等离子体增强式化学气相沉积处理方法.pdf

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。

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。

等离子体增强式化学气相沉积处理方法
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 dopedSiO₂)、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。
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。
图1是一般的PECVD装置的示意图；
图2是传统PECVD方法所包含步骤地流程图；
图3是根据本发明的PECVD方法所包含步骤的流程图。
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0-2000sccm(standard cubic centimeter per minute，sccm)、0-5000sccm和0-10000sccm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5-1000sccm、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。