CN101388341B - 在hdp-cvd沉积/蚀刻/沉积工艺中的杂质控制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在HDP-CVD沉积/蚀刻/沉积工艺中的杂质控制。本发明公开了一种在设置在衬底处理腔室内的衬底上沉积氧化硅膜的方法。所述衬底具有在相邻的升高的表面之间形成的间隙。利用高密度等离子体工艺在衬底上方并且间隙内沉积氧化硅膜的第一部分。此后，回蚀刻氧化硅膜的沉积的第一部分中的一部分。这包括：通过第一导管从卤素前驱物源向衬底处理腔室流入卤素前驱物；用卤素前驱物形成高密度等离子体；以及在已经回蚀刻所述一部分之后结束流入卤素前驱物。此后，向衬底处理腔室内流入卤素净化剂以与衬底处理腔室内残留的卤素反应。此后，利用高密度等离子体工艺在氧化硅膜的第一部分上方并且在间隙内沉积氧化硅膜的第二部分。
Description
相关申请的交叉引用
本申请是Anchuan Wang等人在2007年9月7日提交的美国专利申请No.60/970,884的非临时专利申请，发明名称为“INTEGRATED PROCESSMODULATION”，并要求享有该美国专利申请的申请日的优先权。在此引入其全部内容作为参考。
本申请还涉及Anchuan Wang等人同时提交的、共同转让的美国专利申请No.12/204,503，发明名称为“REDUCTION OF ETCH-RATE DRIFT IN HDPPROCESSES”，以及涉及Anchuan Wang在2007年6月4日提交的“GAPFILLEXTENSION OF HDP-CVD INTEGRATED PROCESS MODULATION SIO2PROCESS”，在此引入两者每个的全部内容作为参考。
技术领域
本发明涉及高密度等离子体化学气相沉积(HDP-CVD)工艺，尤其涉及在HDP-CVD沉积/蚀刻/沉积工艺中的杂质控制。
背景技术
在半导体技术发展中面临的持久性挑战之一是需要在衬底上增加电路元件的密度和互连，而在电路元件之间不会引入寄生相互作用(spuriousinteractions)。典型地通过提供采用电绝缘材料填充的间隙和沟槽以使元件物理上且电学上隔离，来防止不必要的相互作用。随着电路密度增加，然而，这些间隙的宽度减小，这增加了间隙的孔径比，并使填充间隙而不留下空洞更加困难。在间隙没有被完全填充时形成空洞是不期望的，因为它们可以诸如通过捕获在绝缘材料内的杂质，而对已完成的器件的操作产生不利影响。
在该间隙填充应用中采用的普通技术是化学气相沉积(“CVD”)技术。常规热CVD工艺向衬底表面提供反应气体，在该衬底表面上发生热诱导化学反应来生成所需膜。等离子体增强CVD(“PECVD”)技术通过向接近衬底表面的反应区施加射频(“RF”)能量，来促使反应气体的激发和/或离解，从而产生等离子体。等离子体中的物种的高反应性减少发生化学反应所需的能量，因而与常规的热CVD工艺相比，降低该CVD工艺所需的温度。利用高密度等离子体(“HDP”)CVD技术可以进一步发挥这些优势，其中致密等离子体在低真空压力下形成，因此等离子体物种甚至更具反应性。虽然这些技术每个都广义地落入在统称的“CVD技术”中，但它们中的每个都具有使它们更加适合或不太适合某些特定应用的特征。
HDP-CVD系统形成等离子体，该等离子体比标准、电容耦合等离子体CVD系统的密度大至少约2个数量级。HDP-CVD系统的实例包括电感耦合等离子体系统和电子回旋共振(ECR)等离子体系统，以及其他系统。HDP-CVD系统一般在比低密度等离子体系统更低的压力下操作。在HDP-CVD系统中使用的低腔室压力提供具有长平均自由程和减小的角分布的激活物种(active
species)。这些因素，连同等离子体密度，有助于来自等离子体的相当大的成分到达紧密地分隔开的间隙的甚至最深部分，并且与在低密度等离子体CVD系统中所沉积的膜相比，提供具有改进的间隙填充能力的膜。
允许利用HDP-CVD技术所沉积的膜具有改进的间隙填充特征的另一因素是促使通过高密度等离子体溅射同时沉积膜。HDP沉积工艺的溅射成分减慢在诸如凸起表面的拐角的某些特征图形上的沉积，从而导致HDP沉积膜的间隙填充能力的增加。一些HDP-CVDF系统引入氩或类似重惰性气体，以进一步促进溅射效果。这些HDP-CVD系统典型地利用衬底支撑基座内的电极，该电极能够形成电场从而朝衬底偏置等离子体。在整个HDP沉积工艺中能够施加电场，以进一步促进溅射并为已知膜提供更好的间隙填充特征。
开始认为由于同时沉积/溅射的特点，因此HDP-CVD可以填充几乎在任何应用中产生的间隙或沟槽。然而，半导体厂商已经发现对HDP-CVD工艺能够填充的间隙的孔径比存在实际限制。例如，普通用于沉积氧化硅间隙填充膜的一个HDP-CVD工艺由包括硅烷SiH4、氧分子O2和氩Ar的工艺气体形成等离子体。已经报道当该工艺用于填充某些窄-宽度高孔径比间隙时，由工艺气体中的氩引起的溅射可以妨碍间隙填充效果。具体而言，已经报道由工艺中的氩所溅射的物质以比在正在填充的间隙的侧壁的下部更快的速率再沉积在正在填充的间隙的侧壁的上部上。反过来，如果在间隙被完全填充之前再生长的上部区域接合，则可以导致在间隙中形成空洞。
图1给出在沉积的不同阶段氧化硅膜的示意剖面图，以说明一些CVD工艺中相关的可能间隙填充限制。以稍微放大的形式示出间隙填充问题以更好地说明该问题。图1的顶部示出初始结构104，其中间隙120由具有水平表面122的两个相邻特征图案124和128限定，以及被标示为132的在间隙底部的水平表面。如结构108中所示，即，图中从顶部数第二部分，常规的HDP-CVD氧化硅沉积工艺导致在间隙120底部的水平表面132上以及在特征图案124和128上方的水平表面122上的直接沉积。然而，由于随着氧化硅膜生长从氧化硅膜溅射出的材料的再组合还导致在间隙120的侧壁140上的间接沉积(被称为“再沉积”)。在某些小宽度、高孔径比应用中，氧化硅膜的不断生长导致在侧壁140的上部的形成物136，该形成物136以超过膜在侧壁下部横向生长的生长速率朝彼此生长。在结构108和112中示出了这个趋势，并且在结构116中的最终结果是在膜内形成空洞144。形成空洞的可能性与再沉积的速率和特征非常直接相关。
因此，本领域中仍存在对改进间隙填充技术的一般需要。
发明内容
本发明的实施方式提供了一种在设置在衬底处理腔室内的衬底上沉积氧化硅膜的方法。所述衬底具有在相邻的升高的表面之间形成的间隙。利用高密度等离子体工艺在衬底上方并且间隙内沉积氧化硅膜的第一部分。此后，回蚀刻氧化硅膜的沉积的第一部分中的一部分。这包括：通过第一导管从卤素前驱物源向衬底处理腔室流入卤素前驱物；用卤素前驱物形成高密度等离子体；以及在已经回蚀刻所述一部分之后结束流入卤素前驱物。此后，向衬底处理腔室内流入卤素净化剂以与衬底处理腔室内残留的卤素反应。此后，利用高密度等离子体工艺在氧化硅膜的第一部分上方并且在间隙内沉积氧化硅膜的第二部分。
所述卤素前驱物包含氟前驱物，而卤素净化剂包含O2。第一导管还用诸如Ar或He的与卤素前驱物不反应的第一气体冲洗。在一些实例中，诸如He的与卤素前驱物不反应的第二气体通过与第一导管不同的第二导管流入衬底处理腔室。
通过向衬底处理腔室内流入含硅气体、含氧气体和流动气体沉积氧化硅膜的第一部分。由含硅气体、含氧气体和流动气体形成第一高密度等离子。利用第一高密度等离子体以在900
/min和6000
/min之间的沉积速率并且具有大于20的沉积/溅射比率沉积氧化硅膜的第一部分。沉积/溅射比率定义为净沉积速率和无图案溅射速率的和与无图案溅射速率的比。含硅气体包含SiH4，而含氧气体包含O2。
通过将源射频功率电感耦合入衬底处理腔室形成由卤素前驱物形成的高密度等离子体，该源射频功率在衬底上提供在85,000和140,000W/m2之间的功率密度。所述源射频功率是由设置在衬底处理腔室顶部和衬底处理腔室侧面的源提供的。在一些实例中，由设置在衬底处理腔室侧面的源提供的功率大于由设置在衬底处理腔室顶部的源提供的功率。在一实施方式中，由设置在衬底处理腔室侧面的源提供的功率是由设置在衬底处理腔室顶部的源提供的功率的至少三倍。
通过参照说明书和附图的其余部分可以实现对本发明的特点和优点的进一步理解。
附图说明
图1给出说明在现有技术的间隙填充工艺期间空洞的形成的示意剖面图；
图2是包括多个浅沟槽隔离结构的局部完成的集成电路的简化剖面图；
图3A和3B是分别示出结构中开口区域和密集堆积(packed)区域的间隙填充特征的示意图；
图4是概述在本发明的实施方式中用于在衬底上沉积膜的流程图；
图5A是可以实施本发明的方法的高密度等离子体化学气相沉积系统的一个实施方式的简化图；以及
图5B是可以结合图5A的示例性处理系统使用的气环的简化剖面图。
具体实施方式
本发明的实施方式涉及利用高密度等离子体CVD工艺沉积氧化硅层以填充衬底表面中的间隙的方法。根据本发明的技术所沉积的氧化硅膜具有优异的间隙填充能力，并能够填充，例如，浅沟槽隔离(“STI”)结构中出现的间隙。因而通过本发明的方法所沉积的膜适合在制造多种集成电路中使用，包括在具有小于45nm数量级的特征尺寸的那些集成电路中使用。该方法的一部帮助控制结合进沉积的膜内的杂质。
图2示出可以根据本发明的实施方式填充的结构类型，图2给出局部完成的集成电路200的简化剖面图。在包括多个STI结构的衬底204上形成该集成电路，其中每个STI结构通常是通过在衬底204的表面上形成薄焊盘氧化层220，然后在焊盘氧化层220上形成氮化硅层216形成的。然后，利用标准光刻技术对氮化层和氧化层构图，并穿过在衬底204中的氮化物/氧化物叠层蚀刻沟槽224。图2示出集成电路，该集成电路可以包括具有晶体管或其他有源器件的相对密集堆积的区域208，并可以包括相对隔离的开口区域212。在开口区域212中的有源器件可以通过比在密集堆积的区域208中的分离(separation)大多于一个数量级的分离而彼此分离，但认为如在此所使用的“开口区域”是其中间隙的宽度为在“密集区域”中的间隙宽度的至少五倍的区域。
本发明的实施方式提供利用具有较好间隙填充性质的沉积工艺使用诸如二氧化硅的电绝缘材料来填充沟槽224的方法。在一些例子中，在间隙填充工艺之前，在衬底上沉积初始衬垫层，作为原位蒸汽产生(“ISSG”)或其他热氧化层，或者可以为氮化硅层。在填充沟槽224之前沉积该衬垫的一个优点是提供适当的圆角，这可以有助于避免在所形成的晶体管中早期栅极击穿的所述影响。
如在此所使用的，高密度等离子体工艺是等离子体CVD工艺，包括同时沉积和溅射成分，并应用具有以1011ions/cm3或更大数量级的离子密度的等离子体。高密度等离子体的组合沉积和溅射特征的相对级别可以依赖于一些因素，如用于提供气体混合物的流速，为了维持等离子体所施加的源功率级别，施加给衬底的偏置功率等。这些因素的组合可以用“沉积/溅射比率”方便地量化，有时表示为D/S以定义该工艺的特征：
该沉积/溅射比率随着沉积增加而增加，并随着溅射增加而减小。如D/S的定义中所使用的，“净沉积速率”指当沉积和溅射同时发生时测得的沉积速率。“无图案溅射速率(blanket sputtering rate)”是在无沉积气体的条件下执行工艺配方时测得的溅射速率；处理腔室内的压力被调整到沉积期间的压力，以及溅射速率在无图案热氧化物上测得。
如本领域的技术人员所知，其他等效测量可以用于量化HDP工艺的相对沉积和溅射贡献(contribution)。常用的可选比率是“蚀刻/沉积比率”，
该“蚀刻/沉积比率”随着溅射增加而增加并随着沉积增加而减小。如在E/D的定义中使用的，“净沉积速率”再次指当沉积和溅射同时发生时测得的沉积速率。然而，“仅源沉积速率(source-only deposition rate)”指当工艺配方在没有溅射的情况下执行时测得的沉积速率。在此以术语D/S比率来描述本发明的实施方式。虽然D/S和E/D不是精确的倒数，但它们是反相关，并且本领域的技术人员将理解它们之间的转换。
一般通过包括还可以起溅射剂的作用的前驱物气流，以及在一些例子中起溅射剂的作用的流动气流，获得对于HDP-CVD工艺中的已知步骤的所需D/S比率。由前驱物气体包含的元素反应以形成具有所需成分的膜。例如，为了沉积氧化硅膜，前驱物气体可以包括诸如硅烷SiH4的含硅气体，以及诸如氧分子O2的氧化气体反应物。通过包括具有所需掺杂剂的前驱物气体可以向膜添加掺杂剂，诸如通过包括SiF4气流以使膜氟化，包括PH3的气流以使膜磷化，包括B2H6的气流以使膜硼化，包括N2的气流以使膜氮化等。流动气体可以与H2气流或包括He气流的惰性气流，或者诸如Ne、Ar或Xe的甚至更重的惰性气流一起提供。通过不同流动气体提供的溅射级别直接与它们的原子质量(或在H2的情况中分子质量)相关，利用H2产生甚至比He更少的溅射。本发明的实施方式通常提供具有平均分子质量小于5amu的流动气流。这可以通过利用单个低质量气体，诸如基本上纯H2的气流或者基本上纯He的气流来获得。可选地，有时，气流可以由多种气体提供，诸如通过既提供H2气流又提供He气流，它们在HDP-CVD处理腔室中混合。可选地，有时气体可以预先混合从而H2/He的气流以混合态提供给处理腔室。还可以提供单独的较高质量气体流，或者在预先混合物中包括较高质量气体，同时预先混合物的相对流速和/或浓度选择为维持小于5amu的平均分子质量。
在高孔径比结构中，一般情况下，已经发现采用相对高流速的低质量流动气体，以与更传统采用诸如Ar的流动气体相比改善间隙填充能力。这被认为是通过利用He或H2作为流动气体所实现的再沉积减少的结果。但即使采用这种低质量流动气体，在沉积期间也存在拐角压边(comer clipping)的风险。参照图3A和3B可以理解该影响，图3A和3B示出分别对于在密集堆积区域中的间隙和对于在开口区域中的间隙，HDP工艺的溅射成分(component)的影响。
具体地说，图3A中的间隙304是高孔径比间隙，具有利用HDP-CVD工艺所沉积的材料，该材料在水平表面上形成尖端(cust)结构308。当材料312响应沿路线316的等离子体离子的碰撞而从尖端308溅射时，发生再沉积。所溅射的材料312沿着路线320，到达间隙304的相对侧上的侧壁324。这种影响是对称的，因此当材料被溅射得远离间隙的左侧而到达右侧时，材料也被溅射得远离间隙的右侧而到达左侧。材料的再沉积保护不会过量溅射而导致拐角压边。
在开口区域中，如图3B中所示的开口区域330中，不存在这种对称。在该例子中，沉积造成类似尖端308’的形成，但当材料312’响应沿路线316’的等离子体离子的碰撞而沿路线320’被溅射时，间隙的相对侧太远而不能发生具有保护性的再沉积。图3B中的结构的拐角经受如图3A中的结构的拐角相同的材料的溅射，但是没有接收从间隙的相对侧所溅射的材料的补偿效果。因此，存在压边拐角并损坏下方结构的增加的风险。
本发明的方法概括为图4中的流程图。在区块404中通过将衬底转移入处理腔室开始在衬底上沉积膜。衬底通常是半导体晶片，诸如200mm或者300mm直径的晶片。在区块408，前驱物气流提供至腔室，前驱物气流包括硅前驱物气流、氧前驱物气流和流动气流。表1提供了用于使用单硅烷SiH4、氧分子O2和H2的气流沉积未掺杂的硅酸盐玻璃(“USG”)的示例性的流率，但是应该理解如前所述也可以使用包括掺杂剂源的其它前驱物气体和其它流动气体。
表I：用于USG沉积的示例性流率
如表所示，对于200-mm和300-mm直径的晶片，前驱物气体的流率类似，但是流动气体的流率一般更高。
在区块412中，通过将能量耦合入腔室，由气态气流(gaseous flow)形成高密度等离子体。用于产生高密度等离子体的通用技术是电感耦合射频能量。D/S比不仅由气体的流率确定，而且还由耦合入腔室的功率密度确定，由施加到衬底的偏置的强度确定，由腔室内的温度确定，由腔窒内的压力确定以及由其它因素确定。
在沉积完成之后，在区块420中，结束沉积前驱物气流，然后在区块424检查膜是否已经达到所需的厚度。如果本发明的实施方式包括由蚀刻阶段分隔开的至少两个沉积阶段，根据正在填充的间隙的具体特征可以频繁地具有5-15个沉积阶段或者甚至更多的沉积阶段。
在区块428，通过流入卤素前驱物开始工艺的蚀刻阶段，卤素前驱物通常包括诸如NF3或含氯氟烃的氟前驱物。在区块430，由卤素前驱物形成高密度等离子体。在一些实施方式中，源功率密度在大约80,000和140,000W/m2之间，这对于300-mm直径晶片相当于在大约6000和10,000瓦之间的总源功率，而对于200-mm直径晶片相当于在大约2500和4500瓦之间的总源功率。发明人已经发现使用高源功率使得沉积剖面(deposition profile)比使用低源功率更加对称。在一些实施方式中，总源功率分布在顶和侧源中，从而源功率的主要部分由侧源提供。例如，侧源功率可以是顶源功率的1-5倍，并且在一特定实施方式中，侧源功率是顶源功率的3倍。
在区块432中，使用产生的卤素等离子体以回蚀刻(etch back)沉积的膜。材料可以被蚀刻的具体量相对取决于衬底结构的具体结构，但是通常在后面的蚀刻周期中材料可以被蚀刻的量大于在前面的蚀刻周期中材料被蚀刻的量。这是衬底的整个布局由于沉积和蚀刻步骤的顺序而改变的事实的一般结果。这种步骤的顺序的一般趋势是在周期的蚀刻阶段布局变得越趋向于蚀刻越大的量。在区块436，结束卤素前驱物流。
然后这种蚀刻阶段后面跟着处理阶段(treatment phase)，该处理阶段包括结合区块440、444和/或448描述的工艺中的任意工艺或全部工艺。这些工艺中的各工艺起到限制卤素结合入膜的作用。如在区块440所示，卤素净化剂可以流入处理腔室以与留在处理腔室内的过量的卤素反应。适宜的净化剂为O2，但是在其它实施方式中可以使用其它净化剂。在区块440中，用与卤素前驱物不发生反应的气体冲洗至处理腔室的卤素导管，这种气体的例子包括Ar和He。如区块448所示，还可以通过其它至处理腔室的导管流入这种不反应气体以防止卤素回流入该导管。
通常期望在各沉积阶段期间对于材料的沉积将使用相同的前驱物并且在蚀刻阶段对于去除材料将使用相同的前驱物，但是对于本发明这不是必须的。材料在各沉积阶段沉积的量通常在300至1000
之间，同时当每个周期使用更大的沉积量时整个工艺需要更少的周期。为了沉积相同量的材料，当每个周期沉积300时，需要在每个周期沉积1000时大约六倍的周期。
如区块452所示，一旦膜已经成长至所需的厚度，衬底传输出处理腔室。
示例性衬底处理系统
发明人已经用由Santa Clara，California(加利福尼亚州圣克拉拉市)的APPLIED MATERIALS，INC.(应用材料有限公司)制造的ULTIMATM系统实施本发明的实施方式，上述系统的一般描述提供在共同转让的美国专利U.S.No.6,170,428中，该专利申请是由Fred C.Redeker，Farhad Moghadam，HirogiHanawa，Tetsuya Ishikawa，Dan Maydan，Shij ian Li，Brian Lue，Robert Steger，Yaxin Wang，Manus Wong和Ashok Sinha在1996年7月15是提交的，其发明名称为：“SYMMETRIC TUNABLE INDUCTIVELY COUPLED HDP-CVDREACTOR”，这里，将其全部公开结合进来作为参考。下面结合图5A和5B提供该系统的概述。图5A示例性示出了在一个实施方式中这种HDP-CVD系统510的结构。系统510包括腔室513、真空系统570、源等离子体系统580A、偏置等离子体系统580B、气体输送系统533和远程等离子体清洁系统550。
腔室513的上部分包括由诸如铝的氧化物或铝的氮化物的陶瓷介电材料制成的拱顶514。拱顶514限定了等离子体处理区域516的上边界。等离子体处理区域516在底部是以衬底517的上表面和衬底支撑件518为界的。
加热板523和冷却板524在拱顶514之上并且与拱顶514热连接。加热板523和冷却板524允许将拱顶温度控制在大约100℃至200℃的范围上在大约±10℃内。这允许针对各种工艺优化拱顶温度。例如，希望拱顶温度对于清洁或蚀刻工艺保持比沉积工艺更高的温度。拱顶温度的精确控制还减小腔室内剥落或者颗粒量并且提高沉积层和衬底之间的粘着。
腔室513的下部分包括将腔室连接至真空系统的主体构件522。衬底支撑件518的基座部分521被安装在主体构件522上并且与主体构件522形成连续的内表面。衬底由机器人托板(未示出)通过腔室513的侧壁中的插入/移出开口(未示出)以传递入腔室513并且传递出腔室513。升降销(未示出)在马达(也未出)的控制下升高然后降低，以将衬底从在上安装位置557的机器人托板上移至下处理位置556，在下处理位置衬底放置在衬底支撑件518的衬底接收部分519上。衬底接收部分519包括静电吸盘520，该静电吸盘520在衬底处理期间将衬底固定到衬底支撑件518上。在优选的实施方式中，衬底支撑件518由铝的氧化物或铝的陶瓷材料制成。
真空系统570包括节流阀主体(throttle body)525，该节流阀体525容纳双叶片节流阀(twin-blade throttle valve)526并且附接至闸式阀527和涡轮分子泵528。应该注意到节流阀主体525提供对气流的最小阻塞，并且允许对称抽气。闸式阀527能够允许隔离使泵528和与节流阀主体525隔离，并且能够通过限制当节流阀526完全打开时的排气能力来控制腔室压力。节流阀、闸式阀和涡轮分子泵的排列布置允许精确且稳定地控制腔室的压力高达大约1毫托至大约2毫托。
源等离子体系统580A包括安装在拱顶514上的顶线圈529和侧线圈530。对称的接地屏蔽(未示出)减小线圈之间的电耦合。顶线圈529由顶源射频(SRF)发生器531A供电，而侧线圈530由侧SRF发生器531B供电，并且对于各线圈允许独立的功率级别和工作频率。这种双线圈系统允许控制腔室513内的辐射离子浓度，从而提高等离子体的均匀性。侧线圈530和顶线圈529通常是电感性地驱动(inductively driven)，这不需要辅助电极。在具体实施方式中，顶源RF发生器531A提供在标称2MH下高达2,500瓦的RF功率，而侧源RF发生器531B提供在标称2MH下高达5,000瓦的射频功率。顶射频发生器和侧射频发生器的工作频率可以偏离标称工作步骤(例如，分别至1.7-1.9MHz和1.9-2.0MHz)以提高等离子体发生效率。
偏置等离子体系统580B包括偏置射频(“BRF”)发生器531C和偏置匹配网络532C。偏置等离子体系统580B电容耦合衬底部分517至主体构件522，其起到辅助电极的作用。该偏置等离子体系统580B用于提高由源等离子体系统580A造成的等离子体物种(例如离子)向衬底表面的传输。在具体实施方式中，如下面将要讨论的，偏置等离子体产生器提供在小于5MHz的频率下高达10,000瓦的射频功率。
射频发生器531A和531B包括数字控制的合成器，并且在大约1.8至大约2.1MHz之间的频率范围上工作。如本领域普通技术人员所理解的，各发生器包括射频控制电路(未示出)，该射频控制电路测量从衬底和线圈反射回发生器的功率，并且调节工作频率以获得最低的反射功率。射频发生器通常设计为在具有50欧姆的特征阻抗的负载下工作。射频功率可以由具有与发生器不同特征阻抗的负载反射回来。这能够减少传递传输至负载的功率。另外，由负载反射回发生器的功率可以使发生器过载荷并且损坏发生器。因为等离子体的阻抗根据等离子体的浓度以及其它因素在从小于5欧姆至大于900欧姆的范围内，并且还因为反射的功率可以是功率的函数，所以根据反射的功率调节发生器的频率增加从射频发生器传递至等离子体的功能并且保护发生器。减少反射功率并且提高效率的另一种方法是采用匹配网络。
匹配网络532A和532B使发生器531A和531B的输出阻抗与它们各自线圈529和530相匹配。射频控制电路当负载改变时，可以通过改变匹配网络中的电容器的值来调谐两匹配网络以使发生器与负载相匹配。射频控制电路当从负载反射回发生器的功率超过一定限制时可以调谐匹配网络。提供恒定匹配并且有效地禁止射频控制电路调谐匹配网络的一种方法是设置超过反射功率的任意期望值的反射功率限制。这可以通过保持匹配网络在等离子体的最近条件下不变来帮助在一些条件下稳定等离子体。
其它测量还可以帮助稳定等离子体。例如，射频控制电路能够用于确定输送给负载(等离子体)的功率，并且可以增加或减少发生器输出功率以保持输送的功率在沉积层期间基本上不变。
气体输送系统533通过气体输送管线538(仅示出了其中的一些)向腔室提供来自几个源534A-534E腔室的气体用于处理衬底。如本领域普通技术人员能够理解的，用于源534A-534E的实际源和至腔室513的输送管线538的实际连接根据在腔室内执行的沉积和清洁工艺而改变。气体通过气环(gasring)537和/或顶喷嘴545导入腔室513中。图5B为示出了气环537的附加细节的腔室513的简化、部分截面图。
在一实施方式中，第一和第二气体源534A和534B以及第一和第二气体流量控制器535A’和535B’通过气体输送管线538(仅示出了其中的一些)向气环537中的环气室(ring plenum)536提供气体。气环537具有多个源气体喷嘴539(为了说明仅示出了其中之一)，多个源气体喷嘴539在衬底上提供均匀的气流。喷嘴长度和喷嘴角度可以改变以允许在单独的腔室内针对特定工艺来裁剪调整均匀分布和气体利用效率。在优选的实施方式中，气环537具有由铝的氧化物陶瓷制成的12个源气体喷嘴。
气环537还具有多个氧化剂气体喷嘴540(仅示出了其中之一)，在优选的实施方式中，多个氧化剂气体喷嘴与源气体喷嘴539共平面并且比源气体喷嘴539短，并且在一实施方式中，多个氧化剂气体喷嘴接受来自主体气室(bodyplenum)541的气体。在一些实施方式中，需要源气体和氧化剂气体在注入腔室513之前不混合。在其它实施方式中，通过在主体气室541和气环气室536之间提供孔(未示出)氧化剂气体和源气体在注入腔室513之前可以混合。在一实施方式中，第三、第四和第五气体源534C，534D和534D’以及第三和第四气体流量控制器535C和535D’通过气体输送管线538向主体气室提供气体。除了阀门，诸如543B(其它阀门未示出)可以切断从流量控制器至腔室的气体。在实施本发明的一些实施方式中，源534A包括硅烷SiH4源，源534B包括氧分子O2源，源534C包括硅烷SiH4源，源534D包括包括氦He源，并且源534D’包括氢分子H2源。
在使用易燃、有毒或腐蚀性气体的实施方式中，需要在沉积之后除去留在气体输送管线中的气体。例如，这可以使用诸如543B的3通阀来完成，以使腔室513与输送管线538A隔离，并且将输送管线538A与真空前极管道544相通。如图5A所示，其它类似的阀，诸如543A和543C，可以结合在其它气体输送管线上。这种三通阀可以放置为尽可能接近腔室513以使不能通气的气体输送管线(在三通阀和腔室之间)的体积最小。另外，两通(通-断)阀(未示出)可以放置在质量流量控制器(“MFC”)和腔室之间或在气体源和MFC之间。
再次参照图5A，腔室513还具有顶喷嘴545和顶通风口546。顶喷嘴545和顶通风口546允许独立控制气体的顶气流和侧气流，这提高膜均匀性并且允许精细地调节膜的沉积和掺杂参数。顶通风口546为绕顶喷嘴545的环形开口。在一实施方式中，第一气体源534A提供源气体喷嘴539和顶喷嘴545。源喷嘴MFC535A’控制输送至源气体喷嘴539的气体的量，而顶喷嘴MFC535A控制输送到顶气体喷嘴545的气体的量。类似地，MFC535B和535B’两个可以用于控制由诸如源534B的单氧气源至顶通风口546和氧化剂气体喷嘴540二者的氧气流。在一些实施方式中，氧气不从任意侧喷嘴提供给腔室。提供至顶喷嘴545和顶通风口546的气体可以在流入腔室513之前保持分离，或者所述气体可以在流入腔室513之前在顶气室548内混合。同一气体的分离源可以用于提供腔室的各种部分。
提供远程微波发生等离子体清洁系统550以从腔室部件上周期性地沉积残留物。该清洁系统包括从反应器腔体533中的清洁气体源534E(例如，单分子氟、三氧化二氮、其它碳氟化合物或等效物)产生等离子体的远程微波发生器551。由这种等离子体产生的活性物种(reactive species)通过施加器管道(applicator tube)555经过清洁气体输入端口554传输至腔室513。用于容纳清洁等离子体的材料(例如，腔体553和施加器管道555)必须耐等离子体的攻击。由于所需要的等离子体物种的浓度随着从反应器腔体553的距离而降低，所以反应器腔体553和输入端口554之间的距离应该保持尽可能短。在远程腔体内产生清洁等离子体允许使用高效微波发生器，并且不会使腔室部件遭受在形成等离子体中在原位出现的辉光放电的温度、辐射或轰击的影响。因此，相对敏感的部件，诸如静电吸盘520，不需要覆盖原位等离子体清洁工艺中所要求的挡片(dummy wafer)或者其它保护。在图5A中，等离子清洁系统550所示为设置在腔室513上方，但是也可以使用其它位置。
可以靠近顶喷嘴提供导流板561以将由顶喷嘴中提供的源气体的气流引导入腔室并且引导远程产生的等离子体的气流。由顶喷嘴545提供的源气体被引导通过中央通道进入腔室，而由清洁气体输入端口554提供的远程产生的等离子体物种通过导流板561被引导至腔室513的侧面。
本领域技术人员应该认识到在不脱离本发明精神的情况下，具体参数能够针对不同的处理腔室和不同的工艺条件而改变。其它变型对于本领域技术人员来说也是显然的。这些等效物和变型意欲包括在本发明的范围内。因此本发明的范围并不限于上述的实施方式，而是由所附权利要求书限定。
Claims (12)
1.一种在设置在衬底处理腔室内的衬底上沉积氧化硅膜的方法，所述衬底具有在相邻的升高的表面之间形成的间隙，所述方法包括：
利用高密度等离子体工艺在衬底上方并且间隙内沉积氧化硅膜的第一部分，其中利用第一高密度等离子体以在
和
之间的沉积速率并且具有大于20的沉积/溅射比率沉积氧化硅膜的第一部分，并且其中沉积/溅射比率定义为净沉积速率和无图案溅射速率的和与无图案溅射速率的比；
此后，回蚀刻氧化硅膜的沉积的第一部分中的一部分，其中回蚀刻所述一部分包括：
通过第一导管从卤素前驱物源向衬底处理腔室流入卤素前驱物；
通过将源射频功率电感耦合入衬底处理腔室，用卤素前驱物形成高密度等离子体，该源射频功率在衬底上提供在85,000和140,000W/m2之间的功率密度；以及
在已经回蚀刻所述一部分之后结束流入卤素前驱物；
此后，向衬底处理腔室内流入卤素净化剂以与衬底处理腔室内残留的卤素反应；以及
此后，利用高密度等离子体工艺在氧化硅膜的第一部分上方并且在间隙内沉积氧化硅膜的第二部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述卤素前驱物包含氟前驱物，而卤素净化剂包含O2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括用与卤素前驱物不反应的第一气体冲洗第一导管。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，与卤素前驱物不反应的第一气体包含Ar。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，与卤素前驱物不反应的第一气体包含He。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括通过与第一导管不同的第二导管向衬底处理腔室流入与卤素前驱物不反应的第二气体。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，与卤素前驱物不反应的第二气体包含He。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积氧化硅膜的第一部分包括：
向衬底处理腔室内流入含硅气体；
向衬底处理腔室内流入含氧气体；
向衬底处理腔室内流入流动气体；
由含硅气体、含氧气体和流动气体形成所述第一高密度等离子体；
利用所述第一高密度等离子体以在
和
之间的沉积速率并且具有大于20的沉积/溅射比率沉积氧化硅膜的第一部分。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，含硅气体包含SiH4，而含氧气体包含O2。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述源射频功率是由设置在衬底处理腔室顶部和衬底处理腔室侧面的源提供的；以及
由设置在衬底处理腔室侧面的源提供的功率大于由设置在衬底处理腔室顶部的源提供的功率。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由设置在衬底处理腔室侧面的源提供的功率是由设置在衬底处理腔室顶部的源提供的功率的至少三倍。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
回蚀刻氧化硅膜的沉积的第二部分的一部分，其中回蚀刻所述一部分包括：
通过第一导管从卤素前驱物源向衬底处理腔室流入卤素前驱物；
用卤素前驱物形成高密度等离子体；以及
在已经回蚀刻所述一部分之后结束流入卤素前驱物；
此后，向衬底处理腔室内流入卤素净化剂以与衬底处理腔室内残留的卤素反应；以及
此后，利用高密度等离子体工艺在氧化硅膜的第二部分上方并且在间隙内沉积氧化硅膜的第三部分。
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| CN101414551B (zh) | 2011-09-14 |
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