CN102820219A - 低温二氧化硅薄膜的形成方法 - Google Patents

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张文广
陈玉文
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Abstract

本发明公开了一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，包括：S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜，沉积温度小于300℃；S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理；重复步骤S1和步骤S2，直至形成预定厚度的低温二氧化硅薄膜。本发明在每次低温二氧化硅薄膜沉积后，将含氧气体通入反应腔内，在反应腔内直接产生等离子体，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，提高光刻工艺中图形的准确度，并提高关键尺寸的均匀度。

Description

低温二氧化硅薄膜的形成方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种低温二氧化硅薄膜的形成方法。
背景技术
目前，低温二氧化硅薄膜被广泛应用于光阻上方的硬掩膜层。例如，在90nm、65nm或45nm的双大马士革（Dual Damascene）工艺中，形成通孔（via）之后会在通孔中填充底部抗反射层（Barc）等类似填充物，然后再通过光刻刻蚀等工艺形成沟槽（Trench），因而此时作为硬掩膜层的二氧化硅必然选用低温二氧化硅，以避免该硬掩膜层的沉积温度过高影响下方的Barc等膜层的性质。
所述低温二氧化硅是相对于普通的二氧化硅而言，普通的二氧化硅薄膜通常是采用400℃以上温度进行沉积的，而低温二氧化硅薄膜通常是采用小于300℃的温度进行沉积的。通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，通入硅源（如SiH4）和氧源（如N2O）沉积低温二氧化硅薄膜。然而，由于沉积低温二氧化硅薄膜时的沉积温度相对较低，一般为50~300℃，导致沉积所形成的二氧化硅薄膜中含有大量的Si-H化学键，而当该低温二氧化硅薄膜暴露在大气环境中时，Si-H容易被氧化成Si-OH，Si-OH使得该氧化物薄膜更具有亲水性而容易吸收大气中的水汽，因此该低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，如厚度、应力、折射率等。
发明内容
本发明提供一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，以使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，从而提高光刻工艺中图形的准确度，提高关键尺寸的均匀度。
为解决上述技术问题，本发明提供的低温二氧化硅薄膜的形成方法，包括：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜，沉积温度小于300℃；
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理；
重复步骤S1和步骤S2，直至形成预定厚度的低温二氧化硅薄膜。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，含氧气体为O2、O3或N2O气体，O2、O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，反应腔压力在2Torr~10Torr之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，射频功率在50W~1000W之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，每次原位等离子体处理时间在10秒~20秒之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，，所述步骤S1中，氧源为N2O气体。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，，所述步骤S1中，在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，，所述步骤S1中，沉积温度在50℃~250℃之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，，所述步骤S1中，每次沉积的低温二氧化硅薄膜的厚度在
Figure BDA00001847597900021
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述低温二氧化硅薄膜用作硬掩膜层。
与现有技术相比，本发明是在沉积一定厚度的低温二氧化硅薄膜后，继续将晶圆留在腔内，将含氧气体通入反应腔内，在反应腔内直接产生等离子体（原位等离子体），对该低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，这样周而复始几个循环达到预定厚度后结束，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，从而提高了光刻工艺中图形的准确度，提高了关键尺寸的均匀度。
附图说明
图1为二氧化硅薄膜的厚度随沉积后时间变化的曲线示意图；
图2为二氧化硅薄膜的应力随沉积后时间变化的曲线示意图；
图3为二氧化硅薄膜的折射率随沉积后时间变化的曲线示意图；
图4为本发明一实施例的低温二氧化硅薄膜的形成方法的流程示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，经本申请发明人长期研究发现，这是由于沉积低温二氧化硅薄膜时的沉积温度相对较低，导致沉积所形成的二氧化硅薄膜中含有大量的Si-H化学键，而当该低温二氧化硅薄膜暴露在大气环境中时，Si-H容易被氧化成Si-OH，Si-OH使得该氧化物薄膜更具有亲水性而容易吸收大气中的水汽，因此该低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，如厚度、应力、折射率等。
具体如图1至图3所示，其中，图1为二氧化硅薄膜的厚度（Thickness）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图，图2为二氧化硅薄膜的应力（Stress）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图，图3为二氧化硅薄膜的折射率（Refractive Index）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图。可知，由于低温二氧化硅薄膜中含有较多的Si-H键，薄膜的性质随着时间的变化而变化剧烈，尤其是在前5小时之内，薄膜的厚度、应力以及折射率均有较大程度的变化。
为此，本发明在低温二氧化硅薄膜沉积后，继续将晶圆留在腔内，将含氧气体通入反应腔内，在反应腔内直接产生等离子体（原位等离子体），对该低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理（即表面去氢和钝化处理），由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，这样周而复始几个循环达到目标厚度后结束，使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态。
详细的，如图4所示，本发明一实施例的低温二氧化硅薄膜包括如下步骤：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜；
所述步骤S1中，可在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜，亦可利用其他常规的工艺形成低温二氧化硅薄膜。在较佳的实施例中，沉积温度为50℃~250℃，利用SiH4作为硅源，利用N2O气体作为氧源，还可通入氮气或氩气等作为载气。
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理；
所述步骤S2中，含氧气体优选为O2、O3或N2O气体，反应腔室的压力在2Torr~10Torr之间，所述O2或O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间，射频（RF）功率在50W~1000W之间。
最后，重复所述步骤S1至S2，直至形成目标厚度的低温二氧化硅薄膜。其中，每次沉积的低温二氧化硅薄膜的厚度范围优选为
Figure BDA00001847597900041
更优选的厚度范围为
Figure BDA00001847597900042
此时的厚度恰好与原位等离子体处理能达到的厚度相吻合，从而达到原位等离子处理的最佳效果。本实施例中，共重复两次沉积过程和两次原位等离子体处理，每次原位等离子体处理的时间为10秒~20秒，从而形成了目标厚度的低温二氧化硅薄膜。
综上所述，在沉积低温二氧化硅薄膜后，将含氧气体通入反应腔内，对该低温二氧化硅薄膜进行等离子体处理，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，这样周而复始几个循环达到目标厚度后结束，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，消除低温二氧化硅薄膜性质随时间变化而变化的特点，从而提高光刻工艺中图形的准确度，提高关键尺寸的均匀度。
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)

1.一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，包括：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜，沉积温度小于300℃；
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行原位等离子体处理；
重复步骤S1和步骤S2，直至形成预定厚度的低温二氧化硅薄膜。
2.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述含氧气体为O2、O3或N2O气体，所述O2、O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间。
3.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，反应腔压力在2Torr~10Torr之间。
4.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，射频功率在50W~1000W之间。
5.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，每次原位等离子体处理时间在10秒~20秒之间。
6.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述氧源为N2O气体。
7.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜。
8.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，沉积温度在50℃~250℃之间。
9.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，每次沉积的低温二氧化硅薄膜的厚度在
Figure FDA00001847597800011
10.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述低温二氧化硅薄膜用作硬掩膜层。
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