[发明专利]高密度等离子体沉积反应室和用于反应室的气体注入环

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种高密度等离子体沉积反应室和用于反应室的气体注入环。

背景技术

芯片加工是一个平面加工的过程，这一过程包含在晶片上生长不同膜层的步骤。随着半导体制造技术的飞速发展，器件的特征尺寸不断缩小，半导体工艺制作中，也常利用增加沉积薄膜层数的方法，在晶片的垂直方向上进行拓展，薄膜工艺已成为半导体制作中的最关键的工艺之一，其工艺质量的好坏不仅会影响到下步工艺能否正常进行，还会影响到器件的电性能和机械性能，进而影响到器件的成品率及产量。薄膜的生长可以通过沉积工艺实现，目前，半导体制造中常用的薄膜沉积工艺是化学气相沉积(CVD，ChemicalVapor Deposition)工艺，该方法是将气态的化学物质输入反应室内，混合发生反应，并在晶片表面上沉积而形成薄膜的。CVD工艺有多种选择，可根据需要形成的薄膜的不同要求来选择其适用的CVD工艺。

其中，对于0.25微米以下工艺，已普遍采用高密度等离子体化学气相淀积(HDP-CVD，High Density Plasma Chemical Vapor Deposition)工艺方法对高深宽比的间隙实行填充，其可在低压得到高密度的等离子体团，具有良好的填孔能力和稳定的沉积质量，已成为主流的填充工艺，常用于在各个薄膜层之间均匀无孔地填充绝缘介质以提供充分有效的隔离保护，如形成浅槽隔离(STI，Shallow Trench Isolation)，金属前绝缘层(PMD)，金属层间绝缘层(IMD)等。

薄膜生长中，衡量形成的薄膜质量的一个重要指标是膜的平整度，然而，随着晶片尺寸不断扩大，在晶片表面形成均匀平整的薄膜的难度也不断增大。尤其对于有填充间隙要求的薄膜形成工艺，即使采用了HDP-CVD方法，为了实现良好的填充质量，避免在间隙中产生夹断(pinch-off)和空洞(Void)，其可适用的工艺条件通常较为苟刻，难以通过调整工艺条件而得到在间隙填充质量和平整度两方面都能达到较高水平的薄膜。为改善这一点，现有的HDP-CVD设备中采用了喷头结构将沉积薄膜时所用的反应气体注入沉积反应室中，使得反应气体能更均匀地分布于反应室中，以实现在不影响其填充质量的前提下，提高薄膜层整体的均匀度和平整度。

HDP-CVD工艺方法中的等离子体是在低压下以高密度混合气体的形式直接接触到反应室中的硅片表面的，其设备主要包括有反应室、真空系统、加热系统、气体供应装置以及用于激发混合气体形成高密度等离子体的RF源等。图1为现有的具有喷头的沉积反应室的部分切除的横剖面示意图，如图1所示，反应室主要包括反应室盖(图中未示出)、反应室侧壁101(图中所示被部分切除)，放置晶片120的静电卡盘110，以及，沿圆周方向安装于反应室侧壁顶部的气体注入环102，且气体注入环102上有多个输送气体的喷头装置105，每一喷头的方向均垂直于反应室壁、平行于静电卡盘110，也就是平行于气体注入环的圆周所在的平面。工作时，与反应室相连的真空系统将反应室抽至低真空状态，加热系统对反应室进行加热至工作温度，沉积时所需的气体通过喷头105喷入反应室中，同时对位于静电卡盘110上的晶片120施加RF偏压，实现薄膜的沉积。但是，由这种现有的HDP-CVD设备所沉积的薄膜，因其反应气体是由反应室的侧向供应的，所以反应室的中心部分的气体密度较高，结果所形成的薄膜的平整度不好。图2为利用现有的HDP-CVD设备生长的薄膜形貌图，如图2所示，晶片中心区域201的膜厚度要明显高于晶片边缘区域202的膜厚度，导致生长薄膜后晶片的表面起伏不平，影响后续工艺的正常进行。

申请号为02131978.2的中国专利申请公开了一种高密度等离子体化学气相沉积设备，该设备将原有的侧壁上的喷气装置废除，而增设一个由外部插入并穿过侧壁，由反应室的顶部中心伸出至反应室内的喷气管，由该喷气管将反应气体散布到反应室内，以获得更均匀的高密度等离子体，改善薄膜的平整度。但是，该种设备的改造较为复杂，需要改动的地方较多。此外，该种改造后的反应室在工作时，仍会在中心位置形成较高的气体密度，形成的薄膜的平整性不会得到明显的改善。

发明内容

本发明提供了一种高密度等离子体沉积反应室和用于反应室的气体注入环，通过对反应室的气体注入环的喷头装置进行优化，使得反应室内的气体等离子体分布更为均匀，提高了形成薄膜的均匀性和平整性。