使用基于碳的膜的間隙填充的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種使用基于碳的膜的間隙填充。提供了使用高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDP CVD)填充間隙的方法。根據(jù)多個實施方案，通過HDP CVD將諸如無定形碳和無定形碳化物膜之類的含碳膜沉積到襯底上的間隙內(nèi)以填充間隙。這些方法可涉及在HDP CVD期間使用高氫含量的工藝氣體來提供自底向上的填充。此外，還提供了相關(guān)裝置。
【專利說明】
使用基于碳的膜的間隙填充
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，更具體涉及使用基于碳的膜的間隙填充。
【背景技術(shù)】
[0001]半導(dǎo)體集成操作可涉及用隔離材料填充高深寬比的間隙。這是針對淺溝槽隔離、金屬間電介質(zhì)層、鈍化層等情況。隨著器件幾何尺寸縮小和熱預(yù)算減少，由于現(xiàn)有沉積工藝的局限性，高深寬比(AR)間隙的無空隙填充變得越來越困難。
[0002]相比于在間隙側(cè)壁的下部區(qū)域上，大多數(shù)沉積方法沉積更多的材料在上部區(qū)域，并可以在間隙的入口處形成“頂帽(top-hat)”。其結(jié)果是，高深寬比結(jié)構(gòu)的頂部部分有時過早地關(guān)閉，在間隙的下部部分內(nèi)留有空隙。這個問題在小的間隙中加劇。此外，隨著深寬比增加，間隙本身的形狀可能帶來問題。高深寬比間隙常常表現(xiàn)出內(nèi)凹特征(r e e n t r a n tf eature)，這使得間隙填充更加困難。內(nèi)凹特征是從間隙底部變窄的一種特征。一個這樣問題性的內(nèi)凹特征是在間隙頂部變窄，而間隙側(cè)壁在間隙的頂部附近向內(nèi)傾斜。對于給定深寬比的特征，這增加了在沉積期間間隙體積與由反應(yīng)器物質(zhì)所涉及的間隙訪問區(qū)域(gapaccess area)的比率。空隙和接縫的形成在這些條件下更可能發(fā)生。如果間隙頂部過早地封閉，則在間隙被重新打開之后，更多膜才能被沉積在間隙中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文提供了用于以諸如無定形碳和碳化硅之類的基于碳的膜填充間隙的方法和裝置。在一些實施方式中，方法涉及引入工藝氣體到容納具有間隙的襯底的高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDP CVD)室，其中所述工藝氣體包括烴類反應(yīng)物并且具有至少4:1的H:C比；以及通過所述工藝氣體的HDP CVD反應(yīng)來用基于碳的膜填充所述間隙。
[0004]在一些實施方式中，所述間隙在單個沉積操作中被填充而沒有中間蝕刻操作。在一些實施方式中，使用兩個或更多個沉積操作和一個或更多個中間蝕刻操作填充間隙。中間蝕刻操作可以在HDP CVD室內(nèi)或者在分離的蝕刻室內(nèi)執(zhí)行。在一些實施方式中，中間蝕刻操作是基于氫的蝕刻。
[0005]在一些實施方式中，基于碳的膜是無定形碳膜。在這樣的情況下，工藝氣體可包括烴類反應(yīng)物和可選的載氣。工藝氣體可基本上由烴類反應(yīng)物和可選的載氣組成。工藝氣體基本上由烴類反應(yīng)物、氫分子或其它氫源、以及可選的載氣組成。一種或更多種摻雜物也可存在于工藝氣體中。
[0006]在一些實施方式中，基于碳的膜是無定形碳化物膜。實施例包括:氧摻雜SiC，也稱為碳氧化硅(S1C);氮摻雜SiC，也被稱為碳氮化硅(SiNC);氧和氮摻雜SiC，也被稱為碳氧氮化娃(silicon oxynitricarbide，S1NC);硼摻雜的碳化物(SiBC)；以及未摻雜的碳化娃(SiC)。在一些實施方式中，工藝氣體包括含硅反應(yīng)物。含硅反應(yīng)物可具有至少4的H: Si比。在一些情況下，工藝氣體可包括烴類反應(yīng)物、含硅反應(yīng)物和可選的載氣。工藝氣體可基本上由烴類反應(yīng)物、含硅反應(yīng)物和可選的載氣組成。工藝氣體可基本上由烴類反應(yīng)物、含硅反應(yīng)物、氫分子或其它氫源、以及可選的載氣組成。一種或更多種摻雜物也可存在于工藝氣體中。
[0007]在一些實施方式中，烴類反應(yīng)物具有至少3:1或至少4:1的H: C比。實施例包括甲烷(CH4)。在一些實施方式中，工藝氣體包括氫分子(H2)。方法可包括生成氫自由基。在一些實施方式中，填充間隙包括在HDP CVD反應(yīng)期間的氫自由基蝕刻。氫自由基可優(yōu)先蝕刻在間隙頂部處所沉積的基于碳的材料。
[0008]在一些實施方式中，裝置包括:等離子體生成器;具有基座的室；到所述室的一個或多個入口 ；以及控制器，該控制器包括用于以下操作的機器可讀指令:引入包含烴類反應(yīng)物的工藝氣體，其中所述工藝氣體具有至少4:1的H:C比；以及在所述室內(nèi)生成高密度等離子體，從而在所述室內(nèi)填充襯底上的間隙。
[0009]這些和其它方面參考附圖在下面進一步進行描述。
I.一種方法，其包括:
引入工藝氣體到容納具有間隙的襯底的高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDP CVD)室，其中所述工藝氣體包括烴類反應(yīng)物并且具有至少4:1的H:C比；以及通過所述工藝氣體的HDP CVD反應(yīng)來用基于碳的膜填充所述間隙。
2.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述間隙在沒有中間蝕刻操作的單個沉積操作中被填充。
3.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述基于碳的膜是無定形碳(a-C)膜。
4.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述基于碳的膜是無定形碳化物膜。
5.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述基于碳的膜是摻雜的或非摻雜的無定形碳化硅膜。
6.根據(jù)條款5所述的方法，其中所述工藝氣體包括具有至少4的H:Si比的含硅反應(yīng)物。
7.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少3:1的H:C比。
8.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少4:1的H:C比。
9.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中所述工藝氣體包括氫分子(Hs)。
10.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其進一步包括生成包括氫自由基的等離子體。
11.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中填充所述間隙包括在所述HDPCVD反應(yīng)期間在所述間隙的頂部處的氫自由基蝕刻。
12.根據(jù)條款I(lǐng)所述的方法，其中用基于碳的膜填充所述間隙包括兩個或更多個沉積階段和一個或更多個中間蝕刻操作。
13.根據(jù)條款12所述的方法，其中所述一個或多個中間蝕刻操作是基于氫的蝕刻。
14.一種裝置，其包括:
等離子體生成器；
室，其包括基座；
通向所述室的一個或多個入口；以及控制器，其包括用于以下操作的機器可讀指令:引入包含烴類反應(yīng)物的工藝氣體，其中所述工藝氣體具有至少4:1的H:C比；以及在所述室內(nèi)生成高密度等離子體，從而在所述室內(nèi)填充襯底上的間隙。
15.根據(jù)條款14所述的裝置，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少3:1的H:C比。
16.根據(jù)條款14所述的裝置，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少4:1的H:C比。
17.根據(jù)條款14所述的裝置，其中所述工藝氣體包括具有至少4的H:Si比的含硅反應(yīng)物。
18.根據(jù)條款14所述的裝置，其中所述工藝氣體包括氫分子(Hs)。
【附圖說明】
[0010]圖1提供了說明根據(jù)不同實施方式填充間隙的方法實施例中的操作的工藝流程圖。
[0011]圖2描繪了相比于使用甲烷作為碳源(工藝氣體He/SiH4/CH4)的單個階段特征填充、在使用乙炔作為碳源(工藝氣體He/SiH4/C2H2)的單個沉積階段內(nèi)以SiC填充的特征的橫截面示意圖。
[0012]圖3示出了與圖2中所示意描述的那些類似、分別使用乙炔(圖像310)和甲烷(圖像320)作為HDP CVD處理中的碳源來以S i C填充的3:1 AR、25nm寬溝槽的SEM圖像。
[0013]圖4示出了在沉積期間不同階段處的HDPCVD處理中使用He/CH4工藝氣體來以無定形碳填充的3:1AR、25納米特征的截面示意圖和對應(yīng)的SEM圖像。
[0014]圖5提供了說明根據(jù)不同實施方式填充間隙的方法實施例中的操作的工藝流程圖。
[0015]圖6提供了描繪配置成可在反應(yīng)器中配置的各種反應(yīng)器組件的簡單方塊圖。
[0016]圖7是根據(jù)所公開的實施方式適于執(zhí)行沉積處理的一個系統(tǒng)的方塊圖。
[0017]圖8提供了包括在自對準連接集成處理中基于碳的間隙填充的操作實施例。
【具體實施方式】
[0018]半導(dǎo)體集成操作可涉及用各種材料填充高深寬比間隙。這是針對淺溝槽隔離、金屬間電介質(zhì)層、鈍化層等情況。隨著器件幾何尺寸縮小和熱預(yù)算減少，由于現(xiàn)有沉積工藝的局限性，高深寬比(AR)間隙的無空隙填充變得越來越困難。
[0019]本發(fā)明提供了使用高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDPCVD)填充間隙的方法。根據(jù)不同實施方式，含碳膜(例如無定形碳和無定形碳化物膜)通過HDP CVD沉積到襯底上的間隙內(nèi)，以填充間隙。方法可涉及在HDP CVD沉積期間使用高含氫量的工藝氣體以提供自下而上的填充。還提供了相關(guān)的裝置。
[0020]大部分沉積方法在上部區(qū)域比在間隙側(cè)壁的下部區(qū)域沉積更多的材料，并且可以在間隙入口處形成“頂帽”。其結(jié)果是，高深寬比結(jié)構(gòu)的頂部部分有時過早地關(guān)閉而在間隙的下部部分內(nèi)留有空隙。這個問題在小的間隙中加劇。此外，隨著深寬比增大，間隙本身的形狀可能導(dǎo)致問題。高深寬比間隙常常呈現(xiàn)出內(nèi)凹特征，這使得間隙填充更加困難。內(nèi)凹特征是從間隙底部變窄的特征。一個這樣問題性的內(nèi)凹特征是在間隙頂部變窄，而間隙側(cè)壁在間隙頂部附近向內(nèi)傾斜。對于給定深寬比的特征，這增加了沉積期間間隙體積與由前體物質(zhì)所涉及的間隙接入?yún)^(qū)域的比率?？障逗徒涌p的形成在這些情況下更可能發(fā)生。如果間隙頂部過早地關(guān)閉，則重新打開間隙后，更多膜才能被沉積在間隙中。
[0021]HDP CVD是定向CVD工藝，其涉及朝向襯底引導(dǎo)帶電的電介質(zhì)前體物質(zhì)。雖然HDPCVD并非單純各向同性的、基于擴散的工藝，但一些懸垂物或頂帽的形成仍然仍然會發(fā)生在待填充間隙的入口區(qū)域處。這可能是由于在等離子體反應(yīng)器中中性物質(zhì)的非定向沉積反應(yīng)以及濺射和再沉積工藝。沉積工藝的定向方面產(chǎn)生了一些遠離底部填充濺射的高動量帶電物質(zhì)。濺射材料趨向于重新沉積在側(cè)壁上。隨著待填充間隙的寬度減小和深寬比增大，歸因于懸垂物形成的限制變得更為嚴重。根據(jù)不同實施方式，本文提供的方法通過使用富含氫氣的工藝氣體抑制內(nèi)凹特征的形成來提供間隙填充。
[0022]在本文提供的方法的實施方式中，間隙填充有無定形含碳材料，如無定形碳(a-C)和無定形碳化物，該無定形碳化物包括無定形碳化娃(a-SiC)。SiC類包括:氧摻雜SiC，也稱為碳氧化硅(S1C);氮摻雜SiC，也被稱為碳氮化硅(SiNC);氧和氮摻雜SiC，也被稱為碳氧氮化娃(silicon oxynitricarbide，S1NC);硼摻雜的碳化物(SiBC)；以及未摻雜的碳化娃(SiC)。例如，拓撲襯底上的溝槽可以以在圖案轉(zhuǎn)印方案中充當(dāng)犧牲硬掩模的a-C膜填充。a-SiC和其它無定形碳化物層可以被用作例如在VLSI后端處理中的阻擋層。在一些集成方案中，SiC或其他碳化物膜的無空隙間隙填充是很有用的。圖8提供了包括在自對準連接集成處理中基于碳的間隙填充的操作的實施例。在圖8中描繪了金屬柵極801和間隔物802。金屬柵極801凹陷，形成間隔物之間的間隙804。柵帽803(其可以是例如SiC膜)在限定連接孔之前沉積在間隙804內(nèi)。柵帽803的存在放寬了連接孔限定的對準精度;在圖8中，連接孔805是由柵帽803提供的增大的公差范圍內(nèi)。
[0023]圖1提供了說明根據(jù)不同實施方式填充間隙的方法示例中的操作的工藝流程圖。過程100涉及提供包括間隙的基底到HDP CVD室。塊1010HDP CVD室在下面結(jié)合圖6進一步討論。襯底可以是適合于半導(dǎo)體處理的晶片，例如200毫米、300毫米或450毫米的硅晶片。可以使用不同組成和/或尺寸的晶片。此外，該方法不限于半導(dǎo)體襯底，可以用包括待填充的間隙的任何合適的襯底來實現(xiàn)，合適的襯底包括玻璃和塑料板等。
[0024]富含氫(H)的工藝氣體被引入到HDPCVD室。塊103。根據(jù)不同實施方式，塊103可涉及使用富含H的反應(yīng)物和除反應(yīng)物外還引入氫氣(H2)到室中的一者或兩者。術(shù)語“工藝氣體”被用來表示被引入到室中的多組分氣體或其混合物。在一些實施方式中，工藝氣體可包括夾帶在載氣中或以其他方式提供給室的液體反應(yīng)物。工藝氣體包括一種或多種碳反應(yīng)物以供應(yīng)基于碳的間隙填充材料，并且在適當(dāng)?shù)那闆r下包括一種或多種共反應(yīng)物，如含硅化合物、含氮化合物、含硼化合物等等。
[0025]根據(jù)不同實施方式，富含H的處理氣體可以以下中的一個或多個為特征:至少3:1的H: C比，超過3:1的H: C比，或至少4:1的H: C比。在一些實施方式中，使用具有至少3:1的H: C比、超過3:1的H:C比或至少4:1的H:C比的碳前體。實施例包括乙烷(C2H6)、甲烷(CH4)。具有較低H:C比的碳前體可以與添加的H2或來自另一個源的氫一起使用。例如，工藝氣體可以包括乙炔(C2H2WPH2。工藝氣體可包括惰性載氣，其實施例包括氦(He)、氬(Ar)等等。
[0026]如上所述，工藝氣體可以包括一種或多種附加反應(yīng)物，具體取決于要沉積的膜類型。對于包括SiC、SiCN、SIBC等的硅碳化物，含硅反應(yīng)物(例如一種或多種硅烷)可以用作硅源。通常，含硅反應(yīng)物中不包括碳。硅烷的非限制性實例包括硅烷、乙硅烷、丙硅烷和更高級的硅烷。
[0027]可適當(dāng)?shù)厥褂闷渌璺磻?yīng)物，包括使用硅氧烷、烷基硅烷、烷氧基硅烷和氨基硅烷等等。烷基硅烷的非限制性實例包括二甲基硅烷、三甲基硅烷、四甲基硅烷、三乙基硅烷、以及五甲基乙娃雜甲燒(pentamethyIdisi Iamethane)。還包括氧原子的含娃碳的膜(例如，硅碳氧化物和硅碳氮氧化物)可以使用包含氧的有機硅反應(yīng)物(如硅氧烷和烷氧基硅烷)而形成。硅氧烷的非限制性實例包括環(huán)四硅氧烷(例如，2，4，6，8_四甲基環(huán)四硅氧燒;八甲基環(huán)四硅氧烷；以及七甲基環(huán)四硅氧烷)；其它環(huán)硅氧烷;具有三維或籠形結(jié)構(gòu)的硅氧烷(即，其中硅原子經(jīng)由氧原子彼此橋連，形成三維結(jié)構(gòu)或多面體)，如倍半硅氧烷;和線性硅氧烷，如一■娃氧燒(例如，五甲基一■娃氧燒，四甲基一■娃氧燒，和八甲基二娃氧燒)。燒氧基娃燒的非限制性實例包括甲氧基硅烷、二甲氧基硅烷、三甲氧基硅烷、甲基二甲氧基硅烷、二乙氧基甲基硅烷、二甲基乙氧基硅烷和二甲基甲氧基硅烷。還包括氮原子的含硅碳的膜(例如，硅碳氮化物和硅碳氮氧化物)可以使用包含氮的有機硅反應(yīng)物(例如，氨基硅烷和硅氮烷)而形成。氨基硅烷的非限制性實例包括2，2_雙(二甲基氨基)-4，4-二甲基-2，4-二硅雜戊烷(2，2-bis(dimethylamino)-4，4-dimethyl-2，4-disilapentane)、2，2，4-三甲基-4-二甲基氨基-3，4-二硅雜戊烷、二甲氨基二甲基硅烷、雙(二甲基氨基)甲基硅烷和三(二甲基氨基)硅烷。I，I，3，3-四甲基硅氮烷是硅氮烷的非限制性實例。
[0028]根據(jù)不同實施方式，含硅反應(yīng)物和烴可以被以約1:1的比率提供給室以填充間隙。這包括介于1: 1.5和1.5:1之間的比率。在某些情況下，該比率介于1: 1.25和1.25:1之間或者介于1: 1.1和1.1:1之間。在一些實施方式中，含硅反應(yīng)物富含氫，具有至少3:1或者至少4:1的H:Si比率。
[0029]用于沉積a-C膜的富含氫的工藝氣體的非限制性實例包括He/CH4、He/C2H2/H2、He/OWH2和He/C2H6/H2。用于沉積a-SiC膜的富含氫的工藝氣體的非限制性實例包括He/SiH4/CH4、He/SiH4/C2H2/H2、He/SiH4/CH4/H2、和 He/SiH4/C2H6/H2。在這些實施例中，可以除了使用He之外還使用任何適當(dāng)?shù)妮d氣或者可以使用任何適當(dāng)?shù)妮d氣來代替He。同樣地，在這些實施例中，可以除了使用SiH4之外還使用任何適當(dāng)?shù)暮璺磻?yīng)物或可以使用任何適當(dāng)?shù)暮璺磻?yīng)物來代替SiH4。
[0030]基于碳的膜然后被沉積以填充間隙。塊105。根據(jù)不同實施方式，填充間隙可以在單個沉積期間或在多個通過插入蝕刻操作而分開的沉積期間執(zhí)行。后一技術(shù)的一個實施例相對于圖5被描述如下。
[0031]通過在HDPCVD沉積中使用富含氫的碳前體，也可以提供自下而上的間隙填充。這被示意地表示于圖2中，其描述了相比于使用甲烷作為碳源(工藝氣體He/SiH4/CH4)的單階段特征填充、在單個沉積階段使用乙炔作為碳源(He/SiH4/C2H2)以SiC填充的特征的橫截面圖。處理210描述了根據(jù)He/SiH4/C2H2的碳化硅沉積期間的溝槽201。隨著沉積的進行，形成尖端204。這導(dǎo)致了溝槽201的頂部205的封閉，進而導(dǎo)致空隙203。相比較而言，使用He/SiH4/CH4處理氣體的處理220導(dǎo)致沒有空隙形成的自下而上的填充。隨著沉積進行，尖端在206處被抑制，使溝槽能夠保持開放并提供無空隙的填充。圖3示出了與圖2中所示意描述的那些類似、分別使用乙炔(圖像310)和甲烷(圖像320)作為在HDP CVD處理中的碳源的填充有SiC的3: lAR、25nm寬溝槽的SEM圖像。空隙303可見于圖像310中。相比之下，采用甲烷填充的溝槽是無空隙的。
[0032]在溝槽上沉積a-C膜期間觀察到類似效果。圖4示出了在沉積過程的各個階段中的HDP CVD處理中使用He/CH4處理氣體填充的3:1AR、25納米的溝槽401的截面示意圖和對應(yīng)的SEM圖像。沉積可表征為基本上自下而上，導(dǎo)致用無空隙的a-C填充的溝槽。相比之下，由于側(cè)壁尖端發(fā)展和過早的間隙封閉(未示出)，He/C2H2處理氣體導(dǎo)致空隙形成。
[0033]不受具體理論限制，認為，尖端抑制歸因于在沉積期間通過諸如氫自由基(S卩，原子H)之類的H物質(zhì)在間隙頂部蝕刻。在等離子體中的中性和低質(zhì)量物質(zhì)優(yōu)先在間隙頂部蝕亥IJ，允許在特征底部部分填充和在頂部蝕刻。這種效果可以抵消導(dǎo)致尖端沉積的上述因素。
[0034]使用非富含氫的工藝氣體、其它烴類前體或其它技術(shù)(例如等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD))的基于碳的膜的間隙沉積沒有表現(xiàn)出與由富含氫的HDP CVD處理所表現(xiàn)出的相同尖端抑制。因此，它們不能用于高質(zhì)量、無空隙、單階段的間隙填充。
[0035]在一些實施方式中，方法可以包括一個或多個沉積-蝕刻-沉積循環(huán)。也可以使用這樣的方法來例如特別地填充具有挑戰(zhàn)性的結(jié)構(gòu)。圖5提供了說明根據(jù)不同實施方式填充間隙的一個方法示例中的操作的過程流程圖。
[0036]如圖所示，沉積處理500開始于塊101，在該塊101中，包含間隙的襯底被提供到HDPCVD反應(yīng)室。該操作可以如以上參照圖1所述地執(zhí)行。富含H的工藝氣體然后被引入到HDPCVD室。塊103。這也可以如以上參照圖1所述地執(zhí)行。
[0037]基于碳的膜然后被沉積以部分地填充間隙。塊505。在關(guān)閉間隙之前停止沉積。在一些實施方式中，所沉積的膜可表現(xiàn)出新生的尖端形成、內(nèi)凹輪廓、或以其他方式呈現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性的填充結(jié)構(gòu)。雖然任意尖端形成將比不存在富含氫的工藝氣體的情況下少，但它對于停止沉積并采用專用蝕刻操作以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整部分地填充間隙的膜的輪廓會是有用的。
[0038]在507，反應(yīng)物流被關(guān)閉并且蝕刻基于碳的膜。因為反應(yīng)物流被關(guān)閉，因此沉積停止。在一些實施方式中，氫自由基或其它氫物質(zhì)是主要蝕刻劑。在一些這樣的實施方式中，從塊505轉(zhuǎn)移到塊507可涉及關(guān)閉一個或多個反應(yīng)物流，同時允許H2繼續(xù)流動。在一些實施方式中，盡管塊507可以在HDP CVD反應(yīng)器發(fā)生，但襯底也可以被轉(zhuǎn)移到蝕刻室以進行蝕刻?？梢允褂萌魏魏线m的蝕刻劑，包括基于氟的蝕刻等。在基于氫的蝕刻中一種或多種附加的蝕刻劑氣體可被添加到氫氣中?？商娲?，氫物質(zhì)可以是唯一的蝕刻劑，而無鹵素蝕刻劑。
[0039]塊507可涉及優(yōu)先蝕刻在間隙頂部的材料以適當(dāng)?shù)爻尚伍g隙中的材料輪廓。這可以被稱為非保形蝕刻或低臺階覆蓋率蝕刻?；谔嫉哪さ呐_階覆蓋率可以是正比于(蝕刻劑濃度)/蝕刻速率。例如，對于氫自由基蝕刻，在較高的溫度下，氫自由基很容易反應(yīng)并在特征入口蝕刻，從而產(chǎn)生更不共形的蝕刻;在較低的溫度下，氫自由基能夠擴散并進一步蝕刻到特征內(nèi)，產(chǎn)生更共形的蝕刻。較高的蝕刻劑流率將會導(dǎo)致產(chǎn)生更多的蝕刻劑物質(zhì)，從而導(dǎo)致更多的物質(zhì)擴散并進一步蝕刻到特征內(nèi)，產(chǎn)生更共形的蝕刻。較低的蝕刻劑流率將會導(dǎo)致產(chǎn)生較少的蝕刻物質(zhì)，這將趨向于在特征入口處進行反應(yīng)和蝕刻，從而產(chǎn)生更不共形的蝕刻。
[0040]在塊509，基于碳的膜沉積在所述間隙中，這時是在部分填充間隙的經(jīng)蝕刻的基于碳的膜上。如上所述，塊509通常涉及使用富含氫的工藝氣體的HDP CVD沉積。在一些實施方式中，間隙可在一個沉積-蝕刻-沉積序列之后進行填充。可替代地，塊507和509可以重復(fù)一次或多次，以填充間隙。模塊511。
[0041]在替代的實施方式中，基于碳的間隙填充可通過使用富含氮的工藝氣體執(zhí)行。例如，如上所述的富含氫的或富含碳的烴前體可以與氮(N2)混合。
裝置
[0042]本發(fā)明可以在HDP CVD反應(yīng)器中實施。這樣的反應(yīng)器可采取許多不同的形式。通常，裝置包括容納一個或多個晶片并適于晶片處理的一個或多個室或“反應(yīng)器”(有時包括多個站)。每個室可以容納用于處理的一個或多個晶片。一個或多個室將晶片保持在限定的一個位置或多個位置(在該位置內(nèi)有或沒有運動，例如旋轉(zhuǎn)、振動或其他攪動)。而在處理中，每個晶片通過基座、晶片卡盤和/或其他晶片保持裝置被保持在適當(dāng)位置。對于在其中晶片將被加熱的某些操作，裝置可包括如熱板之類的加熱器。合適的反應(yīng)器的一個實施例是SPEED?反應(yīng)器，可從加利福尼亞州弗里蒙特的朗姆研究公司(Lam Research ofFremont ,California)獲得。
[0043]圖6提供了一個簡單框圖，描繪了布置為可被布置在反應(yīng)器中的各種反應(yīng)器組件。如圖所示，反應(yīng)器601包括處理室603，該處理室603包圍該反應(yīng)器的其它部件并且用來容納等離子體。在一個實例中，處理室壁由鋁、氧化鋁和/或其他合適的材料制成。在圖6所示的實施方式中具有兩個等離子體源:頂部射頻(RF)線圈605和側(cè)部射頻線圈607。頂部射頻線圈605是中頻(MFRF)線圈，側(cè)部射頻線圈607是低頻(LFRF)線圈。在圖6中所示的實施方式中，MFRF頻率可以從430到470kHz，而LFRF頻率可以從340到370kHz。然而，這些方法和裝置并不限于具有雙源、這些頻率或RF等離子體源的反應(yīng)室內(nèi)的操作?？梢允褂萌魏魏线m的等離子體源或多個等離子體源。
[0044]在反應(yīng)器中，晶片基座609支撐襯底611?；ǔ０ūP(有時被稱為夾具)以在沉積反應(yīng)過程中將襯底保持在適當(dāng)位置。卡盤可以是靜電卡盤、機械卡盤或各種其他類型的可供使用的卡盤。包括用于提供傳熱流體的線613的熱傳輸子系統(tǒng)控制襯底611的溫度。晶片卡盤和傳熱流體系統(tǒng)能方便維持適當(dāng)?shù)木瑴囟取?br>[0045]HFRF源615的高頻射頻用于使襯底611電偏置和引導(dǎo)帶電反應(yīng)物質(zhì)到襯底上以用于沉積反應(yīng)。例如，來自源615的電能經(jīng)由電極或電容親合被親合到襯底611。注意，施加到襯底的偏置不必是RF偏置。也可以使用其它頻率和直流偏置。
[0046]富含氫的工藝氣體經(jīng)由一個或多個入口617被引入。工藝氣體的組成氣體可以進行或不進行預(yù)先混合。在一些實施方式中，工藝氣體通過包括孔的氣體供應(yīng)入口機構(gòu)引入。在一些實施方式中，所述孔中的至少一些將工藝氣體沿著以銳角與襯底的暴露表面相交的噴射軸定向。此外，氣體或氣體混合物可從主氣體環(huán)621引入，該氣體環(huán)621可以或可以不直接朝向基座引導(dǎo)氣體。在一些實施方式中，氣體可以從除了主氣體環(huán)621外的一個或多個氣體環(huán)(未示出)被引入。噴射器可以連接到主氣體環(huán)621以引導(dǎo)至少一些氣體或氣體混合物進入室中并朝向底座引導(dǎo)。需要注意的是，在某些實施方式中，可以不使用用于朝向晶片引導(dǎo)工藝氣體的噴射器、氣體環(huán)或其它機制；也可以采用任何適當(dāng)?shù)墓に嚉怏w輸送系統(tǒng)。由進入室的工藝氣體所導(dǎo)致的前聲波本身將導(dǎo)致氣體迅速地在所有方向分散一包括朝向襯底。工藝氣體經(jīng)由出口622排出室603。真空栗(例如，渦輪分子栗)通常將工藝氣體抽出并在反應(yīng)器內(nèi)保持合適的低壓。反應(yīng)器601可以使用控制器690來控制。控制器690可以包括用于執(zhí)行本文公開的各種操作的機器可讀指令。下面提供了有關(guān)控制器690的進一步描述。
[0047]在一些實施方式中，HDP CVD反應(yīng)器(例如，在圖6中所示的反應(yīng)器601)是用于處理一個或多個晶片的工具的部分。在圖7中提供了包括一個或多個反應(yīng)器的工具的一個實施例。圖7是適于執(zhí)行根據(jù)所公開的實施方式的沉積工藝的系統(tǒng)的一個框圖。系統(tǒng)700包括傳送模塊703，如從加利福尼亞州弗里蒙特的朗姆研究公司(Lam Research Corporat1n ofFremont，California)提供的SPEED?平臺上使用的晶片傳送系統(tǒng)(WTS)。傳送模塊703提供了清潔、加壓的環(huán)境，以盡量減少正在處理的工件(如晶片)在各處理階段間移動時的污染風(fēng)險。一個或多個HDP CVD模塊或處理室705安裝在傳送模塊703上，如Lam SPEED?反應(yīng)器，可從加利福尼亞州弗里蒙特的朗姆研究公司(Lam Research Corporat1n of Fremont,California)獲得。一個或多個蝕刻室707也安裝在傳送模塊703上。蝕刻室中的實例包括Lam的原子層去除(ALR)反應(yīng)器或Kiyo?反應(yīng)器。這些蝕刻室可被安裝在同一個或不同的平臺上作為一個或多個沉積反應(yīng)器。
[0048]系統(tǒng)700還包括一個或多個(在這種情況下為兩個)晶片源模塊701，在處理之前和之后晶片被存儲其中。傳送模塊703中的設(shè)備(通常為機械臂單元)在安裝于傳送模塊703上的模塊之間移動晶片。
[0049]晶片分別由機械臂在用于沉積和深蝕刻處理的HDPCVD反應(yīng)器705和/或蝕刻室707之間傳輸。在一個實施方式中，單一的蝕刻反應(yīng)器可以支持具有每小時約15-16晶片(wph)的高吞吐量的兩個SPEED沉積模塊705。在其他實施方式中，兩個蝕刻反應(yīng)器707可以支持一個或多個SPEED沉積模塊705。
[0050]公開的實施方式也可以在沒有等離子體蝕刻室的情況下實施。例如，單個室可構(gòu)造成用于HDP CVD沉積和蝕刻兩者。例如，Lam SPEED HDP-CVD反應(yīng)器能夠以與使用分離的反應(yīng)器相似的吞吐量來進行沉積和蝕刻?？紤]到在此提供的細節(jié)和參數(shù)，單個室可構(gòu)造成例如等離子體反應(yīng)器，其具有用于沉積(HDP CVD)和反應(yīng)性等離子體蝕刻(例如，原位或下游的等離子體源)的設(shè)備，例如本文中所描述的各種等離子體源。
[0051]圖7還描繪了用于控制工藝條件和處理工具700的硬件狀態(tài)的系統(tǒng)控制器750的一個實施方式。該系統(tǒng)控制器750可以提供用于實現(xiàn)上述處理的程序指令。該程序指令可以控制各種處理參數(shù)，諸如DC電源電平、RF偏置功率電平、壓強、溫度等。該指令可以控制參數(shù)以根據(jù)本文描述的不同實施方式來執(zhí)行沉積操作。
[0052]在一些實現(xiàn)方式中，控制器750是系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)可以是上述實施例的一部分。這種系統(tǒng)可以包括半導(dǎo)體處理設(shè)備，該半導(dǎo)體處理設(shè)備包括一個或多個處理工具、一個或多個處理室、用于處理的一個或多個平臺和/或具體的處理組件(晶片基座、氣流系統(tǒng)等)。這些系統(tǒng)可以與用于控制它們在處理半導(dǎo)體晶片或襯底之前、期間和之后的操作的電子器件一體化。電子器件可以稱為“控制器”，該控制器可以控制一個或多個系統(tǒng)的各種元件或子部件。根據(jù)處理要求和/或系統(tǒng)的類型，控制器750可以被編程以控制本文公開的任何工藝，包括控制工藝氣體輸送、溫度設(shè)置(例如，加熱和/或冷卻)、壓強設(shè)置、真空設(shè)置、功率設(shè)置、射頻(RF)產(chǎn)生器設(shè)置、RF匹配電路設(shè)置、頻率設(shè)置、流率設(shè)置、流體輸送設(shè)置、位置及操作設(shè)置、晶片轉(zhuǎn)移進出工具和其它轉(zhuǎn)移工具和/或與具體系統(tǒng)連接或通過接口連接的裝載鎖。
[0053]廣義而言，控制器750可以定義為接收指令、發(fā)布指令、控制操作、啟用清潔操作、啟用端點測量等等的具有各種集成電路、邏輯、存儲器和/或軟件的電子器件。集成電路可以包括存儲程序指令的固件形式的芯片、數(shù)字信號處理器(DSP)、定義為專用集成電路(ASIC)的芯片和/或一個或多個微處理器或執(zhí)行程序指令(例如，軟件)的微控制器。程序指令可以是以各種單獨設(shè)置的形式(或程序文件)傳送到控制器的指令，該設(shè)置定義用于在半導(dǎo)體晶片或系統(tǒng)上或針對半導(dǎo)體晶片或系統(tǒng)執(zhí)行特定過程的操作參數(shù)。在一些實施方式中，操作參數(shù)可以是由工藝工程師定義的用于在制備晶片的一或多個(種)層、材料、金屬、氧化物、硅、二氧化硅、表面、電路和/或管芯期間完成一個或多個處理步驟的配方(recipe)的一部分。
[0054]在一些實施方式中，系統(tǒng)控制器750控制處理工具700的所有活動。系統(tǒng)控制器750可以包括一個或多個存儲器設(shè)備756、一個或多個大容量存儲設(shè)備754以及一個或多個處理器752。處理器752可以包括CPU或計算機、模擬和/或數(shù)字輸入/輸出連接、步進式電機控制器板等。系統(tǒng)控制器750執(zhí)行存儲在大容量存儲裝置754內(nèi)、加載到存儲器裝置756并在處理器752上執(zhí)行的系統(tǒng)控制軟件758。替代地，控制邏輯可在控制器750中被硬編碼。專用集成電路、可編程邏輯器件(例如，現(xiàn)場可編程門陣列，或FPGA)等可以用于這些目的。在下面的討論中，無論何處使用“軟件”或“編碼”，可以適當(dāng)?shù)厥褂霉δ苌暇哂锌杀刃缘挠簿幋a邏輯。系統(tǒng)控制軟件758可包括用于控制晶片進出處理室的傳送、氣體定時、氣體混合、氣體流量、室和/或站壓強、室和/或反應(yīng)器的溫度、晶片溫度、偏置功率、目標功率電平、RF功率電平、基座、卡盤和/或基座的位置、以及其它由處理工具700執(zhí)行的特定處理的參數(shù)的指令。系統(tǒng)控制軟件758可以以任何合適的方式來配置。例如，各種處理工具組件子程序或控制對象可以被寫入以控制進行各種處理工具工藝需要的處理工具組件的操作。系統(tǒng)控制軟件758可以任何合適的計算機可讀編程語言來編碼。
[0055]在一些實現(xiàn)方式中，控制器750可以是與系統(tǒng)集成、耦合或者說是通過網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)或它們的組合的計算機的一部分或者與該計算機耦合。例如，控制器750可以在“云端”或者是fab主機系統(tǒng)的全部或一部分，從而可以允許遠程訪問晶片處理。計算機可以啟用對系統(tǒng)的遠程訪問以監(jiān)控制造操作的當(dāng)前進程，檢查過去的制造操作的歷史，檢查多個制造操作的趨勢或性能標準，改變當(dāng)前處理的參數(shù)，設(shè)置處理步驟以跟隨當(dāng)前的處理或者開始新的工藝。在一些實施例中，遠程計算機(例如，服務(wù)器)可以通過網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)提供工藝配方，網(wǎng)絡(luò)可以包括本地網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)。遠程計算機可以包括允許輸入或編程參數(shù)和/或設(shè)置的用戶界面，該參數(shù)和/或設(shè)置然后從遠程計算機傳送到系統(tǒng)。在一些實施例中，控制器750接收數(shù)據(jù)形式的指令，該指令指明在一個或多個操作期間將要執(zhí)行的每個處理步驟的參數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，參數(shù)可以針對將要執(zhí)行的工藝類型以及工具類型，控制器750被配置成連接或控制該類型工具。因此，如上所述，控制器750可以例如通過包括一個或多個分立的控制器而為分布式，這些分立的控制器通過網(wǎng)絡(luò)連接在一起并且朝著共同的目標(例如，本文所述的工藝和控制)工作。用于這些目的的分布式控制器的實施例可以是與結(jié)合以控制室上的工藝的一個或多個遠程集成電路(例如，在平臺水平或作為遠程計算機的一部分)通信的室上的一個或多個集成電路。
[0056]在一些實施方式中，系統(tǒng)控制軟件758可包括用于控制上述的各種參數(shù)的輸入/輸出控制(1C)排序指令。存儲在與系統(tǒng)控制器750關(guān)聯(lián)的大容量存儲設(shè)備754和/或存儲器設(shè)備756上的其他計算機軟件和/或程序可以在一些實施例中采用。程序或用于此目的的程序部分的例子包括晶片定位程序、工藝氣體的控制程序、壓強控制程序、加熱器控制程序和等離子體控制程序。
[0057]晶片定位程序可以包括用于被用來裝載晶片到基座718上的處理工具組件的程序編碼。工藝氣體控制程序可包括用于控制氣體組成(例如，工藝氣體、氦氣或載氣等等，如本文所述)和流率以及任選的用于在沉積之前使氣體流入一個或多個處理室或站以穩(wěn)定其中的壓強的編碼。壓強控制程序可包括用于通過調(diào)節(jié)例如在處理室的排氣系統(tǒng)中的節(jié)流閥、流入該處理室氣體流等來控制處理室中壓強的編碼。
[0058]加熱器控制程序可包括用于控制用于加熱晶片或其它工件的流向加熱單元的電流的編碼?？商娲?，加熱器控制程序可控制傳熱氣體(例如氦)到晶片的輸送。等離子體控制程序可包括用于根據(jù)本文的實施方式設(shè)置應(yīng)用到一個或多個處理室或站中的處理電極和偏置的射頻功率電平的編碼。壓強控制程序可包括用于根據(jù)本文的實施方式保持反應(yīng)室中的壓強的編碼。
[0059]在一些實施方式中，可存在與系統(tǒng)控制器750相關(guān)聯(lián)的用戶接口。用戶接口可以包括顯示屏、裝置和/或工藝條件的圖形軟件顯示、和用戶輸入設(shè)備，諸如定點設(shè)備、鍵盤、觸摸屏、麥克風(fēng)等。
[0060]在一些實施方式中，由系統(tǒng)控制器750調(diào)整的參數(shù)可以涉及處理條件。非限制性實例包括工藝氣體的組成和流率、溫度、壓強、等離子體條件(例如RF偏置功率電平)、壓強、溫度等。這些參數(shù)可以以配方的形式提供給用戶，其可以利用用戶接口進行輸入。
[0061]用于監(jiān)控處理的信號可以由系統(tǒng)控制器750的模擬和/或數(shù)字輸入連接從各種處理工具傳感器來提供。用于控制處理的信號可以是在處理工具700的模擬和數(shù)字輸出連接上的輸出?？杀槐O(jiān)控的處理工具傳感器的非限制性實例包括質(zhì)量流量控制器、壓力傳感器(例如壓力計)、熱電偶等。適當(dāng)編程的反饋和控制算法可以與來自這些傳感器的數(shù)據(jù)一起使用來維持處理條件。
[0062]在非限制性的條件下，示例性的系統(tǒng)可以包括等離子體蝕刻室或模塊、沉積室或模塊、旋轉(zhuǎn)清洗室或模塊、金屬電鍍室或模塊、清潔室或模塊、倒角邊緣蝕刻室或模塊、物理氣相沉積(PVD)室或模塊、化學(xué)氣相沉積(CVD)室或模塊、原子層沉積(ALD)室或模塊、原子層蝕刻(ALE)室或模塊、離子注入室或模塊、軌道室或模塊、以及在半導(dǎo)體晶片的制備和/或制造中可以關(guān)聯(lián)上或使用的任何其它的半導(dǎo)體處理系統(tǒng)。
[0063]如上所述，根據(jù)工具將要執(zhí)行的一個或多個工藝步驟，控制器可以與一個或多個其它的工具電路或模塊、其它工具組件、組合工具、其它工具界面、相鄰的工具、鄰接工具、位于整個工廠中的工具、主機、另一個控制器、或者在將晶片的容器往來于半導(dǎo)體制造工廠中的工具位置和/或裝載口搬運的材料搬運中使用的工具通信。
工藝參數(shù)
[0064]如上所述，間隙填充是通過HDPCVD進行。本文所采用的HDP CVD區(qū)別于等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)(也被稱為PECVDhHDP CVD反應(yīng)器通常采用感應(yīng)耦合等離子體，而PECVD反應(yīng)器通常采用電容耦合等離子體。HDP CVD工藝條件和所得膜不同于PECVD工藝。例如，如本文所描述的各種HDP反應(yīng)器在壓強小于約100毫托、等離子體密度大于10171ns/m3(離子數(shù)/每立方米)(例如，10171ns/m3至10191ns/m3)的條件下操作。相比之下，PECVD工藝在高得多的壓強、低得多的等離子體密度(例如，10141ns/m3至10161ns/m3)的條件下操作。
[0065]HDP反應(yīng)器可以在用于線圈的400kHz等離子體頻率和在用于其中晶片被放置的基座的13.56MHz頻率點燃等離子體。相比之下，在電容耦合等離子體反應(yīng)器中，13.56MHz的等離子體頻率被用于在施加到噴頭或基座，以及400千赫的等離子體頻率被施加于噴頭或基座時產(chǎn)生等離子體。在HDP反應(yīng)器中的離子能量可以比在PECVD反應(yīng)器中更大。其結(jié)果是，在HDP CVD反應(yīng)器中所沉積的膜的膜組成和特性與那些在PECVD反應(yīng)器中沉積的膜不同。對于基于碳的間隙填充，即使使用富含氫的工藝氣體，PECVD中較低的等離子體密度通常不能生成有效地抑制尖端形成的氫自由基量。
[0066]等離子體源功率足夠高以維持等離子體并且是足夠低以使得H+離子的影響不會淹沒氫自由基的影響。注意，RF功率將取決于襯底尺寸(例如200毫米、300毫米或450毫米直徑的晶片)和所使用的特定工藝要求。對于300毫米晶片，一個范圍實施例是介于約3000W和6000W之間，等離子體功率與襯底表面面積成比例。
[0067]襯底溫度和室壓強通?？梢跃哂性贖DP CVD處理期間的常用范圍。溫度值可以在約200 °C和1000 0C之間的范圍，通常介于約300 °C和550 °C之間的范圍，例如400 °C。壓強通常保持在低于500毫托的值，并且可能明顯較低，例如低于100毫托或10毫托。在一個實例中，壓強為6暈托。
[0068]盡管這些方法可以在任意的期望用基于碳的材料填充間隙的襯底上實施，但它們特別適用于填充具有高深寬比和窄寬度中的一者或多者的間隙。寬高比的實例可以為3:1至30: 1、或3:1至10:1。溝槽寬度的實例范圍可以為10納米至100納米，例如50納米或更小、或25納米或更小。
[0069]HFRF電源或其它源可用于偏置襯底。襯底通常在沉積操作期間被偏置以向下引導(dǎo)帶電物質(zhì)到間隙底部。如上所討論的，認為，富含氫的工藝氣體通過在間隙頂部的化學(xué)蝕刻改善間隙填充。在專用蝕刻處理期間(如塊507)中，襯底可以或可以不被偏置。針對大約為300mm的系統(tǒng)，在HDP CVD期間的HF偏置功率實例介于O到9500W之間，具有與襯底表面區(qū)域成比例的偏置功率。
[0070]雖然為了清晰理解的目的，已經(jīng)在一定程度上詳細描述了上述實施方式，但顯而易見，可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)實行某些變化和修改。應(yīng)當(dāng)注意的是，存在實施本發(fā)明的實施方式的工藝、系統(tǒng)和裝置的許多替代方式。因此，本發(fā)明的實施方式應(yīng)被視為說明性的，而不是限制性的，并且這些實施方式并不限于本文給出的細節(jié)。
【主權(quán)項】
1.一種方法，其包括: 引入工藝氣體到容納具有間隙的襯底的高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDP CVD)室，其中所述工藝氣體包括烴類反應(yīng)物并且具有至少4:1的H: C比；以及通過所述工藝氣體的HDP CVD反應(yīng)來用基于碳的膜填充所述間隙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述間隙在沒有中間蝕刻操作的單個沉積操作中被填充。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于碳的膜是無定形碳(a-C)膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于碳的膜是無定形碳化物膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述基于碳的膜是摻雜的或非摻雜的無定形碳化娃膜。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述工藝氣體包括具有至少4的H:Si比的含硅反應(yīng)物。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少3:1的H:C比。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述烴類反應(yīng)物具有至少4:1的H:C比。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述工藝氣體包括氫分子(Hs)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進一步包括生成包括氫自由基的等離子體。
【文檔編號】H01L21/762GK106067440SQ201610251266
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年4月21日 公開號201610251266.2, CN 106067440 A, CN 106067440A, CN 201610251266, CN-A-106067440, CN106067440 A, CN106067440A, CN201610251266, CN201610251266.2
【發(fā)明人】唐偉, 杰森·達恩金·帕克, 巴特·J·范施蘭芬迪杰克, 王舒濟, 卡伊翰·艾比迪·艾施提阿妮
【申請人】朗姆研究公司