CN102832119A - 低温二氧化硅薄膜的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，包括：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜；以及采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理。本发明是在低温二氧化硅薄膜沉积后，利用含氧气体在反应腔外产生等离子体后，通入反应腔内，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，提高光刻工艺中图形的准确度，并提高关键尺寸的均匀度。

Description

低温二氧化硅薄膜的形成方法
技术领域
本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种低温二氧化硅薄膜的形成方法。
背景技术
目前，低温二氧化硅薄膜被广泛应用于光阻上方的硬掩膜层。例如，在90nm、65nm或45nm的双大马士革（Dual Damascene）工艺中，形成通孔（via）之后会在通孔中填充底部抗反射层（Barc）等类似填充物，然后再通过光刻刻蚀等工艺形成沟槽（Trench），此时作为硬掩膜层的二氧化硅必然选用低温二氧化硅，以避免该硬掩膜层的沉积温度过高影响下方的Barc等膜层的性质。
所述低温二氧化硅是相对于普通的二氧化硅而言，普通的二氧化硅薄膜通常是采用400℃以上温度进行沉积的，而低温二氧化硅薄膜通常是采用小于300℃的温度进行沉积的。通常采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺，通入硅源（如SiH4）和氧源（如N2O）沉积低温二氧化硅薄膜。然而，由于沉积低温二氧化硅薄膜时的沉积温度相对较低，一般为50~300℃，导致沉积所形成的二氧化硅薄膜中含有大量的Si-H化学键，而当该低温二氧化硅薄膜暴露在大气环境中时，Si-H容易被氧化成Si-OH，Si-OH使得该氧化物薄膜更具有亲水性而容易吸收大气中的水汽，因此该低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，如厚度、应力、折射率等。
发明内容
本发明提供一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，以使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，从而提高光刻工艺中图形的准确度，提高关键尺寸的均匀度。
为解决上述技术问题，本发明提供的低温二氧化硅薄膜的形成方法，包括：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜，沉积温度小于300℃；
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，含氧气体为O2、O3或N2O气体，O2、O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，反应腔压力在2Torr~10Torr之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，MW功率在2000W~4000W之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S2中，反应时间在20秒~120秒之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S1中，氧源为N2O气体。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S1中，在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述步骤S1中，沉积温度在50℃~250℃之间。
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述低温二氧化硅薄膜的厚度为
Figure BDA00001847626000021
可选的，在所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法中，所述低温二氧化硅薄膜用作硬掩膜层。
与现有技术相比，本发明是在低温二氧化硅薄膜沉积后，利用含氧气体在反应腔外产生等离子体（远程等离子体，remote plasma）后，通入反应腔内，对该低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，从而提高了光刻工艺中图形的准确度，提高了关键尺寸的均匀度。此外，相比于原位等离子处理，在反应腔外产生远程等离子体后将远程等离子体通入反应腔室内，可避免损坏反应腔室内的机台部件，有利于延长机台本身的寿命，并且对被处理的薄膜表面几乎没有任何损伤。
附图说明
图1为二氧化硅薄膜的厚度随沉积后时间变化的曲线示意图；
图2为二氧化硅薄膜的应力随沉积后时间变化的曲线示意图；
图3为二氧化硅薄膜的折射率随沉积后时间变化的曲线示意图；
图4为本发明一实施例的低温二氧化硅薄膜的形成方法的流程示意图。
具体实施方式
在背景技术中已经提及，低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，经本申请发明人长期研究发现，这是由于沉积低温二氧化硅薄膜时的沉积温度相对较低，导致沉积所形成的二氧化硅薄膜中含有大量的Si-H化学键，而当该低温二氧化硅薄膜暴露在大气环境中时，Si-H容易被氧化成Si-OH，Si-OH使得该氧化物薄膜更具有亲水性而容易吸收大气中的水汽，因此该低温二氧化硅薄膜的性质会随着时间的延长而逐渐变化，如厚度、应力、折射率等。
具体如图1至图3所示，其中，图1为二氧化硅薄膜的厚度（Thickness）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图，图2为二氧化硅薄膜的应力（Stress）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图，图3为二氧化硅薄膜的折射率（Refractive Index）随沉积后时间（Time after deposition）变化的曲线示意图。可知，由于低温二氧化硅薄膜中含有较多的Si-H键，薄膜的性质随着时间的变化而变化剧烈，尤其是在前5小时之内，薄膜的厚度、应力以及折射率均有较大程度的变化。
为此，本发明在低温二氧化硅薄膜沉积后，继续将晶圆留在腔内，利用含氧气体在反应腔外产生等离子体（远程等离子体，remote plasma）后，通入反应腔内，对该低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理（即表面去氢和钝化处理），由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态。
详细的，如图4所示，本发明一实施例的低温二氧化硅薄膜包括如下步骤：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜；
所述步骤S1中，可在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜，亦可利用其他常规的工艺形成低温二氧化硅薄膜。在较佳的实施例中，沉积温度为50℃~250℃，利用SiH4作为硅源，利用N2O气体作为氧源，也可通入氮气或氩气等作为载气。沉积时间与低温二氧化硅薄膜的厚度相关，本领域技术人员可通过有限次实验获知，此处不再赘述。
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理；
所述步骤S2中，含氧气体优选为O2、O3或N2O气体，所述O2或O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间，反应腔室外的射频功率（MW Power）在2000W~4000W之间，反应腔室的压力例如在2Torr~10Torr之间。远程等离子体处理时间（反应时间）与低温二氧化硅的厚度相关，若低温二氧化硅薄膜的厚度越厚，相应地远程等离子体处理的时间随之增加，以确保将其内的Si-H键的氢全部转变为稳定的Si-O键。本实施例中，所述低温二氧化硅薄膜的厚度为
Figure BDA00001847626000041
远程等离子体的处理时间在20秒~120秒之间。
综上所述，在沉积低温二氧化硅薄膜后，利用含氧气体在反应腔外产生等离子体（远程等离子体，remote plasma）后，通入反应腔内，对该低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理，由于这种等离子体含有许多活性氧离子、氧原子、氧分子等等各种活性氧化粒子，会取代低温二氧化硅中的Si-H键的氢而变为稳定的Si-O键，从而消除了低温二氧化硅薄膜性质随着时间变化而变化的这一特点，可使该低温二氧化硅薄膜达到稳定状态，消除低温二氧化硅薄膜性质随时间变化而变化的特点，从而提高光刻工艺中图形的准确度，并提高关键尺寸的均匀度。此外，相比于原位等离子处理，在反应腔外产生远程等离子体后将远程等离子体通入反应腔室内，可避免损坏反应腔室内的机台部件，有利于延长机台本身的寿命，并且由于是远程等离子体处理，对被处理的薄膜表面几乎没有任何损伤。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，包括：
S1：利用SiH4和氧源沉积低温二氧化硅薄膜，沉积温度小于300℃；
S2：采用含氧气体对所述低温二氧化硅薄膜进行远程等离子体处理。
2.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述含氧气体为O2、O3或N2O气体，所述O2、O3或N2O的流量在100sccm~50000sccm之间。
3.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，反应腔压力在2Torr~10Torr之间。
4.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，MW功率在2000W~4000W之间。
5.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S2中，远程等离子体处理时间在20秒~120秒之间。
6.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述氧源为N2O气体。
7.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，在PECVD腔室中沉积低温二氧化硅薄膜。
8.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述步骤S1中，沉积温度在50℃~250℃之间。
9.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述低温二氧化硅薄膜的厚度在
Figure FDA00001847625900011
之间。
10.如权利要求1所述的低温二氧化硅薄膜的形成方法，其特征在于，所述低温二氧化硅薄膜用作硬掩膜层。
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