CN109023309A - 薄膜沉积方法及炉管装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种薄膜沉积方法及炉管装置。所述薄膜沉积方法，包括如下步骤：提供一晶圆，所述晶圆位于持续喷射反应气体的晶舟内；对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面，所述第一膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大；对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层，所述第二膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小。本发明沉积于晶圆表面的薄膜的厚度分布更加均匀，确保了晶圆产品的良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种薄膜沉积方法及炉管装置。
背景技术
随着智能手机、平板电脑等移动终端向小型化、智能化、节能化的方向发展，芯片的高性能、集成化趋势明显，促使芯片制造企业积极采用先进工艺，对制造出更快、更省电的芯片的追求愈演愈烈。尤其是许多无线通讯设备的主要元件需用40nm以下先进半导体技术和工艺，因此对先进工艺产能的需求较之以往显著上升，带动集成电路厂商不断提升工艺技术水平，通过缩小晶圆水平和垂直方向上的特征尺寸以提高芯片性能和可靠性，以及通过3D结构改造等非几何工艺技术和新材料的运用来影响晶圆的电性能等方式，实现硅集成的提高，以迎合市场需求。然而，这些技术的革新或改进都是以晶圆的生成、制造为基础。
在半导体的制造工艺中，为了设置分立器件和集成电路，需要在晶圆表面沉积不同的膜层。而在各种沉积薄膜的方法中，低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，LPCVD)是一种常用的方法，已经被广泛的应用到各种薄膜的沉积工艺中。而炉管则是LPCVD工艺中的主流设备。
在进行LPCVD工艺的过程中，承载晶圆的晶舟置于反应腔室内，加热器套设于所述晶舟外部，以对所述晶圆加热。这种加热方式使得晶圆表面温度分布不均匀，即晶圆的边缘由于靠近加热器因而温度较高、晶圆的中心区域由于远离加热器因而温度较低，这就使得于所述晶圆表面生长的膜层厚度不均匀，大体上呈现边缘厚、中间薄的凹型形状。而晶圆表面膜层厚度的不均匀，会导致晶圆产品良率的下降，甚至是产品的报废。
因此，如何提高晶圆表面生长的膜层厚度的均匀性，确保产品的良率，是目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供一种薄膜沉积方法及炉管装置，用于解决现有晶圆表面生长的膜层厚度均匀性较差的问题，以提高晶圆产品的良率。
为了解决上述问题，本发明提供了一种薄膜沉积方法，包括如下步骤：
提供一晶圆，所述晶圆位于持续喷射反应气体的晶舟内；
对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面，所述第一膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大；
对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层，所述第二膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小。
优选的，对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面的具体步骤包括：
环绕所述晶圆外周加热，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步升温，以形成第一膜层于所述晶圆表面。
优选的，对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面的具体步骤还包括：
调整所述晶圆升温速率，以控制所述第一膜层中心及边缘的厚度。
优选的，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层的具体步骤包括：
环绕所述晶圆外周降温，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层。
优选的，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层的具体步骤还包括：
分别检测所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度，并根据所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度调整所述晶圆的降温速率，保持所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种炉管装置，包括用于承载晶圆的晶舟以及用于向所述晶圆传输反应气体的管道，还包括控温组件；
所述控温组件用于在所述管道持续向所述晶圆喷射所述反应气体的同时先后对所述晶圆进行加热、降温，以于所述晶圆表面先后形成第一膜层和第二膜层；
所述第一膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大；所述第二膜层沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面，且厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐降低。
优选的，所述控温组件环绕所述晶舟外周设置，所述管道位于由所述控温组件围绕而成的腔室内。
优选的，还包括控制器；所述控温组件包括外壳以及分布于所述外壳夹层内的电阻丝；所述晶舟与所述管道位于所述外壳围绕而成的所述腔室内；所述控制器连接所述电阻丝，用于向所述电阻丝传输电流，以实现对所述腔室的加热和降温。
优选的，所述控制器还用于调整所述控温组件在对所述晶圆加热过程中的升温速率，以控制所述第一膜层中心及边缘的厚度。
优选的，还包括第一传感器和第二传感器；所述第一传感器用于检测所述晶圆边缘的温度，所述第二传感器用于检测所述晶圆中心的温度；所述控制器同时连接所述第一传感器和所述第二传感器，用于根据所述晶圆边缘的温度与所述晶圆中心的温度调整所述控温组件的降温速率，使得降温过程中所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
本发明提供的薄膜沉积方法及炉管装置，采用升温、降温两步工艺分别形成第一膜层和第二膜层这两层膜层来完成薄膜的沉积，其中，第一膜层的厚度沿晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大，第二膜层的厚度沿晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小，通过所述第二膜层与所述第一膜层的相互匹配，使得由所述第一膜层和所述第二膜层构成的薄膜的厚度分布更加均匀，确保了晶圆产品的良率。
附图说明
附图1是本发明具体实施方式中薄膜沉积方法的流程示意图；
附图2是本发明具体实施方式中第一膜层的结构示意图；
附图3是本发明具体实施方式中第二膜层的结构示意图；
附图4是本发明具体实施方式中最终沉积形成的薄膜的结构示意图；
附图5是本发明具体实施方式中炉管装置的截面示意图；
附图6是本发明具体实施方式中炉管装置的结构框图；
附图7是本发明具体实施方式中控温组件的温度与时间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的薄膜沉积方法及炉管装置的具体实施方式做详细说明。
本具体实施方式提供了一种薄膜沉积方法，附图1是本发明具体实施方式中薄膜沉积方法的流程示意图，附图2是本发明具体实施方式中第一膜层的结构示意图，附图3是本发明具体实施方式中第二膜层的结构示意图，附图4是本发明具体实施方式中最终沉积形成的薄膜的结构示意图。如图1-图3所示，本具体实施方式提供的薄膜沉积方法，包括如下步骤：
步骤S11，提供一晶圆，所述晶圆位于持续喷射反应气体的晶舟内。具体来说，所述反应气体在反应腔室内发生化学反应，生成物沉积于所述晶圆表面，形成覆盖于所述晶圆表面的薄膜。
步骤S12，对所述晶圆加热，以形成第一膜层21于所述晶圆表面，所述第一膜层21的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大。
为了便于控制所述第一膜层21的形状，优选的，对所述晶圆加热，以形成第一膜层21于所述晶圆表面的具体步骤包括：环绕所述晶圆外周加热，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步升温，以形成第一膜层21于所述晶圆表面。其中，沿自边缘指向中心的方向具体是指，沿自边缘指向中心的晶圆径向方向。
具体来说，如图2所示，所述晶圆置于晶舟内，环绕所述晶舟对所述晶圆加热，由于所述晶圆边缘区域较靠近热源，因此温度相对较高；而所述晶圆的中心区域较远离热源，因此温度相对较低，即所述晶圆温度呈现边缘温度高于中心温度的向心分布状态。其中，所述向心分布状态是指，沿所述晶圆边缘指向晶圆中心方向的温度分布状态。温度分布的不均匀导致沉积于所述晶圆表面膜层厚度的不均匀，随着化学沉积过程的进行，所述晶圆边缘区域的膜层沉积速率大于所述晶圆中心区域，即形成了如图2所示的第一膜层21。所述第一膜层21包括相对的第一表面211和第二表面212，其中，所述第二表面212与所述晶圆表面接触，所述第一表面211朝向所述第二表面212方向凹陷。
步骤S13，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层21表面的第二膜层31，所述第二膜层31的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小。如图3所示，所述第二膜层31包括相对的第三表面311和第四表面312，所述第三表面311朝向所述第一膜层21的方向凸出，且所述第二膜层31是在所述第一膜层21表面沉积形成的，从而使得所述第二膜层31中的凸出区域填补所述第一膜层21中的凹陷区域，形成如图4所示的结构。与传统通过单一加热步骤于晶圆表面沉积薄膜的方法相比，本具体实施方式采用加热、降温两步沉积的方式形成薄膜，利用降温步骤形成的膜层对升温步骤形成的膜层进行补偿，从而提高了所述晶圆薄膜整体厚度的均匀性。
具体来说，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层21表面的第二膜层31的具体步骤包括：环绕所述晶圆外周降温，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层21表面的第二膜层31。自所述晶圆的外周对所述晶圆降温，则所述晶圆边缘区域的降温速率要大于中心区域，使得所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的向心分布状态，从而更有利于控制所述晶圆中心区域与边缘区域的温差，以便于控制所述第二膜层31的形状。
为了进一步提高所述晶圆表面沉积的薄膜的厚度均匀性，优选的，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层21表面的第二膜层31的具体步骤还包括：分别检测所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度，并根据所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度调整所述晶圆的降温速率，保持所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
实时检测所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度，并根据所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度调整所述晶圆的降温速率，确保所述晶圆表面的温度分布，从而能够更准确的控制所述第二膜层31的厚度分布，以进一步改善由所述第一膜层21和所述第二膜层31共同构成的薄膜的整体厚度的均匀性。
优选的，对所述晶圆加热，以形成第一膜层21于所述晶圆表面的具体步骤还包括：调整所述晶圆升温速率，以控制所述第一膜层21中心及边缘的厚度。通过调整加热过程中所述晶圆的升温速率，控制所述第一膜层21的厚度分布，为后续降温步骤的温度控制提供参考，以进一步提高薄膜整体厚度的均匀性。
不仅如此，本具体实施方式还提供了一种炉管装置，附图5是本发明具体实施方式中炉管装置的截面示意图，附图6是本发明具体实施方式中炉管装置的结构框图，本具体实施方式中第一膜层的结构参见图2、第二膜层的结构参见图3、最终沉积形成的薄膜结构参见图4。如图2-图6所示，本具体实施方式提供的炉管装置包括用于承载晶圆50的晶舟52、用于向所述晶圆50传输反应气体的管道53以及控温组件54。
所述控温组件54用于在所述管道53持续向所述晶圆50喷射所述反应气体的同时先后对所述晶圆50进行加热、降温，以于所述晶圆50表面先后形成第一膜层21和第二膜层31；所述第一膜层21的厚度沿所述晶圆50中心指向边缘的方向逐渐增大；所述第二膜层31沿所述晶圆50轴向方向层叠于所述第一膜层21表面，且厚度沿所述晶圆50中心指向边缘的方向逐渐降低。
优选的，所述控温组件54环绕所述晶舟52外周设置，所述管道53位于由所述控温组件54围绕而成的腔室51内。更优选的，所述炉管装置还包括控制器61；所述控温组件54包括外壳以及分布于所述外壳夹层内的电阻丝55；所述晶舟52与所述管道53位于所述外壳围绕而成的所述腔室51内；所述控制器61连接所述电阻丝55，用于向所述电阻丝55传输电流，以实现对所述腔室51的加热和降温。
附图7是本发明具体实施方式中控温组件的温度与时间的关系示意图。通过所述控制器61增大传输至所述电阻丝55的电流，从而控制所述控温组件54将所述腔室51的温度加热至T1温度时，于所述晶圆50表面沉积形成所述第一膜层21；然后，所述控制器减小传输至所述电阻丝55的电流，从而控制所述控温组件54将所述腔室51的温度降低至T2温度时，于所述第一膜层21表面沉积形成所述第二膜层22。
优选的，所述控制器61还用于调整所述控温组件54在对所述晶圆50加热过程中的升温速率，以控制所述第一膜层21中心及边缘的厚度。
优选的，所述炉管装置还包括第一传感器62和第二传感器63；所述第一传感器62用于检测所述晶圆50边缘的温度，所述第二传感器63用于检测所述晶圆50中心的温度；所述控制器61同时连接所述第一传感器62和所述第二传感器63，用于根据所述晶圆50边缘的温度与所述晶圆50中心的温度调整所述控温组件54的降温速率，使得降温过程中所述晶圆50温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
本具体实施方式提供的薄膜沉积方法及炉管装置，采用升温、降温两步工艺分别形成第一膜层和第二膜层这两层膜层来完成薄膜的沉积，其中，第一膜层的厚度沿晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大，第二膜层的厚度沿晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小，通过所述第二膜层与所述第一膜层的相互匹配，使得由所述第一膜层和所述第二膜层构成的薄膜的厚度分布更加均匀，确保了晶圆产品的良率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种薄膜沉积方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一晶圆，所述晶圆位于持续喷射反应气体的晶舟内；
对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面，所述第一膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大；
对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层，所述第二膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面的具体步骤包括：
环绕所述晶圆外周加热，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步升温，以形成第一膜层于所述晶圆表面。
3.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，对所述晶圆加热，以形成第一膜层于所述晶圆表面的具体步骤还包括：
调整所述晶圆升温速率，以控制所述第一膜层中心及边缘的厚度。
4.根据权利要求1所述的薄膜沉积方法，其特征在于，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层的具体步骤包括：
环绕所述晶圆外周降温，使所述晶圆沿自边缘指向中心的方向逐步降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层。
5.根据权利要求4所述的薄膜沉积方法，其特征在于，对所述晶圆降温，以形成沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面的第二膜层的具体步骤还包括：
分别检测所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度，并根据所述晶圆中心与所述晶圆边缘的温度调整所述晶圆的降温速率，保持所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
6.一种炉管装置，包括用于承载晶圆的晶舟以及用于向所述晶圆传输反应气体的管道，其特征在于，还包括控温组件；
所述控温组件用于在所述管道持续向所述晶圆喷射所述反应气体的同时先后对所述晶圆进行加热、降温，以于所述晶圆表面先后形成第一膜层和第二膜层；
所述第一膜层的厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐增大；所述第二膜层沿所述晶圆轴向方向层叠于所述第一膜层表面，且厚度沿所述晶圆中心指向边缘的方向逐渐减小。
7.根据权利要求6所述的炉管装置，其特征在于，所述控温组件环绕所述晶舟外周设置，所述管道位于由所述控温组件围绕而成的腔室内。
8.根据权利要求7所述的炉管装置，其特征在于，还包括控制器；所述控温组件包括外壳以及分布于所述外壳夹层内的电阻丝；所述晶舟与所述管道位于所述外壳围绕而成的所述腔室内；所述控制器连接所述电阻丝，用于向所述电阻丝传输电流，以实现对所述腔室的加热和降温。
9.根据权利要求6所述的炉管装置，其特征在于，所述控制器还用于调整所述控温组件在对所述晶圆加热过程中的升温速率，以控制所述第一膜层中心及边缘的厚度。
10.根据权利要求9所述的炉管装置，其特征在于，还包括第一传感器和第二传感器；所述第一传感器用于检测所述晶圆边缘的温度，所述第二传感器用于检测所述晶圆中心的温度；所述控制器同时连接所述第一传感器和所述第二传感器，用于根据所述晶圆边缘的温度与所述晶圆中心的温度调整所述控温组件的降温速率，使得降温过程中所述晶圆温度呈现边缘温度低于中心温度的状态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20181218 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |