CN112626501A - 等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法及控制装置。该方法包括：将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号，在所述脉冲射频信号的关断期间通入吹扫气体。通过将射频信号设置为间断性射频信号，并且在射频信号的关断期间通入吹扫气体，通过吹扫气体将射频信号打开过程中反应生成的副产物排除，降低了等离子体沉积薄膜中杂质的含量，提高了薄膜的质量及其相关性能。

Description

等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法及控制装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法及控制装置。
背景技术
在传统的等离子体化学气相沉积薄膜工艺中发现沉积后的很多薄膜中都会存在副产物杂质，该杂质副产物的存在会对薄膜的质量和性能产生影响，例如在等离子体的作用下沉积钛薄膜和/或氮化钛薄膜工艺过程中，由于前驱体采用四氯化钛气体，并且在薄膜沉积过程中反应产生的副产物很难及时排除，导致钛薄膜和/或氮化钛薄膜中存在氯残留，而氯本身容易酸化具有一定的腐蚀性，对薄膜的阻值、漏电流等电学性质有很大的影响。随着制程工艺的发展，如何降低等离子体沉积薄膜中杂质的含量成为一个急需解决的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种新的等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法及控制装置。
一种等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法，包括：
将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号；
在所述射频信号的关断期间通入吹扫气体。
在其中一个实施例中，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2，所述间断性射频信号的射频频率大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，所述间断性射频信号的射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦。
在其中一个实施例中，所述薄膜包括金属薄膜、半导体薄膜、绝缘体薄膜。
在其中一个实施例中，所述薄膜至少包括钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种，所述薄膜沉积过程中工艺气体包括氩气，所述薄膜沉积过程中工艺气体还至少包括四氯化钛、氢气、氨气中的一种，。
在其中一个实施例中，所述氩气的流量大于等于1000sccm且小于等于3000sccm，所述四氯化钛气体的流量大于等于5sccm且小于等于20sccm,或所述氢气的流量大于等于1000sccm且小于等于5000sccm，或所述氨气的流量大于等于1000sccm且小于等于2000sccm。
在其中一个实施例中，所述吹扫气体包括所述薄膜沉积过程中的工艺气体或所述吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。
在其中一个实施例中，所述吹扫气体包括惰性气体。
在其中一个实施例中，所述间断性射频信号为脉冲射频信号，所述脉冲射频信号至少包括低频脉冲、高频脉冲、高低频同步脉冲中的一种。
在其中一个实施例中，所述等离子体沉积包括等离子体化学气相沉积、等离子体原子层沉积。
上述等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法，将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号，在所述脉冲射频信号的关断期间通入吹扫气体。通过将射频信号设置为间断性射频信号，并且在射频信号的关断期间通入吹扫气体，通过吹扫气体将射频信号打开过程中反应生成的副产物排除，降低了等离子体沉积薄膜中杂质的含量，提高了薄膜的质量及其相关性能。
一种控制装置，包括：
射频控制模块，所述射频控制模块用于控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断；
气体控制模块，所述气体控制模块用于控制吹扫气体的通入和关断，且在所述射频信号的关断期间控制吹扫气体通入、在所述射频信号的打开期间控制吹扫气体关断。
在其中一个实施例中，所述射频控制模块控制射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2。
在其中一个实施例中，所述薄膜至少包括钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种。
在其中一个实施例中，所述气体控制模块用于控制的吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。
在其中一个实施例中，所述气体控制模块用于控制的吹扫气体包括惰性气体。
在其中一个实施例中，所述射频信号的射频频率为大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，所述射频信号的射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦。
在其中一个实施例中，所述控制装置用于等离子体化学气相沉积设备。
上述控制装置包括：射频控制模块，所述射频控制模块用于控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断；气体控制模块，所述气体控制模块用于控制吹扫气体的通入和关断，且在所述射频信号的关断期间控制吹扫气体通入、在所述射频信号的打开期间控制吹扫气体关断。通过射频控制模块控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断，并且在射频信号的关断期间通入吹扫气体，通过吹扫气体将射频信号打开过程中反应生成的副产物排除，降低了等离子体沉积薄膜中杂质的含量，提高了薄膜的质量及其相关性能。
附图说明
图1为一实施例中等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法的流程图；
图2为一实施例中等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法的示意图；
图3为另一实施例中等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法的示意图；
图4a为一实施例中钛薄膜和氮化钛薄膜沉积步骤的示意图；
图4b为另一实施例中钛薄膜和氮化钛薄膜沉积步骤的示意图；
图4c为传统工艺和一实施例中钛薄膜/氮化钛薄膜沉积器件的对比图；
图5为一实施例中控制装置的框图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
在集成电路中，等离子体化学气相沉积(PECVD)的钛薄膜和氮化钛薄膜(Ti/TiN)通常用于形成TiSix结构形成欧姆接触，作为后续制程化学气相沉积钨薄膜的阻挡层和黏附层，因此降低Ti/TiN本身的阻值可以提高电信号的传递速率。
通过进一步降低Ti/TiN薄膜中氯的含量，可以降低薄膜的阻值，提高电信号的传输性能，但由于沉积中反应副产物氯化氢具有强烈的吸附性能，所以很难去除。
如图1所述，在一实施例中提供一种等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法，包括：
S102，将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号。
在一个实施例中，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2。在其他实施例中，可以根据薄膜沉积步骤中副产物的产生情况设置间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值。
在一个实施例中，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值至少包括0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1、1.2、1.3、1.5中的一种。在其他实施例中，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值也可以选择其他不同的数值和不同的个数。
S104，在所述射频信号的关断期间通入吹扫气体。
在一个实施例中，所述吹扫气体包括所述薄膜沉积过程中的工艺气体。
在一个实施例中，所述吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。在一个实施例中，所述吹扫气体包括惰性气体，例如稀有气体，即氦气、氖气、氩气、氙气、氪气等。
在一个实施例中，所述间断性射频信号为脉冲射频信号，所述脉冲射频信号至少包括低频脉冲、高频脉冲、高低频同步脉冲中的一种。
在一个实施例中，所述薄膜包括金属薄膜、半导体薄膜、绝缘体薄膜。
在一个实施例中，所述薄膜至少包括钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种。
如图2所示，在一个实施例中，在0-t期间工艺腔室进行薄膜沉积步骤；在0-t1期间，射频信号打开，薄膜沉积一直进行，在薄膜沉积过程中一直有副产物生成，在此期间副产物很难及时排出工艺腔室；在t1-t2期间，射频信号关断，薄膜沉积停止，同时向工艺腔室内通入吹扫气体，工艺腔室内的副产物随通入的吹扫气体排出工艺腔室，在0-t期间重复进行射频信号打开和关断的步骤，从吹扫气体第一次通入工艺腔室到薄膜沉积步骤结束，吹扫气体对工艺腔室的吹扫时间依次是：a1、a2、a3、a4、a5，气体吹扫时间a1＝a2＝a3＝a4＝a5＝t1，气体吹扫间隔中射频信号的打开时间均为t1，此时，间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值:6t1/(a1+a2+a3+a4+a5)＝1.2。
在其他实施例中，为了减少每次射频信号打开期间工艺腔室中的副产物，从吹扫气体第一次通入工艺腔室到薄膜沉积步骤结束，吹扫气体对工艺腔室的吹扫时间可以相同也可以不同，例如吹扫气体对工艺腔室的吹扫时间均不相同、依次增加、先增加后减少、先保持不变后增大、先增大后保持不变、先增大后减小然后增大等。同理，可以进行间断性射频信号中射频信号打开时间的设置，两次射频信号的打开时间可以相同也可以不同，具体两次射频信号的打开时间的区别可以参考吹扫气体对工艺腔室的吹扫时间。
如图3所示，在一个实施例中，所述薄膜包括第一层薄膜和第二层薄膜，在0-t3期间工艺腔室进行第一层薄膜沉积步骤，在t4-t5期间工艺腔室进行第二层薄膜沉积步骤，在t3-t4期间工艺腔室进行氮气吹扫，在其它实施例中，t3-t4期间通入吹扫气体进行吹扫。在第一层薄膜沉积步骤102工步中，间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值为4/3＝1.33，在第二层薄膜沉积步骤104工步中，间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值为8/4＝2。第一层薄膜沉积步骤和第二层薄膜沉积步骤中通入的吹扫气体可以选择同一种吹扫气体，也可以选择不同的吹扫气体。在一个实施例中，所述薄膜沉积过程中工艺气体包括氩气，所述薄膜沉积步骤中的工艺气体还至少包括四氯化钛、氢气、氨气中的一种。
在另一个实施例中，第一层薄膜和第二层薄膜沉积步骤中射频信号打开和关断的时间比值相同。在其他实施例中，为了减少每次射频信号打开期间工艺腔室中的副产物，可以调整不同薄膜的沉积步骤中吹扫时间间隔、射频信号打开和关断的时间。在其他实施例中，所述薄膜还包括第三层薄膜。
在一个实施例中，所述等离子体沉积包括等离子体化学气相沉积、等离子体原子层沉积。
在一个实施例中，所述间断性射频信号的射频频率大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，例如420KHz、430KHz、450KHz、470KHz、490KHz等；所述间断性射频信号的射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦，例如600W、800W、850W、900W、1000W、1200W等。
如图4a所示，在一个实施例中，所述薄膜为钛薄膜和氮化钛薄膜，在0-t6’期间工艺腔室进行钛薄膜沉积步骤，在间断性射频信号中射频信号打开过程中通入的工艺气体包括TiCl4、H2、Ar，在间断性射频信号中射频信号关断过程中的吹扫气体为射频信号打开过程中通入的工艺气体，包括TiCl4、H2、Ar；在射频在t7’-t8’期间工艺腔室进行氮化钛薄膜沉积步骤，在间断性射频信号中射频信号打开过程中通入的工艺气体包括H2、Ar、NH3，在间断性射频信号中射频信号关断过程中的吹扫气体为射频信号打开过程中通入的工艺气体，包括H2、Ar、NH3。如图4b所示，在一个实施例中，所述薄膜为钛薄膜和氮化钛薄膜，在薄膜沉积步骤中反应气体的单位为标准毫升每分钟(Standard Cubic Centimeter per Minute，sccm)，在0-t6期间工艺腔室进行钛薄膜沉积步骤，在t7-t8期间工艺腔室进行氮化钛薄膜沉积步骤。在钛薄膜沉积步骤202中通入工艺气体的流量分别为：Ar大于等于1000sccm且小于等于3000sccm，TiCl4大于等于5sccm且小于等于20sccm,H2大于等于1000sccm且小于等于5000sccm，间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2，射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦，在氮化钛薄膜沉积步骤204中通入工艺气体的流量分别为：Ar大于等于1000sccm且小于等于3000sccm，H2大于等于1000sccm且小于等于5000sccm，NH3大于等于1000sccm且小于等于2000sccm,间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2，射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦。在一个实施例中，Ar的流量为1100sccm、1200sccm、1300sccm、1400sccm、1500sccm、1600sccm、1800sccm、2000sccm、2400sccm、2500sccm、2700sccm、2900sccm等。
钛薄膜和氮化钛薄膜沉积步骤中通入的吹扫气体可以选择同一种吹扫气体，也可以选择不同的吹扫气体。在一个实施例中，钛薄膜和氮化钛薄膜沉积工步之间通入吹扫气体进行吹扫。通过控制每秒射频信号的打开和关断的时间比例，及吹扫气体的通入，使得副产物HCL等随吹扫气体排出工艺腔室，降低钛薄膜和氮化钛薄膜中氯等杂质的含量，降低钛薄膜和氮化钛薄膜本身阻值和潜在腐蚀的危险性，提高设备的稳定性。
如图4c所示，310、320为传统钛薄膜或氮化钛薄膜等离子体工艺沉积的器件，其中S302为在衬底302上沉积钛薄膜或氮化钛薄膜304过程中的器件，320为沉积完成后的器件，在器件310形成过程中射频信号为打开状态，薄膜沉积一直在进行，衬底302上钛薄膜或氮化钛薄膜304的厚度逐渐增加，由于沉积过程中产生的氯化氢等副产物306具有强烈的吸附性能，很难及时排出工艺腔室，沉积工艺完成后衬底302上沉积的钛薄膜或氮化钛薄膜304中存在很多副产物306，对钛薄膜或氮化钛薄膜304的阻值、漏电流等电学性质有很大的影响。410-430为一实施例中钛薄膜/氮化钛薄膜等离子体工艺沉积的器件，其中410、420为在衬底402上沉积钛薄膜或氮化钛薄膜404过程中的器件，430为沉积完成后的器件；在器件410形成过程中射频信号为打开状态，薄膜沉积一直在进行，衬底402上钛薄膜或氮化钛薄膜404的厚度逐渐增加，副产物306很难及时排出工艺腔室，沉积工艺完成后衬底402上沉积的钛薄膜或氮化钛薄膜404中存在很多氯化氢等副产物306；在器件420形成过程中射频信号为关闭状态，薄膜沉积停止，向工艺腔室通入吹扫气体，工艺腔室中的副产物306随通入的吹扫气体排出工艺腔室，循环进行器件410和420形成的过程直至衬底402上沉积的钛薄膜或氮化钛薄膜404的厚度达到工艺要求，此时器件430中衬底402上沉积的钛薄膜或氮化钛薄膜404中的副产物306比传统工艺形成的器件320上沉积的钛薄膜或氮化钛薄膜304中的副产物306要低，钛薄膜或氮化钛薄膜404的质量和相关性能都有很大的提高。
在一个实施中，钛薄膜和氮化钛薄膜用于覆盖深宽比大于等于2且小于等于80的沟槽。钛薄膜和氮化钛薄膜的厚度均大于等于2纳米小于等于15纳米，例如3纳米、5纳米、7纳米、10纳米、12纳米等。
在一个实施例中，所述薄膜为等离子体化学气相沉积的氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜，例如PESIN、PETEOS、BPSG、PSG、USG。
上述等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法，将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号，在所述脉冲射频信号的关断期间通入吹扫气体。通过将射频信号设置为间断性射频信号，并且在射频信号的关断期间通入吹扫气体，通过吹扫气体将射频信号打开过程中反应生成的副产物排除，降低了等离子体沉积薄膜中杂质的含量，提高了薄膜的质量及其相关性能。
如图5所示，在一个实施例中，提供一种控制装置500，包括：
射频控制模块502，射频控制模块502用于控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断；
气体控制模块504，气体控制模块504用于控制吹扫气体的通入和关断，且在所述射频信号的关断期间控制吹扫气体通入、在所述射频信号的打开期间控制吹扫气体关断。
在一个实施例中，所述射频控制模块控制射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2。在其他实施例中，可以根据薄膜沉积工艺过程中副产物的产生情况设置间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值。
在一个实施例中，所述薄膜至少包括钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种。
在一个实施例中，所述射频控制模块控制射频信号打开和关断的时间比值至少包括0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1、1.2、1.3、1.5中的一种。在其他实施例中，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值也可以选择其他不同的数值和不同的个数。
在一个实施例中，所述气体控制模块用于控制的吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。
在一个实施例中，所述气体控制模块用于控制的吹扫气体包括惰性气体，例如稀有气体，即氦气、氖气、氩气、氙气、氪气等。
在一个实施例中，所述射频信号的射频频率大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，例如420KHz、430KHz、450KHz、470KHz、490KHz等；所述射频信号的射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦，例如600W、800W、850W、900W、1000W、1200W等。
在一个实施例中，所述控制装置用于等离子体化学气相沉积设备。
上述控制装置包括：射频控制模块，所述射频控制模块用于控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断；气体控制模块，所述气体控制模块用于控制吹扫气体的通入和关断，且在所述射频信号的关断期间控制吹扫气体通入、在所述射频信号的打开期间控制吹扫气体关断。通过射频控制模块控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断，并且在射频信号的关断期间通入吹扫气体，通过吹扫气体将射频信号打开过程中反应生成的副产物排除，降低了等离子体沉积薄膜中杂质的含量，提高了薄膜的质量及其相关性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种等离子体沉积薄膜杂质含量的改善方法，包括：
将薄膜沉积过程中的射频信号设置为间断性射频信号；
在所述射频信号的关断期间通入吹扫气体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间断性射频信号中射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2，所述间断性射频信号的射频频率大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，所述间断性射频信号的射频功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜至少包括所述钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种，所述薄膜沉积过程中工艺气体包括氩气，所述薄膜沉积过程中工艺气体还至少包括四氯化钛、氢气、氨气中的一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述氩气的流量大于等于1000sccm且小于等于3000sccm，所述四氯化钛气体的流量大于等于5sccm且小于等于20sccm,或所述氢气的流量大于等于1000sccm且小于等于5000sccm，或所述氨气的流量大于等于1000sccm且小于等于2000sccm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吹扫气体包括所述薄膜沉积过程中的工艺气体或所述吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间断性射频信号为脉冲射频信号，所述脉冲射频信号至少包括低频脉冲、高频脉冲、高低频同步脉冲中的一种。
7.一种控制装置，包括：
射频控制模块，所述射频控制模块用于控制等离子体沉积薄膜过程中射频信号的打开和关断；
气体控制模块，所述气体控制模块用于控制吹扫气体的通入和关断，且在所述射频信号的关断期间控制所述吹扫气体通入、在所述射频信号的打开期间控制所述吹扫气体关断。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述射频控制模块控制射频信号打开和关断的时间比值大于等于0.1且小于等于2，所述射频信号的频率大于等于400千赫兹且小于等于500千赫兹，所述射频信号的功率大于等于500瓦且小于等于1500瓦。
9.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述薄膜至少为钛薄膜、氮化钛薄膜中的一种，所述气体控制模块用于控制的吹扫气体至少包括氢气、氮气、氩气中的一种。
10.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于，所述控制装置用于等离子体化学气相沉积设备。
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