半导体处理的成膜方法和装置的制作方法

专利名称：半导体处理的成膜方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在半导体晶片等的被处理基板上形成氮化硅膜的 半导体处理用的成膜方法和装置。这里，半导体处理是指，为了通过
以规定的图案在晶片或LCD (液晶显示器)这样的FPD (平板显示器) 用的玻璃基板等被处理基板上形成半导体层、绝缘层、导电层等，从 而，在该被处理基板上制造包括半导体器件、与半导体器件连接的配 线、电极等的构造物而实施的各种处理。
背景技术：
在构成半导体集成电路的半导体器件的制造中，对被处理基板例 如半导体晶片实施成膜、蚀刻、氧化、扩散、改性、退火、除去自然 氧化膜等各种处理。US2006/0286817A1公开了纵型(所谓的分批式) 热处理装置的这种半导体处理方法。在该方法中，首先，将半导体晶 片从晶片盒移载到纵型的晶舟上，并被多层地支承。在晶片盒中能够 收容例如25枚晶片，在晶舟上能够载置30 150枚晶片。接着，晶舟 从处理容器的下方装载到其内部，并且处理容器被气密地封闭。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。
为了提高半导体集成电路的特性，提高半导体器件的绝缘膜的特 性很重要。作为半导体器件中的绝缘膜，使用Si02、 PSG (Phospho Silicate Glass:硅酸磷玻璃)、P (通过等离子体CVD法形成)-SiO、 P (通过等离子体CVD法形成)-SiN、 SOG (Spin On Glass:旋涂式玻 璃法)、Si3N4 (氮化硅膜)等。尤其是由于氮化硅膜的绝缘特性相比氧 化硅膜更强、并且作为蚀刻抑制膜或层间绝缘膜具有足够强的功能， 因此，越来越多地得到使用。另外，基于相同的原因，也经常使用掺 杂有硼的氮化碳膜。
作为在半导体晶片表面形成上述氮化硅膜的方法，使用甲硅烷(S线)、二氯硅烷(DCS: SiH2Cl2)、六氯乙硅烷(HCD: Si2Cl6)、 双叔丁基氨基硅烷(BTBAS: SiH2 (NH (C4H9)) 2、 (t-C4H9NH) 2SiH2 等硅烷类气体作为硅源气体，通过热CVD( Chemical Vapor Deposition:
化学气相沉积)进行成膜的方法是公知的。例如，fflSiH2Cl2+NH3 (参 照US5874368 A)或者Si2Cl6+NH3等气体的组合通过热CVD法形成氮 化硅膜。另外，也提出了为了减小介电率，在氮化硅膜中添加杂质、 例如硼(B)的方法。
近年来，随着对半导体集成电路的更高集成化和更精细化的要求， 希望减少半导体器件制造工艺中的热滞后，提高器件的特性。即使对 于纵型的处理装置，也希望按照上述需求改进半导体处理方法。例如， 有在作为成膜处理的一种的CVD (Chemical Vapor Deposition:化学气
相沉积)法中，间断地供给原料气体等，同时反复形成一层或多层原 子或分子级别的厚度的层而进行成膜的方法(例如参照特开平2-93071 号公报、特开平6-45256号公报、US6165916A)。上述成膜方法通常被 称为ALD( Atomic Layer deposition:原子层沉积)》去或MLD (Molecular Layer Deposition:分子层沉积)法，从而，即使将晶片暴露在那样的 高温中，也能进行处理达到目的。
例如，使用硅烷类气体的二氯硅烷(DCS)和氮化气体的NH3形 成氮化硅膜(SiN)时，如下所述进行处理。S卩，夹着清扫期间交替间 断地向处理容器内供给DCS和NH3气体。供给NH3气体时，通过施加 RF (高频)，在处理容器内生成等离子体促进氮化反应。这里，首先向 处理容器内供给DCS,由此在晶片表面上以分子级别吸附一层或多层 DCS。在清扫期间排除多余的DCS。接着，供给NH3生成等离子体， 由此通过在低温下的氮化形成氮化硅膜。反复实施上述一系列工序， 形成规定厚度的膜。

发明内容
本发明的目的在于提供一种能够抑制微粒产生，并且能够形成膜 质良好的氮化硅膜的半导体处理用的成膜方法和装置。
本发明的第一观点是，提供一种半导体处理用的成膜方法，其能 够有选择性地供给包含硅烷类气体的第一处理气体和包含氮化气体的第二处理气体，并且在与供给上述第二处理气体时用于激励的激励机 构连通的处理容器的处理区域内，进行在被处理基板上形成氮化硅膜 的成膜处理，其特征在于上述方法，在主阶段和辅助阶段进行上述 成膜处理，卜.述辅助阶段被设定在上述成膜处理的初期和末期中的--方或者双方，上述主阶段，以进行多个主循环，层叠在每个上述主循 环中形成的薄膜的方式设定，上述各主循环具备第一供给工序，对 上述处理区域供给上述第一处理气体，另一方面，保持对于上述处理 区域的上述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给工序，对上述处 理区域供给上述第二处理气体，另一方面，保持对于上述处理区域的 上述第一处理气体的供给的阻断；并且上述主阶段的上述第二供给工 序具有利用上述激励机构将上述第二处理气体在己被激励的状态下供 给到上述处理区域的激励期间，上述辅助阶段具备对上述处理区域 供给上述第一处理气体的工序；和对上述处理区域供给上述第二处理 气体的工序，并以不利用上述激励机构激励上述第二处理气体的方式 设定。
本发明的第二观点在于提供一种半导体处理用的成膜装置，其特 征在于，具备具有收纳被处理基板的处理区域的处理容器；在上述 处理区域内支承上述被处理基板的支承部件；加热上述处理区域内的 上述被处理基板的加热器；对上述处理区域内进行排气的排气系统； 对上述处理区域供给包含硅烷类气体的第一处理气体的第一处理系统 供给系统；对上述处理区域供给包含氮化气体的第二处理气体的第二 处理气体供给系统；供给上述第二处理气体时用于激励的激励机构； 和控制上述装置的动作的控制部，上述控制部在上述处理区域内实施 半导体处理用的成膜方法，上述半导体处理用的成膜方法进行在被处 理基板上形成氮化硅膜的成膜处理，上述方法，在主阶段和辅助阶段 进行上述成膜处理，上述辅助阶段被设定在上述成膜处理的初期和末 期中的一方或者双方；上述主阶段，以进行多个主循环，层叠在每个 上述主循环中形成的薄膜的方式设定，上述各主循环具备第一供给 工序，对上述处理区域供给上述第一处理气体，另一方面，保持对于 上述处理区域的上述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给工序，
对上述处理区域供给上述第二处理气体，另一方面，保持对于上述处理区域的上述第一处理气体的供给的阻断；并且上述主阶段的上述第 二供给工序具有利用上述激励机构将上述第二处理气体在已被激励的 状态下供给到上述处理区域的激励期间，上述辅助阶段具备对上述 处理区域供给上述第一处理气体的工序；和对上述处理区域供给上述 第二处理气体的工序，并以不利用上述激励机构激励上述第二处理气 体的方式设定。
本发明的第三目的在于提供一种包括用于在处理器中执行的程序 指令的能够由计算机读取的介质，其特征在于在半导体处理用的成 膜装置中使用，上述成膜装置能够有选择性地供给包含硅垸类气体的 第一处理气体和包含氮化气体的第二处理气体，并且具有与供给上述 第二处理气体时用于激励的激励机构连通的处理容器内的处理区域， 上述程序指令通过处理器执行时，在上述成膜装置的上述处理区域内， 使半导体处理用的成膜方法执行，上述半导体处理用的成膜方法进行 在被处理基板上形成氮化硅膜的成膜处理，上述方法，在主阶段和辅 助阶段进行上述成膜处理，上述辅助阶段被设定在上述成膜处理的初 期和末期中的一方或者双方，上述主阶段，以进行多个主循环，层叠 在每个上述主循环中形成的薄膜的方式设定，上述各主循环具备第 一供给工序，对上述处理区域供给上述第一处理气体，另一方面，保 持对于上述处理区域的上述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给 工序，对上述处理区域供给上述第二处理气体，另一方面，保持对于 上述处理区域的上述第一处理气体的供给的阻断；并且上述主阶段的
上述第二供给工序具有利用上述激励机构将上述第二处理气体在己被 激励的状态下供给到上述处理区域的激励期间，上述辅助阶段具备 对上述处理区域供给上述第一处理气体的工序；和对上述处理区域供 给上述第二处理气体的工序，并以不利用上述激励机构激励上述第二 处理气体的方式设定。


图1为表示本发明实施方式的成膜装置(纵型CVD装置)的截面图。
图2为表示图1所示装置的一部份的横截平面图。图3A为表示本发明实施方式的成膜方法中，供给气体和施加RF
(高频)的状态的时序图。
图3B、图3C为表示变形例的成膜方法中，施加RF (高频)的状 态的时序图。
图3D为表示其它变形例的成膜方法中，供给气体和施加RF (高 频)的状态的时序图。
图4A、图4B为示意性表示在气体激励部内附着的副产物膜的截面图。
具体实施例方式
本发明者们在研究本发明的过程中，关于半导体处理中有关形成 氮化硅膜的成膜方法的现有技术存在的问题进行了研究。其结果是， 本发明者们有了如下所述的认识。
即，如上所述，作为现有技术，存在一种技术在所谓的ALD或 MLD成膜中，在供给氮化气体的NH3气体时，利用高频(RF)生成 等离子体促进氮化反应。这样的情况下，与不使用等离子体的情况相 比较，能够提高成膜速率(成膜速度)。另外，通过增大堆积的氮化硅 膜的应力，能够改善电子或空穴的移动性，大幅度提高氮化硅膜的膜 质量。
但是，若生成等离子体，则由于这时形成的氮化硅膜的膜应力增 大等原因，在处理容器内产生的微粒增多。尤其在处理容器内的壁面 内，在接近等离子体的部分的壁面上产生上述微粒。若容易产生微粒， 则处理容器内的清洁频率增多，生产量降低。
关于这一点可以看出，在ALD或MLD成膜中，在供给氮化气体 时生成等离子体的主阶段之前或之后进行供给氮化气体时不生成等离 子体的辅助阶段，由此，能够抑制微粒的产生。即，在这样的情况下， 通过适当设定辅助阶段，能够抑制微粒的产生，而且能够以高成膜速 率形成膜质量良好的氮化硅膜。
下面，参照附图对基于上述认识而构成的本发明实施方式进行说 明。而且，在下述说明中，具有大致相同功能和构成的构成要素标注 相同符号，仅在必要的情况下进行重复说明。图1为表示本发明实施方式的成膜装置(纵型CVD装置)的截面 图。图2为表示图1所示的装置的一部分的横截平面图。该成膜装置2 具备可选择性地供给第1处理气体和第二处理气体的处理领域，其中，
上述第一处理气体含有硅烷类气体的二氯硅垸(DCS)气体，上述第 二处理气体含有作为氮化气体的氨气(NH3)。成膜装置2，以在上述 处理领域内，在被处理基板上形成氮化硅膜的方式构成。
成膜装置2具有下端开口的有顶的圆筒状处理容器4，在该处理容 器4内部规定处理领域5，在该处理领域5收纳处理隔开间隔堆积的多 个半导体晶片(被处理基板)。处理容器4整体由例如石英形成。石英 制顶板6配设并密封于处理容器4内的顶部。形成为圆筒体状的总管8 经O型环等密封部件10与处理容器4的下端开口连接。而且，也能够 不另外设置总管8，由圆筒体状石英制处理容器构成整体。
总管8例如由不锈钢形成，支承处理容器4的下端。通过总管8 的下端开口，使石英制晶舟12升降，从而，相对于处理容器4装载/ 卸载晶舟12。在晶舟12中，多层地载置作为被处理基板的多枚半导体 晶片W。例如，在本实施方式中，在晶舟12的支柱12A能够大致以 相同间距多层地支承直径大约为300mm的例如大约50 100枚的晶片 W。
晶舟12经石英制保温筒14载置在台16上。台16例如被支承在 开闭总管8的下端开口的贯通例如由不锈钢制的盖体18的旋转轴20 上。
在旋转轴20的贯通部设置有例如磁性流体密封件22，将旋转轴 20气密地密封而且可旋转地支承旋转轴20。在盖体18的周边部和总 管8的下端部之间设置有由例如0型环等构成的密封部件24，保持容 器内的密封性。
在由例如晶舟升降机等升降机构25支承的臂26的前端安装有旋 转轴20。通过升降机构25使晶舟12和盖体18等整体升降。另外，将 工作台16固定设置到盖体18 —侧，可以不使晶舟12转动进行晶片W 的处理。
用于向处理容器4内的处理领域5供给规定处理气体的气体供给 部连接在总管8的侧部。气体供给部包括第二处理气体供给系统28、
13第一处理气体供给系统30和清扫气体供给系统36。第一处理气体供给
系统30供给包括硅烷类气体即DCS(二氯硅烷)气体的第一处理气体。 第二处理气体供给系统28供给包括氮化气体即氨气(NH3)的第二处 理气体。清扫气体供给系统36供给作为清扫气体的非活泼性气体，例 如N2气体。根据需要，在第一和第二处理气体中混合适量的输运气体， 下面，为了便于说明，不再提及输运气体。
具体地说，第二和第一处理气体供给系统28、 30分别具有向内侧 贯通总管8的侧壁并朝上方弯曲延伸的由石英管构成的气体分散喷嘴 38、 40 (参照图1)。在各气体分散喷嘴38、 40中沿着其长度方向(上 下方向)并且以遍及晶舟12上的所有晶片W的方式以规定的间隔形 成有多个气体喷射孔38A、 40A。气体喷射孔38A、 40A以相对于晶舟 12上的多个晶片W形成平行的气体流的方式分别沿着水平方向供给对 应的处理气体。另一方面，清扫气体供给系统36具有贯通总管8的侧 壁而设置的短的气体喷嘴46。
喷嘴38、 40、 46经气体供给管路(气体通路)48、 50、 56，分别 连接在NH3气体、DCS气体和N2气体的气体源28S、 30S、 36S。在气 体供给管路48、 50、 56上配设有开闭阀48A、 50A、 56A和质量流量 控制器那样的流量控制器48B、 50B、 56B。由此，分别控制NH3气体、 DCS气体以及N2气体的流量的同时进行供给。
在处理容器4的侧壁的局部，沿着其高度方向配置有气体激励部 66。在与气体激励部66相对的处理容器4的相反侧，配置有用于对该 内部气氛进行真空排气，将处理容器4的侧壁沿着例如上下方向削去 而形成的细长的排气口 68。
具体地说，气体激励部66具有将处理容器4的侧壁沿着例如上下 方向削去规定的宽度而形成的上下细长的开口 70。开口 70由石英制盖 (等离子体生成箱)72覆盖，该盖72与处理容器4的外壁气密地焊接 接合。盖72以向处理容器4的外侧突出的方式呈截面凹部状，且具有 上下细长的形状。
通过该结构，形成从处理容器4的侧壁突出并且一侧向处理容器4 内开口的气体激励部66。 g卩，气体激励部66的内部空间与处理容器4 内的处理区域5连通。开口 70沿上下方向足够长地形成，使得能够在高度方向上覆盖保持在晶舟12中的所有晶片W。
在盖72的两侧壁的外侧面，沿着其长度方向(上下方向)以相互
相对的方式配置有细长的一对电极74。等离子体生成用的高频电源76 经供屯线78连接在电极74。通过对电极74施加例如13.56MHz的高 频电压，由此在一对电极74之间形成用于激励等离子体的高频电场。 另外，高频电压的频率不限于13.56MHz，也可以使用其它频率，例如 400kHz 。
第二处理气体的气体分散喷嘴38在晶舟12上的最下级晶片W的 下方位置，向处理容器4的半径方向外方弯曲。然后，气体分散喷嘴 38在气体激励部66内的最里面(距离处理容器4中心最远的部分)位 置垂直立起。如图2所示，气体分散喷嘴38设置在由一对相对电极74 夹着的区域(高频电场最强的位置)，即比实际生成主要等离子体的等 离子体生成领域PS向外侧远离的位置。包括从气体分散喷嘴38的气 体喷射孔38A喷射的包含NH3气体的第二处理气体朝等离子体生成区 域PS喷射，在此有选择地被激励(分解或者活化)，并在该状态供给 到晶舟12上的晶片W。
在盖72外侧，以覆盖盖72的方式安装有例如由石英构成的绝缘 保护盖80。在绝缘保护盖80的内侧即与电极74相对的部分，配置有 由冷却介质通路形成的冷却机构(未图示)。在冷却介质通路中，通过 流通冷却介质例如冷却后的氮气，从而使电极74冷却。另外，在绝缘 保护盖80的外侧配置有防护板(未图示)，该防护板覆盖该绝缘保护 盖并防止高频泄漏。
使第一处理气体的气体分散喷嘴40垂直立起配置在气体激励部 66的开口 70的外侧附近、即开口 70的外侧(处理容器4内)的一侧。 从在气体分散喷嘴40中形成的气体喷射孔40A向处理容器4的中心方 向喷射包括DCS气体的第一处理气体。
另一方面，由石英形成的截面呈3字状的排气口盖部件82通过焊 接安装在与气体激励部66相对而设置的排气口 68上，并覆盖该排气 口 68。排气口盖部件82沿着处理容器4的侧壁向上方延伸，在处理容 器4的上方形成气体出口 84。该气体出口 84连接有配置有真空泵等的 真空排气系统GE。以包围处理容器4的方式配置加热处理容器4内的气氛和晶片W
的加热器86。在处理容器4内的排气口 68附近配置用于控制加热器 86的热电偶(未图示)。
另外，成膜装置2具备由控制装置整体的操作的计算机等构成的 主控制部60。主控制部60按照在附带于主控制部60的存储部62中预 先存储的处理方案，根据例如形成的膜的膜厚或组成等的条件进行下 述的成膜处理。在该存储部62中还预先存储有处理气体流量与膜的膜 厚或组成的关系作为控制数据。因此，主控制部60能够基于上述存储 的处理方案或控制数据控制升降机构25、气体供给系统28、 30、 36、 排气系统GE、气体激励部66和加热器86等。此外，存储介质为例如 磁盘(软盘、硬盘(例如，存储部62中包括的硬盘)等)、光盘(CD、 DVD等)、磁光盘(Magnetic Optical: MO等)和半导体存储器等。
接着，对使用图1所示装置进行的成膜方法(所谓的ALD或MLD 成膜)进行说明。在该成膜方法中，通过ALD或MLD在半导体晶片 W上形成氮化硅膜。因此，向收纳晶片W的处理区域5内有选择地供 给含有硅烷类气体即二氯硅垸(DCS)气体的第一处理气体，和含有氮 化气体即氨气(NH3)的第二处理气体。具体地说，通过下述操作进行 成膜处理。
(成膜处理)
首先，将保持有多枚、例如50-100枚的300mm尺寸的晶片W的 常温的晶舟12装载到设定为规定温度的处理容器4内，密封处理容器 4。接着，将处理容器4内抽真空，维持在规定的处理压力，并且使晶 片温度上升，待机直至稳定为成膜用的处理温度为止。然后，使晶舟 12旋转，并且分别控制第一和第二处理气体的流量的同时间断性地从 气体分散喷嘴40、 38供给第一和第二处理气体。
包含DCS气体的第一处理气体从气体分散喷嘴40的气体喷射孔 40A以形成平行的气体流的方式供给到晶舟12上的多个晶片W。其间， DCS气体通过处理区域5的加热温度被活化，DCS气体的分子、或者 通过上述分解生成的分解生成物的分子或原子附着到晶片上。
另 -方面，包含NH3气体的第二处理气体从气体分散喷嘴38的气 体喷射孔38A以形成平行的气体流的方式供给到晶舟12上的多个晶片
16W。供给第二处理气体时，如下所述，对应于成膜处理的主阶段和辅
助阶段，将气体激励部66设定为ON状态或OFF状态。
将气体激励部66设定为ON状态时，第二处理气体通过一对电极 74之间的等离子体生成区域PS时被激励一部分被等离子体化。这时， 生成例如N*、 NH*、 NH2*、 NH^等自由基(活性基)(符号"*"表 示自由基)。将气体激励部66设定为OFF状态时，第二处理气体的NH3 主要保持为气体分子的状态通过气体激励部66。这些自由基或气体分 子从气体激励部66的开口 70朝处理容器4的中心流出，在晶片W相 互之间以层流状态被供给。
来自通过等离子体激励的NH3气体的自由基、或者通过处理区域 5的加热温度被活化的NH3气体分子、或者由它们的分解产生的分解 生成物的分子或原子，与附着在晶片W的表面的DCS气体分子等反 应，从而在晶片W上形成薄膜。而且，与此相反，当在晶片W表面 附着有来自NH3气体的自由基、分解生成物的分子或原子时，在流过 DCS气体的情况下，同样发生反应，在晶片W上形成氮化硅膜。而且， 若将气体激励部66设定为ON状态，则在促进反应的状态下进行成膜； 若将气体激励部66设定为OFF状态，则在反应速度慢的状态下进行成 膜。
图3A为表示本发明实施方式的成膜方法中，供给气体和施加RF (高频)的状态的时序图。而且，图3A表示对1批晶片进行成膜处理 的整个过程的状态。如图3A所示，在该实施方式的成膜方法中，成膜 处理由初期的规定阶段(辅助阶段)Ll和其后的阶段(主阶段)构成。 主阶段由通过气体激励部66激励包含NH3气体的第二处理气体的循环 构成。辅助阶段由不利用气体激励部66激励第二处理气体的循环构成。 主阶段和辅助阶段的各循环构成第一 第四工序T1 T4。即，反复操作 多次由第一工序 第四工序T1 T4构成的循环，堆积在每个循环形成的 氮化硅的薄膜，从而，获得最终厚度的氮化硅膜。
具体地说，在第一工序Tl中，对处理区域5供给第一处理气体(在 图3A中，表示为DCS)，另一方面，维持阻断对处理区域5供给第二 处理气体(在图3A中，表示为NHO。在第二工序T2中，维持阻断对 处理区域5供给第一和第二处理气体。在第三工序T3中，对处理区域5供给第二处理气体，另一方面，维持阻断对处理区域5供给第一处理
气体。在第四工序T4中，维持阻断对处理区域5供给第一以及第二处
理气体。
将第二和第四工序T2、 T4作为排除处理容器4内的残留气体的清 扫工序使用。在此，清扫的意思是，流通N2等非活泼性气体对处理容 器4内进行真空排气，或者维持阻断供给所有气体对处理容器4内进 行真空排气，从而除去处理容器4内的残留气体。另外，也可以在第 二和第四工序T2、 T4的前半段只进行真空排气，在后半段同时进行真 空排气和供给非活泼性气体。而且，在第一和第三工序T1、 T3中，能 够在供给第--和第二处理气体时，停止对处理容器4内的真空排气。 但是，当对处理容器4内进行真空排气的同时供给第一和第二处理气 体时，能够在整个第 一 第四工序T1 T4中持续对处理容器4内进行真 空排气。
在主阶段的第三工序T3中，通过将RF电源76设定为ON状态并 由气体激励部66使第二处理气体等离子体化，从而在已将第二处理气 体激励的状态下将其供给到处理区域5。在辅助阶段的第三工序T3中， 将RF电源76设定为OFF状态并且不通过气体激励部66使第二处理 气体等离子体化，而将该第二处理气体供给到处理区域5。但是，通过 加热器86对处理区域5设定加热温度在主阶段和辅助阶段中相同，实 质上不会对应阶段而变化。
在图3A中，第一工序T1设定为大约2 10秒，第二工序T2设定 为大约5 15秒，第三工序T3设定为大约10 20秒，第四工序T4设定 为大约5 15秒。另外，作为主阶段和辅助阶段的平均值，通过第一 第四工序T1 T4的1个循环形成的膜厚为0.10 0.13nm左右。因此， 若目标膜厚为例如50nm,则反复实施该循环450 500次左右。但是， 上述时间和厚度只表示了一种例子，并不限于该数值。
另外，在主阶段的第三工序T3中，能够改变在供给NH3气体期间 的RF电源的ON状态。例如，在一个变形例中的第三工序T3中，在 实施过程中将RF电源76设定为ON，从而仅在子工序T3b的期间将 第二处理气体在己激励的状态下供给到处理区域5。 g卩，这时，经过规 定时间At后，将RF电源76设定为ON，由气体激励部66使第二处而仅在子工序T3b期间将第二处理气体在已激
励的状态下供给到处理区域5。该规定时间At为NH3气体的流量达到 稳定为止的时间，为例如5秒左右。如上所述，在第二处理气体的流 量稳定之后，将RF电源设定为ON生成等离子体，从而能够提高晶片 W晶面间方向(高度方向)的活性种的浓度均匀性。
上述成膜处理的处理条件如下所述。DCS气体的流量在50 2000sccm的范围内，例如为1000sccm(lslm)。NH3气体的流量在500 5000sccm的范围内，例如为1000sccm。处理温度低于一般的CVD处 理温度，具体在200 70(TC的范围内，优选为300 70CTC，更为优选 的是在450 63(TC的范围内。若处理温度低于200°C，则不会发生反 应儿乎不会堆积膜。若处理温度高于700°C ，则通过CVD法形成膜质 差的堆积膜，并且会对已经形成的金属膜等造成热损伤。而且，在主 阶段和辅助阶段中，有可能因为等离子体的有无而处理区域5的温度 有一些改变，但是，通过加热器86对处理区域5设定的加热温度在主 阶段和辅助阶段实质上相同。
处理压力在13Pa (O.lTorr) 13300Pa (100Torr)的范围内，优 选的是在40Pa (0.3Torr) 266Pa (2Torr)的范围内，更加优选的是 在93Pa (0.7丁orr) 107Pa (0.8Torr)的范围内。例如，处理压力在第 --工序(供给DCS的工序)Tl中为1Torr，在第三工序(供给NHs的 工序)T3中为0.3Torr。当处理压力小于13Pa时，成膜速率为实用水 平以下。当处理压力在13300Pa以下时，相对于晶片W的反应中主要 为吸附反应，因此，能够以较快的成膜速率稳定地堆积膜质良好的薄 膜，获得理想的结果。但是，若处理压力大于13300Pa时，则反应方 式从吸附反应向气相反应转变，气相反应变为主要反应。其结果是， 不仅降低膜的面间和面内均匀性，而且，由气相反应导致微粒急剧增 多，因此并不优选。
若利用上述成膜方法，则在成膜处理初期的辅助阶段L1中，供给 NH3气时不产生等离子体，因此，形成基于无等离子体的热分解的SiN 膜。然后，在其后的主阶段中，采用等离子体形成SiN膜。而且，在 图3A中，构成辅助阶段的循环数为3循环，只要该循环数为1以上， 并没有特别限制，实际上循环数可以更多。通过成膜处理，在处理容器4的内壁表面，尤其在气体激励部66
的盖72表面堆积以SiN为主要成分的副产物膜。如上所述，该副产物
膜内，在成膜处理的主要阶段中采用等离子体形成的副产物膜为容易 产生微粒的部分。但是，在对下一批晶片进行成膜处理的初期的辅助
阶段Ll，该容易产生微粒的副产物膜重新由通过无等离子体形成的副 产物膜覆盖。因此，能够抑制来自在使用等离子体形成的副产物膜的 微粒的产生。换句话说，使用等离子体形成的SiN副产物膜作为应力 大的薄膜形成，因此容易发生剥离。但是，由通过上述无等离子体的 热分解形成的SiN副产物膜(膜应力小，因此难以剥离)覆盖该膜， 从而，能够大幅度抑制微粒的产生。而且，该方法不仅在对晶片进行 成膜处理时可以使用，形成在处理容器内面形成薄膜的预覆层时也可 以使用。
图4A、图4B为示意性表示在气体激励部66内附着的副产物膜的 截面图。在图4中，每次对一批晶片进行成膜处理时，通过热分解形 成的SiN膜(即，热SiN副产物膜100)和使用等离子体形成的SiN 膜(即，等离子体SiN副产物膜102)分别形成一层，交替堆积在气体 激励部66的盖72的内面。图4A表示完成第三批成膜处理后的状态。 而且，实际上，在处理容器4的清洁处理之后，在没有收纳晶片的状 态下流通成膜气体，进行形成薄膜的预覆层处理，但在此，省略说明 预覆层膜。
在上述状态中，如上所述地进行第四批成膜处理时，则如图4B所 示，最初，通过无等离子体的热分解形成热SiN副产物膜100A。然后， 使用等离子体，在其上面形成等离子体SiN副产物膜102A。
艮口，因膜应力大而剥离成为的容易产生微粒的状态的下侧等离子 体SiN副产物膜102由膜应力小的热SiN副产物膜100A覆盖。从而， 能够大幅抑制来自等离子体SiN副产物膜102的微粒的产生。
在辅助阶段Ll中，在晶片W上形成的SiN薄膜的厚度设定为 O.lnm以上。从而，热SiN副产物膜100的厚度也形成为O.lnm以上。 若该膜厚小于O.lnm，则不能够完全覆盖下侧的整个等离子体SiN副产 物膜102，抑制微粒的效果变差。
另外，在辅助阶段L1中，在晶片W上形成的SiN薄膜的厚度，设定为在成膜处理中形成的SiN成品膜的总膜厚、即热SiN膜与等离
子体SiN膜的总膜厚的20y。以下。由此，热SiN副产物膜100的厚度 能够成为热SiN副产物膜100与等离子体SiN副产物膜102的总膜厚 的20%以下。若该膜厚大于总膜厚的20%，则从在晶片W上形成的 SiN成品膜的膜质来看等离子体SiN膜的特性减弱，受到基于热SiN 膜特性的不良影响。
通过上述成膜方法，能够抑制微粒的产生的机构依赖于副产物膜 中的应力的大小。实际上测量膜的应力时，不使用等离子体的热SiN 副产物膜100为0.3GPa左右，与此相对，使用等离子体的等离子体SiN 副产物膜102为0.6GPa以上。
若利用上述成膜方法，则能够尽量抑制微粒产生，并且形成的整 个氮化硅膜能够具有与完全供给NH3气体时使用等离子体成膜后的氮 化硅膜相同的膜质。即，能够使形成的氮化硅膜的介电率非常低，并 且能够提高干式蚀刻时的抗蚀刻性。
另外，由于能够抑制微粒的产生，因此，在该程度上能够减少清 洁频率，提高生产量。g卩，通常，能够大幅度减少1次需要45分钟的 干洗处理的频率。 (实验)
为了评价利用上述实施方式抑制微粒的效果，进行SiN膜的成膜 处理。在此，采用图1所示的成膜装置2，进行堆积膜厚为500nm的 SiN膜的成膜处理(利用全部使用等离子体的ALD法进行成膜处理)。 之后，进行上述实施方式的成膜处理，在半导体晶片上堆积50nm的 SiN膜。
采用上述实施方式的成膜处理进行2次实验。在第一次实验中， 形成3.5nm厚的初期的热SiN膜(RF的施加相当于60个循环)，剩余 的46.5nm的厚度以等离子体ALD-SiN膜形成。在第二次实验中，形 成5nm厚的初期的热SiN膜(RF的施加相当于70个循环)，剩余的 40nm的厚度以等离子体ALD-SiN膜形成。
其结果是，可以确认，在上述2个实验中都能够大幅度抑制微粒 产生。另外，可以确认，能够将在半导体晶片的表面堆积的SiN膜的 膜质特性保持为较高。(变形例)
在上述实施方式中，关于RF电力的施加，如图3A所示，仅在成 膜处理的初期的辅助阶段L1时，在供给氮化气体的工序中不激起等离 子体。图3B、图3C为表示变形例的成膜方法中施加RF (高频)的状 态的时序图。
图3B的变形例中，在成膜处理末期的规定阶段(辅助阶段)L2 中，在供给氮化气体的工序中不激起等离子体。而且，该阶段L2与之 前阶段L1的时间相同。这时，由在成膜处理末期形成的热SiN副产物 膜100覆盖等离子体SiN副产物膜102。因此，在该情况下，能够发挥 与上述实施方式相同的作用效果。
在图3C的变形例中，在成膜处理初期的规定阶段(辅助阶段)Ll 和末期的规定阶段(辅助阶段)L2两者中，在供给氮化气体的工序中 不激起等离子体。在该情况下，也能够发挥与上述实施方式相同的作 用效果。
在上述实施方式和变形例中，成膜处理的初期和末期的辅助阶段 以交替供给硅烷类气体和氮化气体的方式构成。图3D为表示其它变形 例的成膜方法中供给气体和施加RF (高频)的状态的时序图。在图3D 的变形例中，在辅助阶段L1构成为同时供给硅烷类气体和氮化气体， 利用普通的热CVD (无等离子体)法进行成膜。如上所述地实施辅助 阶段以外的主阶段的成膜处理。在该情况下，能够发挥与参照图3A说 明的成膜方法相同的效果。
在上述实施方式中，作为第一处理气体中的硅垸类气体，举例说 明了DCS气体。对此，作为硅烷类气体，能够使用选自二氯硅烷(DCS)、 六氯乙硅烷(HCD)、甲硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、六甲基二硅氮 烷(HMDS)、四氯化硅(TCS)、 二硅烷胺(DSA)、三硅烷胺(TSA)、 双叔丁基氨基硅烷(BTBAS)、三甲基硅垸(TMS)、二甲基硅烷(DMS)、 一甲胺(MMA)、三(二甲基氨基)硅烷(3DMAS)构成的组中的1 种以上的气体。
在上述实施方式中，作为第二处理气体中的氮化气体，举例说明 了NH3气体。对此，作为氮化气体，能够使用选自氨气(NH3)、氮气 (N2)、 一氧化二氮(N20)、 一氧化氮(NO)构成的组中的1种以上
22的气体。
能够在通过上述实施方式形成的氮化硅膜中添加硼(B)以及/或 者碳(C)等成分。在该情况下，成膜处理的各个循环还具备供给掺杂 气体以及/或者烃类气体的1个以上的工序。作为用于掺杂硼的含有硼
的气体，可以使用选自BC13、 B2H6、 BF3、 B (CH3) 3构成的组中的1 种以上的气体。作为用于添加碳的烃类气体，可以使用选自乙炔、乙 烯、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷构成的组中的1种以上的气体。
作为被处理基板，不限于半导体晶片，也能够为LCD基板、玻璃
基板等其它基板。
权利要求
1、一种半导体处理用的成膜方法，其能够有选择性地供给包含硅烷类气体的第一处理气体和包含氮化气体的第二处理气体，并且在与供给上述第二处理气体时用于激励的激励机构连通的处理容器的处理区域内，进行在被处理基板上形成氮化硅膜的成膜处理，其特征在于所述方法，在主阶段和辅助阶段进行所述成膜处理，所述辅助阶段被设定在所述成膜处理的初期和末期中的一方或者双方，所述主阶段，以进行多个主循环，层叠在每个所述主循环中形成的薄膜的方式设定，所述各主循环具备第一供给工序，对所述处理区域供给所述第一处理气体，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给工序，对所述处理区域供给所述第二处理气体，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的阻断；并且所述主阶段的所述第二供给工序具有利用所述激励机构将所述第二处理气体在已被激励的状态下供给到所述处理区域的激励期间，所述辅助阶段具备对所述处理区域供给所述第一处理气体的工序；和对所述处理区域供给所述第二处理气体的工序，并以不利用所述激励机构激励所述第二处理气体的方式设定。
2、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述辅助阶段，以进行辅助循环的方式设定，所述辅助循环具备 第一供给工序，进行对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；第二供给工序，进行对于所述处理区域的所述第二处理气体的供 给，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的 阻断；并且所述辅助阶段的所述第二供给工序不具有利用所述激励机 构激励所述第二处理气体的期间。
3、 如权利要求2所述的方法，其特征在于所述辅助阶段，以进行多个辅助循环，层叠在每个所述辅助循环 中形成的薄膜的方式设定。
4、 如权利要求3所述的方法，其特征在于 所述主阶段的主循环数大于所述辅助阶段的辅助循环数。
5、 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述辅助阶段，以由此形成的所述氮化硅膜的部分的厚度为O.lnm以上的方式设定。
6、 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述辅助阶段，以由此形成的所述氮化硅膜的部分的厚度为所述氮化硅膜整个膜厚的20%以下的方式设定。
7、 如权利要求l所述的方法，其特征在于在所述主阶段的所述第一和第二供给工序中，所述处理区域的温度设定为200°C 700°C的范围内的温度。
8、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述主阶段和所述辅助阶段，对于所述处理区域的设定加热温度 实质上相同。
9、 如权利要求1所述的方法，其特征在于在所述主阶段的所述第一和第二供给工序中，所述处理区域的压力设定为13Pa (0.1Torr) 13300Pa (100Torr)范围内的压力。
10、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述各主循环还具有第一和第二插入工序，其分别在所述第一和 第二供给工序之间和所述第二供给工序之后，保持对所述处理区域的 第一和第二处理气体的供给的阻断，并且对所述处理区域进行排气。
11、 如权利要求IO所述的方法，其特征在于所述各主循环，以遍及所述第一供给工序、所述第一插入工序、 所述第二供给工序和所述第二插入工序，连续地对所述处理区域进行 排气的方式构成。
12、 如权利要求IO所述的方法，其特征在于所述第一和第二插入工序具备对所述处理区域供给清扫气体的期间。
13、 如权利要求1所述的成膜方法，其特征在于所述硅烷类气体包括选自二氯硅烷、六氯乙硅烷、甲硅烷、乙硅 烷、六甲基二硅氮烷、四氯化硅、二硅烷胺、三硅烷胺、双叔丁基氨 基硅烷、三甲基硅烷、二甲基硅烷、 一甲胺、三(二甲基氨基)硅烷 构成的组中的1种以上的气体，所述氮化气体包括选自氨气、氮气、 一氧化二氮、 一氧化氮构成的组中的1种以上的气体。
14、 如权利要求13所述的方法，其特征在于所述各主循环还具备，供给选自掺杂气体和烃类气体构成的组中 的1种以上的气体的工序。
15、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述处理区域，按照多个被处理基板以相互隔开间隔沿垂直方向 层叠的状态收容在支承部件上的方式构成。
16、 如权利要求l所述的方法，其特征在于所述辅助阶段，以同时对所述处理区域供给所述第一和第二处理 气体的方式设定。
17、 一种半导体处理用的成膜装置，其特征在于，具备 具有收纳被处理基板的处理区域的处理容器； 在所述处理区域内支承所述被处理基板的支承部件； 加热所述处理区域内的所述被处理基板的加热器； 对所述处理区域内进行排气的排气系统；对所述处理区域供给包含硅烷类气体的第一处理气体的第一处理 系统供给系统；对所述处理区域供给包含氮化气体的第二处理气体的第二处理气 体供给系统；供给所述第二处理气体时用于激励的激励机构；和 控制所述装置的动作的控制部，所述控制部在所述处理区域内实施半导体处理用的成膜方法，所 述半导体处理用的成膜方法进行在被处理基板上形成氮化硅膜的成膜 处理，所述方法，在主阶段和辅助阶段进行所述成膜处理，所述辅助阶 段被设定在所述成膜处理的初期和末期中的一方或者双方；所述主阶段，以进行多个主循环，层叠在每个所述主循环中形成 的薄膜的方式设定，所述各主循环具备第一供给工序，对所述处理区域供给所述第一处理气体，另一方 面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给工序，对所述处理区域供给所述第二处理气体，另一方 面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的阻断；并且 所述主阶段的所述第二供给工序具有利用所述激励机构将所述第二处 理气体在已被激励的状态下供给到所述处理区域的激励期间，所述辅助阶段具备对所述处理区域供给所述第一处理气体的工 序；和对所述处理区域供给所述第二处理气体的工序，并以不利用所 述激励机构激励所述第二处理气体的方式设定。
18、如权利要求17所述的装置，其特征在于，所述辅助阶段，以进行辅助循环的方式设定，所述辅助循环具备第一供给工序，进行对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；第二供给工序，进行对于所述处理区域的所述第二处理气体的供 给，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的 阻断；并且所述辅助阶段的所述第二供给工序不具有利用所述激励机构激励所述第二处理气体的期间。
19、 一种包括用于在处理器中执行的程序指令的能够由计算机读 取的介质，其特征在于在半导体处理用的成膜装置中使用，所述成膜装置能够有选择性 地供给包含硅垸类气体的第一处理气体和包含氮化气体的第二处理气 体，并且具有与供给所述第二处理气体时用于激励的激励机构连通的 处理容器内的处理区域，所述程序指令通过处理器执行时，在所述成膜装置的所述处理区 域内，使半导体处理用的成膜方法执行，所述半导体处理用的成膜方 法进行在被处理基板上形成氮化硅膜的成膜处理，所述方法，在主阶段和辅助阶段进行所述成膜处理，所述辅助阶 段被设定在所述成膜处理的初期和末期中的一方或者双方，所述主阶段，以进行多个主循环，层叠在每个所述主循环中形成 的薄膜的方式设定，所述各主循环具备第一供给工序，对所述处理区域供给所述第一处理气体，另一方 面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；和第二供给工序，对所述处理区域供给所述第二处理气体，另一方 面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的阻断；并且所述主阶段的所述第二供给工序具有利用所述激励机构将所述第二处 理气体在已被激励的状态下供给到所述处理区域的激励期间，所述辅助阶段具备对所述处理区域供给所述第一处理气体的工 序；和对所述处理区域供给所述第二处理气体的工序，并以不利用所述激励机构激励所述第二处理气体的方式设定。
20、 如权利要求19所述的介质，其特征在于所述辅助阶段，以进行辅助循环的方式设定，所述辅助循环具备 第一供给工序，进行对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给，另一方面，保持对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给的阻断；第二供给工序，进行对于所述处理区域的所述第二处理气体的供给，另'方面，保持对于所述处理区域的所述第一处理气体的供给的 阻断；并且所述辅助阶段的所述第二供给工序不具有利用所述激励机 构激励所述第二处理气体的期间。
全文摘要
本发明提供一种半导体处理的成膜方法和装置。其在能够有选择性地供给包含硅烷类气体的第一处理气体和包含氮化气体的第二处理气体的处理区域内，进行在被处理基板上形成氮化硅膜的成膜处理。成膜处理由主阶段和辅助阶段构成，辅助阶段设定在成膜处理的初期和末期中的一方或者双方。主阶段具有利用激励机构将第二处理气体在已被激励的状态下供给到处理区域的激励期间。辅助阶段不具有利用激励机构将第二处理气体在已被激励的状态下供给到处理区域的激励期间。
文档编号C23C16/34GK101481794SQ20091000022
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月12日 优先权日2008年1月12日
发明者李殷朝, 野寺伸武, 长谷部一秀 申请人:东京毅力科创株式会社