CN115506011A - 一种改善立式lpcvd设备镀膜效果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，该方法是在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行真空捡漏、工艺压强控制、工艺气流场调控、薄膜沉积、工艺管道升压吹扫，通过增加工艺气流场调控环节，改善立式LPCVD设备的薄膜沉积的工艺效果，不仅可以改善立式LPCVD设备的沉积薄膜厚度的均匀性及重复稳定性，也可以改善薄膜沉积工艺的颗粒度。因此，本发明方法，能够最大限度的弥补国产立式LPCVD设备自身硬件条件的不足，并使得沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度满足用户要求，对于推广国产设备产业化应用具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件制造领域，涉及一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法。
背景技术
晶硅薄膜在电学、力学、光学等方面有着多种优良的特性，被广泛应用于半导体器件和MEMS器件制造领域。在CMOS器件中，用掺杂多晶硅代替金属，可用作MOS器件的栅极材料，可实现源极、漏极、栅极自行排布，大幅度减小密勒电容的影响，利于提高器件性能和集成度。此外，晶硅薄膜还可作为单层或多层的引线，用作不同器件电路中的器件绝缘隔离层、欧姆接触引线、负载电阻、结构层材料等，其薄膜质量直接影响器件电路性能的可靠性和稳定性。不仅如此，多晶硅薄膜凭借独有的吸杂特性，已广泛用于集成电路衬底硅片的表面吸杂。
晶硅薄膜的制备方法包括：低压化学气相沉积法(LPCVD)、常压化学气相沉积法(APCVD)、固相晶化、金属诱导晶化、电子束蒸发等，其中LPCVD法在成膜致密性、台阶覆盖性、薄膜缺陷密度等方面具有较好的表现，成为该领域的首选方式。然而，目前国产立式LPCVD设备在沉积晶硅薄膜时，仍然在厚度均匀性、稳定重复性及工艺颗粒度三个方面存在较大差距，并不能满足用户的要求，这加剧了国产设备产业化的推广阻力。因此，基于目前国产立式LPCVD设备本身存在的缺陷，针对性的开发出一种与之相匹配的薄膜沉积工艺，以最大限度的弥补国产立式LPCVD设备自身硬件条件的不足，并使得沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度满足用户要求，对于推广国产设备产业化应用具有重要意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，该方法最大限度的弥补国产立式LPCVD设备自身硬件条件的不足，并使得沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度满足用户要求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，所述方法是在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行以下处理：
(1)真空捡漏：检查工艺管是否漏气；
(2)工艺压强控制：漏率检测合格后，通入氮气吹扫气路管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下；
(3)工艺气流场调控：以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作至少3次；
(4)薄膜沉积：在设定的压强条件下，通入反应气源，在半导体衬底表面沉积薄膜；
(5)工艺管道升压吹扫：完成薄膜淀积后，通入氮气吹扫工艺管及排气管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下，以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作至少3次，调节压强为常压，出舟。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(1)中，包括以下处理：关闭立式LPCVD设备所有进气气路阀门，抽真空，若工艺管的压强能降低至≤10Pa，则关闭抽气蝶阀，若关闭5分钟以后，工艺管的真空漏率≤2Pa/min，则表示漏率检测合格。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(3)中，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，压强上下浮动的调节范围为10Pa～80Pa，气体流量上下浮动的调节范围为100sccm～2000sccm。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(3)中，每次上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，当上浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为10min，当下浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为5min。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(4)中，在半导体衬底表面沉积薄膜时，设定工艺管的压强为20Pa～40Pa，气体流量为300sccm～600sccm。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(4)中，在半导体衬底表面沉积薄膜时，所述半导体衬底为8吋硅基晶圆、碳化硅晶圆或氮化镓晶圆；所述反应气源为硅烷。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(5)中，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，压强上下浮动的调节范围为10Pa～80Pa，气体流量上下浮动的调节范围为100sccm～2000sccm。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(5)中，每次上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，当上浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为10min，当下浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为5min。
上述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，进一步改进的，所述(5)中，所述调节压强为常压的过程中通入氮气，所述氮气的流量≤5slm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
针对现有立式LPCVD设备存在的硬件条件难以改善的缺陷，以及由此导致的气流场波动问题以及沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度不能满足用户要求等缺陷，本发明中创造性地提供了一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行真空捡漏、工艺压强控制、工艺气流场调控、薄膜沉积、工艺管道升压吹扫，通过增加工艺气流场调控环节，改善立式LPCVD设备的薄膜沉积的工艺效果，具体为：在沉积薄膜前后以工艺压强为基准点，通过上下浮动的方法调控工艺管的压强大小和气流量，反复触动蝶阀开度自调节功能，达到改善真空控制系统灵敏性的目的，由此提高工艺管的控压效果，即提高气流场的稳定一致性，进而改善立式LPCVD设备的沉积薄膜厚度的均匀性及重复稳定性，同时，在反复调控压强和气流量的情况下，气体流速会出现循环性骤变，沉积在工艺筒、晶舟或晶圆表面的绝大多数薄膜颗粒会随气流场排出工艺管道，由此进一步改善了薄膜沉积工艺的颗粒度。因此，本发明方法，能够最大限度的弥补国产立式LPCVD设备自身硬件条件的不足，并使得沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度满足用户要求，对于推广国产设备产业化应用具有重要意义。
附图说明
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
图1为本发明中改善立式LPCVD设备镀膜效果的流程示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例
对于立式LPCVD设备，工艺筒对称性套在均热管内部，二者竖直放置，进气口在工艺筒底部，排气管接口在均热管底部，排气管终端连接定频干泵，排气管中间连接可自行调节的蝶阀。高温低压状态下，工艺管中形成从工艺筒底部至顶部的气流场，压强恒定状态下，蝶阀开度大小根据气体流量实时自行调节。
在晶硅薄膜沉积过程中，气体SiH4通过进气口进入低压工艺管，气体一方面形成从工艺筒底部至顶部的气流场，另一方面因高温低压而向四周扩散，气体分子吸附到晶圆或管壁表面并受热分解而沉积成膜。在真空管道系统中，只要SiH4气体受热并扩散到可触及的地方，均可分解并沉积成膜。所以，排气管道中的蝶阀及转轴表面、真空压力表、气动阀门等气体分子可扩散接触到的地方均可有SiH4气体分解产物的沉积，这就一定程度上影响了真空控制系统的控压效果，特别是蝶阀开度大小的自我调节能力。
对于立式LPCVD设备而言，真空控制系统直接决定气流场的稳定性，进而决定沉积薄膜厚度的均匀性及重复稳定性。为提高薄膜沉积的工艺效果，就需要改善真空控制系统的灵敏性。然而，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜时，在常规晶硅薄膜沉积工艺条件下沉积晶硅薄膜仍然存在薄膜片内、片间均匀性差，且工艺颗粒度大等缺陷，如表1所示，常规晶硅薄膜沉积工艺条件下沉积的晶硅薄膜的膜厚片内不均匀性达到1％-7％，膜厚片间不均匀性达到2％-5％，膜厚批间不均匀性达到2％-4％，且粒度≥0.16μm的颗粒的数量在15个以上，甚至某些位置上的数量达到50个。
表1常规晶硅薄膜沉积工艺条件下沉积的晶硅薄膜的膜厚均匀性和工艺颗粒度测试结果
针对上述立式LPCVD设备中存在的缺陷，本发明中的提出了一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行真空捡漏、工艺压强控制、工艺气流场调控、薄膜沉积、工艺管道升压吹扫，通过增加工艺气流场调控环节，改善立式LPCVD设备的薄膜沉积的工艺效果，具体为：通过真空捡漏，检查真空管道是否漏气；通过工艺压强控制，使工艺管压强稳定在设定的压强条件下，保持压强稳定；通过工艺气流场调控，提高工艺管的压强自我调节能力；在薄膜沉积过程中，通入气态源(反应气源)，使之在高温下分解并沉积在晶圆表面，达到薄膜淀积的中心目的；通过工艺管道升压吹扫，使工艺管恢复常压状态，同时吹扫管道中的颗粒。特别的，上述各个处理环节，缺一不可，且需按照先后顺序进行的，即前一个环节达标后才能进行下一个环节，一定程度存在协同促进关系，例如，如果第一个环节至第三个不合格，那么，第四个环节的薄膜淀积后的膜厚均匀性可能就比较差。因此，在沉积薄膜前后以工艺压强为基准点，通过上下浮动的方法调控工艺管的压强大小和气流量，反复触动蝶阀开度自调节功能，达到改善真空控制系统灵敏性的目的，由此提高工艺管的控压效果，即提高气流场的稳定一致性，进而改善立式LPCVD设备的沉积薄膜厚度的均匀性及重复稳定性，同时，在反复调控压强和气流量的情况下，气体流速会出现循环性骤变，沉积在工艺筒、晶舟或晶圆表面的绝大多数薄膜颗粒会随气流场排出工艺管道，由此进一步改善了薄膜沉积工艺的颗粒度。经测试，本发明方法能够改善膜厚均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度的效果，如表2所示，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中，采用本发明方法处理后所制备的晶硅薄膜的膜厚片内不均匀性低至1％-2％，甚至小于1％，膜厚片间不均匀性低至1％-2％，膜厚批间不均匀性低至1％-2％，且粒度≥0.16μm的颗粒的数量小于15个。
表1常规晶硅薄膜沉积工艺条件下沉积的晶硅薄膜的膜厚均匀性和工艺颗粒度测试结果
为了更好的理解本发明技术方案的创新所在，作为本发明技术方案中的其中一个案例，所涉及的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，具体是选用中国电子科技集团公司第48研究所制造的8吋立式LPCVD设备在8吋硅基晶圆表面沉积薄膜，如图1所示，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行真空捡漏、工艺压强控制、工艺气流场调控、薄膜沉积、工艺管道升压吹扫，具体来说：
(1)真空捡漏：检查工艺管是否漏气，如表3所示，具体为：按照流量为15slm，往立式LPCVD设备进气管中通入氮气，持续10min以后，关闭所有进气气路阀门，极限抽真空，若工艺管的压强能降低至≤10Pa，则合格并进入下一步，即极限抽真空合格后，等待2min以后，关闭抽气蝶阀，若关闭5分钟以后，工艺管的真空漏率≤2Pa/min，则表示漏率检测合格，具体的，该实施例中工艺管的真空漏率≤1Pa/min，即工艺管的漏率检测合格。
(2)工艺压强控制：漏率检测合格后，通入氮气吹扫气路管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下，具体的工艺步骤和工艺参数，如表3所示，经通入氮气吹扫后，工艺管的压强为30Pa、氮气流量为0.6slm。
表3真空检漏和压强控制环节的工艺参数
(3)工艺气流场调控：以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作3次，具体工艺过程和工艺参数，如表4所示。该步骤中，每次上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，当上浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为10min，当下浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为5min。
表4工艺气流场调控环节的工艺参数
(4)薄膜沉积：在设定的压强条件下，通入反应气源，在半导体衬底表面沉积薄膜，具体为：工艺压强保持30Pa不变，硅烷流量为0.6slm，根据膜厚要求调整工艺时间和温度。该步骤中，薄膜的沉积工艺为常规工艺。
(5)工艺管道升压吹扫：完成薄膜淀积后，通入氮气吹扫工艺管及排气管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下，以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作3次，具体的工艺步骤和工艺参数如表5所示。上下浮动调节的操作完成后，按照氮气的流量为5slm，调节工艺管道的压强为常压，出舟。
表5工艺管道升压吹扫环节的工艺参数
经上述处理后制得的晶硅薄膜的膜厚均匀性和工艺颗粒度测试结果，如表6所示。由表6可知，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中，采用本发明方法处理后所制备的晶硅薄膜的膜厚片内不均匀性低至1.2％以下，膜厚片间不均匀性低至1.2％，膜厚批间不均匀性低至1.5％，且粒度≥0.16μm的颗粒的数量小于15个，甚至低于9个。
表6本发明制得的晶硅薄膜膜厚均匀性和工艺颗粒度测试结果
综合上述结果可知，本发明改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行真空捡漏、工艺压强控制、工艺气流场调控、薄膜沉积、工艺管道升压吹扫，通过增加工艺气流场调控环节，改善立式LPCVD设备的薄膜沉积的工艺效果，不仅可以改善立式LPCVD设备的沉积薄膜厚度的均匀性及重复稳定性，也可以改善薄膜沉积工艺的颗粒度。因此，本发明方法，能够最大限度的弥补国产立式LPCVD设备自身硬件条件的不足，为提高所生产器件的性能稳定性和产品合格率，最大限度的改善了所沉积的晶硅薄膜的厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度，并使得沉积的晶硅薄膜厚度均匀性、重复稳定性和工艺颗粒度满足用户要求，对于推广国产设备产业化应用具有重要意义。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述方法是在利用立式LPCVD设备沉积晶硅薄膜的过程中依次对立式LPCVD设备进行以下处理：
(1)真空捡漏：检查工艺管是否漏气；
(2)工艺压强控制：漏率检测合格后，通入氮气吹扫气路管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下；
(3)工艺气流场调控：以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作至少3次；
(4)薄膜沉积：在设定的压强条件下，通入反应气源，在半导体衬底表面沉积薄膜；
(5)工艺管道升压吹扫：完成薄膜淀积后，通入氮气吹扫工艺管及排气管道，使工艺管的压强和气体流量稳定在薄膜沉淀时设定的压强和气体流量条件下，以薄膜沉淀时设定的压强值和气体流量值为基准，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量，重复上下浮动调节的操作至少3次，调节压强为常压，出舟。
2.根据权利要求1所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(1)中，包括以下处理：关闭立式LPCVD设备所有进气气路阀门，抽真空，若工艺管的压强能降低至≤10Pa，则关闭抽气蝶阀，若关闭5分钟以后，工艺管的真空漏率≤2Pa/min，则表示漏率检测合格。
3.根据权利要求2所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(3)中，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，压强上下浮动的调节范围为10Pa～80Pa，气体流量上下浮动的调节范围为100sccm～2000sccm。
4.根据权利要求3所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(3)中，每次上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，当上浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为10min，当下浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为5min。
5.根据权利要求4所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(4)中，在半导体衬底表面沉积薄膜时，设定工艺管的压强为20Pa～40Pa，气体流量为300sccm～600sccm。
6.根据权利要求5所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(4)中，在半导体衬底表面沉积薄膜时，所述半导体衬底为8吋硅基晶圆、碳化硅晶圆或氮化镓晶圆；所述反应气源为硅烷。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(5)中，上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，压强上下浮动的调节范围为10Pa～80Pa，气体流量上下浮动的调节范围为100sccm～2000sccm。
8.根据权利要求7所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(5)中，每次上下浮动调节工艺管的压强和氮气流量时，当上浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为10min，当下浮动调节工艺管的压强和氮气流量达到预设目标后停留时间为5min。
9.根据权利要求7所述的改善立式LPCVD设备镀膜效果的方法，其特征在于，所述(5)中，所述调节压强为常压的过程中通入氮气，所述氮气的流量≤5slm。
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