CN103184438B

CN103184438B - 薄膜的热处理方法及热处理装置、化学气相沉积装置

Info

Publication number: CN103184438B
Application number: CN201110456281.8A
Authority: CN
Inventors: 林静
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2016-02-17
Anticipated expiration: 2031-12-30
Also published as: CN103184438A

Abstract

本发明提供了一种薄膜的热处理方法及热处理装置、化学气相沉积装置，利用低压化学气相沉积工艺沉积预定厚度的薄膜之后，对薄膜进行所述热处理，其包括以下步骤：向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体，气体与薄膜发生反应。本发明中的热处理方法能修复薄膜中的缺陷，且不会造成薄膜结晶，提高了薄膜的性能。

Description

薄膜的热处理方法及热处理装置、化学气相沉积装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是涉及一种薄膜的热处理方法及热处理装置；另外，本发明还涉及一种化学气相沉积装置。

背景技术

在超大规模集成电路(UltraLargeScaleIntegratedCircuit，ULSIC)时代，随着半导体工艺复杂程度的增加，在半导体衬底上沉积符合物理、机械、化学、电学等特性的薄膜变得越来越重要。所谓薄膜，是指一种生长在半导体衬底上的固体物质，它的某一维尺寸(通常是指厚度)远远小于另外两维上的尺寸。所述薄膜可以是导体、绝缘物质或者半导体材料，例如它可以是二氧化硅(SiO₂)、氮化硅(Si₃N₄)、多晶硅及金属等等。

在半导体衬底上沉积薄膜的工艺有多种，化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)工艺是一种常见的沉积工艺。而化学气相沉积工艺又可划分为常压化学气相沉积(APCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、高密度等离子体增强化学气相沉积(HDPCVD)等几种工艺。利用化学气相沉积(CVD)工艺在半导体衬底上沉积薄膜时，为了避免薄膜会结晶以致其性能不佳，通常会选择低压化学气相沉积(LPCVD)工艺形成所述薄膜。沉积完所需厚度的薄膜后，薄膜中通常会存在许多缺陷，因此会再对其进行一次快速退火(RapidThermalAnnealing，RTA)处理。经过快速退火处理后的薄膜的某些性能有所改善，但同时退火处理有可能会使薄膜结晶，以致薄膜的性能大大降低。

特别的，所述薄膜可以是高K介电层(这里的K用于衡量一种材料的存储电荷的能力)。随着半导体集成电路的集成度越来越高，集成电路中组成器件的尺寸越来越小，尤其是当半导体工艺进入到45纳米以后，传统的晶体管面临着越来越多无法克服的技术问题，如栅极介电层的EOT(EquivalentOxideThickness，等效氧化层厚度)无法进一步缩小，沟道漏电流等。因此，经过不断探索后人们研发了一种新型晶体管，这种晶体管结构中包括高K介电层与金属栅极构成的堆叠结构。因此，高K介电层的性能变得越来越重要。

利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在半导体衬底上沉积所需厚度的高K介电层后，人们发现形成的高K介电层存在许多缺陷，如氧空位、悬挂键、不饱和键等。当所述缺陷密度较大时，高K介电层内部会形成电流通路，以致高K介电层会产生漏电流的现象。类似的，沉积完高K介电层后，现有技术中常用的做法是对其进行快速退火处理，以改善高K介电层的性能。但是退火处理有可能会使高K介电层结晶，以致高K介电层的性能大大降低，如结晶会影响高K介电层的电阻率。

发明内容

本发明要解决的问题是：利用低压化学气相沉积工艺沉积完薄膜后，对其进行的退火处理会使薄膜结晶，影响薄膜的性能。

为解决上述上述问题，本发明提供了一种薄膜的热处理方法，所述薄膜是利用低压化学气相沉积工艺形成，所述热处理方法包括：

向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体，所述气体与所述薄膜发生反应。

可选的，所述薄膜是经过两次或两次以上低压化学气相沉积工艺形成，每次利用低压化学气相沉积工艺形成预定厚度的薄膜之后，对所述薄膜进行所述热处理。

可选的，所述薄膜的材质为高K介电层。

可选的，所述热处理温度为25℃～600℃。

可选的，所述热处理时间为5s～100s。

可选的，进行所述热处理时紫外光的波长为1nm～200nm。

可选的，所述气体包括H₂、D₂中的至少一种。

可选的，所述气体还包括O₂、N₂、NH₃、NO、N₂O中的至少一种。

另外，本发明还提供了一种薄膜热处理装置，其包括：

处理腔室，其设置有气体导入口；

适于对所述处理腔室进行加热的加热装置；

设置在所述处理腔室内的基座；

设置在所述基座上方的适于吸附半导体衬底的吸附装置；

设置在所述处理腔室内的紫外光光源。

可选的，紫外光的波长为1nm～200nm。

同时，本发明还提供了一种化学气相沉积装置，其包括处理腔室、设置在所述处理腔室内的紫外光光源。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：对薄膜进行的热处理能修复薄膜中的缺陷，且不会造成薄膜结晶，提高了薄膜的性能。

附图说明

图1是本发明中薄膜热处理方法的示意图。

具体实施方式

如前所述，本发明要解决的问题是：利用低压化学气相沉积工艺沉积完薄膜后，对其进行的退火处理会使薄膜结晶，影响薄膜的性能。

为解决上述问题，本发明在沉积完薄膜后，向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体，通入的气体在紫外光(UV)的作用下具有足够的活化能并能与薄膜发生反应，以修复薄膜中的缺陷，且通过控制热处理工艺参数，如紫外光的波长、热处理温度、热处理时间、反应气体等，使热处理后的薄膜不会结晶，从而提高薄膜的性能。

作为本发明的一个优选方案，可使薄膜由多次(两次或两次以上)沉积工艺形成，并且每次沉积工艺之后均对其进行热处理，这样形成的薄膜性能更佳。

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，提供半导体衬底100，利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在半导体衬底100上沉积预定厚度的薄膜200。然后，对薄膜200进行热处理，所述热处理步骤包括：向具有预设温度、暴露于紫外光(UV)下的处理腔室(未图示)中通入气体300，在紫外光的作用下气体300具有足够的活化能以与薄膜200发生反应，以修复薄膜200中的缺陷。这里的所谓气体300与薄膜200发生反应是指气体300填补薄膜200中的空位、悬挂键、不饱和键等缺陷，从而使薄膜200中的缺陷得以修复。

作为本发明的一个优选技术方案，薄膜200可利用多次(两次或两次以上)低压化学气相沉积工艺形成，每次沉积完预定厚度的薄膜后，即对薄膜进行所述热处理，这样，获得的薄膜200性能更佳。

假定薄膜200是利用两次低压化学气相沉积工艺形成，则薄膜200的热处理过程为：如图1所示，在半导体衬底100上沉积预定厚度的第一层薄膜200a，对第一层薄膜200a进行热处理，其包括：向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体300，气体300与第一层薄膜200a发生反应，以修复第一层薄膜200a中的缺陷；然后在第一层薄膜200a上沉积第二层薄膜200b，对第二层薄膜200b进行热处理，其包括：向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体300，气体300与第二层薄膜200b发生反应，以修复第二层薄膜200b中的缺陷。

当然，薄膜200也可利用两次以上的沉积工艺形成，沉积的次数及每次沉积的厚度可根据制造周期、制造成本、薄膜得以修复的程度等因素确定。

对薄膜200进行所述热处理时，热处理的效果与一些工艺参数紧密相关，如热处理温度、紫外光的波长、热处理时间、气体的种类等等。具体的，这些参数需根据薄膜200的材质设定。

薄膜200可以是很多种常见的、能利用低压化学气相沉积工艺形成的材料，它可以是导体、绝缘物质或者半导体材料。在本发明的实施例中，以高K介电层为例。继续参图1所示，提供半导体衬底100，利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺在半导体衬底100上沉积预定厚度的高K介电层200，沉积温度可为200℃～500℃，高K介电层200的厚度可为然后，对高K介电层200进行热处理，所述热处理步骤包括：向具有预设温度、暴露于紫外光(UV)下的处理腔室(未图示)中通入气体300，在紫外光的作用下气体300具有足够的活化能与高K介电层200发生反应，以修复高K介电层200中的缺陷。这里的所谓气体300与高K介电层200发生反应是指气体300填补高K介电层200中的氧空位、悬挂键、不饱和键等缺陷，从而使高K介电层中的缺陷得以修复。

具体的，进行所述热处理时，热处理温度优选为25℃～600℃，热处理时间优选为5s～100s，紫外光的波长为1nm～200nm。气体300可包括H₂、D₂(D为H的一种同位素，即为氘)中的至少一种。但考虑到纯H₂是一种危险的气体，因此，气体300还可包括O₂、N₂、NH₃、NO、N₂O中的至少一种。

同上所述，高K介电层200也可利用多次(两次或两次以上)低压化学气相沉积工艺形成，每次沉积完预定厚度的高K介电层200后，即对高K介电层200进行所述热处理，这样，获得的高K介电层200性能更佳。

假定高K介电层200是利用两次低压化学气相沉积工艺形成，则高K介电层200的热处理过程为：继续参图1所示，在半导体衬底100上沉积预定厚度的第一层高K介电层200a，对第一层高K介电层200a进行热处理，其包括：向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体300，气体300与第一层高K介电层200a发生反应，以修复第一层高K介电层200a中的缺陷；然后在第一层高K介电层200a上沉积第二层高K介电层200b，对第二层高K介电层200b进行热处理，其包括：向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体300，气体300与第二层高K介电层200b发生反应，以修复第二层高K介电层200b中的缺陷。

当然，高K介电层也可利用两次以上的沉积工艺形成，沉积的次数及每次沉积的厚度可根据制造周期、制造成本、高K介电层得以修复的程度等因素确定。

另外，本发明还提供了一种薄膜热处理装置(未图示)，其包括：处理腔室，处理腔室上设置有气体导入口；适于对处理腔室进行加热的加热装置；设置在处理腔室内的基座；设置在基座上方的适于吸附半导体衬底的吸附装置，该吸附装置可以是静电吸盘(ESC)等；置于处理腔室内的紫外光光源。

在半导体衬底上沉积薄膜之后，将形成有薄膜的半导体衬底置于处理腔室中的位于基座上方的吸附装置上，然后就可对薄膜进行热处理了，即利用加热装置对处理腔室进行加热，当加热至预定温度后，向处理腔室的气体导入口中通入反应气体，并开启紫外光光源，在紫外光的作用下气体能与薄膜发生反应并修复薄膜中的缺陷。特别的，当紫外光光源的波长设置为1nm～200nm时，此热处理装置可专门用于对高K介电层进行热处理。当然，热处理装置中的紫外光光源优选为可替换的光源，如紫外灯等，并且紫外光光源的波长可也为其它波长，以对其它材质的薄膜进行热处理。

本发明还提供了一种化学气相沉积装置，它包括处理腔室、设置在处理腔室内的紫外光光源。现有的化学气相沉积装置中也会包括：处理腔室，处理腔室上设置有气体导入口，以便在半导体衬底上沉积薄膜；适于对处理腔室进行加热的加热装置；设置在处理腔室内的基座；设置在基座上方的适于吸附半导体衬底的吸附装置，如静电吸盘(ESC)等。由此可看出，当在现有的化学气相沉积装置中增设紫外光光源之后，此化学气相沉积装置不仅可用于在半导体衬底上沉积薄膜，沉积完薄膜之后还可对其进行热处理，以修复薄膜中的缺陷。而且，当薄膜是经过多次沉积工艺形成时，该装置可以大大减少热处理的时间。

上述通过实施例的说明，应能使本领域专业技术人员更好地理解本发明，并能够再现和使用本发明。本领域的专业技术人员根据本文中所述的原理可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下对上述实施例作各种变更和修改是显而易见的。因此，本发明不应被理解为限制于本文所示的上述实施例，其保护范围应由所附的权利要求书来界定。

Claims

1.一种薄膜的热处理方法，其特征在于，所述薄膜是利用低压化学气相沉积工艺形成的高K介电层，所述热处理方法包括：

向具有预设温度、暴露于紫外光下的处理腔室中通入气体，所述气体与所述薄膜发生反应，以填补所述薄膜中的氧空位、悬挂键或不饱和键，从而使所述薄膜中的缺陷得以修复，所述气体包括H₂、D₂中的至少一种，以及O₂、N₂、NH₃、NO、N₂O中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述薄膜是经过两次或两次以上低压化学气相沉积工艺形成，每次利用低压化学气相沉积工艺形成预定厚度的薄膜之后，对所述薄膜进行所述热处理。

3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述热处理温度为25℃～600℃。

4.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，所述热处理时间为5s～100s。

5.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于，进行所述热处理时紫外光的波长为1nm～200nm。