CN102623325A - Harp膜的处理方法及金属前介质层制造方法 - Google Patents

Harp膜的处理方法及金属前介质层制造方法 Download PDF

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郑春生
张文广
陈玉文
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Abstract

本发明公开了一种HARP膜的处理方法，先采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理，使HARP膜处于较高的拉应力状体，然后再采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理，在HARP膜表面形成一层相对致密的氧化物，对外部的水汽起到比较好的隔绝作用，可以有效地提高HARP膜的稳定性，进而获得稳定且处于较高拉应力状态的HARP膜。

Description

HARP膜的处理方法及金属前介质层制造方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种HARP膜的处理方法及金属前介质层(PMD)制造方法。
背景技术
进入45纳米技术节点之后，高纵深比工艺(High Aspect Ratio Process，简称HARP)大规模应用于浅沟槽隔离(Silicon Trench Isolation，简称STI)和金属前介质(Pre-Metal Dielectric，简称PMD)结构的空隙填充工艺中。该技术不但能满足技术节点空隙填充的需求，而且因为其内在拉应力的作用，对NMOS器件性能也有很好的促进作用。
但是采用HARP工艺沉积得到的HARP film也有其缺点，比如说因为采用TEOS作为反应物而且反应不完全而留存很多活性键结构等，当材料暴露在开放环境中时，非常容易造成材料性质的改变，比如应力会随着时间的增加因为吸收水汽而降低很多，如图1所示。因此这些结构需要在集成工艺中采取办法加以消除，以获得性质稳定的介电质。在实际操作中，针对STI集成工艺，采用了高温的热处理工艺来消除这些不稳定结构；但是针对PMD集成工艺，因为前工艺NiSi的引入，使高温的后续热处理不可能继续被采用。
在2006年度，Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers的文章“Pre-Metal Dielectric Stress Engineering by a Novel Plasma Treatment andIntegration Scheme for nMOS Performance Improvement”中，提出了一种改进工艺，其是对HARP膜进行氮气等离子(N2-plasma)、氧气等离子(O2-plasma)或者臭氧等离子(O3-plasma)处理，如图2和图3所示，提高介电质内部的应力(Stress)，并且提高NMOS的Ion Gain最高达10％。然而，上述HARP膜处理方法存在以下问题：单纯N2的等离子体处理后HARP膜的应力随着时间的变化而逐渐降低，材料仍然会在较短时间内因为吸水而降低内部应力；而单纯的O2或O3等离子体处理后，材料的应力非常稳定，不会随着时间的变化而变化，但是其改善HARP膜的应力的效果却不及使用氮气进行处理的效果好。
发明内容
本发明提供一种HARP膜的处理方法，能够使HARP膜的处于较高的拉应力状态，且不会随着时间的变化而变化。
为解决上述技术问题，本发明提供一种HARP膜的处理方法，包括：
采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理；以及
采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理。
可选的，在所述的HARP膜的处理方法中，所述第一次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述氮气或惰性气体的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
可选的，在所述的HARP膜的处理方法中，所述第二次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，含氧气体为O2或O3，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述O2或O3的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
可选的，在所述的HARP膜的处理方法中，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在同一腔室内进行。
可选的，在所述的HARP膜的处理方法中，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在不同的腔室内进行。
本发明还提供一种金属前介质层制造方法，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件层；
在半导体衬底上依次沉积张应力氮化硅层、HARP膜、PETEOS氧化硅层；
进行化学机械研磨工艺，直至暴露出所述HARP膜的表面；
采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理；以及
采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理。
可选的，在所述的金属前介质层制造方法中，所述第一次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，氮气或惰性气体的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
可选的，在所述的金属前介质层制造方法中，所述第二次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，含氧气体为O2或O3，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述O2或O3的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
可选的，在所述的金属前介质层制造方法中，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在同一腔室内进行。
可选的，在所述的金属前介质层制造方法中，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在不同的腔室内进行。
与现有技术相比，本发明先采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理，使HARP膜处于较高的拉应力状体，然后再采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理，在HARP膜表面形成一层相对致密的氧化物，对外部的水汽起到比较好的隔绝作用，可以有效地提高HARP膜的稳定性，进而获得稳定且处于较高拉应力状态的HARP膜。
附图说明
图1为HARP膜的应力随时间变化的曲线示意图；
图2为不同等离子体对HARP膜应力的影响；
图3为NMOS和PMOS器件在不同等离子体情况下的Ion gain的示意图；
图4为N2等离子体处理后HARP膜内部应力随时间变化的曲线；
图5为本发明一实施例的金属前介质层制造方法的流程示意图；
图6A～6E为本发明实施例的金属前介质层制造方法中器件的剖面示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，单纯N2的等离子体处理后HARP膜的应力随着时间的变化而逐渐降低，如图4所示，这是因为N2等离子体处理并没有从根本上彻底改变内部结构，材料仍然会在较短时间内因为吸水而降低内部应力。为此，本发明先采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理，使HARP膜处于较高的拉应力状体，然后再采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理，在HARP膜表面形成一层相对致密的氧化物，对外部的水汽起到比较好的隔绝作用，可以有效地提高HARP膜的稳定性，进而获得稳定且处于较高拉应力状态的HARP膜。
其中，第一次等离子体处理和第二次等离子处理可以在同一腔室内进行；或者，也可根据腔室的使用情况安排在不同的腔室内进行。
下面对本发明一实施例的金属前介质层制造方法作详细的说明。
如图5所示，所述金属前介质层制造方法，包括以下步骤：
S1：提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件层；
如图6A所示，所述半导体衬底100上形成有栅极101，所述栅极101两侧形成有栅极间隙层(spacer)102，所述半导体衬底100中形成有源漏极(未示出)。所述半导体衬底100的材质可以为单晶硅、多晶硅、无定形硅、硅锗化合物或绝缘体上硅(SOI)中的一种，在半导体衬底100中可以形成掺杂区，例如对于PMOS晶体管的半导体衬底中形成硼掺杂的P阱区。当然，所述半导体衬底100中还形成有隔离结构，用以通过隔离结构进行隔离，较佳的隔离结构为浅沟槽隔离(STI)。由于本发明的重点为金属前介质层的形成和处理过程，因此对于其它公知的部分不作详细描述，但是本领域技术人员应是知晓的。
S2：在半导体衬底上依次沉积张应力氮化硅层(Tensile Si3N4)、HARP膜、等离子增强四乙氧基硅烷基氧化硅层(PETEOS oxide)；
如图6B所示，在半导体衬底100、栅极101以及栅极间隙层102上依次沉积张应力氮化硅层110、HARP膜120、PETEOS氧化硅层130。可知，采用HARP工艺沉积得到的HARP膜不但能满足技术节点空隙填充的需求，而且因为其内在拉应力的作用，对NMOS器件性能也有很好的促进作用；然而，因为采用TEOS作为反应物而且反应不完全而留存很多活性键结构等，当材料暴露在开放环境中时，非常容易造成材料性质的改变，比如应力会随着时间的增加因为吸收水汽而降低很多，因此这些结构需要在集成工艺中采取办法加以消除，以获得性质稳定的介电质。
S3：进行化学机械研磨工艺，直至暴露出所述HARP膜的表面；
如图6C所示，当暴露出所述栅极101上方的HARP膜的表面时，即可停止化学机械研磨(CMP)工艺。
S4：采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理；
如图6D所示，本实施例中，所述第一次等离子体处理210可以在PECVD或HDPCVD腔室内进行，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述氮气或惰性气体的流量在1000～10000sccm之间，HFRF(高频射频)功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。特别的，由于氮气成本相对较低，因而本步骤中优选采用氮气来进行等离子处理，当然，惰性气体(如氦气等)也可实现本发明的目的。
S5：采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理；
如图6E所示，本实施例中，所述第二次等离子体处理220可以在PECVD或HDPCVD腔室内进行，所述含氧气体例如为O2或O3，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述O2或O3的流量在1000～10000sccm之间，HFRF(高频射频)功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
经本申请发明人反复实验证明，采用上述方法处理HARP膜，所述HARP膜的应力可以从200MPa左右提高到400～500MPa之间，有效地提高了HARPfilm的稳定性，相应地可有效提高NMOS的电性能。
综上所述，本发明先采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理，使HARP膜处于较高的拉应力状体，然后再采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理，在HARP膜表面形成一层相对致密的氧化物，对外部的水汽起到比较好的隔绝作用，可以有效地提高HARP膜的稳定性，进而获得稳定且处于较高拉应力状态的HARP膜。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种HARP膜的处理方法，其特征在于，包括：
采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理；以及
采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理。
2.如权利要求1所述的HARP膜的处理方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述氮气或惰性气体的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
3.如权利要求1所述的HARP膜的处理方法，其特征在于，所述第二次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，所述含氧气体为O2或O3，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述O2或O3的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
4.如权利要求1所述的HARP膜的处理方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在同一腔室内进行。
5.如权利要求1所述的HARP膜的处理方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在不同的腔室内进行。
6.一种金属前介质层制造方法，其特征在于，包括：
提供一半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件层；
在半导体衬底上依次沉积张应力氮化硅层、HARP膜、PETEOS氧化硅层；
进行化学机械研磨工艺，直至暴露出所述HARP膜的表面；
采用氮气或惰性气体对HARP膜进行第一次等离子体处理；以及
采用含氧气体对所述HARP膜进行第二次等离子体处理。
7.如权利要求8所述的金属前介质层制造方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，氮气或惰性气体的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
8.如权利要求6所述的金属前介质层制造方法，其特征在于，所述第二次等离子体处理在PECVD或HDPCVD腔室内进行，所述含氧气体为O2或O3，加热器温度在300～500℃之间，反应压力在1～10Torr之间，所述O2或O3的流量在1000～10000sccm之间，HFRF功率在50～3000W之间，反应时间在5～600秒之间。
9.权利要求6所述的金属前介质层制造方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在同一腔室内进行。
10.权利要求6所述的金属前介质层制造方法，其特征在于，所述第一次等离子体处理和第二次等离子处理在不同的腔室内进行。
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