓋該支撐構件之所有該等支撐階層以預定間隔形成於其上之複數個噴氣孔；一清潔氣體供應系統，其經組態以供應一用於蝕刻一沈積在該反應腔室內之副產物薄膜之清潔氣體；及一排氣系統，其經組態以自該反應腔室內排放氣體，該排氣系統在一隔著該支撐構件而與該氣體分布噴嘴相對之位置包括一排氣口，其中該清潔氣體供應系統包括一氣體噴嘴，其裝設於該反應腔室之一底部附近，並於其頂部具有一朝上之氣體供應口，且該氣體供應口位於該支撐構件之該等支撐階層中之最下者之下。
根據本發明之第二態樣，提供一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，該裝置包含：一反應腔室，其經組態以在一垂直方向上間隔容置複數個目標基板；一支撐構件，其具有複數個支撐階層，該複數個支撐階層經組態以支撐該反應腔室內之該等目標基板；一加熱器，其裝設在該反應腔室周圍以加熱該等目標基板；一第一薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一含有一矽烷族氣體之第一薄膜形成氣體供應至該反應腔室中；一第二薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一含有一氮化氣體之第二薄膜形成氣體供應至該反應腔室中；一電漿產生部，其附接在該反應腔室外且形成一電漿產生空間，該電漿產生空間經由一出口開口而與一用於容置該等目標基板之製程空間連通，該第二薄膜形成氣體經由該電漿產生空間而供應至該製程空間中；一清潔氣體供應系統，其經組態以供應一用於蝕刻一由該第一薄膜形成氣體與該第二薄膜形成氣體之間的一反應產生且沈積在該反應腔室內之副產物薄膜之清潔氣體；及一排氣系統，其經組態以自該反應腔室內排放氣體，該排氣系統在一隔著該支撐構件而與該電漿產生部之該出口開口相對之位置包括一排氣口，其中該清潔氣體供應系統包括一氣體噴嘴，其裝設於該反應腔室之一底部附近，並於其頂部具有一朝上之氣體供應口，且該氣體供應口位於該支撐構件之該等支撐階層中之最下者之下以及該排氣口之一底部之下。
本發明之額外目標及優勢將在下文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獲悉。可藉由在下文中特別指出的手段及組合來實現並獲得本發明之目標及優勢。
併入於本說明書中且構成本說明書之部分的隨附圖式說明本發明之實施例，且與上文給出的一般描述及下文給出之實施例之詳細描述一起用以解釋本發明之原理。
在開發本發明之過程中，本發明者研究用於與反應腔室內之清潔製程相關的半導體製程之習知薄膜形成裝置所伴有的問題。結果，本發明者獲得下文給出之發現。
具體言之，此種類之薄膜形成裝置包括其中反應管具備一裝設在下側上用於供應清潔氣體之清潔氣體噴嘴及一形成在下側上用於自該反應管內排放氣體之排氣口的類型。在此薄膜形成裝置中，自該清潔氣體噴嘴供應之清潔氣體可能不足以抵達反應管之上側。若清潔氣體之供應在反應管之上側上不足，則副產物薄膜遺留在上側上且因此清潔製程對於薄膜形成裝置而言效果較差。
另一方面，清潔氣體噴嘴可由延伸至反應管之上側之所謂長注射器形成，以使得沈積在反應管之上側上之副產物薄膜被可靠地移除。然而，在長注射器用作清潔氣體噴嘴時，長注射器可能被清潔氣體損壞且藉此彎曲。
現將參看隨附圖式描述基於上文給出之發現而達成之本發明之一實施例。在以下描述中，具有大體上相同之功能及配置之構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為展示根據本發明之一實施例之薄膜形成裝置(垂直CVD裝置)之剖視圖。圖2為展示圖1中所示之裝置之部分的剖視平面圖。此薄膜形成裝置結構化為用於藉由MLD(分子層沈積)在複數個晶圓W上形成氮化矽薄膜之分批類型之垂直處理裝置。
如圖1中所示，薄膜形成裝置1包括一基本上圓柱形之反應管(反應腔室)2，其經配置以使得其頂部閉合且縱向方向係在垂直方向上設定。反應管2在其中形成一用於容置並處理複數個半導體晶圓之製程空間S。反應管2係由諸如石英之耐熱且耐腐蝕之材料製成。
反應管2具備一在垂直方向上沿反應管2於一側上延伸用於自該反應管2內排放氣體之排氣空間21。製程空間S及排氣空間21係由分隔壁22分隔，且複數個排氣孔3h在對應於製程空間S之位置處在垂直方向上以預定間隔形成於分隔壁22中。排氣孔3h用作允許製程空間S與排氣空間21連通之排氣口。排氣孔3h中之最下者之底部位於用於支撐晶圓W之晶舟6之支撐階層中之最下者之上，如稍後描述。排氣孔3h中之最上者之頂部位於該等支撐階層中之最上者之下。
排氣空間21之下端經由接近於底部附接至反應管2之側壁之氣密排氣線4而連接至排氣部GE。排氣部GE具有一壓力調整機構，其包括(例如)一閥門及一真空排氣泵(未展示於圖1中，但在圖3中以參考符號127展示)。排氣部GE用於排放反應管2內之空氣且將其設定於預定壓力(真空位準)。
蓋5裝設於反應管2之下。蓋5係由諸如石英之耐熱且耐腐蝕之材料製成。蓋5由稍後描述之晶舟升降機(未展示於圖1中，但在圖3中以參考符號128展示)上下移動。當蓋5由晶舟升降機上移時，反應管2之底部(裝載口)閉合。當蓋5由晶舟升降機下移時，反應管2之底部(裝載口)打開。
由(例如)石英製成之晶舟6置放在蓋5上。晶舟6具有複數個支撐階層以在垂直方向上以預定間隔分別固持複數個半導體晶圓W。隔熱圓筒可裝設在蓋5上以防止反應管2內之溫度歸因於反應管2之裝載口而下降。此外，一旋轉台可經裝設以在上面可旋轉地安裝固持半導體晶圓W之晶舟6。在此狀況下，置放在晶舟6上之半導體晶圓W之溫度可較均勻。
反應管2由隔熱罩體71圍繞，且由(例如)阻熱本體製成之加熱器7裝設在罩體71之內表面上。反應管2之內部由加熱器7加熱，以使得半導體晶圓W被加熱(溫度增加)至一預定溫度。
氣體分布噴嘴8及9以及氣體噴嘴10在接近於底部處刺穿反應管2之側壁，且用於將製程氣體(諸如，薄膜形成氣體、清潔氣體及用於稀釋、沖洗或壓力控制之惰性氣體)供應至反應管2中。氣體分布噴嘴8及9以及氣體噴嘴10中之每一者經由質量流量控制器(MFC)等(未圖示)連接至製程氣體供應部GS。製程氣體供應部GS包括反應性氣體之氣體源及用作惰性氣體之氮(N2 )氣體之氣體源，以便如下製備薄膜形成氣體及清潔氣體。
具體言之，在此實施例中，為了藉由CVD於半導體晶圓W上形成氮化矽薄膜(產物薄膜)，使用含有矽烷族氣體之第一薄膜形成氣體及含有氮化氣體之第二薄膜形成氣體。在此實施例中，矽烷族氣體為二氯矽烷(DCS：SiH2 Cl2 )氣體，且氮化氣體為氨(NH3 )氣體。第一薄膜形成氣體及第二薄膜形成氣體中之每一者可視需要與適量運載氣體(稀釋氣體，諸如N2 氣體)混合。然而，為了解釋簡單起見，下文中將不提及此運載氣體。
作為用於蝕刻含有氮化矽作為主要組份(其意謂50%或更多)之副產物薄膜之清潔氣體，使用含鹵素之酸性氣體或鹵素氣體與氫氣之混合氣體。在此實施例中，清潔氣體為氟(F2 )氣體、氟化氫(HF)氣體及用作稀釋氣體之氮氣之混合氣體。
氣體分布噴嘴8連接至NH3 氣體及N2 氣體之氣體源，且氣體分布噴嘴9連接至DCS氣體及N2 氣體之氣體源。另一方面，氣體噴嘴10由兩個氣體噴嘴10a及10b構成，其中氣體噴嘴10a連接至F2 氣體及N2 氣體之氣體源，且氣體噴嘴10b連接至HF氣體及N2 氣體之氣體源。可額外地裝設專用於沖洗氣體(諸如，N2 氣體)之氣體噴嘴。
氣體分布噴嘴8及9中之每一者係由石英管形成，該石英管自外側刺穿反應管2之側壁且接著轉向並向上延伸(見圖1)。氣體分布噴嘴8及9中之每一者具有複數個噴氣孔，每一組孔涵蓋晶舟6上之所有晶圓W上在縱向方向(垂直方向)上以預定間隔形成。每一組噴氣孔在水平方向上幾乎均勻地輸送對應製程氣體，以便在晶舟6上形成與晶圓W平行之氣流。另一方面，氣體噴嘴10(10a、10b)中之每一者係由短石英管形成，該石英管自外側刺穿反應管2之側壁且接著轉向並向上延伸(見圖1)。因此，來自氣體噴嘴10之清潔氣流自反應管2之底部朝反應管2之頂部供應至反應管2中。
電漿產生部11附接至反應管2之側壁且在垂直方向上延伸。電漿產生部11具有一藉由在垂直方向上切割反應管2之側壁之預定寬度而形成之垂直狹長開口11b。開口11b係由藉由焊接而氣密地連接至反應管2之外表面之石英罩體11a覆蓋。罩體11a具有一具有凹入橫截面之垂直狹長形狀，以使得其自反應管2向外突出。
藉由此配置，電漿產生部11經形成以使得其自反應管2之側壁向外突出且在其另一側朝反應管2之內部打開。換言之，電漿產生部11之內部空間與反應管2內之製程空間S連通。開口11b具有足以在垂直方向上覆蓋晶舟6上之所有晶圓W之垂直長度。
一對狹長電極12裝設在罩體11a之相對外表面上，且彼此面對同時在縱向方向(垂直方向)上延伸。電極12經由饋電線連接至RF(射頻)電源12a以用於電漿產生。將(例如)13.56MHz之RF電壓施加至電極12以形成用於在電極12之間激發電漿之RF電場。RF電壓之頻率不限於13.56MHz，且其可設定於另一頻率，例如，400kHz。
第二薄膜形成氣體之氣體分布噴嘴8在低於晶舟6上之最下晶圓W之位置處在反應管2之徑向方向上向外彎曲。接著，氣體分布噴嘴8在電漿產生部11中在最深位置(與反應管2之中心相距最遠之位置)處垂直延伸。亦如圖2中所示，氣體分布噴嘴8向外與夾在該對電極12之間的區域(RF電場最強之位置)(亦即，實際產生主要電漿之電漿產生部域)分離。包含NH3 氣體之第二薄膜形成氣體自氣體分布噴嘴8之噴氣孔朝電漿產生部域噴射。接著，第二薄膜形成氣體在電漿產生部域中被激發(分解或活化)且在此狀態下以含有氮原子之自由基(N*、NH*、NH2 *、NH3 *)之形式供應至晶舟6上之晶圓W上(符號「*」表示其為自由基)。
在接近於電漿產生部11之開口11b且在其外之位置處，裝設第一薄膜形成氣體之氣體分布噴嘴9。氣體分布噴嘴9在開口11b之外之一側上(在反應管2內)垂直向上延伸。包含DCS氣體之第一薄膜形成氣體自氣體分布噴嘴9之噴氣孔朝反應管2之中心噴射。
此外，在接近於電漿產生部11之開口11b且在其外之兩側上，分別裝設用於清潔氣體之兩個氣體噴嘴10a及10b。氣體噴嘴10a及10b經配置以使得氟(F2 )氣體係自氣體噴嘴10a供應而氟化氫(HF)氣體係自氣體噴嘴10b供應。氣體噴嘴10中之每一者具有一L形狀，於頂部具有朝上之氣體供應口10t。氣體供應口10t位於用於支撐晶圓W之晶舟6之支撐階層中之最下者之下及排氣孔3h中之最下者之底部的位置P之下。此外，氣體供應口10t較佳位於晶舟6之底板6a之下。就此而言，如上文所描述，排氣孔3h中之最下者之底部位於用於支撐晶圓W之晶舟6之支撐階層中之最下者之上。
如上文所描述，因為氣體噴嘴10之氣體供應口10t係朝上，所以將清潔氣體充分供應至甚至反應管2之上側，以使得可在反應管2內整體均勻且有效地執行清潔製程。因為氣體噴嘴10係短的且位於反應管2之底部處，所以歸因於清潔氣體與熱之組合的對氣體噴嘴10之損壞被阻止。因為氣體噴嘴10係隔著晶舟6相對於排氣孔3h而設，且氣體噴嘴10裝設於排氣孔3h之下，所以防止自氣體噴嘴10供應之清潔氣體接觸氣體噴嘴10，以使得進一步阻止氣體噴嘴10之損壞。因為氣體噴嘴10之氣體供應口10t位於晶舟6之支撐階層中之最下者(最下晶圓W之階層)之下，所以可對受所沈積之副產物薄膜影響之晶舟6之該等部分有效地執行清潔製程。
用於量測反應管2內之溫度之諸如熱電偶之複數個溫度感應器122及用於量測反應管2內之壓力之複數個壓力計(未展示於圖1中，但在圖3中以參考符號123展示)裝設於反應管2內。
薄膜形成裝置1進一步包括一用於控制該裝置之各別部分之控制部100。圖3為展示控制部100之結構的視圖。如圖3中所示，控制部100連接至一操作面板121、(一群)溫度感應器122、(一群)壓力計123、一加熱器控制器124、MFC控制器125、閥門控制器126、一真空泵127、一晶舟升降機128、一電漿控制器129等等。
操作面板121包括顯示螢幕及操作按鈕，且經組態以將操作者之指令傳輸至控制部100，且在顯示螢幕上展示自控制部100傳輸之各種資料。該等(該群)溫度感應器122經組態以量測反應管2內、排氣線4等各別部分處之溫度並將量測值傳輸至控制部100。該等(該群)壓力計123經組態以量測反應管2內、排氣線4等各別部分處之壓力並將量測值傳輸至控制部100。
加熱器控制器124經組態以控制加熱器7。加熱器控制器124根據來自控制部100之指令而接通加熱器以產生熱。此外，加熱器控制器124量測加熱器之功率消耗並將其傳輸至控制部100。
MFC控制器125經組態以分別控制裝設在氣體分布噴嘴8及9以及氣體噴嘴10上之MFC(未圖示)。MFC控制器125根據來自控制部100之指令而控制流經MFC之氣體之流動速率。此外，MFC控制器125量測流經MFC之氣體之流動速率並將其傳輸至控制部100。
閥門控制器126分別裝設在管線上且經組態以根據自控制部100接收之指示值而控制裝設在管線上之閥門之打開速率。真空泵127連接至排氣線4且經組態以自反應管2內排放氣體。
晶舟升降機128經組態以將蓋5上移，以便將晶舟6(半導體晶圓W)裝載至反應管2內。晶舟升降機128亦經組態以將蓋5下移，以便自反應管2卸載晶舟6(半導體晶圓W)。
電漿控制器129經組態以根據來自控制部100之指令來控制電漿產生部11，以使得供應至電漿產生部11之氨氣經活化以產生氨自由基。
控制部100包括一配方儲存部分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而在其之間傳輸。
配方儲存部分111儲存一設置配方及複數個製程配方。在製造薄膜形成裝置1之後，最初僅儲存設置配方。當形成特定薄膜形成裝置之熱模型或其類似物時執行設置配方。製程配方係針對待實際由使用者執行之熱處理而分別預備。每一製程配方規定自半導體晶圓W裝載至反應管2內之時間至卸載所處理之晶圓W之時間的在各別部分處之溫度改變、反應管2內之壓力改變、製程氣體之供應之開始/停止時序及製程氣體之供應速率。
ROM 112為由EEPROM、快閃記憶體或硬碟形成之儲存媒體且用於儲存由CPU 115或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連接至操作面板121、溫度感應器122、壓力計123、加熱器控制器124、MFC控制器125、閥門控制器126、真空泵127、晶舟升降機128及電漿控制器129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100之集線器。CPU 115經組態以執行ROM 112中所儲存之控制程式且根據配方儲存部分111中所儲存之配方(製程配方)遵循來自操作面板121之指令而控制薄膜形成裝置1之操作。具體言之，CPU 115使該等(該群)溫度感應器122、該等(該群)壓力計123及該等MFC控制器125量測反應管2內、排氣線4等各別部分處之溫度、壓力及流動速率。此外，CPU 115基於量測資料將控制信號輸出至加熱器控制器124、MFC控制器125、閥門控制器126及真空泵127以根據製程配方來控制上述各別部分。
接著，參看圖4，將給出使用上文描述之薄膜形成裝置1之方法的解釋。概括言之，首先，執行薄膜形成製程以在反應管2內之半導體晶圓W上形成氮化矽薄膜。接著，執行清潔製程以移除沈積在反應管2內之副產物薄膜，該副產物薄膜含有氮化矽作為主要組份(其意謂50%或更多)。圖4為展示根據本發明之該實施例之薄膜形成製程及清潔製程之配方的時序圖。
下文描述之薄膜形成裝置1之各別組件係在控制部100(CPU 115)之控制下操作。在該等製程期間之反應管2內之溫度及壓力以及氣體流動速率係根據圖4中所示之配方來設定，同時控制部100(CPU 115)控制加熱器控制器124(針對加熱器7)、MFC控制器125(針對氣體分布噴嘴8及9以及氣體噴嘴10)、閥門控制器126及真空泵127，如上文所描述。
<薄膜形成製程>
首先，將支撐具有300mm之直徑之許多(例如，50至100個)晶圓的處於室溫之晶舟6裝載至在預定溫度下加熱之反應管2內，且反應管2經氣密地閉合。接著，對反應管2之內部真空排氣且將其保持於預定製程壓力，且晶圓溫度增加至製程溫度以用於薄膜形成。此時，裝置處於等待狀態直至壓力及溫度變得穩定為止。接著，執行預處理階段以藉由氨自由基來處理晶圓W之表面，如下文所描述。在包含預處理階段及此後交替重複之吸附及氮化階段之薄膜形成製程期間，較佳將晶舟6保持由旋轉台旋轉。
在預處理階段中，首先，將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(c)所示。此外，將反應管2設定於預定溫度，諸如，550℃，如圖4中(a)所示。此時，將反應管2排氣以將反應管2設定於預定壓力，諸如，45Pa(0.34Torr：133Pa=1Torr)，如圖4中(b)所示。繼續此等操作，直至反應管2穩定於預定壓力及溫度為止。
當反應管2穩定於該預定壓力及溫度時，在電極12之間施加RF電力(RF：接通)，如圖4中(h)所示。此外，將氨氣以預定流動速率(諸如，5slm(標準公升/分))自氣體分布噴嘴8供應至電極12之間的位置(在電漿產生部11內)，如圖4中(e)所示。因此供應之氨氣在電極12之間(在電漿產生部11內)激發(活化)成電漿且產生氨自由基。將因此產生之自由基自電漿產生部11供應至反應管2內。此外，亦將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(c)所示(流動步驟)。
在預處理階段中，當藉由氨自由基對晶圓W之表面執行預處理時，存在於晶圓W之表面上之-OH基及-H基部分由-NH2 基取代。因此，當開始此後執行之吸附階段時，-NH2 基存在於晶圓W之表面上。當在此狀態下供應DCS時，DCS被熱活化且與晶圓W之表面上之-NH2 基反應，藉此加速晶圓W之表面上之Si之吸附。
在供應氨氣歷時預定時段後，停止氨氣之供應且停止RF電力之施加。另一方面，保持將氮氣以預定流動速率供應至反應管2中，如圖4中(c)所示。此外，將反應管2排氣以自反應管2內排放氣體(沖洗步驟)。
應注意，鑒於薄膜形成序列，在薄膜形成期間，較佳將反應管2內之溫度設定為恆定。因此，在此實施例中，在整個預處理、吸附及氮化階段期間將反應管2內之溫度設定於550℃。此外，在整個預處理、吸附及氮化階段期間保持將反應管2排氣。
在隨後執行之吸附階段中，首先，當如圖4中(c)所示將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中時，將反應管2設定於預定溫度，諸如，550℃，如圖4中(a)所示。此時，將反應管2排氣以將反應管2設定於預定壓力，諸如，600Pa(4.6Torr)，如圖4中(b)所示。繼續此等操作，直至反應管2穩定於預定壓力及溫度為止。
當反應管2穩定於該預定壓力及溫度時，將DCS氣體以預定流動速率(諸如，2slm)自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(d)所示，且亦將氮氣以預定流動速率供應至反應管2中，如圖4中(c)所示(流動步驟)。因此供應至反應管2中之DCS氣體在反應管2中被加熱且藉此活化，且與存在於晶圓W之表面上之-NH2 基反應以在晶圓W之表面上形成含有Si之吸附層。
在供應DCS氣體歷時預定時段後，停止DCS氣體之供應。另一方面，將氮氣以預定流動速率自(例如)氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(c)所示。此外，將反應管2排氣以自反應管2內排放氣體(沖洗步驟)。
在隨後執行之氮化階段中，首先，當如圖4中(c)所示將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中時，將反應管2設定於預定溫度，諸如，550℃，如圖4中(a)所示。此時，將反應管2排氣以將反應管2設定於預定壓力，諸如，45Pa(0.34Torr)，如圖4中(b)所示。繼續此等操作，直至反應管2穩定於預定壓力及溫度為止。
當反應管2穩定於該預定壓力及溫度時，在電極12之間施加RF電力(RF：接通)，如圖4中(h)所示。此外，將氨氣以預定流動速率(諸如，5slm)自氣體分布噴嘴8供應至電極12之間的位置(在電漿產生部11內)，如圖4中(e)所示。因此供應之氨氣在電極12之間被激發(活化)成電漿且產生含有氮原子之自由基(N*、NH*、NH2 *、NH3 *)。將因此產生之含有氮原子之自由基自電漿產生部11供應至反應管2內。此外，亦將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(c)所示(流動步驟)。
自由基自電漿產生部11之開口11b朝反應管2之中心流出且以層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。當含有氮原子之自由基供應至晶圓W上時，其與晶圓W上之吸附層中之Si反應，且氮化矽薄膜藉此形成於晶圓W上。
在供應氨氣歷時預定時段後，停止氨氣之供應且停止RF電力之施加。另一方面，將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，如圖4中(c)所示。此外，將反應管2排氣以自反應管2內排放氣體(沖洗步驟)。
如上文所描述，根據此實施例之薄膜形成方法經配置以按此次序交替地重複包含吸附階段及氮化階段之循環達預定次數。在每一循環中，將DCS供應至晶圓W上以形成吸附層，且接著供應含有氮原子之自由基以氮化吸附層以便形成氮化矽薄膜。結果，可以高效率形成高品質之氮化矽薄膜。
當在半導體晶圓W之表面上形成之氮化矽薄膜達到預定厚度時，卸載晶圓W。具體言之，將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，以使得反應管2內之壓力返回至大氣壓力，且反應管2設定於預定溫度。接著，由晶舟升降機25將蓋18下移，且藉此將晶舟6與晶圓W一起卸載出反應管2。
<清潔製程>
重複此薄膜形成製程複數次，由薄膜形成製程產生之氮化矽不僅沈積(黏著)在半導體晶圓W之表面上而且作為副產物薄膜沈積(黏著)在反應管2等之內表面上。因此，在重複薄膜形成製程預定次數後，執行清潔製程以移除含有氮化矽作為主要組份且沈積在反應管2等之內表面上的副產物薄膜。
首先，由加熱器7以預定負載溫度加熱反應管2，且將氮氣以預定流動速率供應至反應管2中。接著，將先前製程中所使用之晶舟6設定於空狀態而使得無晶圓W支撐於其上且將該晶舟6置放於蓋5上。接著，由晶舟升降機128上移具有此空晶舟6之蓋5，以使得晶舟6被裝載至反應管2中，且反應管2經氣密地閉合。
接著，將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴8供應至反應管2中，如圖4中(c)所示。此外，由加熱器7將反應管2之內部加熱至預定溫度，諸如，300℃，如圖4中(a)所示。此時，將反應管2之內部排氣以將反應管2之內部設定於預定壓力，諸如，40,000Pa(300Torr)，如圖4中(b)所示。接著，將包含氟氣、氟化氫及氮氣之清潔氣體經由氣體噴嘴10a及10b以及氣體分布噴嘴9供應至反應管2中(流動步驟)。在此實施例中，以預定流動速率(諸如，2slm)自氣體噴嘴10a供應氟氣，如圖4中(f)所示。以預定流動速率(諸如，2slm)自氣體噴嘴10b供應氟化氫氣體，如圖4中(g)所示。以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應氮氣，如圖4中(c)所示。在流動步驟中，將反應管2之內部保持由排氣部GE排氣以維持上文描述之壓力。
當將清潔氣體供應至反應管2中時，加熱清潔氣體，且活化清潔氣體中所含有之氟，藉此形成存在許多反應性自由原子之狀態。活化之氟與沈積在反應管2等之內表面上之副產物薄膜接觸(反應)且蝕刻副產物薄膜。
在將清潔氣體供應至反應管2中歷時預定時段後，停止自氣體噴嘴10a及10b供應氟氣及氟化氫氣體。此外，將氮氣以預定流動速率自(例如)氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，且由排氣部GE自反應管2內排放氣體(沖洗步驟)。
在完成清潔製程之後，將氮氣以預定流動速率自氣體分布噴嘴9供應至反應管2中，以使得反應管2內之壓力返回至大氣壓力。此外，反應管2內之溫度由加熱器7維持於預定值。接著，由晶舟升降機128將蓋5下移，以使得晶舟6被卸載且反應管2被打開。此後，將上面安裝有許多新半導體晶圓W之晶舟6置放在蓋5上，且以上文描述之方式再次開始薄膜形成製程。
<試驗>
進行試驗以檢查藉由在圖1及圖2中所示之薄膜形成裝置1中執行薄膜形成製程及清潔製程對沈積在反應管2內之副產物薄膜進行的移除。具體言之，執行圖4中所示之薄膜形成製程以在半導體晶圓W上形成氮化矽薄膜，其中諸如氮化矽之反應產物沈積在反應管2內作為具有厚度為1μm之副產物薄膜。接著，執行圖4中所示之清潔製程以移除沈積在反應管2內之副產物薄膜。在清潔製程後，藉由使用經由顯微鏡拍攝之相片來觀察反應管2之壁表面及氣體噴嘴10a及10b之表面。結果，觀察到沈積在反應管2之壁表面上之副產物薄膜不僅在下側及中側而且在上側均得到充分地移除。此外，未觀察到氣體噴嘴10a及10b之表面被損壞。因此，證實根據此實施例之薄膜形成裝置允許在反應管2內整體均勻且有效地執行清潔製程且可防止清潔氣體之氣體噴嘴10a及10b被損壞。
<結論及修改>
如上文所描述，根據此實施例，因為氣體噴嘴10之氣體供應口10t係朝上，所以將清潔氣體充分供應至甚至反應管2之上側，以使得可在反應管2內整體均勻且有效地執行清潔製程。因為氣體噴嘴10係短的且位於反應管2之底部處，所以歸因於清潔氣體與熱之組合的對氣體噴嘴10之損壞被阻止。因為氣體噴嘴10係隔著晶舟6相對於排氣孔3h而設，且氣體噴嘴10裝設於排氣孔3h之下，所以防止自氣體噴嘴10供應之清潔氣體接觸氣體噴嘴10，以使得進一步阻止氣體噴嘴10之損壞。因為氣體噴嘴10之氣體供應口10t位於晶舟6之支撐階層中之最下者(最下晶圓W之階層)之下，所以可對受所沈積之副產物薄膜影響之晶舟6之該等部分有效地執行清潔製程。
在上文描述之實施例中，薄膜形成裝置1在反應管2之一側上具備用於自反應管2內排放氣體之排氣空間21，其中複數個排氣孔3h形成於製程空間S與排氣空間21之間的分隔壁22中。或者，舉例而言，如圖5中所示，薄膜形成裝置1可經配置以使得反應管2不具備排氣空間21但具備接近於底部形成於側壁上之排氣口3，以使得氣體自製程空間S直接流動至排氣口3中。亦在此狀況下，氣體噴嘴10係隔著晶舟6相對於排氣口3而設，且其氣體供應口10t係朝上且位於排氣口3之底部之位置P之下。藉由此配置，圖5中所示之裝置亦可展示與圖1中所示之裝置相同種類之效應。或者，本發明亦可應用於分批類型之水平薄膜形成裝置或單基板類型之薄膜形成裝置。
上文描述之實施例利用所有以下配置之組合：亦即，氣體噴嘴10隔著晶舟6相對於排氣孔3h或排氣口3而設之配置；氣體噴嘴10之氣體供應口10t朝上之配置；氣體供應口10t位於排氣孔3h或排氣口3之底部之位置P之下的配置；及氣體供應口10t位於晶舟6之支撐階層中之最下者之下的配置。然而，即使在此等配置經獨立使用或經部分組合以供使用時，其仍可獨立展現其自身之效應或其部分組合之效應。
在上文描述之實施例中，MLD方法用於形成氮化矽薄膜，但舉例而言，熱CVD方法可用於形成氮化矽薄膜。在上文描述之實施例中，薄膜形成裝置1包括電漿產生部11。或者，本發明可應用於包括利用諸如觸媒、UV、熱或磁力之另一介質之氣體活化區之薄膜形成裝置。在上文描述之實施例中，薄膜形成裝置1經設計以形成氮化矽薄膜。或者，本發明可應用於經設計以形成諸如氧化矽薄膜、氮氧化矽薄膜或多晶矽薄膜之另一薄膜之薄膜形成裝置。
在上文描述之實施例中，用於蝕刻含有氮化矽作為主要組份(其意謂50%或更多)之副產物薄膜之清潔氣體包含含有氟氣及氟化氫氣體之氣體。然而，清潔氣體可為任何氣體，諸如，含有氟氣及氫氣之氣體，只要其可移除歸因於薄膜形成製程而沈積之副產物薄膜。
在上文描述之實施例中，在供應諸如DCS氣體之製程氣體中之每一者時，供應氮氣作為稀釋氣體。就此而言，在供應製程氣體中之每一者時，可不供應氮氣。然而，製程氣體中之每一者較佳含有氮氣作為稀釋氣體，因為在如此配置時可較容易地控制製程時間。稀釋氣體較佳由惰性氣體構成，諸如氮氣，或替換氮氣之氦氣(He)、氖氣(Ne)、氬氣(Ar)或氙氣(Xe)。
熟習此項技術者將容易瞭解額外優勢及修改。因此，本發明就其較廣泛態樣而言不限於本文中所展示並描述之特定細節及代表性實施例。因此，可在不脫離如由隨附申請專利範圍及其均等物界定之一般發明性概念之精神或範疇的情況下進行各種修改。
1．．．薄膜形成裝置
2．．．反應管
3．．．排氣口
3h．．．排氣孔
4．．．排氣線
5．．．蓋
6．．．晶舟
6a．．．晶舟底板
7．．．加熱器
8．．．氣體分布噴嘴
9．．．氣體分布噴嘴
10．．．氣體噴嘴
10a．．．氣體噴嘴
10b．．．氣體噴嘴
10t．．．氣體供應口
11．．．電漿產生部
11a．．．石英罩體
11b．．．開口
12．．．電極
12a．．．RF(射頻)電源
21．．．排氣空間
22．．．分隔壁
71．．．隔熱罩體
100．．．控制部
111．．．配方儲存部分
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．．．壓力計
124．．．加熱器控制器
125．．．MFC控制器
126．．．閥門控制器
127．．．真空泵
128．．．晶舟升降機
129．．．電漿控制器
GE．．．排氣部
GS．．．製程氣體供應部
S．．．製程空間
P．．．排氣口之底部之位置
W．．．晶圓
圖1為展示根據本發明之一實施例之薄膜形成裝置(垂直CVD裝置)之剖視圖；
圖2為展示圖1中所示之裝置之部分的剖視平面圖；
圖3為展示圖1中所示之裝置之控制部之結構的視圖；
圖4為展示根據本發明之實施例之薄膜形成製程及清潔製程之配方的時序圖；
圖5為展示根據該實施例之一修改例之薄膜形成裝置(垂直CVD裝置)之剖視圖。
1．．．薄膜形成裝置
2．．．反應管
3h．．．排氣孔
4．．．排氣線
5．．．蓋
6．．．晶舟
6a．．．晶舟底板
7．．．加熱器
8．．．氣體分布噴嘴
9．．．氣體分布噴嘴
10．．．氣體噴嘴
10t．．．氣體供應口
11．．．電漿產生部
11a．．．石英罩體
12．．．電極
21．．．排氣空間
22．．．分隔壁
71．．．隔熱罩體
100．．．控制部
GE．．．排氣部
GS．．．製程氣體供應部
P．．．排氣口之底部之位置
S．．．製程空間
W．．．晶圓

Claims (8)

  1. 一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，該裝置包含：一反應腔室，其界定經組態以在垂直方向上間隔容置複數個目標基板的垂直延伸之一製程空間，該反應腔室在其底部具有一裝載口；一蓋，其經組態以閉合該裝載口；一升降機，其經組態以使該蓋上下移動；一隔熱圓筒，其裝設在該蓋上以防止該反應管內之溫度歸因於該裝載口而下降；一支撐構件，其具有複數個支撐階層以在垂直方向上以預定間隔支撐該製程空間內之該等目標基板，該支撐構件包括一在該支撐階層之下的底板，且該支撐構件經由該隔熱圓筒置放在該蓋上；一加熱器，其裝設在該反應腔室周圍，以加熱該等目標基板；一薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一薄膜形成氣體供應至該反應腔室中；一清潔氣體供應系統，其經組態以供應一清潔氣體，用於蝕刻一沈積於該反應腔室內之副產物薄膜；及一排氣系統，其經組態以自該反應腔室內排放氣體；其中該薄膜形成氣體供應系統包括一氣體分布噴嘴，該氣體分布噴嘴具有在垂直方向上以預定間隔形成於該製程空間上之複數個噴氣孔，以在水平方向上自該等噴氣孔向該製程空間噴出薄膜形成氣體； 該排氣系統包括藉一分隔壁而與該製程空間分隔之排氣空間，且該排氣空間經由一排氣口與該製程空間連通，該排氣口在垂直方向上遍及該製程空間而形成於該分隔壁中，且在隔著該隔熱圓筒及該支撐構件而與該氣體分布噴嘴相對之位置，該排氣口之一底部位於該等支撐階層中之一最下者之上；該清潔氣體供應系統包括一短氣體噴嘴，其在該反應腔室之底部附近沿著該隔熱圓筒向上延伸，並於其頂部具有一用於朝上噴出該清潔氣體之氣體供應口，該短氣體噴嘴裝設在隔著該隔熱圓筒及該支撐構件而與該排氣口相對之位置，該短氣體噴嘴之該氣體供應口位於鄰近該隔熱圓筒之一側面且在近乎下方的位置，並在該支撐構件之該底板外側的徑向方向上，以使該氣體供應口位於該排氣口之底部及該支撐構件之該等支撐階層中之最下者之下；且該排氣口包括在垂直方向上以預定間隔形成於該分隔壁中之複數個排氣孔，且該排氣口之底部係由該排氣孔之最下者所界定；且其中該裝置進一步包含一控制部，其經組態以控制該裝置之操作，且該控制部包含一儲存一控制程式之非暫存電腦可讀取儲存媒體，其當執行該控制程式時可藉由該控制部控制該裝置以執行一清潔製程，用於當將一惰性氣體自該氣體分布噴嘴供應至該反應腔室中，同時以該排氣系統自該反應腔室內排放氣體時，藉由將該清潔氣體 只自該清潔氣體供應系統之短氣體噴嘴供應至該反應腔室中，而在該支撐構件置放於該反應腔室內但不支撐目標基板之情況下，移除該反應腔室內之該副產物薄膜。
  2. 如請求項1之裝置，其中該裝置進而包含一電漿產生部，其附接在該反應腔室外並形成一電漿產生空間，該電漿產生空間，其經組態以藉由施加一射頻(RF)電力而將氣體轉變為電漿，且經由位於鄰近該氣體分布噴嘴的位置、且在垂直方向上遍及該製程空間而形成於該反應腔室之一側壁上的一連通開口而與該製程空間連通，且該薄膜形成氣體供應系統包括一經組態以不經由該電漿產生部而自該氣體分布噴嘴將一第一薄膜形成氣體供應至該製程空間中之第一薄膜形成氣體供應系統，及一經組態以當在該電漿產生空間之第二薄膜形成氣體變成電漿時，而自該連通開口將該第二薄膜形成氣體供應至該製程空間中之第二薄膜形成氣體供應系統。
  3. 如請求項2之裝置，其中該短氣體噴嘴包括兩個短氣體噴嘴，其裝設在該電漿產生部之該連通開口之兩側上，且經組態以分別供應彼此不同之第一及第二清潔氣體。
  4. 如請求項1之裝置，其中當執行該控制程式時可藉由該控制部控制該裝置以進一步執行一薄膜形成製程，用於藉由重複地交替將第一及第二薄膜形成氣體供應至該製程空間中而藉由CVD在該反應腔室內之該等目標基板上形成薄膜。
  5. 一種用於半導體製程之薄膜形成裝置，該裝置包含： 一反應腔室，其界定經組態以在垂直方向上間隔容置複數個目標基板的垂直延伸之一製程空間，該反應腔室在其底部具有一裝載口；一蓋，其經組態以閉合該裝載口；一升降機，其經組態以使該蓋上下移動；一隔熱圓筒，其裝設在該蓋上以防止該反應管內之溫度歸因於該裝載口而下降；一支撐構件，其具有複數個支撐階層以在垂直方向上以預定間隔支撐該製程空間內之該等目標基板，該支撐構件包括一在該支撐階層之下的底板，且該支撐構件經由該隔熱圓筒置放在該蓋上；一加熱器，其裝設在該反應腔室周圍，以加熱該等目標基板；一第一薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一含有矽源氣體之第一薄膜形成氣體供應至該反應腔室中，該第一薄膜形成氣體供應系統包括一氣體分布噴嘴，該氣體分布噴嘴具有在垂直方向上以預定間隔形成於該製程空間上之複數個噴氣孔，以在水平方向上自該等噴氣孔向該製程空間噴出薄膜形成氣體；；一第二薄膜形成氣體供應系統，其經組態以將一含有氮化氣體之第二薄膜形成氣體供應至該反應腔室中；一電漿產生部，其附接在該反應腔室外且形成一電漿產生空間，其經組態以藉由施加一射頻(RF)電力而將氣體轉變為電漿，且該電漿產生空間經由位於鄰近該氣 體分布噴嘴的位置、且在垂直方向上遍及該製程空間而形成於該反應腔室之一側壁上的一連通開口而與該製程空間連通，以不經由該電漿產生部而自該氣體分布噴嘴將一第一薄膜形成氣體供應至該製程空間中，且當在該電漿產生空間之第二薄膜形成氣體變成電漿時，而自該連通開口將該第二薄膜形成氣體供應至該製程空間中；一清潔氣體供應系統，其經組態以供應一清潔氣體，用於蝕刻由該第一與第二薄膜形成氣體之間之反應所產生並沈積在該反應腔室內之副產物薄膜；及一排氣系統，其經組態以自該反應腔室內排放氣體；其中該排氣系統包括藉一分隔壁而與該製程空間分隔之排氣空間，且該排氣空間經由一排氣口與該製程空間連通，該排氣口在垂直方向上遍及該製程空間而形成於該分隔壁中，且在隔著該隔熱圓筒及該支撐構件而與該氣體分布噴嘴相對之位置，該排氣口之一底部位於該等支撐階層中之一最下者之上；該清潔氣體供應系統包括一短氣體噴嘴，其在該反應腔室之底部附近沿著該隔熱圓筒向上延伸，並於其頂部具有一用於朝上噴出該清潔氣體之氣體供應口，該短氣體噴嘴裝設在隔著該隔熱圓筒及該支撐構件而與該排氣口相對之位置，該短氣體噴嘴之該氣體供應口位於鄰近該隔熱圓筒之一側面且在近乎下方的位置，並在該支撐構件之該底板外側的徑向方向上，以使該氣體供應口位於該排氣口之底部及該支撐構件之該等支撐階層中之最 下者之下；且該排氣口包括在垂直方向上以預定間隔形成於該分隔壁中之複數個排氣孔，且該排氣口之底部係由該排氣孔之最下者所界定；且其中該裝置進一步包含一控制部，其經組態以控制該裝置之操作，且該控制部包含一儲存一控制程式之非暫存電腦可讀取儲存媒體，其當執行該控制程式時可藉由該控制部控制該裝置以執行一清潔製程，用於當將一惰性氣體自該氣體分布噴嘴供應至該反應腔室中，同時以該排氣系統自該反應腔室內排放氣體，以藉由將該清潔氣體只自該清潔氣體供應系統之短氣體噴嘴供應至該反應腔室中，而在該支撐構件置放於該反應腔室內但不支撐目標基板之情況下，移除該反應腔室內之該副產物薄膜，且在不施加該RF電力至該電漿產生空間之情況下，利用加熱器加熱該反應腔室。
  6. 如請求項5之裝置，其中該清潔氣體包含氟氣與氟化氫氣體之混合物、或氟氣與氫氣之混合物。
  7. 如請求項5之裝置，其中該短氣體噴嘴包括兩個短氣體噴嘴，其裝設在該電漿產生部之該連通開口之兩側上，且經組態以分別供應F2 氣體作為第一清潔氣體、及HF氣體作為第二清潔氣體。
  8. 如請求項5之裝置，其中當執行該控制程式時可藉由該控制部控制該裝置以進一步執行一薄膜形成製程，用於藉由重複地交替將該第一薄膜形成氣體及由該電漿產生 部活化之該第二薄膜形成氣體供應至該製程空間中，而藉由CVD在該反應腔室內之該等目標基板上形成薄膜。
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