新穎沉積-等離子硬化循環處理以提高二氧化矽膜品質方法

2023-05-17 14:12:21 1

專利名稱：新穎沉積-等離子硬化循環處理以提高二氧化矽膜品質方法
技術領域：
本發明是關於一種提高二氧化矽膜品質的方法，更明確地，本發明是 關於 一種新穎沉積-等離子硬化循環處理方法。
背景技術：
隨著集成電路上的組件密度持續地增加，組件構造之間的尺寸與距離 則持續減小。而構造的間隙寬度和構造之間的溝槽寬度變小則提高這些結
構中高度對寬度的比值(即，深寬比「 aspect ratio」)。換言之，集成電路 組件的持續微型化縮減這些組件之中與之間的水平寬度的速度快於縮減他 們垂直高度的速度。
雖然製造持續增加深寬比的組件構造的能力讓更多構造(例如電晶體、 電容器、二極體等等)設置在半導體晶片基板的相同表面區域上，但這亦產 生製造問題。這些問題的其中之 一 是難以在充填處理過程中完全填滿這些 構造內的間隙與溝槽而不產生空隙或裂縫。以例如二氧化矽的介電材質來 充填間隙與溝槽，對使鄰近的組件構造彼此絕緣來說是必須的。假若讓間 隙處於空缺狀態，將會有太多的電子噪聲與電流滲漏讓組件無法正常運轉 (或完全無法運轉)。
當間隙寬度較大(也就是深寬比較小)時，相對容易以快速沉積的介電 材質來充填間隙。沉積材質會覆蓋間隙的側邊與底部，且由底部持續向上 充填直到裂隙或溝槽被完全填滿為止。然而隨著深寬比的增加，變得更難 以充填深窄型溝槽且不具有充填容積中出現空隙或裂縫的阻礙。
介電層中的空隙與裂縫導致半導體組件製造上與製成組件中均產生問 題。空隙與裂縫隨機形成於介電層中且具有無法預期的尺寸、形狀、位置 與整體密度。這導致該層的沉積後處理(諸如，均勻的蝕刻、研磨與退火等) 的無法預期與不一致性。製成組件中的空隙與裂縫亦對組件構造中的間隙 與溝槽等介電特性產生變化。由於組件組成之內與之間的電子幹擾、電荷滲漏(charge leakage)甚至短路(shorting),會導致不穩定且較差的組件效能。
技術已發展到可在沉積介電材質於高深寬比值構造時，減少空隙與裂 縫的形成。這些技術包括減緩介電材質的沉積速率，因此介電材質保持更 高程度的同形(conformal)於溝槽的側壁與底部。更高程度的同形沉積可減 少下述實情的發生，沉積材質在溝槽的頂部或中部向上增進最終封起空隙 的頂部。然而不幸的是，減緩沉積速率意味著增加沉積時間，而這降低處 理效率與生產速率。
另一抑制空隙形成的技術為提高沉積的介電材質的流動性。更具流動 性的材質可更快地充填空隙與裂縫，且避免其本身變為充填容積中的永久 缺陷。提高二氧化矽介電材質的流動性通常包括，加入水蒸氣或過氧化物 (例如過氧化氫「H202」)至用來形成氧化層的前體混合物中。水蒸氣產生 更多沉積膜中的矽醇(Si-OH)鍵結，此鍵結給予該薄膜高流動性。然而不幸 的是，在二氧化矽沉積時提高其潮溼度亦不利地影響沉積膜的特性，該特 性包括其密度(例如，高溼式蝕刻速率比值「 wet etch rate ratio, WERR J ) 與介電特性(例如，高k值)。
因此，仍需要可沉積無空隙與無裂縫的介電膜進入間隙、溝槽與其它 具有高深寬比值的組件構造中的介電沉積系統與處理方法。同時仍需要可 用高沉積速率與流動特性來沉積介電材質的系統與處理方法(不會不利地 影響完成充填的品質)。通過本發明呈現這些與其它介電膜沉積的態樣。

發明內容
本發明的實施例包括以二氧化矽充填基板上間隙的方法。這些方法包 括下列步驟:將 一 有機矽前體與 一 氧前體引進 一 沉積腔；使這些前體反應以 形成一 第一二氧化矽層於基板上的間隙中；然後蝕刻該第一二氧化矽層好 減少該層中的碳含量。這些方法亦包括形成一第二二氧化矽層於該第 一層 上，然後蝕刻該第二層以減少該層中的碳含量。間隙被填滿後，退火處理 該些二氧化矽層。
本發明的實施例亦包括形成多層式二氧化矽膜於一基板上的方法。這些方法包括形成多個二氧化矽層於基板上的步驟，而各個二氧化矽層的厚
度約100A至約200A。這些層由下列步驟形成:(i)將一有機矽前體與一氧原 子前體導入一反應腔，(ii)使該些前體反應以形成該層於基板上，以及(iii) 蝕刻該層以減少該層中的雜質。接著以退火處理該多個層。
本發明的實施例又進一 步包括執行一 多循環式以二氧化矽由底部向上 充填晶片基板上之間隙的系統。這些系統包括一沉積腔，其中固持著含間 隙基板；以及一耦接至該沉積腔的遠程等離子產生系統，該等離子產生系 統是用來產生氧原子前體。這些系統亦包括一有機矽前體源，其用來提供 一有機矽前體給該沉積腔；以及一前體處理系統，其用來引導氧原子前體 流與矽前體流進入該沉積腔。前體處理系統保持氧原子與矽前體不混合直 到他們進入沉積腔。該系統又進一步包括一蝕刻系統，好蝕刻個別在多循 環式間隙充填的每 一循環中沉積的二氧化矽層。
附加的實施例與特徵一部分在接下來的描述中提出，而一部分那些熟 悉技術人士依靠說明書的檢驗可顯而易見，或可通過本發明的實施得知。 通過描述於說明書的構造、組合與方法可理解與獲得本發明的特徵與優點。


可通過參照說明書剩餘部分與圖式來實現對本發明性質與優點的進一 步了解，在圖式內不同圖中相同的組件符號代表相同的部件。某些實例中， 次要符號連結於組件符號且跟在連字號後以代表許多相同部件的其中之 一。當沒有詳述現行的次要符號的組件編號當作參考時，意指代表所有這 類的多個相同組件。
圖1是顯示一根據本發明實施例的多循環式二氧化矽層沉積方法的簡 要概述的一流程圖2是描述一根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜的方法的一流 程圖3是強調 一根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜的方法內兩階 段式蝕刻步驟的一流程圖4是描述 一 根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜的方法的另一流程圖5A-F顯示根據本發明實施例具有間隙構造的一基板，該間隙逐漸以 多層式二氧化矽膜充填；
圖6A顯示一根據本發明實施例的 一基板處理系統的垂直橫剖面圖式， 該系統可用來形成二氧化矽層；以及
圖6B是一根據本發明實施例的基板處理系統的系統顯示器/調控器部 件的簡單圖式。
主要組件符號說明
10化學氣相沉積系統11
12底座12a
12b舉升銷13a
13b射孔14
15處理腔15a
15b腔蓋配件16
17排出室19
20環型腔蓋21
23信道24
25排出口26
32馬達34
36控制管線37
38內存42
44射頻功率供應器50a
50b光筆60
64接合器66
70混合裝置72
74狹縫77
100,200、 300、 400方法
102、104、 106、 202、204、 206、
氣體分配歧管
底座表面 氣體分配面板 處理位置 腔壁
狹縫洞口
介電內才十
橫向延展部分
閉鎖閥
開口
調控器
處理器
射孔阻擋板
顯示器
遠程等離子產生器
絕緣體
混合鑲嵌塊
三通閥
208、 210、 212、 214、 302、 304、306、 308、 310、 312、 314、 402、 404、 406、 408、 410、 412 步驟 502 基板 504 間隙
506a、 506b、 506c... 506n 氧化物層 508 薄膜 510 二氧化矽間隙充填
具體實施例方式
描述用在多層式、多循環式沉積二氧化矽於晶片基板的間隙內與表面 上的系統與方法。各個氧化層薄到(例如，約50A至約300A)足以讓蝕刻處 理解離與移除諸如有機基團與氫氧基等雜質(其不利地影響該膜的品質與 介電特性)。當已經沉積與蝕刻多個氧化層後，執行一退火處理好將該多個 層形成一高品質、低k值的二氧化矽膜。
由高度活化的氧原子與有機矽前體(例如，八曱基環四矽氫烷 rOMCATS」)的反應形成二氧化矽。首先在沉積發生的腔室外產生氧原子， 且與有機矽前體保持分隔直到他們在腔室內混合。產生的二氧化矽富含碳
且具高度流動性，提供一種容易流至狹窄間隙與溝槽底部的沉積膜。在蝕 刻處理至少移除沉積膜中某些較大的碳基團與氬氧基後，接著的氧化沉積 物會流過該第一層且被蝕刻成第二氧化層。這個循環會反覆許多次直到， 例如間隙或溝槽已通過多個氧化層由底部向上填滿。已經將這個多循環式 處理稱為由底部向上的間隙充填。現在將描述關於本發明方法、產品與系 統的額外詳細內容。
示範性氧化層形成處理方法
圖1顯示根據本發明實施例的多循環式二氧化矽層沉積的簡要概述的 流程圖。顯示的方法100包括提供含間隙基板給沉積腔(步驟102)。該基 板具有形成於其上的構造(包括間隙、溝槽等等)，這些構造具有的深寬比(高 度比上寬度)可能約5:1或更高、7:1或更高、10:1或更高、13:1或更高、 15:1或更高等等。
步驟104中，多個二氧化矽層接著形成於基板的間隙內以及其它表面 上。通過在反應腔中使含氧前體與有機矽前體反應而沉積二氧化矽。含氧原子可通過解離下列前體而產
生:諸如氧氣(02)、臭氧(03)、氮氧化合物(例如， 一氧化氮「NO」、二氧 化氮「N02」、氧化亞氮「N20」等等)、氫氧化合物(例如，水「H2OJ 、 過氧化氫「H202」等等)、碳氧化合物(例如， 一氧化碳「CO」、二氧化碳 rC02」等等)以及其它含氧前體與上述前體的組合物。
亦可由下列方式達到解離前體以產生氧原子:熱能解離、紫外光解離與 /或等離子解離等方法。等離子解離包括在遠程等離子產生腔內由氦、氬等 擊出等離子，且將該氧前體導引給等離子好產生氧原子前體。
首先在腔室內將氧原子導引給有機矽前體。有機矽前體可包括具有直 接矽-碳鍵結的化合物與/或矽-氧-碳鍵結的化合物。有機矽烷類的矽前體的 實例包括二曱基矽烷(dimethylsilane)、三曱基矽烷(trimethylsilane)、四甲 基矽烷(tetramethylsilane)、 二乙基矽烷(diethylsilane)、四曱基矽酸鹽 (tetramethylorthosilicate， TMOS)、四乙基矽酸鹽(tetraethylorthosilicate, TEOS)、八曱基三矽氧(octamethyltrisiloxane， OMTS)、八甲基環四矽氧 (octamethylcyclotetrasiloxane, OMCTS)、 四曱基環四珪氧 (tetramethylcyclotetrasiloxane, TOMCATS) 、 二曱基二甲氧基矽烷 (dimethyldimethoxysilane' DMDMOS) 、 二乙氧基曱基矽烷 (diethoxymethylsilane, DEMS)、曱基三乙氧基珪烷(methyl triethoysilane， MTES)、苯基二曱基珪烷(phenyldimethylsilane)、笨基矽烷(phenylsilane) 等。
可將有機矽前體與一栽氣在導入沉積腔前或導入沉積腔時混合。載氣 為一非活性氣體，其不過度幹擾基板上氧化膜的形成。栽氣的實例包括氦、
氖、氬與氫氣(H2)等氣體。
方法100的實施例中，氧原子與有機矽前體不混在一起直到被導入沉 積腔後。前體經由空間上分散的獨立前體進入口(分散在反應腔周圍)進入 腔室。例如，氧原子前體由位在腔室頂部且位於基板正上方的一進入口(或 進入口群)進入腔室。進入口將氧前體流指向垂直於基板沉積表面的方向。 同時，矽前體由一或多個環繞在沉積腔側壁的進入口進入腔室。此類進入 口將矽前體流指向大約平行於沉積表面的方向。
12附加的實施例包括經由多埠式噴頭的獨立埠傳遞氧原子與矽前體。例 如，位在基板上方的噴頭，其可包括讓前體進入沉積腔的開口的一種樣式。
以氧原子前體供應一部分開口 ，而以矽前體供應第二部分開口 。經由不同 部分開口傳遞的前體，其彼此之間是分離流動直到離開進入沉積腔。關於
前體處理設備形式與設計的額外詳細內容描述於共同讓渡的美國暫時性專
利申請案(案號為A011162/T72700)，由Lubomirsky在與本說明書相同曰
期提申且命名為r介電質間隙充填所用的處理腔」，其全文在此以參考資 料的方式併入本文中。
當氧原子與矽前體反應於沉積腔內時，他們形成二氧化矽層於基板沉 積表面上。初步的氧化物層具有出色的流動性，所以可快速地移動至基板 表面上構造內的間隙底部。
各個氧化物層沉積後，將執行一蝕刻步驟於該層上好移除雜質。這將 包括將較大的有機基團解離成較小的含碳分子，以及至少解離某些 Si-OH(矽醇)鍵結好形成水與二氧化矽。
沉積與蝕刻多個二氧化矽層後，將執行一退火處理以進一步趕出水分 而將該層轉換成一密集、高品質的氧化物膜。實施例包括在所有各個二氧 化矽層已經經過沉積與蝕刻後執行一退火處理。附加的實施例包括在一或 多個層形成後但在所有層的最終退火處理前的居中式退火處理。例如，在 沉積每2、 3、 4、 5等層數後可執行居中式退火處理，接著所有層的最終 退火處理。
現在參照圖2，顯示一描述根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜 的方法200的流程圖。方法200包括將前體導入包含基板的沉積腔(步驟 202)。如同上述提到，前體包括氧原子前體與有機矽前體。在一遠程高密 度等離子產生器中，供以4000至6000瓦特(例如，5500瓦特)的射頻功率 給複合氣體流好產生氧原子，該複合氣體流包括氬氣(其流速，例如約900 至約1800 sccm)與氧氣(其流速，例如約600至約1200 sccm)。
通過混合有機矽化合物(氣體或液體)與載氣(諸如，氦或氫氣)將有機矽 前體導入沉積腔。舉例來說，以約600至約2400 sccm的流速讓氦通過室 溫為液態的有機矽前體(例如，八曱基環四矽氧「OMCTS」)而冒出，以提
13供流速約800至約1600 mgm的八曱基環四矽氧流給腔室。
腔室中，前體彼此互相反應以形成一第一氧化物層於基板上(步驟 204)。氧化物層沉積期間腔室內的整體壓力為，例如約0.5 Torr至約6 Torr。 較高的整體壓力(例如，1.3Torr)將沉積更具流動特性的氧化物層，而較低 的整體壓力(例如，0.5 Torr)將沉積更高程度的同形(conformal)氧化物層。 由於氧原子為高度反應物質，所以反應腔內的沉積溫度則相當地低(例如， 約10O'C或更低)。氧化物沉積速率在每分鐘約125A至約2 ia m範圍之間(例 如，每分鐘約500A至約3000A之間；每分鐘約1500A等等)。該氧化層 的厚度約50A至約500A(例如，約100A至約200A)。
第一氧化層形成後，停止前體流進入腔室，然後蝕刻第一氧化層(步驟 206)。蝕刻步驟可用來解離與移除該層內的雜質，且亦用來平面化該層。 如同之後圖3描述中所提到，蝕刻處理可包括單一蝕刻步驟或多重蝕刻步 驟。
蝕刻第一層後，接著重新將前體導入沉積腔(步驟208)，然後進行反應 以形成第二氧化物層於基板上(步驟210)。第二氧化物層可在與第一層相同 的反應條件下形成，或在一不同條件(諸如，腔室壓力、溫度、有機矽前體 等等)下形成。
已經形成第二層後，其亦被蝕刻(步驟212)好減少雜質量與/或平面化 該層。以蝕刻第一層所用的相同處理來蝕刻第二層，或以不同處理(諸如， 不同的蝕刻步驟數、不同的蝕刻前體、不同的功率位準r power level J等 等)來蝕刻第二層。
形成與蝕刻第二個二氧化矽層(以及任何附加的氧化物層)後，接著退 火處理氧化物層(步驟214)以形成均一、高品質的二氧化矽間隙充填物。最 終的間隙充填物具有低於4.0(諸如，低於約3.5;低於約3.0等等)的介電 常數(即，k值)，以及低於2:1(諸如，約1.8:1至約1.4:1)的溼式蝕刻速率 比值。整個充填容積內的間隙充填物為均一，且包含極少(如果有的話)的 空隙或裂縫。
圖3顯示一根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜的方法300的流 程圖(強調兩階段式蝕刻步驟)。方法300包括提供一基板給反應腔(步驟302),然後將前體(諸如，氧與矽前體)導入反應腔(步驟304)。接著前體開 始反應以形成二氧化矽層於基板上(步驟306),該層接著經歷兩階段式蝕刻。
通過實施第一次蝕刻於氧化物層上(步驟308)開始兩階段式蝕刻。這第 一次蝕刻包括利用一較低密度的等離子來解離較大的有機基團且移除至少 一部分該層中的碳。這較低密度的等離子蝕刻包括利用一遠程等離子供應 (RPS)系統產生一蝕刻氧化物層的氬/氧等離子。蝕刻環境包括，諸如以約 5500瓦特功率由流速1600 sccm的氧氣與400 sccm的氬擊出等離子，且 將等離子導入壓力約760 mTorr的沉積腔。此種等離子蝕刻法可解離較大 的碳基團且由該氧化物層移除碳雜質。
第一次蝕刻後，接著在較高的等離子密度下執行氧化物層的第二次蝕 刻(步驟310)，以移除該層中至少一部分的氫氧基。此種較高密度的等離子 蝕刻法包括暴露該層給一等離子，該等離子形成於以高功率射頻場(例如， 6000瓦特)解離氧分子流(例如，600 sccm)。可將氧等離子導入沉積腔(其 壓力，例如約8 mTorr)然後與氧化物層中的氫氧基團(-OH group)反應以形 成二氧化矽與水。
在下一氧化物層(形成於先前層上)上重複沉積與蝕刻循環(步驟312)。 接著增進沉積與蝕刻過的氧化物層直到達到預定的層數與/或薄膜厚度，之 後退火處理該多個氧化物層(步驟314)。可用單一步驟或多個步驟執行退火 處理。舉例來說，可通過在實質上乾燥的空氣(諸如，乾燥的氮、氦、氬等 等)中加熱多個氧化物層到達約30CTC至約10OO'C之間的溫度(例如，約600
。c至約90crc之間)而執行單一步驟的退火處理。退火處理由沉積層中移除
水分且進一步將矽醇(Si-OH)基團轉換成二氧化矽。
多步式退火處理包括兩步式退火處理，在兩步式退火處理中該層初步
經歷溼式退火階段，例如在蒸氣存在下加熱該層到達約700。C(舉例)。這之
後可為乾式退火階段，該層在一實質上沒有水分的空氣(例如，千燥氮氣)
中被加熱至更高的溫度(例如，約900'C)。初步溼式退火處理可幫助水解矽 碳(Si-C)鍵結成為矽醇(Si-OH)鍵結，而乾式退火處理將矽醇鍵結(Si-OH) 轉換成二氧化矽鍵結以及從該層中趕出水分。除了溼室與乾式熱能退火處理外，可應用其它退火技術(單獨或組合) 來退火處理該多個氧化物層。這些退火技術包括蒸氣退火、等離子退火、 紫外光退火、電子束退火與/或微波退火等。
現在參照圖4，顯示描述根據本發明實施例製造多層式二氧化矽膜的
方法400的另 一個流程圖。方法400包括提供基板給沉積腔(步驟402), 然後將前體(諸如，氧原子與有機矽前體)導入腔室內(步驟404)。使前體反 應以形成二氧化矽層於基板上(步驟406)，接著蝕刻該氧化物層(步驟408)。
在這個時刻，會執行一個檢查來確定沉積的氧化物層的累積厚度是否 已達到預先設定點(步驟410)。假若已經達到整體氧化物膜的預設厚度，那 麼將停止沉積與蝕刻循環，然後退火處理該膜(步驟412)。然而，假若尚未 達到預定厚度，那麼將發生另一次沉積與蝕刻循環以至少增加一或更多附 加層給該氧化物膜。
確定該氧化物膜是否已經達到預定厚度可由下列方式來執行:測量沉 積與蝕刻過的層的厚度；或計算達到所欲的薄膜厚度所需的層數。例如， 假設每個沉積與蝕刻過的層的厚度為100A，而所欲的薄膜厚度為1.2 ym， 那麼需要執行12次沉積與蝕刻循環以形成該膜。各個沉積層的厚度可通過 調控影響氧化物沉積速率的參數來設定，該參數包括諸如反應前體的類型 與流速、沉積腔中的整體壓力以及溫度等參數。如上述提到，典型的氧化 物層沉積速率是每分鐘約500A至約3000A (例如，約每分鐘1500A)。
圖5A-F顯示具有間隙構造的基板，利用多循環式沉積-蝕刻氧化物層 形成處理的實施例，以多層式二氧化矽膜逐漸填滿該間隙。第5A圖顯示 一基板502與已經形成於其上的間隙504。可以理解顯示於第5A-F圖中 的間隙504以相當低的深寬比來繪示，是為了更清楚地顯示氧化物充填層 的過程。本間隙充填法的實施例包括不具空隙或裂縫的沉積進入間隙，且 該間隙具有5:1、 6:1、 7:1、 8:1、 9:1、 10:1、 11:1、 12:1、 13:1、 14:1與 15:1或更高的深寬比。
第5B圖顯示沉積在間隙504內的第一氧化物層506a。形成該層的二 氧化矽具有良好的流動特性，讓該膜快速地移動至間隙504的底部。因此， 沉積在間隙504底部的氧化物厚度會比沿著間隙側壁的氧化物厚度來得大。
第5C與5D圖顯示附加的氧化物層506b、 506c等，將這些層沉積在 間隙504中之前已沉積且蝕刻過的層上。這些附加的層由間隙504的底部 向上形成，直到達到所欲氧化物膜的厚度(例如，間隙504的頂部)。
一旦沉積與蝕刻多個氧化物層的最後一層後，實施一退火處理將該些 層形成均一的薄膜508(如第5E圖所示)。通過例如等離子蝕刻或化學機械 研磨(CMP)等方式平面化該膜好移除超過間隙504頂部形成的沉積材質。 第5F圖顯示剩下的二氧化矽間隙充填物510，其具有極少(如果有的話)的 空隙或裂縫且具有高度薄膜品質與介電特性。
示範性基板處理系統
執行本發明實施例的沉積系統包括高密度等離子化學氣相沉積 (high-density plasma chemical vapor deposition, HDP-CVD)系統、等離子 輔助化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) 系統、次大氣壓化學氣相沉積(sub-atmospheric chemical vapor deposition,
SACVD)系統與熱能化學氣相沉積系統等類型的系統。執行本發明實施例 的化學氣相沉積系統的特定實例包括CENTURA ULTIMA 高密度等離 子化學氣相沉積腔/系統與PRODUCER 等離子輔助化學氣相沉積腔/系 統(Applied Materials, Inc., Santa Clara, Califomia)。
一個適當的基板處理系統(其中可修改用來應用依照本發明的實施例) 顯示與描述於共同讓渡的美國專利申請案第6,387,207與6,830,624號中， 其在此以參考方式併入本文中。圖6A是化學氣相沉積系統10的垂直、橫 剖面圖式，該系統具有真空或處理腔15,該腔包括腔壁15a與腔蓋配件 15b。
化學氣相沉積系統10包含一氣體分配歧管11,好分散處理氣體至支 撐在加熱底座12(位於處理腔15中心)上的基板(未顯示)。可用導電材質來 構成氣體分配歧管11好使其本身作為形成電容等離子(capacitive plasma) 的電極。處理過程中，基板(例如， 一半導體晶片)被置於底座12的平坦(或 稍微凸起)表面12a上。可操作底座12在較低的負栽/卸栽位置(圖6A中所示)與較高的處理位置(由圖6A中的虛線14表示)之間移動，而處理位置緊 密地鄰近歧管11。中心電路板包括可提供晶片位置信息的感應器。
經由習知平坦、環型的氣體分配面板13a的射孔(perforated hole)13b，
將沉積氣體與栽氣導入腔室15。更明確地，沉積處理氣體經由歧管11進 入口 ，通過習知的射孔阻擋板(perforated blocker plate)42然後通過氣體分 配面板13a中的孔洞13b流入腔室。
到達歧管11前，沉積氣體與載氣由氣體源7經由氣體供應管線8輸 入混合系統9，他們在那混合然後送至歧管11。 一般而言，各個處理氣體 的供應管線包括(i)多個安全性閉鎖閥(未顯示)，其可用來自動或手動關閉進 入腔室的處理氣體流，以及(ii)質量流量控制器(mass flow controllers)(亦未 顯示)，其可測量通過供應管線的氣體流。當使用有毒氣體於處理時，將多 個安全性閉鎖閥置於習知結構中的各個氣體供應管線。
執行於化學氣相沉積系統10中的沉積處理可為熱能處理或等離子輔 助處理。等離子輔助處理中，射頻功率供應器44在氣體分配面板13a與 底座12之間施加電功率，以便活化處理氣體混合物，好在面板13a與底 座12之間圓柱型區域中形成等離子。此區域在此將被稱為「反應區域J 。 使等離子的組成反應好沉積所欲的薄膜於半導體晶片(支撐於底座12上)的 表面上。射頻功率供應器44是一種混合型射頻功率供應器， 一般來說其可 提供13.56 MHz的高射頻頻率與360 kHz的低射頻頻率，好輔助導入真空 腔15的反應物質的分解。熱能處理中，不使用射頻功率供應器44，且處 理氣體混合物進行熱能反應好沉積所欲的薄膜於半導體晶片(支撐於底座 12上)的表面上，而該底座具熱抗性好提供熱能給反應。
等離子輔助沉積處理過程中，等離子加熱整體處理腔10,其包括排出 信道23與閉鎖閥24周圍的腔室主體的腔壁15a。當未發動等離子時或熱 能沉積處理過程中，將熱的液體循環遍及處理腔15的腔壁15a以維持腔 室處於高溫下。而腔壁15a其餘部分的信道並未顯示。用來加熱腔壁15a 的液體包括典型液體類型，即水性乙二醇或油性熱能傳導液體。這類加熱 (指的是通過「熱能交換物」來加熱)有益於減少或排除不欲的反應產物的 凝結，且增進排出處理氣體的揮發性產物與其它可能汙染處理的汙染物(假若這些物質凝結於冷的真空信道壁上，且在沒有氣體流動時流回處理腔 內)。
(未顯示)而排出腔室15外。明確地說，氣體經由反應區域周圍的環型、狹 縫狀洞口 16排出，然後進入環型排出室17。通過腔室的圓柱型側壁15a 的頂端(包括腔壁上較高的介電內襯19)與環型腔蓋20底部之間的間隙界 定環型狹縫16與排出室17。 360°環型對稱且一致的狹縫洞口 16與排出 室17，對達成晶片上均勻的處理氣體流(以便沉積均勻薄膜於晶片上)而言 是重要的。
由排出室17開始，氣體流進排出室17的橫向延展部分21，經過觀察 孔(viewing port),通過向下延展的氣體信道23,經過真空閉鎖閥24(其本 體併入較低的腔壁15a中)，然後進入排出口 25，該排出口經由一前置管 線(foreline)(未顯示)連結至外部真空泵(亦未顯示)。
底座12的晶片支撐板(材質最好為鋁、陶質或上述的組合物)具抗熱性， 其利用 一 嵌入式單環嵌入加熱組件來加熱，該加熱組件設置成平行同心圓 形式的兩個完整圓圏。加熱組件外側部分位於鄰近支撐板的周圍，而內側 部分則位在具有較小直徑的同心圓路徑上。連接加熱組件的線路則經過底 座12的主杆。
一般而言，任何或所有腔室內襯、氣體進入歧管面板以及許多其它反 應器的硬體，是由諸如鋁、電鍍鋁或陶器等材質製成。此類化學氣相沉積 設備的一實例是描述於共同讓渡，且由Zhao等人提伸並命名為r化學氣 相沉積處理腔」的美國專利案第5,558,717號，而其全文在此以參考資料 併入本文中。
舉升機構與馬達32(圖6A)隨著機械片(未顯示)經由腔室10側邊的插 入/移除開口 26將晶片傳入與傳出腔室本體15,提高與降下加熱底座配件 12與其晶片舉升銷12b。馬達32在處理位置14與較低的晶片負栽位置之 間提高與降下底座12。所有下述的裝置均受系統調控器調控(通過控制管 線36，僅顯示某些管線):馬達；連結至供應管線8的活門或流量控制器； 氣體傳送系統；節流閥；射頻功率供應器44;以及腔室與基板加熱系統。
19調控器34依靠來自光學感應器的反饋來測定可移動式機械配件的位置，例
如節流閥與加熱基板(susceptor)在調控器34的調控下通過適當的馬達而 移動。
示範性實施例中，系統調控器包括一硬碟(內存38)、 一軟盤與一處理 器37。處理器包括單板機(single-borad computer, SBC)、模擬與數字輸入 /輸出板、接口板與步進式電動控制板(stepper motor controller boards)。 化學氣相沉積系統10的許多部份遵照歐洲插卡式模塊(Versa Modular Eur叩ean， VME)標準(其界定主機板、卡槽與連接器的尺寸與類型)。VME 標準亦界定總線結構為具有16位數據總線與24位地址總線。
系統調控器34調控化學氣相沉積器械的所有活動。系統調控器執行系 統調控軟體，其是一存於計算機可讀媒體(例如，內存38)的電腦程式。 內存38較佳為硬碟，但內存38亦可為其它類型的內存。電腦程式包括 制定下列參數的指令組:時間、混合的氣體、腔室壓力、腔室溫度、射頻功 率強度、加熱基板位置與特定處理的其它參數。存於其它內存組件(包括， 諸如軟盤或其它合適的裝置)的其它電腦程式，亦可用來運轉調控器34。
可利用電腦程式產品(由調控器34執行)來實施沉積一薄膜於基板上 的處理或清潔腔室15的處理。可用任何習知的計算機可讀式程序語言來編 寫i十算才幾禾呈序鄉扁石馬:侈寸^口， 68000';匚步扁i吾言(assembly language)、 C、 C++、 Pascal、 Fortran或其它。利用習知的文件編輯器將適當的程序編碼輸入成 單一檔案或多個檔案，且存於或具現於計算機可用式媒體(computer usable medium),例如計算^f幾的內存系統。作i若輸入的編碼文件為高級語 言，那麼編譯該編碼，然後合成的編解碼接著連結(linked)於預先編譯的 Microsoft Window⑧程序庫程序(library routines)的目的碼(object code)。 為了執行連結、已編譯的目的碼，系統使用者希望目的碼引發計算機系統 讀取內存中的編碼。中央處理器(C P U)接著讀取與執行編碼好完成程序中 識別的工作。
使用者與調控器34之間的接口是經由陰極射線管顯示器(CRT monitor)50a與光筆50b(圖6B所示)，圖6B是系統顯示器與基板處理系統 (可包括一或多個腔室)中化學氣相沉積系統10的簡單圖式。較佳的實施例中，運用兩個顯示器50a,其中一個鑲嵌於清潔室壁(操作者用)，而另一個 位在該壁後面(設備技術員用)。顯示器50a可同時顯示相同的信息，但僅 可用一隻光筆50b。光筆50b尖端的光感應器偵測由陰極射線管顯示器散 發出來的光線。為了選擇特定的屏幕區域或功能，操作者觸碰顯示器屏幕 上選定的區域，然後按下光筆50b上的按鈕。觸碰的區域改變其強調顏色， 或是顯示一個新的選單或屏幕，好確定光筆與顯示器屏幕之間的訊息傳達。 其它諸如鍵盤、滑鼠或其它指示或傳達裝置等裝置，可用來替代或加強光 筆50b好讓使用者與調控器34交流訊息。
圖6A顯示遠程等離子產生器60，其裝設在處理腔15的腔蓋配件15b 上(包括氣體分配面板13a與氣體分配歧管11)。架設接合器(mounting adaptor)64裝設遠程等離子產生器60於腔蓋配件15b上(如圖6A所示)。 接合器64 —般是由金屬所構成。混合裝置70耦接於氣體分配歧管11的 上遊端(圖6A)。混合裝置70包括一配置於混合阻擋物(用以混合處理氣體) 的狹縫74內的混合鑲嵌塊(insert)72。陶質絕緣體66置於架設接合器64 與混合裝置70之間(圖6A)。可由諸如氧化鋁(純度99%)、 Teflon⑥等陶器 材質來製造陶質絕緣體66。裝設時，混合裝置70與陶質絕緣體66會構成 腔蓋配件15b的一部分。絕緣體66隔絕金屬接合器64與混合裝置70與 氣體分配歧管11,好減少第二次等離子形成於腔蓋配件15b中的可能性(更 詳細描述於下)。三通閥77不是直接就是經由遠程等離子產生器60來調控 進入處理腔15的處理氣體流動。
樂見遠程等離子產生器60為一緊密、自我調控的組件，其可方便地裝 置於腔蓋配件15b上且可容易地式樣翻新到現存腔室上而不需要昂貴且耗 時的修改。 一個適當的組件為ASTRON⑤產生器(Applied Science and Technology, Inc., Woburn, Mass)。 ASTRON⑥產生器利用低場效環型等離 子(low-field toroidal plasma)來解離處理氣體。 一實例中，該等離子解離處 理氣體，該處理氣體包括含氟氣體(例如三氟化氮「 NF3」)與載氣(例如氬)， 而產生自由氟，而自由氟可被用來清潔沉積於處理腔15中的薄膜。
已經描述許多實施例，熟悉技術的人士可以理解，其可在不悖離本發 明的精神下使用許多修改物、替換構造與均等物。再者，並未描述許多知名的處理方式與組件好避免對本發明造成不必要的混淆。因此，上述內容 不應被視為本發明範圍的限制性。
此處所提供的數值範圍，可以理解各個介於範圍較高與較低限制值之 間的中間值(除非文中另有明確指出，否則到較低限制值的單位的十分的一 亦明確地被揭示。任何所述數值之間的各個較小範圍；或所述範圍與任何
其它所述數值的中間值；或所述範圍的中間值均包含在其中。這些較小範
圍的較高與較低限制值可單獨地被包括在範圍內或排除在範圍外，且各個 範圍的限制值(任一、兩者皆無、兩者皆有)被包含在較小範圍亦包含在本 發明中，其屬於所述範圍內任何特別排除在外的限制值。所述範圍包括一 或兩個限制值，亦包括排除任一或兩者限制值的範圍。
此處與附加的專利申請範圍中所用的單數形式「一(a)」、r一(an)J
與「該」包括多個所指對象，除非文中另有明確指出。因此，舉例來說， 提到「一處理」是包括多個此類處理，而提到「該前體J是包括所指的一 或多個前體與熟悉技術人士所知的均等物等等。
同樣地，應用於本說明書與接下來的權利要求的詞彙「包括」、「包 含」，其用來明確指明所述的特徵、整體、成分或步驟的存在，但並不排 除一或多個其它特徵、整體、成分、步驟、行動或群組的存在或附加。
權利要求
1. 一種以二氧化矽充填基板上的間隙的方法，該方法至少包含將一有機矽前體與氧前體導入沉積腔；使該些前體反應以形成第一二氧化矽層於該基板上的間隙中；蝕刻該第一二氧化矽層以減少該層中的碳含量；形成第二二氧化矽層於該第一層上，然後蝕刻該第二層以減少該層中的碳含量；以及待該間隙被填滿後退火處理該些二氧化矽層。
2. 如權利要求1所述的方法，其中該氧前體包括產生於該沉積腔外的 氧原子。
3. 如權利要求2所述的方法，其中該氧原子是通過下述步驟而形成 由包含氬的氣體混合物形成一等離子；以及 將氧前體導入該等離子，其中該氧前體解離以形成該氧原子。
4. 如權利要求3所述的方法，其中該氧前體是選自氧分子、臭氧與二 氧化氮組成的群組中。
5. 如權利要求2所述的方法，其中該氧原子是通過下述步驟而形成 將氧前體導入一光解離腔；以及暴露該氧前體給紫外光，其中該紫外光解離該氧前體以形成該氧原子。
6. 如權利要求2所述的方法，其中該有機矽前體與該氧原子不混在一 起直到被導入該沉積腔後。
7. 如權利要求1所述的方法，其中該有機矽前體包括二曱基矽烷、三 甲基矽烷、四曱基矽烷、二乙基矽烷、四甲基正矽酸鹽(tetramethylorthosilicate， TMOS)、四乙基正娃酸鹽(tetraethylorthosilicate, TEOS)、八曱基三矽氧(octamethyltrisiloxane， OMTS)、八甲基環四矽氧 (octamethylcyclotetrasiloxane, OMCTS)、 四曱基環四珪氧 (tetramethylcyclotetrasiloxane, TOMCATS) 、 二曱基二曱氧基矽烷 (dimethyldimethoxysilane， DMDMOS) 、 二乙氧基甲基矽烷 (diethoxymethylsilane， DEMS)、曱基三乙氧基娃烷(methyl triethoxysilane MTES)、苯基二曱基珪烷(phenyldimethylsilane)、苯基珪烷(phenylsilane)。
8. 如權利要求1所述的方法，其中該第一與第二二氧化矽層各自的厚 度在約100A至約200A之間。
9. 如權利要求1所述的方法，其中該蝕刻第一與第二二氧化矽層的步 驟包括將該層暴露在具有一第一密度的第一等離子下，其中該第一等離子可解 離該層中較大的碳分子；以及將該層暴露在具有一第二密度的第二等離子，其中該第二密度高於該第 一密度且該第二等離子可解離該層中的矽醇(Si-OH)鍵結。
10. 如權利要求1所述的方法，其中該退火處理二氧化矽層的步驟包括 在乾燥無活性氣體中約800。C或更高溫度下進行退火處理。
11. 如權利要求10所述的方法，其中該無活性氣體為氮(N2)而該溫度 是900 。C。
12. 如權利要求1所述的方法，其中該方法包括形成附加的二氧化矽層 於該第一與第二層上，且其中各個附加的二氧化矽層的厚度為約50A至約 500A間。
13. 如權利要求12所述的方法，其中該附加的二氧化矽層是以如同蝕刻該第 一 與第二二氧化矽層的方式被蝕刻。
14. 如權利要求12所述的方法，其中該二氧化矽層的總厚度是約500A 至約10,000A。
15. 如權利要求1所述的方法，其中該退火處理過的二氧化矽層的溼式 蝕刻速率比值(wet etch rate ratio, WERR)約2:1或更低。
16. 如權利要求1所述的方法，其中該退火處理過的二氧化矽層的溼式 蝕刻速率比值約1.8:1至約1.4:1間。
17. 如權利要求1所述的方法，其中該退火處理過的二氧化矽層的k值 約4.0或更低。
18. 如權利要求1所述的方法，其中該方法更包括在將該前體導入該沉 積腔前，預先以高密度等離子處理該基板。
19. 如權利要求1所述的方法，其中該間隙的深寬比約5:1或更高。
20. 如權利要求1所述的方法，其中該間隙的深寬比約13:1或更高。
21. —種形成一多層式二氧化矽膜於基板上的方法，該方法至少包含 形成多個二氧化矽層於該基板上，其中各個二氧化矽層的厚度約100A至約200A間，且其中各個層是通過下列步驟而形成；(i) 將有機矽前體與氧原子前體導入反應腔；(ii) 使該些前體進行反應以形成該層於該基板上；以及(iii) 蝕刻該層好減少該層中的雜質；以及退火處理該多個層。
22.如權利要求21所述的方法，其中該氧原子前體是在該沉積腔外產生，且其中該有機矽與氧原子前體不混在一起直到被導入該反應腔後。
23. 如權利要求21所述的方法，其中該蝕刻該層包括 將該層暴露在具有第一密度的第一等離子下，其中該第一等離子可解離該層中較大的碳分子；以及將該層暴露在具有第二密度(高於該第一密度)的第二等離子下，其中該 第二等離子可解離該層中的矽醇鍵結。
24. 如權利要求21所述的方法，其中該退火處理該多個層的步驟包括 熱能退火、蒸氣退火、等離子退火、紫外光退火、電子束退火或微波退火 處理。
25. 如權利要求21所述的方法，其中該退火處理該多個層的步驟包括: 在第一退火溫度與蒸氣存在下加熱該基板；以及 在第二退火溫度下與乾燥氮氣中加熱該基板。
26. 如權利要求25所述的方法，其中該第一退火溫度是約65CTC而該 第二退火溫度是約900°C。
27. 如權利要求21所述的方法，其中該多個層各自是於每分鐘約125A 至約2pm的速率下形成。
28. 如權利要求21所述的方法，其中該些層各自是於約3分鐘或更短 時間內祐:蝕刻。
29. 如權利要求21所述的方法，其中該多個層是被退火處理約30分鐘 或更短時間。
30. 如權利要求21所述的方法，其中該多個層的溼式蝕刻速率比值在約1.8:1至約1.4:1間。
31. 如權利要求21所述的方法，其中該多個層的k值為約4.0或更低。
32. 如權利要求21所述的方法，其中該多層式二氧化矽膜的厚度在約 1000A至約3000A間。
33. —種執行多循環式二氧化矽由底部向上間隙充填晶片基板上間隙 的系統，該系統至少包含沉積腔，其中固持著該含有間隙的基板；遠程等離子產生系統，其耦接於該沉積腔，其中該等離子產生系統是用 來產生氧原子前體；有機矽前體源，其用來供應有機矽前體給該沉積腔；前體處理系統，其用來導引該氧原子前體與該矽前體流進入該沉積腔， 其中該前體處理系統保持該氧原子與該矽前體不混在一起直到他們進入該 沉積腔；以及蝕刻系統，其用來蝕刻在該多循環式間隙充填的各個循環中沉積的各個 二氧化矽層。
34. 如權利要求33所述的系統，其中該系統更包括退火處理系統，其 用來退火處理多個形成於該基板上的二氧化矽層。
35. 如權利要求34所述的系統，其中該退火處理系統包括熱能退火、 蒸氣退火、等離子退火、紫外光退火、電子束退火或微波退火處理系統。
36. 如權利要求33所述的系統，其中該系統包括高密度等離子化學氣 相沉積(HDPCVD)系統。
全文摘要
描述以二氧化矽充填基板上間隙的方法。該方法包括下列步驟將一有機矽前體與一氧前體導入一沉積腔，使前體開始反應以形成一第一個二氧化矽層於基板上的間隙內，然後蝕刻該第一個二氧化矽層好減少該層中的碳含量。該方法亦包括形成一第二個二氧化矽層於該第一層上，然後蝕刻該第二層好減少該第二層中的碳含量。間隙被填滿後，退火處理該些二氧化矽層。
文檔編號H01L21/302GK101454877SQ200780020052
公開日2009年6月10日 申請日期2007年5月29日 優先權日2006年5月30日
發明者S·D·耐馬尼, S·文卡特拉馬, X·陳 申請人:應用材料股份有限公司