用於形成氮化物膜的方法
2023-10-05 14:32:39 1
專利名稱：用於形成氮化物膜的方法
技術領域：
本發明涉及用於形成氮化物膜的方法，並且更具體地涉及用於使用分批式垂直等離子體輔助ALD (原子層沉積)設備在半導體晶片上形成氮化物膜的方法，該半導體晶片具有形成在其上的高密度圖案。
背景技術：
在半導體器件中，已經普遍使用難熔金屬鎢(W)作為在需要耐熱的部分中的布線。此外，在具有多層布線結構的半導體器件中，形成中間層電介質膜以將每層布線彼此電絕緣，但使用通過CVD (化學氣相沉積)エ藝形成的矽氧化物膜作為該中間層電介質膜。鎢(W)很容易在形成矽氧化物膜期間的氧氣氣氛中氧化，並且因此產生的鎢氧化物(WOx)具有比鎢(W)更高的電阻率。因而，存在布線的電阻増加以及還有由於布線體積膨脹而使布線的粘合強度下降等等問題。為了避免上述問題，代替在形成W布線之後直接形成矽氧化物膜，而使用了這樣的技木在該技術中W布線的暴露部分首先以作為抗氧化膜的矽氮化物膜覆蓋，並且隨後通過CVDエ藝在其上形成矽氧化物膜。為了形成如上所述的作為抗氧化膜的矽氮化物膜，使用低壓CVDエ藝，其中使用 ニ氯甲矽烷(SiH2Cl2 下文中稱為「DCS」)和氨氣(NH3)作為源氣體，在從630°C到680°C的溫度範圍內沉積矽氮化物膜。然而，通過CVDエ藝形成矽氮化物膜導致W布線表面的氮化。因此雖然被氮化的鎢(WN)仍保持導電性，但與鎢(W)相比，被氮化的鎢的電阻值是大致10倍高，並且因此存在不能獲得具有足夠低的電阻的布線用於微布線的問題。關於這一點，JP 2008-112826A公開了，在形成鎢(W)布線之後，使用由等離子體基團化的NH3以及DCS，在550°C或更低的溫度下通過ALDエ藝沉積的矽氮化物膜覆蓋W布線，使得可以防止鎢(W)布線表面的氮化，並且因此允許防止布線電阻増加。此外，由於使用ALDエ藝的沉積具有更好的階梯覆蓋，該矽氮化物膜的沉積不限於形成用於鎢(W)布線的抗氧化膜，並且可以有效地應用到形成用於高密度布線的側壁 (例如，用於存儲器單元電晶體的柵極布線)。對於這種等離子體輔助ALD矽氮化物膜エ藝，使用如圖1所示的垂直ALD設備 100。這種分批式垂直爐配置為使得半導體晶片中的每ー個按預定的間距以多級方式支撐在各自的石英晶片舟101中，並且隨後包含在圓柱狀垂直處理容器102中。在沉積期間，晶片舟101可以按預定的旋轉速度由旋轉機構103全面地旋轉。加熱機構104安裝在圓柱狀垂直處理容器(例如，石英腔)102的外部圓周上，並且以預定的溫度加熱處理容器102的內部。設備100包括流路Fl和流路F2，通過流路Fl源氣體可以直接供應進處理容器102， 通過流路F2源氣體可以經由等離子體空間105供應進處理容器，等離子體空間105位於用CN 102543692 A
於將源氣體基團化的RF電極106之間。DCS氣體從流路Fl直接供應進處理容器102，而待基團化的NH3氣體沿流路F2引入至等離子體空間105，並且隨後引入進處理容器102。替代地，DCS氣體也可以沿流路F2不施加任何RF功率地通過等離子體空間105供應進反應容器102。用於供應源氣體的流路中的每一個提供有稱為「氣體噴射器」的微孔(未示出)， 以將源氣體最終供應到每一級中的半導體晶片上。另外，處理容器的排氣口 107連接到排氣泵(未示出)，以便可以調節沉積空間的壓力並且可以放出廢氣。通過重複循環直到獲得期望的膜厚度，來執行根據ALD工藝的矽氮化物膜沉積， 其中該循環包括如下步驟首先將包含作為矽源的DCS的沉積氣體供應進處理容器，使得矽源可以被吸收；吹掃未被吸收的DCS ；將包含由等離子體基團化的氨氣的氮化氣體供應進處理容器，使得已吸收的DCS可以被分解和被氮化；並且隨後吹掃。當使用如上所述的分批式垂直爐時，調整每一個源氣體的流量等等，以在高度方向上均勻供應。雖然作為矽源的DCS均勻的供應到爐內，但即使供應量相等，作為氮化氣體的氨氣在處理容器內的底部和頂部之間的基團化程度不同。這個問題由如下原因造成當使作為源氣體的氨氣與作為運載氣體的氮氣(N2)混合併引入進流路時，如圖2A所示，儘管在反應容器內的底部和頂部之間的氣體供應量是相等的，如圖2B所示，對於通過位於RF電極 106之間的空間105的氨氣來說，在爐內底部中的RF施加時間是縮短的，使得氨氣沒有被充分地基團化就被引入進反應空間。氨氣的等離子體處理時間的減少導致N基團的產量減少。由於在底部的N基團減少，到達晶片的中央部分的N基團量減少，並且因此DCS不充分地被氮化。這導致晶片中央部分的氮化物膜厚度減小。具體地說，由於隨著圖案的表面面積變得更大，將消耗更大量的基團，並且因此晶片中央部分的膜厚度很容易減小(下文中， 稱為「膜減薄現象」)，(由於負載效應)引起晶片表面中的膜厚度的均勻性下降的問題。此外，晶片的直徑越大，越容易導致負載效應。為了解決這個問題，考慮不將晶片放置在底部的舟上而寧願引起產率下降問題的技術。
發明內容
由於徹底研究用於在使用分批式垂直爐的等離子體輔助ALD工藝中防止由於負載效應導致在爐底部中晶片上的膜厚度均勻性下降的解決方案，發明人已經發現，通過在引入DCS氣體和引入氨氣之間改變運載氣體的流量，可以抑制負載效應的影響。具體地，根據本發明的一個實施例，提供了一種用於通過使用分批式垂直爐的ALD 工藝形成氮化物膜的方法，其中分批式垂直爐包括舟，配置為允許半導體晶片以多級方式放置在反應容器中；等離子體空間，位於沿反應容器側表面放置的RF電極之間；以及供應口，配置為將氣體從等離子體空間大致均勻地供應到在反應容器內在每一級的半導體晶片上，其中所述方法通過重複循環直到獲得期望的膜厚度來執行，該循環包括-將包含待被氮化的源的源氣體以及第一運載氣體供應到每一級中的半導體晶片上，使得該源被吸收在半導體晶片的表面上；-吹掃源氣體未被吸收的部分；-從等離子體空間的底部到頂部引入氮化氣體以及第二運載氣體，從而生成基團，並且隨後將含有生成的基團的氣體供應到每ー級的半導體晶片上，以氮化吸收的源；並且-吹掃氮化氣體；其中與氮化氣體一同供應的第二運載氣體的量少於與源氣體一同供應的第一運載氣體的量。具體地，在根據本發明的方法中，氨氣可以用作氮化氣體，氮氣可以用作第二運載氣體，並且在引入氮化氣體期間，第二運載氣體的量可以設定在氮化氣體與第二運載氣體的流量比為50 3或更低。根據本發明，在爐底部也可以獲得足夠的基團產量，並且因此提供了對於在晶片中央部分由於負載效應造成的膜減薄現象的改善。
從下面結合附圖對特定優選實施例的描述中，本發明的上述特徵和優點將更加顯而易見，在附圖中圖1是示出了分批式垂直等離子體輔助ALD設備的示例的示意圖；圖2A和2B是示出了本發明要解決的問題的概念圖；圖3是示出了根據本發明實施例的待形成的氮化物膜的示例的示意性橫截面視圖；圖4示出了根據運載氣體流量，在中央部分和外圍部分之間的膜厚度差；圖5是示出了根據現有技術在晶片中央部分上的膜減薄現象的SEM攝影圖像；圖6是示出了根據本發明在晶片中央部分上的膜減薄現象得到改善的SEM攝影圖像；以及圖7示出了根據運載氣體流量差，對於從最低級起的每ー級編號，在中央部分和外圍部分之間厚度差。
具體實施例方式現在將參考說明性實施例在此描述本發明。本領域技術人員將認識到，使用本發明的教導可以完成許多替代實施例，並且本發明不限於用於解釋目的而說明的實施例。在下面的實施例中，將解釋一種用於在字線上形成氮化物膜的方法，該字線將成為以線狀形成的柵極電扱，特別是用作DRAM的存儲器単元中的有源器件的MOS電晶體的柵極電扱。如圖3所示，在電晶體形成區域中，例如通過熱氧化方法等等，將由矽氧化物膜製成的柵極絕緣膜(未示出)形成在半導體襯底的表面上。柵極電極1形成在柵極絕緣膜上，柵極電極1由包括例如多晶矽膜和金屬膜的多層膜構成。可以使用摻雜多晶矽膜作為該多晶矽膜，該摻雜多晶矽膜通過CVD方法在沉積期間引入雜質形成。可以使用鎢、鎢矽化物(WSi)或其他難熔金屬作為該金屬膜。諸如矽氮化物膜的絕緣膜2形成在柵極電極1上，並且通過ALDエ藝形成作為側壁膜的矽氮化物膜3以覆蓋絕緣膜2。在這時，矽氮化物膜3設定為25nm的厚度。此外，在這個情況下，使用具有大致30cm(12英寸)直徑的晶片。然而，對於20cm直徑的晶片尺寸也可以獲得相同的效果。
為了這個目的，使用如圖1中所示的設備(25級舟)，並且重複ALD循環直到獲得設定的25nm的厚度，該ALD循環包括下述步驟-以2slm(每分鐘標準升)的流量引入DCS，並且以0.5slm的流量引入作為第一
運載氣體的N2氣體；-用N2氣體吹掃沉積空間；-在吹掃之後，Wklm的流量引入氨氣，並且以從0.Islm至O.klm改變的流量引
入作為第二運載氣體的N2氣體；並且-用N2氣體吹掃沉積空間；沉積溫度為550°C。DCS沿流路Fl引入進反應容器，並且氨氣沿流路F2通過等離子體空間引入進反應容器。RF功率為100W。在圖4中示出了對於較低的舟，在引入氨氣期間運載氣體的流量與負載效應(中央部分和外圍部分之間的膜厚度差)之間的關係(從最低級起的第五級到第十級的平均值)。如圖4所示，在第二運載氣體的流量達到0.3slm之前，負載效應的影響很少出現， 但當流量高於該值時，負載效應的影響出現。因此可以發現，當氨氣(NH3)和隊氣體的流量比為50 3或更少時，可以抑制負載效應。在圖5和圖6中，分別示出了當以0. klm和0. Islm的流量引入隊氣體時中央部分和外圍部分的沉積形貌作為參考。在這些圖中，以合併狀態示出了對於在四個方向中的每一個上的外圍部分以及中央部分通過掃描電子顯微鏡(SEM)的檢測結果。顯然，在圖5 中發生了膜減薄現象(FTP)，而在圖6中可以發現膜減薄現象的改善。此外，圖7中示出了當以0. klm和0. Islm的流量引入作為第二運載氣體的N2氣體時，對於每一級的中央部分和外圍部分之間的膜厚度差的比較。如圖7所示，可以認識到，當隊氣體的流量是0. 5slm時，膜減薄效應從爐的頂部到底部逐漸增加，並且當流量是0. Islm時，在爐底部的膜減薄現象的改善得到證實。在 0. Islm流量的情況下，雖然未示出對於爐頂部的數據，觀察到了沒有任何差異的幾乎恆定的過渡。同時，沒有特別限定DCS和氨氣的流量，但優選地是IOslm或更小。通常，氨氣的流量優選地為DCS流量的兩倍或更多倍，特別地為2. 5倍。優選地，在引入氨氣期間引入的作為運載氣體的隊氣體(作為第二運載氣體)在其流量的絕對值上比在引入DCS期間引入的隊氣體(作為第一運載氣體)更少。並不特別地限制沉積氮化物膜期間的溫度，但通常可以從300至800°C的範圍中選擇。當在包含鎢(W)的布線上形成氮化物膜時，由於可以防止對鎢的氮化，溫度優選地為550°C或更低。另外，溫度優選地為500°C或更高，因為可以確保待形成的氮化物膜的質量，特別是可以確保作為保護膜或蝕刻阻擋膜的氮化物膜的蝕刻速率。活化等離子體時的高頻電源的RF功率可以設定在50至300W的範圍內，並且特別優選地為大致100W。在上述描述中，儘管形成了矽氮化物膜作為氮化物膜，應當理解的是本發明不限於這樣的實施例，而是可以應用到通過等離子體輔助ALD工藝形成的其他氮化物膜，例如鈦氮化物膜。
權利要求
1.一種用於通過使用分批式垂直爐的ALD工藝形成氮化物膜的方法，其中所述分批式垂直爐包括舟，所述舟被配置為允許半導體晶片以多級的方式放置在反應容器內；等離子體空間，所述等離子體空間位於沿所述反應容器的側表面放置的RF電極之間；以及供應口，所述供應口被配置為將氣體從所述等離子體空間大致均勻地供應到所述反應容器內的每一級中的所述半導體晶片上，其中通過重複循環直到獲得期望的膜厚度來執行所述方法，所述循環包括-將包含待被氮化的源的源氣體以及第一運載氣體供應到每一級中的所述半導體晶片上，使得所述源被吸收到所述半導體晶片的表面上；-吹掃所述源氣體的未被吸收的部分；-從所述等離子體空間的底部到頂部引入氮化氣體以及第二運載氣體，從而生成基團，並且隨後將包含生成的基團的氣體供應到每一級中的所述半導體晶片上，以氮化所述吸收的源；並且-吹掃所述氮化氣體；其中與所述氮化氣體一起供應的所述第二運載氣體的量少於與所述源氣體一起供應的所述第一運載氣體的量。
2.根據權利要求1所述的方法，其中氨氣用作所述氮化氣體，氮氣用作所述第二運載氣體，並且在引入所述氮化氣體期間，所述第二運載氣體的量被設定在所述氮化氣體與所述第二運載氣體的流量比為50 3或更低。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述氮化物膜是矽氮化物膜。
4.根據權利要求2所述的方法，其中所述氮化物膜是矽氮化物膜。
5.根據權利要求3所述的方法，其中所述待被氮化的源是二氯甲矽烷。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述待被氮化的源是二氯甲矽烷。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
8.根據權利要求2所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
9.根據權利要求3所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
10.根據權利要求4所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
11.根據權利要求5所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
12.根據權利要求6所述的方法，其中所述矽氮化物膜形成在包含鎢的布線圖案上，所述包含鎢的布線圖案形成在所述半導體晶片上。
13.根據權利要求7所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
14.根據權利要求8所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
15.根據權利要求9所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
16.根據權利要求10所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
17.根據權利要求11所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
18.根據權利要求12所述的方法，其中在500至550°C的溫度範圍內形成所述氮化物膜。
全文摘要
公開了一種用於形成氮化物膜的方法。其中公開了使用垂直爐的等離子體輔助ALD方法，並且通過重複循環直到獲得期望的膜厚度來執行該方法。該循環包括引入包含待被氮化的源的源氣體、吸收、吹掃、引入氮化氣體並且氮化該源，並且隨後吹掃。相對於引入源氣體期間的第一運載氣體的流量，減少引入氮化氣體期間的第二運載氣體的流量。特別地，作為氮化氣體的NH3氣體與作為第二運載氣體的N2氣體的流量比為50∶3或更低。
文檔編號H01L21/768GK102543692SQ201110446839
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者山本和彌, 松永正信, 梅澤好太, 藤井幹 申請人:東京毅力科創株式會社, 爾必達存儲器株式會社