通过化学气相沉积的保形密封膜沉积的制作方法

本公开的实施方式总体涉及用于半导体器件制造的方法，尤其是涉及在基板处理腔室中使用热化学气相沉积(chemicalvapordeposition；cvd)和等离子体处理形成超保形密封氮化硅膜的方法。

背景技术：

氮化硅膜在半导体器件中用作电介质材料，例如用作在不同类型的材料层之间的金属层与阻挡层之间的绝缘体层以防止多层互连件、硬掩模、钝化层、间隔物材料、晶体管栅极结构、抗反射涂层材料、非易失性存储层和其他应用中的氧化或原子扩散。密封氮化硅膜可用作防护涂层以防止底层在其高温退火期间氧化，底层诸如非晶硅层。在大于400℃的温度下使用氯硅烷和氨前驱物的原子层沉积是一种用于沉积氮化硅膜的方法。然而，这种前驱物的组合发生反应产生盐酸和/或氯化铵副产物，这是不希望的，因为这些副产物对于基板上先前形成的材料层具有腐蚀作用。

批反应器已用于通过热化学气相沉积处理以在基板上形成硅层，例如在基板上先前形成的膜层上形成硅层，随后对其进行等离子体氮化以将硅层转化为氮化硅层来形成氮化硅膜。然而，批处理所固有的到达基板的沉积前驱物分布不均经常导致所沉积硅层的厚度不均匀。此外，不均匀的等离子体分布可能导致跨整个硅层在沉积的硅层中的氮化深度不均匀。不均匀的硅厚度和不均匀的氮化深度的组合经常导致一些区域中的不希望的氮扩散穿过所沉积硅层且扩散到基板中，以及在其他区域中不完全的硅层氮化。不希望的氮扩散穿过所沉积硅层且到底层材料中降低了氮化硅膜作为电介质的有效性，且可能改变底层材料的性质。

因此，本领域中需要在低沉积温度下形成超保形密封氮化硅和类似氮化硅的膜而不产生盐酸或氯化铵副产物且组分和厚度极为均匀的一种方法。

技术实现要素：

本公开的实施方式总体涉及用于半导体器件制造的方法，尤其是涉及在基板处理腔室中使用热化学气相沉积(cvd)和等离子体处理形成超保形密封氮化硅膜的方法。

在一个实施方式中，提供形成膜层的方法。该方法包括：在基板处理腔室内将基板加热到基板温度，使硅前驱物气体流动到基板处理腔室中，在基板上沉积非晶硅层，使氮前驱物气体流动到基板处理腔室中，用氮前驱物气体在基板处理腔室内形成等离子体，和使沉积的非晶硅层暴露于等离子体以将该沉积的非晶硅层的至少一部分转化为氮化硅层。

在另一实施方式中，提供形成膜层的方法。该方法包括：在基板处理腔室内将安置在基板支撑件上的基板加热到低于约500℃的温度。该方法进一步包括：使硅前驱物气体流动到基板处理腔室中。该方法进一步包括：在基板上沉积非晶硅层。该方法进一步包括：使氮前驱物气体流动到基板处理腔室中，其中氮前驱物气体包括n2、nh3、h2n2、或其组合，和在基板处理腔室内形成氮前驱物气体的等离子体。该方法进一步包括：向与基板支撑件耦合的第一电极施加偏压，其中第一电极与第一共振调谐电路耦合，以及动态调节第一共振调谐电路的阻抗以控制穿过第一电极的电流，其中将电流按所希望地维持在约1安培与30安培之间的设定点。该方法进一步包括：将沉积的非晶硅层氮化以将该沉积的非晶硅层转化为氮化硅层。

在另一实施方式中，提供形成膜层的方法。该方法包括：将基板加热到低于约500℃的基板温度，使硅前驱物气体流动到基板处理腔室中，和在基板上沉积约与约之间的非晶硅膜。该方法进一步包括：使氮前驱物气体流动到基板处理腔室中，其中氮前驱物气体包括n2、nh3、h2n2、或其组合，和用氮前驱物气体形成等离子体，其中等离子体在处理腔室内形成。该方法进一步包括：向与基板支撑件耦合的第一电极施加偏压，其中第一电极与第一共振调谐电路耦合，以及动态调节第一共振调谐电路的阻抗以控制穿过第一电极的电流，其中将电流按所希望地维持在约1安培与30安培之间的设定点。该方法进一步包括：向与腔室侧壁耦合的第二电极施加偏压，其中第二电极与第二共振调谐电路耦合，以及动态调节第二共振调谐电路的阻抗以控制穿过第二电极的电流，其中将电流按所希望地维持在约1安培与30安培之间的设定点。该方法进一步包括：将沉积的非晶硅膜转化为密封的化学计量氮化硅膜。

附图说明

为了能够详细地理解本公开的上述特征所用方式，可以参考实施方式更具体地描述上文简要概述的本公开，实施方式中的一些示出在所附附图中。然而，应注意，所附附图仅示出了本公开的典型实施方式，且因此不应视为限制本公开的范围，因为本公开可以允许其它等效实施方式。

图1为可用于实践本文描述的方法的处理腔室的一个实施方式的横截面示意图。

图2为可用于实践本文描述的方法的基板支撑件的一个实施方式的横截面示意图。

图3为根据一个实施方式的用于沉积氮化硅膜的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施方式总体涉及用于半导体器件制造的方法，尤其是涉及在基板处理腔室中使用热化学气相沉积(cvd)和等离子体处理形成超保形密封氮化硅膜的方法。

本文中，使用热化学气相沉积沉积非晶硅随后进行等离子体氮化来在基板上形成极为均匀的氮化硅膜层。通过控制气流均匀性、处理腔室的表面的温度均匀性、整个基板的温度轮廓和整个基板表面不同位置上的等离子体密度轮廓，达成膜层组分和厚度的均匀性。在一些实施方式中，调节整个基板的温度轮廓以达成整个基板表面的所希望的硅沉积速率轮廓。在一些实施方式中，调节等离子体密度轮廓和温度轮廓以达成在整个基板表面上的所沉积硅膜中的均匀的氮化深度。在一些实施方式中，调节腔室表面的温度均匀性以控制和/或最小化腔室表面上的前驱物沉积。

本文中提供的方法总体包括：用聚硅烷气体使用热化学气相沉积将超保形非晶硅膜沉积到基板的表面上，随后用由氮前驱物气体形成的等离子体处理所述膜以将沉积的非晶硅膜转化为氮化硅膜。通常，在相同的处理腔室中执行非晶硅沉积和等离子体处理，该处理腔室诸如安装在可自加利福尼亚州的圣克拉拉市的应用材料公司(appliedmaterials,inc.)购得的producer或precision平台上的处理腔室。本文中，处理腔室经配置以每次处理一块基板。

图1为用于实践本文描述的方法的处理腔室100的实例的横截面示意图。在描述的实施方式中，处理腔室100经配置以每次处理单个基板。处理腔室100具有腔室主体102；安置在腔室主体102内的基板支撑件104，和与腔室主体102耦合且围绕处理容积120中的基板支撑件104的盖组件106。通过腔室主体102的侧壁中的开口126将基板115装载入处理容积120中，在基板处理期间用门或阀(未显示)使用常规方式将所述腔室主体密封。

第一电极108安置在腔室主体102上且将腔室主体102与盖组件106的其他部件分离。本文中，第一电极108为盖组件106的一部分。或者，第一电极108为安装在腔室主体102内部且与腔室主体102电隔离的独立侧壁电极。本文中，第一电极108为环形，即环状构件，例如环形电极。在一些实施方式中，第一电极108围绕处理容积120的圆周形成连续的导电环路。在其他实施方式中，第一电极108在所希望的选定位置为非连续的。在一些实施方式中，第一电极108为穿孔电极，诸如穿孔环或网孔电极。在其他实施方式中，第一电极108为板电极，例如也经配置为第二气体分配器。

由诸如陶瓷或例如氧化铝和/或氮化铝的金属氧化物之类的电介质材料形成的绝缘体110与第一电极108接触且将第一电极108与上覆的气体分配器112和腔室主体102电隔离和热隔离。

气体分配器112具有用于接收处理气体到处理容积120中的开口118。本文中的气体分配器112与电源142耦合，电源诸如射频发生器。也可以使用直流电源、脉冲直流电源和脉冲射频电源中的至少一个。本文中，气体分配器112为导电气体分配器。在其他实施方式中，气体分配器112为非导电气体分配器，其中不要求向其施加功率。在一些其他实施方式中，气体分配器112由导电和非导电部件两者制成。举例而言，气体分配器112的主体为导电的，而气体分配器112的面板不导电。另外，腔室的气体分配器112通电，如图1中所示，或者，如果另一腔室部件通电以提供能量源来激发和保持处理腔室100中的等离子体，那么气体分配器112与接地耦合。

第一电极108与位于电气接地与第一电极108之间的第一调谐电路128耦合。第一调谐电路128包括第一电子传感器130和第一电子控制器134，第一电子控制器134在本文中为可变电容器。本文中，第一调谐电路128为包括一或多个第一调谐电路电感器132a和132b的llc电路。另外，第一调谐电路128可为在处理期间存在于处理容积120中的等离子体条件下具有可变或可控制阻抗的任何电路。在图1的实施方式中，第一调谐电路128具有与第一电子控制器134并联的第一调谐电路第一电感器132a，第一电子控制器134与第一调谐电路第二电感器132b串联。本文中的第一电子传感器130为电压或电流传感器，且与第一电子控制器134耦合以提供在处理容积120内对等离子体条件的一定程度的闭环控制。

第二电极122与基板支撑件104耦合。第二电极122嵌入在基板支撑件104内或与基板支撑件104的表面耦合。第二电极122为板、穿孔板、网孔、丝网、或任何其他分布排列。第二电极122为调谐电极，且通过安置在基板支撑件104的轴144中的导管146与第二调谐电路103耦合，所述导管146例如为具有选定电阻(诸如50ω)的线缆。第二调谐电路103包括第二电子传感器138和第二电子控制器140，在一些实施方式中，第二电子控制器140为第二可变电容器。在这个实施方式中，第二调谐电路103包括与第二电子控制器140串联的第一电感器105和与第二电子控制器140并联的第二电感器107。通常，通过选择可变电容器和选择电感器以修改可用的阻抗范围来调节第二调谐电路103的特征，所述可变电容器产生与等离子体的特征结合有用的阻抗范围。本文中，第二电子传感器138为电压或电流传感器中的一个，且与第二电子控制器140耦合以在处理容积120中提供对等离子体条件的进一步控制。

充当偏压电极或静电吸附电极中的至少一个的第三电极124存在于基板支撑件104上或中。第三电极通过滤波器148与第二电源150耦合，滤波器148在本文中为阻抗匹配电路。第二电源150为直流电源、脉冲直流电源、射频电源、脉冲射频电源、或其组合。

与处理腔室100耦合的电子控制器134和140以及电子传感器130和138提供对处理容积120中的等离子体条件的实时控制。将基板115安置在基板支撑件104上，且根据任何所希望的流动计划使用进口114使处理气体流动穿过盖组件106。气体通过出口152离开处理腔室100。将电源与气体分配器112耦合以在处理容积120中建立等离子体。在一个实施方式中，通过给第三电极124充电使基板115经受电偏压以在基板支撑件104和/或基板115上建立负偏压。

在处理容积120中激励等离子体后，在等离子体与第一电极108之间建立第一电位差。在等离子体与第二电极122之间建立第二电位差。使用电子控制器134和140调节由两个调谐电路128和103代表的接地路径的阻抗。将设定点传送到第一调谐电路128和第二调谐电路103以提供对基板上的层的沉积速率和对从基板中心到边缘的等离子体密度均匀性的独立控制。在电子控制器134和140都是可变电容器的实施方式中，电子传感器130和138由控制器使用以检测调整可变电容器的值，以便独立地最大化沉积速率和最小化厚度不均匀性。

调谐电路128和103中的每一个都具有可变阻抗，可变阻抗使用相应的电子控制器134和140调节。当电子控制器134和140为可变电容器时，取决于等离子体的频率和电压特征，选择可变电容器中的每一个的电容范围以及第一调谐电路电感器132a和132b的电感以提供阻抗范围(其在各可变电容器的电容范围中具有最小值)。因此，当第一电子控制器134的电容为最小值或最大值时，第一调谐电路128的阻抗是高的，从而产生在基板支撑件104上方覆盖区最小的等离子体。当第一电子控制器134的电容接近使第一调谐电路128的阻抗最小的值时，等离子体的覆盖区变为最大，有效覆盖基板支撑件104的全部工作区。随着第一电子控制器134的电容偏离最小阻抗设定，等离子体从腔室壁收缩且在基板支撑件104上的基板115上方的等离子体的覆盖区减小。第二电子控制器140具有类似效应，随着第二电子控制器140的电容变化，增加和减小在基板支撑件104上的基板115上方的等离子体的覆盖区。

电子传感器130和138用于以闭环方式调谐相应的调谐电路128和103。在各传感器上设置取决于所用传感器类型的电流或电压设定点，且传感器具备控制软件，控制软件决定对各相应的电子控制器134和140的调节以最小化自设定点的偏移。以此方式，在处理期间选择等离子体的覆盖度且对其进行动态控制。应注意，尽管前述讨论是基于使用作为可变电容器的电子控制器134和140，但可使用任何具有能够改变等离子体覆盖区的可调节特征的电子元件来为调谐电路128和103提供可调节的阻抗。

图2为供处理腔室100中使用的基板支撑件202的另一实施方式的横截面示意图。基板支撑件202可代替基板支撑件104(图1中所示)使用，或基板支撑件202的特征结构可与基板支撑件104的特征结构组合。基板支撑件202具有与本文中公开的方法一起使用的多区加热器以控制安置在基板支撑件202上的基板的表面温度轮廓。通常，基板支撑件202具有嵌入式热电偶204和两个或更多个嵌入式加热元件，诸如第一加热元件214和第二加热元件216。

在一些实施方式中，热电偶204包括第一材料的第一纵向件206和第二材料的第二纵向件208。第一材料和第二材料通常具有塞贝克(seebeck)系数差异，其足够产生对应于较小温度变化的电压信号和接近于基板支撑件材料的热膨胀系数的热膨胀系数以使得热电偶204和基板支撑件202都不在温度周期期间受到热应力损害。

第一纵向件206和第二纵向件208被配置为条状、带状、或任何其他可行的配置，该配置可径向地从基板支撑件202的中心延伸到基板支撑件202的外加热区且在两个末端都具有充足的表面面积以允许在其间形成可靠的电连接。在纵向件206和208的接合末端210，将纵向件206和208焊接，或以其他方式使用导电填充材料连接。

应注意，尽管图2中所示的纵向件206和208一个安置在另一个之上，但在其他实施方式中，纵向件206和208可在基板支撑件202内的相同平面中和在相同垂直位置上并排隔开。连接器(例如，导电线)(未图示)与纵向件206和208耦合。对于双区支撑件，连接器连接点靠近用于测量内区温度且安置在基板支撑件202中心处的常规热电偶226。

对于双区支撑件，连接器连接点靠近用于测量内区温度且安置在基板支撑件202中心处的常规热电偶226。假定连接点的温度与内区温度相同，则可计算出接合末端210位置处的温度。

轴222与基板支撑件202的下表面228的中心耦合。轴222容纳连接纵向件206和208的连接器、连接常规热电偶226的连接器、以及连接加热元件214和216的连接器。

来自热电偶226和204以及加热元件214和216的连接器与控制器232耦合，所述控制器232包括处理器和适当的电路，其经调适以接收和记录来自热电偶226和204的信号，且向加热元件214和216施加电流。在一些实施方式中，多区支撑件200安置在处理腔室100中且包括上文参照图1所描述的偏压电极和调谐电极。

图3为根据一个实施方式的描绘用于沉积氮化硅膜的方法300的流程图。在方法300的活动302中，将安置在化学气相沉积基板处理腔室中的基板支撑件上的基板加热到平均基板温度。本文中，基板温度按所希望地维持在约300℃与约700℃之间，诸如小于约500℃，例如维持在约400℃。在一些实施方式中，例如使用分区加热器通过以不同的加热速率加热基板的不同部分和/或将基板的不同部分加热到不同的温度而在整个基板上建立温度轮廓。在一些实施方式中，使用双区加热器且区之间的温度偏差为约+/-50℃。具有不同温度的不同的温度区可用于在基板表面上方保持更加均匀的温度。

在一些实施方式中，选择面板温度且对其进行控制。本文中，面板为腔室盖的表面，例如在使用气体分配器112的情况中，其暴露于处理环境且面向基板支撑件的内表面。控制面板温度提升了腔室接近面板的部分的处理区域中的热均匀性，且在硅前驱物气体离开面板(气体分配器112)到处理区域中去时改善了硅前驱物气体的热均匀性。在一个实施方式中，通过将加热元件与面板热耦合控制面板温度。这伴随着加热元件与面板之间的直接接触，或可能伴随着通过另一构件的热传导。在一些实施方式中，面板温度按所希望地维持在约100℃与约300℃之间的选定设定点。

在方法300的活动304中，通过温度受控的面板(气体分配器112)使硅前驱物气体流入腔室中。本文中，硅前驱物气体为不含卤素的气体，诸如乙硅烷、丙硅烷、丁硅烷、或其组合。根据正在基板上形成的器件的热预算选择聚硅烷气体，其中丁硅烷具有低于丙硅烷的热分解温度的热分解温度，丙硅烷又具有比乙硅烷低的热分解温度。使加热的基板暴露于硅前驱物气体，且在其上沉积超保形非晶硅膜的层。为达成超保形状态，通过调节前驱物气体流率、处理压力、基板与上电极之间的间隔、以及处理温度来控制非晶硅膜的保形性和图案加载。通常，对于大小适用于300mm基板的腔室，以约20sccm与约1000sccm之间的设定点流率提供前驱物气体，对于大小适用其他基板的腔室可按比例增减。腔室工作压力设定在约5托与约600托之间。面板与基板之间的间隔设定为在约200mil(千分之一英寸)与2000mil之间的间隔。

在方法300的活动306中，在基板上沉积非晶硅层。本文中，非晶硅层厚度在约与之间，例如约厚。通过适当地调节前驱物气体流率、处理压力、基板与上电极之间的间隔、以及处理温度，沉积的硅层具有所希望的小于2％的厚度均匀性。在一些实施例中，所得沉积的硅层的厚度与平均值的差异不超过2％。在另一实施方式中，沉积的硅层的厚度的标准差不超过约2％。沉积的硅层的均匀的厚度允许完全或接近完全地氮化沉积的硅层到其全部深度，同时避免氮扩散到基板中。

在方法300的活动308中，以约20sccm与约1000sccm之间的固定流率向腔室提供诸如n2、nh3、或h2n2、其替代变体或其组合之类的氮前驱物气体。

在方法300的活动310中，在腔室中形成氮前驱物气体的等离子体。通过将电源电容或电感耦合至氮前驱物气体来形成等离子体，通过将射频功率耦合到前驱物气体或气体混合物中来激励等离子体。本文中的射频功率为双频射频功率，其具有高频分量和低频分量。以约100w与约2000w之间的功率水平施加射频功率。射频功率频率设定点在约350khz到约60mhz之间。射频功率频率可以全部是高频射频功率，例如约13.56mhz的频率，或可以是高频功率与低频功率的混合，例如约300khz的额外频率分量。

在一些实施方式中，通过调节等离子体密度轮廓增强整个基板的氮化深度均匀性。通过向与腔室侧壁耦合的第一电极和/或与基板支撑件耦合的第二电极施加偏压来调节等离子体密度轮廓。通常对各电极加以控制以提供所希望的电流流动穿过电极所需要的阻抗。通常将共振调谐电路与各电极和接地耦合，且选择用于共振调谐电路的元件，其中至少有一个可变元件，以便可以动态调节阻抗以保持所希望的电流。将穿过各电极的电流按所希望地维持在约0安培(a)与约30a之间或约1a与约30a之间的设定点。

在另一实施方式中，将第三电极与基板支撑件耦合，第三电极为偏压电极和/或静电吸附电极。第三电极通过滤波器148与第二电源耦合，滤波器148为阻抗匹配电路。第二电源可为直流电源、脉冲直流电源、射频电源、脉冲射频电源、或其组合。

在另一实施方式中，通过控制暴露于等离子体的腔室表面的温度来进一步增强整个基板的氮化深度均匀性。当允许腔室表面热浮动时，可能产生热斑或冷斑，其以不受控制的方式影响等离子体密度和前驱物反应性。如上所述，使用安置在导管中的电阻式加热器或热流体加热气体分配器112的面板，所述导管穿过面板的一部分或以其他方式与面板直接接触或热接触。穿过面板的边缘部分安置导管以避免干扰面板的气体流动功能。加热面板的边缘部分有益于降低面板边缘部分变成腔室内的散热器的倾向性。

也可以、或者替代地将腔室壁加热到类似的效应。加热暴露于等离子体的腔室表面也最小化腔室表面上的沉积和凝聚或从腔室表面的反向升华，从而降低腔室的清洁频率且增加每清洁一次腔室的平均处理循环数量。温度较高的表面也促进致密沉积，产生从其上掉落到基板上的颗粒的可能性较低。具有电阻式加热器和/或热流体的热控制导管可穿过腔室壁安置以达成腔室壁的热控制。

在方法300的活动312中，将沉积的非晶硅膜暴露于氮等离子体以将沉积的非晶硅膜转化为氮化硅膜。处理时间在约30秒(s)到约300s之间。在较高功率下较长的处理时间或使用射频/直流偏压会将非晶硅膜转化为化学计量的氮化硅膜。

本文中描述的方法可用于产生约到约的氮化硅膜层，诸如约可以多次重复所述方法以产生更厚的多层氮化硅膜，诸如约到约的膜。预期非晶硅膜将在转化为氮化硅时经历体积膨胀，这一现象可能可以用于对窄沟槽填充缝隙。

本公开的益处包括在不产生盐酸或氯化铵副产物的情况下形成氮化硅膜的高均匀性厚度和组分。此外，本文中公开的方法诸如由高温退火处理产生抗氧化的密封氮化硅膜。

虽然上述内容涉及本公开的实施方式，但是也可以在不脱离本公开的基本范围的情况下设计本公开的其他和进一步实施方式，且本公开的范围由所附权利要求书确定。