[发明专利]通过控制气相瞬态物种形成的薄膜沉积工艺

说明书

提供了一种用于在基板上沉积薄膜的方法。该方法包括提供包含一个或多个构成薄膜的元素的源前体，从源前体产生瞬态物种，以及从该瞬态物种将薄膜沉积到基板上。瞬态物种是反应性中间体，在室温或高于室温的冷凝相中具有有限的寿命。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月2日提交的美国临时专利申请号62/713,829和2018年8月14日提交的美国临时专利申请号62/718,424的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

发明背景

本发明涉及用于薄膜沉积的方法，包括化学气相沉积(CVD)，原子层沉积(ALD)和其他气相沉积技术，例如分子层沉积(MLD)和自组装单层(SAM)沉积，其允许通过控制气相和/或表面中间体的形成，在基板上以精确的组成，形态，结构和厚度形成薄膜。

向更小，更质密，更实用的半导体和异质器件结构的不断增长的驱动力，要求显著减少涉及生长此类结构所需的各种处理步骤的热预算。这次的减少不仅仅是此种结构的不断变薄的不同薄膜建筑区域的热脆特性，还包括以下对于新材料的运用：半导体建筑、多元化合物、和高掺杂材料(热脆的，并且会损失其完整性、改变其性质和性能，和/或与周边子结构不良反应)。另外，引入更柔性的，通常为碳基的基板，例如塑料或聚合物基板，进一步使加工温度应变。

在这样的关键应用中，外延硅(e-Si)的化学气相沉积(CVD)已成为通过增加Si矩阵中嵌入的锗(Ge)浓度来实现金属氧化物半导体场效应晶体管性能提高的重要组成部分。由于由非比例栅长度引起的器件面积的不成比例的减小，在减小尺寸的情况下，仍需要嵌入式SiGe(e-SiGe)系统中进一步的应变增强。这种增强要求将CVD e-SiGe处理温度降低到600℃以下，以消除硅薄膜沉积过程中的结构缺陷，并采用更高阶的全氢硅烷，例如丙硅烷。但是，与硅烷和乙硅烷相比，由于具有更高的反应活性和更低的离解能，发现丙硅烷会生成气相颗粒。例如，这种担心需要在沉积过程中降低反应区中的丙硅烷的分蒸气压，这又导致生长速率的降低。发现正丁硅烷的沉积在改善的生长速率下提供了良好的膜质量，但是沉积窗口的下限为650℃。

在又一关键应用中，钴(Co)薄膜和超薄薄膜结构的CVD或ALD在各种工业领域中发现了无数新应用。尤其是，金属钴膜在集成电路(IC)器件的可靠性中起着关键作用，因为金属钴膜显示出更高的抗电迁移能力和较低的扩散趋势，从而使它们相对于铜(Cu)在同时涉及高温和高电流密度感应应力的环境中，具有更高的比较稳定性。这些特性迫使人们考虑在集成电路系统中的大量应用，无论是传统体系结构还是与钴磁偶极矩相关的新型系统(例如自旋电子和巨磁阻(GMR)器件)。IC器件制造采用了钴在纳米级金属化架构中的应用。

IC技术的另一个优势在于，Co薄膜可以充当电镀钴的种子层，并进行沉积后转化为二元元素化合物，例如硅化钴，硫化钴，氧化钴和金属合金。例如，由于更宽的硅化窗口，硅化钴(CoSi₂)转化膜正在成为自对准硅化(盐化硅)应用中硅化钛的可行替代品，这与产生更细的线型几何形状的要求是一致的。这些商业用途不仅引起人们对在优化和了解Co膜生长工艺及其产生的特性的极大兴趣，而且还扩大了其在未来IC产品中的使用。金属钴和含钴膜(例如氧化物，硫化物，硅化物和氮化物)的其他用途包括磁光记录介质，数据存储，传感器技术，用于生长碳纳米管和自对准纳米线的催化剂，用于光学设备的反射薄膜并且更广泛地用作抗菌，装饰，防护和耐磨涂料。

其他关键应用包括金属和半导体的CVD和ALD，例如铜(Cu)，钌(Ru)，钽(Ta)，钛(Ti)，钨(W)及其氮化物，硅化物，氧化物和碳化物，其中适合的，和电介质，有机和绝缘膜的CVD，ALD，MLD和SAM沉积。

因此，非常需要提供一种通过控制气相瞬态物种的形成来沉积薄膜的低温工艺，以实现精确的膜组成，形态，结构和厚度。

发明内容