专利名称：沟槽与孔洞的构造及其填充方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体集成电路工艺技术，特别涉及半导体集成电路，如动态随机存取存储器(dynamic random access memory；DRAM)，所形成的无缝隙的(seamless)沟槽与孔洞，及其制造方法。
背景技术：
近年来，随着集成电路集成度的增加，半导体工艺设计亦朝向缩小半导体元件尺寸以提高密度的方向发展，以目前广泛使用的动态随机存取存储器为例，64M DRAM工艺已从0.35μm转换至0.3μm以下，而128M DRAM或256M DRAM则更朝向0.2μm以下发展。
电容器基本上是由隔着一绝缘物质的两导电层表面(即电极板)构成，而电容器储存电荷的能力系三种物理特征决定，即(1)绝缘物质的厚度；(2)电极板的表面积；及(3)绝缘物质的电性质。
其中为了使存储器电路能包含大量的存储单元，存储单元的基底面积必须不断减少以提高密度，同时，存储单元电容的电极板部分则仍必须有足够的表面积以储存充分的电荷。
一般而言，高密度存储器具有两种不同的电容器形成技术，其中一种为三维(three-dimension)的叠层电容(STCstacked capacitor cell)，另一种为沟槽式电容。例如皇冠状(crown)叠层电容结构，其利用硅晶片中存取装置的上方空间来形成电容电极板，而沟槽式电容则利用基底有源区(activeregion)中的沟槽来形成电容储存区。本发明的技术之一则是沟槽式电容技术的延伸。
然而，随着DRAM工艺的持续缩小化，沟槽的孔径大小亦随之缩小，当沟槽的长径比(aspect ratio)大于4∶1时，就被认定为高长径比的沟槽；而当沟槽的长径比大于10∶1时，沟槽的填充将变得愈来愈困难。以传统的沉积方式来填充沟槽时，在沟槽的顶端会有较厚的沉积物，因而阻挡沉积物往沟槽的底部扩散；沉积物因此更加速在沟槽的顶端累积；如此恶性循环，往往在沉积物的内部留下缝隙(seam)或空洞(void)，因此增加了沟槽式电容的阻抗；而在后续的回蚀刻或蚀刻工艺中，蚀刻液更可能会入侵到缝隙或空洞之中，而加大其范围，最严重会使该装置失效，而降低工艺的优良率。
而本发明的特征之一，是提供一无缝隙的沟槽(trench)填充方式及填充物，以解决上述因填充物中的缝隙，而增加沟槽式电容的阻抗，甚至最严重会使装置失效的问题。
即使忽略缝隙所带来的问题，以传统的填充方法所制造出的填充物，都是多晶形式的填充物，由于在晶界(grain boundary)区域，原子不规则的排列，造成载流子移动时的阻碍，而使多晶材料的阻抗较同材质的单晶材料大。
而本发明的特征之二，是提供一单晶结构的填充物，近一步降低沟槽式电容的阻抗。
另一方面，同样的问题也发生在孔洞的填充上。
随着集成电路日趋精密与复杂化，为了能够在有限的芯片表面上制作足够的金属内连线，目前大多采用多层内连线的立体结构方式，以完成各个元件的连接，并以介电层来作为隔离各金属内连线的介电材料。在多重内连导线的工艺中，除了需制作各层导线图案之外，更需藉助接触孔(contact)或孔洞(via)，以作为元件接触区与导线之间，或是多层导线之间联系的通道。
近年来，为配合元件尺寸缩小化的发展以及提高元件操作速度的需求，具有低电阻常数和高电子迁移阻抗的铜金属，已逐渐被应用来作为金属内连线的材质，取代以往的铝金属工艺技术。其中配合铜金属的嵌入式内连线技术不仅可达到内连线的缩小化并且可减少RC时间延迟，同时也解决了金属铜蚀刻不易的问题，因此已成为现今多重内连线主要的发展趋势。
在现今半导体后段金属化工艺中，尽管铜金属的内连线为主要的发展趋势，但是在下层接触孔的填充一般仍是使用钨插塞，以避免破坏底下的半导体元件。虽然钨的阻值较高，不适合做金属连线，但由于钨在高电流密度下有很好的抗电子迁移能力，而且和硅可形成很好的欧姆接触，再加上LP-CVD技术的成功，使钨插塞非常适合用于接触孔与孔洞的填充。
然而，随着半导体工艺的持续缩小化，孔洞的孔径大小亦随之缩小，随着孔洞的长径比持续增加，以CVD法来作钨插塞的沉积时，就如同上述在填充沟槽时，往往在沉积物的内部留下缝隙(seam)或孔洞(void)的问题，会同样的发生。
而本发明的特征之三，是提供一无缝隙、与介电层有良好附着力、以及低阻抗的孔洞填充方式及填充物，以解决上述因填充物中的缝隙而带来的孔洞的高阻抗的问题。
图1A～1C显示现有的沟槽填充步骤。首先，如图1A所示，空沟槽140开孔于半导体衬底100上，填充物150，例如硅，沉积于沟槽的表面上；然后，如图1B所示，随着填充物150不断增厚，在沟槽140的顶端有较厚的填充物150，因而阻挡填充物150往沟槽140的底部扩散；最后，如图1C所示，在填充物150内，留下缝隙142。
美国专利第6,180,480号(Laertis Economikos等人)公开一种填充沟槽的工艺，如图2A～2B所示。在图2A中，空沟槽240开孔于半导体衬底200上，填充物250，例如锗或是硅锗合金，其内有缝隙242；接着如图2B所示，加热半导体衬底200，使填充物250熔化成液体，而使缝隙242被填充物250填满而消失。然而，在此工艺中，填充物250的熔点必须低于半导体衬底200的熔点，以免半导体衬底200被熔化，在材料的选择上因此而受限；且固化后的填充物250仍为多晶材料，其阻抗仍大于同一材质的单晶材料。
图3中，显示现有的钨化学气相沉积法来填充孔洞。在图3A中，孔洞露出覆盖半导体衬底300的介电层310。附着层320沉积于介电层310上与孔洞内。一般而言，附着层320当成钨CVD的形核层(nucleation)使用的附着层，包括氮化钛，其厚度约500～1500，其下厚度为100～500的附着用的薄钛层。然后，钨层360由CVD法沉积，并被回蚀刻，如图3B所示，以形成钨插塞。然而，此工艺系非常复杂、高成本、高孔洞(via)阻抗及对微粒难以控制。甚至，在孔洞的尺寸持续减小，造成孔洞的填满更加困难。
图4中，显示公告号366581的中国台湾专利申请案(顾子琨等人)，所公开的钨插塞的方法，与图3所显示的方法相比较，是以一较薄，厚度为200～500的一硅化物层430，来取代图3中较厚，厚度为600～2000的附着层320，其优点为接触硅化工艺可减少接触阻抗与插塞(plug)阻抗。因使用较薄的附着层，附着层填满小孔洞开口所造成的问题可获得解决。然而随着工艺持续缩小化，上述使用较薄的附着层所带来的效应，很快地就会被抵销。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种有效与具批量生产能力的沟槽与孔洞的构造及其填充方法。
本发明的另一目的在于提供一种无缝隙的沟槽填充方式及填充物，以解决上述因填充物中的缝隙，而增加沟槽式电容的阻抗，甚至最严重会使装置失效的问题。
本发明的又一目的在于提供一种单晶结构的填充物，近一步降低沟槽式电容的阻抗。
本发明的又一目的在于提供一种无缝隙的孔洞填充方式及填充物，以解决上述因填充物中的缝隙，而带来的孔洞的高阻抗的问题。
根据本发明的上述目的，提供一种新的填充沟槽与孔洞的构造与方法。一个半导体衬底上形成有空沟槽，在空沟槽内填入有一单晶体；以及一形成有绝缘层的半导体衬底，在其绝缘层上形成有空孔洞孔，在孔洞孔内，填入有一金属硅化物晶须。在第一实施例中，一硅晶须填入柱状的沟槽内，作为沟槽式电容的电极板；在第二实施例中，一硅晶须填入瓶状的沟槽内，作为沟槽式电容的电极板；在第三实施例中，一金属硅化物晶须填入孔洞内，以导通连接该孔洞上下两层金属导线或导通下层元件或上层金属导线。
而本发明引入一汽-液-固(vapor-liquid-solid)工艺，用以制造在本发明中填充沟槽与孔洞的晶须。该汽-液-固工艺显示于图5中。在图5A中，在衬底500上形成材料570，材料570可以为元素、化合物、或混合物，可溶解其后所要生成的晶须材料的材质；或是含有一材质，可与其后导入的前驱体气体行化学反应，以生成所需的晶须材料。在图5B中，加热衬底500与材料570，并在材料570中导入含有其后所要生成的晶须材质或含有其后所要生成的晶须材质之一前驱体气体(未显示于图中)，使材料570熔化并溶解前驱体气体内含的、或前驱体气体行化学反应所生成的其后所要生成的晶须的材质，成为晶种572。而后形成晶须的方式可分为下列两种(1)在图5C中，持续导入前驱体气体，使其后所要生成的晶须材质溶解于晶种572的溶解度达到过饱和的程度，而于晶种572与衬底500的界面上析出单晶体的晶须580；在图5D中，单晶体的晶须580持续生长，直到反应终止。(2)持续导入前驱体气体，使其后所要生成的晶须材质溶解于晶种572，并与晶种572发生化学反应，以改变晶种572的材质与性质，例如电阻、熔点、或其它性质；一直到晶种572的材质达到工艺所需要的材质后直接固化如图5E所示，成为晶须590，并停止导入前驱体气体。其中晶须580或晶须590的直径控制于晶种572的量以及晶种572与衬底500、晶须580的接触角(contact angle)。因此可以藉由调整晶种572的材质与量，使本发明填充沟槽与孔洞的方法不仅仅适用于柱状的沟槽与孔洞，更能适用于其它各种形状，例如瓶状的沟槽与孔洞。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作详细说明如下图1A～1C与图2A～2B为现有的填充沟槽工艺的剖面图；图3A～3B与图4A～4B为现有的填充孔洞工艺的剖面图；图5A～5E为说明以汽-液-固工艺，来形成用以填充沟槽与孔洞的晶须过程的剖面图；图6A～6F为本发明的第一实施例的剖面图；图7A～7F为本发明的第二实施例的剖面图；以及图8A～8E为本发明的第三实施例的剖面图。
其中沟槽与孔洞的其它构造，例如沟槽的另一电极板与介电层等，因无关本发明的特征而未显示于图中。
附图中的附图标记说明如下100半导体衬底 140空沟槽142缝隙 150填充物200半导体衬底 240空沟槽242缝隙 250填充物300半导体衬底 310介电层320附着层 360CVD钨400半导体衬底 410介电层430硅化物层 460CVD钨500衬底 570材料层572晶种 580晶须
590晶须 600半导体衬底640空沟槽 670晶种层672硅材料层 674金属层680硅晶须 700半导体衬底740空沟槽 770晶种层772硅材料层 774金属层780硅晶须 800半导体衬底840空孔洞孔 870晶种层872硅材料层 874金属层880硅化物晶须具体实施方式
图6A～6F显示本发明的第一实施例中，以汽-液-固工艺在柱状的沟槽内填入单晶体的硅晶须。
现在请参考图6A，显示已形成有空沟槽的半导体衬底的一部分。其中半导体衬底600，优选地由单晶硅所组成。沟槽640从半导体衬底600的表面开孔，延伸至半导体衬底600的内部。
请参考图6B，一硅材料层672以例如化学气相沉积法(chemical vapordeposition；CVD)，以硅甲烷(SiH4)为反应气体，形成于沟槽640的表面上，硅材料层672可以只含有硅，也可以是掺杂有例如砷等的硅。
请参考图6C，一金属层674以例如化学镀法(electroless plating)、物理气相沉积法(physical vapor deposition，PVD)、或金属有机化学气相沉积法(metal organic CVD，MOCVD)形成于硅材料层672的表面上，金属层674的材质可以有以下的选择金、镍、磷、或三者的任意组合。
请参考图6D，以例如快速热处理法(rapid thermal process，RPD)或传统炉管加热法实行热处理，使硅材料层672与金属层674熔化并聚集于空沟槽640的底部，成为晶种670。而晶种670最好足以完全覆盖沟槽640最宽的截面积部分。热处理的温度范围可以是500℃～1500℃。
请参考图6E，将含有硅元素的前驱体气体，例如流量为300SCCM～500SCCM，比例为约5∶1的四氯化硅与氢的混合气体或二碘化硅的气体(未显示于图中)，通入晶种670。此时前驱体气体会行以下反应或而生成硅，溶于晶种670中。溶于晶种670中的硅的溶解度达到过饱和的程度后，便在晶种670与沟槽640的界面上，以固体的形式析出，形成单晶体的硅晶须680。硅晶须680可以只含硅，亦可为固溶有例如砷等掺杂物的硅。
请参考图6F，单晶体的硅晶须680长到需要的量例如填满空沟槽640之后，反应终止，并视需要以例如化学机械抛光法(chemical mechanicalpolishing，CMP)或是干蚀刻法去除晶种670与多余的硅晶须680。
图7A～7F显示本发明的第二实施例中，以汽-液-固工艺在瓶状的沟槽内填入单晶体的硅晶须。
现在请参考图7A，显示已形成有空沟槽的半导体衬底的一部分。其中半导体衬底700，优选地由单晶硅所组成。沟槽740从半导体衬底700的表面开孔，延伸至半导体衬底700的内部。
请参考图7B，一硅材料层772以例如化学气相沉积法，以硅甲烷为反应气体，形成于沟槽740的表面上，硅材料层772可以只含有硅，也可以是掺杂有例如砷等的硅。
请参考图7C，一金属层774以例如化学镀法、物理气相沉积法、或金属有机化学气相沉积法形成于硅材料层772的表面上，金属层774的材质可以有以下的选择金、镍、磷、或三者的任意组合。
请参考图7D，以例如快速热处理法(rapid thermal process，RPD)或传统炉管加热法实行热处理，使硅材料层772与金属层774熔化并聚集于空沟槽740的底部，成为晶种770，而晶种770优选地足以完全覆盖沟槽740最宽的截面积部分。热处理的温度范围可以是500℃～1500℃。
请参考图7E，将含有硅元素的前驱体气体，例如流量为300 SCCM～500SCCM，比例为约5∶1的四氯化硅与氢的混合气体或二碘化硅的气体(未显示于图中)，通入晶种770。此时前驱体气体会进行以下反应或生成硅，溶于晶种770中。溶于晶种770中的硅的溶解度达到过饱和的程度后，便在晶种770与沟槽740的界面上，以固体的形式析出，形成单晶体的硅晶须780。硅晶须780可以只含硅，亦可为固溶有例如砷等掺杂物的硅。
请参考图7F，单晶体的硅晶须780长到需要的量例如填满空沟槽740之后，反应终止，并视需要以例如化学机械抛光法(chemical mechanicalpolishing，CMP)或是干蚀刻法去除晶种770与多余的硅晶须780。
图8A～8E显示本发明的第三实施例中，以汽-液-固工艺在孔洞内填入金属硅化物晶须。
现在请参考图8A，显示已形成有空孔洞孔的半导体衬底的一部分。其中半导体衬底800，优选地由单晶硅所组成。介电层810，包括二氧化硅、硼磷硅酸盐玻璃(boro-phospho silicate glassBPSG)、硼硅酸盐玻璃(boron-silicate glassBSG)、或磷硅酸盐玻璃(phospho-silicate glassPSG)。空孔洞孔840贯穿介电层810，以连接半导体衬底800或下层金属层(未显示于图中)。
请参考图8B，一硅材料层872以例如化学气相沉积法，以硅甲烷为反应气体，形成于空孔洞孔840的表面上。
请参考图8C，一金属层874以例如化学镀法、物理气相沉积法、或金属有机化学气相沉积法形成于硅材料层872的表面上，金属层874的材质可以有以下的选择钴、钛、钨、镍、金、磷、或上述的任意组合。其中所沉积的硅材料层872与金属层874的摩尔数比，例如金属层874为镍时优选地为约1∶1，但是金属可稍多于硅3％～6％左右，且沉积的硅材料层872与金属层874的总体积优选为约占空孔洞孔840体积的95％～98％。
请参考图8D，以例如快速热处理法或传统炉管加热实行热处理，使硅材料层872与金属层874发生化学反应例如硅化反应，并熔化并聚集于空孔洞孔840内，成为晶种870。而且晶种870优选地足以完全覆盖空孔洞孔840最宽的截面积部分。热处理的温度范围可以是500℃～1500℃。
将含有硅元素的前驱体气体，例如流量为300SCCM～500SCCM，比例为约5∶1的四氯化硅与氢的混合气体或二碘化硅的气体(未显示于图中)，通入晶种870。此时前驱体气体会进行以下反应或生成硅，溶于晶种870中，参与晶种870中的金属成分的化学反应例如硅化反应，改变晶种870中的金属硅化物的性质，例如电阻、熔点以及其它性质，并使晶种870成长到所需要的量。而上述过程亦可以逆向处理，亦即先使硅化物中的硅含量稍多于金属，在通入金属气体使晶种870成长到所需要的量。
请参考图8E，晶种870中的金属硅化物的成分达到所需要的成分之后，晶种870便立即固化，形成金属硅化物晶须880，并停止导入前驱体气体，并视需要以例如化学机械抛光法或是干蚀刻法多余的金属硅化物晶须880。金属硅化物晶须880的材质可以择自钴的硅化物、钛的硅化物、钨的硅化物、镍的硅化物；或上述金属任意组合的金属硅化物。
本发明以一晶须，填充于沟槽与孔洞中。其制造方式，是以汽-液-固工艺，在沟槽内长出可固溶有例如砷等掺杂物的单晶体硅晶须；在孔洞内长出金属硅化物晶须。在汽-液-固工艺中，晶须硅直接以固体的形式在沟槽或孔洞的底部生成，因此可在沟槽与孔洞内长出无缝隙的填充物，不但能够解决因沟槽与孔洞的尺寸不断缩小，所带来的填充困难的问题，且以单晶填充物取代传统的多晶填充物，更能进一步降低沟槽式电容的阻抗。
虽然本发明已以其优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种填充沟槽的方法，适用于一形成有空沟槽的半导体衬底，包括下列步骤(a)于该空沟槽表面上，形成一第一材料；(b)于形成有该第一材料的该空沟槽表面上，形成一第二材料；(c)施行热处理，将形成于该空沟槽表面上的该第一材料与该第二材料熔化、聚集于该空沟槽的底部，成为一晶种；以及(d)将一前驱体气体通入聚集于该空沟槽的底部的该晶种的表面上，以形成一第三材料填充该空沟槽。
2.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中该空沟槽，还包括一介电层形成于该空沟槽的表面。
3.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(a)中，该第一材料，选自下列所组成的组纯硅材料层、以及掺杂砷的硅材料层。
4.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(b)中，该第二材料的材质，选自下列所组成的组金、镍、以及磷。
5.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(c)中的热处理温度为500℃～1500℃。
6.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(d)中的该前驱体气体，是含有硅元素的气体。
7.如权利要求6所述的填充沟槽的方法，其中该前驱体气体，选自下列所组成的组氢气与四氯化硅的混和气体、以及二碘化硅气体。
8.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(d)中，该第三材料的材质，选自下列所组成的组纯硅、固溶有磷的硅、固溶有砷的硅、以及固溶有磷与砷的硅。
9.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(d)中，该第三材料的结晶型态是晶须。
10.如权利要求1所述的填充沟槽的方法，其中步骤(d)中，还包含除去该第三材料多余的部分与该晶种。
11.一种填充孔洞的方法，适用于一形成有空孔洞孔的半导体衬底，包括下列步骤(a)于该空孔洞孔表面上，形成一硅层；(b)于形成有上述硅材料层的该空孔洞孔表面上，形成一第一材料；(c)施行热处理，使该空孔洞孔表面上的该硅层与该第一材料，发生化学反应，并且熔化、聚集于该空孔洞孔的底部，成为一晶种；以及(d)将一前驱体气体，通入聚集于该空孔洞孔的底部的该晶种的表面上，以形成一第二材料，填充该空孔洞孔。
12.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(b)中，该第一材料的材质，选自下列所组成的组钴、钛、钨、镍、金、以及磷。
13.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(c)中的热处理温度为500℃～1500℃。
14.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(d)中的该前驱体气体，是含有硅原子的气体。
15.如权利要求14所述的填充孔洞的方法，其中该气体，选自下列所组成的组氢气与四氯化硅的混和气体、以及二碘化硅气体。
16.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(d)中，该第二材料的材质，选自下列所组成的组钴的硅化物、钛的硅化物、钨的硅化物、镍的硅化物、以及上述金属任意组合的金属硅化物。
17.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(d)中，该第二材料的结晶型态为晶须。
18.如权利要求11所述的填充孔洞的方法，其中步骤(d)中，还包含除去该第二材料多余的部分。
19.一种无缝隙的沟槽的构造，包含一半导体衬底，其表面上具有一空沟槽；及一单晶体，填充于该空沟槽内。
20.如权利要求19所述的沟槽的构造，其中还包含一介电层，位于该空沟槽内，且介于该单晶体与半导体衬底之间。
21.如权利要求19所述的沟槽的构造，其中上述单晶体是一晶须材料。
22.如权利要求21所述的沟槽的构造，其中该晶须材料的材质，选自下列所组成的组纯硅、固溶有磷的硅、固溶有砷的硅、以及固溶有磷与砷的硅。
23.一种无缝隙的孔洞的构造，包含一形成有介电层的半导体衬底，在其介电层上，具有一空孔洞孔；以及一晶须材料，填充于该空孔洞孔内。
24.如权利要求23所述的孔洞的构造，其中该晶须材料的材质，选自下列所组成的组钴的硅化物、钛的硅化物、钨的硅化物、镍的硅化物、以及上述金属任意组合的金属硅化物。
全文摘要
本发明提供一种沟槽与孔洞的构造及其填充方法，包括以下步骤。首先，提供一半导体衬底，表面形成有一空沟槽或空孔洞孔，于空沟槽表面上，形成一第一材料；于形成有第一材料的空沟槽表面上，形成一第二材料；施行热处理，将形成于空沟槽表面上的第一材料与第二材料熔化、聚集于空沟槽的底部，成为一晶种；以及将一前驱体气体通入聚集于空沟槽的底部的晶种的表面上，以形成一第三材料填充空沟槽。
文档编号H01L21/30GK1490847SQ0214583
公开日2004年4月21日 申请日期2002年10月15日 优先权日2002年10月15日
发明者李兴中, 罗建兴 申请人:茂德科技股份有限公司