一种金属氮化物薄膜的物理气相沉积方法和装置与流程

本技术涉及半导体，尤其涉及一种金属氮化物薄膜的物理气相沉积方法和物理气相沉积控制装置。

背景技术：

1、氮化钛(tin)薄膜是目前工业研究和应用最为广泛的薄膜材料之一，它具有熔点高、热稳定好、抗蚀性好和低电阻率等优点，日益受到人们广泛的关注。

2、在先进半导体制作工艺中，采用物理气相沉积法(physical vapor deposition，pvd)所形成的氮化钛被广泛地运用在各种场合，例如运用在高k介质层表面上以作为帽盖层，运用在功函数金属层上以作为扩散阻挡层，运用在介质层上以作为硬掩膜层，运用在电容介质极板层等等。

3、半导体集成电路制造技术中，均匀性在芯片制程的每一个工序中都需要考虑到，均匀性是衡量工艺在晶圆上一致性的关键指标，包括薄膜沉积工艺中薄膜的厚度，刻蚀工艺中被刻蚀材料宽度、角度等，较高的均匀性才能保证芯片的产品与性能。

4、半导体工艺步骤需要在整个晶圆上都有相似的效果，以确保每个芯片都达到相同的规格和性能。因为芯片通常具有上千个工艺步骤，如果不对均匀性进行卡控，越往后，制程的良率越低，造成的影响也就越大。过高的不均匀性可能导致晶体管的性能不一致，会影响到整个芯片的性能。例如，一个区域内的晶体管比另一个区域内运行得更快或更慢，可能导致整个电路的不稳定。

5、在后段pvd工艺中，需要尽可能确保沉积在基底薄膜的方阻均匀性，这样才能保证切割出来的每一个芯片的一致性，提高芯片的良率。在pvd工艺沉积氮化钛薄膜时，通常通过氮气毒化靶材，从而在靶材的表面形成氮化钛，此时将靶材表面的氮化钛轰击出来并沉积在基板上形成氮化钛薄膜，但是，由于氮气毒化靶材的毒化速度小于氮化钛轰击出来的速度，导致靶材上的钛还未被毒化就被轰击出来，从而导致沉积在基板上的氮化钛均匀度不高。

技术实现思路

1、本发明实施例的目的在于：提供一种金属氮化物薄膜的物理气相沉积方法，其能够有效提高金属氮化物薄膜在物理气相沉积方法中的沉积均匀性。

2、为达上述目的，本技术采用以下技术方案：

3、本发明提出一种金属氮化物薄膜的物理气相沉积方法，包括：

4、s1：将基板置于反应腔室中；

5、s2：向所述反应腔室通入包括氮气和轰击气体的第一混合气体，对靶材施加直流功率，使所述第一混合气体形成等离子体并轰击所述靶材，以在所述基板上形成第一厚度金属氮化物薄膜；

6、s3：停止对所述靶材施加直流功率，停止向所述反应腔室通入所述第一混合气体，向所述反应腔室通入所述轰击气体，对所述靶材施加直流功率，使所述轰击气体形成等离子体并轰击所述靶材；

7、s4：停止对所述靶材施加直流功率，停止向所述反应腔室通入所述轰击气体，向所述反应腔室通入所述第一混合气体，对所述靶材施加直流功率，使所述第一混合气体形成等离子体并轰击所述靶材，以在所述基板上形成第二厚度金属氮化物薄膜。

8、可选的，在所述s2之后，在所述s3之前还包括：

9、在所述停止向所述反应腔室通入所述第一混合气体之后，将所述基板从所述反应腔室中取出，将挡片置于所述反应腔室中；

10、在所述轰击气体形成等离子体并轰击所述靶材之后，将所述靶材上的金属氮化物成分打出并沉积于所述挡片；

11、将所述挡片从所述反应腔室中取出，将所述基板放回所述反应腔室中。

12、可选的，在所述s3中：

13、对所述靶材施加直流功率，使所述轰击气体形成等离子体并轰击所述靶材之后，在所述第一厚度金属氮化物薄膜上沉积金属薄膜。

14、可选的，所述s3还包括：所述停止向所述反应腔室通入所述第一混合气体的步骤之后，抽出所述反应腔室内的所述第一混合气体。

15、可选的，所述s2包括：

16、向所述反应腔室中通入氮气和氩气的第一混合气体；

17、将第一直流功率施加至所述靶材，使所述反应腔室发生辉光放电；

18、将第二直流功率施加至所述靶材，在所述基板表面沉积第一厚度金属氮化物薄膜，所述第二直流功率大于所述第一直流功率。

19、可选的，所述s3包括：

20、停止对所述靶材施加直流功率；

21、停止向所述反应腔室通入所述第一混合气体；

22、向所述反应腔室中通入氩气；

23、将第三直流功率施加至所述靶材，使所述反应腔室发生辉光放电；

24、将第四直流功率施加至所述靶材，以轰击出所述靶材上的金属氮化物，所述第四直流功率大于所述第三直流功率。

25、可选的，所述s4包括：

26、停止对所述靶材施加直流功率，停止向所述反应腔室通入所述轰击气体；

27、向所述反应腔室中通入氩气和氮气的第一混合气体；

28、将第五直流功率施加至所述靶材，使所述反应腔室发生辉光放电；

29、将第六直流功率施加至所述靶材，在所述金属薄膜的表面沉积第二厚度金属氮化物薄膜，所述第六直流功率大于所述第五直流功率。

30、可选的，在所述s1之前，还包括：

31、将所述基板置于真空环境腔室中进行干燥处理。

32、可选的，所述干燥处理包括：

33、将所述基板置于真空环境腔室中加热到200℃-300℃并持续预设时长。

34、另一方面，本发明还提出一种物理气相沉积控制装置，包括：

35、第一控制模块，用于向反应腔室通入包括氮气和轰击气体的第一混合气体，对靶材施加直流功率，使所述第一混合气体形成等离子体并轰击所述靶材，以在置于所述反应腔室内的基板上形成第一厚度金属氮化物薄膜；

36、第二控制模块，用于停止对所述靶材施加直流功率，停止向所述反应腔室通入所述第一混合气体，向所述反应腔室通入所述轰击气体，对所述靶材施加直流功率，使所述轰击气体形成等离子体并轰击所述靶材；

37、第三控制模块，用于停止对所述靶材施加直流功率，停止向所述反应腔室通入所述轰击气体，向所述反应腔室通入所述第一混合气体，对所述靶材施加直流功率，使所述第一混合气体形成等离子体并轰击所述靶材，以在所述基板上形成第二厚度金属氮化物薄膜。

38、本技术的有益效果为：本技术通过向反应腔室通入氮气和轰击气体，直至反应腔室内的气压达到预设气压值时，反应腔室内的气压稳定，此时对靶材施加直流功率，使反应腔室发生辉光放电，靶材上形成金属氮化物，则第一混合气体形成等离子体轰击靶材，从而在基板上沉积形成第一厚度金属氮化物薄膜。随后，停止对靶材施加直流功率，并停止通入第一混合气体，仅向反应腔室通入轰击气体，直至反应腔室达到预设气压值，气压稳定，由轰击气体形成等离子体轰击靶材，从而去除靶材上残留的金属氮化物。如此，在后续步骤中，可在纯净的靶材上重新形成金属氮化物，所形成的金属氮化物更均匀。最后，在基板上沉积第二厚度金属氮化物薄膜。将靶材上的金属氮化物分成两次沉积，以降低因氮气毒化靶材的毒化速度小于靶材上金属氮化物轰击出来的速度导致的不均匀性，即先在靶材的表面先毒化形成金属氮化物，再进行轰击，提高了基板上沉积金属氮化物薄膜的均匀度。