专利名称：使用掺杂硅酸盐玻璃的半导体结构的间隙填充的制作方法
技术领域：
本发明涉及器件制造。在器件制造中，在基片上要形成绝缘层、半导体层与导电层。对这些层进行构图以建立图形与空隙，形成器件，诸如晶体管、电容器与电阻器。这些器件再进行相互连接以实现所需要的电功能，制成集成电路(IC)。
在集成电路的制造中，掺杂硅酸盐玻璃用作例如在导电层与半导体层之间的绝缘层。特别是，当在足够高的温度退火时，由于掺杂硅酸盐玻璃，例如硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)的再流动(reflow)能力，它的使用很引人注目。这样，掺杂硅酸盐玻璃就可以用来填充一些相对小的间隙而不留空洞。这里的术语“间隙”泛指在给定表面上的任何非平面图形的总称，它可以包括在晶体管栅极之间的沟槽或空隙之类的图形。
通常，掺杂硅酸盐玻璃例如BPSG是用各种化学气相沉积(CVD)工艺来形成的。BPSG是在大约400℃的相对较低的温度下沉积的。沉积之后，基片再被加热到足够高的温度，使得玻璃软化。例如对一种分别具有有大约4wt％(重量百分比)的B(硼)与P(磷)浓度的BPSG在800℃的温度下经过30分钟的退火就能够无空洞地填充高宽比(aspect ration)高达3∶1并窄到0.25微米的结构。
BPSG中B的掺杂剂浓度影响到它的再流动或熔化温度。B浓度越高，再流动温度就越低，反之也然。因此，提高B的浓度就能改进在给定温度下玻璃填充间隙的能力。通常就需要具有尽可能高的B浓度以在较低的加热成本下能够填充小的间隙。但是如果BPSG或掺杂硅酸盐玻璃的总的掺杂剂浓度超过一上限，掺杂剂就会趋于析出，并在表面上形成酸性结晶。这种表面结晶又反过来影响到后序形成的层的可靠性与特性。掺杂剂浓度的上限一般典型地约为11wt％(所有百分比都用wt％)。当然，这个上限也会随掺杂硅酸盐玻璃的类型与沉积条件而变化。
在先进的IC设计中，随着尺寸的不断减小，要求掺杂硅酸盐玻璃用来填充具有更高的高宽比的更窄的结构。由于掺杂硅酸盐玻璃固有的掺杂剂浓度的上限，为了满足先进IC设计，就需要较长时间的较高温度的退火。然而这种退火典型地超过了可容许的加热成本，导致一种非存在的制造过程窗孔。
从上述讨论可以看出，就需要提供具有制造过程窗孔的高的高宽比的窄图形的填充。
本发明涉及在集成电路制造中改进窄空隙的间隙填充。间隙填充的改进是通过提供具有底部比顶部为高的掺杂剂浓度梯度的掺杂硅酸盐玻璃来达到的。从而，就可以使得在底部间隙填充重要的地方具有很高的掺杂剂浓度，而在顶部间隙填充不要紧的地方具有较低的掺杂剂浓度。这样，掺杂硅酸盐玻璃的总的浓度就低于引起表面结晶生长的浓度，同时比常规掺杂硅酸盐玻璃层取得更好的间隙填充。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点会变得更清楚。附图中
图1显示的是具有由窄空隙隔离的器件图形的集成电路的剖面图；图2显示的是根据一个实施例提供的改进窄空隙间隙填充的器件层；图3更详细地显示了具有改进间隙填充的器件层；图4a-c显示的是用以形成具有改进间隙填充特性的器件层的CVD反应器。
本发明涉及例如用于IC制造中的绝缘层的掺杂硅酸盐玻璃。参阅图1，显示的是在基片101上形成的集成电路结构的一部分的剖面图。没有详细地显示的该集成电路结构例如可以是包括随机存取存储器(RAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、静态RAM(SRAM)、或者只读存储器(ROM)的存储器集成电路的一部分。当然集成电路结构也可以是例如可编程逻辑阵列(PLA)、专用集成电路(ASIC)、组合DRAM-逻辑集成电路(埋入式DRAM)、或任何其它逻辑电路的逻辑集成电路。
通常是在半导体基片上，例如硅晶片上，并行地制造很多的集成电路。操作完成后，为了把集成电路分隔成许多单独的芯片，就需要把晶片切割。芯片再被包装成为最后产品，例如用作象计算机系统，蜂窝电话系统，个人数字助理(PDA)以及其它电子产品等民用消费产品。
基片201例如是硅晶片，也可以用诸如绝缘体上的硅(SOI)、兰宝石上的硅(SOS)、锗、砷化镓、以及Ⅲ-Ⅴ族化合物的其它基片。基片的主面不是严格的，任何适宜的方向例如(100)、(110)或(111)都是可用的。基片包括例如在其上形成的沟槽电容器(图中未画)的多个器件。这种沟槽电容器可以用作DRAM单元的存储电容器。采用常用的工艺就能实现沟槽电容器的形成。
如图所示，基片表面上提供有器件图形120，例如器件图形可以是晶体管的栅极。在一个实施例中，晶体管代表了在存储器阵列中连接多个存储器单元的字线。
通常，栅极包括栅极氧化层、掺杂多晶硅层以及顶冒氮化层。在一些实施例中，多晶硅层可以包括多晶硅-硅化物层，即掺杂多晶硅层及其上的一层硅化物层。在器件图形上还可以提供氮化物衬垫，用作无边接触图形形成过程中的蚀刻的阻挡层。
器件图形由间隙125相隔开，以在基片表面上形成非平面表面外形。间隙的高宽比的定义是器件图形的高度H与把它们隔开的空隙的宽度W之比。
根据本发明，提供了在非平面表面外形上形成掺杂硅酸盐玻璃层的工艺。本发明使得能够以减小的加热成本，在没有空洞和表面结晶形成的情况下，形成填充具有相对高的高宽比的小间隙的掺杂硅酸盐玻璃，产生一更大的可制造的处理窗(manufacturable process window)。
掺杂硅酸盐玻璃具有预定的厚度。此预定厚度自然取决于具体的用途。例如，当用作层间介电层时，掺杂硅酸盐玻璃的厚度要足以提供在器件图形与覆盖的导电层之间的绝缘。沉积的厚度还应考虑到会侵蚀层厚的平面化或任何其它的操作。典型地对于采用0.25微米基本图形尺寸(GR,groundrule)的256兆位DRAM，掺杂硅酸盐玻璃的厚度大约是0.75至1.2微米。当然实际厚度可以由不同基本图形尺寸与应用来确定最佳值。
参阅图2，根据本发明形成了掺杂硅酸盐玻璃层230。在一个实施例中掺杂硅酸盐玻璃中包括硼。硼掺杂剂是为了降低硅酸盐玻璃的熔点所需要的。也可以用例如锗等其它掺杂剂，它们也能降低掺杂硅酸盐玻璃的熔化温度。此外，掺杂硅酸盐玻璃中也能够包括其它掺杂剂。例如可以加入磷，以改进其吸气性(gettering)。根据本发明，掺杂硅酸盐玻璃具有掺杂剂浓度梯度，其中在底部的掺杂剂浓度最大，并向着层的顶部减小。
掺杂硅酸盐玻璃的掺杂剂浓度从底部到顶部可以在一个很宽的范围内变化。在一个实施例中，在掺杂硅酸盐玻璃底部的掺杂剂浓度大于能引起表面结晶生长的掺杂剂浓度量。在上部，掺杂剂浓度减小，这样就提供了总浓度低于引起表面结晶生长的总量的层面。在向层的顶部移动时，掺杂剂浓度也随之减小。
通过沉积具有向表面减小的浓度梯度的一层，底部可包括足够高的掺杂剂浓度，使得能够填充具有高的高宽比的更加小的间隙，同时玻璃的总的浓度保持在低于引起表面结晶生长的浓度。这样就得到了比常规掺杂硅酸盐玻璃具有更高间隙填充特性的可靠的掺杂硅酸盐玻璃层。
如图所示，掺杂硅酸盐玻璃的顶面243是非平面的。在完成沉积以后，掺杂硅酸盐玻璃例如可由化学机械抛光(CMP)来平面化。CMP把部分掺杂硅酸盐玻璃层去除以便得到如虚线245所示的平面化的顶面。这样也就得到了具有预定厚度T的平面化顶面的掺杂硅酸盐玻璃。如同讨论过的，实际厚度T是由例如作为绝缘体层的功能的设计参数所决定的。掺杂硅酸盐玻璃可以用各种沉积工艺来沉积，其中之一就是化学气相沉积(CVD)。在一个实施例中，掺杂硅酸盐玻璃是在足以引起再流动的温度下沉积的。这样在沉积时就会发生掺杂硅酸盐玻璃的就地再流动(insitu reflow)。就地再流动与掺杂硅酸盐玻璃的底部的高掺杂剂浓度结合在一起就能在较低的热成本下实现非常好的间隙填充性能。
参阅图3，显示了根据本发明形成的具有梯度掺杂剂浓度的掺杂硅酸盐玻璃。掺杂硅酸盐玻璃可以用不同CVD工艺来沉积。在一个实施例中，掺杂硅酸盐玻璃包括BPSG。掺杂硅酸盐玻璃是由低压化学气相沉积(LPCVD)来沉积的。沉积温度范围是从大约720℃到870℃，优选为750℃到850℃。这样的温度范围足以在沉积时形成掺杂硅酸盐玻璃的就地再流动。
为了说明起见，掺杂硅酸盐玻璃包括多个亚层。在说明性的实施例中，所示的掺杂硅酸盐玻璃包括5个亚层331-335。为了说明目的显示了相邻亚层之间的界面，实际掺杂硅酸盐玻璃层是没有这种明确的界面的。
如图所示，在集成电路结构的表面上形成第一亚层331。在一个实施例中，层底的总的掺杂剂浓度大于能引起表面结晶生长的浓度。随着每一个相继的亚层，其中总的掺杂剂浓度相继减小以致所有亚层的总的掺杂剂浓度低于能引起表面结晶生长的总量。
在一个实施例中，在第一亚层中的总的掺杂剂浓度大约是20wt％。在BPSG层中P掺杂剂用以吸气。典型地P的浓度例如大约是2-6wt％。当然，P浓度根据设计参数是可以变化的，但是，当提高了第一BPSG亚层的总的掺杂剂浓度时，为了减小它的熔点就应该包含相应更大量的B掺杂剂。例如当P浓度是2-6wt％时，在此层中的B浓度可以增加到14-19wt％。在相继各亚层中掺杂剂浓度大大地减小，形成了从底部到顶部的减小梯度。在一个实施例中顶部亚层335的总的掺杂剂浓度大约为0wt％，最好整个层的总的掺杂剂浓度小于能引起表面结晶生长的浓度，掺杂硅酸盐玻璃层的总的掺杂剂浓度梯度从底部向上大约是从15-0wt％。
在亚层331中提供的高掺杂剂浓度降低了再流动温度，这样，在高温度范围内沉积的亚层331就形成具有低粘度的材料，显示出非常好的间隙填充特性。就地再流动也有利于掺杂硅酸盐玻璃材料向高的高宽比间隙325底部的流动。这样也减小了间隙的高宽比。
用比第一亚层为低的掺杂剂浓度沉积第二亚层。这可以很典型地在沉积进行时用降低掺杂剂原料的总量来达到。由于第一亚层的结果造成间隙高宽比的减小，间隙就变得更易于填充。这样在第二亚层中较低的掺杂剂浓度就足以提供间隙335的填充。再者，就地再流动也利于材料向底部的流动，进一步减少了间隙的高宽比。
随着每一亚层的沉积，间隙的高宽比也随之减小，使之更易于填充。沉积连续进行直到掺杂硅酸盐玻璃达到要求的厚度。之后，用CMP对其表面进行平面化，形成具有预定厚度的平面化的掺杂硅酸盐玻璃层。
虽然如图所示，所有亚层在厚度上基本上都是相等的，但是对于本发明这不是严格的，通过提供具有梯度掺杂剂浓度的掺杂硅酸盐玻璃，高的高宽比的图形也可用低热成本(thermal budget)来很容易地被填充。
另外一种可供选择的情况，掺杂硅酸盐玻璃可以包括BSG。也可以用含有例如锗Ge掺杂剂或其它掺杂剂以降低材料熔点的掺杂硅酸盐玻璃。作其它目的如吸气用的其它掺杂剂也可以包括在掺杂硅酸盐玻璃中。而最重要的是掺杂硅酸盐玻璃层的底部包括的掺杂剂浓度超过引起形成结晶的浓度。此外，在掺杂硅酸盐玻璃的上部具有较低的掺杂剂浓度，使得形成的层的总的掺杂剂浓度低于能引起表面结晶形成的浓度。这样就使得在需要填充窄间隙的地方，具有高的掺杂剂浓度，以减低材料的熔点；同时使掺杂硅酸盐玻璃的掺杂剂总浓度低于引起表面结晶形成的浓度。较高的掺杂剂浓度产生较好的间隙填充。
在一个实施例中，掺杂硅酸盐玻璃层是用LPCPV工艺形成的，也可以用其它CVD工艺。参阅图4a，显示的是CVD反应器的简化的俯视图。反应器例如是DSMTM9800，它是由伏雷蒙特的拉姆研究公司(Lam ResearchCorporation of Fremont)制造的。Lam Integrity DSM 9800在授予Monkowski等人的美国专利4,976,996中有介绍，这里我们仅作为参考引用。应该指出图示的CVD反应器仅是说明性的，它也是可以改变的。
如图所示，反应器110包括晶片盒式存储凹槽330与335。装载闭锁单元340与345、传送室350以及反应室360。盒式存储凹槽中储存例如用来夹持和储藏在常规器件制造中的多个晶片的盒子，在盒子中的晶片藉助于晶片传送臂331与332传送到各自的装载闭锁单元。传送室350中包括晶片装载臂351。晶片负载臂从装载闭锁装置340上或装载闭锁装置345上取下晶片并把它放在反应室中转动平台365的晶片槽361中，作为一个实例，平台包括多个晶片槽。藉助于平台旋转到相应位置时，晶片就装载在各个槽中。
图4b更详尽地显示了反应室。如图所示，反应室包括平台380。平台围绕心轴302旋转(平台380旋转方向可以是任意的)。作为一个实例，平台包括多个在其中布放晶片的槽。典型地，槽的凹入深度使得当槽内布放晶片后，晶片的顶面与平台的表面基本上处于一个平面上。
多个注入器350位于反应室的周围。连接到注入器的馈送线370将材料从供给源送向反应器。馈送线的数量取决于用以形成层的不同类型材料的数目。材料经混合后由注入器传送到室的反应区中。
排气口385将多余的材料及反应的副产品排出反应室。排气口例如可以由穿过心轴302的内部通道形成，藉以从反应室中排出气体。这样，化学物质的流向由注入器流向中心。化学物质的流动方向也可以反过来。流动方向反过来是通过把注入器放室的中央，而将排气口设在室的四周来实现的。
反应器应该是基本上匀温的。在一个实施例中，加热器(为了说明方便没有画出)可以是电阻加热器，它位于整个反应室中，以补偿任何热损失。在这种情况下，在沉积过程中可以保持恒温。例如，可以在靠近排气口306处布置一个内加热器以补偿此处的热量损失。环绕反应室的外加热器用来补偿向外部的热损失。最好再提供一个电阻中间加热器，它向整个室内辐射热量以保持沉积过程中适宜的晶片温度。
参阅图4c，说明性地，反应室中安置有12个注入器(箭头所示)。反应室中的注入器数目可以少一些也可以多一些。注入器沿反应室周围等距离布放。每一个注入器于是在反应室中限定30°的注入区域，如虚线所画的分界。换句话说，每一个注入器注入反应器的不同扇区。这种注入体系就称之为分段传送系统(segmented delivery system)。
操作时，通常为气体形式的硅酸盐玻璃的源材料通过注入器注入到反应室中，源材料从注入器流入反应室的中心。同时支撑晶片的平台也旋转，移动晶片经过注入源材料。当源材料与晶片表面接触时，它们之间进行化学反应并在其上沉积掺杂硅酸盐玻璃。而多余的原材料与它们的副产品通过排气口排出。
根据本发明的一个实施例，生成BPSG的源材料注入到反应室中。在一个实施例中，两种源材料或化学物质注入，以形成BPSG。第一种化学物质例如包括TEB/TEOS/O2/N2。TEOS(四乙氧基硅烷，tetraethoxysilane)是硅源，TEB(三乙硼酸酯，triethyl borate)提供了硼(B)掺杂剂原子源，而O2与N2则是载体气体。第二种源材料包括例如PH3/O2/N2/的磷化氢化学物质。PH3(磷化氢)提供了磷掺杂剂原子源，而O2与N2则是氧化剂与载体气体。也可以用其它化学物质来形成BPSG。
两种化学物质例如通过交替的注入器流入反应室。BPSG层的形成可采用常用操作条件来实现，例如在Tedder等人在“应用物理通报”(Appl.Phys.Lett.62,p.699(1993))中介绍的，这里我们作为参考加以引用。
在一个实施例中，在BPSG的沉积层上，掺杂剂浓度是变化的。在底部掺杂剂的浓度大于引起表面结晶生长的掺杂量。例如这个浓度大约是20wt％。优选地，在底部的掺杂剂浓度大约是15wt％,P掺杂剂用来吸气，P浓度通常大约在2-6wt％。这样，用来降低BPSG熔点的B浓度大约是14-18wt％。当然实际浓度取决于设计要求。由于掺杂剂的浓度大大地减小了BPSG的熔点，所以加强再流动。这也就可以使得BPSG的下部可填充具有高宽比例如高于4∶1的更小的间隙。
在层上部的掺杂剂浓度小于其底部的浓度，所以提供了具有总的掺杂剂浓度低于引起表面结晶生长的浓度的BPSG层。例如，此层可以具有掺杂剂浓度梯度大约是20wt％，优选为15wt％，并向顶部递减，以形成具有总的掺杂剂浓度低于引起表面结晶生长浓度的层，在一个实施例中，顶部的浓度约为0wt％。
本发明是根据几个说明性的实施例来介绍的，可以进行替换、取代以及等效变化，但这些都不超出本发明的范围。应该注意到有很多替换的实现本发明过程的方法。因此下面的权利要求应该包括所有不超出本发明实质精神与范围的所有替换、取代与等效形式。
权利要求
1．一种制造集成电路的方法，包括提供一基片，其包括由窄空隙相隔开的高的高宽比的器件图形；在基片表面上形成一掺杂硅酸盐玻璃层，其中，掺杂硅酸盐玻璃的底部具有的掺杂剂浓度大于能够引起表面结晶生长的量，从而，减小了玻璃的熔点，以提供窄空隙的间隙填充，并且其中，掺杂硅酸盐玻璃的上部的掺杂剂浓度小于其底部的掺杂剂浓度，从而使得该掺杂硅酸盐玻璃层具有一组合掺杂剂浓度，其低于引起表面结晶生长的浓度。
全文摘要
通过应用掺杂硅酸盐玻璃来实现改进窄间隙的间隙填充,该玻璃的底部的掺杂剂浓度大于引起表面结晶生长的量,其上部具有低的掺杂剂浓度,这样掺杂硅酸盐玻璃的总的掺杂剂浓度低于引起表面结晶生长的掺杂剂浓度。
文档编号H01L21/316GK1221211SQ9811976
公开日1999年6月30日 申请日期1998年9月28日 优先权日1997年9月30日
发明者马库斯·柯克霍夫, 马塞厄斯·伊尔格 申请人:西门子公司