本發(fā)明涉及襯底處理系統(tǒng)，更具體地，涉及消除在間隙填充應(yīng)用中在原子層沉積中二氧化硅膜的接縫的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

這里提供的背景描述是為了總體呈現(xiàn)本公開的背景的目的。在此背景技術(shù)部分中描述的程度上的當(dāng)前指定的發(fā)明人的工作，以及在提交申請(qǐng)時(shí)可能無法以其他方式有資格作為現(xiàn)有技術(shù)的說明書的各方面，既不明確也不暗示地承認(rèn)是針對(duì)本公開的現(xiàn)有技術(shù)。

淺溝槽絕緣體(STI)提供在集成電路(IC)中的單個(gè)的晶體管器件之間的電隔離。STI通常包括填充有高質(zhì)量的二氧化硅(SiO₂)膜的溝槽。在一些實(shí)例中，溝槽的深寬比(AR)可高達(dá)8：1，并且溝槽的開口變窄至20nm。在處理過程中無空隙的STI間隙填充是重要的，因?yàn)橐r底可以在隨后的集成步驟中進(jìn)行濕法化學(xué)處理。

通常，STI使用高密度等離子體化學(xué)氣相沉積(HDPCVD)工藝進(jìn)行填充。對(duì)于具有大于約4：1的AR的溝槽而言，HDPCVD氧化物是無法在沒有空隙的情況下填充STI的。即使當(dāng)使用循環(huán)的沉積-蝕刻-沉積工藝時(shí)，空隙也產(chǎn)生。

已使用替代的填充技術(shù)，如亞大氣壓CVD(SACVD)。然而，SACVD對(duì)于填充輪廓是靈敏的，因?yàn)镾ACVD小于100％的共形性。新興的流動(dòng)氧化物處理提供液體狀填充性能，但膜的質(zhì)量在很大程度上受存在于該膜中的高的碳含量的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種用于填充在襯底中的溝槽的方法包括：使溝槽部分地填充有第 一二氧化硅層。在所述二氧化硅層上沉積非晶硅層。使所述溝槽填充有第二二氧化硅層。在所述襯底上進(jìn)行氧化處理，以氧化所述非晶硅層。

在其他特征中，所述溝槽包括淺溝槽絕緣體(STI)。所述第一二氧化硅層和所述第二二氧化硅層是使用原子層沉積(ALD)工藝沉積的。所述ALD工藝沉積共形膜。所述ALD工藝使用處理氣體，該處理氣體包括雙(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)、一氧化二氮(N₂O)和氧氣(O₂)。

在其他特征中，所述氧化處理包括：加熱所述襯底到處理溫度；以及將所述襯底暴露于水蒸氣。所述氧化處理包括：加熱所述襯底到處理溫度；以及將所述襯底暴露于分子氧。所述襯底在爐中被加熱。所述處理溫度介于600℃和1000℃之間。所述處理溫度介于875℃和925℃之間。所述處理時(shí)間介于1小時(shí)和5小時(shí)之間。所述溝槽具有大于4：1的深寬比。所述溝槽具有大于8：1的深寬比。

在其他特征中，所述非晶硅層是使用熱化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝沉積的。所述熱CVD工藝使用二硅烷作為處理氣體。所述非晶硅層具有2nm至4nm的厚度。

具體而言，本發(fā)明的一些方面可以闡述如下：

1.一種用于填充在襯底中的溝槽的方法，其包括：

用第一二氧化硅層部分地填充所述溝槽；

在所述二氧化硅層上沉積非晶硅層；

用第二二氧化硅層填充所述溝槽；以及

在所述襯底上進(jìn)行氧化處理，以氧化所述非晶硅層。

2.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述溝槽包括淺溝槽絕緣體(STI)。

3.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述第一二氧化硅層和所述第二二氧化硅層是使用原子層沉積(ALD)工藝沉積的。

4.根據(jù)條款3所述的方法，其中，所述ALD工藝沉積共形膜。

5.根據(jù)條款3所述的方法，其中，所述ALD工藝使用處理氣體，該處理氣體包括雙(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)、一氧化二氮(N₂O)和氧氣(O₂)。

6.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述氧化處理包括：

加熱所述襯底到處理溫度；以及

將所述襯底暴露于水蒸氣。

7.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述氧化處理包括：

加熱所述襯底到處理溫度；以及

將所述襯底暴露于分子氧。

8.根據(jù)條款6所述的方法，其中，所述襯底在爐中被加熱。

9.根據(jù)條款6所述的方法，其中，所述處理溫度介于600℃和1000℃之間。

10.根據(jù)條款6所述的方法，其中，所述處理溫度介于875℃和925℃之間。

11.根據(jù)條款6所述的方法，其中，所述處理時(shí)間介于1小時(shí)和5小時(shí)之間。

12.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述溝槽具有大于4：1的深寬比。

13.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述溝槽具有大于8：1的深寬比。

14.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述非晶硅層是使用熱化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝沉積的。

15.根據(jù)條款14所述的方法，其中，所述熱CVD工藝使用二硅烷作為處理氣體。

16.根據(jù)條款1所述的方法，其中，所述非晶硅層具有介于2nm至4nm的厚度。

根據(jù)詳細(xì)描述、權(quán)利要求和附圖，本公開內(nèi)容的適用性的進(jìn)一步范圍將變得顯而易見。詳細(xì)描述和具體實(shí)施例僅用于說明的目的，并非意在限制本公開的范圍。

附圖說明

根據(jù)詳細(xì)描述和附圖，本發(fā)明將被更充分地理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的包括部分地由二氧化硅(SiO₂)層填充的溝槽的襯底的一實(shí)例的側(cè)剖視圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的圖1的還包括沉積在溝槽內(nèi)的SiO₂上的非晶硅(a-Si)層的襯底的側(cè)剖視圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的圖2的還包括填充在溝槽中并產(chǎn)生了接縫的附加的SiO₂層的襯底的側(cè)剖視圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的圖3的在使用氧化步驟去除所述接縫后的襯底的側(cè)剖視圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于使用SiO₂層、非晶硅層的沉積、SiO₂層的沉積、以及氧化步驟執(zhí)行溝槽的間隙填充的方法的一個(gè)實(shí)例。

在附圖中，附圖標(biāo)記可以被重新使用以標(biāo)識(shí)相似和/或相同的元件。

具體實(shí)施方式

二氧化硅(SiO₂)的沉積可用于襯底的溝槽的間隙填充。然而，高的濕法蝕刻速率接縫在相對(duì)的側(cè)壁上的膜合并后保持在溝槽的中心。與直至溝槽被完全填充的SiO₂膜的連續(xù)沉積對(duì)比，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法最初沉積SiO₂以部分地填充溝槽，隨后在相對(duì)的側(cè)壁上的膜會(huì)合之前沉積非晶硅(a-Si)層。隨后，再繼續(xù)SiO₂沉積以充分填充溝槽。隨后膜疊層被暴露于氧化處理以將a-Si層轉(zhuǎn)化成SiO₂。在氧化處理過程中引起的體積膨脹使接縫材料致密化。

現(xiàn)在參考圖1和2，示出了對(duì)襯底10的使用SiO₂膜填充溝槽12的處理。在一些實(shí)例中，溝槽12具有高的深寬比(AR)。在一些實(shí)例中，AR大于4：1。在其他實(shí)例中，AR大于8：1。在還有的其他實(shí)例中，AR大于10：1。在一些實(shí)例中，溝槽12是STI溝槽。

在圖1中，二氧化硅(SiO₂)層16沉積在溝槽12中以部分地填充溝槽12。在一些實(shí)例中，SiO₂層16被共形地沉積。在一些實(shí)例中，使用ALD工藝沉積SiO₂層16。

在一些實(shí)例中，按照在共同轉(zhuǎn)讓的名稱為“METHOD OF PLASMA ACTIVATED DEPOSITION OF A CONFORMAL FILM ON A SUBSTRATE SURFACE”的、2014年5月20日授權(quán)給LaVoie等的美國專利No.8,728,955 中描述的ALD工藝進(jìn)行SiO₂的共形的ALD沉積，在此通過引用將該專利的全部?jī)?nèi)容并入本發(fā)明。在一些實(shí)例中，前體氣體可以包括雙(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)、一氧化二氮(N₂O)和氧氣(O₂)。

在圖2中，所示的是圖1的非晶硅(a-Si)層18沉積在溝槽12中的SiO₂層16上后的襯底10。在一些實(shí)例中，a-Si層18具有2-4nm的厚度。在其他實(shí)例中，a-Si層18具有3nm的厚度。在一些實(shí)例中，a-Si層18是共形的。

在一些實(shí)例中，使用熱化學(xué)氣相沉積(CVD)工藝或其他合適的沉積工藝進(jìn)行a-Si層18的沉積。在一些實(shí)例中，用于沉積a-Si層18的沉積處理使用乙硅烷(Si₂H₆)作為前體氣體，并且處理溫度為400℃-600℃。在其他實(shí)例中，處理溫度為450℃-550℃。在其他實(shí)例中，處理溫度為500℃。在其他實(shí)例中，使用ALD沉積a-Si層18。僅舉例而言，可以使用被用于沉積共形氧化物、氮化物或碳化物層的ALD工藝。

現(xiàn)在參考圖3和4，示出了對(duì)襯底10的額外的處理。在圖3中，示出了在SiO₂層20的側(cè)壁會(huì)合，填充溝槽12以及創(chuàng)建接縫22后的襯底10。在一些實(shí)例中，還使用共形的工藝沉積SiO₂層20。在一些實(shí)例中，SiO₂層20使用ALD工藝沉積。

在圖4中，使用氧化處理步驟來去除接縫22。在一些實(shí)例中，用于氧化a-Si層的工藝包括：在爐內(nèi)或其他裝置中將襯底加熱到處理溫度。在一些實(shí)例中，處理溫度介于600℃和1000℃之間。在一些實(shí)例中，使用利用水蒸氣的濕法氧化處理。在一些實(shí)例中，使用分子氧、臭氧或二氧化碳(CO₂)。在其他實(shí)例中，處理溫度為約900℃(例如，介于875℃至925℃之間)。在一些實(shí)例中，處理時(shí)間介于1小時(shí)和5小時(shí)之間，但是也可以使用其他的處理時(shí)間。在一些實(shí)例中，氧氣擴(kuò)散通過SiO₂層到a-Si層以至少部分地將a-Si層轉(zhuǎn)換為SiO₂。使用濕法氧化可減少處理時(shí)間，因?yàn)樗魵饩哂羞M(jìn)入SiO₂層內(nèi)的增大的溶解度。

在其他實(shí)例中，氧化步驟是在產(chǎn)生含氧化劑等離子體的處理室中進(jìn)行。等離子體系統(tǒng)可以在室內(nèi)或遠(yuǎn)程產(chǎn)生等離子體。在其他實(shí)例中，等離子體系統(tǒng)可以使用射頻(RF)、微波(MW)和DC等離子體電源。在其他實(shí) 例中，通過電感耦合等離子體(ICP)系統(tǒng)、電容耦合等離子體(CCP)系統(tǒng)或任何其他合適的等離子體生成系統(tǒng)來產(chǎn)生等離子體。在一些實(shí)例中，氧化步驟可以使用紫外(UV)光和臭氧來進(jìn)行。在其他實(shí)施例中，快速熱氧化系統(tǒng)可以被用于執(zhí)行氧化步驟。

現(xiàn)在參考圖5，示出了用于執(zhí)行溝槽的間隙填充的方法100的一個(gè)實(shí)例。在110，第一SiO₂層沉積在襯底的溝槽中，以部分地填充溝槽。

在114，非晶硅(a-Si)層沉積在第一SiO₂層上。a-Si層部分地填充溝槽。在118，第二SiO₂層沉積在a-Si層上。由第二SiO₂層填充溝槽并產(chǎn)生接縫。在122，用氧化處理步驟除去接縫。

前面的描述在本質(zhì)上僅僅是說明性的，并且決不旨在限制本公開、本公開的應(yīng)用或用途。本公開的廣泛教導(dǎo)可以以各種形式來實(shí)現(xiàn)。由于其它的修改將根據(jù)對(duì)附圖、說明書和權(quán)利要求書的研究變得顯而易見，因此，雖然本公開包括特定示例，但本公開的真實(shí)范圍不應(yīng)當(dāng)受此限制。應(yīng)當(dāng)理解的是，在方法中的一個(gè)或多個(gè)步驟可以以不同的順序(或同時(shí))而不改變本公開的原理來執(zhí)行。此外，雖然各實(shí)施方式在上面被描述為具有特定特征，但相對(duì)于本公開的任何實(shí)施方式描述的這些特征中的任何一個(gè)或多個(gè)可以在任何其他實(shí)施方式的特征中執(zhí)行和/或結(jié)合任何其他實(shí)施方式的特征來執(zhí)行，即使該組合未明確說明也如此。換句話說，所描述的實(shí)施方式不是相互排斥的，并且一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式彼此的變化方案保持在本公開的范圍內(nèi)。

元件之間(例如，模塊，電路元件，半導(dǎo)體層等之間)的空間和功能關(guān)系使用包括“連接”、“接合”、“聯(lián)接”、“相鄰”、“鄰近”、“在...上”、“上方”、“下方”和“設(shè)置”之類的各種術(shù)語進(jìn)行描述。當(dāng)在上述公開中描述第一和第二元件之間的關(guān)系時(shí)，除非明確地描述為“直接”，否則這種關(guān)系可以是其中沒有其他中間元件存在于所述第一和第二元件之間的直接的關(guān)系，但也可以是其中一個(gè)或多個(gè)中間元件(或者在空間上或功能上)存在于所述第一和第二元件之間的間接的關(guān)系。如本文所使用的，短語A、B和C中的至少一個(gè)應(yīng)該被解釋為指使用非排他性的邏輯或(OR)的邏輯(A或B或C)，且不應(yīng)該被解釋為指“A中的至少一個(gè)，B中的至少一個(gè)，和C中的至少一個(gè)”。