TWI466176B - 用以沉積薄膜的方法和設備 - Google Patents

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Description

用以沉積薄膜的方法和設備
本發明涉及沉積薄膜在基板上的方法與設備，詳言之，涉及利用化學氣相沉積法沉積薄膜在基板上的方法與設備。
半導體元件通常在其矽基板(晶圓)上會包括有許多膜層。這些膜層多半透過沉積製程而沉積在基板上。沉積製程一般可大略分成兩大類：化學氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)。在每一沉積製程中，需將晶圓放在沉積腔室內並利用提供一種以氣態形式存在的薄膜成分到腔室內來形成薄膜於晶圓表面上。在化學氣相沉積製程中，在沉積腔室內供應反應氣體，並利用反應氣體間的化學反應來沉積薄膜於晶圓表面上。
用做為閘電極的多晶矽可利用下列步驟沉積而成。首先，將晶圓載入至沉積腔室內，接著利用供應來源氣體到腔室內而沉積一層薄膜在晶圓上。此時，供應至腔室的來源氣體包括矽烷(SiH4 )，且薄膜是透過供應至腔室的來源氣體而沉積到晶圓上。此時，可透過熱分解矽烷(SiH4 )而沉積多晶矽層在晶圓上。
但是，上述沉積製程很難沉積出厚度相當薄(小於400Å)且具有矽結晶結構的均勻多晶矽層。因此，當使用多晶矽層做為半導體快閃記憶體中的浮點閘電極時，經常會使所製造 的元件出現過度抹除現象(over erase phenomenon)。因此，元件的均一性、耐用性及可靠性會因為閥電位偏移以及極度不平均的閥電位而劣化。因此，造成元件特性劣化。
更詳言之，先在恆定製程溫度下(通常為55℃)，以矽烷(SiH4 )或二矽烷(Si2 H6 )長成一非晶矽膜，接著利用預定熱處理製程(例如，650℃~900℃)使所長成的非晶矽膜結晶化。如此則可獲得如第1、2圖所示的結果。第1、2圖是依據傳統沉積製程所得多晶矽膜的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片。
當以上述方式來生成諸如快閃記憶體中的閘電極時，薄膜中結晶晶粒的大小極度不規則且晶粒尺從數十埃到數百奈米都有。因此，當以這類薄膜製成電晶體時，大尺寸晶粒區域會形成一或二個晶粒邊界，相反的，小尺寸晶粒區域則會形成許多的晶粒邊界。因此，在晶粒可彼此接觸的區域下方，將有由隧道氧化物所形成的氧化物谷區域。在大晶粒間的界面下則會形成大型的氧化物谷。因此，更多磷會在後續形成磷多晶矽的製程中被濃縮，藉以降低局部阻障高度。因此，由於元件驅動當時所生成的磷，造成過度抹除點或電子陷阱生成位置，將使元件可靠性大幅度劣化。此外，電子移動速度間的差異也會使電晶體間驅動電力出現差異。因此，因為一晶片上所包括的電晶體之驅動電力，在該些電晶體被驅動時彼此差距甚大，一直是造成元件特性劣化的問題所在。
因此，本發明目的在於提供一種沉積薄膜的方法，該方法可沉積出由細小晶粒所形成之結晶結構之薄膜。
本發明其他的優點、目的和特點將在以下發明說明中詳述，此領域中具有通常知識之人在閱讀過本說明書之後，即可了解並實施本發明。
依據本發明之一態樣，提供一種沉積薄膜在基板上的方法，該方法包括：透過提供來源氣體到加載有一基板的腔室內來沉積一薄膜；其中該來源氣體包括矽基氣體和氮基氣體。
該氮基氣體和該矽基氣體間的混合比例可以低於0.05。
此外，薄膜中的氮含量可低於10原子%。
再者，當沉積製程的溫度在580℃~650℃時，沉積製程的壓力可以在100~300torr。
此外，當沉積製程的溫度在650℃~750℃時，沉積製程的壓力可以在5~100torr。
此外，此方法更包括對沉積在該基板上之薄膜進行一熱處理製程。
該薄膜可以是多晶矽。
該矽基氣體可以是矽烷(SiH4 )或二矽烷(Si2 H6 )。
該氮基氣體可以是氨氣(NH3 )。
依據本發明之另一態樣，提供一種沉積薄膜在基板上 的方法，包括：透過提供來源氣體到加載有一基板的腔室內沉積一圓柱薄膜(a columnar thin film)；其中該來源氣體是矽基氣體，且當沉積製程的溫度在640℃~680℃時，該沉積製程的壓力小於10torr。
依據本發明之另一態樣，提供一種沉積薄膜在基板上的方法，包括：透過提供來源氣體到加載有一基板的腔室內來沉積一結晶和非晶形薄膜；其中該來源氣體是矽基氣體，且當沉積製程的溫度在640℃~680℃時，該沉積製程的壓力在10~50torr間。
依據本發明之另一態樣，提供一種沉積薄膜在基板上的方法，包括：透過提供來源氣體到加載有一基板的腔室內來沉積一非晶薄膜；其中該來源氣體是矽基氣體，且當沉積製程的溫度在640℃~680℃時，該沉積製程的壓力大於50torr。
依據此薄膜沉積方法，具有細小晶粒結構的多晶矽薄膜可利用化學氣相沉積製程在一單晶圓式腔室內進行沉積。以矽烷(SiH4 )做為矽來源氣體。此包含極細小晶粒的多晶矽薄膜係藉由以預定比例混合含氮氣體(如，氨氣)與SiH4 ，並在預定製程溫度與壓力下供應和沉積此混合物。
本發明沉積多晶矽薄膜的方法可產生以下效應：
首先，當以此多晶矽薄膜半導體元件之浮點閘極的電極時，可生成均一的結晶晶粒。
其次，當將此多晶矽薄膜用在DRAM、SRAM或LOGIC 元件中時，可保障優異的元件特性。因此，透過使用此多晶矽膜可改善所製成之半導體元件的良率及元件特性。
 最佳實施方式
以下將參照附圖描述本發明最佳實施方式。藉由附圖及說明，將可了解用來達成本發明特點及特徵的本發明方法及特點。本發明範疇並不限於以下揭示的實施例，而是可以各種不同形式來實施本發明，在發明說明中所定義的事物，例如用來建構發明的元件，乃是為了幫助讀者了解如何實施本發明細節而提供的實例，本發明範疇並不侷限於此。在整份明書中，相同元件均使用相同元件符號來表示。
依據本發明一例示的實施方式，在單一腔室內，以一化學氣相沉積製程將具有精細圓柱結晶結構的薄膜沉積在一半導體元件上。一般來說，「化學氣相沉積」是一種透過提供來源氣體到基板上並誘發來源氣體與基板產生化學反應，而沉積一層薄膜在基板上的方法。參照第3圖，依據一實施方式，在單一腔室內執行化學氣相沉積而產生一層薄膜。第3圖示出用來執行沉積製程的沉積設備10。
腔室11包括與外界隔離的一個內部空間。在腔室上部設有一引入單元12，用來將來源氣體引入該內部空間。主要供應管線12a和第一與第二供應管線18a和19a都連接到該引入單元12。第一供應管線18a可提供一第一來源氣體到腔室11中，且第二供應管線19a可提供一第二來源氣體到腔 室11中。第一來源氣體是包括矽烷(SiH4 )或二矽烷(Si2 H6 )的矽基氣體，且第二來源氣體是包括氨氣在內的氮基氣體。但是，只有一種來源氣體可被供應到腔室11中。此外，在第一供應管線18a上設有一第一流速控制器18b和一第一閥18c，在第二供應管線18b上設有一第二流速控制器19b和一第二閥19c。相反的，通過引入單元12而提供的氣體則是以噴頭13注入腔室11中。此外，用來沉積的晶圓15則是放在由加熱器支柱16所支撐的加熱器14之上。
等沉積完成後，腔室11內尚未反應的氣體與副產物則是經由真空埠17來排放。真空埠17上連接有一排放管線17a與一真空幫浦17b，用來強制排出腔室11內尚未反應的氣體與副產物。此外，也可利用排放管線17a和真空幫補17b來控制腔室11內的壓力。利用上述方式將來源氣體供應到腔室11中的基板上並透過熱分解該來源氣體而沉積薄膜於基板上。另一方面，用來控制製程溫度的加熱器14、用來控制製程壓力的真空幫浦17b、用來控制第一與第二來源氣體供應量的第一及第二流速控制器18b和19b則是由控制器20所控制。
第4圖示出依據本發明製程之壓力與溫度沉積而成之薄膜層的折射率。參照第4圖，水平軸相當於製程溫度且垂直軸相當於折射率(R.I.)，代表所沉積膜層的結晶特性。折射率接近4.5代表有較多的非晶形矽薄膜生長。而當折射率接近4.0則表示有接近多晶矽結晶薄膜生長的結晶結構出現。
結晶結構代表一具有週期性三度空間之原子配置的固 體。不具有週期性的固體則稱為「非晶材料(非晶形材料)」。使用上述非晶形狀態的半導體包括非晶矽。此非晶半導體由於可在低溫以大面積形式沉積，因此可用在薄膜電晶體上。
參照第4圖，當溫度介於640~685℃間時，所測得的折射率會隨著壓力而改變。舉例來說，當溫度是655℃且在此製程期間來源氣體的供應很穩定時，當壓力低於10torr時，所測得的折射率接近4.0。因此，可形成圓柱形多晶矽薄膜。相反的，當製程壓力超過100torr時，所測得的折射率變成接近4.5。因此，會形成非晶矽薄膜。在另一實例中，即使製程是在低壓且溫度高於685℃下實施，且來源氣體的供應也很穩定，其依然無法再生成非晶矽膜(如圖中所示)。換言之，當製程溫度為685℃，壓力小於10torr時，則可形成多晶矽薄膜。此外，即使在製程壓力超過100torr時，所測得的折射率也接近4.0。因此，可以認為所生成的是多晶矽薄膜。
表面粗糙度是另一種用來評估所沉積膜層效能的參數。在本發明中，以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)和均方根(root mean square,RMS)計算方法來測量表面粗糙度。就結果而論，表面粗糙度為「2」的膜層為最佳。
第5、6圖示出在製程溫度685℃、壓力10torr時所沉積而成之結晶矽薄膜的結晶結構；第7、8圖示出在製程溫度730℃、壓力10torr時所沉積而成之結晶矽薄膜的結晶結構。
在上述實施方式中，以矽烷做為來源氣體。但是，在 不偏離本發明範疇下，也可使用二矽烷做為其他來源氣體，在恆溫恆壓下生成圓柱形晶粒，包括異質晶粒或非晶矽薄膜的結晶結構，或是非晶矽薄膜。
參照第3圖，以下將詳細說明本發明另一實施方式。
首先，在腔室11內設一引入單元12，用來供應來源氣體。經由引入單元12而提供的氣體是透過噴頭13注入腔室11內。此外，欲進行沉積的晶圓15是放在由加熱器支柱16所支撐的加熱器14之上。待沉積完成後，經由真空埠17將氣體排出。利用化學氣相沉積法，以單一晶圓，及供應矽烷(SiH4 )至腔室內的基板，接著，將反應氣體熱分解，而使膜層沉積在矽基板上。
此時，當氨氣與矽烷(SiH4 )以預定比例被同時注入至腔室中時，因為氨氣分解後所產生的氮原子之故，使得熱分解反應氣體之矽原子的成核及晶粒生長不會發生。因此，可在超過650℃的高溫下沉積出非晶形矽。此時，當所混合的NH3 /SiH4 的比例被保持在比預定比例還要高的範圍時，可沉積出氮化矽(Six Ny )。因此，兩種氣體的混合比例是本發明最重要的因子。下表中，氮的濃度(原子%)與晶粒大小可顯示出NH3 /SiH4 的混合比例傾向。
如上表所示，當混入氨氣時，晶粒尺寸將隨之減少。換言之，晶粒尺寸將隨著混入的氨氣比例增加(即，混合比例隨著表格向右逐漸提高)而減少。因此，混入氨氣後，只會生成極細小且均勻的晶粒。
但是，當所混入氨氣的比例大幅增加時，沉積在晶圓上的薄膜將不再是多晶矽而是氮化矽(Six Ny )。因此，較佳是將氮基氣體與矽基氣體的比例控制在小於0.05，且薄膜中的氮含量小於10原子%。接著以高溫爐或單晶圓式反應腔室在比預定溫度高的溫度下加熱，而生成具有極細小晶粒結構的多晶矽薄膜。第9圖是依據本實施方式沉積而成之具有極細小晶粒結構的多晶矽薄膜的穿透式電子顯微鏡照片。
在上述實施方式中，是以矽烷做為來源氣體。但是，也可以二矽烷(Si2 H6 )做為其他來源氣體，並於恆溫恆壓下，將預定混合比例之NH3 /SiH4 注入反應腔室內，來生成具有極細小晶粒結構的多晶矽薄膜。
[產業利用性]
所生成的多晶矽薄膜可用於DRAM、SRAM或LOGIC元件中。由於多晶矽薄膜優異的特性，可改善以此多晶矽薄膜製成的半導體元件特性與良率。
11‧‧‧沉積設備
11‧‧‧腔室
12‧‧‧引入單元
12a‧‧‧主要供應管線
13‧‧‧噴頭
14‧‧‧加熱器
15‧‧‧晶圓
16‧‧‧加熱器支柱
17‧‧‧真空埠
17a‧‧‧排放管線
17b‧‧‧真空幫補
18a‧‧‧第一供應管線
18b‧‧‧第一流速控制器
18c‧‧‧第一閥
19a‧‧‧第二供應管線
19b‧‧‧第二流速控制器
19c‧‧‧第二閥
20‧‧‧控制器
通過參照附圖來詳細描述優選的實施方案，本發明的上述目的和其他優點將會變得更加顯而易見，其中：第1、2圖是依據傳統沉積製程所得多晶矽膜的穿透式電子顯微鏡(TEM)照片；第3圖示出用來執行依據本發明一例示實施方式之沉積製程的沉積設備；第4圖示出依據本發明製程之壓力與溫度沉積而成之薄膜層的折射率；第5、6圖示出在製程溫度685℃、壓力10torr時所沉積而成之結晶矽薄膜的結晶結構；第7、8圖示出在製程溫度730℃、壓力10torr時所沉積而成之結晶矽薄膜的結晶結構；第9圖是依據本實施方式沉積而成之具有極細小晶粒結構的多晶矽薄膜的穿透式電子顯微鏡照片。
10‧‧‧沉積設備
11‧‧‧腔室
12‧‧‧引入單元
12a‧‧‧主要供應管線
13‧‧‧噴頭
14‧‧‧加熱器
15‧‧‧晶圓
16‧‧‧加熱器支柱
17‧‧‧真空埠
17a‧‧‧排放管線
17b‧‧‧真空幫補
18a‧‧‧第一供應管線
18b‧‧‧第一流速控制器
18c‧‧‧第一閥
19a‧‧‧第二供應管線
19b‧‧‧第二流速控制器
19c‧‧‧第二閥
20‧‧‧控制器

Claims (6)

  1. 一種沉積具有一細小晶粒結構之一多晶矽薄膜在一基板上的方法，包括：藉由提供來源氣體到一加載了該基板的腔室內，來沉積該多晶矽薄膜；其中該來源氣體包括矽基氣體和氨氣；其中氨氣對該矽基氣體之混合比率為0.007至0.017；其中該多晶矽薄膜中之氮含量為16.4至44.0(1020 原子/cc)；其中該多晶矽薄膜之晶粒大小為63至108.5Å。
  2. 一種沉積具有一細小晶粒結構之一多晶矽薄膜在一基板上的方法，包括：藉由提供來源氣體到一加載了該基板的腔室內，來沉積該多晶矽薄膜；其中該來源氣體包括矽基氣體和氨氣；其中氨氣對該矽基氣體之混合比率為0.007至0.017；其中該多晶矽薄膜中之氮含量為2.93至8.82原子%；其中該多晶矽薄膜之晶粒大小為63至108.5Å。
  3. 如請求項1所述的方法，其中當沉積製程的溫度在580℃~650℃時，沉積製程的壓力可以在100~300torr。
  4. 如請求項1所述的方法，其中當沉積製程的溫度在650 ℃~750℃時，沉積製程的壓力可以在5~100torr。
  5. 如請求項1所述的方法，更包含對沉積在該基板上的該薄膜施以一熱處理製程。
  6. 如請求項1所述的方法，其中該矽基氣體是矽烷(SiH4 )或二矽烷(Si2 H6 )。
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