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等离子体增强式化学气相沉积处理方法

阅读：678发布：2021-02-22

IPRDB可以提供等离子体增强式化学气相沉积处理方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，用于在半导体晶片表面上沉积薄膜，包括：稳定化步骤，即向反应炉中通入前驱气体；沉积步骤，即向反应炉中输入射频能，继续通入前驱气体，同时通入反应气体；钝化步骤，即停止通入反应气体，但继续输入射频能；以及抽气步骤，即关闭射频能，停止通入前驱气体，用抽气泵抽出反应炉中的剩余气体；其中，在上述钝化步骤中：射频能与所述沉积步骤的射频能相同或更低；钝化步骤中继续通入前驱气体并持续3-15秒钟；由于本发明增加了钝化步骤，使得晶片薄膜表面上未反应完全的Si键继续反应直至结束，因此能够消除不完全表面反应和悬挂键，从而避免了上覆薄膜中凸块的形成，进而能够消除由此引起的缺陷，提高了产品的合格率。，下面是等离子体增强式化学气相沉积处理方法专利的具体信息内容。

1.一种等离子体增强式化学气相沉积处理方法，用于在半导体晶片 表面上沉积薄膜，其特征是：包括如下步骤：稳定化步骤，即向反应炉中通入前驱气体；

沉积步骤，即向反应炉中输入射频能，继续通入前驱气体，同时通入 反应气体；

钝化步骤，即停止通入反应气体，但继续输入射频能；以及抽气步骤，即关闭射频能，停止通入前驱气体，用抽气泵抽出反应炉 中的剩余气体。

2.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述钝化步骤的射频 能与所述沉积步骤的射频能相同或更低。

3.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述钝化步骤的射频 能为5到1000瓦。

4.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述钝化步骤的钝化 时间为2到100秒。

5.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述钝化步骤中继续 通入前驱气体并持续3-15秒钟。

6.如权利要求5所述的处理方法，其特征是：所述前驱气体的通入 速度为原流速或1-2000sccm。

7.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述半导体晶片的表 面为硅、或铜、或SiO2、或氟掺杂SiO2、或碳掺杂SiO2、或以上材料的 混合物。

8.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述前驱气体是NH3、 N2O和N2的混合气体。

9.如权利要求1所述的处理方法，其特征是：所述反应气体是 SiH4、三甲基硅烷、四甲基硅烷。

说明书全文

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种等离子体增强式化学 气相沉积(PECVD)处理方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，为制作分立器件与集成电路，需要在晶片的衬 底上沉积不同种类的薄膜。在沉积薄膜的方法中，等离子体增强式化学气 相沉积(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)是一种 常用的方法。该方法是利用能量增强CVD反应，除了一般CVD系统的热 能外，另加等离子体能量。
图1给出了PECVD方法的常用装置的示意图，该PECVD装置为一个 PECVD反应炉。如图1所示，反应炉100由圆柱形玻璃或铝构成，上下两 端均以铝板封口。圆柱形筒内部有上下两块平行铝板当作电极，上电极 101接射频(RF)电压，下电极102接地。两电极间的射频电压将产生等 离子体放电。有一个半导体晶片130置于加热基座120上，可以通过位于 加热基座120下面的加热器对晶片130进行加热，反应气体由上电极101 周围的进气孔110流入反应炉100内，反应炉100下部接抽气泵(图中未 示)，待反应结束后将炉内气体从出气孔111抽出。当然，上述图1只是 举出了有一个半导体晶片130的例子，而实际上，本发明的方法不限于被 加工的半导体晶片的个数，无论是一个还是多个都可适用于本发明的方 法。
图2示出了传统PECVD处理方法步骤的流程图。从图2中可以看出， 传统的PECVD方法包括稳定化210、沉积220和抽气230三个步骤。待处 理的晶片130的表面为衬底层，该衬底层可以是硅、或铜、或SiO2、或 氟掺杂SiO2(Fluorine doped SiO2)、或碳掺杂SiO2(Carbon doped SiO2)、或以上材料的混合物。下面请同时结合图1所示，首先，将待处 理的晶片130放入到反应炉100中的加热基座120上，然后开始对该晶片 130的表面进行PECVD处理。
首先，是稳定化步骤210。在这个步骤中，并不开启射频能，只是向 反应炉100中通入前驱气体，例如NH3、N2O和N2等，该步骤大概持续10 秒钟。通过这个步骤，在反应炉中形成了均匀而稳定的前驱气体氛围，也 使待处理的晶片130表面与其周围的前驱气体有了充分而均匀的接触。
然后，是沉积步骤220。在这个步骤中，打开射频能，继续通入前驱 气体，同时通入反应气体，如SiH4、三甲基硅烷、四甲基硅烷等。射频能 的开启，使得在反应炉100中产生等离子体。反应气体在等离子体能量和 热能的综合作用下，发生离子化，所生成的Si悬挂键与生成的O、N、H等不饱和基团发生反应，生成SiN、SiO2、SiON等，并沉积在晶片130表 面，形成SiN、SiO2、SiON等薄膜。
最后，是抽气步骤230。在这个步骤中，关闭射频能，停止前驱气体 和反应气体的通入，并用抽气泵将反应炉中的剩余气体抽出反应炉。
上述传统PECVD方法的缺陷在于，在上述的抽气步骤230中，射频能 被关闭，而因射频能的供应是使得反应继续进行的前提条件，所以这时在 上述沉积步骤中进行的沉积过程被突然停止。而此时的情况是，还有很多 未封端的Si键处于已经沉积在晶片上的薄膜表面，即表面的反应还没有 完全终止。
传统的PECVD处理所产生的这种不完全表面反应，使得在沉积得到的 SiN薄膜表面还有未封端/悬挂的Si键。这些未封端/悬挂的Si键，在接 下来的薄膜沉积步骤中就成了成核位置，在这些成核位置上，会比其他位 置具有更快的沉积速率，导致在其上所沉积的上覆(overlying)薄膜中 形成凸块缺陷。这些凸块会掩盖其他致命的缺陷以及未打通的过孔，最终 将可能导致很多缺陷，例如表面泄漏和可靠性故障，即与时间相关的介电 击穿(TDDB，time dependent dielectric breakdown)。

发明内容

为了克服上述不足，本发明的主要目的就是要提供一种可消除沉积薄 膜缺陷的PECVD方法。
根据本发明的目的，本发明提供了一种等离子体增强式化学气相沉积 处理方法，用于在半导体晶片表面上沉积薄膜，包括如下步骤：稳定化步 骤，即向反应炉中通入前驱气体；沉积步骤，即向反应炉中输入射频能， 继续通入前驱气体，同时通入反应气体；钝化步骤，即停止通入反应气 体，但继续输入射频能；以及抽气步骤，即关闭射频能，停止通入前驱气 体，用抽气泵抽出反应炉中的剩余气体。
其中，在上述钝化步骤中：射频能与所述沉积步骤的射频能相同或更 低，可以是5到1000瓦；钝化时间为2到100秒；所述钝化步骤中继续 通入前驱气体并持续3-15秒钟；前驱气体的通入速度为原流速或1- 2000sccm，前驱气体是NH3、N2O和N2的混合气体，反应气体是SiH4、三甲 基硅烷、四甲基硅烷。其中，半导体晶片的表面为硅、或铜、或SiO2、 或氟掺杂SiO2、或碳掺杂SiO2、或以上材料的混合物。
本发明的有益效果是：因在沉积步骤之后、抽气步骤之前，增加了钝 化步骤，使得晶片薄膜表面上未反应完全的Si键继续反应直至结束，因 此能够消除不完全表面反应和悬挂键，从而避免了上覆薄膜中凸块的形 成，进而能够消除由此引起的缺陷，提高了产品的合格率。

附图说明

图1是一般的PECVD装置的示意图；
图2是传统PECVD方法所包含步骤的流程图；
图3是根据本发明的PECVD方法所包含步骤的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图描述本发明的优选实施例。
本发明的PECVD方法仍然使用如图1所示的反应炉100。
图3是根据本发明的PECVD方法的流程图，通过对比传统方法的图2 可看出，本发明提供的PECVD处理方法相对于传统PECVD方法，在沉积步 骤和抽气步骤之间加入了一个钝化步骤。下面将结合图3对本发明的 PECVD方法的具体步骤加以说明。
从图3中可以看出，本发明提供的PECVD处理方法包括四个步骤。
首先是稳定化步骤310。在该步骤中，没有射频能输入。只是通过图 1所示的气体入口110使前驱气体例如NH3、N2O和N2，分别以0-2000 sccm(standard cubic centimeter per minute，sccm)、0-5000sccm和0-10000 sccm的流速流入到反应炉100中，并使气体的流入时间持续10秒。
然后是沉积步骤320。在该步骤中，继续向反应炉100中通入前驱气 体；接着，接入5到1000瓦的射频能；然后，从图1中示出的气体入口 110使反应气体，例如SiH4、三甲基硅烷、四甲基硅烷分别以5-1000 sccm、5-2000sccm和5-2000sccm的流速流入到反应炉100中，根据期 望沉积的薄膜厚度，所需要的沉积时间可以从6秒到100秒。
接下来是钝化步骤330，这一步骤为本发明的关键所在，这一钝化步 骤的钝化时间为2到100秒。此时，将射频能调节到与沉积步骤320中相 同或较低的射频能，本实施例中采用的射频能为1-500瓦并停止向反应炉 100中通入反应气体，但继续以原流速或1-2000sccm的流速通入前驱气体 并持续3-15秒钟。
在步骤330中，停止通入反应气体的目的是不再在反应炉中产生新的 未封端/悬挂Si键。这种情况下，继续通入前驱气体，并保持射频能的输 入，就使得在步骤320结束时未反应的剩余未封端/悬挂Si键，可以继续 与通入的前驱气体反应。从而使得沉积步骤可以继续进行，直到剩余的未 封端/悬挂Si键也全部反应技术为止，这样就避免了不完全反应的发生， 从而避免了由此带来的缺陷。
最后是抽气步骤340。这时，将射频能关闭，通过抽气泵将反应炉中 的剩余气体抽出，直到反应炉中的压力降至3-100托。该步骤大概需要5 秒钟。
本发明所提出的加入了钝化步骤的PECVD处理方法，并不限于SiN薄 膜的沉积，而是适用于所有的含Si薄膜的处理。通过改变前驱气体、反 应气体的成分，本发明提出的加入了钝化步骤的PECVD处理方法还可以用 于处理例如SiO2、SiON、SiOF薄膜等等，并可以达到同样的避免由不完全 反应产生未封端/悬挂键、从而引起问题的效果。
可以看出，相对于传统技术，本发明提供了一种PECVD方法，在其特 征是：在沉积步骤和抽气步骤之间加入了额外的等离子体终止步骤，即钝 化步骤。在该步骤中，不再通入反应气体，而继续通入前驱气体，并保持 射频能的输入，从而使得在沉积步骤中反应未结束的薄膜表面，即未封端 键可以继续完成反应，从而消除了未封端键，进而能够消除由未封端键所 引起的问题。
尽管本发明是参照其特定的优选实施例来描述的，但本领域的技术人 员应该理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况 下，可以对其进行形式和细节的各种修改。
相关专利内容
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