化学气相沉积工艺及膜层的形成方法与流程

1.本发明实施例涉及一种沉积方法及膜层的形成方法，且涉及一种化学气相沉积工艺及膜层的形成方法。


背景技术：

2.化学气相沉积工艺是目前广泛使用在半导体工艺的一种膜层的沉积方法。随着装置尺寸不断地小型化，膜层的厚度的控制也就愈加的重要。然而，目前的化学气相沉积工艺容易有膜厚不均的问题。


技术实现要素：

3.本发明是针对一种化学气相沉积工艺及膜层的形成方法，可以提升膜层的均匀度。
4.根据本发明实施例，一种化学气相沉积工艺，包括：执行第一阶段沉积工艺，在第一温度维持第一时间段；执行第二阶段沉积工艺，包括：升温步骤，在第二时间段内从所述第一温度升温至第二温度；以及降温步骤，在第三时间段内从所述第二温度下降至第三温度。
5.本发明实施例还提出一种化学气相沉积工艺包括多个循环工艺，每一循环工艺包括：执行第一阶段沉积工艺，在第一温度维持第一时间段；以及执行第二阶段沉积工艺，包括：升温步骤，在第二时间段内从所述第一温度升温至第二温度；以及降温步骤，在第三时间段内从所述第二温度下降至所述第一温度。
6.本发明实施例的化学气相沉积工艺及膜层的形成方法，可以提升膜层的均匀度。
附图说明
7.图1是依照本发明的第一实施例的一种化学气相沉积工艺在各阶段的温度线图；
8.图2是依照本发明的第二实施例的一种化学气相沉积工艺在各阶段的温度线图；
9.图3a至图3b是依照本发明的实施例的一种膜层的制造流程剖面图。
具体实施方式
10.现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
11.本发明的一种化学气相沉积工艺是一种通过动态精细温控的方式来执行膜层的沉积工艺。在第一实施例中，化学气相沉积工艺包括执行初始阶段s0、执行第一阶段沉积工艺s1、执行第二阶段沉积工艺s2、执行除气阶段s3以及终了阶段sn，如图1所示。
12.请参照图1与图3a，首先将衬底10置于反应腔室之中，然后，执行初始阶段s0。在执行初始阶段s0时，将载气通入反应腔室，但不将反应气体通入反应腔室之中，因此在衬底上尚无法沉积膜层。载气可以是惰性气体，例如是氮气或是氦气。初始阶段s0包括恒温步骤
s0-f以及升温步骤s0-r。恒温步骤s0-f维持在固定的初始温度t0例如是摄氏300度至650度执行一时间段t
0f
例如是5分钟至60分钟。本文所述的温度是指反应腔体的温度。在执行恒温步骤s0-f之后，接着，执行升温步骤s0-r。升温步骤s0-r在时间段t
0r
内将温度从初始温度t0上升至第一温度t1。时间段t
0r
例如是5分钟至10分钟。第一温度t1例如是摄氏450度至750度。第一温度t1与初始温度t0的差例如是摄氏10度至300度。升温步骤s0-r的升温速率例如是0.03至0.35度/秒。升温步骤s0-r例如是以固定的升温速率，或阶段式的升温速率，使温度从初始温度t0上升至第一温度t1。
13.接着，执行第一阶段沉积工艺s1。在执行第一阶段沉积工艺s1时，在反应腔室中通入反应气体，以在衬底上沉积膜层。在一实施例中，欲沉积的膜层为氮化硅膜，反应气体例如是硅甲烷以及氨气。在执行第一阶段沉积工艺s1时，在反应腔室中亦可以持续通入载气，并且可以通过载气的流量来控制沉积的速率。载气的流量可以小于或等于在初始阶段s0所通入的载气的流量。
14.第一阶段沉积工艺s1在第一温度t1维持第一时间段t1。时间段t1例如是5分钟至25分钟。第一时间段t1例如是总沉积时间t
tol
的20％至70％。此处所述的总沉积时间t
tol
是指第一时间段t1以及后续提及的第二时间段t2以及第三时间段t3的总和(t
tol
＝t1 t2 t3)。总沉积时间t
tol
也可以是指通入反应气体的总时间。
15.请参照图1与图3a，在执行第一阶段沉积工艺s1后，衬底10的边缘区域er的材料层12a的厚度会略大于衬底10的中心区域cr的材料层12a的厚度。
16.之后，执行第二阶段沉积工艺s2。第二阶段沉积工艺s2包括升温步骤s2-r与降温步骤s2-d。在执行升温步骤s2-r与降温步骤s2-d时，在反应腔室中持续通入反应气体，并可选择性地通入载气，以持续在衬底上沉积膜层，使膜层的厚度增加。载气的流量可以小于或等于在初始阶段s0所通入的载气的流量。
17.第二阶段沉积工艺s2的升温步骤s2-r在第二时间段t2内从所述第一温度t1升温至第二温度t2。第二时间段t2例如是3分钟至10分钟。第二时间段t2例如是小于或等于第一时间段t1。第二时间段t2例如是等于或是大于初始阶段s0的升温步骤s0-r的时间段t
0r
。第二时间段t2例如是总沉积时间t
tol
的5％至40％。升温步骤s2-r的升温速率例如是0.03至0.35度/秒。升温步骤s2-r例如是以固定的升温速率，或是多阶段的升温速率，使温度从第一温度t1上升至第二温度t2。第二温度t2如是摄氏470度至800度。第二温度t2与第一温度t1的差例如是摄氏20度至50度。第二阶段沉积工艺s2的升温步骤s2-r的升温速率可以小于、等于或大于初始阶段s0的升温步骤s0-r的升温速率。
18.第二阶段沉积工艺s2的升温步骤s2-r达到第二温度t2之后，随即执行降温步骤s2-d。降温步骤s2-d在第三时间段t3内从所述第二温度t2持续降温且下降至第三温度t3。在此所述的持续降温，是指在第三时间段t3内不包括升温的步骤，且温度持续下降。第三时间段t3例如是5分钟至10分钟。第三时间段t3例如是小于或等于第一时间段t1。第三时间段t3可以小于、等于或大于第二时间段t2。第三时间段t3例如是总沉积时间t
tol
的5％至70％。第二时间段t2与第三时间段t3之和例如是总沉积时间t
tol
的30％至50％。降温步骤s2-d的降温速率例如是0.03至0.2度/秒。降温步骤s2-d可以是以固定的降温速率，或是多阶段的降温速率使温度从第二温度t2下降至第三温度t3。第三温度t3例如是摄氏400度至730度。第三温度t3与第二温度t2的差例如是摄氏20度至50度。第三温度t3与第一温度t1的差例如是摄氏0
度至50度。在一实施例中，第三温度t3等于第一温度t1。降温步骤s2-d的降温速率可以小于、等于或大于升温步骤s2-r的升温速率。在一实施例中，降温步骤s2-d的第三时间段t3大于第二时间段t2，且降温步骤s2-d的降温速率小于升温步骤s2-r的升温速率。在另一实施例中，降温步骤s2-d的第三时间段t3等于第二时间段t2，且降温步骤s2-d的降温速率等于升温步骤s2-r的升温速率。
19.请参照图1与图3b，在执行第二阶段沉积工艺s2的步骤时，由于衬底10的边缘区er比中心区cr更容易及时反应温度的改变，因此，当反应腔室温度的上升与下降之后，衬底10的边缘区er的沉积速率明显下降；而衬底10的中心区cr则较慢反应温度的改变，因此，相较于边缘区er，中心区cr的沉积速率的影响较小。故，在执行第二阶段沉积工艺s2的步骤期间，在中心区cr沉积的材料层12b的厚度大于在边缘区er的材料层12b的厚度。通过此种方法，可以使得最终所形成的膜层12具有均匀的厚度。
20.在执行降温步骤s2-d之后，执行除气(purge)阶段s3。在执行除气阶段s3时，在反应腔室中停止通入反应气体，但仍持续通入载气，以将反应腔室中残留的反应气体排出，停止在衬底上沉积膜层。除气阶段s3所通入的载气的流量可以大于第一阶段沉积工艺s1以及第二阶段沉积工艺s2所通入的载气。除气阶段s3的温度等于或低于降温步骤s2-d的温度。除气阶段s3在降温步骤s2-d的最低温度(即第三温度t3)维持第四时间段t4。第四时间段t4例如是1分钟至60分钟。第四时间段t4例如是大于或等于第二时间段t2，且大于或等于第三时间段t3。第四时间段t4可以小于、等于或大于第一时间段t1。
21.在执行除气阶段s3之后，执行终了阶段sn。终了阶段sn包括降温步骤sn-d与恒温步骤sn-f。在终了阶段sn的降温步骤sn-d或恒温步骤sn-f时，在反应腔室中不通入反应气体，也不再通入载气，因此在衬底上的膜层厚度不再增加。降温步骤sn-d在时间段t
nd
内从第三温度t3下降至第四温度t4。时间段t
nd
例如是3分钟至10分钟。时间段t
nd
例如是小于或等于执行第二阶段沉积工艺s2的降温步骤s2-d的第三时间段t3。降温步骤sn-d的降温速率例如是0.03至0.35度/秒。降温步骤sn-d可以是以固定的降温速率，或是多阶段的降温速率使温度从第三温度t3下降至第四温度t4。第四温度t4例如是摄氏300度至650度。第四温度t4与初始温度t0的差例如是摄氏0度至300度。在一实施例中，第四温度t4等于初始温度t0。在执行降温步骤sn-d之后，执行恒温步骤sn-f。恒温步骤sn-f在第四温度t4执行一时间段t
nf
，例如是3分钟至10分钟。
22.在执行终了阶段sn的恒温步骤sn-f之后，将衬底10自反应腔室取出。衬底10上形成的膜层12具有良好的均匀度。
23.在另一个实施例中，可以包括多个循环工艺。每一个循环工艺可以包括上述的第一阶段沉积工艺s1以及上述的第二阶段沉积工艺s2。通过多次的循环工艺，可以使得所沉积的膜层具有更佳的均匀度。
24.请参照图2，在第二实施例中，化学气相沉积工艺包括执行初始阶段s0、执行多个循环工艺c1、c2、c3，执行除气阶段s3以及终了阶段sn。循环工艺c1、c2、c3可以各自分别包括上述的第一阶段沉积工艺以及第二阶段沉积工艺。第二实施例的初始阶段s0与第一实施例所述的初始阶段s0相同，于此不再赘述。
25.在执行初始阶段s0阶段之后，执行多个循环工艺，例如是1个至50个循环工艺。在本文中，以三个循环工艺c1、c2、c3为例来说明，但不以此为限。循环工艺c1、c2、c3分别包括
第一阶段沉积工艺s11与第二阶段沉积工艺s21、第一阶段沉积工艺s12与第二阶段沉积工艺s22、第一阶段沉积工艺s13与第二阶段沉积工艺s23。第二实施例的第一阶段沉积工艺s11、s12、s13与第一实施例的第一阶段沉积工艺s1相似；第二实施例的第二阶段沉积工艺s21、s22、s23与第一实施例的第二阶段沉积工艺s2相似，其差异在于第二阶段沉积工艺s21、s22、s23的降温步骤s2-d1、s2-d2、s2-d3分别是从第二温度t21、t22、t23下降至t12、t13、t3。
26.在一实施例中，循环工艺c1、c2、c3的所述第一温度t11、t12、t13相同，第二温度t21、t22、t23相同，且第三温度t3等于第一温度t11、t12、t13。循环工艺c1、c2或c3的第一时间段t
11
、t
12
、t
13
可以相同或相异，第二时间段t
21
、t
22
、t
23
可以相同或相异，第三时间段t
31
、t
32
、t
33
可以相同或相异。循环工艺c1、c2或c3的第二阶段沉积工艺s21、s22、s23的升温步骤s2-r1、s2-r2、s2-r3的升温速率可以相同或是相异。循环工艺c1、c2或c3的第二阶段沉积工艺s2的降温步骤s2-d1、s2-d2、s2-d3的降温速率可以相同或是相异。在一实施例中，升温步骤s2-r1、s2-r2、s2-r3的升温速率可以相同，且降温步骤s2-d1、s2-d2、s2-d3的降温速率可以相同。
27.在执行循环工艺c3之后，依序执行除气阶段s3以及终了阶段sn。除气阶段s3以及终了阶段sn可以与上述第一实施施例的除气阶段s3以及终了阶段sn相似。在执行终了阶段sn的恒温步骤sn-f之后，将衬底自反应腔室取出。
28.本发明通过动态精细温控的方式来执行化学气相沉积工艺的方法，可以用来沉积各种膜层，例如是介电层、金属层或是合金层，且所形成的膜层具有良好的均匀度。
29.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。