专利名称：用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法
技术领域：
本申请涉及一种用于沉积薄膜的方法，更具体而言，涉及一种使用化学气相沉 积(CVD)来沉积薄膜的方法。
背景技术：
半导体制造方法通常包含在晶片表面上沉积薄膜的沉积方法，并且将多种类型 的薄膜包括氧化硅、多晶硅和氮化硅等沉积在晶片表面上。在多种沉积方法中，化学气相沉积(CVD)法通过气体化合物的热分解或反应而 在基材表面形成薄膜，也就是，由气相在基材表面沉积所需的材料。在该沉积方法中，用于在晶片表面上沉积多晶硅膜的方法如下所述。首先，将晶片装载至沉积腔室中，然后通过在该腔室中供给源气体而在晶片上 沉积薄膜。在此期间，在腔室中供给的源气体包含硅烷(SiH4),并且通过在腔室内供给 源气体在晶片上沉积薄膜。在此期间，通过硅烷(SiH4)的热分解在晶片上沉积多晶硅 膜。但是，通过上述的沉积方法，不仅难以沉积具有较薄厚度(低于约400A)的硅 晶体结构的多晶硅膜，而且难以沉积均勻的多晶硅膜难于沉积。因此，当多晶硅膜用作 半导体闪存的浮栅电极时，会存在一些问题，例如制得器件中的过擦除(Overerase)现 象，并且由此使器件特性如平坦性、耐久性和可靠性等因阀值电压漂移和异常不规则的 阀值电压而劣化。更特别地，首先在恒定的处理温度(通常低于55°C )下通过采用硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)来生长非晶硅薄膜，然后通过后续的预定热处理方法(例如，650°C 9000C )使长成的薄膜结晶。由此得到了如图1所示的结果。图1是根据常规沉积方法 所得的多晶硅膜经透射电子显微镜(TEM)拍摄的照片。在通过上述方法形成闪存等器件的栅电极时，薄膜中结晶化晶粒的尺寸(图1 中黑色部分)非常不规则，并且形成有尺寸为数十A或几百nm的晶粒。因此，当通过 采用上述方法形成晶体管时，在大尺寸晶粒的区域内形成有一条或两条晶界，相反，在 非常小尺寸晶粒的区域内形成有多条晶界。所以，在晶粒非常小并由此形成有多条晶界 的区域内，通过隧道氧化物(tunnel oxide)在晶粒彼此相连的区域下形成氧化物谷(oxide valley)区。较大的氧化物谷形成在较大晶粒间的界面下。因此，在形成磷多晶硅的后续 过程中，氧化物谷区中集结了更多的磷，从而使局部势垒高度降低。因此，由于在驱动 器件时该集结的磷形成过擦除点或电子陷阱形成位点(electron trap formation site)，这可 能会造成器件的可靠性大幅劣化。也就是，由过擦除或电子陷阱引起的电子运动速度的 不同导致了晶体管间的驱动特性的差异。结果，由于驱动器件时同一芯片(chip)中包含 的晶体管间的驱动特性彼此显著不同，所以存在包含该晶体管的器件的特性会极大劣化 的问题。
发明内容
技术问题因此，本发明的一个目的是提供一种用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，所 述方法能够通过改善电气特性的均勻度来防止器件特性劣化。技术方案根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方 法，所述方法包括通过在装载有基材的腔室中供给源气体来在所述基材上沉积该多晶 硅薄膜，其中所述源气体包含硅基气体、氮基气体和磷基气体。所述源气体中氮基气体与硅基气体的混合比可以等于或小于0.03 (不含0)。所述多晶硅薄膜中氮的含量可以等于或小于11.3原子％ (不含0)。所述沉积方法可在650°C 750°C的温度和5托 100托的压力下进行。所述源气体中氮基气体与硅基气体的混合比可以等于或小于0.10 (不含0)。所述沉积方法可在580°C 650°C的温度和100托 300托的压力下进行。所述方法还可包括对所述薄膜进行热处理加工。所述硅基气体包含硅烷(SiH4),乙硅烷(Si2H6), 二氯硅烷(DCS)，三氯硅烷 (TCS)和六氯乙硅烷(HCD)中的一种。所述氮基气体包含氨(NH3)。所述磷基气体包含膦(PH3)。所述多晶硅薄膜的沉积包括在基材上沉积η+或ρ+掺杂的多晶硅薄膜。当沉积η+掺杂多晶硅薄膜时，通过原位(in-situ)注入如膦(PH3)或砷(As)等 η+掺杂物来形成具有超细晶粒的多晶硅薄膜。当沉积ρ+掺杂多晶硅薄膜时，通过注入如硼(B)等ρ+型掺杂物来形成具有超 细晶粒的多晶硅薄膜。有益效果根据本发明的用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，当采用化学气相沉积在基 材上沉积薄膜时，由于通过在装载有该基材的腔室中供给包含有硅基气体、氮基气体和 磷基气体的源气体来在基材上沉积超细晶粒多晶硅薄膜，所述方法能够通过改善电气特 性的均勻度来防止器件特性劣化。此外，本发明采用硅烷(SiH4)气体作为硅源气体，并且在沉积方法中通过以预 定比率混合SiH4和诸如NH3等含氮气体并在预定的处理温度和压力下注入该混合后的气 体来控制晶粒的大小。因此，当多晶硅薄膜在半导体器件中用作闪存的浮栅电极时，能 够形成均勻的晶粒并由此能够获得器件的耐久性和可靠性。此外，当多晶硅薄膜用在动 态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和逻辑器件中时，通过采用 多晶硅薄膜制造所述器件，可以确保优异的器件特性，并且由此能够提高此类半导体器 件的产量和特性。
图1是示出了根据常规沉积方法的具有大尺寸晶粒的多晶硅膜的照片。图2是本发明实施方式的薄膜沉积装置的示 意图。
图3是示出了通过本发明实施方式的用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法形成 的多晶硅薄膜的特性的曲线图，特别地，所述曲线图显示了对应于氮源气体和硅源气体 的混合比的折射率。 图4为示出了通过本发明实施方式的用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法所沉 积的薄膜的晶体结构的TEM照片。图5和图6为示出了对应于氮源气体和硅源气体的混合比的晶粒度和换算为原子 百分比(原子％)的氮浓度值的表格和曲线图。图7和图8是示出了对应于氮源气体和硅源气体的混合比的折射率的曲线图。
具体实施例方式下文将参考附图详细描述本发明的优选实施方式。本发明的实施方式可以变换 为不同的形式，因此本发明并不局限于下文中公开的实施方式。为帮助本领域普通技术 人员全面理解本发明而提供所述实施方式，因此，可突出个别要素的配置来突出本发明 的特征，并对本发明进行更清楚地阐述。根据本发明的一个示例性实施方式，当采用化学气相沉积法在基材上沉积薄膜 时，通过在装载有基材的腔室中供给含有硅基气体、氮基气体和磷基气体的源气体在基 材上沉积薄膜来沉积超细晶粒多晶硅薄膜。一般地，“化学气相沉积”是指通过向基材供给气态的源气体并在源气体和基 材间诱发化学反应而在半导体基材上形成薄膜的方法。现将参照图2阐述根据本发明的 实施方式的在单腔室中进行的化学气相沉积法。图2显示了用于进行根据本发明的实施 方式的沉积方法的沉积装置。沉积装置10的腔室11中形成有用来导入源气体的导入单元12。由导入单元12 导入的气体通过喷淋头13喷射入腔室11。此外，将沉积用晶片15放置在由加热器支承 件16承载的加热器14上。在利用沉积装置进行沉积后，使未反应的气体经真空端口 17 排出。首先，将基材转移入腔室11。然后，通过单晶片类型的化学气相沉积法将硅烷 (SiH4)气体和惰性N2气体作为载气导入腔室11中，并且经热分解作用分解后的反应气体 通过在置于腔室11中的硅基材上的表面移动而沉积。此时，如果以预定比率将NH3气和 SiH4—起注入反应腔室11中，热分解后的气体中的硅原子因氮原子而不进行成核及晶粒 生长，由此可以在高温(650°C以上)下沉积非晶态多晶硅。在该方法中，NH3/SiH4气体的混合比是本发明中最重要的因素，因为氮化硅能 够在两种反应气体的混合比保持在特定水平上时得以沉积。为了形成具有超细晶粒结构的多晶硅，采用熔炉型或单晶片型的反应腔室在预 定的温度内进行后续的热处理方法。此外，通过注入如PH3等η+掺杂型杂质或如硼等ρ+ 掺杂型杂质来沉积未掺杂或掺杂的薄膜。图3是示出了通过本发明实施方式的用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法形成 的多晶硅薄膜的特性的曲线图，特别地，所述曲线图显示了在650°C 750°C的处理温度 和5托 100托的处理压力下对应于氮源气体和硅源气体的混合比的折射率。图3显示了对应于NH3和SiH4的混合比的折射率，参见图3，横轴对应NH3和SiH4的混合比，纵轴对应表征沉积薄膜的结晶特性的折射率(R.I.)。如图3所示，折射 率随与SiH4混合的NH3的比率上升而趋于降低。在折射率值保持在3.8 4.5的范围内 时，会形成非晶或多晶的硅薄膜沉积物。相反，在折射率值低于3.8时，会沉积具有性质 接近富硅的Si3N4的薄膜。因此，考虑到 折射率，有利的是将与SiH4混合的NH3的混合比保持为等于或低 于3% (或0.03)，并在混合比处于该范围内时完成非晶或多晶硅薄膜的沉积。图4为示出了通过本发明实施方式的用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法沉积 的薄膜的晶体结构的TEM照片。图4中黑色的部分显示出晶粒，图4所示的晶粒比图1 的晶粒更细。图5和图6为示出了对应于氮源气体和硅源气体的混合比的晶粒度和换算为原子 百分比(原子％)的氮浓度值的表格和曲线图。参见图5和图6，其表明当与SiH4混合的NH3的混合比为2.2% (或0.022)时， 薄膜中的氮为11.3原子％，并且从图5和图6中可得，优选的是将薄膜中的氮保持在约 11.3原子％以下。当薄膜中的氮为11.3原子％时，晶粒度约为33埃。图7和图8是示出了在620°C的处理温度和100托 300托的处理压力时对应于 氮源气体和硅源气体的混合比的折射率的曲线图。参见图7和图8，如上所述，当折射率值保持在3.8 4.5的范围内时，会形成非 晶或多晶的硅薄膜沉积物。因此，考虑到折射率，有利的是将与SiH4混合的NH3W混合 比保持在等于或小于10% (或0.1)(图8中的虚线)，并在混合比处于该范围内时完成非 晶或多晶硅薄膜的沉积。上述实施方式中将SiH4用作Si源气体，NH3用作氮源气体。但是，本领域技 术人员将理解的是，可以在恒定温度和压力下以NH3/SiH4的预定混合比向反应腔室中 注入作为Si源气体的乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(DCS)、三氯硅烷(TCS)和六氯乙硅烷 (HCD)和其它含Si气体，或者作为氮源气体的其它含氮气体，来形成具有超细晶粒结构 的薄膜。同样地，当采用化学气相沉积法沉积薄膜时，本发明通过在装载有基材的腔室 中供给包含硅基气体、氮基气体和磷基气体的源气体来在基材上沉积薄膜，从而进行超 细晶粒多晶硅薄膜的沉积。在参考特定的优选实施方式描述本发明的情况下，本领域技术人员应当理解其 它实施方式也是可行的。因此，以下权利要求书的技术概念和范围不局限于所述优选实 施方式。工业实用性本发明可以应用于包含沉积处理的多种装置中。
权利要求
1.一种用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，所述方法包括；通过在装载有基材的腔室中供给源气体来在所述基材上沉积多晶硅薄膜，其中，所述源气体包含硅基气体、氮基气体和磷基气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述源气体中氮基气体与硅基气体的混合比等于 或小于0.03，但不为0。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述多晶硅薄膜中氮的含量等于或小于11.3原 子％，但不为0。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述沉积方法在650°C 750°C的温度和5托 100托的压力下进行。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述源气体中氮基气体与硅基气体的混合比等于 或小于0.10，但不为0。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述沉积方法在580°C 650°C的温度和100托 300托的压力下进行。
7. 如权利要求1所述的方法，所述方法还包括对所述薄膜进行热处理加工。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述硅基气体包含硅烷SiH4、乙硅烷Si2H6、二 氯硅烷DCS、三氯硅烷TCS和六氯乙硅烷HCD中的一种。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述氮基气体包含氨NH3。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述磷基气体包含膦PH3。
11.如权利要求1所述的方法，其中，所述多晶硅薄膜的沉积包括在所述基材上沉积 η+或ρ+掺杂的多晶硅薄膜。
12.如权利要求11所述的方法，其中，在沉积η+掺杂的多晶硅薄膜时，通过原位注 入膦PH3或砷As等η+掺杂物来形成具有超细晶粒的多晶硅薄膜。
13.如权利要求11所述的方法，其中，在沉积ρ+掺杂的多晶硅薄膜时，通过原位注 入硼B等ρ+掺杂物来形成具有超细晶粒的多晶硅薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种用于沉积超细晶粒多晶硅薄膜的方法，所述方法在装载有基材的腔室中供给源气体，从而在基材上沉积多晶硅薄膜，其中所述源气体包含硅基气体、氮基气体和磷基气体。所述源气体中的氮基气体与硅基气体的混合比可为0.03以下(但不包含0)。所述薄膜中的氮可为11.3原子％以下(但不包含0)。
文档编号C23C16/24GK102016115SQ200980115914
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月29日 优先权日2008年5月2日
发明者朴松焕, 禹相浩, 赵星吉, 郑敬洙, 金海元 申请人:株式会社Eugene科技