二氧化硅的沉积方法及其制品和应用

1.本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种二氧化硅的沉积方法及其制品和应用。


背景技术：

2.二氧化硅薄膜在半导体器件中具有掩蔽杂质、绝缘起电、介质隔离、钝化保护、刻蚀掩膜等作用。在传统技术中，可以采用低压化学气相沉积(lpcvd)制备得到厚度小于2.5μm的二氧化硅薄膜。但是，对于深槽刻蚀等应用中，二氧化硅的厚度需要高达2.5μm-7μm甚至更厚，而采用传统lpcvd工艺制备厚度大于2.5μm的二氧化硅时容易产生裂纹，从而无法满足半导体器件对于二氧化硅的需求。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述问题，提供一种二氧化硅的沉积方法及其制品和应用；采用该沉积方法能够在提高二氧化硅厚度的同时降低裂纹的产生率，使表面沉积二氧化硅的晶圆介电性能优异，用于半导体器件能够提高半导体器件的良率和可靠性。
4.一种二氧化硅的沉积方法，包括如下步骤：
5.提供晶圆；
6.设定lpcvd装置的起始温度为300℃-600℃，待装置达到所述起始温度后，将所述晶圆置于晶圆舟上，并以5cm/min-15cm/min的进舟速度将所述晶圆移入装置；
7.设定装置为真空状态，并保持所述起始温度；
8.以2℃/min-6℃/min的升温速率升温至沉积温度并保持；
9.将所述晶圆进行分次沉积；
10.沉积完成后保持所述沉积温度；
11.以1℃/min-5℃/min的降温速率降温至300℃-600℃的终止温度，破真空并以2cm/min-12cm/min的出舟速度将所述晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积二氧化硅的晶圆。
12.在其中一个实施例中，所述起始温度的保持时间为10min-30min；
13.及/或，所述以2℃/min-6℃/min的升温速率升温至沉积温度并保持的步骤中，所述沉积温度的保持时间为10min-40min；
14.及/或，所述沉积完成后保持所述沉积温度的步骤中，所述沉积温度的保持时间为5min-20min。
15.在其中一个实施例中，所述分次沉积的压力为200pa-670pa，温度为650℃-800℃。
16.在其中一个实施例中，在相邻两次沉积过程之间进行抽气处理。
17.在其中一个实施例中，所述分次沉积的次数为4次-20次。
18.在其中一个实施例中，所述晶圆选自硅基晶圆或者碳化硅晶圆。
19.在其中一个实施例中，所述晶圆的厚度为200μm-700μm。
20.一种表面沉积二氧化硅的晶圆，由如上所述的二氧化硅的沉积方法制备得到。
21.在其中一个实施例中，所述晶圆中二氧化硅的厚度为2.5μm-12μm。
22.一种如上所述的表面沉积二氧化硅的晶圆在半导体器件中的应用。
23.本发明所述的沉积方法，通过协同调控沉积前后晶圆的进出舟速度、升降温速率以及300℃-600℃的起始温度、终止温度和持温过程，不仅能够确保晶圆在进出不同温区而引起的温度变化率低于裂纹产生的临界点，而且有利于降低晶圆进出lpcvd装置时产生的温差，并平衡升温时间和降温时间，使二氧化硅因温度变化而产生的额外应力不超过相应二氧化硅开裂的临界条件，从而有效控制晶圆与沉积二氧化硅之间因热导率和膨胀系数等差异所造成的应力和应变，进而降低二氧化硅沉积过程中裂纹的发生率。
24.因此，在特定的工艺条件下对晶圆进行分次沉积，能够在提高二氧化硅厚度的同时降低裂纹的产生率，用于半导体器件能够提高半导体器件的良率和可靠性。另外，该制备方法成本低廉，可以在各类通用设备上开发使用，应用范围广泛。
附图说明
25.图1为本发明制备得到表面沉积二氧化硅的晶圆的截面示意图；
26.图2为本发明实施例1中提供的现有技术中所使用的lpcvd装置的截面示意图；
27.图3为本发明实施例7中提供的二氧化硅的沉积方法过程中沉积装置的加热温度和teos流量随时间变化关系图；
28.图4为本发明实施例1-3在m2工艺条件下制备不同厚度二氧化硅以及对比例1-3在m1工艺条件下制备不同厚度二氧化硅产生裂纹缺陷片数的统计图，其中，a为5.1μm厚度二氧化硅，b为5.7μm厚度二氧化硅，c为6.3μm厚度二氧化硅；
29.图5为本发明实施例3在m2工艺条件下制备6.3μm厚度二氧化硅以及对比例3在m1工艺条件下制备6.3μm厚度二氧化硅产生裂纹面积比例的统计图。
30.图中：101、二氧化硅；102、晶圆；201、载气管路；202、teos鼓泡载气；203、teos鼓泡系统；204、晶圆；205、热电偶；206、晶圆舟；207、lpcvd炉管；208、传温炉管；209、控压装置；210、干泵；211、排气。
具体实施方式
31.为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更详细的描述。但是，应当理解，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式或实施例。相反地，提供这些实施方式或实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
32.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式或实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
33.本发明提供的二氧化硅的沉积方法，包括如下步骤：
34.s1，提供晶圆；
35.s2，设定lpcvd装置的起始温度为300℃-600℃，待装置达到所述起始温度后，将所述晶圆置于晶圆舟上，并以5cm/min-15cm/min的进舟速度将所述晶圆移入装置；
36.s3，设定装置为真空状态，并保持所述起始温度；
37.s4，以2℃/min-6℃/min的升温速率升温至沉积温度并保持；
38.s5，将所述晶圆进行分次沉积；
39.s6，沉积完成后保持所述沉积温度；
40.s7，以1℃/min-5℃/min的降温速率降温至300℃-600℃的终止温度，破真空并以2cm/min-12cm/min的出舟速度将所述晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积二氧化硅的晶圆。
41.步骤s1中，根据晶圆材质，所述晶圆选自硅基晶圆或者碳化硅晶圆；根据晶圆的处理方式，所述晶圆选自晶圆抛光片、晶圆外延片、掺杂晶圆或者具有图形化薄膜的晶圆。
42.其中，所述晶圆抛光片选自单面抛光片或者双面抛光片；所述晶圆外延片选自具有1-3层外延层的晶圆外延片，其中，最外层外延层为p型外延层或者n型外延层；所述掺杂晶圆选自p型掺杂晶圆或者n型掺杂晶圆；所述具有图形化薄膜的晶圆中，所述图形化薄膜选自ni薄膜、ti薄膜、al薄膜、cu薄膜、多晶硅薄膜、ag薄膜或者au薄膜。
43.在一些实施方式中，所述晶圆的厚度为200μm-700μm。
44.步骤s2中，设定300℃-600℃的起始温度有利于降低晶圆进入lpcvd装置时产生的温差且权衡了升温耗时，同时通过设定5cm/min-15cm/min的进舟速度，能够确保晶圆在进入装置时因加热位置不同产生不同温区而引起的温度变化率低于裂纹产生的临界点，降低晶圆与沉积二氧化硅之间因热导率和膨胀系数等差异所造成的应力和应变，从而降低二氧化硅沉积过程中裂纹的发生率，并且不影响制备效率。
45.在一些实施方式中，不同的起始升温温度导致以相同进舟速度传输晶圆带来的温度变化率有所不同。
46.具体地，所述起始温度优选为400℃-550℃，进舟速度优选为7cm/min-12cm/min。
47.为了进一步降低温度变化率，优选在晶圆移入装置的过程中继续保持起始温度。
48.在一些实施方式中，所述lpcvd装置中炉管类型选自水平式或者垂直式。
49.如图2所示，提供一种水平式lpcvd装置的示意图，其中，lpcvd炉管207中，晶圆204通过放置在悬臂上的晶圆舟206传送进传温炉管208，并由热电偶205进行加热升温，温度通过加热装置、传感器和控温系统联动反馈控制；氧气通过载气管路201由流量计控制，利用teos鼓泡系统203使四乙氧基硅烷(teos)通过teos鼓泡载气202进入lpcvd炉管207，真空及压力通过干泵210和控压装置209来实现，并通过干泵210进行排气211。
50.步骤s3中，在真空状态下，进一步保持300℃-600℃的起始温度，通过增加这一持温过程，有利于降低因抽真空引起的温变，使炉管内温度稳定。进一步的，所述保持起始温度的时间优选为10min-30min，更优选为12min-25min。
51.步骤s4中，通过在300℃-600℃的起始温度下以2℃/min-6℃/min的升温速率升温至沉积温度并保持，通过增加这一持温过程，有利于控制二氧化硅因温度变化而产生的额外应力不超过相应二氧化硅开裂的临界条件，从而进一步降低裂纹的发生率。进一步的，所述升温速率优选为2℃/min-5℃/min，所述保持沉积温度的时间优选为10min-40min，更优选为20min-35min。
52.步骤s5中，通过分次沉积有利于缓和沉积二氧化硅所产生的应力及应变累积。
53.在一些实施方式中，所述分次沉积的压力为200pa-670pa，温度为650℃-800℃。
54.为了确保沉积二氧化硅质量、沉积速率以及台阶覆盖性能够满足半导体器件应用
的需求，所述分次沉积的压力优选为400pa-500pa，所述分次沉积的温度优选为660℃-730℃，进一步优选为680℃-720℃。
55.所述的分次沉积通过载气通入气化的teos，在热驱动下分解teos进行二氧化硅沉积。
56.具体地，所述teos的流量为0.5g/min-1.5g/min，优选为0.7g/min-1.3g/min。所述载气的气体至少包括n2，所述n2的流量为200sccm-500sccm，所述n2优选为纯n2，其中，所述载气的气体还可以包括o2，o2的流量小于或者等于100sccm。
57.在一些实施方式中，所述分次沉积的次数为4次-20次，优选为8次-16次。
58.具体地，在相邻两次沉积过程之间需要一定的时间间隔进行抽气处理，降低污染物质潜在扩散对二氧化硅质量的影响，并且在抽气处理过程中保持沉积温度。
59.需要说明的是，所述分次沉积过程中，各次沉积的工艺条件可以相同、也可以不同，本发明对此不作限定。
60.步骤s6中，沉积完成后，维持沉积温度特定时间。
61.在一些实施方式中，所述沉积完成后保持所述沉积温度的步骤中，所述沉积温度的保持时间为5min-20min，优选为6min-15min。。
62.步骤s7中，通过设定1℃/min-5℃/min的降温速率使制备的二氧化硅晶圆先降温至300℃-600℃，可以降低因降温速率过快产生温差而导致二氧化硅产生应力和应变，进一步地，控制出舟速度有利于缓和温度变化来减轻对薄膜裂纹形成的影响。进一步地，所述降温速率优选为1℃/min-4℃/min。
63.需要说明的是，所述步骤s1-步骤s7可以为一个完整的沉积方法，也可以为完整的沉积方法中的某一个过程，即，通过多次重复步骤s1-步骤s7，使晶圆经历多个升降温过程完成沉积，本发明对此不作限定。
64.本发明提出的二氧化硅的沉积方法，能够满足大部分硅基和碳化硅器件加工制造的工艺需要，并且成本低廉，可以在各类通用设备上开发使用，应用范围广泛。
65.本发明还提供一种表面沉积二氧化硅的晶圆，所述表面沉积二氧化硅的晶圆由如上所述的二氧化硅的沉积方法制备得到。
66.在一些实施方式中，所述表面沉积二氧化硅的晶圆结构如图1所示，包括晶圆102以及沉积于所述晶圆102表面的二氧化硅101。
67.在一些实施方式中，所述晶圆102选自硅基晶圆时，所述二氧化硅101的厚度为2.5μm-7μm。
68.在一些实施方式中，所述晶圆102选自碳化硅晶圆时，所述二氧化硅101的厚度为5μm-12μm，优选为5μm-8μm。
69.本发明还提供一种如上所述的表面沉积二氧化硅的晶圆在半导体器件中的应用。
70.本发明提供的表面沉积二氧化硅的晶圆具有优异的介电性能，用于半导体器件能够大幅度降低裂纹的发生率，有利于提高半导体器件的良率和可靠性，对于半导体器件具有重要的意义和产业化应用价值。
71.以下，将通过以下具体实施例对所述二氧化硅的沉积方法及其制品和应用做进一步的说明。
72.实施例1
73.提供350μm厚度的碳化硅晶圆抛光片。
74.采用如图2所示的现有技术中所使用的lpcvd装置，设定lpcvd装置的起始温度为550℃，待装置达到550℃后，打开lpcvd装置，将碳化硅晶圆抛光片置于晶圆舟上，并以10cm/min的进舟速度将碳化硅晶圆抛光片移入装置内。
75.将装置内抽真空至450pa，并利用控温系统使炉管于550℃保持12min。
76.以3.5℃/min的升温速率升温至710℃并保持17min。
77.通入teos和载气n2，将碳化硅晶圆抛光片在710℃下进行6次沉积，每次沉积110min，且相邻两次沉积过程之间需要15min的抽气处理。
78.沉积完成后利用控温系统使炉管于710℃保持12min。
79.以2.9℃/min的降温速率降温至550℃，在n2条件下破真空并以7cm/min的出舟速度将沉积后的晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积5.1μm二氧化硅的晶圆。
80.设定本实施例的除沉积时间以外的工艺条件为m2，在m2工艺条件下以660分钟的总沉积时间制备25片表面沉积5.1μm二氧化硅的晶圆，并统计25片晶圆中二氧化硅存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。
81.实施例2
82.在与实施例1相同的工艺条件m2下，分6次沉积，每次沉积123分钟，以738分钟的总沉积时间制备25片表面沉积5.7μm二氧化硅的晶圆，并统计25片晶圆中二氧化硅存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。
83.实施例3
84.在与实施例1相同的工艺条件m2下，分6次沉积，每次沉积136分钟，以816分钟的总沉积时间制备25片表面沉积6.3μm二氧化硅的晶圆，并统计25片晶圆中二氧化硅存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。于25片晶圆中取存在薄膜裂纹的唯一一片上裂纹面积占晶圆总面积的比例，结果如图5所示。
85.实施例4
86.提供450μm厚度的硅基晶圆抛光片。
87.设定lpcvd装置的起始温度为500℃(t1)，待装置达到500℃后，打开lpcvd装置，将硅基晶圆抛光片置于晶圆舟上，并以5cm/min的进舟速度将硅基晶圆抛光片移入装置内。
88.将装置内抽真空至450pa，并利用控温系统使炉管于500℃保持12min。
89.以5℃/min的升温速率升温至710℃(t2)并保持20min。
90.通入teos和载气n2，将硅基晶圆抛光片在710℃(t2)下进行4次沉积(d
1-d4)，每次沉积100min，且相邻两次沉积过程之间需要20min的抽气处理(e
1-e3)。
91.沉积完成后利用控温系统使炉管于710℃(t2)保持20min。
92.以5℃/min的降温速率降温至500℃(t3)，在n2条件下破真空并以3.5cm/min的出舟速度将沉积后的晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积3.2μm二氧化硅的晶圆。
93.该沉积工艺过程中沉积装置的加热温度随时间变化关系如图3所示。
94.实施例5
95.提供350μm厚度的碳化硅晶圆抛光片。
96.设定lpcvd装置的起始温度为300℃，待装置达到300℃后，打开lpcvd装置，将碳化硅晶圆抛光片置于晶圆舟上，并以15cm/min的进舟速度将碳化硅晶圆抛光片移入装置内。
97.将装置内抽真空至450pa，并利用控温系统使炉管于300℃保持12min。
98.以5℃/min的升温速率升温至710℃并保持17min。
99.通入teos和载气n2，将碳化硅晶圆抛光片在710℃下进行16次沉积，每次沉积66min，且相邻两次沉积过程之间需要15min的抽气处理。
100.沉积完成后利用控温系统使炉管于710℃保持12min。
101.以4℃/min的降温速率降温至300℃，在n2条件下破真空并以12cm/min的出舟速度将沉积后的晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积8.5μm二氧化硅的晶圆。
102.对比例1
103.提供350μm厚度的碳化硅晶圆抛光片。
104.设定lpcvd装置的起始温度为600℃，待装置达到600℃后，打开lpcvd装置，将碳化硅晶圆抛光片置于晶圆舟上，并以16cm/min的进舟速度将碳化硅晶圆抛光片移入装置内。
105.将装置内抽真空至450pa，并利用控温系统使炉管于600℃保持12min。
106.以6℃/min的升温速率升温至710℃并保持17min。
107.通入teos和载气n2，将碳化硅晶圆抛光片在710℃下进行6次沉积，每次沉积110min，且相邻两次沉积过程之间需要15min的抽气处理。
108.沉积完成后利用控温系统使炉管于710℃保持12min。
109.以4℃/min的降温速率降温至600℃，在n2条件下破真空并以13cm/min的出舟速度将沉积后的晶圆移出装置，直至完全冷却，得到表面沉积5.1μm二氧化硅的晶圆。
110.设定本对比例除沉积时间以外的工艺条件为m1，在m1工艺条件下以660分钟的总沉积时间制备25片表面沉积5.1μm二氧化硅的晶圆，并统计其中存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。
111.对比例2
112.在与对比例1相同的工艺条件m1下，分6次沉积，每次沉积123分钟，以738分钟的总沉积时间制备25片表面沉积5.7μm二氧化硅的晶圆，并统计25片晶圆中二氧化硅存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。
113.对比例3
114.在与对比例1相同的工艺条件m1下，分6次沉积，每次沉积136分钟，以816分钟的总沉积时间制备25片表面沉积6.3μm二氧化硅的晶圆共25片，并统计25片晶圆中二氧化硅存在裂纹缺陷的晶圆片数，结果如图4所示。于25片晶圆中取与实施例3相同槽位的晶圆，统计晶圆上裂纹面积占晶圆总面积的比例，结果如图5所示。
115.将实施例1-5和对比例1-3统计的裂纹缺陷的晶圆比例数据列入表1所示。
116.表1
[0117][0118]
根据表1和图5可知，m2沉积工艺条件下制备的二氧化硅晶圆与m1沉积工艺条件下制备的二氧化硅晶圆相比，裂纹缺陷的晶圆比例和裂纹面积比例显著降低，这证明通过协同调控沉积前后晶圆的进出舟速度、升降温速率以及300℃-600℃的起始温度、终止温度能够有效降低裂纹的发生率。并且，在相同的沉积工艺条件下，沉积二氧化硅的厚度越大，二氧化硅晶圆出现裂纹的发生率越高。
[0119]
本发明提出的二氧化硅的沉积方法，能够有效降低二氧化硅晶圆出现裂纹的发生率，这对于改善半导体制造过程中本工序良率的提升均存在重要的意义和产业化应用价值。
[0120]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0121]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。