TWI445837B - 立式薄膜形成設備及其使用方法 - Google Patents

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Description

立式薄膜形成設備及其使用方法 【相關申請案之交互參照】
本申請案主張日本專利申請案第2009-269830號(於2009年11月27日向日本專利局提出申請)以及第2010-241831號(於2010年10月28日向日本專利局提出申請)的優先權，其整體揭露內容乃合併於此以供參照。
本發明係關於一種批次(batch type)立式薄膜形成設備及其使用方法，且尤其係關於一種抑制處理容器內之金屬污染的半導體處理技術，該設備用以在目標物體(例如半導體晶圓)上形成例如氮化矽膜(SiN膜)的薄膜。此處所使用之「半導體處理」一詞係包含用以在目標物體(例如半導體晶圓或用於例如液晶顯示器(LCD，Liquid Crystal Display)之平面顯示器(FPD，Flat Panel Display)的玻璃基板)上，製造半導體裝置或待連接至半導體裝置之具有配線層、電極等等之結構的各種處理，這些處理係藉由在目標物體上形成具有預定圖案的半導體層、絕緣層、以及導電層。
在半導體裝置的製造順序中，係使用薄膜形成處理以在半導體晶圓(例如矽晶圓)上形成例如氮化矽膜的薄膜。在此種薄膜形成處理中，每次經常利用批次立式熱處理設備並藉由化學氣相沉積(CVD，chemical vapor depositio)而同時在複數個半導體晶圓上執行薄膜形成。
近年來，由於半導體裝置小型化與整合方面的需求，已必須形成較高品質的薄膜，例如氮化矽膜。作為用以實現形成較高品質薄膜之需求的技術，已提出藉由原子層沉積(ALD，atomic layer deposition)來形成SiN膜的技術，其係交替供應Si來源氣體以及氮化氣體，以重複層疊具有原子層等級或分子層等級的膜。舉例而言，可使用具有高吸附劑特性的二氯矽烷(DCS：SiH2 Cl2 )來作為Si來源；且使用氨(NH3 )作為氮化氣體並同時將其轉變成電漿。
在批次立式熱處理設備中，處理容器、晶舟等等係由石英所製造。在重複薄膜形成處理之後，執行清洗以移除反應產物，然後執行塗佈處理，而以與產品膜(此係指藉由薄膜形成處理而形成在晶圓上的產品膜)相同之材料所製造的塗膜來覆蓋處理容器的內表面、晶舟的表面等等。吾人設想防止微粒與污染物(例如Na)從(由石英所製造的)這些部件散布出來並污染產品膜。傳統上，在藉由電漿ALD來形成產品膜的薄膜形成設備中，亦會藉由電漿ALD來執行此種塗佈處理，以簡化控制並增加產量(國際公開案第WO 2004/044970號(專利文獻1))。
然而，雖然要求愈來愈嚴格，在使用專利文獻1所揭露的技術之情況中，不易滿足對於塗佈處理之後藉由薄膜形成處理而形成之產品膜上所引起之Na污染的要求。為了解決此問題，已提出藉由熱CVD來執行塗佈處理的技術，其係在不利用電漿的情況下，同時供應DCS氣體以及NH3 氣體(國際公開案第WO 2007/111348號(專利文獻2))。
然而，本案發明人已發現到：在藉由熱CVD執行塗佈處理之情況中，在處理容器內之較低溫部分(例如靠近底部的部分)的塗膜厚度不足，因此無法充分防止Na污染。於此種情況下，在具有薄塗膜的部分，處理容器內的石英部件會在薄膜形成處理期間受到電漿的濺射，並放出例如Na的污染物。
本發明之一目的係在於提供一種批次立式薄膜形成設備及其使用方法，其能夠穩定地減少藉由電漿ALD所形成之產品膜中的Na污染。
依照本發明之第一實施態樣，提供一種立式薄膜形成設備的使用方法，此薄膜形成設備包含：一立式處理容器，其中保持真空狀態；一支座，用以在此處理容器內的一垂直方向上間隔夾持複數個目標物體；一加熱器，配置在此處理容器的周圍，以加熱此目標物體；一第一處理氣體供應系統，用以將一第一處理氣體供應到此處理容器內；一第二處理氣體供應系統，用以將一第二處理氣體供應到此處理容器內；一電漿產生系統，接附於此處理容器並且用以將氣體轉變成電漿；以及一排放系統，用以從此處理容器內排放氣體，此方法包含下列步驟：在其中不存在產品目標物體的此處理容器內執行一塗佈處理，而以一塗膜來覆蓋此處理容器的內表面，此塗佈處理係藉由將此處理容器內的溫度設定在一塗佈溫度，且在不藉由此電漿產生系統將此第一與第二處理氣體其中任一者轉變成電漿的情況下，將此第一與第二處理氣體交替供應到此處理容器內，而藉由此第一與第二處理氣體之間的反應來形成此塗膜；以及接著，在容納其上放置此產品目標物體之此支座的此處理容器內執行一薄膜形成處理，以在此產品目標物體上形成一預定膜，此薄膜形成處理係藉由將此處理容器內的溫度設定在低於此塗佈溫度的一薄膜形成溫度，且交替地供應此第一與第二處理氣體到此處理容器內，同時利用此電漿產生系統將此第一與第二處理氣體至少其中一者轉變成電漿，而藉由此第一與第二處理氣體之間的反應來形成此預定膜。
依照本發明之第二實施態樣，提供一種立式薄膜形成設備，包含：一立式處理容器，其中保持真空狀態；一支座，用以在此處理容器內的一垂直方向上間隔夾持複數個目標物體；一加熱器，配置在此處理容器的周圍，以加熱此目標物體；一第一處理氣體供應系統，用以將一第一處理氣體供應到此處理容器內；一第二處理氣體供應系統，用以將一第二處理氣體供應到此處理容器內；一電漿產生系統，接附於此處理容器並且用以將氣體轉變成電漿；一排放系統，用以從此處理容器內排放氣體；以及一控制部，用以控制此設備的操作，其中預設此控制部以執行一順序，此順序包含：在其中不存在產品目標物體的此處理容器內執行一塗佈處理，而以一塗膜來覆蓋此處理容器的內表面，此塗佈處理係藉由將此處理容器內的溫度設定在一塗佈溫度，並且在不藉由此電漿產生系統將此第一與第二處理氣體其中任一者轉變成電漿的情況下，將此第一與第二處理氣體交替供應到此處理容器內，而藉由此第一與第二處理氣體之間的反應來形成此塗膜；以及接著，在容納於其上放置有此產品目標物體之此支座的此處理容器內執行一薄膜形成處理，以在此產品目標物體上形成一預定膜，此薄膜形成處理係藉由將此處理容器內的溫度設定在低於此塗佈溫度的一薄膜形成溫度，並且將此第一與第二處理氣體交替供應到此處理容器內，並同時藉由此電漿產生系統將此第一與第二處理氣體至少其中一者轉變成電漿，而藉由此第一與第二處理氣體之間的反應來形成此預定膜。
依照本發明之第三實施態樣，提供一種電腦可讀取非暫時性(non-transitory)儲存媒體，其含有在用於一立式薄膜形成設備之一電腦上執行的程式，其中此程式在藉由此電腦執行時，使此電腦得以控制此立式薄膜形成設備，以執行如第一實施態樣所述的方法。
本發明之額外目的與優點將在以下說明內容中提及，並且部分可見於此說明內容，或者可藉由實施本發明而習得。本發明之目的與優點可藉由以下所特別指出的手段及組合而瞭解與獲得。
以下，將參考隨附圖式來說明本發明之一實施例。在下列說明中，具有實質上相同之功能與設置的組成元件係以相同的參考符號來表示，並且僅當需要時才進行重複的描述。
依照本發明之一實施例，圖1為一剖面前視圖，其顯示用於半導體製程之批次立式薄膜形成設備。圖2為一剖面平面圖，其顯示圖1所示之薄膜形成設備的部分。在圖2中，未顯示加熱機構。
薄膜形成設備100包含處理容器1，其形狀如具有開放底部與封閉頂部的圓柱。處理容器1的整體係由例如石英所製造。處理容器1設有配置在其內並靠近頂部的石英頂板2，以氣密封閉位於頂板2下方的區域。處理容器1的開放底部係透過例如O形環的密封部4，而連接至由例如不銹鋼所製造的圓柱形歧管3。
歧管3支撐處理容器1的底部。由石英所製造的晶舟5透過歧管3的底部端口進行上下移動，俾能將晶舟5裝載到處理容器1內/從處理容器1卸載。將若干個(例如約50到100個)目標物體或半導體晶圓W堆疊在晶舟5上。晶舟5具有三根支柱6(參見圖2)，此支柱具有溝槽，於這些溝槽上可分別支撐若干個晶圓W。
晶舟5係透過由石英所製造的保溫筒7而放置在台座8上。台座8係由旋轉軸10所支撐，此旋轉軸可穿過蓋體9，此蓋體係由例如不銹鋼所製造，並且用於開啟/關閉歧管3之底部端口。
旋轉軸10穿過之蓋體9的部分設有例如磁性流體密封件11，俾能在氣密封閉狀態下，可旋轉地支撐旋轉軸10。例如O形環的密封部12係介設在蓋體9的周邊與歧管3的底部之間，俾能使處理容器1的內部保持密封。
例如，旋轉軸10係接附在手臂13的末端，此手臂係由例如晶舟升降機的升降機構(未圖示)所支撐。此升降機構可使晶舟5與蓋體9一致地上下移動而進出處理容器1。可將台座8固定於蓋體9，俾能在不旋轉晶舟5的情況下處理晶圓W。
薄膜形成設備100包含：含氮氣體供應機構14、Si來源氣體供應機構15、沖洗氣體供應機構16、以及清洗氣體供應機構41。含氮氣體供應機構14可用以將例如氨(NH3 )氣體的含氮氣體供應到處理容器1內。Si來源氣體供應機構15可用以將例如二氯矽烷(DCS，dichlorosilane)氣體的Si來源氣體供應到處理容器1內。沖洗氣體供應機構16可用以將作為沖洗氣體之例如氮(N2 )氣體的非反應性氣體供應到處理容器1內。清洗氣體供應機構41可用以將例如含氟氣體(如HF氣體或F2 氣體)的清洗氣體供應到處理容器1內。
含氮氣體供應機構14包含透過氣體線路18而彼此連接以供應含氮氣體的含氮氣體供應源17與氣體分配噴嘴19。氣體分配噴嘴19係由石英管所形成，其係從外部穿過歧管3的側壁然後轉向並朝上垂直延伸。氣體分配噴嘴19的垂直部分具有複數個氣體噴流孔19a，這些噴流孔係以在垂直長度上對應於晶舟5之晶圓支撐跨距(span)的預定間隔而形成於此氣體分配噴嘴上。因此，例如NH3 氣體的含氮氣體可幾乎在水平方向上從氣體噴流孔19a朝向處理容器1均勻噴出。
Si來源氣體供應機構15包含透過氣體線路21而彼此連接以供應Si來源氣體的Si來源氣體供應源20與氣體分配噴嘴22。在此實施例中，對於Si來源氣體，存在有兩個氣體分配噴嘴22(參見圖2)。每一氣體分配噴嘴22係由石英管所形成，其係從外部穿過歧管3的側壁然後轉向並朝上垂直延伸。每一氣體分配噴嘴22的垂直部分亦具有複數個氣體噴流孔22a，這些噴流孔係以在垂直長度上對應於晶舟5之晶圓支撐跨距的預定間隔而形成於此氣體分配噴嘴上。因此，例如DCS氣體的Si來源氣體可幾乎在水平方向上從氣體噴流孔22a朝向處理容器1均勻噴出。對於Si來源氣體，可僅配置一氣體分配噴嘴22。
沖洗氣體供應機構16包含透過氣體線路24而彼此連接以供應沖洗氣體的沖洗氣體供應源23與氣體噴嘴25。氣體噴嘴25係由短石英管所形成，其係從外部穿過歧管3的側壁。較佳係使用例如N2 氣體的非反應性氣體來作為沖洗氣體。
清洗氣體供應機構41包含清洗氣體的氣體供應源42以及從氣體供應源42延伸的氣體線路43。氣體線路43在途中分岔成連接至氣體線路18以及氣體線路21的兩條線路。
氣體線路18、21、24、以及43可分別設有開關閥門18a、21a、24a、以及43a、以及例如質量流量控制器的流率控制器18b、21b、24b、以及43b。因此，吾人可以受控的流率來供應含氮氣體、Si來源氣體、沖洗氣體、以及清洗氣體。
電漿產生機構30係形成在處理容器1的一部分側壁上，以產生作為氮化氣體之含氮氣體的電漿。電漿產生機構30具有垂直長窄開口31，此開口係藉由在垂直方向上切割預定寬度的處理容器1之側壁而形成。以電漿護壁32來覆蓋開口31，此電漿護壁係藉由熔接而氣密地連接至處理容器1的外表面。電漿護壁32係由例如石英所形成，並且具備帶有凹狀橫斷面的垂直長窄形狀。
一對長窄電漿電極33係配置在電漿護壁32的相對外表面上，並且在垂直方向上延伸時彼此面對。電漿電極33係透過饋入線34而連接至用以供應無線射頻(RF，Radio Frequency)電力的RF電源35。將例如13.56 MHz的RF電壓從電源35施加至電漿電極33，以產生含氮氣體的電漿。RF電壓的頻率並不限於13.56 MHz，並且可將其設定在其他頻率，例如400 kHz。
上述電漿護壁32的形成，俾使處理容器1的側壁朝外凸出以界定一內凹部，同時使電漿護壁32的內部空間與處理容器1的內部空間連通。電漿護壁32的內部空間以及開口31具有足以在垂直方向上覆蓋位於晶舟5上之所有晶圓W的垂直長度。
含氮氣體的氣體分配噴嘴19可在處理容器1的徑向上朝外彎曲，同時在處理容器1內朝上延伸。然後，氣體分配噴嘴19在電漿護壁32內的最深位置(離處理容器1之中心最遠的位置)上垂直延伸。例如，當開啟RF電源35並因此在兩電極33之間產生RF電場時，從氣體分配噴嘴19之氣體噴流孔19a所噴出之例如NH3 氣體的含氮氣體可轉變成電漿，並且朝向處理容器1的中心供應與擴散。
由例如石英所製造的絕緣保護蓋36係接附並覆蓋在電漿護壁32的外表面上。冷媒通道(未圖示)係形成在絕緣保護蓋36內，並且可被供以例如冷卻氮氣的冷媒，以對電漿電極33進行冷卻。
兩氣體分配噴嘴22可在夾住位於處理容器1之側壁內之開口31的相對位置上朝上延伸。例如DCS氣體的Si來源氣體係從氣體分配噴嘴22的氣體噴流孔22a朝向處理容器1的中心噴出。
另一方面，在處理容器1之開口31的相對側上，處理容器1可具有形成於其上的排放口37，此排放口可用以對處理容器1的內部進行真空排放。排放口37具有藉由在垂直方向上切割處理容器1之側壁而形成的長窄形狀。排放口37係覆蓋以具有U形橫斷面的排放口遮蓋部件38，且藉由熔接而接附於處理容器1。排放口遮蓋部件38係沿著處理容器1的側壁而朝上延伸，並且具有位於處理容器1之頂部的氣體出口39。氣體出口39係連接至包含真空幫浦等等的真空排放機構(VEM，vacuum-exhaust mechanism)。為了對處理容器1內的環境與晶圓W進行加熱，處理容器1係由圓柱形加熱機構40加以包圍。
薄膜形成設備100包含控制器50，其包含微處理器(電腦)並且可控制薄膜形成設備100中的各個構件。舉例而言，控制器50：控制閥門18a、21a、24a、以及43a以藉由將其開啟/關閉而供應/停止氣體；控制質量流量控制器18b、21b、24b、以及43b而調整氣體的流率；控制真空排放機構而排放氣體；控制RF電源35而開啟/關閉RF電力；以及控制加熱機構40而調整晶圓W的溫度。控制器50係連接至包含例如鍵盤以及顯示器的使用者介面51，其中鍵盤可被操作者使用來輸入用以操作薄膜形成設備100的指令，而顯示器可用於顯示薄膜形成設備100之操作情況的視覺影像。
又，將控制器50連接至儲存部52，此儲存部可儲存配方，即用於控制薄膜形成設備100以執行各種處理之控制器50的控制程式、以及用於依照處理條件來執行處理之薄膜形成設備100之各個構件的控制程式。此配方係儲存在包含於儲存部52內的儲存媒體中。此儲存媒體可由下列媒體所形成：固定式媒體，例如硬碟或半導體記憶體；或可攜式媒體，例如CD-ROM、DVD、或快閃記憶體。或者，當需要時，吾人可在透過例如專用線路從另一設備傳輸此配方時，線上使用此配方。
所需之配方可從儲存部52加以擷取，並且藉由控制器50依照透過使用者介面51所輸入的指令等等而加以執行。因此，薄膜形成設備100可在控制器50的控制之下，依照所擷取的配方來執行預定的處理。
以下，將說明依照在具有上述結構之薄膜形成設備中所執行之一實施例的設備之使用方法。圖3係顯示依照本發明之一實施例之設備的使用方法流程圖。圖4係顯示與圖3之方法結合之薄膜形成處理之氣體供應時間的時間圖。圖5係顯示與圖3之方法結合之塗佈處理之氣體供應時間的時間圖。
於此實施例中，可依序重複執行在薄膜形成處理之前的塗佈處理(處理1)、在晶圓上形成SiN膜的薄膜形成處理(處理2)、以及在薄膜形成處理之後的清洗處理(處理3)。
塗佈處理或處理1可用以防止例如處理容器1、晶舟5、以及保溫筒7的石英部件將微粒與污染物散布到所處理的晶圓W上。在塗佈處理中，將其上未支撐產品晶圓的晶舟5放置在保溫筒7上，並且從下方裝載到以一預定溫度加熱的處理容器1內。然後，藉由蓋體9來關閉歧管3的底部端口，以在處理容器1內設定一氣密空間。接著，藉由如後述不使用電漿的熱ALD，在處理容器1的表面、晶舟5、保溫筒7、以及氣體分配噴嘴19與22上形成SiN塗膜。除了不使用電漿以及處理容器1內的溫度較高以外，此處理可使用幾乎與下述薄膜形成處理或處理2相同的條件。吾人可以放置在晶舟5上的測試晶圓來執行此塗佈處理。
在薄膜形成處理或處理2中，於室溫下將若干個晶圓W(例如50到100個)放置在覆以塗膜的晶舟5上。然後，從下方將於其上放置有晶圓W的晶舟5裝載到事先以一預定溫度調整的處理容器1內。接著，藉由蓋體9來關閉歧管3的底部端口，以在處理容器1內設定一氣密空間。例如，晶圓W可具有300 mm的直徑，然而並不限於此。
然後，對處理容器1的內部進行真空排放並使其保持在一預定的處理壓力。又，控制施加至加熱機構40的電力，以增加晶圓溫度並將其設定至一處理溫度。接著，在旋轉晶舟5時，開始薄膜形成處理。
如圖4所示，此薄膜形成處理係藉由重複交替步驟S1以及步驟S2的所謂電漿ALD來加以執行。步驟S1的安排係為了將例如DCS氣體的Si來源氣體供應到處理容器1內，以使此氣體吸附在晶圓W上。步驟S2的安排則為了將經由電漿所激發之例如NH3 氣體的氮化氣體或含氮氣體供應到處理容器1內，以氮化吸附在晶圓W上的Si來源氣體。可在步驟S1與S2之間插入步驟S3a與S3b，以將殘留氣體從處理容器1的內部移除。
具體來說，在步驟S1中，例如DCS氣體的Si來源氣體係透過氣體線路21以及氣體分配噴嘴22而從Si來源氣體供應機構15的氣體供應源20加以供應，並且以時間週期T1從氣體噴流孔22a噴入到處理容器1內。因此，Si來源氣體可吸附在每一半導體晶圓上。此步驟的時間週期T1係設定成例如2到30 sec。就DCS而言，Si來源氣體的流率係設定成例如1到5 L/min(slm)；處理容器1內的壓力係設定成例如66.65到666.5 Pa(0.5到5 Torr)，並且較佳為266.6到600 Pa(2到4.5 Torr)。
Si來源氣體可為DCS(二氯矽烷)以外的矽烷族氣體，例如單氯矽烷(MCS，monochlorosilane)、六氯二矽烷(HCD，hexachlorodisilane)、單矽烷(SiH4 )、二矽烷(Si2 H6 )、六甲基二矽烷胺(HMDS，hexamethyldisilazane)、四氯矽烷(TCS，tetrachlorosilane)、二矽烷胺(DSA，disilylamine)、三矽烷胺(TSA，trisilylamine)、或雙第三丁胺基矽烷(BTBAS，bistertialbutylaminosilane)。
在步驟S2中，例如NH3 氣體的含氮氣體係透過氣體供應線路18以及氣體分配噴嘴19而從含氮氣體供應機構14的氣體供應源17加以供應，並且從氣體噴流孔19a噴出。在此時，電漿產生機構30的RF電源35係設定在開啟狀態，以產生RF電場，例如NH3 氣體的含氮氣體可藉由此電場而轉變成電漿。然後，將經過電漿激發的含氮氣體供應到處理容器1內。因此，可將吸附在半導體晶圓W上的DCS加以氮化並使其轉變成SiN。此步驟的時間週期T2係設定成例如5到120 sec。就NH3 氣體而言，含氮氣體的流率係設定成例如0.5到10 L/min(slm)，然而其係取決於支撐在晶舟5上之半導體晶圓W的數量。RF電源35係設定成施加具有例如13.56 MHz之頻率以及5到1,000 W(較佳為10到200 W)之功率的RF電力，然而其並不限於特定值。處理容器1內的壓力係設定成例如13.33到266.6 Pa(0.1到2 Torr)，並且較佳為13.33到120 Pa(0.1到0.93 Torr)。
在此步驟中，含氮氣體可為N2 氣體或N2 H4 氣體，以替代NH3 氣體；以及當吾人使用此替代氣體作為氮化劑時，此替代氣體亦可藉由RF電場而轉變成電漿。
插入步驟S1與步驟S2之間的步驟S3a與S3b可用以在步驟S1或步驟S2之後從處理容器1內移除殘留氣體，以在後續步驟中引起期望的反應。具體而言，在這些步驟中，當對處理容器1進行真空排放時，作為沖洗氣體之例如N2 的非反應性氣體可透過氣體線路24以及氣體噴嘴25，而從沖洗氣體供應機構16的氣體供應源23供應到處理容器1內。這些步驟S3a與S3b的各自時間週期T3a與T3b係設定成例如2到15 sec。沖洗氣體的流率係設定成例如0.5到15 L/min(slm)。可將步驟S3a與S3b之每一者安排成：若能夠從處理容器1內移除殘留氣體，在不供應沖洗氣體的情況下，即在不執行任何氣體供應的情況下，連續對處理容器1進行真空排放。然而，供應沖洗氣體縮短了從處理容器1內移除殘留氣體所需的時間。
如上所述，用以供應例如DCS氣體之Si來源氣體的步驟S1、以及用以供應藉由電漿所激發之含氮氣體的步驟S2，可與插入於其間而用以從處理容器1內移除殘留氣體的步驟S3a與S3b重複交替。因此，可逐一地重複層疊薄SiN層，而完成具有預定厚度的SiN膜。可依照完成之SiN膜的厚度而適當決定此循環的重複次數。
決定用於薄膜形成的晶圓溫度(薄膜形成溫度)，以藉由電漿ALD來形成健全的膜，並且當使用DCS氣體時，可將其設定成落入150到650℃的範圍內，較佳為350到650℃，且更佳為350到630℃。
在對具有預定數量批次的晶圓W重複上述薄膜形成處理之後，執行清洗處理或處理3。在清洗處理中，將其上未支撐產品晶圓的晶舟5放置在保溫筒7上，並且從下方裝載到以一預定溫度加熱的處理容器1內。然後，藉由蓋體9來關閉歧管3的底部端口，以在處理容器1內設定一氣密空間。接著，透過氣體線路43、18、以及21與氣體分配噴嘴19與22，從清洗氣體供應源42將例如含氟氣體(如HF氣體或F2 氣體)的清洗氣體供應到處理容器1內，並同時對處理容器1的內部進行真空排放。此清洗處理可移除沉積在處理容器1之內表面、晶舟5、保溫筒7、以及氣體分配噴嘴19與22上的反應產物。在清洗處理期間，處理容器1內的溫度較佳係設定成300到500℃，並且更佳係300到450℃。
在執行清洗處理或處理3之後，執行如上所述之塗佈處理或處理1，接著執行薄膜形成處理或處理2，以在晶圓W上形成SiN膜。
傳統上，在藉由電漿ALD來形成產品膜的薄膜形成設備中，由於下列原因，亦會藉由電漿ALD來執行此種塗佈處理。具體而言，當塗佈處理係使用與薄膜形成處理相同的條件時，可簡化此設備的控制。電漿ALD可提供高循環率(薄膜形成率)，並因此可縮短形成塗膜所需的時間，藉此改善此設備的使用效率。此塗膜必須具有至少50 nm的厚度，以防止產品膜上的污染。
然而，在藉由電漿ALD來執行塗佈處理之情況中，在塗佈處理之後藉由薄膜形成處理所形成之產品膜中的Na含量會相當地高。雖然未闡明在此情況下產生Na的來源與機制，但例如處理容器1、晶舟5、以及保溫筒7的石英部件似乎受到電漿濺射。因為此種濺射而從石英部件之基質或最上表面所放出的Na會留在塗膜上，並且會在薄膜形成處理期間散布到處理容器1內的晶圓W上。
另一方面，當藉由熱CVD來執行塗佈處理時，產品膜中的Na含量會因為在塗佈處理中不使用電漿而減少。然而，在晶舟5之底部附近的晶圓W上，產品膜中的Na含量會較高。此係因為在整個處理容器1內，藉由熱CVD所形成的塗膜無法具有足夠的厚度所致。舉例來說，在處理容器1內的底部附近具有較小的塗膜厚度，而在薄膜形成處理期間，底部附近的石英部件會受到電漿濺射並產生Na。
依照根據此問題所做出的實施例，執行藉由不使用電漿的熱ALD之塗佈處理或處理1。事先根據例如晶圓W上之SiN產品膜中所含有並當作污染物之Na含量來決定此種熱ALD所使用的處理條件，例如Si來源氣體(DCS)以及氮化氣體(NH3 )的流率與供應時間，其中如上所述，Na係由處理容器1、晶舟5、以及保溫筒7所產生。
傳統上，必須考慮到當供應例如NH3 氣體的含氮氣體時，SiN膜ALD係利用電漿來激發此氣體。然而，依照本發明，已發現到塗佈處理不一定需要電漿，而是需要適當控制的溫度來形成可提供足夠遮蔽效果的塗膜。又，在藉由此種無電漿ALD執行塗佈處理之情況中，由於石英部件並不會產生因形成塗膜時的電漿濺射所致的Na，如此可防止後續薄膜形成處理所形成的SiN產品膜受到Na的污染。此外，當Si來源氣體為含氯氣體(例如DCS氣體)時，相較於電漿ALD，熱ALD可在塗膜中造成較高的Cl濃度。由於Cl可用以在塗膜中捕捉Na，所以可進一步防止後續薄膜形成處理所形成的SiN產品膜受到Na的污染。再者，在整個處理容器1內，由熱ALD所形成的塗膜能夠具有足夠的厚度，以防止石英部件因為後續薄膜形成處理中的電漿濺射而產生Na。
如圖5所示，此塗佈處理或處理1係藉由重複交替步驟S11以及步驟S12的所謂電漿ALD來加以執行。步驟S11的安排係用以將Si來源氣體或DCS氣體供應到處理容器1內，以使此氣體吸附在處理容器1的內表面等等上。步驟S12的安排則係用以將不經由電漿所激發的氮化氣體或NH3 氣體供應到處理容器1內，以氮化吸附在處理容器1之內表面等等上的Si來源氣體。可在步驟S11與步驟S12之間插入沖洗步驟S13a與S13b，以從處理容器1內移除殘留氣體。
在此塗佈處理中，處理容器1內的加熱溫度係設定成高於薄膜形成處理或處理2。具體而言，加熱溫度係設定成550到670℃，較佳為590到630℃。關於步驟S11、S12、S13a、S13b的其他條件可設定成幾乎與處理2的步驟S1、S2、S3a、以及S3b相同。又，這些氣體供應步驟的時間週期T11與T12可設定成幾乎與時間週期T1與T2相同。
然而，塗佈處理之沖洗步驟的時間週期T13a與T13b可設定成短於薄膜形成處理之沖洗步驟的時間週期T3a與T3b。具體而言，緊接在Si來源供應之前的沖洗步驟之時間週期T13b係設定成1到5sec。緊接在Si來源供應之後的沖洗步驟之時間週期T13a係設定成1到10sec。T13b/T3b係設定成0.2到1，並且較佳為0.2到0.6。T13a/T3a係設定成0.1到1，並且較佳為0.14到0.57。T13b/T13a係設定成0.1到5，並且較佳為0.4到0.7。當條件設定成如上述時，可將塗膜中的Cl濃度控制在用以捕捉Na的最佳濃度。
以下，將說明在圖1所示之設備中所進行的實驗，以證實此實施例的某些效果。
將其上未放置晶圓的石英晶舟5安裝在石英保溫筒7上，並且裝載到石英處理容器1內。然後，將處理容器1氣密封閉，並且在處理容器1內執行使用HF氣體的清洗處理。接著，分別藉由電漿ALD(比較範例CE1)、熱CVD(比較範例CE2)、熱ALD(本發明範例PE1)、以及具有較短沖洗時間的短熱ALD(本發明範例PE2)來執行四種不同的塗佈處理。
於電漿ALD(比較範例CE1)以及熱ALD(本發明範例PE1)中，在Si流動之前的沖洗步驟係設定在3sec，而在Si流動之後的沖洗步驟係設定在7sec。(CE1與PE1之間的差異在於電漿開啟與關閉)，於短熱ALD(本發明範例PE2)中，在Si流動之前的沖洗步驟係設定在1sec，而在Si流動之後的沖洗步驟係設定在3sec。
四種不同塗佈處理(CE1、CE2、PE1、以及PE2)的共同點為：使用DCS氣體來作為Si來源氣體；使用NH3 氣體來作為含氮氣體；以及使用N2 氣體來作為沖洗氣體。DCS氣體、NH3 氣體、以及N2 氣體的流率係分別設定在：就DCS而言係1到2L/min(slm)；就NH3 而言係1到10L/min(slm)；以及就N2 而言係0.5到5L/min(slm)。處理容器內的溫度係設定在630℃。處理容器內的壓 力係設定成13.33到666.5Pa。
在進行四種不同塗佈處理的每一者之後，將其上放置有100個晶圓的晶舟安裝在保溫筒7上，並且裝載到處理容器1內。然後，將處理容器1氣密封閉，並且在處理容器1內藉由電漿ALD來執行薄膜形成處理，以形成SiN膜(產品膜)。除了將薄膜形成溫度設定在550到630℃以外，在與上述電漿ALD塗佈處理實質相同的條件下執行此薄膜形成處理。接著，對位在晶舟之頂部與底部的晶圓，以IPC質譜儀來量測依此所形成之每一SiN產品膜中的Na含量。
圖6係顯示底部晶圓上之SiN產品膜中的Na含量之圖表，這些產品膜係藉由一實驗而獲得，在此實驗中，分別藉由電漿ALD、熱CVD、熱ALD、以及短熱ALD來執行塗佈處理，然後藉由電漿ALD在晶圓上形成SiN產品膜。如圖6所示，在使用電漿ALD塗佈處理(比較範例CE1)的情況下，SiN產品膜中的Na含量為高且超過1.0×1016 [原子/cm3 ]。在使用熱CVD塗佈處理(比較範例CE2)的情況下，SiN產品膜中的Na含量為高且超過1.0×1016 [原子/cm3 ]。另一方面，在各自使用熱ALD以及短熱ALD塗佈處理(本發明範例PE1與PE2)的情況下，SiN產品膜中的Na含量為低且低於1.0×1016 [原子/cm3 ]。因此，可證實相較於比較範例CE1與CE2，本發明範例PE1與PE2可使SiN產品膜中的Na含量在整體上較低。
又，藉由使用DCS作為Si來源氣體的電漿ALD以及熱ALD來形成SiN膜，並且藉由IPC質譜儀來量測這些膜中的Cl含量。圖7係顯示藉由電漿ALD以及熱ALD所形成之SiN膜中的Cl含量之圖表。如圖7所示，根據電漿的存在與否，清楚顯示出Cl濃度的明顯差異。因為藉由熱ALD所形成的膜可具有較高的Cl濃度，所以可預期Cl對Na的捕捉效果可藉由以熱ALD來執行塗佈處理而增強。
本發明並不限於上述實施例，且可以各種方式對其進行修改。舉例而言，在上述實施例中，可藉由Si來源氣體與含氮氣體的使用而形成氮化矽膜。或者，可藉由使用第一與第二處理氣體並同時將這些氣體之至少其中一者轉變成電漿的電漿ALD，將本發明應用在形成其他薄膜(例如氧化矽膜或氧氮化矽膜)的處理上。
在上述實施例中，以塗膜來覆蓋處理容器內表面、晶舟(支座部件)、以及保溫筒。然而，僅以塗膜來覆蓋處理容器內表面即可滿足需要。在上述實施例中，電漿產生機構係一體地配置在處理容器上。或者，可將本發明應用在遠端電漿設備上，此遠端電漿設備係設有與處理容器分開配置的電漿產生機構，以在將氣體供應到處理容器內之前，於處理容器外將此氣體轉變成電漿。
在上述實施例中，係完全交替地供應DCS氣體以及NH3 氣體。然而，不一定需要完全交替地供應這些氣體，在供應DCS氣體時亦可供應NH3 氣體。
目標物體並不限於半導體晶圓，並且可將本發明應用在其他基板上，例如LCD玻璃基板。
熟習本項技藝者可輕易想到額外優點與修改。因此，本發明就其較廣之實施態樣而言並不限於在此所示與所述之具體細節以及代表實施例。因此，在不背離如隨附請求項所界定之概要發明觀念之精神與範圍以及等效設計的情況下，當可進行各種修改。
1．．．處理容器
2．．．頂板
3．．．歧管
4．．．密封部
5．．．晶舟
6．．．支柱
7．．．保溫筒
8．．．台座
9．．．蓋體
10．．．旋轉軸
11．．．磁性流體密封件
12．．．密封部
13．．．手臂
14．．．含氮氣體供應機構
15．．．Si來源氣體供應機構
16．．．沖洗氣體供應機構
17．．．含氮氣體供應源
18．．．氣體線路
18a．．．開關閥門
18b．．．流率控制器
19．．．氣體分配噴嘴
19a．．．氣體噴流孔
20．．．Si來源氣體供應源
21．．．氣體線路
21a．．．開關閥門
21b．．．流率控制器
22．．．氣體分配噴嘴
22a．．．氣體噴流孔
23．．．沖洗氣體供應源
24．．．氣體線路
24a．．．開關閥門
24b．．．流率控制器
25．．．氣體噴嘴
30．．．電漿產生機構
31．．．開口
32．．．電漿護壁
33．．．電漿電極
34．．．饋入線
35．．．RF電源
36．．．絕緣保護蓋
37．．．排放口
38．．．排放口遮蓋部件
39．．．氣體出口
40．．．加熱機構
41．．．清洗氣體供應機構
42．．．清洗氣體的氣體供應源
43．．．氣體線路
43a．．．開關閥門
43b．．．流率控制器
50．．．控制器
51．．．使用者介面
52．．．儲存部
100．．．薄膜形成設備
W．．．晶圓
合併並構成說明書之一部分的隨附圖式係用以顯示本發明之實施例，並且與上述概要說明以及下述實施例之詳細說明一起用來解釋本發明之原理。
圖1係一剖面前視圖，其顯示依照本發明之一實施例之用於半導體處理之批次立式薄膜形成設備；
圖2係一剖面平面圖，其顯示圖1所示之薄膜形成設備的部分；
圖3係一流程圖，其顯示依照本發明之一實施例之設備的使用方法；
圖4係一時間圖，其顯示與圖3之方法結合之薄膜形成處理的氣體供應時間；
圖5係一時間圖，其顯示與圖3之方法結合之塗佈處理的氣體供應時間；
圖6係顯示底部晶圓上之SiN產品膜中之Na含量的圖表，此產品膜係藉由一實驗而獲得，在此實驗中，分別藉由電漿ALD、熱CVD、熱ALD、以及短熱ALD來執行塗佈處理，然後藉由電漿ALD在晶圓上形成SiN產品膜；及
圖7係顯示藉由電漿ALD以及熱ALD所形成之SiN膜中之Cl含量的圖表。

Claims (13)

  1. 一種立式薄膜形成設備的使用方法，用於形成氮化矽膜，該薄膜形成設備包含：一立式處理容器，用以保持其中之真空狀態，該處理容器包含石英製成的內表面，Na會從該內表面釋出成為污染物；一支座，用以在該處理容器內的一垂直方向上間隔夾持複數個目標物體；一加熱器，配置在該處理容器的周圍，以加熱該目標物體；一第一處理氣體供應系統，用以將含Si和Cl的一Si來源氣體供應到該處理容器內，該第一處理氣體供應系統包含垂直延伸的一第一噴嘴，該第一噴嘴具有複數氣體噴流孔形成於其上，以在水平方向上噴出該Si來源氣體；一第二處理氣體供應系統，用以將一氨氣體供應到該處理容器內，該第二處理氣體供應系統包含垂直延伸的一第二噴嘴，該第二噴嘴具有複數氣體噴流孔形成於其上，以在水平方向上噴出該氨氣體；一電漿產生系統，接附於該處理容器並且用以將自該第二噴嘴所噴出的該氨氣體轉變成電漿；及一排放系統，用以從該處理容器內排放氣體，該方法包含下列步驟：在其中不存在產品目標物體的該處理容器內執行一塗佈處理，以利用一塗膜來覆蓋該處理容器的該內表面；接著，在容納其上放置有該產品目標物體之該支座的該處理容器內執行一薄膜形成處理，以在該產品目標物體上形成該氮化矽膜，該塗佈處理和該薄膜形成處理藉由多次重複一循環分別形成該塗膜和該氮化矽膜，以層疊該多次所分別形成的薄膜，該循環包含：一第一供應步驟，在不將該氨氣體供應到該處理容器內的情況下，藉由從該第一噴嘴噴出該Si來源氣體，將該Si來源氣體供 應到該處理容器內，藉此形成由該Si來源氣體所衍生的一吸附層；接著係一第一沖洗步驟，在不將該Si來源氣體以及該氨氣體其中任一者供應到該處理容器內的情況下，從該處理容器內排放氣體；接著係一第二供應步驟，在不將該Si來源氣體供應到該處理容器內的情況下，藉由從該第二噴嘴噴出該氨氣體，將該氨氣體供應到該處理容器內，藉以氮化該吸附層；及接著係一第二沖洗步驟，在不將該Si來源氣體以及該氨氣體其中任一者供應到該處理容器內的情況下，從該處理容器內排放氣體，其中藉由在該循環期間將該處理容器設定在一塗佈溫度，且在不將該Si來源氣體與該氨氣體其中任一者轉變成電漿的情況下將該Si來源氣體與該氨氣體供應至該處理容器內，該塗佈處理以熱原子層沉積(ALD)方式形成該塗膜，其中藉由在該循環期間將該處理容器設定在低於該塗佈溫度的一薄膜形成溫度，該薄膜形成處理以一電漿ALD方式形成該氮化矽膜，在該循環中該第一供應步驟係在不將該Si來源氣體轉變成電漿的情況下將該Si來源氣體供應至該處理容器內的步驟，且該第二供應步驟係將該氨氣體供應至該處理容器內且藉由該電漿產生系統將該氨氣體轉變成電漿的步驟，且其中該塗佈處理使用多個條件控制該塗膜中氯的濃度，該氯係衍生自該Si來源氣體且用以捕捉該Na，使得該等條件包含：將該塗佈處理的該第一和第二沖洗步驟的時間週期，設定成分別短於該薄膜形成處理的該第一和第二沖洗步驟的時間週期。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該塗佈溫度為550到670℃的溫度，而該薄膜形成溫度為350到650℃的溫度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其 中該塗佈處理係在容納尚未放置該產品目標物體於其上之該支座的該處理容器內執行，而以該塗膜來覆蓋該支座的表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中，在該塗佈處理之前，該方法更包含：藉由供應一清洗氣體、同時從該處理容器內排放氣體，在其中不存在該產品目標物體的該處理容器內執行一清洗處理，以移除沉積在該處理容器之內表面上的反應產物。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該清洗氣體為一含氟氣體。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該清洗處理包含將該處理容器內的溫度設定在300到500℃的一清洗溫度。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該等條件包含設定成在0.14到0.57之範圍內的一數值之T13a/T3a的比例，其中T3a和T13a分別為該薄膜形成處理及該塗佈處理的該第一沖洗步驟的時間週期。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該等條件包含設定成在0.2到0.6之範圍內的一數值之T13b/T3b的比例，其中T3b和T13b分別為該薄膜形成處理及該塗佈處理的該第二沖洗步驟的時間週期。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該Si來源氣體係選自由二矽烷、單氯矽烷、六氯二矽烷、及四氯矽烷所組成的群組。
  10. 如申請專利範圍第2項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該塗佈溫度係590到630℃的溫度。
  11. 如申請專利範圍第2項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該薄膜形成處理的該第一及第二供應步驟，分別將該處理容器其中的壓力設定成66.65到666.5Pa及13.33到266.6Pa。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中該等條件包含設定成在0.4到0.7之範圍內的一數值之T13b/T13a的比例。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之立式薄膜形成設備的使用方法，其中在該薄膜形成處理和該塗佈處理二者之中，該第一和第二沖洗步驟包含將一非反應性氣體供應到該處理容器內。
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