一种符合设计目标的复合膜形成方法及半导体器件与流程

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种符合设计目标的复合膜形成方法及半导体器件。

背景技术：

1、在半导体器件制造过程中，薄膜沉积是一道常见的工序，有些半导体器件结构中的薄膜为多层复合结构，通常被称为“复合膜”。复合膜为多个单层薄膜依次层叠构成，为确保形成的复合膜满足设计要求，半导体器件制造过程中，需要严格控制所形成的复合膜符合设计目标值。现实工艺过程中，要逐层形成每一单层薄膜，每层的薄膜也有着对应的单层膜设计目标参数，如单层膜厚度、形成单层膜的应力值等。在形成单层膜时可根据单层膜设计目标参数进行工艺参数的确定，操作人员根据所确定的工艺参数执行单层膜的沉积作业。

2、鉴于沉积设备在作业过程中存在复杂的不确定性，使得每批次所形成的单层薄膜实际测量结果与设计目标参数存在一定的误差，多个单层膜累加后所形成的复合膜往往会明显偏离设计目标值，进而影响半导体器件的生产良率。特别是对于mems产品，其振动膜为多层薄膜层叠而成，对薄膜的厚度及应力极为敏感，一旦所形成的振动膜参数偏离设计值，会导致振动膜物理性能达不到设计标准而失效。目前针对mems产品的振动膜工艺改善方式，主要是通过调节炉管的温度和气体的流量，优化炉管内气体和温度的均匀性，减少炉管内不同区域所形成薄膜的差异，减小批次间的差异，上述对每次单层膜工艺的调整，主要依赖于技术人员的经验，很难精确控制每批次复合膜的一致性，产品的合格率无法保证。

技术实现思路

1、本发明首先公开一种符合设计目标的复合膜形成方法，主要通过最顶层薄膜的补偿控制来调节所形成的复合膜使之满足设计要求。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种符合设计目标的复合膜形成方法，所述复合膜包括至少两层薄膜，自下而上各层薄膜依次形成并相互层叠，层叠后形成的所述复合膜中位于最顶层的薄膜为顶层膜，所述复合膜预设目标控制值为l，所述复合膜中各层薄膜各自形成后测得的性能参数为t，l为复合膜中所有薄膜性能参数之和，所述复合膜形成使用的薄膜沉积设备中预设多个工艺程序，每个工艺程序对应形成的薄膜厚度范围不同；

4、依次形成除所述顶层膜之外的各层薄膜，并分别测得各层薄膜的性能参数t；

5、根据复合膜预设目标控制值l与所述顶层膜以下各层薄膜性能参数之和两者之间的差值，计算出所述顶层膜的预期厚度h，然后根据预期厚度h所在范围来确定薄膜沉积设备中执行的工艺程序，按照所确定的工艺程序形成所述顶层膜。

6、进一步，每层薄膜的性能参数t＝每层薄膜实测厚度×实测应力值。

7、进一步，所述顶层膜的预期厚度h计算方法如下：

8、预设所述顶层膜的目标应力值为s顶，设所述复合膜为三层薄膜层叠形成，测得底层薄膜的性能参数t底，测得中层薄膜的性能参数t中；

9、根据公式[l-(t底+t中)]/s顶计算出顶层膜的预期厚度h。

10、进一步，将所述薄膜沉积设备的炉管内部进行多段分区，根据每段区域所形成薄膜的应力差异，分别对每段区域赋予相应地应力补偿值，该段区域形成的薄膜应力离目标应力值越大，赋予的相对应力补偿值越大；

11、不同批次且采用同一工艺程序形成顶层膜时，分别计算出每批次除顶层膜之外所有薄膜的性能参数之和，计算每批次性能参数之和与复合膜预设目标控制值l的差值，将差值最大的批次放入炉管中应力补偿值最大的区域，差值最小的批次放入炉管中应力补偿值最小的区域，依此类推。

12、进一步，每批次复合膜在计算顶层膜预期厚度h时，按公式[l-(t底+t中)]/(s顶+该批次所在区域的应力补偿值)进行计算。

13、进一步，判断采用同一工艺程序的不同批次是否能同时放入同一炉管进行顶层膜的形成，具体方法如下：

14、将复合膜预设目标控制值l赋予上限值和下限值；

15、计算拟放入同一炉管内同步形成顶层膜的总批数的顶层膜预期厚度平均值h平均；

16、计算每批次的复合膜预计总性能参数t总，t总＝(t底+t中)+h平均×(s顶+该批次所在区域的应力补偿值)；

17、判断总批数中各个批次的复合膜预计总性能参数t总是否落入复合膜预设目标控制值l的上下限范围内，对于落入该范围内的批次可同时放入同一炉管中形成各批次的顶层膜。

18、进一步，除所述顶层膜外，形成每层薄膜时，在薄膜沉积设备中随同该批次产品放置用于测量单层薄膜性能参数的测量晶圆片，单层薄膜形成后，通过测量晶圆片来获得同批次晶圆所形成的单层薄膜的性能参数。

19、进一步，所述测量晶圆片在放入薄膜沉积设备之前，测量晶圆片的表面无薄膜沉积。

20、本发明还同时公开一种半导体器件，该半导体器件包括复合膜，所述复合膜采用上述方法形成。

21、进一步，所述半导体器件为mems麦克风，所述复合膜为振动膜，所述振动膜为三层薄膜层叠而成，顶层膜和底层膜的材料相同，中层膜的材料与顶层膜的材料不同。

22、本发明所公开的复合膜形成方法与现有技术对于复合膜中单层膜的控制方式不同，本发明采用顶层膜补偿技术，即：对于顶层膜以下的各层薄膜仍然按既定工艺条件形成，在生产过程中并不对除顶层膜外的各层薄膜进行补偿，而是测量顶层膜之外每层薄膜形成后的性能参数，将所获得的各层薄膜的性能参数作为数据前馈，供薄膜沉积设备的控制系统进行分析计算；控制系统内植入不同的工艺程序，每个工艺程序执行后所形成的薄膜厚度范围不同，控制系统可根据复合膜预设目标控制值l以及接收到的反馈数据，计算出顶层膜的预期厚度h，控制系统自动执行预期厚度h所落入范围对应的工艺程序。本发明复合膜形成方法中，顶层膜的形成作为复合膜的动态补偿调节环节，操作可控性强，按此方法所形成的复合膜十分接近复合膜的设计目标值，增加了各批次质量的一致性，能够显著提升半导体器件的生产合格率。

技术特征：

1.一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：所述复合膜包括至少两层薄膜，自下而上各层薄膜依次形成并相互层叠，层叠后形成的所述复合膜中位于最顶层的薄膜为顶层膜，所述复合膜预设目标控制值为l，所述复合膜中各层薄膜各自形成后测得的性能参数为t，l为复合膜中所有薄膜性能参数之和，所述复合膜形成使用的薄膜沉积设备中预设多个工艺程序，每个工艺程序对应形成的薄膜厚度范围不同；

2.根据权利要求1所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：每层薄膜的性能参数t=每层薄膜实测厚度×实测应力值。

3.根据权利要求2所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：所述顶层膜的预期厚度h计算方法如下：

4.根据权利要求3所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：将所述薄膜沉积设备的炉管内部进行多段分区，根据每段区域所形成薄膜的应力差异，分别对每段区域赋予相应地应力补偿值，该段区域形成的薄膜应力离目标应力值越大，赋予的相对应力补偿值越大；

5.根据权利要求4所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：每批次复合膜在计算顶层膜预期厚度h时，按公式[l-（t底+t中）]/ （s顶+该批次所在区域的应力补偿值）进行计算。

6.根据权利要求5所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：判断采用同一工艺程序的不同批次是否能同时放入同一炉管进行顶层膜的形成，具体方法如下：

7.根据权利要求1所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：除所述顶层膜外，形成每层薄膜时，在薄膜沉积设备中随同该批次产品放置用于测量单层薄膜性能参数的测量晶圆片，单层薄膜形成后，通过测量晶圆片来获得同批次晶圆所形成的单层薄膜的性能参数。

8.根据权利要求7所述的一种符合设计目标的复合膜形成方法，其特征在于：所述测量晶圆片在放入薄膜沉积设备之前，测量晶圆片的表面无薄膜沉积。

9.一种半导体器件，所述半导体器件包括复合膜，其特征在于：所述复合膜采用如权利要求1-8任一项所述方法形成。

10.根据权利要求9所述的一种半导体器件，其特征在于：所述半导体器件为mems麦克风，所述复合膜为振动膜，所述振动膜为三层薄膜层叠而成，顶层膜和底层膜的材料相同，中层膜的材料与顶层膜的材料不同。

技术总结本发明涉及一种符合设计目标的复合膜形成方法及半导体器件，复合膜由多层薄膜层叠而成，设复合膜预设目标控制值，依次形成除顶层膜外的各层薄膜，并分别测得各层薄膜的性能参数，在薄膜沉积设备中预设多个所形成薄膜厚度范围不同的工艺程序，根据复合膜预设目标控制值与各层薄膜性能参数之和两者之间的差值，计算出顶层膜的预期厚度，根据预期厚度所在范围来确定薄膜沉积设备形成顶层膜时所执行的工艺程序。本发明复合膜形成方法中，顶层膜的形成作为复合膜的动态补偿调节环节，操作可控性强，按此方法所形成的复合膜十分接近复合膜的设计目标值，增加了各批次质量的一致性，能够显著提升半导体器件的生产合格率。技术研发人员：秦岩,刘鹏,李乾伟受保护的技术使用者：绍兴中芯集成电路制造股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/1/14