專利名稱：用于在半導(dǎo)體裝置上形成共形氧化層的方法
用于在半導(dǎo)體裝置上形成共形氧化層的方法 發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明實施例大體而言涉及半導(dǎo)體制造，并且更明確地說，涉及半導(dǎo)體裝置或半導(dǎo)體裝置的部件的氧化以形成共形氧化物層。相關(guān)技術(shù)的描述半導(dǎo)體裝置在多個制造階段需形成薄氧化物層。例如，在晶體管中，薄柵氧化物層可形成為柵疊層結(jié)構(gòu)的一部分(包含側(cè)壁)，如會在以下詳加描述者。此外，在某些應(yīng)用中， 諸如在閃存薄膜疊層的制造中，可在整個柵疊層周圍形成薄氧化物層，例如，通過將該疊層暴露在氧化工藝中。這類氧化工藝傳統(tǒng)上是以熱方法執(zhí)行或利用等離子體來執(zhí)行的。形成例如柵氧化物層或柵疊層氧化層這樣的氧化物層的熱工藝在過去所使用的較大特征結(jié)構(gòu)尺寸半導(dǎo)體裝置的制造中成效相當(dāng)好。然而，隨著特征結(jié)構(gòu)尺寸大幅度縮小并且在下一代的先進(jìn)技術(shù)中使用不同氧化物，熱氧化工藝所需的高晶片或襯底溫度會因為硅晶片內(nèi)的摻雜物(阱摻雜以及結(jié))在較高溫度下(例如高于約700°C)擴(kuò)散而造成問題。 此種摻雜物分布及其他特征結(jié)構(gòu)的失真可導(dǎo)致不良的裝置性能或失效。用來形成氧化物層的等離子體工藝具有類似問題。例如，在高腔室壓力下(例如 100毫托)，形成期間污染物有累積在該柵氧化物層內(nèi)的傾向，造成柵氧化物結(jié)構(gòu)的諸如懸鍵(dangling bond)或移動電荷之類的嚴(yán)重缺陷，而在低腔室壓力下(例如數(shù)十毫托)，增加的等離子體離子能量造成離子轟擊傷害和其他擴(kuò)散問題。例如，傳統(tǒng)氧化工藝常造成稱為鳥嘴的缺陷。鳥嘴是指氧化物層從相鄰層之間界面處的側(cè)邊擴(kuò)散進(jìn)入薄膜疊層結(jié)構(gòu)的層內(nèi)，環(huán)繞所述相鄰層的角落。所造成的缺陷具有類似鳥嘴的分布。該氧化層侵入存儲單元 (例如在閃存應(yīng)用中)的有源區(qū)會縮小該存儲單元的有效寬度，由此不合需要地縮小該單元的有效寬度，并降低該閃存裝置的性能?，F(xiàn)行低溫等離子體工藝的另一局限在于氧化似乎優(yōu)先在與該晶片或襯底面平行的表面上(也就是說，諸如由疊層材料層所形成的柵極以及形成在所述柵極之間的溝槽這樣的結(jié)構(gòu)的頂部和底部)發(fā)生。一般認(rèn)為這是緣于與該晶片垂直的氧離子流通量和自由基流通量。無論成因為何，疊層側(cè)壁上發(fā)生有限的氧化，在柵疊層上產(chǎn)生薄到令人無法接受的側(cè)壁層和差的共形性。因此，需要一種改善的在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層的方法。發(fā)明概述本發(fā)明的一個方面涉及一種處理形成在半導(dǎo)體襯底上的氧化物層的方法。根據(jù)一個或多個實施例，該方法包含將這種襯底置于等離子體反應(yīng)腔室內(nèi)的襯底支撐件上。在一個或多個實施例中使用的腔室包含離子產(chǎn)生區(qū)。該方法也可包含通入或流入工藝氣體進(jìn)入該腔室，其中，在該離子產(chǎn)生區(qū)內(nèi)，等離子體經(jīng)產(chǎn)生在該腔室的離子產(chǎn)生區(qū)內(nèi)，并用來在該襯底上形成氧化物層。根據(jù)一個或多個實施例形成的等離子體可含氧或氧物種。在一個或多個實施例中，該氧化物層在該襯底主動冷卻期間由該等離子體形成。在此實施例中，主動冷卻該襯底增加某些等離子體內(nèi)所含氧物種的粘附系數(shù)。
根據(jù)一個或多個實施例，該襯底經(jīng)冷卻至低于約100°C的溫度。在具體實施例中， 該襯底經(jīng)冷卻至范圍在約-50°c至約100°C內(nèi)的溫度。在更具體的實施例中，該襯底經(jīng)冷卻至范圍在約-25°c至75°C內(nèi)的溫度，并且在甚至更具體的實施例中，該襯底經(jīng)冷卻至范圍在約0°C至約50°C內(nèi)的溫度。如在此所使用的，“主動冷卻“一詞表示在該襯底鄰近流通冷卻流體。在一個實施例中，利用靜電夾盤(ESC)在該襯底鄰近流通冷卻流體。在另一個實施例中，將對流氣體供應(yīng)至 該腔室并在該襯底鄰近流通。根據(jù)一個或多個實施例，該襯底是通過使冷卻劑流經(jīng)該襯底支撐件來主動冷卻的。在一個具體實施例中，該冷卻劑在該襯底和襯底支撐件間循環(huán)。該襯底也可，例如，通過接觸襯底表面來冷卻，其中，在一個具體實施例中，該襯底含有多個冷卻導(dǎo)管。在一個更具體的實施例中，該襯底支撐件使用一系列通道來供應(yīng)冷卻劑至冷卻導(dǎo)管。適用于此種實施例的冷卻劑包含氦氣、其他惰性氣體及上述物質(zhì)的組合物。一個或多個其他實施例通過流通對流氣體進(jìn)入該反應(yīng)腔室內(nèi)來主動冷卻該襯底。 在一個具體實施例中，將氦氣流入該反應(yīng)腔室內(nèi)以主動冷卻該襯底。在一個更具體的實施例中，對流氣體以從約500SCCm至約3000SCCm范圍內(nèi)的流速流入該反應(yīng)腔室。在一個或多個實施例中使用的對流氣體包含氦氣，并且也可包含一種或多種其他惰性氣體。前面已相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的某些特征結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)領(lǐng)會所公開的具體實施例可輕易用做調(diào)整或設(shè)計落在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他結(jié)構(gòu)或工藝的基礎(chǔ)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員也應(yīng)理解這類等效結(jié)構(gòu)并不背離在所附權(quán)利要求書范圍中提出的本發(fā)明精神和范圍。附圖簡要說明因此可以詳細(xì)理解上述本發(fā)明的特征結(jié)構(gòu)的方式，即對簡短地在前面概述過的本發(fā)明更明確的描述，可通過參考實施例來得到，其中某些實施例在附圖中圖示。但應(yīng)注意的是，附圖僅圖示本發(fā)明的一般實施例，因為本發(fā)明可允許其他等效實施例，因此不應(yīng)視為對本發(fā)明范圍的限制。

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一實施例的等離子體反應(yīng)器；圖2A至圖2B圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制造階段；圖3示出用于本發(fā)明的一個實施例的靜電夾盤；圖4示出包含對流氣源的等離子體反應(yīng)器腔室；圖5示出利用現(xiàn)有技術(shù)的等離子體氧化工藝形成的氧化物層；以及圖6A至圖6B示出利用根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例的等離子體氧化工藝形成的氧化物層。具體描述本發(fā)明實施例提供通過氧化半導(dǎo)體襯底形成共形氧化物層的方法。下述具體實施例關(guān)于利用低溫氧化法形成的氧化物層描述。如在此所使用的，低溫氧化表示在低于約700°C的溫度下的氧化。傳統(tǒng)等離子體氧化因為傳送至該襯底的等離子體功率而在高于100°c的溫度下發(fā)生。在高于100°C的溫度下，氧離子流通量(flux)支配該氧化工藝，與抵達(dá)寬度為50納米的結(jié)構(gòu)的水平壁(也可稱為頂表面和底表面或柵極和溝槽)的氧化流通量相比，因此僅有半數(shù)的氧化流通量抵達(dá)垂直側(cè)壁。據(jù)此，當(dāng)共形性被定義為側(cè)壁上的生長與頂或底表面上的生長的比例時，在大于 25埃的厚度下，傳統(tǒng)等離子體氧化僅達(dá)到50%的共形性。已發(fā)現(xiàn)在等離子體氧化期間主動冷卻襯底至約-50°C至100°C范圍內(nèi)的溫度，例如在約-25°C至75°C的具體范圍內(nèi)，并且更具體地在約0°C至50°C范圍內(nèi)，可改善利用硅結(jié)構(gòu)的低溫氧化所形成的薄膜的共形性。更明確地說，厚度低于約100納米的較小特征結(jié)構(gòu)的薄膜共形性顯著改善。共形性被定義為形成在結(jié)構(gòu)側(cè)壁上的薄膜厚度與形成在結(jié)構(gòu)的包含頂及底表面的水平表面上的薄膜厚度間的比例。根據(jù)本發(fā)明的一個 或多個實施例，可達(dá)到至少約75%的共形性，并且更明確地說至少約80%，并且在具體實施例中至少約90%。 在一個或多個實施例中，通過以上述方法處理，一般認(rèn)為較低溫度增加氧物種對結(jié)構(gòu)側(cè)壁的粘附系數(shù)。本發(fā)明實施例可在適當(dāng)配備的等離子體反應(yīng)器內(nèi)執(zhí)行，諸如可從加州圣塔克拉拉的應(yīng)用材料(Applied Materials)有限公司取得的去耦等離子體氮化(DPN)反應(yīng)器。也可使用其他適合的等離子體反應(yīng)器，包含但不限于，輻射狀排列槽形天線等離子體設(shè)備及中空陰極等離子體設(shè)備。圖1描繪適于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實施例的氧化物形成工藝的示例性等離子體反應(yīng)器。該反應(yīng)器可通過由連續(xù)波(CW)功率產(chǎn)生器驅(qū)動的感應(yīng)耦合等離子體源功率施加器提供低離子能量等離子體及高離子能量等離子體。圖1所示反應(yīng)器11包含腔室10，所述腔室10具有圓柱狀側(cè)壁12及頂板14，所述頂板14可以是圓頂狀(如圖中所示)、平板狀、或其他幾何形狀。等離子體源功率施加器包含線圈天線16，設(shè)置在該頂板14上方并通過第一阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)18耦合至功率源。該功率源包含RF功率產(chǎn)生器20和在該產(chǎn)生器20的輸出處的閘極(gate) 22。該反應(yīng)器也包含襯底支撐座26，所述襯底支撐座26可以是靜電夾盤或其他適合的襯底支撐件，以夾持諸如200毫米或300毫米半導(dǎo)體晶片或類似物的半導(dǎo)體襯底27。通常，在該襯底支撐座26頂表面下方有諸如加熱器34這樣的加熱設(shè)備。該加熱器34可以是單區(qū)域加熱器或多區(qū)域加熱器，諸如具有徑向內(nèi)部和外部加熱元件34a和34b的雙徑向區(qū)域加熱器，如圖1所示。此外，該反應(yīng)器包含注氣系統(tǒng)28及與該腔室10的內(nèi)部空間連結(jié)的真空泵30。該注氣系統(tǒng)28由氣源供應(yīng)，所述氣源可包含氧氣瓶32、氫氣瓶62或稀有氣體(noble gas)瓶 70。可包含諸如水蒸氣源和惰性氣體源的其他工藝氣源(未示出)。在一個或多個實施例中，可使用多于一個氣源。流量控制閥66、64和68分別與該氧氣瓶32、該氫氣瓶62和該稀有氣體瓶70耦接，并且可用來在處理期間選擇性提供工藝氣體或工藝氣體混合物至該腔室10的內(nèi)部空間。也可提供供應(yīng)諸如氮氣、氣體混合物、或類似物的額外氣體的其他氣源 (未示出)?？衫迷撜婵毡?0的節(jié)流閥38來控制該腔室10內(nèi)的壓力?？赏ㄟ^控制脈沖產(chǎn)生器36的工作周期來控制該閘極22處的脈沖RF功率輸出的工作周期，所述脈沖產(chǎn)生器36的輸出與該閘極22耦合。等離子體在離子產(chǎn)生區(qū)39內(nèi)產(chǎn)生， 所述離子產(chǎn)生區(qū)39對應(yīng)該頂板14下方被該線圈天線16圍繞的空間。由于等離子體是在該腔室10的上半部區(qū)域與該襯底27有一段距離處產(chǎn)生，該等離子體被稱為類遠(yuǎn)程等離子體(例如，該等離子體具備遠(yuǎn)程等離子體形成的優(yōu)勢，但在與該襯底27相同的腔室10內(nèi)形成)。操作時，可用該等離子體反應(yīng)器來執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明實施例的氧化工藝，以沉積高質(zhì)量氧化物層，所述氧化物層在形成于襯底上的氧化物疊層的側(cè)壁上具有增量的氧化物
層。 例如，圖2A至圖2B示出含有形成在半導(dǎo)體襯底202上的薄膜疊層240的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200的制造階段。在一個或多個實施例中，該襯底202可包含多個薄膜疊層240，在所述疊層之間形成有溝槽250。在此所述用來制造該半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200的工藝可在，例如，上面關(guān)于圖1所述的反應(yīng)器11內(nèi)執(zhí)行。襯底202上面沉積有薄膜疊層240。該薄膜疊層240將被氧化。該襯底202 —般對應(yīng)于圖1的襯底27，并且通常支撐在該等離子體反應(yīng)器11的腔室10內(nèi)該襯底支撐件26 上。該襯底202可具有各種尺寸，諸如直徑200毫米或300毫米的晶片，以及矩形或方形面板。在某些實施例中，該薄膜疊層240可形成在該襯底202上，然后提供給該腔室10進(jìn)行該氧化工藝。例如，可在與組合工具耦接的一個或多個工藝腔室內(nèi)制造該薄膜疊層240，所述組合工具也耦接有該等離子體反應(yīng)器11。適合的組合工具的范例是可從加州圣塔克拉拉的應(yīng)用材料公司取得的柵疊層CENTURA 。該襯底202可包含諸如結(jié)晶硅(例如，硅<100>或硅<111>)、氧化硅、應(yīng)變硅、鍺化硅、摻雜或未摻雜的多晶硅、摻雜或未摻雜的硅晶片、圖案化或未圖案化的晶片、絕緣層上硅(SOI)、摻雜碳的氧化硅、氮化硅、摻雜的硅、鍺、砷化鎵、玻璃、藍(lán)寶石、或類似物這樣的材料。會理解該薄膜疊層240并不受限于上述特定材料。因此，該薄膜疊層240可以是欲氧化的任何種材料疊層。例如，在某些實施例中，例如在閃存應(yīng)用中，該疊層200可以是快閃記憶單元的柵疊層，所述柵疊層含有穿隧氧化物層204、浮置柵層206、單層或多層介電層、以及控制柵層220，所述單層或多層介電層含有多晶硅間介電層(IPD)210(該IPD的非限制性范例是多層ONO層，所述多層ONO層含有氧化物層212、氮化物層214、以及氧化物層216，在圖2A至圖2B中示例性示出)。所述氧化物層204、212、216通常含硅和氧，諸如氧化硅(SiO2)、氧氮化硅(SiON)、或類似物。該氮化物層通常含硅及氮，諸如氮化硅(SiN)、 或類似物。在某些實施例中，也可用含有Si02/Al203/Si02&多層來做為該IPD層210。該浮置柵層206和該控制柵層220通常含有諸如多晶硅、金屬、或類似物這樣的導(dǎo)電材料。預(yù)期在諸如動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)金屬電極/多晶硅柵疊層、用于非易失性存儲器(NVM) 的電荷捕獲型閃存(CTF)、或類似物的其他應(yīng)用中的薄膜疊層可根據(jù)在此提供的教導(dǎo)有利地氧化。該DRAM金屬電極通常是鎢(W)，在所述鎢及多晶硅層之間具有氮化鈦(TiN)或氮化鎢(WN)的中間層。用于非易失性存儲器(NVM)的電荷捕獲型閃存(CTF)使用Si02/SiN/ Al2O3柵疊層，所述Si02/SiN/Al203柵疊層具有氮化鉭(TaN)或氮化鈦(TiN)的金屬電極，所述Si02/SiN/Al203柵疊層也可從柵蝕刻后的側(cè)壁氧化受益。在某些實施例中，該工藝氣體可包含水蒸氣，并且在一個或多個具體實施例中，該水蒸氣可與氫氣及/或氧氣的至少一種混合。做為另一種選擇或合并使用，該水蒸氣可與諸如氦氣(He)、氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、 氖氣(Ne)、或類似物的至少一種惰性氣體混合。在某些實施例中，可提供總流速約100-2000sCCm之間，或約400sCCm，的工藝氣體 (或氣體混合物)。例如，在提供氧氣(O2)和氫氣(H2)兩者的實施例中，可提供總流速約 100-2000sCCm之間的在上述百分比范圍內(nèi)的氧氣(O2)和氫氣(H2)，或約400sCCm。在提供水蒸氣的實施例中，可連同諸如氦氣、氬氣、氪氣、氖氣或其他適合惰性氣體的一種或多種惰性載氣，通入流速約5-lOOOsccm之間的水蒸氣?？梢佬枰?yīng)所述惰性氣體，以提供約 100-2000sCCm之間的總流速，并提供具有多達(dá)約50%水蒸氣的工藝氣體混合物。惰性氣體添加也可與H2/02混合物并用，以避免離子化氧氣及/或氦氣的再結(jié)合。激發(fā)的雙原子分子通常傾向在等離子體內(nèi)與自身再結(jié)合，因此添加惰性氣體(例如氬氣、氦氣、氪氣、氖氣、或類似物)可促進(jìn)較高氧化速率。 等離子體在該腔室10內(nèi)由所述工藝氣體產(chǎn)生，以在該薄膜疊層240上形成氧化物層230。利用感應(yīng)耦合來自設(shè)置在該頂板14上方的線圈天線16的RF能量，在圖1所示腔室10的離子產(chǎn)生區(qū)39內(nèi)形成該等離子體，由此有利地提供低離子能量(例如就脈沖等離子體而言低于約5eV，并且就CW等離子體而言低于15eV)。該等離子體的低離子能量限制離子轟擊傷害，并促進(jìn)該薄膜疊層240的側(cè)壁的氧化，同時限制氧氣在所述疊層的各層之間擴(kuò)散，由此減少鳥嘴。在某些實施例中，可以適當(dāng)頻率提供約25至5000瓦的功率至該線圈天線16，以形成等離子體(例如，在MHz或GHz范圍內(nèi)，或約13. 56MHz或更大)。可以連續(xù)波或脈沖模式提供該功率。在一個或多個實施例中，以工作周期介于約2%至70%之間的脈沖模式提供該功率。例如，在某些實施例中，該等離子體可在連續(xù)的“開啟，，時間期間產(chǎn)生，而容許該等離子體的離子能量在連續(xù)的“關(guān)閉”區(qū)間期間衰變。該“關(guān)閉”區(qū)間隔離連續(xù)的“開啟”區(qū)間，而該“開啟”及“關(guān)閉”區(qū)間界定出可控制的工作周期。該工作周期將該襯底表面處的離子動能限制在低于預(yù)定臨界能量下。在某些實施例中，該預(yù)定臨界能量為約5eV或低于約 5eV。例如，在該脈沖RF功率的“開啟，，時間期間，該等離子體能量增加，而在該“關(guān)閉” 時間期間則降低。在短暫的“開啟”時間期間，該等離子體在大約對應(yīng)于該線圈天線16所圈起的空間的該離子產(chǎn)生區(qū)39內(nèi)產(chǎn)生。該離子產(chǎn)生區(qū)39在該襯底27上方一段顯著距離 LD處。在該“開啟”時間期間于該離子產(chǎn)生區(qū)39內(nèi)靠近該頂板14產(chǎn)生的等離子體在該“關(guān)閉”時間以平均速度VD朝該襯底27飄移。在每一個“關(guān)閉”時間期間，最快速的電子擴(kuò)散至所述腔室壁，容許該等離子體冷卻。能量最高的電子以比該等離子體離子飄移速度VD快許多的速度擴(kuò)散至所述腔室壁。因此，在該“關(guān)閉“時間，該等離子體離子能量在所述離子抵達(dá)該襯底27之前顯著降低。在下一次“開啟”時間期間，更多等離子體產(chǎn)生在該離子產(chǎn)生區(qū)39，并且整個周期重復(fù)。結(jié)果，抵達(dá)該襯底27的等離子體離子的能量顯著降低。在較低的腔室壓力范圍下，也就是說約10毫托和以下，該脈沖RF情況的等離子體能量與該連續(xù) RF情況相比大幅降低。該脈沖RF功率波形的“關(guān)閉”時間及該離子產(chǎn)生區(qū)39和該襯底27之間的距離LD 兩者均應(yīng)足以容許產(chǎn)生在該離子產(chǎn)生區(qū)39的等離子體失去足夠大量的能量，因此等離子體在抵達(dá)該襯底27時造成很少或無離子轟擊傷害或缺陷。明確地說，該“關(guān)閉”時間由約 2和20kHz之間，或約10kHz，的脈沖頻率以及約5%和20%之間的“開啟，，工作周期限定。 因此，在某些實施例中，該“開啟”區(qū)間可持續(xù)約5微秒至約50微秒范圍內(nèi)的時間，或約20 微秒，而該“關(guān)閉”區(qū)間可持續(xù)約50微秒至約95微秒范圍內(nèi)的時間，或約80微秒。在某些實施例中，該離子產(chǎn)生區(qū)至襯底距離LD為大于約2厘米，或者在約2厘米至約20厘米范圍內(nèi)。該離子產(chǎn)生區(qū)至襯底距離LD可與所述等離子體離子在該脈沖RF功率波形的單一個“關(guān)閉”時間 期間行進(jìn)的距離(VD乘以該“關(guān)閉”時間)約相同(或更大)。在連續(xù)波和脈沖模式兩者中，該等離子體有利地在該腔室內(nèi)平衡氧氣離子和氫氣離子的共生，并且該等離子體與該襯底之間距離夠近以利用對于離子能量的控制來限制所述離子活性的流失，以避免離子轟擊造成的傷害或擴(kuò)散傷害(例如鳥嘴)。所產(chǎn)生的等離子體可在低壓工藝中形成，由此減少污染導(dǎo)致的缺陷的可能性。例如，在某些實施例中，可將該腔室10保持在約1-500毫托之間的壓力下。此外，可通過使用類遠(yuǎn)程等離子體源，及任選地通過如上所述脈沖該等離子體源功率來限制或避免在如此低的腔室壓力水平下所能預(yù)料到的轟擊導(dǎo)致的缺陷。根據(jù)一個或多個實施例，該氧化物層230可形成至從約5埃至約50埃范圍內(nèi)的厚度。該工藝可提供每分鐘約7埃至約50埃范圍內(nèi)的氧化物薄膜生長速率，或每分鐘至少約 25埃。在此公開的本發(fā)明工藝在較低熱預(yù)算下提供上述的氧化物生長速率提升，因而通過與傳統(tǒng)氧化工藝相比減少該襯底對于該工藝的暴露時間而更加限制擴(kuò)散效應(yīng)。在某些實施例中，該工藝可具有從約5秒至約300秒范圍內(nèi)的持續(xù)時間。可在該薄膜疊層240上將該氧化物層230形成至預(yù)期厚度。隨后可依需要進(jìn)一步處理該襯底202以完成在該襯底上制造的結(jié)構(gòu)。如上所述，已發(fā)現(xiàn)在等離子體氧化期間主動冷卻該襯底至約-50°C至100°C范圍內(nèi)的溫度，例如在約_25°C至75°C的具體范圍內(nèi)，并且更具體地在約0°C至50°C范圍內(nèi)，能改善利用硅結(jié)構(gòu)的低溫氧化所形成的薄膜的共形性?？捎枚喾N方法來實現(xiàn)冷卻。根據(jù)第一實施例，該支撐座26可包含靜電夾盤(ESC)，所述靜電夾盤以冷卻氣體冷卻或接觸該襯底背側(cè)，或該襯底與該支撐座26接觸的一側(cè)，以在低溫氧化期間維持該襯底溫度。圖3示出ESC 325的示例性實施例。參考圖1的反應(yīng)器11，該ESC 325在該腔室 10內(nèi)支撐半導(dǎo)體襯底27。該ESC 325可包含具有貫穿的孔330的底座。在所示實施例中， 靜電組件333包含絕緣體335，所述絕緣體335封住電極350。該靜電組件333包含上表面340，以容納并支撐襯底。具有電壓供應(yīng)導(dǎo)線360的電氣連接器355經(jīng)電氣連接至該電極350。該電壓供應(yīng)導(dǎo)線360穿過該ESC 325的基座的孔330延伸，并在電氣接觸365終止，所述電氣接觸365電氣接合電壓供應(yīng)端370。在使用時，將該靜電夾盤325固定在工藝腔室380內(nèi)的支撐件375上。應(yīng)理解該ESC 325可與圖1所示的反應(yīng)器11 一起使用。在圖3所示實施例中，該工藝腔室380 (工藝腔室380對應(yīng)圖1的腔室10)可包含工藝氣體入口 382 (工藝氣體入口 382對應(yīng)圖1的注氣系統(tǒng)28)，所述工藝氣體入口 382連接工藝氣源 302 (工藝氣源302對應(yīng)圖1的氧氣瓶32、氫氣瓶62或稀有氣體瓶70)至該腔室380。圖3 的工藝腔室380還包含連接至排氣系統(tǒng)301的排氣出口 384。在圖3實施例中，襯底345夾持在該ESC 325上，并且從該冷卻劑源或冷卻器300 供應(yīng)冷卻劑至位于該絕緣體335上表面340內(nèi)的冷卻導(dǎo)管305，所述冷卻導(dǎo)管305也包含冷卻導(dǎo)管或溝槽。在一個或多個實施例中，該冷卻劑包含諸如氦氣、氬氣以及周期表第8族中的大部分惰性元素這樣的傳導(dǎo)氣體。夾持在該ESC 325上的襯底345覆蓋并密封所述冷卻導(dǎo)管305，避免該冷卻劑外漏。所述冷卻導(dǎo)管305內(nèi)的冷卻劑從該襯底345除熱，并在處理期間將該襯底345保持在固定溫度下。在一個或多個實施例中，所述冷卻導(dǎo)管305是利用一系列通道連接至該冷卻劑源300，所述通道可貫穿整個絕緣體和電極延伸。所述冷卻導(dǎo)管可經(jīng)隔開、按一定尺寸制作(sized)及分布，使得保持在所述冷卻導(dǎo)管中的冷卻劑可實質(zhì)上冷卻整個襯底345。在一個或多個實施例中，可使用等離子體脈沖技術(shù)來最小化歸因于傳輸至該襯底的等離子體功率的襯底加熱。根據(jù)這些實施例，在等離子體氧化期間可使用等離子體脈沖技術(shù)來將該襯底保持在約-50°C至100°C范圍內(nèi)的溫度下，例如在約_25°C至75°C的具體范圍內(nèi)，并且更具體地在約0°C至50°C范圍內(nèi)?？梢远喾N適合方法來實現(xiàn)等離子體脈沖。在實施例中，可開關(guān)循環(huán)該等離子體以將該襯底保持在此所述的溫度范圍內(nèi)。在另一個實施例中，該等離子體可以是從約2kHz至約50kHz范圍內(nèi)的k Hz頻率下的脈沖式等離子體。使用開關(guān)循環(huán)該等離子體的等離子體脈沖技術(shù)的實施例包含通過脈沖或時間調(diào)制該RF等離子體電源信號來調(diào)整平均等離子體電子溫度及化學(xué)性質(zhì)(chemistry)。此技術(shù)也稱為RF等離子體源功率調(diào)制，并且此技術(shù)獨立于該RF等離子體源功率水平控制電子溫度，這是因為在脈沖之間的功率關(guān)閉時間期間，電子溫度以比等離子體密度快許多的速率降低。RF等離子體源功率調(diào)制包含實體上連續(xù)或依照預(yù)定順序開啟及關(guān)閉該等離子體產(chǎn)生。在一個或多個實施例中，RF等離子體源功率調(diào)制包含開啟和關(guān)閉產(chǎn)生該離子產(chǎn)生區(qū)和該等離子體的功率源。根據(jù)一個或多個實施例，該等離子體脈沖技術(shù)包含在第一頻率及第二頻率之間交替該RF功率源的頻率。在一個或多個實施例中，也可以該第一及/或第二頻率供應(yīng)不同量的功率。在使用此等離子體脈沖法來將該襯底溫度維持或冷卻至-50°C和100°C之間的一個或多個實施例中包含將襯底置于等離子體反應(yīng)器的腔室內(nèi)，并通入含氫氣、氧氣或稀有氣體的氣體至該腔室內(nèi)。之后以第一頻率供應(yīng)功率至該反應(yīng)器以在該腔室內(nèi)產(chǎn)生第一等離子體。然后以第二頻率供應(yīng)功率以在該腔室內(nèi)產(chǎn)生第二等離子體。此類實施例也可以與該第一及第二頻率不同的頻率供應(yīng)功率。在一個或多個實施例中，以該第一或第二頻率供應(yīng)的功率量可不同，并且可關(guān)于所述頻率的一個或兩者周期性增加或減少或保持固定。也可控制以該第一或第二頻率供應(yīng)的功率量的改變率以調(diào)節(jié)或降低該襯底的溫度。在另一個實施例中，可通過流通冷卻或?qū)α鳉怏w至該反應(yīng)腔室內(nèi)，經(jīng)由氣體對流將該襯底溫度保持在或冷卻至_50°C和100°C之間。在一個或多個實施例中，冷卻氣體可流經(jīng)該襯底頂部而非該襯底背側(cè)。在此類實施例中，可調(diào)整該腔室以提供另一個氣體入口，使該冷卻氣體流入該腔室內(nèi)以冷卻該襯底。在一個或多個實施例中，可設(shè)置該入口以使該冷卻氣體可毗鄰該襯底表面流動。在一個或多個實施例中，該冷卻氣體是惰性氣體，所述惰性氣體從冷卻氣源供應(yīng)至該腔室。在一個或多個實施例中，該惰性氣體是諸如氦氣、氬氣及周期表第8族內(nèi)的其他惰性元素這樣的傳導(dǎo)氣體。圖4示出圖1的反應(yīng)器11，更包含與該腔室10的內(nèi)部空間耦接的冷卻氣體輸送系統(tǒng)29。該冷卻氣體輸送系統(tǒng)29由冷卻氣源82供應(yīng)，并且該冷卻氣體輸送系統(tǒng)29流通冷卻氣體至該腔室10內(nèi)。在一個或多個實施例中，該冷卻氣源可包含氦氣瓶。在具體實施例中，該冷卻氣源可包含稀有氣體混合氣體瓶。冷卻流量控制閥80經(jīng)耦接至該冷卻氣源82。 在圖4所示實施例中，該冷卻氣體經(jīng)供應(yīng)至該腔室并以所示方向毗鄰該襯底流動，以冷卻襯底溫度。根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施例，可使用多種方法在疊層中形成氧化物層，例如柵氧化物疊層。圖5描繪利用兩個柵疊層241、242和襯底203之間的空間形成的溝槽250，如圖2A至圖2B所示。所述柵疊層241、242可如上面參考圖2A至圖2B及/或薄膜疊層240 所示形成。該襯底203也可包含在此參考圖2A至圖2B所述的材料。在圖5中，氧化物層 231經(jīng)形成在該襯底203上的所述柵疊層241、242及該溝槽250上方。利用不包含冷卻該襯底的傳統(tǒng)處理技術(shù)，在諸如關(guān)于圖1所述的反應(yīng)器11這樣的等離子體反應(yīng)器內(nèi)形成該氧化物層。發(fā)明人已確定了通過將該襯底保持在約-50°C至100°C范圍內(nèi)，能夠改善利用低溫氧化法形成的薄膜或氧化物層的共形性。在一個或多個實施例中，能改善共形性而使所述側(cè)壁上和該溝槽上的二氧化硅層厚度之間的比例高于至少75%。圖5示出利用根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的等離子體氧化工藝形成的氧化物層231。圖5具體示出柵長度為65納米并且間隔為65納米的淺溝槽隔離或“STI”結(jié)構(gòu)的底部溝槽。圖5的氧化物層231經(jīng)沉積在形成在兩個諸如圖2B所示的薄膜疊層240這樣的薄膜疊層之間的溝槽250內(nèi)。該溝槽250由兩個側(cè)壁251、252限定。半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)200通常包含多個諸如圖 2B所示的薄膜疊層，在薄膜疊層之間具有溝槽250。形成在圖5所示溝槽250內(nèi)的氧化物層231在該溝槽250底部處的厚度大于在所述側(cè)壁251、252處的厚度。圖5的硅結(jié)構(gòu)是通過利用快速熱氧化法生長厚度75埃的隧道氧化物，然后生長厚度1200埃的摻雜的多晶硅層而形成的。利用低壓化學(xué)氣相沉積或“LPCVD”工藝在該多晶層上形成厚度50埃的高溫氧化物或“ΗΤ0”層以及最終厚度400埃的氮化硅層。所形成結(jié)構(gòu)的高度大約是340-380納米。該柵長度和間距是65納米。該氧化物層231在所述側(cè)壁251、252處的厚度為介于1. 9納米和2. 1納米之間。 形成在該襯底203上該溝槽250底表面處的氧化物層231的厚度約為3. 2納米。該氧化物層231的共形性，也就是所述側(cè)壁251、252處該氧化物層231的厚度與該襯底203上的厚度之間的比例為在從約0. 59至0. 66的范圍內(nèi)。圖6A示出形成在與圖5所用的相同類型的襯底及結(jié)構(gòu)上的氧化物層232，但是，形成該氧化物層232的方法包含利用ESC冷卻或保持該襯底203的溫度，如在此所述。該襯底203置放在腔室內(nèi)ESC上，如此說明書內(nèi)他處所述，并且在等離子體氧化工藝期間，該襯底203背側(cè)或該襯底與該ESC接觸的一側(cè)是利用氦氣冷卻。在圖6A所示實施例中，該氧化物層232是通過室溫等離子體氧化工藝?yán)眉s2000瓦的源功率及含有80%氫氣并且總流速為200sCCm的工藝氣體而形成的。用于該ESC內(nèi)的氦冷卻氣體經(jīng)設(shè)定在4t時間，并且該襯底經(jīng)冷卻至從約30°C至約50°C范圍內(nèi)的溫度。所形成的氧化物層232在所述側(cè)壁251、252處的厚度為介于2. 5納米和2. 7納米之間。該氧化物層232在該溝槽250底表面處的厚度是2. 7納米。該氧化物層232的共形性為介于0. 93和1.0之間。參見圖6B，利用在此所述的等離子體脈沖法在與圖5所用的相同類型的襯底及結(jié)構(gòu)上形成氧化物層233，以保持或冷卻該襯底溫度。如在此其他處所述，RF等離子體源功率信號是通過循環(huán)供應(yīng)至該反應(yīng)器的功率來脈沖的。利用巨脈沖工藝(macro-pulsing process)根據(jù)如下方案(recipe)開關(guān)該等離子體功率開啟4次持續(xù)25秒以及關(guān)閉4次持續(xù)120秒。運用使用2000瓦的功率源的RT去耦等離子體氧化或“DP0”腔室來形成該氧化物層。用來形成該氧化物層的工藝氣體包含80%的氫氣，并且以約200Sccm的流速流入該腔室內(nèi)。該襯底溫度經(jīng)冷卻至從約20°C和約-30°C范圍內(nèi)的溫度。
所形成的氧化物層233在所述側(cè)壁251、252處的厚度是2. 8納米。該氧化物層 233在該溝槽250底表面處的厚度是3. 1納米，產(chǎn)生0. 90的共形性。如上面結(jié)果清楚示出， 發(fā)現(xiàn)在等離子體氧化期間將該襯底溫度保持在或冷卻至約-50°C和100°C范圍內(nèi)的溫度可產(chǎn)生共形的氧化物層。本說明書整篇 所提到的“一個實施例”、“某些實施例”、“一個或多個實施例”或“實施例”表示結(jié)合該實施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、材料、或特性包含在本發(fā)明的至少一實施例中。因此，本說明書整篇各處的例如“在一個或多個實施例中”、“在某些實施例中”、“在實施例中”或“在一個實施例中”等句子的出現(xiàn)并不必定指本發(fā)明的相同實施例。此外，該特定特征、結(jié)構(gòu)、材料、或特性可在一或多個實施例中以任何適當(dāng)方式組合。不應(yīng)將上述方法的描述順序視為限制性，并且所述方法可不依照順序或以有省略或添加的方式使用所述操作。應(yīng)理解上面描述旨在說明，而非限制。在審視上面說明后，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，許多其他實施例會是顯而易見的。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)參考附屬權(quán)利要求書，連同權(quán)利要求書賦予等效物的完整范圍做判定。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體襯底上處理氧化物層的方法，所述方法包含將欲氧化的襯底置于等離子體反應(yīng)腔室內(nèi)的襯底支撐件上，所述等離子體反應(yīng)腔室具有離子產(chǎn)生區(qū)；通入工藝氣體至所述腔室內(nèi)；以及在所述等離子體反應(yīng)腔室的所述離子產(chǎn)生區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體，以在所述襯底上形成氧化物層，所述氧化物層具有水平表面厚度及側(cè)壁厚度，同時主動冷卻所述襯底至約-50°C至 100°C范圍內(nèi)的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中襯底溫度在所述氧化物層形成期間經(jīng)主動冷卻至約-25 °C至75 °C范圍內(nèi)的溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中襯底溫度在所述氧化物層形成期間經(jīng)主動冷卻至約0°C至50°C范圍內(nèi)的溫度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中主動冷卻襯底溫度包含使冷卻劑流動通過所述襯底支撐件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述襯底支撐件包含表面，所述表面具有多個冷卻導(dǎo)管，并且主動冷卻所述襯底溫度包含使所述襯底與所述襯底支撐件的表面接觸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述襯底支撐件更包含一系列通道，所述一系列通道供應(yīng)冷卻劑至所述多個冷卻導(dǎo)管。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中主動冷卻所述襯底溫度包含流動對流氣體至所述反應(yīng)腔室內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述對流氣體包含氦氣。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中所述對流氣體包含約500sCCm至約3000sCCm范圍內(nèi)的流速。
10.一種在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層的方法，所述方法包含將欲氧化的襯底置于等離子體反應(yīng)器的腔室內(nèi)襯底支撐件上，所述腔室具有離子產(chǎn)生區(qū)；通入工藝氣體至所述腔室內(nèi)；以及在所述腔室的所述離子產(chǎn)生區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體，以在所述襯底上形成氧化物層，同時主動冷卻所述襯底至低于約iocrc的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求 ο所述的方法，其中所述等離子體包含氧物種，并且主動冷卻所述襯底增加所述氧物種的粘附系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中主動冷卻所述襯底包含流動對流氣體至所述反應(yīng)器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中主動冷卻所述襯底包含在所述襯底和所述襯底支撐件之間循環(huán)冷卻劑。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述冷卻劑包含氦氣。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中所述冷卻劑更包含第二稀有氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開在半導(dǎo)體襯底上形成氧化物層的方法和設(shè)備。在一個或多個實施例中，利用等離子體氧化法通過將半導(dǎo)體襯底溫度控制在低于約100℃來形成共形氧化物層。根據(jù)一個或多個實施例的控制半導(dǎo)體襯底溫度的方法包含使用靜電夾盤以及冷卻劑和氣體對流。
文檔編號H01L21/205GK102301459SQ201080005910
公開日2011年12月28日 申請日期2010年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月28日
發(fā)明者克里斯托弗·S·奧爾森, 橫田義孝, 約翰內(nèi)斯·F·斯溫伯格, 阿古斯·S·查德拉 申請人:應(yīng)用材料公司