TW307027B - Process for reducing circuit damage during pecvd in single wafer pecvd system - Google Patents

Description

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _____B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 本發明係關於半導體的製造，更仔細地説，係關於在積 體電路晶圓上沈積防護膜的方法。 發明背景 在半導體主體上沈積絕緣層或防護層時，通常會利用化 學氣相沈積（CVD)，使所需成份之氣趙所組成的化學品（ 反應物）在氣相中進行化學反應，而在積體電路晶圓上形 成堅實的絕緣膜。PEC VD系統可依照壓大小和能量輸入的 方式分類。PECVD系統並不單只依靠熱能，相反地也使用 無線電（RF)所引發的白熱放電電漿，將能量轉移到反應氣 雜内’使積禮電路晶圓可以維持在低於其他製程的溫度。 一般説來，在PECVD系統中沈積絕緣膜時，都是在低頻 、低能量密度的批量反應器中進行的。批量反應器可以同 時容納大量的晶圓。在低能量密度的製程中，會將R F能 量散佈到大量的晶圓上’使各晶圓都接受到低能量密度的 電漿。在這種狀況下’沈積時間很長。低頻製程也有其他 的缺點。在低頻製程中，膜層對特定的元件圖案非常敏感 。換句話説’每一種不同型態的元件，都需要一種不同的 製程，而各晶圓上又具有許多不同的元件圖案。第二，低 頻製程所製作的防護膜在整面晶圓上很容易產生不均勻的 現象。如果晶圓上有各式不同的元件，結構密度也相差很 大，也會發生不均勻的問題。而且批量系統比起單晶圓系 統，更容易產生晶圓之間厚度不一致的問題。 在傳統的電漿製程中，在製程完成率，或説產出率，與 本f張尺度適用中0®家辟（CNS ) A4制·（ 21GX297公釐) 一~~' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· -訂· 線· 307027五、發明説明（ A7 B7 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 半導體几件的晶質之間必須有所取捨。要提高製程完成率 ’就要增加電漿密度和離子流量。對傳統的電漿製程方法 而言，提高產生電漿的RF能量就會提高離子密度。但是 ，提高送往電漿媒介的RF能量，也會提高電漿離子的平 均能量水平，而具有多餘導向能量（例如數百電予伏特）的 離子可能會損壞半導體元件。這是因爲離子具有這麼大的 能量，以致當撞擊到半導體元件時，會穿入元件表面，對 元件造成輻射性的損害。如果發生了這種離子引發的輻射 損害時，就要在製造完成後再進行清洗或回火製程，才能 將半導體元件的效能所受到的不良影響降到最低。此外， 許多非均向性的電漿蝕刻製程常會在半導體晶圓表面上， 留下碳氫化氟等類不需要的化學殘留物，降低製造良率。 最後，製造者就必需藉由一些蝕刻後的清洗步驟，將這些 殘留物從半導體的表面上去除。在傳統的電漿製程技術中 ’電漿媒介會與電漿反應腔的内壁發生反應，使得不同的 污染物（如金屬）會沈積到半導體晶圓上（這些污染物可用 濺鍍的方式，從電漿電極和反應器的内壁上蝕去）。 這些輻射損害，碳氟膜層，電漿生成的污染物，和其他 一些不理想的現象加總起來，會使得所產生的半導體元件 無法達到最好的效能良率。因此，在傳統電漿協助的製程 技術中，爲了要提高製程完成率而藉由提高RF能量來提 高離子密度，確實會造成很嚴重的不良後果。但是，如果 有一種方法可以在提高電漿密度和離子流量的同時，控制 並限制住白熱放電，那麼製造者就可以提高電漿協助的製 -5 本紙張尺度適用中國國家揉準（CMS ) Α4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .人丨裝· -訂· 線 A7 B7 經濟部中央樣準局男工消費合作社印装 五、發明説明（3 ) 程完成率，而不致降低元件的良率。 因此，確實需要有一種方法和裝置，可以在電漿協助製 程中，提高半導禮元件附近的離子密度，同時不致於產生 不受約束的白熱放電_。 正如以上的説明’傳統電漿協助的製程還有另一個限制 ’這是因爲在製程進行中時，電漿會散佈到整個製造處理 腔。結果，與處理腔的内壁發生反應。這些内壁包含了各 種金屬，當電漿物種在進行濺鍍蝕刻或化學反應時，就被 去除並傳送到半導碰元件表面，再埋入半導雅元件内。結 果，會進一步影響半導體元件的品質。 因此’確實需要有一種方法和裝置’足能避免電漿與製 造反應器的處理腔内壁，在電漿協助製程處理過程中發生 反應。 本發明在受到控制的狀況下進行PECVD反應器的操作， 使白熱放電受到控制，也不致與反應器的内壁發生反應， 可以順利地製造氮氧化物防護層之類的絕緣層，完全避免 高頻’高RF能量密度之單晶圓PECVD製程的缺點。本發 明可以處理單晶圓，而且不論元件類型爲何，都能生成均 句的絕緣膜。然而，使用高頻的R F能源製造超大型積體 電路（VLSI)時，一般都會在電漿處理過程中發生損害電路 元件的問題。例如，通常作爲FET電晶體之閘極絕緣層的 閘極氧化薄層（<200埃），在閘極暴露於電漿處理的製程步 驟中，就很容易崩潰。特別是在電晶體上使用電漿加強型 化學氣相沈積（PECVD)法沈積絕緣層時，如果對白熱放電 ___ -6- (請先聞讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家棵準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 307027 A7 --------— _^_ 五、發明説明（4 ) 不加以控制和約束，就會造成損害，並降低良率。 發明的簡要説明 我們提出本發明之新製程的基礎在於我們發現，先前習 知的高能RF電漿加強型化學氣相沈積製程所以會造成損 害並降低良率的原因，就是無法控制或約束電漿的白熱放 電，結果在反應腔内，頂部與底部電極之間的放電狹縫附 近的區域，會有電漿白熱放電與放電腔内壁發生反應。這 會使電極之間的電漿電位產生發散或接地等不均勻的現象 ，並使形成的電漿與放電腔的内壁發生反應，而無法均勻 地控制和約束在電極之間的狹缝區域内，形成對稱的放電 〇 本發明可以控制電漿的電位，使之維持在均勻的水平， 使形成的電漿被侷限在遠離放電腔内壁影響的電極之間的 間隙區域，所以能在使用夠高的能量形成高密度膜層的同 時’還能降低支撑在底部電極或承受電極上電路元件所受 的損害。 本發明控制電漿電位的方式是，先在約高於12托耳的高 壓下進行系統操作，然後一面觀察頂面或驅動電極上的直 流偏壓，一面監控系統的操作，直到獲得最好高於〖〇伏特 的正電位。這時，在驅動電極與承受電極之間會發生對稱 的白熱放電，並有受到控制的電漿存在，只要將壓力大致 維持在14至20托耳之間，就能控制住電漿。 附圖的簡要銳昍 附圖分別爲： -7- 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4规格（21〇><297公釐） f I裝------訂-----L.線 (請先閲讀背面之注項再填寫本頁) A7 B7 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) 圖1是本發明實施例之一的PECVD裝置的側面説明圖； 圖2疋當囷1的裝置中維持均勻的平面化電壓時，被約束 於電極之間均勻電漿的説明圖；而 圖3是囷2的對照圖，其中電極之間的電漿並不受約束， 而且向外擴散到沈積腔的内壁上，在頂部或驅動電極上造 成不平衡的平面化電壓或負電位的直流偏壓。 發明的詳細説明 圖1所説明的PECVD裝置1 0中，包含了外壁1 2所圍住的 電衆·沈積腔11，並有頂部或驅動電極13，與接地的底部 或承受電極14相隔一段距離，而底部電極】4支撐住將以 電漿塗佈一層防護層的半導體積體電路晶圓15。 頂部電極13連接至RF能源，可以高能驅動，而且最好 包含一個傳統的蓮蓬頭結構，並且有單一氣體源或多種氣 體混合源’以便將電漿源導至反應腔11。密封的反應腔 11有一個壓力口 16’含有控制閥17，可以使反應腔！1内 維持所需的壓力。 在蓮蓬頭電極I3上，還有一個可變的RF產生器18藉1117 線19與之耦合’對它施以Rf電位，在電極13和14之間建 立放電電位。這就使得晶圓15得以暴露在RF電漿下，因 爲氣體混合物被導至密封的反應腔丨〗後，會經放電作用成 爲電漿’使氣體開始反應，而在預定的高眞空壓力的條件 下’在晶圓15上沈積出所需的防護層。 接至電極13的RF線19還接至一個包含可變電容之類的 可變RF電壓調節器2〇，和一個量測頂部電極13之尺？電壓 -8 本紙張適用中闺國家榇丰（CNS ) M胁（21〇><297公着 (丨裝------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 五、發明説明（6 ) 和直流電流的裝置21。操作時，RF能量放電會在驅動電 極13和底部電極14上之半導體晶圓15之間，產生電漿和 自發性的負直流偏壓。電漿内的電子會產生一個垂直電場 ，提高電漿密度並使電漿被侷限在晶圓表面上。自發性的 直流電壓所產生的電場，垂直於陰極或晶圓的表面。電子 因此會沿著平行半導體晶圓22表面的路徑移動。 我們發現只要監控頂部或驅動電極13的尺？電壓和直流 電壓，也就是直流偏壓，並且調節壓力和/或RF能量，使 直流偏壓浮動至約大於1 〇伏特的正電位，即可在高壓高 RF能量密度下執行PECVD製程，而不致遭遇習知技術的 缺失。在這種條件下，電漿的白熱放電22受到控制，並且 侷限在電極13和14之間的狹縫區域，只要電漿電位像圖2 所説明的維持均句。 圖3説明了電漿電位不受約束，而且白熱放電23延伸至 反應腔壁12外時’不受約束之白熱放電23與反應器外圍 壁12之間的反應。 本發明提出一種於積體電路半導體晶圓上沈積防護層之 類的絕緣層的高密度、高頻單晶圓電漿加強型化學氣相沈 積（PECVD)製程。其中的—個實施例中，晶圓是放置在第 一或驅動電極上，這是一個反應腔22中接地的承受器。然 後將晶圓1 5加熱至製程所需溫度。在較佳實施例中，製程 溫度最好在350。至430X：之間。接著，對反應腔丨丨加壓， 最好約在12至20托耳之間。 等到達到高壓後，可以將包含氮氣、矽烷、氨氣和氧化 -9 * t紙張尺度逍用中國國家梯準（CNS ) A4規格（21〇χ297公釐 (請先聞讀背面之注f項再填寫本莧) .裝. 訂 經濟部中央榡準局貝工消費合作社印裝 • —I- —1 ·

• In —--I 307〇27 ————五、發明説明（

經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 亞氮之類的混合氣體，經由設計成蓮蓬頭結構的頂部電極 13，導至反應腔11内。氣禮混合物會直接流至晶圓15上 。然後經由線19對蓮蓬頭電極施加無線電頻率（Rp·)的電 位’造成氣嫌混合物的激發和離子化，並發生化學反應， 而在晶圓1 5上形成防護膜。 製程進行到此時，需要量測頂部驅動電極丨3的電漿電位 ’並需控制在約高於1 0伏特的樣定正直流偏壓或電位，以 產生圖2中均勾而受約束的白熱放電22。要進行這種量測 ’可以像圖1，在驅動電極1 3處加上一個電壓計2 1或類似 的裝置。有時爲了將直流偏壓或電位調至約大於1〇伏特， 需要調整壓力至約爲12至20托耳，或者有時也需要調整 R F頻率’直到直流偏壓移至正電位，最好能約大於i 〇伏 特。這種條件可以維持穩定的電漿電位，並使白熱放電22 受到約束。 上述製程所形成的模層同時具有以下的優點：粒子密度 低、紫外光穿透率高、晶圓内和晶圓之間厚度差異很低、 對圖案的敏感度低、能抵抗極高的濕度、無針孔、應力低 、步階覆蓋度低、鍵連的氫含量也很低。混合氣體來自氣 體複管容器’並流經蓮蓬頭電極丨3。各種氣體都由獨立的 氣體管線進入氣體複管容器，而各氣體管線則利用控制閥 ，使反應腔1 1内產生的粒子可以降到最低。 以上的敛述特別是關於應用儀器公司型號Αμε 5000的 PECVD系統和裝置，但是本發明的内容一樣適用於其他的 PEC VD裝置，只要能調整整力和能量，使電漿電位得 -10 · 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS〉A4規格（2丨0X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •榮· b

Je. Γ A7

五、發明説明（8 ) 到控制，而使氣體電漿侷限在電極之間，遠離反應腔内壁 。致於所需調整的數量，則依照所用特定PEcvd裝置、其 反應腔大小、電極間陈、遠離腔壁之距離等條件來決定。 但不論PECVD裝置的種類和大小，本製程都一樣適用，其 效益也沒有差別。 應可瞭解以上的敘述只是爲了説明本發明，熟習本技藝 的人士應可在發明精神之内，設計出許多不同的變化和修 改。因此，本發明應視爲包含所有落於所附申請專利範 圍之内的替代、修改和變化。 1^1 n^— m I -»ι- ϋ— ^^1 ^ n H ^--1 ^^1 1-- 1^1、^TeJ • · (請先聞讀背面之注f項再填寫本頁)

經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS > A4规格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局爲工消費合作社印製 307027 U C8 ----------------- *、申請糊細 i.—種於半導體主體表面上沈積絕緣層之電漿加強型化學 氣相沈積（PECVD)製程，可以降低電漿對半導體主趙的 損害並提高良率，其步驟係包含：將一半導體主體放置 在一承受電極上，該承受電極與一驅動電極相隔一個狹 窄的放電間隙’而該電極包含在一 PECVD裝置的反應 腔内’且遠離腔壁；將混合氣體導入該腔内，進行氣化 反應，並在該承受電極上之半導體主體的表面上沈積一 層絕緣層；將該反應腔加壓至約高於i 2托耳；對驃動 電極施加RF能量，在電極之間的間隙建立RF電漿電位 ’並在驅動電極上形成負直流偏壓，使該間隙内的氣體 形成化學氣相電漿的白熱放電，而在半導體的表面上開 始該絕緣層的反應與沈積；一面觀察驅動電極上的直流 偏壓，一面調整RF能量和/或壓力，直到該直流偏壓浮 動到正電位，使該電漿的白熱放電對稱而均勻，並且侷 限在該電極之間的間隙内，而不致與該腔壁發生反應。 2. 根據申請專利範園第【項之製程，其中該絕緣層是一平 坦化的膜層。 3. 根據申請專利範固第1項之製程，其中該半導艘主體係 一電晶體。 4_根據申請專利範園第1項之製程，其中該壓力是維持在 約1 4至2 0托耳之間。 5.根據中請專利範園第1項之製程，其步驟尚包含將直流 偏壓維持在大於10伏特的正電位。 _ -12- 本紙張尺度逋用中國國家橾準（CNS ) A4规格（210X297公釐） { -^-- * # (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 、1T