專利名稱：利用單晶圓腔室沉積納米晶體硅的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實施方式涉及半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域，更具體地，涉及用于一種控制硅薄膜晶體結(jié)構(gòu)的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成的多晶硅薄膜廣泛應(yīng)用于諸如微處理器和存儲器等的集成電路制造中。多晶硅薄膜沉積工藝需要合適的物理、化學(xué)以及產(chǎn)品價值屬性。例如，產(chǎn)品價值屬性包括均勻厚度和均勻組成的多晶硅薄膜(例如，在晶圓內(nèi)和晶圓與晶圓間)、低的微?；瘜W(xué)污染及高的制造產(chǎn)量。當(dāng)滿足這些特性時，則可以通過低成本制造高電學(xué)性能、高可靠性及高良率的器件晶圓。
在CVD工藝中，給定成分和流速的反應(yīng)氣體和稀釋的惰性氣體導(dǎo)入含有多個襯底的反應(yīng)腔室(例如分批裝料爐)中。多種氣體向襯底移動并且在襯底上吸收反應(yīng)物。原子發(fā)生遷移并化學(xué)反應(yīng)而生成沉積于襯底上的薄膜(例如，多晶硅)。將未反應(yīng)的氣體和已反應(yīng)的氣體副產(chǎn)品解吸附并從反應(yīng)腔室中去除?？赏ㄟ^多種方式(例如，加熱、光子、催化作用或等離子體)提供致使反應(yīng)發(fā)生的能量。傳統(tǒng)的CVD系統(tǒng)一般包括氣源、進(jìn)氣管、流量控制器、反應(yīng)腔室，一種用于加熱其上將沉積薄膜的襯底的方法，以及溫度傳感器。傳統(tǒng)的熱CVD系統(tǒng)利用溫度作為用于氣源的反應(yīng)的主要動力。
在用于多晶硅沉積的一類CVD系統(tǒng)中，一批硅晶圓垂直地放置于用于沉積的晶圓舟中并嵌入管形爐中。在管中通過電阻加熱線圈輻射加熱(大于600℃)該晶圓。反應(yīng)氣體利用流量控制器計量流入該管的一端(例如氣體入口)。反應(yīng)副產(chǎn)品從管的另一端抽出(例如，經(jīng)由排出泵)。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，例如，對于亞-100納米(nm)器件的極淺結(jié)，薄膜沉積需要能在越來越低的溫度下進(jìn)行。薄膜內(nèi)納米晶體硅結(jié)構(gòu)的形成取決于納米晶體硅尺寸和密度的控制。分批裝料爐系統(tǒng)的一個問題在于它們不能容許在低溫下(例如，低于500℃)的納米晶體硅薄膜沉積。分批裝料爐系統(tǒng)的另一個問題在于它們存在公知的“耗盡效應(yīng)”的缺點。由于反應(yīng)物通過晶圓表面的反應(yīng)而消耗，因此耗盡效應(yīng)降低氣相濃度。因此，靠近入口的晶圓暴露在較高濃度的反應(yīng)氣體中。從而靠近入口處放置的晶圓沉積速率較大，而難以獲得均勻厚度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于在襯底上沉積納米晶體硅層的方法。在本發(fā)明的一實施方式中，將襯底放置于單晶圓腔室中并加熱至約300℃至約490℃之間的溫度。另外，將硅源通入單晶圓腔室中，在替代的實施方式中，在單晶圓腔室中產(chǎn)生的氣壓約10Torr到約350Torr之間。


本發(fā)明的實施方式通過以下附圖中圖示描述的實施例進(jìn)行說明，但該實施例并非對本發(fā)明的限定，其中圖1為具有在各通過一半腔室的第一截面和第二截面上的“晶圓-處理”位置處的電阻加熱器的處理腔室的一實施方式的截面?zhèn)纫晥D；圖2為“晶圓分離”位置處的如圖1的類似截面?zhèn)纫晥D；圖3為“晶圓裝載”位置處的如圖1的類似截面?zhèn)纫晥D；圖4為一種用于在襯底上沉積納米晶體硅薄膜的不連續(xù)層方法的一實施方式的方框圖；圖5a為具有形成在硅晶圓上的介質(zhì)的襯底的一實施方式的示意圖；圖5b為形成在圖5a的襯底上的納米晶體硅的一實施方式的示意圖。
具體實施例方式
在以下的說明書中，為了提供對本發(fā)明實施方式的全面理解，將對諸如具體材料或成分的實施例進(jìn)行大量具體的描述。然而，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說很明顯可不必應(yīng)用這些具體的描述來實踐本發(fā)明的實施方式。在其他實施例中，為了避免使本發(fā)明實施方式產(chǎn)生不必要的混淆，沒有對公知的元件或方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
用于本文的術(shù)語“在...之上”、“在...上部”、“在...下部”、“在...之間”和“相鄰”指一層或元件參照于另一層或元件的相對位置。因此，設(shè)置在另一元件上、在另一元件上部或下部的第一元件可以直接與第一元件相接觸或者可能具有一個或多個居間元件。另外，與另一元件靠近或相鄰設(shè)置的一個元件可以直接與第一元件相接觸或者可以具有一個或多個居間元件。
說明書中任意參照的“一個實施方式”或“一實施方式”意指在要求保護(hù)的主題的至少一個實施方式中包括與該實施方式相關(guān)的具體特征、結(jié)構(gòu)或?qū)傩?。說明書中不同位置處以“一個實施方式中”出現(xiàn)的短語，并不一定都指同一實施方式。
現(xiàn)描述在襯底上沉積和/或形成納米晶體硅薄膜的實施方式。在本發(fā)明的一實施方式中，用于形成納米晶體硅薄膜的工藝環(huán)境可為單晶圓沉積腔室，其中采用諸如低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)的一種CVD沉積方法在襯底上形成納米晶體硅表面。納米晶體硅薄膜的生長速率可控制為預(yù)定值以形成具有特定密度和尺寸、晶圓與晶圓間重現(xiàn)性及低熱預(yù)算的硅薄膜。單晶圓沉積腔室具有在納米晶體硅沉積期間精確地維持預(yù)期的沉積溫度以及氣壓控制的優(yōu)點。在一實施方式中，納米晶體硅可為不連續(xù)的，并且摻雜納米晶體硅和無摻雜納米晶體硅的形成都可利用單晶圓腔室獲得。在另一實施方式中，相對低的沉積溫度導(dǎo)致形成不定形的納米晶體硅層。本發(fā)明的實施方式優(yōu)于用于形成納米晶體硅層包含多個步驟(例如，非晶硅沉積接著退火處理以使該非晶硅再結(jié)晶成納米晶體)的現(xiàn)有技術(shù)方法。在本發(fā)明的一個實施方式中，可在沉積腔室中執(zhí)行的單個步驟實現(xiàn)納米晶體硅的形成。
可通過包含所需成分(例如硅前驅(qū)物)的氣相化學(xué)物(即反應(yīng)物)的反應(yīng)獲得在襯底上沉積納米晶體硅。將反應(yīng)氣體導(dǎo)入反應(yīng)腔室中并在襯底的加熱表面處分解和/或反應(yīng)以形成納米晶體硅薄膜。在一實施方式中，反應(yīng)腔室可為一次只容納一個襯底或晶圓的腔室。圖1-圖3為可用于執(zhí)行本發(fā)明實施方式的設(shè)備的一實施方式。在一具體實施方式
中，該設(shè)備可為LPCVD腔室100。圖1-圖3各示出了通過兩個不同截面的截面?zhèn)纫晥D，每個截面表示通過諸如電阻反應(yīng)器的一種反應(yīng)器的約一半LPCVD腔室100的視圖。圖1-圖3所示的LPCVD腔室100由在一實施方式中維持提供沉積腔室約10Torr到約350Torr之間氣壓的材料構(gòu)成。為了描述起見，LPCVD腔室100可具有約5-6升的腔室體積。如以下更詳細(xì)的描述，圖1示出了“晶圓-處理”位置處的處理腔室主體45的內(nèi)部，圖2示出了“晶圓-分離”位置處腔室的相同示圖，以及圖3示出了“晶圓裝載”位置處腔室主體45的相同截面?zhèn)纫晥D。在每個圖示中，為表示晶圓500在LPCVD腔室100中的位置，用虛線描述該晶圓。在一實施方式中，LPCVD腔室100適用于固定僅一個晶圓(即，單晶圓腔室)。還可以設(shè)計腔室主體45的尺寸以容納具有直徑約200mm至約300mm之間的晶圓。
圖1-圖3示出了限定反應(yīng)腔室90的腔室主體45，在該反應(yīng)腔室90中一種或多種工藝氣體發(fā)生熱分解以在晶圓500上形成納米晶體硅薄膜。在一實施方式中，腔室主體45由鋁構(gòu)成并具有使水從其抽送通過例如在腔室壁內(nèi)的通道55，以隔離晶圓500周圍的反應(yīng)區(qū)域并防止在腔室45的內(nèi)壁上沉積。在一實施方式中，LPCVD腔室100可為“冷壁”反應(yīng)腔室。位于反應(yīng)腔室90中的元件為電阻加熱器80，其在該示圖中包括由軸65支撐的基座5。基座5具有的足以支撐諸如半導(dǎo)體晶圓500(以虛線示出)的襯底的表面面積。晶圓500可為當(dāng)制造集成電路時產(chǎn)生的任意表面，在其上可形成導(dǎo)體層。因此晶圓500可包括例如形成在硅晶圓上的有源器件和無源器件，諸如晶體管、電容、電阻、擴(kuò)散結(jié)、柵極、局部互聯(lián)等。
圖1還示出了加熱器80一部分的截面圖，該加熱器80包括基座5主體的截面和軸65的截面。在該圖中，圖1示出了具有形成于其內(nèi)的兩個加熱元件即第一加熱元件50和第二加熱元件57的基座5主體。每個加熱元件(例如，加熱元件50和加熱元件57)由具有與基座5的材料類似的熱膨脹特性的材料組成。在一實施方式中，用于基座5的材料可為鉬(Mo)，或現(xiàn)有技術(shù)公知的其他加熱元件。在一實施方式中，第一加熱元件50和第二加熱元件57包括以螺旋結(jié)構(gòu)的鉬材料薄層。LPCVD腔室100的雙加熱器系統(tǒng)具有允許對納米晶體硅沉積溫度精確控制的優(yōu)勢。在替代的實施方式中，LPCVD腔室100可包括燈加熱器取代以上所述的加熱元件50和57所采用的電阻型加熱器。
這里所述的納米晶體硅沉積方法的一個優(yōu)勢在于沉積溫度相對低(例如，500℃以下)。在一實施方式中，LPCVD腔室100的沉積溫度為約300℃到約490℃之間。在一實施方式中，沉積溫度可指基座5所測得的或設(shè)定的溫度。在替代的實施方式中，沉積溫度可指第一加熱元件50和第二加熱元件57或加熱器80所測得的或設(shè)定的溫度。由LPCVD腔室100提供的沉積環(huán)境容許精確控制溫度和氣壓，其為在晶圓500上形成納米晶體硅的重要因素。由于納米晶體硅在相對低的溫度下形成，因此維持精確的沉積溫度是至關(guān)重要的。在一實施方式中，具有加熱元件50和57的加熱器80具有精確的溫度控制和穩(wěn)定性。通過預(yù)鍛模板24和多孔面板25的工藝氣體通道具有朝向晶圓500均勻分布?xì)怏w的優(yōu)勢。在一實施方式中，用于反應(yīng)腔室90的材料與工藝氣體和其他化學(xué)物相容，該其他化學(xué)物質(zhì)諸如可導(dǎo)入反應(yīng)腔室90的清洗化學(xué)物質(zhì)(例如，三氟化氮)。
加熱器80的暴露表面可由多種與工藝相容的材料組成。例如，基座5和加熱器80的軸65可由類似的氮化鋁材料組成。替代地，基座5的表面可由高熱傳導(dǎo)的氮化鋁材料組成(在一實施方式中，以具有約140W/mK的熱傳導(dǎo)率約95％純度的配比)，同時軸65由較低熱傳導(dǎo)的氮化鋁組成。在一實施方式中，加熱器80的基座5可通過擴(kuò)散結(jié)合或銅焊耦合至軸65，原因在于這種耦合方式可容許反應(yīng)腔室90的環(huán)境。
圖1中，第二加熱元件57形成在位于第一加熱元件50下方(相對于圖中的基座表面)的基座5主體的平面上。第一加熱元件50和第二加熱元件57分別耦合至電源終端。該電源終端沿如導(dǎo)線向下的方向經(jīng)由軸65通過縱向延伸的開口延伸至電源，該電源提供加熱基座5的表面所需的能量。通過腔室蓋的開口延伸為兩個高溫計，即第一溫度計10和第二溫度計15。每個溫度計提供關(guān)于基座5的表面處(或者基座5的晶圓表面處)的溫度數(shù)據(jù)。另外注意圖1所示的加熱器80的截面設(shè)置熱偶70。熱偶70經(jīng)由軸65通過徑向延伸的開口而延伸至正好位于基座上表面或頂表面以下的點。
工藝氣體通過位于腔室主體45的腔室蓋30頂表面的氣體分配口20進(jìn)入另外密封的反應(yīng)腔室90。接著該工藝氣體通過預(yù)鍛模板24以在與晶圓表面面積一致的區(qū)域分布?xì)怏w。此后，通過在該視圖中位于電阻加熱器80上部并與反應(yīng)腔室90內(nèi)部的腔室蓋30相耦合的多孔面板25分布工藝氣體。在一實施方式中，預(yù)鍛模板24與面板25結(jié)合在靠近晶圓500的頂表面處產(chǎn)生均勻分布的工藝氣體。
如圖所示，在反應(yīng)腔室90中，經(jīng)過腔室主體45部分一側(cè)的入口40將晶圓500放置于加熱器80的基座5上。為了容納用于處理的晶圓，將加熱器80降低使得基座5的表面位于如圖3所示的入口40的下方。在一實施方式中，利用自動輸送機(jī)械裝置，可通過例如傳送葉片41將晶圓500的加載到反應(yīng)腔室90中的基座5的上表面上。一旦裝載完成，將入口40密封并且通過諸如步進(jìn)電機(jī)(如圖1示出)的升降組件60將加熱器80以朝面板25上方的(例如向上)方向升高。當(dāng)晶圓500離面板25(如圖1示出)較短的距離(例如400-700mil)時，停止上升。在圖1的晶圓處理位置中，反應(yīng)腔室90有效地分為兩個區(qū)，即位于基座5的上表面處的第一區(qū)2和位于基座5的下表面處的第二區(qū)4。
由于在反應(yīng)腔室90中設(shè)置晶圓500，第一區(qū)2包括位于晶圓500上部的區(qū)域88從而納米晶體硅薄膜/層的形成限定于上表面(即，多孔面板25下部的表面)。也就是說，納米晶體硅薄膜沉積限制于晶圓500的一側(cè)。在一實施方式中，區(qū)域88限定諸如硅前驅(qū)物的氣源的反應(yīng)腔室90中的局部氣壓區(qū)域(即，(前驅(qū)物的流速/總流速)×腔室氣壓)。在替代的實施方式中，在晶圓500兩側(cè)用于硅薄膜沉積的第一區(qū)和第二區(qū)中均可實現(xiàn)納米晶體硅的形成。因此，對應(yīng)晶圓500的頂表面和底表面的區(qū)域88和區(qū)域89，限定用于雙側(cè)硅薄膜沉積的局部氣壓區(qū)域。
這里，利用氣體控制板控制的工藝氣體通過氣體分配端口20、通過預(yù)鍛模板24和多孔面板25進(jìn)入反應(yīng)腔室90中。工藝氣體熱分解以在晶圓上形成薄膜。同時，向第二腔室區(qū)中導(dǎo)入諸如氮氣的惰性底部清洗氣體以阻止在該區(qū)中形成薄膜。在氣壓控制系統(tǒng)中，通過耦合至反應(yīng)腔室90的一個或多個氣壓調(diào)節(jié)器(未示出)建立并維持反應(yīng)腔室90中的氣壓。在一實施方式中，例如，通過耦合至現(xiàn)有技術(shù)公知的腔室主體45的巴拉特(baratron)氣壓調(diào)節(jié)器建立并維持氣壓。在一實施方式中，該巴拉特(baratron)氣壓調(diào)節(jié)器維持用于在晶圓500上沉積納米晶體硅的氣壓值約為10Torr到約350Torr之間。
殘余的工藝氣體通過抽吸板85從反應(yīng)腔室90抽送至位于腔室主體45一側(cè)的收集容器(真空抽吸31(vacuum pumpout))。抽吸板85產(chǎn)生兩個流動區(qū)域?qū)е略诰A500上形成納米晶體硅層的氣流圖案。
設(shè)置于設(shè)備外部的泵32在抽吸管道4140內(nèi)(圖1到圖3的管道414下方)提供真空壓力以通過真空抽吸31使工藝氣體和清洗氣體都從反應(yīng)腔室90中抽出。氣體沿著排氣管道33從反應(yīng)腔室90中排出。優(yōu)選地通過沿著管道33設(shè)置的節(jié)流閥34控制經(jīng)過管道4140的排氣流速。在一實施方式中，利用傳感器(未示出)進(jìn)行監(jiān)控并通過改變節(jié)流閥34的管道33的截面面積控制工藝反應(yīng)腔室90內(nèi)的氣壓。優(yōu)選地，控制器或者處理器(也未示出)接收來自表示腔室氣壓的傳感器的信號并相應(yīng)地調(diào)節(jié)節(jié)流閥34以維持反應(yīng)腔室90內(nèi)的預(yù)定氣壓。
一旦晶圓500的處理完成，反應(yīng)腔室90可利用諸如氮氣的惰性氣體進(jìn)行清洗。在處理和清洗之后，通過升降組件60將加熱器80沿向下的方向移動(例如降低)至如圖2所示的位置。隨著加熱器80移動，升降桿95與位于反應(yīng)腔室90的基座處的升降板75相接觸，其中升降桿95具有通過基座表面5的開口或通孔延伸的一端和從基座下(例如下部)表面以懸臂方式延伸的第二端。如圖2所示，在一實施方式中，升降板75保持在晶圓處理位置(即如圖1所示的相同位置)。隨著加熱器80繼續(xù)通過組件60的運(yùn)動沿向下方向移動，升降桿95保持靜止并最終延伸到基座5的上部或者頂表面上以使處理的晶圓500與基座5的表面分離?；?的表面移至入口40的下方位置。
一旦處理的晶圓500從基座5的表面分離，自動機(jī)械裝置的傳送葉片41通過開口40嵌入在升降桿95頭部的下方，并且晶圓500通過升降桿95支撐。接著，升降組件60向下移動(例如降低)加熱器80和升降板75至“晶圓裝載”位置。通過沿向下方向移動升降板75，升降桿95也沿向下方向移動，直到所處理的晶圓500的表面與傳送葉片41相接觸為止。然后，通過例如自動輸送機(jī)械裝置從入口40移除所處理的晶圓500，該自動輸送機(jī)械裝置將晶圓500移走并傳送至下一處理步驟。然后向反應(yīng)腔室90中載入第二晶圓(未示出)。通常顛倒以上所述的步驟將晶圓500放入處理位置。
單晶圓LPCVD腔室100包括處理器/控制器700和諸如硬盤驅(qū)動器的存儲器702。處理器/控制器700可包括單板(SBC)模擬和數(shù)字輸入/輸出板、接口板和步進(jìn)電機(jī)控制器板并耦接至電源704。處理器/控制器700控制LPCVD腔室100的所有工作?？刂破?00執(zhí)行系統(tǒng)控制軟件，其為存儲在諸如存儲器702的計算機(jī)可讀媒介中的計算機(jī)可讀程序。計算機(jī)可讀媒介包括以由機(jī)器(即，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人數(shù)字助理、諸如單晶圓沉積腔室的制造工具、具有一個或多個處理器的任意設(shè)備等)可存取形式提供(即，存儲和/或傳輸)信息的任意機(jī)械裝置。例如，計算機(jī)可讀媒介包括可讀寫的/不可讀寫的媒介(例如只讀存儲器(ROM)；隨機(jī)存取存儲器(RAM)；磁盤存儲媒介；光存儲媒介；閃存器等)，以及電學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)或其他形式的傳播信號(例如，載波、紅外信號、數(shù)字信號等)。
計算機(jī)程序包括指令集，該指令集用于指定時間、氣體混合物、腔室氣壓、加熱器溫度、電源(例如704)、基座位置和納米晶體硅沉積工藝的其他參數(shù)?？捎弥T如680000匯編語言、C、C++、Pascal、Fortran或其他任意傳統(tǒng)的計算機(jī)可讀程序語言編寫該計算機(jī)程序代碼?？稍诖鎯ζ?02中存儲用于執(zhí)行工藝氣體混合、氣壓控制和加熱器控制的子程序。存儲器702還存儲形成例如具有不連續(xù)晶粒結(jié)構(gòu)的納米晶體硅薄膜所需的諸如工藝氣體流速和組成、溫度和氣壓的工藝參數(shù)。在一實施方式中，LPCVD腔室100包括存儲器702中的指令和工藝參數(shù)，其用于將硅源氣體和載氣提供至反應(yīng)腔室90中，將基座5加熱至約300℃到約490℃之間的溫度，以及在反應(yīng)腔室90中產(chǎn)生約10Torr到約350Torr之間的氣壓從而通過熱化學(xué)氣相沉積將納米晶體硅薄膜可沉積在晶圓500上。
圖4示出了一種利用圖1-圖3的單晶圓LPCVD腔室(例如100)用于在襯底上沉積非晶硅薄膜的不連續(xù)層的方法的一實施方式的方框圖。如圖400的方框402所述，將晶圓或襯底(例如，晶圓500)放置于沉積腔室(例如，單晶圓沉積腔室90)中。在本發(fā)明的一實施方式中，沉積有納米晶體硅薄膜的位置通常用作半導(dǎo)體集成電路的晶體管的柵極，晶圓可為具有柵介電層504的摻雜硅晶圓502，所述柵介電層504為諸如如圖5a所示在其上形成的氧化硅或氮氧化硅。摻雜物的示例包括，但不限于，鍺烷(GeH4)、磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)。在一實施方式中，硅前驅(qū)物氣體可包括原位置摻雜物從而不需要獨立的摻雜步驟(即，摻雜物可利用載氣輸送)。如果納米晶體硅薄膜用作互連電極或電容電極，則可在形成于摻雜硅晶圓502上部的層間介質(zhì)504上形成納米晶體硅薄膜。晶圓通過如圖3所示的傳送葉片(例如41)傳送至腔室中。然后，加熱器(例如加熱器80)從晶圓裝載位置移動至如圖1所示的晶圓處理位置。
接著，如方框404和406中所述，在腔室中獲得并穩(wěn)定預(yù)期的沉積溫度和氣壓。在一實施方式中，腔室的沉積溫度可為約300℃到約490℃之間。腔室的沉積氣壓可設(shè)置為約10Torr到約350Torr之間。如以下更詳細(xì)的描述，根據(jù)使用的特定前驅(qū)物氣體，優(yōu)選的溫度可在約400℃到約475℃之間，以及優(yōu)選的氣壓可為約30Torr到約350Torr之間。接著，向腔室中導(dǎo)入流動的載氣或稀釋氣體。在一實施方式中，該載氣或稀釋氣體可為氮氣或氬氣。
接著，如方框408所示，一旦溫度、氣壓和氣流已穩(wěn)定，在局部氣壓約0.1Torr到約3.5Torr下，通過載氣(例如氮氣、氦氣、氬氣)將硅源(即前驅(qū)物)送入腔室中。將硅源和載氣送入腔室中以在如圖5b所示在襯底500上沉積納米晶體硅薄膜506。硅源氣流限制于位于晶圓500的頂表面上部用于在晶圓500的一側(cè)上沉積納米晶體硅的區(qū)域88。在本發(fā)明的一實施方式中，硅源可為諸如硅烷(SiH4)的氣體，或者替代地諸如乙硅烷(Si2H6)、丙硅烷(Si3-H6)和雙-叔丁基氨基硅烷(BTBAS，(C8H22N2Si)的其他硅源氣體。在一實施方式中，載氣可為包含氫氣和惰性氣體(例如，氮氣、氦氣、氬氣)的混合氣體。在一示例中，硅烷以約每分鐘50標(biāo)準(zhǔn)立方厘米(sccm)到約150sccm之間的速率送入腔室中，同時腔室90中的沉積溫度維持在穩(wěn)定的溫度約440℃到約490℃之間，以及沉積氣壓在約150Torr到約350Torr之間。另一重要的工藝參數(shù)包括硅烷前驅(qū)物的局部氣壓。如上所述，對晶圓500上方的區(qū)域88測量硅前驅(qū)物氣體的局部氣壓。在一實施方式中，硅烷的局部氣壓可為約0.5Torr到約3.5Torr之間。
對于乙硅烷，將這種硅前驅(qū)物氣體以約50sccm到約150sccm送入腔室90中，同時腔室90中的沉積溫度維持在穩(wěn)定的溫度約425℃到約475℃之間，以及沉積氣壓在約30Torr到約225Torr之間。乙硅烷前驅(qū)物的局部氣壓可為約0.1Torr到約3.0Torr之間。對于三硅烷，將這種硅前驅(qū)物氣體以約200sccm到約350sccm送入腔室90中，同時腔室90中的沉積溫度維持在穩(wěn)定的溫度約400℃到約450℃之間，并且沉積氣壓在約30Torr到約200Torr之間。三硅烷前驅(qū)物的局部氣壓可為約0.1Torr到約2.5Torr之間。在本發(fā)明的一實施方式中，將硅源氣體加入至載氣混合的第一部件(上部件)并通過入口20流入至反應(yīng)腔室90中。
在替代的實施方式中，前驅(qū)物氣體可送入反應(yīng)腔室90中晶圓500的兩側(cè)用于納米晶體硅形成(即，通過腔室90的區(qū)域88和89同時沉積納米晶體硅)。硅烷前驅(qū)物氣體可以約120sccm至約180sccm之間的流速送入腔室90中，同時腔室90中的沉積溫度維持在約475℃到約525℃之間，并且局部氣壓(由區(qū)域88、89限定的區(qū)域)約0.8Torr到約1.2Torr之間。乙硅烷前驅(qū)物氣體可以約10sccm至約25sccm之間的流速送入腔室90中，同時腔室90中的沉積溫度在約450℃到約500℃之間，并且局部氣壓約0.8Torr到約1.6Torr之間。
來自設(shè)置于腔室內(nèi)的基座(例如，基座5)和晶圓(例如，晶圓500或晶圓502)的熱能使硅源氣體熱分解并如圖5b所示在設(shè)置于硅晶圓502上的柵電介質(zhì)或?qū)娱g介質(zhì)504上沉積不連續(xù)的和不定形的納米晶體硅薄膜。雖然為清楚描述起見，圖5b以簡化形式進(jìn)行描述，在一實施方式中，納米晶體硅層可具有大于約1E10 cystal/cm2的密度及小于約5納米的平均晶粒直徑。在本發(fā)明的一實施方式中，在不借助諸如等離子體或光子增強(qiáng)的附加能源的情況下，僅采用熱能分解硅源氣體。由納米晶體硅形成柵極的一個優(yōu)點在于由于小微粒的限制導(dǎo)致納米級微粒具有比較大體硅更大的帶隙。
在本發(fā)明的一實施方式中，選擇沉積氣壓、溫度和工藝氣體流速和密度從而納米晶體硅薄膜以約5/min(埃每分鐘)至約15/min的沉積速率進(jìn)行沉積。沉積速率取決于工藝化學(xué)、溫度或氣壓。例如，在基于沉積溫度約440℃到約490℃之間，沉積氣壓約150Torr到約350Torr之間，并且局部氣壓約0.5Torr到約3.5Torr之間的情況下，硅烷可以速率約5/min進(jìn)行沉積。工藝氣體混合持續(xù)通入腔室中直到預(yù)定厚度的納米晶體硅薄膜506形成為止。
在以上所述的說明書中，本發(fā)明已通過具體的示例性實施方式對本發(fā)明進(jìn)行描述。然而，很顯然在不偏離如所附權(quán)利要求書要求保護(hù)的本發(fā)明實施方式的更廣的精神和范圍內(nèi)，可對本發(fā)明的實施方式進(jìn)行各種改進(jìn)和變化。因此，說明書和附圖應(yīng)理解為是描述性的而不是限制性意義。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括在單晶圓腔室中定位襯底；加熱所述單晶圓腔室以獲得約300℃至約490℃之間的沉積溫度；以及在局部氣壓為約0.1Torr到約3.5Torr之間的狀態(tài)下，向襯底表面提供硅氣體源以在所述襯底上形成納米晶體硅層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生約10Torr到約350Torr之間的沉積氣壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，導(dǎo)入步驟還包括向硅源中加入氮氣載氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述納米晶體硅層包括不定形的不連續(xù)層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述納米晶體硅層具有大于約1E10 crystal/cm2的密度和小于約5納米的平均晶粒直徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅源包括硅烷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅源包括乙硅烷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，利用設(shè)置于所述單晶圓腔室內(nèi)的雙電阻加熱器加熱并維持所述沉積溫度。
9.一種在襯底上沉積納米晶體硅層的方法，其特征在于，包括將襯底放置于單晶圓腔室中；在約300℃到490℃之間的沉積溫度下導(dǎo)入硅前驅(qū)物；產(chǎn)生約10Torr到約350Torr之間的沉積氣壓以控制沉積速率和晶體密度，其中所述硅前驅(qū)物限制于所述襯底的一個表面。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括將氮氣載氣加入所述硅前驅(qū)物中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括在約0.5Torr至約3.5Torr之間的局部氣壓下導(dǎo)入硅烷。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括在局部氣壓約0.1Torr到約3.0Torr之間下導(dǎo)入乙硅烷。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括利用雙區(qū)加熱器維持所述溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括原位置將摻雜物加入所述硅前驅(qū)物中。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括將所述硅前驅(qū)物以約50sccm至約150sccm的流速通入至所述單晶圓腔室中。
16.一種設(shè)備，其特征在于，包括包含數(shù)據(jù)的機(jī)器可存取媒介，當(dāng)由機(jī)器存取所述數(shù)據(jù)時，使所述機(jī)器執(zhí)行操作，所述操作包括獲得約300℃到490℃之間的沉積溫度；產(chǎn)生約10Torr到約350Torr之間的沉積氣壓；以及在局部氣壓約0.1Torr到約3.5Torr之間下，將硅源導(dǎo)入所述機(jī)器中以在所述襯底上沉積納米晶體硅層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述機(jī)器包括單晶圓沉積腔室。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述單晶圓沉積腔室包括襯底固定器以在納米晶體硅沉積期間固定所述襯底；氣體輸送系統(tǒng)以將工藝氣體混合導(dǎo)入所述單晶圓沉積腔室中；與氣體出口耦合的泵以控制所述沉積氣壓；以及控制器以控制所述氣體輸送系統(tǒng)和泵。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述納米晶體硅層為不定形的和非連續(xù)的。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的設(shè)備，其特征在于，所述納米非晶硅層具有大于約1E10 crystal/cm2的密度和小于約5nm的平均晶粒直徑。
21.一種用于沉積納米晶體硅的方法，其特征在于，包括在沉積腔室內(nèi)放置具有頂表面和底表面的晶圓；將所述沉積腔室加熱至約440℃到490℃之間的溫度；以及在約0.5Torr到約3.5Torr的局部氣壓下，將硅烷與氮氣載氣一起導(dǎo)入至所述晶圓的頂表面。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括使納米晶體硅沉積限制于所述晶體硅的頂表面。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟還包括利用雙電阻加熱器升高并維持所述沉積腔室的溫度。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，還包括將沉積氣壓穩(wěn)定在約150Torr到約350Torr之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括形成不連續(xù)的和不定形的納米晶體硅層。
26.一種用于沉積納米晶體硅的方法，其特征在于，包括將具有頂表面和底表面的晶圓放置于沉積腔室內(nèi)；將所述沉積腔室加熱至約425℃到475℃之間的溫度；在約0.1Torr到約3.0Torr的局部氣壓下，將乙硅烷與氮氣載氣一起導(dǎo)向所述晶圓的頂表面。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括使納米晶體硅沉積限制于所述晶圓的頂表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述加熱步驟還包括利用雙電阻加熱器升高并維持所述沉積腔室的溫度。
29.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，還包括將沉積氣壓穩(wěn)定在約30Torr至約225Torr之間。
30.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于，所述導(dǎo)入步驟還包括形成不連續(xù)的和不定形的納米晶體硅層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于在襯底上沉積納米晶體硅層的方法的不同實施方式。在本發(fā)明的一實施方式中，將襯底放置于單晶圓腔室中并加熱至約300℃到490℃之間的溫度。另外，將硅源導(dǎo)入所述單晶圓腔室中。
文檔編號C23C16/24GK1989270SQ200580024926
公開日2007年6月27日 申請日期2005年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月23日
發(fā)明者希比·J·帕納伊爾, 李明, 樹林·王, 喬納森·C·皮克林 申請人:應(yīng)用材料股份有限公司