CN114196945A - 减少pecvd沉积薄膜过程中产生颗粒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，包括以下步骤：S1、将晶圆通过传输机构输送至PECVD腔室内并进行预加热；S2、向PECVD腔室内通入工艺气体中副反应气体，并维持PECVD腔室内腔压稳定；S3、开启射频电源并保持第一预定时间，直至PECVD腔室内等离子体处于稳定状态；S4、向PECVD腔室内通入工艺气体中主反应气体，开始沉积薄膜直至预定厚度，关闭主反应气体；S5、将射频电源接通状态继续维持第二预定时间后关闭，同时关闭副反应气体。本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，通过优化工艺反应气体进入PECVD腔室顺序、以及射频开启顺序来减少PECVD在沉积薄膜过程中产生的颗粒，对于减少薄膜表面颗粒的产生效果十分显著。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路薄膜沉积技术领域，尤其是涉及一种减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法。
背景技术
在集成电路制造工艺中，薄膜沉积具有非常重要的地位。随着集成电路尺寸的不断减小，对沉积薄膜的均匀性及薄膜表面颗粒(in-film颗粒)提出了新的挑战。
薄膜表面颗粒会直接影响整个集成电路的良率，其中，当沉积薄膜作为硬掩膜时，薄膜表面颗粒会对光刻胶旋涂、曝光造成影响以及光刻图形的传递；当沉积薄膜作为介电薄膜时，薄膜表面颗粒会影响薄膜的绝缘性，可能造成两导线之间短路或击穿，失去绝缘特性。
在薄膜沉积过程中，薄膜表面颗粒的来源是多样的，可能来自工艺气体携带的颗粒、腔室运动部件产生的颗粒、薄膜沉积过程中产生的颗粒、腔室沉积薄膜剥落产生的颗粒。对于PECVD的来讲，工艺气体带来的颗粒可以同通过更换气源、氮气吹扫途径来解决，腔室运动部件带来的颗粒可以通过优化腔室内部材质、优化运动部件结构等手段解决，腔室沉积薄膜剥落带来的颗粒，可以通过优化匀气盘进气结构及材质进行解决。
然而，薄膜沉积过程中产生的颗粒非常棘手，对于PECVD来说，沉积过程为射频解离反映气体沉积在晶圆上的过程，沉积过程是个复杂的反应过程，主要受射频、工艺气体、腔体环境共同影响，沉积过程中产生颗粒的原因也相对复杂。现有技术中，通过精确控制工艺气体流量及腔压、射频功率输出来尽量避免沉积过程中颗粒的产生，不仅耗费工艺成本巨大，不易实现，而且对薄膜表面颗粒的减少效果并不显著。故此，需要对上述技术问题进行亟待解决。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明提出一种减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，通过优化工艺反应气体进入PECVD腔室顺序、以及射频开启顺序来减少PECVD在沉积薄膜过程中产生的颗粒，对于减少薄膜表面颗粒的产生效果十分显著。
本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，包括以下步骤：
S1、将晶圆通过传输机构输送至PECVD腔室内并进行预加热；
S2、向所述PECVD腔室内通入工艺气体中副反应气体，并维持所述PECVD腔室内腔压稳定；
S3、开启射频电源并保持第一预定时间，直至所述PECVD腔室内等离子体处于稳定状态；
S4、向所述PECVD腔室内通入工艺气体中主反应气体，开始沉积薄膜直至预定厚度，关闭所述主反应气体；
S5、将所述射频电源接通状态继续维持第二预定时间后关闭，同时关闭所述副反应气体。
本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，通过优化工艺反应气体进入PECVD腔室顺序、以及射频开启顺序来减少PECVD在沉积薄膜过程中产生的颗粒，是基于薄膜表面颗粒产生的原理出发，对于减少薄膜表面颗粒的产生效果十分显著。
根据本发明的一个实施例，所述主反应气体为SiH4，所述副反应气体为NH3、N2和Ar。
根据本发明的另一个实施例，所述主反应气体为SiH4，所述副反应气体为N2O。
根据本发明的又一个实施例，所述主反应气体为TEOS，所述副反应气体为O2。
根据本发明的又一个实施例，所述步骤S1中，所述预加热温度为200℃～450℃；在所述步骤S2中，所述腔压维持在0.5Torr～10Torr之间。
根据本发明的又一个实施例，所述射频电源包括第一射频电源和第二射频电源，所述第一射频电源的射频功率大于所述第二射频电源的射频功率，在所述步骤S3中，先开启所述第一射频电源第三预定时间后再开启所述第二射频电源，在所述步骤S5中，所述第一射频电源和所述第二射频电源同时关闭。
根据本发明的又一个实施例，在所述步骤S3中，所述第一预定时间的范围为1-10s。
根据本发明的又一个实施例，在所述步骤S5中，所述射频电源的射频功率保持其原功率或降至其原功率的20～90％，所述第二预定时间的范围为3-15s。
根据本发明的可选实施例，所述方法还包括：S6、向所述PECVD腔室内通入吹扫气体对所述腔室和所述晶圆进行吹扫。
进一步地，在所述步骤S6中，将所述吹扫气体调节至预定流量，维持所述PECVD腔室内稳定，对所述腔室和所述晶圆吹扫维持第四预定时间，之后关闭所述吹扫气体并结束工艺。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，通过大量实验发现，在沉积过程中薄膜表面颗粒主要来自射频开和关的瞬间，从机台参数记录可以发现，在射频开和关的瞬间射频功率及反射功率(例如给整个腔室输出500W，反射功率为50W，真正用于工艺的功率为500W-50W＝450W)都有相应的波动，基于射频开关原理，对通入一定流量的工艺气体并保持一定腔压的腔体施加射频功率，在开启射频时，腔室工艺气体从未被解离到部分解离，再到等离子体平衡状态，这一过程腔体阻抗属于变化状态，等离子体也处于非稳定状态，容易形成颗粒生长所需要的核。在沉积结束时，射频功率关闭，即维持等离子体平衡态的射频能量消失，此时，腔室内未被完全解离的工艺气体容易团聚产生颗粒。本发明正是基于该薄膜表面颗粒产生的机理出发，有针对性的通过优化工艺反应气体进入PECVD腔室顺序、以及射频开启顺序来减少PECVD在沉积薄膜过程中产生的颗粒。
下面参考图1描述根据本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法。需要解释的是，本发明实施例中所涉及的腔室均指PECVD腔室。
本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，包括以下步骤：
S1、将晶圆通过传输机构输送至PECVD腔室内并进行预加热；
S2、向PECVD腔室内通入工艺气体中副反应气体，并维持PECVD腔室内腔压稳定；
S3、开启射频电源并保持第一预定时间，直至PECVD腔室内等离子体处于稳定状态；
S4、向PECVD腔室内通入工艺气体中主反应气体，开始沉积薄膜直至预定厚度，关闭主反应气体；
S5、将射频电源接通状态继续维持第二预定时间后关闭，同时关闭副反应气体。
由以上步骤顺序可以看出，将晶圆传输至PECVD腔室内，向腔室内通入工艺气体中的副反应气体并维持一定流量及腔压稳定，接着打开射频电源一段时间，然后通入工艺气体中主反应气体，开始沉积薄膜，待沉积至预定厚度的薄膜后，关闭主反应气体，再关闭射频电源和副反应气体。
可以看出，在沉积薄膜之前，先需要通入副反应气体用于维持腔压稳定，即先不通入可沉积薄膜的主反应气体。待开启射频电源后，等腔室内的等离子体维持稳定后，再通入主反应气体，当沉积薄膜至预定厚度时，先关闭主反应气体一段时间后，再关闭射频电源和副反应气体。
由此，本发明实施例的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，通过优化工艺反应气体进入PECVD腔室顺序、以及射频开启顺序来减少PECVD在沉积薄膜过程中产生的颗粒，是基于薄膜表面颗粒产生的原理出发，对于减少薄膜表面颗粒的产生效果十分显著。
根据本发明的一个实施例，主反应气体为SiH4(硅烷)，副反应气体为NH3、N2和Ar，用于沉积氮化硅薄膜。
根据本发明的另一个实施例，主反应气体为SiH4(硅烷)，副反应气体为N2O，用于沉积氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜。
根据本发明的又一个实施例，主反应气体为TEOS(正硅酸乙酯)，副反应气体为O2，用于沉积氧化硅薄膜。
需要补充的是，本发明实施例中的主反应气体并不限于以上三种，副反应气体也不限于以上几种，本领域技术人员可以知晓的可用于沉积薄膜的主反应气体和副反应气体均在本发明的保护范围之内。
根据本发明的又一个实施例，步骤S1中，预加热温度为200℃～450℃，具体可以为200℃、260℃、300℃、350℃、380℃、400℃和450℃。在步骤S2中，腔压维持在0.5Torr～10Torr之间，具体可以为500mtorr、1000mtorr、2000mtorr、3000mtorr、4000mtorr、5000mtorr等。
根据本发明的又一个实施例，射频电源包括第一射频电源和第二射频电源，第一射频电源的电磁频率大于第二射频电源的电磁频率，例如第一射频电源为高频电源(13.56MHz)，第二射频电源为低频电源(400KHz)。在步骤S3中，先开启第一射频电源第三预定时间后再开启第二射频电源，在步骤S5中，第一射频电源和第二射频电源同时关闭。
在本发明一个可选的实施例中，第三预定时间的范围为1s～10s，通常1s-10s内可以实现等离子体的稳定。
根据本发明的又一个实施例，在步骤S3中，第一预定时间的范围为1-10s。在该第一预定时间范围内，可以使得PECVD腔室内等离子体保持稳定状态，有效地防止射频电源在开启时等离子体不稳引入颗粒
根据本发明的又一个实施例，在步骤S5中，射频电源的射频功率保持其原功率或降至其原功率的20～90％，第二预定时间的范围为3-15s，使得在关闭主反应气体后腔室内仍然维持等离子体稳定状态，有效地防止射频电源在关闭时等离子体不稳引入颗粒。
根据本发明的可选实施例，方法还包括：S6、向PECVD腔室内通入吹扫气体对腔室和晶圆进行吹扫。
进一步地，在步骤S6中，将吹扫气体调节至预定流量，维持PECVD腔室内稳定，对腔室和晶圆吹扫维持第四预定时间，之后关闭吹扫气体并结束工艺。
下面以在PECVD腔室内沉积硅烷(SiNx)薄膜为例进行说明，具体包括以下步骤：
步骤S11、将晶圆通过传输机构传送至PECVD腔室内，并进行预加热；
步骤S12、通入除硅烷以外的工艺气体(即副反应气体)并稳定腔压，如通入40sccm氨气(NH3)+1000sccm氮气(N2)+500sccm氩气(Ar)，所述腔室内腔压保持3.0Torr；
步骤S13、先开启高频电源(13.56MHz)，高频电源的射频功率为150W，维持1s后，再打开低频电源(400KHz)，低频电源的射频功率为50W，维持3s；
步骤S14、之后通入48sccm的硅烷(SiH4)，沉积一定时间达到预定厚度的薄膜后关闭硅烷，高频电源的射频功率保持150W，低频电源的射频功率保持50W，高频电源和低频电源维持5s后，接着关闭高频、低频电源，同时关闭除硅烷以外的工艺气体(氨气和氩气)；
步骤S15、将氮气的流量调至5000sccm，腔室的腔压调至4.0T，对腔室和晶圆进行吹扫，吹扫时间保持15s，然后关闭氮气，对腔室进行抽气，抽气时间保持10s，结束工艺，将晶圆从腔室中取出；
需要说明的是，在步骤S12中，通入的副反应气体可以是氨气(NH3)与氮气(N2)、氩气(Ar)两者中的任意一个，或者是氨气(NH3)、氮气(N2)和氩气(Ar)；
在步骤S13中，高频电源(13.56MHz)与低频电源(400KMz)均开启后维持时间为1～10s，再通入硅烷(SiH4)气体；
在步骤S14中，沉积达到预定厚度的薄膜，先关闭硅烷(SiH4)气体，之后高频电源、低频电源保持原有功率，或者降低至原有功率的20～90％，保持时间为3～15s。
这样，通过控制射频电源开启与关闭的时间以及硅烷通入腔室的先后顺序，可以降低开启瞬间或者关闭瞬间由于射频不稳带来的颗粒问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将晶圆通过传输机构输送至PECVD腔室内并进行预加热；
S2、向所述PECVD腔室内通入工艺气体中副反应气体，并维持所述PECVD腔室内腔压稳定；
S3、开启射频电源并保持第一预定时间，直至所述PECVD腔室内等离子体处于稳定状态；
S4、向所述PECVD腔室内通入工艺气体中主反应气体，开始沉积薄膜直至预定厚度，关闭所述主反应气体；
S5、将所述射频电源的接通状态继续维持第二预定时间后关闭，同时关闭所述副反应气体。
2.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，所述主反应气体为SiH4，所述副反应气体为NH3、N2和Ar。
3.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，所述主反应气体为SiH4，所述副反应气体为N2O。
4.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，所述主反应气体为TEOS，所述副反应气体为O2。
5.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述预加热温度为200℃～450℃；在所述步骤S2中，所述腔压维持在0.5Torr～10Torr之间。
6.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，所述射频电源包括第一射频电源和第二射频电源，所述第一射频电源的射频功率大于所述第二射频电源的射频功率，在所述步骤S3中，先开启所述第一射频电源第三预定时间后再开启所述第二射频电源，在所述步骤S5中，所述第一射频电源和所述第二射频电源同时关闭。
7.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述第一预定时间的范围为1-10s。
8.根据权利要求1所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤S5中，所述射频电源的射频功率保持其原功率或降至其原功率的20～90％，所述第二预定时间的范围为3-15s。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，还包括：S6、向所述PECVD腔室内通入吹扫气体对所述腔室和所述晶圆进行吹扫。
10.根据权利要求9所述的减少PECVD沉积薄膜过程中产生颗粒的方法，其特征在于，在所述步骤S6中，将所述吹扫气体调节至预定流量，维持所述PECVD腔室内稳定，对所述腔室和所述晶圆吹扫维持第四预定时间，之后关闭所述吹扫气体并结束工艺。
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