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，吸附系數比硅烷高兩個數量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應初期就有薄膜生成，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的裂縫或空洞。
【專利說明】多晶硅薄膜的制備方法

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

【背景技術】
[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)的各種效應應對半導體工藝制作結果的影響也日益突 出，常需要針對小尺寸器件進行新的工藝改進。以多晶硅柵極的制作為例，當器件尺寸縮小 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柵極漏電流性能較差的現象， 該柵極制作方法對于小尺寸器件已不再適用，需要對其進行改進優(yōu)化。
[0003] 金屬氧化物半導體晶體管（M0SET)是集成電路中一種重要的基本元器件，其主要 由半導體襯底、柵氧化層、多晶硅柵極、柵極側壁層和源漏摻雜區(qū)組成。
[0004] 圖1是現有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 膜通常為單層結構。
[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進行生 長后的離子注入處理，這是影響該器件性能的關鍵工藝之一。再接著，刻蝕該多晶硅薄膜 103及柵氧化層102,形成柵極；沉積柵極側壁介質層，并刻蝕形成柵極側壁層104 ;最后，以 柵極和柵極側壁層104為掩模進行離子注入，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量對器件性能的影響至關重 要。一方面，其與下層材料之間的交界面質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)結構中，整個浮柵晶 體管單元結構有連續(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，當再生長上控制柵極層時不平整度被 進一步放大。這對產品的可靠性帶來不確定性。
[0009] 此外，在凹形結構中填充多晶硅時，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，對產品性能帶來巨大影響。
[0010] 現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 管低壓化學氣相沉積工藝，其反應機理為：SiH4吸附在硅片表面；SiH4分解為SiH 2 ;SiH2進 一步分解為Si。
[0011] 然而，SiH4在硅表面吸附很慢，限制整個反應速度，圖4是多晶硅薄膜生長厚 度和時間關系示意圖，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行 生長。此外，不同的反應溫度得到的硅結構也不同，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，當反應溫度低于500°C，生長速率太慢而不能用于生長多晶硅，而當反應溫度 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，是本領域技術人員亟待解決的技術問題之 〇


【發(fā)明內容】

[0013] 為了解決上述現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制備方法，以 解決現有多晶硅薄膜制造工藝中，薄膜表面不平整，薄膜內有縫隙、空洞的技術問題。
[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，并放入反應設備內；
[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進一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
[0018] 進一步地，步驟S03包括SiH3分解出SiH2, SiH2進一步分解出Si。
[0019] 進一步地，步驟S02和步驟S03的反應溫度為400-450°C。
[0020] 進一步地，步驟S03中形成的第一多晶硅層厚度為20-100A。
[0021] 進一步地，步驟S02和步驟S03中壓力為0· 3-0. 6Toor。
[0022] 進一步地，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] 進一步地，步驟S04的反應溫度為530_600°C。
[0024] 進一步地，該反應設備為反應爐管，該制備方法采用爐管低壓化學氣相沉積。
[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，吸附系數比硅烷高兩個數量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應初期就有薄 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、特點和優(yōu)點，以下將結合附圖對本發(fā)明的較佳實 施例進行詳細描述，其中：
[0027] 圖1是現有M0S器件制作方法的剖面圖；
[0028] 圖2是現有方法制作浮柵晶體管單元結構的透射電鏡照片；
[0029] 圖3是現有方法多晶硅填充凹形結構的示意圖；
[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系對比圖。

【具體實施方式】
[0033] 第一實施例
[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，并放入反應設備內；
[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進一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
[0038] 本實施例中，乙硅烷分解出的SiH3具有較好的硅表面吸附性，吸附系數比硅烷高 兩個數量級左右，可以在硅襯底表面迅速吸附，在反應初期就有薄膜生成，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系對比圖，從圖中可見，乙硅 烷在反應一開始就生成薄膜，而硅烷有兩分鐘的孕育時間。
[0040] 本實施例中，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，而現有技術利用硅烷分解生成多晶硅薄膜需要超過500°C的反應溫度， 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] 本實施例中，步驟S03包括兩步分解步驟：SiH3分解出SiH2, SiH2進一步分解出 Si。由于需要多步分解步驟且反應溫度較低，一定程度上會生長速率，因此本實施例中步驟 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] 本實施例中，反應設備為反應爐管，本制備方法采用爐管低壓化學氣相沉積。
【權利要求】
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，并放入反應設備內； 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進一步分解，并最終在該襯底上形成第一多晶硅層。
2. 根據權利要求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進一步分解出Si。
3. 根據權利要求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 反應溫度為400-450°C。
4. 根據權利要求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. 根據權利要求1至4任一項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. 根據權利要求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. 根據權利要求6所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：步驟S04的反應溫度 為 530-600 °C。
8. 根據權利要求1所述的多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于：該反應設備為反應爐 管，該制備方法采用爐管低壓化學氣相沉積。
【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