專利名稱：具有側(cè)壁磁體的感應(yīng)等離子體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及間隙填充沉積，更具體地涉及利用具有側(cè)壁磁體的感應(yīng)等離子體系統(tǒng)進行的間隙填充沉積。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的制造中，一個主要步驟是在半導(dǎo)體襯底上形成膜，如二氧化硅膜。在半導(dǎo)體器件的制造中，二氧化硅被廣泛用作絕緣層。如所公知的，二氧化硅膜可通過熱化學(xué)氣相沉積(“CVD”)處理或等離子體增強化學(xué)氣相沉積(“PECVD”)處理來沉積。在傳統(tǒng)的熱CVD處理中，反應(yīng)氣體被供應(yīng)到襯底表面，在底表面發(fā)生熱誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)以產(chǎn)生期望的膜。在傳統(tǒng)的等離子體沉積處理中，形成受控的等離子體以分解和/或激勵反應(yīng)物質(zhì)以產(chǎn)生期望的膜。
半導(dǎo)體器件的幾何形狀在尺寸方面已得到了明顯的減小，這是因為這種器件是在幾十年前首先引入的，并且在將來還會繼續(xù)減小。這種器件幾何形狀在尺寸的持續(xù)減小已經(jīng)導(dǎo)致在制作在半導(dǎo)體襯底上的集成電路中形成的電路元件和互連的密度的明顯增加。半導(dǎo)體制造商在設(shè)計和制作這種密集封裝集成電路時面臨的一個持續(xù)挑戰(zhàn)就是希望防止電路元件之間的寄生交互作用，這個目標(biāo)隨著幾何形狀的尺寸一直減小而需要不斷的進步。
一般通過在相鄰元件之間提供空間來防止不希望發(fā)生的交互作用，該空間填充有電絕緣材料以物理地和電地隔離元件。這種空間在這里有時被稱為“間隙”或“溝槽”，而用于填充這種空間的處理在本領(lǐng)域中通常被稱為“間隙填充”處理。從而，給定處理產(chǎn)生完全填充這種間隙的膜的能力經(jīng)常被稱為處理的“間隙填充能力”，而膜被描述為“間隙填充層”或“間隙填充膜”。隨著特征尺寸的減小，電路密度增大，這些間隙的寬度減小，導(dǎo)致其深寬比增大，深寬比定義為間隙的深度對其寬度的比。利用傳統(tǒng)的CVD技術(shù)很難完全填充高深寬比間隙，傳統(tǒng)技術(shù)的間隙填充能力相對較弱。通常用來在金屬間介電(“IMD”)應(yīng)用、金屬前介電(“PMD”)應(yīng)用和淺溝槽隔離(“STI”)應(yīng)用以及其他應(yīng)用中填充間隙的電絕緣膜的一族是二氧化硅(有時也稱為“硅玻璃”或“硅酸鹽玻璃”)。
某些集成電路制造商轉(zhuǎn)而在沉積二氧化硅間隙填充層時使用高密度等離子體CVD(“HDP-CVD”)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)形成的等離子體的密度大于約1011離子/cm3，其約比標(biāo)準(zhǔn)電容耦合的等離子體CVD系統(tǒng)提供的等離子體密度高兩個數(shù)量級。感應(yīng)耦合等離子體(“ICP”)系統(tǒng)是HDP-CVD系統(tǒng)的示例。允許這種HDP-CVD技術(shù)沉積的膜具有改進的間隙填充特性的一個因素是濺射與材料沉積同時發(fā)生。濺射是這樣一個機械處理，其中材料被撞擊噴射出來，然后在HDP-CVD處理中被等離子體的高離子密度促進。從而，HDP沉積的濺射成分減緩了某些特征結(jié)構(gòu)(如凸起表面的拐角處)上的沉積，從而導(dǎo)致間隙填充能力增強。
即使利用HDP和ICP處理，一個持續(xù)挑戰(zhàn)是提供在晶片上均勻的沉積處理。不均勻性導(dǎo)致器件性能的不一致性，并且可能來源于若干不同因素。在晶片上不同點處的沉積特性來源于若干不同效應(yīng)的復(fù)雜的相互作用。例如，氣體被引入到室中的方式、用來離子化母體物質(zhì)的功率電平、使用電場來引導(dǎo)離子等等都可能最終影響晶片上沉積特性的均勻性。另外，這些效果表明的方式可以取決于室的物理形狀和尺寸，例如通過提供不同的擴散效應(yīng)來影響室中離子的分布。
因此，本領(lǐng)域中需要一種改進系統(tǒng)來提高在HDP和ICP處理中晶片上的沉積均勻性。

發(fā)明內(nèi)容
從而，本發(fā)明的實施例提供了一種包括磁約束環(huán)的襯底處理系統(tǒng)，磁約束環(huán)可以影響等離子體分布以提高均勻性。殼體限定系統(tǒng)的處理室，襯底夾持器放置在處理室內(nèi)并被配置來在襯底處理期間支撐襯底平面內(nèi)的襯底。氣體傳輸系統(tǒng)被配置來將氣體引入到處理室內(nèi)。壓力控制系統(tǒng)維持處理室內(nèi)的選定壓力。高密度等離子體生成系統(tǒng)可操作地耦合到處理室。具有多個磁偶極子的磁約束環(huán)沿垂直于襯底平面的對稱軸呈圓周形放置，并且提供了具有基本不平行于襯底平面的凈偶極矩的磁場?？刂破骺刂茪怏w傳輸系統(tǒng)、壓強控制系統(tǒng)和高密度等離子體系統(tǒng)。
在某些實施例中，凈偶極矩基本垂直于襯底平面，這可能來源于多個磁偶極子中的每一個具有基本垂直于襯底平面的偶極力矩。在一個實施例中，多個磁偶極子包括多個永磁體。磁約束環(huán)還可以包括基本平行于襯底平面的多個水平面，多個磁偶極子放置在多個水平面中。
磁約束環(huán)可以采用多個不同的形狀和/或方向。例如，在一個實施例中，磁約束環(huán)包括由導(dǎo)磁材料制成的夾持結(jié)構(gòu)，多個磁偶極子由夾持結(jié)構(gòu)夾持。在某些情形中，磁約束環(huán)基本為圓形。在一個實施例中，磁約束環(huán)繞殼體呈圓周形放置。在另一個實施例中，磁約束環(huán)繞高密度等離子體系統(tǒng)包括的側(cè)RF線圈呈圓周形放置。在另一個實施例中，磁約束環(huán)與氣體傳輸系統(tǒng)包括的氣體環(huán)相結(jié)合。磁約束環(huán)可以基本沿對稱軸呈軸對稱。在不同的實施例中，磁約束環(huán)在放置于襯底上的襯底邊緣處提供小于約2高斯或小于約1高斯的場強。
本發(fā)明的實施例還提供了一種用于在放置在襯底處理室內(nèi)的襯底平面中的襯底上沉積膜的方法。處理氣體流入襯底處理室內(nèi)。從處理氣體感應(yīng)地形成離子密度大于1011離子/cm3的等離子體。利用磁約束環(huán)生成磁場，磁約束環(huán)具有沿垂直于襯底平面的對稱軸呈圓周形放置的多個磁偶極子。磁場具有基本不平行于襯底平面的凈偶極矩。在沉積和濺射成分同時發(fā)生的處理中以等離子體在襯底上沉積膜。
在某些情況下，襯底具有形成在相鄰?fù)蛊鸨砻嬷g的溝槽。當(dāng)膜沉積在襯底上時，其也沉積在溝槽內(nèi)。處理氣體可以包括硅源、氧源和流動氣體。該方法可以利用上述的襯底處理系統(tǒng)執(zhí)行，包括已給出的各種可替換實施例。
參考說明書的余下部分和附圖，可以進一步理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的示例性ICP反應(yīng)器系統(tǒng)的簡化截面圖；圖2示出了圖示ICP室中的沉積不均勻性的起因和結(jié)果的實驗和仿真結(jié)果；圖3A-3C示出了用在本發(fā)明實施例中的ICP室中的磁約束環(huán)的結(jié)構(gòu)；圖4A-4C是可用來在不同實施例中提供具有磁約束環(huán)的ICP反應(yīng)室系統(tǒng)的不同配置的示意性圖示。
圖5是由一個實施例中的圖3A的磁約束環(huán)提供的磁場強度的徑向相關(guān)的圖形表示；以及圖6的流程示了用于利用具有磁約束環(huán)的ICP反應(yīng)器系統(tǒng)在晶片上的間隙內(nèi)沉積膜的方法。
具體實施例方式
1.概述本發(fā)明的實施例提供了使用由磁約束環(huán)生成的磁場來控制室內(nèi)的離子物質(zhì)分布的ICP反應(yīng)室。當(dāng)發(fā)明者最初遇到提高沉積均勻性的問題時，他們首先考慮了非均勻性的若干種不同原因，并且采取了各種研究來觀察這些原因是怎么對所得到的非均勻性起作用的。這些研究包括仿真和實驗研究。具體而言，三類主要的因素被識別為對均勻性特性有影響等離子體特性、室流分布和熱效應(yīng)。
例如，在間隙填充應(yīng)用中，等離子體中的離子密度越高，整個間隙填充的效果就越好。類似地，當(dāng)室內(nèi)的離子分布有更好的均勻性時，晶片上的中心-邊緣均勻性也得到提高。許多ICP和HDP室既有頂部RF線圈又有側(cè)RF線圈的一個原因就是試圖提高室內(nèi)離子分布的均勻性。通常希望，頂部線圈的效果是產(chǎn)生這樣的等離子體密度，其在晶片中心處較大，而在晶片邊緣處較小，而側(cè)線圈應(yīng)當(dāng)?shù)玫较喾吹男Ч?。盡管發(fā)明者已經(jīng)證實側(cè)線圈功率較大時離子均勻性通常也隨之提高，但是他們同時發(fā)現(xiàn)，即使只使用側(cè)線圈功率也會產(chǎn)生在晶片中心處有峰存在的不均勻離子密度，但是比起使用頂部線圈功率來說要弱得多。這被認為是擴散效應(yīng)的結(jié)果，尤其是交變雙極擴散。
室流分布通常由引入母體到室內(nèi)的氣體噴嘴的位置和室內(nèi)可能影響流特性的結(jié)構(gòu)(如隔板結(jié)構(gòu)等)確定。另外，母體氣體經(jīng)由噴嘴供應(yīng)到室的速率也影響流特性。明顯的流特性中變化的一個度量是晶片上沉積/濺射比的變化。沉積/濺射比是多種常用的度量之一，其根據(jù)處理中同時發(fā)生的沉積和濺射成分的相對組成來測量高密度等離子體處理。作為“高密度”等離子體的等離子體特征是指等離子體的平均離子密度大于約1011離子/cm3，沉積/濺射比定義為 沉積/濺射比隨著沉積的增加而增大，隨著濺射的增加而減小。在D/S的定義中，“凈沉積速率”指在沉積和濺射同時發(fā)生時所測得的沉積速率?！熬駷R射速率”是在不加沉積氣體運行處理流程且處理室內(nèi)的壓強被調(diào)整為沉積期間的壓強以及在均厚的熱氧化物上所測得的濺射速率的濺射速度。
可以使用其他等同的測量來量化高密度等離子體處理中沉積和濺射的相對組成，如同本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的。一種通用的可替換比率是“刻蝕/沉積比”， 其隨著濺射的增加而增大，隨著沉積的增加而減小。如在E/D的定義中所使用的，“凈沉積速率”還是指在沉積和濺射同時發(fā)生時所測得的沉積速率。然而，“單源沉積速率”指在沒有濺射的情況下運行處理流程時所測得的沉積速率。這里結(jié)合D/S比描述了本發(fā)明的實施例。盡管D/S和E/D不是精確的倒數(shù)關(guān)系，但是它們確實存在著相反的關(guān)系，且兩者之間的轉(zhuǎn)換是本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的。
發(fā)明者進行的研究證實從噴嘴提供氣體時的噴射效應(yīng)影響沉積/濺射比特性的變化，噴射越擴散，整體的均勻性就越好。另外，較短的噴嘴提供的整體間隙填充的均勻性也比較長的噴嘴好，較長噴嘴在晶片上的間隙填充中產(chǎn)生較大變化。
熱效應(yīng)也影響均勻性，這是因為其直接與離子物質(zhì)的動能有關(guān)，因此既影響等離子體的沉積/濺射比，又影響等離子體的擴散特性。室內(nèi)的溫度通常被選擇為與用于處理的母體氣體的化學(xué)屬性所定義的性能標(biāo)準(zhǔn)相一致，從而不同的處理可以具有不同的均勻性關(guān)系。例如，間隙填充處理常使用二氧化硅沉積，這是通過向具有流動氣體的室提供甲硅烷SiH4和分子氧O2的母體流來實現(xiàn)的。取決于要填充的間隙的物理結(jié)構(gòu)(包括其分離、深寬比等等)，可以優(yōu)選不同的流動氣體。例如，某些處理使用相對較重的氣體，如Ar，而其他處理使用較輕的氣體，如He和/或H2，如在2002年4月30日Zhong Qiang Hua等人提交的題為“Method For HighAspect Ratio HDP CVD Gapfill”的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請No.10/137,132和2003年1月23日Bikram Kapoor等人提交的題為“Hydrogen AssistedHDP-CVD Deposition Process For Aggressive Gapfill Technology”的共同轉(zhuǎn)讓美國專利申請No.10/350,445中所描述的，這里為了一切目的通過引用并入兩個申請的全部公開內(nèi)容。使用較輕流動氣體(如H2)的處理傾向于使用較高的室溫度，這導(dǎo)致等離子體離子的不同的動力學(xué)特性并且影響了處理的晶片均勻性。
包括根據(jù)本發(fā)明實施例的磁約束環(huán)通過利用磁效應(yīng)進一步集中接近晶片邊緣處的離子從而增強均勻性特性，而解決了這些特定處理的各種效應(yīng)。結(jié)果是控制離子方向性并產(chǎn)生一般地更為擴散的流模式。如下所述，這實現(xiàn)了多個有益效果，包括允許整體間隙填充延伸至更多處理、提高中心-邊緣的間隙填充均勻性、以及減小等離子體處理的沉積/濺射比中的變化。
2.示例性ICP室發(fā)明者已經(jīng)以California，Santa Clara的應(yīng)用材料公司制造的ULTIMATM系統(tǒng)實現(xiàn)了本發(fā)明，在1996年7月15日由Fred C.Redeker、Farhad Moghadam、Hirogi Hanawa、Tetsuya Ishikawa、Dan Maydan、Shijian Li、Brian Lue、Robert Steger、Yaxin Wang，、Manus Wong和AshokSinha提交的題為“Symmetric Tunable Inductively Coupled HDP-CVDReactor”的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利No.6,170,428中給出了該系統(tǒng)的常用描述，這里通過引用并入其全部公開內(nèi)容。下面結(jié)合圖1提供ICP反應(yīng)器的概述。ICP反應(yīng)器是HDP-CVD系統(tǒng)110的一部分，系統(tǒng)110包括室113、真空系統(tǒng)170、源等離子體系統(tǒng)180A、偏壓等離子體系統(tǒng)180B、氣體傳輸系統(tǒng)133和遠程等離子體清洗系統(tǒng)150。室113的上面部分包括頂罩114，頂罩114由陶瓷介電材料(如氧化鋁或氮化鋁)制成。頂罩114限定了等離子體處理區(qū)域116的上邊界。等離子體處理區(qū)域116的底部邊界由襯底117和襯底支撐構(gòu)件118的上表面限定。
加熱板123和冷卻板124在頂罩114的頂上，并且熱耦合到頂罩114。加熱板123和冷卻板124允許將頂罩溫度在約100℃到200℃的范圍內(nèi)控制在約±10℃內(nèi)。這允許對于各種處理優(yōu)化頂罩溫度。例如，對于清洗或刻蝕處理而言，相比于沉積處理，可能希望將頂罩維持在更高的溫度處。頂罩溫度的精確控制還減少了室內(nèi)的剝落或粒子數(shù)，并提高了沉積層和襯底之間的粘附力。
室113的下面部分包括體構(gòu)件122，體構(gòu)件122將室結(jié)合到真空系統(tǒng)。襯底支撐構(gòu)件118的基座部分121安裝在體構(gòu)件122上并與體構(gòu)件122形成了連續(xù)的內(nèi)表面。襯底通過機械刃片(未示出)經(jīng)由室113側(cè)壁上的插入/移去開口(未示出)傳輸進和傳輸出室113。抬升栓(未示出)在馬達(也未示出)的控制下提升并隨后下降，以將襯底從上加載位置157處的機械刃片移動到下處理位置156，在下處理位置156處，襯底被放置在襯底支撐構(gòu)件118的襯底接收部分119上。襯底接收部分119包括靜電卡盤120，靜電卡盤120在襯底處理期間將襯底固定到襯底支撐構(gòu)件118。在優(yōu)選實施例中，襯底支撐構(gòu)件118由氧化鋁或鋁陶瓷材料制成。
真空系統(tǒng)170包括節(jié)流體125，節(jié)流體125容納有雙刃片節(jié)流閥126，并且附著到閘門閥127和小分子增強型渦輪分子泵128。如下詳細所述，渦輪分子泵128有改良后的性能特性，從而使其適合于有效的排出低質(zhì)量的分子物質(zhì)。應(yīng)當(dāng)注意，節(jié)流體125對氣體流提供最小的阻塞，并且允許對稱泵浦。閘門閥127可以將泵128與節(jié)流體125隔離，并且當(dāng)節(jié)流閥126完全打開時還可以通過限制排出流能力來控制室的壓強。節(jié)流閥、門閥和小分子增強型渦輪分子泵的這種配置允許精確穩(wěn)定的控制室的壓強，控制范圍從約2mTorr到約2Torr。
源等離子體系統(tǒng)180A包括安裝在頂罩114上的頂部線圈129和側(cè)線圈130。對稱的接地屏蔽(未示出)減少了線圈之間的電耦合。頂部線圈129由頂部源RF(SRF)發(fā)生器131A加電，而側(cè)線圈130由側(cè)SRF發(fā)生器131B加電，這允許每個線圈的功率電平和操作頻率獨立。這種雙線圈系統(tǒng)允許控制室113中的徑向離子密度，從而提高了等離子體的均勻性。側(cè)線圈130和頂部線圈129一般是感應(yīng)驅(qū)動的，其不需要互補電極。在特定實施例中，頂部源RF發(fā)生器131A在標(biāo)稱2MHz時提供高至2500W的RF功率，側(cè)SRF發(fā)生器131B在標(biāo)稱2MHz時提供高至5000W的RF功率。頂部和側(cè)RF發(fā)生器的操作頻率可以偏離標(biāo)稱操作頻率(例如分別偏離到1.7-1.9MHz和1.9-2.1MHz)以提高等離子體生成效率。
偏壓等離子體系統(tǒng)180B包括偏置RF(“BRF”)發(fā)生器131C和偏壓匹配網(wǎng)絡(luò)132C。偏壓等離子體系統(tǒng)180B容性地將襯底部分117耦合到體構(gòu)件122，體構(gòu)件122充當(dāng)互補電極。偏壓等離子體系統(tǒng)180B用來增強將由源等離子體系統(tǒng)180A產(chǎn)生的等離子體物質(zhì)(例如離子)到襯底表面的輸運。在特定實施例中，偏壓RF發(fā)生器在13.56MHz時提供高至5000W的RF功率。
RF發(fā)生器131A和131B包括數(shù)控合成器，并且在約1.8到約2.1MHz之間的頻率范圍內(nèi)進行操作。每個發(fā)生器包括RF控制電路(未示出)，RF控制電路測量從室和線圈反射回發(fā)生器的功率，并調(diào)整操作頻率以獲得最低的反射功率，這是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所能夠理解的。RF發(fā)生器一般被設(shè)計為操作具有50Ω特征阻抗的負載。RF功率可以從具有與發(fā)生器不同的特征阻抗的負載反射。這可以減小傳輸?shù)截撦d的功率。另外，從負載反射回發(fā)生器的功率可能過載并損壞發(fā)生器。由于等離子體阻抗的范圍取決于等離子體離子密度和其他因素可以從小于5Ω到高于900Ω，并且由于反射功率可以是頻率的函數(shù)，所以根據(jù)反射功率調(diào)整發(fā)生器頻率增大了從RF發(fā)生器傳輸?shù)降入x子體的功率并保護了發(fā)生器。另一種減少反射功率并提高效率的方法是利用匹配網(wǎng)絡(luò)。
匹配網(wǎng)絡(luò)132A和132B將發(fā)生器131A和131B的輸出阻抗與其各自的線圈129和130相匹配。RF控制電路可以通過隨著負載變化而改變匹配網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電容器的值以使發(fā)生器與負載相匹配來調(diào)諧這兩個匹配網(wǎng)絡(luò)。RF控制電路可以在從負載反射回發(fā)生器的功率超過某一極限時調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)。一種提供恒定匹配并有效地禁止RF控制電路調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的方法是將上面的反射功率極限設(shè)為反射功率的任何期望值。這可以有助于通過保持匹配網(wǎng)絡(luò)在其最近的條件下恒定，來在某些條件下穩(wěn)定等離子體。
其他措施也可以有助于穩(wěn)定等離子體。例如，RF控制電路可用來確定傳輸?shù)截撦d(等離子體)的功率，并且可以增大或減小發(fā)生器輸出功率以在層的沉積期間保持所傳輸?shù)墓β驶竞愣ā?br> 氣體傳輸系統(tǒng)133經(jīng)由氣體傳輸管線138(只示出了其中一部分)從多個源134A-134E向室提供氣體以處理襯底。本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠理解的是，用于源134A-134E的實際源和傳輸管線138到室113的實際連接根據(jù)室113內(nèi)所執(zhí)行的沉積和清洗處理而變化。氣體經(jīng)由氣體環(huán)137和/或頂部噴嘴145被引入到室113中。多個源氣體噴嘴139(出于示例目的只示出了其中的一個)向襯底上提供均勻的氣體流?？梢愿淖儑娮扉L度和噴嘴角度，以允許對各個室內(nèi)的均勻性分布特性和具體處理的氣體利用效率進行裁剪。在一個實施例中，提供了12個以氧化鋁陶瓷制成的源氣體噴嘴。
另外，還提供了多個氧化劑氣體噴嘴140(只示出了其中的一個)，在優(yōu)選實施例中氧化劑氣體噴嘴140與源氣體噴嘴139是共平面的，并且比源氣體噴嘴139短。在某些實施例中，在將源氣體和氧化劑氣體噴射到室113中之前不希望將其混合。在其他實施例中，可以在將氧化劑氣體和源氣體噴射到室113中之前將其混合。在一個實施例中，第三、第四和第五氣體源134C、134D和134D′以及第三和第四氣體流控制器135C和135D′經(jīng)由氣體傳輸管線138向體增加器提供氣體。諸如134B(其他的閥未示出)之類的另外的閥可以切斷從流控制器到室的氣體。
在使用易燃、有毒或有腐蝕性氣體的實施例中，可能希望消除沉積后殘留在氣體傳輸管線中的氣體。例如，這可以利用諸如閥143B之類的三通閥來實現(xiàn)，以將室113與傳輸管線相隔離，并將傳輸管線內(nèi)的氣體排出到真空前級管線144。如圖1中所示，其他類似的閥(如143A和143C)可以結(jié)合到其他的氣體傳輸管線。這種三通閥實際中可以放置得離室113盡可能的近，以使未排氣的氣體傳輸管線(三通閥和室之間)的容積最小。另外，雙通(開—關(guān))閥(未示出)可以放置在質(zhì)量流控制器(“MFC”)和室之間，或者放置在氣體源和MFC之間。
室113還具有頂部噴嘴145和頂部排氣口146。頂部噴嘴145和頂部排氣口146允許獨立控制氣體的頂部流和側(cè)流，這提高了膜的均勻性，并且允許精細地調(diào)節(jié)膜的沉積和摻雜參數(shù)。頂部排氣口146是圍繞頂部噴嘴145的環(huán)形開口。在一個實施例中，第一氣體源134A供應(yīng)源氣體噴嘴139和頂部噴嘴145。源噴嘴MFC 135A′控制傳輸?shù)皆礆怏w噴嘴139的氣體量，頂部噴嘴MFC 135A控制傳輸?shù)巾敳繗怏w噴嘴145的氣體量。類似地，兩個MFC 135B和135B′可用來控制從單個氧氣源(如源134B)到頂部排氣口146和氧化劑氣體噴嘴140的氧氣流。在某些實施例中，氧氣不從任何側(cè)壁噴嘴供應(yīng)到室。供應(yīng)到頂部噴嘴145和頂部排氣口146的氣體可以在流入室113之前保持分離，或者可以在流入室113之前在頂部增加器148中進行混合。分離的同種氣體源可用來供應(yīng)室的各個部分。
還提供了遠程微波生成等離子體清洗系統(tǒng)150，以從室組件中周期性地清洗沉積殘留物。清洗系統(tǒng)包括遠程微波發(fā)生器151，其從反應(yīng)腔153內(nèi)的清洗氣體源134E(例如，分子氟、三氟化氮、其他碳氟化合物或等同物)中產(chǎn)生等離子體。從該等離子體得到的反應(yīng)物質(zhì)經(jīng)由均布管子155經(jīng)過清洗氣體供給端口154提供到室113。用來包含清洗等離子體的材料(例如，腔153和均布管子155)必須能經(jīng)受得住等離子體的轟擊。反應(yīng)腔153和供給端口154之間的距離應(yīng)盡可能的短，因為所期望等離子體物質(zhì)的濃度將隨著從反應(yīng)腔153的距離而下降。在遠程腔中生成清洗等離子體允許使用高效的微波發(fā)生器，并且不會使室組件受到溫度、輻射或輝光放電的轟擊的影響，而這些影響可能存在于原地形成的等離子體中。因此，相對敏感的組件(如靜電卡盤120)不需要覆蓋有偽晶片，或受到其他保護，而這在原地等離子體清洗處理中是需要的。在圖1中，等離子體清洗系統(tǒng)150被示為放置在室113上方，也可以使用其他位置。
隔板161可位于頂部噴嘴附近處，以引導(dǎo)經(jīng)由頂部噴嘴供應(yīng)到室中的源氣體流和遠程生成的等離子體流。經(jīng)由頂部噴嘴145提供的源氣體被引導(dǎo)經(jīng)過中心通道162到達室中，而經(jīng)由清洗氣體供給端口154提供的遠程生成的等離子體物質(zhì)被隔板161引導(dǎo)至室113的側(cè)壁。
圖2中示出了圖示沿晶片的不均勻性的起因和影響的仿真和實驗結(jié)果。該圖示出了離子方向性的仿真結(jié)果，并且提供了沉積在晶片204上的間隙中的材料的SEM圖像。SEM圖像208示出了接近晶片204中心處的間隙填充，并且可以與示出接近晶片邊緣處的間隙填充的SEM圖像216相比較。從這些圖像很明顯看出，與接近邊緣處相比，在接近晶片204的中心處獲得了更好的自下而上的間隙填充特性。此外，從在接近晶片邊緣處獲得的SEM圖像216中的沉積結(jié)構(gòu)的傾斜明顯可見，在接近晶片中心處沿向下方向材料的沉積更為均勻。
該傾斜是母體離子的方向性的結(jié)果，在仿真結(jié)果220中示出了該傾斜。在接近晶片中心處，離子在遇到間隙的同時沿基本向下的方向行進，而在接近晶片邊緣處，離子方向向量偏離了與晶片表面基本垂直的方向。這在圖224所示的仿真結(jié)果的放大版本中更為明顯。
3.磁約束環(huán)本發(fā)明的實施例通過提供磁場來影響接近晶片邊緣處離子的方向性，該磁場具有方向基本不平行于晶片平面的凈偶極矩。在某些實施例中，凈偶極矩基本垂直于晶片平面。在特定實施例中，磁場是由多個磁偶極子生成的磁場的疊加，這多個磁偶極子的偶極矩基本不平行于晶片平面，在某些情況下，還基本垂直于晶片平面。這多個磁偶極子可以以繞等離子體室圓周分布的環(huán)形式分布，從而提供了這樣的場，這種場在接近晶片邊緣處強于接近晶片中心處。
圖3A中示出了一種提供具有這些特性的磁場的配置。磁場由包括多個磁偶極子的磁約束環(huán)300生成。在該實施例中，磁偶極子由夾持結(jié)構(gòu)310內(nèi)夾持的永磁體312提供，但是可替換地可以由電磁體或其他磁結(jié)構(gòu)提供。內(nèi)部分布有磁偶極子的環(huán)基本為圓形，但是這不是本發(fā)明的要求，在可替換實施例中環(huán)可以有某些橢圓形。盡管橢圓配置可能在晶片上的沉積缺乏旋轉(zhuǎn)對稱性的實施例中(例如可能源于圍繞室的氣體噴嘴的分布)有用，但是通常希望這種橢圓配置具有小的離心率。在某些實施例中，還有可能磁偶極子在垂直于晶片平面的多水平面分布。圖3A中的環(huán)300有兩個這種水平面304和308，但是其他實施例可以使用單個水平面、三個水平面或者更高數(shù)目的水平面。使用多個水平面可以有利地提高偶極矩，即使在使用具有較小偶極矩的磁體時。
在圖3B中示出了對于單對對齊的永磁體312由環(huán)304生成的磁場。當(dāng)使用了多個水平面的磁體時，每個磁體與類似的極性對齊，從而如果磁體312-1有頂部北極和底部南極，則另一個水平面上的相應(yīng)磁體312-2也有頂部北極和底部南極。磁力線316的上/下特性是具有基本垂直于晶片平面對齊的磁力矩的結(jié)果。圍繞環(huán)的每組磁體產(chǎn)生了類似的場結(jié)構(gòu)，也如圖3A中磁力線316所示?？偞艌鍪沁@種繞環(huán)的場的疊加，因此，其可以視作圖3B所示的場繞沿環(huán)中心延伸的軸的旋轉(zhuǎn)。很明顯，場在環(huán)處最強，而場朝著環(huán)的中心減小，從而在繞等離子體室圓周放置時提供了這樣的場，這種場在晶片邊緣處強于中心處。
由于等離子體物質(zhì)被充電，因此其將遵循繞磁力線的螺旋狀旋磁路徑，如圖3C所示。繞磁力線316的螺旋路徑320的旋磁半徑根據(jù)公知關(guān)系式rg＝mv/qB而線性依賴于場強，其中m、q和v分別是離子的質(zhì)量、電荷和速度，B是磁場強度。一般很明顯，等離子體由此在晶片邊緣處集中有更高的場強。場強自身可通過使用具有不同強度的磁體、調(diào)節(jié)磁體數(shù)(包括在不同水平面上提供磁體)等等來加以調(diào)節(jié)。在某些實施例中，磁體的夾持結(jié)構(gòu)314可用導(dǎo)磁體來制造，從而即使在磁體繞環(huán)300的分布中有間隙存在(源于調(diào)節(jié)磁體數(shù)目)，場通常仍然保持均勻。在圖3A中可見標(biāo)號310的間隙示例。
發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對于許多應(yīng)用來說，合適的場在接近室壁處提供了10高斯量級上的場強，而在晶片邊緣處提供了小于約1.0高斯的場強。從而在不同實施例中，鄰近室壁處的場強在1和50高斯之間、在2和20高斯之間、在5和15高斯之間、或在8和12高斯之間。類似地，在不同實施例中，鄰近晶片邊緣的場強在約0.1和5.0高斯之間、在0.2和2.0高斯之間、在0.5和1.5高斯之間、或者在0.8和1.2高斯之間。在不同實施例中，鄰近室壁處的相對場強可以定義為鄰近晶片邊緣處的場強的5-50倍、8-20倍、或者約10倍。
如前所述，磁約束環(huán)300可以繞室圓周分布。ICP系統(tǒng)的一般構(gòu)造具有多種不同配置，在圖4A-4C示出了其某些特定實施例。圖4A-4C所示的每種配置有利地沿ICP室的對稱軸軸對稱，但是可以認識到，其他實施例可以提供非軸對稱的磁約束環(huán)300。例如，在圖4A中，ICP系統(tǒng)由標(biāo)號400指代，并且可以具有類似結(jié)合圖1所述的配置。為了標(biāo)定圖4A的示意性圖示，室壁由標(biāo)號404指代，氣體環(huán)由標(biāo)號416指代，頂部RF線圈由標(biāo)號408指代，氣體環(huán)由標(biāo)號416指代。在圖4A的實施例中，磁約束環(huán)420提供為間距環(huán)。這種實施例有利地不需要修改部件，但是具有提高室容積的效果。
在圖4B中示意性地示出了另一個實施例，其中ICP系統(tǒng)由標(biāo)號400′指代，并且具有室壁404′、頂部線圈408′、側(cè)線圈412′和氣體環(huán)416′。在該實施例中，磁約束環(huán)420′與氣體環(huán)416′相集成，這具有維持室容積的效果，但是需要修改氣體416′。在圖4C中示意性地示出了另一個實施例，其中ICP系統(tǒng)由標(biāo)號400″指代，并且包括室壁404″、頂部線圈408″、側(cè)線圈412″和氣體環(huán)416″。在該實施例中，磁約束環(huán)420″圍繞側(cè)線圈412″呈圓周形放置，這也有維持室容積的效果，但是不需要修改部件。另外，該實施例可以更容易地允許可調(diào)諧的邊緣密度。
圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明實施例可利用磁約束環(huán)實現(xiàn)的場強。圖5中所示的結(jié)果是用于在處理200mm直徑的晶片中使用的具有磁約束環(huán)的ICP系統(tǒng)的。對于200mm晶片，晶片邊緣接近4英寸，室壁接近8英寸。曲線顯示在晶片邊緣處的場強約為1高斯，而在室壁處為10高斯的量級，與以上提供的值一致。而且很清楚，場強在磁約束環(huán)平面中最強，在平面外，場強如所預(yù)料的減小。
從而，本發(fā)明的ICP系統(tǒng)可用于具有提高的晶片均勻性的間隙填充沉積處理。這種間隙填充沉積的方法在圖6的流程圖中進行了總結(jié)，圖6用于在襯底和襯底上的間隙內(nèi)沉積二氧化硅材料。在方框604，硅源、氧源和流動氣體流入到包括諸如上述的側(cè)壁磁體配置的室中。硅源可以包括諸如甲硅烷SiH4之類的硅烷，氧源可以包括諸如氧分子O2之類的含氧氣體。在不同的實施例中可使用不同的流動氣體，包括諸如Ar、Ne和He之類的惰性氣體和H2、或者其組合。此外，可以通過包括具有期望摻雜的母體氣體來向膜中加入摻雜物，例如通過包括SiF4流來氟化膜、通過包括PH3流來磷化膜、通過包括B2H6流來硼化膜、通過包括N2流來氮化膜、等等。在方框608，在室中形成等離子體，例如通過形成離子密度至少為1011離子/cm3的高密度等離子體，來在方框612沉積膜到襯底上和間隙內(nèi)。
為了說明磁約束環(huán)的效果，發(fā)明者利用朗謬爾(Langmuir)探針進行了若干實驗來量化均勻性，以比較在各種功率輸入情況下在晶片中心和邊緣處的離子飽和電流。表1中示出了這種比較的結(jié)果，其中基線值是對于沒有磁約束環(huán)的系統(tǒng)確定的。測量的執(zhí)行對應(yīng)于以下條件利用He作為流動氣體在200mm晶片上的二氧化硅沉積處理。
表1離子飽和電流的朗謬爾探針比較

結(jié)果清楚示出，當(dāng)包括磁約束環(huán)時中心和邊緣處的離子飽和電流更為一致，這證明其使用提高了晶片上的均勻性。
以上詳細描述了本發(fā)明的若干實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員將很清楚了解到本發(fā)明的許多其他的等同物或可替換實施例。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)由以上描述確定，而是應(yīng)當(dāng)由所附權(quán)利要求及其等同物確定。
權(quán)利要求
1.一種襯底處理系統(tǒng)，包括限定處理室的殼體；放置在所述處理室內(nèi)并被配置來在襯底處理期間支撐襯底平面內(nèi)的襯底的襯底夾持器；被配置來將氣體引入到所述處理室內(nèi)的氣體傳輸系統(tǒng)；用于維持所述處理室內(nèi)的選定壓力的壓力控制系統(tǒng)；與所述處理室可操作地耦合的高密度等離子體生成系統(tǒng)；磁約束環(huán)，所述磁約束環(huán)具有沿垂直于所述襯底平面的對稱軸呈圓周形放置的多個磁偶極子，并且提供了具有基本不平行于所述襯底平面的凈偶極矩的磁場；以及用于控制所述氣體傳輸系統(tǒng)、所述壓力控制系統(tǒng)和所述高密度等離子體生成系統(tǒng)的控制器。
2.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述凈偶極矩基本垂直于所述襯底平面。
3.如權(quán)利要求2所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述多個磁偶極子中的每一個具有基本垂直于所述襯底平面的偶極力矩。
4.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述多個磁偶極子包括多個永磁體。
5.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)包括基本平行于所述襯底平面的多個水平面，所述多個磁偶極子放置在所述多個水平面中。
6.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)包括由導(dǎo)磁材料制成的夾持結(jié)構(gòu)，所述多個磁偶極子由所述夾持結(jié)構(gòu)夾持。
7.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)基本為圓形。
8.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)繞所述殼體呈圓周形放置。
9.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述高密度等離子體生成系統(tǒng)包括繞所述殼體呈圓周形放置的側(cè)RF線圈；并且所述磁約束環(huán)繞所述側(cè)RF線圈呈圓周形放置。
10.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述氣體傳輸系統(tǒng)包括繞所述殼體呈圓周形放置的氣體環(huán)；并且所述磁約束環(huán)與所述氣體環(huán)相結(jié)合。
11.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)基本沿所述對稱軸呈軸對稱。
12.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)在放置于所述襯底夾持器的襯底邊緣處提供小于約2高斯的場強。
13.如權(quán)利要求1所述的襯底處理系統(tǒng)，其中所述磁約束環(huán)在放置于所述襯底夾持器的襯底邊緣處提供小于約1高斯的場強。
14.一種用于在放置在襯底處理室內(nèi)的襯底平面中的襯底上沉積膜的方法，所述方法包括使處理氣體流入所述襯底處理室內(nèi)；從所述處理氣體感應(yīng)地形成離子密度大于1011離子/cm3的等離子體；利用磁約束環(huán)生成磁場，所述磁約束環(huán)具有沿垂直于所述襯底平面的對稱軸呈圓周形放置的多個磁偶極子，所述磁場具有基本不平行于所述襯底平面的凈偶極矩；以及在沉積和濺射成分同時發(fā)生的處理中以等離子體在所述襯底上沉積膜。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述襯底具有形成在相鄰?fù)蛊鸨砻嬷g的溝槽；并且以等離子體在所述襯底上沉積膜的操作包括在所述溝槽內(nèi)沉積所述膜。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述處理氣體包括硅源、氧源和流動氣體。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述凈偶極矩基本垂直于所述襯底平面。
18.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述磁約束環(huán)基本沿所述對稱軸呈軸對稱。
19.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述磁約束環(huán)在所述襯底邊緣處提供的場強小于約2高斯。
20.如權(quán)利要求14所述的方法，其中所述磁約束環(huán)在所述襯底邊緣處提供的場強小于約1高斯。
全文摘要
一種襯底處理系統(tǒng)具有限定處理室的殼體。襯底夾持器放置在處理室內(nèi)并被配置來在襯底處理期間支撐襯底平面內(nèi)的襯底。氣體傳輸系統(tǒng)被配置來將氣體引入到處理室內(nèi)。壓力控制系統(tǒng)維持處理室內(nèi)的選定壓力。高密度等離子體生成系統(tǒng)與處理室可操作的耦合。具有磁偶極子的磁約束環(huán)沿垂直于襯底平面的對稱軸呈圓周形放置，并且提供了具有基本不平行于襯底平面的凈偶極矩的磁場?？刂破骺刂茪怏w傳輸系統(tǒng)、壓強控制系統(tǒng)和高密度等離子體系統(tǒng)。
文檔編號H01L21/365GK1818132SQ20061000327
公開日2006年8月16日 申請日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月8日
發(fā)明者陸思青, 梁起威, 賴燦風(fēng), 杰森·博洛金, 埃利·Y·易 申請人:應(yīng)用材料公司