[发明专利]用于在高纵横比空间中进行化学气相沉积的方法

说明书

技术领域

本发明的领域总体上涉及在衬底上沉积保形膜(conformalfilm)的方法。更具体地，本发明的领域涉及将保形膜沉积在高纵横比空间如间隙(gap)、导通孔(via)和沟槽(trench)之上或之中的方法。

背景技术

半导体工业日益趋向于减小在集成电路上的半导体装置的大小。例如，为了适应对于目前半导体产品所必需的渐增的电路密度，小型化成为一种需要。硅基集成电路技术的快速发展使得对将膜沉积在具有高纵横比的空间(例如最长尺寸与最短尺寸的比率大于10的空间)中的能力的要求越来越高。许多半导体装置包括例如具有大纵横比的导通孔、间隙、沟槽或其它结构，存在对独特沉积工艺的挑战。

当使用化学气相沉积(CVD)技术来填充具有大纵横比的空间时就会产生这样的问题。一个实例包括具有高纵横比的沟槽，利用CVD工艺进行填充。在传统工艺中，形成的沟槽可能会带有包含在其中的一个或多个空隙或孔眼(通道，keyhole)。因为沉积反应物倾向于优先地在沟槽入口(例如，顶部)周围的附近生长尖头(cusp)或小盒(hut)，所以形成了空隙或孔眼。这导致了与末端或底部相比，在该沟槽的出入口或开口附近的沉积层具有更大的厚度。因此，沟槽开口更近的沉积层闭合或向里挤压(收缩)，形成未填充的空隙或空间。

在半导体装置中留下的空隙会引起重大问题。例如，空隙可能会导致由包含在该空隙中的气体(或其它物质)引起的装置故障。此外，空隙在随后的沉淀过程中可能被导电性材料填充，从而引起装置部件的短路。

美国专利申请第2005/0095872号(“Belyansky等”)公开了一种用于填充高纵横比间隙的工艺。根据Belyansky等所述，具有待填充的间隙的衬底在高密度等离子条件下、在小于约10毫托的第一压力下与第一氧化物前体接触，其中间隙被第一氧化物部分填充。然后在高密度等离子条件及大于10毫托的第二压力下，该衬底与第二氧化物前体物质及惰性气体接触，其中该间隙进一步被第二氧化物填充。

在另一个方面，Belyansky等披露了一种将保形介电层沉积到置于加工室中的衬底上的方法，其中具有需要填充的间隙的衬底被提供在加工室中的电极上。氧化物前体在小于10毫托的压力下流入该室中以部分地填充所述间隙。室内的压力被升高到大于10毫托并使惰性气体流入该室中以填充所述间隙。

因此，利用高密度等离子化学气相沉积(HDP-CVD)系统，Belyansky等利用了一种或两种组分的氧化物前体物质。

因此，需要用于在不使用高密度等离子系统的情况下将保形膜沉积到高纵横比空间中的基于CVD的工艺。例如，需要一种利用可变压力(VPCVD)的方法的工艺，该方法可在具有纵横比高于10的空间中形成无空隙或孔眼的填充物或膜。例如，需要一种用于在纵横比高至或大于10,000的纳米级尺寸的空间中保形沉积的方法。

发明内容

在本发明的一个方面，一种用于填充衬底中的高纵横比空间的基于CVD的方法包括在沉积之前，在该空间内形成气体前体(前体气体，precursor gas)的梯度的步骤。该梯度可以这样形成，例如首先以高压反应物气体(reactant gas)填充沉积室，随后降低沉积室内的压力或对沉积室部分抽空。然后使衬底的温度迅速升高，从而将前体物质优先地沉积在高纵横比空间的“深的”部分。该工艺可被重复多个循环以完全地填充该空间。该工艺允许在不形成任何可能对所得装置的性能具有不利影响的空隙或孔眼的情况下填充高纵横比空间。

在本发明的一个方面，一种将保形膜沉积到高纵横比空间中的方法包括在沉积室内提供具有纵横比大于10的空间的衬底。该衬底保持在低于沉积发生的阈值以下的温度。将气体前体引入沉积室。然后沉积室被部分抽空。在该空间中形成气体前体的梯度，其中在该空间的末端或较深的部分的浓度大于该空间的开口处的浓度。然后衬底的温度被迅速升高到阈值温度值以上。在高纵横比空间被气体前体填充时的时间和衬底被加热到CVD沉积温度时的时间之间的实际时滞(actual time delay)可以被优化，以最大利用反应物气体以及控制在高纵横比结构的入口点处的外形。然后容纳在该空间中的气体前体沉积在衬底表面上。该工艺可被重复多个循环以完全地填充该空间。

在本发明的一个方面，根据工艺填充的一个空间或多个空间具有远远大于10(如大于10³或10⁴)的纵横比。