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CN111286696A - 半导体硬掩膜薄膜制备方法 - Google Patents

半导体硬掩膜薄膜制备方法 Download PDF

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CN111286696A CN202010214095.2A CN202010214095A CN111286696A CN 111286696 A CN111286696 A CN 111286696A CN 202010214095 A CN202010214095 A CN 202010214095A CN 111286696 A CN111286696 A CN 111286696A
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Abstract

本发明提供一种半导体硬掩膜薄膜制备方法，所述方法包括：构建腔室环境，将所述反应腔室进行抽真空，以使所述反应腔室的压力达到第一设定压力值；将待沉积含氮化合物薄膜的晶片传入所述反应腔室内的基座上，将所述基座加热至预设温度值；启辉步骤，向反应腔室通入氮气，直至所述反应腔室的压力达到第二设定压力值，开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体；溅射步骤，保持所述直流电源处于开启状态；开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使所述等离子体对所述含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。通过本发明，可以获得密度应力可调的高质量的薄膜。

Description

半导体硬掩膜薄膜制备方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，具体地，涉及一种半导体硬掩膜薄膜制备方法。
背景技术
目前，随着超大规模集成电路的发展，为了实现更高的刻蚀精度，光刻胶和掩膜材料不断演进，以获得较高的刻蚀选择比、更好的形貌控制及线条边缘粗糙度。传统的光刻胶材料在刻蚀所用的等离子体作用下容易产生退化和变形，难以实现更高密度的图形化转移。无定型碳作为一种非金属硬掩膜材料因其在刻蚀工艺中相对于氧化硅、氮化硅及硅等材料的高刻蚀选择比，广泛用于集成电路制造工艺中。现有的无定型碳硬掩膜薄膜通常采用等离子体增强化学气相沉积工艺(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，在400-600℃的高温下热分解含CH(碳氢化合物)类有机物前驱体材料，其中氢含量约为20％-50％。随着器件特征尺寸在不断缩小，器件密度不断增大，在14nm以下先进制程中，传统PECVD方法工艺窗口小，局限性日益突出。相比PECVD技术，物理气相沉积工艺(Physical Vapor Deposition，PVD)因其采用高纯石墨材料直接制备碳薄膜，密度高且杂质含量少，但是现有制备碳薄膜的工艺中存在很大的压应力，可能产生表面剥离现象，这种表面剥离现象在PVD方法中更加严重。
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，提出了一种半导体硬掩膜薄膜制备方法。
为实现本发明的目的而提供一种半导体硬掩膜薄膜制备方法，所述方法包括：
构建腔室环境，将反应腔室进行抽真空，以使所述反应腔室的压力达到第一设定压力值；将待沉积含氮化合物薄膜的晶片传入所述反应腔室内的基座上，将所述基座加热至预设温度值；
启辉步骤，向所述反应腔室通入氮气，直至所述反应腔室的压力达到第二设定压力值；开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体；
溅射步骤，保持所述直流电源处于开启状态；开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使所述等离子体对所述含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。
优选地，所述含氮化合物薄膜，包括以下任意一种：SiNx，TiN，TaN。
优选地，所述溅射步骤采用的直流功率大于所述启辉步骤采用的直流功率。
优选地，所述启辉步骤采用的直流功率的取值范围在500-10000W；所述溅射步骤采用的直流功率的取值范围在5000-30000W；所述启辉步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr；所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr；所述溅射步骤采用的射频功率的取值范围在1-500W；所述启辉步骤和所述溅射步骤各自采用的所述工艺气体的流量的取值范围在100-500sccm。
优选地，所述启辉步骤采用的直流功率的取值范围在1000-5000W；所述溅射步骤采用的直流功率的取值范围在10000-15000W；所述启辉步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在150-250mTorr；所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在150-200mTorr；所述溅射步骤采用的射频功率的取值范围在10-100W；所述启辉步骤和所述溅射步骤各自采用的所述工艺气体的流量的取值范围在100-300sccm。
优选地，在所述构建腔室环境之前，还包括：
预先获取所述启辉步骤和所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力、所述直流功率和所述射频功率之间的配置关系，以获取满足所需密度和应力的所述薄膜。
优选地，所述预设温度值的取值范围在300-450℃，所述第一设定压力值小于5×10-6Torr，所述第二设定压力值的取值范围在50-500mTorr。
优选地，所述预设温度值为400℃。
优选地，所述射频电源采用脉冲直流射频源或者交流射频源；或者，所述射频电源采用直流射频源和交流射频源；或者，所述射频电源采用脉冲直流射频源和交流射频源。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法，构建腔室环境之后，执行启辉步骤和溅射步骤，在启辉步骤中，向反应腔室通入氮气直至反应腔室的压力达到第二设定压力值，开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体；在溅射步骤中，保持直流电源处理开启状态，开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使等离子体对含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。由此，在溅射步骤中，向靶材加载直流功率和向基座加载射频功率同时进行，与传统PECVD工艺相比，更利于降低工艺成本和颗粒控制；采用本发明提供的薄膜制备方法，可以获得密度应力可调的高质量的薄膜。
附图说明
图1为本发明一个实施例提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法的流程框图；
图2为本发明另一个实施例提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法的流程框图；
图3为本发明实施例中射频功率对薄膜密度及应力的影响趋势图。
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，下面结合附图来对本发明提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法进行详细描述。
如图1所示，为本发明一个实施例提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法的流程框图，本发明实施例中，薄膜制备方法包括：构建腔室环境步骤101：将反应腔室进行抽真空，以使反应腔室的压力达到第一设定压力值；将待沉积含氮化合物薄膜的晶片传入反应腔室内的基座上，将基座加热至预设温度值。
本实施例中，含氮化合物薄膜，可以包括以下任意一种：SiNx，TiN(氮化钛)，TaN(氮化钽)。其中，SiNx可以是氮化硅，化学式为Si3N4，氮化硅是一种新型陶瓷材料。为了形成SiNx，TiN，TaN等含氮化合物，对应的靶材分别是Si靶，Ti靶和Ta靶。具体地，预设温度值的取值范围在300-450℃。当基座的加热温度小于300℃时，会降低薄膜的密度；而基座的加热温度大于450℃时，不利于在晶片的表面形成氮化碳薄膜。优选地，预设温度值为400℃。
具体地，第一设定压力值小于5×10-6Torr。
启辉步骤102：向反应腔室通入氮气，直至反应腔室的压力达到第二设定压力值；开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体。
具体地，启辉步骤102采用的工艺气体的流量的取值范围在100-500sccm。优选地，工艺气体的流量的取值范围在100-300sccm。启辉步骤102采用的直流功率的取值范围在500-10000W；优选地，启辉步骤102采用的直流功率的取值范围在1000-5000W。
启辉步骤102所处的反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr；优选地，启辉步骤102所处的反应腔室的压力的取值范围在150-250mTorr。
具体地，第二设定压力值的取值范围在50-500mTorr。
本实施例的靶材可以采用石墨，通过石墨靶材可以制备氮化碳薄膜，当然，本实施例的靶材还可以采用其他靶材，比如硅、钛、钽分别制备如碳化硅、碳化钛、碳化钽等含氮化合物。
溅射步骤103：保持直流电源处于开启状态；开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使等离子体对含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。
具体地，溅射步骤103采用的工艺气体的流量的取值范围在100-500sccm。优选地，溅射步骤103采用的工艺气体的流量的取值范围在100-300sccm。
具体地，溅射步骤103采用的直流功率大于启辉步骤采用的直流功率。溅射步骤103采用的直流功率的取值范围在5000-30000W。优选地，溅射步骤采用的直流功率的取值范围在10000-15000W。
具体地，溅射步骤103采用的射频功率的取值范围在1-500W；优选地，溅射步骤103采用的射频功率的取值范围在10-100W。
溅射步骤103所处的反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr。优选地，溅射步骤103所处的反应腔室的压力的取值范围在150-200mTorr。
具体地，射频电源可以采用以下任意一种电源方式：
1)射频电源采用脉冲直流射频源
2)射频电源采用交流射频源。
3)射频电源采用直流射频源和交流射频源。
4)射频电源采用脉冲直流射频源和交流射频源。
本发明实施例提供的薄膜制备方法，构建腔室环境之后，执行启辉步骤和溅射步骤，在启辉步骤中，向反应腔室通入氮气直至反应腔室的压力达到第二设定压力值，开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体；在溅射步骤中，保持直流电源处理开启状态，开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使等离子体对含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。由此，在溅射步骤中，向靶材加载直流功率和向基座加载射频功率同时进行，与传统PECVD工艺相比，更利于降低工艺成本和颗粒控制；采用本发明提供的薄膜制备方法，可以获得高密度应力可调的高质量的薄膜。
优选地，本发明提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法，可以在设定温度条件下，通过调节启辉步骤和溅射步骤所处的反应腔室的压力、直流功率和射频功率，来调节含氮化合物薄膜的密度和应力。设定温度条件可以根据反应腔室具体确定。在设定温度条件下，通过调节启辉步骤和溅射步骤各自采用的反应腔室压力、直流功率和射频功率，调节薄膜的密度和应力，可以克服传统PECVD和PVD工艺的局限性，改善和调节了薄膜的表面状态和应力，
而调节启辉步骤和溅射步骤所处的反应腔室的压力、直流功率和射频功率可以包括以下任意一种情况：
1)在启辉步骤中，将反应腔室压力和直流功率分别保持在第一设定值和第二设定值不变；在溅射步骤中，将反应腔室压力和直流功率分别保持在第三设定值和第四设定值不变，并调节射频功率的大小。该情况1)中，在启辉步骤中，可以保持反应腔室压力和直流功率分别为第一设定值和第二设定值不变，在溅射步骤中，可以将反应腔室压力和直流功率分别保持在第三设定值和第四设定值不变，并调节射频功率的大小，达到调节薄膜密度和应力的目的，从而为薄膜密度和应力的调节提供了一种的调节方式。
2)在启辉步骤中，将直流功率保持在第五设定值不变，并调节反应腔室压力的大小；在溅射步骤中，将射频功率保持在第六设定值不变，将直流功率保持在第七设定值不变，并调节反应腔室压力的大小。该情况2)中，将启辉步骤中的直流功率保持在第五设定值不变，将溅射步骤中的射频功率保持在第六设定值不变，将直流功率保持在第七设定值不变，通过调节启辉步骤和溅射步骤中的反应腔室压力达到调节薄膜的密度和应力的目的，从而为薄膜密度和应力的调节提供了另一种的调节方式。
3)在启辉步骤中，将反应腔室压力保持在第八设定值不变，并调节直流功率的大小；在溅射步骤中，将反应腔室压力保持在第九设定值不变，将射频功率保持在第十设定值不变，并调节直流功率的大小。该情况3)中，将启辉步骤的反应腔室压力保持在第八设定值不变，将溅射步骤中反应腔室压力保持在第九设定值不变，通过分别调节启辉步骤和溅射步骤中的直流功率，达到了调节薄膜的密度和压力的目的。从而为薄膜密度和应力的调节提供了再一种的调节方式。
上述第一设定值至第十设定值可以根据工艺制程的需求而进行适应性设置。
如图2所示，为本发明另一个实施例提供的薄膜制备方法的流程框图，本发明实施例中，薄膜制备方法包括：
步骤201：预先获取启辉步骤和溅射步骤所处的反应腔室的压力、直流功率和射频功率之间的配置关系，以获取满足所需密度和应力的薄膜。
步骤202：将反应腔室进行抽真空，以使反应腔室的压力达到第一设定压力值；将待沉积含氮化合物薄膜的晶片传入反应腔室内的基座上，将基座加热至预设温度值。
步骤203：在启辉步骤中，向反应腔室通入氮气，直至反应腔室的压力达到第二设定压力值；开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体。
步骤204：在溅射步骤中，保持直流电源处于开启状态；开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使等离子体对含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击，以使等离子体对含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。
本实施例提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法，在进行半导体硬掩膜薄膜制备之前，预先获取启辉步骤和溅射步骤所处的反应腔室的压力、直流功率和射频功率之间的配置关系，获取满足所需密度和应力的薄膜，为后续控制启辉步骤和溅射步骤的顺利进行提供了依据，保证了薄膜的制备。
综上，半导体硬掩膜薄膜制备方法可在氮气环境中采用直流电源向靶材加载直流功率，和采用射频电源向基座加载射频功率，与传统的PVD工艺相比，可通过在高温高气压溅射工艺中引入氮原子来抑制薄膜中sp2(类石墨结构)碳的生长，使p3杂化(类金刚石结构)碳原子的成核和生长变得更加容易，p3杂化的碳原子与氮原子形成共价键，这种三维的氮化碳原子结构在晶格中具有最紧密的排列，从而提高了薄膜的密度，有利于改善和调节薄膜的表面状态和应力，进一步，采用本发明提供的半导体硬掩膜薄膜制备方法还可以获得高密度(如3.2g/cc)应力可调的高质量氮化碳薄膜。
进一步，采用本发明制备碳化氮薄膜的一个典型的实施例如下：
(1)第一步，将温度值为400℃基座运动至反应腔室的工艺位置，通入氮气，氮气的流量的取值范围为100～500sccm，优选为100～300sccm，反应腔室的腔室压力的取值范围50～500mTorr，优选150～250mTorr。这种高气压条件有利于形成高密度的含氮的等离子体，有利于提高氮化氢薄膜中氮的含量，同时可以减少薄膜表面的不饱和悬挂键。
(2)第二步，在反应腔室的工艺位置上，通入氮气，氮气的流量的取值范围为100～500sccm，优选为100～300sccm，反应腔室的腔室压力的取值范围为50～500mTorr，优选150～250mTorr。向靶材加载直流功率的取值范围为500～10000W，优选1000～5000W。
(3)第三步，在反应腔室的工艺位置上，通入氮气，氮气的流量的取值范围为100～500sccm，优选为100～300sccm，反应腔室的腔室压力的取值范围为50～500mTorr，优选150～200mTorr。向靶材加载直流功率的取值范围为5000～30000W，优选10000～15000W。向基座加载的射频功率的取值范围为1～500W，优选10～100W。工艺过程中沉积速率可控制在2～10A/s，沉积速率太快会使薄膜表面粗糙度增加，材料的密度降低。
采用本发明提供半导体硬掩膜薄膜制备方法制备薄膜的过程是一种沉积/刻蚀共存的生长过程，腔室压力和射频功率带来的轰击离子能量这两个因素共同影响了薄膜生长过程中表面原子的迁移率和性能，而一般而言，调整的原则取决于制程的要求，根据制程的不同，薄膜的性能参数要求也不同。在一定的工艺条件下(如直流功率15000W，腔室压力180mTorr)，可以通过调节射频功率得到符合要求的薄膜。射频功率对薄膜密度及应力的影响趋势如图3所示，在图3中含三角形的曲线为应力变化曲线，含实心原点的曲线表示密度变化曲线。在14nm以下制程中，碳硬掩膜薄膜要求密度大于2.5g/cc，应力要求0～800MPa，选取合适的射频功率的取值范围即可(比如20～70W)；腔室压力的提高有利于薄膜的应力向大于0Mpa方向转变，而增加直流功率或射频功率会使应力向小于<0MPa方向转变，可以根据制程的需求在三者之间找到合适的工艺区间，因此可以通过维持直流功率和射频功率，通过调整腔室压力的方式来获得符合要求的薄膜；也可以维持腔室压力和射频功率，通过调整直流功率获得符合要求的薄膜。
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。

Claims (9)

1.一种半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述方法包括：
构建腔室环境，将反应腔室进行抽真空，以使所述反应腔室的压力达到第一设定压力值；将待沉积含氮化合物薄膜的晶片传入所述反应腔室内的基座上，将所述基座加热至预设温度值；
启辉步骤，向所述反应腔室通入氮气，直至所述反应腔室的压力达到第二设定压力值；开启直流电源，以向靶材加载直流功率，启辉促使氮气离化，产生等离子体；
溅射步骤，保持所述直流电源处于开启状态；开启射频电源，以向基座加载射频功率，以使所述等离子体对所述含氮化合物薄膜的晶片的表面进行轰击。
2.根据权利要求1所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述含氮化合物薄膜，包括以下任意一种：SiNx，TiN，TaN。
3.根据权利要求1或2所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述溅射步骤采用的直流功率大于所述启辉步骤采用的直流功率。
4.根据权利要求3所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述启辉步骤采用的直流功率的取值范围在500-10000W；所述溅射步骤采用的直流功率的取值范围在5000-30000W；所述启辉步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr；所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在50-500mTorr；所述溅射步骤采用的射频功率的取值范围在1-500W；所述启辉步骤和所述溅射步骤各自采用的所述工艺气体的流量的取值范围在100-500sccm。
5.根据权利要求4所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述启辉步骤采用的直流功率的取值范围在1000-5000W；所述溅射步骤采用的直流功率的取值范围在10000-15000W；所述启辉步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在150-250mTorr；所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力的取值范围在150-200mTorr；所述溅射步骤采用的射频功率的取值范围在10-100W；所述启辉步骤和所述溅射步骤各自采用的所述工艺气体的流量的取值范围在100-300sccm。
6.根据权利要求1所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，在所述构建腔室环境之前，还包括：
预先获取所述启辉步骤和所述溅射步骤所处的所述反应腔室的压力、所述直流功率和所述射频功率之间的配置关系，以获取满足所需密度和应力的所述薄膜。
7.根据权利要求1所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述预设温度值的取值范围在300-450℃，所述第一设定压力值小于5×10-6Torr，所述第二设定压力值的取值范围在50-500mTorr。
8.根据权利要求7所述的薄膜制备方法，其特征在于，所述预设温度值为400℃。
9.根据权利要求1所述的半导体硬掩膜薄膜制备方法，其特征在于，所述射频电源采用脉冲直流射频源或者交流射频源；或者，所述射频电源采用直流射频源和交流射频源；或者，所述射频电源采用脉冲直流射频源和交流射频源。
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