CN116463613A - 半导体工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体工艺方法，包括步骤：S1：提供具有多个工艺栈点的化学气相沉积腔室；S2：于固定的装载位置将部分晶圆一一对应放置于工艺栈点上；S3：对化学气相沉积腔室进行旋转，以将未放置有晶圆的工艺栈点移动到装载位置；S4：将余下的晶圆一一对应放置于工艺栈点上；S5：对化学气相沉积腔室内的所有晶圆进行惰性气体吹扫；S6：对所有晶圆进行第一次化学气相沉积；S7：对化学气相沉积腔室进行旋转；S8：对所有晶圆进行第二次化学气相沉积，以完成所需厚度的薄膜沉积。本发明可在不影响薄膜沉积的情况下减少惰性气体吹扫的次数，有助于缩短工艺时间，提高生产效率，且有助于改善薄膜之间的粘附性，避免颗粒污染，有助于提高生产良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种半导体工艺方法。
背景技术
为提高生产效率，目前很多半导体设备已经具有同时对多片晶圆进行工艺处理的能力，比如炉管设备和湿法清洗设备都可以同时对单个批次甚至多个批次的晶圆进行工艺处理。在化学气相沉积工艺中，为尽量确保薄膜沉积均匀性，待处理的晶圆通常放置在同一水平面上并经过相同的工艺处理。受限于半导体制造厂内的布局，设备的水平占地面积不能太大，因而化学气相沉积设备的工艺栈点数量有限。一种常见的多栈点的化学气相沉积设备的平面布局图参考图1所示，其包括晶圆装载站11(load port)、用于传送晶圆的机械手臂12(位于中转站中)和工艺腔室13，工艺腔室13内设置有4个工艺栈点131(station)，这4个工艺栈点的结构完全相同，通过同一套供气系统进行同步供气。由于晶圆装载站11的位置是固定的，且机械手臂的可移动范围有限，因而采用这种类型的设备进行薄膜沉积时，通常的步骤为，先通过机械手臂12从晶圆装载站11取出两片晶圆放置到工艺腔室13的栈点1和栈点2，对工艺腔室13进行第一次气体吹扫，然后对这两片晶圆进行第一次薄膜沉积，之后将工艺腔室13旋转180度，使得栈点3和栈点4与机械手臂12所在的中转腔室相邻，机械手臂12再次从晶圆装载站11取出两片晶圆放置到栈点3和栈点4，然后对工艺腔室13进行第二次气体吹扫，之后进行第二次薄膜沉积。此时，栈点1和栈点2的晶圆完成所需厚度的薄膜沉积，之后将被移出工艺腔室13，而栈点3和栈点4的晶圆将按上述流程继续下一次的薄膜沉积。
可以看到，这种方式下，每片晶圆需经历2次气体吹扫和2次薄膜沉积过程。这不仅导致工艺时间较长，生产效率低下，而且因为第一次沉积的薄膜也要经历气体吹扫，使得第一次沉积的薄膜和第二次沉积的薄膜之间的粘附性不好，容易发生如图2及图3所示的薄膜剥落(peeling)现象。其中，图2的圆圈标记处为产生薄膜剥落的位置，图3为因薄膜剥落产生的颗粒污染示意图。尤其是在晶圆边缘，产生的剥落缺陷可达10～50μm，造成大量的颗粒污染，使得生产良率下降。
应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
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半导体工艺方法，用于解决现有技术中，利用多栈点的化学气相沉积设备进行薄膜沉积时，采用的第一次气体吹扫+放置部分晶圆+第一次薄膜沉积+第二次气体吹扫+放置剩余晶圆+第二次薄膜沉积的方式，导致生产效率低，设备产出率下降，以及薄膜之间的粘附性差，导致薄膜剥落，造成颗粒污染等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种半导体工艺方法，包括步骤：
S1：提供具有多个工艺栈点的化学气相沉积腔室；
S2：于固定的装载位置将部分晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S3：对化学气相沉积腔室进行旋转，以将未放置有晶圆的工艺栈点移动到装载位置；
S4：将余下的晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S5：对化学气相沉积腔室内的所有晶圆进行惰性气体吹扫；
S6：对所有晶圆进行第一次化学气相沉积；
S7：对化学气相沉积腔室进行旋转；
S8：对所有晶圆进行第二次化学气相沉积，以完成所需厚度的薄膜沉积。
可选地，所述化学气相沉积腔室为LAM公司的Vector腔室，工艺栈点的数量为4个。
可选地，第一次化学气相沉积的厚度为所需厚度的二分之一。
可选地，所需厚度大于等于3000埃。
可选地，晶圆上预先沉积有FSG介电层，沉积的薄膜为USG帽层。
可选地，惰性气体包括氮气。
可选地，每次惰性气体吹扫的时间为30s，气体流量为400sccm。
可选地，每次对化学气相沉积腔室的旋转角度为180度。
可选地，进行预设时长的惰性气体吹扫后，对晶圆进行加热，之后进行第一次化学气相沉积。
可选地，对晶圆进行加热的过程中持续充入氮气以对晶圆上的介电层进行氮化处理。
如上所述，本发明的半导体工艺方法，具有以下有益效果：本发明经改善的流程设计，可在不影响薄膜沉积的情况下减少惰性气体吹扫的次数，有助于缩短工艺时间，提高生产效率，且有助于改善薄膜之间的粘附性，避免因薄膜剥落产生的颗粒污染，有助于提高生产良率。
附图说明
图1显示为多栈点的化学气相沉积设备的例示性结构示意图。
图2显示为薄膜剥落的例示性截面结构示意图。
图3显示为因薄膜剥落产生的颗粒污染的扫描电镜图。
图4显示为本发明提供的半导体工艺方法的流程图。
图5显示为采用现有技术导致的晶圆表面的缺陷分布图。
图6显示为采用本发明后晶圆表面的缺陷分布图。
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。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
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。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
LAM公司的Vector机台因具有单个腔室可同时处理多片晶圆的优点而在各大半导体芯片制造厂(fab)得到广泛的应用。该设备的基准参数(baseline recipe)包括；第一次气体吹扫+放置部分晶圆+第一次薄膜沉积+第二次气体吹扫+放置剩余晶圆+第二次薄膜沉积，最终完成所需厚度的薄膜沉积。但是发明人发现，这种沉积方法不仅因需要进行2次气体吹扫而使得工艺时间较长，设备产出率下降，而且采用这种方法在沉积一些特殊膜层时，两次沉积的膜层之间的粘附性很差，容易导致薄膜剥落，造成颗粒污染等问题。对此，本申请的发明人经大量实验研究，提出了一种改善方案。
具体地，如图4所示，本发明提供一种半导体工艺方法，包括步骤：
S1：提供具有多个工艺栈点的化学气相沉积腔室；
S2：于固定的装载位置将部分晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S3：对化学气相沉积腔室进行旋转，以将未放置有晶圆的工艺栈点移动到装载位置；
S4：将余下的晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S5：对化学气相沉积腔室内的所有晶圆进行惰性气体吹扫；
S6：对所有晶圆进行第一次化学气相沉积；
S7：对化学气相沉积腔室进行旋转；
S8：对所有晶圆进行第二次化学气相沉积，以完成所需厚度的薄膜沉积。
本发明经改善的流程设计，可在不影响薄膜沉积的情况下减少惰性气体吹扫的次数，有助于缩短工艺时间(至少减少一次惰性气体吹扫的时间以及由此导致的时间间隔)，提高生产效率，且有助于改善薄膜之间的粘附性，避免因薄膜剥落产生的颗粒污染，有助于提高生产良率。
所述化学气相沉积腔室例如为LAM公司的Vector腔室，因而其工艺栈点的数量为4个，这4个工艺栈点以类似图1所示的2*2的方式排布。不同的工艺栈点内部具有完全相同的结构，例如均包括用于承载晶圆的载台，载台例如为真空吸附台或静电吸附台。载台内可设置有多个间隔分布的可升降销。通过升降销的升降，改变晶圆相对于载台上表面的间隔，以实现晶圆的载入或移除。例如当需要将晶圆载入化学气相沉积腔室内时，先将相应的工艺栈点旋转至装载位置，升降销向上顶起以凸出于载台的上表面；当机械手臂将晶圆自晶圆装载站取出并放置到升降销上后，升降销下降至不高于载台的上表面，使得晶圆贴置在载台表面。载台内还可以设置有用于对晶圆进行加热的装置，以在需要时对晶圆进行加热。
在化学气相沉积腔室的上部设置有包含喷淋头在内的进气系统，以在工艺过程中同时对这几个工艺栈点供应气相沉积所需的气体源。此外，化学沉积腔室上还可以设置有等离子体装置。由于此部分内容非本发明的重点，对此不再一一展开。
步骤S2中，装载的晶圆数量一般与单排工艺栈点的数量相同。例如在工艺栈点为2*2的阵列排布的情况下，第一次装置的晶圆数量为2片，即每个栈点单次可出来的晶圆数量为一片。机械手臂可以是单片式处理结构，即单次只能传送一片晶圆，也可以是多片式处理结构，例如单次可以同时传送两片晶圆。本实施例中较佳地为多片式处理结构。
步骤S3中的旋转角度一般为180度，因而余下的工艺栈点将到达上次的装载位置，而无需调整机械手臂的作业位置。换句话说，机械手臂仅需在固定的位置进行装载作业，因而可最大程度缩短机械手臂和待装载点的距离，减少机械手臂与设备的其他部件发生碰撞的可能。
步骤S4中放置的晶圆数量可以和第一次相同，也可以不同，对此不限。经过这两次的装载作业后，当前需要进行薄膜沉积的晶圆都已经被放置于同一化学气相沉积腔室内。需要说明的是，晶圆可以是裸晶圆(bare wafer)，例如为表面未制作有任何结构的硅晶圆、锗晶圆、锗硅晶圆、碳化硅晶圆等，也可以是表面已经制作有若干结构层的晶圆。例如在本申请中，晶圆上已经制作有介电层(IMD)，介质层下部还可以形成有晶体管等结构。本次的化学气相沉积的目的是在介电层上沉积一盖层(cap layer)以对介电层进行保护，防止介电层中的离子发生扩散。在一更具体的示例中，介电层为FSG层(掺杂氟的二氧化硅层)，而盖层为USG层(未掺杂的硅酸盐玻璃)，USG层可防止FSG层中的氟离子扩散，确保介电层的性能。
薄膜沉积过程中，确保晶圆的表面清洁度非常重要。如果晶圆表面存在颗粒等杂质污染，不仅容易导致薄膜沉积不均匀，更重要的是会导致薄膜翘起乃至完全脱落，因而在将所有晶圆放置到化学气相沉积腔室的各个工艺栈点后，需要对所有晶圆进行惰性气体吹扫。惰性气体吹扫不仅可以将晶圆表面的杂质颗粒扫除，还可以将工艺腔室内的空气排出，此外还可以在晶圆的预热过程中作为导热气体，提高晶圆的受热均匀性。例如本实施例中使用的惰性气体较佳地为氮气但不仅限于此，每次惰性气体吹扫的时间较佳地为30s，气体流量较佳地为400sccm。预热过程可在惰性气体吹扫一段时间后进行，以确保气相沉积腔室内的空气均被排出。例如在前述提及的惰性气体吹扫30s后，开启载台上的加热器对晶圆进行加热。氮气相较于诸如氩气等其他惰性气体，具有成本相对低廉的优点。更重要的是，本实施例中还在常规的氮气吹扫后，利用氮气对氧化硅等材质的氧化物薄膜进行氮气处理，以在氧化物薄膜的表面形成含氮浓度高的区域，这将不仅有助于提高介电层的品质和电性能，而且有助于改善介电层与后续的盖层之间的粘附力和层间应力。具体地，在本申请提供的一优选示例中，对晶圆进行加热的过程中持续充入氮气以对介电层进行氮化处理。氮化处理过程中的温度可与后续的化学气相沉积工艺的温度相同，例如为300℃-400℃，以尽量减少晶圆的温度波动，避免已沉积的薄膜产生不良。氮化处理的等离子体功率为1500～2000W，化学气相沉积腔室内的压强可以保持在50～200Pa，且氮化处理过程中可以同时通入气体流量远小于氮气流量的氩气(例如氩气流量为氮气流量的十分之一以下)。完成氮化处理后再执行后续的化学气相沉积工艺。
第一次化学气相沉积的薄膜厚度较佳地为不超过所需薄膜厚度的二分之一，较薄的薄膜不仅可以具有相对更好的表面平坦性，同时与前层薄膜的层间应力也相对更小，可以避免两种不同材质的薄膜在界面处产生不良。在较佳的示例中，第一次化学气相沉积和第二次化学气相沉积的条件完全相同，例如包括气体流量、温度和沉积时间等条件完全相同。因而相应地，每次沉积的薄膜的厚度也相同，即均为所需厚度的二分之一。因而将两次薄膜沉积的条件设置为完全相同，可以减少对设备的参数调节，有助于简化工艺。薄膜的总厚度具体不做限制，但发明人经大量研究发现，当薄膜的厚度大于等于3000埃时，尤其适用于采用本发明。这是因为薄膜越厚，薄膜内的应力就越大，薄膜的均匀性就越难以得到保障，与其他薄膜的粘附性就越差，因而越适合采用本发明的方法进行改善。
图5和图6分别为在同一化学气相沉积设备上，采用现有技术与采用本发明沉积相同厚度相同材质的薄膜后(除工艺流程外的参数，包括晶圆类型、化学气相沉积条件等参数都相同)测得的晶圆表面的缺陷分布图。从图5和图6中可以看到，采用本发明相较于采用现有方法，晶圆表面的缺陷大大降低。经对晶圆进行切片分析后的结果也表明，薄膜剥落的现象得到明显改善。这充分证实采用本发明有助于提高生产良率。
综上所述，本发明提供一种半导体工艺方法。该方法包括步骤：S1：提供具有多个工艺栈点的化学气相沉积腔室；S2：于固定的装载位置将部分晶圆一一对应放置于工艺栈点上；S3：对化学气相沉积腔室进行旋转，以将未放置有晶圆的工艺栈点移动到装载位置；S4：将余下的晶圆一一对应放置于工艺栈点上；S5：对化学气相沉积腔室内的所有晶圆进行惰性气体吹扫；S6：对所有晶圆进行第一次化学气相沉积；S7：对化学气相沉积腔室进行旋转；S8：对所有晶圆进行第二次化学气相沉积，以完成所需厚度的薄膜沉积。本发明经改善的流程设计，可在不影响薄膜沉积的情况下减少惰性气体吹扫的次数，有助于缩短工艺时间，提高生产效率，且有助于改善薄膜之间的粘附性，避免因薄膜剥落产生的颗粒污染，有助于提高生产良率。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 (10)
1.一种半导体工艺方法，其特征在于，包括步骤：
S1：提供具有多个工艺栈点的化学气相沉积腔室；
S2：于固定的装载位置将部分晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S3：对化学气相沉积腔室进行旋转，以将未放置有晶圆的工艺栈点移动到装载位置；
S4：将余下的晶圆一一对应放置于工艺栈点上；
S5：对化学气相沉积腔室内的所有晶圆进行惰性气体吹扫；
S6：对所有晶圆进行第一次化学气相沉积；
S7：对化学气相沉积腔室进行旋转；
S8：对所有晶圆进行第二次化学气相沉积，以完成所需厚度的薄膜沉积。
2.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，所述化学气相沉积腔室为LAM公司的Vector腔室，工艺栈点的数量为4个。
3.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，第一次化学气相沉积的厚度为所需厚度的二分之一。
4.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，所需厚度大于等于3000埃。
5.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，晶圆上预先沉积有FSG介电层，沉积的薄膜为USG帽层。
6.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，惰性气体包括氮气。
7.根据权利要求6所述的半导体工艺方法，其特征在于，每次惰性气体吹扫的时间为30s，气体流量为400sccm。
8.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，每次对化学气相沉积腔室的旋转角度为180度。
9.根据权利要求1所述的半导体工艺方法，其特征在于，进行预设时长的惰性气体吹扫后，对晶圆进行加热，之后进行第一次化学气相沉积。
10.根据权利要求9所述的半导体工艺方法，其特征在于，对晶圆进行加热的过程中持续充入氮气以对晶圆表面的介电层进行氮化处理。
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