CN113046731A - 化学气相沉积方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种化学气相沉积方法，首先根据第一化学气相沉积工艺的工艺时间、第二膜层的厚度、第一累积厚度、第二累积厚度、第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；然后根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二化学气相沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，如此能够根据反应腔内壁上的副产物的厚度实时调整第二膜层所需的工艺时间，从而能够准确的控制第二膜层所需的工艺时间，进而在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，从而解决膜层的实际厚度与膜层的目标厚度之间存在较大的差距的问题。

Description

化学气相沉积方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学气相沉积方法。
背景技术
现今在化学气相沉积如LPCVD(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，低压化学气相沉积)方法中，在形成膜层的过程中，化学气相沉积机台的反应腔的内壁上会生长副产层，而反应腔内壁上的副产层会影响反应腔的传热及传导效率，因此会影响膜层的沉积速度，反应腔内壁上的副产层越厚对反应腔的传热及传导效率的影响越大，膜层的沉积速度越慢。由此，在沉积膜层时，需要根据反应腔内壁上的副产物层的厚度，手动调整膜层的工艺时间，以使形成的膜层的厚度达到目标厚度。但在调整膜层工艺时间时，无法实时的调整膜层的工艺时间，并且无法准确的控制膜层的工艺时间，造成膜层的实际厚度与膜层的目标厚度之间存在较大的差距。
发明内容
本发明的目的在于提供一种化学气相沉积方法，以解决无法实时及准确的调整膜层工艺时间，膜层的实际厚度与膜层的目标厚度之间存在较大的差距的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种化学气相沉积方法，包括：
提供第一半导体衬底；
将所述第一半导体衬底置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度，以得到第一累积厚度；
获取所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间及所述第一膜层的厚度；
提供第二半导体衬底；
将所述第二半导体衬底置于所述反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产层的厚度，以得到第二累积厚度；
根据所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间、所述第二膜层的厚度、所述第二累积厚度和第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；
根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二化学气相沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一膜层的材质与所述第二膜层的材质相同。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一膜层的材质与所述第二膜层的材质均为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的反应气体、气体流量、压力和温度均相同。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的反应气体均包括氨气、二氯硅烷、一氧化二氮和硅烷中的至少一种。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的温度均为450℃～850℃。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第一化学气相沉积工艺为低压化学气相沉积工艺。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，所述第二化学气相沉积工艺为低压化学气相沉积工艺。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，通过如下公式预设所述第二膜层所需的工艺时间：
Timecurrent＝Timepre+(Tubecurrent-Tubepre)*C1+(THKTarget-THKpre)/C2；
其中，Timecurrent表示为第二膜层所需的工艺时间，Timepre表示为第一化学气相沉积工艺的工艺时间，Tubecurrent表示副产物层的第二累积厚度，Tubepre表示为副产物层的第一累积厚度，THKpre表示为第一膜层的厚度，THKTarget表示第二目标厚度，C1表示为副产层的厚度与工艺时间之间的相关系数，C2表示为第一膜层的沉积速率。
可选的，在所述的化学气相沉积方法中，副产物层的厚度与工艺时间之间的相关系数，通过如下公式得到：
C1＝(Time2-Time1)/(THK2-THK1)；
其中，THK1表示为第一副产层厚度，THK2表示为第二化学气相沉积工艺执行前的反应腔内壁副产物累积厚度，Time1表示为第一副产层对应的工艺时间，Time2表示为第二副产层对应的工艺时间，并且Time2>Time1>0，THK2>THK1≥0。
在本发明提供的化学气相沉积方法中，先根据第一化学气相沉积工艺的工艺时间、第二膜层的厚度、第一累积厚度、第二累积厚度和第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；然后根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二化学气相沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，如此能够根据反应腔内壁上的副产物的厚度实时调整第二膜层所需的工艺时间，从而能够准确的控制第二膜层所需的工艺时间，进而在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，从而解决膜层的实际厚度与膜层的目标厚度之间存在较大的差距的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的化学气相沉积方法的流程示意图；
图2～3是本发明实施例的化学气相沉积方法中形成的第一半导体衬底的结构剖面示意图；
图4是本发明实施例的化学气相沉积方法中的副产层的厚度与对应的工艺时间之间的关系图；
图5～6是本发明实施例的化学气相沉积方法中形成的第二半导体衬底的结构剖面示意图；
其中，附图标记说明如下：
101-第一半导体衬底；110-第一膜层；201-第二半导体衬底；210-第二膜层。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的化学气相沉积方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图1，其为本发明实施例提供的化学气相沉积方法的流程示意图。如图1所示，所述化学气相沉积方法包括：
步骤S1：提供第一半导体衬底；
步骤S2：将所述第一半导体衬底置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度，以得到第一累积厚度；
步骤S3：执行第一化学气相沉积工艺，以在所述第一半导体衬底上形成第一膜层；
步骤S4：获取所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间及所述第一膜层的厚度；
步骤S5：提供第二半导体衬底；
步骤S6：将所述第二半导体衬底置于所述反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产层的厚度，以得到第二累积厚度；
步骤S7：根据所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间、所述第二膜层的厚度、所述第一累积厚度、所述第二累积厚度和第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；
步骤S8：根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层。
下面将结合图2～6更详细地介绍本实施例所提供的化学气相沉积方法。其中，图2～3是本发明实施例的化学气相沉积方法中形成的第一半导体衬底的结构剖面示意图；图4是本发明实施例的化学气相沉积方法中的副产层的累积厚度与对应的工艺时间之间的关系图；图5～6是本发明实施例的化学气相沉积方法中形成的第二半导体衬底的结构剖面示意图。
首先，执行步骤S1，参考图2，提供半导体衬底101。具体的，所述第一半导体衬底101的材质可以包括半导体材质、导体材质或者它们的任意组合；以及，所述第一半导体衬底101可以为单层结构，也可以为多层结构。例如，所述第一半导体衬底101可以是Si、SiGe、SiGeC、SiC、GaAs、InAs或InP。
接着，执行步骤S2，将第一半导体衬底101置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度，以得到第一累积厚度。
所述反应腔为化学气相沉积工艺机台的反应腔，其用于执行沉积工艺。其中，所述反应腔用于对多个批次的半导体沉积执行沉积工艺，以分别在多个批次的所述第一半导体衬底101上形成半导体膜层。每一批次中的半导体衬底的数量至少为一个。此外，每一批次中的半导体衬底上形成的半导体膜层的材质可以相同。所述半导体膜层的材质例如可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅。
在形成半导体膜层的过程中，会在反应腔的内壁上形成副产物层，并且，反应腔内壁上的副产物层，会随着执行的沉积工艺的次数增加，而累积的越来越厚。
本实施例中，将第一半导体衬底101置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度的方法包括：将第一半导体衬底101置于反应腔内后，统计反应腔清洗保养之后(即反应腔内壁上的副产物层被清洗之后)，采用所述反应腔执行的所有沉积工艺的次数，并获取各沉积工艺中形成的半导体膜层的厚度。根据低压化学沉积工艺的特性(在每次的沉积工艺过程中，形成于反应腔内壁上的副产物层的厚度与形成于半导体衬底上的膜层的厚度相等)。通过每次沉积工艺中在半导体衬底上形成的膜层的厚度，可以得到执行第一化学气相沉积工艺之前的前反应腔内壁上的副产物层的累积厚度。例如，在反应腔保养清洗之后,在执行第一化学气相沉积工艺前，在所述反应腔内依次执行过三种沉积工艺，沉积工艺A,沉积工艺B,沉积工艺C，沉积工艺A执行过2次，沉积工艺B执行过3次，以及沉积工艺C执行过1次。其中，沉积工艺A中形成的半导体膜层A的厚度例如为0.1μm,沉积工艺B中形成的半导体膜层厚度例如为0.12μm,沉积工艺C中形成的半导体膜层的厚度例如为0.2μm。则所述反应腔内壁上的副产物层的累积厚度为0.1μm*2+0.12μm*3+0.2μm*1＝0.76μm。将第一半导体衬底101置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度的目的是，获取执行第一化学气相沉积工艺之前的反应腔内壁上的副产物层的厚度，以在后续的工艺中预设第二膜层所需的工艺时间。
接着，执行步骤S3：参考图3，执行第一化学气相沉积工艺，以在所述第一半导体衬底101上形成第一膜层110。所述第一膜层110的材质可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅。具体的，执行所述第一化学气相沉积工艺的方法包括：在所述反应腔内通入反应气体，所述反应气体包括氨气、二氯硅烷、一氧化二氮和硅烷中的至少一种。在执行所述第一化学气相沉积工艺的过程中，在形成所述第一膜层的同时也会在所述反应腔的内壁上形成副产物层，即会使得反应腔内壁上的副产物层的累积厚度增加。
本实施例中，所述第一化学气相沉积工艺可以为低压化学气相沉积工艺(LPCVD)，所述第一化学气相沉积工艺采用的反应气体可以根据所述第一膜层110的材质设置，例如，所述第一膜层110的材质为氮化硅，则所述第一化学气相沉积工艺采用的反应气体可以包括氨气(NH3)和二氯硅烷(DCS)。所述第一膜层110的材质为氧化硅，则所述第一化学气相沉积工艺采用的反应气体可以包括一氧化二氮(N2O)和二氯硅烷(DCS)。所述第一膜层110的材质为多晶硅，则所述第一化学气相沉积工艺采用的反应气体可以包括硅烷(SiH4)。
本实施例中，所述第一化学气相沉积工艺的沉积时间可以为0.1min～300min，所述第一化学气相沉积工艺的工艺温度可以为450℃～850℃，例如150℃、200℃、300℃、400℃或者800℃。
接着，执行步骤S4，获取所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间及所述第一膜层的厚度。其中，获取的所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间及所述第一膜层的厚度用于计算第二膜层所需的工艺时间。
进一步的，所述第一膜层110的厚度可以通过现有技术得到，例如通过膜厚测量机台对所述第一膜层110的厚度进行测量，从而得到所述第一膜层110的厚度。
接着，执行步骤S5，参考图5，提供第二半导体衬底201。所述第二半导体衬底201的材质与所述第一半导体衬底101的材质可以相同。
接着，执行步骤S6，将第二半导体衬底201置于所述反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产层的厚度，以得到第二累积厚度。
接着，执行步骤S7，根据所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间、所述第二膜层的厚度、所述第一累积厚度、所述第二累积厚度、第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间。
本实施例中，所述第二膜层的材质与所述第一膜层110的材质相同，即所述第二膜层的材质可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅。在此，所述第二膜层的材质与所述第一膜层110的材质相同的目的是，保证预设的第二膜层所需的工艺时间的准确性。
进一步的，所述第二膜层的目标厚度可以根据第二膜层的材质及工艺需求设定，不同的材质设定的目标厚度不同，例如，第二膜层的材质为氮化硅则所述第二膜层的目标厚度可以设定为10埃～5000埃。更进一步的，所述第二膜层的目标厚度不同，预设的所述第二膜层所需的工艺时间也不同。
具体的，通过如下公式，预设所述第二膜层所需的工艺时间：
Timecurrent＝Timepre+(Tubecurrent-Tubepre)*C1+(THKTarget-THKpre)/C2；
其中，Timecurrent表示为第二膜层所需的工艺时间，Timepre表示为第一化学气相沉积工艺的工艺时间，Tubecurrent表示为副产物层的第二累积厚度，Tubepre表示为副产物层的第一累积厚度，THKpre表示为第一膜层的厚度，THKTarget表示为第二膜层的目标厚度，C1表示为副产层的厚度与工艺时间之间的相关系数，C2表示为第一膜层的沉积速率，Tubepre≥0。
所述第一膜层的沉积速率C2可以通过第一产品的厚度与第一化学气相沉积工艺的工艺时间的比值得到。
本实施例中，副产物层的厚度与工艺时间之间的相关系数，通过如下公式得到：
C1＝(Time2-Time1)/(THK2-THK1)；其中，THK1表示为副产层的第二累积厚度，THK2表示为副产层的第二累积厚度，Time1表示为第一副产层对应的工艺时间，Time2表示为第二副产层对应的工艺时间，并且Time2>Time1>0，THK2>THK1≥0。其中，所述第一副产累积层与所述第二副产累积层的表示为厚度不同的两个副产层。例如，参考图4，在副产层的第一累积的厚度为12μm，则所需的沉积时间为82min，当副产层的第二累积厚度B的厚度为25μm，则所需的沉积时间为83min，则C1＝(83-82)/(25-12)。
本实施例中，通过上述公式预设第二膜层所需的工艺时间，如此在后续执行第二化学气相沉积工艺时能够根据副产累积层的厚度实时调整第二膜层所需的工艺时间，从而能够准确的控制第二膜层所需的工艺时间。
接着，执行步骤S8，参考图6，根据预设的第二膜层210所需的工艺时间执行第二化学气相沉积工艺，以在所述第二半导体衬底201上形成所述目标厚度的第二膜层210。其中，所述第二化学气相沉积工艺为低压化学气相沉积工艺(LPCVD)。
本实施例中，第一化学气相沉积工艺和第二化学气相沉积工艺表示采用的工艺菜单(包括气体种类、气体流量、温度和压力)相同，且批次不同的两个化学气相沉积工艺。所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的气体种类、气体流量、温度和压力均相同，即所述第一化学气相沉积工艺采用的气体种类与所述第二化学气相沉积工艺采用的气体种类相同，所述第一化学气相沉积工艺采用的气体流量与所述第二化学气相沉积工艺采用的气体流量相同，所述第一化学气相沉积工艺的温度与所述第二化学气相沉积工艺的温度相同，所述第一化学气相沉积工艺的压力与所述第二化学气相沉积工艺的压力相同。
本实施例中，上述步骤可以作为标准化步骤而通过自动化程序或者软件实现，如此，可以节省人力。
此外，在执行所述第二化学气相沉积工艺时，也会形成副产层于所述反应腔的内壁上，进一步的，当反应腔内壁上的副产层的累积厚度为5μm～100μm时，可对所述反应腔进行保养清洗工艺，以去除所述反应腔内壁上的所述副产层，由此避免因所述副产层的厚度较厚而影响膜层的沉积速率，进而避免因膜层的沉积速率较小而导致的化学气相沉积工艺的工艺时间过长。
综上可见，在本发明提供的化学气相沉积方法中，先根据第一化学气相沉积工艺的工艺时间、第二膜层的厚度、第一累积厚度、第二累积厚度和第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；然后根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二化学气相沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，如此能够根据反应腔内壁上的副产物的厚度实时调整第二膜层所需的工艺时间，从而能够准确的控制第二膜层所需的工艺时间，进而在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层，从而解决膜层的实际厚度与膜层的目标厚度之间存在较大的差距的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种化学气相沉积方法，其特征在于，包括：
提供第一半导体衬底；
将所述第一半导体衬底置于反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产物层的厚度，以得到第一累积厚度；
执行第一化学气相沉积工艺，以在所述第一半导体衬底上形成第一膜层；
获取所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间及所述第一膜层的厚度；
提供第二半导体衬底；
将所述第二半导体衬底置于所述反应腔内，并获取所述反应腔内壁上的副产层的厚度，以得到第二累积厚度；
根据所述第一化学气相沉积工艺的工艺时间、所述第二膜层的厚度、所述第一累积厚度、所述第二累积厚度和第二膜层的目标厚度，预设第二膜层所需的工艺时间；
根据预设的第二膜层所需的工艺时间执行第二沉积工艺，以在所述第二半导体衬底上形成所述目标厚度的第二膜层。
2.如权利要求1所述化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一膜层的材质与所述第二膜层的材质相同，并且所述第一膜层的目标厚度与所述第二膜层的目标厚度相同。
3.如权利要求2所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一膜层的材质与所述第二膜层的材质均为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者多晶硅。
4.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的反应气体、气体流量、压力和温度均相同。
5.如权利要求4所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的反应气体均包括氨气、二氯硅烷、一氧化二氮和硅烷中的至少一种。
6.如权利要求5所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一化学气相沉积工艺与所述第二化学气相沉积工艺采用的温度均为450℃～850℃。
7.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第一化学气相沉积工艺为低压化学气相沉积工艺。
8.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，其特征在于，所述第二化学气相沉积工艺为低压化学气相沉积工艺。
9.如权利要求1所述的化学气相沉积方法，其特征在于，通过如下公式预设所述第二膜层所需的工艺时间：
Timecurrent＝Timepre+(Tubecurrent-Tubepre)*C1+(THKTarget-THKpre)/C2；
其中，Timecurrent表示为第二膜层所需的工艺时间，Timepre表示为第一化学气相沉积工艺的工艺时间，Tubecurrent表示为副产物层的第二累积厚度，Tubepre表示为副产物层的第一累积厚度，THKpre表示为第一膜层的厚度，THKTarget表示为第二膜层的目标厚度，C1表示为副产层的厚度与工艺时间之间的相关系数，C2表示为第一膜层的沉积速率。
10.如权利要求9所述的化学气相沉积方法，其特征在于，副产物层的厚度与工艺时间之间的相关系数，通过如下公式得到：
C1＝(Time2-Time1)/(THK2-THK1)；
其中，THK1表示为副产层的第一累积厚度，THK2表示为副产层的第二累积厚度，Time1表示为第一累积厚度的副产层对应的工艺时间，Time2表示为第二累积厚度的副产层对应的工艺时间，并且Time2>Time1>0，THK2>THK1≥0。
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