CN103540909A - 一种lpcvd沉积多晶硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种LPCVD沉积多晶硅的方法，通过在沉积之前分阶段升温，以及在沉积之后分阶段降温，从而使管壁上的沉积颗粒物在温度变化过程中能够脱落，然后利用同步的氮气吹洗，保证这些颗粒物不会对晶圆表面造成污染，不仅增加了多晶硅薄膜的沉积品质，同时由于减少内管在单次沉积过程中累计的沉积颗粒物，增加了内管的检修周期，从而提升了生产效率。

Description

一种LPCVD沉积多晶硅的方法

技术领域

本发明揭示了一种多晶硅的制作方法，属于半导体制造领域，特别是一种使用低压化学气相沉积工艺制作多晶硅的方法。

背景技术

20世纪60年代作为初期生产的铝栅MOSFET，它的速度，集成度，电源电压，与双极电路的兼容性都已无法满足应用的需要，因此开始使用多晶硅薄膜作为自对准绝缘栅场效应晶体管的栅极材料和互连材料。随着集成电路的发展，多晶硅的应用也越来越广，如用于差值氧化以简化工艺流程；用于负载电阻以缩小电路单元等等。

在各种制作多晶硅的方法中，低压化学气相沉积（Low Pressure ChemicalVapor Deposition，以下简称LPCVD）因其成熟的工艺，相对低廉的成本以及不错的制作效率成为了最常用的手段。

参见图1，图1是一种现有的LPCVD设备。该LPCVD设备主要包括了外管1、内管2以及晶舟3。外管1起到了密封腔的作用，内管2则提供了沉积所需的反应室，而晶舟3位于内管2中，上面装载了多片晶圆。在外管1的底部，还包括了进气管道4和出气管道5。进气管道4用以向外管1和内管2通入各种所需的气体，该进气管道4一般可以分为多个气路支路（图中未示出），通过每个气路支路上的气阀控制，实现分别向外管1和内管2中通入气体。出气管道5则连接一外部真空泵（图中未示出），该真空泵用以控制外管1和内管2中的气压情况。

由于LPCVD工艺沉积多晶硅时，对多反应室内的颗粒物含量要求非常高，应该保持尽量少的颗粒物污染出现在晶圆上。然而内管2在使用过程中，无法避免的会在管壁上累积一些由反应气体造成的颗粒物，这些颗粒物容易在一次沉积过程中脱落产生颗粒物污染，从而影响晶圆上的多晶硅品质。因此需要经常对内管2进行清洗和检修。

但是对内管的清洗和检修非但不能杜绝管壁上的颗粒物对沉积工艺带来的不良影响。同时频繁的检修周期也拖慢了整个半导体工艺的产能。因此如何减少一次沉积工艺在内管上产生的颗粒物杂质成为了解决管壁颗粒物污染源的根本手段。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种LPCVD沉积多晶硅的方法，该方法利用现有的LPCVD设备，通过对工艺的改进，减少了内管管壁上的颗粒物，从而改善了多晶硅的沉积品质，同时减少了内管的检修周期，使得生产效率大大提高。

根据本发明的目的提出的一种LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：包括待机阶段、晶舟装载阶段、抽真空阶段、检漏阶段、内管清洗阶段、模拟沉积阶段、沉积阶段、后清除阶段、返压阶段以及晶舟卸载阶段，其中所述抽真空阶段和所述内管清洗阶段中具有升温步骤，该升温步骤将内管内的温度从待机温度升温到沉积温度，所述后清除阶段中具有降温步骤，该降温步骤将内管内温度从沉积温度降到待机温度。

优选的，所述待机阶段中，对内管和外管通入氮气进行吹洗，其中内管内的氮气流量大于外管内的氮气流量。

优选的，所述抽真空阶段包括：以真空泵30%的抽力进行慢抽、全开小抽阀抽气以及全开大抽阀抽气三个步骤，同时在该三个步骤中各自包括一升温步骤。

优选的，所述检漏阶段具体为：停止真空泵抽气，然后监视本底气压，整个检漏时间持续10分钟以上，同时设定标准值，将该时间之后测得的本底气压与标准值进行比较，如果测得的本底气压小于标准值，则认为内外管密封性能良好，不存在漏气，可以进行下一步骤，反之，则说明内外管内存在漏气，需要停止本次沉积工艺，对LPCVD设备进行检修。

优选的，所述内管清洗阶段具体为通过三路氮气管路以及硅烷管路通氮气，对内管进行吹洗，同时该阶段具有一升温步骤。

优选的，所述后清除阶段包括：首先需要将管道内的特气抽空，然后再通入氮气进行吹洗，并以此循环3次，每次氮气吹洗的同时进行降温步骤。

优选的，所述待机温度为560度，所述沉积温度为620度。

优选的，所述沉积阶段中，使用硅烷作为沉积气体。

优选的，所述抽真空阶段中，最后抽到的本底气压为0.2torr-0.4torr。

本发明的LPCVD沉积多晶硅的方法，在该沉积方法中，通过在沉积之前分阶段升温，以及在沉积之后分阶段降温，从而使管壁上的沉积颗粒物在温度变化过程中能够脱落，然后利用同步的氮气吹洗，保证这些颗粒物不会对晶圆表面造成污染，不仅增加了多晶硅薄膜的沉积品质，同时由于减少内管在单次沉积过程中累计的沉积颗粒物，增加了内管的检修周期，从而提升了生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种现有的LPCVD设备结构示意图；

图2是现有的LPCVD工艺流程图；

图3是本发明的LPCVD沉积多晶硅的方法流程图。

具体实施方式

为了清楚的说明本发明的改进之处，有必要对现有的LPCVD工艺做一下简单介绍。请参见图2，图2是现有的LPCVD工艺流程图，如图所示，将一次沉积过程分为如下几个阶段，分别为：待机阶段、晶舟装载阶段、抽真空阶段、检漏阶段、模拟沉积阶段、沉积阶段、后清除阶段、返压阶段以及晶舟卸载阶段。在上述各个阶段中，考虑到工艺的稳定性，将温度设定为恒定，即从待机阶段开始一直到结束，内管内的温度都是同一个温度。改变的是内管的压力参数以及气体的流量和种类。

经本发明人研究发现，现有的LPCVD，容易导致在内管壁上沉积颗粒物，理由如下：第一、由于反应的温度是恒定不变的，沉积时由反应气体沉积在内管管壁上的颗粒容易产生积累，久而久之，当颗粒物积累到一定厚度时容易造成污染；第二、反应气体即硅烷的流量，很大程度决定了沉积薄膜的速率和晶粒，现有的LPCVD将反应中硅烷的流量高达400sccm，在该流量下，虽然硅的沉积速率得到了保证，但却容易在管壁上沉积出比较松散的硅颗粒，造成当次工艺的污染；第三，现有的LPCVD中，会在反应室中通入少量的磷烷，而磷烷的存在会抑制硅晶粒的生长，从而需要更多的时间去进行沉积，结合第二点中硅烷的流量，会导致更多的硅颗粒在管壁上结成。

因此本发明针对以上分析中存在的问题，对现有的LPCVD沉积多晶硅的工艺做出了如下改进：第一、在沉积过程中引入温度变化的机制，使沉积在管壁上的多晶硅在温度变化中产生脱落，不易引起堆积，同时考虑沉积工艺的稳定性，将温度的变化分多个阶段进行，减少温度剧烈变化引起的波动。第二、将硅烷的流量减少至现有的一半，同时增加正常沉积的时间，使硅晶粒生产的更加致密。第三，省去沉积中的磷烷气体，保证硅烷的正常反应。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图3，图3是本发明的LPCVD沉积多晶硅的方法流程图，如图所示，该LPCVD沉积方法包括：

一、在待机阶段：本阶段主要是对内外管以及各个支气管路做氮气吹洗，此时将氮气管路分成4个支路，第一氮气管路负责给外管吹气，第二、三、四管路负责给内管吹气。同时硅烷气管中通入氮气进行吹洗。各个管路中氮气的流量分别为：第一氮气管路：5000sccm、第二氮气管路：5000sccm、第三氮气管路：5000sccm、第四氮气管路：5000sccm、硅烷管路：500sccm。对于这些气体流量的设定，以满足将支气管路以及内外管吹洗即可。需要指出的是，在本发明中，特意将外管中的氮气流量设定为远远小于内管中的氮气流量，这样在内外管中形成的气流方向，可以优先保证内管内部的反应室能够被吹洗干净。该阶段中，温度设定在560℃，气压为大气压。

二、晶舟装载阶段：本阶段中，将设有晶圆的晶舟装载至内管中，气路方面，保持氮气对内外管的吹气，同时硅烷管路里持续通入氮气吹洗。温度保持不变，在晶舟装载过程中，保持反应室内气压不变。

三、抽真空阶段：本阶段主要依靠外部的真空泵对内外管内气体进行抽离，逐渐减小内外管内的气压值，直至目标气压为止。该抽气阶段分为：1、以真空泵30%的抽力进行慢抽，慢抽持续时间为5分钟左右。此时真空泵的抽力较小，可以防止内管内环境因气压突变引起的振动等不良影响，同时该阶段中温度缓慢上升10度，达到570℃。2、全开小抽阀抽气，抽气时间持续10分钟，直至本底气压降至3torr以下，同时该阶段中温度缓慢上升10度，达到580℃。3、全开大抽阀抽气，抽气时间持续15分钟，通过该阶段的抽气，基本使内管内的残留气体被抽尽，本底气压进一步缩小至0.2torr-0.4torr，同时该阶段中温度缓慢上升20度，达到600℃。该三次抽气步骤结束后，测量本底气压，确定内管内气压已经达到确定值，防止因本底气压的变化而影响薄膜厚度。本发明的抽气阶段具有如下几个改进：第一、增加了慢抽阶段，使得内管内气压变化时，得以平稳过渡；第二，在三个阶段分别进行缓慢升温，使升温过程持续的时间足够长，减少了因温度的急剧变化对晶圆带来的损伤。

四、检漏阶段：停止真空泵抽气，然后监视本底气压，整个检漏时间持续10分钟以上，同时设定标准值，将该时间之后测得的本底气压与标准值进行比较，比如标准气压为2torr，则10分钟后，如果测得的本底气压小于2torr，则认为内外管密封性能良好，不存在漏气，可以进行下一步骤，反之，则说明内外管内存在漏气，需要停止本次沉积工艺，对LPCVD设备进行检修，找到漏气源并加以修复。本发明的检漏阶段同现有技术相比，将检漏时间提高至10分钟，这样测得的数据更加具有代表性。

五、内管清洗阶段：对内管中的三路氮气管路以及硅烷管路通氮气，对内管进行吹洗，持续10分钟。同时该阶段中温度缓慢上升20度，达到620℃。至此，管内温度达到沉积需要温度。整个温度变化过程分在4个阶段中进行，使得内管内的温度变化始终处于平缓升温，从而对晶圆的影响减少到最小。另外由于在温度升高的过程中，可能使存在内管壁上的杂质颗粒物脱落，同时由于温度升高会使内管中产生一些水气，通过该步骤的氮气吹洗，可以将这些杂质颗粒物进一步去除，使得LPCVD中的温度升高产生的污染物被减少。

六、模拟沉积阶段：首先利用设置在内外管里的温度检测装置对内外管的温度进行检测，并在沉积压力下进行温度校正，使温度压力两个参数达到沉积条件，在硅烷管路中通入氮气，使气体流量达到沉积时的气体流量。此时除沉积气态外，温度、压力以及气体流量均达到沉积条件。利用该全条件进行模拟沉积，检测此时设备状态，如果一切正常，则进行下一步骤，反正则停止此次沉积，对设备进行检修。

七、沉积阶段：该阶段通入硅烷对晶圆进行多晶硅的沉积，硅烷流量为200sccm，沉积温度为620℃，沉积气压为0.2torr，沉积时间为1.5小时左右。相比较现有技术，本发明将硅烷流量减少至原来的一半，同时将温度提高至620℃，以弥补因流量减少而带来的沉积速率降低温度，同时由于流量减少，因此沉积出来的多晶硅晶粒具有更加致密的性质。

在进行正式沉积之前，需要对流量控制器进行清零，这样一来就可以避免在沉积过程中出现气体峰值而导致的沉积偏差。

八、后清除阶段：在沉积结束之后，因为在沉积过程中引入了沉积气体，因此需要将这些特气吹净，以避免引起污染。具体清除时，首先需要将管道内的特气抽空，然后再通入氮气进行吹洗，如此循环3次，保证管道及内管内没有残留特气。同时，在氮气吹洗的同时进行逐步降温，每次温度下降20度，直至到待机温度为止。与现有技术相比，本发明的后清除阶段，采用了循环式的氮气吹洗，并且在每次吹洗的时候都逐步降温。一方面由于有温度变化会使原本积累在管壁上沉积得颗粒物脱落，因此通过氮气的吹洗可以洗净这些由于在沉积过程中造成的管壁沉积物，减少了单次沉积过程中内管壁上的累积沉积物，延长了内管检修的周期。另一方面，可以降低原有工艺在沉积完成之后，可能由残余特气引起的污染问题。

九、返压阶段，通过对该阶段，将内外管内的气压重新返回至大气压，以方便将晶圆取出。返压阶段与抽气阶段相同，首先以30%的抽气速率开启真空泵，同时使用小抽阀，将管内气压缓慢上升至10torr左右，然后关闭小轴阀，使管内气压自动恢复至大气压。

十、晶舟卸载阶段：将载有晶圆的晶舟从内管内取出，完成整个沉积过程。在该阶段中，需要持续通入氮气吹洗，氮气的流量与待机状态相同，确保外管中的氮气流量小于内管中的氮气流量。

通过以上的LPCVD制作的多晶硅沉积薄膜，由于沉积时采用较低的硅烷气体流量，同时升高了沉积温度以及杜绝磷烷的使用，保证了沉积薄膜的品质。

综上所述，本发明提出了一种LPCVD沉积多晶硅的方法，在该沉积方法中，通过在沉积之前分阶段升温，以及在沉积之后分阶段降温，从而使管壁上的沉积颗粒物在温度变化过程中能够脱落，然后利用同步的氮气吹洗，保证这些颗粒物不会对晶圆表面造成污染，不仅增加了多晶硅薄膜的沉积品质，同时由于减少内管在单次沉积过程中累计的沉积颗粒物，增加了内管的检修周期，从而提升了生产效率。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：包括待机阶段、晶舟装载阶段、抽真空阶段、检漏阶段、内管清洗阶段、模拟沉积阶段、沉积阶段、后清除阶段、返压阶段以及晶舟卸载阶段，其中所述抽真空阶段和所述内管清洗阶段中具有升温步骤，该升温步骤将内管内的温度从待机温度升温到沉积温度，所述后清除阶段中具有降温步骤，该降温步骤将内管内温度从沉积温度降到待机温度。

2.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述待机阶段中，对内管和外管通入氮气进行吹洗，其中内管内的氮气流量大于外管内的氮气流量。

3.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述抽真空阶段包括：以真空泵30%的抽力进行慢抽、全开小抽阀抽气以及全开大抽阀抽气三个步骤，同时在该三个步骤中各自包括一升温步骤。

4.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述检漏阶段具体为：停止真空泵抽气，然后监视本底气压，整个检漏时间持续10分钟以上，同时设定标准值，将该时间之后测得的本底气压与标准值进行比较，如果测得的本底气压小于标准值，则认为内外管密封性能良好，不存在漏气，可以进行下一步骤，反之，则说明内外管内存在漏气，需要停止本次沉积工艺，对LPCVD设备进行检修。

5.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述内管清洗阶段具体为通过三路氮气管路以及硅烷管路通氮气，对内管进行吹洗，同时该阶段具有一升温步骤。

6.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述后清除阶段包括：首先需要将管道内的特气抽空，然后再通入氮气进行吹洗，并以此循环3次，每次氮气吹洗的同时进行降温步骤。

7.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述待机温度为560度，所述沉积温度为620度。

8.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述沉积阶段中，使用硅烷作为沉积气体。

9.如权利要求1所述的LPCVD沉积多晶硅的方法，其特征在于：所述抽真空阶段中，最后抽到的本底气压为0.2torr-0.4torr。

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