半導體處理的成膜方法和裝置的製作方法

2023-06-14 01:53:41 1

專利名稱：半導體處理的成膜方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在半導體晶片等的被處理基板上形成氮化矽膜的 半導體處理用的成膜方法和裝置。這裡，半導體處理是指，為了通過
以規定的圖案在晶片或LCD (液晶顯示器)這樣的FPD (平板顯示器) 用的玻璃基板等被處理基板上形成半導體層、絕緣層、導電層等，從 而，在該被處理基板上製造包括半導體器件、與半導體器件連接的配 線、電極等的構造物而實施的各種處理。
背景技術：
在構成半導體集成電路的半導體器件的製造中，對被處理基板例 如半導體晶片實施成膜、蝕刻、氧化、擴散、改性、退火、除去自然 氧化膜等各種處理。US2006/0286817A1公開了縱型(所謂的分批式) 熱處理裝置的這種半導體處理方法。在該方法中，首先，將半導體晶 片從晶片盒移載到縱型的晶舟上，並被多層地支承。在晶片盒中能夠 收容例如25枚晶片，在晶舟上能夠載置30 150枚晶片。接著，晶舟 從處理容器的下方裝載到其內部，並且處理容器被氣密地封閉。然後， 在控制處理氣體的流量、處理壓力、處理溫度等各種處理條件的狀態 下，進行規定的熱處理。
為了提高半導體集成電路的特性，提高半導體器件的絕緣膜的特 性很重要。作為半導體器件中的絕緣膜，使用Si02、 PSG (Phospho Silicate Glass:矽酸磷玻璃)、P (通過等離子體CVD法形成)-SiO、 P (通過等離子體CVD法形成)-SiN、 SOG (Spin On Glass:旋塗式玻 璃法)、Si3N4 (氮化矽膜)等。尤其是由於氮化矽膜的絕緣特性相比氧 化矽膜更強、並且作為蝕刻抑制膜或層間絕緣膜具有足夠強的功能， 因此，越來越多地得到使用。另外，基於相同的原因，也經常使用摻 雜有硼的氮化碳膜。
作為在半導體晶片表面形成上述氮化矽膜的方法，使用甲矽烷(S線)、二氯矽烷(DCS: SiH2Cl2)、六氯乙矽烷(HCD: Si2Cl6)、 雙叔丁基氨基矽烷(BTBAS: SiH2 (NH (C4H9)) 2、 (t-C4H9NH) 2SiH2 等矽烷類氣體作為矽源氣體，通過熱CVD( Chemical Vapor Deposition:
化學氣相沉積)進行成膜的方法是公知的。例如，fflSiH2Cl2+NH3 (參 照US5874368 A)或者Si2Cl6+NH3等氣體的組合通過熱CVD法形成氮 化矽膜。另外，也提出了為了減小介電率，在氮化矽膜中添加雜質、 例如硼(B)的方法。
近年來，隨著對半導體集成電路的更高集成化和更精細化的要求， 希望減少半導體器件製造工藝中的熱滯後，提高器件的特性。即使對 於縱型的處理裝置，也希望按照上述需求改進半導體處理方法。例如， 有在作為成膜處理的一種的CVD (Chemical Vapor Deposition:化學氣
相沉積)法中，間斷地供給原料氣體等，同時反覆形成一層或多層原 子或分子級別的厚度的層而進行成膜的方法(例如參照特開平2-93071 號公報、特開平6-45256號公報、US6165916A)。上述成膜方法通常被 稱為ALD( Atomic Layer deposition:原子層沉積)》去或MLD (Molecular Layer Deposition:分子層沉積)法，從而，即使將晶片暴露在那樣的 高溫中，也能進行處理達到目的。
例如，使用矽烷類氣體的二氯矽烷(DCS)和氮化氣體的NH3形 成氮化矽膜(SiN)時，如下所述進行處理。S卩，夾著清掃期間交替間 斷地向處理容器內供給DCS和NH3氣體。供給NH3氣體時，通過施加 RF (高頻)，在處理容器內生成等離子體促進氮化反應。這裡，首先向 處理容器內供給DCS,由此在晶片表面上以分子級別吸附一層或多層 DCS。在清掃期間排除多餘的DCS。接著，供給NH3生成等離子體， 由此通過在低溫下的氮化形成氮化矽膜。反覆實施上述一系列工序， 形成規定厚度的膜。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠抑制微粒產生，並且能夠形成膜 質良好的氮化矽膜的半導體處理用的成膜方法和裝置。
本發明的第一觀點是，提供一種半導體處理用的成膜方法，其能 夠有選擇性地供給包含矽烷類氣體的第一處理氣體和包含氮化氣體的第二處理氣體，並且在與供給上述第二處理氣體時用於激勵的激勵機 構連通的處理容器的處理區域內，進行在被處理基板上形成氮化矽膜 的成膜處理，其特徵在於上述方法，在主階段和輔助階段進行上述 成膜處理，卜.述輔助階段被設定在上述成膜處理的初期和末期中的--方或者雙方，上述主階段，以進行多個主循環，層疊在每個上述主循 環中形成的薄膜的方式設定，上述各主循環具備第一供給工序，對 上述處理區域供給上述第一處理氣體，另一方面，保持對於上述處理 區域的上述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給工序，對上述處 理區域供給上述第二處理氣體，另一方面，保持對於上述處理區域的 上述第一處理氣體的供給的阻斷；並且上述主階段的上述第二供給工 序具有利用上述激勵機構將上述第二處理氣體在己被激勵的狀態下供 給到上述處理區域的激勵期間，上述輔助階段具備對上述處理區域 供給上述第一處理氣體的工序；和對上述處理區域供給上述第二處理 氣體的工序，並以不利用上述激勵機構激勵上述第二處理氣體的方式 設定。
本發明的第二觀點在於提供一種半導體處理用的成膜裝置，其特 徵在於，具備具有收納被處理基板的處理區域的處理容器；在上述 處理區域內支承上述被處理基板的支承部件；加熱上述處理區域內的 上述被處理基板的加熱器；對上述處理區域內進行排氣的排氣系統； 對上述處理區域供給包含矽烷類氣體的第一處理氣體的第一處理系統 供給系統；對上述處理區域供給包含氮化氣體的第二處理氣體的第二 處理氣體供給系統；供給上述第二處理氣體時用於激勵的激勵機構； 和控制上述裝置的動作的控制部，上述控制部在上述處理區域內實施 半導體處理用的成膜方法，上述半導體處理用的成膜方法進行在被處 理基板上形成氮化矽膜的成膜處理，上述方法，在主階段和輔助階段 進行上述成膜處理，上述輔助階段被設定在上述成膜處理的初期和末 期中的一方或者雙方；上述主階段，以進行多個主循環，層疊在每個 上述主循環中形成的薄膜的方式設定，上述各主循環具備第一供給 工序，對上述處理區域供給上述第一處理氣體，另一方面，保持對於 上述處理區域的上述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給工序，
對上述處理區域供給上述第二處理氣體，另一方面，保持對於上述處理區域的上述第一處理氣體的供給的阻斷；並且上述主階段的上述第 二供給工序具有利用上述激勵機構將上述第二處理氣體在已被激勵的 狀態下供給到上述處理區域的激勵期間，上述輔助階段具備對上述 處理區域供給上述第一處理氣體的工序；和對上述處理區域供給上述 第二處理氣體的工序，並以不利用上述激勵機構激勵上述第二處理氣 體的方式設定。
本發明的第三目的在於提供一種包括用於在處理器中執行的程序 指令的能夠由計算機讀取的介質，其特徵在於在半導體處理用的成 膜裝置中使用，上述成膜裝置能夠有選擇性地供給包含矽垸類氣體的 第一處理氣體和包含氮化氣體的第二處理氣體，並且具有與供給上述 第二處理氣體時用於激勵的激勵機構連通的處理容器內的處理區域， 上述程序指令通過處理器執行時，在上述成膜裝置的上述處理區域內， 使半導體處理用的成膜方法執行，上述半導體處理用的成膜方法進行 在被處理基板上形成氮化矽膜的成膜處理，上述方法，在主階段和輔 助階段進行上述成膜處理，上述輔助階段被設定在上述成膜處理的初 期和末期中的一方或者雙方，上述主階段，以進行多個主循環，層疊 在每個上述主循環中形成的薄膜的方式設定，上述各主循環具備第 一供給工序，對上述處理區域供給上述第一處理氣體，另一方面，保 持對於上述處理區域的上述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給 工序，對上述處理區域供給上述第二處理氣體，另一方面，保持對於 上述處理區域的上述第一處理氣體的供給的阻斷；並且上述主階段的
上述第二供給工序具有利用上述激勵機構將上述第二處理氣體在己被 激勵的狀態下供給到上述處理區域的激勵期間，上述輔助階段具備 對上述處理區域供給上述第一處理氣體的工序；和對上述處理區域供 給上述第二處理氣體的工序，並以不利用上述激勵機構激勵上述第二 處理氣體的方式設定。


圖1為表示本發明實施方式的成膜裝置(縱型CVD裝置)的截面圖。
圖2為表示圖1所示裝置的一部份的橫截平面圖。圖3A為表示本發明實施方式的成膜方法中，供給氣體和施加RF
(高頻)的狀態的時序圖。
圖3B、圖3C為表示變形例的成膜方法中，施加RF (高頻)的狀 態的時序圖。
圖3D為表示其它變形例的成膜方法中，供給氣體和施加RF (高 頻)的狀態的時序圖。
圖4A、圖4B為示意性表示在氣體激勵部內附著的副產物膜的截面圖。
具體實施例方式
本發明者們在研究本發明的過程中，關於半導體處理中有關形成 氮化矽膜的成膜方法的現有技術存在的問題進行了研究。其結果是， 本發明者們有了如下所述的認識。
即，如上所述，作為現有技術，存在一種技術在所謂的ALD或 MLD成膜中，在供給氮化氣體的NH3氣體時，利用高頻(RF)生成 等離子體促進氮化反應。這樣的情況下，與不使用等離子體的情況相 比較，能夠提高成膜速率(成膜速度)。另外，通過增大堆積的氮化矽 膜的應力，能夠改善電子或空穴的移動性，大幅度提高氮化矽膜的膜 質量。
但是，若生成等離子體，則由於這時形成的氮化矽膜的膜應力增 大等原因，在處理容器內產生的微粒增多。尤其在處理容器內的壁面 內，在接近等離子體的部分的壁面上產生上述微粒。若容易產生微粒， 則處理容器內的清潔頻率增多，生產量降低。
關於這一點可以看出，在ALD或MLD成膜中，在供給氮化氣體 時生成等離子體的主階段之前或之後進行供給氮化氣體時不生成等離 子體的輔助階段，由此，能夠抑制微粒的產生。即，在這樣的情況下， 通過適當設定輔助階段，能夠抑制微粒的產生，而且能夠以高成膜速 率形成膜質量良好的氮化矽膜。
下面，參照附圖對基於上述認識而構成的本發明實施方式進行說 明。而且，在下述說明中，具有大致相同功能和構成的構成要素標註 相同符號，僅在必要的情況下進行重複說明。圖1為表示本發明實施方式的成膜裝置(縱型CVD裝置)的截面 圖。圖2為表示圖1所示的裝置的一部分的橫截平面圖。該成膜裝置2 具備可選擇性地供給第1處理氣體和第二處理氣體的處理領域，其中，
上述第一處理氣體含有矽烷類氣體的二氯矽垸(DCS)氣體，上述第 二處理氣體含有作為氮化氣體的氨氣(NH3)。成膜裝置2，以在上述 處理領域內，在被處理基板上形成氮化矽膜的方式構成。
成膜裝置2具有下端開口的有頂的圓筒狀處理容器4，在該處理容 器4內部規定處理領域5，在該處理領域5收納處理隔開間隔堆積的多 個半導體晶片(被處理基板)。處理容器4整體由例如石英形成。石英 制頂板6配設並密封於處理容器4內的頂部。形成為圓筒體狀的總管8 經O型環等密封部件10與處理容器4的下端開口連接。而且，也能夠 不另外設置總管8，由圓筒體狀石英制處理容器構成整體。
總管8例如由不鏽鋼形成，支承處理容器4的下端。通過總管8 的下端開口，使石英制晶舟12升降，從而，相對於處理容器4裝載/ 卸載晶舟12。在晶舟12中，多層地載置作為被處理基板的多枚半導體 晶片W。例如，在本實施方式中，在晶舟12的支柱12A能夠大致以 相同間距多層地支承直徑大約為300mm的例如大約50 100枚的晶片 W。
晶舟12經石英制保溫筒14載置在臺16上。臺16例如被支承在 開閉總管8的下端開口的貫通例如由不鏽鋼製的蓋體18的旋轉軸20 上。
在旋轉軸20的貫通部設置有例如磁性流體密封件22，將旋轉軸 20氣密地密封而且可旋轉地支承旋轉軸20。在蓋體18的周邊部和總 管8的下端部之間設置有由例如0型環等構成的密封部件24，保持容 器內的密封性。
在由例如晶舟升降機等升降機構25支承的臂26的前端安裝有旋 轉軸20。通過升降機構25使晶舟12和蓋體18等整體升降。另外，將 工作檯16固定設置到蓋體18 —側，可以不使晶舟12轉動進行晶片W 的處理。
用於向處理容器4內的處理領域5供給規定處理氣體的氣體供給 部連接在總管8的側部。氣體供給部包括第二處理氣體供給系統28、
13第一處理氣體供給系統30和清掃氣體供給系統36。第一處理氣體供給
系統30供給包括矽烷類氣體即DCS(二氯矽烷)氣體的第一處理氣體。 第二處理氣體供給系統28供給包括氮化氣體即氨氣(NH3)的第二處 理氣體。清掃氣體供給系統36供給作為清掃氣體的非活潑性氣體，例 如N2氣體。根據需要，在第一和第二處理氣體中混合適量的輸運氣體， 下面，為了便於說明，不再提及輸運氣體。
具體地說，第二和第一處理氣體供給系統28、 30分別具有向內側 貫通總管8的側壁並朝上方彎曲延伸的由石英管構成的氣體分散噴嘴 38、 40 (參照圖1)。在各氣體分散噴嘴38、 40中沿著其長度方向(上 下方向)並且以遍及晶舟12上的所有晶片W的方式以規定的間隔形 成有多個氣體噴射孔38A、 40A。氣體噴射孔38A、 40A以相對於晶舟 12上的多個晶片W形成平行的氣體流的方式分別沿著水平方向供給對 應的處理氣體。另一方面，清掃氣體供給系統36具有貫通總管8的側 壁而設置的短的氣體噴嘴46。
噴嘴38、 40、 46經氣體供給管路(氣體通路)48、 50、 56，分別 連接在NH3氣體、DCS氣體和N2氣體的氣體源28S、 30S、 36S。在氣 體供給管路48、 50、 56上配設有開閉閥48A、 50A、 56A和質量流量 控制器那樣的流量控制器48B、 50B、 56B。由此，分別控制NH3氣體、 DCS氣體以及N2氣體的流量的同時進行供給。
在處理容器4的側壁的局部，沿著其高度方向配置有氣體激勵部 66。在與氣體激勵部66相對的處理容器4的相反側，配置有用於對該 內部氣氛進行真空排氣，將處理容器4的側壁沿著例如上下方向削去 而形成的細長的排氣口 68。
具體地說，氣體激勵部66具有將處理容器4的側壁沿著例如上下 方向削去規定的寬度而形成的上下細長的開口 70。開口 70由石英制蓋 (等離子體生成箱)72覆蓋，該蓋72與處理容器4的外壁氣密地焊接 接合。蓋72以向處理容器4的外側突出的方式呈截面凹部狀，且具有 上下細長的形狀。
通過該結構，形成從處理容器4的側壁突出並且一側向處理容器4 內開口的氣體激勵部66。 g卩，氣體激勵部66的內部空間與處理容器4 內的處理區域5連通。開口 70沿上下方向足夠長地形成，使得能夠在高度方向上覆蓋保持在晶舟12中的所有晶片W。
在蓋72的兩側壁的外側面，沿著其長度方向(上下方向)以相互
相對的方式配置有細長的一對電極74。等離子體生成用的高頻電源76 經供屯線78連接在電極74。通過對電極74施加例如13.56MHz的高 頻電壓，由此在一對電極74之間形成用於激勵等離子體的高頻電場。 另外，高頻電壓的頻率不限於13.56MHz，也可以使用其它頻率，例如 400kHz 。
第二處理氣體的氣體分散噴嘴38在晶舟12上的最下級晶片W的 下方位置，向處理容器4的半徑方向外方彎曲。然後，氣體分散噴嘴 38在氣體激勵部66內的最裡面(距離處理容器4中心最遠的部分)位 置垂直立起。如圖2所示，氣體分散噴嘴38設置在由一對相對電極74 夾著的區域(高頻電場最強的位置)，即比實際生成主要等離子體的等 離子體生成領域PS向外側遠離的位置。包括從氣體分散噴嘴38的氣 體噴射孔38A噴射的包含NH3氣體的第二處理氣體朝等離子體生成區 域PS噴射，在此有選擇地被激勵(分解或者活化)，並在該狀態供給 到晶舟12上的晶片W。
在蓋72外側，以覆蓋蓋72的方式安裝有例如由石英構成的絕緣 保護蓋80。在絕緣保護蓋80的內側即與電極74相對的部分，配置有 由冷卻介質通路形成的冷卻機構(未圖示)。在冷卻介質通路中，通過 流通冷卻介質例如冷卻後的氮氣，從而使電極74冷卻。另外，在絕緣 保護蓋80的外側配置有防護板(未圖示)，該防護板覆蓋該絕緣保護 蓋並防止高頻洩漏。
使第一處理氣體的氣體分散噴嘴40垂直立起配置在氣體激勵部 66的開口 70的外側附近、即開口 70的外側(處理容器4內)的一側。 從在氣體分散噴嘴40中形成的氣體噴射孔40A向處理容器4的中心方 向噴射包括DCS氣體的第一處理氣體。
另一方面，由石英形成的截面呈3字狀的排氣口蓋部件82通過焊 接安裝在與氣體激勵部66相對而設置的排氣口 68上，並覆蓋該排氣 口 68。排氣口蓋部件82沿著處理容器4的側壁向上方延伸，在處理容 器4的上方形成氣體出口 84。該氣體出口 84連接有配置有真空泵等的 真空排氣系統GE。以包圍處理容器4的方式配置加熱處理容器4內的氣氛和晶片W
的加熱器86。在處理容器4內的排氣口 68附近配置用於控制加熱器 86的熱電偶(未圖示)。
另外，成膜裝置2具備由控制裝置整體的操作的計算機等構成的 主控制部60。主控制部60按照在附帶於主控制部60的存儲部62中預 先存儲的處理方案，根據例如形成的膜的膜厚或組成等的條件進行下 述的成膜處理。在該存儲部62中還預先存儲有處理氣體流量與膜的膜 厚或組成的關係作為控制數據。因此，主控制部60能夠基於上述存儲 的處理方案或控制數據控制升降機構25、氣體供給系統28、 30、 36、 排氣系統GE、氣體激勵部66和加熱器86等。此外，存儲介質為例如 磁碟(軟盤、硬碟(例如，存儲部62中包括的硬碟)等)、光碟(CD、 DVD等)、磁光碟(Magnetic Optical: MO等)和半導體存儲器等。
接著，對使用圖1所示裝置進行的成膜方法(所謂的ALD或MLD 成膜)進行說明。在該成膜方法中，通過ALD或MLD在半導體晶片 W上形成氮化矽膜。因此，向收納晶片W的處理區域5內有選擇地供 給含有矽烷類氣體即二氯矽垸(DCS)氣體的第一處理氣體，和含有氮 化氣體即氨氣(NH3)的第二處理氣體。具體地說，通過下述操作進行 成膜處理。
(成膜處理)
首先，將保持有多枚、例如50-100枚的300mm尺寸的晶片W的 常溫的晶舟12裝載到設定為規定溫度的處理容器4內，密封處理容器 4。接著，將處理容器4內抽真空，維持在規定的處理壓力，並且使晶 片溫度上升，待機直至穩定為成膜用的處理溫度為止。然後，使晶舟 12旋轉，並且分別控制第一和第二處理氣體的流量的同時間斷性地從 氣體分散噴嘴40、 38供給第一和第二處理氣體。
包含DCS氣體的第一處理氣體從氣體分散噴嘴40的氣體噴射孔 40A以形成平行的氣體流的方式供給到晶舟12上的多個晶片W。其間， DCS氣體通過處理區域5的加熱溫度被活化，DCS氣體的分子、或者 通過上述分解生成的分解生成物的分子或原子附著到晶片上。
另 -方面，包含NH3氣體的第二處理氣體從氣體分散噴嘴38的氣 體噴射孔38A以形成平行的氣體流的方式供給到晶舟12上的多個晶片
16W。供給第二處理氣體時，如下所述，對應於成膜處理的主階段和輔
助階段，將氣體激勵部66設定為ON狀態或OFF狀態。
將氣體激勵部66設定為ON狀態時，第二處理氣體通過一對電極 74之間的等離子體生成區域PS時被激勵一部分被等離子體化。這時， 生成例如N*、 NH*、 NH2*、 NH^等自由基(活性基)(符號"*"表 示自由基)。將氣體激勵部66設定為OFF狀態時，第二處理氣體的NH3 主要保持為氣體分子的狀態通過氣體激勵部66。這些自由基或氣體分 子從氣體激勵部66的開口 70朝處理容器4的中心流出，在晶片W相 互之間以層流狀態被供給。
來自通過等離子體激勵的NH3氣體的自由基、或者通過處理區域 5的加熱溫度被活化的NH3氣體分子、或者由它們的分解產生的分解 生成物的分子或原子，與附著在晶片W的表面的DCS氣體分子等反 應，從而在晶片W上形成薄膜。而且，與此相反，當在晶片W表面 附著有來自NH3氣體的自由基、分解生成物的分子或原子時，在流過 DCS氣體的情況下，同樣發生反應，在晶片W上形成氮化矽膜。而且， 若將氣體激勵部66設定為ON狀態，則在促進反應的狀態下進行成膜； 若將氣體激勵部66設定為OFF狀態，則在反應速度慢的狀態下進行成 膜。
圖3A為表示本發明實施方式的成膜方法中，供給氣體和施加RF (高頻)的狀態的時序圖。而且，圖3A表示對1批晶片進行成膜處理 的整個過程的狀態。如圖3A所示，在該實施方式的成膜方法中，成膜 處理由初期的規定階段(輔助階段)Ll和其後的階段(主階段)構成。 主階段由通過氣體激勵部66激勵包含NH3氣體的第二處理氣體的循環 構成。輔助階段由不利用氣體激勵部66激勵第二處理氣體的循環構成。 主階段和輔助階段的各循環構成第一 第四工序T1 T4。即，反覆操作 多次由第一工序 第四工序T1 T4構成的循環，堆積在每個循環形成的 氮化矽的薄膜，從而，獲得最終厚度的氮化矽膜。
具體地說，在第一工序Tl中，對處理區域5供給第一處理氣體(在 圖3A中，表示為DCS)，另一方面，維持阻斷對處理區域5供給第二 處理氣體(在圖3A中，表示為NHO。在第二工序T2中，維持阻斷對 處理區域5供給第一和第二處理氣體。在第三工序T3中，對處理區域5供給第二處理氣體，另一方面，維持阻斷對處理區域5供給第一處理
氣體。在第四工序T4中，維持阻斷對處理區域5供給第一以及第二處
理氣體。
將第二和第四工序T2、 T4作為排除處理容器4內的殘留氣體的清 掃工序使用。在此，清掃的意思是，流通N2等非活潑性氣體對處理容 器4內進行真空排氣，或者維持阻斷供給所有氣體對處理容器4內進 行真空排氣，從而除去處理容器4內的殘留氣體。另外，也可以在第 二和第四工序T2、 T4的前半段只進行真空排氣，在後半段同時進行真 空排氣和供給非活潑性氣體。而且，在第一和第三工序T1、 T3中，能 夠在供給第--和第二處理氣體時，停止對處理容器4內的真空排氣。 但是，當對處理容器4內進行真空排氣的同時供給第一和第二處理氣 體時，能夠在整個第 一 第四工序T1 T4中持續對處理容器4內進行真 空排氣。
在主階段的第三工序T3中，通過將RF電源76設定為ON狀態並 由氣體激勵部66使第二處理氣體等離子體化，從而在已將第二處理氣 體激勵的狀態下將其供給到處理區域5。在輔助階段的第三工序T3中， 將RF電源76設定為OFF狀態並且不通過氣體激勵部66使第二處理 氣體等離子體化，而將該第二處理氣體供給到處理區域5。但是，通過 加熱器86對處理區域5設定加熱溫度在主階段和輔助階段中相同，實 質上不會對應階段而變化。
在圖3A中，第一工序T1設定為大約2 10秒，第二工序T2設定 為大約5 15秒，第三工序T3設定為大約10 20秒，第四工序T4設定 為大約5 15秒。另外，作為主階段和輔助階段的平均值，通過第一 第四工序T1 T4的1個循環形成的膜厚為0.10 0.13nm左右。因此， 若目標膜厚為例如50nm,則反覆實施該循環450 500次左右。但是， 上述時間和厚度只表示了一種例子，並不限於該數值。
另外，在主階段的第三工序T3中，能夠改變在供給NH3氣體期間 的RF電源的ON狀態。例如，在一個變形例中的第三工序T3中，在 實施過程中將RF電源76設定為ON，從而僅在子工序T3b的期間將 第二處理氣體在己激勵的狀態下供給到處理區域5。 g卩，這時，經過規 定時間At後，將RF電源76設定為ON，由氣體激勵部66使第二處而僅在子工序T3b期間將第二處理氣體在已激
勵的狀態下供給到處理區域5。該規定時間At為NH3氣體的流量達到 穩定為止的時間，為例如5秒左右。如上所述，在第二處理氣體的流 量穩定之後，將RF電源設定為ON生成等離子體，從而能夠提高晶片 W晶面間方向(高度方向)的活性種的濃度均勻性。
上述成膜處理的處理條件如下所述。DCS氣體的流量在50 2000sccm的範圍內，例如為1000sccm(lslm)。NH3氣體的流量在500 5000sccm的範圍內，例如為1000sccm。處理溫度低於一般的CVD處 理溫度，具體在200 70(TC的範圍內，優選為300 70CTC，更為優選 的是在450 63(TC的範圍內。若處理溫度低於200°C，則不會發生反 應兒乎不會堆積膜。若處理溫度高於700°C ，則通過CVD法形成膜質 差的堆積膜，並且會對已經形成的金屬膜等造成熱損傷。而且，在主 階段和輔助階段中，有可能因為等離子體的有無而處理區域5的溫度 有一些改變，但是，通過加熱器86對處理區域5設定的加熱溫度在主 階段和輔助階段實質上相同。
處理壓力在13Pa (O.lTorr) 13300Pa (100Torr)的範圍內，優 選的是在40Pa (0.3Torr) 266Pa (2Torr)的範圍內，更加優選的是 在93Pa (0.7丁orr) 107Pa (0.8Torr)的範圍內。例如，處理壓力在第 --工序(供給DCS的工序)Tl中為1Torr，在第三工序(供給NHs的 工序)T3中為0.3Torr。當處理壓力小於13Pa時，成膜速率為實用水 平以下。當處理壓力在13300Pa以下時，相對於晶片W的反應中主要 為吸附反應，因此，能夠以較快的成膜速率穩定地堆積膜質良好的薄 膜，獲得理想的結果。但是，若處理壓力大於13300Pa時，則反應方 式從吸附反應向氣相反應轉變，氣相反應變為主要反應。其結果是， 不僅降低膜的面間和面內均勻性，而且，由氣相反應導致微粒急劇增 多，因此並不優選。
若利用上述成膜方法，則在成膜處理初期的輔助階段L1中，供給 NH3氣時不產生等離子體，因此，形成基於無等離子體的熱分解的SiN 膜。然後，在其後的主階段中，採用等離子體形成SiN膜。而且，在 圖3A中，構成輔助階段的循環數為3循環，只要該循環數為1以上， 並沒有特別限制，實際上循環數可以更多。通過成膜處理，在處理容器4的內壁表面，尤其在氣體激勵部66
的蓋72表面堆積以SiN為主要成分的副產物膜。如上所述，該副產物
膜內，在成膜處理的主要階段中採用等離子體形成的副產物膜為容易 產生微粒的部分。但是，在對下一批晶片進行成膜處理的初期的輔助
階段Ll，該容易產生微粒的副產物膜重新由通過無等離子體形成的副 產物膜覆蓋。因此，能夠抑制來自在使用等離子體形成的副產物膜的 微粒的產生。換句話說，使用等離子體形成的SiN副產物膜作為應力 大的薄膜形成，因此容易發生剝離。但是，由通過上述無等離子體的 熱分解形成的SiN副產物膜(膜應力小，因此難以剝離)覆蓋該膜， 從而，能夠大幅度抑制微粒的產生。而且，該方法不僅在對晶片進行 成膜處理時可以使用，形成在處理容器內面形成薄膜的預覆層時也可 以使用。
圖4A、圖4B為示意性表示在氣體激勵部66內附著的副產物膜的 截面圖。在圖4中，每次對一批晶片進行成膜處理時，通過熱分解形 成的SiN膜(即，熱SiN副產物膜100)和使用等離子體形成的SiN 膜(即，等離子體SiN副產物膜102)分別形成一層，交替堆積在氣體 激勵部66的蓋72的內面。圖4A表示完成第三批成膜處理後的狀態。 而且，實際上，在處理容器4的清潔處理之後，在沒有收納晶片的狀 態下流通成膜氣體，進行形成薄膜的預覆層處理，但在此，省略說明 預覆層膜。
在上述狀態中，如上所述地進行第四批成膜處理時，則如圖4B所 示，最初，通過無等離子體的熱分解形成熱SiN副產物膜100A。然後， 使用等離子體，在其上面形成等離子體SiN副產物膜102A。
艮口，因膜應力大而剝離成為的容易產生微粒的狀態的下側等離子 體SiN副產物膜102由膜應力小的熱SiN副產物膜100A覆蓋。從而， 能夠大幅抑制來自等離子體SiN副產物膜102的微粒的產生。
在輔助階段Ll中，在晶片W上形成的SiN薄膜的厚度設定為 O.lnm以上。從而，熱SiN副產物膜100的厚度也形成為O.lnm以上。 若該膜厚小於O.lnm，則不能夠完全覆蓋下側的整個等離子體SiN副產 物膜102，抑制微粒的效果變差。
另外，在輔助階段L1中，在晶片W上形成的SiN薄膜的厚度，設定為在成膜處理中形成的SiN成品膜的總膜厚、即熱SiN膜與等離
子體SiN膜的總膜厚的20y。以下。由此，熱SiN副產物膜100的厚度 能夠成為熱SiN副產物膜100與等離子體SiN副產物膜102的總膜厚 的20%以下。若該膜厚大於總膜厚的20%，則從在晶片W上形成的 SiN成品膜的膜質來看等離子體SiN膜的特性減弱，受到基於熱SiN 膜特性的不良影響。
通過上述成膜方法，能夠抑制微粒的產生的機構依賴於副產物膜 中的應力的大小。實際上測量膜的應力時，不使用等離子體的熱SiN 副產物膜100為0.3GPa左右，與此相對，使用等離子體的等離子體SiN 副產物膜102為0.6GPa以上。
若利用上述成膜方法，則能夠儘量抑制微粒產生，並且形成的整 個氮化矽膜能夠具有與完全供給NH3氣體時使用等離子體成膜後的氮 化矽膜相同的膜質。即，能夠使形成的氮化矽膜的介電率非常低，並 且能夠提高幹式蝕刻時的抗蝕刻性。
另外，由於能夠抑制微粒的產生，因此，在該程度上能夠減少清 潔頻率，提高生產量。g卩，通常，能夠大幅度減少1次需要45分鐘的 乾洗處理的頻率。 (實驗)
為了評價利用上述實施方式抑制微粒的效果，進行SiN膜的成膜 處理。在此，採用圖1所示的成膜裝置2，進行堆積膜厚為500nm的 SiN膜的成膜處理(利用全部使用等離子體的ALD法進行成膜處理)。 之後，進行上述實施方式的成膜處理，在半導體晶片上堆積50nm的 SiN膜。
採用上述實施方式的成膜處理進行2次實驗。在第一次實驗中， 形成3.5nm厚的初期的熱SiN膜(RF的施加相當於60個循環)，剩餘 的46.5nm的厚度以等離子體ALD-SiN膜形成。在第二次實驗中，形 成5nm厚的初期的熱SiN膜(RF的施加相當於70個循環)，剩餘的 40nm的厚度以等離子體ALD-SiN膜形成。
其結果是，可以確認，在上述2個實驗中都能夠大幅度抑制微粒 產生。另外，可以確認，能夠將在半導體晶片的表面堆積的SiN膜的 膜質特性保持為較高。(變形例)
在上述實施方式中，關於RF電力的施加，如圖3A所示，僅在成 膜處理的初期的輔助階段L1時，在供給氮化氣體的工序中不激起等離 子體。圖3B、圖3C為表示變形例的成膜方法中施加RF (高頻)的狀 態的時序圖。
圖3B的變形例中，在成膜處理末期的規定階段(輔助階段)L2 中，在供給氮化氣體的工序中不激起等離子體。而且，該階段L2與之 前階段L1的時間相同。這時，由在成膜處理末期形成的熱SiN副產物 膜100覆蓋等離子體SiN副產物膜102。因此，在該情況下，能夠發揮 與上述實施方式相同的作用效果。
在圖3C的變形例中，在成膜處理初期的規定階段(輔助階段)Ll 和末期的規定階段(輔助階段)L2兩者中，在供給氮化氣體的工序中 不激起等離子體。在該情況下，也能夠發揮與上述實施方式相同的作 用效果。
在上述實施方式和變形例中，成膜處理的初期和末期的輔助階段 以交替供給矽烷類氣體和氮化氣體的方式構成。圖3D為表示其它變形 例的成膜方法中供給氣體和施加RF (高頻)的狀態的時序圖。在圖3D 的變形例中，在輔助階段L1構成為同時供給矽烷類氣體和氮化氣體， 利用普通的熱CVD (無等離子體)法進行成膜。如上所述地實施輔助 階段以外的主階段的成膜處理。在該情況下，能夠發揮與參照圖3A說 明的成膜方法相同的效果。
在上述實施方式中，作為第一處理氣體中的矽垸類氣體，舉例說 明了DCS氣體。對此，作為矽烷類氣體，能夠使用選自二氯矽烷(DCS)、 六氯乙矽烷(HCD)、甲矽烷(SiH4)、乙矽烷(Si2H6)、六甲基二矽氮 烷(HMDS)、四氯化矽(TCS)、 二矽烷胺(DSA)、三矽烷胺(TSA)、 雙叔丁基氨基矽烷(BTBAS)、三甲基矽垸(TMS)、二甲基矽烷(DMS)、 一甲胺(MMA)、三(二甲基氨基)矽烷(3DMAS)構成的組中的1 種以上的氣體。
在上述實施方式中，作為第二處理氣體中的氮化氣體，舉例說明 了NH3氣體。對此，作為氮化氣體，能夠使用選自氨氣(NH3)、氮氣 (N2)、 一氧化二氮(N20)、 一氧化氮(NO)構成的組中的1種以上
22的氣體。
能夠在通過上述實施方式形成的氮化矽膜中添加硼(B)以及/或 者碳(C)等成分。在該情況下，成膜處理的各個循環還具備供給摻雜 氣體以及/或者烴類氣體的1個以上的工序。作為用於摻雜硼的含有硼
的氣體，可以使用選自BC13、 B2H6、 BF3、 B (CH3) 3構成的組中的1 種以上的氣體。作為用於添加碳的烴類氣體，可以使用選自乙炔、乙 烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷構成的組中的1種以上的氣體。
作為被處理基板，不限於半導體晶片，也能夠為LCD基板、玻璃
基板等其它基板。
權利要求
1、一種半導體處理用的成膜方法，其能夠有選擇性地供給包含矽烷類氣體的第一處理氣體和包含氮化氣體的第二處理氣體，並且在與供給上述第二處理氣體時用於激勵的激勵機構連通的處理容器的處理區域內，進行在被處理基板上形成氮化矽膜的成膜處理，其特徵在於所述方法，在主階段和輔助階段進行所述成膜處理，所述輔助階段被設定在所述成膜處理的初期和末期中的一方或者雙方，所述主階段，以進行多個主循環，層疊在每個所述主循環中形成的薄膜的方式設定，所述各主循環具備第一供給工序，對所述處理區域供給所述第一處理氣體，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給工序，對所述處理區域供給所述第二處理氣體，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的阻斷；並且所述主階段的所述第二供給工序具有利用所述激勵機構將所述第二處理氣體在已被激勵的狀態下供給到所述處理區域的激勵期間，所述輔助階段具備對所述處理區域供給所述第一處理氣體的工序；和對所述處理區域供給所述第二處理氣體的工序，並以不利用所述激勵機構激勵所述第二處理氣體的方式設定。
2、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述輔助階段，以進行輔助循環的方式設定，所述輔助循環具備 第一供給工序，進行對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；第二供給工序，進行對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供 給，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的 阻斷；並且所述輔助階段的所述第二供給工序不具有利用所述激勵機 構激勵所述第二處理氣體的期間。
3、 如權利要求2所述的方法，其特徵在於所述輔助階段，以進行多個輔助循環，層疊在每個所述輔助循環 中形成的薄膜的方式設定。
4、 如權利要求3所述的方法，其特徵在於 所述主階段的主循環數大於所述輔助階段的輔助循環數。
5、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述輔助階段，以由此形成的所述氮化矽膜的部分的厚度為O.lnm以上的方式設定。
6、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述輔助階段，以由此形成的所述氮化矽膜的部分的厚度為所述氮化矽膜整個膜厚的20%以下的方式設定。
7、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於在所述主階段的所述第一和第二供給工序中，所述處理區域的溫度設定為200°C 700°C的範圍內的溫度。
8、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述主階段和所述輔助階段，對於所述處理區域的設定加熱溫度 實質上相同。
9、 如權利要求1所述的方法，其特徵在於在所述主階段的所述第一和第二供給工序中，所述處理區域的壓力設定為13Pa (0.1Torr) 13300Pa (100Torr)範圍內的壓力。
10、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述各主循環還具有第一和第二插入工序，其分別在所述第一和 第二供給工序之間和所述第二供給工序之後，保持對所述處理區域的 第一和第二處理氣體的供給的阻斷，並且對所述處理區域進行排氣。
11、 如權利要求IO所述的方法，其特徵在於所述各主循環，以遍及所述第一供給工序、所述第一插入工序、 所述第二供給工序和所述第二插入工序，連續地對所述處理區域進行 排氣的方式構成。
12、 如權利要求IO所述的方法，其特徵在於所述第一和第二插入工序具備對所述處理區域供給清掃氣體的期間。
13、 如權利要求1所述的成膜方法，其特徵在於所述矽烷類氣體包括選自二氯矽烷、六氯乙矽烷、甲矽烷、乙矽 烷、六甲基二矽氮烷、四氯化矽、二矽烷胺、三矽烷胺、雙叔丁基氨 基矽烷、三甲基矽烷、二甲基矽烷、 一甲胺、三(二甲基氨基)矽烷 構成的組中的1種以上的氣體，所述氮化氣體包括選自氨氣、氮氣、 一氧化二氮、 一氧化氮構成的組中的1種以上的氣體。
14、 如權利要求13所述的方法，其特徵在於所述各主循環還具備，供給選自摻雜氣體和烴類氣體構成的組中 的1種以上的氣體的工序。
15、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述處理區域，按照多個被處理基板以相互隔開間隔沿垂直方向 層疊的狀態收容在支承部件上的方式構成。
16、 如權利要求l所述的方法，其特徵在於所述輔助階段，以同時對所述處理區域供給所述第一和第二處理 氣體的方式設定。
17、 一種半導體處理用的成膜裝置，其特徵在於，具備 具有收納被處理基板的處理區域的處理容器； 在所述處理區域內支承所述被處理基板的支承部件； 加熱所述處理區域內的所述被處理基板的加熱器； 對所述處理區域內進行排氣的排氣系統；對所述處理區域供給包含矽烷類氣體的第一處理氣體的第一處理 系統供給系統；對所述處理區域供給包含氮化氣體的第二處理氣體的第二處理氣 體供給系統；供給所述第二處理氣體時用於激勵的激勵機構；和 控制所述裝置的動作的控制部，所述控制部在所述處理區域內實施半導體處理用的成膜方法，所 述半導體處理用的成膜方法進行在被處理基板上形成氮化矽膜的成膜 處理，所述方法，在主階段和輔助階段進行所述成膜處理，所述輔助階 段被設定在所述成膜處理的初期和末期中的一方或者雙方；所述主階段，以進行多個主循環，層疊在每個所述主循環中形成 的薄膜的方式設定，所述各主循環具備第一供給工序，對所述處理區域供給所述第一處理氣體，另一方 面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給工序，對所述處理區域供給所述第二處理氣體，另一方 面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的阻斷；並且 所述主階段的所述第二供給工序具有利用所述激勵機構將所述第二處 理氣體在已被激勵的狀態下供給到所述處理區域的激勵期間，所述輔助階段具備對所述處理區域供給所述第一處理氣體的工 序；和對所述處理區域供給所述第二處理氣體的工序，並以不利用所 述激勵機構激勵所述第二處理氣體的方式設定。
18、如權利要求17所述的裝置，其特徵在於，所述輔助階段，以進行輔助循環的方式設定，所述輔助循環具備第一供給工序，進行對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；第二供給工序，進行對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供 給，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的 阻斷；並且所述輔助階段的所述第二供給工序不具有利用所述激勵機構激勵所述第二處理氣體的期間。
19、 一種包括用於在處理器中執行的程序指令的能夠由計算機讀 取的介質，其特徵在於在半導體處理用的成膜裝置中使用，所述成膜裝置能夠有選擇性 地供給包含矽垸類氣體的第一處理氣體和包含氮化氣體的第二處理氣 體，並且具有與供給所述第二處理氣體時用於激勵的激勵機構連通的 處理容器內的處理區域，所述程序指令通過處理器執行時，在所述成膜裝置的所述處理區 域內，使半導體處理用的成膜方法執行，所述半導體處理用的成膜方 法進行在被處理基板上形成氮化矽膜的成膜處理，所述方法，在主階段和輔助階段進行所述成膜處理，所述輔助階 段被設定在所述成膜處理的初期和末期中的一方或者雙方，所述主階段，以進行多個主循環，層疊在每個所述主循環中形成 的薄膜的方式設定，所述各主循環具備第一供給工序，對所述處理區域供給所述第一處理氣體，另一方 面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；和第二供給工序，對所述處理區域供給所述第二處理氣體，另一方 面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的阻斷；並且所述主階段的所述第二供給工序具有利用所述激勵機構將所述第二處 理氣體在已被激勵的狀態下供給到所述處理區域的激勵期間，所述輔助階段具備對所述處理區域供給所述第一處理氣體的工 序；和對所述處理區域供給所述第二處理氣體的工序，並以不利用所述激勵機構激勵所述第二處理氣體的方式設定。
20、 如權利要求19所述的介質，其特徵在於所述輔助階段，以進行輔助循環的方式設定，所述輔助循環具備 第一供給工序，進行對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給，另一方面，保持對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給的阻斷；第二供給工序，進行對於所述處理區域的所述第二處理氣體的供給，另'方面，保持對於所述處理區域的所述第一處理氣體的供給的 阻斷；並且所述輔助階段的所述第二供給工序不具有利用所述激勵機 構激勵所述第二處理氣體的期間。
全文摘要
本發明提供一種半導體處理的成膜方法和裝置。其在能夠有選擇性地供給包含矽烷類氣體的第一處理氣體和包含氮化氣體的第二處理氣體的處理區域內，進行在被處理基板上形成氮化矽膜的成膜處理。成膜處理由主階段和輔助階段構成，輔助階段設定在成膜處理的初期和末期中的一方或者雙方。主階段具有利用激勵機構將第二處理氣體在已被激勵的狀態下供給到處理區域的激勵期間。輔助階段不具有利用激勵機構將第二處理氣體在已被激勵的狀態下供給到處理區域的激勵期間。
文檔編號C23C16/34GK101481794SQ20091000022
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月12日 優先權日2008年1月12日
發明者李殷朝, 野寺伸武, 長谷部一秀 申請人:東京毅力科創株式會社