專利名稱：Bpsg膜的cvd方法
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明總的來說涉及半導(dǎo)體制造的襯底處理領(lǐng)域，更具體地說，涉及在半導(dǎo)體晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽(borophosphosilicate)玻璃(BPSG)膜的改進的方法和裝置。
相關(guān)技術(shù)的描述在半導(dǎo)體器件的制造中廣泛使用氧化硅(SiO2)作為絕緣層。通常由含氧源與含硅源反應(yīng)通過熱化學(xué)汽相沉積(CVD)或者等離子增強化學(xué)汽相沉積(PECVD)工藝沉積氧化硅膜，所述含氧氣體例如是臭氧(O3)或者氧(O2)。通常，可以通過控制下列一個或者多個參數(shù)控制熱和等離子CVD工藝的反應(yīng)速率溫度、壓力、反應(yīng)物氣體流速和RF功率。
氧化硅膜的一個具體應(yīng)用是作為多晶硅柵級和金屬氧化物(MOS)晶體管的第一金屬層之間的隔離層。由于這種隔離層一般在多級金屬結(jié)構(gòu)中的任意金屬級之前沉積，因此將其稱作前金屬介電(premetaldielectric)(PMD)層。除了具有低應(yīng)力和低污染，對于PMD來說重要的是具有好的平整度和間隙填充特性。
當用作PMD層時，該氧化硅膜沉積在具有較低層的多晶硅柵極/互連層的硅襯底上。硅襯底的表面可以包括隔離結(jié)構(gòu)，例如間隙或者溝槽；和升高的或者成臺階狀的表面，例如多晶硅柵極和互連。最初沉積的膜通常與襯底表面的外形一致，并且在沉積覆蓋金屬層之前一般使其平整化或者平坦化，接著進行光刻步驟。
隨著半導(dǎo)體設(shè)計的發(fā)展，半導(dǎo)體器件的部件尺寸大大地降低了。現(xiàn)在許多集成電路具有跨度上小于半微米的部件，例如溝槽。制造亞微米器件提出了很多挑戰(zhàn)，例如包括以無空隙的方式徹底填充窄間隙/溝槽的能力。如果溝槽寬而淺，用氧化硅玻璃很容易完全填充該溝槽。當溝槽變得更窄而且縱橫比(aspect ratio)(溝槽高度與溝槽寬度之比)增加時，很可能在間隙/溝槽內(nèi)形成空隙(void)。在某些情況下，可以在玻璃回流工藝中填充空隙；然而，當溝槽變得更窄或者使玻璃回流的熱預(yù)算降低時，在低溫下的回流處理過程中空隙沒有被填充的可能性更大。這些空隙是不希望存在的，因為它們會降低每個晶片上的好芯片的產(chǎn)量和器件的可靠性。
許多年來，用液體源例如四乙基原硅酸鹽(TEOS)沉積的摻雜硼和磷(phosphorous)的硅酸鹽膜，如硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)在氧化硅中具有增進的性能，這是由于它們在玻璃回流時具有優(yōu)異的間隙填充能力。此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)BPSG膜在采用玻璃回流步驟中使PMD層平面化的應(yīng)用中具有特殊的用途。這種摻雜的氧化物玻璃層降低了該玻璃層的玻璃轉(zhuǎn)變溫度，并且允許該層軟化和回流，這樣使底層形貌平滑。
然而，現(xiàn)有技術(shù)中摻雜的氧化物玻璃膜沉積和/或回流工藝具有許多限制，包括例如必須在大約800-900℃的相當高溫度下進行膜沉積和/或回流，以試圖完全填充亞微米半導(dǎo)體器件的襯底中的間隙或者空隙?，F(xiàn)有技術(shù)中摻雜的氧化物玻璃膜沉積和/或回流工藝的另一個限制是將硼和磷的摻雜劑濃度保持在低水平，以避免當膜暴露于潮濕環(huán)境時的表面微晶缺陷和吸濕性(hygroscopicity)?，F(xiàn)有技術(shù)中摻雜的氧化物玻璃膜沉積和/或回流工藝的其它限制在于，這些工藝一般需要在體摻雜的硅玻璃膜上沉積未摻雜的硅玻璃(USG)膜(或者輕摻雜硼和磷的玻璃膜)的覆蓋層(capping layer)，以便防止在退火或者回流使膜密實之前吸收環(huán)境中存在的潮氣并滲透進入摻雜的硅玻璃膜中。
亞微米器件中存在的另一個制造方面的挑戰(zhàn)是使集成電路制造工藝中的總的熱預(yù)算最少，以便維持淺結(jié)，并且防止其它原因的金屬接觸結(jié)構(gòu)的退化。減小制造工藝中總的熱預(yù)算的一種方式是將BPSG前金屬介電層的回流溫度降低到大約750℃以下。然而，對于亞微米半導(dǎo)體器件來說，例如具有溝槽的高濃度動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)或者邏輯存儲器，其中溝槽具有高的縱橫比(例如大約6∶1以上)，降低BPSG層的回流溫度而不改變目前的玻璃沉積和/或回流工藝可能不足以按無空隙的方式完全填充窄溝槽。

發(fā)明內(nèi)容
描述了一種在半導(dǎo)體晶片或者襯底上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃膜的方法和裝置。在一個實施例中，該方法由將襯底放置到腔室中開始。該方法由將硅源、氧源、硼源和磷源提供到腔室中繼續(xù)，以便在襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。該方法進一步包括回流形成在襯底上的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
附圖的簡要描述在附圖中通過舉例說明本發(fā)明，但不限制本發(fā)明，其中

圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明實施例在半導(dǎo)體襯底或者晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜的多腔室系統(tǒng)10的舉例示意圖。
圖1B示出了在圖1A的多腔室系統(tǒng)中用于在襯底上沉積摻雜氧化硅層的腔室的示例性實施例。
圖1C示出了在圖1A的多腔室系統(tǒng)中，在沉積氧化硅層之后用于襯底的快速熱處理回流的腔室的示例性實施例。
圖2說明了在圖1A所示的多腔室系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器的存儲器中存儲的系統(tǒng)控制計算機程序體系的示例性實施例。
圖3概括示出了根據(jù)本發(fā)明用于在半導(dǎo)體晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃膜的方法的實施例。
圖4A是在沉積BPSG膜之后襯底的簡化截面圖。
圖4B是根據(jù)圖3的方法，在回流步驟之后具有沉積在其上的BPSG膜的襯底的簡化截面圖。
具體實施例下面描述用于在襯底或者半導(dǎo)體晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜的改進的方法和裝置。在下面的詳細描述中，闡述了大量的具體細節(jié)，以便更徹底地理解本發(fā)明。然而，對于本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然可以實施本發(fā)明而不用這些具體的細節(jié)。在其它情況下，沒有詳細描述公知的器件、方法、工序和單個的元件，以便避免遮蔽本發(fā)明的技術(shù)方案。
圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例、用于在半導(dǎo)體襯底或者晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜的例舉的襯底處理系統(tǒng)的示意圖，所述襯底處理系統(tǒng)例如是多腔室系統(tǒng)10。多腔室系統(tǒng)、還稱作成組工具(cluster tool)具有在其腔室之間處理多個襯底而不用斷開真空并且不必將晶片暴露于多腔室系統(tǒng)10外部的潮濕或者其它污染物的能力。多腔室系統(tǒng)10的優(yōu)點在于，在該多腔室系統(tǒng)10中的不同腔室12a-c、14、16、18可以用于整個工藝中的不同目的。例如，室12a、12b、12c中的每一室都可以用于在半導(dǎo)體晶片/襯底上沉積摻雜硼磷的氧化硅，室14可以用于在襯底上沉積摻雜的氧化硅膜之后進行的快速熱處理(RTP)，例如回流，而另一個室16可以用作RTP之后的襯底冷卻室。其它室18可以用于工藝中的其它目的，例如作為輔助室，例如將襯底裝入多腔室系統(tǒng)10或者從多腔室系統(tǒng)10中取出。在該多腔室系統(tǒng)10中可以不間斷地進行該工藝，這樣防止當在用于工藝的不同部分的各個獨立腔室(不在多腔室系統(tǒng)中)之間傳輸晶片時經(jīng)常出現(xiàn)的晶片污染。在相同的多腔室系統(tǒng)10中進行沉積和加熱步驟能夠更好地控制摻雜的介電膜的厚度、均勻性和濕度。
繼續(xù)參考圖1A，系統(tǒng)控制器80控制襯底處理系統(tǒng)例如多腔室CVD系統(tǒng)10的所有行為。在本發(fā)明的實施例中，系統(tǒng)控制器80包括硬盤驅(qū)動器(存儲器82)、軟盤驅(qū)動器和處理器84。處理器84包含單板計算機(SBC)、模擬和數(shù)字輸入/輸出板、界面板和步進馬達控制器板。CVD系統(tǒng)10的各個部分于限定板、卡座(card cage)和連接器尺寸及類型的Versa Modular Eruopean(VME)標準一致。VME標準還限定了具有16位數(shù)據(jù)總線和2位地址總線的總線結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)控制器80執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，所述系統(tǒng)控制軟件是存儲在計算機可讀介質(zhì)例如存儲器82中的計算機程序。優(yōu)選地，存儲器82是硬盤驅(qū)動器，但存儲器82還可以是其它類型的存儲器。計算機程序包括指示具體工藝的計時、氣體混合物、室壓、室溫、燈功率、底座位置和其它參數(shù)的指令集。當然，也可以使用其它的計算機程序例如存儲在另一個存儲器上的程序來操縱控制器80，所述另一個存儲器例如包括軟盤或者其它適當?shù)尿?qū)動器。使用輸入/輸出設(shè)備86例如CRT監(jiān)視器和鍵盤連接用戶和控制器80。
圖1B和1C示出了用于襯底處理的多腔室系統(tǒng)10中的腔室12a-c、14、16和18的示例性實施例。具體地說，圖1B示出了用于在襯底上沉積摻雜的氧化硅層的腔室，而圖1C示出了在氧化硅層沉積之后用于襯底的快速熱處理(RTP)的腔室。這兩個腔室將在下面詳細討論。
應(yīng)注意，多腔室系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)、設(shè)置、硬件等、也就是圖1B和1C所示的腔室12a-c、14、16、18可以根據(jù)多方面的考慮而變化，包括但不限于特定的亞大氣壓化學(xué)汽相沉積(sub-atmospheric chemicalvapor deposition，SACVD)工藝、半導(dǎo)體制造客戶提出的具體的襯底處理規(guī)格、技術(shù)發(fā)展/優(yōu)化等。因此，不是圖1B和1C所示的所有腔室硬件都可以包含在多腔室系統(tǒng)10中的每個腔室12a-c、14、16和18中。
圖1B是多腔室系統(tǒng)10中的沉積腔室12a-c的示例性表示。參考圖1B，多腔室系統(tǒng)10中的沉積腔室12a-c包括容納真空腔室22、具有氣體反應(yīng)區(qū)24的外罩組件20。在氣體反應(yīng)區(qū)24上面設(shè)置具有穿透孔的氣體分布板26，反應(yīng)氣體通過板26中的穿透孔散布到放置在垂直移動的加熱器28(也稱為晶片支撐基座或者底座)上的半導(dǎo)體晶片或者襯底50上。多腔室系統(tǒng)10進一步包括用于加熱支撐在加熱器28上的晶片50的加熱器/提升組件30。加熱器/提升組件30可控地在下裝載/卸載位置和上處理位置之間移動，所述上處理位置由緊鄰板26的點劃線32表示，如圖1B所示。中心板(未示出)包括用于提供晶片50的位置信息的傳感器。加熱器28包括密封在陶瓷例如氮化鋁中的電阻加熱(resistively-heated)元件。當加熱器28和晶片50處于處理位置32時，它們被沿著多腔室系統(tǒng)10的內(nèi)壁36的腔室襯墊38和環(huán)形泵送管道38圍繞，所述環(huán)形泵送管道38由腔室襯墊34和腔室22的頂部形成。腔室襯墊34的表面起到降低電阻加熱器28(高溫)和腔室壁38之間的溫度梯度的作用，相對于加熱器28，腔室壁38處于極低的溫度下。
通過供應(yīng)線40將反應(yīng)和載體氣體供應(yīng)到氣體混合盒(或者氣體混合匣)42中，優(yōu)選它們在那里混合在一起，并傳送給板26。在優(yōu)選實施例中，反應(yīng)源是液體，這些液體首先通過液體注入系統(tǒng)44氣化，然后和惰性載體氣體例如氦結(jié)合。氣體混合盒42可以是與處理氣體供應(yīng)線40和清潔氣體管道46相連的雙輸入混合盒。一般至少使用一個與氣體出口連接的泵43，以便控制腔室壓力(也就是對腔室的氣體注入)。系統(tǒng)控制器80控制閥(未示出)的操作，以便選擇將這兩種可選擇的氣體源中的哪個輸送給板26，所述板26用于將氣體源散布到真空腔室22中。管道46從一體的遠處的等離子系統(tǒng)48接受清潔氣體。在沉積處理過程中，供應(yīng)給板26的氣體排向晶片50的表面，在那里，該氣體可以均勻地徑向地分布在晶片表面上，一般呈層狀流動?？梢詫⑾礈鞖怏w(purging gas)從輸入口或者管(未示出)穿過外殼組件20的底壁輸送到腔室22中。應(yīng)注意，一體的遠處的等離子系統(tǒng)48可以用于周期性的腔室清潔、晶片清潔或者沉積步驟。
轉(zhuǎn)到圖1C，圖1C示出了作為多腔室系統(tǒng)10一部分的腔室14的實施例，所述腔室14用于介電膜沉積之后晶片的快速熱處理(RTP)。下面描述的RTP腔室實施例14包括四個主部件。第一部件由輻射熱源或者燈頭52構(gòu)成。第二和第三部件由溫度測量系統(tǒng)54和驅(qū)動燈頭52的閉環(huán)控制系統(tǒng)56構(gòu)成。第四部件是晶片處理腔室58。利用與半導(dǎo)體處理兼容的材料將高反射率涂層涂覆于腔室底板60。應(yīng)注意，圖1C詳細示出了RTP晶片處理腔室58、燈頭52和溫度測量系統(tǒng)54的部分。
在RTP晶片處理腔室58中設(shè)置用于氣體處理、低壓操作和晶片交換的裝置。在腔室58中，用僅接觸晶片50外邊緣的碳化硅支撐環(huán)62支撐晶片50(用點劃線表示)。該環(huán)安裝在石英圓筒64上，石英圓筒64延伸到腔室底部中，在那里，由軸承(未示出)支撐石英圓筒64。該軸承與用來旋轉(zhuǎn)晶片50和組件(即環(huán)、石英圓筒等)的外部馬達(未示出)磁性耦合。與光纖66連接的溫度測量探針安裝在腔室底部中，如圖1C所示。該RTP腔室系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)提供了靈活性，以便更改腔室材料和設(shè)計，從而適應(yīng)工藝要求和晶片類型，同時輻射熱源和溫度測量及控制系統(tǒng)的設(shè)計保持基本不變。這些部件的詳細描述如下。
在水護套外殼或者組件(water jacket housing or assembly)70中，燈頭52由管68的蜂窩狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，每個管68包含反射器和鎢鹵素?zé)艚M件，形成蜂窩結(jié)構(gòu)光管裝置72。這個準直光管的密排的六角設(shè)置提供了具有高功率密度的輻射能源，和良好的燈的空間分辨率。使用晶片旋轉(zhuǎn)來消除燈與燈的變化，由此不再需要匹配燈的性能。
繼續(xù)參考圖1C，石英窗口74分隔了燈頭52和腔室58。通常，使用大約4毫米(mm)的薄窗口，通過使吸收的熱量最少來減小“熱記憶(heat memory)”。通過與燈頭52接觸冷卻窗口74。對于降低的壓力操作來說，可以用接頭板(adapter plate)(未示出)代替窗口74。
對于在制造環(huán)境中可靠的晶片處理來說，燈頭52設(shè)計的一個重要方面是作為輻射熱源的強度。設(shè)計燈頭系統(tǒng)52使其具有足夠的余量，以便燈72可以在它們的額定功率值以下很好地工作。在這種設(shè)計中使用大量的燈(對于200mm晶片尺寸來說一般具有187個燈)導(dǎo)致燈的冗余。在任意一個區(qū)中，如果燈在工作過程中失效，那么多點閉環(huán)控制將保持溫度設(shè)定點。使用晶片旋轉(zhuǎn)平均了可能出現(xiàn)的局部強度變化，使得不會出現(xiàn)處理性能的降低。
所沉積的BPSG膜的快速熱處理可以在干燥(例如N2或者O2)環(huán)境中、潮濕(例如蒸汽、H2O)環(huán)境中、由H2和O2的原位反應(yīng)形成的潮濕環(huán)境或者其組合(離位(ex-situ))中進行。如圖1C所示，在實施例中，將氫供應(yīng)源76和氧供應(yīng)源78連接到RTP腔室14。
參考圖1A和2，該多腔室系統(tǒng)10進一步包括控制該多腔室CVD系統(tǒng)所有行為的系統(tǒng)控制器80。在本發(fā)明的實施例中，系統(tǒng)控制器80包括硬盤驅(qū)動器(存儲器82)、軟盤驅(qū)動器和處理器84。輸入/輸出設(shè)備86例如CRT監(jiān)視器和鍵盤連接用戶和控制器80。
系統(tǒng)控制器80執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，這種控制軟件是存儲在計算機可讀介質(zhì)例如存儲器82中的計算機程序。優(yōu)選地，存儲器82是硬盤驅(qū)動器，但存儲器82也可以是其它類型的存儲器。計算機程序包括指示具體工藝的計時、氣體混合物、室壓、室溫、燈功率、底座位置和其它參數(shù)的指令集。當然，也可以使用其它的計算機程序例如存儲在另一個存儲器上的程序來操縱控制器80，所述另一個存儲器例如包括軟盤或者其它適當?shù)尿?qū)動器。
可以使用存儲在存儲器82中并且由控制器80執(zhí)行的計算機程序進行用于沉積和回流(即退火)高摻雜的BPSG膜的工藝?？梢砸匀魏纬Ｒ?guī)的計算機可讀語言例如68000匯編語言、C、C++、Pascal、Fortran或者其它語言寫出計算機程序代碼。利用常規(guī)的文本編輯器將適當?shù)某绦虼a編入單個文件或者多個文件，并且在計算機可用介質(zhì)例如計算機的存儲器系統(tǒng)中存儲和執(zhí)行。如果輸入的代碼文本是高級語言，編譯該代碼，然后將得到的編譯代碼與預(yù)先編譯的窗口程序庫程序的目標代碼鏈接。為了執(zhí)行鏈接的編譯的目標代碼，系統(tǒng)用戶調(diào)用目標代碼，使計算機系統(tǒng)在存儲器中裝載該代碼，CPU從該存儲器讀取和執(zhí)行該代碼以進行程序中確定的任務(wù)。也存儲在存儲器82中的是根據(jù)本發(fā)明在原位沉積和回流摻雜硼磷的非晶或者多晶硅膜所需的工藝參數(shù)，例如反應(yīng)物氣體流速和成分、溫度及壓力。
圖2示出了在圖1A的多腔室系統(tǒng)的系統(tǒng)控制器80的存儲器82中存儲的系統(tǒng)控制計算機程序體系的示例性實施例。該系統(tǒng)控制程序包括腔室管理子程序90。該腔室管理子程序90還控制各個腔室部件子程序的運行，所述腔室部件子程序用于控制執(zhí)行選擇的工藝集所需要的腔室部件的工作。腔室部件子程序的例子是反應(yīng)物氣體控制子程序92。本領(lǐng)域技術(shù)人員很容易理解，根據(jù)在工藝腔室12a-c、14、16、18中希望進行的處理不同，可以包括其它的腔室控制子程序。在工作中，腔室管理子程序90根據(jù)要執(zhí)行的具體工藝集選擇性地安排或者呼叫工藝部件子程序。通常，腔室管理子程序90包括下列步驟監(jiān)視各個腔室部件、基于要執(zhí)行的工藝集的工藝參數(shù)確定需要工作的部件和響應(yīng)于監(jiān)視和確定步驟執(zhí)行腔室部件子程序。
反應(yīng)物氣體控制子程序92具有用于控制反應(yīng)物氣體成份和流速的程序代碼。反應(yīng)物氣體控制子程序92控制安全關(guān)斷閥門的打開/閉合位置，而且升高/降低質(zhì)量流量控制器，以便得到希望的氣體流速。通常，該反應(yīng)物氣體控制子程序92通過打開氣體供應(yīng)線而工作，并且重復(fù)(i)讀取必須的質(zhì)量流量控制器，(ii)將讀取值與從腔室管理子程序90接收的希望流速比較，和(iii)按需要調(diào)整氣體供應(yīng)線的流速。此外，反應(yīng)物氣體控制子程序92包括下列步驟為了不安全的流速，用于監(jiān)視氣體流速的步驟；和當檢測到不安全條件時起動安全的關(guān)斷閥門。
壓力控制子程序94包括用于通過調(diào)整節(jié)流閥的開口尺寸控制腔室12a-c、14、16和/或18中的壓力的程序代碼，設(shè)置該程序代碼以便相對于總的工藝氣流、工藝腔室的尺寸和排出系統(tǒng)的抽吸設(shè)置點壓力將室壓控制到希望的水平。當壓力控制子程序94工作以通過讀取與腔室連接的一個或者多個常規(guī)的壓力參數(shù)測量腔室12a-c、14、16和/或18中的壓力，比較測量值與目標值，從所存儲的與目標壓力對應(yīng)的壓力表得到PID(成比例、積分和微分)值，并且根據(jù)從壓力表得到的PID值調(diào)整節(jié)流閥?？梢赃x擇的是，可以編寫壓力控制子程序94以將節(jié)流閥打開或者關(guān)閉到特定的開口尺寸，由此將腔室12a-c、14、16和/或18調(diào)整到希望的壓力。
燈控制子程序96包括用于控制提供給腔室12a-c和14中的燈的功率的程序代碼，所述燈用來加熱襯底50。還可由溫度參數(shù)調(diào)用燈控制子程序96。燈控制子程序96通過測量指向底座(圖1B中的物品28)的溫度測量設(shè)備的電壓輸出測量溫度，比較測量的溫度與設(shè)定點溫度，增加或者降低施加給燈的功率，以便得到設(shè)定點溫度。
申請人已經(jīng)存儲在原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃膜工藝的程序代碼中。計算機可讀程序包括一些控制氣體傳輸系統(tǒng)的指令，以便將包括硅源氣體、磷源氣體和載體氣體的反應(yīng)物氣體混合物引入腔室中，在位于腔室中的襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。計算機可讀程序進一步包括控制所形成的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層的回流溫度和環(huán)境的指令，以便至少填充襯底中的一個溝槽。
原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜的方法圖3概括示出了根據(jù)本發(fā)明用于在半導(dǎo)體晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜的方法實施例。該方法通常在多個步驟中進行，綜合到幾個主要的工藝步驟。該方法通常包括通過亞大氣壓化學(xué)汽相沉積(SACVD)在襯底上沉積介電膜，例如高濃度硼磷硅酸鹽玻璃(BPSG)膜(圖3中的步驟100)。該方法還可以選擇地包括在該BPSG膜上沉積未摻雜的硅玻璃(USG)覆蓋層(圖3中的步驟200)。接著，該方法包括通過將襯底快速加熱到高于大約600℃的回流溫度對所沉積的BPSG膜層進行快速熱處理(RTP)(圖3中的步驟300)?？梢詾楦鞣N目的快速加熱襯底，例如，為了平整化和/或間隙填充具有高縱橫比的襯底溝槽，對所沉積的介電層進行回流，或者為了使摻雜劑重新分布以在整個膜層中形成均勻的摻雜劑濃度，或者僅為了使BPSG膜密實。RTP之后，在從多腔室系統(tǒng)10中取出襯底之前，可以將襯底冷卻預(yù)定的一段時間(圖3中的步驟400)。
在優(yōu)選實施例中，可以在多個步驟中執(zhí)行該工藝，例如首先在低于大約600℃的沉積溫度下在襯底/晶片上沉積高濃度BPSG膜，然后快速將其上具有BPSG膜的晶片加熱到優(yōu)選大約600℃以上的回流溫度。
BPSG膜的沉積參考圖1A和3，作為步驟100的部分，在具有大約60-75乇壓力的多腔室系統(tǒng)10中通過化學(xué)汽相沉積(CVD)在襯底上沉積高濃度BPSG膜。通過將含磷源和含硼源以及形成氧化硅層常用的含硅源和含氧源引入多腔室系統(tǒng)10的腔室例如腔室12a-c中的一個腔室中，在高于大約300℃的溫度、優(yōu)選大約480℃的溫度下將該高濃度BPSG膜沉積到襯底上。
作為硅源，本發(fā)明的方法優(yōu)選采用四乙基原硅酸鹽(TEOS)，然而，在本發(fā)明范圍內(nèi)可以使用其它的含硅源。在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以采用的含氧源的例子包括臭氧(O3)和氧(O2)。在本發(fā)明的方法中可以使用的含硼源的例子包括三乙基硼酸鹽(TEB)、三甲基硼酸鹽(TMB)及類似的化合物。在本發(fā)明的方法中可以使用的含磷源的例子包括三乙基磷酸鹽(TEPO)、三乙基亞磷酸鹽(TEPi)、三甲基磷酸鹽(TMOP)、三甲基亞磷酸鹽(TMPi)和類似化合物。在優(yōu)選實施例中，該方法采用三乙基硼酸鹽(TEB)作為硼源和三乙基磷酸鹽(TEPO)作為磷源。
參考圖1B和3，通過將腔室22內(nèi)的半導(dǎo)體晶片/襯底50和加熱器28加熱到大約300-600℃的溫度范圍、優(yōu)選大約480℃沉積示例性的BPSG膜/層，并且在整個沉積過程中保持該溫度范圍。將腔室22的壓力保持在大約60-750乇的范圍內(nèi)，優(yōu)選在大約150-250乇的范圍，更優(yōu)選在大約200乇。加熱器28離氣體分布板26大約50-400密耳定位，并且優(yōu)選離板26大約200密耳定位。
應(yīng)該注意到在下面詳細討論中的工藝參數(shù)和值一般可應(yīng)用到容積約為2升的SACVD腔室22中。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到這些工藝參數(shù)和值必須被修改適合其它腔室性能(即容積)，特定制造商的工藝配置和腔室系統(tǒng)/腔室安排，和別的變量。
形成工藝氣體，該工藝氣體包括作為硼源的TEB、作為磷源的TEPO、作為硅源的TEOS和作為氣體氧源的O3。作為液體，通過液體注入系統(tǒng)44使TEB、TEPO和TEOS源氣化，然后在氣體混合盒(或者氣體混合匣)42中與惰性載體氣體例如氦結(jié)合。如上所述，應(yīng)理解，也可以使用其它的硼源、磷源、硅源和氧源。對于200mm的系統(tǒng)，TEB的流速優(yōu)選在大約每分鐘100-300毫克(mgm)的范圍內(nèi)，優(yōu)選大約190mgm。TEPO的流速在大約10-150mgm的范圍內(nèi)，優(yōu)選大約90mgm，取決于想要的摻雜劑濃度，而TEOS的流速在大約200-1000mgm的范圍內(nèi)，優(yōu)選大約600mgm。然后氣化的TEOS、TEB和TEPO氣體與氦載體氣體混合，所述氦載體氣體以大約2000-8000標準立方厘米(sccm)范圍內(nèi)的速率流動，優(yōu)選大約6000sccm的速率。O3形式的氧以大約2000-6000sccm范圍內(nèi)的流速引入，優(yōu)選以大約4000sccm的流速引入。臭氧混合物包含大約5-20重量％(wt％)之間的氧。從氣體分布板26將該氣體混合物引入腔室22中，以便將反應(yīng)氣體提供給襯底表面50，在此熱誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，以便生成想要的膜。
上述條件致使高濃度BPSG膜以每分鐘2000-6000埃(/分鐘)的速率沉積。通過控制沉積時間，可以很容易地控制BPSG膜的沉積厚度。對BPSG膜/層，混合的總的硼和磷的重量百分比濃度大約為10-12％，最終的高濃度BPSG膜中的硼濃度的范圍大約在2-7％，磷濃度范圍大約在2-9％。在一個實施例中，得到的BPSG膜具有大約3wt％的硼濃度和大約9wt％的磷濃度。
圖4A是在制造的中間階段襯底50的簡化截面圖(圖3中的步驟200)。圖4A示出了在襯底的表面上已經(jīng)沉積了BPSG層51之后的襯底50。如圖4A所示，在該制造階段，在沉積BPSG層/膜51之前，襯底50可以包括在處理步驟中形成的至少一個間隙或者溝槽區(qū)53、55。沉積BPSG層/膜51之后，寬的淺間隙/溝槽53可以被BPSG膜51完全填充。然而，具有高縱橫比(即高度63/寬度65，如圖4A所示)的窄間隙/溝槽55僅部分被BPSG膜51填充，這是因為在區(qū)域57層51已經(jīng)被節(jié)流(pinch off)，留下空隙59。襯底50中的空隙59對于可靠的集成電路制造來說是不可取的，因此在本發(fā)明方法的回流階段(圖3的步驟300)消除空隙59。
參考圖3和4A，可以選擇地用薄的、單獨的、未摻雜的硅玻璃(USG)層61覆蓋所沉積的高濃度BPSG層51(圖3中的步驟200)。該USG覆蓋層61防止高摻雜的BPSG層表面水解。
可以在獨立的處理腔室中從BPSG層51沉積USG層61，但優(yōu)選在也進行BPSG層51沉積的腔室12a-c中進行原位處理。根據(jù)本發(fā)明的實施例，作為本發(fā)明方法的可選擇步驟200的一部分，剛好在沉積完BPSG層之前，通過關(guān)閉硼源和磷源在SACVD腔室12a-c中原位將USG或類似的覆蓋層61形成在摻雜的介電膜例如BPSG膜上。在本實施例中，最初按如上所述形成BPSG層51。然后停止TEB和TEPO摻雜劑源流入真空室22，同時TEOS和O3的熱反應(yīng)再繼續(xù)一段時間，通常再進行大約1-60秒。優(yōu)選，該熱反應(yīng)繼續(xù)大約3-10秒。
所形成的USG覆蓋層61具有大約50-500的范圍內(nèi)的厚度，優(yōu)選在100-200的范圍內(nèi)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識到，根據(jù)具體應(yīng)用和器件的幾何尺寸，可以采用不同厚度的覆蓋層。
進行BPSG回流參考圖1C、3和4A，第三主工藝方框(圖3中的方框300)包括將其上沉積了高濃度BPSG膜51的襯底50(如果襯底50沉積了USG膜61，那么與USG膜61一起)加熱到高于大約600℃的溫度?？梢詾榱烁鞣N目的加熱襯底50，例如為了平整化和/或間隙填充具有高縱橫比的溝槽，對所沉積的介電層進行回流，例如圖4A中的溝槽55(由此消除空隙59)，或者為了從所沉積的摻雜的介電層驅(qū)散摻雜劑。
可以利用快速熱處理(RTP)法或者常規(guī)的爐子進行這種加熱，例如可以在干燥(例如N2或者O2)環(huán)境中、潮濕(例如蒸汽、H2O)環(huán)境中、由H2和O2的原位反應(yīng)形成的潮濕環(huán)境或者其組合(離位)中進行。在優(yōu)選實施例中，利用在由H2和O2的原位反應(yīng)形成的潮濕環(huán)境中進行RTP的方法進行圖3的步驟300。
在本發(fā)明方法的實施例中，RTP回流步驟300可以由將其上具有高濃度BPSG膜51的襯底50裝到多腔室系統(tǒng)10的RTP腔室14中或者裝入其中可以加熱襯底的其它類型的襯底處理腔室中開始。在襯底裝載工序過程中，來自氧源78的氧流入RTP腔室14，在腔室14中形成氧環(huán)境。開始通常將RTP腔室14的溫度設(shè)定在大約300℃至650℃的范圍內(nèi)。裝載溫度設(shè)定在700℃以下，以在蒸氣環(huán)境形成前最小化BPSG膜51的密實化。
在襯底50裝入RTP腔室14中之后，經(jīng)過預(yù)定的一段時間，通常經(jīng)過大約30秒至3分鐘的時間，來自氫源76的氫流入RTP腔室14，以便提供蒸汽(H2/O2)環(huán)境。然后將腔室14的溫度從其開始設(shè)定的溫度提高到BPSG層51的回流溫度以上的第二溫度，基于所用的回流溫度、生產(chǎn)量和晶片的易碎性等確定最佳速率?；亓鳒囟韧ǔＴO(shè)定在大約600-1050℃的范圍內(nèi)。在實施例中，將回流溫度設(shè)定在大約600-850℃的范圍內(nèi)，優(yōu)選稍高于大約700℃。在優(yōu)選實施例中，該溫度以20-40℃/秒的速率增加，直到達到希望的溫度，可以使BPSG膜/層流動達5分鐘。對于該子步驟來說實際時間取決于RTP腔室14的最初溫度設(shè)定、回流層51所選擇的溫度、層51的玻璃轉(zhuǎn)變溫度和溫度升高速率等因素。
應(yīng)注意，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解的，給定的BPSG膜層例如膜層51的玻璃轉(zhuǎn)變溫度取決于該層的硼和磷摻雜劑的濃度。在減小該層的回流溫度方面，增加BPSG層的硼濃度是最重要的因素。本發(fā)明的高濃度BPSG膜具有大約2-7wt％范圍內(nèi)的硼濃度、大約2-9wt％范圍內(nèi)的磷濃度和大約10-12wt％的組合摻雜劑濃度(硼和磷)。
一旦達到回流溫度，襯底50就保持在RTP腔室14中，以便回流并且由此使BPSG膜層51平整化。回流工藝通常在大氣壓或者較高壓力下進行，除了施加低壓例如小于20乇的壓力以確保安全操作的原位產(chǎn)生蒸汽的情況，使得BPSG膜層流動，以便通過回流將溝槽55的槽壁處的材料拉入空隙59。通常，根據(jù)回流該層所用的溫度和希望的平整度，回流步驟(圖3中的步驟300)持續(xù)大約5秒鐘至5分鐘范圍內(nèi)的時間。
可以選擇的是，在其它實施例中，在從RTP腔室14卸載襯底50之前，繼續(xù)使氧流動，同時停止氫氣流，以便在僅有氧的環(huán)境中給BPSG膜層51退火。該步驟通常稱作“干退火”步驟，該步驟有助于使層51中的氫和水份最少。優(yōu)選，干退火步驟持續(xù)大約2和10秒鐘。
圖4B是在本發(fā)明方法的回流步驟300之后，其上沉積了BPSG膜51的襯底50的簡化截面圖。注意，在圖4B中沒有示出圖4A所示的可選擇的USG膜層61。如圖4B所示，根據(jù)本發(fā)明的方法，所沉積的BPSG膜層51的回流使BPSG膜51平整化，并且填充高縱橫比溝槽55，由此消除空隙59(圖4A所示)。
使BPSG層51退火或者回流之后，降低RTP腔室溫度，對襯底50進行冷卻步驟(圖3中的步驟400)。在實施例中，可以在真空條件下在多腔室系統(tǒng)10(圖1A所示)的腔室16中進行冷卻步驟400。冷卻步驟400可以從盡可能少的幾分鐘持續(xù)到幾個小時或者幾天?？梢赃x擇的是，可以通過從多腔室系統(tǒng)10取出襯底50并且將其放置在獨立的儲存區(qū)/室(未示出)進行冷卻步驟400，在那里，襯底50將一直儲存到用于IC制造。
預(yù)期根據(jù)本發(fā)明方法的高濃度BPSG層51的沉積和回流會完全填充窄間隙或者溝槽，例如圖4A-4B中的具有大約7∶1至10∶1范圍內(nèi)的縱橫比和溝槽寬度小到0.02微米的溝槽。
上面已經(jīng)描述了用于在半導(dǎo)體晶片上原位形成穩(wěn)定的高濃度硼磷硅酸鹽(BPSG)膜的方法和裝置。盡管已經(jīng)描述了具體實施例，包括具體的裝置、參數(shù)、方法和材料，但當閱讀本公開文獻時，本領(lǐng)域技術(shù)人員對所公開的實施例進行各種修改是顯而易見的。因此，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明而不是限制本發(fā)明，本發(fā)明并不限于所示出的和所描述的具體實施例。
權(quán)利要求
1.一種在襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層的方法，該方法包括在腔室中設(shè)置襯底；將硅源、氧源、硼源和磷源提供到該腔室中，以便在襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層；和回流形成在襯底上的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
2.如權(quán)利要求1的方法，進一步包括在回流形成在襯底上的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層之后，將襯底冷卻預(yù)定的一段時間。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層包括重量百分比大約為2-7％的硼和重量百分比大約為2-9％的磷。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中存在于高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層中的硼和磷的總重量百分比大約為10-12％。
5.如權(quán)利要求1的方法，其中將硅、氧、硼和磷源提供到腔室中，在大約300-600℃范圍內(nèi)的沉積溫度下在襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中在選自干燥環(huán)境、蒸汽環(huán)境、水環(huán)境和由H2和O2的原位反應(yīng)形成的環(huán)境的環(huán)境中，在大約600-1050℃范圍內(nèi)的回流溫度下回流所述高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中硅源是TEOS。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中氧源是O3。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中硼源包括TEB。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中磷源包括TEPO。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中該高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層至少填充一個包含在襯底中的溝槽，所述溝槽具有大約7∶1至10∶1的縱橫比。
12.一種在襯底上形成絕緣層的方法，該方法包括在腔室中提供襯底；提供硅源、氧源、硼源和磷源，以便在襯底上化學(xué)汽相沉積高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層；在高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層上形成未摻雜的硅玻璃的第二絕緣層；和回流沉積在襯底上的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中該高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層包括重量百分比大約為2-7％的硼和重量百分比大約為2-9％的磷。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中存在于高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層中的硼和磷的總重量百分比大約為10-12％。
15.如權(quán)利要求12的方法，其中在選自干燥環(huán)境、蒸汽環(huán)境、水環(huán)境和由H2和O2的原位反應(yīng)形成的環(huán)境的環(huán)境中，在大約600-1050℃范圍內(nèi)的回流溫度下回流所述高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
16.如權(quán)利要求1的方法，其中硅源是以大約每分鐘200-1000毫克的速率在腔室中流動的TEOS。
17.如權(quán)利要求1的方法，其中硼源是以大約每分鐘100-300毫克的速率在腔室中流動的TEB。
18.如權(quán)利要求1的方法，其中磷源是以大約每分鐘10-150毫克的速率在腔室中流動的TEPO。
19.如權(quán)利要求1的方法，其中氧源是以大約每分鐘2000-6000標準立方厘米的速率在腔室中流動的O3。
20.如權(quán)利要求1的方法，其中以大約2000-6000/分鐘范圍內(nèi)的速率在腔室中形成該高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
21.如權(quán)利要求12的方法，其中第二絕緣玻璃層具有大約100-200范圍內(nèi)的厚度。
22.一種在至少具有一個溝槽的襯底上沉積絕緣層的方法，該方法包括在大約300-600℃的沉積溫度下和大約60-750乇的亞大氣壓力下，通過將TEOS、O3、TEB和TEPO提供到腔室中，在襯底上化學(xué)汽相沉積高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層，對于大約10-12重量％的硼和磷的總濃度來說，該高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層包括小于或者等于大約7.0重量％的硼和小于或者等于大約9.0重量％的磷；和在大約600-1050℃范圍內(nèi)的回流溫度下回流所沉積的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層，以便用該高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層至少填充襯底中的一個溝槽。
23.如權(quán)利要求22的方法，其中所述至少一個溝槽具有大約4∶1至10∶1的高縱橫比。
24.一種襯底處理系統(tǒng)，包括位于腔室中的襯底保持器；氣體輸送系統(tǒng)，用于將反應(yīng)物氣體混合物引入該腔室中，從而在襯底上沉積絕緣層；與氣體出口連接的泵，用于控制腔室壓力；快速熱退火系統(tǒng)，用于回流沉積在襯底上的該層；控制器，用于控制氣體輸送系統(tǒng)和泵，該控制器還控制快速熱退火系統(tǒng)；和與控制器連接的存儲器，包括其內(nèi)存儲有計算可讀程序以指示襯底處理系統(tǒng)的操作的計算機可讀介質(zhì)，該計算機可讀程序包括用于控制氣體輸送系統(tǒng)以便將反應(yīng)物氣體混合物引入腔室中的指令，所述反應(yīng)物氣體混合物包括硅源氣體、硼源氣體、磷源氣體和載體氣體，以便在位于襯底保持器上的襯底上沉積高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層，用于控制回流溫度以便使所沉積的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層填充襯底中的溝槽的指令。
25.如權(quán)利要求24的襯底處理系統(tǒng)，其中對于大約10-12重量％的硼和磷的總濃度來說，高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層具有大約2-7重量％的硼濃度和大約2-9重量％的磷濃度。
26.如權(quán)利要求24的襯底處理系統(tǒng)，其中在選自干燥環(huán)境、蒸汽環(huán)境、水環(huán)境和由H2和O2的原位反應(yīng)形成的環(huán)境的環(huán)境中，在大約600-1050℃范圍內(nèi)的回流溫度下進行所述回流。
27.如權(quán)利要求24的襯底處理系統(tǒng)，其中該溝槽具有大約4∶1至10∶1的高縱橫比。
全文摘要
一種用于在半導(dǎo)體晶片或者襯底上原位形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃膜的方法和裝置。在實施例中，該方法由將襯底提供到腔室中開始。該方法通過將硅源、氧源、硼源和磷源提供到腔室中以便在襯底上形成高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層繼續(xù)。該方法進一步包括回流形成在襯底上的高濃度硼磷硅酸鹽玻璃層。
文檔編號C23C16/40GK1535328SQ02814855
公開日2004年10月6日 申請日期2002年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月24日
發(fā)明者S·加奈葉, D·A·卡爾, J·T·博拉爾, C·京, Z·袁, S 加奈葉, 博拉爾, 卡爾 申請人:應(yīng)用材料有限公司