DE3330032A1

DE3330032A1 - Behandlungsverfahren zum herbeifuehren plastischen fliessens einer glasschicht auf einem halbleiterplaettchen

Info

Publication number: DE3330032A1
Application number: DE19833330032
Authority: DE
Inventors: Daniel Francis Magnolia Mass. Downey
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1982-08-27
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 1984-03-01
Also published as: GB8320090D0; GB2126418B; US4474831A; JPH0263293B2; GB2126418A; FR2532297A1; FR2532297B1; JPS5939031A

Description

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Die Erfindung betrifft die Herstellung von Halbleitervorrichtungen und bezieht sich insbesondere auf das erneute Fließen von Isolierschichten aus Glas auf Halbleitervorrichtungen, damit der bedeckte Oberflächenbereich eine gleichmäßige Abdeckung und an Stufen allmählich verlaufende Abdeckungskanten (Taper) erhält.

Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen werden auf der Oberfläche eines Halbleiterplättchens, typischerweise aus Silizium, mehrere Materialschichten aufgebracht. Diese Schichten können auf verschiedenste Weise aufgebracht werden, z.B. durch Diffusion, Ionenimplantation oder ein chemisches Dampfniederschlagsverfahren. Jede der Schichten hat eine oder mehrere spezifische Funktionen. Mit zunehmender Kompliziertheit und fortschreitender Miniaturisierung der Halbleiter werden die Verfahren zum Herstellen derselben nicht nur spezialisierter sondern auch kritischer.

Als Isolierschicht zwischen leitfähigen-Elementen von Halbleitervorrichtungen wird häufig Phosphorsilicatglas verwendet, bei dem es sich um Siliziumdioxid handelt, welches mit einer vorgeschriebenen Menge Phosphor dotiert ist. Phosphorsilicatglas (PSG) ist wegen seiner Fähigkeit als Alkaliionengetter eingesetzt zu werden, als Passivierungsschicht von Vorteil. Es werden auch PSG-Schichten verwendet, um die Oberflächentopographie in VLS-integrierten Schaltungen zu modifizieren, bei denen die Substrattopographie aufgrund der vielschichtigen Natur des Aufbaus sehr komplex ist. Wenn PSG im chemischen DampfhiederSchlagsverfahr en aufgebracht wurde, ist es ziemlich ungleichmäßig über den Oberflächenbereich der Vorrichtung verteilt und hat eine schlechte Abdeckung an Stufen. . Deshalb hat man die PSG-Schichten bis zu ihrem Erweichungspunkt erhitzt, um ein plastisches Fließen hervorzurufen«, was zu einer gleichmäßigen Dicke und verlaufenden Abdeckungskanten an

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Stufen führt.Eine gleichförmige Abdeckung ist deshalb nötig, weil die isolierenden Eigenschaften der Schicht erhalten werden müssen, während verlaufende Kanten an Stufen nötig sind, um an Stufen in den darunterliegenden Schichten der Vorrichtung einen dielektrischen Durchschlag zu verhüten. Im Fall von VLS-integrierten Schaltungen werden durch das erneute Fließen der PSG-Schicht Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der Vorrichtung geglättet.

Meistens werden PSG-Schichten mit einer Phosphorkonzentration im Bereich zwischen ca. 6% und 10$ verwendet. Bei Phosphorkonzentrationen von weniger als ca. 6% ist der Schmelzpunkt der PSG-Schicht sehr hoch, während bei Phosphorkonzentrationen von mehr als ca. 10$ die PSG-Schicht hygroskopisch wird und Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Vorrichtung hervorruft.

Es sind schon verschiedene Verfahren angewandt worden, um das erneute Fließen von PSG-Schichten hervorzurufen. Ein herkömmliches Verfahren, mit dem das erneute Fließen der PSG-Schicht hervorgerufen wird, besteht in der Behandlung in einem Ofen bei Temperaturen von 100O⁰C bis HOO⁰C während Zeitspannen im Bereich von 10 bis 6o Minuten. Dabei wird üblicherweise eine Stickstoffumgebung gewählt. Hierzu wird verwiesen auf Armstrong et al. "A Scanning Electron Microscope Investigation of Glass Flow in MOS Integrated Circuit Fabri-cation", J. Electrochem. Soc.t Solid State Science and Technology, Bd. 121, Nr. 2, Februar 197^t S. 307. Das erneute Fließen von Phosphorsilicatglas in Öfen ist durch Verwendung von Sauerstoff- oder DampfUmgebungen gefördert worden. Es ist auch festgestellt worden, daß die Dauer und/oder Temperatur für die Ofenbehandlung von Phosphorsilicatglas verringert werden kann, wenn der Umgebungsdruck im Ofen erhöht wird. Hierzu sei verwiesen auf

Razouk et al., "Pressure Induced Phosphosilicate Glass Flow", J. Electrochem. Soc.j Extended Abstracts, Bd. 82-1, Mai 1982, S. 138. Im allgemeinen ist das durch Ofenbehandlung erzielte erneute Fließen von Phosphorsilicatglas zufriedenstellend. Wenn aber Halbleiterplättchen einer Behandlung bei derartigen Temperaturen über längere Zeit hinweg ausgesetzt werden, führt das zu einer unerwünschten Ausbreitung oder erneuten Verteilung der alp Dotiermittel verwendeten Verunreinigungen, und zwar sowohl seitlich als auch in vertikaler Richtung. Das ist bespnders unerwünscht bei Implantierungen hoher Dosis im Größenordnungsbereich von ICr ■> ~ 2 χ ICT pro Quadrat Zentimeter, wie sie für die Herstellung von MOS-Vorrichtungen mit hoher Dichte verwendet werden. Wegen der erneuten Verteilung ist es außerdem schwierig, wenn nicht unmöglich, Vorrichtungen mit flacher Sperrschicht und/oder VLS-integrierte Vorrichtungen herzustellen. Außerdem ist die herkömmliche Ofenbehandlung zeitraubend und nicht besonders wirkungsvoll in der Energienutzung. Es sind auch bereits Laserstrahlen angewandt worden, um ein erneutes Fließen von Phosphorsilicatglas zu erreichem Ein Strahl eines Kohlenstoffdioxidlasers der im Bereich von 9-11 Mikrometern arbeitet, ist dazu gebündelt und mit ihm . die Oberfläche eines Halbleiterplättchens abgetastet worden, um örtliches Erwärmen und erneutes Fließen der PSG-Schicht hervorzurufen. Hierzu sei z.B. auf folgende Veröffentlichungen verwiesen» Jeuch et al., "P-Glass Reflow With a Tunable CO₉ Laser", Poster Paper, Materials Research Society Conference, Boston, 16.-20. November I98I und DeIfino et al., "Laser Activated Flow of Phosphosilicate Glass", J. Electrochem. Soc.i Extended Abstracts, Bd. 82-1, Mai 1982, S. 143. Mit Laserbehandlung ist im allgemeinen ein zufriedenstellendes erneutes Fließen von Phosphorsilicatglas zu erreichen, und die Schwierigkeit mit der Umverteilung von Verunreinigungen im Halbleitermaterial wird wegen des raschen Aufheizens der PSG-Schicht weitgehend vermieden. Allerdings haben Laserstrahlen einen schlechten Energiewirkungsgrad·

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und erfordern mechanische, elektrisch-optische oder elektromechanisch^ Einrichtungen zum Abtasten und Bündeln des Strahls, was die Kompliziertheit der Wärmebehandlungsanordnung noch erhöht. Außerdem kann das sehr rasche Aufheizen der PSG-'Schicht durch den Laserstrahl zur Bildung von Rissen im Phosphorsilicatglas, zum Abschälen oder Abheben vom Halbleiterplättchen führen.

Es ist auch ber'eits eine Verarbeitungsvorrichtung vorgeschlagen worden (P 32 16 850.0), bei der ein schwarzer Strahler, der die Eigenschaft eines konstanten, ebenen Energieflusses besitzt, einem Halbleitermaterial gegenüber angeordnet wird. Der schwarze Strahler kann in Zeiträumen von zehn Sekunden Kristallschäden in Halbleiterplättchen tempern und Verunreinigungsdotiermittel im Silizium aktivieren.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Behandlungsverfahren zum Erzeugen plastischen Fließens einer auf die Oberfläche von Halbleitermaterial aufgebrachten Glasschicht.

Mit der Erfindung sollen Verfahren geschaffen werden, mit denen ein Halbleiterplättchen einer solchen Wärmebehandlung ausgesetzt wird, damit eine auf ihnen vorgesehene Phosphorsilicatglasschicht plastisch fließt, während die Umverteilung von dotierten Störstoffen im Halbleiterplättchen reduziert wird.

Das Verfahren hat den Vorteil nicht nur einfach zu sein, sondern auch mit¹ hoher Geschwindigkeit das plastische Fließen einer auf der Oberfläche eines Halbleiterplättchens vorgesehenen Glasschicht hervorzurufen, so daß die Schicht gleichmäßige Dicke erhält und verlaufende Abdeckungskanten (Taper) an Stufen.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Behandlung eines Gegenstandes·vorgeschlagen, auf dessen eine Oberfläche

eine Isolierglasschicht aufgebracht ist, die durch das Verfahren zu plastischem Fließen veranlaßt werden soll. Das Verfahren sieht vor, den Gegenstand in eine Behandlungskammer einzuführen, den Druck in der Behandlungskammer zu mindern, und den Gegenstand in der Kammer mittels eines schwarzen Strahlers als Wärmequelle zu erhitzen, der die Eigenschaft hat, einen konstanten, ebenen Energiefluß abzugeben. Der Gegenstand wird im wesentlichen in paralleler ebener Ausrichtung mit dem schwarzen Strahler angeordnet und von diesem so lange und auf eine solche Temperatur erhitzt, daß die Glasschicht plastisch fließt.

Im Folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Ansicht einer Behandlungsvorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens?

Fig. 2 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Eckansicht einer Halteplatte zum Festhalten eines Halbleiterplättchens in der Behandlungsvorrichtung gemäß Fig. 1 und 21

Fig. 4 eine Vorderansicht eines schwarzen Strahlers zum Einbau in die Behandlungsvorrichtung gemäß Fig. 1 und 2, der einen konstanten, ebenen Energiefluß erzeugt,*

Fig. 5A und 5B Querschnitte durch ein typisches Halbleiterplättchen, die eine Phosphorsilicatglasschicht vor und nach der Behandlung gemäß der Erfindung darstellen.

Gemäß der Erfindung wird also ein Verfahren zum Behandeln eines Gegenstandes, typischerweise eines Halbleiterplättchens geschaffen, auf dessen eine Oberfläche eine isolieren-

de Glasschicht aufgebracht ist. Durch die Behandlung wird die Glasschicht veranlaßt, plastisch zu fließen, was zu einer Glasschicht von guter Gleichmäßigkeit und abgeschrägter Abdeckung an Stufen führt. Das am häufigsten in der Bearbeitung von Halbleitern verwendete Glas ist ein Phosphorsilicatglas (PSG), dessen Phosphorkonzentration zwischen 6 und 10 Gew.fo liegt. Das Halbleiterplättchen wird in eine Verarbeitungskammer eingeführt. Im Innern der Kammer ist ein schwarzer Strahler angeordnet, der eine konstante, ebene Energieflußcharakteristik hat. Der schwarze Strahler hat eine signifikante Emission im 7-10 Mikrometerbereich des Infrarotspektrums. Das Halbleiterplättchen wird im wesentlichen in paralleler, ebener Ausrichtung mit dem schwarzen Strahler angeordnet. Dann wird die Behandlungskammer ausgepumpt und der schwarze Strahler erregt oder durch Entfernen einer Verschlußplatte gegenüber dem Halbleiterplättchen freigelegt. Durch den schwarzen Strahler wird die PSG-Schicht rasch so stark aufgeheizt, daß sie plastisch zu fließen beginnt. Dann wird das Plättchen aus der Umgebung des schwarzen Strahlers entfernt und abgekühlt. Das ganze Verfahren dauert nur Sekunden oder einige zehn Sekunden, wodurch eine Umverteilung von Störstoffen unterbunden wird. Da der schwarze Strahler eben ist, wird die PSG-Schicht über den Oberflächenbereich des Plättchens hinweg gleichmäßig aufgewärmt.

Eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Behandlungsvorrichtung ist in den Fig. 1 und 2 gezeigt. Die Behandlungsvorrichtung ist so gestaltet, daß sie Halbleiterplättchen aufnimmt, einer Wärmebehandlung unterzieht und wieder abgibt. Die in Fig. 1 teilweise weggebrochen und perspektivisch gezeigte Behandlungsvorrichtung 10 ist ein Beispiel des "IA-200 Isothermal Annealer", einer Vorrichtung, die von der Extrion Division der Varian Associates, Inc. hergestellt und verkauft wird. In einem Gehäuse 11 der Vorrichtung sind durch Türen 12 zugängliche elektronische

Steuertafeln 13 vorgesehen. Die Vorrichtung weist zum Einsetzen und Entnehmen von Siliziumplättchen eine Wayflow (Wz)-Endstation mit Schwerkrafteingabe und Schwerkraftausgabe gemäß US-PS 3 901 183 auf. In der Wayflow(Wz)-Endstation wird ein Plättchen durch eine Eingangsschleuse 16 aus einer in einem Kassettenhalter 18 angeordneten Kassette (siehe US-PS 3 95^ 191) in eine Vakuumkammer 24, 20 eingesetzt. Das Plättchen gleitet durch Schwerkraftzustellung auf eine Halteplatte 21, die dann in die entsprechende Aufnahmeposition gebracht wird. Nach dem Einsetzen des Plättchens wird die Halteplatte 21 um eine Achse 3^ in eine Stellung zum Tempern einem schwarzen Strahler 22 gegenüber gedreht. Der schwarze Strahler 22 kann mittels einer Verschlußplatte 23 abgedeckt sein, bis die Halteplatte das Plättchen dem schwarzen Strahler gegenüber angeordnet hat. Gemäß einer Alternative kann der schwarze Strahler 22 edr@2s±altet aan, aber leerlaufen, bis das Halbleiterplättchen an Ort und Stelle ist, oder es kann eine andere vorübergehende Abwandlung vorgesehen sein. Der Abstand zwischen dem Plättchen und dem schwarzen Strahler 22 kann zwischen ca. 6,4 mn (IA ZaLL) bis so weit wie praktisch durchführbar liegen. Der tatsächliche Abstand wird von Gleichmäßigkeitserfordernissen sowie dem durch den Verschluß, sowie von Abschirmungen und der Halteplatte eingenommenen Raum bestimmt. Aus Gründen der Gleichmäßigkeit ist vorzugsweise der aktive Flächenbereich des schwarzen Strahlers mindestens so groß wie das Plättchen, da der Betrachtungsfaktor vom Strahler zum Plättchen so groß und gleichmäßig wie möglich sein muß. Die Temperatur des schwarzen Strahlers liegt typischerweise .zwischen 1000⁰C und 1500⁰C, um ein erneutes Fließen des Phosphorsilicatglases zu erzielen, und die Behandlungsdauer liegt zwischen 5 und 60 Sekunden, wie noch näher erläutert wird. Da das Erwärmen durch Strahlung erfolgt, steigt die Temperatur des Plättchens, bis sie beim Gleichgewicht nahezu die Temperatur der Wärmequelle erreicht. In manchen Fällen erreicht

das Halbleiterplättchen jedoch nicht das Gleichgewicht, da es zu erneutem Fließen kommt, ehe das Plättchen die Gleichgewichtstemperatur erreicht. Wenn das erneute Fließen des Phosphorsilicatglases erzielt ist, wird das Plättchen durch eine Ausgangsschleuse 1? in eine Kassette in einem Kassettenhalter 19 entfernt.

Um das gleichmäßige Erwärmen zu fördern, ist es wünschenswert, durch Strahlung statt durch Konvektion aufzuwärmen. Der Druck wenigstens zwischen dem schwarzen Strahler und dem Halbleitermaterial wird unter fontrolle gehalten; er liegt in diesem Bereich zwischen 10 ' Torr und Umgebungsdruck und wird so gewählt, daß die durchschnittliche freie Weglänge für das Gas viel größer ist als der Abstand zwischen dem schwarzen Strahler und dem Halbleiterplättchen. Dadurch wird ein nennenswertes Erwärmen durch Wärmeleitung vermieden. Wie Fig. 2 zeigt, ist in Reihe mit einer Diffusionspumpe eine.mechanische Vorpumpe 33 vorgesehen, um die Vakuumkammer Zk über ein Rohr 30 und ein Baffle 31 leerzupumpen. Der Druck in der als Arbeitskammer dienenden Vakuumkammer 24, 20, wird also auf das gewünschte Niveau geregelt, wobei, wie schon gesagt, das Entscheidungskriterium darin besteht, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle viel größer sein sollte als der Abstand zwischen der Wärmequelle in Form des schwarzen Strahlers und dem Plättchen 37· Es überwiegt also die Strahlungserwärmung von der Wärmequelle 35«

Das Plättchen 37 wird durch den von der Wärmequelle 35 in Form des schwarzen Strahlers erzeugten konstanten ebenen Energiefluß erwärmt. Dar Ausdruck "konstanter, ebener Energiefluß" bedeutet, daß von dieser Strahlungsquelle ein konstanter Energiefluß über eine ebene Front hinweg erzeugt wird. Die Leistung kann je nach der Neigung der Quelle schwanken, aber der Snergiefluß über die ebene Front bleibt konstant. Die ebene Isotherme heizt das Plättchen

37 gleichmäßig auf. Das geschieht teilweise, weil die Schwarzkörperstrahlung in erster Linie im Infrarotbereich liegt und Silizium teilweise gegenüber Infrarot durchlässig ist. Folglich durchdringt die Strahlung ein einige hundert Mikrometer dickes Plättchen in Millisekunden und wärmt es gleichmäßig auf. Um Phosphorsilicatglas erneut zum Fließen zu bringen, ist die Schwarzkörperstrahlung im 7-10 Mikrometerbereich des Infrarotspektrums hauptsächlich von Interesse.

Wenn die Wärmebehandlung beendet ist, wird die Wärmequelle entweder mittels einer mechanischen Verschlußplatte 23 gemäß Fig. 1 abgedeckt,auf Leerlauf geschaltet oder abgeschaltet. Handelt es sich bei dem Plättchen um Silizium, so wird dieses vorzugsweise auf 700⁰C oder eine tiefere Temperatur abgekühlt, damit es aus der Arbeitskammer entfernt werden kann, in der das Tempern erfolgte. Das geschieht durch aktives Abkühlen der Halteplatte oder durch Drehen der Halteplatte derart, daß das Plättchen zu den Wänden der Kammer strahlt, die als schwarze Senke erscheinen. Wie Fig. 3 zeigt, weist die Halteplatte 21 einen Metallblock 19 auf, an dessen Rückseite schlangenförmig verlaufende Kühlrohre ^O befestigt sind. Die Kühlrohre 4-0 enthalten gekühltes Nasser (10 bis 15⁰C mit 3,785 l/Min, (eine Gallone pro Minute)) oder ein sonstiges Kühlmittel und sind über hier nicht gezeigte Durchlässe an eine außerhalb der Arbeitskammer vorgesehene Quelle angeschlossen. Um das gleichmäßige Tempern zu fördern, ist an der Vorderseite der Halteplatte ein Umfangsstreifen k2 aus einem hitzebeständigen Metall vorgesehen. Dieser Streifen kann erwärmt werden, um ein gleichmäßiges Temperaturprofil zwischen den Rändern des Plättchens und der Mitte zu gewährleisten. Zwischen der Wärmequelle 35 und den Wänden der Vakuumkammer sind außerdem ebene Schirme 4o und 41 angeordnet. Durch diese Abschirmungen werden die Wärmeverluste gemäß der Formel 1/n+l reduziert, worin η die Anzahl der nacheinander angeordneten Schirme ist, vorausgesetzt daß

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zwischen jeder Abschirmung eine Trennung durch Vakuum besteht.

Ein Ausführungsbeispiel eines schwarzen Strahlers als Wärmequelle 35 ist im einzelnen in Fig. k gezeigt. Um eine gleichmäßige Erwärmung über die Fläche des Plättchens hinweg zu erzielen, beschreibt die Oberfläche des schwarzen Strahlers eine gleichförmige Wärmekarte (thermal map). Diese gleichförmige Wärmekarte erzeugt eine ebene Wärmefront, das bedeutet, daß in parallelen Ebenen vor dem Strahler die gleiche Temperatur herrscht. Da das Erwärmen des Plättchens durch Strahlung erfolgt, erwärmt die Strahlung es mit zweidimensionaler Isotropie. Um die Isothermen zu erzeugen, wird vorzugsweise, wenn auch nicht unbedingt, eine ebene Quelle benutzt.

Der bevorzugte schwarze Strahler besteht aus einem Widerstandsmaterial, welches zu einer ein Streifenmuster enthaltenden, ebenen Gestalt geformt oder geschnitten werden kann. Am meisten bevorzugt wird als Quelle Graphit, wofür als Beispiel "Stackpole 2020" genannt sei, welches in Folienform zur Verfügung steht und zu dem in Fig. b gezeigten Serpentinenmuster geschnitten werden kann. Eine Folie aus Graphit in einer Dicke von ca. 1,587 bis 3.175 nun (1/16 bis 1/8 Zoll) wird so gestaltet, daß das aus Streifen 5k bestehende Serpentinenmuster entsteht. Die Ecken dieses schwarzen Strahlers 55 sind an den entgegengesetzten Ecken eines Metallrahmens ^l mittels leitender Kontaktstifte 52 bzw. 53 befestigt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Kohlenstoffolie mit einer Ansenkung versehen, ehe die Streifen ausgeschnitten werden, um die Poliendicke innerhalb eines Umfanges 51 zu verringern. Infolgedessen ist die Temperatur in der kreisförmigen Zone innerhalb des Umfangs 51 am höchsten,und diese Zone wird einem in einer Halteplatte festgehaltenen Plättchen gegenüber angeordnet. Eine solche ebene Quelle mit einem serpentinenartigen Streifen braucht typischerweise eine Leistungszufuhr von ca. 5 kW und je wirk-

samer die Abschirmung ist, umso geringer ist die benötigte Eingangsleistung. Um die gleichförmigste Erwärmung zu erreichen, muß der wirksame Flächenbereich des schwarzen Strahlers mindestens so groß sein wie das zu erwärmende Plättchen, und das Plättchen sollte dem Strahler so nahe wie praktikabel angeordnet sein.

Um Phosphorsilicatglas nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erneut zum Fließen zu bringen, wird vorzugsweise der ebene schwarze Strahler während 5 bis 60 Sekunden, je nach dem Phosphorgehalt des PSG auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 150O⁰C angehoben. Dem Fachmann ist klar, daß mit zunehmendem Phosphorgehalt der Schmelzpunkt des Phosphorsilicatglases sinkt. Deshalb kann die Dauer und/oder Temperatur der Behandlung für PSG-Schichten mit höherem Phosphorgehalt verringert werden. Auch ist klar, daß bei einer gegebenen Zusammensetzung des Phosphorsilicatglases verschiedene Zeit- und Temperaturkombinationen benutzt werden können, um die PSG-Schicht erneut zum Fließen zu bringen. Ferner wird vorzugsweise während der Behandlung des Phosphorsilicatglases mit dem ebenen schwarzen Strahler die Arbeitskammer unter Vakuum im Bereich zwischen 10 ^J und 10 Torr gehalten.

In einem Beispiel wurde unter Verwendung der oben beschriebenen Vorrichtung für das erneute Fließen von Phosphorsilicatglas ein mit Q% Phosphor dotiertes PSG bei einer Strahlertemperatur von 1450⁰C während einer Dauer von 8 Sekunden behandelt. Wie die Analyse mittels Elektronenabtastmikroskop erwies, waren die Ergebnisse des erneuten Fließens ausgezeichnet. Es wurde auch mit 6fo Phosphor dotiertes PSG bei einer Strahlertemperatur von 145O⁰C während 15 Sekunden behandelt, was einen glatten Umriß und schrägverlaufende Seitenwände bewirkte. Wenn PSG einen geringeren Prozentsatz an Phosphor enthält, ist für die Behandlung eine höhere Temperatur und/oder eine längere Dauer nötig, während das umgekehrte für einen höheren prozentualen Phosphorgehalt gilt.

Je nach den gewünschten Ergebnissen werden mit unterschiedlichen Zeit- und Temperaturkombinationen ausgezeichnete Ergebnisse erzielt. Beispielsweise sind für PSG mit einem Phosphorgehalt von 8% weitere erfolgreiche Kombinationen» HOO⁰C und 35 Sekunden, 125O⁰C und 20 Sekunden sowie 135O⁰C und 10 Sekunden. Diese Kombinationen aus Zeit· und Temperatur können geringfügig geändert werden, um das Ausmaß des erhaltenen erneuten Fließens zu beeinflussen. Es können ähnliche Zeit-Temperatur-Kombinationen für die Behandlung von PSG mit anderem Phosphorgehallt festgelegt werden. Es hat sich bei der Behandlung von PSG-Schichten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herausgestellt, daß eine Umverteilung von Störstoffen im Vergleich zu Ofentemperverfahren deutlich verringert war. Dies liegt in erster Linie an der wesentlich kürzeren Dauer, die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlich ist.

In Fig. 5A ist ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung im Herstellungsprozeß gezeigt. Die Vorrichtung hat ebene Schichten 110, 112 sowie eine Stufe 114, die durch herkömmliche Verfahren, Photolithographie und Atzen, geschaffen sein kann. Auf der Oberfläche der Vorrichtung ist typischerweise durch ein chemisches Aufdampfungsverfahren eine Schicht 116 'aus Phosphorsilicatglas angeordnet. Die Schicht 116 wirkt typischerweise als Isolator zwischen der Schicht 112 md nachträglich aufgebrachten leitfähigen Schichten, beispielsweise Metallisierungen. So wie die Schicht 116 aufgebracht wurde, hat sie typischerweise eine ungleichmäßige Dicke, wie bei 12 0 angedeutet und bietet keine gute Abdeckung der Stufe 114, wie bei 122 angedeutet. Die Schicht Ho hat typischerweise eine Dicke von 1-2 Mikrometer. Beim Erwärmen der Schicht Ho gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erweicht sich das Material so stark, daß es zu einem plastischen Fließen kommen kann. Das Erwärmen sollte aber nicht so stark sein, daß ein Übergang in flüssigen Zustand

erfolgt. Das plastische Fließen bewirkt, daß Bereiche ungleichmäßiger Dicke überglätlcl werden und die Abdeckung an Stufen verläuft. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind schräge Verläufe der Abdeckung an Stufen in der Nähe von 45° erzielt worden. Fig. 5B zeigt die Schicht Il6 nach dem erneuten Fließen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das erneute Fließen von Phosphorsilicatglas vermutlich wegen der selektiven Absorption der Infrarotstrahlung des schwarzen Strahlers innerhalb des PSG durch Strahlungskopplung mit der Si-O-Bindung erzielt, die ein stax^kes Absorptionsband bei 9,25 Mikrometer Wellenlänge hat, sowie durch Strahlungskopplung mit der P-O-Bindung, die ein starkes Absorptionsband bei ca. 7,7 Mikrometer hat. Auch das die Unterlage bildende, dotierte Siliziumsubstrat absorbiert Infrarotstrahlung, und die beiden Schichten kommen dank Leitungsmechanismen zum Wärmegleichgewicht. Von kritischer Bedeutung für die Unversehrtheit der dünnen PSG~Schicht ist es, daß sowohl die PSG-Schicht als auch das Silizium mit ausreichend vergleichbaren Geschwindigkeiten auf Temperatur kommen, so daß keine Wärmespannungen auftreten und es nicht zur Rißbildung und zum Abschälen der PSG-Schicht kommt. Eine solche Situation kann sich einstellen, wenn eine monochromatische Lichtquelle, z.B. ein Laser, benutzt wird, der nur mit einem Band innerhalb des PSG (z.B. der Si-O-Bindung oder der P-O-Bindung) koppelt. Eine ähnliche Situation kann sich aber auch einstellen, wenn ein schwarzer Strahler benutzt wird, der keine ausreichende Intensität im Infrarotbereich zwischen 7 und 10 Mikrometer hat, beispielsweise ein schwarzer Strahler, dessen Spitze im oder in der Nähe des optischen Bereichs liegt. In diesem Fall absorbiert das Silizium die gesamte Strahlung und erwärmt sich viel rascher als die SiOp-Schicht.

Das Ausmaß der Strahlungskopplung mit der PSG-Schicht hängt auch von der Dicke, der Schicht ab. Am häufigsten wird eine PSG-Schicht in einer Dicke zwischen 1 und 2 Mikrometer benutzt, mit der eine angemessene Kopplung mit dem hier beschriebenen schwarzen Strahler erzielbar ist (dessen Spitze bei ca. 2,0 Mikrometer bei 14OO°C liegt). Dünne PSG-Schichten absorbieren unter Umständen nicht genügend Strahlung, um sich mit ausreichender Geschwindigkeit im Vergleich zu dem in der Masse ' dotierten Silizium aufzuheizen, so daß es zu einer Beschädigung der PSG-Schicht kommt. Gemäß der Erfindung wird das Absorptionsverhältnis der PSG-Schicht (oder irgendeiner Glasschicht) auf das des Siliziums (oder irgendeines Substrats) dadurch eingestellt, daß die spektrale Verteilung der Strahlungsquelle entweder mit Hilfe von Filtern oder durch Verwendung mehrfacher schwarzer Strahler oder durch eine andere Konstruktion der Strahlungsquelle angepaßt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist zwar unter Hinweis auf Phosphorsilicatglas'. beschrieben worden, jedoch liegt auf der Hand, daß das Verfahren auch für andere Arten von Glas, z.B. Borsilicat und Arsensilicat geeignet ist. Voraussetzung ist nur, daß der ebene schwarze Strahler imstande sein muß, die Glasschicht rasch bis auf die Temperatur zu bringen, an der plastisches Fließen eintritt.

Mit der Erfindung wird also ein Verfahren geschaffen, welches das plastische ,Fließen einer auf eine Oberfläche einer Halbleitervorrichtung aufgebrachten Glasschicht verursacht. Mit dem Verfahren wird das erneute Fließen des Glases sehr rasch erzielt, wodurch eine erneute Verteilung von Störstoffen auf ein vernachlässigbares Niveau abgesenkt

wird. Außerdem ist das Verfahren einfach und hat einen hohen Energiewirkungsgrad.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys

München

Vl P583 D

Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI., U.S.A.

Behandlungsverfahren zum Herbeiführen plastischen Pließens einer Glasschicht auf einem Halbleiterplättchen

Patentansprüche

/Ir Verfahren zum Behandeln eines mit einer isolierenden Glasschicht auf einer Oberfläche versehenen, insgesamt ebenen Gegenstandes, um die Glasschicht zu plastischem Fließen zu veranlassen,
dadurch gekehnz eichnet, daß

- der Gegenstand dn eine Bearbeitungskammer eingeführt wird,

- der Druck in der Bearbeitungskammer verringert wird,

- und daß der Gegenstand in der Kammer mittels eines schwarzen Strahlers, der eine konstante, ebene Energieflußcharakteristik hat, erwärmt wird, wobei der Gegenstand im wesentlichen in paralleler ebener Ausrichtung mit dem schwarzen Strahler angeordnet und von dem schwarzen Strahler so lange und auf solche Temperatur erwärmt wird, daß ein plastisches Fließen der Glasschicht verursacht wird.
2. Verfahren nach" Anspruch 1,

dadurch gekennz eichnet, daß die Glasschicht eine PhosphorsiliCatglasschicht ist, und daß das Erwärmen des Gegenstandes auf mindestens 1000⁰C zwischen 5 und 60 Se-

künden durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erwärmen des Gegenstandes derselbe in der Bearbeitungskammer durch Strahlungskühlung abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Kühlen des Gegenstandes derselbe aus der Bearbeitungskammer entfernt wird.
5. Verfahren nach Anspruch *f·,

dadurch gekennz eichnet, daß bei der Minderung des Drucks in der Verarbeitungskammer ein Druck zwi-

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sehen 10 Torr und 10 Torr während der Erwärmung des Gegenstandes erreicht wird.
6. Verfahren zum Behandeln eines mit einer Glasschicht auf einer Oberseite versehenen Halbleiterplattchens, um plastisches Fließen der Glasschicht zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen in einer leergepumpten Bearbeitungskammer mittels eines schwarzen Strahlers, der eine ebene Energieflußcharakteristik hat, erwärmt wird, wobei das Halbleiterplättchen im wesentlichen in paralleler ebener Ausrichtung mit dem schwarzen Strahler angeordnet und von diesem so lange und auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß ein plastisches Fließen der Glasschicht verursacht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichne t, daß das Erwärmen des Halbleiterplattchens mittels eines schwarzen Strahlers erfolgt, der im wesentlichen Strahlung im Infrarotbereich des Spektrums abgibt.
8. Verfahren nach Anspruch 7_t

dadurch gekennzeichnet, daß die Glasschicht eine Phosphorsilicatglasschicht ist, und daß das Erwärmen des Halbleiterplättchens mittels eines schwarzen Strahlers erfolgt, der im wesentlichen eine Strahlung im Spektralbereich zwischen 7 und 10 Mikrometer hat.
9· Verfahren nach Anspruch 6,

dadurch gekennz eichnet, daß die spektrale Verteilung des schwarzen Strahlers so eingestellt wird, daß die Erwärmungsgeschwindigkeiten der Glasschicht und des Halbleiterplättchens im wesentlichen ausgeglichen werden, so daß Wärmespannungen vermieden werden,
10. Verfahren zum Behandeln eines mit einer Glasschicht auf einer Oberseite versehenen Halbleiterplättchens, um plastisches Fließen der Glasschicht zu verursachen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen in eine Bearbeitungskammer eingeführt wird, der Druck in der Bearbeitungskammer verringert wird, das Halbleiterplättchen in der Kammer mittels eines schwarzen Strahlers erwärmt wird, der eine ebene Energieflußcharakteristik und eine Spektralverteilung hat, die die Erwärmungsgeschwindigkeiten der Glasschicht und des Halbleiterplättchens im wesentlichen ausgleicht, wobei das Halbleiterplättchen im wesentlichen in paralleler Ausrichtung mit dem schwarzen Strahler angeordnet und von diesem so lange und auf eine solche Temperatur erwärmt wird, daß ein plastisches Fließen der Glasschicht verursacht wird, daß das Halbleiterplättchen in der Bearbeitungskammer durch Strahlungskühlung abgekühlt wird, und daß das Halbleiterplättchen aus der Bearbeitungskammer entfernt wird.