TW446999B - Improved BPSG reflow method to reduce thermal budget for next generation device - Google Patents

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446 9 b Λ7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 發明頜域：_ 本發明係關於在半導體晶圓上製造積體電路時之_ 硼磷碎破璃（"BPSG")的形成。更特定地’本發明係關於—種 改良的回流處理，其可降低一製程的熱預算同時提供可讓 該BPSG層符合現今製程的要求之間隙填充特性。 發明背景：_ 在半導體元件的製造中’氧化矽被廣泛地用作為一絕 緣層。一氧化矽薄膜可藉由矽烷（SiH4)，四氧乙基矽 (S i (0 C 2 Η 5) 4) ’以下被稱為T E 0 S"，或一類似的含硬源與 一含氧源’如氧’臭氧（Ch)等的反應之熱化學氣相沉積 (C V D)或電紫強化的化學氣相沉積（ρ ε c ν d )處理而被沉 積。 氧化矽膜的一特定的用途為MO S電晶體之多晶矽閘 極/内連線層與第一金屬層之間的隔離層。此等隔離層被稱 為金屬前介電（PMD)層，因為它們典型地係在一多層金屬 結構中之任何金屬層之前被沉積的。除了具有低的介電常 數，低應力及良好的黏著特性之外’對於PMD層而言具 有良好的平坦性及間隙填充特性是很重要的。 當被用作為一 PMD層時’氧化矽膜層被沉積於一肸 基材上，其具有一底層的多晶矽閘極/内連線層》該矽基材 的表面包含絕緣結構，如溝槽’及邊起的或級階式的表 面，如多晶矽閘極與内連線。最初被沉積的膜層大致順應 該基材表面的輪廓且典型地在一上面的金屬層被沉積之 第3頁 本紙張尺度過用中國國家標革（CNS)A.i規格（2!0 X 297 6¾ ) -----— ---'--JP . 壯衣·--- I I I — t----- — I 1 .1 (請先閱背面之;i意事項再填寫本W、) 經-部智慧財產局員工消費合作社印製 446 9 y^ A7 ___________〆 五、發明說明（ 前即被平坦化或扁平化。 y ,,本坦化"或"扁平化"。 有數種方法被用來將基材表面 / +-立它材質）的順形層並 其例子包括了沉積夠厚之氧化矽（或声 ± C . π積夠厚之氧化矽（或 研磨該晶圓用以獲得一平的表面，" a 以形成一經過平坦化 其它材質）的順形層並回蝕刻該屠用 K ^物層然後充份地對該 的表面：及形成一相對低熔點矽氧化 . 船流動，並在冷卻時獲 基材加熱用以溶化該層並如一液描取 &冰熱脈衝（RTP)方法或 得一平的表面。此加熱可藉由一快迷·' . & Mu Ν 2或〇 2)或濕的（如 傳統的爐子來實施，且可在一乾的（如 蒸氣Η2/02)氛圍中來完成。 因為硼磷矽玻璃(” BPSG'，)之低介電常數，低應力及良 好的黏著特性及間隙填充特性及相對低的回流溫度的關 係，其在使用一回流步驟以將PMD層平坦化的應用中具 有很好的應用性之氧化矽薄膜°標率的BPSG膜層是藉由 將一含磷的來源與一含硼的來源與形成一 5夕氧化物層所 需之含矽的來源及含氧的來源一起導入一處理室中而被 形成的。含磷的例子包括了磷酸三乙酿（TEP0)，亞磷酸三 乙酯（TEPi)，磷酸三甲酯（TMOP)，亞磷酸三甲酯（TMPi) 及類似的化合物。含硼的例子包括了三乙基硼（TEB)，三 甲基硼（TMB)，及類似的化合物° 隨著半導體設計的進步，半導體元件之特徵尺寸亦隨 之顯著地減小。現在許多的積體電路（丨c s)的特徵，如線跡 或溝渠，其寬度比一微米小很多。雖然特徵尺寸的變小可 以有更高的元件密度’每一晶圓有更多的晶片，更複雜的 第 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSMJ規格（210 X 297公釐） ----------1 . --------訂--------I (埼先間讀背面之;,it事項再填寫本Ϊ 4469 9 3 Λ7 B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明（ 發里目的及概_ : 本發明提供了氧化碎絕緣層’如一BPSG層，的一回 流方法其能夠讓該層符合現今及未來之製造的要求。本發 明的方法能夠讓/被適當地摻雜的B p s G層於7 5〇 t或更 低的溫對下被回流’同時表現出足以將溝渠寬度為〇. 〇 6 與0. 〇 8微米之具有非常尚的问寬比，如6 : 1的高寬比或 更高者，的窄溝渠平坦化之間隙填充特性a 根據本發明的方法，一用來將氧化夕層平坦化之多步 驟程序被提供。該方法包括不同的平坦化階段。在最初 的，預平坦化階段，一具有一 BPSG層被沉積於其上之基 材被載入一基材處理室中3然後’在第二階段之後的—第 一平坦化階段期間’乳及氫被流入該基材處理室中用以在 該室中形成一蒸氣氛圍且該基材於該蒸氣氛圍中從一第 一溫度被加熱至一第二溫度。該第一溫度係低於該BpSG 層的回流溫度及該第二溫度係足以讓該BPSG層回流=在 該基材被加熱至第二溫度之後，該基材的溫度及在該基材 處理室内的條件被保持在該B P S G層可在該蒸氣氛圍中回 流的條件下》 以此方式（即，在該蒸氣氛圍中將該層的溫度升高）被 發現可改善該BPSG層的回流特性藉以改善該層的間隙填 充特性。本案發明人相信，被改上之間隙填充特性是因為 蒸氣能夠在膜層於回流處理期間緻密化之前擴散至有溝 渠中而被達成的。 在一較佳的實施例中，該多步驟平坦化方法亦包括在 第6頁 本纸張尺度適用中國國家標準（CN'S)A4規幡（210x29；公f ) I I I I I I I .--1 J— . - I I Ϊ I I I ) ^ '!1ϊ!ιι·ιι {請先閱渰背面之注意事項再填寫本頁) 6 4 經濟部智慧財產局S工消費合作社印製 4 9 9b Λ7 ___B7__ 五、發明說明（） 該電二階段之後的一第二平坦化階段。在該第二平坦化階 段中，氫氣流被停止而氧氣流則被保持著，籍此在該基材 處理室中形成一氧氣氛圍。於該氧氣氛圍中1該基材溫度 被保持在高於該B P S G層的回流溫度之上達一段額外的回 流時間用以讓該層冷卻至一低於其回流溫度的溫度。此頦 外的步驟被認為使得結合於該被回流的B P S G層内的濕氣 被減至最低。 在另一較佳的實施例中，該預平坦化階段包括將氧氣 流入該基材處理室中用以在該蒸氣氛圍形成之前於該室 中形成一氧氣氛圍。在另一較佳實施例中，此基材在該預 平坦化階段的氧氣氛圍中遭受一高於575 3C (在氧中之氬 氣的自燃溫度）且低於7〇〇r的溫度，用以將在後續步驟中 之溫度升高時間降至最少。在另一較佳的實施例中，該 B P S G層是在7 5 0°C或更低的溫度回流。 本發明的這些及其它實施例以及許多其它的優點及 特點將於下文中參照附圖被詳細地說明3 圖式簡單說明： 第1圖為傳統爐子之簡化的方塊圖，本發明之方法即在該 爐子中實施的； 第2A及2B圖為一半導體基材之簡化的剖面圖，該基材具 有一 BPSG層被沉積於其表面上；第2A圖顯示在 一回流程序之前的一 B P S G層而第2 B圖則顯示在 一前技回流程序之後的一 B P S G層，該傳統程序於 第7頁 本紙張尺度適用_國國家標準（CNS)A-i規烙（Z10 >^97公;t ) -------T---- --------訂--------"*5^ {請先閲埼背面之注急事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9 b . A7 _B7_ 五、發明說明（） 形成於該基詞矮表面上之一窄的寬度，高的高寬比 之溝渠内流下一氣隙： 第3圖為一流程圖，其顯示根據本發明的方法於一 B P S G 層的平坦化處理中所採取的步驟；及 第4圖為一圖表，其顯示一經過本發明之方法平坦化之後 之BPSG層之氫的含量。 圖號對照說明： 10 爐子 25 氣體輸入管 30 排氣輸出管 3 5 a-3 5 c 控制閥 40 基材 42 BPSG 層 44a,44b 溝渠區 46a,46b 氣隙 20 氧氣來源 25 氫氣來源 發明詳細說明： 本發明提供了一 B P S G或其它氧化矽材質層之改良的 回流方法。該改良的回流方法使得高的高寬比，窄的寬度 之溝渠或間隙能夠以相對低的回流溫度被填充，藉以降低 一製程之整體的熱預算。本發明的方法能夠將被適當地形 成之B P S G回流用以填充具有高寬比為6 : 1或更高者的 溝渠及溝渠寬度小至0.06微米的溝渠。此改良的回流方法 可與目前業界標準的製造程序及爐子及其它基材處理室 相容。 第1圖為傳統爐子之簡化的方塊圖，根據本發明之改 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------,---- 样衣--------訂·-------- (if先閱讀背面之;i咅？事項再填寫本頁) 4469 9 ^ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Λ7 137 五、發明說明（） 良的B P S G回流方法可在該爐子中實施。如在第1圖中所 示的，一傳統的爐子1 0，如由MRL公司製造的MRL水平 式爐子，包括了 一氣體輸入管25其經由一入口（未示出） 連接至該爐子及一排放出口管3 0其包括一節流閥（未示出） 用以調節在該爐子内的壓力。氣體入輸入管2 5經由控制 閥3 5a，35b及3 5c而被連接至一氫氣供給（H2)及一氧氣供 給（02 )，該等閥可讓氫氣與氧氣之一或兩者同時流入爐子 1 0中。 壚子1 0可被用來回流被：冗積於一半導體基材上之一 BPSG或其它種類的氧化矽膜層。第2A圖為一基材40在 其上的積體電路之製造的中間陸段的一簡化的剖面圖。第 2 A圖顯示基材4 0在一 B P S G層4 2剛被沉積於該基材表面 上的情形。如第2A圖中所示，在此製造階段，基材40包 含於B P S G層4 2沉積之前的一處理步驟期間形成的一窄 的溝渠區44a及一寬的溝渠區44b =在BPSG層42的沉積 之後，溝渠區44a及44b只被部分地填充1因為層42已 於沉積處理期間被”夹止π而流下氣隙46a及46b。沉積處 理典型地於低於大氣塵力之下被實拖，因此氣隙46a及46b 被排出。 第3圖為一流程圖，其顯示根據本發明的方法的一實 施例中，於一 BPSG層，如第2A圖中所示的層42，的平 坦化處理中所採取的步驟。如第3 A圖所示的，該第一步 郷包括將一基材（如基材4 0)載入一爐子，如第1圖所示的 爐子1 0，中，或載入該基材可於其内被加熱之其它種類的 第9頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規烙（210 <297公t ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂--- 線 4 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 9 9 =. Λ7 ___B7_ 五、發明說明（） 基材處理室中（第3 A圖，步驟5 0)。 在該基材梓入處理中，來自於氧氣源2 0之氧氣被流 入爐子丨〇中以在該爐子内產生一氧氣氣氛圍及該爐子的 溫度被設定在高於5 75 t及低於7〇〇 t的溫度。較佳的是， 該基材被載入一氧氣氛圍中，因為這可降低在該爐門被打 開以加納一基材時讓一作業員曝露於一 H2/〇2火燄中的危 險。然而，在另一實施例中1該基材可被直接載入一被提 供適當的安全措施或適當的安全設備被建構於該爐子中 之蒸氣氛圍中用以讓作業員可免於 H2/〇2火燄的危險 (如，蒸氣是經由一水注入系統或蒸發器而被基至該爐 子）。 該載入溫度被設定在5 7 5 °C用以將後需將該基材及該 BPS G層42加熱至該層之回流溫度所需的時間最小化。該 載入溫度被設定在低於700°C用以將B P S G膜於蒸氣氛圍 形成之前的缴密化降至最低。在一更佳的實施例中，該載 入溫度被設定在575°C (在氧中之氫氣的自燃溫度）與650 t之間。 在該晶圓被載入及爐子1 0的Η被關閉之後約2分鐘 之後，來自於氫氣源2 5的氫氣被流入爐子1 0中用以提供 蒸氣（Η2/〇2)氛圍（步驟5 5 )。爐予i 0的溫度然後由其最初 的設定被升高至該BPS G層42的回流溫度之上，其最佳 的速率則是根據所使用的回流溫度，產出量議題及晶圓對 於斷裂的敏感度來決定的。最好是，此溫度升高是在10 至3 0分鐘的一段時間内以每分鐘2 °C或更少的速率下實 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 ^97公釐） -------1----- . --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 446 9 9 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 施。步驟5 5的實際時間是視爐子1 0之最初設定溫度，層 42所選定之回流溫度，層42之玻璃轉變溫度及溫度升生 速率而定的》 本案發明人發現，與在一氧氣或氫氣氛圍中升高溫度 然後在達到回流溫度之後形成一蒸氣氛園比較起來，將層 42於一蒸氣氛圍中從該層的回流溫度之下升高至該層的 回流溫度之上可提供絕佳的間隙填充特性。當層42被加 熱至一接近或高於該層的回流溫度的溫度時，層42即會 緻密化。吾人相信，以本案之所教導之方式將溫度升高而 達成之改良的間隙填充能力是因為蒸氣能夠在層42緻密 化之前擴散穿過該BPSG廣進入溝渠44a及44b中的關 係。 當達到回流溫度時，基材4 0被保持在爐子1 0内以進 行回流及將該層42平坦化（步驟6 5)回流處理（及步驟5 0， 55及60)是在大氣壓力和更高的壓力下實施的，BPSG層 會溶化及流動，來自於溝渠44a及44b的壁之材質被真空 拉引至氣隙中。通常，步驟65持續達20至40分鐘，視 該層所使用之回流溫度及所需要之平坦化程度而定。較低 的溫度與較高程度的平坦化比較高的溫度及較低程度的 平坦化需要更長時間的回流步驟。在層4 2被平坦化之後， 爐子溫度被降至一低於層42的回流溫度下的溫度且基材 從爐子1 0中被取出（步驟7 0.)。 在一較佳的實施例中，步驟6 5之回流步驟包括了兩 個次步驟：步驟65a及65b。在步驟65a中，層42於一蒸 笫11頁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNSM4規格（210 X 297公f ) I I n I n n n ^^1 f— I I-t 4 - n i Γ— - n i I^OJI 1 i ti - - —J. i I (請先閲讀背面之注急事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4469 9 9 _B7__ 五、發明說明（） 氣環境中被回流約2 0至3 0分鐘。然後，在步驟6 5 b中， 於基材被取出之前 > 氫氣流被停止用以將層42於只有氧 氣的氛圍中加以退火。此步驟被稱為一"乾式退火"步驟。 最好是，步驟6 5 b持績2至1 0分鐘。爐子溫度亦可於步 驟65b中下降。 一乾式退火步驟的使用有助於降低在層42内之氫氣 及濕氣的含量。本案發明人對於B P S G層的試驗顯示，在 回流之後，與只在一乾式氛圍（如氫氣或氧氣）中被回流之 B P S G層比較起來，以本發明的方法加以回流後之 B P S G 層包含的氫不會比較多。一顯示這些試驗結果之圖表示於 第4圖中（Y軸為氫氣濃度，X軸為層深度）。如第4圖中 所示的，一使用於上文中所描述之步驟5 0，5 5，6 0，6 5 a 及65b及70於750°C蒸氣退火之BPSG層的氫濃度曲線（使 用圓圈所繪）與在氧氣氛圍中7503C退火的BPSG層的氩濃 度曲線（用實心三角形所繪）大致上與相同= 一已知的BPSG層，如層42，的玻璃轉變溫度是視該 層之硼及磷摻雜物濃度而定，此係熟悉此技藝者所瞭解 的。標準的BPSG膜典型地具有2-6重量百分比（wt%)的硼 濃度，2-9重量百分比（wi%) 0勺磷濃度及小於1 1 wt%之複合 摻雜物（硼及磷）濃度。一般而言，提高B P S G層的硼濃度 對於降低該層之回流溫度而言是重要的因子。然而，在高 於6wt%的硼濃度層級，一 BPSG層對於濕氣及擴散問題 是很敏感的。 在一較佳的實施例中，BPSG層42是根據揭示於1998 第12頁 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------I t---: . I i I - I---- . I - — I ---I (請先閱讀背面之沒意事項再填冩本頁)

Claims (1)

1. 446 9 9 77、申請專利範圍 1 . 一種用來將一沉積於一基材上之絕緣層平坦化的多步驟 方法，該方法至少包含以下的步驟： (請先間-背面之'-意事項再填冩木頁) a) 將一基材載入一基材處理室中，該基材具有一絕 緣層沉積於其上； b) 在該基材處理室内形成一蒸氣氛圍； c) 之後，將該基材從一第一基材溫度加熱至一第二 基材溫度，其中該第一基材溫度低於該絕緣層的一回流 溫度及該第二基材溫度足以讓該絕緣層回流；及 d) 將該基材處理室保持在足以讓該絕緣層於該蒸氣 氛圍中回流的條件下。 2 .如申請專利範圍第1項所述之方法，其中當該基材於步 驟a期間被載入該基材處理室中時，該基材處理室具有 一第一氛圍，其不同於該蒸氣氛圍。 3 .如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該第一氛圍為 一氧氣氛圍。 經-部智慧財產局3工消费合作社印：^ 4.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該菊緣層為一 硼磷矽玻璃BPSG層。 5 . —種用來將沉積於一基材上之硼磷矽玻璃（B P S G)層平 坦化的多步驟方法，該方法至少包含以下的步驟： a)在一預平坦化階段，將一基材載入一基材處理室 第15頁 本紙張&度適用&國因家螵卫（CXS)A.l硬格) ττ、曱請寻利範圍 中，該基材具有一 BP SG層沉積於其上； b)在該預平坦化階段之後的一第一平坦化階段期 間， (i) 將氮氣及氣氣流入該基材處理室中用以在該 室内形成一蒸氣氛圍； (ii) 將在該蒸氣氛圍中之該基材從一第一基村 溫度加熱至一第二基材溫度，其中該第一基材溫度 低於該B P S G層的回流溫度及該第二基材溫度足以 讓該B P S G層回流；及 (iii) 將該基材處理室保持在足以讓該 BPSG層 於該蒸氣氛圍中回說的條件下3 6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其在該第一階段之 後進一步包括一第二平坦化階段，該第二平坦化階段包 含： (i) 停止該氫氣流同時保持該氧氣流，藉以在該基材 處理室内形成一氧氣氛圍；及 (ii) 於該氧氣氛圍中將該基材保持在該BPSG層的回 流溫度之上。 7. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該第一基材溫 度係介於5 7 5 °C與7 〇 〇 t之間 8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中在該第一平坦 第16貫 ---------„----^-衣.-------訂·--------線 <琦先閱-背面之沒意事項再填冩本頁) 本紙張瓦度適用咖國國家標準（CXSUhMS 公芏1 4 經浯¥1?.^时產局員工消贾合作社印Η 4 厂、〒請寻利輕·圍 化階段期間，該基材係以每分鐘約2 °C或更慢的速率從 該第一基材溫度被加熱至該第二基材溫度。 9.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第一平坦化 階段持續約20至90分鐘。 1 0.如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該第二平坦化 階段持續約2至10分鐘 1 1 .如申請專利範圍第5項所述之方法，其中預平坦化階段 進一步包含將氧氣流入該基材處理室中用以在該室内 形成一氧氣氛圍3 12.—種用來將沉積於一基材上之硼磷矽玻璃（BPSG)層平 坦化的多步驟方法，該方法至少包含以下的步驟： a) 將一具有一 BPSG層沉積於其上之基材載入一基 材處理室中； b) 將氧氣流入該基材處理室中用以在該室中形成一 氧氣氛圍； c) 將該基材處理室加熱至介於5 7 5 °C至70〇°C之間的 一第一溫度； d) 之後，將氫氣流入該基材處理室中用以在該室中 形成一蒸氣氛圍； e) 之後，將該基材處理室於該蒸氣氛圍中加熱至一 第17頁 (請先閱ΐ?背面之;i.i事項再填寫本頁) 4469 經-郜智慧財產局員工消費合作社印製 厂、申請專利範圍 第二溫度，其中該第二溫度係高於該BP S G層的回流溫 度；及 f)之後*將該基材處理室保持在足以讓該B P S G層於 該蒸氣氛圍中回流的條件下。 1 3 ·如申請專利範圍第1 2項所述之方法，其中步驟f包含 第一及第二回流時期，在第二回流時期期間，該氫氣流 被停止而該氧氣流則被保持，藉以形成一氧氣氛圍。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述之方法，其中在該第一回 流時期期間，該基材於該蒸氣氛圍中被加熱20至60分 鐘。 1 5,如申請專利範圍弟1 4項所述之方法，其中在該弟二回 流時期期間，該基材於該氧氣氛圍中被加熱2至1 0分 鐘。 1 6.如申請專利範圍第1 3項所述之方法，其中該第二溫度 為750°C或更低及其中在步驟f期間，該基材處理室被 保持在75Ot：或更低的溫度。 1 7.如申請專利範圍第1 3項所述之方法，其中在步驟e期 間，該基材於一 2 0至3 0分鐘的期間從該第一溫度被加 熱至該第二溫度。 第18頁 本纸張又度適用1^國國家標準（CXgAi !咚：」1ϋ^29Γ公Μ 1 --------vlr> 我--------訂· (請先閱-背面义-急事項再填寫本頁) 線 4469 9 經濟却晳慧財產局員工消费合作社. 圍 -，"} I矛^寻 if V-5.曱 期該 e 至 驟熱 步加 在被 中率 其速 ’ 的 法慢 方更 之或 述V 所2 項 約 7 鐘 1分 第每 圍^ *-巳 ί 係 利材。 專基度 請該溫 申，二 .^間第 8 第t9頁 (請先閱*i?背面之;i®事項再填寫本頁> 我.-------訂·------fl- *線f