[发明专利]集成工艺调制一种利用HDP－CVD间隙填充的新型方法

说明书

相关申请的交叉引用

本发明要求享有在2006年4月17日提交的发明名称为“INTEGRATED PROCESS MODULSTION(IPM)A NOVEL SOLUTION FOR FILLING NARROW GAPS(<90NM)WITHHDP-CVD-S(集成工艺调制一种利用高密 度等离子体化学汽相沉积填充窄间隙(<90nm)的新型方法)”的美国临时专 利申请No.60/792,743的优先权，在此引入其全部内容作为参考。

技术领域

本发明公开了一种用于在设置于工艺腔室内的衬底上沉积氧化硅薄膜的 工艺。

背景技术

现代半导体器件制造中的基本步骤之一为在半导体衬底上形成诸如氧化 硅的薄膜。氧化硅作为绝缘层广泛应用于半导体器件的制造中。公知可利用热 化学气相沉积(CVD)或等离子体化学气相沉积及其他方法沉积氧化硅薄膜。 在传统的热CVD工艺中，将反应性气体提供给进行热诱导化学反应(均匀或不 均匀)的衬底表面上以形成所需薄膜。在传统的等离子体工艺中，形成受控的 等离子体以分解和/或激活反应物以形成所需薄膜。

从几十年以前首次出现半导体器件以来，半导体器件的几何尺寸已显著减 小。在某些应用中，例如，在相邻的导线或蚀刻的沟槽之间，较小特征尺寸的 器件已导致出现增加的孔径比的间隙。间隙的孔径比定义为间隙高度或深度与 其宽度之比。利用传统的CVD方法难以填充这些空隙。薄膜完全填充这些间隙 的能力被称之为薄膜“间隙填充(gapfilling)”能力。氧化硅为通用于填充 金属间介电层(IMD)应用、金属前介电层(PMD)应用和浅沟槽隔离(STT) 等应用中的间隙的其中一种类型的绝缘膜。所述氧化硅薄膜常被称之为间隙填 充薄膜或间隙填充层。

一些集成电路制造商已转向利用高密度等离子体化学汽相沉积 (HDP-CVD)系统以沉积氧化硅间隙填充层。HDP-CVD系统形成大约为标 准电容性耦合等离子体CVD系统的密度大小的两倍或以上的等离子体。 HDP-CVD系统的实施例包括电感耦合等离子体系统和电子回旋共振(ECR) 等离子体系统等。HDP-CVD系统通常在比低密度等离子体系统更低的压力范 围操作。HDP-CVD系统中采用的低腔室压力提供具有长平均自由程和减小的 角分布的激活物质。这些因素结合等离子体密度有助于来自等离子体的大量成 分均匀到达紧密分隔的间隙的最深部分，与在低密度等离子体系统中沉积的薄 膜相比，其提供具有改善的间隙填充能力的薄膜。

与用其他CVD技术沉积的薄膜相比，利用HDP-CVD技术沉积的薄膜允 许具有改善的间隙填充特性的另一因素在于由等离子体的高密度促进的溅射 与薄膜沉积同时进行。HDP沉积的溅射元素减慢在某些形貌诸如突起表面的 角落上沉积，从而有利于HDP沉积膜的改善的间隙填充能力。一些HDP-CVD 系统导入氩气或类似重惰性气体以进一步促进溅射效果。这些HDP-CVD系统 通常利用衬底支架基座内的电极，其能产生使等离子体偏向衬底的电场。所述 电场可应用于整个HDP沉积工艺期间以产生溅射并为给定薄膜提供更好的间 隙填充特性。通常用于沉积氧化硅的一种HDP-CVD工艺由包括硅烷(SiH₄)、 氧分子(O₂)和氩(Ar)的工艺气体形成等离子体。

然而，与溅射相关的局限在于溅射材料的角重新分布(angular redistribution)。例如，在STI间隙填充中，溅射的SiO₂可从沟槽上方溅射并 在沟槽的侧面上沉积，这将导致过量聚积并限制实现自下至上的间隙填充所经 过的开口。如果有太多的再沉积，在底部被填充之前该沟槽可能关闭，并在沟 槽内留下内埋孔。

图1A示出了在具有由衬底上形成的两个相邻形貌122、124限定的间隙 120的衬底(未示出)上薄膜沉积的起始阶段。如图1A所示，传统的HDP-CVD 氧化硅沉积工艺导致在间隙120内的水平表面126上和形貌122、124上的水 平表面128上直接氧化硅沉积。由于随着氧化硅薄膜生长，从氧化硅薄膜溅射 的物质的再结合，该工艺还导致侧壁130上的间接沉积(称之为再沉积)。在 某些小宽度、高孔径比的应用中，氧化硅薄膜的继续生长导致在上部分间隙侧 壁上的形成结构132，其以超过薄膜在侧壁的下部分134上横向生长的速率彼 此相对生长(也可参见图1B)。该工艺的最终结果为形成如图1C中所示的孔 136。