專利名稱：用于半導(dǎo)體器件的使用預(yù)處理的材料原子層沉積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)明提供在前驅(qū)體處理下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認識到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
背景技術(shù)：
集成電路已經(jīng)從制造在單個硅芯片上的少數(shù)的互連器件發(fā)展到數(shù)百萬個器件。傳統(tǒng)集成電路提供的性能和復(fù)雜度已遠遠超過了當(dāng)初的想象。為了實現(xiàn)復(fù)雜度和電路密度(即，能夠被安置到給定芯片面積上的器件的數(shù)量)的提高，對于每一代集成電路，最小器件線寬的尺寸(也被稱為器件“幾何”)變得越來越小。
不斷增大的電路密度不僅已提高了集成電路的復(fù)雜度和性能，而且也為客戶提供了更低成本的部件。集成電路或者芯片制造設(shè)備常?？赡芑ㄙM成百上千萬，甚至十幾億美元來建造。每一制造設(shè)備具有一定的晶片生產(chǎn)量，而每片晶片上將會有一定數(shù)量的集成電路。因此，通過制造更小的集成電路個體器件，更多的器件可以被制造在每一個晶片上，這樣就可以增加制造設(shè)備的產(chǎn)量。要使器件更小是很有挑戰(zhàn)性的，因為每一種用于集成制造的工藝都存在限制。那也就是說，一種給定的工藝通常只能加工到某一特定的線寬尺寸，于是不是工藝就是器件布局需要被改變。此外，隨著器件要求越來越快速的設(shè)計，工藝限制就伴隨某些傳統(tǒng)的工藝和材料而存在。
這樣的工藝的示例是使用化學(xué)氣相沉積技術(shù)的膜的形成。這些化學(xué)氣相沉積技術(shù)(通常稱作CVD)經(jīng)常使用利用等離子體環(huán)境被引入的前驅(qū)體氣體。這些氣體通常形成包括絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體在內(nèi)的材料層。雖然已被廣泛地用于半導(dǎo)體器件的制造，但是CVD技術(shù)常常缺乏對于更小特征的良好的階梯覆蓋。這些更小的特征通常小于約0.2μm并且其長寬比為10，但是也可以是其他值。
因此，已經(jīng)提出了原子層沉積(ALD)技術(shù)。這些技術(shù)所提供的膜將良好地階段覆蓋這樣的更小特征。ALD已經(jīng)由M.Ritala和M.Leskela在Handbook of Thin Film Materials，H.S.Nalwa，ed.，Vol.1，103(2002)，“Atomic layer Deposition”中描述。然而，ALD技術(shù)具有某些限制。例如，ALD技術(shù)通常難以保持不受污染。污染物通常導(dǎo)致器件失效和可靠性問題。在本說明書中，更具體地在下文中可以找到這些和其他的限制。
從上面看出，用于處理半導(dǎo)體器件的改進技術(shù)是所希望的。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及集成電路的技術(shù)及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)明提供在前驅(qū)體處理下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認識到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
在具體實施例中，本發(fā)明提供一種用于形成原子層沉積的方法。該方法包括將包括上表面的半導(dǎo)體襯底(例如晶片、LCD板)放置在室中。所述上表面包括一種或多種含碳物質(zhì)(例如CxHy)和例如SiO2的就地形成的氧化物層。根據(jù)具體實施例，所述含碳物質(zhì)和就地形成的氧化物被認為是所不希望的污染物。該方法包括將氧化物質(zhì)(例如臭氧、含氧等離子體)引入到所述室中。該方法包括用所述氧化物質(zhì)處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)，并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜。該方法包括將惰性氣體(例如氬氣)引入到所述室中，以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)。將還原物質(zhì)引入所述室中，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面。該方法包括對所述基本清潔的表面進行另一工藝，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中。所述基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。
在另一具體實施例中，本發(fā)明提供一種用于通過原子層沉積形成膜的方法。該方法包括將包括上表面的半導(dǎo)體襯底放置在室中。所述上表面包括一種或多種含碳物質(zhì)和一就地形成的氧化物層。該方法還包括將氧化物質(zhì)引入到所述室中，并處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜。該方法包括在與所述上表面的所述處理相關(guān)的一部分時間中提高所述上表面的溫度。將惰性氣體引入到所述室中以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)的步驟被包括。該方法包括引入還原物質(zhì)，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面。該方法然后對所述基本清潔的表面進行原子層沉積工藝，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中以形成原子層沉積膜。所述基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。
較傳統(tǒng)技術(shù)，通過本發(fā)明獲得了的很多優(yōu)點。例如，本技術(shù)為使用依賴于傳統(tǒng)技術(shù)的工藝提供了便利。在一些實施例中，本方法提供了對于每個晶片的按管芯計的更高的器件產(chǎn)率。此外，本方法提供了與傳統(tǒng)工藝技術(shù)兼容而不用對傳統(tǒng)設(shè)備和工藝進行實質(zhì)修改的工藝。優(yōu)選地，本發(fā)明為0.1微米以及更小的設(shè)計規(guī)范提供了改進的工藝集成。此外，本發(fā)明可以適用于商業(yè)化器件的大量制造。依據(jù)實施例，可以獲得這些優(yōu)點中的一個或多個。這些優(yōu)點或其他優(yōu)點將在本說明書全文中并且更具體地在下文中，進行更多的描述。
參考下面的詳細描述和附圖，可以更充分地理解本發(fā)明的各種其他目的、特征和優(yōu)點。


圖1示出了用于原子層沉積的傳統(tǒng)方法的；圖2是根據(jù)傳統(tǒng)方法所形成的具有原子層的襯底的簡化的橫截面視圖；圖3到圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的使用預(yù)處理工藝的原子層沉積方法；以及圖9是示出了使用根據(jù)本發(fā)明的方法得到的實驗結(jié)果的簡化圖。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了涉及集成電路的技術(shù)及其用于半導(dǎo)體器件制造的處理。更具體地，本發(fā)明提供在前驅(qū)體處理下使用原子層沉積沉積一層或者多層材料膜的方法和結(jié)構(gòu)。僅僅作為示例，本發(fā)明已經(jīng)被應(yīng)用于先進集成電路器件的制造，但是應(yīng)該認識到，本發(fā)明具有更加廣泛的可應(yīng)用性。
圖1示出了用于原子層沉積的傳統(tǒng)方法。如圖所示，傳統(tǒng)方法100包括預(yù)處理步驟101，隨后103進行原子層沉積步驟105。預(yù)處理步驟通常是濕法工藝，其使用濕化學(xué)物。在具體實施例中，所述濕化學(xué)物包括SC-1(即，RCA清潔)，去離子水以及稀氫氟酸(HF)。用于原子層沉積的傳統(tǒng)方法存在有限制。在通過原子層沉積所沉積的上覆膜和襯底之間形成污染物。在圖2中提供了這樣的污染物的細節(jié)。
圖2是根據(jù)傳統(tǒng)方法所形成的具有原子層的襯底200的簡化橫截面視圖。襯底包括硅晶片201。上覆于硅晶片的表面的是氮化硅層207，所述氮化硅層207使用原子層沉積被沉積。在氮化物層和襯底之間存在界面205。該界面具有就地形成的氧化物和含碳物質(zhì)，例如CxHy。就地形成的氧化物和含碳物質(zhì)是污染物，所述污染物理想地是被去除。在本說明書全文中，更具體地在下文中，提供用于去除這樣的污染物的技術(shù)的細節(jié)。
用于原子層沉積的預(yù)處理方法可以被概括如下。
1.提供包括上表面的半導(dǎo)體襯底，所述上表面的特征在于具有例如就地形成的氧化物、含碳物質(zhì)的污染物；2.將所述半導(dǎo)體襯底(例如晶片、LCD板)置于室中；3.將氧化物質(zhì)引入到所述室中；4.處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)，并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜；5.將惰性氣體引入到所述室中，以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)；6.將還原物質(zhì)引入到所述室中，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過多種含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面；7.重復(fù)上述步驟中的一個或者多個，以產(chǎn)生所述基本清潔表面；8.對沒有就地形成的氧化物和含碳粒子的所述基本清潔的表面進行另一工藝，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中；以及9.如果需要的話，進行其他的步驟。
上述順序的步驟提供了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法。如所示出的，該方法利用了包括清潔半導(dǎo)體襯底的表面的方法的多個步驟的組合。還可以提供許多其他可供選擇的方法，其中在不背離這里的權(quán)利要求的范圍的情況下，加入某些步驟，刪去一個或多個步驟，或者一個或多個步驟按照不同的順序被提供。使用用于原子層沉積的上述方法的細節(jié)在下面被提供。
用于使用預(yù)處理技術(shù)的原子層沉積的方法可以被概括如下。
1.提供包括上表面的半導(dǎo)體襯底，所述上表面的特征在于具有例如就地形成的氧化物、含碳物質(zhì)的污染物；2.將所述半導(dǎo)體襯底(例如晶片、LCD板)置于室中；3.將氧化物質(zhì)引入到所述室中；4.用所述氧化物質(zhì)處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)，并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜；5.對所述上表面提供熱處理，同時使用所述氧化物質(zhì)對其進行處理；6.將惰性氣體引入到所述室中，以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)；7.將還原物質(zhì)引入到所述室中，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過多種含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面；8.重復(fù)上述步驟中的一個或者多個，以產(chǎn)生所述基本清潔表面；9.對沒有就地形成的氧化物和含碳粒子的所述基本清潔的表面進行原子層沉積，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中；以及10.如果需要的話，進行其他的步驟。
上述順序的步驟提供了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的方法。如所示出的，該方法利用了包括清潔半導(dǎo)體襯底的表面的方法的多個步驟的組合。還可以提供許多其他可供選擇的方法，其中在不背離這里的權(quán)利要求的范圍的情況下，加入某些步驟，刪去一個或多個步驟，或者一個或多個步驟按照不同的順序被提供。在本說明書全文中，更具體地在下文中，可以找到本方法的更多的細節(jié)。
圖3到圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于使用預(yù)處理工藝的原子層沉積的方法。這些圖僅僅是示例，不應(yīng)限制這里的權(quán)利要求的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到很多變化、替代和修改。如圖所示，該方法提供例如晶片、LCD板的半導(dǎo)體襯底300。也可以使用其他襯底。優(yōu)選地，襯底是硅襯底301。該襯底具有上表面。上表面包括一種或者多種含碳物質(zhì)302和就地形成的氧化物層303。根據(jù)具體實施例，含碳物質(zhì)和就地形成的氧化物被認為是所不希望的污染物。優(yōu)選地，這樣的污染物在原子層沉積之前應(yīng)該被去除。襯底被置于處理室中。
參考圖4，該方法包括將氧化物質(zhì)403引入到室中。在具體實施例中，氧化物質(zhì)可以是臭氧、氧氣、含氧等離子體、這些的任意組合等。該方法包括利用氧化物質(zhì)處理半導(dǎo)體襯底的上表面，以去除一種或者多種含碳物質(zhì)并且形成上覆于上表面的二氧化硅粒子膜。氧化物質(zhì)與碳結(jié)合，以形成諸如CO2氣體等的揮發(fā)性產(chǎn)物401。下面的關(guān)系式示出了氧化物質(zhì)和碳之間的化學(xué)反應(yīng)。
該方法包括將惰性氣體(例如氬氣)引入到室中以清除室中的氧化物質(zhì)和與一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)。所述一種或者多種含碳物質(zhì)是揮發(fā)性的。示例是二氧化碳，并且可以是其他的。優(yōu)選地，在氧化物質(zhì)處理上表面的部分時間中，襯底的溫度被升高。取決于實施例，包括使用氧化物質(zhì)處理上表面、熱處理表面(隨著處理)和清除室的該方法可以被重復(fù)，直到基本所有含碳物質(zhì)已經(jīng)被從上表面去除。
參考圖5，所得襯底500包括上覆于上表面的就地形成的氧化物的粒子膜。在優(yōu)選實施例中，基本所有的含碳物質(zhì)已經(jīng)被去除。優(yōu)選地，該方法使用干法工藝去除就地形成的氧化物。該方法將還原物質(zhì)601引入室中，以剝離二氧化硅粒子膜，如圖6所示。在具體實施例中，還原物質(zhì)可以包括SiH2F2、Si3H8、SiH4、Si2H2、Si2H6和Si2Cl6、MMA(甲基胺)，以及這些物質(zhì)彼此以及與其他物質(zhì)的組合。還原物質(zhì)形成揮發(fā)性的含氧物質(zhì)，以剝離所述就地形成的氧化物層。含氫物質(zhì)置換在襯底700的表面上的含氧物質(zhì)，如圖7所示。在此，該方法產(chǎn)生經(jīng)附接到硅703上的含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面。含氫物質(zhì)充當(dāng)用于上覆材料的粘接層。優(yōu)選地，在還原物質(zhì)處理上表面的部分時間中，襯底的溫度被升高。取決于實施例，包括使用還原物質(zhì)處理上表面、熱處理表面(隨著還原物質(zhì)處理)和清除室的該方法可以被重復(fù)，直到基本所有就地形成的氧化物已經(jīng)被從上表面去除。
取決于實施例，可以使用各種技術(shù)進行熱處理。優(yōu)選地，使用可以被保持小于1秒的快速熱處理技術(shù)進行熱處理。示例包括快速熱退火、燈照、等離子體和遠程等離子體以及其他。在氧化物質(zhì)處理過程中，上表面的溫度被從第一溫度提高到預(yù)定的溫度。然后，上表面的溫度被降低。在還原物質(zhì)處理過程中，上表面的溫度被從第一溫度提高到預(yù)定的溫度。然后，上表面的溫度被降低。當(dāng)然，可以有其他的變化、修改和替換。
一旦表面已經(jīng)被清潔，該方法包括在基本清潔的表面上進行另一工藝，同時襯底被保持在真空環(huán)境中。就是說，在清潔和所述其他工藝之間真空沒有被破壞。或者，經(jīng)清潔的襯底可以由清潔箱等運輸。基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。優(yōu)選地，上表面富集有充當(dāng)粘接層的含氫物質(zhì)。優(yōu)選地，該方法包括用原子層沉積工藝處理上表面，以形成不含含碳物質(zhì)和就地形成的氧化物的基本清潔的表面。根據(jù)優(yōu)選實施例，含碳物質(zhì)小于1015atoms/cm2，并且就地形成的氧化物小于1015atoms/cm2。取決于應(yīng)用，原子層沉積工藝的示例可以是在硅襯底上形成Al2O3，但也可以是其他的。
圖9是示出了使用根據(jù)本發(fā)明的方法得到的實驗結(jié)果的簡化圖。此圖僅僅是示例，不應(yīng)限制這里的發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將認識到很多變化、替代和修改。如圖所示，圖9的左側(cè)示出
樣品Si襯底→預(yù)處理(DHF濕法站)→Q時間5小時→ALD Al2O3沉積碳C和氧O的SIMS曲線示出在Si/Al2O3之間的界面處的聚積。如同樣所示出的，圖9的右側(cè)示出樣品Si襯底→ALP O35個循環(huán)，SiH2F25個循環(huán)，650℃→ALD Al2O3沉積碳C和氧O的SIMS曲線示出在Si/Al2O3之間的界面處的沒有聚積。
還應(yīng)當(dāng)理解，這里所描述的示例和實施例只是為了說明的目的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)上述示例和實施例對本發(fā)明進行各種修改和變化，這些修改和變化將被包括在本申請的精神和范圍內(nèi)，并且也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于形成原子層沉積的方法，該方法包括將包括上表面的半導(dǎo)體襯底放置在室中，所述上表面包括一種或多種含碳物質(zhì)和一就地形成的氧化物層；將氧化物質(zhì)引入到所述室中；用所述氧化物質(zhì)處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)，并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜；將惰性氣體引入到所述室中，以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)；引入還原物質(zhì)，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面；對所述基本清潔的表面進行另一工藝，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中，所述基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氧化物質(zhì)為臭氧或者O2等離子體。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述其他物質(zhì)包括一氧化碳和二氧化碳。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述惰性氣體是氮氣或者氬氣或者氦氣。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述還原物質(zhì)的引入提供有熱處理，來提高所述上表面的溫度，以便于所述粒子膜的剝離。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括重復(fù)進行引入、處理和引入。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述膜是單層。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底被保持在從約300℃到約600℃的范圍的溫度下。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底通過快速熱退火維持。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在處理所述上表面的同時，所述上表面在預(yù)定溫度下循環(huán)。
11.一種用于形成原子層沉積的方法，該方法包括將包括上表面的半導(dǎo)體襯底放置在室中，所述上表面包括一種或多種含碳物質(zhì)和一就地形成的氧化物層；將氧化物質(zhì)引入到所述室中；用所述氧化物質(zhì)處理所述半導(dǎo)體襯底的所述上表面，以去除所述一種或多種含碳物質(zhì)，并且形成上覆于所述上表面的二氧化硅粒子膜；在與所述上表面的所述處理相關(guān)的一部分時間中提高所述上表面的溫度；將惰性氣體引入到所述室中，以清除所述室中的所述氧化物質(zhì)和與所述一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)；引入還原物質(zhì)，以剝離所述二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面；以及對所述基本清潔的表面進行原子層沉積工藝，同時所述襯底被保持在真空環(huán)境中以形成原子層沉積膜，所述基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述氧化物質(zhì)為臭氧或者O2等離子體。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述其他物質(zhì)包括一氧化碳和二氧化碳。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述惰性氣體是氮氣或者氬氣或者氦氣。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括重復(fù)進行引入、處理和引入。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述膜是單層。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底被保持在從約300℃到約600℃的范圍的溫度下。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述半導(dǎo)體襯底通過快速熱退火維持。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述還原物質(zhì)選自SiH2F2、SiH4、Si2H6、Si3H8和MMA、Si2Cl6中的一種或者多種化合物。
20.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述原子層沉積膜選自氮化硅、Al2O3、Ta2O5或者HfO2和/或Si、SiGe、GaN、甲基胺。
全文摘要
本發(fā)明提供用于形成原子層沉積的方法。該方法包括將包括上表面的半導(dǎo)體襯底(例如晶片、LCD板)放置在室中。上表面包括一種或多種含碳物質(zhì)和就地形成的氧化物層。該方法包括將氧化物質(zhì)引入到室中。該方法包括處理半導(dǎo)體襯底的上表面，以去除一種或多種含碳物質(zhì)并形成上覆于上表面的二氧化硅粒子膜。該方法包括將惰性氣體引入到室中，以清除室中的氧化物質(zhì)和與一種或者多種含碳物質(zhì)相關(guān)的其他物質(zhì)。將還原物質(zhì)引入室中，以剝離二氧化硅粒子膜，來產(chǎn)生經(jīng)過含氫物質(zhì)處理的基本清潔的表面。該方法包括對基本清潔的表面進行另一工藝(例如，原子層沉積)，同時襯底被保持在真空環(huán)境中。所述基本清潔的表面基本不含就地形成的氧化物和含碳粒子。
文檔編號H01L21/02GK1941293SQ20051003030
公開日2007年4月4日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者三重野, 文健 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司