形成高質量的低溫氮化硅膜的方法和設備技術

本發明專利技術提供一種形成氮化硅膜的方法。根據本發明專利技術，通過對含硅／氮源氣體或者含硅源氣體和含氮源氣體進行熱分解來在低沉積溫度（例如小于５５０℃）下沉積氮化硅膜，以形成氮化硅膜。然后利用氫自由基對熱沉積的氮化硅膜進行處理以形成處理后的氮化硅膜。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術關于薄膜形成領域，更具體地是關于以低沉積溫度和高沉 積速率來形成氮化硅膜的方法和設備。 相關技術的討論現代集成電路毫無夸張地是由集成到功能電路中的數百萬到上千 萬個晶體管構成的。為了進一步提高集成電路的計算能力和存儲能力， 晶體管特征尺寸，例如柵長和柵氧化物厚度必須進一步按比例縮小。 但是，隨著晶體管的柵長不斷按比例改變，晶體管的電學特性和性能 可能會由于器件中摻雜物的熱量再分布而發生很大變化。同樣，隨著 器件進一步按比例改變，必須也降低用于制造集成電路的熱量預算， 以確保器件具有一致的和可靠的電學性能。也就是說，隨著器件尺寸 不斷減小，用于形成集成電路的薄膜的沉積和工藝溫度也必須降低。 預期制造晶體管尺寸為65納米或更小的集成電路要求能夠在低于550 'C的沉積溫度下形成的高質量薄膜。此外，為了進一步按比例改變半導體器件的尺寸，用于制造這些 器件的薄膜必須能以高度的組分均勻性和厚度均勻性而形成。為了形 成厚度和組分極均勻的膜，通常需要在單晶片沉積反應器中形成膜。 為了在可制造量的時間內于單晶片反應器中形成薄膜，薄膜的沉積速 率應該至少為50A/分鐘。在半導體制造工藝的整個過程中，采用由熱化學氣相沉積法 (CVD)沉積的氮化硅薄膜。例如，熱CVD氮化硅膜用作隔離膜，蝕刻 阻擋層(etch stops),以及電容器和多晶硅間介質體。但是，在單晶片反 應器中利用熱化學氣相沉積法形成高質量氮化硅膜的現有技術需要高 于750'C的沉積溫度，和/或在較低溫度下的低沉積速率。在大多數氮 化硅沉積工藝中，如果沉積溫度降低至550'C以下，則沉積速率發生大幅降低并可能達到0。此外，當氮化硅膜在低溫下沉積或以高沉積速率 迸行沉積時，膜質量通常很差。因此，所需要的是通過熱化學氣相沉積(CVD)，以小于或等于550 'C的低沉積溫度，并以大于50A/分鐘的可制造沉積速率形成高質量氮 化硅膜的方法。專利技術概述本專利技術描述了一種形成氮化硅膜的方法。根據本專利技術，通過在低 沉積溫度(例如小于55(TC)下對含硅/氮源氣體或者含硅源氣體和含氮 源氣體進行熱分解來沉積氮化硅膜，以形成氮化硅膜。然后利用氫自 由基對熱沉積的氮化硅膜進行處理以形成處理過的氮化硅膜。附圖說明圖l示出了本專利技術氮化硅膜形成方法的流程圖。 圖2示出了本專利技術一種實施方式中氮化硅膜形成方法的流程圖。 圖3A-3C是本專利技術中形成半導體器件的方法的截面圖，其中該半 導體器件具有由氮化硅膜構成的側壁隔離層。圖4示出了本專利技術中可用于形成氮化硅膜的設備。 圖5示出了本專利技術中可用于形成氮化硅的群集工具。專利技術詳述本專利技術是可在低沉積溫度下形成的高質量氮化硅膜。在下列的說 明書中，對許多特定的細節，如沉積和退火設備展開了描述，目的是 能徹底地理解本專利技術。然而，本領域的普通技術人員將認識到本專利技術可在缺少這些特定 細節的情況下實施。在另一些例子中并未對公知的半導體加工工藝展 開特別詳細的描述，目的是避免不必要地隱藏本專利技術。本專利技術是在低于55(TC的沉積溫度下采用熱化學氣相沉積法(CVD) 形成高質量氮化硅膜的新穎的方法和設備。圖1的流程圖中對沉積氮 化硅膜的方法的一個示例進行了一般性說明。根據本專利技術的第一步驟， 如圖1的方塊102所示，在小于等于55(TC，理想地是低于500'C的沉積溫度(襯底溫度)下，包括含硅/氮源氣體或含硅源氣體和含氮源氣 體的工藝氣體或處理氣體混合物在室內被熱分解而產生硅物質和氮物 質，并由此沉積出氮化硅膜。選擇源氣體或多種源氣體，使氮化硅膜能由熱化學氣相沉積法在低于或等于550°C的低沉積溫度下(即襯底或 晶片溫度)，以至少50A/分鐘，理想地是至少100A/分鐘的沉積速率形成。可用于由熱化學氣相沉積法在低溫下以足夠高的沉積速率產生氮 化硅膜的含硅源氣體或含硅/氮源氣體包括例如，六氯乙硅烷(HCD 或Si2C16)和含有機硅的氣體，如1,2 二乙基-四(二乙基氨基)乙硅垸， 1， 2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，六(N-吡咯垸基)乙硅垸，以及其它 氯化或未氯化的垸基-氨基-乙或甲硅垸R2N-Si(R'2)-Six(R'2)y-NR2(x = y =0或1; R， R' = C1、或甲基、或乙基、或異-丙基、或其它烷基基團、 或另一個烷基氨基基團、或含N的環狀基團、或甲硅烷基基團中的任 意組合)。根據本專利技術，用于在低溫下形成氮化硅膜的硅源氣體(前體)或硅/ 氮源氣體(前體)具有弱硅一硅單鍵(即Si-Si單鍵)，這使得分子易于在 低溫下發生分解。此外，理想地，硅源氣體或硅/氮源氣體也含有與每 個具有弱單鍵的硅原子相鍵合的氯(C1)原子和/或氮(N)原子。即，理想 地，硅源氣體或硅/氮源氣體具有與弱Si-Si單鍵連續的Si-Cl官能團和 /或Si-N官能團。這對不斷降低的溫度下以合適的沉積速率改進臺階覆 蓋和微載荷尤其起到關鍵作用。在本專利技術的實施方式中，硅源氣體或 硅/氮源氣體具有弱Si-Si單鍵，其中每個硅原子的其它三個鍵與氮(N) 原子或氯(C1)原子鍵合，理想地與一個氮原子和一個氯原子鍵合。在本 專利技術的實施方式中，硅源氣體或硅/氮源氣體包括有機基團，其中該有 機基團理想地與氮原子相鍵合，而該氮原子又與另一個具有單鍵與另 一個硅原子鍵合的硅原子鍵合。或者，有機基團可直接與硅原子相鍵 合，而該硅原子又具有與另一個硅原子鍵合的弱單鍵。理想地，硅源 氣體或硅/氮源氣體是對稱的分子。根據本專利技術，可用于在低溫下沉積含有硅和氮的膜的氮源氣體或 前體包括但不限于氨氣(,3)或N2H4。理想地，氮源氣體含有弱的氮-氮單鍵(即，N-N單鍵)，從而使氮源氣體易于在低溫下發生分解。此外，當將含硅/氮源氣體用于工藝氣體混合物中時，氣體混合物中也通常包 括一定量的氮源氣體，以在膜沉積期間靈活控制所沉積的膜的組成。由于氮化硅膜是在低溫下以高沉積速率沉積得到的，因此氮化硅 膜通常在最初時是質量差的膜。即，最初的"沉積態"的氮化硅膜的總氫濃度高(例如高于15 at.% (原子百分比))，其中的大部分為Si-H 形式；在采用有機硅前體的情況下碳濃度高(例如高于10 at.%);在采 用氯化硅前體的情況下氯濃度高(例如高于1 at.%);折射率低(例如低于1.85);以及濕蝕刻速率高(例如為利用氧化物蝕刻，如緩沖氧化物蝕刻(BOE)的蝕刻速率的兩倍以上)。如圖1的方塊104所示，為了提高沉積態氮化硅膜的質量，用氫 自由基處理膜達預定的時間，從而提高膜的質量(例如，將總氫濃度降 低到10at.。/。以下，或降低Si-H形式的分數，或將碳濃度降低至例如5 at.n/。以下，或將氯濃度降低至例如1沈％以下，或將折射率增加至例如 1.90以上，或將濕蝕刻速率降低至例如與利用氧化物蝕刻如BOE的氧 化硅蝕刻速率基本相同(1: l))。氫自由基可例如通過等離子體分解(原 位或遠處)或通過對含氫氣體如氨氣(NH3)和氫氣(H2)的"熱線"分解而 形成。沉積態的氮化硅膜可用流量為5x1015個/cr^原子-lx1017個/cm2 原子的氫自由基進行處理。在氫自由基的處理期間，將襯底加熱到 450-60(TC的低溫。通常在15-120秒內就發生了充分的處理。本專利技術的 方法能通過熱化學氣相沉積本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種形成氮化硅膜的方法，包括：　將襯底加熱到５５０℃或更低的溫度；　在將所述襯底加熱到５５０℃或更低溫度的同時，對含硅和氮源氣體或者含硅源氣體和含氮源氣體進行熱分解，從而在所述襯底上形成氮化硅膜，其中所述含硅和氮源氣體或者含硅源 氣體選自有機乙硅烷、有機甲硅烷、有機氨基乙硅烷和有機氨基甲硅烷；并且　利用氫自由基來處理所述氮化硅膜。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：S王，EAC桑柴茲，A陳，
申請(專利權)人：應用材料有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]