CN114574825A - 一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法 - Google Patents

一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，包括如下步骤，S1：建立不同溅射条件下的迟滞回线，确立工艺条件，S2：建立不同溅射条件下的薄层电阻率；根据步骤S1中确立的反应溅射氮化钽的氮气流量，编制一系列氮气流量与之细微变化之工艺菜单，完成薄膜沉积，并测量各个薄膜样品的薄层电阻率，编制不同工艺条件下的薄层电阻率～工艺条件的关联图，为之后选择需要之工艺参数为用，本发明能够在制备氮化钽薄膜时即对其电阻阻值进行控制，以达到所需的产品。

Description

一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法。
背景技术
薄膜电阻是半导体、微电子器件中应用最为广泛的无源器件之一。薄膜电阻的制备，通常以溅射、蒸发、电镀等方法制备薄膜，然后再以光刻、刻蚀等工艺加工制成，具有很高的图形精度和阻值精度。由于制备图形的大小有所限制，一般希望制备的薄膜，其阻值在一定范围之内，则利于制备合适的图形。通常的薄膜电阻材料有TaNx、NiCr合金、SiNx等。通常，TaNx是通过反应溅射的方法制备，即在溅射Ta金属靶材的情况下，引入氮气，使之与金属Ta在溅射腔体内产生反应，而形成TaNx薄膜。
反应溅射制备的氮化钽TaNx薄膜，常用的调控其薄膜的电阻阻值方法有激光修正法和热氧化法。激光修正法会对氮化钽TaNx薄膜造成损伤，在其上留下缺口。而热氧化法，虽然不会在氮化钽TaNx薄膜表面留下缺口，但由于表面生成一层氧化钽Ta2O5，其性质与氮化钽TaNx薄膜的性质完全不同，对氮化钽TaNx薄膜性能不可避免的带来影响；因此激光修正法和热氧化法调整氮化钽TaNx薄膜的电阻，都有其各自的局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种能够在制备氮化钽薄膜时即对其电阻阻值进行控制，以达到所需的产品。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1：建立不同溅射条件下的迟滞回线，确立工艺条件；
S1.1：编制迟滞回线菜单：确定靶材电源的功率、工艺气体压力、氩气的流量、氮气流量的变化、工艺时间、射频电源偏压功率或电压；
S1.2：上载基片，运行步骤S1.1中的迟滞回线菜单；
S1.3：下载基片，绘制迟滞回线菜单；
S1.4：依据绘制的迟滞回线菜单，确定反应溅射氮化钽的氮气流量，以使该反应溅射过程在“中毒模式”之中，并以此氮气流量，编制工艺菜单；
S2：建立不同溅射条件下的薄层电阻率；
根据步骤S1中确立的反应溅射氮化钽的氮气流量，编制一系列氮气流量与之细微变化之工艺菜单，完成薄膜沉积，并测量各个薄膜样品的薄层电阻率。
进一步的在步骤S2中还包括：
S2.1：上载基片，运行步骤S1中确定的不同氮气含量的工艺菜单；
S2.2：下载基片，测量各但其流量下溅射获得的氮化钽薄膜的薄层电阻；
S2.3：编制不同工艺条件下的薄层电阻率～工艺条件的关联图，为之后选择需要的工艺参数为用。
进一步的还包括薄膜的制备设备，包括工艺腔体、输运腔体和上载腔体，所述输运腔体内设置有机械手，所述上载腔体与输运腔体之间设置有第一真空阀门，输运腔体与工艺腔体之间设置有第二真空阀门，上载腔体上设置有密封门，在运行步骤S1.2及步骤S2.1时，首先打开密封门将基片置于上载腔体内，将上载腔体抽真空；打开第一真空阀门，利用机械手将基片运送至输运腔体内，关闭第一真空阀门，打开第二真空阀门，利用机械手将基片运送至工艺腔体内后关闭第二真空阀门。
进一步的在运行步骤S1.3和步骤S2.2时，打开第二真空阀门机械手将基片由工艺腔体取出至输运腔体内，关闭第二真空阀门，打开第一真空阀门，机械手将基片由输运腔体取出至上载腔体内，关闭第一真空阀门，待上载腔体泄真空至大气压后，密封门开启，取出基片。
进一步的所述工艺腔体内设置有靶材和基片台，所述基片台通过导线连接匹配网络，所述匹配网络通过导线连接射频电源，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和真空吸口，真空吸口连接有真空泵，工艺气体进口连接有氮气管道和氩气管道，在所述氮气管道和氩气管道上述设置有气体流量计。
进一步的所述工艺腔体上设置有背板，靶材连接于背板上，背板内设置有冷却管道，所述靶材为钽靶材，靶材通过背板与靶材电源相连，靶材电源为直流电源、脉冲直流电源、射频电源或者HIPIMS电源。
进一步的还包括置于背板之后、平行于靶材背面的磁控管。
与现有技术相比，本发明通过磁控反应溅射的方法来制备TaNx薄膜，并通过氮气含量来控制其薄层电阻率，其有益效果是：
1、实现精确控制TaNx薄膜的薄层电阻率，而不会导致薄膜氧化；
2、反应溅射TaNx薄膜薄膜不具有明显的放电现象，工艺可以控制在中毒模式，形成更为稳定的溅射过程；
3、可以广泛应用于半导体、MEMS器件的制备工艺中；
4、在该模式下的溅射速率与过渡模式下的速率相比，没有下降很多，通常为其20～50％；同时，光学器件所需要的TaNx薄膜一般仅为几十纳米，中毒模式下的溅射速率可以很好地满足工艺的产能要求。因此，非常适合光学薄膜的制备。
附图说明
图1为氮化钽磁控反应溅射时的迟滞回线示意图；
图2为工艺腔体、输运腔体和上载腔体的示意图；
图3为工艺腔体的结构示意图；
图4(1)-图4(3)为氮气含量与靶材上电压的关系示意图；
图5为本案例获得的反应溅射氮化钽薄膜，在不同氮气含量百分比下，获得的薄层电阻率的关系图。
附图标记：1、靶材电源；2、基片台；3、匹配网络；4、射频电源；5、基片；6、工艺腔体；7、输运腔体；8、上载腔体；10、机械手；11、第一真空阀门；12、第二真空阀门。
具体实施方式
参照图1至图5对本发明可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法的实施例做进一步说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。
此外，如有术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”特征可以明示或者隐含包括一个或者多个该特征，在本发明描述中，“数个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1：建立不同溅射条件下的迟滞回线，确立工艺条件；
由于是反应溅射，Ta靶材上电压随着腔体内氮气的含量的不同而不同；由图4可见，在其他条件相同的情况下，不同的压力，靶材上的电压有不同，即气压较大，则靶材电压较小。
S1.1：编制迟滞回线菜单：确定靶材电源1的功率、工艺气体压力、氩气的流量、氮气流量的变化、工艺时间、射频电源4偏压功率或电压；
S1.2：上载基片5，运行步骤S1.1中的迟滞回线菜单；
S1.3：下载基片5，绘制迟滞回线菜单；
S1.4：依据绘制的迟滞回线菜单，确定反应溅射氮化钽的氮气流量，以使该反应溅射过程在“中毒模式”之中，并以此氮气流量，编制工艺菜单；
S2：建立不同溅射条件下的薄层电阻率；
根据步骤S1中确立的反应溅射氮化钽的氮气流量，编制一系列氮气流量与之细微变化之工艺菜单，完成薄膜沉积，并测量各个薄膜样品的薄层电阻率。
步骤S2的具体步骤为：
S2.1.上载基片5，运行上述不同氮气含量的工艺菜单；
S2.2.下载基片5，测量各氮气流量下溅射获得的氮化钽薄膜的薄层电阻；
S2.3.编制不同工艺条件下的薄层电阻率～工艺条件的关联图，为之后选择需要之工艺参数为用。
如图5所示，其为本案例获得的反应溅射TaNx薄膜，在不同N2含量百分比下，获得的薄层电阻率的关系图。可以看出：
1、如果要TaNx薄膜获得～103Ohm/SQ，则：
1)在3mTorr的工艺下，氮气含量百分比应为～79％；(图5中点1)；
2)在5mTorr的工艺下，氮气含量百分比应为～65％；(图5中点2)；
3)在10mTorr的工艺下，氮气含量百分比应为～56％；(图5中点3)；
2、如果在氮气含量百分比应为～67％的情况下，TaNx薄膜可以在：
1)3mTorr的工艺条件，获得～1.8x102Ohm/SQ；
2)5mTorr的工艺条件，获得～1.3x103Ohm/SQ；
3)10mTorr的工艺条件，获得～6.5x104Ohm/SQ.
据此，通过本发明的方法来调整工艺参数，就可以制成不同薄层电阻率的TaNx薄膜，可以应用于各种微电子器件制造过程。
为使得本发明中的磁控溅射步骤顺利进行，本发明中所采用如下薄膜的制备设备，包括工艺腔体6、输运腔体7和上载腔体8，所述输运腔体7内设置有机械手10，所述上载腔体8与输运腔体7之间设置有第一真空阀门11，输运腔体7与工艺腔体6之间设置有第二真空阀门12，上载腔体8上设置有密封门，在运行步骤S1.2及步骤S2.1时，首先打开密封门将基片5置于上载腔体8内，将上载腔体8抽真空；打开第一真空阀门11，利用机械手10将基片5运送至输运腔体7内，关闭第一真空阀门11，打开第二真空阀门12，利用机械手10将基片5运送至工艺腔体6内后关闭第二真空阀门12。
而在在运行步骤S1.3和步骤S2.2时，打开第二真空阀门12机械手10将基片5由工艺腔体6取出至输运腔体7内，关闭第二真空阀门12，打开第一真空阀门11，机械手10将基片5由输运腔体7取出至上载腔体8内，关闭第一真空阀门11，待上载腔体8泄真空至大气压后，密封门开启，取出基片5。
在本实施例中的工艺腔体6内设置有靶材和基片台2，所述基片台2通过导线连接匹配网络3，所述匹配网络3通过导线连接射频电源4，所述工艺腔体6上设置有工艺气体进口和真空吸口，真空吸口连接有真空泵，工艺气体进口连接有氮气管道和氩气管道，在所述氮气管道和氩气管道上述设置有气体流量计。
所述靶材为钽(Ta)靶材，通常为圆形，也可以是其他形状。其圆形直径通常在4～20英寸之间，厚度通常在2～10mm之间。
其中所述工艺气体进口与氮气、氩气管道相连，氮气、氩气分别由气体流量计控制，可以分别精确调控进入工艺腔体6的气体流量。通常气体流量计的控制范围在0～200sccm之间，精度可以到0.1sccm。
所述工艺腔体6的真空吸口与真空泵相连，真空泵运转时，将工艺腔体6抽成真空。腔体背底真空通常小于2X<10-7Torr。
在薄膜沉积过程中，可以用连接匹配网络3的射频电源4给基片5施加偏置电场，改善薄膜结构和性能，薄膜沉积过程中，施加的偏置电源的功率通常在几十瓦到几千瓦之间。
所述工艺腔体6上设置有背板，靶材连接于背板上，背板内设置有冷却管道，所述靶材为钽(Ta)靶材，冷却管道可以通水冷却，靶材通过背板与靶材电源1相连，靶材电源1可以是直流电源(DC)、脉冲直流电源(PDC)、射频电源4(RF)或者HIPIMS等电源；该靶材电源1可以施加能量至靶材之上，形成电场，进而离子化腔体内的工艺气体，形成等离子体，轰击靶材表面，形成溅射，薄膜沉积过程中，施加的电源的功率通常在几十瓦到几十千瓦之间。
本实施例优选的还包括置于背板之后、平行于靶材背面的磁控管，磁控管可以是静止的，也可以是运动的，运动的磁控管通常是围绕着靶材的中心线转动；磁控管上装有磁铁，通常是具有极性相反的磁铁相邻配对，其产生的磁场在靶材表面形成磁场分布，控制电子、离子在靶材表面运动的区域，提高等离子体浓度及薄膜沉积速率，磁控管转动的速率可以为30～60RPM，通常<200RPM。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：建立不同溅射条件下的迟滞回线，确立工艺条件；
S1.1：编制迟滞回线菜单：确定靶材电源的功率、工艺气体压力、氩气的流量、氮气流量的变化、工艺时间、射频电源偏压功率或电压；
S1.2：上载基片，运行步骤S1.1中的迟滞回线菜单；
S1.3：下载基片，绘制迟滞回线菜单；
S1.4：依据绘制的迟滞回线菜单，确定反应溅射氮化钽的氮气流量，以使该反应溅射过程在“中毒模式”之中，并以此氮气流量，编制工艺菜单；
S2：建立不同溅射条件下的薄层电阻率；
根据步骤S1中确立的反应溅射氮化钽的氮气流量，编制一系列氮气流量与之细微变化之工艺菜单，完成薄膜沉积，并测量各个薄膜样品的薄层电阻率。
2.根据权利要求1所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：在步骤S2中还包括：
S2.1：上载基片，运行步骤S1中确定的不同氮气含量的工艺菜单；
S2.2：下载基片，测量各但其流量下溅射获得的氮化钽薄膜的薄层电阻；
S2.3：编制不同工艺条件下的薄层电阻率～工艺条件的关联图，为之后选择需要的工艺参数为用。
3.根据权利要求2所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：还包括薄膜的制备设备，包括工艺腔体、输运腔体和上载腔体，所述输运腔体内设置有机械手，所述上载腔体与输运腔体之间设置有第一真空阀门，输运腔体与工艺腔体之间设置有第二真空阀门，上载腔体上设置有密封门，在运行步骤S1.2及步骤S2.1时，首先打开密封门将基片置于上载腔体内，将上载腔体抽真空；打开第一真空阀门，利用机械手将基片运送至输运腔体内，关闭第一真空阀门，打开第二真空阀门，利用机械手将基片运送至工艺腔体内后关闭第二真空阀门。
4.根据权利要求3所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：在运行步骤S1.3和步骤S2.2时，打开第二真空阀门机械手将基片由工艺腔体取出至输运腔体内，关闭第二真空阀门，打开第一真空阀门，机械手将基片由输运腔体取出至上载腔体内，关闭第一真空阀门，待上载腔体泄真空至大气压后，密封门开启，取出基片。
5.根据权利要求4所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：所述工艺腔体内设置有靶材和基片台，所述基片台通过导线连接匹配网络，所述匹配网络通过导线连接射频电源，所述工艺腔体上设置有工艺气体进口和真空吸口，真空吸口连接有真空泵，工艺气体进口连接有氮气管道和氩气管道，在所述氮气管道和氩气管道上述设置有气体流量计。
6.根据权利要求5所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：所述工艺腔体上设置有背板，靶材连接于背板上，背板内设置有冷却管道，所述靶材为钽靶材，靶材通过背板与靶材电源相连，靶材电源为直流电源、脉冲直流电源、射频电源或者HIPIMS电源。
7.根据权利要求6所述的可调控薄层电阻率的氮化钽薄膜的制备方法，其特征在于：还包括置于背板之后、平行于靶材背面的磁控管。
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