用于深槽的掺杂硅填充的工艺步骤制造技术

本发明专利技术提供一种用于由原位掺杂非晶硅的深槽结构无空隙填充的方法，在该方法中第一填充在温度、压力和掺杂剂与硅烷比率使得膜沉积槽自下向上发生下实施。经由第一填充，实现阱中的阶梯覆盖超过１００％。在第二填充步骤中，沉积在变化的条件下实施以减少掺杂剂对沉积速度的影响，从而以超过第一填充沉积速度的沉积速度完成槽填充。在形成深槽电容器结构的方法的应用中，中间步骤进一步包括以非晶硅层盖在无空隙填充的槽上，之后平坦化晶圆，随后热退火以再分配掺杂剂。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施方式主要涉及以低电阻率、掺杂的α-硅膜填充槽的方法以及深槽电容器的制造。本专利技术更尤其涉及一种以原位掺杂的α-硅无空隙填充所述深槽结构的方法。本专利技术的进一步特征为利用平行晶圆处理反应器提供原位掺杂硅膜的有益生产的方法。
技术介绍
具有砷(As)浓度从1020/cm3到1021/cm3变化的砷掺杂α-硅膜用于多种半导体器件应用中。所述应用包括字线、位线、连接垫(landing pads)、存储节点/字节线接触塞、ROM器件中的栅极，以及在非易失性存储器中的浮栅极/控制栅极。为了工艺简化、产量和间隙填充控制，关于所述结构的制造优选地使用原位掺杂工艺。与本专利技术具有特别相关的是在深槽动态随机存取存储器(DRAM)器件中电极的制造中该掺杂硅膜的使用。对于这些膜重要的工艺要求是优越的厚度均匀性、掺杂浓度和面电阻、高掺杂剂活性、低电阻率和良好的膜共形性。这些槽电极的形成是包括多个工艺步骤的复杂工艺，其包括用于形成嵌入式电容器结构的深槽的填充。参照图3，示出了具有大于25∶1孔径比的填充的深槽结构50(不按比例)，其中所处理的晶圆经过多个制造步骤，其包括通过诸如蚀刻的工艺形成深槽。掺杂阱54在邻近槽的多晶硅52中形成，由传统方法(诸如通过以重掺杂硅填充随后热退火以将掺杂剂扩散到晶圆中)制造掺杂阱，以及采用传统的薄膜沉积方法，在壁上形成电容器电介质56，氧化物、氮化物以及氧化物(ONO)层的叠层以排列槽。其后，通过由掺杂的α-硅60填充深槽，第二电容器电极由低电阻率、掺杂的硅膜形成。一旦填充完槽，可沉积未掺杂的硅的帽层(未示出)并由随后的化学机械研磨(CMP)以平坦化晶圆表面58。从这起，退火晶圆以在整个填充槽的材料中更均匀分布并电激活掺杂剂。在进一步的处理步骤中，电容器与晶圆表面上的其它结构电绝缘，并建立接触连接。典型地，槽填充已在传统的扩散炉中执行，其可以水平或垂直对齐，这两种对齐方式大部分都以相同的方式操作。通过图示出，在图1中示出了典型的垂直LPCVD(低压化学气相沉积)炉。所示出的炉包括由石英炉10和腔室密封板12组成的腔室，为了承载多个衬底16在该腔室内插入舟14。在原位掺杂硅层形成中，硅烷(SiH4)或其它类似的前驱物、诸如氢气或氮气的载气，以及诸如砷化氢(AsH3)或者磷化氢(PH3)的掺杂剂气体从进气管20通过腔室密封板12进入注气管18。气体经过密封板12并排气口24退出工艺腔室。单独地控制及调整多个加热器元件26以补偿众所周知的随着气体从注气管18流入腔室排气口24的进气浓度的消耗。由于在该扩散炉中所出现的消耗效应，有必要在甚低气压下操作，一般低于1托，更尤其为在100至200毫托的范围内。另外，将不充分的掺杂剂引入到填充材料中，导致有效用于这些深槽电容器结构中的电阻率过高。然而，假设需要在该低压下操作，膜沉积速度相当低，对于纯净硅的沉积典型为30至200埃每分钟，如果引入掺杂剂气体则为5到30埃每分钟。因此为了实现满意的处理晶圆的每小时产量，需要每次同时处理50到100块以上的晶圆。在现有技术的扩散炉中，为了增加沉积速度在较高浓度反应气体中的操作导致整个衬底上的非均匀沉积以及衬底之间在沉积速度上的不期望差别。增加流速可以改善在较高压力下的沉积均匀性。然而，增加的气流升高了反应气体压力，触发具有衬底的反应颗粒污染的气相成核。图1的反应器相关的另一缺点包括在内部石英管10和注气管18上的膜沉积。该不必要的沉积降低了接近衬底16的表面处反应原料气浓度的分压，当在管10和注气管18的壁上所沉积的膜剥离并沉积在衬底16上时，并导致减小的沉积速度和所引起的潜在污染。最终，为了弥补从进口到该类型反应器出口的反应化学物质的消耗，在整个衬底负载区建立温度梯度。然而，该梯度的存在引起在多晶硅情形中的另一问题。由于晶粒(grain)尺寸随温度而定，所需的温度梯度将引起在整个负载区域上多晶硅晶粒尺寸变化。多个衬底内衬底之间晶粒尺寸的变化可引起关于随后多晶硅的图案化的问题并导致形成的集成电路的电性能的变化。相反，单晶圆CVD处理提供相对较宽的工艺窗口。在图2中示出的该反应器包括其上放置衬底28的旋转衬底载体30，该衬底载体装入在具有上石英圆顶32和下石英圆顶34以及相联的腔室壁36的真空密封腔室内。通过上灯38和下灯40加热衬底28。反应气体通过进气口42注入并通过排气口44排出。单晶圆反应器克服了图1的垂直炉的一些局限。它可在高于垂直LPCVD炉(典型地高于10托)的较高压力下操作并且没有注入管及其相关问题。在诸如美国专利如5,108,792、5,576,059、5,607,724和5,614,257中包括该类型反应器的具体结构。典型地，期望增加工艺沉积速度原因在于它将导致较高的制造产率以及更重要地，它将减少衬底暴露于高温，即高于600℃的时间。在该较高温度下，经过延长的时间周期的暴露将导致半导体器件结构中的不必要变化，该影响随着器件尺寸变得越来越小将越来越显著。由于严重降低膜均匀性并减小沉积速度至不期望低值的“中毒”效应，还未证实在扩散炉中用砷(例如，使用砷化氢AsH3)对α-Si膜的原位掺杂有益于生产。在一个方法中，尝试连续的工艺，其中在沉积期间未掺杂的α-Si膜周期性暴露于砷源(诸如砷化氢)中。例如，200nm膜可沉积为50nm×4层，其中在每沉积50nm之后膜暴露于砷化氢。除了与该工艺相关的复杂性，包括在包含砷化氢的基于炉的工艺中不可避免的工艺存储效应，存在不能轻易克服的一对固有限制。对于该工艺，只能实现具有掺杂浓度小于1×1020/cm3的轻掺杂膜，对于下一代深槽填充应用其转变为不期望的高的膜电阻率。另外，对于未掺杂的α-Si，可实现的最大的阶梯覆盖(侧壁膜厚度与场厚度的比率)接近但是不超过100％。相反，单晶圆CVD工艺提供较宽的工艺窗口，并能够以砷原位掺杂。但是，在沉积速度(即，生产量)和阶梯覆盖以及沉积均匀性之间有折衷。然而，对于任一方法，仍没有实现达到阶梯覆盖超过100％的能力。在深槽电容器(大于10∶1孔径比)的情形下，制造工艺以蚀刻深槽到硅晶圆中开始。例如，90nm工艺，这些槽典型是6-8μm深及0.15μm宽，具有40∶1到高于50∶1的孔径比。在该深槽电容器情形下具有槽的无缝及无空隙填充的特定问题，该问题随着尺寸减小及孔径比变得更大，例如高达70∶1而变得越显著。尤其问题是在槽的上部分中空隙(void)的形成，其中空隙典型地邻近槽的顶部、从顶部约10％-30％向下形成，该空隙的存在妨碍随后接触以及形成电容器结构部分的其它绝缘结构的形成。对于这些深槽电容器结构的无空隙填充，需要阶梯覆盖超过100％以及更优选地为高达150％的原位AsH3掺杂α-Si膜。然而，目前采用的传统的α-硅工艺只能达到最大为100％的阶梯覆盖，其导致在深槽的上部分中的空隙。另外，高孔径比器件通常是稍微内曲，从而在槽内的一些点处槽的宽度稍微大于在其之上位置处的宽度。除非所沉积膜的阶梯覆盖超过100％，这些结构的无空隙填充是不可能的。因此，现有的扩散炉和/或单晶圆处理炉的使用仍然存在问题。在扩散炉的情形下，其中砷必须通过扩散机理在晶圆上分布，AsH3反应并且在主要晶圆的外边缘处消耗，从而较强地影本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以原位掺杂硅形成无空隙高孔径比槽的方法，包括：提供具有高孔径比的深槽；在所述槽内形成第一掺杂非晶硅层，所述层具有大于１００％的阶梯覆盖，从而当沉积时，所形成的层呈现Ｖ形轮廓；以及在所述第一层上形成第二掺杂的非晶硅 以填充所述槽。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2004-12-14 11/011,5501.一种以原位掺杂硅形成无空隙高孔径比槽的方法，包括提供具有高孔径比的深槽；在所述槽内形成第一掺杂非晶硅层，所述层具有大于100％的阶梯覆盖，从而当沉积时，所形成的层呈现V形轮廓；以及在所述第一层上形成第二掺杂的非晶硅以填充所述槽。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于掺杂剂的所沉积浓度，所述第二掺杂非晶硅层的所述膜比所述第一掺杂非晶硅层低。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和第二掺杂非晶硅层是砷掺杂层。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述深槽具有大于25∶1的孔径比。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述第一和第二掺杂非晶硅层上形成第三未掺杂层的步骤。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所沉积的所述第一掺杂非晶硅层具有大于100％的阶梯覆盖。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成步骤在平行、多晶圆处理腔室中实施。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在执行热退火处理步骤之前所述第一掺杂非晶硅层内的砷掺杂剂的最小浓度为至少1×1020cm-3。9.在用于无空隙填充深槽的方法中，形成第一非晶硅沉积层的所述步骤，其中所述膜自下向上沉积。10.一种用于在多晶圆处理腔室中同时处理多片晶圆以获得高孔径比槽的无空隙填充的方法，包括步骤提供包括晶圆支架的工艺腔室，所述支架能夹持一片或多片晶圆；将一片或多片晶圆提供到工艺腔室，并在所述支架内放置所述晶圆，其中每片所提供晶圆在其中形成多个高孔径比槽；同时将砷化氢源气体和硅烷源气体的混合物引入到所述晶圆，从而所述混合气体流经所述晶圆；以及将所述气体加热到一温度，从而所述硅烷和砷化氢在所述晶圆表面和所述深槽内反应以沉积砷掺杂非晶硅层，从而所述槽内的所沉积层的所述阶梯覆盖大于100％。11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在不将所述晶圆从所述工艺腔室移除下实施的第二沉积步骤，其中在该步骤中完成所述槽的填充，第二反应以较高的沉积速度实施以沉积砷掺杂非晶硅的附加层。12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在不将所述晶圆从工艺腔室移除下，实施第三沉积步骤，在该步骤中非晶硅的未掺杂层超出所述填充槽沉积。13.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一沉积膜的所述阶梯覆盖在100％-150％之间。14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在该方法中至少25片晶圆同时处理。15.一种蚀刻其中有多个深槽的半导体晶圆，其特征在于，根据包括以下步骤的方法一个或多个所述槽已由砷掺杂非晶硅膜填充提供包括晶圆支架的工艺腔室，所述支架能夹持一片或多片晶圆；将一片或多片晶圆提供到工艺腔室，并在所述支架内放置所述晶圆，其中每片所提供晶圆具有在其中形成的多个高孔径比槽；同时将砷化氢源气体和硅烷源气体的混合物引入到所述晶圆，从而所述混合气体流过整个所述晶圆；以及将所述气体加热到一温度，从而所述硅烷和砷化氢在所述晶圆表面和所述深槽内反应以沉积砷掺杂非晶硅层，从而所述槽内的所沉积层的所述阶梯覆盖大于100％。16.一种包括具有在其中形成的深槽电容器结构前驱物的制品，其特征在于，所述深槽由电介质层和由砷掺杂非晶硅填充的无空隙排列。17.根据权利要求16所述的制品，其特征在于，所述电介质层包括氧化物、氮化物以及氧化物的分开层。18.在设置在半导体晶圆中的深槽的无空隙填充方法中，所述方法包括以下步骤在包括砷掺杂非晶硅的所述槽内形成第一沉积共形层，其中所述层由砷化氢与硅烷的反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿吉特帕仁吉佩，萨默纳斯内奇，
申请(专利权)人：应用材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]