低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical VaporDeposition，缩写为LPCVD)工艺被广泛应用于制备各种薄膜。LPCVD的机台类型根据炉膛的方向分为立式与卧式。立式炉管机台是半导体生产线前道工序的重要工艺设备之一，用于大规模集成电路、分立器件、电力电子、光电器件和光导纤维等行业的扩散、氧化、退火及合金等工序。

由于洁净室层高有限，立式炉高度设计亦有限，为更有效地提升机台利用效率，可采用槽位更多的、槽位间距更小的晶舟来装载数量更多的晶圆，由此意味着晶舟上晶圆与晶圆的间距更小，随之带来各种工艺问题。

因此，现有的LPCVD工艺沉积薄膜的方法有待进一步改善。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法，以改善薄膜的质量。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法，包括：将装载有若干晶圆的晶舟移入反应腔内；通过准备工艺使所述反应腔到达预设工艺温度和预设真空度；在所述准备工艺之后，通过若干次循环处理，直至在各所述晶圆表面形成具有第一厚度的本征材料膜，各次循环处理包括：本征成膜工艺和所述本征成膜工艺之后的清洁工艺，所述本征成膜工艺包括向所述反应腔内通入第一本征反应气体，所述清洁工艺包括停止通入所述第一本征反应气体之后，向所述反应腔内通入保护气体，对各所述晶圆表面进行吹扫操作；在形成所述本征材料膜之后，在所述本征材料膜上形成掺杂材料膜，所述掺杂材料膜的形成方法包括：向所述反应腔室内同时通入第二本征反应气体和掺杂源气体，直至所述掺杂材料膜和所述本征材料膜的总厚度为第二厚度，所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％。

可选的，所述第一本征反应气体包括硅烷气体；所述第二本征反应气体包括硅烷气体；所述掺杂源气体包括主反应气体和辅助气体的混合气体，所述主反应气体包括磷烷气体或砷烷气体，所述辅助气体包括氮气和氦气中的一者或两者，其中，所述主反应气体在所述掺杂源气体中的质量占比范围为0.5％wt至5.0％wt。

可选的，各次循环处理中，所述本征成膜工艺的工艺参数包括：时间范围为5s至20s；所述第一本征反应气体具有第一流量，所述第一流量范围为0.8slm至2.0slm；所述反应腔具有第一压强。

可选的，所述掺杂材料膜的形成工艺参数包括：时间范围为0.33h至9h；所述第二本征反应气体具有第二流量，所述第二流量大于或等于所述第一流量；所述第二流量范围为0.8slm至2.0slm；所述掺杂源气体的流量范围为50sccm至150sccm；所述反应腔具有第二压强，所述第二压强大于或等于所述第一压强；所述第二压强范围为0.2torr至0.8torr。

可选的，各次循环处理中，所述吹扫操作的工艺参数包括：时间范围为8s至30s；所述保护气体的流量范围为1.2slm至3.0slm。

可选的，所述吹扫操作还包括采用真空泵装置抽取所述反应腔内的气体；各次循环处理中，所述吹扫操作的工艺参数还包括：压强范围为0.01torr至0.18torr。

可选的，所述循环处理的次数范围为1次至10次。

可选的，所述晶舟的槽间距范围为4.8mm至5.8mm。

可选的，所述第一厚度的范围为

可选的，所述预设真空度范围为2mtorr至5mtorr；所述预设工艺温度范围为525℃至585℃。

可选的，所述保护气体包括氮气、氩气和稀有气体中的一者或多者的混合。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

本发明技术方案提供的低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法中，一方面，通过先形成具有第一厚度的本征材料膜，而后在所述本征材料膜上形成第二厚度的掺杂材料膜的方式，设定所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％，由于本征材料膜的厚度较小，掺杂材料膜内的掺杂剂可以扩散至所述本征材料膜中而获得较为均匀掺杂的材料膜，而且，所述本征材料膜的形成过程不受掺杂源气体的影响，利于形成较好质量的本征材料膜；另一方面，所述本征材料膜通过若干次循环处理的方式获得，各次循环处理中在晶圆表面先形成本征材料膜，之后对各所述晶圆表面进行吹扫操作，增加了晶圆表面气体的流动性，即使在槽间距较小情况下，也可以抑制反应物在晶圆表面的吸附和聚集，从而抑制鼓包、埋层型颗粒状缺陷等产生的概率，进一步利于提高本征材料膜的质量；另外，所述本征材料膜可起到类“籽晶层”的作用，较好质量的本征材料膜的可防止缺陷在成膜过程中的不断增殖，利于提高最终成膜的质量。

附图说明

图1是一种LPCVD炉管的剖面结构示意图；

图2是一种LPCVD炉管工艺中的两种典型缺陷的显微镜图；

图3是本发明实施例中的低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法步骤流程图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的LPCVD工艺沉积薄膜的方法有待进一步改善，现结合一种LPCVD炉管的结构加以说明。

图1是一种LPCVD炉管的剖面结构示意图。

请参考图1，LPCVD炉管包括腔体101、位于腔体101内的反应腔102、置于反应腔102内的晶舟103、以及位于所述腔体101上的若干连通所述反应腔102和外界的进气管(图中未示出)和出气管(图中未示出)，所述进气管用于通入反应气体，所述出气管用于排出废气(图1仅示出了反应气体Gas的大致流向)。

在进行原位掺杂多晶硅的过程中，将若干晶片104置于上述LPCVD炉管的晶舟103的槽位中。在常规的LPCVD工艺，硅烷作为生长硅的气体，磷烷作为掺杂源气体，在温度压力稳定达到工艺要求后，向炉内同时通入硅烷和磷烷气体，以获得磷掺杂的多晶硅。在成膜过程中，由于磷烷分子有一个孤立的电子对而显示出强极性，磷烷在晶片表面的吸附性远远高于硅烷在晶片表面的吸附性，使成膜质量远低于本征多晶硅薄膜。

为了提升机台利用效率，在不增加晶舟高度的情况下，增加槽位数，槽间距d相应地缩小，槽间距减小后，影响气体流通性，使磷烷在晶片表面的吸附能力更强，导致成膜过程异常而形成缺陷(defect)，请参考图2。

图2是一种LPCVD炉管工艺中的两种典型缺陷的显微镜图。

请参考图2，将槽位间距由6.5mm降至5.32mm,槽位数由143增至170时，会出现鼓包def1或埋层型颗粒状缺陷def2等较为严重的缺陷，该缺陷尺寸约0.2μm至2.0μm，严重影响形成的薄膜的质量。

为了解决上述问题，本发明提供的一种低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法，一方面，通过先形成具有第一厚度的本征材料膜，而后在所述本征材料膜上形成第二厚度的掺杂材料膜的方式，设定所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％，由于本征材料膜的厚度较小，掺杂材料膜内的掺杂剂可以扩散至所述本征材料膜中而获得较为均匀掺杂的材料膜，而且，所述本征材料膜的形成过程不受掺杂源气体的影响，利于形成较好质量的本征材料膜；另一方面，所述本征材料膜通过若干次循环处理的方式获得，各次循环处理中在晶圆表面先形成本征材料膜，之后对各所述晶圆表面进行吹扫操作，增加了晶圆表面气体的流动性，即使在槽间距较小情况下，也可以抑制反应物在晶圆表面的吸附和聚集，从而抑制鼓包、埋层型颗粒状缺陷等产生的概率，进一步利于提高本征材料膜的质量；另外，所述本征材料膜可起到类“籽晶层”的作用，较好质量的本征材料膜的可防止缺陷在成膜过程中的不断增殖，利于提高最终成膜的质量。

为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图3是本发明实施例中的低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法各步骤的流程示意图。

本实施例中，所述低压化学气相淀积工艺沉积薄膜的方法包括以下步骤：

步骤201，将装载有若干晶圆的晶舟移入反应腔内；

步骤202，通过准备工艺使所述反应腔到达预设工艺温度和预设真空度；

步骤203，在所述准备工艺之后，通过若干次循环处理，直至在各所述晶圆表面形成具有第一厚度的本征材料膜，各次循环处理包括：本征成膜工艺和所述本征成膜工艺之后的清洁工艺，所述本征成膜工艺包括向所述反应腔内通入第一本征反应气体，所述清洁工艺包括停止通入所述第一本征反应气体之后，向所述反应腔内通入保护气体，对各所述晶圆表面进行吹扫操作；

步骤204，在形成所述本征材料膜之后，在所述本征材料膜上形成掺杂材料膜，所述掺杂材料膜的形成方法包括：向所述反应腔室内同时通入第二本征反应气体和掺杂源气体，直至所述掺杂材料膜和所述本征材料膜的总厚度为第二厚度，所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％。

以下将具体进行说明。

执行步骤201，将装载有若干晶圆的晶舟移入反应腔内。

本实施例中，所述晶舟的槽间距范围为4.8mm至5.8mm。晶舟槽间距越小越利于装载更多的晶圆，提高单次处理的晶圆数量，然而，槽间距越小越不利于气体的流通。

执行步骤202，通过准备工艺使所述反应腔到达预设工艺温度和预设真空度。

本实施例中，所述预设工艺温度范围为525℃至585℃。

本实施例中，所述预设真空度范围为2mtor至5mtorr。

执行步骤203，在所述准备工艺之后，通过若干次循环处理，直至在各所述晶圆表面形成具有第一厚度的本征材料膜，各次循环处理包括：本征成膜工艺和所述本征成膜工艺之后的清洁工艺，所述本征成膜工艺包括向所述反应腔内通入第一本征反应气体，所述清洁工艺包括停止通入所述第一本征反应气体之后，向所述反应腔内通入保护气体，对各所述晶圆表面进行吹扫操作。

本实施例中，所述第一本征反应气体包括硅烷气体。所述硅烷气体用于形成本征材料膜，所述本征材料膜的材料为多晶硅。

本实施例中，各次循环处理中，所述本征成膜工艺的工艺参数包括：时间范围为5s至20s；所述第一本征反应气体具有第一流量，所述第一流量范围为0.8slm至2.0slm；所述反应腔具有第一压强。

本实施例中，所述第一压强范围小于或等于0.18torr。

本实施例中，各次循环处理中，所述吹扫操作的工艺参数包括：时间范围为8s至30s；所述保护气体的流量范围1.2slm至3.0slm。

本实施例中，所述吹扫操作还包括采用真空泵装置抽取所述反应腔内的气体。所述清洁工艺中采用保护气体对各所述晶圆表面进行吹扫操作，增加了晶圆表面气体的流动性，即使在槽间距较小情况下，也可以抑制反应物在晶圆表面的吸附和聚集，从而抑制鼓包、埋层型颗粒状缺陷等产生的概率，进一步利于提高所述本征材料膜的质量。具体的，本实施例中，用于抑制磷烷在晶圆表面的吸附和聚集，在另一实施例中，也可以用于抑制砷烷在晶圆表面的吸附和聚集。

本实施例中，各次循环处理中，所述吹扫操作的工艺参数还包括：压强范围为0.01torr至0.18torr。增加真空泵的抽速和所述保护气体的流量，利于减少反应腔内残留的反应气体或杂质在晶圆表面的不均匀成核，进一步提高所述本征材料膜的质量。

所述保护气体包括氮气、氩气和稀有气体中的一者或多者的混合。本实施例中，所述保护气体为氮气。

本实施例中，所述循环处理的次数范围为1次至10次。选择所述循环处理次数范围的原因在于，避免成膜次数太少起不到作用，同时避免成膜次数太多，造成单次成膜的厚度太薄无法成膜，而造成最终成膜厚度的均匀性问题。

执行步骤204，在形成所述本征材料膜之后，在所述本征材料膜上形成掺杂材料膜，所述掺杂材料膜的形成方法包括：向所述反应腔室内同时通入第二本征反应气体和掺杂源气体，直至所述掺杂材料膜和所述本征材料膜的总厚度为第二厚度，所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％。

在此，设定所述第一厚度小于或等于所述第二厚度的10％，由于本征材料膜的厚度较小，掺杂材料膜内的掺杂剂可以扩散至所述本征材料膜中而获得较为均匀掺杂的材料膜，而且，所述本征材料膜的形成过程不受掺杂源气体的影响，利于形成较好质量的本征材料膜。另外，所述本征材料膜可起到类“籽晶层”的作用，较好质量的本征材料膜的可防止缺陷在成膜过程中的不断增殖，利于提高最终成膜的质量。

所述第二本征反应气体包括硅烷气体；所述掺杂源气体包括主反应气体和辅助气体的混合气体，所述主反应气体包括磷烷气体或砷烷气体，所述辅助气体包括氮气和氦气中的一者或两者，其中，所述主反应气体在所述掺杂源气体中的质量占比范围为0.5％wt至5.0％wt。所述硅烷气体和所述掺杂源气体用于形成掺杂材料膜。本实施例中，所述掺杂源气体的主反应气体采用磷烷气体，即用于形成磷掺杂的多晶硅。

本实施例中，所述掺杂材料膜的形成工艺参数包括：时间范围为0.33h至9h；所述第二本征反应气体具有第二流量，所述第二流量大于或等于所述第一流量；所述第二流量范围为0.8slm至2.0slm；所述掺杂源气体的流量范围为50sccm至150sccm；所述反应腔具有第二压强，所述第二压强大于或等于所述第一压强；所述第二压强范围为0.2torr至0.8torr。

本实施例中，所述第一厚度的范围为

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。