專利名稱：氮化硅的熱化學氣相沉積的制作方法
技術領域：
本發明的實施例大致上是關于一般涉及基材的處理，。更明確的說，本發明是關于尤其涉及化學氣相沉積室和エ藝。
背景技術：
熱化學氣相沉積(CVD)薄膜是應用于在集成電路內形成多重材料層。熱CVD薄膜可用作為絕緣體、擴散源、擴散和植入掩模、分隔板、及最后的鈍化層。這些薄膜通常是在數個處理室內沉積而成，各處理室各自有特定的熱學和質量傳遞性，以便多電路載體(例如基材)的表面形成具有最佳最優化均勻物理性和化學性的沉積薄膜的沉積。這些處理室經常作為大型整合工具的部件以便在基材表面制造多重組件。這些處理室的設計是一次只處理一個基材或處理多個基材。在器件的幾何尺寸縮減以實現更快的集成電路之際，在滿足日益增長的提高產率、新穎薄膜性質及低雜質的需求的同吋，也須考慮如何精減沉積薄膜的熱處理預算。傳統上，熱學CVD是在700°C或甚至更高的溫度下分批于熱爐中以低壓狀態沉積數小時進行的。 若降低沉積溫度便可降低熱能支出，此時只需使用較低溫的前驅物或縮短沉積時間。熱學 CVDエ藝若在處理速率控制模式下運作易受溫度波動影響，若在質量傳遞控制模式下運作則易受不均勻流動所影響，或若在處理速率及質量傳遞控制混合模式下運作，則會受到兩者的影響。有效的處理室設計必須包括精準的溫度波動控制及充份的配送流以便在基材上形成均勻的沉積膜。處理室和排放設備的設計是依據前驅物和處理副產物的性質而異。

發明內容
本發明是ー種CVD室，其能藉由改變單晶片熱式CVD室的機械設計而提供均勻的熱能分配、均勻的エ藝助劑分配、有效的前驅物輸送、及有效的殘留物和排放物管理。這些改良包括處理室，其中包含由室本體和室蓋所界定出的處理區；設置在該處理區內的襯底托架；安裝在該室蓋上的氣體輸送系統，該氣體輸送系統包含由一轉接環和界定氣體混合區的兩個折流板；以及固定在該轉接環上的面板；定位成將該轉接環加熱到所需溫度的加熱元件；以及有溫度控制的排氣系統。這些改良亦包括ー種用以在基材上沉積氮化硅層或碳摻雜或含碳的氮化硅層的方法，該方法包含將雙(第三-丁基胺)硅烷(BTBAS)或其它硅前驅物氣化；使該雙(第三-丁基胺)硅烷流入處理室；使氨和/或其它氮前驅物流入處理室中；在該處理室室蓋中的混合器內組合此兩種反應物；該室蓋具有由一轉接環和至少兩個折流板所界定的另ー混合區；加熱該轉接環，并使該雙(第三-丁基胺)硅烷流經氣體分配板進入基材上方的處理區中。此種改良能減少基材表面的缺陷并提高產率。


為求能詳細了解上述本發明列述的特色，以上本發明的概要說明將參照多個實施例，其中部份將以附圖例示。不過，本發明在此聲明，這些附圖僅用以例示本發明的典型實施例，而非限制其范疇，而本發明仍包括其它類似的實施例。圖I是ー處理室實施例的橫剖示意圖，其中包括氣體分配組件和基材托架組件。圖2的分解示意圖是該處理室和其エ藝用具的各種組件。圖3是該面板氣體輸入口的例示圖。圖4是狹縫閥襯墊的立體示意圖。圖5是排氣抬升板的立體示意圖。圖6是該排氣抬升板的蓋板的立體示意圖。圖7是另ーエ藝用具的立體概圖，其可作為單晶片熱學CVD處理室以及將氣體輸送至處理室的液體輸送系統。圖8是例示該基材的表面，顯示所收集到的樣品是取自該基材整個表面。
具體實施例方式本發明的多個實施例提出一種可在基材上形成沉積層的器件，以及ー種在基材上形成沉積層的方法。其硬件說明，包括實施例的例示圖，先予以展示。在硬件說明后將說明該エ藝的修飾及測試結果。圖I是ー單晶片CVD處理室的縱切面圖，該處理室具有多個室壁106和一室蓋 110。該處理室的多個室壁實質上為圓柱狀。該室壁有數個部分可受熱。該室壁上設置有一狹縫閥通道114，可供晶片或其它基材進入。基材托架111是用以支托基材且可加熱該處理室。除了該基材托架以外，該處理室的基座亦可包含一基材托架組件、一反射板或其它輔助熱傳導的機構、各種測量處理室狀態的探針、一排氣組件、及其它用于支托該基材和控制該處理室環境的設備。進料氣體在穿過室蓋110中的混合器113和第一折流板104內的多個孔(未顯示)后，便經由氣體輸送系統送入該處理室內。該進料氣體為氣態，其中可包括多種液體的蒸氣和多種氣體。然后該氣體便流經混合區102，其是位于第一折流板104和第二折流板 105之間。該第二折流板105的構造是由一轉接環103支托。當該氣體穿過該第二折流板 105上的多個孔(未顯示)之后，該氣體先流經面板108再進入主要處理區，該主要處理區是由該處理室的多個壁106、該面板108、及該基材托架111所界定而成。該氣體再經由排氣板109流出該處理室。其室蓋110可更包括多個氣體進氣ロ、ー氣體混合器、一等離子體發射源、及一或多個氣體配送組件。視需要，該處理室亦可在多個該處理室室壁106和該室蓋110之間包括一插入件101，該室蓋110受熱后可對該轉接環103提供熱能而將該混合區 102和該面板108加熱。另ー在圖I中例示的額外選用的硬件是排氣板蓋板112，其是位于排氣抬升板109的上方。最后，亦可額外選用ー狹縫閥襯墊115以減少熱能經由該狹縫閥通道114流失。圖2是該氣體輸入系統的分解圖。圖2例示由該室蓋110、多個折流板104、105、 該轉接環103、和該面板108架構成一具有加熱面的空間，可將多種氣體加熱并混合，然后再進入該處理室的處理區。圖3則是面板108的例示圖。該面板108是由轉接環103支托。該面板108是藉由多個螺絲連接到該轉接環103且具有多個孔，可在該處理室的處理區內產生較佳的氣體輸入配送。圖4是視需要選用的狹縫閥襯墊115的立體示意圖。該狹縫閥襯墊115減少熱能經由狹縫閥通道114流失。圖5是排氣板109的立體簡圖，該排氣板109用于控制源自該處理室的處理區的排氣流。該簡圖顯示該板的設計是用以調整源自該處理室的排氣，以彌補在該處理室內因狹縫閥的存在所造成的熱傳遞偏差。圖6是該排氣板109的ー排氣板蓋板112的立體簡圖。此圖是例示該蓋板設計的孔洞有特定圖案，可彌補該處理室內的任何排氣流偏差。圖7是該室蓋組件另ー實施例的放大圖。室蓋209可藉由多個斷熱組件212與其余的處理室隔離。該多個斷熱組件212是位于加熱罩203的上方面和底部表面。該加熱罩 203亦可連接到折流板205和面板208。視需要，可將該室蓋或室蓋零組件的多個部件加熱到需要的溫度。室蓋組件可包括一氣體輸入口 213，用以將多種進料氣體預先混合、和用以形成一空間202的多個部件，一空間202由室蓋209、多個斷熱組件212、加熱罩203、及多個折流板204和205所界定。此空間202能使多種反應氣體的滯留時間延長，以便在進入該處理室的基材處理區之前先充分混合。加熱元件210對該空間202的界定表面加熱以避免在該空間的表面上有原料、凝結氣、及副產物堆積。該多個受熱面亦可將反應氣體預熱，以有助于多種氣體離開該面板208及進入該處理室的基材處理區時的熱能和質量傳遞。圖7亦為氣體輸入系統的零組件的例示圖，其能將氨-硅化合物，例如BTBAS，添加在CVD室內。BTBAS是儲放在一大安瓶401中。BTBAS從大安瓶401流向處理安瓶402。 該BTBAS流入流量計403中。經量取的BTBAS流進氣化器404內，例如有壓電控制的直接液體注射器。視需要，該BTBAS可在氣化器404內與來自氣體供應源405的承載氣體(例如氮)互相混合。此外，該承載氣體亦可在進入氣化器之前預先加熱。所生成的氣體再進入CVD室的室蓋209中的氣體輸入口 213。視需要，連接著該氣化器404和該混合器113的管路亦可加熱。圖8是基材的圖形，其中顯示多數樣品是取自于該基材表面各處。在面板108、208下方的該處理室的處理區內，其是藉由對各個表面例如其面板、 該處理室的多個壁、其排氣板、及其基材托架供應熱能而控制熱分配。熱分配亦由ー排氣板、視需要插入ー排氣板蓋、視需要插入ー狹縫閥襯墊設計控制。該處理室的處理區內的化合物分配會受到該面板和排氣板及視需要使用的排氣板蓋板的設計影響。當室蓋和面板之間的氣體輸入口有充份空間且當面板受熱時，等離子體清除亦較為改善。第二折流板105和面板108是經加熱以避免化學物質沉積在折流板的表面，在該處理室內預熱該多種氣體，并減少熱能在室蓋流失。將第二折流板和面板連接在室蓋的轉接環103有助于將該第二折流板和面板的熱能與該室蓋隔離。例如，該室蓋可維持在溫度約30-70°C，而該第二折流板和該面板則可維持在溫度約100-350°C。該轉接環可設計成不均勻的厚度以限制熱能在該室蓋流失，其功用有如ー熱隔離。這種該第二折流板和面板與該室蓋的熱隔離能使該第二折流板和面板免于感受到室蓋表面溫差的變化。因此，該第二折流板和面板不必像習知的處理室對該室蓋加熱，并且其溫度能高于習知的多個處理室的多個折流板和多個面板的溫度。這種由該第二折流板和面板提供的較均勻氣體加熱效果能在該處理室的基材上產生更均勻的沉積膜。通常，該第二折流板和面板是加熱到溫度約100 至350°C或更高，例如介于約150到300°C。當第二折流板和面板的溫度較高時，可觀察到的優點的一是該處理室的膜沉積速率變快。一般認為，由于該第二折流板和面板的較高溫度可使該處理室內前驅物分解加速而使沉積速率提高。第二折流板和面板溫度較高的另ー 優點是減少CVD處理副產物在該第二折流板和面板上沉積。排放系統對于該處理室內的熱和化學分配亦有貢獻。抬升板(pumping plate) 109 可設計成具有多個不均勻分布的通道以彌補因狹縫閥所產生熱分配問題。此抬升板可用保溫材質制成，以保留由基材托架組件提供到該處理室處理區的熱能，以免排放的化學物質和副產物沉積在該板表面。該抬升板特有的多道特殊設計的狹縫可彌補狹縫閥的放射式變形。其排放系統有助于維持該處理室的壓カ在10至350Torr。此排放系統利用多個節流閥和多個隔離閥控制壓力。這些閥可受熱到所需要的溫度而避免副產物和未耗盡的氣體及氣相殘余物形成。基材托架組件111有多個設計機制能使膜均勻分布。與襯底接觸的該托架表面可表征為用于將可變的熱能分配到整個基材半徑的多個熱傳遞區。例如，基材托架組件可包括一雙區陶瓷加熱元件，該雙區陶瓷加熱元件可維持在500-800°C的エ藝溫度下，例如 600-700°C。基材的溫度通常約比測得的加熱元件溫度低約20-30°C。托架可旋轉以補償該處理室的處理區內部的熱能和化學差異性。托架在該處理室內可以進行水平的、垂直的、或旋轉式運行，從而手動或機械地使基材對準該處理室的中心。處理室和其零組件的表面可以用電鍍鋁作為材質。此電鍍鋁能減少凝結和固態物質沉積。電鍍鋁的優勢是較能保溫，因而此種材質的表面能維持溫度而不易凝結或沉積產物。此種材質亦較不易發生在習知的處理室表面常見的固態沉積化學處理。這些室蓋、多個壁、多個分隔板片、多個折流板、面板、基材托架組件、狹縫閥、狹縫閥襯墊、及排氣組件均可用固態的電鍍鋁涂布或制造。稀釋劑或承載氣體則提供另ー種機制調整膜的性質。氮或氦氣可分別或合并使用。氫氣或氨氣亦可使用。較重的氣體有助于在該處理室分散熱能。較輕的氣體可促使多種前驅物液體先氣化再加入該處理室中。將數種エ藝氣體充分稀釋亦有助于避免在該處理室的多個表面和多個排放系統表面形成凝結物或固態沉積物。重復性測試以下述方式進行。比較在常規的處理室中與改良的處理室(該改良的處理室已具有上述的額外及/或經修改的組件)中形成的各個沉積膜的膜層厚度。結果發現，在改良的處理室中形成的晶片的均勻度顯著改善。以下將提供數個在本文的CVD室形成的沉積膜的實施例。氣體進入這些薄膜的整體流速可在200至20，0008(^111，而典型的制程其流速可達4，0008(^111。膜的組成，明確言之，氮與硅的含量比值、折射率、濕蝕刻率、氫含量、和本文中所提及的任一種膜的應カ均可藉由調整若干參數而修飾。這些參數包括總流速、該處理室之間距和加熱時間。該系統的壓カ可在10至350Tor之間調整，且NH3與BTBAS的濃度比值可介于0到100。氮化硅膜
氮化硅膜可藉由使硅前驅物與氮前驅物進行處理而在本文所述的薄膜上經化學氣相沉積。適用的硅前驅物包括ニ氯硅烷(DCS)、六氯ニ硅烷(HCD)、雙(第三-丁基胺) 硅烷(BTBAS)、硅烷(SiH4)、ニ硅烷(Si2H6),及其它的類。適用的氮前驅物包括氨(NH3)、聯胺(N2H4)、及其它的類。例如=SiH4和NH3化學可適用。在CVD處理室中，SiH4主要分解成SiH3、SiH2，可能為SiH。NH3分解成NH2、NH和 H2。這些中間物互相處理而形成SiH2NH2或SiH3NH2或類似的胺-硅烷前驅物，其可擴散通過氣體界面層，并在基材表面或極鄰近的處進行處理而形成氮化硅膜。一般相信，若處理室表面的溫度較高，能提供熱能到該處理室而提高了 NH2的反應性。若在該處理室的室蓋的氣體輸入口和第二折流板之間的空間體積越大，能延長進料氣體的滯留時間，使形成所要的胺-硅烷前驅物的機率提高。當所形成的前驅物的數量愈高，便能降低形成微負載圖案 (即在基材的致密圖案區有前驅物空乏)的機率。研究結果也發現，使NH3的流速相對于其它前驅物的流速提高，能使膜的沉積速度加快。例如，在習知系統中其NH3對SiH4的流速比值多為60比I。測試結果顯示，當室蓋和第二折流板之間距拉大時，在習知比值60比I到1000比I之間可形成均勻的膜。此外， 當面板和基材之間距為750-850mils時其膜均勻度比在650mils下所形成的沉積膜高。碳摻雜氮化硅膜在一實施例中，BTBAS可作為ー種含硅的前驅物而在本文所述的處理室中沉積成為碳摻雜氮化硅膜。下列機制可用于生產帶有第三丁基胺副產物的碳摻雜氮化硅膜。其后 BTBAS可與第三丁基胺反應而形成異丁烯。3C8H22N2Si+NH3 => Si3N4+NH2C4H9本文掲示條件的實施例有四個。表I列舉的是壓力、溫度、間距、流速、及其它條件。欄I中顯示ー組操作條件，其使用的BTBAS濃度比其它實施例低。欄2則顯示在較低溫度及濕蝕刻率下操作。欄5顯示的是用最低濕蝕刻率和溫度而欄6顯示的操作參數是兼具在此四個實施例中最高沉積速度和最低圖案負載效應。在這些實施例中，晶片的加熱元件溫度在675至700°C而該處理室的壓カ是50到275Torr。該形成碳摻雜氮化硅膜的BTBAS反應為反應速率限制型，而非質量轉移限制型。 在一圖案化基材上形成的膜可均勻的將該已圖案化的基材的外露面涂覆。BTBAS的圖案負載效應(PLE)小于習知的硅前驅物，例如SiH4。表I顯示BTBAS和NH3化學反應的側壁PLE 低于5%，而在相同處理室內SiH4和NH3制程則超過15%。一般相信，ー些含硅前驅物呈現的圖案負載效應是由于這些前驅物例如SiH4和NH3反應是質量轉移限制所致。表I.測試BTBAS效能的操作條件
8
權利要求
1.一種用以在半導體基材上以低溫沉積膜的設備，包括處理室本體和室蓋，該處理室本體和室蓋界定出處理區；基材托架，配置在該處理區中；氣體輸送系統，裝配在該室蓋上，該氣體輸送系統包括轉接環和兩個折流板，該轉接環和兩個折流板界定出氣體混合區，該氣體輸送系統還包括直接與該轉接環接觸的面板；以及加熱元件，配置對該轉接環加熱。
2.如權利要求I所述的設備，其特征在于，該些折流板中的一個被固定至該室蓋并且另一個折流板被固定至該轉接環。
3.如權利要求I所述的設備，其特征在于，該加熱元件直接接觸該轉接環。
4.如權利要求I所述的設備，其特征在于，還包括狹縫閥襯墊，部分填充該處理室本體中的狹縫閥通道。
5.如權利要求I所述的設備，其特征在于，還包括環繞該基材托架的排氣抬升板及位于該排氣抬升板上的蓋板，其中該蓋板有多個足額分配的孔。
6.如權利要求I所述的設備，其特征在于，還包括氣化器，與該混合區互相流通。
7.如權利要求6所述的設備，其特征在于，該氣化器是與雙(第三-丁基胺)硅烷的供應源互相流通。
8.一種用以在半導體基材上以低溫沉積膜的設備，包括處理室本體和室蓋，該處理室本體和室蓋界定出處理區；第一折流板，固定至該室蓋；轉接環，固定至該室蓋；加熱元件，與該轉接環接觸；第二折流板，固定至該轉接環；面板，與該轉接環接觸；以及基材托架，配置在該處理區中。
9.如權利要求8所述的設備，其特征在于，還包括環繞該基材托架的排氣抬升板及位于該排氣抬升板上的蓋板，其中該蓋板有多個足額分配的孔。
10.如權利要求8所述的設備，其特征在于，還包括氣化器，與該混合區互相流通。
11.如權利要求10所述的設備，其特征在于，該氣化器與雙(第三-丁基胺)硅烷的供應源互相流通。
12.如權利要求10所述的設備，其特征在于，該氣化器與承載氣體系統互相流通。
13.如權利要求8所述的設備，其特征在于，還包括狹縫閥襯墊，部分填充該處理室本體中的狹縫閥通道。
14.如權利要求13所述的設備，其特征在于，該基材托架位于該面板下方而該面板位于該些折流板的下方。
15.—種用于在基材上沉積包含娃和氮的層的方法,包括使雙(第三-丁基胺)硅烷氣化；使該雙(第三-丁基胺)硅烷流入處理室內，該處理室具有由轉接環和至少兩個折流板所界定的混合區；對該轉接環加熱；使該雙(第三-丁基胺)硅烷流經加熱的面板而進入基材上方的處理區。
16.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括在溫度550°C至800°C下沉積該氮化娃層。
17.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括在壓力10至350Torr下沉積該氮化娃層。
18.如權利要求15所述的方法，其特征在于，該雙(第三-丁基胺)硅烷在進入該混合區之前先與氨、氮、聯胺、氦、氫、鍺烷或上述的混合物混合。
19.如權利要求15所述的方法，其特征在于，該加熱的面板和該基材的間距介于 675-850密耳之間。
20.如權利要求15所述的方法，其特征在于，還包括將該面板的溫度維持在100°C至 350°C之間。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，還包括將該面板與該室的蓋進行熱隔離。
22.—種用于在基材上沉積包含娃和氮的層的方法,包括將包含雙(第三-丁基胺)硅烷和承載氣體的氣體混合物流入處理室，該處理室具有由蓋、轉接環以及至少一個折流板界定的混合區，其中該轉接環將至少一個折流板與該蓋熱隔離；加熱該轉接環；將該氣體混合物流經加熱的氣體分配板進入基材上方的處理區；以及將該基材加熱以沉積該包含硅和氮的層。
23.如權利要求22所述的方法，其特征在于，該基材被加熱至溫度550°C至800V之間。
24.如權利要求22所述的方法，其特征在于，該氣體分配板和該基材的間距介于 675-850密耳之間。
25.如權利要求22所述的方法，其特征在于，還包括將氣體經由與排氣抬升板接觸的蓋板從該處理室排出。
26.如權利要求22
27.如權利要求22 熱。
28.如權利要求22所述的方法，其特征在于，該包含硅和氮的層在壓力10至350Torr 下被沉積。所述的方法，其特征在于，該氣體混合物還包括氨。所述的方法，其特征在于，該轉接環由接觸該轉接環的加熱元件加
全文摘要
氮化硅的熱化學氣相沉積，本發明的設備包含處理區；基材托架；氣體輸送系統；氣體混合區；加熱元件，該加熱元件用以將固定在面板上的轉接環加熱到所需要的溫度；以及有溫度控制的排氣系統。此外，本發明是關于涉及一種方法和設備，其可包括將雙(第三-丁基胺)硅烷氣化；將雙(第三-丁基胺)硅烷和氨送入處理室中；在由轉接環和至少兩折流板所界定的另一混合區中，組合此兩種反應物；加熱該轉接環；并將該雙(第三-丁基胺)硅烷經由氣體分配板送入該處理區內。
文檔編號C23C16/00GK102586757SQ20121006951
公開日2012年7月18日 申請日期2004年8月25日 優先權日2003年11月25日
發明者A·塔姆, B·特蘭, G·W·迪貝羅, J·W·史密斯, R·S·伊爾, S·M·蘇特, S·坦東 申請人:應用材料公司