CN111900075A

CN111900075A - 一种氮化硅膜及其沉积方法、半导体器件

Info

Publication number: CN111900075A
Application number: CN202010575071.XA
Authority: CN
Inventors: 李相遇; 安重镒; 金成基; 项金娟; 李亭亭; 刘青
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Zhenxin Beijing Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Institute of Microelectronics of CAS; Zhenxin Beijing Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2020-11-06

Abstract

本发明涉及一种氮化硅膜及其沉积方法、半导体器件。一种氮化硅膜的沉积方法，包括：采用原子层沉积法，以氨气为反应气体，与气相硅源反应以在载体上沉积氮化硅膜；其中，在每个沉积循环中，在供应气相硅源之后和供应氨气之前进行以下工序：先进行1秒以上的吹扫，然后降低反应室内气压；并且所述沉积的反应温度为630℃以上。本发明通过加强吹扫、抽真空以及提高温度的操作提高氮化硅膜Si₃N₄的强度，从而解决后续氧化或蚀刻工艺对氮化硅膜的损伤问题。

Description

一种氮化硅膜及其沉积方法、半导体器件

技术领域

本发明涉及半导体制备领域，特别涉及一种氮化硅膜及其沉积方法、半导体器件。

背景技术

在制作DRAM的数据线(data line)并图形化的过程中，需要使用氮化工序形成氮化硅Si₃N₄，用于保护图形，在氮化工序之后还要进行氧化物沉积或者蚀刻，氧化物沉积和蚀刻过程会对已形成的氮化硅膜造成损伤，导致氮化硅膜无法保持足够的厚度来保护图形。以图1所示的数据线结构为例，在形成氮化硅膜1后，通常在图案顶部11沉积氧化物，在图案底部12进行蚀刻，这两种处理都会对氮化硅膜造成显著损伤，进而无法保护氮化硅覆盖的图形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硅膜的沉积方法，该方法通过加强吹扫、抽真空以及提高温度的操作提高氮化硅膜Si₃N₄的强度，从而解决后续氧化或蚀刻工艺对氮化硅膜的损伤问题，以有利于充分保护下层结构。

为了实现以上目的，本发明提供了以下技术方案：

一种氮化硅膜的沉积方法，包括：采用原子层沉积法，以氨气为反应气体，与气相硅源反应以在载体上沉积氮化硅膜；

其中，在每个沉积循环中，在供应气相硅源之后和供应氨气之前进行以下工序：先进行1秒以上的吹扫，然后降低反应室内气压；并且所述沉积的反应温度为630℃以上。

与现有技术相比，本发明在供应硅源和氨气之间的过程中，加强了吹扫力度和真空度，这有利于氮化硅的高比例率形成，减少了其中Si-H键的占比，从而提高了沉积的氮化硅膜的强度，比现有的氮化硅膜强度提高了50％以上，氢含量降低至1％以内。随着氮化硅膜强度的提高，其耐损伤性提高，更能有力保护下层图案或结构。

上述的沉积方法以及所得到的氮化硅膜可用于任意的半导体器件，包括但不限于：DRAM、2D NAND、3D NAND或LCD。

一种半导体结构，包括：

衬底，

位于衬底上的数据线；

所述数据线上沉积上文的氮化硅膜。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

图1为DRAM中氮化硅膜所覆盖的数据线图形；

图2为现有技术沉积氮化硅时反应条件的循环变化趋势；

图3为本发明沉积氮化硅时反应条件的循环变化趋势；

图4为现有技术沉积氮化硅时的反应动态图；

图5为本发明沉积氮化硅时的反应动态图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

现有技术中，采用原子层沉积法制备氮化硅膜时采用如图2所示的反应条件，即在一个沉积循环内，先供应硅源(硅源包括但不限于：硅烷SiH₄和二氯硅烷SiH₂Cl₂(DCS)等)；然后吹扫工作气体，工作气体选用惰性气体(典型的有氮气N₂等)，并且吹扫的流量通常与硅源相近；第三步供应氨气NH₃，氨气的流量也与硅源相近；经过第三步的反应后通入氮气吹扫。以上过程完成一次沉积循环，之后继续供应硅源，进行下一次沉积。以上反应过程均在550～650℃之间进行。

以上现有沉积过程中反应物与产物的变化如图4所示，左图为供应的氨气与硅源反应，产生H₂或HCl，吹扫除去H₂或HCl后载体上所得膜的化学组成如图4的右图。

利用上述现有沉积方法得到的氮化硅膜的强度较低，耐损伤性弱。造成氮化硅膜易损伤的原因可能是Si-H含量高，而其键能远低于Si-N键，硅原子与其他原子结合的键能如下表1所示。因此，若能减少氮化硅膜中Si-H键的含量，则有利于提高膜的强度。

表1

化学键	键能D<sup>0</sup>298/kJ*mol<sup>-1</sup>
		Si-Si	325
O-Si	799
		F-Si	553
Cl-Si	406
		C-Si	451
N-Si	470
		H-Si	323

为此，本发明提供了以下方法。

如图3所示，在一个沉积循环内，先供应硅源(硅源包括但不限于：硅烷SiH₄和二氯硅烷SiH₂Cl₂(DCS)等)；然后吹扫工作气体，工作气体选用等非反应性气氛(典型的有氮气N₂等)或惰性气体，这一步的吹扫力度较强，流量远大于前一步的硅源；第三步抽真空，可以抽至设备能达到的最大程度；第四步供应氨气NH₃，氨气的流量与硅源相近；经过前述的反应后再通入氮气吹扫，此时的吹扫适当即可，例如常规的0.1秒吹扫时长即可。以上过程完成一次沉积循环，之后继续供应硅源，进行下一次沉积。并且以上反应过程均在630℃以上进行。

与现有技术相比，本发明在供应气相硅源之后和供应氨气之前加强了吹扫力度，还增加了真空度，并且在相对高的温度范围内反应，这样的反应条件有利于Si-N键的高比例形成，降低Si-H的比例，得到的氮化硅膜中H含量较低，经检测，氢含量能控制在1％以下。如图5所示，经过左图的反应后，更多的氢和氯生成H₂或HCl被除去，从而得到的氮化硅膜如右图所示，相比图4的Si-H或Si-Cl键比例减少。

通过以上方法，本发明得到的氮化硅膜强度翻倍，提高了50％以上，膜强度由现有的

提高至

以上，从而最大程度减少后续氧化或蚀刻造成的损伤，能充分保护其覆盖的图形或结构。

在上述过程中，反应温度优选在630～650℃区间进行。

第二步加强吹扫的力度优选为：进行1秒以上的吹扫，吹扫强度相当于现有技术的10倍以上。

第三步的抽真空使压力达到10^-3Torr以下时效果更佳。

以制作DRAM的数据线为例，利用本发明的上述方法形成如图1所示的结构，其具有更好的致密度，耐损伤性强，后续的氧化工序和蚀刻工序不会对其造成过度损伤，因此可以充分保护氮化硅膜所覆盖的图形。

本发明的上述方法并不限定沉积的其他条件，例如可适用于等离子体原子层沉积法PE-ALD或热处理原子层沉积法(Thermal ALD)等手段，适用的范围也不受限制，不仅可用于DRAM中保护位线图形，还可以用于各种半导体器件的钝化，例如2D NAND、3D NAND或LCD等器件。

在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

1.一种氮化硅膜的沉积方法，其特征在于，包括：采用原子层沉积法，以氨气为反应气体，与气相硅源反应以在载体上沉积氮化硅膜；

其中，在每个沉积循环中，

在供应气相硅源之后和供应氨气之前进行以下工序：先进行1秒以上的吹扫，然后降低反应室内气压；并且所述沉积的反应温度为630℃以上。

2.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，所述沉积的反应温度为630～650℃。

3.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，所述吹扫气体为氮气。

4.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，所述降低反应室内气压为使反应室内气压为10^-3Torr以下。

5.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，在每个沉积循环中，在所述供应氨气之后还包括：进行0.1秒以上的吹扫。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的沉积方法，其特征在于，所述硅源为硅烷和二氯硅烷中的至少一种。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的沉积方法，其特征在于，所述沉积的手段为等离子体原子层沉积法或热处理原子层沉积法。

8.一种权利要求1-7任意一项所述沉积方法制备的氮化硅膜，其特征在于，所述氮化硅膜中的氢含量≤1％。

9.一种半导体结构，其特征在于，包括：

衬底，

位于衬底上的数据线；

所述数据线上沉积有权利要求8所述的氮化硅膜。

10.一种半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括权利要求9所述的半导体结构。

11.根据权利要求10所述的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件为DRAM、2DNAND、3D NAND或LCD。