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TWI443747B - 半導體裝置製造方法以及基板處理方法及設備 - Google Patents

半導體裝置製造方法以及基板處理方法及設備 Download PDF

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Publication number
TWI443747B
TWI443747B TW100106184A TW100106184A TWI443747B TW I443747 B TWI443747 B TW I443747B TW 100106184 A TW100106184 A TW 100106184A TW 100106184 A TW100106184 A TW 100106184A TW I443747 B TWI443747 B TW I443747B
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germanium film
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TW201142949A (en
Inventor
Jie Wang
Osamu Kasahara
Kazuhiro Yuasa
Keigo Nishida
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Hitachi Int Electric Inc
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Description

半導體裝置製造方法以及基板處理方法及設備 相關申請案之對照參考資料
本申請案根據及主張2010年2年24日所提出之日本專利申請案第2010-038599號之優先權的權益,在此以提及方式倂入該日本專利申請案之整個內容。
本揭露係有關於一種包括基板處理之半導體製造方法以及一種基板處理方法及設備,以及尤其是,有關於在一基板上形成一矽(Si)膜。
已導入一製程做為製造一半導體裝置之製程中之一,其中應用具有矽膜之FG(浮動閘極)結構或具有矽膜做為縱向電晶體通道之TCAT(兆位元胞元陣列電晶體(Terabit Cell Array Transistor))及BICS(可調位元成本(Bit-Cost Scalable)),以避免在2×nm級或以上之NAND快閃記憶體中之相鄰胞元間之干擾及位元成本降低(bit-cost reduction)。
不幸地,在上述結構中施加一矽膜時,很難控制該矽膜之表面粗糙度(RMS),因而很難維持高載子移動率。此外,如果使用上述結構做為該半導體裝置之一部分,則可能無法實現該半導體裝置之全部性能,導致生產量之減少。
另一方面,在日本專利申請案早期公開第1995-249600號中,在形成一矽膜後,藉由以硏磨劑硏磨該矽膜之表面,以執行該矽膜之平坦化。
然而,在硏磨該矽膜之表面的製程期間,可能將污染或粒子深植該基板及其上所形成之矽膜,導致該基板之品質或一包括該基板之半導體裝置之性能劣化。
要對付上述先前技術的問題,本揭露在一些實施例中提供一種半導體裝置製造方法以及一種基板處理方法及設備,其改善該基板之品質及該半導體裝置之性能。
依據本揭露之一實施例,一種半導體裝置製造方法包括:形成矽膜於基板上;供應氧化種至該基板上;在該矽膜上執行熱處理;改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜;以及移除該經氧化的矽膜。
依據本揭露之另一實施例,提供一種基板處理設備,其包括:製程腔室,係在該製程腔室中處理基板;含矽氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含矽氣體至該製程腔室中;含氧氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含氧氣體至該製程腔室中;含鹵素氧體供應系統,係建構成用以供應至少一含鹵素氧體至該製程腔室中;以及控制器,係建構成用以控制該含矽氣體供應系統以供應至少該含矽氣體至該製程腔室中,藉此形成該矽膜於該基板上,控制該含氧氣體供應系統以供應該含氧氣體至該製程腔室中而在該矽膜上執行熱處理及改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜,以及控制該含鹵素氧體供應系統以供應該含鹵素氧體至該製程腔室中而移除該經氧化的矽膜。
依據本揭露之另一實施例,提供一種基板處理方法,其包括:形成矽膜於基板上;供應氧化種至該基板上;在該矽膜上執行熱處理及改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜;以及移除該經氧化的矽膜。
現在將參考圖式來描述本揭露之第一實施例。第1圖係顯示依據本揭露之第一說明實施例的一做為一基板製程設備之半導體製造設備10的構成之立體圖。該半導體製造設備10係一批次式垂直熱製程設備,可以包括一在其內部安裝有主要部件之外殼12。在該半導體製造設備10中,配置一前開口式通用容器(foup)(基板容器,以下稱為容器(pod))16,其用以做為一在其內部容納由矽(Si)、碳化矽(SiC)等所製成之晶圓(用以做為基板)200的晶圓載具。在該外殼12之前側中配置一容器平台18,其中該容器16被載運至該容器平台18。該容器16可以在其內部容納例如25片晶圓200及在該容器16的蓋子關閉之情況下被放置在該容器平台18上。
在該外殼12內之相對於該容器平台18的前側中配置一容器載具20。在該容器載具20之附近中配置一容器架22、一容器開啟機構24及一基板數目偵測部26。該容器架22係配置在該容器開啟機構24上方且建構成用以容納在其上所裝載之複數個容器16。該基板數目偵測部26係配置成相鄰於該容器開啟機構24。該容器載具20用以在該容器平台18、該容器架22及該容器開啟機構24間運送該容器16。該容器開啟機構24用以打開該容器16之蓋子,以及當它的蓋子打開時,該基板數目偵測部26用以偵測在該容器16中之晶圓200的數目。
在該外殼12中配置一基板轉移部28及一用以做為基板支撐物之晶舟(boat)217。該基板轉移部28裝備有一臂(鉗子)32及可藉由一驅動機構(未顯示)旋轉及垂直地移動。該臂32用以抬取例如5片晶圓200及操作成用以在該晶舟217與位於該容器開啟機構24之相同位置上的該容器16間轉移該等晶圓200。
第2圖係顯示在本揭露之說明實施例中所使用之基板製程設備中的一製程爐202之構成的示意側視圖。
如第2圖所示,該製程爐202包括一加熱器206做為一加熱機構。該加熱器206係例如以管狀形狀所形成及以一用以做為挾持板(未顯示)之加熱器基座來支撐的方式予以垂直地配置。
在該加熱器206內,一做為一反應管之製程管203係以與該加熱器206同中心方式來配置。該製程管203可以包括一做為內反應管之內管204、及一做為外反應管之安裝在該內管204外側之外管205。該內管204可以由一耐熱材料(例如,石英(SiO2 )、碳化矽(SiC)等)所構成,以及可以以上下端開放之管狀形狀所形成。在該管狀內管204之中空部分中,形成一製程腔室201,該製程腔室201係建構成用以在它的高度下容納晶圓200(用以做為基板),以便藉由後述之該晶舟217水平堆疊該等晶圓200。該外管205可以由一耐熱材料(例如,石英(SiO2 )、碳化矽(SiC)等)所構成,以及可以以上端封閉及下端開放之管狀形狀所形成。該外管205之內徑大於該內管204之外徑,同時該外管205相對於該內管204以同中心方式所形成。
在該外管205下面,相對於該外管205以同中心方式配置一歧管209。該歧管209可以由例如不鏽鋼等所製成,以及可以以上下端開放之管狀形狀所形成。該歧管209與該內管204及該外管205接合,以支撐它們。再者,在該歧管209與該外管205間配置一O型環220a做為一密封構件。以該加熱器基座(未顯示)支撐該歧管209,以便垂直地配置該製程管203。該製程管203與該歧管209構成一反應容器。
使用噴嘴230a、230b、230c及230d做為氣體引進部件及它們連接至該歧管209,以便它們與該製程腔室201相連。氣體供應管232a、232b、232c及232d分別連接至該等噴嘴230a、230b、230c及230d。一含矽氣體供應源300a、一含氧氣體供應源300b、一含鹵素氣體供應源300c及一惰性氣體供應源300d經由各個質量流控制器(MFCs)241a、241b、241c及241d(其充當氣體流速控制器)及各個閥310a、310b、310c及310d(其充當開關裝置(switchgear))連接至該等各個氣體供應管232a、232b、232c及232d之上游側,該等各個氣體供應管232a、232b、232c及232d係位在相對於該等各個噴嘴230a、230b、230c及230d之連接側。一氣體流速控制部235電性連接至該等MFC 241a、241b、241c及241d(如第2圖之C所描述),以及建構成用以控制被供應之氣體之流速及在期望時間維持期望數值。
該噴嘴230a供應例如矽烷(SiH4 )做為該含矽氣體,其可以由例如石英所製成及安裝至該歧管209,以穿過該歧管209。該等噴嘴之至少一者230a可以安裝在該歧管209上及安裝在一相對於該加熱器206之位置下面及在一相對於該歧管209之位置上,藉此供應該含矽氣體至該製程腔室201中。該噴嘴230a係連接至該氣體供應管232a。該氣體供應管232a經由充當流速控制器(流速控制手段)之該質量流控制器241a及該閥310a連接至該含矽氣體供應源300a,其中該含矽氣體供應源300a供應該含矽氣體(例如,矽烷(SiH4 )氣體)。此配置允許控制該含矽氣體之條件(例如,被供應至該製程腔室201中之矽烷氣體的供應流速、濃度及分壓)。該含矽氣體供應源300a、該閥310a、該質量流控制器241a、該氣體供應管232a及該噴嘴230a主要構成一含矽氣體供應系統做為一氣體供應系統。
該噴嘴230b供應例如氧氣(O2 )做為該含氧氣體,其可以由例如石英所製成及安裝至該歧管209,以穿過該歧管209。該等噴嘴之至少一者230b可以安裝在該歧管209上及安裝在一相對於該加熱器206之位置下面及在一相對於該歧管209之位置上,藉此供應該含氧氣體至該製程腔室201中。該噴嘴230b係連接至該氣體供應管232b。該氣體供應管232b經由充當流速控制器(流速控制手段)之該質量流控制器241b及該閥310b連接至該含氧氣體供應源300b,其中該含氧氣體供應源300b供應該含氧氣體(例如,氧氣氣體)。此配置允許控制該含氧氣體之條件(例如,被供應至該製程腔室201中之氧氣氣體的供應流速、濃度及分壓)。該含氧氣體供應源300b、該閥310b、該質量流控制器241b、該氣體供應管232b及該噴嘴230b主要構成一含氧氣體供應系統做為一氣體供應系統。
該噴嘴230c供應例如三氟化氮(NF3 )氣體做為該含鹵素氣體,其可以由例如石英所製成及安裝至該歧管209,以穿過該歧管209。該等噴嘴之至少一者230c可以安裝在該歧管209上及安裝在一相對於該加熱器206之位置下面及在一相對於該歧管209之位置上,藉此供應該含鹵素氣體至該製程腔室201中。該噴嘴230c係連接至該氣體供應管232c。該氣體供應管232c經由充當流速控制器(流速控制手段)之該質量流控制器241c及該閥310c連接至該含鹵素氣體供應源300c,其中該含鹵素氣體供應源300c供應該含鹵素氣體(例如,三氟化氮(NF3 )氣體)。此配置允許控制該含鹵素氣體之條件(例如,被供應至該製程腔室201中的供應流速、濃度及分壓)。該含鹵素氣體供應源300c、該閥310c、該質量流控制器241c、該氣體供應管232c及該噴嘴230c主要構成一含鹵素氣體供應系統做為一氣體供應系統。
該噴嘴230d供應例如氮氣(N2 )做為該惰性氣體,其可以由例如石英所製成及安裝至該歧管209,以穿過該歧管209。該等噴嘴之至少一者230d可以安裝在該歧管209上及安裝在一相對於該加熱器206之位置下面及在一相對於該歧管209之位置上,藉此供應該惰性氣體至該製程腔室201中。該噴嘴230d係連接至該氣體供應管232d。該氣體供應管232d經由充當流速控制器(流速控制手段)之該質量流控制器241d及該閥310d連接至該惰性氣體供應源300d,其中該惰性氣體供應源300d供應該惰性氣體(例如,氮氣氣體)。此配置允許控制該惰氣氣體之條件(例如,被供應至該製程腔室201中的供應流速、濃度及分壓)。該惰性氣體供應源300d、該閥310d、該質量流控制器241d、該氣體供應管232d及該噴嘴230d主要構成一惰性氣體供應系統做為一氣體供應系統。
該氣體流速控制部235電性連接至該等閥310a、310b、310c及310d及該等質量流控制器241a、241b、241c及241d(如第2圖之C所示),以在期望的時間控制期望的氣體供應量、氣體供應開始、氣體供應停止等。
再者,雖然在上述實施例中,該等噴嘴230a、230b、230c及230d係安裝在相對於該歧管209之位置上,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,該等噴嘴230a、230b、230c及230d之至少一者可以安裝在相對於該加熱器206之位置上,藉此可在一晶圓處理區域中供應該含矽氣體、該含氧氣體、該含鹵素氣體或該惰性氣體。可以使用例如以L形所形成之一或多個噴嘴,延伸一氣體供應位置至該晶圓處理區域,以便可以從一或多個位置供應該氣體至在該晶圓之附近的區域中。該(等)噴嘴可以安裝在相對於該歧管209或該加熱器206之任何一位置。
另外,雖然在本實施例中已說明矽烷氣體為一含矽氣體之一範例,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,該含矽氣體可以包括一高階矽烷氣體(high-order silane gas)(例如,二矽烷(Si2 H6 )氣體、三矽烷(Si3 H8 )氣體等、二氯矽烷(SiH2 Cl2 )氣體、三氯矽烷(SiHCl3 )氣體、四氯化矽(SiCl4 ))或其任何組合。
再者,雖然在本實施例中已說明氧(O2 )氣體為該含氧氣體之一範例,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,該含氧氣體可以包括臭氧(O3 )氣體等。
另外,雖然在本實施例中已說明三氟化氮(NF3 )氣體為該含鹵素氣體之一範例,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,該含鹵素氣體可以包括氟(F)或氯(Cl)(例如,三氟化氯(ClF3 )氣體、氟(F2 )氣體等)或其任何組合。
再者,雖然在本實施例中已說明氮氣(N2 )為該惰性氣體之一範例,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,該惰性氣體可以包括一稀有氣體(例如,氦(He)氣體、氖(Ne)氣體、氬(Ar)氣體等)或氮氣與稀有氣體之組合。
在該歧管209上配置一排氣管231,其排空在該製程腔室201內之氣體。該排氣管231係配置在一由該內管204與該外管205間之間隙所形成之管狀空間250的下端部,以致於此管與該管狀空間250相通。一真空排氣設備246(例如,一真空泵等)經由一壓力感測器245(用以做為壓力偵測器)及一壓力調整設備242連接至該排氣管231之下游側,該下游側相對於連接至該岐管209之側。該真空排氣設備246係建構成用以在該製程腔室201中產生真空,以便將該製程腔室201中之壓力維持在一期望的壓力。一壓力控制部236電性連接至該壓力調整設備242及該壓力感測器245(如第2圖之B所示)。該壓力控制部236係建構成用以在一期望的時間控制該壓力調整設備242,根據該壓力感測器245所測之壓力資訊來調整在該製程腔室201中之壓力能維持在一期望的壓力。
在該歧管209下面配置一密封蓋219,做為一在該歧管209之下開口中產生氣密之爐開口蓋。該密封蓋219在其頂面朝垂直方向緊靠在該歧管209之下端。該密封蓋219可以由一金屬材料(例如,不鏽鋼等)所製成,以及可以是碟狀的。在該密封蓋219之上表面配置一做為密封構件之O型環220b,在其頂面緊靠在該歧管209之下端。在該密封蓋219之相對於該製程腔室201的一側安裝一用以旋轉該晶舟217之旋轉機構254。該旋轉機構254之一旋轉軸255穿過該密封蓋219及連接至該晶舟217,其中該晶舟217將被描述於後。該旋轉軸255之旋轉能使該晶舟217之旋轉,導致該晶圓200之旋轉。可以藉由一做為一垂直地配置在該製程管203外側之升降機構的晶舟升降機115舉起該密封蓋219,以致於可將該晶舟217送進或送出該製程腔室201。一驅動控制部237係電性連接至該旋轉機構254及該晶舟升降機115(如第2圖之A所示),以控制它們在一期望的時間執行期望的操作。
用以做為基板支架之該晶舟217可以由一耐熱材料(例如,石英、碳化矽等)所構成,以及係建構成用以支撐複數個晶圓200,以便以它們的中心一致排列整齊方式水平堆疊該等晶圓。再者,為了該加熱器206與該歧管209間之熱絕緣,在該晶舟217之下部水平堆疊複數個圓碟形絕熱板216(用以做為熱絕緣構件),該等絕熱板216可以由一熱絕緣材料(例如,石英、碳化矽等)所製成。
在該製程管203內配置一溫度感測器263做為一溫度偵測器。一溫度控制部238電性連接至該加熱器206及該溫度感測器263(如第2圖之D所示)。該溫度控制部238在一期望的時間控制該加熱器206及該溫度感測器263,以根據由該溫度感測器263所偵測之溫度資訊來調整至該加熱器206之電源,以致於在該製程腔室201內之溫度具有一期望的溫度分佈。
該氣體流速控制部235、該壓力控制部236、該驅動控制部237及該溫度控制部238亦可以構成操作部件及輸入-輸出部件,以及電性連接至一用以控制整個該基板製程設備之主控制部239。該氣體流速控制部235、該壓力控制部236、該驅動控制部237、該溫度控制部238及該主控制部239構成一控制器240。
下面描述一用以使用CVD(化學氣相沉積)在該晶圓200上形成一薄膜之方法。一半導體裝置之製造的一實施例使用具有上述構成之製程爐202。在下面論述中,應該注意到以該控制器240控制構成該基板製程設備之各個部件的操作。
當將複數個晶圓200載入該晶舟217時(晶圓裝填操作),如第2圖所示,藉由該晶舟升降機115舉起用以支撐該複數個晶圓200之該晶舟217及然後將該晶舟217運送至該製程腔室201(晶舟裝載操作)。在這樣的情況中,經由該O型環220b在該歧管209之下端氣密地密封該密封蓋219。
藉由該真空排氣設備246排空該製程腔室201之內部,以便將其內之壓力維持在一期望的壓力(真空度)。在此情況中,藉由該壓力感測器245測量在該製程腔室201內之壓力及將該壓力回授至該壓力調整設備242。根據該測量壓力,該壓力調整設備242調整在該製程腔室201內之壓力。再者,藉由該加熱器206加熱該製程腔室201之內部,以便將其內之溫度維持在一期望的溫度。在這樣的情況中,藉由該溫度感測器263測量在該製程腔室201內之溫度而將其回授至該加熱器206。根據該測量的溫度,調整該加熱器206之電源,以便在該製程腔室201內之溫度具有一期望的溫度分佈。接著,藉由該旋轉機構254旋轉該晶舟217,此促使該晶圓200旋轉。
之後,如第2圖所示,例如,從該含矽氣體供應源300a供應做為一製程氣體之含矽氣體。提供該所供應之含矽氣體至該質量流控制器(MFC)241a,其中控制該含矽氣體之流速,以維持在一期望的程度。將該所控制之含矽氣體經由該氣體供應管232a饋入該製程腔室201中。該饋入之含矽氣體在該製程腔室201內向上流及從上端開口排放至該管狀空間250中,轉而經由該排氣管231排出。當該含矽氣體通過該製程腔室201之內部時,該含矽氣體與該晶圓200之表面接觸。此促使一允許在該晶圓200上沉積一薄膜(例如,一矽膜)之熱CVD反應。
在一預定期間消逝後,提供從該惰性氣體供應源300d所供應之惰性氣體至該質量流控制器(MFC)241d,該質量流控制器(MFC)241d控制該惰性氣體之流速,以維持在一期望的程度。取代在該製程腔室201內之氣體成為該惰性氣體及使其內之壓力回到大氣壓力。
之後,藉由該晶舟升降機115降下該密封蓋219,以便打開該歧管209之下端。將由該晶舟217所支撐之已處理的晶圓200從該歧管209之下端運出至該製程管203之外部(晶舟卸載操作)。然後,從該晶舟217排出該等已處理的晶圓200(晶圓排出操作)。
下面詳細描述依據本揭露之第一實施例的一薄膜形成方法。可以使用上述之半導體製造設備10,在用以製造半導體裝置之製程中之一中形成一期望的薄膜。
第3圖係顯示依據本揭露之第一實施例的各個製程所形成之基板的情況之示意剖面圖。如第3圖所示,在該第一實施例中,執行一薄膜形成製程,以在做為基板之該晶圓200上形成一矽膜,接著執行一改質製程,其中該改質製程供應一氧化種至該矽膜、加熱該矽膜及改質該矽膜之表面層成為一經氧化的矽膜。最後,執行一移除製程,以移除該經氧化的矽膜。這些製程使得該矽膜受到熱處理,藉此改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜。如此一來,可形成該矽膜具有一薄膜厚度及使用該改質經氧化的矽膜做為一蓋膜,藉此在該矽膜之表面上抑制矽之遷移,其可能隨著該熱處理發生。此允許一具有小表面粗糙度之矽膜(例如,一多晶矽膜(多晶膜))的形成。此將詳述於後。
在下面敘述中,更詳細說明依據該第一實施例之前述製程。
<薄膜形成製程>
下面描述一在由矽等所製成之該晶圓200(做為一基板)上形成例如一非晶矽膜710之薄膜形成方法。較佳地,可以將至少一含矽氣體引入該製程腔室201中及可以例如使用一CVD方法在該晶圓200上形成該非晶矽膜710而具有大於等於15nm且小於等於80nm之範圍的厚度。
在其它實施例中,可以該晶圓200上形成一經氧化的矽膜及然後,藉由前述製程在該經氧化的矽膜上形成該非晶矽膜710。此提高例如該非晶矽膜710與該經氧化的矽膜間之附著力,此減少該最後製成之半導體裝置之性能劣化及亦防止生產量之變差。
另外,該含矽氣體之範例可以包括矽烷(SiH4 )氣體、二矽烷(Si2 H6 )氣體、二氯矽烷(SiH2 Cl2 )氣體等。
再者,可以藉由引入該二矽烷氣體至該晶圓200上形成一由矽所製成之種層710a及接著供應該矽烷氣體至該種層710a以在其上形成一矽層710b,進而形成該非晶矽膜710。藉由供應該二矽烷氣體至該晶圓200上形成該種層710a可允許一晶核在做為基板之該晶圓200上均勻地形成。該矽烷氣體至該種層710a上之後續供應使得在該晶圓200上均勻形成之晶核成長,藉此均勻地形成該矽層710b。換句話說,在該晶圓200上所形成之該矽膜(例如,該非晶矽膜710)包括該種層710a及該矽層710b,藉此改善膜厚之面內均勻度。
在該製程腔室201內處理該晶圓200(亦即,藉由供應該二矽烷氣體至該晶圓200上而在其上形成該種層710a)所處之製程條件的一範例可以包括下列所示:
製程溫度:大於等於390℃且小於等於480℃之範圍
製程壓力:大於等於40Pa且小於等於120Pa之範圍
二矽烷氣體供應流速:大於等於50sccm且小於等於500sccm之範圍
藉由維持上述各個製程條件在該等各個範圍內之一固定程度,以在該晶圓200上形成由矽所製成之該矽層710b。
再者,在該製程腔室201內處理該晶圓200(亦即,在該種層710a上形成該矽層710b)所處之製程條件的一範例可以包括下列所示:
製程溫度:大於等於490℃且小於等於540℃之範圍
製程壓力:大於等於40Pa且小於等於200Pa之範圍
矽烷氣體供應流速:大於等於500sccm且小於等於2,000sccm之範圍
藉由維持上述各個製程條件在該等各個範圍內之一固定程度,以在該種層710a上形成該矽層710b。
上述薄膜形成製程允許具有小表面粗糙度之該非晶矽膜710形成於該晶圓200上。
另外,由矽所製成之該種層710a可以形成有大於等於1nm之膜厚。已察覺到,當該非晶矽膜710之厚度為15nm(包括1nm厚之該種層710a(其係藉由供應該二矽烷氣體所形成)及13nm厚之該矽層710b(其係藉由供應該矽烷氣體所形成))時,可確保高度的階梯覆蓋性(step coverage),例如,95%之階梯覆蓋性。此允許本實施例可應用至下一代的記憶體(例如,3維記憶體(3D記憶體))。
再者,雖然在上面敘述中已說明該等薄膜形成條件,使用二矽烷氣體及矽烷氣體形成該非晶矽膜710,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,可以使用含矽氣體中之任一者、其它含矽氣體之任一者或其任何組合,形成該非晶矽膜710。
另外,雖然在上面敘述中已說明藉由CVD方法執行該薄膜形成製程,但是本揭露並非侷限於此。例如,在其它實施例中,可以使用ALD(原子層沉積)方法。
<改質製程>
接著,藉由供應一氧化種至該矽膜(例如,該非晶矽膜710)、加熱已受到氧化之該矽膜及改質該矽膜之表面層成為一經氧化的矽膜,以執行該改質製程。
供應氧(O2 )至該製程腔室201做為例如至少該氧化種,以及然後,使一矽膜(例如,該非晶矽膜710)受到熱處理,以改質該矽膜之表面層成為一經氧化的矽膜。較佳的是,藉由該改質製程所形成之該非晶矽膜710係形成有2至50nm範圍之膜厚。
如此一來,以被供應至該非晶矽膜710之表面層的該氧化種,將該非晶矽膜710之表面層改質成為經氧化的矽膜720,同時以熱處理將一矽膜(例如,該非晶矽膜710)變更成為多晶矽膜730。再者,在此情況中,該多晶矽膜730可以形成有比該非晶矽膜710薄之厚度。
此外,藉由改質製程所形成之該經氧化的矽膜720可以做為一蓋膜,該蓋膜可在以熱處理改質該非晶矽膜710成為該多晶矽膜730的期間抑制在該晶圓上所形成之矽膜(尤其是該多晶矽膜730與該經氧化的矽膜720)間之界面上所存在之矽遷移(migration of silicon)。具體而言,由下面描述之後續移除製程所暴露之該多晶矽膜730的表面粗糙度(RMS)會是小的,因為在該多晶矽膜730之表面層上所存在之矽遷移被抑制了。
在該製程腔室201內處理該晶圓200所處之製程條件中之一範例可以包括下列所示:
製程溫度:大於等於700℃且小於等於950℃之範圍
製程壓力:大於等於100Pa且小於等於100,000Pa之範圍
氧氣體供應流速:大於等於4sccm且小於等於10sccm之範圍。
藉由維持上述製程條件在該等各個範圍內之一固定程度,以被供應至該非晶矽膜710之表面層的該氧化種,將該非晶矽膜710之表面層改質成為經氧化的矽膜720,同時以熱處理將該非晶矽膜710變更成為多晶矽膜730。
當該氧化種被供應至該非晶矽膜710上時(該非晶矽膜710接著受到熱處理,藉此變更成為該多晶矽膜730),以被供應至該非晶矽膜710之表面層的該氧化種改質該非晶矽膜710之表面層成為經氧化的矽膜720。
在這樣的情況中,以該氧化種所改質之該經氧化的矽膜720可以做為一蓋膜,該蓋膜抑制了在被熱處理以形成該多晶矽膜730期間矽膜(尤其是該多晶矽膜730與該經氧化的矽膜720)間之界面上所存在之矽遷移。此外,因為該非晶矽膜710之表面層被改質成為該經氧化的矽膜720,所以該多晶矽膜730可以形成有薄的厚度。換句話說,可以控制該等製程條件,例如,在該改質製程被供應之氧化種(例如,氧氣體)的數量、在該製程腔室201中之壓力(製程壓力)或溫度(製程溫度)等。此允許控制成為該經氧化的矽膜720之改質量(亦即,欲改質之經氧化的矽膜720之膜厚),藉此控制該多晶矽膜730之膜厚。
再者,雖然在上述實施例中已說明該氧化氣體為該氧化種,但是較佳地亦可以在該改質製程中彼此獨立地供應該氧化氣體及氫氣體至該製程腔室201中。此促使以高速執行初始氧化反應,甚至當在由矽所製成之該晶圓200上呈現大於1個之平面方向時,其顯著地減少取決於矽之平面方向的氧化速度之差異,藉此均勻地執行該改質製程。然而,本實施例並非侷限於此,而是可以使用像H2 O氣體之含氧氣體的其它方法。
<移除製程>
接下來,執行用以移除在該改質製程期間所形成之該經氧化的矽膜720的移除製程。藉由該移除製程,移除該經氧化的矽膜720,以暴露該多晶矽膜730。
例如,供應至少三氟化氮(NF3 )氣體至該製程腔室201中,以使用乾蝕刻移除該經氧化的矽膜720。在這樣的情況中,該經氧化的矽膜720與該三氟化氮氣體反應,以致於在該經氧化的矽膜720上所存在之矽與該三氟化氮氣體中所含之氮結合,以形成一含氟化矽化合物(Six Fy ,x及y係整數),同時在該經氧化的矽膜720上所存在之氧與該三氟化氮氣體中所含之氮結合,以形成一含氧化氮化合物(NOz ,z係整數)。從該製程腔室201排空包含上述化合物之氣體,以移除該經氧化的矽膜720。
結果,可獲得具有小表面粗糙度之多晶矽膜730,該多晶矽膜730係藉由上述的改質製程形成於該晶圓200上。
在本實施例中,使用該三氟化氮(NF3 )氣體,但並非侷限於此。在其它實施例中,可以使用一包含氟或氯之含鹵素氣體(例如,三氟化氯(ClF3 )氣體、氟(F2 )氣體等)。再者,藉由從該半導體製造設備10排出該晶圓200及接著經由其它設備之使用而藉由使用基於化學品之濕式蝕刻(取代使用上述之乾式蝕刻)來執行該經氧化的矽膜720之移除。較佳地,可以在該濕式蝕刻中使用一稀薄氫氟酸溶液(稀釋成例如1%之濃度),移除該經氧化的矽膜720,藉此形成具有小表面粗糙之多晶矽膜730。在此實施例中描述,使用該稀薄氫氟酸溶液做為化學品,但是並非侷限於此。在其它實施例中,可以使用其它含鹵素溶液。也可以使用稀釋成較高濃度之溶液。
在上述一連串製程之完成後,暫停該製程氣體至該製程腔室中之供應,接著從該惰性氣體供應源供應該惰性氣體至該製程腔室201中,以致於取代該製程腔室中之氣體成為該惰性氣及使其內之壓力回到大氣壓力。
之後,藉由升降馬達122降下該密封蓋219,以便打開該歧管209之下端。接著,從該歧管209之下端排出由該晶舟217所支撐之已處理的晶圓200至該製程腔室201之外部(晶舟卸載操作)。該晶舟217在一預定位置處於待機狀態,直到使由該晶舟217支撐之所有已處理的晶圓200冷卻為止。接著,如果使處於待機狀態之該晶舟217中的該等晶圓200冷卻至一預定溫度,則藉由該基板轉移部28拾取該晶舟217中之該等晶圓200及然後將該等晶圓200運送至位於該容器開啟機構24中之空容器16中,以便容納於其中。之後,該容器載具20運送該容器16(包含該等晶圓200)至該容器架22或該容器平台(pod stage)18中。因此,完成在該半導體製造設備10中之一連串操作。
<比較>
在下文中,將由前述方法所形成之多晶矽膜730與樣本膜(亦即,在晶圓200上所形成之多晶矽膜750)比較。
將描述一形成樣本膜之方法。第4圖係由各個樣本形成製程所形成之薄膜的示意剖面圖。藉由在一晶圓200上先形成一非晶矽膜710,接著熱處理該非晶矽膜710及改質該非晶矽膜710成為一多晶矽膜750,進而形成該樣本膜。
再者,形成在該樣本膜之形成中所使用之該非晶矽膜710的方法係相同於上述第一實施例所使用之方法。提供在該熱處理中之製程條件如下。
當在該製程腔室201內形成一樣本膜750時,使該非晶矽膜710受到熱處理所處之製程條件的一範例可以包括下列所示:
製程溫度:大於等於650℃且小於等於950℃之範圍
製程壓力:大於等於5,000Pa且小於等於1,000,000Pa之範圍
氮氣體供應流速:大於等於500sccm且小於等於2,000sccm之範圍
藉由維持上述製程條件在該等各個範圍內之一固定程度,以使該非晶矽膜710受到熱處理。
在一些實施例中,根據適合於一待熱處理的基板之條件,可以適當地調整該熱處理所需之溫度及時間。
第5圖顯示依據該第一實施例所形成之該薄膜的表面粗糙度與該多晶矽膜750(樣本膜)之表面粗糙度間之比較結果。在兩個情況中,在該晶圓200上已形成一具有15至80nm厚之多晶矽膜(polycrystalline silicon film)。然而,表面粗糙度(RMS)在兩個薄膜中係顯著不同的。該比較顯示當做為一樣本膜之多晶矽膜750的表面粗糙度(RMS)具有0.62nm之大量時,依據該第一實施例所形成之該多晶矽膜730具有0.33nm之合理量。造成此差異之理由在於:在該非晶矽之表面上所存在之矽在該樣本膜之熱處理期間移動。另一方面,在該第一實施例中,使該非晶矽膜710受到熱處理,而被取代成為該多晶矽膜730,同時藉由被供應至該非晶矽膜710之表面層的該氧化種將該非晶矽膜710之表面層改質成為該經氧化的矽膜720。此允許該所形成之經氧化的矽膜720做為一蓋膜,以防止在建構該多晶矽膜之矽膜(尤其是該多晶矽膜730與該經氧化的矽膜720)間的界面上所存在之矽的遷移,該遷移係由熱處理所造成。此外,在該移除製程時暴露之該多晶矽膜730可以形成具有小的表面粗糙。
第6圖顯示該非晶矽膜所測量之膜厚值與在各個膜厚值所測量之面內均勻度間之關係。在第6圖中,水平軸描述膜形成時間(min),而左側垂直軸描述該形成之非晶矽膜之膜厚值及右側垂直軸描述在該晶圓200上所形成之該非晶矽膜的各個膜厚值之面內均勻度(%)。如第6圖所示,該非晶矽膜之面內均勻度大大地隨著該膜厚減少而劣化。因此,可預期,隨著半導體裝置之尺寸縮減,可能無法只藉由使用該非晶矽膜形成製程,來獲得一平坦表面,因而很難應用該製程至該半導體裝置。
依據本揭露之第一實施例,可形成具有小表面粗糙度之該多晶矽膜730,此有利於應用至需要具有小膜厚之矽膜的縮減尺寸之半導體裝置。在製造該半導體裝置之製程期間,例如,可均勻地形成一矽膜,以及亦增加該多晶矽膜730與在其上所要形成之薄膜間之附著力。再者,依據本揭露,可以穩定方式製造一具有較佳性能之半導體裝置。
該等實施例可以具有下面結果中之至少一者:(1)可形成具有小表面粗糙度之多晶矽膜;(2)藉由控制氧化種供應條件,可控制待形成之多晶矽膜之膜厚;(3)關於項目(1),在該薄膜形成製程中,可藉由使用以二矽烷氣體所形成之由矽製成的種層及以矽烷氣體所形成之矽層,形成具有小表面粗糙度及較佳面內均勻度之多晶矽膜:(4)關於項目(1),在該半導體裝置製造製程中,可均勻地形成由矽製成之絕緣膜;(5)關於項目(1),如果將該等實施例應用至例如一種像具有高深寬比之溝槽的結構,則可獲得較佳階梯覆蓋性:(6)關於項目(1),可增加多晶矽膜與在其上所要形成之薄膜間之附著力;以及(7)可以穩定方式製造具有較佳性能之半導體裝置,因而獲得生產量之增加。
此外,在前述實施例中,藉由一個半導體製造設備10執行一連串薄膜形成製程,但是並非侷限於此,可以使用專屬各個製程之處理設備來執行它。
同樣地,本揭露並非侷限於批次式設備及亦可應用至單一晶圓式設備。
再者,雖然本揭露已說明關於該多晶矽膜之形成,但是它亦可應用至其它磊晶及CVD膜(例如,氮化矽膜等)。
以下,將額外地陳述本揭露之較佳態樣。
本揭露之第一態樣可以提供一種半導體裝置製造方法,其包括:形成一矽膜於一基板上;供應一氧化種至該基板上;在該矽膜上執行熱處理;改質該矽膜之表面層成為一經氧化的矽膜;以及移除該經氧化的矽膜。
本揭露之第二態樣提供一種基板處理設備,其包括:一製程腔室,係在該製程腔室中處理一基板;一含矽氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含矽氣體至該製程腔室中;一含氧氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含氧氣體至該製程腔室中;一含鹵素氧體供應系統,係建構成用以供應至少一含鹵素氧體至該製程腔室中;以及一控制器,係建構成用以控制該含矽氣體供應系統,以供應至少該含矽氣體至該製程腔室中,藉此形成該矽膜於該基板上,控制該含氧氣體供應系統以供應該含氧氣體至該製程腔室中而在該矽膜上執行熱處理及改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜,以及控制該含鹵素氧體供應系統,供應該含鹵素氧體至該製程腔室中,以移除該經氧化的矽膜。
本揭露之一第三態樣提供一種基板處理方法,其包括:形成一矽膜於一基板上;供應一氧化種至該基板上;該矽膜上執行熱處理;改質該矽膜之表面層成為經氧化的矽膜;以及移除該經氧化的矽膜。
依據該第一態樣之形成一薄膜的製程可以包括供應二矽烷氣體至該製程腔室中,以形成一由矽所製成之種層於該基板上,接著供應矽烷氣體至該製程腔室中,以形成該矽膜於該種層上。
依據該第一態樣之形成一薄膜的製程可以包括供應二矽烷氣體至該製程腔室中,以形成由矽所製成之該種層於該基板上,接著停止該二矽烷氣體至該製程腔室之供應,以及隨後供應矽烷氣體至該製程腔室中,以形成該矽膜於該種層上。
依據上述態樣之形成薄膜的製程,該種層之膜厚可在1nm或以上的範圍內。
依據上述態樣之移除製程可以包括供應該含鹵素氧體至該基板上,以移除該經氧化的矽膜。
依據本揭露,在一些實施例中,可藉由在處理期間降低基板之劣化量來改善基板之品質及半導體裝置之性能。
雖然已描述一些實施例,但是這些實施例係只經由範例來呈現而沒有意圖用以限制本揭露之範圍。事實上,可以以各種其它形式具體化在此所述之新方法及設備;再者,在不脫離本揭露之精神下可以對在此所述之實施例的形式實施各種省略、替換及變更。所附申請專利範圍及它們的均等物意圖涵蓋落在本揭露之範圍及精神內之這樣的形式或修改。
10...半導體製造設備
12...外殼
16...前開口式通用容器
18...容器平台
20...容器載具
22...容器架
24...容器開啟機構
26...基板數目偵測部
28...基板轉移部
32...臂
115...晶舟升降機
122...升降馬達
200...晶圓
201...製程腔室
202...製程爐
203...製程管
204...內管
205...外管
206...加熱器
209...歧管
216...絕熱板
217...晶舟
219...密封蓋
220a...O型環
220b...O型環
230a...噴嘴
230b...噴嘴
230c...噴嘴
230d...噴嘴
231...排氣管
232a...氣體供應管
232b...氣體供應管
232c...氣體供應管
232d...氣體供應管
235...氣體流速控制部
236...壓力控制部
237...驅動控制部
238...溫度控制部
239...主控制部
240...控制器
241a...質量流控制器
241b...質量流控制器
241c...質量流控制器
241d...質量流控制器
242...壓力調整設備
245...壓力感測器
246...真空排氣設備
250...管狀空間
255...旋轉軸
259...旋轉機構
263...溫度感測器
300a...含矽氣體供應源
300b...含氧氣體供應源
300c...含鹵素氣體供應源
300d...惰性氣體供應源
310a...閥
310b...閥
310c...閥
310 d...閥
710...非晶矽膜
710a...種層
710b...矽層
720...經氧化的矽膜
730...多晶矽膜
750...多晶矽膜
第1圖係顯示依據本揭露之第一實施例的一半導體製造設備10之構成的立體圖。
第2圖係顯示依據本揭露之第一實施例的該半導體製造設備10中之一製程爐202及控制其各個部件的構成之示意側視圖。
第3圖係顯示在依據本揭露之第一實施例的各個製程所形成之一基板的情況之示意剖面圖。
第4圖係顯示在一樣本形成方法中之各個製程所形成之一基板的情況之示意剖面圖。
第5圖顯示依據第一實施例所形成之膜的表面粗糙度與樣本膜之表面粗糙度間之比較的結果。
第6圖顯示在一非晶矽膜中之膜厚值與在該等各個膜厚值所測量之面內均勻度間之關係。
10...半導體製造設備
12...外殼
16...前開口式通用容器
18...容器平台
20...容器載具
22...容器架
24...容器開啟機構
26...基板數目偵測部
28...基板轉移部
32...臂
200...晶圓
217...晶舟

Claims (10)

  1. 一種半導體裝置製造方法,包括:形成非晶矽膜於基板上;藉由供應氧化種至該基板上及在該非晶矽膜上執行熱處理,改質該非晶矽膜之表面層成為經氧化的矽膜,同時改質該非晶矽膜之不是該表面層的其它區域成為多晶矽膜;以及移除該經氧化的矽膜。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法,其中在相同製程腔室中執行該改質及該移除。
  3. 如申請專利範圍第2項之方法,其中該移除進一步包括:藉由供應一含鹵素氣體至該製程腔室中以移除該經氧化的矽膜。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法,其中在不同腔室中執行該改質及該移除。
  5. 如申請專利範圍第4項之方法,其中該移除進一步包括:藉由基於化學品之濕式蝕刻來移除該經氧化的矽膜。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該形成進一步包括:供應二矽烷氣體至製程腔室中,以在該基板上形成由矽所製成之種層(seed layer),以及供應矽烷氣體至該製程腔室中,以在該種層上形成該非晶矽膜。
  7. 如申請專利範圍第6項之方法,其中在該種層之形成中供應該二矽烷氣體,以及在將該非晶矽膜形成在該種層 上之過程中供應該矽烷氣體。
  8. 一種基板處理設備,包括製程腔室,係在該製程腔室中處理基板;含矽氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含矽氣體至該製程腔室中;含氧氣體供應系統,係建構成用以供應至少一含氧氣體至該製程腔室中;含鹵素氧體供應系統,係建構成用以供應至少一含鹵素氧體至該製程腔室中;以及控制器,係建構成用以控制該含矽氣體供應系統,以供應至少該含矽氣體至該製程腔室中,藉此形成非晶矽膜於該基板上,控制該含氧氣體供應系統以供應該含氧氣體至該製程腔室中而在該非晶矽膜上執行熱處理及改質該非晶矽膜之表面層成為一經氧化的矽膜,同時改質該非晶矽膜之不是該表面層的其它區域成為多晶矽膜,以及控制該含鹵素氧體供應系統以供應該含鹵素氧體至該製程腔室中而移除該經氧化的矽膜。
  9. 一種基板處理方法,包括:形成非晶矽膜於基板上;藉由供應氧化種至該基板上及在該非晶矽膜上執行熱處理,改質該非晶矽膜之表面層成為經氧化的矽膜,同時改質該非晶矽膜之不是該表面層的其它區域成為多晶矽膜;以及 移除該經氧化的矽膜。
  10. 如申請專利範圍第1項之方法,其中該改質包括:供應該氧化種至處理腔室中的該基板上,該處理腔室具有低於大氣壓的內部壓力,該氧化種為H2 氣體及O2 氣體且該H2 氣體及該O2 氣體係彼此獨立地供應至該處理腔室。
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