專利名稱：用于深槽的摻雜硅填充的工藝步驟的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施方式主要涉及以低電阻率、摻雜的α-硅膜填充槽的方法以及深槽電容器的制造。本發(fā)明更尤其涉及一種以原位摻雜的α-硅無空隙填充所述深槽結構的方法。本發(fā)明的進一步特征為利用平行晶圓處理反應器提供原位摻雜硅膜的有益生產的方法。
背景技術：
具有砷(As)濃度從1020/cm3到1021/cm3變化的砷摻雜α-硅膜用于多種半導體器件應用中。所述應用包括字線、位線、連接墊(landing pads)、存儲節(jié)點/字節(jié)線接觸塞、ROM器件中的柵極，以及在非易失性存儲器中的浮柵極/控制柵極。為了工藝簡化、產量和間隙填充控制，關于所述結構的制造優(yōu)選地使用原位摻雜工藝。與本發(fā)明具有特別相關的是在深槽動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)器件中電極的制造中該摻雜硅膜的使用。對于這些膜重要的工藝要求是優(yōu)越的厚度均勻性、摻雜濃度和面電阻、高摻雜劑活性、低電阻率和良好的膜共形性。
這些槽電極的形成是包括多個工藝步驟的復雜工藝，其包括用于形成嵌入式電容器結構的深槽的填充。參照圖3，示出了具有大于25∶1孔徑比的填充的深槽結構50(不按比例)，其中所處理的晶圓經過多個制造步驟，其包括通過諸如蝕刻的工藝形成深槽。摻雜阱54在鄰近槽的多晶硅52中形成，由傳統(tǒng)方法(諸如通過以重摻雜硅填充隨后熱退火以將摻雜劑擴散到晶圓中)制造摻雜阱，以及采用傳統(tǒng)的薄膜沉積方法，在壁上形成電容器電介質56，氧化物、氮化物以及氧化物(ONO)層的疊層以排列槽。
其后，通過由摻雜的α-硅60填充深槽，第二電容器電極由低電阻率、摻雜的硅膜形成。一旦填充完槽，可沉積未摻雜的硅的帽層(未示出)并由隨后的化學機械研磨(CMP)以平坦化晶圓表面58。從這起，退火晶圓以在整個填充槽的材料中更均勻分布并電激活摻雜劑。在進一步的處理步驟中，電容器與晶圓表面上的其它結構電絕緣，并建立接觸連接。
典型地，槽填充已在傳統(tǒng)的擴散爐中執(zhí)行，其可以水平或垂直對齊，這兩種對齊方式大部分都以相同的方式操作。通過圖示出，在圖1中示出了典型的垂直LPCVD(低壓化學氣相沉積)爐。所示出的爐包括由石英爐10和腔室密封板12組成的腔室，為了承載多個襯底16在該腔室內插入舟14。在原位摻雜硅層形成中，硅烷(SiH4)或其它類似的前驅物、諸如氫氣或氮氣的載氣，以及諸如砷化氫(AsH3)或者磷化氫(PH3)的摻雜劑氣體從進氣管20通過腔室密封板12進入注氣管18。氣體經過密封板12并排氣口24退出工藝腔室。單獨地控制及調整多個加熱器元件26以補償眾所周知的隨著氣體從注氣管18流入腔室排氣口24的進氣濃度的消耗。
由于在該擴散爐中所出現(xiàn)的消耗效應，有必要在甚低氣壓下操作，一般低于1托，更尤其為在100至200毫托的范圍內。另外，將不充分的摻雜劑引入到填充材料中，導致有效用于這些深槽電容器結構中的電阻率過高。然而，假設需要在該低壓下操作，膜沉積速度相當?shù)?，對于純凈硅的沉積典型為30至200埃每分鐘，如果引入摻雜劑氣體則為5到30埃每分鐘。因此為了實現(xiàn)滿意的處理晶圓的每小時產量，需要每次同時處理50到100塊以上的晶圓。
在現(xiàn)有技術的擴散爐中，為了增加沉積速度在較高濃度反應氣體中的操作導致整個襯底上的非均勻沉積以及襯底之間在沉積速度上的不期望差別。增加流速可以改善在較高壓力下的沉積均勻性。然而，增加的氣流升高了反應氣體壓力，觸發(fā)具有襯底的反應顆粒污染的氣相成核。圖1的反應器相關的另一缺點包括在內部石英管10和注氣管18上的膜沉積。該不必要的沉積降低了接近襯底16的表面處反應原料氣濃度的分壓，當在管10和注氣管18的壁上所沉積的膜剝離并沉積在襯底16上時，并導致減小的沉積速度和所引起的潛在污染。最終，為了彌補從進口到該類型反應器出口的反應化學物質的消耗，在整個襯底負載區(qū)建立溫度梯度。然而，該梯度的存在引起在多晶硅情形中的另一問題。由于晶粒(grain)尺寸隨溫度而定，所需的溫度梯度將引起在整個負載區(qū)域上多晶硅晶粒尺寸變化。多個襯底內襯底之間晶粒尺寸的變化可引起關于隨后多晶硅的圖案化的問題并導致形成的集成電路的電性能的變化。
相反，單晶圓CVD處理提供相對較寬的工藝窗口。在圖2中示出的該反應器包括其上放置襯底28的旋轉襯底載體30，該襯底載體裝入在具有上石英圓頂32和下石英圓頂34以及相聯(lián)的腔室壁36的真空密封腔室內。通過上燈38和下燈40加熱襯底28。反應氣體通過進氣口42注入并通過排氣口44排出。
單晶圓反應器克服了圖1的垂直爐的一些局限。它可在高于垂直LPCVD爐(典型地高于10托)的較高壓力下操作并且沒有注入管及其相關問題。在諸如美國專利如5,108,792、5,576,059、5,607,724和5,614,257中包括該類型反應器的具體結構。
典型地，期望增加工藝沉積速度原因在于它將導致較高的制造產率以及更重要地，它將減少襯底暴露于高溫，即高于600℃的時間。在該較高溫度下，經過延長的時間周期的暴露將導致半導體器件結構中的不必要變化，該影響隨著器件尺寸變得越來越小將越來越顯著。
由于嚴重降低膜均勻性并減小沉積速度至不期望低值的“中毒”效應，還未證實在擴散爐中用砷(例如，使用砷化氫AsH3)對α-Si膜的原位摻雜有益于生產。在一個方法中，嘗試連續(xù)的工藝，其中在沉積期間未摻雜的α-Si膜周期性暴露于砷源(諸如砷化氫)中。例如，200nm膜可沉積為50nm×4層，其中在每沉積50nm之后膜暴露于砷化氫。除了與該工藝相關的復雜性，包括在包含砷化氫的基于爐的工藝中不可避免的工藝存儲效應，存在不能輕易克服的一對固有限制。對于該工藝，只能實現(xiàn)具有摻雜濃度小于1×1020/cm3的輕摻雜膜，對于下一代深槽填充應用其轉變?yōu)椴黄谕母叩哪る娮杪?。另外，對于未摻雜的α-Si，可實現(xiàn)的最大的階梯覆蓋(側壁膜厚度與場厚度的比率)接近但是不超過100％。相反，單晶圓CVD工藝提供較寬的工藝窗口，并能夠以砷原位摻雜。但是，在沉積速度(即，生產量)和階梯覆蓋以及沉積均勻性之間有折衷。然而，對于任一方法，仍沒有實現(xiàn)達到階梯覆蓋超過100％的能力。
在深槽電容器(大于10∶1孔徑比)的情形下，制造工藝以蝕刻深槽到硅晶圓中開始。例如，90nm工藝，這些槽典型是6-8μm深及0.15μm寬，具有40∶1到高于50∶1的孔徑比。在該深槽電容器情形下具有槽的無縫及無空隙填充的特定問題，該問題隨著尺寸減小及孔徑比變得更大，例如高達70∶1而變得越顯著。尤其問題是在槽的上部分中空隙(void)的形成，其中空隙典型地鄰近槽的頂部、從頂部約10％-30％向下形成，該空隙的存在妨礙隨后接觸以及形成電容器結構部分的其它絕緣結構的形成。
對于這些深槽電容器結構的無空隙填充，需要階梯覆蓋超過100％以及更優(yōu)選地為高達150％的原位AsH3摻雜α-Si膜。然而，目前采用的傳統(tǒng)的α-硅工藝只能達到最大為100％的階梯覆蓋，其導致在深槽的上部分中的空隙。另外，高孔徑比器件通常是稍微內曲，從而在槽內的一些點處槽的寬度稍微大于在其之上位置處的寬度。除非所沉積膜的階梯覆蓋超過100％，這些結構的無空隙填充是不可能的。
因此，現(xiàn)有的擴散爐和/或單晶圓處理爐的使用仍然存在問題。在擴散爐的情形下，其中砷必須通過擴散機理在晶圓上分布，AsH3反應并且在主要晶圓的外邊緣處消耗，從而較強地影響在整個晶圓上的沉積均勻性，并且使其在槽中的所沉積α-硅中非常難以得到充分的As。在單晶圓爐的情形下，為了得到所要求的膜生長速度，以在產率上有競爭力，它們必須在特別高的壓力下運行，諸如在50-200托的范圍內。然而，在這些壓力下，氣相成核是個問題，其通過采取相對高的流速可部分抑制。
因此，在具有低電阻率、高質量摻雜的α-硅的深槽電容器制造中，需要有益于工藝的生產深槽的無空隙填充。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要涉及“超填充”工藝，并且依賴于相較于槽內的點通過適當?shù)卣{節(jié)氣體流速和腔室壓力對于晶圓表面上的點可達到不同的分壓和停留時間。相對于槽內的點，如果在槽表面處的砷化氫濃度較高以及氣體停留時間較短，則相對于表面，發(fā)生的中毒效應導致槽內較高的沉積速度。因此，關鍵是相對于表面在槽內達到不同的濃度和氣體停留時間。
該新穎的深槽超填充或“V”填充工藝利用在圖案化襯底上As摻雜非晶硅(α-Si)沉積的選擇條件下達到的從深槽頂部到底部AsH3濃度減小的濃度梯度。使用三個參數(shù)AsH3/SiH4比率、總氣流和壓力而優(yōu)化需要實現(xiàn)足夠的AsH3濃度梯度的工藝條件。該AsH3梯度造成從槽頂部到底部沉積速度的相反梯度。結果沿著側壁所沉積膜的厚度從槽的頂部到底部增加，以及最大沉積發(fā)生在底部，其導致超過100％的階梯覆蓋。
由于氣體停留時間和分壓必須小心控制，該工藝最佳是在高總流量、AsH3的高分壓和高總壓下操作。高總流量導致在晶圓表面上氣體的短停留時間。流經晶圓的對流流量保證足夠并連續(xù)的砷化氫和硅烷供應到晶圓表面，從而越過晶圓表面的反應物濃度梯度非常小，其對于越過晶圓的膜的良好均勻性是必需的。在槽頂部在晶圓表面上SiH4的短停留時間防止在該處亞甲硅基(SiH2)的形成，從而降低在其位置處未摻雜組分的沉積速度。同時，在槽頂部AsH3的高分壓還導致AsH3物質的高表面濃度。這導致在槽頂部低沉積速度和高As濃度。
由于其高粘附系數(shù)和該工藝的高總壓，相較于SiH4，AsH3擴散到槽中的速度非常低。在槽中SiH4的高濃度及高總壓導致在槽內部SiH2高形成速度，同時導致在槽中AsH3的低擴散率，降低表面中毒效應。組合的效應導致在槽底部的高沉積速度同時對應的砷化氫濃度最小。從而，從槽頂部到底部有漸增梯度的膜厚度和逐漸降低梯度的薄膜As濃度。由于在槽底部砷化氫濃度仍然相對較高，所沉積的Si膜用濃度超過1×1020/cm3的砷原位摻雜。
特別地，亞甲硅基比硅烷更活潑。然而，過多的亞甲硅基可增加所沉積膜的表面粗糙度，降低階梯覆蓋并可能開始顆粒的氣相成核現(xiàn)象。另外，如果亞甲硅基驅使的沉積進行地過快，不充足的As將結合到槽填充中，并且沒有達到可接受級別的As摻雜。在這點上，已經發(fā)現(xiàn)在砷化氫/硅烷流體中包括控制量的氫是有益的，氫的存在用于延遲，并因此提供調節(jié)亞甲硅基形成的方式。
為了實現(xiàn)有益于產量的生產，一種平行晶圓處理沉積系統(tǒng)，諸如原來由Torrex Equipment公司所售的商品名FlexStarTM，并且現(xiàn)在由Applied Materials所售，可用于本發(fā)明的工藝中。FlexStarTM系統(tǒng)的獨特機構允許反應器在所需方式中運行，原因在于交叉的晶圓氣流使其可能直接控制在晶圓上方的反應物停留時間(供應)。因此，如在典型的擴散爐中一樣，不依靠擴散以將反應物提供給晶圓表面的所有部分。由于該特征，因此還防止顆粒的氣相成核現(xiàn)象。FlexStarTM沉積系統(tǒng)還結合在等溫晶圓環(huán)境下用于均勻交叉晶圓氣流的多充氣室溫控垂直噴頭注入器，其導致在寬的工藝空間上使未摻雜沉積及均勻原位摻雜α-Si膜沉積的優(yōu)異的晶圓溫度均勻性。在所出版的美國專利6,352,593以及所出版的專利申請US2003/0049372A1中可得到FlexStar平行晶圓處理反應器的詳細說明，在此引入以上專利作為參考。


因此以上方式所述本發(fā)明的特征可以更詳細的理解，將參照實施方式對以上的簡單概述的本發(fā)明進行更具體的描述，其中在附圖中示出了部分實施方式。然而，應當注意附圖僅示出了本發(fā)明的典型實施方式，并因此不能認為是本發(fā)明范圍的限定，本發(fā)明可允許其他等同的有效實施方式。
圖1是現(xiàn)有技術的垂直擴散爐的垂直截面圖；圖2是現(xiàn)有技術的單晶圓處理爐的垂直截面圖；圖3是在電容器形成中期無空隙摻雜硅填充的深槽電容器結構的示意圖，隨后是晶圓表面的CMP；圖4是用于得到圖3的中間深槽電容器結構的無空隙填充的工藝步驟的流程圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的超填充(superfill)方法在摻雜非晶硅部分填充之后未填充的深槽結構的示意圖；圖6A是如圖5所描述的深槽的超填充之后晶圓的截面視圖；圖6B是采用基線填充工藝的第一填充之后的第二晶圓的視圖；圖7是圖5的結構的示意圖，其中采用基線填充工藝已經完成由摻雜非晶硅填充無空隙槽；圖8是圖7的深槽結構的示意圖，其中已經完成α-硅的帽層；圖9A-圖9G是根據(jù)本發(fā)明的方法從晶圓處理所得到的實驗數(shù)據(jù)的各個圖；圖10和圖11描述了根據(jù)本發(fā)明的方法用于無空隙深槽電容器結構的商業(yè)生產的FlexStarTM平行晶圓處理反應器的示意圖；圖12是多腔集成設備的示意圖，其基于CA，Santa Clara的應用材料所售的Centura平臺，包括兩個FlexStarTM反應器。
具體實施例方式
通過本發(fā)明可能以原位摻雜非晶硅填充深槽，以及更具體地As摻雜非晶硅膜，而不形成空隙，同時生成高品質、具有大于100％以及高達150％階梯覆蓋、對于300mm具有＜±2％到＜±5％WIW(在晶圓內)非均勻度以及至少1×1020/cm3砷濃度的所沉積膜。另外，在多晶圓處理情形下，諸如以下文中所描述的在FlexStar腔室內完成，可一次處理多達26-51片晶圓。
在深槽電容器結構的制造中，高孔徑比的槽首先在單晶晶圓中形成，該槽具有25-50∶1或者更高的孔徑比，諸如對于更小的臨界尺寸結構可能必需的。參照圖4和圖5，為了提供無空隙槽填充，填充次序實施為多步分開步驟。開始，提供其中蝕刻深槽到單晶硅晶圓52中的部分處理的晶圓(步驟101)，As摻雜阱54圍繞槽，并且槽的阱由薄ONO層56涂覆?？蛇x地，在槽填充之前，未摻雜的α-硅薄層沉積到槽中(步驟102)，該層作為阻擋層，以防止在隨后的熱退火期間As遷移到ONO/α-硅界面中。該阻擋層沉積為在數(shù)到100之間的厚度。對于約50厚度的典型的阻擋層，以約50每分鐘的沉積速度，沉積時間將為約1分鐘。
首先，在本發(fā)明的超填充步驟104中，原位摻雜(ISD)硅60沉積在槽中，控制AsH3/SiH4的比率從而得到“V”形填充輪廓。該步驟通?？稍趶?20℃到570℃范圍內的溫度T1以及對于給定的AsH3/SiH4比率可從0.5到10托范圍內變化的壓力P1，在適宜的LPCVD反應器中實施。在該步驟中沉積速度一般在1和10/min之間變化。如以下所述，對以典型的配方，可以實現(xiàn)約3/min的沉積速度。
參照圖5，其描述了填充次序第一步驟的結果。為了影響槽的原位摻雜α-硅的填充，與砷化氫混合的硅烷以及用作載氣的氮和/或氫引入到腔室中。特別地，對于特定的砷化氫與硅烷比率，氮的流速可以用于調節(jié)在整個晶圓上的總氣流速，并且在反應腔室內用于調節(jié)反應壓力的方式。氫的存在可以用于抑制在反應的相對高壓(例如，1-4托及之上)下亞甲硅基的氣相形成。沉積溫度一般設置在520-570℃之間以有助于非晶硅的形成。
所沉積膜為非晶硅是很重要的，原因在于一旦沉積發(fā)生以及槽填充，槽內和在整個槽上沿深度的薄膜內As濃度的摻雜輪廓需要變平。其通過晶圓熱處理實現(xiàn)。通過在非晶硅形成所需的較低溫度下操作，實現(xiàn)沉積反應的較好控制，形成較小的顆粒，以及在所沉積的非晶硅膜中砷離子具有較大的遷移率，從而As濃度平衡更易實現(xiàn)。在較高溫度情形下，其中所沉積膜包含多晶硅，多晶硅的晶界可在退火期間造成所沉積填充材料內砷的選擇性遷移。
在該第一層形成中，在進氣中高As濃度用于得到相對于槽底部的朝向槽頂部的越來越低的沉積速度以提供大于100％的階梯覆蓋。為了確保最小量的As摻入所沉積的α-硅中，倘若在退火之后具有小于350Ω/sq的面電阻的填充，在槽底部所沉積的As濃度一般應該在2×1020/cm3和1×1021/cm3之間，以及4×1020/cm3的目標濃度。相對于場區(qū)(field region)，在槽內部期望AsH3的濃度較低并且期望SiH4停留時間較長。因而產生的填充一般表現(xiàn)為在圖6A中所示的情形。
在接下來的步驟(106)中，完成槽的剩余填充62。該步驟由基線工藝組成，該基線工藝限定為導致沉積膜約100％的階梯覆蓋的沉積工藝條件。對于該步驟在所沉積填充中砷的目標濃度從＞3×1020/cm3到5×1020/cm3范圍變化。當用于形成第一填充時該基線工藝導致如圖6B所示的沉積輪廓。應該理解如果僅使用基線工藝填充該槽，則將產生含空隙的填充。然而，通過首先執(zhí)行超填充工藝以產生V形填充輪廓，其中所沉積原位摻雜膜的厚度隨深度增加，可以采用較快的基線工藝(例如，使用較少的砷)以完成無空隙填充操作以產生如圖7所示的槽填充輪廓。
基線填充工藝本身在溫度T2下運行，該溫度T2可從520℃到570℃變化，并且經常方便地選擇為與步驟104的T1相同的溫度。壓力P2可以從0.5托到10托變化，但是為了考慮更快的槽填充一般選擇為低于P1。可選地，可以降低砷化氫的濃度以影響在較低壓力下甚至更快的填充。步驟106優(yōu)選地操作如步驟104中所用的保留在相同工藝腔室中的晶圓。在該工藝中，在約3e-4的所選AsH3/SiH4比率，在2-4托壓力下，產生的膜將具有～5×1020/m3的摻雜濃度，以及沉積速度一般從20到30/min變化。
在接下來步驟108中，未摻雜的覆蓋帽層64在晶圓/填充槽之上沉積，作為晶圓表面平坦化的部分工藝(參見圖8)。覆蓋沉積層的厚度是非臨界的，但是一般為至少約1000，以及較一般在1000-2500的大小。在首先的兩個填充步驟的溫度和壓力下，膜以約50-60/min的沉積速度沉積。在該覆蓋沉積步驟中，一般選擇反應的壓力P3，其中該壓力P3小于第一步驟104(或者甚至小于第二步驟106)的反應壓力，原因在于槽填充不再是個問題，在較低壓力下得到較好的填充均勻性，并且降低氣相成核的風險。給定待沉積膜的厚度，該工藝步驟將執(zhí)行約20-40分鐘。
可以理解首先的兩個沉積步驟，以及實際上所有的三個硅沉積步驟可以在同樣的配置結構內、在同樣的腔室內而不用從工藝腔室移除晶圓，否則將中斷真空的情形下相繼實施。因此可以在相同的腔室中相對快地執(zhí)行這三個沉積步驟，以及初始阻擋層沉積，其中在AsH3/SiH4比率、溫度、總氣流和壓力的變化可以容易地調整。
為了完成填充工藝，覆蓋的晶圓經歷化學機械拋光步驟(110)。之后，晶圓經歷熱退火(步驟112)以更好地平衡在所沉積α-硅填充材料內摻雜劑的分布。在非晶硅轉換為隨機取向的小晶粒多晶硅的工藝期間，該退火工藝典型地在N2中約900℃下運行從30到60分鐘的時間。在該時間期間，將電激活原位摻雜As并經由硅填充內的擴散重新分布以展平As隨深度的濃度。
在研發(fā)用于已知器件設計的給定圖案化晶圓的配方中，所述器件設計包括待填充的槽的深度和寬度(孔徑比)，可以執(zhí)行多個工藝運行，可以進行測量，以及從所研究的試驗數(shù)據(jù)建立AsH3/SiH4比率、總壓力、流速與As濃度之間的關系。
數(shù)個獨立的沉積可以實施不同的時間長度。給定可調變量，可以調整砷化氫流速、硅烷流速、反應器溫度以及反應器內的總壓力。在以下的說明中，在之后將更詳細的說明在FlexStar腔室中執(zhí)行的測試運行，其中溫度保持在約540℃到550℃以有助于在待填充槽中非晶硅的形成。使用標準的MFC調節(jié)砷化氫和硅烷的流量。使用氮氣或者氮氣結合氫氣調節(jié)壓力，或者通過控制腔室排氣口的節(jié)流閥。工藝在從2、4和8托變化的不同總壓力下運行。
一旦處理過晶圓，這些晶圓經歷截面和SEM分析。進行測量場效膜(fieldfilm)厚度以及沿著槽壁在各點處所沉積的側壁膜厚度。從這些測量，給定沉積時間，在槽內各點處的沉積速度和階梯覆蓋都能計算并繪制出。利用對場效膜以及槽中測量，利用微SIMS(二次離子質譜儀)分析測量在退火前所沉積膜中的砷濃度。在覆蓋晶圓上測量晶圓內均勻度。經驗性所得數(shù)據(jù)用于準備繪制圖9A至圖9G。
可以從這些試驗結果看出，隨著AsH3與SiH4比率增加，在所沉積膜中As的濃度增加?？梢赃M一步注意到(圖9B)，隨著砷化氫量增加，沉積速度降低。雖然As的存在趨于降低沉積速度，但是還可以看到較高的壓力趨于有助于較快的沉積。事實上其在圖9B中示出，其中可以看出膜沉積速度一般不但隨著AsH3濃度增加而降低，而且隨著壓力降低而降低。通過在圖9C和圖9D中繪制的模擬數(shù)據(jù)進一步證實了該觀察，其中很明顯對于給定的砷化氫/硅烷流量比率，隨著壓力增加在膜中的砷濃度趨于降低，并且在總壓力情形下與硅烷損耗相比，在槽內的砷化氫損耗增加較快。
對于該數(shù)據(jù)，為了達到較高的階梯覆蓋開發(fā)了修改的工藝。對于具有40∶1孔徑比的槽，在200/300mm FlexStar腔室中實施晶圓處理之后的討論。為了達到150％的階梯覆蓋，選擇AsH3流量，從而未摻雜的α-硅的沉積速度與原位As摻雜的α-硅沉積速度的比率至少為1.5X。基于工藝數(shù)據(jù)，沉積速度用作計量的以估計相比于未摻雜的α-硅膜中的摻雜濃度。在圖9B中示出的沉積速度與AsH3流量的對比圖用于選擇AsH3流量。另外，沉積速度、厚度非均勻性和表面粗糙度可用作最優(yōu)化標準以最終確定工藝，估計該工藝具有的～9×1020/cm3摻雜濃度(圖9C)。
為了得到自底向上的填充，期望最大化沉積速度對AsH3/SiH4比率的敏感性，從而即使小的AsH3損耗也能造成槽內沉積速度的較大增加。這可以以兩種方式實現(xiàn)(a)通過增加沉積壓力同時保持SiH4分壓為常數(shù)以及(b)通過保持高的AsH3/SiH4比率同時保持低SiH4分壓。槽內的AsH3損耗隨著總壓力增加而增長。較高的壓力阻礙砷擴散進入槽中，其導致最終的損耗，原因在于其在沉積膜中消耗。深槽內部的AsH3濃度(圖9F)還可預知特定的AsH3/SiH4比率和工藝壓力。這可以通過測量在沿著深槽的壁上的任意點所沉積的膜厚度而得到。預期地，槽內較低的AsH3濃度導致較厚但是相對于槽表面在槽底部較輕摻雜的膜。
模擬數(shù)據(jù)表示達到150％的階梯覆蓋以及深槽內部1020/cm3的最小As濃度。然后該工藝在2、5和8托而不改變在進氣流中AsH3和SiH4的分壓下運行。由于在晶圓表面上的沉積速度主要取決于硅烷和砷化氫的氣體分壓，隨著總壓力增加，在晶圓表面(圖5中的元件58)的沉積速度相對保持不變。然而，槽內的沉積速度穩(wěn)定地增加。來自實驗的階梯覆蓋數(shù)據(jù)用于驗證從先前所得的經驗數(shù)據(jù)的圖可得到的預測。如所預期的，如參照圖9E所預測的在較大壓力處得到最大的階梯覆蓋。
接下來在漸增的AsH3分壓(即，漸增的砷化氫流量)下，一系列沉積在8托下執(zhí)行。來自這些測試的結果表示在9.63slm標準總流量和5×10-4的AsH3/SiH4比率下有可能得到110-128％的最大階梯覆蓋。其還表明隨著漸增的總流量(降低在晶圓表面處的停留時間)、AsH3流量(增加在晶圓表面處砷化氫中毒)和深槽中的深度(在槽中較深處損耗更加嚴重)，階梯覆蓋改善。在該改進的工藝中得到110％的最大階梯覆蓋。
為了進一步增加階梯覆蓋并選擇最終深度的槽V填充工藝，通過改變在覆蓋晶圓上基線流量的總流速的三個設置-1X、2X和3X下的AsH3/SiH4比率，執(zhí)行三組沉積。隨后來自該系列的沉積速度數(shù)據(jù)用于選擇沉積速度是AsH3＝0情形下的沉積速度的＜0.25X的三個條件。為了測量階梯覆蓋，這些條件用于在深槽晶圓上沉積V形超填充膜。在以下示出其結果。

基于以上所述的工藝開發(fā)/描述研究，選擇用于超填充工藝的最終次序如下步驟-1使用V填充工藝沉積薄層(8托，28.89slm總流量，AsH3/SiH4＝4×10-4和Tdep＝540℃)。在完成填充之前，在基線As摻雜α-Si工藝下，在深槽內部形成所需的初始V形輪廓。選擇該層的厚度，從而在槽內得到V形輪廓。
步驟-2該槽由基線原位AsH3摻雜α-Si工藝填充(4托，9.63slm總流量，AsH3/SiH4＝2e-4和Tdep＝540℃)。
步驟-3沉積厚的未摻雜α-Si帽層以平坦化表面。
以下示出用于As摻雜硅的無空隙填充的沉積的典型配方。

如之前所說明的，本發(fā)明的工藝順序可以在單晶圓LPCVD腔室內實施。然而即使在多腔集成設備平臺上實施，其中高達4-5個單晶圓工藝腔室直接連接到中心傳遞腔室，假設需要相對長的沉積時間，該單晶圓處理也不為商業(yè)上可行的工藝。然而，具有有效(virtual)單晶圓處理腔室垂直疊層的FlexStarTM沉積系統(tǒng)特別適于本發(fā)明的工藝。在等溫晶圓環(huán)境下，可處理200mm和300mm晶圓的該系統(tǒng)聯(lián)合多氣室溫控垂直噴頭注入器(對于均勻交叉的晶圓氣流)，其造成能使在寬工藝空間上未摻雜的沉積和均勻地原位摻雜α-Si膜的良好溫度均勻性。FlexStarTM系統(tǒng)獨特的機構允許反應器在該工藝狀態(tài)下運行，原因在于交叉的晶圓氣流使其能直接控制反應物在各個晶圓上的停留時間(供應)。因此，不依賴于如在典型的擴散爐中的擴散以將反應物供應到晶圓表面的所有部分。由于該特征因此還防止顆粒的氣相成核。
本發(fā)明無空隙槽填充的總工藝時間約154分鐘。在單晶圓處理情形下在制造環(huán)境中這可能完全不能接受。對于可一次處理達26片晶圓的FlexStar平行晶圓處理反應器，提供6WPH的產量。通過采用設計以容納51片晶圓的舟的改進的平行處理腔室，生產力可以加倍。采用在圖12中示出的裝置可實現(xiàn)進一步的產率增益，在該裝置中兩個Torrex腔室200(其可以與其它工藝腔室202A、202B結合)，粘接(affix)到多邊傳遞腔室112。
FlexStarTM腔室200(圖10-圖11)包括用于氣體注入的垂直溫控噴頭210，垂直溫控排氣裝置300，以及具有用于加熱容納待處理晶圓的基座舟(未示出)的輻射擴散隔板422的四個PID/高溫計控制的多區(qū)直線式燈陣列400。旋轉舟，配置26片晶圓(配置以容納高達51片晶圓)，由具有通過口360旋轉性負載到一對基座之間的晶圓支撐梢上的晶圓的高質量SiC涂覆石墨基座424組成。該幾何形狀在一對基座之間建立虛擬(virtual)黑體。沿著舟的長度及在每個基座上的熱對稱使工藝結果獨立于晶圓負載，并且晶圓溫度不受小的熱偏移影響。
兩組分開的支撐梢包括于各個基座上，從而200mm和300mm晶圓可以負載在相同的運行中而不需要任何硬件變化。通過來自熱擴散隔板的再輻射加熱舟至一設定溫度。從垂直噴頭210建立并經過舟以及進入垂直排氣裝置300的交叉晶圓氣流消除了氣體停滯，最小化氣相損耗并提供用作抑制氣相顆粒產生的停留時間的精確控制。隔板幾何結構阻礙圍繞舟的氣流，迫使交叉晶圓的氣流流經舟。由于基座的直徑超過晶圓的直徑，因此預熱工藝氣體并且在氣流到達晶圓之前充分建立邊界層，最小化晶圓邊緣效應。不同于由負載在舟中的晶圓影響流導的垂直擴散爐，通過內基座間隔而控制流導。從而，可以處理基座舟內的居中軸向的部分晶圓。耦合到交叉晶圓氣流的等溫環(huán)境導致在寬壓力范圍中(0.5-10托)超均勻(ultra-uniform)沉積膜。
晶圓裝載到設置在負載區(qū)220b內的一對熱基座之間的晶圓舟中，通過提升并旋轉裝置600而垂直地增加舟直到已經負載所有晶圓。其后，將填充的舟提升到腔室200的處理區(qū)域220a中，其中在處理期間旋轉晶圓。進一步參照圖12，在完成處理之后，利用機械臂113經過開口360從舟卸載晶圓并將該晶圓放置到兩個有效冷卻的真空交換腔室(load lock chamber)106A和106B的其中之一中。一旦完全冷卻晶圓，所處理的晶圓從真空交換腔室移除并返回至空氣負載端口中的FOUP或常壓負載口中的盒(cassette)105A-105D中。
概括地說，本發(fā)明的V填充工藝依靠相比于槽內通過適當?shù)卣{節(jié)氣體流速和腔室壓力對于晶圓表面上的點可以達到不同分壓及停留時間。只要相對于槽內的點在槽表面處砷化氫濃度更高并且氣體停留時間更短，中毒效應導致相對于表面的更高沉積速度。因此，關鍵是相對于表面在槽內達到不同的濃度和氣體停留時間。
由于氣體停留時間和分壓都必須謹慎控制，該工藝在高總流量和壓力下最佳操作。高的總流量導致在晶圓表面上氣體的短停留時間。在整個晶圓上的該對流氣流保證砷化氫和硅烷充足并連續(xù)供應到晶圓表面使得在整個晶圓表面上反應物濃度梯度非常小，其對于整個晶圓上良好的膜均勻性是必需的。相反，槽內的氣體停留時間較長，原因在于槽內的反應物傳輸經由相對短的擴散工藝而不是在晶圓表面實施的非常長的對流傳輸發(fā)生。
在本發(fā)明的可選實施方式中，代替使用AsH3，通過使用諸如叔丁基砷化氫的較高分子重量砷源，砷源氣體到槽中的擴散可進一步降低。其它適宜的氣源包括三甲基砷化氫、叔苯基砷化氫、三乙基砷化氫、三甲硅烷基(trisilyl)砷化氫和三丙基砷化氫。由于較重的分子將比較輕的AsH3分子更慢地擴散，凈效應是將減小槽底部的As濃度，從而增加在該位置的非晶硅的沉積速度。
在又一可選實施方式中，As源可以脈沖至工藝腔室中。以這種方式，在AsH3氣流中斷期間，可擴散到槽中的有效As量減少并且在晶圓頂部上的氣流趨于快速地耗盡晶圓上方的As源氣體。通過以類似于ALD工藝的方式快速脈沖氣體，在晶圓表面達到高的砷濃度，同時進一步減少砷化氫擴散到槽中。
在再一實施方式中，通過使用較高分子重量的稀釋氣體而不是較輕并且較常用的N2稀釋氣體，可進一步減慢砷源擴散到槽中。例如，各種溶劑(當適當?shù)卣舭l(fā)時)諸如高階烷烴和環(huán)烷烴可用做稀釋氣體以減慢砷到槽中的擴散。示例性蒸發(fā)溶劑包括丁烷、戊烷、己烷、辛烷和十六烷。
雖然在此本發(fā)明已經結合使用砷作為摻雜劑描述，但是應該理解可以使用其它摻雜劑。同樣，這里所描述的反應溫度、壓力和時間僅用于說明。應該可以理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下，可以使用與此處說明一致的其它時間、壓力和反應物濃度。
雖然前述針對本發(fā)明的實施方式，但是在不脫離本發(fā)明基本范圍下可設計為本發(fā)明的其它和進一步實施方式，并且本發(fā)明的范圍由以下的權利要求書所確定。
權利要求
1.一種以原位摻雜硅形成無空隙高孔徑比槽的方法，包括提供具有高孔徑比的深槽；在所述槽內形成第一摻雜非晶硅層，所述層具有大于100％的階梯覆蓋，從而當沉積時，所形成的層呈現(xiàn)V形輪廓；以及在所述第一層上形成第二摻雜的非晶硅以填充所述槽。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，對于摻雜劑的所沉積濃度，所述第二摻雜非晶硅層的所述膜比所述第一摻雜非晶硅層低。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二摻雜非晶硅層是砷摻雜層。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述深槽具有大于25∶1的孔徑比。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，進一步包括在所述第一和第二摻雜非晶硅層上形成第三未摻雜層的步驟。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所沉積的所述第一摻雜非晶硅層具有大于100％的階梯覆蓋。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步驟在平行、多晶圓處理腔室中實施。
8.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在執(zhí)行熱退火處理步驟之前所述第一摻雜非晶硅層內的砷摻雜劑的最小濃度為至少1×1020cm-3。
9.在用于無空隙填充深槽的方法中，形成第一非晶硅沉積層的所述步驟，其中所述膜自下向上沉積。
10.一種用于在多晶圓處理腔室中同時處理多片晶圓以獲得高孔徑比槽的無空隙填充的方法，包括步驟提供包括晶圓支架的工藝腔室，所述支架能夾持一片或多片晶圓；將一片或多片晶圓提供到工藝腔室，并在所述支架內放置所述晶圓，其中每片所提供晶圓在其中形成多個高孔徑比槽；同時將砷化氫源氣體和硅烷源氣體的混合物引入到所述晶圓，從而所述混合氣體流經所述晶圓；以及將所述氣體加熱到一溫度，從而所述硅烷和砷化氫在所述晶圓表面和所述深槽內反應以沉積砷摻雜非晶硅層，從而所述槽內的所沉積層的所述階梯覆蓋大于100％。
11.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括在不將所述晶圓從所述工藝腔室移除下實施的第二沉積步驟，其中在該步驟中完成所述槽的填充，第二反應以較高的沉積速度實施以沉積砷摻雜非晶硅的附加層。
12.根據(jù)權利要求10所述的方法，其特征在于，在不將所述晶圓從工藝腔室移除下，實施第三沉積步驟，在該步驟中非晶硅的未摻雜層超出所述填充槽沉積。
13.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一沉積膜的所述階梯覆蓋在100％-150％之間。
14.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，在該方法中至少25片晶圓同時處理。
15.一種蝕刻其中有多個深槽的半導體晶圓，其特征在于，根據(jù)包括以下步驟的方法一個或多個所述槽已由砷摻雜非晶硅膜填充提供包括晶圓支架的工藝腔室，所述支架能夾持一片或多片晶圓；將一片或多片晶圓提供到工藝腔室，并在所述支架內放置所述晶圓，其中每片所提供晶圓具有在其中形成的多個高孔徑比槽；同時將砷化氫源氣體和硅烷源氣體的混合物引入到所述晶圓，從而所述混合氣體流過整個所述晶圓；以及將所述氣體加熱到一溫度，從而所述硅烷和砷化氫在所述晶圓表面和所述深槽內反應以沉積砷摻雜非晶硅層，從而所述槽內的所沉積層的所述階梯覆蓋大于100％。
16.一種包括具有在其中形成的深槽電容器結構前驅物的制品，其特征在于，所述深槽由電介質層和由砷摻雜非晶硅填充的無空隙排列。
17.根據(jù)權利要求16所述的制品，其特征在于，所述電介質層包括氧化物、氮化物以及氧化物的分開層。
18.在設置在半導體晶圓中的深槽的無空隙填充方法中，所述方法包括以下步驟在包括砷摻雜非晶硅的所述槽內形成第一沉積共形層，其中所述層由砷化氫與硅烷的反應形成，所述AsH3/SiH4比率在2×10-4和8×10-4之間，所述反應壓力在0.5托到10托之間以及所述沉積溫度在520℃到570℃之間；在包括砷摻雜非晶硅的所述槽內形成第二沉積層，其中所述第二層由砷化氫和硅烷反應形成，所述AsH3/SiH4比率在2×10-4和8×10-4之間，所述反應壓力在0.5托和10托之間以及所述沉積溫度在520℃到570℃之間；以及其中選擇AsH3/SiH4比率與第二層沉積的壓力，從而所述第二層的所述沉積速度比所述第一層的所述沉積速度快，以及第二沉積層形成步驟持續(xù)足以填充所述槽而在所述填充材料內沒有形成空隙的一時間。
19.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于，進一步包括在平坦化所述晶圓表面之前在所述填充深槽上形成厚的未摻雜非晶硅帽層的步驟。
20.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于，在所述第一沉積步驟期間引入所述氮氣。
21.根據(jù)權利要求18所述的方法，其特征在于，在所述第一沉積步驟期間引入氫氣。
21.一種以原位摻雜硅形成無空隙高孔徑比槽的方法，包括將具有場區(qū)和在其上形成的高孔徑比深槽的襯底提供到具有處理區(qū)域的襯底處理腔室中；在所述高孔徑比深槽中具有大于100％階梯覆蓋的高孔徑比深槽內沉積第一摻雜非晶硅層，其中沉積步驟包括以下步驟將所述襯底加熱到在約520℃到約570℃之間的溫度；將第一氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含硅烷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含砷氣體流入到所述處理區(qū)域中；其中砷的總濃度等于第一濃度；以及在所述高孔徑比深槽內沉積第二摻雜非晶硅層，其中該沉積步驟包括以下步驟將所述襯底加熱到在約520℃到約570℃之間的溫度；將第一氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含硅烷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含砷氣體流入到所述處理區(qū)域中；其中砷的總濃度等于小于所述第一濃度的第二濃度。
22.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一濃度足夠高以抑制在所述場區(qū)上所述第一摻雜非晶硅層的沉積。
23.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一氣體選自氮氣、氫氣和氦。
24.根據(jù)權利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一摻雜非晶硅層具有V-形輪廓。
25.一種以原位摻雜硅形成無空隙高孔徑比槽的方法，包括將具有場區(qū)和在其上形成的高孔徑比深槽的襯底提供到具有處理區(qū)域的襯底處理腔室中；在所述高孔徑比深槽中具有大于100％階梯覆蓋的高孔徑比深槽內沉積第一摻雜非晶硅層，其中沉積步驟包括以下步驟將所述襯底加熱到在約520℃到約570℃之間的溫度；將含硅烷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含砷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將第一氣體流入到所述處理區(qū)域中；調整所述第一氣體、所述含硅烷氣體和所述含砷氣體的流量，直到在所述處理區(qū)域中達到第一總壓力；以及在所述高孔徑比深槽內沉積第二摻雜非晶硅層，其中該沉積包括以下步驟將所述襯底加熱到在約520℃到約570℃之間的溫度；將含硅烷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將含砷氣體流入到所述處理區(qū)域中；將第一氣體流入到所述處理區(qū)域中；調整所述第一氣體、所述含硅烷氣體和所述含砷氣體的流量，直到在所述處理區(qū)域中達到第二總壓力，其中所述第二總壓力小于所述第一總壓力。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一氣體選自氮氣、氫氣和氦。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一摻雜非晶硅層具有V-形輪廓。
28.一種由砷摻雜非晶硅無空隙填充的深槽結構。
29.根據(jù)權利要求28所述的深槽結構，其特征在于，所述深槽具有大于40∶1的孔徑比。
30.根據(jù)權利要求28所述的深槽結構，其特征在于，在熱退火之前所述槽內砷摻雜劑的最小濃度是1×1020cm-3。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于由原位摻雜非晶硅的深槽結構無空隙填充的方法，在該方法中第一填充在溫度、壓力和摻雜劑與硅烷比率使得膜沉積槽自下向上發(fā)生下實施。經由第一填充，實現(xiàn)阱中的階梯覆蓋超過100％。在第二填充步驟中，沉積在變化的條件下實施以減少摻雜劑對沉積速度的影響，從而以超過第一填充沉積速度的沉積速度完成槽填充。在形成深槽電容器結構的方法的應用中，中間步驟進一步包括以非晶硅層蓋在無空隙填充的槽上，之后平坦化晶圓，隨后熱退火以再分配摻雜劑。
文檔編號H01L21/4763GK101084574SQ200580042974
公開日2007年12月5日 申請日期2005年12月13日 優(yōu)先權日2004年12月14日
發(fā)明者阿吉特·帕仁吉佩, 薩默納斯·內奇 申請人:應用材料股份有限公司