沉积SiO₂膜的方法

专利名称：沉积SiO₂膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种沉积S^2膜的方法，具体地涉及使用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)在低于250°C沉积这样的膜。
背景技术：
硅通孔(TSV)，其可以例如是在硅中的蚀刻通孔或沟道，其在金属层沉积之前需 要电介质衬里。非常期望的是，这些膜是良好的保形膜，原因在于它们的厚度最小，介电性 能必需足够良好，以避免在正常使用中的电流泄漏。在沉积步骤之后还必须限制水分吸收 (如果有的话)，特别是通常下一个步骤在真空中断(vacuum break)后进行时。还期望的 是，它们可以在低温沉积，优选在甚至低于200°C的温度沉积，同时是保形的和不吸收的。使用TE0SA)2前体的PECVD已经被考虑，因为它们通常具有良好的阶梯覆盖率 (step coverage)，并且该前体的成本较低。但是，当沉积温度降低至低于200°C _250°C 时，介电性能(泄漏和最终的击穿)变得劣化。在Kim等的文中题目为使用RF PECVD 技术由 TEOS2 和 TE0S/02/CF4 前体制备和表征 SiA 和 SiOF 膜(Characterisation and Preparation SiO2 and SiOF films usingRF PECVD technique from TEOS2 and TE0S/02/ CF4 Precursors)，J. Phys. D =Appl. Phs. 37(2004)2425-2431 的文章中，作者们描述了使用 不同的前体流量的比率由TEOS/仏前体形成的膜。应注意，在该文章的图Ia中，在200°C的 沉积速率急剧下降，并且在更低的02/TE0S比率的情况下，作者们报道了将乙氧基结合到该 膜中。它们没有提供关于膜的电击穿特性的信息。特别是应注意到，它们报道随着使用更 低的沉积温度，当膜在沉积后暴露于空气中时，向膜中的O-H吸收增加。

发明内容
一个方面，本发明是一种在以下条件下沉积SiA膜的方法温度低于250°c，使用 等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，在包括供应正硅酸四乙酯(TE0Q和O2或其来源作为 前体的室中，02/TE0S比率介于15 1至25 1之间。优选地，前体使用RF驱动的喷头进行沉积，并且优选喷头是使用高频成分和低频 成分驱动的。在高频成分优选为13. 56MHz而低频成分优选为350kHz至2MHz的情况下，以 高频供应的功率可以近似为低频成分的功率的两倍。在任何上述情况下，所述方法可以包括对沉积膜进行吐等离子体处理。该处理可 以在真空中断后进行。优选H2等离子体处理足以在膜的表面上重新形成Si-H键。另一个方面，本发明是一种SiA膜的PECVD方法，该方法使用TEOS前体和含仏的 前体，所述方法包括对沉积的膜进行吐等离子体处理。前体可以通过RF驱动的喷头沉积，并且喷头可以使用可以如上所述的高频成分 和低频成分驱动。在又一个方面中，本发明可以包括在低于250°C的温度使用TOS和含&的前体通 过RF驱动的喷头沉积SW2膜的PEVCD方法，其中喷头是使用高频成分和低频成分驱动的。这些成分可以如上所述。在任何上述方法中，可以在150°C至200°C的范围的温度沉积膜。尽管本发明是如上定义的，但是它包括上面或在下面的说明中设定的特征的任何 发明组合。


本发明可以以各种方式进行，并且现在将通过参考附图描述作为实例的具体实施 方案，其中图1显示了使用混频SiH4 PECVD沉积和混频TEOS PECVD沉积，在使用和不使用 60s H2等离子体处理情况下形成的三个相同的厚度的沉积的SiO2的电特性。使用方法4。 (6 1 02/TE0Si200°C )。图2显示了使用混频TEOS PECVD沉积，在使用和不使用60s H2等离子体处理 情况下形成的三个相同的厚度的沉积的SiO2的电特性。使用方法2。(22.7 1 02/ TEOSi150 0C )；图3显示了在H2等离子体处理之前，在不同的真空中断长度条件下相同的TEOS/ O2沉积膜随施加的场强度的电泄漏。使用方法4(6 1 02/TE0Si200°C )；图4显示了在H2等离子体处理(60，120和180秒)之前和之后的TE0S/02膜的 FIlR光谱。光谱是在目视辅助下叠加的。注意宽峰3100-3500(^-1和平坦区域ΘΟΟ-ΙΟΟΟαιΓ1， 两者均归因于在沉积的膜中的O-H键的存在。使用方法4(6 1 02/TE0Si200°C )；图5显示了对于各种等离子体和热的沉积后处理的TEOS膜随场电压的电泄漏。所 有沉积是在200°C平台处进行的。所有沉积后处理是原位进行的，除了 400°C热退火处理在 单独的组件中进行的(没有真空中断)之外；图6显示了对于各种等离子体和热的沉积后处理的TEOS膜的FIlR数据。所有沉 积是在200°C平台处进行的。所有沉积后处理是原位进行的，除了 400°C热退火处理在单独 的组件(没有真空中断)中进行的。光谱为了清楚起见进行了补偿。对于H2等离子体和 4000C H2退火，注意在2340CHT1的弱峰；图7显示了表现出随时间OH含量增加的150°C TEOS膜(6 1 02/TE0S)的FIlR 数据。图fe和8b显示了对于两种TEOS方法的阶梯覆盖率随着温度的变化(使用相同 的氢等离子体处理)方法1(15 1 02/TE0S)和方法2 (22. 7 1 02/TE0S)。阶梯覆盖率 随着更高的02/TE0S比率而改善；图9显示了在暴露于气氛中对小时后在150_250°C (02/TE0S 6 1)的平台温度 沉积的未改性的TEOS方法的电特性；图10显示了对于在175°C的22. 7 1 02/TE0S方法的作为02/TE0S比率的函数 的沉积速率。对于全部条件，折射率(RI)保持在1.461-1. 469之间；图11显示了如通过在3300CHT1和980 11_卞111 峰的变化测量的水分再吸收；图12显示了通过使用混频与高频改善泄漏；图13显示了在175°C (左)和200°C的M小时再吸收后的标准(方法4) TEOS (6 1 02/TE0S)膜电响应；
图14显示了在175°C和20(rC的 小时再吸收后的方法lTE0S(15: 102/TE0S) 膜电响应；图15显示了在175°C (左)和200°C的M小时再吸收后的方法2TE0SQ2. 7 1 O2/TEOS)膜电响应；图 16 显示了方法 2TE0S(22. 7 1 02/TE0S，175°C )膜 FTIR光谱，在 5 天后 980CHT1 区域没有变化。表示没有水分吸收。图17是用于沉积的设备的示意图。在图17中，总体上以10表示用于进行本发明的实施方案的示意性设备。其包括 室11、喷头12、波形转换器载体(waversupport) 13和相应的高和低频源14和15。喷头12 被安置成接收两种前体(TE0S和O2)。安置匹配单元16和7，它们分别用于高频和低频源 14和15，并且安置用于除去过剩反应气体的泵送出口 18。使用设备并且使用下列工艺条件进行一系列试验方法I-DEP :2400mT, 1500sccm O2, IOOOsccm He, 1. Occm TE0S,666ff HF, 334W LF, 14mm ES (15 1)PLAS :2000mT,IOOOsccm H2,IOOOff HF,20mm ES方法2-DEP:2000mT, 1500sccm O2, IOOOsccm He，0. 66ccm TE0S,666ff HF,334ff LF, 14mm ES (22. 7 1)PLAS :2000mT,IOOOsccm H2,IOOOff HF,20mm ES方法 3-DEP :2800mT，500sccm O2,IOOOsccm He,1. 25ccm TE0S,900ff HF,Ilmm ES (4 1)方法4-DEP :3500mT,750sccm O2, IOOOsccm He, 1. 25ccm TE0S,666ff HF, 334W HF, 14mm ES(6 1)PLAS 如所述的或 2000mT，IOOOsccm H2, IOOOff HF, 20mm ES在工艺压力是以mT测量的情况下，O2, TEOS和He载气流量以sccm计，RF功率以 瓦特测量，其中HF为13. 56MHz并且LF在375kHZ，并且电极(喷头)与基板的间隔ES以 mm计。在上述方法中所述的条件在最初的沉积工艺(DEP)和后续的等离子体处理 (PLAS)之间区分。给定的压力为室压力。使用氦气作为工艺载气。在括号中给出的比率为 O2与TEOS的比率。图1显示了 H2等离子体处理对低温)沉积膜的影响。泄漏击穿 通常被认为在1. 00E-07至1. 00E-06之间的某处发生，并且观察到氢等离子体处理膜显著 地改善了击穿特性。图2说明了在对在150°C沉积的膜的没有等离子体处理和等离子体处理之间的关 系，并且再次观察到改善了击穿特性。图3类似地说明了依赖于等离子体处理发生时的这 些特性，并且观察到有效的是，即使真空中断相当长，但是似乎有利的是具有至少不超过M 小时的真空中断。图4显示了具有不同长度的等离子体处理的多个膜的FIlR光谱。当与没有等离子 体处理的膜比较时，观察到等离子体处理消除了在 3300和980CHT1的OH峰。在2340CHT1 还有很小的峰，这表明在膜表面附近不再存在Si-H键，这使得膜疏水，并且降低水蒸气在 其主体具有较少的OH的膜的表面上或通过该表面的吸收。
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图5和6说明了不同类型的退火的影响，并且观察到H2等离子体处理显著好于防 止再吸收。图7显示随时间的再吸收。因此，从这些图可以看出，H2等离子体处理降低膜中的水分，并且降低了向膜中的 再吸收的速率，优选地，至少部分地，由于形成疏水表面。即使在150°C的沉积温度，结果也 是优异的。因此，可能可以在低于该温度的温度获得有用的膜。可以在真空中断后进行处 理，并且它们可能通过这种中断得到增强。优选地，H2等离子体处理温度低，例如200°C乃至更低，约125°C或150°C。还注意到，使用氦和NH3等离子体处理和吐烘箱退火没有提供相同的结果。图和8b显示了阶梯覆盖率与平台13的载体的温度。阶梯覆盖率随着温度增 加并且随着O2/teos比率增加而改善。但是，可以在历时观点看的低温实现可接受的阶梯
覆盖率。图9显示了沉积温度对等离子体处理膜的泄漏电流的影响，并且观察到在高温的 结果更好，但是等离子体可接受的结果可以在非常低的温度实现。图10说明了沉积速率与02/TE0S比率的关系，并且观察到沉积速率随着该比率增 加而下降。如上述已经解释的，喷头优选在混频下供电，并且典型的布置为13. 56MHz的高频 和375kHz的低频。但是，据认为可以以至少达到不超过2MHz的频率增加低频成分。已经 确定的是，低频成分的引入不改变沉积速率，因此不认为通过离子轰击增大膜的密度。图11 显示了引入低频分量对再吸收的影响。用于该实验的沉积条件如方法4中所述，服从于图 中所示的RF成分的变化。当采用与单一的13. 56MHz RF源相反的混频时，显然有更少的再 吸收。在Si02膜的沉积速率或折射率没有显著变化的情况下，可能LF成分改变等离子体 中的气体物种。图12比较了仅有高频和混频之间泄漏电流的差别。所使用的虚线(dot)l、 虚线2和虚线3表示在波形转换器(waver)上的不同的点的测量。观察到在泄漏特性方面 有显著的改善。通常，可以得到出结论低频功率的存在提供更少的OH再吸收和更高的击 穿电压。图14和16有效地比较了对于不同的02/TE0S比率在175°C和200°C再吸收M小 时后的电响应。观察到在6 1的低比率时，在175°C有显著的再吸收，但是当比率增加时， 劣化程度和性能下降。图16说明了方法2膜的良好吸收性能。从上面可以看出，在低于200°C的温度沉 积的具有良好泄漏特性和良好阶梯覆盖率的膜可以使用混频RF功率和理想的吐等离子体 处理步骤以较高的02/TE0S比率如约22 1实现。但是，该数据还显示了可以使用这些标 准的选择实现改善的膜。设想的是，膜可以在低至125°C的温度沉积。
权利要求
1.一种在以下条件下沉积无机SiA膜的方法温度低于250°c，使用等离子体增强化 学气相沉积(PECVD)，在包括供应正硅酸四乙酯(TEOS)和02作为前体的室中，其中02/TE0S 的比率介于15 1至25 1之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述前体是使用RF驱动的喷头沉积的，其中所述 喷头使用高频成分和低频成分驱动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中高频成分处于13.56MHz，而低频成分为350kHz至 2MHz。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中以高频供应的功率近似为低频成分的功率的两倍。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，所述方法还包括对沉积的膜进行吐等离 子体处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其中H2等离子体处理在真空中断后进行。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述吐等离子体处理在膜的表面上形成或重 新形成Si-H键。
8.一种等离子体增强化学气相沉积(PECVD) SiO2膜的方法，所述方法使用TEOS前体和 含氧的前体，所述方法包括对沉积的膜进行吐等离子体处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述前体通过RF驱动的喷头沉积，并且其中所述 喷头使用高频成分和低频成分驱动。
10.一种SiO2膜的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法，所述方法在低于250°C 的温度，使用TEOS和含氧的前体通过RF驱动的喷头进行沉积，其中所述喷头是使用高频成 分和低频成分驱动的。
11.根据权利要求10所述的方法，其中高频成分为13.5MHz，而低频成分在350kHz至 2MHz的范围内。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述膜是在约150°C-约200°C的范 围内的温度沉积的。
13.根据权利要求5或从属于权利要求5的权利要求6至12中任一项所述的方法，其 中将单一 RF频率用于H2等离子体。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述单一RF频率为13. 56。
15.根据权利要求5或从属于权利要求5的权利要求6至14中任一项所述的方法，其 中等离子体温度在约125°C至约250°C的范围内，优选约200°C。
全文摘要
本发明涉及一种在以下条件下沉积无机SiO2膜的方法温度低于250℃，使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，在包括供应正硅酸四乙酯(TEOS)和O2，或其来源，以作为前体的室中，其中O2/TEOS比率介于15∶1至25∶1之间。
文档编号C23C16/44GK102108497SQ201010615668
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月24日 优先权日2009年12月24日
发明者丹尼尔·托马斯·阿尔卡德, 凯瑟琳·贾尔斯, 安德鲁·普赖斯, 斯蒂芬·罗伯特·伯吉斯 申请人:Spp处理技术系统英国有限公司