阅读说明：本技术 化学气相沉积方法和装置 (Chemical vapor deposition method and apparatus ) 是由 许芷萍 黄欣欣 于 2019-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种化学气相沉积方法和装置,所述化学气相沉积方法包括在衬底上沉积目标膜层的化学气相沉积过程；在所述化学气相沉积过程开始时,反应腔的加热温度为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时,反应腔的加热温度为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中,所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。本发明通过引入一种新的化学气相沉积方法和装置,通过在化学气相沉积过程中引入周期性的降温过程,改善设备及晶圆面内的温度分布,提高化学气相沉积的成膜均匀性,得到低成本高质量的成膜工艺。(The invention provides a chemical vapor deposition method and a device, wherein the chemical vapor deposition method comprises a chemical vapor deposition process for depositing a target film layer on a substrate; when the chemical vapor deposition process starts, the heating temperature of the reaction cavity is an initial temperature; when the chemical vapor deposition process is finished, the heating temperature of the reaction cavity is the final temperature; the final temperature is lower than the initial temperature; during the chemical vapor deposition, the heating temperature is reduced from the initial temperature to the final temperature. The invention introduces a new chemical vapor deposition method and a new chemical vapor deposition device, and introduces a periodic cooling process in the chemical vapor deposition process to improve the temperature distribution in equipment and a wafer surface, improve the film forming uniformity of chemical vapor deposition and obtain a low-cost high-quality film forming process.)

化学气相沉积方法和装置

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种化学气相沉积方法和装置。

背景技术

在半导体晶圆的制造过程中，各种半导体材料的薄膜沉积是一项影响器件可靠性及产品良率的关键技术。其中，低压化学气相沉积(LPCVD)普遍用于沉积氮化硅、二氧化硅或多晶硅等薄膜，是一种以较低的制造成本获得高质量膜层的成膜技术。

然而，随着半导体器件的不断发展，制程所用晶圆尺寸不断增加，而最小特征尺寸不断减小，这对于薄膜沉积的成膜质量及均匀性提出了更高的要求。例如，在3D NAND闪存器件的制造过程中，氮化硅材料作为制程中隔离层或掩膜层材料，其成膜质量直接影响着3D NAND的器件性能。随着3D NAND尺寸不断减小且结构日趋复杂，现有的低压化学气相沉积所得到的氮化硅薄膜已无法满足当前先进制程对于成膜质量及均匀性的严格要求。在同一批次的低压化学气相沉积过程中往往会出现在LPCVD设备中某些位置的晶圆面内成膜不均匀，或同批次晶圆间成膜不均匀的现象，这就将直接影响器件性能；而禁用设备中成膜质量不佳的位置又会影响设备产能，降低生产效率。此外，如果改为采用原子层沉积(ALD)等均匀性较好但却更昂贵的成膜工艺又会直接增加产品的生产成本，降低产品竞争力。

因此，有必要提出一种新的化学气相沉积方法和装置，解决上述问题。

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化学气相沉积方法和装置，用于解决现有技术中化学气相沉积方法成膜不均匀的问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供了一种化学气相沉积方法，其特征在于，所述化学气相沉积方法包括在衬底上沉积目标膜层的化学气相沉积过程；在所述化学气相沉积过程开始时，反应腔的加热温度为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时，反应腔的加热温度为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积方法包括低压化学气相沉积法、常压化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法。

作为本发明的一种可选方案，所述衬底包括半导体衬底；所述目标膜层包括氮化硅层、二氧化硅层、单晶硅层或多晶硅层。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积方法包括依次进行的多个所述化学气相沉积过程。

作为本发明的一种可选方案，多个所述化学气相沉积过程在开始时具有相同的所述初值温度，在相邻的两个所述化学气相沉积过程之间还包括使所述加热温度回升至所述初值温度的升温过程。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积方法用于同时在多个所述衬底上沉积所述目标膜层，所述反应腔具有多个衬底放置位，多个所述衬底放置于多个所述衬底放置位上。

作为本发明的一种可选方案，所述反应腔中不同的所述衬底放置位具有不同的所述初值温度；所述衬底放置位的所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度的降温速率与所述衬底放置位的所述初值温度正相关。

作为本发明的一种可选方案，所述反应腔为垂直型腔室，多个所述衬底沿垂直方向叠放于所述反应腔中，所述反应腔顶部的所述加热温度高于所述反应腔底部的所述加热温度，参与化学气相沉积过程的工艺气体从所述反应腔的底部通入所述反应腔中。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积方法包括依次进行的反应腔升温过程、反应腔保温过程和反应腔降温过程；所述化学气相沉积过程包含于所述反应腔保温过程中。

本发明还提供了一种化学气相沉积装置，其特征在于：包括：

反应腔，所述反应腔用于容纳衬底，并通过化学气相沉积过程在所述衬底上沉积目标膜层；

加热模块，所述加热模块用于在加热温度下对所述反应腔进行加热；

温度控制模块，所述温度控制模块连接所述加热模块，用于对所述加热模块的所述加热温度进行设置；在所述化学气相沉积过程开始时，所述加热温度设置为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时，所述加热温度设置为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积装置还包括循环控制模块，所述循环控制模块连接所述反应腔、所述加热模块和所述温度控制模块，用于依次进行多个所述化学气相沉积过程。

作为本发明的一种可选方案，所述反应腔为垂直型腔室，所述反应腔中沿垂直方向设置有多个放置所述衬底的衬底放置位。

作为本发明的一种可选方案，所述化学气相沉积装置还包括工艺气体供给源，所述工艺气体供给源连接至所述反应腔的底部，用于向所述反应腔供给参与化学气相沉积过程的工艺气体。

如上所述，本发明提供一种化学气相沉积方法和装置，具有以下有益效果：

本发明通过引入一种新的化学气相沉积方法和装置，通过在化学气相沉积过程中引入周期性的降温过程，改善设备及晶圆面内的温度分布，提高化学气相沉积的成膜均匀性，得到低成本高质量的成膜工艺。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的现有技术中所使用的低压化学气相沉积装置的截面示意图。

图2显示为本发明实施例一中提供的化学气相沉积方法的工艺过程中反应腔的加热温度随时间变化关系图。

图3显示为本发明实施例一中提供的反应腔中顶部相同位置的晶圆面内成膜均匀性的箱线图对比图。

图4显示为本发明实施例二中提供的化学气相沉积装置的截面示意图。

元件标号说明

100 晶圆

100a 晶舟

101 反应腔

102 加热装置

103 工艺气体供给源

103a 进气口

104 抽气装置

104a 排气口

201 顶部位置曲线

202 中上部位置曲线

203 中部位置曲线

204 中下部位置曲线

205 底部位置曲线

300 晶圆

300a 晶舟

301 反应腔

302 加热模块

302a 顶部加热模块

302b 中部加热模块

302c 底部加热模块

303 二氯硅烷供给源

303a 第一进气口

304 氨气供给源

304a 第二进气口

305 抽气装置

305a 排气口

306 温度控制模块

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它优点与功效。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。

请参阅图1至图4。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，虽图示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形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种化学气相沉积方法，其特征在于，所述化学气相沉积方法包括在衬底上沉积目标膜层的化学气相沉积过程；在所述化学气相沉积过程开始时，反应腔的加热温度为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时，反应腔的加热温度为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。

在本实施例中，所述化学气相沉积方法为低压化学气相沉积法(LPCVD)，在本发明的其他实施方案中，还可以采用常压化学气相沉积法(APCVD)或等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等其他化学气相沉积(CVD)工艺。可选地，本实施例中所用的衬底包括半导体衬底，例如硅衬底或锗硅衬底。可选地，本实施中所述化学气相沉积方法可用于3D NAND器件晶圆，其是基于硅衬底，通过现有的半导体工艺制程在硅衬底上制备在前的半导体结构，并停留在需要沉积所述目标膜层的站点，以待本实施例进行化学气相沉积。所述衬底也可以是未经过半导体工艺制程的裸硅片衬底。而在本发明的其他实施案例中，所述衬底还可以包括其他可能用于化学气相沉积的衬底，例如碳化硅衬底、氮化镓衬底或蓝宝石衬底等。在本实施例中，所述化学气相沉积方法所沉积的所述目标膜层为氮化硅层。所述氮化硅层可用于3D NAND器件工艺制程中的电性绝缘的隔离层以及刻蚀或离子注入的掩膜层。所述目标膜层还可以包括二氧化硅层、单晶硅层或多晶硅层等其他可由化学气相沉积方法得到的膜层。

如图1所示，是现有技术中所使用的低压化学气相沉积装置的截面示意图。多枚等待化学气相沉积的晶圆100垂直排列于反应腔101中，多枚所述晶圆100由晶舟100a承载并传送至所述反应腔101中。所述反应腔101为可确保低压环境的密封腔室，并由加热装置102环绕包围，通过所述加热装置102加热至化学气相沉积的反应温度。在所述反应腔101的底部位置设有连接工艺气体供给源103的进气口103a。具体地，本实施例中用于沉积氮化硅薄膜的工艺气体为二氯硅烷(DCS,SiCl₂H₂)和氨气(NH₃)。所述二氯硅烷和所述氨气在所述反应腔101中混合，在反应温度下发生化学反应，并在所述晶圆100的表面沉积氮化硅。反应后生成的副产物，如氯化氢和氢气等，则由抽气装置104通过排气口104a抽走。

然而，上述装置存在的问题是，所述反应腔101中的温场分布是不均匀的，例如，所述反应腔101的顶部区域的温度一般高于底部区域的温度，所述反应腔101***靠近所述加热装置102的区域的温度一般高于内部远离所述加热装置102的区域的温度。所述反应腔101内部的温差将导致化学气相沉积的反应不均匀，进而使所述晶圆100出现面内成膜不均匀；而图1中所述反应腔101由底部进气的结构还导致在所述反应腔101的顶部区域的工艺气体的浓度低于底部区域，这也使得顶部位置的所述晶圆100面内成膜不均匀性进一步加剧。而所述反应腔101中温场分布的不均匀性则与设备结构等客观条件相关，无法轻易改变。随着3D NAND器件对于薄膜厚度均匀性要求的提升以及12英寸大尺寸晶圆的工艺应用，为了确保工艺结果符合要求，在现有的低压化学气相沉积过程中只能禁用顶部位置进行化学气相沉积，以确保成膜均匀性，但这无疑将大幅减少设备产能。

针对上述缺陷，本发明通过在化学气相沉积过程中引入降温过程，改善所述反应腔101内的温场分布以及工艺气体的浓度分布，以提升所述晶圆100面内成膜的均匀性；而通过改善成膜均匀性，还可以使所述反应腔101顶部位置的成膜结果符合制程要求，从而提升设备产能。

具体地，如图2所示，是本实施例中一次低压化学气相沉积方法的工艺过程中，反应腔的加热温度随时间变化关系图。在一次低压化学气相沉积方法生长氮化硅薄膜的过程中，包括依次进行的反应腔升温过程T1、反应腔保温过程T2和反应腔降温过程T3等三个控温过程。在所述反应腔101升温至目标温度并保温一段时间后，向所述反应腔101内部供给工艺气体，并开始化学气相沉积过程。

在现有技术中，化学气相沉积过程中，所述反应腔101在所述反应腔保温过程T2中一直维持恒温，即图2中虚线所示温度过程。所述化学气相沉积过程可以发生在所述反应腔保温过程T2中的任意区间段内。由于整个过程没有进行温度调控，工艺气体在从所述反应腔101底部位置向顶部位置扩散的过程中浓度逐渐降低，且在所述晶圆100的面内的分布也具有不均匀性，该不均匀性随着靠近顶部位置而愈加显著，最终导致顶部位置的所述晶圆100面内氮化硅层的沉积厚度的均匀性劣化。

而在本实施例中，所述反应腔101中各位置在所述反应腔保温过程T2中温度变化如图2中实线所示，在化学气相沉积过程中为降温过程。而图2中的五条曲线分别代表了所述反应腔101中五个不同位置：顶部位置曲线201、中上部位置曲线202、中部位置曲线203、中下部位置曲线204和底部位置曲线205。具体地，本实施例中，共有依次进行的三个化学气相沉积过程，分别为第一化学气相沉积过程D1、第二化学气相沉积过程D2和第三化学气相沉积过程D3。在上述三个化学气相沉积过程中，在过程开始时，所述反应腔101的加热温度为初值温度；在过程结束时，所述反应腔101的加热温度为终值温度。所述终值温度低于所述初值温度。在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。通过在化学气相沉积过程引入降温过程，能使更多的工艺气体从所述反应腔101底部位置扩散至顶部位置，从而改善所述工艺气体在所述反应腔101中的浓度分布，使所述反应腔101顶部位置的工艺气体浓度上升，提高反应均匀性，改善顶部位置的所述晶圆100的面内氮化硅层的分布均匀性。

作为示例，多个所述化学气相沉积过程在开始时具有相同的所述初值温度，在相邻的两个所述化学气相沉积过程之间还包括使所述加热温度回升至所述初值温度的升温过程。如图2所示，本实施例中采用了三个依次进行的化学气相沉积过程D1、D2和D3。其中，在所述反应腔101中同一位置的温度曲线中，具有相同的初值温度和终值温度。从图2中还可以看出，在所述反应腔101中不同位置的温度曲线中，从初值温度下降到终值温度的降温速率不同。所述反应腔中不同的所述衬底放置位具有不同的所述初值温度；所述衬底放置位的所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度的降温速率与所述衬底放置位的所述初值温度正相关。例如，在图2中，对于具有较高初值温度的顶部位置曲线201，其降温速率要快于具有较低初值温度的底部位置曲线205。图2中的五条温度曲线根据其初值温度大小的不同，具有不同大小的降温速率。在所述顶部位置曲线201等曲线的化学气相沉积过程D1～D3中，当降温达到终值温度时，还会在所述终值温度保温维持至所述化学气相沉积过程结束。而在相邻的所述化学气相沉积过程之间还包括使加热温度回升至所述初值温度的升温过程。需要指出的是，本实施例中采用了三个化学气相沉积过程D1～D3，而在本发明的其他实施案例中，化学气相沉积过程的数量不限于三个，还可以根据实际情况增加或减少化学气相沉积过程的数量。

作为示例，在本实施例中，所述化学气相沉积方法用于同时在多个所述衬底上沉积所述目标膜层。如图1所示，多枚所述晶圆100由晶舟100a承载，同时于所述反应腔101中进行化学气相沉积。而需要指出的是，在本发明的其他实施方案中，所述化学气相沉积方法还可以用于单枚晶圆的化学气相沉积，并改善单枚晶圆中的面内分布均匀性。

如图3所示，是所述反应腔101中顶部相同位置的晶圆面内成膜均匀性的箱线图对比。其中现有技术的箱线图代表图2中无温度调控的虚线温度曲线下化学气象沉积得到的晶圆面内氮化硅层膜厚分布；而改善组1和改善组2分别为本实施例中先后重复两次采用三阶段降温过程的化学气相沉积方法得到的晶圆面内氮化硅层膜厚分布。本实施例中所生长的氮化硅层的目标厚度为800埃米。从图3中可以看出，本实施例中的改善组1和改善组2相比现有技术所得到的氮化硅层，其厚度分布均匀性得到了显著提升，且两次重复结果表明该提升具有较好的稳定性及可重复性。在现有技术所得的氮化硅层中，膜厚的面内不均匀性U％＝4.23％，而改善组1和改善组2的面内不均匀性分别降至0.85％和0.96％。即，通过本实施例中提供的化学气相沉积方法，所述反应腔101中顶部位置的晶圆氮化硅层的不均匀性已降至1％以内，完全能满足制程工艺的要求。因此，在现有技术中由于无法满足制程工艺要求而禁用的所述反应腔101顶部位置在本实施例中提供的化学气相沉积方法中已可以参与工艺制程，这将大幅提升设备的产能。例如，现有技术禁用顶部位置时设备每批次仅能处理100枚晶圆，而在本实施例中顶部位置也参与制程时，可以将每批次能处理的晶圆数量提升至125枚。由此可以看出，本发明不但提升了晶圆面内的成膜均匀性，也大幅提升了设备产能。

实施例二

请参阅图4，本实施例提供了一种化学气相沉积装置，其特征在于：包括：

反应腔301，所述反应腔301用于容纳衬底，并通过化学气相沉积过程在所述衬底上沉积目标膜层；

加热模块302，所述加热模块302于在加热温度下对所述反应腔301进行加热；

温度控制模块306，所述温度控制模块306连接所述加热模块302，用于对所述加热模块302的所述加热温度进行设置；在所述化学气相沉积过程开始时，所述加热温度设置为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时，所述加热温度设置为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。

可选地，在本实施例中，所述化学气相沉积装置可用于低压化学气相沉积法(LPCVD)，特别是用于实现如实施例一中所述的化学气相沉积法。其所处理的所述衬底包括半导体衬底，所沉积的目标膜层为氮化硅层二氧化硅层、单晶硅层或多晶硅层。

如图4所示，多枚等待化学气相沉积的晶圆300垂直排列于反应腔301中。可选地，多枚所述晶圆300由晶舟300a承载并传送至所述反应腔301中。即，所述反应腔301为垂直型腔室，所述反应腔301中沿垂直方向设置有多个放置所述衬底的衬底放置位。所述反应腔301为可确保低压环境的密封腔室，并由加热模块302环绕包围，通过所述加热模块302加热至化学气相沉积的反应温度。所述加热模块302可选用电阻加热、红外加热或电磁感应加热等任意可用的加热装置。在所述反应腔301的底部位置设有连接工艺气体供给源的进气口。具体地，本实施例中用于沉积氮化硅薄膜的工艺气体为二氯硅烷(DCS,SiCl₂H₂)和氨气(NH₃)。在图4中，二氯硅烷供给源303通过第一进气口303a向所述反应腔301供给二氯硅烷，氨气供给源304通过第二进气口304a向所述反应腔301供给氨气。所述第一进气口303a与所述第二进气口304a为相对设置。所述二氯硅烷和所述氨气在所述反应腔301中混合，在反应温度下发生化学反应，并在所述晶圆300的表面沉积氮化硅。反应后生成的副产物，如氯化氢和氢气等，则由抽气装置305通过排气口305a抽走。需要指出的是，当本实施例中的所述化学气相沉积装置用于沉积二氧化硅或多晶硅等其他半导体材料时，可以对所述工艺气体的种类和数目进行对应调整。

作为示例，所述加热模块302包括自上而下依次垂直排列的顶部加热模块302a、中部加热模块302b和底部加热模块303c，各个加热模块可以分别独立进行加热或降温，以控制对应区域的加热温度。所述温度控制模块306分别连接至所述顶部加热模块302a、所述中部加热模块302b和所述底部加热模块303c，并对各个加热模块的加热温度进行控制，以实现如实施例一中所述的由多个降温的化学气相沉积过程组成的化学气相沉积方法。在本发明的其他实施方案中，还可以增加或减少所述加热模块的数量，例如增至五个加热模块，以对应实施例一的图2中的五个位置的温度曲线。

作为示例，所述化学气相沉积装置还包括循环控制模块，所述循环控制模块连接所述反应腔、所述加热模块和所述温度控制模块，用于依次进行多个所述化学气相沉积过程。具体地，如实施例一所述的化学气相沉积方法中共包括三个所述化学气相沉积过程，在每个所述化学气相沉积过程都包括加热温度的降温过程及工艺气体的供给过程。所述循环控制模块连接所述反应腔、所述加热模块和所述温度控制模块，并控制执行所设定次数的所述化学气相沉积过程，如实施例一中实施三次所述化学气相沉积过程。

本实施例所述的化学气相沉积装置不仅限于用于实施例一中所述的化学气相沉积方法，还可以根据实际需要对所述反应腔、所述加热模块及所述温度控制模块进行调整，以适用于其他可能的化学气相沉积方法的工艺过程。

综上所述，本发明提供了一种化学气相沉积方法和装置，所述化学气相沉积方法包括在衬底上沉积目标膜层的化学气相沉积过程；在所述化学气相沉积过程开始时，反应腔的加热温度为初值温度；在所述化学气相沉积过程结束时，反应腔的加热温度为终值温度；所述终值温度低于所述初值温度；在所述化学气相沉积过程中，所述加热温度由所述初值温度降低至所述终值温度。本发明通过引入一种新的化学气相沉积方法和装置，通过在化学气相沉积过程中引入周期性的降温过程，改善设备及晶圆面内的温度分布，提高化学气相沉积的成膜均匀性，得到低成本高质量的成膜工艺。

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。