CN106894080B - 一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法 - Google Patents

一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法，包括低温高速沉积步骤和高温低速沉积步骤；在低温高速沉积步骤中，温度为600℃‑640℃，转速为1.5‑2.5rpm；在高温低速沉积步骤中，温度为660℃‑690℃，转速为0.5‑1.5rpm。本发明的方法通过先低温高速沉积后高温低速沉积的组合方式沉积多晶硅薄膜，能够显著改善BOW/WARP参数。本发明工艺控制简单，有效控制多晶硅薄膜应力，满足硅基材料多晶沉积，特别是8英寸以上大直径硅基材料多晶沉积。

Description

一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法。
背景技术
重掺直拉硅片是功率半导体器件的主要衬底材料，是解决电路中α粒子引起的软失效和闩锁效应的最有效办法之一。随着国内集成电路产业的迅速发展，重掺硅基衬底材料的需求量也越来越大。随着电子器件制作过程中对质量要求的不断提高，降低有源区的金属杂质对器件电学性能和器件成品率的影响成为了各大半导体厂研究的重点，为此引入吸杂工艺。
吸杂是指通过在硅片体内或是背面引入应力、缺陷或是氧沉淀等，这些位置由于晶格畸变等更有利于过渡族金属的沉积，在经过吸杂热处理后，硅中的过渡族金属会重新分布，大部分于上述位置发生沉积，在IC表面形成一个洁净区，避免了其在有源区沉积影响器件性能。传统的吸杂工艺分为内吸杂和外吸杂两种，但是此两种方法都不好控制，随着人们对吸杂的不断研究，最后发明了增强型吸杂，即在硅基材料背面生长一层多晶硅薄膜。该工艺自从1977年由IBM公司提出以来，由于较好的吸杂效果而得到广泛的应用，同时硅基多晶硅膜的制备工艺的研究就显得尤其重要。
由于硅衬底的尺寸不断增大，传统意义上的4、5、6英寸水平炉多晶沉积方法已经无法满8英寸等大直径多晶加工要求，但是由于多晶硅吸杂效果较好，所以大直径多晶的沉积方法也成为一个不断研究的课题。硅片背面沉积的多晶硅，由于多晶晶粒间存在着晶格错配和大量的晶界，因此多晶硅薄膜本身具有一定的应力，多晶硅与单晶硅的热膨胀系数不同，因此多晶硅薄膜与硅片之间还存在着热应力。在薄膜总应力的作用下，背面沉积多晶硅的硅片会产生形变，其内部形成应力场。在沉积过程中，沉积温度对硅片内部的应力场有极大影响。随着沉积温度的升高，内应力逐渐降低，但是过高的温度会导致多晶吸杂失效，同时高温情况下气体反应速率过快，这样会导致沉积薄膜片内和片间膜厚差异增大，难以控制均匀性。现在比较常用的是LPCVD垂直炉沉积方式，虽然制备8英寸的硅基薄膜时膜厚均匀性可以满足要求，但硅片的几何参数难以控制，多晶硅膜应力较大，导致硅片弯曲(BOW)和翘曲(WARP)值较大，BOW值在-70μm到-30μm(要求大于-50μm)，WARP值在70μm到100μm(要求小于60μm)，完全不能满足后道工序的需求。
发明内容
针对以上现有技术中多晶硅薄膜弯曲(BOW)和翘曲(WARP)等几何参数难以控制，多晶硅膜应力较大的问题，本发明的目的在于提供一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法，该方法能够使大直径多晶硅膜的膜厚均匀性和几何参数得到良好的控制。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法，包括低温高速沉积步骤和高温低速沉积步骤；在低温高速沉积步骤中，温度为600℃-640℃，转速为1.5-2.5rpm；在高温低速沉积步骤中，温度为660℃-690℃，转速为0.5-1.5rpm。
优选地，在所述低温高速沉积步骤中，沉积膜厚为目标膜厚的30％-40％，生长速率为200-300埃/分钟。
优选地，在高温低速沉积步骤中，沉积膜厚为目标膜厚的60％-70％，生长速率为80-120埃/分钟。
所述低温高速沉积步骤和高温低速沉积步骤中沉积压力均为200-250MT。
本发明依据高温情况下多晶应力低，低温情况下沉积膜厚易于控制的原理，将多晶沉积过程分为两步：第一步是低温高速沉积，沉积的多晶薄膜应力相对较大，保证吸杂效果；第二步是高温低速沉积，沉积的多晶薄膜应力相对较小，同时对低温段的多晶硅膜进行二次处理，保证硅片参数，通过对此过程合理配合制备的多晶硅膜，参数良好，满足后道工序的要求。
本发明的优点在于：
本发明的方法通过先低温高速沉积后高温低速沉积的组合方式沉积多晶硅薄膜，能够显著改善BOW/WARP参数。本发明工艺控制简单，有效控制多晶硅薄膜应力，满足硅基材料多晶沉积，特别是8英寸以上大直径硅基材料多晶沉积。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
本发明的大直径硅基多晶硅膜的制备方法具体包括以下几个步骤：
1、将预沉积硅片清洗干净；
2、将硅片置于LPCVD垂直炉炉管内；
3、利用高纯N2净化炉体；
4、检查炉体密封性能；
5、调整并校准沉积温度；
6、设定好低温高速沉积的温度、压力、转速、膜厚(沉积时间)、沉积速率；
7、设定好高温低速沉积的温度、压力、转速、膜厚(沉积时间)、沉积速率；
8、净化炉体，保证硅烷全部反应或是完全从炉体内部排出；
9、开硅烷沉积，沉积后净化；
10、炉体充气，硅片出舟，从石英舟上将硅片取出；
11、整套沉积过程完毕；
12、测试膜厚均匀性、洁净区和BOW/WARP参数。
以下实施例中所得硅片的膜厚均匀性、以及BOW、WARP参数完全按SEMI标准进行测试。
实施例1
采用理片机将清洗干净的硅片理好，硅片参考面向上；将100片8英寸产品片装入垂直炉内，设定好第一步沉积时间为12min，恒温区温度为620℃，压力220MT，舟转速2rpm，第二步沉积时间为52min，恒温区温度为668℃，压力250MT，舟转速1rpm进行沉积，沉积后取出硅片，测试膜厚为8125埃，片内均匀性为0.84％(要求10％)，100片片间均匀性为1.68％(要求10％)，测试硅片BOW值(要求大于-50μm)，最大为-3μm，最小-22μm；测试WARP值(要求小于60μm)，最大35μm，最小18μm。取出一片腐蚀后用显微镜观察洁净区为55μm(要求30μm)，完全满足IC加工要求。
实施例2
采用理片机将清洗干净的硅片理好，硅片参考面向上；将100片8英寸产品片装入垂直炉内，设定好第一步沉积时间为15min，恒温区温度为640℃，压力250MT，舟转速2rpm，第二步沉积时间为48min，恒温区温度为680℃，压力200MT，舟转速1rpm进行沉积，沉积后取出硅片，测试膜厚为8215埃，片内均匀性为1.24％(要求10％)，100片片间均匀性为2.43％(要求10％)。测试硅片BOW值(要求大于-50μm)，最大为-10μm，最小-45μm；测试WARP值(要求小于60μm)，最大50μm，最小20μm。取出一片腐蚀后用显微镜观察洁净区为50μm(要求30μm)，完全满足IC加工要求。

Claims (4)

1.一种大直径硅基多晶硅膜的制备方法，其特征在于，包括低温高速沉积步骤和高温低速沉积步骤，第一步是低温高速沉积步骤，第二步是高温低速沉积步骤；在低温高速沉积步骤中，温度为600℃-640℃，转速为1.5-2.5rpm；在高温低速沉积步骤中，温度为660℃-690℃，转速为0.5-1.5rpm。
2.根据权利要求1所述的大直径硅基多晶硅膜的制备方法，其特征在于，在所述低温高速沉积步骤中，沉积膜厚为目标膜厚的30％-40％，生长速率为200-300埃/分钟。
3.根据权利要求1所述的大直径硅基多晶硅膜的制备方法，其特征在于，在高温低速沉积步骤中，沉积膜厚为目标膜厚的60％-70％，生长速率为80-120埃/分钟。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的大直径硅基多晶硅膜的制备方法，其特征在于，所述低温高速沉积步骤和高温低速沉积步骤中沉积压力均为200-250MT。
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