CN111740008A - 一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法，包括：采用离子溅射的方法进行薄膜减薄，离子减薄后采用化学机械抛光工艺降低薄膜粗糙度。本发明的方法成功改善了薄膜厚度均匀性，且没有在薄膜表面额外引入缺陷层，在提高晶圆内不同区域间的器件性能一致性的同时不引起器件性能恶化，具有良好的应用前景。

Description

一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法
技术领域
本发明属于电子元器件领域，特别涉及一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法。
背景技术
随着微电子器件领域的发展，基于材料异质集成的芯片单片集成技术逐渐受到人们的关注。材料异质集成不仅可以提高传统器件的工作性能，同时可以开发新的工作模式。新材料平台的出现使理论上的新型器件和工作原理获得实验验证。目前，基于离子注入和异质键合技术的离子束剥离技术逐渐成为异质集成的一种主要方法。且基于该技术的衬底和器件开发也受到了广泛研究。例如，哈佛大学利用硅上的铌酸锂薄膜制备了铌酸锂集成光学器件(Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating atCMOS-compatible voltages.)，日本村田利用硅上的钽酸锂薄膜制备了高性能声表面波滤波器，并成功量产Wifi频段滤波器(High-performance SAW resonator with simplifiedLiTaO3/SiO2 double layer structure on Si substrate)。然而，与传统材料异质集成方法如异质外延不同的是，离子注入和剥离技术将引入离子注入损伤和粗糙的薄膜表面，需要采用表面平坦化工艺进行处理。然而，现有的表面平坦化技术处理后的薄膜厚度均匀性将产生恶化。对于集成光学器件，因为传输波导尺寸较长以及干涉器对结构敏感等原因，膜厚不均匀会导致有效折射率变化从而增大传输损耗和光波的操纵。对于声学器件，压电层厚度与支撑衬底厚度比例是严格设计的，压电层厚度的变化会改变谐振频率、Q值以及耦合系数，造成晶圆内不同器件的性能偏差。薄膜厚度的均匀性影响器件的工作点的稳定性和一致性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法，该方法改善了薄膜厚度均匀性，且不影响器件的工作稳定性。
本发明提供了一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法，包括：
在通过离子束剥离制备薄膜后，采用离子溅射减薄薄膜，减薄去除量不小于离子束剥离离子注入高斯分布的1.5σ，离子溅射后表面粗糙度不大于初始表面粗糙度的80％；然后再采用化学机械抛光工艺降低薄膜粗糙度，即可；其中，薄膜厚度不均匀性优于+/-1.5％时，离子溅射采用广域高斯型离子束处理方法；薄膜厚度不均匀性差于+/-1.5％时，离子溅射采用聚集离子束与厚度监测方法。
所述离子溅射采用Ar离子，溅射能量为0.1～2keV。
所述广域高斯型离子束处理方法为晶圆置于线性区内，并绕圆心旋转。
所述厚度检测包括离线检测和在线实时反馈。
其中，离线检测包括：首先高密度测试薄膜厚度分布；然后将厚度输入离子束溅射系统，软件根据厚度分布对不同位置进行不同时长的溅射。在线实时反馈包括：离子束溅射系统内存在白光干涉测厚仪，可以实时测试薄膜厚度，与离子束溅射形成反馈系统。
所述化学机械抛光工艺去除量为最终剩余厚度的1.5％～15％。
经过所述化学机械抛光工艺后薄膜表面粗糙度不高于1nm。
如图2所示，离子溅射后注入离子和缺陷在材料内形成近似高斯分布，缺陷集中在材料表面区域，且向薄膜内部缺陷降低。因此根据高斯分布，溅射去除厚度不小于1.5σ，剩余薄膜残留缺陷小于极值的30％。
有益效果
本发明的方法成功改善了薄膜厚度均匀性，且没有在薄膜表面额外引入缺陷层，在提高晶圆内不同区域间的器件性能一致性的同时不引起器件性能恶化，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明离子溅射的原理示意图；
图3为本发明广域高斯型离子束溅射的原理示意图；
图4为刚剥离后薄膜的不均匀性。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
对于离子束剥离功能薄膜技术而言，所采用的离子束种类一般为H离子、He离子或H/He等多种离子共同注入。不同注入离子在材料内的分布也不同，剥离的机理也不同。例如对于铌酸锂，H离子注入后会与LN中的O离子结合，从而形成一个宽度较大的分布范围，从而导致剥离的厚度波动范围也较大，剥离后的薄膜不均匀性(NU)可能达到+/-2.5％～+/-5％(图4)。而He离子注入后会引入较大的应力并形成板状缺陷，此时的LN剥离主要靠板状缺陷的横向延伸，剥离后的膜厚不均匀性只有+/-1％左右。因此，针对不同的初始不均匀性(NU)，提出了两种不同的处理方案，但离子溅射均采用Ar离子。
A.对于初始NU小于+/-1.5％的薄膜材料，已经基本符合器件一致性的要求，因此在处理过程中只需要保证NU没有进一步的恶化即可，因此可以采用广域离子束刻蚀的方法去除离子束剥离后的表面缺陷层，并获得一个较小的表面粗糙度即可。从图3中可以看出广域离子束的强度分布，离子束强度强的地方刻蚀速度快，离子束弱的地方刻蚀速度慢。常规而言，将晶圆放置在离子束中间，这样只需选择一个与晶圆尺寸匹配的离子源即可，成本较低。但是这样会导致中间的刻蚀速度始终大于边缘的刻蚀速度，会快速恶化膜厚均匀性。因此，本实施例选择一个范围较大的离子源，其线性区区域大于需要处理的晶圆直径，并且将晶圆中心放置在线性区中心。在辐照的过程中，采用离子源固定，晶圆沿中心轴线旋转的方案，旋转一周后可以就可以在晶圆面积内的形成均匀刻蚀厚度。考虑到离子束为三维结构，为了节约成本，可以在一个广域离子源内同时处理2～4片晶圆，对每片晶圆采用独立的旋转控制。
B.对于初始NU大于+/-1.5％的薄膜材料，尤其是初始NU达到+/-5％以上的薄膜材料，已经不符合器件一致性的要求，因此在处理过程要先将NU优化到一个比较小的数值。此时可以采用比较复杂的厚度测试与离子束刻蚀结合的方法。
该方法有两个实施方案，一个是采用离线测量的方法，即测试与离子束刻蚀是分离的。首先利用膜厚测试仪测试晶圆表面多个位置点的厚度，获得晶圆表面的厚度分布图。将该厚度分布图输入到聚焦离子束刻蚀设备内，聚焦离子束刻蚀设备会根据输入的厚度分布图针对每个位置点调整离子能量、功率和刻蚀时间等参数，将薄膜厚度处理到均一的厚度。第二个方案是采用在线测量的方法，即测试与离子束刻蚀是集成的。在线测试和刻蚀形成反馈系统，实时测试和调整参数，将薄膜厚度处理到目标厚度。但是聚焦离子束测试的方法仍然具有一定的局限，即只能表征测试区的膜厚而无法表征为测试区的影响。为了减小影响，需要增加聚焦离子束的刻蚀点密度。一个解决方案是根据器件版图设计中的每个器件位置，在每个器件区域内设置2个以上的测试和刻蚀点，从而提高每个器件区域的均匀性。
关于离子束刻蚀厚度：离子束剥离中主要注入H离子或He离子，注入离子和缺陷在材料内部呈高斯分布。经过退火后，薄膜材料从离子与缺陷的峰值区域剥离，形成含有残余缺陷的薄膜材料。剥离薄膜内的缺陷分布可以近似认为是以表面为0点的标准正态分布，此时的分布函数为：
Figure BDA0002543311300000031
其中μ＝0。因此，选择去除量为1.5σ时，剩余残余缺陷仅剩缺陷峰值的约1/3。因此，本实施例选用的1.5σ的刻蚀厚度会去除缺陷分布最严重的区域，剩余的缺陷浓度可以通过高温退火实现恢复。再结合最终CMP的去除量，可以保证剩余薄膜的单晶质量。
最后对晶圆进行化学机械抛光工艺，即CMP。对于LN而言，经过离子辐照的表面粗糙度可以优化到5nm，因此理论上只需要CMP去除6nm即可完成粗糙度的改善。对于6nm的CMP厚度不均匀性为+/-20％来计算，厚度偏差为+/-1.2nm，+/-1.2nm厚度偏差对于500nm的薄膜的不均匀性为+/-0.24％的恶化，相对于传统CMP的厚度均匀性有极大的改善。对于超薄CMP去除而言，减小CMP的去除厚度还可以有效降低CMP去除厚度的不均匀性，进一步改善厚度均匀性。

Claims (6)

1.一种提高离子束剥离薄膜厚度均匀性的方法，包括：
在通过离子束剥离制备薄膜后，采用离子溅射减薄薄膜，减薄去除量不小于离子束剥离离子注入高斯分布的1.5σ，离子溅射后表面粗糙度不大于初始表面粗糙度的80％；然后再采用化学机械抛光工艺降低薄膜粗糙度，即可；其中，薄膜厚度不均匀性优于+/-1.5％时，离子溅射采用广域高斯型离子束处理方法；薄膜厚度不均匀性差于+/-1.5％时，离子溅射采用聚集离子束与厚度监测方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述离子溅射采用Ar离子，溅射能量为0.1～2keV。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述广域高斯型离子束处理方法为晶圆置于线性区内，并绕圆心旋转。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述厚度检测包括离线检测和在线实时反馈。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述化学机械抛光工艺去除量为最终剩余厚度的1％～15％。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：经过所述化学机械抛光工艺后薄膜表面粗糙度不高于1nm。
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