半導體處理用的成膜方法

2023-05-22 07:49:16 3

專利名稱：半導體處理用的成膜方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體處理用的載置臺裝置、成膜裝置和成膜方 法。這裡，作為半導體處理，意味著通過在半導體晶片或者LCD(Liquid crystal display)或FPD (Flat Panel Display)用的玻璃基板等被處理基 板上以規定的圖案來形成半導體層、絕緣層、導電層等，為了在該被 處理基板上製造半導體器件或者與半導體器件連接的包含布線、電極 等的構造物而實施的各種處理。
背景技術：
在半導體集成電路的製造中，對半導體晶片等矽基板，重複進行 成膜和圖案蝕刻，形成多個希望的半導體器件。在連接各個器件間的 布線、實現對各個器件電接觸的布線層的下層使用阻擋層。阻擋層用 作為抑制接觸金屬和布線材料的相互擴散的目的，或者作用為防止基 底層和布線層的剝離的目的。作為阻擋層，電阻低是不用說的，還必 需使用密接性、耐熱性、屏蔽性、耐腐蝕性優異的材料。作為能夠滿 足這樣的要求的屏蔽材料，特別是使用TiN膜。
在形成TiN膜的阻擋層的情況下，使用TiCU氣體和NH3氣體，通 過CVD (Chemical Vapor Deposition)來堆積希望厚度的TiN膜。這種 情況下，在將半導體晶片搬入到處理容器內之前，在載置臺的表面上 預先形成由TiN膜構成的預覆層。預覆層用作為保持晶片的熱的面內 均勻性，且防止由載置臺等所包含的金屬元素導致的金屬汙染等的目 的。
預覆層每當清潔處理容器內時除去，為此，在清潔後，在向處理 容器內搬入半導體晶片之前，在載置臺的表面上形成預覆層。例如，通過以CVD形成Ti膜的步驟，和以NH3氣體氮化Ti膜的步驟來形成 TiN預覆層。
關於這一點，能夠舉出下面的三個文獻作為現有技術。 專利文獻1:特開平10-321558號公報
專利文獻2: 特開2001-144033號公報(段落號0013-0020，圖l
和圖2)
專利文獻3: 特開2001-192828號公報
專利文獻1和專利文獻2公開了在載置臺的表面上形成Ti膜和 TiN膜的預覆層的技術。專利文獻3中公開了這樣的問題，在空載運轉 後的成膜處理中，最初的l個不穩定，再現性和面間膜厚均勻性惡化。 專利文獻3中，作為解決該問題的方法，公開了這種技術，在空載運 轉後，在即將成膜處理1個之前僅短時間地流動原料氣體或者還原氣 體中的任何一種。
關於Ti膜的單枚成膜，從提高半導體器件的薄膜化和電特性的見 解來看，需要提高Ti膜的膜厚(膜厚非常薄)的面內和面間均勻性。 作為面內均勻性，意味著在一枚晶片的表面的Ti膜的膜厚的均勻性。 作為面間均勻性，意味著在多個晶片間的Ti膜的膜厚的均勻性(也稱 為再現性)。
在現有技術中，為了提高裝置的開工率，在對晶片的成膜處理之 前，減小在載置臺上形成的預覆層的厚度。例如，在現有技術中預覆 層的厚度是0.36 u m左右。該預覆層是通過進行18次左右的由等離子 CVD所進行的非常薄的Ti膜的堆積、Ti膜的氮化處理所構成的循環 所形成。這種情況下，出現最初某些數量的晶片上堆積的Ti膜的膜厚 和電阻率不穩定，有變動的問題。

發明內容
本發明的目的在於，提供一種半導體處理用的載置臺裝置、成膜 裝置和成膜方法，其能夠至少提高在被處理基板上所形成的膜的面間 均勻性。
本發明的目的在於，提供一種半導體處理用的成膜方法，其能夠 提高在被處理基板上形成的膜的面內均勻性和面間均勻性。本發明的第一觀點是， 一種配設在半導體處理用的成膜處理容器 內的載置臺裝置，具有
載置臺，其具有載置被處理基板的上面和從所述上面下降的側面;
配設在所述載置臺內且通過所述上面加熱所述基板的加熱器；
覆蓋在所述載置臺的所述上面和所述側面的CVD預覆層，設定所 述預覆層，使得其厚度在使由所述加熱器的加熱得到的來自所述上面 和所述側面的輻射熱量實質飽和的厚度以上。
本發明的第二觀點是半導體處理用的成膜裝置，具有
處理容器，收容被處理基板；
氣體供給部，向所述處理容器內提供處理氣體； 排氣部，排氣所述處理容器內；
載置臺，配設在所述處理容器內，且具有載置所述基板的上面和 從所述上面下降的側面；
加熱器，配設在所述載置臺內，且通過所述上面加熱所述基板；
CVD預覆層，覆蓋所述載置臺的所述上面和所述側面，設定所述 預覆層，使得具有使由所述加熱器的加熱得到的來自所述上面和所述 側面的輻射熱量實質飽和的厚度以上的厚度。
本發明的第三觀點是半導體處理用的成膜方法，具有
準備成膜裝置的工序，所述成膜裝置具有收容被處理基板的處 理容器、向所述處理容器內提供處理氣體的氣體供給部、排氣所述處 理容器內部的排氣部、配設在所述處理容器內且具有載置所述基板的 上面和從所述上面下降的側面的載置臺、配設在所述載置臺內且通過 所述上面加熱所述基板的加熱器；
通過向所述處理容器內提供前處理氣體進行CVD處理，來形成覆 蓋所述載置臺的所述上面和所述側面的CVD預覆層的工序，設定所述 預覆層，使得具有使由所述加熱器的加熱得到的來自所述上面和所述 側面的輻射熱量實質飽和的厚度以上的厚度；
在形成所述預覆層後，將所述基板搬入所述處理容器內，將所述 基板載置在所述載置臺的所述上面上的工序；和
通過向所述處理容器內提供主處理氣體來進行主成膜處理，在所 述載置臺上的所述基板上形成膜的工序。本發明的第四觀點是在第三觀點的方法中，包括
形成所述預覆層的工序，包括通過熱CVD形成TiN膜的成膜步驟; 所述氣體供給部包括配設在所述載置臺的上方的澆淋頭； 所述主成膜處理通過等離子CVD來進行；
在所述熱CVD中，設定所述載置臺的溫度，使得所述澆淋頭的溫 度為與進行所述等離子CVD時的所述澆淋頭的溫度大致相同的溫度。
本發明的第五觀點是半導體處理用的成膜方法，具有 準備成膜裝置的工序，所述成膜裝置具有收容被處理基板的處 理容器、向所述處理容器內提供處理氣體的氣體供給部、排氣所述處 理容器內部的排氣部、配設在所述處理容器內且具有載置所述基板的 上面的載置臺、在所述處理容器內產生等離子的激勵機構；
向所述處理容器內提供第一處理氣體，通過等離子CVD來進行第 一處理的工序，所述第一處理氣體是通過電離主要產生第一極性的離 子的氣體；
在所述第一處理後，進行穩定所述處理容器內的狀態的穩定化處 理的工序，所述穩定化處理設定為，將通過電離主要產生與第一極性 相反的第二極性的離子的穩定化處理氣體，提供給所述處理容器內， 並等離子化；
在所述穩定化處理後，將所述基板搬入所述處理容器內，在所述 載置臺的所述上面載置所述基板的工序；
向所述處理容器內提供主處理氣體，通過等離子CVD來進行主成 膜處理，由此在所述載置臺上的所述基板上形成膜的工序。
如根據所述第一到第三的觀點，既使對多個被處理基板進行成膜 處理，由於載置臺具有熱的穩定性，所以提高了成膜處理的再現性。 為此，可提高在被處理基板上形成的膜的膜厚和電阻率等的特性的面 間均勻性(再現性)。
如根據所述第四觀點，在形成預覆層的工序和主成膜處理中，澆 淋頭幾乎不產生溫度差。為此，提高了在被處理基板上形成的膜的膜 厚和電阻率等的特性的面內均勻性(特別是第一枚被處理基板)和面 間均勻性。
如根據所述第五觀點，能夠阻止載置臺和被處理基板之間發生異常放電。為此，可提高在被處理基板上形成的膜的膜厚和電阻率等的 特性的面內均勻性(特別是第一枚被處理基板)和面間均勻性。


圖1是表示本發明的實施方式的半導體處理用的成膜裝置的構成圖。
圖2A到圖2C是表示形成有預覆層的各個載置臺的一個例子的截 面圖。
圖3A到圖3D是表示用於形成預覆層的各種方法的時序圖。 圖4是表示預覆層的膜厚和電阻加熱器的消耗電力(％)的關係 的圖。
圖5是表示改變預覆層的膜厚時的匹配電路的加載位置和協調位 置的變化的圖。
圖6是表示使用實施方式的處理裝置和己有的處理裝置來處理制 品晶片時的Ti膜的電阻率的變化的曲線圖。
圖7是表示預覆層形成時的溫度和晶片成膜溫度的關係對預覆層 膜厚和面間均勻性的影響的曲線圖。
圖8是表示長時間空載運轉處理裝置後開始成膜時的第一枚製品 晶片的堆積膜的電阻率的曲線圖。
圖9A和圖9B是用於說明在半導體晶片和載置臺之間發生放電的 原因的說明圖。
圖10A和圖10B分別是表示為了穩定化處理的各種方法的時序圖。
圖IIA和圖llB是表示穩定化處理的有無和第一枚製品晶片的Ti 膜的電阻率的關係的圖。
圖12是表示預塗覆工序的具體的處理條件的一個例子的圖。 圖13是表示穩定化處理的具體的處理條件的一個例子的圖。
具體實施例方式
本發明的發明者們在本發明的開發過程中，關於在載置臺上形成 的預覆層進行了研究。結果，得到下述這樣的見解。如果將預覆層的厚度形成為一定厚度(閾值)以上的厚度，來自 載置臺的上面和側面的輻射熱量沒有變化(實質上飽和)。輻射熱量 實質飽和的預覆層的厚度，在通常成膜處理所使用的溫度範圍(例如，
如果是高熔點金屬的氮化膜，是350 75(TC)下，不依賴於載置臺的溫度。
如果將預覆層的厚度設定為所述那樣的閾值以上，既使在晶片的 處理中還堆積副生產物，來自載置臺的上面和側面的輻射熱量實質上 沒有變化。即，既使增加單張處理的晶片的個數，來自載置臺的輻射 熱量的條件也維持為一定(熱穩定性)。為此，能夠對多個晶片將處 理時的熱條件維持為一定，能夠提高在晶片上形成的膜的面間均勻性。 關於細節在後面描述。
下面，參照附圖來說明基於這樣的見解構成的本發明的實施方式。 而且，在下面的說明中，對於具有大致相同的功能和構成的構成要件， 賦予相同的符號，僅在必要的情況下進行重複說明。
(第一實施方式)
圖1是表示本發明的實施方式的半導體處理用的成膜裝置的構成
圖。圖2A到圖2C是表示各個形成預覆層的載置臺的例子的截面圖。 在本實施方式中，以使用等離子CVD和氮化處理或者使用熱CVD來 形成包含TiN的膜的預覆層的情況為例子進行說明。
如圖1所示那樣，處理裝置2具有由例如Al或Al合金材料等成 形為圓筒體狀的處理容器4。在處理容器4的底部6的中央部形成開口 7，開口 7通過向下方側突出的排氣室9氣密地閉鎖。在排氣室9的側 壁上，形成用於排出容器內的氣氛氣的排氣口 8，在排氣口 8上連接配 設了抽真空泵10的排氣系統12。通過排氣系統12，能夠從底部周邊 側均勻地對處理容器4的內部抽真空。
為了載置作為被處理基板的半導體晶片W，在處理容器4內配設 圓板狀的載置臺16。載置臺16支撐在從排氣室9的底部6向處理容器 4內立起的支柱14上。具體地說，載置臺16由例如A1N等陶瓷構成， 在其內部埋入作為加熱部件的電阻加熱器18。電阻加熱器18由通過支 柱14內部的布線20與電源22連接。電阻加熱器18在平面內分割為 多個加熱區域(未圖示)，每個加熱區域分別獨立地控制。另外，在載置臺16上，為了協助相對載置臺16的晶片W的轉移，在銷孔21 內配設能夠升降的升降銷23。升降銷23通過經波紋管25連接到容器 底部6的致動器27升降。
在載置臺16的上面附近，埋入例如網眼狀的下部電極24。下部電 極24通過布線26與匹配電路27和RF電源29連接。通過對下部電極 24施加RF電力，能夠對被處理基板本身施加偏壓。通過鍃孔加工載 置臺16的表面，形成引導被處理基板的凹部。
為了提高載置臺16的熱穩定性，通過預覆層28覆蓋載置臺16的 表面。如圖1和圖2A所示那樣，最理想的是，在載置臺16的上面、 側面和下面的全部面上形成預覆層28。但是，為了成膜時來自載置臺 的輻射熱量不變化，能夠以其他形式來形成預覆層。例如，如圖2B所 示那樣，也可以僅在載置臺16的上面和側面形成預覆層28。另外，如 圖2C所示那樣，也可以僅在載置臺16的上面形成預覆層28。而且， 圖2A到圖2C中，省略了電阻加熱器18和下部電極24等的記載。
在本實施方式中，預覆層28利用該裝置以與對半導體晶片W成 膜的源氣體相同的氣體來成膜，即，預覆層28由包含TiN的膜構成。 設定預覆層28，使得具有使由加熱器18的加熱得到的來自載置臺16 的上面、側面和下面(至少上面和側面)的輻射熱量實質飽和的厚度 以上的厚度T1。換言之，預覆層28的厚度T1設定為，載置臺的溫度 實質大致一定時既使膜厚變化，從載置臺16放出的輻射熱量為大致一 定這樣的範圍的厚度。
例如，預覆層28的厚度T1設定為0.4um以上，優選設定為0.5 y m以上。關於包含該TiN的膜的形成方法和0.5 u m的根據在後面描 述。而且，如果考慮處理的生產率，預覆層28的厚度Tl優選為20u m以下。
另一方面，在處理容器4的頂板，為了導入必要的處理氣體，通 過絕緣部件32氣密地安裝澆淋頭30。澆淋頭30覆蓋載置臺16的上面 大致整個面地相對，在與載置臺16之間形成處理空間S。澆淋頭30 向處理空間S中淋浴狀導入各種氣體。在澆淋頭30的下面的噴射面34 上，形成用於噴射氣體的多個噴射孔36A、 36B。而且，澆淋頭30能 夠形成為在內部混合氣體的前混合型或者在內部分別通過氣體而在處理空間S開始混合的後混合型構造。在本實施方式中，澆淋頭30形成 以下說明的後混合型構造。
澆淋頭30內分離劃分成兩個空間30A、 30B。空間30A、 30B分 別與各個噴射孔36A、 36B連通。在澆淋頭30的上部，形成向澆淋頭 內的各個空間30A、 30B分別導入氣體的氣體導入通路38A、 38B。氣 體導入通路38A、 38B分別連接流動氣體的供給通路40A、 40B。供給 通路40A、 40B分別連接多個分支管42A、 42B。
對一個分支管42B，分別連接儲存作為處理氣體的NH3氣體的NH3 氣體源44、儲存&氣體的H2氣體源46、儲存作為惰性氣體的例如 N2氣體的N2氣體源48。對另外的各分支管42A，分別連接儲存作為 惰性氣體的例如Ar氣體的Ar氣體源50、儲存成膜用的例如TiCU氣 體的TiCU氣體源52、儲存作為清潔氣體的C1F3氣體的C1F3氣體源51。
各個氣體的流量，通過配設在各個分支管42A、 42B上的流量控 制器，例如質量流量控制器54來控制。利用配設在各個分支管42A、 42B上的閥門55的開閉來進行各氣體的導入。在本實施方式中，表示 了在一個供給通路40A、 40B內以混合狀態供給成膜時的各氣體的情 況。取而代之，可向分別不同的通路內供給一部分氣體或者全部氣體， 在澆淋頭30內或者處理空間S中混合，能夠使用所謂的後混合型氣體 搬送構造。在TiCU氣體源52的分支管42A和排氣系統12之間，連接 了配設有開閉閥67的預流動配管69。預流動配管69在即將向處理容 器4內導入TiCU氣體之前，為了進行數秒間流動而使用，使得穩定流
澆淋頭30也具有作為上部電極的功能，通過布線58連接作為等 離子發生用的例如450kHz的高頻(RF)電源56。作為RF電源56的 頻率，可使用例如450kHz 60MHz。在布線58上，順序配設進行阻 抗匹配的匹配電路60和遮斷RF的開關62。而且，該處理裝置2具有 遮斷高頻而不產生等離子從而進行處理的熱CVD裝置的功能。
在處理容器4的側壁上配設在搬入搬出晶片時開閉的門閥門64。 在載置臺16上，配設使用等離子體時的聚焦環、熱CVD時的引導環 等，但這裡省略了圖示。
下面，關於使用以上這樣構成的處理裝置來進行的預覆層28的形成方法，參照圖3A到圖3D來說明。圖3A到圖3D是分別表示用於 形成預覆層的不同方法的時序圖。
首先說明圖3A所示的方法。首先，形成處理容器4內的載置臺 16上不載置任何半導體晶片W的狀態，密閉處理容器4內部。處理容 器4內處於例如成膜處理工序後進行清潔處理而除去全部不需要膜的 狀態，或者維修狀態。因此，處於在載置臺16的表面上沒有任何預覆 層、載置臺16的材料露出的狀態。或者，處於剛開始新的裝置，處理 容器4內未處理的狀態。
如果密閉處理容器4內部，就將Ar氣體和H2氣體分別從澆淋頭 30以規定的流量向處理容器4內導入。與此同時，通過抽真空泵10 抽真空處理容器4內部，維持為規定的壓力。
此時的載置臺16，通過埋入載置臺16中的電阻加熱器20以規定 的溫度加熱維持。與此同時，接通開關62，在澆淋頭(上部電極)30 和載置臺(下部電極)16之間施加RF電壓，在處理空間S內生成Ar 氣體和H2氣體的混合氣體的等離子體。在該狀態，例如流動5 120 秒的TiCU氣體，優選流動30 60秒左右短時間。這樣，進行通過等 離子體CVD以10nm以上的例如20nm左右膜厚在載置臺16的表面上 堆積非常薄的Ti膜的成膜步驟。接著，在生成等離子體的狀態(流動 Ar/H2氣體)，停止TiCU氣體的供給。與此同時，例如流動5 120秒 的NH3氣體，優選僅流動30 60秒左右短時間。這樣，進行氮化處理 所述Ti膜的氮化步驟。通過這樣，完成一個循環的包含TiN的膜的形 成處理。
接著，提供例如H2氣體等惰性氣體，短時間清潔排除處理容器4 內殘留的處理氣體。接著，進行與上述同樣的操作，從第二個循環到 例如第50個循環，重複進行同樣的包含TiN的膜的形成處理，多層地 堆積薄的包含TiN的膜。這樣，象前述那樣，形成整體0.4um以上， 優選0.5 u m以上厚度的包含TiN的膜所構成的預覆層28。包含TiN 的膜可以是僅表面氮化的Ti膜，也可以整體是TiN膜。特別是如果考 慮輻射熱的特性，優選整體是TiN膜。
如果在一個循環中堆積的Ti膜過厚，充分氮化該Ti膜是困難的。 為此， 一個循環的優選的最大膜厚是例如0.05um以下，更優選的是0.03 ym以下。如果每個循環所形成的包含TiN的膜的厚度能儘可能 地大，所述重複的循環數就變少而經濟。無論哪一種都可得到整體0.4 um以上、更優選0.5^m以上厚度的預覆層28。
既使預覆層28的厚度為上述值以上的厚度，來自載置臺16的輻 射熱量沒有變化為大致一定。換言之，通過對晶片的成膜處理，既使 包含TiN的膜附著在載置臺16上，福射熱量也沒有變化。而且，考慮 處理的生產率，預覆層28的厚度為20um以下，優選為2um以下， 更優選為不到1.0 um。
圖3A的預塗覆工序中的處理條件依次如下。TiCU氣體的流量是 2 100sccm，優選為4 30sccm左右。NH3氣體的流量是50 5000sccm，優選是400 3000sccm左右。處理壓力整體是66.6 1333Pa， 優選是133.3 933Pa左右。載置臺溫度整體是400 70(TC，優選是 600 680°C。
這樣，如果預塗覆工序結束，下面對於製品晶片，每一枚進行Ti 膜的成膜處理。
圖12是表示所述預塗覆工序的具體處理條件的一個例子的圖。如 圖12所示，步驟l的"PreFlow"中，Ar氣體、&氣體導入處理容器 4中，通過電阻加熱器18充分加熱載置臺16，維持規定的溫度。另一 方面，TiCl4氣體通過預流線路配管69排氣，穩定TiCU氣體的流量。
此時的條件，例如如下設定。處理溫度維持640。C，處理壓力維持 為66.6 1333Pa，例如666.7Pa或者667Pa。 TiCU氣體的流量為4 50sccm，例如12sccm。Ar氣體的流量是100 3000sccm，例如1600sccm。 H2氣體的流量是1000 5000sccm，例如4000sccm。
在步驟2的"PrePLSM"中，對上部電極的澆淋頭30施加例如 450kHz的RF (RF)，等離子體產生數秒(例如1秒)而穩定。而且， 也可以在步驟2中不產生等離子體，即，實質上能夠省略步驟2。在步 驟3的"Depo"中，在處理容器4內流動TiCU氣體，形成Ti膜。此 時的成膜時間是30sec。
在步驟4的"AFTDepo"中，停止RF，排出原料氣體導入配管內 的原料氣體。在步驟5的"GasChang"中，將H2氣體的流量從4000sccm 減少到2000sccm，置換排氣處理容器4內的處理氣體。在步驟6的"PreNH3"中，將生成等離子體前開始流動NH3氣體的該流量設定為 500 3000sccm，例如1500sccm，導入處理容器4內，穩定。
在步驟7的"Nitride"中，對上部電極的澆淋頭30施加450kHz 的RF，首先氮化成膜的Ti膜。而且，此時，向處理容器4內流入Ar 氣體、H2氣體。該氮化處理時間是5 120sec，例如30sec。接著，在 步驟8的"RFStop"中，停止RF的施加，停止氮化處理。
將該一系列的操作的預塗覆工序作為一個循環，以後，重複多次， 例如50次同樣的一系列操作，形成疊層的預塗覆層。接著，將製品晶 片搬入處理容器4內，通過等離子體CVD在晶片上進行形成Ti膜的 形成工序。
在所述成膜方法中，關於使用等離子體來進行作為Ti膜的氮化處 理的等離子體氮化處理的情況來說明。但是，也可以代替該等離子體 氮化處理，不使用等離子體而利用熱進行氮化處理。該基於熱的氮化 處理，在基於等離子體CVD的Ti膜的成膜後，關閉開關62，停止RF 電壓的施加。與此同時，停止TiCU氣體，維持Ar氣體和H2氣體的供 給，供給包含N (氮)的氣體，例如NHb氣體，進行氮化處理。可代 替地，以各規定的流量供給NH3氣體、H2氣體，能夠進行不使用等離 子體而基於熱的氮化處理。也可以在包含氮的氣體中，添加例如MMH (一甲基肼monomethyl hydrazine)，也可以僅是MMH。
進行基於熱的氮化處理的處理條件如下，各氣體的流量，例如， 優選NH3氣體5 5000sccm， H2氣體50 5000sccm， Ar氣體50 2000sccm， N2氣體50 2000sccm， MMH氣體1 1000sccm左右。壓 力和載置臺溫度分別與等離子體CVD的成膜步驟相同。此時的預覆膜 的厚度，優選大約0.4 2um的範圍，更優選大約0.5 0.9um。
下面，說明圖3B所示的方法。該方法是通過不使用等離子體的熱 CVD直接形成TiN膜作為預覆膜的方法。即，在不向處理容器4內搬 入晶片的狀態，清潔處理容器4內附著的不需要的附著物之後，不使 用等離子體，通過熱CVD直接形成TiN膜。此時的成膜氣體使用TiCl4 氣體和NEb氣體和N2氣體。基於該熱CVD的TiN膜的形成，由於加 速反應速度可提高成膜率，在短時間進行預塗覆工序。而且由於步進 覆層也良好(為了加速)，所以不僅載置臺16的上面，而且側面和裡面也能夠充分地施加TiN膜。
在基於該熱CVD的TiN膜的預覆膜的形成中，能夠不象圖3A所 示那樣重複進行， 一次在短時間可形成0.5Pm厚度的預覆層28。這種 情況下，預覆層28的膜厚優選是來自載置臺16的輻射熱量不變化的 0.4 2um。另外考慮處理的生產率，預覆層28的厚度是20um以下， 優選是不到1.0iim，例如，為0.5 0.9"m。
在圖3A所示的方法中，預塗覆工序是64分鐘左右，與此相對， 在圖3B所示的方法中，預塗覆工序能夠縮短為34分鐘左右。圖3B 的預塗覆工序中處理條件如下，各氣體的流量，例如，TiCU氣體為5 100sccm， NH3氣體為50 5000sccm， N 氣體是50 5000sccm左右。 另外，壓力和載置臺16的溫度和預覆膜厚度，與參照圖3A說明的情 況分別相同。
圖3B所示的方法，能夠如圖3C所示那樣改變，在圖3C所示的 方法中，首先，象圖3B所說明的那樣通過熱CVD直接形成TiN膜。 接著，僅短時間進行使用等離子體的氮化處理或者不使用等離子體的 基於熱的氮化處理(參照圖3A)。通過這樣，預覆層28的表面的穩 定性更有效。該處理條件和預覆膜厚度是與前述相同的條件。
圖3B所示的方法能夠如圖3D所示那樣進行改變。在圖3D所示 的方法中，首先，如圖3B說明的那樣通過熱CVD直接形成TiN膜。 接著，至少只在一個循環中進行圖3A所示的等離子體CVD的Ti膜的 成膜步驟，和氮化處理該Ti膜氮化為包含TiN的膜的步驟。通過這樣， 預覆層28的表面穩定性更有效。
此外，圖3B、圖3C和圖3D所示的各方法能夠如下面這樣改變。 (1)在圖3B的方法中，將通過熱CVD形成TiN膜時的一次的步驟 設為短時間，通過這樣，減少一次循環的膜厚，設定為例如5 50nm， 優選設定為20 30nm，重複成膜TiN。 (2)在圖3C的方法中，多個 循環重複進行短時間的TiN膜的成膜步驟和氮化步驟，得到規定厚度 的預覆層28。 (3)在圖3D的方法中，多個循環重複進行短時間的TiN 膜的成膜步驟、基於等離子體CVD的Ti膜的成膜步驟、和氮化步驟， 得到規定厚度的預覆層28。這些情況下，優選，預覆層28的厚度例如 是0.4 2u m。接著，說明載置臺16表面的預覆層28的厚度和在半導體晶片的
表面堆積的TiN膜的厚度的再現性的關係。如上述那樣，設定預覆層 28，使得具有使由加熱器18的加熱得到的來自載置臺16的上面、側 面和下面的輻射熱量實質飽和的厚度以上的厚度。換言之，將預覆層 28的厚度設定為，在載置臺的溫度實質大致一定時既使其膜厚變化， 從載置臺16放出的輻射熱量為大致一定這樣範圍的厚度。
如果按照現有技術，不向處理容器內搬入晶片， 一次在載置臺的 表面上形成希望膜厚的Ti膜並氮化形成預覆膜。接著，搬入晶片，在 半導體晶片的表面上通過等離子體CVD形成Ti膜，還通過氮化它來 形成TiN膜。此時，在處理開始的當初隨著晶片處理的枚數增加，澆 淋頭30的溫度也上升，當達到某重程度的枚數，溫度為大致一定。
通過在處理空間S中發生的等離子體，因產生的熱量和從載置臺 16放出的輻射熱量的變化導致澆淋頭30的溫度有大的變化。如果澆淋 頭30的溫度變化，在該附近消耗的TiCU氣體的前驅體(TiCk: X=l 3)的量變化。結果，晶片上的Ti膜的膜厚和電阻率的均勻性和再現 性惡化。因此，將從載置臺16放出的輻射熱量設為一定對用於提高Ti 膜的成膜處理的再現性是必要的。
圖4是表示預覆層的膜厚和電阻加熱器的消耗電力(％)的關係 的曲線圖。該數據表示，對載置臺16施加各種膜厚的預覆層，將載置 臺16的溫度維持為精度好的一定溫度65(TC時的電阻加熱器18中的消 耗電力。在圖4所示的例子中，電阻加熱器分為第一區域和第二區域， 另外，消耗電力由相對滿功率的百分比表示。
如圖4所示那樣，在預覆層的膜厚薄的範圍，相對膜厚的變化， 電阻加熱器18的消耗電力也有大的改變。這意味著，由於將載置臺16 的溫度維持為一定的65(TC，所以從載置臺16放出的輻射熱量有大的 改變。如果預覆膜的膜厚達到0.5um，消耗電力大致穩定，達到一定 的變動範圍內。即，在預覆膜的膜厚為0.5um以上，從載置臺16放 出的輻射熱量為大致一定(實質上飽和)。
另外為了補充，為了調査上述那樣改變預覆層的膜厚時的處理容 器4內的等離子體的匹配，也研究匹配電路的匹配。圖5是表示改變 預覆層的膜厚時的匹配電路60的負載位置和協調位置的變化的曲線圖。這裡，負載位置是可變電感的匹配位置，協調位置是可變電容的 匹配位置。而且，在匹配電路60中，施加規定電力的RF電力時，自 動地調整阻抗使得反射波為零，此時負載位置和協調位置變動。
如圖5所示那樣，在預覆層的膜厚不到0.5的薄的區域，匹配的變 化變大，處理容器4內的等離子體匹配有大的改變。如果膜厚為大致 0.5um以上的厚度，等離子體匹配的改變非常小，可穩定。
基於以上這樣的結果，使用本實施方式的處理裝置(方法)和已 有的處理裝置(方法)，對50個製品晶片進行實際形成Ti膜的試驗。 圖6是表示使用本實施方式的處理裝置和現有的處理裝置來處理製品 晶片時的Ti膜的電阻率的變化的曲線圖。
在圖6中，曲線A表示採用施加了0.36um厚度的預覆層(圖3A 中進行18個循環)的載置臺的現有的處理裝置。曲線B表示採用利用 等離子體CVD而施加了 0.5 y m厚度的預覆層(在圖3A中進行50個 循環)的載置臺的本實施方式的第一實施例的處理裝置。曲線C表示 使用利用熱CVD而施加了0.5um厚度的預覆層(圖3C)的載置臺的 本實施方式的第二實施例的處理裝置。
如圖6所示那樣，各曲線A C都隨著製品晶片的處理個數的增 加，電阻率也稍微上升。這種情況下，表示現有的處理裝置的曲線A 的變化大，晶片間的電阻率值的均勻性是3.1%，不怎麼好。與此相對， 表示第一實施例的曲線B的變化小，晶片間的電阻率值的均勻性下降 到2.3%，顯示了好的結果。另外，表示第二實施例的曲線C的變化更 小，晶片間的電阻率值的均勻性大幅度下降到1.5%，表示了特別好的 結果。
這樣，與使用等離子體CVD的曲線B相比，使用熱CVD的曲線 C的特性好的理由如下。即，由熱CVD進行的成膜處理其步進覆層好， 直到載置臺16的背面，充分地付著預覆層28 (參照圖2A)。為此， 在制品晶片的處理時來自載置臺16的輻射熱量的放出小，其變化更小。
如圖3B和圖3C所示那樣，在通過沒有等離子體的熱CVD來成 膜由TiN膜構成的預覆層28的情況下，具有產生所謂的跳動的情況。 作為跳動現象是這樣的現象，在對第一個製品晶片使用等離子體CVD 來成膜Ti膜的情況下，最初的晶片的電阻率異常高的現象。發生該跳動現象的理由如下。即，既使將載置臺16的溫度精度高地維持為例如
650°C，在進行等離子體CVD處理的情況下，澆淋頭30接收來自等離 子體的能量。為此，澆淋頭30的表面的溫度與進行熱CVD處理的情 況相比高一定程度的溫度，例如處理溫度高l(TC左右。為此，該溫度 差導致所述那樣的第一枚製品晶片發生跳動現象。
為了抑制跳動現象的發生，在通過熱CVD來成膜由TiN膜構成的 預覆層28時，控制使得上述的澆淋頭30表面的溫度差不到l(TC。為 此，稍微提高載置臺16的溫度，例如上述情況下較高地設定為2(TC左 右。通過這樣，澆淋頭30的表面的溫度與通過等離子體CVD來進行 Ti膜的成膜處理時大致相同。結果，能夠抑制在所述第一枚製品晶片 發生跳動現象。
圖7是表示預覆層形成時的溫度和晶片的成膜溫度的關係對預覆 膜厚度和面間均勻性的影響的曲線圖。在圖7中，曲線X表示了將預 覆層形成時的溫度和晶片成膜溫度設定為相同的情況。曲線Y表示將 預覆層形成時的溫度設定得比晶片成膜溫度還高(例如10 3(TC，優 選是15 25'C)的情況。如曲線Y所示那樣，預覆層形成時的溫度比 晶片成膜時的溫度雖然僅高例如20'C左右，但這能夠提高膜厚和電阻 率值等的面內均勻性，即能夠提高再現性。
通常，處理裝置不經常連續運轉，在沒有應該處理的半導體晶片 時，具有在於載置臺16上附著有預覆層的狀態持續數小時 數日的長 時間不運轉的時間。此時，裝置進行所謂的空載運轉，由此能夠在需 要時短時間地開始成膜處理。典型的，在空載運轉中，不切斷裝置本 身的電源，載置臺16的溫度變高，且向處理容器4內連續微小量地流 動惰性氣體，例如Ar氣體、N2氣體。另外，在裝置的維修後也發生同 樣的狀態。
本發明者們發現，在從空載運轉開始成膜處理時，具有最初的第 一枚 第五枚左右的製品晶片的堆積膜的電阻率變大的情況。該電阻 率，與之後的製品晶片的堆積膜的電阻率相比，大大超過了容許值。
為了消除該問題，在持續短時間或者長時間空載運轉後再次開始 成膜處理時，進行下面這樣的穩定處理。即，在即將搬入製品晶片之 前，如圖3A所示那樣，至少進行一次由通過等離子體CVD形成Ti膜的成膜步驟、氮化該Ti膜氮化為包含TiN的膜的步驟所構成的一個
循環。代替它，也可以短時間地至少進行一次圖3B 圖3D所示的預 塗覆工序的熱CVD的TiN膜的成膜步驟。在任何情況下，該穩定化處 理是短時間的5秒鐘 180秒鐘，優選是30秒鐘 60秒鐘左右。
如果這樣，在通過空載運轉表面被氧化的預覆層的表面上，由所 述操作附著新的薄的包含TiN的膜。通過這樣，穩定預覆層的表面， 來自載置臺16的輻射熱量為大致一定。結果，從空載運轉到剛開始成 膜處理之後的數個晶片，可抑制該堆積膜的電阻率過大的現象的發生， 能夠提高面內和面間均勻性。
圖8是表示處理裝置經過長時間空載運轉後成膜開始時第一個制 品晶片的堆積膜的電阻率的曲線圖。在圖8中，前半部分表示現有裝 置的實驗結果，後半部分表示本實施方式的裝置(實施一個循環的預 塗覆)的實驗結果。在圖8所示的例子中，在適當的時期進行清潔操 作。各個曲線之前進行長時間的例如數小時的空載運轉。
如圖8所示那樣，在現有裝置的情況下，在點X1 X3，電阻率超 過容許範圍，為較大的值。另一方面，在本實施方式的裝置的情況下， 全部在電阻率的容許範圍內。即，在處理容器內的載置臺上形成預覆 層，在成膜前進行短時間的穩定化處理，由此能夠穩定地再現性好地 進行成膜處理。而且，該穩定處理不管空載運轉的長短，優選在制品 晶片的處理前來進行。 (第二實施方式)
在所述例子中，在剛進行清潔處理處理容器4內後，或者空載運 轉處理裝置2後，在將要開始流動製品晶片之前，進行預塗覆工序， 穩定處理容器4內的狀態。這種情況下，發現，作為預塗覆工序，特 別是如進行使用等離子體而基於等離子體CVD的Ti的成膜處理和使 用等離子體的氮化處理(特別是圖3A和圖3D的情況)，發生問題。 即，具有這種情況，僅在其次流動的最初第一枚製品晶片看見放電跡 而使部分膜質惡化。
發生該放電的機制如下面這樣推測。圖9A和圖9B是用於說明在 半導體晶片和載置臺之間發生放電的原因的說明圖。即，如圖9A所示， 在使用TiCU氣體和H2氣體通過等離子體CVD在載置臺16上形成Ti膜時，TiCU氣體由等離子體分解，發生C1負離子。由於該負離子，載
置臺16的表面帶負電荷。此時，雖然也發生H正離子，但C1負離子
佔支配地位。
接著，如圖9B所示那樣，進行基於NH3等離子體的氮化處理，在 該氮化處理中，NH3氣體分解主要產生H正離子。通過該正離子，載 置臺16的表面得到一定程度的電中和，但載置臺16的表面仍然帶負 電。
在這樣的狀況下，如果將製品晶片載置在載置臺16的表面上，並 且通過等離子體CVD在晶片表面形成Ti膜，這次晶片本身就帶電。 結果，在晶片W和以負的大電荷而帶電的載置臺16之間，特別是電 荷集中的周緣部發生放電，在該周緣部的膜質惡化。
艮口，越使用生成負離子的處理氣體的處理，載置臺16的帶電量越 大。這種情況下，之後處理的晶片和載置臺之間的電勢差變大，發生 放電。此外，容易發生負離子的氣體，是滷素化合物，例如TiCU氣體 這樣的滷化金屬、CF系列氣體。這樣的放電僅對第一個處理晶片發生， 對於以後連續處理的製品晶片，不發生放電。
由該觀點，在本實施方式中，向處理容器4內提供通過電離主要 產生第一極性離子的氣體，通過等離子體CVD進行第一處理的工序後， 進行穩定化處理容器4內的狀態的穩定化處理。穩定化處理設定為使 得向處理容器4內提供通過電離主要產生與第一極性相反的第二極性 的離子的穩定化處理氣體，進行等離子體化。通過穩定化處理，因第 一處理帶電的載置臺16的表面電中和。
上述第一處理的一個例子，如上述那樣，是通過成膜氣體形成覆 蓋載置臺16的上面的CVD預覆層的處理。該第一處理的其它例子是 通過成膜氣體在載置臺16上的前面基板上形成CVD膜的處理。在後 者的情況下，通常假定第一處理和穩定化處理之間裝置是空載運轉。
換言之，處理裝置的空載運轉後處理製品晶片時，或進行預塗覆 工序後處理製品晶片時，在即將開始該製品晶片的處理之前，進行穩 定化載置臺16的表面的穩定化處理。通過這樣，抑制了例如載置臺16 的表面的帶電量而進行了穩定化，同時，載置臺16的表面的材料也穩 定化。該穩定化處理通過例如將從對製品晶片進行成膜處理時使用的處 理氣體中除去了含有金屬材料氣體的其他處理氣體，提供給處理容器4 內，並生成等離子體來進行的。具體地說，在本實施方式的情況下， 提供除作為金屬材料氣體的TiCl4氣體之外的其它處理氣體，即NH3
氣體和Eb氣體和Ar氣體，並生成等離子體。由此，氮化或者改質載 置臺16的表面的薄膜，同時，抑制載置臺16的表面的電荷(帶電量)。 這裡，也可以利用N2、 NH3、 MMH中的至少一種氣體和Ar氣體的混 合氣體來進行等離子體處理。而且，該處理對其它包含金屬材料的氣 體，例如Til4氣體、TaCls氣體也是有效的。
圖IOA和圖10B是分別表示用於進行穩定化處理的不同方法的時 序圖。在圖IOA所示的方法中，在清潔處理後的預塗覆工序和第一個 製品晶片的處理之間，以及在空載運轉I之後的即將開始第一個製品晶 片的處理之前，分別進行穩定化處理。在圖IOB所示的方法中，在空 載運轉I之後開始製品晶片的處理時再次進行預塗覆工序，在該預塗覆 工序和第一個製品晶片的處理之間進行穩定化處理。
而且，裝置的空載運轉能夠設定為，例如使得在對2個被處理基 板的主成膜處理間的空閒時間為60秒鐘以上的情況，自動地開始。典 型的，在空載運轉中，不切斷裝置本身的電源，提高載置臺16的溫度， 且向處理容器4內極少量地連續流非活性氣體、例如Ar氣體、N2氣體。
圖13是表示所述穩定化處理的具體的處理條件的一個例子的圖。 通過進行這樣的穩定化處理，能夠抑制此之後的第一製品晶片和載置 臺16之間發生異常放電。
圖13的各個步驟是從圖12中除去由等離子體CVD進行的Ti膜 的成膜步驟和與此關聯的步驟的步驟。如圖13所示那樣，處理溫度恆 定地維持在640°C ，另外處理壓力也恆定地維持在667Pa。
首先，載置臺16達到大致規定的處理溫度。在步驟1的"PreFlow"， 向處理容器4內流入Ar氣體和H2氣體，穩定化各氣體的流量。此時 各氣體的氣體流量為，Ar氣體是500 3000sccm，例如1600sccm， H2 氣體是1000 5000sccm，例如是4000sccm。在步驟2的"GasChang"， 在接下來的步驟中，作為用於提供NH3氣體的準備，將H2氣體的流量 從4000sccm減少到2000sccm。在步驟3的"PreNH3"中，開始流動NHg氣體，穩定該氣體流量。該NH3氣體流量是500 3000sccm，例 如是1500sccm。
在步驟4的"Nitride"，維持所述第三步驟的氣體流量。而且，對 上部電極的澆淋頭30施加RF (高頻)，在處理容器4內生成等離子 體，氮化或者改質付著在載置臺16的表面上的膜，進行穩定化。該情 況與圖3A 圖3D的預塗覆工序不同，不進行基於等離子體CVD的 Ti膜的成膜處理。為此，載置臺的表面不帶電負電荷。此時的處理時 間是5 120sec，例如40sec。接著，在步驟5的"RFStop"停止RF 的施加。
在將所述步驟1 步驟5作為1個循環的情況下，也可以重複多次 該循環，也可以僅進行一個循環。在剛穩定化處理後進行通常的製品 晶片的成膜處理。而且，也可以省略步驟l，將步驟2作為預處理，從 此開始。
由於載置臺16的表面基本不帶電，所以對第一個製品晶片既使通 過等離子體處理堆積Ti膜也不產生問題。即，由於載置臺16和晶片 的電勢差不是那麼過大，所以能夠防止在兩者間發生放電。而且，該 穩定化處理與空載運轉的長短沒有關係，優選在制品晶片處理前進行。
圖11A和圖11B是表示有無穩定化處理與第一枚製品晶片的Ti 膜的電阻率的關係的圖。圖IIA表示不進行穩定化處理時的電阻率的 分布。圖IIB表示進行穩定化處理時的電阻率的分布。
在圖IIA中，箭頭所示的晶片的周邊部表示成黑色的部分是電阻 率(Rs)的特異點(特性大幅惡化)出現的部分。此時，電阻率的最 大值和最小值的差是9.97，面內均勻性是4.62%。
與此相對，圖11B的情況下，不發生所述那樣的電阻率的特異點， 表示了電阻率良好的分布。此時，電阻率的最大值和最小值的差是 3.78，面內均勻性是2.36%。 g卩，與圖11A的結果相比，圖11B的結 果大幅度地改善了面內均勻性。
上述穩定化處理能夠加到圖3A 圖3D的全部的成膜方法中。另 外，不僅在對製品晶片通過等離子體CVD來成膜金屬膜的情況下，而 且在通過等離子體CVD來成膜金屬含有膜的情況下，或者是通過熱 CVD來成膜金屬膜和金屬含有膜的情況下也可以來進行所述穩定化處理。
而且，在第一和第二實施方式中說明的氣體流量和壓力和溫度等 處理條件，只不過表示了單單一個例子。同樣的，處理裝置的構造也
不過是表示了一個例子。例如，等離子體用RF電源56的頻率也可以 使用不是450kHz的其它頻率。作為等離子體發生部件，也可以使用微波。
在第一和第二實施方式中，以成膜Ti膜的情況為例子進行了說明。 此外，本發明也能夠適用於成膜鎢(W)等金屬膜、或者矽化鎢(WSix) 或者氧化鉭(TaOx: Ta205) 、 TiN等金屬含有膜的情況。另外，本發 明也能夠適用於形成TiN膜、HfOj莫、Ru02膜、Al203膜等的情況。
半導體晶片的尺寸，可以是6英寸(150mm) 、 8英寸(200mm)、 12英寸(300mm)、和12英寸以上(14英寸等)中的任何一種。作 為被處理基板，不限於半導體晶片，也可以是玻璃基板、LCD基板等。 載置臺的加熱部件不限於電阻加熱器，也可以是加熱燈。
產業上的可利用性
根據本發明，能夠提供一種半導體處理用的載置臺裝置、成膜裝 置、和成膜方法，其能夠至少提高在被處理基板上所形成的膜的面間 均勻性。
權利要求
1.一種半導體處理用的成膜方法，其特徵在於，具有準備成膜裝置的工序，所述成膜裝置具有收容被處理基板的處理容器、向所述處理容器內提供處理氣體的氣體供給部、排氣所述處理容器內部的排氣部、配設在所述處理容器內且具有載置所述基板的上面的載置臺、和在所述處理容器內產生等離子體的激勵機構；向所述處理容器內提供第一處理氣體，通過等離子體CVD來進行第一處理的工序，所述第一處理氣體是通過電離主要產生第一極性的離子的氣體；在所述第一處理後，進行穩定化所述處理容器內的狀態的穩定化處理的工序，所述穩定化處理設定為，將通過電離主要產生與第一極性相反的第二極性的離子的穩定化處理氣體，提供給所述處理容器內部，來進行等離子體化；在所述穩定化處理後，將所述基板搬入所述處理容器內，在所述載置臺的所述上面上載置所述基板的工序；和向所述處理容器內提供主處理氣體，通過等離子體CVD來進行主成膜處理，由此在所述載置臺上的所述基板上形成膜的工序。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於， 所述第一處理是形成覆蓋所述載置臺的所述上面的CVD預覆層的處理。
3. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於， 所述第一處理是在所述載置臺上的先行基板上形成CVD膜的處理。
全文摘要
本發明提供一種半導體處理用的成膜方法，其具有準備成膜裝置的工序，該成膜裝置具有處理容器、氣體供給部、排氣部、載置臺、和激勵機構；向處理容器內提供第一處理氣體，通過等離子體CVD進行第一處理的工序，第一處理氣體是通過電離主要產生第一極性的離子的氣體；在第一處理後，進行穩定化處理容器內的狀態的穩定化處理的工序，穩定化處理設定為，將通過電離主要產生與第一極性相反的第二極性的離子的穩定化處理氣體，提供給處理容器內部，進行等離子體化；在穩定化處理後，將基板搬入處理容器內，在載置臺的上面上載置基板的工序；和向處理容器內提供主處理氣體，通過等離子體CVD進行主成膜處理，由此在載置臺上的基板上形成膜的工序。
文檔編號C23C16/44GK101298667SQ20081010999
公開日2008年11月5日 申請日期2003年12月26日 優先權日2003年1月31日
發明者岡部真也, 多田國弘, 村上誠志, 森嶋雅人, 若林哲 申請人:東京毅力科創株式會社