高密度电浆化学气相沉积反应器及方法技术

本发明专利技术是有关于一种高密度电浆化学气相沉积反应器及方法。该高密度电浆化学气相沉积方法，首先，激发一气体混合物，以产生具有复数个离子的电浆，且引导电浆至一半导体晶圆上的密集区域中。接着，以额外的热源加热半导体晶圆。最后，于半导体晶圆上沉积电浆中的一物质。该高密度电浆化学气相沉积反应器包括一反应室；一激发源，用以激发一气体混合物；一半导体晶座，用以承载一半导体晶圆；以及额外的一加热元件，设置于该反应室内，以提供热能来加热该半导体晶圆。本发明专利技术可改善现有的高密度电浆化学气相沉积方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种制造半导体元件的方法，特别是涉及一种高密度电浆化学气相沉积(high density plasma chemical vapor deposition；HDPCVD)的方法。本专利技术还涉及用于该方法的高密度电浆化学气相沉积反应器。
技术介绍
一般而言，半导体元件所需的薄膜材料，皆可藉由化学气相沉积(chemical vapor deposition；CVD)制程而得。现有CVD反应器有许多种设计，大致上可依反应器内的操作压力来加以区分，例如常压化学气相沉积(Atmospheric-pressure chemical vapor deposition；APCVD)反应器或减压化学气相沉积(reduced-pressure chemical vapor deposition)反应器。其中，减压化学气相沉积反应器通常具有两种类型。一种类型是低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition；LPCVD)反应器，其以热能作为能量输出。另一种类型则是电浆辅助化学气相沉积(plasma-assiste chemical vapor deposition)反应器、电浆加强式化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)反应器、或高密度电浆化学气相沉积(high-density chemical vapor deposition；HDCVD)反应器，其皆以电浆与热能作为能量输出。常压化学气相沉积通常是在质传限制下操作的。一般而言，晶圆表面上的反应气体分子可能会不够，此时，需改变反应器的设计，让每一晶圆表面上都具有最佳的反应气体流量。常压化学气相沉积最常用来沉淀二氧化硅与掺杂氧化物。传统上，这些薄膜是用于内层介电层(interlayerdielectric)、保护膜层或用来平坦化不均匀的表面。一般而言，可以在低温的条件下，约450℃至500℃，以硅甲烷为硅源，来进行常压化学气相沉积二氧化硅的沉淀。或者，也可以在温度约为450℃时，以四乙基硅烷(tetraethylorthosilicate；TEOS)/臭氧为硅源，来进行二氧化硅的沉淀。低压化学气相沉积则是在最小压力约4.1托耳(torr)至5托耳(torr)，且反应温度为300℃至900℃的条件下，进行化学气相沉积反应。低压化学气相沉积通常是在反应速率限制下操作。在此减压的情况下，由于反应气体分子的扩散性会增加，所以气体到晶圆的质量传递就不会再受限于反应速率。因为这种质量传递的状态，所以反应器内的气流条件变得不那么重要。如此一来，则可使反应器的设计达到最大的晶圆容量，也就是说，晶圆可以紧密的排列在一起，只要温度能控制好，薄膜就会均匀地沉积于晶圆表面上。低压化学气相沉积反应器的设计是一种热壁式(hot-wall)的反应器，可以均匀地控制温度。有三种化学气相沉积反应器是以电浆与热能作为能量的来源，以进行化学反应。第一种为电浆辅助化学气相沉积，其在真空中利用射频电力做为电源，让反应气体分子解离(breakup)。其中，上述射频电力的频率可依需求而定，一般而言，所使用的频率约为40kHz、400kHz、13.56MHz与2.45GHz(微波电力)。包括分子片段或自由基(radicals)的化学反应物种很容易与其他原子键结，以于晶圆表面上形成薄膜。而气态的副产物会被真空抽气系统移除。为了要增强晶圆表面的反应，通常会加热晶圆，并且移除不必要的污染物，如氧。第二种为电浆加强式化学气相沉积(PECVD)，其利用电浆来进行化学气相沉积反应。电浆加强式化学气相沉积与低压化学气相沉积的最重要不同处是在于，电浆加强式化学气相沉积所需的温度较低。举例来说，使用低压化学气相沉积来沉积氮化硅，其所需的温度为800℃至900℃。而利用电浆加强式化学气相沉积来沉积氮化硅，所需的温度仅为约350℃。现有电浆加强式化学气相沉积反应器主要为一冷壁式(cold-wall)电浆反应器，而晶圆会放在晶座上加热。再者，必须控制沉积的参数，以确保温度梯度不会影响到薄膜厚度的均匀性。冷壁式反应室会产生一些微粒，所以需要一些停工时间来清理。第三种为高密度电浆化学气相沉积(HDPCVD)，其一种在低压的条件下，利用高密度的气体混合物来进行反应的化学气相沉积法。高密度电浆化学气相沉积主要的好处是，可以在沉积温度为300℃至400℃时，沉积薄膜且填满具有较高深宽比(aspect ratios)的沟渠。高密度电浆化学气相沉积一开始是应用于内层介电层上，但其亦用来沉积第一层的内介电层、浅沟渠隔离、蚀刻终止层以及低介电常数的介电层。高密度电浆化学气相沉积反应是一种化学反应，其使用两种或两种以上气体先驱物。为了形成高密度电浆，通常会使用射频电力或微波电力作为反应源，来激发气体混合物，并引导电浆离子至晶圆表面上的密集区域。其中，上述的高密度电浆的反应源有许多种，例如电子回旋共振(electron cyclotron resonance)、电感耦合式电浆(inductively coupled plasma)以及螺旋波(Helicon)。然而，使用高密度电浆化学气相沉积会有许多问题，例如电浆反应源的操作性能以及反应室的设计细节等，所以这个方法必须用在制作大体积的晶圆上。此外，另个一特别的问题是，高密度电浆会增加晶圆的热负担，进而导致晶圆的温度过高。因此，现有高密度电浆化学气相沉积反应器会包含冷却系统，以控制晶圆沉积温度。其中，上述的冷却系统包含利用静电吸盘(electrostatic chuck)的出入口，通入氦气至晶圆的整个背面来冷却晶圆。由于通入的氦气在晶圆与静电吸盘之间会产生热导电途径，因此能冷却晶圆与晶座。高密度电浆化学气相沉积反应通常是使用硅甲烷来作为硅的前驱物，以及使用氧气作为氧的前驱物，此外，还会加入氩以提高溅击蚀刻的效应。高密度电浆化学气相沉积也可以利用磷与四氟化硅，来沉积磷硅玻璃(phosphosilicate glass；PSG)与氟硅玻璃(fluorinated silicate glass；FSG)。然而，此溅击会衍生出其他的问题。请参照图1至图3，其是一种现有高溅击速率制程的结构示意图。在图1中，分子10，例如为二氧化硅，会溅击到沟渠12之上，以填入沟渠12中且形成二氧化硅层14。在高溅击速率制程中，分子10通常会轰击沟渠12的角缘，且粘在沟渠12的侧壁16上。接着，如第2图所示，则会沿着沟渠12的侧壁上方形成一悬突结构18。最后，如第3图所示，侧壁16上的悬突结构18会互相连在一起，且在沟渠12中形成一孔洞20。请参照图4至图6，其是一种现有低溅击速率制程的结构示意图。在图4中，分子10，例如二氧化硅，会溅击到沟渠12上。然而，由于此制程的溅击速率相当慢，所以分子10不会有粘在沟渠12的侧壁16上的倾向。但是，分子10却会沉积在沟渠12的底部22上。然而，一旦溅击速率相当缓慢时，则很容易在沟渠12中形成孔洞。如图5所示，当沉积二氧化硅的沉积速率/溅击速率比约为10时，则会在沟渠12中形成孔洞20。如图6所示，当沉积二氧化硅的沉积速率/溅击速率比增加至约20时，则会在沟渠1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高密度电浆化学气相沉积方法，其特征在于其包括如下步骤：激发一气体混合物，以产生具有复数个离子的一电浆，且引导该电浆至一半导体晶圆上的一密集区域中；以额外的一加热源加热该半导体晶圆；以及沉积该电浆中的一物质于该半导体晶圆上。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘中伟，刘沧宇，林剑锋，张振凉，陈明德，林嘉慧，蔡瑛修，吴斯安，李音频，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：71[中国|台湾]