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TWI400755B - 用於由下而上間隙充填的介電質沈積與回蝕處理 - Google Patents

用於由下而上間隙充填的介電質沈積與回蝕處理 Download PDF

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TWI400755B
TWI400755B TW096122588A TW96122588A TWI400755B TW I400755 B TWI400755 B TW I400755B TW 096122588 A TW096122588 A TW 096122588A TW 96122588 A TW96122588 A TW 96122588A TW I400755 B TWI400755 B TW I400755B
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film
dielectric
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etching
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露波默斯德米翠
奈馬尼史林尼法斯Ｄ
葉怡利
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應用材料股份有限公司
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    • H10W10/01—
    • H10W10/0143—
    • H10W10/17—

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Element Separation (AREA)
  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)

Description

用於由下而上間隙充填的介電質沉積與回蝕處理
本發明係有關於一種用來填充間隙的介電材料沉積與回蝕方法。
在目前半導體技術發展過程中持續等待克服的其中一個難題是希望能提高基材上的電路元件與內連線密度，但卻不會引起電路元件與內連線之間的混充交互作用(spurious interaction)。通常藉著提供填滿電性絕緣材料的溝渠或間隙來物理性與電性地隔離開該等元件，以避免產生不想要的交互作用。然而，當電路密度提高時，這些間隙的寬度會縮小並提高其深寬比，而使得填滿該等間隙卻不會在間隙中遺留孔洞的任務更加艱鉅。由於間隙中遺留孔洞會對製造完成的裝置運作性能造成不良影響，例如會有雜質陷入絕緣材料中，因此不希望發生因間隙沒有完全填滿而形成孔洞的情形。
常用於間隙填充的技術為化學氣相沉積技術(CVD)。傳統熱CVD製程係提供多種反應性氣體至基材表面，以於基材表面處發生熱誘導性化學反應而形成所欲的薄膜。電漿增強式CVD技術(PECVD)係施加射頻(RF)能量至鄰近基材表面處的反應區域，以促使反應物氣體活化及/或解離。相較於傳統熱CVD製程而言，由於電漿中的物種具有高反應性，能減少發生化學反應時所需要的能量，因此得以降低此類CVD製程反應所需要的溫度。使用高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)可更進一步助長這些優點，因為高密度電漿是在低真空壓力下形成，可使電漿物種更具反應性。雖然上述的每個技術都仍落在CVD技術的範疇內，但該些技術具有各自的特性，而使其可能較適合或較不適合某些特定應用領域。
在間隙具有高深寬比與窄寬度的某些實例中，會以依序執行沉積一材料、回蝕掉一部份的該材料以及沉積額外材料的步驟，來執行沉積/蝕刻/沉積製程的熱CVD技術以填充間隙。該蝕刻步驟係用來再次塑形並打開該已部份填充的間隙，以在間隙閉合併留下內部孔洞之前能沉積更多材料。此種沉積/蝕刻/沉積製程也已應用在PECVD技術中，但某些熱CVD與PECVD技術即使應用了循環沉積與蝕刻步驟，仍不適合用來填充具有極高深寬比的間隙。
沉積/蝕刻/沉積製程亦顯示可應用在HDP－CVD製程中以改善間隙填充效果。不同於PECVD製程，HDP－CVD製程過程中的高密度離子物種已能造成在沉積一薄膜的同時濺擊該已沉積薄膜的效果，因此起初將沉積/蝕刻/沉積製程應用在HDP－CVD技術上出乎於所認知的常理。在沉積製程中同時濺擊與沉積材料是為了使間隙在沉積過程中保持打開的狀態，因此在沉積過程中插入一獨立的中間蝕刻步驟被認為是多餘的做法。然而，在Kent Rossman於1998年3月20號所申請之美國專利案6194038號中，展示在某些HDP－CVD製程條件下使用一沉積/蝕刻/沉積製程能更進一步改善間隙填充效果這樣一個出乎意料的結果。並且在之後由George D.Papasouliotis等人於1998年5月5日所申請之美國專利案6030181號中證實了該結果。
然而，即使是該些結合了HDP－CVD與沉積/蝕刻/沉積的介電間隙填充製程，其可填充的間隙尺寸與深寬比仍舊有限。例如，對於該些具有高深寬比的小間隙來說，可能需要執行不合理的沉積－蝕刻循環次數來保持該間隙頂部不會過度填充介電材料。蝕刻循環的頻率與過程增加可能會對用來定義間隙的結構造成傷害。這樣的情形可能發生在當前次沉積步驟所沉積的材料不足，以及/或是在蝕刻步驟中移除過多沉積材料的時候。每個反應室的特性與每個晶圓的特性可能會影響沉積與蝕刻作用的這項事實阻礙製程配方的最佳化。當產業趨勢持續朝向更密集配置的裝置發展時，需要發展出適合用來將介電材料沉積於深寬比漸增之間隙中的方法。
本發明實施例包括數種減少一介電層中薄膜破裂的方法。該等方法可包括沉積一第一介電薄膜於一基材上以及在該薄膜上執行蝕刻以移除該第一介電薄膜之頂部的步驟。該等方法亦可包括沉積一第二介電薄膜在已蝕刻的第一介電薄膜上以及移除該第二介電薄膜之頂部。此外，該等方法可包括退火該第一與第二介電薄膜以形成介電層，其中移除該第一與第二介電薄膜之頂部的步驟能減少該介電層中的應力。
本發明實施例亦包括以介電材料填充溝渠的方法。該等方法可包含以一介電材料所構成的薄膜來填充溝渠，其中可藉著混合含有原子氧之第一流體與包含一含矽前驅物之第二流體，並且使該原子氧與含矽前驅物反應而於溝渠中形成該介電薄膜。該等方法亦可包括藉著蝕刻該薄膜以移除該介電薄膜之頂部，以及退火該已蝕刻之薄膜。
本發明實施例更包括減少一介電層中薄膜破裂的額外方法。該等方法可包括沉積一第一介電薄膜在一基材上以及在該第一介電薄膜上執行第一退火製程。該等方法亦可包括在該第一介電薄膜上執行第一蝕刻製程以移除該已退火之第一介電薄膜的頂部，以及沉積一第二介電薄膜在已蝕刻的第一介電薄膜上。此外，該等方法可包括在該第二介電薄膜上執行第二蝕刻製程以移除該第二介電薄膜之頂部，以及退火該第一與第二介電薄膜並形成該介電層。移除該第一與第二介電薄膜之頂部的步驟能減少該介電層中的應力。
本發明實施例還可更包括以介電材料來填充半導體基材上之間隙的多階段式沉積方法。該等方法可包括沉積一第一介電薄膜於該間隙的底部，以及執行第一退火製程以退火該第一介電薄膜。該等方法可更包括沉積一第二介電薄膜在該已退火的第一介電薄膜上，以及執行第二退火製程以退火該第二介電薄膜。
本發明之其他實施例與特徵一部份敘述於以下內容中，而另一部份實施例與特徵則可透過熟悉該領域技術的人員藉著檢閱說明書或實施本發明而習得與了解。可根據說明書中所描述的方法、設備與組合來獲得與了解本發明的特徵與優點。
本發明實施例包含數種用來沉積介電材料於基材表面中之間隙與溝渠內的方法及系統。參照本文內容，該等介電材料包括廣泛應用於本領域中的氧化矽薄膜，但本發明並不限於任何特定薄膜組成。根據本發明技術所沉積的介電薄膜具有優異的間隙填充特性，並能填充例如在淺溝渠隔離(STI)結構中可能遭遇的高深寬比間隙。利用本發明方法與系統所沉積的介電材料特別適合用來填充100奈米或更小規格，例如65奈米或45奈米等技術中的間隙。
介電沉積包括在基材上形成可流動的介電材料，以在沉積過程中聚集於基材間隙或溝渠的底部中。由於可流動的介電材料傾向從間隙頂面移動到間係的底部，因此能減少介電材料堵塞在間隙頂面周圍，從而減少在已填滿之間隙中心附近產生孔洞的機會。
在部份填充或完全填滿該間隙之後，可藉著諸如固化、烘烤、退火或蝕刻等處理方法來處理可流動的介電材料以硬化該介電材料。這些處理方法通常會減少可流動介電材料中的羥基與水蒸氣含量，並物理性地縮減沉積薄膜的尺寸，從而提高其密度。然而，當薄膜收縮時，薄膜經常破裂(例如，微裂痕)而對沉積介電材料之介電性質、阻障性質與支撐性造成不良影響。這些裂痕的大小與數量通常著所沉積之介電薄膜的厚度增加而增加。
當一可流動介電材料沉積在基材間隙104a至104d中並經過處理後，基材102中所形成的間隙圖案(gap pattern)剖面圖係如第1A至1C圖所示。第1A圖顯示具有間隙104a－d之圖案的基材102，其包含多個窄間隙104a－c以及一寬間隙104d。間隙104a－c具有約3：1或更高的深寬比，例如約5：1或更高、8：1或更高、10：1或更高、12：1或更高。基材可由半導體材料所製成，例如矽、摻雜的矽、砷化鎵，並且在該基材上具有諸如電晶體、接觸墊等多種電路元件而形成一積體電路。基材可為半導體晶圓，例如100毫米、150毫米、200毫米、300毫米、400毫米等尺寸的晶圓。基材102亦可包含一或多個額外的膜層，例如介電層(如接觸層、PMD層、IMD層等)，並且在該等層中形成間隙104a－d。
第1B圖顯示沉積了可流動介電材料106之後的基材102。可流動介電材料可為氧化矽類的介電材料，其係藉著含氧前驅物與含矽前驅物反應而成。例如，可藉著使遠端產生的氧自由基(即，含氧前驅物)與諸如四甲基正矽酸鹽等有機矽前驅物(即，含矽前驅物)反應而形成氧化物介電材料。
有關沉積可流動介電組成之方法的範例與細節可參閱下列共同受讓的美國專利申請案，分別為2006年10月16日申請且標題為「FORMATION OF HIGH QUALITY DIELECTRIC FILMS OF SILICON DIOXIDE FOR STI：USAGE OF DIFFERENT SILOXANE－BASED PRECURSORS FOR HARP II－REMOTE PLASMA ENHANCED DEPOSITION PROCESSES」之美國專利申請案序號11/549930，以及2007年5月29日申請且標題為「CHEMICAL VAPOR DEPOSITION OF HIGH QUALITY FLOW－LIKE SILICON DIOXIDE USING A SILICON CONTAINING PRECURSOR AND ATOMIC OXYGEN」之美國專利申請案序號11/754440，並將該等專利申請案全文納入本文中以供參考。
在所示的範例中，可流動介電材料106部份填充該間隙104a－d。該介電材料的流動性造成介電材料從間隙104a－d的頂面移動至間隙底部，而增加間隙底部的薄膜厚度。介電材料的移動速率端視薄膜黏度與製程參數而定，例如沉積溫度。
第1C圖顯示在沉積後的介電材料處理過程中，其中一個已部份填充之間隙104c的介電材料厚度變化。如圖中箭頭所示，該處理減少了沿著間隙104c底面與側壁所沉積之介電材料106的厚度，以及減少了覆蓋在間隙頂面上之介電材料106的厚度。此收縮的凈得效果是擴張了該間隙104c中側壁與底部部份之已處理介電材料所形成的凹穴。如上所述，已處理之介電材料的物理尺寸變化也可能造成薄膜破裂。
可在執行縮減薄膜尺寸並提高薄膜密度之處理步驟的過程中或之前，先蝕刻該薄膜以減少或消除薄膜破裂情形。例如，可在新沉積的薄膜上執行蝕刻步驟以移除該薄膜的頂部。此蝕刻步驟可減少薄膜上於後續緻密化步驟中可能造成薄膜破裂的應力。在蝕刻步驟之後，可在對該已蝕刻過的介電薄膜進行處理之前或之後，沉積額外的介電材料。並可對所沉積的額外介電材料進行另一次蝕刻。
第2A與2B圖為流程圖，其顯示根據本發明實施例用來沉積與蝕刻一基材上之介電材料的示範方法200。顯示於第2A圖中的方法200包括沉積一第一薄膜202在基材上。該薄膜是可流動的介電薄膜，其沉積在具有一或多個間隙及/或溝渠的基材上。
舉例而言，所沉積的第一介電薄膜可包含由有機矽前驅物和含氧前驅物所形成的氧化矽介電材料。有機矽前驅物可包括一或多種下列化合物：二甲基矽烷(dimethylsilane)、三甲基矽烷(trimethylsilane)、四甲基矽烷(tetramethylsilane)、二乙基矽烷(diethylsilane)、三甲氧基矽烷(trimethoxysilane，TriMOS)、四甲基正矽酸鹽(tetramethylorthosilicate，TMOS)、三乙氧基矽烷(triethoxysilane，TriEOS)、四乙基正矽酸鹽(tetraethylorthosilicate，TEOS)、八甲基三矽氧(octamethyltrisiloxane，OMTS)、八甲基環四矽氧(octamethylcyclotetrasiloxane，OMCTS)、四甲基環四矽氧(tetramethylcyclotetrasiloxane，TOMCATS)、DMDMOS、DEMS、甲基三乙氧基矽烷(methyl triethoxysilane，MTES)、苯基甲基矽烷(phenyldimethylsilane)及/或苯基矽烷(phenylsilane)。含氧前驅物包括原子氧(atomic oxygen)，其係於遠端由含氧物種所產生，該等含氧物種例如氧分子(O2 )、臭氧(O3 )、二氧化氮(NO2 )、氧化亞氮(N2 O，俗稱笑氣)、過氧化物(例如，過氧化氫(H2 O2 ))以及水蒸氣(H2 O)或其他含氧物種。該等前驅物亦可與其他額外氣體併用，例如幫助輸送該等前驅物至沉積反應室的載氣(如，氫氣、氦氣、氮氣、氬氣)，以及水蒸氣、過氧化物及/或前他含羥基物種引導至沉積反應室中。
在方法200的某些範例中，所沉積的第一薄膜可完全填滿該等間隙，甚至持續沉積至高於該等間隙的最終厚度。在其他範例中，該第一薄膜可部份填充間隙，例如將該等間隙填充10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%或90%。
接續在沉積步驟202之後，移除該第一介電薄膜的頂部(步驟204)。可藉著蝕刻該新沉積的薄膜來達成移除動作。例如，可使用諸如氟原子等活性蝕刻劑化學性地乾蝕刻該薄膜。可於電漿中解離一或多種諸如氟化氮(NF3 )及/或有機氟化物等含氟前驅物來產生活性氟。蝕刻劑亦可包含氧氣、臭氧及/或氫氣。在其他範例中，可藉著使薄膜暴露於氦、氬或氮氣等電漿中而電漿蝕刻該薄膜，其中可利用位在反應室外部的遠端電漿系統或微波供應器來產生該等電漿，或是利用該反應室內部的ICP或CCP產生器於該反應室內部產生該等電漿。
在某些實施例中，所移除頂部部份約佔薄膜厚度的10%、20%、30%、4o%、50%、60%等。若最初沉積的該第一薄膜位在間隙或溝渠的頂面上或高於頂面時，該移除步驟204可移除足夠的材料，以使介電材料的水平面低於該等間隙/溝渠的頂面。在其他實施例中，移除步驟204可移除一部份位在該間隙/溝渠頂面上方的介電材料，但所移除的量不足以讓該介電材料的水平面低於該等間隙/溝渠的頂面。當最初沉積的該第一薄膜低於該等間隙/溝渠的頂面時，移除步驟204可更進一步減少溝渠內第一薄膜的量。
在某些實施例中，可在移除步驟204的期間或其後，處理該第一薄膜以硬化並提高該薄膜的密度。該處理步驟可包括烘烤(即，熱退火)、輻射退火、電漿固化、電子束固化及/或紫外光固化薄膜等處理方法，或其他處理方法。例如，可於最高約達600℃，例如介於約300℃至400℃的溫度下，烘烤(退火)該薄膜至多約1小時的時間區段，例如烘烤時間介逾約1分鐘至1小時。在放射線退火的例子中，可使薄膜暴露於從熱燈管所放出的熱輻射(例如遠紅外線)下，以使薄膜溫度升高。輻射退火的範例係如快速熱退火(RTA)。電漿固化與電子束固化反應則可藉著使薄膜分別暴露於電漿與電子束下而達成之。該電漿可以是在含有基材之反應室內所產生的誘導耦合電漿(ICP)或電容耦合電漿(CCP)。紫外光固化反應可藉著將薄膜暴露於頻率主要為紫外光頻率的輻射光下來達成之。可利用雷射及/或白熾光源來產生該輻射光。
在移除第一介電薄膜頂部的步驟204之後，以及在某些實施例中的第一介電薄膜處理步驟之後，可於剩下的第一薄膜上沉積一第二介電薄膜。可使用與沉積第一介電薄膜時所用的相同前驅物與沉積條件來沉積第二介電薄膜。例如，第一與第二介電薄膜可以是使用相同有機矽前驅物與含氧前驅物所沉積而成的氧化矽薄膜。在其他實施例中，第二薄膜可使用與第一薄膜不同的前驅物與製程條件，並且也可以是由不同於第一薄膜的介電材料種類所構成，例如可使用氮化矽或氮氧化矽取代氧化矽介電材料來構成第二薄膜。
第二介電薄膜亦為可流動的介電材料。當剩餘的第一薄膜低於間隙/溝渠的頂面時，可以第二薄膜填充該等間隙/溝渠的其餘部份，並持續填充直到高出該等間隙/溝渠一段距離。在第一薄膜低於間隙/溝渠頂面的實施例中，第二薄膜所填充的體積可以少於該等間隙/溝渠中的總剩餘體積。在這些實施例中，可執行一或多次額外的沉積步驟以完全填滿該等間隙/溝渠。
類似於第一介電薄膜，可接續在初始沉積之後，移除第二介電薄膜的頂部(移除步驟208)。移除步驟208所移除的第二薄膜部份可相等於第一移除部份，或是移除步驟208移除薄膜量的百分比可少於或多於在第一移除步驟204中所移除的量。在某些實施例中，可在第二介電薄膜低於該等間隙/溝渠的頂面之前便停止第二移除步驟208，或者在其他實施例中，第二移除步驟208保留下來的剩餘第二介電薄膜係低於該等間隙/溝渠的頂面。
該第一與第二介電薄膜的剩餘部份進行退火步驟210。退火步驟210可以是熱退火(即，烘烤)、電漿退火、紫外光退火、紅外線(IR)退火(如RTA)、電子束退火及/或微波退火，或其他退火方法。例如，退火步驟210可為熱退火，係將基材溫度調整至介於約300℃至1000℃之間，例如介於約650℃至約950℃之間，並持續一段介於約1分鐘制約1小時的時間區段。退火環境(anneal atmosphere)可例如惰性氣體環境(如氮、氦、氖、氬、氫氣等)，以及/或是含氧環境(例如二氧化氮、氧化亞氮、水、過氧化氫、氧氣、臭氧等)或其他種類的環境。退火環境的壓力介於約0.1托耳(Torr)制約100托耳之間，例如約介於1至2托耳。退火步驟210正常來說會提高已退火介電材料的密度，並降低已退火材料的蝕刻速率，例如減低已退火材料的濕蝕刻速率比(WERR)。
第2B圖顯示根據本發明實施例沉積與蝕刻基材間隙或溝渠中之一或多層介電材料層的方法250。方法250包括沉積一介電層至基材間隙/溝渠252中以及移除所沉積介電層254的頂部。隨後，判斷該已沉積與蝕刻的介電材料是否填滿該溝渠256，也就是判斷該介電薄膜是否達到該間隙頂面或高於該間隙頂面。若該介電材料尚未完全填滿該間隙，則繼續在該間隙中沉積與蝕刻額外的介電薄膜，並執行另一次判斷步驟以判斷該間隙是否完全填滿。
當經過一次、兩次、三次等沉積步驟252與移除步驟254的循環而使間隙已完全填滿介電材料後，可對該(等)介電薄膜執行退火步驟258。如上所述般，退火步驟258可以是熱退火(烘烤)、電漿退火、紫外光退火、紅外線輻射退火(RTA)、電子束退火及/或微波退火，或其他種類的退火。
參閱第3圖的流程圖，其顯示根據本發明實施例使用一原子氧前驅物來沉積介電材料的示範方法300。方法300包括混合一原子氧前驅物與一矽前驅物的步驟302以及反應該等前驅物的步驟304，以在一半導體基材上的間隙或溝渠中沉積一介電薄膜。原子氧可在該沉積反應室中原位產生，或是於遠端產生並輸送至該沉積反應室中。舉例而言，可使用遠端電漿產生系統來解離例如氧氣、臭氧、二氧化氮、氧化亞氮等含氧前驅物並且形成原子氧物種，隨後輸送該等原子氧物種至沉積反應室中，而與其他前驅物(例如含隙前驅物)混合並反應以沉積介電材料(步驟306)。
接續沉積步驟306之後，於蝕刻步驟308中移除該介電薄膜的頂部。例如，當介電材料主要為氧化矽(SiOx )時，可使所沉積的薄膜暴露於活性氟中以移除該氧化物薄膜的頂部，其中暴露時間約介於1秒鐘至約1分鐘，以及可藉著將諸如三氟化氮等氟前驅物輸送至基材處並進行解離(例如，電漿解離)而產生活性氟，例如以1500 sccm的流速將三氟化氮輸送至反應室中且反應室總壓力約1至2托耳。活性氟與氧化矽反應而形成氟化矽化合物，例如四氟化矽(SiO4 )，這些氟化矽化合物可揮發並從所沉積的介電材料上移除。
在移除步驟308後，可對剩餘的介電材料進行退火步驟310以提高該薄膜的密度並降低薄膜的蝕刻速率。退火步驟310可為熱退火(烘烤)、電漿退火、紫外光退火、紅外線退火(例如RTA)、電子束退火及/或微波退火，或其他種類的退火方法。
第4圖的流程圖顯示根據本發明實施例沉積與加熱介電材料的方法400。方法400包含一多階段式加熱製程，其係在移除該薄膜的頂部之前，先令所沉積的第一介電薄膜於三個階段中以三種不同溫度加熱。方法400始於步驟402，步驟402係沉積一介電薄膜在具有一或多個間隙及/或溝渠的基材上。該薄膜可部份填充或完全填充該等間隙。
接續沉積步驟402之後，於加熱步驟404中，將該薄膜加熱至第一溫度(例如最高約50℃)持續一第一時間區段(例如約1小時)。隨後，於步驟406中調整該薄膜至一第二溫度(例如約50℃至約100℃)持續一第二時間區段，例如約30分鐘。之後再於步驟408中調整該薄膜至一第三溫度(例如約100℃至約600℃)持續一第三時間區段，例如約30分鐘至1小時。也可以執行額外的加熱步驟，但未顯示於圖中。
在多階段式加熱製程後，於移除步驟410中移除該第一介電材料的頂部。可以化學濕蝕刻或乾蝕刻製程來完成此移除步驟。隨後，於沉積步驟412中將一第二介電薄膜沉積在剩餘的第一介電薄膜上，並於步驟414中移除該第二介電薄膜的頂部。
隨後執行退火步驟416來退火該第一與第二介電薄膜的剩餘部份，以提高該等薄膜的密度。可於乾燥且非反應性的環境中以約800℃或例如約850℃、900℃、950℃、1000℃等更高的溫度來執行退火步驟416。
參閱第5A與5B圖的流程圖，其顯示根據本發明實施例沉積與退火介電材料的方法500與550。第5A圖顯示方法500，該方法500包括交替執行沉積與退火步驟的循環，以完全填滿一基材中的間隙或溝渠，或是部份填滿該等間隙或溝渠。方法500可包括沉積第一薄膜於間隙及/或溝渠中的沉積步驟502，以及退火該薄膜的退火步驟504。隨後，在沉積步驟506中沉積第二介電薄膜在該第一薄膜上，並執行退火步驟508以退火該第二介電薄膜。執行第一退火步驟504的溫度(例如，最高約達600℃)低於該第二退火步驟508的溫度(例如第二溫度最高約達1000℃)。方法500亦可包括在退火步驟504之前或之後移除該第一薄膜之頂部的步驟，以及在退火步驟508之前或之後移除該第二薄膜之頂部的步驟。
第5B圖顯示交替執行一或多次沉積與蝕刻介電材料之循環的另一種方法550，該交替沉積與蝕刻介電材料的循環可持續執行直到間隙及/或溝渠中完全填滿介電材料為止。方法550包括沉積一介電層至基材中之溝渠內的沉積步驟552，以及退火該介電層的退火步驟554。在第一沉積與退火循環之後，執行判斷該溝渠是否已填滿介電質的步驟556。若溝渠以填滿，則於步驟558中結束溝渠填充製程，並且不再執行沉積－退火循環。若溝渠尚未填滿，則執行至少一次的沉積步驟552與退火步驟554之循環，以進一步填充介電材料於溝渠中。
第6A至6D圖顯示已根據本發明實施例連續填充兩層介電材料層後的基材間隙剖面圖。第6A圖顯示一部份的基材602，在該基材602中已形成間隙604a－c以及溝渠606。如上所述，基材602可由諸如矽等半導體材料所製成，並且可以是直徑例如約100、150、200、300、400毫米的矽晶圓。第一介電薄膜608部份地填充該等間隙604a－c與溝渠606。介電薄膜608可為可流動的介電材料，例如氧化矽、氮化物、含碳的氧化物、氮氧化物或其他介電材料。
第6B圖係顯示在移除薄膜頂部後，該等間隙604a－c與溝渠606中所剩餘的第一介電薄膜608。在該實施例中，移除步驟將所有高出間隙與溝渠頂面的薄膜608都回蝕掉，而使薄膜朝該等間隙與溝渠內部凹陷。在移除薄膜頂部之後，並於沉積後續膜層之前，在該剩餘的薄膜608上執行一處理步驟以提高該剩餘薄膜608的密度與硬度。
第6C圖顯示沉積在剩餘的第一介電薄膜608上的第二介電薄膜610。第二介電薄膜610完全填滿該等間隙604a－c與溝渠606，並且更進一步延伸高出該等間隙與溝渠的頂面。第二介電薄膜610亦可由一可流動的介電材料所形成，且其組成與第一介電薄膜608的組成相同。
移除該第二介電薄膜608的頂部，以在該等間隙604a－c與溝渠606中形成如第6D圖中所示的平坦介電填充物。可使用與移除該第一薄膜608頂部的同樣方法來移除該第二薄膜610的頂部。可在移除該第二薄膜610的頂部之前或之後，在該第一與第二薄膜上執行一退火步驟。退火步驟可以是熱退火(烘烤)、電漿退火、紫外光退火、紅外線退火(例如RTA)、電子束退火及/或微波退火，或其他種類的退火方式。
參閱第7A至7C圖，其顯示數個基材間隙的剖面圖，在該等間隙上有根據本發明實施例所沉積第一介電薄膜與第二介電薄膜。在第7A圖中，第一介電薄膜704完全填滿了基材702中的間隙706a－c與溝渠708。隨後如第7B圖所示般地移除該第一介電薄膜的頂部。接著對剩餘的第一介電薄膜進行處理，例如進行退火處理。之後，沉積第二介電薄膜710於該基材702上。
第二介電薄膜710可為一可流動的介電材料，其係在與沉積第一介電薄膜704相同的條件下沉積而成，或者可使用不同的沉積方法來沉積該第二介電薄膜710。例如，可利用傳統的次大氣壓化學氣相沉積製程來沉積第二介電薄膜710，例如HARP、高密度電漿化學氣相沉積製程(HDP－CVD)或電漿增強式化學氣相沉積製程(PECVD)，或其他可用來沉積介電材料的製程。接著，可在執行諸如蝕刻或化學機械研磨法以平坦化該等介電薄膜頂部等後續步驟之前或之後，退火該第一與第二介電薄膜。
實施例
第8A與8B圖顯示根據本發明實施例沉積與蝕刻介電材料後的基材間隙與基材階梯處的電子顯微影像。第8A圖顯示一連串其內已沉積了可流動氧化矽介電薄膜的間隙。第8B圖顯示基材中被相同可流動之氧化物薄膜覆蓋住的階梯處。如第8A與8B兩圖所示，在對該介電薄膜執行退火步驟之前，若先蝕刻所沉積的介電薄膜，便能夠消除退火後之最終薄膜內的裂痕。
使原子氧與TMOS反應可形成氧化矽薄膜。從氧分子來源(O2 )產生出原子氧，並以1400 sccm的流速將原子氧輸送至內含基材的沉積反應室中。TMOS係以1850 mgm的流速供應至沉積反應室內，並且沉積過程中該沉積反應室的壓力保持約1.5托耳。此為低溫氧化物沉積製程，其晶圓基材的溫度約保持在50℃。
在沉積步驟之後，使用活性氟進行乾式化學蝕刻以蝕刻氧化矽。活性氟的前驅物為三氟化氮(NF3 )，並以1500 sccm的流速將其輸送至內含基材的反應室中。將反應室的總壓力保持約1.6托耳，使三氟化氮進行電漿解離，並且將基材暴露於活性氟中約10秒。隨後在含有臭氧的環境下，以400℃的溫度退火該已蝕刻的基材。
第9A與9B圖顯示基材間隙(第9A圖)與基材階梯處(第9B圖)之比較範例的電子顯微影像第9A與9B圖之間隙中所含的氧化矽介電材料與第8A與8B圖之間隙與階梯處中所含的氧化矽介電材料相同。然而，在此比較範例中，在退火之前，並不對所沉積的介電材料進行蝕刻。如第9A圖所示般，該等間隙中發生介電材料破裂的情況。
需了解的是，若文中載有數值範圍時，除非文中另有清楚規定，否則介於該範圍上下限之間的每個居間數值(單位至該下限數值之單位的十分之一位數)均為文中所揭示的數值。並且介於文中所述範圍中的任意兩示出數值之間、兩居間數值之間或任一示出數值與居間數值之間的較小範圍亦涵蓋在本發明範圍中。這些較小範圍的上下限可包含在該範圍內或自該較小範圍中排除。並且包含上下限其中一者、兩者或不含上下限值的該等較小範圍亦屬於本發明範圍，端視所示出範圍中是否有任何特定排除界限值而定。當所示出的範圍包含該兩界限值之其中一者或兩者，除了該等界限值以外的範圍亦屬於本發明。
當「一」、「以及」、「該」等用語使用於本文與申請專利範圍中時，除非文中另有清楚指定，否則該等用語亦包含複數之意。因此，例如「一製程」可能包括複數個製程之意，以及「該前驅物」亦可能指一或多種前驅物及其習知領域中所知悉的等效物。
此外，當說明書與申請專利範圍中使用到「包含」、「包括」、「含有」、「具有」等用語時，用意在於列示所欲指定的特徵、整數、構件或步驟，但並不排除具有額外的一或多個其他特徵、整數、構件、步驟或群組。
102．．．基材
104a－c．．．間隙
104d．．．溝渠
106．．．介電材料
200、250、300、400、500、550．．．方法
202、204、206、208、210．．．步驟
252、254、256、258．．．步驟
302、304、306、308、310．．．步驟
402、404、406、408、410、412、414、416．．．步驟
502、504、506、508．．．步驟
552、554、556、558．．．步驟
602．．．基材
604a－c．．．間隙
606．．．溝渠
608．．．第一介電薄膜
610．．．第二介電薄膜
702．．．基材
704．．．第一介電薄膜
706a－c．．．間隙
708．．．溝渠
710．．．第二介電薄膜
第1A－1C圖顯示根據本發明實施例來填充介電材料時，基材內之間隙圖案的剖面圖；第2A與2B圖顯示根據本發明實施例在一基材上沉積介電材料的方法流程圖；第3圖顯示根據本發明實施例使用一原子氧前驅物來沉積材料的介電材料沉積方法流程圖；第4圖顯示根據本發明實施例沉積與加熱介電材料之方法的流程圖；第5A與5B圖顯示根據本發明實施例沉積與退火介電材料之方法的額外流程圖；第6A－6D圖顯示根據本發明實施例來填充介電材料的基材間隙剖面圖；第7A－7C顯示根據本發明實施例來填充介電材料的基材間隙剖面圖；第8A與8B圖顯示根據本發明實施例沉積於基材間隙中並順著基材階梯處沉積之介電材料的電子顯微影像；第9A與9B圖顯示在基材間隙中並沿著基材階梯處沉積之介電材料比較範例的電子顯微影像。
200．．．方法
202－210．．．步驟

Claims (53)

  1. 一種減少一介電層內薄膜破裂的方法，該方法包含：沉積第一介電薄膜於一基材上；以蝕刻該薄膜的方式移除該第一介電薄膜之頂部；沉積一第二介電薄膜於該已蝕刻的第一介電薄膜上；移除該第二介電薄膜的頂部；以及退火該第一與第二介電薄膜，以形成該介電層，其中，移除該第一與第二介電薄膜之頂部的步驟減少該介電層內的應力。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中沉積該第一與第二介電薄膜的步驟包括：於一沉積反應室中混合一有機矽前驅物與原子氧；以及反應該等前驅物，以形成氧化矽層於該基材上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該原子氧係於該沉積反應室外所產生。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該原子氧係藉由下列步驟來形成：由一含有氬氣的氣體混合物形成一電漿；以及將一氧前驅物導入該電漿中，使該氧前驅物解離形成 原子氧。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該氧前驅物選自於由氧分子、臭氧、二氧化氮(NO2 )、氧化亞氮(N2 O)與水所構成之群組中。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該原子氧藉由下列步驟形成：引導一氧前驅物進入一光解離反應室中；以及使該氧前驅物暴露於紫外光下，其中該紫外光可將該氧前驅物解離成原子氧。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該有機矽前驅物包括二甲基矽烷(dimethylsilane)、三甲基矽烷(trimethylsilane)、四甲基矽烷(tetramethylsilane)、二乙基矽烷(diethylsilane)、三甲氧基矽烷(trimethoxysilane，TriMOS)、四甲氧基正矽烷(tetramethylorthosilicate，TMOS)、三乙氧基矽烷(triethoxysilane，TriEOS)、四乙基正矽酸酯(tetraethylorthosilicate，TEOS)、八甲基三矽氧(octamethyltrisiloxane，OMTS)、八甲基環四矽氧(octamethylcyclotetrasiloxane(OMCTS)、四甲基環四矽氧(tetramethylcyclotetrasiloxane，TOMCATS)、DMDMOS、DEMS、甲基三乙氧基矽烷(methyl triethoxysilane， MTES)、苯基二甲基矽烷(phenyldimethylsilane)或苯基矽烷(phenylsilane)。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該第一介電薄膜的步驟為濕蝕刻或乾蝕刻。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該第一介電薄膜的步驟為乾蝕刻，其係將該第一介電薄膜暴露於一含氟化物的蝕刻氣體。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該蝕刻氣體包含三氟化氮或一有機氟化物。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該有機氟化物包含四氟化碳(CF4 )、六氟化二碳(C2 F6 )或八氟化三碳(C3 F8 )。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該第一介電薄膜的步驟為將該第一介電薄膜暴露於一酸性溶液的濕蝕刻步驟。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該酸性溶液包括氫氟酸、氫氯酸、磷酸、硝酸或硫酸。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該酸性溶液更包含過氧化氫(hydrogen peroxide)。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中蝕刻該第一介電薄膜的步驟為暴露該第一介電薄膜至一鹼性溶液的濕蝕刻步驟。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該鹼性溶液包括氫氧化銨(ammonium hydroxide)。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該鹼性溶液更包含過氧化氫。
  18. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該蝕刻步驟為濕蝕刻步驟，其中沉積該第一介電薄膜與蝕刻該第一介電薄膜的步驟係在同一個反應室中執行。
  19. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該蝕刻步驟為濕蝕刻步驟，且該蝕刻步驟係在與用來沉積該第一介電薄膜之反應室不同的反應室中執行。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一介電薄膜的初始厚度介於約1奈米至約100奈米之間。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該方法包括在沉積該第二介電薄膜之前，退火該第一介電薄膜。
  22. 一種減少溝渠內之一介電層內薄膜破裂的方法，該方法包括：以該介電材料所構成的一薄膜來填充該溝渠，其中該介電薄膜係藉由下列步驟所形成：混合一第一流體與一第二流體，該第一流體包含原子氧，該第二流體包含一含矽前驅物；反應該原子氧與該含矽前驅物以在該溝渠中形成該介電薄膜；藉著蝕刻該介電薄膜來移除該介電薄膜的頂部；以及退火該已蝕刻的介電薄膜，其中移除該介電薄膜的頂部能減少該介電薄膜的應力。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中最初沉積的該介電薄膜延伸超過該溝渠的頂面。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該介電薄膜係回蝕至低於該溝渠的頂面。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中一罩蓋層沉積在該已回蝕的介電薄膜上。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之方法，其中該罩蓋層包含與該介電薄膜相同的介電材料。
  27. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中蝕刻該薄膜的步驟以濕蝕刻或乾蝕刻來執行之。
  28. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中蝕刻該薄膜的步驟為乾蝕刻步驟，其係將該薄膜暴露至一含氟化物的蝕刻氣體。
  29. 一種減少一介電層中薄膜破裂的方法，該方法包括：沉積一第一介電薄膜於一基材上；於該第一介電薄膜上執行一第一退火步驟；在該第一介電薄膜上執行一第一蝕刻步驟，以移除該已退火之第一介電薄膜的頂部；沉積一第二介電薄膜於該已蝕刻的第一介電薄膜上；在該第二介電薄膜上執行一第二蝕刻步驟，以移除該第二介電薄膜的頂部；以及對該第一與第二介電薄膜執行一第二退火步驟並且形成該介電層，其中移除該第一與第二介電薄膜之頂部的步 驟減少該介電層中的應力。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一退火步驟包括加熱該第一介電薄膜至最高約600℃的溫度。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一退火步驟係一多階段式退火步驟，其包括下列階段：以最高約50℃的第一溫度加熱該第一介電薄膜一第一時間區段；以介於約50℃至約100℃的第二溫度加熱該第一介電薄膜一第二時間區段；以及以高於約100℃至約600℃的第三溫度加熱該第一介電薄膜一第三時間區段。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該第一時間區段包含約1小時，以及該第二時間區段包含約30分鐘。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之方法，其中該第三時間區段包含約30分鐘至約1小時。
  34. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一退火步驟包括：以紫外光照射該第一薄膜。
  35. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一退火包括：將該第一薄膜暴露於一惰性電漿中。
  36. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一退火包括：將該第一薄膜暴露於一電子束下。
  37. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第二退火包括：於一乾燥的非反應性氣體環境中加熱該第一與第二薄膜至約800℃或更高的溫度。
  38. 如申請專利範圍第37項所述之方法，其中該乾燥的非反應性氣體包括氮氣(N2 )。
  39. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第一蝕刻係以濕蝕刻或乾蝕刻來執行之。
  40. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該第二蝕刻係以濕蝕刻或乾蝕刻來執行之。
  41. 如申請專利範圍第29項所述之方法，其中該方法更包括：沉積一第三介電薄膜於該第一與第二薄膜上；以及 移除該第三介電薄膜的頂部。
  42. 如申請專利範圍第41項所述之方法，其中該方法更包括：退火該第一、第二與第三介電薄膜以形成該介電層，其中移除該第一、第二與第三介電薄膜之頂部的步驟能減少該介電層中的應力。
  43. 一種多階段式沉積方法，以利用一介電材料填充半導體基材上的間隙，該方法包括：沉積一第一介電薄膜於該間隙的底部；於第一退火步驟中退火該第一介電薄膜；沉積一第二介電薄膜於該已退火的第一介電薄膜上；以及於一第二退火步驟中退火該第二介電薄膜。
  44. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中該方法包括：沉積一第三介電薄膜於該已退火的第二介電薄膜上；以及於一第三退火步驟中退火該第三介電薄膜。
  45. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中該第一退火步驟包括熱退火、電子束退火、紫外光退火 或電漿退火。
  46. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中該第二退火步驟包括熱退火、電子束退火、紫外光退火或電漿退火。
  47. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中執行該第一退火步驟的溫度低於第二退火步驟的溫度。
  48. 如申請專利範圍第47項所述之多階段式沉積方法，其中該第一退火步驟係於最高約達600℃的溫度下執行，以及該第二退火步驟係於最高約達1000℃的溫度下執行。
  49. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中該方法包括：在沉積該第二介電薄膜之前，先對該已退火的第一介電薄膜執行一第一蝕刻步驟。
  50. 如申請專利範圍第49項所述之多階段式沉積方法，其中該蝕刻步驟移除該第一介電薄膜的頂部。
  51. 如申請專利範圍第49項所述之多階段式沉積方法，其 中該蝕刻步驟包括乾蝕刻或濕蝕刻。
  52. 如申請專利範圍第49項所述之多階段式沉積方法，其中該蝕刻步驟包括：將該薄膜暴露於含有一氟化物的一蝕刻氣體中。
  53. 如申請專利範圍第43項所述之多階段式沉積方法，其中該方法包括：對該第二介電薄膜執行一第二蝕刻步驟。
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