专利名称：超细晶粒多晶硅薄膜的气相沉积方法
技术领域：
本文公开的本发明涉及一种在衬底上沉积薄膜的方法，更具体而言，涉及一种通过化学气相沉积(CVD)来沉积薄膜的方法。
背景技术：
半导体制造方法通常包括在晶片表面上沉积薄膜的沉积方法，并且将多种类型的薄膜包括二氧化硅、多晶硅和氮化硅等沉积在晶片表面上。在多种沉积方法中，化学气相沉积(CVD)方法通过气体化合物的热分解或反应来在衬底表面上形成薄膜，也就是，使所需材料由气态沉积在衬底表面上。在所述沉积方法中，用于在晶片表面上沉积多晶硅膜的方法如下。首先，将晶片装载至沉积腔室内，然后通过在腔室内供应源气体而将薄膜沉积到晶片上。此时，在腔室内供应的源气体包括硅烷(SiH4),并且借由在腔室内供应的该源气体将薄膜沉积到晶片上。此时，通过硅烷(SiH4)的热分解将多晶硅膜沉积到晶片上。然而，通过上述沉积方法，不仅难以沉积具有厚度较薄(小于约400 A )的硅晶体结构的多晶硅膜，还难以沉积均勻的多晶硅膜。因此，当多晶硅膜用作半导体闪速存储器的浮栅电极时，会存在一些问题如在制得器件中的过擦除现象等，因而使得器件的特性如器件的平坦性、耐久性和可靠性因为阀值电压漂移和极不均勻的阀值电压而劣化。更特别地，首先在恒定的处理温度下(通常低于55°C )通过使用硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)生长非晶硅薄膜，然后通过后续的预定热处理过程(例如650°C 900°C )使生长的薄膜结晶。由此得到图1所示的结果。图1是根据常规沉积方法的多晶硅膜利用透射电子显微镜(TEM)拍摄的照片。当通过上述方法形成诸如闪速存储器等器件的栅电极时，薄膜中的结晶晶粒的晶粒度非常不规则，并且形成了尺寸为数十A或几百nm的晶粒。因而，当通过使用此类方法形成晶体管时，在晶粒的尺寸较大的区域中会形成1或2条晶界，相反，在晶粒的尺寸很小的区域中会形成多条晶界。因而，在晶粒很小并由此形成多条晶界的区域内，在晶粒相互接触的区域下会由隧道氧化物形成氧化物谷区。在较大晶粒之间的界面下会形成较大的氧化物谷。因而，在形成磷多晶硅的后续处理中，氧化物谷区中集结了更多的磷以降低局部势垒高度。因此，在驱动器件时，由于因集结的磷形成了过擦除点或电子陷阱形成位点，这可能使得器件的可靠性大幅度劣化。也就是，由过擦除或电子陷阱引起的电子运动速度的差异导致了晶体管间驱动特性的差异。结果，由于驱动器件时包含在同一芯片中的晶体管的驱动特性彼此显著不同，所以存在包含该晶体管的器件的特性极大劣化的问题。
发明内容
技术问题本发明的一个目的是提供一种用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，该方法能够通过改善电气特性的均勻度而防止器件特性劣化。
技术方案本发明的实施方式提供了一种沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，该方法包括在装载有衬底的腔室内形成氮气氛；将源气体供应至腔室内来在所述衬底上沉积多晶硅薄膜，其中，所述源气体包括硅基气体、氮基气体和磷基气体。在一些实施方式中，所述氮气氛的形成可以包括，将氮基气体供应至腔室内。在其他的实施方式中，所述氮基气体可以是氨(NH3)。还在其他的实施方式中，所述源气体中的氮基气体和硅基气体的混合比可以是约 0. 03以下(0除外)。另在其他的实施方式中，所述薄膜中的氮为约11. 3原子百分比(％)以下(0除外)。又在其他的实施方式中，所述方法还包括对薄膜的热处理过程。在进一步的实施方式中，所述硅基气体可以是硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(DCS)、三氯硅烷(TCS)和六氯乙硅烷(HCD)中的任一种。在更进一步的实施方式中，所述磷基气体可以是膦(PH3)。在又进一步的实施方式中，所述方法可以在薄膜沉积中沉积η+或ρ+掺杂的多晶硅薄膜。在更进一步的实施方式中，在沉积所述η+掺杂的多晶硅薄膜时，可以通过原位注入如？氏或砷(As)等η+型掺杂物杂质来沉积具有超细晶粒的多晶硅层。在又进一步的实施方式中，在沉积所述ρ+掺杂的多晶硅薄膜时，可以通过原位注入如硼(B)等ρ+型掺杂物杂质来沉积具有超细晶粒的多晶硅层。有益效果根据本发明用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，当采用化学气相沉积来在衬底上沉积薄膜时，由于通过在装载有衬底的腔室内供给包含有硅基气体、氮基气体和磷基气体的源气体而在衬底上沉积超细晶粒多晶硅薄膜，所述方法能够通过改善电气特性的均勻度而防止器件特性劣化。此外，本发明使用硅烷(SiH4)气体作为硅源气体，并且在沉积过程中通过以预定比例将SiH4与诸如NH3等含氮气体混合并在预定的处理温度和压力下注入经混合的气体来控制晶体颗粒的尺寸。因此，当该多晶硅薄膜用作半导体器件中的闪速存储器的浮栅电极时，能够形成均勻的晶粒，由此能够获得器件的耐久性和可靠性。此外，当多晶硅薄膜在动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和逻辑器件中使用时，通过使用上述多晶硅薄膜制造器件，能够保证优异的器件特性，并由此改善此类半导体器件的产率和特性。
图1是示出了根据常规沉积方法的具有较大尺寸晶粒的多晶硅薄膜的照片。图2是本发明的薄膜沉积装置的示意图。图3是示出了通过本发明用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法形成的多晶硅薄膜的特性的曲线图，特别地，该曲线图显示了对应于氮源气体和硅源气体的混合比的折射率。
图4是示出了通过本发明用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法沉积的薄膜的晶体结构的TEM照片。图5和图6是示出了对应于氮源气体和硅源气体的混合比的氮原子百分比(原子％)的换算浓度值和晶粒度的曲线图和表格。图7是显示阀值电压的曲线图。
具体实施例方式下面将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。本发明的实施方式可以变换为多种形式，因此本发明并不限于下面公开的实施方式。提供这些实施方式以帮助本领域普通技术人员全面理解本发明，因而，可以突出个别要素的配置来强调本发明的特征，并且更清楚地阐述本发明。根据本发明的一个示例性实施方式，当使用化学气相沉积方法在衬底上沉积薄膜时，通过在装载有衬底的腔室内供给包含有硅基气体、氮基气体和磷基气体的源气体而在衬底上沉积薄膜来沉积超细晶粒多晶硅薄膜。一般地，“化学气相沉积”是指通过向衬底供给气态的源气体并在源气体和衬底间诱发化学反应而在半导体衬底上形成薄膜的方法。将参照图2阐述本发明在单个腔室内进行的化学气相沉积法。图2示出了应用于本发明的沉积装置。形成用于将源气体引入沉积装置10的腔室11的入口 12。由入口 12引入的气体通过喷淋头13喷射到腔室11内。此外，将作为沉积对象的晶片15放置在加热器14上，而且加热器14由加热器支承件16承载。通过上述装置进行沉积，然后通过真空端口 17排出经沉积的衬底。首先，将衬底转移到反应腔室11内部，然后在反应腔室11内形成氮环境。例如，向反应腔室11内部供应氨(NH3)来维持反应腔室11内的氮环境。结果，使衬底置于氮环境中并在氮环境中进行预处理。此后，将其中使硅烷(SiH4)气体和作为载气的惰性队流入腔室 11并经热分解而分解的反应气体，经由单晶片型化学气相沉积法通过表面转移而沉积到放置在加热器上的硅晶片上。此时，在将NH3气体(例如，该NH3气体可以与之前预处理中供应的NH3相同)与SiH4气体同时以恒定比例引入到反应腔室11内时，因分解自NH3的氮原子而推迟了由热分解反应气体的硅原子引起的晶粒生长。因此，可以在高温下(650°C或以上的高温)沉积非晶态多晶硅。在该方法中，NH3/SiH4气体的混合比是本发明最重要的因素，因为氮化硅能够在两种反应气体的混合比维持在特定水平以上时进行沉积。为了形成具有超细晶粒结构的多晶硅，采用熔炉型或单晶片型反应腔室在预定温度进行后续热处理过程。此外，通过注入诸如PH3等η+掺杂型杂质或诸如硼等ρ+掺杂型杂质来沉积未掺杂或掺杂的薄膜。图3是显示了通过本发明沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法形成的硅薄膜的特性的曲线图，并显示了对应于氮源气体和硅(Si)源气体的比例的折射率。图3是显示了折射率对应于NH3和SiH4混合比的变化的曲线图，如图3所示，其横轴表示NH3* SiH4的混合比，纵轴表示折射率(RI)值，借由该数值能够得知经沉积的薄膜的晶体特性。因此，该曲线图显示出一种趋势，其中混合在SiH4中的NH3比例越大，折射率越小。当折射率值保持在3. 8 4. 5的范围内时，可以沉积非晶硅薄膜或多晶硅薄膜，而当折射率值低于前述范围时，可以沉积具有接近于富硅Si3N4薄膜的特性的薄膜，而非多晶硅薄膜。因而，基于折射率，NH3和SiH4的混合比可以为3% (或0. 03)以下，而且在前述范围内可以沉积非晶硅薄膜或多晶硅薄膜。图4是显示了通过本发明沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法沉积的薄膜的晶体结构的透射电镜显微镜(TEM)照片。图4中用黑色显示的部分为晶粒，可以理解为图4中的晶粒比图1中的晶粒更细。图5和图6分别是显示了晶粒度对应于氮和Si源间的气体混合比的变化，和其中将氮浓度换算为原子百分比(％)的值的曲线图和表格。如图5和图6所示，可以理解为当NH3和SiH4的前述混合比为2.2% (或0. 022) 时薄膜中的氮为11. 3原子％，且根据图5和图6，薄膜中的氮可以是约11. 3原子％以下。 当薄膜中的氮为11. 3原子％时，晶粒度为33 A。图7是显示了阀值电压的曲线图。例如，为了使沉积有多晶硅的存储单元适当地运行，其中存储数据的电极的阀值电压(Vt)必须恒定。然而，由于阀值电压的分布不恒定且较差，分布中的变化(d = V2-Vl)可能随位置增加。结果，存储单元不能适当地运行。但是，当在上述氮气氛中进行预处理时，例如，氮原子会置于由多晶硅薄膜形成的浮栅和位于浮栅下部的隧道氧化物层之间，而且氮原子会阻止磷(P)移向隧道氧化物层。 因此，会改善阀值电压的分布以至于可以获得随位置恒定的阀值电压。尽管通过采用本发明提出的发明构思而在本发明中使用作为Si源的SiH4和作为氮源的NH3作为源气体，但是采用另一含氮气体和作为另一 Si源气体的乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(DCS)、三氯硅烷(TCQ和六氯乙硅烷(HCD)和其他含硅气体，且以恒定的NH3/SiH4 比例在恒定的温度和压力下将其注入反应腔室内以形成具有超细晶粒结构的薄膜是本发明的另一实施方式。同样，在采用化学气相法沉积薄膜时，本发明通过在装载有衬底的腔室内供给包含硅基气体、氮基气体和磷基气体的源气体而在衬底上沉积薄膜来沉积超细晶粒多晶硅薄膜。在参考特定的优选实施方式描述本发明情况下，本领域技术人员应当理解其他方式也是可行的。因此，以下权利要求书的技术概念和范围并不限于所述的优选实施方式。
权利要求
1.一种沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，所述方法包括 在装载有衬底的腔室内形成氮气氛；和将源气体供应至所述腔室内，以在所述衬底上沉积多晶硅薄膜； 其中，所述源气体包括硅基气体、氮基气体和磷基气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述氮气氛的形成包括将氮基气体供应至所述腔室内。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述氮基气体是氨(NH3)。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述源气体中的所述氮基气体与所述硅基气体的混合比是约0. 03以下(0除外)。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述薄膜中的氮为约11.3原子百分比(％)以下 (0除外)。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括对所述薄膜的热处理过程。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述硅基气体是硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(DCS)、三氯硅烷(TCQ和六氯乙硅烷(HCD)中的任一种。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述磷基气体可以是膦(PH3)。
9.如权利要求1 8中任一项所述的方法，其中，所述方法在薄膜沉积中沉积η+或ρ+ 掺杂的多晶硅薄膜。
10.如权利要求9所述的方法，其中，在沉积所述η+掺杂的多晶硅薄膜时，通过原位注入如？氏或砷(As)等η+型掺杂物杂质来沉积具有超细晶粒的多晶硅层。
11.如权利要求9所述的方法，其中，在沉积所述ρ+掺杂的多晶硅薄膜时，通过原位注入如硼(B)等P+型掺杂物杂质来沉积具有超细晶粒的多晶硅层。
全文摘要
根据本发明，一种超细晶粒多晶硅薄膜的气相沉积方法包括以下步骤在其中装载有衬底的腔室内部形成氮气氛；并通过将源气体供应至所述腔室内来在所述衬底上气相沉积多晶硅薄膜；所述源气体包括，硅基气体、氮基气体和磷基气体。所述形成氮气氛的步骤可以包括将所述氮基气体供应至所述腔室内的步骤。
文档编号H01L21/205GK102428539SQ201080018636
公开日2012年4月25日 申请日期2010年4月12日 优先权日2009年4月28日
发明者禹相浩, 赵星吉, 金海元 申请人:株式会社Eugene科技