專利名稱：低溫回流介電－氟化硼磷硅玻璃的制作方法
技術領域：
本發明涉及到半導體電子元件及其制造方法，更確切地說是涉及到用作半導體晶片上的基本上無空洞的窄達0.10μm且形狀比高達6∶1的層的改進的硼磷硅玻璃，以及包括低于目前建議的制造要求的大約750℃的回流溫度下制作玻璃層的方法。
在半導體電子元件的制造中，必須將元件包封在玻璃中，或用玻璃作為層間介電膜。通常，玻璃層是用化學汽相淀積(CVD)方法制作在晶片表面上的SiO2層。由于工業界不斷增長的要求，對更精細的電路圖形和更高的電路密度的需求使得必須開發改進的玻璃層來使半導體表面在制造工藝中層化。特別關心的是半導體襯底表面的不均勻性，在電路密度和高精度電路圖形進一步提高時，變得更為關鍵。
早期在半導體晶片上制作玻璃層，SiO2層被用作玻璃材料。借助于將諸如硼和/或磷之類的摻雜劑加入到玻璃中，改進了這些氧化物玻璃層，這種摻雜劑降低了熔點并使得有可能對層進行重新加熱以軟化玻璃，使之回流，以在半導體器件上產生平坦的表面。然而，隨著電路密度和對精細電路圖形的需求的增加，已經認識到，制備和加工氧化物玻璃膜以填充半導體器件表面上的更為細小的間隙而不在氧化物玻璃層中留下空洞或氣泡，是很重要的。
硼磷硅玻璃(BPSG)目前被用作層間介電層，且必須提供窄達0.10μm且形狀比高達6∶1的無空洞的結構填充。為了滿足這一要求，通常在其約為800-850℃的玻璃轉變溫度范圍內，在淀積之后使BPSG層回流。玻璃轉變溫度是玻璃的一個重要性質，而為了工藝效率和避免制造工藝中溫度對半導體晶片的損傷作用，非常希望回流溫度盡可能低。
通常借助于在載氣中和在汽相中，使原硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三甲酯(TMP)或磷化氫(PH3)和硼酸三甲酯(TMB)或硼酸三乙酯(TEB)在有氧且最好有少量臭氧存在的情況下進行反應而制造硼和磷摻雜的氧化硅層(BPSG)。此工藝可以在等離子體弧光工藝中，或在具有臭氧的大氣壓力下(350-600℃)，或用較高溫度(例如700-850℃)下的減壓工序來進行。通常，較高壓力的工藝使用低溫工序，例如在400-600℃溫度于50-760乇(具有臭氧)下和350-480℃溫度于1-10乇下，用反應劑的共同氧化來淀積BPSG。作為變通，可以采用諸如約為0.5-5乇的低壓的高溫淀積工藝，此工藝在約為700-850℃的溫度范圍內執行。
廣義地說，為了提供窄達0.10μm且形狀比高達6∶1的無空洞結構填充，非常希望BPSG在制造工藝中具有低的粘度。借助于提高回流溫度，即淀積的玻璃開始流動的溫度，通常也稱為玻璃轉化溫度，可以降低BPSG的粘度。借助于提高硼和磷在BPSG中的摻雜劑濃度，也可以降低粘度。此外，玻璃的填充行為是表面張力的函數。摻氟提高了表面張力，從而降低粘度并增強了較低溫度下的填充特性。
然而，半導體器件的熱聚集被限制在大約800℃下30分鐘。因此，對于許多制造情況，回流溫度的提高是不可取的。同樣，由于過高的摻雜劑濃度在淀積之后導致硼酸或磷酸硼的表面晶體生長，故B2O3和P2O5的摻雜劑濃度被限制在大約5％重量比。由于后續光刻、反應離子刻蝕(RIE)和化學機械拋光(CMP)工藝中的制造和集成問題，表面晶體是不可取的。
在這方面已經授權了許多專利來努力改進BPSG膜。美國專利4791005、4845054、5094984、5104482、5180692、5286681和5354387說明了在半導體襯底上制作BPSG膜的方法。
在歐洲公開號0562625中，公開了可以用諸如包括氟的鹵原子之類的非橋鍵組分來取代BPSG膜的氧原子。這擊破了硅原子之間的氧橋鍵，導致介電膜粘度降低。典型的是用氟取代BPSG膜中的部分氧，從而將介電膜的流動溫度降低到約為850℃。
考慮到現有技術的問題和缺陷，因此，本發明的目的是提供一種在諸如半導體晶片之類的襯底上制作硼磷硅玻璃的改進了的方法，此玻璃具有改進了的間隙填充性能和低的回流溫度。
本發明的另一個目的是提供一種諸如半導體晶片之類的其上具有硼磷硅玻璃層的襯底，此玻璃具有改進了的間隙填充性能和低的回流溫度。
本發明的又一目的是提供一種具有增強的間隙填充能力的硼磷硅玻璃，以提供窄達0.10μm且形狀比高達6∶1的無空洞結構填充。
本發明的其它目的和優點將從說明書得到了解。
在本發明中達到了對本技術領域熟練人員而言將是顯而易見的上述和其它目的和優點，本發明的第一種情況是在低壓化學汽相淀積室中，在諸如半導體晶片之類的襯底上制作增強的摻氟的硼磷硅玻璃(BPSG)的方法，它包含下列步驟在低壓化學汽相淀積室中，使由TEOS、諸如FTES(氟三乙氧基硅烷)的含氟的烷氧基硅烷、諸如TEB或TMB和PH3之類的硼和磷摻雜劑、和氧源組成的氣態源，在大約650-850℃，最好是720-780℃的溫度，和大約0.5-5乇，最好是1-3乇的壓力下，進行混合和反應；在淀積室中的半導體襯底上淀積一層摻氟的BPSG；以及在低于大約800℃，最好低于大約750℃的溫度下，回流層疊的半導體器件例如10-20分鐘有效時間以整平淀積的層。
在本發明的最佳情況下，本方法采用氟源對TEOS的重量比約為0.25∶1-3∶1，最好是0.5∶1-2∶1的由氟源和TEOS組成的氣態混合物。在另一個最佳實施例中，反應溫度約為720-780℃，而反應壓力約為1-3乇。
在半導體器件上制作摻氟的BPSG的最佳方法是在包含圓形反應室的裝置中，其中多個器件水平地等距離排列在反應室中并旋轉，氣態反應劑進行反應。在本發明的極佳情況下，采用交替的分段氣流方法，其中由硼組分(例如TEB)、TEOS、氧源(例如O2)、載氣(例如N2)和氟源(例如FTES)組成的氣態混合物被混合并送入反應室周邊處的交替的入口，而含磷摻雜劑組分(例如PH3)、氧源(例如O2)和載氣(例如N2)的氣態混合物被送入另一些交替的入口。
在本發明的又一種情況下，裝置被用來在諸如半導體晶片之類的襯底上制作增強的氟摻雜硼磷硅玻璃，該裝置包含低壓圓形化學汽相淀積室，它具有氣體入口裝置和將襯底支持在反應室中的支持裝置，最好還具有旋轉襯底支持裝置的裝置；用來向入口裝置饋送由原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、硼和磷摻雜劑以及氧源組成的氣態源的裝置；且其中各氣體在反應室中反應并在襯底上淀積氟摻雜的硼磷硅玻璃層。
在本發明的再一種情況下，用本發明的方法和裝置來制作其上具有氟摻雜的BPSG(F-BPSG)層的半導體晶片。
在所附權利要求中詳細描述了本發明的新穎特點和元件特性。附圖僅僅是為了說明的目的，故未按比例繪出。但參照結合附圖的詳細描述，可最好地理解本發明本身的組織和操作方法，在這些附圖中
圖1是層疊有本發明BPSG膜的半導體器件的側視剖面圖。
圖2是層疊有現有技術的含有空洞的BPSG膜的半導體器件的側視剖面圖。
圖3是層疊有現有技術的含有表面晶體的BPSG膜的半導體器件的側視剖面圖。
圖4是本發明用來在多個半導體晶片襯底上淀積BPSG膜的反應室裝置的俯視圖。
在描述本發明的最佳實施例時，將參考圖1-4，其中相同的參考號表示本發明的相同的元件。圖中本發明的各個元件不一定按比例繪出。
根據本發明，含氟的BPSG絕緣平整層(以下稱為F-BPSG)制作在半導體晶片和其它電子元件襯底的表面上。此F-BPSG層的特征是基本上沒有空洞和表面晶體，而且是可以在與目前提出的半導體晶片制造工藝相符的相當低的回流溫度下容易回流的玻璃層。
此處所用的術語“半導體晶片”意味著包括諸如隆起的引線、溝槽和晶體管等器件之類的晶片表面結構。半導體晶片表面上的結構組成通常所稱的“臺階型表面”，表示表面結構在結構之間形成溝槽，包括高形狀比溝槽，亦即深度對寬度的比率大于1，例如4∶1或甚至6∶1的溝槽的一種構造。本技術領域熟練人員知道，被層疊的襯底的表面內也可以含有諸如被淀積的玻璃層填充的溝道(或溝槽)。
首先參照圖2和3，商業上無法接受的現有技術的集成電路結構顯示出其上具有含空洞和/或表面晶體的BPSG層。于是，在圖2中，通常示為10的半導體器件包含諸如其表面上有多個隆起的引線12的硅晶片之類的襯底11。隆起的引線12在其間形成一系列的溝道即溝槽14，此溝道必須用BPSG層完全填充，不能有任何明顯數量的空洞或表面顆粒。常規涂敷并回流的BPSG層被示為13，在溝槽14中有大量的空洞15。同樣，在圖3中，在BPSG層13的表面處以及BPSG層的溝槽14中，示出了表面晶體16。
將圖2和3與根據本發明方法制得的玻璃層疊半導體晶片的圖1進行比較。用本發明的方法，用F-BPSG 22涂敷其上具有一系列隆起的引線12的半導體襯底11。在層中沒有可能使晶片在商業上無法接受的明顯數量的空洞或表面晶體，且這種類型的玻璃層疊電子元件正是電子制造工業所需的。
本發明的F-BPSG膜層是在本技術領域眾所周知的低壓化學汽相淀積(LP-CVD)中制得的。在最佳實施例中，反應室為圓形并繞垂直中心軸水平旋轉，在水平圓形平臺上置有多個硅晶片。工藝氣體被注入到反應室中，最好注入到位于反應室周邊的一系列入口處。在本發明的最佳情況下，采用了二組反應氣體，每組氣體被交替地通過一系列入口注入反應室。以下參照圖4作進一步討論。
廣義地說，反應劑是由磷和硼摻雜劑、原硅酸四乙酯(TEOS)和含氟的烷氧基硅烷，最好是乙氧基硅烷(FTES表示氟三乙氧基硅烷，通常用來表示氟烷氧基硅烷源)組成的氣態源。乙氧基硅烷也可以用二個氟原子取代以形成二氟二乙氧基硅烷。雖然諸如氟乙氧基硅烷的其它氟烷氧基硅烷此處也打算并可以用于工藝中，但為方便起見，下面將只對FTES進行描述。烷氧基族最好是較低的烷氧基，通常是乙氧基。氣態反應劑還包括由包括臭氧和氧/臭氧混合物的氧和過氧化氫組成的氣態源。諸如氬、氮或氦的載氣通常也出現在氣體混合物中，而且從工藝操作的觀點看是較好的。
硼和磷的氣體源可以包含分別含有硼或磷的任何氣體。硼和磷源可以含有不妨礙F-BPSG淀積，并在工藝的具體壓力和溫度范圍內能夠分解并與TEOS和FTES二者以及氧和/或臭氧發生反應的任何其它材料。硼和磷的這種氣態源最好是有機的含硼和含磷氣體，它在淀積溫度下會分解，而氣體組分的剩余部分揮發并被保持反應室真空的真空抽氣系統清除。
硼和磷的這種氣態源的例子包括硼酸三乙酯(TEB)、硼酸三甲酯(TMB)、磷化氫、磷酸三乙酯(TEP)之類及其混合物。由于所顯現的效率，最佳的硼和磷氣態源是TEB和磷化氫。
本發明的一個重要特點是，在低壓化學汽相淀積(LPCVD)反應室中采用由TEOS和FTES組成的混合物來獲得本發明的增強F-BPSG膜層。FTES對TEOS的重量比可以大幅度變化，最好是在大約0.25∶1-3∶1之間，大約0.5∶1-2∶1，例如0.5∶1-1∶1更好。
通常，用本技術領域眾所周知的液體注入系統，將氣態反應劑源與諸如氮、氬或氦之類的不反應的載氣混合。液體注入系統一般利用分立的泵將液體反應劑抽入揮發腔，然后將蒸汽饋至反應室中。這樣，若要將一種以上的液體以氣態混合物的形式饋至反應室，則各個液體被抽入同一個腔并揮發，然后以氣態混合物的形式注入。
氣態反應劑和/或蒸發的液體反應劑可以單獨地與各個惰性載氣混合并分別注入到反應室中。最好的方法是將硼和磷摻雜劑的氣態源與恰當的非反應性載氣組合成一個氣態注入流，而TEOS和FTES組合成另一個氣態注入流。氧和/或臭氧反應劑可以與所述二個流中的一個或二者混合。
在本發明的極佳實施例中，由于其顯現的效率，形成了二個氣態注入流。一個注入流含有磷化氫(或其它磷源)、氧和/或臭氧、以及氮之類的載氣。另一個反應劑流含有諸如TEB、TEOS、FTES、氧和/或臭氧、以及氮之類的載氣。可以如上所述使用上述的液體注入系統。
本發明所用的最佳真空反應室裝置包含圓形裝置，其中晶片位于旋轉的水平平臺的周邊。圖4示出了此裝置的分區情況，它包含一系列注入口，各個上述氣體流沿真空反應室的周邊交替地注入。于是，如圖4所示，示為17的反應室具有均勻地位于反應室平臺21的周邊的9個晶片10。在反應室周邊處示出了表示為18a-18l的許多輸入口。如上所述用液體注入系統制備的包含TEB/TEOS/FTES/O2/N2的氣態源19，在交替的輸入口18a、18c、18e、18g、18i、18k處被引入。含磷化氫/O2/N2的含磷流20如所示被饋送到入口18b、18d、18f、18h、18j、18l。反應室17在淀積工藝過程中如箭頭A所示的方向旋轉。
本發明的方法包含采用低壓化學汽相淀積(LPCVD)工藝以及使用由TEOS和FTES反應劑組成的混合物作為硅源。廣義地說，F-BPSG層的反應和淀積是在約為650-850℃的淀積溫度和約為0.5-5乇的壓力下進行的。在最佳實施例中，采用了約為750-850℃的淀積溫度，這在淀積工藝過程中提供了淀積的F-BPSG層的原位回流。由于這一原位回流，可以用同一個淀積/退火溫度和同一個硼和磷摻雜劑濃度來填充具有高形狀比和例如小于0.10μm的小間隙的晶片窗口。不管所用的淀積條件如何，在淀積之后，可以而且通常是在與進行淀積時所用的同一個LPCVD系統中于750-850℃下，最好是在低于800℃，例如750℃下，執行20分鐘的退火。這就提高了工作效率并降低了制造工藝的成本。通常在0.5-5乇，例如1-3乇的低壓下進行退火。
已經發現，在同一個淀積溫度和同一個退火溫度下以同一個硼和磷摻雜劑濃度來制作常規BPSG膜和本發明的F-BPSG膜的比較例子中，本發明的F-BPSG膜提供了無空洞的填充，而BPSG淀積具有大量的空洞，在商業上是無法接受的。
為了得到最高淀積速率而進入淀積室的氣態反應劑的總流速，隨用于淀積工藝的特定裝置的設計和幾何形狀稍有變化。通常，反應劑的流速被用來提供組分重量比約為2-5％的硼和2-5％的磷的F-BPSG膜。F-BPSG中的氟濃度約為1ppm-1％重量比。
下面的例子被用來描述本發明，但不是用來限制本發明。
例利用Lam Research制造的DSM9800系統，同時處理了9個8英寸的晶片。如圖4所示，通過12個注入口交替地注入用液體注入系統制備的TEB/FTES/TEOS/O2/N2混合物和PH3/O2/N2氣體混合物。液體的供應速率約為10ml/min(總的液體)。PH3約為每分鐘1標準升(slpm)，O2約為2slpm，而N2約為3slpm。
固定晶片的平臺在淀積過程中以1-10rpm的速率旋轉。系統的壓力為2.9乇，而淀積溫度為750℃。5分鐘之后停止淀積。在同樣為2.9乇的反應室中進行20分鐘的750℃退火。
淀積的晶片的組分重量比為大約4.5％的P，大約4.5％的B和大約0.1％的F。淀積的晶片呈現平坦的表面而沒有明顯數量的空洞或表面顆粒。此晶片的特征是其上具有一系列的64兆位器件，器件之間有0.15μm的間隙，而形狀比約為4∶1。
雖然結合具體的最佳實施例已經具體地描述了本發明，但顯然，對于本技術領域的熟練人員來說，根據前面的描述，可以作出許多的變通、修正和變化。因此認為所附權利要求包羅了所有這些符合本發明范圍與構思的變通、修正和變化。
權利要求
1.一種在低壓化學汽相淀積室中，在半導體晶片上制作摻氟的硼磷硅玻璃(F-BPSG)的方法，它包含下列步驟在低壓化學汽相淀積室中，于大約650-850℃的溫度和大約0.5-5乇的壓力下，混合并反應由TEOS、氟烷氧基硅烷、硼和磷摻雜劑以及氧源組成的氣態源；在反應室中淀積的半導體襯底上，淀積摻氟的BPSG層；以及在低于大約800℃的溫度下，使層疊的半導體器件回流一段有效的時間以整平淀積的層。
2.權利要求1的方法，其中氟烷氧基硅烷對原硅酸四乙酯的重量比約為0.25∶1-3∶1。
3.權利要求2的方法，其中氟烷氧基硅烷是氟三乙氧基硅烷。
4.權利要求3的方法，其中反應溫度約為720-780℃，而壓力約為1-3乇。
5.權利要求4的方法，其中硼源是硼酸三乙酯或硼酸三甲酯，而磷源是磷化氫。
6.權利要求1的方法，其中二個分立的氣態注入流被混合并反應，第一流含有磷源、氧和載氣，而第二流含有硼源、原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、氧和載氣。
7.權利要求6的方法，其中硼源是硼酸三乙酯或硼酸三甲酯，而磷源是磷化氫。
8.一種用權利要求1的方法制得的摻氟的硼磷硅玻璃涂敷的半導體晶片。
9.一種用權利要求6的方法制得的摻氟硼磷硅玻璃涂敷的半導體晶片。
10.一種用來在半導體晶片上制作摻氟的硼磷硅玻璃的裝置，它包含低壓圓形化學汽相淀積室，它具有氣體入口裝置、用來將晶片支持在反應室中的支持裝置、和用來旋轉襯底支持裝置的裝置；用來將由原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、硼和磷摻雜劑、以及氧源饋送到入口裝置的裝置；且其中氣體在反應室中反應，并在晶片上淀積摻氟的硼磷硅玻璃層。
11.權利要求10的裝置，其中反應室具有多個入口裝置，二個氣態流被引入不同的入口裝置，第一流含有磷源、氧和載氣，而第二流含有硼源、原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、氧和載氣。
12.權利要求11的裝置，其中含氟的烷氧基硅烷是乙氧基硅烷，硼源是硼酸三乙酯或硼酸三甲酯，而磷源是磷化氫。
13.權利要求12的裝置，其中含氟的烷氧基硅烷是氟三乙氧基硅烷。
全文摘要
用低壓CVD工藝在器件上制作摻氟硼磷硅玻璃(F－BPSG)的裝置和方法。F－BPSG玻璃在具有窄達0.10μm的間隙和6∶1的形狀比的結構的襯底上,表現為基本上無空洞和無顆粒的層。反應劑氣體包括由硼和磷摻雜劑、氧、以及TEOS和FTES的混合物組成的源。在約為750—850℃的溫度和1—3乇的壓力下淀積。最好于相似的條件下退火,以進一步整平F－BPSG表面。還提供了F－BPSG玻璃和其上有摻氟BPSG層的半導體晶片。
文檔編號C03B19/00GK1270935SQ9910512
公開日2000年10月25日 申請日期1999年4月16日 優先權日1999年4月16日
發明者馬庫斯·基爾紹夫, 阿什馬·查克拉瓦蒂, 馬西斯·伊爾格, 凱文·A·邁克金利, 桑·V·恩古恩, 邁克爾·J·沙皮羅 申請人:國際商業機器公司, 西門子公司, 蘭姆研究公司