成膜方法

专利名称：成膜方法
技术领域：
本发明涉及在半导体晶片等被处理基板上形成薄膜用的半导体处
理用的成膜装置和方法。在此，所谓半导体处理是指为了通过在晶
片或LCD (液晶显示器，Liquid Crystal Display)或FPD (平板显示器， Flat Panel Display)用的玻璃基板等被处理基板上以规定的图案形成半 导体层、绝缘层、导电层等制造在该被处理基板上含有半导体器件或 与半导体器件相连接的布线、电极等的结构体所实施的各种处理。
背景技术：
在制造构成半导体集成电路的半导体器件时，在被处理基板，例 如半导体晶片上，实施了成膜、氧化、扩散、改质、退火、蚀刻等各 种处理。特开2004 — 6801号公报中，公开了在立式(所谓间歇式)热 处理装置中进行这些半导体处理的方法。在此方法中，首先将半导体 晶片从晶片盒转移到立式晶片支架上，并以多级的形成被支持。在晶 片盒中，例入可容纳25片晶片，而在晶片支架上能够装载30 150片 晶片。接着，将晶片支架从处理容器的下方转入其内部，同时将处理 容器进行气密性闭锁。然后，在控制处理气体的流量、处理压力、处 理温度等各种处理条件的状态下，进行规定的热处理。
近年来，伴随着对半导体集成电路更加高度集成化和高度微细化 的要求，希望在半导体器件的制造工序中减轻其热滞后，提高器件的 特性。在立式处理装置中，希望根据某些要求改进半导体处理的方法。 例如在一种成膜处理的CVD (Chemical Vapor Deposition化学气相淀 积)法当中，有一种一边间歇地供给原料气体等， 一边进行原子或分 子水平厚度层的一层或多层反复成膜的方法(例如，特开平6—45256 号公报、特开平11-87341号公报)。这样的成膜方法一般称为ALD
(Atomic layer Deposition原子层淀积)法，由此，即使不将晶片暴露 在如此高温下，也可以进行目的处理。
图13是在使用作为硅垸系气体的二氯硅垸(DCS)和作为氮化气 体的NH3形成氮化硅膜(SiN)的情况下，在以往的成膜方法中，表示 供给气体和施加RF形态的定时图。如图13中所示，在处理容器内， 中间夹着清洗期，间歇交互供给DCS和NH3气体。在供给NH3气体时 施加RF (高频)，促进在处理容器内生成等离子体的氮化反应。艮P， 首先向处理容器内供给DCS,由此，以分子水平在晶片表面上吸附一 层或数层DCS。其余的DCS在清洗期间被排放。然后，通过供给NH3 生成等离子体，通过在低温下氮化形成氮化硅膜。反复进行一连串这 样的工序，就完成了规定厚度的膜。
在上述的成膜方法中，不仅得到比较好的阶梯状覆盖，而且与进 行高温CVD的成膜方法相比，由于实施了低温化，能够减少膜中的 Si-H键，提升膜质的特性。但是，在以往的此种成膜方法中，尽管由 等离子体促进了反应进行，但成膜速度还是相当低，生产率也低。

发明内容
本发明的目的是提供一种成膜方法和成膜装置，在能够维持膜高 质量的同时，能够大幅度地提高成膜速度。
本发明的第一方面是一种半导体处理用的成膜方法，该成膜方法 是在容纳被处理基板的处理区域内供给成膜用的第一处理气体和与上 述第一处理气体反应的第二处理气体，通过CVD在上述被处理基板上
形成薄膜的方法，其特征在于，包括以下交叉工序
向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第一工序、 停止向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第二工序、 向上述处理区域供给上述第二处理气体的同时，停止向上述处理 区域供给上述第一处理气体的第三工序、
停止向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第四工序。 本发明的第二方面是一种半导体处理用的成膜方法，该成膜方法 是向容纳被处理基板的处理区域内供给成膜用的第一处理气体、与上 述第一处理气体反应的第二处理气体以及与第一和第二处理气体中的
任何一种都不同的第三处理气体，通过CVD在上述被处理基板上形成 薄膜的方法，其特征在于，包括以下交叉工序
在向上述处理区域供给上述第一和第三处理气体的同时，停止向 上述处理区域供给上述第二处理气体的第一工序，上述第一工序具有 通过激发机构，使上述第三处理体以激发状态供给到上述处理区域的 期间、
停止向上述处理区域供给上述第一至第三处理气体的第二工序、 在向上述处理区域供给上述第二处理气体的同时，停止向上述处
理区域供给上述第一和第三处理气体的第三工序、
停止向上述处理区域供给第一至第三处理气体的第四工序。 本发明的第三方面是一种半导体处理用的成膜装置，其特征在于，
包括
具有容纳被处理基板的处理区域的处理容器、 在上述处理区域内支持上述被处理基板的支持部件、 加热上述处理区域内的上述被处理基板的加热器、 排放上述处理区域内气体的排气系统、
向上述处理区域供给成膜用第一处理气体的第一处理气体供给系
统、
向上述处理区域供给与上述第一处理气体反应的第二处理气体的 第二处理气体供给系统、
选择性地对向上述处理区域供给的上述第二处理气体进行激发的 激发机构、
控制上述装置动作的控制部分。
本发明的第四方面是包括含有在处理器中运行的程序指令的可用 计算机读取的介质，其特征在于，
在向容纳被处理基板的处理区域内供给成膜用的第一处理气体和 与上述第一处理气体反应的第二处理气体，通过CVD在上述被处理基 板上形成薄膜的半导体处理用的成膜装置中，上述程序指令在被处理 器运行时，交互地实施如下的工序，
向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第一工序、
停止向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第二工序、
在向上述处理区域供给上述第二处理气体的同时，停止向上述处 理区域供给上述第一处理气体的第三工序、
停止向上述处理区域供给上述第一和第二处理气体的第四工序。
本发明的第五方面是包含用来在处理器上运行的程序指令的计算 机可读取的介质，其特征在于，
在向容纳被处理基板的处理区域内供给成膜用的第一处理气体、 与上述第一处理气体反应的第二处理气体和与第一和第二处理气体中 的任何一种都不同第三处理气体，通过CVD在上述被处理基板上形成 薄膜的半导体处理用的成膜装置中，上述程序指令在被处理器运行时， 交互地实施如下的工序，
在向上述处理区域供给上述第一和第三处理气体的同时，停止向 上述处理区域供给上述第二处理气体的第一工序，上述第一工序具有 通过激发机构，使上述第三处理气体以激发状态供给到上述处理区域 的期间、
停止向上述处理区域供给上述第一至第三处理气体的第二工序、 在向上述处理区域供给上述第二处理气体的同时，停止向上述处 理区域供给第一和第三处理气体的第三工序、
停止向上述处理区域供给上述第一至第三处理气体的第四工序。 在第一至第五方面中，上述第一处理气体包括硅烷系气体，上述 第二处理气体包括氮化气体或氮氧化气体，上述第三处理气体包括选 自氮气、稀有气体、氧化氮气体的气体。例如，上述第一处理气体包
括从二氯硅烷(DCS)、六氯二硅烷(HCD)、单硅烷(SiH4)、 二硅垸 (Si2H6)、六甲基二硅氨烷(HMDS)、四氯硅烷(TCS)、 二硅烷基胺 (DSA)、三硅烷基胺(TSA)、双叔丁基氨基硅烷(BTBAS)中选择 的一种以上的气体。上述第二处理气体包括，例如，选自氨[NH3]、氮 气[N2]、 一氧化二氮[N20]、 一氧化氮[NO]—种以上的气体。
本发明的其他目的和优点将在下面的叙述中予以陈述，而且将由 此叙述或者通过实施本发明详细了解其中的一部分。本发明的目的和 优点可借助于在后面特别指出的方式及其组合来实施和获得。


并入本发明并构成本说明书一部分的附图，说明本发明的优选实 施例，并与在上面给出的一般叙述和下面给出的优选实施例的详细叙 述一起，用来说明本发明的原理。
图1是表示本发明第一实施方式的成膜装置(立式CVD装置)的 剖面图。
图2是表示在图1中所示装置一部分的横断面平面图。 图3是在第一实施方式的成膜方法中，表示气体供给和施加RF状 态的定时图。
图4是表示由第一实施方式的实验1得到的氮化硅膜的膜厚数据 的图。
图5是表示由实验1得到的氮化硅膜成膜速度的图。 图6是表示由实验1得到的氮化硅膜膜厚的面内均匀性的图。 图7是表示由实验1得到的氮化硅膜的红外线衍射结果示意图。 图8是在第一实施方式变化实施例的成膜方法中，表示气体供给
和施加RF形态的定时图。
图9是表示本发明的第二实施方式的成膜装置(立式CVD装置)
的剖面图。
图10是在第二实施方式的成膜方法中，表示气体供给和施加RF 形态的定时图。
图11A是表示由第二实施方式的实验3得到的氮化硅膜成膜速度 的图。
图11B是表示由实验3得到的氮化硅膜成膜速度的改善率的图。
图12是表示主控制部分结构大致情况的框图。
图13是表示在以往的成膜方法中气体供给和施加RF形态的定时图。
具体实施例方式
下面参照

本发明的实施方式。在下面的说明中，对于具 有大致同样功能和结构的结构要素使用同一个符号，只在必要的情况 下进行重复说明。
<第一实施方式>
图1是表示本发明的第一实施方式的成膜装置(立式CVD装置)
的剖面图。图2是表示在图1中所示装置一部分的横断面平面图。此 成膜装置2以供给含有作为硅烷系气体的二氯硅烷(DCS)的原料气 体(第一处理气体)和含有作为氮化气体的氨气(NH3)的支援气体(第 二处理气体)，堆积成氮化硅膜(SiN)的方式构成。
成膜装置2具有一个圆筒状的处理容器4，在其内部规定了用来容 纳以一定间隔重叠的多片半导体晶片(被处理基板)进行处理的处理 区域5，此处理容器4在下端具有开口而上面有顶。整个处理容器4 是由例如石英制造的。在处理容器4内的顶部，配置有石英制造的顶 板6封住顶部。在处理容器4下端的开口处，通过O形圈等密封部件 10连接成形为圆筒状的多支管8。
多支管8是由，例如不锈钢制造的，支持在处理容器4的下端。 通过多支管8的下端开口处，升降石英制造的晶片支架12，由此将晶 片支架12装入/取出处理容器4。在晶片支架12上分成多级装有作为 被处理基板的多片半导体晶片W。例如，在本实施方式中，在晶片支 架12的支柱12A上能够以大致相等的间距以多级的形式支持，例如 50 100片左右的直径300mm的晶片W。
晶片支架12通过石英制造的保温筒14被放置在工作台16上。工 作台16被支持在转轴20上，转轴贯穿开闭多支管8的下端的，例如 不锈钢制造的盖子18。
在转轴20的贯穿部分设置有，例如磁性流体密封件22，支持转轴 20在保持气密性的同时还能够旋转。在盖子18的周围和多支管8的下 端，设置有例如由0形圈等形成的密封部件24，保持容器内的密封性。
转轴20安装在支持例如支架升降机等升降机构25上的关节臂26 的前端。由升降机构25使晶片支架12和盖子18等一起升降。此外， 也将工作台16固定地设置在盖子18 —侧，不使晶片支架12旋转也可 以进行晶片W的处理。
在多支管8的侧面，连接着向处理容器4内的处理区域5供给规 定处理气体的气体供给部分。气体供给部分包括支援气体供给系统(第 二处理气体供给系统)28、原料气体供给系统(第一处理气体供给系 统)30和清洗气体供给系统32。原料气体供给系统30供给例如硅烷
系气体DCS (二氯硅烷)作为成膜用原料气体。支援气体供给系统28， 供给例如氨气(NH3)作为一边选择性地进行等离子体化一边与原料气 体发生反应的支援气体(第二处理气体)。清洗气体供给系统32供给 惰性气体，例如氮气N2作为清洗气体。在原料气体和支援气体(第一 和第二处理气体)中，根据需要可以混合适量的载气，但为了简化说 明，下面并不提及。
具体说来，原料气体供给系统30具有两根气体分散喷嘴36，它们 是由石英管制造的，向内贯穿多支管8的侧壁转弯向上延伸(参照图 2)。在各气体分散喷嘴36上，沿着其长度的方向(上下方向)，对着 晶片支架12上的全部晶片W，以一定的间隔形成多个气体喷射孔36A。 各气体喷射孔36A，相对于在晶片支架12上的多片晶片W形成平行 的气流，在水平方向上大致均匀地供给原料气体。而气体分散喷嘴36 不设置两个，只设置一个也是可以的。
支援气体供给系统28也具有两根气体分散喷嘴34，它们也是由石 英管制造的，向内贯穿多支管8的侧壁转弯向上延伸。在气体分散喷 嘴34上，沿着其长度的方向(上下方向)，对着晶片支架12上的全部 晶片W，以一定的间隔形成多个气体喷射孔34A。各气体喷射孔34A， 相对于在晶片支架12上的多片晶片W形成平行的气流，在水平方向 上大致均匀地供给支援气体。清洗气体供给系统32具有贯穿多支管8 的侧壁设置的气体喷嘴38。
喷嘴34、 36、 38，各自通过气体供给管路(气体通道)42、 44、 46与NH3气体、DCS气体和N2气体源41、 43、 45相连接。在气体供 给管路42、 44、 46上配置开关阀42A、 44A、 46A和质量流量控制器 之类的流量控制器42B、 44B、 46B。由此能够在分别控制NH3气体、 DCS气体和N2气体的同时供给这些气体。
在一部分处理容器4的侧壁上，沿着其高度的方向配置气体激发 部分50。在与气体激发部分50相对的处理容器4的另一侧，配置细长 的排气口 52，用来排出内部的环境气体形成真空，是由例如将处理容 器4的侧壁在上下方向切去一部分形成。
具体说来，气体激发部分50具有上下细长的开口 54，其是沿着上 下方向以一定的宽度切去处理容器4的侧壁而形成的。此开口 54被石
英制造的盖子56覆盖，此盖子与处理容器4的外壁熔接结合，而具有
气密性。盖子56的断面是凹形的，向处理容器4的外侧突出，而且具
有上下细长的形状。
由这样的结构形成从处理容器4的侧壁突出，而且其一侧向处理 容器4内开口的气体激发部分50。 gp，气体激发部分50的内部空间与 处理容器4内的处理区域5连通。开口 54在上下方向上形成足够的长 度，由此能够在高度方向上覆盖保持在晶片支架12上的全部晶片。
在盖子56两个侧壁的外侧面上，沿着其长度方向(上下方向)， 以彼此相对的方式配置一对细长的电极58。通过供电线将产生等离子 体用的高频电源60连接在电极58上。通过在电极58上施加例如 13.56MHz的高频电压，在一对电极58之间形成用来激发等离子体的 高频电场。此外，高频电压的频率并不限于13.56MHz，也可以使用其 他的频率，例如400kHz等。
气体分散喷嘴34，位于比晶片支架12上的最下层的晶片更低的位 置，向处理容器4半径方向外弯曲。然后，气体分散喷嘴34，在气体 激发部分50内最深(离处理容器4的中心最远的部分)的位置垂直立 起。如在图2中所示，气体分散喷嘴34设置在被一对相对的电极58 夹持的区域(高频电场最强的位置)，即被设置在实际上主要产生等离 子体的等离子体发生区域PS向外的位置。从气体分散喷嘴34的气体 喷射孔34A喷出的含有NH3气体的第二处理气体，喷向等离子体发生 区域PS，在此被激发(分解或活化)，在此状态下被供给到晶片支架 12上的晶片W处。
在盖子56的外侧，安装有由例如石英构成的绝缘保护套64，覆盖 盖子56。在与作为绝缘保护套64内侧的电极58相对的部分，配置有 由制冷剂通道构成的冷却机构(图中未显示)。在制冷剂通道中流过例 如作为制冷剂的被冷却的氮气，使电极58冷却。此外，在绝缘保护套 64的外侧，设置有覆盖其并防止高频泄漏的护罩(未图示)。
在气体激发部分50的开口 54外侧附近，即在开口 54外侧(处理 容器4内)的两侧立起配置两根气体分散喷嘴36。由在气体分散喷嘴 36上形成的各气体喷嘴36A向着处理容器4的中心方向喷射含有DCS 气体的原料气体。
另外，在与气体激发部分50对向设置的排气口 52中，通过熔接
安装了由石英制造的断面呈"- "字形的排气覆盖部件66，覆盖排气 口。此排气覆盖部件66沿着处理容器4的侧壁向上延伸，在处理容器 4的上方形成气体出口 68。在气体出口 68处连接装有真空泵等的真空 排气系统GE。
以包围处理容器4的方式，设置有加热器70，用来加热处理容器 4内的周围气体和晶片W。在处理容器4内的排气口70附近，设有控 制加热器70用的热电偶(未图示)。
再有，成膜装置2包括由控制装置整体的动作的计算机等构成的 主控制部分48。主控制部分48，根据在其附带的存储部分预先存入的 成膜处理的处理参数，例如形成的膜的厚度或组成进行如下所述的成 膜处理。在此存储部分存储了处理气体的流量和膜的厚度与组成之间 的关系作为预存控制数据。从而，主控制部分48，就能够基于这些存 储的处理参数或控制数据来控制升降机构25、气体供给系统28、 30、 32、排气系统GE、气体激发部分50和加热器70等。
下面说明使用在图1中所示的装置进行成膜的方法(所谓ALD成 膜)。简单地说，在此成膜方法中，向容纳晶片W的处理区域5内供 给原料气体(成膜用第一处理气体)和支援气体(与第一处理气体反 应的第二处理气体)，通过CVD在晶片W上形成薄膜。
首先，将在常温下保持多片，例如50 100片尺寸为300mm的晶 片W的晶片支架12装入设定在规定温度的处理容器4内。然后在把 处理容器8内抽真空，并且维持在规定的处理压力下，同时，升高晶 片的温度直到稳定在成膜用的处理温度。
接着，由气体分散喷嘴36和34，在分别控制流量的同时间歇地供 给含有DCS气体的原料气体和含有NH3气体的支援气体。具体说来， 从气体分散喷嘴36的气体喷射孔36A供给原料气体，使得相对于晶片 支架12上的多片晶片W形成平行的气体流。此外，从气体分散喷嘴 34的气体喷射孔36A供给支援气体，使得相对于晶片支架12上的多 片晶片W形成平行的气体流。两种气体在晶片W上发生反应，由此 在晶片W上形成氮化硅膜。
由气体分散喷嘴34的气体喷射孔36A供给的支援气体，在通过一
对电极58之间的等离子体发生区域PS时， 一部分被选择性地等离子
体化。此时，生成例如N、 NH*、 NH2*、 NH^等自由基(活性种子) (符号*表示是自由基)。这些自由基从气体激发部分50的开口 54流 向处理容器4的中心，以层流的状态供给到晶片W之间。
上述自由基与吸附在晶片W表面上的DCS气体分子反应，由此 在晶片W上形成氮化硅膜。而与此相反，在晶片W的表面上吸附了 自由基的部位，在流过DCS气体的情况下，也会发生同样的反应，在 晶片W上形成氮化硅膜。
图3是第一实施方式的成膜方法中，表示气体供给和施加RF状态 的定时图。如在图3中所示，在此实施方式的成膜方法中，交互地重 复第一至第四期间(第一至第四工序)T1 T4。 g卩，多次重复由第一 至第四期间T1 T4构成的循环，在每个循环中形成的氮化硅膜，通过 薄膜的层积而得到具有最终厚度的氮化硅膜。
具体说来，在第一期间(第一工序)Tl中，向处理区域5供给原 料气体(在图3中表示为DCS)和支援气体(在图3中表示为NH3)。 在第二期间(第二工序)T2中，停止向处理区域5供给原料气体和支 援气体。在第三期间(第三工序)T3中，在向处理区域5供给支援气 体的同时，停止向处理区域5供给原料气体。此外，在第三期间T3中， 通过打开RF电源60，使得在气体激发部分50的支援气体等离子体化， 由此向处理区域5供给在激发的状态下的支援气体。在第四期间(第 四工序)T4中，停止向处理区域5供给原料气体和支援气体。
第二和第四期间T2、T4是在排除处理容器4内的残留气体的清洗 期间使用。在此所谓清洗，是指在流过N2气体等惰性气体的同时，将 处理容器4内真空排气，或停止全部气体的供给，将处理容器4内真 空排气，以除去处理容器4中的残留气体。再者，在第一和第三期间 Tl、 T3中，当供给原料气体和支援气体时，可以停止处理容器4内的 真空排气。但是，在一边供给原料气体和支援气体一边进行处理容器4 内的真空排气时，在整个第一至第四期间T1 T4的全部时间内可以持 续地进行处理容器4内的真空排气。
在图3中，第一期间T1设定为约1 20秒，例如约10秒，第二 期间T2设定为约1 20秒，例如约10秒，第三期间T3设定为约l
30秒，例如约10秒，第4期间T4设定为约1 20秒，例如约10秒。 但是，这些时间不过简单是一个例子，并不限定在此数值。
如上所述， 一起供给含有NH3气体的支援气体和含有DCS的原料 气体的期间Tl和单独供给含有NH3气体的支援气体的期间T3，间隔 着交叉实施清洗期间T2、 T4。由此能够在维持形成的氮化硅膜的高质 量的同时，大幅度地提高其成膜速度。认为有如下理由。即，当在第 一期间Tl 一起供给原料气体和支援气体时，在晶片表面被吸附的DCS 分子，由同时供给的NH3气体使一部分不完全地氮化。因此，在第一 期间T1中，吸附量在没有饱和时，DCS气体分子的吸附一直在进行， 结果DCS气体的吸附量就高于在以往方法(单独流过原料气体)中的 量。然后在第三期间T3，通过由等离子体激发的NH3气体使没有完全 反应的部分充分反应使得在高成膜速度的状态下形成氮化硅膜。
上述成膜处理按照如下的处理条件进行。DCS气体的流量在100 3000sccm的范围内，例如为1000sccm(lslm)。NH3气体的流量在100 5000sccm的范围内，例如为1000sccm。处理温度低于通常的CVD处 理，具体为180 600°C (不含)，例如55(TC。当处理温度低于180°C 时，无法发生反应几乎没有膜的堆积。而在处理温度高于600。C时，会 形成质量比CVD还差的堆积膜。
处理压力在27Pa (0.2Torr) 1330Pa (10Torr)的范围内，例如 在第一期间(吸附工序)Tl中为1Torr，在第三期间(使用等离子体氮 化工序)T3中为0.3Torr。在处理压力小于27Pa时，成膜速度低于实 用水平。在处理压力大于1330Pa的情况下，不能充分激发等离子体。
在第一期间(吸附工序)Tl中，气体DCS和NH3的流量比[DCS/NH3] 设定在1/10 10左右的范围内。当气体NH3的流量比过少的情况下， 不会产生同时供给NH3气体的效果。而当NH3的流量比过多时，不会 产生成膜的本体。
<实验1>
通过实验1评价使用图3所示的定时图的第一实施方式的成膜方 法和按照图13所示定时图的以往的成膜方法(ALD法)形成的氮化硅 膜。在第一实施方式的两个实施例PE1和PE2中，分别取NH3的供给 量为500sccm (0.5slm)禾卩1000sccm (lslm)。在以往的成膜方法的比
较例CE1中，取NH3的供给量为1000sccm (lslm)。成膜的循环数总 共取160次。
图4是表示由实验1得到的氮化硅膜的膜厚数据的图。图5是表 示由实验1得到的氮化硅膜成膜速度的图。图6是表示由实验1得到 的氮化硅膜的膜厚在面内均匀性的图。图7是表示由实验1得到的氮 化硅膜红外衍射结果的图。在图4 图7中的"TOP"、"CTR"和"BTM" 分别表示位于晶片支架中的顶部、中央和底部的半导体晶片的位置。
对于在图4中所示的氮化硅膜的膜厚TH(nm)，在比较例CE1中， 与晶片的位置无关，TH为大约15nm左右。在两个实施例PE1和PE2 中，与晶片的位置无关，TH都是在20nm左右。即，可以确认两个实 施例PE1和PE2与比较例CE1相比，能够堆积相等厚的氮化硅膜。
对于在图5中所示的相当于每个循环的成膜速度Rth (nm/循环)， 在比较例CE1中，Rth为大约O.lnm左右。在两个实施例PE1和PE2 中，Rth为0.12 0.13nm左右。艮卩，可以确认与比较例CE1相比，在 两个实施例PE1和PE2中，成膜速度增大了 。
对于在图6中所示的膜厚在面内的均匀性PTimi (±%)，在比较例 CE1中，PTuni为±3.5 4.5%左右，在两个实施例PE1和PE2中，PTuni 为±3.0 4.0%左右。即，可以确认与比较例CE1相比，两个实施例PE1 和PE2，能够改善膜厚在面内的均匀性。
对于在图7中所示的由膜质的红外衍射得到的红外线强度LD (a.u)，在比较例CE11中，在波数2200左右的位置，在LD上显示出 表示存在有"Si-H键"的峰Pl。作为比较例CEll，使用以六氯二硅 烷(HCD)作为处理气体，在LP (低压)一CVD中形成的氮化硅膜。 另一方面，在实施例PE1中，LD大致整体上都是平坦的。即，可以确 认与比较例CE11相比，实施例PE1成膜的膜质良好。
按照图3的定时图，在一起供给含有NH3气体的支援气体和含有 DCS气体的原料气体的期间Tl，不施加RF，而在单独供给含有NH3 气体的支援气体的期间T3，施加RF。可以用在图8中所示的施加RF 状态来代替此定时图。图8是在第一实施方式变化的实施例中的成膜 方法，表示供给气体和施加RF的定时图。
按照图8的定时图，在一起供给含有NH3气体的支援气体和含有
DCS气体的原料气体的期间Tl和单独供给含有NH3气体的支援气体
的期间T3这两个期间内，施加RF以激发支援气体。在此情况下，在 第一期间T1，在流过原料气体时激发支援气体，在半导体晶片W上吸 附DCS和NH3自由基。然后在第三期间T3，通过等离子体激发的NH3 气体使不完全反应的部分完全反应，在高成膜速度的状态下形成氮化 硅膜。
<实验2>
可以使用N2气体代替NH3气体作为氮化气体。在按照图3的方法 中，使用N2气体代替NH3气体进行氮化硅膜的成膜实验2。其结果是， 其成膜速度为O.lnm/循环。此外，在图8的方法中，使用N2气体代替 NH3气体进行氮化硅膜的成膜，其成膜速度为0.5nm/循环。从而，可 以确认通过图8的方法，在使用N2气体代替NH3气体作为氮化气体时， 能够大幅度地提高成膜速度。
<第二实施方式>
图9是表示本发明第二实施方式的成膜装置(立式CVD装置)的 剖面图。第二实施方式的成膜装置2X，除了支援气体供给系统(第二 处理气体供给系统)28、原料气体供给系统(第一处理气体供给系统) 30和清洗气体供给系统32以外，还包括辅助气体供给系统(第三处理 气体供给系统)84。辅助气体供给系统84供给与原料气体或支援气体 都不同的辅助气体。具体说来，辅助气体含有选自氮气、稀有气体、 氧化氮气体的气体，在本实施方式中，由例如N2或Ar气体构成。对 于与辅助气体供给系统84相关部分以外的部分，图9中所示的成膜装 置2X与在图1中所示的成膜装置2具有实质上相同的结构。
辅助气体供给系统84，与支援气体供给系统28具有共同的气体分 散喷嘴34，因此就共有在气体分散喷嘴34上形成的气体喷射孔34A。 为此，喷嘴34经过辅助气体供给系统84的气体供给管路(气体通道) 86连接N2或Ar气体的气体源85。在气体供给管路86上装有开关阀 86A和质量流量控制器之类的流量控制器86B。由此能够在控制N2或 Ar气体流量的同时供给气体。如上所述作为辅助气体，可以使用氧化 氮气体来代替氮气或稀有气体等惰性气体。
如上所述，气体分散喷嘴34，是由石英管构成的，向内贯穿多支
管8的侧壁弯向上方向延伸。在气体分散喷嘴34上，沿着其长度(上
下方向)且隔着规定的间隔形成多个气体喷射孔34A，使得其对向晶 片支架12上的全部晶片W。各气体喷射孔34A对着晶片支架12上的 多片晶片W形成平行的气体流，在水平方向上基本均匀地供给支援气 体或辅助气体。辅助气体供给系统84，也可以不与支援气体供给系统 28共用气体分散喷嘴34，与气体分散喷嘴34同时设置辅助气体用的 气体分散喷嘴即可。
下面说明使用在图9中所示的装置进行的成膜方法(所谓ALD成 膜)。大致说来，在此成膜方法中，向容纳晶片W的处理区域5内供 给原料气体(成膜用第一处理气体)和支援气体(与第一处理气体反 应的第二处理气体)以及如上所述的辅助气体(第三处理气体)，通过 CVD在晶片W上形成薄膜。
首先，将在常温下保持了多片，例如50 100片尺寸为300mm晶 片W的晶片支架12送入设定在规定温度的处理容器4内。然后对处 理容器8内抽真空并维持在规定的处理压力的同时，升高晶片的温度 直到稳定在成膜用的处理温度。
接着，分别控制流量并由气体分散喷嘴36、 34间歇地供给含有 DCS的原料气体、含有NH3的支援气体和辅助气体。具体说来，从气 体分散喷嘴36的气体喷射孔36A，以对着晶片支架12上的多片晶片 W形成平行气体流的方式供给原料气体。此外，从气体分散喷嘴34的 气体喷射孔36A，以对着晶片支架12上的多片晶片W形成平行气体 流的方式供给支援气体和辅助气体。DCS气体和NEb气体在晶片W上 发生反应，由此在晶片W上形成氮化硅膜。
图10是在第二实施方式的成膜方法中，表示气体供给和施加RF 的形态的定时图。如在图10中所示，在此实施方式的成膜方法中，交 叉重复第一至第四期间(第一至第四工序)T11 T14。 g卩，多次重复 由第一至第四期间T11 T14构成的循环，通过层叠在每个循环中形成 的氮化硅膜的薄膜，得到最终厚度的氮化硅膜。
具体说来，在第一期间(第一工序)Tll中， 一方面向处理区域5 供给原料气体(在图10中表示为DCS)和辅助气体(在图10中表示 为N2或Ar)，同时停止向处理区域5供给支援气体(在图IO中表示为
NH3)。在第一期间Tll中，接通RF电源60，通过气体激发部分50 使辅助气体等离子体化，向处理区域5供给在激发状态下的辅助气体。 在第二期间(第二工序)T12中，同时停止向处理区域5供给原料气体、 支援气体和辅助气体。在第三期间(第三工序)T13中，在向处理区域 5供给支援气体的同时，停止向处理区域5供给原料气体和辅助气体。 而在第三期间T13中，从中间开始接通RF电源60，通过气体激发部 分50将支援气体等离子体化，由此只在次期间T13b中向处理区域5 中供给在激发状态下的支援气体。在第四期间(第四工序)T14中，停 止向处理区域5中供给原料气体、支援气体和辅助气体。
第二和第四期间T12、 T14，作为清洗期间使用，以排放出在处理 容器4内的残留气体。在此所谓清洗，是指在流过N2气体等惰性气体 的同时，将处理容器4内真空排气，或者完全停止供给各种气体，将 处理容器4内真空排气，以除去处理容器4中的残留气体。在第一和 第三期间Tll、 T13中，在供给原料气体、支援气体和辅助气体时，可 以停止在处理容器4内的真空排气。但是，在供给原料气体、支援气 体和辅助气体，同时进行处理容器4的真空排气时，可以在整个第一 至第四期间Tl 1 T14中持续处理容器4内的真空排气。
在图10中，第一期间Tll设置为约1 20秒，例如约10秒，第 二期间T12设置为约1 20秒，例如约10秒，第三期间T13设置为约 1 30秒，例如约20秒，次期间T13b设置为约1 25秒，例如约15 秒，第四期间T14设置为约1 20秒，例如约10秒。但是，这些时间 只不过表示一个例子，并不限于这些数值。
如上所述，通过加入并激发辅助气体，由上述辅助气体的活性种 子促进与此同时供给的原料气体的分解。结果就能够提高氮化硅膜的 成膜速度。此时，特别是使用N2气体作为辅助气体时，不仅可以促进 原料气体的分解，还由氮的活性种子和硅的活性种子直接化合而直接 形成SiN。结果可以进一步提高氮化硅膜的成膜速度。
在第二实施方式中，处理温度和处理压力以及DCS气体、NH3气 体等各种气体的流量都与第一实施方式相同。辅助气体的流量，设定 为低于作为原料气体DCS气体的流量，例如取DCS气体流量的大约 1/10左右。
在第三期间T13中，在经过规定时间At以后，接通RF电源60， 使在气体激发部分50处的支援气体等离子体化，由此只在次期间T13b 向处理区域5供给处于激发状态的支援气体。此所谓的预定的时间At 即直到使NH3气体流量稳定的时间，例如5秒左右。但是，也可以如 在第一实施方式那样，在整个供给支援气体的期间，都使支援气体在 气体激发部分50等离子体化。如此使支援气体的流量稳定化以后才接 通RF电源产生等离子体，能够提高在晶片W两面之间(高度方向) 的活性种子浓度的均匀性。
<实验3>
使用按照在图10中所示定时图的第二实施方式的成膜方法和按照 在图13中所示定时图的以往的成膜方法(ALD)形成氮化硅膜，进行 评价实验3。在第二实施方式的两个实施例PEll、 PE12中，分别使用 N2气体和Ar气体作为辅助气体。以往成膜方法的比较例CE1不使用 辅助气体，按照在图13中所示的定时图进行(与实验1的比较例CE1 实质上相同)。成膜的循环数总共160次。
图11A是表示由实验3得到的氮化硅膜的成膜速度图。图11B是 表示由实验3得到的氮化硅膜成膜速度改善率的图。再者，在图11A、 图11B中的"TOP"、 "CTR"和"BTM"分别表示晶片支架中半导体 晶片位于顶部、中央和底部的位置。
对于相当于在图llA中所示的每一个循环的成膜速度Rth (nm/循 环)，在比较例CE1中，与晶片的位置无关，Rth为0.1nm左右。在使 用N2气作为辅助气体的实施例PE11中，Rth为0.45 0.55nm左右。 在使用Ar气体作为辅助气体的实施例PE12中，Rth为0.25 0.4nm左 右。
对于在图11B中所示的成膜速度改善率IRth (%)，在使用N2气 体作为辅助气体的实施例PE11中，IRth为150 300%左右。在使用 Ar气体作为辅助气体的实施例PE12中，IRth为300 500%左右。
艮口，与比较例CE1相比，确认两个实施例PEll、 PE12能够增大 成膜速度。此外，实施例PEll的成膜速度也高于实施例PE12的成膜 速度，可以认为是如下的原因。即如上所述，N2气体的活性种子不仅 促进原料气体分解，而且能够与被激发的硅直接反应形成氮化硅。
<与第一和第二实施方式共同的事项和变化实例>
第一和第二实施方式的方法，如上所述是基于处理程序在主控制
部分48的控制下实施的。图12是表示主控制部分48结构的概略框图。 主控制部分48具有CPU210，与此连接着存储部分212、输入部分214 和输出部分216等。在存储部分212中存储着处理程序和方法参数。 输入部分214包括与使用者对话用的输入装置，例如键盘或定点设备， 以及存储介质的驱动器等。输出部分216输出用于控制处理装置各设 备的控制信号。图12还同时表示可以脱机的存储介质218。
上述实施方式的方法，可通过在能够用计算机读取存储介质上写 入，作为用来在处理器上运行的程序指令，适用于各种半导体处理装 置。或者，此种程序指令，可以适用于通过通信介质传送的各种半导 体处理装置。此存储介质是例如磁盘(软盘、硬盘(一个例子是在储 存部分212中的硬盘)等)、光盘(CD、 DVD等)、磁光盘(MO等)、 半导体存储器等。控制半导体处理装置动作的计算机，通过读取在存 储介质中存储的程序指令，将其在处理器上运行来实施上述方法。
在第一和第二实施方式中，使用DCS气体作为原料气体的硅垸系 气体。但并不限于此，作为原料气体，可以使用选自二氯硅烷(DCS)、 六氯二硅烷(HCD)、单硅垸[SiH4]、 二硅垸[Si2H6]、六甲基二硅氨垸 (HMDS)、四氯硅烷(TCS)、 二硅烷基胺(DSA)、三硅烷基胺(TSA) 和双叔丁基氨基硅垸(BTBAS)的一种以上的气体。
此外，在第一和第二实施方式中，可以使用氧化二氮[N20]、氧化 氮[NO]之类的氮氧化气体代替NH3气体、N2气体等氮化气体作为支援 气体。还可以使用氧化性气体代替氮化气体作为支援气体。
此外，在第二实施方式中，使用稀有气体作为辅助气体，但并不 限于Ar气，可以使用He、 Ne、 Kr、 Xe等。也可以使用氧化二氮^20]、 氧化氮[NO]、 二氧化氮[N02]等氧化氮作为辅助气体使用。
在上述第一和第二实施方式中，作为成膜装置2，具有将形成等离 子体的激发部分50与处理容器4制成一体的组合结构。另外，也可以 分别设置激发部分50和处理容器4，在处理容器4以外预先激发NH3 气体(所谓远距离等离子体)，向处理容器4内供给此激发的NH3气体。 作为被处理基板并不限定于半导体晶片，也可以是LCD基板、玻璃基
板等其他基板。
对于本领域的专业人员，另外的优点和改进都是很容易的。因此， 本发明在其更为广泛的方面并不限于这些具体的细节和在此所示和所 述的代表性实施方式。只要不偏离如在权利要求中所定义的一般发明 概念及其等效内容的精神和范围，可以进行各式各样的变化。
权利要求
1. 一种半导体处理用的成膜方法，该成膜方法是向容纳被处理基板的处理区域内供给成膜用的第一处理气体和与所述第一处理气体反应的第二处理气体，通过CVD在所述被处理基板上形成薄膜的方法，其特征在于该方法包括以下交叉工序向所述处理区域供给所述第一和第二处理气体的第一工序；停止向所述处理区域供给所述第一和第二处理气体的第二工序；在向所述处理区域供给所述第二处理气体的同时，停止向所述处理区域供给所述第一处理气体的第三工序；和停止向所述处理区域供给第一和第二处理气体的第四工序。
2. 如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述第三工序包括通 过激发机构使所述第二处理气体以激发状态供给所述处理区域的期 间。
3. 如权利要求2中所述的方法，其特征在于所述第一工序不包括 通过所述激发机构激发所述第二处理气体的期间。
4. 如权利要求2中所述的方法，其特征在于所述第一工序包括在 通过所述激发机构使所述第二处理气体以激发状态供给所述处理区域 的期间。
5. 如权利要求2中所述的方法，其特征在于所述激发机构包括在 与所述处理区域连通的空间内，配置在所述第二处理气体的供给口和 所述基板之间的等离子体发生区域，所述第二处理气体在通过所述等 离子体发生区域时被激发。
6. 如权利要求5中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体在 所述等离子体发生区域和所述基板之间供给所述处理区域。
7. 如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述第二和第四工序 分别包括向所述处理区域供给清洗气体的期间。
8. 如权利要求1中所述的方法，其特征在于在形成所述薄膜的工 序中，继续所述处理区域内的排气。
9. 如权利要求1中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体含 有硅烷系气体，所述第二处理气体含有氮化气体或氮氧化气体。
10. 如权利要求9中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体 含有选自二氯硅垸、六氯二硅烷、单硅烷、二硅垸、六甲基二硅氨烷、 四氯硅烷、二硅垸基胺、三硅烷基胺、双叔丁基氨基硅烷的一种以上 的气体，所述第二处理气体含有选自氨、氮气、氧化二氮、 一氧化氮 的一种以上的气体。
11. 一种半导体处理用成膜方法，该成膜方法是向容纳被处理基板 的处理区域内供给成膜使用的第一处理气体、与所述第一处理气体反 应的第二处理气体以及与第一和第二处理气体中的任何一种都不同的第三处理气体，通过CVD在所述被处理基板上形成薄膜的方法，其特征在于该方法包括以下交叉工序在向所述处理区域供给所述第一和第三处理气体的同时，停止向 所述处理区域供给所述第二处理气体的第一工序，所述第一工序具有 通过激发机构，使所述第三处理气体以激发状态供给所述处理区域的 期间；停止向所述处理区域供给所述第一至第三处理气体的第二工序； 在向所述处理区域供给所述第二处理气体的同时，停止向所述处 理区域供给所述第一和第三处理气体的第三工序；和停止向所述处理区域供给第一至第三处理气体的第四工序。
12. 如权利要求11中所述的方法，其特征在于所述激发机构具有 在与所述处理区域连通的空间内，配置在所述第三处理气体的供给口 和所述基板之间的等离子体发生区域，所述第三处理气体在通过所述 等离子体发生区域时被激发。
13. 如权利要求12中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体 在所述等离子体发生区域和所述基板之间供给所述处理区域。
14. 如权利要求11中所述的方法，其特征在于所述第三工序具有 在由所述激发机构激发所述第二处理气体的状态下将其供给所述处理 区域的激发期间。
15. 如权利要求14中所述的方法，其特征在于所述第三工序在所 述激发期间之前，具有不使所述第二处理气体在所述激发机构被激发 的状态下，将其供给所述处理区域的期间。
16. 如权利要求14中所述的方法，其特征在于所述第二处理气体 与所述第三处理气体共有供给口 。
17. 如权利要求11中所述的方法，其特征在于所述第二和第四工 序分别具有向所述处理区域供给清洗气体的期间。
18. 如权利要求11中所述的方法，其特征在于；在形成所述薄膜的 工序中，继续所述处理区域内的排气。
19. 如权利要求11中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体 含有硅垸系气体，所述第二处理气体含有氮化气体或氮氧化气体，所 述第三处理气体含有选自氮气、稀有气体、氧化氮中的气体。
20. 如权利要求19中所述的方法，其特征在于所述第一处理气体 含有选自二氯硅垸、六氯二硅烷、单硅垸、二硅烷、六甲基二硅氨烷、 四氯硅垸、二硅烷基胺、三硅烷基胺、双叔丁基氨基硅烷的一种以上 的气体，所述第二处理气体含有选自氨、氮气、氧化二氮、 一氧化氮 的一种以上的气体。
全文摘要
本发明涉及半导体处理用的成膜方法，该成膜方法是向容纳被处理基板的处理容器内供给成膜用的第一处理气体和与第一处理气体反应的第二处理气体，通过CVD在被处理基板上形成薄膜的方法。此成膜方法交叉的包括第一至第四工序。在第一工序中，向处理区域供给第一和第二处理气体。在第二工序中，停止向处理区域供给第一和第二处理气体。在第三工序中，在向处理区域供给第二处理气体的同时，停止向处理区域供给第一处理气体。在第四工序中，停止向处理区域供给第一和第二处理气体。
文档编号C23C16/34GK101381861SQ20081010937
公开日2009年3月11日 申请日期2005年6月28日 优先权日2004年6月28日
发明者周保华, 长谷部一秀 申请人:东京毅力科创株式会社