CN102420109B - 一种提高mim器件电容均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高MIM器件电容均匀性的方法，主要是用于提高MIM器件中所包含的薄膜的均一性，依次包括八个步骤，并且可以根据实际的需要重复步骤S2至步骤S6若干次。本发明的一种提高MIM器件电容均匀性的方法，在现有的等离子体增强化学气相沉积法的基础上，通过若干次的淀积/等离子体处理的方法，去除了薄膜内部一定量的缺陷，提升了淀积薄膜的均一性，从而薄膜的湿法蚀刻速率均一性得到了提高，进而提高了MIM器件的电容均一性。

Description

一种提高MIM器件电容均匀性的方法
技术领域
    本发明涉及半导体器件中薄膜的制备技术，特别是涉及一种提高MIM器件电容均匀性的方法，用于提高MIM器件中所包含的薄膜的均一性。
背景技术
随着半导体集成电路制造技术的不断进步，半导体的性能不断提升的同时，半导体也向着小型化，微型化的方向发展，而器件中包含的例如MIM电容器则是集成电路中的重要组成单元并有着广泛的应用。
在现有的集成电路电容中，MIM（Metal-Insulator-Metal）电容器，也即是金属-绝缘体-金属电容器已经逐渐成为了射频集成电路的主流。MIM 中所沉积的介质薄膜层大多由等离子体化学气相沉积法（PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor）技术所生成，由于其沉积温度较低，而被广泛用于高介电质氮化硅薄膜的制备。PECVD方法中通常借助于微波或射频等使含有硅元素源和氮元素源的反应气体进行电离，在一定的温度和压力的条件下引入高频电源进行辉光放电，以形成等离子体，从而实现在晶片或衬底上沉积出所期望的薄膜类型。由于利用了等离子体的活性来促进反应，因而这种CVD称为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)。
由于氮化硅薄膜的性质直接决定了MIM电容的性能，因此对于该层薄膜的性能要求比较高。薄膜的湿法蚀刻速率，代表着淀积薄膜的均匀性，从现有薄膜的湿法蚀刻速率均匀性来看，采用PECVD方法制备的高介电质氮化硅薄膜薄膜的均匀性较差，因此在现有的设备基础上如何进一步提高薄膜的均匀性成为一个难点。
鉴于上述问题，一方面，本发明正式基于保持MIM器件中所包含的薄膜在其沉积过程中能具有较好的均一性，以避免在后续薄膜的刻蚀过程中，由于薄膜厚度不均匀而导致的在同一薄膜的不同区域的刻蚀速率差异过大的问题，即改善湿法蚀刻速率均一性，并使MIM器件最终获得的薄膜的电容均一性得到提高；另一方面，本发明所提供的方法还在薄膜的沉积过程中去除薄膜内部一部分化学性缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供提高MIM器件电容均匀性的方法，通过若干次的淀积/等离子体处理的方法，提升了淀积薄膜的电容均一性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种提高MIM器件电容均匀性的方法，主要是用于提高MIM器件中所包含的薄膜的均一性，其中，包括以下的步骤：
步骤S1：将晶片放置在反应室内，并向反应室内通入用于产生薄膜的包含有硅烷、氨气的混合气体，保持此时反应室内的气压值一段时间，以稳定反应室；
步骤S2：以不同的流量再次向反应室内通入所述混合气体，同时向反应室内通入氮气，并保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间；
步骤S3：开启射频发生器进行起辉，使混合气体中的反应气体电离或分解，以进行化学气相沉积从而在晶片的表面生成一层氮化硅薄膜；
步骤S4：关闭射频发生器，停止向反应室内通入混合气体，同时向反应室内通入氩气和氮气，改变此时反应室内的气压值，并保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间以清除反应室内残余的硅烷和氨气；
步骤S5：继续向反应室内通入氩气和氮气，保持反应室内的气压值不变，同时开启射频发生器，以钝化处理所沉积的氮化硅薄膜使其具有稳定的化学性能；
步骤S6：继续向反应室内通入氩气和氮气，并保持反应室内的气压值不变，以清除反应室内残余的硅烷和氨气；
步骤S7：将晶片顶起并远离气源的喷淋头，关闭氩气并继续向反应室内通入氮气，保持反应室内的气压值不变，并保持上述状态持续一段时间；
步骤S8：利用真空泵对反应室进行抽真空处理，以使得沉积反应中产生的副产物随主流气体泵出。
上述的方法，其中，用于控制反应室内压力的蝶阀在所述步骤S1中部分地开启，在步骤S2至步骤S7中保持关闭状态，在步骤S8中完全开启。
上述的方法，其中，在所述步骤S1至步骤S6中，晶片放置在其上表面距离气源喷淋头0.3寸处，在步骤S7至步骤S8中，晶片被顶起并远离所述气源喷淋头。
上述的方法，其中，在步骤S1中，硅烷和氨气的流量分别为100sccm，氮气的流量为2000sccm，反应室内气压保持在8托，并在该状态下稳定10秒。
上述的方法，其中，在步骤S2中分别以40sccm、900sccm的流量向反应室内通入硅烷、氨气，并以1000sccm的流量向反应室内通入氮气，反应室内的气压保持在8托，并在该状态下稳定30秒。
上述的方法，其中，在步骤S3中射频发生器的辉光放电功率为75W、起辉3秒钟，氮化硅薄膜的沉积时间为3秒。
上述的方法，其中，在步骤S4中分别以10000sccm的流量向反应室内通入氩气和氮气。
上述的方法，其中，在步骤S4中，反应室内的气压保持在6托，以清除反应室内残余的硅烷和氨气，清除时间为30秒。
上述的方法，其中，在步骤S5中，继续分别以10000sccm的速度向反应室内通入氩气和氮气，使得反应室内的气压控制在6托，同时以50瓦的功率开启射频发生器10秒钟，钝化处理氮化硅薄膜的时间为10秒。
上述的方法，其中，在步骤S6中，继续分别以10000sccm的流量向反应室内通入氩气和氮气，反应室内的气压保持在6托，以清除反应室内残余的硅烷和氨气，清除时间为5秒。
上述的方法，其中，在步骤S7中，关闭氩气后继续以10000sccm的流量向反应室内通入氮气，反应室内的气压保持在6托，并保持该状态持续5秒。
上述的方法，其中，在步骤S8中，利用真空泵对反应室进行抽真空处理，时间为10秒。
上述的方法，其中，还包括，在进行步骤S7之前，重复步骤S2至步骤S6若干次。
本发明的一种提高MIM器件电容均匀性的方法，在现有的等离子体增强化学气相沉积法的基础上，通过若干次的淀积/等离子体处理的方法，去除了薄膜内部一定量的缺陷，提升了淀积薄膜的均一性，从而薄膜的湿法蚀刻速率均一性得到了提高，进而提高了MIM器件的电容均一性。 
附图说明
图1为本发明的一种提高MIM器件电容均匀性的方法的流程图；
图2为采用现有技术和采用本发明而各自生成的薄膜上进行刻蚀速率采样对比示意图；
图3为MIM器件的截面图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步详细的说明。
在一种可选的实施方式中，例如基于现有的生成氮化硅薄膜所采用的PECVD法，示范性的例举了本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的一种提高MIM器件电容均匀性的方法，主要是用于提高MIM器件中所包含的薄膜的均一性，以便在后续对薄膜的刻蚀（例如湿法刻蚀）过程中，能够保障薄膜的各个区域的刻蚀速率能够大致上保持一致。其中，在一个优选的实施方式中，本发明所提供的方法主要包括以下的步骤，而对于一些PECVD的必要步骤或者通常技术本申请将不再详细进行阐述：
将晶片（或衬底）放置在用于在晶片的表面沉积生成薄膜的反应室内（PECVD设备的反应腔室Chamber），并向反应室内通入用于产生薄膜的包含硅烷、氨气的混合气体，保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间。其中，在本步骤中，晶片放置在其上表面距离反应室的气源喷淋头下方0.3寸处，通入反应室内的反应气体-硅烷（SIH4）和氨气（NH3）的流量分别为100sccm，氮气（N2）的流量为2000sccm；此过程中部分地开启蝶阀（TV Position），例如选取蝶阀开启一个大约为24的阀门值，以调节反应室内气压（pressure），使之保持在8托，保持上述状态10秒，以稳定反应室。
以不同的流量再次向反应室内通入所述混合气体（包含硅烷、氨气），同时向反应室内通入氮气，并保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间。其中，在本步骤中，需要改变通入反应室内的硅烷和氨气的流量，并同时向反应室内通入氮气，其中硅烷的流量为40sccm，氨气的流量为900sccm，氮气的流量为1000sccm，而此时需要控制反应室内的气压保持在8托（Torr），并在该状态下稳定30秒，以准备在后续的步骤S3中进行氮化硅薄膜的淀积。本步骤中以高纯氮气（N2）作为载气，稀释反应气体硅烷（SIH4）和氨气（NH3），并同时调节反应室内的气压，氮气（N2）、硅烷（SIH4）和氨气（NH3）的流量则可以通过流量计进行控制。
开启射频发生器进行起辉，使混合气体中的反应气体电离或分解，以进行化学气相沉积从而在晶片的表面生成一层氮化硅薄膜。辉光放电主要是通过从直流到微波的所有频率带的电源激励产生各种不同的电离状态。本步骤中，射频发生器的辉光放电功率为75W（选择高频射频功率—High Frequency RF1 Power）、起辉3秒钟。通入反应室内的反应气体硅烷和氨气的流量与前一步骤中的流量相同，即氨气流量为900sccm, 硅烷的流量为40sccm，并且氮气的流量为1000 sccm，保持反应室内的气压在8托，并维持上述状态3秒。这样，通过引入高频电源而使得反应气体硅烷（SIH4）和氨气（NH3）电离或者分解，并进一步形成等离子体，以在晶片表面上生成氮化硅薄膜；通常，在非平衡等离子中，辉光放电产生的电子与反应气体发生初级反应，反应气体分解形成离子和活性基团，各种活性基团向薄膜生长表面（晶片表面）和反应腔管壁扩散运输并伴随着各反应物的次级反应，之后，到达薄膜生长表面的初级反应物和次级反应物被吸附并与该表面发生反应，同时也伴随有气相分子物释放，从而获得氮化硅薄膜。此过程中氮化硅薄膜淀积的时间为3秒。需要指出的是，正是该步骤中反应气体存在着复杂的基元反应，导致生成的氮化硅薄膜内仍然具有较多不稳定的不饱和键（例如悬键Si-），这也是用现有的PECVD技术所制备的氮化硅薄膜的不均匀性的原因之一，因此，本发明还需要在后续的步骤流程中对于生成的氮化硅薄膜进行进一步的处理，以将薄膜内的化学态不稳定的不饱和键处理成为稳定的饱和键。
之后关闭射频发生器，停止向反应室内通入混合气体，同时向反应室内通入氩气和氮气，改变此时反应室内的气压值，并保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间以清除反应室内残余的硅烷和氨气。在本步骤中，将反应室内的气压从前述步骤中的8托（Torr）降低至6托（Torr）并维持该气压30秒，并且通过通入高纯的氩气和氮气，同时将反应室内的残余的硅烷和氨气清除。
继续向反应室内通入氩气和氮气，保持反应室内的气压值不变，同时再次开启射频发生器。本步骤的持续时间为10秒，其中开启射频发生器的时间为10秒钟，射频发生器的辉光放电频率50瓦，并在10秒钟后关闭射频发生器。于此同时通入反应室内的高纯氩气和氮气的流量分别为10000sccm，反应室内的气压保持在6托。在本步骤中，一方面，基于在物理性质上氩气自身具有较大的重量的考虑，所通入的氩气能保持在位于所生成的氮化硅薄膜之上并对氮化硅薄膜产生一定的压力，以使得氮化硅薄膜维持厚实的密度；另一方面，所通入的氮气能在辉光放电的激励作用下释放部分N以钝化氮化硅薄膜表面的悬挂键Si-，其结果就是钝化处理了所沉积的氮化硅薄膜，使氮化硅薄膜中不饱和键被钝化成为具有化学性稳定的饱和键。
之后继续向反应室内通入氩气和氮气，保持反应室内的气压值不变，以清除反应室内残余的硅烷和氨气。本步骤中，为了进一步清除反应室内残余的反应气体也即硅烷和氨气，需继续向反应室内通入高纯度的氩气和氮气，于此同时调节反应室内的气压，使之保持在6托，并保持上述状态10秒。
此时，将晶片顶起并远离喷出气源的喷淋头，停止输入氩气并继续向反应室内通入氮气，保持反应室内的气压值不变即6托，并保持该状态持续一段时间。此步骤中，通常是通过四个陶瓷柱将沉积有氮化硅薄膜的晶片向上顶起，并远离气源的喷淋头，停止输入氩气（Ar）的同时，还需要继续以1000sccm的流量向反应室内通入氮气。
之后，利用真空泵对反应室进行抽真空处理，以使得沉积反应中产生的副产物随通入的主流气体一起排出。本步骤中，例如选取一个为90的阀门值而全部开启蝶阀，利用抽气***如真空泵抽取反应室内的气体，以使得反应室内形成真空的状态，进行压力的绝对控制，并同时关闭泵道终点阀（PUMP THROUGH FINAL VALVE），以防止混合气体（包括反应气体氨气和硅烷）继续流入反应室内。
为了进一步提高淀积的氮化硅薄膜电容均匀性，在一个可选实施方式中，还在进行步骤S7之前，根据实际的需要，重复步骤S2至步骤S6若干次。
另外，作为PECVD的通常做法，在进行上述步骤的过程中，远程等离子体***（Remote plasma System）以及远程等离子体***隔离阀（Remote plasma System Isolation Valve）分别保持关闭的状态；在步骤S3和步骤S5中用到的是高频射频功率（High Frequency RF1 Power），所用的PECVD设备的阻抗模式（RF Match Set 1）选定为M4，而低频射频功率将始终保持关闭的状态。
通常，氮化硅薄膜的均匀性通过薄膜的湿法刻蚀速率进行表征。图2示出了分别对采用现有技术和采用本发明而各自生成的薄膜上进行刻蚀速率采样对比，其中，图2中的每一个方块代表一片晶片薄膜的数值，方块的大小代表了薄膜蚀刻速率的分步，采用本发明的一种提高MIM器件电容均匀性的方法所得到的氮化硅薄膜的湿法刻蚀速率（虚线框R2内）的最大刻蚀速率和最小刻蚀速率相差很小，说明淀积的氮化硅薄膜性质均匀，而采用现有的方法生成的氮化硅薄膜的湿法刻蚀速率（虚线框R1内）的最大刻蚀速率和最小刻蚀速率相差明显很大，说明采用现有技术淀积得到的氮化硅薄膜的均匀性较差。
值得注意的是，由于PECVD等类似的沉积技术在本领域已被相关的技术人员所熟知，为了简洁起见，本申请并未将薄膜沉积设备所有的参数一一列举。本发明正是采用了上述所提供的步骤方法，使沉积过程本身以及最终所获得的薄膜具有的优点为：
由于在原有的PECVD法的基础上，通过若干次的淀积/等离子体处理方法，将原先一步的淀积步骤分割成了若干步，同时在每一步的淀积完成之后，由于有了等离子体对淀积表面进行处理，薄膜中原先存在的一些缺陷、不饱和键等得到了一定的处理，最终使得薄膜的湿法蚀刻速率均一性得到了很大的提高。同时，MIM器件中的薄膜的电容均一性也得到了提高。参见图3所示的MIM器件的截面图，在上述方法的一种应用中，MIM器件中在电容基板111、113之间的电介质层112即是氮化硅薄膜具有较佳的电容均一性。
应当指出的是，上述内容只是本发明的最佳实施方式的列举，其中未尽详细描述的部分，应该理解为用本技术领域的一般方式予以实施。同时，对于本领域的一般技术人员来说，在不偏离本发明的精神范畴内对本发明所做的等效变换和修饰，都将落入本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种提高MIM器件电容均匀性的方法，主要是用于提高MIM器件中所包含的薄膜的均一性，其特征在于，包括以下的步骤：
步骤S1：将晶片放置在反应室内，并向反应室内通入用于产生薄膜的包含有硅烷、氨气的混合气体和氮气，保持此时反应室内的气压值一段时间，以稳定反应室；
步骤S2：以不同的流量再次向反应室内通入所述混合气体，同时向反应室内通入氮气，并使得此时反应室内的气压值稳定持续一段时间；
步骤S3：开启射频发生器进行起辉，使混合气体中的反应气体电离或分解，以进行化学气相沉积从而在晶片的表面生成一层氮化硅薄膜；
步骤S4：关闭射频发生器，停止向反应室内通入混合气体，同时向反应室内通入氩气和氮气，改变此时反应室内的气压值，并保持此时反应室内的气压值稳定持续一段时间以清除反应室内残余的硅烷和氨气；
步骤S5：继续向反应室内通入氩气和氮气，保持反应室内的气压值不变，同时开启射频发生器，用于钝化处理所沉积的氮化硅薄膜使其具有稳定的化学性；
步骤S6：继续向反应室内通入氩气和氮气，保持反应室内的气压值不变，以清除反应室内残余的硅烷和氨气；
步骤S7：将晶片顶起并远离气源的喷淋头，停止输入氩气并继续向反应室内通入氮气，保持反应室内的气压值不变，并保持该状态持续一段时间；
步骤S8：利用真空泵对反应室进行抽真空处理，以使得沉积反应中产生的副产物随主流气体泵出。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用于控制反应室内压力的蝶阀在所述步骤S1中部分开启，在步骤S2至步骤S7中保持关闭状态，在步骤S8中完全开启。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S1至步骤S6中，晶片放置在其上表面距离气源喷淋头0.3寸处，在步骤S7至步骤S8中，晶片被顶起并远离所述气源喷淋头。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，硅烷和氨气的流量分别为100sccm，氮气的流量为2000sccm，反应室内气压保持在8托，并在该状态下稳定10秒。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中分别以40sccm、900sccm的流量向反应室内通入硅烷、氨气，并以1000sccm的流量向反应室内通入氮气，反应室内的气压保持在8托，并在该状态下稳定30秒。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中射频发生器的辉光放电功率为75W、起辉3秒钟，氮化硅薄膜的沉积时间为3秒。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中分别以10000sccm的流量向反应室内通入氩气和氮气。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，反应室内的气压保持在6托，以清除反应室内残余的硅烷和氨气，清除时间为30秒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，继续分别以10000sccm的流量向反应室内通入氩气和氮气，使得反应室内的气压控制在6托，同时以50瓦的功率开启射频发生器10秒钟，钝化处理氮化硅薄膜的时间为10秒。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S6中，继续分别以10000sccm的流量向反应室内通入氩气和氮气，反应室内的气压保持在6托，以清除反应室内残余的硅烷和氨气，清除时间为5秒。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S7中，关闭氩气后继续以10000sccm的流量向反应室内通入氮气，反应室内的气压保持在6托，并保持该状态持续5秒。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S8中，利用真空泵对反应室进行抽真空处理，时间为10秒。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，在进行步骤S7之前，重复循环步骤S2至步骤S6若干次。
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