專利名稱：用于在高縱橫比空間中進行化學氣相沉積的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明的領域總體上涉及在襯底上沉積保形膜(conformal film)的方法。更具體地，本發(fā)明的領域涉及將保形膜沉積在高纟從 4黃比空間i口間隙(gap)、導通孑L (via)禾口溝才曹(trench)之上或之 中的方法。
背景技術(shù)：
半導體工業(yè)日益趨向于減小在集成電^各上的半導體裝置的大 小。例如，為了適應對于目前半導體產(chǎn)品所必需的漸增的電路密度， 小型化成為一種需要。硅基集成電路技術(shù)的快速發(fā)展使得對將膜沉 積在具有高纟從一黃比的空間(例如最長尺寸與最^豆尺寸的比率大于10 的空間)中的能力的要求越來越高。許多半導體裝置包括例如具有 大縱一黃比的導通孔、間隙、溝槽或其它結(jié)構(gòu)，存在對獨特沉積工藝 的杏!l占戈。
當使用化學氣相沉積(CVD )才支術(shù)來填充具有大縱橫比的空間 時就會產(chǎn)生這樣的問題。 一個實例包括具有高縱橫比的溝槽，利用 CVD工藝進4亍填充。在傳統(tǒng)工藝中，形成的溝槽可能會帶有包含在 其中的一個或多個空隙或孑L目艮(通道，keyhole )。因為沉積反應物 傾向于優(yōu)先地在溝一曹入口 (例如，頂部)周圍的附近生長尖頭(cusp ) 或小盒(hut)，所以形成了空隙或孔眼。這導致了與末端或底部相 比，在該溝槽的出入口或開口附近的沉積層具有更大的厚度。因此，
溝槽開口更近的沉積層閉合或向里^齊壓(收縮)，形成未填充的空 隙或空間。
在半導體裝置中留下的空隙會引起重大問題。例如，空隙可能 會導致由包含在該空隙中的氣體(或其它物質(zhì))引起的裝置故障。 此外，空隙在隨后的沉淀過程中可能被導電性材料填充，從而引起 裝置部件的短;珞。
美國專利申請第2005/0095872號("Belyansky等，，)公開了 一 種用于填充高縱橫比間隙的工藝。根據(jù)Belyansky等所述，具有待 填充的間隙的襯底在高密度等離子條件下、在小于約10毫托的第 一壓力下與第 一氧化物前體接觸，其中間隙-故第 一氧化物部分填 充。然后在高密度等離子條件及大于10毫托的第二壓力下，該襯 底與第二氧化物前體物質(zhì)及惰性氣體接觸，其中該間隙進一步被第
二氧4b物i真充。
在另一個方面，Belyansky等4皮露了 一種將保形介電層沉積到 置于加工室中的4于底上的方法，其中具有需要^真充的間隙的4勿良一皮 提供在加工室中的電極上。氧化物前體在小于10毫托的壓力下流 入該室中以部分;也i真充所述間隙。室內(nèi)的壓力一皮升高到大于10毫 托并使惰性氣體流入該室中以填充所述間隙。
因此，利用高密度等離子化學氣相沉積(HDP-CVD)系統(tǒng)， Belyansky等利用了 一種或兩種組分的氧4匕物前體物質(zhì)。
因此，需要用于在不使用高密度等離子系統(tǒng)的情況下將保形膜 沉積到高縱橫比空間中的基于CVD的工藝。例如，需要一種利用 可變壓力(VPCVD)的方法的工藝，該方法可在具有纟從一黃比高于 10的空間中形成無空隙或孔眼的填充物或膜。例如，需要一種用于
在皇從才黃比高至或大于10,000的納米^及尺寸的空間中〗呆形沉積的方法。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面， 一種用于填充襯底中的高縱橫比空間的
基于CVD的方法包括在沉積之前，在該空間內(nèi)形成氣體前體(前 體氣體，precursor gas )的才弟度的步備聚。該牙弟度可以這才羊形成，i"列力口 首先以高壓反應物氣體(reactant gas ) i真充沉^只室，l逸后降4氐;兄積、 室內(nèi)的壓力或?qū)Τ练e室部分抽空。然后使襯底的溫度迅速升高，乂人 而將前體物質(zhì)優(yōu)先地沉積在高縱沖黃比空間的"深的"部分。該工藝
可被重復多個循環(huán)以完全地填充該空間。該工藝允許在不形成任何 可能對所得裝置的性能具有不- 'j影響的空隙或孔眼的情況下填充 高織、一黃比空間。
在本發(fā)明的一個方面， 一種將〗呆形膜沉積到高縱一黃比空間中的 方法包括在沉積室內(nèi)提供具有縱橫比大于10的空間的襯底。該襯 底保持在^氐于沉積發(fā)生的閾值以下的溫度。將氣體前體弓1入沉積 室。然后沉積室一皮部分抽空。在該空間中形成氣體前體的梯度，其 中在該空間的末端或較深的部分的濃度大于該空間的開口處的濃 度。然后襯底的溫度被迅速升高到閾值溫度值以上。在高縱橫比空 間:f皮氣體前體i真充時的時間和一于底一皮加熱到CVD ;兄積、溫度時的時 間之間的實際時滯(actual time delay )可以凈皮^尤4b,以最大利用反 應物氣體以及控制在高縱橫比結(jié)構(gòu)的入口點處的外形。然后容納在 該空間中的氣體前體沉積在襯底表面上。該工藝可^皮重復多個循環(huán) 以完全i也^真充該空間。
在本發(fā)明的 一個方面，才艮據(jù)工藝填充的 一個空間或多個空間具 有遠遠大于10 (力。大于103或104)的》人一黃比。
在本發(fā)明的另一個方面， 一種將保形膜沉積到高縱橫比空間中 的方法包括在沉積室內(nèi)4是供具有縱，鏡比大于10的空間的襯底的步 驟。該襯底保持在低于化學氣相沉積反應發(fā)生的閾值溫度以下的溫 度。然后將氣體前體引入沉積室。隨后一旦在高縱橫比結(jié)構(gòu)(例如 導通孔)內(nèi)的壓力平衡已經(jīng)建立或接近建立，則對沉積室部分抽空。 然后襯底的溫度被升高到用于化學氣相沉積的閾值溫度以上。在基 本上所有的反應性氣體已與高纟從纟黃比結(jié)構(gòu)(例如，導通孔的壁)的 內(nèi)表面(其中沉積了薄層的膜)反應之后，襯底的溫度被立即降低
到CVD閾值沉積溫度以下。抽空過禾呈持續(xù)進4亍直到大多凄t氣態(tài)副 產(chǎn)物從該高縱橫比結(jié)構(gòu)的最低或"最深"區(qū)域—皮抽出。該過程重復 多次以洋斤進;也/人底4p到頂告M真充到i亥空間中。
在本發(fā)明的另一個方面，在高纟從一黃比空間一皮氣體前體填充時的 時間和在襯底凈皮加熱到CVD沉積溫度時的時間之間實際時滯可以 被優(yōu)化，以最大利用反應物氣體，以及控制在高縱橫比結(jié)構(gòu)的入口 點的外形。
本發(fā)明的一個目的是才是供一種限制反應(reaction-limited )的 工藝(方法)，用于填充在半導體一于底上的大^U黃比空間。本發(fā)明 的另一個目的是提供一種方法，其通過在高縱一黃比空間內(nèi)形成氣體 前體的壓力梯度來填充高縱4黃比空間而不形成空隙或孔眼，其中在 二該空間的開口或入口附近的壓力4交1氐。


圖1示出了一種用于將保形膜化學氣相沉積到高縱^黃比空間中 的沉4只室。
圖2示出了具有多個高縱橫比空間的襯底的側(cè)視圖。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個具體實施方式
的將保形薄膜沉積 到高縱碎黃比空間中的工藝的流程圖。
圖4A示出了描述說明作為多個沉積循環(huán)的時間的函數(shù)的襯底 的溫度的曲線圖。
圖4B示出了描述說明作為多個沉積循環(huán)的時間的函數(shù)的沉積 室的壓力的曲線圖。
具體實施例方式
圖1示出了用于4呆形膜的化學氣相沉積的沉積室2。沉積室2 可以例如是在^f氐壓^匕學氣相沉^只(LPCVD)禾口/或快速熱4匕學氣—目 沉積(RJCVD)中使用的室。沉積室2優(yōu)選地響應于4吏用者輸入或 控制算法而能夠快速改變壓力。圖1中示出的沉積室2包括在其中 的襯底4。當然，多個襯底4可力文置在沉積室2的內(nèi)部。襯底4可 包括通常用于集成電路技術(shù)和/或MEMS裝置中的襯底材料。襯底 4可包括硅或其它半導體材料。村底4可包4舌需要彼此隔開或其他 方式隔離的有源區(qū)(active region),例如通過溝4曹或其4也隔離結(jié)構(gòu) 隔開的晶體管。
沉積室2伊乙選地包4舌一個或多個入口6及出口8，用于引入和 4由出用于沉積工藝的氣體。另外，沉積室2的出口 8與用于調(diào)節(jié)沉 積室2內(nèi)的壓力的4由氣泵9連4妄。所述氣體可包4舌，例力口沉積、過禾呈 中利用的氣體前體及惰性氣體。優(yōu)選地，沉積室2內(nèi)的壓力可通過 操作者利用例如外部控制器(沒有示出)進行控制。這樣的控制系 統(tǒng)對于沉積技術(shù)領域的技術(shù)人員而言是熟知的并且可以在現(xiàn)有的 ;兄積系統(tǒng)中找到。
沉積室2優(yōu)選地包括允許輻射透射到沉積室2內(nèi)的一個或多個
光學透明窗或類似結(jié)構(gòu)。如圖1所示，沉積室2帶有一個或多個一寸 底加熱器10。圖1示出了兩個發(fā)射輻射以加熱襯底4的快速熱處理 (RTP)加熱器10。 RTP在1-2分鐘的時間范圍內(nèi)為大約200-1300 。C的處理溫度提供快速的加熱和冷卻，其中升溫速率(斜率)通常 為20-25(TC/秒。RTP系統(tǒng)使用各種加熱配置、能源及溫度控制方 法。通常，最常用的方法包括使用多排鹵鎢燈來加熱一十底4。加熱 器IO可位于沉積室2的外部(如圖l所示)或甚至在其內(nèi)部。
圖2示出了具有三個高縱橫比空間12、 14及16的襯底2的側(cè) 視圖。每一個空間(12、 14及16)具有大于10的縱橫比?？v片黃比 是該空間的最長尺寸的長度除以該空間的最短尺寸。在本發(fā)明的一 個方面，空間(12、 14及16)的MU黃比顯著;也高于10,例力口高于103 或甚至高于104。圖2示出了三個其中包含前體18的這樣的空間12、 14及16。前體18是氣體形式并且^皮容納在空間12、 14及16的空 隙中。
圖2示出了在每一個空間12、 14及16中形成的前體18的梯 度。根據(jù)所述方法的一個優(yōu)選方面，前體18的梯度在襯底4的空 間12、 14及16中形成，4吏4尋在空間12、 14及16的末端部分12a、 14a及16a處形成較高濃度的前體18,在空間12、 14及16的開口 部分12b、 14b及16b處形成較低濃度的前體18?；谶@一點，空 間12、 14、 16可乂人末端向開口 (^口,人底部向上)進4亍^真充，而不 形成任何空隙或孔眼。盡管圖2示出了三個這才羊的空間12、 14及 16,但是本文中描述的方法并不局限于這樣的空間的數(shù)目或數(shù)量。 此外，本文描述的方法可用于一于底4內(nèi)的具有不同耳又向或幾《可形狀 的空間(如空間12 、 14及16 )。
參見圖3，示出了一種將薄的保形膜沉積到高縱橫比空間12、 14及16中的工藝或方法。首先，如步驟100所示，將襯底4提供到沉積室2 (例如， 一種LPCVD沉積室2 )中。 一十底4具有一個或 多個縱橫比大于10的空間。在步驟110中，將襯底4保持在對于 發(fā)生化學氣相沉積所需的閾值溫度或溫度范圍以下的溫度。接著， 在步恭f 120中，將沉積氣體前體18引入沉積室2中。在該工藝的 一個方面，希望這個階,殳的壓力與沉4 、室2構(gòu)造所允i午的壓力一才羊 高，以使在每一個循環(huán)中都可以沉積最大厚度的膜。沉積氣體前體 18可包括，例如，金屬物質(zhì)、半導體物質(zhì)(semiconducting species )、 或絕纟彖物質(zhì)。
在本發(fā)明的一方面，如步驟130所示，在氣體前體18已經(jīng)滲 透到空間12、 14及16中后，將沉積室2部分;也抽空。沉積室2的 部分4由空在如上所述的空間12、 14及16中形成氣+^前體18的梯 度。在步驟140中，襯底4的溫度一皮迅速升高到對于將氣體前體18 沉積到襯底4上(尤其是在高縱橫比空間深處發(fā)生沉積)所需的閾 值溫度或溫度范圍以上。因為在每一循環(huán)過程中沉積的i]莫厚度與氣 體前體的局部壓力成正比，并且還因為當沉積室開始抽氣時也發(fā)生 加熱，所以沉積的膜厚度總是在單個高縱一黃比結(jié)構(gòu)(如導通孔)的 較深末端處更高。因此，通過形成壓力梯度，孔目艮形成的機制被有
被"收縮關(guān)閉，，的危險。在一個優(yōu)選的具體實施方式
中，襯底4的 溫度通過^f吏用 一個或多個RTP加熱器10而凈皮升高。
在上述方法中，單個保形薄膜,皮沉積在空間12、 14及16中。 優(yōu)選地，該工藝(如步驟110至140)被重復多次以完全地填充空 間12、 14及16。例如，該工藝的每一次循環(huán)可沉積具有厚度范圍 約0.1 nm到約3 nm的膜。該工藝可一皮重復，直到空間12、 14及 16被完全填充。例如，空間(12、 14及16)的完全填充可包括范 圍從約0.1 nm至約1 pm的厚度。
在該工藝的一個方面，沉積可以進^于(通過迅速升高4t底4的 溫度)足夠長的時間以消耗空間12、 14及16內(nèi)的幾乎所有的氣體 前體18。例如，當大多凄t氣體前體18 H旦不是全部)凈皮沉積到內(nèi) 部空間12、 14及16中時，停止空間12、 14、 16內(nèi)的;咒積反應。 基于這一點，在每一循環(huán)過程中的沉積反應以反應受限方式開始， 并以氣體供應受限(gas supply-limited)方式結(jié)束。 一十底4的溫度 可在持續(xù)少于一秒、幾秒或甚至幾分鐘的時間期內(nèi)(耳又決于內(nèi)部空 間12、 14及16內(nèi)的反應速率) 一皮迅速升高。
圖4A和4B示出了才艮據(jù)所述沉積工藝的一個具體實施方式
的 沉積工藝的多個循環(huán)的溫度及壓力圖。如圖4A所示，襯底4的溫 度通過例如RTP加熱器10而在^氐溫和高溫之間^盾環(huán)。如圖4A所 示，低溫T^低于沉積閾值溫度Tdep,而高溫Thlgh高于沉積溫度。 如4B示出了經(jīng)過與圖4A示出的相同沉積循環(huán)的壓力圖。如圖4B
所示，壓力在低壓P,，與高壓Phigh之間變化。在本發(fā)明的一個方面，
壓力變化對時間的曲線圖和溫度變化對時間的曲線圖是不同步的。 例如，如圖4A和4B所示，在沉積室2內(nèi)的壓力開始降^氐后(在高 全從—黃比空間12、 14及16中已經(jīng)形成所述梯度后)，溫度一皮迅速升 高。然后在空間12、 14及16內(nèi)的幾乎所有的氣體前體18 — 皮;冗禾口、 后，溫度一皮降{氏到一個4交4氐4直。
在本發(fā)明的一個方面，空間12、 14及16內(nèi)的氣體前體18的 反應通過在壓力下降到閾值的 一定水平以下后將襯底4的溫度降低 到閾值以下而被停止。在本發(fā)明的另一個方面，空間12、 14及16
而被停止。
盡管已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是在不背離 本發(fā)明的范圍下可以進行各種更改。因此，除了所附4又利要求書及 其等同物，本發(fā)明不受限制。
權(quán)利要求
1.一種將保形膜沉積到高縱橫比空間中的方法，包括a)將具有縱橫比大于10的襯底保持在低于發(fā)生沉積的閾值以下的溫度；b)將所述襯底暴露在氣體前體中；c)降低所述襯底周圍的壓力；以及d)將所述襯底的溫度迅速升高到所述閾值以上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟(a)至(d)被重復多 次。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜包括金屬膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜包括半導體膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜包括絕緣膜。
6. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜的總厚度的范圍為約 0.1鵬至約1 |im。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述空間具有大于100的縱橫比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述空間具有大于1000的 縱橫比。
9. 一種將保形膜沉積在高縱橫比空間中的方法，包括a) 將具有縱橫比大于10的空間的襯底保持在低于發(fā)生化 學氣相沉積反應的閾^直溫度以下的溫度；b) 將所述襯底暴露在氣體前體中；c) 降低所述襯底周圍的壓力；d) 將所述襯底的溫度升高到在所述空間內(nèi)化學氣相沉積 膜的閾值溫度以上；e )將所述4t底的溫度降低到用于所述化學氣相沉積的閾 Y直溫度以下；f)重復步驟(a)至(e)多次。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法， 0.1腿至約1 fim。其中所述膜包括金屬膜。 其中所述膜包括半導體膜。 其中所述膜包括絕緣膜。 其中所述膜的總厚度范圍為約
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述壓力降到閾值之后， 將所述溫度降^氐到所述閾值以下。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在預定時間段之后，將所述 溫度降低到所述闞值以下。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中在每一循環(huán)過程中沉積的所 述膜的厚度的范圍為約0.1 nm至約3 nm。
17. —種通過纟又利要求1所述的方法制造的半導體裝置。
18. —種通過^又利要求9所述的方法制造的半導體裝置。
19. 一種將保形膜沉積到高縱橫比空間內(nèi)的方法，包括a) 將具有縱橫比大于10的空間的襯底保持在低于發(fā)生沉 積的閾值以下的溫度；b) 將所述襯底暴露在氣體前體中；c) 在所述空間內(nèi)形成所述氣體前體的梯度，其中所述空 間的最深部分具有所述氣體前體的最大濃度；以及d) 將所述襯底的溫度迅速升高到所述閾值以上。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種將保形膜沉積到高縱橫比空間中的方法，包括在沉積之前在該空間內(nèi)部形成氣體前體的梯度的步驟。該梯度可以例如通過降低沉積室內(nèi)的壓力或通過該沉積室的部分抽空來形成。然后襯底的溫度被迅速升高，從而將前體物質(zhì)優(yōu)先地沉積在該高縱橫比空間的封閉或“深的”部分內(nèi)。該過程可被重復多個循環(huán)以完全地填充該空間。該過程使得高縱橫比空間被填充，而不形成任何可能對所得裝置的性能具有不利影響的空隙或孔眼。
文檔編號H01L21/36GK101194351SQ200580050010
公開日2008年6月4日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月27日
發(fā)明者謝亞宏 申請人:加利福尼亞大學董事會