一种氮化硼原子层选择性沉积的方法、设备及半导体器件与流程

本技术涉及半导体，特别涉及一种氮化硼原子层选择性沉积的方法、设备及半导体器件。

背景技术：

1、在半导体制造过程中，随着集成密度的增加，电阻电容延迟也逐渐提高，因此对低介电常数材料的需求日益迫切。氮化硼材料由于其具有很低的介电常数，较强的械性能，金属扩散阻挡性能和抗刻蚀性能具有很高的应用潜力和较多的应用场景。

2、在具有沟槽或通孔的衬底表面沉积氮化硼常采用的是化学气相沉积工艺。由于原子层沉积工艺控制更精细，填充能力更强，具有更多不同应用场景，目前渐渐开始尝试用原子层沉积工艺沉积氮化硼。但基于目前的化学气相沉积工艺和原子层沉积工艺，均只能在包括沟槽或通孔侧壁在内的所有表面沉积氮化硼，即只能实现保形性生长，而无法只在除沟槽或通孔侧壁以外的表面沉积氮化硼，即无法实现氮化硼底部选择性生长。

技术实现思路

1、本技术公开了一种氮化硼原子层选择性沉积的方法、设备及半导体器件，用于解决无法实现氮化硼薄膜底部选择性生长的问题。

2、第一方面，本技术提供了一种氮化硼原子层选择性沉积的方法，包括：当工艺腔室的工艺参数满足第一预设条件时，控制第一含氮等离子体与第一含硼前驱体发生反应，以在衬底的表面沉积氮化硼薄膜；

3、其中，所述工艺参数包括所述第一含氮等离子体的组分、第一射频功率和第一压强；所述第一预设条件为：所述第一含氮等离子体包括第一含氮反应气体的等离子体和第一载气的等离子体，所述第一含氮反应气体包括nh3、n2或n2h4中的至少一种；所述第一载气包括h2、ar或he中的至少一种；所述第一射频功率为100w~4000w，所述第一压强为0.1mtorr~1torr。

4、本技术基于等离子体增强原子层沉积工艺，通过调节第一含氮等离子体的组分，可以控制氮活性物种的离解程度，例如：第一含氮等离子体的组分包括第一含氮反应气体（如nh3）与第一载气（如h2），增加h2比例会增强对nh3的还原作用，生成更多高活性的含氮自由基；将第一射频功率调节为100w~4000w，可以使电子能量增加，导致更多nh3分子离解为n+和h+，同时含硼前驱体（如bcl3）的离解效率提升，形成大量的含硼活性物种；通过将第一压强调节为大于0.1mtorr并小于1torr（其中1torr≈133.322pa‌），使含硼活性物种的平均自由程增大，延长了含硼活性物种的运动路径，含硼活性物种更易沿电场方向到达衬底底部的微结构（如沟槽或通孔），含硼活性物种与含氮自由基在衬底底部的微结构（如沟槽或通孔）发生反应，从而实现氮化硼薄膜在衬底具有微结构的一侧除微结构侧壁以外的表面的选择性沉积，选择性地沉积氮化硼薄膜可以改善电学性能，例如降低漏电流、增强绝缘性能，从而提高半导体元件的可靠性和稳定性‌。

5、在一些可能的实施方式中，在所述控制所述第一含氮等离子体与所述第一含硼前驱体发生反应之前，还包括：向所述工艺腔室内通入惰性气体；使所述惰性气体吹扫所述衬底，直至所述工艺腔室的压强恢复至初始值。本技术在反应前后通入惰性气体吹扫，使工艺腔室压强快速恢复初始值，可以有效清除未反应的含硼前驱体和副产物，避免交叉污染导致的氮化硼薄膜纯度下降。

6、在一些可能的实施方式中，在所述向所述工艺腔室内通入所述惰性气体之前，还包括：使用所述惰性气体作为所述第一含硼前驱体输送的载体，将所述第一含硼前驱体稳定传输至所述衬底表面，以使所述第一含硼前驱体在压力与时间的乘积为0.1~1torr s的条件下进行饱和吸附。本技术以惰性气体为载气输送含硼前驱体，压力与时间的乘积控制在0.1~1torr s，确保前驱体在衬底表面形成单层饱和吸附，可以提升氮化硼薄膜厚度的均匀性和表面粗糙度。

7、在一些可能的实施方式中，所述惰性气体为氩气或/和氦气。本技术限定惰性气体为氩气或氦气，利用其高扩散系数和低反应活性，可以提高吹扫效率，同时避免载气与含硼前驱体发生副反应，可以提高氮化硼薄膜纯度。

8、在一些可能的实施方式中，在所述使用所述惰性气体作为所述第一含硼前驱体输送的载体，将所述第一含硼前驱体稳定传输至所述衬底表面之前，还包括：将所述第一含硼前驱体的源瓶温度调节至0°c~50°c以及将所述工艺腔室内的温度调节至100°c~500°c。本技术将含硼前驱体温度控制在0°c~50°c，可以抑制气相分解，衬底温度调节至100°c~500°c，促进表面反应动力学，可以实现低温高效沉积。

9、在一些可能的实施方式中，在所述使用所述惰性气体作为所述第一含硼前驱体输送的载体，将所述第一含硼前驱体稳定传输至所述衬底表面之前，还包括：采用scl、hf、spm或乙醇对所述衬底进行湿法清洗，并向所述工艺腔室内提供清洗后的所述衬底；或，采用n2、h2、nh3或ar的等离子体对所述衬底进行干法处理，并向所述工艺腔室内提供处理后的所述衬底。本技术通过湿法（scl/hf/spm/乙醇）或干法（n2/ h2/ nh3/ar等离子体）预处理衬底，去除衬底表面的物质，可以提升氮化硼薄膜附着力。

10、在一些可能的实施方式中，氮化硼原子层选择性沉积的方法还包括：当所述工艺参数满足第二预设条件时，控制第二含氮等离子体与第二含硼前驱体发生反应，以在所述衬底的表面沉积所述氮化硼薄膜；其中，所述工艺参数包括所述第二含氮等离子体的组分、第二射频功率和第二压强；所述第二预设条件为：第二含氮等离子体的组分与所述第一含氮等离子体的组分相同，第二射频功率与所述第一射频功率相同，第二压强大于所述第一压强；或，第二含氮等离子体的组分与所述第一含氮等离子体的组分不同，第二射频功率与所述第一射频功率相同，第二压强等于所述第一压强。本技术在相同含氮等离子体的组分和射频功率下，通过提高压强（即使第二压强＞第一压强）可以切换至保形沉积模式，提高了氮化硼薄膜的‌台阶覆盖率；在相同射频功率和压强下，通过改变含氮等离子体的组分也可以切换至保形沉积模式，也提高了氮化硼薄膜的‌台阶覆盖率。

11、在一些可能的实施方式中，所述第一含硼前驱体或第二含硼前驱体均包括氨硼烷、硼嗪或以硼为中心原子以取代氨基为配体的化合物；所述化合物包括三(二甲基氨基)硼烷、三(甲基乙基氨基)硼烷或三(二乙基氨基)硼烷。本技术中氨基硼烷类前驱体（如氨硼烷、硼嗪或三(二甲基氨基)硼烷等）的b~n键解离能显著低于传统卤化物，使其在较低温度（100°c~400°c）即可裂解生成活性硼物种。相较于传统bcl3需＞500°c的高温工艺，本技术可以实现低温沉积，从而可以减少对衬底的热损伤。

12、在一些可能的实施方式中，所述氮化硼薄膜的生长速率由所述工艺腔室的温度、所述第一含氮等离子体的流速或所述第二含氮等离子体的流速、所述第一射频功率或所述第二射频功率、所述工艺腔室的h2含量确定。本技术通过温度、流速、射频功率及h2含量的多维度协同控制，可以实现氮化硼薄膜生长速率的连续可调。

13、第二方面，本技术提供了一种氮化硼原子层选择性沉积设备，采用上述的方法在衬底表面沉积氮化硼薄膜。本技术采用上述氮化硼原子层选择性沉积的方法，同样具有上述有益效果。

14、第三方面，本技术提供了一种半导体器件，包括：衬底；位于所述衬底表面的氮化硼薄膜，所述氮化硼薄膜通过上述的方法形成。本技术中形成的氮化硼薄膜具有低介电常数，可以降低半导体器件电阻电容延迟，同时还具有高抗刻蚀性能。通过在衬底表面选择性地沉积氮化硼薄膜可以改善电学性能，例如降低漏电流、增强绝缘性能，从而提高半导体器件的可靠性和稳定性。