KR100342294B1 - 저열수지 간극 충전을 위한 불소 혼입된 보로포스포실리케이트 유리 - Google Patents

저열수지 간극 충전을 위한 불소 혼입된 보로포스포실리케이트 유리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 장치상에 불소화 보로포스포실리케이트 유리(FBPSG)를 최종 유전체 필름 또는 층간 유전체 필름으로서 침착시키는 방법에 관한 것이다. 6:1보다 큰 종횡비를 갖는 간극은 약 480℃의 온도, 약 200Torr의 대기압 미만의 압력에서 실질적으로 공극없는 FBPSG 필름으로 충전된다. 상기 방법에 사용되는 기체 반응물로는 오존/산소 혼합물과 함께 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS), 플루오로트리에톡시실란(FTES), 트리에틸포스페이트(TEPO), 트리에틸보레이트(TEB)를 포함하는 것이 바람직하다. 표면 미소결정 결함과 흡습성이 방지되도록 붕소 도판트 농도와 인 도판트 농도는 충분히 낮다. 보다 낮은 종횡비의 간극에서 침착된 필름은 실질적으로 공극을 함유하지 않아 필름의 후속 어닐링이 필요하지 않다. 보다 높은 종횡비의 간극내로 침착된 필름은 대부분의 동적 랜덤 액세스 기억 장치(DRAM), 논리 칩, 논리-DRAM 결합칩의 열수지 범위내의 약 750℃ 이하에서 어닐링된다. 생성된 FBPSG 층은 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만, 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%을 함유한다.

Description

저열수지 간극 충전을 위한 불소 혼입된 보로포스포실리케이트 유리{BOROPHOSPHOSILICATE GLASS INCORPORATED WITH FLUORINE FOR LOW THERMAL BUDGET GAP FILL}
본 발명은 반도체 장치의 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로는 반도체 장치상에 저온 저점성의 불소화 보로포스포실리케이트 유리(FBPSG)층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 전자 부품의 제조시에, 부품을 유리내에 캡슐화시키거나 또는 층간 유전체 필름으로서 유리를 사용해야 할 필요가 있다. 전형적으로, 유리 층은 화학 증착법(CVD)을 사용하여 부품의 표면상에 형성된 SiO2층이다. 산업에서의 수요 증가의 결과로서, 보다 미세한 회로 패턴 및 증가된 회로 밀도에 대한 필요성으로 인해 조립 공정중에 반도체 표면을 적층시키기 위한 개선된 유리 층을 개발할 필요가 있었다. 고밀도 동적 랜덤 액세스 기억 장치(dynamic random access memory: DRAM) 또는 논리 칩(logic chip)과 같은 고급 반도체 장치는 모든 열처리 단계에서 처리 시간, 처리 온도 및 분위기에 대해 엄격한 제한을 요구한다.
보로포스포실리케이트 유리(BPSG) 필름 또는 층과 같은 유리 필름은 증가된 게이트 스택(stack) 높이와 증가된 집적회로 밀도를 갖는 고급 DRAM 장치를 평면화시키는데 있어서 중요하다. 이러한 도핑된 산화물 유리층은 유리층의 용융 온도를 낮추며, 층을 유연화시키고 재유동시켜서 반도체 장치상에 편평한 표면을 발생시킨다. BPSG층은 전형적으로 약 800℃ 내지 850℃의 유리전이온도 범위내에서 침착된 후에 재유동된다. 유리전이온도는 침착된 유리가 유동하기 시작하는 온도를 의미한다. 유리전이온도는 주로 BPSG의 붕소 농도 및 인 농도의 함수이며, 또한 침착 공정에 따라 좌우된다.
공정 유효성을 위해 그리고 조립 공정 도중 반도체 장치에 온도 유해 효과를 방지하기 위해서는 재유동 온도가 가능한한 낮은 것이 매우 바람직하다. 회로 밀도가 증가하고 보다 미세한 회로 패턴에 대한 필요성이 증가하기 때문에, 산화물 유리층내의 공극이나 기포, 또는 표면 결함을 갖지 않게 하면서 반도체 장치의 표면상에 보다 작은 간극을 충전시키기 위해 산화물 유리 필름을 배합하여 가공할 필요가 있음이 알려졌다. 최근까지, 레벨(level)간 유전체 층으로서 사용된 BPSG층은 6:1 이하의 종횡비를 가지며 0.10㎛ 정도의 좁은 구조물을 공극없이 충전시킬 수 있다.
그러나, 증가된 게이트 스택 높이와 증가된 집적 회로 밀도를 갖는 DRAM과 논리 칩에서는, 750℃ 미만의 온도에서 6:1보다 큰 종횡비를 갖는 간극에 공극이 없게 충전시켜서 상기 칩의 분해를 방지하는 것이 더욱 요구된다. 따라서, DRAM과 논리 칩에 대한 열수지를 저하시키는데 있어서, 조립 공정 도중 BPSG 필름의 점도를 보다 저하시켜 6:1보다 큰 종횡비를 갖는 구조물에 공극없이 충전시키는 것이 매우 바람직하다. BPSG의 점도는 재유동 온도를 증가시키거나(이는 바람직하지 않다) 또는 BPSG중 붕소 도판트 농도와 인 도판트 농도를 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 또한, 침착된 공극(즉, 필름을 재유동시키고 공극을 감소시키거나 없애기 위해 어닐링하기 전)의 크기는 가능한한 작아야 한다. 협의의 양태에서 종횡비가 증가하면 허용가능한 열수지를 저하시켜 침착되는 공극 크기를 최소화시킬 수 있다는 점이 매우 중요하다.
BPSG를 불소 도핑하는 경우 표면 장력을 증가시키고 점도를 감소시켜서 보다 낮은 온도에서, 단 6:1 이하의 종횡비 간극에서 충전 특성을 강화시킴이 당해 분야에 공지되어 있다. 그러나, 붕소에 대한 도판트 농도와 인에 대한 도판트 농도는 각각 약 5중량%로 제한되는데, 그 이유는 이 농도를 초과하면 침착후에 붕산 또는 붕산 포스페이트의 표면 결정 성장이 발생하기 때문이다. 표면 결정은 후속적인 석판 인쇄, 반응성 이온 에칭 및 기계 화학적 폴리싱 공정과의 조립 통합 문제로 인해 바람직하지 않다. 또한, 도판트 농도를 증가시키면 흡습성 필름이 된다.
따라서, 선행 기술의 문제점과 결함을 염두에 둘 때, 본 발명의 목적은 미소결정 결함을 형성시키지 않으면서 침착된 간극 충전 특성이 개선되고 보다 낮은 재유동 온도를 갖는 반도체 웨이퍼와 같이 기판상에 불소화 보로포스포실리케이트 유리를 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 개선된 간극 충전 특성과 보다 낮은 재유동 온도를 갖는 불소화 보로포스포실리케이트 유리 층이 위치한 반도체 웨이퍼를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 6:1보다 큰 종횡비를 갖는 구조물을 공극없이 충전시키는 증강된 간극 충전능을 갖는 보로포스포실리케이트 유리를 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖의 목적과 잇점은 부분적으로는 명확하며 부분적으로는 명세서로부터 분명해질 것이다.
도 1은 절연 유리 필름을 침착시키기 전의 전형적인 반도체 장치의 측면 부분 단면도이다.
도 2는 선행 기술에 따라 절연 유리 필름이 침착된 전형적인 반도체 장치의 측면 부분 단면도이다.
도 3은 공극과 표면 결함을 실질적으로 함유하지 않는 본 발명의 절연 유리 필름을 갖는 반도체 장치의 측면 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에서 사용된, 대기압 미만의 화학 증착 챔버의 측면 단면도이다.
당해 기술의 숙련자들에게 명확해질 상기 목적과 잇점, 그 밖의 목적과 잇점은 하기 단계를 포함하는, 화학 증착 챔버에서 반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 필름을 형성시키는 제 1 양태의 본 발명의 방법에 따라 이루어진다:
(a) 상기 챔버내에 반도체 장치를 제공하는 단계;
(b) 기체 규소 공급원을 제공하는 단계;
(c) 기체 산소 공급원을 제공하는 단계;
(d) 기체 불소 공급원을 제공하는 단계;
(e) 기체 붕소 공급원을 제공하는 단계;
(f) 기체 인 공급원을 제공하는 단계;
(g) 화학 증착 챔버내로 상기 기체 공급원을 주입하는 단계;
(h) 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 750Torr의 대기압 미만의 압력에서 반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키는 단계.
바람직하게는 상기 방법은 반도체 기판상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키기 위해 기체 공급원을 반응시키는 단계를 추가로 포함한다.
상기 방법은 약 480℃ 내지 725℃의 온도에서 반도체 기판상에 도핑된 산화물 유리층을 재유동시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 재유동 단계는 증기 어닐링을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 재유동 단계와 (h) 단계는 동시에 일어난다.
(a) 단계에서, 반도체 장치는 논리 칩 또는 동적 랜덤 액세스 기억 장치 칩 또는 논리-동적 랜덤 액세스 기억 장치 결합칩을 포함할 수 있다.
바람직하게는, (b) 단계에서 기체 규소 공급원은 테트라에틸오르토실리케이트를 포함한다. 바람직하게는, (d) 단계에서 기체 불소 공급원은 플루오로트리에톡시실란, 디플루오로실란, 트리플루오로실란 및 테트라플루오로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된다. (d) 단계에서, 기체 불소 공급원이 트리플루오로실란 또는 테트라플루오로실란을 포함하는 경우에는 반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키기 전에 플라스마가 발생한다. 가장 바람직하게는, (d) 단계에서 기체 불소 공급원은 플루오로트리에톡시실란을 포함한다. 바람직하게, (e) 단계에서 기체 붕소 공급원은 트리에틸보레이트, 트리메틸보레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다. 바람직하게는, (f) 단계에서 기체 인 공급원은 테트라에틸포스페이트, 포스핀, 트리에틸포스페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
바람직하게, 불소 도핑된 산화물 유리층은 반도체 장치상에 있는 7:1보다 큰 종횡비를 갖는 높은 종횡비의 간극을 충전시킨다.
바람직하게, (g) 단계는 기체 공급원을 분리하여 챔버내에 주입시킴을 포함한다. 가장 바람직하게, (g) 단계는 제 1 주입 스트림으로서 규소 공급원과 불소 공급원을 예비 혼합하고, 제 2 주입 스트림으로서 붕소 공급원과 인 공급원을 예비 혼합한 후에 화학 증착 챔버내로 기체 공급원을 주입시킴을 포함한다.
바람직하게, (h) 단계는 약 550℃ 내지 650℃의 온도에서 발생한다.
바람직하게, (c) 단계에서 기체 산소 공급원은 오존, 산소/오존 혼합물 및 과산화수소로 이루어진 군으로부터 선택된다.
발생된 불소 도핑된 산화물 유리층은 바람직하게는 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만, 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%를 함유한다.
(h) 단계는 반도체 장치상에 최종 침착층을 형성하거나, 또는 반도체 장치상에 평면화된 중간층을 형성한 후 반도체 장치를 계속 가공하는 단계를 추가로 포함한다.
또 다른 양태로서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼상에 있는 높은 종횡비의 간극을 충전시키는 방법에 관한 것이다:
(a) 7:1보다 큰 높은 종횡비의 간극을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 및
(b) 플루오로보로포스포실리케이트 유리로 간극을 충전시키는 단계.
(b) 단계는 하기 단계를 추가로 포함할 수 있다:
(a) 기체 테트라에틸오르토실리케이트 공급원을 제공하는 단계;
(b) 기체 산소 공급원을 제공하는 단계;
(c) 플루오로트리에톡시실란, 디플루오로실란, 트리플루오로실란 및 테트라플루오로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 불소 공급원을 제공하는 단계;
(d) 트리에틸보레이트, 트리메틸보레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 붕소 공급원을 제공하는 단계;
(e) 테트라에틸포스페이트, 포스핀, 트리에틸포스페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 인 공급원을 제공하는 단계; 및
(f) 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만 및 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%를 함유하고 실질적으로 공극이 없는 절연 유리 필름을 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 760Torr의 압력에서 화학 증착시키는 단계.
상기 방법은 약 700℃ 내지 725℃의 온도에서 절연 유리 필름을 어닐링하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 있어서, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는, 반도체 웨이퍼상에 절연 필름을 형성시키는 방법에 관한 것이다:
(a) 다수의 높은 종횡비의 간극이 있는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
(b) 약 400Å/min 내지 1000Å/min의 속도로 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 760Torr의 압력에서 웨이퍼상에 제 1 절연 유리 필름을 화학 증착시키기 위해 규소, 불소, 붕소, 인 및 산소의 기체 공급원을 제공하는 단계;
(c) 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만 및 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%를 함유하는 제 1 절연 유리 필름으로 간극을 실질적으로 충전시키는 단계; 및
(d) 제 1 절연 유리 필름보다 낮은 농도의 붕소, 불소 및 인을 함유하는 제 2 절연 유리 필름을 화학 증착시킴으로써 웨이퍼 표면을 코팅시키는 단계.
바람직하게는, 규소 공급원은 약 10.8sccm 내지 32.25sccm의 속도로 챔버내로 유동하고, 가장 바람직하게는 약 18.8sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 테트라에틸오르토실리케이트를 포함한다. 바람직하게는, 불소 공급원은 약 2.50sccm 내지 9.85sccm의 속도로 챔버내로 유동하며, 가장 바람직하게는 약 6.2sccm의 속도로챔버내로 유동하는 플루오로트리에톡시실란을 포함한다. 바람직하게는, 붕소 공급원은 약 3.07sccm 내지 12.27sccm의 속도로 챔버내로 유동하며, 가장 바람직하게는 약 7.7sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 트리에틸보레이트를 포함한다. 바람직하게는, 인 공급원은 약 2.50sccm 내지 9.85sccm의 속도로 챔버내로 유동하며, 가장 바람직하게는 약 4.9sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 트리에틸포스페이트를 포함한다.
바람직하게는, (d) 단계는 도핑되지 않은 유리 필름을 화학 증착시킴으로써 웨이퍼 표면을 코팅시킴을 포함한다.
상기 방법은 700℃ 이하에서 제 1 절연 유리 필름과 제 2 절연 유리 필름을 어닐링하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 구조물은 신규한 것으로 생각되며 본 발명의 특징적인 요소는 첨부된 청구범위에 구체적으로 기재되어 있다. 도면은 단지 예시를 목적으로 하며, 비례에 따라 도시되지 않았다. 그러나, 본 발명의 조직, 작동 방법 둘다에 관해서는 첨부된 도면과 상세한 설명을 참조할 때 가장 잘 이해될 것이다.
본 발명의 바람직한 양태를 기술함에 있어서, 동일 번호가 동일 구조물을 지칭하고 있는 도 1 내지 4를 참조하여 기술할 것이다. 본 발명의 구조물은 도면에서 반드시 비례적으로 도시되어 있지는 않다.
본 발명에 따라 제조된 FBPSG는 반도체 장치, 예컨대 상보 금속 산화물 반도체(CMOS), 또는 재유동 특징을 갖는 절연층이 바람직한 기타 칩 또는 전자 장치에 대한 최종 유전체 절연 필름 또는 층간 유전체 절연 필름으로 간주된다. 본원에서 사용되는 '반도체 장치'란 용어는 DRAM 칩, 논리 칩, DRAM-논리 결합칩을 비롯한 임의의 전술한 장치를 포함한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 반도체 장치는 규소 기판(10)의 표면상에 형성된 수많은 금속 합금 또는 폴리실리콘 게이트 도체(15)를 갖는다. 규소 기판(10)은 반도체 장치의 가공에 필요한 추가의 필름을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 본 발명은, 채널의 너비 'w'가 약 0.05㎛ 이하이고 'd'가 채널의 깊이일때 게이트 도체 사이의 트렌치 또는 채널이 6:1보다 큰 종횡비(깊이 대 너비)를 갖는 경우 가장 적절하다.
이제 도 2를 살펴보면, 공극(22) 및/또는 표면 결정(24)을 함유한 게이트 도체(15)를 갖는 기판(10)위에 절연 유리 필름(20)이 형성되어 있는, 상업적으로 허용불가능한 선행 기술의 집적 회로 구조물이 도시되어 있다. 게이트(15) 사이에 형성된 채널 또는 트렌치는 그다지 많은 공극 또는 표면 결함없이 절연 유리층으로 완전히 충전되어야 한다. 절연 유리 필름은 붕소와 인의 농도 합이 10.0중량% 보다 큰 도판트 농도를 갖도록 붕소와 인으로 도핑되는 경우 일반적으로 표면 결정(24)이 형성된다.
일반적으로, 절연 유리 필름(20)은 화학 증착후 재유동을 이용하여 편리하게 적용된다. 전형적으로, 절연 유리 필름의 재유동은 공극의 수를 감소시키지만, 표면 결정이 재유동된 구조물내에 존재할 수 있다. 또한, 5.0중량%보다 많은 양의 붕소 또는 인을 함유한 선행 기술의 절연 유리 필름은 일반적으로 흡습성이다.
도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 절연 유리 필름을 갖는 반도체 장치를 나타낸다. 반도체 기판(10)은 본 발명의 방법을 사용하여 FBPSG(30) 층으로 코팅된 연속된 게이트 또는 융기된 라인(15)을 갖는다. FBPSG(30)는 장치를 상업적으로 허용할 수 없게 만드는 층내 공극 또는 표면 결함이 실질적으로 없음을 나타내고, 또한 이것이 전자 조립 산업에서 요구하는 유리 적층된 전자 장치의 형태이다. 대기압 미만의 화학 증착 챔버내에서 제조되기 때문에, FBPSG는 바람직하게는 약 5.0중량% 이하의 붕소 농도, 약 4.0중량% 미만의 인 농도, 약 0.1중량% 내지 2.0중량%의 불소 농도를 함유한다. 대기압 미만의 화학 증착 챔버는 바람직하게는 본 발명에서 사용되는 기체 전구체가 위로부터 챔버내에 도입되게 하며, 당해 분야에 충분히 공지되어 있다.
본 발명의 불소 혼입된 BPSG는 인 도판트의 기체 공급원, 붕소 도판트의 기체 공급원 및 규소의 기체 공급원을 사용하고, 불소 공급원, 바람직하게는 플루오로에톡시실란을 사용하여 형성된다. 상기 기체 반응물은 오존, 오존/산소 혼합물 또는 과산화수소를 포함하는 산소의 기체 공급원도 포함한다. 아르곤, 질소 또는 헬륨과 같은 불활성 캐리어 기체는 또한 전형적으로 기체 혼합물중에 존재하며 공정 작동 측면에서 바람직하다.
가장 바람직하게는 규소의 기체 공급원은 테트라에틸오르토실리케이트(TEOS)이다. 붕소의 기체 공급원과 인의 기체 공급원은 붕소를 함유하는 임의의 기체 또는 인을 함유하는 임의의 기체를 포함할 수 있다. 붕소 공급원과 인 공급원은, 명시된 공정 압력과 온도 범위에서 산소 공급원을 갖는 TEOS와 불소 공급원 둘다를 분해시키고 이들과 반응할 수 있는 FBPSG의 형성을 방해하지 않는 임의의 다른 물질을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 상기 붕소의 기체 공급원과 인의 기체 공급원은 침착 온도에서 분해하는 유기 붕소-함유 기체와 인-함유 기체이며, 기체의 나머지 성분은 휘발되며 반응 챔버내에서 진공이 유지되도록 사용하는 진공 펌핑 시스템에 의해 제거된다.
가장 바람직하게는, 붕소의 기체 공급원과 인의 기체 공급원의 예는 트리에틸보레이트(TEB), 트리메틸보레이트(TMB), 포스핀, 트리에틸포스페이트(TEPO), 이들의 혼합물 등을 포함한다. 더 더욱 바람직하게, 붕소의 기체 공급원과 인의 기체 공급원은 각각 TEB와 TEPO인데, 그 이유는 이들의 증명된 유효성 때문이다. 불소의 기체 공급원은 바람직하게는 플루오로트리에톡시실란(FTES), 디플루오로실란, 트리플루오로실란 및 테트라플루오로실란이며, 가장 바람직하게는 FTES이다. 기체 불소 공급원이 테트라플루오로실란 또는 트리플루오로실란인 경우, FBPSG 필름이 기판상에 침착되도록 플라스마가 챔버 내부에서 점화되어야 한다.
기화된 반응물의 공급원은 당해 분야에 충분히 공지된 액체 주입 시스템을 사용하여 전형적으로 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 불활성 캐리어 기체와 혼합된다. 일반적으로, 액체 주입 시스템은 액체 반응물을 공동(cavity)으로 전달하기 위해 가압된 액체 라인을 이용하며, 이때 공동에서 액체 반응물은 휘발되고 이후에 증기가 반응 챔버내로 공급된다. 하나 이상의 액체가 기체 혼합물로서 반응 챔버에 공급되는 경우, 각각의 액체는 개별적으로 기화된 후에 기체 혼합물로서 주입된다. 기체 반응물 및/또는 기화된 액체 반응물도 분리되어 반응 챔버내에 주입될 수 있다. 기화된 반응물 공급물은 서로 반응하여 기판상에 FBPSG 층을 형성하며 간극을 충전시킨다.
도 4에서, 4개의 분리된 기체 반응물을 샤워헤드(55)를 통해 반응 챔버(40)내로 분리하여 주입시키는 반응 챔버(40)가 도시되어 있다. 웨이퍼(45)는 약 480℃ 내지 650℃의 반응 온도까지 자화기(susceptor)(50)에 의해 가열된다. 챔버 내부의 압력은 약 200Torr 내지 760Torr이다. 다르게는, 바람직한 방법은 하나의 주입 스트림으로서 붕소 도판트의 기체 공급원과 인 도판트의 기체 공급원을 적합한 불활성 캐리어 기체와 결합시키는 반면, TEOS와 FTES는 다른 주입 스트림을 포함되는 것이다. 산소 공급원은 이들 스트림의 하나 또는 둘다와 혼합할 수 있다.
바람직한 양태에서, 침착 공정도중 침착된 FBPSG 층의 동일 반응계 재유동을 제공하는 약 500℃의 침착 온도가 사용된다. 이러한 동일 반응계 재유동때문에, 높은 종횡비의 간극과 낮은 종횡비의 간극을 둘다 갖는 웨이퍼 개구부는 후속적인 재유동 어닐링없이도 충전될 수 있다. 이용되는 침착 조건에 상관없이, 침착 후에 약 500℃ 내지 725℃ 온도에서의 어닐링이 뒤따를 수 있고 전형적으로는 상기 어닐링이 뒤따른다. 그러나, 낮은 종횡비의 간극을 갖는 반도체 장치는 적절한 간극 충전을 위해 후속적인 어닐링 또는 재유동을 필요로 하지 않을 수 있다. 이는 제조 공정에 대해 작동 효율의 증가와 비용 감소를 제공한다. 또한, 본 발명의 공정 온도는 DRAM과 대부분의 논리 칩의 열수지에 훨씬 밑돈다.
기체 반응물이 침착 챔버내로 유동하는 속도는 바람직하게는 TEOS 약 32.25sccm(standard cubic centimeter per minute; sccm) 내지 75.26sccm, 가장 바람직하게는 약 53.8sccm이고, FTES 약 6.15sccm 내지 61.5sccm, 가장 바람직하게는 약 12.3sccm이고, TEPO 약 2.5sccm 내지 9.85sccm, 가장 바람직하게는 약 4.9sccm이고, TEB 약 15.34sccm 내지 30.70sccm, 가장 바람직하게는 약 23.0sccm이고, 오존/산소 혼합물은 약 2slm(standard cubic liters per minute; slm) 내지 6slm, 가장 바람직하게는 약 4slm의 속도로 유동한다. 이들 변수는 약 2000Å/분 내지 6000Å/분의 침착 속도를 허용한다. 일반적으로 반응물의 유동 속도는 붕소 약 2.0중량% 내지 5.0중량%, 인 2.0중량% 내지 4.0중량%, 불소 0.1중량% 내지 2.0중량%의 조성을 갖는 FBPSG 필름을 제공하도록 이용된다.
본 발명의 또 다른 양태는 반도체 웨이퍼상에 있는 6:1보다 큰 높은 종횡비의 간극을 충전시키는 두 단계 방법을 포함한다. 동일한 기체 반응물을 이용하여 FBPSG 필름을 약 600Å/분의 낮은 침착 속도로 침착시킨다. 전형적으로는, 생성된 FBPSG는 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량%, 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%의 붕소 농도와 인 농도를 갖는다. FBPSG 필름은 6:1보다 큰 종횡비와 약 500Å 너비를 갖는 간극을 실질적으로 충전시킨다. FBPSG 필름은 약 600Torr의 압력, 약 500℃의 온도에서 대기압 미만의 화학 증착 챔버에서 침착된다.
기체 반응물은 규소에 대하여는 약 10.80sccm 내지 32.25sccm, 가장 바람직하게는 TEOS 약 18.8sccm, 불소에 대하여는 약 2.50sccm 내지 9.85sccm, 가장 바람직하게는 FTES 약 6.2sccm, 인에 대하여는 약 2.5sccm 내지 9.85sccm, 가장 바람직하게는 TEPO 약 4.9sccm, 붕소에 대하여는 약 3.07sccm 내지 약 12.27sccm, 가장 바람직하게는 TEB 약 7.7sccm의 유동 속도로 반응 챔버내로 유동하고, 오존/산소의 유동 속도는 오존이 약 12중량%로 반응 챔버내에 존재하도록 약 4.0slm이다.
FBPSG 필름의 침착 후에는 3000Å 내지 6000Å 이상의 두께를 갖는 훨씬 두꺼운 절연 유리 필름을 침착시킨다. 이러한 보다 두꺼운 층은 약 5000Å 너비를 갖는 보다 큰 간극 구조물을 충전시키며, 웨이퍼의 전체 표면을 평면화시키고 덮는 작용을 한다. 이러한 보다 두꺼운 절연 필름은 임의의 도판트를 필요로 하지 않거나 또는 대체물로서 아래에 있는 FBPSG 필름보다 낮은 농도의 붕소, 인 및 불소를 함유한다. 보다 두꺼운 필름의 침착 이후에 700℃ 이하의 온도에서 증기 어닐링할 수 있다. 또한, 이 공정은 DRAM과 논리 칩에 필요한 열수지에 훨씬 밑돈다.
실시예
화학 증착 챔버, 구체적으로는 어플라이드 머터리알즈(Applied Materials) P5000 SABPSG 반응기에서 전술한 공정의 제 1 양태에 따라 본 발명의 FBPSG 필름을 제조하였다. 하기 표는 선행 기술의 BPSG 필름을 본 발명의 FBPSG 필름과 비교하기 위해 침착되어 어닐링된 필름의 간극 충전 결과를 보여준다.
약 1:1 종횡비와 약 0.3㎛ 너비의 간극을 갖는 반도체 웨이퍼를 사용하여 침착된 선행 기술의 BPSG 필름과 본 발명의 침착된 FBPSG 필름의 품질을 비교하였다. 필름의 침착은 약 200Torr의 대기압 미만의 압력에서 480℃에서 일어났다.
침착된 필름
필름 [B](중량%) [P](중량%) [F](중량%) 결과
BPSG 4.5 4.2 - 상당한 공극
FBPSG 4.4 4.0 2.0 실질적으로 공극없음
선행 기술의 BPSG 필름은 침착된 필름에서 상당한 공극을 나타낸 반면, FBPSG 필름은 실질적으로 공극이 없었다.
약 8:1 종횡비, 약 0.04㎛ 너비의 간극을 갖는 반도체 웨이퍼를 사용하여 건조 산화 어닐링후에 선행 기술의 BPSG 필름과 본 발명의 FBPSG 필름의 품질을 비교하였다. 필름의 침착은 약 200Torr의 대기압 미만에서 480℃에서 발생하였다.
어닐링된 필름
필름 [B](중량%) [P](중량%) [F](중량%) 어닐링온도(℃) 어닐링시간(분) 결과
BPSG 4.6 4.0 - 850 25 상당한 공극
FBPSG 4.4 4.0 2.0 750 30 실질적으로 공극없음
선행 기술의 BPSG 필름은 약 850℃에서 약 25분동안의 어닐링을 필요로 했다. 선행 기술 필름을 고온에서 어닐링한 이후에, 상당한 공극이 여전히 존재하였으며, 결과적으로 상업적으로 허용되지 않는 반도체 장치를 발생시켰다. 본 발명의 FBPSG 필름은 약 750℃에서 약 30분동안의 어닐링을 필요로 하였으며, 추가의 가공 단계 또는 최종 유전체 필름으로서 이상적인 실질적으로 공극없는 필름을 생성하였다.
본 발명은 전술한 목적을 이룬다. FBPSG 필름을 침착시키기 위한 본 발명의 방법은 6:1보다 큰 종횡비의 간극에서 침착시와 후속 어닐링시 둘다에서 우수한 간극 충전 특성을 갖는 필름을 제공한다. 생성된 FBPSG 필름은 보다 낮은 재유동 온도를 필요로 하여, 조립 공정 도중 반도체 장치에 대한 온도 유해 효과가 방지된다. 본 발명의 FBPSG 필름의 보다 낮은 점도는 붕소의 도판트 농도와 인의 도판트 농도를 증가시킬 것을 요구하지 않으므로, 잠재적인 미소결정 결함과 흡습성이 최소로 유지된다.
본 발명을 특정한 바람직한 양태와 관련하여 구체적으로 기술하였으나, 전술한 상세한 설명의 견지에서 당해 기술의 숙련자들에게는 많은 대안, 변형, 변화가 자명해짐이 분명하다. 따라서, 첨부된 첨구범위는 본 발명의 진정한 범위와 범주에 속하는 이러한 대안, 변형, 변화를 포함하고자 한다.
본 발명의 FBPSG 필름은 저온에서 저점성이어서 붕소 도판트 농도와 인 도판트 농도를 증가시킬 필요가 없으며, 반도체 기판상에 있는 7:1 보다 큰 종횡비를 갖는 간극을 실질적으로 공극 또는 표면 결함없이 충전시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. (a) 화학 증착 챔버내에 반도체 장치를 제공하는 단계;
    (b) 기체 규소 공급원을 제공하는 단계;
    (c) 기체 산소 공급원을 제공하는 단계;
    (d) 기체 불소 공급원을 제공하는 단계;
    (e) 기체 붕소 공급원을 제공하는 단계;
    (f) 기체 인 공급원을 제공하는 단계;
    (g) 챔버내로 상기 기체 공급원을 주입하는 단계; 및
    (h) 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 750Torr의 대기압 미만의 압력에서 반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키는 단계를 포함하는
    화학 증착 챔버에서 반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 필름을 형성시키는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    약 480℃ 내지 725℃의 온도에서 반도체 기판상에 있는 도핑된 산화물 유리 층을 재유동시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    재유동 단계가 증기 어닐링을 포함하거나 재유동 단계 및 단계 (h)가 동시에 일어나는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    단계 (a)에서 반도체 장치가 논리 칩(logic chip), 동적 랜덤 액세스 기억 장치(dynamic random access memory: DRAM) 칩 및 논리-동적 랜덤 액세스 기억 장치 결합칩으로 이루어진 군으로부터 선택된 칩을 포함하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    반도체 장치상에 있는 7:1보다 큰 종횡비를 갖는 높은 종횡비의 간극을 불소 도핑된 산화물 유리 층으로 충전시키는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    단계 (g)가, 기체 공급원을 분리하여 챔버내에 주입시키거나, 제 1 주입 스트림으로서 규소 공급원과 불소 공급원을 예비 혼합하고, 제 2 주입 스트림으로서 붕소 공급원과 인 공급원을 예비 혼합한 후, 이들 기체 공급원을 화학 증착 챔버내로 주입시킴을 포함하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    불소 도핑된 산화물 유리 층이 붕소를 약 5.0중량% 이하 함유하는 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    단계 (h)가, 반도체 장치상에 최종 침착 층을 형성하거나, 반도체 장치상에 평면화된 중간 층을 형성하고 반도체 장치를 계속 가공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키기 위해 기체 공급원을 반응시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  10. (a) 7:1보다 큰 높은 종횡비의 간극을 갖는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계; 및
    (b) (i) 기체 테트라에틸오르토실리케이트 공급원을 제공하는 단계,
    (ii) 기체 산소 공급원을 제공하는 단계,
    (iii) 플루오로트리에톡시실란, 디플루오로실란, 트리플루오로실란 및 테트라플루오로실란으로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 불소 공급원을 제공하는 단계,
    (iv) 트리에틸보레이트, 트리메틸보레이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 붕소 공급원을 제공하는 단계,
    (v) 테트라에틸포스페이트, 포스핀, 트리에틸포스페이트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 기체 인 공급원을 제공하는 단계, 및
    (vi) 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만 및 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%를 함유하고 실질적으로 공극을 갖지 않는 플루오로보로포스포실리케이트 유리 필름을 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 750Torr의 압력에서 화학 증착시키는 단계에 의해 플루오로보로포스포실리케이트 유리로 간극을 충전시키는 단계를 포함하는,
    반도체 웨이퍼상에 높은 종횡비의 간극을 충전시키는 방법.
  11. 삭제
  12. 제 25항에 있어서,
    반도체 장치상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키기 위해 기체 공급원을 반응시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  13. 제 25항에 있어서,
    약 700℃ 내지 725℃의 온도에서 절연 유리 필름을 어닐링시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  14. (a) 다수의 높은 종횡비의 간극이 있는 반도체 웨이퍼를 제공하는 단계;
    (b) 약 480℃ 내지 650℃의 온도, 약 200Torr 내지 750Torr의 압력에서 웨이퍼상에 제 1 절연 유리 필름을 약 400Å/min 내지 1000Å/min의 속도로 화학 증착시키기 위해 규소, 불소, 붕소, 인 및 산소의 기체 공급원을 제공하는 단계;
    (c) 붕소 약 5.0중량% 이하, 인 약 4.0중량% 미만 및 불소 약 0.1중량% 내지 2.0중량%를 함유하는 제 1 절연 유리 필름으로 간극을 실질적으로 충전시키는 단계; 및
    (d) 제 1 절연 유리 필름보다 낮은 농도의 붕소, 불소 및 인을 함유하는 제 2 절연 유리 필름을 화학 증착시킴으로써 웨이퍼 표면을 코팅시키는 단계를 포함하는,
    반도체 웨이퍼상에 절연 필름을 형성시키는 방법.
  15. 제 29항에 있어서,
    규소 공급원이 약 10.80sccm 내지 32.25sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 방법.
  16. 제 29항에 있어서,
    불소 공급원이 약 2.50sccm 내지 9.85sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 방법.
  17. 제 29항에 있어서,
    붕소 공급원이 약 3.07sccm 내지 12.27sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 방법.
  18. 제 29항에 있어서,
    인 공급원이 약 2.5sccm 내지 9.85sccm의 속도로 챔버내로 유동하는 방법.
  19. 제 29항에 있어서,
    제 1 절연 유리 필름과 제 2 절연 유리 필름을 700℃ 이하에서 어닐링시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  20. 제 29항에 있어서,
    반도체 웨이퍼상에 불소 도핑된 산화물 유리 층을 침착시키기 위해 기체 공급원을 반응시키는 단계를 (b) 단계 이후에 추가로 포함하는 방법.
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