專利名稱：改善純硅玻璃與磷硅玻璃界面缺陷的方法及其含磷結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種改善純硅玻璃(USG)與磷硅玻璃(PSG)界面缺陷的方法及其所形成的含磷結構，特別涉及一種藉由階段式地控制磷化氫的流量，而改善USG與PSG的界面缺陷的方法。
背景技術：
在半導體制造工藝中，硅的應用十分廣泛。許多制造工藝中常用的材料，不論導體、半導體，或者介電材料，均與元素“硅”有關。如導體中的硅化鎢(WSix)、鎢(W)及鈦(Ti)，半導體中的多晶硅，和介電材料中的二氧化硅(SiO2)及氮化硅(Si3N4)等都是以“硅”為基礎衍生而來的。以介電材料(dielectric)為例，非摻雜硅玻璃(純二氧化硅)(Undoped silicate glass，USG)、磷硅玻璃(Phospho-silicate glass，PSG)和硼磷硅玻璃(Borophosphosilicateglass，BPSG)是目前應用最廣泛的介電材料。
請參照圖1，該圖示出了硅元素應用于金屬氧化半導體晶體管上的位置示意圖。在金屬氧化物半導體晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Transistor，以下簡稱MOS)100中，硅基板102上的晶體管柵極(Gate)由柵極氧化層(GateOxide)103、多晶硅(Polysilicon)104和硅化鎢(WSix)106層疊而成。一般而言，是以干式氧化法將清洗過后的硅基板102上的有源區(qū)域表面的硅氧化成厚度約為100～250_的二氧化硅，以作為MOS的柵極氧化層103。而形成于柵極氧化層103上方的多晶硅104，其厚度約為2000～3000_。至于導電能力比多晶硅104強的硅化金屬層(一般多選用硅化鎢106)則沉積于多晶硅104上方。由于硅化金屬層對二氧化硅的附著能力不佳，且容易產生界面化合物，因此，需要在硅化鎢106和柵極氧化層103之間加入一層多晶硅104，故選用多晶硅104和硅化鎢106二層作為柵極導電層。另外，應用硅元素的還有位于柵極導電層兩側的間隔氧化物(Spacer Oxide)107。在MOS金屬化之前的內層介電層(Inter-Layer Dielectrics)110材料則多選用磷硅玻璃(PSG)。
圖1的右半部顯示出了MOS中具有的接觸窗結構。用來連結下層金屬導線112和硅基板102漏極與源極PN接合相接觸的接點，稱為接觸窗金屬、或接觸窗插塞(Contact Plug)114，而連結上下兩層金屬導線的部分則稱為仲介窗插塞(Via Plug)(未顯示于圖中)。在MOS制造過程中，一般以蝕刻方法將部分內層介電層110挖空至襯底氧化層(Liner Oxide)108，再填入金屬鎢以形成鎢插塞。其中，襯底氧化層108是利用干氧方式在高溫下(約900～1100℃)氧化硅表面，而形成厚度約為200～400_的二氧化硅，因此其材料為非摻雜的硅玻璃(USG)。
在傳統的MOS制造過程中，以蝕刻方法將部分內層介電層110挖空至襯底氧化層108時，兩者之間的界面(interface)因為PSG含磷量過高，蝕刻后界面存在缺陷(interface kink)。而內層介電層110與襯底氧化層108界面的PSG的含磷量則與PSG形成的過程有關。
磷硅玻璃(PSG)，是一種含磷的二氧化硅。它可以在產生二氧化硅的反應裹，加入少量的磷化氫(Phosphine，PH3)而得到。反應式如下
此反應一般在常壓且溫度約400℃下進行，屬于常壓化學氣相沉積(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition，APCVD)的一種應用。上述反應亦可采用等離子增強化學氣相沉積工序在低壓環(huán)境中完成。其中，硅烷(Silane，SiH4)和氧反應生成二氧化硅；而磷化氫(PH3)與氧反應生成氧化磷(P2O5)，并包含在二氧化硅的沉積薄膜里面。至于PSG內的磷含量，可通過控制磷化氫(PH3)的流量進行調節(jié)。通常使磷化氫通過一質量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)，其旁通閥裝置(by-pass valve)的開或關可決定磷化氫是否加入反應。
然而，由于磷化氫(PH3)氣體的粘度較高，因此當其流經質量流量控制器一段時間后，閥裝置若關閉，會有少許側漏。當下次要再通入磷化氫氣體時，原先已經在閥口處累積的磷化氫氣體，因閥裝置打開，殘余在閥口的磷化氫氣體會隨著后來通入的磷化氫氣體一起沖出，而造成超量(overshooting)。圖2A示出了傳統方法中反應生成PSG時反應氣體與時間的關系。其中，圈圈部分代表磷化氫氣體有超量的情況發(fā)生。請同時參照圖2B，該圖為圖2A中的磷化氫氣體含量與沉積玻璃厚度的相關示意圖。當磷化氫氣體尚未加入反應時(即磷含量＝0％)，硅烷(SiH4)和氧反應生成純二氧化硅，即非摻雜的硅玻璃(USG)208。當磷化氫氣體加入反應后，隨即生成磷硅玻璃(PSG)210。而USG 208和PSG 210的交界處(相對于磷化氫氣體超量處)則生成磷含量較高的PSG 212。此類磷化氫超量(overshooting)問題在質量流量控制器停止一段時間再啟用時，更為嚴重。
在后續(xù)的工序中，如在PSG以蝕刻方法挖出接觸窗(圖1)，磷含量較高的PSG 212硬度較低，會使蝕刻率增加，造成此處過度蝕刻，形成所謂的界面凹陷(Interface Kink)，而影響組件特性。如圖3所示，其為傳統工序中PSG蝕刻后的電子顯微照片。電子顯微照片(SEM Micrograph)中，深色線條即為界面凹陷處。

發(fā)明內容
據此，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種改善純二氧化硅(USG)與磷硅玻璃(PSG)界面缺陷的方法，通過階段式地增加磷化氫的流量直至最終設定值，以緩慢帶出殘留于流量控制器的閥口的磷化氫，而避免磷化氫超量(overshooting)，進而改善USG與PSG的界面缺陷(interface kink)。
為解決上述問題，本發(fā)明提出了一種改善純二氧化硅(USG)層與磷硅玻璃(PSG)層的界面缺陷的方法，其中，磷硅玻璃層沉積于純二氧化硅層上方，通過一流量控制裝置調節(jié)磷化氫(PH3)氣體的流量而形成磷硅玻璃層，進行主要沉積工序(Main Dep.)時，磷化氫(PH3)氣體的流量需達X sccm(X為大于1的正數)，本發(fā)明的方法為將磷化氫(PH3)氣體的流量自0 sccm開始階段式地增加，直至流量達Xsccm為止。
其中，磷化氫(PH3)氣體的流量可依等差級數(arithmetical progression)方式、等比級數(geometric progression)方式、或隨機方式階段式地增加。
另外，依照本發(fā)明，所產生的一含磷的界面層位于純二氧化硅(USG)層與磷硅玻璃(PSG)層之間，其磷含量自0％開始階段式地增加至100％，且界面層的總厚度至少大于100_。


為使本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，特舉一優(yōu)選實施方式并結合附圖作詳細說明如下圖1為硅元素應用于金屬氧化半導體晶體管上的位置示意圖；圖2A是傳統方法中反應生成PSG時反應氣體與時間的關系圖；圖2B是圖2A所示的磷化氫氣體含量與沉積玻璃厚度的相關示意圖；圖3為傳統工序中PSG蝕刻后的電子顯微照片；圖4A是本發(fā)明的方法中反應生成PSG時反應氣體與時間的關系圖；圖4B是圖4A所示的磷化氫氣體含量與沉積玻璃厚度的關系示意圖；圖5為應用本發(fā)明的方法于PSG蝕刻后的電子顯微照片。
附圖標號說明102硅基板103柵極氧化層(Gate Oxide)104多晶硅(Polysilicon)106硅化鎢(WSix)107間隔氧化物(Spacer Oxide)108襯底氧化層(Liner Oxide)110內層介電層(Inter-Layer Dielectrics)112下層金屬導線114接觸窗插塞(Contact Plug)208、408純硅玻璃(USG)210、410磷硅玻璃(PSG)212、412磷含量較高的PSG具體實施方式
本發(fā)明的方法是將磷化氫(PH3)的流量自小而大漸漸增加，以改善傳統方法在一開始就使磷化氫的流量達到設定值(servo value)所造成的磷超量(Overshooting)現象。下面舉一優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。
形成磷硅玻璃(PSG)的反應式如下
此反應在常壓下進行，且反應溫度約400℃。本反應亦可采用等離子增強化學氣相沉積工序在低壓環(huán)境中完成。其中，硅烷(Silane，SiH4)和氧反應生成二氧化硅；而磷化氫(PH3)與氧反應生成氧化磷(P2O5)，并包含在二氧化硅的沉積薄膜里面。使磷化氫通過一質量流量控制器(Mass Flow Controller，MFC)，其旁通閥裝置(by-pass valve)的開或關可決定磷化氫是否加入反應。因此，磷硅玻璃(PSG)內的磷含量，可通過控制磷化氫(PH3)的流量進行調節(jié)。
在傳統的制造過程中，進行磷硅玻璃(PSG)沉積時(以下簡稱主要沉積(Main Dep.))，若磷化氫的流量需要達到10sccm，則直接將質量流量控制器(MFC)設定在10sccm，因此，磷含量就在很短的時間內從0變化至10sccm，而帶出原先殘余在閥口的磷化氫氣體，造成磷含量超量(overshooting)，如圖2A、2B所示。試驗結果顯示若在1秒內，磷含量從0劇增至10sccm，則于USG和PSG的交界處(即圖2B中磷含量較高的PSG 212)，所形成的界面厚度約100_。
在本發(fā)明中，進行主要沉積(Main Dep.)時，若磷化氫的流量需要達到10sccm，則將質量流量控制器(MFC)按階段式設定，將流量自0逐步增加至10sccm。例如0sccm→2sccm→5sccm→10sccm其中，磷化氫流量設定為2sccm時，時間設定為2秒；接著，設定磷化氫流量為5sccm，時間為4秒；最后磷化氫流量才增加至10sccm，進入主要沉積步驟。試驗結果顯示于USG 408和PSG 410的交界處(即圖4B中磷含量較高的PSG 412)所形成的界面厚度約600_。
應用本發(fā)明的方法，階段式的逐步增加磷化氫流量，漸漸帶出原本殘留在閥口處的磷化氫氣體，以避免傳統方法所造成的磷化氫超量(overshooting)。如圖4A所示，該圖為本發(fā)明的方法中反應生成PSG時反應氣體與時間的關系圖。與圖2A相比，原先磷化氫超量的部分在圖4A中已呈現緩和。請同時參照圖4B，該圖為圖4A所示的磷化氫氣體含量與沉積玻璃厚度的關系示意圖。當磷化氫氣體尚未加入反應時(即磷含量＝0％)，硅烷(SiH4)和氧反應生成純二氧化硅，即非摻雜的硅玻璃(USG)408。當磷化氫氣體加入反應后，隨即生成磷硅玻璃(PSG)410。而USG 408和PSG 410的交界處，則生成磷含量較高的PSG 412。與圖2B相比，本發(fā)明的磷含量較高的PSG 412的厚度大于傳統的磷含量較高的PSG 212。
圖5為應用本發(fā)明的方法于PSG蝕刻后的電子顯微照片。圖5的電子顯微照片(SEM Micrograph)顯示，已沒有如圖3所示的深色線條，即界面凹陷(Interface Kink)的現象在應用本發(fā)明的方法后已得到較好的改善。
雖然上面以0sccm-2sccm-5sccm-10sccm為例進行了說明，然而本發(fā)明的方法并不限于此種設定組合。也可使用其他組合，例如0sccm-2sccm-5sccm-8sccm-10sccm、或其他組合。只要是階段式地增加流量至主要沉積工序時的設定值，不論是以等差級數(arithmetical progression)方式、等比級數(geometric progression)方式、或是無特殊規(guī)律但是階段式增加，即符合本發(fā)明的技術特征。若再與時間稍微延長相結合，更可消除磷化氫超量的現象。
本發(fā)明的方法是在磷化氫流量達到最終設定值之前，利用階段式地增加磷化氫的流量，或(再)使時間略微延長，可緩慢帶出殘留于閥口的磷化氫，避免了磷化氫在短時間內沖出閥口所造成的磷化氫劇增現象，進而達到改善USG襯底氧化物與PSG的界面缺陷的目的。因此，應用本發(fā)明的方法可避免接觸窗因過度蝕刻而破裂，從而提高了半導體制造過程中元件在單位時間的輸出量(WPH)。
綜上所述，雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施方式披露如上，但這并非是對本發(fā)明的限定，任何所屬領域的普通技術人員在不脫離本發(fā)明的構思和范圍的前提下，均可作出各種更改與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應以后附的權利要求書所要求保護的范圍為準。
權利要求
1.一種改善純二氧化硅(USG)層與磷硅玻璃(PSG)層界面缺陷的方法，其中，上述磷硅玻璃層沉積在上述純二氧化硅層上方，通過一流量控制裝置調節(jié)磷化氫(PH3)氣體的流量而形成磷硅玻璃層，進行主要沉積工序時，上述磷化氫氣體的流量需達Xsccm，其中X為大于1的正數，其中，將上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始階段式地增加，直到流量達Xsccm為止。
2.如權利要求1所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，階段式地設定為a1sccm、a2sccm、Xsccm，且0＜a1＜X/4，a2＝X/2。
3.如權利要求2所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量需達到10sccm，且用上述流量控制裝置將磷化氫氣體的流量調節(jié)成0sccm-2sccm-5sccm-10sccm。
4.如權利要求3所述的方法，其中當上述磷化氫氣體的流量為2sccm時，時間為2秒；當磷化氫氣體的流量為5sccm時，時間為4秒。
5.如權利要求4所述的方法，其中所形成的上述純二氧化硅層與磷硅玻璃層的界面厚度約為600_。
6.如權利要求1所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，階段式地設定為a1sccm、a2sccm、a3sccm、Xsccm，且0＜a1＜X/4，a2＝X/2，X/2＜a3＜X。
7.如權利要求1所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，階段式的設定為a1sccm、a2sccm、a3sccm、Xsccm，且0＜a1＜X/4，a2＝X/2，3X/4＜a3＜X。
8.如權利要求7所述的方法，其中上述磷化氫(PH3)氣體的流量需達到10sccm，上述流量控制裝置將磷化氫氣體的流量調節(jié)為0sccm-2sccm-5sccm-8sccm-10sccm。
9.如權利要求1所述的方法，其中上述流量控制裝置為一質量流量控制器。
10.一種改善純二氧化硅層與磷硅玻璃層界面缺陷的方法，其中，上述磷硅玻璃層沉積于上述純二氧化硅層上方，通過一流量控制裝置調節(jié)磷化氫氣體的流量而形成磷硅玻璃層，進行主要沉積工序時，上述磷化氫氣體的流量需達Xsccm，其中X為大于1的正數，其中，將上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始階段式地增加，直到流量達Xsccm為止，且通氣的時間隨著氣體流量的增加而增加。
11.如權利要求10所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以等差級數方式階段式地增加至Xsccm。
12.如權利要求10所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以等比級數方式階段式地增加至Xsccm。
13.如權利要求10所述的方法，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以隨機方式階段式地增加至Xsccm。
14.如權利要求10所述的方法，其中上述流量控制裝置為一質量流量控制器。
15.一種位于一純二氧化硅層與一磷硅玻璃層界面的含磷界面層，其中，上述磷硅玻璃層沉積于純二氧化硅層上方，通過一流量控制裝置調節(jié)磷化氫氣體的流量而形成上述磷硅玻璃層，上述含磷的界面層的特征在于從上述純二氧化硅層至磷硅玻璃層的截面上，上述含磷的界面層的磷含量自0％開始階段式地增加至100％，且上述含磷界面層的總厚度至少大于100_。
16.如權利要求15所述的含磷界面層，其磷含量自0％增加至25％再增至100％，且該含磷界面層的總厚度至少大于100_。
17.如權利要求15所述的含磷界面層，其磷含量通過上述流量控制裝置將磷化氫氣體的流量自0sccm開始階段式地增加，直到流量達Xsccm(含磷量100％)為止。
18.如權利要求17所述的含磷界面層，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以等差級數方式階段式地增加至Xsccm。
19.如權利要求17所述的含磷界面層，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以等比級數方式階段式地增加至Xsccm。
20.如權利要求17所述的含磷界面層，其中上述磷化氫氣體的流量自0sccm開始，以隨機方式階段式地增加至Xsccm。
21.如權利要求17所述的含磷的界面層，其中上述流量控制裝置為一質量流量控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善純二氧化硅(USG)與磷硅玻璃(PSG)界面缺陷的方法，自0開始階段式地增加磷化氫的流量直至最終設定值，以緩慢帶出殘留于流量控制器的閥口的磷化氫，而避免磷化氫超量(overshooting)，進而改善USG與PSG的界面缺陷(interface kink)。其中，磷化氫(PH
文檔編號H01L21/316GK1567545SQ03148448
公開日2005年1月19日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權日2003年6月30日
發(fā)明者林經祥, 陳禮仁, 張國華 申請人:旺宏電子股份有限公司