专利名称：半导体结构和化学汽相沉积方法
半导体结构和化学汽相沉积方法技术领域[OOOlj本发明涉及半导体器件和半导体器件制造。更具体地， 本发明涉及一种在衬底的表面上沉积包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料的化 学汽相沉积(CVD)方法。在一些实施例中，可以用本发明的方法来填 充存在于衬底内的高纵横比开口。本发明还涉及一种包括至少一个具 有高纵横比的开口的半导体结构，该至少一个开口利用本申请的方法 而填充有包括Ge和Sb的材料。
背景技术：
将具有暴露表面的衬底放置在化学汽相沉积反应器腔中；0012将包括所述衬底的所述反应器腔抽到小于lxl(^托的基压，并且优选地小于lxl0"托；
从所述前体将包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料沉积在所述衬 底的所述暴露表面上。[0016在本发明的一些实施例中，衬底是具有至少一个开口的 结构，该开口具有大于3:1的纵横比，并且本发明的方法具有利用 GeSb材料填充该至少一个开口的能力。在其它实施例中，衬底具有 基本平坦的表面，并且本发明的方法具有在其上沉积均厚GeSb材料 的能力。0017在本发明的高度优选的实施例中，本发明的方法包括 [0018将其中具有至少线条/通孔结构的互连结构放置在化学汽 相沉积反应器腔中，所述至少一个线条/通孔结构具有大于3:1的纵横比；0019将包括所述互连结构的所述反应器腔抽到小于lxl(^托 的基压；[0020将所述互连结构加热到低于400°C的温度；[0021向所述反应器腔提供含锑的前体和含锗的前体；和00221从所迷前体将包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料沉积在所述互连结构的所述至少一个线条/通孔结构中。[0023除了用于沉积GeSb材料的CVD方法，本发明还涉及一种半导体结构，其包括利用本发明的方法形成的GeSb材料。总之，本发明的半导体结构包括[0024包括至少一个位于其中的开口的材料，所述至少一个开 口具有大于3:1的纵横比；和[0025位于所述至少一个开口中的包括Ge和Sb的化学汽相沉 积材料。0026根据本发明，该至少一个开口可包括通孔、线条或者包 括线条在通孔上或通孔在线条上的它们的任意组合。优选地，该至少一个开口是线条在通孔上的结构。
[0027图l是(通过截面视图)图解说明在GeSb材料的化学汽相 沉积之前可以用于本发明的初始结构的图示。[0028图2是可以用于沉积GeSb材料的本发明的一个实施例的 化学汽相沉积装置的示意图。[0029图3是在利用本发明的方法使用GeSb填充图l所示的结 构中的至少一个开口后的图示(通过截面视图)。
具体实施方式
0030通过参考下面的讨论和本申请的附图来更为详细地描述 提供用于沉积GeSb材料的CVD方法和利用该方法形成的结构的本 发明。应该注意，为了图解说明，提供了本申请的附图，因此，附图 没有必要按比例画出。[0031首先参考图1，图1图解说明可以用于本发明的示例性结 构10。具体地，图解说明的结构10是包括在电介质材料14中形成的 至少一个开口 12的互连结构。根据本发明，至少一个开口 12具有大 于3:1的纵横比。优选地大于10: 1。图1所示的至少一个开口 12包 括位于线条12B下的通孔12A，例如，线条/通孔结构。尽管图1示 出了结构10中的单个开口 12，但是本发明不限于此。而是多个这样 的开口可存在于结构10中。[0032应该注意，尽管示出了包括至少一个开口 12的互连结构， 并且其被用作衬底，但是本发明不限于此。而是可以将本发明的方法 用于跨衬底的基本平坦的整个表面形成GeSb材料的均厚层，该衬底 包括至少一种暴露绝缘或非绝缘材料。00331还应该注意，在图1中通过示例的方式示出了线条/通孔 结构。因此，本发明不限于这种结构。而是在此也考虑具有不同类型 的、纵横比大于3:1的开口的其它结构，例如，只有线条、只有通孔、沟槽等。[0034如上所述，初始结构10包括具有形成于其中的至少一个 开口 12的电介质材料14。尽管在此描述了这样的实施例，但是本发 明不限于此。而是以下将更为详细描述的GeSb材料可以被形成在至 少一个开口中，该开口位于诸如半导体材料或导电材料的非绝缘材料内。术语"半导体材料，，和"导电材料，，的定义具有与下文定义的相同含 义。[0035在初始结构10包括电介质材料14的情况下，电介质材 料14包括在互连技术中被用作层间电介质的任何绝缘材料。通常， 电介质材料14具有大约4.0或更小的介电常数(在真空中所测量的)， 并且大约3.7或更小的介电常数甚至更为典型。在本发明中可以作为 电介质材料14使用的这种绝缘材料的示例包括(但不限于此)Si02、硅 倍半氧烷、(包括Si、 C、 O和H原子的)掺杂C的氧化物(例如，有机 硅酸盐)；热固性聚芳醚(polyarylene ether);或者其多层。在本申请 中使用术语"聚芳，，来表示通过诸如氧、硫、砜、亚砜和羰基等的键、 稠环或惰性链接基链接在 一起的芳基基团(moiety)或惰性取代芳基基团。0036尽管没有示出，但是通常将具有至少一个开口 12的电介 质材料14放置在衬底上。未被示出的衬底可包括半导体材料、绝缘 材料、导电材料或它们的任何組合。当衬底包括半导体材料时，可以 《吏用诸如Si、 SiGe、 SiGeC、 SiC、 Ge合金、GaAs、 InAs、 InP和其 它III/V或II/VI化合物半导体之类的任何半导体。除了这些所列出类 型的半导体材料，本发明还考虑半导体衬底是诸如Si/SiGe、 Si/SiC、 绝缘体上硅(SOI)或绝缘体上硅锗(SGOI)之类的分层的半导体的情 况。0037当衬底是绝缘材料时，该绝缘材料可以是有机绝缘体、 无机绝缘体或它们的包括多层的组合。当衬底是导电材料是，椅底可 包括例如多晶珪、单质金属(elemental metal)、单质金属的合金、金 属硅化物、金属氮化物或它们的包括多层的组合。当衬底包括半导体材料时，可以在其上制造诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件之 类的一个或多个半导体器件。当衬底包括绝缘材料和导电材料的组合 时，衬底可表示多层互连结构的第一互连层。[0038图l所示的至少一个开口 12利用光刻和蚀刻来形成。光 刻工艺包括在通常位于电介质材料14上的硬掩模材料(例如，氧化物 和/或氮化物)上形成光致抗蚀剂，将该光致抗蚀剂曝光于辐射的期望 图案并显影经过曝光的抗蚀剂。蚀刻工艺包括湿法化学蚀刻和/或干法 化学蚀刻。在这些类型的蚀刻工艺中，诸如活性离子蚀刻、离子束蚀 刻或等离子体蚀刻之类的干法化学蚀刻是优选的。在如图l所示的线 条/通孔结构的情况下，可利用传统的先通孔后线条的工艺。可替换地， 在本发明中也考虑用先线条后通孔的工艺。[0039现在参考图2,该图2图解说明了本发明中可用来将GeSb 材料沉积在图1所示的至少一个开口 12中的典型的化学汽相沉积 (CVD)反应器50。应该注意，尽管参考图2所示的化学汽相沉积反应 器50，但是本发明并不限于只使用这种反应器。而是可利用本领域4支 术人员所知的其它类型的化学汽相沉积反应器来实现本发明。下文中 将详述可以用在本发明中的其它类型的反应器。0040参考CVD反应器50, CVD反应器50包括反应器腔52， 其中初始结构10被放置在其中。反应器腔52通常是真空封闭室，其 包括衬底支台54、连接到进气管58的喷头56和诸如涡轮分子泵之类 的真空泵60，其可以通过阀62打开或关闭。[0041根据本发明，将如图1所示的初始结构10放置在位于 CVD反应器腔52中的衬底支台54的表面上。通常将初始结构10与 喷头56分开大约10mm到大约80mm的距离。尽管特别地提到这一 距离，但是本发明不限于所述距离。[00421对于放置在反应器腔52中的初始结构10，将反应器腔 52中的压力抽到小于lxlO's托的基压，而小于lxlO"托的基压是优选 的。通过打开真空泵60的阀62来实现到该基压的抽空。[0043在本发明的一些实施例中，衬底支台54通常包括加热元件，其在随后的含有Ge和含有Sb的前体的沉积期间能够加热初始结 构10。根据本发明，加热元件能够将初始结构10加热到低于400。C 的温度，而从大约200。C到大约350°C的温度是更为典型的。[0044然后，通过喷头56将含有Ge和含有Sb的前体引向被加 热的结构IO。根据所示的具体实施例，通过进气管58将所述前体作 为气体混合物引向喷头56。通过借助质量控制器64从源63接纳通常 在惰性气体中的含有Ge的前体的流，并通过从源66经由质量流量控 制器68且经由起泡器(bubbler)70流入包括含有Sb的前体的惰性气 体，来形成前体气体混合物。术语"惰性气体"在本申请中用于表示不 参与GeSb材料的形成的气体。这样的惰性气体的示例包括Ar、 Ne、 N2、 H2和He，并且Ar是高度优选的。[0045根据本发明，含有Ge的前体包括具有Ge的任何化合物 或络合物。含有Ge的前体的示例包括诸如单锗烷、乙锗烷、丙锗烷 和更高锗烷之类的锗烷、含有1个至大约16个碳原子的烷基锗烷 (germane alkyl)、 错氲化物(germane hydride)和其它有机锗烷 (organo画germane)。优选地，含有Ge的前体是乙锗烷。[0046可以用于本发明的含有Sb的前体包括具有Sb的化合物 或络合物。这样的前体的说明性示例包括含有1个至大约16个碳原 子的烷基锑(antimony alkyl)、 锑胺(antimony amine)、 氩化锑 (antimony hydride)和含有其它有机锑(organo誦antimony)的化合物。在 本发明的一个优选实施例中，含有Sb的前体是三(二甲氨基)锑。[00471用于本发明的两种前体气体的流量可根据所得GeSb材 料的期望的化学计量而改变。根据本发明，惰性气体中的含有Ge的 前体的流量是大约100至大约1500 sccm，同时使用包括含有Sb的前 体的惰性气体的大约10至大约300 seem的流量。在本发明的优选实 施例中，惰性气体中的含有Ge的前体的流量是大约800至大约1500 sccm，同时使用包括含有Sb的前体的惰性气体的大约15至失约50 sccm的流量。在高度优选的实施例中，使用大约1400 seem的Ar中 的20%乙锗烷，同时使用20 seem的含有20 ml(或者20%)的三(二甲氨基)锑的Ar。将理解将上述流适用于所使用的特定反应器。如果使 用例如具有不同的体积和泵速的另外的反应器，那么优选的流量可能 实质上偏离以上所给定的那些流量。[0048应该注意，在沉积工艺的过程期间，将反应器腔52中的 压力维持在大约1至大约IO托的沉积压力。通常，在沉积工艺期间， 将反应器中的沉积压力维持在大约6至大约8托的值。[0049还应该注意，取代如上所述的和如图2所示的在单个输 入管中混合两种前体气体，对于针对每种前体气体使用单独的管并且 可以在喷头自身中或在喷头和初始结构10之间的空间中对其进行混 合的情况，本发明的方法可以同等有效地工作。后者被称作"后混合 方案"。[0050通常例如同时将前体提供给初始结构10作为气体混合 物。尽管同时接触通常是优选的，但是当首先使用含有Ge的前体提 供Ge层然后提供含有Sb的前体时，也可以利用本发明。[0051根据本发明，可以实现包括Ge和Sb的材料的大约10 至大约1000 nm/min的沉积速率，并且大约20至大约40 nm/min的 沉积速率更为优选。0052基于以上详细的描述，本发明形成了一种包括Ge和Sb 的材料，其填充至少一个开口 12而得到图3所示的结构。在图3中， 附图标记20表示包括Ge和Sb的材料。根据本发明，GeSb材料20 的分子式为GexSby，其中x是大约2原子％至大约98原子％的Ge， 而y是大约98原子％至大约2原子％的Sb。更优选地，在本发明中 提供的GeSb材料20是Ge的原子百分比x为从大约10原子％至大 约20原子％而Sb的原子百分比y是从大约卯原子％至大约80原子 %的GeSb材料。[0053看上去材料14的选择既不会明显地影响沉积速率也不会 影响所沉积的GeSb材料的化学计量和形态。如上所述，可以将GeSb 材料沉积在诸如Si02的绝缘体上，同样容易沉积在棵硅或氮化钛上。 所以，沉积是非选择性的均厚工艺。然而，该工艺不只是含有Ge的前体和含有Sb的前体的相互热解。如果含有Sb的前体从过程气体混 合物中被忽略，并且用Si02作为电介质材料14，那么纯锗膜被沉积。 然而，如果通过从过程气体混合物中忽略含有Ge的前体来试图在 Si02上长出纯锑膜，那么结果不是纯锑膜，而是根本不会长出膜来。 因为需要很少的锗来长出富锑膜，但是根本没有锗会使该工艺在Si02上失败，所以推论出锗用来为了随后的锑前体的分解而活化Si02表面，并且该现象解释了对衬底材料的选择的不敏感性。[00541沉积工艺对含有Ge的前体的依赖性强调了乙锗烷作为 优选的前体是令人满意的。为了实现通孔填充，CVD工艺必须具有极 高的保形性。对于高的保形性，沉积反应必须发生于前体在生长表面 上的反应速率限制整个反应速率的温度条件(见上面提到的范围)下； 这与由前体分子传输到生长表面的速率限制相反。在该条件下，在向 下行进到高纵横比通孔期间没有前体分子的实质性损耗，并且避免了 "夹断(pinch off)"。为了在该条件下工作，应该选择最低的实用温度， 从而针对在工艺中使用的每个前体物质(species)提供足够低的且限制 表面反应速率的速率。在这方面，乙锗烷是有用的，因为乙锗烷比较 常使用的锗烷更易起反应。为了尝试用锗烷取代乙锗烷的这种工艺， 有必要增加衬底的温度。这往往使得工艺超出表面反应限制条件并且 往往使得通孔填充更加困难。尽管利用适当的反应条件其仍是可能 的。因此，在该工艺的优选实施例中，锗前体包括乙锗烷。[0055尽管参考其优选实施例已经具体地示出了并描述了本发 明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的精神和范围的 情况下可做出形式和细节上的前述和其它变化。所以，期望不将本发 明限于所描述和图示的精确形式和细节，而是落入所附权利要求的范 围中。
权利要求
1.一种包括Ge和Sb的材料的化学汽相沉积的方法，包括将具有暴露表面的衬底放入化学汽相沉积反应器腔中；将包括所述衬底的所述反应器腔抽到小于1×10-3托的基压；将所述衬底加热到低于400℃的温度；向所述反应器腔提供含有锑的前体和含有锗的前体；以及从所述前体将包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料沉积在所述衬底的所述暴露表面上。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，所述前体被同时提供给所 述反应器腔。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，所述含有锗的前体首先被 提供给所述反应器腔以形成Ge层，接着所述含有锑的前体被提供给 所述反应器腔。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，所述含有锗的前体是锗烷、 含有从1个至大约16个碳原子的烷基锗烷、锗氢化物或其它有机锗 烷。
5. 如权利要求1所述的方法，其中，所述含有锗的前体是乙锗烷。
6. 如权利要求1所述的方法，其中，所述含有锑的前体是含有 从1个至大约16个碳原子的烷基锑、锑胺、氢化锑或其它含有有机 锑的化合物。
7. 如权利要求l所述的方法，其中，所述含有锑的前体是三(二 甲氨基)锑。
8. 如权利要求1所述的方法，其中，在从大约250°C至大约 350。C的温度下执行所述加热。
9. 如权利要求1所述的方法，其中，在所述沉积期间维持大约1 至大约IO托的压力。
10. 如权利要求l所述的方法，其中，所述衬底是其中具有至少一个开口的互连结构，该开口具有大于3:1的纵横比，并且所述包括 Ge和Sb的材料被沉积在所述至少一个开口内。
11. 如权利要求l所述的方法，其中，所述包括Ge和Sb的材料 的分子式为GexSby，其中x是大约2原子％至大约98原子％的Ge， 而y是大约98原子％至大约2原子％的Sb。
12. —种具有通孔填充能力的包括Ge和Sb的材料的化学汽相沉积的方法，包括将其中具有至少线条/通孔结构的互连结构放置在化学汽相沉积反应器腔中，所述至少一个线条/通孔结构具有大于3:l的纵横比； 将包括所述互连结构的所述反应器腔抽到小于lxlO-s托的基压； 将所述互连结构加热到低于400。C的温度； 向所述反应器腔提供含有锑的前体和含有锗的前体；以及 从所述前体将包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料沉积在所述互连结构的所述至少一个线条/通孔结构中。
13. 如权利要求12所述的方法，其中，所述前体被同时提供给 所述反应器腔。
14. 如权利要求12所述的方法，其中，所述含有锗的前体首先 被提供给所述反应器腔以形成Ge层，接着所述含有锑的前体被提供 给所述反应器腔。
15. 如权利要求12所述的方法，其中，所述包括Ge和Sb的材 料的分子式为GexSby，其中x是大约2原子％至大约98原子％的Ge， 而y是大约98原子％至大约2原子％的Sb。
16. 如权利要求12所述的方法，其中，所述含有锗的前体是乙 锗烷，而所述含有锑的前体是三(二甲氨基)锑。
17. —种半导体结构，其包括具有至少一个位于其中的开口的材 料，所述至少一个开口具有大于3:1的纵横比，其中所述至少一个开 口被填充有包括Ge和Sb的化学汽相沉积材料。
18. 如权利要求17所述的结构，其中，所述材料是电介质材料。
19. 如权利要求17所述的结构，其中，所述包括Ge和Sb的化学汽相沉积材料的分子式为GexSby，其中x是大约2原子％至大约 98原子％的Ge，而y是大约98原子％至大约2原子％的Sb。
20.如权利要求17所述的结构，其中，所述材料是从包括半导 体材料和导电材料的组中选择的非绝缘材料。
全文摘要
提供了一种沉积包括锗(Ge)和锑(Sb)的材料的化学汽相沉积(CVD)方法，在一些实施例中，其具有填充高纵横比开口的能力。本发明的CVD方法允许针对宽范围的值进行GeSb化学计量的控制，并且在低于400℃的衬底温度下执行本发明的方法，这使得本发明的方法与现有的工艺和材料兼容。此外，本发明的方法是非选择性的CVD工艺，这意味着GeSb材料同等优质地被沉积在绝缘材料和非绝缘材料上。
文档编号C23C16/06GK101220463SQ20081000227
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月8日 优先权日2007年1月9日
发明者约汉·J.·尤尔卡斯, 芬顿·R·麦克非利, 阿里加德勒·G.·西勒特 申请人:国际商业机器公司