(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板において、幅の狭い高アスペクト比のギャップをフッ化ボロンリンガラス（ＦＢＰＳＧ）層によって充填する方法であって、
４対１以上のアスペクト比と１ミクロン以下の幅とを有するギャップを含む基板を準備するステップと、
前記基板上にＦＢＰＳＧ層を堆積するステップと、
急速昇降温パルス炉(a rapid thermal pulse furnace)を用いて９００℃を超える温度で２０〜９０秒間前記ＦＢＰＳＧ層をリフローするステップであって、該リフローステップは前記ＦＢＰＳＧ層が前記ギャップをボイド無しで充填することを可能にする、ステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記ＦＢＰＳＧ層は、アンドープ酸化珪素層上に堆積される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記アンドープ酸化珪素層は、酸素及びＴＥＯＳのプラズマから堆積される、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記アンドープ酸化珪素層及び前記ＦＢＰＳＧ層は、上にトランジスターが形成された半導体基板の上に堆積される、請求項２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記ＦＢＰＳＧ層は、コールドウォール・ＣＶＤチャンバ内で堆積される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記ＦＢＰＳＧ層は、ＴＥＯＳ及びＴＥＦＳを含むプロセスガスから堆積される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ＦＢＰＳＧ層は、１０トルを超える圧力及び４００−６００℃間の温度で堆積される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ＦＢＰＳＧ層は、２．５ｇ/ｃｍ3未満の密度を有するライニング層の上に堆積される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＦＢＰＳＧ層の上に金属層を堆積し、前記金属層にパターンを成形して、前記トランジスタ上に１つ以上の金属ラインを形成するステップを更に含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
前記トランジスターは、０．１８ミクロン以下の最小特徴サイズに対して定められた集積回路設計規則を用いて製造される、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウェーハ上への集積回路製造中におけるボロンリンガラス（ＢＰＳＧ）層の形成に関する。詳しくは、本発明は、最新の製造プロセスにおける熱履歴要件を満たす一方で、高いアスペクト比と小さい幅を有するギャップの充填を可能にするＢＰＳＧ膜のリフロー特性を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボロンリンガラス（「ＢＰＳＧ」）は、ＭＯＳトランジスタの多結晶シリコン・ゲート／インタコネクト層と第一の金属層の間の分離層として、半導体産業で広く使用されている。このような分離層は、多層金属構造におけるどの金属層よりも前に堆積され、第一に堆積された金属層の部分を半導体基板から電気的に絶縁するのに使用されるので、多くの場合プレメタル誘電体（ＰＭＤ）層と呼ばれる。
【０００３】
低い誘電率、低い応力特性及び良い接着特性に加えて、良い平坦化特性とギャップ充填特性を有することがＰＭＤ層にとって重要である。ＢＰＳＧ堆積方法は、これらの特性を満たすために開発され、多くの場合、リフロー温度を超えて層を加熱することにより層が液体として流出し、層を平坦化することを含んでいる。リフロー・プロセスは、ＢＰＳＧが高いアスペクト比、小さい幅のトレンチをより良く充填することを可能にし、冷却の際に平坦な上部表面をもたらす。ＢＰＳＧ層をリフローするのに必要な加熱は、急速昇降温パルス（rapid thermal pulse)(ＲＴＰ）)法あるいは従来炉のいずれかを、ドライ（たとえば、Ｎ2あるいは０2）あるいはウェット（たとえば、スチームＨ2／０2）な雰囲気のいずれかで、使用することにより実現できる。これらのプロセスは、通常ある程度等価であると考えられ、したがって多くの応用に対して互換性がある。たとえ一方のプロセスが他方のプロセスに対して特別の利点がいくらかあったとしても、ウェット（スチーム）な雰囲気を有する従来炉におけるＢＰＳＧ層のアニールが、ＲＴＰ法を用いるより良いギャップ充填特性をもたらし、また乾式従来炉アニールはギャップ充填特性に関してＲＴＰ法に基本的に等価であることを、当業者は一般に確信している。
【０００４】
酸化珪素層を形成するのに通常必要とされるシリコン含有ソース及び酸素含有ソースと共に、燐含有ソース及び硼素含有ソースを処理チャンバの中へ導入することにより、標準のＢＰＳＧ膜が形成される。燐含有ソースの例には、燐酸トリエチル（ＴＥＰＯ）、亜燐酸トリエチル（ＴＥＰｉ）、燐酸トリメチル（ＴＭＯＰ）、亜燐酸トリメチル（ＴＭＰｉ）及び同様な化合物を含む。硼素含有ソースの例には、硼酸トリエチル（ＴＥＢ）、硼酸トリメチル（ＴＭＢ）及び同様な化合物を含む。
【０００５】
半導体の設計が進歩するにつれて、半導体デバイスの特徴サイズは劇的に減少した。多くの集積回路は今や、１ミクロン幅を大幅に下回るトレースあるいはトレンチのような、特徴を有する。特徴サイズの縮少が、デバイス密度の向上、より複雑な回路、低消費電力、及び低コストを可能にした一方で、より小さい形状寸法は、新しい課題をもたらし、より大きい形状寸法に対しては既に解決された課題を復活させた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
サブミクロン・デバイスにより提起された製造上の課題の１つの例は、トレンチ充填プロセスの熱履歴を最低に維持しながら、ボイドが無いように狭いトレンチを完全に充填する能力である。たとえば、０．１８ミクロン以下の形状寸法のデバイスの製造上の要件を満たすために、０．１ミクロン幅のギャップ及び、最高６対１のアスペクト比を有するより狭い幅のギャップを充填するために、ＢＰＳＧ層が必要とされることがある。同時に、これらの製造上の要件は、ＢＰＳＧ堆積及びリフローステップの熱履歴が最低に維持されることを必要とする。
【０００７】
これら及び／または同様な要件を満たすために、製造業者が開発した１つの方法は、ＢＰＳＧ膜にフッ素あるいは同様なハロゲン元素を添加することである。このようなフッ素ドープトＢＰＳＧ膜は、多くの場合「フッ素化ＢＰＳＧ」すなわち「ＦＢＰＳＧ」と呼ばれる。フッ素は、ＢＰＳＧ膜の粘性を低下させ、リフローステップの間により容易にリフローさせると考えられる。この方法において、フッ素の添加は、一定の温度で堆積されリフローされるとき、ＢＰＳＧ層のギャップ充填及び平坦化を改善するために使用することができる。あるいは、より高温でリフローされたＢＰＳＧ膜のギャップ充填特性及び平坦化特性を維持しながら、ＢＰＳＧ膜のリフロー温度を低減するのに、フッ素の添加を用いることができる。米国特許第５，６３３，２１１号は、ＦＢＰＳＧ層を堆積するのに用いられる方法の１例を示す。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、幅の狭い高アスペクト比のギャップをＢＰＳＧ層によって充填する新しい改良されたプロセスを提供する。本発明は、誘電体の充填を必要とする幅の狭い高アスペクト比のギャップ上に、ハロゲンドープトＢＰＳＧ層（好適な実施例ではフッ素化ＢＰＳＧ層）を堆積し、その層を急速昇降温パルス（ＲＴＰ）炉でリフローする。フッ素化ＢＰＳＧ層をＲＴＰ炉内でリフローすることは、ドライまたはウェットアニール・プロセスのいずれかを用いて、従来炉内で層をリフローすることと比較して、予想外に優れた結果をもたらすことを本発明者は発見した。
【０００９】
この優れた結果は、部分的には、フッ素化ＢＰＳＧ膜に存在するフッ素原子の高可動性によるものと本発明者は考える。標準の非ＲＴＰのＢＰＳＧリフロー法は、リフロー・プロセスで使用された温度と要求される平坦化の程度によって、一般的には膜のリフロー温度以上で２０−４０分間以上ＢＰＳＧ膜を加熱する。ＦＢＰＳＧ層が従来炉でリフローされる場合には、リフロー・プロセスの温度、及びＦＢＰＳＧ層の下の層の物理的性質が、ＦＢＰＳＧ層のリフロー特性にとって重要であることを本発明者は発見した。特に、ＦＢＰＳＧ層がＰＥＣＶＤ・ＴＥＯＳ酸化珪素層（ＴＥＯＳ及び酸素前駆体ガスを用いて、プラズマＣＶＤプロセスによって堆積された酸化珪素層）の上に堆積される場合、ＦＢＰＳＧ膜のリフロー特性は、フッ素無しの同様なＢＰＳＧ膜と大体同じであることを、本発明者は発見した。同様に、ＦＢＰＳＧ層がＬＰ窒化物層（減圧ＣＶＤプロセスにより堆積された窒化珪素膜）の上に堆積され、約８００℃以上の温度でリフローされる場合、この膜のリフロー特性は、フッ素無しの同様なＢＰＳＧ膜のリフロー特性に類似している。換言すれば、これらの両方の場合に、ＢＰＳＧ膜へのフッ素の添加は膜のリフロー特性を大幅には改善しない。
【００１０】
しかし、ＬＰ窒化物層のような密度の高い基礎層の上に堆積され、比較的低いアニール温度で（たとえば、約７５０℃未満）従来炉内でリフローされた場合、ＦＢＰＳＧ膜はＢＰＳＧ膜より良いリフロー特性を現実に示すことを、本発明者は発見した。ＢＰＳＧ膜内の移動度の高いフッ素原子が、膜の基礎層の中に移動することは、理論づけられる。ＦＢＰＳＧ層がＬＰ窒化物層のような比較的密度の高い層の上に堆積され、約７５０℃以下の温度でリフローされる場合、基礎層は層の中へのフッ素の拡散速度を低下させる障壁として作用する。しかし、ＦＢＰＳＧ層がＰＥＴＥＯＳ酸化膜層の上に堆積される場合、リフロー・プロセスの間にフッ素原子はＦＢＰＳＧ層から酸化膜層へ比較的容易に移動する。酸化膜層の中へのこのようなフッ素原子の移動は、アニール・プロセスの比較的初期ステップで発生し、したがって、リフロー・プロセスの重要な部分に対してＦＢＰＳＧ層からフッ素原子を奪い、フッ素が層の粘性とギャップ充填特性を改善することを妨げると本発明者は考える。
【００１１】
本発明の方法によれば、ＦＢＰＳＧ層は基板上に堆積され、急速昇降温パルス（ＲＴＰ）方法を用いてリフローされる。このようなＲＴＰ法は、膜を最少限の時間で（層をリフローするのに使用した温度、及び他の要因の中で要求される平坦化の程度によって、たとえば、１０−９０秒で）リフローする。したがって、ＦＢＰＳＧ層がＰＥＴＥＯＳ酸化物あるいは同様な層の上に堆積されるとしても、ＦＢＰＳＧ層の中のフッ素原子はＦＢＰＳＧ層から移動する十分な時間がない。
【００１２】
本発明のこの実施例及び他の実施例は、本発明の多くの利点及び特徴と共に、以下の本文及び添付図面と関連してより詳細に説明される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１Ａは、具体例の集積回路１２がその上に形成されたシリコン基板１０の単純化された断面図である。図１Ａに示すように、集積回路１２は、ポリサイド導電性ライン及びポリサイド・ゲート構造のような複数の隆起構造１４と、その隆起構造の上に堆積された絶縁層１６を有する。絶縁層１６は、ライニング層１８及びＢＰＳＧギャップ充填層２０を有する。ライニング層１８は、ギャップ充填層２０を基礎基板及び隆起した特徴から分離し、湿気及びイオンによるコンタミネーションが、基礎基板及び隆起した特徴に浸透することを防止するのに役立っている。
【００１４】
ライニング層１８は、通常アンドープ酸化珪素層あるいは窒化珪素層である。アンドープ酸化珪素層１８を形成する１つの一般的な方法は、前駆体ガスとしてＴＥＯＳ及び酸素を使用するプラズマＣＶＤプロセスである。窒化珪素層１８を形成する１つの一般的な方法は、前駆体ガスとしてシラン及び窒素を使用する減圧ＣＶＤプロセスである。図１Ａは、平坦化あるいは層のリフローをする以前のＢＰＳＧ層２０を示す。さらに図１Ａは、その中にＢＰＳＧ層が堆積される隣接する任意の２つの隆起構造１４の間のギャップのアスペクト比（幅に対する高さの比率）が十分に高いときに、堆積中にＢＰＳＧ層内に形成される可能性のあるボイド２２を示す。実際の集積回路の製造において一般的であるように、図１Ａはボイド２２を示し、ボイド２２は、高アスペクト比で狭い幅のギャップ２４内には形成されるが、低アスペクト比で広い幅のギャップ２６内には形成されない。
【００１５】
図１Ｂは、ＢＰＳＧ層２０がリフローされた後の集積回路１２を示す。図から明白なように、リフロー・プロセスは、層２０の平滑化すなわち平坦化をもたらし、理想的にはボイド２２の充填をもたらす。図１Ｂに示すようにボイド２２が完全に充填されるかどうかは、温度、使用されるリフロー・プロセスの長さとタイプ、ＢＰＳＧ層の硼素及び燐の濃度、ＢＰＳＧ層２０がフッ素のようなハロゲン元素でさらにドーピングされるかどうか、また他の要因の中でも特にボイドの形状に依存する。たとえば、当業者に既知であるように、所定のＢＰＳＧ層２０のガラス転移温度（リフロー温度）は、その層の硼素及び燐のドーパント濃度に部分的に依存する。標準のＢＰＳＧ膜は、重量パーセント２から６の硼素濃度、重量パーセント２から９の燐濃度及び重量パーセント約１１以下の合成ドーパント濃度（硼素及び燐）を通常有する。一般的に言えば、ＢＰＳＧ層の硼素濃度を増やすと、層のリフロー温度は低下できる。しかし、６重量パーセント以上の硼素濃度レベルにおいては、所定のＢＰＳＧ層は、おそらく湿気及び拡散の問題の影響を受けやすいであろう。
【００１６】
図１Ａ及び図１Ｂは一般的な構造であり、本発明の実施例ならびに従来技術の実施例を表す。
【００１７】
すでに上述したように、膜の中にボイド２２が形成されることを排除するリフロー・プロセスの能力を含み、層２０のリフロー特性を改善する既知の方法は、膜堆積プロセスの間にＢＰＳＧ層にハロゲン元素を取り入れることである。ＢＰＳＧ層内に含有するべき最も一般的なハロゲン元素はフッ素である。気化したＴＥＦＳのようなフッ素含有ソースガスをＢＰＳＧプロセスガスに添加することにより、フッ素をＢＰＳＧ膜に取り入れることができる。
【００１８】
しかしながら、リフロー特性改善のためにＢＰＳＧ層がフッ素あるいは他のハロゲン元素を含むと、ライニング層１８の物理的な特性及びＢＰＳＧ層２０を平坦化するのに用いられるリフロー・プロセスのタイプが、ＢＰＳＧ層のリフロー特性に多大な影響を与えることを本発明者は発見した。以前には未知であったこれらの事実を発見して、本発明者はＦＢＰＳＧ膜について多数の実験を行い、ＦＢＰＳＧ膜の限界を試験し、ＦＢＰＳＧ膜のギャップ充填能力を改善しようと試みた。これらの実験の１つにおいて、３×８ＦＢＰＳＧ層（３重量パーセントの硼素、８重量パーセントの燐）が、ＬＰ窒化物基礎層１８の上に堆積され、８００℃で３０分間ドライなＮ2雰囲気中でアニールされた。膜は０．７重量パーセントのフッ素を含有している。
【００１９】
図２Ａは、リフロー・プロセス後の３×８ＦＢＰＳＧ層４０を示す走査型電子顕微鏡写真の略図である。図２Ａに示すように、堆積されたＦＢＰＳＧ層は、約４対１のアスペクト比を有する狭い幅のギャップ４２を、ボイドの形成無しに充填することが可能であった。図２Ａは、基板５０上に形成された隆起構造４６の上に堆積されたＬＰ窒化物層４４をさらに示す。
【００２０】
しかしながら、ＦＢＰＳＧ層がＰＥＴＥＯＳ酸化膜層の上に堆積された場合に、同じ堆積プロセス（３×８ＦＢＰＳＧ膜）及びリフロー・プロセス（Ｎ2雰囲気中で３０分間８００℃でアニール）が、同じ寸法のギャップを適切に充填できないことを、本発明者は発見した。図２Ｂは、結果として生じた構造を示す走査型電子顕微鏡写真の略図である。図２Ｂにおいて、リフローステップの後にボイド６８が残留した。図２Ｂは、ＦＢＰＳＧ層６０、ＰＥＴＥＯＳ酸化物層６４、狭い幅の４対１アスペクト比のギャップ６２及び基板７０の上に形成された隆起構造６６をさらに示す。
【００２１】
本発明者は、図２Ｂに示すＦＢＰＳＧ膜のギャップ充填能力が、フッ素の添加無しで堆積された３×８ＢＰＳＧ層のギャップ充填能力と、大幅に異ならないことをさらに発見した。すなわち、リフロー・プロセスの後に、図２Ａ及び図２Ｂに示すＦＢＰＳＧ膜と（フッ素なしで）同じ寸法の隆起構造上に同じ方法で堆積されリフローされた３×８ＢＰＳＧ層は、図２Ｂに示すボイド６８と同様なボイドを有する。
【００２２】
上述の試験及び他の試験の結果を分析した結果、従来炉アニーリング・プロセスを用いて層がリフローされた場合には、ＦＢＰＳＧ層のギャップ充填特性は、ＦＢＰＳＧ膜が堆積された層のタイプに少なくとも部分的に依存すると本発明者は結論づけることができた。本発明者は、次に一連の実験を行い、急速昇降温パルス（ＲＴＰ）方法を用いて層をリフローした。すでに上述したように、ＲＴＰ及び従来炉アニールプロセスは、当業者により通常ある程度等価であると考えられている。一方のプロセスが他方のプロセスに対して特別の利点がいくらかあった場合、ウェットな（スチーム）雰囲気を有する従来炉におけるＢＰＳＧ層のアニールが、ＲＴＰ法を用いた場合より良いギャップ充填特性をもたらし、また乾式従来炉アニールはギャップ充填特性に関してＲＴＰ法に基本的に等価であることを、当業者は一般に確信している。湿式炉アニールがこの点に関して優れていることは、比較的長い（たとえば、２０−４０分）炉アニール・プロセスの間に、スチームがＢＰＳＧ層に侵入することが可能であり、その結果、層のリフローを改善するからと、通常信じられている。ＲＴＰリフロー・プロセスは、膜の厚さを通してスチームがギャップの中に拡散するにはプロセスが十分長くないので、スチームを用いた場合と同じ利点を実現できず、膜のリフローにおいて著しい差を生じる。
【００２３】
しかしながら、驚くべきことに、ＲＴＰプロセスでＰＥＴＥＯＳ酸化珪素層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層のアニールが、ＦＢＰＳＧ層のギャップ充填特性において著しい改良をもたらしたことを、本発明者は発見した。たとえば、図２Ｂに関してすでに説明したＰＥＴＥＯＳ酸化層の上に堆積された３×８ＦＢＰＳＧ層が、９５０℃で２０秒間Ｎ2雰囲気中でＲＴＰプロセスを用いてアニールされたとき、この層は、ギャップ間にボイド６８を形成することなく、ギャップ６２を完全に充填することが可能であった。さらに、この層の平坦化の程度は、従来のアニール・プロセスを用いて長時間（３０分、８００℃）リフローした層の平坦化の程度と比べて本質的に同じであった。
【００２４】
特定の理論には制限されないが、ＦＢＰＳＧ層をリフローするために従来炉アニールの代わりにＲＴＰアニール・プロセスを用いて実現された予期しない良い結果は、層内のフッ素の高い移動度の結果であると本発明者は考える。ＰＥＴＥＯＳ酸化珪素層の上にＦＢＰＳＧ層を堆積した実験において、ＦＢＰＳＧ層からのフッ素は、ＦＢＰＳＧ層からＰＥＴＥＯＳ層の中へ、またＰＥＴＥＯＳ層の下の基板の中へ急速に拡散したと、本発明者は考える。さらに、このようなフッ素原子の拡散は、アニール・プロセスの初期のステップ、たとえば、最初の５−１０分の間に多分起きていると考えられる。上に述べたように、アニール・プロセスの大部分に対して、リフロー・プロセスの間に層の粘性を増加させ、したがって層のリフロー特性を改善するものと示された、フッ素原子の恩恵をＦＢＰＳＧ層は受けていない。リフロー・プロセスの大部分に対してこの恩恵を失って、このリフロー・プロセスは、他の方法では充填することができた実質的にボイドが無い方法で、高アスペクト比で幅の狭いギャップを充填することができない。
【００２５】
ＬＰ窒化物層は、ＰＥＴＥＯＳ層（約２．２ｇ/ｃｍ3）より、著しく高密度（約２．８−３．１ｇ/ｃｍ3）である。したがって、ＬＰ窒化物層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層が従来炉でアニールされたとき、ＬＰ窒化物層はフッ素原子の窒化物層及び基板の中への拡散を遅くする拡散障壁として作用したと、本発明者は考える。
【００２６】
さらに詳細な試験は、従来炉アニール中に高いリフロー温度を使用すると、ＬＰ窒化物層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層のリフロー特性を悪化させることを示した。これは、他の要因は等しいとして、リフロー温度が高ければ一般にギャップ充填特性及び平坦化特性は良くなると、通常予想されることとは反対である。しかし、リフロー温度が高ければ、リフロー温度が低いときよりも、フッ素が窒化物層を介してより速く拡散すると本発明者は考える。上に述べたように、従来炉内で高温でリフローされたＦＢＰＳＧ層は、低温でリフローされたものより早くフッ素を奪われ、したがってＦＢＰＳＧ膜に対するフッ素分与(fluorine impart)の恩恵を失う。
【００２７】
図３は本発明の方法を示すフローチャートである。図３に示すように、本方法は、フッ素あるいは他のハロゲンドープトＢＰＳＧ層を堆積することと（ステップ１１０）、次にＲＴＰリフローステップ（ステップ１２０）を用いてＢＰＳＧ層をリフローすることとを含む。ＲＴＰリフローステップ１２０は、通常９００℃以上の温度に約２０−９０秒間ＢＰＳＧ層を加熱し、本発明の被譲渡人であるアプライド・マテリアルズ製のＣｅｎｔｕｒａTMＲＴＰのような市販のＲＴＰ炉でおこなうことができる。このような市販のＲＴＰ炉は、一般に±５０−１００℃/秒のような高いウェーハ温度変化率を可能にする。ステップ１２０でＦＢＰＳＧ層をリフローするのに使用可能なＲＴＰ炉の更なる詳細な説明は、米国特許第５，１５５，３３６号、Gronet他による"Rapid Thermal Heating Apparatus and Method”で述べられている。米国特許第５，１５５，３３６号は、本発明の被譲渡人であるアプライド・マテリアルズに譲渡され、その全体が参考文献として本明細書に含まれる。
【００２８】
ＲＴＰリフローステップ１２０を用いることで、ＦＢＰＳＧ層に取り入れられたフッ素がＦＢＰＳＧ層から完全に拡散してしまう時間がないような高速で膜のリフローは達成される。これで、ＦＢＰＳＧ層はフッ素を取り入れることによる十分な恩恵を得る。その結果、ＲＴＰによりリフローされたＦＢＰＳＧ層が、従来炉でＦＢＰＳＧ層をリフローすることに比べて優れたギャップ充填結果へ到達することを可能にする。この優れた結果は、図２Ａ及び図２Ｂに示すような、ある程度の小さい幅の、高アスペクト比のギャップの充填においては顕著なことであり得る。所定の寸法のギャップを充填する場合、図２Ａに示すように、本発明のプロセスは実質的にボイドがない方法でギャップを充填することができる。一方、従来炉で膜をリフローすると、図２Ｂに示すように、同じギャップの中にボイドを生ずる可能性がある。
【００２９】
ステップ１１０においてＦＢＰＳＧ層を堆積する前に、本発明による方法の好適な実施例は、アンドープ酸化珪素あるいは窒化珪素層のようなライニング層を基板上に堆積するステップ（ステップ１００）を有する。ステップ１１０で堆積されたＦＢＰＳＧ層が酸化珪素ライニング層の上に堆積される場合に、本発明による方法が特に有用であることはすでに説明されたが、本発明による方法は窒化珪素層の上に堆積されるときにも有用である。例として、従来炉でリフローされたＦＢＰＳＧ層のギャップ充填特性を最大にするために、ＦＢＰＳＧ層は、１）窒化珪素層あるいは同様な密度の基礎層の上に堆積されなければならない、２）約７５０℃以下の比較的低いリフロー温度でリフローされなければならない、と本発明者は判断した。低いリフロー温度を使用すると、長いリフロー・プロセスあるいは完全に平坦化されない膜の、いずれかあるいは両方をもたらす。ＦＢＰＳＧ層のリフロー特性は、ＦＢＰＳＧ層が酸化珪素下層（あるいは、フッ素に対して酸化珪素に類似した拡散特性を有する基礎層）の上に堆積されるか、あるいはＦＢＰＳＧ層が、窒化珪素層の上に堆積され、従来炉内で比較的高温（たとえば、約８００℃を超える）で層をリフローすることによってのみ実現できるリフロー特性あるいは平坦化特性を必要とする場合に、本発明による方法によって恩恵を得ることができる。
【００３０】
ステップ１１０は、約０．５から３．０の間の重量パーセントのフッ素を有するＦＢＰＳＧ膜を堆積する。一般的に言えば、膜にフッ素を多く取り入れるほど、膜のリフロー特性は良くなる。しかし、高いフッ素濃度は膜安定性と耐湿性問題をもたらす。
【００３１】
好適な実施例において、ＦＢＰＳＧ層はホットウォール・ＬＰＣＶＤチャンバではなくコールドウォール・ＣＶＤ堆積チャンバで堆積される。このようなコールドウォール・ＣＶＤチャンバの１つの特定の実施例は、アプライド・マテリアルズ製のＧｉｇａｆｉｌｌTMチャンバである。このようなチャンバの詳細な説明は、米国特許出願番号第０８／７４８，８８３号、Zhao他による"Systems and Methods for High Temperature Processing Semiconductor Wafers"で述べられている。米国特許出願番号第０８／７４８，８８３号は、１９９６年１１月１３日に出願され、本発明の被譲渡人であるアプライド・マテリアルズに譲渡され、その全体が参考文献として本明細書に含まれる。
【００３２】
ＧｉｇａｆｉｌｌTMチャンバのようなコールドウォール・チャンバ内での膜の堆積は、ウェーハ温度均一性の改良（ウェーハはペデスタル上で直接加熱される）を可能にし、不要なガスフェーズ反応を最小限度に抑え（パーティクルの減少をもたらす）、高い堆積圧力（１０トルを超える）の使用を可能にする。このような高い圧力は、高いガス流量、より均一なガス流、低い堆積温度における高い膜堆積速度及びより良い膜特性を可能にする。
【００３３】
現在の好適な実施例においては、ＦＢＰＳＧ層は、ＴＥＯＳ、ＴＢＦＳ、オゾン、ＴＥＢ及びＴＥＰＯのプロセスガスによりＳＡＣＶＤプロセスを用いて堆積される。当業者により理解されるように、実際の流量及び他の処理条件は、使用される堆積チャンバのタイプと容積、ならびに所望の膜特性によって変化する。８インチ・ウェーハ用に必要な装備を施されたＧｉｇａｆｉｌｌTMチャンバ内でＦＢＰＳＧ層が堆積される特に好適な実施例において、堆積は２００トル、４８０℃において行われる。プロセスガスは、６００ｍｇｍの５０％ＴＥＰＳと５０％ＴＥＯＳの混合体、８０ｍｇｍのＴＥＢ及び７０ｍｇｍのＴＥＰＯに対してキャリアガスの作用をする１２重量パーセントのオゾン（４０００ｓｃｃｍ）及び６０００ｓｃｃｍのヘリウムを含む。ＴＥＯＳ／ＴＥＦＳ、ＴＥＢ及びＴＥＰＯのそれぞれは、液体射出装置で気化され、次にヘリウム・キャリアガスと混合される。
【００３４】
ＴＥＯＳとＴＥＦＳの両方をプロセスガスの中に含有すると、膜の堆積特性の改良をもたらすことを、本発明者は発見した。高いＴＥＯＳ流量は、ＦＢＰＳＧ膜の堆積速度、エッチング速度、密度及び安定性の改良を通常もたらす。他方、高いＴＥＦＳ流量は膜のリフロー特性を通常改善し、したがって、良いギャップ充填特性をもたらす。膜特性の変化は混合濃度に直接比例しないので、約５０／５０のＴＥＯＳとＴＥＦＳの比率は、２者の間の理想的なバランスであると現在考えられている。
【００３５】
さらに他の実施例において、層の安定性を改善するために、堆積されたＦＢＰＳＧ層は任意選択の処理ステップ１１５を条件とする。２つの異なる処理ステップ１１５が、膜安定性を改善することが発見された。各々の主な目的は、ドーパントと相互に作用し、膜不安定性を起こす可能性がある吸湿を防止することである。第一に、ＵＳＧあるいは窒化物保護膜層がＦＢＰＳＧ層の上に形成される。保護膜層は、熱プロセスあるいはプラズマプロセスで堆積できるが、ＦＢＰＳＧ層のリフロー特性に悪影響を与えないように、比較的薄く（たとえば、約６０オングストローム）するべきである。第二の処理は、膜の密度を高め、層の上に非常に薄い（約２０オングストローム）ＳｉＯｘＮｙ膜を形成するために、堆積されたＦＢＰＳＧ膜を短い窒素（Ｎ2）プラズマにさらす。１つの具体的な実施例において、Ｎ2プラズマ処理は、１．５トル及び４００℃で５０秒間の、２０００ｓｃｃｍのヘリウムの流れと５０ｓｃｃｍのＮ2の流れからプラズマを形成する。プラズマは、４５０キロヘルツで７００ワットの高周波エネルギーを加えることにより形成される。
【００３６】
【詳細な実験の結果】
その動作理論を試験するために、アニール・プロセスの前後にＦＢＰＳＧ層内のフッ素濃度を測定する一連の実験を本発明者は行った。図４Ａから図４Ｄは、従来炉（ＭＲＬ水平炉）でアニールされたＦＢＰＳＧ膜についてのこれらの実験結果を示す。具体的にいうと、図４Ａは、Ｎ2雰囲気を有する従来炉で８００℃において３０分間のリフローステップの後に、ＰＥ酸化物層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度を示す。図４Ｂは、同じアニールの後にＬＰ窒化物層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度を示す。また図４Ｃと図４Ｄは、同じアニールの後にスチーム酸化物(steam oxide)下層とＰＥ窒化物下層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度をそれぞれ示す。
【００３７】
アニール・プロセスの前に、各々の膜内のフッ素濃度は、約ｌ×１０21atoms/cm2であった。また、どの基礎層の中にも本質的にフッ素（背景レベルのみ）は存在しなかった。これらの図のそれぞれで明白なように、リフロー・プロセスの後に膜内に残留しているフッ素濃度、ライン８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ及び８０Ｄ、は、初期濃度及び基礎層の中に移動したフッ素よりも大幅に少ない。さらに、各窒化物基礎膜は、膜とＦＢＰＳＧ層の間の境界面で高いフッ素濃度を示した。このフッ素の増加は、ＦＢＰＳＧ層から窒化物層にフッ素原子が移動することが困難な結果であると本発明者は考える。このような増加は、酸化膜基礎層には存在しない。
【００３８】
図５Ａから図５Ｄは、本発明による方法にしたがってＲＴＰ炉（アプライド・マテリアルズ製のＣｅｎｔｕｒａTMＲＴＰ）でアニールされたＦＢＰＳＧ膜におけるこれらの実験の結果を示す。具体的にいうと、図５Ａは、Ｎ2雰囲気で９５０℃において２０秒間のＲＴＰリフローステップの後に、ＰＥ酸化膜層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度を示す。図５Ｂは、同じＲＴＰアニールの後に、ＬＰ窒化物層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度を示す。また図５Ｃと図５Ｄは、同じＲＴＰアニールの後に、スチーム酸化物下層とＰＥ窒化物下層の上に堆積されたＦＢＰＳＧ層内に残留しているフッ素の濃度をそれぞれ示す。
【００３９】
図５Ａから図５Ｄの方法によってリフローされたＦＢＰＳＧ層の平坦化は、図４Ａから図４Ｄの方法によってリフローされたＦＢＰＳＧ層の平坦化と本質的に同等であった。さらに、膜の初期フッ素濃度も本質的に同等であった。上に述べたように、アニール・プロセスの前に、各々の膜内のフッ素濃度は約ｌ×１０21 atoms/cm2であり、また、どの基礎層の中にも本質的にフッ素は存在しなかった（背景レベルのみ）。図５Ａから図５Ｄで明白なように、ＲＴＰリフロー・プロセスの後にＦＢＰＳＧ膜内に残留しているフッ素の濃度、ライン８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ及び８２Ｄは、膜内の初期フッ素濃度に類似している。さらに、フッ素はほとんどわずかしか基礎層の中に移動していない。
【００４０】
要約すれば、ＦＢＰＳＧ層をリフローするためにＲＴＰアニール・プロセスを使用することは、従来炉でＦＢＰＳＧ層をリフローすることと比較して、著しくギャップ充填を改善することを本発明者は発見した。ＦＢＰＳＧ層がＬＰ窒化物層（２．８−３．１ｇ/cm3の概略密度）あるいはＰＥ窒化物層（２．５−２．８ｇ/cm3の概略密度）のような比較的高密度の基礎層の上に堆積されたときと比較して、ＦＢＰＳＧ層が、ＰＥ酸化物層（約２．２ｇ/cm3の密度）といった、２．５ｇ/cm3以下の密度を有する層の上に堆積されるとき、このような改善は特に注目に値する。
【００４１】
本発明のいくつかの実施例を十分に説明したが、本発明の他の多くの等価物あるいは代替の実施例は当業者には明白であろう。これらの等価物及び代替の実施例は、本発明の範囲に含まれると解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａは、シリコン基板の単純化された断面図である。このシリコン基板は、その上に具体例としての集積回路が部分的に形成されており、集積回路の上には、本発明による方法にしたがって堆積され平坦化されたＢＰＳＧ層を形成することができる。Ｂは、ＢＰＳＧ層が平坦化された後の図１Ａに示すシリコン基板の単純化された断面図である。
【図２】Ａは、本発明の実施例によってリフローされた後のＢＰＳＧ層４０を示す走査型電子顕微鏡写真の略図である。Ｂは、従来技術によるリフロー法を用いて層がリフローされた後の、ボイド６８を有するＢＰＳＧ層６０を示す走査型電子顕微鏡写真の略図である。
【図３】本発明の方法の実施例のステップを示すフローチャートである。
【図４】Ａは、ＦＢＰＳＧ膜が従来炉でアニールされたときの、ＦＢＰＳＧ膜からＰＥ酸化物層へのフッ素原子の移動度を示すグラフである。Ｂは、ＦＢＰＳＧ膜が従来炉でアニールされたときの、ＦＢＰＳＧ膜からＬＰ窒化物層へのフッ素原子の移動度を示すグラフである。Ｃは、ＦＢＰＳＧ膜が従来炉でアニールされたときの、ＦＢＰＳＧ膜からスチーム酸化物下層へのフッ素原子の移動度を示すグラフである。Ｄは、ＦＢＰＳＧ膜が従来炉でアニールされたときの、ＦＢＰＳＧ膜からＰＥ窒化物下層へのフッ素原子の移動度を示すグラフである。
【図５】Ａは、本発明の方法によってＦＢＰＳＧ膜がリフローされた後の、ＦＢＰＳＧ膜の中のフッ素原子の保持を示すグラフである。Ｂは、本発明の方法によってＦＢＰＳＧ膜がリフローされた後の、ＦＢＰＳＧ膜の中のフッ素原子の保持を示すグラフである。Ｃは、本発明の方法によってＦＢＰＳＧ膜がリフローされた後の、ＦＢＰＳＧ膜の中のフッ素原子の保持を示すグラフである。Ｄは、本発明の方法によってＦＢＰＳＧ膜がリフローされた後の、ＦＢＰＳＧ膜の中のフッ素原子の保持を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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