TWI397960B - 用於減少高密度電漿製程中之蝕刻速率漂移的方法 - Google Patents

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Description

用於減少高密度電漿製程中之蝕刻速率漂移的方法
本發明涉及高密度電漿製程。
在半導體技術發展中一直存在的其中一個挑戰是想要在基板上增加電路元件和內連線的密度，又不會在元件之間引入寄生作用(spurious interactions)。典型可藉著提供填充有電絕緣材料的間隙和溝槽來物理性且電性地隔開該些元件，以防止不想要的交互作用。隨著電路密度增加，這些間隙的寬度減小，而增加了間隙的沉積，使得填充間隙但不會留下空洞變得更加困難。不希望在間隙沒有被完全填充時形成空洞，因為這些空洞可能因為例如捕獲絕緣材料內的雜質，而對完成元件的運作產生不利影響。
在該間隙填充應用中普遍採用的技術是化學氣相沉積(CVD)技術。習知的熱CVD製程提供反應氣體至基板表面，在該基板表面上發生熱誘發化學反應來生成所需的膜層。電漿增強CVD(PECVD)技術是藉著對接近基板表面的反應區施加射頻(RF)能量，促使反應氣體的激發和/或離解，從而產生電漿。電漿物種的高反應性可降低發生化學反應所需的能量，因此與習知熱CVD製程相比，此類CVD製程所需的溫度較低。利用高密度電漿(HDP)CVD技術可以進一步發揮這些優勢，其中在低真空壓力下形成緻密電漿，因此電漿物種甚至更具反應性。雖然這些技術都廣義地統稱「CVD技術」，但它們各自有各自的特性，使得它們更加適合或不太適合某些特定應用。
HDP-CVD系統所形成的電漿比使用標準型電容耦合電漿CVD系統之電漿的密度要大至少約2個量級。HDP-CVD系統的實例包括感應耦合電漿系統和電子迴旋共振(ECR)電漿系統，以及其他系統。HDP-CVD系統的操作壓力範圍通常比低密度電漿系統要低。在HDP-CVD系統中使用的低腔室壓力提供具有長平均自由程(long mean-free-path)和減小角分佈的活性物種(active species)。這些因素連同電漿密度，有助於使電漿相當量的成分甚至到達緊密地間隔之間隙的最深部分，並且與在低密度電漿CVD系統中所沉積的膜相比，能提供具有改進間隙填充能力的膜。
允許HDP-CVD技術所沉積的膜具有改進間隙填充特性的另一因素是沉積膜的同時促使利用高密度電漿進行濺射。HDP沉積製程的濺射部分可減慢在某些特徵(例如凸起表面之拐角)上的沉積，從而提高HDP沉積膜的間隙填充能力。一些HDP-CVD系統引入氬或類似的重惰性氣體，以進一步促進濺射作用。這些HDP-CVD系統典型地利用基板支撐基座內的電極，該電極能夠形成電場來偏壓電漿使之朝向基板。在整個HDP沉積製程中能夠施加電場，以進一步促進濺射並為既定的膜層提供更好的間隙填充特性。
最初認為是因為其同時進行沉積/濺射的特點，因此HDP-CVD可以填充幾乎任何應用中的間隙或溝槽。然而，半導體製造商已經發現HDP-CVD製程能夠填充的間隙沉積存在著實際限制。例如，常用於沉積氧化矽間隙填充膜的一HDP-CVD製程利用包括矽烷(SiH4 )、氧分子(O2 )和氬(Ar)的製程氣體來形成電漿。已經有報導指出當該製程用於填充某些窄高寬比的間隙時，製程氣體中的氬引起的濺射可能妨害間隙填充效果。具體而言，有報導指出製程中的氬所濺射的物質再次沉積在正在填充之間隙側壁上部上的速率會比在間隙側壁下部的沉積速率更快。因此，如果再成長的上部區域在間隙被完全填充之前就接合的話，則可能導致在間隙中形成空洞。
第1圖顯示在沉積製程不同階段時期的氧化矽膜的示意剖面圖，以說明一些CVD製程中相關的可能間隙填充限制。圖中以稍微誇大的形式顯示出間隙填充問題，以更好地說明該問題。第1圖的頂部示出初始結構104，其中由具有水平表面122的兩個相鄰特徵124和128定義出一間隙120，並且間隙底部的水平表面標示為132。如結構108中所示，即，圖中從頂部數來第二部分，習知的HDP-CVD氧化矽沉積製程會在間隙120底部的水平表面132上以及在特徵124和128上方的水平表面122上直接沉積。然而，由於隨著氧化矽膜生長，也會因為從氧化矽膜濺射出的材料再次結合，而導致間接沉積在間隙120的側壁140上(稱為「再沉積」)。在某些小寬度、高的深寬比應用中，氧化矽膜的不斷生長導致在側壁140的上部產生形成物136，該形成物136以超過膜層在側壁下部橫向生長的生長速率來朝向彼此生長。在結構108和112中顯示出了此趨勢，並且在結構116中的最終結果是在膜內形成空洞144。形成空洞的可能性與再沉積的速率和特性非常直接相關。
因此，本領域中仍存在對改進間隙填充技術的需要。
本發明實施例提供在多個基板上沉積膜的方法。在第一組實施例中，藉著提供調節前驅物(season precursors)氣流至一處理腔室來調節該處理腔室。施加至少7500W的源功率而由該些調節前驅物形成高密度電漿，其中大於70%的源功率分配在該處理腔室的頂部。利用高密度電漿沉積在一點處具有至少5000厚度的一調節層。多個基板的每個基板順序傳送至該處理腔室中，以在多個基板的每個基板上執行包括蝕刻的製程。在多個基板之每個基板的順序傳送之間，清潔該處理腔室。
在不同實施例中，至少5000的厚度可包括至少7500的厚度，或可包括至少10000的厚度。調節前驅物氣流可以提供為，例如矽烷(SiH4 )的含矽氣流以及例如氧氣(O2 )的含氧氣流。含氧氣體的流率可小於含矽氣體的流率，或是可能小於0.8倍的含矽氣體流率。在一些例子中，額外提供與含矽氣體和含氧氣體不發生反應的氣體氣流，有時具有小於200sccm的流率。
在第二組實施例中，對處理腔室進行調節，以及將多個基板的每個基板順序傳送至該處理腔室中，以在多個基板的每個基板上執行包括蝕刻的製程。藉著執行處理腔室的局部清潔、然後加熱處理腔室以及隨後完成處理腔室的清潔，而在多個基板之每個基板的順序傳送之間清潔該處理腔室。
執行處理腔室的局部清潔和完成處理腔室的清潔各自包括將一鹵素前驅物流入處理腔室，以及由該鹵素前驅物形成一高密度電漿。合適鹵素前驅物的其中一實例是氟(F2 )。可以執行局部清潔，使其超過75%的清潔終點(endpoint of the clean)。可以藉著將加熱氣體流入處理腔室，並且由加熱氣體形成高密度電漿來加熱處理腔室。加熱氣體的實例包括氧氣(O2 )、氬(Ar)和氦(He)等。可以藉著施加在頂源和側源之間大約均等分配的源功率來形成高密度電漿。
參照說明書的其餘部分和附圖可以進一步理解本發明的本質和優點。
本發明實施例涉及納入蝕刻步驟的基板上膜層沉積方法。在本發明的特定示例性應用中，提供利用高密度電漿CVD製程沉積氧化矽層以填充基板表面中之間隙的方法。根據本發明技術所沉積的氧化矽膜具有優異的間隙填充能力，並能夠填充，例如，淺溝槽隔離(STI)結構中出現的間隙。因此，利用本發明方法所沉積的膜適合用在多種積體電路製造中，包括用在具有45奈米(nm)或小於45nm的特徵尺寸的積體電路中。
發明人在其沉積方法研究中的其中一個發現在於在該方法的蝕刻部分期間存在有隨著處理的基板越多，蝕刻速率越小的系統趨勢。即使每個基板的製程條件實質相同時，也會發生「蝕刻速率漂移(etch-rate drift)」。
第2圖示出可以根據本發明實施例進行填充的結構類型，第2圖顯示部分完成的積體電路200的簡化剖面圖。在包括多個STI結構的基板204上形成該積體電路，通常是藉著在基板204的表面上形成薄墊氧化層220，然後在墊氧化層220上形成氮化矽層216而形成每個STI結構。然後，利用標準光微影蝕刻技術來圖案化該氮化層和氧化層，並且貫穿氮化物/氧化物疊層而進入基板204中以蝕刻溝槽224。第2圖顯示出，該積體電路可能包括電晶體或其他主動元件相對較密集堆積的區域208，以及可能包括相對較疏離(isolated)的開放區域212。在開放區域212中主動元件彼此分離的程度可能比在密集堆積區域208中元件的分離程度(separation)要大上一個數量級，但本文中所使用的「開放區域(open area)」一詞可理解成該開放區域中的間隙寬度至少是「密集區域(dense area)」中之間隙寬度的五倍。
本發明實施例提供利用具有較佳間隙填充性質的沉積製程以電絕緣材料(例如二氧化矽)來填充溝槽224的方法。在一些例子中，在間隙填充製程之前，在基板上沉積初始襯墊層，作為原位蒸汽產生層(ISSG)或其他熱氧化層，或可以是氮化矽層。在填充溝槽224之前沉積該襯墊的一個優點是提供適當的轉角圓化(corner rounding)，這可能有助於避免在電晶體中形成早期閘極崩潰(gate breakdown)的效應。
如本文中所使用者，高密度電漿製程是電漿CVD製程，其同時包括沉積部份和濺射部分，並採用具有1011 離子/立方公分(ions/cm3 )或更大數量級之離子密度的電漿。高密度電漿之沉積和濺射特性組合後的相對強度可能取決於一些因素，例如用來提供氣體混合物的流率、為了維持電漿所施加的源功率大小、施加至基板的偏壓功率等等。這些因素的組合可以用「沉積/濺射比率」方便地量化，有時表示為D/S以代表該製程特性：
該沉積/濺射比率隨著沉積增加而增加，並隨著濺射增加而減小。如D/S的定義中所使用的，「淨沉積速率」指當沉積和濺射同時發生時測得的沉積速率。「全濺射速率(blanket sputtering rate)」是在無沉積氣體的條件下執行製程配方時所測得的濺射速率；處理腔室內的壓力被調整至沉積期間的壓力，以及濺射速率在一毯覆式熱氧化物(blanket thermal oxide)上測得。
可使用本領域技術人員所知的其他等效測量方法來量化HDP製程之沉積和濺射的相對貢獻。常用的替代性比率是「蝕刻/沉積比率」，
該「蝕刻/沉積比率」隨著濺射增加而增加，並且隨著沉積增加而減小。如在E/D的定義中，「淨沉積速率」同樣是指當沉積和濺射同時發生時所測得的沉積速率。然而，「源沉積速率(source-only deposition rate)」是指當製程配方在沒有濺射作用的情況下執行時所測得的沉積速率。在此以D/S比率來說明本發明實施例。雖然D/S和E/D並非恰好是倒數，但它們是反相關(inversely related)，並且本領域的技術人員將理解兩者之間的轉換。
通常藉著包括前驅物氣體氣流以及在某些例子中可作為起濺射劑的流動氣體氣流(fluent gases)來或得HDP-CVD製程中之指定步驟的所需D/S比率。前驅物氣體中所含的元素會反應形成具有期望成分的膜。例如，為了沉積氧化矽膜，前驅物氣體可以包括諸如矽烷(SiH4 )的含矽氣體，以及諸如氧分子(O2 )的氧化氣體反應物。藉著使用含有所需摻雜劑的前驅物氣體可以在膜中添加摻雜劑，諸如可利用包括SiF4 氣流以氟化該膜，包括PH3 的氣流以磷化該膜，包括B2 H6 的氣流以硼化該膜,包括氮(N2 )的氣流以氮化該膜等。流動氣體可以與氫氣(H2 )氣流或惰性氣流(包括氦(He)氣流)，或者甚至是更重的惰性氣流(諸如Ne、Ar或Xe)一起提供。通過不同流動氣體提供的濺射程度與它們的原子質量(或者當使用H2 的情況中則是分子質量)直接相關，利用氫氣(H2 )可產生甚至比氦(He)更少的濺射。本發明實施例大體上提供平均分子質量小於5amu的流動氣體氣流。其可以藉著使用單一種低質量氣體來達成，例如使用實質純H2 的氣流或實質純He的氣流來獲得。可選地，有時後可提供多種氣體的氣流，例如既提供H2 氣流又提供He氣流，該些氣流在HDP-CVD處理腔室中混合。或者，有時氣體可以預先混合，使得H2 /He的氣流以混合型態供應至處理腔室。還可以提供數種較高質量氣體的獨立氣流，或者在預先混合物中包括較高質量氣體，並且選擇該預先混合物的相對流率和/或濃度，以維持小於5amu的平均分子質量。
在高深寬比的結構中，當與採用諸如Ar之流動氣體的更傳統技術相比下，發現採用相對較高流率的低質量流動氣體通常可改善間隙填充能力。並認為這是藉著使用He或H2 作為流動氣體來達到減少再沉積，使得間隙閉合較慢的結果。但即使採用這種低質量流動氣體，在沉積期間也存在轉角截除(corner clipping)的風險。參照第3A和3B圖可以理解此作用，第3A和3B圖分別顯示HDP製程中之濺射部分(sputtering component)對於密集堆積區域中之間隙和對於開放區域中之間隙的影響。
具體地說，第3A圖中的間隙304是高深寬比的間隙，且具有利用HDP-CVD製程所沉積的材料，而在水平表面上形成尖突結構(cusp structure)308。當電漿離子沿著路線316撞擊時，會將材料從尖突308濺射出來，而發生再沉積(redeposition)。所濺射的材料312沿著路線320到達間隙304相對側上的側壁324。這作用是對稱性的，因此當材料被濺離該間隙的左側而到達右側時，材料也會被濺離該間隙的右側而到達左側。材料的再沉積作用保護不會因過度濺射而導致轉角截除(clipping)。
如第3B圖中所示的開放區域結構330中，在此開放區域中不存在這種對稱性。在該例子中，沉積造成類似尖突308’的形成，但是當電漿離子沿著路線316’撞擊而沿路線320’將材料312’濺射出來時，間隙的相對側相距太遠而不能發生保護性的再沉積作用。第3B圖中，結構的轉角受到如第3A圖所示結構轉角相同的材料濺射作用，但是沒有接收到來自間隙相對側所濺射出之材料的補償效果。因此，存在著增高截除轉角且損壞下方結構的風險。
第4A圖的流程圖概括了本發明的方法，第4A圖提供所述方法的概述。這些方法應用於在一共同處理腔室中數個基板的操作行程，其中將於每個基板上執行多個製程。方法始於步驟402，以調節(seasoning)處理腔室，即，利用材料塗覆處理腔室的內部結構，該材料的一個實例包括SiO2 。在步驟404，一基板被傳送到處理腔室中，而在步驟406中，在該基板上執行製程。即使該製程應用的總結果是材料的淨沉積時，該製程包括一有效蝕刻(significant etching)。在步驟410，基板被傳送出處理腔室，在步驟412清潔該處理腔室。
在步驟414，檢查整個基板的操作行程(run)是否已經完成。典型的基板操作行程可能包括五個基板，但在不同特定的實施方式中，可以使用更多或更少數量的基板。如果基板操作行程尚未完成，則在步驟404中，將操作行程中的下一個基板傳送至該處理腔室中，並且對該下一個基板重複執行該方法。一旦整個基板操作行程已經完成，那麼再次於步驟402調節該處理腔室，為另一次基板行程做準備，以使用步驟406的相同製程或使用不同的製程進行另一次的基板行程。
第4B圖顯示在步驟406可能採用的製程的詳細內容。在該實例中，利用沉積/蝕刻/沉積製程在基板上達成沉積，但本發明方法可以更廣地應用於具有有效蝕刻部分(significant etching component)的其他類型製程。基板典型地為例如直徑200mm或300mm的半導體晶圓。
在步驟420，將前驅物氣體氣流提供至腔室，前驅物氣體氣流包括矽前驅物氣流、氧前驅物氣流和流動氣體氣流。表1提供了使用甲矽烷(SiH4 )、氧分子(O2 )和氫氣(H2 )的氣流來沉積未摻雜矽酸鹽玻璃(USG)的示例性流率，但是應該理解如前所述也可以使用包括摻雜劑來源的其他前驅物氣體和其他流動氣體。
如表所示，對於200-mm和300-mm直徑的晶圓，前驅物氣體的流率類似，但是流動氣體的流率通常較高。
在步驟422中，藉著將能量耦合至腔室，而由氣態氣流(gaseous flow)形成高密度電漿。用於產生高密度電漿的常用技術是電感耦合射頻能量。D/S比不僅由氣體的流率來確定，而且還由耦合至腔室的能量功率密度來確定，藉由施加到基板的偏壓強度來確定，藉由腔室內的溫度來確定，由腔窒內的壓力來確定，以及由其他因素來確定。對於在步驟424中膜的初始部分的沉積，在某些實施例中，可以選擇處理參數以提供超過20的D/S比率，而同時提供900至6000/min(埃/分鐘)相對較低的沉積速率。發明人發現到對於很小的特徵尺寸，一般利用低沉積速率和高D/S比率的這種組合可改善間隙填充特性。
在沉積完成之後，在步驟426中，結束沉積前驅物氣流，然後在步驟428檢查該膜是否已經達到所需的厚度。本發明實施例包括以一蝕刻階段分隔開的至少兩個沉積階段，根據正在填充的間隙的特定特性，可以能具有5至15個沉積階段或者甚至更多的沉積階段。
在步驟430，藉著流入鹵素前驅物而開始該製程的蝕刻階段，鹵素前驅物通常包括諸如NF3 或含氯氟碳化物(chlorofluorocarbon)的氟前驅物。在步驟432，利用高源功率密度由鹵素前驅物形成高密度電漿。在一些實施例中,源功率密度在大約80,000和140,000W/m2 之間，這對於直徑300-mm晶片相當於在大約6000和10,000瓦(W)之間的總源功率，而對於直徑200-mm晶片相當於在大約2500和4500瓦之間的總源功率。發明人發現使用高源功率使得沉積剖面(deposition profile)比使用低源功率更加對稱。在一些實施例中，總源功率分佈在頂源和側源之間，使得源功率的主要部分由側源提供。例如，側源功率可以是頂源功率的1至5倍，並且在一特定實施例中，側源功率是頂源功率的3倍。
在步驟434中，使用產生的鹵素電漿來回蝕(etch back)沉積的膜。雖然可以被蝕刻的材料具體量是相對性地取決於基板結構的各定結構，但是通常在後期蝕刻循環中材料可被蝕刻的量會大於在前期蝕刻循環中材料可被蝕刻的量。這是由於沉積和蝕刻步驟的順序改變了基板整體地形輪廓(topology)而造成的結果。這種步驟的順序的大體趨勢是，在該循環的蝕刻階段過程中，地形輪廓變得越來越趨向於更大蝕刻量。在步驟436，結束鹵素前驅物流，在步驟420中，藉著再次流入矽前驅物、氧前驅物和流動氣體的氣流，而使製程可返回到沉積階段。
通常期望在各沉積階段期間使用相同的前驅物用於材料沉積，並且期望在蝕刻階段使用相同的前驅物用於去除材料，但是對於本發明這不是必須的。在各沉積階段所沉積的材料量通常在300至1000之間，同時，當每個循環(cycle)使用較大沉積量時，整個製程需要較少個循環。當每個循環沉積300時，為了沉積相同量的材料，其所需要的循環大約是當每個循環沉積1000時的六倍。
第4C圖示出在一些實施例中可用在步驟402的調節製程。在步驟440，調節製程開始，在腔室內建立調節條件。在一些實施例中，該條件包括在25至65毫托(mtorr)之間的腔室壓力。在步驟442提供調節前驅物氣流，在該調節包括SiO2 塗覆的實施例中，前驅物可包括含矽氣體(諸如矽烷)和含氧氣體。例如，矽前驅物可以包括SiH4 以及氧前驅物可以包括O2 。在一些實施例中，含氧氣體的流率小於含矽氣體的流率，可能小於0.9倍的含矽氣體流率，可能小於0.8倍的含矽氣體流率，可能是小於0.7倍的含矽氣體流率，可能是小於0.6倍的含矽氣體流率，或可能是小於0.5倍的含矽氣體流率。例如，在使用SiH4 和O2 的一實施例中，O2 的流率是300sccm和SiH4 的流率是470sccm，流率比大約等於0.65。在步驟442提供的氣流有時還可包括不發生反應(nonreactive)的氣體，諸如使用He、Ne或Ar的實施例。不發生反應的氣體的流率典型地小於200sccm以減少濺射效應，並且可以是0sccm。
在步驟444，如上所述藉著耦合能量至處理腔室中，而由調節前驅物形成高密度電漿。能量較佳是以施加頂源功率來耦合能量為優先，並且在本發明的實施例中，有70%以上的源功率施加在腔室的頂部，在腔室的頂部施加80%以上的源功率，在腔室的頂部施加90%以上的源功率，或者甚至在腔室的頂部施加的100%的源功率。所施加的典型功率大於7500W，在一實施例中，使用大約9000W功率完全施加在處理腔室的頂部。
在步驟446，該高密度電漿用於沉積該調節層。雖然通常預期調節層的厚度可能是不均勻的，但在一些實施方式中，在一點處其具有至少5000的厚度，在一點處具有至少6000的厚度，在一點處具有至少7500的厚度，在一點處具有至少10,000的厚度，或者在一點處具有至少12,500的厚度。在調節處理層沉積後，在步驟448，停止調節前驅物氣流。
第4D圖給出了根據本發明實施例在第4A圖的步驟412清潔腔室的一方法流程圖。該清潔方法包括兩步清潔，並且在清潔的兩個步驟之間執行加熱製程。
因此，在步驟460，在基板完成處理後，將諸如F2 的鹵素前驅物流入處理腔室。在步驟462，由鹵素前驅物形成高密度電漿，並且在步驟464，利用高密度電漿執行局部清潔。在一些實施例中，可以執行大於75%之製程終點的部分清潔。
在完成了第一清潔步驟之後，在步驟466停止鹵素前驅物流。在步驟468，用加熱氣流替代該鹵素氣流，在步驟470中由該加熱氣體形成一加熱電漿。僅作為舉例，在不同實施例中，加熱氣體可以包括O2 、Ar和/或He，以及均等地以頂部和側部均等分配地施加12,000W的示例性源功率，並且持續30到120秒的時間。這種中間加熱的步驟抵消了腔室在清潔過程中發生整理冷卻作用。
在步驟472停止該加熱氣流之後，在步驟474可以再次採用鹵素前驅物氣流，以及在步驟475再次形成高密度電漿，用於完成腔室清潔。
示例性基板處理系統
發明人使用加利福尼亞州聖克拉拉市(Santa Clara,California)之應用材料有限公司(APPLIED MATERIALS,INC.)所製造的ULTIMATM 系統來實施本發明的實施例，上述系統的大致描述提供在共同轉讓的美國專利6,170,428號中，該專利申請是由Fred C. Redeker、Farhad Moghadam、Hirogi Hanawa、Tetsuya Ishikawa、Dan Maydan、Shijian Li、Brian Lue、Robert Steger、Yaxin Wang、Manus Wong和Ashok Sinha在1996年7月15日申請，其發明名稱為「對稱性可調式感應耦合HDP-CVD反應器(SYMMETRIC TUNABLE INDUCTIVELY COUPLED HDP-CVD REACTOR)」，本文中納入該文獻全部揭示內容來作為參考。以下結合第5A和5B圖提供該系統的概述。第5A圖示例性示出一實施方式中此種HDP-CVD系統510的結構。系統510包括腔室513、真空系統570、源電漿系統580A、偏壓電漿系統580B、氣體輸送系統533和遠端電漿清潔系統550。
腔室513的上部分包括由諸如氧化鋁或氮化鋁等陶瓷介電材料製成的拱頂514。拱頂514界定出電漿處理區域516的上邊界。電漿處理區域516在底部是以基板517的上表面和基板支撐件518為界。
加熱板523和冷卻板524安裝在拱頂514上方並且與拱頂514熱連接。加熱板523和冷卻板524允許將拱頂溫度控制在大約100℃至200℃的範圍且大約±10℃內。這允許針對各種製程使拱頂溫度最適化。例如，希望拱頂溫度在清潔或蝕刻製程保持比沉積製程更高的溫度。拱頂溫度的精確控制還可減小腔室內剝落或顆粒量並且提高沉積層和基板之間的粘著。
腔室513的下部分包括將腔室連接至真空系統的主體構件522。基板支撐件518的基座部分521被安裝在主體構件522上並且與主體構件522形成連續的內表面。利用機械手刀刃(末示出)通過腔室513之側壁中的插入/移出開口(未示出)以傳送基板進出腔室513。升降銷(未示出)在馬達(也未出)的控制下升高然後降低，以將基板從位在上方裝載位置557處的機械手刀刃上移至下方處理位置556，在下方處理位置，基板放置在基板支撐件518的基板接收部分519上。基板接收部分519包括靜電吸盤520，該靜電吸盤520在基板處理期間將基板固定到基板支撐件518上。在較佳實施例中，基板支撐件518由氧化鋁或鋁陶瓷材料製成。
真空系統570包括節流閥主體(throttle body)525，該節流閥體525容納雙葉片節流閥(twin-blade throttle valve)526並且附接至閘閥527和渦輪分子泵528。應該注意到節流閥主體525提供對氣流的最小阻塞，並且允許對稱抽氣。閘閥527能將泵528與節流閥主體525隔離，並且當節流閥526完全打開時，能夠藉著限制排氣量來控制腔室壓力。節流閥、閘閥和渦輪分子泵的配置允許精確且穩定地將腔室壓力控制達約1毫托至約2毫托。
源電漿系統580A包括安裝在拱頂514上的頂線圈529和側線圈530。對稱的接地遮罩(未示出)減小線圈之間的電耦合。頂線圈529由頂源射頻(SRF)發生器531A供電，而側線圈530由側SRF發生器531B供電，以允許各線圈以獨立的功率大小和工作頻率來運作。這種雙線圈系統允許控制該腔室513內的輻射離子濃度，從而提高電漿的均勻性。側線圈530和頂線圈529通常是感應性地驅動(inductively driven)，這不需要輔助電極。在具體實施方式中，頂源射頻發生器531A提供在額定2MHz下且達2,500瓦的射頻功率，而側源射頻發生器531B提供在額定2MHz下高達5,000瓦的射頻功率。頂射頻發生器和側射頻發生器的操作頻率可以偏離額定操作頻率(例如，分別至1.7~1.9MHz和1.9~2.0MHz)以提高電漿產生效率。
偏壓電漿系統580B包括偏壓射頻(BRF)發生器531C和偏壓匹配網路532C。偏壓電漿系統580B將基板部分517電容耦合至主體構件522，以作為配對電極(complimentary electrodes)。該偏壓電漿系統580B用於促進源電漿系統580A所產生的電漿物種(例如離子)朝向基板表面傳輸。在具體實施例中，如下面將要討論的，偏壓電漿產生器以小於5MHz的頻率提供高達10,000瓦的RF功率。
RF發生器531A和531B包括數位控制的合成器(synthesizer)，並且在約1.8至約2.1MHz的頻率範圍之間運作。如本領域中具有通常知識者所理解的，每個發生器包括RF控制電路(未示出)，該RF控制電路可測量從基板和線圈反射回發生器的功率，並且調整操作頻率以獲得最低的反射功率。RF發生器通常設計為在具有50歐姆的特性阻抗的負載下工作。RF功率可以由具有與發生器不同特性阻抗的負載反射回來。這能夠減少傳輸至負載的功率。另外，由負載反射回發生器的功率可能使發生器過載並且損壞發生器。因為電漿的阻抗根據電漿的濃度以及其他因素而從小於5歐姆至大於900歐姆，並且還因為反射的功率可能是頻率的函數，所以根據反射的功率來調節發生器頻率，可增加從RF發生器傳遞至電漿的功率，並且保護發生器。減少反射功率並且提高效率的另一種方法是採用匹配網路。
匹配網路532A和532B使發生器531A和531B的輸出阻抗與它們各自線圈529和530相匹配。當負載改變時，RF控制電路可以藉著改變匹配網路中電容器的值來調諧兩匹配網路，以使發生器與負載相匹配。當從負載反射回發生器的功率超過一定限制時，RF控制電路可以調諧匹配網路。提供恒定匹配並且有效地禁止RF控制電路調諧匹配網路的一種方法是，設置反射功率限制，使其高過反射功率的任何期望值。這可以藉著保持匹配網路在電漿的最近條件下不變，來幫助在一些條件下穩定電漿。
其他測量還可以幫助穩定電漿。例如，RF控制電路能夠用於確定輸送給負載(電漿)的功率，並且可以增加或減少發生器輸出功率，以保持輸送的功率在膜層沉積期間實質上不變。
氣體輸送系統533通過氣體輸送管線538(僅示出了其中的一些)將來自幾個來源534A~534E的氣體供應至腔室以處理基板。如本領域中具有通常知識者能夠理解的，用於來源534A-534E的實際來源和至腔室513之輸送管線538的實際連接，可根據在腔室513內執行的沉積和清潔製程而改變。氣體通過氣環(gas ring)537和/或頂噴嘴545導入腔室513中。第5B圖為腔室513的簡化部分剖面圖，示出了氣環537的附加細節。
在一實施例中，第一和第二氣體源534A和534B以及第一和第二氣體流量控制器535A’和535B’透過氣體輸送管線538(僅示出了其中的一些)提供氣體至氣環537中的環氣室(ring plenum)536。氣環537具有多個源氣體噴嘴539(僅示出其中之一，以做示範說明)，多個源氣體噴嘴539在基板上提供均勻的氣體氣流。噴嘴長度和噴嘴角度可以改變以允許在單獨的腔室內針對特定製程來調整均勻分佈模式(uniformity profile)和氣體利用效率。在較佳實施例中，氣環537具有由氧化鋁陶瓷製成的12個源氣體噴嘴。
氣環537還具有多個氧化劑氣體噴嘴540(僅示出了其中之一)，在較佳實施例中，多個氧化劑氣體噴嘴與源氣體噴嘴539共平面並且比源氣體噴嘴539要短，並且在一實施例中，多個氧化劑氣體噴嘴接受來自主體氣室(body plenum)541的氣體。在一些實施例式中，希望源氣體和氧化劑氣體在注入腔室513之前不混合。在其他實施例中，藉著在主體氣室541和氣環氣室536之間提供孔(未示出)，使氧化劑氣體和源氣體在注入腔室513之前可以混合。在一實施例中，第三、第四和第五氣體源534C、534D和534D’以及第三和第四氣體流量控制器535C和535D’通過氣體輸送管線538提供氣體至主體氣室。除了閥，諸如543B(其他閥未示出)可以切斷從流量控制器至腔室的氣體。在實施本發明的一些實施例中，來源534A包括矽烷(SiH4 )源，來源534B包括氧分子(O2 )源，來源534C包括矽烷(SiH4 )源，來源534D包括氦(He)源，並且來源534D’包括氫分子(H2 )源。
在使用易燃、有毒或腐蝕性氣體的實施例中，需要在沉積之後除去留在氣體輸送管線中的氣體。例如，這可以使用3通閥(諸如閥543B)來完成，以使腔室513與輸送管線538A隔離，並且將輸送管線538A與真空管道544相通。如第5A圖所示，其他類似的閥，諸如閥543A和543C，可以結合在其他氣體輸送管線上。這種三通閥可以放置成盡可能接近腔室513之處，以使不能排氣的氣體輸送管線(在三通閥和腔室之間)的體積最小。另外，兩通閥(開-關閥)(未示出)可以放置在質量流量控制器(MFC)和腔室之間，或在氣體源和MFC之間。
再次參照第5A圖，腔室513還具有頂噴嘴545和頂通口(top vant)546。頂噴嘴545和頂通口546允許獨立控制氣體的頂氣流和側氣流，其可提高膜均勻性並且允許精細地調節膜的沉積和摻雜參數。頂通口546為繞著頂噴嘴545的環形開口。在一實施例中，第一氣體源534A提供源氣體噴嘴539和頂噴嘴545。源噴嘴MFC 535A’控制輸送至源氣體噴嘴539的氣體量，而頂噴嘴MFC535A控制輸送到頂氣體噴嘴545的氣體量。類似地，MFC 535B和535B’兩者可以用於控制由單個氧氣源(諸如來源534B)至頂通風口546和氧化劑氣體噴嘴540二者的氧氣流。在一些實施例中，氧氣不從任意側噴嘴提供給腔室。提供至頂噴嘴545和頂通風口546的氣體可以在流入腔室513之前保持分離，或者所述氣體可以在流入腔室513之前在頂氣室548內混合。同一氣體的分離源可以用於提供給腔室的各種部分。
提供遠端微波發生電漿清潔系統550，以從腔室部件上周期性地清除沉積殘留物。該清潔系統包括遠端微波發生器551，以在反應器腔體533中從清潔氣體源534E(例如，分子氟、三氟化氮、其他碳氟化合物或等效物)產生電漿。由這種電漿產生的反應性物種(reactive species)通過施加器管道(applicator tube)555經過清潔氣體輸入埠554傳輸至腔室513。用於容納清潔電漿的材料(例如，腔體553和施加器管道555)必須耐受電漿的攻擊。由於所需要的電漿物種的濃度隨著從反應器腔體553的距離而降低，所以反應器腔體553和輸入埠554之間的距離應該保持盡可能短。在遠端腔體內產生清潔電漿允許使用高效微波發生器，並且不會使腔室部件遭受在形成電漿中原位出現輝光放電的溫度、輻射或轟擊的影響。因此，相對敏感的部件，諸如靜電吸盤520，不需要利用原位電漿清潔製程中所要求的擋片(dummy wafer)或者其他保護來覆蓋之。在第5A圖中，等離子清潔系統550顯示為設置在腔室513上方，但是也可以使用其他位置。
可以靠近頂噴嘴提供導流板(baffle)561以將由頂噴嘴提供的源氣體氣流引導入腔室，並且引導遠端產生的電漿的氣流。由頂噴嘴545提供的源氣體被引導通過中央通道進入腔室，由清潔氣體輸入埠554提供的遠端產生的電漿物種則通過導流板561而被引導至腔室513的側面。
本領域技術人員將了解到可在不脫離本發明精神的情況下，能夠針對不同的處理腔室和不同的製程條件來改變特定參數。本領域技術人員亦可理解其他的變化態樣。這些等效物和替代態樣亦涵括在本發明範圍內。因此本發明範圍並不限定於上述實施例，而是由後附申請專利範圍所界定。
104．．．初始結構
108、112、116．．．結構
120．．．間隙
122、132．．．水平表面
124、128．．．特徵
136．．．生成物
140．．．側壁
144．．．空洞
200．．．積體電路
204．．．基板
208．．．密集堆積區域
212．．．開放區域
216．．．氮化矽層
220．．．墊氧化層
224．．．溝槽
304．．．間隙
308、308’．．．尖突
312、312’．．．材料
316、316’．．．路線
320、320’．．．路線
324．．．側壁
330．．．開放區域結構
404、408、412、416、420．．．步驟
424、428、432、436、440、444．．．步驟
510．．．HDP-CVD系統
513．．．腔室
514．．．拱頂
516．．．電漿處理區域
517．．．基板
518．．．支撐件
519．．．基板接收部位
520．．．靜電吸盤
521．．．基座部分
522．．．主體構件
523．．．加熱板
524．．．冷卻板
525．．．節流閥主體
526．．．節流閥
527．．．閘閥
528．．．渦輪分子泵
529．．．頂線圈
530．．．側線圈
531A、531B、531C．．．源射頻(SRF)產生器
532A、532B、532C．．．匹配網路
533．．．氣體輸送系統
534A、534B、534C、534D、534D’、534E．．．氣體源
535A、535A’、535B、535B’．．．質量流量控制器
535C、535D、535D’．．．質量流量控制器
536．．．環氣室
537．．．氣環
538．．．氣體輸送管線
539．．．源氣體噴嘴
540．．．氧化劑氣體噴嘴
541．．．主體氣室
543A、543B、543C 544．．．真空管線
545．．．頂噴嘴
546．．．頂通口
548．．．頂氣室
550．．．遠端微波發生電漿清潔系統
551．．．遠端微波產生器
553．．．反應器腔體
554．．．清潔氣體輸入埠
555．．．施加器管道
556．．．下方處理位置
557．．．上方裝載位置
561．．．導流板
562．．．中央通道
570．．．真空系統
580A．．．源電漿系統
580B．．．偏壓電漿系統
第1圖說明在先前技術的間隙填充製程過程中，空洞形成的示意剖面圖；
第2圖是包括多個淺溝槽隔離結構之部分完成的積體電路簡化剖面圖；
第3A和3B圖分別顯示一結構中開放區域和密集堆積區域之間隙填充特性的示意圖；
第4A圖概述在本發明實施例中用以在基板上沉積膜層的方法流程圖；
第4B圖概述可與第4A圖之方法併用的特定沉積製程的流程圖，該特定沉積製程中沉積步驟和蝕刻步驟交替出現；
第4C圖概述可在某些實施例中採用而作為第4A圖方法之一部分的處理腔室調節方法的流程圖；
第4D圖概述可以在某些實施例中採用而作為第4A圖方法之一部分的處理腔室清潔方法的流程圖；
第5A圖是可實施本發明方法的高密度電漿化學氣相沉積系統的實施例簡圖；
第5B圖是可以結合第5A圖示例性處理系統而使用的氣環之剖面簡圖。
304．．．間隙
308．．．尖突
312．．．材料
316．．．路線
320．．．路線
324．．．側壁

Claims (19)

  1. 一種在多個基板上沉積膜的方法，該方法包括：調節一處理腔室，其中調節該處理腔室的步驟包括：提供調節前驅物的一氣流(flow)至該處理腔室；施加至少7500W的源功率而由該些調節前驅物形成一高密度電漿，其中大於70%的源功率分配在該處理腔室的一頂部；以及利用該高密度電漿而沉積在一點處具有至少5000Å厚度的一調節層；將該多個基板的每個基板順序傳送至該處理腔室中，以在該多個基板的每個基板上執行包括蝕刻的一製程；以及在該多個基板之每個基板的順序傳送之間，清潔該處理腔室，其中清潔該處理腔室的步驟包括：執行該處理腔室的一局部清潔；然後，加熱該處理腔室；以及然後，完成該處理腔室的清潔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該至少5000Å的厚度包括至少7500Å的厚度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該至少 5000Å的厚度包括至少10,000Å的厚度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中提供調節前驅物的該氣流至該處理腔室的步驟包括：提供一含矽氣體的一氣流至該處理腔室；以及提供一含氧氣體的一氣流至該處理腔室。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該含氧氣體的流率小於該含矽氣體的流率。
  6. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該含氧氣體的流率小於0.8倍的該含矽氣體之流率。
  7. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中該含矽氣體包括矽烷(SiH4 )，以及該含氧氣體包括氧氣(O2 )。
  8. 如申請專利範圍第4項所述的方法，其中提供調節前驅物的該氣流至該處理腔室的步驟更包括：提供與該含矽氣體和該含氧氣體不發生反應的一氣體的一氣流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的方法，其中與該含矽氣體和該含氧氣體不發生反應之該氣體的流率為小於200sccm。
  10. 一種在多個基板上沉積膜的方法，該方法包括：調節一處理腔室；將該多個基板的每個基板順序傳送至該處理腔室中，以在該多個基板的每個基板上執行一製程，該製程包括蝕刻；以及在該多個基板之每個基板的順序傳送之間，清潔該處理腔室，其中在該多個基板之每個基板的順序傳送之間清潔該處理腔室的步驟包括：執行該處理腔室的一局部清潔；然後，加熱該處理腔室；以及然後，完成該處理腔室的清潔。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中執行該處理腔室之該局部清潔的步驟包括：將一鹵素前驅物流入該處理腔室；以及由該鹵素前驅物形成一高密度電漿。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的方法，其中該鹵素前驅物包括氟(F2 )。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中完成該處理腔室的清潔之步驟包括：將一鹵素前驅物流入該處理腔室；以及 由該鹵素前驅物形成一高密度電漿。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中該鹵素前驅物包括氟(F2 )。
  15. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中執行該處理腔室之該局部清潔的步驟包括執行大於75%之清潔終點的該局部清潔。
  16. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中加熱該處理腔室的步驟包括：將多個加熱氣體流入該處理腔室；以及由該些加熱氣體形成一高密度電漿。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中該些加熱氣體包括選自由氧氣(O2 )、氬(Ar)和氦(He)所構成之群組中的一氣體。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的方法，其中由該些加熱氣體形成該高密度電漿的步驟包括施加一源功率，該源功率近乎均等地分配在頂部源和側部源之間。
  19. 如申請專利範圍第10項所述的方法，其中調節該處理腔室的步驟包括： 向該處理腔室提供調節前驅物的一氣流；施加至少7500W的源功率，而由該些調節前驅物形成一高密度電漿，其中大於70%的源功率分配在該處理腔室的一頂部；以及利用該高密度電漿而沉積在一點處厚度至少5000Å的一調節層。
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