CN111508833B - 提高薄膜表面处理精度的方法及半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高薄膜表面处理精度的方法及半导体器件的制造方法，在量测待表面处理层的膜厚以确定后续对待表面处理层进行表面处理的工艺参数之前，先去除预设厚度的膜层结构，以去除待表面处理层表面上的自然氧化层，由此，降低待表面处理层表面上的自然氧化层对待表面处理层膜厚的量测结果和表面处理速率的影响，进而可以确定更高精度的用于表面处理的工艺参数，由此可以基于该工艺参数来实现对待表面处理层的高精度表面处理，使得表面处理后的待表面处理层符合要求，例如待表面处理层的膜厚均一性符合要求。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种提高薄膜表面处理精度的方法及半导体器件的制造方法。
背景技术
各个半导体器件的制造过程通常包括多道工序，且器件从前一工序出来之后，一般需要在常规的空气环境中排队等待一段时间后才能进入到后一工序，在这个排队等待的时间段内，器件表面上的膜层，例如氮化铝（AlN）、氮化钛铝（AlTiN）等，会与空气环境中的水蒸气和氧发生反应，而形成一层自然氧化层。
而在某些半导体器件的制造过程中，要求后一工序处理后的膜层符合一些要求，例如需要做到膜厚均一等，因此在执行该后一工序时，通常先量测出前一工序（例如薄膜沉积工序）后的膜层的厚度，然后根据量测的结果，确定前一工序后的膜层需要被去除的厚度，之后通过离子束刻蚀等方法对前一工序后的膜层进行表面处理和修整，使膜层最终的膜厚达到高度均一性。
而在前后两道工序之间的排队等待时间内在膜层表面上形成自然氧化层，会影响前一工序后的膜层厚度的量测结果精度以及后一工序的膜层表面处理速率（例如刻蚀速率），进而会影响后一工序后的膜厚均一性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体器件的制造方法，能够改善待表面处理的薄膜表面上的自然氧化层对量测精度和后续表面处理的速率的影响，继而实现对待表面处理的薄膜的高精度表面处理。
为解决上述技术问题，本发明提供一种提高薄膜表面处理精度的方法，包括：
提供一形成有膜层结构的衬底，所述膜层结构包括形成在衬底上的待表面处理层以及形成在所述待表面处理层的表面上的自然氧化层；
去除预设厚度的膜层结构，以去除所述待表面处理层表面上的自然氧化层；
量测剩余的待表面处理层的膜厚，以确定后续对剩余的待表面处理层刻蚀修整的工艺参数；
根据所述工艺参数对剩余的待表面处理层进行表面处理，以获得符合要求的待表面处理层。
可选地，提供具有所述膜层结构的衬底的步骤包括：采用薄膜沉积机台在所述衬底上形成待表面处理层；将所述衬底从薄膜沉积机台中取出并暴露在一刻蚀机台前的空气环境中，以按序排队等待进入所述刻蚀机台，进而去除预设厚度的膜层结构，且在排队等待的过程中，暴露在空气中的待表面处理层与空气反应形成所述自然氧化层。
可选地，所述去除预设厚度的膜层结构的步骤和根据所述工艺参数刻蚀所述待表面处理层的步骤，在同一所述刻蚀机台上完成。
可选地，所述刻蚀机台为离子束刻蚀机台，通过所述刻蚀机台去除所述预设厚度的膜层结构时，所采用的刻蚀气体包括惰性气体、氮气和氢气中的至少一种。
可选地，在去除预设厚度的膜层结构之前，所述方法还包括：收集所述刻蚀机台刻蚀历史批次产品中的待表面处理层的相关数据，并分析所述相关数据，以得到所述预设厚度。
可选地，所述待表面处理层的材料包括氮化铝和/或氮化钛铝。
可选地，所述预设厚度为5nm~15nm。
可选地，采用激光和/或超声波量测技术量测所述待表面处理层的膜厚。
可选地，所述工艺参数包括待表面处理层的去除厚度、刻蚀时间、刻蚀压力、刻蚀温度中的至少一种。
本发明还提供一种半导体器件的制造方法，包括：采用本发明所述的提高薄膜表面处理精度的方法，在一衬底上形成符合要求的待表面处理层。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
1、在量测待表面处理层的膜厚以确定后续以确定后续对待表面处理层进行表面处理的工艺参数，先去除预设厚度的膜层结构，以去除待表面处理层表面上的自然氧化层，由此，降低待表面处理层表面上的自然氧化层对待表面处理层膜厚的量测结果和后续表面处理的速率的影响，进而可以确定更高精度的用于后续表面处理的工艺参数，由此可以基于该工艺参数来实现对待表面处理层的高精度表面处理，使得表面处理后的待表面处理层符合要求，例如待表面处理层的膜厚均一性符合要求。
2、由于先去除了待表面处理层表面上的自然氧化层，然后才设定待表面处理层的工艺参数，因此可以降低高精度表面处理工艺的调试难度，减少工艺调试时间和调机控片数量。
3、去除自然氧化层的步骤和根据所述工艺参数对剩余的待表面处理层进行表面处理的步骤，在同一刻蚀机台中执行，由此，可以避免去除自然氧化层的刻蚀工艺影响到半导体器件制造的整体工序。
附图说明
图1~图3是现有的氮化铝刻蚀工序中的器件剖面结构示意图。
图4是本发明具体实施例的提高薄膜表面处理精度的方法流程图。
图5~图7是本发明具体实施例的提高薄膜表面处理精度的方法中的器件剖面结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的技术方案作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。本文中，“和/或”的含义是二选一或者二者兼具。
氮化铝(AlN)是一种在半导体器件的制造过程中能用于多种用途的半导体材料，例如用作压电传感器件中的压电薄膜等。
现有的一种在衬底100上形成膜厚均一的氮化铝(AlN)膜层的过程如下：
首先，请参考图1，采用物理气相沉积沉积（PCVD）等沉积工艺在衬底100上沉积AlN膜层101；
然后，将衬底送入到离子束刻蚀机台前并暴露在大气环境中排队等待，在排队等待时，为了降低工艺成本和设备成本，通常不会对具有AlN膜层101的衬底100进行隔绝大气存放；
接着，请参考图2，进入离子束刻蚀机台，采用激光、超声波等量测技术来量测AlN膜层101的膜厚，以根据量测结果确定后续刻蚀AlN膜层101的去除量H；
然后，请参考图3，在所述离子束刻蚀机台上对AlN膜层101进行刻蚀修整（即表面处理），直至AlN膜层101的去除量达到H，由此使剩余的AlN膜层101a的膜厚达到高度均一性。
请继续参考图2和图3，发明人研究发现，在上述的排队等待的时间段内，AlN膜层101在室温下就会与空气中的水蒸气和氧缓慢反应，而在表面形成一层自然氧化层102（主要是Al(OH)3和Al2O3的混合物），其厚度通常为5nm~10nm:
AlN(s)+3H2O(g)=Al(OH)3(s)+NH3(g)； 2AlN(s)+3/2O2(g)=Al2O3(s)+N2(g)。
显然，自然氧化层102与AlN的材质不一样，当采用超声波量测AlN膜层101的膜厚时，超声波在自然氧化层102和AlN膜层101中的传递速度不同，当基于超声波在由自然氧化层102和AlN膜层101组成的膜层结构中的传递速度和信号接收时间差来计算出AlN膜层101的厚度时，会造成膜厚量测误差，继而影响后续的AlN膜层101的刻蚀修整精度，使刻蚀修整后的AlN膜层101a的膜厚不均一。
经过发明人进一步研究发现，上述问题不仅仅存在于AlN膜层的刻蚀工艺中，还存在于其他一些能与空气发生反应的待表面处理的膜层的表面处理工艺中，这些待表面处理层由于在进入表面处理工序之前会因暴露在空气中过久或其他原因而导致表面氧化形成自然氧化层，继而影响量测精度，使得后续的高精度表面处理工艺受影响。
基于上述发现，本发明提供一种提高薄膜表面处理精度的方法及半导体器件的制造方法，其在量测待表面处理层的膜厚之前，添加去除待表面处理层表面预设厚度的自然氧化层的步骤，由此除去自然氧化层对膜厚量测和后续表面处理的速率的影响，进而实现待表面处理层后续的高精度表面处理。
请参考图4，本发明一实施例提供一种提高薄膜表面处理精度的方法，包括以下步骤：
S1，提供一形成有膜层结构的衬底，所述膜层结构包括形成在衬底上的待表面处理层以及形成在所述待表面处理层的表面上的自然氧化层；
S2，去除预设厚度的膜层结构，以去除所述待表面处理层表面上的自然氧化层；
S3，量测剩余的待表面处理层的膜厚，以确定后续对剩余的待表面处理层刻蚀修整的工艺参数；
S4，根据所述工艺参数对剩余的待表面处理层进行表面处理，以获得符合要求的待表面处理层。
请参考图5，在步骤S1中，首先，提供衬底300，提供的衬底300可以是本领域技术人员熟知的任意合适的衬底材料，例如硅晶圆、绝缘体上硅晶圆等，衬底300可以是经过一定半导体制造工序加工过的衬底，其内部可以形成有晶体管、电阻、二极管等电子元件以及器件隔离结构等。然后，将衬底300送入到一薄膜沉积机台（未图示），例如PCVD（物理气相沉积）机台、分子束外延机台、化学气相沉积机台等，以在所述衬底300上形成待表面处理层301。沉积完成后，将所述衬底300从薄膜沉积机台中取出并传输到一刻蚀机台前按序排队等待，以在后续进行高精度表面刻蚀修整，此时待表面处理层301暴露在刻蚀机台前的空气环境中，且在排队等待的过程中，暴露在空气中的待表面处理层301会与空气中氧、水蒸气等发生反应，形成自然氧化层302，自然氧化层302和待表面处理层301堆叠形成衬底300上的膜层结构。其中，当待表面处理层301的材料包括氮化铝AlN和/或氮化钛铝AlTiN时，自然氧化层302的材料包括氧化铝Al2O3和氢氧化铝Al(OH)3。
请参考图6，在步骤S2中，在排队到该衬底300时，该衬底300被送入到刻蚀机台中，所述刻蚀机台为化学性刻蚀机台或者物理性刻蚀机台，例如为离子束刻蚀机台。在所述刻蚀机台中，采用包括惰性气体、氮气和氢气中的至少一种的刻蚀气体，来刻蚀去除预设厚度的膜层结构，以去除自然氧化层302，此过程也会去除一部分待表面处理层，剩余的待表面处理层301a用于后续刻蚀修整。其中，可以通过收集所述刻蚀机台刻蚀历史批次产品中的待表面处理层的相关数据，所述相关数据包括刻蚀速率变化，和/或，不同刻蚀条件下刻蚀后的膜厚均一性等等数据，并分析所述相关数据，来得到所述预设厚度。可选地，所述预设厚度为5nm~15nm。当待表面处理层301为氮化铝AlN时，预设厚度可以为5nm~15nm，具体地例如为10nm。
请参考图6，在步骤S3中，采用激光或者超声波等测量装置，来量测剩余的待表面处理层301a的膜厚，以确定后续对所述待表面处理层301a表面处理（即刻蚀修整）的工艺参数。所述工艺参数包括剩余的待表面处理层301a的去除厚度、刻蚀时间、刻蚀压力、刻蚀温度中的至少一种。该量测过程相对后续的表面处理过程所需的时间短，因此即使衬底从步骤S2中的刻蚀机台中转移出来而在测量装置前进行排队等待，其等待时间也较短，因此待表面处理层表面上即使在步骤S3中再次与空气反应而产生新的自然氧化层，其厚度也非常薄，且待表面处理层的表面也不会全部被新的自然氧化层覆盖，因此不会对后续的表面处理工艺造成太大的影响。
请参考图7，在步骤S4中，可以根据步骤S3中所设定的工艺参数，来刻蚀剩余的待表面处理层301a，以获得符合要求的待表面处理层301b。
本实施例中，由于步骤S2后剩余的待表面处理层301a表面上没有自然氧化层302，因此步骤S3中测得的膜厚结果准确，依据该膜厚测量结果而设置的工艺参数的精度得到提高，步骤S4能够降低高精度表面处理工艺的调试难度，减少工艺调试时间和调机控片数量，且基于该精确的工艺参数能够实现高精度刻蚀，避免了自然氧化层对步骤S4中的表面处理速率的影响，进而在步骤S4结束后，待表面处理层301b的膜厚均一性相对现有技术得到改善。此外，步骤S2和S4在同一刻蚀机台上完成，可以避免去除自然氧化层的刻蚀工艺影响到半导体器件制造的整体工序。
需要说明的是，上述实施例中，虽然以待表面处理层包括氮化铝AlN和/或氮化钛铝AlTiN为例，且在步骤S1中通过沉积工艺来形成待表面处理层，但是本发明的技术方案并不仅仅限定于此，待表面处理层的材料可以是半导体器件制造技术领域中任意能够暴露在大气中且会与空气反应形成自然氧化层的材料，在步骤S1中，可以通过涂覆等其他合适的工艺来在衬底上形成待表面处理层，也就是说，前一工序不仅仅限于薄膜沉积的工序，还可以是涂覆等其他工序，后一工序也不仅仅限于常规的干法刻蚀或湿法刻蚀工序，还可以是激光烧蚀等工序。即本文中的表面处理工艺，不仅仅限于常规的湿法刻蚀、干法刻蚀，还可以是激光烧蚀等。
基于同一发明构思，请参考图4和图5~图7，本发明一实施例还提供一种半导体器件的制造方法，包括：采用本发明所述的提高薄膜表面处理精度的方法，在一衬底上形成符合要求的待表面处理层，以及，基于所述待表面处理层进行后续工序，例如光刻、或者新的膜层沉积等。
本实施例的半导体器件的制造方法可以适用于MEMS器件（例如压电传感器等）或者光电子器件等器件的制作，其中的待表面处理层为氮化铝时，可以用作压电薄膜、光电功能薄膜、绝缘层、封装层等。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于本发明技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种提高薄膜表面处理精度的方法，其特征在于，包括：
提供一形成有膜层结构的衬底，所述膜层结构包括形成在衬底上的待表面处理层以及形成在所述待表面处理层的表面上的自然氧化层，所述待表面处理层的材料为氮化铝或氮化钛铝，所述自然氧化层的材料包括氧化铝和氢氧化铝；
去除预设厚度的膜层结构，以去除所述待表面处理层表面上的自然氧化层以及部分所述待表面处理层；
量测剩余的待表面处理层的膜厚，以确定后续对剩余的待表面处理层刻蚀修整的工艺参数；
根据所述工艺参数对剩余的待表面处理层的表面进行物理性的离子束刻蚀，以获得符合要求的待表面处理层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供具有所述膜层结构的衬底的步骤包括：采用薄膜沉积机台在所述衬底上形成待表面处理层；将所述衬底从薄膜沉积机台中取出并暴露在一刻蚀机台前的空气环境中，以按序排队等待进入所述刻蚀机台，进而去除预设厚度的膜层结构，且在排队等待的过程中，暴露在空气中的待表面处理层与空气反应形成所述自然氧化层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述去除预设厚度的膜层结构的步骤和根据所述工艺参数刻蚀所述待表面处理层的步骤，在同一所述刻蚀机台上完成。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述刻蚀机台为离子束刻蚀机台，通过所述刻蚀机台去除所述预设厚度的膜层结构时，所采用的刻蚀气体包括惰性气体、氮气和氢气中的至少一种。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在去除预设厚度的膜层结构之前，还包括：收集所述刻蚀机台刻蚀历史批次产品中的待表面处理层的相关数据，并分析所述相关数据，以得到所述预设厚度。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设厚度为5nm~15nm。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用激光和/或超声波量测技术量测所述待表面处理层的膜厚。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工艺参数包括待表面处理层的去除厚度、刻蚀时间、刻蚀压力、刻蚀温度中的至少一种。
9.一种半导体器件的制造方法，其特征在于，包括：采用权利要求1至8中任一项所述的提高薄膜表面处理精度的方法，在一衬底上形成符合要求的待表面处理层。
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