一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法与流程

本发明属于半导体制造，具体涉及一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法。

背景技术：

1、过渡金属化合物薄膜（例如氮化钛、氮化钽及氧化钒等）由于其独特的力学、化学和电学性能，近年来引起了人们的广泛关注。其中，氮化钽（tan）薄膜由于其高的热稳定性、硬度、化学惰性和导电性，具有极佳的应用发展前景。

2、tan也是一种流行的电阻材料，因具有很低的电阻温度系数，电阻非常稳定。因此，tan是数据存储中巨型磁阻（gmr）传感器种子层和封端层的候选材料。最近，tan被开发用于微电子应用，作为微电子器件中铜和硅之间合适的扩散屏障。作为半导体中的阻挡层，低电阻率的tanx是降低接触电阻的首选材料；而高电阻率的tanx是gmr传感器的种子层，特别是在高频下可减少电流分流和涡流损耗。

3、氮化钽薄膜的常用制备方法之一为反应磁控溅射法。在制备过程中，通过调节氩气（ar）与n2的比例，来控制tanx中x的大小。氩气作为产生等离子体的惰性工作气体，它能够将ta靶材的原子“轰击掉”。而氮气（n2）作为反应性气体，它与溅射下来的ta原子结合，形成tan薄膜。当氮气比例较低时，溅射下来的ta原子中只有一部分能与氮原子反应形成氮化钽，导致薄膜中钽的含量相对较高，则导电性较好。当氮气比例较高时，溅射下来的ta原子有更多机会与氮原子反应，氮的含量超过了钽。这样的薄膜会有较高的电阻率，表现为绝缘或半导体性质。根据氮气/氩气的流速比（定义为r）不同，氮化钽薄膜相当于从金属到绝缘体，其电阻率范围变化异常大（107个数量级）。氮化钽膜的电阻率随着r值的增加而大幅度增加，这可能是由于理论上预测的ta空位和反位缺陷（过量的n原子占据ta位）或在富n条件下热力学稳定的富n相形成。

4、常用的氮化钽薄膜电阻值调节方法有激光修正法、热氧化法、热氮化法。激光修正法是通过激光对氮化钽进行刻蚀从而达到调整氮化钽薄膜电阻值的目的。热氧化法是在含氧的气氛下加热氮化钽薄膜，使氮化钽薄膜的表面生成一层ta2o5薄膜，从而达到调控氮化钽薄膜电阻值的目的。热氮化法则是在氮气气氛中对氮化钽薄膜加热，提高氮化钽薄膜中氮含量，从而调整其电阻率。上述几种方法的共同特点为：只能将氮化钽的电阻从小往大调整，不能实现从大到小的调整。申请号为201811568487.8，名称为“一种氮化钽薄膜电阻器阻值的调整方法”的中国专利中使用了一种原子持续注入的方法，通过开启原子注入设备，使金属原子持续注入到氮化钽薄膜上，以降低氮化钽薄膜电阻器的阻值，实现氮化钽薄膜的电阻由大到小的调整。

5、总的来说，以上方法的共同特点为，都是先制备氮化钽薄膜完成，之后再通过某些方法处理得到目标阻值的氮化钽薄膜。另外，氮化钽方阻调节的现有问题主要表现在，第一，在氮化钽薄膜的一个方阻跨度区间内，稍加调节氮气/氩气的流速比r，得到的薄膜方阻变化量远超预计，薄膜方阻无法调节到目标阻值范围、无法在现有阻值基础上进行微调，这是由于氮气/氩气流速比的调节方式过于粗糙、气体流量精度太低造成的。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，结合高精度气体流量控制装置和高精度反应气压控制装置，实现磁控溅射氮化钽薄膜方阻的精细调节。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，包括如下步骤：

4、步骤1，通过高精度气体流量控制装置分别向磁控溅射真空腔体内通入预设流量的反应气体和惰性气体；

5、步骤2，通过控制反应气压控制装置调节腔体内的反应压力和气体浓度；

6、所述控制反应气压控制装置包括：设置在腔体内的气囊、与气囊连接的管道、与管道连接的真空阀和真空计；

7、所述调节腔体内的反应压力的过程为：控制反应气压控制装置中的真空阀，调节气囊内部压强，使得与真空阀连接的磁控溅射腔体内部气囊的体积调节至合适大小，从而调控腔体内部的反应压力和反应气体浓度。

8、进一步的，所述步骤2中，增加气囊内部压强时，腔体内部反应压力增大，反应气体浓度增加；减小气囊内部压强时，腔体内部反应压力减小，反应气体浓度减小。

9、进一步的，所述气囊设置在腔体内部底面上。

10、进一步的，所述气囊为环形。

11、进一步的，所述反应气压控制装置中的真空阀还与真空泵连接。

12、进一步的，所述高精度气体流量控制装置包括两条分别用来输送反应气体和惰性气体的气体通路，两条气体通路连接至气体混合阀后向真空腔体内输送混合后的气体，所述气体通路自气体输入端向气体输出端依次包括通过管道连接的过滤器、压力调节阀、压力传感器、第一气动阀、伺服比例阀、流量计、第二气动阀；所述伺服比例阀和流量计还分别与流量控制器连接。

13、进一步的，所述伺服比例阀采用伺服电机控制。

14、进一步的，还包括以下前序步骤：

15、选用合适靶材；

16、预溅射靶材；

17、将晶圆片传输至磁控溅射真空腔体，保持合适基底温度，保持合适腔体真空度。

18、进一步的，还包括以下后续步骤：

19、进行磁控溅射反应。

20、本发明的有益效果为：

21、本发明通过高精度气体流量控制装置精密控制向腔体内通入的反应气体流量，并采用反应气压控制装置精微调节腔体内的反应气压和气体浓度，从而实现化合物薄膜方阻的精细调节，调控精度明显优于传统方案。本发明不仅可应用于氮化钽薄膜方阻的精细调节，还可应用氮化钛、氮化钽、氧化钒等其他种类薄膜方阻的精细调节。

技术特征：

1.一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述步骤2中，增加气囊内部压强时，腔体内部反应压力增大，反应气体浓度增加；减小气囊内部压强时，腔体内部反应压力减小，反应气体浓度减小。

3.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述气囊设置在腔体内部底面上。

4.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述气囊为环形。

5.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述反应气压控制装置中的真空阀还与真空泵连接。

6.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述高精度气体流量控制装置包括两条分别用来输送反应气体和惰性气体的气体通路，两条气体通路连接至气体混合阀后向真空腔体内输送混合后的气体，所述气体通路自气体输入端向气体输出端依次包括通过管道连接的过滤器、压力调节阀、压力传感器、第一气动阀、伺服比例阀、流量计、第二气动阀；所述伺服比例阀和流量计还分别与流量控制器连接。

7.根据权利要求6所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，所述伺服比例阀采用伺服电机控制。

8.根据权利要求1所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，还包括以下前序步骤：

9.根据权利要求1或2所述的化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，其特征在于，还包括以下后续步骤：

技术总结
本发明提出了一种化合物薄膜方阻的线性高精度调控方法，包括：通过高精度气体流量控制装置向磁控溅射真空腔体内通入预设流量的氩气和氮气；通过控制反应气压控制装置调节腔体内的反应压力和气体浓度；调节腔体内的反应压力的过程为：控制反应气压控制装置中的真空阀，调节气囊内部压强，使得与真空阀连接的磁控溅射腔体内部气囊的体积调节至合适大小，从而调控腔体内部的反应压力和氮气浓度。本发明采用高精度气体流量控制装置精密控制向腔体内通入的反应气体流量，并采用反应气压控制装置微调腔体内的反应气压和气体浓度，从而实现化合物薄膜方阻的精细调控，精度明显优于传统方案。

技术研发人员：张陈斌,姜颖,郭俊伟,王世宽
受保护的技术使用者：无锡尚积半导体科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10