CN100590804C - 原子层沉积方法以及形成的半导体器件 - Google Patents

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Abstract

一种原子层沉积方法，包括：第一前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底，形成离散的第一单层；惰性吹扫气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底；第二前体气体流向原子层沉积室，与形成第一单层的第一前体气体反应，形成离散的第一化合物单层；惰性吹扫气体流向在原子层沉积室；在半导体衬底上形成第一介电层，在第一介电层上形成离散的第二单层，并在第一介电层上形成覆盖第二单层的第二介电层。所述方法在半导体衬底上形成一层以上离散的化合物单层。本发明还提供一种半导体器件，器件的捕获电荷层为采用原子沉积方法形成的一层以上离散的化合物单层。

Description

原子层沉积方法以及形成的半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种原子层沉积方法以及形成的半导体器件。
背景技术
原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)，最初称为原子层外延(Atomic Layer Epitaxy，ALE)，也称为原子层化学气相沉积(Atomic LayerChemical Vapor Deposition，ALCVD)。
原子层沉积(ALD)涉及在通常保持负压(低于大气压的压力)的沉积室内沉积连续多个单层到半导体衬底上。一个代表性的方法如申请号为03818269的中国专利申请文件背景技术中所揭露的，包括：参考附图1所示，将第一汽化前体供应到沉积室中以使在沉积室中放置的半导体衬底100上有效形成第一单层110。然后，参考附图2所示，第一汽化前体的流过停止，惰性吹扫气体流过室中，以便从室中有效去除所有残留的没有粘附到半导体衬底100上的第一汽化前体。参考附图3所示，随后，不同于第一前体的第二汽化前体流向沉积室中以在第一单层110上或与第一单层110有效形成第二单层120，第二单层120可以与第一单层110反应；参考附图4所示，第二汽化前体的流过停止，惰性吹扫气体流过室中，以便从室中有效去除所有残留的没有粘附到第一单层110上的第二单层120。所述第一单层和第二单层的沉积工艺可以多次重复，直到在半导体衬底上形成所需厚度和组成的层。
但是，上述在半导体衬底上利用原子沉积工艺形成的由第一单层和第二单层形成的原子层是连续分布的，在现有的半导体制作工艺中，主要运用在线宽和深宽比很高的孔洞，沟槽中。
随着半导体器件制作工艺的进一步发展，器件的临界尺寸越来越小，而且对半导体器件的储存密度要求也越来越高，在具有介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构的半导体器件的制作工艺中，采用离散的原子岛(纳米点)捕获电荷层取代现有技术中有一定厚度的捕获电荷层，可以减少半导体器件的横向漏电，降低形成的半导体器件捕获电荷层的厚度，并提高器件的存储能力。但是，现有技术中，形成离散的原子岛(纳米点)捕获电荷层的方法一般都采用化学气相沉积或者物理气相沉积的方法，形成的原子岛的尺寸在10nm至100nm，而且原子岛的尺寸分布均匀性差。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种原子层的沉积方法，以形成一层以上离散分布的化合物单层。
本发明还提供一种半导体器件，所述器件具有介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构，所述捕获电荷层含有的化合物单层都为原子尺寸，且尺寸分布均匀。
一种原子层沉积方法，包括如下步骤：
在原子层沉积室内放置半导体衬底；
第一前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底，在半导体衬底上形成离散分布的第一单层；
惰性吹扫气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底，去除没有形成第一单层的第一前体气体；
第二前体气体流向原子层沉积室，与形成第一单层的第一前体气体反应，形成离散的第一化合物单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一前体气体反应的第二前体气体以及第一前体气体与第二前体气体反应的副产物；
在半导体衬底上形成覆盖第一化合物单层的第一介电层；
第三前体气体流向原子层沉积室，在第一介电层上形成离散分布的第三单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一介电层形成第三单层的第三前体气体；
第四前体气体流向原子层沉积室，与形成第三单层的第三前体气体反应，形成离散的第二化合物单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第三单层反应的第四前体气体以及第三前体气体与第四前体气体反应的副产物；
在第一介电层上形成覆盖第二化合物单层的第二介电层。
本发明还提供一种半导体器件，包括半导体衬底，位于半导体衬底上的介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构和位于介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构上的栅极，以及半导体衬底内位于介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构两侧的源极和漏极，所述捕获电荷层为含有采用原子沉积方法形成的一层以上的离散的化合物单层的介电层。
与现有技术相比，上述方案具有以下优点：
1、上述方案一方面提供一种原子层的沉积方法，通过在半导体衬底上形成离散分布的第一单层之后形成离散的第一化合物单层，在第一化合物单层上形成第一介电层之后，在第一介电层上继续形成离散分布的第二化合物单层，从而在半导体衬底上形成一层以上的离散分布的化合物单层，实现了原子尺寸的多种纳米岛在半导体衬底上呈多层的离散分布。并且，由于采用原子层沉积工艺，形成的离散分布的一层以上的化合物单层的大小为准确的原子尺寸大小，并且原子尺寸大小均匀一致。形成一层以上的离散分布的化合物单层，在所述化合物单层用于半导体器件例如存储器时，可用于提高存储器的存储能力以及存储隔离能力，减小漏电流。
进一步，所述原子层沉积方法通过控制第一前体气体流向原子层沉积室内的工艺，在半导体衬底上形成离散的第一单层，并且通过控制第一前体气体流向原子层沉积室内的流量和时间，控制形成的第一单层在半导体衬底上的分布密度，从而形成离散的第一化合物单层，在离散的第一化合物单层上形成覆盖第一化合物单层的第一介电层之后，在第一介电层上通过控制第三前体气体流向原子层沉积室内的工艺，在第一介电层上形成离散的第三单层，通过控制第三前体气体流向原子层沉积室内的流量和时间，控制形成的第三单层在第一介电层上的分布密度以及第一单层和第三单层在半导体衬底上的分布密度。
2、上述方案还提供一种半导体器件，所述半导体器件具有介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构，所述捕获电荷层为含有采用原子沉积方法形成的离散的一层以上的化合物单层，由于采用原子层沉积工艺形成离散的化合物单层，因此，所述离散的化合物单层的尺寸为原子尺寸，大小可以控制，而且，所述包含离散的一层以上的化合物单层在介电层中的分布密度可以通过控制原子层沉积工艺中反应气体的流量和流入时间进行控制。
附图说明
图1至图4为现有技术的原子层沉积工艺的结构示意图；
图5至图18为本发明第一实施例原子层沉积工艺的结构示意图；
图19为本发明第一实施例原子层沉积工艺的工艺流程图；
图20为本发明第二实施例提供的半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种原子层沉积方法，在半导体衬底上形成一层以上离散分布的原子岛，所述原子尺寸岛的原子大小和厚度都在原子量级，且数量可控。
本发明的目的还在于提供一种半导体器件，所述器件具有介质层-捕获电荷层-介质层的三层堆叠结构，其中的捕获电荷层为含有采用原子层的沉积方法形成的一层以上离散的原子岛的介电层。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种原子层沉积方法，参考附图19所示的工艺流程图，包括如下步骤：步骤S200，在原子层沉积室内放置半导体衬底；步骤S201，第一前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底，在半导体衬底上形成离散分布的第一单层；步骤S202，惰性吹扫气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底，去除没有形成第一单层的第一前体气体；步骤S203，第二前体气体流向原子层沉积室，与形成第一单层的第一前体气体反应，形成离散的第一化合物单层；步骤S204，惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一前体气体反应的第二前体气体以及第一前体气体与第二前体气体反应的副产物；步骤S205，在半导体衬底上形成覆盖第一化合物单层的第一介电层；步骤S206，第三前体气体流向原子层沉积室，在第一介电层上形成离散分布的第三单层；步骤S207，惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一介电层形成第三单层的第三前体气体；步骤S208，第四前体气体流向原子层沉积室，与形成第三单层的第三前体气体反应，形成离散的第二化合物单层；步骤S209，惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第三前体气体反应的第四前体气体以及第三前体气体与第四前体气体反应的副产物；步骤S210，在第一介电层上形成覆盖第二化合物单层的第二介电层。
首先，参考步骤S200，在原子层沉积室内放置半导体衬底200。所述的原子层沉积室为现有技术进行原子层沉积工艺的常规反应设备的沉积室，进行原子层沉积反应时，应该尽可能使通入沉积室内的反应气体在半导体衬底上能够均匀分布，因此，本实施例优选沉积设备的反应气体通入装置从沉积室的各个角度均匀进气，例如反应气体通入装置为淋浴头式，采用这种设备可以使半导体衬底上形成的离散岛分布较为均匀。
所述半导体衬底200可以是半导体领域技术人员熟知的各种半导体材料，包括单晶或者多晶结构的硅或硅锗(SiGe)，还可以是含有掺杂离子例如N型或者P型掺杂的硅或者硅锗，也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。所述半导体衬底可以是空白的半导体材料衬底，也可以是已经形成各种半导体器件以及线路的半导体衬底。
参考步骤S201，第一前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底200，如图5所示，第一前体气体与半导体衬底之间发生物理或者化学吸附，在半导体衬底200上形成离散的第一单层210，由于第一前体气体原子之间的互相吸附作用，在与半导体衬底200直接接触的第一单层210上还吸附有第一前体气体的原子。
所述的第一前体气体210可以为现有技术中任何带成核体物质、并且与半导体衬底之间通过化学或者物理吸附，可以在半导体衬底上形成有效的第一单层的反应气体，可以是金属、半导体、或者配合有卤素或者有机配合物的金属、或者配合有卤素或者有机配合物的半导体中的一种或者几种的混合物，所述的金属材料例如Ta，Ti，W，Mo，Nb，Cu，Ni，Pt，Ru，Me，Ni，Al等，所述的半导体材料例如硅等，所述的配合有卤素或者有机配合物的半导体例如SiCl2H2、Si(OC2H5)4、SiH2[NH(C4H9)]2、SiH(OC2H5)3等。
仅仅做为举例，本实施例给出几种具体的第一前体气体，以使本领域技术人员更好的理解并实施本发明。若最终形成的离散的第一化合物单层为Si3N4，则第一前体气体为带有Si原子成核体物质的反应气体，例如SiCl2H2、SiH4、Si2Cl6或者SiH2[NH(C4H9)]2等物质。
若最终形成的离散的第一化合物单层为HfO，则第一前体气体为带有Hf原子成核体物质的反应气体，例如Hf[N(CH3)(C2H5)]4、Hf[N(C2H5)2]4、Hf[OC(CH3)3]4或者HfCl4等。
若最终形成的离散的第一化合物单层为Al2O3，则第一前体气体为带有Al原子成核体物质的反应气体，例如Al(CH3)3等。
若最终形成的离散的第一化合物单层为WN，则第一前体气体为带有W原子成核体物质的反应气体，例如WF6等。
为使第一前体气体在半导体衬底上形成离散的第一单层，应该控制第一前体气体流向原子层沉积室内的具体工艺条件，对第一前体气体在半导体衬底上的离散分布起作用的是第一前体气体流向原子层沉积室内的气体流量、流入时间、流入温度、压力等。
其中，对实现离散分布起决定作用的工艺在于第一前体气体流入沉积室内的流量和流入时间，在本发明的实施例中，为了实现第一前体气体在半导体衬底上形成离散的第一单层，应该在现有技术形成密集的第一单层的工艺基础上，降低第一前体气体在原子层沉积室内的流量以及流入时间，在半导体衬底上吸附的第一前体气体形成密集分布之前，停止第一前体气体的流入，即可形成离散分布的第一单层。在本实施例更加优选的实施方式中，可以较大的降低第一前体气体在原子层沉积室内的流量，而适当的提高第一前体气体在原子层沉积室内的流入时间，以提高工艺的可控制性。
本实施例中，通过控制第一前体气体在原子层沉积室内的流量以及流入时间，可以控制形成第一单层的第一前体气体在半导体衬底上的分布密度。
在现有技术中，对于不同的第一前体气体，在半导体衬底上形成密集分布的第一单层的气体流量和时间都分别不同，因此，在本发明的实施例中，对于不同的第一前体气体，形成离散分布的第一单层所需的气体流量以及流入时间也是各不相同的。但是，在本发明实施例形成离散第一单层的工艺条件下，在现有技术形成密集第一单层的工艺基础下，通过降低流入的第一单体气体的流量和流入时间，都可以根据工艺设计的需要形成离散分布的第一单层，并且形成离散分布的第一单层的第一前体气体的分布密度是可控的。
为使本领域技术人员更好的实施本发明，本实施例给出一具体的实施方式，若最终形成的第一化合物单层为Si3N4，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，通入SiCl2H2气体作为第一前体气体，其中，SiCl2H2气体的流量为0.06-0.3slm，流入时间大于0小于10sec，较好的是大于0小于等于7秒。第一前体气体流入原子层沉积室内的压力为500至800Pa，原子层沉积室内的温度为450至600摄氏度，较好的为550摄氏度。
本实施例给出的另一具体的实施方式，若最终形成的离散的第一化合物单层为Al2O3，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，通入氮气携带三甲基铝Al(CH3)3液体作为第一前体气体，其中，温度设定为25摄氏度，氮气为0.03至0.15slm，流入时间大于0小于10sec，较好的是大于0小于等于7秒。第一前体气体流入原子层沉积室内的压力为3至5Pa，原子层沉积室内的温度为250至450摄氏度，较好的为400摄氏度。
步骤S202，如附图6所示，惰性吹扫气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底200，去除没有在半导体衬底200上形成第一单层210的第一前体气体。本实施例中，所述的流向在原子层沉积室内的半导体衬底，仅仅指气体的流动方向是流向半导体衬底，并不一定表示气体直接与半导体衬底接触或者反应，因为在本实施例步骤S202之后的工艺中，半导体衬底上已经形成有其它单层或者介电层。本步骤中，不仅可以去除原子层沉积室内没有吸附在半导体衬底200上的第一前体气体，还可以去除与半导体衬底直接接触的第一前体气体上吸附的第一前体气体，只留下与半导体衬底200直接接触的第一前体气体，在半导体衬底200上形成单层的第一前体原子。所述的惰性气体例如He，Ne，Ar等气体。
惰性气体吹扫之后，所述的半导体衬底上形成呈单原子状态离散分布的、均匀或者不均匀分布的第一单层。
所述惰性气流吹扫的工艺条件为现有技术的任何常规工艺，为了本领域技术人员更好的实施本发明，本实施例给出一种具体的实施方式，在0.3Torr的压力下，将流量为5slm的N2吹扫原子层沉积室。
步骤S203，第二前体气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底，与形成第一单层的第一前体气体反应，形成离散的化合物单层，如附图7所示，第二前体气体流向在沉积室内的半导体衬底，与第一前体气体发生化学反应，形成离散的第一化合物单层220。同时，所述的第二前体气体由于原子间力的吸附作用，也可能位于半导体衬底200上，还可能发生第二前体气体原子之间的吸附作用。由于第二前体气体与第一前体气体发生化学反应，因此，原子层沉积室内会产生第一前体气体和第二前体气体反应的副产物。
所述的第二前体气体根据形成的离散的第一化合物单层的不同，以及第一前体气体的不同，可以是现有技术中能够和第一前体气体发生化学反应，形成化合物离散的化合物单层的任何常规物质。
作为一种具体实施方式，第二前体气体可以是包含N原子或者O原子或者金属原子的物质，用作还原剂或者氧化剂。所述的包含N原子或者O原子或者金属原子的物质例如是NH3或者O2。
仅仅做为举例，本实施例给出几种具体的第二前体气体，以使本领域技术人员更好的理解并实施本发明。若最终形成的第一化合物单层为Si3N4，则第一前体气体为带有Si原子成核体物质的反应气体，第二前体气体为能够与第一前体气体形成的第一单层成核体反应形成化合物单层的气体，仅仅做为举例，第二前体气体可以是NH3、N2O、N2等气体。
若最终形成的离散的第一化合物单层为HfO，则第一前体气体为带有Hf原子成核体物质的反应气体，第二前体气体为能够与第一前体气体形成的第一单层成核体反应形成化合物单层的气体，仅仅做为举例，第二前体气体可以是O3等气体。
若最终形成的离散的第一化合物单层为Al2O3，则第一前体气体为带有Al原子成核体物质的反应气体，第二前体气体为能够与第一前体气体形成的第一单层成核体反应形成化合物单层的气体，第二前体气体可以是H2O或者O3等气体。
若最终形成的离散的第一化合物单层为WN，则第一前体气体为带有W原子成核体物质的反应气体，仅仅做为举例，第二前体气体可以是NH3等气体。
第二前体气体流向在沉积室内的半导体衬底的工艺可以为本领于技术人员熟知的现有技术，仅仅为了举例，在第一前体气体为SiCl2H2，最终形成的化合物单层为Si3N4时，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，选定通入的第二前体气体为NH3时，第二前体气体的流量为2至5slm，流入时间大于0小于30sec，原子层沉积室内的压力为30至50Pa，原子层沉积室内的温度为450至600摄氏度，较好的为550摄氏度。
步骤S204，如附图8所示，惰性气体吹扫流向在原子层沉积室内的半导体衬底，去除没有和第一前体气体反应的第二前体气体以及第一前体气体与第二前体气体反应的副产物。
所述的惰性气体例如He，Ne，Ar等气体。
所述惰性气体吹扫的工艺条件为现有技术的任何常规工艺，为了本领域技术人员更好的实施本发明，本实施例给出一种具体的实施方式，在0.3Torr的压力下，将流量为5slm的N2吹扫原子层沉积室。
步骤S205，在半导体衬底200上形成覆盖第一化合物单层220的第一介电层250，具体工艺参考附图9至附图13所示。
在半导体衬底200上形成覆盖离散的第一化合物单层220的第一介电层的工艺可以是本领域技术人员熟知的任何现有技术，例如物理气相沉积、化学气相沉积等工艺，本实施例提供一种采用原子层沉积工艺形成第一介电层的工艺方法，所述原子层沉积工艺可以为现有技术的任何工艺方法，本实施例给出一种实施方法，包括如下工艺步骤：
第五前体气体流向原子层沉积室，在半导体衬底以及第一化合物单层上形成第五单层，所述第五单层填满第一化合物单层之间的空隙；
惰性吹扫气流向原子层沉积室，去除没有和半导体衬底以及第一化合物单层形成第五单层的第五前体气体；
第六前体气体流向原子层沉积室，和形成第五单层的第五前体气体反应，形成第一介电层单原子层；
惰性吹扫气流向原子层沉积室，去除没有形成第一介电层单原子层的的第六前体气体以及第五前体气体和第六前体气体反应的副产物；
在第一介电层单原子层上进行一次以上第一介电层单原子层的沉积工艺，形成设定厚度的覆盖第一化合物单层的第一介电层。
参考附图9所示，将第五前体气体流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，由于所述半导体衬底200上已经形成有离散的第一化合物单层220，因此，第五前体气体在半导体衬底200以及第一化合物单层220上形成第五单层230，而且，由于半导体衬底200上的第一化合物单层220是离散分布的，因此位于半导体衬底200上的第五单层230填满第一化合物单层220之间的空隙。位于第一化合物单层220上的第五前体气体通过原子间力或者化学键与第一化合物单层220结合在一起。
所述第五前体气体为现有技术中任何带成核体物质、并且与半导体衬底以及第一化合物单层220通过化学或者物理吸附，可以在半导体衬底200以及第一化合物单层220上形成有效的第五单层的反应气体，并且，所述第五单体气体与第六前体气体反应能够形成氧化硅等绝缘材料。
为使本领域技术人员更好的理解并实施本发明，本实施例给出几种可实施的具体例子，若最终形成的介电层为SiO2，则第五前体气体为Si(OC2H5)4、SiH2[NH(C4H9)]2、SiH(OC2H5)3、Si2Cl6或者SiHN[(CH3)2]3等。
将第五前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底的具体工艺方法为本领域技术人员熟知的现有技术。
参考附图10所示，惰性吹扫气流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，去除没有和半导体衬底200以及离散的第一化合物单层220形成第五单层的第五前体气体，所述的惰性气体例如He，Ne，Ar等气体。惰性气流吹扫的工艺条件为现有技术的任何常规工艺。
参考附图11所示，第六前体气体流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，和形成第五单层230的第五前体气体反应，形成介电层单原子层240。
形成第五单层230的第五前体气体包括填满第一化合物单层220之间的空隙的第五前体气体以及位于第一化合物单层220上的与第一化合物单层220吸附结合在一起的第五前体气体。
所述第六前体气体与第五前体气体发生反应，形成介电层单原子层240，所述的介电层单原子层为氧化硅等绝缘材料的单原子层。
作为举例，本实施例的一种具体实施方式中，若最终形成的介电层为SiO2，则第六前体气体可以是NH3、N2O、O2等气体。
将第六前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底的具体工艺方法为本领域技术人员熟知的现有技术。
参考附图12所示，惰性吹扫气流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，去除没有形成介电层单原子层240的第六前体气体以及第五前体气体和第六前体气体反应的副产物。所述的惰性气体例如He，Ne，Ar等气体。惰性气流吹扫的工艺条件为现有技术的任何常规工艺。
参考附图13所示，在介电层单原子层240上进行一次以上介电层单原子层的沉积工艺，形成设定厚度的覆盖离散的化合物单层的第一介电层250。
所述在介电层单原子层240上继续形成介电层单原子层的工艺参考步骤与附图9至13描述的工艺步骤相同，本实施例给出一种在介电层单原子层上形成一次介电层单原子层的工艺方法，具体工艺步骤为：
1)第七前体气体流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，在介电层单原子层以及离散的化合物单层上形成第七单层，所述第七单层覆盖介电层单原子层以及离散的化合物单层；
其中，第七前体气体的材料与形成第五单层的第五前体气体相同，为现有技术中任何带成核体物质、并且与介电层单原子层以及化合物单层通过化学或者物理吸附，可以在介电层单原子层以及化合物单层上形成有效的第七单层的反应气体，并且，所述第七单体气体与第八前体气体反应能够形成氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘材料。
2)惰性吹扫气流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，去除没有在介电层单原子层以及化合物单层上形成有效的第七单层的第七前体气体；
3)第八前体气体流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，和形成第七单层的第七前体气体反应，在介电层单原子层上形成另一介电层单原子层；
所述第八前体气体与第七前体气体相同，通过与第七前体气体发生反应，形成介电层单原子层，所述的介电层单原子层为氧化硅等绝缘材料的单原子层。
4)惰性吹扫气流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，去除没有形成介电层单原子层的的第八前体气体以及第七前体气体和第八前体气体反应的副产物。
采用步骤1)至步骤4)描述的工艺方法，在介电层单原子层上形成另一覆盖介电层单原子层以及第一化合物单层的另一介电层单原子层。
根据工艺设计的需要，可以多次重复形成介电层单原子层的形成工艺，形成设定厚度的第一介电层。
采用本实施例所述的形成第一介电层的工艺方法，在形成离散的第一化合物单层之后，在离散的第一化合物单层上形成覆盖第一化合物单层的介电层，将形成的离散的第一化合物单层用第一介电层密封起来，可继续在第一介电层上形成离散分布的第二化合物单层，以实现本实施例提供一层以上离散分布的化合物单层的目的。
步骤S206，第三前体气体流向原子层沉积室内的第一介电层250，如附图14所示，第三前体气体与第一介电层250之间发生物理或者化学吸附，在第一介电层250上形成离散分布的第三单层260。
由于第三前体气体原子之间的互相吸附作用，在与第一介电层250直接接触的第三单层260上还吸附有第三前体气体的原子，而且，离散的第一化合物单层220上也吸附有第三前体气体原子。
所述的第三前体气体为现有技术中任何带成核体物质、并且与半导体衬底之间通过化学或者物理吸附，可以在半导体衬底上形成有效的第三单层的反应气体，可以是金属、半导体、或者配合有卤素或者有机配合物的金属、或者配合有卤素或者有机配合物的半导体中的一种或者几种的混合物，所述的金属材料例如Ta，Ti，W，Mo，Nb，Cu，Ni，Pt，Ru，Me，Ni，Al等，所述的半导体材料例如硅等，所述的配合有卤素或者有机配合物的半导体例如SiCl2H2、Si(OC2H5)4、SiH2[NH(C4H9)]2、SiH(OC2H5)3等。
仅仅做为举例，本实施例给出几种具体的第三前体气体，以使本领域技术人员更好的理解并实施本发明。若最终形成的离散的第二化合物单层为Si3N4，则第三前体气体为带有Si原子成核体物质的反应气体，例如SiCl2H2、SiH4、Si2Cl6或者SiH2[NH(C4H9)]2等物质。
若最终形成的离散的第二化合物单层为HfO，则第三前体气体为带有Hf原子成核体物质的反应气体，例如Hf[N(CH3)(C2H5)]4、Hf[N(C2H5)2]4、Hf[OC(CH3)3]4或者HfCl4等。
若最终形成的离散的第二化合物单层为Al2O3，则第三前体气体为带有Al原子成核体物质的反应气体，例如Al(CH3)3等。
若最终形成的离散的第二化合物单层为WN，则第三前体气体为带有W原子成核体物质的反应气体，例如WF6等。
为使第三前体气体在半导体衬底上形成离散的第三单层，应该控制第三前体气体流向原子层沉积室内的具体工艺条件，对第三前体气体在半导体衬底上的离散分布起作用的是第三前体气体流向原子层沉积室内的气体流量、流入时间、流入温度、压力等。
其中，对实现离散分布起决定作用的工艺在于第三前体气体流入沉积室内的流量和流入时间，在本发明的实施例中，为了实现第三前体气体在半导体衬底上形成离散的第三单层，应该在现有技术形成密集的第三单层的工艺基础上，降低第三前体气体在原子层沉积室内的流量以及流入时间，在半导体衬底上吸附的第三前体气体形成密集分布之前，停止第三前体气体的流入，即可形成离散分布的第三单层。在本实施例更加优选的实施方式中，可以较大的降低第三前体气体在原子层沉积室内的流量，而适当的提高第三前体气体在原子层沉积室内的流入时间，以提高工艺的可控制性。
本实施例中，通过控制第三前体气体在原子层沉积室内的流量以及流入时间，可以控制形成第三单层的第三前体气体在半导体衬底上的分布密度。
在现有技术中，对于不同的第三前体气体，在半导体衬底上形成密集分布的第三单层的气体流量和时间都分别不同，因此，在本发明的实施例中，对于不同的第三前体气体，形成离散分布的第三单层所需的气体流量以及流入时间也是各不相同的。但是，在本发明实施例形成离散第三单层的工艺条件下，在现有技术形成密集第三单层的工艺基础下，通过降低流入的第三单体气体的流量和流入时间，都可以根据工艺设计的需要形成离散分布的第三单层，并且形成离散分布的第三单层的第三前体气体的分布密度是可控的。
为使本领域技术人员更好的实施本发明，本实施例给出一具体的实施方式，若最终形成的第二化合物单层为Si3N4，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，通入SiCl2H2气体作为第三前体气体，其中，SiCl2H2气体的流量为0.06-0.3slm，流入时间大于0小于10sec，较好的是大于0小于等于7秒。第三前体气体流入原子层沉积室内的压力为500至800Pa，原子层沉积室内的温度为450至600摄氏度，较好的为550摄氏度。
本实施例给出的另一具体的实施方式，若最终形成的第二化合物单层为Al2O3，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，通入氮气携带三甲基铝Al(CH3)3液体作为第三前体气体，其中，温度设定为25摄氏度，氮气为0.03至0.15slm，流入时间大于0小于10sec，较好的是大于0小于等于7秒。第三前体气体流入原子层沉积室内的压力为3至5Pa，原子层沉积室内的温度为250至450摄氏度，较好的为400摄氏度。
步骤S207，惰性吹扫气流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，如附图15所示，去除没有和第一介电层250形成第三单层260的第三前体气体。
本步骤中，不仅可以去除原子层沉积室内没有吸附在第一介电层250上的第三前体气体，还可以去除与第一介电层250直接接触的第三前体气体上吸附的第三前体气体，只留下与第一介电层250直接接触的第三前体气体。所述的惰性气体例如He，Ne，Ar等气体。
惰性气体吹扫之后，所述的第一介电层250上形成呈单原子状态离散分布的、均匀或者不均匀分布的第三单层。
所述惰性气流吹扫的工艺条件为现有技术的任何常规工艺，为了本领域技术人员更好的实施本发明，本实施例给出一种具体的实施方式，在0.3Torr的压力下，将流量为5slm的N2吹扫原子层沉积室。
步骤S208，如附图16所示，第四前体气体流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，与形成第三单层260的第三前体气体反应，形成离散的第二化合物单层270。同时，所述的第四前体气体由于原子间力的吸附作用，也可能位于第一介电层250以及第二化合物单层270上。由于第四前体气体与第三前体气体发生化学反应，因此，原子层沉积室内会产生第四前体气体和第三前体气体反应的副产物。
所述的第四前体气体根据形成的离散的第二化合物单层的不同，以及第三前体气体的不同，可以是现有技术中能够和第三前体气体发生化学反应，形成离散的第二化合物单层的任何常规物质。
作为一种具体实施方式，第四前体气体可以是包含N原子或者O原子或者金属原子的物质，用作还原剂或者氧化剂。所述的包含N原子或者O原子或者金属原子的物质例如是NH3或者O2。
仅仅做为举例，本实施例给出几种具体的第四前体气体，以使本领域技术人员更好的理解并实施本发明。若最终形成的离散的第二化合物单层为Si3N4，则第三前体气体为带有Si原子成核体物质的反应气体，第四前体气体为能够与第三前体气体形成的第三单层成核体反应形成第二化合物单层的气体，仅仅做为举例，第四前体气体可以是NH3、N2O、N2等气体。
若最终形成的离散的第二化合物单层为HfO，则第三前体气体为带有Hf原子成核体物质的反应气体，第四前体气体为能够与第三前体气体形成的第三单层成核体反应形成第二化合物单层的气体，仅仅做为举例，第四前体气体可以是O3等气体。
若最终形成的离散的第二化合物单层为Al2O3，则第三前体气体为带有Al原子成核体物质的反应气体，第四前体气体为能够与第三前体气体形成的第三单层成核体反应形成第二化合物单层的气体，第四前体气体可以是H2O或者O3等气体。
若最终形成的离散的第二化合物单层为WN，则第三前体气体为带有W原子成核体物质的反应气体，仅仅做为举例，第四前体气体可以是NH3等气体。
第四前体气体流向在沉积室内的半导体衬底的工艺为本领于技术人员熟知的现有技术，仅仅为了举例，在第三前体气体为SiCl2H2，最终形成的化合物单层为Si3N4时，采用现有技术中常规的原子层沉积设备，选定通入的第四前体气体为NH3时，第四前体气体的流量为2至5slm，流入时间大于0小于30sec，原子层沉积室内的压力为30至50Pa，原子层沉积室内的温度为450至600摄氏度，较好的为550摄氏度。
在本实施例中，第一前体气体、第二前体气体、第三前体气体和第四前体气体都可以选择本领域技术人员熟知的各种可用于原子层沉积工艺的常规气体，在本实施例给出的几种可供选择的实施方式中，第一前体气体和第三前体气体以及第二前体气体和第四前体气体的可选择范围也基本相同，因此，本实施例中所述的第一化合物单层和第二化合物单层的可能相同，也可能不同，较好的，形成的第一化合物单层和第二化合物单层的化学成分是相同的。在本实施例中，所述第一化合物单层和第二化合物单层都可以是氮化硅，氧化铝、氧化铪，氮化钨等。
步骤S209，如附图17所示，惰性气体吹扫流向原子层沉积室，气体流动的方向是流向半导体衬底，去除没有和第三单层反应的第四前体气体以及第三前体气体与第四前体气体反应的副产物。惰性气体吹扫之后，所述的第一介电层250上形成呈单原子状态离散分布的第二化合物单层270。
最后，如附图18所示，步骤S210，在第一介电层上形成覆盖第二化合物270单层的第二介电层280。所述第二介电层280的形成工艺可以是本领域技术人员熟知的任何现有技术，例如物理气相沉积、化学气相沉积等工艺，本实施例优选采用原子层沉积工艺形成第二介电层的工艺方法，所述原子层沉积工艺可以为现有技术的任何工艺方法，本实施例采用一种第二介电层的形成方法，参考第一介电层的形成工艺。
在半导体衬底上形成第一化合物单层以及第一介电层，第二化合物单层以及第二介电层之后，可以参考第一化合物单层以及第二化合物单层的形成工艺和第一介电层以及第二介电层的沉积工艺，根据工艺设计的需要，在第二介电层上形成离散分布的第三化合物单层；在第二介电层上形成覆盖第三化合物单层的第三介电层；........；在第N介电层上形成离散分布的第N+1化合物单层；在第N介电层上形成覆盖第N+1化合物单层的第N+1介电层的工艺步骤(N为大于等于3的正整数)，在半导体衬底上形成多层化合物单层以及覆盖化合物单层的介电层。
所述的第N+1化合物单层的形成工艺与第一化合物单层或者第二化合物单层的形成工艺相同，并且，形成第N+1化合物单层的原材料也与形成第一化合物单层或者第二化合物单层的原材料相同。
采用本实施例所述的原子层沉积工艺，可以在半导体衬底上形成一层以上离散分布的化合物单层。
实施例2
本实施例提供一种半导体器件，参考附图20，包括半导体衬底400，位于半导体衬底400上的介质层430-捕获电荷层440-介质层450的三层堆叠结构和位于介质层430-捕获电荷层440-介质层450的三层堆叠结构上的栅极460，以及半导体衬底400内位于介质层430-捕获电荷层440-介质层450的三层堆叠结构两侧的源极410和漏极420，所述捕获电荷层440为采用原子沉积方法形成的包含一层以上离散的化合物单层的介电层。此处的含有指所述的一层以上的离散化合物单层镶嵌在所述介电层中并且被所述介电层覆盖。
所述半导体衬底400可以包括单晶或者多晶结构的硅或硅锗(SiGe)，还可以是含有掺杂离子例如N型或者P型掺杂的硅或者硅锗，也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。
所述介质层430-捕获电荷层440-介质层450的三层堆叠结构中的介质层430或者介质层450可以是SiO2等绝缘材料，所述捕获电荷层440为包含一层以上离散的化合物单层的介电层，所述介电层例如氧化硅等绝缘材料，所述离散的化合物单层密封在介电层内，成单原子状态均匀或者不均匀分布，形成离散的纳米岛(nano dot)，所述化合物单层可以是现有技术中任意可以用作半导体器件的捕获电荷层中捕获电荷的物质，例如Si3N4、Al2O3、HfO或者WN等。
所述包含离散的一层以上化合物单层的介电层的形成工艺参考实施例1的描写。
栅极460可以是包含半导体材料的多层结构，例如硅、锗、金属或其组合。
源极410和漏极420位于介质层430-捕获电荷层440-介质层450的三层堆叠结构两侧的半导体衬底400内，附图20中源极410和漏极420的位置可以互换，其掺杂离子可以是磷离子、砷离子、硼离子或者铟离子中的一种或者几种。
本实施例所提供的半导体器件，捕获电荷层为包含一层以上离散的化合物单层的介电层，所述离散的化合物单层的尺寸为原子尺寸，大小可以控制，而且，所述离散的化合物单层在介电层中的分布密度可以通过控制形成离散的化合物单层的原子层沉积工艺进行控制。
所述半导体器件为线宽很小的器件，可以提高捕获电荷层中捕获电荷陷阱密度，捕获电荷能力。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (17)

1.一种原子层沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
在原子层沉积室内放置半导体衬底；
第一前体气体流向原子层沉积室内的半导体衬底，在半导体衬底上形成离散分布的第一单层；
惰性吹扫气体流向在原子层沉积室内的半导体衬底，去除没有形成第一单层的第一前体气体；
第二前体气体流向原子层沉积室，与形成第一单层的第一前体气体反应，形成离散的第一化合物单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一前体气体反应的第二前体气体以及第一前体气体与第二前体气体反应的副产物；
在半导体衬底上形成覆盖第一化合物单层的第一介电层；
第三前体气体流向原子层沉积室，在第一介电层上形成离散分布的第三单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第一介电层形成第三单层的第三前体气体；
第四前体气体流向原子层沉积室，与形成第三单层的第三前体气体反应，形成离散的第二化合物单层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有和第三单层反应的第四前体气体以及第三前体气体与第四前体气体反应的副产物；
在第一介电层上形成覆盖第二化合物单层的第二介电层。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，还包括在第二介电层上形成离散分布的第三化合物单层；在第二介电层上形成覆盖第三化合物单层的第三介电层；........；在第N介电层上形成离散分布的第N+1化合物单层；在第N介电层上形成覆盖第N+1化合物单层的第N+1介电层的工艺步骤，N为大于等于3的正整数。
3.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第一前体气体是金属、半导体、配合有卤素或者有机配合物的金属、或者配合有卤素或者有机配合物的半导体中的一种或者几种的混合物。
4.根据权利要求3所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属为Ta，Ti，W，Mo，Nb，Cu，Ni，Pt，Ru，Me，Ni或者Al。
5.根据权利要求3所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的半导体为硅。
6.根据权利要求3所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的配合有卤素或者有机配合物的金属为Al(CH3)3、Hf[N(CH3)(C2H5)]4、Hf[N(C2H5)2]4、Hf[OC(CH3)3]4或者HfCl4，配合有卤素或者有机配合物的半导体为SiCl2H2、Si(OC2H5)4、Si2Cl6、SiH2[NH(C4H9)]2或者SiH(OC2H5)3。
7.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第一前体气体为SiCl2H2时，第一前体气体流向原子层沉积室的流量为0.06至0.3slm，流入时间大于0小于10sec。
8.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第二前体气体为NH3、N2O、N2、O2、O3或者H2O。
9.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第三前体气体是金属、半导体、配合有卤素或者有机配合物的金属、或者配合有卤素或者有机配合物的半导体中的一种或者几种的混合物。
10.根据权利要求9所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述金属为Ta，Ti，W，Mo，Nb，Cu，Ni，Pt，Ru，Me，Ni或者Al。
11.根据权利要求9所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的半导体为硅。
12.根据权利要求9所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的配合有卤素或者有机配合物的金属为Al(CH3)3、Hf[N(CH3)(C2H5)]4、Hf[N(C2H5)2]4、Hf[OC(CH3)3]4或者HfCl4，配合有卤素或者有机配合物的半导体为SiCl2H2、Si(OC2H5)4、Si2Cl6、SiH2[NH(C4H9)]2或者SiH(OC2H5)3。
13.根据权利要求9所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第三前体气体为SiCl2H2时，第三前体气体流向原子层沉积室的流量为0.06至0.3slm，流入时间大于0小于10sec。
14.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述的第四前体气体为NH3、N2O、N2、O2、O3或者H2O。
15.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一介电层的形成工艺为原子层沉积方法。
16.根据权利要求15所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一介电层的形成工艺为：
第五前体气体流向原子层沉积室，在半导体衬底以及第一化合物单层上形成第五单层，所述第五单层填满第一化合物单层之间的空隙；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有吸附在半导体衬底以及第一化合物单层上而形成第五单层的第五前体气体；
第六前体气体流向原子层沉积室，和形成第五单层的第五前体气体反应，形成第一介电层单原子层；
惰性吹扫气体流向原子层沉积室，去除没有形成第一介电层单原子层的第六前体气体以及第五前体气体和第六前体气体反应的副产物；
在第一介电层单原子层上进行一次以上第一介电层单原子层的沉积工艺，形成设定厚度的覆盖第一化合物单层的第一介电层。
17.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述第一介电层为氧化硅。
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