TW584902B - Method of plasma processing silicon nitride using argon, nitrogen and silane gases - Google Patents

Description

584902 A7 B7 五、發明說明（ 發明領域丄^ 本發明大體上係關於一種半導體晶圓製程的方法。特 別是本發明係有關於一種沉積氮化矽層的方法。 發明背景 積體電路已逐步發展成為複雜的物件，可以於一單晶 片上包含數百萬個電晶體、電容器以及電阻器。在晶片咬 計的發展中，持續地需要更快的電路以及更高的線路密 度。當線路密度降低，則介電質層（dielectric laye〇的絕緣 效说（insulating performance)就變得更為重要。 氮化矽即是一種已經被採用的介電質原料。氣化碎廣 泛地被使用為鄰近層間以及線路結構上的介電質絕緣原 料。通常’氮化矽是利用矽烷（SiKU)、二氯矽烷（SiH2Cl2)、 以及四氯化矽（SiC14)摻和氨及氮所形成。在氮化矽的沉積 製程中’薄膜内的氫含量可能隨著沉積製程週期中溫度、 功率密度以及頻率的改變而不同。通常氮化矽薄膜内的氫 含量會高於1 3原子百分比。例如，利用電漿促進化學氣 相沉積（於大約攝氏400度下沉積）的氮化矽典型地氩含量 即約為25原子百分比。增加溫度通常可以降低氫含量（換 句話說’於大約攝氏5 5 〇度下沉積將可降低氫含量到大約 1 3百分比）。 該氮化矽薄膜典型地用以作為金屬層間（intermetal) 介電質（IMD)或金屬前（premetal)介電質（PMD)層的蝕刻終 止層。有關金屬層間介電質或金屬前介電質層的蝕刻選擇 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） ί請先閱讀背面之注tr事 再填寫本頁) 裝 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 584902 A7 — ----.^ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（ 性疋一種關鍵性的效能因子。而高蝕刻選擇性是令人滿意 的。氮化4的另一種用途為銅阻障（copper barrier)的應 用’以避免銅擴散進入金屬層間介電質層。滲入氮化矽層 的銅減少到最低，在避免電子飄移（electron migration)及 保持氮化矽薄膜介電質完整性（dielectric integrity)上就很 令人滿意。氮化矽薄膜中其他令人滿意的特性包括低漏電 流（leakage current)以及高介電質擊穿電壓（breakd〇wn voltage) 〇 滲入的氫以許多不同的方式不利於氮化矽層的介電 質效能。例如，氫键常於後續的製程中打斷，諸如漏電流 的增加以及介電質擊穿電壓的降低，都造成了介電質完整 性的降級。較先進的半導體物件，其用於銅阻障的氮化石夕 薄膜厚度必須很薄（通常為300至5〇〇埃），介電質完整性 可能因此而降級。高氫含量的氮化矽薄膜更將導致其蝕刻， 選擇性較低於氧化梦。 因此，有需要有一種技術，以利氮化矽沉積製程形成 介電質性質改良的薄膜。 發明目的及概述： 本發明的一個方向是提供一種沉積氮化矽而氫原子 百分比低於1 3左右的方法。在一個實施例中，本發明提 供一種在電漿製程處理室内以一至少包含氬（Ar)、氮（n2) 以及矽烷（SiH4)的氣體（或混和氣體）所形成的電漿沉積氮 化碎的方法。 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） 請 先 閱 讀 背 Sj 之 注 !裝 頁 訂 584902 A7 B7 五、發明說明（） 圖式簡簞說明： 結合隨附的圖式一起思考下一節本發明的詳細說 明，本發明的講授將可以很容易地被瞭解，圖式中·· 第1圖描繪出一電漿製程設備示意圖，該設備即是本發明 用以實習沉積製程的類型。 第2圖描繪出本發明製程的流程圖；且 第3圖為一表格，總結利用第1圖之設備實習本發明方法 時的製程參數。 為了幫助瞭解，使用了相同的參考號碼，使得可以在 這幾張圖上標明出對應的共用元件。 (請先閱讀背面之注·意事^:填寫本頁) 裝 訂- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖號對照說明： 100 HDP -CVE >系統 112 處 理 室 主 體 1 14 組 合 蓋 1 16 基 板 支 撐 架 組件 140 處 理 室 102 控 制 器 106 中 央 處理 器 108 記 憶 體 1 10 相 關 支援 電路 118 側 壁 120 製 程 區 122 排 氣 通 道 124 基 板 入口 144 入 π 閥 門 132 圓 頂 蓋 138 氣 體 分 配 環 120 電 漿 製程 範圍 190 氣 體 控 制 面 板 192 蓮 蓬 頭 172 上 部 線 圈 174 周 圍 線圈 第6頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 584902 A7 五、發明說明（ 175 104 152 156 160 400 406 410 414 416 502 1 76,1 78 無線電頻率交流電電源 基板 内壁 節流閥組 渦輪式分子泵 沉積製程 供應氬 供應矽境 施加無線電頻率交 控制晶圓的溫度 沉積製程參數 150 外壁 154 排氣口 158 閘閥 157 前級 402 軟體例行程序 408 供應氮 412 調整處理室壓力 電功率 418 沉積氮化矽 504 製程範圍 -裝--- (請先閱讀背面之注意事^再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明詳細說明： 本發明提供一種形成氮化矽而含有氫原子百分比低 於1 3的方法。在一個實施例中，本發明提供一種利用一 至少包含氬（Ar)、氮（NO以及矽烷（SiH4)的氣體（或混和氣 體）所形成之電漿沉積氮化矽的方法。本發明的沉積製程 可以於電漿促進化學氣相沉積中進行出來，例如，美國力口 州聖克拉扭（Santa Clara, California)應用材料公^ (Applied Materials Inc.)的Ultima®高密度化學氣相沉積系 統（HDP-CVD)。 第1圖描繪出一套HDP-CVD系統100，在這套系统 中本發明的沉積方法得以實習。該系統1 00通常包括〜處 理室主體112、一組合蓋（lid assembly)114、以及一基板 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） # 584902 A7 B7 五、發明說明（） (substrate)支撐架組件 1 16，該組件界定出一個處理室 (evacuable enclosure(chamber))140 的空間以利基板製程 的施行。該系統1 00耦合一控制器1 02，該控制器至少包 含一中央處理器（CPU) 106、記憶體108、以及相關支援電 路1 10。該控制器102耦合HDP-CVD系統100中各式各 樣的元件以增進沉積製程的控制。 該處理室主體1 1 2以單元化、而側壁1 1 8界定出一内 部環狀製程區1 20以及同心圓狀地向底部漸漸縮小界定出 排氣通道122的機械結構為最佳。該處理室主體112界定 出許多艙口（port)包含至少一個基板入口（entry port) 1 24，可以選擇性地藉由入口閥門（siit valve) 1 44封 閉。 處理室侧壁118較上面的表面界定出一寬廣平坦，用 以支撐組合蓋114的降落區（landingarea)。該艙壁較上面 的表面造型成一或更多個0環溝槽，以承接一或更多個〇 環，在處理室本體112與該組合蓋114之間，形成一氣密 式封閉區。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 該處理室組合蓋1 1 4通常至少包含一能源傳送圓頂蓋 (energy transmitting dome)132 以及一氣體分配環（gas distribution ring)138。該組合蓋114既提供了電裝製程範 圍120的實體圍場（enci〇sure)，也同時提供驅動製程的能 源遞送系統。該圓頂蓋1 32乃由介電質原料所製成，一個 例子如陶瓷之類的氧化鋁（A1203)，可以傳導無線電頻率 又流電能源（RF energy)。該圓頂蓋132的溫度被調整於各 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公餐) * -- 584902 A7 B7 五、發明說明（) 式各樣的製程中，例如’沉積循環及清理循環（clean cycle)。典k的情形是，圓頂蓋132於清理循環期間被加 熱，而於製程期間被冷卻。 該氣體分配環138被置於圓頂蓋132以及該處理室主 體1 12之間。0環溝槽則形成於氣體分配環138的上部（top) 以承接〇環來封閉圓頂蓋132以及氣體分配環1 3 8的上 部。典型的氣體分配環138至少包含一鋁或其他適合材質 所製成的環狀圓環（annular ring)，環上有許多用來承接噴 嘴（nozzle)以及連結氣體控制面板190的艙口。氣體控制 面板190也可能藉由一蓮蓬頭192與處理室14〇接合。視 需要，蓮蓬頭1 92與氣體分配環1 3 8兩者都可能會彼此接 合在一起。氣體控制面板190提供製程以及其他氣體進入 該處理室1 4 0中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 兩組分離的功率無線電頻率交流電線圈（coil),上部 線圈1 7 2以及周圍線圈1 7 4 ’纏繞於介電質圓頂蓋1 3 2的 外面。無線電頻率交流電線圈1 7 2及1 7 4由兩組不同頻率 的無線電頻率交流電功率來源1 7 6及1 7 8提供。每一個功 率來源（1 7 6及1 7 8)包含一控制回路以及一與無線電頻率 交流電相配合的網路（RF matching network)以轉換功率提 供給電漿。 基板支撑架組件1 1 6架設於處理室側壁1 1 8之上，於 處理室140中間，提供廣泛的環狀基板承接面（rec ei ving surface)。基板支撐架組件1 1 6亦包含一溫度控制系統， 用以於製程期間維持該基板1 0 4的溫度。控制器1 〇 2則被 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 584902 A7 _ B7 五、發明說明（） 裝--- (請先閱讀背面之注蕙事^^:填寫本頁) 辛禹合到支撐組件1 1 6上’以感應基板1 〇 4的溫度。控制器 1 02改變熱流（thermal fluid)的溫度以維持基板1 〇4於預先 指定的溫度。另外，其他加熱以及冷卻的方法，如電阻式 加熱（resistive heating)，亦可能於製程期間用於基板1〇4 的溫度控制。 當支撐架組件1 1 6定位於處理室1 4 0中時，環狀支撐 架組件1 16的外壁（outer wall) 150及處理室140的内壁152 界定出一環狀的排氣通道（exhaust passage)122，以支撐架 組件1 1 6整個圓周為準，使該環狀通道實質地一致。排氣 通道1 22終止於排氣口 1 54，該排氣口與支撐架組件丨i 6 實質地同心圓。排氣口 1 5 4位於支撐架組件1 1 6承接基板 的部分很中心點的下方，以利均勻地由通道1 22抽離氣體 到處理室1 4 0之外。這使得更均勻一致的氣體大約流過整 個圓周的基板表面，由此，且放射狀地由處理室140向下， 以及向外通過排氣口 154，集中於處理室140的底部。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 一至少包含一節流閥組（throttle assembly)156、一問 閥（gate valve)158 以及一渦輪式分子泵（turbomolecular pump) 1 60的泵機架（pumping stack)則架設於處理室主體 Π 2漸漸縮小的底部，以提供系統1 〇〇内的壓力控制。該 節流閥組1 5 6以及閘閥1 5 8則架設於處理室主體1 1 2於渦 輪式分子泵160之間，以容許藉由閘閥158以及/或壓力控 制’區隔出不同的壓力。一前級（f 〇 r e 1 i n e) 1 5 7連結到排氣 口 1 54，位於渦輪式分子泵160的上游以及下游處。提供 了後抽泵（backing pump)的功能。該前級157連結到一遠 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 584902 A7 五、發明說明（ 端的主系（切出）上，—般是粗抽泵（刚伽叫pump)。 於處理室140處理基板的製程中，真空泵抽空處理室 1 4 0到大、2至15毫托耳的壓力範圍，且讓計量過的製程 氣體流或利用氣體分配組件供應的氣體進入到處理室i 中。處理皇的壓力以直接量測處理室内壓力以及輸入這些 資料到控制器中，藉由控制器控制各個閥門開、關調整泵 速（pumping speed)的方式控制。氣體流量以及濃度，則直 接以質量流率控制器（mass flow controller)藉由一套製程 秘缺（p r 〇 c e s s r e c i p e)為中心的軟體控制。量測氣體被泵抽 離處理室140經排氣口 154的流率，利用一位於氣體供應 口的質量流率控制器（未繪出）也可以被用來維持處理室 1 40中需求的壓力以及氣體濃度。 運轉過程中，第1圖描繪出的半導體基板i 04將被置 於基板支撐架1 1 6上，且一些氣態化合物將利用一氣體控 制面板（gas pan el)藉由入口 124供應到製程處理室中，形 成一混和氣體。該氣態混和物運用無線電頻率交流電來源 分別提供無線電頻率交流電功率到上部線圈1 72、周圍線 圈1 74以及基板支撐架1 1 6以在製程區1 20中點燃電漿。 另外，該氣體混和物也有可能以其他的方法點燃。處理室 1 40内部的壓力乃利用介於處理室1 40以及真空泵之間的 節流閥控制。處理室艙壁表面的溫度則以系統1 〇〇艙壁内 的含液體導熱管（未緣出）控制。 基板1 04的溫度係藉由穩定支撐架組件Η 6及流動的 氦氣溫度所達成。該氦氣乃由一來源（未繪出）流入基板後 第11頁 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注 —裝--- 填寫本頁) · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 584902 A7 -------- B7_____ 五、發明說明（） 面及基板支撐架表面溝槽（未繪出）所形成的通道。該氦氣 被用來促進基板1 〇 4以及基板支撐架組件1 1 6之間的熱 傳。在沉積製程中，基板104將被加熱到一穩定狀態（steady state)的溫度。藉由圓頂蓋132以及基板支撐架組件1 16 的熱控制，該基板104將維持在攝氏250至500的溫度下。 施加到上部感應線圈1 72的無線電頻率交流電頻率， 將介於50千赫至13.56百萬赫之間，且功率可能由幾百瓦 特變化到幾千瓦特。施加到周圍感應線圈1 74的無線電頻 率交流電頻率，將介於50千赫至13.56百萬赫之間，且功 率可能由幾百瓦特變化到幾千瓦特。施加到基板支撐架組 件1 1 6的功率，則有可能是直流電或無線電頻率交流電， 常用於改良覆蓋率（step coverage)。小到幾乎沒有的偏壓 功率（bias power)將可能被使用。在本發明的一個實施例 中’當偏壓功率的頻率為13.56百萬赫，功率達到大約5000 瓦特時’上部線圈的功率頻率丨2 · 5 6百萬赫，功率則介於 大約1 0 0 0至大約4 8 0 0瓦特之間，且周圍線圈功率頻率 1 2 · 5 6百萬赫’功率則介於大約1 0 0 0至大約4 8 0 0瓦特之 間。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 如上所述’為了促進幫助系統丨〇 〇的控制，中央處理 器106可能為任何廣泛用途的電腦處理器之一，可以用在 工業上的設定以控制各種不同的處理器以及次處理器 (subprocessor)。記憶體108接合於中央處理器1〇6。該記 憶體108,或電腦可讀取媒介，可能為一或更多及時可得 的記憶體，例如隨機存取記憶體（RAM)、唯讀記憶體 第12肩* 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297^^7-~ 584902

(請先閱讀背面之注爹？事_奔填寫本頁) 裝 Ί^τ·- 五、發明說明（） 於-電腦系統上執行，以硬體如特殊的積體電路應用系統 或其他型式硬體的實作，或一種軟體與硬體的組合。 更明確的說，例如，氮化矽於晶圓i 04之上沉積，首 先分別供應至少包含大約200 sccm的氬、大約2〇〇 sccm 的氮以及大約20 sccm矽烷的混和氣體至處理室中如步驟 406、408以及410。在步驟412中，該混和氣體在系統ι〇〇 中的壓力，被調整到大約6毫托耳。 當4混和氣體出現於晶圓1 〇 4之上時，步驟4丨4施加 大約1 500瓦特的無線電頻率交流電功率到上部線圈，且 施加大約3 000瓦特的無線電頻率交流電功率到周圍線 圈’形成以及維持一電漿。晶圓1 〇 4則於步驟4 1 6中被加 熱到大約攝氏400度。在步驟4丨8中，晶圓上的氮化矽沉 積將含有低於或相等於8原子百分比的氫。 氫含量取得於製程400的氮化矽層，非常有利於與利 用先前技術沉積而成的氮化矽比較。這項氮化矽層間的比 幸父顯示’應用製程4 0 0沉積的薄膜，其物理性質顯得較佳 於一起比較的由先前技術所沉積的薄膜。舉例來說，製程 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 400的氮化矽薄膜典型地於6: 1 B〇E(buffered oxide etcher) 溶液中的濕蝕刻率（wet etch rate)為每分鐘6.5埃，且氫含 量大約8原子百分比（利用hydrogen forward scattering技 術量測）。利用先前技術電漿促進化學氣相沉積的薄膜通 常於6 ·· 1 BOE中的濕蝕刻率為每分鐘65埃，且氫含量大 約1 4原子百分比。 此外’在與應用技術領域熟知的技術所沉積的氮化石夕 第u頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公餐） 584902 A7 ________B7 五、發明說明（） 薄膜比較之後，製程400的氮化矽薄膜仍擁有較佳的阻障 (barrier)性質。當製程400被應用時，1〇-4原子百分比的 銅擴散長度（diffusion length)或銅滲入氮化矽薄膜的深度 大大的有所改善。先前技術的電漿促進化學氣相沉積薄膜 的擴散長度通常大約為300埃。利用製程4〇〇所沉積的薄 膜的擴散長度則大約為1 50埃。擁有較短擴散長度的薄膜 可能有利於應用在薄膜（thin film)的積體電路構裝上，以 將電子偏移減到最低。 本發明實施例揭露如上的沉積製程參數都已總結於 第3圖的502欄中。第3圖504的欄位中，則包含了製程 範圍，由此某人可以利用Ultima® HDP-CVD實習本發明。 此外，利用本發明在此所揭露的講授，本發明可能被 實習於其他沉積設備中，其中的這些製程參數，可能藉由 熟悉此領域技藝者而調整到足以達成可接受的钱刻選擇 性以及銅阻障特性，均不脫離本發明的精神。 (請先閱讀背面之注寒事項卑填寫本頁) -裝 # 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 584902 B8g| 第和"巧從 申請專利範圍

   .IF, V2月1修正 煩請委員玥示作年ΙΧΗΓ 修正本 有無變更貧質内容？是否隹予疹L·? 1· 一種在一電漿製程處理室内形成氮化矽的方法 至少包含： 結合一流率100至250SCCH1的氬（Ar)、一流率1〇〇 至500 sccm的氮（N2)以及一流率1〇至8〇 sccm的石夕燒 (SiH4)於一電製中。 2·如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中該結合步驟更 包含： 維持一工作部件於攝氏250至500度。 3 ·如申請專利範圍第2項所述之方法，更包含： 施加一 1000至4800瓦特的電感來源功率至—第一 個電感耦合線圈 4 ·如申請專利範圍第3項所述之方法，更包含： 施加一 1000至4800瓦特的電感來源功率至一第二 個電感搞合線圈。 ..............0: f請先聞讀背面之注意事項再«ΦΤ本頁} 訂. 線一 經 濟 部 暫 慧 財 產 局 II 消 费 合 作 社 印 製 5·如申請專利範圍第4項所述之方法，更包含： 維持一介於4至1 5毫托耳的總氣體壓力。 • 6. —種儲存有複數個指令於其上的電腦可讀性媒介，該複 數個指令包含指令，當指令藉由一處理器執行時，將導 致該處理器去控制一半導體晶圓製程處理室，以進行一 ___•第16頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4规格(210X297公袭厂 ---------- 584902 B8 C8 ___D8 _ 六、申請專利範圍 操作： 結合氬（Ar)、氮（N2)以及矽烷（SiH4)於一電漿中，其 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 中該結合步驟包含： 供應一流率100至25.0 seem的氬（Ar); 供應一流率1〇〇至500 seem的氮（Ν2);以及， 供應一流率1〇至80 seem的石夕烧（SiH4)。 7. 如申請專利範圍第，6項所述之電腦可讀性媒介，其中更 包含： 維持一介於4至1 5毫托耳的總氣體壓力。 8. 如申請專利範圍第7項所述之電腦可讀性媒介’更包含： 維持一^工作部件於攝氏250至500度。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電腦可讀性媒介’更包含： 施加一 1000至4800瓦特的電感來源功率至一第一 個電感耦合線圈。 經. 濟 部 智 慧 財 產 局 貝 i. 消 费 合 作 社 印 製 1 0.如申請專利範圍第9項所述之電腦可讀性媒介，更包 含·· 施加一 1000至4800瓦特的電感來源功率至一第二 個電感耦合線圈。 第17頁 本紙張尺度適用t國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 584902

   102

   第1圖