TWI700386B - 非晶矽膜的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種非晶矽膜的形成方法，包括：第一步驟，在對腔室未施加用於形成電漿的電源的狀態下，向形成有下部膜的基板供應反應氣體和惰性氣體並進行氣體穩定化；第二步驟，在對所述腔室施加功率在500至700W的高頻(HF)電源的同時施加功率低於所述高頻電源的功率的低頻(LF)電源以形成所述反應氣體的電漿，利用該電漿在所述下部膜上沉積非晶矽膜；第三步驟，向所述腔室內供應吹掃氣體；以及第四步驟，抽吸所述腔室。

Description

非晶矽膜的形成方法
本發明涉及物質膜形成方法，更詳細地說涉及非晶矽膜的形成方法。
對於沉積的非晶矽膜，因為表面粗糙度和厚度均勻性的波動很大，存在製程餘量低的問題。另外，由於下部膜和非晶矽膜之間的黏合力弱，因此也出現膜被剝離的現象。另外，非晶矽膜的表面粗糙度差，這使得難以穩定後續製程。
相關的習知技術存在於韓國公開公報第2009-0116433號(2009年11月11日公開，發明名稱：非晶矽薄膜形成方法)
本發明是用於解決包括上述問題的各種問題，目的在於提供能夠改善與下部膜的黏合力、膜品質以及表面粗超度的非晶矽膜的形成方法。但是，所述問題不過是示例性的，本發明的範圍不限於此。
基於用於解決上述問題的本發明的一觀點，是提供一種非晶矽膜的形成方法。所述非晶矽膜的形成方法包括：第一步驟，在對腔室未施加用於形成電漿的電源的狀態下，向形成有下部膜的基板供應反應氣體和惰性氣體並進行氣體穩定化；第二步驟，在對所述腔室施加功率在500至700W的高頻(HF)電源的同時施加功率低於所述高頻電源的功率的低頻(LF)電源以形成所述反應氣體的電漿，利用該電漿在所述下部膜上沉積非晶矽膜；第三步驟，向所述腔室內供應吹掃氣體；以及第四步驟，抽吸所述腔室。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述低頻電源的功率可以在200W以上600W以下。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述低頻電源的功率可以在200W以上300W以下。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述反應氣體可包括從甲矽烷、乙矽烷和丙矽烷氣體中選擇的至少一種；所述惰性氣體可包括從氦(He)、氖(Ne)和氬(Ar)中選擇的至少一種。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述非晶矽膜的厚度在500Å以下，所述下部膜可以是從TiN膜、SiCN膜以及SiON膜中選擇的一種。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述非晶矽膜的厚度在800Å以上；所述下部膜可以是在氧化矽膜以及氮化矽膜中選擇的至少一種。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述高頻電源具有13.56MHz至27.12MHz的頻率；所述低頻電源具有300KHz至600KHz的頻率。例如，所述高頻電源具有13.56MHz的頻率；所述低頻電源可具有370KHz的頻率。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述第二步驟可在150至550℃的製程溫度下執行。
根據如上所述的本發明的部分實施例，可提供能夠改善與下部膜的黏合力、膜品質、表面粗超度的非晶矽膜的形成方法。當然，不得由該效果限制本發明的範圍。
10:第一發電機
20:第二發電機
15、25、35:匹配部
40:腔室
42:噴頭
44:平台加熱器
P:電漿
W:基板
S110:第一步驟(氣體穩定化步驟)
S130:第二步驟(沉積步驟)
S140:第三步驟(氣體吹掃步驟)
S150:第四步驟(抽吸步驟)
S115:預處理步驟
S125:後處理步驟
圖1是顯示本發明一實施例的非晶矽膜的形成方法的流程圖；圖2和圖3是概念性地顯示實現通過本發明一實施例的電漿增強化學氣相沉積製程形成非晶矽薄膜的方法的薄膜形成裝置的結構的圖面；圖4a和圖4b是分別顯示通過本發明第一比較例和第二比較例的電漿增強化學氣相沉積製程形成非晶矽膜的方法的流程圖；圖5是顯示在本發明實驗例中於各種下部膜黏合非晶矽膜的狀態，並顯示下部膜是否受損的照片； 圖6是確認在本發明實驗例中為用於儲存節點硬遮罩(storage node hard mask)而形成厚度相對較厚的非晶矽膜的成膜問題的照片；圖7是比較顯示在本發明實驗例中形成的非晶矽膜的表面粗糙度的圖表；以及圖8和圖9是比較顯示在本發明實驗例中形成在氮化膜的非晶矽膜的形態(morphology)的圖表。
在本說明書全文中，在談及諸如膜、區域或者基板等的一構成元素位於另一構成元素「上」時，可解釋為所述一構成元素直接接觸於另一構成元素「上」或者這之間可存在其他構成元素。相反地，在談及一構成元素「直接」位於另一構成元素「上」時，解釋為這之間並不存在其他構成元素。
參照概略性地顯示本發明的理想實施例的圖面說明本發明的實施例。例如，在圖面中根據製造技術及/或公差(tolerance)可預測顯示的形狀的變化。因此，對於本發明思想的實施例，不得限於本說明書所示區域的特定形狀，例如應包括由製造引起的形狀變化。另外，在圖面中可誇張顯示各個層的厚度或者大小，以方便以及明確地進行說明。相同符號是指相同元素。
在本發明中所談及的高頻電源與低頻電源作為用於在腔室內形成電漿而施加的電源，能夠以RF電力的頻率範圍為基準相對地區分。例如，高頻電源具有3MHz至30MHz的頻率範圍，嚴格地說可具有13.56MHz至27.12MHz的頻率範圍。低頻電源具有30KHz至3000KHz頻率範圍，嚴格地說可具有300KHz至600KHz的頻率範圍。
在本發明中所談及的電漿可通過電漿直接形成方式(direct plasma)來形成。舉例說明，所述電漿直接形成方式包括以下方式：將預處理氣體、反應氣體及/或後處理氣體供應於電極與基板之間的處理空間並施加電源，進而預處理氣體、反應氣體及/或後處理氣體的電漿直接形成在腔室內部。
為了便於說明，在本發明中將利用電漿啟動特定氣體的狀態稱為「特定氣體的電漿」。例如，將利用電漿啟動甲矽烷氣體的狀態稱為甲矽烷電漿；將利用電漿啟動氨氣體(NH3)的狀態稱為氨(NH3)電漿；將利 用電漿一同啟動氨氣體(NH3)和氮氣體(N2)的狀態稱為氨(NH3)和氮(N2)電漿。
圖1是顯示本發明一實施例的非晶矽膜的形成方法的流程圖；圖2和圖3是概念性顯示實現通過本發明一實施例的電漿增強化學氣相沉積製程形成非晶矽薄膜的方法的薄膜形成裝置的結構的圖面。
本發明一實施例的電漿增強化學氣相沉積製程的非晶矽膜形成方法包括：第一步驟(S110)，向腔室40內供應反應氣體和惰性氣體後將氣體穩定化；第二步驟(S130)；在腔室40利用所述反應氣體的電漿在基板W上沉積非晶矽膜；第三步驟(S140)，向腔室40內供應吹掃氣體；以及第四步驟(S150)，抽吸腔室40。
所述第一步驟(S110)是在用於形成電漿的電源未施加於腔室40的狀態下向形成有下部膜的基板W上供應反應氣體和惰性氣體將氣體穩定化的步驟。所述反應氣體包括從甲矽烷、乙矽烷和丙矽烷氣體中選擇的至少一種；所述惰性氣體可包括從氦(He)、氖(Ne)和氬(Ar)中選擇的至少一種。對於沉積非晶矽膜之前的基板W可在基板W上形成首先下部膜。即，非晶矽膜與所述下部接觸並沉積在下部膜上。
所述第二步驟(S130)是向腔室40施加功率在500至700W的高頻(HF)電源的同時施加功率低於高頻電源的功率的低頻(LF)電源，進而形成反應氣體的電漿，利用該電漿在下部膜上沉積非晶矽膜的步驟。
所述低頻電源的功率可在200W以上600W以下。更嚴格地說，所述低頻電源的功率可以是200W以上300W以下。
高頻電源具有3MHz至30MHz的頻率範圍；更嚴格地說，可具有13.56MHz至27.12MHz的頻率範圍。低頻電源具有30KHz至3000KHz的頻率範圍；嚴格地說，可具有300KHz至600KHz的頻率範圍。例如，所述高頻電源具有13.56MHz的頻率；所述低頻電源可具有370KHz的頻率。
相比於利用低頻電源的電漿，利用高頻電源的電漿的自由基(radical)粒子的動能低、電漿密度變高、沉積速度相對降低、覆蓋(sheath)區域縮小。另一方面，相比於利用高頻電源的電漿，利用低頻電源的電漿的自由基(radical)粒子的動能高，因此能夠很好地從下部膜掉落氫基團。
所述非晶矽膜可與所述下部接觸地沉積在上述下部膜上。例如，所述下部膜可以是從TiN膜、SiCN膜以及SiON膜中選擇的一種。在這一情況下，所述非晶矽膜可以是止動硬遮罩(stopper hard mask)，所述非晶矽膜的厚度可相對變薄至500Å以下。舉另一示例，所述下部膜可以是在氧化矽膜以及氮化矽膜中選擇的至少一種。在這一情況下，所述非晶矽膜可以是儲存節點硬遮罩(storage node hard mask)，所述非晶矽膜的厚度可相對增厚至800Å以上。
在所述非晶矽膜的形成方法中，所述高頻電源可具有13.56MHz至27.12MHz的頻率；所述低頻電源可具有300KHz至600KHz的頻率。例如，所述高頻電源可具有13.56MHz的頻率；所述低頻電源可具有370KHz的頻率。
舉例說明，沉積非晶矽膜的第二步驟(S130)可以是電漿增強化學氣相沉積(PECVD,plasma enhanced chemical vapor deposition)製程。在化學氣相沉積(CVD)製程中將反應氣體接近腔室內的基板上後注入，後續反應氣體在物件物體表面產生反應，在物件物體表面上形成薄膜，之後從腔室除去沉積製程後的反應副產物。在施加熱作為在反應氣體的反應所需的能源的情況下，可能需要500℃至1000℃以上的溫度，但是如此的沉積溫度因周邊構成元素可能產生不好的影響。因此，本發明一實施例的非晶矽膜的形成方法作為在將要降低反應溫度的CVD製程中實用化的方法之一，可以在沉積步驟(S200)採用將反應氣體的至少一部分離子化的電漿增強化學氣相沉積製程。在利用電漿增強化學氣相沉積製程的第二步驟(S130)可以在150至550℃的製程溫度下執行。更嚴格地說，第二步驟(S130)最適合在390至410℃的製程溫度下執行。
參照圖2和圖3，說明上述雙頻電源的施加方式。可裝入基板W的腔室40可包括噴頭42以及平台加熱器44。基板W安裝在平台加熱器44上。用於產生電漿的RF電力施加於產生電極作用的噴頭42及/或平台加熱器44，進而在噴頭42與平台加熱器44之間的空間形成電漿P。產生RF電力的發電機10、20與腔室40之間介入匹配部15、25、35也可整合發電機10、20與腔室40。
參照圖2，由第一發電機10產生的低頻RF電源和由第二發電機20生成的高頻RF電源都可施加於產生電極的作用的噴頭42。施加低 頻電源的電極以及施加高頻電源的電極在腔室內都可位於高於基板W的上部。
參照圖3，由第一發電機10生成的低頻RF電源施加於產生電極作用的噴頭42，由第二發電機20生成的高頻RF電源可施加於產生電極的作用的平台加熱器44。即，施加低頻電源的電極在腔室內位於高於基板W的上部，而施加高頻電源的電極在腔室內可位於低於基板W的下部。
第二步驟S130是非晶矽膜的沉積步驟，可在作為氣體穩定化步驟的第一步驟(S110)之後直接執行，無需對所述下部膜另外執行電漿預處理製程。在此，所述電漿預處理執行步驟可包括利用第一電漿在形成在基板W的下部膜上啟動包括氨(NH3)氣體的預處理氣體來預處理下部膜的預處理步驟。
若通過電漿預處理製程表面處理下部膜，則能夠光滑地沉積後續的非晶矽膜，因此能夠在非晶矽膜中實現良好的粗糙度，並且能夠改善非晶矽膜的均勻的厚度。與此相反，通過本發明的一實施例，利用同時施加高頻電源與低頻電源所形成的電漿來沉積非晶矽膜，進而在氣體穩定化步驟的第一步驟(S110)與非晶矽膜沉積步驟的第二步驟(S130)之間無需另外執行電漿預處理步驟，也能夠在非晶矽膜實現良好的表面粗糙度，並且確認能夠改善非晶矽膜的厚度的均勻度，進而能夠期待縮短製程步驟的效果。
再則，若通過電漿預處理製程表面處理下部膜，則可提高非晶矽膜與下部膜之間的介面黏合力，但是特定下部膜情況則存在因預處理製程而受損的致命缺點。與此相反，通過本發明一實施例，利用同時施加高頻電源與低頻電源所形成的電漿沉積非晶矽膜，進而在氣體穩定化步驟的第一步驟(S110)與非晶矽膜沉積步驟的第二步驟(S130)之間無需另外的電漿預處理步驟，也能夠確認可改善與各種下部膜的黏合力，因此能夠期待從根本上防止特定下部膜因電漿預處理而受損的效果。
另一方面，作為氣體吹掃步驟的第三步驟(S140)可在非晶矽膜沉積步驟的第二步驟(S130)之後直接執行，無需另外執行對非晶矽膜執行電漿預處理製程。在此，執行所述電漿預處理步驟可包括表面處理的步驟，利用包括在氮基團以及氧基團中的至少一種成分的電漿對非晶矽膜的上部面執行表面處理。若通過電漿後處理製程表面處理非晶矽膜，則有效 處理非晶矽的上部介面中的氫基團且形成介面保護膜，進而能夠改善幹式製程中的幹蝕刻率(Dry Etch Rate)特性。與此相反，通過本發明一實施例，利用同時施加高頻電源與低頻電源所形成的電漿沉積非晶矽膜，進而在非晶矽膜沉積步驟的第二步驟(S130)與氣體吹掃步驟的第三步驟(S140)之間無需執行另外的電漿後處理步驟，也能夠有效去除非晶矽膜的上部介面中的氫基團並可形成介面保護膜，因此能夠期待縮短製程步驟的效果。
以下，比較由本發明各種實驗例的非晶矽膜形成方法實現的膜質特性，進而示例性說明本發明的技術思想。
圖4a和圖4b是分別顯示通過本發明第一比較例和第二比較例的電漿增強化學氣相沉積製程形成非晶矽膜的方法的流程圖。
參照圖4a和圖4b，氣體穩定化步驟(S110)是向形成有下部膜的基板供應反應氣體以及惰性氣體將該氣體穩定化的步驟；沉積步驟(S120)是對腔室只施加13.56MHz的高頻電源以形成反應氣體的電漿，利用該電漿在下部膜上沉積非晶矽膜的步驟；氣體吹掃步驟S140是向腔室內供應吹掃氣體的步驟；抽吸步驟S150是抽吸腔室的步驟。
進一步地說，在圖4b顯示的預處理步驟S115可包括如下的預處理步驟：形成在基板W的下部面上利用第一電漿啟動包括氨(NH3)氣體的預處理氣體來預處理下部膜；後處理步驟(S125)可包括利用包括氮基團和氧基團中的至少一種成分的電漿在非晶矽膜的上部表面部執行表面處理的步驟。
如圖4a所示，由本發明第一比較例的方法形成的非晶矽膜可作為厚度相對薄的止動硬遮罩(stopper hard mask)或者厚度相對厚的儲存節點硬遮罩，但是出現根據下部膜(under-layer)的種類非晶矽膜的表面粗糙度(roughness)和均勻度(uniformity)存在差異的問題。另外，由於與下部膜的介面的黏合力(adhesion)弱，因此可出現升降(lifting)或者氣泡(air-bubble)問題。
如圖4b所示，由本發明第二比較例的方法形成的非晶矽膜可作為厚度相對薄的止動硬遮罩，而且通過表面處理可提高與下部膜的介面結合力，但是可發生在特定下部膜電漿受損。另外，由本發明第二比較例的方法形成的非晶矽膜可作為厚度相對厚的儲存節點硬遮罩，但是在沉積 具有800Å以上的厚度的非晶矽膜時，可出現膜質內發生柱(col-umn)形態的成膜不穩定的問題。
與此相反，由上述的本發明實施例的方法所形成的非晶矽膜可作為厚度相對薄的止動硬遮罩，但是因為將電漿預處理步驟除外，進而防止下部膜受損、改善與各種下部膜的黏合力、改善表面粗糙度。另外，由上述的本發明實施例的方法形成的非晶矽膜可作為厚度相對厚的儲存節點硬遮罩，並且也確認在厚非晶矽膜的沉積中膜均勻地生長，並且解決了膜質內柱形狀的成膜不穩定問題。
圖5是顯示在本發明實驗例中在各種下部膜黏合非晶矽膜的狀態，並顯示下部膜是否受損的照片。在橫向第一行顯示的照片是拍攝各種種類的下部膜與通過圖4a的方法在下部膜上形成的非晶矽膜的照片(比較例1)；橫向第二行顯示的照片是拍攝各種種類的下部膜與通過圖4b的方法在下部膜上形成的非晶矽膜的照片(比較例2)；在橫向第三行顯示的照片是拍攝各種種類的下部膜與通過圖1的方法在下部膜上形成的非晶矽膜的照片(實施例)。
參照圖5，在本發明的比較例中可確認根據下部膜的種類出現非晶矽膜的黏合(adhesion)狀態差或者因電漿預處理導致下部膜受損的現象。具體地說，在比較例1中可以確認在下部膜是SiN膜或者TiN膜的情況下，下部膜與非晶矽膜的黏合(adhesion)狀態差。與此相反，在本發明的實施例中，可以確認所有種類的下部膜中下部膜都未受損並且下部膜與非晶矽膜的黏合狀態良好。
圖6是確認在本發明實驗例中為作為儲存節點硬遮罩(stor-age node hard mask)而形成厚度相對較厚的非晶矽膜的成膜問題的照片。在第一豎列顯示的照片是拍攝通過圖4a的方法在下部膜上形成非晶矽膜的照片(比較例)；在第二數列顯示的照片是拍攝通過圖1的方法在下部膜上形成非晶矽膜的照片(實施例)。
參照圖6，在本發明比較例中可以確認厚度在800Å以上的厚度相對較厚的非晶矽膜中觀察到柱(column)形態。與此相反，在本發明的實施例中，確認到厚度在800Å以上的厚度相對較厚的非晶矽膜中未觀察到柱(column)形態。
圖7是比較顯示在本發明的實驗例中形成的非晶矽膜的表面粗糙度的表。在第一豎列顯示的照片與測量值表示通過圖4a的方法在下部膜上形成的非晶矽膜的表面粗糙度(比較例)；在第二豎列顯示的照片與測量值是表示通過圖1的方法在下部膜上形成的非晶矽膜的表面粗糙度(實施例)。另一方面，在橫向第一行顯示的照片與測量值是有關於厚度小於500Å的相對較薄非晶矽膜的，在橫向第二行顯示的照片與測量值是有關於厚度大於2000Å相對厚的非晶矽膜。
參照圖7，可以確認在相對薄的非晶矽膜中相比於比較例(0.534)在實施例(0.339)的表面粗糙度得到改善。另外，在厚度相對厚的非晶矽膜中相比於比較例(1.778)實施例(0.311)的表面粗糙度得到更多的改善。
圖8和圖9是比較顯示在本發明實驗例中形成在氮化膜的非晶矽膜的形態(morphology)的圖表。
在圖8中，第一豎列顯示的照片是利用只施加功率為500W的高頻電源(HF)所形成的電漿形成非晶矽膜，在第二豎列顯示照片是利用施加功率為500W的高頻電源(HF)同時施加功率為300W的低頻(LF)電源所形成的電漿形成非晶矽膜；第三豎列顯示的照片是利用只施加功率為700W的高頻(HF)電源所形成的電漿形成非晶矽膜。在第四豎列顯示照片是利用施加功率為700W的高頻電源(HF)同時施加功率為300W的低頻(LF)電源所形成的電漿形成非晶矽膜。另一方面，橫向第一行的照片是垂直剖面照片；橫向第二行的照片是傾斜的照片。
參照圖8，在利用只施加高頻電源所形成的電漿形成非晶矽膜的情況下，表面形態差，與此相反，利用施加高頻電源的同時施加低頻電源形成的電漿形成非晶矽膜的情況下，可以確認到表面形態得到改善。
在圖9中，第一個照片是在利用只施加功率為500W的高頻電源(HF)所形成的電漿形成非晶矽膜的情況下的SEM圖像；從第二張至第五張照片是利用依次施加功率為500W的高頻電源(HF)的同時施加功率為50W、100W、200W以及300W的低頻(LF)電源所形成的電漿形成非晶矽膜的情況下的SEM圖像。
參照圖9，可以確認利用只施加功率為500W的高頻(HF)電源所形成的電漿形成非晶矽膜的情況下，非晶矽膜的表面形態差，但是與此相反，利用施加高頻電源的同時施加低頻電源所形成的電漿形成非晶矽膜 的情況下，表面形態得到改善。另外，可以確認相比於低頻(LF)電源的功率為50W、100W的情況，在200W、300W的情況下表面形態更加得到改善。
參照在圖面顯示的實施例進行了說明，但是這不過是示例性的，只要是具有通常知識的技術人員應該理解為能夠執行各種變化以及同等的其他實施例。因此，本發明的真正的保護範圍應該由申請專利範圍的保護範圍的技術思想決定。
S110‧‧‧第一步驟(氣體穩定化步驟)
S130‧‧‧第二步驟(沉積步驟)
S140‧‧‧第三步驟(氣體吹掃步驟)
S150‧‧‧第四步驟(抽吸步驟)

Claims (9)

  1. 一種非晶矽膜的形成方法，其特徵在於，包括：第一步驟，在對腔室未施加用於形成電漿的電源的狀態下，向形成有下部膜的基板供應反應氣體以及惰性氣體並進行氣體穩定化；第二步驟，在對所述腔室施加功率在500至700W的高頻(HF)電源的同時施加功率低於所述高頻電源的功率的低頻(LF)電源以形成所述反應氣體的電漿，利用該電漿在所述下部膜上沉積非晶矽膜；第三步驟，向所述腔室內供應吹掃氣體；以及第四步驟，抽吸所述腔室。
  2. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述低頻電源的功率在200W以上600W以下。
  3. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述低頻電源的功率在200W以上300W以下。
  4. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述反應氣體包括從甲矽烷、乙矽烷和丙矽烷氣體中選擇的至少一種；所述惰性氣體包括從氦(He)、氖(Ne)和氬(Ar)中選擇的至少一種。
  5. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述非晶矽膜的厚度在500Å以下，所述下部膜是從TiN膜、SiCN膜以及SiON膜中選擇的一種。
  6. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述非晶矽膜的厚度在800Å以上；所述下部膜是在氧化矽膜和氮化矽膜中選擇的至少一種。
  7. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述高頻電源具有13.56MHz至27.12MHz的頻率；所述低頻電源具有300KHz至600KHz的頻率。
  8. 根據申請專利範圍第7項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述高頻電源具有13.56MHz的頻率；所述低頻電源具有370KHz的頻率。
  9. 根據申請專利範圍第1項所述的非晶矽膜的形成方法，其中，所述第二步驟在150至550℃的製程溫度下執行。
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