CN109778139B - 一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置，包括：设置所述加热器至一定温度，往所述腔室中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。本发明的方法可以很好的补偿由于加热器的温度不均匀和表面形貌不佳而导致所生长薄膜厚度的非均一性和表面平整度，从而延长加热器的循环使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体工艺技术领域，特别是涉及一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置。
背景技术
化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料层的工艺技术，其通过化学气相沉积设备得以实现。由于CVD制备材料时参与反应的气体分子或者离子需要根据不同工艺沉积在一定温度的基片上，因此，通常CVD设备都配备有加热基片的加热器。
通常，在工艺过程中半导体设备容易出现各种故障，为了使半导体设备处于良好运行状态，需要进行工艺设备保养(PM)，仔细检查半导体设备的退化和磨损情况，对半导体设备做好基本的更换、调整等。对于化学气相沉积设备，经常会在工艺保养时更换工艺腔室(例如，ILB TxZ腔室)中的加热器，更换新的加热器后，会出现沉积厚度的均一性不能满足工艺要求的情况。如图1所示为进行工艺保养更换加热器前后，在晶圆上所沉积TiN薄膜的厚度均匀性状况，横坐标为日期，纵坐标为非均一性(UN％)，其中前三个点是工艺保养之前所测得的数据，后三个点是工艺保养之后所测得的数据。可以看出，更换新的加热器后，薄膜的厚度均匀性变差。
现有技术中，在新更换的加热器上生长一层TiN薄膜作为过渡层来改善加热器的温度均匀性，从而希望能够改善晶圆上所生长的薄膜厚度均匀性。一般，采用四(二甲基氨基)钛(TDMAT：Ti[N(CH3)2]4)作为原料，TDMAT在一定温度下发生热分解反应，从而在加热器表面生成TiN薄膜，具体反应方程式为：
但是由于TDMAT热分解反应对高温加热器加热温度非常敏感，一旦加热器表面温度分布不均匀或者加热器表面存在突起，就会导致生长在加热器表面的TiN薄膜厚度不均，如图2所示，加热器11中斜线部分表示温度较其他部位高，那么温度高的部位所生长的TiN薄膜14厚度较厚。如图3所示为加热器11表面存在突起导致TiN薄膜14厚度不均匀，将晶圆15放置在厚度不均匀的TiN薄膜14表面进行加热生长薄膜的示意图，可以看出，加热器11表面TiN薄膜14较厚的一端(突起的一端)，则不容易将热量传递给晶圆15，导致晶圆15表面的材料分子(如可以是Ti[N(CH3)2]4反应气体12分子)较少，生成的薄膜也就较薄；另一端TiN薄膜14较薄，则容易将热量传递给晶圆15，导致晶圆表面的材料分子(如可以是Ti[N(CH3)2]4反应气体12分子)较多，生成的薄膜也就较厚，这样，在晶圆15上生长的薄膜(如TiN薄膜)厚度整体上依然不均匀。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置，用于解决现有技术中薄膜沉积不均匀的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种TiN薄膜的制作方法，所述制作方法包括：
提供一基材，将所述基材加热至一定温度；
通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述基材表面形成具有平整表面的TiN薄膜。
作为本发明TiN薄膜的制作方法的一种优化的方案，所述等离子体还用于清除所述Ti[N(CH3)2]4反应产生的碳氢基团，其中，所述等离子体包括N离子及H离子，H离子与所述碳氢基团的碳基结合，N离子与所述碳氢基团的氢基结合。
作为本发明TiN薄膜的制作方法的一种优化的方案，所述基材的温度为100℃～300℃。
作为本发明TiN薄膜的制作方法的一种优化的方案，所述含N和H元素的气体为H2和N2的混合气体或者NH3。
本发明还提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，所述方法至少包括：
设置所述加热器至一定温度，往所述腔室中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，设置所述加热器温度范围为100℃～300℃。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，设置所述加热器温度范围为150℃～250℃。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，所述含N和H元素的气体为H2和N2的混合气体或者NH3。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，所述反应气体与所述含N和H元素的气体的流量比范围为1:2～1:1。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，利用射频电源将所述气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，利用磁场进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体的概率。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法的一种和优化的方案，所述加热器表面形成的TiN薄膜厚度范围为100～200μm。
本发明还提供一种实现上述方法的装置，所述装置至少包括：
腔室；
加热器，设置于所述腔室内；
喷淋部件，位于所述腔室的顶部，所述喷淋部件与Ti[N(CH3)2]4反应气体进气管以及含N和H元素的气体进气管相连；
射频电源，与所述喷淋部件相连，用于将含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。
作为本发明改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的装置的一种优化的方案，所述装置还包括磁场线圈，所述磁场线圈环绕所述腔室，用于进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体的概率。
如上所述，本发明的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置，包括：设置所述加热器至一定温度，往所述腔室中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。本发明的方法可以很好的补偿由于加热器的温度和表面形貌而导致所生长薄膜厚度的非均一性和表面平整度，从而延长加热器的循环使用寿命。
附图说明
图1为现有技术中进行工艺保养更换加热器前后，在晶圆上所沉积TiN薄膜的厚度均匀性曲线图。
图2为现有技术中由于加热器表面温度分布不均匀，导致生长在加热器表面的TiN薄膜厚度不均的示意图。
图3为现有技术中由于加热器表面形貌不佳，导致生长在加热器表面的TiN薄膜厚度不均的示意图。
图4和图5为利用本发明的方法在加热器表面生长厚度均一的TiN薄膜的示意图。
图6为利用本发明的方法前后所生长的TiN薄膜的非均匀性曲线图。
图7为本发明中改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的装置示意图。
元件标号说明
11 加热器
12 反应气体
13 含N和H元素的气体
131 N2
132 H2
14 TiN薄膜
15 晶圆
21 腔室
22 喷淋部件
23 射频电源
24 磁场线圈
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
本实施例提供一种TiN薄膜的制作方法，所述方法至少包括：
提供一基材，将所述基材加热至一定温度；通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述基材表面形成具有平整表面的TiN薄膜。
所述基材可以是任何需要沉积TiN薄膜的部件，例如可以是需要改善加热性能的加热器也可以是需要沉积TiN薄膜的晶圆，在此不限。
作为示例，所述等离子体还用于清除所述Ti[N(CH3)2]4反应产生的碳氢基团，其中，所述等离子体包括N离子及H离子，H离子与所述碳氢基团的碳基结合，N离子与所述碳氢基团的氢基结合，从而在所述基材上生长获得具有平整表面的TiN薄膜。
作为示例，所述基材的温度为100℃～300℃。通过较低温度的基材提供较低的反应温度，当反应活性基团到达所述基材表面，较低的温度使得基团具有较低分解速率，这样，晶体的排列生长更加稳定均匀，从而为获得厚度均一性好且表面平整的TiN薄膜打下基础。
作为示例，所述含N和H元素的气体为H2和N2的混合气体或者NH3。更优选地，所述含N和H元素的气体选择为H2和N2的混合气体。采用H2和N2的混合气体的好处在于H2和N2比较容易形成等离子体，而且H2离子容易和Ti[N(CH3)2]4分解产生的C基结合，N2离子容易和Ti[N(CH3)2]4反应分解产生的H基结合，因此，H2和N2的混合气体形成的等离子体更易带走Ti[N(CH3)2]4反应分解产生的碳氢基团，从而在所述基材表面获得较纯的TiN薄膜。另外H2和N2等离子体相对较为温和，不至于破坏TiN薄膜的厚度均匀性和平整度。
本实施例的方法中，通过加入等离子体参与反应，并利用基材提供的较低的温度环境，可以成功在所述基材表面形成具有平整表面的TiN薄膜。
实施例二
本实施例提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，所述方法至少包括：
如图4、图5以及图7所示，设置所述加热器11至一定温度，往所述腔室21中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体12，同时通入含N和H元素的气体13，将所述含N和H元素的气体13处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体12并与所述反应气体12发生反应，从而在所述加热器11表面形成具有平整表面的TiN薄膜14，通过所述TiN薄膜14改善所述加热器11加热性能。
作为示例，设置所述加热器11温度范围为100℃～300℃。更优选的，设置所述加热器11温度范围为150℃～250℃。本实施例中，设置所述加热器11温度为200℃。现有技术中，进行化学气相沉积工艺时，通常使用450℃的高温加热器进行加热，高温下反应气体的热分解速率较高，不利于形成厚度均一性好的TiN薄膜。本发明通过采用的是温度相对较低的加热器11，当反应活性基团到达加热器11表面，较低的温度使得基团具有较低分解速率，这样，晶体的排列生长更加稳定均匀，从而为获得厚度均一性好且表面平整的TiN薄膜14打下基础。
作为示例，所述含N和H元素的气体13为H2和N2的混合气体或者NH3。更优选地，所述含N和H元素的气体13选择为H2和N2的混合气体。采用H2和N2的混合气体的好处在于H2和N2比较容易形成等离子体，而且H2离子容易和TDMAT分解产生的C基结合，N2离子容易和TDMAT分解产生的H基结合，因此，H2和N2的混合气体形成的等离子体更易带走TDMAT分解产生的碳氢基团，从而在所述加热器表面获得较纯的TiN薄膜。另外H2和N2等离子体相对较为温和，不至于破坏TiN薄膜的厚度均匀性和平整度。
作为示例，所述反应气体与所述含N和H元素的气体的流量比范围为1:2～1:1。更优选地，所述反应气体与所述含N和H元素的气体的流量比为2:3。本实施例中，所述反应气体与所述含N和H元素的气体的流量比为2:3。
作为示例，利用射频电源23将所述气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体12并与所述反应气体12发生反应。
等离子体的主要作用就是使得TDMAT反应气体12能在较低温度下分解。采用H2和N2混合气体131、132所形成的等离子体与Ti[N(CH3)2]4反应气体进行反应的化学方程式为：
反应的具体过程为：将Ti[N(CH3)2]4反应气体12以及H2和N2的混合气体131、132通入腔室21中，然后通过射频电源23将H2和N2的混合气体131、132转变为等离子体，等离子体包括N2 +和H2 +正离子以及电子，在所述等离子体的轰击下，Ti[N(CH3)2]4反应气体12转变为TiN(C,H)活性基团，TiN(C,H)活性基团到达加热器11表面，生长结晶，再通过充分的扩散，并且由N2 +和H2 +正离子带走TiN(C,H)活性基团中残余的C和H基团(或称碳氢键)，形成TiN薄膜14，而形成的碳氢化合物(CxHy)以及HNR2(或称碳氮氢化合物，R可以为烃基)等则作为副产物被抽出腔室外。
作为示例，可以利用磁场进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体12的概率。具体地，是通过磁场提高电子轰击所述反应气体12的概率，使在所述加热器11表面的反应更充分均匀。
作为示例，所述加热器11表面形成的TiN薄膜14厚度范围为100～200μm。更优选地，所述加热器11表面形成的TiN薄膜14厚度范围为150～200μm。本实施例中，所述加热器11表面形成的TiN薄膜14厚度为180μm。通过在加热器11表面额外生长的这层厚度均一的TiN薄膜14，作为过渡层，可以均匀将热量传递给需要加热的晶圆15各处，改善加热器11的加热性能，如图4和5所示，从而避免由于加热器11本身温度不均匀或者形貌不佳导致所生长的TiN薄膜14厚度不均一且表面不平整的情况。这样，在加热器11表面TiN薄膜14厚度均一且表面不平整的情况下，利用加热器11加热晶圆15，进行晶圆15表面TiN薄膜生长时，反应气体12分子在晶圆表面的分布也就均匀了，最终在晶圆15表面所生长的TiN薄膜厚度相应的也变得更均匀，且表面更平整。如图6所示曲线，利用本发明的方法后(后三个点)，薄膜的非均匀性从原来的5.6％下降到2.9％，有了大幅降低。
需要说明的是，本实施例在所述加热器11表面生长TiN薄膜14的方法也适用于需要在晶圆表面生长TiN薄膜的情况，即通过等离子体参与反应，可以在晶圆表面获得厚度均一性好的TiN薄膜，根据需要晶圆表面的所生长的TiN薄膜可以作为金属阻挡层等等。
本实施例还提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的装置，如图7所示，利用所述装置可以实现上述方法，所述装置至少包括：腔室21、加热器11、喷淋部件(showerhead)22以及射频电源23等。
所述加热器11设置于所述腔室21内。作为示例，所述加热器11设置于所述腔室21的底部。
所述喷淋部件22位于所述腔室21的顶部，所述喷淋部件22与Ti[N(CH3)2]4反应气体进气管以及含N和H元素的气体进气管相连，通过所述Ti[N(CH3)2]4反应气体进气管和含N和H元素的气体进气管可以分别将Ti[N(CH3)2]4反应气体12和含N和H元素的气体13引入并通过喷淋部件22将气体引入腔室21内。所述喷淋部件22与加热器11处于相对的位置，这样，喷淋部件22可以直接将反应气体12及含N和H元素的气体13朝加热器11表面方向喷淋。
所述射频电源23与所述喷淋部件22相连，用于将含N和H元素的气体13处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体12并与所述反应气体12发生反应，从而在所述加热器11表面形成具有平整表面的TiN薄膜14，通过所述TiN薄膜14改善所述加热器11的加热性能。
作为示例，所述装置还包括磁场线圈24，所述磁场线圈24环绕所述腔室21，用于进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体12的概率。
需要说明的是，本实施例的方法及装置不限于用于ILB TxZ腔室中的加热器，其他类型的CVD工艺腔室也均适用。另外，本实施例的方法及装置适用于需要改善薄膜厚度均匀性和平整度的任何类型的晶圆。
综上所述，本发明提供一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法及装置，包括：设置所述加热器至一定温度，往所述腔室中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。本发明的方法可以很好的补偿由于加热器的温度和表面形貌而导致所生长薄膜厚度的非均一性和表面平整度，从而延长加热器的循环使用寿命。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (11)
1.一种TiN薄膜的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一基材，将所述基材加热至一定温度，所述基材的温度为100℃~300℃；
通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述基材表面形成具有平整表面的TiN薄膜；所述等离子体还用于清除所述Ti[N(CH3)2]4反应产生的碳氢基团，其中，所述等离子体包括N离子及H离子，H离子与所述碳氢基团的碳基结合，N离子与所述碳氢基团的氢基结合。
2.根据权利要求1所述的TiN薄膜的制作方法，其特征在于，所述含N和H元素的气体为H2和N2的混合气体或者NH3。
3.一种改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于，所述方法至少包括：
设置所述加热器至一定温度，往所述腔室中通入Ti[N(CH3)2]4作为反应气体，同时通入含N和H元素的气体，将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能；其中，设置所述加热器温度范围为100℃~300℃。
4.根据权利要求3所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：设置所述加热器温度范围为150℃~250℃。
5.根据权利要求3所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：所述含N和H元素的气体为H2和N2的混合气体或者NH3。
6.根据权利要求3所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：所述反应气体与所述含N和H元素的气体的流量比范围为1:2~1:1。
7.根据权利要求3所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：利用射频电源将所述含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应。
8.根据权利要求7所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：利用磁场进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体的概率。
9.根据权利要求3所述的改善化学气相沉积腔室中加热器加热性能的方法，其特征在于：所述加热器表面形成的TiN薄膜厚度范围为100~200μm。
10.一种实现如权利要求3~9任一项所述方法的装置，其特征在于，所述装置至少包括：
腔室；
加热器，设置于所述腔室内；
喷淋部件，位于所述腔室的顶部，所述喷淋部件与Ti[N(CH3)2]4反应气体进气管以及含N和H元素的气体进气管相连；
射频电源，与所述喷淋部件相连，用于将含N和H元素的气体处理为等离子体，利用所述等离子体轰击所述反应气体并与所述反应气体发生反应，从而在所述加热器表面形成具有平整表面的TiN薄膜，通过所述TiN薄膜改善所述加热器加热性能。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于：所述装置还包括磁场线圈，所述磁场线圈环绕所述腔室，用于进一步提高所述等离子体轰击所述反应气体的概率。
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