(57)【要約】  膜堆積がトレンチの底部から上に向かって生じるようなシラン比に対する温度、圧力およびドーパントで第１の充填が実施される、深トレンチ構造のイン・シトゥー・ドープアモルファスシリコンによるボイドフリー充填方法が提供される。この第１の充填によって、１００％を超えるステップカバレージウェルが達成される。第２の充填ステップにおいて、堆積レートに対するドーパントの影響を低減するために変更された条件で堆積が実施されることによって、トレンチ充填が、第１の充填の堆積レートを超える堆積レートで完了される。深トレンチキャパシタ構造を形成するためのこの方法の用途において、中間ステップはさらに、アモルファスシリコン層によるボイドフリー充填トレンチのキャッピング、その後のウェーハの平坦化、およびドーパントを再分布させるための熱アニーリングを含む。【選択図】  図３
2008523640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イン・シトゥー・ドープシリコンによってボイドフリー高アスペクト比トレンチを形成するための方法であって、
高アスペクト比を有する深トレンチを提供するステップと、
前記トレンチ内に第１のドープアモルファスシリコン層を形成するステップであって、ヒ素堆積された前記形成された層がＶ状プロファイルを提示するように、前記層が１００％より大きなステップカバレージを有するステップと、
前記トレンチを充填するために前記第１の層にわたって第２のドープアモルファスシリコン層を形成するステップと、
を備える方法。
【請求項２】
前記第２のドープアモルファスシリコン層の前記膜が、前記第１のドープアモルファスシリコン層より低いヒ素堆積ドーパント濃度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および第２のドープアモルファスシリコン層がヒ素（Ａｓ）ドープ層である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記深トレンチが２５：１より大きなアスペクト比を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１および第２のドープアモルファスシリコン層にわたって第３の無ドープ層を形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ヒ素堆積された前記第１のドープアモルファスシリコン層が１００％より大きなステップカバレージを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記形成ステップが平行マルチウェーハ処理チャンバで実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のドープアモルファスシリコン層のヒ素ドーパントの最小濃度が、熱アニーリング処理ステップを実行する前に少なくとも１×１０２０ｃｍ−３である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
膜がボトムアップから堆積する第１のアモルファスシリコン堆積層を形成するステップを備える、深トレンチをボイドフリー充填するための方法。
【請求項１０】
高アスペクト比トレンチのボイドフリー充填を達成するために、複数ウェーハ処理チャンバで複数のウェーハを同時処理するための方法であって、
ウェーハサポートを含むプロセスチャンバを提供するステップであって、前記サポートが１つ以上のウェーハを保持可能であるステップと、
１つ以上のウェーハをプロセスチャンバに提供し、かつ前記ウェーハを前記サポート内に位置決めするステップであって、前記提供されたウェーハの各々が複数の高アスペクト比トレンチをその中に形成しているステップと、
アルシンソースガスおよびシランソースガスの混合物を前記ウェーハに同時に導入することによって、前記混合ガスが前記ウェーハにわたって流されるステップと、
前記トレンチ内の前記堆積層の前記ステップカバレージが１００％より大きくなるように、前記ガスを一定温度に加熱することによって、前記シランおよびアルシンが前記ウェーハの前記表面および前記深トレンチ内で反応して、ヒ素ドープアモルファスシリコンの層を堆積するステップと、
を備える方法。
【請求項１１】
前記方法がさらに、前記トレンチの充填が完了される前記プロセスチャンバから前記ウェーハを除去せずに実行される第２の堆積ステップと、ヒ素ドープアモルファスシリコンの更なる層を堆積するためにより高い堆積レートで実施される第２の反応とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記プロセスチャンバから前記ウェーハを除去せずに、アモルファスシリコンの無ドープ層が前記充填されたトレンチの上部に堆積される第３の堆積ステップが実施される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の堆積膜の前記ステップカバレージが１００％〜１５０％である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
少なくとも２５個のウェーハが同時に処理される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
複数の深トレンチをその中でエッチングする半導体ウェーハであって、前記トレンチのうちの１つ以上が、
ウェーハサポートを含むプロセスチャンバを提供するステップであって、前記サポートが１つ以上のウェーハを保持可能であるステップと、
１つ以上のウェーハをプロセスチャンバに提供し、かつ前記ウェーハを前記サポート内に位置決めするステップであって、前記提供されたウェーハの各々が複数の高アスペクト比トレンチをその中に形成しているステップと、
アルシンソースガスおよびシランソースガスの混合物を前記ウェーハに同時に導入することによって、前記混合ガスが前記ウェーハにわたって流されるステップと、
前記トレンチ内の前記堆積層の前記ステップカバレージが１００％より大きくなるように、前記ガスをある温度に加熱することによって、前記シランおよびアルシンが前記ウェーハの表面および前記深トレンチ内で反応して、ヒ素ドープアモルファスシリコンの層を堆積するステップと、
を備える方法に従って、ヒ素ドープアモルファスシリコン膜によって充填されている半導体ウェーハ。
【請求項１６】
深トレンチが誘電層によって裏打ちされ、かつヒ素ドープアモルファスシリコンによってボイドフリー充填される、深トレンチキャパシタ構造前駆体をその中に形成している半導体ウェーハを備える製品。
【請求項１７】
前記誘電層が、酸化物、窒化物および酸化物の個別層を含む、請求項１６に記載の製品。
【請求項１８】
半導体ウェーハに配置された深トレンチのボイドフリー充填の方法であって、
ヒ素（Ａｓ）ドープアモルファスシリコンを備える前記トレンチ内に第１の堆積コンフォーマル層を形成するステップであって、前記層がアルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）の反応によって形成され、前記ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比が２×１０−４〜８×１０−４であり、前記反応圧力が０．５トール〜１０トールであり、前記堆積温度が５２０℃〜５７０℃であるステップと、
ヒ素（Ａｓ）ドープアモルファスシリコンを備える前記トレンチ内に第２の堆積層を形成するステップであって、前記第２の層がアルシン（ＡｓＨ３）およびシラン（ＳｉＨ４）の反応によって形成され、前記ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比が２×１０−４〜８×１０−４であり、前記反応圧力が０．５トール〜１０トールであり、前記堆積温度が５２０℃〜５７０℃であるステップと、を含むことによって、
前記第２の堆積層の前記ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比および圧力が、前記第２の層の前記堆積レートが前記第１の層の前記堆積レートよりも速くなるように選択され、かつ第２の堆積層形成ステップが、前記充填材料にボイドを形成せずに前記トレンチを充填するのに十分な時間継続される方法。
【請求項１９】
前記ウェーハ表面の平坦化の前に前記充填された深トレンチにわたって、厚い無ドープアモルファスシリコンキャップ層を形成する更なるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
窒素ガスが前記第１の堆積ステップ中に導入される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
水素ガスが前記第１の堆積ステップ中に導入される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
イン・シトゥー・ドープシリコンによってボイドフリー高アスペクト比トレンチを形成するための方法であって、
電界領域および高アスペクト比深トレンチをその中に形成している基板を、処理流域を有する基板処理チャンバに提供するステップと、
前記高アスペクト比深トレンチにおいて１００％より高いステップカバレージを有する前記高アスペクト比深トレンチ内に、第１のドープアモルファスシリコン層を堆積するステップであって、
前記基板を約５２０℃〜約５７０℃の温度に加熱する工程と、
第１のガスを前記処理領域に流す工程と、
シラン含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
ヒ素（Ａｓ）含有ガスを前記処理領域に流す工程であって、ヒ素の全濃度が第１の濃度に等しい工程とを備えるステップと、
前記高アスペクト比深トレンチ内に第２のドープアモルファスシリコン層を堆積するステップであって、
前記基板を約５２０℃〜約５７０℃の温度に加熱する工程と、
第１のガスを前記処理領域に流す工程と、
シラン含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
ヒ素（Ａｓ）含有ガスを前記処理領域に流す工程であって、ヒ素の全濃度が前記第１の濃度未満の第２の濃度に等しい工程とを備えるステップとを備える方法。
【請求項２２】
前記第１の濃度が、前記電界領域上の前記第１のドープアモルファスシリコン層の堆積を阻害するのに十分高い、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のガスが窒素、水素およびヘリウムからなる群より選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
第１のドープアモルファスシリコン層がＶ状プロファイルを有する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
イン・シトゥー・ドープシリコンによってボイドフリー高アスペクト比トレンチを形成するための方法であって、
電界領域および高アスペクト比深トレンチをその中に形成している基板を、処理領域を有する基板処理チャンバに提供するステップと、
前記高アスペクト比深トレンチにおいて１００％より大きなステップカバレージを有する前記高アスペクト比深トレンチ内に、第１のドープアモルファスシリコン層を堆積するステップであって、
前記基板を約５２０℃〜約５７０℃の温度に加熱する工程と、
シラン含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
ヒ素（Ａｓ）含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
第１のガスを前記処理領域に流す工程と、
前記処理領域において第１の全圧に達するまで、前記第１のガス、前記シラン含有ガスおよび前記ヒ素（Ａｓ）含有ガスの流れを適合させる工程と、を備えるステップと、
前記高アスペクト比深トレンチ内に第２のドープアモルファスシリコン層を堆積するステップであって、
前記基板を約５２０℃〜約５７０℃の温度に加熱する工程と、
シラン含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
ヒ素（Ａｓ）含有ガスを前記処理領域に流す工程と、
第１のガスを前記処理領域に流す工程と、
前記処理領域において第２の全圧に達するまで前記第１のガス、前記シラン含有ガスおよび前記ヒ素（Ａｓ）含有ガスの流れを適合させる工程であって、前記第２の全圧が前記第１の全圧未満である工程と、を備えるステップとを備える方法。
【請求項２６】
前記第１のガスが窒素、水素およびヘリウムからなる群より選択される、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第１のドープアモルファスシリコン層がＶ状プロファイルを有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
ボイドフリー充填ヒ素（Ａｓ）ドープアモルファスシリコン深トレンチ構造。
【請求項２９】
前記深トレンチが４０：１より大きなアスペクト比を有する、請求項２８に記載の深トレンチ構造。
【請求項３０】
前記トレンチ内のヒ素ドーパントの最小濃度が熱アニーリング前に１×１０２０である、請求項２８に記載の深トレンチ構造。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
[0001]本発明の実施形態は概して、深トレンチキャパシタの製作と関連した、深トレンチを抵抗率の低いドープαシリコン膜で充填するための方法に関する。より具体的には、本発明は、イン・シトゥー・ドープαシリコンによる該深トレンチ構造のボイドフリー充填のための逐次方法を取り扱っている。本発明の更なる特徴は、平行ウェーハ処理反応器を使用してイン・シトゥー・ドープシリコン膜の生産価値のあるアプローチを提供することである。
【関連技術の説明】
【０００２】
[0002]ヒ素（Ａｓ）濃度が１０２０／ｃｍ３〜１０２１ｃｍ／３に及ぶヒ素ドープαシリコン膜が多様な半導体デバイス用途において使用される。これらは、ＲＯＭデバイスにおけるワードライン、ビットライン、ランディングパッド、記憶ノード／ビットラインコンタクトプラグ、ゲート電極、ならびに不揮発性メモリデバイスにおけるフローティングゲート電極／コントロールゲート電極を含んでいる。このような構造の製作と関連して、プロセスの容易さ、歩留まりおよびギャップ充填コントロールゆえにイン・シトゥー・ドーププロセスを使用することが好ましい。とりわけ、本発明の関心は、深トレンチＤＲＡＭデバイスにおける電極の製作においてこのようなドープシリコン膜を使用することである。これらの膜の重要なプロセス要件は、優れた厚さ均一性、ドーパント濃度およびシート抵抗、高ドーパント活性化、低抵抗率、および良好な膜コンフォーマリティである。
【０００３】
[0003]これらのトレンチ電極の形成は、埋め込みキャパシタ構造を形成するために使用される深トレンチの充填を含む複数のプロセスステップを伴う複雑なプロセスである。図３を参照すると、２５：１より大きなアスペクト比を有する充填深トレンチ構造５０が図示されており（正確な縮尺ではない）、処理されたウェーハは、エッチングなどのプロセスによる深トレンチの形成を含む多数の製作ステップに付されている。ドープウェル５４がトレンチに隣接する結晶シリコン５２に形成され、このドープウェルは（例えば、ドーパントをウェーハに拡散させる熱アニーリングが続く高ドープシリコンによる充填によるなどの）従来技術およびキャパシタ誘電体５６によって製作されており、酸化物、窒化物および酸化物（ＯＮＯ）の層のスタックが、従来の薄膜堆積技術を使用して壁に形成されてトレンチを裏打ちする。
【０００４】
[0004]その後、第２のキャパシタ電極が、ドープαシリコンによる深トレンチ充填６０によって、低抵抗率のドープアモルファスシリコン膜から形成される。トレンチが充填されると、無ドープシリコンのキャップ層（図示せず）が堆積されて、ウェーハ表面５８を平坦化するために化学的機械的研磨（ＣＭＰ）が続くことができる。そこから、ウェーハは、充填されたトレンチの材料全体にわたってドーパントをさらに一様に分布させ、かつこれを電気的に活性化させるためにアニーリングされる。更なる処理ステップにおいて、キャパシタは、ウェーハ表面上の他の構造および確立されたコンタクト接続から電気的に分離される。
【０００５】
[0005]通常、トレンチ充填は、水平または垂直のいずれかに整列されることができる従来の拡散炉で実行されており、この両者はほぼ同様に操作する。図示によって、通常の垂直ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相成長）炉が図１に描かれている。図示されている炉は、石英チューブ１０と、複数の基板１６を担持するためのボート１４が挿入されるチャンバシールプレート１２とからなるチャンバを含んでいる。イン・シトゥー・ドープシリコン層の形成において、シラン（ＳｉＨ４）または他の類似の前駆体、水素または窒素などのキャリアガス、およびアルシン（ＡｓＨ３）またはホスフィン（ＰＨ３）などのドーパントガスが、チャンバシールプレート１２を介してガス入口チューブ２０からガス噴射チューブ１８に入る。ガスはシールプレート１２および排出ポート２４を介してプロセスチャンバを出る。ガス噴射チューブ１８からチャンバ排出ポート２４へガスが流れると、複数のヒーター要素２６は別個にコントロールされて、供給ガス濃度の既知の枯渇を補償するように適合される。
【０００６】
[0006]このような拡散炉で遭遇する枯渇効果ゆえに、概して１トール未満、普通は１００〜２００ミリトール範囲の極めて低い圧力で操作する必要がある。そうでなければ、不十分なドーパントが充填材料に導入されることになり、これらの深トレンチキャパシタ構造での効果的な使用に対して高すぎる抵抗率につながることになる。しかしながら、このような低い圧力での操作の必要性を考えると、膜堆積レートはかなり低く、例えば純シリコンの堆積には通常３０〜２００オングストローム毎分であり、ドーパントガスが導入されるならば５〜３０オングストローム毎分である。従って一度に５０〜１００個以上のウェーハの同時処理が、時間スループット当たりの申し分のない処理済みウェーハを達成するために必要とされる。
【０００７】
[0007]堆積レートを増加させるための従来技術の拡散炉における、より高い濃度の反応ガスでの操作は、基板にわたる不均一な堆積と、基板から基板への堆積レートの許容できない相違をもたらす。流量の増加はより高い圧力での堆積均一性を改善可能である。しかしながら、ガス流の増加は反応ガス圧力を増加させ、基板の結果的な粒子汚染によって気相核生成をトリガする。図１の反応器と関連した別の欠点は、内部石英チューブ１０およびガス噴射チューブ１８への膜堆積を含んでいる。この不要な堆積は、基板１６の表面近くの反応供給ガス濃度の分圧を減少させ、チューブ１０および噴射チューブ１８の壁に堆積された膜が剥がれ落ち、かつ基板１６上に堆積する場合に引き起こされる、堆積レートの低下および潜在的汚染をもたらす。最終的に、このスタイルの反応器の入口から出口までの反応化学種の枯渇をオフセットするために、温度勾配が基板ロードゾーンにわたって確立された。しかしながら、このような勾配の有無は多結晶シリコンの場合に別の問題を生む（ｃｒｅａｔｅｓ）。粒子サイズは温度依存性であるため、必要な温度勾配は、多結晶シリコン粒子サイズをロードゾーンにわたって変化させることになる。複数の基板内の基板から基板への粒子サイズのこの変化は、多結晶シリコンの後続のパターニングによる問題を引き起こし、かつ得られる集積回路の電気的性能の変化をもたらす恐れがある。
【０００８】
[0008]反対に、単一ウェーハＣＶＤ処理はより広いプロセスウィンドウを提示する。図２に示されるこのような反応器は、基板２８を置くことが可能であり、かつ上部石英ドーム３２、下部石英ドーム３４および関連チャンバ壁３６を有する気密チャンバに囲まれた、回転基板キャリア３０を含んでいる。基板２８は上部ランプ３８および下部ランプ４０によって加熱される。反応ガスはガス入力ポート４２を介して噴射され、かつ排出ポート４４を介して排出される。
【０００９】
[0009]単一ウェーハ反応器は、図１の垂直炉の制限の一部を克服する。これは垂直ＬＰＣＶＤ炉よりも高い圧力（通常は１０トールより高い）で操作されてもよく、またこの関連問題の噴射チューブを有することはない。このタイプの反応器の構造の詳細は、第５，１０８，７９２号、５，５７６，０５９号、５，６０７，７２４号および５，６１４，２５７号などの米国特許でカバーされている。
【００１０】
[0010]通常、より高い機械生産性をもたらし、より重要なことには、基板が高温、つまり６００℃より高い温度に暴露される時間を短縮することになるため、プロセス堆積レートを増加させることが望ましい。このような高温において、長時間の暴露は、半導体デバイス構造の不要な変更を引き起こす恐れがあり、この影響は、デバイスサイズが小さくなるほど顕著になる。
【００１１】
[0011]膜均一性を著しく劣化させ、かつ堆積レートを許容できないほど低い値に低下させる「中毒」効果ゆえに、ヒ素による（例えば、アルシンＡｓＨ３を使用する）α−Ｓｉ膜のイン・シトゥードーピングは、拡散炉において生産価値があると証明しなかった。一つのアプローチにおいて、無ドープα−Ｓｉ膜が堆積中周期的に（アルシンなどの）ヒ素ソースに暴露される逐次プロセスが試みられた。例えば、２００ｎｍ膜は５０ｎｍ×４層で堆積されてもよく、ここでこの膜は５０ｎｍごとの堆積に続いてアルシンに暴露される。アルシンを伴う炉ベースプロセスにおいて不可避なプロセスメモリ効果を含むこのプロセスと関連した複雑さに加えて、容易に克服不可能な２、３の固有の制限が存在する。このようなプロセスによって、次世代深トレンチ充填用途について許容できないほど高い膜抵抗率に変わる、１×１０２０／ｃｍ３未満のドーパント濃度のわずかにドープされた膜のみが達成可能である。また達成可能な最大ステップカバレージ（電界厚に対する側壁膜厚の比）は無ドープα−Ｓｉに近づくが、１００％を超えない。反対に、単一ウェーハＣＶＤプロセスはより広いプロセスウィンドウを提示し、かつヒ素によるイン・シトゥードーピングを可能にする。しかし、堆積レート（つまり、スループット）およびステップカバレージならびに堆積均一性との間にトレードオフがある。しかしながら、いずれのアプローチによっても、１００％を超えるステップカバレージを達成する能力は達成されたままである。
【００１２】
[0012]深トレンチキャパシタ（１０：１より大きなアスペクト比）の場合、製作プロセスは、シリコンウェーハへの深トレンチのエッチングによって開始する。９０ｎｍ処理について、これらのトレンチは通常６〜８μｍの深さおよび０．１５μｍの幅であり、４０：１〜５０：１より高いアスペクト比を呈している。とりわけ、このような深トレンチキャパシタの場合の関心は、トレンチのシームレスかつボイドレス充填であり、この問題は、寸法が縮小し、アスペクト比がさらに積極的、例えば７０：１と高くなると、より重大である。トレンチの上部にボイドを形成することは特に問題であり、このボイドは通常、上部から約１０〜３０％下方のトレンチの上部付近に形成し、このようなボイドの存在は、後のコンタクト形成、およびキャパシタ構造の一部を形成する他の分離構造と干渉する。
【００１３】
[0013] ステップカバレージが１００％を超え、好ましくは１５０％と高いイン・シトゥーＡｓＨ３ドープα−Ｓｉ膜は、これらの深トレンチキャパシタ構造のボイドフリー充填に必要である。さらに、現在使用中の従来のα−Ｓｉシリコンプロセスは、最大１００％までのステップカバレージを達成できるにすぎず、これは深トレンチの上部のボイドをもたらす。さらに、高アスペクト比特性はしばしばわずかにリエントラント型であり、これによってトレンチ内のあるポイントにおけるトレンチの幅は、この上方のある場所の幅よりもわずかに大きい。このような構造のボイドフリー充填は、堆積膜のステップカバレージが１００％を超えなければ不可能である。
【００１４】
[0014]従って既存の拡散炉および／または単一ウェーハ処理炉の使用は問題があるままである。アルシンが拡散機構によってウェーハにわたって広がるはずの拡散炉の場合、ＡｓＨ３は反応し、かつウェーハの外縁で大部分が消費されるため、ウェーハにわたる堆積の均一性に大きく影響し、かつトレンチのヒ素堆積αシリコン層において十分なＡｓを取得することを非常に困難にする。生産性の点で競合する単一ウェーハ炉の場合、必要な膜成長レートを取得するために、これらは、例えば５０〜２００トールの範囲のかなり高い圧力で稼動しなければならない。これらの圧力において、しかしながら、気相核生成は問題であり、これは部分的には比較的高い流量によって対処される。
【００１５】
[0015]従って、低抵抗率かつ高品質のドープαシリコンによる深トレンチキャパシタの製作における深トレンチのボイドフリー充填に対して生産価値のあるプロセスの必要性がある。
【発明の概要】
【００１６】
[0016]本発明は概して「超充填」プロセスに関し、異なる分圧および常駐時間が、ガス流量およびチャンバ圧力を適切に調整することによってトレンチ内と比較してウェーハ表面上のポイントについて達成可能であるという事実に依拠している。トレンチ内のあるポイントに対してトレンチの表面においてアルシン濃度が高く、かつガス常駐時間が短い場合、得られる中毒効果は、表面に対してトレンチ内においてより高い堆積レートをもたらす。従って、重要な点は、表面に対してトレンチ内で異なる濃度およびガス常駐時間を達成することである。
【００１７】
[0017]この新規の深トレンチ超充填つまり「Ｖ」充填プロセスは、パターン化基板上のＡｓドープアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）の堆積の選択条件下で達成された深トレンチの上部から底部へと低下するＡｓＨ３濃度の勾配を利用する。十分なＡｓＨ３濃度勾配を達成するために必要なプロセス条件は、３つのパラメータ：ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比、全ガス流および圧力を使用して最適化される。このＡｓＨ３勾配は、トレンチの上部から底部への堆積レートの逆勾配をもたらす。結果として、側壁に沿って堆積された膜の厚さはトレンチの上部から底部へと増加し、最大堆積が底部で生じ、これは１００％を超えるステップカバレージをもたらす。
【００１８】
[0018]ガス常駐時間および分圧の両方は注意深くコントロールされなければならないため、プロセスは、高い全流、ＡｓＨ３の高い分圧、および高い全圧で最良に操作される。高い全流は、ウェーハ表面のガスの短い常駐時間をもたらす。ウェーハにわたる対流は、ウェーハ表面へのアルシンおよびシラン両方の適切かつ連続的な供給を保証するため、ウェーハ表面にわたる反応剤濃度の勾配は非常に小さく、これはウェーハにわたる良好な膜均一性に不可欠である。トレンチの上部のウェーハ表面のＳｉＨ４の短い常駐時間は、そこでのシリレン（ＳｉＨ２）の形成を防止し、従ってその場所での堆積レートの無ドープ成分を削減することができる。同時に、トレンチの上部のＡｓＨ３の高い分圧はまたＡｓＨ３種の高い表面濃度をもたらす。これは、トレンチの上部のゆっくりとした堆積レートおよび高いＡｓ濃度をもたらす。
【００１９】
[0019]プロセスの高い接着係数および高い全圧ゆえに、トレンチへのＡｓＨ３の拡散レートはＳｉＨ４と比較して非常に低い。トレンチにおける高濃度のＳｉＨ４および高い全圧はトレンチ内部の高レートのＳｉＨ２形成をもたらすのに対して、トレンチにおけるＡｓＨ３の低拡散率は表面中毒効果を低下させる。結合効果はトレンチの底部において高い堆積レートをもたらすのに対して、対応するアルシン濃度は最小になる。従って、膜厚の勾配の増加と、トレンチの上部から底部への膜内Ａｓ濃度の勾配の減少とがある。トレンチの底部におけるアルシン濃度は依然として比較的高いため、堆積されたＳｉ膜は、１×１０２０／ｃｍ３を超えるアルシン濃度によってイン・シトゥー・ドープされる。
【００２０】
[0020]注目すべきことに、シリレンはシランよりもかなり反応性である。しかしながら過剰なシリレンはヒ素堆積膜の表面粗さを増加させ、ステップカバレージを劣化させ、かつ場合によっては粒子の気相核生成を始める恐れがある。加えて、シリレン駆動堆積が極めて急速に進む場合、不十分なＡｓがトレンチ充填に組み込まれることになり、許容可能なレベルのＡｓドーピングは達成されない。この点において、コントロールされた量の水素をアルシン／シラン流ストリームに含ませる（水素の存在は遅延の役割をする）ことによって、シリレンの形成を調節する方法を提供することが有用であると分かっている。
【００２１】
[0021]生産価値のあるスループットを達成するために、Ｔｏｒｒｅｘ  Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって登録商標ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）によって以前販売されており、現在はＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓによって販売されているような平行ウェーハ処理堆積システムが、本発明のプロセスにおいて使用可能である。ウェーハ横断ガス流は、ウェーハにわたる反応剤の常駐時間（供給）を直接コントロールすることを可能にするため、ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）システムの一意のアーキテクチャによって反応器は、必要なレジームで稼動させられる。従って、通常の拡散炉におけるように、反応剤をウェーハ表面の全部分に供給するために拡散への依存性はない。粒子の気相核生成はまたこの特性ゆえに防止される。ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）堆積システムはまた、均一なウェーハ横断ガス流のためのマルチプレナム温度コントロール垂直シャワーヘッド噴射器を、広いプロセス空間にわたって無ドープかつ均一なイン・シトゥー・ドープα−Ｓｉ膜の堆積を可能にする優れたウェーハ温度均一性をもたらす等温ウェーハ環境と結合させる。ＦｌｅｘＳｔａｒ平行ウェーハ処理反応器の詳細は、発行された米国特許第６，３５２，５９３号および公開特許出願ＵＳ２００３／００４９３７２Ａ１号に見ることができ、この両者は参照として本明細書に組み込まれている。
【００２２】
[0022]本発明の上記引用された特性が詳細に理解可能なように、上記簡潔に要約された本発明のより具体的な説明が実施形態を参照してなされてもよく、この一部が添付の図面に図示されている。しかしながら、添付の図面は本発明の通常の実施形態のみを図示しており、また本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めてもよいため、この範囲を制限するものと解釈されるべきではない点に注目されたい。
【詳細な説明】
【００２３】
[0035]本発明によって、ボイドの形成なく深トレンチをイン・シトゥー・ドープアモルファスシリコン、とりわけＡｓドープアモルファスシリコン膜で充填する一方で、同時に、１５０％という１００％より大きなステップカバレージと、３００ｍｍウェーハについては＜±２％〜±５％のＷＩＷ（Ｗｉｔｈ  Ｉｎ  Ｗａｆｅｒ）不均一性と、少なくとも１×１０２０／ｃｍ３のヒ素濃度とを有する高品質の堆積膜を生成することが可能である。加えて、以下に説明されるようにＦｌｅｘＳｔａｒチャンバで達成可能なような複数ウェーハ処理の場合、２６〜５１個のウェーハが一度に処理可能である。
【００２４】
[0036]深トレンチキャパシタ構造の製作において、高アスペクト比のトレンチが最初に単結晶ウェーハに形成され、このようなトレンチは２５−５０：１以上のアスペクト比を有しており、より小さな臨界寸法構造にも必要とされることがある。図４および５を参照すると、ボイドフリートレンチ充填に提供するために、充填シーケンスが多数の個別ステップで実施される。スタートするために、部分的に処理されたウェーハが提供され（ステップ１０１）、ここで深トレンチは単結晶シリコンウェーハ５２、トレンチを囲むＡｓドープウェル５４、および薄いＯＮＯ層５６でコーティングされたトレンチの壁にエッチングされている。任意に、トレンチ充填前に、薄層の無ドープαシリコンはトレンチに堆積され（ステップ１０２）、この層はバリアとして作用して、後の熱アニーリング中のＯＮＯ／αシリコン界面へのＡｓの移入を防止する。このバリア層は２、３〜１００Åの厚さに堆積される。約５０Åの通常のバリア層厚および毎分約５０Åの堆積レートについて、堆積時間は約１分である。
【００２５】
[0037]本発明の第１の超充填ステップ１０４において、イン・シトゥー・ドープ（ＩＳＤ）シリコン６０はトレンチに堆積され、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４の比は、「Ｖ」状充填プロファイルが取得されるようにコントロールされる。このステップは概して、５２０℃〜５７０℃に及ぶ可能性がある温度Ｔ１、かつ所与のＡｓＨ３／ＳｉＨ４比に対して０．５〜１０トールに及ぶ可能性がある圧力Ｐ１で適切なＬＰＣＶＤ反応器において実施される。このステップの堆積レートは概して１〜１０Å／分に及ぶ。通常のレシピによって、後述されるように、約３Å／分の堆積レートが実現可能である。
【００２６】
[0038]図５を参照すると、充填シーケンスの第１のステップの結果が描かれている。イン・シトゥー・ドープαシリコンによるトレンチの充填に影響を与えるために、アルシンと混合されたシランがチャンバに導入され、窒素および／または水素がキャリアガスとして使用されている。注目すべきことに、所与のアルシン対シラン比について、窒素流は、ウェーハ、ならびに反応チャンバ内の反応圧力調節手段にわたって全ガス流量を調節するために使用可能である。水素の存在は、比較的高い反応圧力（例えば、１〜４トール以上）でのシリレンの気相形成を抑制するために使用可能である。堆積温度は概して、アモルファスシリコンの形成を助けるために５２０〜５７０℃に設定される。
【００２７】
[0039]堆積が生じ、かつトレンチが充填されると、トレンチ内かつこれにわたる深さによって膜内Ａｓ濃度のドーパントプロファイルは平らにされる必要があるため、ヒ素堆積膜はアモルファスシリコンであることが重要である。これはウェーハの熱アニーリングによって達成される。アモルファスシリコン形成に必要な低温で操作することによって、堆積反応の良好なコントロールが達成され、粒子の形成が少なく、またヒ素堆積アモルファスシリコン膜のヒ素イオンがより大きな移動度を有し、従ってＡｓ濃度の等価はより容易に達成される。ヒ素堆積膜が多結晶シリコンを備えるより高い温度の場合、多結晶シリコンの粒子境界は、アニーリング中に堆積された充填材料内のヒ素の周辺移動を引き起こす。
【００２８】
[0040]この第１の層の形成において、供給ガスにおける高いＡｓ濃度は、１００％より大きなステップカバレージを提供するために、トレンチの底部と比較してトレンチの上部に向かって減少する堆積レートを取得するために使用される。最小量のＡｓがヒ素堆積αシリコンに組み込まれることを確実にするために、アニーリング後に３５０Ω／ｓｑ未満のシート抵抗を有する充填とすると、トレンチの底部のヒ素堆積Ａｓ濃度は概して２×１０２０ｃｍ／３〜１×１０２１／ｃｍ３であるべきであり、ターゲット濃度は４×１０２０／ｃｍ３である。トレンチ内部ではＡｓＨ３濃度はより小さいと想定され、ＳｉＨ４常駐時間は電界領域に対してより長いと想定される。得られる充填は概して図６Ａに図示されているように見える。
【００２９】
[0041]次のステップ（１０６）において、トレンチの残りの充填６２が完了される。このステップは、約１００％の堆積膜のステップカバレージをもたらす堆積プロセス条件として定義されたベースラインプロセスを構成する。このステップの堆積充填におけるヒ素のターゲット濃度は＞３×１０２０／ｃｍ３〜５×１０２０／ｃｍ３に及ぶ。第１の充填を形成するために使用される場合の、このようなベースラインプロセスは、図６Ｂに示されるような堆積プロファイルをもたらす。トレンチがベースラインプロセスのみを使用して充填される場合、ボイド含有充填がもたらされることが理解されるであろう。しかしながら、超充填プロセスを最初に実行して、堆積されたイン・シトゥー・ドープ膜の厚さが深さによって増加するＶ状充填プロファイルを作成することによって、（例えば、少ないアルシンを使用する）より速いベースラインプロセスが、ボイドフリー充填操作を完了させて、図７に図示されるようなトレンチ充填プロファイルを生成するために用いられることが可能である。
【００３０】
[0042]ベースライン充填プロセス自体は５２０℃〜５７０℃に及ぶ可能性がある温度Ｔ２で稼動され、ステップ１０４のＴ１と同じ温度であるように最も便宜的に選択される。圧力Ｐ２は０．５トール〜１０トールに及ぶ可能性があるが、トレンチの充填をより急速にするために、概してＰ１より低く選択される。代替的に、アルシンの濃度は、より低い圧力でのさらに早い充填に影響を与えるために低下可能である。ステップ１０６は好ましくは、ステップ１０４で使用されるのと同じプロセスチャンバにある（複数の）ウェーハによって稼動される。このプロセスにおいて、約３ｅ〜４の選択ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比、かつ２〜４トールの圧力で、得られる膜は、〜５×１０２０／ｃｍ３のドーパント濃度を有することになり、堆積レートは概して２０〜３０Å／分に及ぶ。
【００３１】
[0043]次のステップ１０８において、無ドープブランケットキャップ層６４は、ウェーハ表面の平坦化プロセスの一部としてウェーハ／充填トレンチにわたって堆積される（図８参照）。ブランケット堆積層の厚さは重大ではないが、概して少なくとも約１０００Ａであり、より一般的にはおよそ１０００Ａ〜２５００Ａである。最初の２つの充填ステップの温度および圧力で、膜は約５０〜６０Å／分の堆積レートで堆積される。このブランケット堆積ステップにおいて、トレンチ充填はもはや問題ではなく、良好な充填均一性はより低い圧力で取得され、かつ気相核生成のリスクが低下されるため、反応圧力Ｐ３は概して、第１のステップ１０４（または第２のステップ１０６）の反応圧力未満になるように選択される。堆積される膜の厚さを考えると、このプロセスステップは約２０〜４０分かかる。
【００３２】
[0044]最初の２つの堆積ステップ、実際には全３つのシリコン堆積ステップは、ウェーハをプロセスチャンバから除去するか、そうでなければ真空破壊する必要のない同じチャンバにおいて、同じレシピ構造内で順次実施可能であることが認識されるべきである。従って、３つの堆積ステップならびに初期バリア層堆積は、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比、温度、全ガス流および圧力の変更が容易に適合可能である同じチャンバにおいて、比較的迅速に遂行可能である。
【００３３】
[0045]充填プロセスを完了させるために、ブランケットウェーハは化学的機械的研磨ステップ（１１０）に付される。その後、ウェーハは、堆積されたαシリコン充填材料内のドーパントの分布をさらに等化するために熱アニーリング（ステップ１１２）に付される。このアニーリングプロセスは通常、ランダムに配向された小型粒子多結晶シリコンに変換されたアモルファスシリコンのプロセス中に約９００℃で３０〜６０分間Ｎ２において稼動される。この期間中、イン・シトゥー・ドープＡｓは電気的に活性化され、かつシリコン充填内の拡散を介して再分布されて、深さによるＡｓ濃度のプロファイルを平らにする。
【００３４】
[0046]充填されるトレンチの深さおよび幅（アスペクト比）を含む既知の特性設計の所与のパターン化ウェーハのレシピを展開する際に、多数のプロセス稼動が実行可能であり、測定がなされ、かつ実験データから確立されたＡｓＨ３／ＳｉＨ４比、全圧、流量およびＡｓ濃度の関連性が展開される。
【００３５】
[0047]複数の個別堆積が種々の時間長さで実施可能である。調整可能な変数を考えると、アルシン流量、シラン流量、反応器の温度、および反応器内の全圧が適合可能である。以下の説明において、充填されるトレンチにおけるアモルファスシリコンの形成を助けるために約５４０℃〜５５０℃に保持される温度で、以下により完全に説明されるように、テスト稼動がＦｌｅｘＳｔａｒチャンバで遂行された。アルシンおよびシランの流れは標準ＭＦＣを使用して調節される。圧力は、窒素または水素と組み合わせた窒素を使用して、あるいはチャンバ排出開口をコントロールするスロットルバルブを調節することによって調節された。プロセスは２、４および８トールに及ぶ種々の全圧で稼動された。
【００３６】
[0048]ウェーハが処理されると、これらはセクショニングおよびＳＥＭ分析に付された。電界膜圧ならびにトレンチ壁に沿った種々のポイントでの堆積された側壁膜の厚さの測定がなされた。これらの測定より、堆積時間を考えると、トレンチ内の種々のポイントでの堆積レートおよびステップカバレージの両方が計算およびプロット可能であった。事前アニーリングされたヒ素堆積膜のヒ素濃度はマイクロＳＩＭＳ（二次イオン質量分光法）分析を使用して測定され、電界膜ならびにトレンチの測定がなされた。ウェーハ内でブランケットウェーハの均一性が測定された。実験的に導出されたデータは、図９Ａ〜９Ｇのプロットを準備するために使用された。
【００３７】
[0049]これらの例示的結果から分かるように、ＡｓＨ３対ＳｉＨ４の比が増加されるにつれて、ヒ素堆積膜におけるＡｓ濃度は増加する。さらに記されるように（図９Ｂ）、アルシン量が増加されるにつれて、堆積レートが減少する。Ａｓの存在が堆積レートを遅らせる傾向があるのに対して、より高い圧力がより速い堆積を助ける傾向があることもまた観察される。これは実際図９Ｂに図示されており、膜堆積レートは概してＡｓＨ３濃度の増加によってのみではなく、同様に圧力の低下によっても減少することが分かる。この観察はさらに、図９Ｃおよび９Ｄにおいてプロットされたモデリングデータによって確認されており、ここでは圧力が増加されるにつれて膜におけるヒ素濃度が任意の所与のアルシン／シラン流比について低下される傾向があることと、トレンチ内のアルシン枯渇が、シラン枯渇よりも全圧によって迅速に増加することが明らかである。
【００３８】
[0050]このデータから、修正プロセスが、優れたステップカバレージを達成するために展開された。以下の論述において、ウェーハの処理は、４０：１のアスペクト比を有するトレンチについて２００／３００ｍｍＦｌｅｘＳｔａｒチャンバにおいて実施された。イン・シトゥーＡｓドープαシリコンの堆積レートに対する無ドープα−Ｓｉの堆積レートの比（つまり、ＡｓＨ３＝０）が、１５０％のステップカバレージをターゲットとする少なくとも１．５倍となるようにＡｓＨ３流が選択された。堆積レートは、プロセスデータベースに基づいて、無ドープα−Ｓｉと比較して膜のドーパント濃度を推定するための測定基準として使用された。図９Ｂに示された堆積レート対ＡｓＨ３流のプロットが、ＡｓＨ３流を選択するために使用された。付加的に、堆積レート、厚さ不均一性および表面粗さが、プロセスを終了させるために最適基準として使用可能であり、これは〜９×１０２０／ｃｍ−３のドーパント濃度を有すると推定される（図９Ｃ）。
【００３９】
[0051]ボトムアップ充填を達成するために、少しのＡｓＨ３枯渇でもトレンチ内の堆積レートの大きな増加をもたらすように、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比に対する堆積比の感応性を最大化することが望ましい。これは、（ａ）ＳｉＨ４定数の分圧を維持しつつ堆積圧を増加させることによって、および（ｂ）ＳｉＨ４分圧を低くキープしつつ高いＡｓＨ３／ＳｉＨ４比を維持することによる、２つの方法で達成可能である。全圧が増加されると、トレンチ内のＡｓＨ３枯渇は増加する。より高い圧力は、堆積された膜内で消費されると最終的な枯渇をもたらすトレンチへのアルシンの分散を遅らせる。深トレンチ内のＡｓＨ３濃度（図９Ｆ）はまた、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４比およびプロセス圧力を考えると予測可能である。これは、深トレンチの壁に沿った任意のポイントに堆積された膜厚を測定することによって達成される。想定通り、トレンチ内のより低いＡｓＨ３濃度は、トレンチの表面に対してトレンチの底部においてより厚いがわずかにドープされている膜をもたらす。
【００４０】
[0052]モデリングデータは、１５０％のステップカバレージが、１０２０／ｃｍ３という最小Ａｓ濃度で深トレンチ内で達成可能であることを示している。プロセスは次いで、入口ガスストリームにおけるＳｉＨ４およびＡｓＨ３の分圧を変更せずに２、５および８トールで稼動された。ウェーハ表面の堆積レートはシランおよびアルシンの分圧に一次的に依存しているため、ウェーハ表面の堆積レート（図５の要素５８）は、全圧が増加されると比較的一定のままであった。しかしながら、トレンチ内の堆積レートは定常的に増加した。この実験からのステップカバレージデータは、事前に取得された実験データのプロットから取得可能な予測を立証するために使用された。想定されたように、最大ステップカバレージは、図９Ｅを参照して予測されたようにより高い圧力で取得された。
【００４１】
[0053]次に、一連の堆積が、ＡｓＨ３分圧を増加させながら（つまり、アルシン流を増加させながら）８トールで実行された。これらのテストからの結果は、１１０〜１２８％という最大ステップカバレージが、標準全流９．６３ｓｌｍおよびＡｓＨ３／ＳｉＨ４比５×１０−４で可能であることを示した。ステップカバレージは（ウェーハ表面での常駐時間を短縮する）全流と、（ウェーハ表面でのアルシン中毒を増加させる）ＡｓＨ３流と、（枯渇がトレンチ内に深くなるほど厳しくなる）深トレンチへの深さとを増加させることによって改善したことも明示している。１１０％という最大ステップカバレージはこの修正プロセスによって達成された。
【００４２】
[0054]ステップカバレージをさらに増加させ、かつ最終的な深トレンチＶ充填プロセスを選択するために、３セットの堆積が、ブランクウェーハ上のベースライン流の全流量の３つの設定、１倍、２倍および３倍でＡｓＨ３／ＳｉＨ４比を変化させることによって実行された。このデータは図９Ｇに示されている。このシリーズからの堆積レートデータは次いで、堆積レートがＡｓＨ３＝０の場合の堆積レートの＜０．２５倍である３つの条件を選ぶために使用された。これらの条件は、ステップカバレージを測定するために深トレンチウェーハにわたってＶ状超充填膜を堆積するために使用された。結果は以下に示される。
【００４３】
【表１】
2008523640.tif 000003
【００４４】
[0055]上記のプロセス展開／特徴化研究に基づいて、超充填プロセスの最終シーケンスが以下のように選ばれた：
ステップ−１：薄層がＶ充填プロセスを使用して堆積された（８トール、２８．８９ｓｌｍ全流、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４＝４×１０−４およびＴｄｅｐ＝５４０℃）。これは、ベースラインＡｓドープα−Ｓｉプロセスによる充填を完了させる前に深トレンチ内で必要とされる初期Ｖ状プロファイルを形成する。この層の厚さは、Ｖ状プロファイルがトレンチ内で取得されるように選ばれた。
【００４５】
ステップ−２：トレンチはベースラインイン・シトゥーＡｓＨ３ドープα−Ｓｉプロセスで充填された（４トール、９．６３ｓｌｍ全流、ＡｓＨ３／ＳｉＨ４＝２ｅ−４およびＴｄｅｐ＝５４０℃）。
【００４６】
ステップ−３：厚い無ドープα−Ｓｉキャップ層が堆積されて、表面を平坦化した。
【００４７】
[0056]通常のレシピがＡｓドープシリコンのボイドフリー充填の堆積について以下に図示されている。
【００４８】
【表２】
2008523640.tif 000004
【００４９】
[0057]上記のように、本発明のプロセスシーケンスは単一ウェーハＬＰＣＶＤチャンバで実施可能である。しかしながら、このような単一ウェーハ処理は、最大４〜５個の単一ウェーハプロセスチャンバが中央転送チャンバに直接接続されているクラスターツールプラットフォームでたとえ実施されたとしても、必要とされる比較的長い堆積時間を考えると、商業的に実行可能なプロセスをもたらさない。しかしながら、ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）堆積システムは、事実上の単一ウェーハ処理チャンバの垂直スタックを具備しており、本発明のプロセスにとりわけ適している。このシステムは、２００ｍｍおよび３００ｍｍのウェーハを処理可能であり、（均一なウェーハ横断ガス流の）マルチプレナム温度コントロール垂直シャワーヘッド噴射器を、広いプロセス空間にわたって無ドープかつ均一なイン・シトゥー・ドープα−Ｓｉ膜の堆積を可能にする優れたウェーハ温度均一性をもたらす等温ウェーハ環境と結合させる。ウェーハ横断ガス流は、ウェーハの各々にわたる反応剤の常駐時間（供給）を直接コントロールすることを可能にするため、ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）システムの一意のアーキテクチャによって反応器はこのプロセスレジームで稼動させられる。従って、通常の拡散炉におけるように、ウェーハ表面の全部分に反応剤を供給するために拡散への依存性はない。粒子の気相核生成もまたこの特性ゆえに防止される。
【００５０】
[0058]本発明のボイドフリートレンチ充填の全プロセス時間は約１５４分である。単一ウェーハ処理の場合、これは製造環境において簡単に受容可能ではない。一度に最大２６個のウェーハを処理するＦｌｅｘＳｔａｒ平行ウェーハ処理反応器によって、６ＷＰＨのスループットが可能である。５１ウェーハボートを収容するように設計された修正平行処理チャンバを用いることによって、生産性は倍増可能である。更なる生産性利得は、図１２に図示された装置を使用して実現可能であり、ここでは（他のプロセスチャンバ２０２Ａ、２０２Ｂと結合されてもよい）２つのＴｏｒｒｅｘチャンバ２００が多側面転送チャンバ１１２に固定されている。
【００５１】
[0059]ＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）チャンバ２００（図１０〜１１）は、ガス噴射用の垂直温度コントロールシャワーヘッド２１０と、垂直温度コントロール排出３００と、処理されるウェーハを保持するためのサセプタボート（図示せず）を加熱するための熱放射拡散シールド４２２を具備する４つのＰＩＤ／高温計コントロールマルチゾーン線形ランプアレイ４００とを含んでいる。（最大５１個のウェーハを保持するように構成可能な）２６個のウェーハに対して構成された回転ボートは、複数の対のサセプタ間のウェーハサポートピン上にポート３６０を介してロボット制御でロードされたウェーハを具備する、高質量ＳｉＣコートグラファイトサセプタ４２４からなる。この形状は、複数の対のサセプタ間に事実上のブラック本体キャビティを確立する。ボートの長さに沿った、かつ各サセプタにわたる熱対称性は、小さな熱暴走に対して感応性がないウェーハロードおよびウェーハ温度とは無関係のプロセス結果をなす。
【００５２】
[0060]２００ｍｍおよび３００ｍｍウェーハの両方が、ハードウェア変更を全く必要とせずに同じ稼動でロード可能であるように、２つの個別セットのサポートピンが各サセプタに含まれている。ボートは、熱拡散シールドからの再放射によって設定温度に加熱される。垂直シャワーヘッド２１０からボートを介して垂直排出３００へ確立されたウェーハ横断ガス流はガス沈滞を排除し、気相枯渇を最小化し、気相粒子生成を抑制する役割をする常駐時間にわたり正確なコントロールを提供する。シールド形状は、ボートを介するウェーハ横断ガス流を強いるボート周辺のガス流を妨害する。サセプタの直径はウェーハの直径を超えているため、プロセスガスは事前加熱され、境界層は、流れがウェーハに達する前に完全に確立され、ウェーハ縁効果を最小化する。流れコンダクタンスは、流れコンダクタンスがボートにロードされたウェーハに影響される垂直拡散炉とは異なり、サセプタ間間隔によってコントロールされる。ゆえに、サセプタボート内に軸方向にセンタリングされた部分的ロットは処理可能であり、ロードゾーンの残りの部分のダミーウェーハの必要性を取り除く。ウェーハ横断ガス流と結合された等温環境は、広い圧力範囲（０．５〜１０トール）にわたる超均一性の堆積膜をもたらす。
【００５３】
[0061]ウェーハは複数の対のホットサセプタ間のウェーハボートにロードされるのに対して、ボートは、ローディングゾーン２２０ｂ内に位置決めされ、全ウェーハがロードされるまで持ち上げ／回転機構６００によって垂直にインクリメントされる。その後、充填されたボートはチャンバ２００の処理ゾーン２２０ａに上げられて、ここでウェーハは処理中回転される。図１２をさらに参照すると、処理が完了した後、ウェーハはロボットアーム１１３によって開口３６０を介してボートからアンロードされて、２つのアクティブ冷却ロードロックチャンバ１０６Ａおよび１０６Ｂのうちの一方に置かれる。ウェーハが十分に冷却されると、処理されたウェーハはロードロックから除去されて、大気ロードポートにおいてＦＯＵＰつまりカセット１０５Ａ〜１０５Ｄに戻される。
【００５４】
[0062]要約すると、本発明のＶ充填プロセスは、異なる分圧および常駐時間は、ガス流量およびチャンバ圧力を適切に調整することによってトレンチ内に比較してウェーハの表面のポイントで達成可能であるという事実に依拠している。トレンチ内のポイントに対してトレンチの表面においてアルシン濃度がより高く、かつガス常駐時間がより短い限り、中毒効果は、表面に対してトレンチ内のほうがより高い堆積レートをもたらす。従って、重要なことは、表面に対してトレンチ内で異なる濃度およびガス常駐時間を達成することである。
【００５５】
[0063]ガス常駐時間および分圧は注意深くコントロールされなければならないため、プロセスは高い全流および圧力で最良に操作される。高い全流はウェーハ表面上のガスの短い常駐時間をもたらす。ウェーハにわたるこの対流は、ウェーハ表面へのアルシンおよびシラン両方の適切かつ連続的な供給を保証するため、ウェーハ表面にわたる反応剤濃度の勾配は非常に小さく、これはウェーハにわたる良好な膜均一性にとって不可欠である。反対に、トレンチ内の反応剤輸送は、ウェーハ表面で動作するかなり高速な対流輸送よりもむしろ比較的ゆっくりとした拡散プロセスを介して生じるため、トレンチ内のガス常駐時間はより長くなる。
【００５６】
[0064]本発明の代替実施形態では、ＡｓＨ３を使用するのではなく、ｔブチルアルシンなどのより高い分子量のヒ素ソースを使用することによって、トレンチへのアルシンソースガスの拡散はさらにスローダウン可能である。他の適切なガスソースはトリメチルアルシン、ｔフェニルアルシン、トリエチルアルシン、トリシリルアルシンおよびトリプロピルアルシンを含んでいる。より重い分子はより軽いＡｓＨ３分子よりもゆっくりと拡散するため、正味効果は、トレンチの底部のＡｓ濃度を低下させることであり、従ってその場所でのアモルファスシリコンの堆積レートを増加させる。
【００５７】
[0065]さらに別の代替例において、Ａｓソースはプロセスチャンバにパルス可能である。このように、トレンチへの拡散に使用可能なＡｓ量は低下され、ウェーハの上部にわたるガス流は、ＡｓＨ３ガス流が中断される期間中ウェーハの上方でＡｓソースガスを急速に枯渇させる傾向がある。ＡＬＤプロセスに類似の方法でガスを迅速にパルスすることによって、高ヒ素濃度がウェーハの表面で達成されるのに対して、トレンチへのアルシンの拡散はさらに低下される。
【００５８】
[0066]さらに別の実施形態では、トレンチへのヒ素ソースの拡散は、より軽くかつより一般的なＮ２希釈剤の代わりにより高い分子量の希釈ガスを使用することによって、さらにゆっくりにされることが可能である。例えば、高次アルカン類および環状アルカン類などの（適切に気化される場合の）種々の溶媒は、トレンチへのアルシンの拡散をゆっくりにするための希釈ガスとして使用可能である。例示的気化溶媒はブタン、ペンタン、ヘキサン、オクタンおよびヘキサデクタンを含んでいる。
【００５９】
[0067]本発明はここでヒ素をドーパントとして使用することと関連して説明されてきたが、他のドーパントも使用されてもよいことが認識されるべきである。また、本明細書に説明された反応の温度、圧力および時間は図示目的にすぎない。ここでの教示と一貫した他の時間、圧力および反応剤濃度は、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく使用可能であることが認識されるであろう。
【００６０】
[0068]上記は本発明の実施形態を目的としているが、本発明の他の更なる実施形態がこの基本的範囲から逸脱することなく考案されてもよく、またこの範囲は以下の請求項によって判断される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術の垂直拡散炉の垂直断面図である。
【図２】従来技術の単一ウェーハ処理炉の垂直断面図である。
【図３】ウェーハ表面のＣＭＰが続くキャパシタ形成の中間段階の、ボイドフリードープシリコンが充填された深トレンチキャパシタ構造の図である。
【図４】図３の中間深トレンチキャパシタ構造のボイドフリー充填を取得するために使用されるプロセスステップのフローチャートである。
【図５】本発明の超充填方法に従った、ドープアモルファスシリコンによる部分的充填後の未充填深トレンチ構造の図である。
【図６Ａ】図５に描かれたような深トレンチの超充填後の分割ウェーハの図である。
【図６Ｂ】ベースライン充填プロセスを使用する第１の充填後の第２のウェーハの図である。
【図７】ベースライン充填プロセスを使用してドープアモルファスシリコンによるボイドフリートレンチ充填が完了された図５の構造の図である。
【図８】α−シリコンのキャップ層が適用された図７の深トレンチ構造の図である。
【図９Ａ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｂ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｃ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｄ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｅ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｆ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図９Ｇ】本発明の方法に従ったウェーハ処理から導出された実験データのプロットを示している。
【図１０】本発明の方法に従った、ボイドフリー深トレンチキャパシタ構造の商業生産において使用するためのＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）平行ウェーハ処理反応器を描いている。
【図１１】本発明の方法に従った、ボイドフリー深トレンチキャパシタ構造の商業生産において使用するためのＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）平行ウェーハ処理反応器を描いている。
【図１２】２つのＦｌｅｘＳｔａｒ（商標）反応器を含む、Ｓａｎｔａ  Ｃｌａｒａ，ＣＡのＡｐｐｌｉｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓによって販売されているＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）プラットフォームに基づいたクラスターツールの図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０…石英チューブ、１２…チャンバシールプレート、１４…ボート、１６、２８…基板、１８…ガス噴射チューブ、２０…ガス入口チューブ、２４…排出ポート、２６…ヒーター要素、３０…回転基板キャリア、３２…上部石英ドーム、３４…下部石英ドーム、３６…チャンバ壁、３８…上部ランプ、４０…下部ランプ、４２…ガス入力ポート、４４…排出ポート、５０…充填深トレンチ構造、５２…結晶シリコン、５４…ドープウェル、５６…キャパシタ誘電体、５８…ウェーハ表面、６０…深トレンチ充填、１０５Ａ〜１０５Ｄ…カセット、１０６Ａ、１０６Ｂ…ロードロックチャンバ、１１２…多側面転送チャンバ、１１３…ロボットアーム、２００…チャンバ、２０２Ａ、２０２Ｂ…プロセスチャンバ、２１０…垂直シャワーヘッド、２２０ａ…処理ゾーン、２２０ｂ…ローディングゾーン、３００…垂直排出、３６０…ポート、４００…ＰＩＤ／高温計コントロールマルチゾーン線形ランプアレイ、４２２…熱放射拡散シールド、４２４…サセプタ、６００…持ち上げ／回転機構。
【図１】
2008523640.tif 000005
【図２】
2008523640.tif 000006
【図３】
2008523640.tif 000007
【図４】
2008523640.tif 000008
【図５】
2008523640.tif 000009
【図６Ａ】
2008523640.tif 000010
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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