專利名稱：形成高質(zhì)量的低溫氮化硅層的方法和設(shè)備的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明關(guān)于薄層形成領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明關(guān)于形成氮化硅層的方法和設(shè)備。
相關(guān)技術(shù)討論現(xiàn)代集成電路由數(shù)百上千萬(wàn)個(gè)集成到功能電路中的晶體管組成。為了進(jìn)一步提高集成電路的計(jì)算能力和儲(chǔ)存容量，晶體管特征尺寸，諸如柵長(zhǎng)和柵氧化膜厚度必須進(jìn)一步按比例縮小。但是，隨著晶體管柵長(zhǎng)被不斷按比例縮小，晶體管的電特性和性能由于器件中摻雜物的熱再分布的緣故而會(huì)大大改變。同樣地，隨著器件被進(jìn)一步按比例縮小，用于制造集成電路的熱平衡(thermal budget)，即，來(lái)自沉積和工藝溫度的單個(gè)工序的和累積的熱輸入，也必須被減少，以確保器件的一致和可靠的電性能。此外，為了進(jìn)一步按比例縮小半導(dǎo)體器件，用于制造器件的薄層必須形成具有高度的組分和厚度一致性。
一種用于形成晶體管的材料是氮化硅。氮化硅薄層傳統(tǒng)上在半導(dǎo)體制造工藝中通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積(CVD)沉積而得。例如，氮化硅層被用作間隔層(spacer layers)、蝕刻阻擋(etch stops)、以及電容器和層間絕緣物(interlayer dielectrics)。然而，目前利用熱化學(xué)氣相沉積在單晶片反應(yīng)器上形成高質(zhì)量的氮化硅層的技術(shù)，需要高于750℃的高沉積溫度，和/或在降低的溫度下具有降低的沉積速度，并且對(duì)于晶體管制造，可能導(dǎo)致不可評(píng)估的氮化硅沉積。
此外，當(dāng)?shù)鑼佑媚壳暗墓に嚭颓绑w(precursor)在減低的溫度下，或以高沉積速度沉積時(shí)，層的質(zhì)量一般低于所期望的。如目前包括硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、二-四丁基氨基硅烷(BTBAS)、和六氯乙硅烷的氮化硅前體生產(chǎn)出了低于期望的層質(zhì)量的層，諸如低密度和高氫含量。乙硅烷和六氯乙硅烷具有弱的Si-Si鍵，這使獲得可接受的沉積速度成為可能，但是當(dāng)與氮源如氨一起使用時(shí)，它們或者導(dǎo)致不良膜質(zhì)量(低密度和高氫含量，不良臺(tái)階覆蓋和微負(fù)載，對(duì)乙硅烷來(lái)說(shuō))，或?qū)е聨缀蹼y以控制的顆粒形成現(xiàn)象(對(duì)于六氯乙硅烷來(lái)說(shuō))。
因此，需要一種在降低的沉積溫度下、在可制造的沉積速率下，利用熱化學(xué)氣相沉積(CVD)來(lái)形成高質(zhì)量的氮化硅層的方法。
發(fā)明概述本發(fā)明一般關(guān)于形成晶體管介電層(dielectric layer)，諸如氮化硅層的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在減低的沉積溫度下熱分解含硅/氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體來(lái)形成氮化硅層。該前體包括具有Si-N鍵、Si-Cl鍵或兩種鍵的化合物。該熱沉積氮化硅層然后暴露于氫自由基，以形成處理過(guò)的氮化硅層。具有一個(gè)或多個(gè)Si-Si、N-N或N＝N鍵的前體被用于在減低的溫度下沉積該氮化硅層。
在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了加工襯底的方法，其包括將襯底加熱到550℃或低于550℃的溫度；熱分解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體，以在襯底表面上沉積氮化硅層，并將該氮化硅層暴露于氫自由基。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了形成氮化硅層的方法，其包括在低于550℃的溫度下，以高于100/分鐘的沉積速率，通過(guò)熱分解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體來(lái)沉積氮化硅層得到低于150的厚度，將所沉積的氮化硅層暴露于氫自由基，該氫自由基通過(guò)含氫氣體的等離子體分解而形成。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了形成氮化硅層的方法，其包括通過(guò)熱分解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體來(lái)沉積氮化硅層，其中，該含硅源氣體和含硅和氮的源氣體包括氯和碳，并用氫自由基處理沉積的氮化硅層以形成處理過(guò)的氮化硅層，該氫自由基通過(guò)等離子體分解含氫氣體而形成。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了形成氮化硅層的方法，其包括通過(guò)熱分解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體來(lái)沉積氮化硅層，其中沉積氮化硅層之后，該氮化硅層具有的氫濃度高于15at.％(原子百分比)，碳濃度高于10at.％；并用氫自由基處理所沉積的氮化硅層，直到氮化硅層的氫濃度小于10at.％，碳濃度小于5at.％。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了用于形成氮化硅層的設(shè)備，其包括位于室中的襯底支架，其用于保持襯底；加熱器，其用于加熱置于襯底支架上的襯底；進(jìn)氣口，其用于將工藝氣體混合物提供到室中，該工藝氣體混合物包括硅源氣體和氮源氣體，和/或硅/氮源氣體；用于由含氫氣體產(chǎn)生氫自由基的裝置；和處理器/控制器，其用于控制設(shè)備的操作，其中，該處理器/控制器包括存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有許多指令，這些指令為將置于襯底支架上的襯底加熱到低于550℃的溫度的指令，和在加熱襯底的同時(shí)，將含硅源氣體和含氮源氣體或含硅和氮源氣體提供到室中，以在襯底上形成氮化硅層的指令，以及控制用于產(chǎn)生氫自由基的裝置的指令，所述氫自由基用于用氫自由基處理氮化硅層。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是流程圖，示出了形成氮化硅層的方法的一種實(shí)施方案。
圖2是流程圖，示出了形成氮化硅層的方法的一種實(shí)施方案。
圖3A-3C是由氮化硅層形成具有側(cè)壁間隔物(sidewall spacers)的半導(dǎo)體器件的方法的一種實(shí)施方案的橫截面示意圖。
圖4是能用于形成氮化硅層的設(shè)備的一種實(shí)施方案的剖視示意圖。
圖5是能用于形成氮化硅層的群集工具的一種實(shí)施方案的俯視圖。
發(fā)明詳述本發(fā)明涉及形成高質(zhì)量的氮化硅層，其能在降低的或低沉積溫度下形成。在下述描述中，無(wú)數(shù)具體細(xì)節(jié)，諸如沉積和退火設(shè)備被闡述，以提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到?jīng)]有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明也可被實(shí)施。在其他例子中，沒(méi)有詳細(xì)描述公知的半導(dǎo)體加工工藝，以避免使得本發(fā)明不清晰。
本發(fā)明提供了形成高質(zhì)量氮化硅層的方法和裝置，所述氮化硅層在低于550℃的低沉積溫度下，通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積(CVD)形成。沉積氮化硅層的方法的示例在圖1的流程圖中進(jìn)行了一般性的說(shuō)明。根據(jù)本發(fā)明的第一步，如圖1方框102中描述，工藝氣體混合物在室中，在低于或等于550℃，如小于約500℃的沉積溫度(襯底溫度)下，被熱處理，以產(chǎn)生硅物質(zhì)和氮物質(zhì)，由它們沉積得到氮化硅層，其中，氣體混合物包括含硅和氮源氣體，或含硅源氣體和含氮源氣體。選擇該源氣體或這些源氣體以使得氮化硅層能夠在低于或等于550℃的低沉積溫度(即襯底或晶片(wafer)溫度)下，以至少50/分鐘，理想地至少100/分鐘的沉積速率，通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積而形成。
前體(precursor)能用于以足夠高的沉積速率，在低溫下，通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積產(chǎn)生氮化硅層的源氣體包括具有一種或多種Si-N鍵或Si-Cl鍵的化合物，諸如二-四丁基氨基硅烷(tertbutylaminosilane)(BTBAS)或六氯乙硅烷(hexachlorodisilane)(HCD或Si2Cl6)。在前體中還包括Si-Si鍵、N-N鍵、N＝N鍵，優(yōu)選Si-N和Si-Cl鍵或其組合。
已經(jīng)觀察到Si-Cl功能基團(tuán)(鍵)和Si-N功能基團(tuán)(鍵)的組合改善臺(tái)階覆蓋和微負(fù)載(microloading)，尤其對(duì)于在合適的沉積速度下的不斷降低的溫度的情況下。Si-Cl基團(tuán)的數(shù)目能相對(duì)于Si-N基團(tuán)的數(shù)目而變化。Si-Cl和S-N鍵看來(lái)對(duì)層特性和沉積特性具有不同的影響，且Si-N與S-Cl鍵的比例能用于平衡層特性和沉積特性。
具有上述優(yōu)選的鍵結(jié)構(gòu)的化合物具有通用結(jié)構(gòu)(I)NR2-Si(R′2)-Si(R′2)-NR2，(氨基(二)硅烷)；(II)R3-Si-N＝N＝N，(甲基硅烷疊氮化合物)，或(III)R′3-Si-NR-NR2(甲基硅烷肼)。
在上述通用結(jié)構(gòu)中，R和R’包括一個(gè)或多個(gè)功能基團(tuán)，功能基團(tuán)選自鹵素、具有一個(gè)和多個(gè)雙鍵的有機(jī)基團(tuán)、具有一個(gè)和多個(gè)三鍵的有機(jī)基團(tuán)、脂肪烷基基團(tuán)、環(huán)烷基基團(tuán)、芳香基、有機(jī)硅基團(tuán)、烷基氨基基團(tuán)、含有N或Si的環(huán)狀基團(tuán)及其組合。
合適的功能基團(tuán)的例子包括氯(Cl-)、甲基(-CH3)、乙基(-CH2CH3)、異丙基、三甲基硅烷、吡咯烷及其組合。合適的化合物的例子包括1，2-二乙基-四(二乙基氨基)乙硅烷， (CH2CH3(NCH2CH3)2Si)21，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，(Cl(NCH2CH3)2Si)2六(N-吡咯烷基)乙硅烷， ((C4H9N)3)Si)21，1，2，2-四氯-二(二-三甲基氨基)乙硅烷， (Cl2(NSi(CH3)3))Si)21，1，2，2-四氯-二(二-異丙基)乙硅烷， (Cl2(N(C3H7)2))Si)21，2-二甲基-四(二乙基氨基)乙硅烷， (CH3(NCH2CH3)2Si)2三(二甲基氨基)硅烷疊氮化合物， (N(CH3)2)3SIN3三甲基氨基硅烷疊氮化合物， (CH3)3SIN3(2，2二甲肼)二甲基硅烷 (CH3)2SIH-NH-N(CH3)2及其組合。
相信具有硅-硅單鍵(即Si-Si單鍵)的硅源氣體(前體)或硅和氮源氣體(前體)能使分子在降低的溫度下，諸如約550℃或較低的溫度下分解或解離。
能用于沉積包含硅和氮的層的氮源氣體或前體包括，但不局限于氨(NH3)、肼(N2H4)、氫疊氮化合物HN3或其組合。理想地，氮源氣體包含氮-氮單鍵(即N-N單鍵)，用于在低溫下氮源氣體的分解。此外，當(dāng)含硅和氮源氣體被用于工藝氣體混合物時(shí)，一定數(shù)量的氮源氣體通常也可以包括在氣體混合物中，以在層沉積期間靈活控制沉積層的組分。
合適的硅源氣體，或硅和氮源氣體化合物可以被調(diào)整，以最小化層中的碳和氫的含量。在這方面，Si-C鍵、Si-H鍵和N-H鍵在前體鍵組分中被最小化。
使用工程化前體(engineered precursor)的SiN CVD方法將在此被描述。CVD過(guò)程也需要加入一些，但是少量的NH3，以使SiN層可化學(xué)計(jì)量。因?yàn)镾i和N摻入到層中的效率是不同的(不同的動(dòng)力學(xué)壁壘)，這依然需要從前體輸送氮?；瘜W(xué)計(jì)量的氮化硅層將包含＜10％的C，盡管可能還有＞10％的H，這取決于溫度和R基團(tuán)的選擇?？梢岳每赡艿倪M(jìn)一步的后處理來(lái)降低H的百分含量，如在另一個(gè)專利中所述的。對(duì)于利用氨基乙硅烷(aminodisilane)前體的氧化物和氮氧化物的沉積，需要加入氧化劑，諸如N2O。
依據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，在單個(gè)晶片反應(yīng)器中沉積和處理氮化硅層的方法的例子見(jiàn)圖2的流程圖200。第一步是通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積將氮化硅層沉積到晶片或襯底上。氮化硅沉積過(guò)程的特定示例闡述于圖2中，如流程圖200的方框201，并能包括流程圖200的步驟202-210。沉積氮化硅層的第一步是將晶片或襯底放入室中。理想地，該氮化硅層在減壓?jiǎn)尉浔诜磻?yīng)器的室中形成，該室具有用于加熱晶片的電阻加熱的襯底支架，諸如應(yīng)用材料有限公司生產(chǎn)的Xgen Chamber。合適的室的示例顯示并圖解于圖4中。
一旦襯底被置于室中，便獲得用于沉積氮化硅層的沉積壓力和溫度。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，沉積氮化硅層的沉積壓力在約10托至約350托之間。沉積溫度(即晶片或襯底的溫度)將依據(jù)用于沉積氮化硅層的具體的工藝氣體(如含硅源氣體和含氮源氣體)而定。在沉積過(guò)程中，晶片或襯底溫度低于或等于約550℃，諸如低于500℃，并一般在約450℃至約550℃之間。
接下來(lái)，如方框206所述，工藝氣體被引入到沉積室內(nèi)。該工藝氣體混合物將至少包括含硅源氣體(即，能被分解以提供用于沉積氮化硅層的硅原子或含硅的中間物質(zhì)的氣體)，和含氮源氣體(即能被熱分解以提供用于沉積氮化硅層的氮原子或含氮中間物質(zhì)的氣體)，如本文所述?？商娲兀に嚉怏w混合物可以包括硅/氮源氣體，其由單個(gè)分子提供氮和硅原子和含氮和硅的中間物質(zhì)，以形成氮化硅層。
當(dāng)使用硅和氮源氣體時(shí)，工藝氣體混合物也可以包括氮源氣體和/或硅源氣體，或可以只包括硅/氮源氣體，而不加入氮和硅源。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在提供硅源氣體于室中之前，氮源氣體被提供入室中?？商娲兀栊暂d氣，諸如惰性氣體，包括氦和氬，以及氮(N2)可以被引入到反應(yīng)室中。硅源氣體和氮源氣體可以以1∶1和約1∶1000之間的流速比，如約1∶1和約1∶500之間，引入所述加工室。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，硅源氣體是六氯乙硅烷(HCD)。氮化硅可以通過(guò)提供HCD和NH3或N2H4于室中而形成。如果使用HCD，其可以在被引入反應(yīng)室之前，與惰性載氣，諸如N2混和。HCD以10-200sccm之間的速率被提供到反應(yīng)室中，而氮源氣體以500-5000sccm之間的速率被提供于反應(yīng)室。在一個(gè)示例中，HCD源氣體和氮源氣體分別具有1∶1和1∶1000的流速比，理想地，具有1∶1和1∶500之間的流速比。該過(guò)程能以大約80/分鐘的沉積速率，530℃的晶片溫度，和以大約50/分鐘的沉積速率，480℃的晶片溫度，形成氮化硅層。
利用流速為10-100sccm之間的1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，和流速為200-2000sccm之間的氮源氣體可以形成合適的氮化硅層。由1，2-二乙基-四(二乙基氨基)乙硅烷，以10-100sccm之間的流速，和氮源氣體，以200-2000sccm之間的流速，可以沉積得到合適的氮化硅層。該工藝能以約80/分鐘的沉積速度，在530℃的晶片溫度，和以約50/分鐘的沉積速度，在480℃的晶片溫度，形成氮化硅層。下述進(jìn)一步的示例是在單晶片低壓熱CVD設(shè)備，諸如應(yīng)用材料有限公司生產(chǎn)的SiNgen中的詳細(xì)的工藝參數(shù)，優(yōu)選以1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷為前體，并包括襯底溫度在450℃和約650℃之間，諸如500℃；室壓在約10托和約300托之間，諸如約40托和約200托之間；NH3與硅前體的流量比(an NH3to silicon precursor flow ratio)大于10，諸如在約50和約100之間；硅前體的流速在約0.2和約1.0gms/分鐘之間，諸如0.5gms；加熱器和噴頭之間間距約500密耳和約1000密耳之間，這可能導(dǎo)致沉積速率在60和200/分鐘之間，例如約100/分鐘。
作為比較，下面是在批次處理爐(batch furnaces)中的SiN CVD過(guò)程的詳細(xì)描述，再次優(yōu)選前體1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，并包括450℃和約650℃之間的襯底溫度，諸如約500℃；約0.1托和約2托之間的室壓，諸如約0.4托和約1托之間；NH3與硅前體的流量比小于10，諸如在約1和約5之間，硅前體流速取決于爐管容量，其能產(chǎn)生在5和20/分鐘之間的沉積速率，例如約12/分鐘。
接下來(lái)，如流程圖200方框208中所述，來(lái)自加熱的襯底或襯底支架的熱，使得硅和氮源氣體或硅源氣體和氮源氣體熱分解。硅源氣體的熱分解提供硅原子或含硅中間物質(zhì)。氮源氣體的熱分解提供氮原子或含氮中間物質(zhì)。硅和氮源氣體的熱分解能提供硅原子或硅中間物質(zhì)以及氮原子或含氮中間物質(zhì)。硅原子或含硅中間物質(zhì)與氮原子或含氮中間物質(zhì)反應(yīng)，以在襯底表面上沉積氮化硅層。在本發(fā)明中，優(yōu)選僅使用熱能，諸如來(lái)自襯底的熱或來(lái)自襯底支架的熱，來(lái)熱分解含硅/氮源氣體或硅源氣體和氮源氣體，稱其為無(wú)等離子體沉積工藝，而不使用另外的能源，如光子增強(qiáng)或等離子體增強(qiáng)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氮化硅層被沉積得到10至150之間的厚度，優(yōu)選厚度小于120，理想地，優(yōu)選小于80。如果需要較厚的層，可以使用二次、三次、或其他多次沉積/氫自由基處理循環(huán)，以沉積更厚的層，這將在后面描述。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，如方框210所述，沉積足夠厚的氮化硅層之后，停止硅源氣體和氮源氣體的流動(dòng)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，當(dāng)?shù)璩练e完成后，襯底可任選地用氮源氣體處理，如方框210所述。只需要將氮源氣體引入反應(yīng)室約10秒鐘。在沉積步驟的最后，用氮源氣體處理氮化硅層，這除去了襯底上未反應(yīng)的硅位(silicon site)。該操作幫助增加了N/Si比例，并減少了氮化硅層中的氫(尤其是以Si-H鍵形式的)。然而，根據(jù)本發(fā)明，要獲得良好的氮化硅層，操作210并非是必須的。
本發(fā)明中用于沉積氮化硅層的工藝氣體混合物使得氮化硅層能通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積，以至少50/分鐘的沉積速率，理想地，大于100/分鐘的沉積速度，在低于550℃，理想地低于500℃的沉積溫度下被沉積。
等離子體處理沉積的氮化硅層用氫自由基處理一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，以便改善層的質(zhì)量。氫自由基能通過(guò)等離子體分解含氫氣體，諸如氨(NH3)和氫(H2)而形成，其或者在室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)形成，或者在遠(yuǎn)程裝置中形成并輸送到該室。所沉積的氮化硅層可以用氫自由基以在5×1015個(gè)/cm2原子至1×1017個(gè)/cm2原子之間的流量被處理。在氫自由基處理期間，該襯底被加熱到在約450℃和約600℃之間的低溫，并處于約100毫托和約5托之間的室壓下。充分處理通常進(jìn)行約15秒和約120秒之間。
用于氫自由基處理的氫自由基可以以任何合適的方式產(chǎn)生。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氫自由基通過(guò)等離子體分解含氫氣體而形成，該含氫氣體能被分解以提供足夠數(shù)量的氫自由基。氫自由基包括所有種類的原子氫，包括高活性的中性原子氫、和帶電氫離子(chargedhydrogen ions)。合適的氫源氣體包括氨(NH3)和氫氣(H2)。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氫源氣體包括NH3和H2的混合物。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氫處理氣體只包括NH3或只包括H2。此外，在本發(fā)明的實(shí)施方案中，惰性氣體，諸如N2、Ar或He能與氫處理氣體一起被提供。
使用微波或射頻源，以200-2000瓦特之間的能量，含氫氣體可以適當(dāng)?shù)乇浑x解，以提供氫自由基。氫處理氣體的等離子體分解可以現(xiàn)場(chǎng)完成，或利用遠(yuǎn)程等離子體。在現(xiàn)場(chǎng)工藝中，等離子體和氫自由基在同一室內(nèi)產(chǎn)生，該室中放置具有將被處理的氮化硅層的襯底。合適的等離子體室的例子包括電容性耦合PECVD或高密度等離子體HDP室。在遠(yuǎn)程等離子體處理中，氫自由基和等離子體在室內(nèi)由微波產(chǎn)生，該室是與放置具有將被處理的氮化硅層的襯底的室分開(kāi)的室。在遠(yuǎn)程等離子體工藝中，等離子體和氫自由基在第一室(離解室或腔)中產(chǎn)生，然后通過(guò)管道由離解室流入到第二室，第二室含有待處理的具有氮化硅層的襯底。任何合適的遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器反應(yīng)器(remoteplasma generator reactor)都可以被使用，諸如，但不局限于Astex Astron、應(yīng)用材料有限公司的遠(yuǎn)程滲氮RPN(remote Plasma Nitridation)源、和應(yīng)用材料有限公司的高級(jí)去除鈍化層附加ASP(Advanced StripPassivation Plus)室。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氫自由基通過(guò)“熱線(hot wire)”或催化分解含氫氣體，諸如氨(NH3)和氫氣(H2)及其組合而形成。在“熱線”工藝中，線和催化劑，諸如鎢絲被加熱到約1600-1800℃的高溫，氫處理氣體提供到鎢絲上。加熱的鎢絲使得氫處理氣體裂解或分解，以形成氫自由基。氫自由基然后處理在位于鎢絲下的襯底上形成的氮化硅層。盡管鎢絲具有高溫，然而襯底在處理期間依然只加熱到低于600℃的溫度，優(yōu)選低于550℃的溫度。在本發(fā)明的還有另一實(shí)施方案中，感應(yīng)產(chǎn)生的等離子體可以被用于產(chǎn)生氫自由基。
因?yàn)橥ㄟ^(guò)低溫操作，氫自由基能夠滲入到氮化硅層的距離限制在約100，如HCD膜，并且通常小于50，如硅烷膜，所以在氫自由基處理之前，形成不超過(guò)150的氮化硅層，優(yōu)選不超過(guò)100。當(dāng)想獲得較厚的氮化硅層時(shí)，可以進(jìn)行多次沉積和處理循環(huán)。例如，如果想獲得300的氮化硅，首先可以沉積100的氮化硅層，然后用氫自由基處理該氮化硅層。下一步，在處理過(guò)的氮化硅層上沉積第二層100氮化硅層，然后用氫自由基處理第二層氮化硅層。再下一步，在第二層的氮化硅層上沉積第三層100的氮化硅層，然后用氫自由基處理它。這樣，可以形成任何期望厚度的高質(zhì)量的氮化硅層。例如，3循環(huán)的HCD的80CVD，接著暴露于氫自由基8秒鐘，顯示3層處理過(guò)的100和未處理的80。
例如，氫自由基處理前氮化硅層可以具有大于15at.％的氫濃度，其中Si-H形式鍵占重要部分；大于10at.％的碳濃度，如果使用有機(jī)硅前體的話；大于1at.％的氯濃度，如果使用氯化硅前體的話；小于1.85的折射率；和相比起利用氧化蝕刻的氧化硅，如緩沖氧化蝕刻(BOE)的蝕刻速率大2倍的濕蝕刻速率(wet etch rate)。此種氮化硅層可以認(rèn)為不適合于半導(dǎo)體器件制造中的氮化硅層的許多應(yīng)用，諸如間隔片或級(jí)間電介質(zhì)(interpoly dielectrics)。
已經(jīng)觀察到處理過(guò)的氮化硅層的總的氫濃度小于10at.％，Si-H形式減少，碳濃度例如小于5at.％，氯濃度例如小于1at.％，增加的折射率例如大于1.90，或降低的濕蝕刻速率例如大致與使用氧化蝕刻，諸如BOE的氧化硅的蝕刻速率(1∶1)相同。
本發(fā)明的工藝能使得高質(zhì)量的氮化硅層在低沉積溫度下，以可制造的高沉積速率(如大于50/分鐘)，通過(guò)熱化學(xué)氣相沉積而形成。低沉積溫度能使氮化硅層在晶體管或有源器件形成后，被用于應(yīng)用或放置中的半導(dǎo)體電路制造工藝中，這是因?yàn)槌练e溫度足夠低，而不會(huì)顯著地影響器件的熱平衡或改變其中的摻雜物分布。氮化硅層的高沉積速率使該工藝能在單個(gè)晶片反應(yīng)器中完成。
制造本發(fā)明形成氮化硅的方法，對(duì)于用于制造半導(dǎo)體器件是理想的方法，其需要低熱平衡和/或防止置于硅襯底里的摻雜物的重新分布。對(duì)于使用本發(fā)明的氮化硅層，一個(gè)示例在于制造側(cè)壁間隔物(sidewallspacer)。在該應(yīng)用中，襯底，諸如顯示于圖3A中的襯底300，將被提供。該襯底300包括單晶體硅襯底或?qū)?02，其具有形成于其上的柵介電層304。具有橫向相對(duì)的側(cè)壁(laterally opposite sidewalls)的柵電極(gate electrode)306形成于柵介電層上。通常，一對(duì)源/漏端(source/drain tip)或延伸區(qū)(extension regions)310將形成于硅襯底302內(nèi)，與柵電極306的橫向相對(duì)側(cè)壁連接。
然后，如圖3B所示，低溫氮化硅層根據(jù)本發(fā)明的方法形成，將被覆蓋沉積于圖300的襯底上。氮化硅層312的厚度取決于要制造的晶體管的物理特性，對(duì)于65nm的技術(shù)器件來(lái)說(shuō)，將一般至少為200厚。根據(jù)本發(fā)明，氮化硅層將按如上所述的方法，利用低沉積溫度以高沉積速率被沉積而成。首先形成厚度為100?；蚋〉牡鑼樱硐氲匦∮?0。氮化硅層然后按照上述方法用氫自由基退火。接下來(lái)，如果必要，第二層氮化硅層形成于氫自由基處理過(guò)的第一層氮化硅層上。第二層氮化硅層然后用氫自由基處理，如上所述。接下來(lái)，第三層氮化硅層通過(guò)低溫化學(xué)氣相沉積沉積而成，按照如上所述的方法。接下來(lái)，第三層氮化硅層按照如上所述的方法用氫自由基處理。該工藝按這種方式繼續(xù)下去，直到具有想要的總厚度的氮化硅層312被形成。在某些用途實(shí)施方案中，在氮化硅層形成之前，形成沉積的或生長(zhǎng)的二氧化硅層，其因此位于氮化硅層下面。因?yàn)榈鑼?12在低溫工藝下形成，并且在低溫下用氫自由基處理，所以形成源/漏延伸310的摻雜劑在氮化硅期間沒(méi)有被充分地移去，或在襯底302內(nèi)被重新分布。這樣，制造器件的電特性將會(huì)是均勻一致的。
然后，如圖3C所示，形成足夠厚度的氮化硅層312后，氮化硅312能被各向異性刻蝕，以形成側(cè)壁間隔物314，其沿著柵電極306的橫向相對(duì)側(cè)壁延伸。該各向異性蝕刻工藝從水平表面，諸如源/漏延伸310和柵電極306的頂部去除氮化硅層，同時(shí)留下垂直表面上，諸如柵電極306的側(cè)壁上的氮化硅層。形成側(cè)壁間隔物314之后，進(jìn)行半導(dǎo)體器件的其他處理工藝，諸如形成深源/漏區(qū)316，和/或在源/漏區(qū)形成硅化物318。側(cè)壁間隔物314使得深源/漏區(qū)偏置(offseting)，并使得硅化物，諸如硅化鈦或硅化鈷，被形成于源/漏區(qū)和柵電極頂部上，以本領(lǐng)域公知的工藝進(jìn)行自對(duì)準(zhǔn)。
設(shè)備理想地，本發(fā)明的氮化硅層在低壓熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中進(jìn)行。圖4示出了合適的反應(yīng)器400的示例。在本發(fā)明的實(shí)施方案中，氫自由基處理可以在用于沉積氮化硅層的同一個(gè)室內(nèi)進(jìn)行。為了在用于沉積氮化硅層的同一個(gè)室內(nèi)處理“所沉積的”氮化硅層，遠(yuǎn)程等離子體源可以與低壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器耦合連接，以將氫自由基源提供給該室。圖4也示出了耦合到低壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器400的遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器源801的示例。將遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器801耦合到熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器400，將大大地提高本發(fā)明的產(chǎn)量，并使得氮化硅層在氮化硅沉積后，直接用氫自由基處理。此外，當(dāng)連續(xù)的沉積/處理循環(huán)被用于形成厚的氮化硅層，諸如大于200的氮化硅時(shí)，此設(shè)備顯著地提高晶片的產(chǎn)量。
圖4示出了反應(yīng)器容器組件(反應(yīng)器)400。圖4顯示，反應(yīng)器400包括室本體406，其形成了反應(yīng)室408，在其中，工藝氣體、前體氣體或反應(yīng)物氣體被熱分解，以在晶片襯底上形成含硅層(未顯示)。室本體406由能使室承受10至約350托之間壓力的材料構(gòu)成。在一個(gè)示例性地實(shí)施例中，室本體406由鋁合金材料構(gòu)成。室本體406包括通道410，以使控溫流體被抽吸流過(guò)該通道，來(lái)冷卻室本體406。因?yàn)榕鋫溆锌販亓黧w通道，反應(yīng)器400被稱為“冷壁(cold-wall)”反應(yīng)器。將室本體406冷卻，防止了由于活性物質(zhì)和高溫的存在而致使用于形成室本體406的材料的腐蝕。
位于室本體406中的是反應(yīng)室408、室蓋426、面板(或噴頭)430、阻滯板(blocker plate)428和電阻性加熱組件404。電阻性加熱組件404包括導(dǎo)線(wire leads)412，這些導(dǎo)線的長(zhǎng)度延加熱器管414的長(zhǎng)度延伸，加熱器管414由鎳制成。在加熱器管414的頂端是加熱盤416，其由燒結(jié)的AIN制成。在加熱盤416中是一個(gè)或多個(gè)加熱線圈418，其由鉬制成。導(dǎo)線412和線圈418通過(guò)銅焊結(jié)合起來(lái)，且在此是導(dǎo)電性的。線412與AIN陶瓷套管420熱絕緣。線圈418提供大部分的電阻，并且因此提供大部分的對(duì)反應(yīng)室408的加熱。在加熱盤416的頂部是稱之為晶片槽(pocket)422的凹槽，在槽422中放置晶片(未顯示)。
圖4顯示，室本體408中還放置了升降器組件436。升降器組件436方便了晶片襯底(未顯示)移進(jìn)和移出反應(yīng)室408。升降器組件436可以是步進(jìn)電機(jī)。升降器組件436沿著軸405上下移動(dòng)加熱器組件404，以方便晶片移進(jìn)和移出反應(yīng)室408。
襯底或晶片通過(guò)進(jìn)入口434，利用例如機(jī)械手式的傳送裝置(未顯示)被放入反應(yīng)室408中。在一種實(shí)施方案中，機(jī)械手式傳送裝置與傳送片(transfer blade)耦合，并且，機(jī)械手式傳送裝置控制傳送片。傳送片通過(guò)開(kāi)口插入襯底，以將襯底加載入反應(yīng)室408和加熱盤416的槽422上。襯底被裝載時(shí)，升降器組件436降低加熱器組件404和加熱盤416，在沿著軸405向下的方向，以便加熱盤416的表面處于進(jìn)入口434的下面。當(dāng)加熱盤416被降低時(shí)，襯底被置于反應(yīng)室408中。一旦襯底被裝載，進(jìn)入口434被密封，且升降器組件436移動(dòng)或提升加熱器組件404和加熱盤416，在朝著面板430的高位的(如，向上)方向。在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，當(dāng)晶片襯底距離面板430近(如400-900密耳)時(shí)，提升停止。
在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，當(dāng)準(zhǔn)備沉積或處理時(shí)，由氣體控制板401控制的工藝氣體或前體被引入反應(yīng)室408中。阻滯板428具有許多孔(未顯示)，來(lái)容納通過(guò)其中的氣流。工藝氣體首先通過(guò)端口424、通過(guò)阻滯板428，然后通過(guò)面板430被引入到反應(yīng)室408中。工藝氣體通過(guò)端口424，通過(guò)阻滯板428中的許多孔，然后通過(guò)面板430被分布。面板430工藝氣體均勻地配送分布進(jìn)入反應(yīng)室408。
然后，襯底通過(guò)，如向下(降低)加熱器組件404，而從室中移出。隨著加熱組件404向下移動(dòng)，通過(guò)升降器組件436的作用，升降桿(liftpins)442接觸接觸式升降板(contact lift plate)444，并保持穩(wěn)定，并最終在加熱盤416的頂面上伸展，以當(dāng)其被降低時(shí)，將襯底從加熱盤416上分離開(kāi)來(lái)。然后，傳送片通過(guò)開(kāi)口434插入，并被置于襯底和加熱盤416襯底之間。接觸式升降板444然后被降低，從而降低升降桿442，并使得襯底被降低到傳送片上。襯底然后用傳送片通過(guò)進(jìn)入口434而被移出。
對(duì)于后續(xù)的襯底，上述機(jī)理可以重復(fù)。一種合適的升降組件436的詳細(xì)描述見(jiàn)美國(guó)專利No.5772773中，其被授權(quán)給加利福尼亞州圣克拉拉的應(yīng)用材料有限公司。
反應(yīng)器400還包括溫度指示器(未顯示)，以監(jiān)控反應(yīng)室408中的處理溫度。在一個(gè)示例中，溫度指示器可以是熱電偶，其被安置以使它方便地提供關(guān)于加熱盤416表面(或加熱盤416支撐的襯底表面)的溫度的數(shù)據(jù)。在反應(yīng)器400中，襯底溫度比加熱盤416的溫度稍微低一些，低20-30℃。
圖4還顯示反應(yīng)室408襯有控溫襯墊或絕緣襯墊409。如上所述，室本體406包括通道410，以便控溫流體產(chǎn)生冷壁室效應(yīng)(cold-wallchamber effect)。反應(yīng)室408中的溫度能高達(dá)600℃或甚至更高。隨著化學(xué)品被用于反應(yīng)室408形成層，高溫容易腐蝕反應(yīng)室408的室本體406。因此，室本體406配備有通道410，以便用于冷卻室本體406的控溫流體，諸如水或其他冷卻流體通過(guò)。這將防止室本體406變得太熱，室本體406變得太熱會(huì)使得室本體406容易被腐蝕。與冷壁室相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是反應(yīng)室408中的緊靠室的冷壁的區(qū)域容易經(jīng)歷溫度的銳降。在這些區(qū)域的溫度銳降促使顆粒形成或凝結(jié)，這對(duì)形成于反應(yīng)室408中的含硅層是不利或不益的。例如，在形成氮化硅層(Si3N4)的沉積工藝中，HCD和NH3反應(yīng)通常引起NH4Cl的形成。NH4Cl是不受歡迎的鹽副產(chǎn)物，需要被清理掉以防止污染正在形成的Si3N4。當(dāng)溫度降低到約150℃以下時(shí)，諸如NH4Cl的凝結(jié)將發(fā)生。這些顆粒可以從室壁除去。除去的顆粒成為晶片襯底上的顆粒形成的成核點(diǎn)。在一種實(shí)施方案中，反應(yīng)室408襯有控溫襯墊409，以防止不期望的顆粒凝結(jié)。
在一種實(shí)施方案中，控溫流體襯墊409與室本體406的壁耦合，這樣控溫襯墊409沿著室本體406的壁只有一些物理接觸點(diǎn)。(例如參見(jiàn)，圖示于圖4的接觸點(diǎn)459)。通過(guò)最小化傳導(dǎo)點(diǎn)(conducting points)，最小化控溫襯墊409和室本體406的壁之間的物理接觸能最小化室本體406的熱損耗。
在沉積期間，清洗或吹掃氣體(如氮)可被送入反應(yīng)室408的底部，以防止不需要的沉積。
反應(yīng)器400也耦合到一個(gè)壓力調(diào)節(jié)器或多個(gè)壓力調(diào)節(jié)器(未顯示)。壓力調(diào)節(jié)器建立并維持反應(yīng)室408中壓力。這些壓力調(diào)節(jié)器在本領(lǐng)域是已知的。能用于示例性實(shí)施方案的壓力調(diào)節(jié)器必須能維持在約10托至約350托范圍水平內(nèi)的壓力?？商娲?，反應(yīng)器400也可以被耦合于氣體泵出系統(tǒng)(gas pump-out system)(未顯示)，其在本領(lǐng)域是公知的，用于將氣體泵出反應(yīng)室408。該氣體泵出系統(tǒng)(其可以包括，例如節(jié)流閥)也能被用于控制反應(yīng)室408中的壓力。反應(yīng)器400也可以耦合感應(yīng)器(未顯示)，其監(jiān)控反應(yīng)室408中的操作壓力。
在一種實(shí)施方案中，控制器或處理器/控制器900被耦合于室本體406，以接收來(lái)自感應(yīng)器的信號(hào)，這些信號(hào)顯示室壓。處理器/控制器900還能被連接到氣體控制板401系統(tǒng)，以控制氮源氣體、硅源氣體和惰性和/或清洗氣體的流量。處理器900可以與壓力調(diào)節(jié)器或多個(gè)調(diào)節(jié)器協(xié)同工作，以調(diào)節(jié)或維持反應(yīng)室408中的壓力處于期望的壓力下。此外，處理器/控制器能控制加熱盤的溫度，從而控制置于其上的襯底的溫度。處理器/控制器900包括存儲(chǔ)器，其包括計(jì)算機(jī)可讀形式的指令，以將氮源氣體流量、硅源氣體流量和惰性氣體流量，以及室內(nèi)的壓力和加熱盤的溫度控制在上面設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)，以形成本發(fā)明的氮化硅層。例如，存儲(chǔ)在處理器/控制器900的存儲(chǔ)器中的是加熱襯底到低于或等于550℃的溫度的指令，和當(dāng)加熱襯底到低于或等于550℃的溫度時(shí)，提供硅源氣體，和氮源氣體和/或硅/氮源氣體到室408的指令，以及將室408中的壓力控制在10-350托之間的指令。
選擇反應(yīng)器400部件的材料，以便被暴露的部件必須適于本發(fā)明的高溫處理。熱分解本發(fā)明的前體或反應(yīng)物質(zhì)以形成含硅層，涉及反應(yīng)室408中的溫度最高達(dá)600℃。反應(yīng)器400的部件材料應(yīng)該是能經(jīng)受如此高溫的類型。在一種實(shí)施方案中，室本體406由耐腐蝕金屬構(gòu)成，諸如硬質(zhì)陽(yáng)極氧化鋁(hard anodized aluminum)。此種鋁常常較昂貴?？商娲兀冶倔w406包括通道410，用于控溫流體通過(guò)。控溫流體通道能使室本體406由非常便宜的鋁合金或其他合適金屬材料制成，因?yàn)橥ǖ?10可以維持室本體406的處于冷的狀態(tài)。如上所述，這就是為什么反應(yīng)器400常常被稱為冷壁反應(yīng)器的原因之一。為了防止冷壁或冷卻的室本體406上的不必要的凝結(jié)，上面描述的控溫襯墊409可以由這樣的材料制成其可以吸收由反應(yīng)室408發(fā)出的熱，并維持控溫襯墊409到至少約或高于150℃的溫度，或可替代地，維持到至少約或高于200℃的溫度，這取決于層形成的應(yīng)用。在一種實(shí)施方案中，控溫襯墊409必須維持在足以防止不必要的凝結(jié)的溫度。
此外，部件材料也應(yīng)該與工藝氣體和其他化學(xué)品，諸如清洗化學(xué)制品和可能引入反應(yīng)室408的前體相兼容。在一種實(shí)施方案中，加熱組件404暴露的表面可以由各種材料組成，只要該材料與工藝兼容。例如，該討論中的示例性實(shí)施方案需要在高溫下使用腐蝕性化學(xué)品。加熱組件的部件因此必須經(jīng)受這種環(huán)境。在一個(gè)示例中，加熱組件的部件由陶瓷材料構(gòu)成，諸如氮化鋁(AIN)。加熱組件404的加熱盤416也可以由氮化鋁材料構(gòu)成。
在一種示例性實(shí)施方案中，反應(yīng)室408用穩(wěn)定氣體，諸如N2、He、Ar或其組合來(lái)穩(wěn)定。在一個(gè)示例中，氣體控制板系統(tǒng)401包括氣體歧管，其將釋放穩(wěn)定氣體到反應(yīng)室408中。該穩(wěn)定氣體能具有1,000sccm至10,000sccm的流速，對(duì)于容量為5至6升的反應(yīng)器400優(yōu)選流速約為2,000sccm。
在本發(fā)明的實(shí)施方案中，反應(yīng)器400被耦合到遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器801中，其產(chǎn)生并提供氫自由基給沉積室408。遠(yuǎn)程等離子體發(fā)生器801包括磁控管802，其用微波源產(chǎn)生微波。磁控管802優(yōu)選能產(chǎn)生最高達(dá)10,000瓦2.5Ghz的微波能量。值得注意的是，需要的能量取決于室408的大小(或與室408成比例)。對(duì)于用于處理300mm晶片的退火室，10,000瓦的能量應(yīng)該足夠了。盡管微波源被用于在設(shè)備800中產(chǎn)生等離子體，也可以使用其他能源諸如射頻(RF)源。
磁控管802被耦合于絕緣體和虛負(fù)載(dummy load)804，其被提供用于阻抗匹配。虛負(fù)載吸收反射能，因此沒(méi)有反射能進(jìn)入磁控管頭部。絕緣體和虛負(fù)載804通過(guò)波導(dǎo)管806連接起來(lái)，其將微波能量傳送到自動(dòng)調(diào)諧器(autotuner)808。自動(dòng)調(diào)諧器808包括阻抗匹配頭和獨(dú)立的檢測(cè)器模塊，其使用三個(gè)步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的阻抗匹配軸端(impedancematching stub)，來(lái)減少導(dǎo)向電源的微波能量的反射能量。自動(dòng)調(diào)諧器808將微波能量集中于微波作用器腔(microwave applicator cavity)(或室)810的中心，以便能量通過(guò)導(dǎo)管812被輸送到作用器腔810的氫處理氣體吸收。盡管優(yōu)選自動(dòng)調(diào)諧器，手動(dòng)調(diào)諧器也可以使用。
作用器(Applicator)810使用從磁控管802接收到的微波能量，當(dāng)氫處理氣體流經(jīng)位于作用器810里面的石英等離子體管時(shí)，由氫處理氣體產(chǎn)生等離子體。用于產(chǎn)生氫自由基的氫處理氣體，諸如但不局限于H2和NH3的源814，諸如氣體箱(tank)，被與微波作用器810耦合。此外，惰性氣體源，諸如氬(Ar)或氦(He)源也可以與作用器810耦合。預(yù)先點(diǎn)火的汞燈能被用于將紫外光發(fā)射入等離子體管，以部分地電離工藝氣體，從而使微波能量容易地點(diǎn)燃或激發(fā)等離子體。
來(lái)自磁控管802的微波能量將氫處理氣體轉(zhuǎn)化為等離子體，其主要由三種組分組成電離的或荷電的氫原子、激活的(活性的)電中性的氫原子和含中間產(chǎn)物氫的物質(zhì)，它們?nèi)坑糜跇?gòu)成本發(fā)明的“氫自由基”。
作用器810能被栓接到設(shè)備400的蓋子上。濃縮的等離子體混和物通過(guò)導(dǎo)管814向下流到室408中。因?yàn)闅渥杂苫谂c待退火的襯底定位的室相獨(dú)立的或遠(yuǎn)離的位置(室810)中產(chǎn)生，該氫自由基稱之為“遠(yuǎn)程產(chǎn)生的”。
遠(yuǎn)程等離子體源801能與處理器/控制器900相耦合。處理器/控制器900能包括以計(jì)算機(jī)可讀取形式存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中的指令，這些指令控制遠(yuǎn)程等離子體源801的操作，以完成上面描述的氫自由基處理工藝。這些指令可以包括，例如，控制氫處理氣體流速和能量，以獲得處理氮化硅層所必須的期望的氫自由基流量，諸如在5×1015個(gè)/cm2原子和1×1017個(gè)/cm2原子之間的流量的指令，和也能包括控制加熱盤的溫度(從而控制晶片的溫度)的指令，以及控制氫自由基處理期間室408內(nèi)的壓力的指令。
此外，盡管本發(fā)明參照利用單晶片設(shè)備進(jìn)行了描述，如果需要，本發(fā)明的沉積和處理工藝也能在半批量或管式設(shè)備中實(shí)施，而不會(huì)脫離本發(fā)明的范圍。
在本發(fā)明的可替代實(shí)施方案中，低溫氮化硅沉積工藝能在群集工具(cluster tool)中實(shí)施，諸如圖5所示的群集工具500。群集工具500包括可密封的運(yùn)送室502，其具有晶片輸送裝置504，諸如包括在其中的機(jī)械手。負(fù)載鎖(load lock)或一對(duì)負(fù)載鎖506，其通過(guò)可密封門與運(yùn)送室502連接，使得晶片能通過(guò)機(jī)械手504被送進(jìn)或送出群集工具500。通過(guò)可密封門耦合連接到運(yùn)送室502的是氮化硅沉積反應(yīng)器508，諸如應(yīng)用材料有限公司的Xgen單晶片、冷壁、具有電阻加熱器的熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器。也通過(guò)可密封門被耦合到運(yùn)送室502的是氫自由基處理室510，如圖5所示。氫自由基處理室例如可以是，等離子體室，諸如應(yīng)用材料有限公司身產(chǎn)的高級(jí)去除鈍化層附加(ASP，AdvancedStrip Passivation Plus)室，遠(yuǎn)程等離子體室，諸如應(yīng)用材料有限公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)程等離子體滲氮(RPN，Remote Plasma Nitridation)室，或“熱線”室。通常，運(yùn)送室502保持在降低的室壓下，并具有惰性環(huán)境或氣氛，諸如N2。這樣，晶片能從一個(gè)室(如，氮化硅沉積室508)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)室(如，氫自由基處理室)，反之亦然，而無(wú)需將晶片暴露于氧化環(huán)境或污染物中。群集工具500也可以包括如上所述的處理器/控制器900，以控制氮化硅沉積反應(yīng)器500以及氫自由基處理室510的操作，以沉積氮化硅層，如上所述，并用氫自由基處理氮化硅層，如上所述。
在使用中，晶片或襯底，諸如圖3A所示晶片，被機(jī)械手504由負(fù)載鎖506帶入到運(yùn)送室502。該晶片被轉(zhuǎn)移到氮化硅沉積室508，它們之間的門被密封，氮化硅層以低沉積溫度工藝形成于其上。一旦氮化硅層在其上形成，晶片被機(jī)械手504從氮化硅沉積室508移出，并被機(jī)械手504帶入氫自由基處理室510。氫自由基處理室510和轉(zhuǎn)移室502之間的門然后被密封，氮化硅層按如上所述的方法被暴露于氫自由基。如果想要得到較厚的氮化硅層，晶片可以從室510移去，并被帶回到氮化硅沉積室508，以沉積額外的氮化硅。該晶片再一次從氮化硅沉積室508移出，并被帶回到氫自由基處理室510，并再次用氫自由基處理。該晶片可以在沉積室508和處理室510之間持續(xù)轉(zhuǎn)移，直到獲得期望質(zhì)量和厚度的氮化硅層。一旦足夠厚的氮化硅層形成，晶片被從群集工具500中移出。
因此本發(fā)明描述了在低沉積溫度下，沉積和處理高質(zhì)量的氮化硅層的方法和設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種加工襯底的方法，包括加熱襯底至550℃或更低的溫度；熱分解含硅和氮源氣體，或含硅源氣體和含氮源氣體，以在所述襯底表面上沉積氮化硅層；將所述氮化硅層暴露于氫自由基。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氫自由基通過(guò)含氫源氣體的等離子體分解而被形成。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含氫源氣體包括氨NH3、氫氣H2或氨NH3和氫氣H2的組合。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氮化硅層用氫自由基以5×1015個(gè)/cm2原子至1×1017個(gè)/cm2原子之間的流量處理。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅源氣體或所述含硅/氮源氣體包括具有選自Si-Si、N＝N、N-N或其組合的鍵的化合物。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含硅源氣體還包括選自氮?dú)釴2、氬Ar和氦He的惰性氣體。
7.如權(quán)利要求2所述的方法，其中源氣體的等離子體分解在物理上遠(yuǎn)離用氫自由基處理所述氮化硅層的室的地方進(jìn)行。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述氮化硅層暴露于氫自由基后，所述氮化硅層具有小于1.0at.％的氯濃度。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中將所述氮化硅層暴露于氫自由基后，所述氮化硅層具有小于5at.％的碳濃度。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱分解溫度低于500℃。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氮化硅層以高于100/分鐘的沉積速度形成。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅源氣體或所述含硅/氮源氣體包括通過(guò)單鍵連接到第二硅原子的第一硅原子，和連接到所述第一硅原子和所述第二硅原子的氯原子Cl或氮原子N中的至少一種。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中有機(jī)金屬基團(tuán)被連接到氮原子。
14.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅/氮源氣體包括具有選自R2N-Si(R′2)-Si(R′2)-NR2、R3-Si-N3、R′3-Si-NR-NR2的結(jié)構(gòu)的化合物，其中，y是一個(gè)或多個(gè)，并且R和R′包括一個(gè)或多個(gè)選自鹵素、具有一個(gè)或多個(gè)雙鍵的有機(jī)基團(tuán)、具有一個(gè)或多個(gè)三鍵的有機(jī)基團(tuán)、脂肪烷基基團(tuán)、環(huán)烷基基團(tuán)、芳香基、有機(jī)硅基團(tuán)、烷基氨基基團(tuán)或含有N或Si的環(huán)狀基團(tuán)及其組合的功能基團(tuán)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中R和R′包括一個(gè)或多個(gè)選自氯chloro、甲基、乙基、異丙基、三甲基硅烷、吡咯烷及其組合的功能基團(tuán)。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅/氮源氣體選自1，2二乙基-四(二乙基氨基)乙硅烷、1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，和六(N-比咯烷基)乙硅烷、1，1，2，2-四氯-二(二-三甲基氨基)乙硅烷、1，1，2，2-四氯-二(二-異丙基)乙硅烷、1，2-二甲基-四(二乙基氨基)乙硅烷、三(二甲基氨基)硅烷疊氮化合物、三甲基氨基硅烷疊氮化合物、(2，2二甲肼)二甲基硅烷及其組合。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過(guò)熱分解含硅和氮源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體將第二層氮化硅層沉積到處理過(guò)的氮化硅層上；和用氫自由基暴露所述第二層氮化硅層。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括通過(guò)熱分解含硅和氮源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體將第三層氮化硅層沉積到第二層處理過(guò)的氮化硅層上；和將所述第三層氮化硅層暴露于氫自由基。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中氮化硅沉積層在450℃和600℃溫度之間，用氫自由基處理。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所述氮化硅層后，所述氮化硅層的氫濃度小于10at.％，將所述氮化硅層暴露于氫自由基后，其折射率大于或等于1.90，蝕刻速率近似等同于利用緩沖氧化蝕刻的氧化硅的蝕刻速率，或它們的組合。
21.一種形成氮化硅層的方法，包括在低于550℃的溫度下，以大于100/分鐘的沉積速度，通過(guò)熱分解含硅和氮源氣體和含硅源氣體和含氮源氣體，沉積氮化硅層到至少150的厚度；和將所沉積的氮化硅層暴露于氫自由基，所述氫自由基通過(guò)含氫氣體的等離子體分解而形成。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述含硅源氣體或所述含硅/氮源氣體選自有機(jī)-二-或單-硅烷或有機(jī)氨基-二或單-硅烷。
23.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述含氫源氣體包括氨NH3、氫氣H2或氨NH3與氫氣H2的組合。
24.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所沉積的氮化硅層用具有在5×1015個(gè)/cm2原子至1×1017個(gè)/cm2原子之間的流量的所述氫自由基處理。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，將所沉積的氮化硅層暴露于氫自由基后，所處理過(guò)的氮化硅層的氫濃度小于10％，且具有的Si-H鍵顯著減少。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述等離子體分解遠(yuǎn)離所述氮化硅被用氫自由基處理的室。
27.如權(quán)利要求21所述的方法，其中所述氮化硅層在它被沉積的同一室中被處理。
28.一種形成氮化硅層的方法，包括通過(guò)熱分解含硅和氮源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體沉積氮化硅層，其中，所述含硅源氣體或含硅和氮源氣體包括氯和碳；和用氫自由基處理所沉積的氮化硅層形成處理過(guò)的氮化硅層，所述氫自由基通過(guò)含氫氣體的等離子體分解而被形成。
29.一種形成氮化硅層的方法，包括通過(guò)熱分解含硅和氮源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體沉積氮化硅層，其中，沉積所述氮化硅層后，所述氮化硅層的氫濃度大于15at.％，碳濃度大于10at.％；和用氫自由基處理所沉積的氮化硅層，直到所述氮化硅層的氫濃度小于10at.％，碳濃度小于5at.％。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，將所述沉積的氮化硅層暴露于氫自由基后，所述氮化硅層的氯濃度小于1.0at.％。
31.一種用于形成氮化硅層的設(shè)備，包括位于室中的襯底支架，以保持襯底；加熱器，用于加熱置于所述襯底支架上的襯底；進(jìn)氣口，用于提供工藝氣體混合物到室中，所述工藝氣體混合物包括硅源氣體和氮源氣體和/或硅/氮源氣體；用于由含氫氣體產(chǎn)生氫自由基的裝置；和處理器/控制器，用于控制設(shè)備的操作，其中，所述處理器/控制器包括存儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器具有許多指令，這些指令為將置于所述襯底支架上的襯底加熱到低于550℃的溫度的指令，和在加熱襯底的同時(shí)，將含硅源氣體和含氮源氣體或含硅和氮源氣體提供到室中，以在所述襯底上形成氮化硅層的指令，以及，控制用于產(chǎn)生氫自由基的裝置的指令，所述氫自由基用于用氫自由基處理所述氮化硅層。
全文摘要
本發(fā)明描述了形成氮化硅層的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)在低沉積溫度下(例如，小于550℃)熱分解含硅/氮源氣體，或含硅源氣體和含氮源氣體形成氮化硅層。該熱沉積氮化硅層然后用氫自由基處理，以形成處理過(guò)的氮化硅層。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1732288SQ200380107849
公開(kāi)日2006年2月8日 申請(qǐng)日期2003年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者S·王, E·A·C·桑柴茲, A·(史蒂文)·陳 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料有限公司