CN113818002B - 一种薄膜制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供的一种薄膜制备方法，向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体，反应腔室中放置有晶圆，第一工艺气体可以包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定，对反应腔室中的气体进行射频处理，以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜作为目标膜层，也就是说，本申请实施例中，可以通过调整第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例从而调整含碳的无定形陶瓷膜中碳氢以及碳碳元素形成的不同化学键结构的比例成分，从而可以获得具有目标性能的碳膜，以使碳膜可以适用于不同的应用。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件及其制造领域，特别涉及一种薄膜制备方法。
背景技术
无定形碳膜在集成电路制造工艺中具有广泛的应用，例如可以作为硬掩模层，也可以作为深紫外光刻的抗反射层，因此，无定形碳膜层的制备也受到了广泛的关注。目前，可以通过热分解含烃化合物的方式得到无定形碳膜，然而现有技术中得到的碳膜在折射率和消光系数方面不能满足实际应用中的要求。
在现有技术中，仅使用乙炔或者丙烯作为气态源，在特定的沉积温度下，由于折射率和消光系数近乎呈现线性关系，无法获得特定的折射率和消光系数的氢化非晶碳膜。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种新的薄膜制备方法，通过改变第一不饱和烃和第二不饱和烃两种气态源的流量比，从而能够获得不同性能的含碳的无定形陶瓷膜。
为实现上述目的，本申请有如下技术方案：
一种薄膜制备方法，包括：
向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体；所述反应腔室中放置有晶圆，所述第一工艺气体包括
第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，所述第一不饱和烃和所述第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定；
对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以在所述晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜作为目标膜层。
可选的，所述第一不饱和烃为炔烃，所述第二不饱和烃为烯烃。
可选的，所述第一不饱和烃为乙炔，所述第二不饱和烃为丙烯。
可选的，所述第一工艺气体还包括至少一种芳香烃。
可选地，所述第一惰性气体的流量为所述第一工艺气体流量的1/10～9/10。
可选地，所述第一惰性气体为氦气、氩气、氪气中的至少一种。
可选地，在将所述晶圆置入所述反应腔室中之前，所述方法还包括：
向反应腔室通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以在所述反应腔室中形成环境膜，所述环境膜为含碳的无定形陶瓷膜。
可选地，在所述反应腔室中形成环境膜之后，在将所述晶圆置入所述反应腔室中之前，所述方法还包括：
向所述反应腔室通入第三惰性气体，并对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以对所述反应腔室进行清洗。
可选地，所述第二工艺气体为乙炔和/或丙烯。
可选地，在所述晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜之后，还包括：
停止向所述反应腔室通入所述第一工艺气体，以对所述含碳的无定形陶瓷膜进行处理。
可选地，所述第一工艺气体通过工艺气体进气通道通入所述反应腔室，所述工艺气体进气通道的进气口与工艺气体进气管路连通；所述第一惰性气体通过清洗气体进气通道通入所述反应腔室，所述清洗气体进气通道的进气口与远程等离子体发生器连通。
本申请实施例提供的一种薄膜制备方法，向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体，反应腔室中放置有晶圆，第一工艺气体可以包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定，对反应腔室中的气体进行射频处理，以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜作为目标膜层，也就是说，本申请实施例中，可以通过调整第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例从而调整含碳的无定形陶瓷膜中碳氢以及碳碳元素形成的不同化学键结构的比例成分，从而可以获得具有目标折射率和目标消光系数的碳膜，以使碳膜可以适用于不同的场景。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本申请实施例提供的一种薄膜制备方法的流程示意图；
图2为本申请实施例收集的不同的含碳的无定形陶瓷膜的消光系数和折射率的关系示意图；
图3为本申请实施例得到的不同的含碳的无定形陶瓷膜的红外光谱；
图4为本申请实施例提供的一种薄膜制备系统的示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是本申请还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本申请结合示意图进行详细描述，在详述本申请实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本申请保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术中的描述，在现有技术中，仅使用乙炔或者丙烯作为气态源，在特定的沉积温度下，由于折射率和消光系数近乎呈现线性关系，无法获得特定的折射率和消光系数的含碳的无定形陶瓷膜。换句话说，对于已经形成的具有一定折射率的含碳的无定形陶瓷膜，其消光系数也是确定的，这就限制了折射率和消光系数的扩展，限制了含碳的无定形陶瓷膜的应用场景。
基于以上技术问题，本申请实施例提供的一种薄膜制备方法，向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体，反应腔室中放置有晶圆，第一工艺气体可以包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定，对反应腔室中的气体进行射频处理，以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜作为目标膜层，也就是说，本申请实施例中，可以通过调整第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例从而调整含碳的无定形陶瓷膜中碳氢以及碳碳元素形成的不同化学键结构的比例，从而可以获得具有目标折射率和目标消光系数的碳膜，以使碳膜可以适用于不同的场景。
为了更好的理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
参考图1所示，为本申请实施例提供的一种薄膜制备方法的流程示意图，其中，该方法可以包括：
S01，向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体；反应腔室中放置有晶圆，工艺气体包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定。
S02，对反应腔室中的气体进行射频处理，以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜。
在本申请实施例中，可以利用等离子体沉积工艺在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜，具体的，可以向反应腔室中通入第一工艺气体和第一惰性气体，之后对反应腔室中的气体进行射频处理，从而实现第一工艺气体的热分解，在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜，作为目标膜层。
其中，第一工艺气体可以是含烃化合物，可以包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，第一不饱和烃可以为炔烃，第二不饱和烃可以为烯烃，举例来说，第一不饱和烃为乙炔，第二不饱和烃为丙烯。当然，第一工艺气体中还可以包括至少一种芳香烃。第一惰性气体用作等离子体引燃气体和稀释气体，其可以为氦气、氩气、氪气等中的一种或多种。形成的含碳的无定形陶瓷膜覆盖在晶圆表面，具有一定的折射率和消光系数。
发明人经过研究发现，利用单一的工艺气体去形成含碳的无定形陶瓷膜，容易导致含碳的无定形陶瓷膜的折射率和消光系数呈线性关系，即对于一确定的折射率而言，其对应单一的消光系数，不利于含碳的无定形陶瓷膜的广泛应用。参考图2所示，为本申请实施例收集的不同含碳的无定形陶瓷膜的消光系数和折射率的关系示意图，以波长为633nm的光为例，其横坐标为折射率(n@633nm)，纵坐标为标准化的消光系数(Normalized kValue)，在将丙烯或乙炔作为第一工艺气体时，得到的含碳的无定形陶瓷膜的消光小数和折射率呈线性关系，举例来说，在将丙烯作为工艺气体时，含碳的无定形陶瓷膜的消光系数和折射率呈线性关系，在折射率为1.8时，对应的消光系数为0.09，而将乙炔作为工艺气体时，含碳的无定形陶瓷膜的消光系数和折射率也呈线性关系，在折射率为1.8时，对应的消光系数为0.05，也就是说，通过丙烯或乙炔作为工艺气体，不能得到折射率为1.8，而消光系数为0.09和0.05之外的其他消光系数的含碳的无定形陶瓷膜，这显然限制了含碳的无定形陶瓷膜的多样性，限制了含碳的无定形陶瓷膜的使用场景。
因此，本申请实施例中，可以将第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体作为第一工艺气体，其比例可以根据想要形成的含碳的无定形陶瓷膜的目标折射率和目标消光系数确定。为了实现含碳的无定形陶瓷膜的折射率和消光系数的多样化，这里的第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合比例可以任意的，根据实际情况确定的。
参考图2所示，将第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体作为第一工艺气体得到的不同含碳的无定形陶瓷膜，其折射率和消光系数不再呈现线性，而是多了更多可能，因此实现了碳膜的折射率和消光系数的多样化。反过来，可以利用所要形成的含碳的无定形陶瓷膜的折射率和消光系数确定第一工艺气体中第一不饱和烃和第二不饱和烃的比例，第一不饱和烃和第二不饱和烃的比值可以通过摩尔流量比来表征。
在含碳的无定形陶瓷膜的沉积过程中，第一惰性气体的流量可以小于第一工艺气体的流量，例如可以为第一工艺气体流量的1/10～9/10。具体的，第一惰性气体可以为氦气，其流量可以为第一工艺气体的流量的2/3。
薄膜沉积过程中，晶圆的温度可以保持在一定的范围内，例如可以为300～400℃，反应腔室内的气压可以保持在一定的范围内，例如可以为5.5～6torr，射频处理的射频频率例如可以为27～28MHZ，功率例如可以为1200～1800W。
参考图3所示，为本申请实施例得到的不同的含碳的无定形陶瓷膜的红外光谱(FTIR)，其横坐标为波长的倒数，即波数(Wavenumber)，单位为cm-1，纵坐标为标准化的吸收系数(Normalized Absorbtance)，单位为无量纲(a.u.)，表示在不同的波数下的吸收强度，不同的CH键可以对应不同波数下的吸收系数峰值，相同波数下的峰面积可以定向体现CH键的含量相对值，因此可知，不同类型的含碳的无定形陶瓷膜中，CH键的比例不同，因此呈现出不同的消光系数和折射率。图3中，从下至上的三条曲线，依次为类型一、类型二、类型三的含碳的无定形陶瓷膜的红外光谱，同一类型的含碳的无定形陶瓷膜的红外光谱曲线中的峰值依次对应sp3 CH3、sp2 CH2、sp3 CH2、sp2 CH四种键。
此外，在将晶圆置入反应腔室中之前，还可以对反应腔室进行预处理，具体的，可以向反应腔室通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对反应腔室中的气体进行射频处理，以在反应腔室中形成环境膜，环境膜为含碳的无定形陶瓷膜。
第二工艺气体用于在反应腔室中形成环境膜，防止反应腔室内的其他结构被等离子体轰击工艺轰击产生杂质，附着到晶圆上，影响后续含碳的无定形陶瓷膜的成膜质量。第二工艺气体可以为含烃化合物，其组成成分可以与第一工艺气体一致，也可以与第一工艺气体不一致，例如可以为乙炔或丙烯，或者二者的混合气体，混合气体的比例可以与第一工艺气体中的混合比例一致，也可以不一致。第二惰性气体用作等离子体引燃气体以及稀释气体，可以与第一惰性气体一致，也可以不一致。
在反应腔室中形成环境膜之后，在将晶圆置入反应腔室中之前，还可以向反应腔室通入第三惰性气体，并对反应腔室中的气体进行射频处理，以对反应腔室进行清洗。该过程中，残留的第二工艺气体会继续进行反应，在反应腔室中形成环境膜，直到第二工艺气体完全反应，从而实现反应腔室的清洗，避免残留的第二工艺气体对后续的含碳的无定形陶瓷膜沉积造成影响，例如在通入第一工艺气体后影响第一工艺气体的成分或浓度等，进而影响含碳的无定形陶瓷膜沉积工艺的控制。第三惰性气体可以与第一惰性气体一致，也可以与第一惰性气体不一致，本申请实施例中，第二惰性气体和第一惰性气体一致，以为后续薄膜沉积提供合适的惰性气体环境。
此外，本申请实施例中，还可以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜之后，停止向反应腔室通入第一工艺气体，即继续向反应腔室中通入第一惰性气体，以及继续对反应腔室中的气体进行射频处理，以使反应腔室中的第一工艺气体反应完全，实现对形成的含碳的无定形陶瓷膜的表面的修饰。
本申请实施例中，第一工艺气体可以通过工艺气体进气通道进入反应腔室，工艺气体进气通道的进气口可以与工艺气体进气管路连通；第一惰性气体可以通过清洗气体进气通道通入反应腔室，清洗气体进气通道的进气口与远程等离子体发生器连通。当然，第二工艺气体也可以通过工艺进气通道进入反应腔室，第二惰性气体和第三惰性气体也可以通过清洗气体进气通道通入反应腔室。
参考图4所示，为本申请实施例提供的一种薄膜制备系统的示意图。薄膜制备系统300可以包括反应腔室325、气体面板330、控制单元310和其他硬件组件，例如电源306和真空泵302。
反应腔室325包括晶圆支撑基座350，其用于支撑放置晶圆390。晶圆支撑基座350由嵌入式加热元件370加热，进而，晶圆390被晶圆支撑基座350加热，从而将温度保持在一定范围内。电源306为加热元件370提供电流，温度传感器372可以监控晶圆支撑基座350的温度，从而利于晶圆390的温度保持。
真空泵302用于排空反应腔室325，使反应腔室325内保持适当的气压。
喷头320位于晶圆支撑基座350的上方，通过喷头320将气体引入反应腔室325中，喷头320可以作为工艺气体进气通道和清洗气体进气通道的出气口，从而使各种工艺气体和惰性气体通入反应腔室中。气体面板330可以控制通过喷头320的气体的种类和流量，从而准确实现乙炔和丙烯的稳定的比例。
喷头320和晶圆支撑基座350也可以形成一对间隔开的电极。当这些电极之间产生电场时，引入到反应腔室325中的工艺气体被点燃进入等离子体392。具体的，可以通过匹配网络(未示出)将晶圆支撑基座350连接到单频或双频射频(RF)功率源(未示出)来产生电场，或者，RF功率源和匹配网络可以耦合至喷头320，或者耦合至喷头320和晶圆支撑基座350，从而对反应腔室内的气体进行射频处理，从而产生等离子体，实现基于等离子体的含碳的无定形陶瓷膜沉积。当第一工艺气体或第二工艺气体混合物离开喷头320时，第一工艺气体或第二工艺气体的等离子体增强的热分解发生在晶圆390的表面395上，导致含碳的无定形陶瓷膜沉积在晶圆390上。
控制单元310可以对晶圆处理所需的许多步骤的自动控制，例如不同处理阶段的气压、温度、气体流速等。
本申请实施例提供的一种薄膜制备方法，向反应腔室通入工艺气体和惰性气体，反应腔室中放置有晶圆，工艺气体可以包括乙炔和丙烯，乙炔和丙烯的比例根据含碳的无定形陶瓷膜的目标折射率和目标消光系数确定，对反应腔室中的气体进行射频处理，以在晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜，也就是说，本申请实施例中，可以通过调整乙炔和丙烯的比例从而调整含碳的无定形陶瓷膜的结构，从而可以获得具有目标折射率和目标消光系数的碳膜，以使碳膜可以适用于不同的场景。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
以上所述仅是本申请的优选实施方式，虽然本申请已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本申请。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本申请技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本申请技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本申请技术方案保护的范围内。
Claims (7)
1.一种薄膜制备方法，其特征在于，包括：
向反应腔室通入第一工艺气体和第一惰性气体；所述反应腔室中放置有晶圆，所述第一工艺气体包括第一不饱和烃和第二不饱和烃的混合气体，所述第一不饱和烃和所述第二不饱和烃的比例根据目标膜层的目标折射率和目标消光系数确定；
对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以在所述晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜作为所述目标膜层；
在所述晶圆表面形成含碳的无定形陶瓷膜之后，还包括：
停止向所述反应腔室通入所述第一工艺气体，并继续向所述反应腔室中通入所述第一惰性气体，以及继续对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以对形成的所述含碳的无定形陶瓷膜的表面修饰；
在将所述晶圆置入所述反应腔室中之前，所述方法还包括：
向反应腔室通入第二工艺气体和第二惰性气体，并对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以在所述反应腔室中形成环境膜，所述环境膜为含碳的无定形陶瓷膜；
在所述反应腔室中形成环境膜之后，在将所述晶圆置入所述反应腔室中之前，还包括：
向所述反应腔室通入第三惰性气体，并对所述反应腔室中的气体进行射频处理，以使残留的第二工艺气体反应完全实现对所述反应腔室进行清洗；所述第三惰性气体与所述第一惰性气体一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一不饱和烃为炔烃，所述第二不饱和烃为烯烃。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一不饱和烃为乙炔，所述第二不饱和烃为丙烯。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一工艺气体还包括至少一种芳香烃。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一惰性气体的流量为所述第一工艺气体流量的1/10～9/10。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一惰性气体为氦气、氩气、氪气中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二工艺气体为乙炔和/或丙烯。
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