TWI524424B - 膜沉積方法及膜沉積裝置 - Google Patents

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Description

膜沉積方法及膜沉積裝置
本發明是關於膜沉積方法，以及膜沉積裝置，在其中氧化矽薄膜被沉積於例如半導體晶圓的一被處理的目的物的上表面上。
【交叉參考之相關申請案】
本申請案主張日本專利申請案第2010-170758號以及日本專利申請案第2011-105146號之優先權，分別於西元2010年7月29日以及西元2011年5月10日向日本特許廳提出申請，其整體內容於此整合以供參考。
為了加工半導體積體電路，與由矽或類似物製成之半導體晶圓(在此之後稱之為晶圓)相關的各種不同的製程，例如膜沉積、蝕刻、氧化、擴散、以及交變製程被執行。舉例來說，膜沉積製程被執行於揭露於例如下述之專利文件1的單晶圓膜沉積裝置，以及揭露於例如專利文件2的批次型膜沉積裝置。如圖1所示，該批次型膜沉積裝置具有一晶舟4，其被容納於製程管2中，且以多階方式支承作為被處理的目的物的多個晶圓，以及分配噴嘴8、10，其在製程管內沿著垂直方向延伸，並供給對晶舟4的來源氣體，以及排空開口12，被配置於製程管2之較低的部分，以及真空排氣系統14，其包含真空泵16，以及圍繞製程管2的加熱部件6。
此外，當氧化矽薄膜在如圖1所示的膜沉積中被沉積到晶圓上時，支承多個晶圓的晶舟4被容納於製程管2中，且晶圓藉由加熱部件6被加熱至600℃。作為來源氣體的含矽氣體，由氣體供應部7被供給至分配噴嘴8，並接著經由在分配噴嘴8之內且沿著縱向方向配置的多個氣體噴出孔8A，向晶圓W供應。此外，作為反應氣體的臭氧，由氣體供應部7被供給至分配噴嘴10，並接著經由在分配噴嘴10之內且沿著縱向方向配置之多個氣體噴出孔10A，向晶圓W供應。另一方面，製程管2的內部藉由真空排氣系統14被排空，並維持預先決定之壓力。該含矽氣體和該臭氧氣體交互作用，且因此氧化矽薄膜被沉積至晶圓W。
此外，另一膜沉積的方法可被執行，其中含矽氣體，和作為氧化氣體的臭氧，藉由交替地開啟與關閉氣體供應部7的開閉閥8B和開閉閥10B，交替且反覆地被供應，藉此讓被吸附在晶圓W上的來源氣體能夠與臭氧交互作用，並沉積氧化矽薄膜於晶圓W上。此膜沉積法的優點為所得到之膜的特性相對優越，且膜沉積可被施行於相對較低的溫度。
專利文件1：日本公開專利申請案公報第H09-077593號。
專利文件2：日本公開專利申請案公報第H2009-246318號。
專利文件3：日本公開專利申請案公報第H2006-054432號。
附帶一提，作為絕緣薄膜的氧化矽膜可沉積於作為電線的金屬薄膜上，以形成半導體加工製程中的電線。在此狀況下，金屬薄膜，舉例來說，一鎢薄膜被沉積於一晶圓上，例如一先前製程之矽基板，並且此晶圓被攜至用於氧化矽沉積之膜沉積裝置，且晶圓被暴露於無塵室中的潔淨大氣環境。或者，晶圓被攜至保持潔淨惰性氣體環境的氣密晶圓載具內。
在此一狀況中，鎢薄膜之上表面可能與無塵室中的潔淨大氣環境內的氧與溼氣，或是甚至存在於晶圓載具內之潔淨惰性氣體環境的少量的氧或濕氣，發生交互作用。結果，僅有小的厚度的自然金屬氧化物薄膜形成於鎢薄膜之上表面之上或之中。
因為自然生長的金屬氧化物薄膜可能會降低半導體裝置的電氣特性，較佳的作法是儘可能防止金屬氧化物薄膜的厚度之增加，或是金屬氧化物薄膜在氧化矽沉積前被移除。然而，移除金屬氧化物薄膜是不可取的，因為會增加製程的數目。因此，在習知的製程中，氧化矽薄膜並非有目的地在未將金屬氧化物薄膜移除的狀況下沉積於具有該金屬氧化物薄膜於其上的金屬薄膜之 上。
在另一方面，當氧化矽薄膜藉由習知的化學沉積法被沉積於金屬薄膜上時，在金屬薄膜之上和之中的金屬氧化物薄膜可能藉由來源氣體中除了含矽氣體之外的氧化氣體而變厚。因此，半導體裝置的電氣特性被相對地大幅降低(見專利文件3)。特別是，當金屬氧化物薄膜的厚度被增加，除了電氣特性被降低外，還生成了針狀的晶體，這會導致缺陷。
本發明鑒於以上所述而開發，且提供一膜沉積方法和膜沉積裝置，能夠控制金屬氧化物薄膜的厚度，該金屬氧化物薄膜可存在於下層金屬薄膜和沉積於該金屬薄膜之上的氧化矽薄膜之間的邊界，藉此降低金屬氧化物薄膜的厚度。
經過積極地研究氧化矽薄膜的沉積後，本申請案的發明人發現，作為反應氣體的臭氧之擴散可促成金屬氧化物薄膜厚度的增加。基於這個發現，該發明人進一步發現，臭氧對厚度增加的影響，經由侷限來源氣體於製程室之內，可藉由增加吸附於被處理的目的物之上表面上的來源氣體的量而被控制。由此發現產生本發明。
根據本發明的第一態樣，提供一種膜沉積方法，該方法可被實施，以沉積氧化矽薄膜於形成於被處理的目的物上之含金屬薄膜上，該方法利用一膜沉積裝置，包含：一製程室，容納被處理的目的物；一來源氣體供給系統，包含一第一開閉閥，並供給來源氣體至該製程室；一反應氣體供給系統，包含一第二開閉閥，並供給反應氣體至該製程室；一真空排氣系統，包含一第三開閉閥，並排空該製程室至真空。該膜沉積方法包含交替地重複一吸附步驟和一反應步驟，其間具有一間隔週期。該吸附步驟包含：開啟該來源氣體供給系統的該第一開閉閥一預先決定的時間週期，藉此供給來源氣體至製程室；在經過該預先決定之時間週期之後，關閉第一開閉閥，並侷限該來源氣體於製程室之內，藉此使來源氣體能夠被吸附於被處理的目的物之上，而此時真空排氣系統的第三開閉閥是被關閉的。該反應步驟包含：開啟該反應氣體供給系統的第二開閉閥，以提供反應氣體至製程室，藉此使該來源氣體與該反應氣體交互作用，以在被處理的目的物上產生一薄膜。
根據第二實施例，提供一膜沉積裝置，包含：一製程室，容納被處理的目的物；一夾持部件，支承被處理的目的物；一加熱部件，加熱被處理的目的物；一來源氣體供給系統，包含一第一開閉閥，並供給來源氣體至製程室；一反應氣體供給系統，包含一第二開閉閥，並供給反應氣體至製程室；一真空排氣系統，包含一第三開閉閥，並排空製程室至真空；以及一裝置控制部件，控制該膜沉積裝置，使根據第一態樣的膜沉積方法在其中被執行。
根據本發明之一實施例，提供一種種膜沉積方法與膜沉積裝置，能夠控制金屬氧化物薄膜的厚度，該金屬氧化物薄膜可存在於下層金屬薄膜和沉積於該金屬薄膜上之氧化矽薄膜之間的邊界，藉此降低金屬氧化物薄膜的厚度。因此，除了減少金屬氧化物薄膜的厚度以藉此防止半導體裝置的電氣特性的降低之外，也減少了結構性缺陷。
參考隨附圖式，根據本發明的實施例的一膜沉積的方法和一膜沉積裝置被加以描述。圖2是根據本發明之實施例的膜沉積裝置的範例之示意圖，且圖3是一時序圖，說明施行根據本發明之實施例的膜沉積方法之時，膜沉積裝置的開關閥之運作。
接下來描述一範例，其中氧化矽薄膜的沉積，乃是利用三(二甲基胺基)矽烷(SiH(N(CH3)2)3):3DMAS氣體，一種含矽有機材料，作為來源氣體；以及臭氧氣體，其為氧化氣體，作為反應氣體。
如圖2所示，膜沉積裝置20，包含製程管22，其可容納多個作為被處理的目的物之半導體晶圓W。製程管22具有雙管結構，由具有在頂端的一蓋子的圓柱形狀的一個垂直之長的內管24，以及具有在頂端的一蓋子的圓柱形狀的一個垂直之長的外管26所構成。外管26包圍內管24，內管24的外周圍表面和外管26的內周圍表面之間有一預先決定之間隙。
內管24和外管26由例如石英所構成，且具有底部開口。製程管22(外管26)之直徑約400至500 mm，而晶圓W則有300mm之直徑。製程管22的內容量取決於容納於製程管22中的晶圓W的數量，且當達到150片晶圓被容納於內時，其內容量約200公升。
外管26的底端，經由一密封構件30，例如O形環，連接至歧管28，歧管28則由例如不銹鋼所構成，且具一圓柱形狀。換句話說，外管26被歧管28由其下端支撐。附帶一提，歧管28則是被一底板(未圖示)所支撐。此外，一個環形的支持基架32被配置於歧管28的內壁。支持基架32支撐內管24之底端。
作為晶圓夾持部件的晶舟34被容納於製程管22的內管24之內。晶舟34支承作為處理之目標物且在一預定節距下的多個晶圓W。在此實施例中，舉例來說，具有300mm直徑的50至100片晶圓W，在一多階方式下具相等節距，由晶舟34所支承。晶舟34，如後所述可被升高，可經由岐管28的底部開口，被裝載進/卸載出內管24。晶舟34，舉例來說，由石英所構成。
此外，當晶舟34被容納於內管24，歧管28的底部開口，其相當於製程管22的底端，藉由蓋部件36封閉，而蓋部件36則由例如石英或不銹鋼所構成。一密封構件38，例如O形環，被配置於製程管22的底端與蓋部件36之間。晶舟34，經由一保溫圓柱體40被置於平台42上，保溫圓柱體40則是，舉例來說，由石英所構成。平台42被支承於旋轉軸44的上部件之上，旋轉軸44則穿過開啟或關閉歧管28的底部開口的蓋部件36。
磁性流體軸封46被配置於旋轉軸44和旋轉軸44所穿過的一個孔之間，且因此旋轉軸44在氣密的方式下以可自由旋轉的方式被支撐著。旋轉軸44被連接至臂50的末端，臂50則由一升高機構48，例如一舟升降機(boat elevator)所支承，而且旋轉軸44因此能夠一致地移動晶舟34、蓋部件36、或類似物。附帶一提，平台42可被固定於蓋部件36上。在此狀況，薄膜可在不轉動晶舟34的狀況下，沉積於晶圓W上。
加熱部件52由例如一碳精金屬線加熱器(carbon wire heater)所構成，其被配置以使製程管22被加熱部件52所包圍。藉此，置於加熱部件52內的製程管22以及製程管22內部的晶圓W被加熱。供給來源氣體的來源氣體供給系統54，供給反應氣體的反應氣體供給系統56，以及供給作為淨化氣體的惰性氣體的淨化氣體供給系統58被配置於歧管28之內。
特別是，來源氣體供給系統54包含一氣體噴嘴60，其由例如石英所構成，呈L形，且以氣密的方式穿過歧管28。氣體噴嘴60於內管24內部延伸，且大體上完全地沿著內管24延伸。氣體噴嘴60具多個氣體噴出孔60A，按預定節距排列。來源氣體，經由氣體噴出孔60A，被橫向地朝由晶舟34所支承的晶圓W供給。氣體噴嘴60連接至氣體通道62。
氣體通道62具有一流速控制器62A，例如一流量控制器，以及一開閉閥62B，其開始或停止(或關閉)一氣體流，藉此來源氣體可在一被控制的流速下，隨著可能為被需要和須停止的狀態，而供給氣體噴嘴60。在此實施例中，3DMAS含矽且作為來源氣體。3DMAS在常溫下為液態，藉由一蒸發器63蒸發，並藉由一載運氣體傳送。特別是，3DMAS的蒸氣壓藉由利用蒸發器63調節3DMAS的溫度而加以控制，藉此控制所蒸發的3DMAS的量。作為載運氣體，一惰性氣體，包含氮氣以及惰性氣體氬(Ar)和氦(He)被加以使用。然而，被蒸發之3DMAS氣體可在不利用該載體的情形下傳送。
在此實施例，一烘烤型態之蒸發器被使用作為蒸發器63。此型的蒸發器包含用以儲存3DMAS的一來源槽63T，以及加熱來源槽63T的一加熱器63A。3DMAS藉由加熱來源槽63T內之3DMAS而加熱和蒸發，而所蒸發之3DMAS被直接導入製程管22。在此狀況下不使用載運氣體。此外，蒸發器63具有一氣壓計63B，且3DMAS的溫度被控制，以使3DMAS的蒸氣壓大於製程管22中的壓力。此類控制藉由溫度控制器(未圖示)而實施。
此外，一注入型態之蒸發器可被使用作為蒸發器63。此型態的蒸發器，在蒸發器被啟動之後，所蒸發的3DMAS，在未流經製程管22的狀態，須經由一旁路線被排空5到10秒，以穩定所蒸發的3DMAS的流速。這表示該相對昂貴的有機材料必須被浪費。因此，烘烤型態的蒸發器，就有效利用來源材料的觀點是較佳的。
此外，反應氣體供給系統56，包含氣體噴嘴64，該氣體噴嘴64由例如石英所構成，呈L形，且以氣密方式穿過歧管28。氣體噴嘴64於內管24內部延伸，且大體上完全地沿著內管24延伸。氣體噴嘴64具多個氣體噴出孔60A，按預定節距排列。反應氣體，經由氣體噴出孔64A，被橫向地朝由晶舟34所支承的晶圓W供給。氣體噴嘴64被連接至氣體通道66。氣體通道66具有一流速控制器66A，例如一流量控制器，以及一開閉閥66B，其開始或停止(或關閉)一氣體流，藉此反應氣體可在一被控制的流速下，隨可能被需求和須被停止的狀態，供給氣體噴嘴64。在此實施例，臭氧(O3)氣體被用作反應氣體，如上所述。
此外，淨化氣體供給系統58，包含氣體噴嘴68，其由舉例來說，石英所構成，呈L形，且以氣密方式穿過歧管28。氣體噴嘴68於內管24內部延伸，且大體上完全地沿著內管24延伸。氣體噴嘴68具多個氣體噴出孔68A，按預定節距排列。淨化氣體，經由氣體噴出孔68A，被橫向地朝由晶舟34所支承的晶圓W供給。氣體噴嘴68被連接至氣體通道70。氣體通道70具有一流速控制器70A，例如一流量控制器，以及一開閉閥70B，其開始或停止(或關閉)一氣體流，藉此淨化氣體可在一被控制的流速下，隨可能被需求和須被停止的狀態，供給氣體噴嘴68。在此實施例中，氮氣被用作淨化氣體，如上所述。在其他實施例，惰性氣體例如氬(Ar)和氦(He)，而非氮氣，可被用作淨化氣體。
此外，氣體噴嘴60、64、68被置於內管24的內側之一側，雖然氣體噴嘴68，因圖示說明的方便，被圖示在氣體噴嘴60和64的另一側。多個開口72，具有相對較大的直徑，沿垂直方向被配置於內管24的周邊內壁中，以在晶舟34被容納於內管24時，開口72相關於氣體噴嘴60、64、68被置於橫越晶舟34的位置。藉此，供給給相對應氣體噴嘴60、64、68的氣體，水平地在晶圓W間流動，且經由開口72被導引至內管24與外管26之間的間隙74。
排空開口76被形成以使內管24能夠與在歧管28的上部之上的外管26作氣態的交流。排空開口76被連接至真空排氣系統78，該真空排氣系統78將製程管22排空至真空。特別是，真空排氣系統78具有連接至排空開口76的排空通道80。此外，排空通道80具有：一開閉閥80B，其改變其內一閉合元件的開啟程度以控制製程管22之內壓；以及具有真空泵82。藉此，製程管22可在一控制的壓力下被排空。配置於排空通道80的開閉閥80B的閉合元件，可在「全開狀態」至「全閉狀態」的範圍中作任意調節。此外，當閉合元件是全關時，來自製程管22之氣流被開閉閥80B全部關閉。
此外，膜沉積裝置20具備一裝置控制部件84，其由例如一電腦所構成，且控制膜沉積裝置20全部的運作。裝置控制部件84控制氣流的開始和停止、閥之開閉運作，包含壓力控制閥80B的閉合元件的開啟程度的調整、製程壓力、製程溫度、以及類似者，藉此在膜沉積裝置20中實施膜沉積製程。此類控制藉由執行一電腦程式而實施，該電腦程式控制膜沉積裝置20全部的運作。該電腦程式儲存於電腦可讀儲存媒介86，並被下載至裝置控制部件84。軟性磁碟、光碟(CD,compact disk)、硬碟、快閃記憶體、數位光碟(DVD,digital versatile disk)、和類似物可被使用作為電腦可讀儲存媒介86。
接下來，根據本發明之一實施例的膜沉積方法，其較佳被實施於上述之膜沉積裝置20，參考圖4至圖7加以解釋。圖4是一放大橫剖面圖，圖式說明藉由該膜沉積方法形成的多層膜的橫剖面；圖5描述來源氣體的保持期間和每週期膜沉積速率間的關係；圖6描述每週期膜沉積速率和金屬氧化物薄膜的薄膜厚度之間的關係；圖7為解釋圖，用於解釋為何金屬薄膜在金屬薄膜和沉積於該金屬薄膜上的氧化矽薄膜之間的邊界被氧化的原因。附帶一提，膜沉積裝置20之運作，基於儲存於電腦可讀儲存媒介86的程式而加以執行。
此外，在此實施例中，晶圓W為矽晶圓，作為含金屬薄膜的鎢薄膜在之前的製程中被沉積於其上。晶圓W被放置於晶圓載具內，由之前製程所使用的金屬膜沉積裝置，被運送至膜沉積裝置20。和無塵室的環境相同的一大氣環境，或一潔淨的惰性氣體環境，被保持於晶圓載具內。鎢薄膜的上表面，暴露於在大氣環境中的氧或濕氣，或是在潔淨惰性氣體環境中，縱使是僅僅一微小的量，可能存在的氧或濕氣。結果，一自然金屬氧化物薄膜在鎢薄膜的上表面之上或之中形成。
晶舟34經由歧管28的底部開口被向下移出，並被保存於製程管22之下，以使晶舟34被冷卻至常溫。接著，多個(例如50)晶圓W被裝載至晶舟34，且晶舟34被往上帶進製程管22。製程管22的底部開口(歧管28的底部開口)藉由蓋部件36封閉，且接著製程管22被氣密式封閉。
附帶一提，製程管22內部的溫度被保持高於常溫且低於膜沉積溫度。
接著，啟動真空排氣系統78的真空泵82，以使製程管22被排空至真空；且製程管22的內壓藉由開閉閥80B而保持在預先決定的製程壓力。在膜沉積製程期間，真空泵82和開閉閥80B持續運作。
此外，藉由增加供給加熱部件52的電能，晶圓W被加熱至膜沉積溫度。在膜沉積溫度穩定後，在控制的流速下供給來源氣體、反應氣體、和類似物。
特別是，作為含矽氣體的3DMAS氣體，由來源氣體供給系統54的氣體噴嘴60加以供給；臭氧氣體，由反應氣體供給系統56的氣體噴嘴64加以供給；以及作為淨化氣體的N2，由淨化氣體供給系統58的氣體噴嘴68加以供給。
由相對應的氣體噴嘴60、64、68所供給的氣體，流經晶圓W間的空間，晶圓W則藉由晶舟34以多階方式支撐，且氣體更經由開口72，到達內管24和外管26間的間隙74。接著，氣體藉由真空排氣系統78，經由歧管28中的排空開口76而排空。
接著參考圖3，供給各氣體的方法被特別加以說明。如上所述，來源氣體和反應氣體被交替地反覆地供給。圖3(A)描述來源氣體的開閉閥62B的開啟/關閉運作；圖3(B)描述反應氣體的開閉閥66B的開啟/關閉運作；且圖3(C)描述真空排氣系統的開閉閥80B的開啟/關閉運作(或閉合元件的開啟程度)；一薄膜藉由重複一系列製程而被沉積於晶圓W之上，該一系列的製程為：一吸附製程，其中開啟來源氣體的開閉閥62B一預先決定的時間週期，藉此使含矽來源氣體能夠被吸附於晶圓W的上表面上，如圖3所示；一排空製程，其中停止供給來源氣體，且排空製程管22；一反應製程，其中開啟反應氣體的開閉閥66B以供給臭氧氣體，藉此使被吸附於晶圓W上表面上的來源氣體能夠與反應氣體交互作用，以形成具有小厚度的氧化矽薄膜；以及一排空製程，其中停止反應氣體流，且排空製程管22；以此順序進行。
此處，由一吸附製程至下一個吸附製程之製程被稱為一個週期，且因此具有相當於一單層或數個單層之極小厚度的薄膜，被形成於一個週期。在該一個週期內，吸附製程的時間週期T1和反應製程的時間週期T2大約60秒；且在第一半週期的排空製程的時間週期T3和第二半週期的排空製程的時間週期T4大約為10秒。附帶一提，N2淨化氣體可被供給於排空製程。在一此週期後，薄膜被形成，如圖4所示。亦即是，在膜沉積之前，含金屬薄膜100，舉例來說，由鎢薄膜所構成，被沉積於晶圓W的上表面上，且自然金屬氧化物薄膜102，在運送晶圓W期間，形成於含金屬薄膜100的上表面之上與之中，如圖4(A)所示。在此實施例中，因為含金屬薄膜100由鎢所構成，此金屬氧化物薄膜102被以例如WOX(x：一大於1的整數)表示。在膜沉積之後，由氧化矽所構成之薄膜104形成於金屬氧化物薄膜102之上，如圖4(B)所示。在此情況下，金屬氧化物薄膜102被還原，且因此金屬氧化物薄膜102的厚度可被控制，這是因為來源氣體被供給和保留於製程管22之內，如後所述。
在根據這個實施例的膜沉積方法中，開啟開閉閥62B於吸附製程中，以供給來源氣體一第一預先決定的時間週期t1；且接著關閉開閉閥62B一預先決定的時間週期h，且保留來源氣體被於製程管22內部，如圖3(A)所示。亦即是並非在整個吸附製程中供給來源氣體。此外，真空排氣系統的開閉閥80B在整個吸附製程中保持關閉，如圖3(C)所示。換言之，由於真空排氣系統的開閉閥80B被關閉，供給製程管22第一預先決定時間週期t1的來源氣體，在下一個時間週期h中被侷限(或停留)於製程管22內。結果，相對大量的來源氣體被吸附於金屬氧化物薄膜102的上表面上。在此狀況下，金屬氧化物薄膜102的厚度可藉由調整時間週期h的長度(自此之後被稱為保持時間)而加以控制。
舉例來說，在第一預先決定時間週期t1中，來源氣體的流速約10至約500 sccm。此外，在吸附製程T1中，製程管22的內壓會首先快速增加，而在開閉閥62B被關閉的同時則變成固定(例如，在667 Pa)。
接著，當吸附製程完成，程序進入至第一排空製程T3。即真空排氣系統的開閉閥80B被全部開啟，而此時無氣體被供給至製程管22，藉此快速地排空製程管22中的剩餘氣體。附帶一提，作為淨化氣體的N2氣體可被供給至製程管22，以促進由製程管22排空剩餘氣體。經過第一排空製程，來源氣體(3DMAS)的濃度快速地降低。
接著，程序進入反應製程T2。此處，開啟反應氣體的開閉閥66B，如圖3(B)所示，藉此在整個反應製程時間週期T2期間，供給作為反應氣體的臭氧氣體至製程管22。在此狀況，真空排氣系統的開閉閥80B可被完全開啟。或者，如果排淨流速是足夠的，開閉閥80B的閉合元件的開啟程度可小於或等於100%。在所說明的範例中，閉合元件的開啟程度是固定於50%。
附帶一提，以6.5標準公升/分鐘(slm,standard liters per minute)的流速供給氧氣至臭氧產生器，用以製造200 g/Nm3的臭氧氣體，且因此包含該量臭氧氣體的氧氣被供給至製程管22。藉由供給臭氧氣體，吸附於晶圓W上表面上的來源氣體與臭氧交互作用，藉此形成由氧化矽構成的薄膜104。在習知的膜沉積方法中，臭氧氣體經由吸附於晶圓W上表面上的來源氣體和薄膜104擴散，到達下層的含金屬薄膜100，以致含金屬薄膜100之上表面被氧化，導致金屬氧化物薄膜102厚度的增加。
然而，由於在保持時間h期間，來源氣體可被適當地吸附於晶圓W的上表面上，臭氧擴散被抑制，且因此金屬氧化物薄膜102的厚度被抑制。此外，依據保持時間h的長度，金屬氧化物薄膜102的厚度可被縮減。
在此方式，當反應製程T3完成，程序進行至第二排空製程T4。亦即是真空排氣系統的開閉閥80B是全開的狀態，而此時無氣體被供給至製程管22，藉此快速地排空製程管22內的剩餘氣體。附帶一提，作為淨化氣體的N2氣體可被供給進製程管22，以促進由製程管22排空剩餘氣體。經此程序，一個週期被完成，且相同的該週期之後被重複多次。結果，具有一所欲的厚度的薄膜104被取得，其由氧化矽所構成。附帶一提，製程管22的內壓(膜沉積壓力)被維持於由基礎壓力(例如約13.3Pa)至133.3Pa的壓力範圍內。
如上所述，根據這個實施例，在用於供給來源氣體至晶圓W的吸附製程T1中提供保持時間h，其中來源氣體藉由關閉來源氣體的開閉閥62B，以及真空排氣系統的開閉閥80B而侷限於製程管22，以使來源氣體不會由製程管22流出。因此，可防止自然形成的金屬氧化物薄膜102的厚度之增加。此外，金屬氧化物薄膜102藉由調整保持時間h的長度可被還原。亦即是，金屬氧化物薄膜102的厚度可被控制。結果，不僅藉由防止金屬氧化物薄膜102的厚度增加可防止半導體裝置的電氣特性的降低，也防止了結構缺陷。
<評定試驗及其結果>
接著，解釋用以確認根據本發明之實施例的膜沉積方法之優點的評定試驗的結果。圖5說明保持時間和每週期膜沉積速率的關係；且圖6說明膜沉積速率、含金屬薄膜的上表面、以及金屬氧化物薄膜之間的關係。此處，反應週期T2被固定於1至30秒間，而預先決定時間週期t1，期間開啟來源氣體之開閉閥62B為，被固定於1至30秒間。此外，藉由改變吸附製程之時間週期T1而改變保持時間h(=T1-t1)，在保持時間期間關閉吸附製程中的來源氣體的開閉閥62B。
在圖5中，保持時間h被取為橫軸，且每週期膜沉積速率被取為縱軸。此外，含矽之3DMAS被使用作來源氣體，而臭氧氣體(或是含10 vol.%臭氧之氧氣)被使用作反應氣體。使用一矽晶圓，其具有作為含金屬薄膜100的鎢薄膜沉積於其上，以及自然形成於鎢薄膜之上和之中的氧化鎢薄膜102。此外，3DMAS之總流量被設定為比較範例(一習知的條件)之總流量的四分之一。在膜沉積時的晶圓溫度為550℃，且製程壓力最大為1.2 kPa。
此外，在比較範例中在無保持時間下交替地供給來源氣體和反應氣體，藉此沉積氧化矽薄膜。其他的膜沉積條件則和根據本發明之實施例的評定實驗之條件相同。即吸附製程T1為30秒，且3DMAS的總流量為本發明之實施例中的四倍。
從圖5可了解，當保持時間h由10秒被增加至115秒，每週期膜沉積速率由0.1 nm/cycle被線性增加至0.21 nm/cycle。這是因為吸附於晶圓W上表面上的來源氣體的量隨著保持時間h被增加而被增加，這導致增加之膜沉積速率。
此外，儘管在比較範例中，當X g的3DMAS被供給時膜沉積速率約0.13 nm/cycle，根據本發明的實施例，雖然3DMAS的流速被降低至X/4，隨著保持時間h的增加，每週期沉積速率可隨之增加。特別是，當保持時間為約40秒時，膜沉積速率和比較範例中之膜沉積速率相同。因此，當保持時間h被設定為40秒或以上，可取得和比較範例相同的膜沉積速率，即使來源氣體的總流量被降低至比較範例的四分之一。換言之，藉由根據本發明之實施例而操作開閉閥，可大幅降低來源氣體的總流量。
接著，依據膜沉積速率量測氧化鎢(WOX)薄膜的厚度。該結果描述於圖6。存在於由鎢構成之含金屬薄膜100和氧化矽薄膜104之間的邊界之金屬氧化物薄膜102的厚度，可利用X射線光電子光譜(XPS,X-ray photoelectron spectrometry)加以量測。
膜沉積前自然形成之氧化鎢薄膜102的初始厚度為約1.1 nm。附帶一提，在圖6中寫出保持時間h的典型值。曲線A表示在利用3DMAS作為來源氣體，膜沉積被實施於550℃的情況下，厚度對膜沉積速率之關係曲線。如圖6所示，當膜沉積速率小時，金屬氧化物薄膜102的厚度與自然形成之氧化鎢薄膜102的初始厚度相比顯得相當大。隨著膜沉積速率變得較大，金屬氧化物薄膜102的厚度快速減少。特別是，當膜沉積速率約為0.115 nm/cycle時，金屬氧化物薄膜102的厚度和初始厚度大體上相同。當膜沉積速率進一步變大，金屬氧化物薄膜102的厚度相當緩慢地減少。
由以上結果可發現，存在於含金屬薄膜100以及薄膜(氧化矽)104之間邊界之金屬氧化物(WOX)薄膜102的厚度，可藉由改變膜沉積速率而加以控制，而膜沉積速率則可藉由調整保持時間h而加以調節，而在保持時間h期間來源氣體被侷限於製程管22。特別是，金屬氧化物薄膜102的厚度，藉由設定膜沉積速率至約為0.115 nm/cycle或更大可比初始厚度更小。換言之，當保持時間被設定為約23秒或更大(膜沉積速率：0.115nm/cycle或更大)，金屬氧化物薄膜102的厚度可比初始厚度小。
此處，當膜沉積速率小於0.115nm/cycle時，為何金屬氧化物薄膜102的厚度變得比初始厚度大的原因，可解釋如下。如圖7(A)所示，當被吸附於含金屬薄膜100之上表面上的來源氣體分子110的數量小時，分子110間有許多間隙。因此，在來源氣體分子110被吸附於含金屬薄膜100之上表面上之後導入之臭氧分子112可穿過該間隙，如虛線箭頭所示。結果，臭氧分子112可擴散至金屬氧化物薄膜102和含金屬薄膜100，且因此含金屬薄膜100被氧化，因而增加了金屬氧化物薄膜102的厚度。
隨著每週期膜沉積速率的增加，吸附於金屬氧化物薄膜102上表面上之矽來源氣體分子110的數量被增加，如圖7(B)所示，這導致來源氣體分子110間的間隙減小。結果，阻礙臭氧分子112擴散進入金屬氧化物薄膜102和含金屬薄膜100，且因此阻止含金屬薄膜100的氧化。
此外，當每週期膜沉積速率大於或等於0.115 nm/cycle時，為何金屬氧化物薄膜102的厚度變得比初始厚度小的原因，可被解釋如下。因為含矽來源氣體就其本身而言在膜沉積溫度550℃提供還原能力，可還原自然形成金屬氧化物薄膜102。結果，在氧化矽的膜沉積之後(見圖4(B))的金屬氧化物薄膜102的厚度比初始厚度小(見圖4(A))。
由以上結果，當3DMAS被利用作為來源氣體，在各個製程中膜沉積溫度550℃或更高，保持時間h較理想被設定在23秒或更長，以取得較初始厚度小的金屬氧化物薄膜102的厚度。附帶一提，膜沉積溫度較理想條件最大約為600℃。當膜沉積溫度超過600℃，吸附於晶圓W上表面上的來源氣體可能會熱分解，而非被臭氧氣體氧化，由ALD(或MLD)的觀點這不是適當的。
此外，利用3DMAS於膜沉積溫度450℃，且保持時間只有23秒的額外實驗被執行。其他條件則與上述相同。如在圖6中的點B所示，結果是膜沉積速率為0.088 nm/cycle，且氧化鎢薄膜的厚度為1.77nm，大於1.1 nm的初始厚度。此結果指出膜沉積溫度較佳條件為550℃，而非450℃。
此外，利用二異丙基胺基矽烷(DIPAS,di-iso-propylaminosilane)，而非3DMAS，除了保持時間h和膜沉積溫度外，在如上述相同的條件下的執行另一實驗，其中DIPAS如3DMAS屬於相同之胺基矽烷有機材料家族。圖6的點C表示在保持時間h為23秒，膜沉積溫度為450℃時進行之實驗的結果；且圖6的點D表示在保持時間h為23秒，膜沉積溫度為300℃時進行之實驗的結果。
如圖6所示，在點C，膜沉積速率為0.15 nm/cycle，且氧化鎢薄膜的厚度為1.1 nm，其與初始厚度相同。此外，在點D，膜沉積速率為0.185 nm/cycle，且氧化鎢薄膜的厚度為1.1 nm，其與初始厚度相同。
如上所示，當DIPAS，而非3DMAS，被利用作為來源氣體時，縱使在相對較低的膜沉積溫度，舉例來說，在300℃至450℃的範圍中，膜沉積的速率仍相當大。此外，因為吸附於晶圓W上表面上的來源分子的數量較大，含鎢薄膜的氧化(或氧化鎢薄膜的成長)被抑制。
附帶一提，雖然在上述實驗中，鎢薄膜被使用作為含金屬薄膜100，氮化鈦(TiN)薄膜在又另一實驗中被使用為含金屬薄膜100。圖8描述每週期膜沉積速率和TiN薄膜的金屬氧化物薄膜的厚度之間的關係。金屬氧化物薄膜的初始厚度為2.7 nm。以在圖6展示其結果的實驗相同的方式，保持時間h被由5秒改變至113秒。
如圖8所示，隨著保持時間h變大，膜沉積速率增加，且氧化鈦薄膜的厚度被線性地減少。當膜沉積速率相對較小時，金屬氧化物薄膜的厚度大於初始厚度，而在0.11 nm/cycle的膜沉積速率下，金屬氧化物薄膜的厚度與初始厚度大體相等。當膜沉積的速率進一步變大，金屬氧化物薄膜的厚度隨之被減少。特別是，金屬氧化物薄膜的厚度由初始厚度2.7 nm減為1.7 nm。
附帶一提，雖然在上述實驗中，鎢薄膜和氮化鈦薄膜被用作含金屬薄膜，含金屬薄膜包含其他金屬薄膜和金屬氮化物薄膜。特別是，選自鎢薄膜、氮化鎢薄膜、鈦薄膜、氮化鈦薄膜、鉭薄膜、以及氮化鉭薄膜的群體之一者被用作含金屬薄膜。
此外，雖然在上述實驗中，3DMAS被用作來源氣體，其他胺基矽烷有機材料，例如二第三丁基胺基矽烷(BTBAS,bis(tertiary-butylamino)silane、四二甲基胺基矽烷(4DMAS,tetrakisdimethylaminosilane)、二異丙基胺基矽烷(DIPAS)、或類似者，可被使用為來源氣體。
此外，雖然在上述實驗中，為氧化氣體的臭氧氣體被用作反應氣體，選自O3、O2、 2電漿、N2O、和NO群體之一者可被用作反應氣體。此外，可被製造於相對較低之133 Pa壓力下的氧活性物種和氫氧基活性物種，其揭露於日本公開專利申請案公報，可用作反應氣體。此外，製程管22僅作範例用途。製程管22不限制為一具有雙管結構者，而是亦可由單一管所構成。
雖然半導體基板被作為被處理的目的物的範例，半導體基板包含矽晶圓以及由砷化鎵構成之化合物半導體、矽碳化物、氮化鎵、或類似物。此外，一玻璃基板，其用於加工平面顯示器或液晶顯示器、一陶瓷材料基板、或類似物，也可使用於本發明之實施例。
額外的優點與修正可被熟習本技藝者無困難地想出。因此，本發明就其更廣義的實施態樣，不限制於此處所述之特殊的細節和代表性實施例。據此，在不偏離隨附之申請專利範圍與其相等者所定義之一般性發明精神或範圍的情況下，可作各式各樣的修正。
2．．．製程管
4．．．晶舟
6．．．加熱部件
7．．．氣體供應部
8、10．．．分配噴嘴
8A、10A．．．氣體噴出孔
8B、10B．．．開閉閥
12．．．排氣開口
14．．．真空排氣系統
16．．．真空泵
20．．．膜沉積裝置
22．．．製程管
24．．．內管
26．．．外管
28．．．歧管
30．．．密封構件
32．．．支持基架
34．．．晶舟
36．．．蓋部件
38．．．密封構件
40．．．保溫圓柱體
42．．．平台
44．．．旋轉軸
46．．．磁性流體軸封
48．．．升高機構
50．．．臂
52．．．加熱部件
54．．．來源氣體供給系統
56．．．反應氣體供給系統
58．．．淨化氣體供給系統
60．．．氣體噴嘴
60A．．．氣體噴出孔
62．．．氣體通道
62A．．．流速控制器
62B．．．開閉閥
63．．．蒸發器
63A．．．加熱器
63B．．．氣壓計
63T．．．加熱來源槽
64．．．氣體噴嘴
64A．．．氣體噴出孔
66．．．氣體通道
66A．．．流速控制器
66B．．．開閉閥
68．．．氣體噴嘴
68A．．．氣體噴出孔
70．．．氣體通道
70A．．．流速控制器
70B．．．開閉閥
72．．．開口
74．．．間隙
76．．．排空開口
78‧‧‧真空排氣系統
80‧‧‧排空通道
80B‧‧‧開閉閥
82‧‧‧真空泵
84‧‧‧裝置控制部件
86‧‧‧電腦可讀儲存媒介
100‧‧‧含金屬薄膜
102‧‧‧金屬氧化物薄膜
104‧‧‧氧化矽薄膜
110‧‧‧來源氣體分子
112‧‧‧臭氧分子
W‧‧‧晶圓
隨附之圖式，其被整合並構成說明書之一部分，說明本發明的實施例，且與上述發明內容與實施例之詳細描述一起，解釋本發明的原理；
圖1為相關技術的批次型膜沉積裝置的示意圖；
圖2為根據本發明之實施例的一膜沉積裝置的示意圖；
圖3為一時序圖，說明當根據本發明的實施例之膜沉積方法被實行時，圖2的膜沉積裝置的開閉閥的運作；
圖4是放大橫剖面圖，其圖式說明藉由膜沉積方法形成之多層薄膜橫剖面；
圖5說明來源氣體的保持時間與每週期膜沉積速率之間的關係；
圖6說明每週期膜沉積速率與金屬氧化物薄膜的薄膜厚度之間的關係；
圖7為一解釋圖，用以解釋為何金屬薄膜被氧化於含金屬薄膜和沉積於該金屬薄膜上之氧化矽薄膜之間的邊界；以及
圖8說明每週期膜沉積速率和TiN薄膜的金屬氧化物薄膜的厚度之間的關係。
20．．．膜沉積裝置
22．．．製程管
24．．．內管
26．．．外管
28．．．歧管
30．．．密封構件
32．．．支持基架
34．．．晶舟
36．．．蓋部件
38．．．密封構件
40．．．保溫圓柱體
42．．．平台
44．．．旋轉軸
46．．．磁性流體軸封
48．．．升高機構
50．．．臂
52．．．加熱部件
54．．．來源氣體供給系統
56．．．反應氣體供給系統
58．．．淨化氣體供給系統
60．．．氣體噴嘴
60A．．．氣體噴出孔
62．．．氣體通道
62A．．．流速控制器
62B．．．開閉閥
63．．．蒸發器
63A．．．加熱器
63B．．．氣壓計
63T．．．加熱來源槽
64．．．氣體噴嘴
64A．．．氣體噴出孔
66．．．氣體通道
66A．．．流速控制器
66B．．．開閉閥
68．．．氣體噴嘴
68A．．．氣體噴出孔
70．．．氣體通道
70A．．．流速控制器
70B．．．開閉閥
72．．．開口
74．．．間隙
76．．．排空開口
78．．．真空排氣系統
80．．．排空通道
80B．．．開閉閥
82．．．真空泵
84．．．裝置控制部件
86．．．電腦可讀儲存媒介

Claims (14)

  1. 一種膜沉積方法，該方法被實施，以沉積氧化矽薄膜於形成於被處理的目的物上之具有自然形成之金屬氧化物薄膜的含金屬薄膜上，該方法利用一膜沉積裝置包含：一製程室，容納該被處理的目的物；一來源氣體供給系統，包含一第一開閉閥，並供給來源氣體至該製程室；一反應氣體供給系統，包含一第二開閉閥，並供給反應氣體至該製程室；一真空排氣系統，包含一第三開閉閥，並排空該製程室至真空，該膜沉積方法包含交替地重複一吸附步驟和一反應步驟，其間具有一間隔週期，該吸附步驟包含開啟該來源氣體供給系統的該第一開閉閥一預先決定的時間週期，藉此提供該來源氣體至該製程室，在經過該預先決定之時間週期之後，關閉該第一開閉閥一預先決定的保持時間，並侷限該來源氣體於該製程室之內，藉此使該來源氣體能夠被吸附於該被處理的目的物之上，而此時該真空排氣系統的該第三開閉閥是被關閉的，其中關閉該來源氣體供給系統的該第一開閉閥的該保持時間被調整，以控制形成於該含金屬薄膜和該氧化矽薄膜之間的一邊界的該金屬氧化物薄膜之厚度，以及該反應步驟包含開啟該反應氣體供給系統的該第二開閉閥，以提供該反應氣體至該製程室，藉此使該來源氣體與該反應氣體交互作用，以在該被處理的目的物上產生一薄膜。
  2. 如申請專利，範圍第1項的膜沉積方法，其中一排空步驟被實行，該排空步驟包含開啟該真空排氣系統的該第三開閉閥，藉此在該間隔週期內，排空該製程室。
  3. 如申請專利範圍第2項的膜沉積方法，其中一惰性氣體，在該 排空步驟中，被供給至該製程室。
  4. 如申請專利範圍第2項的膜沉積方法，其中在該排空步驟中，供給該來源氣體和該反應氣體被停止，且在該排空步驟中排空該製程室。
  5. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中關閉該來源氣體供給系統的該第一開閉閥的該保持時間被設定，以致在經過該保持時間後，該金屬氧化物薄膜的厚度，小於該自然形成之金屬氧化物薄膜的初始厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中重複該吸附步驟和該反應步驟的膜沉積速率為0.11nm/cycle或更大。
  7. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中該來源氣體包含一胺基矽烷有機材料。
  8. 如申請專利範圍第7項的膜沉積方法，其中該胺基矽烷有機材料為三(二甲基胺基)矽烷，且在該吸附步驟和該反應步驟中，該被處理的目的物的溫度為550℃或更高。
  9. 如申請專利範圍第7項的膜沉積方法，其中該胺基矽烷有機材料為二異丙基胺基矽烷，且在該吸附步驟和該反應步驟中，該被處理的目的物的溫度為450℃或以下。
  10. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中該含金屬薄膜為選自鎢薄膜、氮化鎢薄膜、鈦薄膜、氮化鈦薄膜、鉭薄膜、以及氮化鉭薄膜群體其中之一。
  11. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中該來源氣體，藉由 在一蒸發器中蒸發一液態來源而被製造。
  12. 如申請專利範圍第11項的膜沉積方法，其中該蒸發器包含一來源容器，其能夠調節該液態來源之蒸氣壓，該蒸氣壓被以溫度決定，藉此控制被蒸發來源的量。
  13. 如申請專利範圍第1項的膜沉積方法，其中該反應氣體包含選自O3、O2、O2電漿、N2O、和NO群體其中之一。
  14. 一種膜沉積裝置，包含：一製程室，容納一被處理的目的物；一夾持部件，支承該被處理的目的物；一加熱部件，加熱該被處理的目的物；一來源氣體供給系統，包含一第一開閉閥，且供給來源氣體至製程室；一反應氣體供給系統，包含一第二開閉閥，且供給反應氣體至製程室；一真空排氣系統，包含一第三開閉閥，且排空製程室至真空；以及一裝置控制部件，控制該膜沉積裝置，以致申請專利範圍第1項之膜沉積方法在其中被實施。
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