CN105088188B - 沉积炉、沉积方法、薄膜及半导体器件 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种沉积炉、沉积方法、薄膜及半导体器件。其中，沉积炉包括沉积室以及沿竖直方向依次设置于沉积室中的多个晶舟，且沉积室的底部设置有第一开口，沉积室的顶部设置有第二开口，且沉积炉还包括第一管路和第二管路，第一管路包括与第一开口连通的第一进气管路以及与第二开口连通的第一出气管路；第二管路包括与第二开口连通的第二进气管路以及与第一开口连通的第二出气管路；其中，第一管路连通时第二管路中的第二进气管路和第二出气管路均关闭，第二管路连通时第一管路中的第一进气管路和第一出气管路均关闭。采用该沉积炉沉积薄膜时，沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性得以提高。

Description

沉积炉、沉积方法、薄膜及半导体器件

技术领域

本申请涉及半导体集成电路的技术领域，具体而言，涉及一种沉积炉、沉积方法、薄膜及半导体器件。

背景技术

在半导体器件的制作过程中，经常需要在晶圆上沉积薄膜以形成所需的器件，例如在衬底上沉积二氧化硅薄膜作为栅介质层，再例如在衬底上沉积半导体薄膜用于制作鳍式场效应晶体管(FinFET)。沉积薄膜的方法包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，其中采用化学气相沉积方法获得的薄膜的结构均匀且致密，成为半导体器件的制作过程中最常用的方法。

化学气相沉积方法常用的沉积炉为直立式沉积炉。如图1所示，现有的直立式沉积炉包括沉积室10′、多个晶舟20′以及进气口11′和出气口13′。其中，多个晶舟20′沿竖直方向依次设置于沉积室10′中且每个晶舟20′承载一个晶圆，进气口11′设置于沉积室10′的底部，出气口13′设置于沉积室10′的顶部。采用该直立式沉积炉沉积薄膜的过程包括：首先，将待沉积薄膜的前驱气体通过进气口通入到沉积室中；然后，调节沉积室中的温度和压力等参数使前驱气体发生化学反应，生成固态的薄膜沉积在晶圆表面上；最后，将未反应的前驱气体或反应产生的副产物通过出气口排出沉积室。

在上述沉积薄膜的过程中，每个晶圆上所形成薄膜的结构致密且厚度均匀。然而，受到重力以及气体流动的速率分布的影响，与位于沉积室中上方部分的前驱气体相比，沉积室中下方部分的前驱气体的浓度更高，导致在沉积室中下方的晶圆上所形成的薄膜的厚度大于在沉积室中上方的晶圆上所形成的薄膜的厚度。目前，技术人员尝试通过原子层化学气相沉积方法(ALCVD)沉积薄膜，即将前驱气体脉冲交替地通入到沉积室以使每次反应形成的单原子层逐次沉积到晶圆上，然而沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度不均匀的问题仍然存在。

发明内容

本申请旨在提供一种沉积炉、沉积方法、薄膜及半导体器件，以提高沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

为了实现上述目的，本申请提供了一种沉积炉，包括沉积室以及沿竖直方向依次设置于沉积室中的多个晶舟，且沉积室的底部设置有第一开口，沉积室的顶部设置有第二开口，且沉积炉还包括第一管路和第二管路，第一管路包括与第一开口连通的第一进气管路以及与第二开口连通的第一出气管路；第二管路包括与第二开口连通的第二进气管路以及与第一开口连通的第二出气管路；其中，第一管路连通时第二管路中的第二进气管路和第二出气管路均关闭，第二管路连通时第一管路中的第一进气管路和第一出气管路均关闭。

进一步地，上述沉积炉还包括进气口和出气口，第一进气管路远离第一开口的一端、第二进气管远离第二开口的一端和进气口之间连接形成三通；第一出气管路远离第二开口的一端、第二出气管远离第一开口的一端和出气口之间连接形成三通。

进一步地，上述沉积炉中，第一进气管路、第二出气管路和第一开口之间连接形成三通；第一出气管路、第二进气管路和第二开口之间连接形成三通。

进一步地，上述沉积炉中，在第一进气管路上设置第一开关阀，在第一出气管路上设置第二开关阀，在第二进气管路上设置第三开关阀，在第二出去管路上设置第四开关阀。

进一步地，上述沉积炉中，在第一进气管路远离第一开口的一端、第二进气管远离第二开口的一端和进气口之间设置第一三通阀；第一出气管路远离第二开口的一端、第二出气管远离第一开口的一端和出气口之间设置第二三通阀。

进一步地，上述沉积炉中，第一进气管路、第二出气管路和第一开口之间设置第三三通阀；第一出气管路、第二进气管路和第二开口之间设置第四三通阀。

本申请还提供了一种沉积方法，采用本申请上述的沉积炉在晶圆上沉积薄膜，该沉积方法包括：步骤S1、将多个晶圆分别置于沉积炉中的晶舟上；步骤S2、关闭沉积炉中的第二进气管路和第二出气管路，打开分层式沉积炉中的第一进气管路和第一出气管路，通入薄膜的前驱气体；步骤S3、关闭第一进气管路和第一出气管路，打开第二进气管路和第二出气管路，通入薄膜的前驱气体；步骤S4、取出晶圆。

进一步地，上述沉积方法中，先执行步骤S2，再执行步骤S3；或先执行步骤S3，再执行步骤S2。

进一步地，上述沉积方法中，重复步骤S2和步骤S3以形成薄膜，优选重复步骤S2和步骤S32～10次。

进一步地，上述沉积方法中，沉积方法为原子层化学气相沉积方法，薄膜的材料为氧化物、氮化物或碳化物。

本申请还提供了一种薄膜，该薄膜由本申请上述的沉积方法制作而成。

本申请还提供了一种半导体器件，包括薄膜，该薄膜由本申请上述的沉积方法制作而成。

应用本申请的技术方案，通过设置具有从沉积室的底部的第一开口进气和从沉积室的顶部的第二开口出气的第一管路，以及从沉积室的顶部的第二开口进气和从沉积室的顶部的第一出口出气的第二管路的沉积炉，并交替打开沉积炉中的第一管路和第二管路，使得薄膜的前驱气体沿沉积室的底部到顶部的方向和沉积室的顶部到底部的方向交替地通入到沉积室中，从而提高了沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了现有直立式沉积炉的剖面结构示意图；

图2本申请一种实施方式所提供的沉积炉的剖面结构示意图；

图3本申请另一种实施方式所提供的沉积炉的剖面结构示意图；

图4本申请又一种实施方式所提供的沉积炉的剖面结构示意图；

图5本申请实施方式所提供的沉积方法的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术中所介绍的，沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度不均匀。本申请的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种沉积炉。如图2至4所示，该沉积炉包括沉积室10以及沿竖直方向依次设置于沉积室10中的多个晶舟20，且沉积室10的底部设置有第一开口11，沉积室10的顶部设置有第二开口13，其中该沉积炉还包括第一管路和第二管路，第一管路包括与第一开口11连通的第一进气管路31以及与第二开口13连通的第一出气管路33；第二管路包括与第二开口13连通的第二进气管路41以及与第一开口11连通的第二出气管路43；其中，第一管路连通时第二管路中的第二进气管路41和第二出气管路43均关闭，第二管路连通时第一管路中的第一进气管路31和第一出气管路33均关闭。

上述沉积炉中，通过设置具有从沉积室10的底部的第一开口11进气和从沉积室10的顶部的第二开口13出气的第一管路，以及从沉积室10的顶部的第二开口13进气和从沉积室10的顶部的第一出口出气的第二管路的沉积炉，并交替打开沉积炉中的第一管路和第二管路，使得薄膜的前驱气体沿沉积室10的底部到顶部的方向和沉积室10的顶部到底部的方向交替地通入到沉积室10中，从而提高了沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

上述第一管路和第二管路可以单独设置，即第一进气管路31和第二进气管路41为两个进气通道，第一出气管路33和第二出气管路43为两个出气通道。为了简化上述沉积炉的结构以及采用上述沉积炉进行沉积时的操作工艺，还可以将第一进气管路31和第二进气管路41连接形成一个进气通道，并将第一出气管路33和第二出气管路43连接形成一个出气通道。此时，在一种优选的实施方式中，上述沉积炉还包括进气口61和出气口63，且第一进气管路31远离第一开口11的一端、第二进气管远离第二开口13的一端和进气口61之间连接形成三通，第一出气管路33远离第二开口13的一端、第二出气管远离第一开口11的一端和出气口63之间连接形成三通。

上述第一进气管路31和第二出气管路43可以单独地设置于第一开口11，即将第一进气管路31***到第一开口11中以实现第一进气管与第一开口11连通，将第二出气管***到第一开口11中以实现第二出气管和第一开口11连通。同样地，上述第二进气管路41和第一出气管路33可以单独地设置于第二开口13中，即第二进气管路41***到第二开口13中以实现第二进气管与第二开口13连通，第一出气管***到第二开口13中以实现第一出气管和第二开口13连通。为了简化上述沉积炉的结构，在一种优选的实施方式中，第一进气管路31、第二出气管路43和第一开口11之间连接形成三通，第一出气管路33、第二进气管路41和第二开口13之间连接形成三通。

本领域的技术人员可以根据本申请的教导，在上述第一管路和第二管路中设置阀门，以实现第一管路连通时第二管路中的第二进气管路41和第二出气管路43均关闭，第二管路连通时第一管路中的第一进气管路31和第一出气管路33均关闭的功能。在一种优选的实施方式中，在第一进气管路31上设置第一开关阀51，在第一出气管路33上设置第二开关阀52，在第二进气管路41上设置第三开关阀53，在第二出去管路上设置第四开关阀54，其结构如图2所示的基体结构。上述第一开关阀51、第二开关阀52、第三开关阀53及第四开关阀54均为起截止作用的阀门，即开打时气体可以通过阀门，关闭时气体不能通过阀门。在此优选实施方式中，只需打开第一开关阀51和第二开关阀52，关闭第三开关阀53和第四开关阀54，即可实现第一管路连通时第二管路中的第二进气管路41和第二出气管路43均关闭；同样地，只需打开第三开关阀53和第四开关阀54，关闭第一开关阀51和第二开关阀52，即可第二管路连通时第一管路中的第一进气管路31和第一出气管路33均关闭。需要注意的是，此优选实施方式同样适用于上述第一管路和第二管路单独设置的情况。

在另一种优选的实施方式中，在上述第一进气管路31远离第一开口11的一端、第二进气管远离第二开口13的一端和进气口61之间设置第一三通阀71；在上述第一出气管路33远离第二开口13的一端、第二出气管远离第一开口11的一端和出气口63之间设置第二三通阀72，其结构如图3所示。上述第一三通阀71内部设置有阀芯，当第一三通阀71中阀芯在与第一进气管路31相连的位置时，第一进气管路31关闭、第二进气管路41连通；当第一三通阀71中阀芯在与第二进气管路41相连的位置时，第二进气管路41关闭、第一进气管路31连通。上述第二三通阀72内部设置有阀芯，当第二三通阀72中阀芯在与第一出气管路33相连的位置时，第一出气管路33关闭、第二出气管路43连通；当第二三通阀72中阀芯在与第二出气管路43相连的位置时，第二出气管路43关闭、第一出气管路33连通。

在又一种优选的实施方式中，第一进气管路31、第二出气管路43和第一开口11之间设置第三三通阀73；第一出气管路33、第二进气管路41和第二开口13之间设置第四三通阀74，其结构如图4所示。上述第三三通阀73内部设置有阀芯，当第三三通阀73中阀芯在与第一进气管路31相连的位置时，第一进气管路31关闭、第二出气管路43连通；当第三三通阀73中阀芯在与第二出气管路43相连的位置时，第二出气管路43关闭、第一进气管路31连通。上述第二三通阀72内部设置有阀芯，当第二三通阀72中阀芯在与第一出气管路33相连的位置时，第一出气管路33关闭、第二进气管路41连通；当第二三通阀72中阀芯在与第二进气管路41相连的位置时，第二进气管路41关闭、第一出气管路33连通。

本申请还提供了一种沉积方法，采用本申请上述的沉积炉在晶圆上沉积薄膜，该沉积方法包括：步骤S1、将多个晶圆置于分层式沉积炉中晶舟上；步骤S2、关闭分层式沉积炉中的第二进气管路和第二出气管路，打开分层式沉积炉中的第一进气管路和第一出气管路，通入薄膜的前驱气体；步骤S3、关闭第一进气管路和第一出气管路，打开第二进气管路和第二出气管路，通入薄膜的前驱气体。步骤S4、取出晶圆。

上述沉积方法通过交替打开沉积炉中的第一管路和第二管路，使得薄膜的前驱气体沿沉积室的底部到顶部的方向和沉积室的顶部到底部的方向交替地通入到沉积室中，从而提高了沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

下面将更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员。

图5示出了本申请提供的沉积方法的流程示意图，下面将结合图5进一步说明本申请所提供的沉积方法。

首先，执行步骤S1，将多个晶圆置于沉积炉中晶舟上。上述晶圆的材料可以为单晶硅、绝缘体上硅(SOI)或锗硅(SiGe)等，且上述晶圆上可以形成各种器件，例如晶体管、存储单元或互连层等。

执行步骤S1之后，执行步骤S2和步骤S3。其中，步骤S2包括关闭分层式沉积炉中的第二进气管路和第二出气管路，打开分层式沉积炉中的第一进气管路和第一出气管路，通入薄膜的前驱气体，步骤S3包括关闭第一进气管路和第一出气管路，打开第二进气管路和第二出气管路，通入薄膜的前驱气体。此时，通过交替打开沉积炉中的第一管路和第二管路，使得薄膜的前驱气体沿沉积室的底部到顶部的方向和沉积室的顶部到底部的方向交替地通入到沉积室中，从而提高了沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

执行上述步骤S2和步骤S3时，可以先执行步骤S2，再执行步骤S3，也可以先执行步骤S3，再执行步骤S2。为了使得所形成的薄膜更加均匀致密，在一种优选的实施方式中，重复上述步骤S2和步骤S3以形成薄膜。更优选地，重复步骤S2和步骤S32～10次以形成薄膜。

上述步骤S2和步骤S3中，沉积薄膜的方法为化学气相沉积方法，沉积形成的薄膜可以为氧化物、氮化物、碳化物或金属。上述化学气相沉积方法的沉积过程为：首先，将待沉积薄膜的前驱气体通过上述第一进气管路或第二进气管路通入到沉积室中；然后，调节沉积室中的温度和压力等参数使前驱气体发生化学反应，生成固态的薄膜沉积在晶圆表面上；最后，将未反应的前驱气体或反应产生的副产物通过第一出气管路或第二出气管路排出沉积室。上述沉积过程中的温度和压力等参数与所形成的薄膜的材料相关，本领域的技术人员可以根据现有技术设定上述参数的数值。

为了进一步提高所形成薄膜的致密性，在一种优选的实施方式中，沉积薄膜的方法为原子层化学气相沉积方法，所形成的薄膜的材料为氧化物、氮化物或碳化物。原子层化学气相沉积方法的沉积过程为：首先，通过上述第一进气管路或第二进气管路将待沉积薄膜的前驱气体的脉冲交替地通入到沉积室中；然后，调节沉积室中的温度和压力等参数使前驱气体发生化学反应，且每次反应形成的单原子层逐次沉积到晶圆上；最后，将未反应的前驱气体或反应产生的副产物通过第一出气管路或第二出气管路排出沉积室。上述沉积过程中的温度和压力等参数与所形成的薄膜的材料相关，可选地，上述沉积过程中沉积室内的压力为0.1-10mbar，温度为50～500℃。

完成上述步骤S2和步骤S3之后，执行步骤S4，取出晶圆，即完成沉积过程。该工艺为本领域现有技术，在此不再赘述。

本申请还提供了一种薄膜，该薄膜由本申请上述的沉积方法制作而成。上述薄膜形成于沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上，且沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性得以提高。

本申请还提供了一种半导体器件，包括薄膜，该薄膜由本申请上述的沉积方法制作而成。上述薄膜形成于沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上，且沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性得以提高，从而使得沉积炉中沿竖直方向形成的不同的半导体器件的性能更加稳定。

从以上的描述可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：通过设置具有从沉积室的底部的第一开口进气和从沉积室的顶部的第二开口出气的第一管路，以及从沉积室的顶部的第二开口进气和从沉积室的顶部的第一出口出气的第二管路的沉积炉，并交替打开沉积炉中的第一管路和第二管路，使得薄膜的前驱气体沿沉积室的底部到顶部的方向和沉积室的顶部到底部的方向交替地通入到沉积室中，从而提高了沉积炉中沿竖直方向的不同晶圆上所形成薄膜的厚度均匀性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沉积方法，采用沉积炉在晶圆上沉积薄膜，其特征在于，所述沉积炉包括沉积室以及沿竖直方向依次设置于沉积室中的多个晶舟，且沉积室的底部设置有第一开口，沉积室的顶部设置有第二开口，且沉积炉还包括第一管路和第二管路；

所述第一管路包括与所述第一开口连通的第一进气管路以及与所述第二开口连通的第一出气管路；

所述第二管路包括与所述第二开口连通的第二进气管路以及与所述第一开口连通的第二出气管路；

其中，所述第一管路连通时所述第二管路中的第二进气管路和第二出气管路均关闭，所述第二管路连通时所述第一管路中的第一进气管路和第一出气管路均关闭；

所述沉积方法包括：

步骤S1、将多个晶圆分别置于所述沉积炉中的晶舟上；

步骤S2、关闭所述沉积炉中的第二进气管路和第二出气管路，打开所述沉积炉中的第一进气管路和第一出气管路，通入所述薄膜的前驱气体；

步骤S3、关闭所述第一进气管路和第一出气管路，打开所述第二进气管路和第二出气管路，通入所述薄膜的前驱气体；

步骤S4、取出所述晶圆；所述沉积方法为原子层化学气相沉积方法，所述薄膜的材料为氧化物、氮化物或碳化物。

2.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，所述沉积方法中，

先执行所述步骤S2，再执行所述步骤S3；或

先执行所述步骤S3，再执行所述步骤S2。

3.根据权利要求2所述的沉积方法，其特征在于，重复所述步骤S2和步骤S3以形成所述薄膜，优选重复所述步骤S2和步骤S32～10次。

4.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，所述沉积炉还包括进气口和出气口，

所述第一进气管路远离所述第一开口的一端、所述第二进气管远离所述第二开口的一端和所述进气口之间连接形成三通；

所述第一出气管路远离所述第二开口的一端、所述第二出气管远离所述第一开口的一端和所述出气口之间连接形成三通。

5.根据权利要求1所述的沉积方法，其特征在于，

所述第一进气管路、所述第二出气管路和所述第一开口之间连接形成三通；

所述第一出气管路、所述第二进气管路和所述第二开口之间连接形成三通。

6.根据权利要求1、4或5所述的沉积方法，其特征在于，在所述第一进气管路上设置第一开关阀，在所述第一出气管路上设置第二开关阀，在所述第二进气管路上设置第三开关阀，在所述第二出去管路上设置第四开关阀。

7.根据权利要求6所述的沉积方法，其特征在于，

在所述第一进气管路远离所述第一开口的一端、所述第二进气管远离所述第二开口的一端和所述进气口之间设置第一三通阀；

所述第一出气管路远离所述第二开口的一端、所述第二出气管远离所述第一开口的一端和所述出气口之间设置第二三通阀。

8.根据权利要求5所述的沉积方法，其特征在于，

所述第一进气管路、所述第二出气管路和所述第一开口之间设置第三三通阀；

所述第一出气管路、所述第二进气管路和所述第二开口之间设置第四三通阀。

9.一种薄膜，其特征在于，所述薄膜由权利要求1至8中任一项所述的沉积方法制作而成。

10.一种半导体器件，包括薄膜，其特征在于，所述薄膜由权利要求1至8中任一项所述的沉积方法制作而成。