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TWI876195B - 基板處理方法、半導體裝置之製造方法、基板處理裝置及程式 - Google Patents

基板處理方法、半導體裝置之製造方法、基板處理裝置及程式 Download PDF

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TWI876195B
TWI876195B TW111130350A TW111130350A TWI876195B TW I876195 B TWI876195 B TW I876195B TW 111130350 A TW111130350 A TW 111130350A TW 111130350 A TW111130350 A TW 111130350A TW I876195 B TWI876195 B TW I876195B
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竹島雄一郎
市村圭太
山角宥貴
岸本宗樹
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日商國際電氣股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種技術，即使在較低溫度條件下，仍可將基板的表面改質為具有優異特性之所期望厚度的氧化層。 本發明所提供的技術具備有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體，對其施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將基板的表面改質為第1氧化層的步驟；以及(b)將含有氧及氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體，對其施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將第1氧化層改質為第2氧化層的步驟。

Description

基板處理方法、半導體裝置之製造方法、基板處理裝置及程式
本發明係關於基板處理方法、半導體裝置之製造方法、基板處理裝置及程式。
作為半導體裝置之製造步驟的一步驟，有將在基板上所形成之膜的表面，使用經電漿激發的氣體而改質為氧化層的處理(例如專利文獻1)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開2016/125606號
(發明所欲解決之問題)
本發明之目的在於提供一種技術，即使在較低的溫度條件下，仍可將基板的表面改質為具有優異特性之所需厚度的氧化層。 (解決問題之技術手段)
根據本發明一態樣所提供的技術，其具備有： (a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體，對其施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將上述基板的表面改質(氧化)為第1氧化層的步驟；以及 (b)將含有氧與氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體，對其施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的步驟。 (對照先前技術之功效)
根據本發明，即使在較低的溫度條件下，仍可將基板的表面改質為具有優異特性之所期望厚度的氧化層。
＜本發明一態樣＞ 以下，對於本發明之一態樣，主要參照圖1~圖5進行說明。另外，以下說明時所使用的圖式係均為示意者，圖式中各構件的尺寸關係、各構件的比率等未必與實際的物件一致。又，複數個圖式彼此間亦是各構件的尺寸關係、各構件的比率等未必一致
(1)基板處理裝置之構成 如圖1所示，基板處理裝置100係具備有處理爐202，該處理爐202收容作為基板之晶圓200並施行電漿處理。處理爐202係具備有處理容器203，該處理容器203構成處理室201。處理容器203係具備有：作為第1容器的圓頂狀之上側容器210、以及作為第2容器的碗狀之下側容器211。藉由上側容器210覆蓋於下側容器211之上，形成處理室201。上側容器210係由例如氧化鋁(Al 2O 3)或石英(SiO 2)等非金屬材料構成，下側容器211係由例如鋁(Al)構成。
在下側容器211的下部側壁，設有作為搬入搬出口(隔閥)的閘閥244。閘閥244係構成在打開時，經由搬入搬出口245，可將晶圓200朝處理室201內外進行搬入搬出。藉由關閉閘閥244，可保持處理室201內的氣密性。
如圖2所示，處理室201係具備有：電漿生成空間201a、連通於電漿生成空間201a且對晶圓200施行處理的基板處理空間201b。電漿生成空間201a係生成電漿的空間，係指在處理室201內，例如較共振線圈212下端(圖1的單點鏈線)更靠上方的空間。另一方面，基板處理空間201b係對基板施行電漿處理的空間，係指較共振線圈212下端更靠下方的空間。
在處理室201的底側中央配置有載置晶圓200之作為基板載置部的承載器(susceptor)217。承載器217係由例如氮化鋁(AlN)、陶瓷、石英等非金屬材料構成。
在承載器217的內部，一體埋設有作為加熱機構的加熱器217b。經由加熱器電力調整機構276對加熱器217b供應電力，可將晶圓200表面加熱至例如25℃~1000℃範圍內的既定溫度。
承載器217係與下側容器211電性絕緣。在承載器217內部設有阻抗調整電極217c。阻抗調整電極217c係經由作為阻抗調整部的可變阻抗機構275接地。可變阻抗機構275係具備有線圈、可變電容等，藉由控制線圈的電感、電阻、及可變電容的電容值等，其構成為可使阻抗調整電極217c的阻抗在約0Ω至處理室201的寄生阻抗值範圍內變化。藉此，經由阻抗調整電極217c及承載器217，可控制電漿處理中晶圓200的電位(bias voltage，偏壓)。
在承載器217的下方，設有使承載器升降的承載器升降機構268。在承載器217設有貫通孔217a。在下側容器211的底面，設有支撐晶圓200之作為支撐體的支撐銷266。貫通孔217a與支撐銷266係在彼此相對向的位置，且至少各設置3處。利用承載器升降機構268使承載器217下降時，支撐銷266係以未接觸承載器217狀態插穿貫通孔217a。藉此，可從下方保持晶圓200。
在處理室201的上方，即上側容器210的上部設有氣體供應頭236。氣體供應頭236係具備有：帽狀的蓋體233、氣體導入口234、緩衝室237、開口238、遮蔽板240、以及氣體吹出口239，其構成為可朝處理室201內供應氣體。緩衝室237作為分散空間而發揮功能，該分散空間使由氣體導入口234所導入之反應氣體分散。
在氣體導入口234，使依供應含氫(H)之含氫氣體的氣體供應管232a下游端、供應含氧(O)之含氧氣體的氣體供應管232b下游端、以及供應惰性氣體的惰性氣體供應管232c成為合流而被連接。在氣體供應管232a中，從上游端起依序設有：含氫氣體供應源250a、流量控制裝置之質量流量控制器(MFC)252a、以及開關閥之閥253a。在氣體供應管232b中，從上游端起依序設有：含氧氣體供應源250b、流量控制裝置之MFC252b、及開關閥之閥253b。在氣體供應管232c中，從上游端起依序設有：惰性氣體供應源250c、流量控制裝置之MFC252c、及開關閥之閥253c。在氣體供應管232a、氣體供應管232b及氣體供應管232c合流的下游端設有閥243a，連接於氣體導入口234的上游端。藉由閥253a~253c、243a的開閉，可一邊利用MFC252a~252c調整各氣體流量，一邊經由氣體供應管232a、232b、232c，分別可將含氫氣體、含氧氣體、惰性氣體朝處理室201內供應。
含氫氣體供應系統主要由氣體供應頭236(蓋體233、氣體導入口234、緩衝室237、開口238、遮蔽板240、氣體吹出口239)、氣體供應管232a、MFC252a、以及閥253a、243a來構成。又，含氧氣體供應系統主要由氣體供應頭236、氣體供應管232b、MFC252b、以及閥253b、243a來構成。又，惰性氣體供應系統主要由氣體供應頭236、氣體供應管232c、MFC252c、以及閥253c、243a來構成。
在下側容器211的側壁，設有對處理室201內進行排氣的排氣口235。在排氣口235連接有排氣管231的上游端。在排氣管231中，從上游端起依序設有：壓力調整器(壓力調整部)之APC(Auto Pressure Controller，自動壓力控制器)閥242、閥243b、以及真空排氣裝置之真空泵246。
排氣部主要由排氣口235、排氣管231、APC閥242、及閥243b來構成。亦可將真空泵246包含於排氣部中。
在處理室201的外周部，即上側容器210的側壁外側，以包圍處理室201之方式設置螺旋狀的共振線圈212。共振線圈212連接於RF(Radio Frequency)感測器272、高頻電源273、及頻率整合器274(頻率控制部)。在共振線圈212的外周側設有遮蔽板223。
高頻電源273被構成為，對共振線圈212供應高頻電力。RF感測器272設置於高頻電源273的輸出端。RF感測器272被構成為，監視從高頻電源273所供應高頻電力的進行波、或反射波的資訊。頻率整合器274被構成為，根據由RF感測器272所監視之反射波電力的資訊，使反射波成為最小之方式，調整從高頻電源273所輸出之高頻電力的頻率。
共振線圈212的兩端電性接地。共振線圈212的一端經由可動插座213而接地。共振線圈212的另一端經由固定接地214而接地。在共振線圈212的該等兩端之間，設有可任意設定從高頻電源273接收供電之位置的可動插座215。
激發部(電漿生成部)主要由共振線圈212、RF感測器272、及頻率整合器274來構成，該激發部將由含氫氣體供應系統及含氧氣體供應系統所供應的氣體等之供應至處理室203內(電漿生成空間201a內)的氣體，進行激發。亦可將高頻電源273或遮蔽板223包含於激發部中。
以下，對於激發部的動作、或所生成之電漿的性質，使用圖2進行補充說明。
共振線圈212構成為，作為高頻感應耦合電漿(Inductively Coupled Plasma，ICP)電極而發揮功能。共振線圈212依形成既定波長的駐波，並依全波長模式進行共振之方式，設定繞徑、捲繞間距、圈數等。共振線圈212的電氣長度，即接地間的電極長度係調整為從高頻電源273所供應高頻電力的波長之整數倍的長度。該等構成、對共振線圈212供應的電力、以及由共振線圈212產生的磁場強度等，係考量基板處理裝置100的外形、或處理內容等而適當決定。作為一例，共振線圈212的線圈直徑被設為200~500mm，線圈捲繞圈數被設為2~60圈。
高頻電源273具備有電源控制手段與放大器。電源控制手段被構成為，根據透過操控面板所預設的電力、或頻率相關之輸出條件，將既定的高頻訊號(控制訊號)輸出給放大器。放大器被構成為，將由電源控制手段接收到的控制訊號放大而獲得之高頻電力，經由傳輸線路朝共振線圈212輸出。
頻率整合器274係從RF感測器272接收與反射波電力相關的電壓訊號，並使反射波電力成為最小之方式，施行修正控制以使高頻電源273輸出之高頻電力的頻率(振盪頻率)增加或減少。
由以上構成，在電漿生成空間201a內被激發的感應電漿，係成為幾乎不會與處理室201的內壁、或承載器217等發生電容耦合的優良性質。在電漿生成空間201a中，生成電位極低、俯視呈甜甜圈狀的電漿。
如圖3所示，作為控制部的控制器221，係由具備有CPU(Central Processing Unit，中央處理器)221a、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)221b、記憶裝置221c、以及I/O埠221d的電腦構成。RAM221b、記憶裝置221c、及I/O埠221d構成為，經由內部匯流排221e，可與CPU221a進行資料交換。控制器221亦可連接於作為輸入輸出裝置225的例如觸控面板、滑鼠、鍵盤、操作終端等。控制器221亦可連接於作為顯示部的例如顯示器等。
記憶裝置221c由例如快閃記憶體、HDD(Hard Disk Drive，硬碟)、CD-ROM等構成。在記憶裝置221c內，可讀出地儲存著例如：控制基板處理裝置100動作的控制程式、以及記載基板處理的程序或條件等的製程配方等。製程配方係依利用由電腦構成的控制器221使基板處理裝置100執行後述之基板處理步驟的各程序，並可獲得既定結果之方式進行組合者，其作為程式而發揮功能。以下，將製程配方或控制程式等亦統合簡稱為「程式」。另外，本說明書中使用「程式」用詞時，係包括有：僅單獨包含製程配方的情況、僅單獨包含控制程式的情況、或二者均包含的情況。又，RAM221b被構成為，暫時性儲存由CPU221a所讀出之程式或資料等的記憶體區域(work area)。
I/O埠221d連接於上述之MFC252a~252c、閥253a~253c、243a、243b、閘閥244、APC閥242、真空泵246、加熱器217b、RF感測器272、高頻電源273、頻率整合器274、承載器升降機構268、可變阻抗機構275等。
CPU221a被構成為，從記憶裝置221c讀出控制程式並執行，並且根據來自輸入輸出裝置225的操作指令的輸入等，從記憶裝置221c中讀出製程配方。然後，如圖1所示，CPU221a被構成為，可依照所讀出之製程配方內容，分別通過I/O埠221d及各訊號線進行如下控制：通過訊號線A對APC閥242的開度調整動作、閥243b的開閉動作、及真空泵246的啟動/停止進行控制；通過訊號線B進行承載器升降機構268的升降動作；通過訊號線C對由加熱器電力調整機構276根據溫度感測器朝加熱器217b的供應電力量調整動作(溫度調整動作)、或由可變阻抗機構275進行的阻抗值調整動作進行控制；通過訊號線D對閘閥244的開閉動作進行控制；通過訊號線E對RF感測器272、頻率整合器274及高頻電源273的動作進行控制；以及通過訊號線F對由MFC252a~252c進行的各種氣體流量調整動作、及閥253a~253c、243a的開閉動作進行控制。
另外，控制器221並不受限於由專用電腦構成，亦可由通用電腦構成。例如，準備儲存有上述程式的外部記憶裝置(例如：磁帶、軟碟、硬碟等磁碟；CD、DVD等光碟；MO等光磁碟；USB記憶體、記憶卡等半導體記憶體)226，使用該外部記憶裝置226，將程式安裝於通用電腦中等，藉此可構成本實施形態的控制器221。另外，對電腦提供程式的手段並不受限經由外部記憶裝置226供應。例如，亦可使用網際網路、專用線路等通訊手段，在未經由外部記憶裝置226情況下提供程式。另外，記憶裝置221c或外部記憶裝置226係由電腦可讀取的記錄媒體構成。以下將該等亦統合簡稱為「記錄媒體」。本說明書中，使用「記錄媒體」用詞時，係包括有：僅單獨包含記憶裝置221c的情況、僅單獨包含外部記憶裝置226的情況、或二者均包含的情況。
(2)基板處理步驟 使用上述基板處理裝置100，施行半導體裝置之製造步驟的一步驟，係以對作為基板的晶圓200施行處理的基板處理序列例來進行說明，具體而言，係以對在晶圓200表面所形成之膜的表面施行改質而形成氧化層的序列例來進行說明。以下的說明中，構成基板處理裝置100各構件的動作均由控制器221進行控制。
本態樣的基板處理序列，係實施： 藉由施行電漿激發，將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率之第1處理氣體所生成的反應種，供應給晶圓200，而將晶圓200表面改質(氧化)為第1氧化層的步驟a；以及 藉由施行電漿激發，將含有氧及氫、且氫對氧比率較第1比率為小的第2比率的第2處理氣體所生成的反應種，供應給晶圓200，而將第1氧化層改質為第2氧化層的步驟b。
本說明書中，使用「晶圓」用詞時，係有指晶圓本身之情況、以及晶圓與在其表面所形成之既定層或膜的積層體之情況。本說明書中，使用「晶圓表面」用詞時，係有指晶圓本身的表面之情況、以及在晶圓上所形成之既定層等的表面之情況。本說明書中，記載為「在晶圓上形成既定層」時，係有直接在晶圓本身的表面上形成既定層之情況、以及在晶圓上已形成層等之上形成既定層之情況。本說明書中，使用「基板」用詞時亦與使用「晶圓」用詞時同義。
(晶圓搬入) 在使承載器217下降至既定之搬送位置的狀態下，打開閘閥244，將處理對象的晶圓200利用搬送機器人(未圖示)朝處理室201內搬入。被搬入於處理室201內的晶圓200，以水平姿勢支撐於從承載器217表面突出的支撐銷266上。晶圓200朝處理室201內的搬入完成後，使搬送機器人的機器臂部從處理室201內退出，關閉閘閥244。然後，使承載器217上升至既定之處理位置，使處理對象的晶圓200從支撐銷266上朝承載器217上移載。另外，晶圓搬入亦可一邊利用惰性氣體等對處理室201內施行吹掃，一邊實施。
另外，成為改質處理對象之晶圓200的表面例如由Si單體(單晶Si、複晶Si、或非晶矽)的基底構成。即，晶圓200的表面例如由含Si的基底構成。此處所謂「基底」係包含有例如：膜狀的情況、或作為基板之晶圓露出表面的情況等。
(壓力調整及溫度調整) 接著，使處理室201內成為所需處理壓力的方式，利用真空泵246施行真空排氣。處理室201內的壓力係利用壓力感測器測定，根據該測定的壓力資訊對APC閥242進行回饋控制。又，使晶圓200成為所需處理溫度的方式，利用加熱器217b進行加熱。當處理室201內成為所需處理壓力，且晶圓200溫度已到達所需處理溫度且穩定時，則開始後述的氮化處理。真空泵246係持續動作直到後述的晶圓搬出結束為止
然後，依序執行下述步驟a、步驟b。
[步驟a：第1氧化層形成步驟] 步驟a係執行： 步驟a-1，將含氧氣體及含氫氣體供應至處理室201內；以及 步驟a-2，將供應至處理室201內之包含有含氧氣體及含氫氣體的氣體施行電漿激發所生成的反應種，供應給晶圓200，而將晶圓200表面改質(氧化)為第1氧化層。
具體而言，打開閥253a，朝氣體供應管232a內流入含氫氣體，且打開閥253b，朝氣體供應管232b內流入含氧氣體。含氫氣體與及氧氣體分別利用MFC252a、252b進行流量調整，經由緩衝室237朝處理室201內供應，從排氣口235排氣。此時，朝處理室201內供應作為含有氫及氧的第1處理氣體係含氫氣體與含氧氣體的混合氣體(第1處理氣體供應)。另外，此時，亦可打開閥243c，經由緩衝室237朝處理室201內同時供應惰性氣體。
作為含氫氣體，可使用例如：氫(H 2)氣體、重氫(D 2)氣體、水蒸氣(H 2O氣體)、過氧化氫(H 2O 2)氣體等。作為含氫氣體，可使用該等中1種以上。
含氧氣體可使用例如：氧(O 2)氣體、一氧化二氮(N 2O)氣體、一氧化氮(NO)氣體、二氧化氮(NO 2)氣體、臭氧(O 3)氣體、水蒸氣(H 2O氣體)、一氧化碳(CO)氣體、二氧化碳(CO 2)氣體等。含氧氣體可使用該等中1種以上。另外，當含氧氣體係使用H 2O氣體、H 2O 2氣體等含有氫的氣體時，含氫氣體較佳為使用該等氣體以外的其他氣體。
惰性氣體可使用例如：N 2氣體、以及氬(Ar)氣體、氦(He)氣體、氖(Ne)氣體、氙(Xe)氣體等稀有氣體。惰性氣體可使用該等中1種以上。就此點而言，後述的各步驟中亦同。
此時，關於第1處理氣體中所含氧與氫的比率，依氫對氧比率成為第1比率之方式，利用MFC252a、252b施行含氫氣體與含氧氣體的流量調整。如此，藉由被構成為，分別具備有含氫氣體供應系統與含氧氣體供應系統，且可個別進行流量調整，則可調整含氫氣體與含氧氣體的混合比，使處理氣體中氫比率容易控制。
另外，本說明書中，所謂氣體中所含「氫對氧比率」，主要意指氫原子數相對於氣體中所含氧原子數與氫原子數合計之比率。
又，在開始供應第1處理氣體的同時，或開始供應後，從高頻電源273對共振線圈212施加高頻(RF)電力。藉此，分別在電漿生成空間201a內相當於共振線圈212上下接地點及電氣中點的高度位置處，激發俯視呈甜甜圈狀的感應電漿。藉由感應電漿的激發，含氫及氧的第1處理氣體被活化，生成含有氧化種的反應種。反應種中包含有作用為氧化種的激發狀態的O原子(O *)、被離子化的O原子、激發狀態的OH基(OH *)、以及含O與H的離子之中至少任一者。進而，在反應種中，含H原子的反應種係含有激發狀態的H原子(H *)、以及被離子化的H原子之中至少任一者。亦可將含H原子的反應種視為氧化種的一部分。
另外，如本實施形態，藉由將供應至處理室201內的處理氣體施行電漿激發而生成反應種，將反應種直接供應給晶圓200，其與將處理室201外所生成的反應種供應給晶圓200的情形相比，可有效率地將已生成的反應種供應給晶圓200，而提升對晶圓200表面的氧化或改質效率。
本步驟的處理條件可例示如下： 處理溫度：室溫~300℃、較佳100~200℃ 處理壓力：1~1000Pa、較佳100~200Pa 第1處理氣體中氫對氧比率：60~95%、較佳70~95% 第1處理氣體供應流量：0.1~10slm、較佳0.2~0.5slm 第1處理氣體供應時間：60~400秒、較佳120~400秒 惰性氣體供應流量：0~10slm RF電力：100~5000W、較佳500~3500W RF頻率：800kHz~50MHz。
另外，本說明書中如「100~200℃」的數值範圍表述，係指下限值與上限值包含於該範圍內。所以，例如所謂「100~200℃」係指「100℃(含)以上且200℃(含)以下」。其他的數值範圍亦同樣。又，本說明書中所謂「處理溫度」係指晶圓200的溫度、或處理室201內的溫度，所謂「處理壓力」係指處理室201內的壓力。又，所謂氣體供應流量：「0slm」係指未供應該氣體的情況。該等在以下說明中亦相同。
藉由在上述處理條件下利用電漿使第1處理氣體激發而供應給晶圓200，可對晶圓200表面供應含有氧化種的反應種。藉由所供應的反應種，晶圓200的表面被氧化，使表面至少被改質為第1氧化層。
此處，如本步驟所例示的處理溫度，當使用在較低的處理溫度下經電漿激發的含氧氣體使基板表面氧化而在表面形成氧化層時，有時在習知條件下會有無法獲得所需的氧化速度，或較難形成所需厚度的氧化層。此現象可認為是如下要因：在低溫條件下，利用電漿激發所生成的氧化種不易於基板表面的改質處理對象(例如，Si單體的基底)中擴散，或在低溫條件下，利用電漿激發不易生成氧化種(即，氧化種生成量降低)等。
對於此一課題，可考慮之對應為藉由提高處理溫度，促進氧化種的擴散、促進氧化種的生成等。但是，提高處理溫度的手段，對在晶圓200上所形成之元件構造的熱履歷(thermal budget)等多數為不佳，因而有要求將處理溫度維持在較低溫的同時施行改質處理的手段。
因此，本步驟係藉由將電漿激發的處理氣體中所含氫比率之第1比率設為既定比率以上，而實現在較低的處理溫度下，提升氧化速度及/或增加氧化層厚度。
以下，更具體地使用圖4及圖5進行說明。圖4所示係分別將處理溫度設為100℃、300℃、500℃、700℃時，處理氣體中所含氫對氧比率、與由改質處理所形成之氧化層厚度的關係圖。圖5所示係將處理氣體中所含氫對氧比率設為0%(即未含氫)、5%、30%、50%、70%、95%時，處理溫度、與由改質處理所形成之氧化層厚度的關係圖。該些改質處理的條件係除了處理溫度、及處理氣體中所含氫的比率之外，其餘均設為與步驟a的上述條件範圍內相同條件，改質處理對象亦相同(即Si單體的基底)。
如圖4所示，在處理溫度為100℃、或300℃等之較低條件下施行改質處理時，在處理氣體中氫比率為60%以上且95%以下的高比率區域中，與較其為低比率區域相比，可得到由改質處理所形成氧化層的厚度增加之傾向。又，如圖5所示，當在處理氣體中氫比率為70%或95%等之高比率條件下施行改質處理時，於處理溫度為300℃以下區域中，其與較其為高的溫度區域相比，則可得到由改質處理所形成氧化層的厚度增加之傾向。
如此，在低溫條件下，因提高處理氣體中氫比率，促進氧化速度或氧化層厚度增加的理由，可認為是如下：由處理氣體中H及/或含H反應種而使氧化種促進(輔助)氧化作用、或在低溫條件下，擴散於改質處理對象(基底等)中的H及/或含H反應種，不易自改質處理對象中脫離而容易殘留等。
因此，本步驟中，處理溫度係當增加本步驟處理氣體所含氫比率時，選擇對晶圓200表面的氧化速度(氧化層形成速度)會變大的溫度；或會使所形成之氧化層厚度增加的溫度。藉由選擇如此般之處理溫度，即使在低溫條件下，藉由增加第1處理氣體中氫比率，則可維持或提升氧化速度或氧化層厚度。
又，本步驟中，第1處理氣體中所含氫比率的第1比率，係選擇隨著處理溫度越增加而對晶圓200表面的氧化速度變越小的比率，或所形成之氧化層厚度變越小的比率。換言之，本步驟中，藉由第1比率選擇隨著處理溫度越減少而晶圓200表面氧化速度變越大(越增加)的氫比率，藉由選擇此一氫比率，即使在低溫條件下，仍可維持或提升氧化速度或氧化層厚度。
更具體而言，本步驟中將處理溫度設為室溫以上且300℃以下，較佳100℃以上且200℃以下，並將第1處理氣體中氫比率設為60%以上且95%以下、較佳70%以上且95%以下。
藉由將處理溫度設在300℃以下，即使使用氫比率為高的處理氣體來施行本步驟時，仍可維持氧化速度或氧化層厚度。當處理溫度超過300℃時，若使用氫比率為高的處理氣體來施行本步驟，則會有無法維持氧化速度或氧化層厚度，且對晶圓200上的元件構造之熱履歷影響等趨於明顯。進而，藉由將處理溫度設在200℃以下，使用氫比率為高的處理氣體施行本步驟，則可提升氧化速度或氧化層厚度。另外，藉由將處理溫度設為室溫以上，則不需要冷卻晶圓200的手段，藉由將處理溫度設為100℃以上，則可輕易使晶圓200的溫度穩定。
又，藉由將第1處理氣體中氫比率設為60%以上且95%以下，即使在例如300℃以下的低溫條件下，仍可維持或提升氧化速度或氧化層厚度。當未滿60%時，在低溫條件下，則較難維持氧化速度或氧化層厚度。當超過95%時，利用電漿激發所生成氧化種的量明顯減少，較難維持實用的氧化速度或氧化層厚度。
另外，本步驟中在晶圓200表面所形成的氧化層厚度，較佳為4nm以上、更佳為5nm以上。藉由形成4nm以上厚度的氧化層，即使將該氧化層使用為絕緣層時，仍可確保絕緣性。又，例如圖5所示，處理溫度在例如200℃以下的低溫區域，若處理氣體中氫比率未滿70%時，會有較難形成厚度達4nm以上的氧化層。因此，為了在低溫區域中形成4nm以上的氧化層，利用本步驟的處理條件施行改質處理係合適者。
此處，本步驟中由於在晶圓200表面所形成之第1氧化層中殘留處理氣體中所含有的H，被認為會降低第1氧化層的加工耐性(濕式蝕刻耐性、 乾式蝕刻耐性等)、或電氣特性等的氧化層特性。因此，本實施形態藉由在本步驟(步驟a)之後，進而施行後述之步驟b，則可以降低氫濃度之方式改質第1氧化層，而使其特性提升。
完成上述之改質處理後，關閉閥253a、253b，停止朝處理室201內供應含氫氣體及含氧氣體，並且停止朝共振線圈212供應RF電力。然後，對處理室201內施行真空排氣，並將處理室201內殘留的氣體等從處理室201內排除。此時，打開閥253c，朝處理室201內供應惰性氣體。惰性氣體具有吹掃氣體作用，藉此處理室201內被吹掃(purge)。
另外，本實施形態中，雖在步驟a的改質處理與步驟b之間施行上述的吹掃步驟，但亦可不施行此一吹掃步驟，而在步驟a的改質處理結束後，持續對共振線圈212施加RF電力，並且連續地開始實施步驟b。在此種情形下，亦可使朝向處理室201內含氫氣體與含氧氣體之供應流量、或流量比(即處理氣體中氫比率)呈階段式變化，又亦可在既定時間的期間內使其逐漸變化。
[步驟b：第2氧化層形成步驟] 在步驟b中施行： 步驟b-1，將含氧氣體及含氫氣體供應至處理室201內；以及 步驟b-2，將供應至處理室201內包含有含氧氣體及含氫氣體的氣體施行電漿激發，藉由將利用電漿激發所生成的反應種供應給晶圓200，使第1氧化層改質為第2氧化層。
具體而言，打開閥253a，朝氣體供應管232a內流入含氫氣體，並且打開閥253b，朝氣體供應管232b內流入含氧氣體。含氫氣體及含氧氣體分別利用MFC252a、252b進行流量調整，經由緩衝室237供應至處理室201內，從排氣口235排氣。此時，朝處理室201內供應的含氫及氧的第2處理氣體，係含氫氣體及含氧氣體的混合氣體(第2處理氣體供應)。另外，與步驟a相同地，亦可同時朝向處理室201內供應惰性氣體。
此時，關於第2處理氣體所含氧與氫的比率，係依氫對氧比率成為較第1比率為小的第2比率之方式，利用MFC252a、252b施行含氫氣體與含氧氣體的流量調整。
又，在第2處理氣體開始供應之同時，或開始供應後，從高頻電源273對共振線圈212施加RF電力。藉此，與步驟a相同地，感應電漿會在電漿生成空間201a內被激發。利用感應電漿的激發，含氫及氧的第2處理氣體被活化，與步驟a相同地生成含氧化種的反應種。但，本步驟係對與第1處理氣體相比氫比率較小的第2處理氣體施行電漿激發，因此可認為所生成之反應種中含有的氫(原子)比率會低於在步驟a中所生成之反應種。
本步驟的處理條件可例示如下： 第2處理氣體中氫對氧比率：0~20%、較佳5~20% 第2處理氣體供應流量：0.1~10slm、較佳0.2~0.5slm 第2處理氣體供應時間：60~400秒、較佳120~400秒。
處理溫度係與步驟a實質相同、或未満。特別從省略步驟間溫度變更所耗時間、或促進對第1氧化層的改質效果之觀點，相較於處理溫度設為未滿步驟a的處理溫度，而設為實質相同較佳。又，雖亦可將處理溫度設為較步驟a為高，但此時，則考慮對晶圓200上的元件構造之熱履歷影響等，而自容許溫度以下的範圍中進行選擇。
又，供應時間可設為例如與步驟a的第1處理氣體供應時間相同。但，較佳為根據第2氧化層中殘留的氫(原子)濃度容許值，以調整第2處理氣體的供應時間。例如當氫濃度容許值為高時，依縮短供應時間之方式調整；當氫濃度容許值為低時，依拉長供應時間之方式調整，則可提升產能。
其他的處理條件係設為與步驟a中供應含氮氣體時的處理條件相同。
在上述處理條件下，藉由利用電漿使第2處理氣體激發後供應給晶圓200，對晶圓200上的第1氧化層供應含有氧化種的反應種。利用所供應的反應種，第1氧化層被朝第2氧化層改質。
具體而言，本步驟中，與步驟a中所生成的反應種相比，供應給第1氧化層的反應種，係所含氫比率較小的反應種。藉此，一邊抑制氫被取入至第1氧化層中，一邊使已被取入至第1氧化層中氫(原子)利用氧化種等使其從層中脫離，而將第1氧化層改質為從該層中降低氫濃度的第2氧化層。利用改質所形成的第2氧化層，其與第1氧化層相比，加工耐性(濕式蝕刻耐性、或乾式蝕刻耐性等)、電氣特性等的氧化層特性提升。例如，與第1氧化層相比，第2氧化層的濕式蝕刻速率(WER(Å/分))較小。在WER的評價中，係被採用例如使用經稀釋為1%的氫氟酸水溶液(DHF溶液)施行蝕刻時的蝕刻速率等。
本步驟中，第2處理氣體中所含氫比率的第2比率較佳為，隨著步驟a的改質處理的處理溫度越高，選擇晶圓200表面之氧化速度變越大的氫比率。藉由選擇如此之氫比率，則可維持較低溫度條件的同時，並有效率地使第1氧化層中所含的氫脫離。
更具體而言，本步驟中，將第2處理氣體中氫比率設為0%以上且20%以下、較佳5%以上且20%以下。藉由將第2處理氣體中氫比率設為0%以上且20%以下，則可維持較低溫度條件的同時，並有效率地使第1氧化層中所含的氫脫離。當第2處理氣體中氫比率超過20%時，較難使第1氧化層中所含的氫脫離。進而，藉由將第2處理氣體中氫比率設為5%以上，則可維持較低溫度條件的同時，並有效率地使第1氧化層中所含的氫脫離。當未滿5%時，則特別是OH自由基的生成量降低，而導致有使第1氧化層中所含氫脫離的效率降低之情形。
上述之改質處理完成後，關閉閥253a、253b，停止朝向處理室201內供應含氫氣體及含氧氣體，且停止朝向共振線圈212供應RF電力。
(後吹掃、恢復大氣壓) 步驟b結束後，對處理室201內施行真空排氣，而將處理室201內殘留的氣體等從處理室201內排除。接著，依照與上述吹掃相同的處理程序、處理條件，將處理室201內殘留的氣體狀物質等從處理室201內排除(後吹掃)。然後，將處理室201內的環境置換為吹掃氣體，使處理室201內的壓力恢復至常壓(恢復大氣壓)。
(晶圓搬出) 接著，使承載器217下降至既定搬送位置處，使晶圓200從承載器217上朝支撐銷266上移載。然後，打開閘閥244，使用未圖示的搬送機器人，將處理後的晶圓200朝處理室201外搬出。如上述，完成本態樣的基板處理步驟。
(3)變化例 本態樣的處理序列可變更為如下所示的變化例。該等變化例可任意組合。在未特別聲明之前提下，各變化例的各步驟之處理程序、處理條件可設為與上述處理序列的各步驟之處理程序、處理條件相同。
(變化例1) 本變化例中，在步驟b中，將第2處理氣體中所含氫比率設為0%，即未含氫。具體而言，在步驟b中，不實施從含氫氣體供應系統的含氫氣體供應，僅從含氧氣體供應系統供應含氧氣體。又，此時，含氧氣體係可使用O 2氣體或O 3氣體等未含氫的氣體。
本變化例亦可獲得與上述態樣相同的效果。又，根據本變化例，因為步驟b的第2處理氣體未含有氫，在步驟b中實質上不會發生新的氫被取入至第1氧化層中，而有促進氫從第1氧化層脫離的可能性。
(變化例2) 於上述實施形態中，在步驟a，將分別從含氫氣體供應系統與含氧氣體供應系統所供應氣體的混合氣體，作為第1處理氣體並供應至處理室201內，同樣地，在步驟b中，將分別從含氫氣體供應系統與含氧氣體供應系統所供應氣體的混合氣體，作為第2處理氣體並供應至處理室201內的例子進行說明。相對於此，本變化例的基板處理裝置係具備有：第1處理氣體供應系統，供應含氫比率為第1比率的第1處理氣體；以及第2處理氣體供應系統，供應含氫比率為第2比率的第2處理氣體。
更具體而言，例如圖6所示之構成，其具備有：取代上述實施形態的含氫氣體供應源250a，改為具有第1處理氣體供應源250a'的第1處理氣體供應系統；以及取代上述實施形態的含氧氣體供應源250b，改為具有第2處理氣體供應源250b'的第2處理氣體供應系統。然後，在步驟a中，從第1處理氣體供應系統將第1處理氣體供應至處理室201內，在步驟b中，從第2處理氣體供應系統將第2處理氣體供應至處理室201內，依該方式利用控制器121進行控制。
又，如變化例1般，亦可將從第2處理氣體供應系統供應的第2處理氣體，特別地設為未含氫之含氧氣體。
＜本發明的其他態樣＞ 以上針對本發明的態樣已進行具體說明。然而，本發明並不受限於上述態樣，其亦可在不脫離本發明主旨的範圍內進行各種變更。
上述態樣中，針對以Si單體的基底為改質處理對象的例子已進行說明。但是，本發明並不受限於此。改質處理對象亦可由例如：氮化矽(SiN)、氮氧化矽(SiON)、氧碳氮化矽(SiOCN)、矽鍺(SiGe)、碳化矽(SiC)等含Si物(Si化合物)構成。又，氧化處理對象亦可由含有例如：鋁(Al)、鎢(W)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、或鋯(Zr)的金屬、或該等的化合物構成。但，較佳為該等的氧化物除外。
上述態樣中，對於步驟a及步驟b在單一處理室(即處理室201)內連續實施的例子已進行說明，但本發明並不受限於此。例如，對基板施行步驟a後，將基板從經施行該處理的處理室內搬出至未開放於大氣的搬送室中。然後，亦可將基板搬入至其他處理室內以施行步驟b。
上述態樣中，對於例如使用一次處理1片或數片基板的單片式基板處理裝置施行基板處理之例子已進行說明。但本發明並不受限於上述態樣，其亦可適用於一次處理複數片基板的批次式基板處理裝置。
當使用該等基板處理裝置時，亦可依照與上述態樣或變化例的處理程序、處理條件相同之處理程序、處理條件施行各個處理，而可獲得與上述態樣或變化例相同的效果。
100、100':基板處理裝置 200:晶圓(基板) 201:處理室 201a:電漿生成空間 201b:基板處理空間 202:處理爐 203:處理容器 210:上側容器 211:下側容器 212:共振線圈 213、215:可動插座 214:固定接地 217:承載器 217a:貫通孔 217b:加熱器 217c:阻抗調整電極 221:控制器 221a:CPU 221b:RAM 221c:記憶裝置 221d:I/O埠 221e:內部匯流排 223:遮蔽板 225:輸入輸出裝置 226:外部記憶裝置 231:排氣管 232、232a、232b、236:氣體供應管 232c:氣體供應管、惰性氣體供應管 233:蓋體 234:氣體導入口 235:排氣口 237:緩衝室 238:開口 239:氣體吹出口 240:遮蔽板 242:APC(Auto Pressure Controller，自動壓力控制器)閥 243a、243b、253a~253c:閥 244:閘閥 245:搬入搬出口 246:真空泵 250a:含氫氣體供應源 250a':第1處理氣體供應源 250b:含氧氣體供應源 250b':第2處理氣體供應源 250c:惰性氣體供應源 252a~252c:質量流量控制器(MFC) 266:支撐銷 268:承載器升降機構 272:RF感測器 273:高頻電源 274:頻率整合器 275:可變阻抗機構 276:加熱器電力調整機構
圖1係本發明之一態樣中適用之基板處理裝置100的概略構成圖，並將處理爐202部分以縱剖面圖表示。 圖2係本發明之一態樣中適用之基板處理裝置100的電漿生成原理的說明圖。 圖3係本發明之一態樣中適用之基板處理裝置100所具備之控制器221的概略構成圖，並將控制器221的控制系統以方塊圖表示。 圖4係在各處理溫度下，處理氣體中所含氫的比率、與由改質處理所形成之氧化層厚度的關係圖。 圖5係在處理氣體中所含氫的各比率下，處理溫度、與由改質處理所形成之氧化層厚度的關係圖。 圖6係本發明之一態樣中適用之基板處理裝置100'的概略構成圖，並將處理爐202部分以縱剖面圖表示。
100:基板處理裝置
200:晶圓(基板)
201:處理室
202:處理爐
203:處理容器
210:上側容器
211:下側容器
212:共振線圈
213:可動插座
214:固定接地
215:可動插座
217:承載器
217a:貫通孔
217b:加熱器
217c:阻抗調整電極
221:控制器
223:遮蔽板
231:排氣管
232、232a、232b:氣體供應管
232c:氣體供應管、惰性氣體供應管
233:蓋體
234:氣體導入口
235:排氣口
236:氣體供應頭
237:緩衝室
238:開口
239:氣體吹出口
240:遮蔽板
242:APC(Auto Pressure Controller，自動壓力控制器)閥
243a、243b、253a~253c:閥
244:閘閥
245:搬入搬出口
246:真空泵
250a:含氫氣體供應源
250b:含氧氣體供應源
250c:惰性氣體供應源
252a~252c:質量流量控制器(MFC)
266:支撐銷
268:承載器升降機構
272:RF感測器
273:高頻電源
274:頻率整合器
275:可變阻抗機構
276:加熱器電力調整機構

Claims (23)

  1. 一種基板處理方法，其具備有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的步驟；以及(b)將含有氧及氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的步驟；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  2. 如請求項1之基板處理方法，其中，(a)及(b)中上述基板的溫度係相同的既定溫度。
  3. 如請求項2之基板處理方法，其中，上述既定溫度係在(a)中，隨著上述第1處理氣體所含氧及氫的氫比率越增加，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的溫度。
  4. 如請求項2之基板處理方法，其中，上述既定溫度係300℃以下。
  5. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第1比率係60%以上且95%以下。
  6. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第2比率係20%以下。
  7. 如請求項6之基板處理方法，其中，上述第2比率係5%以上。
  8. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第2處理氣體係未含氫的氣體。
  9. 如請求項1之基板處理方法，其中，(a)中被改質為上述第1氧化層的上述基板的表面，係由含矽基底所構成。
  10. 如請求項9之基板處理方法，其中，上述含矽基底係由矽單體所構成。
  11. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第1氧化層的厚度係4nm以上。
  12. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第2氧化層所含氫的濃度係較上述第1氧化層所含氫的濃度為低。
  13. 如請求項1之基板處理方法，其中，在(a)中，對供應至已收容上述基板的處理室內的上述第1處理氣體施行電漿激發；在(b)中，對供應至上述處理室內的上述第2處理氣體施行電漿激發。
  14. 如請求項1之基板處理方法，其中，上述第1處理氣體係氧氣與氫氣的混合氣體。
  15. 一種基板處理方法，其具備有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的步驟；以及 (b)將含有氧、且未含有氫的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的步驟；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  16. 一種基板處理方法，其具備有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給既定溫度之基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的步驟；以及(b)將含有氧及氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述既定溫度之上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的步驟；上述既定溫度係在(a)中，隨著上述第1處理氣體所含氧及氫的氫比率越增加，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的溫度。
  17. 一種半導體裝置之製造方法，其具備有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的步驟；以及(b)將含有氧及氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成 的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的步驟；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  18. 一種半導體裝置之製造方法，其具備有執行請求項15之基板處理方法的步驟。
  19. 一種半導體裝置之製造方法，其具備有執行請求項16之基板處理方法的步驟。
  20. 一種基板處理裝置，其具備有：含氧氣體供應系統，其對基板供應含氧氣體；含氫氣體供應系統，其對上述基板供應含氫氣體；激發部，其將供應給上述基板的氣體施行電漿激發；以及控制部；上述控制部被構成為，以執行如下處理之方式對上述含氧氣體供應系統、上述含氫氣體供應系統、及上述激發部進行控制：(a-1)將上述含氧氣體與上述含氫氣體的混合氣體、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體，施行電漿激發的處理；(a-2)藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的處理；(b-1)將上述含氧氣體與上述含氫氣體的混合氣體、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體，施行電漿激發的處理；以及 (b-2)藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的處理；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  21. 一種基板處理裝置，其具備有：含氧氣體供應系統，其對基板供應未含氫之含氧氣體；含氫氣體供應系統，其對上述基板供應含氫氣體；激發部，其將供應給上述基板的氣體施行電漿激發；以及控制部；上述控制部被構成為，以執行如下處理之方式對上述含氧氣體供應系統、上述含氫氣體供應系統、及上述激發部進行控制：(a-1)將上述含氧氣體與上述含氫氣體的混合氣體、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體，施行電漿激發的處理；(a-2)藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的處理；(b-1)將含有上述含氧氣體、且未含上述含氫氣體的第2處理氣體，施行電漿激發的處理；以及(b-2)藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的處理；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  22. 一種利用電腦使基板處理裝置執行程序的程式，該程序具有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給基板處理裝置的處理室內所收容之基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的程序；以及(b)將含有氧及氫、且氫對氧比率較上述第1比率為小的第2比率的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的程序；上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
  23. 一種利用電腦使基板處理裝置執行程序的程式，該程序具有：(a)將含有氧及氫、且氫對氧比率為第1比率的第1處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第1處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給基板處理裝置的處理室內所收容之基板，而將上述基板的表面改質為第1氧化層的程序；以及(b)將由含有氧、且未含有氫的第2處理氣體施行電漿激發，藉由將上述第2處理氣體施行電漿激發所生成的反應種供應給上述基板，而將上述第1氧化層改質為第2氧化層的程序； 上述第1比率係在(a)中，隨著上述基板溫度越低，選擇上述基板的表面的氧化速度變越大的氫比率。
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