TWI612582B - 膜形成方法與設備 - Google Patents

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Abstract

一種在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其步驟包含：在氣體儲槽中混合源氣體與惰性氣體以形成混合氣體及將混合氣體與反應氣體供給至處理室。

Description

膜形成方法與設備 【交互參考之相關申請案】
本申請案主張2012年6月2日向日本專利局申請之日本專利申請案JP 2012-126632以及2013年2月26日向日本專利局申請之日本專利申請案JP 2013-035472作為優先權母案，將其所有內容包含於此作為參考。
本發明係關於在目標物(如半導體晶圓)上形成薄膜的方法以及膜形成設備。
在製造半導體積體電路時，由矽基板所製成的半導體晶圓通常會受到各種處理，如薄膜形成、蝕刻、氧化、擴散、改質及原生氧化膜的移除。此些處理係由一次只處理一片晶片的單晶片處理設備或同時處理複數晶片的批次式處理設備執行。當利用垂直式批次處理設備來進行處理時，例如會先從容納複數晶圓(如25片晶圓)的晶圓盒將晶圓戴入至垂直晶舟中，接著利用晶舟以複數層次的方式支撐晶圓。
被載入至晶舟中的晶圓數目會取決於例如晶圓的尺寸，但可將約30至150片晶圓載至晶圓上。從底部將晶圓載入可排氣的處理室中，然後使處理室的內部維持氣密。之後，進行加熱處理並同時控制各種處理條件，如處理氣體的流量、處理壓力及處理溫度。
在改善半導體積體電路特性的幾個因素中，改善半導體積體電路中的絕緣膜特性是很重要的。SiO2、PSG(磷矽酸鹽玻璃)、P-SiO(電漿SiO)、P-SiN(電漿SiN)、SOG(旋塗玻璃)與Si3N4(氮化矽膜)被用來作為半導體積體電路中的絕緣膜。尤其，由於氮化矽膜具有比氧化矽膜更佳的絕緣特性，且足以當作良好的蝕刻停止膜或層間絕緣膜，因此氮化矽膜被廣泛地使用。
近來，為了改善電路元件的特性，對於較低介電常數(low-k)及較佳蝕刻阻抗的需求增加。在此情況下，由於利用垂直式批次膜形成設備所進行的期望處理可在不將晶圓暴露至高溫的情況下於晶圓上進行，因此業界提出了一種膜形成方法，其在間歇供給源氣體的同時重覆地沈積原子層級之一或多層膜層或分子層級的一或多層膜層以形成薄膜。此類膜形成方法被稱為原子層沈積(ALD)法。
在傳統的ALD方法中，氮化矽(SiN)膜係藉著使用二氯矽烷(此後被稱為DCS)氣體作為含矽源氣體並使用NH3氣體作為氮化氣體所形成。具體而言，交替且間歇地將DCS氣體與NH3氣體供給至處理室，並在供給NH3氣體時供給RF(高頻)功率以生成電漿並加速氮化處理。
或者，可利用加熱而在毋需生成電漿的情況下活化NH3氣體。如上所述，藉著將DCS氣體供給至處理室，分子層級的一或數層DCS會吸附在晶圓表面，接著藉由惰性氣體吹淨剩餘的DCS氣體或者藉由真空抽吸來排出剩餘的DCS氣體。之後，藉著供給NH3氣體並在低溫下加速氮化處理以形成氮化物薄膜。重覆地進行一系列的此些程序。
已知有數種方法能符合增加薄膜形成速率或增加薄膜中之矽濃度的近來需求。在一方法中，在源氣體的供給通道中安裝一個具有特定容量的緩衝槽，將大量的源氣體暫時地儲存在緩衝槽中，當供給處理氣體時自緩衝槽釋放源氣體，故能間歇地將大量的源氣體供給至處理室中。在另一方法中，在源氣體的供給通道的下游側安裝用以充填源氣體的第一槽，並在源氣體的供給通道的上游側安裝用以充填加壓N2氣體的第二槽，故藉由加壓N2氣體來加速源氣體的移動速度並增加處理室中之源氣體的氣體分壓。
藉著如上所述在源氣體的供給通道中安裝緩衝槽可以脈衝方式在短時間內供給大量的源氣體，這會導致膜形成速率的增加。然而，如上述方式供給大量的源氣體可能會造成晶圓表面上之氮化矽膜的平面內均勻度惡化的問題。此問題無法藉著如上述增加處理室中之源氣體的氣體分壓來解決。
本發明之各種實施例至少提供膜形成方法及膜形成設備，其能改善膜厚的平面內均勻度並同時維持高膜形成速率。
根據本發明之第一態樣，提供一種在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，包含：藉著在氣體儲槽中混合源氣體與惰性氣體以形成混合氣體；及將該混合氣體與該反應氣體供給至該處理室中。
根據本發明之第二態樣，提供一種利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的膜形成設備，包含：可抽真空之處理室；支撐單元，用以在該處理室中支撐該目標物；加熱單元，用以加熱該目標物；混合氣體供給單元，用以在氣體儲槽中形成源氣體與惰性氣體的混合氣體並將該混合氣體供給至該處理室，該氣體儲槽係設置在讓該源氣體通過且連接至用以供給惰性氣體之惰性氣體供給系統的氣體通道中；反應氣體供給單元，用以將該反應氣體供給至該處理室；及控制單元，用以控制該設備以進行第一態樣之方法。
2‧‧‧膜形成設備
4‧‧‧柱形處理室
6‧‧‧頂板
8‧‧‧柱形歧管
10‧‧‧密封構件
12‧‧‧晶舟
12A‧‧‧支撐件
14‧‧‧熱絕緣容器
16‧‧‧平臺
18‧‧‧罩蓋
20‧‧‧旋轉桿軸
22‧‧‧流體密封件
24‧‧‧密封構件
26‧‧‧臂
28‧‧‧反應氣體供給單元
30‧‧‧混合氣體供給單元
32‧‧‧惰性氣體供給系統
33‧‧‧氣體儲槽
34‧‧‧吹淨氣體供給單元
38‧‧‧氣體噴嘴
38A‧‧‧注射孔
40‧‧‧氣體噴嘴
40A‧‧‧注射孔
44‧‧‧氣體噴嘴
48‧‧‧氣體通道
48A‧‧‧流量控制器
48B‧‧‧開/閉閥
50‧‧‧氣體通道
50A‧‧‧流量控制器
50B‧‧‧開/閉閥
54‧‧‧氣體通道
54A‧‧‧流量控制器
54B‧‧‧開/閉閥
58‧‧‧分支的氣體通道
58A‧‧‧流量控制器
58B‧‧‧開/閉閥
60‧‧‧開/閉閥
70‧‧‧開口
72‧‧‧分隔壁
74‧‧‧凹槽
76‧‧‧氣體排放接口
82‧‧‧罩蓋
84‧‧‧氣體出口
86‧‧‧排放系統
88‧‧‧排放通道
90‧‧‧壓力控制閥
92‧‧‧真空泵浦
93‧‧‧擦洗單元
94‧‧‧加熱單元
96‧‧‧控制單元
98‧‧‧儲存媒體
100‧‧‧雜質氣體供給單元
102‧‧‧氣體噴嘴
102A‧‧‧氣體注射孔
106‧‧‧氣體通道
106A‧‧‧流量控制器
106B‧‧‧開/閉閥
110‧‧‧電漿電極
112‧‧‧高頻電源
被包含在說明書中並構成說明書之一部分的附圖說明了本發明的實施例，附圖與上述的大略說明以及下面的實施例詳細說明具有解釋本發明之原理的功能。
圖1為根據某些實施例之膜形成設備之一實例的垂直橫剖面圖。
圖2為根據某些實施例之圖1之膜形成設備的水平橫剖面圖，其中省略了加熱單元。
圖3之時序圖顯示了根據第一實施例之膜形成方法之每一氣體被供給至處理室的操作以及氣體儲槽中每一氣體的填充(charge)。
圖4顯示了根據某些實施例之膜形成方法的評估結果。
圖5A與5B之時序圖分別顯示根據第二與第三實施例之膜形成方法之每一氣體被供給至處理室的操作。
圖6之時序圖顯示根據第四實施例之膜形成方法之每一氣體被供給至處理室的操作。
圖7A與7B顯示雜質氣體供給單元的實例。
圖8為根據某些實施例之使用活化單元之膜形成設備的一實例的水平橫剖面圖。
現將詳細參考各個實施例，此些實施例的實例將於附圖中呈現。在下面的詳細敘述中提出各種特定細節以提供對本發明的全面瞭解。然而，熟知此項技藝者應瞭解，可在毋需此些細節的情況下實施本發明。在其他情況中，不詳細說明已知的方法、程序、系統與元件，以免不必要地模糊各個實施例的態樣。
圖1為根據某些實施例之膜形成設備之一實例的垂直剖面圖。圖2為根據某些實施例之圖1之膜形成設備的水平剖面圖，其中省略了加熱單元。在本文中，下面敘述將使用二氯矽烷(DCS)氣體來作為含矽源氣體的實例、使用氨(NH3)氣體來作為反應氣體(氮化氣體)的實例、使用N2氣體來作為惰性氣體的實例並使用N2氣體來作為吹淨氣體的實例，藉由上述者來形成氮化矽膜作為薄膜。
如圖1與2中所示，膜形成設備2包含具有頂板及在底端具有開口的柱形處理室4。處理室4的整體係例如由石英所製成，由石英所製成的頂板6係以氣密方式設置在處理室4的頂板中。又，由例如不銹鋼所製成的柱形歧管8係利用介於歧管8與處理室4之開口之間的密封構件10(如O形環)而連接至處理室4之開口。或者，可以整合形成的方式來形成處理室4與歧管8，俾使石英所製成的柱形處理室具有亦由石英所製成的歧管部。
處理室4的底端係由歧管8所支撐。由石英所製成的晶舟12具有支撐單元的功能，其將作為目標物的複數半導體晶圓W支撐於其多層級上且可自歧管8的下側以可垂直移動的方式插入或退出處理室4的內部。在此實施例中，晶舟12的支撐件12A將例如50至150片300mm直徑的晶圓W支撐於幾乎等間距的複數層級中。
晶舟12係安裝於具有熱絕緣容器14的平臺16上，熱絕緣容器14係由石英所製成且位於晶舟12與平臺16之間，平臺16係由貫穿例如由不銹鋼所製成之罩蓋18之旋轉桿軸20的上端所支撐。罩蓋18開啟與關閉位於歧管8之下端處的開口。旋轉桿軸20係由插入旋轉桿軸20之貫穿部的例如磁性流體密封件22所氣密密封及旋轉支撐。又，密封構件24(如O形環)係安插在罩蓋18的外緣部與歧管8之下端之間，俾使維持處理室4之內部的密封特性。
旋轉桿軸20係連接至由舉升機構(未顯示)所支撐的臂26的引 領端，如晶舟舉升裝置，俾使晶舟12與罩蓋18能一起垂直地移動插入或退出處理室4的內部。
歧管8係用以耦合至反應氣體供給單元28、混合氣體供給單元30及吹淨氣體供給單元34，反應氣體供給單元28係用以供給氮化氣體來作為反應氣體，如NH3氣體，混合氣體供給單元30係用以供給惰性氣體及作為源氣體之含矽氣體(如二氯矽烷(DCS)氣體)的混合氣體，吹淨氣體供給單元34係用以供給惰性氣體(如N2氣體)作為吹淨氣體。混合氣體供給單元30包含連接至惰性氣體供給系統32的氣體儲槽33以形成混合氣體。如上所述，N2氣體係用作為惰性氣體。
具體而言，反應氣體供給單元28具有石英所製成的氣體噴嘴38。氣體噴嘴38通過歧管8的側壁並彎折向上延伸。彼此分隔的複數注射孔38A(見圖2)係沿著氣體噴嘴38的長度方向形成，俾以自每一氣體注射孔38A沿著水平方向均勻地注射氨氣。此類的氣體噴嘴通常被稱為氣體分散噴嘴。
類似地，混合氣體供給單元30具有由石英所製成的氣體噴嘴40。氣體噴嘴40通過歧管8的側壁並彎折向上延伸。彼此分隔的複數注射孔40A(見圖2)係沿著氣體噴嘴40的長度方向形成，俾以自每一氣體注射孔40A沿著水平方向均勻地注射作為源氣體的DCS氣體與作為惰性氣體N2氣體的混合氣體。
類似地，吹淨氣體供給單元34具有由石英所製成的氣體噴嘴44。氣體噴嘴44通過歧管8的側壁並彎折向上延伸。彼此分隔的複數注射孔44A(見圖2)係沿著氣體噴嘴44的長度方向形成，俾以自每一氣體注射孔44A沿著水平方向均勻地注射N2氣體。
氣體噴嘴38、40與44係分別連接至氣體通道48、50與54。例如質量流量控制器之流量控制器48A、50A與54A係分別設置在氣體通道48、50與54中，開/閉閥48B、50B與54B係分別設置在此些流量控制器48A、50A與54A的下游側。利用此配置，可一邊使NH3氣體、DCS氣體及N2氣體分別流過氣體通道48、50與54，一邊控制NH3氣體、DCS氣體及N2氣體的流量。
混合氣體供給單元30包含氣體儲槽33。具體而言，氣體儲槽33具有特定的容量(或體積)並設置在源氣體之氣體通道50中的開/閉閥50B的下游側。惰性氣體供給系統32具有自流量控制器54A之上游側分支出來的氣體 通道，流量控制器54A係設置在吹淨氣體供給單元34用之氣體通道中。即，氣體通道58連接氣體通道54及氣體儲槽33以使氣體通道54與氣體儲槽33能彼此交流。
在分支的氣體通道58中，自上游側至下游側依序設置如質量流量控制器的流量控制器58A及開/閉閥58B。若有必要，將如N2氣體的惰性氣體(亦具有吹淨氣體的功能)導入氣體儲槽33中，並將其暫存於氣體儲槽33中並控制其流量，可形成源氣體與惰性氣體的混合氣體。分支氣體通道58的下游側可連接至氣體儲槽33與開/閉閥50B之間之源氣體用的氣體通道50，而非連接至氣體儲槽33。
開/閉閥60係設置在氣體儲槽33之下游側中的氣體通道中，俾以藉由控制開/閉閥60來控制供給至處理室4的混合氣體。氣體儲槽33的容量(或體積)係由處理室4的尺寸來決定，可以例如是約1至2升。
在處理室4之側壁的一部分中，藉著沿著垂直方向切除特定寬度的處理室4的側壁而形成垂直狹長開口70。開口70從處理室4的外側受到垂直狹長的分隔壁72覆蓋，分隔壁72係由例如石英所製成且具有凹槽形的剖面。分隔壁72以氣密方式焊接至處理室4的外壁並形成噴嘴容納凹槽74。三個氣體噴嘴38、40與44被容納於噴嘴容納凹槽74內。
開口70被形成為在垂直方向上具有足以涵蓋放置在晶舟12上之所有晶圓W的高度。在面對噴嘴容納凹槽74之處理室4的部分中，藉著例如沿著垂直方向切除處理室4的側壁而形成用以真空排空處理室4之內部環境的狹長氣體排放接口76。
將氣體排放接口罩蓋82焊接至氣體排放接口76，氣體排放接口罩蓋82係由石英所製成且具有倒C形的剖面以覆蓋氣體排放接口76。氣體排放接口罩蓋82沿著處理室4的側壁向上延伸並與位於處理室4之上部中的氣體出口84交流。排放系統86包含依序配置之連接至氣體出口84的排放通道88、在排放通道88中用以控制處理室4之內部壓力的壓力控制閥90、真空泵浦92及用以移除排放氣體中之有害物質的擦洗單元93。利用此配置，可一邊將處理室4的內部壓力維持在預定的位準，一邊真空排空處理室4。此外，將加熱單元94圍繞設置在處理室4之外緣，藉此加熱處理室4及處理室4中的晶圓W。
以如上所述方式配置之膜形成設備2的整體作業例如是藉由包 含例如電腦的控制單元96來控制下列者：處理壓力、處理溫度、藉由開/閉閥來開始與停止每一種氣體的供給、將源氣體或惰性氣體導入氣體儲槽33及流量。控制單元96具有儲存了用以執行上述控制的儲存媒體98。儲存媒體98可包含但不限制為例如軟碟、光碟(CD)、CD-ROM、硬碟、快閃記憶體或DVD。
以下，將參考圖3來說明利用以如上方式配置之膜形成設備2來進行之根據某些實施例的膜形成方法(即所謂的ALD方法)。圖3之時序圖顯示了根據本發明之第一實施例，將每一種氣體供給至處理室及充填氣體儲槽33中之每一種氣體的操作。
在根據本發明第一實施例的膜形成方法中，藉著在氣體儲槽33中混合源氣體(如DCS氣體)與惰性氣體(如N2氣體)而形成混合氣體，並將混合氣體與反應氣體(如NH3氣體)供給至處理室4，藉此形成薄膜(例如氮化矽膜)。
晶舟12自處理室的下側向上移動並被載入具有預定溫度的處理室4，晶舟12上放置了複數片(如50至150片)處於室溫下且具有300mm直徑的晶圓W。接著，藉由罩蓋18來關閉歧管8之下端處的開口，以密封處理室4的內部。
藉著真空排放處理室4的內部而將處理室4的內部維持在預定壓力。又，藉著增加供給至加熱單元94的電能，能增加晶圓W的溫度直到其到達處理溫度，然後將其維持在處理溫度。在氣體儲槽33中混合DCS氣體與作為惰性氣體的N2氣體而形成混合氣體，然後自混合氣體供給單元30將混合氣體供給至處理室4。自反應氣體供給單元28將作為反應氣體的NH3氣體供給至處理室4中。自吹淨氣體供給單元34將作為吹淨氣體的N2氣體供給至處理室4中。
具體而言，藉著開啟/關閉設置在反應氣體供給單元28之氣體通道48中的開/閉閥48B來開始及停止將NH3氣體供給至處理室4中。藉著開啟/關閉設置在吹淨氣體供給單元34之氣體通道54中的開/閉閥54B來開始及停止將吹淨氣體供給至處理室4中。
藉著開啟/關閉設置在混合氣體供給單元30之氣體通道50之上游側之源氣體用的開/閉閥50B來開始及停止將源氣體導入氣體儲槽33中。藉著開啟/關閉設置在惰性氣體供給系統32之氣體通道58中的開/閉閥58B來開始及停止將惰性氣體導入氣體儲槽33中。藉著開啟/關閉設置在混合氣體供給單元 30之氣體通道50之下游側之混合氣體用的開/閉閥60來開始及停止將氣體儲槽33中所形成的混合氣體供給至處理室4中。
從分別對應至氣體噴嘴38、40與44的氣體注射孔38A、40A與44A沿著水平方向將各別氣體注射至處理室4中，各別氣體被分散至藉由晶舟12所旋轉支撐的晶圓W的整個表面，藉此在晶圓W的表面上形成作為薄膜的氮化矽膜。接著藉由面對氣體噴嘴38、40與44的氣體排放接口76排放氣體。
如上所述，當膜形成方法開始時，操作排放系統86而連續地旋轉並驅動真空泵浦92，藉此真空排放處理室4的內部環境。藉由排放系統86將處理室4中由反應所產生的反應副產物、未反應之氣體成分以及廢氣一起排出。此時，廢氣中所包含的有害物質係由擦洗單元93所移除。
<膜形成方法的第一實施例>
下面將說明圖3中所示的第一實施例。圖3之時序圖(A)與(B)代表將每一種氣體供給至處理室4的操作，圖3之時序圖(C)與(D)代表將每一種氣體供給至氣體儲槽33的操作。在第一實施例中，如圖3中所示，混合氣體及反應氣體都被間歇地供給至處理室4。具體而言，交替且重覆地供給兩種氣體。
在第一實施例中，交替地進行吸附處理(見圖3之時序圖(A))與反應處理(見圖3之時序圖(B))，在吸附處理中，混合氣體(DCS氣體+N2氣體)被供給至處理室4中，接著吸附在晶圓W的表面上，在反應處理中，反應氣體(NH3氣體)被供給至處理室4中，然後與吸附在晶圓W表面上的混合氣體反應，以形成作為薄膜的氮化矽膜(氮化物)。在此實施例中，可藉著來自加熱單元94的熱來活化反應氣體，俾以加速反應。當供給混合氣體至處理室4時，壓力控制閥90的開啟程度可變得更小以加速混合氣體吸附至晶圓W的表面上。
混合氣體與反應氣體係以類脈衝的方式供給。一吸附處理之前緣與下一吸附處理之前緣之間的時間差形成一個循環。雖然每一膜形成處理中所包含的循環數係由例如期望的膜厚所決定，但一個膜形成處理可進行數十次循環至數百次循環。總膜厚可例如是約5nm至50nm。
雖然在圖3中未顯示，但在開始膜形成處理之後，作為吹淨氣體之N2氣體係連續地供給至處理室4，藉此加速混合氣體與反應氣體的氣體流動，並促進在皆未供給混合氣體與反應氣體之暫停期間內處理室4中之剩餘氣 體的排放。可以如上所述的方式流動吹淨氣體，或不用吹淨氣體。
在如上所述之膜形成處理的期間，在氣體儲槽33中形成源氣體(如DCS氣體)與惰性氣體(如N2氣體)的混合氣體。具體而言，在每一循環中暫停將混合氣體供給至處理室4的期間(即在每一循環中關閉設置在氣體通道50中之混合氣體用之開/閉閥60的期間)，以類脈衝的方式將DCS氣體與N2氣體導入氣體儲槽33中並暫時儲存於此以形成混合氣體(見圖3之時序圖(C)與(D))。
在進行膜形成處理之第一循環之前，將DCS氣體與N2氣體導入氣體儲槽33中並形成用於第一循環中的混合氣體。DCS氣體的供給期間與N2氣體的供給期間略微彼此偏差一段時間△T以避免氣體回流。DCS氣體的供給壓力與N2氣體的供給壓力彼此相同，回流不會發生，是以兩種氣體可以同時被導入氣體儲槽33中。可適當地控制DCS氣體的供給期間(即脈衝寬度)或N2氣體的供給期間(即脈衝寬度)以調整DCS氣體在混合氣體中的濃度(即體積比)。
至於膜形成處理中的處理條件，處理溫度範圍係介於約450度C至約700度C，處理壓力範圍係介於約0.133Pa至約1330Pa。如上所述，在吸附處理期間會將處理壓力設定在上述壓力範圍內的較高數值。又，一個循環的持續時間約為十秒至數十秒，在吸附處理期間混合氣體的供給期間T1約為一秒至數秒，在反應處理期間NH3氣體的供給期間T2約為一秒至數秒。
又，將DCS氣體供給至氣體儲槽33之供給期間T3與將N2氣體供給至氣體儲槽33之供給期間T4的每一者皆約為一秒至數秒。DCS氣體的流量例如約為2slm，N2氣體的流量例如約為0.2slm。本文中所述之期間T1至T4的每一者只是舉例，其並不限於上述之數值。又，氣體儲槽33之內部壓力的範圍係介於例如約350Torr至約450Torr。
由於薄膜係使用上述混合氣體與反應氣體(如NH3氣體)所形成，因此可改善膜厚的平面內均勻度並同時維持高膜形成速率，其中混合氣體係藉著混合源氣體(如DCS氣體)與惰性氣體(如N2氣體)稀釋源氣體所形成。在此情況下，在氣體儲槽33中源氣體對混合氣體的體積比範圍係介於約1/2(50%)至1/8(12.5%)。
若源氣體的體積比高於1/2，則源氣體的濃度會過度上升。在此情況下，旋轉中之晶圓W之中央部分的源氣體吸附量會變得大於晶圓W之邊緣部分的源氣體吸附量，所形成的薄膜會具有凸起形狀的剖面(即在剖面中晶圓 W之中央部分的膜厚會上升)，惡化了膜厚的平面內均勻度。相反地，若源氣體的體積比低於1/8，源氣體的濃度會過度下降。在此情況下，旋轉中之晶圓W之邊緣部分的源氣體吸附量會變得大於晶圓W之中央部分的源氣體吸附量，所形成的薄膜會具有凹陷形狀的剖面(即在剖面中晶圓W之中央部分的膜厚會下降)，惡化了膜厚的平面內均勻度。
根據本發明之藉由源氣體與反應氣體在目標物的表面上形成薄膜的膜形成方法，薄膜係藉由在氣體儲槽中混合源氣體與惰性氣體而形成混合氣體、並將混合氣體與反應氣體供給至處理室所形成。因此，能改善膜厚的平面內均勻度並同時維持高膜形成速率。
<根據某些實施例之膜形成方法的評估>
對本發明之膜形成方法進行用以評估的實驗。以下將參考圖4來說明評估結果。在實驗中，使用經由圖3之時序圖所代表的膜形成方法以及圖1與2中所示的膜形成設備來形成薄膜。使用作為源氣體的DCS氣體、作為反應氣體即氮化氣體的NH3氣體及作為惰性氣體的N2氣體來形成作為薄膜的氮化矽膜。
圖4中顯示膜厚與膜厚之平面內均勻度。圖4顯示了本發明之膜形成方法的評估結果。在此，膜厚之平面內均勻度係藉著將DCS氣體對混合氣體之比例分別改變至50%(體積比為1/2)、25%(體積比為1/4)與12.5%(體積比為1/8)並同時量測膜厚所獲得。圖4中亦顯示了比較例，在比較例中，膜厚之平面內均勻度係藉著使用100%濃度之DCS氣體(並經稀釋)的傳統膜形成方法所獲得。
在所有的情況中，進行膜形成100至140循環。在圖4中，左垂直軸的刻度為膜厚，而右垂直軸的刻度為膜厚之平面內均勻度。支撐125片半導體晶圓W的晶舟12被容納於處理室4中。晶舟12被垂直地分割成五個區域，從上至下分別表示成上部"T"、中上部"TC"、中部"C"、中下部"CB"與下部"B"，膜厚係針對五個區域中的每個區域中的晶圓W來作量測。
如圖4中所示，在比較例中，膜形成速率相對地高，俾以獲得約70Å至73Å的膜厚，但由於在所有區域T、TC、C、CB與B中所獲得之膜厚之平面內均勻度約為±1.5%，故膜厚之平面內均勻度的品質不佳。相反地，在 使用50%(即體積比為1/2)之DCS氣體之本發明某些實施例的膜形成方法中，獲得比比較例更佳之約為80Å的膜厚。又，在所有區域T、TC、C、CB與B中膜厚之平面內均勻度約為到.0%，比比較例更佳。
又，在使用25%(即體積比為1/4)之DCS氣體之本發明某些實施例的膜形成方法中，膜厚略低於比較例，約為60Å，但在所有區域T、TC、C、CB與B中膜厚之平面內均勻度約為±0.5%，比比較例更佳。又，在使用12.5%(即體積比為1/8)之DCS氣體之本發明的膜形成方法中，膜厚略低於比較例，約為68Å，但在所有區域T、TC、C、CB與B中膜厚之平面內均勻度約為±0.8%，比比較例更佳。從上述的結果可知，源氣體對混合氣體之體積比的範圍可介於1/2(50%)至1/8(12.5%)。若源氣體對混合氣體之體積比低於1/8(12.5%)，用以形成膜的源氣體濃度會過低。由於源氣體無法充分地供給至所有晶圓W，所以這是非所欲的。
<第二與第三實施例>
在第一實施例中，如圖3之時序圖(A)與(B)所示，以類脈衝的方式交替地將混合氣體與反應氣體供給至處理室4。然而，混合氣體與反應氣體的供給並不限於此，可如圖5A與5B的方式供給混合氣體與反應氣體。圖5A與5B之時序圖分別代表根據本發明之膜形成方法之第二與第三實施例之將每一種氣體供給至處理室4的操作。
在圖5A所示的第二實施例中，以類脈衝的方式間歇地供給混合氣體與反應氣體，兩種氣體同時被供給至處理室4。在此情況下，將未供給此兩種氣體的期間亦設定為一吹淨期間。在圖5B所示的第三實施例中，以類脈衝的方式間歇地供給混合氣體但連續地供給反應氣體。在第二與第三實施例中，可獲得與第一實施例相同的操作效果。
<第四實施例>
在第一實施例中，在膜形成處理期間利用吹淨氣體供給單元34將吹淨氣體連續地供給至處理室4。應瞭解，吹淨氣體的供給並不限於此，在下面的第四實施例中可間歇地供給吹淨氣體。
圖6之時序圖顯示根據本發明之膜形成方法之第四實施例之將 每一氣體供給至處理室4的操作。由於在第四實施例中代表將每一氣體供給至氣體儲槽中之操作的時序圖，係與圖3中所示之在第一實施例中的時序圖相同，因此在圖6中省略了該供給方式。又，圖6之時序圖(A)與(B)係分別與圖3之時序圖(A)與(B)相同。
在第四實施例中，在供給混合氣體之前及在供應反應氣體之前的至少一者，進行用以排放掉處理室4中之剩餘氣體的吹淨處理。具體而言，可不僅僅在混合氣體供給處理(即吸附處理)之前進行吹淨處理，亦在反應氣體供給處理(即反應處理)之前進行吹淨處理。或者，可在吸附處理前或在反應處理前進行吹淨處理。
在圖6中所示的實例中，不僅僅在吸附處理之前進行吹淨處理，亦在反應處理之前進行吹淨處理。換言之，藉著供給惰性氣體來進行吹淨處理，例如在吸附處理與反應處理之間的每一暫停期間(見圖6之時序圖(C))經由吹淨氣體供給單元34(見圖1)將N2氣體供給至處理室4，其中吸附處理係用以供給混合氣體而反應處理係用以供給反應氣體。又，在圖6中所示的實例中，可在第一吸附處理之前進行吹淨處理，故能確定排放掉處理室4中的剩餘氣體。
在吹淨處理中，可在整個吹淨期間內供給吹淨氣體或者在吹淨期間內以類脈衝的方式供給吹淨氣體。在使用類脈衝之方式的情況下，每一吹淨期間中的脈衝次數可以是一或更多次。為了顯示吹淨效果，可以複數脈衝來供給吹淨氣體複數次，藉此在將氣體供給至處理室4的開始與停止時產生效應並促進剩餘氣體的排放。
雖然在圖6之時序圖(C)中，吹淨期間T5與T6每一者皆供給兩次脈衝之吹淨氣體，但脈衝次數不限於此且可供給兩次脈衝以上的吹淨氣體。吹淨期間T5與T6可例如約1至30秒，每一脈衝T7之期間可例如約為1秒至5秒。
藉著進行上述的吹淨處理，可有效地將處理室4中的剩餘氣體排放至處理室4的外部。如此一來，由於改善了裝置圖案上的吹淨效果，因此可抑制圖案底部中的例如類縫隙缺陷的發生。尤其，若以每吹淨週期中複數次脈衝的方式供給吹淨氣體，可更進一步地改善吹淨效果。亦可將前述的吹淨處理應用至圖5A中所示的第二實施例。
<薄膜類型的修改實例>
例如，可在上述實施例中形成無雜質之氮化矽膜(SiN膜)。然而，本發明並不限於此，且可藉著將包含雜質元素的雜質氣體導入至處理室4中而形成包含雜質的氮化矽膜。此類雜質元素可包含例如硼(B)或碳(C)，可形成SiBN膜或SiCN膜來作為包含雜質之氮化矽膜。在此情況下，雜質氣體可包含BCl3氣體或碳氫化合物氣體如乙烯氣體等。
圖7A與7B中顯示了用以供給此類雜質氣體之膜形成設備2的實例。圖7A與7B說明了根據某些實施例之雜質氣體供給單元100的實例。應瞭解，除了雜質氣體供給單元100之外，膜形成設備2的其他配置係與圖1與2中所示者相同。圖7A中所示之雜質氣體供給單元100具有設置在處理室4中的氣體噴嘴102。氣體噴嘴係連接至讓雜質氣體流過的氣體通道106。如質量流量控制器之流量控制器106A及開/閉閥106B係設置在氣體通道106中。雜質氣體可自形成在氣體噴嘴102中的複數氣體注射孔102A而直接被供給至處理室4。
在圖7B中所示的雜質氣體供給單元100中，雜質氣體流過之氣體通道106的引領端係直接連接至氣體儲槽33，流量控制器106A與開/閉閥106B係設置在氣體通道106中。是以，當在氣體儲槽33中形成混合氣體時，將雜質氣體導入氣體儲槽33中。利用此配置，可形成DCS氣體、N2氣體與雜質氣體的混合氣體且可將包含雜質氣體的混合氣體供給至處理室4。因此，可形成包含雜質的氮化矽膜。
<使用活化單元的膜形成設備的實例>
例如，在上述實施例中可以熱來活化反應氣體。然而，本發明並不限於此且可應用至使用如圖8中所示之生成電漿之活化單元的膜形成設備。圖8顯示使用活化單元之膜形成設備的一實例。應瞭解，圖8中所示之膜形成設備的其他配置係與圖1與2中所示者相同。膜形成設備係用以利用活化單元來生成電漿且藉由電漿來活化反應氣體，藉此加速膜形成反應。
如圖8中所示，在膜形成設備中，作為活化單元的電漿電極110係沿著分隔壁72的外壁設置，分隔壁72分隔設置在處理室4之側壁中的噴嘴容納凹槽。從高頻電源112將高頻電功率供給至電漿電極110。如此，在噴嘴容納凹槽74中生成電漿。在此情況下，噴嘴容納凹槽74的內部具有電漿室的功 能。
為了不要活化除了反應氣體之外的其他氣體，只有反應氣體用的氣體噴嘴38係容納於噴嘴容納凹槽74中，其他氣體噴嘴40與44係設置在柱形處理室4的內壁與晶圓W(或晶舟12)之間的空間中。利用此配置，可藉由電漿來改善膜形成速率，亦可降低膜形成處理的處理溫度。
例如，在上述實施例中，噴嘴容納凹槽74可設置在處理室4中。然而，本發明亦可被應用至不具有噴嘴容納凹槽的處理室。在此情況下，每一氣體噴嘴38、40與44可被設置在柱形處理室4之內壁與晶舟12之間的空間中。
例如，在上述實施例中說明了一次能處理複數半導體晶圓的所謂批次式膜形成設備。然而，本發明不限於此且可應用至一次處理一片半導體晶圓之所謂單片式膜形成設備。
例如，可使用N2氣體來作為上述實施例中的惰性氣體。然而，本發明不限於此且可使用貴重氣體如Ar、He等。又，例如，使用DCS氣體來作為上述實施例中的含矽源氣體。然而，含矽氣體不限於DCS氣體且可包含由下列者所構成之族群的至少一氣體：二氯矽烷(DCS)、六氯矽烷(HCD)、甲矽烷(SiH4)、乙矽烷(Si2H6)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、三氯矽烷(TCS)、二矽胺(DSA)、三矽胺(TSA)、二(第三丁基氨基)矽烷(BTBAS)、二(二乙基氨基)矽烷(BDEAS)、二異丙基氨基矽烷(DIPAS)與三(二甲基氨基)矽烷(3DMAS)。
例如，使用氮化氣體來作為反應氣體，使用NH3氣體來作為上述實施例中的氮化氣體。然而，本發明並不限於此且可使用N2O、NO等作為氮化氣體。又，例如，氮化矽膜係利用含矽源氣體來作為上述實施例中的源氣體所形成。然而，本發明並不限於此且可利用包含金屬之金屬化合物氣體作為源氣體而形成金屬氮化物膜、金屬氧化物膜等薄膜。
有機金屬化合物氣體可被用來作為金屬化合物氣體。有機金屬化合物氣體可包含選自由下列者所構成之族群的至少一氣體：三甲基鋁(TMA)、四(二甲基氨基)鉿(TDMAH)、四(乙基甲基氨基)鉿(TEMAH)、四(乙基甲基氨基)鋯(TEMAZ)與四(二甲基氨基)鈦(TDMAT)。在此情況下，反應氣體可包含選自由下列者所構成之族群的至少一氣體：氮化氣體、氧化氣體與還原氣體。
例如，半導體晶圓被描述成目標物。半導體晶圓可包含不僅僅 是矽基板，也可包含化合物半導體基板如GaAs、SiC或GaN半導體基板。又，目標物不限於上述基板，本發明可被應用至液晶顯示器所用的玻璃基板、陶瓷基板等。
在利用源氣體與反應氣體於目標物之表面上形成薄膜的方法中，在氣體儲槽中混合源氣體與惰性氣體以形成混合氣體並將混合氣體與反應氣體供給至處理室中，藉此形成薄膜。因此，可改善薄膜厚度之平面內均勻度並同時維持高膜形成速率。
雖然已說明了某些實施例，但此些實施例只是示例而意不在限制本發明之範疇。的確，在本文中所述的新穎方法與設備可以各種其他形式來實施之；又，在不脫離本發明之精神的情況下可對本文中所述的實施例進行各種省略、取代及修改。隨附之申請專利範圍及其等效物意在涵蓋此類省略、取代及修改，如同其落在本發明的範疇內。
2‧‧‧膜形成設備
4‧‧‧柱形處理室
6‧‧‧頂板
8‧‧‧柱形歧管
10‧‧‧密封構件
12‧‧‧晶舟
12A‧‧‧支撐件
14‧‧‧熱絕緣容器
16‧‧‧平臺
18‧‧‧罩蓋
20‧‧‧旋轉桿軸
22‧‧‧流體密封件
24‧‧‧密封構件
26‧‧‧臂
28‧‧‧反應氣體供給單元
30‧‧‧混合氣體供給單元
32‧‧‧惰性氣體供給系統
33‧‧‧氣體儲槽
34‧‧‧吹淨氣體供給單元
38‧‧‧氣體噴嘴
38A‧‧‧注射孔
40‧‧‧氣體噴嘴
44‧‧‧氣體噴嘴
48‧‧‧氣體通道
48A‧‧‧流量控制器
48B‧‧‧開/閉閥
50‧‧‧氣體通道
50A‧‧‧流量控制器
50B‧‧‧開/閉閥
54‧‧‧氣體通道
54A‧‧‧流量控制器
54B‧‧‧開/閉閥
58‧‧‧分支的氣體通道
58A‧‧‧流量控制器
58B‧‧‧開/閉閥
60‧‧‧開/閉閥
70‧‧‧開口
72‧‧‧分隔壁
74‧‧‧凹槽
76‧‧‧氣體排放接口
82‧‧‧罩蓋
84‧‧‧氣體出口
86‧‧‧排放系統
88‧‧‧排放通道
90‧‧‧壓力控制閥
92‧‧‧真空泵浦
93‧‧‧擦洗單元
94‧‧‧加熱單元
96‧‧‧控制單元
98‧‧‧儲存媒體

Claims (15)

  1. 一種在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，此方法包含：藉著在氣體儲槽中混合該源氣體與惰性氣體以形成混合氣體；及將該混合氣體與該反應氣體供給至該處理室中；其中在該氣體儲槽中該源氣體對該混合氣體的體積比範圍係介於1/2至1/8。
  2. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該混合氣體與該反應氣體被間歇地供給。
  3. 如申請專利範圍第2項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該混合氣體與該反應氣體被交替且重覆地供給。
  4. 如申請專利範圍第2項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該混合氣體與該反應氣體被同時供給。
  5. 如申請專利範圍第2項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中吹淨氣體被連續地供給至該處理室中。
  6. 如申請專利範圍第2項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其步驟更包含：在供給該混合氣體與供給該反應氣體之至少一者前，吹淨該處理室中的剩餘氣體。
  7. 如申請專利範圍第6項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中，在該吹淨期間，以脈衝方式多次供給惰性氣體。
  8. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該混合氣體被間歇地供給而該反應氣體被連續地供給。
  9. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中以時間偏差的方式將該源氣體與該惰性氣體導入該氣體儲槽中。
  10. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中同時將該源氣體與該惰性氣體導入該氣體儲槽中。
  11. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該反應氣體包含選自由下列者所構成的族群的一氣體：氮化氣體、氧化氣體及還原氣體。
  12. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該反應氣體係藉由熱加以活化。
  13. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該反應氣體係藉由電漿加以活化。
  14. 如申請專利範圍第1項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中將包含雜質元素的雜質氣體供給至該處理室。
  15. 如申請專利範圍第14項之在可抽真空之處理室中利用源氣體與反應氣體在目標物之表面上形成薄膜的方法，其中該雜質氣體被導入該氣體儲槽中。
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