非晶硅膜的形成方法与流程

本发明涉及物质膜形成方法，更详细地说涉及非晶硅膜的形成方法。

背景技术：

对于沉积的非晶硅膜，因为表面粗糙度和厚度均匀性的波动很大，存在工艺余量低的问题。另外，由于下部膜和非晶硅膜之间的粘合力弱，因此也出现膜被剥离的现象。另外，非晶硅膜的表面粗糙度差，这使得难以稳定后续工艺。

相关的现有技术有在韩国公开公报第2009-0116433号(2009.11.11公开，发明名称：非晶硅薄膜形成方法)

技术实现要素：

(要解决的问题)

本发明是用于解决包括上述问题的各种问题的，目的在于提供能够改善与下部膜的粘合力、膜质量以及表面粗超度的非晶硅膜的形成方法。但是，所述问题不过是示例性的，本发明的范围不限于此。

(解决问题的手段)

基于用于解决上述问题的本发明的一观点，提供一种非晶硅膜的形成方法。所述非晶硅膜的形成方法包括：第一步骤，在对腔室未施加用于形成等离子体的电源的状态下，向形成有下部膜的基板供应反应气体以及惰性气体并进行气体稳定化；第二步骤，在对所述腔室施加功率在500至700w的高频(hf)电源的同时施加功率低于所述高频电源的功率的低频(lf)电源形成所述反应气体的等离子体，利用该等离子体在所述下部膜上沉积非晶硅膜；第三步骤，向所述腔室内供应吹扫气体；第四步骤，抽吸所述腔室。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述低频电源的功率可以在200w以上600w以下。

所述非晶硅膜形成方法中，所述低频电源的功率可以在200w以上300w以下。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述反应气体可包括从甲硅烷、乙硅烷和丙硅烷气体中选择的至少一种；所述惰性气体可包括从氦(he)、氖(ne)和氩(ar)中选择的至少一种。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述非晶硅膜的厚度在以下，所述下部膜可以是从soh膜、tin膜、sicn膜以及sion膜中选择的一种。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述非晶硅膜的厚度在以上；所述下部膜可以是在氧化硅膜以及氮化硅膜中选择的至少一种。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述高频电源具有13.56mhz至27.12mhz的频率；所述低频电源具有300khz至600khz的频率。例如，所述高频电源具有13.56mhz的频率；所述低频电源可具有370khz的频率。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述第二步骤可在150至550℃的工艺温度下执行。

(发明的效果)

根据如上所述的本发明的部分实施例，可提供能够改善与下部膜的粘合力、膜质量、表面粗超度的非晶硅膜的形成方法。当然，不得由该效果限制本发明的范围。

附图说明

图1是图解本发明一实施例的非晶硅膜的形成方法的流程图。

图2以及图3是概念性图解实现通过本发明一实施例的等离子体增强化学气相沉积工艺形成非晶硅薄膜的方法的薄膜形成装置的结构的图面。

图4a以及图4b是分别图解通过本发明的第一比较例以及第二比较例的等离子体增强化学气相沉积工艺形成非晶硅膜的方法的流程图。

图5是示出在本发明的实验例中在各种下部膜粘合非晶硅膜的状态，并示出下部膜是否受损的照片。

图6是确认在本发明的实验例中为用作存储节点硬掩膜(storagenodehardmask)而形成厚度相对较厚的非晶硅膜的成膜问题的照片。

图7是比较示出在本发明的实验例中形成的非晶硅膜的表面粗糙度的表。

图8以及图9是比较示出在本发明的实验例中形成在氮化膜的非晶硅膜的形态(morphology)的表。

具体实施方式

在说明书全文中，在谈及诸如膜、区域或者基板等的一构成元素位于另一构成元素“上”时，可解释为所述一构成元素直接接触于另一构成元素“上”或者这之间可存在其他构成元素。相反地，在谈及一构成元素“直接”位于另一构成元素“上”时，解释为这之间并不存在其他构成元素。

参照概略性示出本发明的理想实施例的图面说明本发明的实施例。例如，在图面中根据制造技术以及/或者公差(tolerance)可预测示出的形状的变形。因此，对于本发明思想的实施例，不得限于本说明书所示区域的特定形状，例如应应包括由制造引起的形状变化。另外，在图面中可夸张示出各个层的厚度或者大小，以方便以及明确地进行说明。相同符号是指相同元素。

在本发明中谈及的高频电源与低频电源作为用于在腔室内形成等离子体而施加的电源，能够以rf电力的频率范围为基准相对地区分。例如，高频电源具有3mhz至30mhz的频率范围，严格地说可具有13.56mhz至27.12mhz的频率范围。低频电源具有30khz至3000khz频率范围，严格地说可具有300khz至600khz的频率范围。

在本发明中谈及的等离子可通过等离子体直接形成方式(directplasma)形成。举例说明，所述等离子体直接形成方式包括以下方式：将预处理气体、反应气体以及/或者后处理气体供应于电极与基板之间的处理空间并施加电源，进而预处理气体、反应气体以及/或者后处理气体的等离子体直接形成在腔室内部。

为了便于说明，在本发明中将利用等离子体启动特定气体的状态称为“特定气体的等离子体”。例如，将利用等离子体启动甲硅烷气体的状态称为甲硅烷等离子体；将利用等离子体启动氨气体(nh3)的状态称为氨(nh3)等离子体；将利用等离子体一同启动氨气体(nh3)和氮气体(n2)的状态称为氨(nh3)和氮(n2)等离子体。

图1是图解本发明一实施例的非晶硅膜的形成方法的流程图。图2以及图3是概念性图解实现通过本发明一实施例的等离子体增强化学气相沉积工艺形成非晶硅薄膜的方法的薄膜形成装置的结构的图面。

本发明一实施例的等离子体增强化学气相沉积工艺的非晶硅膜形成方法包括：第一步骤(s110)，向腔室40内供应反应气体以及惰性气体后将气体稳定化；第二步骤(s130)；在腔室40利用所述反应气体的等离子体在基板w上沉积非晶硅膜；第三步骤(s140)，向腔室40内供应吹扫气体；第四步骤(s150)，抽吸腔室40。

所述第一步骤(s110)是在用于形成等离子体的电源未施加于腔室40的状态下向形成有下部膜的基板w上供应反应气体以及惰性气体将气体稳定化的步骤。所述反应气体包括从甲硅烷、乙硅烷和丙硅烷气体中选择的至少一种；所述惰性气体可包括从氦(he)、氖(ne)和氩(ar)中选择的至少一种。对于沉积非晶硅膜之前的基板w可在基板w上形成首先下部膜。即，非晶硅膜与所述下部接触并沉积在下部膜上。

所述第二步骤(s130)是向所述腔室40施加功率在500至700w的高频(hf)电源的同时施加功率低于所述高频电源的功率的低频(lf)电源，进而形成所述反应气体的等离子体，利用该等离子体在所述下部膜上沉积非晶硅膜的步骤。

所述低频电源的功率可在200w以上600w以下。更严格地说，所述低频电源的功率可以是200w以上300w以下。

高频电源具有3mhz至30mhz的频率范围；更严格地说，可具有13.56mhz至27.12mhz的频率范围。低频电源可具有30khz至3000khz的频率范围；严格地说，可具有300khz至600khz的频率范围。例如，所述高频电源具有13.56mhz的频率；所述低频电源可具有370khz的频率。

相比于利用低频电源的等离子体，利用高频电源的等离子体的自由基(radical)粒子的动能低、等离子体密度变高、沉积速度相对降低、覆盖(sheath)区域缩小。另一方面，相比于利用高频电源的等离子体，利用低频电源的等离子体的自由基(radical)粒子的动能高，因此能够很好地从下部膜掉落氢基团。

所述非晶硅膜可与所述下部接触地沉积在上述下部膜上。例如，所述下部膜可以是从soh膜、tin膜、sicn膜以及sion膜中选择的一种。在这一情况下，所述非晶硅膜可以是止动硬掩膜(stopperhardmask)，所述非晶硅膜的厚度可相对变薄至以下。举另一示例，所述下部膜可以是在氧化硅膜以及氮化硅膜中选择的至少一种。在这一情况下，所述非晶硅膜可以是存储节点硬掩膜(storagenodehardmask)，所述非晶硅膜的厚度可相对增厚至以上。

在所述非晶硅膜的形成方法中，所述高频电源具有13.56mhz至27.12mhz的频率；所述低频电源可具有300khz至600khz的频率。例如，所述高频电源具有13.56mhz的频率；所述低频电源可具有370khz的频率。

举例说明，沉积非晶硅膜的第二步骤(s130)可以是等离子体增强化学气相沉积(pecvd,plasmaenhancedchemicalvapordeposition)工艺。在化学气相沉积(cvd)工艺中将反应气体接近腔室内的基板上后注入，后续反应气体在对象物体表面产生反应，在对象物体表面上形成薄膜，之后从腔室除去沉积工艺之后的反应副产物。在施加热作为在反应气体的反应所需的能源的情况下，可需要500℃至1000℃以上的温度，但是如此的沉积温度因周边构成元素可产生不好的影响。因此，本发明一实施例的非晶硅膜的形成方法作为在将要降低反应温度的cvd工艺中实用化的方法之一，可在沉积步骤(s200)采用将反应气体的至少一部分离子化的等离子体增强化学气相沉积工艺。在利用等离子体增强化学气相沉积工艺的所述第二步骤(s130)可在150至550℃的工艺温度下执行。更严格地说，所述第二步骤(s130)在最适合在390至410℃的工艺温度下执行。

参照图2以及图3，说明上述双频电源的施加方式。可装入基板w的腔室40可包括喷头42以及平台加热器44。基板w安装在平台加热器44上。用于生成等离子体的rf电力施加于起到电极作用的喷头42以及/或者平台加热器44，进而在喷头42以及平台加热器44之间的空间形成等离子体p。生成rf电力的发电机10、20与腔室40之间介入匹配部15、25、35也可整合发电机10、20与腔室40。

参照图2，由第一发电机10生成的低频rf电源以及由第二发电机20生成的高频rf电源都可施加于起到电极的作用的喷头42。施加低频电源的电极以及施加高频电源的电极在腔室内都可位于高于基板w的上部。

参照图3，由第一发电机10生成的低频rf电源施加于起到电极作用的喷头42，由第二发电机20生成的高频rf电源可施加于起到电极的作用的平台加热器44。即，施加低频电源的电极在腔室内位于高于基板w的上部，而施加高频电源的电极在腔室内可位于低于基板w的下部。

第二步骤s130是非晶硅膜的沉积步骤可在作为气体稳定化步骤的第一步骤(s110)之后直接执行，无需对所述下部膜另外执行等离子体预处理工艺。在此，所述等离子体预处理执行步骤可包括利用第一等离子体在形成在基板w的下部膜上启动包括氨(nh3)气体的预处理气体来预处理所述下部膜的预处理步骤。

若通过等离子体预处理工艺表面处理下部膜，则能够光滑地沉积后续的非晶硅膜，因此能够在非晶硅膜中实现良好的粗糙度，并且能够改善非晶硅膜的均匀的厚度。与此相反，通过本发明的一实施例，利用同时施加高频电源与低频电源形成的等离子体来沉积非晶硅膜，进而在气体稳定化步骤的第一步骤(s110)与非晶硅膜沉积步骤的第二步骤(s130)之间无需另外执行等离子体预处理步骤，也能够在非晶硅膜实现良好的表面粗糙度，并且确认到能够改善非晶硅膜的厚度的均匀度，进而能够期待缩短工艺步骤的效果。

再则，若通过等离子体预处理工艺表面处理下部膜，则可提高非晶硅膜与下部膜之间的接口粘合力，但是诸如soh膜的特定下部膜情况则存在因预处理工艺而受损的致命缺点。与此相反，通过本发明一实施例，利用同时施加高频电源与低频电源形成的等离子体沉积非晶硅膜，进而在气体稳定化步骤的第一步骤(s110)与非晶硅膜沉积步骤的第二步骤(s130)之间无需另外的等离子体预处理步骤，也能够确认到可改善与各种下部膜的粘合力，因此能够期待从根本上防止特定下部膜因等离子体预处理而受损的效果。

另一方面，作为气体吹扫步骤的第三步骤(s140)可在非晶硅膜沉积步骤的第二步骤(s130)之后直接执行，无需另外执行对所述非晶硅膜执行等离子体预处理工艺。在此，执行所述等离子体预处理步骤可包括表面处理的步骤，利用包括在氮基团以及氧基团中的至少一种成分的等离子体对所述非晶硅膜的上部面执行表面处理。若通过等离子体后处理工艺表面处理非晶硅膜，则有效处理非晶硅的上部接口中的氢基团且形成接口保护膜，进而能够改善干式工艺中的干蚀刻率(dryetchrate)特性。与此相反，通过本发明一实施例，利用同时施加高频电源与低频电源形成的等离子体沉积非晶硅膜，进而在非晶硅膜沉积步骤的第二步骤(s130)与气体吹扫步骤的第三步骤(s140)之间无需执行另外的等离子体后处理步骤，也能够有效去除非晶硅膜的上部界面中的氢基团并可形成接口保护膜，因此能够期待缩短工艺步骤的效果。

以下，比较由本发明的各种实验例的非晶硅膜形成方法实现的膜质特性，进而示例性说明本发明的技术思想。

图4a以及图4b是分别图解通过本发明的第一比较例以及第二比较例的等离子体增强化学气相沉积工艺形成非晶硅膜的方法的流程图。

参照图4a以及图4b，气体稳定化步骤(s110)是向形成有下部膜的基板供应反应气体以及惰性气体将该气体稳定化的步骤；沉积步骤(s120)是对腔室只施加13.56mhz的高频电源以形成反应气体的等离子体，利用该等离子体在下部膜上沉积非晶硅膜的步骤；气体吹扫步骤s140是向腔室内供应吹扫气体的步骤；抽吸步骤s150是抽吸腔室的步骤。

进一步地说，在图4b示出的预处理步骤s115可包括如下的预处理步骤：形成在基板w的下部面上利用第一等离子体启动包括氨(nh3)气体的预处理气体来预处理所述下部膜；后处理步骤(s125)可包括利用包括氮基团以及氧基团中的至少一种成分的等离子体在所述非晶硅膜的上部表面部执行表面处理的步骤。

如图4a所示，由本发明第一比较例的方法形成的非晶硅膜可用作厚度相对薄的止动硬掩膜(stopperhardmask)或者厚度相对厚的存储节点硬掩膜，但是出现根据下部膜(under-layer)的种类非晶硅膜的表面粗糙度(roughness)以及均匀度(uniformity)存在差异的问题。另外，由于与下部膜的接口的粘合力(adhesion)弱，因此可出现升降(lifting)或者气泡(air-bubble)问题。

如图4b所示，由本发明第二比较例的方法形成的非晶硅膜可用作厚度相对薄的止动硬掩膜，而且通过表面处理可提高与下部膜的接口结合力，但是可发生在诸如soh的特定下部膜等离子体受损。另外，由本发明第二比较例的方法形成的非晶硅膜可用作厚度相对厚的存储节点硬掩膜，但是在沉积具有以上的厚度的非晶硅膜时，可出现膜质内发生柱(column)形态的成膜不稳定的问题。

与此相反，由上述的本发明实施例的方法形成的非晶硅膜可用作厚度相对薄的止动硬掩膜，但是因为将等离子体预处理步骤除外，进而防止下部膜受损、改善与各种下部膜的粘合力、改善表面粗糙度。另外，由上述的本发明实施例的方法形成的非晶硅膜可用作厚度相对厚的存储节点硬掩膜，并且也确认到在厚非晶硅膜的沉积中膜均匀地生长，并且解决了膜质内柱形状的成膜不稳定问题。

图5是示出在本发明的实验例中在各种下部膜粘合非晶硅膜的状态，并示出下部膜是否受损的照片。在横向第一行示出的照片是拍摄各种种类的下部膜与通过图4a的方法在所述下部膜上形成的非晶硅膜的照片(比较例1)；横向第二行示出的照片是拍摄各种种类的下部膜与通过图4b的方法在所述下部膜上形成的非晶硅膜的照片(比较例2)；在横向第三行示出的照片是拍摄各种种类的下部膜与通过图1的方法在所述下部膜上形成的非晶硅膜的照片(实施例)。

参照图5，在本发明的比较例中可确认到根据下部膜的种类出现非晶硅膜的粘合(adhesion)状态差或者因等离子体预处理导致下部膜受损的现象。具体地说，在比较例1中可以确认到在下部膜是sin膜或者tin膜的情况下，下部膜与非晶硅膜的粘合(adhesion)状态差。在比较例2中，可以确认到下部膜是soh膜的情况下，因等离子预处理出现soh膜受损的现象。与此相反，在本发明的实施例中，可以确认到所有种类的下部膜中下部膜都未受损并且下部膜与非晶硅膜的粘合状态良好。

图6是确认在本发明的实验例中为用作存储节点硬掩膜(storagenodehardmask)而形成厚度相对较厚的非晶硅膜的成膜问题的照片。在第一竖列示出的照片是拍摄通过图4a的方法在下部膜上形成非晶硅膜的照片(比较例)；在第二数列示出的照片是拍摄通过图1的方法在下部膜上形成非晶硅膜的照片(实施例)。

参照图6，在本发明的比较例中可以确认到厚度在以上的厚度相对较厚的非晶硅膜中观察到柱(column)形态。与此相反，在本发明的实施例中，确认到厚度在以上的厚度相对较厚的非晶硅膜中未观察到柱(column)形态。

图7是比较示出在本发明的实验例中形成的非晶硅膜的表面粗糙度的表。在第一竖列示出的照片与测量值表示通过图4a的方法在下部膜上形成的非晶硅膜的表面粗糙度(比较例)；在第二竖列示出的照片与测量值是表示通过图1的方法在下部膜上形成的非晶硅膜的表面粗糙度(实施例)。另一方面，在横向第一行示出的照片与测量值是有关于厚度小于的相对较薄非晶硅膜的，在横向第二行示出的照片与测量值是有关于厚度大于相对厚的非晶硅膜。

参照图7，可以确认到在相对薄的非晶硅膜中相比于比较例(0.534)在实施例(0.339)的表面粗糙度得到改善。另外，在厚度相对厚的非晶硅膜中相比于比较例(1.778)实施例(0.311)的表面粗糙度得到更多的改善。

图8以及图9是比较示出在本发明的实验例中形成在氮化膜的非晶硅膜的形态(morphology)的表。

在图8中第一竖列示出的照片是利用只施加功率为500w的高频电源(hf)形成的等离子体形成非晶硅膜，在第二竖列示出照片是利用施加功率为500w的高频电源(hf)同时施加功率为300w的低频(lf)电源形成的等离子体形成非晶硅膜；第三竖列示出的照片是利用只施加功率为700w的高频(hf)电源形成的等离子体形成非晶硅膜。在第四竖列示出照片是利用施加功率为700w的高频电源(hf)同时施加功率为300w的低频(lf)电源形成的等离子体形成非晶硅膜。另一方面，横向第一行的照片是垂直剖面照片；横向第二行的照片是倾斜的照片。

参照图8，在利用只施加高频电源形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下，表面形态差，与此相反利用施加高频电源的同时施加低频电源形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下，可以确认到表面形态得到改善。

在图9中，第一个照片是在利用只施加功率为500w的高频电源(hf)形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下的sem图像；从第二至第五个照片是利用依次施加功率为500w的高频电源(hf)的同时施加功率为50w、100w、200w以及300w的低频(lf)电源形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下的sem图像。

参照图9，可以确认到利用只施加功率为500w的高频(hf)电源形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下非晶硅膜的表面形态差，但是与此相反利用施加高频电源的同时施加低频电源形成的等离子体形成非晶硅膜的情况下表面形态得到改善。另外，可以确认到相比于低频(lf)电源的功率为50w、100w的情况，在200w、300w的情况下表面形态更加得到改善。

参照在图面示出的实施例进行了说明，但是这不过是示例性的，只要是具有通常知识的技术人员应该理解为能够执行各种变形以及同等的其他实施例。因此，本发明的真正的保护范围应该由权利要求的保护范围的技术思想决定。