Pe-cvd设备及方法
【专利摘要】根据本发明，提供了等离子体增强化学气相沉积(PE?CVD)设备和方法，所述设备包括：包括周向泵送通道的腔室；设置在所述腔室内的基板支撑件；将气体引入到所述腔室中的一个或多个气体入口；在所述腔室中产生等离子体的等离子体产生装置；和定位在所述腔室中的上部元件和下部元件,其中,所述上部元件与所述基板支撑件间隔开以限制所述等离子体并界定第一周向泵送间隙，并且所述上部元件用作所述周向泵送通道的径向内壁，并且，所述上部元件与所述下部元件沿径向间隔开以界定第二周向泵送间隙，该第二周向泵送间隙用作所述周向泵送通道的入口，其中，所述第二周向泵送间隙比所述第一周向泵送间隙更宽。
【专利说明】
PE-GVD设备及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)设备和一种执行PE-CVD的 方法。
【背景技术】
[0002] PE-CVD是用于沉积各种材料的已知技术。众所周知，在生产半导体装置中使用PE-CVD。与处理半导体的其它方法共通，实现在商业上有用的方法的很重要因素是系统的处理 能力。降低处理能力的主要问题是清洁过程。清洁过程是从PE-CVD处理腔室的内表面除去 沉积材料所必需的。降低执行清洁过程所用的时间或清洁过程之间的时间将产生更高的处 理能力和更低的购置成本(cost of ownership(COO))。现代清洁过程的清洁率在腔室的整 个表面是均匀的。然而，至少一些PE-CVD工艺导致在腔室的内表面上的沉积具有不均匀分 布的沉积厚度。氮化硅的沉积，特别是在低沉积温度下的沉积提供了产生厚度分布非常不 均匀的沉积材料的PE-CVD工艺的实例。
[0003] PE-CVD通常用于处理硅晶片。典型的PE-CVD单晶片腔室系统设计方法在于限制气 体在系统中传导。这样做的意图是使得系统的净栗流量在整个晶片径向方向上。其意图是 在整个晶片上提供均匀的沉积。大多数商用单晶片PE-CVD系统使用陶瓷间隔件来调整系统 的接地面、影响等离子体的形状，并实现气体的这种径向传导。图1示出现有技术中的PE-CVD腔室的实例，该PE-CVD腔室通常被描绘为10,包括具有台板14设置在其中的腔室12。"喷 头"16,位于腔室12的顶部，用于将气体引入到腔室12中。使用本领域已知的等离子体产生 装置(未示出）来形成等离子体。系统10还包括下部陶瓷间隔件18和上部陶瓷间隔件20。上 部陶瓷间隔件20和台板14界定相对较小的第一间隙22。上部陶瓷20和下部陶瓷18界定导向 周向栗压室26的相对较小的第二间隙24。周向栗送腔室26与栗送端口气体连通。栗送端口 未在图1中示出，但是图2示出了栗送端口28和晶片进口缺槽29。图2在下面进行了更详细的 描述。栗送端口连接到包括合适的栗的排气管线，以便从腔室中排出气体以保持腔室内的 所需压力。因此，经由以下流径从腔室中排出气体，该流径包括:第一栗送间隙22、第二栗送 间隙24和周向栗送腔室26。第一栗送间隙22和第二栗送间隙24都相对较小，以便降低系统 的气体传导以产生径向流动。
【发明内容】
[0004] 本发明在至少一些实施方式中解决了上述问题。特别是，本发明在至少一些实施 方式中降低了与PE-CVD工艺相关的清洁时间。这反过来能够提高处理能力并降低C00。
[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)设备， 包括：
[0006] 包括周向栗送通道的腔室；
[0007] 设置在所述腔室内的基板支撑件；
[0008] 将气体引入到所述腔室内的一个或多个气体入口；
[0009] 在所述腔室中产生等离子体的等离子体产生装置;和
[0010] 定位在所述腔室中的上部元件和下部元件；
[0011] 其中：
[0012] 所述上部元件与所述基板支撑件间隔开以限制所述等离子体并界定第一周向栗 送间隙，并且所述上部元件用作所述周向栗送通道的径向内壁;并且
[0013] 所述上部元件与所述下部元件沿径向间隔开以界定第二周向栗送间隙，所述第二 周向栗送间隙用作所述周向栗送通道的入口，其中，所述第二周向栗送间隙比所述第一周 向栗送间隙更宽。
[0014] 所述下部元件可以与所述基板支撑件沿径向间隔开以界定辅助周向栗送通道，所 述辅助周向栗送通道设置在所述周向栗送通道下面并且沿径向与所述周向栗送通道重叠。 所述第一周向栗送间隙可以用作所述辅助周向栗送通道的入口。所述第二周向栗送间隙可 以用作所述辅助周向栗送通道的出口。
[0015] 所述下部元件可以包括基底部分和直立于所述基底部分的壁。所述下部元件的横 截面可以是大致呈L形的。
[0016] 所述下部元件可以是紧靠所述腔室的一部分内壁的衬垫。所述腔室的内壁可以包 括其上定位所述衬垫的台阶。
[0017] 所述上部元件可以包括向下悬垂到所述腔室中的壁。所述上部元件的壁可以包括 上部部分和下部部分。所述上部部分可以比所述下部部分更厚。
[0018] 所述下部元件的壁可以具有径向内面。所述上部元件的壁可以具有径向外面。所 述下部元件的壁的径向内面和所述上部元件的壁的径向外面可以沿径向间隔开以界定所 述第二周向栗送间隙。
[0019] 所述上部元件的壁可以用作所述周向栗送通道的径向内壁。
[0020] 所述上部元件和所述下部元件均可以由介电材料形成。所述上部元件和所述下部 元件均可以由陶瓷材料形成。
[0021] 所述上部元件和所述下部元件可以是环形的。通常，所述上部元件和所述下部元 件均被设置成单件式结构（one piece arrangement)。然而，在原则上，所述上部元件和所 述下部元件中的一个或两者能够以大于一件的方式进行提供。虽然优选所述上部元件和所 述下部元件之一以一体化结构被定位到所述腔室中，但是原则上能够将所述上部元件和所 述下部元件中的一个或两者设置成多件式结构，该多件式结构以多个离散间隔开的结构被 定位到所述腔室中。
[0022] 所述基板支撑件可以具有上表面，所述上表面界定了所述基板支撑件处于使用位 置时的水平。所述周向栗送通道的至少一部分可以位于所述水平的上面。
[0023] 所述第二周向栗送间隙可以是所述第一周向栗送间隙至少两倍宽。
[0024] 所述气体入口可被设置成任何合适的形式，诸如喷头。许多其它结构对本领域技 术人员来说本身就是容易想到的。
[0025]等离子体产生装置可以是任何合适的类型的，例如本领域技术人员已知的类型。 合适装置的例子是电容耦合型等离子体产生装置。
[0026]根据本发明的第二方面，提供了一种执行PE-CVD来处理基板的方法，包括以下步 骤：
[0027] 提供根据本发明的第一方面的设备；
[0028] 将所述基板定位到所述基板支撑件上；以及
[0029]通过执行PE-CVD来处理所述基板，其中，通过一个或多个气体入口将气体引入到 所述腔室中，并且经由以下流径从所述腔室中除去气体，所述流径包括所述第一周向栗送 间隙、所述第二周向栗送间隙和所述周向栗送通道。
[0030] 可以以大于3000sccm的流率，优选以大于5000sccm的流率，最优选以大于 7000sccm的流率，将气体引入到所述腔室中。
[0031]可以执行所述PE-V⑶以将氮化硅沉积到所述基板上。
[0032]或者，可以执行所述PE-V⑶以将二氧化硅、氮氧化硅或非晶硅沉积到所述基板上。 [0033]已注意到，本发明提供的较高的气体传导能够在所述腔室和所述周向栗送通道之 间降低压力差。在所述PE-CVD处理期间，所述周向栗送通道中的压力可以为所述腔室中的 压力的5%以内，优选为4%以内。
[0034]所述基板可以是半导体基板。所述基板可以是硅基板。通常，所述硅基板是硅晶 片。
[0035] 虽然已在上文对本发明进行描述，但是本发明延伸至上文中提出的或在下面的说 明书、附图或权利要求内的特征的任何创造性组合。例如，关于本发明的第一方面所描述的 任何特征被认为也在关于本发明的第二方面中公开，反之亦然。
【附图说明】
[0036] 将参照附图描述根据本发明的设备和方法的实施方式，其中：
[0037]图1是现有技术中的PE-CVD设备的截面图；
[0038]图2示出在图1的设备中的氮化硅沉积；
[0039]图3是本发明的PE-CVD设备的截面图；
[0040] 图4示出图3的设备中的氮化硅沉积;并且
[0041] 图5是沉积厚度和厚度不均匀性与经处理的晶片数的曲线图。
【具体实施方式】
[0042]图3示出了整体被描绘为30的包括腔室32的PE-CVD设备，腔室32具有定位于其中 的基板支撑件34。基板支撑件34可以是半导体晶片能够定位于其上的台板。通常，台板能够 在用于容纳晶片的下部位置和使用中用于通过PE-CVD处理晶片的升高位置之间移动。图3 示出使用中处于升高位置的台板34。该设备30还包括定位于腔室32的顶部的喷头36。喷头 36包括多个气体入口，以将所需的气体或气体混合物从气体供给系统(未示出）引入到腔室 32中。通常，气体混合物被供给到腔室32,腔室32包括与一种或多种载气混合的一种或多种 工艺气体。使用等离子体产生装置(未示出）在主腔室32中产生等离子体。这使得通过所需 工艺将材料沉积在半导体晶片上。PE-CVD过程和相关的等离子体产生装置是本领域技术人 员所熟知的。在一个实施方式中，能够使用电容耦合型等离子体产生装置来实现图3所示的 设备。设备30还包括上部元件38和下部元件40。上部元件38和下部元件40均为陶瓷间隔件 的形式。
[0043]腔室32包括第一台阶部分32(a)和第二台阶部分32(b)。第一台阶部分32(a)容纳 下部元件40,下部元件40是具有L形横截面的环形结构。第二台阶部分32(b)与上部元件38 结合以界定主周向栗送通道42。
[0044]陶瓷上部元件38和下部元件40能够用于一种或多种已知目的，诸如改变设备的接 地面、影响等离子体的形状和保护设备免受等离子体影响。特别是，上部元件38是环形的形 式，并且被定位为围绕晶片和基板支撑件34的最上部分。此作用是限制等离子体。下部元件 40的作用是保护腔室32的壁免受等离子体影响。此外，上部元件38和下部元件40界定了气 体在从腔室32中排出时流动所沿着的一部分流径。上部元件38与基板支撑件34间隔开以界 定第一栗送间隙。然后，流过第一栗送间隙的气体进入能被描述为辅助栗送通道的区域44。 辅助栗送通道由下部元件40与晶片支撑34的侧部区域界定。下部元件38的最上部分和上部 元件40的最下部分界定导向主周向栗送通道42的第二栗送通道。主周向栗送腔室42与栗送 端口 46气体连通。栗送端口 46示出在图4中，图4也示出晶片进入端口 48。栗送端口 46连接到 真空管线(未示出），真空管线包括合适的栗。真空管线能够是基本的常规结构。
[0045]使用图1的现有技术中的设备和图3所示的本发明的设备进行实验。在这两个腔室 中沉积氮化硅。图2示出了使用现有技术中的设备将氮化硅沉积在由符号X表示的区域27 中。图4示出了使用本发明的设备将氮化硅沉积在由符号X表示的位置50处。可见，现有技术 中的设备导致氮化硅的高度不对称沉积。与此相反，关于图3的设备，氮化硅的沉积在整个 腔室扩散得更加均匀。这是由于沉积在本发明的腔室上的氮化硅的厚度降低。相比之下，现 有技术中的设备产生沉积氮化硅的厚度相对较高的区域。用现有技术获得的较厚沉积的结 果是，除去沉积材料需要较长的清洁时间。运行低温"穿孔露出（via reveal)"应用程序来 进行实验，以产生SiN/SiN/SiO堆叠体。结果发现，与现有技术中的设备相比，本发明的设备 使清洁时间从720秒降低到130秒。这随后大幅提高处理能力。要注意的是，图2所示的非对 称的沉积图案的另一个后果是具有较薄沉积层的区域将被过度清洁。
[0046]还使用一系列工艺配方进行实验，来调查本发明对氮化硅和氧化硅的PE-CVD沉积 的膜性质和工艺参数的影响。使用多个直径为300mm的硅晶片基板进行实验。表1示出重要 的介电膜性质。可见，使用本发明得到的膜的性质比使用现有技术中的设备获得的对等膜 更有利。实际上，使用现有技术中的设备和本发明的设备获得的测量性质允许在测量的相 关误差范围内。此外，已经发现，对这两种设备使用相同的NF 3清洁配方，端点信号轮廓(在 等离子体中激发的自由基氟化物物质的光学测定)和DC偏压信号轮廓非常相似。另外，已发 现本发明的设备对C 3F8/02清除的电学特性和光学特性都没有影响。
[0047]表1现有技术中的设备和本发明的设备的基本介电试验膜性能的比较。
[0049] 表2示出了图1的现有技术中的设备和图3的本发明的设备的主腔室和周向栗送腔 室中的测得压力。可见，现有技术在主腔室和周向栗送腔室之间产生显著的压力差。这对导 向周向栗送通道26的受限的栗送间隙22、24而言易于合理地进行解释。如上所述，这是为了 降低气体传导以实现整个晶片上的径向流动所故意设计的特征。与此相反，本发明提供了 在腔室和周向栗送通道之间大大降低的压力差。目前没有确认整个晶片的流动是否是径向 的。不希望受任何特定理论或推测所限制，据信，能够对由间隔开的上部元件38和下部元件 40所界定的较大的第二栗送间隙而言合理地进行解释。它也有可能的是，辅助周栗送腔室 44的流径和/或体积起着作用。应注意的是，虽然本发明的气体传导更高，但是在PE-CVD过 程期间现有技术中的设备和本发明的设备的主腔室中的绝对压力是相同的。这是通过控制 排气管线上的节流阀来实现的。
[0050] 表2四种不同配方的介电材料的腔室压力（由节流阀控制)和栗送通道压力之间的 差异。
[0052]图5示出了使用图3的设备获得的典型穿孔露出SiN/Si02堆叠体的晶片至晶片膜 厚度。在连续的晶片处理之间进行清洁。在图5中，菱形符号52是指Si02膜，方形符号54是指 氮化硅沉积膜，而三角形符号56是指整个堆叠体的厚度。图5还示出了整个堆叠体的不均匀 性。X符号58是指堆叠体不均匀性的数据。可见，本发明的设备具有极好的膜性质。
[0053]据信，本发明提供了在与具有高气体流率的ΡΕ-VCD工艺结合使用时特别好的结 果。然而，本发明不限于高流率工艺。本发明提供的有利效果并不认为是受使用的精确工艺 配方所限制。与此相反，本发明被认为是适用于宽范围的沉积配方，从而提供宽范围的沉积 材料，诸如氧化硅、氮氧化硅和非晶硅。
【主权项】
1. 一种等离子体增强化学气相沉积(PE-CVD)设备，包括： 包括周向栗送通道的腔室； 设置在所述腔室内的基板支撑件； 将气体引入到所述腔室内的一个或多个气体入口； 在所述腔室中产生等离子体的等离子体产生装置;和 定位在所述腔室中的上部元件和下部元件； 其中， 所述上部元件与所述基板支撑件间隔开以限制所述等离子体并界定第一周向栗送间 隙，并且所述上部元件用作所述周向栗送通道的径向内壁;并且 所述上部元件与所述下部元件沿径向间隔开以界定第二周向栗送间隙，所述第二周向 栗送间隙用作所述周向栗送通道的入口，其中，所述第二周向栗送间隙比所述第一周向栗 送间隙更宽。2. 根据权利要求1所述的PE-CVD设备，其中，所述下部元件与所述基板支撑件沿径向间 隔开以界定辅助周向栗送通道，所述辅助周向栗送通道设置在所述周向栗送通道的下面， 并且沿径向与所述周向栗送通道重叠，其中，所述第一周向栗送间隙用作所述辅助周向栗 送通道的入口，并且所述周向栗送间隙用作所述辅助周向栗送通道的出口。3. 根据权利要求1或2所述的PE-CVD设备，其中，所述下部元件包括基底部分和直立于 所述基底部分的壁。4. 根据权利要求3所述的PE-CVD设备，其中，所述下部元件的横截面基本呈L形。5. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述下部元件是紧靠所述腔 室的一部分内壁的衬垫。6. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述上部元件包括向下悬垂 到所述腔室中的壁。7. 根据权利要求6所述的PE-CVD设备，其中，所述上部元件的壁包括上部部分和下部部 分，其中，所述上部部分比所述下部部分更厚。8. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述上部元件和所述下部元 件均由介电材料形成。9. 根据权利要求8所述的PE-CVD设备，其中，所述上部元件和所述下部元件均由陶瓷材 料形成。10. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述上部元件和所述下部元 件是环形的。11. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述基板支撑件具有上表 面，所述上表面界定了所述基板支撑件处于使用位置时的水平，且所述周向栗送腔室的至 少一部分位于所述水平之上。12. 根据前述权利要求中任一项所述的PE-CVD设备，其中，所述第二周向栗送间隙是所 述第一周向栗送间隙的至少两倍宽。13. -种执行PE-CVD来处理基板的方法，包括以下步骤： 提供根据权利要求1所述的设备； 将基板定位在所述至少一个基板支撑件上；以及 通过执行PE-CVD来处理所述基板，其中，通过一个或多个气体入口将气体引入到所述 腔室中，并且经由以下流径从所述腔室中除去气体，所述流径包括所述第一周向栗送间隙、 所述第二周向栗送间隙和所述周向栗送通道。14. 根据权利要求13所述的方法，其中，以大于3000sccm的流率，优选以大于5000sccm 的流率，最优选以大于7000SCCm的流率，将气体引入到所述腔室中。15. 根据权利要求13或14所述的方法，其中，执行所述ΡΕ-VCD以将氮化硅沉积到所述基 板上。16. 根据权利要求13或14所述的方法，其中，执行所述ΡΕ-VCD以将二氧化硅、氮氧化硅 或非晶硅沉积到所述基板上。17. 根据权利要求13~16中任一项所述的方法，其中，在所述PE-CVD处理期间，所述周 向栗送通道中的压力为所述腔室中的压力的5%以内，优选为4%以内。18. 根据权利要求13~17中任一项所述的方法，其中，所述基板是半导体基板，诸如硅 基板。
【文档编号】C23C16/50GK105970190SQ201610136744
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】丹尼尔·T·阿查德, 斯蒂芬·R·伯吉斯, 马克·I·卡拉瑟斯, 安德鲁·普赖斯, 基思·E·布查恩, 凯瑟琳·克鲁克
【申请人】Spts科技有限公司