使用基于卤化物的前体沉积无金属ALD氮化硅膜的方法技术

一种在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室的微体积中处理的半导体衬底上沉积氮化硅膜的方法，其中单个半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且将工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区中，所述方法包括：(a)用氟等离子体清洁所述基座和所述喷头的所述陶瓷表面，(b)在所述陶瓷表面上沉积不含卤化物的原子层沉积(ALD)氧化物底涂层，(c)在所述不含卤化物的ALD氧化物底涂层上沉积ALD氮化硅预涂层，以及(d)通过将每个半导体衬底转移到所述反应室中并在被支撑在所述基座的所述陶瓷表面上的所述半导体衬底上沉积ALD氮化硅膜来处理成批的半导体衬底。

Deposition of Metallic-Free ALD Silicon Nitride Films Using Halide-Based Precursors

A method for depositing silicon nitride film on a semiconductor substrate treated in a microvolume of a plasma enhanced atomic layer deposition (PEALD) reactor, in which a single semiconductor substrate is supported on the ceramic surface of the base and process gas is introduced into the reaction region above the semiconductor substrate through the gas outlet in the ceramic surface of the nozzle. The method includes: (a) using fluorine plasma; The body cleans the ceramic surface of the base and the nozzle, (b) deposits halide-free atomic layer deposition (ALD) oxide bottom coating on the ceramic surface, (c) deposits ALD silicon nitride pre-coating on the halide-free ALD oxide bottom coating, and (d) transfers each semiconductor substrate to the reaction chamber and the ceramics supported on the base. AlD silicon nitride films are deposited on the semiconductor substrates to process batches of semiconductor substrates.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用基于卤化物的前体沉积无金属ALD氮化硅膜的方法
技术介绍
随着半导体工业的发展，器件尺寸变得越来越小。这些逐渐变小的特征需要非常均匀的沉积过程，因为膜杂质或其他不均匀性的存在常常会导致半导体器件的失效。内室表面上的底涂层可有助于改善晶片与晶片之间的厚度均匀性和晶片内厚度均匀性。
技术实现思路
本文公开了一种在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室的微体积中处理的半导体衬底上沉积氮化硅膜的方法，其中半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且将工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区中。所述方法包括清洁陶瓷表面，在陶瓷表面上沉积底涂层，在底涂层上沉积预涂层，以及通过一次一个地将半导体衬底转移到处理区域中以及在每个半导体衬底上沉积氮化硅膜来在处理区域中顺序处理一批半导体衬底。在处理预定数量的半导体衬底和/或在内表面上的膜累积达到预定厚度之后，可以重复清洁、底涂覆和预涂覆步骤，然后处理另一批半导体衬底。在本文的实施方案的一个方面，在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室中处理的半导体衬底上沉积氮化硅膜，其中单个半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且将工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区中。所述方法包括：(a)用氟等离子体清洁所述基座和所述喷头的所述陶瓷表面，(b)在所述陶瓷表面上沉积不含卤化物的原子层沉积(ALD)氧化物底涂层，(c)在所述不含卤化物的ALD氧化物底涂层上沉积ALD氮化硅预涂层，以及(d)通过顺序地将每个半导体衬底转移到所述反应室中并在被支撑在所述基座的所述陶瓷表面上的所述半导体衬底上沉积ALD氮化硅膜来处理成批的半导体衬底。在形成所述底涂层中，所述方法可以通过以下方式来进行：(i)将不含卤素的含硅第一反应物的气相流引入所述反应室并使所述第一反应物能吸附到所述反应室的所述陶瓷表面上；(ii)在使所述第一反应物吸附在所述反应室的所述陶瓷表面上时，将含氧的第二反应物的气相流引入所述反应室；以及(iii)当所述第一反应物和所述第二反应物中的至少一种的流动停止时，将所述反应室暴露于等离子体，以便驱动所述反应室的所述陶瓷表面上的在所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成所述底涂层，其中所述底涂层共形涂覆所述反应室的所述陶瓷表面；其中操作(i)-(iii)在所述反应室中不存在半导体衬底时发生，并且其中重复操作(i)-(iii)直至所述底涂层至少约500埃厚。根据另一实施方案，在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室的微体积中处理的半导体衬底上沉积膜，其中单个半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区。所述方法包括：(a)用氟等离子体清洁所述基座和所述喷头的所述陶瓷表面，以便在所述陶瓷表面上形成富含铝的副产物；(b)在所述陶瓷表面上沉积共形的不含卤化物的原子层沉积(ALD)氧化物底涂层，以覆盖所述富含铝的副产物；(c)在所述不含卤化物的ALD氧化物底涂层上沉积预涂层；以及(d)通过将每个半导体衬底转移到所述反应室中并在被支撑在所述基座的所述陶瓷表面上的所述半导体衬底上沉积膜来处理成批的半导体衬底。所述共形的不含卤化物的ALD氧化物底涂层可以通过以下方式来形成：(i)将不含卤素的含硅第一反应物的气相流引入所述反应室并且使所述第一反应物能吸附到所述反应室的所述内部表面上；(ii)在使所述第一反应物吸附在所述反应室的所述内表面上时，将含氧的第二反应物的气相流引入所述反应室；以及(iii)当所述第一反应物和所述第二反应物中的至少一种的流动停止时，将所述反应室暴露于等离子体，以便驱动所述反应室的所述内表面上的在所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成所述底涂层，其中所述底涂层共形涂覆所述反应室的所述内表面；其中操作(i)-(iii)在所述反应室中不存在衬底时发生，并且其中重复操作(i)-(iii)直至所述底涂层为至少约500埃厚。优选地，所述喷头和所述基座的所述陶瓷表面是氮化铝，步骤(a)在低于400℃的温度下对所述基座和所述喷头进行，并且步骤(c)在高于400℃的温度下对所述基座和所述喷头进行。此外，所述底涂层可以沉积到至少500埃的厚度，步骤(c)可以在约475℃至约635℃的温度下对所述基座和所述喷头进行，并且步骤(a)可以在低于300℃的温度下对所述基座和所述喷头进行。优选地，步骤(a)是利用使用远程电感耦合等离子体发生器在所述微体积上游被激励成等离子体状态的NF3进行的，或者通过使NF3流入所述微体积并且通过将RF功率施加到所述喷头中的嵌入式RF电极而在所述微体积内将所述NF3激励成等离子体状态来执行。附图说明图1根据本文公开的实施方案示出了显示化学沉积装置的概观的示意图。图2示出了描绘被布置用于实施本文公开的实施方案的各种装置部件的方框图，其中在薄膜的产生过程中，等离子体可以用于在反应物质之间＝增强沉积和/或表面反应。图3示出了根据本文公开的实施方案布置的基座模块和喷头模块的横截面。图4示出了根据本文公开的实施方案布置的喷头模块的横截面。图5是八室条件下表面污染与ALDSiN累积的关系图。具体实施方式前端(FEOL)膜具有严格的膜内金属要求，因为这些膜靠近器件的有源区沉积。对于大多数金属，包括铝(Al)，典型的FEOL膜内金属规格<1×1010原子/cm2。对于高通量的高共形原子层沉积(ALD)氮化硅膜，仅基于卤化物的硅前体具有制造用于大多数应用的可制造膜所需的反应性。一般地基于卤化物的化学品，特别是基于氯的(基于Cl的)硅前体，将侵蚀Al室部件并在>150℃的温度下制备挥发性副产物，例如AlCl3，其可以结合到膜中。由于这个原因，将暴露于卤化物化学品的在半导体衬底(晶片)附近的室部件由诸如氮化铝(AlN)之类的陶瓷材料制成，以防止Al腐蚀。虽然处于刚接收状态的AlN陶瓷对基于卤化物的化学品是惰性的，但暴露于基于NF3的室清洁的AlN将在室清洁期间在表面上产生含Al化合物，含Al化合物随后将受到基于卤化物的化学品的侵蚀，从而产生结合在沉积在半导体衬底上的薄膜中的挥发性Al化合物。对于基于Cl的ALD氮化物膜形成，后清洁反应性表面化合物最终可被耗时的ALDSiN预涂层覆盖，其最终使膜内Al浓度降低至低于指定限度。遗憾的是，所需的ALDSiN预涂层的量不是非常可重复的，并且可能需要花费超过48小时的沉积时间才能达到膜内金属满足指定限度并且最终可以处理产品晶片的程度。这种方法对于生产环境而言太长并且不可重复，并且在达到累积极限并且需要运行另一个室清洁之前严格限制可以无金属处理的晶片的数量。如本文所公开的，已经开发了一种方法，其可以与LamResearchCorporation的StrikerNitrideTM虚拟密封室设计一起使用，其能够重复地沉积满足FEOL金属要求的高通量ALDSiN膜，而不需要过多的ALDSiN预涂层。基于高温卤化物的ALDSiN工艺(典型的基座温度为475℃至635℃)的方法将基座温度降至<400℃，进行基于NF3的清洁，使温度逐步回升达到处理温度，并在室内表面涂上无卤素的快速形成的(fast)ALD氧化物底涂层。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室的微体积中处理的半导体衬底上沉积氮化硅膜的方法，其中单个半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且将工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区中，所述方法包括：(a)用氟等离子体清洁所述基座和所述喷头的所述陶瓷表面；(b)在所述陶瓷表面上沉积不含卤化物的原子层沉积(ALD)氧化物底涂层；(c)在所述不含卤化物的ALD氧化物底涂层上沉积ALD氮化硅预涂层；以及(d)通过将每个半导体衬底转移到所述反应室中并在被支撑在所述基座的所述陶瓷表面上的所述半导体衬底上沉积ALD氮化硅膜来处理成批的半导体衬底。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.10.06 US 15/287,1761.一种在等离子体增强原子层沉积(PEALD)反应室的微体积中处理的半导体衬底上沉积氮化硅膜的方法，其中单个半导体衬底被支撑在基座的陶瓷表面上并且将工艺气体通过喷头的陶瓷表面中的气体出口引入所述半导体衬底上方的反应区中，所述方法包括：(a)用氟等离子体清洁所述基座和所述喷头的所述陶瓷表面；(b)在所述陶瓷表面上沉积不含卤化物的原子层沉积(ALD)氧化物底涂层；(c)在所述不含卤化物的ALD氧化物底涂层上沉积ALD氮化硅预涂层；以及(d)通过将每个半导体衬底转移到所述反应室中并在被支撑在所述基座的所述陶瓷表面上的所述半导体衬底上沉积ALD氮化硅膜来处理成批的半导体衬底。2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(b)通过以下方式来进行：(i)将不含卤素的含硅第一反应物的气相流引入所述反应室并使所述第一反应物能吸附到所述反应室的所述内部表面上；(ii)在使所述第一反应物吸附在所述反应室的所述内表面上时，将含氧的第二反应物的气相流引入所述反应室；以及(iii)当所述第一反应物和所述第二反应物中的至少一种的流动停止时，将所述反应室暴露于等离子体，以驱动在所述反应室的所述内表面上的在所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成所述底涂层，其中所述底涂层共形涂覆所述反应室的所述内表面；其中操作(i)-(iii)在所述反应室中不存在衬底时发生，并且其中重复操作(i)-(iii)直至所述底涂层至少约500埃厚。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述喷头和所述基座的所述陶瓷表面是氮化铝，步骤(a)在低于400℃的温度下对所述基座和所述喷头进行，并且步骤(c)在高于400℃的温度下对所述基座和所述喷头进行。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述底涂层沉积到至少500埃的厚度。5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)在约475℃至约635℃的温度下对所述基座和所述喷头进行。6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)在低于300℃的温度下对所述基座和所述喷头进行。7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)通过以下方式进行：(i)将卤代硅烷、碘硅烷或溴硅烷第一反应物的气相流引入所述反应室并使所述第一反应物能吸附到所述反应室的所述内部表面上；(ii)在使所述第一反应物吸附在所述反应室的所述内表面上时，将含氮的第二反应物的气相流引入所述反应室；以及(iii)当所述第一反应物和所述第二反应物中的至少一种的流动停止时，将所述反应室暴露于等离子体，以驱动在所述反应室的所述内表面上的在所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成所述底涂层，其中所述预涂层共形涂覆所述反应室的所述内表面；其中操作(i)-(iii)在所述反应室中不存在衬底时发生，并且其中重复操作(i)-(iii)直至所述底涂层至少约500埃厚。8.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(d)通过以下方式进行：(i)将卤代硅烷、碘硅烷或溴硅烷第一反应物的气相流引入所述反应室并使所述第一反应物能吸附到所述反应室内的半导体衬底的暴露表面上；(ii)在使所述第一反应物吸附在所述半导体衬底的所述暴露表面上时，将含氮的第二反应物的气相流引入所述反应室；以及(iii)当所述第一反应物和所述第二反应物中的至少一种的流动停止时，将所述反应室暴露于等离子体，以驱动在所述反应室内的所述半导体衬底的所述暴露表面上的在所述第一反应物和所述第二反应物之间的反应，以形成所述氮化硅膜。9.根据权利要求7所述的方法，其中所述卤代硅烷选自单氯硅烷、二氯硅烷、四氯硅烷和六二氯硅烷，所述碘硅烷选自二碘硅烷、三碘硅烷和四碘硅烷，并且所...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯·S·思姆斯，乔恩·亨利，拉梅什·钱德拉塞卡拉，安德鲁·约翰·麦克罗，萨沙撒耶·瓦拉达拉简，凯瑟琳·梅赛德·凯尔克纳，
申请(专利权)人：朗姆研究公司，
类型：发明
国别省市：美国,US