CN102560416B

CN102560416B - 一种在晶片上生长含碳薄膜的方法

Info

Publication number: CN102560416B
Application number: CN201010615163.2A
Authority: CN
Inventors: 徐强
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2030-12-30
Also published as: CN102560416A

Abstract

本发明提供一种在晶片上生长含碳薄膜的方法，所述方法使用带有气体分流盘的反应室，且气体分流盘的气体分流面朝向反应室内，气体分流面具有气体分流孔，包括：a）经由气体分流孔向反应室内通入反应气体，以在气体分流面上生长牺牲薄膜，其中，生长牺牲薄膜的方法为等离子体增强化学气相沉积法；b）将晶片放入反应室内，经由气体分流孔向反应室内通入含碳气体以在晶片上生长含碳薄膜；c）移出晶片，并去除牺牲薄膜。本发明的方法能够防止高能量的等离子体对气体分流盘造成损伤，从而在既能彻底去除有机残留物的同时，又能避免损伤气体分流盘，从而既防止晶片遭受污染，又能提高生产含碳薄膜机器的使用寿命，从而提高生产效率、降低生产成本。

Description

一种在晶片上生长含碳薄膜的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造工艺，更特别地，本发明涉及一种在晶片上生长含碳薄膜的方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，互联电阻电容（RC）延迟逐步增大。为了减少RC延迟和改善半导体器件的性能，通常在位于半导体之间的介电材料层中广泛采用低介电常数（k）材料。然而，随着特征尺寸的不断减小和金属连线高宽比的不断增加，以及层数增加引起的层间寄生电容的加大，往往导致互连电容的快速上升和产生额外的互连延时，影响电路速度的提高。传统的低k材料已不能满足需求。

因此，目前广泛采用在低k材料中掺杂碳的方法来降低k值以获得可接受的RC延迟。以90nm及以下的后端连线互联结构工艺为例，以碳氮化硅薄膜为原料的刻蚀停止层的k值相比于不含碳的刻蚀停止层的k值降低了约30%。

通常在一种称为生长含碳薄膜机器（carbon content film deposition tool）的设备上生长含碳薄膜（即，含碳元素的薄膜）。所述生长含碳薄膜的机器为一个带有气体分流盘的反应室，且所述气体分流盘的气体分流面朝向所述反应室内，气体分流面具有气体分流孔，所述反应气体通过气体分流孔均匀扩散到反应室内以在晶片上生长含碳薄膜。在含碳薄膜生长结束后，用等离子体对反应室及气体分流盘进行清洗。

但是，在薄膜生长期间，由于碳元素的存在，使得在用等离子体对反应室进行清洗时会生成一些长碳链的有机残留物。在清洗完成后，这些有机残留物会附着在反应室内壁和气体分流面上，从而当在下一批晶片上生长含碳薄膜时，附着在气体分流面上的有机残留物可能会落下导致污染晶片，并可能阻塞气体分流孔从而影响反应气体的扩散，进而影响生产效率。因此需要采用能量比较高的等离子体将所述有机残留物完全去除。但是，由于去除速率不同，往往导致位于气体分流面中部的有机残留物的去除速率较边缘更快，从而使得在将边缘处有机残留物完全去除的同时，会损伤气体分流面的中部，最终使得气体分流盘不可用。

因此，有必要对现有的含碳薄膜的生长方法进行改进，以在生产出合格晶片和提高生产效率的同时，降低对气体分流盘的损伤，从而提高生产含碳薄膜机器的使用寿命。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述缺点，本发明提出一种在晶片上生长含碳薄膜的方法，所述方法使用带有气体分流盘的反应室，且所述气体分流盘的气体分流面朝向所述反应室内，所述气体分流面具有气体分流孔，所述方法包括：

a）经由所述气体分流孔向所述反应室内通入反应气体，以在所述气体分流面上生长牺牲薄膜，其中，生长所述牺牲薄膜的方法为等离子体增强化学气相沉积法；

b）将晶片放入所述反应室内，经由所述气体分流孔向所述反应室内通入含碳气体以在所述晶片上生长所述含碳薄膜；和

c）移出所述晶片，并去除所述牺牲薄膜。

进一步地，所述牺牲薄膜为SiO₂。

进一步地，所述反应气体为由SiH₄和N₂O组成的混合气体。

进一步地，所述SiH₄的流量为50~500sccm，所述N₂O的流量为1000~20000sccm。

进一步地，所述牺牲薄膜为SiN。

进一步地，所述反应气体为由SiH₄和NH₃组成的混合气体。

进一步地，所述SiH₄的流量为50~500sccm，所述NH₃的流量为1000~20000sccm。

进一步地，所述牺牲薄膜的厚度为1000~10000埃。

进一步地，所述牺牲薄膜的厚度为5000~6000埃。

进一步地，步骤a）的温度范围为300~450℃。

进一步地，步骤a）的功率范围为300~1500W。

进一步地，步骤a）的反应压力为2~6Torr。

进一步地，步骤a）的反应时间为5~15秒。

进一步地，步骤c）包括：

用频率为10~16MHz，功率为500~1500W的等离子体对所述反应室进行清洗。

进一步地，清洗时间为10~100秒。

综上所述，本发明的在晶片上生长含碳薄膜的方法先在反应室内形成一层容易清洗的薄膜作为牺牲薄膜，以使有机残留物生长在牺牲薄膜的表面而不与气体分流盘直接接触，这样在用高能量的等离子体对气体分流盘进行清洗时，牺牲薄膜能够防止高能量的等离子体对气体分流盘造成损伤，从而在既能彻底去除有机残留物的同时，又能避免损伤气体分流盘，从而既防止晶片遭受污染，又能提高生产含碳薄膜机器的使用寿命，从而提高生产效率、降低生产成本。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1所示为根据本发明优选实施方式的在晶片上生长含碳薄膜的方法。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便说明本发明是一种在晶片上生长含碳薄膜的方法。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

[优选实施方式]

以下参考图1对根据本发明的优选实施方式在晶片上生长含碳薄膜的方法进行详细描述。

本发明的含碳薄膜优选地在一种称为生长含碳薄膜机器（carbon content film deposition tool）的设备上生长。所述生长含碳薄膜机器的设备具有带有气体分流盘的反应室，该气体分流盘的气体分流面朝向反应室，气体分流面具有多个气体分流孔，各种气体通过气体分流孔扩散到反应室内进行反应。但本领域技术人员可以理解的是，在现有的普通反应室上连接含碳元素的反应气体（TMS）管路后，也可以用该普通反应室来生成含碳薄膜。下面以生长含碳薄膜机器的设备为例来说明本发明的原理。

首先，在步骤S101中，经由气体分流孔向反应室内通入反应气体，以在所述气体分流面上生长牺牲薄膜。通常采用等离子体增强化学气相沉积法生长牺牲薄膜。

作为示例，所述牺牲薄膜可以为SiO₂薄膜。

在这种情况下，向反应室内通入由SiH₄和N₂O组成的混合气体作为反应气体。其中，为了较均匀地在反应室内生长牺牲薄膜，将SiH₄的流量设定为50~500sccm，例如，100sccm，150sccm，400sccm等，优选地为200~300sccm；将N₂O的流量设定为1000~20000sccm，例如，5000sccm，12000sccm，18000sccm，优选地为10000~15000sccm。其中，sccm是标准状态下，也就是1个大气压、25摄氏度下每分钟1立方厘米（1ml/min）的流量。

作为示例，所述牺牲薄膜还可以为SiN薄膜。

在这种情况下，向反应室内通入由SiH₄和NH₃组成的混合气体作为反应气体。其中，为了较均匀地在反应室内生长牺牲薄膜，将SiH₄的流量设定为50~500sccm，例如，100sccm，150sccm，400sccm等，优选地为200~300sccm；将NH₃的流量设定为1000~20000sccm，例如，5000sccm，12000sccm，18000sccm，优选地为10000~15000sccm。

作为示例，牺牲薄膜不能太薄也不能太厚，太薄起不到保护气体分流盘的目的，太厚又可能阻塞分流孔。为此，将所述牺牲薄膜的厚度设定为1000~10000埃，例如，3000埃，4000埃，7000埃，8000埃等，优选地为5000~6000埃。

需要注意的是，本领域技术人员可以理解的是，还可以根据晶片生产的实际情况，例如含碳薄膜的种类、厚度，牺牲薄膜的种类、厚度，生产时间等选择其他合理的数值。

还需要注意的是，由于SiO₂和SiN比较容易生成，而且其较容易被等离子体去除，所以在优选的条件下，选择SiO₂和SiN作为牺牲薄膜。但是，对于本领域技术人员来讲显而易见的是，还可以选择其他材料，例如各种氧化物、氮化物等，作为牺牲薄膜。

作为示例，为了获得满足要求的牺牲薄膜，此阶段整个反应室的温度设定为300~450℃，例如，380℃，420℃等，优选地为350~400℃；功率设定为300~1500W，例如，600W，1200W等，优选地为800~1000W；反应压力设定为2~6Torr，例如，3Torr，5Torr等；反应时间为5~15秒，例如，10秒，优选地为8~12秒。

然后，在步骤S102中，将晶片放入所述反应室内，并经由气体分流孔向反应室内通入含碳气体，以在晶片上生长含碳薄膜。

优选地，在晶片放入反应室内经过一定时间的预热后，再通入含碳气体，以保证反应室内的温度恒定，更有利于生长含碳薄膜。

作为示例，通常以三甲基硅烷、NH₃和氦气（He）为反应气体生长含碳薄膜。为了在晶片上均匀地生长含碳薄膜，将三甲基硅烷的流速设定为100~500sccm，例如，200sccm，300sccm，400sccm等；将NH₃的流速设定为500~1000sccm，例如，600sccm，800sccm等；将HE的流速设定为500~1500sccm，例如，800sccm，1000sccm，1300sccm等。

作为示例，所述含碳薄膜的厚度设定为1000~10000埃，例如，3000埃，8000埃等，优选地为5000~6000埃。

需要注意的是，本领域技术人员可以理解的是，还可以根据晶片生产的实际情况，例如含碳薄膜的种类、厚度，生产时间等选择其他合理的数值。

此阶段整个反应室的温度设定为300~450摄氏度，例如，380℃，420℃等，优选地为350~400℃；功率设定为300~1500W，例如，600W，1200W等，优选地为800~1000W；反应压力设定为2~6Torr，例如，3Torr，5Torr等；反应时间为5~20秒，例如，10秒，优选地为8~15秒。

优选地，为了保证所有晶片的生长环境相同，还可以在生长含碳薄膜之前，先在反应室内沉积一层热机用的薄膜，厚度为2000~20000埃。一般情况下，该热机用的薄膜的材料与需要在晶片上生长的薄膜的材料相同，且该热机用的薄膜的沉积条件与步骤S102中生成含碳薄膜的条件相同。

最后，在步骤S103中，移出所述晶片，对反应室进行清洗以去除所述牺牲薄膜。本领域技术人员可以理解的是，可以在沉积完每一晶片后都进行清洗，也可以根据实际情况分阶段或时段进行清洗。例如，每处理完100或1000片清洗一次。

由于生长的薄膜含碳，因此需要分两步对反应室进行清洗。首先，以用第一等离子体对所述反应室进行清洗以彻底去除有机残留物。其中，第一等离子体为频率和功率满足以下条件的高能量等离子体（其原料不受具体限制）：频率为10~16MHz，例如12MHz，15MHz等，优选地为13~14MHz；功率为500~1000W，例如，650W，800W等。去除时间为10~100秒，例如，50秒，80秒等。然后，用普通的等离子体去除牺牲薄膜，例如，在反应室外部连接远程等离子体，然后再通入反应室中。

[本发明的有益效果]

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种在晶片上生长含碳薄膜的方法，所述方法使用带有气体分流盘的反应室，且所述气体分流盘的气体分流面朝向所述反应室内，所述气体分流面具有气体分流孔，其特征在于，所述方法包括：

a）经由所述气体分流孔向所述反应室内通入反应气体，以在所述气体分流面上生长牺牲薄膜，以使有机残留物生长在牺牲薄膜的表面而不与所述气体分流盘直接接触，以避免损伤气体分流盘；其中，生长所述牺牲薄膜的方法为等离子体增强化学气相沉积法；

c）移出所述晶片，并去除所述牺牲薄膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲薄膜为SiO₂。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述反应气体为由SiH₄和N₂O组成的混合气体。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述SiH₄的流量为50～500sccm，所述N₂O的流量为1000～20000sccm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲薄膜为SiN。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述反应气体为由SiH₄和NH₃组成的混合气体。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述SiH₄的流量为50～500sccm，所述NH₃的流量为1000～20000sccm。

8.根据权利要求2或5所述的方法，其特征在于，所述牺牲薄膜的厚度为1000～10000埃。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述牺牲薄膜的厚度为5000～6000埃。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a）的温度范围为300～450℃。

11.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，步骤a）的反应压力为2～6Torr。

12.根据权利要求1或10所述的方法，其特征在于，步骤a）的功率范围为300～1500W。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤a）的反应压力为2～6Torr。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a）的反应时间为5～15秒。

15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤c）包括：

用频率为10～16MHz，功率为500～1500W的等离子体对所述反应室进行清洗。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，清洗时间为10～100秒。