TWI409879B - 半導體製程用氧化方法及裝置 - Google Patents

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Description

半導體製程用氧化方法及裝置
本發明係關於一種用於氧化諸如半導體晶圓之目標基板之表面之半導體製程用氧化方法及裝置。本文中所使用之術語"半導體製程"包括經執行以藉由在諸如半導體晶圓或用於FPD(平板顯示器)(例如，LCD(液晶顯示器))之玻璃基板之目標基板上以預定圖案來形成半導體層、絕緣層及導電層而製造半導體設備或在該目標基板上具有連接至半導體設備之佈線層、電極及其類似者的結構之各種種類之製程。
一般而言，在製造半導體積體電路過程中，諸如矽晶圓之半導體基板經受諸如薄膜形成、蝕刻、氧化、擴散及重新形成的各種製程。舉例而言，氧化包括單晶矽薄膜或多晶矽薄膜之表面之氧化及金屬薄膜之氧化。特定言之，將藉由氧化形成之氧化矽薄膜施加至設備隔離薄膜、閘氧化物薄膜、電容器絕緣薄膜或類似者。
關於執行氧化製程之方法，在關於壓力之類型而鎖定該等方法之情況下，存在一種正常壓力氧化方法，在該方法中將製程容器內部之大氣設定為幾乎等於大氣壓力。另外，存在一種低壓氧化方法，在該方法中將製程容器內部之大氣設定為真空。在關於用於氧化之氣體的類型而鎖定該等方法之情況下，存在一種濕氧化方法，在該方法中，舉例而言，使氫與氧在外部燃燒裝置中燃燒以產生水蒸汽，使得藉由使用水蒸汽執行氧化(例如，日本專利申請KOKAI公開案第3－140453號(專利文獻1))。另外，存在一種乾氧化方法，其中將臭氧或氧單獨地供應至製程容器內部以執行氧化，而不使用水蒸汽(例如，日本專利申請KOKAI公開案第57－1232號(專利文獻2))。
如上所述，可藉由使用氧氣之乾氧化或使用水蒸汽之濕氧化來執行氧化。一般而言，藉由濕氧化形成之氧化薄膜在薄膜品質上高於藉由乾氧化形成之氧化薄膜。因此，考慮到諸如崩潰電壓、耐蝕性及可靠性之薄膜特性，濕氧化薄膜作為絕緣薄膜為較好的。另一方面，待形成的氧化薄膜(絕緣薄膜)之薄膜形成速率及晶圓上薄膜的平坦均一性亦為重要因素。在此方面，一般而言，在正常壓力下藉由濕氧化形成之薄膜展示出高的氧化速率，但在薄膜厚度方面展示出不良的平坦均一性。相反，在真空壓力下藉由濕氧化形成之薄膜展示出低的氧化速率，但在薄膜厚度方面展示出良好的平坦均一性。
在半導體設備或半導體積體電路之設計規則並不如此嚴格之情況下，考慮到(例如)氧化薄膜之預期用途、製程條件及裝置成本，選擇性地使用如上述氧化方法之各種氧化方法。另一方面，近年來，半導體設備之線寬及薄膜厚度已減小了，且因此設計規則已變得更嚴格。此趨勢已引起了對氧化薄膜之品質及厚度之更好的平坦均一性之需求。然而，關於此需求習知氧化方法現正變得不適用，因為其不能充分滿足該等需求。
在該等情況下，已提議一種氧化裝置，其中H2 氣體及O2 氣體經獨立地供應至一製程容器且使其在該製程容器內部相互反應以產生水蒸汽，藉此氧化晶圓表面(例如，日本專利申請KOKAI公開案第4－18727號、日本專利申請KOKAI公開案第2004－22833號、日本專利申請KOKAI公開案第2005－277386號、日本專利申請KOKAI公開案第2005－175441號(專利文獻3、4、5及6))。
在專利文獻3、5及6中所揭示之技術之情況下，在形成一氧化薄膜之情況下，使H2 氣體與O2 氣體在約1 Torr之低壓及(例如)低於900℃之相對低溫下相互反應以產生氧自由基及羥基自由基。此等自由基用以氧化晶圓表面，使得形成(例如)氧化矽薄膜。
本發明之一目標為提供一種半導體製程用氧化方法及裝置，該方法及該裝置可在並不增加氣體流動速率的情況下抑制自由基消耗速率之顯著減小。
根據本發明之一第一態樣，提供一種半導體製程用氧化方法，其包含：將複數個目標基板在一垂直方向上以特定間隔置放於一製程容器之一製程場內；分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一者在一垂直方向上穿過一對應於該製程場之長度而存在；活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者；經由排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，藉此使該氧化氣體及該去氧氣體沿著該等目標基板之表面流動；使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基；及藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之該等表面執行一氧化製程。
根據本發明之一第二態樣，提供一種半導體製程用氧化裝置，其包含：一製程容器，其具有一經安裝以容納在一垂直方向上以特定間隔間隔之複數個目標基板之製程場；一氣體供應系統，其經安裝以分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一者在一垂直方向上穿過一對應於該製程場之長度上而存在；一激發機構，其經安裝以活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者；及一排氣系統，其經安裝以經由一排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，其中使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基，且藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之表面執行一氧化製程。
根據本發明之一第三態樣，提供一種含有用於在一處理器上執行之程式指令之電腦可讀媒體，其中該等程式指令由該處理器執行時控制一半導體製程用氧化裝置以進行一氧化方法，該氧化方法包含：將複數個目標基板在一垂直方向上以特定間隔置放於一製程容器之一製程場內；分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一者在一垂直方向上穿過一對應於該製程場之長度上而存在；活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者；經由一排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，藉此使該氧化氣體及該去氧氣體沿著該等目標基板之表面流動；使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基；及藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之該等表面執行一氧化製程。
本發明之額外目標及優勢將在接下來的描述中加以闡明，且自該描述將顯而易見本發明之額外目標及優勢之部分，或者可藉由本發明之實踐而獲悉本發明之額外目標及優勢。可藉由在下文特別指出之手段及組合實現且獲得本發明之目標及優勢。
在發展本發明之過程中，本發明者研究了與藉由氧化形成氧化薄膜之方法相關的習知半導體製程用技術之問題。結果，本發明者已達成以下給出之發現。
在藉由使H2 氣體與O2 氣體在低壓下相互反應來氧化晶圓表面之氧化方法中，由反應產生之各種活性物質(自由基)具有很高反應性。在此情況下，氧化繼續進行而並不參考暴露於晶圓表面上之晶面之定向，亦即，並不依賴於晶面之定向。因此，即使在粗糙的圖案存在於晶圓表面上之情況下，氧化薄膜沿著粗糙圖案之表面形成為具有均一薄膜厚度。另外，由於自由基很具反應性，所以可氧化諸如矽氮化物薄膜之難以氧化之薄膜，亦即，抗氧化薄膜。
然而，儘管有上述優勢，但視待氧化之晶圓表面上的圖案表面積及/或薄膜類型而定，自由基之消耗顯著地波動。因此，需要將製程條件(諸如，氣體流動速率)最佳化以補償波動。在此情況下，有必要預先根據圖案表面積及/或薄膜類型獲得最佳化之製程條件(諸如，氣體流動速率)。然而，獲得最佳化之製程條件(諸如，氣體流動速率)需要很麻煩之調整操作。特定言之，近年來，半導體工業具有大規模製品小體積製造之趨勢。此趨勢使晶圓表面上之圖案表面積及/或薄膜類型多樣化，且因此需要若干調整操作來使各種條件最佳化。
另外，較佳地，抑制歸因於自由基之消耗的自由基之波動，使得簡化此最佳化之調整操作。舉例而言，在用於一起處理若干晶圓之批量型氧化裝置中，存在增加H2 氣體及O2 氣體之流動速率以產生若干自由基之情況。在此情況下，由於過多地產生了自由基，所以晶圓W被供應有足夠的自由基，且製程條件之調整操作可得以簡化。
然而，由於在氣體供應與燃燒反應之點燃之間存在特定時滯，所以在供應大量氣體之情況下，縮短了氣體之滯留時間。因此，燃燒反應之點燃得以延遲，且晶圓表面上之氧化速率可能會在晶圓之間變得較不均一。另外，如上所述，在供應大量氣體之情況下，氧化薄膜中之氫濃度變得較高且使薄膜品質惡化，諸如，崩潰電壓較低。
現將參看附圖描述基於以上給出之發現而達成的本發明之一實施例。在以下描述中，具有實質上相同功能及配置的構成元件由相同參考數字表示，且僅在必要時進行重複描述。
圖1為展示根據本發明之一實施例的一垂直電漿處理裝置(氧化裝置)之剖視圖。圖2為展示圖1中所示的裝置之部分之截面平面圖。氧化裝置2具有一製程場，其經安裝以選擇性地被供應有諸如O2 氣體之氧化氣體、諸如H2 氣體之去氧氣體及諸如N2 氣體之惰性氣體。氧化裝置2經安裝以在製程場中氧化目標基板(諸如，半導體晶圓)之表面。
氧化裝置2包括具有一頂及一開放底部之成形為圓柱形管柱的製程容器(反應腔室)4，在該製程容器4中界定一製程場5以容納及處理以一定間隔堆疊之複數個半導體晶圓(目標基板)。製程容器4之整體由(例如)石英製成。製程容器4之頂部具備一石英頂板6以氣密性地密封頂部。製程容器4之底部經由一密封部件10(諸如，O形環)連接至一圓柱形歧管8。製程容器可整體由一圓柱形石英柱形成，而無單獨形成之歧管8。
圓柱形歧管8由(例如)不鏽鋼製成且支撐製程容器4之底部。經由歧管8之底部埠向上及向下移動由石英製成之晶圓載舟12，使得將晶圓載舟12載入至製程容器4內及將晶圓載舟12自製程容器4缷載。將許多若干目標基板或半導體晶圓W堆疊於晶圓載舟12上。舉例而言，在此實施例中，晶圓載舟12具有支柱12A，其可支撐在垂直方向上基本上規則地間隔之具有300 mm之直徑的(例如)約50至100個晶圓。
經由以石英製成之熱絕緣圓柱14將晶圓載舟12置放於台16上。台16由一旋轉軸20支撐，該旋轉軸20穿透由(例如)不鏽鋼製成之蓋18且用於打開/關閉歧管8之底部埠。
蓋18之被旋轉軸20穿透的部分具備(例如)磁性流體密封件22，使得旋轉軸20以氣密性密封狀態可旋轉地支撐。將諸如O形環之密封部件24***於蓋18之周邊與歧管8之底部之間，使得可將製程容器4之內部保持為密封的。
旋轉軸20附著於由諸如晶圓載舟升降機之升降機構25支撐的臂26之遠端處。升降機構25將晶圓載舟12及蓋18一致地上下移動。台16可固定至蓋18，使得在並不旋轉晶圓載舟12之情況下處理晶圓W。
氣體供應區段連接至歧管8之側面以將預定製程氣體供應至製程容器4內之製程場5。具體言之，氣體供應區段包括一氧化氣體供應線路28、一去氧氣體供應線路30及一惰性氣體供應線路32。氧化氣體供應線路28經配置以供應一諸如O2 氣體之氧化氣體。可使用更具反應性的臭氧來替代O2 氣體。去氧氣體供應線路30經配置以供應一諸如H2 氣體之去氧氣體。惰性氣體供應線路32經配置以供應一諸如N2 氣體之惰性氣體，作為用於調整壓力之淨化氣體或惰性氣體。需要時，可將氧化及去氧氣體中的每一者與合適量之載氣混合。然而，為了解釋之簡單起見，下文將不提到此載氣。
更具體言之，氧化氣體供應線路28、去氧氣體供應線路30及惰性氣體供應線路32分別包括氣體分配噴嘴34、36及38，其中的每一者由自外部穿透歧管8之側壁且接著轉向且向上延伸的石英管形成(參見圖2)。氣體分配噴嘴34、36及38分別具有複數個氣體噴孔34A、36A及38A，每一組孔在縱向方向(垂直方向)上以預定間隔越過晶圓載舟12上之所有晶圓W而形成。
噴嘴34、36及38分別經由氣體供應管線(氣體通道)42、44及46分別連接至O2 氣體、H2 氣體及N2 氣體之氣體源28S、30S及32S。氣體供應管線42、44及46分別具備開關閥42A、44A及46A及諸如質量流量控制器之流動速率控制器42B、44B及46B。藉由此配置，可以經控制之流動速率來供應O2 氣體、H2 氣體及N2 氣體。
一氣體激發區段50在垂直方向上形成於製程容器4之側壁處。在製程容器4之與氣體激發區段50相對的側上，一用於真空排出內部大氣的長且細之排氣埠52藉由在(例如)垂直方向上切割製程容器4之側壁而形成。
具體言之，氣體激發區段50具有一藉由在垂直方向上切割製程容器4之一預定寬度之側壁而形成之垂直方向上長且細之開口54。開口54覆蓋有氣密性地連接至製程容器4之外表面的石英蓋56。蓋56具有一具凹入橫截面之垂直方向上長且細之形狀，使得其自製程容器4向外突出。
藉由此配置，氣體激發區段50經形成使得其自製程容器4之側壁向外突出且在另一側上連接至製程容器4之內部。換言之，氣體激發區段50之內部空間與製程容器4內之製程場5經由開口54而連通。開口54具有一足以在垂直方向上覆蓋晶圓載舟12上之所有晶圓W之垂直長度。
一對長且細之電極58安置於蓋56之相對外表面上且在縱向方向(垂直方向)上延伸之同時相互面對。電極58經由饋線62連接至用於電漿產生之RF(射頻)電源60。將例如13.56 MHz之RF電壓施加至電極58以形成RF電場，用於在電極58之間激發電漿。RF電壓之頻率不限於13.56 MHz，且可將其設定於另一頻率，例如，400 kHz。
在低於晶圓載舟12上之最低晶圓W之位置處在製程容器4之徑向方向上向外彎曲氧化氣體之氣體分配噴嘴34。接著，氣體分配噴嘴34在氣體激發區段50中在最深位置(距製程容器4之中心的最遠位置)處垂直延伸。亦如圖2中所示，將氣體分配噴嘴34自夾置於該對電極58之間的區域(RF電場幾乎最強處之位置)(亦即，實際產生主電漿之電漿產生區域PS)向外分離。使包含O2 氣體之氧化氣體自氣體分配噴嘴34之氣體噴孔34A朝向電漿產生區域PS噴射。接著，在電漿產生區域PS中激發(分解或活化)氧化氣體，且將氧化氣體以此狀態供應至晶圓載舟12上之晶圓W上。
由(例如)石英製成之絕緣保護層64附著至蓋56之外表面且覆蓋蓋56之外表面。一冷卻機構(未圖示)安置於絕緣保護層64中且包含分別面對電極58之冷卻劑通道。冷卻劑通道供應有冷卻劑(諸如，冷卻的氮氣)以冷卻電極58。絕緣保護層64覆蓋有一安置於外表面上之屏蔽(未圖示)以防止RF洩漏。
在氣體激發區段50之開口54附近及外部的位置處，(亦即，在開口54之外部之兩側上(在製程容器4內))，去氧氣體及惰性氣體之氣體分配噴嘴36及38向上延伸且相互面對。包含H2 氣體之去氧氣體及包含N2 氣體之惰性氣體分別自氣體分配噴嘴36及38之氣體噴孔36A及38A朝向製程容器4之中心噴出。氣體噴孔36A及38A形成於晶圓載舟12上之晶圓W之間的位置處以在水平方向上基本上均一地分別傳遞去氧氣體(H2 )及惰性氣體(N2 )，使得形成與晶圓W平行之氣流。
另一方面，與氣體激發區段50相對形成之排氣埠52覆蓋有一排氣埠覆蓋部件66。排氣埠覆蓋部件66由具有U形截面之石英形成，且藉由焊接而附著。排氣埠覆蓋部件66沿著製程容器4之側壁向上延伸，且在製程容器4之頂部具有一氣體出口68。氣體出口68連接至一包括一真空泵等等之真空排氣系統GE。真空排氣系統GE具有一連接至氣體出口68之排氣通道84，在排氣通道84上，一閥單元(一打開程度調整閥)86、一真空泵88及一用於移除不當物質之去毒單元89以此次序自上游側安置。
製程容器4由一外殼70包圍。外殼70在內表面上具備一加熱器72以用於加熱製程容器4內部之大氣及晶圓W。舉例而言，加熱器72由碳導線形成，該碳導線不引起污染且具有增加及降低溫度之良好特徵。一熱電偶(未圖示)安置於製程容器4中之排氣埠52附近以控制加熱器72。
氧化裝置2進一步包括一由(例如)電腦形成之主控制區段48，以控制整個裝置。主控制區段48可根據預先儲存於其記憶體中之關於(例如)待形成之薄膜的薄膜厚度及組合物的氧化製程之製程配方來控制下文所描述之氧化製程。在記憶體中，亦預先將製程氣體流動速率與薄膜之厚度及組合物之間的關係儲存為控制資料。因此，主控制區段48可基於所儲存之製程配方及控制資料來控制升降機構25、氣體供應線路28、30及32、排氣系統GE(包括閥單元86)、氣體激發區段50、加熱器72等等。
圖11為示意性地展示圖1中所示之裝置的主控制區段48之結構之方塊圖。主控制區段48包括一CPU 210，其連接至一儲存區段212、一輸入區段214及一輸出區段216。儲存區段212儲存製程程式及製程配方。輸入區段214包括與操作者互動之輸入設備，諸如，鍵盤、指標設備及儲存媒體驅動機。輸出區段216輸出用於控制處理裝置之組件的控制信號。圖11亦展示以可移除狀態附著至電腦之儲存媒體218。
可將下文描述之氧化方法作為用於在處理器上執行之程式指令而寫入至待應用至半導體處理裝置之一或多個電腦可讀儲存媒體中。或者，此種類之程式指令可藉由一或多個通信媒體來加以傳輸且藉此應用至半導體處理裝置。該或該等儲存媒體之實例為磁碟(軟性碟、硬碟(其之代表為包括於儲存區段212中之硬碟)等)、光碟(CD、DVD等)、磁光碟(MO等)及半導體記憶體。一用於控制半導體處理裝置之操作的電腦讀取儲存於該或該等儲存媒體中之程式指令，且在處理器上執行該等程式指令，藉此如下所述執行一對應方法。
圖3為展示圖1中所示的裝置之一修改之部分之截面平面圖。本發明包括一利用含有H2 之去氧氣體之活化以及含有O2 之氧化氣體之活化且同時使用圖3中所示之結構之製程。為此，圖3中所示之修改經配置使得去氧氣體之氣體分配噴嘴36'鄰近氧化氣體之氣體分配噴嘴34而定位。具體言之，在低於晶圓載舟12上之最低晶圓W之位置處在製程容器4之徑向方向上向外彎曲去氧氣體之氣體分配噴嘴36'。接著，氣體分配噴嘴36'在氣體激發區段50中之最深位置(距製程容器4之中心的最遠位置)處垂直延伸。亦如圖3中所示，將氣體分配噴嘴36'自夾置於該對電極58之間的區域(RF電場幾乎最強處之位置)(亦即，實際產生主電漿之電漿產生區域PS)向外分離。使含有H2 氣體之去氧氣體自氣體分配噴嘴36'之氣體噴孔36A朝向電漿產生區域PS噴射。接著，在電漿產生區域PS中激發(分解或活化)去氧氣體，且將去氧氣體以此狀態供應至晶圓載舟12上之晶圓W上。
接下來，將給出在圖1中所示之裝置中執行的氧化方法之解釋。總而言之，此氧化方法經配置以將包含O2 氣體之氧化氣體及包含H2 氣體之去氧氣體供應至容納晶圓W之製程場5，同時自製程場5排出氣體。將氧化氣體及去氧氣體中的一者或兩者供應至製程場5內，同時由氣體激發區段50活化。使氧化氣體與去氧氣體相互反應以在製程場5內部產生氧自由基及羥基自由基，藉此對晶圓W之表面執行氧化製程。
首先，將支撐具有300 mm之直徑的若干(例如，50至100個)晶圓的在室溫下之晶圓載舟12載入至在預定溫度下加熱之製程容器4中。晶圓由(例如)具有全部或部分暴露於表面上之矽或氧化矽薄膜之矽基板形成(作為氧化目標)。接著，真空排氣製程容器4之內部且將其保持於預定製程壓力下，且將晶圓溫度增加至用於氧化之製程溫度。裝置處於等待狀態中，直至溫度變得穩定。接著，以經控制之流動速率自氣體分配噴嘴34及36供應包含O2 氣體之氧化氣體及包含H2 氣體之去氧氣體。此時，在旋轉晶圓載舟12的同時，支撐於晶圓載舟12上之晶圓W之表面上的矽經氧化以形成氧化矽薄膜(SiO2 )。
自氣體分配噴嘴36之氣體噴孔36A供應包含H2 氣體之去氧氣體以形成與晶圓載舟12上之晶圓W平行之氣流。另一方面，自氣體分配噴嘴34之氣體噴孔34A供應包含O2 氣體之氧化氣體以形成朝向開口54之水平氣流。當氧化氣體穿過在該對電極58之間的電漿產生區域PS時，氧化氣體被選擇性地激發且部分轉變為電漿。此時，生成氧自由基O＊ (活性物質)(符號[＊ ]表示其為自由基)。自由基自氣體激發區段50之開口54朝向製程容器4之中心流出，且以層流狀態供應至在晶圓W之間的間隙中。
如此個別地供應至製程容器4中之H2 氣體及含有氧自由基之O2 氣體在擴散的同時執行燃燒反應。在此反應之過程中產生氧自由基(O＊ )、羥基自由基(OH＊ )及水蒸汽(H2 O)，藉由氧自由基(O＊ )、羥基自由基(OH＊ )及水蒸汽(H2 O)，晶圓表面上之矽經氧化以形成氧化矽薄膜。如上所述，藉由使用電漿產生反應性氧自由基且接著將其用於燃燒反應以產生氧化所必需之自由基。因此，總體上可產生大量氧自由基，且接著該等氧自由基促進晶圓表面之氧化，使得以高速率形成氧化薄膜。
在習知裝置中，當氣體在製程場內部自上游側流動至下游側時，自由基逐漸經消耗以用於執行氧化。在此情況下，視晶圓表面上之圖案形狀(表面積)及薄膜類型而定，自由基之消耗傾向於顯著地波動。因此，為了維持薄膜厚度之高度再現性，需要預先執行很複雜之調整操作，使得根據晶圓表面上之圖案表面積及/或薄膜類型獲得最佳化之製程條件(諸如，氣體流動速率)。
然而，如上所述，除了藉由使用燃燒反應產生自由基之外，根據此實施例之方法經配置以藉由使用氣流之上游側上之電漿產生氧自由基。在此情況下，由於可使用大量自由基(氧自由基)，所以減小了自由基之波動速率之相對值。因此，即使在晶圓表面上之圖案表面積及/或薄膜類型如上所述改變之情況下，對於製程條件之調整操作變得較不必要。換言之，有可能簡化在獲得最佳化之製程條件(諸如，氣體流動速率)過程中的調整操作。
另外，在將含有預先由電漿產生之若干自由基之O2 氣體供應至製程場的情況下，其毫無延遲地立即開始與H2 氣體之燃燒反應。在此情況下，晶圓表面上之氧化速率在晶圓之間及每一晶圓表面上變得較均一。另外，在不使用大量H2 氣體之情況下，可將薄膜形成速率及薄膜厚度之平坦及基板間均一性設定為充分高的位準。因此，薄膜中之氫濃度減小如此多，使得諸如崩潰電壓及漏電流之薄膜品質得以改良。
可在下列製程條件下執行上述氧化製程，但此等條件並非為限制性的。具體言之，根據下層設備之耐熱性，將製程溫度設定為處於自室溫至1,050℃之範圍內，且較佳地自400℃至750℃之範圍內。將製程壓力設定為小於466 Pa(3.5 Torr)。若製程壓力不小於466 Pa，則薄膜厚度之基板間均一性及平坦均一性不當地變得過低。將O2 氣體之流動速率設定為處於1 sccm(每分鐘標準立方公分)至10 slm(每分鐘標準公升)之範圍內。將H2 氣體之流動速率設定為處於1 sccm至5 slm之範圍內。藉由使用此等條件，有可能改良氧化薄膜之平坦均一性及薄膜品質，同時達到相對高的氧化速率。
<實驗1：藉由O2 電漿之氧化速率之改良>
關於根據上述實施例之氧化方法，就對氧化速率之影響檢查得自電漿之氧自由基。在一比較實例CE1中，藉由使用O2 氣體及H2 氣體之習知方法執行氧化製程(無O2 電漿)。在一當前實例PE1中，藉由根據上述實施例之使用O2 氣體及H2 氣體之方法執行氧化製程(具有O2 電漿)。此實驗使用包括850℃之製程溫度、0.35 Torr之製程壓力、2 slm之O2 氣體流動速率及30分鐘之製程時間的製程條件。
圖4為展示在比較實例CE1及當前實例PE1中的薄膜厚度與氫之流動速率相對於氫與氧之總氣體流動速率之比率之間的關係之曲線圖。在圖4中所示之曲線圖中，線A1指示比較實例CE1之特徵。線B1指示當前實例PE1之特徵。水平軸表示H2 氣體之流動速率相對於O2 氣體與H2 氣體之總流動速率之比率[H2 /(H2 ＋O2 )]。
如圖4中所示，在比較實例CE1中，當H2 氣體之流動速率之比率為約33%時，薄膜厚度達到約7 nm之飽和點。在當前實例PE1中，當H2 氣體之流動速率之比率僅為約3%時，薄膜厚度達到相同的薄膜厚度(薄膜形成速率)。如由線A1及B1指示，線B1係自線A1且整體與A1平行地向上位移。因此，吾人確定當前實例PE1顯著地整體改良薄膜形成速率(氧化速率)。
換言之，即使H2 氣體之流動速率減小了，當前實例亦可達到與比較實例CE1相同的薄膜形成速率。因此，薄膜中之氫濃度可減小如此多，藉此改良薄膜品質及特性。
<實驗2：藉由O2 電漿之載入效應之抑制>
執行O2 電漿對載入效應之影響的模擬。載入效應為關於一具體晶圓周圍之表面狀態如何改變該具體晶圓上之薄膜形成速率(薄膜厚度)之效應。在此實驗中，將置放於具體晶圓周圍的晶圓之表面設定為兩種不同薄膜類型，使得檢查其對具體晶圓上之薄膜形成速率之效應。其中的一者為不消耗如此多之自由基之薄膜類型(SiO2 )，且另一者為消耗大量自由基之薄膜類型(Si)。
具體言之，作為第一組，由具有暴露之矽表面的矽晶圓形成之5個監視晶圓均一地分布於具有覆蓋有薄的SiO2 薄膜之表面的45個矽晶圓之一陣列中。作為第二組，如在第一組中，由具有暴露之矽表面的矽晶圓形成之5個監視晶圓均一地分布於具有暴露之矽表面的45個矽晶圓之一陣列中。用於第一組及第二組中之監視晶圓基本上相同。
在一比較實例CE2中，藉由使用O2 氣體及H2 氣體之習知方法對第一組及第二組之晶圓執行氧化製程(無O2 電漿)。在一當前實例PE2中，藉由根據上述實施例之使用O2 氣體及H2 氣體之方法對第一組及第二組之晶圓執行氧化製程(具有O2 電漿)。接著，量測在監視晶圓之表面上藉由氧化形成之SiO2 薄膜之厚度且計算其平均值。此實驗使用包括850℃之製程溫度、0.35 Torr之製程壓力、2 slm之O2 氣體流動速率、1 slm之H2 氣體流動速率及30分鐘之製程時間的製程條件。
圖5為展示作為比較實例CE2及當前實例PE2之載入效應的薄膜厚度之量測值之曲線圖。關於第一組G1，比較實例CE2及當前實例PE2兩者皆表現出6.90 nm之SiO2 薄膜厚度。吾人認為此歸因於以下事實：在第一組G1中，監視晶圓由具有覆蓋有SiO2 薄膜之表面的晶圓包圍。在此情況下，由於包圍之晶圓並不消耗如此多自由基，所以監視晶圓被供應有大量自由基，其導致充分的氧化。
關於第二組G2，比較實例CE2表現出6.18 nm之SiO2 薄膜厚度。當前實例PE2表現出6.28 nm之SiO2 薄膜厚度。吾人認為此歸因於以下事實：在第二組G2中，監視晶圓由具有暴露之矽表面的晶圓包圍。在此情況下，由於包圍之晶圓消耗大量自由基，所以監視晶圓被供應有較少量自由基，其導致較低氧化速率。
在此方面，比較實例CE2在薄膜厚度上表現出0.72 nm之減小，而當前實例PE2在薄膜厚度上表現出0.62 nm之減小。由於當前實例PE3經配置以預先產生氧自由基，所以與比較實例CE3相比，薄膜厚度之減小變得小了0.1 nm(＝0.72－0.62 nm)。此薄膜厚度之0.1 nm之差異係顯著的，因為當前使用之實際標準需要按約一奈米來控制薄膜厚度。
另外，在氧化不太受到如上所述之包圍晶圓之薄膜類型或類似者之影響的情況下，可帶來一優勢：製程條件之調整並非必要或在量上減小了，即使在如先前所描述之圖案表面積及/或薄膜類型改變之情況下。
<實驗3：O2 電漿對點燃之促進>
執行對O2 電漿對燃燒反應之點燃之促進的模擬。在一比較實例CE3中，藉由使用O2 氣體及H2 氣體之習知方法執行氧化製程(無O2 電漿)。在當前實例PE3A及PE3B中，藉由根據上述實施例之使用O2 氣體及H2 氣體之方法執行氧化製程(具有O2 電漿)，同時分別將O＊ 之初始值設定為0.1%及10%。
圖6為展示比較實例CE3及當前實例PE3A及PE3B中的氧自由基之濃度之改變之曲線圖。在圖6中，水平軸表示在存在製程場之氣流方向上自氣體供應位置朝向下游側之距離。垂直軸表示氧自由基之濃度。水平軸不僅可應用至自製程容器之一側水平地供應氣體且自相對側排出氣體的上述實施例，亦可應用至如稍後所描述之氣體在製程容器內部在垂直方向上流動之情況。
如圖6中所示，在比較實例CE3中，當供應O2 氣體及H2 氣體時，燃燒反應不久後開始，且氧自由基之濃度逐漸增加。即使在開始消耗氧自由基後，濃度仍增加，幾乎直至氣體被排盡。此意謂由燃燒產生之氧自由基之數目大於消耗數目。
另一方面，在將氧自由基(O＊ )之初始值設定為0.1%之當前實例PE3A中，由於預先使氧活化，所以無燃燒之區域被移除或變窄了。在此情況下，氧自由基之濃度在供應位置處相對高，且接著逐漸增加。然而，在流動之中途，濃度表現出與比較實例CE3相同的特徵線。
在將氧自由基(O＊ )之初始值設定為10%之當前實例PE3B中，在供應位置處，氧自由基之濃度很高(諸如，約6%)，且因此接著逐漸減小。然而，與比較實例CE3相比，濃度穩定在較高位準，直至氣體被排盡。
如上所述，在將氧自由基之初始值(初始供應濃度)控制為處於(例如)0.1%至10%之範圍內的情況下，可靈活地控制製程場內的氧自由基之濃度。在此方面，將氧自由基之初始值設定為0.001%以檢驗其效應，且導致與比較實例CE3相同的特徵線。
<因O2 電漿的薄膜中之氫組份之減少>
接下來，將給出O2 電漿對薄膜中含有之氫組份之影響的解釋。圖7為展示SiO2 薄膜之崩潰電壓與H2 相對於總氣體流動速率之百分比之間的關係之曲線圖。顯而易見，隨著H2 百分比之減小，崩潰電壓特徵得以改良。因此，如參看圖4所描述，在供應O2 電漿使得H2 百分比變得較低之情況下，有可能提供具有良好薄膜品質及特性之SiO2 薄膜，同時維持高的氧化速率。
圖8A及圖8B為各自示意性地展示氫(H)組份正被移除之SiO2 薄膜之狀態之視圖。圖8A展示一習知方法，其中氧自由基(O＊ )之數目少，而圖8B展示根據上述實施例之一方法，其中氧自由基之數目較多。如圖8A及圖8B中所示，氧自由基用以自薄膜擊出氫(H)組份作為"OH"或"H2O"。因此，如圖8B中所示，隨著氧自由基之增加，薄膜中之氫組份減少了，因此薄膜中之氫濃度變得較低。
上述實施例為由氣體激發區段50中之RF(射頻)產生之電漿活化氣體之類型。然而，可使用紫外線或觸媒替代RF，或者可使用RF、紫外線及觸媒中的兩者或兩者以上之組合。圖9A及圖9B為展示氣體激發區段之不同修改之視圖。圖9A及圖9B中所示之修改中的每一者可提供與如上所述使用RF之情況相同的效應。
具體言之，根據圖9A中所示之修改的氣體激發區段50X包括一安置於激發區段蓋56外部之用於發射紫外線之紫外線燈90。由自紫外線燈90發射之紫外線活化以氧產生氧自由基。根據圖9B中所示之修改的氣體激發區段50Y包括一觸媒92，其安置於激發區段蓋56之開口處且在其縱向方向上延伸。由觸媒92活化氧以產生氧自由基。觸媒可為熱鎢體，其由(例如)供應有電且藉此得以加熱之螺旋鎢導線形成。
在圖1之裝置中，氣體激發區段50安置於製程容器4之側壁上，且在水平方向上自氣體噴孔傳遞製程氣體，且自相對側上之排氣埠56排出製程氣體。替代此結構，可使製程氣體在製程容器4內部自上向下流動或自下向上流動。圖10為示意性地展示氧化裝置之修改之視圖。在圖10中，具有與圖1中所示之實質上相同功能及配置之構成元件由相同參考數字表示。
在圖10中所示之裝置中，製程容器4在底側面上包括一歧管8，直管噴嘴94、96及98連接至歧管8以分別供應O2 氣體、H2 氣體及N2 氣體。用於O2 氣體之噴嘴94具備(例如)一電漿產生器100作為氣體激發區段50，在該電漿產生器100中產生氧自由基。供應至製程容器4中之氣體向上流動，同時引起燃燒反應且與晶圓之表面接觸。此結構亦可提供與圖1中所示之氧化裝置相同的效應。
上述實施例經配置以僅活化O2 氣體。然而，舉例而言，如圖3中所示，可活化O2 氣體與H2 氣體兩者。或者，圖2中所示之結構可經修改以使氧化氣體噴嘴24與去氧氣體噴嘴36相互交換位置以僅活化H2 氣體。上述實施例經配置以藉由安置於自製程場5之上游之氣體激發區段而活化氧化氣體。然而，替代提供此上游氣體激發區段，加熱器72可經控制以將用於活化氧化氣體及去氧氣體之合適溫度設定為高達一必要位準。在此情況下，用於激發製程氣體之機構僅由加熱器形成。
在上述實施例中，氧化氣體為O2 氣體，而去氧氣體為H2 氣體，但此並非為限制性的。氧化氣體可為選自由O2 、N2 O、NO、NO2 及O3 組成之群的一或多種氣體。去氧氣體可為選自由H2 、NH3 、碳氫化物、HCl、D2 （下文中D指示氘)、ND3、氘化碳及DCl組成之群的一或多種氣體。
上述實施例由矽暴露於半導體晶圓之表面上的情況舉例說明，但此並非為限制性的。可將本發明應用至對暴露於表面上之氧化矽薄膜、矽氮化物薄膜、金屬薄膜、金屬氧化物薄膜或金屬氮化物薄膜執行氧化之情況。在於表面上存在氧化矽薄膜之情況下，氧化矽薄膜之厚度因氧化而增加。
上述實施例由同時一起加工複數個晶圓之批量型氧化裝置舉例說明，但此並非為限制性的。可將本發明應用至逐個加工晶圓之單一晶圓型氧化裝置。
上述實施例由目標基板為半導體晶圓的情況舉例說明，但此並非為限制性的。可將本發明應用至玻璃基板、LCD基板或陶瓷基板。
對於熟習此項技術者而言，將易於瞭解額外優勢及修改。因此，本發明在其較廣泛態樣中並不限於本文中展示且描述之具體細節及代表性實施例。因此，在不背離如由隨附申請專利範圍及其等效內容所界定之總體發明性概念的精神或範疇之情況下可進行各種修改。
2．．．氧化裝置
4．．．製程容器
5．．．製程場
6．．．石英頂板
8．．．歧管
10．．．密封部件
12．．．晶圓載舟
12A．．．支柱
14．．．熱絕緣圓柱
16．．．台
18．．．蓋
20．．．旋轉軸
22．．．磁性流體密封件
24．．．密封部件
25．．．升降機構
26．．．臂
28．．．氧化氣體供應線路
28S．．．氣體源
30．．．去氧氣體供應線路
30S．．．氣體源
32．．．惰性氣體供應線路
32S．．．氣體源
34．．．氣體分配噴嘴
34A．．．氣體噴孔
36．．．氣體分配噴嘴
36A．．．氣體噴孔
38．．．氣體分配噴嘴
38A．．．氣體噴孔
42．．．氣體供應管線(氣體通道)
42A．．．開關閥
42B．．．流動速率控制器
44．．．氣體供應管線(氣體通道)
44A．．．開關閥
44B．．．流動速率控制器
46．．．氣體供應管線(氣體通道)
46A．．．開關閥
46B．．．流動速率控制器
48．．．主控制區段
50．．．氣體激發區段
50X．．．修改的氣體激發區段
50Y．．．修改的氣體激發區段
52．．．排氣埠
54．．．開口
56．．．石英蓋
58．．．電極
60．．．RF(射頻)電源
62．．．饋線
64．．．絕緣保護層
66．．．排氣埠覆蓋部件
68．．．氣體出口
70．．．外殼
72．．．加熱器
84．．．排氣通道
86．．．閥單元
88．．．真空泵
89．．．去毒單元
90．．．紫外線燈
92．．．觸媒
94．．．直管噴嘴
96．．．直管噴嘴
98．．．直管噴嘴
100．．．電漿產生器
210．．．CPU
212．．．儲存區段
214．．．輸入區段
216．．．輸出區段
218．．．儲存媒體
A1．．．線
B1．．．線
CE1．．．比較實例
CE2．．．比較實例
CE3．．．比較實例
GE．．．真空排氣系統
PE1．．．當前實例
PE2．．．當前實例
PE3．．．A當前實例
PE3B．．．當前實例
PS．．．電漿產生區域
W．．．半導體晶圓
圖1為展示根據本發明之一實施例的一垂直電漿處理裝置(氧化裝置)之剖視圖；圖2為展示圖1中所示的裝置之部分之截面平面圖；圖3為展示圖1中所示的裝置之一修改之部分之截面平面圖；圖4為展示在一比較實例CE1及一當前實例PE1中的薄膜厚度與氫之流動速率相對於氫與氧之總氣體流動速率之比率之間的關係之曲線圖；圖5為展示作為一比較實例CE2及一當前實例PE2之載入效應的薄膜厚度之量測值之曲線圖；圖6為展示比較實例CE3及當前實例PE3A及PE3B中的氧自由基之濃度之改變之曲線圖；圖7為展示SiO2 薄膜之崩潰電壓與H2 相對於總氣體流動速率之百分比之間的關係之曲線圖；圖8A及圖8B為各自示意性地展示氫(H)組份正被移除之SiO2 薄膜之狀態之視圖；圖9A及圖9B為展示氣體激發區段之不同修改之視圖；圖10為示意性地展示氧化裝置之修改之視圖；及圖11為示意性地展示用於圖1中所示之裝置中的主控制區段之結構之方塊圖。
2．．．氧化裝置
4．．．製程容器
5．．．製程場
6．．．石英頂板
8．．．歧管
10．．．密封部件
12．．．晶圓載舟
12A．．．支柱
14．．．熱絕緣圓柱
16．．．台
18．．．蓋
20．．．旋轉軸
22．．．磁性流體密封件
24．．．密封部件
25．．．升降機構
26．．．臂
28．．．氧化氣體供應線路
28S．．．氣體源
30．．．去氧氣體供應線路
30S．．．氣體源
32．．．惰性氣體供應線路
32S．．．氣體源
34．．．氣體分配噴嘴
34A．．．氣體噴孔
36．．．氣體分配噴嘴
36A．．．氣體噴孔
38．．．氣體分配噴嘴
42．．．氣體供應管線(氣體通道)
42A．．．開關閥
42B．．．流動速率控制器
44．．．氣體供應管線(氣體通道)
44A．．．開關閥
44B．．．流動速率控制器
46．．．氣體供應管線(氣體通道)
46A．．．開關閥
46B．．．流動速率控制器
48．．．主控制區段
50．．．氣體激發區段
52．．．排氣埠
54．．．開口
56．．．石英蓋
58．．．電極
60．．．RF(射頻)電源
62．．．饋線
64．．．絕緣保護層
66．．．排氣埠覆蓋部件
68．．．氣體出口
70．．．外殼
72．．．加熱器
84．．．排氣通道
86．．．閥單元
88．．．真空泵
89．．．去毒單元

Claims (15)

  1. 一種半導體製程用氧化方法，其包含以下步驟：將複數個目標基板在一垂直方向上以特定間隔置放於一製程容器之一製程場內；分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一者存在於橫跨一與該製程場在一垂直方向上對應之長度；於一氣體激發場中以激發機構活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者，該氣體激發場在垂直方向上形成於該製程容器之側壁處，且經由一形成於該製程容器之側壁之開口與該製程場連通；經由一排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠係與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，藉此使該氧化氣體及該去氧氣體沿著該等目標基板之表面流動；使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基；及藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之該等表面執行一氧化製程。
  2. 如請求項1之方法，其中該排氣埠存在於橫跨一與該製程場在一垂直方向上對應之長度。
  3. 如請求項1之方法，其中該激發機構係安置於該製程場之上游。
  4. 如請求項1之方法，其中該活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者之步驟係藉由使用選自由一加熱器、電漿、紫外線及一觸媒組成之群的一或多種媒介而執行。
  5. 如請求項1之方法，其中該目標基板之該等表面由一矽或氧化矽層界定。
  6. 如請求項1之方法，其中該氧化製程經配置以使用466 Pa(3.5 Torr)或較小之一製程壓力。
  7. 如請求項1之方法，其中該氧化製程經配置以使用自室溫至1,050℃之一製程溫度。
  8. 如請求項1之方法，其中該氧化氣體包含選自由O2 、N2 O、NO、NO2 及O3 組成之群的一或多種氣體。
  9. 如請求項1之方法，其中該去氧氣體包含選自由H2 、NH3 、碳氫化物、HCl、D2 (下文中D指示氘)、ND3 、氘化碳及DCl組成之群的一或多種氣體。
  10. 一種半導體製程用氧化裝置，其包含：一製程容器，其具有一經安裝以容納在一垂直方向上以特定間隔間隔之複數個目標基板之製程場；一氣體供應系統，其經安裝以分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠，將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一 者存在於橫跨一與該製程場在一垂直方向上對應之長度；一激發機構，其經安裝以於一氣體激發場中活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者，該氣體激發場在垂直方向上形成於該製程容器之側壁處，且經由一形成於該製程容器之側壁之開口與該製程場連通；及一排氣系統，其經安裝以經由一排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠係與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置，且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，其中使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基，且藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之表面執行一氧化製程。
  11. 如請求項10之裝置，其中該排氣埠存在於橫跨一與該製程場在一垂直方向上對應之長度。
  12. 如請求項10之裝置，其中該激發機構安置於該製程場之上游。
  13. 如請求項12之裝置，其中該激發機構與該製程容器整合。
  14. 如請求項12之裝置，其中該激發機構經安裝以利用選自由一加熱器、電漿、紫外線及一觸媒組成之群的一或多種媒介。
  15. 一種含有用於在一處理器上執行之程式指令之電腦可讀 媒體，其中該等程式指令由該處理器執行時，控制一半導體製程用氧化裝置以進行一氧化方法，該氧化方法包含：將複數個目標基板在一垂直方向上以特定間隔置放於一製程容器之一製程場內；分別經由在該製程場之一側上鄰近該等目標基板而安置之第一氣體供應埠及第二氣體供應埠將一氧化氣體及一去氧氣體供應至該製程場，該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠中的每一者存在於橫跨一與該製程場在一垂直方向上對應之長度；於一氣體激發場中以激發機構活化該氧化氣體及該去氧氣體中的一者或兩者，該氣體激發場在垂直方向上形成於該製程容器之側壁處，且經由一形成於該製程容器之側壁之開口與該製程場連通；經由一排氣埠自該製程場排出氣體，該排氣埠係與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠相對安置，且該製程場***於該排氣埠與該第一氣體供應埠及該第二氣體供應埠之間，藉此使該氧化氣體及該去氧氣體沿著該等目標基板之表面流動；使該氧化氣體與該去氧氣體相互反應，藉此在該製程場內產生氧自由基及羥基自由基；及藉由使用該等氧自由基及該等羥基自由基對該目標基板之該等表面執行一氧化製程。
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