CN101393854A - 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：将晶片放置于沉积室内；分别通过第一气路和第二气路将第一反应气体和惰性气体通入所述沉积室内；停止通入所述惰性气体，通过第二气路将第二反应气体通入所述沉积室内；沉积薄膜；停止通入所述第二反应气体和所述第一反应气体；取出所述晶片。采用本发明的薄膜形成方法，可以避免反应气体在气路中混和发生反应，减少了在晶片上形成的颗粒缺陷，改善了薄膜的形成质量，提高了生产的成品率。

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

随着器件关键尺寸的缩小，对晶片表面玷污的控制变得越来越关键。如果在生产过程中引入了颗粒等污染源，就可能引起电路的开路或断路，因而在半导体工艺制造中，如何在工艺制造中避免对晶片的污染是必须要关注的问题。随着生产中设备自动化程度的提高，人员与产品的交互变少，防止生产中带来颗粒等污染源的重点已更多地放到了生产设备所产生的颗粒上面。如设备长期工作后，其内部各组件上会积累一些附着物，该附着物达到一定厚度后很可能会脱落、转移到晶片上，从而导致对晶片的颗粒玷污，使得生产的成品率降低。

在各种生产设备中，化学气相沉积(CVD，Chemical Vapor Deposition)设备的颗粒污染问题是关注的重点之一，这是由其工作原理所决定的。化学气相沉积设备通常会用于形成氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅等薄膜，沉积时，向沉积室内通入气态的含有形成薄膜所需的原子或分子的化学物质，该化学物质在沉积室内混合并发生反应，最终在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物。

如果在上述薄膜生长过程中产生了颗粒污染，在晶片上形成了颗粒缺陷，则会影响到后续工艺的正常进行。图1为说明现有技术中薄膜上具有颗粒缺陷时的刻蚀结果的器件剖面图，如图1所示，对衬底101上的薄膜102进行刻蚀时，若晶片表面平整没有缺陷，刻蚀开孔103的边缘整齐，图形完整；但若晶片表面存在颗粒104，则会导致刻蚀开孔105的边缘变形严重，而这一刻蚀图形的变形，会造成器件性能下降，产品的成品率降低。

为减轻化学气相沉积设备内的颗粒污染问题对产品成品率的影响，在生产中，通常都会在沉积室运作一段预定时间或沉积室内污染到一定的预定程度后，对沉积室进行在位清洗，通入可与附着物发生反应的气体去除部分附着物，以减轻污染程序。另外，因在位清洗方法不能彻底去除沉积室内的附着物，在该设备运作较长一段时间后，还需要对沉积室进行湿法清洗以较为彻底地消除附着物。

但是，机台在运作过程中，还未达到预计的湿法清洗时机，在晶片的表面也会落有一些颗粒，且这些颗粒在晶片上的位置分布具有一定的规律。图2为现有的表面存在颗粒污染的晶片示意图，如图2所示，此时晶片201的颗粒缺陷202基本分布于晶片的两侧。通过对沉积室内的气流进行分析发现，该位置是晶片上最先接触反应气体流的位置，因而可以认为，该部分颗粒应该是由用于通入反应气体的气路直接吹至晶片上。如果能够解决这部分颗粒污染问题，不仅可以有效提高薄膜的生长质量，而且可以有效减少设备所需的清洗次数。然而，目前尚无解决该类颗粒污染问题的具体方案。

申请号为02143321.6的中国专利申请公开了一种减少沉积室杂质含量的方法，该方法在对沉积室进行定期的清洗后，利用不同于制造程序的材料在沉积室的内表面形成一层保护层，该保护层在生产制造程序与沉积室内表面之间起到隔离作用，可以减少因生产制造程序与沉积室内表面发生反应而产生的颗粒杂质数；然后，执行一次制造程序，完成暖机操作，再进入正式的生产运行。但是，该申请所公开的方法只是应用于沉积室清洗后，阻止的是制造程序与沉积室内表面间的相互作用，其应用范围较窄，且该方法也无法解决前面图2中所示的由气路中带来的颗粒污染问题。

发明内容

本发明提供一种薄膜的形成方法，以改善现有的薄膜生长过程中易由气路中产生部分颗粒污染的问题。

本发明提供的一种薄膜的形成方法，包括步骤：

将晶片放置于沉积室内；

分别通过第一气路和第二气路将第一反应气体和惰性气体通入所述沉积室内；

停止通入所述惰性气体，通过第二气路将第二反应气体通入所述沉积室内；

沉积薄膜；

停止通入所述第二反应气体和所述第一反应气体；

取出所述晶片。

其中，所述沉积室为低压化学气相沉积设备的沉积室。

其中，所述薄膜为氮化硅薄膜。

其中，所述第一反应气体为氨气，所述第二反应气体为二氯硅烷。

优选地，所述第一反应气体的流量在150至1000ml/min之间，所述第二反应气体的流量在50至750ml/min之间。

优选地，所述惰性气体为氮气或氩气，且所述惰性气体的流量在50至750ml/min之间。

其中，在通入第一反应气体和惰性气体之前，还包括步骤：

通入惰性气体。

其中，在取出所述晶片之前，还包括步骤：

通入惰性气体。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的薄膜的形成方法，在通过第一气路通入第一反应气体的同时，在第二气路通入了惰性气体，避免了反应气体在气路中混和、发生反应的现象，降低了在气路中形成生成物颗粒的几率，减少了晶片上的颗粒缺陷，改善了薄膜的形成质量，提高了产品的成品率。

本发明的薄膜的形成方法操作简便，易于实现，在无需增加额外的工艺步骤的情况下，缓解了设备的颗粒污染问题，减少了设备所需的湿法清洗次数，提高了设备的利用率及生产的效率。

附图说明

图1为说明现有技术中薄膜上具有颗粒缺陷时的刻蚀结果的器件剖面图；

图2为现有的表面存在颗粒污染的晶片示意图；

图3为本发明具体实施例中所用的沉积室的示意图；

图4为本发明具体实施例中所用的沉积室仅在一个气路中通入气体时的示意图；

图5为本发明具体实施例中薄膜形成方法的流程图；

图6为本发明具体实施例中所用的沉积室同时通入第一反应气体与惰性气体时的沉积室示意图；

图7为采用本发明具体实施例的薄膜形成方法形成薄膜后的晶片表面示意图。

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。

图3为本发明具体实施例中所用的沉积室的示意图，本发明的具体实施例中，所用的设备为低压化学气相沉积设备(LPCVD)，该设备的沉积室为炉管，通常由石英制成。其可以为立式炉管，也可以为卧式炉管，如图3所示，本图中所示的为立式炉管。该炉管包括炉管壁301，带进气口309的进气管302、排气口303、置于炉管内的晶舟(Boat)304，炉管的底座306，以及穿过底座306与进气管302相连的第一气路311与第二气路312。

进行化学气相沉积工艺时，先利用将底座306(其与炉管壁301一起形成沉积室的密闭空间)升入炉管内的方式，将带有晶片的晶舟304升入炉管内，并利用加热系统将炉管加热至反应气体发生化学反应生成薄膜所需的温度；然后，将用于生成薄膜材料的反应气体分别通过第一气路311与第二气路312通入进气管302，并通过其上的进气口309导入炉管壁301内；此时，炉管内的温度已达到反应气体发生反应所需的温度，该反应气体在炉管内混合后会发生化学反应，在晶片表面聚集形成希望形成的固态薄膜和气态产物(其中的气态产物可以通过排气口303排出)；最后取出晶片，完成晶片上薄膜的生长。

传统的薄膜形成方法中，常有薄膜在生长过程中需要先通入一种反应气体，然后再通入第二种反应气体的情况，如在利用氨气与二氯硅烷(DCS)反应形成氮化硅薄膜的过程中，一方面由于DCS的燃点较低，遇空气易自燃，较为危险；另一方面也是为了形成较好的薄膜质量，需要在晶片表面形成负氮状态；通常需要向炉管内先通入一段时间的氨气，再利用另一气路通入DCS气体。但是，采用该种传统的薄膜形成方法生成的薄膜上往往存在前面图2中所示的颗粒污染问题，薄膜的形成质量不佳。

为避免在晶片上出现前面图2中所示的颗粒污染现象，先要对产生该污染的原因进行分析，通过对图2中晶片上颗粒污染分布情况的分析，可以确认该部分颗粒是从用于通入反应气体的气路内直接吹至晶片上的。另外，通过对该部分颗粒的进一步的观察分析，该部分颗粒为白色颗粒，确认其的主要成份为氮化硅。

根据上述分析，结合传统的氮化硅薄膜的形成方法，可以推定出产生图2中所示的颗粒污染的原因所在：氮化硅薄膜生长过程中，先通过第一气路311(或第二气路312)通入一段时间的氨气(约3至5分钟)，由于此时的第二气路312(或第一气路311)内未通入任何气体，氨气会同时充盈于该第二气路312内。

图4为本发明具体实施例中所用的沉积室仅在一个气路中通入气体时的示意图，如图4所示，此时，通过第一气路311通入的第一反应气体，如氨气，会在流入进气管302的同时，流入第二气路312中。

另外，如图3所示，第一气路311与第二气路312的交接处位于炉管的底部，当炉管加热至沉积所需温度，如600至700℃之间时，该第一气路311与第二气路312交接处的温度至少也在400至500℃之间，在这一温度下，通入的反应气体也会发生部分化学反应。

这样，当开始由第二气路312通入另一反应气体DCS时，在第一气路311与第二气路312交接处，两种反应气体会发生混和，且其所处的温度也达到了其反应所需的度数，结果在该交接处发生化学反应，生成了氮化硅。且因第一气路311与第二气路312较为狭窄，该处产生的氮化硅生成物易积累至一定厚度，气路内的气流量较大，该处的生成物也易发生脱落。因此，在沉积室(炉管)仍未达到需清洗的时间时，就会有部分于该处产生的氮化硅颗粒随着反应气体到达炉管内，并在晶片表面形成了图2中所示的颗粒缺陷202。

在确定图2中所示的颗粒污染的产生原因后，本发明针对该原因对薄膜的形成方法进行了改进，克服了上述颗粒污染问题，提高了薄膜的形成质量及生产的成品率。

图5为本发明具体实施例中薄膜形成方法的流程图，下面结合图5对本发明的具体实施例进行详细介绍。

首先，将待沉积薄膜的晶片放置于沉积室内(S501)。本实施例中，所用的沉积设备为低压化学气相沉积设备，所用沉积室为图3中所示的炉管，待沉积的薄膜为氮化硅薄膜。将晶片置于沉积室内后，将沉积室加热至化学反应生成薄膜时所需的温度，本实施例中，可以将温度设置在600至700℃之间，如为650℃。

在这一加热沉积室的过程中，为了保护晶片，可以同时向炉管内通入惰性气体，如氮气、氩气、氦气等，待加热温度稳定后，需要通入反应气体正式进行薄膜生长时再停止通入该惰性气体。

然后，分别通过第一气路和第二气路将第一反应气体和惰性气体通入沉积室内(S502)。为了防止出现前面图4中所示的第一反应气体流入第二气路的问题，本实施例中，采用了在第一气路通入第一反应气体的同时，在第二气路通入惰性气体的方法。

图6为本发明具体实施例中所用的沉积室同时通入第一反应气体与惰性气体时的沉积室示意图，如图6所示，在通过第一气路311通入第一反应气体的同时，通过第二气路312通入了惰性气体。本实施例中，待生长的薄膜为氮化硅薄膜，所需用到的第一和第二反应气体为氨气和DCS，其中，在通入DCS前，通常需要先通入第一反应气体——氨气3至5分钟。为了避免这段时间内氨气流至并充盈于第二气路312中，本实施例中，在通入第一反应气体的同时在第二气路312中通入了惰性气体，如氮气、氩气、氦气等中的任一种。

注意到，在本发明的其它实施例中，也可以在较早或较晚时候通入惰性气体，如在氨气通入2分钟后，再通入惰性气体，同样也能达到将第二气路312中的第一反应气体赶出第二气路312的目的。

其中的惰性气体的流量设置通常可以为氨气流量的1/3左右，在这一流量比例关系下，可以达到较为理想的效果：一方面可以防止惰性气体流量过小，不能很好地阻止氨气向第二气路312的流动；另一方面可以防止惰性气体流量过大，导致氨气被稀释，影响后续的薄膜形成质量。本实施例中，假设第一反应气体——氨气的流量设置在150至1000ml/min之间，如为750ml/min，则对应地，可将惰性气体的流量设置在50至750ml/min之间，如为150ml/min。

在通入第一反应气体和惰性气体一段时间后，停止通入惰性气体，通过第二气路将第二反应气体通入沉积室内(S503)。由于在通入第一反应气体时采取了本实施例中的同时通入惰性气体的方法，不会再如传统的薄膜形成方法一样，出现第一反应气体充盈于第二气路312中的问题，因此，当本实施例中在通过第二气路312通入第二反应气体为DCS时，不会在第二气路312内发生第一反应气体(氨气)与第二反应气体(DCS)的混和，也就不会在第二气路312内形成氮化硅，有效避免了前面所述的薄膜生长过程中，在晶片上形成如图2中所示的氮化硅颗粒污染的问题，提高了薄膜的形成质量。

本步中DCS的流量大小通常可以与前面S502中通入的惰性气体的流量大小相同(对炉管内气流的稳定有利)，本实施例中同样也可以将其设置在50至750ml/min之间，如为150ml/min。

保持通入第一反应气体与第二反应气体一段时间，以在晶片上形成一定厚度的薄膜(S504)。其中，具体的第一反应气体与第二反应气体的通入时间是根据所需生长的薄膜的厚度确定的。

当薄膜生长达到所需的厚度时，停止通入第二反应气体和第一反应气体(S505)。注意到，本步中，由于DCS的燃点较低，遇空气易自燃，较为危险，通常会先停止通入第二反应气体——DCS，再停止通入第一反应气体——氨气。此时，即使出现第一反应气体流入第二气路中也不会有问题，因为在取出晶片前，不会再在第二气路中通入第二反应气体，也就不会再在第二气路中发生两种反应气体的混和。

另外，为了取出晶片，在停止通入各反应气体后，通常还需要向沉积室内通入大量惰性气体，一方面是令沉积室(本实施例中为炉管)内气压升高，有利于沉积室的打开(对于LPCVD设备需要在沉积薄膜前对沉积室进行抽真空的处理，沉积室内的气压会低于大气压)；另一方面是将沉积室内残留的各反应气体赶出，防止其在打开沉积室时污染环境。具体地，可以通入大量的氮气。

最后，取出晶片，完成薄膜的生长(S506)。

图7为采用本发明具体实施例的薄膜形成方法形成薄膜后的晶片表面示意图，如图7所示，此时的晶片701上已无明显的颗粒缺陷，前面图2中所示的具有一定分布的颗粒缺陷已不再存在。

采用上述本发明具体实施例的方法形成的氮化硅薄膜，避免了反应气体在气路中发生混和，有效降低了在气路中形成的氮化硅量，减少了薄膜上形成的颗粒缺陷，改善了薄膜的形成质量。

另外，本发明的薄膜的形成方法还可以在无需增加额外的工艺步骤的情形下，减轻了设备的颗粒污染问题，减少了设备所需的湿法清洗次数，提高了设备的利用率和生产效率。

本实施例中的第一气路311为直达进气管302的气路，第二气路312为通过旁边的支路与进气管302相连的气路(如图6中所示)，在本发明的其它实施例中，也可以将两个气路的定义互换一下，即将第一气路设为通过旁边的支路与进气管相连的气路，令第一反应气体(如氨气)通过其进入进气管；将第二气路设为直达进气管的气路，令第二反应气体(如DCS)通过其进入进气管。

由于此时在仅通入第一反应气体时，同样会出现第一反应气体流至第二气路的问题，在该种情形下同样可以采用本发明的方法来避免前面所述的氮化硅颗粒污染问题的产生，其具体实施步骤与思路均和本实施例相似，在本发明具体实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本发明的上述实施例仅例举了沉积室具有两个气路的情况，在本发明的其它实施例中，本发明的方法还可以适用于具有两个以上气路的情况，此时，只要在需要先通入一种反应气体——第一反应气体的情况下，在其它气路内同时通入惰性气体即可(可将除第一气路之外的其它气路均视为第二气路)，其具体实施步骤与思路均和本实施例相似，在本发明具体实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

本发明的上述实施例仅例举了形成氮化硅薄膜的情形，在本发明的其它实施例中，还可以将本发明的方法用于形成其它多种薄膜的生长，如氧化硅薄膜、氮氧化硅薄膜、碳化硅薄膜等，只要是在薄膜的形成过程中，各种反应气体不是同时通入沉积室内，会造成反应气体在各气路中发生混和，产生反应的薄膜生长的情形，都适用于本发明的薄膜形成方法，可以达到减少薄膜上颗粒污染，提高薄膜形成质量的目的。

同样地，本发明的薄膜形成方法还可以适用于其它化学气相沉积设备，如常压化学气相沉积(APCVD)设备、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)设备等，其解决的问题与实现的思路均与本实施例类似，在本发明具体实施例的启示下，这一应用的延伸对于本领域普通技术人员而言是易于理解和实现的，在此不再赘述。

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 (10)

1、一种薄膜的形成方法，其特征在于，包括步骤:

将晶片放置于沉积室内；

分别通过第一气路和第二气路将第一反应气体和惰性气体通入所述沉积室内；

停止通入所述惰性气体，通过第二气路将第二反应气体通入所述沉积室内；

沉积薄膜；

停止通入所述第二反应气体和所述第一反应气体；

取出所述晶片。

2、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于:所述沉积室为低压化学气相沉积设备的沉积室。

3、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于:所述薄膜为氮化硅薄膜。

4、如权利要求3所述的形成方法，其特征在于:所述第一反应气体为氨气，所述第二反应气体为二氯硅烷。

5、如权利要求1或3所述的形成方法，其特征在于:所述第一反应气体的流量在150至1000ml/min之间。

6、如权利要求1或3所述的形成方法，其特征在于:所述第二反应气体的流量在50至750ml/min之间。

7、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于:所述惰性气体为氮气或氩气。

8、如权利要求1或7所述的形成方法，其特征在于:所述惰性气体的流量在50至750ml/min之间。

9、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在通入第一反应气体和惰性气体之前，还包括步骤:

通入惰性气体。

10、如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，在取出所述晶片之前，还包括步骤:

通入惰性气体。

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