專利名稱：成膜方法和成膜裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及在半導體晶片等被處理基板上形成薄膜用的半導體處理用的成膜裝置和方法。在此，所謂半導體處理是指為了通過在晶片或LCD(液晶顯示器，Liquid Crystal Display)或FPD(平板顯示器，Flat Panel Display)用的玻璃基板等被處理基板上以規定的圖案形成半導體層、絕緣層、導電層等制造在該被處理基板上含有半導體器件或與半導體器件相連接的布線、電極等的結構體所實施的各種處理。
背景技術：
在制造構成半導體集成電路的半導體器件時，在被處理基板，例如半導體晶片上，實施了成膜、氧化、擴散、改質、退火、蝕刻等各種處理。特開2004-6801號公報中，公開了在立式(所謂間歇式)熱處理裝置中進行這些半導體處理的方法。在此方法中，首先將半導體晶片從晶片盒轉移到立式晶片支架上，并以多級的形成被支持。在晶片盒中，例入可容納25片晶片，而在晶片支架上能夠裝載30～150片晶片。接著，將晶片支架從處理容器的下方轉入其內部，同時將處理容器進行氣密性閉鎖。然后，在控制處理氣體的流量、處理壓力、處理溫度等各種處理條件的狀態下，進行規定的熱處理。
近年來，伴隨著對半導體集成電路更加高度集成化和高度微細化的要求，希望在半導體器件的制造工序中減輕其熱滯后，提高器件的特性。在立式處理裝置中，希望根據某些要求改進半導體處理的方法。例如在一種成膜處理的CVD(Chemical Vapor Deposition化學氣相淀積)法當中，有一種一邊間歇地供給原料氣體等，一邊進行原子或分子水平厚度層的一層或多層反復成膜的方法(例如，特開平6-45256號公報、特開平11-87341號公報)。這樣的成膜方法一般稱為ALD(Atomic layer Deposition原子層淀積)法，由此，即使不將晶片暴露在如此高溫下，也可以進行目的處理。
圖13是在使用作為硅烷系氣體的二氯硅烷(DCS)和作為氮化氣體的NH3形成氮化硅膜(SiN)的情況下，在以往的成膜方法中，表示供給氣體和施加RF形態的定時圖。如圖13中所示，在處理容器內，中間夾著清洗期，間歇交互供給DCS和NH3氣體。在供給NH3氣體時施加RF(高頻)，促進在處理容器內生成等離子體的氮化反應。即，首先向處理容器內供給DCS，由此，以分子水平在晶片表面上吸附一層或數層DCS。其余的DCS在清洗期間被排放。然后，通過供給NH3生成等離子體，通過在低溫下氮化形成氮化硅膜。反復進行一連串這樣的工序，就完成了規定厚度的膜。
在上述的成膜方法中，不僅得到比較好的階梯狀覆蓋，而且與進行高溫CVD的成膜方法相比，由于實施了低溫化，能夠減少膜中的Si-H鍵，提升膜質的特性。但是，在以往的此種成膜方法中，盡管由等離子體促進了反應進行，但成膜速度還是相當低，生產率也低。

發明內容
本發明的目的是提供一種成膜方法和成膜裝置，在能夠維持膜高質量的同時，能夠大幅度地提高成膜速度。
本發明的第一方面是一種半導體處理用的成膜方法，該成膜方法是在容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體和與上述第一處理氣體反應的第二處理氣體，通過CVD在上述被處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處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第一工序、停止向上述處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第二工序、向上述處理區域供給上述第二處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給上述第一處理氣體的第三工序、停止向上述處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第四工序。
本發明的第二方面是一種半導體處理用的成膜方法，該成膜方法是向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體、與上述第一處理氣體反應的第二處理氣體以及與第一和第二處理氣體中的任何一種都不同的第三處理氣體，通過CVD在上述被處理基板上形成薄膜的方法，其特征在于，包括以下交叉工序
在向上述處理區域供給上述第一和第三處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給上述第二處理氣體的第一工序，上述第一工序具有通過激發機構，使上述第三處理體以激發狀態供給到上述處理區域的期間、停止向上述處理區域供給上述第一至第三處理氣體的第二工序、在向上述處理區域供給上述第二處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給上述第一和第三處理氣體的第三工序、停止向上述處理區域供給第一至第三處理氣體的第四工序。
本發明的第三方面是一種半導體處理用的成膜裝置，其特征在于，包括具有容納被處理基板的處理區域的處理容器、在上述處理區域內支持上述被處理基板的支持部件、加熱上述處理區域內的上述被處理基板的加熱器、排放上述處理區域內氣體的排氣系統、向上述處理區域供給成膜用第一處理氣體的第一處理氣體供給系統、向上述處理區域供給與上述第一處理氣體反應的第二處理氣體的第二處理氣體供給系統、選擇性地對向上述處理區域供給的上述第二處理氣體進行激發的激發機構、控制上述裝置動作的控制部分。
本發明的第四方面是包括含有在處理器中運行的程序指令的可用計算機讀取的介質，其特征在于，在向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體和與上述第一處理氣體反應的第二處理氣體，通過CVD在上述被處理基板上形成薄膜的半導體處理用的成膜裝置中，上述程序指令在被處理器運行時，交互地實施如下的工序，向上述處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第一工序、停止向上述處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第二工序、在向上述處理區域供給上述第二處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給上述第一處理氣體的第三工序、
停止向上述處理區域供給上述第一和第二處理氣體的第四工序。
本發明的第五方面是包含用來在處理器上運行的程序指令的計算機可讀取的介質，其特征在于，在向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體、與上述第一處理氣體反應的第二處理氣體和與第一和第二處理氣體中的任何一種都不同第三處理氣體，通過CVD在上述被處理基板上形成薄膜的半導體處理用的成膜裝置中，上述程序指令在被處理器運行時，交互地實施如下的工序，在向上述處理區域供給上述第一和第三處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給上述第二處理氣體的第一工序，上述第一工序具有通過激發機構，使上述第三處理氣體以激發狀態供給到上述處理區域的期間、停止向上述處理區域供給上述第一至第三處理氣體的第二工序、在向上述處理區域供給上述第二處理氣體的同時，停止向上述處理區域供給第一和第三處理氣體的第三工序、停止向上述處理區域供給上述第一至第三處理氣體的第四工序。
在第一至第五方面中，上述第一處理氣體包括硅烷系氣體，上述第二處理氣體包括氮化氣體或氮氧化氣體，上述第三處理氣體包括選自氮氣、稀有氣體、氧化氮氣體的氣體。例如，上述第一處理氣體包括從二氯硅烷(DCS)、六氯二硅烷(HCD)、單硅烷(SiH4)、二硅烷(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)、雙叔丁基氨基硅烷(BTBAS)中選擇的一種以上的氣體。上述第二處理氣體包括，例如，選自氨[NH3]、氮氣[N2]、一氧化二氮[N2O]、一氧化氮[NO]一種以上的氣體。
本發明的其他目的和優點將在下面的敘述中予以陳述，而且將由此敘述或者通過實施本發明詳細了解其中的一部分。本發明的目的和優點可借助于在后面特別指出的方式及其組合來實施和獲得。


并入本發明并構成本說明書一部分的附圖，說明本發明的優選實施例，并與在上面給出的一般敘述和下面給出的優選實施例的詳細敘述一起，用來說明本發明的原理。
圖1是表示本發明第一實施方式的成膜裝置(立式CVD裝置)的剖面圖。
圖2是表示在圖1中所示裝置一部分的橫斷面平面圖。
圖3是在第一實施方式的成膜方法中，表示氣體供給和施加RF狀態的定時圖。
圖4是表示由第一實施方式的實驗1得到的氮化硅膜的膜厚數據的圖。
圖5是表示由實驗1得到的氮化硅膜成膜速度的圖。
圖6是表示由實驗1得到的氮化硅膜膜厚的面內均勻性的圖。
圖7是表示由實驗1得到的氮化硅膜的紅外線衍射結果示意圖。
圖8是在第一實施方式變化實施例的成膜方法中，表示氣體供給和施加RF形態的定時圖。
圖9是表示本發明的第二實施方式的成膜裝置(立式CVD裝置)的剖面圖。
圖10是在第二實施方式的成膜方法中，表示氣體供給和施加RF形態的定時圖。
圖11A是表示由第二實施方式的實驗3得到的氮化硅膜成膜速度的圖。
圖11B是表示由實驗3得到的氮化硅膜成膜速度的改善率的圖。
圖12是表示主控制部分結構大致情況的框圖。
圖13是表示在以往的成膜方法中氣體供給和施加RF形態的定時圖。
具體實施例方式
下面參照

本發明的實施方式。在下面的說明中，對于具有大致同樣功能和結構的結構要素使用同一個符號，只在必要的情況下進行重復說明。
<第一實施方式>
圖1是表示本發明的第一實施方式的成膜裝置(立式CVD裝置)的剖面圖。圖2是表示在圖1中所示裝置一部分的橫斷面平面圖。此成膜裝置2以供給含有作為硅烷系氣體的二氯硅烷(DCS)的原料氣體(第一處理氣體)和含有作為氮化氣體的氨氣(NH3)的支援氣體(第二處理氣體)，堆積成氮化硅膜(SiN)的方式構成。
成膜裝置2具有一個圓筒狀的處理容器4，在其內部規定了用來容納以一定間隔重疊的多片半導體晶片(被處理基板)進行處理的處理區域5，此處理容器4在下端具有開口而上面有頂。整個處理容器4是由例如石英制造的。在處理容器4內的頂部，配置有石英制造的頂板6封住頂部。在處理容器4下端的開口處，通過O形圈等密封部件10連接成形為圓筒狀的多支管8。
多支管8是由，例如不銹鋼制造的，支持在處理容器4的下端。通過多支管8的下端開口處，升降石英制造的晶片支架12，由此將晶片支架12裝入/取出處理容器4。在晶片支架12上分成多級裝有作為被處理基板的多片半導體晶片W。例如，在本實施方式中，在晶片支架12的支柱12A上能夠以大致相等的間距以多級的形式支持，例如50～100片左右的直徑300mm的晶片W。
晶片支架12通過石英制造的保溫筒14被放置在工作臺16上。工作臺16被支持在轉軸20上，轉軸貫穿開閉多支管8的下端的，例如不銹鋼制造的蓋子18。
在轉軸20的貫穿部分設置有，例如磁性流體密封件22，支持轉軸20在保持氣密性的同時還能夠旋轉。在蓋子18的周圍和多支管8的下端，設置有例如由O形圈等形成的密封部件24，保持容器內的密封性。
轉軸20安裝在支持例如支架升降機等升降機構25上的關節臂26的前端。由升降機構25使晶片支架12和蓋子18等一起升降。此外，也將工作臺16固定地設置在蓋子18一側，不使晶片支架12旋轉也可以進行晶片W的處理。
在多支管8的側面，連接著向處理容器4內的處理區域5供給規定處理氣體的氣體供給部分。氣體供給部分包括支援氣體供給系統(第二處理氣體供給系統)28、原料氣體供給系統(第一處理氣體供給系統)30和清洗氣體供給系統32。原料氣體供給系統30供給例如硅烷系氣體DCS(二氯硅烷)作為成膜用原料氣體。支援氣體供給系統28，供給例如氨氣(NH3)作為一邊選擇性地進行等離子體化一邊與原料氣體發生反應的支援氣體(第二處理氣體)。清洗氣體供給系統32供給惰性氣體，例如氮氣N2作為清洗氣體。在原料氣體和支援氣體(第一和第二處理氣體)中，根據需要可以混合適量的載氣，但為了簡化說明，下面并不提及。
具體說來，原料氣體供給系統30具有兩根氣體分散噴嘴36，它們是由石英管制造的，向內貫穿多支管8的側壁轉彎向上延伸(參照圖2)。在各氣體分散噴嘴36上，沿著其長度的方向(上下方向)，對著晶片支架12上的全部晶片W，以一定的間隔形成多個氣體噴射孔36A。各氣體噴射孔36A，相對于在晶片支架12上的多片晶片W形成平行的氣流，在水平方向上大致均勻地供給原料氣體。而氣體分散噴嘴36不設置兩個，只設置一個也是可以的。
支援氣體供給系統28也具有兩根氣體分散噴嘴34，它們也是由石英管制造的，向內貫穿多支管8的側壁轉彎向上延伸。在氣體分散噴嘴34上，沿著其長度的方向(上下方向)，對著晶片支架12上的全部晶片W，以一定的間隔形成多個氣體噴射孔34A。各氣體噴射孔34A，相對于在晶片支架12上的多片晶片W形成平行的氣流，在水平方向上大致均勻地供給支援氣體。清洗氣體供給系統32具有貫穿多支管8的側壁設置的氣體噴嘴38。
噴嘴34、36、38，各自通過氣體供給管路(氣體通道)42、44、46與NH3氣體、DCS氣體和N2氣體源41、43、45相連接。在氣體供給管路42、44、46上配置開關閥42A、44A、46A和質量流量控制器之類的流量控制器42B、44B、46B。由此能夠在分別控制NH3氣體、DCS氣體和N2氣體的同時供給這些氣體。
在一部分處理容器4的側壁上，沿著其高度的方向配置氣體激發部分50。在與氣體激發部分50相對的處理容器4的另一側，配置細長的排氣口52，用來排出內部的環境氣體形成真空，是由例如將處理容器4的側壁在上下方向切去一部分形成。
具體說來，氣體激發部分50具有上下細長的開口54，其是沿著上下方向以一定的寬度切去處理容器4的側壁而形成的。此開口54被石英制造的蓋子56覆蓋，此蓋子與處理容器4的外壁熔接結合，而具有氣密性。蓋子56的斷面是凹形的，向處理容器4的外側突出，而且具有上下細長的形狀。
由這樣的結構形成從處理容器4的側壁突出，而且其一側向處理容器4內開口的氣體激發部分50。即，氣體激發部分50的內部空間與處理容器4內的處理區域5連通。開口54在上下方向上形成足夠的長度，由此能夠在高度方向上覆蓋保持在晶片支架12上的全部晶片。
在蓋子56兩個側壁的外側面上，沿著其長度方向(上下方向)，以彼此相對的方式配置一對細長的電極58。通過供電線將產生等離子體用的高頻電源60連接在電極58上。通過在電極58上施加例如13.56MHz的高頻電壓，在一對電極58之間形成用來激發等離子體的高頻電場。此外，高頻電壓的頻率并不限于13.56MHz，也可以使用其他的頻率，例如400kHz等。
氣體分散噴嘴34，位于比晶片支架12上的最下層的晶片更低的位置，向處理容器4半徑方向外彎曲。然后，氣體分散噴嘴34，在氣體激發部分50內最深(離處理容器4的中心最遠的部分)的位置垂直立起。如在圖2中所示，氣體分散噴嘴34設置在被一對相對的電極58夾持的區域(高頻電場最強的位置)，即被設置在實際上主要產生等離子體的等離子體發生區域PS向外的位置。從氣體分散噴嘴34的氣體噴射孔34A噴出的含有NH3氣體的第二處理氣體，噴向等離子體發生區域PS，在此被激發(分解或活化)，在此狀態下被供給到晶片支架12上的晶片W處。
在蓋子56的外側，安裝有由例如石英構成的絕緣保護套64，覆蓋蓋子56。在與作為絕緣保護套64內側的電極58相對的部分，配置有由制冷劑通道構成的冷卻機構(圖中未顯示)。在制冷劑通道中流過例如作為制冷劑的被冷卻的氮氣，使電極58冷卻。此外，在絕緣保護套64的外側，設置有覆蓋其并防止高頻泄漏的護罩(未圖示)。
在氣體激發部分50的開口54外側附近，即在開口54外側(處理容器4內)的兩側立起配置兩根氣體分散噴嘴36。由在氣體分散噴嘴36上形成的各氣體噴嘴36A向著處理容器4的中心方向噴射含有DCS氣體的原料氣體。
另外，在與氣體激發部分50對向設置的排氣口52中，通過熔接安裝了由石英制造的斷面呈“コ”字形的排氣覆蓋部件66，覆蓋排氣口。此排氣覆蓋部件66沿著處理容器4的側壁向上延伸，在處理容器4的上方形成氣體出口68。在氣體出口68處連接裝有真空泵等的真空排氣系統GE。
以包圍處理容器4的方式，設置有加熱器70，用來加熱處理容器4內的周圍氣體和晶片W。在處理容器4內的排氣口70附近，設有控制加熱器70用的熱電偶(未圖示)。
再有，成膜裝置2包括由控制裝置整體的動作的計算機等構成的主控制部分48。主控制部分48，根據在其附帶的存儲部分預先存入的成膜處理的處理參數，例如形成的膜的厚度或組成進行如下所述的成膜處理。在此存儲部分存儲了處理氣體的流量和膜的厚度與組成之間的關系作為預存控制數據。從而，主控制部分48，就能夠基于這些存儲的處理參數或控制數據來控制升降機構25、氣體供給系統28、30、32、排氣系統GE、氣體激發部分50和加熱器70等。
下面說明使用在圖1中所示的裝置進行成膜的方法(所謂ALD成膜)。簡單地說，在此成膜方法中，向容納晶片W的處理區域5內供給原料氣體(成膜用第一處理氣體)和支援氣體(與第一處理氣體反應的第二處理氣體)，通過CVD在晶片W上形成薄膜。
首先，將在常溫下保持多片，例如50～100片尺寸為300mm的晶片W的晶片支架12裝入設定在規定溫度的處理容器4內。然后在把處理容器8內抽真空，并且維持在規定的處理壓力下，同時，升高晶片的溫度直到穩定在成膜用的處理溫度。
接著，由氣體分散噴嘴36和34，在分別控制流量的同時間歇地供給含有DCS氣體的原料氣體和含有NH3氣體的支援氣體。具體說來，從氣體分散噴嘴36的氣體噴射孔36A供給原料氣體，使得相對于晶片支架12上的多片晶片W形成平行的氣體流。此外，從氣體分散噴嘴34的氣體噴射孔36A供給支援氣體，使得相對于晶片支架12上的多片晶片W形成平行的氣體流。兩種氣體在晶片W上發生反應，由此在晶片W上形成氮化硅膜。
由氣體分散噴嘴34的氣體噴射孔36A供給的支援氣體，在通過一對電極58之間的等離子體發生區域PS時，一部分被選擇性地等離子體化。此時，生成例如N*、NH*、NH2*、NH3*等自由基(活性種子)(符號*表示是自由基)。這些自由基從氣體激發部分50的開口54流向處理容器4的中心，以層流的狀態供給到晶片W之間。
上述自由基與吸附在晶片W表面上的DCS氣體分子反應，由此在晶片W上形成氮化硅膜。而與此相反，在晶片W的表面上吸附了自由基的部位，在流過DCS氣體的情況下，也會發生同樣的反應，在晶片W上形成氮化硅膜。
圖3是第一實施方式的成膜方法中，表示氣體供給和施加RF狀態的定時圖。如在圖3中所示，在此實施方式的成膜方法中，交互地重復第一至第四期間(第一至第四工序)T1～T4。即，多次重復由第一至第四期間T1～T4構成的循環，在每個循環中形成的氮化硅膜，通過薄膜的層積而得到具有最終厚度的氮化硅膜。
具體說來，在第一期間(第一工序)T1中，向處理區域5供給原料氣體(在圖3中表示為DCS)和支援氣體(在圖3中表示為NH3)。在第二期間(第二工序)T2中，停止向處理區域5供給原料氣體和支援氣體。在第三期間(第三工序)T3中，在向處理區域5供給支援氣體的同時，停止向處理區域5供給原料氣體。此外，在第三期間T3中，通過打開RF電源60，使得在氣體激發部分50的支援氣體等離子體化，由此向處理區域5供給在激發的狀態下的支援氣體。在第四期間(第四工序)T4中，停止向處理區域5供給原料氣體和支援氣體。
第二和第四期間T2、T4是在排除處理容器4內的殘留氣體的清洗期間使用。在此所謂清洗，是指在流過N2氣體等惰性氣體的同時，將處理容器4內真空排氣，或停止全部氣體的供給，將處理容器4內真空排氣，以除去處理容器4中的殘留氣體。再者，在第一和第三期間T1、T3中，當供給原料氣體和支援氣體時，可以停止處理容器4內的真空排氣。但是，在一邊供給原料氣體和支援氣體一邊進行處理容器4內的真空排氣時，在整個第一至第四期間T1～T4的全部時間內可以持續地進行處理容器4內的真空排氣。
在圖3中，第一期間T1設定為約1～20秒，例如約10秒，第二期間T2設定為約1～20秒，例如約10秒，第三期間T3設定為約1～30秒，例如約10秒，第4期間T4設定為約1～20秒，例如約10秒。但是，這些時間不過簡單是一個例子，并不限定在此數值。
如上所述，一起供給含有NH3氣體的支援氣體和含有DCS的原料氣體的期間T1和單獨供給含有NH3氣體的支援氣體的期間T3，間隔著交叉實施清洗期間T2、T4。由此能夠在維持形成的氮化硅膜的高質量的同時，大幅度地提高其成膜速度。認為有如下理由。即，當在第一期間T1一起供給原料氣體和支援氣體時，在晶片表面被吸附的DCS分子，由同時供給的NH3氣體使一部分不完全地氮化。因此，在第一期間T1中，吸附量在沒有飽和時，DCS氣體分子的吸附一直在進行，結果DCS氣體的吸附量就高于在以往方法(單獨流過原料氣體)中的量。然后在第三期間T3，通過由等離子體激發的NH3氣體使沒有完全反應的部分充分反應使得在高成膜速度的狀態下形成氮化硅膜。
上述成膜處理按照如下的處理條件進行。DCS氣體的流量在100～3000sccm的范圍內，例如為1000sccm(1slm)。NH3氣體的流量在100～5000sccm的范圍內，例如為1000sccm。處理溫度低于通常的CVD處理，具體為180～600℃(不含)，例如550℃。當處理溫度低于180℃時，無法發生反應幾乎沒有膜的堆積。而在處理溫度高于600℃時，會形成質量比CVD還差的堆積膜。
處理壓力在27Pa(0.2Torr)～1330Pa(10Torr)的范圍內，例如在第一期間(吸附工序)T1中為1Torr，在第三期間(使用等離子體氮化工序)T3中為0.3Torr。在處理壓力小于27Pa時，成膜速度低于實用水平。在處理壓力大于1330Pa的情況下，不能充分激發等離子體。
在第一期間(吸附工序)T1中，氣體DCS和NH3的流量比[DCS/NH3]設定在1/10～10左右的范圍內。當氣體NH3的流量比過少的情況下，不會產生同時供給NH3氣體的效果。而當NH3的流量比過多時，不會產生成膜的本體。
<實驗1>
通過實驗1評價使用圖3所示的定時圖的第一實施方式的成膜方法和按照圖13所示定時圖的以往的成膜方法(ALD法)形成的氮化硅膜。在第一實施方式的兩個實施例PE1和PE2中，分別取NH3的供給量為500sccm(0.5slm)和1000sccm(1slm)。在以往的成膜方法的比較例CE1中，取NH3的供給量為1000sccm(1slm)。成膜的循環數總共取160次。
圖4是表示由實驗1得到的氮化硅膜的膜厚數據的圖。圖5是表示由實驗1得到的氮化硅膜成膜速度的圖。圖6是表示由實驗1得到的氮化硅膜的膜厚在面內均勻性的圖。圖7是表示由實驗1得到的氮化硅膜紅外衍射結果的圖。在圖4～圖7中的“TOP”、“CTR”和“BTM”分別表示位于晶片支架中的頂部、中央和底部的半導體晶片的位置。
對于在圖4中所示的氮化硅膜的膜厚TH(nm)，在比較例CE1中，與晶片的位置無關，TH為大約15nm左右。在兩個實施例PE1和PE2中，與晶片的位置無關，TH都是在20nm左右。即，可以確認兩個實施例PE1和PE2與比較例CE1相比，能夠堆積相等厚的氮化硅膜。
對于在圖5中所示的相當于每個循環的成膜速度Rth(nm/循環)，在比較例CE1中，Rth為大約0.1nm左右。在兩個實施例PE1和PE2中，Rth為0.12～0.13nm左右。即，可以確認與比較例CE1相比，在兩個實施例PE1和PE2中，成膜速度增大了。
對于在圖6中所示的膜厚在面內的均勻性PTuni(±％)，在比較例CE1中，PTuni為±3.5～4.5％左右，在兩個實施例PE1和PE2中，PTuni為±3.0～4.0％左右。即，可以確認與比較例CE1相比，兩個實施例PE1和PE2，能夠改善膜厚在面內的均勻性。
對于在圖7中所示的由膜質的紅外衍射得到的紅外線強度LD(a.u)，在比較例CE11中，在波數2200左右的位置，在LD上顯示出表示存在有“Si-H鍵”的峰P1。作為比較例CE11，使用以六氯二硅烷(HCD)作為處理氣體，在LP(低壓)-CVD中形成的氮化硅膜。另一方面，在實施例PE1中，LD大致整體上都是平坦的。即，可以確認與比較例CE11相比，實施例PE1成膜的膜質良好。
按照圖3的定時圖，在一起供給含有NH3氣體的支援氣體和含有DCS氣體的原料氣體的期間T1，不施加RF，而在單獨供給含有NH3氣體的支援氣體的期間T3，施加RF。可以用在圖8中所示的施加RF狀態來代替此定時圖。圖8是在第一實施方式變化的實施例中的成膜方法，表示供給氣體和施加RF的定時圖。
按照圖8的定時圖，在一起供給含有NH3氣體的支援氣體和含有DCS氣體的原料氣體的期間T1和單獨供給含有NH3氣體的支援氣體的期間T3這兩個期間內，施加RF以激發支援氣體。在此情況下，在第一期間T1，在流過原料氣體時激發支援氣體，在半導體晶片W上吸附DCS和NH3自由基。然后在第三期間T3，通過等離子體激發的NH3氣體使不完全反應的部分完全反應，在高成膜速度的狀態下形成氮化硅膜。
<實驗2>
可以使用N2氣體代替NH3氣體作為氮化氣體。在按照圖3的方法中，使用N2氣體代替NH3氣體進行氮化硅膜的成膜實驗2。其結果是，其成膜速度為0.1nm/循環。此外，在圖8的方法中，使用N2氣體代替NH3氣體進行氮化硅膜的成膜，其成膜速度為0.5nm/循環。從而，可以確認通過圖8的方法，在使用N2氣體代替NH3氣體作為氮化氣體時，能夠大幅度地提高成膜速度。
<第二實施方式>
圖9是表示本發明第二實施方式的成膜裝置(立式CVD裝置)的剖面圖。第二實施方式的成膜裝置2X，除了支援氣體供給系統(第二處理氣體供給系統)28、原料氣體供給系統(第一處理氣體供給系統)30和清洗氣體供給系統32以外，還包括輔助氣體供給系統(第三處理氣體供給系統)84。輔助氣體供給系統84供給與原料氣體或支援氣體都不同的輔助氣體。具體說來，輔助氣體含有選自氮氣、稀有氣體、氧化氮氣體的氣體，在本實施方式中，由例如N2或Ar氣體構成。對于與輔助氣體供給系統84相關部分以外的部分，圖9中所示的成膜裝置2X與在圖1中所示的成膜裝置2具有實質上相同的結構。
輔助氣體供給系統84，與支援氣體供給系統28具有共同的氣體分散噴嘴34，因此就共有在氣體分散噴嘴34上形成的氣體噴射孔34A。為此，噴嘴34經過輔助氣體供給系統84的氣體供給管路(氣體通道)86連接N2或Ar氣體的氣體源85。在氣體供給管路86上裝有開關閥86A和質量流量控制器之類的流量控制器86B。由此能夠在控制N2或Ar氣體流量的同時供給氣體。如上所述作為輔助氣體，可以使用氧化氮氣體來代替氮氣或稀有氣體等惰性氣體。
如上所述，氣體分散噴嘴34，是由石英管構成的，向內貫穿多支管8的側壁彎向上方向延伸。在氣體分散噴嘴34上，沿著其長度(上下方向)且隔著規定的間隔形成多個氣體噴射孔34A，使得其對向晶片支架12上的全部晶片W。各氣體噴射孔34A對著晶片支架12上的多片晶片W形成平行的氣體流，在水平方向上基本均勻地供給支援氣體或輔助氣體。輔助氣體供給系統84，也可以不與支援氣體供給系統28共用氣體分散噴嘴34，與氣體分散噴嘴34同時設置輔助氣體用的氣體分散噴嘴即可。
下面說明使用在圖9中所示的裝置進行的成膜方法(所謂ALD成膜)。大致說來，在此成膜方法中，向容納晶片W的處理區域5內供給原料氣體(成膜用第一處理氣體)和支援氣體(與第一處理氣體反應的第二處理氣體)以及如上所述的輔助氣體(第三處理氣體)，通過CVD在晶片W上形成薄膜。
首先，將在常溫下保持了多片，例如50～100片尺寸為300mm晶片W的晶片支架12送入設定在規定溫度的處理容器4內。然后對處理容器8內抽真空并維持在規定的處理壓力的同時，升高晶片的溫度直到穩定在成膜用的處理溫度。
接著，分別控制流量并由氣體分散噴嘴36、34間歇地供給含有DCS的原料氣體、含有NH3的支援氣體和輔助氣體。具體說來，從氣體分散噴嘴36的氣體噴射孔36A，以對著晶片支架12上的多片晶片W形成平行氣體流的方式供給原料氣體。此外，從氣體分散噴嘴34的氣體噴射孔36A，以對著晶片支架12上的多片晶片W形成平行氣體流的方式供給支援氣體和輔助氣體。DCS氣體和NH3氣體在晶片W上發生反應，由此在晶片W上形成氮化硅膜。
圖10是在第二實施方式的成膜方法中，表示氣體供給和施加RF的形態的定時圖。如在圖10中所示，在此實施方式的成膜方法中，交叉重復第一至第四期間(第一至第四工序)T11～T14。即，多次重復由第一至第四期間T11～T14構成的循環，通過層疊在每個循環中形成的氮化硅膜的薄膜，得到最終厚度的氮化硅膜。
具體說來，在第一期間(第一工序)T11中，一方面向處理區域5供給原料氣體(在圖10中表示為DCS)和輔助氣體(在圖10中表示為N2或Ar)，同時停止向處理區域5供給支援氣體(在圖10中表示為NH3)。在第一期間T11中，接通RF電源60，通過氣體激發部分50使輔助氣體等離子體化，向處理區域5供給在激發狀態下的輔助氣體。在第二期間(第二工序)T12中，同時停止向處理區域5供給原料氣體、支援氣體和輔助氣體。在第三期間(第三工序)T13中，在向處理區域5供給支援氣體的同時，停止向處理區域5供給原料氣體和輔助氣體。而在第三期間T13中，從中間開始接通RF電源60，通過氣體激發部分50將支援氣體等離子體化，由此只在次期間T13b中向處理區域5中供給在激發狀態下的支援氣體。在第四期間(第四工序)T14中，停止向處理區域5中供給原料氣體、支援氣體和輔助氣體。
第二和第四期間T12、T14，作為清洗期間使用，以排放出在處理容器4內的殘留氣體。在此所謂清洗，是指在流過N2氣體等惰性氣體的同時，將處理容器4內真空排氣，或者完全停止供給各種氣體，將處理容器4內真空排氣，以除去處理容器4中的殘留氣體。在第一和第三期間T11、T13中，在供給原料氣體、支援氣體和輔助氣體時，可以停止在處理容器4內的真空排氣。但是，在供給原料氣體、支援氣體和輔助氣體，同時進行處理容器4的真空排氣時，可以在整個第一至第四期間T11～T14中持續處理容器4內的真空排氣。
在圖10中，第一期間T11設置為約1～20秒，例如約10秒，第二期間T12設置為約1～20秒，例如約10秒，第三期間T13設置為約1～30秒，例如約20秒，次期間T13b設置為約1～25秒，例如約15秒，第四期間T14設置為約1～20秒，例如約10秒。但是，這些時間只不過表示一個例子，并不限于這些數值。
如上所述，通過加入并激發輔助氣體，由上述輔助氣體的活性種子促進與此同時供給的原料氣體的分解。結果就能夠提高氮化硅膜的成膜速度。此時，特別是使用N2氣體作為輔助氣體時，不僅可以促進原料氣體的分解，還由氮的活性種子和硅的活性種子直接化合而直接形成SiN。結果可以進一步提高氮化硅膜的成膜速度。
在第二實施方式中，處理溫度和處理壓力以及DCS氣體、NH3氣體等各種氣體的流量都與第一實施方式相同。輔助氣體的流量，設定為低于作為原料氣體DCS氣體的流量，例如取DCS氣體流量的大約1/10左右。
在第三期間T13中，在經過規定時間Δt以后，接通RF電源60，使在氣體激發部分50處的支援氣體等離子體化，由此只在次期間T13b向處理區域5供給處于激發狀態的支援氣體。此所謂的預定的時間Δt即直到使NH3氣體流量穩定的時間，例如5秒左右。但是，也可以如在第一實施方式那樣，在整個供給支援氣體的期間，都使支援氣體在氣體激發部分50等離子體化。如此使支援氣體的流量穩定化以后才接通RF電源產生等離子體，能夠提高在晶片W兩面之間(高度方向)的活性種子濃度的均勻性。
<實驗3>
使用按照在圖10中所示定時圖的第二實施方式的成膜方法和按照在圖13中所示定時圖的以往的成膜方法(ALD)形成氮化硅膜，進行評價實驗3。在第二實施方式的兩個實施例PE11、PE12中，分別使用N2氣體和Ar氣體作為輔助氣體。以往成膜方法的比較例CE1不使用輔助氣體，按照在圖13中所示的定時圖進行(與實驗1的比較例CE1實質上相同)。成膜的循環數總共160次。
圖11A是表示由實驗3得到的氮化硅膜的成膜速度圖。圖11B是表示由實驗3得到的氮化硅膜成膜速度改善率的圖。再者，在圖11A、圖11B中的“TOP”、“CTR”和“BTM”分別表示晶片支架中半導體晶片位于頂部、中央和底部的位置。
對于相當于在圖11A中所示的每一個循環的成膜速度Rth(nm/循環)，在比較例CE1中，與晶片的位置無關，Rth為0.1nm左右。在使用N2氣作為輔助氣體的實施例PE11中，Rth為0.45～0.55nm左右。在使用Ar氣體作為輔助氣體的實施例PE12中，Rth為0.25～0.4nm左右。
對于在圖11B中所示的成膜速度改善率IRth(％)，在使用N2氣體作為輔助氣體的實施例PE11中，IRth為150～300％左右。在使用Ar氣體作為輔助氣體的實施例PE12中，IRth為300～500％左右。
即，與比較例CE1相比，確認兩個實施例PE11、PE12能夠增大成膜速度。此外，實施例PE11的成膜速度也高于實施例PE12的成膜速度，可以認為是如下的原因。即如上所述，N2氣體的活性種子不僅促進原料氣體分解，而且能夠與被激發的硅直接反應形成氮化硅。
<與第一和第二實施方式共同的事項和變化實例>
第一和第二實施方式的方法，如上所述是基于處理程序在主控制部分48的控制下實施的。圖12是表示主控制部分48結構的概略框圖。主控制部分48具有CPU210，與此連接著存儲部分212、輸入部分214和輸出部分216等。在存儲部分212中存儲著處理程序和方法參數。輸入部分214包括與使用者對話用的輸入裝置，例如鍵盤或定點設備，以及存儲介質的驅動器等。輸出部分216輸出用于控制處理裝置各設備的控制信號。圖12還同時表示可以脫機的存儲介質218。
上述實施方式的方法，可通過在能夠用計算機讀取存儲介質上寫入，作為用來在處理器上運行的程序指令，適用于各種半導體處理裝置。或者，此種程序指令，可以適用于通過通信介質傳送的各種半導體處理裝置。此存儲介質是例如磁盤(軟盤、硬盤(一個例子是在儲存部分212中的硬盤)等)、光盤(CD、DVD等)、磁光盤(MO等)、半導體存儲器等。控制半導體處理裝置動作的計算機，通過讀取在存儲介質中存儲的程序指令，將其在處理器上運行來實施上述方法。
在第一和第二實施方式中，使用DCS氣體作為原料氣體的硅烷系氣體。但并不限于此，作為原料氣體，可以使用選自二氯硅烷(DCS)、六氯二硅烷(HCD)、單硅烷[SiH4]、二硅烷[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)和雙叔丁基氨基硅烷(BTBAS)的一種以上的氣體。
此外，在第一和第二實施方式中，可以使用氧化二氮[N2O]、氧化氮[NO]之類的氮氧化氣體代替NH3氣體、N2氣體等氮化氣體作為支援氣體。還可以使用氧化性氣體代替氮化氣體作為支援氣體。
此外，在第二實施方式中，使用稀有氣體作為輔助氣體，但并不限于Ar氣，可以使用He、Ne、Kr、Xe等。也可以使用氧化二氮[N2O]、氧化氮[NO]、二氧化氮[NO2]等氧化氮作為輔助氣體使用。
在上述第一和第二實施方式中，作為成膜裝置2，具有將形成等離子體的激發部分50與處理容器4制成一體的組合結構。另外，也可以分別設置激發部分50和處理容器4，在處理容器4以外預先激發NH3氣體(所謂遠距離等離子體)，向處理容器4內供給此激發的NH3氣體。作為被處理基板并不限定于半導體晶片，也可以是LCD基板、玻璃基板等其他基板。
對于本領域的專業人員，另外的優點和改進都是很容易的。因此，本發明在其更為廣泛的方面并不限于這些具體的細節和在此所示和所述的代表性實施方式。只要不偏離如在權利要求中所定義的一般發明概念及其等效內容的精神和范圍，可以進行各式各樣的變化。
權利要求
1.一種半導體處理用的成膜方法，該成膜方法是向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體和與所述第一處理氣體反應的第二處理氣體，通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜的方法，其特征在于該方法包括以下交叉工序向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第一工序；停止向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第一處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給第一和第二處理氣體的第四工序。
2.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述第三工序包括通過激發機構使所述第二處理氣體以激發狀態供給所述處理區域的期間。
3.如權利要求2中所述的方法，其特征在于所述第一工序不包括通過所述激發機構激發所述第二處理氣體的期間。
4.如權利要求2中所述的方法，其特征在于所述第一工序包括在通過所述激發機構使所述第二處理氣體以激發狀態供給所述處理區域的期間。
5.如權利要求2中所述的方法，其特征在于所述激發機構包括在與所述處理區域連通的空間內，配置在所述第二處理氣體的供給口和所述基板之間的等離子體發生區域，所述第二處理氣體在通過所述等離子體發生區域時被激發。
6.如權利要求5中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體在所述等離子體發生區域和所述基板之間供給所述處理區域。
7.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述第二和第四工序分別包括向所述處理區域供給清洗氣體的期間。
8.如權利要求1中所述的方法，其特征在于在形成所述薄膜的工序中，繼續所述處理區域內的排氣。
9.如權利要求1中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體含有硅烷系氣體，所述第二處理氣體含有氮化氣體或氮氧化氣體。
10.如權利要求9中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體含有選自二氯硅烷、六氯二硅烷、單硅烷、二硅烷、六甲基二硅氨烷、四氯硅烷、二硅烷基胺、三硅烷基胺、雙叔丁基氨基硅烷的一種以上的氣體，所述第二處理氣體含有選自氨、氮氣、氧化二氮、一氧化氮的一種以上的氣體。
11.一種半導體處理用成膜方法，該成膜方法是向容納被處理基板的處理區域內供給成膜使用的第一處理氣體、與所述第一處理氣體反應的第二處理氣體以及與第一和第二處理氣體中的任何一種都不同的第三處理氣體，通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜的方法，其特征在于該方法包括以下交叉工序在向所述處理區域供給所述第一和第三處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第二處理氣體的第一工序，所述第一工序具有通過激發機構，使所述第三處理氣體以激發狀態供給所述處理區域的期間；停止向所述處理區域供給所述第一至第三處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第一和第三處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給第一至第三處理氣體的第四工序。
12.如權利要求11中所述的方法，其特征在于所述激發機構具有在與所述處理區域連通的空間內，配置在所述第三處理氣體的供給口和所述基板之間的等離子體發生區域，所述第三處理氣體在通過所述等離子體發生區域時被激發。
13.如權利要求12中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體在所述等離子體發生區域和所述基板之間供給所述處理區域。
14.如權利要求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發機構激發所述第二處理氣體的狀態下將其供給所述處理區域的激發期間。
15.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述第三工序在所述激發期間之前，具有不使所述第二處理氣體在所述激發機構被激發的狀態下，將其供給所述處理區域的期間。
16.如權利要求14中所述的方法，其特征在于所述第二處理氣體與所述第三處理氣體共有供給口。
17.如權利要求11中所述的方法，其特征在于所述第二和第四工序分別具有向所述處理區域供給清洗氣體的期間。
18.如權利要求11中所述的方法，其特征在于；在形成所述薄膜的工序中，繼續所述處理區域內的排氣。
19.如權利要求11中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體含有硅烷系氣體，所述第二處理氣體含有氮化氣體或氮氧化氣體，所述第三處理氣體含有選自氮氣、稀有氣體、氧化氮中的氣體。
20.如權利要求19中所述的方法，其特征在于所述第一處理氣體含有選自二氯硅烷、六氯二硅烷、單硅烷、二硅烷、六甲基二硅氨烷、四氯硅烷、二硅烷基胺、三硅烷基胺、雙叔丁基氨基硅烷的一種以上的氣體，所述第二處理氣體含有選自氨、氮氣、氧化二氮、一氧化氮的一種以上的氣體。
21.一種半導體處理用的成膜裝置，其特征在于具有具有容納被處理基板的處理區域的處理容器，在所述處理區域內支持所述被處理基板的支持部件，加熱所述處理區域內的所述被處理基板的加熱器，排放所述處理區域內氣體的排氣系統，向所述處理區域供給成膜用第一處理氣體的第一處理氣體供給系統，向所述處理區域供給與所述第一處理氣體反應的第二處理氣體的第二處理氣體供給系統，有選擇地對向所述處理區域供給的所述第二處理氣體進行激發的激發機構，控制所述裝置動作的控制部分。
22.如權利要求21中所述的裝置，其特征在于所述激發機構具有在與所述處理區域相連的空間內，配置在所述第二處理氣體的供給口和所述基板之間的等離子體發生區域，所述第二處理氣體在通過所述等離子體發生區域時被激發。
23.如權利要求22中所述的裝置，其特征在于所述等離子體發生區域具有通過附設在所述處理容器中的電極和高頻電源，在所述第二處理氣體供給口和所述基板之間形成的高頻電場。
24.如權利要求21中所述的裝置，其特征在于所述處理區域的結構使得以在上下設有間隔而層疊的狀態下可以容納多片被處理的基板，所述多片被處理基板被設置在所述處理區域周圍的所述加熱器加熱。
25.如權利要求21中所述的裝置，其特征在于所述第一和第二處理氣體，分別從對著所述多個被處理基板的上下方向排列的多個第一氣體噴射孔和多個第二氣體噴射孔被供給，相對于所述多個被處理基板形成平行的氣流。
26.如權利要求21中所述的裝置，其特征在于為了通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜，所述控制部分交叉實施如下工序向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第一工序；停止向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第一處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第四工序。
27.如權利要求21中所述的裝置，其特征在于還具有向所述處理區域供給與第一和第二處理氣體的任何一種都不同的第三處理氣體的第三處理氣體供給系統，所述第三處理氣體與所述第二處理氣體共有供給口，而且有選擇地被所述激發機構所激發。
28.如權利要求27中所述的裝置，其特征在于為了通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜，所述控制部分交叉實施如下的工序在向所述處理區域供給所述第一和第三處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第二處理氣體的第一工序，所述第一工序具有通過激發機構，使所述第三處理氣體以激發狀態供給所述處理區域的期間；停止向所述處理區域供給所述第一到第三處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給第一和第三處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給所述第一到第三處理氣體的第四工序。
29.一種包含用來在處理器上運行的程序指令的計算機可讀取的介質，其特征在于在向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體和與所述第一處理氣體反應的第二處理氣體，通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜的半導體處理用的成膜裝置中，所述程序指令在被處理器運行時，交互地實施如下的工序，向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第一工序；停止向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給第一處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給所述第一和第二處理氣體的第四工序。
30.一種包含用來在處理器上運行的程序指令的計算機可讀取的介質，其特征在于在向容納被處理基板的處理區域內供給成膜用的第一處理氣體、與所述第一處理氣體反應的第二處理氣體和與第一和第二處理氣體中的任何一種都不同第三處理氣體，通過CVD在所述被處理基板上形成薄膜的半導體處理用的成膜裝置中，所述程序指令在被處理器運行時，交互地實施如下的工序，在向所述處理區域供給所述第一和第三處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給所述第二處理氣體的第一工序，所述第一工序具有通過激發機構，使所述第三處理氣體以激發狀態供給所述處理區域的期間；停止向所述處理區域供給所述第一到第三處理氣體的第二工序；在向所述處理區域供給所述第二處理氣體的同時，停止向所述處理區域供給第一和第三處理氣體的第三工序；和停止向所述處理區域供給所述第一到第三處理氣體的第四工序。
全文摘要
本發明涉及半導體處理用的成膜方法，該成膜方法是向容納被處理基板的處理容器內供給成膜用的第一處理氣體和與第一處理氣體反應的第二處理氣體，通過CVD在被處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，向處理區域供給第一和第二處理氣體。在第二工序中，停止向處理區域供給第一和第二處理氣體。在第三工序中，在向處理區域供給第二處理氣體的同時，停止向處理區域供給第一處理氣體。在第四工序中，停止向處理區域供給第一和第二處理氣體。
文檔編號C23C16/455GK1716538SQ20051008024
公開日2006年1月4日 申請日期2005年6月28日 優先權日2004年6月28日
發明者長谷部一秀, 周保華 申請人:東京毅力科創株式會社