KR19990068089A - 에프-비피에스지 형성 방법 및 그 장치 - Google Patents

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포만 제프리 엘
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피터 토마스
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Abstract

본 발명은 저압 화학 기상 증착 공정을 사용하여 반도체 소자 상부에 불소 도핑된 보로포스포실리케이트(F-BPSG) 유리를 형성하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것으로, F-BPSG 유리는 종횡비가 6:1이고 폭이 0.10 마이크론 만큼 좁은 갭을 갖는 구조물용 기판 상부에서 실질적으로 공극 없고 입자 없는 층을 형성하고, 반응 기체들은 붕소 및 인 도펀트, 산소 및 TEOS 및 FTES 혼합물로된 소스를 포함하며, 저압 CVD 공정 내에서 TEOS와 FTES의 혼합물을 사용하여 상기 개선된 특성을 갖는 F-BPSG 층을 형성시키는 한편, 본 발명의 바람직한 방법은 약 750℃ 내지 850℃의 온도와 1 내지 3 토르의 압력에서 증착을 수행하여 증착 공정동안 F-BPSG의 인시츄(in-situ) 리플로우가 이루어지도록 하고, 또한 바람직하게는 F-BPSG 표면을 추가로 평탄화시키기 위해 똑같은 화학 기상 증착 챔버 내에서 유사한 조건으로 어닐링을 수행하며, 결과적으로 본 발명에 따른 방법과 장치를 사용하여 형성된 F-BPSG 유리와 그 상부에 불소 도핑된 BPSG층을 갖는 반도체 웨이퍼를 생성할 수 있다.

Description

에프-비피에스지 형성 방법 및 그 장치{LOW TEMPERATURE REFLOW DIELECTRIC-FLUORINATED BPSG}
본 발명은 반도체 전자 부품들과 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 6:1 이하의 종횡비(aspect ratio)와 0.1 마이크론 만큼 좁은 구조물에 대해 실질적으로 공극 없는(void-free) 층으로서 반도체 웨이퍼 상부에 사용된 개선된 붕소 인실리케이트 유리(boron phosphorous silicate glass) 및 온도가 현재의 제안된 가공 요건보다 낮은 약 750℃의 리플로우(reflow) 온도를 갖는 유리층을 형성하는 방법에 관한 것이다.
반도체 전자 부품을 제조하는 데 있어서, 유리 내부에 부품을 엔캡슐레이션하거나 유리를 층간(interlayer) 유전체 박막(film)으로 사용할 필요가 있다. 유리층은 대개 화학 기상 증착법(CVD)을 사용하여 웨이퍼의 표면 상부에 형성된 SiO2층이다. 산업상 필요성이 증가함에 따라 회로 패턴을 보다 세밀화하고 회로 밀도를 늘리기 위해 가공 공정동안 반도체 표면을 적층하기 위한 개선된 유리층을 개발할 필요가 있었다. 회로 밀도와 고정밀 회로 패턴들이 보다 세밀해짐에 따라 더 중요하게 된 반도체 기판의 평탄도가 특히 관심사이다.
반도체 웨이퍼 상에 유리층을 형성하던 초기에는 SiO2층이 유리 재료로 사용되었다. 이 산화물 유리층을 개선하기 위해 유리에 붕소 및/또는 인과 같은 도펀트를 첨가하므로써, 도펀트가 녹는점을 낮추어 산화 유리층들이 재가열되도록하여 유리를 연화시키고(soften) 리플로우(reflow)시켜 반도체 소자 상부에 평탄면을 형성하였다. 그러나, 회로 밀도와 세밀한 회로 패턴에 대한 필요성이 커짐에 따라, 산화 유리층 내부에서 반도체 소자의 표면 상부에 있는 훨씬 더 작은 갭(gap)을 공극(void)이나 기포(bubble) 없이 채우도록 산화물 유리 박막을 형성하고 처리하는 것이 중요하다는 것을 인식하게 되었다.
보로포스포실리케이트 유리(BPSG)가 현재 레벨간 유전체층으로 사용되어, 6:1 이하의 종횡비와 0.1마이크론 만큼 좁은 구조물을 공극 없이 충진해야한다. 이를 충족시키기 위해, 약 800 내지 850℃인 유리 전이 온도 범위에서 전형적으로 BPSG층이 증착된 후 리플로우(reflow)된다. 유리 전이 온도는 유리의 중요한 성질로서, 가공 공정동안 반도체 웨이퍼에 대한 온도 손상 효과를 피하면서 효과적인 공정을 수행하기 위해 리플로우 온도는 가능한한 낮은 것이 바람직하다.
대개 캐리어 기체내에서 산소 분위기에서 바람직하게는 약간의 오존과 함께 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS), 트리메틸포스페이트(TMP) 또는 포스핀(PH3) 및 트리메틸보레이트(TMB) 또는 트리에틸보레이트(TEB)를 기체 상태로 반응시킴으로써 붕소 및 인 도핑된 실리콘 산화물층(BPSG)이 제조된다. 플라즈마 아크 공정, 또는 (온도가 350℃ 내지 600℃인) 오존을 갖는 대기압에서 또는 더 높은 온도(예를 들어, 700℃ 내지 850℃)에서 다소 낮은 압력 공정을 사용하여 그 공정이 수행될 수 있다. 보다 높은 압력 공정들은, (오존 함유된 경우) 압력이 50 내지 760 토르(torr)이고 온도가 400℃ 내지 600℃이며 압력이 1 내지 10 토르이고 온도가 350℃ 내지 480℃인 경우 반응재료의 합동 산화에 의한 BPSG의 증착과 같은 저온 공정을 사용한다. 이와 달리, 약 0.5 내지 5 토르의 낮은 압력을 사용하고 약 700 내지 850℃ 범위의 온도에서 수행되는 고온 증착 공정이 사용될 수 있다.
개략적으로 설명하면, 종횡비가 6:1 이하이고 폭이 0.1 마이크론 만큼 좁은 구조물을 공극 없이 충진시키기 위해 가공 공정동안 BPSG의 점도가 작은 것이 아주 바람직하다. 증착된 유리가 플로우(flow)하기 시작하는 온도로서 또한 보편적으로 유리 전이 온도로 일컬어지는 리플로우 온도를 증가시킴으로써 BPSG의 점도를 떨어뜨릴 수 있다. BPSG 내부에 붕소 및 인의 도펀트 농도를 증가시킴으로써 점도를 떨어뜨릴 수도 있다. 또한 유리의 충진 행태(behavior)는 표면장력의 함수이다. 불소 도핑은 표면장력을 증가시키고 점도를 낮추어 결과적으로 보다 낮은 온도에서 충진 특성을 향상시킨다.
그러나, 반도체 소자의 열적 용량(budget)은 약 800℃에서 30분 동안까지로 제한된다. 그러므로, 리플로우 온도가 증가하는 것은 많은 가공 응용에 대해 바람직하지 않다. 또한 도펀트 농도는 B2O3및 P2O5각각에 대해 약 5 질량 퍼센트까지로 제한되는 데, 왜냐하면 이 농도를 초과하는 경우 증착된 후에 붕소산 또는 붕소 인산염의 표면 결정이 성장하기 때문이다. 후속되는 리소그래피, 반응성 이온 에칭(RIE) 및 화학 기계적 폴리싱(CMP) 공정들과의 가공 및 집적 문제 때문에 표면 결정은 바람직하지 않다.
BPSG 박막을 개선하기 위해 이 분야에서 많은 특허가 등록되었다. 미국 특허 번호 제4,791,005호, 제4,845,054호, 제5,094,984호, 제5,104,482호, 제5,180,692호, 제5,286,681호 및 5,354,387호는 반도체 기판 상에 BPSG 박막을 제조하는 방법을 개시한다.
유럽 공개 특허 번호 제0562625호에는 BPSG 박막의 산소 원자들이 불소를 포함하는 할로겐 원자들과 같은 논브리징(non-bridging) 성분으로 대체될 수 있다는 것이 개시되어 있다. 이는 실리콘 원자들간의 산소 브리지를 깨뜨려서, 결과적으로 유전 박막의 점도를 떨어뜨리게 된다. 실시예에서는 유전체 박막 플로우 온도를 약 850℃로 낮추기 위해 BPSG 박막 내의 산소 일부를 불소로 대체시킨다.
종래 기술의 문제점과 결점을 상기하면, 본 발명의 목적은 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 개선된 갭(gap) 충진 성질과 낮은 리플로우 온도를 갖는 보로포스포실리케이트 유리를 형성하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 그 상부에 개선된 갭(gap) 충진 성질과 낮은 리플로우 온도를 갖는 하나의 보로포스포실리케이트 유리층을 구비한 반도체 웨이퍼와 같은 기판을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 종횡비가 6:1이하이고 0.1 마이크론 만큼 좁은 구조물을 공극 없이 충진하기 위해 개선된 갭 충진 능력을 갖는 보로포스포실리케이트 유리를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적과 장점은 한편으로는 당연하고 한편으로는 상세한 설명에서 명백해질 것이다.
기술 분야의 당업자에게 명백한 상기와 같은 목적과 장점 및 다른 목적과 장점을 얻기 위한 본 발명의 제 1 실시예는 저압 화학 기상 증착 챔버 내부에서 반도체 웨이퍼와 같은 기판의 상부에 개선된 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(F-BPSG)를 형성하는 방법에 관한 것으로,
압력이 약 0.5 내지 5 토르(torr) 바람직하게는 1 내지 3 토르이고, 온도가 650 내지 850 ℃ 바람직하게는 720 내지 780℃인 저압 화학 기상 증착 챔버 내에서 TEOS, 플루오로트리에톡시실란(FTES)과 같은 불소 함유 알콕시 실란, TEB 또는 TMB 및 PH3와 같은 붕소(B) 및 인(P) 도펀트 및 산소 소스의 기체 상태 소스들을 혼합하고 반응시키는 단계와,
상기 챔버에서 증착된 반도체 기판 상부에 하나의 불소 도핑된 BPSG층을 증착시키는 단계와,
상기 증착층을 평탄화시키기 위해 10 내지 20 분과 같은 유효 시간동안 약 800℃ 이하인 바람직하게는 약 750℃인 온도에서 상기 적층된 반도체 소자를 리플로우시키는 단계
를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(F-BPSG)를 형성하는 방법은 그 질량비가 약 0.25:1 내지 3:1인 바람직하게는 약 0.5:1 내지 2:1인 불소 소스와 TEOS의 기체 상태 혼합물을 사용한다. 또 다른 바람직한 실시예에서, 반응 온도는 약 720 내지 780 ℃이고 반응 압력은 약 1 내지 3 토르이다.
반도체 소자 상부에 불소 도핑된 BPSG층을 형성하기 위한 바람직한 방법은 그 내부에서 수평으로 배치되고 등간격으로 떨어져 있는 다수 개의 소자들이 기체 상태의 반응 재료들이 반응하도록 회전하는 원형 반응 챔버를 포함하는 장치 내부에서 실시된다. 본 발명의 더욱 바람직한 실시예에서는 교번 분리형 기체 플로우 공정(an alternating segmented gas flow procedure)이 사용되는 데, 상기 공정에서는 반응기의 테두리를 따라 교번 입구 포트(alternate inlet ports)로 공급된 붕소 성분(예를 들어 TEB), TEOS, 산소 소스(예를 들어 O2), 캐리어 기체(예를 들어 N2) 및 불소 소스(예를 들어 FETS)의 기체 상태 혼합물이 다른 교번 입구 포트로 공급된 인 도핑 성분(예를 들어 PH3), 산소 소스(예를 들어 O2) 및 캐리어 기체(예를 들어 N2)를 함유하는 기체 상태 혼합물과 혼합된다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상부에 개선된 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리를 형성하는 장치는
기체 입구 수단, 챔버 내부에서 기판을 지지하기 위한 지지수단과 바람직하게는 기판 지지수단을 회전시키기 위한 수단을 갖는 저압 원형 화학 기상 증착 챔버와,
상기 입구 수단에 테트라에틸오르소실리케이트, 불소 함유 알콕시 실란, 붕소 및 인 도펀트 및 산소 소스의 기체 상태 소스들을 공급하는 수단을 포함하고,
상기 기체들이 챔버 내부에서 반응하여 기판 상부에 하나의 불소 도핑된 보로포스포실리케이트층을 증착시킨다.
본 발명의 또다른 실시예에서, 본 발명의 방법 및 장치를 사용하여 그 상부에 하나의 불소 도핑된 BPSG(F-BPSG)층을 갖는 반도체 웨이퍼가 형성된다.
도 1은 본 발명에 따른 BPSG 박막으로 적층된 반도체 소자의 측면 단면도.
도 2는 종래 기술에 따라 공극을 함유하는 BPSG 박막으로 적층된 반도체 소자의 측면 단면도.
도 3은 종래 기술에 따라 표면 결정을 함유하는 BPSG 박막으로 적층된 반도체 소자의 측면 단면도.
도 4는 다수 개의 반도체 웨이퍼 기판 상부에 BPSG 박막을 증착시키기 위해 사용된 본 발명에 따른 반응 챔버 장치의 개략적인 평면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10: 반도체 소자
11: 기판12: 돌기 라인
13: BPSG층14: 채널 또는 트렌치
15: 보이드16: 표면 결정
18a 내지 18l: 입력 포트19: 붕소 함유 스트림
20: 인 함유 스트림
본 발명의 바람직한 실시예를 기술하기 위해 같은 부호는 본 발명의 같은 특징을 나타내는 방식으로 도 1 내지 도 4에 부호가 붙여진다. 도면에서 본 발명의 특징들이 반드시 실제 축척대로 도시되지는 않았다.
본 발명에 따라 불소 함유 BPSG 절연 및 평탄층(F-BPSG)이 반도체 웨이퍼 및 다른 전자 부품 기판의 표면 상부에 형성된다. 공극과 표면 결정이 실질적으로 존재하지 않는 특징을 갖는 F-BPSG층은 현재 제안된 반도체 웨이퍼 가공 공정과 양립하는 비교적 낮은 플로우 온도에서 쉽게 리플로우될 수 있는 유리층이다.
여기에서 반도체 웨이퍼란 용어는 그 웨이퍼의 표면 상부에 돌기 라인, 트렌치(trench) 및 트랜지스터와 같은 소자들로 된 구조물을 포함하는 것을 의미한다. 표면 상부의 구조물들이 고 종횡비 트렌치를 포함하는 구조물 간의 트렌치를 형성하는 배열을 나타내도록 보편적으로 "계단식 표면"이라 일컬어지는 것으로 반도체 웨이퍼의 표면 상부에 있는 구조물들이 형성된다. 여기에서 고 종횡비 트렌치는 1 보다 큰, 예를 들어 4:1 또는 심지어 6:1인 깊이 대 폭 비율을 갖는 트렌치를 의미한다. 적층된 기판의 표면 내부에는 증착된 유리층으로 채워질 수 있는 채널(또는 트렌치)과 같은 개구들이 포함될 수도 있다는 것은 기술 분야의 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
먼저 도 2 및 도 3을 참조하면, 종래 기술에 따라 그 상부에 공극 및/또는 표면 결정을 함유하는 BPSG층을 구비하여 상업적으로 상용화될 수 없는 집적 회로 구조물들이 도시되어 있다. 그러므로, 도 2에서 반도체 소자(10)는 그 표면 상부에 다수 개의 돌기 라인(12)들을 갖는 실리콘 웨이퍼와 같은 기판(11)을 포함한다. 돌기 라인(12)들은 그 사이로 일련의 채널 또는 트렌치(trench)(14)들을 형성하고, 상기 채널(14)들은 상당한 양의 공극이나 표면 결정들을 갖지 않으면서 BPSG층으로 완전히 채워져야 한다. 일반적으로 도포되고 리플로우되는 하나의 BPSG층(13)의 내부에는 트렌치(14) 내부로 많은 수의 공극(15)이 형성된다. 이와 유사하게, 도 3에는 BPSG층의 트렌치(14) 내부는 물론 BPSG층(13)의 표면에 있는 표면 결정(16)들이 도시되어 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 유리 적층된 반도체 웨이퍼를 도시한 도 1과 비교된다. 그러므로 그 상부에 일련의 돌기 라인(12)을 구비한 반도체 기판(11)은 본 발명의 방법에 따라 하나의 F-BPSG층으로 코팅되었다. 웨이퍼를 상업적으로 상용화할 수 없게 만드는 상당한 양의 공극 또는 표면 결정들이 그 층 내부에 존재하지 않게 되며, 따라서 이런 형태의 유리 적층된 전자 부품이 전자 가공 산업에서 바람직한 것이다.
본 발명에 따른 F-BPSG 박막층은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 저압 화학 기상 증착(LP-CVD) 챔버 내부에서 제조된다. 바람직한 실시예에서, 원형인 반응 챔버는 수평인 원형 플래튼(platen) 상부에 위치한 다수 개의 실리콘 웨이퍼와 함께 중앙 수직축에 대하여 수평으로 회전한다. 공정 기체들이 챔버속으로 주입되는 데, 바람직하게는 챔버의 테두리를 따라 위치하고 있는 일련의 입구 포트들로 주입된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 두 세트의 반응 기체들이 사용되는 데, 각 세트의 기체들이 일련의 입구 포트들을 통하여 반응 챔버 내부로 교대로 주입된다. 이러한 것은 도 4를 참조하여 다음에 상세히 기술될 것이다.
개략적으로 기술하면, 반응 재료들은 인 및 붕소 도펀트 및 테트라에틸오르소실리케이트(TEOS)와 불소 함유 알콕시실란의 기체 상태 소스들이고, 불소 함유 알콕시실란, 바람직하게는 에톡시실란이다.(FTES는 플루오로트리에톡시실란을 의미하고, 일반적으로 플루오로 실란 소스를 기술하기 위해 사용된다.) 또한 디플루오로디에톡시실란을 형성하기 위해 에톡시실란이 두 개의 불소 원자들로 치환될 수도 있다. 편의상, 비록 플루오로에톡시실란과 같은 다른 플루오로알콕시 실란들이 여기에서 고려되고 공정에서 사용될 수 있을지라도, 이하에서는 FTES에 대하여 설명될 것이다. 상기 알콕시 그룹은 바람직하게는 저급 알콕시이고 대개 에톡시이다. 기체 상태의 반응 재료들은 또한 오존과 산소/오존 혼합물 및 과산화수소를 포함하는 가스 상태의 산소 소스를 포함한다. 또한 아르곤, 질소 또는 헬륨과 같은 캐리어 기체가 대개 기체 혼합물에 존재하고, 공정 조작 관점에서도 바람직하다.
붕소와 인의 기체 상태 소스는 각각 붕소 또는 인을 함유하는 임의의 기체를 포함할 수 있다. 붕소와 인 소스들은 F-BPSG 증착과 반응하지 않으면서 공정상의 특정된 압력과 온도 범위에서 TEOS 및 FTES와 산소 및/또는 오존과 분해되어 반응될 수 있는 다른 재료를 함유할 수 있다. 바람직하게는 이러한 붕소와 인의 기체 상태 소스들은 증착 온도에서 기체 성분들의 잔류물로 분해되어 반응 챔버에서 진공을 유지하기 위해 사용된 진공 펌프에 의해 휘발되어 제거될 유기 붕소 함유 기체 및 인 함유 기체일 것이다.
이러한 붕소와 인의 기체 상태 소스들의 실례로는 트리에틸보레이트(TEB), 트리메틸보레이트(TMB), 포스핀(phosphine), 트리에틸포스페이트(TEP) 등과 그 혼합물을 포함한다. 기체 상태 소스들의 증명된 효과 때문에 붕소와 인의 바람직한 기체 상태 소스들은 TEB와 포스핀이다.
본 발명의 중요한 특징은 본 발명의 개선된 F-BPSG 박막층을 얻기 위해 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 반응 챔버 내부에 TEOS와 FTES의 혼합물을 사용하는 것이다. FETS와 TEOS의 질량비는 다양하게 변화될 수 있고, 바람직하게는 약 0.25:1 내지 3:1이고, 더 바람직하게는 약 0.5:1 내지 2:1, 예를 들면 0.5:1 내지 1:1이다.
기체 상태의 반응 재료 소스들은 대개 당해 기술 분야에서 잘 알려진 액체 주입 장치를 사용하여 질소, 아르곤 또는 헬륨과 같은 적절한 비반응성(non-reactive) 캐리어 기체와 혼합된다. 일반적으로 액체 주입 장치는 별개의 펌프들을 사용하여 캐비티(cavity)에 액체 반응 재료를 펌핑하고, 캐비티에서 액체 반응 재료가 휘발된 후에 그 증기가 반응 챔버로 공급된다. 그러므로 하나 이상의 액체가 기체 상태 혼합물로서 반응 챔버에 공급되는 경우에, 각각의 액체가 똑같은 캐비티로 펌핑되어 휘발되며 그런 다음 기체 상태의 혼합물로서 주입된다.
기체 상태의 반응 재료 및/또는 증발된 액체 반응 재료는 각각의 비활성 캐리어 기체와 개개 단위로 혼합되어 반응 챔버속으로 별개로 주입될 수 있다. 바람직한 방법은 하나의 주입 스트림으로서의 적절한 비반응성 캐리어 기체 및 또다른 기체 상태 주입 스트림으로서의 TEOS 및 FTES를 붕소 및 인 도펀트들의 기체 상태 소스들과 결합시키는 것이다. 산소 및/또는 오존 반응 재료는 상기 두 스트림들 중의 어느 한 스트림 또는 두 스트림들과 혼합될 수 있다.
증명된 효과 때문에 본 발명의 상당히 바람직한 실시예에서 두 개의 기체 상채 소스 주입 스트림들이 형성된다. 하나의 주입 스트림은 포스핀(또는 다른 인 소스), 산소 및/또는 오존 및 질소와 같은 캐리어 기체를 함유한다. 다른 반응 재료 스트림은 TEB와 같은 붕소 소스, TEOS, FTES, 산소 및/또는 오존 및 질소와 같은 캐리어 기체를 함유한다. 상기 액체 주입 장치는 상기에 기술된 바와 같이 사용된다.
본 발명과 함께 사용되는 바람직한 진공 챔버 장치는 회전하는 수평 원형 플래튼 상부에 웨이퍼들이 상기 플래튼의 테두리를 따라 위치하는 원형 장치를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이 바람직하게는 분할된 진공 챔버 장치는 일련의 입력 주입 포트들을 포함하고, 상기의 바람직한 기체 스트림 각각은 진공 챔버의 테두리를 따라 교대로 주입된다. 그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 반응챔버(17)는 플래튼(21) 상부에 챔버의 테두리를 따라 등간격으로 위치하는 아홉 개의 웨이퍼(10)를 갖는다. 다수개의 입력 포트(18a 내지 18l)가 반응 챔버의 테두리에 도시되어 있다. 상기에 기술된 바와 같이 기체 주입 장치를 사용하여 준비된 TEB/TEOS/FTES/O2/N2를 포함하는 기체 상태의 소스(19)는 서로 하나 건너 배치된 입력 포트(18a, 18c, 18e, 18g, 18i 및 18k)에서 도입된다. 포스핀/O2/N2를 함유하는 인 함유 스트림(20)은 입력 포트(18b, 18d, 18f, 18h, 18j 및 18l)로 공급되는 것으로 도시되어 있다. 증착 공정이 수행되는 동안 반응 챔버(17)는 화살표 A 방향으로 도시된 바와 같이 회전된다.
본 발명의 방법은 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 공정과 실리콘 소스로서 TEOS 및 FTES 반응 재료의 혼합물을 사용하는 것을 포함한다. 개략적으로 설명하면, 약 0.5 내지 5 토르의 압력과 약 650℃ 내지 850℃의 증착 온도에서 F-BPSG층의 반응 및 증착이 수행된다. 바람직한 실시예에서, 약 750℃ 내지 850℃의 증착 온도가 사용되어 증착된 F-BPSG층이 증착 공정동안 인시츄(in-situ) 리플로우되도록 한다. 증착/어닐링 온도와 붕소 및 인 도펀트 농도를 똑같이 한 상태로 상기와 같이 인시츄 리플로우시킴으로써, 고 종횡비와 예를 들어 0.10 마이크론 이하의 작은 갭(gap)을 갖는 웨이퍼 개구들을 채울 수 있다. 사용된 증착 조건에도 불구하고, 증착 공정이 수행된 후에는 증착이 수행된 바로 그 LPCVD 장치에서 750℃ 내지 850℃로 20분동안 어닐링하거나, 바람직하게는 800℃보다 낮은, 예를 들어 750℃로 어닐링할 수 있고, 대개는 어닐링을 수행한다. 이러한 방법으로 제조 공정의 공정 효율을 높이고 비용을 줄일 수 있다. 어닐링은 대개 0.5 내지 5 토르, 예를 들어 1 내지 3 토르의 낮은 압력에서 수행된다.
증착 온도와 어닐링 온도 및 인 및 붕소 도펀트 농도가 같은 조건에서 종래의 BPSG 박막과 본 발명의 F-BPSG 박막을 형성하는 실시예를 비교하면, 본 발명에 따른 F-BPSG 박막이 공극이 없게 충진되는 반면, BPSG 증착은 많은 수의 공극을 함유하여 상업적으로 상용화될 수 없다.
가장 높은 증착 속도를 얻기 위해서 기체 상태인 반응 재료의 증착 챔버속으로의 전체 플로우는 증착 공정을 위해 사용된 각 장치의 설계와 기하학적 구조에 따라 다소 변화될 것이다. 일반적으로 약 2 내지 5 질량 퍼센트의 붕소와 2 내지 5 질량 퍼센트의 인의 조성비를 갖는 F-BPSG 박막을 제공하기 위한 반응 재료의 플로우 속도가 사용될 것이다. F-BPSG에서 불소의 농도는 질량비로 대략 1 ppm 내지 1 질량 퍼센트이다.
다음 실시예는 발명을 기술하기 위해 제공된 것으로 발명의 범위를 제한하기 위해 의도된 것은 아니다.
실시예
램 리서치(Lam Research)에 의해 제조된 DSM9800을 사용하여 모두 9개의 8인치 웨이퍼가 동시에 제조되었다. 액체 주입 장치를 사용하여 준비된 TEB/FTES/TEOS/O2/N2 혼합물과 PH3/O2/N2 기체 혼합물이 교대로 주입되는 방식으로 기체들이 도 4에 도시된 바와 같은 12개의 입력 주입 포트들을 통하여 주입되었다. 액체는 전체로 보아 약 10ml/min의 속도로 공급되었다. PH3는 그 공급속도가 분당 약 1표준 리터(slpm)였고, O2는 분당 약 2 표준 리터였으며, N2는 분당 약 3 표준 리터였다.
웨이퍼를 홀딩(holding)하는 플래튼은 증착되는 동안 1 내지 10 rpm의 속도로 회전되었다. 장치의 압력은 2.9 토르이고 증착 온도는 750℃였다. 5분 뒤에 증착이 중지되었다. 어닐링이 2.9 토르의 압력으로 같은 반응기 내에서 750℃에서 20분 동안 수행되었다.
증착된 웨이퍼는 질량 단위로 약 4.5%의 인, 약 4.5%의 붕소 및 약 0.1%의 불소의 조성비를 가졌다. 증착된 웨이퍼는 상당한 양의 공극 혹은 표면 입자가 존재하지 않는 평탄한 표면을 가졌다. 상기 웨이퍼는 소자간 0.15 마이크론인 갭과 약 4:1의 종횡비를 가지면서 그 상부에 일련의 64 메가 바이트 소자들을 구비하는 특성을 가졌다.
특정된 바람직한 실시예와 관련하여 본 발명이 상세히 설명되었지만, 상기와 같은 상세한 설명의 관점에서 본 기술 분야의 당업자에게 많은 치환, 변형 및 변경은 당연히 명백하다. 그러므로, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범위와 정신을 벗어나지 않는 범위에서 모든 이러한 치환, 변경 및 변형을 포괄할 것이다.
본 발명에 따라 종횡비가 6:1이하이고 0.1마이크론 만큼 좁은 구조물을 갖는 반도체 웨이퍼와 같은 기판 상에 개선된 갭(gap) 충진 성질과 낮은 리플로우 온도를 갖는 보로포스포실리케이트 유리를 형성할 수 있다.

Claims (13)

  1. 저압 화학 기상 증착 챔버 내부에서 반도체 웨이퍼 상부에 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(F-BPSG)를 형성하는 방법에 있어서,
    압력이 0.5 내지 5 토르(torr)이고, 온도가 650℃ 내지 850℃인 저압 화학 기상 증착 챔버 내에서 TEOS, 플루오로알콕시 실란, 붕소(B) 및 인(P) 도펀트 및 산소 소스로 된 기체 상태 소스들을 혼합하고 반응시키는 단계와,
    상기 챔버에서 증착된 반도체 기판 상부에 하나의 불소 도핑된 BPSG층을 증착시키는 단계와,
    상기 증착된 층을 평탄화시키기 위해 유효 시간동안 약 800℃ 이하의 온도에서 상기 적층된 반도체 소자를 리플로우(reflow)시키는 단계
    를 포함하는 F-BPSG 형성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플루오로알콕시 실란과 테트라에틸오르소실리케이트의 질량비가 0.25:1 내지 3:1인 F-BPSG 형성 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 플루오로알콕시 실란이 플루오로트리에톡시실란인 F-BPSG 형성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 반응 온도가 720℃ 내지 780℃이고, 상기 압력이 1 내지 3 토르인 F-BPSG 형성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 붕소 소스는 트리에틸보레이트(triethylborate) 또는 트리메틸보레이트(trimethylborate)이고, 상기 인 소스는 포스핀(phosphine)인 F-BPSG 형성 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제 1 스트림이 상기 인 소스, 산소 및 캐리어 기체를 함유하고 제 2 스트림이 상기 붕소 소스, 테트라에틸오르소실리케이트(tetraethylorthosilicate), 상기 불소 함유한 알콕시(alkoxy) 실란(silane), 산소 및 캐리어 기체를 함유하는 두 개의 별개의 가스 주입 스트림들이 혼합되고 반응하는 F-BPSG 형성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 붕소 소스는 트리에틸 또는 트리메틸 보레이트이고, 상기 인 소스는 포스핀인 F-BPSG 형성 방법.
  8. 제 1 항의 방법에 의해 제조된 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리 코팅된 반도체 웨이퍼.
  9. 제 6 항의 방법에 의해 제조된 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리 코팅된 반도체 웨이퍼.
  10. 반도체 웨이퍼 상부에 불소 도핑된 보로포스포실리케이트 유리를 형성하는 장치에 있어서,
    기체 입구 수단, 챔버 내부에서 웨이퍼를 지지하는 지지수단, 상기 기판 지지수단을 회전시키는 수단을 갖는 저압 원형 화학 기상 증착 챔버와,
    상기 입구 수단에 테트라에틸오르소실리케이트, 불소 함유 알콕시 실란, 붕소 및 인 도펀트 및 산소 소스로 된 기체 상태의 소스들을 공급하기 위한 수단
    을 포함하되,
    상기 기체들이 상기 챔버 내부에서 반응하여 상기 웨이퍼 상부에 하나의 불소 도핑된 보로포스포실리케이트층을 증착시키는 F-BPSG 형성 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 챔버는 다수개의 입구 수단을 갖고, 제 1 스트림이 상기 인 소스, 산소 및 캐리어 기체를 함유하고 제 2 스트림이 상기 붕소 소스, 테트라에틸오르소실리케이트, 상기 불소 함유 알콕시 실란, 산소 및 캐리어 기체를 함유하는 두 개의 기체 상태 스트림들이 상이한 입구 수단으로 도입되는 F-BPSG 형성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 불소 함유 알콕시 실란은 에톡시 실란이고, 상기 붕소 소스는 트리에틸보레이트 또는 트리메틸보레이트이며, 상기 인 소스는 포스핀인 F-BPSG 형성 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 불소 함유 알콕시 실란은 플루오로트리에톡시실란인 F-BPSG 형성 장치.
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