[发明专利]在薄膜晶体管器件上制备含硅膜的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年3月9日提交的美国临时专利申请序列号61/608,955的优先权权益。

发明背景

本文公开了制备用于各种电子应用中的含硅膜(例如但不限于，化学计量或非化学计量的氧化硅或二氧化硅(SiO₂)膜)的方法和组合物。

因为它们的介电性能，氧化硅薄膜常被用作半导体制造中的电介质。在硅基半导体器件的制造中，氧化硅膜可用作栅极绝缘层、扩散掩模、侧壁间隔物、硬掩模、抗反射涂层、钝化和封装以及多种其它用途。氧化硅膜对于其它复合半导体器件的钝化也变得越来越重要。

除硅和氧外，二氧化硅膜中还可能存在其它元素。这些其它元素有时可有意加到组成混合物和/或沉积过程中，具体取决于膜的最终应用或期望的最终性质。例如，可向氧化硅膜中添加元素氮(N)以形成可提供一定的介电性能如较低的漏电流的氮氧化硅膜。可向氧化硅膜中添加元素锗(Ge)以提供可降低膜的沉积温度的Ge掺杂SiO₂。还可向氧化硅膜中添加其它元素如硼(B)或碳(C)以提高耐蚀刻性。在其它情况下，元素可能在沉积工艺过程中作为杂质引入。例如，如果使用有机前体，则可能向所得膜中引入碳(C)和/或氢(H)。

对于若干应用来说，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺以在比热CVD低的温度下产生氧化硅膜。四乙氧基硅烷或TEOS(分子式Si(OC₂H₅)₄)为用于经由PECVD沉积氧化硅膜的常见前体。其通常与高流量的氧源如O₂或O₃组合使用以最小化沉积的膜中的残余碳污染。TEOS以稳定、惰性、高蒸气压的液体供给，并且危险性比其它前体如硅烷(SiH₄)低。

出于各种原因如成本(例如，能够使用较便宜的衬底)和热预算(例如，由于温度敏感的高性能膜的集成)，一般倾向于较低的沉积温度或400℃以下的沉积温度。另外，对于使用TEOS经由PECVD沉积的膜来说，在这些较低的沉积温度下，间隙填充性(gapfill)和保形性(conformality)将较好。然而，这些膜的质量较差。在这一点上，TEOS-沉积膜不具有化学计量的组成，是富氢的，并因此具有低的膜密度和快的蚀刻速率。这些膜在热和/或电应力下的性能(例如，退火后的漏电流和击穿电压或偏压温度应力(bias temperature stressing)下的平带电压偏移)相应地较差。因此，需要在比TEOS低的沉积温度范围下沉积但提供更好质量的氧化硅或二氧化硅膜的替代前体。

用于平板显示器的薄膜晶体管(TFT)得益于较低的加工温度，以致可使用替代的衬底(比当前的玻璃轻且廉价)。因此，等离子体增强化学气相沉积(PECVD)已作为沉积用于TFT的膜的优选方法出现。AOS(非晶氧化物半导体)正作为用于TFT的a-Si替代物快速出现，其将赋予更高的性能并且可以较低的T加工。铟镓锌氧化物(IGZO)和变型为主要的候选物。可选的AOS材料包括ITZO、AlInOx、ZTO、ZnON和MgZnO。IGZO材料具有<350℃的温度限制。新型栅极金属也可能具有温度限制。此外，对于塑料衬底，期望进一步降低加工温度至<200℃，而由标准前体如硅烷或TEOS沉积的PECVD膜不能平衡所有的需求如密度、电品质和保形性。因此，需要可与沉积和工艺工程方法一起工作的替代前体化学物质以在较低的沉积温度下产生高质量的TFT膜。

在硅氧化物的情况下，TEOS(原硅酸四乙酯)是用于经由PECVD形成氧化硅或二氧化硅膜的优选液体前体并通常与氧反应。然而，J.K.Lee等人标题为“P-1:The Application of Tetraethoxysilane(TEOS)Oxide to a-Si:H TFTs as the Gate Insulator”,ISSN 0098-0966X/98/2901(1998)的参考文献(“Lee等人”)描述了具有四乙氧基硅烷(TEOS)沉积的氧化物作为栅极绝缘体的底栅极a-Si:H薄膜晶体管(TFT)的用途。在Lee等人的文章中，在300℃下沉积的TEOS氧化物膜具有两倍于通过PECVD制得的SiNx膜的高击穿强度。作者在表2中证实，TEOS 1800A/SiNx 500A层叠体比厚得多的Al₂O₃1000A/SiNx 4000A层叠体具有更好的TFT性能。根据作者的结论，可通过减小总栅极绝缘体厚度来提高生产率(在生产量方面)而不降低产率。