一种高均匀性二氧化硅薄膜的制备方法与流程

1.本发明涉及集成电路制造领域，特别涉及一种高均匀性二氧化硅薄膜的制备方法。


背景技术：

2.二氧化硅薄膜是一种物理和化学性能都十分优良的介质薄膜,具有良好的绝缘性、稳定性,较高的抗氧化、抗腐蚀能力以及优异的杂质离子和水汽的掩蔽能力等优点,在半导体器件和集成电路中常作为最终保护层、表面钝化层等使用。
3.等离子体增强化学气相淀积(pecvd)技术是利用辉光放电，在高频电场下使稀薄气体电离产生等离子体，这些离子在电场中被加速而获得能量，可在较低温度下实现二氧化硅薄膜的生长,pecvd沉积二氧化硅薄膜技术广泛用于半导体材料、发光二极管芯片、集成电路制造工艺中。pecvd工艺中，等离子体中的实际化学反应过程十分复杂，淀积薄膜的性质与淀积条件密切相关，许多参量都可以影响薄膜的质量，且各因素之间相互影响，某些因素难于控制，其反应机理、反应动力学、反应过程等目前尚不十分清楚。目前,均匀性较差和抗腐蚀能力较低是二氧化硅薄膜制备过程中的突出问题。专利cn102828172a和cn105047544a各公开了一种pecvd法制备二氧化硅薄膜的方法，所得成品无明显的针眼、孔洞等缺陷，由大小尺寸均匀的颗粒组成，收缩应力较高，但均需要后续的退火工艺使薄膜表面所吸附的颗粒团簇消失，并且均一性和抗腐蚀性不够理想。
4.目前，如何在调整简化淀积工艺、降低成本的同时制备高均匀性、抗腐蚀的二氧化硅薄膜，是需要解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明旨在克服上述现有技术存在的不足，通过改进pecvd的工艺流程，以及调整反应气体流量比、射频功率、淀积腔内压强等工艺条件研制出一种制备高均匀性二氧化硅的方法。
6.一种高均匀性二氧化硅薄膜的制备方法，包括以下工艺步骤：
7.(1)将基板置于n-甲基吡咯烷酮清洗液中，在120℃的条件下清洗20分钟，再对基板使用去离子水超声清洗，通入n2吹干；
8.(2)将基板置于等离子体清洗机中进行清洁；
9.(3)将真空室抽真空至1pa，控制温度保持在250-400℃，放入基板，进行预热，通入预热气体，稳定10分钟；
10.(4)将放置好基板的真空室抽真空至1pa，控制温度保持在250-400℃，通入反应气体，稳定30秒后进行启辉，在基板上淀积二氧化硅薄膜。
11.优选地，所述的基板为硅片或石英片。
12.步骤(2)中，在所述等离子体清洗机中通入o2和ar，其中o2的流量为200sccm，ar的流量为200sccm，调整等离子体清洗机功率为200w。
13.步骤(3)中，所述预热气体为n2与n2o,其中,n2的流量为200sccm,n2o的流量为500sccm。
14.优选地，所述预热气体的气压为150-400pa。
15.步骤(4)中，所述反应气体为sih4、n2与n2o，其中sih4：n2o：n2的流量体积流量比为1:8-82:17-91。
16.优选地，所述反应气体的气压为125-300pa。
17.优选地，所述启辉的射频功率为200-400w。
18.优选地，工艺腔体内上下电极板间距为12-20mm。
19.优选地，所述的射频功率源为13.56mhz。
20.本发明提供的二氧化硅薄膜的制备方法通过淀积前的预热工艺步骤，能够确保基板和反应气体充分接触，进而提高所制得的二氧化硅薄膜的均匀性，通过对不同工艺参数的改进,使得淀积的薄膜更加致密,抗腐蚀性能更好。同时，本发明步骤简洁，只使用一种功率源，无需退火工艺等后处理，适用于大规模推广。
具体实施方式
21.在背景技术中已经提及，在pecvd方法的淀积过程中，淀积薄膜的性质与淀积条件密切相关，存在诸多可以影响薄膜质量的参量，如工作频率、功率、压力、基板温度、反应气体分压以及电极空间等。因此本技术发明人对以上参量进行了研究，最终得到一系列可以制备出综合性能优越的二氧化硅薄膜的工艺参数。
22.在本发明的实施例中，衬底温度范围为250-400℃，本发明的申请人经过研究发现，衬底温度对淀积速率的影响较小，但对薄膜的性质影响很大，原因为高温增强了表面反应，改善了薄膜的成份。当温度过低时膜质地疏松，抗腐蚀能力差，本征应力很大，膜厚达到一定程度容易龟裂，且温度降低时膜的热应力剧烈变化，反应室侧壁和上电极表面附着的膜很容易脱落附着在衬底表面造成颗粒污染，当所述反应温度在上述范围内时，制得的薄膜更加致密，抗腐蚀性更好。
23.在本发明的实施例中，极板间距范围为12-20mm，本发明的申请人发现，当极板间距较小时，对衬底的损伤较小，但是不易成膜；而随着板间距的增加，电场的边缘效应逐渐加重，又会对膜层均匀性产生较大影响，当所述极板间距在上述范围内时，既可以快速有效地成膜，又能确保样品的均一性。
24.在本发明的实施例中，射频功率范围为200-400w,本发明的申请人发现，当射频功率较低时，sih4浓度足够高，增加功率会增加反应中自由基的浓度，加速成膜反应过程，提升气体激活率，增加膜层致密性，均一性逐渐降低，但随着功率逐渐提升，反应气体激活率达到饱和，成膜速率的增幅将变得很小，此时制得的样品膜层疏松，针孔密度增加，导致均一性飘高，当所述射频功率在上述范围内时，所得的二氧化硅薄膜的致密性和抗腐蚀性最好。
25.在本发明的实施例中，气压范围为125-300pa，本发明的申请人发现，反应气体在前期，气体浓度越高，气体被分解得到的活性等离子体密度越大，成膜速率越快，但随着气压继续上升，更多的气体参与反应导致过多的反应生成物无法均匀的在硅片表面生长，会导致膜层均一性下降，当所述的气压在上述范围内时，所得的二氧化硅薄膜具有较为理想
的均一性。
26.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本技术实施方式作进一步地详细描述。
27.采用本发明的方法制备二氧化硅薄膜，包括以下步骤：
28.1)对基板进行清洗，基板选用硅片，采用标准清洗工艺，使用nmp清洗液在120℃下清洗基板20分钟,再使用去离子水进行超声清洗5分钟,通入氮气吹干；
29.2)将清洗后的基板放入等离子体清洗机进行清洁，同时去除样品中残留的水汽，控制等离子清洗机中的气体流量为：o2的流量为200sccm，ar的流量为200sccm，清洗机功率为200w，清洗3分钟；
30.3)将真空室抽真空至1pa,温度保持在300℃，通入工艺气体,该工艺气体包含有n2与n2o,其中,n2的流量为200sccm,n2o的流量为500sccm,气压保持在150pa,稳定10分钟，使衬底适应300℃的温度；
31.4)将真空室抽真空至1pa,控制温度保持在250-400℃，通入工艺气体,该工艺气体包含有纯度超过99.99％的sih4、n2与n2o,sih4：n2o：n2的流量体积流量比为1:8-82:3-91,气压保持在125-300pa,稳定30秒后采用200-400w的射频功率起辉,射频功率源为13.56mhz，控制极板间距为12-20mm，在样品上开始淀积厚度约为200nm的二氧化硅薄膜。
32.对本发明中所述控制温度保持在250-400℃，sih4：n2o：n2的流量体积流量比为1:8-82:3-91,气压保持在125-300pa,采用200-400w的射频功率起辉,控制极板间距为12-20mm，分别进行实施例1-14和对比例1-3。
33.检测制得的二氧化硅薄膜样品均一性；同时选取实施例1-5和对比例1-2制得的二氧化硅薄膜样品置于体积比为49％hf水溶液:40％nh4f水溶液:纯水＝1:6:49的nhf溶液中，检测腐蚀速率，检测结果如表1所示。
34.表1二氧化硅薄膜性能检测数据
[0035][0036]
根据表1可知，实施例1-14的二氧化硅薄膜均一性指数低而刻蚀速率高，说明按照
本技术方案所制得的二氧化硅薄膜样品同时具有良好的均匀性和较高的抗腐蚀性。
[0037]
从对比例1-2的测试数据可知，当射频功率过高或压强过低时，薄膜均匀性差，无法达到使用标准。
[0038]
从对比例3的测试数据可知，当工艺腔体内上下极板间距过小时，几乎无法成膜，且均匀性差，无法使用。
[0039]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。