專利名稱：用于流動式cvd間隙填充的富含氧化物的襯墊層的制作方法
用于流動式CVD間隙填充的富含氧化物的襯墊層
相關(guān)申請的交叉引用
本申請是由Li等人于2011年6月3日提出的名稱為“用于流動式CVD間隙填充的富含氧化物的襯墊層”的美國專利申請?zhí)?3/153,016的PCT申請，并且涉及并主張由Li 等人于2010年7月30日提出的名稱為“用于流動式CVD間隙填充的富含氧化物的襯墊層” 的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/369，352的優(yōu)先權(quán)，這些申請的全部內(nèi)容出于所有目的通過引用結(jié)合于此。
發(fā)明背景
從數(shù)十年前引入半導(dǎo)體器件以來，半導(dǎo)體器件的幾何形態(tài)已在尺寸上劇烈地減小?，F(xiàn)代的半導(dǎo)體制造設(shè)備例行性生產(chǎn)具有45nm、32nm、及28nm的特征結(jié)構(gòu)尺寸的器件，而目前正開發(fā)和實(shí)現(xiàn)新的設(shè)備以制作具有更小幾何形態(tài)的器件。減小的特征結(jié)構(gòu)尺寸造成器件上的結(jié)構(gòu)性特征的空間尺度減小。器件上間隙與溝槽的寬度變窄到間隙深度對寬度的深寬比高得足以導(dǎo)致介電材料填充間隙相當(dāng)不易的程度。間隙完全填充之前，沉積的介電材料傾向阻塞在頂部，從而產(chǎn)生間隙中間部的空洞或接縫(seam)。
幾年來，已開發(fā)許多技術(shù)避免介電材料阻塞間隙頂部，或“愈合(heal)”已形成的該空洞或接縫。一項(xiàng)解決方案是始于高度可流動的前體材料，該前體材料可以液相施加到旋轉(zhuǎn)基板表面(例如SOG沉積技術(shù))。這些可流動的前體能夠流進(jìn)并且填充非常小的基板間隙，而不形成空洞或脆弱的接縫。然而，一旦這些高度流動的材料沉積，它們必須被硬化成固體介電材料。
在許多例子中，硬化的制程包括熱處理，以從沉積的材料移除碳與羥基，而將固體介電質(zhì)(諸如硅氧化物)留下。不幸的是，離開的碳與羥基物質(zhì)經(jīng)常留下孔隙于硬化的介電質(zhì)中，該孔隙會降低最終材料的品質(zhì)。此外，硬化的介電質(zhì)也傾向在體積上皺縮，該皺縮可能會在介電質(zhì)與周圍基板的界面處留下破裂以及空間。在一些例子中，硬化的介電質(zhì)的體積可能減小40%以上。
因此，需要一些新的沉積制程與材料來形成介電材料于結(jié)構(gòu)化基板上而不生成空洞、接縫、或前述二者于基板間隙與溝槽中。亦需要一些材料與方法用于硬化可流動介電材料且具有較少孔隙與較少皺縮，及用于調(diào)適仍會發(fā)生的皺縮。這些與其他的需求在本申請中獲得解決。發(fā)明內(nèi)容
在此描述空洞體積比例降低的間隙填充氧化硅層的形成。該沉積涉及在缺少氧較可流動的間隙填充層之前形成富含氧較不可流動的襯墊層。然而，該襯墊層在與間隙填充層相同的腔室內(nèi)沉積。襯墊層與間隙填充層二者可通過使自由基成份與未激發(fā)的含硅前體 (即不直接通過施加等離子體功率而被激發(fā))組合而形成。襯墊層比間隙填充層具更多的氧含量并且更加共形地沉積。間隙填充層的沉積速率可藉由襯墊層的存在而增加。間隙填充層可含有硅、氧與氮，并且該間隙填充層在高溫下轉(zhuǎn)化以含有更多氧與更少氮。間隙填充襯墊的存在提供了間隙填充層下方的氧源，以增大在轉(zhuǎn)化期間引入的氣相氧。
本發(fā)明的實(shí)施例包括一些在含有溝槽的圖案化基板上形成氧化硅層的方法。這些方法包括將該基板傳送進(jìn)入基板處理腔室，以及隨后在包括該溝槽的該基板上形成富含氧的襯墊層。這些方法進(jìn)一步包括在該基板上與該溝槽中形成間隙填充介電層。該間隙填充介電層具有一氧含量，該間隙填充介電層的氧含量低于該富含氧的襯墊層的氧含量，并且該間隙填充介電層在形成期間可流動。這些方法進(jìn)一步包括在高溫下固化該間隙填充介電層以將一些氧從該富含氧的襯墊層轉(zhuǎn)移進(jìn)入該間隙填充介電層。
額外的實(shí)施例與特征部分在隨后的描述部分中提出，而部分對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在詳閱本說明書后可知這些實(shí)施例與特征為顯而易見，或者可由實(shí)踐所揭露的實(shí)施例而學(xué)得?？赏ㄟ^本說明書中所述的設(shè)備、各式組合及方法而明了及獲得所揭露的實(shí)施例的特征與優(yōu)點(diǎn)。


在此描述空洞體積比例降低的間隙填充氧化硅層的形成。該沉積涉及在缺少氧較可流動的間隙填充層之前形成富含氧較不可流動的襯墊層。然而，該襯墊層在與間隙填充層相同的腔室內(nèi)沉積。襯墊層與間隙填充層二者可通過使自由基成份與未激發(fā)的含硅前體 (即不直接通過施加等離子體功率而被激發(fā))組合而形成。襯墊層比間隙填充層具更多的氧含量并且更加共形地沉積。間隙填充層的沉積速率可藉由襯墊層的存在而增加。間隙填充層可含有硅、氧與氮，并且該間隙填充層在高溫下轉(zhuǎn)化以含有更多氧與更少氮。間隙填充襯墊的存在提供了間隙填充層下方的氧源，以增大在轉(zhuǎn)化期間引入的氣相氧。
圖1是流程圖，該流程圖說明根據(jù)揭露的實(shí)施例用于制作空洞減少的氧化硅間隙填充介電層的所選步驟。
圖2是根據(jù)揭露的實(shí)施例的多層介電膜的剖面圖。
圖3A是根據(jù)所揭露的實(shí)施例的不具有富含氧化物的襯墊層的氧化硅間隙填充物的剖面圖。
圖3B是根據(jù)所揭露的實(shí)施例的具有富含氧化物的襯墊層的氧化硅間隙填充物的剖面圖。
圖4顯示根據(jù)所揭露的實(shí)施例的基板處理系統(tǒng)。
圖5A顯示根據(jù)所揭露的實(shí)施例的基板處理腔室。
圖5B顯示根據(jù)所揭露的實(shí)施例的基板處理腔室的噴頭。
具體實(shí)施方式
在此描述間隙填充氧化硅層的形成，該間隙填充氧化硅層具有減少的破裂傾向。 該沉積涉及可流動含硅層的形成，該形成助于填充溝槽。后續(xù)在高基板溫度的處理使得該介電膜中的破裂少于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法形成的可流動膜中的破裂。在此描述在間隙填充氧化硅層形成前沉積的壓縮性襯墊層，且該壓縮性襯墊層減少后續(xù)沉積膜破裂的傾向。可流動含娃層之后沉積的壓縮性帽蓋層(capping layer)亦已被確認(rèn)可減少破裂。可單獨(dú)使用或組合使用壓縮性襯墊層與壓縮性帽蓋層以減少破裂。所揭露的實(shí)施例中的壓縮性帽蓋層已另外被確認(rèn)能使下伏的氮化硅層得以轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸鑼印?br> 包含氧含量高于 后續(xù)間隙填充層的襯墊層提供了間隙填充層下方的另一個(gè)氧源，以在將間隙填充層轉(zhuǎn)化成氧化硅期間使用?？闪鲃拥哪た赡苄枰袒摴袒癁楠?dú)立的固化步驟或?yàn)楹罄m(xù)處理期間加熱膜堆迭(包括間隙填充膜)的自然副作用。固化可在含氧環(huán)境中完成，氧從該含氧環(huán)境遷移進(jìn)入間隙填充層并且取代使間隙填充層流入圖案化基板上的溝槽所必需的成份。一旦間隙填充層已填充溝槽，那些成份可移除。固化是以氧取代這些成份，現(xiàn)在有些氧從富含氧化物的襯墊層擴(kuò)散進(jìn)入間隙填充層。
為了更佳地了解與認(rèn)識本發(fā)明，現(xiàn)在請參閱圖1至圖3，這些圖是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用富含氧化物襯墊層的所選步驟的流程圖以及結(jié)合富含氧化物襯墊層的結(jié)構(gòu)的剖面視圖。方法100包括將具有溝槽的圖案化基板傳送進(jìn)入基板處理區(qū)域102。在該范例中，氧化硅襯墊層沉積在圖案化基板上104。圖2顯示富含氧化物的襯墊層從基板200生長蔓延到虛線202。圖3B顯示富含氧化物的襯墊生長到圖案化基板300中的溝槽上的虛線 302。在襯墊層沉積后，間隙填充介電層在步驟106-110中通過CVD生長。間隙填充介電層在形成期間可流動，以便于更完全地填充溝槽。間隙填充介電層204、304-2各描繪于圖2 與圖3B中。富含氧化物的襯墊層比間隙填充介電層更為共形，且在一些揭露的實(shí)施例中， 該富含氧化物的襯墊層可大體上是共形的。間隙填充介電層可實(shí)質(zhì)上填充該溝槽。
各種方法可用于沉積在形成期間可流動的間隙填充介電層。在圖1的范例中，將硅前體引入容置基板的基板處理區(qū)域106。另一前體僅在該另一前體通過遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域以生成“自由基氮”前體之后被引入，該“自由基氮”前體隨后流進(jìn)基板處理區(qū)域108，并且與硅前體組合。該含硅前體不直接通過施加等離子體功率而被激發(fā)。換言之，不施加等離子體功率激發(fā)基板處理區(qū)域中的等離子體。此設(shè)置造成含硅與氮層以可流動式沉積進(jìn)入該有襯墊的溝槽110。膜的流動性隨沉積進(jìn)行而衰減，且在固化操作期間，基本上除去該流動性。固化操作涉及將含硅與氮層轉(zhuǎn)化成氧化硅112。固化涉及升高圖案化基板的溫度并且將間隙填充介電層暴露到含氧環(huán)境。富含氧化物的襯墊層的氧含量大于含娃與氮間隙填充層的氧含量。該高溫誘導(dǎo)氧化物從襯墊層擴(kuò)散進(jìn)入間隙填充層，而從間隙填充介電層下方提供額外氧源。
在揭露的實(shí)施例中，自由基成份的CVD用于形成富含氧化物的襯墊與間隙填充層。該二操作是在相同的基板處理區(qū)域中執(zhí)行，以減少操作成本、增加處理量、并且維持界面的整體性。含硅前體可含有碳或氮以確保間隙填充介電層形成期間的流動性。在揭露的實(shí)施例中，含硅前體是無碳的含硅前體，該無碳的含硅前體使間隙填充層在固化制程期間經(jīng)歷較少皺縮。該無碳的硅前體例如可為硅與氮的前體、硅與氫的前體、或含硅與氮與氫的前體，以及其他種類的娃前體。這些前體的特定范例可包括娃燒胺(siyl-amine),諸如 H2N(SiH3)、HN(SiH3)2、和N(SiH3)3,以及其他硅烷胺。這些硅烷胺可與額外氣體混合，該額外氣體可做為載氣、反應(yīng)氣體、或前述二者。這些額外氣體的范例可包括氫氣、氮?dú)?、氨氣、氦氣、與氬氣，以及其他氣體。無碳的硅前體的范例亦可包括單獨(dú)的甲硅烷(SiH4)或與其他含硅氣體(例如N(SiH3)3)、含氫氣體(例如氫氣)、及/或含氮?dú)怏w(例如氮?dú)狻睔?混合的甲硅烷。該含硅前體亦可包括不具有碳或氮的硅化合物，諸如單硅烷、二硅烷(disiIane)等。 倘若沉積的氧化物膜是摻雜的氧化物膜，亦可使用摻質(zhì)前體，諸如TEB、TMB、B2H6、TEPO、PH3、 P2H6、與TMP，以及其他硼及磷摻質(zhì)。
自由基前體與含硅 前體中的任一者或二者中可包括氮。當(dāng)?shù)嬖谟谧杂苫绑w時(shí)，氮可指自由基氮前體。自由基氮前體包括等離子體流出物(plasmaeffluent),該等離子體流出物是通過激發(fā)等離子體中較穩(wěn)定的含氮前體生成。例如，含有NH3及/或聯(lián)氨(N2H4) 的相對穩(wěn)定的含氮前體可在腔室等離子體區(qū)域或處理腔室外的遠(yuǎn)端等離子體系統(tǒng)(RPS)中受活化，以形成自由基氮前體，該自由基氮前體隨后輸送進(jìn)入無等離子體的基板處理區(qū)域。 該穩(wěn)定的氮前體亦可為混合物，在不同實(shí)施例中，該混合物包含NH3與N2、NH3與H2、NH3與N2 與H2、及N2與H2。在具有N2與H2的混合物中，聯(lián)氨亦可用于取代NH3或與NH3組合。穩(wěn)定的氮前體的流率在不同實(shí)施例中可大于200sccm或約200sccm、大于300sccm或約300sccm、 大于500sccm或約500sccm、或者是大于700sccm或約700sccm。含氮前體亦可包括N20、 NO、NO2與ΝΗ40Η。所產(chǎn)生的自由基氮前體可包括· N、· NH、· NH2等中的一者或多者且亦可伴隨等離子體中形成的離子化物質(zhì)。其他實(shí)施例中，自由基氮前體在與基板處理區(qū)域(在該基板處理區(qū)域處，前體混合并且反應(yīng)而沉積硅與氮層于沉積基板上(例如半導(dǎo)體晶圓))分隔的處理腔室的一區(qū)段中生成。該分隔亦可互換地稱作噴頭。自由基氮前體亦可伴隨諸如氬氣、氦氣等載氣?？赏瑫r(shí)遞送氧進(jìn)入遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域(以O(shè)2及/或O3的形式)，以調(diào)整自由基氮前體與以此技術(shù)沉積的襯墊或間隙填充層中的氧含量。
使用以現(xiàn)有技術(shù)的間隙填充技術(shù)(例如HDP-CVD)生產(chǎn)的較不可流動的膜時(shí)，可能難以在不形成空洞或接縫的情況下填充溝槽。這些溝槽可具有高度與寬度，該高度與寬度界定高度對寬度(即H/W)的高寬比(AR)，該高寬比顯著地大于1:1 (例如5:1以上、6:1以上、7:1以上、8:1以上、9:1以上、10:1以上、11:1以上、12:1以上等)。在許多例子中，高 AR是由于小間隙寬度造成，該小間隙寬度范圍是從約90nm到約22nm或低于22nm (例如約90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm等)。這些限制性的幾何形態(tài)不會完全被常規(guī)氮化娃 (Si3N4)膜的沉積所填充。沉積的含硅與氮膜具有可流動特性,使得該含硅與氮膜得以流入狹窄的間隙溝槽與其他在基板的沉積表面上的結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵搶涌闪鲃?，故該層可填充具有高的高寬比的間隙而不生成空洞或脆弱接縫于填充材料中心周圍。例如，沉積可流動材料較不可能在完全填充間隙之前過早阻塞間隙的頂部。此舉可助于減少或消除殘留在間隙的中間部的空洞。
流動性可能(至少部分)是由于沉積的膜中顯著的氫成份之故。例如，沉積的膜可能具有硅氮烷類型，S1-NH-Si骨架(即S1-N-H膜)。流動性也可能是由于硅氮烷類型的短鏈聚合物造成。使短鏈聚合物與流動性形成的氮可源自自由基前體或含硅前體。當(dāng)硅前體與自由基氮前體皆無碳時(shí)，所沉積的含硅與氮膜亦實(shí)質(zhì)上無碳。當(dāng)然，“無碳”并非必然意味該膜缺乏甚至痕量的碳。碳雜質(zhì)可能存在于前體材料中而找到進(jìn)入沉積的含硅與氮膜的途徑。然而，這些碳雜質(zhì)的量遠(yuǎn)低于在具有碳基團(tuán)的硅前體(例如TEOS、TMDSO等)中所含的碳量。
在沉積含硅與氮層之后，沉積基板可暴露到含氧氣氛112。當(dāng)引入含氧氣氛時(shí)，沉積基板可留在反應(yīng)腔室中，或者該基板可傳送到含氧氣氛所引入的不同腔室。含氧氣氛可包括一或多種含氧氣體，諸如分子氧(02)、臭氧(03)、水蒸氣(H20)、與氮氧化物(勵(lì)、顯2等)， 以及其他含氧氣體。含氧氣氛亦可包括自由基氧與羥基物質(zhì)，諸如原子氧(O)、氫氧化物 (OH)等，這些自由基氧與羥基物質(zhì)可遠(yuǎn)端生成并且被輸送進(jìn)入基板腔室。也可能存在含氧物質(zhì)的離子。
含氧氣氛提供氧以將含硅與氮膜轉(zhuǎn)化成氧化硅(SiO2)膜112。如先前所述，含硅與氮膜中缺乏碳而導(dǎo)致最終氧化硅膜中形成顯著較少孔隙。通過沉積可流動的含硅與氮膜并且轉(zhuǎn)化成氧化硅，相較于一開始沉積可流動的含硅與氧膜的情況，從沉積到退火的凈皺縮減少。在轉(zhuǎn)化制程期間，基板溫度范圍可從約25° C到約1100° C (例如約200° C、約 300° C、約 400° C、約 500° C、約 600° C、約 700° C、約 800° C、約 900° C、約 1000° C 等)。在許多情況中，體積的減少輕微(例如減少體積百分比約15%或以下)得足以避免后熱處理步驟來填充、愈合、或以其他方式解決由于氧化硅皺縮而形成在間隙中的接縫或空間。在一實(shí)施例中，轉(zhuǎn)化可以兩部分發(fā)生。該兩部分的轉(zhuǎn)化可包括低溫臭氧固化(例如介于 200° C與約400° C之間)以啟動氧化，之后是在含氧環(huán)境中高溫退火。這些操作期間，氧從富含氧的襯墊層擴(kuò)散進(jìn)入間隙填充的含硅與氮層，以更完全地轉(zhuǎn)化該間隙填充層。在揭露的實(shí)施例中，氮仍可存在于間隙填充層內(nèi)，然而，間隙填充材料實(shí)質(zhì)上是由硅與氧構(gòu)成。
圖1的制程描述一制程，其中氧化硅是通過首先沉積含硅與氮層然后將該含硅與氮層轉(zhuǎn)化成氧化硅而形成。在其他實(shí)施例中，沉積的膜是由自由基氧前體與未被等離子體直接激發(fā)的含硅與碳前體而生成。該沉積的膜之后會成為含硅氧與碳膜，相較于涉及含硅與氮膜的制程，該含硅氧與碳膜可能會在后續(xù)的處理期間經(jīng)歷更多皺縮。示范性的不通過等離子體的含碳前體可包括 TMOS、TriMOS, TEOS, OMCTS, HMDS、TMCTR、TMCTS, OMTS, TMS、 HMDSO及/或TMDS0。自由基氧前體包含等離子體流出物，該等離子體流出物是通過在等離子體中激發(fā)含氧前體而生成，而該示范性的含氧前體可包括02、03、Ν20、Ν0、Ν02、Η202、Η20、及 nh4oh。在沉積間隙填充的含硅氧與碳層之前沉積富含氧化物的襯墊使得表面下的氧得以使來自固化期間所提供的氧氣氣氛的氧增多。
實(shí)施例可包括固化后的多重退火階段，在所揭露的實(shí)施例中這些階段具有不同溫度與氣氛。例如，第一加熱階段可在較低的第一溫度下在包括水蒸氣(H2O)的氣氛中執(zhí)行， 而第二加熱階段可在較高的第二溫度下在干燥含氧氣氛(實(shí)質(zhì)上缺乏水蒸氣)中執(zhí)行。第二加熱階段亦可在非含氧氣氛(例如干燥的N2、He、Ar等)中實(shí)施。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)而討論在此呈現(xiàn)的襯墊層的大致性質(zhì)，根據(jù)所揭露的實(shí)施例的富含氧化物的襯墊層比目標(biāo)溝槽的寬度的一半薄，以使后續(xù)沉積的可流動膜得以流入剩余的間隙。襯墊層的厚度在不同實(shí)施例中可低于或約100 A，低于或約70A，低于或約50 A，或者是低于或約30 A。然而，富含氧化物的襯墊層是用于固化期間再分配的氧的儲存區(qū)。就這點(diǎn)而言， 厚度應(yīng)該大得足以儲存大量的氧以供提升間隙填充介電層中的氧含量。富含氧化物的襯墊內(nèi)的氧濃度亦應(yīng)大，以便確保氧的儲存充足。
介于富含氧的襯墊層與間隙填充層之間的界面如圖2與圖3B中的虛線202、302 所示。該界面可基本上在固化及退火后消除，因?yàn)檠鯘舛纫唤?jīng)再分配就會變得更均勻。申請人已發(fā)現(xiàn)在一些實(shí)施例中使用剖面SEM時(shí)界面無法檢測出。虛線202與302是顯示無固化時(shí)界面存在之處。圖3A顯示無襯墊層的可流動CVD間隙填充操作的剖面SEM代表圖，而圖3B顯示具有襯墊層的同樣的沉積。在缺乏富含氧化物襯墊層時(shí)，沉積層304-1的間隙填充區(qū)域中，孔隙301是可見的。另一方面，在圖3B的沉積層的間隙填充區(qū)域304-2中，既不見孔隙也不見界面。
可使富含氧化物的襯墊層的氧含量大于間隙填充層的氧含量，這是通過調(diào)整前體進(jìn)入遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域的流率而達(dá)成。在形成富含氧化物襯墊層期間，氧(O2)對氨氣(NH3) 進(jìn)入遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域的示范性流率比例可為約2:1 (等同于原子氧對氮比例為約4:1)。 在沉積間隙填充層期間，O2 = NH3的流率比例可為約1:5 (等同于原子氧對氮比例為約2 :5)。這些比例指出將在襯墊層與間隙填充層中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)計(jì)量。在揭露的實(shí)施例中，襯墊的原子氧對氮流率比例超過間隙填充的原子氧對氮流率比例，使得富含氧化物的襯墊的氧含量超過間隙填充介電層的氧含量。另一實(shí)施例中，襯墊的原子氧對氮流率比例超過間隙填充的原子氧對氮流率比例一倍數(shù)，該倍數(shù)大于5。
在生長可流動膜期間，在腔室等離子體區(qū)域或基板處理區(qū)域中的壓力可低于或約lOOTorr、低于或約50Torr、低于或約20Torr、低于或約IOTorr、或者是低于或約5Torr。 在該二區(qū)域中的任一者或二者中的壓力在不同實(shí)施例中可高于或約O. 25Torr、高于或約 O. 5Torr、高于或約ITorr、高于或約2Torr、高于或約5Torr。在壓力上,每一下限可與任一上限組合而形成根據(jù)所揭露的實(shí)施例的適當(dāng)壓力的另一范圍。生長可流動膜期間，腔室等離子體區(qū)域中存在的等離子體條件(為了生產(chǎn)自由基氧及/或自由基氮前體)在不同實(shí)施例中可包括介于約3000W至約15000W之間、介于約400W至約10000W之間、或介于約5000W 至約8000W之間的RF功率。
沉積含硅膜(該含硅膜包括上文所給的范例中的氮及/或碳)期間，在基板溫度維持在相對低溫的同時(shí)，可進(jìn)行可流動膜的生長?？稍诘蜏叵掠诨灞砻嫔铣练e可流動氧化物膜，該低溫是通過沉積期間冷卻基板而維持。底座可包括在底座軸桿內(nèi)側(cè)的加熱及/或冷卻導(dǎo)管，不同實(shí)施例中，這些導(dǎo)管將底座與基板的溫度設(shè)定在約40° C到約200° C之間、約100° C到約160° C之間、低于約100° C或低于約40° C。
示范性基板處理系統(tǒng)
沉積系統(tǒng)的實(shí)施例可結(jié)合至較大的制造系統(tǒng)，以生產(chǎn)集成電路芯片。圖4顯示根據(jù)所揭露之實(shí)施例的一個(gè)此類沉積、烘烤及固化腔室的系統(tǒng)400。在該圖中，一對FOUP (前開式晶圓盒)402供給基板(例如300mm直徑的晶圓)，在這些基板放進(jìn)晶圓處理腔室408a_f 中的一個(gè)之前，基板是由機(jī)械手臂404接收并且放置到低壓固持區(qū)域406。第二機(jī)械手臂 410可用于從固持區(qū)域406傳輸基板晶圓 至處理腔室408a-f并且往回傳輸。
處理腔室408a_f可包括一或多個(gè)用以在基板晶圓上沉積、退火、固化及/或蝕刻可流動介電膜的系統(tǒng)部件。在一個(gè)配置中，兩對處理腔室(例如，408c-d及408e-f)可用于沉積可流動介電材料于基板上，而第三對處理腔室(例如，408a-b)可用于退火沉積的介電質(zhì)。在另一配置中，相同的兩對處理腔室(例如408c-d及408e-f)可被配置成在基板上沉積及退火可流動介電膜，同時(shí)第三對腔室(例如408a-b)可用于UV或電子束固化沉積的膜。 另一配置中，所有三對腔室(例如408a-f)可被配置成在基板上沉積及固化可流動的介電膜。在又一配置中，兩對處理腔室(例如408c-d及408e-f)可用于沉積及以UV固化或電子束固化可流動介電質(zhì)，同時(shí)第三對處理腔室(例如408a-b)可用于退火介電膜。應(yīng)了解，系統(tǒng)400可考慮用于可流動介電膜之沉積、退火與固化腔室的額外配置。
此外，一個(gè)或更多個(gè)制程腔室408a_f可被配置成濕式處理腔室。這些制程腔室包括在含濕氣的氣氛下加熱該可流動介電膜。因此，系統(tǒng)400的實(shí)施例可包括濕式處理腔室 408a-b及退火處理腔室408c-d，以在沉積的介電膜上執(zhí)行濕式及干式退火二者。
圖5A是根據(jù)所揭露的實(shí)施例之基板處理腔室500。遠(yuǎn)端等離子體系統(tǒng)(RPS) 510 可處理隨后行進(jìn)穿過氣體入口組件511的氣體。兩個(gè)個(gè)別的氣體供應(yīng)通道可見于氣體入口組件511內(nèi)。第一通道512攜帶通過遠(yuǎn)端等離子體系統(tǒng)RPS510的氣體，而第二通道513繞過RPS500。在揭露的實(shí)施例中，第一通道502可用于制程氣體，而第二通道513可用于處理氣體。蓋(或?qū)щ姷捻敳坎糠?521以及穿孔隔件553之間呈現(xiàn)一絕緣環(huán)524，絕緣環(huán)524使得AC電位得以相對于穿孔隔件553施加到蓋521。制程氣體行進(jìn)穿過第一通道512進(jìn)入腔室等離子體區(qū)域520，且制程氣體可單獨(dú)在腔室等離子體區(qū)域520中(或者與RPS510組合) 由等離子體激發(fā)。腔室等離子體區(qū)域520及/或RPS510的組合可指本文的遠(yuǎn)端等離子體系統(tǒng)。穿孔隔件(亦指噴頭)553將噴頭553下方的基板處理區(qū)域570與腔室等離子體區(qū)域 520分隔。噴頭553使等離子體得以存在于腔室等離子體區(qū)域520中，以避免直接激發(fā)基板處理區(qū)域570中的氣體，同時(shí)依然使激發(fā)的物質(zhì)得以從腔室等離子體區(qū)域520行進(jìn)至基板處理區(qū)域570。
噴頭553定位在腔室等離子體區(qū)域520與基板處理區(qū)域570之間，且該噴頭553 使等離子體流出物(前體或其他氣體的受激發(fā)的衍生物)在腔室等離子體區(qū)域520中生成而通過橫切板厚度的多個(gè)通孔556。噴頭553亦具有一個(gè)或多個(gè)中空空間551，該中空空間 551可被蒸氣或氣體形式的前體(諸如含硅前體)填充，并且經(jīng)由小孔洞555進(jìn)入基板處理區(qū)域570但不直接進(jìn)入腔室等離子體區(qū)域520。在此揭露的實(shí)施例中，噴頭553比通孔556 的最小直徑550的長度厚。為了使從腔室等離子體區(qū)域520穿透至基板處理區(qū)域570的受激發(fā)物質(zhì)維持顯著濃度，可通過在通過噴頭553的一部分路徑中形成通孔556的較大直徑部分，而限制通孔的最小直徑550的長度526。在所揭露的實(shí)施例中，通孔556的最小直徑 550的長度可與通孔556的最小直徑相同數(shù)量級，或者為較小的數(shù)量級。
在所示的實(shí)施例中，一旦制程氣體受到腔室等離子體區(qū)域520中的等離子體激發(fā)，噴頭553可(通過通孔556)分配制程氣體，這些制程氣體含有氧、氫、及/或氮，及/或此類制程氣體的等離子體流出物。在實(shí)施例中，通過第一通道512引入RPS510及/或腔室等離子體區(qū)域520的制程氣體可含有氧(O2)、臭氧(03)、隊(duì)0、勵(lì)、勵(lì)2、順3、包括N2H4的NxHy、 甲硅烷(silane)、乙硅烷(disilane)、TSA及DSA中的一者或多者。沉積富含氧化物襯墊層期間，流過RPS510的氧對氮比例可相對地高，而在沉積間隙填充層期間，流過RPS510的氧對氮比例可減小。該制程氣體亦可包括諸如氦氣、氬氣、氮?dú)?N2)等之類的載氣。第二通道513亦可傳遞制程氣體及/或載氣，及/或膜固化氣體，該膜固化氣體用于從生長中的膜或剛沉積的膜中移除非期望的成份。等離子體流出物可包括制程氣體的離子化或中性衍生物，且在此等離子體流出物亦可指自由基氧前體及/或自由基氮前體，前述二前體所指的是所引入的制程氣體的原子的組分。
在實(shí)施例中，通孔556的數(shù)量可介于約60個(gè)至約2000個(gè)之間。通孔556可具有多種形狀，但大多數(shù)是做成圓形。在所揭露的實(shí)施例中，通孔556的最小直徑550可介于約 O. 5mm至約20mm之間，或介于約Imm至約6mm之間。在選擇通孔的截面形狀上,亦有范圍， 截面可做成錐形、圓柱形或該二種形狀的組合。不同實(shí)施例中，用于將氣體導(dǎo)入基板處理區(qū)域570的小孔洞555數(shù)目可介于約100個(gè)至約5000個(gè)之間，或介于約500個(gè)至約2000個(gè)之間。小孔洞555的直徑可介于約O.1mm至約2mm之間。
圖5B是根據(jù)所揭露的實(shí)施例與處理腔室一并使用的噴頭553的底視圖。噴頭553 對應(yīng)圖5A中所示的噴頭。通孔556被繪成在噴頭553底部處具有 較大的內(nèi)徑(ID)，而在頂部處具有較小的ID。小孔洞555實(shí)質(zhì)上在噴頭表面上均勻分布，甚至分布在通孔556之間，相較于此述的其他實(shí)施例，此舉助于提供更均勻的混合。
當(dāng)通過噴頭553中的通孔556而抵達(dá)的等離子體流出物與源于中空空間551且通過小孔洞555抵達(dá)的含硅前體組合時(shí)，在基板處理區(qū)域570內(nèi)示范性的膜生成于基板上，而該基板是受底座(圖中未示)所支撐。雖然將基板處理區(qū)域570可裝設(shè)成支持供諸如固化之類的其他制程所用的等離子體，然而在生長示范性膜的期間，無等離子體存在。
等離子體既可在噴頭553上方的腔室等離子體區(qū)域520中被點(diǎn)燃，亦可在噴頭553 下方的基板處理區(qū)域570被點(diǎn)燃。在處理腔室的導(dǎo)電頂部部分521及噴頭553之間施加一般在射頻(RF)范圍的AC電壓，以在沉積期間在腔室等離子體區(qū)域520中點(diǎn)燃等離子體。當(dāng)開啟基板處理區(qū)域570中的底部等離子體以固化膜或清潔接壤基板處理區(qū)域570的內(nèi)部表面時(shí)，頂部等離子體可處于低功率或無功率。通過在噴頭553及底座(或腔室底部)之間施加AC電壓，而點(diǎn)燃基板處理區(qū)域570中的等離子體。清潔氣體可在等離子體存在時(shí)引入基板處理區(qū)域570。
基板處理系統(tǒng)是由系統(tǒng)控制器控制。在一示范性實(shí)施例中，系統(tǒng)控制器包括硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器及處理器。 處理器含有單板計(jì)算機(jī)(SBC)、模數(shù)輸入/輸出板、接口板及步進(jìn)馬達(dá)控制板。CVD系統(tǒng)的各部件符合Versa ModularEuropean (VME)標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)界定電路板、插件箱(card cage)以及連接器規(guī)格與類型。VME標(biāo)準(zhǔn)亦界定總線結(jié)構(gòu)為具有16 位數(shù)據(jù)總線或24位地址總線。
系統(tǒng)控制器控制所有CVD機(jī)器的活動。系統(tǒng)控制器執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，該軟件是儲存在計(jì)算機(jī)可讀媒體上的計(jì)算機(jī)程序。該媒體較佳為硬盤驅(qū)動器，但該媒體亦可是其他種類的存儲器。計(jì)算機(jī)程序包括指令集，該指令集指示時(shí)序、氣體混合、腔室壓力、腔室溫度、RF功率水平、基座(susc印tor)位置及其他特殊制程參數(shù)。儲存在其他存儲器設(shè)備(該設(shè)備包括例如軟盤或其他適合的驅(qū)動器)上的其他計(jì)算機(jī)程序亦可用于指令系統(tǒng)控制器。
可使用由系統(tǒng)控制器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)用于在基板上沉積膜堆迭的制程或者用于清潔腔室的制程。計(jì)算機(jī)程序代碼可以任何常規(guī)計(jì)算機(jī)可讀編程語言撰寫，例如 68000匯編語目、C、C++、Pascal、Fortran或其他語目。使用常規(guī)的文本編輯器將適合的程序代碼輸入單一文件或多個(gè)文件，并且儲存于計(jì)算機(jī)可使用媒體(如計(jì)算機(jī)的存儲器系統(tǒng)) 或由該媒體實(shí)施。倘若輸入的代碼文本是高級語言，則編譯代碼，而所得的編譯代碼隨后與預(yù)先編譯的Microsoft Windows 程序庫例程的編碼代碼鏈接。為了執(zhí)行該鏈接、編譯的目標(biāo)代碼，系統(tǒng)用戶調(diào)用該目標(biāo)代碼，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)載入存儲器中的代碼。CPU隨后讀取并且執(zhí)行該代碼，以執(zhí)行程序中標(biāo)識的任務(wù)。
用戶與控制器之間的界面可通過平板觸敏顯示器。在較佳實(shí)施例中，使用兩個(gè)顯示器，一個(gè)安裝在清潔室壁以供操作者使用，另一個(gè)在壁后以供維修技術(shù)人員使用。兩個(gè)顯示器可同時(shí)顯示相同信息，該實(shí)例中，一次僅有一個(gè)接受輸入。為了選擇特殊的屏幕或功能，操作者接觸觸敏顯示器上的指定區(qū)域。接觸區(qū)域改變該區(qū)域的高亮色彩，或呈現(xiàn)新的菜單或屏幕，以確認(rèn)操作者和觸敏顯示器之間的通信。不使用觸敏顯示器，或者是除了觸敏顯示器之外，可使用其他設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)或其他定點(diǎn)或通信設(shè)備，以讓用戶與系統(tǒng)控制器通信。
在利用腔室等離子體區(qū)域的實(shí)施例中，受激發(fā)的等離子體流出物在與沉積區(qū)域分隔的基板處理區(qū)域的區(qū)段中生成，在該處等離子體流出物與無碳含硅前體混合并且反應(yīng)， 以沉積硅與氮層于沉積基板(例如半導(dǎo)體晶圓)上。受激發(fā)的等離子體流出物亦可伴隨惰氣(在示范性情況中，該惰氣是氬氣)。在一些實(shí)施例中，無碳含硅前體在進(jìn)入基板等離子體區(qū)域之前不通過等離子體。自由基氮前體是在遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域中生成并且行進(jìn)至基板處理區(qū)域，在該基板處理區(qū)域處，含硅前體被自由基氮前體激發(fā)。在一些實(shí)施例中，含硅前體只被自由基氮前體激發(fā)。在一些實(shí)施例中，等離子體功率可基本上僅被施加到遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域，以確保自由基氮前體提供主控的激發(fā)給含硅前體。在此可將基板處理區(qū)域描述為在生長含硅與氮層期間與低溫臭氧固化期間為“無等離子體”。“無等離子體”并非必然指該區(qū)域缺乏等離子體。在等離子體區(qū)域內(nèi)生成的離子化物質(zhì)與自由電子確實(shí)行進(jìn)通過隔件 (噴頭)中的孔洞(貫孔)，但無碳含硅前體并不實(shí)質(zhì)上被施加至等離子體區(qū)域的等離子體功率所激發(fā)。腔室等離子體區(qū)域中等離子體的邊界是難以界定的，且可能通過噴頭中的貫孔侵入基板處理區(qū)域上。在誘導(dǎo)耦合等離子體的實(shí)例中，可直接在基板處理區(qū)域內(nèi)執(zhí)行少量的離子化。再者，低強(qiáng)度的等離子體可在基板處理區(qū)域中生成，而不至于消弭形成的膜的期望特征。在激發(fā)的等離子體流出物生成期間強(qiáng)度離子密度遠(yuǎn)低于腔室等離子體區(qū)域(或遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域，就此而言)的等離子體的所有成因不背離在此所用的“無等離子體”之范圍。
在此所使用的“基板”可為具有(或不具有)形成于該基板上的膜層的支撐基板。 該支撐基板可為有各種摻雜濃度及摻雜輪廓的絕緣體或半導(dǎo)體，且該支撐基板可例如為用在集成電路制造上的類型的半導(dǎo)體基板?！把趸琛睂佑米鰹楹枧c氧材料的縮寫，并且可與含硅與氧材料交換使用。就此而言，氧化硅可包括其他元素組份(諸如氮、氫及碳等)的濃度。在一些實(shí)施例中，氧化硅基本上由硅與氧構(gòu)成?！扒绑w”一詞用于指任何參與反應(yīng)以從表面移除材料或沉積材料到表面上的制程氣體。處于“激發(fā)態(tài)”的氣體是描述其中至少有一些氣體分子處于振動型式的激發(fā)、解離及/或離子化的狀態(tài)的氣體?！皻怏w”(或“前體”) 可為兩種以上氣體(或前體)的組合，且可包括正常是液體或固體但暫時(shí)與其他“載氣”搭載的物質(zhì)。“自由基前體”用于描述等離子體流出物(為離開等離子體而處于激發(fā)態(tài)的氣體)， 該等離子體流出物參與反應(yīng)以從表面移除材料或沉積材料到表面上。“自由基氮前體”是一種含有氮的自由基前體，而“自由基氫前體”是一種含有氫的前體?！岸铓狻币辉~指任何在蝕刻或結(jié)合至膜時(shí)不形成化學(xué)鍵結(jié)的氣體。示范性惰氣包含稀有氣體，但可包括其他氣體，只要這些其他氣體在(一般情況下)膜中捕捉到痕量時(shí)無化學(xué)鍵結(jié)形成即可。
全文中所用之溝槽(trench) —詞毫無暗指意味地是指蝕刻過的地形具有大的水平高寬比。由表面上方所視，溝槽可顯現(xiàn)圓形、橢圓形、多邊形、矩形或各種其他形狀?！巴住币辉~是用于指低的高寬比的溝槽(由上方而視)，該低高寬比溝槽可能或可能不被金屬填充而形成垂直的電連接。如在此所使用，共形層是指表面上與該表面形狀相同的大體上均勻的材料層，即，該層的表面與受覆蓋的表面大體上平行。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解沉積的材料可能不會100%共形，而因此“大體上” 一詞允許可接受的容忍值。
通過上述數(shù)個(gè)實(shí)施例的說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)知可使用多種修飾例、替代架構(gòu)與等效例而不脫離本發(fā)明的精神。此外，說明書中不對多種已知制程與元件做說明，以避免不必要地混淆了本發(fā)明。故，上述描述不應(yīng)被視為對本發(fā)明范圍之限制。
當(dāng)提供數(shù)值范圍時(shí)，除非文字中另外清楚指明，應(yīng)知亦同時(shí)揭露介于該范圍的上下限值之間各個(gè)區(qū)間值至下限值單位的十分之一。亦涵蓋了所陳述范圍中任何陳述數(shù)值或區(qū)間值以及該陳述范圍中任何其他陳述數(shù)值或區(qū)間值之間的每個(gè)較小范圍。這些較小范圍的上限值與下限值可獨(dú)立包含或排除于該范圍中，且這些較小范圍中的各范圍(不管是包含其中一個(gè)、包含兩個(gè)或不含上限值與下限值)亦皆涵蓋于本發(fā)明內(nèi)所陳述之范圍中，除非在所述范圍中有特別排除之限制。當(dāng)所陳述之范圍包括極限值的一者或兩者，也涵蓋了該些排除所含極限值之一者或兩者的范圍。
說明書與所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式“一”、“一個(gè)”與“該”等用語也包括復(fù)數(shù)形式，除非文字中另外清楚指明。因此，舉例而言，“一種制程”所指的包括多個(gè)這類制程，而“該前體”所指的包括一或多種前體以及本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的該前體等效例。
同時(shí)，說明書與下述權(quán)利要求書中“包括”、“包含”、“含有”、“含”以及“具有”等用語是指存在所陳述的特征、整 體、構(gòu)件或步驟，但并不排除存在或增加一或多個(gè)其他特征、 整體、構(gòu)件、步驟、動作或群組。
權(quán)利要求
1.一種在含有溝槽的圖案化基板上形成氧化硅層的方法，所述方法包括以下步驟將所述基板傳送進(jìn)入基板處理腔室；在包括所述溝槽的所述基板上形成富含氧襯墊層；在所述基板上與所述溝槽中形成間隙填充介電層，其中所述間隙填充介電層具有氧含量，所述間隙填充介電層的氧含量低于所述富含氧襯墊層的氧含量，并且所述間隙填充介電層在形成期間可流動；以及在高溫下固化所述間隙填充介電層以將一些氧從所述富含氧襯墊層轉(zhuǎn)移進(jìn)入所述間隙填充介電層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含氧襯墊層比所述間隙填充介電層更加共形。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述間隙填充介電層實(shí)質(zhì)上填充所述溝槽。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述間隙填充介電層的步驟包含以下步驟將間隙填充等離子體前體流進(jìn)遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域以形成等離子體流出物；以及在所述基板處理區(qū)域中將所述等離子體流出物與含硅前體流組合，以形成所述間隙填充介電層，其中所述含硅前體不直接通過施加等離子體功率而受激發(fā)，并且所述間隙填充介電層是含娃與氧層。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，形成所述富含氧化物襯墊層的步驟包含以下步驟使襯墊等離子體前體流進(jìn)遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域以形成等離子體流出物；以及在所述基板處理區(qū)域中將所述等離子體流出物與含硅前體流組合，以形成所述富含氧襯墊層，其中所述含硅前體不直接通過施加等離子體功率而受激發(fā)，并且所述間隙填充介電層是含娃與氧層。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，使所述間隙填充等離子體前體流進(jìn)的操作包含以間隙填充的原子氧對氮流率比例使氧與氮流進(jìn)所述遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，使所述襯墊等離子體前體流進(jìn)的操作包含以襯墊的原子氧對氮流率比例使氧與氮流進(jìn)所述遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述襯墊的原子氧對氮流率比例超過所述間隙填充的原子氧對氮流率比例，使得所述富含氧化物襯墊的氧含量超過所述間隙填充介電層的氧含量。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述襯墊的原子氧對氮流率比例超過所述間隙填充的原子氧對氮流率比例一倍數(shù)，所述倍數(shù)大于5。
10.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述含硅前體包含含硅與氮前體，而所述等離子體流出物包含自由基氮前體。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述含硅與氮前體包含H2N(SiH3)、HN(SiH3)2與N(SiH3)3中的至少一個(gè)，而所述等離子體前體包含NH3、NH4OH, N2O, NO、NO2, N2與4中的至少一個(gè)。
12.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域是在所述基板處理腔室內(nèi)，并且所述遠(yuǎn)端等離子體區(qū)域與所述基板處理腔室通過噴頭隔開。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，固化所述間隙填充介電層的操作包含在所述高溫下將所述間隙填充介電層暴露到含臭氧的氣氛。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，固化所述間隙填充介電層的操作進(jìn)一步包含接著在退火溫度下將所述間隙填充介電層暴露到含氧氣氛，所述含氧氣氛包含02、03、及H20中的至少一個(gè)，而所述退火溫度大于所述高溫。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述溝槽具有約50nm或低于50nm的寬度。
全文摘要
在此描述空洞體積比例降低的間隙填充氧化硅層的形成。該沉積涉及在缺少氧較可流動的間隙填充層之前形成富含氧較不可流動的襯墊層。然而，該襯墊層在與間隙填充層相同的腔室內(nèi)沉積。襯墊層與間隙填充層二者可通過使自由基成份與未激發(fā)的含硅前體(即不直接通過施加等離子體功率而被激發(fā))組合而形成。襯墊層比間隙填充層具更多的氧含量并且更加共形地沉積。間隙填充層的沉積速率可藉由襯墊層的存在而增加。間隙填充層可含有硅、氧與氮，并且該間隙填充層在高溫下轉(zhuǎn)化以含有更多氧與更少氮。間隙填充襯墊的存在提供了間隙填充層下方的氧源，以增大在轉(zhuǎn)化期間引入的氣相氧。
文檔編號H01L21/205GK103038868SQ201180037215
公開日2013年4月10日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者D·李, J·梁, N·K·英格爾 申請人:應(yīng)用材料公司