双频硅烷基二氧化硅沉积以最小化膜的不稳定性

摘要

一种用于使用双频工艺执行等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以在衬底上沉积基于硅烷的氧化物膜的方法包括：将所述衬底布置在被配置为执行PECVD的处理室中的衬底支撑件上；并且将PECVD处理气体供应到处理室中。所述处理气体包括包含硅的第一处理气体和包含氧化剂的第二处理气体。所述方法还包括在将所述PECVD处理气体供应到所述处理室中的同时，在所述处理室中产生双频等离子体，以通过以下方式在所述衬底上沉积基于硅烷的氧化物膜：向所述处理室供应第一射频(RF)电压，以及向所述处理室供应第二RF电压。以第一频率供应所述第一RF电压，并且以不同于所述第一频率的第二频率供应所述第二RF电压。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月26日申请的美国专利申请No.16/142,370的优先权。上述引用的申请其全部公开内容都通过引用合并于此。

技术领域

本公开内容涉及在半导体衬底处理中沉积硅烷基氧化物膜。

背景技术

这里提供的背景描述是为了总体呈现本公开的背景的目的。当前指定的发明人的工作在其在此背景技术部分以及在提交申请时不能确定为现有技术的说明书的各方面中描述的范围内既不明确也不暗示地承认是针对本公开的现有技术。

衬底处理系统用于在衬底(例如半导体晶片)上执行诸如膜的沉积和蚀刻之类的处理。例如，可以使用化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)和/或其他沉积工艺来执行沉积以沉积导电膜、介电膜或其他类型的膜。在沉积期间，将衬底布置在衬底支撑件上，并且可以在一个或多个处理步骤期间将一种或多种前体气体供应至处理室。在PECVD工艺中，等离子体用于在沉积过程中激活处理室内的化学反应。

发明内容

一种用于使用双频工艺执行等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以在衬底上沉积基于硅烷的氧化物膜的方法包括：将所述衬底布置在被配置为执行PECVD的处理室中的衬底支撑件上；并且将PECVD处理气体供应到处理室中。所述处理气体包括包含硅的第一处理气体和包含氧化剂的第二处理气体。所述方法还包括在将所述PECVD处理气体供应到所述处理室中的同时，在所述处理室中产生双频等离子体，以通过以下方式在所述衬底上沉积基于硅烷的氧化物膜：向所述处理室供应第一射频(RF)电压，以及向所述处理室供应第二RF电压。以第一频率供应所述第一RF电压，并且以不同于所述第一频率的第二频率供应所述第二RF电压。

在其他特征中，所述第一处理气体包括硅烷(SiH

在其他特征中，所述处理气体还包括氮气(N

一种被配置为使用双频工艺执行等离子体增强化学气相沉积(PECVD)以在衬底上沉积基于硅烷的氧化物膜的系统包括：气体输送系统，其被配置为在将衬底布置在处理室内的衬底支撑件上的同时，将PECVD处理气体供应到处理室中。所述处理气体包括包含硅的第一处理气体和包含氧化剂的第二处理气体。所述系统还包括控制器，其被配置为控制射频(RF)产生系统，以在将所述PECVD处理气体供应到处理室内时，在所述处理室内产生双频等离子体，以通过以下方式在所述衬底上沉积所述基于硅烷的氧化物膜：向所述处理室供应第一射频(RF)电压，以及向所述处理室供应第二RF电压。以所述第一频率供应第一RF电压，并且以不同于所述第一频率的第二频率供应所述第二RF电压。

在其他特征中，所述第一处理气体包括硅烷(SiH

根据详细描述、权利要求和附图，本公开内容的适用性的进一步的范围将变得显而易见。详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并非意在限制本公开的范围。

附图说明

根据详细描述和附图将更充分地理解本公开，其中：

图1是根据本公开内容的示例性处理系统的功能框图；

图2是包括根据本公开内容的双频RF产生系统的示例的衬底处理系统的功能框图；

图3示出了根据本公开的用于执行双频PECVD工艺的示例性方法的步骤；以及

图4A、图4B和图4C示出了在双频PECVD工艺期间向处理室供应双频RF功率的示例。

在附图中，可以重复使用附图标记来标识相似和/或相同的元件。

具体实施方式

可以使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在半导体器件的衬底和/或下伏层上沉积膜(例如，非晶膜、覆盖(blanket)膜、保形膜等)。例如，可以在微机电系统(MEMS)器件的制造期间将膜沉积在下伏层上。

沉积的膜具有相关的机械应力(例如，拉伸/压缩应力)，其可以以兆帕斯卡(MPa)测量。膜的应力对应于膜对物理损坏(例如，破裂)的抵抗力，并且指示半导体器件的电特性和可靠性。一些膜，例如基于硅烷(SiH

根据本公开原理的基于硅烷的氧化物膜沉积系统和方法实现双频沉积工艺以最小化沉积膜中的应力和RI漂移。例如，通常使用单频(例如，高频)PECVD工艺来沉积基于硅烷的氧化物膜。可以使用各种后处理步骤，例如退火步骤，以使膜特性漂移最小化。但是，这些后处理步骤增加了制造成本和时间。根据本公开的使用双(例如，高和低频)频率工艺进行基于硅烷的氧化物膜沉积工艺使膜特性漂移最小化，而不用执行如下文更详细描述的额外的后处理步骤。

现在参考图1，示出了根据本公开的原理的用于执行基于硅烷的氧化物膜的双频PECVD的衬底处理系统100的示例。尽管前述示例涉及PECVD系统，但可以使用其他基于等离子体的衬底处理室。衬底处理系统100包括处理室104，该处理室104包围衬底处理系统100的其他部件。衬底处理系统100包括上电极108和衬底支撑件，例如包括下电极116的基座112。衬底120被布置在介于上电极108和下电极116之间的基座112上。

仅举例而言，上电极108可以包括引入和分配处理气体的喷头124。替代地，上电极108可以包括导电板，并且可以以另一种方式引入处理气体。下电极116可以布置在不导电的基座中。替代地，基座112可以包括静电卡盘，该静电卡盘包括充当下电极116的导电板。

当使用等离子体时，射频(RF)产生系统126产生RF电压并将RF电压输出到上电极108和下电极116中的一者。上电极108和下电极116中的另一者可以是DC接地、AC接地或浮置的。如图所示，RF电压被输出到上电极108，并且下电极116接地。仅举例而言，RF产生系统126可包括产生RF电压的一个或多个RF电压产生器128(例如，电容耦合等离子体RF功率产生器，偏置RF功率产生器和/或其他RF功率产生器)，所述RF电压由一个或多个匹配和分配网络130馈送到上电极108(如图所示)和/或下电极116。

示例性的气体输送系统140包括一个或多个气体源144-1、144-2、…和144-N(统称为气体源144)，其中N是大于零的整数。气体源144供应一种或多种气体(例如，前体、惰性气体等)及其混合物。也可以使用汽化的前体。气体源144中的至少一个可以包含在本公开内容的预处理过程中使用的气体(例如，NH

加热器160可以连接到布置在基座112中的加热器线圈(未示出)以加热基座112。加热器160可以用于控制基座112和衬底120的温度。阀164和泵168可以用于从处理室104排出反应物。控制器172可以用于控制衬底处理系统100的各个部件。仅举例而言，控制器172可以用于控制处理气体、载气和前体气体的流量，激励和熄灭等离子体，去除反应物，监测室参数等。根据本公开内容的原理的控制器172还被配置为控制RF产生器128以实现如下更详细描述的双频PECVD工艺。

现在参考图2，示出了包括RF产生系统204的衬底处理系统200的示例，该RF产生系统204被配置为根据本公开的原理执行双频PECVD。在该示例中，RF产生系统204被配置为产生电容耦合的双频等离子体。射频RF产生系统204产生并输出第一RF电压208-1和第二RF电压208-2(统称为RF电压208)至处理室220内的上电极212和下电极216中的一个。例如，上电极212对应于气体分配设备(例如，喷头)，而下电极216对应于衬底支撑件224。如图所示，第一和第二RF电压被输出至上电极212，而下电极216接地。

RF产生系统204包括第一RF电压产生器228-1和第二RF电压产生器228-2，其统称为RF电压产生器228。第一RF电压产生器228-1提供第一RF电压208-1到第一RF匹配网络232-1。第二RF电压产生器228-2将第二RF电压208-2提供给第二RF匹配网络232-2。统称为RF匹配网络232的第一RF匹配网络232-1和第二RF匹配网络232-2将RF电压208馈送到上电极212。在其他示例中，第二RF电压产生器228-2可以对应于被配置为向下电极216输出RF电压的偏置RF电压产生器。

根据本公开的第一RF电压产生器228-1和第二RF电压产生器228-2被配置为响应于控制器236(例如，对应于图1的控制器172)而在PECVD工艺期间输出双频RF电压。例如，控制器236被配置为在基于硅烷的氧化物膜的沉积过程中控制第一RF电压产生器228-1以便以第一频率输出第一RF电压208-1，并且控制第二RF电压产生器228-2以便以第二频率输出第二RF电压208-2。例如，第一RF电压208-1可以提供高频RF功率(例如，在12-15MHz下为0.1至4.0瓦/cm

现在参考图3，并且继续参考图2，用于执行双频PECVD工艺以沉积基于硅烷的氧化物膜的方法300开始于304。在308，将衬底布置在处理室(例如，处理室220)中的衬底支撑件(例如，衬底支撑件224)上。例如，该衬底可以对应于硅衬底；在其他示例中，该衬底可以包含蓝宝石、玻璃、压电材料等；在一些示例中，该衬底可以包括一个或多个下伏层。在312处，方法300(例如，控制器236)将处理室200的条件调整为适合于进行基于硅烷的氧化物膜的PECVD的条件，例如，将处理室200调整为1至9托的压强和100至450℃的温度。

在316处，方法300使处理气体(例如，一种或多种前体气体、载气、惰性气体等)流入处理室220。例如，控制器236控制从相应的气体源(例如，气体输送系统140的气体源144)流入处理室220的处理气体的流动。处理气体包括含硅的气体化合物(例如，硅烷(SiH

在320处，方法300(例如，控制器236和RF产生系统204)向处理室220提供双频RF功率以在处理室200内产生双频等离子体。例如，方法300输出第一RF电压和第二RF电压以产生双频等离子体。在一示例中，第一RF电压对应于高频RF功率(例如，在12-15MHz下为0.1至4.0瓦/cm

在一些示例中，在PECVD工艺的整个持续时间内，同时且连续地输出第一RF电压和第二RF电压。换句话说，参考图4A，在相同的时间和相同的时间段(例如，从时间t1到对应于PECVD工艺结束的时间tn)分别提供第一RF电压400和第二RF电压404。在另一示例中，第一RF电压400和第二RF电压404以相同的时间段被提供，但是不连续(即，如图4B所示的脉冲化接通(ON)和关断(OFF))。尽管如在图4B中，第一RF电压400和第二RF电压404被同时脉冲化接通(ON)，并且同时被脉冲化关断(OFF)，在其他示例中，第一RF电压400和第二RF电压404可以以交替的时间段被脉冲化接通(ON)。在另一示例中，如图4C所示，在PECVD工艺的持续时间的第一部分中连续地提供第一RF电压400，并且在PECVD工艺的持续时间的第二部分中连续地提供第二RF电压404。换句话说，在PECVD工艺的非重叠部分中提供第一RF电压400和第二RF电压404。

在324处，方法300(例如，控制器236)确定PECVD工艺是否完成。例如，PECVD工艺可以具有1至1000ms的持续时间。在一些示例中，PECVD工艺在衬底处理系统的同一站执行。在其他示例中，PECVD工艺在衬底处理系统的多个站(例如，在4个站中的每个站进行1-250ms)执行。如果324的结果为真，则方法300继续至328。如果324的结果为假，则方法300继续至316。在328，方法300(例如，控制器236，其控制如在图1中描述的阀164和泵168)清扫处理室220。方法300在332处结束。

前面的描述本质上仅仅是说明性的，并且绝不旨在限制本公开、其应用或用途。本公开的广泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然本公开包括特定示例，但是本公开的真实范围不应当被如此限制，因为在研究附图、说明书和所附权利要求时，其他修改将变得显而易见。应当理解，在不改变本公开的原理的情况下，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时地)执行。此外，虽然每个实施方案在上面被描述为具有某些特征，但是相对于本公开的任何实施方案描述的那些特征中的任何一个或多个，可以在任何其它实施方案的特征中实现和/或与任何其它实施方案的特征组合，即使该组合没有明确描述。换句话说，所描述的实施方案不是相互排斥的，并且一个或多个实施方案彼此的置换保持在本公开的范围内。

使用各种术语来描述元件之间(例如，模块之间、电路元件之间、半导体层之间等)的空间和功能关系，各种术语包括“连接”、“接合”、“耦合”、“相邻”、“紧挨”、“在...顶部”、“在...上面”、“在...下面”和“设置”。除非将第一和第二元件之间的关系明确地描述为“直接”，否则在上述公开中描述这种关系时，该关系可以是直接关系，其中在第一和第二元件之间不存在其它中间元件，但是也可以是间接关系，其中在第一和第二元件之间(在空间上或功能上)存在一个或多个中间元件。如本文所使用的，短语“A、B和C中的至少一个”应当被解释为意味着使用非排他性逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)，并且不应被解释为表示“A中的至少一个、B中的至少一个和C中的至少一个”。

在一些实现方式中，控制器是系统的一部分，该系统可以是上述示例的一部分。这样的系统可以包括半导体处理设备，半导体处理设备包括一个或多个处理工具、一个或多个室、用于处理的一个或多个平台、和/或特定处理部件(晶片基座、气体流系统等)。这些系统可以与用于在半导体晶片或衬底的处理之前、期间和之后控制它们的操作的电子器件集成。电子器件可以被称为“控制器”，其可以控制一个或多个系统的各种部件或子部件。根据处理要求和/或系统类型，控制器可以被编程以控制本文公开的任何工艺，包括处理气体的输送、温度设置(例如加热和/或冷却)、压力设置、真空设置、功率设置、射频(RF)产生器设置、RF匹配电路设置、频率设置、流率设置、流体输送设置、位置和操作设置、晶片转移进出工具和其他转移工具和/或与具体系统连接或通过接口连接的装载锁。

概括地说，控制器可以定义为电子器件，电子器件具有接收指令、发出指令、控制操作、启用清洁操作、启用端点测量等的各种集成电路、逻辑、存储器和/或软件。集成电路可以包括存储程序指令的固件形式的芯片、数字信号处理器(DSP)、定义为专用集成电路(ASIC)的芯片、和/或一个或多个微处理器、或执行程序指令(例如，软件)的微控制器。程序指令可以是以各种单独设置(或程序文件)的形式发送到控制器的指令，单独设置(或程序文件)定义用于在半导体晶片或系统上或针对半导体晶片或系统执行特定工艺的操作参数。在一些实施方案中，操作参数可以是由工艺工程师定义的配方的一部分，以在一或多个(种)层、材料、金属、氧化物、硅、二氧化硅、表面、电路和/或晶片的管芯的制造期间完成一个或多个处理步骤。

在一些实现方式中，控制器可以是与系统集成、耦合到系统、以其它方式联网到系统或其组合的计算机的一部分或耦合到该计算机。例如，控制器可以在“云”中或是晶片厂(fab)主机系统的全部或一部分，其可以允许对晶片处理的远程访问。计算机可以实现对系统的远程访问以监视制造操作的当前进展、检查过去制造操作的历史、检查多个制造操作的趋势或性能标准，改变当前处理的参数、设置处理步骤以跟随当前的处理、或者开始新的处理。在一些示例中，远程计算机(例如服务器)可以通过网络(其可以包括本地网络或因特网)向系统提供工艺配方。远程计算机可以包括使得能够输入或编程参数和/或设置的用户界面，然后将该参数和/或设置从远程计算机发送到系统。在一些示例中，控制器接收数据形式的指令，其指定在一个或多个操作期间要执行的每个处理步骤的参数。应当理解，参数可以特定于要执行的工艺的类型和工具的类型，控制器被配置为与该工具接口或控制该工具。因此，如上所述，控制器可以是例如通过包括联网在一起并朝着共同目的(例如本文所述的工艺和控制)工作的一个或多个分立的控制器而呈分布式。用于这种目的的分布式控制器的示例是在与远程(例如在平台级或作为远程计算机的一部分)的一个或多个集成电路通信的室上的一个或多个集成电路，其组合以控制在室上的工艺。

示例系统可以包括但不限于等离子体蚀刻室或模块、沉积室或模块、旋转漂洗室或模块、金属电镀室或模块、清洁室或模块、倒角边缘蚀刻室或模块、物理气相沉积(PVD)室或模块、化学气相沉积(CVD)室或模块、原子层沉积(ALD)室或模块、原子层蚀刻(ALE)室或模块、离子注入室或模块、轨道室或模块、以及可以与半导体晶片的制造和/或制备相关联或用于半导体晶片的制造和/或制备的任何其它半导体处理系统。

如上所述，根据将由工具执行的一个或多个处理步骤，控制器可以与一个或多个其他工具电路或模块、其它工具部件、群集工具、其他工具接口、相邻工具、邻近工具、位于整个工厂中的工具、主计算机、另一控制器、或在将晶片容器往返半导体制造工厂中的工具位置和/或装载口运输的材料运输中使用的工具通信。