专利名称：用于制备氮化硅间隔物结构的方法
技术领域：
本发明的实施例一般地涉及用于沉积基于硅的材料的方法。更具体地，本发明涉及用于制备多层氮化硅间隔物结构的化学气相沉积技术。
背景技术：
间隔物(spacer)结构是形成在集成电路(IC)上的许多器件的组成部分。在一个实例中，间隔物结构可用于场效应晶体管(例如，互补金属-氧化物-半导体(CMOS)场效应晶体管等)，以将晶体管的栅极结构与紧邻栅极结构布置的材料绝缘并且对其进行保护。间隔物结构布置在晶体管的多个电介质层和导体层之间，并且具有复杂的界面要求，例如扩散和阻挡特性、内应力、结合强度、材料相容性等。
间隔物结构的制备是一项具有挑战性的任务，并且所述多个界面要求往往仅部分得到满足，或者以低的产率为代价得到满足。此外，目前的制造技术使用不同的处理工具，导致制备间隔物结构的周期延长并且成本很高。
因此，在本领域中存在对于制备场效应晶体管的间隔物结构的改进方法的需要。
发明内容
本发明提供用于半导体衬底上制备间隔物结构的方法的实施例。在一个实施例中，用于在半导体衬底上制备间隔物结构的方法包括提供包含基底结构的衬底，所述间隔物结构将被形成在所述基底结构上。间隔物结构通过如下步骤形成在基底结构上在所述基底结构上沉积包括氮化硅的第一层；在所述第一层上沉积包括基于硅的电介质材料的第二层；以及在所述第二层上沉积包括氮化硅的第三层。第一、第二和第三层在一个处理反应器中沉积。
通过结合附图来考虑下面的详细描述，本发明的教导将变得清楚，在如图中图1描绘了示出根据本发明的一个实施例的用于制备场效应晶体管的间隔物结构的方法的流程图；图2A-2D共同描绘了衬底的一系列的示意性剖视图，其中在衬底上根据图1的方法制备间隔物结构；图3描绘了可以用于实施图1的方法中的多个部分的一类示例性CVD反应器的示意图。
如果适用的话，在本文中所使用的相同的标号指代附图中共用的相同元件。附图中的图像为了说明的目的而被简化，没有按比例绘制。
附示了本发明的示例性实施例，因此，不因被认为是对本发明的范围的限制，本发明可以允许其它等效实施例。
具体实施例方式
本发明一般地涉及用于制备集成电路和器件中的间隔物结构的方法。
图1描绘了示出根据本发明的一个实施例的用于在衬底的期望特征(feature)上制备间隔物结构的方法100的流程图。方法100包括在间隔物结构的制备过程对衬底进行的多个处理步骤。从属步骤和辅助工艺(例如，工艺控制从属步骤、光刻过程等)是本领域公知的，因此在此省略对其的描述。如在方法100中所述地形成的间隔物结构适用于例如场效应晶体管(FET)、动态随机访问存储器(DRAM)、快闪存储器等的制造。
方法100的步骤可以使用低压化学气相沉积(LPCVD)反应器来完成，也可以使用本领域技术人员公知的其它合适的处理反应器，诸如化学气相沉积(CVD)反应器、原子层沉积(ALD)反应器、批沉积反应器等。适用于执行本发明的方法的LPCVD反应器将在下面参考图3进行简单讨论。一种适于执行方法100的LPCVD反应器是SiNgenPlus LPCVD反应器，其可从加利福尼亚Santa Clara的应用材料公司得到。
图2A-2D共同描绘了衬底的一系列示意性剖视图，其中在该衬底上使用图1的方法的一个实施例制备间隔物结构。图2A-2D的剖视图涉及用来制备用于FET制造的间隔物结构的各个处理步骤。图2A-2D中的图像没有按比例绘制，并且为了说明的目的而被简化。为了最好地理解本发明，读者应该同时参考图1和图2A-2D。
方法100开始于步骤102，并且进行到步骤104，在步骤104提供衬底200(图2A)。衬底200的实施例包括但不限于半导体衬底，诸如结晶硅(例如，Si<100>或者Si<111>)、氧化硅，应变硅、SOI、硅锗、掺杂或者未掺杂多晶硅晶片等。一般来说，其上形成间隔物结构的表面可以包含裸露硅、阻挡材料、低k或高k电介质材料、导体材料等的区域。可选地，在形成间隔物结构之前，可以通过选择性执行诸如抛光、退火、烘烤、刻蚀、还原、氧化、卤化、羟化等之类的工艺来预处理衬底200。在一个实施例中，衬底200是结晶硅晶片。
在图2A-2D所描绘的实施例中，衬底200包括至少一种基底结构，间隔物结构将形成在所述基底结构上。在一个实施例中，基底结构包括被制造的晶体管的栅极结构201(仅仅在图2A中标出了标号)。例如，栅极结构201被布置在区域230中晶体管的沟道区域221，源极区域222和漏极区域223上方(区域221-223用虚线描绘)。栅极结构201一般包括栅极电介质层202、栅极层204和可选的金属接触层206。栅极电介质层202可以由例如氧化硅(SiO2)、氧氮化硅(SiON)、氧化铪(HfO2)、硅酸铪(HfSixOy，其中x和y为整数)等或者其组合形成到约10～60埃的厚度。栅极层204可以由多晶硅(Si)形成到约500～2000埃的厚度，并且接触层206一般由钨(W)、钴(Co)、镍(Ni)等形成到约100～500埃的厚度。可以想到可以使用其它的材料和厚度来形成与本文所公开的间隔物结构结合使用的栅极结构201。
在步骤106，包括氮化硅的第一层被沉积在衬底上。在图2B中所描绘的实施例中，第一层212被沉积在栅极结构201(在图2A中标出)的侧壁和衬底200在区域232中的暴露表面上。第一层212包括氮化硅(Si3N4)，并且可以被沉积到约20-1500埃的厚度。在一个实施例中，第一层212被沉积到约50埃的厚度。可以想到可以可选地使用具有其它厚度的层。
第一层212可以使用下面所述的示例性化学剂和工艺来形成。可选地，第一层212可以掺杂其它元素，以控制间隔物结构的最终介电常数。在一个实施例中，第一层212可以掺杂硼(B)、碳(C)、锗(Ge)、或者氢(H)中的至少之一。用于形成氮化硅和掺杂氮化硅膜的其它工艺被公开于R.Suryanarayanan lyer等2005年10月6日递交的标题为“METHOD AND APPARATUS FOR THE LOW TEMPERATUREDEPOSITION OF DOPED SILICON NITRIDE FILMS”的美国专利申请Ser.No.11/245,373中，这里通过引用将其全文包含于此。
在一个实施例中，第一层212可以使用包含氮化化学剂和硅源化学剂(都以气态或者液态的形式)的混合物来形成。在一个实施例中，氮化化学剂包括氮气(N2)、氨气(NH3)、肼(N2H4)等中的至少一种，硅源化学剂包括二(叔丁基氨基)硅烷(BTBAS)、甲硅烷(SiH4)、二硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、六氯二硅烷(Si2Cl6)等中的至少一种。
在其它实施例中，步骤106可以使用具有化学式R(C)-CxNyR(N)的含碳氮化化学剂，其中R(C)是氢或者其它烃基，R(N)是氮或者其它含氮基团，x和y是整数。合适的化学剂的实例包括(CH3)3-N、H3C-NH2、甲胺、H3C-NH-NH2、甲基肼、(H3C)-N＝NH和HCN，及其其它的此类化学剂。
在另外的实施例中，步骤106可以使用具有化学式(SiR3)3-N、(SiR3)2N-N(SiR3)2、或(SiR3)N＝(SiR3)N的含氢硅源化学剂，其中R是氢(H)、烃基、或者由甲基、乙基、苯基、叔丁基或其组合构成的片断。在一个实施例中，R包含氢，并且不包含卤素。在另一个实施例中，R包含氢和一种或多种卤素元素。合适的硅源化学剂的实例包括(SiH3)3-N、(SiH3)2N-N(SiH3)2、(SiH3)N＝(SiH3)N、三甲硅烷基胺，以及其它此类的化学剂。此外，针对下面所述的其它层和步骤所公开的其它源气体可以被用于形成本文所描述的任何层中的类似材料。
掺杂化学剂可以包括例如三氯化硼(BCl3)、硼烷(BH3)、二硼烷(B2H6)或者其它含硼前驱体中的至少一种作为硼源，上面所提及的含碳硅前驱体中的至少一种作为碳源，锗烷(GeH3)或二锗烷(Ge2H6)中的至少一种作为锗源，以及氢气(H2)或上面所提及的含氢的氮或硅前驱体中的任何一种中的至少一种作为氢源。
使用上面所公开的化学剂的工艺方案的选择性控制允许控制第一层212相对于相邻层的界面性质(例如，应力、扩散阻挡特性等)，以及控制层212(和整个间隔物叠层)的介电常数。第一层212还可以被制成相对于在间隔物制备后工艺中所进一步使用的化学剂具有高的刻蚀选择性。
在一个实施例中，氮化硅第一层212可以在诸如SiNgenPlus 300mm反应器之类的LPCVD反应器通过如下工艺形成以约10-15000sccm提供氨气(NH3)并以约1-100sccm提供甲硅烷(SiH4)(即，NH3∶SiH4流率比的范围为1∶10～15000∶1)，同时保持约650-800℃的衬底底座温度和约10-350Torr的室压强。沉积工艺的持续时间为约10-600秒。一种具体的工艺提供10000sccm NH3、17sccm SiH4(即，NH3∶SiH4流率比为588∶1)，同时保持约700℃的衬底温度和约240Torr的室压强。用于掺杂氮化硅第一层212的工艺条件的其它实例在前面所引入的美国专利申请Ser.No.11/245,373中有描述。
在步骤108，包含基于硅的电介质材料的第二层被沉积在第一层上。第二层可以包括氧化硅(SiO2)或者氧氮化硅(SiON)。氧化物层降低了间隔物的总的介电常数。或者，在其中希望间隔物结构具有低的电容的实施例(例如DRAM器件中的间隔物结构)中，第二层可以包括含硼(B)和/或碳(C)和/或氧(O)的氮化硅(Si3N4)膜。因为第一层(和下面讨论的第三层)的阻挡性质基本将第二层中存在的硼、碳或者氧隔离而不接触相邻的金属层，所以由于第二层的含硼和/或碳和/或氧的氮化硅膜而具有较低电容的间隔物结构可以有利地用于具有相邻的多个金属层的应用，诸如DRAM应用。第一层还可以有利地用于提供阻挡层，用于阻止掺杂剂扩散到衬底中。
在图2C所描绘的实施例中，第二层214被沉积在第一层212上。在一个实施例中，第二层214可以包括氧化硅(SiO2)或者氧氮化硅(SiON)，并且可以形成到约20-1500埃之间的厚度。或者，第二层214可以包括含硼(B)和/或碳(C)和/或氧(O)的氮化硅(Si3N4)膜，并且可以形成到约20-1500埃之间的厚度。在一个实施例中，第二层214的厚度为500埃。一般来说，当栅极结构201包括金属接触层206时，第二层214由含硼和/或碳和/或氧的氮化硅膜形成。
步骤108可以使用例如LPCVD反应器来执行。在一个实施例中，第二层214被原位地沉积，即在前面的步骤106期间在其中沉积第一层212的同一反应器的处理室中沉积。
包括SiO2的第二层可以使用在美国专利Ser.No.6,713,127(2004年3月30日授权给Subramony等，以后称为’127专利)中公开的化学剂和工艺来形成，上述美国专利的全文通过引用被包含于此。例如，包括SiO2的第二层214可以使用硅源气体(诸如甲硅烷、二硅烷、甲基甲硅烷、卤代硅烷等)和氧化源气体(诸如氧气、氧化氮、臭氧、四乙氧基硅烷(TEOS)等)来形成。相应地，包括SiON的第二层214可以使用与上面所公开的用于形成氧化硅层的相同的化学剂连同氮化源气体(诸如氨气、肼等)来沉积。类似于第一层212，包括SiO2或SiON的第二层214可选地被掺杂。在一个实施例中，上面参考步骤106所讨论的掺杂剂气体可以用于对SiO2或SiON第二层214掺杂碳(C)或硼(B)中的至少一种。
包括含硼和/或碳和/或氧的氮化硅膜的第二层214可以使用上面针对步骤106所述的氮化硅化学剂，并且加上诸如在上面所述的和在前面所引入的美国专利申请Ser.No.11/245,373和’127专利中所述的碳、氧和硼源的掺杂化学剂，来形成。
使用LPCVD反应器，SiO2第二层214可以通过如下工艺形成以约1-20sccm提供甲硅烷(SiH4)(可选地使用约3000-15000sccm的氮气载气)并以约1000-10000sccm提供氧化氮(N2O)(即，SiH4∶N2O流率比的范围为1∶50～1∶10000)，同时保持约650-800℃的衬底温度和约10-350Torr的室压强。沉积工艺的持续时间为约10-600秒。一种具体的工艺提供4.5sccm SiH4、3000sccm N2O(即，SiH4∶N2O流率比为666∶1)和约12000sccm的氮气，同时保持约675℃的衬底温度和约275Torr的室压强。用于沉积掺杂氧化硅第二层214的工艺条件的其它实例在前面所并入的’127专利中有描述。
或者，SiON第二层214可以通过如下工艺形成以约1-20sccm提供甲硅烷(SiH4)(可选地使用约3000-15000sccm的氮气载气)并以约1000-10000sccm提供氧化氮(N2O)(即，SiH4∶N2O流率比的范围为1∶50～1∶10000)，以及以约1000-10000sccm提供诸如氨气(NH3)或肼(N2H4)之类的氮化源气体(即，SiH4∶氮化气体流率比的范围为1∶50～1∶10000)，同时保持约650-800℃的衬底底座温度和约10-350Torr的室压强。沉积工艺的持续时间为约10-600秒。一种具体的工艺提供4.5sccm甲硅烷、3000sccm氧化氮(即，SiH4∶N2O流率比为666∶1)以及提供约3000sccm的氨气和12000sccm的氮气，同时保持约675℃的衬底温度和约275Torr的室压强。用于沉积掺杂氧氮化硅第二层214的工艺条件的其它实例在前面所并入的’127专利中有描述。
在另一个实施例中，Si3N4第二层214可以通过使用上面参考步骤106所述的工艺来形成，其中在此工艺中，使用参考掺杂氮化硅第一层212所述的化学剂和工艺来提供掺杂。
在步骤110，第三层形成在第二层的顶部以完成间隔物结构。第三层一般包括氮化硅(Si3N4)，并且可以使用上面参考步骤106所述的工艺来形成。第三层可以形成到约20-1500埃的厚度。在一个实施例中，第三层的厚度为约50埃。可以想到，第一、第二和/或第三层中的任一层或所有层的厚度可以根据热预算和第二层中所包含的、对于形成在衬底上紧邻间隔物结构的接触层来说不希望的元素的扩散率，来进行调节。例如，如果第二层包括含碳或氧的氮化硅膜，并且在所制造的器件(例如DRAM器件)中存在紧邻的金属层，则可以基于碳或氧在间隔物结构在处理过程中或者在最终在制成的器件使用过程中将承受的温度和处理时间下的扩散率，来调节间隔物结构的层的厚度。通常，总的间隔物厚度的值在约100-1500埃之间。在一个实施例中，总厚度为约600埃。
在一个实施例中，第三层可以原位沉积，即，在步骤106和108期间分别沉积第一层和第二层的同一反应器的处理室中进行沉积。在图2D所描绘的实施例中，第三层216被沉积在第二层214上。层212、214和216一起形成间隔物结构240。
在完成步骤110后，方法100结束于步骤112。在场效应晶体管的制造中，方法100有利地使用组成层的特性，并且形成具有受控界面性能、应力、扩散阻挡特性和电容的间隔物结构。间隔物结构可以有利地在同一个处理反应器中形成，由此防止了间隔物结构层的污染。
在完成间隔物结构之后，可以在同一处理室或其它处理室中继续进行附加的处理，以完成衬底上的各种器件的形成。例如，图2D以虚线(为了说明的目的)描绘了刻蚀停止层218，源极和漏极插塞208、210和金属前电介质层220，这些可以在形成间隔物结构240之后相继形成在衬底200上，以继续FET器件的制造。
图3描绘了可以用于实施图1的方法100中的部分步骤的一个示例性LPCVD反应器300的示意图。合适的LPCVD反应器的其它实例在lyer等2004年8月4日递交的美国专利申请Ser.No.10/911,208和Smith等2005年6月8日递交的美国专利申请Ser.No.11/147,938中有描述。在图3所描绘的实施例中，反应器300包括处理室301、泵系统338、气体板336、功率源316和控制器346。
处理室301一般包括上部组件303、底部组件308和底座提升组件331。上部组件303一般包括具有入口端口334和喷淋头344的盖310。底部组件308容纳衬底支撑底座324，并且包括具有壁306的室主体302。衬底出入端口328形成在室主体302中，以便于衬底322进入或者退出处理室301。底座提升组件331耦合到衬底支撑底座324，并且包括提升机构330、提升板318和一组提升钉314。
衬底支撑底座324被布置在处理室301的内部空间304中，并且在处理过程中支撑衬底322。底座324包括加热器320，其被配置来调控衬底322的温度和/或内部空间304中的温度。加热器320耦合到功率源316，并且能够将衬底322保持在达到约800℃的温度。
喷淋头344通过多个开口354提供从气体板336输送来的气体或者蒸汽的分配。开口354的尺寸、几何形状、数量和位置被选择性地选择，以有利于到衬底322的预定的气体/蒸汽流模式。
气体板336将液体和/或气态的形式的处理化学剂提供到处理室301。气体板336利用多个气体管线340耦合到盖310。每个气体管线340可以被选择性地适用于将特定的化学剂从气体板336运输到入口端口334，以及可以进行温度控制。
在操作中，底座提升组件330控制底座324在处理位置(如图3所示)和下方位置之间的抬升，其中，衬底322可以从所述下方位置通过衬底出入端口128传输到和传输出处理室301。组件301利用可伸缩软管332被密封地耦合到室主体302，并且可选地被配置来旋转衬底支撑底座324。
壁306可以被热调控。在一个实施例中，多个导管312被布置在壁306中，并且配置来循环调控壁的温度的传热流体。
泵系统338被耦合到形成在壁306中的泵端口326。泵系统338一般包括节流阀和一个或者多个被布置来控制内部空间304中的压强的泵。从处理室301流出的气体行进通过泵吸环342，以提高衬底322的表面上的气流均一性。一种这样的泵吸环在lyer等2004年10月4日递交的题为“Thermal Chemical Vapor Deposition of Silicon Nitride Using BTBASBis(Tertiary-Butylamino Silane)in a Single Wafer Chamber”美国专利申请Ser.No.10/911,208中有描述，该美国专利申请通过引用被包含于此。
在可选实施例(没有示出)中，反应器300可以包含光激发系统，以及耦合到入口端口334的远程等离子体源，其中所述光激发系统通过盖310中的窗口将辐射能量输送到衬底322。
系统控制器346一般包括中央处理单元(CPU)350、存储器343，并且辅助电路352耦合到并且控制反应器300的多个模块和装置。在操作中，控制器346直接控制系统300的多个模块和装置，或者，管理与这些模块和装置相关联的计算机(和/或控制器)。
本发明可以使用其它工艺和/或处理装置来实施，在这些工艺和/或处理装置中，本领域技术人员调节参数来实现可接受的特性，这没有偏离本发明的精神。虽然前面的讨论针对的是场效应晶体管的间隔物结构的制备，但是用于集成电路的其它器件和结构的制造也可受益于本发明。
虽然前述内容涉及本发明的多个实施例，但是可以在不偏离本发明的基本范围的情况下设计本发明的其它和进一步的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求确定。
权利要求
1.一种用于在半导体衬底上制备间隔物结构的方法，包括提供包含基底结构的衬底，所述间隔物结构将被形成在所述基底结构上；以及通过如下步骤形成所述间隔物结构(a)在所述基底结构上沉积包括氮化硅的第一层；(b)在所述第一层上沉积包括基于硅的电介质材料的第二层；以及(c)在所述第二层上沉积包括氮化硅的第三层；其中，步骤(a)-(c)在一个处理反应器中进行。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层的厚度为约20-1500埃。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层还包括至少一种掺杂剂，所述掺杂剂包括硼、碳、锗或氢。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二层的所述基于硅的电介质材料包括氧化硅或者氧氮化硅。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述第二层的厚度为约20-1500埃。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述基底结构是晶体管的栅极结构。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述步骤(a)还包括在所述栅极结构的侧壁上和所述衬底的靠近所述栅极结构的区域沉积第一层。
8.如权利要求6所述的方法，其中，所述栅极结构包括栅极电介质层和栅极层。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述栅极电介质层包括至少一层由氧化硅、氧氮化硅、氧化铪或硅酸铪形成的膜。
10.如权利要求8所述的方法，其中，所述栅极层由多晶硅形成。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二层的所述基于硅的电介质材料由掺杂硼、碳或氧中的至少之一的氮化硅形成。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二层的厚度为约20-1500埃。
13.如权利要求11所述的方法，其中，所述第二层的厚度为约500埃。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述基底结构包括暴露的金属层。
15.如权利要求1所述的方法，其中，所述第三层的厚度为约20-1500埃。
16.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔物结构的总厚度为约100-1500埃。
17.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隔物结构的总厚度为约600埃。
18.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一层到第三层中的至少之一的厚度响应于所述第二层中包含的元素在给定热预算下的扩散率而变化。
全文摘要
本发明提供用于半导体衬底上制备间隔物结构的方法的实施例。在一个实施例中，用于在半导体衬底上制备间隔物结构的方法包括提供包含基底结构的衬底，所述间隔物结构将被形成在所述基底结构上。间隔物结构通过如下步骤形成在基底结构上在所述基底结构上沉积包括氮化硅的第一层；在所述第一层上沉积包括基于硅的电介质材料的第二层；以及在所述第二层上沉积包括氮化硅的第三层。第一、第二和第三层在一个处理反应器中沉积。
文档编号H01L21/31GK1959941SQ20061014093
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月17日 优先权日2005年10月17日
发明者R·苏亚那拉亚南, 萨恩吉夫·唐顿 申请人:应用材料公司