自由基成分cvd的原位臭氧固化的制作方法

专利名称：自由基成分cvd的原位臭氧固化的制作方法
自由基成分CVD的原位臭氧固化对相关申请的交叉引用本申请为于2010年12月20日提交的题为“IN-SITU OZONE CURE FORRADICAL-COMPONENT CVD (自由基成分CVD的原位臭氧固化)”的美国专利申请第12/972，711号的PCT申请，且要求于2010年I月7日申请且题为“IN-SITU OZONE CUREFOR RADICAL-COMPONENT CVD (自由基成分CVD的原位臭氧固化)”的美国临时专利申请序号61/293，082案的优先权，所述文献的全文以引用方式并入本案中以供各方面参考。
背景技术：
从数十年前引入半导体装置起，半导体装置的几何结构在尺寸上已有显著的减小。现代半导体制造设备常规性地生产具有45纳米(nm)、32纳米及28纳米的特征尺寸的 装置，且正在开发且实施新的设备，以制造具有更小几何形状的装置。减小特征尺寸，导致装置上的结构性特征具有减小的空间尺寸。装置上的间隙与沟槽的宽度狭窄到足以使间隙深度与间隙宽度的纵横比高到难以用介电材料填充所述间隙。沉积的介电材料倾向于在完全填满间隙之前就堵住顶部，而在间隙的中段处产生孔隙或隙缝。多年来，已开发出许多可避免间隙顶部发生介电材料堵塞或可使已形成的孔隙或隙缝合拢的技术。一种已开始采用的方法是使用高流动性前驱物材料，所述材料可以液相施加于旋转的基板表面上(例如，SOG沉积技术)。这些流动性前驱物能流入且填充非常小的基板间隙，而不会形成孔隙或细小隙缝。然而，一旦这些高流动性材料沉积后，必须将它们硬化成固体介电材料。许多情况下，所述硬化过程包含加热处理，以从已沉积的材料中移除碳基及羟基，而留下固体的电介质，诸如氧化硅。不幸地，碳及羟物种的离开通常会在已硬化的电介质中留下许多孔洞，所述孔洞将降低最终材料的质量。此外，硬化电介质也易于收缩体积，这可能在电介质与周围基板的界面处留下裂缝及空隙。在某些情况中，已硬化的电介质的体积可能缩减40%或更多。因此，需要新的沉积过程及材料，以在已结构化的基板上形成介电材料，而不会在基板的间隙及沟槽内产生孔隙、隙缝或两者皆产生。还需要可硬化流动性介电材料且具有较少孔洞及较小体积减小的材料及方法。在本申请案中解决这些及其它需求。
发明概要本案描述形成介电层的方法。所述方法包含将含硅前驱物与等离子体流出物进行混合的步骤，以及在基板上沉积含硅及氮的层的步骤。通过在用来沉积所述含硅及氮的层的同一基板处理区域内在含臭氧气氛中进行固化，使所述含硅及氮的层转化成含硅及氧的层。另一含硅及氮的层可沉积于所述含硅及氧的层上，且所述层堆叠可在臭氧中再次固化，上述所有动作皆无需从所述基板处理区域中移除所述基板。待完成整数倍的沉积-固化循环之后，可在含氧环境中在较高温度下退火以进行所述含硅及氧的层的堆叠的转化。本发明实施例包括在基板处理腔室内的基板处理区域中的基板上形成含硅及氧的层的方法。所述方法包括在基板处理区域中的基板上形成含硅及氮的层。形成所述含硅及氮的层的步骤涉及使含氮及氢的气体流入等离子体区域中以产生自由基氮前驱物；在不含等离子体的基板处理区域中将不含碳的含硅前驱物与所述自由基氮前驱物进行结合；以及在所述基板上沉积含硅及氮的层。所述方法还包括在所述基板处理区域内的含臭氧气氛中固化所述含硅及氮的层。额外的实施例及特征部分描述于以下说明内容中，且部分的额外实施例与特征待本领域技术人员检阅本案说明书时可变得明显或通过实践本发明而得知。通过本案说明书中所描述的工具、组合方式及方法可实现及获得本发明的特征及优点。附图
简述参照附图及本案说明书其余部分的内容，可进一步了解本发明的本质及优点，且在数个附图中都使用类似的附图标记来代表相似构件。在某些情况中，组件符号系以连字号连接一次标号，以表示多个相似构件中的其中一个构件。当一组件符号未载明其现有的次标号时，则该组件符号系欲代表全体此类的相似组件。图I是流程图，显示根据本发明实施例的用以制造氧化硅膜的选定步骤。图2是另一流程图，显示根据本发明实施例的用以在基板间隙中形成氧化硅膜的选定步骤。图3是FTIR光谱，所述光谱从根据本发明实施例的含硅的膜获得。图4显示根据本发明实施例的基板处理系统。图5A显示根据本发明实施例的基板处理腔室。 图5B显示根据本发明实施例的基板处理腔室的喷头。发明的详细描述以下描述形成介电层的方法。所述方法包含将含硅前驱物与等离子体流出物进行混合的步骤，以及在基板上沉积含硅及氮的层的步骤。通过在用来沉积所述含硅及氮的层的同一基板处理区域内在含臭氧气氛中进行固化，使所述含硅及氮的层转化成含硅及氧的层。另一含硅及氮的层可沉积于所述含硅及氧的层上，且所述层堆叠可在臭氧中再次固化，所有动作皆无需从所述基板处理区域中移除所述基板。待完成整数倍的沉积-固化循环之后，可在含氧环境中在较高温度下退火以进行所述含硅及氧的层堆叠的转化。在不将本案权利要求书的覆盖范围束缚于可能或可能不完全正确的假设机制的情况下，某些细节内容的讨论可有利地证明有益性。使刚沉积的含硅及氮的层暴露于臭氧中同时保持相对低的基板温度所提高的氧含量，胜过仅在含氧环境中在相对高的基板温度下进行退火所提高的氧含量。这可能是因为通过将自由基氮前驱物与不含碳的含硅及氮的前驱物进行混合来沉积含硅及氮的膜会产生相对开放性网状结构的缘故。所述开放性网状结构允许臭氧更深入地渗入所述膜中，而使氧化物的转化沿着基板方向延伸。在高温下执行转化，可能使靠近表面的网状结构封闭，因而限制了所述转化的物理程度。臭氧的反应性介于氧分子与氧原子之间。氧分子需要较高的温度以激活氧化，而导致靠近表面处的开放性硅及氮的网状结构封闭。这种封闭非理想地限制了所述含硅及氮的层的更深部分中的氧化。氧原子则太容易在低温下反应，且同样会使所述网状结构封闭。发现到臭氧可稳定地渗透深入所述开放性网状结构中，同时不需要高温来促进氧化。现将描述有关形成氧化硅层的方法及系统的更多细节。根据臭氧理论上取代氢及氮的能力，显示可能只需要少量加热或无需加热便可执行臭氧固化，从而能在沉积区域内发生臭氧固化。现将说明有关于使用整合式臭氧固化来形成氧化硅的方法与系统的更多细节。示例性的氧化硅形成过程图I是流程图，显示根据本发明实施例制造氧化硅膜的方法100中的选定步骤。方法100包括将不含碳的硅前驱物提供至基板处理区域102。在其它类型的硅前驱物中，所述不含碳的硅前驱物可例如是硅及氮前驱物、硅及氢前驱物或含硅氮及氢前驱物。所述硅前驱物除了不含碳之外，也可能不含氧。缺乏氧会导致由所述前驱物所形成的硅及氮的层中的硅醇基(Si-OH)浓度较低。沉积膜中的过量硅醇基可能在沉积之后从沉积层中移除羟基(-0H)的步骤中导致收缩及孔隙度提高。在其它的硅烷胺中，不含碳的硅前驱物的具体示例可能包括硅烷胺类(silyl-amine)例如 H2N(SiH3)、HN(SiH3)2 及 N(SiH3) 3。不同实施例中，娃烧胺的流率(flowrate)可能为约200sccm或更高、约300sccm或更高,或约500sccm或更高。本文中所提供 的所有流率参照双腔室基板处理系统。单晶圆系统可能需要上述流率的一半量，而其它的晶圆尺寸可能需要根据处理面积而依比例增减流率。这些硅烷胺可能与附加气体混合，所述附加气体可能作为载气、反应性气体或同时作为载气和反应性气体。在其它气体中，所述附加气体的不例可包括氢气(H2)、氮气(N2)、氨(NH3)、氦气(He)及!!气(Ar)。不含碳的硅前驱物的示例也可能包括单独含甲硅烷(SiH4),或含甲硅烷且混合其它含硅气体(例如N(SiH3)3)、含氢气体(例如H2)及/或含氮气体(例如N2、NH3)。不含碳的娃前驱物也可能包括二硅烷、三硅烷，甚至更高阶的硅烷类及氯化硅烷类，所述硅烷类可单独使用、彼此组合使用或与前述不含碳的硅前驱物组合使用。一般而言，也可使用含碳的硅前驱物，但需提醒的是，所述膜可能比使用不含碳的硅前驱物时要收缩得更厉害。自由基氮前驱物也可供应至所述基板处理区域104。所述自由基氮前驱物是一种含有氮自由基的前驱物，所述含有氮自由基的前驱物在所述基板处理区域外部从更稳定的氮前驱物生成。例如，可在所述处理腔室外部的腔室等离子体区域或远程等离子体系统(RPS)中激活含有NH3、H2及/或N2的稳定性氮前驱化合物以形成所述自由基氮前驱物，随后输送所述自由基氮前驱物至所述基板处理区域内。不同实施例中，所述稳定性氮前驱物的流率可为约300sccm或更高、约500sccm或更高,或约700sccm或更高。在所述腔室等离子体区域中产生的所述自由基氮前驱物可能是 N、*NH、 NH2等中的一个或多个，且也可能伴有等离子体中所形成的已离子化物种。一般而言，其它自由基前驱物可用以产生含硅及氮的层。所述自由基前驱物可能包含氮或可能不含氮。若所述自由基前驱物中不存在氮，将由所述含硅前驱物提供氮。在本发明的实施例中，氮可能同时出现在所述自由基前驱物及含硅前驱物中。由于具此灵活性，自由基前驱物更常称为等离子体流出物。类似地，(因为氮可能存在或可能不存在)，因此在本文中通常将流入所述等离子体区域中用以产生等离子体流出物的稳定性氮前驱物称为稳定气体。在采用腔室等离子体区域的实施例中，在所述基板处理区域中与沉积区域分隔开的区段内产生所述自由基氮前驱物，且所述前驱物在所述沉积区域中混合并反应以在沉积基板上(例如，半导体晶圆)沉积所述硅及氮的层。所述自由基氮前驱物也可能伴有载气，诸如氢气(H2)、氮气(N2)、氦气，等等。本文中，所述基板处理区域在含硅及氮的层生长过程中以及在低温臭氧固化过程中可描述 成“不含等离子体(plasma-free)”。“不含等离子体”不一定表示所述区域无等离子体。腔室等离子体区域中的等离子体边界难以界定，且可能通过喷头内的孔而侵入基板处理区域。在感应耦合等离子体的情况中，小量的离子化可能直接在基板处理区域内作用。再者，可在不消除所述形成膜的可流动性质的情况下，在所述基板处理区域内生成低强度等离子体。在产生自由基氮前驱物的过程中所有使等离子体的强度离子密度远低于腔室等离子体区域的成因皆不偏离本文中的用语“不含等离子体(plasma-free) ” 的范围。在所述基板处理区域中，不含碳的硅前驱物与自由基氮前驱物混合且反应，以在沉积基板106上沉积含硅及氮的膜。可使用实施例中某些制法组合使所沉积的含硅及氮的膜共形地沉积。其它实施例中，不同于常规的氮化硅(Si3N4)膜沉积技术，所沉积的含硅及氮的膜具有可流动的性质。形成过程的流动特性允许所述膜流入基板的沉积表面上的狭窄间隙、沟槽及其它结构。一般而言，较高的自由基氮流(radical nitrogen fluxes)产生共形沉积，而较低的自由基流产生可流动性沉积。流动性可能由混合自由基氮前驱物及不含碳的硅前驱物所产生的各种性质造成。这些性质可能包括在所沉积的膜中有显著的氢含量及/或存在短链的聚硅氮烷(polysilazane)聚合物。在形成所述膜期间及形成所述膜之后，这些短链会生长且形成网状结构，从而形成更致密的介电材料。例如，所沉积的膜可能具有硅烷胺(silazane)类Si-NH-Si的构架，即，Si-N-H膜。当硅前驱物及自由基氮前驱物均不含碳时，所沉积的含硅及氮的膜也基本不含碳。当然，“不含碳(carbon-free)”不一定表示所述膜甚至连微量的碳都缺乏。碳污染可能存在于所述前驱物材料中，而寻得途径进入已沉积的硅及氮的前驱物中。然而，这些碳杂质的量远远少于含碳基的硅前驱物(例如，TE0S、TMDS0，等等)中所发现的碳含量。于所述含硅及氮的层沉积之后，可在含臭氧气氛中固化所述沉积基板(操作108)。沉积后的基板留在用于固化的同一个基板处理区域中。基板的固化温度可能大约与形成含硅及氮的膜期间的基板的温度相同，以维持生产率。或者，在固化操作期间，可通过升高所述基板使所述基板接近已加热的面板或喷头而提高温度。不同实施例中，固化操作期间的基板的温度可能低于120° C、低于100° C、低于90° C、低于80° C或低于70° C。所述基板的温度可能高于沉积期间的基板温度，在不同实施例中，可能高于50° C、高于60° C、高于70° C或高于80° C。根据所揭露的附加实施例，任一个上述上限可与任一个上述下限组合而形成附加的基板温度的范围。所述基板处理区域在固化操作期间可能不含等离子体，以避免产生相对高浓度的氧原子。氧原子的存在可能过早使所述含硅及氮的层的相对开放的网状结构封闭。在实施例中，所述基板处理区域中不存在等离子体，以避免产生可能封闭靠近表面处的网状结构且阻碍表面下的氧化的氧原子。在固化步骤期间流入所述基板处理区域内的臭氧的流率可能为约200sccm或更高、约300sccm或更高,或约500sccm或更高。固化步骤期间的臭氧的分压可能为约10托耳(Torr)或更高、约20托耳或更高，或约40托耳或更高。在某些条件下(例如，介于约100° C至约200° C的基板温度之间)，发现所述转化基本是完整的，使得实施例中可能无需在含氧环境中进行相对高温的退火。在同一个基板处理区域中执行固化操作，能实施多次沉积-固化循环，减少了每个循环所要求的厚度。此实施例中，所述固化操作仅需转化已减少厚度的含硅及氮的层。这减轻了对所述含臭氧环境的要求，容许较高的氧原子浓度，并且放宽了所述基板温度的操作范围(process window)。一些实施例中,在沉积-固化循环的固化部分期间存在等离子体。其它实施例中，所述基板处理区域中不存在等离子体，且所述含臭氧环境仅含有小浓度的氧原子。不同实施例中，所述含硅及氮的层在固化前的层厚度可能低于1500 A、低于1000 A、低于750 A或低于500 A。在实施例中，结合多次沉积-固化循环所产生的所有含硅及氧的层的堆叠厚度可能介于400 A至10,000 A间，这主要取决于应用用途。在操作109决定是否已达到目标总厚度。若未达目标，在再次将所述含硅及氧的膜的厚度与目标厚度作比较之前，接着完成 另一次沉积操作(操作102至106)及另一次固化操作(操作108)。一旦达到目标，基板可留在基板处理腔室中，或从基板处理腔室中移出且传送至退火腔室以进一步转化成氧化硅。完成整数倍的沉积-固化循环之后，可在含氧气氛中对所述沉积基板进行退火(操作110)。当引入含氧气氛时，所述沉积基板可留在用于固化的同一个基板处理区域内，或者所述基板可传送至引入含氧气氛的不同腔室中。含氧气氛可能包含一种或多种含氧气体，在其它含氧气体中，诸如氧分子(O2)、臭氧(O3)、水蒸气(H2O)、过氧化氢(H2O2)及氮氧化物(NO、NO2,等等)。含氧气氛也可能包含自由基氧及羟基物种，诸如氧原子(0)、氢氧化物(OH)等等，可在远处产生并输送至所述基板腔室中。也可能存在含氧物种的离子。不同实施例中，基板的氧退火温度可能为约1100° C或更低、约1000° C或更低、约900° C或更低，或约800° C或更低。不同实施例中，基板的温度可能为约500° C或更高、约600° C或更高、约700° C或更高，或约800° C或更高。再一次根据所揭露的附加实施例，任一个上述上限可与任一个上述下限组合而形成附加的基板温度的范围。在氧退火期间，所述基板处理区域中可存在或可不存在等离子体。进入CVD腔室的含氧气体可能包含一种或多种化合物，所述化合物在进入基板处理区域之前已经激活，例如已自由基化、已离子化，等等。例如，所述含氧气体可能包含自由基氧物种、自由基羟基物种等等，所述物种通过暴露更稳定的前驱化合物通过远程等离子体源或通过利用喷头而与基板处理区域分隔开的腔室等离子体区域而被激活。所述更稳定的前驱物可能包括水蒸气及过氧化氢(H2O2),水蒸气及过氧化氢产生羟基(OH)的自由基与离子，以及可能包括氧分子及/或臭氧，氧分子及/或臭氧产生氧原子(0)的自由基与离子。固化及氧退火的含氧气氛都提供氧，以使含硅及氮的膜转化成氧化硅(SiO2)膜。如前述，含硅及氮的膜中缺乏碳，会使最终的氧化硅膜中形成显著较少的孔洞。也使所述膜在转化成氧化硅的过程中产生较少的体积减小(即，收缩)。例如，由含碳的硅前驱物形成的硅-氮-碳层在转化成氧化硅时，可收缩40体积％或更多，而实质不含碳的硅及氮的膜可收缩约15体积％或更少。现参阅图2，示出了另一流程图，以显示根据本发明实施例用以在基板间隙内形成氧化硅膜的方法200中的选定步骤。方法200可包括传送含有间隙的基板至基板处理区域中(操作202)。所述基板可能具有多个间隙，用于已形成在基板上的所述装置构件(例如，晶体管)的结构和分隔(spacing)。所述间隙可具有高度及宽度，所述高度比上宽度(即，H/W)所定义的纵横比(AR)显著大于1:1，例如5:1或更多、6:1或更多、7:1或更多、8:1或更多、9:1或更多、10:1或更多、11:1或更多、12:1或更多，等等。许多情况中，高AR是因小的间隙宽度所造成，所述间隙宽度的范围约90纳米至约22纳米或更小(例如约90纳米或更小、65纳米或更小、45纳米或更小、32纳米或更小、28纳米或更小、22纳米或更小、16纳米或更小，等等)。不含碳的硅前驱物与自由基氮前驱物在所述基板处理区域内混合(操作204)。可流动的含硅及氮的层可沉积在所述基板上(操作206)。由于所述层可流动，故所述层能填充具有高纵横比的间隙，而不会在填充材料的中心周围生成孔隙或细小隙缝。例如，沉积可流动性材料在完全填满间隙之前，很少会因过早堵塞间隙的顶部而在间隙的中段内留下孔隙。随后，可在用以在操作204至206中执行的沉积的同一个基板处理区域内固化刚沉积的含硅及氮的层(操作208)。在图标的实施例中，未显示出多次沉积-固化循环，但可采用类似于参照图I所描述及显示的重复方式执行多次沉积-固化循环。若转化不完全，在含氧气氛中对所述已部分转化的含硅及氧的层进行退火(操作210)，以使所述含硅及氮 的层转变成氧化硅。进一步的退火(未显示)可在惰性环境中在较高的基板温度下执行，以致密化所述氧化硅层。在含氧气氛中固化及退火所述刚沉积的含硅及氮的层以在所述基板(包括基板间隙)上形成氧化硅层(操作208)。在实施例中，操作208及210的处理参数与参照图I所述的操作108及110具有相同范围。如上述，相比于由含碳前驱物所形成的类似层(在热处理步骤之前所述层中存在有显著量的碳)而言，上述氧化硅层具有较少孔洞及较少体积减小。许多例子中，体积减小要够小(例如，约15体积％或更少)，以避免于在用以填充、修复或消除形成于间隙内之空间的后续热处理步骤中造成氧化硅收缩。图3是从根据本发明实施例的含硅膜所获得的FTIR光谱。刚沉积的含硅及氮的膜305显示在908CHT1至933CHT1附近具有强峰值，且在835CHT1至860CHT1附近有强峰值，这表示存在氢及氮。还显示在基板处理区域外部的臭氧中进行固化的含硅及氮的膜的FTIR光谱310，以及在基板处理区域内部的臭氧中进行固化的含硅及氮的膜的FTIR光谱315。在这两种情况中，与氢相关联的峰值类似地减小，且其它峰值也接近地相符。这表示原位固化的较低温固化的效果与在专用腔室中进行固化的效果类似。还显示经8次沉积-固化循环处理的氧化硅的FTIR光谱320，这表示所述膜中残留非常少的氢和氮。与所述多次沉积-固化循环相关联的FTIR光谱还显示在llOOcnT1附近有非常强的氧峰值，这表示Si-H-N良好地转化成氧化硅。示例件氧化硅沉积系统在其它种类的腔室中，可实施本发明实施例的沉积腔室可包括高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)腔室、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)腔室、次大气压化学气相沉积(SACVD)腔室及热化学气相沉积腔室。可实施本发明实施例的CVD系统的具体示例包括 CENTURA ULTIMA HDP-CVD 腔室 / 系统及PRODUCER PECVD 腔室 / 系统，它们可从美国加州圣大克劳拉市(Santa Clara)的应用材料公司获得。能与本发明示例性方法并用的基板处理腔室的示例可包括如Lubomirsky等人于2006 年 5 月 30 日申请的发明名称为 “PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRIC GAPFILL (用于介电间隙填充的处理腔室)”且共同受让的美国临时专利申请案60/803，499号中所显示及描述的那些腔室，所述申请的全文以引用方式纳入本文中以供各方面参考。额外的示例性系统可能包括如美国专利案6，387，207号及6，830，624号中所显示及描述的那些系统，所述两个专利案也采用引用方式纳入本文中以供各方面参考。沉积系统的实施例可并入用以制造集成电路芯片的更大型制造系统中。图4显示根据所揭露的实施例以沉积腔室、烘烤腔室及固化腔室所构成的这样一种系统400。图中，一对FOUP (前开口式标准容器)402提供基板(例如，直径300毫米的晶圆)，在置入晶圆处理腔室408a - f之一之前，所述基板由机械手臂404接收且放入低压保持区406中。第二机械手臂410可用以将基板晶圆从保持区406传送至所述处理腔室408a — f，以及将基板晶圆从所述处理腔室408a - f传回保持区406。所述处理腔室408a — f可能包含一个或多个系统构件，用以沉积、退火、固化及/或蚀刻基板晶圆上的可流动性介电膜。在一种配置中，两对处理腔室(例如，腔室408c —d及408e — f)可用以在基板上沉积可流动性介电材料，以及第三对处理腔室(例如，腔室408a - b)可用以退火所沉积的电介质。在另一种配置中，同样的两对处理腔室(例如， 408c 一 d及408e — f)可配置用来沉积及退火基板上的可流动性介电膜，而第三对腔室(例如，408a — b)可用来执行所沉积的膜的UV或电子束固化。在还有一种配置中，三对腔室(例如，408a — f)可全配置用以沉积及固化所述基板上的可流动性介电膜，并且每一个腔室可配置成具有多个升降杆(lift pins)用以朝向已加热喷头升高所述基板，从而升高“整合”固化操作中(「integrated curing operation」的温度。在还有一种配置中，两对处理腔室(例如，408c — d及408e — f)可能用于所述可流动性电介质的沉积与UV或电子束固化，而第三对处理腔室(例如，408a — b)可能用以退火所述介电膜。可在与不同实施例所示的制造系统分隔开的腔室中执行任何上述的一种或多种过程。此外，一个或多个上述处理腔室408a — f可配置为湿式处理腔室。这些处理腔室包括在含有湿气的气氛中加热所述可流动性介电膜。因此，系统400的多个实施例可能包括湿式处理腔室408a - b及退火处理腔室408c — d，以在所沉积的介电膜上执行湿式退火及干式退火。图5A是根据所揭露的实施例的基板处理腔室500。远程等离子体系统(RPS) 510可处理气体，且所述气体随后通过气体入口组件511。所述气体入口组件511内可看见两个不同的气体供应通道。第一通道512携带通过所述远程等离子体系统RPS510的气体，同时第二通道513则绕过所述RPS510。在所揭露的实施例中，所述第一通道512可供过程气体使用，而所述第二通道513则可供处理气体(treatment gas)使用。在盖子(或导电性顶部)521及有孔隔板553之间显示具有绝缘环524，所述绝缘环524容许相对于所述穿孔隔板553将交流(AC)电压施加于盖子521。所述过程气体行经第一通道512而进入腔室等离子体区域520，且单独利用腔室等离子体区域520中的等离子体或与RPS510结合使用来激发所述过程气体。腔室等离子体区域520及/或RPS510的结合在本文中可称为远程等离子体系统。所述有孔隔板(也称喷头)553将腔室等离子体区域520与喷头553下方的基板处理区域570隔开。喷头553容许等离子体存在于腔室等离子体区域520中，以避免直接激发基板处理区域570中的气体，同时仍允许已激发的物种从腔室等离子体区域520行进至基板处理区域570中。喷头553设置于腔室等离子体区域520与基板处理区域570之间，且允许在腔室等离子体区域520内所生成的等离子体流出物(前驱物或其它气体的已激发衍生物)通过多个贯穿所述板厚度的通孔556。喷头553还具有一个或多个中空空间551，所述空间551可用蒸汽或气体形态的前驱物(诸如，含硅前驱物)进行填充，且可通过多个小孔555而进入基板处理区域570，但不直接进入腔室等离子体区域520。在此揭露的实施例中，喷头553的厚度大于所述通孔556的最小直径550的长度。为使从腔室等离子体区域520渗入基板处理区域570中的已激发物种维持显著浓度，所述通孔的最小直径550的长度526可能受限于贯穿喷头553途中形成通孔556的较大直径部分。在所揭露的实施例中，所述通孔556的最小直径550的长度可能相当于或小于所述通孔556的最小直径。在所显示的实施例中，喷头553可(经由所述通孔556)分配含氧气、氢气及/或氮气的过程气体，及/或此类过程气体经腔室等离子体区域520中的等离子体所激发的等离子体流出物。实施例中，经由第一通道512引入RPS510及/或腔室等离子体区域520中的过程气体可能包含一种或多种下述气体氧气(O2)、臭氧(O3)、N2O, NO、NO2, NH3、NxHy (包括N2H4)、甲硅烷、二硅烷、TSA及DSA。过程气体还包含载气,诸如氦气、氩气、氮气(N2),等等。第二通道513也可输送过程气体及/或载气，及/或膜固化气体以用于从正在生长或刚沉 积的膜中移除不想要的成分(component)。等离子体流出物可能包含过程气体的已离子化或中性衍生物，且在本文中也可被称为自由基氧前驱物及/或自由基氮前驱物，该些前驱物是指所引入的过程气体的原子要素。可直接加热喷头553 (采用电阻方式或使用通过包埋式通道的热传流体)，或由腔室等离子体区域520中的等离子体间接加热喷头553。不论哪种方式，可在完整的固化步骤期间通过升高基板使所述基板接近所述已加热的喷头553来升高基板温度，且一旦固化操作完成，随后降低基板。实施例中，通孔556的数目可介于约60至约2000个之间。通孔556可能具有各种形状，但最易制成圆形。所揭露的实施例中，通孔556的最小直径550可介于约0. 5毫米(mm)至约20毫米之间，或介于约I毫米至约6毫米之间。也可自由选择通孔的剖面形状，所述剖面形状可能制成锥形、圆柱形或两种形状的组合。不同实施例中，用以引导气体进入基板处理区域570中的小孔555的数目可介于约100至约5000个之间，或介于约500至约2000个之间。所述小孔555的直径可介于约0. I毫米至约2毫米间。图5B是喷头553的仰视图，所述喷头553与根据所揭示实施例的处理腔室并用。喷头553对应于图5A中所显示的喷头。通孔556绘示成在喷头553底部处具有较大内直径(ID)且在顶部处具有较小ID。小孔555基本平均地分布在喷头的表面上，甚至分布在所述通孔556之间，以帮助提供更平均的混合。当通过喷头553中的通孔556到达的等离子体流出物与来自中空空间551且通过所述小孔555到达的含硅前驱物相结合时，在基板处理区域570中通过基座(未显示)所支撑的基板上产生示例性膜。虽然可装备基板处理区域570以支承用于其它过程(诸如固化)的等离子体，但在所述示例性膜的生长期间不存在等离子体。可在喷头553上方的腔室等离子体区域520或喷头553下方的基板处理区域570中点燃等离子体。等离子体出现在腔室等离子体区域520中，以从含氮及氢的气体的流入气流制造出自由基氮前驱物。在所述处理腔室的导电性顶部521与喷头553之间施加通常介于射频(RF)范围内的交流(AC)电压，以在沉积过程中在腔室等离子体区域520内点燃等离子体。射频电源产生13. 56MHz的高射频频率，但也可单独或与13. 56MHz频率组合地产生其它频率。
当基板处理区域570中的底部等离子体启动以固化膜或清洁围住基板处理区域570的内部表面时，所述顶部等离子体可能保持低功率或无功率。通过在喷头553与基座或腔室底部之间施加AC电压而点燃在基板处理区域570内的等离子体。当等离子体存在的同时，可引导清洁气体进入基板处理区域570内。基座可具有热交换通道，热交换流体流经所述热交换信道以控制基板的温度。此种配置允许冷却或加热基板温度以保持相对低温(从室温至约120° C)。热交换流体可包括乙二醇及水。基座的晶圆支撑盘(较佳为铝、陶瓷或铝和陶瓷的组合)也可使用包埋式单圈加热器元件进行电阻性地加热以达到相对高温(从约120° C至约1100° C)，所述包埋式单圈加热器元件配置成具有两个完整的平行同心圆状线圈。所述加热器元件的外侧部分可紧邻支撑盘的周长而延伸，同时加热器元件的内侧部分则在具有较小半径的同心圆的路径上延伸。连接至加热器元件的接线通过所述基座的主干(stem)。利用系统控制器控制所述基板处理系统。在示例性实施例中，所述系统控制器包含硬盘驱动(hard disk drive)、软盘驱动(floppy disk drive)及处理器。所述处理器包含单板计算机(SBC)、模拟及数字输入/输出板、接口板(interface board)及步进电机控制器板(stepper motor controller board)。CVD 系统的各个部件符合 Versa Modular·欧洲(VME)标准(“Versa Modular European standard”),所述标准界定各种板、卡笼及连接器的尺寸及类型。所述VME标准也将总线结构定义为具有16位的数据总线及24位的地址总线。所述系统控制器控制CVD机器的所有动作。所述系统控制器执行系统控制软件，所述软件是存储在计算机可读媒介中的计算机程序。较佳地，所述媒介为硬盘驱动，但所述媒介也可为其它种类的存储器。所述计算机程序包含多组指令，指示特定处理的时序、气体混合、腔室压力、腔室温度、射频功率水平、基座位置及其它参数。也可使用存储于其它存储装置(包括如软盘机或其它适当驱动装置)中的其它计算机程序对所述系统控制器下达命令。可利用所述系统控制器执行的计算机程序产品，实施用以在基板上沉积膜堆栈的过程，或实施用以清洁腔室的过程。能以任何常规的计算机可读编程语言撰写所述计算机程序编码例如68000汇编语言、C、C++、Pascal、Fortran或其它。使用常规的文本编辑器将适合的程序编码输入于单个或多个文件中，且存储或嵌于计算机可用的媒介内，诸如所述计算机的存储系统。若输入的编码文本是高级语言，则编译所述编码，且所产生的编译码随后与已预编译的Microsoft Windows(微软窗口)⑧例程库的目标码连结。为了执行所述已连结且经编译的目标码，系统使用者启用所述目行码，使得所述计算机系统加载存储器中的编码。随后CPU读取且执行所述编码以执行程序中识别的任务。使用者与控制器之间的联系通过平板触摸感应式监视器。在较佳实施例中，使用两个监视器，一个安装在清洁室壁中以供操作者使用，另一个安装在室壁后方以供维修服务技术员使用。所述两个监视器可同时显示相同信息，此种情况下，每次只有一台监视器接受输入信息。操作者可触摸所述触摸感应式监视器的指定区域，以选择特定的屏幕或功能。所触摸的区域改变它的加亮色，或显示新的菜单或屏幕，以确认操作者与触摸感应式监视器之间的通信。除触摸感应监视器之外，也可额外使用诸如键盘、鼠标或其它指示或通信装置的其它装置，或使用上述其它装置来取代所述触摸感应式监视器，以允许使用者与系统控制器进行通信。文中所使用的“基板(substrate) ”一词可能是上方形成有或不形成有层的支撑基板。所述支撑基板可能是绝缘体或具有各种掺杂浓度及掺杂分布(profile)的半导体，且可能例如是用于制造集成电路类型的半导体基板。“氧化硅”的层可能包含少量浓度的其它元素成分，诸如氮、氢、碳等等。在本发明的一些实施例中，氧化硅在本质上由硅及氧所构成。处于“已激发状态”的气体是指至少有一部分的气体分子处在振动激发、解离及/或离子化状态的气体。气体(或前驱物)可能是由两种或更多种气体(前驱物)所构成的组合物。“沟槽(trench)” 一词用于全文中无疑是指已蚀刻几何结构具有大的水平纵横比。从表面上方看来，沟槽可呈圆形、卵形、多角形、矩形或其它各种形状。“通孔(via)”一词用以表示低纵横比的沟槽，所述低纵横比的沟槽可能用金属填充或可能不用金属填充以形成垂直的电连接。“前驱物(precursor)”一词用以表示任何参与反应以从表面移除或沉积材料 的过程气体(或蒸发的液体液滴)。数个实施例已说明如上，本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明精神的情况下使用各种修改、替代构造及等效物。此外，文中并未描述许多已知的处理及元件，以避免不必要地混淆本发明。因此，上述描述不应被视作限制本发明的范围。应了解，当提出一数值范围时，除文中另有明确指示，否则介于所述范围的上下限值之间的每个中间值(intervening value,至所述下限值单位的十分之一)也被明确揭示了。介于所述范围中的任何所述值或中间值与所述范围内的任何其它所述值或中间值之间的每个较小范围也被涵盖。这些较小范围的上下限值可独立地包含在所述范围内或排除于所述范围之外，且所述含有其中一个限值、不含限值或包含两限值的各个小范围也为本发明所涵盖，除了一些特别排除在所述范围外的限值。在所述范围包含其中一个限值或两限值均包含在内的情况下，排除任一个所包括限值或两个所包括限值皆排除的范围也包括在内。除非上下文中另有清楚指示，否则本文及后附权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”及“所述”包括复数的意思。因此，例如提及“一过程”时，是指包括多个这样的过程；提及“所述前驱物”时，是指包括一个或多个前驱物及本领域技术人员已知的所述前驱物的等效物，及依此类推。而且，当用于本案说明书及后附权利要求书中时，“包括(comprise) ”、“包含(comprising) ”、“含有(include) ”、“具有(including) ”及“有(includes) ” 的用语旨在载明所述特征、整体、部件或步骤的存在，但它们并不排除存在或附加一个或多个其它特征、整体、部件、步骤、动作或基团。
权利要求
1.一种在基板处理腔室内的基板处理区域中的基板上形成含硅及氧的层的方法，所述方法包括 在所述基板处理区域中的所述基板上形成含硅及氮的层，其中形成所述含硅及氮的层的步骤包括 使稳定气体流入等离子体区域，以产生等离子体流出物； 在所述不含等离子体的基板处理区域中将含硅前驱物与所述等离子体流出物进行结合；及 在所述基板上沉积含硅及氮的层；以及 在所述基板处理区域内在含臭氧气氛中固化所述含硅及氮的层，以形成所述含硅及氧的层。
2.如权利要求I所述的方法，还包括在所述基板处理区域内的所述基板上形成第二含硅及氮的层，其中形成所述第二含硅及氮的层的步骤包括 使所述稳定气体流入所述等离子体区域，以产生等离子体流出物； 在所述基板处理区域中将含硅前驱物与所述等离子体流出物进行结合；及 在所述基板处理区域内的所述基板上沉积所述第二含硅及氮的层；以及 在所述基板处理区域内在含臭氧气氛中固化所述第二含硅及氮的层。
3.如权利要求I所述的方法，其中所述基板处理区域在形成所述含硅及氮的层的操作期间不含等离子体，以避免所述含硅前驱物的直接等离子体激发。
4.如权利要求I所述的方法，其中所述基板处理区域在固化所述含硅及氮的层的操作期间不含等离子体。
5.如权利要求I所述的方法，其中基板温度在所述固化操作期间低于50°C，高于在沉积所述含硅及氮的层的操作期间的温度。
6.如权利要求I所述的方法，其中在沉积所述含硅及氮的层的操作期间的基板温度低于 100° Co
7.如权利要求I所述的方法，其中在所述固化操作期间的基板温度低于200°C。
8.如权利要求I所述的方法，其中所述含硅及氮的层的厚度小于1500A或约为I5OOA ,
9.如权利要求I所述的方法，其中所述基板朝向已加热的喷头升高，以在所述固化操作期间加热所述基板。
10.如权利要求I所述的方法，其中所述稳定气体是含氮及氢的气体，且所述等离子体流出物包括自由基氮前驱物。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述含氮及氢的气体包括氨。
12.如权利要求I所述的方法，其中所述含硅前驱物不含碳。
13.如权利要求I所述的方法，其中所述含硅前驱物包括含硅及氮的前驱物。
14.如权利要求I所述的方法，其中所述含硅前驱物包括N(SiH3)3。
15.如权利要求I所述的方法，其中所述含硅及氮的层包括不含碳的Si-N-H层。
16.如权利要求I所述的方法，还包括在固化操作之后，在含氧气氛中升高所述基板的温度至高于600° C或约为600° C的氧退火温度。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述含氧气氛包含选自由下列所组成的群组中的一个或多个气体氧原子、臭氧及水蒸汽(H2O)。
18.如权利要求I所述的方法，其中所述基板经图案化且具有沟槽，所述沟槽的宽度约为45纳米或更小，且其中形成于所述沟槽内的所述氧化硅层基本无孔。
19.如权利要求I所述的方法，其中所述等离子体区域位于远程等离子体系统中。
20.如权利要求I所述的方法，其中所述等离子体区域是所述基板处理腔室的分隔区域，所述分隔区域通过喷头与所述不含等离子体的基板处理区域分隔开。
全文摘要
本案描述用以形成介电层的方法。所述方法包含混合含硅前驱物及等离子体流出物的步骤，以及在基板上沉积含硅及氮的层的步骤。通过在用来沉积所述含硅及氮的层的同一基板处理区域内在含臭氧气氛中进行固化，使所述含硅及氮的层转化成含硅及氧的层。可在所述含硅及氧的层上沉积另一含硅及氮的层，并且所述层堆叠可在臭氧中再次固化，皆无需从所述基板处理区域中移除所述基板。待完成整数倍的沉积-固化循环之后，可在含氧环境中在较高温度下退火以进行所述含硅及氧的层堆叠的转化。
文档编号H01L21/314GK102714156SQ201080062197
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月20日 优先权日2010年1月7日
发明者A·B·马利克, N·K·英格尔, S·文卡特拉马, 王琳林 申请人:应用材料公司