[发明专利]形成高质量的低温氮化硅层的方法和设备

说明书

本申请是分案申请，原申请的申请日为2003年12月19日、申请号为200380107849.9(PCT/US2003/040793)、发明名称为“形成高质量的低温氮化硅层的方法和设备”。 

发明背景 

本发明关于薄层形成领域，更具体地，本发明关于形成氮化硅层的方法和设备。 

相关技术讨论 

现代集成电路由数百上千万个集成到功能电路中的晶体管组成。为了进一步提高集成电路的计算能力和储存容量，晶体管特征尺寸，诸如栅长和栅氧化膜厚度必须进一步按比例缩小。但是，随着晶体管栅长被不断按比例缩小，晶体管的电特性和性能由于器件中掺杂物的热再分布的缘故而会大大改变。同样地，随着器件被进一步按比例缩小，用于制造集成电路的热平衡(thermal budget)，即，来自沉积和工艺温度的单个工序的和累积的热输入，也必须被减少，以确保器件的一致和可靠的电性能。此外，为了进一步按比例缩小半导体器件，用于制造器件的薄层必须形成具有高度的组分和厚度一致性。 

一种用于形成晶体管的材料是氮化硅。氮化硅薄层传统上在半导体制造工艺中通过热化学气相沉积(CVD)沉积而得。例如，氮化硅层被用作间隔层(spacer layers)、蚀刻阻挡(etch stops)、以及电容器和层间绝缘物(interlayer dielectrics)。然而，目前利用热化学气相沉积在单晶片反应器上形成高质量的氮化硅层的技术，需要高于750℃的高沉积温度，和/或在降低的温度下具有降低的沉积速度，并且对于晶体管制造，可能导致不可评估的氮化硅沉积。 

此外，当氮化硅层用目前的工艺和前体(precursor)在减低的温度下，或以高沉积速度沉积时，层的质量一般低于所期望的。如目前包括硅烷、二氯硅烷、乙硅烷、二-四丁基氨基硅烷(BTBAS)、和六氯乙硅烷的氮化硅前体生产出了低于期望的层质量的层，诸如低密度和高氢含量。乙硅烷和六氯乙硅烷具有弱的Si-Si键，这使获得可接受的沉积速度成为可能，但是当与氮源如氨一起使用时，它们或者导致不良膜质量(低密度和高氢含量，不良台阶覆盖和微负载，对乙硅烷来说)，或导致几乎难以控制的颗粒形成现象(对于六氯乙硅烷来说)。 

因此，需要一种在降低的沉积温度下、在可制造的沉积速率下，利用热化学气相沉积(CVD)来形成高质量的氮化硅层的方法。 

发明概述 

本发明一般关于形成晶体管介电层(dielectric layer)，诸如氮化硅层的方法。根据本发明，通过在减低的沉积温度下热分解含硅/氮的源气体或含硅源气体和含氮源气体来形成氮化硅层。该前体包括具有Si-N键、Si-Cl键或两种键的化合物。该热沉积氮化硅层然后暴露于氢自由基，以形成处理过的氮化硅层。具有一个或多个Si-Si、N-N或N＝N键的前体被用于在减低的温度下沉积该氮化硅层。 

在本发明的一个方面，提供了加工衬底的方法，其包括将衬底加热到550℃或低于550℃的温度；热分解含硅和氮的源气体或含硅源气体和含氮源气体，以在衬底表面上沉积氮化硅层，并将该氮化硅层暴露于氢自由基。 

在本发明的另一个方面，提供了形成氮化硅层的方法，其包括在低于550℃的温度下，以高于100 /分钟的沉积速率，通过热分解含硅和氮的源气体或含硅源气体和含氮源气体来沉积氮化硅层得到低于150 的厚度，将所沉积的氮化硅层暴露于氢自由基，该氢自由基通过含氢气体的等离子体分解而形成。 

在本发明的另一个方面，提供了形成氮化硅层的方法，其包括：通过热分解含硅和氮的源气体或含硅源气体和含氮源气体来沉积氮化硅层，其中，该含硅源气体和含硅和氮的源气体包括氯和碳，并用氢自由基处理沉积的氮化硅层以形成处理过的氮化硅层，该氢自由基通过等离子体分解含氢气体而形成。 

在本发明的另一个方面，提供了形成氮化硅层的方法，其包括：通过热分解含硅和氮的源气体或含硅源气体和含氮源气体来沉积氮化硅层，其中沉积氮化硅层之后，该氮化硅层具有的氢浓度高于15at.％(原子百分比)，碳浓度高于10at.％；并用氢自由基处理所沉积的氮化硅层，直到氮化硅层的氢浓度小于10at.％，碳浓度小于5at.％。