用于深槽的掺杂硅填充的工艺步骤的制作方法

文档序号:6868645阅读:247来源:国知局
专利名称:用于深槽的掺杂硅填充的工艺步骤的制作方法
技术领域
本发明的实施方式主要涉及以低电阻率、掺杂的α-硅膜填充槽的方法以及深槽电容器的制造。本发明更尤其涉及一种以原位掺杂的α-硅无空隙填充所述深槽结构的方法。本发明的进一步特征为利用平行晶圆处理反应器提供原位掺杂硅膜的有益生产的方法。
背景技术
具有砷(As)浓度从1020/cm3到1021/cm3变化的砷掺杂α-硅膜用于多种半导体器件应用中。所述应用包括字线、位线、连接垫(landing pads)、存储节点/字节线接触塞、ROM器件中的栅极,以及在非易失性存储器中的浮栅极/控制栅极。为了工艺简化、产量和间隙填充控制,关于所述结构的制造优选地使用原位掺杂工艺。与本发明具有特别相关的是在深槽动态随机存取存储器(DRAM)器件中电极的制造中该掺杂硅膜的使用。对于这些膜重要的工艺要求是优越的厚度均匀性、掺杂浓度和面电阻、高掺杂剂活性、低电阻率和良好的膜共形性。
这些槽电极的形成是包括多个工艺步骤的复杂工艺,其包括用于形成嵌入式电容器结构的深槽的填充。参照图3,示出了具有大于25∶1孔径比的填充的深槽结构50(不按比例),其中所处理的晶圆经过多个制造步骤,其包括通过诸如蚀刻的工艺形成深槽。掺杂阱54在邻近槽的多晶硅52中形成,由传统方法(诸如通过以重掺杂硅填充随后热退火以将掺杂剂扩散到晶圆中)制造掺杂阱,以及采用传统的薄膜沉积方法,在壁上形成电容器电介质56,氧化物、氮化物以及氧化物(ONO)层的叠层以排列槽。
其后,通过由掺杂的α-硅60填充深槽,第二电容器电极由低电阻率、掺杂的硅膜形成。一旦填充完槽,可沉积未掺杂的硅的帽层(未示出)并由随后的化学机械研磨(CMP)以平坦化晶圆表面58。从这起,退火晶圆以在整个填充槽的材料中更均匀分布并电激活掺杂剂。在进一步的处理步骤中,电容器与晶圆表面上的其它结构电绝缘,并建立接触连接。
典型地,槽填充已在传统的扩散炉中执行,其可以水平或垂直对齐,这两种对齐方式大部分都以相同的方式操作。通过图示出,在图1中示出了典型的垂直LPCVD(低压化学气相沉积)炉。所示出的炉包括由石英炉10和腔室密封板12组成的腔室,为了承载多个衬底16在该腔室内插入舟14。在原位掺杂硅层形成中,硅烷(SiH4)或其它类似的前驱物、诸如氢气或氮气的载气,以及诸如砷化氢(AsH3)或者磷化氢(PH3)的掺杂剂气体从进气管20通过腔室密封板12进入注气管18。气体经过密封板12并排气口24退出工艺腔室。单独地控制及调整多个加热器元件26以补偿众所周知的随着气体从注气管18流入腔室排气口24的进气浓度的消耗。
由于在该扩散炉中所出现的消耗效应,有必要在甚低气压下操作,一般低于1托,更尤其为在100至200毫托的范围内。另外,将不充分的掺杂剂引入到填充材料中,导致有效用于这些深槽电容器结构中的电阻率过高。然而,假设需要在该低压下操作,膜沉积速度相当低,对于纯净硅的沉积典型为30至200埃每分钟,如果引入掺杂剂气体则为5到30埃每分钟。因此为了实现满意的处理晶圆的每小时产量,需要每次同时处理50到100块以上的晶圆。
在现有技术的扩散炉中,为了增加沉积速度在较高浓度反应气体中的操作导致整个衬底上的非均匀沉积以及衬底之间在沉积速度上的不期望差别。增加流速可以改善在较高压力下的沉积均匀性。然而,增加的气流升高了反应气体压力,触发具有衬底的反应颗粒污染的气相成核。图1的反应器相关的另一缺点包括在内部石英管10和注气管18上的膜沉积。该不必要的沉积降低了接近衬底16的表面处反应原料气浓度的分压,当在管10和注气管18的壁上所沉积的膜剥离并沉积在衬底16上时,并导致减小的沉积速度和所引起的潜在污染。最终,为了弥补从进口到该类型反应器出口的反应化学物质的消耗,在整个衬底负载区建立温度梯度。然而,该梯度的存在引起在多晶硅情形中的另一问题。由于晶粒(grain)尺寸随温度而定,所需的温度梯度将引起在整个负载区域上多晶硅晶粒尺寸变化。多个衬底内衬底之间晶粒尺寸的变化可引起关于随后多晶硅的图案化的问题并导致形成的集成电路的电性能的变化。
相反,单晶圆CVD处理提供相对较宽的工艺窗口。在图2中示出的该反应器包括其上放置衬底28的旋转衬底载体30,该衬底载体装入在具有上石英圆顶32和下石英圆顶34以及相联的腔室壁36的真空密封腔室内。通过上灯38和下灯40加热衬底28。反应气体通过进气口42注入并通过排气口44排出。
单晶圆反应器克服了图1的垂直炉的一些局限。它可在高于垂直LPCVD炉(典型地高于10托)的较高压力下操作并且没有注入管及其相关问题。在诸如美国专利如5,108,792、5,576,059、5,607,724和5,614,257中包括该类型反应器的具体结构。
典型地,期望增加工艺沉积速度原因在于它将导致较高的制造产率以及更重要地,它将减少衬底暴露于高温,即高于600℃的时间。在该较高温度下,经过延长的时间周期的暴露将导致半导体器件结构中的不必要变化,该影响随着器件尺寸变得越来越小将越来越显著。
由于严重降低膜均匀性并减小沉积速度至不期望低值的“中毒”效应,还未证实在扩散炉中用砷(例如,使用砷化氢AsH3)对α-Si膜的原位掺杂有益于生产。在一个方法中,尝试连续的工艺,其中在沉积期间未掺杂的α-Si膜周期性暴露于砷源(诸如砷化氢)中。例如,200nm膜可沉积为50nm×4层,其中在每沉积50nm之后膜暴露于砷化氢。除了与该工艺相关的复杂性,包括在包含砷化氢的基于炉的工艺中不可避免的工艺存储效应,存在不能轻易克服的一对固有限制。对于该工艺,只能实现具有掺杂浓度小于1×1020/cm3的轻掺杂膜,对于下一代深槽填充应用其转变为不期望的高的膜电阻率。另外,对于未掺杂的α-Si,可实现的最大的阶梯覆盖(侧壁膜厚度与场厚度的比率)接近但是不超过100%。相反,单晶圆CVD工艺提供较宽的工艺窗口,并能够以砷原位掺杂。但是,在沉积速度(即,生产量)和阶梯覆盖以及沉积均匀性之间有折衷。然而,对于任一方法,仍没有实现达到阶梯覆盖超过100%的能力。
在深槽电容器(大于10∶1孔径比)的情形下,制造工艺以蚀刻深槽到硅晶圆中开始。例如,90nm工艺,这些槽典型是6-8μm深及0.15μm宽,具有40∶1到高于50∶1的孔径比。在该深槽电容器情形下具有槽的无缝及无空隙填充的特定问题,该问题随着尺寸减小及孔径比变得更大,例如高达70∶1而变得越显著。尤其问题是在槽的上部分中空隙(void)的形成,其中空隙典型地邻近槽的顶部、从顶部约10%-30%向下形成,该空隙的存在妨碍随后接触以及形成电容器结构部分的其它绝缘结构的形成。
对于这些深槽电容器结构的无空隙填充,需要阶梯覆盖超过100%以及更优选地为高达150%的原位AsH3掺杂α-Si膜。然而,目前采用的传统的α-硅工艺只能达到最大为100%的阶梯覆盖,其导致在深槽的上部分中的空隙。另外,高孔径比器件通常是稍微内曲,从而在槽内的一些点处槽的宽度稍微大于在其之上位置处的宽度。除非所沉积膜的阶梯覆盖超过100%,这些结构的无空隙填充是不可能的。
因此,现有的扩散炉和/或单晶圆处理炉的使用仍然存在问题。在扩散炉的情形下,其中砷必须通过扩散机理在晶圆上分布,AsH3反应并且在主要晶圆的外边缘处消耗,从而较强地影响在整个晶圆上的沉积均匀性,并且使其在槽中的所沉积α-硅中非常难以得到充分的As。在单晶圆炉的情形下,为了得到所要求的膜生长速度,以在产率上有竞争力,它们必须在特别高的压力下运行,诸如在50-200托的范围内。然而,在这些压力下,气相成核是个问题,其通过采取相对高的流速可部分抑制。
因此,在具有低电阻率、高质量掺杂的α-硅的深槽电容器制造中,需要有益于工艺的生产深槽的无空隙填充。

发明内容
本发明主要涉及“超填充”工艺,并且依赖于相较于槽内的点通过适当地调节气体流速和腔室压力对于晶圆表面上的点可达到不同的分压和停留时间。相对于槽内的点,如果在槽表面处的砷化氢浓度较高以及气体停留时间较短,则相对于表面,发生的中毒效应导致槽内较高的沉积速度。因此,关键是相对于表面在槽内达到不同的浓度和气体停留时间。
该新颖的深槽超填充或“V”填充工艺利用在图案化衬底上As掺杂非晶硅(α-Si)沉积的选择条件下达到的从深槽顶部到底部AsH3浓度减小的浓度梯度。使用三个参数AsH3/SiH4比率、总气流和压力而优化需要实现足够的AsH3浓度梯度的工艺条件。该AsH3梯度造成从槽顶部到底部沉积速度的相反梯度。结果沿着侧壁所沉积膜的厚度从槽的顶部到底部增加,以及最大沉积发生在底部,其导致超过100%的阶梯覆盖。
由于气体停留时间和分压必须小心控制,该工艺最佳是在高总流量、AsH3的高分压和高总压下操作。高总流量导致在晶圆表面上气体的短停留时间。流经晶圆的对流流量保证足够并连续的砷化氢和硅烷供应到晶圆表面,从而越过晶圆表面的反应物浓度梯度非常小,其对于越过晶圆的膜的良好均匀性是必需的。在槽顶部在晶圆表面上SiH4的短停留时间防止在该处亚甲硅基(SiH2)的形成,从而降低在其位置处未掺杂组分的沉积速度。同时,在槽顶部AsH3的高分压还导致AsH3物质的高表面浓度。这导致在槽顶部低沉积速度和高As浓度。
由于其高粘附系数和该工艺的高总压,相较于SiH4,AsH3扩散到槽中的速度非常低。在槽中SiH4的高浓度及高总压导致在槽内部SiH2高形成速度,同时导致在槽中AsH3的低扩散率,降低表面中毒效应。组合的效应导致在槽底部的高沉积速度同时对应的砷化氢浓度最小。从而,从槽顶部到底部有渐增梯度的膜厚度和逐渐降低梯度的薄膜As浓度。由于在槽底部砷化氢浓度仍然相对较高,所沉积的Si膜用浓度超过1×1020/cm3的砷原位掺杂。
特别地,亚甲硅基比硅烷更活泼。然而,过多的亚甲硅基可增加所沉积膜的表面粗糙度,降低阶梯覆盖并可能开始颗粒的气相成核现象。另外,如果亚甲硅基驱使的沉积进行地过快,不充足的As将结合到槽填充中,并且没有达到可接受级别的As掺杂。在这点上,已经发现在砷化氢/硅烷流体中包括控制量的氢是有益的,氢的存在用于延迟,并因此提供调节亚甲硅基形成的方式。
为了实现有益于产量的生产,一种平行晶圆处理沉积系统,诸如原来由Torrex Equipment公司所售的商品名FlexStarTM,并且现在由Applied Materials所售,可用于本发明的工艺中。FlexStarTM系统的独特机构允许反应器在所需方式中运行,原因在于交叉的晶圆气流使其可能直接控制在晶圆上方的反应物停留时间(供应)。因此,如在典型的扩散炉中一样,不依靠扩散以将反应物提供给晶圆表面的所有部分。由于该特征,因此还防止颗粒的气相成核现象。FlexStarTM沉积系统还结合在等温晶圆环境下用于均匀交叉晶圆气流的多充气室温控垂直喷头注入器,其导致在宽的工艺空间上使未掺杂沉积及均匀原位掺杂α-Si膜沉积的优异的晶圆温度均匀性。在所出版的美国专利6,352,593以及所出版的专利申请US2003/0049372A1中可得到FlexStar平行晶圆处理反应器的详细说明,在此引入以上专利作为参考。


因此以上方式所述本发明的特征可以更详细的理解,将参照实施方式对以上的简单概述的本发明进行更具体的描述,其中在附图中示出了部分实施方式。然而,应当注意附图仅示出了本发明的典型实施方式,并因此不能认为是本发明范围的限定,本发明可允许其他等同的有效实施方式。
图1是现有技术的垂直扩散炉的垂直截面图;图2是现有技术的单晶圆处理炉的垂直截面图;图3是在电容器形成中期无空隙掺杂硅填充的深槽电容器结构的示意图,随后是晶圆表面的CMP;图4是用于得到图3的中间深槽电容器结构的无空隙填充的工艺步骤的流程图;图5是根据本发明的超填充(superfill)方法在掺杂非晶硅部分填充之后未填充的深槽结构的示意图;图6A是如图5所描述的深槽的超填充之后晶圆的截面视图;图6B是采用基线填充工艺的第一填充之后的第二晶圆的视图;图7是图5的结构的示意图,其中采用基线填充工艺已经完成由掺杂非晶硅填充无空隙槽;图8是图7的深槽结构的示意图,其中已经完成α-硅的帽层;图9A-图9G是根据本发明的方法从晶圆处理所得到的实验数据的各个图;图10和图11描述了根据本发明的方法用于无空隙深槽电容器结构的商业生产的FlexStarTM平行晶圆处理反应器的示意图;图12是多腔集成设备的示意图,其基于CA,Santa Clara的应用材料所售的Centura平台,包括两个FlexStarTM反应器。
具体实施例方式
通过本发明可能以原位掺杂非晶硅填充深槽,以及更具体地As掺杂非晶硅膜,而不形成空隙,同时生成高品质、具有大于100%以及高达150%阶梯覆盖、对于300mm具有<±2%到<±5%WIW(在晶圆内)非均匀度以及至少1×1020/cm3砷浓度的所沉积膜。另外,在多晶圆处理情形下,诸如以下文中所描述的在FlexStar腔室内完成,可一次处理多达26-51片晶圆。
在深槽电容器结构的制造中,高孔径比的槽首先在单晶晶圆中形成,该槽具有25-50∶1或者更高的孔径比,诸如对于更小的临界尺寸结构可能必需的。参照图4和图5,为了提供无空隙槽填充,填充次序实施为多步分开步骤。开始,提供其中蚀刻深槽到单晶硅晶圆52中的部分处理的晶圆(步骤101),As掺杂阱54围绕槽,并且槽的阱由薄ONO层56涂覆。可选地,在槽填充之前,未掺杂的α-硅薄层沉积到槽中(步骤102),该层作为阻挡层,以防止在随后的热退火期间As迁移到ONO/α-硅界面中。该阻挡层沉积为在数到100之间的厚度。对于约50厚度的典型的阻挡层,以约50每分钟的沉积速度,沉积时间将为约1分钟。
首先,在本发明的超填充步骤104中,原位掺杂(ISD)硅60沉积在槽中,控制AsH3/SiH4的比率从而得到“V”形填充轮廓。该步骤通常可在从520℃到570℃范围内的温度T1以及对于给定的AsH3/SiH4比率可从0.5到10托范围内变化的压力P1,在适宜的LPCVD反应器中实施。在该步骤中沉积速度一般在1和10/min之间变化。如以下所述,对以典型的配方,可以实现约3/min的沉积速度。
参照图5,其描述了填充次序第一步骤的结果。为了影响槽的原位掺杂α-硅的填充,与砷化氢混合的硅烷以及用作载气的氮和/或氢引入到腔室中。特别地,对于特定的砷化氢与硅烷比率,氮的流速可以用于调节在整个晶圆上的总气流速,并且在反应腔室内用于调节反应压力的方式。氢的存在可以用于抑制在反应的相对高压(例如,1-4托及之上)下亚甲硅基的气相形成。沉积温度一般设置在520-570℃之间以有助于非晶硅的形成。
所沉积膜为非晶硅是很重要的,原因在于一旦沉积发生以及槽填充,槽内和在整个槽上沿深度的薄膜内As浓度的掺杂轮廓需要变平。其通过晶圆热处理实现。通过在非晶硅形成所需的较低温度下操作,实现沉积反应的较好控制,形成较小的颗粒,以及在所沉积的非晶硅膜中砷离子具有较大的迁移率,从而As浓度平衡更易实现。在较高温度情形下,其中所沉积膜包含多晶硅,多晶硅的晶界可在退火期间造成所沉积填充材料内砷的选择性迁移。
在该第一层形成中,在进气中高As浓度用于得到相对于槽底部的朝向槽顶部的越来越低的沉积速度以提供大于100%的阶梯覆盖。为了确保最小量的As掺入所沉积的α-硅中,倘若在退火之后具有小于350Ω/sq的面电阻的填充,在槽底部所沉积的As浓度一般应该在2×1020/cm3和1×1021/cm3之间,以及4×1020/cm3的目标浓度。相对于场区(field region),在槽内部期望AsH3的浓度较低并且期望SiH4停留时间较长。因而产生的填充一般表现为在图6A中所示的情形。
在接下来的步骤(106)中,完成槽的剩余填充62。该步骤由基线工艺组成,该基线工艺限定为导致沉积膜约100%的阶梯覆盖的沉积工艺条件。对于该步骤在所沉积填充中砷的目标浓度从>3×1020/cm3到5×1020/cm3范围变化。当用于形成第一填充时该基线工艺导致如图6B所示的沉积轮廓。应该理解如果仅使用基线工艺填充该槽,则将产生含空隙的填充。然而,通过首先执行超填充工艺以产生V形填充轮廓,其中所沉积原位掺杂膜的厚度随深度增加,可以采用较快的基线工艺(例如,使用较少的砷)以完成无空隙填充操作以产生如图7所示的槽填充轮廓。
基线填充工艺本身在温度T2下运行,该温度T2可从520℃到570℃变化,并且经常方便地选择为与步骤104的T1相同的温度。压力P2可以从0.5托到10托变化,但是为了考虑更快的槽填充一般选择为低于P1。可选地,可以降低砷化氢的浓度以影响在较低压力下甚至更快的填充。步骤106优选地操作如步骤104中所用的保留在相同工艺腔室中的晶圆。在该工艺中,在约3e-4的所选AsH3/SiH4比率,在2-4托压力下,产生的膜将具有~5×1020/m3的掺杂浓度,以及沉积速度一般从20到30/min变化。
在接下来步骤108中,未掺杂的覆盖帽层64在晶圆/填充槽之上沉积,作为晶圆表面平坦化的部分工艺(参见图8)。覆盖沉积层的厚度是非临界的,但是一般为至少约1000,以及较一般在1000-2500的大小。在首先的两个填充步骤的温度和压力下,膜以约50-60/min的沉积速度沉积。在该覆盖沉积步骤中,一般选择反应的压力P3,其中该压力P3小于第一步骤104(或者甚至小于第二步骤106)的反应压力,原因在于槽填充不再是个问题,在较低压力下得到较好的填充均匀性,并且降低气相成核的风险。给定待沉积膜的厚度,该工艺步骤将执行约20-40分钟。
可以理解首先的两个沉积步骤,以及实际上所有的三个硅沉积步骤可以在同样的配置结构内、在同样的腔室内而不用从工艺腔室移除晶圆,否则将中断真空的情形下相继实施。因此可以在相同的腔室中相对快地执行这三个沉积步骤,以及初始阻挡层沉积,其中在AsH3/SiH4比率、温度、总气流和压力的变化可以容易地调整。
为了完成填充工艺,覆盖的晶圆经历化学机械抛光步骤(110)。之后,晶圆经历热退火(步骤112)以更好地平衡在所沉积α-硅填充材料内掺杂剂的分布。在非晶硅转换为随机取向的小晶粒多晶硅的工艺期间,该退火工艺典型地在N2中约900℃下运行从30到60分钟的时间。在该时间期间,将电激活原位掺杂As并经由硅填充内的扩散重新分布以展平As随深度的浓度。
在研发用于已知器件设计的给定图案化晶圆的配方中,所述器件设计包括待填充的槽的深度和宽度(孔径比),可以执行多个工艺运行,可以进行测量,以及从所研究的试验数据建立AsH3/SiH4比率、总压力、流速与As浓度之间的关系。
数个独立的沉积可以实施不同的时间长度。给定可调变量,可以调整砷化氢流速、硅烷流速、反应器温度以及反应器内的总压力。在以下的说明中,在之后将更详细的说明在FlexStar腔室中执行的测试运行,其中温度保持在约540℃到550℃以有助于在待填充槽中非晶硅的形成。使用标准的MFC调节砷化氢和硅烷的流量。使用氮气或者氮气结合氢气调节压力,或者通过控制腔室排气口的节流阀。工艺在从2、4和8托变化的不同总压力下运行。
一旦处理过晶圆,这些晶圆经历截面和SEM分析。进行测量场效膜(fieldfilm)厚度以及沿着槽壁在各点处所沉积的侧壁膜厚度。从这些测量,给定沉积时间,在槽内各点处的沉积速度和阶梯覆盖都能计算并绘制出。利用对场效膜以及槽中测量,利用微SIMS(二次离子质谱仪)分析测量在退火前所沉积膜中的砷浓度。在覆盖晶圆上测量晶圆内均匀度。经验性所得数据用于准备绘制图9A至图9G。
可以从这些试验结果看出,随着AsH3与SiH4比率增加,在所沉积膜中As的浓度增加。可以进一步注意到(图9B),随着砷化氢量增加,沉积速度降低。虽然As的存在趋于降低沉积速度,但是还可以看到较高的压力趋于有助于较快的沉积。事实上其在图9B中示出,其中可以看出膜沉积速度一般不但随着AsH3浓度增加而降低,而且随着压力降低而降低。通过在图9C和图9D中绘制的模拟数据进一步证实了该观察,其中很明显对于给定的砷化氢/硅烷流量比率,随着压力增加在膜中的砷浓度趋于降低,并且在总压力情形下与硅烷损耗相比,在槽内的砷化氢损耗增加较快。
对于该数据,为了达到较高的阶梯覆盖开发了修改的工艺。对于具有40∶1孔径比的槽,在200/300mm FlexStar腔室中实施晶圆处理之后的讨论。为了达到150%的阶梯覆盖,选择AsH3流量,从而未掺杂的α-硅的沉积速度与原位As掺杂的α-硅沉积速度的比率至少为1.5X。基于工艺数据,沉积速度用作计量的以估计相比于未掺杂的α-硅膜中的掺杂浓度。在图9B中示出的沉积速度与AsH3流量的对比图用于选择AsH3流量。另外,沉积速度、厚度非均匀性和表面粗糙度可用作最优化标准以最终确定工艺,估计该工艺具有的~9×1020/cm3掺杂浓度(图9C)。
为了得到自底向上的填充,期望最大化沉积速度对AsH3/SiH4比率的敏感性,从而即使小的AsH3损耗也能造成槽内沉积速度的较大增加。这可以以两种方式实现(a)通过增加沉积压力同时保持SiH4分压为常数以及(b)通过保持高的AsH3/SiH4比率同时保持低SiH4分压。槽内的AsH3损耗随着总压力增加而增长。较高的压力阻碍砷扩散进入槽中,其导致最终的损耗,原因在于其在沉积膜中消耗。深槽内部的AsH3浓度(图9F)还可预知特定的AsH3/SiH4比率和工艺压力。这可以通过测量在沿着深槽的壁上的任意点所沉积的膜厚度而得到。预期地,槽内较低的AsH3浓度导致较厚但是相对于槽表面在槽底部较轻掺杂的膜。
模拟数据表示达到150%的阶梯覆盖以及深槽内部1020/cm3的最小As浓度。然后该工艺在2、5和8托而不改变在进气流中AsH3和SiH4的分压下运行。由于在晶圆表面上的沉积速度主要取决于硅烷和砷化氢的气体分压,随着总压力增加,在晶圆表面(图5中的元件58)的沉积速度相对保持不变。然而,槽内的沉积速度稳定地增加。来自实验的阶梯覆盖数据用于验证从先前所得的经验数据的图可得到的预测。如所预期的,如参照图9E所预测的在较大压力处得到最大的阶梯覆盖。
接下来在渐增的AsH3分压(即,渐增的砷化氢流量)下,一系列沉积在8托下执行。来自这些测试的结果表示在9.63slm标准总流量和5×10-4的AsH3/SiH4比率下有可能得到110-128%的最大阶梯覆盖。其还表明随着渐增的总流量(降低在晶圆表面处的停留时间)、AsH3流量(增加在晶圆表面处砷化氢中毒)和深槽中的深度(在槽中较深处损耗更加严重),阶梯覆盖改善。在该改进的工艺中得到110%的最大阶梯覆盖。
为了进一步增加阶梯覆盖并选择最终深度的槽V填充工艺,通过改变在覆盖晶圆上基线流量的总流速的三个设置-1X、2X和3X下的AsH3/SiH4比率,执行三组沉积。随后来自该系列的沉积速度数据用于选择沉积速度是AsH3=0情形下的沉积速度的<0.25X的三个条件。为了测量阶梯覆盖,这些条件用于在深槽晶圆上沉积V形超填充膜。在以下示出其结果。

基于以上所述的工艺开发/描述研究,选择用于超填充工艺的最终次序如下步骤-1使用V填充工艺沉积薄层(8托,28.89slm总流量,AsH3/SiH4=4×10-4和Tdep=540℃)。在完成填充之前,在基线As掺杂α-Si工艺下,在深槽内部形成所需的初始V形轮廓。选择该层的厚度,从而在槽内得到V形轮廓。
步骤-2该槽由基线原位AsH3掺杂α-Si工艺填充(4托,9.63slm总流量,AsH3/SiH4=2e-4和Tdep=540℃)。
步骤-3沉积厚的未掺杂α-Si帽层以平坦化表面。
以下示出用于As掺杂硅的无空隙填充的沉积的典型配方。

如之前所说明的,本发明的工艺顺序可以在单晶圆LPCVD腔室内实施。然而即使在多腔集成设备平台上实施,其中高达4-5个单晶圆工艺腔室直接连接到中心传递腔室,假设需要相对长的沉积时间,该单晶圆处理也不为商业上可行的工艺。然而,具有有效(virtual)单晶圆处理腔室垂直叠层的FlexStarTM沉积系统特别适于本发明的工艺。在等温晶圆环境下,可处理200mm和300mm晶圆的该系统联合多气室温控垂直喷头注入器(对于均匀交叉的晶圆气流),其造成能使在宽工艺空间上未掺杂的沉积和均匀地原位掺杂α-Si膜的良好温度均匀性。FlexStarTM系统独特的机构允许反应器在该工艺状态下运行,原因在于交叉的晶圆气流使其能直接控制反应物在各个晶圆上的停留时间(供应)。因此,不依赖于如在典型的扩散炉中的扩散以将反应物供应到晶圆表面的所有部分。由于该特征因此还防止颗粒的气相成核。
本发明无空隙槽填充的总工艺时间约154分钟。在单晶圆处理情形下在制造环境中这可能完全不能接受。对于可一次处理达26片晶圆的FlexStar平行晶圆处理反应器,提供6WPH的产量。通过采用设计以容纳51片晶圆的舟的改进的平行处理腔室,生产力可以加倍。采用在图12中示出的装置可实现进一步的产率增益,在该装置中两个Torrex腔室200(其可以与其它工艺腔室202A、202B结合),粘接(affix)到多边传递腔室112。
FlexStarTM腔室200(图10-图11)包括用于气体注入的垂直温控喷头210,垂直温控排气装置300,以及具有用于加热容纳待处理晶圆的基座舟(未示出)的辐射扩散隔板422的四个PID/高温计控制的多区直线式灯阵列400。旋转舟,配置26片晶圆(配置以容纳高达51片晶圆),由具有通过口360旋转性负载到一对基座之间的晶圆支撑梢上的晶圆的高质量SiC涂覆石墨基座424组成。该几何形状在一对基座之间建立虚拟(virtual)黑体。沿着舟的长度及在每个基座上的热对称使工艺结果独立于晶圆负载,并且晶圆温度不受小的热偏移影响。
两组分开的支撑梢包括于各个基座上,从而200mm和300mm晶圆可以负载在相同的运行中而不需要任何硬件变化。通过来自热扩散隔板的再辐射加热舟至一设定温度。从垂直喷头210建立并经过舟以及进入垂直排气装置300的交叉晶圆气流消除了气体停滞,最小化气相损耗并提供用作抑制气相颗粒产生的停留时间的精确控制。隔板几何结构阻碍围绕舟的气流,迫使交叉晶圆的气流流经舟。由于基座的直径超过晶圆的直径,因此预热工艺气体并且在气流到达晶圆之前充分建立边界层,最小化晶圆边缘效应。不同于由负载在舟中的晶圆影响流导的垂直扩散炉,通过内基座间隔而控制流导。从而,可以处理基座舟内的居中轴向的部分晶圆。耦合到交叉晶圆气流的等温环境导致在宽压力范围中(0.5-10托)超均匀(ultra-uniform)沉积膜。
晶圆装载到设置在负载区220b内的一对热基座之间的晶圆舟中,通过提升并旋转装置600而垂直地增加舟直到已经负载所有晶圆。其后,将填充的舟提升到腔室200的处理区域220a中,其中在处理期间旋转晶圆。进一步参照图12,在完成处理之后,利用机械臂113经过开口360从舟卸载晶圆并将该晶圆放置到两个有效冷却的真空交换腔室(load lock chamber)106A和106B的其中之一中。一旦完全冷却晶圆,所处理的晶圆从真空交换腔室移除并返回至空气负载端口中的FOUP或常压负载口中的盒(cassette)105A-105D中。
概括地说,本发明的V填充工艺依靠相比于槽内通过适当地调节气体流速和腔室压力对于晶圆表面上的点可以达到不同分压及停留时间。只要相对于槽内的点在槽表面处砷化氢浓度更高并且气体停留时间更短,中毒效应导致相对于表面的更高沉积速度。因此,关键是相对于表面在槽内达到不同的浓度和气体停留时间。
由于气体停留时间和分压都必须谨慎控制,该工艺在高总流量和压力下最佳操作。高的总流量导致在晶圆表面上气体的短停留时间。在整个晶圆上的该对流气流保证砷化氢和硅烷充足并连续供应到晶圆表面使得在整个晶圆表面上反应物浓度梯度非常小,其对于整个晶圆上良好的膜均匀性是必需的。相反,槽内的气体停留时间较长,原因在于槽内的反应物传输经由相对短的扩散工艺而不是在晶圆表面实施的非常长的对流传输发生。
在本发明的可选实施方式中,代替使用AsH3,通过使用诸如叔丁基砷化氢的较高分子重量砷源,砷源气体到槽中的扩散可进一步降低。其它适宜的气源包括三甲基砷化氢、叔苯基砷化氢、三乙基砷化氢、三甲硅烷基(trisilyl)砷化氢和三丙基砷化氢。由于较重的分子将比较轻的AsH3分子更慢地扩散,净效应是将减小槽底部的As浓度,从而增加在该位置的非晶硅的沉积速度。
在又一可选实施方式中,As源可以脉冲至工艺腔室中。以这种方式,在AsH3气流中断期间,可扩散到槽中的有效As量减少并且在晶圆顶部上的气流趋于快速地耗尽晶圆上方的As源气体。通过以类似于ALD工艺的方式快速脉冲气体,在晶圆表面达到高的砷浓度,同时进一步减少砷化氢扩散到槽中。
在再一实施方式中,通过使用较高分子重量的稀释气体而不是较轻并且较常用的N2稀释气体,可进一步减慢砷源扩散到槽中。例如,各种溶剂(当适当地蒸发时)诸如高阶烷烃和环烷烃可用做稀释气体以减慢砷到槽中的扩散。示例性蒸发溶剂包括丁烷、戊烷、己烷、辛烷和十六烷。
虽然在此本发明已经结合使用砷作为掺杂剂描述,但是应该理解可以使用其它掺杂剂。同样,这里所描述的反应温度、压力和时间仅用于说明。应该可以理解,在不脱离本发明的精神和范围下,可以使用与此处说明一致的其它时间、压力和反应物浓度。
虽然前述针对本发明的实施方式,但是在不脱离本发明基本范围下可设计为本发明的其它和进一步实施方式,并且本发明的范围由以下的权利要求书所确定。
权利要求
1.一种以原位掺杂硅形成无空隙高孔径比槽的方法,包括提供具有高孔径比的深槽;在所述槽内形成第一掺杂非晶硅层,所述层具有大于100%的阶梯覆盖,从而当沉积时,所形成的层呈现V形轮廓;以及在所述第一层上形成第二掺杂的非晶硅以填充所述槽。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,对于掺杂剂的所沉积浓度,所述第二掺杂非晶硅层的所述膜比所述第一掺杂非晶硅层低。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一和第二掺杂非晶硅层是砷掺杂层。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述深槽具有大于25∶1的孔径比。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,进一步包括在所述第一和第二掺杂非晶硅层上形成第三未掺杂层的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在所沉积的所述第一掺杂非晶硅层具有大于100%的阶梯覆盖。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述形成步骤在平行、多晶圆处理腔室中实施。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在执行热退火处理步骤之前所述第一掺杂非晶硅层内的砷掺杂剂的最小浓度为至少1×1020cm-3。
9.在用于无空隙填充深槽的方法中,形成第一非晶硅沉积层的所述步骤,其中所述膜自下向上沉积。
10.一种用于在多晶圆处理腔室中同时处理多片晶圆以获得高孔径比槽的无空隙填充的方法,包括步骤提供包括晶圆支架的工艺腔室,所述支架能夹持一片或多片晶圆;将一片或多片晶圆提供到工艺腔室,并在所述支架内放置所述晶圆,其中每片所提供晶圆在其中形成多个高孔径比槽;同时将砷化氢源气体和硅烷源气体的混合物引入到所述晶圆,从而所述混合气体流经所述晶圆;以及将所述气体加热到一温度,从而所述硅烷和砷化氢在所述晶圆表面和所述深槽内反应以沉积砷掺杂非晶硅层,从而所述槽内的所沉积层的所述阶梯覆盖大于100%。
11.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述方法进一步包括在不将所述晶圆从所述工艺腔室移除下实施的第二沉积步骤,其中在该步骤中完成所述槽的填充,第二反应以较高的沉积速度实施以沉积砷掺杂非晶硅的附加层。
12.根据权利要求10所述的方法,其特征在于,在不将所述晶圆从工艺腔室移除下,实施第三沉积步骤,在该步骤中非晶硅的未掺杂层超出所述填充槽沉积。
13.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述第一沉积膜的所述阶梯覆盖在100%-150%之间。
14.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,在该方法中至少25片晶圆同时处理。
15.一种蚀刻其中有多个深槽的半导体晶圆,其特征在于,根据包括以下步骤的方法一个或多个所述槽已由砷掺杂非晶硅膜填充提供包括晶圆支架的工艺腔室,所述支架能夹持一片或多片晶圆;将一片或多片晶圆提供到工艺腔室,并在所述支架内放置所述晶圆,其中每片所提供晶圆具有在其中形成的多个高孔径比槽;同时将砷化氢源气体和硅烷源气体的混合物引入到所述晶圆,从而所述混合气体流过整个所述晶圆;以及将所述气体加热到一温度,从而所述硅烷和砷化氢在所述晶圆表面和所述深槽内反应以沉积砷掺杂非晶硅层,从而所述槽内的所沉积层的所述阶梯覆盖大于100%。
16.一种包括具有在其中形成的深槽电容器结构前驱物的制品,其特征在于,所述深槽由电介质层和由砷掺杂非晶硅填充的无空隙排列。
17.根据权利要求16所述的制品,其特征在于,所述电介质层包括氧化物、氮化物以及氧化物的分开层。
18.在设置在半导体晶圆中的深槽的无空隙填充方法中,所述方法包括以下步骤在包括砷掺杂非晶硅的所述槽内形成第一沉积共形层,其中所述层由砷化氢与硅烷的反应形成,所述AsH3/SiH4比率在2×10-4和8×10-4之间,所述反应压力在0.5托到10托之间以及所述沉积温度在520℃到570℃之间;在包括砷掺杂非晶硅的所述槽内形成第二沉积层,其中所述第二层由砷化氢和硅烷反应形成,所述AsH3/SiH4比率在2×10-4和8×10-4之间,所述反应压力在0.5托和10托之间以及所述沉积温度在520℃到570℃之间;以及其中选择AsH3/SiH4比率与第二层沉积的压力,从而所述第二层的所述沉积速度比所述第一层的所述沉积速度快,以及第二沉积层形成步骤持续足以填充所述槽而在所述填充材料内没有形成空隙的一时间。
19.根据权利要求18所述的方法,其特征在于,进一步包括在平坦化所述晶圆表面之前在所述填充深槽上形成厚的未掺杂非晶硅帽层的步骤。
20.根据权利要求18所述的方法,其特征在于,在所述第一沉积步骤期间引入所述氮气。
21.根据权利要求18所述的方法,其特征在于,在所述第一沉积步骤期间引入氢气。
21.一种以原位掺杂硅形成无空隙高孔径比槽的方法,包括将具有场区和在其上形成的高孔径比深槽的衬底提供到具有处理区域的衬底处理腔室中;在所述高孔径比深槽中具有大于100%阶梯覆盖的高孔径比深槽内沉积第一掺杂非晶硅层,其中沉积步骤包括以下步骤将所述衬底加热到在约520℃到约570℃之间的温度;将第一气体流入到所述处理区域中;将含硅烷气体流入到所述处理区域中;将含砷气体流入到所述处理区域中;其中砷的总浓度等于第一浓度;以及在所述高孔径比深槽内沉积第二掺杂非晶硅层,其中该沉积步骤包括以下步骤将所述衬底加热到在约520℃到约570℃之间的温度;将第一气体流入到所述处理区域中;将含硅烷气体流入到所述处理区域中;将含砷气体流入到所述处理区域中;其中砷的总浓度等于小于所述第一浓度的第二浓度。
22.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,所述第一浓度足够高以抑制在所述场区上所述第一掺杂非晶硅层的沉积。
23.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,所述第一气体选自氮气、氢气和氦。
24.根据权利要求21所述的方法,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅层具有V-形轮廓。
25.一种以原位掺杂硅形成无空隙高孔径比槽的方法,包括将具有场区和在其上形成的高孔径比深槽的衬底提供到具有处理区域的衬底处理腔室中;在所述高孔径比深槽中具有大于100%阶梯覆盖的高孔径比深槽内沉积第一掺杂非晶硅层,其中沉积步骤包括以下步骤将所述衬底加热到在约520℃到约570℃之间的温度;将含硅烷气体流入到所述处理区域中;将含砷气体流入到所述处理区域中;将第一气体流入到所述处理区域中;调整所述第一气体、所述含硅烷气体和所述含砷气体的流量,直到在所述处理区域中达到第一总压力;以及在所述高孔径比深槽内沉积第二掺杂非晶硅层,其中该沉积包括以下步骤将所述衬底加热到在约520℃到约570℃之间的温度;将含硅烷气体流入到所述处理区域中;将含砷气体流入到所述处理区域中;将第一气体流入到所述处理区域中;调整所述第一气体、所述含硅烷气体和所述含砷气体的流量,直到在所述处理区域中达到第二总压力,其中所述第二总压力小于所述第一总压力。
26.根据权利要求25所述的方法,其特征在于,所述第一气体选自氮气、氢气和氦。
27.根据权利要求25所述的方法,其特征在于,所述第一掺杂非晶硅层具有V-形轮廓。
28.一种由砷掺杂非晶硅无空隙填充的深槽结构。
29.根据权利要求28所述的深槽结构,其特征在于,所述深槽具有大于40∶1的孔径比。
30.根据权利要求28所述的深槽结构,其特征在于,在热退火之前所述槽内砷掺杂剂的最小浓度是1×1020cm-3。
全文摘要
本发明提供一种用于由原位掺杂非晶硅的深槽结构无空隙填充的方法,在该方法中第一填充在温度、压力和掺杂剂与硅烷比率使得膜沉积槽自下向上发生下实施。经由第一填充,实现阱中的阶梯覆盖超过100%。在第二填充步骤中,沉积在变化的条件下实施以减少掺杂剂对沉积速度的影响,从而以超过第一填充沉积速度的沉积速度完成槽填充。在形成深槽电容器结构的方法的应用中,中间步骤进一步包括以非晶硅层盖在无空隙填充的槽上,之后平坦化晶圆,随后热退火以再分配掺杂剂。
文档编号H01L21/4763GK101084574SQ200580042974
公开日2007年12月5日 申请日期2005年12月13日 优先权日2004年12月14日
发明者阿吉特·帕仁吉佩, 萨默纳斯·内奇 申请人:应用材料股份有限公司
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