TWI567228B - 成膜裝置、成膜方法及非暫時性記憶媒體 - Google Patents

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Description

成膜裝置、成膜方法及非暫時性記憶媒體 【關連申請文獻】
本案係依據2013年5月31日申請的日本專利申請案特願第2013-115790號案主張優先權，並在此引用其全部揭示內容作為參照文獻。
本案係關於將進行成膜處理的反應容器內加以排氣的技術。
對於將基板，例如將半導體晶圓(以下稱為「晶圓」)進行成膜處理的手法而言，已知有種方法係將互相反應的多數種反應氣體依序供給至晶圓來沉積反應生成物，即所謂的ALD(Atomic Layer Deposition，原子層沉積)法或MLD(Multi Layer Deposition，多層沉積)法(以下，將此等總稱為ALD法)等。
在此ALD法中，有時因應於供給至晶圓的反應氣體之種類來改變反應容器內的壓力。然而，若使用設於反應容器之排氣管的共通排氣機構來進行反應容器內之壓力調整，有時將會因為排氣機構的能力而侷限壓力可變的範圍，無法實現因應於反應氣體之種類的最佳壓力之氣體環境。
在此，在習知藉由ALD法來進行SiN(氮化矽)膜之成膜的半導體製造裝置中，已有揭示一種構造，為防止隨著2種氣體之混合所給予排氣系統內的副產物之沉積，將氨氣的排氣配管與二氯矽烷(DCS：SiH2Cl2)的排氣配管分開，並於各配管設置真空泵。
習知的半導體製造裝置，在氨氣與DCS的切換之際進行惰性氣體的供給，在該惰性氣體的供給中執行排氣配管的切換。並且在切換排氣配管的時序中，設有同步將惰性氣體通流至兩邊的排氣配管的時段。
以往，並無關於設於各排氣配管的真空泵之能力的具體性描述。但是，能夠如此同步將惰性氣體通流至2個排氣配管，係因為此等排氣配管之間幾乎沒有壓力差，不存在氣體逆流的問題。從此一事實可推論，設於此等排氣配管的真空泵之能力係相同。所以，即使因應於供給至收容晶圓之處理爐的反應氣體之種類來切換排氣配管，處理爐內的壓力可變的範圍也與使用1台真空泵之情形不變。
本案提供一種成膜裝置、成膜方法及記憶有該成膜方法的非暫時性記憶媒體，可因應於供給至反應容器的反應氣體之種類，彈性地變更反應容器內的壓力。
本案發明一實施形態之成膜裝置係，係將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理，其包含：第1反應氣體供給部，用以在第1壓力的氣體環境下將第1反應氣體供給至該反應容器內；第2反應氣體供給部，用以在比該第1壓力更低壓的第2壓力之氣體環境下將第2反應氣體供給至該反應容器內；第1真空排氣機構，經由第1排氣通道而連接至該反應容器，俾在該反應容器內形成該第1壓力之氣體環境；第2真空排氣機構，經由第2排氣通道而連接至該反應容器內，俾在該反應容器內形成該第2壓力之氣體環境，此第2真空排氣機構之運作壓力區域比該第1真空排氣機構更低；以及切換部，在該第1排氣通道與第2排氣通道之間，切換該反應容器之排氣目的地。
本案發明之其他實施形態之成膜方法，係將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理，其包含以下步驟： 第1步驟，在第1壓力之氣體環境下將第1反應氣體供給至該反應容器內，並且利用經由第1排氣通道而連接的第1真空排氣機構將該反應容器內加以排氣，俾於該反應容器內形成該第1壓力之氣體環境；以及第2步驟，供給第2反應氣體，俾在比該第1壓力更低壓的第2壓力之氣體環境下將該第2反應氣體供給至該反應容器內，並且利用經由第2排氣通道而連接、運作壓力區域比該第1真空排氣機構更低的第2真空排氣機構，將該反應容器內加以排氣，俾於該反應容器內形成該第2壓力之氣體環境；且重複進行該等第1步驟與第2步驟。
本案之其他實施形態之非暫時性記憶媒體，記憶有電腦程式，其用於將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理的成膜裝置，該電腦程式內建有用於執行該其他實施形態之成膜方法的步驟群。
1‧‧‧反應容器
8‧‧‧控制部
1a‧‧‧凸緣
11‧‧‧頂板
12‧‧‧電漿產生部
13‧‧‧開口部
14‧‧‧分隔壁
15‧‧‧電漿電極
16‧‧‧高頻電源
17‧‧‧絕緣保護罩蓋
18‧‧‧排氣口
19‧‧‧排氣埠
19a‧‧‧罩蓋構件
22‧‧‧軸承部
23‧‧‧蓋體
24‧‧‧旋轉軸
25‧‧‧晶圓舟
26‧‧‧臂體
31‧‧‧共通排氣管
32‧‧‧分歧管
33a、33b‧‧‧第1排氣管
34a、34b‧‧‧第2排氣管
41‧‧‧真空泵(乾式泵)
42‧‧‧渦輪分子泵
43‧‧‧第1切換閥
44‧‧‧第2切換閥
51‧‧‧DCS供給通道
52‧‧‧排氣氣體供給通道
53‧‧‧取代氣體供給通道
54‧‧‧第1氣體噴嘴
61‧‧‧氨供給通道
62‧‧‧取代氣體供給通道
63‧‧‧第2氣體噴嘴
71‧‧‧貯存槽
72‧‧‧壓力偵測部
100‧‧‧加熱器
161‧‧‧供電線路
251‧‧‧支柱
252‧‧‧保溫筒
253‧‧‧平臺
431、441‧‧‧驅動部
511‧‧‧DCS供給部
521‧‧‧排氣氣體供給源
531‧‧‧氮氣之供給源
541、631‧‧‧氣體流出孔
611‧‧‧氨氣供給部
621‧‧‧取代氣體供給源
PS‧‧‧電漿
t1、t2‧‧‧膜厚
V1、V2、V11~V14、V21、V34‧‧‧閥門
MF1~MF5‧‧‧流量調整部
W‧‧‧晶圓
附加圖式係結合作為本說明書的一部分顯示本案的實施形態，與上述一般說明及後述實施形態之細節共同說明本案之概念。
圖1係本案的實施形態之成膜裝置的構成圖。
圖2係設於該成膜裝置的反應容器之水平剖面俯視圖。
圖3係該成膜裝置之第1作用圖。
圖4係該成膜裝置之第2作用圖。
圖5係該成膜裝置之第3作用圖。
圖6係該成膜裝置之第4作用圖。
圖7係該成膜裝置之第5作用圖。
圖8係該成膜裝置之第6作用圖。
圖9(a)~(c)係顯示用於實驗的晶圓之構成的說明圖。
圖10係顯示反應容器內的壓力與膜厚分布之關係的說明圖。
圖11係顯示反應容器內的壓力與膜厚減少率之關係的說明圖。
圖12係顯示氨氣的分壓與膜厚分布之關係的說明圖。
圖13顯示氨氣的分壓與膜厚減少率之關係的說明圖。
(實施發明之較佳形態)
以下，參照附加圖式詳述本案之各種實施形態。下述詳細說明中，提供許多更能充分理解本案的具體性細節。然而，通常知識者無須此種詳細說明自然也能理解本案。在其他例中，為避免各種實施形態難以理解，並未詳細顯示公知的方法、程序、系統與構成元件。
就本案的實施形態之成膜裝置的一例而言，係說明ALD法對於成膜處理的應用例，該ALD法係對於晶圓W依序供給反應氣體即氨氣與DCS(二氯矽烷)氣體，成膜出反應生成物即SiN(氮化矽)膜。
在本成膜處理中，使氨氣電漿化，在NH2自由基等活性物種的狀態下供給至晶圓W的表面，藉以提高與DCS的反應性。然而，因為自由基等活性物種壽命短，所以隨著晶圓的大型化，與圖案之微縮化所致的表面積增大，有時難以將足量的活性物種供給至晶圓W的中央部。供給至晶圓W的活性物種量在中央部與周緣部之間不同時，成膜的膜厚之面內均勻性將會降低。
針對此點，發明者發現，於供給氨氣時降低反應容器1內的壓力時，活性物種彼此的碰撞機率降低，能延長活性物種的壽命(參照後述實驗例)。
另一方面，未經由電漿化等活性化之製程而供給至反應容器1內的DCS氣體，在相對較短時間使得DCS分子吸附、沉積至晶圓W的整面(以下將吸附與沉積統稱為「附著」)。因此DCS氣體在反應容器1內的壓力比供給氨氣時高。本例之成膜裝置係利用分別不同的真空排氣通道來進行反應容器1內的真空排 氣，俾能因應於供給的反應氣體之種類，在反應容器1內形成最佳壓力的氣體環境。以下，圖1，參照圖2來說明該成膜裝置之構成。
如圖1所示，本例之成膜裝置包含：圓筒體狀的反應容器1，具有頂板，下端開口。此反應容器1係例如由石英所形成，此反應容器1內的頂板側由石英製的頂板11所封閉。另一方面，反應容器1下端的開口部設有凸緣部1a。另，亦可構成為上述反應容器1的下端設有不鏽鋼製的排氣歧管。
在反應容器1的下端之開口部進行晶圓舟25之搬入、搬出，該晶圓舟25係將多數片晶圓W固持成棚架狀的基板固持部。如圖1、圖2所示，晶圓舟25例如具有3根支柱251，支持晶圓W的外緣部，可將多數片晶圓W固持成棚架狀，例如為125片。
又，晶圓舟25隔著石英製的保溫筒252而載置在平臺253上，此平臺253係受到貫穿不鏽鋼製之蓋體23的旋轉軸24所支持。經由該開口部將晶圓舟25搬入至反應容器1內，並上昇至既定高度位置為止後，該開口部受到蓋體23所封閉成氣密。
於該旋轉軸24貫穿蓋體23的位置，設有：軸承部22，例如為具有磁性流體油封，俾保持反應容器1內的氣密性，並且將旋轉軸24固持成自由旋轉。又，蓋體23的周邊部與反應容器1的凸緣部1a之間，例如插設有O形環，保持反應容器1內的氣密性。
該旋轉軸24，例如安裝在受到晶舟昇降機等昇降機構(未圖示)所支持的臂體26之前端，可使晶圓舟25及蓋體23等一體地昇降來進行向反應容器1內的搬入、搬出。
反應容器1之側壁的一部分設有電漿產生部12。此電漿產生部12係覆蓋形成在反應容器1之側壁的上下細長開口部13，並藉由將剖面凹部狀的例如石英製之分隔壁14氣密地接合在反應容器1之外壁而構成。該開口部13形成為上下方向較長，俾能遮蓋晶圓舟25所支持的全部晶圓W。
又，分隔壁14的兩側壁之外側面設有：成對之電漿電極15，沿著長度方向(上下方向)彼此相向。此電漿電極15經由供電線路161而連接有電漿產生用之高頻電源16，電漿電極15例如施加有13.56MHz的高頻電壓，藉而得以產生電漿。再者，分隔壁14之外側安裝有例如由石英所構成的絕緣保護罩蓋17，俾將其覆蓋。電漿產生部12相當於本實施形態的氣體活性化部。
此反應容器1的底部插入有DCS供給通道51，用於供給矽烷類的氣體，例如DCS氣體，此DCS供給通道51的前端部設有例如2根第1氣體噴嘴54，在反應容器1內往上方向延伸。第1氣體噴嘴54係由石英管所構成，如圖2所示，夾著電漿產生部12的開口部13而配置於兩側。此等第1氣體噴嘴54沿其長度方向隔出既定間隔而形成有多數之氣體流出孔541。DCS氣體係相當於本例之第1反應氣體。
又，反應容器1的底部插入有用於供給氨氣之氨供給通道61，此氨供給通道61之前端部設有由石英管所構成的第2氣體噴嘴63。如圖1、圖2所示，第 2氣體噴嘴63在反應容器1內往上方向延伸，途中彎折配置在電漿產生部12內，並且沿其長度方向隔出既定間隔而形成多數之氣體流出孔631。氨氣係相當於本例之第2反應氣體。
另，在圖1中，為便於圖示，各氣體噴嘴54、63記載成貫穿反應容器1的底部側之側壁而插入至反應容器1內，但實際上係經由凸緣部1a而插入。
連接至第1氣體噴嘴54的DCS供給通道51之基端側，係連接至DCS供給部511，並且此DCS供給通道51從反應容器1側起依序設有閥門V1、貯存槽71、壓力偵測部72、流量調整部MF1、以及閥門V11。又，DCS供給通道51在流量調整部MF1與閥門V11之間分歧，經由具有閥門V12及流量調整部MF2的排氣氣體供給通道52而連接至排氣氣體即氮氣之供給源521。
再者，DCS供給通道51在閥門V1的下游側分歧，經由取代氣體供給通道53而連接至取代氣體即氮氣之供給源531。此取代氣體供給通道53從反應容器1側起依序設有閥門V13、流量調整部MF3、閥門V14。又，從此取代氣體供給通道53供給的氮氣亦用作為從DCS供給通道51供給至第1氣體噴嘴54的DCS氣體之載體氣體。以上所述的各閥門分別係進行氣體的供停，流量調整部係進行氣體供給量之調整，以下的閥門及流量調整部亦係相同。
貯存槽71係構成為如下：在關閉其下游側之閥門V1，將DCS氣體供給至貯存槽71時，貯存DCS氣體於該貯存槽71內，藉由繼續進行此DCS氣體之供給，使貯存槽71內昇壓。此貯存槽71例如係不鏽鋼製，例如使用耐壓性能為例如93.3kPa、內容積為1公升左右者。
又，與第2氣體噴嘴63連接的氨供給通道61之基端側係連接至氨氣供給部611，此氨供給通道61從反應容器1側起依序設有閥門V2以及流量調整部MF4。又，氨供給通道61在閥門V2的下游側分歧，經由具有閥門V21及流量調整部MF5的取代氣體供給通道62而連接至取代氣體即氮氣之供給源621。從此取代氣體供給通道62供給的氮氣亦用作為從氨氣供給通道61供給至第2氣體噴嘴63的氨氣之載體氣體。
以上說明地第1氣體噴嘴54、DCS供給通道51、DCS供給部511等，係相當於本例之第1反應氣體供給部，第2氣體噴嘴63、氨供給通道61、氨氣供給部611等，係相當於第2反應氣體供給部。
再者，如圖1所示，反應容器1的周圍設有：筒狀的加熱器100，從外側圍繞反應容器1的側周面。加熱器100將反應容器1內的晶圓W加熱至例如300~800℃之範圍的500℃。
在具有上述構成的本例之成膜裝置中，因為在供給氨氣時與供給DCS氣體時於反應容器1內形成既定壓力之氣體環境，所以經由不同的排氣通道將反應容器1內的氣體加以排氣。以下說明此等排氣通道之構成。
如圖1所示，反應容器1的底部側之側壁面，在反應容器1固持晶圓W的晶圓舟25之下方側的位置形成有排氣口18。從該排氣口18起往橫向伸出有用於將反應容器1內的氣體加以排氣的例如石英製之排氣埠19。
排氣埠19之前端部形成有凸緣部，此凸緣部隔著未圖示的密封構件而相抵於共通排氣管31側的凸緣部。並且，彼此相抵的排氣埠19及共通排氣管31之凸緣部，係藉由環狀的罩蓋構件19a而緊固，藉此將排氣埠19與共通排氣管31加以連接。共通排氣管31係具有例如可伸縮及彎折的蛇腹狀部位，抑制施加於石英製之排氣埠19的應力。
共通排氣管31經由分歧管32而連接至第1排氣管33a、33b，在其下游側連接至第1真空排氣機構，即真空泵、乾式泵41。乾式泵41具有在將惰性氣體(例如氮氣)以1slm(0℃、1大氣壓的標準狀態基準)供給至反應容器1內的狀態下將反應容器1內的壓力減壓直到13.3Pa(0.1Torr)以下的能力。又，乾式泵41的後段配置有未圖示的環保設備，排出的氣體在此環保設備受到處理。
又，配置成正交的第1排氣管33a、33b之間設有第1切換閥43，藉由利用驅動部431驅動內部的閥體來執行上游側的排氣管33a與下游側的排氣管33b之連接、分離。又，第1切換閥43可藉由變更閥體的角度來改變開啟度，亦能藉此進行排氣量之調整。分歧管32的下游側之第1排氣管33a、33b構成本例之第1排氣通道。
另一方面，從該分歧管32分歧有第2排氣管34a。此第2排氣管34a的下游側經由第2切換閥44、渦輪分子泵(turbo molecular pump：TMP)42及閥門V34而連接至第2排氣管34b，再者，第2排氣管34b在其下游側合流至上述第1排氣管33b。
第2切換閥44係藉由蝴蝶閥來構成，該蝴蝶閥利用驅動部441驅動內部的閥體來進行第2排氣管34a與TMP42的吸入部之連接、分離。TMP42設以使藉由上述乾式泵41而真空排氣的反應容器1內之壓力氣體環境更加低壓，具有在例如供給1slm惰性氣體的條件下，將反應容器1內的壓力減壓直到6.7Pa(0.05Torr)以下的能力。
通常，因為TMP42的抽吸力有限，所以與其他真空泵組合使用，在本例中係與上述乾式泵41組合使用。在此態樣中，TMP42及與該TMP42一起使用的乾式泵41係相當於第2真空排氣機構。又，比從分歧管32分歧的第2排氣管34a、TMP42、第2排氣管34b及第2排氣管34b之合流位置更下游側的第1排氣管33b，構成本例之第2排氣通道。並且，第1切換閥43、第2切換閥44係相當於在第1排氣通道(第1排氣管33a、33b)與第2排氣通道(第2排氣管34a、TMP42、第2排氣管34b)之間切換反應容器1內的氣體之排氣目的地之切換部。
具有以上說明構成的成膜裝置，如圖1所示，與控制部8連接。控制部8係由包含未圖示CPU與記憶部的電腦所構成，記憶部記錄有內建步驟(命令)群的程式，該步驟群係關於本例之成膜裝置的作用，即將固持在晶圓舟25的晶圓W搬入至反應容器1之後，切換反應容器1內的氣體之排氣目的地，並且依序供給DCS氣體與氨氣來進行SiN膜之成膜的動作。此程式係存放於例如硬碟、光碟、磁光碟、記憶卡等記憶媒體，從該處安裝至電腦。
其次參照圖3~圖8來說明本例之成膜裝置的作用。另，在此等圖中，適當地省略加熱器100、晶圓舟25、未使用的氣體噴嘴54、63等記載。又，各切換 閥43、44與閥門為「開」的狀態係以「O」，「閉」的狀態係以「C」的符號表示。
首先，將處理對象的晶圓W搬入至晶圓舟25之後，使臂體26上昇，將晶圓舟25搬入至反應容器1內並且藉由蓋體23將反應容器1封閉成氣密。此時，在反應容器1的排氣側使第1切換閥43為「開」，另一方面使第2切換閥44為「閉」，成為將反應容器1內的氣體經由第1排氣通道(第1排氣管33a、33b)而向乾式泵41排出的狀態。
反應容器1從例如氮氣之供給源531等經由第1氣體噴嘴54而供給有壓力調整用的氮氣，反應容器1內的壓力係調整成13.3~133Pa(0.1~1.0Torr)之範圍的例如53.3Pa(0.4Torr)。在此，實際上亦從氮氣的供給源621經由第2氣體噴嘴63進行氮氣之供給，但便宜上省略圖示(在圖4~圖8中從未圖示的噴嘴54、63將氮氣供給至反應容器1內，此點係相同)。
又，此時，關閉DCS供給通道51的閥門V1，將DCS供給通道51從第1氣體噴嘴54分離，並且開啟閥門V11，從DCS供給部511將DCS氣體供給至貯存槽71，進行DCS氣體之貯儲。並且，貯儲既定量的DCS氣體，若貯存槽71內昇壓至33.3~53.3kPa(250~400Torr)的範圍，則停止向貯存槽71供給DCS氣體。
然後，開啟閥門V1，從貯存槽71向第1氣體噴嘴54流出DCS氣體(圖4)。如上所述，因為反應容器1內調整成53.3Pa(0.4Torr)的壓力，所以開啟閥門V1後，從貯存槽71猛烈放出DCS氣體，經由第1氣體噴嘴54的流出孔541而流 出至反應容器1內。此時，從取代氣體供給通道53供給氮氣作為載體氣體。又，為提昇DCS對於晶圓W之附著機率，調整第1切換閥43的閥角度，使第1切換閥43為完全「閉」，又，亦可為「微開」左右的狀態。
在本例中，係設定貯存槽71內的DCS氣體之貯儲量與壓力，俾在大致3秒間使反應容器1內的壓力上昇直到13.3~665Pa(0.1~5.0Torr)的範圍之440Pa(3.3Torr)。供給至反應容器1內的DCS氣體，係通過固持在旋轉的晶圓舟25並受到加熱器100所加熱的晶圓W上並且附著於其表面，未附著的DCS氣體經由排氣口18加以排氣，反應容器1內在1秒左右回到原來壓力(53.3Pa(0.4Torr))。
如此，藉由在短時間供給比較多量的DCS氣體，能使DCS分子均勻地附著至晶圓W的表面。於第1排氣通道側進行排氣並且供給DCS氣體(第1反應氣體)的圖4所記載步驟係相當於申請專利範圍之成膜方法的第1步驟。
結束供給DCS氣體後，將貯存槽71與DCS供給通道51、第1氣體噴嘴54內的DCS氣體加以排淨(圖5)。又，此時使氮氣之供給量比DCS氣體供給前的圖3之狀態更少，使反應容器1內的壓力為幾乎抽淨的狀態之13.3Pa(0.1Torr)。另，圖5、圖8中虛線所示的氣體之流動係顯示使氣體之供給量比之前的步驟更少。
如此穩定反應容器1內之壓力後，使「開」狀態的第1切換閥43關閉(全閉)。此時因為TMP42側的第2切換閥44已成為「閉」狀態，所以2個排氣通道的切換閥43、44同時為「閉」。並且，使兩切換閥43、44同時為「閉」的狀態維持 1~3秒左右後，使TMP42側的第2切換閥44為「開」，並且將反應容器1內的氣體向第2排氣通道(第2排氣管34a、TMP42、第2排氣管34b等)側加以排氣。在此TMP42為已預先運作的狀態。
TMP42之流出側設有未圖示的壓力計，使第2切換閥44開啟的動作係於確認合流至第1排氣管33b的第2排氣管34b內之壓力受到乾式泵41所抽淨的狀態後才執行。又，開啟第2切換閥44之後，確認該壓力計之指示上昇，第2排氣通道側形成有氣體之流動。
如此，於進行設有運作壓力區域不同之乾式泵41、TMP42的排氣通道之切換時，能藉由暫時停止向兩排氣通道的排氣，防止從比較高壓力之第1排氣通道向低壓之第2排氣通道的氣體逆流，保護TMP42。
切換排氣通道後，反應容器1內藉由TMP42之作用而調整至較低壓力，在後段的步驟供給氨氣之際，將反應容器1內的壓力調整成目標值。
結束壓力調整後，從氨氣供給部611經由氨供給通道61將例如0.5~10.0slm的範圍之例如5slm的流量之氨氣供給至第2氣體噴嘴63(圖6)。此時，從取代氣體供給通道62供給有氮氣作為載體氣體。供給氨氣時，反應容器1內的壓力成為例如1.33~66.7Pa(0.01~0.5Torr)的範圍之6.7Pa(0.05Torr)。
又，與開始供給氨氣同時地使高頻電源16為導通的狀態後，如圖2中標註元件符號PS，氨氣電漿化並產生N自由基、NH自由基、NH2自由基、NH3自由基等活性物種。此等活性物種從電漿產生部12流入至反應容器1內，並與通 過固持在旋轉的晶圓舟25並受到加熱器100所加熱的晶圓W上且附著於其表面的DCS進行反應，形成反應生成物，即SiN層。
此時，藉由將反應容器1內的氣體之排氣通道，切換至具有運作壓力區域較低的第2真空排氣機構(TMP42、乾式泵41)的第2排氣通道，能使反應容器1內的壓力，比經由第1排氣通道利用第1真空排氣機構(乾式泵41單獨)進行排氣時更低。
其結果，活性物種彼此的碰撞機率降低，能抑制伴隨此等碰撞的活性喪失，增加到達晶圓W中央為止的活性物種。將充分的活性物種供給至晶圓W的中央後，能抑制由活性物種不足使得SiN的產生量變少的區域出現，而在晶圓W的面內更均勻地產生SiN。於第2排氣通道側進行排氣並供給氨氣(第2反應氣體)的圖6所記載步驟，係相當於申請專利範圍之成膜方法的第2步驟。
如此進行預先設定時間的氨氣供給後，與停止供給氨氣同時地使高頻電源16為斷開狀態，從氮氣之供給源621將取代用的氮氣供給至第2氣體噴嘴63(圖7)。
其次在將反應容器1內的氨氣充分加以排氣的時序，限縮來自氮氣之供給源621的氮氣之供給量，藉由TMP42及乾式泵41使反應容器1內的壓力為幾乎抽淨的狀態。然後，將「開」狀態的第2切換閥44關閉(TMP42持續運作)。此時，因為第1排氣管33a、33b側的第1切換閥43已成為「閉」狀態，所以2個排氣通道的切換閥43、44同時為「閉」。並且，將兩切換閥43、44同時為「閉」的狀態維持1~3秒左右後，使第1排氣管33a、33b側的第1切換閥43為「開」， 將反應容器1內的氣體向第1排氣通道(第1排氣管33a、33b)側加以排氣(圖8)。於此切換之際，亦能藉由暫時停止向兩排氣通道的排氣，防止從比較高壓力之第1排氣通道向低壓之第2排氣通道的氣體逆流，保護TMP42。
又，與此等動作同步，將DCS供給通道51從第1氣體噴嘴54分離，並且從DCS供給部511將DCS氣體供給至貯存槽71開始貯儲DCS氣體，進行下次供給DCS氣體之準備。如此，藉由將使用圖3~圖8所說明的動作重複例如數十次~數百次來沉積SiN層，藉以成膜出期望膜厚的SiN膜。
進行對於晶圓W的成膜處理之後，將反應容器1內的溫度調節成搬出晶圓W時的溫度，其次從氮氣之供給源531、621供給氮氣之後，使第1、第2切換閥43、44全閉，使反應容器1內的壓力上昇直到大氣壓力。其次將晶圓舟25降下並從反應容器1搬出，取出已進行成膜處理的晶圓W，另一方面將新的晶圓W固持於晶圓舟25，開始下一次成膜處理。
依據本實施形態之成膜裝置，具有以下之效果。在真空氣體環境之反應容器1內進行對於晶圓W的成膜處理時，因應於供給至反應容器1的反應氣體之種類(DCS氣體、氨氣)而向不同的排氣通道(第1排氣通道即第1排氣管33a、33b，第2排氣通道即第2排氣管34a、TMP42、第2排氣管34b等)進行反應容器1內氣體之真空排氣。因為各排氣通道連接有運作壓力區域不同的真空排氣機構(第1真空排氣機構即乾式泵41、第2真空排氣機構即TMP42及乾式泵41)，所以能因應於反應氣體之種類來適當地改變反應容器1內的壓力。
其結果，在本例之成膜處理中，以比較高壓力供給的供給DCS氣體時，經由設有運作壓力區域比較高的乾式泵41之第1排氣通道來進行排氣，藉而得以在短時間且有效率地使DCS附著至晶圓W之表面。一方，在供給氨氣時，經由設有運作壓力區域比較低的TMP42及乾式泵41之第2排氣通道來進行排氣，藉而得以延長活性物種之壽命而在晶圓W面內實現均勻的成膜處理。
其中，因應於原料氣體之種類來改變反應容器1內的壓力之目的，不限於縮短使原料向晶圓W附著的時間與延長活性物種之壽命，亦可係其他目的。例如，舉例顯示可為反應氣體之反應速度調整、原料氣體的大流量供給、大流量排氣、膜性質調整等。
又，運作壓力區域比乾式泵41更低的真空排氣機構之例不限於將TMP42與乾式泵41組合使用之情形，亦可使用例如冷凍泵(cryopump)等。再者，使反應容器1內的壓力改變的手法不限定於使用如乾式泵41與TMP42地不同種類的排氣機構之情形，亦可將例如設計規格上到達壓力不同的乾式泵，以不同的運作壓力區域分別用作為第1、第2真空排氣機構。
在此，圖1等所示例中，係利用第1真空排氣機構即乾式泵41，將該乾式泵41與TMP42加以組合來構成第2真空排氣機構。然而，設於TMP42後段的真空泵，在與第1真空排氣機構共用的情況之外，亦可另外設置專用的真空泵。
再者，第1排氣通道、第2排氣通道不限於經由共通的排氣埠19來連接至反應容器1之情形，亦可分別獨立地將此等排氣通道連接至反應容器1。
再者，在本案之成膜裝置中，上述SiN膜的成膜之外，亦可成膜含有金屬元素與半金屬元素(以下，為便於記載而將金屬及半金屬統稱為「金屬」)，例如元素周期表的第3周期之元素Al等，元素周期表的第4周期之元素即Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge等，元素周期表的第5周期之元素即Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag等，元素周期表的第6周期之元素即Ba、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt等元素的膜。就附著至晶圓W表面的金屬原料而言，舉例有使用此等金屬元素之有機金屬化合物與無機金屬化合物等作為反應氣體(原料氣體)之情形。就金屬原料之具體例而言，在上述的DCS之外，舉例還有BTBAS((雙三級丁胺基)矽烷)、TiCl4(四氯化鈦)、HCD(六氯二矽烷)、TMA(三甲基鋁)、3DMAS(參二甲基胺矽烷)、DIPAS(二異丙胺矽烷)等。
又，在使附著至晶圓W表面的原料氣體進行反應來獲得期望之膜的反應中，亦可利用下述各種反應：例如O2、O3、H2O、H2與O2之反應所產生的O自由基等氧化反應，利用HCOOH、CH3COOH等有機酸，CH3OH、C2H5OH等醇類類，H2等還原反應，利用CH4、C2H6、C2H4、C2H2等碳化反應，利用NH3、NH2NH2、N2等氮化反應等。
並且，將此等反應氣體在活性物種的狀態下供給至晶圓W之情形，氣體活性化部不限於使反應氣體電漿化來獲得活性物種之情形，例如亦可係將反應氣體加熱來產生活性物種，或將紫外線、X光等高能射線照射至反應氣體來產生活性物種。
在者，就反應氣體而言，亦可使用3種反應氣體或4種反應氣體。例如，就使用3種反應氣體的情形之例而言，有成膜鈦酸鍶(SrTiO3)之情形，例如使用Sr 原料即Sr(THD)2(雙四甲基庚二酮酸鍶(strontium(bistetramethylheptanedionate))，與Ti原料即Ti(OiPr)2(THD)2(雙異丙醇雙四甲基庚二酮酸鈦(titanium bisisopropoxide bistetramethylheptanedionate))，與此等之氧化氣體即臭氧氣體。此時，係依照Sr原料氣體→取代用氣體→氧化氣體→取代用氣體→Ti原料氣體→取代用氣體→氧化氣體→取代用氣體之順序來切換氣體。並且，著眼於3種以上之反應氣體所含的至少2種反應氣體，利用具有第1真空排氣機構的第1排氣通道來進行其中一反應氣體之排氣，利用具有運作壓力區域比第1真空排氣機構更低的第2真空排氣機構的第2排氣通道來進行另一反應氣體之排氣的情形，係包含在本案之技術範圍中。
再加上，本案所應用的成膜裝置不限於將多數片晶圓W固持在晶圓舟25來進行成膜處理的批次式裝置，例如亦可係逐次將1片晶圓W載置在配置於處理容器內的載置台上，並依序逐次供給反應氣體來進行膜處理的單片式成膜裝置。又，本案不限定於ALD成膜，亦可應用於交互將不同的反應氣體供給至晶圓W上來進行成膜的CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沉積)法。
【實施例】
以下探討在使用DCS氣體與氨氣作為反應氣體的SiN膜之成膜中，供給氨氣時的反應容器1內之壓力的影響。
(實驗1)
A.實驗條件
以下改變供給氨氣時的反應容器1內之壓力，探討對於SiN膜之膜厚的面內均勻性之影響。在各實驗中，對於形成有圖9(a)所示的溝槽圖案者(與無溝槽 圖案者相較而言，表面積為3倍、5倍者)，以及圖9(b)所示的無溝槽圖案者，總共3種晶圓W(直徑300mm)進行成膜處理。將100片晶圓W搬入至反應容器1內，在與使用圖4來說明的條件相同的條件下從貯存槽71供給DCS氣體，另一方面，以5slm供給20秒氨氣，反應溫度500℃，來自高頻電源16的施加電力為13.56MHz、100W。將DCS氣體及氨氣之供給循環執行300次。如圖9(c)所示，成膜處理後，藉由膜厚計來量測成膜在晶圓W表面的SiN膜之直徑方向的膜厚分布。
(實驗條件1-1)處理容器內的壓力(全壓)P=12.0[Pa](0.09[Torr])
(實驗條件1-2)處理容器內的壓力P=16.0[Pa](0.12[Torr])
(實驗條件1-3)處理容器內的壓力P=25.7[Pa](0.19[Torr])
(實驗條件1-4)處理容器內的壓力P=38.3[Pa](0.29[Torr])
(實驗條件1-5)處理容器內的壓力P=62.3[Pa](0.47[Torr])
B.實驗結果
將各實驗條件中的3種晶圓W之膜厚分布的位移顯示於圖10。各圖表的橫軸係顯示晶圓W的直徑方向之位置，縱軸係顯示SiN膜之膜厚。又，實線係顯示不具溝槽者，單點鏈線係顯示具有溝槽(面積比3倍)，虛線係顯示具有溝槽(面積比5倍)之晶圓W中的SiN膜之膜厚分布。
再者，圖11顯示晶圓W在中央位置具有溝槽之晶圓W相對於不具溝槽之晶圓W而言的膜厚減少率，所相對於供給氨氣時的反應容器1內的壓力而描繪的結果。如圖9(a)及圖9(b)所示，成膜在具有溝槽之晶圓W頂面的SiN膜之膜厚定為t1，成膜在不具溝槽之晶圓W頂面的SiN膜之膜厚定為t2時，膜厚的減 少率係藉由{(t1-t2)/t1}×100[%]來計算。在圖11中，面積比3倍之晶圓W中的減少率係以空心方格描繪，面積比5倍之晶圓W中的減少率係以實心黑圓顯示。
依據圖10、圖11所示的結果，在(1-1~1-5)的其中任一實驗條件中，在中央部的SiN膜之膜厚，具有溝槽之晶圓W亦比不具溝槽之晶圓W更薄。又，具有溝槽之晶圓W彼此比較時，面積比較大大(溝槽較多)晶圓W者，在中央部的膜厚之掉落量(膜厚減少率)變大。
另一方面，在不具溝槽之晶圓W中，因為獲得比較均勻的膜厚分布，所以可得知上述膜厚分布產生的原因並非DCS之附著量不足所致。所以，可認為在具有溝槽之晶圓W中，於晶圓W之周緣部先消耗活性物種，結果供給至中央部的氨氣之活性物種量不足，使得該中央部的SiN膜之膜厚變薄。
另一方面，依據圖11，可知使供給氨氣時的反應容器1內之壓力越低，越可降低晶圓W中央部之膜厚的減少率。又，在圖10的各實驗結果中，亦可確認隨著反應容器1內的壓力變低，具有溝槽之晶圓W的膜厚分布接近不具溝槽之晶圓W的膜厚分布。從此等情形可知，降低供給氨氣時的反應容器1內之壓力後，氨的活性物種之壽命變長，活性物種亦會到達晶圓W的中央部，增加在該中央部的SiN產生量，能改善膜厚分布的面內均勻性。
就此點而言，可確認在藉由DCS氣體(第1反應氣體)與氨氣(第2反應氣體)來成膜出SiN膜的製程中，使DCS氣體附著至晶圓W之後供給氨氣時的反應促進程度，在壓力較低之供給氨氣時的第2壓力之氣體環境中，比供給DCS氣體 時的第1壓力之氣體環境下進行時更大。就氨氣的活性物種之壽命而言，亦知道在第2壓力之氣體環境比第1壓力之氣體環境更長。
(實驗2)
探討於供給氨氣時的反應容器1內之壓力(第2壓力)固定為40Pa(0.3Torr)，於供給氨氣時調節供給至反應容器1內的氨氣與氮氣之供給量，改變氨氣之分壓(PNH3)，使其他條件與(實驗1)相同所對於SiN膜之膜厚分布的影響。
A.實驗條件
(實驗條件2-1)氨氣分壓PNH3=6.4[Pa](0.048[Torr])
(實驗條件2-2)氨氣分壓PNH3=18.3[Pa](0.13[Torr])
(實驗條件2-3)氨氣分壓PNH3=28.5[Pa](0.21[Torr])
(實驗條件2-4)氨氣分壓PNH3=32.0[Pa](0.24[Torr])
B.實驗結果
將各實驗條件中的3種晶圓W之膜厚分布的位移顯示於圖12，並將晶圓W在中央位置的具有溝槽之晶圓W相對於不具溝槽之晶圓W的膜厚減少率，所相對於氨氣之分壓而描繪的結果顯示於圖13。圖12、圖13之縱軸及橫軸與線條、描繪，係分別與圖10、圖11之情形相同。
在圖10所示的(實驗1)之結果中，可確認成膜在晶圓W的SiN膜具有隨著反應容器1內的壓力(第2壓力)降低而在面內平均性膜厚變薄的傾向。此點，只要提昇供給至反應容器1的氨氣之分壓，即可使膜厚加厚，亦可看見膜厚分布之改善。從此等結果而言，可知在以膜厚分布之改善為目的來降低反應容器1 內的壓力(第2壓力)時，在防止向DCS氣體用的第1氣體噴嘴54與未圖示的清潔氣體噴嘴的氨氣逆流之目的下，將供給至反應容器1內的氮氣，與從取代氣體供給通道62供給作為氨氣之載體氣體的氮氣之供給量抑制在必要最小限度，提昇氨氣之分壓，藉而得以彌補成膜速度降低。
本案係在真空氣體環境之處理容器內進行對於基板的成膜處理時，因應於供給至處理容器的反應氣體之種類來向不同的排氣通道(第1排氣通道、第2排氣通道)進行反應容器內之真空排氣。各排氣通道因為連接有運作壓力區域不同的真空排氣機構(第1真空排氣機構、第2真空排氣機構)，所以能因應於反應氣體的種類來適當地變更反應容器內的壓力。
本次揭示的實施形態全部係舉例顯示，應認為其並非限制條件。實際上，上述實施形態可利用多種形態來實現。又，上述實施形態只要不脫離申請專利範圍及其主旨精神，亦可利用各種形態來省略、取代、改變。本發明之範圍係預設包含申請專利範圍與其均等意義及範圍內的所有變化。
1‧‧‧反應容器
8‧‧‧控制部
1a‧‧‧凸緣
11‧‧‧頂板
12‧‧‧電漿產生部
13‧‧‧開口部
14‧‧‧分隔壁
15‧‧‧電漿電極
17‧‧‧絕緣保護罩蓋
18‧‧‧排氣口
19‧‧‧排氣埠
19a‧‧‧罩蓋構件
22‧‧‧軸承部
23‧‧‧蓋體
24‧‧‧旋轉軸
25‧‧‧晶圓舟
26‧‧‧臂體
31‧‧‧共通排氣管
32‧‧‧分歧管
33a、33b‧‧‧第1排氣管
34a、34b‧‧‧第2排氣管
41‧‧‧真空泵(乾式泵)
42‧‧‧渦輪分子泵
43‧‧‧第1切換閥
44‧‧‧第2切換閥
51‧‧‧DCS供給通道
52‧‧‧排氣氣體供給通道
53‧‧‧取代氣體供給通道
54‧‧‧第1氣體噴嘴
61‧‧‧氨供給通道
62‧‧‧取代氣體供給通道
63‧‧‧第2氣體噴嘴
71‧‧‧貯存槽
72‧‧‧壓力偵測部
100‧‧‧加熱器
252‧‧‧保溫筒
253‧‧‧平臺
431、441‧‧‧驅動部
511‧‧‧DCS供給部
521‧‧‧排氣氣體供給源
531‧‧‧氮氣之供給源
541、631‧‧‧氣體流出孔
611‧‧‧氨氣供給部
621‧‧‧取代氣體供給源
V1、V2、V11~V14、V21、V34‧‧‧閥門
MF1~MF5‧‧‧流量調整部
W‧‧‧晶圓

Claims (11)

  1. 一種成膜裝置，係將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理，其包含：第1反應氣體供給部，用以將第1反應氣體供給至該反應容器內；第2反應氣體供給部，用以將第2反應氣體供給至該反應容器內；第1真空排氣機構，經由第1排氣通道而連接至該反應容器，一第1切換閥係安裝在該第1排氣通道中；第2真空排氣機構，經由第2排氣通道而連接至該反應容器內，一第2切換閥係安裝在該第2排氣通道中，此第2真空排氣機構之運作壓力區域比該第1真空排氣機構更低；以及控制部，在該第1排氣通道與第2排氣通道之間，切換該反應容器之排氣目的地，其中當該第1反應氣體從該第1反應氣體供給部供應進入該反應容器時，該控制部開啟該第1切換閥並關閉該第2切換閥，使得從該反應容器的氣體排出係藉由該第1真空排氣機構通過該第1排氣通道加以執行，以在該反應容器內形成第1壓力的環境，並且，當該第2反應氣體從該第2反應氣體供給部供應進入該反應容器時，該控制部開啟該第2切換閥並關閉該第1切換閥，使得從該反應容器的氣體排出係藉由該第2真空排氣機構通過該第2排氣通道加以執行，以在該反應容器內形成低於該第1壓力之第2壓力的環境。
  2. 如申請專利範圍第1項之成膜裝置，其中，在使該第1反應氣體附著於基板之後，供給第2反應氣體時的反應之促進程度，於第2壓力之氣體環境比該第1壓力之氣體環境更大。
  3. 如申請專利範圍第1項之成膜裝置，其中，包含使該第2反應氣體活性化的氣體活性化部；且該活性化所獲得的活性物種之壽命，係於第2壓力之氣體環境比該第1壓力之氣體環境更長。
  4. 如申請專利範圍第3項之成膜裝置，其中，該氣體活性化部係藉由使該第2反應氣體電漿化來獲得該活性物種。
  5. 如申請專利範圍第1項之成膜裝置，其中，該第2真空排氣機構包含：渦輪分子泵；以及真空泵，在該渦輪分子泵後段。
  6. 如申請專利範圍第1項之成膜裝置，其中，包含：基板固持部，將多數之基板固持成棚架狀；且該成膜處理係將固持有作為處理對象的多數基板之基板固持部搬入該處理容器內而進行。
  7. 一種成膜方法，係將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理，其包含以下步驟：第1步驟，將第1反應氣體供給至該反應容器內，並且利用經由第1排氣通道而連接的第1真空排氣機構將該反應容器內加以排氣，俾於該反應容器內形成第1壓力之氣體環境；以及第2步驟，供給第2反應氣體，用以將該第2反應氣體供給至該反應容器內，並利用經由第2排氣通道而連接、且運作壓力區域比該第1真空排氣機構更低的第 2真空排氣機構，將該反應容器內加以排氣，俾於該反應容器內形成第2壓力之氣體環境，該第2壓力係低於該第1壓力；且重複進行該等第1步驟與第2步驟，其中，該第1排氣通道設有第1切換閥，且該第2排氣通道設有第2切換閥，且其中，當執行該第1步驟時，開啟該第1切換閥並關閉該第2切換閥，藉由該第1真空排氣機構通過該第1排氣通道執行該反應容器的氣體排出，以在該反應容器內形成該第1壓力的環境，並且，當執行該第2步驟時，開啟該第2切換閥並關閉該第1切換閥，藉由該第2真空排氣機構通過該第2排氣通道執行該反應容器的氣體排出，以在該反應容器內形成低於該第1壓力之該第2壓力的環境。
  8. 如申請專利範圍第7項之成膜方法，其中，使該第1反應氣體附著基板之後，供給第2反應氣體時的反應之促進程度，係於第2壓力之氣體環境比該第1壓力之氣體環境更大。
  9. 如申請專利範圍第7項之成膜方法，其中，包含：使該第2反應氣體活性化的步驟；且該活性化所獲得的活性物種之壽命，係於第2壓力之氣體環境比於該第1壓力之氣體環境更長。
  10. 如申請專利範圍第9項之成膜方法，其中，使該第2反應氣體活性化的步驟，係藉由使該第2反應氣體電漿化來獲得該活性物種。
  11. 一種非暫時性記憶媒體，記憶有電腦程式，該電腦程式用於將互相反應的多數種反應氣體依序供給至反應容器內，並於真空氣體環境對於基板進行成膜處理的成膜裝置，該電腦程式包含有用於執行如申請專利範圍第7項之成膜方法的步驟群。
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