CN121046806A - 晶圆表面处理方法及等离子体增强原子层沉积设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种晶圆表面处理方法及等离子体增强原子层沉积设备，晶圆表面处理方法包括如下步骤：加热反应室至第一温度，对晶圆表面进行干燥；通入氩气，对氩气进行电离，生成氩的等离子体；通入含氢气体，对含氢气体进行电离，生成氢的等离子体；待反应室压力稳定后，维持不少于10s至晶圆表面附着羟基。氢的等离子体与晶圆表面的氧化物结合，既能够去除晶圆表面的氧化层，又能够在晶圆表面生成羟基，羟基能够提高有机化合物前驱体的吸附性，从而提高后续原子层沉积所形成薄膜的完整性和均匀性。

Description

晶圆表面处理方法及等离子体增强原子层沉积设备

技术领域

本申请涉及半导体制造技术领域，尤其是指一种晶圆表面处理方法及等离子体增强原子层沉积设备。

背景技术

原子层沉积（ALD）是一种精密的薄膜沉积技术，其核心在于通过自限制性的表面化学反应实现原子级精度的薄膜生长。与传统的化学气相沉积不同，ALD工艺将前驱体分隔交替通入反应室，每种前驱体在晶圆表面发生饱和吸附和反应，每完成一次循环仅沉积一个原子层厚度的薄膜。当第一种前驱体暴露在基底表面时，分子会与表面的活性基团发生化学反应，形成单层吸附；当表面所有活性位点被占据后，反应自动停止，形成自限制特性。随后通入惰性气体清除多余前驱体和副产物后，再引入第二种前驱体，与第一前驱体形成的单层发生反应，完成一个原子层的沉积。这种循环过程通过精确控制循环次数即可实现纳米级甚至亚纳米级的薄膜厚度控制。

ALD的成膜质量从根本上取决于前驱体与晶圆表面发生的化学反应机制，前驱体的表面吸附能力直接影响薄膜生长的完整性和均匀性，但是许多有机化合物前驱体在晶圆表面上的吸附能力较弱，如TMA(三甲基铝)、二乙基锌、四异丙氧基钛等，导致原子层沉积时不能完整地沉积一层薄膜，甚至有些前驱体几乎不能吸附在晶圆表面。因此亟需提供一种晶圆表面处理方法，能够解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请的目的之一在于提供一种晶圆表面处理方法，能够提高有机化合物前驱体在晶圆表面的吸附能力。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种晶圆表面处理方法，包括如下步骤：

加热反应室至第一温度，对晶圆表面进行干燥；

通入氩气，对氩气进行电离，生成氩的等离子体；

通入含氢气体，对含氢气体进行电离，生成氢的等离子体；

待反应室压力稳定后，维持不少于10s至晶圆表面附着羟基。

通过上述设置，对晶圆表面进行干燥能够去除晶圆表面的水汽，再通过氩气在反应室内生成氩的等离子体，使得反应室内部起辉，然后再通入氢气电离生成氢的等离子体，能够解决氢气直接生成等离子体困难的难题。氢的等离子体与晶圆表面的氧化物结合，既能够去除晶圆表面的氧化层，又能够在晶圆表面生成羟基，羟基能够提高有机化合物前驱体的吸附性，从而提高后续原子层沉积所形成薄膜的完整性和均匀性，可谓一举两得。

进一步地，所述第一温度不低于100摄氏度。

进一步地，所述第一温度接近原子层沉积的工艺温度。

进一步地，加热反应室至第一温度后，通入第一气体带离干燥晶圆产生的水蒸气并排出反应室。

通过上述设置，晶圆表面的水汽会在不低于100摄氏度的温度下快速气化，从而加快干燥的效果。同时，将第一温度设置成接近后续原子层沉积的工艺温度，能够对晶圆进行表面处理后，更快地进行原子层沉积工艺，避免了多次升温的时间消耗，提高了原子层沉积的效果。通过输入第一气体将反应室内的水蒸气排出能够进一步加快晶圆表面水汽的蒸发，同时保证后续原子层沉积工艺时反应腔内的洁净度。

进一步地，所述第一气体为氢气和/或氩气，通入流量为1-3slpm；待反应室压力稳定，并维持1-5min。

通过上述设置，采用氢气或者氩气能够在反应室内提前营造氢气或者氩气的环境，能够保持反应室环境的洁净度，且能够一定程度上缩短后续通入氩气或者氢气的时间，提高晶圆表面处理效率。

进一步地，利用20-800W功率的射频对氩气或含氢气体进行电离。

通过上述设置，可以直接利用PEALD设备中的射频电离装置对氩气或氢气进行电离，不需要实用外接的等离子体发生装置，使得电离过程可以在反应室内原位进行，提高了晶圆表面处理的效率。

进一步地，所述氩气通入流量为1-5slpm，待反应室内氩气含量不低于90%再开启射频，射频维持时间为3-10s。

进一步地，所述含氢气体选择氢气；

所述氢气通入流量为0.1-3slpm。

进一步地，对氢气进行电离的射频维持时间为10-50s。

通过上述设置，含氢气体选择氢气能够保持反应室的洁净度，不会引入其他元素如卤素。并且利用氢气的输入和处理的设备硬件及工艺难度均不复杂，同时能够通过还原反应有效去除氧化层。

本申请的目的之二在于提供一种等离子体原子层沉积设备，能够单次容纳机械手运输的多片晶圆。

为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

一种等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述等离子体增强原子层沉积设备能够运行晶圆表面处理方法，所述等离子体增强原子层沉积设备包括

反应室；

基座，设置于所述反应室内并用于承托晶圆；

进气组件，用于将气体输入反应室；

尾排组件，用于将反应室内气体排出；以及

射频电离装置，用于电离反应室内气体。

本申请提供了一种晶圆表面处理方法，先升温去除晶圆表面的水汽，然后利用电离氩气使得反应室内部起辉从而实现氢气的快速电离，生成的氢等离子体和晶圆表面存在的氧化层反应生成羟基，羟基附着于净化氧化层后的晶圆表面，并将反应后的气体排出反应室，有利于后续原子层沉积过程中有机化合物如TMA(三甲基铝)、二乙基锌、四异丙氧基钛等前驱体附着于晶圆表面进行镀膜，既去除了晶圆表面的污染物，又能够提高前驱体在晶圆表面的附着性。

利用PEALD自带的射频电离装置对氩气和氢气进行电离，使得晶圆表面清洁的过程也可以在镀膜的反应室内进行，无需另外设置预清洗室。既避免了二次运输的污染，又能够加快后续原子层沉积的进行。除此之外，对晶圆表面进行干燥的第一温度设置为接近原子层沉积的工艺温度，可以在晶圆进行表面处理后，快速进行原子层沉积，进一步提高了镀膜的效率。

附图说明

图1为等离子体增强原子层沉积设备的结构示意图；

图2为实施例1中晶圆表面AlO薄膜状态图；

图3为实施例2中晶圆表面AlO薄膜状态图；

图4为实施例3中晶圆表面AlO薄膜状态图。

附图标记：

100、反应室；

200、进气组件；

300、尾排组件；

400、基座；

500、射频电离装置。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

如图1所示，本申请提供了一种等离子体增强原子层沉积设备，包括反应室100、用于将气体输入反应室100的进气组件200、用于将反应室100内气体排出的尾排组件300、用于支撑晶圆的基座400和用于电离气体的射频电离装置500。进气组件200安装于反应室100的顶部，用于向反应室100内部输入氢气和氩气，氢气和氩气的输入气路分别由单独的阀门和MFC控制，氢气的控制阀门记为PV1，氩气的控制阀门记为PV2。尾排组件300安装于反应室100的底部，用于将反应完成后气体排出。

本申请还提供了一种晶圆表面处理方法，包括如下步骤：

S1，加热基座400至第一温度，对晶圆进行干燥。可选择的，第一温度不低于100摄氏度且不超过300摄氏度，能够加快晶圆表面水汽的气化。可选择的，第一温度接近或者等于原子层沉积的工艺温度；

可选择的，通入第一气体带离干燥晶圆产生的水蒸气并通过尾排组件300排出反应室100。可选择的，第一气体为氢气和/或氩气。具体的，第一气体选择为氢气，开启氢气的输入气路的阀门，并通过MFC将氢气流量设置为1-3slpm，将反应室100压力稳定至1-5Torr后，维持1-5min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，关闭第一气体通入，通入氩气，在反应室100内对氩气进行电离生成氩的等离子体。具体的，氩气通入流量为1-5slpm，将反应室100压力稳定至1-5Torr，并且氩气在反应室100内的含量不低于90%时，将射频电离装置500的功率设置为20-800W并开启，射频电离的时间为3-10s。具体的，氩气在反应室100内的含量通过气路中的流量计确定。

S3，在射频电离装置500处于开启的状态下，通入含氢气体，对含氢气体进行电离，生成氢的等离子体。具体的，含氢气体选择氢气，通入流量为1-3slpm，将反应室100压力稳定至1-5Torr，使得氢气在反应室100内的含量为5%-100%，其余为氩气；射频电离的时间为10-50s，使得晶圆表面附着羟基。具体的，氢气在反应室100内的含量通过气路中的流量计确定。

S4，关闭射频电离装置500，关闭含氢气体通入，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

需要注意的是，前述过程中尾排组件300始终处于开启状态。

为了进一步阐述本申请提供的晶圆表面处理方法，对后续原子层沉积后产生的薄膜的具体有效影响，下面设置两组试验进行详细说明。

试验1设置3组实施例和2组对比例，具体为实施例1-3和对比例1-2，试验过程中选择硅片作为试验晶圆，在等离子体增强原子层沉积设备的反应室100中对晶圆进行表面处理后，对晶圆处理后的表面进行50次循环的AlO镀膜，并测量AlO的膜厚和均匀性（range），膜厚越大说明薄膜生长的成功率越高，range小于1Å属于合格品，且range越小说明AlO薄膜越均匀。

试验2设置3组实施例，具体为实施例4-6，试验过程中选择表面沉积有30.6nm氧化硅的硅片作为试验晶圆，在等离子体增强原子层沉积设备的反应室100中对晶圆进行表面处理，并在处理后利用椭偏仪测量硅片表面氧化硅的厚度。

实施例1

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为50W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.3slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持50s，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化层进行刻蚀，使得晶圆表面附着羟基。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

S6，在基座400保持100摄氏度的状态下，使用三甲基铝（TMA）与氧气作为前驱体通过原子层沉积工艺在晶圆处理后的表面沉积AlO薄膜，生长50个cycle。

通过实施例1在晶圆表面获得的AlO薄膜如图2所示，AlO膜厚：49.4Å；range：0.4Å；从图2可知晶圆表面AlO薄膜的完整性和均匀性非常好。

实施例2

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为50W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.3slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持20s，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化层进行刻蚀，使得晶圆表面附着羟基。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

S6，在基座400保持100摄氏度的状态下，使用三甲基铝（TMA）与氧气作为前驱体通过原子层沉积工艺在晶圆处理后的表面沉积AlO薄膜，生长50个cycle。

通过实施例2在晶圆表面获得的AlO薄膜如图3所示，AlO膜厚：49.1Å；range：0.7Å。从图3可知晶圆表面AlO薄膜的完整性和均匀性较好，但是呈现出中心区域AlO薄膜较边缘区域更厚。

实施例3

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为50W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.3slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持10s，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化层进行刻蚀，使得晶圆表面附着羟基。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

S6，在基座400保持100摄氏度的状态下，使用三甲基铝（TMA）与氧气作为前驱体通过原子层沉积工艺在晶圆处理后的表面沉积AlO薄膜，生长50个cycle。

通过实施例3在晶圆表面获得的AlO薄膜如图4所示，AlO膜厚：48.8Å；range：0.9Å，属于合格品。从图4可知晶圆表面AlO薄膜的完整性和均匀性较好，但是呈现出中心区域AlO薄膜较边缘区域更厚，且图4的中间区域AlO薄膜的厚度比图3呈现的更厚，结合实施例3的range较实施例2的range更大，说明实施例3的AlO薄膜比实施例2的AlO薄膜的均匀性稍差。

对比例1

在基座400保持100摄氏度的状态下，使用三甲基铝（TMA）与氧气作为前驱体通过原子层沉积工艺在晶圆处理后的表面沉积AlO薄膜，生长50个cycle。

通过对比例1在晶圆表面获得的AlO薄膜膜厚为48.2Å，range为1.1Å，属于不合格品。

对比例2

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为50W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.3slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持90s，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化层进行刻蚀，使得晶圆表面附着羟基。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

S6，在基座400保持100摄氏度的状态下，使用三甲基铝（TMA）与氧气作为前驱体通过原子层沉积工艺在晶圆处理后的表面沉积AlO薄膜，生长50个cycle。

通过对比例2在晶圆表面获得的AlO薄膜膜厚为49.4Å，range为0.5Å，属于合格品。

通过实施例1-3和对比例1-2比对可知，氢的等离子体处理后能够增加AlO薄膜膜厚，也就是说氢的等离子体处理后能够增加三甲基铝（TMA）在晶圆表面的附着力，从而增加了AlO薄膜的厚度。除此之外，氢的等离子体处理时间介于1-50s之间时AlO薄膜膜厚和均匀性均处于合格品范围内，且氢的等离子体处理时间占用的时间较短。通过实施例1-3和对比例2之间的对比可知，当氢的等离子体处理时间为50s时，AlO薄膜的均匀性最佳，当氢的等离子体处理时间超过50s时，AlO薄膜的厚度不变，但是均匀性会下降，也就是说当氢的等离子体处理时间超过50s时，不仅延长了晶圆表面处理时间，还无法获得更优的均匀性，但是更长时间的晶圆表面处理时间会导致整个ALD工艺的低效，因此氢的等离子体处理时间超过50s便不可取。

实施例4

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为50W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.5slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持1min，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化硅进行刻蚀。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

实施例5

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为150W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.5slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持3min，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化硅进行刻蚀。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

实施例6

S1，加热基座400至100摄氏度，传输晶圆至基座400上对晶圆进行干燥。在尾排组件300处于开启状态下，打开PV1，将氢气的输入气路上的MFC设置为2slpm，将反应室100压力稳定至1Torr，维持3min，使得反应室100内水蒸气完全排出。

S2，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1；打开PV2，将氩气的输入气路上的MFC设置为3slpm，将反应室100压力稳定至3Torr。将射频电离装置500的功率设置为150W并开启，维持5s，生成氩的等离子体。

S3，将氢气的输入气路上的MFC设置为0.5slpm，打开PV1，将反应室100压力稳定至3Torr，维持5min，生成的氢的等离子体对晶圆表面的氧化硅进行刻蚀。

S4，关闭射频电离装置500，将氢气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV1，使得开启状态下的氩气对反应室100进行吹扫，吹扫时间为5min。

S5，将氩气的输入气路上的MFC设置为0，关闭PV2，将反应室100压力控制为0Torr。

利用椭偏仪分别测量实施例5-6的晶圆表面剩余的氧化硅的厚度，获得以下数据：

通过上述表格中的数据可知，氢的等离子体处理时间越长，氧化硅的刻蚀效果越好，说明氢的等离子体具备刻蚀氧化硅的效果，能够直接替代氟化氢、氯化氢等气体单独对晶圆表面的氧化层进行去除，使得晶圆表面处理的过程更加简单。当氢气射频电离时间为1min时，能够实现2.2nm的氧化硅刻蚀，而晶圆表面的自然氧化层一般不超过1nm，因此利用氢的等离子体处理晶圆表面完全能够处理掉晶圆表面的自然氧化层。

应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本申请所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶圆表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

加热反应室（100）至第一温度，对晶圆表面进行干燥；

通入氩气，对氩气进行电离，生成氩的等离子体；

通入含氢气体，对含氢气体进行电离，生成氢的等离子体；

待反应室（100）压力稳定后，维持不少于10s至晶圆表面附着羟基。

2.根据权利要求1所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，所述第一温度不低于100摄氏度。

3.根据权利要求1或2所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，所述第一温度接近原子层沉积的工艺温度。

4.根据权利要求1所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，加热反应室（100）至第一温度后，通入第一气体带离干燥晶圆产生的水蒸气并排出反应室（100）。

5.根据权利要求4所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，所述第一气体为氢气和/或氩气，通入流量为1-3slpm；待反应室（100）压力稳定，并维持1-5min。

6.根据权利要求1所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，利用20-800W功率的射频对氩气或含氢气体进行电离。

7.根据权利要求6所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，所述氩气通入流量为1-5slpm，待反应室（100）内氩气含量不低于90%再开启射频，射频维持时间为3-10s。

8.根据权利要求6所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，所述含氢气体选择氢气；

所述氢气通入流量为0.1-3slpm。

9.根据权利要求8所述的晶圆表面处理方法，其特征在于，对氢气进行电离的射频维持时间为10-50s。

10.一种等离子体增强原子层沉积设备，其特征在于，所述等离子体增强原子层沉积设备能够运行如权利要求1-9任一项所述的晶圆表面处理方法，所述等离子体增强原子层沉积设备包括

反应室（100）；

基座（400），设置于所述反应室（100）内并用于承托晶圆；

进气组件（200），用于将气体输入反应室（100）；

尾排组件（300），用于将反应室（100）内气体排出；以及

射频电离装置（500），用于电离反应室（100）内气体。