用于對(duì)3-d ic晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的覆蓋ald膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體處理領(lǐng)域，具體涉及用于對(duì)3-D IC晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的覆蓋ALD膜。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，集成電路(IC)晶體管已使用平面設(shè)計(jì)，其中所述晶體管元件(源極、漏極和溝道)形成在半導(dǎo)體襯底的表面，并且柵極元件被形成作為在襯底表面的溝道區(qū)頂上的平坦結(jié)構(gòu)。然而，最近對(duì)于越來(lái)越小的器件尺寸的期望已促進(jìn)所謂的3-D晶體管的發(fā)展，其中源極、漏極和溝道形成在鰭形結(jié)構(gòu)中，鰭形結(jié)構(gòu)從襯底表面垂直地延伸，通常具有高深寬比。在這些垂直鰭結(jié)構(gòu)內(nèi)形成有溝道時(shí)，可以將3-D晶體管的柵極組件制造成環(huán)繞溝道區(qū)，從而相對(duì)于其直接暴露于柵極電壓的體積顯著增大了溝道區(qū)的表面積。
[0003]平面晶體管和3-D晶體管之間的結(jié)構(gòu)差異在圖1A和IB中示意性地示出。圖1A示意性地示出了傳統(tǒng)的平面IC晶體管100。在圖左側(cè)是表示形成在硅襯底110中的源極120、溝道130和漏極140的側(cè)視圖，柵極150位于溝道130之上，柵極150與溝道130通過(guò)柵極介電質(zhì)149分隔開(kāi)。圖右側(cè)是相同晶體管100的從垂直虛線(xiàn)的視點(diǎn)截取的剖視圖(如水平箭頭所指示的)。從兩個(gè)視圖可以看出，柵極150僅鄰近溝道130的一側(cè)(由柵極介電質(zhì)149隔開(kāi))定位。圖1B提供了現(xiàn)代的3-D晶體管設(shè)計(jì)101的簡(jiǎn)化示意圖，其側(cè)視圖(左)和剖視圖(右)與圖1A中所示的平面晶體管100的側(cè)視圖(左)和剖視圖(右)類(lèi)似。從側(cè)視圖可見(jiàn)，源極121、溝道131和漏極141從硅襯底110的平面垂直地延伸(與平面晶體管100不同)。然而，在圖1B(右)的剖視圖示出了 3-D晶體管101的柵極151能夠從三側(cè)環(huán)繞溝道區(qū)域131 (與平面型晶體管100中的柵極150的配置比較)。柵極圍繞垂直鰭結(jié)構(gòu)的這種環(huán)繞在圖1C進(jìn)一步示出(再次示出3-D晶體管101具有源極121、漏極141和柵極151，但溝道131被柵極遮蓋)；并且圖1D示出了從平行的垂直鰭結(jié)構(gòu)形成的多個(gè)三維晶體管101可以如何由3-D柵極元件151環(huán)繞。晶體管架構(gòu)的這種從平面型設(shè)計(jì)向3-D設(shè)計(jì)的根本轉(zhuǎn)變已經(jīng)對(duì)IC制造提出了挑戰(zhàn)，并且要最佳地解決這些挑戰(zhàn)，必須研發(fā)新的制造技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明公開(kāi)了一種對(duì)在半導(dǎo)體襯底上的部分制成的3-D晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的方法。在一些實(shí)施方式中，所述方法包括:在所述襯底上形成含摻雜劑膜；形成覆蓋膜使得所述含摻雜劑膜位于所述襯底和所述覆蓋膜之間；以及將摻雜劑從所述含摻雜劑膜驅(qū)動(dòng)到所述鰭形溝道區(qū)內(nèi)。在某些這樣的實(shí)施方式中，該覆蓋膜包括硅碳化物材料、硅氮化物材料、硅碳氮化物材料、或它們的組合。在某些這樣的實(shí)施方式中，所述含摻雜劑膜的多個(gè)含摻雜劑層通過(guò)原子層沉積工藝形成，所述原子層沉積工藝包括:使含摻雜劑膜前體吸附到所述襯底上，使得所述前體形成吸附受限層；從所吸附的所述前體周?chē)娜莘e去除至少一些未被吸附的含摻雜劑膜前體；使所吸附的含摻雜劑膜前體反應(yīng)以在所述襯底上形成含摻雜劑層；在使所吸附的所述前體反應(yīng)后，當(dāng)含摻雜劑層周?chē)乃鋈莘e存在解吸的含摻雜劑膜前體和/或反應(yīng)副產(chǎn)物時(shí)，將所述解吸的含摻雜劑膜前體和/或反應(yīng)副產(chǎn)物從所述含摻雜劑層周?chē)乃鋈莘e去除；以及重復(fù)該工藝序列以形成所述含摻雜劑膜的多個(gè)含慘雜劑層。
[0005]本發(fā)明還公開(kāi)了一種對(duì)在半導(dǎo)體襯底上的部分制成的3-D晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的含摻雜劑膜。在一些實(shí)施方式中，所述膜可以包括:第一富摻雜劑部分和第二富摻雜劑部分；第一實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分和第二實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分；覆蓋膜，其包括娃碳化物材料、硅氮化物材料、硅碳氮化物材料、或它們的組合。在一些這樣的實(shí)施方式中，所述膜的第一富摻雜劑部分可以在沒(méi)有插入實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑層的沉積的情況下，通過(guò)按順序地共形地沉積多個(gè)含摻雜劑層形成，并且所述膜的第二富摻雜劑部分也可以在沒(méi)有插入實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑層的沉積的情況下，通過(guò)按順序地共形地沉積多個(gè)含摻雜劑層形成。同樣，在一些這樣的實(shí)施方式中，所述膜的第一實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分可以在沒(méi)有插入含摻雜劑層的沉積的情況下，通過(guò)按順序地共形地沉積多個(gè)實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑層形成，并且所述膜的第二實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分也可以在沒(méi)有插入含摻雜劑層的沉積的情況下，通過(guò)按順序地共形地沉積多個(gè)實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑層形成。在某些這樣的實(shí)施方式中，可以定位所述膜的所述部分使得所述第一實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分位于所述第一富摻雜劑部分和所述第二富摻雜劑部分之間；可以定位所述膜的所述部分使得所述第二富摻雜劑部分位于所述第一實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分和所述第二實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分之間；以及定位所述覆蓋膜層使得所述第一富摻雜劑部分和所述第二富摻雜劑部分和所述第一實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分和所述第二實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑部分在所述襯底和所述覆蓋膜之間。
[0006]本發(fā)明還公開(kāi)了一種用于對(duì)在多個(gè)半導(dǎo)體襯底的表面上的部分制成的3-D晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的多站式襯底處理裝置。在一些實(shí)施方式中，所述裝置包括:包含在一個(gè)或多個(gè)處理室內(nèi)的多個(gè)處理站；一個(gè)或多個(gè)閥，其用于控制朝向所述處理站的含摻雜劑膜前體流；一個(gè)或多個(gè)閥操作的真空源，其用于從包含在所述一個(gè)或多個(gè)處理室內(nèi)的所述處理站周?chē)娜莘e去除含摻雜劑膜前體；以及一個(gè)或多個(gè)控制器，其具有和/或訪(fǎng)問(wèn)用于操作所述一個(gè)或多個(gè)閥和一個(gè)或多個(gè)真空源來(lái)對(duì)在所述襯底的所述表面上的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的機(jī)器可讀指令。在一些實(shí)施方式中，包括以下指令:用于在包含在處理室中的處理站處的襯底上形成含摻雜劑膜的指令；用于形成覆蓋膜的指令，所述覆蓋膜定位成使得所述含摻雜劑膜位于所述襯底和所述覆蓋膜之間；以及用于將摻雜劑從所述含摻雜劑膜驅(qū)動(dòng)到所述鰭形溝道區(qū)內(nèi)的指令。在一些這樣的實(shí)施方式中，該覆蓋膜包括硅碳化物材料、硅氮化物材料、硅碳氮化物材料、或它們的組合。在一些實(shí)施方式中，所述膜的多個(gè)含摻雜劑層通過(guò)原子層沉積工藝根據(jù)所述指令形成，所述原子層沉積工藝包括:將含摻雜劑膜前體引入到含有所述處理站的所述處理室中，并使所述前體能被吸附到所述襯底的所述表面上使得所述前體在所述襯底上形成吸附受限層，其中所述處理站具有保持所述襯底的襯底保持架；從所吸附的所述前體周?chē)娜莘e去除未被吸附的含摻雜劑膜前體；使所吸附的含摻雜劑膜前體反應(yīng)以在所述襯底上形成含摻雜劑層；在使所吸附的所述前體反應(yīng)后，當(dāng)所述含摻雜劑層周?chē)乃鋈莘e存在解吸的含摻雜劑膜前體和/或反應(yīng)副產(chǎn)物時(shí)，將所述解吸的含摻雜劑膜前體和/或反應(yīng)副產(chǎn)物從所述含摻雜劑層周?chē)乃鋈莘e去除；以及重復(fù)該工藝序列，以形成所述含摻雜劑膜的多個(gè)含摻雜劑層。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1A顯示了傳統(tǒng)的平面IC晶體管的側(cè)視示意圖。
[0008]圖1B顯示了傳統(tǒng)的平面IC晶體管的剖視示意圖。
[0009]圖1C顯示了使用鰭形溝道區(qū)的現(xiàn)代三柵極IC晶體管的透視示意圖。
[0010]圖1D顯示了使用鰭形溝道區(qū)的現(xiàn)代三-柵極IC晶體管的另一個(gè)透視示意圖。
[0011]圖2A示意性地示出了在試圖通過(guò)常規(guī)的離子注入技術(shù)對(duì)高深寬比鰭形結(jié)構(gòu)中的溝道區(qū)進(jìn)行摻雜時(shí)可能出現(xiàn)的陰影效應(yīng)。該圖示出了由于沉積的柵極電極材料的存在而導(dǎo)致相鄰的鰭形結(jié)構(gòu)的陰影效應(yīng)增強(qiáng)這樣的情形。
[0012]圖2B也示意性地示出了在試圖通過(guò)常規(guī)的離子注入技術(shù)對(duì)高深寬比鰭形結(jié)構(gòu)中的溝道區(qū)進(jìn)行摻雜時(shí)可能出現(xiàn)的陰影效應(yīng)。該圖示出了由于圖案掩模層的存在而導(dǎo)致相鄰的鰭形結(jié)構(gòu)的陰影效應(yīng)增強(qiáng)這樣的情形。
[0013]圖2C再次示意性地示出了在試圖通過(guò)常規(guī)的離子注入技術(shù)對(duì)高深寬比鰭形結(jié)構(gòu)中的溝道區(qū)進(jìn)行摻雜時(shí)可能出現(xiàn)的陰影效應(yīng)。該圖示出了由于圖案掩模層的存在而導(dǎo)致相鄰的鰭形結(jié)構(gòu)的陰影效應(yīng)增強(qiáng)這樣的情形。
[0014]圖3A示意性地示出了具有覆蓋膜的含摻雜劑膜。
[0015]圖3B示意性地示出了圖3A的布置在鰭形溝道區(qū)上的用于對(duì)溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的含摻雜劑膜。
[0016]圖4A和4B示出了夾于二氧化硅(S12)層之間的含摻雜劑的硼硅玻璃(BSG)膜的示意圖，二氧化硅(S12)層用于經(jīng)由圖4C中所示的SMS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證硼摻雜劑穿過(guò)S1Ji的擴(kuò)散。
[0017]圖4C顯示二次離子質(zhì)譜儀(SMS)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，其驗(yàn)證了在圖4A和4B中示意性示出的硼摻雜劑穿過(guò)膜的3102的擴(kuò)散。
[0018]圖5顯示了 SMS實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，相對(duì)于圖4C展示的摻雜劑穿過(guò)S12的擴(kuò)散，該結(jié)果驗(yàn)證了硼摻雜劑穿過(guò)硅碳化物(SiC)層的減少的擴(kuò)散，硅碳化物(SiC)層將BSG膜夾在中間。
[0019]圖6A提供了顯示一種對(duì)在半導(dǎo)體襯底上的部分制成的3-D晶體管的鰭形溝道區(qū)進(jìn)行摻雜的方法的流程示意圖，該方法使用含摻雜劑膜和覆蓋膜，該覆蓋膜具有硅碳化物材料、硅氮化物材料、硅碳氮化物材料、或它們的組合。
[0020]圖6B提供了用于沉積含摻雜劑膜的原子層沉積(ALD)工藝序列的流程圖。
[0021]圖7示意性示出了與圖3A所示的含摻雜劑膜類(lèi)似的含摻雜劑膜，但在圖7中顯示的膜結(jié)構(gòu)中，富摻雜劑部分穿插有實(shí)質(zhì)上無(wú)摻雜劑的部分。
[0022]圖8示意性示出了適于執(zhí)行形成膜的ALD操作的襯底處理站，所述形成膜的ALD操作如在本文所公開(kāi)的方法中所使用的那些。
[0023]圖9示意性示出了適于執(zhí)行形成膜的ALD操作的多站襯底處理工具，所述形成膜的ALD操作如在本文所公開(kāi)的方法中所使用的那些。
【具體實(shí)施方式】
[0024]在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，本發(fā)明可以在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或所有的情況下實(shí)施。在其它實(shí)例中，未詳細(xì)描述公知的方法操作以免不必要地使所公開(kāi)的實(shí)施方式難以理解。盡管將會(huì)結(jié)合特定實(shí)施方式描述本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些特定實(shí)施方式并不旨在限制本發(fā)明所公開(kāi)的發(fā)明構(gòu)思的范圍。
[0025]在IC晶體管內(nèi)的源極和漏極之間的半導(dǎo)電區(qū)域被稱(chēng)為溝道或晶體管溝道區(qū)。通過(guò)柵極施加到溝道區(qū)的電勢(shì)影響其偏振性和導(dǎo)電性，從而有效地將晶體管從“導(dǎo)通”狀態(tài)切換到“關(guān)斷”狀態(tài)，反之亦然。因此，溝道的導(dǎo)電性以及通過(guò)柵極始終如一調(diào)整溝道的導(dǎo)電性的能力是集成電路晶體管的設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵方面。在傳統(tǒng)的平面集成電路晶體管的制造中，通常采用離子注入技術(shù)來(lái)對(duì)溝道區(qū)進(jìn)行摻雜，并將其導(dǎo)電性調(diào)整到希望的水平。然而，隨著朝向具有形成在高深寬比鰭形結(jié)構(gòu)中的溝道區(qū)域的3-D晶體管的發(fā)展(在某些情況下，具有小于約32納米的寬度、或小于約22納米的寬度、或小于約12納米的寬度)，已經(jīng)證明離子注入技術(shù)對(duì)于提供均勻和受控的摻雜是無(wú)效的。
[0026]離子注入技術(shù)的難點(diǎn)在圖2A和圖2B中示意性地示出。圖2A提供了平行排列的(類(lèi)似于在圖1D所示出的)4個(gè)3-D晶體管的4個(gè)鰭形溝道區(qū)231、232、233、234的剖視圖(類(lèi)似于圖1B所示出的)。兩個(gè)溝道233、234具有施加到其上的柵極材料251。在圖中示意性地表示的是將到達(dá)溝道231和232的基部的離子通量的可能的入射角(通過(guò)相鄰的垂直結(jié)構(gòu))并且因此可以用于均勻地對(duì)每個(gè)溝道的側(cè)面進(jìn)行摻雜。圖中的“角I”表明由于相鄰溝道232的遮蔽效應(yīng)，因而只有小范圍的入射角將達(dá)到溝道231的基部。對(duì)溝道的側(cè)面進(jìn)行摻雜顯然需要離子通量具有一定的水平分量(以便不只是轟擊頂部)，但是該圖中示出，如果水平分量太大，則溝道的側(cè)面將有區(qū)別地被轟擊-使得到達(dá)上部的離子多于到達(dá)下部的離子。因此，對(duì)于溝道231，均勻的轟擊要求入射離子通量的角度被限制到介于零和角度I之間的范圍。然而，在實(shí)踐中，因?yàn)轹捫螠系谰哂懈呱顚挶炔⑶沂敲芗模越嵌菼表示由于例如在產(chǎn)生離子、準(zhǔn)直離子通量中的離子內(nèi)碰撞等的等離子體中的電磁場(chǎng)波動(dòng)而導(dǎo)致離子通量難以一致地到達(dá)的相對(duì)窄的范圍。在圖2A中也表示的角度2示出了由于在相鄰溝道233的頂部存在柵極材料251，因此，對(duì)于溝道232，該問(wèn)題擴(kuò)大了。圖2B示出了:如果相鄰溝道233被抗蝕劑材料層255掩蓋，則對(duì)于溝道232，該問(wèn)題被類(lèi)似地?cái)U(kuò)大了。此外，圖2C示出了:如果相鄰溝道233被已經(jīng)存在的柵極材料層251上的抗蝕劑材料255層掩蓋，則該問(wèn)題被大大地惡化(將圖2C中的角3與圖2A和2B中的角2比較)。
[0027]相應(yīng)地，尋找離子注入以外的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)3-D晶體管中的鰭形溝道區(qū)的一致、均勻和具有成本效益的摻雜。本文所公開(kāi)的方法是在將含摻雜劑膜共形地沉積在垂直結(jié)構(gòu)上后，使用該含摻雜劑膜對(duì)高深寬比垂直鰭形溝道結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜?；镜臉?gòu)思示于圖3A和3Bo圖3A示出了結(jié)合了覆蓋膜320的含摻雜劑膜310的基本結(jié)構(gòu)。圖3B示出了該含摻雜劑膜共形地沉積在垂直鰭形溝道結(jié)構(gòu)131上。由于該膜與靶結(jié)構(gòu)的形狀基本上一致，因此，將摻雜劑從該膜擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到靶結(jié)構(gòu)(例如利用熱退火)會(huì)導(dǎo)致靶結(jié)構(gòu)的均勻摻雜。包括組合物的這樣的共形膜、用于沉積這樣的共形膜的技術(shù)、摻雜劑從膜到溝道結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移、以及用于實(shí)現(xiàn)這些操作的相關(guān)的裝置的細(xì)節(jié)在本文中詳細(xì)說(shuō)明。還應(yīng)注意到，更一般地，通過(guò)共形地沉積的膜進(jìn)行的摻雜對(duì)于其它類(lèi)型的高深寬比器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行的摻雜也會(huì)是有用的，并且在常規(guī)的離子注入或定向的摻雜方法不是充分有效的許多場(chǎng)合中也可以適當(dāng)?shù)厥褂?。例如，除了傳統(tǒng)的基于硅的微電子器件外，其它的共形摻雜的應(yīng)用還可以包括基于II1-V族半導(dǎo)體(例如GaAs)和I1-VI族半導(dǎo)體(如碲錦未)的微電子器件和光電子器件、以及光伏器件、平板顯示器和電致變色技術(shù)。
[0028]然而，盡管共形摻雜在對(duì)靶結(jié)構(gòu)均勻垂直摻雜的潛力方面可提供明顯的優(yōu)勢(shì)(例如，相對(duì)于離子注入技術(shù))，但是在實(shí)踐中，與IC晶體管的制造相關(guān)