CN112853326B

CN112853326B - 一种膜层沉积方法

Info

Publication number: CN112853326B
Application number: CN202110012080.2A
Authority: CN
Inventors: 桂铭阳; 罗兴安; 张春雷; 蒋志超; 胡淼龙; 张高升
Original assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Current assignee: Yangtze Memory Technologies Co Ltd
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2022-09-02
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112853326A

Abstract

本申请提供一种膜层沉积方法，基于等离子体气相沉积，包括：将待形成膜层的元件暴露在等离子体腔室中；提供等离子体；通入膜层生成气体，在所述等离子体的作用下，所述膜层生成气体在所述待形成膜层的元件表面形成膜层；间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，在抽气阶段，所述腔室内保持预设真空度。由于在等离子体沉积过程中，进行抽气体过程，抽气过程对等离子体场分布造成影响，使得等离子体场分布相对于现有技术中的不均匀而言，较为杂乱随机，从而使得等离子体轰击晶圆的区域相对均匀，进而使得膜层沉积在晶圆表面的厚度相对于现有技术而言，更加均匀，使得晶圆受到膜层的应力较为均匀，改善了晶圆发生形变和破片的情况。

Description

一种膜层沉积方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制作工艺技术领域，尤其涉及一种膜层沉积方法。

背景技术

PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)是指等离子体增强化学的气相沉积法，是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以是III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。化学气相淀积已成为无机合成化学的一个新领域。

随着3D NAND的层数越来越多，在3D NAND制作过程中，需要提供更加可靠的硬掩膜来搭配后续的刻蚀工艺。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种膜层沉积方法，以解决现有技术中硬掩膜搭配后续刻蚀工艺的可靠性无法满足人们需求的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种膜层沉积方法，基于等离子体气相沉积，包括：

将待形成膜层的元件暴露在等离子体腔室中；

提供等离子体；

通入膜层生成气体，在所述等离子体的作用下，所述膜层生成气体在所述待形成膜层的元件表面形成膜层；

间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，在抽气阶段，所述腔室内保持预设真空度。

优选地，所述间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，具体包括：

周期性对所述等离子体腔室中的气体进行抽气。

优选地，非抽气阶段时长与所述抽气阶段时长之比的范围为1到100。

优选地，膜层沉积总时长为200s-2000s，包括端点值。

优选地，抽气周期数量为10-50，包括端点值。

优选地，在所述抽气阶段，停止通入所述膜层生成气体。

优选地，还包括：在所述抽气阶段，往所述等离子体腔室中通入清洁气体。

优选地，所述清洁气体为含氟气体。

优选地，所述提供等离子体包括：

通入等离子体产生气体；

采用射频电源对所述等离子体产生气体进行电离。

优选地，所述膜层生成气体为烷烃气体。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的膜层沉积方法，由于在等离子体沉积过程中，进行抽气体过程，抽气过程对等离子体场分布造成影响，使得等离子体场分布相对于现有技术中的不均匀而言，较为杂乱随机，从而使得等离子体轰击晶圆的区域相对均匀，进而使得膜层沉积在晶圆表面的厚度相对于现有技术而言，更加均匀，使得晶圆受到膜层的应力较为均匀，改善了晶圆发生形变和破片的情况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为相关技术中PECVD设备结构图；

图2-图4为硬掩膜的制作过程示意图；

图5为晶圆表面应力分布示意图；

图6为本发明实施例提供的一种膜层沉积方法流程图；

图7为本发明实施例提供的膜层沉积所对应的装置结构示意图；

图8为本发明实施例中提供的间断性抽气膜层生成示意图；

图9为第二通气口中气体流量变化示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中随着3D NAND层数越来越多，刻蚀工艺中，刻蚀更长时间形成深度沟槽。对应的硬掩膜需要具有较好的性能和较厚的厚度。

发明人发现，现有技术中采用PECVD沉积形成硬掩膜过程中，容易出现晶圆的形变或破碎的问题，这样造成后续工艺精度无法控制甚至晶圆破片无法继续后续工艺。

具体的，造成上述现象的原因是，3D NAND结构中包括多个深孔，深孔的形成通常采用刻蚀工艺形成，而刻蚀过程中，需要首先形成掩膜板，然后进行刻蚀。由于3D NAND的层数较多，需要较厚的硬掩膜作为掩膜板。而硬掩膜采用PECVD工艺制作形成，如图1所示，为相关技术中PECVD设备结构图。PECVD设备包括等离子体腔室10，位于等离子体腔室内的固定承载架20、设置在固定承载架20上的晶圆30，第一进气口40、第二进气口50和射频电源60，以及抽气口70。

其中，第一进气口40用于通入生成等离子体的气体，第二进气口50用于通入膜层生成气体。第一进气口40通入的气体，在射频电源60的作用下，电离形成等离子体，等离子体轰击第二进气口50通入的膜层生成气体，使得膜层生成气体分解，这些气体分解物发生化学反应，生成形成膜的初始成分和副反应物，这些生成物以化学键的形式吸附到样品表面，生成固态膜的晶核，晶核逐渐生长成岛状物，岛状物继续生长成连续的薄膜——也即本发明中的硬掩膜。在薄膜生长过程中，持续通入膜层生成气体，各种副产物从膜的表面逐渐脱离，而最终在膜层生成后，通过真空泵的作用将副产物从出口排出。

在膜层沉积过程中，请参见图2-图4，为硬掩膜的制作过程示意图；需要说明的是，为了简化说明，本实施例中仅示出部分元器件。

将待形成硬掩膜的元件，例如晶圆放置在等离子体腔体中固定住后；通过射频电源RF提供电场；往等离子体腔体中通入产生等离子体的气体，例如氩气或者氦气；同时往等离子体腔体中通入膜层产生气体，即包含沉积膜层材料的气体；在初期阶段，在射频电源产生的电场作用下，等离子体气体和膜层产生气体分解为分子、正离子和电子等结构，通过沉积过程，附着在晶圆表面，如硬掩膜的材质通常为碳，因此，膜层产生气体通常为烷烃等气体，如图2所示。

但是由于射频电源产生的等离子体场分布不均匀，产生的等离子体气体对晶圆产生轰击的区域不均匀，如图3中所示，位于晶圆边缘的等离子体比位于晶圆中心的等离子体较多，所以等离子体轰击较多部分产生的膜层厚度较厚，而轰击较少部分产生的膜层厚度较薄；最终如图4所示，在晶圆上形成的膜层厚度也不均匀，膜层对晶圆生成应力；而要形成较厚的硬掩膜，需要沉积较长时间，在图2-图4的过程中，不均匀分布的等离子体不断对膜层产生气体进行轰击，最终对膜层的厚度分布产生较大影响，膜层厚度不均匀，膜层对晶圆产生应力较大，进而使得晶圆变形或者破片，如图5所示，为晶圆表面应力分布示意图，晶圆在膜层应力作用下，产生形变。

基于此，本发明提供一种膜层沉积方法，包括：

将待形成膜层的元件暴露在等离子体腔室中；

提供等离子体；

间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，在抽气阶段，所述腔体内保持预设真空度。

本发明提供的膜层沉积方法，由于在等离子体沉积过程中，进行抽气过程，抽气过程对等离子体场分布造成影响，使得等离子体场分布相对于现有技术中的不均匀而言，较为杂乱随机，从而使得等离子体轰击晶圆的区域相对均匀，进而使得膜层沉积在晶圆表面的厚度相对于现有技术而言，更加均匀，使得晶圆受到膜层的应力较为均匀，改善了晶圆发生形变和破片的情况。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种膜层沉积方法流程图；所述膜层沉积方法包括：

S101：将待形成膜层的元件暴露在等离子体腔室中；

请参见图7，图7为本发明实施例提供的膜层沉积所对应的装置结构示意图。所述装置包括等离子体腔室1，所述腔室内放置有承载架2，待形成膜层的元件3放置在承载架2的上面，通过固定部分将待形成膜层的元件3固定在承载架2上。装置还包括第一进气口4、射频电源5、第二进气口6和出气口7，其中，所述第一进气口4用于通入形成等离子体的气体，第二进气口6用于通入膜层生成气体，通过射频电源5激发的电场作用下，第一进气口4的气体和第二进气口6的气体被分解为分子、正离子和电子等小颗粒分解物。

在其他实施例中，本发明实施例提供的膜层沉积装置还可以包括第三进气口8，第三进气口8用于通入清洁气体等，本实施例中对此不作限定。

S102：提供等离子体；

本实施例中提供的等离子体是持续的，等离子体的提供如上所述，第一进气口用于通入形成等离子体的气体，通过射频电源激发电场，通过射频电源的电场作用，将第一进气口通入的气体电离，形成等离子体。

通过上述步骤可以看出，持续提供的等离子体必须保证射频电源的功率连续，而非脉冲形式的，同时需要保证第一进气口通入的气体流量不间断，也即保持连续的气体通入。

发明人发现，如果射频电源中断，则第一进气口进入的气体无法分解为的等离子体而直接掉落到待形成膜层的元件表面，从而对待形成膜层的元件造成影响。例如本发明实施例中，为了在晶圆上形成硬掩膜，可选的，硬掩膜的材料为碳，采用的膜层生成气体为含碳元素的烷烃气体，生成等离子体的气体可以是氦气和/或氩气；当射频电源中断时，氦气或氩气，又或者烷烃气体等大分子物质无法分解为等离子体，直接掉落到晶圆表面，从而形成不期望生成的物质，对后续形成的碳膜也造成影响，导致硬掩膜的致密性以及平坦性均出现问题。硬掩膜的存在对晶圆产生应力，进而导致晶圆出现变形或破片。

因此，本实施例中持续提供等离子体，其目的是保持射频电源的持续电场，以提供持续的等离子体。

S103：通入膜层生成气体，在所述等离子体的作用下，所述膜层生成气体在所述待形成膜层的元件表面形成膜层；

本实施例中不限定膜层生成气体的具体材质，可选的，3D NAND制作过程中，刻蚀工艺时常用到的是硬掩膜，以便对硬掩膜的镂空区域进行刻蚀，为了保证刻蚀镂空区域过程中，对硬掩膜的损伤较小，本实施例中可选的硬掩膜的材质为碳膜。因此，膜层生成气体为包含碳元素的气体类烷烃，例如甲烷等。本实施例中，膜层生成气体在等离子体的轰击作用下，由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样物质就会变成自由运动并由相互作用的正离子、电子和中性粒子组成的等离子体混合物，从而落在待形成膜层的元件的表面，附着形成一层碳膜。

S104：间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，在抽气阶段，所述腔室内保持预设真空度。

请参见图8，为本发明实施例中提供的间断性抽气膜层生成示意图；非抽气阶段，形成等离子体进行膜层沉积；抽气阶段，正负离子进行中和；依次往复。

本实施例中通过间断性对等离子体腔室中的气体进行抽气，抽气过程中，打乱了等离子体的预设运行轨迹，使得腔室内的等离子体分布更加均匀，避免了由于等离子体场分布不均匀造成的待形成膜层的元件的表面膜层的厚度不均匀，进而导致的待形成膜层的元件不同位置受力不同，出现形变或破片的问题。

同时，在抽气阶段，腔室内保持预设真空度，通过将等离子体和膜层生成气体抽出，使得等离子体腔室内粒子较少，较为干净，以便于暂时中断膜层的生成，使得正离子和负离子能够充分中和。

需要说明的是，本实施例中不限定间断性对等离子体腔室中的气体进行抽气的具体过程，可以是周期性的，也可以是非周期性的。可选的，本实施例中周期性对等离子体腔室中的气体进行抽气，使得多个周期内等离子体反应过程能够相同，从而使得成膜能够更加均匀。

另外，本实施例中预设真空度并没有特殊限定，由于等离子体气体持续存在，抽气阶段也不断往外抽气，因此，当抽气速率远远大于气体通入速率时，是可以保持在一定的真空度情况的，例如可选的，通入气体总流量范围可以是500sccm～10000sccm，包括端点值。而对应的抽气气体流量可以是15000sccm以上，具体抽气速率，可以根据通入气体总流量进行设置。

根据实际成膜过程，本实施例中可选的，抽气阶段和非抽气阶段的时长之比的范围可以是1到100的任意值；需要说明的是，抽气阶段时间越长，成膜质量越高；但对应的由于抽气阶段时间较长，成膜速率下降，最终形成一定厚度的膜层，需要的时间越长。相对的，若抽气阶段时长相对较短，则成膜速率较大，但对等离子体场分布影响较小，成膜质量改善较小。

本实施例中不限定膜层沉积的总时长，可选的，根据硬掩膜的厚度要求，膜层沉积总时长可以是200s-2000s，包括端点值。而且，对周期的个数也不做限定，根据实验可以获知，将周期设定为10-50，包括端点值，可以使得成膜质量更好，均匀性更强，避免对晶圆产生较大的应力，使得晶圆发生形变或破片。

需要说明的是，为了能够进一步加快膜层沉积速度，本实施例中可选的，在抽气阶段，停止通入所述膜层生成气体。由于停止膜层生成气体，抽气时，可以减少抽气的量，尽快使得等离子体腔室内达到预设的真空度，也即，可以参见图9，图9为第二通气口中气体流量变化示意图，在抽气阶段，关闭第二通气口的气体流量，也即off阶段；而在非抽气阶段，第二通气口通入气体，也即on阶段。

更进一步地，在抽气阶段，还可以通入清洁气体，用于将等离子体腔室内的未反应物和大颗粒气体分子通过抽气带离所述等离子体腔室，从而避免等离子体腔室内壁上形成的碳膜掉落在晶圆表面，对晶圆表面产生污染。本实施例中所述的清洁气体可以是含氟气体，例如四氟化碳(CF4)、六氟乙烷(C₂F₆)、八氟丙烷(C₃F₈)、八氟环丁烷(c-C₄F₈)、六氟化硫(SF₆)、三氟化氮(NF₃)等。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种PECVD膜层沉积方法，其特征在于，基于射频电源的等离子体气相沉积，包括：

将待形成膜层的元件暴露在等离子体腔室中；

采用射频电源激发持续电场，以提供持续的等离子体；

间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，在抽气阶段，停止通入所述膜层生成气体，并往所述等离子体腔室中通入含氟清洁气体，抽气速率大于气体通入速率，所述等离子体腔室内保持预设真空度，以在抽气阶段暂时中断膜层的生成。

2.根据权利要求1所述的PECVD膜层沉积方法，其特征在于，所述间断性地对所述等离子体腔室进行抽气，具体包括：

周期性对所述等离子体腔室中的气体进行抽气。

3.根据权利要求2所述的PEC VD膜层沉积方法，其特征在于，非抽气阶段时长与所述抽气阶段时长之比的范围为1到100。

4.根据权利要求3所述的PEC VD膜层沉积方法，其特征在于，膜层沉积总时长为200s-2000s，包括端点值。

5.根据权利要求2所述的PEC VD膜层沉积方法，其特征在于，抽气周期数量为10-50，包括端点值。

6.根据权利要求1所述的膜层沉积方法，其特征在于，所述采用射频电源激发持续电场，以提供持续的等离子体包括：

通入等离子体产生气体；

采用射频电源激发持续电场，对所述等离子体产生气体进行电离，以提供持续的等离子体。

7.根据权利要求1所述的膜层沉积方法，其特征在于，所述膜层生成气体为烷烃气体。