CN101328580B - 使用高密度等离子体化学气相沉积来沉积薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用高密度等离子体化学气相沉积来沉积薄膜的方法。根据本发明的所述沉积薄膜的方法包含：将上面形成有间隙的半导体衬底加载到腔室中；在所述腔室中供应工艺气体，且使用高频率源功率和低频率源功率对所述工艺气体进行等离子体化；使用所述经等离子体化的工艺气体填充所述间隙；以及将所述间隙被填充的所述半导体衬底卸载到所述腔室的外部。单独施加所述高频率源功率和所述低频率源功率。因此，可由所述高频率源功率产生低压力下的等离子体，且可由所述低频率源功率产生高密度等离子体。因此，可通过HDPCVD工艺有效地填充半导体衬底的具有高纵横比的间隙。

Description

使用高密度等离子体化学气相沉积来沉积薄膜的方法

技术领域

本发明涉及一种沉积薄膜的方法，且更明确地说，涉及一种可用以在高密度化学气相沉积中通过施加具有至少两个不同频率的源功率来填充60nm或更小的窄间隙的沉积薄膜的方法。

背景技术

常规半导体装置中所使用的装置隔离膜用以将装置彼此电隔离。为此目的，通过在半导体衬底中形成沟槽且用绝缘材料填充所述沟槽来制造装置隔离膜。

然而，由于半导体装置的设计规则变窄到60nm以下，沟槽的纵横比增加且沟槽的入口变窄。因此，不能使用常规方法来将具有高纵横比的沟槽的内部完全填充。

发明内容

因此，本发明经构思以解决前述问题。本发明将提供一种沉积薄膜的方法，其可用以在高密度化学气相沉积中使用具有至少两个不同频率的高频率源功率作为用于产生感应耦合等离子体(ICP)的源功率而完全填充具有窄入口的孔、凹槽或沟槽。

根据本发明的一个方面，提供一种沉积薄膜的方法，其包含：将上面形成有间隙的半导体衬底加载到腔室中；在所述腔室中供应工艺气体，且使用高频率源功率和低频率源功率对所述工艺气体进行等离子体化；使用所述经等离子体化的工艺气体来填充所述间隙；以及将间隙被填充的半导体衬底卸载到腔室的外部。

可在腔室的顶部的中心区域中提供第二天线，且可在第二天线的外部中提供第一天线；并且可向第二天线施加高频率源功率，且可向第一天线施加低频率源功率。

高频率源功率的频率可为5到100MHz，且低频率源功率的频率可为1KHz到5MHz。

高频率源功率与低频率源功率的频率比率可为2∶1到100∶1。

可同时并连续地施加或可交替地施加高频率源功率和低频率源功率。

可控制高频率源功率和低频率源功率的量值以改变腔室中的电子温度。

根据本发明的另一方面，提供一种用于沉积薄膜的设备，其包含：腔室，其具有反应空间；衬底加载单元，其提供在反应空间中；气体供应单元，其用于向反应空间供应工艺气体；第一天线，其提供在腔室的顶部的中心区域中；第二天线，其提供在腔室的顶部的边缘区域中；第一功率源，其用于供应具有第一频率的源功率；以及第二功率源，其用于供应具有第二频率的源功率。

第一频率可为5到100MHz，且第二频率可为1KHz到5MHz。

附图说明

从以下结合附图给出的对优选实施例的描述将显而易见本发明的以上和其它目的、特征和优点，在附图中：

图1是根据本发明实施例的薄膜沉积设备的截面图；

图2是根据此实施例的天线的布局图；

图3是根据此实施例的修改方案的天线的布局图；

图4-图7是说明根据此实施例的沉积薄膜的方法的视图；

图8是说明根据此实施例的施加等离子体功率的方法的视图；

图9是展示根据源功率源的频率的电子温度的曲线图；以及

图10是展示根据具有不同频率的源功率的变化的电子温度的曲线图。

具体实施方式

下文中将参看附图详细描述本发明的示范性实施例。然而，本发明不限于下文所揭示的实施例，而是可实施为不同形式。提供这些实施例只是出于说明性目的且用于使得所属领域的技术人员全面理解本发明的范围。在附图中，始终使用相同参考数字来指定相同元件。

图1是根据本发明实施例的薄膜沉积设备的截面图。图2是根据此实施例的天线的布局图。图3是根据此实施例的修改方案的天线的布局图。

图4和7是说明根据此实施例的沉积薄膜的方法的视图。图8是说明根据此实施例的施加等离子体功率的方法的视图。

参看图1和2，根据本发明实施例的薄膜沉积设备包括：腔室100，其具有反应空间；衬底加载单元110，其提供在所述反应空间中以允许将衬底10加载在其上；气体供应单元120，其用于向所述反应空间供应工艺气体；以及等离子体产生单元130，其用于供应至少两个不同频带的源功率以在反应空间中产生等离子体。

尽管未图示，但在腔室100的一侧处提供关口(gateway)，衬底10通过所述关口进入和退出。薄膜沉积设备进一步包括排气单元，其用于将腔室100中的气体排放到外部。薄膜沉积设备可进一步包括：温度控制单元，其用于控制腔室100和衬底10的温度；真空泵，其用于使得腔室100的内部处于真空状态；以及类似装置。

尽管未图示，但腔室100包括腔室主体和腔室盖罩，所述腔室盖罩用于覆盖所述腔室主体。衬底加载单元110提供在腔室主体中。气体供应单元120定位在腔室盖罩的内部处，且等离子体产生单元130定位在腔室盖罩的外部处。

加载到腔室100中的衬底10坐落于衬底加载单元110上。如图所示，在衬底加载单元110上加载一个衬底10。将显而易见，本发明不限于此，而是可加载多个衬底。静电夹盘或真空夹盘可用作衬底加载单元110。

尽管未图示，但薄膜沉积设备可进一步包括驱动单元，其用于提升或旋转衬底加载单元110。衬底加载单元110进一步包括提升销，其用于帮助加载和卸载衬底10。可在衬底加载单元110中提供加热单元以加热坐落于其上的衬底10。

气体供应单元120经形成为使得其从腔室100的底部向上延伸且其注入管嘴提供在衬底10上方。也就是说，气体供应单元120通常形成为阿拉伯数字“7”的形状，如图所示。将显而易见，本发明不限于此，而是多个气体供应单元120可形成为各种形状。也就是说，气体供应单元120可经制造为包含多个注入器。举例来说，气体供应单元120具有定位在腔室100的中心处的第一注入器和提供在第一注入器周围的第二注入器。此时，第一注入器可形成为杆状或莲蓬头状。另外，第二注入器优选地在第一注入器周围形成为环状。通过第一和第二注入器将工艺气体注入到腔室100中。第一和第二注入器可分别注入不同气体。尽管未图示，气体供应单元120具备其中存储工艺气体的罐和用于向腔室100供应气体的气体供应器。气体供应单元120可与腔室100一起一体式制造。气体供应单元120可经制造为具有多个部件，使得可将不同气体注入到腔室100的反应空间中。

等离子体产生单元130包括：第一等离子体产生器143，其用于使用具有第一频率的源功率产生等离子体；以及第二等离子体产生器153，其用于使用具有第二频率的源功率产生等离子体。第一等离子体产生器143包括：第一功率源141，其用于供应具有第一频率的源功率；以及第一天线142，其用于接收从第一功率源141供应的具有第一频率的源功率以产生等离子体。第二等离子体产生器153包括：第二功率源151，其用于供应具有第二频率的源功率；以及第二天线152，其用于接收从第二功率源151供应的具有第二频率的源功率以产生等离子体。

此处，可分别使用低和高频率作为第一和第二频率。优选地，高频率高于5MHz，且低频率低于5MHz。有效的是，高频率为5到100MHz，且低频率为1到5MHz。

更优选地，第一频率与第二频率的比率为1∶2或更多。第一频率与第二频率的比率可为1∶3到1∶100，且优选地1∶5到1∶40。

如上文描述，在此实施例中，向所述两个个别天线142和152(即，电感线圈)中的每一者供应具有频率差的功率，使得可容易实施电子温度控制能力，且可扩展高密度等离子体的电子温度控制范围。

图9是展示根据源功率的频率的电子温度的曲线图。

参看图9，当产生感应耦合等离子体(ICP)时，如果源功率具有低频率F1，那么获得高电子温度T2。如果源功率具有高频率F2，那么获得低电子温度T1。因此，在此实施例中，分别向所述两个个别天线142和152施加低频率源功率和高频率源功率，使得可能获得具有经广泛扩展的电子温度范围的高密度等离子体。

另外，同时使用低频率源功率和高频率源功率，使得其缺点可得以抵销，且其优点可得以增加。

在高密度等离子体化学气相沉积(HDPCVD)中，使用了低频率源功率和低工艺压力。在低工艺压力(大约2毫托或更少)的情况下，高频率源功率是有利的。然而，如果使用高频率源功率，那么等离子体密度与在使用低频率源功率时相比相对较低。如果使用低频率源功率，那么等离子体密度较高，但由于低压力下的匹配不稳定性而不能顺畅地执行所述工艺。然而，当如上文描述那样同时使用高频率源功率和低频率源功率时，可在低工艺压力(大约2毫托或更少)下通过高频率源功率执行所述工艺，且可通过低频率源功率产生高密度等离子体(1E¹²/cm³或更多)。

如图2所示，第一天线142定位于腔室100的顶部的中心区域中，且第二天线152定位于边缘区域中。也就是说，第二天线152提供在第一天线142的外部区域中。如此，第一天线142(向其施加低频率源功率)定位于中心区域中，且第二天线(向其施加高频率源功率)位于边缘区域中，使得可容易执行电子温度控制。

将显而易见，本发明不限于此，而是第二天线152可定位在腔室100的顶部的中心区域中，且第一天线142定位在边缘区域中，如图4的修改方案中所示。也就是说，第一天线142提供在第二天线152的外部区域中。

图10是展示根据具有不同频率的源功率的变化的电子温度的曲线图。

在图10中，由第一功率源141向第一天线142施加了频率为13MHz的源功率，且由第二功率源151向第二天线152施加了频率为2MHz的源功率。另外，分别由第一功率源141和第二功率源151施加到第一天线142和第二天线152的源功率被修改。

也就是说，如果由第一功率源141向第一天线142施加400W的源功率且由第二功率源151向第二天线152施加0W的源功率，那么腔室100中的电子温度为约3.85eV。如果向第一天线142施加400W的源功率且向第二天线152施加200W的源功率，那么腔室100中的电子温度为约4.47eV。而且，如果向第一天线142施加0W的源功率且向第二天线152施加400W的源功率，那么腔室100中的电子温度为约5.22eV。

如此，如果所施加的源功率的状态改变，其中分别由第一功率源141和第二功率源151提供的源功率的频率彼此不同，那么腔室100中的电子温度可以不同方式控制。将显而易见，可通过提供分别施加到第一和第二天线的源功率的不同频率来控制腔室100中的电子温度，如上所述。

在此实施例中，如果向中心区域施加高频率源功率，那么工艺容限较宽，这在填充间隙的工艺中相对较有利。可使用高频率源功率甚至在低压力(大约2毫托或更少)下执行所述工艺，且使用低频率源功率产生具有高密度的均匀等离子体，借此可执行填充具有高纵横比的间隙和小孔径的工艺。

因此，当使用此实施例的薄膜沉积设备通过HDPCVD工艺沉积薄膜时，可用薄膜填充具有窄入口和高纵横比的间隙(例如，凹槽、孔或沟槽)。

下文中将参看附图详细描述通过HDPCVD工艺填充间隙的方法。此处，现将描述作为间隙的沟槽。

如图4和5所示，制备上面形成有沟槽11的半导体衬底10。优选地，沟槽11是用于浅沟槽隔离(STI)的沟槽。用于STI的沟槽11可通过自对准蚀刻方法形成。可将半导体衬底10加载到腔室100中，在所述腔室100中使用具有至少两个不同频率的源功率产生等离子体。

打开沉积腔室100的一侧处的关口，且通过所述开放关口将上面形成有沟槽11的半导体衬底10加载到腔室100中。此时，向上提升衬底加载单元110或衬底加载单元110中的提升销以支持由转移腔室的机械手转移到沉积腔室100中的半导体衬底10。此后，将转移腔室的机械手缩回到沉积腔室100的外部，且闭合沉积腔室100的关口。降低提升销，借此半导体衬底10坐落于衬底加载单元110上。此时，在沉积腔室100中，控制内部压力和温度以适合于HDPCVD。

如图6和7所示，通过气体供应单元120将工艺气体注入到沉积腔室100的反应空间中。此时，使用具有不同频率的源功率在沉积腔室100的反应空间中产生等离子体。因此，注入在反应空间中的工艺气体被激活。经激活的工艺气体与半导体衬底10反应，从而形成薄膜12(例如，绝缘膜)。经激活的工艺气体具有比在低温下未激活的工艺气体高得多的反应性。此时，由于通过具有低沉积压力和高等离子体密度的HDPCVD工艺执行薄膜沉积，所以可用薄膜完全填充半导体衬底10的具有高纵横比的沟槽，如图7所示。将显而易见，可向衬底加载单元120提供偏置功率。

随后，移除未在沉积腔室100中反应的所有气体。将沉积腔室100中的压力维持为等于转移腔室的压力。在打开关口之后，将沟槽11被薄膜填充的衬底10卸载到沉积腔室100的外部。

如图6所示，在此实施例中，使用具有两个不同频率的源功率来在沉积腔室100中产生等离子体。

由第一等离子体产生器143使用高频率源功率产生等离子体，且由第二等离子体产生器153使用具有低频率的功率源产生等离子体。更具体地说，由第一功率源141向设置在沉积腔室100的顶部表面的中心区域中的第一天线142施加高频率源功率。因此，产生具有低电子温度的等离子体。由第二功率源151向设置在沉积腔室100的顶部表面的边缘区域中的第二天线152施加低频率源功率。因此，产生具有高电子温度的等离子体。

此时，在此实施例中，控制所施加的高频率源功率和所施加的低频率源功率，使得可在单个沉积腔室100中形成具有各种电子温度范围的等离子体。

在此实施例中，向彼此分离的第一天线142和第二天线152分别施加具有不同频率的源功率，从而在沉积腔室100中产生等离子体。因此，可以各种方式使用源功率。也就是说，如图8(a)所示，从HDPCVD工艺的开始到结束同时分别向第一天线142和第二天线153施加具有不同频率的源功率。因此，由第一天线142打开第一等离子体R1，且由第二天线152打开第二等离子体R2。或者，如图8(b)所示，向第一天线142和第二天线152交替地施加源功率。因此，当第一天线142打开第一等离子体R1时，关闭第二等离子体R2，且当第二天线152打开第二等离子体R2时，关闭第一等离子体R1。此处，优选的是，同时向第一天线142和第二天线152施加源功率。

因此，在HDPCVD工艺中，可维持腔室中的较低内部压力，且可产生高密度等离子体，从而增强填充沟槽的能力。此外，当用薄膜(例如，绝缘膜)填充沟槽时，可将出现气孔减到最小且可均匀填充衬底上的沟槽。

如上所述，根据本发明，单独施加高频率源功率和低频率源功率。因此，可由高频率源功率产生低压力下的等离子体，且可由低频率源功率产生高密度等离子体。因此，可通过HDPCVD工艺有效填充半导体衬底的具有高纵横比的间隙。

虽然已经结合附图和优选实施例描述了本发明，但本发明不限于此而是由所附权利要求书界定。因此，所属领域的技术人员将了解，可在不脱离由所附权利要求书界定的本发明精神和范围的情况下对其作出各种修改和改变。

Claims (6)

1.一种沉积薄膜的方法，其包括：

将上面形成有间隙的半导体衬底加载到腔室中；

在所述腔室中供应工艺气体，且使用高频率源功率和低频率源功率对所述工艺气体进行等离子体化；

使用所述经等离子体化的工艺气体填充所述间隙；以及

将所述间隙被填充的所述半导体衬底卸载到所述腔室的外部，

其中在所述腔室的顶部的中心区域中提供第二天线，且在所述第二天线的外部中提供第一天线；并且向所述第二天线施加所述高频率源功率，且向所述第一天线施加所述低频率源功率，

其中所述第一天线及所述第二天线均为感应线圈；

其中交替地施加所述高频率源功率和所述低频率源功率，所述腔室的压力保持在2毫托或更低，并产生1E¹²/cm¹³或更多的等离子体。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高频率源功率的频率为5MHz到100MHz，且所述低频率源功率的频率为1KHz到5MHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述高频率源功率与所述低频率源功率的频率比率为2∶1到100∶1。

4.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述高频率源功率和所述低频率源功率的量值以改变所述腔室中的电子温度。

5.一种用于沉积薄膜的设备，其包括：

腔室，其具有反应空间；

衬底加载单元，其提供在所述反应空间中；

气体供应单元，其用于向所述反应空间供应工艺气体；

第二天线，其提供在所述腔室的顶部的中心区域中；

第一天线，其提供在所述腔室的所述顶部的边缘区域中；

第一功率源，其用于供应低频率源功率；以及

第二功率源，其用于供应高频率源功率，

其中向所述第二天线施加所述高频率源功率，且向所述第一天线施加所述低频率源功率，

其中所述第一天线及所述第二天线均为感应线圈，

其中交替地施加所述高频率源功率和所述低频率源功率，所述腔室的压力保持在2毫托或更低，并产生1E¹²/cm¹³或更多的等离子体。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述高频率源功率为5MHz到100MHz，且所述低频率源功率为1KHz到5MHz。

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