使用氨基矽烷和臭氧的低溫介電沉積的製作方法
2023-05-26 21:40:31 2
專利名稱：使用氨基矽烷和臭氧的低溫介電沉積的製作方法
技術領域：
本發明主要涉及半導體領域。更具體地，本發明涉及在半導體器件和晶片上的化學氣相沉積。
背景技術：
在半導體器件的製造中，低壓熱化學氣相沉積(CVD)產生具有良好階躍覆蓋(step coverage)特性和可接受的隙縫填充(gapfill)縱橫比(aspect ratio)的前金屬介電膜(premetal dielectric film)。當一些前體，如雙(四丁基氨)矽烷(BTBAS)和Et2SiH2在約400℃下通過化學氣相沉積(CVD)與氧氣O2反應時，這些前體產生SiO2。然而，未來的集成電路要求更低的溫度加工前金屬介電質(PMD)和分隔器應用(spacer application)。降低加工溫度的可選方法是使用高密度等離子體(HDP)化學氣相沉積(HDPCVD)工藝。通過使用HDPCVD工藝，在300～500℃範圍內沉積摻雜磷的玻璃(PSG)或未摻雜的矽酸鹽玻璃(NSG)。然而，HDP化學氣相沉積具有限制其有用性的缺陷。HDPCVD工藝將隙縫填充能力限制為約3∶1的縱橫比，而較高溫度的熱CVD工藝獲得更適合的6∶1的隙縫填充或者更高縱橫比。因此，本領域需要在較低溫度下在前金屬介電質上運行化學氣相沉積，並同時保留良好的階躍覆蓋的方法。
發明概述本發明提供一種方法，該方法在約400℃的低溫下，在矽基底上沉積SiO2和其它氧化物，並同時保持良好的階躍覆蓋和隙縫填充能力。
本發明的方法能夠用於摻雜和未摻雜的SiO2沉積。該方法在IC製作種的經典應用是，但不限於前金屬介電質(PMD)、淺槽隔離(shallow trenchisolation，STI)、槽形襯裡(trench liner)和分隔器介電質。
通過使用O3和NH3的混合物作為反應物氣體，本發明的沉積方法也能夠用氧氮化矽(silicon oxynitride)進行。本發明的其它方面包括除矽之外的基底，如SiC、SOI、平板(flat panels)、鎢或鋁。
本發明的一個方面提供在加工室內的基底表面上沉積介電層的方法，所述方法包括將基底暴露給包括氧化劑氣體和矽前體的反應物氣體，其中所述氧化劑氣體包括臭氧，矽前體包括烷基醯胺基矽(silicon alkylamide)和氨基矽烷中的至少一種。該方法可在約20～400℃的溫度範圍內進行。
本發明的另一方面提供在加工室內的基底上沉積氧氮化矽層的方法，所述方法包括將基底暴露給包括氧化劑氣體、氨氣和矽前體的反應物氣體，其中氧化劑包括臭氧，矽前體包括烷基醯胺基矽和氨基矽烷中的至少一種。該方法可在約20～400℃的溫度下進行。
以下結合附圖，詳細描述本發明，其中
圖1說明了適合運行本發明方法的CVD裝置。
發明詳述本發明提供新型低熱預算方法(low thermal budget method)，即在低於或等於約400℃的溫度下，通過化學氣相沉積(CVD)在半導體基底上沉積介電層或膜的方法。在本發明的一個實施方案中，CVD反應可用下述方程概括(1)其中矽前體是Si(NR1R2)4，R1或R2為H 、C1-C6烷基、環烷基、F取代的烷基，或者Si(NR1R2)4-xLx(X＝1、2或3)，其中L＝H或Cl。
在方程(1)中，氨基矽烷和烷基醯胺基矽化合物(以下簡稱「矽前體」)內的Si-N鍵是不穩定的。與其它含矽的前體相比，該鍵在較低溫度下與氧化劑氣體反應。這種類型的化合物中優選的矽前體具有較小的R基團，如甲基乙基醯胺基。在含有基底的反應器或室內，進行該反應。結合使用臭氧作為氧化劑氣體的組分，SiO2CVD工藝溫度可降到低於400℃，同時保持低壓熱CVD工藝的良好階躍覆蓋和隙縫填充能力。臭氧氣體在比氣體氧化劑如氧氣或水更低的溫度下提供原子氧。該反應中，矽前體的氧化在約200℃或更低的溫度下提供了良好的結果，20℃至300℃的溫度範圍為優選的範圍。對前體氣體流而言，過程氣體流量在約1sccm至1000sccm範圍內，優選在約10至500sccm的範圍內。氧化劑氣體流量在約10sccm至2000sccm範圍內，優選在約100-2000sccm範圍內。
在一些情況下，也可以使用稀釋氣體流以提高均勻性，但不是必需的。惰性氣體，如氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氙氣及它們的結合可以用作稀釋氣體。考慮到成本，氮氣和氬氣是優選的稀釋氣體。稀釋氣體流量在約1sccm至1000sccm的範圍內。因為壓力必須在所需的範圍內，所以在所有情況下氣體流量取決於室的大小和泵送的能力，並且本領域的普通技術人員可以用常規的實驗方法確定這些變化。
在本發明的另一個方面，提供了氧氮化矽的形成。將放置在室內的基底暴露給下述反應物，並且用下述方程概括CVD反應(2)其中，矽前體是Si(NR1R2)4，R1或R2為H、C1-C6烷基、環烷基、F取代的烷基或者Si(NR1R2)4-xLx(X＝1、2或3)，其中L為H或Cl。
在方程(2)中，使用NH3和O3氣體混合物，在低溫下沉積氧氮化矽(SiOxNy)。除半導體應用之外，SiOxNy是光學應用的重要材料，這是因為SiOxNy具有在1.45(對SiO2來說)和2.0(對氮化矽來說)之間的可變折光係數。如方程(1)的反應所示，氨基矽烷或烷基醯胺基矽化合物中的Si-N鍵相當不穩定，在低溫下與臭氧反應，這允許低溫CVD方法在低於400℃下進行。在本發明的該方面，氨氣(NH3)的氣體流量在約10sccm至2000sccm的範圍內，優選在約100至2000sccm的範圍內。這種新方法可用於形成摻雜的或未摻雜的SiO2。該方法在IC製造中的應用包括，但不限於，前金屬介電質(PMD)、淺槽隔離(STI)、槽形襯裡和分隔器介電質。
在本發明的另一方面，可改變壓力，以優化工藝使其適合於不同的應用。參考方程(1)和(2)，這些反應可在常壓下進行，並獲得良好結果，或者這些反應可在約1毫託(milliToor)至800託範圍內進行。例如，為在非平面基底上獲得改進的階躍覆蓋，反應可在減壓下進行。可選擇地，可在對階躍覆蓋要求不是最嚴格的PMD應用中，使用較高的壓力。通常，壓力越高，反應速率和最終的沉積速率越快。
本發明中使用的基底通常是矽。然而，可替代的基底，如SiC、SOI、平板、鎢或鋁可用於取代矽，並且在本發明的範圍和精神之內。基底的選擇取決於具體的應用。
可以在公知的沉積系統如通常使用的CVD、PECVD、噴灑熱解(spraypyrolysis)、電弧噴射沉積(arc jet deposition)或者ALD系統10中進行本發明。參考圖1，圖1顯示進行適合本發明方法的CVD系統的簡化截面圖。矽晶片100放置在沉積室101內，並用晶片支撐體或夾盤102支撐。可以在低於或者接近常壓下，進行該工藝。在過程室101中，用加熱器將晶片100加熱至沉積溫度，加熱器優選位於支撐體102內。對CVD工藝而言，通過經注入器110將稀釋氣體103引入室101中，建立加工壓力。接著，使用半導體和薄膜工業中常用的氣體輸送方法，引入矽前體104和氧化劑105(如果要沉積SiOxNy，也包括NH3106)氣體。在靠近晶片處，輸送反應物氣體。反應物氣體混合併反應，在晶片表面上形成所需的材料層。在經過獲得目標膜厚度所需的一段適宜時間後，關閉矽前體和氧化劑/NH3氣體流量，並優選輸送稀釋惰性氣體至室內，以吹洗除去殘留的反應物至排氣裝置(exhaust)112。在經過一段適宜的吹洗時間後，完成該過程，然後從過程室中移去晶片。
儘管本發明示例性的實施方案是CVD沉積，但此處所述的反應和方法也對用其它沉積技術沉積介電膜有利，其它沉積技術包括等離子體增強CVD(PECVD)、噴灑熱解、電弧噴射或者陰極電弧噴灑沉積和旋塗玻璃(spin-on glass)(溼化學法)沉積。本發明也使用於原子層沉積(ALD)，其中可獨立輸送反應物。
已經根據專利法的要求詳細而又具體地描述了本發明，在權利要求書中說明了專利特許證要求和需要保護的內容。
權利要求
1.一種在室內的基底上沉積介電層的方法，所述方法包括將基底暴露給反應物氣體，所述反應物氣體包括氧化劑氣體和矽前體，其中所述氧化劑氣體包括臭氧，所述矽前體包括烷基醯胺基矽和氨基矽烷中的至少一種，其中當所述反應物氣體組存在於所述室內時，所述室的溫度在約20℃至400℃之間。
2.如權利要求1所述的方法，其中當所述反應物氣體組存在於所述室內時，所述室內的壓力在約1毫託至760託之間。
3.如權利要求1所述的方法，其中通過使反應物氣體組流過所述室內的基底之上，將所述基底暴露給反應物氣體。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述矽前體氣體的流量在約1sccm至1000sccm之間，臭氧流量在約10至2000sccm之間。
5.如權利要求4所述的方法，還包括結合所述反應物氣體一起流動稀釋氣體。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述反應物氣體還包括氨。
7.一種在室內的基底上沉積氧氮化矽的方法，所述方法包括將基底暴露給所述反應物氣體，所述反應物氣體包括氧化劑氣體、氨和矽前體，其中所述氧化劑氣體包括臭氧，所述矽前體包括烷基醯胺基矽和氨基矽烷中的至少一種，其中當所述反應物氣體組存在於所述室內時，所述室的溫度在約20℃至400℃之間。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述反應物氣體組存在於所述室內時，所述室內的壓力在約1毫託至760託之間。
9.如權利要求8所述的方法，其中通過使反應物氣體組流過所述室內的基底之上，將所述基底暴露給反應物氣體。
10.如權利要求9所述的方法，其中矽前體氣體的流量在約1sccm至1000sccm之間，臭氧流量在約10至2000sccm之間。
11.如權利要求10所述的方法，還包括結合所述反應物氣體一起流動稀釋氣體。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述稀釋氣體是惰性氣體。
13.如權利要求12所述的方法其中所述惰性氣體是氬氣或氮氣。
14.一種在室內的基底上沉積氧化矽的方法，所述方法包括使臭氧和矽前體在室內存在基底的情況下反應，其中所述室的溫度在400℃，所述矽前體包括烷基醯胺基矽和氨基矽烷中的至少一種，所述氧化劑氣體包括臭氧。
15.如權利要去14所述的方法，還包括使氨與氧化劑氣體和矽前體一起反應。
16.如權利要去14所述的方法，還包括在室內存在基底的情況下反應氧化劑氣體和矽前體的步驟中，使稀釋氣體流過所述室。
17.如權利要求14所述的方法，其中所述溫度在20至400℃的範圍內。
全文摘要
本發明描述了通過使用氨基矽烷或烷基醯胺基矽作為矽前體以及使用包括臭氧的氧化劑，用CVD方法在低溫下(20－400℃)沉積具有良好階躍覆蓋和填充高縱橫比器件結構的能力的介電層或膜的方法。本發明還提供了通過使用氨基矽烷或烷基醯胺基矽作為矽前體以及使用包括臭氧和氨(NH
文檔編號H01L23/522GK1643674SQ03805832
公開日2005年7月20日 申請日期2003年7月15日 優先權日2002年7月19日
發明者千崎佳秀 申請人:阿維扎技術公司