CN114836730B - 氧化膜的原子层沉积方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种氧化膜的原子层沉积方法，包括：在反应腔室中放置半导体结构，所述半导体结构具有沉积通道，至少所述沉积通道的侧壁被多晶硅层覆盖，其中，所述多晶硅层的暴露表面包含羟基基团；以单氨基硅烷为前驱体材料在沉积通道内进行化学吸附，在多晶硅层的暴露表面形成硅烷基基团以及产生氨基自由基；在化学吸附步骤完成后，利用惰性气体吹扫氨基自由基；以及通入反应气体进行氧化在所述沉积通道内表面上形成氧化膜。本申请形成的氧化膜层不掺杂氨基化合物的副产物，避免沉积通道内导电沟道被破坏，提3D存储高器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，更具体地，涉及氧化膜的原子层沉积方法。
背景技术
存储器件的存储密度的提高与半导体制造工艺的进步密切相关。随着半导体制造工艺的特征尺寸越来越小，存储器件的存储密度越来越高。为了进一步提高存储密度，已经开发出三维结构的存储器件(即，3D存储器件)。3D存储器件包括沿着垂直方向堆叠的多个存储单元，在单位面积的晶片上可以成倍地提高集成度，并且可以降低成本。
在3D存储器件的制备工艺中，例如采用蚀刻的方法形成贯穿栅叠层结构的沉积通道，然后采用多晶硅填充沉积通道形成导电通道；然后在填充多晶硅之后，在沉积通道内刻蚀多晶硅，并在沉积通道内沉积形成氧化膜，多晶硅围绕氧化膜，以改善多晶硅材料在沉积通道中的填充性能和提高机械强度。
由于3D存储器件的集成度的提高，用于形成栅叠层结构的厚度也越来越大，使得沉积通道的深度增加。在沉积通道内的多晶硅表面上形成氧化膜的过程中，采用双氨基硅烷或氨基金属配合物作为前驱体，会产生水和氨基化合物等反应副产物，这些反应副产物会对沟道多晶硅造成破坏，导电沟道断裂，导致器件失效，从而在进行电子束检测时呈现暗场电压衬底的特征。
在进行氧化膜层生长时，可以利用抑制控制增强(inhibit controlled enhance，ICE)处理调控膜层的质量。为了降低反应副产物的产生量，可以通过提高抑制剂的总量来减少前驱体在衬底或者器件上的吸附量，虽然降低了反应副产物的产量，但是同时也降低了单位产能；而且在抑制剂总量比较高的情况下，填充形成的氧化膜的形貌不佳，不易被修复。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧化膜的原子层沉积方法，其中，在沉积过程中利用单氨基硅烷气体作为前驱体，在器件表面留下一个-SiH3基团，其余的氨基基团被吹扫掉，从而在后续的等离子体氧化过程中不产生氨基化合物，可以在保证抑制剂用量不变的情况下提高器件的可靠性。
根据本发明实施例的一方面，提供了一种氧化膜的原子层沉积方法，包括：在反应腔室中放置半导体结构，所述半导体结构具有沉积通道，至少所述沉积通道的侧壁被多晶硅层覆盖，其中，所述多晶硅层的暴露表面包含羟基基团；以单氨基硅烷为前驱体材料在沉积通道内进行化学吸附，在多晶硅层的暴露表面形成硅烷基基团以及产生氨基自由基；在化学吸附步骤完成后，利用惰性气体吹扫氨基自由基；以及通入反应气体进行氧化在所述沉积通道内表面上形成氧化膜。
优选地，所述反应气体为氧化性气体。
优选地，所述氧化性气体包括O2、N2O、CO2、O3、NO2中的至少一种。
优选地，所述惰性气体包括Ar。
优选地，所述惰性气体为等离子体，所述惰性气体中的Ar以活性因子的形式存在。
优选地，所述半导体结构包括硅衬底以及位于所述硅衬底表面的结构层，所述沉积通道穿过所述结构层并暴露所述硅衬底，其中，所述硅衬底、与所述单氨基硅烷以及所述反应气体形成氧化硅层。
优选地，形成氧化膜层后，还包括：对所述半导体结构进行ICE处理；重复化学吸附、吹扫以及氧化过程。
优选地，所述ICE处理包括：将含氟气体引入至所述处理室中并施加RF功率至所述含氟气体以在所述处理室中产生氟等离子体对半导体结构进行等离子体处理。
优选地，所述含氟气体为CH3F、CHF3、CF4、C2H4F2、C2H2F4、C3H2F6、C4H2F8、C4F8、NF3、或SF6。
根据本发明实施例的氧化膜的原子层沉积方法，在沉积过程中利用单氨基硅烷气体作为前驱体在沉积通道的内表面发生化学吸附，并通过吹扫以及等离子体氧化过程在沉积通道的内表面形成氧化膜。与现有技术采用的常规沉积工艺相比，形成的氧化膜层不掺杂氨基化合物的副产物，避免沉积通道内导电沟道被破坏，提3D存储高器件的可靠性。
进一步地，在化学吸附过程中，Si-N键断裂，从而在沉积通道的内表面上形成硅烷基基团，以及产生氨基自由基，氨基自由基被吹扫出去，从而在后续的等离子体氧化过程中不产生氨基化合物，可以在保证抑制剂用量不变的情况下提高器件的可靠性。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出了现有技术的氧化膜沉积方法中反应过程的示意图。
图2示出了本发明实施例的氧化膜沉积方法中反应过程的示意图。
图3示出了本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”的表述方式。
在本申请中，术语“半导体结构”指在制造存储器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出了现有技术的氧化膜沉积方法中反应过程的示意图。
采用原子层沉积工艺在半导体结构的预定表面形成氧化膜，该预定表面为多晶硅表面。该沉积方法包括向反应腔室中通入双氨基硅烷作为前驱体材料，该双氨基硅烷与预定表面上的羟基基团发生化学吸附，在预定表面上产生的基团依然包含氮，在后续的氧化过程中，在半导体结构的预定表面上形成氧化膜，同时也会产生水和氨基化合物等反应副产物。这些反应副产物会对沟道多晶硅造成破坏，导电沟道断裂，导致器件失效，从而在进行电子束检测时呈现暗场电压衬底的特征。
图2示出了本发明实施例的氧化膜沉积方法中反应过程的示意图，图3示出了本发明实施例的原子层沉积设备的结构示意图。
图3示出的为改进的原子层沉积设备。反应腔室21和排气室22彼此连通，并且由盖板23密封上部开口端，形成内部空间。在反应腔室21的侧壁开口形成晶片的进出通道，采用闸板24开启或封闭进出通道。在盖板23的上方设置法兰24，用于将进气管25、26固定在盖板23上。在盖板23的下方设置喷头27。进气管25和26与喷头27连通，分别用于将不同步骤的反应气体导入至反应腔室21的内部空间。
排气室22的侧壁连接至排气装置41。排气装置41用于对反应腔室21的内部空间抽真空，例如为真空泵。优选地，排气室22的侧壁还连接有回收装置42，用于回收至少一种反应气体，例如氨气。回收装置42例如连接在排气装置41的上游端，由于回收至少一种反应气体，不仅可以减少对环境的污染，而且可以保护排气装置41以免受到蚀刻性气体的损伤。
反应腔室21的内部空间中设置有基座33。支柱31的一端固定在排气室22的底端，另一端与基座33下表面相连接，从而固定基座33。导向环34设置在基座33的上表面的周边，用于引导晶片35放置在基座33的上表面的上方。晶片35的支撑装置32包括贯穿基座33且与晶片35的下表面相接触的多个支撑杆。支撑装置32在驱动装置(未示出)的驱动下可以上下移动，从而带动晶片35移动或偏转，调节晶片35在反应腔室21的内部空间中的高度位置和水平状态。基座33的内部设置有加热器36，采用加热器电源43供电，将晶片加热至预定的温度。
原子层沉积设备的气体供给装置包括共同连接至进气管25的反应气体管路51至53，以及连接至进气管26的反应气体管路54。反应气体管路51至53分别用于供给前驱体材料、Ar、氧化性气体，反应气体管路54用于供给含氟气体。在反应气体管路51至54的每条管路上依次设置有用于通断控制的阀门61、用于流量控制的质量流量控制器62、以及用于存储反应气体的储罐63。
下面将结合图2与图3对本发明实施例的氧化膜的原子层沉积方法进行详细说明。
采用上述图3中的原子层沉积设备，可以在半导体结构的预定表面上形成氧化硅膜。首先，打开闸板24，在反应腔室21中的基座33上放置具有沉积通道102的半导体结构，包括衬底101以及位于衬底101表面的结构层120，在本实施例中，衬底101为硅衬底，沉积通道102穿过结构层120并暴露衬底101的表面，所述沉积通道102的侧壁至少被多晶硅层161覆盖，所述多晶硅层的暴露表面以及衬底101的暴露表面均包含羟基基团(-OH)。
然后，采用排气装置41对反应腔室21和排气室22抽真空。采用加热器36将半导体结构加热至预定的温度。然后，开始薄膜沉积，该沉积方法包括先经由反应气体管路51通入前驱体材料，所述前驱体为单氨基硅烷(SiH3-N-C6H14)；该前驱体在沉积通道内进行化学吸附，从而在多晶硅层的暴露表面形成硅烷基基团(-SiH3)以及产生氨基自由基(H-N-C6H14)。在化学吸附步骤完成后，经由反应气体管路52通入惰性气体，该惰性气体为Ar，利用惰性气体吹扫氨基自由基。在吹扫步骤完成后，经由反应气体管路53通入氧化性气体对硅烷基基团进行氧化以形成氧化膜，同时产生水或者羟基等副产物。由于副产物中不含氨基化合物，不会对多晶硅层造成损坏，从而提高器件的可靠性。
进一步地，在氧化过程中，通入氧化性气体，并在反应腔室内施加RF功率至氧化性气体以产生氧等离子体，氧等离子体与硅烷基基团发生反应生成氧化硅(SiOx)。
在本实施例中，所述氧化性气体包括O2、N2O、CO2、O3、NO2中的至少一种。
其中，Ar*表示Ar的活性因子，x的取值为二分之三。在本实施例中，反应气体以及惰性气体例如为等离子体，等离子体惰性气体可以更好的激发Ar的活性，使Ar变为Ar*，Ar*可以更快速的促进与氨基自由基发生反应，于此同时Ar*作为反应物由Ar*生成Ar。
与此同时，排气装置41继续对反应腔室21的内部空间抽真空，按照预设速率向反应腔室21外排出尾气。
进一步的，当前驱体到达沉积通道102的底部与硅衬底101接触时，所述硅衬底、与所述单氨基硅烷以及所述反应气体形成氧化硅层。
进一步的，在化学吸附、吹扫以及氧化过程基本结束后，停止通入前驱体、反应气体以及惰性气体，并经由反应气体管路54通入含氟气体作为抑制剂，对半导体结构进行ICE处理。
具体地，将含氟气体引入至所述处理室中并施加RF功率至所述含氟气体以在所述处理室中产生氟等离子体对半导体结构进行等离子体处理。所述含氟气体为CH3F、CHF3、CF4、C2H4F2、C2H2F4、C3H2F6、C4H2F8、C4F8、NF3、或SF6。
ICE处理可以减缓沉积通道以外的表面的膜层生长速度，对沉积通道内膜层的生长速度影响较小，提高沉积通道内膜层填充的能力。
根据本发明实施例的氧化膜的原子层沉积方法，在沉积过程中利用单氨基硅烷气体作为前驱体在沉积通道的内表面发生化学吸附，并通过吹扫以及等离子体氧化过程在沉积通道的内表面形成氧化膜。与现有技术采用的常规沉积工艺相比，形成的氧化膜层不掺杂氨基化合物的副产物，避免沉积通道内导电沟道被破坏，提3D存储高器件的可靠性。
进一步地，在化学吸附过程中，Si-N键断裂，从而在沉积通道的内表面上形成硅烷基基团，以及产生氨基自由基，氨基自由基被吹扫出去，从而在后续的等离子体氧化过程中不产生氨基化合物，可以在保证抑制剂用量不变的情况下提高器件的可靠性。
在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。
Claims (4)
1.一种氧化膜的原子层沉积方法，其特征在于，包括：
在反应腔室中放置半导体结构，所述半导体结构具有沉积通道，至少所述沉积通道的侧壁被多晶硅层覆盖，其中，所述多晶硅层的暴露表面包含羟基基团，所述半导体结构包括硅衬底以及位于所述硅衬底表面的结构层，所述沉积通道穿过所述结构层并暴露所述硅衬底；
以单氨基硅烷为前驱体材料在沉积通道内进行化学吸附，在多晶硅层的暴露表面形成硅烷基基团以及产生氨基自由基；
在化学吸附步骤完成后，利用惰性气体吹扫氨基自由基，所述惰性气体为等离子体，所述惰性气体包括Ar，所述惰性气体中的Ar以活性因子的形式存在；以及
通入反应气体进行氧化在所述沉积通道内表面上形成氧化膜；
对所述半导体结构进行ICE处理，所述ICE处理包括：将含氟气体引入至所述反应腔室中并施加RF功率至所述含氟气体以在所述反应腔室中产生氟等离子体对所述半导体结构进行等离子体处理；以及
重复化学吸附、吹扫以及氧化过程，
其中，在通入反应气体进行氧化的过程中不产生氨基化合物，所述硅衬底与所述单氨基硅烷以及所述反应气体形成氧化硅层。
2.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述反应气体为氧化性气体。
3.根据权利要求2所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述氧化性气体包括O2、N2O、O3中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的原子层沉积方法，其特征在于，所述含氟气体为CH3F、CHF3、CF4、C2H4F2、C2H2F4、C3H2F6、C4H2F8、C4F8、NF3或SF6。
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