DE3515135A1 - Verfahren zur abscheidung von borphosphorsilicatglas auf silicium-wafern - Google Patents

Verfahren zur abscheidung von borphosphorsilicatglas auf silicium-wafern

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DE3515135A1
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Thomas C. Sunnymead Calif. Foster
Jon C. Orange Calif. Goldman
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Description

Beschreibung
Bekanntlich wird Siliciumdioxid (SiO2) auf Silicium-Wafern bzw. -Plättchen als Diffusionsmaske, um die Diffusionsübergangszonen gegen Kontamination durch Verunreinigungen zu schützen, als Oberflächenisolator, um verschiedene Einrichtungen und Metallverbindungsstellen voneinander zu trennen, oder als dielektrischer Film für Kondensatoren verwendet. Die Maskierungseigenschaften von SiO9 sind insbesondere wichtig, um zu verhindern, daß positiv geladene Ionen, wie z.B. Na oder H , die in SiO2 bei niedrigen Temperaturen verhältnismäßig große Diffusionskoeffizienten aufweisen, in die dotierten Bereiche des Wafers, die das 2 maskiert, einzudringen, da die Natrium- und Wasserstoffionen besonders nachteilig sein können für integrierte Schaltungen, die Bereiche vom schwach dotierten p-Typ enthalten.
SiO2 kann gebildet werden durch thermische Oxidation von Silicium-Wafern in einem Diffusionsofen bei Temperaturen zwischen 900 und 12000C. Die thermische Oxidation wird durchgeführt durch Inkontaktbringen des Siliciums auf den Wafer-Oberflächen mit Sauerstoff oder Wasserdampf. Die zum Wachsen der thermischen Oxide erforderlichen hohen Temperaturen können jedoch häufig zu einer erneuten VortrtUumj (Neuvortoilunq) der vorher diffundierten Verunreinigungsschichten führen. Um die Dotierungsmittel-Neuverteilung zu vermeiden, sind Niedertemperatur-Oxidabscheidungs-Verfahren erwünscht, in denen beispielsweise die pyrolytische Zersetzung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) oder Gasphasenreaktionen, wie z.B. die Reaktion zwischen Silan (SiH4) und Sauerstoff, ausgenutzt werden, erwünscht, da sie in der Regel bei Temperaturen von 400 bis 5000C durchgeführt werden können. Diese pyrolyti-
sehe Zersetzung von SiO« oder Silicatglas, manchmal als s-Glas bezeichnet, kann auch angewendet werden zur Bildung eines dielektrischen Schutzüberzugs auf der gesamten Oberfläche einer integrierten Schaltung, nachdem die Metallverbindungen (Metallanschlüsse) hergestellt worden sind. Eine typische Vorrichtung zur Bildung von thermischen Oxiden auf Silicium-Wafern ist in der US-PS 4 253 beschrieben. Eine Verbesserung zur Verhinderung der Schichtenbildung der Gase innerhalb eines Hochdruckoxidationssystems ist in der US-PS 4 376 796 beschrieben. Ein typisches System zur Bildung von auf Silicium-Wafern abgeschiedenen Oxiden ist in der US-PS 4 369 031 beschrieben.
Ferner wurde gefunden, daß es häufig wichtig ist, einen sehr einheitlichen (gleichmäßigen) abgeschiedenen Oxidüberzug auf den Silicium-Wafern vorzusehen. Um dies zu erreichen, werden die Wafer häufig während der Abscheidung in einem Umhüllungsschiff eingeschlossen, wie in der US-PS 4 098 923 beschrieben. Daraus ist ein Oxidabscheidungssystem zu entnehmen, in dem Sauerstoff, Silan und Phosphin als Reaktanten zur Abscheidung eines Phosphorsilicatglases verwendet werden. Das Abseheidungsverfahren läuft bei einem Druck von weniger als 50 Mikron und bei einer Abseheidungsrate von 100 Ä pro Minute ab.
Phosphorsilicatglas oder mit Phosphor dotiertes Glas wird als Fließglasschicht (flow glass layer) bei der Herstellung von Halbleitern verwendet. Das heißt mit anderen Worten, es umfaßt eine inerte Isolierschicht, die nach der Abscheidung die Konturen der Oberfläche annimmt, auf der sie abgeschieden wird. Da bekanntlich integrierte Schaltungen häufig eine terrassierte Oberflächenkontur aufweisen als Folge vorausgegangener Abscheidungs- und Ätzstufen, und Metallverbindungen (metal interconnects) häufig auf der Oberseite einer solchen abgeschiedenen Glasschicht gebildet werden, ist es
erwünscht, das Glas zum Fließen zu bringen oder etwas weich zu machen in einer zusätzlichen Fließstufe, in der die Silicium-Wafer einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden, um die Konturen des Glases weich zu machen. Wenn eine solche Fließstufe nicht durchgeführt wird und Aluminiumverb in dungs schichten direkt auf der abgeschiedenen Glasschicht gebildet werden, können Fehler an den Metallverbindungen auftreten an den Stellen, an denen die Neigung (der Verlauf) der Glasschicht sich abrupt ändert als Folge der Tatsache, daß Mikrorisse gebildet werden, die zumindest den Widerstand der Metallverbindungen erhöhen oder sogar die Verbindung vollständig trennen können. In dem Maße, in dem die geometrischen Formen der auf Wafern erzeugten integrierten Schaltungen verkleinert worden sind, ist es immer schwieriger geworden, einen Glasüberzug mit Fließeigenschaften zu schaffen, die mit anderen Verfahrensstufen kompatibel sind, um die Neuverteilung der Dotierungsmittel während des Fließglühens minimal zu halten.
Die Temperatur, bei der das Glas weich wird, wird häufig bestimmt durch die Konzentration an Phosphor innerhalb des Glases. Wenn die Phosphorkonzentration erhöht wird, hat das Glas die Neigung, bei tieferen Temperaturen weich zu werden. Für die Phosphorkonzentration besteht jedoch eine obere Grenze aufgrund der Tatsache, daß Phosphoratome aus dem Glas heraus und in die dotierten Abschnitte der Wafer diffundieren können, in denen sie Änderungen der Dotierungskonzentration hervorrufen, das Leistungsvermögen vermindern oder ein Versagen der integrierten Schaltung hervorrufen. Außerdem ist der Phosphor in dem Glas hygroskopisch. Seine Neigung, Feuchtigkeit anzuziehen, kann zur Bildung von Phosphorsäure innerhalb der Glasschicht führen, welche die Metallverbindungen im Kontakt mit dem Glas zerstören kann.
Als Alternative wurden auch bereits mit Bor dotierte Gläser verwendet, um die Fließtemperatur herabzusetzen, so daß keine Neuverteilung der Dotierungsmittel während der Fließwiedererhitzungsstufe stattfindet. Der neueste Stand der Technik ist der, daß eine Kombination von Phosphor und Bor, die in der Glasschicht enthalten ist, niedrige Fließtemperaturen ergibt und eine Kombination darstellt, die Phosphorverunreinigungsproblerne und die Neigung der Glasschicht, Wasser zu absorbieren und Phosphorsäure innerhalb der Schicht selbst zu bilden, verhindert. Typisch für die bekannten Verfahren zur Herstellung von Borphosphorsilicatglas ist dasjenige der US-PS 3 481 781. Aus einem Artikel "Chemical Vapor-Deposited Borophosphate Glass for Silicon Device Applications" von W. Kern und G. Schnäble, publiziert in RCA Review, Band 43, September 1982, ist die Bedeutung der Verwendung von Borphosphorsilicatglasfilmen zur Erzielung genügend abgeschrägter Konturen über steilen Stufen aus Oxid und polykristallinem Silicium, um die Kontinuität und Aufrechterhaltung der Filmdicke von anschließend abgeschiedenen Metalleiter-Verbindungs-Linien zu entnehmen. Dieser Artikel lehrt, die chemische Gasphasenabscheidung unter Verwendung von Silan, Diboran (B2Hg) und Phosphin (PH3) zusammen mit Sauerstoff anzuwenden. In dem Artikel ist ferner angegeben, daß bestimmte Rotations-Chargenreaktoren, kontinuierliche Oxidabscheidungsreaktoren und kontinuierliche Reaktoren im Handel erhältlich sind zur Durchführung des darin beschriebenen Verfahrens.
Bei Versuchen mit der chemischen Gasphasenabscheidung von Borphosphorsilicatgläsern, insbesondere bei tiefen Temperaturen, in denen abgeschiedene Oxidsysteme mit Injektorverzweigungen verwendet wurden, die sich entlang der Länge des Reaktionsrohres des Typs, wie er in der US-PS 4 369 031 beschrieben ist, erstrecken, wurde nun gefunden, daß Atmosphärendruck-Gasphasen-Abscheidungs-
systenekeine einheitlichen (gleichmäßigen) Filmdicken ergeben und keine niedrigen Raten der Teilchen- und Pinhole-bzw. Lunkerbildung in der SiO2-Schicht ergeben, wie sie von der Wafer-Herstellungsindustrie für abgeschiedene 5 Oxidschichten gefordert werden. Außerdem scheinen bei den bekannten Atmosphärendruck-Systemen Oxidschichten mit einer ungleichmäßig abgestuften Beschichtung gebildet zu werden, die bewirken, daß das in einem Atmosphärendruck-System durchgeführte Verfahren nicht reproduzierbar und unzuverlässig ist.
Bei Versuchen mit CVD-Systemen vom Injektor-Typ bei vermindertem Druck oder niederem Druck, in denen Silan, Sauerstoff, Phosphin und Diboran als Reaktanten verwendet werden, wurde nun gefunden, daß innerhalb der abgeschiedenen Glasschicht sehr wenig Bor eingeschlossen wurde, wobei das Diboran innerhalb der Injektorverzweigung offensichtlich nahezu vollständig dissoziierte, wodurch der größte Teil des Bors innerhalb der Injektorrohre abgeschieden wurde und die Borquelle verarmt wurde, bevor sie die Nähe der Wafer erreicht hatte.
Erwünscht ist daher ein Niederdruck-Gasphasenabscheidungssystem für die Abscheidung von dünnen Filmen aus Borphosphorsilicatglas auf Silicium-Wafern, wobei die dünnen Filme niedrige Fließtemperaturen, ausreichende Einschlüsse an Bor, eine gut abgestufte Beschichtung und wenige Lunker aufweisen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, mit dessen Hilfe es möglich ist, Schichten aus Borphosphorsilicatglas bei niedrigem Druck auf einer Vielzahl von Silicium-Wafern, die innerhalb eines Reaktionsrohres angeordnet sind, abzuscheiden. Das Verfahren umfaßt eine Stufe, bei der eine Vielzahl von Wafern in ein Umhüllungs-Quarzschiff oder in einen Wafer-Träger mit einer Vielzahl von in die Wände desselben eingeschnittenen Schlitzen einge-
führt wird, um die Reaktantengase in die Nähe der Wafer gelangen zu lassen. Die ümhüllungsschiffe werden dann in ein langgestrecktes, zylindrisches Quarz-Reaktionsrohr mit heißer Wand eingeführt, das bei einer Temperatur von nicht weniger als 3500C und von nicht mehr als 5000C, vorzugsweise von etwa 425°C, betrieben wird. Das Reaktionsrohr wird dann geschlossen und mit trockenem Stickstoff durchgespült. Der Druck in dem Rohr wird dann auf einen Wert unter 66,7 Pa (500 Millitorr), jedoch nicht weniger als 20,0 Pa (150 Millitorr) herabgesetzt. Vorzugsweise wird der Druck in dem Rohr während der Abscheidung des Borphosphorsilicatglasfilms bei 23,3 bis 26,7 Pa (175-200 Millitorr) gehalten. Ein Gemisch aus Silan, Phosphin und Bortrichlorid (BCIo) wird durch ein erstes Paar Silaninjektoren in das Reaktionsrohr einströmen gelassen. Durch ein Paar Sauerstoff-Injektoren wird auch Sauerstoff in das Rohr einströmen gelassen. Der Druck des Rohres wird bei 23,3 bis 26,7 Pa (175-200 Millitorr) gehalten, während die Reaktantengase einströmen gelassen werden.
Der Strom der Reaktantengase wird aufrechterhalten und die Temperatur wird bei 425°C gehalten, bis die Borphosphorsilicatglasschicht in der gewünschten Dicke auf dem Wafer gebildet ist. Die Ströme aller Reaktantengase werden dann gestoppt und das Rohr wird mit trockenem Stickstoff durchgespült, der durch einen der Injektoren eingeleitet wird. Dann werden die Wafer aus dem Reaktionrohr entnommen und sie werden einer weiteren Behandlung unterzogen.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung eines Borphosphorsilicatglases mit einer niedrigen Fließtemperatur auf Siliciumwafern zu schaffen. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung von Borphosphorsilicatglas zu schaffen, bei dem der abgeschiedene Glasfilm ein gut abgestuftes Deckvermögen und sehr wenige Lunker aufweist. Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenab-
scheidung von Borphosphorsilicatglas zu schaffen, bei dem ausreichende Konzentrationen an Bor in der abgeschiedenen Glasschicht eingeschlossen werden können, ohne daß der größte Teil des Bors verarmt ist, bevor es die Silicium-Wafer erreicht.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung,
die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Absehe idungsverf ahrens geeignet ist;
Fig. 2 eine Seitenaufrißansicht eines Quarz-Reaktionsrohres mit entfernten Teilen, die Details der Anordnung einer Vielzahl von Reaktantengasinjektoren und einer Vielzahl von ümhüllungsquarzschiffen mit darin enthaltenen Silicium-Wafern zeigt;
Fig. 3 eine Endansicht des Quarzreaktionsrohres gemäß Fig. 2 mit weggebrochenen Teilen, die Details der Anordnungen der Injektoren innerhalb des Reaktionsrohres zeigt; und
Fig. 4 eine Aufriß-Draufsicht auf das Quarzreaktionsrohr gemäß Fig. 2 mit weggebrochenen Teilen, die Details der Orientierung der Injektoren innerhalb des Reaktionsrohres und eine Vielzahl von darin angeordneten Injektoröffnungen zeigt.
In den beiliegenden Zeichnungen, insbesondere in der Fig. 1, ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, die allgemein durch die Bezugsziffer 10 bezeichnet wird. Ein langgestrecktes, zylindrisches Quarzreaktionsrohr 12 mit einem Quellenende
12a und einem Beschickungsende 12b eines konventionellen Typs ist innerhalb eines elektrischen Widerstandsheizelements 14 angeordnet und geeignet für die Aufnahme eines Umhüllungsschiffes, das eine Vielzahl von Wafern enthält, die bearbeitet werden sollen, wie nachstehend näher beschrieben. Das Reaktionsrohr 12 ist geeignet für die Aufnahme einer Vielzahl von Reaktantengasen und für die Evakuierung mittels einer Vakuumpumpe.
Eine Quelle 20 von unter Druck stehendem trockenem Stickstoffgas ist mit einer Stickstoffgasbeschickungsleitung 22 verbunden, die über ein Paar Verzweigungsleitungen 24 und 26 mit einem Stickstoffnadelventil 28 mit geringer Strömungsrate, ein Stickstoffventil 30 mit geringer Strömungsrate, einem Stickstoffnadelventil 32 mit hoher Strömungsrate und einem Stickstoffventil 34 mit hoher Strömungsrate verbunden ist. Die Stickstoffventile 30 und 34 mit niedriger und hoher Strömungsrate stehen mit einer Sauerstoffbeschickungszuführungsleitung 36 in Verbindung.
Eine Sauerstoffquelle 38 ist über eine zweite Sauerstoffbeschickungsleitung 40 mit einem Paar Leitungen 42 und 44 verbunden. Die Leitung 42 ist mit einer Beschickungssauerstoff-Massenstrom-Kontrolleinrichtung 46 verbunden, die ihrerseits mit einem Ventil 48 verbunden ist. Eine Quellensauerstoff-Massenstrom-Kontrolleinrichtung 50 ist mit der Leitung 44 verbunden für die Aufnahme von Sauerstoff daraus und für die Kontrolle des Sauerstoffstromes durch ein Ventil 52 und sie ist mit einer Sauerstoffquellenbeschlckungsleitung 54 verbunden. Die Sauerstoffleitung 36 umfaßt auch eine Sauerstoffbeladungszuführung sie itung .
Eine Quelle für Silan 56 ist über eine Leitung 58 mit einem Silan-Massenstrommeter 60 verbunden, das seinerseits mit einem Ventil 62 verbunden ist. Eine Quelle
für Phosphingas 64 ist über eine Phosphinleitung 66 mit einer Phosphinmassenstrom-Kontrolleinrichtung 68 verbunden. Die Phosphin-Massenstromkontrolleinrichtung 68 beschickt ein Ventil 70. Das Silanventil 62 und das Phosphinventil 70 stehen mit einer Mischleitung 72 in Verbindung, die ihrerseits mit einer Silan-Phosphin-Beschikkungsmassenstrom-Kontrolleinrichtung 74 und einer Silan-Phosphinque1len-Massenstromkontröl!einrichtung 76 verbunden ist, die parallel mit einer Silan-Phosphin-Beschikkungsmassenstromkontrolleinrichtung 74 verbunden ist. Die Silan-Phosphin-Beschickungsmassenstromkontrolleinrichtung 74 gibt ihr Silan und ihr Phosphin durch ein Silan-Beschickungskontrollventil 80 in eine SilanbeSchickungsströmungsleitung 82. Die Silan-Phosphinquellen-Strömungskontrolleinrichtung 76 gibt ihr Output durch ein Silan-Phosphinquellenventil 84 in eine Silan-Phosphinquellen-BeSchickungsleitung 86.
Eine Quelle von Bortrichlorid 90 ist mit einer Bortrichlorid-Beschickungsleitung 92 mit einer Beladungsbortrichloridmassenstromkontrolleinrichtung 94 verbunden. Die Bortrichloridbeschickungsleitung 92 ist auch mit einer Quellenbortrichloridstrommassenkontrolleinrichtung 96 verbunden. Die Beschickungsstromkontrolleinrichtung 94 führt einen Bortrichloridbeschickungsstrom in ein Ventil 100 ein. Die Quellen-Bortrichloridstromkontrolleinrichtung 96 liefert einen Qullen-Bortrichloridstrom an ein Ventil 102. Der Beschickungsbortrichloridstrom wird mit dem Beschickungssilan-Phosphin-Strom an einer Verbindungsstelle zwischen einer Beschickungsbortrichlorid-Stromleitung 104 und der Silan-Phosphin-Strombeschickungsleitung 82 kombiniert. Ein durch eine Leitung 106 fließender Quellenbortrichloridstrom wird mit dem Quellensilan-Phosphin-Strom aus der leitung 86 kombiniert und in das Reaktionsrohr 12 eingeleitet. Jede der Massentromkontröl!einrichtungen 46, 50, 68, 74, 76, 94 und 96 und das Massentrommeter 60 sind mit einem Mikrocomputer 109 verbunden,
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durch den sie überwacht und kontrolliert bzw. gesteuert werden.
Das Reaktionsrohr 12 wird durch eine Vakuumleitung 110, die mit einer Rückwand 112 an dem Quellenende 12a des Reaktionsrohres 12 verbunden ist, auf einen Atmosphärenunterdruck, in der Regel 66,7 Pa (500 Millitorr) oder wenige r^ evakuiert. Ein Drucksensor 114 ist mit der Vakuumleitung 110 verbunden und steuert bzw. kontrolliert ein Schieberventil 116, das damit verbunden ist, um den Innendruck des Reaktionsrohres 12 zu regulieren. Ein Halbschieberventil 118 ist parallel mit dem Schieberventil 116 verbunden. Eine Vakuumpumpe 120 zieht die Gase durch die Leitung an dem Drucksensor 114 vorbei und durch die Ventile 116 und 118 ab, wobei die Gase anschließend durch einen Pumpenauslaß 122 abgelassen werden.
In der Fig. 2 besteht das Reaktionsrohr 12 aus einem im allgemeinen zylindrischen, langgestreckten Quarzreaktionsrohr vom konventionellen Typ, wie er in chemischen Gasabscheidungsverfahren verwendet wird und der eine Vakuumkupplung 130 aufweist, die einen Teil der Vakuumleitung 110 bildet, die mit einem Ellbogen 132 an der Rückwand 112 des Reaktionsrohres 12 verbunden ist. Das Reaktionsrohr 12 umfaßt auch eine Vielzahl von Injektorrohren, die aus einem Silanbeschickungsinjektorrohr 140, einem Silanquelleninjektorrohr 142, einem Sauerstoffbeschikkungsinjektorrohr 144 und einem Sauerstoffquelleninjektorrohr 146 bestehen. Die Silan-Phosphin-Beschickungszuführungsleitung 82 ist mit dem Beschickungssilaninjektorrohr 140 verbunden. Die Silan-Phosphin-Quellenbeschikkungsleitung 86 ist mit dem Silanquelleninjektorrohr 142 verbunden. Die Sauerstoffbeschickungszuführungsleitung 36 ist mit dem Sauerstoffbeschickungsinjektorrohr 144 verbunden. Die Sauerstoffquellenbeschickungsleitung 54 ist mit dem Sauerstoffquelleninjektorrohr 146 verbunden. Die Injektorrohre sind entlang eines Bodenabschnitts 150 des Reaktionsrohres angeordnet und sie werden durch
eine Vielzahl von Injektorträgerη, die jeweils durch die Ziffern 154, 156 und 158 bezeichnet sind, in einem Abstand von einer Wand 152 des Reaktionsrohres gehalten und gelangen durch die Rückwand 112 in das Reaktionsrohr 12. Das Reaktionsrohr 12 umfaßt auch eine vordere Verschlußklappe 160, die an dem Beschickungsende 12b angeordnet ist, die gegen eine Frontausrüstung 162 abdichtet. Die Frontverschlußklappe 160 kann geöffnet und geschlossen werden für die Aufnahme der zu behandelnden Silicium-Wafer. 10
In den Fig. 2 und 3 zeigt die Fig. 2 eine Vielzahl von Umhüllungsschiffen 180, von denen jedes eine Vielzahl von öffnungen 181 aufweist, die ein Viertel des Oberflächenbereiches der äußeren Oberfläche der Schiffe 180 ausmachen und die von einer Schaufel 182 getragen werden, die besteht aus einem Paar Schienen, von denen eine bei 184 gezeigt ist. Die Schienen werden in dem Reaktionsrohr 12 durch eine Vielzahl von Rädern 186 getragen. Jedes der Schiffe 180 ist geeignet für die Aufnahme und das Tragen einer Vielzahl von Silicium-Waferη 190 mit jeweils parallelen Oberflächen 191a und 191b, die geeignet sind für die Behandlung innerhalb des Reaktionsrohres 12. Die Silicium-Wafer 190 sind innerhalb der Schiffe 180 in einer im wesentlichen senkrechten Orientierung, bezogen auf eine Symmetrielängsachse des Reaktionsrohres 12, orientiert und sie sind parallel zueinander angeordnet. Außerdem umfaßt das Schiff 180 einen oberen Abschnitt 192 und einen unteren Abschnitt 194, wobei jeder der Abschnitte eine Vielzahl von versetzt (gestaffelt) angeordneten länglichen öffnungen 196 darin aufweist, die geeignet sind, um einheitliche Konzentrationen der Reaktantengase innerhalb des Schiffs zu erzielen, so daß die auf den Oberflächen der Silicium-Wafer 190 abgeschiedenen überzüge aus Borphosphorsilicatglas gleichmäßig sind.
Die öffnungen 196 können fünfzehn Prozent (15 %) bis fünfzig Prozent (50 %) der Gesamtoberfläche des Schiffes 180 ausmachen und bei einer bevorzugten Ausführungsform
machen sie etwa fünfunzwanzig Prozent (25 %) der gesamten Oberflächengröße der Schiffe 180 aus. Ein Leitblech 198 ist zwischen der Klappe (öffnung) 160 und dem Endschiff 180 angeordnet, um einen gleichmäßigen Strom des
δ Gases innerhalb des Reaktionsrohres 12 zu gewährleisten, um eine gleichmäßige Rate der Abscheidung von Borphosphorsilicatglas auf den Wafern 190 zu fördern.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt, indem man 4 oder 5 Schiffe von Silicium-Wafern 190 auf die Schaufel 186 stellt und die Schaufel 186 in das Reaktionsrohr 12 einführt durch die Frontklappe (Frontöffnung) 160 des Reaktionsrohres. Die Silicium-Wafer 190 in jedem Schiff 180 sind in einem Abstand von 5 bis 15 mm angeordnet. Bei einem Abstand untereinander von weniger als 5 mm werden die abgeschiedene Borphosphorsilicatglasfilme uneinheitlich in ihrer Dicke.
Das Halbschieberventil 118, das einen verhältnismäßig großen Druckabfall daran aufweist, wird dann geöffent, während die Vakuumpumpe 120 arbeitet, so daß die Vakuumpumpe 120 allmählich den Druck innerhalb des Reaktionsrohres 12 herabsetzen kann. Dies wird durchgeführt, damit die Schiffe 180, die Silicium-Wafer 190 und die anderen Materialien innerhalb des Reaktionsrohres 12 nicht durch einen schnellen Druckabfall beschädigt werden, der lose Objekte herumwirbeln könnte. Außerdem wird die langsame Druckerniedrigung innerhalb des Reaktionsrohres 12 durch ein Schieberventil 118 bewirkt, um zu verhindern, daß irgendwelche Teilchen innerhalb des Reaktionsrohres 12 auf die Wafer 190 übertragen werden durch Zuglüfte, die entstehen, wenn das Reaktionsrohr 12 evakuiert wird. Das Halbschieberventil 118 bleibt etwa eine Minute lang offen und setzt den Druck innerhalb des Reaktionsrohres 12 auf etwa 1333 Pa (10 Torr) herab. Das Halbschieberventil 118 wird dann geschlossen und das Schieberventil 116 wird geöffnet, so daß die Vakuumpumpe 120 den Druck innerhalb des Reaktionsrohres 12 innerhalb von 3 min bis
auf etwa 2 Pa (15 Millitorr) weiter herabsetzen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird das Stickstoffventil 30 mit niedriger Strömungsrate geöffnet, um das Reaktionsrohr 12 auszuspülen, während das Reaktionsrohr 12 erhitzt wird und die Silicium-Wafer 190 auf die Behandlungstemperatur gebracht werden. Während der Stickstoff mit niedriger Strömungsrate durch das Stickstoffnadelventil 28 mit niedriger Strömungsrate und durch das Stickstoffventil 30 mit niedriger Strömungsrate fließt, steigt der Innendruck in dem Reaktionsrohr bis auf etwa 40 Pa (300 Millitorr) an. Wenn einmal das Reaktionsrohr 12 die Abscheidungstemperatur erreicht hat, wird das Stickstoffventil 30 mit niedriger Strömungsrate geschlossen und die Sauer stoff ventile 48 und 50 werden geöffnet, so daß sich das Reaktionsrohr 12 mit Sauerstoff füllen kann. Etwa 10 s später werden, während die Sauerstoffmassen-Stromkon trolle inr ichtungen unter der Steuerung bzw. Kontrolle des Mikrocomputers 109 bis auf ihre Einstellpunkte ansteigen, die Silan-Phosphin- und Bortrichlorid-Ventile 62, 70, 80, 84, 100 und 102 alle geöffnet, so daß ein Gemisch von Silan, Phosphin und Bortrichlorid durch die Beschickungs- und Quellensilan-Phosphin-Injektoren 140 und 142 einströmen kann. Die Silan-Phosphin- und Bortrichlorid-Massenstromkontrolleinrichtungen 68, 74, 76, 94 und 96 steigen während dieses Zeitraums gleichzeitig an. Der Sauerstoffstrom wird zuerst eingeschaltet, um zu verhindern, daß nicht-umgesetztes Silan in die Vakuumpumpe 120 abgezogen wird, was zu einer Explosion führen könnte.
Nachdem eine ausreichende Dicke an Borphosphorsilicatglas auf den Silicium-Wafern abgeschieden worden ist, werden die Ventile 62, 70, 80, 84, 100 und 102 zugedreht, um den Strom an Silvan, Phosphin und Bortrichlorid zu unterbrechen. Etwa eine halbe Minute später werden die Ventile 48 und 52 zugedreht, um den Sauerstoffstrom zu unterbrechen, wodurch gewährleistet wird, daß das gesamte
Silan oxidiert wird und kein rohes Silan durch die Vakuumpumpe 120 transportiert wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Stickstoffventil 30 mit niedriger Strömungsrate geöffnet, um das Reaktionsrohr 12 1 min lang bei einem Druck von etwa 40 Pa (300 Millitorr) durchzuspülen. Dann wird das Reaktionsrohr 12 durch die Vakuumpumpe 120 auf einen Druck von 2 Pa (15 Millitorr) evakuiert. Anschließend wird das Stickstoffventil 34 mit hoher Strömungsrate geöffnet, während beide Schieberventile 116 und 118 geschlossen werden. Das Reaktionsrohr 12 füllt sich innerhalb von etwa 5 bis 10 min mit Stickstoff mit einer hohen Strömungsrate bis auf Atmosphärendruck.
Es sei bemerkt, daß das Nadelventil 28 mit niedriger Strömungsrate und das Nadelventil 32 mit hoher Strömungsrate jeweils auf einer Zeitbasis geeicht werden, bevor irgendwelche Verfahren durchgeführt werden. Das Nadelventil 28 wird eingestellt durch Messen der Strömungsrate, die erforderlich ist, um das Reaktionsrohr bei einem Stickstoffdruck von 40 Pa (300 Millitorr) zu halten, während die Vakuumpumpe 120 arbeitet und das Schieberventil 116 geöffnet ist. Das Stickstoffventil mit hoher Strömungsrate wird eingestellt durch Aufrechterhaltung einer Stickstoffströmungsrate, die das Reaktionsrohr 12 innerhalb von 5 bis 10 min bis auf Atmosphärendruck füllt, beginnend bei einem Druck von 2 Pa (15 Millitorr).
Die Strömungsrate des Silans durch das Massenströmungsmeter 60 -und des Sauerstoffs durch die beiden Massenstromkontrol!einrichtungen 46 und 50 wird so eingestellt, daß die GesamtStrömungsrate des Sauerstoffs das 1 1/2-fache der Gesamtströmungsrate des Silans bei der bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beträgt, obgleich der Fachmann die Strömungsraten von Sauerstoff zu Silan auch so wählen kann, daß sie innerhalb des Bereiches von 1,3 bis 1,8 liegen. Die Strömungsraten des Phosphins und des
Bortrichloride werden eingestellt zur Auswahl der Gesamtmenge an Phosphor und Bor, die innerhalb des auf den Silicium-Wafern 190 abgeschiedenen Borphosphorsilicatglases enthalten sein sollen. Bei der dargestellten Ausführungsform wurde die Bortrichloridströmungsrate von 3,9 bis 10,5 N cm3/min variiert, um Borkonzentrationen innerhalb der Borphosphorsilicatglasfilme auf den Silicium-Wafern 190 von 1,6 bis 5,1 Gew.-% zu erhalten. Die Phosphin-Strömungsrate wurde von 16,0 bis 47,0 N cm3/min variiert, um Phosphorkonzentrationen innerhalb des auf den Silicium-Wafern 190 abgeschiedenen Borphosphorsilicatglases von 1,6 bis 6,0 Gew.-% zu erhalten. In der Regel liegen in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Sauerstoffströmungsraten innerhalb des Bereiches von 75 N cm3/min bis 150 N cm3/min, während die Silanströmungsraten innerhalb des Bereiches von 40 N cm3/min bis 120 N cm3/min liegen.Obgleich Silan und Sauerstoff als Quellengase in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wurden, kann an deren Stelle auch Tetraethylorthosilicat verwendet werden. Obgleich Phosphin als Quelle für Phosphor verwendet wurde, kann statt dessen auch Phosphoroxychlorid (POCl3) verwendet werden. Obgleich Bortrichlorid als Borquelle verwendet wurde, können an dessen Stelle auch andere Borhalogenide, wie z.B. Bortribromid (BBr3), verwendet werden.
Jede der Strömungsraten der Reaktantengase wird durch konventionelle, handelsübliche Massenstromkontrolleinrichtungen,, beispielsweise solche der Firma Tylon Corporation, in einer an sich bekannten Weise genau kontrolliert bzw. gesteuert. Die Massenstromkontrolleinrichtungen 94 und 96 kontrollieren die Strömungsraten des Bortrichlorids. Die Massenstromkontrolleinrichtungen 74 und 76 kontrollieren die Strömungsraten des Silan-Phosphin-Gemisches. Die Massenstromkontrolleinrichtungen 46 und 50 kontrollieren die Strömungsraten des Sauerstoffs.
Es sei bemerkt, daß einer der Vorteile des erfindungsgemäßen Systems der ist, daß das Silan-, Phosphin- und Bortrichloridgas vorher miteinander gemischt und durch die Beschickungs- und Quellensilaninjektoren 140 und 142 in das Reaktionsrohr 12 eingeführt werden, ohne daß sie mit dem durch die Sauerstoffbeschickungs- und -quelleninjektoren 144 und 146 reagieren können, bis die Gase innerhalb des Reaktionsrohres 12 miteinander gemischt werden. Dies verhindert eine vorzeitige unerwünschte Ablagerung innerhalb der Zuführungsleitungen und innerhalb der Injektoren, die zur Bildung von Teilchen führen kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß Bortri-Chlorid als Quelle für das Bor verwendet wird, das in dem Borphosphorsilicatglas enthalten ist. Es wurde nämlich gefunden, daß die Borquelle der Wahl, Diboran (B2Hg)1 innerhalb der Silaninjektoren 140 und 142 pyrolysierte und daß darin Bor abgelagert wurde, wodurch verhindert wurde, daß das Bor in dem abgeschiedenen Glasüberzug auf den Wafern enthalten war. Es wurde ferner gefunden, daß im Gegensatz zu den Lehren des Standes der Technik, die den Fachmann dazu anregtenßiboran in einem Verfahren zur Abscheidung von Borphosphorsilicatglas zu verwenden, Bortrichlorid als Quellengas verwendet werden muß, um ausreichende Gehalte an Bor innerhalb der Borphosphorsilicatglasüberzüge, die auf den Wafern entstehen, zu erzielen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß das Bor keine vorzeitige Ablagerung innerhalb der Injektoren ergibt, die zu einer Verstopfung der Injektoren durch Borverbindungen führen würde.
Die vorstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ergibt ein deutlich verbessertes Verfahren für die Niederdruck-Gasabscheidung von Borphosphorsilicatglas
auf Silicium-Wafern.
Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird. 10

Claims (14)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung von Borphosphorsilicatglas auf einem Silicium-Wafer, dadurch gekennzeichnet , daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Einführen eines zu behandelnden Silicium-Wafers in eine Reaktionskammer;
Vermindern des Druckes innerhalb der Reaktionskammer auf e inen Atmosphärenunterdruck;
Erhitzen des Silicium-Wafers;
Inkontaktbringen des Silicium-Wafers mit einem Gemisch von gasförmigen Verbindungen, enthaltend Silicium, Sauerstoff und Phosphor;
Inkontaktbringen des Silicium-Wafers mit einem Borhalogenidgas; und
Reagierenlassen der Silicium, Sauerstoff und Phosphor enthaltenden gasförmigen Verbindungen mit dem Borhalogenidgas unter Bildung einer Borphosphorsilicatglasschicht auf einer Oberfläche des Silicium-Wafers. 10
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Reaktionskammer 66,7 Pa (500 Millitorr) oder weniger beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Reaktionskammer zwischen 23,3 und 30,0 Pa (175-225 Millitorr) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Reaktionskammer zwischen 23,3 und 26,7 Pa (175-200 Millitorr) liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Silicium-Wafer auf eine Temperatur zwischen 350 und 5000C erhitzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Silicium-Wafer auf eine Temperatür von etwa 4250C erhitzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Borhalogenidgas um Bortrichloridgas^handelt.
35
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Druck der Reaktionskammer zwischen 23,3 und 26,7 Pa (175-200 Millitorr) liegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der SiIicium-Wafer auf eine Temperatur zwischen 350 und 5000C erhitzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Silicium-Wafer auf eine Temperatur von etwa 4250C erhitzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gemisch von gasförmigen Verbindungen von Silicium, Sauerstoff und Phosphor um Silan, Sauerstoff und Phosphin handelt.
12. Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung von Borphosphorsilicatglas auf einem Silicium-Wafer, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Einführen des zu behandelnden Silicium-Wafers in ein langgestrecktes, zylindrisches Reaktionsrohr; Einstellen eines Innendruckes innerhalb des langgestreckten zylindrischen Reaktionsrohres auf einen Wert zwischen 23,3 und 26,7 Pa (175-200 Millitorr); Erhitzen des langgestreckten zylindrischen Reaktionsrohres auf etwa 4250C;
Einführen einer gasförmigen Quelle für Silicium, Sauerstoff und Phosphor in das langgestreckte zylindrische Reaktionsrohr;
Inkontaktbringeη des Silicium-Wafers innerhalb des Rohres mit einem Borhalogenidgas; und Abstoppen des Gasstromes, wenn Borphosphorsilicatglas in der gewünschten Dicke auf einer Vielzahl von SiIicium-Wafern abgeschieden worden ist.
13. Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung von
Borphosphorsilicatglas auf einem Silicium-Wafer, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt: Einführen eines Silicium-Wafers in ein Abscheidungsrohr;
Einstellen des Druckes innerhalb des Abscheidungsrohres auf einen Wert zwischen 23,3 und 30,0 Pa (175-225 Millitorr);
Erhitzen des Silicium-Wafers auf eine Temperatur zwischen 350 und 5000C;
Einströmenlassen eines Siliciumquellengases in das Abscheidungsrohr;
Einströmenlassen eines Phosphorquellengases in das Absehe idungsrohr;
Einströmenlassen eines Borhalogenidquellengases in das Abseheidungsrohr;
Einströmenlassen von Sauerstoff in das Abscheidungsrohr;
Abstoppen des Stromes des Siliciumquellengases, des Phosphorquellengases, des Borhalogenidgases und des Sauerstoffs, nachdem Borphosphorsilicatglas in einer vorgegebenen Dicke aus den Gasen auf dem Silicium-Wafer abgeschieden worden ist;
Erhöhen des Innendruckes des Abseheidungsrohres auf Atmosphärendruck; und
Entnahme der Vielzahl von Silicium-Wafern aus dem Absehe idungsrohr .
14. Verfahren zur Niederdruck-Gasphasenabscheidung von Borphosphorsilicatglas auf einer Vielzahl von SiIicium-Wafern, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Stufen umfaßt:
Einführen einer Vielzahl von Silicium-Wafern in ein ümhüllungsschiff mit einer Vielzahl von darin vorgesehenen öffnungen, durch welche die Reaktionsgase einströmen können, wobei die Wafer im wesentlichen parallel zueinander ausgerichtet sind und jeder Silicium-Wafer
von seinem nächsten Nachbarn innerhalb des Umhüllungsschiffes durch einen Abstand von nicht weniger als 5 mm und von nicht mehr als 15 mm getrennt ist; Einführen des die Silicium-Wafer enthaltenden Umhüllungsschiffes in ein langgestrecktes, zylindrisches Quarz-Reaktion sr ohr mit einer langgestreckten Symmetrieachse, wobei die Silicium-Wafer im wesentlichen senkrecht zu dieser langgestreckten Symmetrieachse angeordnet sind; Herabsetzen des Innendruckes innerhalb des langgestreckten, zylindrischen Reaktionsrohres auf einen Wert zwischen 23,3 und 26,7 Pa (175-200 Millitorr); Erhitzen des langgestreckten, zylindrischen Reaktionsrohres auf eine Innentemperatur von etwa 4 25°C; Einströmenlassen einer bestimmten Menge Silangas in einer ersten Strömungsrate in eine Silanzuführungsleitung;
Einströmenlassen einer bestimmten Menge Phosphingas in einer zweiten Strömungsrate in eine Phosphinzuführungsleitung;
Einströmenlassen einer bestimmten Menge Bortrichloridgas in einer dritten Strömungsrate in eine Bortrichloridzuführungsleitung;
Sammeln der Mengen an Silangas, Phosphingas und Bortrichloridgas in einer Reaktantenmischleitung, in der das Silangas, das Phosphingas und das Bortrichloridgas miteinander gemischt werden unter Bildung eines Reaktantengasgemisches ;
Einströmenlassen dieses Reaktantengasgemisches in einen langgestreckten rohrförmigen Reaktantengasinjektor, der innerhalb des langgestreckten, zylindrischen Reaktionsrohres angeordnet ist;
Ausströmenlassen des Reaktantengasgemisches aus dem Reaktantengasinjektor in die Nähe der Vielzahl von Silicium-Wafern, die innerhalb des Reaktionsrohres angeodnet sind;
Einströmenlassen einer bestimmten Menge Sauerstoff in
eine Sauerstoffzuführungsleitung in einer vierten Strömungsrate, die im wesentlichen gleich dem 1,5-fachen der ersten Strömungsrate ist;
Ausströmenlassen des Sauerstoffs aus der Sauerstoffzuführungsleitung durch einen langgestreckten rohrförmigen Sauerstoffinjektor, der innerhalb des langgestreckten Reaktionsrohres angeordnet ist, in die Nähe der Vielzahl von Silicium-Wafern; Mischen des Sauerstoffs mit dem Gasgemisch aus Silan, Phosphin und Bortrichlorid, um eine Reaktion zwischen diesen herbeizuführen;
Bildung einer Borphosphorsilicatglasschicht auf einer Oberfläche jedes der Silicium-Wafer als Ergebnis der Reaktion zwischen den Mengen an Silan, Phosphin, Bortrichlorid und Sauerstoff; und
Herausnahme des die Vielzahl von Silicium-Wafern enthaltenden Umhüllungsschiffes aus dem langgestreckten, zylindrischen Reaktionsrohr.
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