专利名称：低温回流介电－氟化硼磷硅玻璃的制作方法
技术领域：
本发明涉及到半导体电子元件及其制造方法，更确切地说是涉及到用作半导体晶片上的基本上无空洞的窄达0.10μm且形状比高达6∶1的层的改进的硼磷硅玻璃，以及包括低于目前建议的制造要求的大约750℃的回流温度下制作玻璃层的方法。
在半导体电子元件的制造中，必须将元件包封在玻璃中，或用玻璃作为层间介电膜。通常，玻璃层是用化学汽相淀积(CVD)方法制作在晶片表面上的SiO2层。由于工业界不断增长的要求，对更精细的电路图形和更高的电路密度的需求使得必须开发改进的玻璃层来使半导体表面在制造工艺中层化。特别关心的是半导体衬底表面的不均匀性，在电路密度和高精度电路图形进一步提高时，变得更为关键。
早期在半导体晶片上制作玻璃层，SiO2层被用作玻璃材料。借助于将诸如硼和/或磷之类的掺杂剂加入到玻璃中，改进了这些氧化物玻璃层，这种掺杂剂降低了熔点并使得有可能对层进行重新加热以软化玻璃，使之回流，以在半导体器件上产生平坦的表面。然而，随着电路密度和对精细电路图形的需求的增加，已经认识到，制备和加工氧化物玻璃膜以填充半导体器件表面上的更为细小的间隙而不在氧化物玻璃层中留下空洞或气泡，是很重要的。
硼磷硅玻璃(BPSG)目前被用作层间介电层，且必须提供窄达0.10μm且形状比高达6∶1的无空洞的结构填充。为了满足这一要求，通常在其约为800-850℃的玻璃转变温度范围内，在淀积之后使BPSG层回流。玻璃转变温度是玻璃的一个重要性质，而为了工艺效率和避免制造工艺中温度对半导体晶片的损伤作用，非常希望回流温度尽可能低。
通常借助于在载气中和在汽相中，使原硅酸四乙酯(TEOS)、磷酸三甲酯(TMP)或磷化氢(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况下进行反应而制造硼和磷掺杂的氧化硅层(BPSG)。此工艺可以在等离子体弧光工艺中，或在具有臭氧的大气压力下(350-600℃)，或用较高温度(例如700-850℃)下的减压工序来进行。通常，较高压力的工艺使用低温工序，例如在400-600℃温度于50-760乇(具有臭氧)下和350-480℃温度于1-10乇下，用反应剂的共同氧化来淀积BPSG。作为变通，可以采用诸如约为0.5-5乇的低压的高温淀积工艺，此工艺在约为700-850℃的温度范围内执行。
广义地说，为了提供窄达0.10μm且形状比高达6∶1的无空洞结构填充，非常希望BPSG在制造工艺中具有低的粘度。借助于提高回流温度，即淀积的玻璃开始流动的温度，通常也称为玻璃转化温度，可以降低BPSG的粘度。借助于提高硼和磷在BPSG中的掺杂剂浓度，也可以降低粘度。此外，玻璃的填充行为是表面张力的函数。掺氟提高了表面张力，从而降低粘度并增强了较低温度下的填充特性。
然而，半导体器件的热聚集被限制在大约800℃下30分钟。因此，对于许多制造情况，回流温度的提高是不可取的。同样，由于过高的掺杂剂浓度在淀积之后导致硼酸或磷酸硼的表面晶体生长，故B2O3和P2O5的掺杂剂浓度被限制在大约5％重量比。由于后续光刻、反应离子刻蚀(RIE)和化学机械抛光(CMP)工艺中的制造和集成问题，表面晶体是不可取的。
在这方面已经授权了许多专利来努力改进BPSG膜。美国专利4791005、4845054、5094984、5104482、5180692、5286681和5354387说明了在半导体衬底上制作BPSG膜的方法。
在欧洲公开号0562625中，公开了可以用诸如包括氟的卤原子之类的非桥键组分来取代BPSG膜的氧原子。这击破了硅原子之间的氧桥键，导致介电膜粘度降低。典型的是用氟取代BPSG膜中的部分氧，从而将介电膜的流动温度降低到约为850℃。
考虑到现有技术的问题和缺陷，因此，本发明的目的是提供一种在诸如半导体晶片之类的衬底上制作硼磷硅玻璃的改进了的方法，此玻璃具有改进了的间隙填充性能和低的回流温度。
本发明的另一个目的是提供一种诸如半导体晶片之类的其上具有硼磷硅玻璃层的衬底，此玻璃具有改进了的间隙填充性能和低的回流温度。
本发明的又一目的是提供一种具有增强的间隙填充能力的硼磷硅玻璃，以提供窄达0.10μm且形状比高达6∶1的无空洞结构填充。
本发明的其它目的和优点将从说明书得到了解。
在本发明中达到了对本技术领域熟练人员而言将是显而易见的上述和其它目的和优点，本发明的第一种情况是在低压化学汽相淀积室中，在诸如半导体晶片之类的衬底上制作增强的掺氟的硼磷硅玻璃(BPSG)的方法，它包含下列步骤在低压化学汽相淀积室中，使由TEOS、诸如FTES(氟三乙氧基硅烷)的含氟的烷氧基硅烷、诸如TEB或TMB和PH3之类的硼和磷掺杂剂、和氧源组成的气态源，在大约650-850℃，最好是720-780℃的温度，和大约0.5-5乇，最好是1-3乇的压力下，进行混合和反应；在淀积室中的半导体衬底上淀积一层掺氟的BPSG；以及在低于大约800℃，最好低于大约750℃的温度下，回流层叠的半导体器件例如10-20分钟有效时间以整平淀积的层。
在本发明的最佳情况下，本方法采用氟源对TEOS的重量比约为0.25∶1-3∶1，最好是0.5∶1-2∶1的由氟源和TEOS组成的气态混合物。在另一个最佳实施例中，反应温度约为720-780℃，而反应压力约为1-3乇。
在半导体器件上制作掺氟的BPSG的最佳方法是在包含圆形反应室的装置中，其中多个器件水平地等距离排列在反应室中并旋转，气态反应剂进行反应。在本发明的极佳情况下，采用交替的分段气流方法，其中由硼组分(例如TEB)、TEOS、氧源(例如O2)、载气(例如N2)和氟源(例如FTES)组成的气态混合物被混合并送入反应室周边处的交替的入口，而含磷掺杂剂组分(例如PH3)、氧源(例如O2)和载气(例如N2)的气态混合物被送入另一些交替的入口。
在本发明的又一种情况下，装置被用来在诸如半导体晶片之类的衬底上制作增强的氟掺杂硼磷硅玻璃，该装置包含低压圆形化学汽相淀积室，它具有气体入口装置和将衬底支持在反应室中的支持装置，最好还具有旋转衬底支持装置的装置；用来向入口装置馈送由原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、硼和磷掺杂剂以及氧源组成的气态源的装置；且其中各气体在反应室中反应并在衬底上淀积氟掺杂的硼磷硅玻璃层。
在本发明的再一种情况下，用本发明的方法和装置来制作其上具有氟掺杂的BPSG(F-BPSG)层的半导体晶片。
在所附权利要求中详细描述了本发明的新颖特点和元件特性。附图仅仅是为了说明的目的，故未按比例绘出。但参照结合附图的详细描述，可最好地理解本发明本身的组织和操作方法，在这些附图中
图1是层叠有本发明BPSG膜的半导体器件的侧视剖面图。
图2是层叠有现有技术的含有空洞的BPSG膜的半导体器件的侧视剖面图。
图3是层叠有现有技术的含有表面晶体的BPSG膜的半导体器件的侧视剖面图。
图4是本发明用来在多个半导体晶片衬底上淀积BPSG膜的反应室装置的俯视图。
在描述本发明的最佳实施例时，将参考图1-4，其中相同的参考号表示本发明的相同的元件。图中本发明的各个元件不一定按比例绘出。
根据本发明，含氟的BPSG绝缘平整层(以下称为F-BPSG)制作在半导体晶片和其它电子元件衬底的表面上。此F-BPSG层的特征是基本上没有空洞和表面晶体，而且是可以在与目前提出的半导体晶片制造工艺相符的相当低的回流温度下容易回流的玻璃层。
此处所用的术语“半导体晶片”意味着包括诸如隆起的引线、沟槽和晶体管等器件之类的晶片表面结构。半导体晶片表面上的结构组成通常所称的“台阶型表面”，表示表面结构在结构之间形成沟槽，包括高形状比沟槽，亦即深度对宽度的比率大于1，例如4∶1或甚至6∶1的沟槽的一种构造。本技术领域熟练人员知道，被层叠的衬底的表面内也可以含有诸如被淀积的玻璃层填充的沟道(或沟槽)。
首先参照图2和3，商业上无法接受的现有技术的集成电路结构显示出其上具有含空洞和/或表面晶体的BPSG层。于是，在图2中，通常示为10的半导体器件包含诸如其表面上有多个隆起的引线12的硅晶片之类的衬底11。隆起的引线12在其间形成一系列的沟道即沟槽14，此沟道必须用BPSG层完全填充，不能有任何明显数量的空洞或表面颗粒。常规涂敷并回流的BPSG层被示为13，在沟槽14中有大量的空洞15。同样，在图3中，在BPSG层13的表面处以及BPSG层的沟槽14中，示出了表面晶体16。
将图2和3与根据本发明方法制得的玻璃层叠半导体晶片的图1进行比较。用本发明的方法，用F-BPSG 22涂敷其上具有一系列隆起的引线12的半导体衬底11。在层中没有可能使晶片在商业上无法接受的明显数量的空洞或表面晶体，且这种类型的玻璃层叠电子元件正是电子制造工业所需的。
本发明的F-BPSG膜层是在本技术领域众所周知的低压化学汽相淀积(LP-CVD)中制得的。在最佳实施例中，反应室为圆形并绕垂直中心轴水平旋转，在水平圆形平台上置有多个硅晶片。工艺气体被注入到反应室中，最好注入到位于反应室周边的一系列入口处。在本发明的最佳情况下，采用了二组反应气体，每组气体被交替地通过一系列入口注入反应室。以下参照图4作进一步讨论。
广义地说，反应剂是由磷和硼掺杂剂、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，通常用来表示氟烷氧基硅烷源)组成的气态源。乙氧基硅烷也可以用二个氟原子取代以形成二氟二乙氧基硅烷。虽然诸如氟乙氧基硅烷的其它氟烷氧基硅烷此处也打算并可以用于工艺中，但为方便起见，下面将只对FTES进行描述。烷氧基族最好是较低的烷氧基，通常是乙氧基。气态反应剂还包括由包括臭氧和氧/臭氧混合物的氧和过氧化氢组成的气态源。诸如氩、氮或氦的载气通常也出现在气体混合物中，而且从工艺操作的观点看是较好的。
硼和磷的气体源可以包含分别含有硼或磷的任何气体。硼和磷源可以含有不妨碍F-BPSG淀积，并在工艺的具体压力和温度范围内能够分解并与TEOS和FTES二者以及氧和/或臭氧发生反应的任何其它材料。硼和磷的这种气态源最好是有机的含硼和含磷气体，它在淀积温度下会分解，而气体组分的剩余部分挥发并被保持反应室真空的真空抽气系统清除。
硼和磷的这种气态源的例子包括硼酸三乙酯(TEB)、硼酸三甲酯(TMB)、磷化氢、磷酸三乙酯(TEP)之类及其混合物。由于所显现的效率，最佳的硼和磷气态源是TEB和磷化氢。
本发明的一个重要特点是，在低压化学汽相淀积(LPCVD)反应室中采用由TEOS和FTES组成的混合物来获得本发明的增强F-BPSG膜层。FTES对TEOS的重量比可以大幅度变化，最好是在大约0.25∶1-3∶1之间，大约0.5∶1-2∶1，例如0.5∶1-1∶1更好。
通常，用本技术领域众所周知的液体注入系统，将气态反应剂源与诸如氮、氩或氦之类的不反应的载气混合。液体注入系统一般利用分立的泵将液体反应剂抽入挥发腔，然后将蒸汽馈至反应室中。这样，若要将一种以上的液体以气态混合物的形式馈至反应室，则各个液体被抽入同一个腔并挥发，然后以气态混合物的形式注入。
气态反应剂和/或蒸发的液体反应剂可以单独地与各个惰性载气混合并分别注入到反应室中。最好的方法是将硼和磷掺杂剂的气态源与恰当的非反应性载气组合成一个气态注入流，而TEOS和FTES组合成另一个气态注入流。氧和/或臭氧反应剂可以与所述二个流中的一个或二者混合。
在本发明的极佳实施例中，由于其显现的效率，形成了二个气态注入流。一个注入流含有磷化氢(或其它磷源)、氧和/或臭氧、以及氮之类的载气。另一个反应剂流含有诸如TEB、TEOS、FTES、氧和/或臭氧、以及氮之类的载气。可以如上所述使用上述的液体注入系统。
本发明所用的最佳真空反应室装置包含圆形装置，其中晶片位于旋转的水平平台的周边。图4示出了此装置的分区情况，它包含一系列注入口，各个上述气体流沿真空反应室的周边交替地注入。于是，如图4所示，示为17的反应室具有均匀地位于反应室平台21的周边的9个晶片10。在反应室周边处示出了表示为18a-18l的许多输入口。如上所述用液体注入系统制备的包含TEB/TEOS/FTES/O2/N2的气态源19，在交替的输入口18a、18c、18e、18g、18i、18k处被引入。含磷化氢/O2/N2的含磷流20如所示被馈送到入口18b、18d、18f、18h、18j、18l。反应室17在淀积工艺过程中如箭头A所示的方向旋转。
本发明的方法包含采用低压化学汽相淀积(LPCVD)工艺以及使用由TEOS和FTES反应剂组成的混合物作为硅源。广义地说，F-BPSG层的反应和淀积是在约为650-850℃的淀积温度和约为0.5-5乇的压力下进行的。在最佳实施例中，采用了约为750-850℃的淀积温度，这在淀积工艺过程中提供了淀积的F-BPSG层的原位回流。由于这一原位回流，可以用同一个淀积/退火温度和同一个硼和磷掺杂剂浓度来填充具有高形状比和例如小于0.10μm的小间隙的晶片窗口。不管所用的淀积条件如何，在淀积之后，可以而且通常是在与进行淀积时所用的同一个LPCVD系统中于750-850℃下，最好是在低于800℃，例如750℃下，执行20分钟的退火。这就提高了工作效率并降低了制造工艺的成本。通常在0.5-5乇，例如1-3乇的低压下进行退火。
已经发现，在同一个淀积温度和同一个退火温度下以同一个硼和磷掺杂剂浓度来制作常规BPSG膜和本发明的F-BPSG膜的比较例子中，本发明的F-BPSG膜提供了无空洞的填充，而BPSG淀积具有大量的空洞，在商业上是无法接受的。
为了得到最高淀积速率而进入淀积室的气态反应剂的总流速，随用于淀积工艺的特定装置的设计和几何形状稍有变化。通常，反应剂的流速被用来提供组分重量比约为2-5％的硼和2-5％的磷的F-BPSG膜。F-BPSG中的氟浓度约为1ppm-1％重量比。
下面的例子被用来描述本发明，但不是用来限制本发明。
例利用Lam Research制造的DSM9800系统，同时处理了9个8英寸的晶片。如图4所示，通过12个注入口交替地注入用液体注入系统制备的TEB/FTES/TEOS/O2/N2混合物和PH3/O2/N2气体混合物。液体的供应速率约为10ml/min(总的液体)。PH3约为每分钟1标准升(slpm)，O2约为2slpm，而N2约为3slpm。
固定晶片的平台在淀积过程中以1-10rpm的速率旋转。系统的压力为2.9乇，而淀积温度为750℃。5分钟之后停止淀积。在同样为2.9乇的反应室中进行20分钟的750℃退火。
淀积的晶片的组分重量比为大约4.5％的P，大约4.5％的B和大约0.1％的F。淀积的晶片呈现平坦的表面而没有明显数量的空洞或表面颗粒。此晶片的特征是其上具有一系列的64兆位器件，器件之间有0.15μm的间隙，而形状比约为4∶1。
虽然结合具体的最佳实施例已经具体地描述了本发明，但显然，对于本技术领域的熟练人员来说，根据前面的描述，可以作出许多的变通、修正和变化。因此认为所附权利要求包罗了所有这些符合本发明范围与构思的变通、修正和变化。
权利要求
1.一种在低压化学汽相淀积室中，在半导体晶片上制作掺氟的硼磷硅玻璃(F-BPSG)的方法，它包含下列步骤在低压化学汽相淀积室中，于大约650-850℃的温度和大约0.5-5乇的压力下，混合并反应由TEOS、氟烷氧基硅烷、硼和磷掺杂剂以及氧源组成的气态源；在反应室中淀积的半导体衬底上，淀积掺氟的BPSG层；以及在低于大约800℃的温度下，使层叠的半导体器件回流一段有效的时间以整平淀积的层。
2.权利要求1的方法，其中氟烷氧基硅烷对原硅酸四乙酯的重量比约为0.25∶1-3∶1。
3.权利要求2的方法，其中氟烷氧基硅烷是氟三乙氧基硅烷。
4.权利要求3的方法，其中反应温度约为720-780℃，而压力约为1-3乇。
5.权利要求4的方法，其中硼源是硼酸三乙酯或硼酸三甲酯，而磷源是磷化氢。
6.权利要求1的方法，其中二个分立的气态注入流被混合并反应，第一流含有磷源、氧和载气，而第二流含有硼源、原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、氧和载气。
7.权利要求6的方法，其中硼源是硼酸三乙酯或硼酸三甲酯，而磷源是磷化氢。
8.一种用权利要求1的方法制得的掺氟的硼磷硅玻璃涂敷的半导体晶片。
9.一种用权利要求6的方法制得的掺氟硼磷硅玻璃涂敷的半导体晶片。
10.一种用来在半导体晶片上制作掺氟的硼磷硅玻璃的装置，它包含低压圆形化学汽相淀积室，它具有气体入口装置、用来将晶片支持在反应室中的支持装置、和用来旋转衬底支持装置的装置；用来将由原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、硼和磷掺杂剂、以及氧源馈送到入口装置的装置；且其中气体在反应室中反应，并在晶片上淀积掺氟的硼磷硅玻璃层。
11.权利要求10的装置，其中反应室具有多个入口装置，二个气态流被引入不同的入口装置，第一流含有磷源、氧和载气，而第二流含有硼源、原硅酸四乙酯、含氟的烷氧基硅烷、氧和载气。
12.权利要求11的装置，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，而磷源是磷化氢。
13.权利要求12的装置，其中含氟的烷氧基硅烷是氟三乙氧基硅烷。
全文摘要
用低压CVD工艺在器件上制作掺氟硼磷硅玻璃(F－BPSG)的装置和方法。F－BPSG玻璃在具有窄达0.10μm的间隙和6∶1的形状比的结构的衬底上,表现为基本上无空洞和无颗粒的层。反应剂气体包括由硼和磷掺杂剂、氧、以及TEOS和FTES的混合物组成的源。在约为750—850℃的温度和1—3乇的压力下淀积。最好于相似的条件下退火,以进一步整平F－BPSG表面。还提供了F－BPSG玻璃和其上有掺氟BPSG层的半导体晶片。
文档编号C03B19/00GK1270935SQ9910512
公开日2000年10月25日 申请日期1999年4月16日 优先权日1999年4月16日
发明者马库斯·基尔绍夫, 阿什马·查克拉瓦蒂, 马西斯·伊尔格, 凯文·A·迈克金利, 桑·V·恩古恩, 迈克尔·J·沙皮罗 申请人:国际商业机器公司, 西门子公司, 兰姆研究公司