KR20000062745A - 플루오르화된 ｂｐｓｇ 필름을 증착시키고 평탄화시키기위한 방법 - Google Patents

플루오르화된 ｂｐｓｇ 필름을 증착시키고 평탄화시키기위한 방법 Download PDF

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Abstract

BPSG 필름의 재유동 특성을 개선시키기 위한 방법이 기술되어 있다. 이에 따르면, 불소 또는 다른 할로겐으로 도핑된 BPSG 층이 기판 상에 증착되고 급열 펄스(RTP) 방법을 이용하여 재유동된다. 이러한 RTP 재유동 방법의 이용은 20 내지 40분의 종래의 로 재유동 공정과 비교하여 우수한 재유동 특성을 초래한다. 본 발명자는 종래의 로 내에서 FBPSG 필름의 재유동이 어닐링이 완료되기 이전에 고 이동성의 불소 원자가 필름 내부로 확산됨을 발견하였다. 따라서, FBPSG 층은 필름 내부로의 불소의 함유로 인해 개선된 재유동 특성을 감소시킨다. RTP 재유동은 필름을 최소의 시간(예를 들어, 다른 요소들중에서 요구되는 평탄화 정도 및 층을 재유동시키기 위해 이용되는 온도에 따라 달라지는 10-90초)에서 재유동시킨다. 따라서, FBPSG 층 내의 불소 원자는 층이 PETEOS 산화물 또는 유사한 층 위로 증착된다 하더라도 층으로부터 이동되어질 충분한 시간을 갖지 못하게 된다.

Description

플루오르화된 ＢＰＳＧ 필름을 증착시키고 평탄화시키기 위한 방법 {AN IMPROVED METHOD FOR DEPOSITING AND PLANARIZING FLUORINATED BPSG FILMS}
본 발명은 반도체 웨이퍼 상에 집적 회로를 제조하는 중에 보로포스포실리케이트 유리(borophosphosilicate glass:"BPSG")의 형성에 관한 것이다. 보다 상세히 설명하면, 본 발명은 BPSG 필름이 고 종횡 비를 갖는 소폭의 간극을 채우는 BPSG 필름의 재유동 특성의 개선, 및 최근의 제조 공정의 열 요구량을 충족시키기 위한 BPSG 필름의 재유동(reflow)을 개선시키기 위한 방법에 관한 것이다.
보로포스포실리케이트 유리(BPSG)는 폴리실리콘 게이트/상호연결층과 MOS 트랜지스터의 제 1 금속층 사이의 분리된 층으로서 반도체 산업에서 널리 이용됨을 발견할 수 있다. 이러한 분리 층은 때때로 선금속 절연(PMD:premetal dielectric)층으로 지칭되는데, 이는 상기 절연층이 다단 금속 구조물 내의 임의의 금속층 앞에서 증착되고 반도체 기판으로부터 제 1 증착 금속층 부분을 전기적으로 고립시키기 위해 이용되기 때문이다.
낮은 절연 상수, 낮은 응력, 및 우수한 부착 특성을 갖는 것 이외에도, PMD 층이 우수한 평탄화 및 간극 충전 특성을 갖는 것이 중요하다. BPSG 증착 방법은 상기 특성을 충족시키기 위해 개선되어져 왔으며, BPSG가 액체로 유동하도록 재유동 온도 이상으로 층을 가열시킴으로써 층을 평탄화시킨다. 재유동 공정은 BPSG 가 보다 고 종횡비의 소 폭의 트렌치를 보다 양호하게 충전시키며, 냉각시에 편평한 상부면을 초래한다. BPSG 층을 재유동시키기 위해 필요한 가열은 급열 펄스 (RTP:rapid thermal pulse) 방법 또는 건식(예를 들어, N2또는 O2) 또는 습식(예를 들어, 스팀 H2/O2) 대기에서 종래의 로를 이용하여 달성될 수 있다. 이러한 공정은 일반적으로 다수 유사하게 간주되어 많은 적용예에서 호환가능하게 이용된다. 하나의 공정이 다른 공정들에 비해 임의의 특정 잇점을 갖는다면, 당업자들은 습식 대기를 갖는 종래의 로에서 BPSG 층의 어닐링이 RTP방법을 이용하는 것보다 보다 양호한 간극 충전 특성을 제공하며, 종래의 건식 로 어닐링은 간극 충전 특성에서 RTP 방법과 기본적으로 동일하다.
표준 BPSG 필름은 실리콘 산화물층을 형성하기 위해 정상적으로 요구되는 실리콘 및 산소 함유 공급원과 함께 인 함유 공급원 및 붕소 함유 공급원을 처리 챔버로 도입시킴으로써 형성된다. 인 함유 공급원의 예는 트리에틸포스페이트 (TEPO), 트리에틸포스파이트(TEPi), 트리메틸포스페이트(TMOP), 트리메틸포스파이트 (TMPi), 및 유사 화합물을 포함한다. 붕소 함유 공급원의 예는 트리에틸보레이트 (TEB), 트리메틸보레이트(TMB), 및 유사 화합물을 포함한다.
반도체 설계가 진보됨에 따라, 반도체 장치의 특성물 크기는 극적으로 축소되어졌다. 현재, 다수의 집적회로(ICs)는 직경으로 1 마이크론 이하의 트레이스 또는 트렌치 등의 특성물을 갖는다. 특성물의 크기가 축소됨은 장치 밀도를 높게하는 동시에, 보다 복잡한 회로, 보다 낮은 작동 전력 소모, 및 보다 낮은 비용을 초래하게 하며, 또한 보다 작은 형상은 새로운 문제점을 초래하게 되는데, 보다 큰 형상에서 해결되어진 문제점들이 다시금 존재하게 된다.
마이크론 이하의 장치의 일실시예는 좁은 트렌치를 공극이 없는 형태로 완전히 충전시키고 트렌치 충전 공정의 열을 최소 수치로 유지시키는 것이다. 예를 들어, 0.18 마이크론 기하학 형상 장치 및 그 이하의 제조 요구량을 충족시키기 위해서는, 6:1 에 이르는 종횡비를 갖는 보다 좁은 0.1 마이크론 간극을 채우는데 BPSG 층이 요구된다. 동시에, 이러한 제조 요구량은 BPSG 증착 및 재유동 단계의 열이 최소로 유지될 것을 요한다.
제조업자들에 의한 상기 요구량 및 유사 요구량을 충족시키기 위한 노력중의 한 방법은 BPSG 필름에 불소 또는 유사 할로겐 원소를 추가하는 것이다. 이러한 불소로 도핑된 BPSG 필름은 "플루오르화된 BPSG(Fluorinated-BPSG)"또는 "FBPSG"로 지칭된다. 불소는 재유동 단계중에 보다 용이하게 재유동이 발생하도록 BPSG 필름의 점성을 낮추는 것으로 여겨진다. 이러한 방식에서, 불소의 첨가는 주어진 온도에서 증착되고 재유동될 때 BPSG의 간극 충전 및 평탄화를 개선시키기는데 이용될 수 있다. 선택적으로, 불소의 첨가는 고온에서 재유동되는 BPSG 필름의 간극 충전 및 평탄화 특성을 유지시키는 동시에 BPSG 필름의 재유동 온도를 감소시키기 위해 이용될 수 있다. 미국 특허 제 5,633,211호는 FBPSG 층을 증착하기 위해 이용되는 방법의 일실시예를 도시하고 있다.
본 발명은 소폭의 고 종횡비를 갖는 간극을 BPSG 층으로 충전시키기 위한 신규하고 개선된 방법을 제공하고 있다. 본 발명은 절연재로 충전을 요하는 소폭의 고 종횡비의 간극 위로 할로겐으로 도핑된 BPSG 층(바람직한 실시예에서는, 플루오르화된 BPSG 층)을 증착시키고 급열 펄스(RTP) 로에서 재유동시킨다. 본 발명자는 RTP 로 내의 플루오르화된 BPSG 층의 재유동은 건식 또는 습식 어닐링 공정을 이용하여 종래의 로에서 층을 재유동시키는 것과 비교하여 예상외의 우수한 결과를 제공함을 발견하였다.
본 발명자는 상기 우수한 결과는 플루오르화된 BPSG 필름 내에 존재하는 불소 원자의 부분적인 상당한 이동성에 의한 것으로 간주했다. 표준, 비-RTP BPSG 재유동 방법, 일반적으로 재유동 공정 및 요구되는 평탄화 정도에서 이용되는 온도에 따라 20 내지 40분 이상의 필름의 재유동 온도 이상으로 BPSG 필름을 가열시킨다. 본 발명자는 재유동 공정의 온도 및 FBPSG 층 아래의 층의 물리적인 특성은 상기 BPSG 층이 종래의 로 내에서 재유동될 때 FBPSG 층의 재유동 특성에 중요함을 발견하였다. 더욱이, 본 발명자는 FBPSG 층이 PECVD TEOS 실리콘 이산화물 층(TEOS 및 산소 전조 가스를 이용하여 플라즈마 CVD 공정에 의해 증착된 실리콘 이산화물 층) 위로 증착될 때, FBPSG 필름의 재유동 특성은 불소가 없는 유사한 BPSG 필름과 동일함을 발견하였다. 유사하게, FBPSG 층이 LP 질화물(저압의 CVD 공정으로부터 증착된 실리콘 질화물 필름) 층 위로 증착되고 대략 800℃ 이상의 온도에서 재유동될 때, 필름의 재유동 특성은 불소가 없는 유사한 BPSG 필름의 특성과 유사하다. 즉, 두가지 모든 경우에, BPSG 필름에 불소의 첨가는 필름의 재유동 특성을 개선시키지 못한다.
그러나, 본 발명자는 FBPSG 필름은 상기 층이 LP 질화물 층 등의 보다 밀집된 하부 층위로 증착되고 비교적 낮은 어닐 온도(예를 들어, 대략 750℃ 이하의 온도) 에서 종래의 로 내에서 재유동될 때 BPSG 필름보다 양호한 재유동 특성을 나타냄을 발견했다. BPSG 필름 내의 고 이동성의 불소 원자는 필름 아래의 층 내부로 이동함을 이론화 하였다. FBPSG 층이 LP 질화물 층 등의 비교적 밀집된 층 위로 증착되고 대략 750℃ 이하의 온도에서 재유동될 때, 하부층은 층 내부로 불소의 확산을 감소시키는 방벽으로 작동된다. FBPSG 층이 PETEOS 산화물 층 위로 증착될 때, 불소 원자는 재유동 공정중에 비교적 용이하게 FBPSG 층으로부터 산화물 층 내부로 이동한다. 이러한 방식에서 본 발명자는 산화물 층 내부로의 불소 원자의 이동은 어닐링 공정의 비교적 초기 단계에서 발생하고 재유동 공정의 상당 부분에 대해 FBPSG 층에서 불소를 제거시키며 불소가 층의 간극 충전 및 점성을 개선시키려 함을 방해하는 것을 알게되었다.
본 발명의 방법에 따라, FBPSG 층은 기판 상에서 증착되고 급열 펄스(RTP) 방법을 이용하여 재유동된다. 이러한 RTP 방법은 최소의 시간으로(예를 들어, 층을 재유동시키기 위해 이용되는 온도 및 다른 인자중에 요구되는 평탄화 정도에 따라 10 -90초) 필름을 재유동시킨다. 따라서, FBPSG 층 내의 불소 원자는 층이 PETEOS 산화물 또는 유사 층위로 증착된다 하더라도 층으로부터 이동하는데 충분한 시간을 갖지 못한다.
도 1a는 부분적으로 형성된 집적 회로를 구비하고 있는 실리콘 기판을 개략적으로 도시한 횡단면도로서, 본 발명의 방법에 따라 증착되고 평탄화되어진 BPSG 층이 형성되어 있는 도면.
도 1b는 BPSG 층이 평탄화되어진 이후에 도 1a에 도시된 실리콘 기판을 개략적으로 도시한 횡단면도.
도 2a는 BPSG 층이 본 발명의 실시예에 따라 재유동된 후에 BPSG 층(40)을 도시한 SEM 사진의 약도.
도 2b는 BPSG 층이 본 발명의 실시에에 따라 재유동된 후에 공극(68)을 포함하는 BPSG층(60)을 도시한 SEM 사진의 약도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 방법의 단계들을 도시한 흐름도.
도 4a 내지 도 4d는 FBPSG 필름이 종래의 로에서 어닐링될 때 FBPSG 필름으로부터 다양한 산화물 및 하부층까지 불소 원자의 이동을 도시한 그래프.
도 5a 내지 도 5d는 FBPSG 필름이 본 발명의 방법에 따라 재유동된 후에 FBPSG 필름 내에 불소 원자가 유지되고 있음을 도시한 그래프.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 실리콘 기판 12 : 집적 회로
14 : 구조물 16 : 절연층
18 : 라이닝 층 20 : BPSG 간극 충전층
40 : FBPSG 층 44 : LP 질화물 층
본 발명은 지금부터 첨부된 도면을 참조로 보다 상세히 기술되어질 것이다.
도 1a는 실리콘 기판(10)을 개략적으로 도시하고 있으며, 상기 기판 상에 집적 회로(12)가 부분적으로 형성되어 있다. 도 1a에 도시되어진 것과 같이, 집적 회로(12)는 폴리사이드 도전성 라인, 폴리사이드 게이트 구조물 등의 다수의 구조물(14), 및 상기 구조물(14) 위에 증착된 절연층(16)을 포함한다. 절연층(16)은 라이닝층(18) 및 BPSG 간극 충전층(20)을 포함한다. 라이닝 층(18)은 하부 기판 및 상승된 구조물로부터 간극 충전층(20)을 분리시키고 수분 및 이온에 의한 오염이 기판 및 구조물 내부로 침투하지 못하도록 한다.
라이닝 층(18)은 일반적으로 도핑되지 않은 실리콘 산화물 층 또는 실리콘 질화물 층이다. 도핑되지 않은 실리콘 산화물 층(18)을 형성하기 위한 하나의 통상적인 방법은 전조 가스로서 TEOS 및 산소를 이용하는 플라즈마 강화 CVD 공정이다. 실리콘 질화물 층(18)을 형성하기 위한 통상적인 방법은 전조 가스로서 시레인 및 질소 가스를 이용한 저압 CVD 공정이다. 도 1A는 층의 평탄화 또는 재유동 이전의 BPSG 층(20)을 도시하고 있다. BPSG 층이 증착된 임의의 두개의 인접한 구조물(14) 사이의 간극의 종횡비(높이 대 폭의 비)가 충분히 높은 경우에는 증착중에 BPSG 층 내에 형성될 수 있는 공극(22)이 도 1a에 또한 도시되어 있다. 실질적인 집적회로의 제조에서와 같이, 도 1a는 고 종횡비를 형성하는 공극(22), 좁은 폭의 간극(24), 및 낮은 종횡비의 넓은 폭의 간극(26)을 도시하고 있다.
도 1b는 BPSG 층(20)이 재유동된 이후에 집적회로(12)를 도시하고 있다. 도면에서 명백한 바와 같이, 재유동 공정은 층(20)의 편평화 또는 평탄화, 및 이상적인 공극(22)의 충전을 초래한다. 도 1b에 도시되어진 바와 같이 공극(22)이 완전하게 채워지느냐의 여부는 이용된 재유동 공정의 온도, 길이, 및 형태, BPSG 층의 붕소 및 인의 농도, BPSG 층(20)이 불소 등의 할로겐 요소로 차후 도핑되어지는 지의 여부, 및 다른 요소들 중에 공극의 형상에 따라 달라진다. 예를 들어, 당업자들에게 공지되어진 것과 같이, 주어진 BPSG층(20)의 유리 전이 온도(재유동 온도)는 부분적으로 층의 붕소 및 인 불순물 농도에 따라 부분적으로 달라진다. 표준 BPSG 필름은 일반적으로 2 내지 6 중량%의 붕소 농도, 2 내지 9 중량%의 인 농도, 및 대략 11중량% 또는 그 이하의 결합된 불순물(붕소 및 인) 농도를 갖는다. 일반적으로 말하여, BPSG 층의 붕소 농도의 증가로 인해 층의 재유동 온도를 감소시킨다. 그러나, 6중량% 이상의 붕소 농도에서, 주어진 BPSG 층은 수분 및 확산 문제점을 갖게 된다.
도 1a 및 도 1b는 총칭 구조물이며 종래 기술의 실시예뿐만 아니라 본 발명의 실시예를 대표하고 있다.
전술한 본 발명의 배경으로부터, 필름 내에서 형성된 임의의 공극(22)을 제거하기 위해 재유동 공정의 성능을 포함한, 층(20)의 재유동 특성을 개선하기 위한 공지된 방법은 필름 증착 공정중에 할로겐 원소를 BPSG 층 내부로 포함시키는 것이다. BPSG 층 내에 포함되는 가장 공통적인 할로겐 원소는 불소이다. 불소는 기화된 TEFS 등의 불소 함유 공급원을 BPSG 공정 가스에 첨가함으로써 BPSG 필름 내부로 함유될 수 있다.
그러나, 본 발명자는 BPSG 층을 평탄화시키는데 이용되는 재유동 공정의 형태, 및 라이닝 층(18)의 물리적인 특성은 재유동 특성을 개선시키기 위해 불소 또는 또 다른 할로겐 원소가 층에 함유될 때, BPSG 층의 재유동 특성에 크게 영향을 미침을 발견했다. 이전에 공지되지 않은 사실을 발견함에 따라, 본 발명자는 FBPSG 필름의 간극 충전 성능을 개선시키기 위해 FBPSG 필름의 한계를 실험하고 FBPSG 필름으로 다수의 실험을 행하였다. 상기 실험중의 하나에서, 3 x 8 FBPSG 층(3 중량% 붕소, 8 중량% 인)은 LP 질화물 하부층(18) 위로 증착되며 건식 N2대기 층에서 800℃에서 30분동안 어닐링된다. 필름은 0.7 중량% 불소를 포함한다.
도 2a는 재유동 공정 이후에 3 x 8 FBPSG 층(40)을 도시한 SEM 사진의 약도를 나타내고 있다. 도 2a에 도시되어진 바와 같이, 증착된 FBPSG 층은 공극이 형성되지 않고 대략 4:1의 종횡비를 갖는 소 폭의 간극(42)을 충전할 수 있다. 또한, 도 2a에 도시되어진 바와 같이 기판(50) 상에 형성된 구조물(46)위로 LP 질화물 층(44)이 증착됨이 도시되어 있다.
그러나, 본 발명자는 FBPSG 층이 PETEOS 산화물 층위로 증착될 때, 동일한 증착 공정(3×8 FBPSG 필름) 및 재유동 공정(N2대기에서 30분간 800℃로 어닐링)은 동일한 크기의 간극을 충분히 채우지 못함을 알아내다. 도 2b는 최종 구조물을 도시한 SEM 사진의 약도이다. 도 2b에서, 재유동 단계 이후에 공극(68)이 존재한다. 또한, 도 2b에 FBPSG 층(60), PETEOS 산화물 층(64), 4:1 의 종횡비를 갖는 소 폭의 간극(62), 및 기판(70) 상에 형성된 구조물(66)이 도시되어 있다.
본 발명자는 도 2b에 도시된 FBPSG 필름의 간극 충전 성능이 불소를 첨가하지 않고 증착된 3 x 8 BPSG 층의 간극 충전 성능보다 크게 다르지 않음을 또한 알아냈다. 즉, 재유동 공정 이후에, 3 x 8 BPSG 층이 동일한 방식으로 증착되고 평탄화되고, 도 2a 및 도 2b 에 도시된 FBPSG 필름(불소가 제거된 필름)과 동일한 크기의 구조물은 도 2b에 도시된 공극(68)과 유사한 공극을 갖는다.
전술한 테스트 결과 및 다른 테스트 결과를 분석하는 중에, 본 발명자는 FBPSG 층의 간극 충전 특성은 종래의 로 어닐링 공정을 이용하여 층이 재유동될 때 증착된 FBPSG 필름 층의 형태에 적어도 부분적으로 의존하고 있음을 결론지었다. 그리고 나서, 본 발명자는 급열 펄스(RTP) 방법을 이용하여 층을 재유동하기 위한 실험을 수행하였다. 본 발명의 배경 부분에서 언급한 바와 같이, RTP 및 종래의 로 어닐링 공정은 당업자들에게 유사한 것으로 여겨진다. 그러나, 다른 공정과 비교하여 하나의 공정이 임의의 특정 잇점이 있을 때, 당업자들은 일반적으로 습식(스팀) 대기를 갖는 종래의 로에서 BPSG 층의 어닐링은 RTP 방법을 이용한 것보다 보다 양호한 간극 충전 특성을 제공하고, 건식 종래의 로 어닐링은 기본적으로 간극 충전 특성의 관점에서 RTP 방법과 기본적으로 동일한 것으로 여긴다. 이러한 관점에서, 습식 로 어닐링은 일반적으로 스팀이 비교적 장시간동안(예를 들어, 20-40분) 로 어닐링 공정 중에 BPSG 층을 관통하는 것이 가능하기 때문에 양호한 것으로 간주되며, 이로 인해 층의 재유동을 개선시킨다. RTP 재유동 공정은 스팀을 이용함으로써 동일한 잇점을 달성하지 못하는데, 이는 상기 공정이 스팀이 필름의 두께를 통해 간극 내부로 충분하게 확산되어 필름의 재유동에 상당한 차이를 나타낼 정도로 충분히 길지 않기 때문이다.
그러나, 본 발명자는 RTP 공정으로 PETEOS 실리콘 산화물 층 위로 증착된 FBPSG 층의 어닐링이 FBPSG 층의 간극 충전 특성에 개선점을 초래함을 발견하게 되었다. 예를 들어, 도 2b에 대해 전술한 PETEOS 산화물 층 위로 증착된 3 x 8 FBPSG 층이 RTP 공정을 이용하여 N2대기에서 20초 동안 950℃에서 어닐링되며, 상기 층은 간극 사이에 임의의 공극(68)의 형성없이 간극(62)을 완전히 채울수 있다. 더욱이, 층의 평탄화 정도는 보다 장시간의 종래의 어닐링 공정(30분, 800℃)을 이용하여 재유동된 층과 본질적으로 동일하다.
임의의 작업 특정 이론에 의해 제한되지 않더라도, 본 발명자는 종래의 로 어닐링 대신에 FBPSG 층을 평탄화시키기 위해 RTP 어닐링 공정을 이용하여 달성되어진 예상치못한 우수한 결과는 층 내에서 불소의 고 이동성로 인함을 발견하였다. 본 발명자는 FBPSG 층이 PETEOS 실리콘 산화물 층위로 증착되고, FBPSG 층으로부터 불소가 상기 층으로부터 PETEOS 층 및 PETEOS 층 아래의 기판 내부로 급격하게 확산됨을 확신했다. 유사하게, 이러한 방식으로 불소 원자의 확산은 어닐링 공정의 초기 단계중에 예를 들어, 5-10분 동안 발생된다. 따라서, 어닐링 공정에 대해 FBPSG 층은 재유동 공정중에 층의 점성을 증가시키기 위해 도시되어져 있는 불소 원자의 잇점을 갖지 않으며, 그로 인해 층의 재유동 특성을 개선시킨다. 재유동 공정의 상당 부분에 대한 잇점을 제거함으로서, 재유동 공정은 높은 종횡비의 소폭의 간극을 채우기가 불가능하다.
LP 질화물층은 PETEOS 층(대략 2.2 g/cm3) 보다 밀집되어져 있다(대략 2.8-3.1g/cm3). 따라서, 본 발명자는 LP 질화물 층 위로 증착된 FBPSG 층이 종래의 로에서 어닐링될 때, LP 질화물층은 불소 원자의 확산을 느리게하는 확산 방벽을 질화물층 및 기판 내부로 작동시킨다.
종래의 로 어닐링 중에 보다 높은 재유동 온도의 이용은 LP 질화물 층위로 증착된 FBPSG 층의 재유동 특성이 양호하지 못한 것으로 나타났다. 이는 다른 요소들은 동일하며, 보다 높은 재유동 온도가 보다 양호한 간극 충전 및 평탄화 특성을 초래하는 것으로 예상한 것과는 반대이다. 그러나, 본 발명자는 보다 높은 재유동 온도에서, 불소는 보다 낮은 재유동 온도에서 보다 신속하게 질화물을 통해 확산됨을 인지하게 되었다. 따라서, 종래의 로에서 보다 고온 상태에서 평탄화된 FBPSG 층은 불소가 제거되어, 그 결과 저온에서 재유동되어진 것보다 FBPSG 필름에 불소의 잇점을 제공하게 된다.
도 3은 본 발명의 방법을 도시한 흐름도이다. 도 3에 도시되어진 것처럼, 상기 방법은 불소 또는 다른 할로겐으로 도핑된 BPSG 층을 증착하는 단계(110), RTP 재유동 단계를 이용하여 층을 재유동시키는 단계(120)를 포함한다. RTP 재유동 단계(120)는 일반적으로 층을 20 내지 90초동안 900℃ 이상의 온도로 가열시키며, 본 발명의 양수인인 어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조된 CenturaTMRTP 와 같은 상업상 이용가능한 RTP로 내에서 행해질 수 있다. 상업상 이용가능한 RTP 로는 웨이퍼 온도의 변화율을 ±50 ∼ 100℃로 허용한다. 단계(120)에서 FBPSG 층을 재유동시키기 위해 이용가능한 RTP 로에 대한 보다 상세한 설명은 본 발명의 양수인인 어플라이드 머티어리얼스에 의해 양도된 미국 특허 제 5,155,336호에 "급열 가열 장치 및 방법"에서 기술되어 있으며, 본문에 참고로 기술되어 있다.
RTP 재유동 단계(120)는 급속 방식으로 필름 재유동을 달성하여 FBPSG 층 내부로 함유된 불소가 층으로부터 완전하게 확산되기 위한 시간을 갖지 못한다. 따라서, FBPSG 층은 불소를 함유하고 있는 잇점을 충분하게 갖는다. 이는 차례로, RTP-재유동 FBPSG 층이 종래의 로 내에서 FBPSG 층의 재유동과 비교하여 우수한 간극 충전 결과를 달성하도록 한다. 우수한 결과는 도 2a 및 도 2b에 도시되어진 것과 같이 임의의 소폭의 고 종횡비의 간극의 충전시에 식별할 수 있다. 주어진 크기의 간극을 채우는 중에, 본 발명의 방법은 도 2a에 도시되어진 것과 같이 실질적으로 공극이 없는 형태로 간극을 채울수 있는 반면에 종래의 로에서의 필름의 재유동은 도 2b에 도시되어진 것과 같이 동일한 간극 내에 공극의 존재를 초래한다.
단계(110)에서 FBPSG층을 증착하기 이전에, 본 발명의 방법에 따른 바람직한 실시예는 기판 위로 도핑되지 않는 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물 층 등의 라이닝 층을 증착하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법이 단계(110)에서 증착된 FBPSG 층이 실리콘 산화물 라이닝 층 위로 증착될 때 특히 유용하며, 실리콘 질화물 층 위로 증착될 때에도 또한 유용하다. 한 예로서, 본 발명자는 종래의 로에서 재유동된 FBPSG 층의 간극 충전 특성을 최대화하기 위해 층은 1)실리콘 질화물 층 또는 유사하게 밀집된 하부층 위로 증착되어야 하며 2) 대략 750℃ 또는 그 이하의 비교적 낮은 재유동 온도에서 재유동되어야 한다. 보다 낮은 재유동 온도를 이용하게 되면 장시간의 재유동 공정 또는 완전하게 평탄화되지 않은 필름을 초래하게 된다. FBPSG 층의 재유동 특성은 실리콘 산화물 하부층(불소에 대해 실리콘 이산화물과 유사한 확산 특성을 갖는 하부층)위로 층이 증착되거나 실리콘 질화물층위로 증착된다면 본 발명의 방법에 의해 잇점을 가지며, 종래의 로에서 비교적 높은 온도(예를 들어 대략 800℃ 이상)에서 층을 재유동시킴으로써 달성되어질 재유동 또는 평탄화 특성을 요구한다.
단계(110)는 대략 0.5 내지 3.0 중량%의 불소를 갖는 FBPSG 필름을 증착시킨다. 일반적으로 말해서, 불소가 필름 내부로 많이 함유될 수록, 필름의 재유동 특성은 보다 양호해진다. 그러나, 보다 높은 불소 농도는 필름 안정성 및 수분 저항성 문제점을 초래한다.
바람직한 실시예에서, FBPSG층은 고온 벽을 갖춘 LPCVD 챔버보다 다소 냉벽의 CVD 증착 챔버 내에서 증착된다. 냉벽 CVD 챔버 등의 특정 실시예는 어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조된 GigafillTM이다. 상기 챔버에 대한 보다 상세한 설명은 본 발명의 양수인 어플라이드 머티어리얼스에 의해 1999년 11월 13일 출원된 미국 특허 출원 번호 제 08/748,883호에 기술되어 있으며, 본 명세서에 참고로 기술되어 있다.
GigafillTM등의 냉벽 챔버 내의 필름의 증착은 개선된 웨이퍼 온도 균일도를 허용하며(웨이퍼는 받침대 상에서 직접 가열된다), 바람직하지 못한 가스 상 반응(이로 인해, 소형의 입자가 발생한다)을 최소화하며, 보다 높은 증착 압력(10 torr 이상)의 이용을 허용한다. 상기 고압은 보다 보다 낮은 증착 온도 및 보다 양호한 필름 품질에서 높은 가스 유동 및 보다 균일한 가스 유동, 보다 높은 필름 증착 속도를 허용한다.
현재 바람직한 실시예에서, FBPSG 층은 SACVD 공정을 이용하여 TEOS,TEFS, 오존, TEB, 및 TEPO의 공정 가스로부터 증착된다. 당업자들에 의해 인지되어진 바와 같이, 실제적인 유량 및 다른 처리 조건은 사용된 증착 챔버의 형태 및 체적, 소정의 필름 특성에 따라 달라질 것이다. FBPSG 층이 8 인치의 웨이퍼가 제공된 GigafillTM챔버 내에 증착되는 특히 바람직한 실시예에서, 증착은 200 Torr 및 480℃에서 발생된다. 공정 가스는 50%의 TEOS 및 50%의 TEFS 의 혼합물 600 mgm, TEB 80 mgm, 및 TEPO 70 mgm에 대한 캐리어 가스로서 작동하는 12 중량%의 O3(4000 sccm) 및 6000 sccm의 He를 포함한다. TEOS/TEFS, TEB, 및 TEPD 는 액체 주입 시스템에서 기화되며 헬륨 캐리어 가스와 혼합된다.
본 발명자는 공정 가스 내부로의 TEOS 및 TEFS의 함유는 개선된 필름 증착 품질을 초래하는 것으로 나타났다. 높은 TEOS 유량은 일반적으로 FBPSG 필름의 증착 속도, 에칭 속도, 밀도 및 안정성의 개선을 가져온다. 반면에, 보다 높은 TEFS 유량은 일반적으로 필름의 재유동 특성 및 보다 양호한 간극 충전 특성을 갖는다. 대략 50/50의 TEOS 대 TEFS의 비는 혼합 농도에 직접적으로 비례하지 않는 필름 특성에 변화와 같이 둘 사이에 이상적인 조화로 여겨진다.
또 다른 실시예에서, 증착된 FBPSG 층은 층의 안정성을 개선시키기 위해 선택적인 처리 단계(115)에 놓이게 된다. 두개의 상이한 처리 단계(115)는 필름 안정성을 개선시키는 것으로 나타났다. 각각의 주 목적은 불순물과 상호작용가능한 수분 흡수를 방지하고 필름을 불안정하게 만든다. 먼저, USG 또는 질화물 캡 층은 FBPSG 층위에 형성된다. 캡 층은 열 또는 플라즈마 공정으로부터 증착될 수 있으나, FBPSG 층의 재유동 특성에 악영향을 미치지 않도록 비교적 얇아야 한다(예를 들어, 대략 60Å). 제 2 처리는 필름을 고밀도화하고 층 위에 매우 얇은(대략 20Å) SiOxNy필름을 형성하기 위해 증착된 FBPSG 필름을 질소(N2)플라즈마에 노출시킨다. 특정 일실시예에서, N2플라즈마 처리는 1.5torr 및 400℃에서 50초 동안 2000 sccm의 헬륨 유량, 500 sccm의 N2유량으로부터 플라즈마를 형성한다. 플라즈마는 450 KHz에서 RF 에너지의 700 와트의 인가로 인해 형성된다.
또 다른 실험 결과
작동 원리를 테스트하기 위해서는, 본 발명가는 어닐링 공정 전후에 FBPSG 층 내에 불소 농도를 측정하는 일련의 실험을 수행하였다. 도 4a 내지 4d는 기존의 로(MRL 수평 로)에서 어닐링되어진 FBPSG 필름 상에서의 실험 결과를 도시하고 있다. 특히, 도 4a는 N2대기를 갖는 기존 로에서 800℃에서 30분의 재유동 단계 후에 PE 산화물층위로 증착된 FBPSG 층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있다. 도 4b는 동일한 어닐링 위로 LP 질화물 층위로 증착된 FBPSG 층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있으며, 도 4c 및 도 4d는 동일한 어닐링 이후에 각각, 스팀 산화물 및 PE 질화물 하부층 위로 증착된 FBPSG층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있다.
어닐링 공정 이전에, 각각의 필름 내의 불소의 농도는 대략 1×1021원소/cm2이며, 임의의 하부층 내에(배경 수치로) 불소가 존재하지 않는다. 상기 도면들의 각각으로부터 명백한 바와 같이, 재유동 공정 이후에 필름 내에 잔류하는 불소의 농도, 라인(80a, 80b, 80c, 80d)은 하부 층 내부로 이동된 불소 및 초기 농도보다 낮아진다. 또한 질화물 하부 필름의 각각은 필름과 FBPSG 층 사이의 계면에서 다량의 불소 농도를 나타낸다. 본 발명자는 불소의 조성은 FBPSG 층으로부터 질화물층까지 이동하는 불소 원자의 차이로 인함이다. 이러한 조성은 산화물 하부 층 내에 존재한다.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 방법에 따른 RTP로(어플라이드 머티어리얼스에 의해 제조된 CenturaTMRTP) 내에 어닐링된 FBPSG 필름 상에의 실험 결과를 도시하고 있다. 특히, 도 5A는 N2대기 내의 950℃에서 20초의 RTP 재유동 단계이후에 PE 산화물 층위로 증착된 FBPSG 층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있다. 도 5b는 동일한 RTP 어닐링 이후에 LP 질화물 층위로 증착된 FBPSG 층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있으며, 도 5c 및 도 5d는 동일한 RTP 어닐링 이후에 각각 스팀 산화물 및 PE 질화물 하부층 위로 증착된 FBPSG 층 내에 잔류하는 불소의 농도를 도시하고 있다.
도 5a 내지 도 5d의 방법에 따라 재유동된 FBPSG 층의 평탄화는 도 4a 내지 4d 의 방법에 따라 재유동된 FBPSG층의 평탄화와 본질적으로 동일하다. 또한, 필름의 초기 불소 농도는 본질적으로 동일하다. 따라서, 어닐링 공정 이전에 각각의 필름 내의 불소 농도는 대략 1×1021원소/cm2이며, 임의의 하부층 내에는 본질적으로 불소가 (배경 수치에서만)존재하지 않는다. 도 5a 내지 5d로부터 명백한 바와 같이, RTP 재유동 공정 이후에 FBPSG 필름내에 잔류하는 불소의 농도, 라인(82a,82b,82c,82d)는 필름 내의 초기 불소 농도와 유사하다. 또한, 하부층으로 이동하는 불소는 거의 없다.
요약하면, 본 발명자는 FBPSG, 층을 재유동시키기 위한 RTP 어닐링 공정의 이용으로 기존의 로에서 층의 재유동와 비교하여 상당한 간극 충전이 개선됨을 발견하였다. 상기 개선점은 FBPSG 층이 LP 질화물(대략 2.8-3.1 g/cm3사이의 밀도) 또는 PE 질화물(대략 2.5-2.8 g/cm3사이의 밀도) 등의 비교적 밀집된 하부층 위로 증착될때와 비교하여, FBPSG 층이 2.5 g/cm3이하의 밀도를 갖는 층 위로 증착될 때 특히 확실하게 드러난다.
상기 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 본 기술 분야의 숙련된 당업자들은 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 RTP 로 내의 플루오르화된 BPSG 층의 재유동 방법은 건식 또는 습식 어닐링 공정을 이용한 종래의 로에서 층을 재유동시키는 방법과 비교하여 플루오르화된 BPSG 필름 내에 존재하는 불소 원자의 이동성으로 인해 상당히 개선된다.

Claims (13)

  1. 기판 위로 층을 증착하기 위한 방법에 있어서,
    상기 기판 위에 할로겐으로 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(BPSG) 층을 증착시키는 단계, 및
    급열 펄스 로를 이용하여 상기 할로겐으로 도핑된 보로포스포실리케이트 유리 층을 처리하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 할로겐으로 도핑된 BPSG 층은 플루오르화된 BPSG 층인 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 FBPSG 층은 도핑되지 않은 실리콘 산화물 층 위로 증착되는 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 실리콘 산화물 층은 산소 플라즈마 및 TEOS 로부터 증착되는 방법.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 실리콘 산화물 층 및 상기 FBPSG 층은 트랜지스터가 형성된 반도체 기판 상에 증착되는 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 FBPSG 층은 4: 1 이상의 종횡비를 가지며 1 마이크론 또는 그 이하의 폭을 갖는 간극 위로 증착되며, 상기 재유동 단계는 상기 FBPSG 층이 공극을 형성시키지 않고 상기 간극을 충전시킬 수 있는 방법.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 플루오르화된 BPSG 층은 냉벽 CVD 챔버 내에서 증착되는 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 플루오르화된 BPSG 층은 TEOS 및 TEFS를 포함하는 공정 가스로부터 증착되는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 플루오르화된 BPSG 층은 대략 10 torr 이상의 압력 및 대략 400 내지 600℃의 온도에서 증착되는 방법.
  10. 제 2항에 있어서, 상기 FBPSG층은 대략 2.5 g/cm2이하의 밀도를 갖는 라이닝 층위로 증착되는 방법.
  11. 기판 위로 층을 증착하기 위한 방법에 있어서,
    상기 기판 위에 할로겐으로 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(BPSG) 층을 증착시키는 단계, 및
    급열 펄스 로를 이용하여 상기 할로겐으로 도핑된 보로포스포실리케이트 유리 층을 재유동시키는 단계를 포함하는 방법.
  12. 실리콘 기판 상에 형성된 트랜지스터를 상기 트랜지스터 상에 증착된 하나 이상의 금속 라인으로부터 전기적으로 고립시키기 위한 방법에 있어서,
    상기 트랜지스터 위로 불소로 도핑된 보로포스포실리케이트 유리(BPSG)층을 증착시키는 단계,
    급열 펄스 로를 이용하여 상기 FBPSG 층을 재유동시키는 단계, 및
    상기 FBPSG 층 위로 금속 층을 증착시키고, 상기 하나 이상의 금속 라인을 형성하기 위해 상기 금속 층을 패턴화시키는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 11항에 있어서, 상기 트랜지스터는 0.18 마이크론 또는 그 이하의 최소 특성물 크기에 대한 집적 회로 설계 규정을 이용하여 제조되는 방법.
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