TWI442474B - 用於在半導體裝置上形成共形氧化層的方法 - Google Patents

Description

用於在半導體裝置上形成共形氧化層的方法

本發明實施例大體而言係有關於半導體製造，並且更明確地說，係有關於半導體裝置或其零組件的氧化以形成共形氧化物層。

半導體裝置在其若干製造階段需形成薄氧化物層。例如，在電晶體中，一薄閘極氧化物層可形成為一閘極堆疊結構的一部分，包含側壁，如會在後方詳加描述者。此外，在某些應用中，例如在快閃記憶體薄膜堆疊的製造中，可在整個閘極堆疊周圍形成薄氧化物層，例如，藉由將該堆疊暴露在氧化製程中。此類氧化製程習知上係以熱方法執行或利用電漿執行。

形成氧化物層，例如，該閘極氧化物層或該閘極堆疊氧化層，的熱製程在過去所使用的較大特徵結構尺寸半導體裝置的製造中成效相當好。不幸地，隨著特徵結構尺寸大幅度縮小並且在下世代的先進技術中使用不同氧化物，熱氧化製程所需的高晶圓或基材溫度會因為矽晶圓內的摻質(井摻雜及接合面)在較高溫度下(例如高於約700℃)擴散而造成問題。此種摻質輪廓及其他特徵結構的失真可導致不良的裝置效能或失效。

用來形成氧化物層的電漿製程擁有類似問題。例如，在高腔室壓力下(例如100毫托耳)，形成期間污染物有匯聚在該閘極氧化物層內的傾向，造成閘極氧化物結構的嚴重缺陷，例如懸鍵(dangling bonds)或移動電荷，而在低腔室壓力下(例如數十毫托耳)，增加的電漿離子能量造成離子轟擊傷害和其它擴散問題。例如，習知氧化製程常造成稱為鳥嘴的缺陷。鳥嘴係指氧化物層從相鄰層之間介面處的側邊擴散進入薄膜堆疊結構的層內，環繞該等相鄰層的角落。所造成的缺陷具有類似鳥嘴的輪廓。該氧化層侵入該記憶單元(例如在快閃記憶體應用中)的主動區會縮小該記憶單元的主動寬度，因此不預期縮小該單元的有效寬度，並降低該快閃記憶體裝置的效能。

現行低溫電漿製程的另一限制在於氧化似乎優先在與該晶圓或基材面平行的表面上發生，也就是說，結構的頂部和底部，例如藉由堆疊材料層所形成的閘極以及形成在該等閘極之間的溝槽。咸信這是緣於與該晶圓垂直的氧離子和自由基流通量。無論成因為何，該等堆疊側壁上發生有限的氧化，在該等閘極堆疊上產生薄到令人無法接受的側壁層和極差的共形性。因此，需要一種改善的在半導體基材上形成氧化物層的方法。

本發明之一態樣係有關於一種處理形成在一半導體基材上的氧化物層的方法。根據一或多個實施例，該方法包含將此種基材置於一電漿反應室內一基材支撐件上。在一或多個實施例中使用的腔室包含一離子產生區。該方法也可包含通入或流入一製程氣體進入該腔室，其中，在該離子產生區內，一電漿係經產生在該腔室的離子產生區內，並用來在該基材上形成一氧化物層。根據一或多個實施例形成的電漿可含氧或一氧物種。在一或多個實施例中，該氧化物層係在該基材主動冷卻期間由該電漿形成。在此實施例中，主動冷卻該基材增加某些電漿內所含氧物種之黏滯係數。

根據一或多個實施例，該基材係經冷卻至低於約100℃的溫度。在一具體實施例中，該基材係經冷卻至範圍在約-50℃至約100℃內的溫度。在一更具體的實施例中，該基材係經冷卻至範圍在約-25℃至75℃內的溫度，並且在一甚至更具體的實施例中，該基材係經冷卻至範圍在約0℃至約50℃內的溫度。

如在此所使用者，“主動冷卻”一詞表示在該基材鄰近流通一冷卻流體。在一實施例中，利用一靜電夾盤(ESC)在該基材鄰近流通一冷卻流體。在另一實施例中，供應一對流氣體至該腔室並在該基材鄰近流通。

根據一或多個實施例，該基材係藉由使一冷卻劑流經該基材支撐件來主動冷卻。在一具體實施例中，該冷卻劑係在該基材和基材支撐件間循環。該基材也可，例如，透過接觸該基材表面來冷卻，其中，在一具體實施例中，其含有複數個冷卻導管。在一更具體的實施例中，該基材支撐件使用一系列通道來供應一冷卻劑至該等冷卻導管。適用於此種實施例的冷卻劑包含氦氣，其他惰性氣體及其組合物。

一或多個其他實施例藉由流通一對流氣體進入該反應室內來主動冷卻該基材。在一具體實施例中，一氦氣係經流入該反應室內以主動冷卻該基材。在一更具體的實施例中，對流氣體係以範圍從約500sccm至約3000sccm的流速流入該反應室。在一或多個實施例中使用的對流氣體包含氦氣，並且也可包含一或多種其他惰性氣體。

前面已相當廣泛概述本發明之某些特徵結構。熟知技藝者應領會所揭示的具體實施例可輕易用做調整或設計落在本發明範圍內之其他結構或製程的基礎。熟知技藝者也應理解此種等效結構並不背離在附屬申請專利範圍中提出之本發明精神及範圍。

本發明實施例提供藉由氧化半導體基材形成共形氧化物層的方法。下述具體實施例係關於利用低溫氧化法形成的氧化物層描述。

如在此所使用者，低溫氧化表示在低於約700℃的溫度下之氧化。習知電漿氧化因為傳送至該基材的電漿功率而在高於100℃的溫度下發生。在高於100℃的溫度下，氧離子流通量支配該氧化製程，因此僅有半數的氧化流通量抵達垂直側壁，與抵達寬度為50奈米之結構的水平壁(也可稱為頂和底表面或閘極和溝槽)的氧化流通量相比。據此，當共形性係定義為一側壁上的成長及一頂或底表面上的成長之比例時，在大於25埃的厚度下，習知電漿氧化僅達到50%的共形性。

已發現在電漿氧化期間主動冷卻基材至約-50℃至100℃範圍內的溫度，例如在約-25℃至75℃的具體範圍內，並且更具體地在約0℃至50℃範圍內，可改善利用矽結構之低溫氧化所形成的薄膜之共形性。更明確地說，厚度低於約100奈米的較小特徵結構之薄膜共形性顯著改善。共形性係定義為形成在一結構側壁上的薄膜厚度對形成在一結構的水平表面，包含頂及底表面，上之薄膜厚度間的比例。根據本發明之一或多個實施例，可達到至少約75%的共形性，並且更明確地說至少約80%，並且在具體實施例中至少約90%。在一或多個實施例中，藉由以上述方法處理，咸信該較低溫度增加該氧物種對一結構側壁的黏滯係數。

本發明實施例可在適當配備的電漿反應器內執行，例如可從加州聖塔克拉拉的應用材料公司取得之去耦電漿氮化(DPN)反應器。也可使用其他適合的電漿反應器，包含但不限於，輻射狀排列槽形天線電漿設備及中空陰極電漿設備。第1圖示出適於執行根據本發明實施例之氧化物形成製程的例示電漿反應器。該反應器可透過由連續波(CW)功率產生器驅動的感應耦合電漿電源應用器提供低離子能量電漿及高離子能量電漿。

第1圖所示反應器11包含一腔室10，其具有一圓柱狀側壁12及一頂板14，其可以是圓頂狀(如圖中所示者)、平板狀、或其他幾何形狀。一電漿電源應用器包含一線圈天線16，設置在該頂板14上方並透過一第一阻抗匹配網絡18耦合至一功率源。該功率源包含一RF功率產生器20和一閘極22在該產生器20的輸出處。

該反應器也包含一基材支撐座26，其可以是一靜電夾盤或其他適合的基材支撐件，以抓持一半導體基材27，例如200毫米或300毫米半導體晶圓或諸如此類者。通常，擁有一加熱設備，例如一加熱器34在該基材支撐座26頂表面下方。該加熱器34可以是單或多區域加熱器，例如具有徑向內部及外部加熱元件34a和34b的雙徑向區域加熱器，如第1圖所示者。

此外，該反應器包含一氣體注入系統28及與該腔室10的內部空間連結的真空幫浦30。該氣體注入系統28係由一氣源供應，其可包含氧氣瓶32、氫氣瓶62或惰氣瓶70。可包含其他製程氣源，例如水蒸氣源和惰性氣體源(未示出)。在一或多個實施例中，可使用多於一個氣源。流量控制閥66、64和68分別與該氧氣瓶32、該氫氣瓶62和該惰氣瓶70連結，並且可用來在處理期間選擇性提供製程氣體或製程氣體混合物至該腔室10的內部空間。也可提供供應例如氮氣、氣體混合物、或諸如此類者之額外氣體的其他氣源(未示出)。可利用該真空幫浦30的節流閥38來控制該腔室10內的壓力。

可藉由控制其輸出與該閘極22連結的脈衝產生器36的工作週期來控制該閘極22處的脈衝RF功率輸出之工作週期。電漿係在一離子產生區39內產生，其對應該頂板14下方被該線圈天線16圍繞的空間。因為電漿係在該腔室10之上半部區域與該基材27有一段距離處產生，該電漿遂被稱為類遠端電漿(例如，該電漿具備遠端電漿形成的優勢，但係在與該基材27相同的腔室10內形成)。

操作時，可用該電漿反應器來執行根據本發明實施例之氧化製程，以沈積高品質氧化物層，其在形成於一基材上的氧化物堆疊之側壁上具有增量的氧化物層。

例如，第2A-B圖示出含有形成在半導體基材202上之薄膜堆疊240的半導體結構200之製造階段。在一或多個實施例中，該基材202可包含多個薄膜堆疊240，其在該等堆疊之間形成溝槽250。在此所述用來製造該半導體結構200的製程可在，例如，上面關於第1圖所述之反應器11內執行。

基材202具有一薄膜堆疊240沈積在其上。該薄膜堆疊240將被氧化。該基材202一般對應於第1圖的基材27，並且通常係支撐在該電漿反應器11的腔室10內該基材支撐座26上。該基材202可擁有各種尺寸，例如直徑200毫米或300毫米的晶圓，以及矩形或方形面板。在某些實施例中，該薄膜堆疊240可形成在該基材202 上，然後提供給該腔室10進行該氧化製程。例如，可在與一群集工具連結的一或多個製程腔室內製造該薄膜堆疊240，其也擁有該電漿反應器11連結至其上。一適合的群集工具之範例是可從加州聖塔克拉拉的應用材料公司取得之閘極堆疊CENTURA®。

該基材202可包含一材料，例如結晶矽(例如，矽<100>或矽<111>)、氧化矽、應變矽、鍺化矽、摻雜或未摻雜的多晶矽、摻雜或未摻雜的矽晶圓、圖案化或未圖案化的晶圓、絕緣層上矽(SOI)、摻雜碳的氧化矽、氮化矽、摻雜的矽、鍺、砷化鎵、玻璃、藍寶石、或諸如此類。

會了解該薄膜堆疊240並不受限於上述特定材料。因此，該薄膜堆疊240可以是欲氧化的任何種材料堆疊。例如，在某些實施例中，例如在快閃記憶體應用中，該堆疊240可以是一快閃記憶單元的閘極堆疊，其含有穿隧氧化物層204、浮置閘極層206、單或多層介電層，其含有多晶矽間介電層(IPD)210(該IPD之一非限制性範例係一多層ONO層，其含有一氧化物層212、一氮化物層214、以及一氧化物層216，在第2A-B圖中例示性示出)、以及一控制閘極層220。該等氧化物層204、212、216通常含矽和氧，例如氧化矽(SiO₂ )、氧氮化矽(SiON)、或諸如此類者。該氮化物層通常含矽及氮，例如氮化矽(SiN)、或諸如此類者。在某些實施例中，也可用一含有SiO₂ /Al₂ O₃ /SiO₂ 的多層來做為該IPD層210。該浮置閘極層206和該控制閘極層220通常含有一導電材料，例如多晶矽、金屬、或諸如此類者。預期在其他應用中的薄膜堆疊可根據在此提供的教示有利地氧化，例如動態隨機存取記憶體(DRAM)金屬電極/多晶矽閘極堆疊、用於非揮發性記憶體(NVM)的電荷擷取快閃記憶體(CTF)、或諸如此類者。該DRAM金屬電極通常是鎢(W)，具有氮化鈦(TiN)或氮化鎢(WN)之中間層在該等鎢及多晶矽層之間。用於非揮發性記憶體(NVM)的電荷擷取快閃記憶體(CTF)使用SiO₂ /SiN/Al₂ O₃ 閘極堆疊，具有氮化鉭(TaN)或氮化鈦(TiN)的金屬電極，其也可從閘極蝕刻後的側壁氧化受益。在某些實施例中，該製程氣體可包含水蒸氣，並且在一或多個具體實施例中，該水蒸氣可與氫氣及/或氧氣的至少一者混合。做為另一種選擇或合併使用，該水蒸氣可與至少一種惰性氣體混合，例如氦氣(He)、氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氖氣(Ne)、或諸如此類者。

在某些實施例中，可提供總流速約100-2000sccm之間，或約400sccm，的製程氣體(或氣體混合物)。例如，在提供氧氣(O₂ )和氫氣(H₂ )兩者的實施例中，可提供總流速約100-2000sccm之間的氧氣(O₂ )和氫氣(H₂ )，或約400sccm，在上述百分比範圍內。在提供水蒸氣的實施例中，可通入流速約5-1000sccm之間的水蒸氣，連同一或多種惰性載氣，例如氦氣、氬氣、氪氣、氖氣或其他適合惰性氣體。可依需要供應該等惰性氣體，以提供約100-2000sccm之間的總流速，並提供擁有多至約50%水蒸氣的製程氣體混合物。惰性氣體添加也可與H₂ /O₂ 混合物並用，以避免離子化氧氣及/或氦氣的再結合。激發的雙原子分子通常傾向在電漿內與自身再結合，因此添加惰性氣體(例如氬氣、氦氣、氪氣、氖氣、或諸如此類)可促進較高氧化速率。

一電漿係在該腔室10內從該等製程氣體產生，以在該薄膜堆疊240上形成一氧化物層230。該電漿係形成在第1圖所示腔室10的離子產生區39內，利用感應耦合來自設置在該頂板14上方的線圈天線16之RF能量，因此有利地提供低離子能量(例如就脈衝電漿而言低於約5eV，並且就CW電漿而言低於15eV)。該電漿的低離子能量限制離子轟擊傷害，並促進該薄膜堆疊240的側壁之氧化，同時限制氧氣在其各層之間擴散，藉此減少鳥嘴。

在某些實施例中，可以適當頻率提供約25至5000瓦的功率至該線圈天線16，以形成電漿(例如，在MHz或GHz範圍內，或約13.56MHz或更大)。可以連續波或脈衝模式提供該功率。在一或多個實施例中，係以工作週期介於約2至70%之間的脈衝模式提供該功率。

例如，在某些實施例中，該電漿可在連續的“開啟”時間期間產生，而容許該電漿的離子能量在連續的“關閉”區間期間衰變。該“關閉”區間隔離連續的“開啟”區間，而該“開啟”及“關閉”區間界定出一可控制的工作週期。該工作週期將該基材表面處的離子動能限制在低於一預定臨界能量下。在某些實施例中，該預定臨界能量係在或低於約5eV。

例如，在該脈衝RF功率的“開啟”時間期間，該電漿能量增加，而在該“關閉”時間期間則降低。在短暫的“開啟”時間期間，該電漿係在大約對應於該線圈天線16所圈起的空間之該離子產生區39內產生。該離子產生區39係在該基材27上方一段顯著距離LD處。在該“開啟”時間期間於該離子產生區39內靠近該頂板14產生的電漿在該“關閉”時間以一平均速度VD朝該基材27飄移。在每一個“關閉”時間期間，最快速的電子擴散至該等腔室壁，容許該電漿冷卻。能量最高的電子以比該電漿離子飄移速度VD快許多的速度擴散至該等腔室壁。因此，在該“關閉”時間，該電漿離子能量在該等離子抵達該基材27之前顯著降低。在下一次“開啟”時間期間，更多電漿產生在該離子產生區39，並且整個週期重複。因此，抵達該基材27的電漿離子之能量顯著降低。在較低的腔室壓力範圍下，也就是說約10毫托耳和以下，該脈衝RF情況的電漿能量與該連續RF情況相比大幅降低。

該脈衝RF功率波形的“關閉”時間及該離子產生區39和該基材27之間的距離LD兩者均應足以容許產生在該離子產生區39的電漿失去足夠大量的能量，因此其在抵達該基材27時造成很少或無離子轟擊傷害或缺陷。明確地說，該“關閉”時間係由約2和20kHz之間，或約10kHz，的脈衝頻率以及約5%和20%之間的“開啟”工作週期界定。因此，在某些實施例中，該“開啟”區間可持續約5微秒至約50微秒範圍內的時間，或約20微秒，而該“關閉”區間可持續約50微秒至約95微秒範圍內的時間，或約80微秒。

在某些實施例中，該離子產生區至基材距離LD係大於約2公分，或者在約2公分至約20公分範圍內。該離子產生區至基材距離LD可與該等電漿離子在該脈衝RF功率波形的單一個“關閉”時間期間行進的距離(VD乘以該“關閉”時間)約相同(或更大)。

在連續波和脈衝模式兩者中，該電漿有利地在該腔室內平衡氧氣和氫氣離子的共生，並且與該基材之間距離夠近以利用對於離子能量的控制來限制該等離子活性的流失，以避免離子轟擊造成的傷害或擴散傷害(例如鳥嘴)。

所產生的電漿可在一低壓製程中形成，藉以減少污染導致的缺陷之可能性。例如，在某些實施例中，可將該腔室10保持在約1-500毫托耳之間的壓力下。此外，可藉由使用類遠端電漿源及，選擇性地，藉由如上所述般脈衝該電漿電源來限制或避免在如此低的腔室壓力水準下所能期待的轟擊導致的缺陷。

根據一或多個實施例，該氧化物層230可形成至從約5埃至約50埃範圍內的厚度。該製程可提供每分鐘約7埃至約50埃範圍內的氧化物薄膜成長速率，或每分鐘至少約25埃。在此揭示之本發明製程在較低熱預算下提供上述之氧化物成長速率提升，因而藉由與習知氧化製程相比減少該基材對於該製程的暴露時間而更加限制擴散效應。在某些實施例中，該製程可擁有從約5秒至約300秒範圍內的持續時間。

可在該薄膜堆疊240上將該氧化物層230形成至一預期厚度。隨後可依需要進一步處理該基材202以完成在其上製造的結構。

如上所述，已發現在電漿氧化期間主動冷卻該基材至約-50℃至100℃範圍內的溫度，例如在約-25℃至75℃的具體範圍內，並且更具體地在約0℃至50℃範圍內，能改善利用矽結構的低溫氧化所形成的薄膜之共形性。可用若干方法完成冷卻。

根據一第一實施例，該支撐座26可包含靜電夾盤(ESC)，其以一冷卻氣體冷卻或接觸該基材背側，或該基材與該支撐座26接觸的一側，以在低溫氧化期間維持該基材溫度。第3圖示出一ESC 325之一範例實施例。參考第1圖的反應器11，該ESC 325在該腔室10內支撐一半導體基材27。該ESC 325可包含具有孔330穿透其間的底座。在所示實施例中，一靜電組件333包含一絕緣體335，其封住一電極350。該靜電組件333包含一上表面340，以容納並支撐一基材。具有一電壓供應導線360的電氣連接器355係經電氣連接至該電極350。該電壓供應導線360沿伸通過該ESC 325的基座之孔330，並在一電氣接觸365終止，其電氣接合一電壓供應終端370。使用時，將該靜電夾盤325固定在一製程腔室380內的支撐件375上。應了解該ESC 325可與第1圖所示之反應器11並用。在第3圖所示實施例中，該製程腔室380(其對應第1圖的腔室10)可包含一製程氣體入口382(其對應第1圖的氣體注入系統28)，其連結一製程氣源302(其對應第1圖的氧氣瓶32、氫氣瓶62或惰氣瓶70)至該腔室380。第3圖的製程腔室380更包含連接至一排氣系統301的排氣出口384。

在第3圖實施例中，一基材345係經抓持在該ESC 325上，並且從該冷卻劑源或冷卻器300供應冷卻劑至位於該絕緣體335上表面340內的冷卻導管305，其也包含冷卻導管或溝渠。在一或多個實施例中，該冷卻劑包含一傳導氣體，例如氦氣、氬氣以及週期表第8族中的大部分惰性元素。抓持在該ESC 325上的基材345覆蓋並密封該等冷卻導管305，避免該冷卻劑外漏。該等冷卻導管305內的冷卻劑從該基材345除熱，並在處理期間將該基材345保持在固定溫度下。

在一或多個實施例中，該等冷卻導管305係利用一系列通道連結至該冷卻劑源300，其可延伸通過整個絕緣體和電極。該等冷卻導管可經隔開、按一定尺寸製作及分散，而使保持在其中的冷卻劑可實質上冷卻整個基材345。

在一或多個實施例中，可使用電漿脈衝技術來最小化肇因於傳輸至該基材的電漿功率之基材加熱。根據該等實施例，在電漿氧化期間可使用電漿脈衝技術來將該基材保持在約-50℃至100℃範圍內的溫度下，例如在約-25℃至75℃的具體範圍內，並且更具體地在約0℃至50℃範圍內。

可以若干適合方法來實現電漿脈衝。在一實施例中，可開關循環該電漿以將該基材保持在此間所述溫度範圍內。在另一實施例中，該電漿可以是範圍從約2kHz至約50kHz的kHz頻率脈衝電漿。

使用開關循環該電漿之電漿脈衝技術的實施例包含藉由脈衝或時間調變該RF電漿電源訊號來調整平均電漿電子溫度及化學。此技術也稱為RP電漿電源調變，並獨立於該RF電漿電源水準控制電子溫度，因為在脈衝之間的功率關閉時間期間，電子溫度以比電漿密度快許多的速率降低。RF電漿電源調變包含實體上連續或依照一預定順序開啟及關閉該電漿產生。在一或多個實施例中，RF電漿電源調變包含開啟和關閉產生該離子產生區和該電漿的功率源。

根據一或多個實施例，該電漿脈衝技術包含在一第一頻率及一第二頻率之間替換該RF功率源的頻率。在一或多個實施例中，也可以該第一及/或第二頻率供應不同量的功率。在使用此電漿脈衝法來維持或冷卻該基材溫度至-50℃和100℃之間的一或多個實施例中包含將一基材置於一電漿反應器的一腔室內，並通入含氫氣、氧氣或惰氣的氣體至該腔室內。之後以一第一頻率供應功率至該反應器以在該腔室內產生一第一電漿。然後以一第二頻率供應功率以在該腔室內產生一第二電漿。此類實施例也可供應頻率與該第一及第二頻率不同的功率。在一或多個實施例中，以該第一或第二頻率供應的功率量可不同，並且可關於該等頻率的一或兩者週期性增加或減少或保持固定。也可控制以該第一或第二頻率供應的功率量之改變率以調節或降低該基材的溫度。

在另一實施例中，可透過氣體對流將該基材溫度保持在或冷卻至-50℃和100℃之間，藉由流通一冷卻或對流氣體至該反應腔室內。在一或多個實施例中，一冷卻氣體可流經該基材頂部而非該基材背側。在此類實施例中，可調整該腔室以提供另一個氣體入口，使該冷卻氣體流入該腔室內以冷卻該基材。在一或多個實施例中，可設置該入口以使該冷卻氣體可毗鄰該基材表面流動。在一或多個實施例中，該冷卻氣體係一惰性氣體，其係從一冷卻氣源供應至該腔室。在一或多個實施例中，該惰性氣體係一種傳導氣體，例如氦氣、氬氣及週期表第8族內的其他惰性元素。

第4圖示出第1圖之反應器11，更包含與該腔室10的內部空間連結的冷卻氣體輸送系統29。該冷卻氣體輸送系統29係由一冷卻氣源82供應，並流通一冷卻氣體至該腔室10內。在一或多個實施例中，該冷卻氣源可包含一氦氣瓶。在一具體實施例中，該冷卻氣源可包含一惰氣混合氣體瓶。冷卻流量控制閥80係經連結至該冷卻氣源82。在第4圖所示實施例中，該冷卻氣體係經供應至該腔室並以所示方向毗鄰該基材流動，以冷卻該基材溫度。

根據本發明之一或多個實施例，可使用若干方法在一堆疊中形成氧化物層，例如閘極氧化物堆疊。第5圖示出利用兩個閘極堆疊241、242和一基材203之間的空間形成的溝槽250，如第2A-B圖所示者。該等閘極堆疊241、242可如上面參考第2A-B圖及/或薄膜堆疊240所示般形成。該基材203也可包含在此參考第2A-B圖所述之材料。在第5圖中，一氧化物層231係經形成在該基材203上該等閘極堆疊241、242及該溝槽250上方。該氧化物層係在一電漿反應器內形成，例如關於第1圖所述之反應器11，利用不包含冷卻該基材的習知處理技術。

發明人判定藉由將該基材保持在約-50℃至100℃範圍內，可改善利用低溫氧化法形成的薄膜或氧化物層的共形性。在一或多個實施例中，可改善共形性而使該等側壁上和該溝槽上的二氧化矽層厚度之間的比例高於至少75%。

第5圖示出利用根據先前技藝之電漿氧化製程形成的氧化物層231。第5圖具體示出閘極長度為65奈米並且間隔為65奈米之淺溝槽隔離或“STI”結構的底部溝槽。第5圖的氧化物層231係經沈積在形成在兩個薄膜堆疊之間的溝槽250內，例如第2B圖所示之薄膜堆疊240。該溝槽250係由兩個側壁251、252界定。半導體結構200通常包含多個例如第2B圖所示之薄膜堆疊，具有溝槽250在薄膜堆疊之間。形成在第5圖所示溝槽250內的氧化物層231在該溝槽250底部處的厚度大於在該等側壁251、252處。第5圖的矽結構係藉由利用快速熱氧化法成長厚度75埃的通道氧化物，然後成長厚度1200埃的摻雜的多晶矽層形成。利用低壓化學氣相沈積或“LPCVD”製程在該多晶層上形成厚度50埃的高溫氧化物或“HTO”層以及最終一厚度400埃的氮化矽層。所形成結構的高度大約是340-380奈米。該閘極長度和間距是65奈米。

該氧化物層231在該等側壁251、252處的厚度係介於1.9奈米和2.1奈米之間。形成在該基材203上該溝槽250底表面處的氧化物層231的厚度約為3.2奈米。該氧化物層231的共形性，也就是該等側壁251、252處該氧化物層231的厚度對於該基材203上的厚度之間的比例係在從約0.59至0.66之範圍內。

第6A圖示出形成在與第5圖所用者相同類型的基材及結構上的氧化物層232，但是，形成該氧化物層232的方法包含利用一ESC冷卻或保持該基材203的溫度，如此間所述者。該基材203係置放在一腔室內一ESC上，如此說明書內他處所述般，並且在一電漿氧化製程期間，該基材203背側或該基材與該ESC接觸的一側係利用氦氣冷卻。在第6A圖所示實施例中，該氧化物層232係藉由室溫電漿氧化製程利用約2000瓦的電源及含有80%氫氣並且總流速為200sccm的製程氣體形成。用於該ESC內的氦冷卻氣體係經設定在4t時間，並且該基材係經冷卻至從約30℃至約50℃範圍內的溫度。

所形成的氧化物層232在該等側壁251、252處的厚度係介於2.5奈米和2.7奈米之間。該氧化物層232在該溝槽250底表面處的厚度是2.7奈米。該氧化物層232的共形性係介於0.93和1.0之間。

參見第6B圖，利用此間所述之電漿脈衝法在與第5圖所用者相同類型的基材及結構上形成一氧化物層233，以保持或冷卻該基材溫度。如此間他處所述般，RF電漿電源訊號係藉由循環供應至該反應器的功率來脈衝。利用一巨脈衝製程根據如下配方實體開關該電漿功率：開啟4次持續25秒以及關閉4次持續120秒。運用使用2000瓦的功率源之RT去耦電漿氧化或“DPO”腔室來形成該氧化物層。用來形成該氧化物層的製程氣體包含80%的氫氣，並且係以約200sccm的流速流入該腔室內。該基材溫度係經冷卻至從約20℃和約-30℃範圍內的溫度。

所形成的氧化物層233在該等側壁251、252處的厚度是2.8奈米。該氧化物層233在該溝槽250底表面處的厚度是3.1奈米，產生0.90的共形性。如上面結果清楚示出者，發現在電漿氧化期間將該基材溫度保持在或冷卻至約-50℃和100℃範圍內的溫度可產生一共形的氧化物層。

遍及本說明書所提到的“一個實施例”、“某些實施例”、“一或多個實施例”或“一實施例”表示結合該實施例所描述之一特定特徵、結構、材料、或特性係包含在本發明之至少一實施例中。因此，遍及本說明書各處之例如“在一或多個實施例中”、“在某些實施例中”、“在一實施例中”或“在一個實施例中”等句子的出現並不必定指涉本發明之相同實施例。此外，該特定特徵、結構、材料、或特性可在一或多個實施例中以任何適當方式組合。不應將上述方法的描述順序視為限制性，並且該等方法可不依照順序或以有減省或添加的方式使用所述操作。

應了解上面描述旨在說明，而非限制。在審視上面說明後，對熟知技藝者而言，許多其他實施例會是顯而易見的。因此，本發明之範圍應參考附屬申請專利範圍，連同此等申請專利範圍賦予等效物之完整範圍做判定。

10、380．．．腔室

11．．．反應器

12．．．側壁

14．．．頂板

16．．．線圈天線

18．．．第一阻抗匹配網絡

20．．．RF功率產生器

22．．．閘極

26．．．基材支撐座

27、202、345．．．半導體基材

28．．．氣體注入系統

29．．．冷卻氣體輸送系統

30．．．真空幫浦

32．．．氧氣瓶

34．．．加熱器

34a、34b．．．加熱元件

36．．．脈衝產生器

38．．．節流閥

39．．．離子產生區

62．．．氫氣瓶

64、66、68．．．流量控制閥

70．．．惰氣瓶

80．．．冷卻流量控制閥

82．．．冷卻氣源

200．．．半導體結構

204．．．穿隧氧化物層

206．．．浮置閘極層

210．．．多晶矽間介電層

212、216、230、231、232、233．．．氧化物層

214．．．氮化物層

220．．．控制閘極層

240．．．薄膜堆疊

241、242．．．閘極堆疊

250．．．溝槽

251、252．．．側壁

300．．．冷卻劑源

301．．．排氣系統

302．．．製程氣源

305．．．冷卻導管

325．．．靜電夾盤

330．．．孔

333．．．靜電組件

335．．．絕緣體

340．．．上表面

350．．．電極

355．．．電氣連接器

360．．．電壓供應導線

365．．．電氣接觸

370．．．電壓供應終端

375．．．支撐件

382．．．製程氣體入口

384．．．排氣出口

因此可以詳細瞭解上述本發明之特徵結構的方式，即對本發明更明確的描述，簡短地在前面概述過，可藉由參考實施例來得到，其中某些在附圖中示出。但應注意的是，附圖僅示出本發明之一般實施例，因此不應視為係對其範圍之限制，因為本發明可允許其他等效實施例。

第1圖示出根據本發明之一實施例的電漿反應器；

第2A-B圖示出根據本發明之一或多個實施例的半導體結構之製造階段；

第3圖示出用於本發明之一實施例的靜電夾盤；

第4圖示出包含一對流氣源的電漿反應器腔室；

第5圖示出利用先前技藝之電漿氧化製程形成的氧化物層；以及

第6A-6B圖示出利用根據本發明之一或多個實施例之電漿氧化製程形成的氧化物層。

10．．．腔室

11．．．反應器

12．．．側壁

14．．．頂板

16．．．線圈天線

18．．．第一阻抗匹配網絡

20．．．RF功率產生器

22．．．閘極

26．．．基材支撐座

27．．．半導體基材

28．．．氣體注入系統

29．．．冷卻氣體輸送系統

30．．．真空幫浦

32．．．氧氣瓶

34．．．加熱器

34a、34b．．．加熱元件

36．．．脈衝產生器

38．．．節流閥

39．．．離子產生區

62．．．氫氣瓶

64、66、68．．．流量控制閥

70．．．惰氣瓶

80．．．冷卻流量控制閥

82．．．冷卻氣源

Claims (14)

1. 一種在一半導體基材上處理一氧化物層的方法，其包含：將一欲氧化的基材置於具有一離子產生區的一電漿反應腔室內之一基材支撐件上；通入一製程氣體至該腔室內；以及在該電漿反應腔室的離子產生區內產生一電漿，以在該基材上形成一氧化物層，該離子產生區在該基材上方上升之距離係大於約2公分，該氧化物層具有一水平表面厚度及一側壁厚度，同時主動冷卻該基材至約-50℃至100℃範圍內的溫度。
2. 一種在一半導體基材上形成一氧化物層的方法，其包含：將一欲氧化的基材置於一電漿反應器之一腔室內之一基材支撐件上，該腔室具有一離子產生區；通入一製程氣體至該腔室內；以及在該腔室之該離子產生區內產生一電漿，其中該腔室之該離子產生區自該基材上升之距離係大於約2公分，以在該基材上形成一氧化物層，同時主動冷卻該基材至低於約100℃的溫度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基材溫度在該氧化物層形成期間係經主動冷卻至約0℃至50℃範圍內的溫度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中主動冷卻該基材溫度包含使一冷卻劑流動通過該基材支撐件。
5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該基材支撐件包含一表面，其具有複數個冷卻導管，並且主動冷卻該基材溫度包含使該基材與該基材支撐件的表面接觸。
6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該基材支撐件更包含一系列通道，其供應一冷卻劑至該等冷卻導管。
7. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中主動冷卻該基材溫度包含流動一對流氣體至該反應腔室內。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該對流氣體包含氦氣。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該對流氣體包含約500sccm至約3000sccm範圍內的流速。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中該電漿包含一氧物種，並且主動冷卻該基材增加該氧物種的黏滯係數。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中主動冷卻該基材包含流動一對流氣體至該反應器。
12. 如申請專利範圍第1或2項所述之方法，其中主動冷卻該基材包含在該基材和該基材支撐件之間循環一冷卻劑。
13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該冷卻劑包含氦氣。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該冷卻劑更包含一第二惰氣。