TWI607485B - 成膜方法 - Google Patents

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Description

成膜方法 【相關申請文獻】
本發明，係根據依2014年3月17日所申請之日本專利申請案第2014-053628號之優先權之利益，在此作為參照文獻導入該日本申請案之所有內容。
本發明，係關於在基板使薄膜成膜之成膜方法、成膜裝置及記錄有該成膜方法之記憶媒體。
作為於半導體晶圓(以下稱「晶圓」)等基板使薄膜(例如氮化矽(Si-N)膜)成膜之裝置，已知一種分批式縱型熱處理裝置，於縱型反應管內在複數片晶圓上一併成膜。作為使用此裝置之具體成膜手法，可採用：交互供給複數次 「例如包含矽之原料氣體，與使此原料氣體氮化之反應氣體(例如氨(NH3)氣)」之手法，即所謂ALD(Atomic Layer Deposition)法。
又，作為適用已述之氮化矽膜之對象，在例如構成半導體元件之各種部位中，可舉出保護閘電極之側面之側壁。亦即，將「自下側依序堆疊閘極絕緣膜及閘電極之概略呈圓筒形狀之構造物」形成在晶圓之表面後，使氮化矽膜成膜，俾包覆該構造物。其後，形成遮罩，俾恰留下該構造物之側面上的氮化矽膜，接著，使用例如氫氟酸(HF)水溶液等蝕刻液對氮化矽膜進行濕蝕刻，藉此，形成已述之側壁。其後，經過例如氧化矽膜等絕緣膜之成膜、或貫通該絕緣膜之貫通孔之形成，以及金屬膜之埋入程序等，形成用來在「閘電極、分別形成於此閘電極附近之晶圓之表面之汲極區域及源極區域」進行配線之接觸電極。
在此，伴隨著近年來配線構造之細微化，閘電極與接觸電極之間隔距離傾向變得狹窄，因此於此等閘電極與接觸電極之間易於產生寄生電容。在此，關於已述之側壁，為抑制閘電極與接觸電極之間之電性結合，業界要求相對介電常數(k值)適度地下降，具體而言，有人探討於氮化矽膜摻雜氧(O)。
然而，若於氮化矽膜摻雜氧，側壁在已述之濕蝕刻程序即會變得易於被蝕刻。因此，氮化矽膜適用於側壁時，為使此側壁具有濕蝕刻耐受性，不僅是氧，亦有人探討關於摻雜碳(C)。
如此於氮化矽膜摻雜碳時，此薄膜，呈「基本之骨架構造(Si-N)中矽元素之一部分由碳元素置換」之組成，故難以成為所希望之組成比。又，在交互供給已述之原料氣體及反應氣體之成膜週期中，使用與此等氣體不同之含碳氣體，於薄膜內摻雜碳元素。因此，於反應管內沿上下方向易於產生氣體之濃度梯度，故於晶圓間薄膜之組成比易於發生差異。換言之，就反應管內之各晶圓，難以達成所希望之組成比而形成薄膜。
已知在上述之ALD處理中，供給原料氣體時使處理壓力變動之技術，或停止處理氛圍之排氣之狀態下供給原料氣體之技術。且已知重複複數次供給臭氧氣體之步驟與使處理氛圍排氣之步驟之手法。然而，此等方法中，未揭示關於上述之課題及相關之技術。
本發明提供一種技術，在對薄膜摻雜摻雜元素時，可使該薄膜成膜，俾薄膜中之組成比為設定值或是接近設定值之值。
依本發明之一實施形態之成膜方法，於真空氛圍中使含有摻雜元素之薄膜成膜，其特徵在於包含： 吸附程序，將原料氣體自原料氣體供給部供給到呈真空氛圍之處理容器內，使基板吸附該原料氣體之原料；摻雜程序，重複複數次「將含有摻雜元素之摻雜氣體自摻雜氣體供給部供給到該處理容器內，於該處理容器內封入摻雜氣體之步驟，與使該處理容器內真空排氣之步驟」；反應程序，自反應氣體供給部對該處理容器內供給「與該原料反應而產生反應產物之反應氣體」；及置換程序，介在於該各程序間而進行，置換該處理容器內之氛圍；且自該原料氣體供給部、該摻雜氣體供給部及反應氣體供給部，對該處理容器內流入防止逆流用氣體，同時進行該摻雜程序。
依本發明之另一實施形態之成膜裝置，於真空氛圍中使含有摻雜元素之薄膜成膜，其特徵在於包含：處理容器，氣密地收納複數之基板；原料氣體供給部，對該處理容器內供給原料氣體；摻雜氣體供給部，對該處理容器內供給含有該摻雜元素之摻雜氣體；反應氣體供給部，對該處理容器內供給「與該原料氣體所含之原料反應而產生反應產物之反應氣體」；真空泵，經由排氣口使該處理容器內真空排氣；及控制部，輸出控制信號，俾進行：吸附程序，自該原料氣體供給部對呈真空氛圍之該處理容器內供給該原料氣體，使基板吸附原料； 摻雜程序，重複複數次「將含有摻雜元素之摻雜氣體自摻雜氣體供給部供給到該處理容器內，於該處理容器內封入摻雜氣體之步驟，與以該真空泵使該處理容器內真空排氣之步驟」；反應程序，自該反應氣體供給部對該處理容器內供給「與該原料反應而產生反應產物之該反應氣體」；及置換程序，介在於該各程序間而進行，置換該處理容器內之氛圍；且該控制部，輸出控制信號，俾自該原料氣體供給部、該摻雜氣體供給部及反應氣體供給部，對該處理容器內流入防止逆流用氣體，同時進行該摻雜程序。
依本發明之又一實施形態之非暫時性記憶媒體，儲存有在電腦上動作之電腦程式，其特徵在於：該電腦程式裝有步驟，俾實施上述之成膜方法。
W‧‧‧晶圓
10‧‧‧成膜裝置
11‧‧‧晶圓舟
12‧‧‧反應管
13‧‧‧加熱器
14‧‧‧加熱爐本體
18‧‧‧凸緣部
21‧‧‧排氣口
22‧‧‧排氣路
23‧‧‧壓力調整部
24‧‧‧真空泵
25‧‧‧蓋體
26‧‧‧隔熱體
27‧‧‧旋轉機構
51a~51d‧‧‧氣體噴嘴(氣體注射器)
52‧‧‧氣體噴吐口
53‧‧‧閥
54‧‧‧流量調整部
55a‧‧‧氨氣供給源
55b‧‧‧HCD供給源
55c‧‧‧C3H6氣體供給源
55d‧‧‧氧(O2)氣之供給源
55e‧‧‧氮(N2)氣供給源
100‧‧‧控制部
101‧‧‧記憶部
附圖，作為本說明書之一部分導入而揭示本發明之實施形態，與上述之一般說明及後述之實施形態之詳細內容一齊說明本發明之概念。
【圖1】係顯示本發明之縱型熱處理裝置之一例之縱剖面圖。
【圖2】係顯示該縱型熱處理裝置之橫剖俯視圖。
【圖3】係顯示適用於該縱型熱處理裝置成膜之薄膜之半導體裝置之縱剖面圖。
【圖4】(a)~(d)係顯示使該薄膜成膜之手法之一例之程序圖。
【圖5】(a)~(c)係顯示使該薄膜成膜之手法之一例之程序圖。
【圖6】~【圖9】分別係顯示使該薄膜成膜之時於該縱型熱處理裝置之反應管內獲得之氣體分布之概略圖。
【圖10】係顯示實施本發明之成膜方法之裝置之另一例之縱剖面圖。
【圖11】~【圖15】分別係顯示依本發明之實施例獲得之結果之特性圖。
下述之詳細說明中，為可充分理解本發明，賦予了大量的具體詳細內容。然而，即使無如此之詳細說明，孰悉該技藝者當然亦可達成本發明。其他例中，為避免使各種實施形態難以理解，未詳細揭示關於公知之方法、順序、系統或構成要素。
關於依本發明之成膜方法之實施形態之一例，首先，根據圖1及圖2說明用來實施此成膜方法之成膜裝置10。此成膜裝置10，如圖1及圖2所示，包含：晶圓舟11，作為呈棚架狀承載多數片例如150片晶圓W之基板固持具；及反應管12，即氣密地收納此晶圓舟11，對此等晶圓W一併進行薄膜之成膜處理之處理容器；而構成所謂縱型熱處理裝置10。
於反應管12之外側，設置下表面側開口之概略呈圓筒型之加熱爐本體14，於加熱爐本體14之內壁面，橫跨周方向配置作為加熱機構之加熱器13。圖1中18，係將反應管12自下方側氣密地固持之凸緣部。
如圖1及圖2所示，於反應管12內朝側方側遠離晶圓舟11之位置，橫向排列配置複數根例如4根氣體噴嘴(氣體注射器)51a~51d。此例中，如圖2所示，俯視觀察時，第1反應氣體噴嘴51a、原料氣體噴嘴51b、第2反應氣體噴嘴51c及沖洗氣體噴嘴51d順時針地配置。又，圖1中，為便於圖示，描繪成第1反應氣體噴嘴51a(或第2反應氣體噴嘴51c)朝側方側遠離原料氣體噴嘴51b，且關於沖洗氣體噴嘴51d則省略描繪。
如圖2所示，第1反應氣體噴嘴51a，連接：供給作為第1反應氣體之氨氣之氨氣供給源55a，及供給作為沖洗氣體之氮(N2)氣之氮(N2)氣供給源55e。原料氣體噴嘴51b，連接：供給作為原料氣體之六氯化二矽(HCD)氣體之HCD供給源55b、供給作為摻雜(添加)氣體之丙烯(C3H6)氣體之C3H6氣體供給源55c、已述之氮氣之供給源55e。第2反應氣體噴嘴51c，連接作為第2反應 氣體之氧(O2)氣之供給源55d及氮氣之供給源55e。沖洗氣體噴嘴51d，連接氮氣之供給源55e。
如圖1及圖2所示，於此等氣體噴嘴51a~51d之側面之晶圓舟11側，沿該晶圓舟11之長度方向於複數處例如等間隔地形成氣體噴吐口52。圖1及圖2中，53係閥，54係流量調整部。此例中，反應氣體噴嘴51a、51c係反應氣體供給部，原料氣體噴嘴51b兼作為原料氣體供給部及摻雜氣體供給部。且沖洗氣體噴嘴51d，係沖洗氣體供給部。
如圖1所示，於凸緣部18之側壁中與各氣體噴嘴51a~51d對向之部位，形成排氣口21，自此排氣口21延伸之排氣路22，隔著蝶形閥等壓力調整部23連接真空泵24。於凸緣部18之下方側，設置概略呈圓板狀形成之蓋體25，俾橫跨周方向氣密地接觸該凸緣部18之作為下端側外周部之凸緣面，此蓋體25，可藉由未圖示之晶舟升降部，與晶圓舟11一齊任意昇降。圖1中26係隔熱體，27係馬達等旋轉機構。
於此縱型熱處理裝置10，如圖1所示，設置用來控制該裝置10整體動作之電腦所構成之控制部100，於此控制部100之記憶體內，儲存用來進行後述之成膜處理之程式。將此程式，自作為硬碟、光碟、磁光碟、記憶卡、軟碟等記憶媒體之記憶部101，安裝至控制部100內。
參照圖3開始說明關於適用使用以上說明之裝置10成膜之薄膜之半導體裝置80之一例。圖3，顯示於已述之先前技術之項目說明之閘電極構造，於晶圓W之表面，設置：將閘極絕緣膜71及閘電極72自下側依序堆疊之概略呈圓筒狀之構造體73。於此構造體73之側周面，形成：藉由以下說明之本發明之成膜方法成膜之薄膜所構成之側壁74。
且於晶圓W之表面，形成源極區域75及汲極區域76，俾自側方側包夾構造體73，於晶圓W之表面，形成例如矽氧化膜等所構成之絕緣膜77，俾包覆此等構造體73、源極區域75及汲極區域76。又，於此絕緣膜77，分別形成沿上下貫通該絕緣膜77之電極78，俾對應閘電極72、源極區域75及汲極區域76。
形成如此之半導體裝置80時，使用以下說明之本發明之成膜方法使薄膜成膜，俾包覆已述之構造體73。接著，形成「恰包覆對應側壁74之部位而圖案化之未圖示之遮罩」，藉由例如使用氫氟酸水溶液之濕蝕刻，去除側壁74以外之部位之薄膜。其後，經過絕緣膜77之成膜程序、於該絕緣膜77形成接觸洞之形成程序及電極78埋入接觸洞之埋入程序等，形成圖3所示之半導體裝置。
接著，詳述關於依本發明之已述之薄膜之成膜方法。首先，說明關於此成膜方法之概要即知，本發明中，如圖4(a)~(c)所示，採用：依序進行「分別對晶圓W供給原料氣體、摻雜氣體、第1反應氣體及第2反應氣體之步驟」之處理。亦即，關於圖4(a)，顯示自原料氣體噴嘴51b噴吐之氣體，圖4(b)及圖4(c)則分別顯示自第1反應氣體噴嘴51a及第2反應氣體噴嘴51c噴吐之 氣體。此例中如已述，自共通之原料氣體噴嘴51b噴吐原料氣體與摻雜氣體。關於摻雜氣體之供給程序，如於後詳述，重複形成：在反應管12內填充摻雜氣體後，停止此摻雜氣體之供給及該反應管12之真空排氣，亦即將摻雜氣體密封於反應管12之狀態。
圖4(d)，顯示自沖洗氣體噴嘴51d噴吐之氣體及反應管12之真空排氣之程序。切換此等各氣體時，如圖4(d)所示，進行：使反應管12內真空排氣之步驟，與供給沖洗氣體之步驟所構成之置換步驟。又，圖4中，示意描繪關於各氣體之供給量或反應管12內排氣之流量。
在此，切換以上之一連串各步驟中供給之氣體時，自氣體噴嘴51a~51d各氣體之供給若完全停止的話，即有反應管12內之氛圍朝氣體噴嘴51a~51d逆流之虞。如此反應管12之氛圍若朝氣體噴嘴51a~51d逆流的話，即會污染該氣體噴嘴51a~51d之內部。在此，本發明中，如圖4(a)~(c)所示，關於不供給原料氣體或摻雜氣體或是各反應氣體之氣體噴嘴51a~51c，不供給各氣體，而代之以作為防止逆流用氣體，以極小流量V0供給沖洗氣體。且如圖4(d)所示，關於置換步驟以外各步驟中之沖洗氣體噴嘴51d亦相同，以流量V0持續供給沖洗氣體。
又，如此自各氣體噴嘴51a~51d對反應管12內供給防止逆流用氣體時，於已述之摻雜氣體之供給步驟中，已停止反應管12內之真空排氣而將該摻雜氣體密封於反應管12內。因此，此摻雜氣體之供給步驟中，有於反應管12內摻雜氣 體由防止逆流用氣體所稀釋，此稀釋之程度沿上下方向有所差異之虞。在此，本發明中，將摻雜氣體密封於反應管12內時，如以下說明，可防止反應管12內之氛圍朝各氣體噴嘴51a~51d逆流，同時抑制發生該摻雜氣體之濃度差異。
接著，參照圖4及圖5具體詳述關於以上說明之各步驟。首先，如圖4所示，將承載多數片晶圓W之晶圓舟11氣密地送入已加熱至成膜溫度(例如600℃)之反應管12，對反應管12內抽真空後，設定為處理壓力(t0)。且作為防止逆流用氣體(N2氣體)，自各氣體噴嘴51a~51d對反應管12內供給沖洗氣體。防止逆流用氣體之流量V0，分別為10sccm~500sccm,50sccm~200sccm尤佳。
接著，如圖4(a)所示，關於自原料氣體噴嘴51b對反應管12內供給之氣體，自防止逆流用氣體切換為原料氣體(HCD氣體)(t1)。亦即，就原料氣體噴嘴51b停止防止逆流用氣體之供給，並以例如300sccm之流量開始原料氣體之供給。此原料氣體接觸各晶圓W之表面後，原料氣體所含之矽元素即與該原料氣體所含之其他成分一齊吸附各晶圓W之表面，而形成吸附層。
接著，如圖4(a)、(d)所示，將由原料氣體噴嘴51b供給之氣體自原料氣體切換為防止逆流用氣體(停止原料氣體之供給)，並使反應管12內呈完全抽氣的狀態(t2)。其後，如圖4(d)所示，維持反應管12內為完全抽氣的狀態，並增加由沖洗氣體噴嘴51d供給之沖洗氣體之流量，將反應管12內之氛圍置換為惰性氛圍(t3)。
接著，關於由沖洗氣體噴嘴51d供給之沖洗氣體之流量，減至(回到)防止反應管12內之氛圍之逆流之程度之初始流量V0，並使壓力調整部23之開度全閉，停止該反應管12內之真空排氣(t4)。又，此時刻t4中，如圖4(a)及圖5所示，開始令已述之吸附層含有摻雜元素之步驟。又，圖4(a)中，示意簡化而顯示關於含有摻雜元素之步驟。
圖5，放大而詳細顯示圖4(a)中含有摻雜元素之步驟。具體而言，圖5，顯示就較圖4(a)之時刻t4稍前之時刻至該步驟結束之時刻，由原料氣體噴嘴51b噴吐之摻雜氣體之供給程序(圖5(a))、真空排氣之ON/OFF之時機(圖5(b))及反應管12內處理壓力之變動曲線(圖5(c))。
首先，如圖5(a)所示，於時刻t4，自原料氣體噴嘴51b以例如3000sccm之流量開始摻雜氣體(C3H6氣體)之供給。如已述之圖4(b)~(d)所示’關於其他氣體噴嘴51a、51c、51d則以流量V0噴吐防止逆流用氣體。如已述，於時刻t4停止反應管12內之真空排氣，故如圖5(c)所示，藉由摻雜氣體及防止逆流用氣體，增加反應管12之壓力。
其後，在反應管12內之壓力到達133Pa~13,300Pa，於此例中係到達1900Pa之時刻t5，停止摻雜氣體之供給，亦即將反應管12內密封(封閉)。此時，關於原料氣體噴嘴51b，則以流量V0噴吐防止逆流用氣體。因此，如圖5(c)所示，於反應管12內，在時刻t5以下壓力仍微幅朝例如3150Pa程度之壓力上昇。
於反應管12內，在停止摻雜氣體之供給之時刻t5或是較該時刻t5前之時點，摻雜氣體之濃度沿上下方向有所差異。具體而言，摻雜氣體，如圖6所示，相較於原料氣體噴嘴51b之上部側，於下部側噴吐量較多，因此於反應管12內以下方側高於上方側之濃度分布。然而，其後橫跨至時刻t6止保持於反應管12內密封摻雜氣體之狀態，藉此，如圖7所示，於反應管12內摻雜氣體之濃度均一化。保持將摻雜氣體密封於反應管12內之狀態之時間(時刻t6與時刻t5之差分)，例如為5秒~90秒。
於反應管12內充滿摻雜氣體，故摻雜元素摻入各晶圓W之表面上的吸附層，呈矽元素與碳元素混雜之狀態。吸附層中摻雜元素之混入比例，如已述因已實現於反應管12內上下方向之摻雜氣體之濃度之均一化，故於各晶圓W一致。舉該混入比例之具體例而言，吸附層中相對於矽元素之摻雜元素之比例，為1%~20%，3%~10%尤佳。
在此，如已說明，即使在將摻雜氣體密封於反應管12內之時刻t5後之時點，亦使防止逆流用氣體自原料氣體噴嘴51b或其他氣體噴嘴51a、51c、51d於反應管12內流通。因此，於反應管12內，如圖8所示，於例如下端位置(蓋體25之附近位置)形成防止逆流用氣體之滯留區50。亦即，於各氣體噴嘴51a~51d之內部，自下端側愈往上端側氣體壓力愈低，故相較於上端側之區域，於此下端側之區域氣體之噴吐量較多。因此，於反應管12之內部，在摻雜氣體由防止逆流用氣體逐漸稀釋中，相較於上端側此稀釋之程度於下端側較大。
然而，至時刻t6止將摻雜氣體密封於反應管12內後，如圖5(b)及圖9所示，於此時刻t6令壓力調整部23之開度全開，使反應管12真空排氣。又，如已述設定於反應管12內摻雜氣體由防止逆流用氣體稀釋之時間(時刻t5、t6之差分)，於該反應管12內使摻雜氣體之濃度差異不致過大。亦即，供給至反應管12內之摻雜氣體之流量若為V1，則關於在時刻t5停止摻雜氣體之供給後，至使反應管12內真空排氣之時刻t6止供給至該反應管12內之防止逆流用氣體之合計之流量V2，如以下設定。
V2≦V1×3%
若使用反應管12之內部之容積V3表示此數式，則V2≦V3×0.5%。
因此，在反應管12內上下方向之摻雜氣體之濃度梯度大幅增加前，使摻雜氣體與防止逆流用氣體一齊自該反應管12排氣。因此，於各晶圓W上的吸附層，可抑制摻雜元素之差異之發生。
接著，自時刻t7起，重複複數次，此例中係3次依序進行「以上說明之供給摻雜氣體至反應管12之供給步驟、摻雜氣體之密封步驟及反應管12內之真空排氣步驟」之程序。亦即，於時刻t7停止反應管12內之真空排氣，將由原料氣體噴嘴51b供給之氣體自防止逆流用氣體切換為摻雜氣體。又，至時刻t8止供給摻雜氣體後，至時刻t9止停止該摻雜氣體之供給(將摻雜氣體切換為防止逆流用氣體)，並於此時刻t9使摻雜氣體及防止逆流用氣體自反應管12內排氣。
如此同樣地進行「反應管12內真空排氣之停止及摻雜氣體之供給之重新開始(t10、t13)、摻雜氣體之供給之停止(t11、t14)及反應管12內真空排氣之開始(t12、t15)」，藉此，摻雜元素橫跨上下方向均一且以所希望之含量摻入各晶圓W之吸附層。換言之，進行了4次就各晶圓W令摻雜元素均一地摻雜之步驟，故摻雜元素均一且以高濃度摻入各晶圓W之吸附層。
接著，如圖4(d)所示，調整壓力調整部23之開度，將反應管12內設定為設定壓力，並自沖洗氣體噴嘴51d對反應管12內供給沖洗氣體，置換該反應管12內之氛圍(t16)。其後，由沖洗氣體噴嘴51d供給之沖洗氣體之流量回到已述之流量V0，且自第1反應氣體噴嘴51a以例如5000sccm之流量供給氨氣(NH3氣體)(t17)。亦即，將由第1反應氣體噴嘴51a供給之氣體自防止逆流用氣體切換為氨氣。氨氣接觸晶圓W之表面之吸附層後，該吸附層即氮化，形成含有矽、碳及氮之第1反應層。
然後，停止氨氣之供給(將由第1反應氣體噴嘴51a供給之氣體切換為防止逆流用氣體)，使反應管12內呈完全抽氣的狀態(t18)後，以由沖洗氣體噴嘴51d供給之沖洗氣體置換反應管12之氛圍(t19)。接著，由沖洗氣體噴嘴51d供給之沖洗氣體之流量回到原來的流量V0，且由第2反應氣體噴嘴51c供給之氣體自防止逆流用氣體切換為氧氣。亦即，停止由第2反應氣體噴嘴51c供給之防止逆流用氣體，自該第2反應氣體噴嘴51c以例如5000sccm之流量對反應管12內供給氧氣(t20)。
氧氣接觸晶圓W之表面上的第1反應層後，即與此第1反應層所含之矽及氮反應(氧化)，藉此，形成矽、碳、氮及氧所構成之第2反應層。此第2反應層中氧元素之比例，因於已述之各步驟碳的含量橫跨各晶圓W均一化，因此就其他的矽元素而言含量亦均一化，故亦由已述之實施例之結果可知，其於各晶圓W一致。
其後，將由第2反應氣體噴嘴51c供給之氣體切換為防止逆流用氣體，並進行反應管12內之抽真空(t21)及以沖洗氣體置換該反應管12內之氛圍(t22)後，以上說明之第2反應層(反應產物)之成膜程序即結束。然後，橫跨複數次重複「依序進行已述之吸附層之形成、摻雜元素之摻雜、吸附層之氮化及氧化之成膜週期」，藉此，堆疊第2反應層而形成薄膜。
依上述之實施形態，令摻雜元素摻雜於形成在晶圓W上的吸附層時，對反應管12內供給摻雜氣體後，停止此摻雜氣體之供給及該反應管12內之抽真空，於此反應管12內密封摻雜氣體。如此於反應管12內密封摻雜氣體時，反應管12內沿上下方向摻雜氣體之濃度差異因防止逆流用氣體增大至某程度前，將摻雜氣體與防止逆流用氣體一齊自反應管12內排出。又，依序進行4次「於反應管12密封摻雜氣體之步驟，與使該反應管12內抽真空之步驟」，故可抑制各氣體噴嘴51a~51d之污染，同時在各晶圓W間使摻雜元素之摻雜量均一化。因此，可使薄膜之相對介電常數及對氫氟酸之蝕刻性(蝕刻耐受性)橫跨各晶圓W一致。
因此，如此之薄膜適用於已述之側壁74後，即可確保該側壁74對氫氟酸之耐蝕刻性，同時抑制閘電極72與電極78之間寄生電容之產生。換言之，本發明，可抑制閘電極72與電極78之間之電容耦合，同時使此等閘電極72與電極78相互接近，故可對半導體裝置之小型化有所貢獻。
且關於對反應管12內供給摻雜氣體之供給量V1，和與此摻雜氣體並行地對反應管12內供給之防止逆流用氣體之供給量V2之關係，或是關於該供給量V1與反應管12之內容積V3之關係，如已述之數式設定。因此，各晶圓W之薄膜之組成可一致到能適用於半導體裝置之側壁74之位準。又，藉由調整「用於密封摻雜氣體之步驟之時間或此步驟之重複次數」，可調整薄膜中摻雜元素之摻雜量，換言之該薄膜之相對介電常數或對氫氟酸之耐蝕刻性。
在此，說明關於構成以上說明之薄膜之化合物之骨架構造。此薄膜，雖如已述以4種成分之元素構成，但基本構造係矽與氮所構成之氮化矽(Si3N4)。又，藉由此構造中矽元素之一部分以碳元素置換，或是氮元素之一部分以氧元素置換，形成此4種成分類之薄膜。以碳元素或氧元素置換的，終究僅係矽元素或氮元素的「一部分」，不是全部。因此，依本發明成膜之薄膜中各元素之組成比，非計量上獲得者，對應成膜條件易於有所差異。
亦即，隨著例如摻雜氣體之供給量或供給時間增加薄膜中之碳元素之比例升高，另一方面，隨著該供給量或供給時間減少薄膜中之碳元素之比例降低。 因此，本發明之手法，可以說係如此之組成比難以採取一定值之薄膜成膜時極有效之手法。
作為用來實施以上說明之本發明之成膜方法之成膜裝置，排氣口21雖形成於反應管12之下端側之側周面，但亦可於反應管12之頂棚面形成排氣口21。且反應管12亦可構成為雙重管構造，於內管之壁面橫跨縱方向形成狹縫狀之排氣口，經由此排氣口使反應管12內之氛圍排氣。且亦可不使用對複數片晶圓W一併進行成膜處理之分批式縱型熱處理裝置，代之以藉由對一片晶圓W進行成膜處理之單片式裝置實施本發明之成膜方法。參照圖10簡單說明關於如此之單片式裝置。又，圖10中，就與已述之圖1或圖2相同之部位，賦予相同符號，省略說明。
如圖10所示，此裝置中設置：載置晶圓W之載置台91，與氣密地收納此載置台91之處理容器92。在處理容器92之頂棚面，與載置台91對向而設置「於下表面側形成多數之氣體噴吐口93之氣體噴淋頭94」，此氣體噴淋頭94之上表面側，連接自各供給源55a、55b、55e、55e分別延伸之氣體供給路95a、95b、95d、95e。於氣體噴淋頭94之內部，迴繞有各氣體供給路95a、95b、95d、95e，俾由已述之各氣體供給路95a、95b、95d、95e供給之各氣體不相互混合。氣體供給路95b，與已述之圖1及圖2相同，除原料氣體之供給源55b外，就摻雜氣體之供給源55c亦連接之。圖10中96係晶圓W之搬運口，97，係用來經由此搬運口96在載置台91與外部之未圖示之搬運臂之間傳遞晶圓W之昇降銷。且圖10中98係加熱器。
此單片式裝置中，亦進行複數次「依序供給原料氣體、摻雜氣體、第1反應氣體及第2反應氣體之成膜週期」。又，同樣地，關於不供給原料氣體、摻雜氣體或是各反應氣體之氣體供給路95a、95b、95d、95e，以流量V0供給防止逆流用氣體。因此，此例中，與已述之分批式裝置亦相同，可使薄膜成膜，俾組成比如設定般或是接近設定。
作為以上之摻雜氣體，亦可不使用丙烯氣體，代之以乙炔(C2H2)氣體或乙烯(C2H4)氣體等含碳氣體。且雖採用依序供給原料氣體、摻雜氣體、第1反應氣體及第2反應氣體之手法，但亦可重複複數次，例如2次「依序供給原料氣體、摻雜氣體及第1反應氣體之程序」後，供給第2反應氣體。且關於將摻雜氣體密封於反應管12內之步驟(保持之步驟)，如自後述之實施例可知，在2次以上即可。且亦可以相互不同系統對晶圓W供給原料氣體與摻雜氣體。
作為依本發明之成膜方法成膜之膜種，如已述，亦可係矽及氮所構成之骨架構造中元素之一部分經置換而成的化合物，具體而言除已述之Si-O-C-N膜外，亦可係Si-C-N膜或Si-B-N膜、Si-B-C-N膜或是Si-B-O-C-N膜。亦即，作為摻雜元素，可舉出碳與硼(B)中至少一種元素。摻雜硼時，作為摻雜氣體，可使用例如氯化硼(BCl3)氣體或氫化硼(B2H6)氣體。又，關於摻雜該至少一種元素之程序，採用：依序重複「對晶圓W供給含有該一種元素之摻雜氣體之步驟、保持此摻雜氣體之步驟及使處理氛圍排氣之步驟」之手法，即已述之本發明之手法。且作為該骨架構造，亦可非矽及氮所構成之化 合物，而代之以矽及氧所構成之化合物(Si-O)。具體而言，亦可係Si-C-O膜或Si-B-O膜或是Si-B-C-N膜等。
且以上之各例中，關於為置換反應管12內或處理容器92內之氛圍而供給之沖洗氣體，亦可不設置該沖洗氣體專用之氣體供給部(沖洗氣體噴嘴51d或是氣體供給路95e)，代之以由其他氣體供給部(氣體噴嘴51a~51c或氣體供給路95a、95b、95d)供給。
且供給原料氣體、摻雜氣體、反應氣體(氨氣或是氧氣)時，可單獨對反應管12內供給此等各氣體，或是亦可作為此等各氣體之載持氣體同時供給氮氣等惰性氣體。
[實施例]
以下說明關於依本發明進行之實驗例。
(實驗例1)
實驗例1中，進行了確認下列問題之實驗：已述之Si-O-C-N所構成之4種成分類之薄膜成膜時，變更各種第2反應氣體(氧氣)之供給時間之際，薄膜之折射率如何變化。關於第2反應氣體之供給時間以外之處理配方，於各例使用共通之條件。
其結果，如圖11所示，隨著第2反應氣體之供給時間增加，折射率減小，因此可知關於與折射率具有相關關係之相對介電常數(k)，亦會隨著第2反應氣體之供給時間延伸而降低。
圖12，顯示將第2反應氣體之供給時間與薄膜之組成比之相關關係描點之結果。亦即，第2反應氣體之供給時間愈長，碳元素及氮元素之濃度愈降低，另一方面氧元素之濃度上昇。第2反應氣體之供給時間變長後，伴隨著薄膜中之元素之組成比之變化，關於薄膜之相對介電常數亦變化(降低)。因此，即使一度將碳元素或氮元素導入薄膜，其後亦會因氧氣導致薄膜氧化，組成比變化。因此，可以說，已述之一連串各步驟中，摻雜元素之摻雜量若於每一各晶圓W有所差異，於其後之氧化程序該摻雜量即更會有所差異。亦即，依本發明，可以說，使吸附層含有摻雜元素之步驟中橫跨各晶圓W摻雜量已均一化，故其後即使進行此等晶圓W之氧化處理，薄膜之組成比亦一致。
(實驗例2)
實驗例2中，顯示分別測定下列者之結果：吸附層摻雜摻雜元素之際，變更各種停止摻雜氣體之供給及反應管12內之真空排氣，保持密封反應管12之狀態之時間(保持時間)時，薄膜中碳元素之濃度。又，此實驗中，於各例設定第2反應氣體之供給時間為15秒。
其結果，如圖13所示，隨著該保持時間變長，薄膜所含之碳濃度升高。
且測定薄膜所含之碳濃度與該薄膜對氫氟酸之蝕刻速率之相關關係時，如圖14所示，碳濃度愈高愈不易由氫氟酸蝕刻。又，圖14中，顯示就使用電漿化之氨氣成膜之氮化矽膜獲得之相對於蝕刻速率之比率。
(實驗例3)
實驗例3中，已確認下列者：變更各種已述之保持時間及於反應管12密封摻雜氣體後真空排氣之步驟之重複次數時，沿晶圓舟11之上下方向薄膜之膜質如何變化。具體而言，如以下之表般設定了各例之保持時間及重複次數。
因此，各實驗例3-1~3-3中，保持時間之合計一致。又，關於各實驗例3-1~3-3，就晶圓舟11之上側之晶圓W中之薄膜，與晶圓舟11之下側之晶圓W中之薄膜，分別測定折射率及相對於氫氟酸之濕蝕刻量。又，折射率與薄膜所含之氧元素之濃度相關，可以說折射率愈低氧濃度愈高。且關於該濕蝕刻量，如已詳述，薄膜中碳濃度愈高其愈小(愈不易被蝕刻)。
圖15，顯示各實驗例3-1~3-3中獲得之結果，於橫軸顯示濕蝕刻量，於縱軸顯示折射率。且關於各實驗例3-1~3-3，如圖15所示，將於晶圓舟11之上側之薄膜獲得之結果與於晶圓舟11之下側之薄膜獲得之結果描點。因此， 可以說，此等顯示上側之結果之描點與顯示下側之結果之描點相互愈接近，沿晶圓舟11之上下方向薄膜之膜質之差異愈小，另一方面，此等描點彼此相互愈遠離，上下方向之差異愈大。
如自圖15可知，實驗例3-1中該描點彼此大幅遠離，可以說沿上下方向膜質之差異大。相對於此，實驗例3-2中，該描點彼此之間隔距離較實驗例3-1小，因此可知沿上下方向膜質之差異已改善。且實驗例3-3中，該間隔距離大幅改善，可以說於各晶圓W已形成膜質一致之薄膜。又，各實驗例3-1~3-3中保持時間之合計相同，設定為240秒，故依本發明，可抑制處理能力之降低，同時沿晶圓舟11之上下方向使薄膜之膜質一致。
本發明中，進行交互對基板供給原料氣體與反應氣體，使薄膜成膜之所謂ALD處理，而在切換各氣體時，置換處理容器內之氛圍，來進行該ALD處理之際，在供給此等氣體之各步驟之間，介在有在真空排氣停止之處理容器內封入摻雜氣體之步驟。又，處理時雖自各氣體供給部流入防止逆流用氣體，但真空排氣停止時摻雜氣體會由此氣體稀釋，故為迴避此稀釋之影響，重複摻雜氣體之封入與真空排氣。因此，如自後述之實施例亦可知者，可使薄膜中之組成比為設定值或是接近設定值之值而成膜。且以縱型熱處理裝置進行分批處理時，可抑制因摻雜氣體由防止逆流用氣體稀釋而導致高度方向之摻雜氣體之濃度分布有所差異，故關於基板間摻雜元素之濃度，可獲得高均一性。
吾人應理解，今次揭示之實施形態就所有點而言皆係例示，非限制性者。實際上，上述之實施形態可以多種形態實現。且上述之實施形態，只要不逸脫添附之申請範圍及其主旨，亦可以各種形態進行省略、置換、變更。本發明之範圍，企圖包含添附之申請專利範圍與其均等之意義及範圍內之所有變更。

Claims (3)

  1. 一種成膜方法，於真空氛圍中使含有摻雜元素之薄膜成膜，包含：吸附程序，將原料氣體自原料氣體供給部供給到呈真空氛圍之處理容器內，使基板吸附該原料氣體之原料；摻雜程序，重複複數次「將含有摻雜元素之摻雜氣體自摻雜氣體供給部供給到該處理容器內，於該處理容器內封入摻雜氣體之步驟，與使該處理容器內真空排氣之步驟」；反應氣體供給程序，將「與該原料反應而產生反應產物之反應氣體」自反應氣體供給部供給到該處理容器內；及置換程序，其係介在於該各程序間而進行，將該處理容器內之氛圍置換；且該摻雜程序，係一面將防止逆流用氣體自該原料氣體供給部、該摻雜氣體供給部及反應氣體供給部流入到該處理容器內，一面進行之，其中，該薄膜之成膜，係於作為該處理容器且高度大於寬度之縱型反應管內，由基板固持具固持複數之基板的狀態下進行，其中，該摻雜程序中之對該處理容器內供給摻雜氣體，係在真空排氣停止之狀態下進行，其中，該真空排氣之步驟，在停止該摻雜氣體的供給之後以及在防止逆流用氣體之供給量到達摻雜氣體之供給量的預先決定之位準之前重新開始，且其中V2≦V1×3%或V2≦V3×0.5%，其中V1係供給至該處理容器之該摻雜氣體的流量，V2係防止逆流用氣體之合計流量，且V3係該處理容器之內部容積。
  2. 如申請專利範圍第1項之成膜方法，其中該摻雜元素，係硼與碳中至少一者。
  3. 如申請專利範圍第1項之成膜方法，其中該反應產物，包含矽、與氮及氧中至少一者。
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