专利名称：利用惰性气体屏形成非单质器件层的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及器件的制造，特别涉及多组分非单质层的形成。
在器件的制造中，在衬底或晶片上形成例如晶体管、电容器和电阻器等器件结构。然后互连这些器件结构，实现所需的电功能。器件结构的形成一般包括在衬底上形成和构图绝缘层、半导体层和导电材料层。在衬底上形成层的技术包括化学汽相淀积(CVD)，例如，在Wolf等人在Lattice Press(1986)第Ⅰ卷的Sillicon Processing for the VLSI Era和Kern等人在IEEETrans.Electron-Device,ED-26(1979)中所述的技术，这里引入作为参考。
一般情况下，在包括基座、加热器和化学试剂输送系统的反应器中进行CVD技术。为了提高反应器的生产能力，基座可以设计成支撑大量晶片。化学试剂输送系统将化学试剂送入反应室。化学试剂含有将要淀积于晶片表面上而将由之形成层的一种或多种组分。在某些情况下，各组分源于流进反应器中的化学试剂，而在其它情况下，它们通过例如与其它引入的化学试剂的反应现场产生。一般情况下，化学试剂包括载体剂，帮助将各组分送入反应室。在某些应用中，载体剂还可用作其它目的，例如，O2用作氧化剂。加热器用于将反应室加热到反应条件，使化学试剂引入其中时与晶片表面反应。该反应分解化学试剂，产生将淀积以形成层的组分。然后这些组分与晶片表面化学结合形成层。自然，反应温度和化学试剂取决于要形成层的类型。
在某些应用中，层的形成至少包含两种组分(多组分)。这种多组分层可通过至少将两种化学试剂(多化学试剂)送入反应室而形成，每种试剂至少包括一种组分。例如，将包括第一组分和载体剂的第一化学试剂及包括第二组分和载体剂的第二化学试剂送入反应室，反应产生形成多组分层的组分。使用分区输送系统，将不同的化学试剂送入反应室。因为分区输送系统消除了工艺参数间的相互影响，所以希望使用分区输送系统形成多组分层，从而容易进行工艺控制。
在常规的分区输送系统中，反应室被分成大小相同的几个区。分区输送系统将不同的化学试剂送到反应室的不同区。支撑一个或多个晶片的基座或台板旋转。当台板旋转时，化学试剂反应，在晶片表面上淀积层。
利用分区输送系统可以有效地形成例如调制造掺杂硅酸盐玻璃(MDSG)等非单质层。题为“Semiconductor Insulator Structure Using ModulationDoped Silicate Glass”的美国专利申请号为08/578165(代理登记号95P7574)的专利申请中描述了MDSG层的形成，这里引入该文献作为参考。MDSG层包括多个子层，其中各子层的组分不同。例如，第一组交替子层由第一化学试剂形成，第二组交替子层由第二化学试剂形成。
在常规分区输送系统中形成非单质层时，会发生向着反应器中心的两物质互扩散。这引起了晶片上所得非单质层组分极大地改变。尽管在限定范围内是容许的，但由于会影响工艺成品率，所以这种不均匀性是所不希望的。
从上述讨论可知，显然，需要形成层的改进的技术和系统，以实现整个晶片上材料分布的基本均匀。
本发明涉及在晶片表面上形成多组分非单质器件层。器件层至少包括第一和第二组分。该层在包括能至少支撑一个晶片的基座以及交替的第一区和第二区及隔离第一和第二区的第三区的反应室中形成。晶片设置于基座上并旋转。包括第一组分的第一化学试剂和包括第二组分的第二化学试剂分别流入第一区和第二区。惰性气体流入第三区。
图1展示了常规的CVD反应器；图2具体展示了常规CVD反应器的反应室；图3展示了常规CVD的分区化学试剂输送系统；图4展示了用于形成BPSG层的常规分区化学试剂输送系统；图5A-B展示了常规CVD反应器中作为角位置函数的TEOS和PH3的浓度；图6展示了根据本发明的带有分区输送系统的反应室；图7展示了根据本发明一个实施例利用有惰性气体屏的分区输送系统模型模拟产生的TEOS和PH3的浓度；图8展示了相对于惰性气体屏气体流速的TEOS和PH3的浓度。
本发明一般涉及器件的制造，特别涉及源于一种以上化学试剂的各组分的分布基本均匀的层的形成。为了说明，用形成调制掺杂的硅酸盐玻璃(MDSG)进行说明。MDSG可以包括各种掺杂剂，例如磷(P)、硼(B)或它们的组合。也可以用其它掺杂剂。然而，本发明的范围相当宽，可延伸到非单质器件层的制造。
在讨论本发明以前，首先说明用于形成层的常规CVD反应器。参见图1，图1是常规CVD反应器110的简化顶视图。这种反应器例如包括由加里福尼亚Fremont的Lam Research Inc.生产的Lam Integrity DSM 9800。如图所示，反应器110包括晶片盒存储架130和135、装载锁定单元140和145、传输室150及反应室160。授予Monkowski等人的美国专利4976996中描述了这种Lam Integrity DSM 9800，这里引入此文献作为参考。每个片盒存储架都存放一个例如用于常规器件制造中支撑和存放多个晶片的片盒。片盒中的晶片被晶片传输臂131和132送到各个装载锁定单元。传输室150包括晶片装载臂151。晶片装载臂或者从装载锁定室140中或者从装载锁定室145中取走晶片，并将晶片放置于反应室中基座165的晶片槽161中。例如，基座包括九个晶片槽。通过将基座旋转至合适的位置，将各晶片装至其它槽中。
图2更具体地展示了反应室160。如图所示，反应室包括处理室的反应区260中的基座220。基座包括多个用于放置晶片的槽。一般情况下。槽的深度应为在放置晶片时使晶片的上表面基本与基座的表面共面。基本上共平面有利于化学试剂流。在反应室的周围设有多个喷嘴250。与这些喷嘴相连的是多个化学试剂输送管250。输送管的数量取决于用于形成层的材料的不同类型数。由喷嘴将各材料混合，并送入处理室的反应区。过量的材料和反应副产品通过设于处理室中央的排气孔230放出去。这样，化学试剂流的方向为从喷嘴到中心。可选择地是，也可以使化学试剂流的方向相反。通过将喷嘴设于处理室的中心，并将排气孔设于处理室的周围可以使流动方向相反。
图3是常规CVD反应器的分区输送系统的顶视图。反应室320被分成面积相等的多个区。每个区中反应器的周围设有输送喷嘴340(如箭头所示)。例如，反应室包括12个区。使用各个喷嘴将合适的化学试剂通入反应室。各喷嘴构形成使化学试剂沿从喷嘴到基座中央即反应室中央的线性通道流动。基座旋转，使化学试剂与晶片表面接触。
在用两种化学试剂形成非单质层时，将它们通过交替的喷嘴引入反应室。例如，通过喷射包括四乙氧基硅烷(TEOS)的第一化学试剂和包括磷化氢(PH3)的第二化学试剂形成非单质掺磷的硅酸盐玻璃(PSG)。TEOS是硅源，PH3提供磷(P)掺杂剂原子源。一般情况下，化学试剂包括O2和N2作为氧化剂和载体气。
参见图4，例如，由喷嘴410a输送TEOS/O2/N2化学试剂，由喷嘴410b输送PH3/O2/N2化学试剂。利用例如Tedder等人在Appl.Phys.Lett.62,P.699(1993)描述的常规处理条件进行PSG层的形成，这里引入此文献作为参考。非单质PSG层的典型P浓度为约3-10wt％。自然，精确的浓度取决于应用和设计参数。反应室的温度为约650-900℃，较好为约750-850℃。反应室内压力为约100-10,000毫乇，较好为约1,000-5,000毫乇。基座的旋转速度小于或等于约20转/分钟(rpm)，较好为小于或等于约5rpm。
图5A展示了具有每个约30°的十二个区的反应室的例示区650。如图所示，区650约为60°，包括喷嘴660a-b和665。喷嘴660a-b将TEOS/O2/N2化学试剂输送到处理室；喷嘴665将PH3/O2/N2化学试剂输送到处理室。这样，该区中的区域670为TEOS/O2/N2区，区675为PH3/O2/N2区。利用Cham提供的Phoenics CVD2.1模拟器对两种化学试剂进行理论气体流模拟，Cham位于英格兰的伦敦。模拟出以下工艺条件反应室内压力1乇PH3/O2/N2喷嘴6.25slm N2,1.2slm PH3TEOS/O2/N2喷嘴2.5slm N2,8.0ml/min TEOS反应室温度830℃基座旋转3.5rpmslm标准的每分钟升数(气体)ml/min每分钟毫升数(液体喷射)图5B是喷入处理室的气体的浓度的曲线图。相对于区650内的角位置(弧度)和径向位置(见图5A)测量TEOS和PH3气体的浓度。线670表示径向位置Y11处的TEOS气体的浓度，该位置处在相对于角位置靠近喷嘴的晶片边缘。线671表示径向位置Y5处TEOS气体的浓度，该位置处在相对于角位置靠近处理室中心的晶片边缘。线680表示径向位置Y5处的PH3气体的浓度，该位置处在相对于角位置靠近处理室中心的晶片边缘。线681表示径向位置Y11处的PH3气体的浓度，该位置处在相对于角位置最靠近喷嘴的晶片边缘。
从图5B可知，TEOS和PH3气体趋于向各自的邻近区扩散。靠近喷嘴，气体有陡峭的分布，并明显表现出分离。向中心移动，曲线轮廓由于两种化学试剂的混合或掺合在一起而变得分离不明显。化学试剂的掺合导致了层的调制，减小了晶片上的幅度。这导致了晶片上材料特性的不均匀。
根据本发明，由两种化学试剂形成的非单质层晶片上的均匀性得到了提高。提高的均匀性是通过在第一和第二化学试剂间设置惰性气体屏实现的。惰性气体屏减弱了化学试剂的混合或使这种混合的程度最小。参见图6，该图是根据本发明一个实施例的CVD反应器的反应室的简化图。例如，反应室包括圆形的基座810，用于以圆形构形支撑多个晶片(未示出)。
反应室被分成多个区720a、720b和720c。例示的反应室被分成12个区。区720a、720b和720c分别包括喷嘴721a、721b和721c。喷嘴721a输送第一化学试剂，喷嘴721b输送第二化学试剂。喷嘴721c设于喷嘴721a和721b之间，输送惰性气体，例如氮气(N2)。也可以用其它的惰性气体，如He或Ar。N2用作惰性气体屏，隔离两种化学试剂。惰性气体屏减少了由于不同化学试剂扩散到不同区导致的反应物或使这种反应物最少化。于是层的均匀性更好。在一个实施例中，TEOS/O2/N2化学试剂流过喷嘴721a，PH3/O2/N2化学试剂流过喷嘴721b，N2流过喷嘴721c，形成P-MDSG层。
另外，也可以用其它化学试剂形成掺杂的非单质层。例如，用TEB/O2/N2和TEOS/O2/N2化学试剂形成掺B的非单质层，或用PH3/O2/N2和TEOS/O2/N2化学试剂形成掺B和P的非单质层。
利用Phoenics CVD2.1模拟器对喷射到处理室中的带有N2屏的TEOS/O2/N2和PH3/O2/N2化学试剂进行理论气流模拟。处理室分成十二个30°的区。模拟出以下工艺条件反应室内压力1乇PH3/O2/N2喷嘴6.25slm N2,1.2slm PH3TEOS/O2/N2喷嘴2.5slm N2,7.1 5ml/min TEOSN25slm反应室温度830℃基座旋转3.5rpmslm标准的每分钟升数(气体)ml/min每分钟毫升数(液体喷射)参见图7，将模拟的结果绘图，该图展示了反应室的120°区。线820表示径向位置Y11处的TEOS气体的浓度，该位置处在相对于角位置最靠近喷嘴的晶片边缘。线830表示径向位置Y5处TEOS气体的浓度，该位置处在相对于角位置最靠近处理室中心的晶片边缘。线840表示径向位置Y5处的PH3气体的浓度，该位置处在相对于角位置最靠近处理室中心的晶片边缘。线850表示径向位置Y11处的PH3气体的浓度，该位置处在相对于角位置最靠近喷嘴的晶片边缘。
从图7可知，惰性气体屏隔开了晶片上TEOS和PH3的浓度曲线。这导致了晶片上非单质层具有更显著的调制和更好的均匀性。
已发现，惰性气体屏的流速会影响第一和第二化学试剂的隔离。图8是展示N2流速效果的模拟图。线910a-b分别表示在N2流速为2.5slm时相对于径向位置TEOS和PH3气体的浓度。线920a-b分别表示在N2流速为5slm时相对于径向位置TEOS和PH3气体的浓度。线930a-b分别表示在N2流速为10slm时相对于径向位置TEOS和PH3气体的浓度。正如所看到的，N2流速越高，TEOS和PH3间的分离越明显。一般情况下，惰性气体的流速在约2-10slm的范围内，较好为约5-10slm。自然，该流速随应用和设计参数可以改变。
尽管已参照不同的实施例对本发明进行了具体地说明。但所属领域的技术人员应该认识到，在不背离其范围的情况下可以作出改型和变化。因此，本发明的范围不是由上述说明确定的，而是由权利要求书及其等同物的全部范围确定的。
权利要求
1．一种在器件制造中在晶片表面上形成多组分非单质器件层的方法，所述器件层包括第一和第二组分，它是在反应室中形成，所说反应室包括能至少支撑一个晶片的台板，和交替的第一和第二区及隔开第一和第二区的第三区，该方法包括在基座上至少放置一个晶片；旋转基座；将包括第一组分的第一化学试剂输送到反应室的第一区中；将包括第二组分的第二化学试剂输送到反应室的第二区中；将惰性气体输送至反应室的第三区。
全文摘要
本发明公开了一种在晶片表面上形成多组分器件层的方法和设备。通过分区输送系统向反应室中输送包括第一组分的第一化学试剂和包括第二组分的第二化学试剂,由此形成多组分非单质器件层。反应室包括支撑和旋转晶片的台板。分区输送系统包括交替的第一和第二区及隔开第一和第二区的第三区。分别将第一和第二化学试剂输送到第一区和第二区,将惰性气体输送到第三区。
文档编号H01L21/316GK1214533SQ9812077
公开日1999年4月21日 申请日期1998年9月29日 优先权日1997年9月30日
发明者伊尔克·马赛厄斯, 克里斯托夫·沃纳 申请人:西门子公司