專利名稱：形成高質(zhì)量低溫氮化硅層的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄層形成(thin layer formation)領(lǐng)域，更具體地涉及形成氮化硅層的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代集成電路是由確確實(shí)實(shí)數(shù)百萬、數(shù)百萬的晶體管組成的，所述晶體管集成在一起形成功能電路。為了進(jìn)一步增強(qiáng)集成電路的計(jì)算能力或存儲容量，必須進(jìn)一步減少晶體管的特征尺寸如柵長和柵氧化膜厚度。不幸的是，由于晶體管柵長不斷地被縮小，晶體管的電學(xué)特性和性能可以大大變化，這歸因于元件中的摻雜物的熱量重分配。同樣地，由于元件被進(jìn)一步縮小，用于制造集成電路的熱量預(yù)算，即來自沉積和加工溫度的單獨(dú)加工或累積的熱量輸入也必須減少，以確保元件的電學(xué)性質(zhì)一致和可靠。此外，為了進(jìn)一步縮小半導(dǎo)體設(shè)備，用來制造元件的薄層必須能夠以高度的組成一致性和高度的厚度一致性形成。
用于形成晶體管的一種物質(zhì)是氮化硅(silicon nitride)。在半導(dǎo)體制造工藝中，傳統(tǒng)上，氮化硅薄層通過熱化學(xué)氣相沉積(CVD)得以沉積。例如，氮化硅層被用作間隔層、蝕刻終止層(etch stops)、以及電容器和層間介質(zhì)。然而，目前在單晶片反應(yīng)器(single wafer reactor)中用熱化學(xué)氣相沉積方法形成高質(zhì)量氮化硅層的技術(shù)需要高于750℃的高沉積溫度和/或在降低的溫度下沉積速率下降，并且可以導(dǎo)致用于晶體管制造的氮化硅的非可觀沉積。
此外，用目前的方法和前驅(qū)物(前體(precursors))使氮化硅層在降低的溫度下沉積或以高沉積速率沉積時(shí)，層的質(zhì)量通常不夠理想。例如，目前的氮化硅前驅(qū)物，包含硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、雙叔丁基氨基硅烷(bis-tertbutylaminosilane(BTBAS))、和六氯乙硅烷，產(chǎn)生的層的質(zhì)量不夠理想，如密度低和氫含量高。乙硅烷和六氯乙硅烷具有弱的Si-Si鍵，這使得產(chǎn)生可接受的沉積速率，但是應(yīng)用氮源如氨時(shí)，或是導(dǎo)致膜的質(zhì)量差(兩者均是密度低和氫含量高，并且對于乙硅烷來講，是臺階覆蓋和微負(fù)載差)，或是導(dǎo)致幾乎無法處理的顆粒產(chǎn)生(對于六氯乙硅烷而言)。
因此，需要一種在降低的沉積溫度下，以可制造的沉積速率，通過熱化學(xué)氣相沉積(CVD)形成高質(zhì)量氮化硅層的方法。
發(fā)明概述 本發(fā)明一般性地涉及形成晶體管的介質(zhì)層，如氮化硅層的方法。根據(jù)本發(fā)明，通過在降低的沉積溫度下，熱解含硅和氮的源氣體(silicon and nitrogen containing source gas)、或含硅的源氣體(siliconcontaining source gas)及含氮的源氣體(nitrogen containing source gas)，使氮化硅層沉積，從而形成氮化硅層。前驅(qū)物包括具有Si-N鍵、Si-Cl鍵或這兩種鍵的化合物。隨后，使熱沉積的氮化硅層暴露于氫自由基(hydrogen radicals)，形成經(jīng)處理的氮化硅層。用具有一個(gè)或多個(gè)Si-Si、N-N或N＝N鍵的前驅(qū)物，在降低的溫度下，沉積氮化硅層。
在本發(fā)明的一方面，提供了加工襯底(substrate)的方法，包含將襯底加熱至550℃或更低的溫度，熱解含硅和氮的源氣體、或含硅的源氣體及含氮的源氣體，將氮化硅層沉積在襯底的表面，和將氮化硅層暴露于氫自由基。
在本發(fā)明的另一方面，提供了形成氮化硅層的方法，包含在低于550℃的溫度和高于每分鐘 的沉積速率下，通過熱分解含硅和氮的源氣體、或含硅的源氣體及含氮的源氣體，將氮化硅層沉積為小于 的厚度，和將沉積的氮化硅層暴露于通過含氫氣體的等離子體分解而形成的氫自由基。
在本發(fā)明的另一方面，提供了形成氮化硅層的方法，包含通過熱分解含硅和氮的源氣體、或含硅的源氣體及含氮的源氣體，沉積氮化硅層，其中，所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體含有氯和碳，和用含氫氣體的等離子體分解形成的氫自由基處理沉積的氮化硅層，形成經(jīng)處理的氮化硅層。
在本發(fā)明的另一方面，提供了形成氮化硅層的方法，包含通過熱分解含硅和氮的源氣體、或熱分解含硅的源氣體及含氮的源氣體，沉積氮化硅層，其中沉積氮化硅層之后，氮化硅層中的氫原子百分比濃度大于15，碳原子百分比濃度大于10；和用氫自由基處理沉積的氮化硅層，直至氮化硅層中的氫原子百分比濃度小于10，碳原子百分比濃度小于5。
在本發(fā)明的另一方面，提供了形成氮化硅層的設(shè)備，包含位于室中的襯底支架，用于支撐襯底；加熱器，用于加熱置于襯底支架上的襯底；氣體進(jìn)口，用于向室中提供工藝氣體混合物，工藝氣體混合物包括硅源氣體和氮源氣體和/或硅和氮源氣體；裝置，用于從含氫氣體生成氫自由基；和處理器/控制器，用于控制設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，其中處理器/控制器包含帶有多種指令的存儲器，所述指令用于加熱放置在襯底支架上的襯底至低于550℃的溫度、和用于在加熱襯底的同時(shí)提供含硅源氣體和含氮源氣體、或含硅和氮的源氣體進(jìn)入室中，以在襯底上形成氮化硅層；并帶有指令，用于控制生成氫自由基的裝置，用以用氫自由基處理氮化硅層。
附圖簡述

圖1是流程圖，示例了形成氮化硅層的方法的一種實(shí)施方案。
圖2是流程圖，示例了形成氮化硅層的方法的一種實(shí)施方案。
圖3A-3C是形成半導(dǎo)體器件方法的一種實(shí)施方案的斷面示意圖，所述半導(dǎo)體器件具有由氮化硅層形成的側(cè)壁隔離層(sidewallspacer)。
圖4是一種設(shè)備的一種實(shí)施方案的斷面示意圖，所述設(shè)備可以被用來形成氮化硅層。
圖5是可以用來形成氮化硅的多腔集成設(shè)備(cluster tool)的一種實(shí)施方案的頂視平面圖。
發(fā)明詳述 本發(fā)明涉及形成高質(zhì)量的氮化硅層，所述氮化硅層可以在降低的沉積溫度下形成。在下面的描述中，列舉了許多具體細(xì)節(jié)，如沉積和退火設(shè)備，目的是為本發(fā)明提供充分的理解。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認(rèn)識到，本發(fā)明可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其它情形下，對公知的半導(dǎo)體加工技術(shù)沒有進(jìn)行具體的詳細(xì)描述，以避免不必要地使本發(fā)明變得模糊。
本發(fā)明提供了方法和設(shè)備，用以在低于550℃的低沉積溫度下，通過熱化學(xué)氣相沉積(CVD)形成高質(zhì)量的氮化硅層。沉積氮化硅層的方法的一個(gè)例子一般性地示例在圖1的流程圖中。根據(jù)本發(fā)明的第一步，如圖1的框102所列出，包括含硅和氮的源氣體、或含硅源氣體及含氮源氣體的工藝氣體混合物，在室中，在低于或等于550℃的沉積溫度(襯底溫度)下，如低于約500℃下被熱解，產(chǎn)生硅種類物質(zhì)(silicon species)和氮種類物質(zhì)，氮化硅層從硅種類物質(zhì)和氮種類物質(zhì)中沉積出來。選擇一種源氣體或多種氣體，使氮化硅層能夠通過熱化學(xué)氣相沉積而形成，沉積速率是至少每分鐘 理想地，是至少每分鐘 溫度是低于或等于550℃的低沉積溫度(即，襯底或晶片溫度)。
前驅(qū)物(Precursors) 可以用來在低溫下，以足夠高的沉積速率，通過熱化學(xué)氣相沉積產(chǎn)生氮化硅層的源氣體包含具有一個(gè)或多個(gè)Si-N鍵或Si-Cl鍵的化合物，如雙叔丁基氨基硅烷(BTBAS)或六氯乙硅烷(HCD或Si2Cl6)。所述化合物可以進(jìn)一步包含Si-Si鍵、N-N鍵、N＝N鍵、Si-N和Si-Cl鍵的混合物、或它們的組合。
已觀察到Si-Cl官能基(鍵)和Si-N官能基(鍵)的組合可以改善臺階覆蓋和微負(fù)載，特別是對于更低的溫度、合適的沉積速率而言。Si-Cl基團(tuán)的數(shù)目可以相對于Si-N基團(tuán)的數(shù)目而變化。Si-Cl和S-N鍵似乎對層的性質(zhì)和沉積性質(zhì)有不同的影響，Si-N和S-Cl鍵的比值可以用來平衡層的性質(zhì)和沉積性質(zhì)。
具有上述優(yōu)選鍵結(jié)構(gòu)的化合物具有共通結(jié)構(gòu)(I)NR2-Si(R′2)-Si(R′2)-NR2，(氨基(乙)硅烷)，
(II)R3-Si-N＝N＝N，(甲硅烷基疊氮)，或(III)R′3-Si-NR-NR2(甲硅烷基肼) 在上述共通結(jié)構(gòu)中，R和R′包括一個(gè)或多個(gè)官能基，它們選自鹵素、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)、脂肪族烷基基團(tuán)、環(huán)烷基基團(tuán)、芳基基團(tuán)、有機(jī)硅基團(tuán)、烷基氨基基團(tuán)(alkyamino group)、或含有N或Si的環(huán)狀基團(tuán)、及它們的組合。
合適的官能基的例子包括氯(Cl-)、甲基(-CH3)、乙基(-CH2CH3)、異丙基、三甲基甲硅烷基、吡咯烷、及它們的組合。合適的化合物的例子包含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)2四(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 (Cl2N(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 (N(CH3)2)3SIN3三甲基氨基硅烷疊氮 (CH3)3SIN3(2，2二甲基肼)二甲基硅烷(CH3)2SIH-NH-N(CH3)2，和它們的組合。
據(jù)認(rèn)為具有硅硅單鍵(即，Si-Si單鍵)的硅源氣體(前驅(qū)物)或硅和氮源氣體(前驅(qū)物)能夠使分子在降低的溫度下分解或解離，如在約550℃或更低。
可以用來沉積含硅和氮的層的氮源氣體或前驅(qū)物包括但不限于氨(NH3)、肼(N2H4)、疊氮化氫HN3、或它們的組合。氮源氣體理想地包含氮氮單鍵(即，N-N單鍵)，用于在低溫下分解氮源氣體。此外，當(dāng)含硅和氮的源氣體被用在工藝氣體混合物中時(shí)，一些量的氮源氣體也將典型地包含在氣體混合物中，用于在層沉積期間對沉積層的組成進(jìn)行靈活的控制。
可以使合適的硅源氣體或硅和氮源氣體化合物適于最小化層中的碳和氫含量。就此而言，Si-C鍵、Si-H鍵和N-N鍵，在前驅(qū)物鍵組成中被最小化。
以下將描述用設(shè)計(jì)的前驅(qū)物進(jìn)行的SiN化學(xué)氣相沉積(CVD)方法。CVD方法仍可以需要加入一些量但是是最小量的NH3，使得SiN層可以化學(xué)計(jì)量。盡管氮從前驅(qū)物釋放，但這仍然是一個(gè)要求，因?yàn)镾i和N摻入層的效率是不同的(不同的動力學(xué)屏障)。根據(jù)溫度和對R基團(tuán)的選擇，化學(xué)計(jì)量的氮化硅層將含有＜10％的C，盡管仍潛在地含有＞10％的H?？梢詰?yīng)用可能的進(jìn)一步的后處理來降低H百分?jǐn)?shù)(H％)，如另外的專利所詳述。對于用氨基硅烷前驅(qū)物沉積氧化物和氧氮化物，需要加入氧化劑如N2O。
根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方案，在單晶片反應(yīng)器(single waferreactor)中沉積和處理氮化硅層的方法的一個(gè)例子顯示在圖2的流程圖200中。第一步是通過熱化學(xué)氣相沉積將氮化硅層沉積在晶片(wafer)或襯底上。氮化硅沉積工藝的一個(gè)具體例子在圖2中以流程圖200的框201予以說明，并且可以包括流程圖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，氮化硅層在減壓單晶片冷壁反應(yīng)器中形成，所述反應(yīng)器具有用于加熱晶片的電阻式加熱襯底支架，所述反應(yīng)室如應(yīng)用材料有限公司的XgenTM室。合適的室的一個(gè)例子在圖4中顯示和示例。
一旦襯底被放入室中，則實(shí)現(xiàn)用于沉積氮化硅層的沉積壓力和溫度。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，發(fā)生氮化硅層沉積的沉積壓力是在約10托和約350托之間。沉積溫度(即，晶片或襯底的溫度)將取決于用來沉積氮化硅層的具體的工藝氣體(例如，含硅源氣體和含氮源氣體)。在沉積過程期間，晶片或襯底溫度低于或等于550℃，如低于500℃，并且通常在約450℃和約550℃之間。
隨后，如框206所說明，工藝氣體被導(dǎo)入沉積室。工藝氣體混合物將包含此處描述的至少一種含硅的源氣體(即，可以被分解而提供硅原子或含硅中間體物質(zhì)，用于沉積氮化硅層)和含氮的源氣體(即，可以被熱解提供氮原子源或含氮中間體物質(zhì)源的一種氣體，用于沉積氮化硅層)。替代地，工藝氣體混合物將包含硅和氮源氣體，其從單個(gè)分子提供氮和硅原子的源，或帶有氮和硅的中間體物質(zhì)，用于形成氮化硅層。
應(yīng)用硅氮源氣體時(shí)，工藝氣體混合物也可以包含氮源氣體和/或硅源氣體，或可以僅包含硅和氮源氣體而不加入其它氮源和硅源。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，在提供硅源氣體進(jìn)入室之前，氮源氣體被提供進(jìn)入沉積室。替代地，惰性載體氣體，如稀有氣體(noble gas)，包含氦和氬，以及氮(N2)，可以被導(dǎo)入反應(yīng)室。硅源氣體和氮源氣體可以被導(dǎo)入加工室，導(dǎo)入氣體的流速比是在1∶1和約1∶1000之間，例如，在約1∶1和約1∶500之間。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，硅源氣體是六氯乙硅烷(HCD)。氮化硅層可以通過提供HCD和NH3或N2H4進(jìn)入室而形成。如果應(yīng)用HCD，在被導(dǎo)入反應(yīng)室之前，其可以與惰性載體氣體如N2混合。HCD被提供進(jìn)入反應(yīng)室，速度是在10-200sccm之間，而氮源氣體以500-5000sccm之間的速度被提供進(jìn)入反應(yīng)室。在一個(gè)例子中，HCD源氣體和氮源氣體的流速分別是1∶1和1∶1000，理想地在1∶1和1∶500之間。這種過程可以形成氮化硅層，沉積速率是約 晶片溫度是530℃；以及沉積速率是約 晶片溫度是480℃。
可以用流速為10-100sccm的1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷和流速在200-2000sccm之間的氮源氣體形成合適的氮化硅層?？梢詮牧魉僭?0-100sccm之間的1，2-二乙基-四(二乙基氨基)乙硅烷和流速在200-2000sccm之間的氮源氣體沉積出合適的氮化硅層。這樣的過程可以形成氮化硅層，沉積速率是約 晶片溫度是530℃；以及沉積速率是約 晶片溫度是480℃。如下的進(jìn)一步例子是單晶片低壓熱CVD設(shè)備，例如應(yīng)用材料SiNgen中的詳細(xì)工藝參數(shù)，優(yōu)選地應(yīng)用前驅(qū)物1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，并包含處于450℃和約650℃之間，如約500℃的襯底溫度；處于約10托和約300托之間，如約40托和約200托之間的室壓；NH3與硅前驅(qū)物的流量比是大于10的，如在約50和約100之間；約0.2和約1.0gms/分鐘之間的硅前驅(qū)物流速，如0.5gms；以及，約500密耳(mils)和約1000密耳之間的加熱器與噴頭間距，這可以使沉積速率在60和 之間，例如，為約 與之對比，下面是批量爐(batch furnaces)中的SiN CVD工藝的細(xì)節(jié)，同樣，優(yōu)選地用前驅(qū)物1，2-二氯-四(二乙基氨基)乙硅烷，并包含450℃和約650℃之間，如約500℃的襯底溫度；約0.1托和約2托之間，如約0.4托和約1托之間的室壓；小于10的NH3與硅前驅(qū)物的流量比，如在約1和約5之間；硅前驅(qū)物流速取決于爐通道體積，這可以導(dǎo)致沉積速率是在5和 之間，例如，約 隨后，如流程圖200的框208所示，來自加熱的襯底或襯底支架的熱量引起硅氮源氣體、或硅源氣體及氮源氣體熱解。硅源氣體的熱解提供硅原子或含硅中間體物質(zhì)。氮源氣體的熱解提供氮原子或含氮中間體物質(zhì)。硅氮源氣體的熱解可以提供硅原子或含硅中間體物質(zhì)以及氮原子或含氮中間體物質(zhì)。硅原子或含硅中間體物質(zhì)與氮原子或含氮中間體物質(zhì)反應(yīng)，在襯底的表面上沉積氮化硅層。應(yīng)該理解，在本發(fā)明中，含硅和氮的源氣體、或硅源氣體和氮源氣體僅利用熱能被熱解，如來自襯底的熱量或來自襯底支架的熱量，而沒有其它能量來源的協(xié)助，諸如光子增強(qiáng)或者等離子體增強(qiáng)，這被稱為無等離子體沉積過程。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，使氮化硅層沉積為 之間的厚度，優(yōu)選厚度小于 理想地小于 如果需要更厚的層，如此后討論的，可以用第二、第三或另外的多重沉積/氫自由基處理循環(huán)，來沉積更厚的層。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，如框210中所示，在沉積足夠厚的氮化硅層之后，停止硅源氣體和氮源氣體流。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，當(dāng)?shù)璧某练e完成時(shí)，可以任選地用氮源氣體處理襯底，如框210中所示。僅將氮源氣體導(dǎo)入反應(yīng)室，持續(xù)大約10秒。在沉積步驟的結(jié)束，用氮源氣體處理氮化硅層，使襯底上未反應(yīng)的硅部位終止(terminate)。此操作幫助增加N/Si比值和降低氮化硅層中的氫(特別是在Si-H鍵形式中)。然而，操作210對于獲得根據(jù)本發(fā)明的好的氮化硅層不是必需的。
本發(fā)明中應(yīng)用的沉積氮化硅層的工藝氣體混合物能夠使氮化硅層通過熱化學(xué)氣相沉積得以沉積，速率是每分鐘至少 理想地率是每分鐘大于 沉積溫度是小于550℃的低沉積溫度，理想地小于500℃。
等離子體處理 用氫自由基處理沉積的氮化硅層預(yù)定時(shí)間段，目的是改進(jìn)層的質(zhì)量。氫自由基可以通過含氫氣體的等離子體分解而形成，含氫氣體如氨氣(NH3)和氫氣(H2)，或是在室內(nèi)原位分解或是在遠(yuǎn)距離設(shè)備中分解并過輸送到室中?？梢杂脷渥杂苫幚沓练e態(tài)(as deposited)的氮化硅層，氫自由基的流量是在5×1015原子/平方厘米和1×1017原子/平方厘米之間。在氫自由基處理期間，將襯底加熱至約450℃和約600℃之間的低溫，室壓是約100毫托和約5托之間。充分的處理典型地發(fā)生在約15和約200秒之間。
可以用任何合適的方式產(chǎn)生用于氫自由基處理的氫自由基。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，氫自由基是通過含氫氣體的等離子體分解形成的，所述氣體可以被分解，提供足夠數(shù)目的氫自由基。氫自由基包含所有種類的原子氫，包含高度活化的中性原子氫和帶電的氫離子。合適的氫源氣體包含氨(NH3)和氫氣(H2)。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，氫源氣體包含NH3和H2的混合物。在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，氫處理氣體僅包含NH3或僅包含H2。此外，在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，惰性氣體，如N2、Ar或He，可以和氫處理氣體一起予以提供。
可以用微波或射頻源，在處于200-2000瓦特之間的功率下，適當(dāng)?shù)仉x解含氫氣體，提供氫自由基。氫處理氣體的等離子體分解可以原位完成或用遠(yuǎn)距離等離子體完成。在原位工藝中，等離子體和氫自由基在相同的室中產(chǎn)生，所述室中放置具有欲被處理的氮化硅層的襯底。合適的等離子體室的一個(gè)例子包含電容偶聯(lián)的PECVD或高密度等離子體HDP室。在遠(yuǎn)距離等離子體處理中，氫自由基和等離子體是用微波在室中生成的，所述室和放置具有欲被處理的氮化硅層的襯底的室是分開的。在遠(yuǎn)距離等離子體工藝中，等離子體和氫自由基在第一室中生成(離解室或離解腔)并且它們隨后通過管道從離解室流出，進(jìn)入含有具有欲被處理的氮化硅層的襯底的第二室中?？梢詰?yīng)用任何合適的遠(yuǎn)距離等離子體發(fā)生反應(yīng)器，如同，但不限于Astex Astron、應(yīng)用材料有限公司的RPN源(the Applied Materials Remote PlasmaNitridation RPNsource)和應(yīng)用材料有限公司的先進(jìn)ASP室(the AppliedMaterials Advanced Strip Passivation Plus(ASP)Chamber)。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，氫自由基是通過含氫氣體的“熱線(hot wire)”分解或催化分解形成的，含氫氣體如氨(NH3)和氫氣(H2)或它們的組合。在“熱線”工藝中，導(dǎo)線或催化劑，如鎢絲，被加熱至約1600-1800℃的高溫，氫處理氣體通過絲線。加熱的絲線引起氫處理氣體的裂解或分解，形成氫自由基。隨后，氫自由基處理位于絲線下方的襯底上所形成的氮化硅層。在處理工藝期間，盡管絲線的溫度高，襯底仍然僅被加熱至低于600℃的低溫，優(yōu)選地低于550℃。在本發(fā)明的又一種實(shí)施方案中，可以用感應(yīng)式生成的等離子體(inductive generated plasma)來生成氫自由基。
因?yàn)闅渥杂苫梢詽B透氮化硅層的距離被限制為約 例如，HCD膜，典型地少于 例如，硅烷膜，經(jīng)低溫工藝，因此在氫自由基處理之前，形成不大于 優(yōu)選地不大于 的氮化硅層。需要更厚的氮化硅層時(shí)，可以用多次沉積和處理循環(huán)。例如，如果需要 的氮化硅層，首先可以沉積 的氮化硅層，隨后用氫自由基處理該氮化硅層。隨后，在經(jīng)處理的氮化硅層上沉積第二個(gè) 氮化硅層，隨后用氫自由基處理該第二個(gè)氮化硅層。隨后，在該第二個(gè)氮化硅層上沉積第三個(gè) 氮化硅層，并用氫自由基處理該第三個(gè)氮化硅層。這樣，可以形成所需厚度的高質(zhì)量的氮化硅層。例如，HCD3次 CVD循環(huán)，隨后暴露于氫自由基8秒，表明由處理的 層和未處理的 層組成的3個(gè)層。
例如，預(yù)氫自由基處理氮化硅層可以形成大于15原子百分?jǐn)?shù)的氫濃度，主要部分是Si-H形式；如果用有機(jī)硅前驅(qū)物，有大于10原子百分?jǐn)?shù)的碳濃度；如果用氯化的硅前驅(qū)物，有大于1原子百分?jǐn)?shù)的氯濃度，折射率小于1.85，濕式蝕刻速率是應(yīng)用氧化物蝕刻如緩沖氧化物蝕刻(BOE)的二氧化硅蝕刻速率的2倍以上。認(rèn)為這樣的氮化硅層不適于半導(dǎo)體設(shè)備制造中的氮化硅層的許多用途，如隔離體(spacers)和多晶硅晶間介質(zhì)(interpoly dielectrics)。
已經(jīng)觀察到，處理的氮化硅層的總氫濃度低于10原子百分?jǐn)?shù)，Si-H形式的部分降低，碳濃度例如是低于5原子百分?jǐn)?shù)，氯濃度例如是低于1原子百分?jǐn)?shù)，折射率，例如，大于1.90，或濕式降低，例如，和用氧化物蝕刻如BOE時(shí)的二氧化硅的大致相同(1∶1)。
本發(fā)明的工藝或方法能夠，在低沉積溫度和可以制備的高沉積速率(例如，大于 )下，通過熱化學(xué)氣相沉積形成高質(zhì)量的氮化硅層。低沉積溫度使欲在半導(dǎo)體電路制造工藝中使用的氮化硅層在晶體管或有源器件形成之后應(yīng)用或定位，原因是沉積溫度足夠低，不顯著影響器件的熱量預(yù)算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或方法在單晶片反應(yīng)器中得以實(shí)施。
制造 形成根據(jù)本發(fā)明的氮化硅層的方法，對于需要低熱量預(yù)算的半導(dǎo)體器件的制造和/或防止置于氮化硅襯底中的摻雜物重分布的用途而言，是理想的。對于根據(jù)本發(fā)明的氮化硅層的用途來說，一個(gè)例子是用在側(cè)壁隔離層的制造中。在這樣的用途中，將提供襯底，如圖3A中顯示的襯底300。襯底300包含單晶硅襯底或?qū)?02，在其上形成柵極電介質(zhì)層304。具有側(cè)部相對的側(cè)壁的柵電極306(gate electrode 306)是在柵極電介質(zhì)層上形成的。典型地，一對源/漏端(source/drain tip)或延伸區(qū)域310將形成進(jìn)入硅襯底302，與柵電極306的側(cè)部相對的側(cè)壁對準(zhǔn)。
下面，如圖3B所示，根據(jù)本發(fā)明形成低溫氮化硅層，將沿著圖300的襯底氈毯式或覆蓋式沉積。氮化硅層312的厚度取決于被制造晶體管的物理特性，對于65nm技術(shù)器件來講，通常是至少 厚。根據(jù)本發(fā)明，氮化硅層將如上用低沉積溫度并以高沉積速率沉積。首先形成厚度是 或更少，理想地低于 的氮化硅層。隨后使氮化硅層被上述的氫自由基退火。隨后，如果需要，在氫自由基處理的第一氮化硅層上形成第二氮化硅層。第二氮化硅層將如上述用氫自由基處理。隨后，如上所述，將通過低溫化學(xué)氣相沉積，沉積第三氮化硅層。如上所述，用氫自由基處理第三沉積的氮化硅層。以此方式持續(xù)此過程，直至形成具有所需總厚度的氮化硅層312。在一些應(yīng)用實(shí)施方案中，沉積或生長的氧化硅層在該氮化硅層之前被形成，并從而位于該氮化硅層下方。因?yàn)榈鑼?12在低溫工藝中形成，并在低溫下被氫自由基處理，在氮化硅期間，形成源/漏延伸物或體310的摻雜物基本上沒有移動或在襯底302中重分布。這樣，所制造的器件的電學(xué)特性將是一致的。
下面，如圖3C所示，在足夠厚的氮化硅層312形成之后，可以將氮化硅312各向異性地蝕刻，形成沿著柵電極306的側(cè)部相對的側(cè)壁排列的側(cè)壁間隔物314。各向異性蝕刻工藝或方法從水平表面上去除氮化硅層，例如源/漏延伸物310和柵電極306頂部，而保留垂直表面上的氮化硅，如柵電極306的側(cè)壁。形成側(cè)壁間隔物314之后，可以對半導(dǎo)體器件進(jìn)行其它加工，如形成深的源/漏區(qū)域316和/或在源/漏區(qū)域上形成硅化物318。側(cè)壁間隔物314使深的源/漏區(qū)域得以補(bǔ)償，并允許硅化物如硅化鈦或硅化鈷，在源/漏區(qū)域和柵電極頂部以本領(lǐng)域公知的自對準(zhǔn)工藝形成。
設(shè)備 本發(fā)明的氮化硅層理想地在低壓熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器中形成。合適的反應(yīng)器400的例子顯示在圖4中。在本發(fā)明的一種實(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室中發(fā)生。為了在沉積該層的相同室中用氫自由基處理“沉積態(tài)的”氮化硅層，可以使遠(yuǎn)距離等離子體源和低壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器相連接，向該室提供氫自由基源。和低壓化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器400連接的遠(yuǎn)距離等離子體發(fā)生器源801的一個(gè)實(shí)例，也顯示在圖4中。將遠(yuǎn)距離等離子體發(fā)生器801連接于熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器400大大改進(jìn)本發(fā)明的生產(chǎn)量并在氮化硅沉積后，使氮化硅層直接被氫自由基處理。此外，用連續(xù)的沉積/處理循環(huán)形成厚的氮化硅層，如大于 的氮化硅層時(shí)，這種設(shè)備顯著改進(jìn)晶片生產(chǎn)量。
圖4說明了反應(yīng)器通道組件(反應(yīng)器)400。圖4說明，反應(yīng)器400包括室體406，其限定了反應(yīng)室408，在反應(yīng)室中，工藝氣體、前驅(qū)氣體或前體氣體、或反應(yīng)氣體被熱解，在晶片襯底(未顯示)上形成含硅層。室體406是由能夠使室維持10至約350托壓力的材料構(gòu)成。在一種示范性實(shí)施方案中，室體406是由鋁合金材料構(gòu)成的。室體406包含通道410，用于使溫控流體通過所述通道泵出或抽出，以便冷卻室體406。配備有溫控流體通道的反應(yīng)器400被稱為“冷壁(cold-wall)”反應(yīng)器。冷卻室體406防止由于活性物質(zhì)和高溫的存在而對用于形成室體406的材料的侵蝕。
室體406中含有反應(yīng)室408、室蓋426、面板(或噴頭(showerhead))430、預(yù)鍛模膛隔板428(blocker plate 428)、和電阻加熱組件404。電阻加熱組件404包含沿著由鎳制成的加熱管414的長度前進(jìn)的引線412(wire lead 412)。在加熱管414末端是由燒結(jié)的AIN制成的加熱盤416。在加熱盤416內(nèi)是由鉬制成的一個(gè)和多個(gè)加熱線圈418。導(dǎo)線412和線圈418通過釬焊連接在一起并在其中可以導(dǎo)電。導(dǎo)線412用AIN陶瓷套筒420進(jìn)行熱絕緣。線圈418提供大部分電阻，從而提供大部分的反應(yīng)室408的加熱。在加熱盤416的末端是稱為袋422的凹部，在袋422中放置晶片(未顯示)。
圖4示例，室體408進(jìn)一步容納升降組件436。升降組件436協(xié)助晶片襯底(未顯示)移入和移出反應(yīng)室408。升降組件436可以是步進(jìn)馬達(dá)。升降組件436使加熱組件404沿著軸405上下移動，協(xié)助晶片襯底移入和移出反應(yīng)室408。
襯底或晶片通過入口434，由例如機(jī)器人自動傳送機(jī)構(gòu)(未顯示)放入反應(yīng)室408中。在一種實(shí)施方案中，機(jī)器人自動傳送機(jī)構(gòu)和傳送葉片相連，并且機(jī)器人自動傳送機(jī)構(gòu)控制傳送葉片。傳送葉片通過開口插入襯底，將襯底加載到反應(yīng)室408中，并加載到加熱盤416的袋422上。隨著襯底被加載，升降組件436使加熱組件404和加熱盤416在沿著軸405以向下的方向下降，以至于加熱盤416的表面低于入口434。由于加熱盤416被降低，襯底被放置在反應(yīng)室408中。一旦襯底被加載，入口434被密封，升降組件436向高處(例如，向上)方向、朝向面板430移動或升高超過加熱組件404和加熱盤416。在一種示范性實(shí)施方案中，當(dāng)晶片襯底和面板430之間為短距離(例如400-900密耳)時(shí)，升高停止。
在一種示范性實(shí)施方案中，當(dāng)準(zhǔn)備好沉積或加工時(shí)，氣體控制板401控制的工藝氣體或前驅(qū)氣體被導(dǎo)入反應(yīng)室408中。預(yù)鍛模膛隔板428有多個(gè)洞(未顯示)使氣流從其通過。工藝氣體首先通過端孔424、通過預(yù)鍛模膛隔板428，然后通過面板430被導(dǎo)入反應(yīng)室408。工藝氣體從孔424穿過預(yù)鍛模膛隔板428中的多個(gè)洞，隨后通過面板430而分配或配送。面板430將工藝氣體均一地分配到反應(yīng)室408中。
襯底可以通過，例如將加熱組件404向下方(降低)而從室中移出。當(dāng)加熱組件404通過升降組件436的作用以向下方向移動時(shí)，起模針442和接觸升降板444接觸，并保持固定，并最終在加熱盤416頂部表面上方延伸；當(dāng)加熱盤被降低時(shí)，將襯底從加熱盤416上分離下來。輸送葉片隨后通過開口434插入，定位在襯底和加熱盤416之間。接觸升降板444隨后被降低，從而降低起模針442并引起襯底被降落在輸送葉片上。襯底隨后可以由輸送葉片通過入口434被移出。
上述機(jī)制可以重復(fù)用于隨后的襯底。一種合適的升降機(jī)構(gòu)組件436的詳細(xì)描述在美國專利4,772,773中闡述，該專利被轉(zhuǎn)讓給加利福尼亞州Santa Clara的應(yīng)用材料有限公司。
反應(yīng)器400也包含溫度指示器(未顯示)，用來監(jiān)測反應(yīng)室408中的加工溫度。在一個(gè)例子中，溫度指示器可以是熱電偶，使其定位，以便它方便地提供有關(guān)加熱盤416表面(或被加熱盤416支撐的襯底的表面處)的溫度的數(shù)據(jù)。在反應(yīng)器400中，襯底的溫度稍微較冷，比加熱盤416的溫度低20-30℃。
圖4進(jìn)一步說明，反應(yīng)室408襯有溫控襯墊或保溫襯墊409。如上所述，室體406包含溫控流體的通道410，用以產(chǎn)生冷壁室效應(yīng)。反應(yīng)室408內(nèi)部的反應(yīng)溫度可以高達(dá)600℃或甚至更高。鑒于用于在反應(yīng)室408中形成該層的化學(xué)反應(yīng)，高溫將容易地侵蝕反應(yīng)室408的室體406。因此，室體406配備有溫控流體如水或其它可以冷卻室體406的冷卻劑液體的通道410。這將防止室體406變得過熱，過熱會使室體406容易地被侵蝕。和這樣的冷壁室相關(guān)的一個(gè)問題是反應(yīng)室408之內(nèi)的、非常接近室的冷壁的區(qū)域趨向于經(jīng)歷溫度上的大幅下降。這些區(qū)域在溫度上的大幅下降促使顆粒形成或凝結(jié)，這對于反應(yīng)室408中形成的含硅層是不期望的或不利的。例如，HCD和NH3在沉積過程中形成氮化硅(Si3N4)層的反應(yīng)，典型地引起NH4Cl的形成。NH4Cl是不需要的鹽副產(chǎn)物，需要將其清除，以防止對形成的Si3N4造成污染。當(dāng)溫度降低至低于約150℃時(shí)，凝結(jié)如NH4Cl的凝結(jié)會發(fā)生。這些顆?？赡軓氖冶诒或?qū)離。驅(qū)離的顆粒形成成核點(diǎn)，從而在晶片襯底上形成顆粒。在一種實(shí)施方案中，反應(yīng)室408襯有溫控襯墊409，防止不希望的顆粒凝結(jié)。
在一種實(shí)施方案中，溫控襯墊409和室體406的壁接合，以至于溫控襯墊409沿著室體406的壁僅有幾個(gè)物理接觸點(diǎn)。(參見，例如，圖4中顯示出的接觸點(diǎn)459)。最小化溫控襯墊409和室體406的壁之間的物理接觸，則會通過最小化傳導(dǎo)位點(diǎn)使室體406的熱量損失最小化。
吹掃氣體(例如氮?dú)?可以在沉積期間被導(dǎo)入反應(yīng)室408的底部，用來防止不需要的沉積。
反應(yīng)器400也和壓力調(diào)節(jié)器或多個(gè)調(diào)節(jié)器(未顯示)相偶聯(lián)。壓力調(diào)節(jié)器建立和維持反應(yīng)室408中的壓力。這種壓力調(diào)節(jié)器在本領(lǐng)域是已知的。可以在示范性實(shí)施方案中應(yīng)用的壓力調(diào)節(jié)器(多個(gè)調(diào)節(jié)器)必需能夠?qū)毫S持在約10托至約350托范圍的水平。替代地，反應(yīng)器400也可以和氣體抽出系統(tǒng)(未顯示)相偶聯(lián)，在本領(lǐng)域已知所述系統(tǒng)將氣體抽出反應(yīng)室408。也可以用氣體泵-出系統(tǒng)(其可以包含，例如，減壓閥(多個(gè)閥))也可以用來控制反應(yīng)室408中的壓力。反應(yīng)器400也可以和傳感器(未顯示)相偶聯(lián)，所述傳感器監(jiān)測反應(yīng)室408中的加工壓力。
在一種實(shí)施方案中，控制器或處理器/控制器900和室體406相連，從傳感器獲得信號，所述信號提示了室壓。處理器/控制器900也可以和氣體控制板401系統(tǒng)相連，用來控制氮源氣體、硅源氣體、以及惰性和/或吹掃氣體的流量。處理器900可以和壓力調(diào)節(jié)器或多個(gè)調(diào)節(jié)器共同工作，用來調(diào)節(jié)或維持反應(yīng)室408中的壓力。此外，處理/控制器可以控制加熱盤的溫度，從而控制其上放置的襯底的溫度。處理器/控制器900包含存儲器，其含有計(jì)算機(jī)可讀格式的指令，用于控制氮源氣體流量、硅源氣體流量和惰性氣體流量，以及室中的壓力和加熱盤的溫度，控制在上面說明的參數(shù)范圍之內(nèi)，目的是形成根據(jù)本發(fā)明的氮化硅層。例如，處理器/控制器900的存儲器中存儲的是加熱襯底至溫度低于或等于550℃的指令，和在加熱襯底至低于或等于550℃溫度時(shí)、提供硅源氣體、和氮源氣體和/或硅氮源氣體進(jìn)入加熱室408的指令，以及將室408內(nèi)的壓力控制在10-350托之間的指令。
選擇用于反應(yīng)器400中的部件的材料，以使暴露的部件必需能夠和本發(fā)明的高溫工藝過程相容。熱解本發(fā)明前驅(qū)物或反應(yīng)物質(zhì)形成含硅層，涉及使反應(yīng)室408內(nèi)部的溫度高達(dá)600℃。用于反應(yīng)器400中的部件的材料應(yīng)該是抵抗這種高溫的部件類型。在一種實(shí)施方案中，室體406是由耐腐蝕金屬如堅(jiān)硬的陽極化鋁制成的。這種類型的鋁通常是昂貴的。替代地，室體406包含溫控流體通過的通道410。溫控流體的通過使室體406能夠由非常便宜的鋁合金或其它合適的金屬制成，因?yàn)橥ǖ?10將使室體406保持冷卻。如所提及，這是反應(yīng)器400通常被稱為冷壁反應(yīng)器的原因之一。為了防止在冷壁上或冷卻的室體406上形成不需要的凝結(jié)，根據(jù)層形成用途，上述溫控襯墊409可以由吸收從反應(yīng)室408放出的熱量并將溫度襯墊409的溫度保持為至少約150℃或高于150℃或可選地至少約高于200℃的材料制成。在一種實(shí)施方案中，需要將溫控襯墊409維持在足以防止不需要的冷凝的溫度下。
此外，部件材料也應(yīng)該和工藝氣體及其它化學(xué)品相容，例如可以導(dǎo)入反應(yīng)室408的清潔化學(xué)品和前驅(qū)物。在一種實(shí)施方案中，加熱組件404的暴露表面可以由多種材料組成，只要該材料和該方法相容即可。例如，本討論中的示范性實(shí)施方案需要在高溫下施用侵蝕性化學(xué)品。因此，加熱組件的部件必需耐受這種環(huán)境。在一種實(shí)施方案中，加熱組件的部件是由陶瓷材料如氮化鋁(aluminum nitride(AIN))制成的。加熱組件404的加熱盤416也可以由氮化鋁材料組成。
在一種示范性實(shí)施方案中，反應(yīng)室408是用惰性氣體如N2、He、Ar或其組合作為穩(wěn)定氣體予以穩(wěn)定的。在一個(gè)例子中，歧管包含在氣體控制盤系統(tǒng)401中，它將釋放穩(wěn)定氣體進(jìn)入反應(yīng)室408。對于容量是5-6升的反應(yīng)器400來說，穩(wěn)定氣體的流速可以是從1,000sccm至10,000sccm的范圍，優(yōu)選地是約2,000sccm。
在本發(fā)明的一種實(shí)施方案中，反應(yīng)器400和遠(yuǎn)距離等離子體發(fā)生器801相聯(lián)用，所述等離子體發(fā)生器801產(chǎn)生并為沉積室408提供氫自由基。遠(yuǎn)距離等離子體發(fā)生器801包含磁控管802，其用微波源產(chǎn)生微波。磁控管802可以優(yōu)選地產(chǎn)生高達(dá)10,000瓦特的2.5Ghz的微波能量。應(yīng)該指出，需要的功率的量依賴于(成正比于)室408的大小。對于用于處理300mm晶片的退火室，10,000瓦特的功率應(yīng)該足夠。雖然用微波源在裝置800中產(chǎn)生等離子體，但是也可以用其它能量源，如射頻(RF)。
磁控管802和隔離器虛負(fù)載804(isolator and dummy load 804)耦連，隔離器虛負(fù)載804提供用來匹配阻抗。虛負(fù)載吸收反射能，因此沒有反射能到達(dá)磁控管頭。隔離器和虛負(fù)載804通過波導(dǎo)桿(waveguide)806相連，波導(dǎo)806輸送微波能量到達(dá)自動調(diào)諧器808。自動調(diào)諧器808由阻抗匹配頭和單獨(dú)的探測模塊組成，探測模塊用三個(gè)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動阻抗匹配支腳降低涉及能源的微波能的反射功率。自動調(diào)諧器808將微波能量聚焦在微波加熱腔(或室)810中央，這樣，能量被經(jīng)導(dǎo)管812而進(jìn)入加熱腔810的氫處理氣體吸收。盡管自動調(diào)諧器是優(yōu)選的，但是也可以應(yīng)用人工調(diào)諧器。
介質(zhì)加熱電極(applicator)810用從磁控管802接受而來的微波能量，以便從氫處理氣體產(chǎn)生等離子體，這發(fā)生在氫處理氣體向下流過位于介質(zhì)加熱電極810之中的石英等離子體管道時(shí)。氫處理氣體，如同但不限于用于產(chǎn)生氫自由基的H2和NH3的源814，如罐，和微波介質(zhì)加熱電極810相連。此外，惰性氣體如氬(Ar)或氦(He)的源也可以和介質(zhì)加熱電極810相連?？梢杂妙A(yù)先點(diǎn)火的汞燈發(fā)射紫外光進(jìn)入等離子體管道，用來部分地電離工藝氣體并從而使微波能量更容易引發(fā)等離子體。
來自磁控管802的微波能量將氫處理氣體轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，等離子體基本上由三種成分組成離子化的或帶電的氫原子，活化的(有反應(yīng)性的)電中性的氫原子，和含氫中間體的物質(zhì)，所有成分用于本發(fā)明的目的組成“氫自由基”。
介質(zhì)加熱電極810可以被擰在設(shè)備400的蓋上。濃縮的等離子體混合物向下流過導(dǎo)管814到達(dá)室408。由于氫自由基在和室408分開或遠(yuǎn)離室408的位置(室810)中生成，將氫自由基稱為“遠(yuǎn)距離地生成”，欲被退火的襯底位于室408中。
遠(yuǎn)距離等離子體源801可以和處理器/控制器900耦連。處理器/控制器900可以包含以計(jì)算機(jī)可讀格式存儲在存儲器中的指令，所述指令控制遠(yuǎn)距離等離子體源801的操作，實(shí)現(xiàn)上述的氫自由基處理工藝。指令可以包含例如，控制氫處理氣體流速和供給功率以獲得處理氮化硅層所需的氫自由基流量的指令，所述流量如5×1015原子/平方厘米和1×1017原子/平方厘米之間的流量，也可以包含控制加熱盤溫度(和從而控制晶片溫度)的指令以及在氫自由基處理工藝期間控制室408中壓力的指令。
此外，盡管針對應(yīng)用單晶片裝置描述了本發(fā)明，如果需要，本發(fā)明的沉積和處理工藝也可以在半批量或管型設(shè)備中進(jìn)行，這不背離本發(fā)明的范圍。
在本發(fā)明的可選實(shí)施方案中，低溫氮化硅沉積工藝可以在多管腔集成設(shè)備中進(jìn)行，如圖5中顯示的多管腔集成設(shè)備500。多管腔集成設(shè)備500包含一個(gè)可密封的傳送室502，其中含有晶片操作器504，如自動機(jī)械手或機(jī)器人。加載鎖(load locks)或一對加載鎖506通過可密封的門耦連到傳送室502上，使晶片通過自動機(jī)械手504被帶入和帶出多管腔集成設(shè)備500。通過可密封的門，與傳送室502耦連的是氮化硅沉積反應(yīng)器508，如具有電阻加熱器的Applied Materials Xgen單晶片、冷壁、熱化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器。通過可密封的門，與傳送室502相連的還有圖5中顯示的氫自由基處理室510。氫自由基處理室可以是，例如，等離子體室，如Applied Materials Advanced Strip PassivationPlus(ASP)Chamber、遠(yuǎn)距離等離子體室如Applied Materials RemotePlasma Nitridation RPN室、或“熱線”室。典型地，傳送室502維持在低壓下并含有惰性環(huán)境，如N2。這樣，晶片可以從一個(gè)室(例如，氮化硅沉積室508)傳輸?shù)降诙€(gè)室(例如，氫自由基處理室)，反之亦然，而晶片不暴露于氧化環(huán)境或污染物。多管腔集成設(shè)備500也可以包含如上述的處理器/控制器900，用來控制氮化硅沉積反應(yīng)器的操作，以及氫自由基處理室510，用來如上述沉積氮化硅層和如上述用氫自由基處理氮化硅層。
在使用中，晶片或襯底，如圖3A中顯示的晶片，由自動機(jī)械手504從加載鎖506帶入傳送室502。將晶片轉(zhuǎn)移到氮化硅沉積室508，將其間的門密封，用低沉積溫度過程在晶片上沉積氮化硅層。一旦晶片上形成氮化硅層，將晶片經(jīng)自動機(jī)械手504從氮化硅沉積室508移出，并經(jīng)自動機(jī)械手504將其帶入氫自由基處理室510。氫自由基處理室510和傳送室502之間的門隨后被密封，如上所述使氮化硅層暴露于氫自由基。如果需要更厚的氮化硅層，可以從室510移出晶片并將其帶回氮化硅沉積室508，目的是沉積附加的氮化硅。晶片會再次從氮化硅沉積室508被移出并再次被帶回氫自由基處理室510并再次用氫自由基處理。晶片可以持續(xù)地在沉積室508和處理室510之間轉(zhuǎn)移，直至獲得所需厚度和質(zhì)量的氮化硅層。一旦形成了足夠厚的氮化硅層，將晶片從多腔集成設(shè)備500移去。
因此，描述了在低沉積溫度下沉積和處理高質(zhì)量氮化硅層的方法和設(shè)備。
權(quán)利要求
1.加工襯底的方法，包括加熱襯底至550℃或更低的溫度；熱解含硅和氮的源氣體、或含硅源氣體和含氮源氣體，在襯底表面上沉積氮化硅層；和使氮化硅層暴露于氫自由基。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氫自由基是通過含氫源氣體的等離子體分解形成的。
3.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.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氮化硅層是用流量5×1015原子/平方厘米和1×1017原子/平方厘米之間的氫自由基處理的。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體包含具有選自Si-Si鍵、N＝N鍵、N-N鍵或其組合的鍵的化合物。
6.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述含氫源氣體進(jìn)一步包括惰性氣體，選自氮?dú)?N2)、氬(Ar)和氦(He)。
7.權(quán)利要求2所述的方法，其中所述源氣體的等離子體分解在物理上遠(yuǎn)離用氫自由基處理氮化硅層的室。
8.權(quán)利要求1所述的方法，其中，在氮化硅層暴露于氫自由基之后，所述氮化硅層具有的氯濃度原子百分?jǐn)?shù)小于1.0。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中，在氮化硅層暴露于氫自由基之后，所述氮化硅層具有的氯濃度原子百分?jǐn)?shù)小于5。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述熱解溫度小于500℃。
11.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氮化硅層是以每分鐘大于100的沉積速率形成的。
12.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體包含通過單鍵和第二個(gè)硅原子鍵接的第一個(gè)硅原子，和與所述第一個(gè)硅原子和第二個(gè)硅原子鍵接的至少一個(gè)氯(Cl)原子或氮(N)原子。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中有機(jī)基團(tuán)和所述氮原子鍵接。
14.權(quán)利要求5所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體包含化合物，選自具有R2N-Si(R′2)-Si(R′2)-NR2、R3-Si-N3、R′3-Si-NR-NR2結(jié)構(gòu)的基團(tuán)，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)官能基，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)、脂肪族烷基、環(huán)烷基、芳基、有機(jī)硅基團(tuán)、烷基氨基、或含有N或Si的環(huán)狀基團(tuán)、和它們的組合。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其中所述R和R′包括一個(gè)或多個(gè)官能基，選自氯、甲基、乙基、異丙基、三甲代甲硅烷基、吡咯烷、和它們的組合。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體選自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、和四(N-吡咯烷基)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、三甲基氨基硅烷疊氮、(2，2二甲基肼)二甲基硅烷、和它們的組合。
17.權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括通過熱解含硅和氮的源氣體、或含硅源氣體和含氮源氣體，在經(jīng)處理的氮化硅層上沉積第二個(gè)氮化硅層；和使第二個(gè)氮化硅層暴露于氫自由基。
18.權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括通過熱解含硅和氮的源氣體、或含硅源氣體和含氮源氣體，在所述第二個(gè)經(jīng)過處理的氮化硅層上沉積第三個(gè)氮化硅層；和使第三個(gè)氮化硅層暴露于氫自由基。
19.權(quán)利要求1所述的方法，其中，在450℃和600℃之間的溫度下，用氫自由基處理所述氮化硅沉積層。
20.權(quán)利要求1所述的方法，其中在處理氮化硅層之后，氮化硅層具有的氫濃度原子百分?jǐn)?shù)少于10，在氮化硅層暴露于氫自由基后具有大于或等于1.90的折射率，和與使用緩沖氧化物蝕刻時(shí)的二氧化硅的蝕刻速率大約相同的蝕刻速率，或它們的組合。
21.形成氮化硅層的方法，包括在低于550℃的溫度和高于每分鐘100的沉積速率下，通過熱解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體，沉積氮化硅層至厚度小于150；和使沉積的氮化硅層暴露于氫自由基，所述氫自由基通過含氫氣體的等離子體分解形成。
22.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述含硅源氣體或含硅和氮的源氣體選自有機(jī)二-或單-硅烷或有機(jī)氨基二-或單-硅烷。
23.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)和氫氣(H2)的組合。
24.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述沉積的氮化硅層是用5×1015原子/平方厘米和1×1017原子/平方厘米之間流量的氫自由基處理的。
25.權(quán)利要求21所述的方法，其中，在沉積的氮化硅層暴露于氫自由基之后，所述沉積的氮化硅層帶有氫自由基，所述沉積的氮化硅層具有小于10％的氫濃度和實(shí)質(zhì)上減少的Si-H鍵。
26.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述等離子體沉積遠(yuǎn)離用氫自由基處理氮化硅層的室。
27.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述氮化硅層是在其被沉積的同一室中被處理的。
28.形成氮化硅層的方法，包括通過熱解含硅和氮的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的源氣體包含氯和碳；和用含氫氣體的等離子體分解形成的氫自由基處理沉積的氮化硅層，形成處理的氮化硅層。
29.形成氮化硅層的方法，包括通過熱解含硅和氮的源氣體或含硅源氣體和含氮源氣體，沉積氮化硅層，其中在沉積氮化硅層之后，氮化硅層具有的氫濃度原子百分?jǐn)?shù)大于15和碳濃度原子百分?jǐn)?shù)大于10；和用氫自由基處理沉積的氮化硅層，直至氮化硅層的氫濃度原子百分?jǐn)?shù)低于10和碳濃度原子百分?jǐn)?shù)低于5。
30.權(quán)利要求29所述的方法，其中在沉積的氮化硅層暴露于氫自由基之后，所述氮化硅層具有的氯濃度原子百分?jǐn)?shù)少于1.0。
31.形成氮化硅層的裝置，包括襯底支架，位于室中，用于支撐襯底；加熱器，用于加熱放置在所述襯底支架上的襯底；氣體進(jìn)口，用于提供工藝氣體混合物進(jìn)入所述室中，工藝氣體混合物包括硅源氣體和氮源氣體和/或硅和氮源氣體；用于從含氫氣體產(chǎn)生氫自由基的裝置；和處理器/控制器，用于控制所述裝置的操作，其中所述處理器/控制器包含具有多種指令的存儲器，所述指令用于將位于襯底支架上的襯底加熱至低于550℃的溫度，和用于在加熱襯底以便在襯底上形成氮化硅層時(shí)提供含硅源氣體和含氮源氣體或含硅和氮的源氣體進(jìn)入所述室中；和用于控制產(chǎn)生氫自由基的裝置，從而用氫自由基處理氮化硅層。
全文摘要
描述了形成氮化硅層的方法。根據(jù)本發(fā)明，在低沉積溫度下(例如，低于550℃)，通過熱解含硅和氮的源氣體、或含硅的源氣體及含氮的源氣體，使氮化硅層沉積，從而形成氮化硅層。隨后，用氫自由基處理熱沉積的氮化硅層，形成經(jīng)過處理的氮化硅層。
文檔編號H01L21/30GK1898409SQ200480038017
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者S·王, E·A·C·桑切斯, A·(史蒂文)·陳 申請人:應(yīng)用材料有限公司