形成介电薄膜的方法技术

本发明专利技术提供一种在诸如半导体片等基材上沉积高介电常数介质膜的方法。在一个实施方案中，该方法涉及在基材上形成氮化物层。在可供选择的实施方案中，本发明专利技术涉及在半导体晶片（ｗａｆｅｒ）上形成金属氧化物或硅酸盐。当形成金属氧化物或硅酸盐时，首先在基材上沉积钝化层。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在半导体晶片(wafer)上形成介质膜的方法。
技术介绍
为了形成互补的金属氧化物半导体(CMOS)的装置、MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)装置或高端存储装置如DRAMs(动态随机存储器)，常常需要在基材如硅晶片上形成高介电常数(高k)的薄涂层。已经开发了多种在半导体晶片上形成这种薄膜的技术。在过去，栅极介质层是由二氧化硅形成的。然而，上述装置的小型化越来越需要比二氧化硅介电常数更高的栅极介质。这需要达到超薄型的氧化物等值厚度(小于20埃)而不牺牲栅漏电流。在一个实施方案中，本领域的技术人员已经研究过用氮化物层代替传统二氧化硅膜的可能性。例如，在一种形成介电薄膜的常规方法中，首先在基材上形成氮氧化物层，然后在含氧的或惰性气氛中退火来制备介电层。例如，在美国专利US5,880,040中，Sun等人描述了这种常规方法。特别是，Sun等人描述了一种生产介电层的方法，包括将加热的硅基材表面暴露于N2O，在其表面上生长二氧化硅层，使得该层中混入一定浓度的氮。接着，加热该层并将其暴露于NO，导致在二氧化硅层与硅基材之间的界面区形成硅-氮键。然后在惰性气体例如氮气存在下使该层退火。虽然此方法可能具有某些优点，但是由于在其中含氮量相对较低，对某些应用而言，所形成的薄膜的介电常数“k”常常不够大。还开发出其它的方法。例如，被称为栅极叠层(gate stack)的另一个常规方法，包括在硅基材上形成基底氧化物层，接着沉积栅极介质和栅极接触材料，从而形成介电薄膜。对于栅极叠层来说，已经发现的一个问题是100纳米工艺节点的设计氧化物厚度小于2纳米，而50纳米工艺节点的设计氧化物厚度小于1纳米。由于隧道电流，传统的二氧化硅被认为不能依比例缩小到这种尺寸而同时具有合格的栅极漏电流。二氧化硅在这种厚度范围内设计的隧道电流预计也大几个数量级。需要高介电常数的材料来达到减小隧道电流的目的。照这样，目前的需要是改进在基材上沉淀高介电常数的涂层方法。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施方案，提供一种在基材上沉淀介质膜的方法，包括由适合容纳基材的反应容器和与反应容器相连用于加热基材的能源组成的系统。例如，在一个实施方案中，该基材可以是半导体晶片。当在反应容器中时，可以在基材上形成介电常数大于约4的氮化物薄膜。例如，一种形成该薄膜的方法可以包括下列步骤a)用能源将该基材加热到氧化物沉积温度；b)当基材处于氧化物沉积温度时，向反应容器供给氧化物气体。该氧化物气体由至少含有一个氮原子的化合物组成，因此氧化物气体与基材起反应，在基材上形成氮氧化物层。例如，在一些实施方案中，该含氮化合物选自NO、N2O、NO2和它们的混合物。c)当该基材维持在氮化物沉积温度时，在氮氧化物层上沉淀一层氮化物层。例如，在一些实施方案中，向反应容器中供给第一气体前体和第二气体前体可以沉积氮化物层。在一些实施方案中，第一气体前体包括至少含有一个硅原子的化合物(例如，SiH4、SiH3、SiH2Cl2等)，而第二气体前体包括至少含有一个氮原子的化合物(例如，NH3、N2O等)。形成该薄膜的方法也可以包括在渗氮退火气体(例如NH3)存在下使氮化物层退火，以及在氧化物退火气体(例如N2O)存在下使氮化物层退火。在一个实施方案中，为了使成型层的表面粗糙度最小，可以形成氮氧化物层，使得其厚度小于10埃。而且，在小于约750℃的温度下可以沉积氮化物层，而在氧化物退火气体存在下于大于770℃的温度下使氮化物层退火。形成的氮化物层厚度可以小于约25埃。为了在氮化物沉积之前形成薄的氮氧化物层，可以在压力小于约50托，特别是小于约25托的气氛中形成该氮氧化物层。如上所述，除在氧化物退火气体存在下使该氮化物层退火之外，也可以在渗氮退火气体存在下使该氮化物层退火。当在渗氮退火气体存在下退火时，温度可以是从约875℃到约925℃。该氮化物层可被用于各种装置中。例如，该氮化物层可以用于电容器或晶体管中。在一种替代的实施方案中，作为代替形成氮化物层，本专利技术目的是在半导体晶片上形成金属氧化物。在这一实例中，本专利技术的方法包括在含氮气体存在下加热由二氧化硅组成的晶片，从而在该晶片上形成钝化层。含氮的气体可以是氨气。钝化层的厚度可以小于约5纳米，特别是小于1纳米。在从约600到约900℃的温度下在小于约10秒内可以形成钝化层。在形成钝化层的过程中，含氮气体的分压可以小于约100托。根据本专利技术，形成钝化层是为了防止随后形成氧化物层。在形成钝化层以后，在气体前体存在下可以加热该晶片以形成由金属氧化物或硅酸盐组成的介电层。在大于约300的温度下，特别是在从约400℃到约800℃的温度下可以形成介电层。在形成介电层的过程中，气体前体的分压可以小于约100托。例如，该介电层可以是HfO2、ZrO2、Al2O3、Ta2O5、La2O5或它们的硅酸盐。在形成介电层以后，可以在退火气体存在下使该晶片退火。退火气体可以包括惰性气体和含氧气体。例如，退火气体可以是氮气、氩气或它们的混合物。另一方面，含氧气体可以是NO、N2O、O2或它们的混合物。介电层一旦形成，其EOT可以小于1.2纳米。该介电层可被用于各种装置中。在一个实施方案中，多晶硅层可以沉积在介电层之上。可以在快速热处理室中进行本专利技术的方法，晶片在该室中被迅速地加热到高温。在独立的加热循环过程中可以依照要求形成整体层。本专利技术包括以下方面1.一种在基材上沉积介质膜的方法，包括i)提供一种系统，该系统包括适合容纳该基材的反应容器，及与所述反应容器相联用于加热其中所容纳之基材的能源；和ii)在所述基材上形成薄膜，所述薄膜是按照包括下列步骤的方法形成的a)用所述能源加热基材；b)当加热基材时向反应容器中提供氧化物气体，该氧化物气体包括含至少一个氮原子的化合物，使得该氧化物气体与该基材反应，在基材上形成氧氮化物层，该形成层的厚度小于10埃；c)在所述氧氮化物层上沉积氮化物层，所述沉积是在小于约750℃的温度下发生的；d)在渗氮退火气体存在下，退火所述的氮化物层；及e)在氧化物退火气体存在下，于大于约770℃的温度下使该氮化物层退火。2.根据项1的方法，其中所述薄膜的介电常数为约4到约80。3.根据项1的方法，其中所述含氮化合物包括NO。4.根据项1的方法，其中所述氮化物层是通过向反应容器中提供第一气体前体和第二气体前体而形成的，所述第一气体前体包括至少含有一个硅原子的化合物，而所述第二气体前体包括至少含有一个氮原子的化合物。5.根据项4的方法，其中所述第一气体前体包括SiH4。6.根据项4的方法，其中所述第二气体前体包括NH3。7.根据项1的方法，其中该基材为含硅的半导体晶片。8.根据项1的方法，其中所述氧氮化物层是在压力小于50托的气氛中形成的。9.根据项1的方法，其中所述氮化物层的厚度小于25埃。10.根据项1的方法，其中所述渗氮退火气体是氨气。11.根据项1的方法，其中所述氧化物退火气体是N2O。12.根据项10的方法，其中在所述渗氮退火气体存在下使所述氮化物层退火是在约875℃到约925℃的温度下进行的。13.一种在基材上沉积介质膜的方法，包括在氧化物气体存在下加热含硅的半导体晶片，所述氧化物气体包括NO，所述氧化物气体与半导体晶片反应，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体晶片上形成介质膜的方法，包括：在含氮气体存在下加热包含二氧化硅的晶片，以便在所述晶片上形成钝化层；接着，在气体前体存在下加热所述晶片，所述气体前体在所述晶片上形成包含金属氧化物或硅酸盐的介电层，所述介电层是在大于 约３００℃的温度下形成的；和在退火气体存在下使所述介电层退火，所述退火气体包括惰性气体和含氧气体。

【技术特征摘要】
US 2000-9-19 60/233,7401.一种在半导体晶片上形成介质膜的方法，包括在含氮气体存在下加热包含二氧化硅的晶片，以便在所述晶片上形成钝化层；接着，在气体前体存在下加热所述晶片，所述气体前体在所述晶片上形成包含金属氧化物或硅酸盐的介电层，所述介电层是在大于约300℃的温度下形成的；和在退火气体存在下使所述介电层退火，所述退火气体包括惰性气体和含氧气体。2.根据权利要求1的方法，其中所述钝化层的厚度小于约5纳米。3.根据权利要求1的方法，其中用来形成钝化层的含氮气体包括氨气。4.根据权利要求3的方法，其中所述钝化层是在小于约10秒钟内在约600到约900℃的温度下形成的。5.根据权利要求3的方法，其中在形成钝化层的过程中，氨气的分压小于约100托。6.根据权利要求1的方法，其中所述介电层是在约400到约800℃的温度下形成的，而且其中在形成钝化层的过程中，所述气体前体的分压小于100托。7.根据权利要求1的方法，其中所述介电层是在约400℃到约900℃的温度下退火的。8....

【专利技术属性】
技术研发人员：萨吉利维，罗宾S布卢姆，阿瓦沙伊凯普坦，
申请(专利权)人：马特森技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]