CN101671817B

CN101671817B - 一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法

Info

Publication number: CN101671817B
Application number: CN2008102221164A
Authority: CN
Inventors: 徐强; 蔡明�
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2008-09-09
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2028-09-09
Also published as: CN101671817A

Abstract

本发明公开了一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，对晶圆衬底依次进行稳定化处理、沉积处理、氢去除处理、净化处理和起片处理后，得到晶圆衬底上的薄膜，该方法还包括：在沉积处理和氢去除处理之间进行净化处理。本发明提供的方法在每次沉积晶圆的衬底上薄膜时，去除薄膜表面的氢含量，从而使得最终得到的晶圆衬底上薄膜的张应力增大。

Description

一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，为了设置分立器件和集成电路，需要在晶圆的衬底上沉积不同种类的薄膜。在沉积薄膜的方法中，等离子体增强式化学气相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)是一种常用的方法，该方法利用能量增强化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)反应，得到在晶圆衬底上的薄膜。

图1示出了PEVCD方法的现有装置示意图，该装置为一个PECVD反应炉100。该PECVD反应炉100由圆锥形玻璃或铝构成，上下两端均以铝板封口。圆柱形筒内部有上下两块平行铝板当作电极，上电极101接射频电能，下电极102接地。两电极间的射频电压将产生等离子体放电。晶圆130设置在加热基座120上(中间为下电极102)，可以通过位于加热基座120上的加热器对晶圆130进行加热，反应气体由上电极101周围的进气孔110流入反应炉100内，反应炉100下部接抽气泵(图中未示出)，待反应结束后将反应炉100内的气体从气孔111抽出。

在图1中只是列举出了有一个半导体晶圆130的例子，而实际上，在对晶圆130进行PECVD时，可以不限制晶圆的个数，多个晶圆也可以同时平铺在加热基座120上，进行PECVD反应，分别得到多个晶圆的衬底上薄膜。

图2为现有技术中的PECVD方法流程图，待处理晶圆130的表面为衬底，该衬底可以为硅、或铜、或二氧化硅(SiO₂)、或氟掺杂SiO₂、或碳掺杂SiO₂、或以上材料的混合物。该方法的具体步骤为：

步骤201、将待处理的晶圆130放到反应炉100中的加热基座120上，开始对该晶圆130进行PECVD处理。

步骤202、对该晶圆130进行稳定化处理。

在该步骤中，并不开启反应炉100的射频电能，只是向反应炉100中通入前驱气体，例如三氢化氮(NH₃)、氧化氮(N₂O)和氮气(N₂)等，该步骤大约持续10秒钟，通过这个步骤，在反应炉100内形成了均匀而稳定的前驱气体氛围，也可以使待处理的晶圆130表面和其周围的前驱气体有了充分而均匀的接触。

步骤203、对该晶圆130进行沉积处理。

在该步骤中，打开射频电能，继续通入前驱气体，同时通入反应气体，如四氢化硅(S_iH₄)、三甲基硅烷、四甲基硅烷等。射频电能开启，使得反应炉100中产生等离子体。反应气体在等离子体能量和热能的综合作用下，发生离子化，所生成的S_i悬挂键和生成的氧离子、氮离子、氢离子等不饱和基团发生反应，生成了氮化硅(S_iN)、SiO₂或氢氧化硅(S_iON)等沉积层，沉积在晶圆的衬底表面上，形成S_iN、SiO₂或S_iON等薄膜。

步骤204、对已经生成薄膜的该晶圆130进行氢去除处理。

在该步骤中，打开射频电能，通入含氮的反应气体，使得反应炉100中产生离子体。反应气体在等离子体能量和热能的综合作用下，发生离子化，所生成的N离子和反应炉100中的H离子反应，即采用N离子去轰击具有H离子的化合物，使具有H离子的化合物的H离子键断裂，从而去除反应炉100中的氢含量。

为了使晶圆衬底上的薄膜厚度符合要求，常常需要多次重复步骤202～步骤204，如需要达到的薄膜厚度为450埃，由于每一次只能沉积薄膜的厚度为30埃左右，为了增加薄膜厚度，所以需要重复执行步骤202～步骤204十五次。

步骤205、对最终生成薄膜的该晶圆130进行净化处理。

在该步骤中，关闭反应炉100中的射频电能，停止前驱气体和反应气体的通入，采用抽气的方式将反应炉100中的所有气体抽走，这个步骤可以去除该晶圆130衬底上的薄膜表面的游离态的氢。

步骤206、对已经生成薄膜的该晶圆130从反应炉100中取出。

该步骤完成对该晶圆衬底上的薄膜沉积。

步骤207、对反应炉100进行抽气。

在该步骤中，用抽气泵再次将反应炉100中的剩余气体抽出反应炉100，保证反应炉100洁净。

在沉积晶圆衬底上的薄膜时，反应炉100中的氢含量会影响所得到薄膜的张应力，而晶圆衬底上的薄膜张应力又和最终用晶圆制造的IC的电迁移率(Mobility)特性息息相关，IC的电迁移率和IC的驱动电流成正比。也就是说，在晶圆衬底上沉积同等薄膜厚度的情况下，反应炉100中的氢含量越多，包括每次沉积时晶圆衬底上薄膜表面的氢含量，最终沉积得到的晶圆衬底上的薄膜张应力越小，最终用晶圆制造的IC的Mobility特性越差，导致最终用晶圆制造的IC的驱动电流性能也越差。因此，如何去除反应炉100中的氢气含量，特别是每次沉积时晶圆衬底上薄膜表面的氢含量成为了亟待解决的问题。

根据图2所述的过程可以得知，目前采用步骤204进行反应炉100中的氢去除，及采用步骤205对晶圆的衬底上薄膜表面的氢去除。但是，这种方法无法每次在沉积晶圆衬底上的薄膜时，即步骤202～204，去除晶圆衬底上的薄膜表面的，也就是反应炉100中的游离状态的氢，从而影响了最终得到的晶圆衬底上薄膜的张应力不够，导致最终用晶圆制造的IC的的Mobility特性降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，该方法能够在每次沉积晶圆的衬底上薄膜时，去除薄膜表面的氢含量，从而使得最终得到的晶圆衬底上薄膜的张应力增大。

根据上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，对晶圆衬底依次进行第一稳定化处理、沉积处理、氢去除处理、第一净化处理和起片处理后，得到晶圆衬底上的薄膜，该方法还包括：

在沉积处理和氢去除处理之间进行第二净化处理；

所述第一稳定化处理为向放置晶圆的反应炉中通入前驱气体；

所述第一净化处理及第二净化处理都为采用抽气的方式将放置晶圆的反应炉中的所有气体抽走，去除该晶圆衬底上的薄膜表面的游离态的氢。

所述进行第二净化处理之后，所述进行氢去除处理之前，该方法还包括：

进行第二稳定化处理；

所述第二稳定化处理为向放置晶圆的反应炉中通入前驱气体。

所述沉积处理、所述第二净化处理、所述第二稳定化处理及氢去除处理，根据所述得到晶圆衬底上的薄膜厚度，重复执行。

所述晶圆衬底为硅、或铜、或二氧化硅SiO₂、或氟掺杂SiO₂、或碳掺杂SiO₂、或以上材料的混合物。

从上述方案可以看出，本发明提供的方法在每次沉积晶圆衬底上的薄膜过程中，增加了净化处理过程，从而在每次沉积晶圆的衬底上薄膜时，去除薄膜表面的氢含量，从而使得最终得到的晶圆衬底上薄膜的张应力增大，提高最终用晶圆制造的IC的Mobility特性。

附图说明

图1为PEVCD方法的现有装置示意图；

图2为现有技术中的PECVD方法流程图；

图3为反应炉100中的氢含量和得到晶圆衬底上的薄膜张应力之间的关系示意图；

图4为本发明提供的PECVD方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下举具体实施例并参照附图，对本发明进行进一步详细的说明。

如图3所示，图3为反应炉100中的氢含量和得到晶圆衬底上的薄膜张应力之间的关系示意图，其中，横坐标为晶圆衬底上的薄膜张应力数值(单位为MPa)，纵坐标为对应的反应炉100中的相对氢含量(单位为％)，这是一个相对值，并不是十分准确。从图3中可以看出，对于同一厚度的晶圆衬底上的薄膜，在进行沉积薄膜过程中，反应炉100中的氢含量越少，得到晶圆衬底上的薄膜的张应力越大。因此，对于沉积同一厚度的晶圆衬底上的薄膜时，如何减小反应炉100中的氢含量，从而使最终得到的晶圆衬底上的薄膜的张应力提高，是解决问题的关键所在。

本发明就是采用在每次沉积晶圆衬底上的薄膜过程中，增加净化处理步骤，从而在每次沉积晶圆的衬底上薄膜时，去除薄膜表面的氢气，从而使得最终得到的晶圆衬底上薄膜的张应力增大，提高最终用晶圆制造的IC的的电迁移率特性。

本发明提供的方法仍然采用图1所示的反应炉100进行说明。

图4为本发明提供的PECVD方法流程图，待处理晶圆130的表面为衬底，该衬底可以为硅、或铜、或二氧化硅(SiO₂)、或氟掺杂SiO₂、或碳掺杂SiO₂、或以上材料的混合物。该方法的具体步骤为：

步骤401、将待处理的晶圆130放到反应炉100中的加热基座120上，开始对该晶圆130进行PECVD处理。

步骤402、对该晶圆130进行稳定化处理。

在该步骤中，并不开启反应炉100的射频电能，只是向反应炉100中通入前驱气体，例如NH₃、N₂O和N₂等，该步骤大约持续10秒钟，通过这个步骤，在反应炉100内形成了均匀而稳定的前驱气体氛围，也可以使待处理的晶圆130表面和其周围的前驱气体有了充分而均匀的接触。

步骤403、对该晶圆130进行沉积处理。

在该步骤中，打开射频电能，继续通入前驱气体，同时通入反应气体，如S_iH₄、三甲基硅烷、四甲基硅烷等。射频电能开启，使得反应炉100中产生等离子体。反应气体在等离子体能量和热能的综合作用下，发生离子化，所生成的S_i悬挂键和生成的氧离子、氮离子、氢离子等不饱和基团发生反应，生成了S_iN、S_iON等沉积层，沉积在晶圆的衬底表面上，形成S_iN、SiO₂或S_iON等薄膜。

步骤404、对已经生成薄膜的该晶圆130进行净化处理。

在该步骤中，关闭反应炉100中的射频电能，停止前驱气体和反应气体的通入，采用抽气的方式将反应炉100中的气体，这个步骤可以去除该晶圆130衬底上的薄膜表面的游离态的氢，也就是将反应炉100中的游离态的氢去除。

该步骤也同时可以对反应炉100中的其他气体抽气，净化了反应炉100。

步骤405、对已经生成薄膜的该晶圆130进行稳定化处理。

在该步骤中，由于在步骤304进行了抽气处理，导致反应炉100中的气压变低，所以无法形成均匀而稳定的前驱气体氛围，无法使已经生成薄膜的该晶圆130和其周围的前驱气体有充分而均匀的接触。因此，需要按照步骤402的方法重新进行稳定化处理后，才能在该环境下对具有氢离子的化合物进行去氢处理。

步骤406、对已经生成薄膜的该晶圆130进行氢去除处理。

在该步骤中，打开射频电能，通入含氮的反应气体，使得反应炉100中产生离子体。反应气体在等离子体能量和热能的综合作用下，发生离子化，所生成的N离子和反应炉100中的H离子反应，即采用N离子轰击具有H离子的化合物，使具有H离子的化合物的H离子键断裂，从而进一步去除反应炉100中的氢含量。

为了使晶圆衬底上的薄膜厚度符合要求，常常需要多次重复步骤402～步骤406，如需要达到的薄膜厚度为450埃，由于每一次只能沉积薄膜的厚度为30埃左右，为了增加薄膜厚度，所以需要重复执行步骤402～步骤406十五次。

步骤407、对已经生成薄膜的该晶圆130进行净化处理。

在该步骤中，关闭反应炉100中的射频电能，停止前驱气体和反应气体的通入，采用抽气的方式将反应炉100中的剩余气体抽走，这个步骤去除了该晶圆130衬底上的薄膜表面的氢气。

步骤408、对已经生成薄膜的该晶圆130从反应炉100中取出。

该步骤完成对该晶圆衬底上的薄膜沉积。

步骤409、对反应炉100进行抽气。

从图4可以看出，本发明在每一次对晶圆衬底上的薄膜沉积时，增加了净化步骤，从而消除了该薄膜表面上的氢含量，即在沉积晶圆衬底上的薄膜过程中使反应炉100中的氢含量进一步减少，使得最终得到的晶圆衬底上的薄膜张应力增大，提高最终用晶圆制造的IC的的电迁移特性。

为了验证本发明提供的方法效果，分别采用图2所述的方法以及图4所述的方法对晶圆衬底上的薄膜沉积过程重复15次，沉积生成450埃左右厚度的晶圆衬底上的薄膜，得到的结果如表一所示：

	厚度(埃)	张应力(Gpa)
			图2所述的方法	457	1105
图4所述的方法	438	1211

表1

在对晶圆衬底上的薄膜沉积过程都重复15次的情况下，由于图4所述的方法每次薄膜沉积过程都进行净化处理，抽吸了反应炉100中的气体，最终得到的薄膜厚度比采用现有技术图2所述的方法最终得到的薄膜厚度小，可以看出，在相同的时间内，采用图4所述的方法得到的晶圆衬底上的薄膜厚度小于采用图2所述的方法得到的晶圆衬底上的薄膜厚度。这也是每次薄膜沉积过程都进行净化处理，减少反应炉100的氢含量带来的效果。但是，即使在最终得到的薄膜厚度小的情况下，本发明图4所述方法得到的晶圆衬底上的薄膜的张应力也高于现有图2所述方法得到的晶圆衬底上的薄膜的张应力，从而提高了最终用晶圆制造的IC的电迁移率。

因此，可以推出，在沉积得到相同厚度的晶圆衬底上的薄膜时，采用图4所述的方法得到的晶园衬底上的薄膜的张应力远远大于现有图2所述方法得到的晶圆衬底上的薄膜的张应力。这样就保证了沉积相同厚度的晶圆衬底上的薄膜时，采用图4的方法比采用图2所示的方法得到的晶圆，制造IC的电迁移率高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，对晶圆衬底依次进行第一稳定化处理、沉积处理、氢去除处理、第一净化处理和起片处理后，得到晶圆衬底上的薄膜，其特征在于，该方法还包括：

在沉积处理和氢去除处理之间进行第二净化处理；

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行第二净化处理之后，所述进行氢去除处理之前，该方法还包括：

进行第二稳定化处理；

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述沉积处理、所述第二净化处理、所述第二稳定化处理及所述氢去除处理，根据所述得到晶圆衬底上的薄膜厚度，重复执行。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶圆衬底为硅、或铜、或二氧化硅SiO₂、或氟掺杂SiO₂、或碳掺杂SiO₂、或以上材料的混合物。