多晶硅薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多晶硅薄膜的制備方法，通過乙硅烷分解出的SiH3具有較好的硅表面吸附性，吸附系數(shù)比硅烷高兩個數(shù)量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應(yīng)初期就有薄膜生成，不需要如硅烷的前期孕育時間，使生成的多晶硅薄膜下表面即與硅襯底的界面具有高質(zhì)量，且生成的多晶硅薄膜具有較好的表面均勻度，表面粗糙度得到很大改善，也具有更好的晶粒均勻度，在填充凹槽的情形也能有效改善凹槽內(nèi)的裂縫或空洞。
【專利說明】多晶硅薄膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多晶硅薄膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，芯片的集成度越來越高，元器件的尺寸越來 越小，因器件的高密度、小尺寸引發(fā)的各種效應(yīng)應(yīng)對半導(dǎo)體工藝制作結(jié)果的影響也日益突 出，常需要針對小尺寸器件進(jìn)行新的工藝改進(jìn)。以多晶硅柵極的制作為例，當(dāng)器件尺寸縮小 后，采用原有的大尺寸器件的柵極制作的小尺寸器件易出現(xiàn)柵極漏電流性能較差的現(xiàn)象， 該柵極制作方法對于小尺寸器件已不再適用，需要對其進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。
[0003] 金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（M0SET)是集成電路中一種重要的基本元器件，其主要 由半導(dǎo)體襯底、柵氧化層、多晶硅柵極、柵極側(cè)壁層和源漏摻雜區(qū)組成。
[0004] 圖1是現(xiàn)有M0S器件制作方法的剖面圖，如圖1所示，首先在襯底101上形成柵氧 化層102,然后沉積一層多晶硅薄膜103。在大尺寸器件多晶硅柵極的制作中，該多晶硅薄 膜通常為單層結(jié)構(gòu)。
[0005] 接著，為有效降低多晶硅柵極的電阻值，提高器件性能，對多晶硅柵極103進(jìn)行生 長后的離子注入處理，這是影響該器件性能的關(guān)鍵工藝之一。再接著，刻蝕該多晶硅薄膜 103及柵氧化層102,形成柵極；沉積柵極側(cè)壁介質(zhì)層，并刻蝕形成柵極側(cè)壁層104 ;最后，以 柵極和柵極側(cè)壁層104為掩模進(jìn)行離子注入，形成源漏區(qū)105和106。
[0006] 上述M0S器件的制作過程中，多晶硅薄膜的形成質(zhì)量對器件性能的影響至關(guān)重 要。一方面，其與下層材料之間的交界面質(zhì)量會影響到器件的漏電流等電特性；另一方面， 其在各晶片之間、以及同一晶片之內(nèi)的薄膜厚度的一致性（uniformity)也會直接直接影 響到形成的各器件之間性能的一致性，甚至影響到器件的成品率。
[0007] 尤其在小尺寸器件中，要求該多晶硅薄膜既要具有高質(zhì)量的交界面，又要具有高 的平整度或一致性。
[0008] 例如，在浮柵晶體管單元（Floating-gate transistor Cell)結(jié)構(gòu)中，整個浮柵晶 體管單元結(jié)構(gòu)有連續(xù)的6層薄膜組成，如何提高6層薄膜的平整度對可靠性有較大影響，其 中的兩層多晶娃層（Floating Gate (浮置柵極）和Control Gate (控制柵極））是厚度最厚 的兩層膜，對整體的厚度平整度有重大影響。如圖2的TEM(透射電鏡）照片所示，浮置柵 極層上表面出現(xiàn)明顯的凹凸不平，而下表面光滑平整。在不平整的浮置柵極層層上再生長 0N0(0xide/Nitride/0xide)層會疊加放大不平整度，當(dāng)再生長上控制柵極層時不平整度被 進(jìn)一步放大。這對產(chǎn)品的可靠性帶來不確定性。
[0009] 此外，在凹形結(jié)構(gòu)中填充多晶硅時，容易形成空洞（void)，如圖3所示，后續(xù)工藝 也不能使空洞愈合，對產(chǎn)品性能帶來巨大影響。
[0010] 現(xiàn)有的多晶硅薄膜形成方法中，通常以硅烷（SiH4)為特氣，在500°C以上，采用爐 管低壓化學(xué)氣相沉積工藝，其反應(yīng)機(jī)理為：SiH4吸附在硅片表面；SiH4分解為SiH 2 ;SiH2進(jìn) 一步分解為Si。
[0011] 然而，SiH4在硅表面吸附很慢，限制整個反應(yīng)速度，圖4是多晶硅薄膜生長厚 度和時間關(guān)系示意圖，如圖可見，前2分鐘沒有生成多晶硅，2分鐘薄膜厚度才按照現(xiàn)行 生長。此外，不同的反應(yīng)溫度得到的硅結(jié)構(gòu)也不同，一般而言，500-570°C生長無定型硅 (amorphous)，570-600 °C生長無定型娃和微晶娃（microcrystal)，600-650 °C生長多晶娃 (poly)。因此，當(dāng)反應(yīng)溫度低于500°C，生長速率太慢而不能用于生長多晶硅，而當(dāng)反應(yīng)溫度 高于650°C，生長的多晶硅薄膜表面平整度會過于粗糙。
[0012] 綜上，如何提供一種新的多晶娃薄膜制備方法，以改善其表面粗糙度（surface roughness)，并消除薄膜中的裂縫（seam)、空洞，是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題之 〇


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制備方法，以 解決現(xiàn)有多晶硅薄膜制造工藝中，薄膜表面不平整，薄膜內(nèi)有縫隙、空洞的技術(shù)問題。
[0014] 本發(fā)明提供的多晶硅薄膜的制備方法，其包括以下步驟：
[0015] 步驟S01，提供一襯底，并放入反應(yīng)設(shè)備內(nèi)；
[0016] 步驟S02,通入乙硅烷（Si2H6)，并使乙硅烷分解出SiH 3, SiH3在該襯底表面迅速吸 附形成薄膜；
[0017] 步驟S03, SiH3進(jìn)一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
[0018] 進(jìn)一步地，步驟S03包括SiH3分解出SiH2, SiH2進(jìn)一步分解出Si。
[0019] 進(jìn)一步地，步驟S02和步驟S03的反應(yīng)溫度為400-450°C。
[0020] 進(jìn)一步地，步驟S03中形成的第一多晶硅層厚度為20-100A。
[0021] 進(jìn)一步地，步驟S02和步驟S03中壓力為0· 3-0. 6Toor。
[0022] 進(jìn)一步地，該制備方法還包括步驟S04,通入硅烷，在該第一多晶硅層上形成第二 多晶娃層。
[0023] 進(jìn)一步地，步驟S04的反應(yīng)溫度為530_600°C。
[0024] 進(jìn)一步地，該反應(yīng)設(shè)備為反應(yīng)爐管，該制備方法采用爐管低壓化學(xué)氣相沉積。
[0025] 本發(fā)明的多晶硅薄膜的制備方法，通過乙硅烷分解出的SiH3具有較好的硅表面吸 附性，吸附系數(shù)比硅烷高兩個數(shù)量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應(yīng)初期就有薄 膜生成，不需要如娃燒的前期孕育時間（incubation time),使生成的多晶娃薄膜下表面即 與硅襯底的界面具有高質(zhì)量，且生成的多晶硅薄膜具有較好的表面均勻度，表面粗糙度得 到很大改善，也具有更好的晶粒均勻度，在填充凹槽的情形也能有效改善凹槽內(nèi)的裂縫或 空洞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 為能更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí) 施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中：
[0027] 圖1是現(xiàn)有M0S器件制作方法的剖面圖；
[0028] 圖2是現(xiàn)有方法制作浮柵晶體管單元結(jié)構(gòu)的透射電鏡照片；
[0029] 圖3是現(xiàn)有方法多晶硅填充凹形結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0030] 圖4是利用硅烷生長多晶硅薄膜的生長厚度和時間關(guān)系示意圖；
[0031] 圖5是本發(fā)明制備方法的流程示意圖；
[0032] 圖6是利用乙硅烷與硅烷的薄膜生長厚度和時間關(guān)系對比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 第一實(shí)施例
[0034] 請參閱圖5,本發(fā)明提供的多晶硅薄膜的制備方法，其包括以下步驟：
[0035] 步驟S01，提供一襯底，并放入反應(yīng)設(shè)備內(nèi)；
[0036] 步驟S02,通入乙硅烷，并使乙硅烷分解出SiH3, SiH3在該襯底表面迅速吸附形成 薄膜；
[0037] 步驟S03, SiH3進(jìn)一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
[0038] 本實(shí)施例中，乙硅烷分解出的SiH3具有較好的硅表面吸附性，吸附系數(shù)比硅烷高 兩個數(shù)量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應(yīng)初期就有薄膜生成，不需要如硅烷的 前期孕育時間（incubation time),使生成的多晶娃薄膜下表面即與娃襯底的界面具有高 質(zhì)量，且生成的多晶硅薄膜具有較好的表面均勻度，表面粗糙度得到很大改善，也具有更好 的晶粒均勻度，在填充凹槽的情形也能有效改善凹槽內(nèi)的裂縫或空洞。
[0039] 圖6是利用乙硅烷與硅烷的薄膜生長厚度和時間關(guān)系對比圖，從圖中可見，乙硅 烷在反應(yīng)一開始就生成薄膜，而硅烷有兩分鐘的孕育時間。
[0040] 本實(shí)施例中，乙硅烷在較低的溫度下就可以分解并開始生成薄膜，較佳地為 400-450°C之間，而現(xiàn)有技術(shù)利用硅烷分解生成多晶硅薄膜需要超過500°C的反應(yīng)溫度， 較佳地要600-650°C才能得到多晶硅，且生長速率和表明平整度都不理想。本發(fā)明在 400-450°C反應(yīng)溫度、0. 3-0. 6Torr壓力下，多晶硅薄膜的生長速率為0. 5-3nm/min。
[0041] 本實(shí)施例中，步驟S03包括兩步分解步驟：SiH3分解出SiH2, SiH2進(jìn)一步分解出 Si。由于需要多步分解步驟且反應(yīng)溫度較低，一定程度上會生長速率，因此本實(shí)施例中步驟 S03生長的第一多晶硅層厚度較佳地為20-100 A，若需要厚于100 A的多晶硅薄膜，可以包 括步驟S04,在該第一多晶硅層上，利用硅烷生長第二多晶硅層。
[0042] 其中，利用硅烷生長第二多晶硅層的反應(yīng)溫度較佳地為530-600°C，由此得到的第 二多晶硅層亦具有較好的表面均勻度，且第一多晶硅層與第二多晶硅層之間的界面也非常 平整、光滑。
[0043] 本實(shí)施例中，反應(yīng)設(shè)備為反應(yīng)爐管，本制備方法采用爐管低壓化學(xué)氣相沉積。
【權(quán)利要求】
1. 一種多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟： 步驟S01，提供一襯底，并放入反應(yīng)設(shè)備內(nèi)； 步驟S02,通入乙硅烷，并使乙硅烷分解出SiH3，SiH3在該襯底表面迅速吸附形成薄膜； 步驟S03, SiH3進(jìn)一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S03包括SiH3分 解出SiH2, SiH2進(jìn)一步分解出Si。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S02和步驟S03的 反應(yīng)溫度為400-450°C。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S02和步驟S03中 壓力為 〇· 3_〇. 6T〇〇r。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S03中 形成的第一多晶硅層厚度為20-100Α。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：該制備方法還包括步 驟S04,通入硅烷，在該第一多晶硅層上形成第二多晶硅層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S04的反應(yīng)溫度 為 530-600 °C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：該反應(yīng)設(shè)備為反應(yīng)爐 管，該制備方法采用爐管低壓化學(xué)氣相沉積。
【文檔編號】H01L21/285GK104217940SQ201410491543
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月24日
【發(fā)明者】江潤峰, 孫天拓 申請人:上海華力微電子有限公司