含硅薄膜的低溫沉積的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了在低沉積溫度下形成氮化硅、氧氮化硅、氧化硅、碳摻雜的氮化硅、碳摻雜的氧化硅和碳摻雜的氧氮化硅薄膜的方法。用于沉積的含硅前體是一氯甲硅烷和一氯烷基硅烷。該方法優(yōu)選通過使用等離子體增強的原子層沉積、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積進行。
【專利說明】含硅薄膜的低溫沉積
[0001]本申請是申請日為2009年06月03日和發(fā)明名稱為“含硅薄膜的低溫沉積”的200980120277.5號發(fā)明專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求于2008年6月2日提交的美國臨時申請第61/057891號、2008年6月3日提交的美國臨時申請第61/058，374號和2009年6月2日提交的美國非臨時申請第12/476734號的優(yōu)先權(quán)。本文通過引用并入這些臨時申請的公開內(nèi)容。
[0004]發(fā)明背景
[0005]由于其獨特的物理、化學(xué)和機械性能，氮化硅薄膜已廣泛用于各種應(yīng)用中。特別是在半導(dǎo)體設(shè)備中，氮化硅薄膜用作柵極絕緣、擴散掩模、側(cè)壁隔片、鈍化和封裝等。通常情況下，目前在> 750°C的熱壁反應(yīng)器中使用二氯甲硅烷和氨通過低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD)沉積用于前端工藝(Front End OfLine, FE0L)的氮化娃薄膜。但是，由于集成電路(IC)的橫向和豎向尺寸繼續(xù)縮小，為了避免Si和金屬之間的不必要的反應(yīng)和實現(xiàn)具有精確的摻雜分布控制的超高集成裝置，存在著對在低得多的溫度(< 550°C )下沉積氮化硅薄膜的不斷增加的需求。
[0006]為了在低溫下生長氮化物薄膜，最近有報道說，加入少量的Ge可能導(dǎo)致氮化硅薄膜沉積所需要的溫度降低(US7，119，016B2)。但是，這可能會向薄膜中引入不想要的雜質(zhì)，造成薄膜適用的設(shè)備的可靠性問題，也可能增加沉積過程的復(fù)雜性和成本。
[0007]最近對于提高互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管性能的創(chuàng)新已經(jīng)產(chǎn)生了對于與當(dāng)前的超大規(guī)模集成(ULSI)技術(shù)兼容的應(yīng)變(strained)陶瓷層的工業(yè)需求。特別是，可以通過在MOS晶體管的通道區(qū)域引入拉伸單軸或雙軸應(yīng)變(strain)，提高負(fù)性金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管的通道載體遷移率。同樣，壓縮應(yīng)變的薄膜可用于實現(xiàn)正性金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管的通道載體遷移率的增強。在美國公布2008/0081470A1中，公開了用于形成應(yīng)變SiN薄膜和包含該應(yīng)變SiN薄膜的半導(dǎo)體裝置的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明公開了在低沉積溫度下沉積氮化硅、氧氮化硅、氧化硅、碳摻雜的氮化硅、碳摻雜的氧化硅和碳摻雜的氧氮化硅薄膜的方法。用于沉積的含硅前體是一氯甲硅烷(monochlorosilane, MCS)和一氯燒基娃燒(monochloroalkylsilanes)。
[0009]根據(jù)一個實施方式，本發(fā)明涉及一種在處理室中在基底上沉積氮化硅或碳摻雜的氮化硅的方法，包括:
[0010]a.將基底與含氮源接觸，以在基底上吸收含氮源的至少一部分；
[0011]b.清洗未吸收的含氮源；
[0012]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氮源的部分反應(yīng)；和
[0013]d.清洗未反應(yīng)的含硅源；
[0014]其中，該方法是等離子體增強的方法。
[0015]根據(jù)另一個實施方式，本發(fā)明涉及一種在處理室中在基底上沉積氧化硅或碳摻雜的氧化硅的方法，包括:
[0016]a.將基底與含氧源接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分；
[0017]b.清洗未吸收的含氧源；
[0018]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源的部分反應(yīng)；和
[0019]d.清洗未反應(yīng)的含硅源。
[0020]根據(jù)另一個實施方式，本發(fā)明涉及一種在處理室中在基底上沉積氧氮化硅或碳摻雜的氧氮化硅的方法，包括:
[0021]a.將基底與含氧源和含氮源的混合物接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分和含氮源的至少一部分；
[0022]b.清洗未吸收的含氧源和含氮源；
[0023]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源和含氮源的部分反應(yīng)；和
[0024]d.清洗未反應(yīng)的含硅源。
[0025]上述實施方式中的方法優(yōu)選是等離子體增強的方法，諸如等離子體增強的原子層沉積(PEALD)、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積。等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
[0026]特別地，本發(fā)明涉及以下各項:
[0027]1.一種在處理室中在基底上沉積氮化硅或碳摻雜的氮化硅的方法，包括:
[0028]a.將基底與含氮源接觸，以在基底上吸收含氮源的至少一部分；
[0029]b.清洗未吸收的含氮源；
[0030]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氮源的部分反應(yīng)；和
[0031]d.清洗未反應(yīng)的含硅源；
[0032]其中，所述方法是等離子體增強的方法。
[0033]2.根據(jù)第I項的沉積氮化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯甲硅烷。
[0034]3.根據(jù)第I項的沉積碳摻雜的氮化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯烷基硅烷，具有通式 ClSiHxR1nR2nrx,其中，X = 1、2 ；m = 1、2、3 ；n = 0、l，n+m =< 3 J1 和 R2 為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有ι-?ο個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
[0035]4.根據(jù)第 3 項所述的含硅源，選自 ClSiEtH2' ClSiEt2H' ClSi (CH = CH2) H2'ClSi (CH = CH2)MeH、ClSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH)H2, ClSi (iso_Pr)2H、ClSi (sec_Bu)2H、ClSi (tert-Bu)2H、ClSi (iso-Pr)H2, ClSi (sec-Bu)H2, ClSi (tert-Bu)H2 及其混合物。
[0036]5.根據(jù)第I項所述的方法，其選自等離子體增強的原子層沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積；其中，所述等離子體選自氨等離子體、氮等離子體、氮和氫等離子體的混合物及氮和氬等離子體的混合物；等離子體激發(fā)的硅前體是任選的。
[0037]6.根據(jù)第5項所述的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
[0038]7.根據(jù)第I項所述的方法，其中，所述用于沉積氮化硅的含氮源選自氮、氨、肼、單烷基餅、二烷基餅及其混合物；和用于沉積碳慘雜的氣化娃的含氣源選自氣、氣、餅、單烷基肼、二烷基肼、羥胺(NH2OH)、叔丁胺(NH2C(CH3)3)、烯丙胺(NH2CH2CHCH2)、鹽酸羥胺、甲胺、二乙胺、三乙胺及其混合物。
[0039]8.一種在處理室中在基底上沉積氧化硅或碳摻雜的氧化硅的方法，包括:[0040]a.將基底與含氧源接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分；
[0041]b.清洗未吸收的含氧源；
[0042]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源的部分反應(yīng)；和
[0043]d.清洗未反應(yīng)的含硅源。
[0044]9.根據(jù)第8項的沉積氧化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯甲硅烷。
[0045]10.根據(jù)第8項所述的沉積碳摻雜的氧化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯烷基硅烷，具有通式 ClSiHxR1nR2nrx,其中，X = 1、2 ；m = 1、2、3 ；n = 0、l，n+m =< 3 J1 和 R2 為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有ι-?ο個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
[0046]11.根據(jù)第 10 項所述的含硅源，選自 ClSiEtH2、ClSiEt2H、ClSi(CH = CH2)H2、ClSi (CH = CH2)MeH、ClSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH)H2, ClSi (iso_Pr)2H、ClSi (sec_Bu)2H、ClSi (tert-Bu)2H、ClSi (iso-Pr)H2, ClSi (sec-Bu)H2, ClSi (tert-Bu)H2 及其混合物。
[0047]12.根據(jù)第8項所述的方法，選自等離子體增強的原子層沉積、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積。
[0048]13.根據(jù)第12項所述的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
[0049]14.根據(jù)第8項所述的方法，其中，所述含氧源選自氧、水、一氧化二氮、臭氧及其混合物。
[0050]15.一種在處理室中在基底上沉積氧氮化硅或碳摻雜的氧氮化硅的方法，包括:`[0051]a.將基底與含氧源和含氮源的混合物接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分和含氮源的至少一部分；
[0052]b.清洗未吸收的含氧源和含氮源；
[0053]c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源和含氮源的部分反應(yīng)；和
[0054]d.清洗未反應(yīng)的含硅源。
[0055]16.根據(jù)第15項的沉積氧氮化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯甲硅烷。
[0056]17.根據(jù)第15項的沉積碳摻雜的氧氮化硅的方法，其中，所述含硅源是一氯烷基硅烷，具有通式 ClSiHxR1nR2nrx,其中，X = 1、2 ；m = 1、2、3 ；n = 0、l，n+m =< 3 J1 和 R2 為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有ι-?ο個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
[0057]18.根據(jù)第 17 項所述的含硅源，選自 ClSiEtH2、ClSiEt2H、ClSi(CH = CH2)H2、ClSi (CH = CH2)MeH、ClSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH)H2, ClSi (iso_Pr)2H、ClSi (sec_Bu)2H、ClSi (tert-Bu)2H、ClSi (iso-Pr)H2, ClSi (sec-Bu)H2, ClSi (tert-Bu)H2 及其混合物。
[0058]19.根據(jù)第15項所述的方法，其選自等離子體增強的原子層沉積、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積。
[0059]20.根據(jù)第19項所述的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
[0060]21.根據(jù)第15項所述的方法，其中，所述含氧源選自氧、水、一氧化二氮、臭氧及其混合物。
[0061]22.根據(jù)第15項所述的方法，其中，所述含氮源選自氮、氨、肼、單烷基肼、二烷基肼、羥胺(NH2OH)、叔丁胺(NH2C(CH3)3)、烯丙胺(NH2CH2CHCH2)、鹽酸羥胺、甲胺、二乙胺、三乙胺及其混合物?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0062]圖1提供了使用一氯甲硅烷(MCS)和二氯甲硅烷(DCS)通過PEALD沉積的氮化硅薄膜的濕法蝕刻速率的比較數(shù)據(jù)。
[0063]圖2提供了對于使用一氯甲硅烷(MCS)和二氯甲硅烷(DCS)在氨等離子體下、在45(TC下沉積的ALD氮化娃薄膜通過二次離子質(zhì)譜法(SIMS)分析的氯離子(chloride)濃度的比較數(shù)據(jù)。
【具體實施方式】
[0064]本發(fā)明是為了解決在低沉積溫度下形成氮化硅、氧氮化硅、氧化硅、碳摻雜的氮化硅、碳摻雜的氧化硅和碳摻雜的氧氮化硅薄膜的問題。[0065]二氯甲硅烷(DCS)作為硅源已被廣泛用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，以通過與氨的反應(yīng)沉積氮化硅。典型的沉積溫度大于550°C，且副產(chǎn)物是每摩爾DCS兩摩爾的HC1。本發(fā)明使用一氯甲硅烷(MCS)取代DCS，以降低沉積溫度以及產(chǎn)生的薄膜中的氯離子污染。
[0066]表1
[0067]
【權(quán)利要求】
1.一種在處理室中在基底上沉積氮化硅或碳摻雜的氮化硅的方法，包括: a.將基底與含氮源接觸，以在基底上吸收含氮源的至少一部分； b.清洗未吸收的含氮源； c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氮源的部分反應(yīng)；和 d.清洗未反應(yīng)的含硅前體； 其中，所述方法是等離子體增強的方法；且 所述含硅前體是一氯烷基硅烷，其具有通式ClSiHxR1nR2nrx，其中X = 1、2 ；m = 1、2、3 ；n=0、l，n+m=< 3 ；RJ和R2為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有1_10個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述含硅前體選自ClSiEtH2、ClSiEt2H,ClSi (CH=CH2) H2、ClSi (CH = CH2)MeH、ClSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH) H2、ClSi (iso-Pr) 2H、ClSi (sec-Bu) 2H、ClSi (tert-Bu) 2H、ClSi(iso-Pr)H2, ClSi(sec_Bu)H2、ClSi(tert-Bu)H2及其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其選自等離子體增強的原子層沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積；其中，所述等離子體選自氨等離子體、氮等離子體、氮和氫等離子體的混合物及氮和氬等離子體的混合物；等離子體激發(fā)的硅前體是任選的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述用于沉積氮化硅的含氮源選自氮、氨、肼、單烷基餅、二烷基餅及其混合物；和用于沉積碳慘雜的氣化娃的含氣源選自氣、氣、餅、單烷基肼、二烷基肼、羥胺(NH2OH)、叔丁胺(NH2C(CH3)3)、烯丙胺(NH2CH2CHCH2)、鹽酸羥胺、甲胺、二乙胺、三乙胺及其混合物。
6.一種在處理室中在基底上沉積氧化硅或碳摻雜的氧化硅的方法，包括: a.將基底與含氧源接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分； b.清洗未吸收的含氧源； c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源的部分反應(yīng)；和 d.清洗未反應(yīng)的含硅前體， 其中所述含硅前體是一氯烷基硅烷，其具有通式ClSiHxR1nR2nrx，其中X= 1、2 ;m= 1、2、3 ;n = 0、l，n+m = < 3 ；RJ和R2為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有1_10個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述含硅前體選自ClSiEtH2、ClSiEt2H,ClSi (CH=CH2) H2、ClSi (CH = CH2)MeH、ClSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH) H2、ClSi (iso-Pr) 2H、ClSi (sec-Bu) 2H、ClSi (tert-Bu) 2H、ClSi(iso-Pr)H2, ClSi(sec-Bu)H2, ClSi(tert-Bu)H2及其混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，選自等離子體增強的原子層沉積、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述含氧源選自氧、水、一氧化二氮、臭氧及其混合物。
11.一種在處理室中在基底上沉積氧氮化硅或碳摻雜的氧氮化硅的方法，包括: a.將基底與含氧源和含氮源的混合物接觸，以在基底上吸收含氧源的至少一部分和含氮源的至少一部分； b.清洗未吸收的含氧源和含氮源； c.將基底與含硅前體接觸，以與吸收的含氧源和含氮源的部分反應(yīng)；和 d.清洗未反應(yīng)的含硅前體， 其中所述含硅前體是一氯烷基硅烷，其具有通式ClSiHxR1nR2mI，其中，X = 1、2 ；m = 1、 2、3 ;n = 0、l，n+m=< 3 ；RJ和R2為直鏈、支鏈或環(huán)狀的，獨立地選自具有1-10個碳原子的烷基、鏈烯基、炔基和芳基。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述含硅前體選自ClSiEtH2、ClSiEt2H,ClSi (CH = CH2) H2、ClSi (CH = CH2)MeHXlSi (CH = CH2) EtH、ClSi (CCH) H2、ClSi (iso-Pr) 2H、ClSi (sec-Bu) 2H、ClSi (tert-Bu) 2H、ClSi(iso-Pr)H2, ClSi(sec-Bu)H2, ClSi(tert-Bu)H2及其混合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其選自等離子體增強的原子層沉積、等離子體增強的化學(xué)氣相沉積和等離子體增強的循環(huán)化學(xué)氣相沉積。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中，所述等離子體是原位產(chǎn)生的等離子體或遠(yuǎn)處產(chǎn)生的等離子體。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述含氧源選自氧、水、一氧化二氮、臭氧及其混合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中，所述含氮源選自氮、氨、肼、單烷基肼、二烷基肼、羥胺(NH2OH)、叔丁胺(NH2C(CH3)3)、烯丙胺(NH2CH2CHCH2)、鹽酸羥胺、甲胺、二乙胺、三乙胺及其混合物。
【文檔編號】H01L21/318GK103632955SQ201310204535
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2008年6月2日
【發(fā)明者】楊柳, 雷新建, 韓冰, 蕭滿超, E·J·卡瓦基, 長谷部一秀, 松永正信, 米澤雅人, 程寒松 申請人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司, 東京毅力科創(chuàng)株式會社