CN100564590C - 具有侧壁磁体的感应等离子体系统 - Google Patents

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Abstract

一种衬底处理系统具有限定处理室的壳体。衬底夹持器放置在处理室内并被配置来在衬底处理期间支撑衬底平面内的衬底。气体传输系统被配置来将气体引入到处理室内。压力控制系统维持处理室内的选定压力。高密度等离子体生成系统与处理室可操作的耦合。具有磁偶极子的磁约束环沿垂直于衬底平面的对称轴呈圆周形放置，并且提供了具有基本不平行于衬底平面的净偶极矩的磁场。控制器控制气体传输系统、压强控制系统和高密度等离子体系统。

Description

具有侧壁磁体的感应等离子体系统
技术领域
本发明涉及间隙填充沉积，更具体地涉及利用具有侧壁磁体的感应等离子体系统进行的间隙填充沉积。
背景技术
在现代半导体器件的制造中，一个主要步骤是在半导体衬底上形成膜，如二氧化硅膜。在半导体器件的制造中，二氧化硅被广泛用作绝缘层。如所公知的，二氧化硅膜可通过热化学气相沉积(“CVD”)处理或等离子体增强化学气相沉积(“PECVD”)处理来沉积。在传统的热CVD处理中，反应气体被供应到衬底表面，在底表面发生热诱导的化学反应以产生期望的膜。在传统的等离子体沉积处理中，形成受控的等离子体以分解和/或激励反应物质以产生期望的膜。
半导体器件的几何形状在尺寸方面已得到了明显的减小，这是因为这种器件是在几十年前首先引入的，并且在将来还会继续减小。这种器件几何形状在尺寸的持续减小已经导致在制作在半导体衬底上的集成电路中形成的电路元件和互连的密度的明显增加。半导体制造商在设计和制作这种密集封装集成电路时面临的一个持续挑战就是希望防止电路元件之间的寄生交互作用，这个目标随着几何形状的尺寸一直减小而需要不断的进步。
一般通过在相邻元件之间提供空间来防止不希望发生的交互作用，该空间填充有电绝缘材料以物理地和电地隔离元件。这种空间在这里有时被称为“间隙”或“沟槽”，而用于填充这种空间的处理在本领域中通常被称为“间隙填充”处理。从而，给定处理产生完全填充这种间隙的膜的能力经常被称为处理的“间隙填充能力”，而膜被描述为“间隙填充层”或“间隙填充膜”。随着特征尺寸的减小，电路密度增大，这些间隙的宽度减小，导致其深宽比增大，深宽比定义为间隙的深度对其宽度的比。利用传统的CVD技术很难完全填充高深宽比间隙，传统技术的间隙填充能力相对较弱。通常用来在金属间介电(“IMD”)应用、金属前介电(“PMD”)应用和浅沟槽隔离(“STI”)应用以及其他应用中填充间隙的电绝缘膜的一族是二氧化硅(有时也称为“硅玻璃”或“硅酸盐玻璃”)。
某些集成电路制造商转而在沉积二氧化硅间隙填充层时使用高密度等离子体CVD(“HDP-CVD”)系统。这种系统形成的等离子体的密度大于约1011离子/cm3，其约比标准电容耦合的等离子体CVD系统提供的等离子体密度高两个数量级。感应耦合等离子体(“ICP”)系统是HDP-CVD系统的示例。允许这种HDP-CVD技术沉积的膜具有改进的间隙填充特性的一个因素是溅射与材料沉积同时发生。溅射是这样一个机械处理，其中材料被撞击喷射出来，然后在HDP-CVD处理中被等离子体的高离子密度促进。从而，HDP沉积的溅射成分减缓了某些特征结构(如凸起表面的拐角处)上的沉积，从而导致间隙填充能力增强。
即使利用HDP和ICP处理，一个持续挑战是提供在晶片上均匀的沉积处理。不均匀性导致器件性能的不一致性，并且可能来源于若干不同因素。在晶片上不同点处的沉积特性来源于若干不同效应的复杂的相互作用。例如，气体被引入到室中的方式、用来离子化母体物质的功率电平、使用电场来引导离子等等都可能最终影响晶片上沉积特性的均匀性。另外，这些效果表明的方式可以取决于室的物理形状和尺寸，例如通过提供不同的扩散效应来影响室中离子的分布。
因此，本领域中需要一种改进系统来提高在HDP和ICP处理中晶片上的沉积均匀性。
发明内容
从而，本发明的实施例提供了一种包括磁约束环的衬底处理系统，磁约束环可以影响等离子体分布以提高均匀性。壳体限定系统的处理室，衬底夹持器放置在处理室内并被配置来在衬底处理期间支撑衬底平面内的衬底。气体传输系统被配置来将气体引入到处理室内。压力控制系统维持处理室内的选定压力。高密度等离子体生成系统可操作地耦合到处理室。具有多个磁偶极子的磁约束环沿垂直于衬底平面的对称轴呈圆周形放置，并且提供了具有基本不平行于衬底平面的净偶极矩的磁场。控制器控制气体传输系统、压强控制系统和高密度等离子体系统。
在某些实施例中，净偶极矩基本垂直于衬底平面，这可能来源于多个磁偶极子中的每一个具有基本垂直于衬底平面的偶极力矩。在一个实施例中，多个磁偶极子包括多个永磁体。磁约束环还可以包括基本平行于衬底平面的多个水平面，多个磁偶极子放置在多个水平面中。
磁约束环可以采用多个不同的形状和/或方向。例如，在一个实施例中，磁约束环包括由导磁材料制成的夹持结构，多个磁偶极子由夹持结构夹持。在某些情形中，磁约束环基本为圆形。在一个实施例中，磁约束环绕壳体呈圆周形放置。在另一个实施例中，磁约束环绕高密度等离子体系统包括的侧RF线圈呈圆周形放置。在另一个实施例中，磁约束环与气体传输系统包括的气体环相结合。磁约束环可以基本沿对称轴呈轴对称。在不同的实施例中，磁约束环在放置于衬底上的衬底边缘处提供小于约2高斯或小于约1高斯的场强。
本发明的实施例还提供了一种用于在放置在衬底处理室内的衬底平面中的衬底上沉积膜的方法。处理气体流入衬底处理室内。从处理气体感应地形成离子密度大于1011离子/cm3的等离子体。利用磁约束环生成磁场，磁约束环具有沿垂直于衬底平面的对称轴呈圆周形放置的多个磁偶极子。磁场具有基本不平行于衬底平面的净偶极矩。在沉积和溅射成分同时发生的处理中以等离子体在衬底上沉积膜。
在某些情况下，衬底具有形成在相邻凸起表面之间的沟槽。当膜沉积在衬底上时，其也沉积在沟槽内。处理气体可以包括硅源、氧源和流动气体。该方法可以利用上述的衬底处理系统执行，包括已给出的各种可替换实施例。
参考说明书的余下部分和附图，可以进一步理解本发明的本质和优点。
附图说明
图1是根据本发明实施例的示例性ICP反应器系统的简化截面图；
图2示出了图示ICP室中的沉积不均匀性的起因和结果的实验和仿真结果；
图3A-3C示出了用在本发明实施例中的ICP室中的磁约束环的结构；
图4A-4C是可用来在不同实施例中提供具有磁约束环的ICP反应室系统的不同配置的示意性图示。
图5是由一个实施例中的图3A的磁约束环提供的磁场强度的径向相关的图形表示；以及
图6的流程图图示了用于利用具有磁约束环的ICP反应器系统在晶片上的间隙内沉积膜的方法。
具体实施方式
1.概述
本发明的实施例提供了使用由磁约束环生成的磁场来控制室内的离子物质分布的ICP反应室。当发明者最初遇到提高沉积均匀性的问题时，他们首先考虑了非均匀性的若干种不同原因，并且采取了各种研究来观察这些原因是怎么对所得到的非均匀性起作用的。这些研究包括仿真和实验研究。具体而言，三类主要的因素被识别为对均匀性特性有影响：等离子体特性、室流分布和热效应。
例如，在间隙填充应用中，等离子体中的离子密度越高，整个间隙填充的效果就越好。类似地，当室内的离子分布有更好的均匀性时，晶片上的中心-边缘均匀性也得到提高。许多ICP和HDP室既有顶部RF线圈又有侧RF线圈的一个原因就是试图提高室内离子分布的均匀性。通常希望，顶部线圈的效果是产生这样的等离子体密度，其在晶片中心处较大，而在晶片边缘处较小，而侧线圈应当得到相反的效果。尽管发明者已经证实侧线圈功率较大时离子均匀性通常也随之提高，但是他们同时发现，即使只使用侧线圈功率也会产生在晶片中心处有峰存在的不均匀离子密度，但是比起使用顶部线圈功率来说要弱得多。这被认为是扩散效应的结果，尤其是交变双极扩散。
室流分布通常由引入母体到室内的气体喷嘴的位置和室内可能影响流特性的结构(如隔板结构等)确定。另外，母体气体经由喷嘴供应到室的速率也影响流特性。明显的流特性中变化的一个度量是晶片上沉积/溅射比的变化。沉积/溅射比是多种常用的度量之一，其根据处理中同时发生的沉积和溅射成分的相对组成来测量高密度等离子体处理。作为“高密度”等离子体的等离子体特征是指等离子体的平均离子密度大于约1011离子/cm3，沉积/溅射比定义为：
Figure C20061000327300091
沉积/溅射比随着沉积的增加而增大，随着溅射的增加而减小。在D/S的定义中，“净沉积速率”指在沉积和溅射同时发生时所测得的沉积速率。“均厚溅射速率”是在不加沉积气体运行处理流程且处理室内的压强被调整为沉积期间的压强以及在均厚的热氧化物上所测得的溅射速率的溅射速度。
可以使用其他等同的测量来量化高密度等离子体处理中沉积和溅射的相对组成，如同本领域技术人员所公知的。一种通用的可替换比率是“刻蚀/沉积比”，
Figure C20061000327300092
其随着溅射的增加而增大，随着沉积的增加而减小。如在E/D的定义中所使用的，“净沉积速率”还是指在沉积和溅射同时发生时所测得的沉积速率。然而，“单源沉积速率”指在没有溅射的情况下运行处理流程时所测得的沉积速率。这里结合D/S比描述了本发明的实施例。尽管D/S和E/D不是精确的倒数关系，但是它们确实存在着相反的关系，且两者之间的转换是本领域技术人员所理解的。
发明者进行的研究证实从喷嘴提供气体时的喷射效应影响沉积/溅射比特性的变化，喷射越扩散，整体的均匀性就越好。另外，较短的喷嘴提供的整体间隙填充的均匀性也比较长的喷嘴好，较长喷嘴在晶片上的间隙填充中产生较大变化。
热效应也影响均匀性，这是因为其直接与离子物质的动能有关，因此既影响等离子体的沉积/溅射比，又影响等离子体的扩散特性。室内的温度通常被选择为与用于处理的母体气体的化学属性所定义的性能标准相一致，从而不同的处理可以具有不同的均匀性关系。例如，间隙填充处理常使用二氧化硅沉积，这是通过向具有流动气体的室提供甲硅烷SiH4和分子氧O2的母体流来实现的。取决于要填充的间隙的物理结构(包括其分离、深宽比等等)，可以优选不同的流动气体。例如，某些处理使用相对较重的气体，如Ar，而其他处理使用较轻的气体，如He和/或H2，如在2002年4月30日Zhong Qiang Hua等人提交的题为“Method For HighAspect Ratio HDP CVD Gapfill”的共同转让美国专利申请No.10/137,132和2003年1月23日Bikram Kapoor等人提交的题为“Hydrogen AssistedHDP-CVD Deposition Process For Aggressive Gapfill Technology”的共同转让美国专利申请No.10/350,445中所描述的，这里为了一切目的通过引用并入两个申请的全部公开内容。使用较轻流动气体(如H2)的处理倾向于使用较高的室温度，这导致等离子体离子的不同的动力学特性并且影响了处理的晶片均匀性。
包括根据本发明实施例的磁约束环通过利用磁效应进一步集中接近晶片边缘处的离子从而增强均匀性特性，而解决了这些特定处理的各种效应。结果是控制离子方向性并产生一般地更为扩散的流模式。如下所述，这实现了多个有益效果，包括允许整体间隙填充延伸至更多处理、提高中心-边缘的间隙填充均匀性、以及减小等离子体处理的沉积/溅射比中的变化。
2.示例性ICP室
发明者已经以California，Santa Clara的应用材料公司制造的ULTIMATM系统实现了本发明，在1996年7月15日由Fred C.Redeker、Farhad Moghadam、Hirogi Hanawa、Tetsuya Ishikawa、Dan Maydan、Shijian Li、Brian Lue、Robert Steger、Yaxin Wang，、Manus Wong和AshokSinha提交的题为“Symmetric Tunable Inductively Coupled HDP-CVDReactor”的共同转让的美国专利No.6,170,428中给出了该系统的常用描述，这里通过引用并入其全部公开内容。下面结合图1提供ICP反应器的概述。ICP反应器是HDP-CVD系统110的一部分，系统110包括室113、真空系统170、源等离子体系统180A、偏压等离子体系统180B、气体传输系统133和远程等离子体清洗系统150。室113的上面部分包括顶罩114，顶罩114由陶瓷介电材料(如氧化铝或氮化铝)制成。顶罩114限定了等离子体处理区域116的上边界。等离子体处理区域116的底部边界由衬底117和衬底支撑构件118的上表面限定。
加热板123和冷却板124在顶罩114的顶上，并且热耦合到顶罩114。加热板123和冷却板124允许将顶罩温度在约100℃到200℃的范围内控制在约±10℃内。这允许对于各种处理优化顶罩温度。例如，对于清洗或刻蚀处理而言，相比于沉积处理，可能希望将顶罩维持在更高的温度处。顶罩温度的精确控制还减少了室内的剥落或粒子数，并提高了沉积层和衬底之间的粘附力。
室113的下面部分包括体构件122，体构件122将室结合到真空系统。衬底支撑构件118的基座部分121安装在体构件122上并与体构件122形成了连续的内表面。衬底通过机械刃片(未示出)经由室113侧壁上的插入/移去开口(未示出)传输进和传输出室113。抬升栓(未示出)在马达(也未示出)的控制下提升并随后下降，以将衬底从上加载位置157处的机械刃片移动到下处理位置156，在下处理位置156处，衬底被放置在衬底支撑构件118的衬底接收部分119上。衬底接收部分119包括静电卡盘120，静电卡盘120在衬底处理期间将衬底固定到衬底支撑构件118。在优选实施例中，衬底支撑构件118由氧化铝或铝陶瓷材料制成。
真空系统170包括节流体125，节流体125容纳有双刃片节流阀126，并且附着到闸门阀127和小分子增强型涡轮分子泵128。如下详细所述，涡轮分子泵128有改良后的性能特性，从而使其适合于有效的排出低质量的分子物质。应当注意，节流体125对气体流提供最小的阻塞，并且允许对称泵浦。闸门阀127可以将泵128与节流体125隔离，并且当节流阀126完全打开时还可以通过限制排出流能力来控制室的压强。节流阀、门阀和小分子增强型涡轮分子泵的这种配置允许精确稳定的控制室的压强，控制范围从约2mTorr到约2Torr。
源等离子体系统180A包括安装在顶罩114上的顶部线圈129和侧线圈130。对称的接地屏蔽(未示出)减少了线圈之间的电耦合。顶部线圈129由顶部源RF(SRF)发生器131A加电，而侧线圈130由侧SRF发生器131B加电，这允许每个线圈的功率电平和操作频率独立。这种双线圈系统允许控制室113中的径向离子密度，从而提高了等离子体的均匀性。侧线圈130和顶部线圈129一般是感应驱动的，其不需要互补电极。在特定实施例中，顶部源RF发生器131A在标称2MHz时提供高至2500W的RF功率，侧SRF发生器131B在标称2MHz时提供高至5000W的RF功率。顶部和侧RF发生器的操作频率可以偏离标称操作频率(例如分别偏离到1.7-1.9MHz和1.9-2.1MHz)以提高等离子体生成效率。
偏压等离子体系统180B包括偏置RF(“BRF”)发生器131C和偏压匹配网络132C。偏压等离子体系统180B容性地将衬底部分117耦合到体构件122，体构件122充当互补电极。偏压等离子体系统180B用来增强将由源等离子体系统180A产生的等离子体物质(例如离子)到衬底表面的输运。在特定实施例中，偏压RF发生器在13.56MHz时提供高至5000W的RF功率。
RF发生器131A和131B包括数控合成器，并且在约1.8到约2.1MHz之间的频率范围内进行操作。每个发生器包括RF控制电路(未示出)，RF控制电路测量从室和线圈反射回发生器的功率，并调整操作频率以获得最低的反射功率，这是本领域普通技术人员所能够理解的。RF发生器一般被设计为操作具有50Ω特征阻抗的负载。RF功率可以从具有与发生器不同的特征阻抗的负载反射。这可以减小传输到负载的功率。另外，从负载反射回发生器的功率可能过载并损坏发生器。由于等离子体阻抗的范围取决于等离子体离子密度和其他因素可以从小于5Ω到高于900Ω，并且由于反射功率可以是频率的函数，所以根据反射功率调整发生器频率增大了从RF发生器传输到等离子体的功率并保护了发生器。另一种减少反射功率并提高效率的方法是利用匹配网络。
匹配网络132A和132B将发生器131A和131B的输出阻抗与其各自的线圈129和130相匹配。RF控制电路可以通过随着负载变化而改变匹配网络内的电容器的值以使发生器与负载相匹配来调谐这两个匹配网络。RF控制电路可以在从负载反射回发生器的功率超过某一极限时调谐匹配网络。一种提供恒定匹配并有效地禁止RF控制电路调谐匹配网络的方法是将上面的反射功率极限设为反射功率的任何期望值。这可以有助于通过保持匹配网络在其最近的条件下恒定，来在某些条件下稳定等离子体。
其他措施也可以有助于稳定等离子体。例如，RF控制电路可用来确定传输到负载(等离子体)的功率，并且可以增大或减小发生器输出功率以在层的沉积期间保持所传输的功率基本恒定。
气体传输系统133经由气体传输管线138(只示出了其中一部分)从多个源134A-134E向室提供气体以处理衬底。本领域技术人员所能够理解的是，用于源134A-134E的实际源和传输管线138到室113的实际连接根据室113内所执行的沉积和清洗处理而变化。气体经由气体环137和/或顶部喷嘴145被引入到室113中。多个源气体喷嘴139(出于示例目的只示出了其中的一个)向衬底上提供均匀的气体流。可以改变喷嘴长度和喷嘴角度，以允许对各个室内的均匀性分布特性和具体处理的气体利用效率进行裁剪。在一个实施例中，提供了12个以氧化铝陶瓷制成的源气体喷嘴。
另外，还提供了多个氧化剂气体喷嘴140(只示出了其中的一个)，在优选实施例中氧化剂气体喷嘴140与源气体喷嘴139是共平面的，并且比源气体喷嘴139短。在某些实施例中，在将源气体和氧化剂气体喷射到室113中之前不希望将其混合。在其他实施例中，可以在将氧化剂气体和源气体喷射到室113中之前将其混合。在一个实施例中，第三、第四和第五气体源134C、134D和134D′以及第三和第四气体流控制器135C和135D′经由气体传输管线138向体增加器提供气体。诸如134B(其他的阀未示出)之类的另外的阀可以切断从流控制器到室的气体。
在使用易燃、有毒或有腐蚀性气体的实施例中，可能希望消除沉积后残留在气体传输管线中的气体。例如，这可以利用诸如阀143B之类的三通阀来实现，以将室113与传输管线相隔离，并将传输管线内的气体排出到真空前级管线144。如图1中所示，其他类似的阀(如143A和143C)可以结合到其他的气体传输管线。这种三通阀实际中可以放置得离室113尽可能的近，以使未排气的气体传输管线(三通阀和室之间)的容积最小。另外，双通(开-关)阀(未示出)可以放置在质量流控制器(“MFC”)和室之间，或者放置在气体源和MFC之间。
室113还具有顶部喷嘴145和顶部排气口146。顶部喷嘴145和顶部排气口146允许独立控制气体的顶部流和侧流，这提高了膜的均匀性，并且允许精细地调节膜的沉积和掺杂参数。顶部排气口146是围绕顶部喷嘴145的环形开口。在一个实施例中，第一气体源134A供应源气体喷嘴139和顶部喷嘴145。源喷嘴MFC 135A′控制传输到源气体喷嘴139的气体量，顶部喷嘴MFC 135A控制传输到顶部气体喷嘴145的气体量。类似地，两个MFC 135B和135B′可用来控制从单个氧气源(如源134B)到顶部排气口146和氧化剂气体喷嘴140的氧气流。在某些实施例中，氧气不从任何侧壁喷嘴供应到室。供应到顶部喷嘴145和顶部排气口146的气体可以在流入室113之前保持分离，或者可以在流入室113之前在顶部增加器148中进行混合。分离的同种气体源可用来供应室的各个部分。
还提供了远程微波生成等离子体清洗系统150，以从室组件中周期性地清洗沉积残留物。清洗系统包括远程微波发生器151，其从反应腔153内的清洗气体源134E(例如，分子氟、三氟化氮、其他碳氟化合物或等同物)中产生等离子体。从该等离子体得到的反应物质经由均布管子155经过清洗气体供给端口154提供到室113。用来包含清洗等离子体的材料(例如，腔153和均布管子155)必须能经受得住等离子体的轰击。反应腔153和供给端口154之间的距离应尽可能的短，因为所期望等离子体物质的浓度将随着从反应腔153的距离而下降。在远程腔中生成清洗等离子体允许使用高效的微波发生器，并且不会使室组件受到温度、辐射或辉光放电的轰击的影响，而这些影响可能存在于原地形成的等离子体中。因此，相对敏感的组件(如静电卡盘120)不需要覆盖有伪晶片，或受到其他保护，而这在原地等离子体清洗处理中是需要的。在图1中，等离子体清洗系统150被示为放置在室113上方，也可以使用其他位置。
隔板161可位于顶部喷嘴附近处，以引导经由顶部喷嘴供应到室中的源气体流和远程生成的等离子体流。经由顶部喷嘴145提供的源气体被引导经过中心通道162到达室中，而经由清洗气体供给端口154提供的远程生成的等离子体物质被隔板161引导至室113的侧壁。
图2中示出了图示沿晶片的不均匀性的起因和影响的仿真和实验结果。该图示出了离子方向性的仿真结果，并且提供了沉积在晶片204上的间隙中的材料的SEM图像。SEM图像208示出了接近晶片204中心处的间隙填充，并且可以与示出接近晶片边缘处的间隙填充的SEM图像216相比较。从这些图像很明显看出，与接近边缘处相比，在接近晶片204的中心处获得了更好的自下而上的间隙填充特性。此外，从在接近晶片边缘处获得的SEM图像216中的沉积结构的倾斜明显可见，在接近晶片中心处沿向下方向材料的沉积更为均匀。
该倾斜是母体离子的方向性的结果，在仿真结果220中示出了该倾斜。在接近晶片中心处，离子在遇到间隙的同时沿基本向下的方向行进，而在接近晶片边缘处，离子方向向量偏离了与晶片表面基本垂直的方向。这在图224所示的仿真结果的放大版本中更为明显。
3.磁约束环
本发明的实施例通过提供磁场来影响接近晶片边缘处离子的方向性，该磁场具有方向基本不平行于晶片平面的净偶极矩。在某些实施例中，净偶极矩基本垂直于晶片平面。在特定实施例中，磁场是由多个磁偶极子生成的磁场的叠加，这多个磁偶极子的偶极矩基本不平行于晶片平面，在某些情况下，还基本垂直于晶片平面。这多个磁偶极子可以以绕等离子体室圆周分布的环形式分布，从而提供了这样的场，这种场在接近晶片边缘处强于接近晶片中心处。
图3A中示出了一种提供具有这些特性的磁场的配置。磁场由包括多个磁偶极子的磁约束环300生成。在该实施例中，磁偶极子由夹持结构310内夹持的永磁体312提供，但是可替换地可以由电磁体或其他磁结构提供。内部分布有磁偶极子的环基本为圆形，但是这不是本发明的要求，在可替换实施例中环可以有某些椭圆形。尽管椭圆配置可能在晶片上的沉积缺乏旋转对称性的实施例中(例如可能源于围绕室的气体喷嘴的分布)有用，但是通常希望这种椭圆配置具有小的离心率。在某些实施例中，还有可能磁偶极子在垂直于晶片平面的多水平面分布。图3A中的环300有两个这种水平面304和308，但是其他实施例可以使用单个水平面、三个水平面或者更高数目的水平面。使用多个水平面可以有利地提高偶极矩，即使在使用具有较小偶极矩的磁体时。
在图3B中示出了对于单对对齐的永磁体312由环304生成的磁场。当使用了多个水平面的磁体时，每个磁体与类似的极性对齐，从而如果磁体312-1有顶部北极和底部南极，则另一个水平面上的相应磁体312-2也有顶部北极和底部南极。磁力线316的上/下特性是具有基本垂直于晶片平面对齐的磁力矩的结果。围绕环的每组磁体产生了类似的场结构，也如图3A中磁力线316所示。总磁场是这种绕环的场的叠加，因此，其可以视作图3B所示的场绕沿环中心延伸的轴的旋转。很明显，场在环处最强，而场朝着环的中心减小，从而在绕等离子体室圆周放置时提供了这样的场，这种场在晶片边缘处强于中心处。
由于等离子体物质被充电，因此其将遵循绕磁力线的螺旋状旋磁路径，如图3C所示。绕磁力线316的螺旋路径320的旋磁半径根据公知关系式rg＝mv/qB而线性依赖于场强，其中m、q和v分别是离子的质量、电荷和速度，B是磁场强度。一般很明显，等离子体由此在晶片边缘处集中有更高的场强。场强自身可通过使用具有不同强度的磁体、调节磁体数(包括在不同水平面上提供磁体)等等来加以调节。在某些实施例中，磁体的夹持结构314可用导磁体来制造，从而即使在磁体绕环300的分布中有间隙存在(源于调节磁体数目)，场通常仍然保持均匀。在图3A中可见标号310的间隙示例。
发明者已经发现，对于许多应用来说，合适的场在接近室壁处提供了10高斯量级上的场强，而在晶片边缘处提供了小于约1.0高斯的场强。从而在不同实施例中，邻近室壁处的场强在1和50高斯之间、在2和20高斯之间、在5和15高斯之间、或在8和12高斯之间。类似地，在不同实施例中，邻近晶片边缘的场强在约0.1和5.0高斯之间、在0.2和2.0高斯之间、在0.5和1.5高斯之间、或者在0.8和1.2高斯之间。在不同实施例中，邻近室壁处的相对场强可以定义为邻近晶片边缘处的场强的5-50倍、8-20倍、或者约10倍。
如前所述，磁约束环300可以绕室圆周分布。ICP系统的一般构造具有多种不同配置，在图4A-4C示出了其某些特定实施例。图4A-4C所示的每种配置有利地沿ICP室的对称轴轴对称，但是可以认识到，其他实施例可以提供非轴对称的磁约束环300。例如，在图4A中，ICP系统由标号400指代，并且可以具有类似结合图1所述的配置。为了标定图4A的示意性图示，室壁由标号404指代，气体环由标号416指代，顶部RF线圈由标号408指代，气体环由标号416指代。在图4A的实施例中，磁约束环420提供为间距环。这种实施例有利地不需要修改部件，但是具有提高室容积的效果。
在图4B中示意性地示出了另一个实施例，其中ICP系统由标号400′指代，并且具有室壁404′、顶部线圈408′、侧线圈412′和气体环416′。在该实施例中，磁约束环420′与气体环416′相集成，这具有维持室容积的效果，但是需要修改气体环416′。在图4C中示意性地示出了另一个实施例，其中ICP系统由标号400″指代，并且包括室壁404″、顶部线圈408″、侧线圈412″和气体环416″。在该实施例中，磁约束环420″围绕侧线圈412″呈圆周形放置，这也有维持室容积的效果，但是不需要修改部件。另外，该实施例可以更容易地允许可调谐的边缘密度。
图5图示了根据本发明实施例可利用磁约束环实现的场强。图5中所示的结果是用于在处理200mm直径的晶片中使用的具有磁约束环的ICP系统的。对于200mm晶片，晶片边缘接近4英寸，室壁接近8英寸。曲线显示在晶片边缘处的场强约为1高斯，而在室壁处为10高斯的量级，与以上提供的值一致。而且很清楚，场强在磁约束环平面中最强，在平面外，场强如所预料的减小。
从而，本发明的ICP系统可用于具有提高的晶片均匀性的间隙填充沉积处理。这种间隙填充沉积的方法在图6的流程图中进行了总结，图6用于在衬底和衬底上的间隙内沉积二氧化硅材料。在方框604，硅源、氧源和流动气体流入到包括诸如上述的侧壁磁体配置的室中。硅源可以包括诸如甲硅烷SiH4之类的硅烷，氧源可以包括诸如氧分子O2之类的含氧气体。在不同的实施例中可使用不同的流动气体，包括诸如Ar、Ne和He之类的惰性气体和H2、或者其组合。此外，可以通过包括具有期望掺杂的母体气体来向膜中加入掺杂物，例如通过包括SiF4流来氟化膜、通过包括PH3流来磷化膜、通过包括B2H6流来硼化膜、通过包括N2流来氮化膜、等等。在方框608，在室中形成等离子体，例如通过形成离子密度至少为1011离子/cm3的高密度等离子体，来在方框612沉积膜到衬底上和间隙内。
为了说明磁约束环的效果，发明者利用朗谬尔(Langmuir)探针进行了若干实验来量化均匀性，以比较在各种功率输入情况下在晶片中心和边缘处的离子饱和电流。表1中示出了这种比较的结果，其中基线值是对于没有磁约束环的系统确定的。测量的执行对应于以下条件：利用He作为流动气体在200mm晶片上的二氧化硅沉积处理。
表1：离子饱和电流的朗谬尔探针比较
Figure C20061000327300181
结果清楚示出，当包括磁约束环时中心和边缘处的离子饱和电流更为一致，这证明其使用提高了晶片上的均匀性。
以上详细描述了本发明的若干实施例，本领域技术人员将很清楚了解到本发明的许多其他的等同物或可替换实施例。因此，本发明的范围不应当由以上描述确定，而是应当由所附权利要求及其等同物确定。

Claims (20)

1.一种衬底处理系统，包括：
限定处理室的壳体；
放置在所述处理室内并被配置来在衬底处理期间支撑衬底平面内的衬底的衬底夹持器；
被配置来将气体引入到所述处理室内的气体传输系统；
用于维持所述处理室内的选定压力的压力控制系统；
与所述处理室可操作地耦合的高密度等离子体生成系统；
磁约束环，所述磁约束环具有沿垂直于所述衬底平面的对称轴呈圆周形放置的多个磁偶极子，并且提供了具有基本不平行于所述衬底平面的净偶极矩的磁场；以及
用于控制所述气体传输系统、所述压力控制系统和所述高密度等离子体生成系统的控制器。
2.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述净偶极矩基本垂直于所述衬底平面。
3.如权利要求2所述的衬底处理系统，其中所述多个磁偶极子中的每一个具有基本垂直于所述衬底平面的偶极力矩。
4.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述多个磁偶极子包括多个永磁体。
5.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环包括基本平行于所述衬底平面的多个水平面，所述多个磁偶极子放置在所述多个水平面中。
6.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环包括由导磁材料制成的夹持结构，所述多个磁偶极子由所述夹持结构夹持。
7.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环基本为圆形。
8.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环绕所述壳体呈圆周形放置。
9.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中：
所述高密度等离子体生成系统包括绕所述壳体呈圆周形放置的侧RF线圈；并且
所述磁约束环绕所述侧RF线圈呈圆周形放置。
10.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中：
所述气体传输系统包括绕所述壳体呈圆周形放置的气体环；并且
所述磁约束环与所述气体环相结合。
11.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环基本沿所述对称轴呈轴对称。
12.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环在放置于所述衬底夹持器的衬底边缘处提供小于2高斯的场强。
13.如权利要求1所述的衬底处理系统，其中所述磁约束环在放置于所述衬底夹持器的衬底边缘处提供小于1高斯的场强。
14.一种用于在放置在衬底处理室内的衬底平面中的衬底上沉积膜的方法，所述方法包括：
使处理气体流入所述衬底处理室内；
从所述处理气体感应地形成离子密度大于1011离子/cm3的等离子体；
利用磁约束环生成磁场，所述磁约束环具有沿垂直于所述衬底平面的对称轴呈圆周形放置的多个磁偶极子，所述磁场具有基本不平行于所述衬底平面的净偶极矩；以及
在沉积和溅射成分同时发生的处理中以等离子体在所述衬底上沉积膜。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
所述衬底具有形成在相邻凸起表面之间的沟槽；并且
以等离子体在所述衬底上沉积膜的操作包括在所述沟槽内沉积所述膜。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述处理气体包括硅源、氧源和流动气体。
17.如权利要求14所述的方法，其中所述净偶极矩基本垂直于所述衬底平面。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述磁约束环基本沿所述对称轴呈轴对称。
19.如权利要求14所述的方法，其中所述磁约束环在所述衬底边缘处提供的场强小于2高斯。
20.如权利要求14所述的方法，其中所述磁约束环在所述衬底边缘处提供的场强小于1高斯。
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