专利名称：使用振幅调制射频功率的缝隙填充方法及其设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用来制造半导体装置的缝隙填充方法，且更确切地说涉及一种使用振幅调制射频(RF)功率的缝隙填充方法和一种用于该方法的设备。
背景技术：
在半导体装置的制造工艺中，当在元件之间形成分离层(中间金属电介质(IMD)层和夹层电介质(ILD)层)时，有许多沟道和洞(或缝隙)需要填满。最近，由于半导体装置的密度增大且金属线宽度及装置之间的距离减小，所以沟道与缝隙的宽度减小。结果，缝隙填充工艺需要改进。
有许多用于缝隙填充的方法。在这些缝隙填充方法中，由于需要较高的纵横比，所以高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)方法因优良的缝隙填充特征而广泛应用。在HDP CVD方法中，使用高密度等离子来填满缝隙。
图1是展示常规高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。如图1中所示，常规的HDPCVD设备10包含腔室11、基座12、气体注射器13、RF天线14、源RF电源15、偏压RF电源17和直流(DC)电源20。腔室11具有内部反应空间。腔室110的内部空间与外部空间隔离的绝缘板21放置在腔室11的上壁上。基座12放置在腔室11中。衬底“w”装载在基座12上。气体注射器13放置在腔室11的相对侧壁上且围绕基座12。气体通过气体注射器13注射到腔室11中。RF天线14放置在腔室11上方且充当等离子注射源。RF天线14连接到源RF电源15。控制供应到衬底“w”上的离子的能量密度的偏压RF电源17连接到基座12。一般来说，源RF电源15的工频可为400KHz、2MHz、13.56MHz和大于27.12 MHz中的一种。偏压RF电源17的工频可为13.56MHz或小于2MHz中的一种。源匹配电路16和偏压匹配电路18分别连接到源RF电源15和偏压RF电源17以匹配阻抗。此外，在基座12中形成直流(DC)电极19，以使用静电将衬底紧靠到衬底12上。DC电极19由例如钨(W)的金属材料形成。DC电极19连接到DC电源20。
解释上述HDPCVD装置10中的缝隙填充工艺。
将衬底“w”装载在基座12上，且将惰性气体注射到腔室11中。接着，通过将来自源RF电源15的源电压施加到RF天线14上将等离子供应到腔室11中。此时，将例如硅烷(SiH4)和氧气(O2)的反应气体注射到基座12上的衬底“w”上，并打开偏压RF电源17。例如硅烷(SiH4)和氧气(O2)的反应气体通过与电子碰撞而变成离子和活性气体，用以沉积和蚀刻衬底“w”的表面。离子和电子被偏压RF电源17加速。一般来说，由于沉积速率大于蚀刻速率，所以反应气体沉积在衬底“w”上。活性气体有助于沉积，而离子和电子有助于蚀刻。
在不进行蚀刻工艺的情况下执行沉积工艺时，缝隙中存在空隙。图2A到2C是展示根据现有技术的缝隙填充工艺期间形成的空隙的横截面图。如图2A中所示，在衬底“w”上形成有多个缝隙“T”。如图2B中所示，将材料沉积在衬底“w”上并沉积到多个缝隙“T”中，且缝隙的入口远远窄于缝隙的其它部分。当沉积材料时，先堵住缝隙的入口然后再用该材料完全填充缝隙的内部空间，从而在缝隙的内部空间中形成空隙。这可称为悬垂现象(overhang phenomenon)。除了空隙外，间隙的其它部分均被所述材料填满。为了避免悬垂现象，在材料沉积期间通过加速的离子来蚀刻衬底“w”上沉积的材料。
然而，由于金属线宽度和装置距离(称为临界尺寸)越来越减小，所以上述方法(其中同时沉积和蚀刻材料以防悬垂现象)在防止空隙方面具有局限性。这是因为，随着临界尺寸的减小，蚀刻工艺中的副产品再次在缝隙中沉积而不是被排出。这使得缝隙的入口变窄。由于缝隙入口周围的压力因扩散到衬底上的离子和电子而大于缝隙其它部分的压力，所以经过蚀刻的材料无法被排出。
结果，当临界尺寸小于100nm时，即使缝隙入口上的材料经过蚀刻，缝隙中仍然存在一些空隙。
发明内容
因此，本发明针对一种缝隙填充方法和用于所述方法的设备，其大体上避免了因现有技术的局限性和缺点而导致的一个或一个以上问题。
本发明的目的是提供一种能够填充缝隙而不会形成空隙的缝隙填充方法和一种用于所述方法的设备。
将在以下说明中阐述本发明的其它特征和优点，且将根据说明而部分地了解本发明的其它特征和优点，或者可通过实践本发明而了解本发明的其它特征和优点。通过书面说明中特别指出的结构及其权利要求书以及附图，将认识到并获知本发明的目标和其它优点。
为了实现这些以及其它优点，并且根据本发明的目的，如同所实施和概括描述，填充衬底上的缝隙的方法包括将上面形成有缝隙的衬底放置在腔室中的基座上；向腔室施加源功率以向腔室中产生等离子；将过程气体供应到腔室中；通过向基座施加第一偏压功率(第一偏压功率的振幅受到周期性调制)来向缝隙中填充薄膜；停止供应过程气体并切断第一偏压功率；和去除腔室中的等离子。
在另一方面中，填充放置在基座上的衬底上的缝隙的方法包括在衬底上方形成等离子；在衬底上方供应过程气体；向基座施加第一功率以将过程气体沉积在衬底上并向缝隙中填充薄膜，所述第一功率经过调制而具有不同振幅；停止供应过程气体并切断第一功率；和去除等离子。
在另一方面中，一种填充衬底上的缝隙的方法，所述方法包含向腔室中供应源功率以产生等离子、向腔室中注射过程气体以及向腔室中的上面放置有衬底的基座供应偏压功率以将过程气体沉积到衬底上并填充缝隙，所述方法包括执行增加扩散到衬底上的过程气体的离子加速度的第一步骤，和执行降低扩散到衬底上的过程气体的离子加速度的第二步骤，其中周期性地重复第一步骤和第二步骤。
在另一方面中，一种用于填充衬底上的缝隙的设备包括具有内部空间的腔室、位于腔室的内部空间中且上面放置有衬底的基座、向腔室中供应过程气体的气体注射器、放置在腔室上侧的等离子产生单元、向等离子产生单元施加源功率的源RF电源、向基座供应偏压功率的偏压RF电源，和位于偏压RF电源与基座之间的振幅调制单元，其中偏压功率经过振幅调制单元的调制而具有不同振幅。
应了解，上述概括说明和以下详细说明均是示范性和解释性的，且旨在提供对所主张的本发明的进一步解释。
包含附图以提供对本发明的进一步了解，其并入本说明书中且构成本说明书的一部分，
本发明的实施例，且连同说明一起用来解释本发明的原理。图中图1是展示常规的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。
图2A到2C是展示根据现有技术的缝隙填充工艺期间形成的空隙的横截面图。
图3是展示根据本发明第一实施例的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。
图4是展示本发明中的振幅调制单元的示意图。
图5展示通过振幅调制单元产生的经过调制的功率的波形。
图6A和6B展示当调制指数分别具有0.5和1的值时的波形。
图7是展示缝隙填充方法的流程图。
图8是展示根据本发明第二实施例的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。
具体实施例方式
现在将详细参看优选实施例，附图中说明优选实施例的实例。
图3是展示根据本发明第一实施例的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。如图3中所示，HDPCVD设备100包含腔室110、基座120、气体注射器130、射频(RF)天线140、源RF电源150、偏压RF电源170、直流(DC)电源200和振幅调制单元300。腔室110具有内部反应空间。腔室110的内部空间与外部空间隔离的绝缘板210放置在腔室110的上壁上。基座120放置在腔室110中。衬底“w”装载在基座120上。气体注射器130放置在腔室110的相对侧壁上且围绕基座120。气体通过气体注射器130注射到腔室110中。RF天线140放置在腔室110上方且充当等离子注射源。RF天线140连接到源RF电源150。控制供应到衬底“w”上的离子的能量密度的偏压RF电源170连接到基座120。源匹配电路160和偏压匹配电路180分别连接到源RF电源150和偏压RF电源170以匹配阻抗。此外，在基座120中形成直流(DC)电极190，以使用静电将衬底紧靠到衬底120上。DC电极190由例如钨(W)的金属材料形成。DC电极190连接到DC电源200。振幅调制单元300连接到偏压匹配电路180和偏压RF电源170。来自偏压RF电源170的功率受到振幅调制单元300的调制而周期性地具有各种振幅。扩散到衬底“w”上的离子的加速度根据经过调制的功率的振幅而周期性地改变。也就是说，随着偏压RF电源170的电压增大，离子的加速度也增大。另一方面，当偏压RF电源170的电压减小时，离子的加速度也减小。离子的加速度与偏压RF电源170的电压量值成比例。此外，扩散到衬底上的离子量与离子的加速度成比例。当扩散到衬底“w”上的离子量增大时，沉积和蚀刻更具有活性。此外，当蚀刻更具有活性时，会产生大量的副产品。在离子的较高加速度的情况下，在缝隙的内部空间上扩散的离子增加，且缝隙入口上的副产品也增加。在离子的较低加速度的情况下，在缝隙的内部空间上扩散的离子和入口上的副产品均减少。因此，当离子加速度降低且衬底“w”上扩散的离子减少时，可大量地将副产品排出到缝隙的外部空间。由于副产品被有效地排出且不再沉积在衬底“w”上，因此缝隙入口部分上的沉积速率降低，从而有增加的时间来填满缝隙的内部空间。结果，在缝隙中不会产生空隙。也就是说，由于离子的较低加速度，所以可解决悬垂现象，且缝隙中没有空隙。
图4展示根据本发明的缝隙填充设备的振幅调制单元。如图4中所示，振幅调制单元300连接到偏压RF电源170和偏压匹配电路180。振幅调制单元300包含本机振荡器310、功率混合器320、第一放大器330、第二放大器340和锁相回路(PLL)350。本机振荡器310产生具有与偏压RF电源170的频率不同频率的功率。来自本机振荡器310的功率具有小于RF电源170的频率的频率。功率混合器320接收并混合来自偏压RF电源170和本机振荡器310的功率。第一放大器连接到功率混合器320并接收经过混合的功率。
假设偏压RF电源170的功率函数为cos(ωc)t，本机振荡器310的功率函数为1+cos(ωm)t。在此情况下，功率混合器320的功率函数如下表示(1+cos(ωm)t)cos(ωc)t其中ωc和ωm分别是来自偏压RF电源170和本机振荡器310的功率的角频率。且m是调制指数。
功率混合器320的功率具有图5中所示的波形。图5中的波形具有最大振幅为A且最小振幅为B的包络。在此情况下，调制指数m可表示如下m＝(A-B)/(A+B)由于功率混合器320的功率函数可重写为(1+cos(ωm)t)cos(ωc)t＝cos(ωc)t+(m/2)cos(ωc+ωm)t+(m/2)cos(ωc-ωm)t所以功率混合器320的功率函数包含各种频率，例如ωc、(ωc+ωm)和(ωc-ωm)。
偏压RF电源170的频率的范围在100KHz与30MHz之间。更确切地说，偏压RF电源170的频率为2MHz、13.56MHz和27.12MHz中的一者。本机振荡器310的频率的范围在10Hz与2MHz之间。偏压RF电源170和本机振荡器310的频率的关系为ωc≥10ωm另一方面，源RF电源150的量值根据衬底“w”的大小而不同。然而，施加具有小于20W/cm2的值的源RF电源150的功率。如果可能的话，可根据需要而施加具有大于20W/cm2的值的源RF电源150的功率。
图5是描绘当调制指数m为0.5时来自功率混合器的功率的时间对电压的图表。来自偏压RF电源170的功率的振幅受到功率混合器320的调制从而根据时间而不同。来自功率混合器320的功率具有三个频率ωc、(ωc+ωm)和(ωc-ωm)，且具有在偏压RF电源170的角频率ωc的范围中的最大功率。
由于调制指数m表示如下m＝(A-B)/(A+B)，所以功率的波形根据调制指数m的值而不同。举例来说，如果调制指数m具有值1，则包络的最小振幅B变为零，从而不传递功率。且如果调制指数m具有值0.5，则包络的最大振幅A是包络的最小振幅B的三倍(A＝3B)。
图6A和6B分别展示当调制指数具有值0.5和1时的波形。当调制指数m具有相对较低的值时，功率中存在振幅波动。然而，功率中没有断开。另一方面，当调制指数m具有相对较高的值时，最小振幅B(图5的)变为大致上为零，从而不传递功率。也就是说，当调制指数m具有相对较高的值时，功率中存在大量振幅波动。因此，在本发明中，调制指数m的值大于0.5，从而具有大量的振幅波动和大量的离子加速度变化。
此后，参看图3和7说明根据本发明的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)装置中的缝隙填充方法。图7是展示缝隙填充方法的流程图。
首先，在第一步骤ST110中，将上面形成有多个缝隙的衬底“w”装载到腔室110中的基座120上。接着，在第二步骤ST120中，将惰性气体(例如氩Ar、氦He和氢气H2)注射到腔室110中，以稳定腔室110的内部空间。接着，在第三步骤ST130中，当腔室110的内部空间保持恒定时，打开源RF电源150，以将等离子产生到腔室110的内部空间中。源RF电源150的电流的值的范围在数百KHz与数十MHz之间。源RF电源150的电流可具有13.56MHz与27.12MHz中的一者的值。源RF电源150的功率根据工艺条件而不同。源RF电源150的功率可具有小于20W/cm2的值。
接着，在第四步骤ST140中，当等离子稳定时，将过程气体通过气体注射器130注射到腔室110中，且打开偏压RF电源170以向基座120中施加具有经过调制的振幅的功率。过程气体的种类根据沉积到衬底“w”上的物质而不同。举例来说，当将氧化硅层沉积到衬底“w”上时，将包含硅(Si)的气体(例如硅烷(SiH4)气体)、氧气(O2)气体和臭氧(O3)气体用作过程气体。在注射过程气体期间，可注射或可不注射惰性气体。此外，在注射过程气体期间，可将腔室110的内部空间中的压力维持在小于若干mTorr的压力。腔室110的内部空间可根据要求而具有小于1mTorr的压力。如上所述，为了调制来自偏压RF电源170的功率的振幅，振幅调制单元300的本机振荡器310产生频率范围在10Hz与2MHz之间的功率。在此情况下，偏压RF电源170的角频率ωc与本机振荡器310的角频率ωm的关系表示如下ωc≥10ωm在第四步骤ST140中，当将来自偏压RF电源170的功率施加到基座120中时，根据工艺温度使用氦气将衬底“w”的后侧冷却。
接着，在第五步骤ST150中，执行缝隙填充工艺以向缝隙中填充薄膜而不会形成空隙。也就是说，将硅烷气体和氧气激活成离子和活性气体，并同时将其沉积到衬底“w”的表面上并蚀刻衬底“w”的表面。在本发明中，由于偏压RF电源170的功率受到振幅调制单元300的调制且随后被施加到基座120中，所以离子的加速度根据功率振幅而波动。因此，当振幅较高时，扩散到衬底“w”上的离子量增加，从而激活沉积和蚀刻。另一方面，当振幅较低时，扩散到衬底“w”上的离子量减少，从而使得缝隙入口部分处的沉积速率降低。这是因为副产品像上文所述那样被容易地排出到缝隙的外部空间中。因此，缝隙可被材料填满而不会有空隙。
接着，在第六和第七步骤ST160和ST170中，在完成了缝隙填充工艺之后，中断供应过程气体，关闭偏压RF电源170和源RF电源150。结果，等离子消失。根据要求，可连续供应惰性气体。
如果连续供应惰性气体，则在第八步骤ST180中中断供应惰性气体。接着，在第九步骤ST190中，取出衬底“w”。
另一方面，在第四步骤ST140中，不需要在整个工艺时间期间施加具有经过调制的振幅的功率。可在初始工艺时间期间施加具有经过调制的振幅的功率，且在后续工艺时间期间施加未经振幅调制的功率。也就是说，沉积工艺包含调制功率的步骤和不调制功率的步骤。当调制功率的步骤改变成不调制功率的步骤时，调制指数逐步变小。调制指数变得越小，来自功率混合器的经调制的功率的最大振幅与来自功率混合器的经调制的功率的最小振幅之间的差就变得越小。
另一方面，沉积工艺划分成三个步骤初始不调制步骤、调制步骤和后续不调制步骤。
在沉积工艺的初始阶段，由于缝隙被填满而没有空隙且纵横比变大，所以不需要调制功率。当缝隙被部分地填满时，则执行调制步骤。且在缝隙被填满之后，执行后续不调制步骤。根据缝隙形状确定初始不调制步骤的时期。当初始不调制步骤变成调制步骤时，调制指数逐步变大。调制指数变得越大，来自功率混合器的经调制的功率的最大振幅与来自功率混合器的经调制的功率的最小振幅之间的差就变得越大。且当调制步骤变成后续不调制步骤时，调制指数逐步变小。
为了实现上述工艺，将偏压RF电源170经由开关单元400连接到振幅调制单元300，如图8中所示。图8是展示根据本发明第二实施例的高密度等离子化学气相沉积(HDPCVD)设备的示意横截面图。
当开关单元400打开时，偏压RF功率170连接到振幅调制单元300，以便通过振幅调制单元300来调制来自偏压RF功率170的功率。然而，当开关单元400关闭时，偏压RF功率170被断开而连接到偏压匹配电路180，从而不通过振幅调制单元300来调制来自偏压RF电源170的功率。当开关单元400关闭时，偏压RF电源170直接连接到偏压匹配电路180。
所属领域的技术人员将容易了解，可在不偏离本发明的精神或范围的情况下对具有高气体电导率的设备进行各种修改和变化。因此，希望本发明涵盖对本发明的修改和变化，只要这些修改和变化属于所附权利要求书及其等效物的范围内。
权利要求
1.一种填充衬底上的缝隙的方法，其包括将上面形成有所述缝隙的所述衬底放置在腔室中的基座上；向所述腔室施加源功率以向所述腔室中产生等离子；向所述腔室中供应过程气体；通过向所述基座施加第一偏压功率来向缝隙中填充薄膜，所述第一偏压功率的振幅受到周期性调制；停止供应所述过程气体并切断所述第一偏压功率；和去除所述腔室中的所述等离子。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述施加所述第一偏压功率的步骤包含混合具有彼此不同的频率的第一和第二功率以产生所述第一偏压功率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一功率具有范围在100KHz到30MHz的频率，且所述第二功率具有范围在10Hz到2MHz的频率。
4.根据权利要求2所述的方法，其中ωc≥10ωm，其中ωc是所述第一功率的角频率，且ωm是所述第二功率的角频率。
5.根据权利要求1所述的方法，其中m＝(A-B)/(A+B)＝0.5，其中m是所述第一偏压功率的调制指数，A是所述第一偏压功率的最大振幅，且B是所述第一偏压功率的最小振幅。
6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括在施加所述第一偏压功率之后向所述基座施加第二偏压功率，所述第二偏压功率未经调制而具有大致相同的振幅。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一偏压功率的调制指数变得较小，以执行所述施加所述第二偏压功率的步骤，其中m＝(A-B)/(A+B)，其中m是所述第一偏压功率的调制指数，A是所述第一偏压功率的最大振幅，且B是所述第一偏压功率的最小振幅。
8.根据权利要求6所述的方法，其进一步包括在施加所述第一偏压功率之前向所述基座施加第三偏压功率，所述第三偏压功率未经调制而具有大致相同的振幅。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述第三偏压功率的调制指数变得较大，以执行所述施加所述第一偏压功率的步骤，其中m＝(A-B)/(A+B)，其中m是所述第三偏压功率的调制指数，A是所述第三偏压功率的最大振幅，且B是所述第三偏压功率的最小振幅。
10.一种填充放置在基座上的衬底上的缝隙的方法，其包括在所述衬底上方形成等离子；在所述衬底上方供应过程气体；向所述基座施加第一功率以将所述过程气体沉积到所述衬底上并向所述缝隙中填充薄膜，所述第一功率经调制而具有不同振幅；停止供应所述过程气体并切断所述第一功率；和去除所述等离子。
11.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括在施加所述第一功率之前和之后向所述基座施加第二功率，其中所述第二功率未经调制而具有相同振幅。
12.一种填充衬底上的缝隙的方法，所述方法包含向腔室中供应源功率以产生等离子、向所述腔室中注射过程气体、以及向所述腔室中的上面放置有所述衬底的基座供应偏压功率，以将所述过程气体沉积到所述衬底上并填充所述缝隙，所述方法包括执行增加扩散到所述衬底上的所述过程气体的离子加速度的第一步骤；和执行降低扩散到所述衬底上的所述过程气体的离子加速度的第二步骤，其中周期性地重复所述第一步骤和所述第二步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一步骤包含增大所述偏压功率的振幅。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第二步骤包含减小所述偏压功率的振幅。
15.一种用于填充衬底上的缝隙的设备，其包括具有内部空间的腔室；位于所述腔室的所述内部空间中且上面放置有所述衬底的基座；向所述腔室中供应过程气体的气体注射器；放置在所述腔室上侧的等离子产生单元；向所述等离子产生单元施加源功率的源RF电源；向所述基座供应偏压功率的偏压RF电源；和位于所述偏压RF电源与所述基座之间的振幅调制单元，其中所述偏压功率经过所述振幅调制单元的调制而具有不同振幅。
16.根据权利要求15所述的设备，其进一步包括位于所述振幅调制单元与所述偏压RF电源之间的开关单元，其中当所述开关单元打开时，所述偏压功率受到所述振幅调制单元的调制，且当所述开关单元关闭时，所述偏压功率不受到调制。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述振幅调制单元包含本机振荡器，其产生具有与所述偏压功率的频率不同的频率的本机功率；和功率混合器，其混合所述本机功率与所述偏压功率以调制所述偏压功率。
18.根据权利要求17所述的设备，其中所述偏压功率具有范围在100KHz到30MHz的频率，且所述本机功率具有范围在10Hz到2MHz的频率。
19.根据权利要求17所述的设备，其中ωc≥10ωm，其中ωc是所述偏压功率的角频率，且ωm是所述本机功率的角频率。
20.根据权利要求17所述的设备，其中m＝(A-B)/(A+B)＝0.5，其中m是所述经过调制的偏压功率的调制指数，A是所述经过调制的偏压功率的最大振幅，且B是所述经过调制的偏压功率的最小振幅。
全文摘要
一种填充衬底上的缝隙的方法包括将上面形成有所述缝隙的所述衬底放置在腔室中的基座上；向所述腔室施加源功率以向所述腔室中产生等离子；向所述腔室中供应过程气体；通过向所述基座施加第一偏压功率而向缝隙中填充薄膜，所述第一偏压功率的振幅受到周期性调制；停止供应所述过程气体并切断所述第一偏压功率；和去除所述腔室中的所述等离子。
文档编号H01L21/768GK101071763SQ200710106820
公开日2007年11月14日 申请日期2007年5月10日 优先权日2006年5月10日
发明者韩政勋, 刘真赫, 金映绿 申请人:周星工程股份有限公司