TWI443714B - 成膜裝置及使用其之方法 - Google Patents

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Description

成膜裝置及使用其之方法
本發明係關於一種成膜裝置，其用於在一目標基板(例如，一半導體晶圓)上形成一膜之半導體製程，且亦係關於一種使用該裝置之方法。本文所用術語"半導體製程"包括各類製程，實施該等製程可製造一半導體裝置或可藉由以下方式在一目標基板上製造一具有擬連結至一半導體裝置之佈線層、電極及類似物之結構：在該目標基板上，例如，在用於一FPD(平板顯示器，例如，一LCD(液晶顯示器)之半導體晶圓或玻璃基板上，按照預定圖案形成半導體層、絕緣層及導電層。
在製造半導體裝置之過程中，會實施一用於在一目標基板(例如，一半導體晶圓，簡單地，下文亦可稱之為"晶圓")之表面上形成一氮化矽膜之製程。氮化矽膜廣泛地使用，此乃因其與氧化矽膜相比具有更佳之絕緣性質，且其可充分地用作蝕刻停止膜或中間位階絕緣膜。舉例而言，可以CVD(化學氣相沈積)使用矽烷族氣體(例如，二氯矽烷(SiH2 Cl2 ：DCS))與氨氣(NH3 )之間的反應來形成一氮化矽膜。
於一加熱處理裝置中，隨著重複實施一形成氮化矽膜之製程，副產物膜會沈積及逐漸累積在該處理容器(反應室)及晶圓支架上。在該累積膜之厚度到達一預定厚度之後，如此形成之副產物會在隨後加熱處理中加熱該處理容器之內部時部分地剝離及產生顆粒。該等顆粒可能會掉在半導體晶圓上，且會降低所製造半導體裝置之良率。進一步，該等副產物膜可能會發出在晶圓上導致反應且由此在晶圓上沈積非合意組分之氣體。
US 6,573,178 B1揭示一種應對上述問題之技術。根據該技術，當一成膜製程之累積膜厚度到達一預定厚度時，會在自處理容器卸載經處理晶圓W之後而在將隨後未經處理晶圓W載入至處理容器中之前實施一清除處理。舉例而言，若一成膜製程之目標膜厚度大於該預定厚度，則每次成膜製程之後皆需進行清除處理。根據該清除製程，當將一不活潑氣體(例如，氮氣)供應至該處理容器中時，該處理容器之內部會自成膜溫度冷卻下來。此意在主動地對處理容器內之副產物膜施加熱應力以使該等膜破裂，且由此使其主動地剝離及移除該等膜之表面部分。該清除處理所移除之膜部分係沈積於處理容器內且處於容易變成顆粒之狀態之膜的表面部分。然而，若該等部分經移除，則在該清除處理隨後實施之成膜製程中，氣體及/或顆粒的產生會得到抑制。
在最近幾年中，由於對於半導體積體環路小型化及整合之要求提高，需要減輕製造步驟中半導體之受熱歷程，由此改善該等裝置之特性。對於垂直處理裝置，還需要根據上述要求改善半導體處理方法。
US 7,094,708 B2揭示一種用於實施一分子層沈積方法之垂直處理裝置之結構，其使用電漿作為輔助以進一步減小製程溫度。根據該裝置，舉例而言，若分別將二氯矽烷(DCS)及NH3 用作矽烷族氣體及氮化氣體以形成一氮化矽膜(SiN)，則可如下地實施該製程。具體而言，以交替及間歇(有清除週期介於其間)之方式將DCS及NH3 氣體供應至一處理容器中。當供應NH3 時，施加一RF(無線電頻率)以產生電漿以促進氮化反應。更具體而言，當將DCS供應至處理容器中時，一個或一個以上分子厚度之DCS層吸附至該晶圓表面。在該清除週期期間，移除該多餘之DCS。然後，供應NH3 並產生電漿，由此實施低溫氮化以形成一氮化矽膜。重複該等依序步驟以完成一具有預定厚度之膜。
本發明之一目的，係提供一種用於一半導體製程之成膜裝置及一種用於使用該成膜裝置之方法，其可在氮化矽膜或氮氧化矽膜之成膜製程期間抑制顆粒污染。
根據本發明之第一態樣，提供一種使用一成膜裝置之方法，其包括：於該成膜裝置反應室內，在一目標基板上實施產品膜之成膜，該產品膜係選自由氮化矽膜及氮氧化矽膜所組成之群組；自該反應室卸載該目標基板；然後，在一後處理溫度下加熱該反應室之內表面，而同時將一用於氮化之後處理氣體供應至該反應室內，由此對沈積於反應室內表面上之副產物膜實施氮化；在該氮化之後，自該後處理溫度快速冷卻該反應室之內表面，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂且使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地使氣體自該反應室內部排出，以藉由一氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
根據本發明一第二態樣，提供一種成膜裝置，其用於在一目標基板上對一選自由一氮化矽膜及一氮氧化矽膜組成之群組之產品膜實施成膜，該裝置包括：一反應室，其配置以裝納該目標基板；一傳送機構，其配置以加載該目標基板至該反應室及自其卸載該目標基板；一加熱器，其配置以加熱該反應室之內部；一排氣系統，其配置以自反應室內部排出氣體；一成膜氣體供應環路，其配置以將用於形成該產物膜之成膜氣體供應至該反應室內；一後處理氣體供應環路，其配置以將一用於使沈積於反應室內表面上之副產物膜氮化之後處理氣體供應至該反應室內；及一控制區，其配置以控制該裝置之作業，其中該控制區執行：於該反應室內，在一目標基板上，對該產品膜實施成膜；自該反應室卸載該目標基板；然後，在該後處理溫度下加熱該反應室之內表面，而同時將該後處理氣體供應至該反應室內，由此對沈積於該反應室內表面上之副產物膜實施氮化；在該氮化之後，自該後處理溫度快速冷卻該反應室之內表面，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂且使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地使氣體自該反應室內部排出，以藉由一氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
根據本發明之一第三態樣，提供一種包含在一處理器上執行之程式指令之電腦可讀媒體，當由該處理器執行時，該等程式指令致使該成膜裝置執行：於該成膜裝置之反應室內，在一目標基板上實施產品膜之成膜，該產品膜係選自由氮化矽膜及氮氧化矽膜組成之群組；自該反應室卸載該目標基板；然後，在一後處理溫度下加熱該反應室之內表面，而同時將一用於氮化之後處理氣體供應至該反應室內，由此對反應室內表面上所沈積之副產物膜實施氮化；在該氮化之後，將該反應室之內表面自該後處理溫度快速冷卻，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂且使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地使氣體自該反應室內部排出，以藉由一氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
本發明之額外目的及優點將在下文說明中加以闡述，且其中部分該等額外目的及優點自下文說明將顯而易見，而其餘之額外目的及優點可在實踐本發明的過程中獲知。可借助下文具體指出之手段及組合來實現及獲得本發明之目的及優點。
在開發本發明之過程中，本發明者對上述專利文件1及2中所揭示之技術中所導致之問題進行研究。結果，本發明者有以下給出之發現。
具體而言，將專利文件1中經佈置以冷卻處理容器內部之清除處理應用於專利文件2之成膜方法，並沒有在該成膜製程中達成所期望之顆粒數量減少。藉由研究該問題，發現主要原因在於：由於使用電漿輔助之成膜方法所特有之一個因素而導致該處理容器內之具體環境較不均勻。具體而言，由於氨(NH3 )之活化位準在晶圓所放置之處理區內係最佳，故在該處理區周圍之某些區域處(例如，處理容器排氣口附近的位置)，自由基會失活或減少。在該等區域中，氨與矽之反應係低，且因此該處理容器中沈積之副產物膜(其包含氮化矽作為主要組分(此意味著50%或以上))係具有低含量氮及高含量矽之富含矽膜。藉由經佈置以冷卻處理容器內部之清除處理幾乎不能使該等膜剝離。因此，在清除處理隨後而實施之成膜製程中，晶圓上所沈積之顆粒數量並沒有減少。
現在，將參照附圖對一於以上所給發現的基礎上達成之本發明實施例進行闡述。於以下說明中，具有大致相同功能及佈置之組成元件由相同之參考編號表示，而僅當必要時方進行重複性說明。
圖1係一根據本發明一實施例之剖視圖，其顯示一垂直電漿處理裝置(垂直電漿成膜裝置)。圖2係一顯示部分圖1所示裝置之剖視平面圖。圖3係一剖視圖，其示意地顯示圖1所示裝置中之處理容器與一覆蓋該容器之殼體之間的關係。成膜裝置2具有一處理區，其配置以有選擇地供應以：一第一處理氣體，其包含二氯矽烷(DCS)氣體作為矽烷族氣體；一第二處理氣體，其包含氨氣(NH3 )作為氮化氣體；一輔助氣體，其包含一諸如N2 之不活潑氣體。成膜裝置2配置以藉由CVD在該處理區內之目標基板上形成一氮化矽膜。
裝置2包括一處理容器(反應室)4，其形狀為一具有一頂及一敞開底部之圓柱形柱，其中一處理區5經界定以裝納及處理複數個間隔堆疊之半導體晶圓(目標基板)。處理容器4整體係由諸如石英所製成。處理容器4之頂部設置有一石英頂板6以氣密地密封該頂部。處理容器4之底部藉由一密封部件10(例如，一O形環)連接至一圓柱形歧管8。該處理容器可整體地由一圓柱形石英柱來形成，其中無單獨形成之歧管8。
舉例而言，圓柱形歧管8由不銹鋼製成，且支撐處理容器4之底部。由石英製成之晶舟12在歧管8之底部入口處上下移動，以將晶舟12載入至處理容器4內或自處理容器4卸載晶舟12。若干目標基板或半導體晶圓W堆疊在晶舟12上。舉例而言，在該實施例中，晶舟12具有支柱12A，該等支柱可沿垂直方向以本質上規則之間隔支撐(例如)50至100個直徑為300 mm之晶圓。
晶舟12經由一由石英製成之絕熱圓柱體14而放置於一平臺16上。平臺16由一旋轉軸20支撐，該旋轉軸穿過一封蓋18，該封蓋由諸如不銹鋼製成且用於敞開/關閉歧管8之底部入口。
封蓋18中旋轉軸20穿過之部分設置有(例如)磁流體密封22，以使旋轉軸20可旋轉地支撐於一氣密密封狀態中。封蓋18之周邊與歧管8之底部之間插入一密封部件24，以使處理容器4之內部可保持密封。
旋轉軸20附裝在臂26之末端處，臂26由一諸如盤提升裝置之提升機構25支撐。提升機構25使晶舟12及封蓋18一同上下移動。可將平臺16固定至封蓋18，以便在不旋轉晶舟12之情形下處理晶圓W。
一氣體供應區連接至歧管8之側部以將預定之處理氣體供應至處理容器4內之處理區5。具體而言，該氣體供應區包括一第二處理氣體供應環路28、一第一處理氣體供應環路30及一輔助氣體供應環路32。第一處理氣體供應環路30經佈置以供應一包含矽烷族氣體之第一處理氣體，例如，DCS(二氯矽烷SiH2 Cl2 )氣體。第二處理氣體供應環路28經佈置以供應一包含一氮化氣體之第二處理氣體，例如，氨氣(NH3 )。輔助氣體供應環路32經佈置以供應一諸如N2 氣之不活潑氣體作為清除氣體或用於調節壓力之輔助氣體。視需要，第一及第二處理氣體之每一者皆可與一適量之載體氣體(例如，N2 氣)混合。然而，為方便解釋，下文將不會提及該種載體氣體。
更具體而言，第二處理氣體供應環路28、第一處理氣體供應環路30及輔助氣體供應環路32分別包括氣體分配噴嘴34、36及38，其每一者皆由一石英管形成，該等石英管自外部穿過歧管8之側壁並轉而向上延伸(參見圖2)。氣體分配噴嘴34、36及38分別具有複數個氣體噴孔34A、36A及38A，每一組噴孔沿縱向方向(垂直方向)以預定間隔形成於晶舟12之所有晶圓W上方。
噴嘴34、36及38分別經由氣體供應線路(氣體通道)42、44及46，分別連接至NH3 氣、DCS氣及N2 氣之氣體源28S、30S及32S。氣體供應線路42、44及46分別設置有開關閥42A、44A和46A及流速控制器42B、44B及46B，例如，質量流量控制器。藉由此佈置，可以控制之流速來供應NH3 氣、DCS氣及N2 氣。
一氣體激發區50沿垂直方向形成於處理容器4之側壁處。藉由沿(例如)垂直方向切割處理容器4之側壁，一用於真空排出該內部氣氛之細長排氣口52形成於處理容器4中與氣體激發區50對置之側部上。
具體而言，氣體激發區50具有一藉由沿垂直方向切割處理容器4中一預定寬度之側壁而形成之垂直細長開口54。開口54覆蓋有一氣密連接至處理容器4之外表面之石英蓋56。蓋56具有一沿垂直方向之細長形狀且具有一凹形橫截面，因此其自處理器容器4向外伸出。
氣體激發區50按照該佈置形成，因此，其自處理容器4之側壁向外伸出並在另一側連接至處理容器4之內部。換言之，氣體激發區50之內部空間經由開口54與處理容器4內之處理區5連通。開口54具有一充分之垂直長度以沿該垂直方向覆蓋晶舟12上之所有晶圓W。
一對細長電極58設置於蓋56之對置外表面上並面向彼此，而同時沿縱向方向延伸(該垂直方向)。電極58經由供電線路62連接至一RF(無線電頻率)電源60以產生電漿。將一(例如)13.56 MHz之RF電壓施加至電極58以在電極58之間形成一激發電漿之RF電場。RF電壓之頻率並非侷限於13.56 MHz，而可將其設定在另一頻率，例如，400kHz。
第二處理氣體之氣體分配噴嘴34在一比晶舟12之最下部晶圓W更低之位置處沿處理容器4之徑向方向向外彎曲。然後，氣體分配噴嘴34在氣體激發區50之最深位置處(距處理容器4之中心最遠的位置)垂直地延伸。亦如圖2中所示，氣體分配噴嘴34自一介於電極對58之間的區域向外分開，該區域係其中RF電場強度最大之位置，亦即，其中實際上產生大部分電漿之電漿產生區域PS。包含NH3 氣之第二處理氣體自氣體分配噴嘴34之氣體噴孔34A噴向電漿產生區域PS。然後，在電漿產生區域PS中激發(分解或活化)該第二處理氣體，並經由開口54以此狀態將其供應至晶舟12上之晶圓W上。
一由(例如)石英製成之絕緣保護蓋64附裝至並覆蓋蓋56之外表面。一冷卻機構(未顯示)設置於絕緣保護蓋64內且包括分別面向電極58之冷卻劑通道。給該等冷卻劑通道供應一諸如冷卻氮氣之冷卻劑以冷卻電極58。絕緣保護蓋64覆蓋有一設置於外表面上之屏障(未顯示)以防止RF洩露。
第一處理氣體及輔助氣體之氣體分配噴嘴36及38向上延伸且在氣體激發區50之開口54附近及外側之位置處(亦即，處理容器4中之開口54外部之兩側)面向彼此。包含DCS氣體之第一處理氣體及包含N2 氣之輔助氣體分別自氣體分配噴嘴36及38之氣體噴孔36A及38A噴向處理容器4之中心。氣體噴孔36A及38A形成於晶舟12上晶圓W之間的位置處，以沿水平方向本質上均勻地分別遞送第一處理氣體(包含DCS)及輔助氣體(N2 氣)，以形成與晶圓W平行之氣流。
另一方面，與氣體激發區50對置形成之排氣口52覆蓋有一排氣口覆蓋部件66。排氣口覆蓋部件66由石英製成且具有一U形橫截面，且藉由銲接來進行附裝。排氣口覆蓋部件66沿處理容器4之側壁向上延伸，且在處理容器4之頂部處具有一氣體出口68。氣體出口68連接至一真空排氣系統GE(其包括一真空幫浦等)。真空排氣系統GE具有一連接至氣體出口68之排氣通道84，按照自上游側之順序，該排氣通道上設置有一閥單元(一敞開程度調節閥)86、一真空幫浦88及一用於移除非合意物質之除害單元89。
如圖3中顯示，處理容器4由殼體70本質上氣密地環繞。殼體70在內表面上設置有一加熱器72以加熱處理容器4內之氣氛及晶圓W。舉例而言，加熱器72由碳絲形成，其不會造成污染且具有升溫及降溫之良好特性。一熱電偶(未顯示)設置於處理容器4內之排氣口52附近以控制加熱器72。一環形氣體供應口74設置於殼體70之底部上且連接至一冷卻氣體供應源75。一冷卻氣體排出通道76連接至殼體70之頂部。
成膜裝置2進一步包括一諸如由一電腦形成之主控制區48以控制該整個裝置。主控制區48可根據預先儲存於其記憶體內之成膜處理製程配方(其與待形成的膜之膜厚度及組成有關)，來控制下述成膜製程。在該記憶體中，處理氣體流速與該膜厚度及組成之間的關係亦預先儲存為控制資料。因此，主控制區48可基於儲存之製程配方及控制資料來控制提升機構25、氣體供應環路28、30及32、排氣系統GE(包括閥單元86)、氣體激發區50、加熱器72等等。
圖7係一方塊圖，其示意地顯示圖1中所示裝置中使用之主控制區48之結構。主控制區48包括一連接至儲存區212之CPU 210、一輸入區214及一輸出區216。儲存區212儲存製程程式及製程配方。輸入區214包括用於與操作者相互作用之輸入裝置，例如，一鍵盤、一指向裝置及一儲存媒體驅動裝置。輸出區216輸出用於控制處理裝置之組件之控制信號。圖7亦顯示一以可抽換狀態附裝至該電腦之儲存媒體218。
可將下述成膜方法寫成在一處理器上執行之程式指令，將其寫入至一擬應用於一半導體處理裝置之電腦可讀儲存媒體中。另一選擇係，可藉由通信媒體來發射此類程式指令，且由此可將其應用於一半導體處理裝置。該儲存媒體之實例係磁碟(軟磁碟、硬碟(儲存區212內所包含硬碟之代表)、光碟(CD、DVD等))、一磁光碟(MO等)及一半導體記憶體。一用於控制該半導體處理裝置作業之電腦讀取該儲存媒體中所儲存之程式指令，並在一處理器上執行該等程式指令，由此來實施一對應之下述方法。
接下來，將解釋一在圖1中所示之裝置中實施之成膜方法，其被稱為MLD(分子層沈積)成膜法。概括而言，該成膜方法經佈置，以交替地將一第一處理氣體(其包含二氯矽烷(DCS)氣體作為一矽烷族氣體)及一第二處理氣體(其包含氨氣(NH3 )作為氮化氣體)供應至裝納晶圓W之處理區5，以藉由CVD在晶圓W上形成一氮化矽膜。此時，將製程壓力(處理區5之壓力)設定在0.2至1 Torr(27至133 Pa(1 Torr＝133.3 Pa))之範圍內。該製程溫度低於普通CVD製程之彼溫度，且其被設定在250至700℃之範圍內。
首先，將支撐若干(50至100)個直徑為300 mm之晶圓之室溫晶舟12加載至以預定溫度加熱之處理容器4中。然後，以真空方式排空處理容器4之內部並將其保持在一預定之處理壓力下，且將晶圓溫度升高至用於成膜之處理溫度(例如，630℃)。此時，該裝置處於一等待狀態直至該溫度穩定為止。然後，自相應的氣體分配噴嘴36、34及38以受控流速間歇性地供應包含DCS氣體之第一處理氣體、包含NH3 氣體之第二處理氣體及由N2 氣組成之輔助氣體。
具體而言，自氣體分配噴嘴36之氣體噴孔36A供應包含DCS氣體之第一處理氣體，以形成與晶舟12上之晶圓W平行之氣流。當供應時，DCS氣體之分子及由其分解物產生之分解產物之分子和原子會吸附在晶圓W上。
另一方面，自氣體分配噴嘴34之氣體噴孔34A供應包含NH3 氣之第二處理氣體，以形成朝向開口54之水平氣流。對第二處理氣體進行有選擇地激發，且在其通過電極對58之間的電漿產生區域PS時將其部分變成電漿。此時，舉例而言，會產生諸如N＊ 、NH＊ 、NH2＊ 及NH3＊ 之自由基(活化物質)，符號「＊ 」表示其係一自由基)。該等自由基自氣體激發區50之開口54流出至處理容器4之中心，且以一層流狀態供應至晶圓W之間的間隙中。
該等自由基與吸附於晶圓W表面上之DCS氣體分子反應，因此該等晶圓W上形成一氮化矽膜。另一選擇係，當DCS氣體流至吸附於晶圓W表面上之自由基時，會導致同樣之反應，因此該等晶圓W上形成一氮化矽膜。
在供應包含DCS氣體之第一處理氣體之步驟之後，且在供應包含NH3 氣體之第二處理氣體之步驟之後，立即將由N2 氣組成之輔助氣體作為清除氣體供應至處理區5中。自氣體分配噴嘴38之氣體分配孔38A供應該輔助氣體以形成與晶舟12上之晶圓W平行之氣流。該如此形成之輔助氣體用於強制性地移除處理區5內之殘留組分，例如，DCS氣體及其分解產物或NH3 氣體及其分解產物。
具體而言，根據該實施例之成膜方法經佈置以交替地重複第一至第四步驟T1至T4。重複包括第一至第四步驟T1至T4之循環達若干次，且層壓相應循環所形成之氮化矽膜，由此達成一具有一目標厚度之氮化矽膜。
該第一步驟T1係配置以實施將第一處理氣體(包含DCS)供應至處理區5，而同時停止第二處理氣體(包含NH3 氣)及輔助氣體(N2 )至處理區5之供應。第二步驟T2係配置以實施將輔助氣體供應至處理區5，而同時停止將第一及第二處理氣體供應至處理區5。第三步驟T3係配置以實施將第二處理氣體供應至處理區5，而同時停止將第一及輔助氣體供應至處理區5。進一步，在第三步驟T3中間，將RF電源60設定為導通狀態以藉由氣體激發區50將第二處理氣體轉變為電漿，以在一子步驟T3b期間將處於激發狀態之第二處理氣體供應至處理區5。第四步驟T4係配置以將輔助氣體供應至處理區5，而同時停止第一及第二處理氣體至處理區5之供應。在第一步驟T1至第四步驟T4之整個過程中，真空排氣系統GE經由排氣通道84連續地真空排空處理區5。
在該成膜製程完成之後，自氣體分配噴嘴38將由N2 組成之輔助氣體以一預定流速供應至處理容器4中，以使處理容器4內之壓力返回至大氣壓力。然後，提升機構25使封蓋18向下移動，由此自處理容器4一同卸載晶舟12及晶圓W。
當實施該成膜製程時，成膜反應所產生之氮化矽不僅沈積(黏著)於晶圓W表面上，而且沈積於處理容器4之內表面等上而作為副產物膜。因此，在該成膜製程之後，實施一用於移除該等副產物膜之後處理。可在每次實施該成膜製程時或在重複該成膜製程達預定次數之後實施該後處理。圖4係一根據該實施例之時序圖，其顯示後處理之配方。圖5係一視圖，其顯示該處理容器、晶舟及晶圓在成膜製程及後處理期間的關係。
若在卸載晶圓W之後實施該後處理，則將先前處理中使用之晶舟12設定於一沒有晶圓W支撐於其上之空載狀態並將其加載至處理容器4中。然而，可在不將晶舟12載入處理容器4之情形下實施以下製程。於該種情形下，處理容器4之入口(歧管8之底部入口)由一設置於入口附近之擋板以一習知之方式來關閉。
然後，真空幫浦88以400 Pa(3 Torr)/秒真空排空處理容器4之內部，以將處理容器4內之壓力設定在一預定真空位準，例如，1.33 Pa(0.01 Torr)。開始真空排空之同時，將處理容器4內之溫度自成膜溫度400至650℃(例如，630℃)升高至一較高的後處理溫度600至850℃(800℃)。在處理容器4內之壓力到達一預定真空位準之後，而同時處理容器4內之設定溫度升高時，經由氣體分配噴嘴34自氣體供應源73以一預定流速將包含NH3 氣之第二處理氣體供應至處理容器4。此時，在後處理溫度下(800℃)下，將NH3 氣體之分壓設定為8,000至40,000 Pa(60至300 Torr)，例如16,000 Pa(120 Torr)。保持該狀態達一預定時間(例如，50分鐘)以實施該後處理。
如上所述，該成膜製程會在處理容器4內(例如，在處理容器4之內表面及晶舟12)形成包含氮化矽作為主要組分之副產物膜。由於成膜製程溫度相對較低(例如，約630℃)，故在內表面上之其中氨自由基大致失活之區域(例如，處理容器之排氣口88附近之位置)中所沈積之副產物膜係氮含量較低而矽含量較高之富含矽之膜。該後處理係配置以使該等副產物膜與設定為高分壓及較高溫度(相比於成膜製程之彼分壓及溫度)之NH3 氣反應，由此提高副產物膜之氮化(氮化步驟)。
然後，例如，經由氣體供應埠74自冷卻氣體供應源75將設為室溫或較高溫度之空氣供應至殼體70中，且自排氣通道7排出。藉由該作業，自外部快速地冷卻處理容器4，以使處理容器4內之溫度以10至25℃/min之冷卻速率(例如，快速冷卻步驟20℃/min)自後處理溫度快速地降至一小於400℃之預定溫度(例如，300℃)。此時，真空幫浦88會將處理容器4之內部真空排空至一預定之真空位準，例如，1.33 Pa(0.01 Torr)。
當處理容器4之內部快速冷卻時，如此氮化形成於處理容器4之內表面及晶舟12上之副產物膜會由於熱應力(由於該等氮化矽膜與由石英製成之處理容器4之間的熱收縮差)而部分地破裂並自處理容器4之內表面剝離。包含NH3 氣體或NH3 氣及N2 氣之第二處理氣體之氣流會攜載自處理容器4之內表面剝離之副產物膜顆粒，並將其自處理容器4之內部排出(排出步驟)。在該快速冷卻步驟期間，藉由真空幫浦88及由此形成之上述氣流強制性排空處理容器4之內部。因此，該排氣步驟與該快速冷卻步驟重疊進行。
此後，將處理容器4內之設定溫度自300℃升高至(例如)630℃。然後，經由氣體分配噴嘴38自氣體供應環路32以一預定之流速將由N2 氣組成之輔助氣體供應至處理容器4內，以使處理容器4內之壓力返回至大氣壓力。
然後，自處理容器4卸載沒有晶圓W支撐於其上之空載晶舟12。然後，將擬對其實施成膜製程之成品晶圓W傳送至加載區域內(未顯示)之晶舟12上，且隨後以上述之方式實施該成膜製程。
根據上述實施例，在一氮化矽膜之成膜製程之後，處理容器4內之溫度會自成膜溫度升高至後處理溫度。進一步，將NH3 氣供應至處理容器4內以具有一甚為高的分壓，例如，16,000 Pa(120 Torr)。藉由該後處理，進一步氮化副產物膜，且由此增加該等副產物膜與由石英製成之處理容器4之間的熱收縮差。因此，此後快速冷卻處理容器4之內部時，大的熱應力會作用於處理容器4內所沈積之副產物薄膜。此能夠可靠地使沈積於處理容器內之薄膜中處於容易變為顆粒之狀態的表面部分剝離。
在上述使用電漿來激活NH3 氣體之成膜製程中，則其中NH3 氣活化位準係低之處理容器4之區域內，氮化會變得不充分。於該等區域中，副產物膜會形成為僅藉由快速冷卻而難以使其剝離之薄膜。然而，該後處理經佈置以進一步氮化該等副產物薄膜，因此可藉由快速冷卻即可容易地使其剝離。因此，此後，可實施該成膜製程，且同時可抑制由於處理容器4之內表面及晶舟12上所沈積之副產物薄膜所引起之氣體產生及顆粒污染。
於上述實施例中，活化包含NH3 氣之第二處理氣體，但亦可活化包含DCS氣之第一處理氣體。具體而言，可交替實施將DCS氣體自由基吸附至晶圓W表面上之步驟及將NH3 氣自由基吸附至晶圓W表面上之步驟。另一選擇係，可以一預定速率同時將皆處於一活化狀態之第一及第二處理氣體供應至處理容器4內以在晶圓W表面上形成一氮化矽薄膜。可藉由將第一處理氣體供應環路30之氣體分配噴嘴36設置於氣體激發區50內來達成此方法。
可將本發明應用於在晶圓W表面上形成一氮化矽薄膜之熱CVD製程。於一熱CVD製程中，可將處於非活化狀態之包含DCS氣體之第一處理氣體及包含NH3 氣體之第二處理氣體多次交替地供應至設定於一預定溫度下之處理容器4中。於另一熱CVD製程中，可同時將第一及第二處理氣體供應至處理容器4中。
於上述實施例中，該第一處理氣體包含DCS氣體作為矽烷族氣體。關於該態樣，該矽烷族氣體可係一種或多種選自由如下組成之群組的氣體：二氯矽烷(DCS)、六氯二矽甲烷(HCD)、甲矽烷(SiH4 )、乙矽烷(Si2 Cl6 )、六甲基二矽氮烷(HMDS)、三氯矽烷(TCS)、六甲基二矽亞胺(DSA、三甲矽烷基氨(TSA)及雙第三丁基胺基矽烷(BTBAS)。
於上述實施例中，該第二處理氣體包含氨(NH3 )氣作為氮化氣體。關於該態樣，除氨(NH3 )以外，該氮化氣體可選自諸如N2 O、NO及NO2 之氧化氮。若使用氧化氮氣體，則相依於製程條件，該成膜製程所形成之膜會變為氮化矽膜或包含氧之氮化矽膜(氮氧化矽膜)。若在該成膜製程中使用氧化氮氣體，則可在該後處理中使用同一氧化氮氣體替代氨氣來作為氮化氣體。
於上述實施例中，係以石英部件來舉例說明處理容器4及晶舟12。關於該態樣，該等部件可由碳化矽製成。
<實驗>
(本發明第一實例PE1)使用圖1及2中所示之成膜裝置，對晶舟12所支撐之晶圓W實施一氮化矽膜之成膜製程。在卸載其上支撐有晶圓W之晶舟12之後，在同一裝置中執行圖4中所示之序列以在成膜製程之後實施一針對處理容器4之內部的後處理。然後，將其上支撐有新晶圓W之晶舟12加載至該裝置中，且實施同一成膜處理。於該成膜製程中，將該處理容器4內之溫度設定在630℃，且將DCS氣及氨氣用作成膜氣體。於該等後處理中，將處理容器4內之溫度設在800℃，且將氨氣用作一後處理氣體。在該後處理溫度下，將氨氣之分壓設在1,200 Pa(10 Torr)。在該後處理之後，將處理容器4內之設定溫度快速地自800℃降至300℃，而同時真空排空處理容器4之內部。
(本發明第二實例PE2)除了在後處理中將氨氣之分壓設定在8,000 Pa(60 Torr)之外，在與本發明第一實例PE1中之彼等處理條件相同之處理條件下實施該成膜製程、後處理及成膜製程。
(本發明第三實例PE3)除了在後處理中將氨氣之分壓設定在16,000 Pa(120 Torr)之外，在與本發明第一實例PE1中之彼等處理條件相同之處理條件下實施該成膜製程、後處理及成膜製程。
(比較實例CE)除了將N2 氣用作後處理氣體之外，在與本發明第二實例PE2之彼等處理條件相同之處理條件下實施該成膜製程、後處理及成膜製程。
(觀察)在本發明實例及比較實例之每一者中，在實施該第二成膜製程之後，當用光照射該表面時，會觀察到0.065 μm或更多的顆粒沈積在卸載晶圓W樣本之表面上。分別自晶舟12之頂部(TOP)，中心(CTR)及底部(BTM)選擇三個晶圓作為樣本晶圓W。
(結果及檢查)圖6係一圖表，其顯示與本發明實例及比較實例中顆粒數量相關之實驗之結果。如圖6中顯示，相比於比較實例，本發明第一至第三實例PE1至PE3可使沈積於晶圓(TOP、CTR、BTM)表面上之顆粒數量大大減小。根據該結果，可證實作為供應至處理容器4內之後處理氣體，NH3 氣比N2 氣更加有效。
相比於本發明第一實例PE1，本發明第二及第三實例PE2及PE3可使沈積於晶圓表面(TOP、CTR、BTM)上之顆粒數量大大減小。根據該結果，可證實在後處理中，處理容器4內之氨氣分壓較佳地應設為8,000 Pa或更高。關於該態樣，即使在後處理中NH3 氣之分壓非常高，似乎亦不會為獲得本發明上述效果帶來任何優勢。
熟習此項技術者易於想出本發明之額外優點及修改。因此，本發明之寬廣態樣並非侷限於本文所示及所闡述之特定細節及代表性實施例。因此，可在不背離隨附申請專利範圍及其等效內容所定義的一般發明概念之精神與範疇之前提下，對本發明做各種修改。
2．．．成膜裝置
4．．．處理容器、反應室
5．．．處理區
6．．．石英頂板
8．．．圓柱形歧管
10．．．密封部件
12．．．晶舟
12A．．．支柱
14．．．絕熱圓柱體
16．．．平臺
18．．．封蓋
20．．．旋轉軸
22．．．磁流體密封
24．．．密封部件
25．．．提升機構
26．．．臂
28．．．第二處理氣體供應環路
28S．．．氣體源
30S．．．氣體源
32．．．氣體供應環路
32S．．．氣體源
34．．．氣體分配噴嘴
34A．．．氣體噴孔
36．．．氣體分配噴嘴
36A．．．氣體噴孔
38．．．氣體分配噴嘴
38A．．．氣體噴孔
42．．．氣體供應線路
42A．．．開關閥
42B．．．流速控制器
44．．．氣體供應線路
44A．．．開關閥
44B．．．流速控制器
46．．．氣體供應線路
46A．．．開關閥
48．．．主控制區
50．．．氣體激發區
52．．．細長排氣口
54．．．垂直細長開口
56．．．石英蓋
58．．．細長電極
60．．．無線電頻率電源
62．．．供電線路
64．．．絕緣保護蓋
66．．．排氣口覆蓋部件
68．．．氣體出口
70．．．殼體
72．．．加熱器
74．．．環形氣體供應口
75．．．冷卻氣體供應源
76．．．冷卻氣體排出通道
84．．．排氣通道
86．．．閥單元
88．．．真空幫浦
89．．．除害單元
210．．．CPU
212．．．儲存區
214．．．輸入區
216．．．輸出區
218．．．儲存媒體
該等附圖圖解闡釋本發明之實施例且與上文所給出之概述及實施例詳細說明一同用於解釋本發明之原理，該等附圖併入且構成本說明書之一部分。
圖1係一根據本發明一實施例之剖視圖，其顯示一垂直電漿處理裝置；圖2係一顯示部分圖1所示裝置之剖視平面圖；圖3係一剖視圖，其示意地顯示圖1所示裝置中之處理容器與一覆蓋該容器之殼體之間的關係；圖4係一根據該實施例之時序圖，其顯示一用於移除副產物膜的後處理之配方；圖5係一視圖，其顯示圖1中之處理容器、晶舟與晶圓在成膜處理與後處理期間之關係；圖6係一圖表，其顯示有關當前實例中及一比較實例中顆粒數量之實驗結果；及圖7係一方塊圖，其示意地顯示圖1中所示裝置中使用之主控制區之結構。
(無元件符號說明)

Claims (21)

  1. 一種使用一成膜裝置之方法，其包括：於該成膜裝置之一反應室內，在一目標基板上實施產品膜之成膜，該產品膜係選自由氮化矽膜及氮氧化矽膜所組成之群組；自該反應室卸載該目標基板；其後，在一後處理溫度下加熱該反應室之一內表面，同時將一用於氮化之後處理氣體供應至該反應室內，由此對該反應室之內表面上所沈積之副產物膜實施氮化；在該氮化後，將該反應室之內表面自該後處理溫度快速冷卻，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂並使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地將氣體自該反應室內部排出，以藉由氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
  2. 如請求項1之方法，其中該後處理氣體包含一選自由氨及氧化氮所組成之群組之氣體。
  3. 如請求項1之方法，其中該後處理氣體包含氨氣，而一副產物膜之氮化包括將該氨氣設定為在該反應室內具有一8,000 Pa或更大之分壓。
  4. 如請求項1之方法，其中該氣流係由該後處理氣體所形成。
  5. 如請求項1之方法，其中藉由CVD實施一產品膜之成膜，同時將該目標基板設定在一成膜溫度，且將包含一含矽氣體之第一成膜氣體及包含一氮化氣體或氮氧化氣體之第二成膜氣體供應至該反應室內。
  6. 如請求項5之方法，其中將該等第一及第二成膜氣體之至少一者供應至該反應室內，同時藉由電漿使其活化。
  7. 如請求項5之方法，其中將該後處理溫度設定為高於該成膜溫度。
  8. 如請求項5之方法，其中該後處理氣體包含與該第二成膜氣體相同之氣體。
  9. 如請求項1之方法，其中該反應室之內表面包含一選自由石英及碳化矽所組成之群組之材料作為一主要組分。
  10. 如請求項1之方法，其中一產品膜之成膜包括將該目標基板支撐於一支架上，前述卸載該目標基板包括自該反應室卸載其上支撐有目標基板之支架，且該方法進一步包括在一副產物膜之氮化之前將沒有目標基板支撐於其上之支架載入該反應室中。
  11. 如請求項10之方法，其中該支架係配置為於一垂直方向間隔地支撐複數個目標基板。
  12. 如請求項1之方法，其中將該後處理溫度設定為600至850℃。
  13. 如請求項12之方法，其中前述將該內表面自後處理溫度快速冷卻包括以10至25℃/min之冷卻速率將該內表面自該後處理溫度冷卻至一低於400℃之溫度。
  14. 如請求項5之方法，其中將該成膜溫度設定為400至650℃。
  15. 如請求項1之方法，其中一副產物膜之氮化包括藉由一設置於該反應室周圍之加熱器自外部加熱該反應室之內部，且前述將該反應室之內表面快速冷卻包括藉由一冷卻氣體自外部冷卻該反應室之內表面。
  16. 如請求項15之方法，其中前述將該反應室之內表面快速冷卻包括將該冷卻氣體自下方供應至一環繞該反應室及該加熱器之殼體，且自該殼體之頂部排出該冷卻氣體。
  17. 一種成膜裝置，其用於在一目標基板上實施產品膜之成膜，該產品膜系選自由氮化矽膜及氮氧化矽膜所組成之群組；該裝置包括：一反應室，其配置以裝納該目標基板；一傳送機構，其配置以將該目標基板裝載至該反應室及自該反應室卸載該目標基板；一加熱器，其配置以加熱該反應室之內部；一排氣系統，其配置以自該反應室內部排出氣體；一成膜氣體供應環路，其配置以將用於形成該產品膜之成膜氣體供應至該反應室內；一後處理氣體供應環路，其配置以將一後處理氣體供應至該反應室內，該後處理氣體係用於氮化該反應室內表面上所沈積之副產物膜者；及一控制區，其配置以控制該裝置之作業；其中該控制區執行：於該反應室內，在一目標基板上實施該產品膜之成膜；自該反應室卸載該目標基板；其後，在一後處理溫度下加熱該反應室之內表面，同時將該後處理氣體供應至該反應室內，由此對該反應室內表面上所沈積之副產物膜實施氮化；在該氮化之後，將該反應室之內表面自該後處理溫度快速冷卻，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂且使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地將氣體自該反應室內部排出，以藉由一氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
  18. 如請求項17之裝置，其中：該加熱器設置於該反應室周圍以自外部加熱該反應室之內部，且該裝置進一步包括：一環繞該反應室及該加熱器之殼體；一冷卻氣體供應環路，其配置以將一冷卻氣體自下方供應至該殼體中；及一冷卻氣體排出通道，其連接至該殼體之頂部。
  19. 如請求項17之裝置，其中該傳送機構係配置以將一其上支撐有目標基板之支架裝載至該反應室及將該支架自該反應室卸載。
  20. 如請求項19之裝置，其中該支架係配置為於一垂直方向間隔地支撐複數個目標基板。
  21. 一種電腦可讀取之儲存媒體，其包含用於在一處理器上執行之程式指令，其中當以處理器執行時，係使該成膜裝置執行：於該成膜裝置之反應室內，在一目標基板上實施產品膜之成膜，該產品膜係選自由氮化矽膜及氮氧化矽膜所組成之群組；自該反應室卸載該目標基板；其後，在一後處理溫度下加熱該反應室之一內表面，同時將一用於氮化之後處理氣體供應至該反應室內，由此對該反應室內表面上所沈積之副產物膜實施氮化；在該氮化之後，將該反應室之內表面自該後處理溫度快速冷卻，由此藉由熱應力使該副產物膜破裂且使該副產物膜自該反應室之內表面剝離；及強制性地將氣體自該反應室內部排出，以藉由一氣流攜載自內表面如此剝離之副產物膜，由此自該反應室排出該副產物膜。
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