CN104157567A - 一种氧化硅膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氧化硅膜的制备方法，其包括：提供一半导体衬底；在半导体衬底表面吸附缓冲层反应先驱物；对缓冲层反应先驱物进行氩气吹扫过程；采用CO2等离子体对缓冲层反应先驱物进行氧化处理，从而在半导体衬底表面形成缓冲层；在缓冲层表面制备主体氧化硅膜。采用氧化性较弱的二氧化碳，可以有效减小对半导体衬底造成的氧化损伤；由于有了缓冲层的保护，可以不用顾忌半导体衬底会遭受到严重的氧化损伤，所以能够采用氧化性较强的氧气来制备主体氧化硅膜，从而避免了氧化硅膜的制备过程中对半导体衬底的氧化损伤，同时也可以不用过于降低温度而保证了所制备的氧化硅膜的质量和良好的台阶覆盖性。

Description

一种氧化硅膜的制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氧化硅膜的制备方法。
背景技术
原子层沉积(ALD)工艺由于具有良好的台阶覆盖性而广泛应用于半导体行业。纯粹的ALD沉积方式需要较高的温度，而等离子体增强原子层沉积(PEALD)依靠等离子体驱动反应进行，生长温度低，同时所生长薄膜的质量可以和高温ALD的相媲美。
用等离子体增强原子层沉积方式生长氧化硅膜，是半导体行业比较常见的工艺。请参阅图1，为常规的氧化硅膜的制备方法的流程示意图，通常氧化硅膜的制备方法包括以下步骤：
步骤L01：提供一半导体衬底；
步骤L02：在半导体衬底表面吸附氧化硅反应先驱物；
步骤L03：对氧化硅反应先驱物进行氩气吹扫过程；
步骤L04：采用氧等离子体对氧化硅反应先驱物进行氧化处理，从而在半导体衬底表面形成氧化硅膜。
可以通过循环上述过程来控制所沉积的氧化硅膜的厚度。图2为等离子体增强原子层沉积反应腔的结构和半导体衬底传输过程的示意图，在等离子体增强原子层沉积反应腔中具有四个站点(station)1、2、3和4，箭头表示半导体衬底的传输方向，半导体衬底在每个站点上完成同样的工艺流程，经过四个站点之后，被传送出反应腔。
采用上述方法在制备氧化硅膜的过程中，由于需要进行氧化处理，则会造成半导体衬底表面受到氧化损伤，特别是对于还原性的半导体衬底，其损伤更为严重。氧化损伤会严重影响器件的质量。例如，在自对准双重图形化工艺中，如图3a-3b所示，为在非晶碳柱形核(Core)上生长氧化硅侧墙的过程示意图，其中，图3a为非晶碳柱形核刻蚀后的示意图，在半导体衬底1上形成有非晶碳柱形核2，图3b为非晶碳柱形核侧壁上生长了氧化硅侧墙的示意图，在非晶碳柱形核2的顶部一般具有氧化层，这里在图中未显示，在非晶碳柱形核2的顶部和侧壁形成有氧化硅膜3。由于非晶碳是还原性材料，很容易受到氧化损伤，所以为了避免对非晶碳柱形核造成氧化损伤，在生长氧化硅膜的过程中，常常采用降低衬底温度的方法。但是，在低温条件下，非晶碳柱形核依然会有一定程度的氧化损伤。这是因为在氧气等离子体条件下，其具有较强的氧化性，尽管衬底温度很低，依然可以对非晶碳柱形核造成氧化损伤。非晶碳柱形核的氧化损伤会影响后续工艺中的器件的特征尺寸，从而影响最终的器件质量。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种氧化硅膜的制备方法，以期在制备氧化硅膜的过程中，减小对半导体衬底的氧化损伤。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氧化硅膜的制备方法，其包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在所述半导体衬底表面吸附缓冲层反应先驱物；
步骤03：对所述缓冲层反应先驱物进行氩气吹扫过程；
步骤04：采用CO2等离子体对所述缓冲层反应先驱物进行氧化处理，从而在所述半导体衬底表面形成缓冲层；
步骤05：在所述缓冲层表面制备主体氧化硅膜。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层的制备包括多次循环步骤02至步骤04，从而使所述缓冲层的厚度达到目标厚度。
在本发明的一个实施例中，所述步骤02包括：利用载气输送所述缓冲层反应先驱物到所述半导体衬底表面。
在本发明的一个实施例中，所述载气的气体流量为1000-10000sccm。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层反应先驱物为气态，其气体流量为0.5-5sccm。
在本发明的一个实施例中，所述缓冲层反应先驱物为氨基硅烷，所述缓冲层的材料为氧化硅。
在本发明的一个实施例中，所述步骤03中，所述氩气吹扫过程中，采用的氩气流量为5000-50000sccm，所述氩气吹扫的时间为1-5sec。
在本发明的一个实施例中，所述步骤04中，所述CO2等离子体采用的气体流量为1000-20000sccm，所述氧化处理进行的时间为1-5s。
在本发明的一个实施例中，所述主体氧化硅膜的制备包括：
步骤11：在所述缓冲层表面吸附氧化硅反应先驱物；
步骤12：对所述氧化硅反应先驱物进行氩气吹扫过程；
步骤13：采用氧等离子体对所述氧化硅反应先驱物进行氧化处理，从而在所述缓冲层表面形成主体氧化硅膜
本发明的氧化硅膜的制备方法，采用了两个过程：缓冲层制备过程和主体氧化硅膜的制备过程；首先，缓冲层的制备，采用氧化性较弱的二氧化碳，这样，可以有效减小对半导体衬底造成的氧化损伤；然后在缓冲层上制备主体氧化硅膜，由于有了缓冲层的保护，可以不用顾忌半导体衬底会遭受到严重的氧化损伤，所以能够采用氧化性较强的氧气来制备主体氧化硅膜，从而避免了氧化硅膜的制备过程中对半导体衬底的氧化损伤，同时也可以不用过于降低温度而保证了所制备的氧化硅膜的质量和良好的台阶覆盖性。
附图说明
图1为常规的氧化硅膜的制备方法的流程示意图
图2为等离子体增强原子层沉积反应腔的结构和半导体衬底传输过程的示意图
图3a-3b为在非晶碳柱形核上生长氧化硅侧墙的过程示意图，其中，图3a为非晶碳柱形核刻蚀后的示意图，图3b为非晶碳柱形核侧壁上生长了氧化硅侧墙的示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的氧化硅膜制备方法的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下将结合附图4和具体实施例对本发明的氧化硅膜的制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图4，为本发明的一个较佳实施例的氧化硅膜制备方法的流程示意图；本实施例的氧化硅膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体衬底；
具体的，半导体衬底可以为具有任意功能结构的半导体衬底，比如具有非晶碳柱形核、栅极等；本发明对此不作限制。
本实施例中，采用等离子体增强原子层沉积方法来制备氧化硅膜，因此，可以将半导体衬底置于等离子体增强原子层沉积反应腔中；如图2所示，反应腔中具有四个站点1、2、3和4，半导体衬底的传输方向如箭头表示。半导体衬底进入反应腔之后，被传输到站点1上；在站点1上进行缓冲层的制备。
步骤02：在半导体衬底表面吸附缓冲层反应先驱物；
具体的，向反应腔中的站点1上通入缓冲层反应先驱物，可以利用载气输送缓冲层反应先驱物到半导体衬底表面，载气可以但不限于为氩气，载气的气体流量可以但不限于为1000-10000sccm；缓冲层反应先驱物为气态，可以为氨基硅烷，其气体流量可以为0.5-5sccm。缓冲层反应先驱物会吸附在半导体衬底表面。
步骤03：对缓冲层反应先驱物进行氩气吹扫过程；
具体的，向反应腔中的站点1上通入氩气，进行氩气吹扫过程；采用的氩气流量可以为5000-50000sccm，氩气吹扫的时间可以为1-5sec。吹扫的目的是去除半导体衬底表面多余的缓冲层反应先驱物，而只剩下一个分子层厚度的缓冲层反应先驱物。
步骤04：采用CO2等离子体对缓冲层反应先驱物进行氧化处理，从而在半导体衬底表面形成缓冲层；
具体的，向反应腔中的站点1上通入CO2等离子体，CO2等离子体采用的气体流量可以为1000-20000sccm，氧化处理进行的时间可以为1-5s；在此过程中，采用射频电源，射频功率可以为1000-3000W；之所以采用二氧化碳，是由于二氧化碳的氧化性低于氧气，在缓冲层氧化过程中对半导体衬底的氧化损伤很小。这样，缓冲层制备好之后，相当于一层保护层，用于保护半导体衬底表面不至于受到后续氧化硅膜沉积时强氧化性环境带来的氧化损伤。需要说明的是，由于后续要在缓冲层表面沉积主体氧化硅膜，因此，缓冲层的材料性能应当和主体氧化硅膜的相同，比如均起到隔绝上下层的作用、或隔离作用等；缓冲层的材料可以与主体氧化硅膜相同，从而使缓冲层的材料性能与主体氧化硅膜的相同；比如，缓冲层的材料可以为氧化硅，从而避免缓冲层的引入而改变了原有器件结构和材料。
至此，缓冲层制备好了，而且，可以根据实际工艺所设定的缓冲层的目标厚度，例如，目标厚度约为30A，来多次循环步骤02至步骤04，例如，循环次数为20-50次，从而使缓冲层的厚度达到目标厚度。
步骤05：在缓冲层表面制备主体氧化硅膜。
具体的，本实施例中包括，依次将半导体衬底传输到站点2、3和4上，在每个站点上进行主体氧化硅膜的制备，且在每个站点上进行主体氧化硅膜的制备方法相同，以下以在站点2上制备主体氧化硅膜的过程为例进行说明，其具体可以包括如下步骤：
步骤11：在缓冲层表面吸附氧化硅反应先驱物；
这里，向反应腔中的站点2上通入氧化硅反应先驱物，可以利用载气输送缓冲层反应先驱物到半导体衬底表面，载气可以但不限于为氩气，载气的气体流量可以但不限于为1000-10000sccm；缓冲层反应先驱物为气态，可以为氨基硅烷，其气体流量可以为0.5-5sccm。缓冲层反应先驱物会吸附在缓冲层表面。
步骤12：对氧化硅反应先驱物进行氩气吹扫过程；
这里，向反应腔中的站点2上通入氩气，进行氩气吹扫过程；采用的氩气流量可以为5000-50000sccm，氩气吹扫的时间可以为1-5sec。吹扫的目的是去除缓冲层表面多余的氧化硅反应先驱物，而只剩下一个分子层厚度的氧化硅反应先驱物。
步骤13：采用氧等离子体对氧化硅反应先驱物进行氧化处理，从而在缓冲层表面形成主体氧化硅膜。
这里，向反应腔中的站点2上通入O2等离子体，O2等离子体采用的气体流量可以为1000-20000sccm，氧化处理进行的时间可以为1-5s；在此过程中，采用射频电源，射频功率可以为1000-3000W。
需要说明的是，可以根据实际工艺所设定的站点2上的主体氧化硅膜的目标厚度，来多次循环步骤11至步骤13，例如，循环次数为20-50次，从而使站点2上的主体氧化硅膜的厚度达到目标厚度。
在站点2上制备好主体氧化硅膜之后，再依次传输到站点3和4上进行主体氧化硅膜的制备，在站点3和4上的制备过程中也可以包括多次循环主体氧化硅膜的沉积过程从而达到各自的目标厚度；在站点4上完成主体氧化硅膜的制备后，主体氧化硅膜的厚度应该达到工艺要求的最终氧化硅膜的厚度。
最后，将最终制备好氧化硅膜的半导体衬底从站点4传输到反应腔外。
综上所述，本发明的氧化硅膜的制备方法，采用了两个过程：缓冲层制备过程和主体氧化硅膜的制备过程；首先，缓冲层的制备，采用氧化性较弱的二氧化碳，这样，可以有效减小对半导体衬底造成的氧化损伤；然后在缓冲层上制备主体氧化硅膜，由于有了缓冲层的保护，可以不用顾忌半导体衬底会遭受到严重的氧化损伤，所以能够采用氧化性较强的氧气来制备主体氧化硅膜，从而避免了氧化硅膜的制备过程中对半导体衬底的氧化损伤，同时也可以不用过于降低温度而保证了所制备的氧化硅膜的质量和良好的台阶覆盖性。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (9)

1.一种氧化硅膜的制备方法，其特征在于，包括：
步骤01：提供一半导体衬底；
步骤02：在所述半导体衬底表面吸附缓冲层反应先驱物；
步骤03：对所述缓冲层反应先驱物进行氩气吹扫过程；
步骤04：采用CO2等离子体对所述缓冲层反应先驱物进行氧化处理，从而在所述半导体衬底表面形成缓冲层；
步骤05：在所述缓冲层表面制备主体氧化硅膜。
2.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述缓冲层的制备包括多次循环步骤02至步骤04，从而使所述缓冲层的厚度达到目标厚度。
3.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述步骤02包括：利用载气输送所述缓冲层反应先驱物到所述半导体衬底表面。
4.根据权利要求3所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述载气的气体流量为1000-10000sccm。
5.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述缓冲层反应先驱物为气态，其气体流量为0.5-5sccm。
6.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述缓冲层反应先驱物为氨基硅烷，所述缓冲层的材料为氧化硅。
7.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，所述氩气吹扫过程中，采用的氩气流量为5000-50000sccm，所述氩气吹扫的时间为1-5sec。
8.根据权利要求1所述的氧化硅膜的制备方法，其特征在于，所述步骤04中，所述CO2等离子体采用的气体流量为1000-20000sccm，所述氧化处理进行的时间为1-5s。
9.根据权利要求1所述的氧化硅层的制备方法，其特征在于，所述主体氧化硅膜的制备包括：
步骤11：在所述缓冲层表面吸附氧化硅反应先驱物；
步骤12：对所述氧化硅反应先驱物进行氩气吹扫过程；
步骤13：采用氧等离子体对所述氧化硅反应先驱物进行氧化处理，从而在所述缓冲层表面形成主体氧化硅膜。
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