形成高质量的低温氮化硅膜的方法和设备技术

本发明专利技术提供一种形成氮化硅膜的方法。根据本发明专利技术，通过对含硅／氮源气体或者含硅源气体和含氮源气体进行热分解来在低沉积温度（例如小于５５０℃）下沉积氮化硅膜，以形成氮化硅膜。然后利用氢自由基对热沉积的氮化硅膜进行处理以形成处理后的氮化硅膜。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术关于薄膜形成领域，更具体地是关于以低沉积温度和高沉 积速率来形成氮化硅膜的方法和设备。 相关技术的讨论现代集成电路毫无夸张地是由集成到功能电路中的数百万到上千 万个晶体管构成的。为了进一步提高集成电路的计算能力和存储能力， 晶体管特征尺寸，例如栅长和栅氧化物厚度必须进一步按比例縮小。 但是，随着晶体管的栅长不断按比例改变，晶体管的电学特性和性能 可能会由于器件中掺杂物的热量再分布而发生很大变化。同样，随着 器件进一步按比例改变，必须也降低用于制造集成电路的热量预算， 以确保器件具有一致的和可靠的电学性能。也就是说，随着器件尺寸 不断减小，用于形成集成电路的薄膜的沉积和工艺温度也必须降低。 预期制造晶体管尺寸为65纳米或更小的集成电路要求能够在低于550 'C的沉积温度下形成的高质量薄膜。此外，为了进一步按比例改变半导体器件的尺寸，用于制造这些 器件的薄膜必须能以高度的组分均匀性和厚度均匀性而形成。为了形 成厚度和组分极均匀的膜，通常需要在单晶片沉积反应器中形成膜。 为了在可制造量的时间内于单晶片反应器中形成薄膜，薄膜的沉积速 率应该至少为50A/分钟。在半导体制造工艺的整个过程中，采用由热化学气相沉积法 (CVD)沉积的氮化硅薄膜。例如，热CVD氮化硅膜用作隔离膜，蚀刻 阻挡层(etch stops),以及电容器和多晶硅间介质体。但是，在单晶片反 应器中利用热化学气相沉积法形成高质量氮化硅膜的现有技术需要高 于750'C的沉积温度，和/或在较低温度下的低沉积速率。在大多数氮 化硅沉积工艺中，如果沉积温度降低至550'C以下，则沉积速率发生大幅降低并可能达到0。此外，当氮化硅膜在低温下沉积或以高沉积速率 迸行沉积时，膜质量通常很差。因此，所需要的是通过热化学气相沉积(CVD)，以小于或等于550 'C的低沉积温度，并以大于50A/分钟的可制造沉积速率形成高质量氮 化硅膜的方法。专利技术概述本专利技术描述了一种形成氮化硅膜的方法。根据本专利技术，通过在低 沉积温度(例如小于55(TC)下对含硅/氮源气体或者含硅源气体和含氮 源气体进行热分解来沉积氮化硅膜，以形成氮化硅膜。然后利用氢自 由基对热沉积的氮化硅膜进行处理以形成处理过的氮化硅膜。附图说明图l示出了本专利技术氮化硅膜形成方法的流程图。 图2示出了本专利技术一种实施方式中氮化硅膜形成方法的流程图。 图3A-3C是本专利技术中形成半导体器件的方法的截面图，其中该半 导体器件具有由氮化硅膜构成的侧壁隔离层。图4示出了本专利技术中可用于形成氮化硅膜的设备。 图5示出了本专利技术中可用于形成氮化硅的群集工具。专利技术详述本专利技术是可在低沉积温度下形成的高质量氮化硅膜。在下列的说 明书中，对许多特定的细节，如沉积和退火设备展开了描述，目的是 能彻底地理解本专利技术。然而，本领域的普通技术人员将认识到本专利技术可在缺少这些特定 细节的情况下实施。在另一些例子中并未对公知的半导体加工工艺展 开特别详细的描述，目的是避免不必要地隐藏本专利技术。本专利技术是在低于55(TC的沉积温度下采用热化学气相沉积法(CVD) 形成高质量氮化硅膜的新颖的方法和设备。图1的流程图中对沉积氮 化硅膜的方法的一个示例进行了一般性说明。根据本专利技术的第一步骤， 如图1的方块102所示，在小于等于55(TC，理想地是低于500'C的沉积温度(衬底温度)下，包括含硅/氮源气体或含硅源气体和含氮源气 体的工艺气体或处理气体混合物在室内被热分解而产生硅物质和氮物 质，并由此沉积出氮化硅膜。选择源气体或多种源气体，使氮化硅膜能由热化学气相沉积法在低于或等于550°C的低沉积温度下(即衬底或 晶片温度)，以至少50A/分钟，理想地是至少100A/分钟的沉积速率形成。可用于由热化学气相沉积法在低温下以足够高的沉积速率产生氮 化硅膜的含硅源气体或含硅/氮源气体包括例如，六氯乙硅烷(HCD 或Si2C16)和含有机硅的气体，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、或异-丙基、或其它烷基基团、 或另一个烷基氨基基团、或含N的环状基团、或甲硅烷基基团中的任 意组合)。根据本专利技术，用于在低温下形成氮化硅膜的硅源气体(前体)或硅/ 氮源气体(前体)具有弱硅一硅单键(即Si-Si单键)，这使得分子易于在 低温下发生分解。此外，理想地，硅源气体或硅/氮源气体也含有与每 个具有弱单键的硅原子相键合的氯(C1)原子和/或氮(N)原子。即，理想 地，硅源气体或硅/氮源气体具有与弱Si-Si单键连续的Si-Cl官能团和 /或Si-N官能团。这对不断降低的温度下以合适的沉积速率改进台阶覆 盖和微载荷尤其起到关键作用。在本专利技术的实施方式中，硅源气体或 硅/氮源气体具有弱Si-Si单键，其中每个硅原子的其它三个键与氮(N) 原子或氯(C1)原子键合，理想地与一个氮原子和一个氯原子键合。在本 专利技术的实施方式中，硅源气体或硅/氮源气体包括有机基团，其中该有 机基团理想地与氮原子相键合，而该氮原子又与另一个具有单键与另 一个硅原子键合的硅原子键合。或者，有机基团可直接与硅原子相键 合，而该硅原子又具有与另一个硅原子键合的弱单键。理想地，硅源 气体或硅/氮源气体是对称的分子。根据本专利技术，可用于在低温下沉积含有硅和氮的膜的氮源气体或 前体包括但不限于氨气(,3)或N2H4。理想地，氮源气体含有弱的氮-氮单键(即，N-N单键)，从而使氮源气体易于在低温下发生分解。此外，当将含硅/氮源气体用于工艺气体混合物中时，气体混合物中也通常包 括一定量的氮源气体，以在膜沉积期间灵活控制所沉积的膜的组成。由于氮化硅膜是在低温下以高沉积速率沉积得到的，因此氮化硅 膜通常在最初时是质量差的膜。即，最初的"沉积态"的氮化硅膜的总氢浓度高(例如高于15 at.% (原子百分比))，其中的大部分为Si-H 形式；在采用有机硅前体的情况下碳浓度高(例如高于10 at.%);在采 用氯化硅前体的情况下氯浓度高(例如高于1 at.%);折射率低(例如低于1.85);以及湿蚀刻速率高(例如为利用氧化物蚀刻，如缓冲氧化物蚀刻(BOE)的蚀刻速率的两倍以上)。如图1的方块104所示，为了提高沉积态氮化硅膜的质量，用氢 自由基处理膜达预定的时间，从而提高膜的质量(例如，将总氢浓度降 低到10at.。/。以下，或降低Si-H形式的分数，或将碳浓度降低至例如5 at.n/。以下，或将氯浓度降低至例如1沈％以下，或将折射率增加至例如 1.90以上，或将湿蚀刻速率降低至例如与利用氧化物蚀刻如BOE的氧 化硅蚀刻速率基本相同(1: l))。氢自由基可例如通过等离子体分解(原 位或远处)或通过对含氢气体如氨气(NH3)和氢气(H2)的"热线"分解而 形成。沉积态的氮化硅膜可用流量为5x1015个/cr^原子-lx1017个/cm2 原子的氢自由基进行处理。在氢自由基的处理期间，将衬底加热到 450-60(TC的低温。通常在15-120秒内就发生了充分的处理。本专利技术的 方法能通过热化学气相沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种形成氮化硅膜的方法，包括：　将衬底加热到５５０℃或更低的温度；　在将所述衬底加热到５５０℃或更低温度的同时，对含硅和氮源气体或者含硅源气体和含氮源气体进行热分解，从而在所述衬底上形成氮化硅膜，其中所述含硅和氮源气体或者含硅源 气体选自有机乙硅烷、有机甲硅烷、有机氨基乙硅烷和有机氨基甲硅烷；并且　利用氢自由基来处理所述氮化硅膜。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：S王，EAC桑柴兹，A陈，
申请(专利权)人：应用材料有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]