申请/专利权人：北京北方华创微电子装备有限公司

申请日：2019-07-17

公开（公告）日：2022-11-25

公开（公告）号：CN110218984B

主分类号：C23C14/35

分类号：C23C14/35;C23C14/06;C23C14/02;C23C14/58

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2022.11.25#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.10#公开

摘要：本发明提供一种薄膜沉积方法，其包括：预处理步骤，向反应腔室内通入工艺气体和能够去除晶片表面上的杂质的预处理气体；第一沉积步骤，停止通入预处理气体，并继续向反应腔室内通入工艺气体，且开启激励电源，向靶材施加激励功率，以在晶片上形成缓冲层；第二沉积步骤，提高激励功率，并开启偏压电源，向基座施加偏压功率，以在晶片上形成薄膜；后处理步骤，关闭激励电源和偏压电源，并停止向反应腔室内通入工艺气体，同时向反应腔室内通入能够提高薄膜的性能的后处理气体。本发明提供的薄膜沉积方法，其不仅可以降低薄膜的电阻率，实现薄膜应力的调节，而且还可以增大工艺窗口，扩大应用范围。

主权项：1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括：预处理步骤，向反应腔室内通入工艺气体和能够去除晶片表面上的杂质的预处理气体；第一沉积步骤，停止通入所述预处理气体，并继续向所述反应腔室内通入所述工艺气体，使腔室压力保持在预设的第二压力值，所述第二压力值的取值范围为50-500mTorr，同时开启直流电源和射频电源，向靶材施加激励功率，所述激励功率包括直流功率和射频功率，通过调节所述直流功率和射频功率的比例，来调节所述薄膜的生长晶向，使所述薄膜的生长晶向在立方生长方向和斜方生长方向同时存在，以在所述晶片上形成缓冲层；第二沉积步骤，提高所述激励功率，并开启偏压电源，向基座施加偏压功率，且使所述腔室压力保持在所述第二压力值，以在所述晶片上形成所述薄膜，并通过调节所述偏压功率的大小对电阻率的大小和薄膜应力进行调节，使所述薄膜获得拉应力，并降低薄膜的电阻率；后处理步骤，关闭所述直流电源、所述射频电源和所述偏压电源，并停止向所述反应腔室内通入所述工艺气体，同时向所述反应腔室内通入能够提高所述薄膜的性能的后处理气体；其中，所述薄膜为TiN薄膜。

全文数据：薄膜沉积方法技术领域本发明涉及半导体工艺技术领域，具体地，涉及一种薄膜沉积方法。背景技术TiN薄膜作为一种多功能材料，在集成电路制程中的阻挡层、粘合层及金属硬掩膜等工艺中得到了广泛的应用，采用传统直流磁控溅射技术制备的TiN薄膜，因其具备较高的沉积速率、良好的薄膜均匀性、污染少及产能高等的优势，成为集成电路金属化制程中最常用的物理气相沉积PhysicalVaporDeposition，以下简称PVD方法之一。但是，传统的PVD方法采用单步沉积的方式，这种方式获得的TiN薄膜的电阻率高且应力不可调在压应力和拉应力之间调节，同时工艺窗口较小，从而应用的局限性较大。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，提出了一种薄膜沉积方法，其不仅可以降低薄膜的电阻率，实现薄膜应力的调节，而且还可以增大工艺窗口，扩大应用范围。为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜沉积方法，包括：预处理步骤，向反应腔室内通入工艺气体和能够去除晶片表面上的杂质的预处理气体；第一沉积步骤，停止通入所述预处理气体，并继续向所述反应腔室内通入所述工艺气体，且开启激励电源，向靶材施加激励功率，以在所述晶片上形成缓冲层；第二沉积步骤，提高所述激励功率，并开启偏压电源，向基座施加偏压功率，以在所述晶片上形成薄膜；后处理步骤，关闭所述激励电源和偏压电源，并停止向所述反应腔室内通入所述工艺气体，同时向所述反应腔室内通入能够提高所述薄膜的性能的后处理气体。可选的，在所述预处理步骤中，所述预处理气体包括氢气。可选的，所述预处理步骤具体包括：S11，将所述反应腔室抽真空，以使腔室压力达到预设的第一压力值；S12，将晶片传送至所述基座上，且所述基座的加热温度为预设温度值；S13，向所述反应腔室内通入所述预处理气体，且使所述腔室压力保持在预设的第二压力值。可选的，所述第二压力值的取值范围在50-500mTorr。可选的，所述第二压力值的取值范围在150-200mTorr。可选的，所述工艺气体包括氮气，或者包括氩气和氮气的混合气体。可选的，所述氮气的流量的取值范围在100-500sccm；所述氩气的流量的取值范围在100-500sccm；所述氢气的流量的取值范围在10-200sccm。可选的，所述激励电源包括直流电源和射频电源；在所述第一沉积步骤中，同时开启所述直流电源和射频电源，向所述靶材施加直流功率和射频功率；并且，通过调节所述直流功率和射频功率的比例，来调节所述薄膜的生长晶向。可选的，所述直流功率和射频功率的比例的取值范围在1:10-10:1。可选的，所述直流功率和射频功率的比例为1:2或者2:1。可选的，在所述第一沉积步骤和所述第二沉积步骤中，所述工艺气体包括氩气和氮气的混合气体；所述氮气与所述氩气的流量比例的取值范围在1.2-1.5。可选的，所述氮气的流量的取值范围在300-500sccm；所述氩气的流量的取值范围在200-300sccm。可选的，在所述第二沉积步骤中，所述直流功率和射频功率的比例的取值范围在3:1-6:1。可选的，在所述第一沉积步骤中，所述直流功率的取值范围在3-5KW；所述射频功率的取值范围在1-3KW；在所述第二沉积步骤中，所述直流功率的取值范围在15-20KW；所述射频功率的取值范围在3-5KW。可选的，在所述第二沉积步骤中，通过调节所述偏压功率的大小对电阻率的大小和薄膜应力进行调节，所述偏压功率的取值范围在50-500W。可选的，所述薄膜为TiN薄膜，在所述后处理步骤中，所述后处理气体包括氮气和氢气的混合气体。可选的，所述氮气的流量的取值范围在300-500sccm；所述氢气的流量的取值范围在50-200sccm。可选的，在所述第一沉积步骤、所述第二沉积步骤和所述后处理步骤中，腔室压力的取值范围均在150-200mTorr。本发明的有益效果：本发明所提供的薄膜沉积方法，其包括：预处理步骤，用于通过通入工艺气体和预处理气体来使腔室压力达到稳定，同时预处理气体可以去除前道工艺在晶片表面上残留的杂质；第一沉积步骤，用于在晶片上形成缓冲层，该缓冲层可以阻挡晶片与薄膜这两种材料在界面扩散，释放这两种材料之间的界面应力，提高薄膜附着力；第二沉积步骤，用于在晶片上形成薄膜，同时在该步骤中，开启偏压电源向基座施加偏压功率，可以通过调节偏压功率的大小对电阻率的大小和薄膜应力进行调节，从而可以达到降低薄膜的电阻率，使薄膜应力从压应力向拉应力转变的目的，进而不仅可以减少薄膜内部的缺陷，而且可以增大工艺窗口，扩大应用范围；后处理步骤，用于提高薄膜致密性，降低薄膜电阻率，从而可以提高薄膜性能。附图说明图1为本发明实施例提供的薄膜沉积方法的流程框图；图2为本发明实施例采用的预处理步骤的流程框图；图3为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法获得的薄膜X射线衍射图；图4为偏压功率分别与薄膜电阻率和应力的曲线图。具体实施方式为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的薄膜沉积方法进行详细描述。请参阅图1，本发明实施例提供的薄膜沉积方法，其包括：预处理步骤S1，向反应腔室内通入工艺气体和能够去除晶片表面上的杂质的预处理气体。在预处理步骤S1中，通过通入工艺气体和预处理气体来使腔室压力达到稳定，同时预处理气体可以去除前道工艺在晶片表面上残留的诸如氧、碳等杂质。可选的，请参阅图2，预处理步骤S1具体包括：S11，将反应腔室抽真空，以使腔室压力达到预设的第一压力值；上述第一压力值满足使腔室达到超真空的状态，例如，第一压力值通常小于5*10-6Torr。这样，可以减少腔室内部的杂质气体和水汽，从而既可以避免这些气体与自靶材溅射出的原子结合，污染薄膜，又可以避免腔室内部产生打火现象，产生严重的颗粒问题。S12，将晶片传送至基座上，且基座的加热温度为预设温度值；可选的，上述预设温度值为400℃。S13，向反应腔室内通入预处理气体，且使腔室压力保持在预设的第二压力值。可选的，预处理气体包括氢气。氢气的引入可以有效去除前道工艺在晶片表面上残留的诸如氧、碳等杂质。可选的，第二压力值的取值范围在50-500mTorr。优选的，该第二压力值的取值范围在150-200mTorr。采用较高的腔室压力，是获得压应力大于0的前提，而且较高的压应力不仅可以增大工艺窗口，扩大应用范围，而且还有助于降低薄膜的电阻率。对于氮化钛薄膜的沉积，工艺气体包括氩气和氮气的混合气体，其中，氩气的引入有助于提高等离子体密度，当然，在实际应用中，工艺气体也可以仅包括氮气。可选的，氮气的流量的取值范围在100-500sccm；氩气的流量的取值范围在100-500sccm；氢气的流量的取值范围在10-200sccm。第一沉积步骤S2，停止通入预处理气体，并继续向反应腔室内通入上述工艺气体，且开启激励电源，向靶材施加激励功率，以在晶片上形成缓冲层。该缓冲层可以阻挡晶片与薄膜这两种材料在界面扩散，释放这两种材料之间的界面应力，提高薄膜附着力。可选的，激励电源包括直流电源和射频电源。同时开启直流电源和射频电源，既可以增大工艺窗口，扩大应用范围，又可以通过调节直流功率和射频功率的比例，来调节薄膜的生长晶向。当然，在实际应用中，也可以仅开启直流电源。在第一沉积步骤S2中，同时开启直流电源和射频电源，向靶材施加直流功率和射频功率；并且，通过调节直流功率和射频功率的比例，来调节薄膜的生长晶向。以氮化钛薄膜的沉积为例，通过选择合适的直流功率和射频功率的比例，可以增加钛原子和氮原子在高密度等离子体中的离化和碰撞，改变氮化钛薄膜在晶片表面生长时的横向迁移，从而改变薄膜的生长晶向。具体地，可以使薄膜的生长晶向为两个方向同时存在，即，立方生长方向111方向和斜方生长方向200方向同时存在，从而可以避免生长晶向朝立方生长方向生长过快。可选的，直流功率和射频功率的比例的取值范围在1:10-10:1。优选的，在第一沉积步骤S2中，直流功率和射频功率的比例为1:2或者2:1。请参阅图3，为采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法获得的薄膜X射线衍射图。由图3可知，采用本发明实施例提供的薄膜沉积方法获得的薄膜的生长晶向是沿着立方生长方向111方向和斜方生长方向200方向这两个方向生长的。可选的，在第一沉积步骤S2中，腔室压力保持在上述第二压力值不变。采用较高的腔室压力，是获得压应力大于0的前提，而且较高的压应力不仅可以增大工艺窗口，扩大应用范围，而且还有助于降低薄膜的电阻率。第二沉积步骤S3，提高激励功率，并开启偏压电源，向基座施加偏压功率，以在晶片上形成薄膜。第二沉积步骤S3用于在晶片上形成薄膜，同时在该步骤中，开启偏压电源向基座施加的偏压功率，可以通过调节偏压功率的大小对电阻率的大小和薄膜应力进行调节，从而可以达到降低薄膜的电阻率，使薄膜应力从压应力向拉应力转变的目的，进而不仅可以减少薄膜内部的缺陷，而且可以增大工艺窗口，扩大应用范围。在第二沉积步骤S3中，可选的，偏压功率的取值范围在50-500W。在该范围内，可以有效减少薄膜内部的缺陷，而且可以增大工艺窗口，扩大应用范围。请参阅图4，为偏压功率分别与薄膜电阻率和应力的曲线图。在图4中，横坐标为偏压功率；左侧纵坐标为电阻率；右侧纵坐标为应力。由偏压功率与薄膜的电阻率的曲线可以看出，当偏压功率大于50W时，薄膜电阻率大幅下降。由偏压功率与薄膜的应力的曲线可以看出，偏压功率越大，则薄膜应力从压应力向拉应力转变；反之，偏压功率越小，则薄膜应力从拉应力向向应力转变，从而调节偏压功率的大小，可以对薄膜应力进行有效控制，从而可以获得不同性质的薄膜，增大了调节窗口，扩大了应用范围。可选的，在第一沉积步骤S2和第二沉积步骤S3中，工艺气体包括氩气和氮气的混合气体。可选的，氮气与氩气的流量比例的取值范围在1.2-1.5。这既可以避免薄膜应力转变为压应力，导致工艺窗口减小，又可以避免因氮含量过高而在靶材表面形成氮化钛，从而造成因靶材表面剥落而产生严重的颗粒污染。可选的，氮气的流量的取值范围在300-500sccm；氩气的流量的取值范围在200-300sccm。可选的，在第二沉积步骤S3中，直流功率和射频功率的比例的取值范围在3:1-6:1。该步骤所采用的功率比例相对于第一沉积步骤S2有所提高，这可以提高薄膜沉积速率，从而有利于提高产能。可选的，在第一沉积步骤S2中，直流功率的取值范围在3-5KW；射频功率的取值范围在1-3KW；在第二沉积步骤S3中，直流功率的取值范围在15-20KW；射频功率的取值范围在3-5KW。可选的，在第二沉积步骤S3中，腔室压力保持在上述第二压力值不变。采用较高的腔室压力，是获得压应力大于0的前提，而且较高的压应力不仅可以增大工艺窗口，扩大应用范围，而且还有助于降低薄膜的电阻率。后处理步骤S4，关闭激励电源和偏压电源，并停止向反应腔室内通入工艺气体，同时向反应腔室内通入能够提高薄膜的性能的后处理气体。后处理步骤S4用于提高薄膜致密性，降低薄膜电阻率，从而可以提高薄膜性能。可选的，针对沉积的TiN薄膜，在后处理步骤S4中，后处理气体包括氮气和氢气的混合气体。以氮化钛薄膜的沉积为例，通过引入氮气，可以在氮化钛薄膜表面发氮化反应，减少薄膜表面的氮空位和悬挂键，提高薄膜表面的稳定性和致密性，进一步减小薄膜的电阻率；同时，通过引入氢气，去除在晶片表面上残留的诸如氧、碳等杂质。可选的，氮气的流量的取值范围在300-500sccm；氢气的流量的取值范围在50-200sccm。可选的，在后处理步骤S4中，腔室压力保持在上述第二压力值不变。采用较高的腔室压力，是获得压应力大于0的前提，而且较高的压应力不仅可以增大工艺窗口，扩大应用范围，而且还有助于降低薄膜的电阻率。综上所述，本发明实施例提供的薄膜沉积方法，其不仅可以降低薄膜的电阻率，实现薄膜应力的调节，而且还可以增大工艺窗口，扩大应用范围。可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

权利要求：1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括：预处理步骤，向反应腔室内通入工艺气体和能够去除晶片表面上的杂质的预处理气体；第一沉积步骤，停止通入所述预处理气体，并继续向所述反应腔室内通入所述工艺气体，且开启激励电源，向靶材施加激励功率，以在所述晶片上形成缓冲层；第二沉积步骤，提高所述激励功率，并开启偏压电源，向基座施加偏压功率，以在所述晶片上形成薄膜；后处理步骤，关闭所述激励电源和偏压电源，并停止向所述反应腔室内通入所述工艺气体，同时向所述反应腔室内通入能够提高所述薄膜的性能的后处理气体。2.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述预处理步骤中，所述预处理气体包括氢气。3.根据权利要求1或2所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述预处理步骤具体包括：S11，将所述反应腔室抽真空，以使腔室压力达到预设的第一压力值；S12，将晶片传送至所述基座上，且所述基座的加热温度为预设温度值；S13，向所述反应腔室内通入所述预处理气体，且使所述腔室压力保持在预设的第二压力值。4.根据权利要求3所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述第二压力值的取值范围在50-500mTorr。5.根据权利要求4所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述第二压力值的取值范围在150-200mTorr。6.根据权利要求2所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述工艺气体包括氮气，或者包括氩气和氮气的混合气体。7.根据权利要求6所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述氮气的流量的取值范围在100-500sccm；所述氩气的流量的取值范围在100-500sccm；所述氢气的流量的取值范围在10-200sccm。8.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述激励电源包括直流电源和射频电源；在所述第一沉积步骤中，同时开启所述直流电源和射频电源，向所述靶材施加直流功率和射频功率；并且，通过调节所述直流功率和射频功率的比例，来调节所述薄膜的生长晶向。9.根据权利要求8所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述直流功率和射频功率的比例的取值范围在1:10-10:1。10.根据权利要求9所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述直流功率和射频功率的比例为1:2或者2:1。11.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述第一沉积步骤和所述第二沉积步骤中，所述工艺气体包括氩气和氮气的混合气体；所述氮气与所述氩气的流量比例的取值范围在1.2-1.5。12.根据权利要求11所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述氮气的流量的取值范围在300-500sccm；所述氩气的流量的取值范围在200-300sccm。13.根据权利要求8所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述第二沉积步骤中，所述直流功率和射频功率的比例的取值范围在3:1-6:1。14.根据权利要求8或9所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述第一沉积步骤中，所述直流功率的取值范围在3-5KW；所述射频功率的取值范围在1-3KW；在所述第二沉积步骤中，所述直流功率的取值范围在15-20KW；所述射频功率的取值范围在3-5KW。15.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述第二沉积步骤中，通过调节所述偏压功率的大小对电阻率的大小和薄膜应力进行调节，所述偏压功率的取值范围在50-500W。16.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述薄膜为TiN薄膜，在所述后处理步骤中，所述后处理气体包括氮气和氢气的混合气体。17.根据权利要求16所述的薄膜沉积方法，其特征在于，所述氮气的流量的取值范围在300-500sccm；所述氢气的流量的取值范围在50-200sccm。18.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，在所述第一沉积步骤、所述第二沉积步骤和所述后处理步骤中，腔室压力的取值范围均在150-200mTorr。

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