专利名称：表面波激发等离子体cvd系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种CVD(化学气相沉积)系统，所述CVD系统利用表面波激发等离子体形成薄膜。
背景技术：
在半导体制造工艺中，使用等离子体CVD系统，所述等离子体CVD系统利用等离子体进行薄膜制造。作为这种等离子体CVD系统，在现有技术中，已经使用电容耦合等离子体(CCP)、电感耦合等离子体(ICP)、电子回旋加速器谐振(ECR-电子回旋加速器谐振)等离子体处理系统和类似的系统。而且，近年来，已开始使用表面波激发等离子体(SWP)处理系统，其较之前的系统能够容易地在较宽区域上产生高密度的等离子体。
利用这种SWP等离子体CVD系统，首先，包括用于待沉积的薄膜的元素的原料气体连同构成一些自由基的元素的过程气体(process gas)一起被供入等离子体反应室，所述过程气体产生表面波激发等离子体。并且，通过被分解的原料气体和通过被表面波激发等离子体启动的化学反应，引起薄膜在衬底上沉积。利用这种现有技术的系统，气体供给部分被设置在等离子体反应室的侧壁上，并且气体从电介质板附近的等离子体反应室的侧壁被供给(参考日本公开专利公开出版物2000-348898)。
发明内容
由于等离子体密度在产生SWP的电介质板附近较高，因此利用如上所述的现有技术的系统，其中原料气体被供入电介质板附近，则在该区域化学反应进行得非常剧烈。因此，电介质板附近的膜沉积速率惊人地高，但在离电介质板较远的区域，由于原料气体在电介质板附近被大量地消耗，膜沉积速率指数级地降低。换句话说，存在这样的问题即使在等离子体区，有可能沉积就膜厚度控制和膜质量控制而言适当的膜的区域被不利地限制得相当窄。
本发明中的表面波激发等离子体CVD系统包括原料气体供给装置，其供给包括硅元素的原料气体，并将原料气体从气体供给孔供给到等离子体处理室中；以及过程气体供给装置，其将过程气体从与原料气体供给装置的气体供给孔分开设置的气体供给孔供给到等离子体处理室中，所述过程气体引起受到表面波激发等离子体激活的原料气体发生化学反应。
在所述表面波激发等离子体CVD系统中，所述原料气体供给装置的气体供给孔可设置为比过程气体供给装置的气体供给孔更靠近衬底。
所述原料气体供给装置可包括多个导管和多个气体供给孔。例如，所述原料气体供给装置可包括第一原料气体供给装置和第二原料气体供给装置中的至少一个，所述第一原料气体供给装置将原料气体从电介质元件和衬底之间的空间中的气体供给孔朝向衬底供给；所述第二原料气体供给装置从围绕电介质元件和衬底之间的空间的区域中的供给孔以大体平行于衬底表面的方式供给原料气体。该第二原料气体供给装置可进一步包括变化装置，所述变化装置改变气体供给孔的方向。
所述原料气体供给装置的气体供给孔和衬底之间的距离可改变。
所述原料气体供给装置可进一步包括位于气体供给孔前面的气流扩散元件。
在上述表面波激发等离子体CVD系统中，所述过程气体供给装置可包括多个位于电介质元件中的气体流动导管和多个气体供给孔。
所述电介质元件可包括多个由电介质材料制造的分开的部件。该电介质元件可具有圆形板状或者可具有矩形形状。
图1示出了根据本发明第一优选实施例的等离子体CVD系统的总体结构示意图；图2示出了该等离子体CVD系统的电介质板的结构平面图；图3示出了该等离子体CVD系统的上表面气体引入导管的结构平面图；
图4A示出了该等离子体CVD系统的侧表面气体引入导管的结构示意透视图；图4B示出了该侧表面气体引入导管的部分结构的示意局部剖面图；图5示出了化学反应涉及的基本过程的示意图，所述化学反应在该等离子体CVD系统中的P等离子体区域中发生；图6定性地示出了在该P等离子体区域中出现的各种类型分子的密度的曲线图；图7A示出了根据本发明第二优选实施例的等离子体CVD系统的总体结构示意图；图7B示出了图7A中所示的区域C的部分放大剖面图；图8示出了在图7A所示的水平面中初始供给的气体的气流密度分布的示意平面图；图9示出了本发明的变化例子的电介质板结构的示意平面图；图10示出了本发明的变化例子的上表面气体引入导管的结构的示意底表面视图。
具体实施例方式
以下将参照附图1-10说明根据本发明的表面波激发等离子体CVD系统(下文中简称等离子体CVD系统)的优选实施例。
第一优选实施例图1是示出根据本发明第一优选实施例的等离子体CVD系统的结构的总体结构示意图。图2-图4分别是示出根据第一实施例的等离子体CVD系统中的过程气体引入导管、上表面气体引入导管和侧表面气体引入导管的结构的视图。
参照图1，该等离子体CVD系统100包括室1、微波波导2、槽形天线3、电介质板4、过程气体引入导管5、用于原料气体的上表面气体引入导管6、用于原料气体的侧表面气体引入导管7、真空排气导管8和衬底保持器9。室1是用于在衬底10的表面上沉积薄膜的真空室，衬底10通过在其内部空间中产生的等离子体被保持在衬底保持器9上。可沿图1所示的Z方向驱动和旋转衬底保持器9，并且，根据需要，也可以对其加热、冷却和施加电场。
由石英和氧化铝等制成的电介质板4被设置在室1的上部。微波波导2被设置在电介质板4的上表面之上并与之接触。矩形开口的槽形天线3被设置在微波波导2的底板上。
设置三个气体引入导管(过程气体引入导管5、上表面气体引入导管6和侧表面气体引入导管7)，用于将气体供入室1。过程气体引入导管5是用于将过程气体经由通孔51和流动导管52从开口于其上的供给孔53供入室1的导管，所述通孔51形成于室1的上侧板上，所述的流动导管52通过电介质板4形成。设置有多个供给孔53，并且，以衬底10的表面作为参照物，所述供给孔53位于与衬底相隔距离h1的位置处。
上侧气体引入导管6是用于将原料气体顺序经过垂直导管61和分支导管62从供给孔63供入室1的导管。分支导管62从垂直导管61上分支并在垂直于图中的图纸的平面上延伸。设置有多个供给孔63，并且，以衬底10的表面作为参照物，所述供给孔63位于与衬底相隔距离h2的位置处，距离h2较距离h1要短。而且，垂直导管61可沿Z方向(图中的上下方向)直线移动，因此，随着垂直导管61的移动量的变化，距离h2也是变化的。
侧表面气体引入导管7是将原料气体顺序经由水平导管71和垂直导管72从多个供给孔73供入室1的导管。设置有多个垂直导管72，并且所述多个垂直导管72从水平导管71分支以包围衬底10。供给孔73被设置在与衬底10的表面相距h3的位置处。水平导管71可沿Z方向直线移动，因此，随着水平导管71的移动量的变化，距离h3也是变化的。下面将详细说明这三个气体引入导管5、6和7。
从气体引入导管5供入到室1的过程气体可以是构成用于激活反应的原料的气体，如N2气、O2气、H2气、NO2气、NH3气或类似的气体，或者可以是惰性气体，如Ar气、He气、Ne气、Kr气、Xe气或类似气体。从上表面气体引入导管6和从侧表面气体引入导管7引入到室1的原料气体包括Si元素，并且可以是SiH4气体、TEOS或Si2H6气体或类似的气体，其中的Si元素是硅薄膜或硅化合物薄膜的组份。作为包含Si元素的气体，还可以使用包含加入SiH4气体、TEOS或Si2H6气体或类似的气体中的H2气、NO2气、NO气、NH3气或类似的气体的混合气体。
真空排气管8被设置在室1的底表面上并与真空排气泵(图中未示出)相连。在将各种预定的气体从气体引入导管5、6和7以预定的流速供入室1的同时，通过执行真空排气，有可能使室1中的内部保持预定的压力。
图2示出了电介质板4的示意结构平面图，过程气体引入导管5的一部分通过电介质板4被装配。电介质板4由多个电介质块4a的组件组成，并且，总体上为圆形板状。在电介质块4a互相连接在一起的角部处，在各块之间保留有确定通孔52的管状空隙，所述通孔52在垂直于图2中的图纸平面的方向上延伸。在衬底10的侧部上的这些通孔52的开口为气体供给孔53。与使用大面积板件的可能性相比，利用多个电介质块4a以这种方式组装在一起的结构的原因是为了将电介质中的内部应力抑制到较小水平，并且在组件被等离子体加热时增加耐热性。而且，利用这种块结构，容易制造各个元件，并且，由于较大的薄度，在防止因结构本身的重量而产生的损坏方面，也是有益的。而且，若使用大面积的单个板件，则有必要通过单个板件形成通孔，相比之下，利用这种块结构，由于利用块本身之间的空隙来形成通孔52，所以，不必通过块打开任何通孔。
图3示出了上表面气体引入导管6的示意结构底视图。垂直导管61被连接到环形导管62a和直导管62b上。环形导管62a通过直导管62b与中心圆板62c连通，在中心圆板62c内部形成空腔。大量气体供给孔63形成于环形导管62a和中心圆板62c中。因此，从垂直导管61被引入的的原料气体从环形导管62a的供给孔63和中心圆板62c的供给孔63被供给到室1中。应该注意到，环形导管62a和直导管62b一起构成分支导管62。
图4A示出了侧表面气体引入导管7的示意结构透视图，图4B示出了该侧表面气体引入导管7的结构的示意局部剖面图。水平导管71被连接到环形导管72a。该环形导管72a被连接到多个垂直导管72b中的每一个上。如图4B所示，这些垂直导管72b具有由外管72c和内管72d制成的双结构。在内管72d中形成有气体供给孔73。因此，从水平导管71引入的原料气体通过环形导管72a，并从内管72d的供给孔73被供给到室1中。
内管72d能够绕其纵轴相对外管72c转动，而且能够沿其纵轴伸缩。通过上述操作，可自由地改变来自内管72d的原料气体的供给方向和供给位置(即，从衬底到其被供给处的距离)。应该注意到，环形导管72a和垂直导管72b构成分支导管72。
再来参照图1，现在将说明具有上述结构形式的等离子体CVD系统100的操作和优点。过程气体和原料气体在室1中保持在预定的压力下。从图中未示出的微波产生源所产生的微波经微波波导管2的槽形天线3向电介质板4辐射，并经电介质板4被引进室1中。这些微波变为表面波并沿电介质板4的表面传播。由于该表面波能量，室1中的过程气体被电离和分解，并因此产生等离子体P。具体而言，表面波遍布电介质板4的整个范围，并且，在与电介质板4的面积相对应的区域产生高密度等离子体P。衬底10通过衬底保持器9被保持在高密度等离子体P内。
当原料气体从上表面气体引入导管6和/或侧表面气体引入导管7被供给到高密度等离子体P的区域中时，该原料气体在等离子体P内部被分解并经历化学反应，薄膜堆积到衬底10的表面上。此时，在过程气体引入导管5的供给孔53和上表面气体引入导管6的供给孔63之间以及在过程气体引入导管5的供给孔53和侧表面气体引入导管7的供给孔73之间具有空间。换句话说，由于原料气体从与电介质板4相分离的位置被供给，当原料气体被供入到室1中时，不会立即发生剧烈的化学反应。因此，控制这些化学反应就会变得容易，并且可以适当的方式在衬底上得到薄膜。
图5示出了在等离子体P的区域中进行的化学反应的基本过程的示意图。由于在等离子体区域P的电介质板4附近的等离子体密度较高，在这些区域中产生大量的离子、电子和自由基(radical)。自由基沿衬底10的方向扩散，与原料气体的分子碰撞并产生诸如分解、激发、重组和类似的蒸汽相反应。由这些蒸汽相反应所产生的反应产物的分子积聚在衬底10的表面上并沉积成薄膜。
此时，可通过改变到衬底10的表面的距离h2或距离h3来控制在衬底10的表面堆积的薄膜的膜质量(结晶度、折射率、内部应力等等)。作为硅化合物，可使用氧化物、氮化物或碳化物或类似化合物。例如，当制造SiO2薄膜时，可利用O2作为过程气体，并可使用SiH4作为原料气体。在形成这样的SiO2薄膜的过程中，会发生一系列的化学反应，其中，SiH4的分子与氧自由基反应，并经由作为中间产物的Si-H或Si-OH和SiO前体形成SiO2。为了考虑这一系列空间反应的时间，由于衬底10和供给孔之间的距离与反应物质的漂移距离相等，对于确定所产生的薄膜的质量来说，衬底10和供给孔之间的距离是非常重要的参数。
若距离h2或距离h3较短，则在所产生的SiO2薄膜中的中间产物的浓度会增加，因此，这种薄膜具有相对较低的质量。相反，若距离h2或距离h3较大，则在与衬底10相隔较远的电介质板4附近会加剧产生化学反应，并且，因SiO2分子的聚合而产生的粒子被混合到薄膜中，因此，所产生的薄膜也具有较低的质量。而且，若距离h2或距离h3较大，则SiO2在电介质板4的表面上堆积较厚的层，等离子体P可能变得不稳定或者堆积在电介质板4的表面上的SiO2厚层可能会剥离成碎片，因此，有可能会构成粒子的来源。
图6定性地示出了在P等离子体区域中出现的各种类型分子的密度曲线图。在这个图中，沿垂直轴示出了密度，而沿水平轴示出了漂移距离、供给原料气体(SiH4气体)的位置和衬底10的位置。在这个图中，实线所给出的曲线对应本发明的第一优选实施例，并且示出了当SiH4气体从气体供给位置A被供入到室1中时，各种类型分子的密度分布。由虚线所给出的曲线为根据现有技术的气体供给方法的对比例子，并且示出了当SiH4气体从气体供给位置B被供入室1中时，各种类型分子的密度分布。气体供给位置A与衬底10相隔距离h2或距离h3，而气体供给位置B与衬底10的距离较气体供给位置A与衬底10的距离要远。
利用根据该第一优选实施例实线所示的曲线，SiH4分子在气体供给位置A表现出最高的密度，并随着漂移距离快速变成前体材料。硅化合物(SiO2)分子的密度随着前体分子的漂移距离而增加，并在衬底10的位置达得最大值。由于SiO2分子的密度在衬底10的位置达到最大，可产生良好的薄膜。
另一方面，利用根据对比例子虚线所示的曲线，SiH4分子在气体供给位置B达到最高的密度，并随着漂移距离快速变成前体材料，并且直接变成SiO2分子。在这个对比例子中，化学反应在极度接近电介质板4的位置急剧发生，这是不希望的，并在蒸汽相中容易产生粒子，因此在衬底10的位置很难控制膜质量。
根据本发明的第一优选实施例的该等离子体CVD系统，可使将要经受处理的衬底附近区域成为沉积薄膜的适当区域。
第二优选实施例图7A示出了根据本发明第二优选实施例的等离子体CVD系统的总体结构示意图。图7B示出了图7A中所示的区域C的局部放大剖面图。对于那些与第一优选实施例的部件相同并在以前图中所示出的部件，将给予相同的标号并省略对其的描述。
根据第二优选实施例的等离子体CVD系统200与根据第一优选实施例的等离子体CVD系统100的不同点在于气流扩散板64和74被分别设置在上表面气体引入导管6的供给孔63的前面和侧表面气体引入导管7的供给孔73的前面。如图7B所示，流入分支导管62的气流G1从供给孔63供给并通过气流扩散板64扩散，以便成为气流G2。换句话说，气流扩散板64被用于从供给孔63供给的气流的屏障。
现在将参照图8描述从侧表面气体引入导管7供给到室1的气流。图8示出了在水平面中初始供给气体时的气流的密度分布示意平面图。该水平板位于与衬底10相隔距离h3并与衬底10的表面平行的位置处。真空口8的开口位于图的左侧。
通过分支导管72的气流从供给孔73被供给到室1中。若存在气流扩散板74，已供给出的气流以由气流G2所给出的密度分布被扩散，然而，若不存在气流扩散板74，已供给出的气流以由气流G3给出的密度分布被扩散。气流G2在室1的整个范围中广泛地扩散到与气流G3相比的更大范围，并且，可预期气流G2将得到大体均匀的气体密度分布。以相同的方式，可预期沿室1的垂直尺寸的大体均匀的密度分布。由于以这种方式使原料气体的密度分布均匀，与上述本发明第一优选实施例相比，可在衬底10的整个表面上沉积具有更均匀的膜厚度和膜质量的薄膜。
下面将参照图9和10说明一个变化的例子。
图9以示意方式示出了电介质板4A的变形的平面图。该电介质板4A由多个电介块组装在一起制成，并且，总体上为矩形。在电介质块互相接触的角部处存在间隙，并且由此确定通孔52A。该电介质板4A特别适合在本身为矩形的衬底上形成薄膜。
图10以示意形式示出了上表面气体引入导管6A的结构的底视图。总的来说，分支导管62A形成矩形形状。在分支导管62A中形成的多个供给孔63A以比较均匀的形式分布。该上表面气体引入导管6A也适合在本身为矩形的衬底上沉积薄膜。以较均匀地方式分布供给孔63A的原因是为了确保所沉积的膜厚度和膜质量在衬底的整个表面上尽可能地均匀。
在这种方式中，对于过程气体引入导管5、上表面气体引入导管6和侧表面气体引入导管7，可以设想各种变化的可能性。
上述实施例是一些例子，因而在不偏离本发明的实质和范围的情况下可以有各种变化。例如，对于将原料气体供给到等离子体CVD系统中来说，可以仅设置上表面气体引入导管6和侧表面气体引入导管7其中之一。
以下的优先申请的公开内容通过引用被合并在本文中于2003年11月7日提交的日本专利申请2003-379035。
权利要求
1.一种表面波激发等离子体CVD系统，其通过电介质元件将微波引入到等离子体处理室中，产生微波的表面波，利用表面波激发等离子体处理室中的气体以产生表面波激发等离子体，并利用表面波激发等离子体在衬底上沉积硅化合物，所述表面波激发等离子体CVD系统包括原料气体供给装置，其将包括硅元素的原料气体从气体供给孔供给到等离子体处理室中；和过程气体供给装置，其将过程气体从与原料气体供给装置的气体供给孔分开设置的气体供给孔供给到等离子体处理室中，所述过程气体引起受到表面波激发等离子体激活的原料气体发生化学反应。
2.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置的气体供给孔设置为比过程气体供给装置的气体供给孔更靠近衬底。
3.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置包括第一原料气体供给装置和第二原料气体供给装置中的至少一个，所述第一原料气体供给装置包括位于电介质元件和衬底之间的空间中的气体供给孔，并朝向衬底供给原料气体；所述第二原料气体供给装置包括位于围绕电介质元件和衬底之间的空间的区域中的气体供给孔，并且以大体平行于衬底表面的方式供给原料气体。
4.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置包括第一原料气体供给装置和第二原料气体供给装置中的至少一个，所述第一原料气体供给装置包括位于电介质元件和衬底之间的空间中的气体供给孔，并朝向衬底供给原料气体；所述第二原料气体供给装置包括位于围绕电介质元件和衬底之间的空间的区域中的气体供给孔，并且以大体平行于衬底表面的方式供给原料气体。
5.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置包括多个导管和多个气体供给孔。
6.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置进一步包括变化装置，所述变化装置改变气体供给孔和衬底之间的距离。
7.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置进一步包括变化装置，所述变化装置改变气体供给孔和衬底之间的距离。
8.根据权利要求3所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述第二原料气体供给装置进一步包括变化装置，所述变化装置改变气体供给孔的方向。
9.根据权利要求4所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述第二原料气体供给装置进一步包括变化装置，所述变化装置改变气体供给孔的方向。
10.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置进一步包括位于气体供给孔前面的气流扩散元件。
11.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述原料气体供给装置进一步包括位于气体供给孔前面的气流扩散元件。
12.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述过程气体供给装置包括多个位于电介质元件中的气体流动导管和多个气体供给孔。
13.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述过程气体供给装置包括多个位于电介质元件中的气体流动导管和多个气体供给孔。
14.根据权利要求3所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述过程气体供给装置包括多个位于电介质元件中的气体流动导管和多个气体供给孔。
15.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件由多个由电介质材料制成的分开的部件组成。
16.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件由多个由电介质材料制成的分开的部件组成。
17.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件为圆板形。
18.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件为圆板形。
19.根据权利要求1所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件为矩形。
20.根据权利要求2所述的表面波激发等离子体CVD系统，其特征在于，所述电介质元件为矩形。
全文摘要
一种表面波激发等离子体CVD系统，在通过将原料气体从上表面气体引入导管和侧表面气体引入导管其中至少之一供给到室(1)而供给包括硅原素的原料气体的同时，还用表面波激发等离子体激活原料气体，并将在原料气体中启动化学反应的过程气体从过程气体引入导管(5)供入到室(1)中。上表面气体引入导管和/或侧表面气体引入导管的气体供给孔被设置为比过程气体供给装置的气体供给孔更靠近衬底。
文档编号H01L21/205GK1614086SQ200410092288
公开日2005年5月11日 申请日期2004年11月5日 优先权日2003年11月7日
发明者铃木正康 申请人:株式会社岛津制作所