CN110534403B - 硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法和硅片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，包括步骤S1、对待处理硅衬底进行预清洗，以去除待处理硅衬底表面的氧化层；步骤S2、将预清洗后的待处理硅衬底进行烘烤；步骤S3、对工艺腔室上的铝靶材进行预清洗，以去除铝靶材表面的氮化铝膜层；步骤S4、向工艺腔室内通入惰性气体，将惰性气体激发为等离子体后轰击预清洗后的铝靶材，以在预清洗后的待处理硅衬底表面沉积铝膜层，其中，惰性气体不与铝靶材发生反应；步骤S5、向工艺腔室内通入惰性气体和氮气，将惰性气体和氮气激发为等离子体后继续轰击铝靶材，以在步骤S4中获得的待处理硅衬底表面沉积氮化铝膜层。本发明还提供一种硅片，所述方法可以在硅衬底上制备高结晶质量的氮化铝膜层。

Description

硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法和硅片
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，具体涉及一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法以及一种硅片。
背景技术
现有技术中，采用金属有机化学气相沉积(MOCVD：Metal Organic ChemicalVapor Deposition)方法在衬底上制备金属化合物膜层。
例如，在采用金属有机化学气相沉积方法在硅衬底上制备氮化铝膜层时，通常的工艺是通入氨气和三甲基铝，在高温状态下，通过两者的化学反应，硅衬底上形成氮化铝膜层。
目前在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法比较单一，不能满足生产需求。因此，如何设计一种新的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法成为本发明亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于至少解决上述技术问题之一，为此本发明提供一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法以及一种硅片，所述方法可以在所述硅衬底上制备高结晶质量的氮化铝膜层，降低成本，提升产能。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，其中，包括下述步骤：
步骤S1、对待处理硅衬底进行预清洗，以去除所述待处理硅衬底表面的氧化层；
步骤S2、将预清洗后的所述待处理硅衬底进行烘烤；
步骤S3、对工艺腔室上的铝靶材进行预清洗，以去除所述铝靶材表面的氮化铝膜层；
步骤S4、向所述工艺腔室内通入惰性气体，将所述惰性气体激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材，以在预清洗后的所述待处理硅衬底表面沉积铝膜层，其中，所述惰性气体不与所述铝靶材发生反应；
步骤S5、向所述工艺腔室内通入所述惰性气体和氮气，将所述惰性气体和所述氮气激发为等离子体后继续轰击所述铝靶材，以在所述步骤S4中获得的所述待处理硅衬底表面沉积氮化铝膜层。
可选地，所述步骤S1具体为：将所述待处理硅衬底装入载盘后传入预清洗腔内，并运动至工艺位置，向所述预清洗腔内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述待处理硅衬底，以对所述待处理硅衬底进行预清洗。
可选地，所述步骤S2具体为：将装有所述待处理硅衬底的载盘从所述预清洗腔传入工艺腔室，并将所述工艺腔室内的温度设定为400℃～1000℃。
可选地，所述步骤S3具体为：向所述工艺腔室内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述铝靶材，以对所述铝靶材进行预清洗。
可选地，所述步骤S4具体为：向所述工艺腔室内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材。
可选地，所述步骤S1中，通入所述预清洗腔内的所述氩气的流量范围为5sccm～50sccm；加载到射频线圈的功率范围为200W～500W；加载到下电极的功率范围为50W～500W。
可选地，所述步骤S3中，利用脉冲直流电源施加偏压至所述铝靶材；通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为100sccm～300sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为2500W～4000W。
可选地，所述步骤S4中，利用脉冲直流电源施加偏压至所述铝靶材；通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为15sccm～150sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为200W～4000W。
可选地，所述步骤S5中，通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为15sccm～100sccm，所述氮气的流量范围为30sccm～300sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为2500W～4000W。
作为本发明另一个方面，提供了一种硅片，其中，包括硅衬底和位于所述硅衬底上的氮化铝膜层，在所述硅衬底上采用本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法沉积所述氮化铝膜层。
本发明有益技术效果：
首先，本发明提供了一种新的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，丰富了市场，满足了业界需求；其次，通过本发明所提供的方法在所述硅衬底上沉积所述氮化铝膜层时，不仅有效地清除了硅衬底表面的自然氧化层，而且还有效地抑制了在所述硅衬底表面上氮化硅(SixNy)非晶层的形成，从而提高了在所述硅衬底上形成的氮化铝膜层的结晶质量；相较于现有技术中的MOCVD方法的成本高、生产周期长等缺点，本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法大幅地降低了成本，缩短了生产周期，因而有效提高了产能；此外，由于不同工艺在各自对应的工艺腔室中执行，因此也不会对后续的工艺造成污染。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
作为本发明一个方面，提供了一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，其中，如图1所示，包括下述步骤：
步骤S1、对待处理硅衬底进行预清洗，以去除所述待处理硅衬底表面的氧化层；
步骤S2、将预清洗后的所述待处理硅衬底进行烘烤；
步骤S3、对工艺腔室上的铝靶材进行预清洗，以去除所述铝靶材表面的氮化铝膜层；
步骤S4、向所述工艺腔室内通入惰性气体，将所述惰性气体激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材，以在预清洗后的所述待处理硅衬底表面沉积铝膜层，其中，所述惰性气体不与所述铝靶材发生反应；
步骤S5、向所述工艺腔室内通入所述惰性气体和氮气，将所述惰性气体和所述氮气激发为等离子体后继续轰击所述铝靶材，以在所述步骤S4中获得的所述待处理硅衬底表面沉积氮化铝膜层。
如上所述，本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法采用了磁控溅射工艺。
在步骤S1中，通过对待处理硅衬底进行预清洗，能够去除所述待处理硅衬底表面的氧化层；
具体地，将所述待处理硅衬底装入载盘后传入预清洗腔内，并运动至工艺位置，向所述预清洗腔内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述待处理硅衬底，以对所述待处理硅衬底进行预清洗。
进一步地，作为本发明一种可选地实施方式，通过射频电源给射频线圈加电以电离氩气，将氩气激发形成等离子体，对承载所述待处理硅衬底的下电极加载射频偏压，以吸引所述氩气激发的等离子体轰击所述待处理硅衬底，进而清除所述待处理硅衬底表面的自然氧化层和其他杂质，保证后续工艺中沉积氮化铝膜层的结晶质量。
此外，在上述实施方式中，通入所述预清洗腔内的所述氩气的流量范围为5sccm～50sccm；加载到射频线圈的功率范围为200W～500W；加载到下电极的功率范围为50W～500W。进一步优选地，所述氩气的流量范围为5sccm～30sccm，加载到射频线圈的功率范围为250W～450W，加载到下电极的功率范围为150W～300W。
需要说明的是，氩气仅作为工艺辅助气体，并不与铝靶材发生反应。
在步骤S2中，将预清洗后的所述待处理硅衬底进行烘烤；具体地，将装有所述待处理硅衬底的载盘从所述预清洗腔传入工艺腔室，并将所述工艺腔室内的温度设定为400℃～1000℃。
容易理解的是，通过将所述工艺腔室内的温度设定为400℃～1000℃能够对所述待处理硅衬底进行加热，使得所述待处理硅衬底的温度达到所述氮化铝膜层结晶所需的温度。
作为一种优选实施方式，所述工艺腔室内的温度范围为700℃～1000℃，对所述待处理硅衬底进行烘烤的持续时间为5min～10min。
在步骤S3中，对工艺腔室上的铝靶材进行预清洗，以去除所述铝靶材表面的氮化铝膜层；具体地，向所述工艺腔室内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述铝靶材，以对所述铝靶材进行预清洗。
如上所述，向所述工艺腔室内通入所述氩气，利用脉冲直流电源给所述铝靶材施加电压，用以电离所述氩气形成等离子体，利用所述等离子体轰击所述铝靶材表面的氮化铝膜层，所述氮化铝膜层经过所述氩气的等离子体轰击后以分子或者原子等粒子形式游离于所述工艺腔室内，为了避免上述杂质粒子溅落在所述硅衬底表面上，将挡板传入所述工艺腔室，所述挡板位于所述铝板材与所述硅衬底之间，所述挡板用于遮挡所述硅衬底，以使得所述杂质粒子溅落在所述挡板表面，而不是直接溅落在所述硅衬底表面，进而保证了所述硅衬底的表面不被污染，以提高后续工艺中形成在所述硅衬底表面的氮化铝膜层的结晶质量。
需要说明的是，利用脉冲直流电源给所述铝靶材施加的电压是偏置电压，用于吸引等离子体中与所述偏置电压极性相反的离子基团，以进一步加快等离子体对铝靶材的轰击速率。
作为一种可选地实施方式，用于给所述铝靶材施加偏置电压的脉冲直流电源的功率范围是2500W～4000W，通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为100sccm～300sccm。进一步地，优选地，脉冲直流电源的功率范围是2800W～3500W，氩气的流量范围为150sccm～280sccm。
在步骤S4中，向所述工艺腔室内通入惰性气体，将所述惰性气体激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材，以在预清洗后的所述待处理硅衬底表面沉积铝膜层，其中，所述惰性气体不与所述铝靶材发生反应。
容易理解的是，在预清洗后的所述待处理硅衬底形成铝膜层，用以隔绝所述待处理硅衬底与杂质粒子接触，进而抑制杂质膜层(特别是SixOy非晶层、SixNy非晶层)形成，为得到高质量的氮化铝膜层做准备。
作为一种可选地实施方式，所述惰性气体可以是氩气。进而上述在所述待处理硅衬底形成铝膜层的过程如下：将所述工艺腔室内的挡板移出，通过所述脉冲直流电源电离所述氩气以形成等离子体，利用所述等离子体轰击所述铝靶材，从所述铝靶材上脱落的铝原子溅落在所述待处理硅衬底的表面形成所述铝膜层。
上述实施方式中，通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为15sccm～150sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为200W～4000W。进一步优选地，所述氩气的流量范围为20sccm～90sccm，所述脉冲直流电源的功率范围为500W～2000W。
在步骤S5中，向所述工艺腔室内通入所述惰性气体和氮气，将所述惰性气体和所述氮气激发为等离子体后继续轰击所述铝靶材，以在所述步骤S4中获得的所述待处理硅衬底表面沉积氮化铝膜层。
如上所述，作为一种可选地实施方式，所述惰性气体可以是氩气，进而，在执行步骤S4之后，继续向所述工艺腔通入氩气和氮气，利用脉冲直流电源给铝靶材加载电压，以电离氩气形成等离子体，利用等离子体对铝靶材进行轰击，从铝靶材上击落的铝原子落在所述待处理硅衬底表面的铝膜层之上，进而，铝原子与氮气(N2)反应，在铝膜层表面上形成氮化铝薄膜。
需要说明的是，在上述铝靶材加电电离氩气的过程中，氮气仅有极少量会被电离，可以忽略不计，不会对的氮化铝薄膜的形成构成负面影响。
在上述步骤S5的实施方式中，通入所述工艺腔室的所述氩气流量范围为15sccm～100sccm，所述氮气的流量范围为30sccm～300sccm，所述脉冲直流电源的功率范围为2500W～4000W。优选地，所述氩气的流量范围为20sccm～70sccm，所述氮气的流量范围为100sccm～220sccm，所述脉冲直流电源的功率范围为2800W～3500W。
本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，为本领域技术人员提供一种新选择。在没有金属铝有机化合物原材料的情况下，可以直接利用金属铝获得氮化铝薄膜。
通过本发明所提供的方法在所述硅衬底上沉积所述氮化铝膜层时，不仅有效地清除了硅衬底表面的自然氧化层，而且还有效地抑制了在所述硅衬底表面上氮化硅(SixNy)非晶层的形成，从而提高了在所述硅衬底上形成的氮化铝膜层的结晶质量；相较于现有技术中的MOCVD方法的成本高、生产周期长等缺点，本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法大幅地降低了成本，缩短了生产周期，因而有效提高了产能；此外，由于不同工艺在各自对应的工艺腔室中执行，因此也不会对后续的工艺造成污染。
作为本发明的另一个方面，提供了一种硅片，其中，包括硅衬底和位于所述硅衬底上的氮化铝膜层，在所述硅衬底上采用本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法沉积所述氮化铝膜层。
如上所述，利用本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法在硅衬底上沉积氮化铝薄膜，可以得到具有高结晶质量的氮化铝薄膜的硅衬底，且能够降低成本，提升产能。
作为本发明再一个方面，提供了一种氮化镓膜层的制备方法，所述制备方法包括：利用本发明所提供的上述在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法获得形成在硅衬底上的氮化铝膜层；在形成有氮化铝膜层的衬底上形成氮化镓膜层。
如上所述，本发明提供了一种氮化镓膜层的制备方法，将通过所述制备方法制得的所述氮化镓膜层应用于相关产品时，可以有效提高产品良率。
具体地，在所述硅衬底上制备所述氮化镓膜层之前，先在所述硅衬底上通过本发明所提供的在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法在硅衬底上形成一层氮化铝膜层，然后在所述氮化铝膜层之上形成所述氮化镓膜层。由于氮化铝和氮化镓具有相同的晶体结构，因此，二者之间具有很小的热失配，同时两者的晶格失配度也很小，因此，将氮化铝作为缓冲层，置入所述硅衬底与氮化镓膜层之间，可以极大地减小晶格失配以及热失配所带来的应力、缺陷等不足，提高产品良率。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种在硅衬底上沉积氮化铝薄膜的方法，其特征在于，包括下述步骤：
步骤S1、对待处理硅衬底进行预清洗，以去除所述待处理硅衬底表面的氧化层；
步骤S2、将预清洗后的所述待处理硅衬底进行烘烤；
步骤S3、对工艺腔室上的铝靶材进行预清洗，以去除所述铝靶材表面的氮化铝膜层，提高后续工艺中形成在所述硅衬底表面的氮化铝膜层的结晶质量；
步骤S4、向所述工艺腔室内通入惰性气体，将所述惰性气体激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材，以在预清洗后的所述待处理硅衬底表面沉积铝膜层，抑制在所述硅衬底表面上形成非晶层，其中，所述惰性气体不与所述铝靶材发生反应；
步骤S5、向所述工艺腔室内通入所述惰性气体和氮气，将所述惰性气体和所述氮气激发为等离子体后继续轰击所述铝靶材，以在所述步骤S4中获得的所述待处理硅衬底表面沉积氮化铝膜层；其中，
所述步骤S3具体为：向所述工艺腔室内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述铝靶材，以对所述铝靶材进行预清洗,通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为100sccm～300sccm；并且，利用脉冲直流电源施加偏压至所述铝靶材，所述脉冲直流电源的功率范围为2500W～4000W。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将所述待处理硅衬底装入载盘后传入预清洗腔内，并运动至工艺位置，向所述预清洗腔内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体轰击所述待处理硅衬底，以对所述待处理硅衬底进行预清洗。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：将装有所述待处理硅衬底的载盘从所述预清洗腔传入工艺腔室，并将所述工艺腔室内的温度设定为400℃～1000℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：向所述工艺腔室内通入氩气，将所述氩气激发为等离子体后轰击预清洗后的所述铝靶材。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述步骤S1中，通入所述预清洗腔内的所述氩气的流量范围为5sccm～50sccm；加载到射频线圈的功率范围为200W～500W；加载到下电极的功率范围为50W～500W。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中，利用脉冲直流电源施加偏压至所述铝靶材；
通入所述工艺腔室内的所述氩气的流量范围为15sccm～150sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为200W～4000W。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤S5中，通入所述工艺腔室内的惰性气体为氩气，所述氩气的流量范围为15sccm～100sccm，所述氮气的流量范围为30sccm～300sccm；所述脉冲直流电源的功率范围为2500W～4000W。
8.一种硅片，其特征在于，包括硅衬底和位于所述硅衬底上的氮化铝膜层，在所述硅衬底上采用权利要求1-7任意一项所述的方法沉积所述氮化铝膜层。
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