專利名稱：以可變的氮/氫比所制造的自由基來生長介電薄膜的方法
以可變的氮/氫比所制造的自由基來生長介電薄膜的方法相關申請的交叉引用本申請是2010 年 12 月 16 日提交的、題為 “DIELECTRIC FILM GROWTH WITHRADICALS PRODUCED USING FLEXIBLE NITROGEN/HYDROGEN RATIO (以可變的氮 / 氫比所制造的自由基來生長介電薄膜的方法)”的美國專利申請No. 12/969877的PCT申請，并且要求 2009 年 12 月 30 日提交的題為“NITRIDE FILM GROWTH WITH RADICALS PRODUCED USINGFLEXIBLE NITROGEN/HYDROGEN RATIO (以可變的氮/氫比所制造的自由基來生長氮化膜的方法)”的美國臨時專利申請No. 61/291054的權益，上述申請的內容通過引用整體結合于此。發(fā)明背景自從數(shù)十年前引進了半導體器件，半導體器件的幾何結構在尺寸上已顯著地減 小。當代半導體制造設備常規(guī)地生產(chǎn)具有45nm、32nm及28nm的特征尺寸的器件，并且正在開發(fā)和實現(xiàn)新的設備來制造具有甚至更小幾何結構的器件。減小的特征尺寸造成器件上的結構性特征具有減小的空間尺寸。器件上的間隙及溝槽的寬度窄化至間隙深度與間隙寬度的深寬比變得高到足以使用介電材料來填充間隙受到挑戰(zhàn)的程度。在完全填充間隙之前，沉積介電材料傾向于堵塞在頂部，因而在間隙的中間產(chǎn)生孔隙及縫隙。歷經(jīng)多年，已經(jīng)發(fā)展出許多技術來防止介電材料堵塞在間隙的頂部，或“修復(heal) ”已形成的孔隙及縫隙。已經(jīng)啟用ー種高度可流動的前驅物材料的方法，其中高度可流動的前驅物可以液相施加至旋涂基板表面(例如，SOG沉積技木)。這些可流動前驅物可流至非常小的基板間隙中并填充非常小的基板間隙，而不會形成孔隙或松軟縫隙。然而，一旦沉積這些高度可流動材料之后，必須將這些高度可流動材料硬化成固體介電材料。在許多例子中，硬化エ藝包括熱處理，以自沉積材料移除碳及羥基而留下諸如氧化硅之類的固體電介質。不幸地，碳及羥基種類的離開通常會在硬化的電介質中留下孔洞，而降低最終材料的品質。此外，硬化電介質亦傾向縮減體積，這可能在電介質與周圍基板的界面處留下裂縫或間隔。在一些例子中，硬化的電介質的體積可能減小40%或更多。因此，需要在結構基板上形成介電材料而不會在基板間隙和溝槽中產(chǎn)生孔隙、縫隙或兩者的新沉積エ藝及材料。也需要以較少孔洞及較少體積減小來硬化可流動介電材料的材料與方法。在本發(fā)明中實現(xiàn)此項及其他的需求。

發(fā)明內容本發(fā)明描述形成介電層的方法。本方法可包括以下步驟混合含硅前驅物與氮自由基前驅物，以及沉積介電層至基板上。氮自由基前驅物在遠端等離子體中藉由將氫(H2)及氮(N2)流動至等離子體中以便允許調整氮/氫比例而形成。介電層起初為含硅及氮層，所述含硅及氮層可藉由在含氧環(huán)境中固化和/或退火薄膜而轉化為含硅及氧層。本發(fā)明諸實施例包括在基板處理腔室的無等離子體基板處理區(qū)域中的基板上形成介電層的方法。所述方法包括以下步驟流動含氮及氫氣體至等離子體區(qū)域中以產(chǎn)生氮自由基前驅物。含氮及氫氣體包含氫(H2)及氮(N2)以允許進入所述等離子體區(qū)域中的氮氫原子流量比的選擇能有更大的可變性。所述方法進ー步包括以下步驟在無等離子體基板處理區(qū)域中結合含硅前驅物與氮自由基前驅物，以及沉積介電層至基板上。其他實施例及特征部份闡述于下文，且部份對本領域技術人員而言可基于檢視本說明書而為顯而易見，或可藉由實施本發(fā)明來了解?？山逵烧f明書中描述的工具構件、組合物、及方法來理解及達成本發(fā)明的特征及優(yōu)點。

可藉由參照說明書的其余部分及附圖以更進一歩了解本發(fā)明的特性與優(yōu)勢，其中在附圖中使用相似參考元件符號來表示相似的組件。在一些情況中，子標簽(sublabel)與參考元件符號相關聯(lián)且接續(xù)ー連號以表示為多個相似組件中的ー個。當參照ー參考元件符號而未指定子標簽，則表示所有此類多個相似組件。第I圖為根據(jù)本發(fā)明實施例例示制造氧化硅薄膜的選擇步驟的流程圖。 第2圖為根據(jù)本發(fā)明實施例例示用于在基板間隙中形成氧化硅薄膜的選擇步驟的另一流程圖。第3圖為根據(jù)本發(fā)明實施例的基板處理系統(tǒng)的示意圖。第4A圖為根據(jù)本發(fā)明實施例的基板處理腔室的示意圖。第4B圖為根據(jù)本發(fā)明實施例的基板處理腔室的噴淋頭的示意圖。
具體實施方式本發(fā)明描述形成介電層的方法。本方法可包括以下步驟混合含硅前驅物與氮自由基前驅物，以及沉積介電層至基板上。氮自由基前驅物在遠端等離子體中藉由將氫(H2)及氮(N2)流動至等離子體中以便允許調整氮/氫比例而形成。介電層起初為含硅及氮層，所述含硅及氮層可藉由在含氧環(huán)境中固化和/或退火薄膜而轉化為含硅及氧層。増加用于形成氮自由基前驅物的氮的濃度降低了初期(nascent)可流動性，但大體上產(chǎn)生更高的薄膜品質(例如，較高密度、較少縮減)。另ー方面，減少氮的濃度增加了沉積期間的初期可流動性而犧牲薄膜品質。在沉積之后，含硅及氮層可在含氧環(huán)境中固化和/或退火以將所述層轉化為氧化硅?，F(xiàn)將描述關于形成氧化硅層的方法與系統(tǒng)的其他細節(jié)。示例件氧化硅形成エ藝第I圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例制造氧化硅薄膜的方法100的選擇步驟的流程圖。方法100包括提供不含碳的含硅前驅物至基板處理區(qū)域(操作102)。例如，不含碳的含硅前驅物可為硅及氮前驅物、硅及氫前驅物、或含硅-氮及氫前驅物、以及其他類型的含硅前驅物。除了不含碳之外，硅前驅物可為不含氧。氧的缺乏導致從前驅物形成的硅及氮層中的硅醇(Si-OH)基的濃度較低。沉積薄膜中過量的硅醇成份(moieties)會在自沉積層移除羥基(-0H)成份的后沉積步驟期間致使孔隙度及縮減增加。在本發(fā)明實施例中，含硅前驅物可為不含碳的含硅前驅物或可為含硅及氮的前驅物。此類前驅物的具體示例包括硅烷胺(silyl-amines)，例如H2N(SiH3)、HN(SiH3)2、N(SiH3)3及其他硅烷胺。不含碳的含硅前驅物的進ー步示例包括=N(SiH2SiH3)3以及較長的硅烷基鏈。在不同實施例中，含硅前驅物的流速可大于或約200sccm、大于或約300sccm、或大于或約500sCCm。所有在本文中給定的流速涉及雙重腔室基板處理系統(tǒng)。單一晶圓系統(tǒng)將需要這些流速的一半，以及其他晶圓尺寸的流速將需要乘上處理區(qū)域來調整大小。這些硅烷胺可混合作為載氣、反應氣體或兩者的添加氣體。示例性添加氣體可包括H2、N2, nh3、He及Ar，及其他氣體。不含碳的含硅前驅物的示例亦可単獨包括硅烷(SiH4)或混合其他含硅(例如，N(SiH3)3)、氫(例如，H2)、和/或氮(例如，N2, NH3)的氣體的硅烷。不含碳的含硅前驅物也可單獨包括ニ硅烷、三硅烷、甚至是更高序列的硅烷、及氯化硅烷，或者包括上述硅烷彼此之間的組合，或上述硅烷與先前提及的不含碳的含硅前驅物的組合。不含碳的含硅前驅物在進入無等離子體基板處理區(qū)域之前未在等離子體區(qū)域(例如，遠端等離子體區(qū)域)中激發(fā)。一般而言，在本發(fā)明實施例中可使用具有一些碳的含硅前驅物。碳的存在可増加可流動性，但也使整個薄膜的縮減加劇。一些應用自可流動性的獲益大于這些應用受到縮減的傷害。在一些實施例中，一些碳可存在于含硅前驅物中，且示例性含硅前驅物包括N(SiH2CH3)3。各種其他的含碳-氮及硅前驅物可能是適當?shù)模⒖山逵烧{整硅烷基鏈的長度以及用碳取代ー個或多個硅原子來達成。
氮(N2)及氫(H2)被提供至等離子體區(qū)域以形成氮自由基前驅物(操作104)。氮自由基前驅物為含氮自由基的前驅物，所述含氮自由基的前驅物在基板處理區(qū)域外側的等離子體區(qū)域中由氮及氫產(chǎn)生。例如，含有H2及N2的穩(wěn)定的氮前驅物化合物可在腔室等離子體區(qū)域或在處理腔室外側的遠端等離子體系統(tǒng)(RPS)中被活化，以形成氮自由基前驅物，所述氮自由基前驅物隨后被輸送至基板處理區(qū)域(操作106)。在不同的實施例中，氫的流速可大于或約500sccm、大于或約lslm、或大于或約I. 5slm，而在不同的實施例中，氮(N2)的流速可大于或約250sccm、大于或約500sccm、或大于或約750sccm。在腔室等離子體區(qū)域產(chǎn)生的氮自由基前驅物可為· N、·ΝΗ、· NH2等中的ー個或多個，并可伴隨等離子體中形成的離子種類。氮自由基前驅物流動至無等離子體基板處理區(qū)域(操作106)。在采用腔室等離子體區(qū)域的實施例中，氮自由基前驅物在從沉積區(qū)域分隔出的基板處理區(qū)域的區(qū)段中產(chǎn)生，其中前驅物在沉積區(qū)域混合并反應以在沉積基板(例如，半導體晶圓)上沉積硅及氮層。氮自由基前驅物也可伴隨諸如氦、氬等的載氣。在含硅及氮層的生長期間及低溫臭氧固化期間，基板處理區(qū)域在本文可描述為“無等離子體(plasma-free) ”?！盁o等離子體”并非代表區(qū)域中完全沒有等離子體。在等離子體區(qū)域中產(chǎn)生的離子化種類確實穿過隔板(噴淋頭)中的孔洞(穿孔)，但不含碳的含硅前驅物實質上并未藉由施加至等離子體區(qū)域的等離子體功率所激發(fā)。腔室等離子體區(qū)域中的等離子體的邊界難以界定，且等離子體可能經(jīng)由噴淋頭中的穿孔侵入基板處理區(qū)域。在感應耦合等離子體的例子中，可在基板處理區(qū)域中直接地引起少量的離子化。再者，可在基板處理區(qū)域中產(chǎn)生低強度等離子體，而不消除所形成薄膜的可流動特性。在氮自由基前驅物的產(chǎn)生期間，所有造成等離子體具有遠低于腔室等離子體區(qū)域的離子密度的因素并未偏離本文所述“無等離子體”的范疇。 在基板處理區(qū)域中，不含碳的含硅前驅物及氮自由基前驅物混合并反應，以在沉積基板上形成含硅及氮薄膜(操作108)。經(jīng)沉積的含硅及氮薄膜可與一些導致低沉積速率的配方(recipe)組合共形地(conformally)沉積。在其他實施例中，經(jīng)沉積的含娃及氮薄膜具有不同于常規(guī)氮化硅(Si3N4)薄膜沉積技術的可流動特性。所形成的可流動特性允許薄膜流入基板的沉積表面上的窄間隙溝槽以及其他結構。可流動性可歸因于由于混合氮自由基前驅物與不含碳的硅前驅物所產(chǎn)生的各種性質。這些性質可包括在沉積薄膜中的顯著氫組分和/或短鏈聚硅氮烷聚合物的存在。在薄膜的形成期間及之后，這些短鏈生長且連結成網(wǎng)絡以形成更致密的介電材料。舉例而言，沉積薄膜可具有娃氮燒類型，Si-NH-Si主鏈(backbone)(亦即，Si-N-H薄膜)。當含娃前驅物及氮自由基前驅物皆為不含碳時，沉積的含硅及氮薄膜實質上也為不含碳。當然，“不含碳”并非代表薄膜甚至連微量的碳也沒有。碳污染物可能存在于前驅物材料中，所述碳污染物自己找到路徑進入沉積的硅及氮前驅物中。然而，這些碳不純物的量遠小于將在具有碳成份(例如，TEOS, TMDSO等)的含硅前驅物中所發(fā)現(xiàn)的量。在本發(fā)明實施例中，經(jīng)沉積的薄膜可為不含碳的Si-N-H薄膜。在含硅及氮層的沉積之后，沉積基板可在含氧大氣中固化和/或退火(操作110)。固化可在含臭氧的大氣中于低于或約400°C的基板溫度下發(fā)生。在一些情況下(例如，基板溫度介于約100°C至約200°C)，已發(fā)現(xiàn)可基本上完全地轉化，使得在一些實施例中在含氧環(huán)境中的相對高溫退火可為非必要的。在固化含硅及氮層之后，可能期望在含氧大氣中退火基板，以進ー步將薄膜轉化為氧化硅。含氧大氣可包含ー種或多種含氧氣體，例如氧分子
(O2)、臭氧(O3)、水蒸氣(H2O)、過氧化氫(H2O2)及氮氧化物(NO、NO2等)、以及其他含氧氣體。含氧大氣也可包括氧自由基及羥基種類，例如氧原子(O)、氫氧根(OH)等，所述氧自由基及羥基種類可遠端產(chǎn)生并輸送至基板腔室中。也可存在含氧種類的離子?；宓难跬嘶饻囟瓤山橛诩s500°C至約1100°C之間。當使用等離子體時，所述等離子體可能位在基板處理區(qū)域中、位于噴淋頭所分離的分離區(qū)域中或位于遠端等離子體系統(tǒng)(RPS)中。固化及氧退火的含氧大氣均提供氧以將含硅及氮薄膜轉化為氧化硅(SiO2)薄膜。如先前所示，含硅及氮薄膜中缺乏碳造成最終氧化硅薄膜中形成顯著較少的孔洞。此舉在轉化為氧化硅的期間也導致薄膜的體積下降(亦即，縮減)較少。例如，當由含碳的硅前驅物與氮自由基形成的硅-氮-碳層轉化為氧化硅時，可能會減縮40體積％或更高，而實質上不含碳的硅及氮薄膜可能減縮約17體積％或更少。藉由引入及增加進入等離子體區(qū)域中的氮流量來增加氮氫的原子流量比通常進ー步降低縮減。在不同實施例中，縮減可低于或約17體積％、低于或約16體積％、低于或約15體積％、低于或約14體積％。在不同實施例中，氮氫的原子流量比可高于1:3(1/3)，高于或約1:2、高于或約2:3、或高于或約1:1。在本文中，若n2/d2高于(或低于)IVd1,則表示n2:m2的比值高于(或低于)Ii1Id1的比值。一般而言，本文在各個示例中所述的穩(wěn)定的氮前驅物為包括氮(N2)及氫(H2)兩者的含氮及氫氣體。在實施例中，當選擇流動至遠端等離子體區(qū)域及從遠端等離子體區(qū)域流出的H:N比例吋，穩(wěn)定的氮前驅物包括氮及氫，但可基本上完全沒有氨和/或聯(lián)氨以増加可變性。氨(NH3)及聯(lián)氨(N2H4)各自包括固定的氮與氫原子比例，且包括其中的任ー個(或兩者)將限制可能的H:N比例的范圍。然而，在本發(fā)明實施例中，含氮及氫氣體可進ー步包括氨(NH3)和/或聯(lián)氨(N2H4)15當選擇氮氫原子流量比時，使用氮(N2)及氫(H2)取代ー些(或全部)的氨/聯(lián)氨可提供額外的可變性。在后沉積エ藝期間，選擇上述相對高的氮氫原子比以改良薄膜品質并降低縮減。此類實施例有助于將薄膜整合在各種處理流程中。為了増加薄膜的可流動性，也可降低氮氫比至低于1:3。為了填充非常窄的溝槽，這可能是符合期望的。在不同實施例中，氮氫原子流量比可低于1:3(1/3)，低于或約1:4，低于或約1:5，或低于或約1:7。薄膜縮減(大略隨著增加氮流動而降低)通常將隨著輸送至等離子體區(qū)域中的氫增加而增加。穩(wěn)定的氮前驅物將進一歩含有氧源，所述氧源降低可流動性但增加氧含量，從而有利于轉化為氧化硅?，F(xiàn)參照第2圖，第2圖示出根據(jù)本發(fā)明實施例圖示在基板間隙中形成氧化硅薄膜的方法200的選擇步驟的另一流程圖。方法200包括移送包含間隙的基板至基板處理區(qū)域中(操作202)。基板具有用于形成在基板上的器件部件(例如晶體管)的空間及結構的間隙。間隙可具有界定高度與寬度(亦即H/W)的高寬比(AR)的高度及寬度，所述高寬比顯著大于1:1 (例如5:1或更高、6:1或更高、7:1或更高、8:1或更高、9:1或更高、10:1或更高、11:1或更高、12:1或更高等)。在諸多實例中，高AR歸因于小間隙寬度，所述間隙寬度范圍自約90nm至約22nm或更小(例如，約90nm或更小、65nm或更小、45nm或更小、32nm或更小、28nm或更小、22nm或更小、16nm或更小等)。氫(H2)與氮(N2)結合并在腔室等離子體區(qū)域中激發(fā)以形成氮自由基前驅物(操作204)。在實施例中，引入少量甚至沒有的氨(NH3)至腔室等離子體區(qū)域，以使可選擇較寬范圍的氮氫原子流動比。H2與N2的結合可形成在腔室等離子體區(qū)域中或在進入?yún)^(qū)域之前組合。無論如何，等離子體產(chǎn)生流經(jīng)噴淋頭中的穿孔的氮自由基前驅物，其中噴淋頭自基板處理區(qū)域分離出等離子體區(qū)域。不含碳的含硅前驅物在基板處理區(qū)域中與氮自由基前驅物 混合(操作206)。可流動的含硅及氮層沉積在基板上(操作208)。因為層可流動，所以所述層可填充具有高深寬比的間隙，而不會在填充材料的中心附近產(chǎn)生孔隙或松軟縫隙。例如，沉積可流動材料較不易在所述材料完全填充之前過早堵塞間隙的頂部，而在間隙的中間留下孔隙。隨后，經(jīng)沉積的含硅及氮層可在含臭氧大氣中固化和/或在含氧大氣中退火(操作210 )，以將含硅及氮層轉換成氧化硅。為了致密化氧化硅層，可在較高基板溫度下于惰性環(huán)境中執(zhí)行進一歩退火(未圖示)。在含氧大氣中固化及退火經(jīng)沉積的含硅及氮層在基板上(包括基板間隙)形成氧化硅層(操作208)。在實施例中，操作208及210的エ藝參數(shù)擁有參照第I圖描述的相同范圍。如上所述，氧化硅層相較于使用含碳前驅物形成的相似層(在熱處理步驟之前具有顯著量的碳存在于層中)，具有較少的孔洞及較少的體積下降。在許多例子中，體積下降是稍足以(例如約15體積％或更少)避免進行后熱處理步驟來填充、修復或其他消除因縮減氧化硅而形成在間隙中的空間。本文所示的含硅及氮及氧化硅層可為エ藝序列的一部分。含硅及氮層可通過在所述的含氧大氣中固化和/或退火而轉換為氧化硅層。就此而言，本文使用術語“介電層”來描述含硅及氮層或氧化硅層或任何中間層。取決于應用所需，中間層可能足以供于給定目的，且完全的轉換為氧化硅可能是非必要的。因此“介電層”包含這些所有的可能性。關于形成介電層的エ藝的額外細節(jié)呈現(xiàn)在描述示例性電介質沉積系統(tǒng)的例子中。示例件氧化硅沉積系統(tǒng)可實行本發(fā)明實施例的沉積腔室可包括高密度等離子體化學氣相沉積(HDP-CVD)腔室、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)腔室、次大氣壓化學氣相沉積(SACVD)腔室，以及熱化學氣相沉積腔室，與其他類型的腔室?？蓤?zhí)行本發(fā)明實施例的CVD系統(tǒng)的特定示例包括可購自美國加州圣塔克拉拉應用材料公司的CENTURA ULTIMAS HDP-CVD腔室/系統(tǒng)，及:PRODUCER PECVD 腔室 / 系統(tǒng)。可用于本發(fā)明示例性方法的基板處理腔室的示例可包括圖示及描述于共同受讓予Lubomirsky等人的美國臨時專利申請案60/803,499的基板處理腔室，申請日為2006年5月30日，及篇名為“PROCESS CHAMBER FOR DIELECTRIC GAPFILL”，上述專利申請案的全文并入本文作為參考。額外的示例性系統(tǒng)可包括圖示及描述于美國專利號6，387，207及6，830，624的系統(tǒng)，上述專利的全文并入本文作為參考。沉積系統(tǒng)的實施例可并入到用于生產(chǎn)集成電路芯片的更大的制造系統(tǒng)。第3圖示出根據(jù)所掲示實施例包括沉積、烘烤及固化腔室的這樣ー種系統(tǒng)300。在此圖中，ー對的FOUP (front opening unified pod,前開ロ式整合容器)302供應基板(例如300mm直徑的晶圓)，其中基板是藉由機械臂304接收并在放入晶圓處理腔室308a-f之一之前放入低壓固持區(qū)406。第二機械臂310可用來自固持區(qū)306將基板晶圓輸送至處理腔室308a_f及返回。 處理腔室308a_f可包括ー個或多個系統(tǒng)組件，所述系統(tǒng)組件用于沉積、退火、固化和/或蝕刻在基板晶圓上的可流動介電薄膜。在ー個配置中，兩對處理腔室(例如，308c-d及308e-f)可用來沉積可流動介電材料至基板上，且第三對處理腔室(例如，308a-b)可用來退火經(jīng)沉積的電介質。在另ー配置中，相同的兩對處理腔室(例如，308c-d及308e-f)可經(jīng)配置以在基板上進行沉積及退火可流動介電薄膜兩者，同時第三對腔室(例如，308a_b)可用于UV或電子束(E-beam)固化經(jīng)沉積的薄膜。在又一配置中，全部三對腔室(例如308a_f)可經(jīng)配置以在基板上沉積及固化可流動介電薄膜。在再一配置中，兩對處理腔室(例如，308c-d及308e-f )可用于進行沉積及UV或電子束固化可流動電介質兩者，同時第三對處理腔室(例如，308a-b)可用于退火介電薄膜。在不同實施例中，所述的任何ー個或多個エ藝可在與所示的制造系統(tǒng)分隔的ー個或多個腔室中執(zhí)行。此外，處理腔室308a_f中的一個或多個可經(jīng)配置為濕式處理腔室。這些處理腔室包括在含有濕氣的大氣中加熱可流動介電薄膜。因此，系統(tǒng)300的實施例可包括濕式處理腔室308a-b及退火處理腔室308c-d以在經(jīng)沉積的介電薄膜上實行濕式及干式退火兩者。第4A圖為根據(jù)所掲示實施例的基板處理腔室400。遠端等離子體系統(tǒng)(RPS)410可處理隨后經(jīng)過氣體入口組件411的氣體。在氣體入口組件411中可看到兩個分離的氣體供應通道。第一通道412攜帯通過遠端等離子體系統(tǒng)RPS 410的氣體，同時第二通道413旁通RPS 400。在所掲示的實施例中，第一通道402可用于エ藝氣體，以及第二通道413可用于處理氣體。圖示的頂蓋(或導電頂部)421及穿孔隔板453之間具有絕緣環(huán)424，此可使AC電位相對于穿孔隔板453施加至頂蓋421。エ藝氣體經(jīng)過第一通道412進入腔室等離子體區(qū)域420，并可藉由腔室等離子體區(qū)域420中的等離子體(単獨或結合RPS 410)來激發(fā)。腔室等離子體區(qū)域420和/或RPS 410的組合可代表本文的遠端等離子體系統(tǒng)。穿孔隔板(亦稱為噴淋頭)453將腔室等離子體區(qū)域420與噴淋頭453下方的基板處理區(qū)域470分隔。噴淋頭453允許等離子體存在于腔室等離子體區(qū)域420中，以防止直接激發(fā)基板處理區(qū)域470中的氣體，同時仍允許經(jīng)激發(fā)的種類從腔室等離子體區(qū)域420進入基板處理區(qū)域470。噴淋頭453定位在腔室等離子體區(qū)域420及基板處理區(qū)域470之間，并允許在腔室等離子體區(qū)域420中產(chǎn)生的等離子體排放物(前驅物或其他氣體的激發(fā)衍生物)通過多個通孔456，通孔456穿過板的厚度。噴淋頭453也具有ー個或多個中空體積451，中空體積451可被填充以蒸氣或氣體(例如含硅前驅物)形式的前驅物并通過小孔455而進入基板處理區(qū)域470，而不直接進入腔室等離子體區(qū)域420。在此實施例中，噴淋頭453較通孔456的最小直徑450的長度來得厚。為了維持從腔室等離子體區(qū)域420穿越至基板處理區(qū)域470的激發(fā)種類的顯著濃度，可藉由形成部分穿過噴淋頭453的通孔456的較大直徑部分來限制通孔的最小直徑450的長度426。在所掲示的實施例中，通孔456的最小直徑450的長度可相同于或小于通孔456的最小直徑的數(shù)量級。在所示的實施例中，噴淋頭453可分配(通過通孔456)エ藝氣體(所述エ藝氣體含有氧、氫、和/或氮)，和/或藉由腔室等離子體區(qū)域420中的等離子體激發(fā)此類エ藝氣體的等離子體排放物。在實施例中，在RPS410和/或腔室等離子體區(qū)域420中激發(fā)的エ藝氣體包括具有相對流速的氫(H2)及氮(N2以導致預定氮氫原子流量比。一般而言，經(jīng)由第一通道412引入RPS 410和/或腔室等離子體區(qū)域420的エ藝氣體可含有氧(O2)、臭氧(O3)、N2O, NO、NO2, NH3 > NxHy (包括N2H4)、硅烷、ニ硅烷、TSA及DSA中的ー種或多種。エ藝氣體也可包括諸如氦、氬、氮(N2)等的載氣。第二通道413也可傳遞エ藝氣體和/或載氣,和/或用來自生長中或經(jīng)沉積薄膜移除不需要成分的薄膜固化氣體。等離子體排放物可包括エ藝氣體的離子化或中性衍生物，且等離子體排放物在本文中亦稱為氧自由基前驅物和/或氮自由基前驅物，代表引入的エ藝氣體的原子組成。
在實施例中，通孔456的數(shù)量可介于約60個至約2000個之間。通孔456可具有各種形狀，但最容易制成圓形。在所掲示的實施例中，通孔456的最小直徑450可介于約O. 5mm至約20mm之間，或介于約Imm至約6mm之間。亦可自由選擇通孔的截面形狀,所述截面形狀可為圓錐形、圓柱形或這兩種形狀的結合。在不同實施例中，用來將氣體引入基板處理區(qū)域470的小孔455的數(shù)量可介于約100個至約5000個之間，或約500個至約2000個之間。小孔455的直徑可介于約O. Imm至約2mm之間。第4B圖為根據(jù)所掲示實施例的用于處理腔室的噴淋頭453的底部視圖。噴淋頭453對應于第4A圖的噴淋頭。通孔456繪示為在噴淋頭453的底部具有較大的內直徑(ID)，而在頂部有較小的ID。小孔455基本上均勻地分布在噴淋頭的表面，相較于本文所述的其他實施例，在通孔456之間均勻分布有助于提供更均勻的混合。當通過噴淋頭453中的通孔456的等離子體排放物結合通過小孔455 (源自中空體積451)的含硅前驅物，在基板處理區(qū)域470內藉由臺座(未圖示)支撐的基板上產(chǎn)生示例性薄膜。雖然基板處理區(qū)域470可經(jīng)裝配以支援其他エ藝(例如固化)的等離子體，在示例性薄膜的生長期間沒有等離子體存在?？稍趪娏茴^453上方的腔室等離子體區(qū)域420或噴淋頭453下方的基板處理區(qū)域470點燃等離子體。在腔室等離子體區(qū)域420中存在等離子體以從含氮及氫氣體的進流(inflow)生產(chǎn)氮自由基前驅物。在處理腔室的導電頂部421與噴淋頭453之間施加通常在射頻(RF)范圍內的AC電壓，以在沉積期間點燃腔室等離子體區(qū)域420中的等離子體。RF功率供應器產(chǎn)生13. 56MHz的高RF頻率，但也可單獨或結合13. 56MHz頻率產(chǎn)生其他頻率。當啟動基板處理區(qū)域470中的底部等離子體以固化薄膜或清潔圍繞基板處理區(qū)域470的內表面時，頂部等離子體可維持在低功率或零功率?；逄幚韰^(qū)域470中的等離子體是藉由在噴淋頭453與腔室的臺座或底部之間施加AC電壓而點燃。當?shù)入x子體存在時，可引入清潔氣體至基板處理區(qū)域470中。臺座可具有熱交換通道，熱交換流體流過熱交換通道以控制基板的溫度。此配置允許基板溫度冷卻或加熱以維持相対的低溫(從室溫至約120°C)。熱交換流體可包含こニ醇與水。臺座的晶圓支撐圓盤(較佳為鋁、陶瓷、及上述材料的組合)也可經(jīng)電阻加熱(使用經(jīng)配置以制造平行同心圓形式的兩個完整線圈的經(jīng)嵌入的單回路嵌入式加熱元件)，以達到相對高的溫度(從約120°C至約1100°C)。加熱元件的外部可鄰近于支撐圓盤的周長行迸，同時內部在具有較小半徑的同心圓路徑上行迸。加熱元件的線路通過臺座的主干?；逄幚硐到y(tǒng)受到系統(tǒng)控制器的控制。在示例性實施例中，系統(tǒng)控制器包括硬盤驅動器、軟盤驅動器及處理器。處理器含有單板計算機(SBC)、模數(shù)輸入/輸出板、接ロ板及步進馬達控制器板。CVD系統(tǒng)的各種部件遵循Versa Modular European (VME)標準,所述標準界定板、卡籠、以及連接器的尺寸及類型。VME標準也界定總線結構為具有16位數(shù)據(jù)總線及24位地址總線。系統(tǒng)控制器控制所有CVD機器的活動。系統(tǒng)控制器執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件(系統(tǒng)控制軟件為儲存在計算機可讀介質中的計算機程序)。較佳地，介質為硬盤驅動器，但介質亦可為其他種類的存儲器。計算機程序包括指示時序、氣體混合、腔室壓力、腔室溫度、RF功率 水平、基座位置以及特定エ藝的其他參數(shù)的指令集。儲存在其他存儲器器件(包括(例如)軟盤或其他適合的驅動器)的其他計算機程序也可用于指示系統(tǒng)控制器。在基板上沉積薄膜堆迭的エ藝或用于清潔腔室的エ藝可使用計算機程序產(chǎn)品來實施，計算機程序產(chǎn)品藉由系統(tǒng)控制器來執(zhí)行。計算機程序代碼可以任何常規(guī)的計算機可讀編程語目與入，例如，68000匯編語目、C、C++、Pascal、Fortran或其他編程語目。使用常規(guī)的文本編輯器將適當?shù)某绦虼a輸入至單一文件中、或多個文件中，并將程序代碼儲存或嵌入計算機可用介質中(例如計算機的存儲器系統(tǒng))。若以高階語言輸入代碼文本，則代碼被編譯，且隨后最終編譯碼與預編譯的Microsoft Windows 庫例程的目標代碼鏈接。為了運作經(jīng)鏈接、經(jīng)編譯的目標代碼，系統(tǒng)使用者啟用目標代碼，致使計算機系統(tǒng)將代碼加載到存儲器中。隨后，CPU讀取并執(zhí)行代碼以執(zhí)行程序中識別的任務。使用者和控制者之間的界面通過平板觸摸感應監(jiān)視器。在較佳實施例中使用兩個監(jiān)視器，一個安裝在清潔室壁上以供操作者使用，及另ー個安裝在壁后方以供服務技術員使用。兩個監(jiān)視器可同時顯示相同信息，其中一次僅ー個監(jiān)視器接受輸入。為了選擇特定屏幕或功能，操作者觸摸觸摸感應監(jiān)視器的指定區(qū)域。觸摸區(qū)域改變自己的顯目色彩，或顯示新的菜單或屏幕，確認操作者與觸摸感應監(jiān)視器之間的通信?？墒褂弥T如鍵盤、鼠標、或其他指向或通信裝置之類的其他裝置來取代或添加至觸摸感應監(jiān)視器，以允許使用者與系統(tǒng)控制器通信。本文所使用的“基板”可為具有或不具有形成于基板上的層的支撐基板。支撐基板可為絕緣體或各種摻雜濃度及分布的半導體，且(例如)可為在集成電路制造中使用的類型的半導體基板?！把趸琛睂涌砂ㄆ渌亟M成(例如氮、氫、碳等)的少量濃度。在本發(fā)明ー些實施例中，氧化硅大體上由硅及氧構成。處于“激發(fā)態(tài)”的氣體描述至少一部分氣體分子處于振動激發(fā)、解離和/或離子化狀態(tài)的氣體。氣體(或前驅物)可為兩種或多種氣體(或前驅物)的組合。全文中使用的術語“溝槽”并未暗示經(jīng)蝕刻的幾何結構具有大的水平深寬比。從表面上方觀之，溝槽可顯示為圓形、卵形、多角形、矩形、或各種其他形狀。術語“孔”用于代表低深寬比溝槽，孔可經(jīng)填充或不填充金屬以形成垂直電連接。術語“前驅物”用來表示任何參與反應以自表面移除材料或沉積材料的エ藝氣體(或汽化的液滴)。在描述了數(shù)個實施例之后，本領域技術人員應認識到可在不背離本發(fā)明精神的情況下使用各種修改、替代結構及等效物。此外，為了避免不必要地混淆本發(fā)明，并未描述ー些公知エ藝及元件。因此，上文的描述不應視為對本發(fā)明范疇的限制。除非文中有明確的相反指示，當提供一個范圍的數(shù)值時，應了解此范圍上限與下限之間的各個中間值(至最小単位的十分之一)亦明確地揭露。涵蓋在任何設定值之間的各個小范圍或設定范圍的中間值以及任何其他設定或在設定范圍的中間值。這些小范圍的上限與下限可獨立地被包括在范圍中或被排除，且本發(fā)明亦涵蓋小范圍中包括ー個上下限、皆不包含上下限、皆包含上下限的各個范圍，除了在設定范圍中特別排除的限制。當設定范圍包括上下限之ー或兩者，亦包括排除那些包括上下限之一或兩者的范圍。本文及隨附申請專利范圍所使用的単數(shù)形式“一”、“一個”及「所述」包括復數(shù)個指示對象，除非文中另有明確相反指示。因此，舉例而言，「“ー個エ藝”的用語包括復數(shù)個此類エ藝，以及“所述前驅物”的用語包括一個或多個前驅物及本領域技術人員所知悉的等效物等。同理，在說明書中及后文申請專利范圍使用的用語“包含(comprise) ”、“包含(comprising) ”、“包括(include) ”、“包括(including) ”及“包括(includes) ”意欲界 定所述特征結構、整數(shù)、部件、或步驟的存在，而非排除ー個或多個其他特征結構、整數(shù)、部件、步驟、動作或群組的存在與添加。
權利要求
1.一種在基板處理腔室的無等離子體基板處理區(qū)域中在基板上形成介電層的方法，所述方法包含 流動含氮及氫氣體至等離子體區(qū)域中以產(chǎn)生氮自由基前驅物，其中所述含氮及氫氣體包含氫(H2)及氮(N2)以允許進入所述等離子體區(qū)域中的氮氫原子流量比的選擇有更大的可變性； 在所述無等離子體基板處理區(qū)域中將含硅前驅物與所述氮自由基前驅物結合；以及 沉積所述介電層至所述基板上。
2.如權利要求I所述的方法，其中所述含硅前驅物為不含碳的含硅前驅物。
3.如權利要求I所述的方法，其中所述含硅前驅物包含硅烷、二硅烷或三硅烷中的至少一種。
4.如權利要求I所述的方法，其中所述氮氫原子流量比大于1:3，以改良薄膜品質并降低薄膜縮減。
5.如權利要求I所述的方法，其中所述氮氫原子流量比小于1:3，以改良薄膜可流動性。
6.如權利要求I所述的方法，其中所述氮氫原子流量比大于或約1:2。
7.如權利要求I所述的方法，其中所述氮氫原子流量比小于或約1:5。
8.如權利要求I所述的方法，其中所述含氮及氫氣體基本上完全沒有氨。
9.如權利要求I所述的方法，其中所述含氮及氫氣體基本上完全沒有聯(lián)氨。
10.如權利要求I所述的方法，其中所述含硅前驅物包含含硅及氮前驅物。
11.如權利要求I所述的方法，其中所述含硅前驅物包含含碳-氮及硅前驅物。
12.如權利要求I所述的方法，其中所述含硅前驅物包含H2N(SiH3)、HN(SiH3)2或N(SiH3)3中的至少一種。
13.如權利要求I所述的方法，其中所述介電層包含不含碳的Si-N-H層。
14.如權利要求I所述的方法，還包含藉由在含臭氧大氣中將所述基板的溫度維持在低于或約400 V的固化溫度下以固化所述介電層的操作。
15.如權利要求I所述的方法，還包含以下步驟在含氧大氣中提升所述基板的溫度至高于或約600°C的氧退火溫度。
16.如權利要求15所述的方法，其中所述含氧大氣包含選自由以下氣體所組成的群組中的一種或多種氣體氧原子、臭氧及水蒸氣(H20)。
17.如權利要求I所述的方法，其中所述基板經(jīng)圖案化并具有寬度約50nm或更窄的溝槽。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述溝槽中的所述氧化硅層基本上無孔隙。
19.如權利要求I所述的方法，其中所述等離子體區(qū)域位于遠端等離子體系統(tǒng)中。
20.如權利要求I所述的方法，其中所述等離子體區(qū)域為所述基板處理腔室的隔間部分，所述隔間部分藉由噴淋頭與所述無等離子體基板處理區(qū)域分隔。
全文摘要
本發(fā)明描述形成介電層的方法。本方法可包括以下步驟混合含硅前驅物與氮自由基前驅物，以及沉積介電層至基板上。氮自由基前驅物在遠端等離子體中藉由將氫(H2)及氮(N2)流動至等離子體中以便允許調整氮/氫比例所形成。介電層起初為含硅及氮層，所述含硅及氮層可藉由在含氧環(huán)境中固化和/或退火薄膜而轉化為含硅及氧層。
文檔編號H01L21/205GK102687252SQ201080059994
公開日2012年9月19日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者M·L·米勒, N·K·英格爾, S·文卡特拉馬, X·陳, 梁璟梅 申請人:應用材料公司