CN102097304A - 掺氮的碳化硅薄膜的形成方法 - Google Patents

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Abstract

一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上形成掺氮的碳化硅薄膜，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体包括：四甲基硅烷和氨气；形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体还包括氮气。本发明形成的掺氮的碳化硅薄膜反射率差异值范围小，性质均匀性好。

Description

掺氮的碳化硅薄膜的形成方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法。
背景技术
在超大规模集成电路工艺中，有着热稳定性、抗湿性的二氧化硅一直是金属互连线路间使用的主要介质材料，金属铝则是芯片中电路互连导线的主要材料。然而，相对于元件的微型化及集成度的增加，电路中导体连线数目不断的增多，使得导体连线架构中的电阻(R)及电容(C)所产生的寄生效应，造成了严重的传输延迟(RC Delay)，在130纳米及更先进的技术中成为电路中讯号传输速度受限的主要因素。
因此，在降低导线电阻方面，由于金属铜具有高熔点、低电阻系数及高抗电子迁移的能力，已被广泛地应用于连线架构中来取代金属铝作为导体连线的材料。
另一方面，在降低寄生电容方面，由于工艺上和导线电阻的限制，使得我们无法考虑通过几何上的改变来降低寄生电容值。因此，具有低介电常数(low k)的材料便被不断地发展，在申请号为200480018730.9的中国专利文件中能够发现更多的现有低介电常数(low k)的材料的制备方法。
低介电常数材料通常比较疏松且与导线铜的粘附性比较差，现有技术中通常会在导线铜和低介电常数薄膜之间形成一层保护层，所述保护层通常采用化学气相沉积工艺形成，所述保护层通常采用与导线铜和低介电常数薄膜粘附性都比较好的材料掺氮的碳化硅，但现在制备方法形成的掺氮的碳化硅薄膜的不同批次的薄膜性质差异大，特别是反射率差异性很大，从而使得选用掺氮的碳化硅的互连结构性质不稳定。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，以减小同一批次形成的掺氮的碳化硅薄膜的反射率的差异。
为解决上述问题，本发明提供一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成掺氮的碳化硅薄膜，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体包括：四甲基硅烷和氨气；
形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体还包括氮气。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过在形成掺氮的碳化硅薄膜时候通入氮气，本发明形成的掺氮的碳化硅薄膜反射率的差异值比现有的碳化硅薄膜的形成方法提高约64％，并且本发明提供的形成方法形成的掺氮的碳化硅薄膜厚度均一性比现有的碳化硅薄膜的形成方法提高约53％。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1是本发明一个实施例的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法的流程示意图；
图2至图3为本发明一个实施例的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法的剖面结构示意图。
具体实施方式
随着半导体技术的飞速发展，介质薄膜成为半导体制造领域的研究热点。k值低于3.0的介质薄膜被半导体制造业称为低介电常数材料，k值是材料的介电常数的度量。介质薄膜用于使金属导体绝缘，并且低k介质薄膜能够减少RC延迟，从而增加讯号传输速度。
由背景技术可知，RC延迟大小取决于半导体制造工艺，随着半导体工艺进入130纳米及以下节点后，除了采用金属铜作为半导体导电材料用于降低电阻R之外，同时还会采用低介电常数材料来降低电容C，从而降低导体连线架构中的电阻及电容所产生的寄生效应。
低介电常数材料通常比较疏松且与导线铜的粘附性比较差，现有技术中通常会在导线铜和低介电常数薄膜之间形成一层保护层，所述保护层通常采用化学气相沉积工艺形成，所述保护层通常采用与导线铜和低介电常数薄膜粘附性都比较好的材料掺氮的碳化硅，但现在制备方法形成的掺氮的碳化硅薄膜的不同批次的薄膜性质差异大，特别是反射率差异性很大，从而使得选用掺氮的碳化硅的互连结构性质不稳定。
本发明的发明人经过大量的实验，对现在广泛使用的介质薄膜氮掺杂的碳化硅(NDC)进行了大量的研究，提供一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成掺氮的碳化硅薄膜，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体包括：四甲基硅烷和氨气；
形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体还包括氮气。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1是本发明的一个实施例掺氮的碳化硅薄膜的形成方法的流程示意图，图2至图3为本发明的一个实施例的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法的过程示意图。下面结合图1至图3对本发明的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法进行说明。
步骤S101，提供半导体衬底。
参考图2，所述半导体衬底100可以为衬底硅、绝缘体上硅基片(SOI)或者外延硅基片；所述半导体衬底100还可以为形成有半导体器件层的衬底，例如，具有覆盖电介质和金属膜的硅衬底、部分处理的基片(包括集成电路及其他元件的一部分)、图案化或未被图案化的基片。
步骤S102，在所述半导体衬底上形成掺氮的碳化硅薄膜，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体包括：四甲基硅烷和氨气；形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体还包括氮气。
参考图3，所述掺氮的碳化硅薄膜200的形成工艺为介质化学气相沉积工艺，生成所述掺氮的碳化硅薄膜200的反应气体包括：四甲基硅烷、氨气和氮气。
现有的四甲基硅烷和氨气作为反应气体形成的掺氮的碳化硅薄膜并不稳定，现有的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法通常是采用四甲基硅烷与氨气反应，并通入氦气作为辅助气体，反应式如下所示：
Figure G2009102011796D00041
在现有的工艺中，形成的掺氮的碳化硅薄膜会形成有Si-H悬挂键，导致掺氮的碳化硅薄膜较疏松，并且Si-H悬挂键受较多因素影响，例如：温度的差异性，反应的升温速度、反应气体的流速、反应气体在腔体的稳定性的影响，导致使得不同批次的掺氮的碳化硅薄膜反射率差异性比较大，使得形成掺氮的碳化硅薄膜的电学性能不稳定，从而使得采用所述掺氮的碳化硅薄膜的器件良率降低。
为此，本发明的发明人经过大量的实验，发现在掺氮的碳化硅薄膜200的形成过程中加入氮气会提高掺氮的碳化硅薄膜200的稳定性，反应如下式所示：
Figure G2009102011796D00051
在上述的掺氮的碳化硅薄膜的形成过程中，N2能够抑制Si-H悬挂键的形成，使得反应形成比较稳定的Si-N键，从而使得掺氮的碳化硅薄膜的稳定性提高。
所述掺氮的碳化硅薄膜的具体工艺参数包括：反应温度为300摄氏度至400摄氏度，反应腔室压力为4托至6托，反应腔室的反应间距为0.20毫米至0.25毫米，反应功率为600瓦至650瓦，四甲基硅烷流量为每分钟200标准立方厘米至每分钟400标准立方厘米，氮气的流量为每分钟1000标准立方厘米至1500标准立方厘米，氮气的流量为每分钟1000标准立方厘米至1500标准立方厘米。
为了进一步验证本发明的碳化硅薄膜的形成方法的稳定性，本发明的发明人经过大量的对比实验，对掺氮的碳化硅薄膜的形成工艺进行进一步研究，在实验中，采用本发明提供的碳化硅薄膜的形成方法和碳化硅薄膜的形成方法中反应气体不包括氮气进行对比，上述两种方法沉积大约500埃厚度的掺氮的碳化硅薄膜各50次，对上述掺氮的碳化硅薄膜采用科天(KLA-Tencor)公司的测量设备(SpectraCD)进行测量，对上述实验数据的对比发现，本发明提供的形成方法形成的掺氮的碳化硅薄膜反射率的差异值范围为0.0145，而反应气体不包括氮气的碳化硅薄膜的形成方法形成的碳化硅薄膜反射率的差异值范围为0.04，本发明提供的形成方法形成的掺氮的碳化硅薄膜反射率的差异值比反应气体不包括氮气的碳化硅薄膜的形成方法提高约64％。
进一步对形成薄膜的厚度进行测量，实验数据表明：现有技术的未加入氮气的碳化硅薄膜的形成方法所形成的碳化硅薄膜的厚度均一性为1.7，本发明提供的形成方法形成的掺氮的碳化硅薄膜的厚度均一性为0.9，本发明提供的形成方法形成的掺氮的碳化硅薄膜厚度均一性比现有技术提高约53％。
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 (9)

1.一种掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底上形成掺氮的碳化硅薄膜，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体包括：四甲基硅烷和氨气；
其特征在于，形成掺氮的碳化硅薄膜的反应气体还包括氮气。
2.如权利要求1所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述氮气的流量为每分钟1000标准立方厘米至1500标准立方厘米。
3.如权利要求2所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述四甲基硅烷流量为每分钟200标准立方厘米至每分钟400标准立方厘米。
4.如权利要求3所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述氨气流量为每分钟1500标准立方厘米至每分钟2000标准立方厘米。
5.如权利要求1所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述掺氮的碳化硅薄膜的形成工艺为介质化学气相沉积工艺。
6.如权利要求5所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述掺氮的碳化硅薄膜的反应温度为300摄氏度至400摄氏度。
7.如权利要求6所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述掺氮的碳化硅薄膜的反应功率为600瓦至650瓦。
8.如权利要求7所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述掺氮的碳化硅薄膜的反应腔室压力为4托至6托。
9.如权利要求8所述的掺氮的碳化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述掺氮的碳化硅薄膜的反应腔室的反应间距为0.20毫米至0.25毫米。
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