CN101355008B - 薄膜的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜的形成方法，包括步骤：将具有第一图形的各生产衬底放置于沉积设备的片架上；将具有第二图形的挡片放置于所述片架上，且至少有一个所述挡片位于所述各生产衬底之下；进行薄膜生长。本发明的薄膜形成方法，可以令在各衬底的背面形成的薄膜情况基本相同，也就保持了形成薄膜后的各衬底状态的一致性，避免了因各衬底状态不一致而导致的后续工艺的异常。

Description

薄膜的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种薄膜的形成方法。

背景技术

集成电路制造工艺是一种平面制作工艺，其结合光刻、刻蚀、沉积、离子注入等多种工艺，在同一衬底上形成大量各种类型的复杂器件，并将其互相连接以具有完整的电子功能。其中，任何一步工艺出现偏差，都可能会影响相关器件的性能。目前，随着超大规模集成电路的器件特征尺寸不断地等比例缩小，器件集成度不断地提高，不仅对各步工艺实现的准确度提出了更高的要求，对因各步工艺间的相互关联性而导致的对器件性能的影响也必须予以足够的重视。

以薄膜的形成工艺为例，以往对薄膜生长工艺的关注主要集中于衬底正面所沉积的薄膜的厚度及质量，然而，实践中发现，由于衬底背面形成的薄膜的厚度对后续的工艺可能有影响，在薄膜形成过程中，还需要同时关注在衬底背面形成的薄膜的情况。

现有的部分薄膜生长工艺中，不仅会在衬底的正面沉积形成薄膜，还会在衬底的背面同时形成一定量的薄膜，如常用的薄膜生长工艺—一炉管式的化学沉积方法。现有的薄膜形成工艺通常已能实现在同一批衬底上所沉积的薄膜厚度及质量大致相同(片间的一致性较好)，但却不能保证炉管内各衬底背面所形成的薄膜的情况相一致，实践证明，在同一批生长薄膜的衬底中，位于炉管较下端的最后一个衬底背面所形成的薄膜的情况往往不同于其它衬底。

图1为现有的衬底背面形成薄膜的情况示意图，图中101、102为同批进行薄膜生长的多个衬底在背面形成的薄膜厚度随衬底位置的变化情况，其中，102为位于炉管下端的最后一个衬底，101为同一批进行薄膜生长的其余几个衬底，如图1所示，最后一个衬底在背面形成的薄膜情况102与其余几个衬底的情况101明显不同：其厚度较厚，且衬底中心与边缘的薄膜厚度相差不多。

为了节约生产成本及生产时间，薄膜生长在各衬底背面形成的薄膜并不会立即去除，而是在经过多次工艺后(如经过多次薄膜生长、刻蚀、快速热退火等工艺)，再统一地去除。而上述各衬底背面形成的薄膜厚度的不一致，可能会对后续工艺的结果产生影响。

以后续的快速热退火工艺为例，现有的集成电路制造过程中，为了在衬底内形成掺杂区，常需要进行掺杂及快速热退火处理。其中，对快速热退火工艺进行准确的退火温度、退火时间控制对掺杂区的形成质量非常关键。为此，现有的快速热退火设备中通常会对正在进行退火处理的衬底进行实时的温度监测，并根据监测结果对该衬底所需的退火时间进行实时的调整，以达到较优的退火效果。

实时的温度监测可以分为两种：直接监测方法和间接监测方法。部分工艺设备内的实时温度监测是直接监测方法，其通过将热电偶内嵌于圆片片架或基座内，直接测量圆片的温度来实现，可以达到较为准确和可重复性较高的监测结果。但对于其余的工艺设备，如快速热退火设备，由于其内没有圆片基座，不能利用直接监测方法，只能采用间接监测方式：如电热测温计测量法、高温计(光学)测量法、反射率或透射率测量法等进行实时的温度监测。然而，采用任何间接监测方法测得的温度结果都易受到设备内正在进行处理的衬底状态的影响，因此，要达到较为准确的监测结果，就要求各待处理的衬底的状态具有较高的一致性。

由于快速热退火设备采用了间接监测方法对衬底达到的温度进行实时监测，如果在先的薄膜生长工艺中，在各衬底背面形成的薄膜情况不一致，(其会导致衬底的辐射量或反射率不同)，则即使设备内实际的温度相同，所测得的衬底的温度也会不相同，影响了对所需退火时间的正常判断，使退火工艺不正常。尤其是当监测是对衬底的背面进行的时候，这一影响更为明显。

图2为现有的各衬底的快速热退火时间示意图。如图2所示，在对一批衬底进行快速热退火处理时，前几个衬底的处理时间201基本相同，所得的退火结果较好；最后一个衬底的处理时间202则明显不同，要远远大于前几个衬底的处理时间，且对其的测试表明其退火后得到的掺杂区的结果不理想，器件的成品率有所下降。

图2中最后一个衬底的退火时间明显不同于前几个衬底的原因在于：其背面形成的薄膜情况与前几个衬底有所不同，其在退火过程中得到的实时温度监测结果与前几个衬底相比相差较远，导致具有根据监测温度值自动调整退火时间功能的快速热退火设备错误地进行了退火时间的调整，结果该最后一个衬底的退火效果变差，产品的成品率下降。

可见，衬底背面形成的薄膜情况对后续工艺会有一定的影响，在进行薄膜生长时，不仅要确保各个衬底之间，在正面形成的薄膜情况相同，还要确保各个衬底之间，在背面形成的薄膜的一致性也较好。

2007年4月25日授权的中国专利CN1312326C，对衬底背面沉积的薄膜厚度之所以不同作了进一步的阐述，该专利为了消除衬底背面薄膜厚度不一致导致的晕圈，对沉积设备进行了较为复杂改造，但其对于同一批衬底中最后一个衬底与其余的前几个衬底间的不一致性未提出有效的改进措施，也就不能避免上述快速热退火过程中最后一个衬底所出现的异常现象。

发明内容

本发明提供一种薄膜的形成方法，以改善现有的薄膜形成方法中，各衬底之间，在背面形成的薄膜情况不一致的现象。

本发明提供的一种薄膜的形成方法，包括步骤：

将具有第一图形的各生产衬底放置于沉积设备的片架上；

将具有第二图形的挡片放置于所述片架上，且至少有一个所述挡片位于所述各生产衬底之下；

进行薄膜生长。

其中，在进行薄膜生长前，还在所述片架上放置了至少一个监测衬底。

其中，各所述监测衬底可以放置于各生产衬底之上和/或之间。

其中，在各所述监测衬底之上还可以分别放置所述具有第二图形的挡片。

其中，所述第二图形为沟槽图形。

其中，所述第二图形的深度接近于所述第一图形的深度。

其中，所述第一图形与所述第二图形相同。

其中，所述沉积设备的沉积室为炉管。

其中，所述炉管为立式或卧式的。

其中，所述挡片由石英或碳化硅材料制成。

其中，进行薄膜生长后，还可以再腐蚀去除所述挡片上形成的薄膜，进行重复使用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的薄膜形成方法，在沉积薄膜时，加入了至少一个具有第二图形的挡片，且其中一个位于所有生产衬底的下面，该具有第二图形挡片的加入，可以令最后一个生产衬底的背面所处的环境与其它衬底相似，实现各生产衬底背面形成的薄膜情况基本相同，使得形成薄膜后的各衬底之间的状态仍能保持一致，避免了因各衬底状态不一致而导致的后续工艺(如快速热退火工艺中)的异常。

附图说明

图1为现有的衬底背面形成薄膜的情况示意图；

图2为现有的各衬底的快速热退火时间示意图；

图3为本发明具体实施例的薄膜形成方法的流程图；

图4为本发明具体实施例中所用的沉积设备示意图；

图5为本发明具体实施例中挡片的剖面图；

图6为本发明具体实施例中具有一个挡片时的片架上各衬底和挡片的位置示意图；

图7为本发明具体实施例中具有多个挡片时的片架上各衬底和挡片的位置示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的处理方法可以被广泛地应用于各个领域中，并且可利用许多适当的材料制作，下面是通过具体的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑地涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，表示器件结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本发明的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

随着集成电路的发展，对工艺要求的日益严格，考虑到各衬底背面薄膜厚度可能对后续工艺造成影响，对薄膜沉积工艺时各衬底背面薄膜形成情况也提出了一致性较好的要求。为此，本发明提出了一种新的薄膜形成方法，其可以令各衬底背面形成的薄膜情况基本一致。

图3为本发明具体实施例的薄膜形成方法的流程图，下面结合图3对本发明的具体实施例进行详细介绍。

进行薄膜生长时，将具有第一图形的各生产衬底放置于沉积设备的片架上(S301)。本实施例中，所用的沉积设备为采用立式炉管的低压化学气相沉积设备，其片架上可以放置多个衬底，如50个、100个等，对其进行同时的薄膜生长处理。

图4为本发明具体实施例中所用的沉积设备示意图，如图4所示，沉积炉管400内，放置有片架401，需要形成薄膜的衬底放置于其内，反应气体通过进气口402进入炉管，在各衬底的附近(包括衬底的正面和背面)发生反应，生成的反应物沉积于衬底表面(包括正面和背面)，形成薄膜，残留的气体通过排气口403排出炉管。其中，用于形成薄膜的反应气体在衬底附近的浓度会直接影响到其在衬底上形成薄膜的速率，进而影响到所形成薄膜的厚度。

为了令各衬底附近反应气体的浓度基本相同，在各衬底间达到较好的薄膜一致性，可以在片架的最下端(或者位于所有衬底之下的一端)放置至少一个挡片，该挡片通常为不带图形的硅片，其用来平衡炉管内的反应气体流，令各衬底附近流经的反应气体流基本一致。在对各衬底背面薄膜厚度的一致性没有要求时，加入该种不带图形的挡片即可以满足各衬底正面薄膜厚度的一致性要求。

然而，由图1可以看到，即使在炉管下端加入了该挡片，在同一沉积设备中同时进行薄膜生长的一批衬底中的最后一个衬底背面所形成的薄膜的情况仍与其它衬底不同，说明在其背面附近，反应气体的浓度仍不同于其它衬底背面附近的浓度。

经过大量的实验和分析发现，当各衬底表面的图形凹凸度越大(或者说其表面具有的沟槽越深)，最后一个衬底背面形成的薄膜与其它衬底背面形成的薄膜间的差异就越大。由此可以推出，在同一批进行薄膜生长的衬底中，最后一个衬底(位于沉积设备的最下端)的背面形成的薄膜情况明显不同于其余各衬底的原因在于，各衬底表面具有凹凸不平的图形，而位于各衬底之下的挡片表面没有。这样，即使各衬底附近的反应气体流的分布是基本相同的，因为最后一个衬底的背面所对应的是没有图形的挡片的正面，而其它各衬底的背面所对应的是具有第一图形的凹凸不平的衬底表面，前者所要沉积的表面积要远小于后者，由于负载效应(loading effect)，在最后一个衬底的背面所形成的薄膜厚度就会较大，形成的薄膜的情况会明显不同于其它衬底。

为此，本发明中还刻蚀形成了至少一个表面带有凹凸不平的图形(本发明中称其为第二图形)的挡片(S302)，增大该挡片的沉积的表面积，使得与其相邻的最后一个衬底地背面形成薄膜的情况与其它衬底相同。

图5为本发明具体实施例中挡片的剖面图，如图5所示，在挡片500的表面刻蚀了第二图形501，本实施例中，该第二图形为多个沟槽，其可以有效地加大挡片的表面积，优选地，所形成的多个沟槽可以令挡片的表面积的大小近似等于各生产衬底的表面积。另外，也可以直接在挡片表面形成与生产衬底表面的第一图形相同的第二图形(本发明中所说的第一图形与第二图形相同，指的是第一图形与第二图形的凹凸不平情况相同，对其他，如具体的形成材料、表面材料等不作要求)。

通常生产中形成的薄膜为多晶硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅等，如果在薄膜生长过程中所用到的挡片的材料与所沉积的薄膜间具有较高的腐蚀选择比，则在生长薄膜后可以利用湿法腐蚀的方法方便地将挡片表面所沉积的薄膜去除，实现对该挡片603的重复利用，达到节约生产成本的目的。因此，在优选的方案中，所述挡片可以由石英或碳化硅(SiC)等材料制成。

在将各生产衬底放置于片架上后，再将该具有第二图形(可以是图4中所示的沟槽图形)的挡片放置于片架上，其中，至少有一个挡片在片架上所处的位置位于各生产衬底之下(S303)。

图6为本发明具体实施例中具有一个挡片时的片架上各衬底和挡片的位置示意图，如图6所示，片架上可以放置多个衬底，除了可以有生产衬底601外，还可以有用于监测的衬底(以下简称监测衬底)602，在放置时，通常会将各监测衬底602放置于生产衬底601之上或之间。此外注意到，为了令放置于片架下端的最后一个衬底的背面形成的薄膜的情况能与其它衬底的相同，本实施例中所有生产衬底的下方还放置有一个具有第二图形的挡片603。

此外，注意到所用的监测衬底上通常也不具有图形，但由于其位于各生产衬底之上或之间，实践证明，其所处的位置使其对相邻的衬底背面形成的薄膜的情况影响不大，因此，可以不在其上加入具有第二图形的挡片，但如果对背面薄膜的一致性要求更高，也可以在每一个监测衬底的上方均放置一个具有第二图形的挡片。

图7为本发明具体实施例中具有多个挡片时的片架上各衬底和挡片的位置示意图，如图7所示，在生产衬底701之间，放置了用于监测薄膜生长情况的监测试片702，在所有生产衬底之下，放置了具有第二图形的挡片703。此外，由于监测试片702上没有图形，位于其上的衬底的背部的薄膜生长情况也会与其它衬底的不同，虽然因其位置在中部，其的差别不大，但在对生产衬底背面薄膜的一致性要求较高时，仍可以在各监测衬底702的上面，加入一个具有第二图形的挡片703。

装好各衬底及挡片后，将片架送入炉管内，进行薄膜生长(S304)。

采用本实施例中所述的薄膜形成方法进行薄膜生长后，可以实现各生产衬底之间，在背面形成的薄膜的情况一致性较好，包括位于最下端的最后一个生产衬底也会与其它生产衬底一样，表现为如图1中101所示的背面薄膜的生长情况。这样，各生产衬底的状态可以保持一致，不会在后续工艺中，如快速热退火工艺，因其状态的不一致而出现问题，可以有效提高产品的成品率。

本发明上述实施例中，采用的方法是在各挡片上刻蚀形成第二图形，以加大其表面积，使其表面积与生产衬底的表面积基本相同，实现位于不同位置的各生产衬底在背面形成的薄膜情况都一致。其中，影响到挡片表面积的为第二图形(如各沟槽)的深度及密集度，尤其是第二图形的深度对表面积(或者说，背面薄膜的形成情况)的影响更为明显，通常只要令第二图形的深度接近于第一图形的深度(即二者深度基本相等)就可以令挡片和生产衬底的表面积基本相同。

注意到，在挡片上形成的第二图形可以与生产衬底上的第一图形相同(包括图形深度和密集度)，也可以不相同，只要二者表面的图形可以令二者的表面积近似相同即可。

本发明上述实施例中，所用的是立式炉管，在本发明的其它实施例中，也可以将本发明的方法应用于卧式炉管，其也与立式炉管一样，存在着最后一个衬底背面的薄膜形成情况与其它衬底不一致的问题，在采用本发明的方法后，其同样也可以有效地缓解这一问题。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种薄膜的形成方法，其特征在于，包括步骤：

将具有第一图形的各生产衬底放置于沉积设备的片架上，

将具有第二图形的挡片放置于所述片架上，且至少有一个所述挡片位于所述各生产衬底之下，所述第二图形为凹凸不平的图形，并且挡片的表面积近似等于生产衬底的表面积，

进行薄膜生长，

对形成薄膜后的生产衬底进行快速热退火；

其中，所述快速热退火过程中对生产衬底进行实时的温度监测，并根据监测结果对生产衬底所需的退火时间进行实时的调整。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：在进行薄膜生长前，还在所述片架上放置了至少一个监测衬底。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于：各所述监测衬底位于各生产衬底之上和/或之间。

4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于：在各所述监测衬底之上还分别放置所述具有第二图形的挡片。

5.如权利要求1或4所述的形成方法，其特征在于：所述第二图形为沟槽图形。

6.如权利要求1或4所述的形成方法，其特征在于：所述第二图形的深度接近于所述第一图形的深度。

7.如权利要求1或4所述的形成方法，其特征在于：所述第一图形与所述第二图形相同。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述沉积设备的沉积室为炉管。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于：所述炉管为立式或卧式的。

10.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于：所述挡片由石英或碳化硅材料制成。

11.如权利要求10所述的形成方法，其特征在于：进行薄膜生长后，腐蚀去除所述挡片上形成的薄膜。

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