CN104183479A - 氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法，在第一站点上方的供气装置包括一独立的远程等离子体***，从而可以在预处理过程中产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体，用以修复low k介质的K值、以及去除Cu表面的CuO，从而增强low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的粘附性和Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性；并且，第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制，使预处理过程可以进行自由调节；由于在反应设备的反应腔中的四个站点同时工作，因此，为了使预处理过程和其它过程互不影响，采用气帘技术将四个站点隔离开来，从而提高预处理过程的工艺质量；通过本发明可以提高最终产品的可靠性和电性能。

Description

氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法。
背景技术
氮掺杂碳化硅薄膜(NDC)在集成电路制造后段工艺中作为阻挡层使用，目的是为了防止填充铜与介电材料直接接触，发生铜扩散。如图1所示，为lowK介电材料沉积之后的结构示意图，通常在填充铜1的化学机械研磨(CMP)之后，low K介质3沉积之前，用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方式进行氮掺杂碳化硅薄膜2的沉积。对于40nm以下技术节点，为了满足K值得要求，low K介质通常使用多孔low k介质。化学机械研磨之后的多孔low k介质由于研磨损伤以及在空气中吸潮等因素，会出现k值升高的现象。
通常的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法包括He浸泡工艺(He Soak)、原位NH3/N2等离子处理工艺(plasma treatment)和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积工艺(NDC deposition)三个主要步骤。He Soak和原位NH3/N2 plasma treatment属于预处理步骤。He Soak可以一定程度上去除Cu和多孔low k介质表面的水气及其他杂质气体。原位NH3/N2 plasma treatment的作用是去除Cu表面的CuO，并增强Cu层与NDC薄膜的黏附性。
如图2所示，显示了氮掺杂碳化硅薄膜的反应腔的构造以及晶圆在反应腔里的传送过程。图2中，氮掺杂碳化硅薄膜的反应腔具有四个站点1、2、3和4，晶圆进入反应腔之后在每个站点(station)上都会依次进行He Soak，原位NH3/N2plasma treatment和NDC deposition的步骤，供气装置例如进气莲蓬头位于每个station的正上方。四个站点上方的供气装置是统一控制的，四个站点上方都具有各自的射频电源(RF)开关，可以独立控制薄膜沉积的启闭。只有station1上具有原位NH3/N2 plasma treatment，在station2、3、和4上，由于晶圆表面已经生长了氮掺杂碳化硅薄膜，所以He soak步骤没有实际意义，仅仅NDC deposition本身是有意义的，如图3所示，为现有的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法的流程示意图。现有的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法包括以下步骤：
步骤L01：晶圆到达第一站点，开启总气阀，四个站点上方的供气装置均打开，对晶圆进行He浸泡工艺；
步骤L02：通过第一站点上方的供气装置向反应腔通入NH3/N2等离子以进行NH3/N2等离子处理工艺；
步骤L03：对晶圆进行氮掺杂碳化硅薄膜沉积工艺；
步骤L04：将晶圆转移到第二站点，先后对晶圆进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积；
步骤L05：依次将晶圆转移到第三个站点和第四站点，并分别在第三站点和第四站点都对晶圆依次进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积。
在上述氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法中，第一站点上既进行He Soak和原位NH3/N2等离子处理工艺的预处理，又进行氮掺杂碳化硅薄膜的沉积工艺，这样，由于不可避免地会出现混合气氛，将影响到预处理过程的有效程度：如果预处理过程不能将Cu表面的CuO有效地去除，则会导致Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性下降，从而影响到最终器件的可靠性；并且，预处理过程会影响到多孔low k介质的K值、以及low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性，如果预处理过程中不能有效修复low k介质的K值、以及不能使low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性增强，将会导致其K值升高，从而影响到最终器件的电性能和可靠性。
因此，需要对预处理过程进行改进，使其能够有效修复low k介质的K值，增强low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的粘附性，以及有效去除Cu表面的CuO，从而增强Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在改进现有的氮掺杂碳化硅薄膜的制备过程中的预处理过程，以期达到修复low k介质的K值、增强low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的粘附性、有效去除Cu表面的CuO而增强Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性的目的。
为了实现上述目的，本发明提供了一种氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备，其具有一反应腔，所述反应腔具有第一、第二、第三和第四站点，在每个所述站点上方均包括有供气装置，其中，在所述第一站点上方的供气装置包括一独立的远程等离子体***，其用于产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体；
在所述第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制；所述第一站点仅用于进行预处理过程，所述第二、第三和第四站点仅用于进行薄膜沉积过程。
本发明还提供了一种使用上述的反应设备进行的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法，其包括以下步骤：
步骤S01：晶圆到达所述第一站点，开启所述第一站点上方的所述供气装置，对所述晶圆进行He浸泡工艺；
步骤S02：经远程等离子体***向所述晶圆上方通入远程H2/He等离子体进行第一次预处理；
步骤S03：经所述远程等离子体***向所述晶圆上方通入远程NH3/N2等离子体进行第二次预处理；
步骤S04：将所述晶圆转移到所述第二站点，开启所述第二、第三和第四站点上方的供气装置，先后对所述晶圆进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积；
步骤S05：依次将所述晶圆转移到所述第三个站点和所述第四站点，并分别在所述第三站点和所述第四站点都对所述晶圆依次进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积。
优选地，所述第一站点、所述第二站点、所述第三站点和所述第四站点之间采用气帘技术相互隔离开来。
优选地，所述步骤S02中，所述通入远程H2/He等离子体采用的He的气体流量为1000-15000sccm，H2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2-60s。
优选地，所述步骤S03中，所述通入远程NH3/N2等离子体采用的NH3的气体流量为100-1500sccm，N2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2-60s。
优选地，所述步骤S01、所述步骤S04、和所述步骤S05中，所述He浸泡工艺中，He的气体流量为1000-15000sccm。
本发明的氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法，通过改进氮掺杂碳化硅薄膜的预处理过程，通过在第一站点上方设置的供气装置中设置一独立的远程等离子体***，从而可以在预处理过程中产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体，相比于现有的原位等离子体处理，远程等离子体处理对晶圆造成的损伤较小；并且，远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体预处理之后，修复low k介质的K值使K值更小、还可以去除Cu表面的CuO，从而增强low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的粘附性、Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性，从而使最终器件的电性能更好；并且，第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制，使得在第一站点上仅进行预处理过程，而不进行氮掺杂碳化硅薄膜沉积过程；由于在反应设备的反应腔中的四个站点同时工作，因此，为了使预处理过程和其它过程互不影响，采用气帘技术将四个站点隔离开来，从而提高预处理过程的工艺质量；由此，通过本发明可以提高最终器件的可靠性和电性能。
附图说明
图1为low K介电材料沉积之后的结构示意图
图2显示了氮掺杂碳化硅薄膜的反应腔的构造以及晶圆在反应腔里的传送过程
图3为现有的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法的流程示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法的流程示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
在本发明中，氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备，其可以采用现有的氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备，其具有一反应腔，通常反应腔具有第一、第二、第三和第四站点，在每个站点上方均包括有供气装置，比如进气莲蓬头等，在四个站点之间可以具有传输装置使晶圆可以在它们之间进行传输，在反应设备中还具有分别控制每个站点的射频电源开关，用于启闭沉积过程，当然，本发明的反应设备还可以包括其他现有的结构，在这里不再赘述；
其区别之处在于：本发明中的反应设备中，第一站点仅用于进行预处理过程，而不进行氮掺杂碳化硅薄膜沉积过程；而第二、三和四站点仅用于进行氮掺杂碳化硅薄膜沉积过程；并且，在第一站点上方的供气装置包括一独立的远程等离子体***，其用于产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体；并且，现有技术中，反应腔的四个站点上方的供气装置是统一控制的，而本发明在第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制，这是因为在本发明中，第一站点用于进行预处理过程，而其它三个站点专门用来沉积氮掺杂碳化硅薄膜的，由于预处理过程采用的反应气体与沉积过程中采用的反应气体不同，同时预处理过程的反应气体不能够出现在沉积过程中，否则会影响沉积过程的质量，这就需要对第一站点上方的供气装置进行单独控制，从而确保预处理过程和沉积过程互不影响；并且可以采用气帘技术将每个站点隔离开来，进一步确保预处理过程和沉积过程互不影响。
以下将结合附图4和具体实施例对本发明的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图4，为本发明的一个较佳实施例的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法的流程示意图；本实施例的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法中，采用本发明的上述反应设备，具体包括以下步骤：
步骤S01：晶圆到达第一站点，开启第一站点上方的供气装置，对晶圆进行He浸泡工艺；
具体的，可以采用现有的反应设备中的机械手等将其放置于反应腔中，然后，晶圆在传输装置的输送下到达第一站点；由于第一站点上方的供气装置相对于其他三个站点的供气装置是独立控制的，因此，需要首先开启第一站点上方的供气装置进行He浸泡工艺，He的气体流量可以但不限于为1000-15000sccm，浸泡时间为5-60秒。He浸泡工艺可以一定程度上去除Cu和多孔low k介质表面的水气及其他杂质气体。
步骤S02：经远程等离子体***向晶圆上方通入远程H2/He等离子体进行第一次预处理；
具体的，完成上述He浸泡工艺之后，打开远程等离子体***，通入远程H2/He等离子体采用的He的气体流量为1000-15000sccm，H2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2-60s；然则上述工艺参数仅限于本实施例，并不用于限制本发明的范围。
步骤S03：经远程等离子体***向晶圆上方通入远程NH3/N2等离子体进行第二次预处理；
具体的，在完成上述第一次预处理之后，通入远程NH3/N2等离子体采用的NH3的气体流量为100-1500sccm，N2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2s-60s；然则上述工艺参数仅限于本实施例，并不用于限制本发明的范围。
步骤S04：将晶圆转移到第二站点，开启第二、第三和第四站点上方的供气装置，先后对晶圆进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积；
具体的，除了第一站点上方的供气装置是独立控制的，其它三个站点上的供气装置是统一控制的，因此，在第二站点上进行工作时，打开第二站点上方的供气装置的同时，第三和第四站点上方的供气装置也同时打开。
可以采用现有的沉积工艺来沉积氮掺杂碳化硅薄膜，比如等离子体增强化学气相沉积技术，具体的工艺条件可以根据实际工艺要求来设定，本发明对此不作限制。
本步骤中的第二站点用于沉积氮掺杂碳化硅薄膜的，而这里的He浸泡工艺只是为了协调晶圆在每个站点上的停留时间，不起到预处理作用。较佳的，He的气体流量可以为1000-15000sccm，浸泡时间可以根据实际工艺要求来设定。
步骤S05：依次将晶圆转移到第三个站点和第四站点，并分别在第三站点和第四站点都对晶圆依次进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积；
具体的，由于供气装置已打开，因此无需再进行打开步骤；本步骤中第三站点和第四站点也是用于沉积氮掺杂碳化硅薄膜的，而这里的He浸泡工艺也只是为了协调晶圆在每个站点上的停留时间，不起到预处理作用。较佳的，He的气体流量可以为1000-15000sccm，浸泡时间可以根据实际工艺要求来设定。
需要说明的是，由于反应腔内的四个站点是同时工作的，也就是说，在第一站点上的晶圆进行预处理过程时，其它三个站点上也有晶圆在进行相应的沉积过程，因此，为了避免四个站点上的工艺相互影响而降低工艺质量，可以采用气帘技术将四个站点相互隔离开来。
综上所述，本发明的氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备及其制备方法，通过改进氮掺杂碳化硅薄膜的预处理过程，通过在第一站点上方的供气装置中设置一独立的远程等离子体***，从而可以在预处理过程中产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体，用以修复low k介质的K值、以及去除Cu表面的CuO，从而增强low k材料和氮掺杂碳化硅薄膜的粘附性和Cu和氮掺杂碳化硅薄膜的黏附性；并且，第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制，使预处理过程可以进行自由调节；由于在反应设备的反应腔中的四个站点同时工作，因此，为了使预处理过程和其它过程互不影响，采用气帘技术将四个站点隔离开来，从而提高预处理过程的工艺质量；由此，通过本发明可以提高最终产品的可靠性和电性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims (6)

1.一种氮掺杂碳化硅薄膜的反应设备，其具有一反应腔，所述反应腔具有第一、第二、第三和第四站点，在每个所述站点上方均包括有供气装置，其特征在于，在所述第一站点上方的供气装置包括一独立的远程等离子体***，其用于产生远程H2/He等离子体，或远程NH3/N2等离子体；
在所述第一站点上方的供气装置区别于其它三个站点的供气装置而独立控制；所述第一站点仅用于进行预处理过程，所述第二、第三和第四站点仅用于进行薄膜沉积过程。
2.一种使用权利要求1所述的反应设备进行的氮掺杂碳化硅薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：晶圆到达所述第一站点，开启所述第一站点上方的所述供气装置，对所述晶圆进行He浸泡工艺；
步骤S02：经远程等离子体***向所述晶圆上方通入远程H2/He等离子体进行第一次预处理；
步骤S03：经所述远程等离子体***向所述晶圆上方通入远程NH3/N2等离子体进行第二次预处理；
步骤S04：将所述晶圆转移到所述第二站点，开启所述第二、第三和第四站点上方的供气装置，先后对所述晶圆进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积；
步骤S05：依次将所述晶圆转移到所述第三个站点和所述第四站点，并分别在所述第三站点和所述第四站点都对所述晶圆依次进行He浸泡工艺和氮掺杂碳化硅薄膜的沉积。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一站点、所述第二站点、所述第三站点和所述第四站点之间采用气帘技术相互隔离开来。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S02中，所述通入远程H2/He等离子体采用的He的气体流量为1000-15000sccm，H2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2-60s。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述通入远程NH3/N2等离子体采用的NH3的气体流量为100-1500sccm，N2的气体流量为1000-15000sccm，所通入的时间为2-60s。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S01、所述步骤S04、和所述步骤S05中，所述He浸泡工艺中，He的气体流量为1000-15000sccm。
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