CN1424429A - 用于优先化学气相沉积的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于化学气相沉积的方法和系统，其中通过延长反应气体在反应区域的停留时间来形成优先沉积化学物质。这些优先沉积物质在半导体晶片上的和/或其它CDV基材上的沟槽的侧边和底部沉积更快，从而促进更均匀的膜的形成，这将消除昂贵的后加工步骤如反作用掩膜。

Description

用于优先化学气相沉积的方法和系统
相关申请
本发明的优先权是2001年11月1日申请的，系列号为60/355494美国临时保护申请，在此引用其公开的全部内容。
技术领域
本发明涉及一种向表面输送气体化学物质的系统和方法。特别是，本发明提供了一种用于化学物质的优先化学气相沉积的方法和系统，例如，以原硅酸四乙酯(TEOS)和臭氧(O3)的反应产物在氧化硅表面上形成薄膜或薄层，较之在硅-氮化物表面上形成薄膜或薄层，本发明的方法和系统能够在半导体基材上形成更均匀的地貌涂层。
发明背景
化学气相沉积(CVD)在半导体制造中是决定性的部分，经过热反应或某些气体化学物质的分解，一种或多种化合物的稳定的膜或层被沉积在表面上。CVD系统以多种形式出现。在专利号是4834020，5122391，5136975和6022414的美国专利中描述了用于这种加工的装置，所有这些都是由受让人拥有的并在此作为参考引入。4834020和5122391号专利描述了传送带化的大气压力CVD(APCVD)系统。其它的CVD装置例如等离子—增强CVD(PECVD)系统，和低压CVD(LPCVD)系统也已广泛地用于工业生产。
CVD系统中的一重要元件是喷嘴，该喷嘴用于将气体化学物质输送到表面。气体必须被分配到基材上，以便气体反应和沉积一满意的薄膜在基材的表面上。喷嘴的一个功能是以可控的方式将气体分配到所需的位置。气体的可控分配增加了气体进行完全、有效和均匀反应的机会，这部分是由于使气体的预混合以及在先反应降低到最小的结果。一完全反应增加了沉积高质量膜的可能性。如果气流是不可控的，化学反应不是最佳的和其结果可能是产生的膜具有不均匀的组分。当沉积在晶片上的膜是由不均匀的组分组成时，将损害半导体或其它由这些晶片制成的设备的本征特性。因此，重要的是喷嘴的设计应当便于气体以可控的方式进行所需的流动。
历史上，已经进行了一些在增加速度方面的具体尝试，该速度指的是反应物和未沉积的CVD产物化合物从沉积区域中移出的速度。随着高效反应起始化合物的混合物的老化，形成了越来越多的二次产物和三次产物。另外，随着反应时间的延长，未沉积的初级、二级和三级产物集结成小的气-相，或在空中飞行的微粒。这些微粒在基材上的沉积会导致杂质被截留在沉积膜上，这将损害所获得的设备的性能，甚至会导致其失效。而且，由于这些微粒和其它无关的CVD产物，在喷嘴装置上的沉积就需要对装置进行更频繁的维护以避免阻塞和不需要的污染。
通过CVD沉积的掺杂和非掺杂有氧化硅(也称为硅酸盐玻璃)的薄膜在制造电子设备中具有广泛的用途。在CMOS集成电路(Ics)中运转的适当的晶体管设备需要相互间绝缘。未掺杂的硅酸盐玻璃(也称为USG或SiOX)被填入浅沟槽绝缘(STI)技术比在先使用的局部氧化(LOCOS)绝缘方法具有显著的技术效果。特别是，已经发现由原硅酸四乙酯(TEOS)和臭氧(O3)沉积的薄膜USG作为沟槽填料已被广泛接受。值得注意的是，沉积的SiOX集成为线路结构通常需要后续沉积平面化处理，经常依靠复杂和昂贵的化学机械抛光(CMP)技术。
现行的用于在具有自然起伏的高和低区域表面上沉积USG的CVD方法，会导致膜的表面反射下面基材的地貌形状。所希望的是低的膜区域与沟槽相符。如图1A所示，当使用CMP技术对表面进行平整时，均匀的抛光速度导致在沟槽表面形成“凹陷”。在接下来的光刻法步骤中，凹陷能够引起设备老化和焦深问题。如图1B所示，一减轻沟槽凹陷的现有技术必须需要“反作用”光刻法步骤，用来在沟槽边界之上沉积非掺杂的氧化硅(USG)的抬高区域。这些反作用的山脊结构没有向线路结构加入任何东西，但是它们的产生向STI加工程序加入了昂贵的光刻法。
图2显示了一标准的STI设备结构的截面。如图所示，USG沉积发生在两个不同的表面：(1)在沟槽的任一边的氮化物(SiNy)掩膜层，和(2)在沟槽底部和侧壁上的硅或热氧化硅。在沟槽底部和侧壁的热氧化硅经常被称之为热氧化物衬里。可以在USG沉积之前或之后成型这种热氧化物衬里，这取决于加工程序的选择。由于增加了获得反作用掩膜的额外的光刻法步骤的费用，所以消除了反作用掩膜步骤的装置和/或方法的形成，在经济上是令人满意的。一种方法和装置会引起沟槽的“填充颠倒”，该方法和装置产生的SiOx在沟槽边部和底部的沉积较之在掩膜氮化物上更快。这种优先在硅或氧化硅而不是在氮化硅(SiNy)上沉积的处理方法会导致一作为沉积的平面表面的形成，其在CMP之前不需要反作用掩膜。这样，这种比在SiNy上沉积优先的在硅(或氧化硅)上沉积SiOx的方法和装置，相对于现行的CVD系统和方法具有很大的优越性。
发明概述
通常，本发明的一个目的是提供一种用于优先的化学气相沉积的方法和系统。
特别是，本发明的一个目的是提供一种改进的方法和系统用于以一基本上可控的方式向基材表面输送气体化学物质，以便通过CVD以一比在基材表面剩余部分上更快的速度在基材表面上的某一确定的区域上沉积膜或层。
本发明的另一个目的是提供一种向被沉积薄膜的基材输送TEOS+O3的喷嘴和系统，以便在表面的一个区域的沉积薄膜的成长速度-例如沟槽的底部和侧部-大于在表面上的第二区域的生长速度。
在一本发明的实施例中，提供了一种用于在基材表面上沉积膜的化学气相沉积系统。基材表面包括至少一第一材料区域和一第二材料区域。系统包括一向一反应区域提供一种或多种气体的喷嘴。气体在反应区域具有一足够的停留时间，以便通过一种或多种气体的反应促进一或多种靶化学物质的形成。这些靶子化学物质沉积在基材表面的第一材料上的速度快于在第二材料上的沉积速度。
本发明的进一步的实施例提供了一用于在基材上沉积一薄膜的化学气相沉积系统，该基材具有至少一第一材料区域和一第二材料区域。系统包括至少一个提供一种或多种气体的喷嘴，一与喷嘴相邻的用于接收一种或多种气体的反应区域，一用于从反应区域排出气体的排气通道，和一以一横向速度通过反应区域的用于移动基材的运输机构。从反应区域排出的气体以一速度通过排气通道，这为气体提供了一在反应区域的停留时间，该停留时间足以促进一种或多种靶子化学物质的形成，该靶子化学物质在基材表面的第一材料上的沉积速度比在基材表面上的第二材料上的沉积速度更快。在运输机构将基材移动通过反应区域的同时，基材的表面按所需的时段暴露在一种或多种靶物质下。
在本发明的另一个实施例中，提供一种在基材表面上优先的沉积薄膜的方法，该基材表面具有至少一个第一材料区域和一第二材料区域。以第一流动速度将一种或多种反应气体输送到具有一定体积的反应区域。这些反应气体反应形成一种或多种靶子化学物质和一种或多种废气的气体混合物。该气体混合物以一排出流速从反应区域被排出。控制相对于反应区域体积的排出比例和第一流体速度，这样一种或多种反应气体在反应区域的停留时间足以由一或多种气体促进一种或多种靶化学物质的形成。一种或多种靶化学物质以一比在第二材料上更快的速度沉积在基材表面的第一材料上。移动基材经过反应区域至少一次，以暴露表面到一种或多种靶化学物质中。
在本发明的另一个实施例中，提供一种在基材上优先沉积一薄膜的方法，其作为浅沟槽绝缘(STI)晶片加工工艺的一部分。
附图简述
通过研读下述的本发明的详细描述和所附的权利要求，本发明的其它目的和优点将变得更加清晰，那么接下来参见附图，其中：
图1A和1B是简图，描述的是用于传统SiOx-填充浅沟槽绝缘(STI)加工程序中出现的凹陷问题和它怎样导致需要昂贵的“反作用”掩模步骤。
图2是一截面图显示的是一典型的浅沟槽绝缘设备结构。
图3是根据本发明的一个实施例的一CVD系统的简图，在经过根据本发明的一个实施例的排气通道被排出之前，向反应气体提供一延长的反应时间来反应。
图4A和图4B分别是本发明系统的一单向和一双向喷嘴实施例的截面图。
图5是本发明系统的一实施例的截面侧面图，其具有两个出口的双向喷嘴组件。
图6是一化学物质理论浓度的图表，其作为距离的函数，指的是从现有技术CVD系统的喷嘴出口和喷嘴之间的距离，和从根据本发明的CVD系统的喷嘴出口和喷嘴之间的距离。
图7A和图7B是截面图，分别显示的是现有技术和根据本发明的沉积区域反应气体流动路径的不同。
图8A和图8B描述的是在复杂性上差别，即传统加工的STI加工程序和使用如图5所示的系统由本发明完成的加工程序之间的差别。
图9是一根据本发明的一实施例的简图，描述的是本发明双-向CVD装置如何装配来执行蚀刻剂清洁的一个实例。
图10A和图10B是SEM照片和图表，显示的是使用现有技术的喷嘴进行优先沉积的尝试的结果。
图11A和图11B是SEM照片和图表，显示的是使用根据本发明的一个实施例的方法和系统的优先沉积。
图12是喷嘴结构的简图，使用该喷嘴产生的数据显示在图11A和图11B中。
图13是图4A系统的计算流动动力学语言(CFD)模型结果。
图14是图4B系统的计算流动动力学语言(CFD)模型结果。
图15是另外的一使用本发明的一双-向喷嘴系统的实施例的CFD模型结果。
优选实施例详述
由于化学反应是动态过程，时间选择对由原材料制造的最终产品的构造来说是重要的。化学的“停留时间”是一常用术语，概括来说是化学动力学的效果。可以通过计算化学物质的分子在反应区域停留的时间总量来确定停留时间-通常用体积除以体积流速的比率来计算。在一CVD系统中，其很类似活塞流反应器，首先制定一停留时间，假定在反应区域其横截面是恒定的，可以根据气体流速和在反应区域中的气体流道的长度的结果来计算该停留时间。计算流体动力学(CFD)模型是典型的用于给出更精确停留时间计算的例子。
发明人已经发现，线性喷嘴提供了一种对化学物质停留时间进行实际控制的可能，在线性喷嘴中气体以类似直线的方式沿着一长度被输送。一好的设计的线性喷嘴能沿着整个线路产生均匀的气流，如美国专利6022414所述。一基于CVD系统的线性喷嘴产生一平台状沉积图案，在静态基材和晶片上沿其实体长度其是均匀的。用平稳的移动运动将基材移动通过沉积区域，其结果是在基材上的任何一点被暴露在类似的化学环境下，这将导致在整个基材表面上基本上均匀的沉积速度。这个特点从根本上将线性喷嘴与其它CVD气体分配头区别开来，例如“喷淋头”喷嘴，其是以基本上均匀的速度将反应气体覆盖到一两维区域。喷淋头型CVD喷嘴可能遭受沉积不规则的损害，该沉积不规则是由于非均匀的移动速度产生的，该非均匀移动速度产生了未沉积的空中传播产品和其它反应副产品。
本发明提供的显著的优点是对化学物质停留时间的控制，从而促进了在基材上的不同区域进行选择或优先沉积。根据本发明的方法和系统，化学停留时间是可控制的，通过对气体速度(通过流速控制)和沉积区或反应区域(通过结构设计)的范围的中一个或两者的控制来实现的。通过气体速度调整来对停留时间进行控制的可控制程度受到其它重要加工条件的限制，如膜沉积的均匀性，粒子产生和其它可能的限制。如果沉积加工需要要求停留时间超过通过减少气体流速所能达到的停留时间，可以增加反应区域的长度以获得更长的停留时段。
图3、4和5显示了本发明的一些特点和优点，其中，本发明的CVD系统10在基材12上沉积一膜和其包括多个喷嘴14和反应区域20。
本发明的一个实施例提供了一用于在基材表面12上优先沉积膜的化学气相沉积系统10。基材表面具有至少一个第一材料的区域和一第二材料区域(未显示)。一喷嘴狭缝14输送一种或多种气体到反应区域20，这些气体例如是由一个或多个气体输送管16提供的，这样反应气体具有足够的停留时间通过气体的反应来促进一种或多种靶化学物质的形成。该一种或多种靶化学物质在基材表面12上的第一材料上的沉积速度快于在第二材料上的沉积速度。
在反应区域20的气体停留时间优选的作为反应区域20的体积和气体从反应区域20排出的排气速度的函数来控制。优选的气体从反应区域20排出通过至少一个排气出口22。可以通过至少一个顶壁和在其上支撑有基材和晶片的基材支撑体物26来界定反应区域。优选的喷嘴狭缝14的定位是这样的，一种和多种气体通过顶壁24来输送。优选包括一用于横向输送物品的输送机构(未显示)，例如一传送带，一种和多种可输送的盘或托，一系列辊，或其它一些类似系统从而使基材12和基材支撑体26输送通过反应区域20至少一次，以便基材12的表面以所需的周期或时间暴露在一种或多种靶化学物质中。
图4A和图4B是简图，描述的是本发明的单向(图4A)和双—向(图4B)的实施例，它们是较大的CVD系统的一部分。在单向实施例中，提供了两个喷嘴狭缝14。但是，也可以加入另外连续的喷嘴狭缝来增加每次通过CVD加工器路径的基材或晶片的沉积速度。每个喷嘴狭缝14进入到反应区域20中，气体从那通过排气出口22被排出。在该实施例中，通过两个反应区域20的流动方向是镜像的。通过每个反应区域20气流是在单方向产生的，从喷嘴狭缝14到单排气出口22。气流方向用箭头显示在图4A和图4B中。优选的，中心阻尼气体喷嘴30提供惰性气体，例如氮气和氩气，该阻尼喷嘴被置于每个反应区域20之间，用于控制和抑制气体的流动和增加平稳性，使其层流通过反应区域20。在顺序排列的反应区域20的每个端部，有一附加的端部阻尼气体喷嘴狭缝32。通过一个或多个气体输送管16将气体输送到喷嘴狭缝14。在图4A的实施例中，两个气体输送管16提供臭氧和一个管输送有机硅化合物，例如TEOS。但是，其它的气体和气体源的组合以及向喷嘴14提供气体的其它方法也能与这个系统很好地相容。在图4A显示的CVD系统中，从中心阻尼气体喷嘴30出来的惰性气体的流动速度大约是从两端部阻尼气体喷嘴32出来的气体速度的两倍。可以向反应区域提供一些附加的流体，如图中在系统两端的水平箭头所示。在一优选的实施例中，中心阻尼气体喷嘴狭缝30以大约5标准升/分钟(SLPM)提供氮气，两个端部阻尼气体喷嘴狭缝32提供的氮气大约是2.5标准升/分钟(SLPM)。可以提供一种从系统的晶片加载和卸载区域(未显示)到CVD区域中的附加气体流，其气体流速大约是1SLPM。
为了沉积层或膜，例如一半导体晶片12的基材被支撑在基材支撑体26上，并且用输送机构(未显示)将其移动通过一系列反应区域20。在一优选的实施例中，每个喷嘴狭缝14和与其相应的排气出口22之间的距离，其范围大约是60到80mm，优选的是大约67mm。相邻的喷嘴14之间的间隔是大约40到55mm，特别优选的是45mm。
在本发明的显示在图4B的双-向实施例中，显示了具有两个喷嘴狭缝14的CVD系统。如在单向实施例中一样，显示了向两个不同的反应区域20提供气体的两个喷嘴狭缝14。在该实施例中，气体，臭氧和例如TEOS的有机硅化合物通过一个或多个气体输送管16将其输送给每个喷嘴。但是本发明决不以任何方式将系统限制为仅具有两个反应区域。也决不将其限制为用于由TEOS和臭氧原料气产生的反应和沉积膜的系统。可以增加供给附加反应区域20的附加喷嘴狭缝14，以增加基材每次通过时的膜的沉积速度，这取决于CVD工具的尺寸限制。提供一位于每个反应区域20之间的中心阻尼气体喷嘴狭缝30，其能够提供惰性气体或如氮气或氩气或其它的适宜气体的气体，其流速大约是位于CVD加工区域端部的端部阻尼气体喷嘴狭缝32提供的一种或多种惰性气体流速的两倍。本发明的双-向实施例不同于单向系统，因为气体从一大约在中心布置的喷嘴狭缝14向两个排气出口22流动，经过每个反应区域20，排气出口位于每个反应区域20的端部。从中心喷嘴狭缝14出来的气流是在两个方向上经过每个反应区域的。正如在单向实施例中一样，从中心阻尼气体喷嘴狭缝30出来的气流优选的大约是5SLPM。从端部阻尼气体喷嘴狭缝32出来的气流优选的大约是2.5SLPM。在该实施例中，从工具的加载和卸载区域来的附加气体流入量优选的大约是1SLPM。在一双向喷嘴的优选实施例中，每个喷嘴狭缝14和其相应的排气出口22之间的距离是大约25到100mm，优选大约为35mm。相邻喷嘴14之间的间距是70到200mm，优选的是大约100mm。
另外的优点被显示在图5中，其作为一更完整的CVD系统的一部分，该系统具有两个相邻的双-向喷嘴系统。描绘在图5中的系统对上述单-向实例也是适合的。在单向和双向实施例中，优选的是喷嘴狭缝14在气体输送表面上以细长的狭缝形式形成，这将沿其实体长度提供均匀的气流。同样地，一个或多个排气出口22和中心30和端部32阻尼气体喷嘴也以细长的狭缝形式理想地形成在限定反应区域的顶壁上。经过这些细长的狭缝流入和流出反应区域20的气流，优选的是，均匀地沿着该或这些狭缝的实体长度流动并且经过反应区域的流体基本上指向垂直于细长狭缝的轴向，而这些细长的狭缝实质上都是平行排列的。
优选的一输送机构是在横向上输送基材，例如输送带，一移动的托或盘系统，一可控辊的底座，或其它的适宜的方式。这个输送系统能够以一横向速度移动基材经过反应区域，以便将基材表面以所需的周期暴露在一个或多个靶化学物质中。在该方式中，在基材表面上的第一和第二材料在靶化学物质中的暴露量是气体在反应区域中的停留时间，基材通过反应区域的横向速度，和基材经过反应区域的次数的函数。
在上述的单向和双向喷嘴系统的另一优选的实施例中，多个喷嘴元件40中的每一个是由在单个细长元件40中的一细长的喷嘴狭缝14组成的，该细长的元件具有至少两个端部表面和一细长的气体输送表面。优选的该细长的气体输送表面也包括两个圆形侧边区域42和一中心凹下区域或喷嘴20，气体从这排出。用一个或多个气体输送管16将气体输送到每个喷嘴元件40中。圆形边区域42和中心区域的总宽度范围是大约50到200mm。气体输送表面沿着细长元件40的长度方向延伸，气体输送表面直接面对反应区域20。多个喷嘴元件40中的每个都是与其相邻的喷嘴元件40分离的或者用出口元件44与一相邻的系统的基材加载或卸载区域分离开。每个出口元件44与中心30或端部32阻尼气体喷嘴狭缝之一共同作用，经过一个或多个气体输送管16向这种阻尼喷嘴狭缝提供惰性气体。每个出口元件44包括一个单独元件具有前、后、顶和底表面，和一底部外表面50。该外表面50通常包括一平面区域51和至少一外形侧边区域52。该外形侧边区域52与邻近喷嘴元件的圆形侧边区域42相邻且有一定的间隔，这样在喷嘴元件40和出口元件44之间形成一圆形排气出口22。本发明人已经发现这种结构降低了气体的再循环和促进了经过反应区域20的层流。通过一具有排气出口管线60的排气集气管58，将从多个喷嘴元件40的反应区域20排出的气体从系统中排出。在本发明中，所有的阻尼气体喷嘴狭缝30，32以垂直的方式被设置在它们各自的出口元件44的外表面50的出口处。因为添加了岔开的“烟囱”部分，因此与现有技术相比，排气集气管58更加精制。另外，在本发明喷嘴中的排气出口管线60优选的被分为两个分离的通道。这将使得在一个通道中通入蚀刻清洁剂气体，而同时在另一个通道中排出反应气体副产品成为可能。
另一个本发明的实施例提供了一种用于在基材表面上的第一材料区域优先沉积膜方法，其在第一材料区域的沉积速度快于在第二材料上的沉积速度。以第一流速将反应气体输送到反应区域。在该反应区域中，其具有一体积，反应气体反应形成一混合物，该混合物包括化学物质，相对于在基材表面上的第二和其它的材料而言，该化学物质优先沉积在基材表面的第一材料上。在混合物中还包括其它废气，例如未沉积的氧化硅和其它反应副产品和未反应的反应物。优选的通过一个和多个排气通道，以一排气流速从反应区域排出这种气体混合物。通过控制排气流速与反应区域体积的比值，能够控制一种或多种反应气体在反应区域的停留时间，从而促进靶化学物质的生成，该靶化学物质沉积在基材第一材料上的沉积速度快于在基材第二材料上的沉积速度。一旦由喷嘴供给的气流和经过排气通道排气的气流稳定并建立起化学物质浓度的稳定-态轮廓，该化学物质浓度为喷嘴和一个或多个排气通道之间距离的函数，就将该基材输送通过反应区域一次或多次以将其表面暴露在一种或多种靶物质中。
优选的经过一线性喷嘴输送一种或多种反应气体，由一个或多个气体输送管向该线性喷嘴输送一例如是TEOS的有机硅化合物，和一例如是臭氧的氧化物。如果使用一线性喷嘴狭缝，如上所述排气通道优选的在细长的元件中也具有一细长的狭缝，参见单向或双向CVD系统的实施例。
在非线性喷嘴中，从根本上限制了对反应区域尺寸的增加，因为反应区域不能实质上大于被加工的基材。在线性喷嘴系统中，有可能断开反应区域尺寸与基材尺寸之间的联系，因为基材能够被输送经过反应区域。如图6原理图所示，较慢成形的化学物质结构在距气体入口一定的距离处形成峰状，该较慢成形的化学物质是造成优先沉积的原因。例如TEOS和O3反应物转化成SiOx/SiO2最可能是通过一系列中间化学产物进行的。很可能导致优先沉积的物质后于非—优先沉积物质形成。与图6所示的现有技术相比，本发明的喷嘴系统和方法的更宽的反应区域，允许有更多时间产生这些优先沉积物质。
如果延长的停留时间导致产生的具有优先的沉积特性的化学物质超过基材的尺寸，那么所需的物质将超出基材的边界成形并因此不能产生沉积。因此，所需沉积物质的结构超出基材是没有实用价值的。这是喷淋头-型反应区域的另一个限制，其中整个基材被同时暴露在沉积区域。在喷淋头-型中的反应区域总是稍大于基材的，并且基材是驻留在中间的。在该种喷嘴系统中增加反应区域的尺寸实质上不会导致更长停留时间的物质暴露于基材上。
使用具有“完全经过”沉积的线性喷嘴沉积区域，提供了一种解决基材尺寸限制沉积区域的办法。完全经过涂布能够提供一具有一气体通道的沉积区域。该沉积区域不受基材尺寸的限制。在完全经过沉积中，CVD气体被送到喷嘴，然后到达反应区域，在该反应区域中给它们一定的时间来稳定同时热的基材等候在沉积区域之外。在气体稳定后(这可通过稳定状态的浓度曲线的形成得到证实，该浓度曲线是通过反应区域的距离的函数)，一线性输送系统如输送带，移动的托或盘，一系列可控辊，或一些类似的机构用于支撑和输送基材，输送基材通过沉积区域直到基材完全通过沉积区域。在完全从沉积区域出来后，基材输送方向可以被反转，和该基材被再次完全输送通过沉积区域。据所需膜厚度的需要，这种“来回地”输送能够被重复多次。
图7A和图7B显示了基于CVD系统的现有技术线性喷嘴，例如，描述在US6022414号专利中的喷嘴，和本发明的代表性的双向喷嘴实施例之间的不同。
根据本发明，沉积或反应区域20具有一宽度，其特征在于在出口元件44的相对外形侧边区域52之间的“面对面”距离。大大地增加该宽度，这样就增加了气体的停留时间，这点与现有技术大不相同，现有技术的教导是使从沉积区域出来的气体的排出速度最大。例如，显示在图7A中的现有技术系统中的面对面距离的宽度是大约30mm，但是如图7B所示，在本发明中是大约70mm或更大。在本发明的系统中可以使用更长或更短的流动路径，这取决于所使用的气体和基材的特定应用。在一个实施例中，反应区域20的宽度范围是大约50到200mm。更优选的反应区域20的宽度范围是大约65到100mm。影响本发明系统的出口元件44的圆形侧边区域52间隔的重要参数是反应气体在反应区域的停留时间和喷嘴以及排出的流速，在反应区域的停留时间需要能够促进优先沉积物质的形成，由这些参数可保持通过反应区域20时的层流和非-再循环流动，基于此处的教导，所属技术领域的技术人员不需要过度的试验即能够确定所有这些参数。
本发明的圆形侧边区域42显示了本发明优选实施例的一重要进步。与本发明相比，现有技术中的反应区域是非常狭窄的，并且排气通道的外形是锐利地弯曲的。造成在现有技术喷嘴装置中，较小的圆形侧边区域140的原因可通过参照图6中显示的理论上沉积化学物质模型的模拟结果来理解。现有技术喷嘴系统被设计成在整个基材表面上建立均匀松散的沉积。这样，其优点在于在优先沉积物质以高产率形成之前，应用了从沉积区域排出反应气体混合物，因为这些物质有以快于在基材表面其它区域的速度集聚在基材表面上某一特定区域的倾向。相反，本发明积极地设法促进这些物质的形成以增加在基材表面上某一特定区域的沉积，例如在表面沟槽零件的侧边和底边暴露的SiOx，相对于表面的其它区域，例如，SiNy掩膜层的非蚀刻区域。反应区域20的扩充促进了化学物质的形成，该化学物质是造成优先沉积的决定因素。在使用交替的喷嘴体时，优选的是在邻近喷嘴狭缝14之间的距离高达大约300mm的更长的沉积区域。
TEOS与O3生成SiOx的化学反应机理是非常复杂的。例如，ASML US Inc.热系统TEOS-O3化学模型，含有大大超过30个化学反应。仅仅这些中间化学产物中的少量部分对优先沉积有益。这样，增加它们的形成是所需优先行为的关键。而且，在不考虑加工条件的情况下，例如沉积温度和压力，可预料的是化学物质在沉积区域的“停留时间”对产生优先沉积的化学物质的形成是有效的。化学气体喷嘴的物理结构在多个方面影响停留时间。一窄的沉积区域，如US6022414所述，增加了产生非优先薄膜的化学物质的量，但是导致了高的全面沉积速度。本发明人已经发现，较宽的沉积区域能够增加用于优先沉积所需的化学物质形成的时间，其结果是倒置的沟槽填充。
如上所述，传统的STI加工程序(现有技术中也称之为“加工模型”)需要使用昂贵的和费时的“反作用”掩膜。本发明提供了一种方法和CVD系统，其建立了CVD反应的选择/优先沉积特性，从而不需要反作用掩膜。本发明的方法导致绝缘沟槽的“颠倒填充”。颠倒填充，与之相伴的是热氧化物衬垫的后-USG沉积的形成，消除了对反作用掩膜的需要。如图8A和8B所示，这种新方法显著地减少了STI加工模块的复杂性，同时将模块的造价降低了大约50％。当使用本发明的系统和方法时，加工步骤的数量从六步降低到了四步。在半导体制造领域，这被认为是非常显著的进步。如图8B所示，由本发明的喷嘴完成的本发明的加工程序，与如图8A所示的现有技术的加工程序相比，能够减少多于50％的生产成本。优选的本发明的装置可以与描述在US6387764专利中的方法一起使用，该专利也是本发明人拥有的，其公开的内容在此作为参考被引入。特别是，本发明的喷嘴和系统显著的增加了优先沉积的化学物质的量，这就提高了加工程序的生产率。
下面详细描述本发明的两个典型的实施例，以说明和进一步解释本发明的优点和特点。它们不应被认为是对本发明范围的限制和约束。
提供一双向喷嘴系统，用于将一种或多种气态的有机硅化合物和一种或多种氧化物输送到基材表面12上的反应区域20，该有机硅化合物的例子是原硅酸四乙酯，该氧化物的例子是臭氧。喷嘴元件40是由单细长的元件组成的，该细长元件具有至少两个端部表面和一细长的外部气体输送表面，该外部气体输送表面包括两个圆形侧边区域42和中心凹下区域。圆形侧边区域42和中心区域的总宽度的范围优选的是约50-200mm。气体输送表面沿着喷嘴元件40的长度延长直接面对基材表面12。至少一第一薄的，基本上恒定宽度的细长的喷嘴狭缝14被成形在单细长的元件上，并且该细长喷嘴狭缝在两个端部表面之间延长用于接受气体。这个喷嘴狭缝14以连续、无阻碍的方式将继续携带的气体分配到反应区域20。具有基本上恒定宽度的至少两个延长的排气通道22也被成形在该细长元件上。这些排气通道22直接沿着每个圆形侧边区域42的边界延伸并且安置在距中心凹下区域尽可能远的位置。该排气通道从反应区域20排出消耗的气体副产品。
可任选的，双-向系统可以进一步包括一成形在细长喷嘴元件40上的第二延长通道，并且该延长的通道延伸到端部表面之间以接受一蚀刻剂物质，和一第二薄的，细长的喷嘴狭缝14，其成形在喷嘴元件40上并且直接在排气通道32与气体输送表面的圆形侧边区域或区域42之间延伸，用来携带从第二喷嘴狭缝14来的蚀刻剂物质和将蚀刻剂分配到反应区域，直接地从中心区域离开并且朝向喷嘴元件40的侧边。
在进一步的双向喷嘴系统的任选实施例中，可以对在一个或多个排气通道中的气流进行换向。在这些可换向的排气出口通道中的气流可以被转向，从而使得气体可以以一标准的方向流动，以便在至少一排气出口通道接收一蚀刻剂气体，同时气流向内经过至少一排气出口通道，同时流向与标准方向相反的方向以便从反应区域20排出消耗的蚀刻剂副产品。在反应气体(例如Si和O3)狭缝16内部的流体被转化为标准反应气体速度的5％到20％的小量的惰性气体流(N2)。根据该实施例，反应气体的流动被关闭并且取而代之的是10％的N2气流。接下来，一蚀刻剂反应气体被导入到惰性气体入口32附近的反向流动排气狭缝66中。然后蚀刻剂气体仅在一个方向流动经过沉积区域20，直到它到达与内部的N2隔离入口30最近的排气狭缝22。如图9所示，经过两个中心排气狭缝将未反应的蚀刻剂和现在-气态的清洁副产品从沉积区域20排出。可以在WO0103858中发现蚀刻-清洁化学反应的详细描述。蚀刻剂流向优选的是通过反应区域20的任一方向和也可以是与相邻的流动单元中相同的或镜向的方向。
在一可选实施例中，提供了一种将气态的有机硅化合物和一种或多种氧化合物输送到在反应区域的基材表面的单向喷嘴系统，该气态的有机硅化合物的例子是原硅酸四乙酯，氧化合物的例子是臭氧。喷嘴系统包括一单向细长的喷嘴元件40，其具有至少两个端部表面42和一细长的外部气体输送表面，该输送表面包括一圆形的侧边区域和一边缘凹下区域。优选的圆形侧边区域和边缘凹下区域的总宽度的范围是大约25到100mm。气体输送表面沿着细长元件的长度方向延伸，直接面对基材。
至少一第一延长通道或喷嘴狭缝14被成形在所述细长元件上。喷嘴狭缝14在两端部之间延伸用于接收气体。在细长元件上还成形有至少一第一薄的，基本上恒定宽度的细长的分配狭缝，该狭缝直接在第一延长通道和气体输送表面的边缘凹下区域之间延伸用于直接输送来自延长通道的气体，从而以连续的，无阻碍的方式分配气体进入到反应区域20。至少一基本上恒定宽度的第二延长排气通道32被成形在细长元件上，该排气通道用于从反应区域20排出消耗的气体副产品。它直接沿着圆形侧边区域42的边缘延伸并且被放置在离边缘凹下区域尽可能远的位置。
在一可选择的单向喷嘴系统中，该系统还包括至少一成形在细长喷嘴元件上的第二排气通道，该细长喷嘴元件在两端部表面之间延长以接收蚀刻剂物质。至少一第二薄的，细长的喷嘴狭缝被成形在单向细长元件上。它直接在至少一第二延长通道和气体输送表面的圆形侧边区域之间延伸，用于从第二延长通道携带蚀刻剂物质并且沿着细长的外部气体输送表面分配蚀刻剂物质，该蚀刻剂物质被引导离开边缘凹下区域并且朝着喷嘴元件40的侧边运动。
                            实验
对上述本发明各种实施例做进一步测试以检验全部性能指标。除了所需优先沉积之外，这些指标包括许多因素，包括粒子的产生，膜的收缩，喷嘴在现场清洁的难易程度，和发展良好的双-向流动加工参数的范围。
图10A和图10B和图11A和图11B显示了试验结果，表明能够使用更宽的沉积区域来控制沉积的优选性(preferentiality)。图10A所示的以图片形式出现的扫描电子显微镜(SEM)的照片i，ii，和iii，显示了静态的基材沉积在宽跨距微结构上，该宽跨距微结构在左下方具有硅表面和在右上方具有SiNy表面，其是用如图7A所示的配置于标准CVD的现有技术的喷嘴成形的。线性喷嘴被放置在距水平装置中心线(在图10B中的X-轴0mm处)的任一一边大约30mm处。也就是，在图10B中，气体注射出口中心线位于-30mm和+30mm处。如图10A中SEM照片和图10B中举例的沉积和整体膜厚曲线所示，膜沉积被局限在两个线性喷嘴中每个的正下方的反应区域内。通过排气通道，将反应化学物质从反应区域中有效地排出，于是在两反应区域之间的区域中沉积有效地下降到零。所有三个静态印刷子区域(在图10B中的曲线1，2，和3)没有显示出优先沉积的迹象。
图10A和图10B分别显示了SEM照片和在基材上的沉积速度与整个膜厚的曲线，该基材与图10A中的基材类似。在该试验中，使用如图12所示的一根据本发明的单向喷嘴。在此情况下，单向沉积区域20的物理宽度是大约75mm。注意图11B中曲线的非-零部分，其描述的是化学沉积宽度，是大约78mm；与物理宽度非常接近。如在图11A的图片i，ii，和iii所示，基材上的SiOx区域比基材上的SiNy区域累积了一更厚的沉积膜的层。图11B的图表说明了作为在静态基材上的位置函数的沉积速度是如何具有一在图10B中没有示出的尾部的。另外，整体厚度曲线显示一膜厚的连续累积，该厚度甚至距气体注射出口中心线(注意图11B中-30mm处)达大约60到70mm。在图11B中的所有三个喷嘴印刷区域显示至少一些优先特性。子区域3的位置暗示优先性开始于距喷嘴出口中心线15mm之外的某处。通过扩大线性喷嘴沉积的宽度，本发明提供了部分优先沉积。在图11B中的优先沉积，当与图10B的松散沉积相比时，不同之处在于：子区域3产生的“扭结”，由区域2限定的适当的倾斜“线性”区域，和子区域1的浅倾斜的“尾部”。在图10A中的SEM照片显示，当从子区域3移动到子区域时，优先性提高，沉积速度降低。因此，沉积区域20的宽度应调节到使高-优先性和高-沉积速度互相排斥的组合达到最佳程度。
如上所述，在优先沉积区域内的流动优选的是，如图4A所示的单向，或如图4B所示的双向。在图4A和图4B中，标识是“CFD模型区域”的虚线框表示的是流程，该流程是经过计算流体动力学语言(CFD)模型检验过的，以确保没有如下的气体再循环流程。本发明的CVD系统和喷嘴已经经过计算流体动力学语言(CFD)模型的检验，使用的是由CFD Research Corporation and Chemkinby Reaction Design出品的“CFD-ACE”软件包。也可以使用由ASML US Inc.研发的另外的算法。CFD模型的主要好处是在要求极高的沉积区内消除了气体再循环的预硬件(pre-hardware)。再循环能够导致在空中传播的小微粒的形成。然后，这些微粒能够落到基材表面上。通常在半导体加工中，这种方式的微粒状污物被认为对电路运行是非常有害的。图13至图15显示了本发明的实施例的CFD模型结果，分别象在图4A和图4B中描述的那样，一单向的实施例(图13)和一双向的实施例(图14和图15)。在每种情况中，由模型输出完成绘制的流函数和详细的速度矢量显示没有在反应气体流动路径上产生再循环的迹象。在所属技术领域，CFD模型包是公知的，例如CFD Research Corp.和FluentInc.，并且通过常规的计算机模拟，CFD模型包可用于优化优先沉积区域的尺寸和化学沉积。
这样，就对半导体工业提供了一显著的进步。参照特定的结构，示范实施例已被描述。那些所属技术领域的技术人员能够领会那些属于权利要求范围的一些能够实施的变化和改进。
本发明的上述特定实施方式和实施例，其出现仅是用于说明和描述的目地，尽管本发明是通过在前的某些实施例来描述的，在此不能理解为对本发明的限制。它们不打算彻底或限制本发明为公开的精确形式，和显而易见地根据上述教导可以进行许多改进，变换和变型。本发明的保护范围包括一般的范围，如在此公开的内容和所附的权利要求和它们的等同替代物。

Claims (13)

1.一种用于在基材表面上沉积膜的化学气相沉积系统，该基材表面具有至少一第一材料区域和至少一第二材料区域，包括：
一喷嘴，所述喷嘴将一种或多种气体提供到一反应区域，所述一种或多种气体在所述反应区域具有一足够的停留时间，以通过所述一种或多种气体的反应来促进一种或多种靶化学物质的形成，所述一种或多种靶化学物质在所述第一材料上的沉积速度快于在第二材料上的沉积速度。
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述停留时间是所述反应区域的体积和气体从所述反应区域排出速度的函数。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述反应区域具有一体积，该体积由至少一顶壁和一基材支撑体限定，并且所述反应体积接收由所述喷嘴经过所述顶壁输送的所述一种或多种气体。
4.根据权利要求4所述的化学气相沉积系统，进一步包括一运输机构，该运输机构用于以一横向速度将所述基材支撑体输送通过所述反应区域至少一次，这样所述基材表面被暴露在所述一种或多种靶化学物质中一所需时段，该所需时段是所述停留时间和所述横向速度二者的函数。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述喷嘴包括一细长的气体输送狭缝，通过该细长的气体输送狭缝输送所述一种或多种气体。
6.根据权利要求5所述的化学气相沉积系统，进一步包括：
至少一用于接收从所述反应体积中出来的排出气体的第一排出通道，所述排出通道包括一通道，该通道基本上与所述细长的气体输送狭缝平行地排列；和
一运输机构，用于在一方向上将所述基材输送通过所述反应腔至少一次，该方向基本上垂至于所述喷嘴狭缝和所述排气通道。
7.根据权利要求6所述的化学气相沉积系统，其中所述喷嘴进一步包括：
一单向细长的元件，所述元件具有至少两个端部表面和一细长的外部气体输送表面。
8.根据权利要求7所述的化学气相沉积系统，其中所述细长的外部气体输送表面进一步包括：
两个圆形侧边区域和中心凹下区域，其中圆形侧边区域和中心区域的总宽度是在大约50-200mm的范围内，并且所述气体输送表面沿着所述元件的长度方向延伸，直接面对所述反应区域。
9.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述一种或多种气体之一是原硅酸四乙酯。
10.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述一种或多种气体之一是臭氧。
11.根据权利要求1所述的化学气相沉积系统，其中所述基材是半导体晶片。
12.一种在基材表面上沉积膜的方法，该基材表面具有至少一第一材料区域和一第二材料区域，步骤包括：
以第一流体速度向一反应区域输送一种或多种气体，所述反应区域具有一体积；
容许所述一种或多种反应气体反应以形成一种或多种靶化学物质与一种或多种废气的气体混合物；
以一排出速度从所述反应区域排出所述气体混合物；
控制所述排出速度和所述第一流体速度相对于所述反应区域体积的比例，从而所述一种或多种气体在所述反应区域中的停留时间足够促进从所述一种或多种气体中形成一种或多种靶化学物质，所述一种或多种靶化学物质在所述第一材料上的沉积速度快于在第二材料上的沉积速度；和
输送所述基材通过所述反应区域至少一次以便暴露所述表面在所述一种或多种靶化学物质中。
13.根据权利要求12的方法，其中所述废气包括：
所述一种或多种反应气体反应产生的副产品，未反应的反应气体，和未沉积的靶化学物质。
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