TWI621731B - 用於應力裝置之低溫可流動固化 - Google Patents

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Abstract

本發明描述形成間隙填充含矽層之方法。方法可包括在圖案化基板上提供或形成含矽與氫層。方法包括在低基板溫度下非熱處理含矽與氫層以在含矽與氫層保持柔軟的同時增加Si-Si鍵之濃度。鬆軟層能夠調整使氫脫離薄膜及保持高密度而不產生應力。隨後藉由在Si-Si鍵之間插入O以使溝槽中的薄膜膨脹從而將含矽與氫層轉換成含矽與氧層來進一步改良薄膜品質。

Description

用於應力裝置之低溫可流動固化 【相關專利申請案之交叉引用】
本申請案主張2013年6月31日提交申請之美國非臨時專利申請案第13/955,640號之優先權，該美國非臨時專利申請案主張2013年5月2日提交申請之美國臨時專利申請案第61/818,707號之權益，兩者標題皆為「LOW TEMPERATURE FLOWABLE CURING FOR STRESS ACCOMMODATION」，由Liang等人提交申請，且藉此出於所有目的，以引用之方式將兩者全部併入本文。
本發明之實施例係關於在基板上形成含矽與氧層之方法。
自從數十年前引入以來，半導體元件幾何形狀在大小方面已顯著減小。現代半導體製造設備通常生產具有32nm、28nm及22nm特徵大小的元件，並且正在研製及實施新設備以製造具有更小幾何形狀的元件。減小的特徵大小導致裝置上的結構特徵具有減小的空間尺寸。裝置上的間隙與 溝槽之寬度縮窄成一點，此處間隙深度與寬度之深寬比變得足夠高，使得用介電材料填充間隙極具挑戰性。沉積介電材料容易在完全填滿間隙前在頂部處堵塞，從而在間隙中產生空隙或接縫。
多年來，已研製眾多技術來避免介電材料堵塞間隙之頂部或「補救」已形成的空隙或接縫。一種途徑一直以來從高可流動前驅物材料著手，可將該等材料以液相塗覆於旋轉基板表面(例如，SOG沉積技術)。該等可流動前驅物可流入及填滿極小基板間隙而不會形成空隙或薄弱接縫。然而，一旦沉積該等高可流動材料，則必須使該等材料硬化成固體介電材料。
在眾多情形中，硬化製程包括加熱或照射處理以移除給予流動性至所沉積之材料之化學基團，以留下固體介電質，諸如氧化矽。不幸地，所脫離材料通常在經硬化之介電質中留下微孔或引發經硬化之介電質收縮，兩者皆可降低所處理材料之品質。
因此，需要新的沉積與處理製程以在結構化基板上的溝槽中形成固體介電質間隙填充材料，而無需損害所處理材料之完整性。本申請案中解決此需要及其他需要。
本發明描述形成間隙填充含矽層之方法。方法可包括在圖案化基板上提供或形成含矽與氫層。方法包括在低基板溫度下非熱處理含矽與氫層以在含矽與氫層保持柔軟的同時增加Si-Si鍵之濃度。鬆軟層能夠調整使氫脫離薄膜及保持 高密度而不產生應力。隨後藉由在Si-Si鍵之間插入O以使溝槽中的薄膜膨脹從而將含矽與氫層轉換成含矽與氧層來進一步改良薄膜品質。
本發明之實施例包括在基板上形成含矽與氧層之方法。該等方法包括以下連續步驟：(1)在基板沉積溫度下於基板上沉積含矽與氫層。該含矽與氫層在沉積期間為可流動。(2)在150℃以下之非熱處理溫度下執行含矽與氫層之非熱處理。非熱處理及非熱處理溫度足以從薄膜中移除氫，並且足以保持非熱處理期間含矽與氫層之流動性。非熱處理將含矽與氫層修改成含矽層。(3)在蒸汽退火溫度下蒸汽退火含矽層，該溫度足以將含矽層轉換成含矽與氧層。
在隨後描述中將部分地闡述額外實施例及特徵，且該等實施例及特徵將在查看本說明書後對熟習此項技術者部分地變得顯而易見或可由本發明之實施中學得。可藉由本說明書中所描述之工具、組合及方法之手段實現及達到本發明之特徵及優勢。
102‧‧‧操作
104‧‧‧操作
106‧‧‧操作
108‧‧‧操作
110‧‧‧操作
1001‧‧‧系統
1002‧‧‧前端開口晶圓盒
1004‧‧‧機器人臂
1006‧‧‧固持區域
1008a‧‧‧處理腔室
1008b‧‧‧處理腔室
1008c‧‧‧處理腔室
1008d‧‧‧處理腔室
1008e‧‧‧處理腔室
1008f‧‧‧處理腔室
1010‧‧‧第二機器人臂
1101‧‧‧基板處理腔室
1110‧‧‧遠端電漿系統/RPS
1111‧‧‧氣體入口組件
1112‧‧‧第一通道
1113‧‧‧第二通道
1120‧‧‧腔室電漿區域
1121‧‧‧蓋
1124‧‧‧絕緣環
1126‧‧‧長度
1150‧‧‧最小直徑
1151‧‧‧中空體積
1153‧‧‧淋噴頭
1155‧‧‧小孔
1156‧‧‧通孔
1170‧‧‧基板處理區域
藉由參考本說明書之其餘部分及圖式可實現對本發明之本質與優勢的進一步理解，其中貫穿若干圖式使用相似元件符號指示相似組件。在一些情形中，副標與元件符號關聯及緊隨連字符以表示多個相似組件中的一者。當引用元件符號而對現有副標無說明時，意欲指示所有此類多個相似組件。
第1圖係圖示根據本發明之實施例製造氧化矽薄膜 的選定步驟之流程圖。
第2圖圖示根據本發明之實施例之基板處理系統。
第3A圖圖示根據本發明之實施例之基板處理腔室。
第3B圖圖示根據本發明之實施例之氣體分佈淋噴頭。
本發明描述形成間隙填充含矽層之方法。方法可包括在圖案化基板上提供或形成含矽與氫層。方法包括在低基板溫度下非熱處理含矽與氫層以在含矽與氫層保持柔軟的同時增加Si-Si鍵之濃度。鬆軟層能夠調整使氫脫離薄膜及保持高密度而不產生應力。隨後藉由在Si-Si鍵之間插入O以使溝槽中的薄膜膨脹從而將含矽與氫層轉換成含矽與氧層來進一步改良薄膜品質。
為了更好地理解及瞭解本發明，現將參看第1圖，第1圖係圖示根據本發明之實施例製造氧化矽薄膜之方法中的選定步驟之流程圖。儘管該等製程對於各種表面拓撲有用，但是示例性方法包括將包含狹窄間隙的基板提供至基板處理區域內。基板可具有複數個間隙用於基板上所形成的裝置組件(例如，電晶體)的間隔及結構。間隙可具有界定高度與寬度(亦即，H/W)之深寬比(aspect ratio；AR)的高度及寬度，該深寬比明顯大於1：1(例如，5：1或以上、6：1或以上、7：1或以上、8：1或以上、9：1或以上、10：1或以上、11：1或以上、12：1或以上等等)。在眾多情形中，在所揭示實施例中，高AR歸因於小間隙寬度，該等間隙寬度處於32nm以下、28 nm以下、22nm以下或16nm以下。
示例性方法包括在基板上及狹窄間隙中形成含矽與氫層。旋轉塗覆介電質(Spin-on dielectric；SOD)薄膜以及一些化學氣相沉積技術屬於此類別。可沉積含矽與氫層以流入及填滿狹窄間隙且隨後可在本文所描述之後續步驟中轉換成氧化矽。
在沉積含矽與氫層後，在含臭氧的氣氛中非熱處理沉積基板(104)。非熱處理在增加薄膜中(包括溝槽中)Si-Si鍵之濃度的同時減小了氫濃度(106)。沉積基板可保持在與沉積所使用之基板處理區域相同的基板處理區域內進行非熱處理，或可將基板轉移至不同腔室進行非熱處理。在本發明之實施例中，基板沉積溫度可為200℃以下。大體而言，可以整數次數重複操作集合(例如，102-106)以進一步改良轉換效率以獲得較高濃度之Si-Si鍵。
非熱處理可涉及電子束曝露或紫外線曝露。在所揭示實施例中，適宜紫外光之波長可介於100nm與450nm之間，或可介於100nm與400nm之間。發明者已發現，維持非熱處理溫度比先前技術水平更低使得薄膜在非熱處理期間能夠保持可流動、柔軟或可鍛。此益處在於，在從薄膜中移除氫時，同時發生對含矽與氫的薄膜之重新排列。同時發生的重新排列增加了基板上的溝槽內沉澱薄膜之密度。涉及電子束曝露、紫外線曝露或其他非熱處理的先前技術已不可避免地增加了基板溫度，從而引起薄膜在溝槽內形成Si-Si鍵前凝固。如先前技術製程中所見證，在自基板處理區域釋放及 排出氫時，提前凝固不允許額外材料進入溝槽內。因此，提前凝固引起後續處理期間產生空隙。含矽與氫層包含緊隨沉積步驟後立即形成的Si-H鍵，且非熱處理步驟移除Si-H鍵及形成Si-Si鍵。
發明者藉由包括處理腔室的額外冷卻能力以便冷卻基板及抵消本文所描述之非熱處理之自然加熱效應，已見證此新穎現象。非熱處理溫度低於或約150℃、低於或約100℃、低於或約75℃、低於或約50℃。舉例而言，已發現，非熱處理之有效性在10℃時比15℃時更顯著。在本發明之實施例中，在沉積含矽與氫層期間，非熱處理溫度可低於所圖案化基板之基板沉積溫度。
必須控制照射含矽與氫薄膜以使得照射量足以引發Si-Si鍵形成，而不是到薄膜提前變成固體的程度。發明者已發現，可採用大劑量值之非熱處理縮短持續時間以便保持在成功處理窗口中。此簡單藉由調整非熱處理持續時間允許寬範圍的照射處理源及特性。在所揭示實施例中，非熱處理持續時間可介於約1秒與約5分鐘之間。可藉由量測在非熱處理後的折射率決定有效劑量--由於在經處理之薄膜中的Si-Si鍵之交聯期間的持續流動性，處理後折射率應上升。或者，在所揭示實施例中，可量測薄膜應力以確保該薄膜應力保持在約100MPa或50MPa以下。非熱處理後的薄膜應力可為壓縮型或拉伸型。在實施例中，亦可量測薄膜以確保橫向至基板表面的薄膜厚度減少15%或更多、20%或更多或25%或更多。薄膜厚度為非熱處理期間同時再填充間隙所需的材 料量之量測。
在含矽與氫層之非熱處理及Si-Si鍵之形成後，可在含水氣氛中蒸汽退火沉積基板以形成含矽與氧層(108)。含水氣氛含有水蒸氣(H2O)，水蒸氣在本文可稱作蒸汽。含矽與氫層包含緊隨非熱處理步驟後立即形成的Si-Si鍵，且蒸汽退火步驟移除Si-Si鍵及形成Si-O-Si鍵。蒸汽將氧原子插入Si-Si鍵內及使薄膜膨脹以抵消可流動薄膜收縮之先前技術趨向。又，當引入含水氣氛時，沉積基板可保持在用於非熱處理的相同基板處理區域內，或可將基板轉移至不同腔室進行蒸汽退火(108)。大體而言，可以整數次數重複操作集合(例如102-108)以進一步改良轉換效率以獲得較高濃度之Si-Si鍵。
在所揭示實施例中，基板之蒸汽退火溫度可介於150℃與550℃之間或介於200℃與500℃之間或介於250℃與400℃之間。在實施例中，蒸汽退火之持續時間可大於約5秒或大於約10秒。在實施例中，蒸汽退火之持續時間可小於約60秒或小於約45秒。對於根據額外所揭示實施例之蒸汽退火之持續時間，可將上邊界與下邊界組合以形成額外範圍。
在實施例中，在基板處理區域內不存在電漿以避免產生超反應性氧，該超反應性氧可修改附近表面網路及阻礙O穿透插入Si-Si之表面下以形成Si-O-Si鍵。在所揭示實施例中，蒸汽退火步驟期間的蒸汽進入基板處理區域之流動速率可大於或約1slm、大於或約2slm、大於或約5slm或大於或約10slm。在所揭示實施例中，蒸汽退火步驟期間的蒸汽之 分壓可大於或約10托、大於或約20托、大於或約40托或大於或約50托。
蒸汽退火之後，可在高溫下的乾燥環境中乾式退火所轉換之含矽與氧層以完成氧化矽薄膜之形成(110)。乾燥氣氛可為基本真空或可包括一種惰性氣體或另一種惰性氣體，亦即，未顯著併入轉換薄膜中的任何化學物質。在所揭示實施例中，基板之乾式退火溫度可低於或約1100℃、低於或約1000℃、低於或約900℃或低於或約800℃。在所揭示實施例中，基板之溫度可高於或約500℃、高於或約600℃、高於或約700℃或高於或約800℃。乾式退火可為原位或處於另一處理區域/系統中及可作為批量或單個晶圓製程發生。先前技術引起間隙填充含矽與氧薄膜中的拉伸應力，該拉伸應力被乾式退火而加重。在所揭示實施例中，由於在矽-矽鍵之間插入氧原子(用以產生壓縮應力)，在蒸汽退火期間使本文所描述之含矽與氧薄膜膨脹。藉由乾式退火緩和間隙填充含矽與氧層之壓縮應力，此舉在製程結束時產生較低應力的氧化矽間隙填充層。在蒸汽退火後，可在破開橫截面視圖後使用SEM(掃描式電子顯微鏡)檢查薄膜。可藉由曝露到氫氟酸處理修飾任何缺陷及後續SEM應指示與另外相似製程中的類似階段處以相同方式修飾之先前技術間隙填充介電質相比更平滑、更無特徵的間隙填充材料。
蒸汽退火之蒸汽提供氧以將含矽與氫薄膜轉換成含矽與氧薄膜及隨後轉換成氧化矽薄膜。在本發明之實施例中，含矽與氫薄膜中可存在或可不存在碳。若不存在，則含 矽與氫薄膜中的碳缺乏引起最終氧化矽薄膜中形成較少微孔。亦引起轉換成氧化矽期間薄膜之更少的體積減小(亦即，收縮)。舉例而言，當轉換成氧化矽時由含碳矽前驅物形成的矽碳層可收縮40體積%或更多的情況下，實質無碳含矽與氫薄膜可收縮約15體積%或更少。甚至由於蒸汽退火期間氧原子插入相鄰矽原子之間，此收縮可少得多或不存在。由於含矽與氫薄膜之流動性及無收縮，根據本文所描述之方法產生的含矽與氧薄膜可填滿狹窄溝槽，使得無空隙。
可用形容詞「可流動」描述本文之薄膜。如本文所使用，可流動薄膜描述存在於基板之表面上且在與使用此形容詞關聯的操作(沉積、熱處理、非熱處理)期間流動的薄膜。上文所描述之可流動含矽與氫薄膜可包括含矽、氮與氫薄膜(舉例)。在所揭示實施例中，含矽與氫層亦可為無碳但含矽與氫層。類似地，含矽與氫層可為無氮但含矽與氫層。
沉積含矽、氮與氫層之示例性操作可涉及化學氣相沉積製程，該製程從提供無碳之矽前驅物至基板處理區域開始。無碳含矽前驅物可例如為含矽與氮前驅物、矽與氫前驅物或含矽、氮與氫前驅物以及其他種類矽前驅物。除無碳外，矽前驅物可為無氧。氧缺乏引起由前驅物形成的含矽與氮層中之較低濃度之矽烷醇(Si-OH)基。所沉積之薄膜中的過量矽烷醇部分亦可引發自沉積層移除羥基(-OH)部分的後沉積步驟期間增加的孔隙率及收縮率。
無碳之矽前驅物之特定實例可包括矽烷基胺，諸如H2N(SiH3)、HN(SiH3)2及N(SiH3)3以及其他矽烷基胺。在所 揭示實施例中，矽烷基胺之流動速率可大於或約200sccm、大於或約300sccm或大於或約500sccm。本文給定的所有流動速率指示雙腔室基板處理系統。單個晶圓系統將需要該等流動速率的一半及其他晶圓大小將需要由處理區域確定縮放的流動速率。可將該等矽烷基胺與額外氣體混合，該等氣體可充當載氣、反應性氣體或兩者。示例性額外氣體包括H2、N2、NH3、He及Ar以及其他氣體。無碳之矽前驅物之實例亦可包括矽烷(SiH4)，矽烷單獨存在或與其他含有矽(例如，N(SiH3)3)、氫(例如，H2)及/或氮(例如，N2、NH3)的氣體混合。無碳之矽前驅物亦可包括二矽烷、三矽烷、甚至更高級別矽烷及氯化矽烷，單獨存在或彼此組合或與先前所論及之無碳矽前驅物組合。
亦可向基板處理區域提供氮自由基前驅物。氮自由基前驅物為含氮自由基前驅物，該前驅物在基板處理區域外部自更穩定的氮前驅物產生。舉例而言，可在腔室電漿區域或處理腔室外部的遠端電漿系統(remote plasma system；RPS)內活化含有氨(NH3)、肼(N2H4)及/或N2的穩定氮前驅物化合物，以形成氮自由基前驅物，隨後將該氮自由基前驅物傳送至基板處理區域內。在所揭示實施例中，穩定氮前驅物亦可為包含NH3與N2、NH3與H2、NH3與N2與H2及N2與H2的混合物。亦可使用肼代替具有N2與H2的混合物中的NH3或與NH3組合。在所揭示實施例中，穩定氮前驅物之流動速率可大於或約300sccm、大於或約500sccm或大於或約700sccm。腔室電漿區域內所產生的氮自由基前驅物可為．N、 ．NH、．NH2等等中的一或更多者，及亦可伴隨有電漿中所形成的遊離物質。亦可將氧之來源與遠端電漿中更穩定的氮前驅物組合，從而起作用以在減少流動性的同時預先在薄膜中裝入氧。氧之來源可包括O2、H2O、O3、H2O2、N2O、NO或NO2中的一或更多者。大體而言，可使用不含有氮的自由基前驅物，且隨後由來自無碳含矽前驅物中的氮提供含矽、氮與氫層的氮。
在使用腔室電漿區域的實施例中，在與沉積區域分隔的基板處理區域之區段中產生氮自由基前驅物，沉積區域中前驅物混合及反應以在沉積基板(例如，半導體晶圓)上沉積含矽與氮層。氮自由基前驅物亦可伴隨有載氣，諸如氫氣(H2)、氮氣(N2)、氦氣等等。在含矽、氮與氫層之生長期間及在低溫臭氧固化期間，本文可將基板處理區域描述為「無電漿」。「無電漿」不一定意謂該區域缺乏電漿。難以界定腔室電漿區域中電漿之邊界及電漿可經由淋噴頭中的孔侵入基板處理區域。在電感耦合電漿的情況下，例如，可直接在基板處理區域內實現少量遊離。此外，在沒有消除形成薄膜之可流動本質的情況下，可在基板處理區域中產生低強度電漿。在氮自由基前驅物之產生期間電漿之離子密度比腔室電漿區域低得多的所有原因不脫離本文所使用之「無電漿」之範疇。在本文所描述之蒸汽退火期間，基板處理區域亦可為使用相同定義的無電漿。
在基板處理區域內，使無碳之矽前驅物與氮自由基前驅物混合及反應以在沉積基板上沉積含矽、氮與氫薄膜。 在實施例中，所沉積之含矽、氮與氫薄膜可使用一些配方組合等形沉積。在其他實施例中，所沉積之含矽、氮與氫薄膜具有可流動特性，此等特性與習知氮化矽(Si3N4)薄膜沉積技術不同。形成之可流動本質允許薄膜流入狹窄間隙溝槽及基板之沉積表面上的其他結構中。
可流動性可歸因於由氮自由基前驅物與無碳之矽前驅物混合所產生的各種特性。該等特性可包括所沉積之薄膜中的大量氫組份及/或存在短鏈聚矽氮烷聚合物。在形成薄膜期間及形成薄膜後，該等短鏈生長及網路連接以形成更緻密的介電材料。舉例而言，所沉積之薄膜可具有矽氮烷型、Si-NH-Si主鏈(亦即，無碳Si-N-H薄膜)。當矽前驅物與氮自由基前驅物兩者皆為無碳時，所沉積之含矽、氮與氫薄膜亦為實質無碳。當然，「無碳」不一定意謂薄膜連極微量的碳都沒有。碳污染物可存在於前驅物材料中，該等碳污染物進入所沉積之含矽與氮前驅物中。然而，該等碳雜質的量比具有碳部分的矽前驅物(例如，TEOS、TMDSO等等)中將發現的碳少得多。
如上文所描述，可藉由將氮自由基前驅物與各種無碳含矽前驅物組合產生所沉積之含矽、氮與氫層。在實施例中，無碳含矽前驅物可為基本無氮。在一些實施例中，無碳含矽前驅物及氮自由基前驅物兩者皆含有氮。另一方面，在實施例中，自由基前驅物可為基本無氮，及可藉由無碳含矽前驅物供應含矽、氮與氫層的氮。因此，最概括而言，自由基前驅物將在本文中被稱為「氮及/或氫自由基前驅物」，此 意謂該前驅物含有氮及/或氫。類似地，流入電漿區域形成氮及/或氫自由基前驅物的前驅物將被稱為含氮及/或氫前驅物。可將該等概括應用於本文所揭示實施例中之各者。在實施例中，含氮及/或氫前驅物包含氫(H2)，而氮及/或氫自由基前驅物包含．H等等。
示例性氧化矽沉積系統
可實施本發明之實施例的沉積腔室可包括高密度電漿化學氣相沉積(high-density plasma chemical vapor deposition；HDP-CVD)腔室、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)腔室、低於大氣壓化學氣相沉積(sub-atmospheric chemical vapor deposition；SACVD)腔室及熱化學氣相沉積腔室，以及其他類型腔室。可實施本發明之實施例的CVD系統之具體實例包括CENTURA ULTIMA® HDP-CVD腔室/系統及PRODUCER® PECVD腔室/系統，以上腔室/系統可購自加州聖克拉拉市的應用材料公司。
可與本發明之示例性方法使用之基板處理腔室之實例可包括共同受讓給Lubomirsky等人於2006年5月30日提交申請且標題為「PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRIC GAPFILL」之美國臨時專利申請案第60/803,499號中所展示及描述之彼等實例，出於所有目的將該臨時專利申請案中的全部內容以引用之方式併入本文。額外示例性系統可包括美國專利案第6,387,207號及第6,830,624號中所展示及描述之彼等系統，亦出於所有目的將該等專利案以引用之方式併入本文。
可將沉積系統之實施例合併至較大製造系統中以便產生積體電路晶片。第2圖圖示根據所揭示實施例之沉積、烘焙及固化腔室之一個此類系統1001。在圖式中，一對前端開口晶圓盒(front opening unified pods；FOUP)1002供應基板(例如，300mm直徑晶圓)，由機器人臂1004接收該等基板及放置到低壓固持區域1006中，隨後再放置到晶圓處理腔室1008a至1008f之一者中。可使用第二機器人臂1010將基板晶圓自固持區域1006傳送至處理腔室1008a至1008f及返回。
處理腔室1008a至1008f可包括一或更多個系統組件用於在基板晶圓上沉積、退火、固化及/或蝕刻可流動介電薄膜。在一個配置中，可使用兩對處理腔室(例如，處理腔室1008c-1008d及處理腔室1008e-1008f)在基板上沉積可流動介電材料，及可使用第三對處理腔室(例如，處理腔室1008a-1008b)退火所沉積之介電質。在另一配置中，可配置相同的兩對處理腔室(例如，處理腔室1008c-1008d及處理腔室1008e-1008f)以在基板上沉積及退火可流動介電薄膜，同時可使用第三對腔室(例如，腔室1008a-1008b)用於紫外線或電子束固化所沉積之薄膜。在又一配置中，可配置所有三對腔室(例如，腔室1008a至1008f)以在基板上沉積及固化可流動介電薄膜。在又一配置中，可使用兩對處理腔室(例如，處理腔室1008c-1008d及處理腔室1008e-1008f)沉積及紫外線或電子束固化可流動介電質，同時可使用第三對處理腔室(例如，腔室1008a-1008b)用於退火介電薄膜。可在與 所揭示實施例中所示之製造系統分離的腔室中實施所描述之製程中的任一或更多者。
另外，可將製程腔室1008a至1008f中的一或更多者配置為濕式處理腔室。該等製程腔室包括在含濕氣的氣氛中加熱可流動介電薄膜。因此，系統1001之實施例可包括濕式處理腔室1008a至1008b及退火處理腔室1008c至1008d以在所沉積之介電薄膜上執行濕式及乾式退火兩者。
第3A圖係根據所揭示實施例之基板處理腔室1101。遠端電漿系統(remote plasma system；RPS)1110可處理氣體，該氣體隨後移動穿過氣體入口組件1111。在氣體入口組件1111內部可見兩個不同氣體供應通道。第一通道1112載送氣體穿過遠端電漿系統RPS 1110，而第二通道1113繞過RPS 1110。在所揭示實施例中，第一通道502可用於製程氣體及第二通道1113可用於處理氣體。圖示蓋(或導電頂部部分)1121與多孔分隔(亦稱為淋噴頭)1153，絕緣環1124處在上述兩者之間，此情況允許將交流電位相對於多孔分隔1153施加至蓋1121上。製程氣體移動穿過第一通道1112至腔室電漿區域1120中及可藉由腔室電漿區域1120中之電漿單獨或與RPS 1110組合激勵該製程氣體。腔室電漿區域1120及/或RPS 1110之組合在本文中可稱為遠端電漿系統。多孔分隔(淋噴頭)1153將腔室電漿區域1120與淋噴頭1153下的基板處理區域1170分離。淋噴頭1153允許腔室電漿區域1120中存在之電漿避免直接激勵基板處理區域1170中的氣體，同時仍允許經激勵之物質自腔室電漿區域1120移動至基板處理 區域1170中。
將淋噴頭1153安置於腔室電漿區域1120與基板處理區域1170之間，且允許腔室電漿區域1120內所產生之電漿流出物(前驅物或其他氣體之激勵衍生物)穿過複數個通孔1156，該等通孔橫貫平板之厚度。淋噴頭1153亦具有一或更多個中空體積1151，該等中空體積可充滿蒸氣或氣體形式之前驅物(諸如含矽前驅物)及穿過小孔1155至基板處理區域1170中，而非直接進入至腔室電漿區域1120中。在此所揭示實施例中，淋噴頭1153比通孔1156之最小直徑1150之長度大。為了維持自腔室電漿區域1120穿透至基板處理區域1170之激勵物質之較大濃度，可藉由形成部分穿透淋噴頭1153的通孔1156之較大直徑部分來限制通孔之最小直徑1150之長度1126。在所揭示實施例中，通孔1156之最小直徑1150之長度可為與通孔1156之最小直徑具有相同的量級或更小。
在所示之實施例中，淋噴頭1153可(經由通孔1156)分佈含有氧、氫及/或氮的製程氣體及/或由腔室電漿區域1120中的電漿激勵後此類製程氣體之電漿流出物。在實施例中，經由第一通道1112引入RPS 1110及/或腔室電漿區域1120中的製程氣體可含有氧(O2)、臭氧(O3)、N2O、NO、NO2、NH3、包括N2H4之NxHy、矽烷、二矽烷、TSA及DSA中的一或更多者。製程氣體亦可包括載氣，諸如氦氣、氬氣、氮氣(N2)等等。第二通道1113亦可傳遞製程氣體及/或載氣，及/或傳遞用於自正生長或剛沉積之薄膜移除不良組份的薄膜固化氣 體。電漿流出物可包括製程氣體之遊離或中性衍生物及亦可參考引入之製程氣體之原子成分在本文中稱為氧自由基前驅物及/或氮自由基前驅物。
在實施例中，通孔1156之數目可介於約60與約2000之間。通孔1156可具有各種形狀但非常容易製成圓形。在所揭示實施例中，通孔1156之最小直徑1150可介於約0.5mm與約20mm之間或介於約1mm與約6mm之間。在選擇通孔之橫截面形狀方面亦存在範圍，該橫截面可製成圓錐形、圓柱形或兩個形狀之組合。在所揭示實施例中，用於將氣體引入至基板處理區域1170中的小孔1155之數目可介於約100與約5000之間或介於約500與約2000之間。小孔1155之直徑可介於約0.1mm與約2mm之間。
第3B圖係根據所揭示之實施例供處理腔室使用的淋噴頭1153之仰視圖。淋噴頭1153對應於第3A圖中所示之淋噴頭。描述通孔1156在淋噴頭1153之底部上具有較大內直徑(inner-diameter；ID)及在頂部上具有較小ID。小孔1155實質均勻分佈於淋噴頭之表面上，甚至在通孔1156中間，此情況有助於提供比本文所描述之其他實施例更加均勻之混合。
當穿過淋噴頭1153中的通孔1156到達之電漿流出物與發源自中空體積1151穿過小孔1155到達之含矽前驅物組合時，在由基板處理區域1170內之基座(未圖示)支撐的基板上產生示例性薄膜。儘管可配備基板處理區域1170以支援電漿用於諸如固化之其他製程，但是在示例性薄膜之生長 期間可不存在電漿。
可在淋噴頭1153上方的腔室電漿區域1120中或淋噴頭1153下方的基板處理區域1170中點燃電漿。在腔室電漿區域1120內存在電漿以自含氮與氫氣體之流入物產生氮自由基前驅物。在處理腔室之導電頂蓋1121與淋噴頭1153之間施加通常在射頻(radio frequency；RF)範圍內的交流電壓以在沉積期間點燃腔室電漿區域1120中的電漿。RF電源產生13.56百萬赫之高RF頻率，但亦可單獨或與13.56百萬赫頻率組合產生其他頻率。
當開啟基板處理區域1170中的底部電漿以固化薄膜或者清洗基板處理區域1170邊界處的內表面時，可將頂部電漿保持處於低功率或無功率。藉由在淋噴頭1153與腔室之基座或底部之間施加交流電壓來點燃基板處理區域1170中的電漿。可在存在電漿的同時將清洗氣體引入基板處理區域1170中。在本發明之實施例中，在蒸汽退火期間不使用電漿。
基座可具有熱交換通道，熱交換流體流動穿過該通道以控制基板之溫度。此配置允許冷卻或加熱基板溫度以維持相對低溫(自-50℃至約120℃)。熱交換流體可包含乙二醇及水。亦可使用嵌入單環嵌入式加熱器元件電阻性加熱基座之晶圓支撐圓盤(較佳為鋁、陶瓷或上述之組合)以便實現相對高溫(自約120℃至約1100℃)，該加熱器元件經配置以平行同心圓形式作出兩個完整轉圈。可與支撐圓盤之圓周相鄰佈置加熱器元件之外部部分，同時在具有較小半徑的同心圓之路徑上佈置內部部分。至加熱器元件的電線穿過基 座之桿。
藉由系統控制器控制基板處理系統。在一示例性實施例中，系統控制器包括硬碟機、軟碟機及處理器。處理器含有單板電腦(single board computer；SBC)、類比與數位輸入/輸出板、介面板及步進馬達控制器板。CVD系統的各個部分符合歐洲通用模組(Versa Modular European；VME)標準，該標準界定板、卡片機架及連接器尺寸與類型。VME標準亦將匯流排結構界定為具有16位元資料匯流排及24位元位址匯流排。
系統控制器控制CVD機器的所有活動。系統控制器執行系統控制軟體，該軟體為儲存於電腦可讀取媒體中的電腦程式。較佳地，該媒體為硬碟機，但該媒體亦可為另一種記憶體。電腦程式包括指令集，該等指令組指示時序、氣體之混合、腔室壓力、腔室溫度、RF功率位準、晶座位置及特定製程之其他參數。亦可使用儲存於包括例如軟碟或其他另一適宜驅動器的其他記憶體裝置上的其他電腦程式對系統控制器發出指令。
可使用由系統控制器執行的電腦程式產品實施在基板上沉積薄膜堆疊之製程或清洗腔室之製程。可用任何習知電腦可讀取程式化語言編寫電腦程式碼：例如，68000組合語言、C語言、C++語言、Pascal語言、Fortran語言或其他語言。使用習知文字編輯器將適宜程式碼輸入單個檔案或多個檔案中，並在電腦可用媒體(諸如電腦之記憶體系統)中儲存或體現該程式碼。若所輸入程式碼文字為高級語言，則編譯該 程式碼，及隨後將所得編譯器程式碼與預編譯之Microsoft Windows®程式館常式之目標程式碼鏈接。為了執行經鏈接編譯之目標程式碼，系統使用者調用目標程式碼，引起電腦系統在記憶體中載入程式碼。隨後CPU讀取及執行程式碼以執行程式中所識別的任務。
使用者與控制器之間的介面係經由平板觸敏監視器。在較佳實施例中，使用兩個監視器，一個安裝於清洗室壁中供操作者使用及另一個安裝於壁後供維護技術人員使用。兩個監視器可同時顯示相同資訊，而在此情況下每次僅一者接受輸入。為了選擇特定螢幕或功能，操作者觸摸觸敏監視器之指定區域。經觸摸區域改變高亮顯示色彩，或顯示新選項單或螢幕，從而確認操作者與觸敏監視器之間的通訊。可使用其他裝置(諸如鍵盤、滑鼠或其他指向或通訊裝置)代替觸敏監視器或除使用觸敏監視器還使用該等其他裝置，以允許使用者與系統控制器通訊。
如本文所使用之「基板」可為具有或不具有層形成於其上的支撐基板。支撐基板可為各種摻雜濃度及輪廓之絕緣體或半導體，且可例如為製造積體電路中所使用的半導體基板類型。「氧化矽」層可包括少量濃度之其他元素成分，諸如氮、氫、碳及類似元素。在本發明之一些實施例中，氧化矽基本由矽與氧組成。「激勵狀態」下的氣體描述一種氣體，其中氣體分子中的至少一些為振動激勵、解離及/或遊離狀態。氣體(或前驅物)可為兩種或更多種氣體(前驅物)之組合。貫穿使用術語「溝槽」，不具有經蝕刻之幾何形狀 具有大水平深寬比之含義。從表面上看，溝槽可呈現圓形、扁圓形、多邊形、矩形或各種其他形狀。術語「介層孔」係用於指低深寬比溝槽，該溝槽可填滿或可不填滿金屬以形成垂直電氣連接。術語「前驅物」係用於指任何製程氣體(或汽化液滴)，該氣體參與反應以從表面中移除材料或者沉積材料。
本文將使用術語「照射(irradiate)」、「照射(irradiating)」及「照射(irradiation)」以包括電子束處理、光學處理(諸如紫外線處理)以及其他粒子衝擊處理。貫穿使用術語「溝槽」，不具有經蝕刻之幾何形狀具有大水平深寬比之含義。從表面上看，溝槽可呈現圓形、扁圓形、多邊形、矩形或各種其他形狀。術語「介層孔」係用於指低深寬比溝槽，該溝槽可填滿或可不填滿金屬以形成垂直電氣連接。如本文所使用，等形層指在表面上與表面形狀相同的大體均勻材料層，亦即，層之表面與正經覆蓋之表面大體平行。熟習此項技術者將認識到，所沉積之材料可能無法100%等形，且因此術語「大體」允許可接受容限。
已描述若干實施例，彼等熟習此項技術者將認識到，在不脫離本發明之精神的情況下，可使用各種修改、替代結構及等效物。另外，並未描述眾多熟知製程及元件以免不必要地模糊本發明。因此，不應將上文描述視為限制本發明之範疇。
在提供值範圍的情況下，應理解，亦具體揭示介於彼範圍之上限與下限之間的每個中間值(精確到下限單位之 十分之一)，除非上下文另有清楚指示。包含在所述範圍中的任何所述值或中間值與彼所述範圍中的任何其他所述值或中間值之間的每個較小範圍。該等較小範圍之上限及下限可獨立被包括或不包括在該範圍內，且本發明中亦包含較小範圍內包括上限與下限中一者、不包括上限與下限兩者或包括上限與下限兩者之每個範圍，可對所述範圍內指定任何不包括限制。在所述範圍包括上限與下限中之一者或兩者的情況下，亦包括不包括彼等所包括上限與下限中之一者或兩者的範圍。
如本文所使用及在隨附申請專利範圍中所使用，除非上下文另有清楚指示，否則單數形式之「一(a)」、「一(an)」及「該」包括複數引用。因此，例如，對「一製程」之引用包括複數個此類製程及對「該前驅物」之引用包括引用一或更多種前驅物及為熟習此項技術者所知的前驅物等效物等等。
又，當在本說明書及以下申請專利範圍中使用時，字組「包含(comprise)」、「包含(comprising)」、「包括(include)」、「包括(including)」及「包括(includes)」意欲指定所述特徵、整數、組件或步驟之存在，但並未排除一或更多個其他特徵、整數、組件、步驟、行為或群組之存在或添加。

Claims (19)

  1. 一種在一基板上形成一含矽與氧層之方法，該方法包含以下連續步驟：在一基板沉積溫度下於該基板上沉積一含矽與氫層，其中該含矽與氫層在沉積期間為可流動；在150℃以下之一非熱處理溫度下執行該含矽與氫層之一非熱處理，其中該非熱處理及非熱處理溫度足以從該薄膜中移除氫，並且亦足以保持該非熱處理期間該含矽與氫層之流動性，其中該非熱處理將該含矽與氫層修改成一含矽層；以及在一蒸汽退火溫度下蒸汽退火該含矽層，該溫度足以將該含矽層轉換成該含矽與氧層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該非熱處理溫度為低於75℃。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該蒸汽退火溫度介於150℃與550℃之間。
  4. 如請求項1所述之方法，其中該基板沉積溫度為低於或約200℃。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該非熱處理溫度低於或約為該基板沉積溫度。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層包含緊隨該沉積步驟後立即形成的Si-H鍵，且該非熱處理步驟移除Si-H鍵及形成Si-Si鍵。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層包含緊隨該非熱處理步驟立即形成的Si-Si鍵，且該蒸汽退火步驟移除Si-Si鍵及形成Si-O-Si鍵。
  8. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：在該蒸汽退火步驟後，將該基板之一溫度提高至500℃以上或約500℃的一乾式退火溫度。
  9. 如請求項1所述之方法，其中該基板經圖案化且具有一溝槽，該溝槽具有約32nm或以下之一寬度。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層為一含矽、氮與氫層。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層為一無碳含矽與氫層。
  12. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層為一無氮含矽與氫層。
  13. 如請求項1所述之方法，其中執行該非熱處理之該操作包含以下步驟：對該基板照射紫外光。
  14. 如請求項1所述之方法，其中執行該非熱處理之該操作包含以下步驟：用一電子束照射該基板。
  15. 如請求項1所述之方法，其中在該相同基板處理區域內實施沉積該含矽與氫層、執行該非熱處理及蒸汽退火該含矽層之該等步驟。
  16. 如請求項1所述之方法，其中再次重複沉積該含矽與氫層、執行該非熱處理及蒸汽退火該含矽層之該等連續步驟以便處理一更厚的材料層。
  17. 如請求項1所述之方法，其中該含矽與氫層為一含矽、氮與氫層，該層由以下步驟形成：使一含氮前驅物流入一電漿區域內以產生一氮自由基前驅物；在一無電漿基板處理區域內將一含矽與氮前驅物與該氮自由基前驅物組合；以及在該基板上沉積該含矽、氮與氫層。
  18. 如請求項17所述之方法，其中該含氮前驅物包含氨。
  19. 如請求項17所述之方法，其中該含矽與氮前驅物包含N(SiH3)3。
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