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TWI714813B - 成膜處理方法及成膜處理裝置 - Google Patents

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TWI714813B
TWI714813B TW106139401A TW106139401A TWI714813B TW I714813 B TWI714813 B TW I714813B TW 106139401 A TW106139401 A TW 106139401A TW 106139401 A TW106139401 A TW 106139401A TW I714813 B TWI714813 B TW I714813B
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吹上紀明
大下健太郎
大槻志門
羽根秀臣
小川淳
池川寬晃
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日商東京威力科創股份有限公司
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Abstract

本發明之目的係沿著構成在作為基板之晶圓W表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜(SiN膜)時，使膜緻密化且提高前述凹部之縱向的膜質均一性。 為達成上述目的，沿著在晶圓W表面上形成之凹部81的內壁面形成SiN膜後，使H2 氣體及NH3 氣體活性化並將活性化之氣體供給至晶圓W，接著藉由H2 氣體之活性物種鍵結SiN膜之懸鍵，藉此使膜緻密化而改質SiN膜。使用使H2 氣體及NH3 氣體活性化之氣體時，藉由NH3 氣體之活性化產生的H活性物種侵入到凹部81內之下部側的SiN膜。因此，在凹部81之縱向上可使SiN膜之改質處理的程度一致，故可使膜緻密化且提高凹部81縱向之SiN膜的膜質均一性。

Description

成膜處理方法及成膜處理裝置
本發明係關於沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜的技術。
在半導體製程中，在形成有構成圖案之凹部的基板上，有時形成氮化矽膜(以下有時簡記為「SiN膜」)作為例如犧牲膜之下層膜。專利文獻1中記載藉由ALD(Atomic Layer Deposition(原子層沉積))進行SiN膜之成膜的成膜處理裝置。
在該成膜處理裝置中，在處理室內，藉由使載置台以軸線為中心旋轉(公轉)，使設置在載置台上之基板載置區域依序通過處理室內之第一區域及第二區域來進行成膜處理。在第一區域中，由第一氣體供給部之噴射部供給二氯矽烷(DCS)氣體而使Si吸附在基板上，且不需要之DCS氣體由設置成包圍噴射部之排氣口排出。在第二區域中，供給作為反應氣體之氮(N2 )氣體或氨(NH3 )氣體並激發氣體，接著藉由反應氣體之活性物種使吸附在基板上之Si氮化而形成SiN膜。
雖然藉由該ALD形成緻密SiN膜，但依據用途，例如作為犧牲膜之下層膜使用時，需要進一步提高膜之緻密性。此外，由於圖案微細化，深寬比變大時，無法充分地供給氣體至構成圖案之凹部的下部側，有時難以使前述凹部縱向之SiN膜的膜質一致。如此，前述凹部縱向之SiN膜的膜質不均一時，在後來犧牲膜之蝕刻步驟中，前述凹部縱向之SiN膜的蝕刻速度不一致。因此無法充分地具有作為下層膜之功能，例如在去除犧牲膜後埋入配線材料時，恐有對裝置之電氣特性產生不良影響之虞。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第5882777號公報
[發明所欲解決的問題] 本發明係依據如此情形而作成，且目的係提供沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜時，可使膜緻密化且提高前述凹部縱向之氮化矽膜的膜質均一性。 [解決問題的手段]
因此，本發明之成膜處理方法係在真空環境中，沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜的方法，其特徵為包含以下步驟： 重複進行多數次供給含矽之原料氣體至前述基板並接著供給氨氣而在該基板上產生矽之氮化物的處理，在基板上形成氮化矽膜；及 接著相對前述基板使氫氣及氨氣活性化並將活性化之氣體供給至前述基板而改質氮化矽膜。
此外，本發明之成膜處理裝置係在真空環境中，沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜的成膜處理裝置，其特徵為包含： 真空容器，其內部設置前述基板之載置部； 原料氣體供給部，用以供給含矽之原料氣體至前述基板； 反應氣體供給部，用以供給氨氣至前述基板； 改質氣體供給部，用以供給氫氣及氨氣至前述基板； 排氣機構，用以使前述真空容器內部真空排氣；及 控制部，用以實行以下步驟： 重複進行多數次供給原料氣體至前述基板並接著供給氨氣至前述基板上而在基板上產生矽氮化物之處理，藉此在基板上形成氮化矽膜；及 接著在真空環境內相對前述基板使氫氣及氨氣活性化，並將活性化之氣體供給至前述基板而改質基板上之氮化矽膜。 [發明的功效]
依據本發明，沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜後，使氫氣及氨氣活性化並將活性化之氣體供給至基板，接著藉由氫氣之活性物種鍵結氮化矽膜之懸鍵，藉此使膜緻密化而改質氮化矽膜。使用氨氣時，推測侵入到前述凹部內之下部側後，產生氫之活性物種。因此，除了氫氣以外亦使用氨氣作為改質用氣體時，在前述凹部之縱向上可使氮化矽膜之改質處理的程度一致，故可使膜緻密化且提高前述凹部縱向之氮化矽膜的膜質均一性。
以下，一面參照圖1至圖5，一面說明本發明實施形態之成膜處理裝置的結構。在本例子中，說明使例如二氯矽烷(SiH2 Cl2 ：DCS)氣體之含矽(Si)的原料氣體與氨(NH3 )氣反應，在構成基板之半導體晶圓(以下稱為「晶圓」)W上形成氮化矽膜(SiN膜)薄膜的例子。在本說明書中，氮化矽膜係與Si及N之化學計量比無關地記載為SiN。因此，所謂SiN之記載中包含例如Si3 N4 。
如圖1及圖2所示地，本發明之成膜處理裝置具有形成進行成膜處理之處理空間的真空容器11，該真空容器11係由形成真空容器11之側壁及底部的容器本體13及氣密地封閉該容器本體13上面側之開口的頂板12構成。由圓板形成之旋轉檯2設置在真空容器11內，且組配成透過朝垂直下方延伸之旋轉軸14藉由例如馬達等之旋轉驅動機構15環繞垂直軸自由旋轉。
在旋轉檯2之上面，如圖2所示地，環繞其旋轉中心沿周方向排列而配設例如6個載置區域21，各載置區域21構成具有比晶圓W稍大之直徑的圓形凹部。該載置區域21形成載置基板之載置部。如圖1所示地，扁平圓環狀之環狀溝部45沿旋轉檯2之周方向形成在容器本體13的底面，且加熱器46配設在該環狀溝部45內。如圖2及圖3等所示地，組配成藉由未圖示之閘閥自由地開關的搬入搬出部101設置在真空容器11(容器本體13)之側壁面上。外部之未圖示搬送機構所保持的晶圓W透過該搬入搬出部101搬入真空容器11內，接著使用未圖示之升降銷傳送至旋轉檯2之各載置區域21。
成膜處理裝置具有形成原料氣體供給部之原料氣體單元3，且如圖1所示地，該原料氣體單元3設置在與旋轉檯2上面對向之頂板12的下面側。此外，如圖2及圖3所示地，原料氣體單元3之平面形狀為朝與載置區域21之公轉方向交叉的方向界定載置區域21之公轉面RA 而形成的扇形形狀。前述公轉面RA 係圖2中被單點虛線包圍之圓環形區域，亦即，使旋轉檯2旋轉時載置區域21通過之區域。
如圖4所示地，形成吐出部之氣體吐出口331、排氣口321及吹掃氣體吐出口311在原料氣體單元3之下面開口。在該圖中，為在圖中容易識別，對排氣口321及吹掃氣體吐出口311附加多數點來顯示。多數氣體吐出口331排列在比原料氣體單元3下面之周緣內側的扇狀區域中，且朝下方淋浴狀地吐出作為原料氣體之DCS氣體。含矽之原料氣體不限於DCS氣體，亦可使用例如六氯二矽烷(HCD)、四氯矽烷(TCS)等。未圖示之流路設置在原料氣體單元3中，使氣體吐出口331可分別獨立地供給原料氣體。氣體流路之上游側透過具有由閥及質量流控制器構成之氣體供給機器的配管連接於DCS氣體之供給源。此外，氣體供給機器、配管及DCS氣體之供給源省略圖示。
排氣口321及吹掃氣體吐出口311以包圍扇狀區域330且朝向旋轉檯2上面之方式，在原料氣體單元3下面之周緣環狀地開口，且吹掃氣體吐出口311位在排氣口321之外側。旋轉檯2上之排氣口321的內側區域構成進行原料氣體吸附在晶圓W表面的吸附區域R1。未圖示之排氣機構連接於排氣口321，且未圖示之吹掃氣體，例如氬(Ar)氣體的供給源連接於吹掃氣體吐出口311。
在成膜處理中，一起進行原料氣體由氣體吐出口331之吐出、排氣由排氣口321及吹掃氣體由吹掃氣體吐出口311之吐出。藉此，朝向旋轉檯2吐出之原料氣體及吹掃氣體經過旋轉檯2之上面吹向排氣口321，接著由該排氣口321排出。藉由如此進行吹掃氣體之吐出及排氣，吸附區域R1之環境可與外部之環境分開，且可將原料氣體可限定地供給至該吸附區域R1。此外，該吹掃氣體除了具有如此分開環境之功能以外，亦具有由晶圓W去除過剩地吸附在該晶圓W上之原料氣體的功能。
接著，說明供給電漿化之NH3 氣體的反應區域R2。如圖2所示地，反應區域R2相對於原料氣體單元3朝旋轉檯2之旋轉方向(在本例中由上面側看時為順時針旋轉)分開地配置。形成以供給NH3 氣體至晶圓W之反應氣體供給部的2支氣體噴射器71、72設置在該反應區域R2中。該氣體噴射器71、72形成朝旋轉檯2之半徑方向(與載置區域21之公轉方向交叉的方向)延伸的細長直棒狀，且2支氣體噴射器71、72在旋轉檯2之周方向上互相分開間隔並插入。例如，其中一氣體噴射器71設置在反應區域R2之前述旋轉方向上游側，而另一氣體噴射器72設置在反應區域R2之前述旋轉方向下游側。
各氣體噴射器71、72由真空容器11(容器本體13)之側壁面朝向旋轉檯2之旋轉中心大致水平地插入。氣體噴射器71、72之內部為空洞，且朝向其長度方向形成氣體流動之流路。此外，氣體噴射器71、72之側面延伸到可供給NH3 氣體至載置在載置區域21上之晶圓W全面的範圍，且多數氣體吐出口(未圖示)互相分開間隔地設置。各氣體噴射器71、72透過開關閥V3、V4及流量調節部541、542等連接於NH3 氣體供給源54。另外，惰性氣體，例如Ar氣體之供給源(未圖示)連接於各氣體噴射器71、72，且組配成可在預定時間供給流量調節後之Ar氣體。
接著，說明形成使NH3 氣體電漿化之電漿化機構的電漿形成部6(6A)的結構。此外，因為電漿形成部6A與設置在後述第一及第二改質區域r1、r2之電漿形成部6(6B、6C)同樣地構成，所以參照圖1及圖5說明。電漿形成部6具有：天線部60，其朝向真空容器11內發射微波；同軸波導管65，其朝向天線部60供給微波；及微波產生器69。天線部60設置在反應區域R2之上方位置的頂板12中，且封閉對應於前述區域之大略三角形形狀的開口。
天線部60由具有介電體窗61、孔板62、介電體板63及冷卻套64之輻射線槽孔天線(RLSA(Tokyo Electron(股)公司之註冊商標)構成。介電體窗61縮短微波之波長，且其周緣部被形成在頂板12中之開口周圍的構件支持。多數槽孔621形成在孔板62中，且介電體板63設置在該孔板62上。
圖1及圖5中，651係同軸波導管65之內側導體，652係同軸波導管65之外側導體，且同軸波導管65透過模式轉換器66、波導管67、作為匹配器之調諧器68連接於微波產生器69。微波產生器69產生例如2.45GHz之頻率的微波。在電漿形成部6中，藉由微波產生器69產生之微波通過同軸波導管65而供給至介電體板63，並透過孔板62之槽孔621由介電體窗61供給至其下方側之空間。如此，使旋轉檯2旋轉時，載置在各載置區域21上之晶圓W通過反應區域R2，並對晶圓W之全面供給電漿化之NH3 氣體。
此外，如圖2所示地，在設置反應區域R2之區域的外側，用以排出NH3 氣體之排氣溝191沿著旋轉檯2之周方向設置在旋轉檯2與真空容器11之內壁面間的容器本體13底面側。排氣口190A在排氣溝191之底部開口且透過排氣路19連接用以進行真空容器11內部之真空排氣的排氣機構56。
此外，該成膜處理裝置具有對SiN膜進行改質處理之第一改質區域r1及第二改質區域r2。如圖2所示地，沿著旋轉檯2之旋轉方向看時，第一改質區域r1設置在吸附區域R1之下游側且在反應區域R2之上游側的位置。另一方面，沿著前述旋轉方向看時，第二改質區域r2設置在反應區域R2之下游側且在吸附區域R1之上游側的位置。第一改質區域r1及第二改質區域r2之平面形狀分別形成朝與前述公轉方向交叉之方向界定通過載置區域21之前述公轉面RA 的大致三角形區域。
設置在第一改質區域r1、第二改質區域r2中之各機器具有共通之結構，因此一面參照共通之放大縱截側面圖的圖5，一面以第一改質區域r1為例進行說明。如圖5所示地，第一改質區域r1中設置：第一氣體吐出口703，用以在該區域中由旋轉檯2之周緣側向中心側供給改質氣體；及第二氣體吐出口704，用以由旋轉檯2之中心側向周緣側供給改質氣體。該等第一氣體吐出口703及第二氣體吐出口704形成用以供給作為改質氣體之H2 氣體及NH3 氣體至晶圓W的改質氣體供給部。
第一氣體吐出口703可朝向設置在後述電漿形成部6(6B)之天線部60中之介電體窗61的下方區域供給氣體，且設置在設於支持介電體窗61之頂板12中的開口部內周面。第一氣體吐出口703沿著在第一改質區域r1中之旋轉檯2周緣側的一邊互相分開間隔地配置在多數位置。該第一氣體吐出口703連通於沿著第一改質區域r1之前述周緣側的1邊延伸設置的第一氣體供給路184。
第二氣體吐出口704沿著與設置第一氣體吐出口703之前述周緣側一邊對向的大致三角形頂點側區域互相分開間隔地配置在多數位置(例如2個位置)。第二氣體吐出口704連通於設置在第一改質區域r1之前述頂點側區域的共通第二氣體供給路185。
在該例子中，實施後述成膜處理周期中之第一改質處理及成膜處理周期後之第二改質處理，作為改質處理。第一改質處理之改質氣體使用氫(H2 )氣體，且第二改質處理之改質氣體使用H2 氣體及NH3 氣體。因此，第一氣體供給路184透過開關閥V61、流量調節部551連接於H2 氣體供給源55且透過開關閥V62、流量調節部561連接於NH3 氣體供給源54。同樣地，第二氣體供給路185透過開關閥V71、流量調節部552連接於H2 氣體供給源55且透過開關閥V72、流量調節部562連接於NH3 氣體供給源54。如此，H2 氣體及NH3 氣體在開關閥V61、V71之下游側在各個配管之中途混合，接著由第一氣體吐出口703及第二氣體吐出口704吐出至真空容器11內。
此外，如圖3及圖5所示地，形成用以使上述改質氣體電漿化之電漿化機構的電漿形成部6(6B)設置在第一改質區域r1中。電漿形成部6B之結構係使用圖6說明，且因為可使用與反應氣體用之電漿形成部6A共通者，所以省略再次之說明。另外，沿著旋轉檯2之旋轉方向看時，排氣溝191設置在位於第一改質區域r1之上游側的旋轉檯2與真空容器11之內壁面間的容器本體13底面側，且排氣溝191具有用以排出改質氣體至真空容器11之外部的排氣口190B。
第二改質區域r2側係與第一改質區域r1同樣地構成，且形成使改質氣體電漿化之電漿化機構的電漿形成部6(6C)結構亦相同。第二改質區域r2中之改質氣體用的排氣口190C設置在第二改質區域r2中之前述旋轉方向的下游側。
在第一改質區域r1及第二改質區域r2中，由旋轉檯2之周緣側的第一氣體吐出口703及旋轉檯2之中心側的第二氣體吐出口704朝向與載置區域21之公轉方向交叉的方向吐出改質氣體。此外，在第一改質區域r1中，朝向旋轉方向上游側之排氣口190B流向遠離反應區域R2之方向，且在第二改質區域r2中，朝向旋轉方向下游側之排氣口190C流向遠離反應區域R2之方向。
以下，參照圖6及圖7說明使用上述成膜處理裝置實施本發明之成膜處理方法的一例。首先，參照圖6簡單地說明晶圓W之表面構造的一例。圖6係藉由成膜處理裝置形成SiN膜後之晶圓W表面的縱截側面圖。圖6中80係形成構成圖案之凹部81的矽基板，且在其表面上由下側依序積層SiO2 膜82及SiN膜83。該SiN膜83係藉由本發明之成膜處理方法來成膜。然後，未圖示之由例如有機膜等形成的犧牲膜埋入例如凹部81中，接著藉由蝕刻去除該犧牲膜。在圖6中L1、L2分別表示晶圓W之凹部81的深度、寬度，且深寬比之L1/L2係例如5至40。
在本發明之成膜處理方法中，首先，重複進行多數次供給原料氣體至晶圓W並接著供給NH3 氣體而在晶圓W上產生Si之氮化物的處理，實施在晶圓W上形成SiN膜之步驟。在該步驟中，開始時，開啟搬入搬出部101之閘閥並藉由外部之搬送機構將晶圓W搬入真空容器11內後，使用未圖示之升降銷傳送至旋轉檯2之載置區域21(步驟S1)。晶圓W之傳送係使旋轉檯2間歇地旋轉來進行，並將晶圓W載置在全部之載置區域21上。接著，使搬送機構退出並關閉搬入搬出部101之閘閥。此時，藉由H2 氣體供給源55、原料氣體單元3之排氣機構使真空容器11內部真空排氣至預定之壓力。此外，由吹掃氣體吐出口311供給吹掃氣體。
然後，使旋轉檯2順時針旋轉，一面維持預先設定之旋轉速度，一面藉由加熱器46加熱晶圓W(步驟S2)。藉由未圖示之溫度感測器確認晶圓W到達例如475℃之預定之設定溫度後，分別開始由原料氣體單元3之氣體吐出口331供給原料氣體(DCS氣體)、由設置在反應區域R2中之氣體噴射器71、72供給NH3 氣體及Ar氣體、由設置在第一改質區域r1、第二改質區域r2中之第一氣體吐出口703、第二氣體吐出口704供給H2 氣體。此外，與開始供給該等氣體一起由電漿形成部6(6A至6C)之天線部60供給微波。
如此可進行各氣體之供給及電漿之形成，另一方面，真空容器11內之壓力成為例如66.5Pa(0.5托耳)至665Pa(5托耳)，且在此例子中為266Pa(2托耳)之預定壓力。原料氣體單元3中分別用預定之流量由氣體吐出口331吐出DCS氣體且由吹掃氣體吐出口311吐出Ar氣體，同時由排氣口321進行排氣。藉此，DCS氣體流過到達包圍氣體吐出口331周圍之排氣口321的限定區域，即吸附區域R1內。晶圓W藉由旋轉檯2之旋轉到達吸附區域R1時，作為含矽之原料氣體的DCS氣體供給並吸附在晶圓W表面上(步驟S3)。繼續旋轉旋轉檯2，使晶圓W朝向吸附區域R1之外側移動，並供給吹掃氣體至晶圓W之表面，去除吸附之剩餘DCS氣體。
在第一改質區域r1中，使H2 氣體電漿化且形成朝向排氣口190B之H2 氣體流。藉由旋轉檯2之旋轉，晶圓W到達第一改質區域r1時，藉由電漿包含之H2 氣體的活性物種進行第一改質處理，使H鍵結SiN膜中之懸鍵而改質成緻密之膜(步驟S4)。
在反應區域R2中，使NH3 氣體電漿化且形成朝向排氣口190A之NH3 氣體流。藉由旋轉檯2之旋轉，各晶圓W到達反應區域R2時，供給構成NH3 氣體之電漿且包含由NH3 氣體產生之N(氮)的自由基等活性物種至各晶圓W之表面。如此，供給NH3 氣體之活性物種至晶圓W並與晶圓W上之原料反應，形成氮化層(SiN層)(步驟S5)。
在第二改質區域r2中，使H2 氣體電漿化且形成朝向排氣口190C之H2 氣體流。藉由旋轉檯2之旋轉，晶圓W到達第二改質區域r2時，藉由電漿包含之H2 氣體的活性物種進行第一改質處理，將SiN膜改質成緻密之膜(步驟S6)。
設分別在該吸附區域R1、第一改質區域r1、反應區域R2及第二改質區域r2進行之處理周期為成膜周期之1周期。接著，在步驟S7中，依序重複DCS氣體之供給、H2 氣體活性物種之供給、NH3 氣體活性物種之供給及H2 氣體活性物種之供給，使SiN堆積在晶圓W表面上，進行SiN層之成膜，直到判定該成膜周期重複設定次數為止。
在步驟S7中，判定成膜周期重複設定次數時，即，SiN膜之膜厚增加並形成所希望膜厚之SiN膜時，成膜處理結束。例如，停止原料氣體單元3中之各氣體的吐出及排氣。此外，分別停止反應區域R2中之氣體供給及電力供給停止及第一改質區域r1及第二改質區域r2中之H2 氣體供給。
接著，使H2 氣體及NH3 氣體活性化並供給活性化之氣體至晶圓W，實施改質SiN膜之步驟(第二改質處理)。例如使真空容器11內之壓力、旋轉檯2之溫度分別與成膜處理時相同，並在使旋轉檯2旋轉之狀態下，開始第二改質處理(步驟S8)。接著，在第一改質區域r1及第二改質區域r2中，供給作為第二改質氣體之H2 氣體及NH3 氣體且同時供給電力至電漿形成部6B、6C，實施第二改質處理(步驟S9)。原料氣體單元3、反應區域R2中之NH3 氣體及Ar氣體的供給及對電漿形成部6A之電力供給保持停止。
在第一改質區域r1及第二改質區域r2中，分別由第一氣體吐出口703及第二氣體吐出口704供給H2 氣體與NH3 氣體之混合氣體。即，在此例子中，同時供給H2 氣體及NH3 氣體至晶圓W。接著藉由電漿形成部6B、6C之微波使H2 氣體及NH3 氣體活性化(電漿化)，產生H2 氣體之活性物種及NH3 氣體之活性物種。接著，藉由該等活性物種，使H鍵結SiN膜中之懸鍵並改質成緻密之膜。因為DCS氣體中包含氯(Cl)，所以原料氣體使用DCS氣體時，可能氯成分摻入成膜之SiN膜中而成為不純物。因此，藉由在第一及第二改質區域r1、r2中使H2 氣體與NH3 氣體之混合氣體活性化，使薄膜中包含之氯成分藉由H自由基之作用而脫離，可改質成更純粹(緻密)之氮化膜。
在此，在第二改質處理中使用H2 氣體及NH3 氣體之電漿的原因是即使對深寬比大之圖案，亦可在凹部81之縱向上大致均一地進行H自由基之改質。在圖6所示之晶圓W的表面構造中，形成在晶圓W表面上之SiN膜83係設SiN膜83縱向之4個地方的位置為上部位置A、凹部上方位置B、凹部下方位置C、底部位置D。
由後述實施例可確認在H2 氣體電漿之改質中，形成在凹部81中之SiN膜83的縱向上膜質不均一，特別在底部位置D進行之改質處理比上部位置A少。這推測是因為藉由H2 氣體之電漿化生成的H自由基壽命短，對於深寬比大之圖案，H自由基難以侵入凹部81之底部位置D。
另一方面，如本發明地藉由H2 氣體及NH3 氣體進行改質處理時，由後述實施例可確認凹部81之縱向的膜質均一性提高。其理由推測如下。即，藉由NH3 氣體之電漿化，產生N自由基、H自由基、NH自由基、NH2 自由基等且NH2 自由基及NH自由基等進一步分解產生H自由基。因此，接近凹部81之底部位置D的區域中，NH3 氣體分解而產生H自由基，藉此H自由基亦侵入該底部位置D，因此即使在底部位置D亦充分地進行改質處理，故凹部81之縱向的膜質均一性提高。
此外，因為與H自由基之改質處理並行地，藉由NH3 氣體之電漿產生之N自由基亦進行SiN膜之氮化處理，所以可填補成膜處理中之氮化處理。此外，在第一改質處理中，使用H2 氣體及NH3 氣體作為改質氣體時，1個成膜周期內之N自由基量變多而成為氮化處理比H自由基之改質處理容易進行的狀態，因此該改質處理之改質氣體只使用H2 氣體，但即便使NH3 氣體與H2 氣體混合，亦最好使其量比H2 氣體少。
第二改質處理中之一製程條件可舉例如：由第一氣體吐出口703及第二氣體吐出口704供給之H2 氣體的總供給量：1000ml/分(sccm)、NH3 氣體的總供給量：4250ml/分、真空容器11內壓力：266Pa、旋轉檯2之溫度：475℃、旋轉檯2之旋轉速度：20 rpm。
依據上述動作，只實行第二改質處理預先設定之時間後，停止H2 氣體及NH3 氣體之供給、對電漿形成部6B、6C之電力供給、加熱器46之晶圓W加熱，結束第二改質處理。接著，晶圓W之溫度降低到預先設定之溫度後，藉由與搬入時相反之動作，由搬入搬出部101依序搬出晶圓W(步驟S10)。
依據本實施形態，沿著構成在晶圓W表面上形成之圖案的凹部81內壁面形成SiN膜後，使H2 氣體及NH3 氣體活性化(電漿化)，接著將活性化之氣體供給至晶圓W而改質SiN膜。使用NH3 氣體時，在侵入到達凹部81內之下部側後，推測產生氫之活性物種(H自由基)。因此，除了H2 氣體以外亦使用NH3 氣體作為改質用之氣體時，在凹部81之縱向上可使SiN膜之改質處理程度一致，故可使膜緻密化且提高凹部81縱向之SiN膜的膜質均一性。
如此，因為在凹部81之縱向上SiN膜之膜質一致，所以在後來的步驟中，犧牲膜埋入形成SiN膜之凹部81，接著蝕刻該犧牲膜時，凹部81縱向之SiN膜的蝕刻程度一致。藉此，SiN膜之尺寸精度高，且例如在去除犧牲膜後埋入配線材料時可提高裝置之電氣特性。
在第二改質處理中，NH3 氣體之全供給量對H2 氣體之全供給量的比率(NH3 氣體/H2 氣體)係設定為例如0.1至2.0。例如，如上所述地同時吐出H2 氣體與NH3 氣體至處理環境時，NH3 氣體之流量/H2 氣體之流量係設定為例如0.1至2.0。這是因為前述比率比0.1小時，凹部81之底部位置D的改質處理無法進行，而前述比率比2.0大時，恐有氮化處理比改質處理優先進行之虞。前述比率宜特別設定在1.0以下。這是因為混合氣體中之NH3 氣體的比例超過50%時，NH基摻入SiN膜中，恐有抑制膜緻密性提高之虞。
在上述例子中，雖然在成膜周期內進行第一改質處理，但不一定要實施該第一改質處理。未進行第一改質處理時，在成膜步驟中，除了在第一改質區域r1及第二改質區域r2中停止氣體之供給及對電漿形成部6B、6C之電力供給以外，進行與上述成膜步驟同樣之處理。
此外，雖然上述成膜處理裝置具有第一改質區域r1及第二改質區域r2，但亦可為具有第一改質區域r1及第二改質區域r2中之至少一者的結構。另外，不限於在反應區域及改質區域中分別設置專用之電漿形成部(電漿化機構)6。例如可設置兼用反應區域及改質區域之處理區域，且兼用電漿化機構。此時，在SiN膜之成膜步驟中，由處理區域供給NH3 氣體並藉由電漿化機構使NH3 氣體活性化，且在改質步驟中，由處理區域供給H2 氣體及NH3 氣體並藉由電漿化機構使H2 氣體及NH3 氣體活性化。
另外，在進行上述第二改質處理之步驟中，雖然真空容器11內之壓力、晶圓W溫度及旋轉檯2之旋轉速度等之製程條件設定為與進行SiN膜之成膜步驟相同的條件，因此可抑制產率降低，但該等製程條件亦可變更。此外，在進行第二改質處理之步驟中，亦可在反應區域R2中供給電力至電漿形成部6A並形成電漿。這是因為H2 氣體及NH3 氣體亦由第一改質區域r1及第二改質區域r2流出至反應區域R2，故在反應區域R2中可藉由H2 氣體及NH3 氣體之活性物種來實施改質處理。
反應氣體供給部及改質氣體供給部之結構不限於上述例子。例如反應氣體供給部可為1支氣體噴射器，且亦可與改質氣體供給部同樣地將第一及第二氣體吐出口703、704設置在電漿形成部6A中並供給NH3 氣體。此外，改質氣體供給部亦可與反應氣體供給部同樣地由氣體噴射器構成。
另外，原料氣體單元3不一定具有吹掃氣體吐出口311。例如在排氣口321之外側設置另一排氣口，並藉由該排氣口排出來自吸附區域R1以外之區域的NH3 氣體及H2 氣體，可使吸附區域R1之環境與外部環境分開。
此外，實施本發明方法之成膜處理裝置不限於上述結構。圖8係實施本發明方法之成膜處理裝置的另一例。在該成膜處理裝置中，首先，將晶圓W載置在真空容器91內之載置部92上，並藉由排氣機構93將真空容器91內設定為真空環境，且同時例如藉由設在載置部92中之加熱器加熱。接著，由DCS氣體供給源941透過設置在氣體供給部95中之氣體吐出口951供給作為原料氣體之DCS氣體，藉此使Si吸附在晶圓W表面上。接著，停止供給DCS氣體，並使真空容器91內排氣而排出DCS氣體。
接著，由NH3 氣體供給源942供給作為反應氣體之NH3 氣體且由高頻波電源部96供給高頻波至氣體供給部95。藉此，利用由氣體供給部95形成之上部電極及由載置部92形成之下部電極，產生電容耦合電漿。如此，使NH3 氣體活性化並藉由該活性物種使晶圓W上之原料氮化而形成作為氮化層之SiN層。接著，停止NH3 氣體之供給及高頻波之供給，並使真空容器91內排氣而排出NH3 氣體。重複進行多數次藉由供給該DCS氣體及供給NH3 氣體而生成SiN層之處理，形成預定膜厚之SiN膜。
然後，由H2 氣體供給源943及NH3 氣體供給源942供給H2 氣體及NH3 氣體至真空環境內之真空容器91作為改質氣體，接著供給高頻波至氣體供給部95，使該等氣體活性化。如此，實施供給活性化之H2 氣體及NH3 氣體至晶圓W而改質SiN膜的步驟。藉由控制部90實行上述在晶圓W上形成SiN膜之步驟及改質SiN膜之步驟。圖8中，911係搬送口，912係閘閥，921係藉由升降機構922升降之傳送銷，952係供給路，953係具有質量流控制器M、閥V之流量調節部，961係匹配器。
此外，實施本發明方法之成膜處理裝置可為例如將保持多數片晶圓之晶舟由下側搬送至反應容器內的縱型成膜處理裝置。在該裝置中，使反應容器周方向之一部分沿著朝縱向延伸之反應容器的長度方向橫向突出而設置為電漿形成室，且在朝該縱向延伸之電漿形成室的側壁上安裝電極，並藉由施加高頻波在該電極上，產生電容性電漿。此外，組配成在電漿形成室內設置原料氣體之供給噴嘴、反應氣體之供給噴嘴及改質玻璃之供給噴嘴。接著，在設定反應容器內為真空環境且加熱晶舟並使其旋轉之狀態下，重複進行多數次供給原料氣體並接著供給反應氣體而生成SiN膜之處理以形成預定厚度之SiN膜。接著，供給H2 氣體及NH3 氣體至真空環境內之反應容器，使該等氣體活性化。如此，可實施供給活性化之氣體至晶圓W而改質SiN膜之步驟。
在SiN膜成膜後之SiN膜的改質步驟中，可輪流供給活性化之H2 氣體及活性化之NH3 氣體中之一者及另一者至晶圓W。此時，例如藉由設定H2 氣體及NH3 氣體之流量為相同，並調整H2 氣體對晶圓W之供給時間及NH3 氣體對晶圓W之供給時間，可調整H2 氣體對晶圓W之全供給量及NH3 氣體對晶圓W之全供給量的比率。此外，亦可包含供給活性化之H2 氣體及活性化之NH3 氣體中之一者至晶圓W的階段、供給活性化之H2 氣體及活性化之NH3 氣體中之另一者至晶圓W的階段及同時供給兩者至晶圓W的階段。 [實施例]
使用圖1之成膜處理裝置，對形成構成圖案之凹部81的晶圓進行SiN膜之成膜處理後，進行第二改質處理並評價SiN膜之膜質(實施例1)。此外，未進行第二改質處理時(比較例1)及只使用H2 氣體進行第二改質處理時(比較例2)亦同樣地進行膜質之評價。形成構成圖案之凹部81的晶圓深寬比係10，實施例1、比較例1、2均用以下之成膜條件形成SiN膜。
(SiN膜之成膜條件) 使用圖1所示之成膜處理裝置，以1190 ml/分之流量供給DCS氣體(DCS濃度100 vol%)至吸附區域R1，且分別以1000 ml/分、1000 ml/分之流量供給NH3 氣體(NH3 濃度100 vol%)及Ar氣體(Ar濃度100 vol%)至反應區域R2。分別設定真空容器內之壓力為267Pa(2托耳)、晶圓W溫度為475℃、旋轉檯2之旋轉速度為20 rpm，且在旋轉檯2累計87次旋轉期間進行成膜處理。
(實施例1之第二改質處理條件) 成膜處理後，對實施例1而言，停止供給DCS氣體、NH3 氣體、Ar氣體，接著以4520 ml/分及1000 ml/分之流量分別供給H2 氣體及NH3 氣體至第一改質區域r1、第二改質區域r2作為第二改質氣體。此外，與成膜處理時同樣地，真空容器內之壓力為267Pa，晶圓W溫度為475度，旋轉檯2之旋轉速度為20 rpm，且進行改質處理300秒鐘。
(比較例2之第二改質處理條件) 對比較例2而言，成膜處理後，停止供給DCS氣體、NH3 氣體、Ar氣體，接著以1000 sccm之流量分別供給H2 氣體至第一改質區域r1、第二改質區域r2。此外，真空容器內之壓力為66.5Pa(0.5托耳)，晶圓W溫度為475度，旋轉檯2之旋轉速度為20 rpm，且進行改質處理300秒鐘。
膜質之評價係分別在圖6所示之凹部81的上部位置A、凹部上方位置B、凹部下方位置C、底部位置D的4個位置測量0.5重量%濃度之氟酸的蝕刻速度(WER：Wet Etching Rate(濕式蝕刻速度)，[Å/分])。實施例之蝕刻速度的測量結果顯示在圖9中，且比較例1、2之同樣結果分別顯示在圖10、圖11中。圖中左縱軸係濕式蝕刻速度(WER)，右縱軸係蝕刻速度之均一性，且蝕刻速度之均一性顯示設凹部81之上部位置A的濕式蝕刻速度為100時之相對值。
由未進行成膜處理後之第二改質處理的比較例1結果(圖10)確認在凹部81之上部位置A、凹部上方位置B、凹部下方位置C、底部位置D的各個位置中，蝕刻速度大幅不同，且底部位置D之蝕刻速度比上部位置A大，因此凹部81之縱向的蝕刻速度均一性不良。
此外，由只使用H2 氣體進行成膜處理後之第二改質處理的比較例2結果(圖11)確認在凹部81之上部位置A、凹部上方位置B、凹部下方位置C、底部位置D的各個位置中，蝕刻速度比比較例1低，可謀求膜之緻密化。但是，雖然上部位置A之蝕刻速度極小，但底部位置D之蝕刻速度大，因此確認相較於比較例1，凹部81縱向之蝕刻速度的均一性惡化。這推測是因為H自由基之壽命短，因此雖然許多H自由基到達凹部81上部並快速地進行改質處理，但到達凹部81之底部的H自由基少，因此未在底部進行改質處理。此外，由比較例1及比較例2之結果確認對裸晶圓等之平坦面，可藉由H2 氣體之改質處理改善膜質。
在實施例1中，如圖9所示地，在凹部81之上部位置A、凹部上方位置B、凹部下方位置C、底部位置D的各個位置中，蝕刻速度比比較例2低，確認即使在凹部81之底部亦可謀求膜之緻密化。此外，凹部81之縱向蝕刻速度一致，確認該縱向之蝕刻速度的均一性大幅改善。這推測是因為藉由NH3 氣體之電漿化，相較於H2 氣體之電漿化，不僅在凹部81之上部，在底部亦有許多H自由基到達而快速地進行改質處理。如此，確認藉由使SiN膜之縱向蝕刻速度一致，可改善縱向之膜質均一性。
此外，在比較例2中，為提高改質效果，在第二改質處理中使真空容器11內之壓力比成膜處理步驟低，相對於此，在實施例中設定為與成膜步驟相同之壓力來進行第二改質處理。如此，可了解的是藉由本發明之方法，即使是與成膜處理步驟相同之壓力亦可獲得充分之改質效果，因此可抑制產率降低，同時進行改質處理。
2‧‧‧旋轉檯3‧‧‧原料氣體單元6,6A,6B,6C‧‧‧電漿形成部11‧‧‧真空容器12‧‧‧頂板13‧‧‧容器本體14‧‧‧旋轉軸15‧‧‧旋轉驅動機構19‧‧‧排氣路21‧‧‧載置區域45‧‧‧環狀溝部46‧‧‧加熱器54‧‧‧NH3氣體供給源55‧‧‧H2氣體供給源56‧‧‧排氣機構60‧‧‧天線部61‧‧‧介電體窗62‧‧‧孔板63‧‧‧介電體板64‧‧‧冷卻套65‧‧‧同軸波導管66‧‧‧模式轉換器67‧‧‧波導管68‧‧‧調諧器69‧‧‧微波產生器71,72‧‧‧氣體噴射器80‧‧‧矽基板81‧‧‧凹部82‧‧‧SiO2膜83‧‧‧SiN膜90‧‧‧控制部91‧‧‧真空容器92‧‧‧載置部93‧‧‧排氣機構95‧‧‧氣體供給室96‧‧‧高頻波電源部101‧‧‧搬入搬出部184‧‧‧第一氣體供給路185‧‧‧第二氣體供給路190A‧‧‧排氣口190B‧‧‧排氣口190C‧‧‧排氣口191‧‧‧排氣溝311‧‧‧吹掃氣體吐出口321‧‧‧排氣口330‧‧‧扇狀區域331‧‧‧氣體吐出口541,542‧‧‧流量調節部551‧‧‧流量調節部552‧‧‧流量調節部561‧‧‧流量調節部562‧‧‧流量調節部621‧‧‧槽孔651‧‧‧內側導體652‧‧‧外側導體703‧‧‧第一氣體吐出口704‧‧‧第二氣體吐出口911‧‧‧搬送口912‧‧‧閘閥921‧‧‧傳送銷922‧‧‧升降機構941‧‧‧DCS氣體供給源942‧‧‧NH3氣體供給源943‧‧‧H2氣體供給源951‧‧‧氣體吐出口952‧‧‧供給路953‧‧‧流量調節部961‧‧‧匹配器A‧‧‧上部位置B‧‧‧凹部上方位置C‧‧‧凹部下方位置D‧‧‧底部位置L1‧‧‧深度L2‧‧‧寬度M‧‧‧質量流控制器RA‧‧‧公轉面R1‧‧‧吸附區域R2‧‧‧反應區域S1~S10‧‧‧步驟r1‧‧‧第一改質區域r2‧‧‧第二改質區域V‧‧‧閥V3,V4‧‧‧開關閥V61‧‧‧開關閥V62‧‧‧開關閥V71‧‧‧開關閥V72‧‧‧開關閥W‧‧‧晶圓
圖1係本發明實施形態之成膜處理裝置的縱截側面圖。 圖2係前述成膜處理裝置之橫截平面圖。 圖3係由上面側看前述成膜處理裝置之平面圖。 圖4係由下面側看設置在前述第一區域中之原料氣體單元的平面圖。 圖5係設置在前述成膜處理裝置中之第一改質區域或第二改質區域的放大縱截側面圖。 圖6係藉由本發明形成SiN膜之晶圓表面的縱截側面圖。 圖7係顯示本發明之一成膜處理方法例的流程圖。 圖8係顯示適用本發明之另一成膜處理裝置例的縱截側面圖。 圖9係顯示實施例之膜厚分布的特性圖。 圖10係顯示比較例之膜厚分布的特性圖。 圖11係顯示比較例之膜厚分布的特性圖。
2‧‧‧旋轉檯
3‧‧‧原料氣體單元
6,6A,6B,6C‧‧‧電漿形成部
11‧‧‧真空容器
13‧‧‧容器本體
21‧‧‧載置區域
54‧‧‧NH3氣體供給源
71,72‧‧‧氣體噴射器
101‧‧‧搬入搬出部
190A‧‧‧排氣口
190B‧‧‧排氣口
190C‧‧‧排氣口
191‧‧‧排氣溝
541,542‧‧‧流量調節部
RA‧‧‧公轉面
R1‧‧‧吸附區域
R2‧‧‧反應區域
r1‧‧‧第一改質區域
r2‧‧‧第二改質區域
V3,V4‧‧‧開關閥
W‧‧‧晶圓

Claims (6)

  1. 一種成膜處理方法，係在真空環境中，沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜的方法，其特徵為包含以下步驟：重複進行多數次「供給含矽之原料氣體至該基板、接著供給氨氣而在該基板上產生矽之氮化物、接著使氫氣活性化並將活性化之氣體供給至該基板以進行第一改質處理的處理」，在該基板上形成氮化矽膜；及接著對於該基板，使氫氣及氨氣活性化並將活性化之氣體供給至該基板而對該氮化矽膜進行第二改質處理。
  2. 如申請專利範圍第1項之成膜處理方法，其中，該對該氮化矽膜進行第二改質處理之步驟包含同時供給氫氣及氨氣至該基板的時間帶。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之成膜處理方法，其中該凹部之深寬比係5至40。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之成膜處理方法，其中該對該氮化矽膜進行第二改質處理之步驟中，氨氣之全供給量對氫氣之全供給量的比率係0.1至2.0。
  5. 如申請專利範圍第1或2項之成膜處理方法，其使用成膜處理裝置，該成膜處理裝置具有：原料氣體供給部，其包括具有載置該基板之載置部且用以使該基板公轉之旋轉檯、與該旋轉檯對向且吐出含矽之原料氣體的吐出部及包圍該吐出部之排氣口； 反應區域及改質區域，其相對於該原料氣體供給部朝該旋轉檯之旋轉方向分開地配置，該反應區域供給氨氣用以進行矽之氮化，且該改質區域供給氫氣以進行該第一改質處理、或供給氫氣及氨氣以進行該第二改質處理；及電漿化機構，用以使供給至該反應區域及該改質區域之氣體電漿化，該形成氮化矽膜之步驟係藉由將該基板載置在該旋轉檯上並使該旋轉檯旋轉，使其重複通過該原料氣體供給部之下方側、該反應區域及該改質區域來實行，該對該氮化矽膜進行第二改質處理之步驟係於該形成氮化矽膜之步驟後，藉由使該旋轉檯旋轉而使其通過該改質區域來實行。
  6. 一種成膜處理裝置，在真空環境中，沿著構成在基板表面上形成之圖案的凹部內壁面形成氮化矽膜，其特徵為具有：真空容器，其內部設置該基板之載置部及用以使該基板公轉之旋轉檯；原料氣體供給部，其包括與該旋轉檯對向且吐出含矽之原料氣體的吐出部及包圍該吐出部之排氣口；反應區域及改質區域，其相對於該原料氣體供給部朝該旋轉檯之旋轉方向分開地配置；反應氣體供給部，用以供給氨氣至該反應區域中之該基板；改質氣體供給部，用以供給氫氣及氨氣至該改質區域中之該基板；電漿化機構，用以使供給至該反應區域及該改質區域之氣體活性化；排氣機構，用以使該真空容器內部真空排氣；及控制部，用以實行以下步驟：重複進行多數次「供給原料氣體至該基板並接著供給氨氣至該基板上而在該基板上產生矽氮化物之處理」，藉此在該基板上形成氮化矽膜；及 接著，在該真空環境內，對於該基板，使氫氣及氨氣活性化並將活性化之氣體供給至該基板，而改質該基板上之該氮化矽膜，其中該形成氮化矽膜之步驟係藉由將該基板載置在該旋轉檯上並使該旋轉檯旋轉，使其重複通過該原料氣體供給部之下方側及該反應區域來實行，該改質該氮化矽膜之步驟係於該形成氮化矽膜之步驟後，藉由使該旋轉檯旋轉而使其通過該改質區域來實行。
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