专利名称：避免掺杂介电层内发生掺杂扩散的接触窗回火的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的接触窗回火(Contact Anneal)的方法，特别是涉及一种避免掺杂(Doped)介电层内发生掺杂扩散(Dopant Diffusion)的接触窗回火的方法。
在建构于一硅基底上的现代半导体器件中，形成在硅基底内的P+型及N+型掺杂区是该器件的基本元件，其必须被连接成特定的结构以形成所需求的电路。该电路必须可以经由传导垫(Conducting Pads)连接至外界，提供测试及连结至包装晶片中的金属接脚。在此电路中，至少有一低阻抗金属层必须被沉积及构图(Patterned)，而形成接触窗(Contacts)和晶片内不同区域间的内连线(Interconnects)。各种金属及金属合金可被用来做此金属层，其中铝金属及铝金属合金被广泛地使用，因为其具有高传导性，低成本及与硅的相容性(Compatibility)。
在典型金属化制作工艺中，首先在晶片(Wafer)上覆盖一绝缘层，限定图案及蚀刻绝缘层而形成接触窗口(Contact Openings)，然后铝金属被沉积和被构图形成接触窗插塞(Plugs)及内连线金属。在亚微米(Sub-Micron)半导体技术中，当最小特征尺寸(Feature Size)变小和元件大小持续地缩小时，接合(例如接触窗插塞)深度的减小，不可避免地导致接面接触电阻增加。当在两种不同的物质之间形成电接触(Electrical Contact)时，在两物质界面的电阻导致一接触电位。将跨接接触窗内两种不同物质界面的平均电阻定义为接触电阻Rc(单位为Ω·cm2)。表面掺杂浓度必须相当高，在亚微米接触窗中才可以实现相当低的接触电阻，且在界面的掺杂浓度必须为定值，才能得到可靠与一致的接触电阻值。
用以形成接触窗或内连线的绝缘物质通常为介电物质，其介电常数(Dielectric Consatnt)接近于1。介电层通常最好为一内层介电材料(Inter-Layer Dielectric；ILD)或多金属介电材料(Poly-Metal Dielectric；PMD)。介电材料可被沉积，被用来平坦化，及被用来限定图案形成硅或多晶硅的接触窗。适合形成接触窗的典型的介电材料，是由厚度约为5000埃-10000埃的硅玻璃膜组成，例如磷硅玻璃(phospho-silicate glass；PSG)或硼磷硅玻璃(boro-phospho-silicate glass；BPSG)。这些材料在温度高于其玻态转变温度(Glass Transition Temperature)时，会发生紧密化(Densified)和再热流(Reflow)，例如温度大约介于700℃与900℃之间。在硅玻璃中加入掺杂离子，是用来降低他们的再热流温度。例如，磷硅玻璃是掺杂磷或含磷有机化合物(例如三甲基磷酸盐；trimethyphosphate；TMP)，硼磷硅玻璃是掺杂含硼及含磷的有机化合物(例如三甲基硼酸盐；trimethylborate；TMB)。介电层再热流是必要的，使得玻璃物质适合覆盖步骤，可充填各种元件线之间的间隙并且使表面更平坦。然而元件尺寸越来越小，例如毫微米(Sub-HalfMicron)元件，玻璃的再热流工艺可能不再适用，取而代之的是化学机械研磨法(Chemical-Mechanical Polishing；CMP)。
在掺杂硅玻璃介电层内形成的接触窗口中，接触窗表面对于掺杂污染(Dopant Contamination)是高敏感的。而需要再热流的介电层，在高温时会发生掺杂污染。由硼磷硅玻璃蒸发出的硼或磷离子，形成掺杂离子污染，导致接触电阻不稳定(Instability)。接触电阻不稳定，更引起半导体元件各种可靠性问题。
因此本发明的主要目的就是提供一种掺杂介电层内接触窗回火的方法，其不具有现有接触窗回火方法的缺点。
本发明的另一目的就是提供一种掺杂介电层内不会发生掺杂扩散问题及接触电阻不稳定的接触窗回火的方法。
本发明更进一步的目的就是提供一种掺杂介电层内接触窗回火的方法，在接触窗回火步骤之前，在接触窗口内提供一帽状(cap)氧化层，用来阻挡掺杂离子扩散。
本发明的另一目的就是提供一种掺杂介电层内接触窗回火的方法，其提供一厚度足够阻挡掺杂离子扩散的帽状氧化层。
本发明的另一目的就是提供一种掺杂介电层内接触窗回火的方法，其提供一厚度足够阻挡掺杂离子扩散的帽状氧化层，并且还足够薄，不至于妨碍该介电层的再热流，形成一具有圆壁角的接触窗。
本发明的再一目的就是在提供一种掺杂介电层内接触窗回火的方法，在回火步骤之前，在接触窗内提供一帽状氧化层，使得再热流工艺后，在接触窗口形成圆形肩部区(round shoulder area)，有利于后续的铝金属溅射工艺(Sputtering Process)。
为达到本发明的上述和其他目的，提出一种避免掺杂介电层内发生掺杂扩散的接触窗回火的方法，其提供一帽状介电材料层，具有防止掺杂离子扩散进入接触窗的能力，且介电材料层的厚度足够厚，以阻止掺杂扩散，并且厚度足够薄，可以允许掺杂介电层再热流。
根据本发明的一优选实施例，一种掺杂介电层内接触窗回火的方法是首先提供一半导体基底，在基底上形成一第一介电层，接着，在第一介电层上沉积一第二介电层，第二介电层至少包括一种掺杂离子且其厚度比第一介电层厚度厚，另外，在第一及第二介电层开一接触窗，然后，沉积一帽状第三介电材料层，其具有阻止掺杂离子扩散进入接触窗的能力，最后，以一足以再热流第二介电层的温度，对接触窗实施回火。帽状层的厚度大约介于50埃与600埃之间，最好是介于100埃与300埃之间。掺杂介电层一般是由磷硅玻璃或硼磷硅玻璃材料所形成，其大约以700℃至900℃温度实施再热流。帽状层优选是等离子增强(plasma enhanced；PE)沉积的四乙氧基硅烷/臭氧(TEOS/O3)的氧化层。
为使本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下面特举一优选实施例，并配合附图作详细说明。附图中
图1是一种掺杂介电层接触窗口的剖面放大图；图2是图1所示接触窗覆盖一帽状氧化层的剖面放大图；图3是图2所示接触窗在形成帽状氧化层之后，掺杂介电层实施再热流传导的剖面放大图；图4是图3所示接触窗在介电层再热流之后，移除帽状氧化层的剖面放大图；图5A是图4所示接触窗再热流之后，以溅射法沉积金属铝的剖面放大图；图5B是图4所示接触窗再热流后，以化学气相沉积(Chemical VaporDeposition；CVD)法沉积金属钨的剖面放大图；图6是图5A所示接触窗，在金属铝上沉积一等离子增强氧化层的剖面放大图；图7是图6所示接触窗，具有一金属铝层，一等离子增强氧化层，及在氧化层上沉积一旋涂玻璃层的剖面放大图；图8绘示回火后接触电阻与帽状氧化层厚度的关系图。
本发明提供一种避免掺杂介电层内发生掺杂扩散的接触窗回火的方法，首先沉积一帽状氧化介电材料层，其可以阻止掺杂离子扩散进入接触窗，然后对接触窗回火，其回火温度足以再热流掺杂介电层。
对介电层再热流工艺不仅降低表面的不平坦趋势，尚有其他目的。举例来说，在再热流工艺时以大约700℃-900℃的高温传导，高温回火可以修复先前制造步骤使硅基底产生的晶体结构缺陷。因此，介电层的再热流工艺可提供硅基底回火的额外利益，例如硅基底缺陷修复及可获得一更可靠的半导体元件。
介电层进行再热流工艺时，介电层内接触窗变成圆的且变的更小。接触窗口的圆壁角在金属铝溅镀时，使得金属粒子更容易填入接触窗。因为铝具有高沉积率及高产量，金属铝溅射法广泛地被使用，作为沉积金属铝充填接触窗的技术。接触窗口的圆壁角有利于底部覆盖(Floor Coverage)，导致均匀一致的沉积厚度。相反地接触窗洞口的尖锐壁角，导致接触窗充填未完成和空隙的形成。
请参照图1，其绘示在硅基底12上，形成一半导体结构10。为了要得到图1中的半导体结构10，首先在硅基底12上沉积一薄TEOS氧化层14，其作为阻挡层用来防止掺杂离子在后续沉积掺杂介电层16与硅基底12之间扩散。薄TEOS氧化层14厚度大约介于50埃-150埃，而介电层16厚度大约介于5000埃-10000埃。
介电层16是由掺杂介电材料沉积而成，例如以化学气相沉积法沉积磷硅玻璃或硼磷硅玻璃。磷硅玻璃一般是掺杂氢化磷(PH3)或三甲基磷酸盐，而硼磷硅玻璃一般是掺杂三甲基硼酸盐。掺杂离子的功能是为降低介电层再热流所需的温度，温度范围大约为700℃-900℃。再热流或平坦化工艺的使用，使得介电层表面崎岖趋势(topography)降低。
TEOS氧化层14可以由TEOS高温分解形成氧化硅薄膜，其反应类似于硅烷(silane)分解形成多晶硅(polysilicon)。在TEOS液体中通入载气(CartierGas)，通常为氮气等的惰性气体，进行发泡(bubbled)以提供一气体混和物，控制反应室中TEOS的分压。TEOS分子由1个硅原子键结4个乙氧基(OC2H5)组成，其在温度约650℃-750℃时，分解产生二氧化硅(silicondioxide；SiO2)和其他副产物。以低压化学气相沉积(Low Pressure CVD；LPCVD)技术所沉积的TEOS薄膜，具有优良的一致性及阶梯覆盖特性。
然后，以光掩模法限定BPSG掺杂介电层16及TEOS氧化层14的图案，并蚀刻形成接触窗口18。接触窗口18具有一垂直壁22，及接触窗口肩部的一较尖锐壁角24。
在后续接触窗回火工艺时，半导体结构10被置于一温度约700℃-900℃的高温炉中。在此高温状态下，硼和磷掺杂离子从BPSG介电层16快速地扩散进入接触窗口。高温炉回火法需要大约5分钟-60分钟的回火时间，因而引起掺杂离子扩散问题。若是以快速加热法(Rapid Thermal Process；RTP)实施回火，其所需的回火时间很短，所以其掺杂离子扩散问题不会很严重。然而，接触窗口通常形成在高浓度掺杂P型离子(P+)或高浓度掺杂N型离子(N+)有源区(active regions)，硼和磷掺杂离子扩散严重地影响接触电阻。在金属接触窗插塞和BPSG掺杂介电层介面的高浓度掺杂离子，导致接触电阻不稳定，因而造成元件缺乏可靠性。
在BPSG介电层中，在P+有源区的硼掺杂离子效应更严重，而其常被利用来做存储器元件。当半导体元件P+和N+区的接触电阻无法维持稳定时，BPSG层的硼及磷掺杂离子的扩散，造成半导体元件的可靠性问题。
请参照图2至图7，所示为本发明一实施例，一种掺杂介电层内不会发生掺杂扩散问题的接触窗回火的方法。在图2中，以等离子增强TEOS/O3法，在接触窗口18中沉积帽状氧化层30。等离子增强TEOS/O3氧化层通常以低反应温度沉积形成，且其薄膜自然形成气孔。帽状氧化层作为暂时牺牲氧化层，在再热流工艺过程时用来防止掺杂介电层掺杂离子扩散。该帽状氧化层是以等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition；PECVD)法，在250℃的温度沉积形成。帽状氧化层在作为阻挡层功能之后，将被移除。
以700℃-1000℃的温度实施接触窗回火，优选是750℃-950℃，更加是800℃-900℃。这些温度范围对掺杂BPSG介电层，实施再热流时特别适合。回火时间大约介于10分钟-60分钟，优选是介于20分钟-40分钟。回火时必须导入惰性的气体，例如氮气。过程中必须避免氧气存在，因为氧气会引发不想要的周边效应(side effects)。
请参照图3，在对BPSG介电层实施再热流之后，其表面崎岖趋势(并未绘出)变小，并且介电层16的上表面32是平坦的。以本发明实施例接触窗回火的方法的另一好处是，在接触窗口18的肩部形成一圆壁角34。在后来铝溅镀时，圆壁角有利于金属铝填入接触窗口18。扩大的接触窗口18和倾斜侧壁38使得金属铝粒子填入接触窗口18更有效率，其首先填入接触窗口底部，因此避免在接触窗底部或靠近底部形成空隙。相反地，肩部具有尖锐壁角的接触窗口，常常会有不能完全充填的缺陷，而本发明可以避免该缺陷。
因此，本发明掺杂介电层再热流(或平坦化)法，达到三种主要目的。第一，掺杂介电层16的表面崎岖趋势32变小，形成一平坦表面，有利于后续工艺步骤。第二，在接触窗口18肩部形成圆壁角34，使得铝金属溅射法更有效率，完全充填接触窗口18，并且消除间隙的形成或不完全充填的问题。第三，介电层16再热流法，是以700℃-900℃的高温，置于炉中一段时间(约30分钟)，接触窗口18之下的硅基底被回火，有效地修复先前制造步骤引起的缺陷。此方法可以建造更具可靠性的半导体元件。
沉积帽状氧化层的厚度，必须要受到控制，才能满足在接触窗回火过程中，不会有掺杂扩散问题的两项必要条件。首先，为了要使介电层16，在再热流过程中能无阻碍的热流，帽状氧化层的厚度必须维持在一最大值之下，才能使介电层热流没有阻碍，特别是在接触窗口的角区域。帽状氧化层厚度的上限大约为300埃。本要素在工艺中尤其重要，当接触窗口以溅镀法填入金属铝时，倾斜的或圆的壁角区域是非常需要的。第二要件是，帽状氧化层厚度必须要够厚，使其足以阻止掺杂离子扩散。帽状氧化层的最小厚度约为50埃，适以阻止硼和磷离子的扩散。
再请参照图4，其绘示在对掺杂介电层实施再热流或平坦化后，移除牺牲帽状氧化层。利用各向同性(isotropic)蚀刻技术，预金属化(pre-metal)蚀刻过程中，从接触窗口18移除帽状氧化层30(图3)。如果在接触窗中没有帽状氧化层，相同的预金属化蚀刻法可以移除原始氧化层。各向同性蚀刻法通常是以湿蚀刻方式进行，其可以有效地移除所有不要的物质层。
然后请参照图5A，以金属铝溅射法，在接触窗口18沉积一金属铝层42。金属铝的溅镀可以用准直管(collimater)或不用准直管来实现。使用准直管可以使被溅镀铝粒子不致于离散而形成棱角，因此形成更一致的底部覆盖。图5A中，本发明弯曲接触窗口18的肩部区域34，有利于金属铝溅射工艺，使得接触窗口18的底部44完全被金属铝填入，没有空隙形成。
请参照图5A、图6及图7，在金属铝层42的间隙46中，沉积一等离子增强氧化层48。例如典型的0.7微米元件，在等离子增强氧化层48沉积后，可以得到一比较平滑的上表面50。在等离子增强氧化层48上覆盖一旋涂式玻璃(spin-on glass；SOG)层56。旋涂式玻璃法有效地应用在间隙填入和多层金属化工艺中内层介电材料的平坦化。大部分SOG材料是以SiO2为基底的多晶硅氧烷(polysiloxane)。典型应用于前沉积氧化层(例如等离子增强氧化层48)的SOG薄膜，在硅基底之上以液体形式步进间隙填入。在晶片上涂上液体SOG，并且控制旋转速率决定SOG的厚度。然后，以大约400℃的温度固化(cured)SOG薄膜，并且通常回蚀(Etch Back)成平滑表面，为一覆盖氧化薄膜作准备，在该覆盖氧化薄膜上限定第二层金属图案。在进一步的工艺时，覆盖氧化层用来密封及保护SOG层。
再请参照图5B，在半导体结构60的接触窗口18内填入金属钨层64。其中，应当注意介电层16再热流法的不同性。在本发明另一实施例中，以CVD法在接触窗口18内沉积金属钨。然后以不同于金属铝填入实施例的方法，对介电层实施16回火。
一般来说，以适当的导体金属填入接触窗口，例如铝或钨，与第一层金属垂直连接。该金属填入提供无空隙金属柱，且对上层及下层导体形成低接触电阻。金属钨CVD法被用来作接触窗洞的填入，形成介层插塞或接触窗柱。一般是以六氟化钨(WF6)热分解(pyrolitic decomposition)，或以WF6加入氢、硅或硅烷的还原法来实现。典型的热分解法是以近800℃的温度实施，产生钨及氟气体。CVD技术比脱水法(evaporation)或溅射法提供更一致的阶梯覆盖性，及更有效的接触窗洞填入能力，所以CVD法广泛地被使用来沉积金属钨。因此，不采用溅射法来沉积接触窗，使得接触窗口18肩部的尖锐壁角68(图5B)是可以容许的。相对于图2，介电层16再热流时其尖锐壁角24必须消除，并且再热流形成圆的壁角34(图3)。
因此，本发明另一实施例可以使用较厚的帽状氧化层(未绘示于图5B)，与前一实施例(金属铝的溅射)相比，其覆盖接触窗口18且阻挡掺杂离子扩散。例如，当以CVD技术沉积金属钨时，帽状氧化层厚度约为300埃-600埃，阻止BPSG介电层的硼及磷掺杂离子扩散进入接触窗口18。帽状氧化层较厚可防止接触窗口18内尖锐壁角68热流，因此，在介电层16再热流后，尖锐壁角依然存在。然而，由于金属钨CVD法良好的阶梯覆盖及接触窗洞填入能力，所以尖锐壁角并不会影响金属钨的CVD。
前述本发明的优选实施例中，以溅镀法沉积金属铝来填入接触窗口，只能是一薄帽状氧化层，例如约50埃-300埃的厚度，使介电层再热流产生接触窗圆壁角时，也防止掺杂离子扩散进入接触窗。相反地，上述另一实施例中，以CVD法沉积金属钨，其帽状氧化层较厚，例如约300埃-600埃的厚度，覆盖接触窗口，在介电层高温再热流时，防止掺杂离子扩散。该帽状氧化层的厚度使得能防止尖锐壁角68热流，因此再热流后尖锐壁角依然存在。
请参照图8，其绘示接触电阻(接触窗回火之后)与沉积在接触窗口内帽状氧化层厚度的关系图。由图中可知，当帽状氧化层厚度值往上接近110A时，接触电阻快速地减少。在厚度大于110埃并低于320埃时，接触电阻大约维持常数。本发明实施例有效地利用一帽状氧化层来防止掺杂离子扩散，而其不稳定导致接触电阻值在此图中以实例说明。
虽然以上已结合一优选实施例揭露了本发明，但是其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作出各种更动与润饰，因此本发明的保护范围应当由后附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种避免掺杂介电层内发生掺杂扩散的接触窗回火的方法，该方法包括提供一半导体基底；在该基底上，形成一第一介电层；在该第一介电层上，沉积一第二介电层，该第二介电层包括至少一种掺杂离子，其厚度比该第一介电层厚度厚；在该第一及该第二介电层内，开一接触窗；沉积一帽状的第三介电层，其有能力阻止掺杂离子从该第二介电层扩散进入该接触窗；以及以一足以再热流该第二介电层的温度，对该接触窗实施回火。
2.如权利要求1所述的方法，其中该第一介电层可以是氧化层或氮化硅层。
3.如权利要求1所述的方法，其中该第二介电层由硼磷硅酸盐材料形成。
4.如权利要求1所述的方法，其中该第三介电层厚度不少于50埃。
5.如权利要求1所述的方法，其中该第三介电层材料为等离子增强四乙氧基硅烷/臭氧的氧化物。
6.如权利要求1所述的方法，其中还包括移除该第三介电层；以及在该接触窗内，沉积一导电材料。
7.如权利要求6所述的方法，其中该导电材料是以溅镀法沉积的金属铝。
8.如权利要求6所述的方法，其中该导电材料是以化学气相沉积法沉积的金属钨。
9.如权利要求1所述的方法，其中该回火温度至少为700℃。
10.一种不会发生掺杂污染问题的掺杂介电层内接触窗回火的方法，该方法包括提供一硅基底；在该硅基底上，形成一第一介电层；在该第一介电层上，沉积一第二介电层，该第二介电层包括至少一种掺杂离子，其厚度比该第一介电层厚度厚；在该第一及该第二介电层内，开一接触窗；沉积一帽状的第三介电层，其厚度足以阻止掺杂离子扩散进入该接触窗；以及以一足以再热流该第二介电层的温度，对该接触窗实施回火。
11.如权利要求10所述的方法，其中该第一介电层是由四乙氧基硅烷氧化物材料所形成。
12.如权利要求10所述的方法，其中该第二介电层是由一包括硼掺杂离子的硅酸盐玻璃所形成。
13.如权利要求10所述的方法，其中该第二介电层由硼磷硅酸盐材料形成。
14.如权利要求10所述的方法，其中该第三介电层材料为等离子增强四乙氧基硅烷/臭氧的氧化物。
15.如权利要求10所述的方法，其中该第三介电层厚度不少于50埃。
16.如权利要求10所述的方法，其中该帽状层厚度大约介于50埃-600埃，优选是大约介于100埃-300埃。
全文摘要
一种避免掺杂介电层内发生掺杂扩散的接触窗回火的方法,其在接触窗口内沉积作为牺牲阻挡层的氧化层,使得在对掺杂介电层实施高温热流工艺时,氧化层能够防止掺杂离子扩散进入接触窗口,接着,沉积一导电金属进入接触窗口。
文档编号H01L21/70GK1230016SQ9810576
公开日1999年9月29日 申请日期1998年3月23日 优先权日1998年3月23日
发明者吴国彰 申请人:世界先进积体电路股份有限公司