用于流动式cvd间隙填充的富含氧化物的衬垫层的制作方法

专利名称：用于流动式cvd间隙填充的富含氧化物的衬垫层的制作方法
用于流动式CVD间隙填充的富含氧化物的衬垫层
相关申请的交叉引用
本申请是由Li等人于2011年6月3日提出的名称为“用于流动式CVD间隙填充的富含氧化物的衬垫层”的美国专利申请号13/153,016的PCT申请，并且涉及并主张由Li 等人于2010年7月30日提出的名称为“用于流动式CVD间隙填充的富含氧化物的衬垫层” 的美国临时专利申请号61/369，352的优先权，这些申请的全部内容出于所有目的通过引用结合于此。
发明背景
从数十年前引入半导体器件以来，半导体器件的几何形态已在尺寸上剧烈地减小。现代的半导体制造设备例行性生产具有45nm、32nm、及28nm的特征结构尺寸的器件，而目前正开发和实现新的设备以制作具有更小几何形态的器件。减小的特征结构尺寸造成器件上的结构性特征的空间尺度减小。器件上间隙与沟槽的宽度变窄到间隙深度对宽度的深宽比高得足以导致介电材料填充间隙相当不易的程度。间隙完全填充之前，沉积的介电材料倾向阻塞在顶部，从而产生间隙中间部的空洞或接缝(seam)。
几年来，已开发许多技术避免介电材料阻塞间隙顶部，或“愈合(heal)”已形成的该空洞或接缝。一项解决方案是始于高度可流动的前体材料，该前体材料可以液相施加到旋转基板表面(例如SOG沉积技术)。这些可流动的前体能够流进并且填充非常小的基板间隙，而不形成空洞或脆弱的接缝。然而，一旦这些高度流动的材料沉积，它们必须被硬化成固体介电材料。
在许多例子中，硬化的制程包括热处理，以从沉积的材料移除碳与羟基，而将固体介电质(诸如硅氧化物)留下。不幸的是，离开的碳与羟基物质经常留下孔隙于硬化的介电质中，该孔隙会降低最终材料的品质。此外，硬化的介电质也倾向在体积上皱缩，该皱缩可能会在介电质与周围基板的界面处留下破裂以及空间。在一些例子中，硬化的介电质的体积可能减小40%以上。
因此，需要一些新的沉积制程与材料来形成介电材料于结构化基板上而不生成空洞、接缝、或前述二者于基板间隙与沟槽中。亦需要一些材料与方法用于硬化可流动介电材料且具有较少孔隙与较少皱缩，及用于调适仍会发生的皱缩。这些与其他的需求在本申请中获得解决。发明内容
在此描述空洞体积比例降低的间隙填充氧化硅层的形成。该沉积涉及在缺少氧较可流动的间隙填充层之前形成富含氧较不可流动的衬垫层。然而，该衬垫层在与间隙填充层相同的腔室内沉积。衬垫层与间隙填充层二者可通过使自由基成份与未激发的含硅前体 (即不直接通过施加等离子体功率而被激发)组合而形成。衬垫层比间隙填充层具更多的氧含量并且更加共形地沉积。间隙填充层的沉积速率可藉由衬垫层的存在而增加。间隙填充层可含有硅、氧与氮，并且该间隙填充层在高温下转化以含有更多氧与更少氮。间隙填充衬垫的存在提供了间隙填充层下方的氧源，以增大在转化期间引入的气相氧。
本发明的实施例包括一些在含有沟槽的图案化基板上形成氧化硅层的方法。这些方法包括将该基板传送进入基板处理腔室，以及随后在包括该沟槽的该基板上形成富含氧的衬垫层。这些方法进一步包括在该基板上与该沟槽中形成间隙填充介电层。该间隙填充介电层具有一氧含量，该间隙填充介电层的氧含量低于该富含氧的衬垫层的氧含量，并且该间隙填充介电层在形成期间可流动。这些方法进一步包括在高温下固化该间隙填充介电层以将一些氧从该富含氧的衬垫层转移进入该间隙填充介电层。
额外的实施例与特征部分在随后的描述部分中提出，而部分对于本领域的技术人员而言，在详阅本说明书后可知这些实施例与特征为显而易见，或者可由实践所揭露的实施例而学得。可通过本说明书中所述的设备、各式组合及方法而明了及获得所揭露的实施例的特征与优点。


在此描述空洞体积比例降低的间隙填充氧化硅层的形成。该沉积涉及在缺少氧较可流动的间隙填充层之前形成富含氧较不可流动的衬垫层。然而，该衬垫层在与间隙填充层相同的腔室内沉积。衬垫层与间隙填充层二者可通过使自由基成份与未激发的含硅前体 (即不直接通过施加等离子体功率而被激发)组合而形成。衬垫层比间隙填充层具更多的氧含量并且更加共形地沉积。间隙填充层的沉积速率可藉由衬垫层的存在而增加。间隙填充层可含有硅、氧与氮，并且该间隙填充层在高温下转化以含有更多氧与更少氮。间隙填充衬垫的存在提供了间隙填充层下方的氧源，以增大在转化期间引入的气相氧。
图1是流程图，该流程图说明根据揭露的实施例用于制作空洞减少的氧化硅间隙填充介电层的所选步骤。
图2是根据揭露的实施例的多层介电膜的剖面图。
图3A是根据所揭露的实施例的不具有富含氧化物的衬垫层的氧化硅间隙填充物的剖面图。
图3B是根据所揭露的实施例的具有富含氧化物的衬垫层的氧化硅间隙填充物的剖面图。
图4显示根据所揭露的实施例的基板处理系统。
图5A显示根据所揭露的实施例的基板处理腔室。
图5B显示根据所揭露的实施例的基板处理腔室的喷头。
具体实施方式
在此描述间隙填充氧化硅层的形成，该间隙填充氧化硅层具有减少的破裂倾向。 该沉积涉及可流动含硅层的形成，该形成助于填充沟槽。后续在高基板温度的处理使得该介电膜中的破裂少于根据现有技术方法形成的可流动膜中的破裂。在此描述在间隙填充氧化硅层形成前沉积的压缩性衬垫层，且该压缩性衬垫层减少后续沉积膜破裂的倾向。可流动含娃层之后沉积的压缩性帽盖层(capping layer)亦已被确认可减少破裂。可单独使用或组合使用压缩性衬垫层与压缩性帽盖层以减少破裂。所揭露的实施例中的压缩性帽盖层已另外被确认能使下伏的氮化硅层得以转变为氧化硅层。
包含氧含量高于 后续间隙填充层的衬垫层提供了间隙填充层下方的另一个氧源，以在将间隙填充层转化成氧化硅期间使用。可流动的膜可能需要固化，该固化为独立的固化步骤或为后续处理期间加热膜堆迭(包括间隙填充膜)的自然副作用。固化可在含氧环境中完成，氧从该含氧环境迁移进入间隙填充层并且取代使间隙填充层流入图案化基板上的沟槽所必需的成份。一旦间隙填充层已填充沟槽，那些成份可移除。固化是以氧取代这些成份，现在有些氧从富含氧化物的衬垫层扩散进入间隙填充层。
为了更佳地了解与认识本发明，现在请参阅图1至图3，这些图是显示根据本发明实施例的使用富含氧化物衬垫层的所选步骤的流程图以及结合富含氧化物衬垫层的结构的剖面视图。方法100包括将具有沟槽的图案化基板传送进入基板处理区域102。在该范例中，氧化硅衬垫层沉积在图案化基板上104。图2显示富含氧化物的衬垫层从基板200生长蔓延到虚线202。图3B显示富含氧化物的衬垫生长到图案化基板300中的沟槽上的虚线 302。在衬垫层沉积后，间隙填充介电层在步骤106-110中通过CVD生长。间隙填充介电层在形成期间可流动，以便于更完全地填充沟槽。间隙填充介电层204、304-2各描绘于图2 与图3B中。富含氧化物的衬垫层比间隙填充介电层更为共形，且在一些揭露的实施例中， 该富含氧化物的衬垫层可大体上是共形的。间隙填充介电层可实质上填充该沟槽。
各种方法可用于沉积在形成期间可流动的间隙填充介电层。在图1的范例中，将硅前体引入容置基板的基板处理区域106。另一前体仅在该另一前体通过远端等离子体区域以生成“自由基氮”前体之后被引入，该“自由基氮”前体随后流进基板处理区域108，并且与硅前体组合。该含硅前体不直接通过施加等离子体功率而被激发。换言之，不施加等离子体功率激发基板处理区域中的等离子体。此设置造成含硅与氮层以可流动式沉积进入该有衬垫的沟槽110。膜的流动性随沉积进行而衰减，且在固化操作期间，基本上除去该流动性。固化操作涉及将含硅与氮层转化成氧化硅112。固化涉及升高图案化基板的温度并且将间隙填充介电层暴露到含氧环境。富含氧化物的衬垫层的氧含量大于含娃与氮间隙填充层的氧含量。该高温诱导氧化物从衬垫层扩散进入间隙填充层，而从间隙填充介电层下方提供额外氧源。
在揭露的实施例中，自由基成份的CVD用于形成富含氧化物的衬垫与间隙填充层。该二操作是在相同的基板处理区域中执行，以减少操作成本、增加处理量、并且维持界面的整体性。含硅前体可含有碳或氮以确保间隙填充介电层形成期间的流动性。在揭露的实施例中，含硅前体是无碳的含硅前体，该无碳的含硅前体使间隙填充层在固化制程期间经历较少皱缩。该无碳的硅前体例如可为硅与氮的前体、硅与氢的前体、或含硅与氮与氢的前体，以及其他种类的娃前体。这些前体的特定范例可包括娃烧胺(siyl-amine),诸如 H2N(SiH3)、HN(SiH3)2、和N(SiH3)3,以及其他硅烷胺。这些硅烷胺可与额外气体混合，该额外气体可做为载气、反应气体、或前述二者。这些额外气体的范例可包括氢气、氮气、氨气、氦气、与氩气，以及其他气体。无碳的硅前体的范例亦可包括单独的甲硅烷(SiH4)或与其他含硅气体(例如N(SiH3)3)、含氢气体(例如氢气)、及/或含氮气体(例如氮气、氨气)混合的甲硅烷。该含硅前体亦可包括不具有碳或氮的硅化合物，诸如单硅烷、二硅烷(disiIane)等。 倘若沉积的氧化物膜是掺杂的氧化物膜，亦可使用掺质前体，诸如TEB、TMB、B2H6、TEPO、PH3、 P2H6、与TMP，以及其他硼及磷掺质。
自由基前体与含硅 前体中的任一者或二者中可包括氮。当氮存在于自由基前体时，氮可指自由基氮前体。自由基氮前体包括等离子体流出物(plasmaeffluent),该等离子体流出物是通过激发等离子体中较稳定的含氮前体生成。例如，含有NH3及/或联氨(N2H4) 的相对稳定的含氮前体可在腔室等离子体区域或处理腔室外的远端等离子体系统(RPS)中受活化，以形成自由基氮前体，该自由基氮前体随后输送进入无等离子体的基板处理区域。 该稳定的氮前体亦可为混合物，在不同实施例中，该混合物包含NH3与N2、NH3与H2、NH3与N2 与H2、及N2与H2。在具有N2与H2的混合物中，联氨亦可用于取代NH3或与NH3组合。稳定的氮前体的流率在不同实施例中可大于200sccm或约200sccm、大于300sccm或约300sccm、 大于500sccm或约500sccm、或者是大于700sccm或约700sccm。含氮前体亦可包括N20、 NO、NO2与ΝΗ40Η。所产生的自由基氮前体可包括· N、· NH、· NH2等中的一者或多者且亦可伴随等离子体中形成的离子化物质。其他实施例中，自由基氮前体在与基板处理区域(在该基板处理区域处，前体混合并且反应而沉积硅与氮层于沉积基板上(例如半导体晶圆))分隔的处理腔室的一区段中生成。该分隔亦可互换地称作喷头。自由基氮前体亦可伴随诸如氩气、氦气等载气。可同时递送氧进入远端等离子体区域(以O2及/或O3的形式)，以调整自由基氮前体与以此技术沉积的衬垫或间隙填充层中的氧含量。
使用以现有技术的间隙填充技术(例如HDP-CVD)生产的较不可流动的膜时，可能难以在不形成空洞或接缝的情况下填充沟槽。这些沟槽可具有高度与宽度，该高度与宽度界定高度对宽度(即H/W)的高宽比(AR)，该高宽比显著地大于1:1 (例如5:1以上、6:1以上、7:1以上、8:1以上、9:1以上、10:1以上、11:1以上、12:1以上等)。在许多例子中，高 AR是由于小间隙宽度造成，该小间隙宽度范围是从约90nm到约22nm或低于22nm (例如约90nm、65nm、45nm、32nm、22nm、16nm等)。这些限制性的几何形态不会完全被常规氮化娃 (Si3N4)膜的沉积所填充。沉积的含硅与氮膜具有可流动特性,使得该含硅与氮膜得以流入狭窄的间隙沟槽与其他在基板的沉积表面上的结构。因为该层可流动，故该层可填充具有高的高宽比的间隙而不生成空洞或脆弱接缝于填充材料中心周围。例如，沉积可流动材料较不可能在完全填充间隙之前过早阻塞间隙的顶部。此举可助于减少或消除残留在间隙的中间部的空洞。
流动性可能(至少部分)是由于沉积的膜中显著的氢成份之故。例如，沉积的膜可能具有硅氮烷类型，S1-NH-Si骨架(即S1-N-H膜)。流动性也可能是由于硅氮烷类型的短链聚合物造成。使短链聚合物与流动性形成的氮可源自自由基前体或含硅前体。当硅前体与自由基氮前体皆无碳时，所沉积的含硅与氮膜亦实质上无碳。当然，“无碳”并非必然意味该膜缺乏甚至痕量的碳。碳杂质可能存在于前体材料中而找到进入沉积的含硅与氮膜的途径。然而，这些碳杂质的量远低于在具有碳基团的硅前体(例如TEOS、TMDSO等)中所含的碳量。
在沉积含硅与氮层之后，沉积基板可暴露到含氧气氛112。当引入含氧气氛时，沉积基板可留在反应腔室中，或者该基板可传送到含氧气氛所引入的不同腔室。含氧气氛可包括一或多种含氧气体，诸如分子氧(02)、臭氧(03)、水蒸气(H20)、与氮氧化物(勵、顯2等)， 以及其他含氧气体。含氧气氛亦可包括自由基氧与羟基物质，诸如原子氧(O)、氢氧化物 (OH)等，这些自由基氧与羟基物质可远端生成并且被输送进入基板腔室。也可能存在含氧物质的离子。
含氧气氛提供氧以将含硅与氮膜转化成氧化硅(SiO2)膜112。如先前所述，含硅与氮膜中缺乏碳而导致最终氧化硅膜中形成显著较少孔隙。通过沉积可流动的含硅与氮膜并且转化成氧化硅，相较于一开始沉积可流动的含硅与氧膜的情况，从沉积到退火的净皱缩减少。在转化制程期间，基板温度范围可从约25° C到约1100° C (例如约200° C、约 300° C、约 400° C、约 500° C、约 600° C、约 700° C、约 800° C、约 900° C、约 1000° C 等)。在许多情况中，体积的减少轻微(例如减少体积百分比约15%或以下)得足以避免后热处理步骤来填充、愈合、或以其他方式解决由于氧化硅皱缩而形成在间隙中的接缝或空间。在一实施例中，转化可以两部分发生。该两部分的转化可包括低温臭氧固化(例如介于 200° C与约400° C之间)以启动氧化，之后是在含氧环境中高温退火。这些操作期间，氧从富含氧的衬垫层扩散进入间隙填充的含硅与氮层，以更完全地转化该间隙填充层。在揭露的实施例中，氮仍可存在于间隙填充层内，然而，间隙填充材料实质上是由硅与氧构成。
图1的制程描述一制程，其中氧化硅是通过首先沉积含硅与氮层然后将该含硅与氮层转化成氧化硅而形成。在其他实施例中，沉积的膜是由自由基氧前体与未被等离子体直接激发的含硅与碳前体而生成。该沉积的膜之后会成为含硅氧与碳膜，相较于涉及含硅与氮膜的制程，该含硅氧与碳膜可能会在后续的处理期间经历更多皱缩。示范性的不通过等离子体的含碳前体可包括 TMOS、TriMOS, TEOS, OMCTS, HMDS、TMCTR、TMCTS, OMTS, TMS、 HMDSO及/或TMDS0。自由基氧前体包含等离子体流出物，该等离子体流出物是通过在等离子体中激发含氧前体而生成，而该示范性的含氧前体可包括02、03、Ν20、Ν0、Ν02、Η202、Η20、及 nh4oh。在沉积间隙填充的含硅氧与碳层之前沉积富含氧化物的衬垫使得表面下的氧得以使来自固化期间所提供的氧气气氛的氧增多。
实施例可包括固化后的多重退火阶段，在所揭露的实施例中这些阶段具有不同温度与气氛。例如，第一加热阶段可在较低的第一温度下在包括水蒸气(H2O)的气氛中执行， 而第二加热阶段可在较高的第二温度下在干燥含氧气氛(实质上缺乏水蒸气)中执行。第二加热阶段亦可在非含氧气氛(例如干燥的N2、He、Ar等)中实施。
现在转而讨论在此呈现的衬垫层的大致性质，根据所揭露的实施例的富含氧化物的衬垫层比目标沟槽的宽度的一半薄，以使后续沉积的可流动膜得以流入剩余的间隙。衬垫层的厚度在不同实施例中可低于或约100 A，低于或约70A，低于或约50 A，或者是低于或约30 A。然而，富含氧化物的衬垫层是用于固化期间再分配的氧的储存区。就这点而言， 厚度应该大得足以储存大量的氧以供提升间隙填充介电层中的氧含量。富含氧化物的衬垫内的氧浓度亦应大，以便确保氧的储存充足。
介于富含氧的衬垫层与间隙填充层之间的界面如图2与图3B中的虚线202、302 所示。该界面可基本上在固化及退火后消除，因为氧浓度一经再分配就会变得更均匀。申请人已发现在一些实施例中使用剖面SEM时界面无法检测出。虚线202与302是显示无固化时界面存在之处。图3A显示无衬垫层的可流动CVD间隙填充操作的剖面SEM代表图，而图3B显示具有衬垫层的同样的沉积。在缺乏富含氧化物衬垫层时，沉积层304-1的间隙填充区域中，孔隙301是可见的。另一方面，在图3B的沉积层的间隙填充区域304-2中，既不见孔隙也不见界面。
可使富含氧化物的衬垫层的氧含量大于间隙填充层的氧含量，这是通过调整前体进入远端等离子体区域的流率而达成。在形成富含氧化物衬垫层期间，氧(O2)对氨气(NH3) 进入远端等离子体区域的示范性流率比例可为约2:1 (等同于原子氧对氮比例为约4:1)。 在沉积间隙填充层期间，O2 = NH3的流率比例可为约1:5 (等同于原子氧对氮比例为约2 :5)。这些比例指出将在衬垫层与间隙填充层中发现的化学计量。在揭露的实施例中，衬垫的原子氧对氮流率比例超过间隙填充的原子氧对氮流率比例，使得富含氧化物的衬垫的氧含量超过间隙填充介电层的氧含量。另一实施例中，衬垫的原子氧对氮流率比例超过间隙填充的原子氧对氮流率比例一倍数，该倍数大于5。
在生长可流动膜期间，在腔室等离子体区域或基板处理区域中的压力可低于或约lOOTorr、低于或约50Torr、低于或约20Torr、低于或约IOTorr、或者是低于或约5Torr。 在该二区域中的任一者或二者中的压力在不同实施例中可高于或约O. 25Torr、高于或约 O. 5Torr、高于或约ITorr、高于或约2Torr、高于或约5Torr。在压力上,每一下限可与任一上限组合而形成根据所揭露的实施例的适当压力的另一范围。生长可流动膜期间，腔室等离子体区域中存在的等离子体条件(为了生产自由基氧及/或自由基氮前体)在不同实施例中可包括介于约3000W至约15000W之间、介于约400W至约10000W之间、或介于约5000W 至约8000W之间的RF功率。
沉积含硅膜(该含硅膜包括上文所给的范例中的氮及/或碳)期间，在基板温度维持在相对低温的同时，可进行可流动膜的生长。可在低温下于基板表面上沉积可流动氧化物膜，该低温是通过沉积期间冷却基板而维持。底座可包括在底座轴杆内侧的加热及/或冷却导管，不同实施例中，这些导管将底座与基板的温度设定在约40° C到约200° C之间、约100° C到约160° C之间、低于约100° C或低于约40° C。
示范性基板处理系统
沉积系统的实施例可结合至较大的制造系统，以生产集成电路芯片。图4显示根据所揭露之实施例的一个此类沉积、烘烤及固化腔室的系统400。在该图中，一对FOUP (前开式晶圆盒)402供给基板(例如300mm直径的晶圆)，在这些基板放进晶圆处理腔室408a_f 中的一个之前，基板是由机械手臂404接收并且放置到低压固持区域406。第二机械手臂 410可用于从固持区域406传输基板晶圆 至处理腔室408a-f并且往回传输。
处理腔室408a_f可包括一或多个用以在基板晶圆上沉积、退火、固化及/或蚀刻可流动介电膜的系统部件。在一个配置中，两对处理腔室(例如，408c-d及408e-f)可用于沉积可流动介电材料于基板上，而第三对处理腔室(例如，408a-b)可用于退火沉积的介电质。在另一配置中，相同的两对处理腔室(例如408c-d及408e-f)可被配置成在基板上沉积及退火可流动介电膜，同时第三对腔室(例如408a-b)可用于UV或电子束固化沉积的膜。 另一配置中，所有三对腔室(例如408a-f)可被配置成在基板上沉积及固化可流动的介电膜。在又一配置中，两对处理腔室(例如408c-d及408e-f)可用于沉积及以UV固化或电子束固化可流动介电质，同时第三对处理腔室(例如408a-b)可用于退火介电膜。应了解，系统400可考虑用于可流动介电膜之沉积、退火与固化腔室的额外配置。
此外，一个或更多个制程腔室408a_f可被配置成湿式处理腔室。这些制程腔室包括在含湿气的气氛下加热该可流动介电膜。因此，系统400的实施例可包括湿式处理腔室 408a-b及退火处理腔室408c-d，以在沉积的介电膜上执行湿式及干式退火二者。
图5A是根据所揭露的实施例之基板处理腔室500。远端等离子体系统(RPS) 510 可处理随后行进穿过气体入口组件511的气体。两个个别的气体供应通道可见于气体入口组件511内。第一通道512携带通过远端等离子体系统RPS510的气体，而第二通道513绕过RPS500。在揭露的实施例中，第一通道502可用于制程气体，而第二通道513可用于处理气体。盖(或导电的顶部部分)521以及穿孔隔件553之间呈现一绝缘环524，绝缘环524使得AC电位得以相对于穿孔隔件553施加到盖521。制程气体行进穿过第一通道512进入腔室等离子体区域520，且制程气体可单独在腔室等离子体区域520中(或者与RPS510组合) 由等离子体激发。腔室等离子体区域520及/或RPS510的组合可指本文的远端等离子体系统。穿孔隔件(亦指喷头)553将喷头553下方的基板处理区域570与腔室等离子体区域 520分隔。喷头553使等离子体得以存在于腔室等离子体区域520中，以避免直接激发基板处理区域570中的气体，同时依然使激发的物质得以从腔室等离子体区域520行进至基板处理区域570。
喷头553定位在腔室等离子体区域520与基板处理区域570之间，且该喷头553 使等离子体流出物(前体或其他气体的受激发的衍生物)在腔室等离子体区域520中生成而通过横切板厚度的多个通孔556。喷头553亦具有一个或多个中空空间551，该中空空间 551可被蒸气或气体形式的前体(诸如含硅前体)填充，并且经由小孔洞555进入基板处理区域570但不直接进入腔室等离子体区域520。在此揭露的实施例中，喷头553比通孔556 的最小直径550的长度厚。为了使从腔室等离子体区域520穿透至基板处理区域570的受激发物质维持显著浓度，可通过在通过喷头553的一部分路径中形成通孔556的较大直径部分，而限制通孔的最小直径550的长度526。在所揭露的实施例中，通孔556的最小直径 550的长度可与通孔556的最小直径相同数量级，或者为较小的数量级。
在所示的实施例中，一旦制程气体受到腔室等离子体区域520中的等离子体激发，喷头553可(通过通孔556)分配制程气体，这些制程气体含有氧、氢、及/或氮，及/或此类制程气体的等离子体流出物。在实施例中，通过第一通道512引入RPS510及/或腔室等离子体区域520的制程气体可含有氧(O2)、臭氧(03)、队0、勵、勵2、順3、包括N2H4的NxHy、 甲硅烷(silane)、乙硅烷(disilane)、TSA及DSA中的一者或多者。沉积富含氧化物衬垫层期间，流过RPS510的氧对氮比例可相对地高，而在沉积间隙填充层期间，流过RPS510的氧对氮比例可减小。该制程气体亦可包括诸如氦气、氩气、氮气(N2)等之类的载气。第二通道513亦可传递制程气体及/或载气，及/或膜固化气体，该膜固化气体用于从生长中的膜或刚沉积的膜中移除非期望的成份。等离子体流出物可包括制程气体的离子化或中性衍生物，且在此等离子体流出物亦可指自由基氧前体及/或自由基氮前体，前述二前体所指的是所引入的制程气体的原子的组分。
在实施例中，通孔556的数量可介于约60个至约2000个之间。通孔556可具有多种形状，但大多数是做成圆形。在所揭露的实施例中，通孔556的最小直径550可介于约 O. 5mm至约20mm之间，或介于约Imm至约6mm之间。在选择通孔的截面形状上,亦有范围， 截面可做成锥形、圆柱形或该二种形状的组合。不同实施例中，用于将气体导入基板处理区域570的小孔洞555数目可介于约100个至约5000个之间，或介于约500个至约2000个之间。小孔洞555的直径可介于约O.1mm至约2mm之间。
图5B是根据所揭露的实施例与处理腔室一并使用的喷头553的底视图。喷头553 对应图5A中所示的喷头。通孔556被绘成在喷头553底部处具有 较大的内径(ID)，而在顶部处具有较小的ID。小孔洞555实质上在喷头表面上均匀分布，甚至分布在通孔556之间，相较于此述的其他实施例，此举助于提供更均匀的混合。
当通过喷头553中的通孔556而抵达的等离子体流出物与源于中空空间551且通过小孔洞555抵达的含硅前体组合时，在基板处理区域570内示范性的膜生成于基板上，而该基板是受底座(图中未示)所支撑。虽然将基板处理区域570可装设成支持供诸如固化之类的其他制程所用的等离子体，然而在生长示范性膜的期间，无等离子体存在。
等离子体既可在喷头553上方的腔室等离子体区域520中被点燃，亦可在喷头553 下方的基板处理区域570被点燃。在处理腔室的导电顶部部分521及喷头553之间施加一般在射频(RF)范围的AC电压，以在沉积期间在腔室等离子体区域520中点燃等离子体。当开启基板处理区域570中的底部等离子体以固化膜或清洁接壤基板处理区域570的内部表面时，顶部等离子体可处于低功率或无功率。通过在喷头553及底座(或腔室底部)之间施加AC电压，而点燃基板处理区域570中的等离子体。清洁气体可在等离子体存在时引入基板处理区域570。
基板处理系统是由系统控制器控制。在一示范性实施例中，系统控制器包括硬盘驱动器、软盘驱动器及处理器。 处理器含有单板计算机(SBC)、模数输入/输出板、接口板及步进马达控制板。CVD系统的各部件符合Versa ModularEuropean (VME)标准,该标准界定电路板、插件箱(card cage)以及连接器规格与类型。VME标准亦界定总线结构为具有16 位数据总线或24位地址总线。
系统控制器控制所有CVD机器的活动。系统控制器执行系统控制软件，该软件是储存在计算机可读媒体上的计算机程序。该媒体较佳为硬盘驱动器，但该媒体亦可是其他种类的存储器。计算机程序包括指令集，该指令集指示时序、气体混合、腔室压力、腔室温度、RF功率水平、基座(susc印tor)位置及其他特殊制程参数。储存在其他存储器设备(该设备包括例如软盘或其他适合的驱动器)上的其他计算机程序亦可用于指令系统控制器。
可使用由系统控制器执行的计算机程序实现用于在基板上沉积膜堆迭的制程或者用于清洁腔室的制程。计算机程序代码可以任何常规计算机可读编程语言撰写，例如 68000汇编语目、C、C++、Pascal、Fortran或其他语目。使用常规的文本编辑器将适合的程序代码输入单一文件或多个文件，并且储存于计算机可使用媒体(如计算机的存储器系统) 或由该媒体实施。倘若输入的代码文本是高级语言，则编译代码，而所得的编译代码随后与预先编译的Microsoft Windows 程序库例程的编码代码链接。为了执行该链接、编译的目标代码，系统用户调用该目标代码，使计算机系统载入存储器中的代码。CPU随后读取并且执行该代码，以执行程序中标识的任务。
用户与控制器之间的界面可通过平板触敏显示器。在较佳实施例中，使用两个显示器，一个安装在清洁室壁以供操作者使用，另一个在壁后以供维修技术人员使用。两个显示器可同时显示相同信息，该实例中，一次仅有一个接受输入。为了选择特殊的屏幕或功能，操作者接触触敏显示器上的指定区域。接触区域改变该区域的高亮色彩，或呈现新的菜单或屏幕，以确认操作者和触敏显示器之间的通信。不使用触敏显示器，或者是除了触敏显示器之外，可使用其他设备，例如键盘、鼠标或其他定点或通信设备，以让用户与系统控制器通信。
在利用腔室等离子体区域的实施例中，受激发的等离子体流出物在与沉积区域分隔的基板处理区域的区段中生成，在该处等离子体流出物与无碳含硅前体混合并且反应， 以沉积硅与氮层于沉积基板(例如半导体晶圆)上。受激发的等离子体流出物亦可伴随惰气(在示范性情况中，该惰气是氩气)。在一些实施例中，无碳含硅前体在进入基板等离子体区域之前不通过等离子体。自由基氮前体是在远端等离子体区域中生成并且行进至基板处理区域，在该基板处理区域处，含硅前体被自由基氮前体激发。在一些实施例中，含硅前体只被自由基氮前体激发。在一些实施例中，等离子体功率可基本上仅被施加到远端等离子体区域，以确保自由基氮前体提供主控的激发给含硅前体。在此可将基板处理区域描述为在生长含硅与氮层期间与低温臭氧固化期间为“无等离子体”。“无等离子体”并非必然指该区域缺乏等离子体。在等离子体区域内生成的离子化物质与自由电子确实行进通过隔件 (喷头)中的孔洞(贯孔)，但无碳含硅前体并不实质上被施加至等离子体区域的等离子体功率所激发。腔室等离子体区域中等离子体的边界是难以界定的，且可能通过喷头中的贯孔侵入基板处理区域上。在诱导耦合等离子体的实例中，可直接在基板处理区域内执行少量的离子化。再者，低强度的等离子体可在基板处理区域中生成，而不至于消弭形成的膜的期望特征。在激发的等离子体流出物生成期间强度离子密度远低于腔室等离子体区域(或远端等离子体区域，就此而言)的等离子体的所有成因不背离在此所用的“无等离子体”之范围。
在此所使用的“基板”可为具有(或不具有)形成于该基板上的膜层的支撑基板。 该支撑基板可为有各种掺杂浓度及掺杂轮廓的绝缘体或半导体，且该支撑基板可例如为用在集成电路制造上的类型的半导体基板。“氧化硅”层用做为含硅与氧材料的缩写，并且可与含硅与氧材料交换使用。就此而言，氧化硅可包括其他元素组份(诸如氮、氢及碳等)的浓度。在一些实施例中，氧化硅基本上由硅与氧构成。“前体”一词用于指任何参与反应以从表面移除材料或沉积材料到表面上的制程气体。处于“激发态”的气体是描述其中至少有一些气体分子处于振动型式的激发、解离及/或离子化的状态的气体。“气体”(或“前体”) 可为两种以上气体(或前体)的组合，且可包括正常是液体或固体但暂时与其他“载气”搭载的物质。“自由基前体”用于描述等离子体流出物(为离开等离子体而处于激发态的气体)， 该等离子体流出物参与反应以从表面移除材料或沉积材料到表面上。“自由基氮前体”是一种含有氮的自由基前体，而“自由基氢前体”是一种含有氢的前体。“惰气”一词指任何在蚀刻或结合至膜时不形成化学键结的气体。示范性惰气包含稀有气体，但可包括其他气体，只要这些其他气体在(一般情况下)膜中捕捉到痕量时无化学键结形成即可。
全文中所用之沟槽(trench) —词毫无暗指意味地是指蚀刻过的地形具有大的水平高宽比。由表面上方所视，沟槽可显现圆形、椭圆形、多边形、矩形或各种其他形状。“通孔”一词是用于指低的高宽比的沟槽(由上方而视)，该低高宽比沟槽可能或可能不被金属填充而形成垂直的电连接。如在此所使用，共形层是指表面上与该表面形状相同的大体上均匀的材料层，即，该层的表面与受覆盖的表面大体上平行。本领域的技术人员将了解沉积的材料可能不会100%共形，而因此“大体上” 一词允许可接受的容忍值。
通过上述数个实施例的说明，本领域的技术人员应知可使用多种修饰例、替代架构与等效例而不脱离本发明的精神。此外，说明书中不对多种已知制程与元件做说明，以避免不必要地混淆了本发明。故，上述描述不应被视为对本发明范围之限制。
当提供数值范围时，除非文字中另外清楚指明，应知亦同时揭露介于该范围的上下限值之间各个区间值至下限值单位的十分之一。亦涵盖了所陈述范围中任何陈述数值或区间值以及该陈述范围中任何其他陈述数值或区间值之间的每个较小范围。这些较小范围的上限值与下限值可独立包含或排除于该范围中，且这些较小范围中的各范围(不管是包含其中一个、包含两个或不含上限值与下限值)亦皆涵盖于本发明内所陈述之范围中，除非在所述范围中有特别排除之限制。当所陈述之范围包括极限值的一者或两者，也涵盖了该些排除所含极限值之一者或两者的范围。
说明书与所附权利要求书中所使用的单数形式“一”、“一个”与“该”等用语也包括复数形式，除非文字中另外清楚指明。因此，举例而言，“一种制程”所指的包括多个这类制程，而“该前体”所指的包括一或多种前体以及本领域技术人员所熟知的该前体等效例。
同时，说明书与下述权利要求书中“包括”、“包含”、“含有”、“含”以及“具有”等用语是指存在所陈述的特征、整 体、构件或步骤，但并不排除存在或增加一或多个其他特征、 整体、构件、步骤、动作或群组。
权利要求
1.一种在含有沟槽的图案化基板上形成氧化硅层的方法，所述方法包括以下步骤将所述基板传送进入基板处理腔室；在包括所述沟槽的所述基板上形成富含氧衬垫层；在所述基板上与所述沟槽中形成间隙填充介电层，其中所述间隙填充介电层具有氧含量，所述间隙填充介电层的氧含量低于所述富含氧衬垫层的氧含量，并且所述间隙填充介电层在形成期间可流动；以及在高温下固化所述间隙填充介电层以将一些氧从所述富含氧衬垫层转移进入所述间隙填充介电层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述富含氧衬垫层比所述间隙填充介电层更加共形。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间隙填充介电层实质上填充所述沟槽。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成所述间隙填充介电层的步骤包含以下步骤将间隙填充等离子体前体流进远端等离子体区域以形成等离子体流出物；以及在所述基板处理区域中将所述等离子体流出物与含硅前体流组合，以形成所述间隙填充介电层，其中所述含硅前体不直接通过施加等离子体功率而受激发，并且所述间隙填充介电层是含娃与氧层。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，形成所述富含氧化物衬垫层的步骤包含以下步骤使衬垫等离子体前体流进远端等离子体区域以形成等离子体流出物；以及在所述基板处理区域中将所述等离子体流出物与含硅前体流组合，以形成所述富含氧衬垫层，其中所述含硅前体不直接通过施加等离子体功率而受激发，并且所述间隙填充介电层是含娃与氧层。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，使所述间隙填充等离子体前体流进的操作包含以间隙填充的原子氧对氮流率比例使氧与氮流进所述远端等离子体区域。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述衬垫等离子体前体流进的操作包含以衬垫的原子氧对氮流率比例使氧与氮流进所述远端等离子体区域。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述衬垫的原子氧对氮流率比例超过所述间隙填充的原子氧对氮流率比例，使得所述富含氧化物衬垫的氧含量超过所述间隙填充介电层的氧含量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述衬垫的原子氧对氮流率比例超过所述间隙填充的原子氧对氮流率比例一倍数，所述倍数大于5。
10.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述含硅前体包含含硅与氮前体，而所述等离子体流出物包含自由基氮前体。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述含硅与氮前体包含H2N(SiH3)、HN(SiH3)2与N(SiH3)3中的至少一个，而所述等离子体前体包含NH3、NH4OH, N2O, NO、NO2, N2与4中的至少一个。
12.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述远端等离子体区域是在所述基板处理腔室内，并且所述远端等离子体区域与所述基板处理腔室通过喷头隔开。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，固化所述间隙填充介电层的操作包含在所述高温下将所述间隙填充介电层暴露到含臭氧的气氛。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，固化所述间隙填充介电层的操作进一步包含接着在退火温度下将所述间隙填充介电层暴露到含氧气氛，所述含氧气氛包含02、03、及H20中的至少一个，而所述退火温度大于所述高温。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沟槽具有约50nm或低于50nm的宽度。
全文摘要
在此描述空洞体积比例降低的间隙填充氧化硅层的形成。该沉积涉及在缺少氧较可流动的间隙填充层之前形成富含氧较不可流动的衬垫层。然而，该衬垫层在与间隙填充层相同的腔室内沉积。衬垫层与间隙填充层二者可通过使自由基成份与未激发的含硅前体(即不直接通过施加等离子体功率而被激发)组合而形成。衬垫层比间隙填充层具更多的氧含量并且更加共形地沉积。间隙填充层的沉积速率可藉由衬垫层的存在而增加。间隙填充层可含有硅、氧与氮，并且该间隙填充层在高温下转化以含有更多氧与更少氮。间隙填充衬垫的存在提供了间隙填充层下方的氧源，以增大在转化期间引入的气相氧。
文档编号H01L21/205GK103038868SQ201180037215
公开日2013年4月10日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月30日
发明者D·李, J·梁, N·K·英格尔 申请人:应用材料公司