CN111876749A - 改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，每个循环过程步骤如下：步骤S1，通入第一气相前驱体；步骤S2，吹扫多余的第一气相前驱体；步骤S3，第一次通入第二气相前驱体；步骤S4，第二次通入第二气相前驱体；步骤S5，吹扫多余的第二气相前驱体；其中，每个循环过程中需要的所述第二气相前驱体的体积V0与第一次通入的第二气相前驱体的流量为S1、通入时间为T1以及第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2、通入时间为T2的关系为：V0＝S1×T1+S2×T2；S1＞S2。本发明在保证每个循环过程沉积的薄膜厚度不变的前提下，有效降低炉管内前驱体残留气体的浓度差异，减少炉管内不同位置的硅片残气沉积导致的膜厚差异，改善硅片之间的厚度差异。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别属于一种改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法。
背景技术
利用炉管工艺生长薄膜的过程中，对薄膜生长步骤的控制无一例外地都是通过时间来进行控制的。当达到设定的生长时间时，相对应地，停止反应气体的输入，相关反应气体的流量也由设定值全部归零。
例如，氮化硅(Si3N4)薄膜具有对可动离子(Na+)阻挡能力强、结构致密、针孔密度小、呈疏水性、化学稳定性好、介电常数大等优良特性，是一种在半导体、微电子学和MEMS领域广泛应用的薄膜材料，大量应用于钝化、隔离、电容介质、结构材料等。其中，氮化硅(Si3N4)薄膜因为其具有高介电常数而被作为介电材料广泛应用在半导体制造领域，如制造闪存的工艺里需要一层ONO层作为浮栅(Floating Gate)与控制栅(Control Gate)之间的介电材料，而ONO层即为氧化硅层-氮化硅层-氧化硅层(SiO2-Si3N4-SiO2)。
Si3N4薄膜的制备可以用物理气相淀积法(PVD)、离子束增强淀积法(IBED)、化学气相淀积法(CVD)和原子层沉积(ALD)。以原子层沉积(ALD)氮化硅薄膜工艺为例，利用DCS(二氯二氢硅)气体和氨气(NH3)之间的反应生产该薄膜，它的化学反应式具体如下：
3SiH2Cl2+7NH3→Si3N4+3NH4Cl+3HCl+6H2；或
3SiH2Cl2+4NH3→Si3N4+6HCl+6H2
氮化硅薄膜的沉积过程具体包括：步骤1，通入反应源DCS(二氯二氢硅)气体，进行第一次物理吸附；步骤2，利用N2(氮气)吹扫多余的DCS气体；步骤3，NH3(氨气)经等离子解离后与吸附在硅片表面的DCS进行化学反应，生成薄膜；步骤4，利用氮气吹扫多余的氨气。
通常，将步骤1到步骤4的过程定义为一个循环，薄膜的厚度根据具体的循环次数而决定。在这个循环过程中，硅片间的厚度均匀性差异主要由步骤3中氨气的残余气体浓度差异决定。具体例如，在传统的工艺中，氨气的流量设定为5升/分钟，气体的通入时间为每个循环20秒左右。
但是，由于炉管的体积较大，且出气口的位置不可避免地具有不对称性，这样在炉管的各个位置上，反应气源的残留气体就存在一定的差异。对于炉管内不同位置的硅片来讲，这就会导致残留气体发生反应而生成薄膜，从而造成不同位置之间的硅片由于残留气体的浓度不同而出现片间厚度均匀性以及片内厚度均匀性等一系列表征参数的不同，影响薄膜的质量。这种现象在热反应为主的炉管工艺中尤为明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，可以解决现有工艺中炉管不同位置的硅片的厚度差异较大的问题。
为了解决上述问题，本发明提供的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，所述薄膜的生长包括若干个循环过程，每个循环过程的步骤如下：
步骤S1，通入第一气相前驱体，进行物理吸附；
步骤S2，利用吹扫气体对多余的第一气相前驱体进行吹扫；
步骤S3，第一次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S1，通入时间为T1；
步骤S4，第二次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S2，通入时间为T2；
步骤S5，利用吹扫气体对多余的第二气相前驱体进行吹扫；
其中，每个循环过程中需要的所述第二气相前驱体的体积V0与第一次通入的第二气相前驱体的流量为S1、通入时间为T1以及第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2、通入时间为T2的关系为：
V0＝S1×T1+S2×T2
S1＞S2。
进一步地，所述吹扫气体为氮气或惰性气体。
进一步地，第一次通入的第二气相前驱体的流量S1与第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2的比值为5:1～10:1。
进一步地，在步骤S3和步骤S4中，所述第二气相前驱体和所述第一气相前驱体进行化学反应。
进一步地，所述方法用于形成氮化硅薄膜、氧化硅薄膜以及氮氧化硅薄膜等衍生薄膜。
进一步地，所述炉管工艺包括常压炉管工艺、低压炉管工艺和原子层沉积工艺。
与现有技术中第二气相前驱体以设定流量持续通入设定时间从而完成薄膜沉积的工艺相比，本发明对沉积薄膜的步骤进行拆分，具体地，将第二气相前驱体的通入分为两步，第一步保持现有技术中的设定流量持续输入一段时间(小于现有技术的设定时间)，然后第二步降低第二气相前驱体输入的流量，根据每个循环过程中参与化学反应的第二气相前驱体的流量和时间的乘积保持不变的原则，根据降低之后的流量确定第二步中第二气相前驱体输入的时间。本发明在保证每个循环过程沉积的薄膜厚度不变的前提下，改变第二气相前驱体的输入控制方式，从而有效地降低了炉管内前驱体残留气体的浓度差异，减少了炉管内不同位置的硅片残气沉积导致的膜厚差异，改善了硅片之间的厚度差异。
附图说明
图1为本发明的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可以由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明亦可通过其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，本领域技术人员在不背离本发明的精神下可以进行各种类似推广和替换。
实施例一
本发明实施例提供的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，如图1所示，所述薄膜的生长包括若干个循环过程，每个循环过程的步骤如下：
步骤S1，通入第一气相前驱体，进行物理吸附；
步骤S2，利用吹扫气体对多余的第一气相前驱体进行吹扫；
步骤S3，第一次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S1，通入时间为T1；
步骤S4，第二次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S2，通入时间为T2；
步骤S5，利用吹扫气体对多余的第二气相前驱体进行吹扫；
其中，每个循环过程中需要的所述第二气相前驱体的体积V0与第一次通入的第二气相前驱体的流量为S1、通入时间为T1以及第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2、通入时间为T2的关系为：
V0＝S1×T1+S2×T2
S1＞S2。
本发明实施例的方法可用于生成氮化硅薄膜、氧化硅薄膜以及氮氧化硅薄膜等衍生薄膜。
所述炉管工艺包括常压炉管工艺、低压炉管工艺和原子层沉积(ALD)工艺。
在现有的炉管工艺中，第二气相前驱体以设定流量S1持续输入设定时间T0，而且V0＝S1×T0，当到达设定时间后，停止输入第二气相前驱体。但是，在炉管的各个位置上，残留气体存在一定的浓度差异，残留气体发生反应导致不同位置之间的硅片出现薄膜厚度的差异，影响薄膜的质量。
与现有技术中相比，本实施例对沉积薄膜的步骤进行拆分，具体地，将第二气相前驱体的通入分为两步，第一步保持现有技术中的设定流量持续输入一段时间(小于现有技术的设定时间)，然后第二步降低第二气相前驱体输入的流量，根据每个循环过程中参与化学反应的第二气相前驱体的流量和时间的乘积保持不变的原则，根据降低之后的流量确定第二步中第二气相前驱体输入的时间。
本发明实施例在保证每个循环过程沉积的薄膜厚度不变的前提(V0＝S1×T0＝S1×T1+S2×T2)下，改变第二气相前驱体的输入控制方式(先保持大流量输入再改为小流量输入)，从而有效地降低了炉管内前驱体残留气体的浓度差异，减少了炉管内不同位置的硅片残气沉积导致的膜厚差异，改善了硅片之间的厚度差异。
实施例二
在实施例一的基础上，本实施例对改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法作进一步详细限定。
其中，第一次通入的第二气相前驱体的流量S1与第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2的比值为5:1～10:1。
在步骤S2和步骤S5中，吹扫气体为氮气或惰性气体。
在步骤S3和步骤S4中，所述第二气相前驱体和所述第一气相前驱体进行化学反应生成薄膜。
下面以原子层沉积(ALD)工艺生成氮化硅薄膜为例进行说明。
薄膜的厚度根据具体的循环过程数量决定。目前，沉积的每个循环过程包括：1)通入DCS(二氯二氢硅)气体，进行第一次物理吸附；2)利用氮气N2吹扫多余的DCS气源；3)通入氨气(NH3)，氨气经等离子解离后，与吸附在硅片表面的DCS进行化学反应，生成氮化硅薄膜；4)利用氮气吹扫多余的氨气。在每个循环过程中，硅片间的薄膜厚度均匀性主要由第三步中发生化学反应后氨气的残余气体浓度差异决定。在现有工艺中，通常氨气的流量设定为5升/每分钟，气体通入时间为每个循环过程20秒，具体各步骤中的控制参数如表1所示。
表1现有工艺各步骤的控制参数
而在本实施例中，氨气的通入过程控制参数并不是保持不变的，先保持通入流量5升/每分钟不变，通入时间设定为18秒，然后将流量改为1升/每分钟，通入时间为10秒，各步骤中的控制参数如表2所示，这样可以保证氨气的流量和时间的乘积为常数(与现有技术中输入的氨气体积相同)，从而确保每个循环过程沉积的薄膜厚度不变。
表2本实施例各步骤的控制参数
但是，本实施例中氨气的输入并不是从设定流量(5升/每分钟)直接变化为零，而是从设定流量(5升/每分钟)先变化为1升/每分钟再变化为零，这样可以有效地降低炉管内氨气浓度残气差异，减少不同位置的硅片因残气沉积导致的膜厚差异，改善了片与片之间的厚度差异。以沉积75埃的薄膜为例，采用现有技术和本实施例的方法进行薄膜生长，膜厚差异如表3所示。
表3改善前后的膜厚差异
| 炉内厚度差异 | |
| 改善前 | 3埃 |
| 改善后 | <1埃 |
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，本发明并不局限于上述实施方式。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员做出的等效置换和改进，均应视为在本发明所保护的技术范畴内。
Claims (6)
1.一种改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，所述薄膜的生长包括若干个循环过程，其特征在于，每个循环过程的步骤如下：
步骤S1，通入第一气相前驱体，进行物理吸附；
步骤S2，利用吹扫气体对多余的第一气相前驱体进行吹扫；
步骤S3，第一次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S1，通入时间为T1；
步骤S4，第二次通入第二气相前驱体，所述第二气相前驱体的流量为S2，通入时间为T2；
步骤S5，利用吹扫气体对多余的第二气相前驱体进行吹扫；
其中，每个循环过程中需要的所述第二气相前驱体的体积V0与第一次通入的第二气相前驱体的流量为S1、通入时间为T1以及第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2、通入时间为T2的关系为：
V0＝S1×T1+S2×T2
S1＞S2。
2.根据权利要求1所述的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，其特征在于，第一次通入的第二气相前驱体的流量S1与第二次通入的第二气相前驱体的流量为S2的比值为5:1～10:1。
3.根据权利要求1所述的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，其特征在于，所述吹扫气体为氮气或惰性气体。
4.根据权利要求1所述的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，其特征在于，在步骤S3和步骤S4中，所述第二气相前驱体和所述第一气相前驱体进行化学反应。
5.根据权利要求1所述的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，其特征在于，所述方法用于形成氮化硅薄膜、氧化硅薄膜以及氮氧化硅薄膜。
6.根据权利要求1所述的改善炉管工艺中硅片薄膜厚度差异的方法，其特征在于，所述炉管工艺包括常压炉管工艺、低压炉管工艺和原子层沉积工艺。
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