TW556268B - Method for fabricating hydrogenated silicon oxycarbide thin film and PECVD apparatus therefor - Google Patents

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Description

556268 ^__案號91119835_年月日 修正 ___ 五、發明說明（1) 【發明領域】 本發明係為一種製造氫化氧碳矽（H: Si 0C)薄膜之電II 增強式化學氣相沉積（plasma enhanced chemical VapQI^ deposition，PECVD )設備及其方法，特別是一種製造低 介電常數，可於製程中（如氧灰化（Oxygen ashing))達到 最少碳流失的設備及其方法。 【發明背景】 由於電路結構日趨細微化，引領半導體元件整合 0日]蹲 勢，以致於電路板上金屬配線的水平間距（p i t ch )亦需跟 進’然而，當金屬配線的水平間距減小，其間的寄生電办 (P a r a s i t i c C a p a c i t a n c e )將導致配線之間發生串音干捧 現象（C r 〇 s s t a 1 k )，在此狀況下，透過此金屬配線傳導^ 電氣訊號將受到不良影響或者傳導速率因而降低，為了 & 善此狀況，金屬配線之間的寄生電容必須減少，因而需 具有低介電常數的絕緣層來擔當重任。 ％ 在絕緣層的種類中，氧碳矽（S i 0C )薄膜是藉由在傳 二氧化石夕（S i 0 2 )薄膜中保留多量的碳原子，利用化學氣冲目 沉積（C V D )形成；於化學氣相沉積的過程中，參與反鹿的 可以是石夕院（methylsilance)、二曱基石夕烧（di-
Methylsilance)、三甲基石夕烧（tri- Methylsilance)以及 四甲基石夕烧（tetra- Methylsilance)。 在氧碳矽薄膜中，碳以碳氫結構（CHn )的形式懸突於 一氧化石夕的網狀結構上，其中該懸突結構會構成奈米尺兮 的氣孔，該氣孔會降低此薄膜的介電常數，除此之外， ，對 於矽烷鍵結（Si-CH3)之離子可極化程度（Ionlc
556268 -^^Ul9835 五 Pc 、發明說明（2) ----——一^^ )1 a r i z a b i 1 i 十 v w T ,, ,, 機 程 ;直 中 lty)較矽氧鍵結（Si—〇)键鍺小的推淪，上述 制亚無法提出澄清。 u y 曰=:f氣碳矽（Si0C)的薄膜中，因為耗氧的灰化製 ί π β话示經過乾蝕刻製程、濕蝕刻製程或者是離子佈 ^ 化的感光溶液，然而碳原孑會在此灰化的製程 流失，導致薄Μ ^ α 寻膜的特性逐漸衰退。 發明目的及概述】 ^ 5 t於此’本發明乃為解決上述問題而提出一種製造 虱化氧碳矽薄膜之電漿增強式化學氣相沉積設備及其方 法’主要的目的在於提供一種製造氫化氧碳矽薄膜的方 法其可以使碳在氧灰化製程中的流失滅到最小：本發明 的另 目的係提供一電漿增強式化學氣相沉積（p 1 a s m a anced chemical vapor depositi〇n ’ PECVD )設備用 以製造W述氧碳矽（SiOC)薄膜。 所以為達上述目的，本發明所提之’種製造氣化氧碳 石夕薄膜之電漿增強式化學氣相沉積設儀’包含：一反應室 ，複數個支撐座内置於該反應室内，旅且每個支撐座對應 一石夕晶圓固定於其上；一加熱裝置供給該支撐座熱量；一 電源供應單元設置於該反應室外；一電漿電極自電源供鹿 單元接收射頻（r F p〇w e r )，用以產生並維拄 心 婿今I· ^ ^ ^ 卜付反應至内的雷 水3里，一旋轉喷灑裝置於該反應室内 」电 甘目女工， 义平方式旋辕， ，、具有兩個噴氣元件用以供給該反應室内所㊉氣㉛ 得 該旋轉噴灑裝置包含一圓筒垂直結合二5二二 壁；該圓筒具有兩道沿著該圓筒内圓周的俨^愿至之上 該環型溝槽分別連接到兩個貫穿該環形 I ^ ’並且 __ 屏槽邊壁的進氣導
第7頁 556268 _案號 91119835 年 月 曰 修正 、發明說明（3) •，一旋轉桿垂直設置於該反應室内，其嵌於圓筒内 貼圓筒内壁進行旋轉運動，此旋轉桿具有兩個平行於总^ 方向並與該環形溝槽連接的供氣管，以及兩個水平方Z長 分別與該供氣管連接的管狀喷氣元件，其位置在旋^ ’ 入反應室的-㈤，透過旋轉桿旋轉而呈現水平方 ：： 運動，該噴氣元件於下半部具有複數個氣體噴孔。疋轉 此兩喷氣元件的較佳實施方式是當彼此相對並以 桿中心為軸進行旋轉。 疋轉 五 孔 其較佳的實施方式 1〜lOOrpm的轉速運 氧氣也可當作攜氧工作流體使用， 是於沉積薄膜的製程中，該喷氣元件以 作。 另外/本發明所提之一種製造氫化氧碳矽薄膜之方 包含下列步驟：透過一供氣管引入雙三曱基矽曱燒（ bis-trimethylsiiylmethane，BTMSM )以及攜氧工作流體 於矽晶圓上，此矽晶圓内置於該反應室中，同時或輪"序肢的 ，過另一供^管供給氫氣到矽晶圓上，於此供氣用二產生 氣電聚的狀悲下，施加的射頻功率範圍介於丨〇 〇界到2 〇 〇㈣ 之間 ° 有關本發明之詳細内容及技術，茲就配合圖式說明如 【發明實施例詳細說明】 本發明係為一種製造氫化氧碳矽薄膜之電漿增強 干氣相沉積設備及其方法。 以下將利用實施例說明本發明之具體可行性：「第1 圖」到「第5圖」係揭露一 pECVD裝置，係本發明用以製造 556268 __tl虎91119835_年月日 絛正 五、發明說明（4) 一氫化氧碳矽薄膜，其中第3圖到第5圖更詳細揭露一旋轉 喷灑裝置。如「第1圖」所示，於一反應室丨〇中，設置用 以排氣之一排氣口 2 0，以及水平設置一支撐座架設單元i丄 :其複數個支撐座1 3設置於該支撐座架設單元1 1上，並且 每一個矽晶圓1 4分別固定於每一個支撐座1 3之上。 如「第2圖」所示，承接「第1圖」中該支撐座13與該 支撐座架設單元11、該矽晶圓1 4的相對位置關係，該支撐 座架設單元1 1具有至少一通孔1 6用以聯繫該排氣口 2 〇 ;該 反應至1 0的上部具有一圓筒4 0、一旋轉桿3 0以及由一喷氣 元件1 8 a與另一噴氣元件1 8 b組成之噴灑設備。 於該設備的運作過程中，當該喷氣元件1 8 3以及該喷 氣元件1⑽於旋轉時，氣體被導入反應室1 〇内之矽晶圓1 4 上，可視狀況藉由該支撐座架設單元丨丨的水平方向旋轉取 代喷氣兀件1 8a以及1 8b旋轉，除此之外，需視製程狀況調 整該二個喷氣元件18a與18b以及該支撐座13的距離，於是 該支撐座架设早元1 1盘兮始爐娱q η卩n .. 一 1供δ亥誕轉枰d 0即可分別用以調整該兩 個貧氣元件18:以及} 8 b與該支撐座架設單元“的位置。 ，1 9= I ί做:兄：的標號1 2代表—矽晶圓載入裝置1 2，標 熱器，其形狀為-同心圓結構，設置於該 支撐座架没早兀11中· 土祖一， ^ φ 甘T，圖中未揭不位於反應室1 〇上部之一 電漿電極’其接收射并音；、玄，田、7方 電漿含量。 耵頻功率用以產生並維持反應室1 0内的 ;首先圓㈣於其内/二揭示該旋轉侧 直柱狀突起結構結㈤，並且可視為- 口於该反應至1 0之頂端，於該圓筒7
556268 _案號 91119835_年月日_i±i-_ 五、發明說明（5) 形成一螺絲孔4 7，此外，圓筒4 0下部包含一氣密管結構4 6 緊連接於該反應室1 0，其用以防止該反應室1 0發生滲透。 沿著圓筒4 0的内圓周形成二道環形溝槽4 4，另外，圓 筒4 0的邊壁形成兩個進氣導孔4 3分別連接該兩道環形溝槽 44，用以貫穿該圓筒40的邊壁，於「第4圖」中將做更詳 盡的闡述。 旋轉桿3 0位於反應室1 0内，其内嵌於該圓筒中；為了 調整該旋轉桿3 0***反應室1 0的深度，於***端設置一定 位裝置2 6。
旋轉桿3 0内的管長方向形成兩個供氣管3 2，此兩個供 氣管3 2的一端皆連接環形溝槽4 4，該旋轉桿3 0緊貼該圓筒 4 0内壁旋轉，一軸承裝置4 8用以輔助旋轉桿3 0進行旋轉運 動，除此之外，該圓筒4 0内一磁通裝置4 5用以維持該旋轉 桿3 0以及該圓筒4 0之連接關係；又圖中未說明之一冷卻水 管亦可以内嵌於圓筒4 0的管壁中，用以降低旋轉桿3 0運作 時因為摩擦所產生的熱。
管狀的該喷氣元件1 8 a及1 8 b與該供氣管3 2連接於該旋 轉桿3 0***反應室1 0的一端，其中該喷氣元件1 8 a及1 8 b與 該供氣管32的方向呈垂直，該喷氣元件18a及18b藉由該供 氣管3 2的旋轉動作呈現一水平方向的旋轉運動，其中該喷 氣元件1 8 a及1 8 b於其下部具有複數個進氣體喷孔1 7。 當氣體分別由該兩個進氣導孔4 3引入，氣體依序通過 該環形溝槽4 4以及該供氣管3 2，最後透過該喷氣元件1 8 a 及1 8b注入該反應室1 0，儘管該旋轉桿3 0持續旋轉，該環 形溝槽44與該供氣管3 2呈現連接狀態，且其氣體的供應亦
第10頁 556268 -MM 91119835___年月 日 修正 _ 五、發明說明（6) 不受旋轉桿3 0運作的影響。 當使用P E C V D裝置沉積具有低介電常數性質之氧碳矽 (S i 0 C )薄膜時，該矽晶圓1 4係固定於該支撐座1 3上，透過 其中一個進氣導孔43引入雙三曱基矽甲烷（bis- trimethylsilylmethane，BTMSM )氣體以及氧氣，氫氣則 由另一個進氣導孔4 3引入，此時旋轉桿3 0的轉速為1〜 1 0 0 r pm 〇 氣體供應的流向係精由該進氣導孔4 3透過其相對應之 該環形溝槽4 4導入該供氣管3 2中，該供氣管3 2再透過該喷 氣元件1 8a以及1 8b上之複數個氣體喷孔1 7將氣體送至該反 應室1 0中，於此氣體將均勻的佈散於反應室1 〇中，致使該 矽晶圓1 4上的薄膜成長能夠一致。為了讓氣體更均勻佈散 於反應室中，其較佳實施方式是當喷氣元件1 8a以及丨8b彼 此相對並以旋轉桿中心為轴進行旋轉。 為了於該矽晶圓1 4表面執行一化學反應，該矽晶圓1 4 之加熱範圍介於2 5°C到4 0 (TC，該反應室1 0之壓力需介於 0 · 1 T 〇 r r到1 T 〇 r r，施加的射頻功率（R F ρ 〇 w e r )則介於1 0 0 W 到2 0 0 0 W，且薄膜係形成於該矽晶圓1 4上；當氫電漿形成 時，薄膜的製程將隨雙三甲基矽甲烷（b i s -trimethylsilylmethane，BTMSM )的分解而加快反應 〇 因為雙三曱基矽甲烷（bis-trimethylsilylmethane，BTMSM )係為石夕以及碳的來源， 當雙三曱基石夕甲说（bis-1：rime1:hylsilyliiiethane，BTMSM )與氧引入時，薄膜開始形成，過程中當氫氣開始參與反
第11頁 556268 -號9111Q835_年月日 色 五、發明說明·（7) ~- 應時’ S i - C鍵結遂轉化成S i - C -職結，該氫化氧碳石夕薄膜 隨之生成，如上所述，當碳原子以及氫原子形成c — H鍵於、 時’能於接下來氧灰化製程後將碳的流失減到最低，其氣 體施放流程係可以歸納為：先將雙三甲基矽曱燒（b丨$ / trimethylsi iylmethane，BTMSM )蒸氣與氧引入用以製成 氧石反石夕（S i 〇 C )薄膜’之後施以氫電漿用以提供氫原子於古歹 薄膜上。 「苐6圖」係揭露一雙三甲基石夕甲：)：完（bis-trimethylsilylmethane，BTMSM )之分子結構，其化學分 子式為Si2(CH2) (C3H9)2，不像傳統氧碳矽（Si〇C)的沉積 來源如 methylsilane、d i me thy 1 s i 1 ane " trimethylsi lan e 及 tetramethylsi lane j 其碳原子（CH2) 係介於兩個石夕原子之間，當碳原子於結構中與兩個石夕原子 結合時，其鍵結強度自然會強於其他只與一個矽結合的碳 原子，依此比較前述其他來源可得雙三曱基矽甲烷（b i s _ trimethylsilylmethane，BTMSM )分子結構中石夕與碳的鍵 結是較穩定的，亦即氧碳矽（S i 0C )薄膜可以在相同的製程 中保留大量的碳，使之於後續的製程中得以保持該氧碳矽 (Si 0C)薄膜的特性。 另一個使用雙三曱基矽甲烷（bis-trimethylsilylniethane，BTMSM )的優點是容易處理，因 為雙三曱基石夕甲烧（bis-trimethylsilylmethane，BTMSM )的沸點為1 3 2°C ，凝固點-7 1°C ，於常溫下呈現液態，而 且其不可燃、不具毒性，並且其與空氣很難發生反應。 雙三甲基矽曱烷（bis-
第12頁 556268 _案號 9Π19835_年月日__ 五、發明說明（8) ’ triniethylsilylnie1:hane，BTMSM)被存放於一自動恆溫氣泡 收集器中以維持固定蒸氣壓，並且其藉由一攜行氣體 (Carrier gas)，如氬氣以及氦氣，與氧同時注入該進氣 孔43，其中該攜行氣體的流量係介於50sccm到5 0 0 sccm ，氧氣的流量係介於5 0 s c c m到lOOOsccm，於本發明所揭露 的裝置中，該氧氣的用途係用以參與氧化反應，除此之 外，其他如0 3、N 2 0以及Η 2 0 2亦有相同的效果。 第7圖到第1 0圖揭示本發明所致效用的分析圖。 參考「第7圖」，一般情形是於進行氧碳矽（Si 0C)薄 膜沉積後，其S i - C Η 3結構立即會被偵測出一峰值（P e a k)， 於氧灰化反應後該峰值會消失，且其Si-CH3具有一高介電 常數值的S i 0 2 - X - Η X結構，當氫電漿沒有參與製程時，將 導致碳的脫離以至於流失。 參考「第8圖」及「第9圖」，不僅氧碳矽（Si 0C)薄膜 沉積後（a)，經由氫電漿處理過（b )以及氧灰化製程後（c ) ，其S i -CH3的峰值持續存在，結果顯示經過一電漿狀態的 氫化處理後，能有效抑制碳的流失；「第8圖」係指經由 氫電漿處理（b ) 5分鐘後的效果，「第9圖」以及「第1 〇 圖」係分別指出經由氫電漿處理（b ) 1 0分鐘以及3 0分鐘後 的效果。 【達成功效】 本發明所揭露之製造氫化氧碳矽薄膜之方法，其後雖 經過如氧灰化製程，其碳的流失將被減到最低，並且因為 該喷灑裝置的旋轉運作，致使該氮化氧碳矽薄膜能均勻生 成0 、
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第14頁 556268 _案號91119835_年月曰 修正_ 圖式簡單說明 第1〜5圖係本發明所揭露之用以製造氫化氧碳矽薄膜的 PECVD設備； 第1圖係本發明所揭露PECVD設備之透視圖； 第2圖係本發明所揭露固定於支撐架上的矽晶圓； 第3圖係本發明所揭露旋轉喷灑裝置之橫截面圖； 第4圖係本發明所揭露旋轉喷灑裝置中圓筒的橫截面圖； 第5圖係本發明所揭露之旋轉桿； 第6圖係本發明所揭露雙三甲基矽甲烷（b i s -trimethylsilylniethane，BTMSM )之分子結構； 第7圖係本發明所揭露氧碳矽（Si 0C)薄膜沉積後（a)與氧灰 化製程後（c )之波長-吸收係數關係圖； 第8圖係本發明所揭露經由氫電漿處理（b ) 5分鐘後的波長-吸收係數關係圖； 第9圖係本發明所揭露經由氫電漿處理（b ) 1 0分鐘後的波 長-吸收係數關係圖；及 第1 0圖係本發明所揭露經由氫電漿處理（b ) 3 0分鐘後的波 長-吸收係數關係圖。 【圖式符號說明】 10 反應室 11 支撐座架設單元 12 矽晶圓載入裝置 13 支撐座 14 石夕晶圓 16 通孔 17 氣體喷孔
第15頁 556268 案號 91119835 年 月 曰 修正 圖式簡單說明 18a 喷氣元件 18b 喷氣元件 19 力口熱器 20 排氣口 26 定位裝置 30 旋轉桿 32 供氣管 40 圓筒 43 進氣導孔 44 環型溝槽 45 磁通裝置 46 氣密管結構 47 螺絲孑L 48 轴承裝置
第16頁

Claims (1)

  1. 556268 _案號91119835_年月日__ 六、申請專利範圍 1. 一種製造氳化氧碳矽薄膜之方法，係藉由一增強式電 漿輔助化學沉積設備製造，該設備包含一反應室、一 供氣單元、一排氣單元、一電源供應單元以及用以固 定一矽晶圓之一支撐座；其中該方法包含：透過一供 氣管供給雙三甲基矽曱烷（ bis- trimethylsilylmethane，BTMSM )與一攜氧工作流 體於該反應室内之該矽晶圓上，輪序或同時的透過其 他該供氣管供給氫於該矽晶圓上，並於接收一射頻後 產生氫電漿，其中該射頻的功率範圍介於100W與2 0 0 0W 之間。 2. 如申請專利範圍第1項所述製造氫化氧碳矽薄膜之方 法，其中該供氣管之旋轉轉速範圍係為1 r p m〜1 0 0 r p m。 3. 如申請專利範圍第1項所述製造氫化氧碳矽薄膜之方 法，其中該矽晶圓固定於該支撐座上，透過一加熱器 加熱，其加熱範圍為2 5°C〜4 0 (TC。 4. 如申請專利範圍第1項所述製造氫化氧碳矽薄膜之方 法，其中該反應室的壓力範圍係為0. ITorr〜ITorr。 5. 如申請專利範圍第1項所述製造氫化氧碳矽薄膜之方 法，其中該攜氧工作流體可選自〇2、03、N20以及H202 之群組組合中。 6. 如申請專利範圍第1項所述製造氫化氧碳矽薄膜之方 法，其中首先供給雙三甲基矽甲烷（ b i s - trimethylsilylmethane，BTMSM )與氧氣形成一氧 碳矽（S i 0C )薄膜時，接下來的流程係為透過氫電漿供
    第17頁 556268 _案號 91119W5_年月日_____ 六、申請專利範圍 給氫於該氧碳矽（Si 0C)薄膜上。 7· —種增強式電漿輔助化學沉積（plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD )設備，包含： 一反應室； 複數個支撐座，用以水平固定一矽晶圓，設置於 該反應室内； 一加熱裝置，用以供給該支撐座熱量； 一電漿電極，用以接收來自電源供應單元之射 頻，以及產生並維持該反應室内的電漿含量； 一旋轉喷灑裝置，具有兩個噴氣元件，於該反應 室内進行水平方向旋轉，並且灌注氣體於該反應 室内。 8.如申請專利範圍第7項所述增強式電漿輔助化學沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition ， PECVD )設備，其中雙三甲基矽甲烷（bis-trimethylsilylmethane，BTMSM )與該攜氧工作流 體係透過該喷氣元件供給，攜氫工作流體係透過另一 該喷氣元件供給。 9 ·如申請專利範圍第7項所述增強式電漿輔助化學沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition ， PECVD )設備，其中該旋轉喷灑裝置包含： 一圓筒垂直結合於該反應室上壁，其具有沿著圓 筒内圓周之兩道環形溝槽，分別連接到兩個貫穿 該環形溝槽邊壁之該進氣口；
    556268 _案號91119835_年月日__ 六、申請專利範圍 一旋轉桿垂直設置於該反應室内，其嵌於圓筒内 緊貼該圓筒内壁進行旋轉運動，該旋轉桿具有兩 個平行於管長方向並且與該環形溝槽連接之一供 氣管，以及兩個水平方向分別與該供氣管連接的 一管狀喷氣元件，其位置在該旋轉桿***該反應 室的一端，透過該旋轉桿的旋轉呈現水平方向旋 轉運動，該喷氣元件於下半部具有複數個氣體喷 1 0 .如申請專利範圍第9項所述增強式電漿輔助化學沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition ， PECVD )設備，其中該喷氣元件彼此相對並以該旋轉 桿為中心。 1 1.如申請專利範圍第9項所述增強式電漿輔助化學沉積 (plasma enhanced chemical vapor deposition ， PECVD )設備，其中該旋轉喷灑單元的運作轉速範圍 介於 lrpm 〜lOOrpm。
    第19頁
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