一种用于在线仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域和仪器校准领域，特别是涉及一种用于在线仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法。

背景技术

众所周知现有的芯片、大规模集成电路和微电子器件都是基于功能薄膜制备加后续的刻蚀封装等工艺而制得，但是薄膜制备技术进步和光刻等微纳加工技术的快速发展已经将我们带入了大规模和超大规模集成电路时代。如今大规模集成电路和微电子器件的集成度已经打破摩尔定律并进入后摩尔时代，主流芯片的关键特征尺寸已经普遍进入100nm以下量级，这导致作为组成集成电路和微纳器件最基本单元的单层功能薄膜最小厚度已达到10nm以下，所以薄膜厚度这个几何特征参量对芯片等微电子器件性能的影响越来越大。有效地测量与分析组成芯片等集成电路的每一层膜厚，是大规模集成电路质量把控的关键和继续快速发展的保障。椭偏仪、俄歇电子光谱仪、X射线光电能谱仪及二次离子质谱仪等微纳分析仪器以其高分辨、高稳定性和测量一致性等特点，成为了当前纳米技术领域测量和分析的主要工具。但是在实际的使用中，我们需要结合器件及纳米材料的结构特性，采用不同的标准片对纳米测量仪器进行精确有效校准，实现微电子集成电路产业中微纳器件关键参数的膜厚进行客观评测，为各类芯片的大规模制造提供统一标准，提升良品率，提升大规模集成电路和微电子器件的稳定性和通用性。标准片的可溯源特性和通用性，能够使不同仪器之间建立量值传递媒介，保障了不同仪器之间测量值的一致性和可靠性。

纳米计量目前已经成为纳米产业发展的基础和质量把控的关键，纳米几何特征参量计量标准器作为实现纳米量值从国家计量基准传递到纳米产业的关键载体，是纳米量值传递体系中至关重要的一环。我国纳米几何特征参量计量标准器的研制还处于起步阶段，尚没有面向产业需求且完善的系列纳米几何特征参量计量标准器产品，造成产业实际应用中纳米量值不统一、纳米测量仪器量值溯源到国外的问题。因此研制各种纳米标准样片并进行量值溯源和比对，以便对纳米测量仪器进行校准，完成纳米器件各几何量参数的精确测量并修正，实现纳米器件的可控制备和提高纳米器件的性能就成了当务之急。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法，解决了现有技术中存在的不足。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种用于仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法，包括以下步骤：

将晶圆衬底清洗干净并去除自然氧化层，得到处理后的晶圆衬底，利用原子层沉积法在晶圆衬底上沉积薄膜，获得晶圆级膜厚标准片。

优选地，所述晶圆级膜厚标准片为Si/Al

优选地，制备Si/Al

ALD反应腔中的温度为200℃-300℃；

第一种前驱体源为三甲基铝，第二种前驱体源为氧源；

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒。

优选地，制备Si/SiO

ALD反应腔中的温度为200℃-300℃；

第一种前驱体源为二(二乙胺)硅烷或三(二甲氨基)硅烷；第二种前驱体源为O

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为4-6s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒。

优选地，制备Si/HfO

ALD反应腔中的温度为200℃-300℃；

第一种前驱体源为四(甲乙胺基)铪或四(二甲胺基)铪，且第一种前驱体源的加热温度为100-120℃；

第二种前驱体源为氧源；

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为0.1-5s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒。

优选地，制备Si/TiO

ALD反应腔中的温度为200℃-300℃；

第一种前驱体源为四(二甲胺基)钛，且第一种前驱体源的加热温度为100-120℃；

第二种前驱体源为氧源；

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为0.1-6s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒。

优选地，制备Si/ZnO

ALD反应腔中的温度为150℃-250℃；

第一种前驱体源为二乙基锌；

第二种前驱体源为氧源；

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为0.1-6s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒。

优选地，制备Si/ZrO

ALD反应腔中的温度为150℃-250℃；

第一种前驱体源为四(甲乙胺基)锆或四(二甲胺基)锆且第一种前驱体源的加热温度为111-170℃；

第二种前驱体源为氧源；

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为0.1-5s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗6-10秒

优选地，制备Si/AlN膜厚标准片的工艺参数为：

ALD反应腔中的温度为150℃-250℃；

第一种前驱体源为三甲基铝；

第二种前驱体源为氮源，所述氮源为NH

第一种前驱体源的脉冲时间为0.1-0.2秒，载气流量为150sccm；之后用150sccm的氮气吹洗6-10秒；

第二种前驱体源的脉冲时间为2-16s秒，流量为200sccm；之后用200sccm的氮气吹洗3-5秒。

优选地，所述得到的晶圆级膜厚标准片的厚度为0-1000纳米。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种用于仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法，利用原子层沉积等膜制备技术在单晶基片上沉积不同厚度的薄膜获得具有不同厚度的高精晶圆级膜厚标准样板；本发明精确地将薄膜厚度控制在单原子层量级，确保薄膜生长实现100％的均匀性、保形性和无针孔；同时，本发明涉及的制备方法可重复性高，使同一批次和不同批次标准片的厚度量值重复性好。

进一步的，利用制备Si/Al

进一步的，制备的Si/SiO

附图说明

图1是原子层沉积Al

图2是一种用于在线仪器校准的晶圆级膜厚标准片制备流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

为了克服现有晶圆级膜厚标准片制备技术的不足，本发明利用原子层沉积等膜制备技术在单晶基片上沉积不同厚度的薄膜获得具有不同厚度的高精晶圆级膜厚标准样板。

ALD沉积薄膜的原理如图1所示，每个沉积循环包含以下四个步骤：

第一步：第一种前驱体源脉冲进入反应腔体与衬底表面的官能团发生反应(或者化学吸附)并达到饱和而自动终止。

第二步：利用惰性气体清洗脉冲将没有反应完的第一种前驱体源和反应生成的副产物吹洗排走。

第三步：将第二种前驱体源脉冲进入反应腔体并与第一步反应所生成的中间产物发生反应，生成目标薄膜(同时反应达到饱和而自动终止)。

第四步：利用惰性气体清洗脉冲将没有反应完的第二种前驱体源和反应生成的副产物吹洗排走。

不断重复以上四步，就可以控制原子一层一层地生长在衬底形成薄膜，直到薄膜厚度达到目标厚度为止。这是由于ALD生长模式是化学气相前驱体源与固体衬底表面发生的具有自限制性的表面化学反应，当表面化学吸附达到饱和后，表面反应前驱体的数量不再随时间而增加，因此ALD可以精确地将薄膜厚度控制在单原子层量级，确保薄膜生长实现100％的均匀性、保形性和无针孔。

具体地，本发明提供的一种用于仪器校准的晶圆级膜厚标准片的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将晶圆衬底进行清洗干净并去除自然氧化层，得到处理后的晶圆衬底；

步骤2，利用原子层沉积法在步骤1中得到的晶圆衬底上沉积薄膜，得到大面积均匀且厚度精确可控的晶圆级膜厚标准片。

所述标准片为Si/Al

所选用衬底为2英寸、4英寸、6英寸、8英寸或12英寸的单晶硅晶圆衬底。

所述得到的晶圆级膜厚标准片厚度为0-1000纳米。

制备Si/Al

步骤1，将选定尺寸的单晶Si基片清洗干净后放入49％HF水溶液和40％NH4F水溶液(体积比)的溶液中浸泡3-10秒去除表面的SiO

步骤2，在步骤1的基础上利用ALD技术在单晶Si晶圆的表面沉积不同周期的Al

步骤3，利用ALD的系统的真空加载机械手臂将步骤2中生长完Al

制备Si/SiO

制备Si/HfO

制备Si/TiO

制备Si/ZnO膜厚标准片的工艺参数同Si/Al

制备Si/ZrO

制备Si/AlN膜厚标准片的工艺参数同Si/Al

本发明的效果是：

本发明采用ALD等技术进行薄膜沉积便于精确控制薄膜的厚度，且可重复性高，使同一批次和不同批次标准片的厚度量值重复性好。

采用ALD薄膜技术制备的大面积厚度均匀非常好，从而保证了所制备晶圆级膜厚标准片良好的片内均匀性,保证良好均匀性的前提条件是，前驱体源的选择、搭配、前驱体加热温度、脉冲时间、吹洗时间、反应温度、衬底选择这些所有要素在的排列中的一个特定组合才能实现，所以并非有限次试验能够得到的结果。

通过精心设计化学反应通道和工艺控制，解决了SiO

此外，与现有的其他技术相比，ALD技术可以制备大面积均匀保形薄膜、重复性高、膜厚单原子层量级可控、沉积薄膜表面粗糙度小以及无针孔质量高等特点；同时因为ALD所制备的纯度高、无污染、质量高，目前ALD技术已经被广泛应用于目前的半导体企业生产线上，所以ALD工艺与现有半导体产线和微纳制造工艺的兼容性好，有利于实现大规模工业化生产。尤其是所制备的Si/Al

当需要非标小尺寸膜厚标准片时，本申请能够将晶圆级纳米膜厚标准片切割成所需的任意小尺寸来使用，灵活性高，即兼容了非标小尺寸膜厚标准物质的应用需求。

实施例1

对标国际和市场需求，制备了系列厚度的200nm的8英寸Si/Al

步骤1，将8英寸单晶Si基片用清洗干净后放入49％HF水溶液和40％NH4F水溶液(体积比)的溶液浸泡3秒去除表面的SiO

步骤2，如图2所示在步骤1的基础上采用三甲基铝和去离子水(H

步骤3，利用ALD的系统的真空加载机械手臂将步骤2中生长完Al

通过本专利的方案制备的Si/Al

实施例2

与实施例1不同之处在于：ALD反应腔的温度为250℃；第二种前驱体源为H

实施例3

与实施例1不同之处在于：ALD反应腔的温度为300℃；第二种前驱体源为O

实施例4

制备Si/SiO

将三(二甲胺基)硅烷为Si的前驱体源；第二种前驱体源为O

这种解决方案制备的Si/SiO

实施例5

制备Si/SiO

ALD反应腔的温度为250℃；将二(二乙胺)硅烷为Si的前驱体源，二(二乙胺)硅烷的脉冲时间为0.15s；第二种前驱体源为O

实施例6

制备Si/SiO

ALD反应腔的温度为300℃；将二(二乙胺)硅烷为Si的前驱体源，二(二乙胺)硅烷的脉冲时间为0.2s；第二种前驱体源为O

实施例7

制备Si/HfO

将四(甲乙胺基)铪和去离子水(H

实施例8

制备Si/HfO

ALD反应腔的温度为250℃；第一种前驱体源为四(二甲胺基)铪；第二种前驱体源为O

实施例9

制备Si/HfO

ALD反应腔的温度为300℃；第一种前驱体源为四(二甲胺基)铪；第二种前驱体源为O

实施例10

制备Si/TiO

将四(二甲胺基)钛和去离子水(H

实施例11

制备Si/TiO

ALD反应腔的温度为250℃；将四(二甲胺基)钛和O

实施例12

制备Si/TiO

ALD反应腔的温度为300℃；第二种前驱体源为O

实施例13

制备Si/ZnO膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

ALD反应腔的温度为150℃；将二乙基锌和去离子水(H

实施例14

制备Si/ZnO膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

ALD反应腔的温度为250℃；将二乙基锌和O

实施例15

制备Si/ZnO膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

ALD反应腔的温度为200℃；将二乙基锌和O

实施例16

制备Si/ZrO

将四(甲乙胺基)锆和去离子水(H

实施例17

制备Si/ZrO

ALD反应腔的温度为250℃；将四(甲乙胺基)锆和去离子水(H

实施例18

制备Si/ZrO

ALD反应腔的温度为300℃；将四(甲乙胺基)锆和去离子水(H

实施例19

制备Si/AlN膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

第一种前驱体源为三甲基铝；

第二种前驱体源为氮源，所述氮源为NH

通过在AlN成膜过程中前驱体源和基片表面的化学键或者官能团反应形成化学键结合，解决了传统PVD方法沉积的AlN薄膜和衬底附着力差的问题；采用自限制的原子层逐层生长和非晶化生长，获得了其他方法无法获得的光滑表面、均匀性和可重复性；借助等离子体大大降低了AlN薄膜的生长温度，避免了高温引起的AlN薄膜结晶导致表面粗超度增加和发生CVD反应导致薄膜厚度不均匀的问题。

实施例20

备Si/AlN膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

ALD反应腔的温度为250℃；

第一种前驱体源为三甲基铝，三甲基铝的脉冲时间为0.15s；

第二种前驱体源为氮源，所述氮源为NH

实施例21

备Si/AlN膜厚标准片的具体步骤与实施例1不同处在于：

ALD反应腔的温度为300℃；第一种前驱体源为三甲基铝，三甲基铝的脉冲时间为0.15s；

第二种前驱体源为氮源，所述氮源为NH

综上所述，本发明方法利用膜厚度精确可控和大面积均匀的薄膜制备技术在2-12英寸的晶圆上成功制备了出了用于在线仪器校准和工艺质量把控的晶圆级膜厚标准片，即突破了传统PVD、CVD和热氧化等方法无法实现的极小膜厚(1nm)和小膜厚Si/SiO

以上，仅为本发明的较佳实施例，并非仅限于本发明的实施范围，凡依本发明专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本发明的技术范畴。