專利名稱：電阻加熱式單晶片腔室中的摻雜的硅沉積工藝的制作方法
技術領域：
本發明是關于半導體加工領域的，特別是關于用于控制硅膜的沉積的一種方法和設備。
背景技術：
圖1描繪了一種靠輻射加熱的半導體基片加工腔室的一個實例。該類加工腔室內工藝壓力一般小于或接近100乇。單基片反應器100包括頂壁132，側壁133和底壁134，這使反應器100能加載一個單基片，例如晶片102。晶片102裝在由馬達137帶動旋轉的基座(susceptor)105上，以便為一般是圓片狀的晶片102提供一個時間均勻化的環境。基座和晶片被加熱，工藝氣體通過腔室130被抽取，工藝氣體以箭頭141的方向流經晶片的表面。工藝氣體包括能在加熱的晶片表面發生反應的化學氣體，以便在晶片表面形成一層膜。晶片不斷旋轉以使氣體在晶片的整個表面均勻地消耗。
預熱環140被固定在腔室130，且環繞晶片102。晶片102、基座105及預熱環140被多個裝在反應器100外部的高強度燈138和139發出的光加熱。腔室130的頂壁132和底壁134一般是由石英制造的，并對光來說基本是透明的，以使來自外部的燈138和139的光進入反應器100并加熱基座105、晶片102并預熱環140。
雖然基片的轉動和燈138及139帶來的熱輻射可能影響反應器100中的氣流分布，從氣體輸入口110跨過預熱環140及晶片到排氣口111處，氣流的主要分布形態是層流狀。
在輻射加熱式反應器100內，用位于加工腔室130下面的光學高溫計150測量加工腔室內的溫度。高溫計150測量由受熱的基座105發出的光強度152。因為由受熱的基座發出的輻射依賴于基座的溫度，所以基座的溫度可以通過用高溫計150測量光的亮度來計算。由于基座的發射率依賴于基座和通過其測量基座的發射率的石英腔室穹頂或底壁134的表面狀況，晶片的溫度不是直接測量的，所以可能不準確。高溫計150一般用來測量基座的溫度，或確定晶片的溫度，因為晶片在加工過程中位于不斷旋轉著的基座105上，所以很難用接觸的方式測量晶片的溫度。由于基座是一個旋轉體，因此很難將諸如熱電偶類的測溫設備直接附著到基座上，以直接測量基座的溫度。還有，由于受熱的基座的熱發射率是通過石英壁134用高溫計150測量的，且依賴于基座105和石英壁134的表面情況，因此，必須定期清理加工腔室，包括石英壁134和基座105的下表面，因為工藝氣體殘余物容易積聚在這些表面并可能影響表面的發射率，從而引起溫度測量的誤差。
膜厚度的一致性用兩種方式測量。第一種，測量不同晶片間的一致性，第二種，測量單個晶片表面膜厚度的一致性。
既然膜厚度依賴于溫度，在所有其它參數中，在加工腔室內精確地控制溫度非常重要。所以在有光學溫度測量設置的加工腔室中進行的熱沉積工藝可能會受這類溫度測量系統的相對誤差的制約。
本發明的膜沉積反應器如圖1所示的反應器100用氫氣作為載體或稀釋氣體。用氫氣作為載體是因為氫氣具有相對高的熱導率(例如與氮氣相比)。氫氣的熱導率在晶片和加工腔室或反應器的穹頂之間提供足夠大的溫度梯度。相對大的溫度梯度有助于避免氣相成核，若成核將導致硅烷沉積到穹頂表面并導致穹頂表面被覆蓋一層鍍層，當氣相成核且穹頂鍍層出現時，晶片上的發生反應的氣體量減少，導致晶片上膜厚度不均勻。氫氣和大的溫度梯度可以減少由于氣相成核和穹頂鍍層造成的硅烷沉積。因此，使用的氣體越少，工藝的效率越低。
輻射式加熱膜沉積腔室因此對工藝的波動非常敏感，而且特別是溫度波動將導致膜厚度潛在的不一致性。與造成晶片溫度波動的相關聯的一個問題就是晶片膜厚度的不一致性。人們已進行了大量的努力改進工藝參數以提高膜厚度的一致性，不論是晶片與晶片間還是從單個晶片的角度。還有與基座轉動相關的問題，例如基座的擺動或振動，該類問題需要更復雜的解決方案。
在輻射式加熱加工反應器中，原料(feed stock)消耗相對很高，這意味著反應物如硅烷或乙硅烷的量與沉積產品(即膜沉積率)的量相比很高，導致工藝效率低下。另外，由于使用了大量的原料，這類反應器需要頻繁地進行維護，因此，增加了費用及加工機器停機的時間。
其厚度均勻性和可重復性非常重要的另一類半導體基片工藝是化學氣相沉積(CVD)。由于其具有極好的臺階(step)覆蓋能力，CVD非晶硅膜已經被用在填隙(gap fill)應用中。隨著裝置幾何參數的縮小，期望對亞微米圖案沉積的膜具有等角的(conformal)填隙分布。目前，多數非晶硅膜是用加工爐成批加工的，雖然這種加工方法具有周期長的缺點。此外，工藝制造過程中，非晶硅工藝的低溫特性限制了其產出量。在單晶片的沉積技術領域迫切需要一種能獲得良好的填隙質量及高產出量的工藝。
發明內容
本發明描述了一種用于沉積摻雜的多晶或非晶硅膜的方法。該方法包括在基座上放置一個基片。基座包括帶有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器直接接觸的一對熱電偶，基座被放在加工腔室內，以使該加工腔室在基座之上有一個頂部和基座之下有一個底部。該方法還包括對基座加熱。該方法還包括通過位于基座上方的噴頭向加工腔室中提供一種工藝氣體混合物。該工藝氣體混合物包括一種硅源氣體及載氣，該載氣包括氮氣(N2)，而其中還包括氫氣(H2)作為另外的稀釋氣體。該方法還包括從硅源氣體形成摻雜的硅膜。
附圖簡要說明圖1是輻射加熱式半導體加工腔室的側視圖；圖2是通過第一剖面和第二剖面的加工腔室的剖面圖，其中加工腔室包括一個依照本發明的實施例的處于“晶片工藝”中的位置的電阻加熱器，該第一剖面和第二剖面分別通過加工腔室的一半；圖3是與圖2類似的在晶片加載位置的剖面圖；圖4是與圖2類似的在晶片卸載位置的剖面圖；圖5是說明本發明的摻雜的多晶硅沉積工藝的一個實施例的流程圖。
具體實施例本發明公開了用于原位沉積摻雜的多晶或非晶硅膜的方法及設備。按照一個實施例，基片或晶片被放在一個加工腔室的支撐件上。然后加熱該支撐件，并在該加工腔室內保持需要的壓力，工藝氣體混合物包括一種硅源氣體例如，但不限于，硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)及一種載氣或稀釋氣體混合物，包括氫氣(H2)和惰性氣體，如但不限于，氮氣(N2)、氦氣(He)或氬氣(Ar)接著被加進加工腔室中。氫氣一般占稀釋氣體混合物體積的8-20％，并優選占10-15％的比例。來自基片或支撐件的熱量引起硅源氣體熱分解并在晶片上形成多晶或非晶硅膜。對摻雜的多晶和摻雜的非晶硅兩者來說，摻雜的劑氣流是由硅烷和摻雜的劑的比例決定的。典型的n型雜質的摻雜的劑包括三氫化砷(AsH3)和磷化氫(PH3)。p型雜質的摻雜的劑的一個例子是乙硼烷(B2H6)。摻雜的劑氣流對SiH4或Si2H6氣流的比例最多為1％。硅膜中的摻雜的劑濃度可達到每立方厘米1021個原子。
本發明中多晶或非晶硅的沉積工藝特別適用于沉積腔室，該沉積腔室具有鋁側壁，及用氮化鋁晶片支撐的位于其中的電阻加熱器，及一個高架的噴頭以將氣體注入到熱沉積腔室。電阻加熱器包括一對與該加熱器物理接觸的熱電偶，以便更準確和直接地測量工藝溫度，因此可更精確地控制使原料分解更有效，因此獲得更穩定的工藝，從而產生更均勻的膜厚度和更好的可重復性。因此，即使對于那些不同厚度、不同膜或不同圖案密度的晶片，其晶片的溫度也會更穩定。雖然本發明所描述的是一種相對于電阻加熱式的加工腔室，如果其它類型的加工腔室與此處所描述的技術結合使用也是有益的。
一種摻雜的多晶或非晶硅膜由本發明的工藝沉積。工藝氣體混合物包括一種硅源氣體并以氮氣作為載氣或稀釋氣體。一種氮氣洗滌(purge)氣體從腔室的底部提供以便將硅限制在加工腔室的上部。由于氮氣被用做載體或稀釋氣體并作為底部洗滌氣體，反應氣體(例如硅烷或乙硅烷)被限定在噴頭和加熱器之間的區域，硅在基片上的沉積速度加快。
參照附圖，描繪了一種低壓的化學氣相沉積(LPCVD)腔室。圖2-4每個圖都顯示了一種類型的反應器的剖視圖，例如，被用來實施本發明的電阻加熱式反應器200。圖2-4每個都顯示從兩個不同的截面剖開的加工腔室的剖視圖，每個視圖都代表近似通過腔室一半的剖視圖。
圖2-4描繪的LPCVD反應器200在本實施例中是用那些能使壓力保持在大于或等于100乇的材料建造的。為了方便說明，在此描述了一個體積接近5-6升的加工腔室210。圖2描繪了加工腔室主體220在“晶片工藝”位置的內部情況。圖3顯示該加工腔室在“晶片加載”位置的相同剖面的側視圖。圖4顯示的是該加工腔室在“晶片卸載”位置的相同視圖。在圖3和圖4中，晶片202被用虛線標出以指示其在加工腔室中的位置。
圖2-4顯示加工腔室的主體220定義了反應腔室210，在210腔室中一種氣體分解或者多種氣體發生分解以在晶片(例如CVD反應)上形成一層膜。參照圖2，在一個實施例中，腔室主體220是用鋁制造并具有將水泵入其中的通道222以冷卻腔室主體220(例如“冷卻壁反應腔室”)。電阻加熱器240被放在腔室210中，該電阻加熱器240從這個角度看，包括由軸242支撐的基座250。基座250具有一個足夠大的表面區域以支撐基片，例如半導體晶片(圖中未顯示)。
工藝氣體通過位于加工腔室主體220的腔室蓋子226的頂表面的氣體分配口224進入否則為密封的腔室210。隨后，工藝氣體經過阻擋板(blocker plate)228將氣體分送到與晶片表面區域相符的區域范圍。之后，工藝氣體經過，從該角度看位于電阻加熱器240上端的并與加工腔室蓋子226相連接的多孔面板230，進入加工腔室主體220的內部。在本實施例中，阻擋板228與多孔面板230的結合使工藝氣體在基片(例如，晶片)上產生均勻分布。
參照圖3，基片202，例如一個晶片，被通過位于腔室主體220一側的入口232送進腔室210，并被放置到加熱器240的基座250上。為了安裝好一個待加工晶片，加熱器240被放低，以便基座250的表面低于入口232，如圖3所示。
一般通過機械手傳遞機構，晶片通過，例如傳送葉片(transferblade)234送到腔室210中基座250的上(頂)表面。
通過傳送葉片234將基片202運送到加工腔室210后，如圖3所示，升降機構236向上運動，以使升降板(lift plate)238向上移動頂住升降栓(lift pins)252，該升降栓可滑移地通過基座250內的開口或通孔而被安置。圖4顯示的是升降栓252將基片202抬升離開傳送葉片234，以便傳送葉片234從入口232抽出，并從加工腔室210中移出。通過可移動的軸242，加熱器240也可以向上輕微地移動。
一旦加載了基片202，并抽出了葉片234，入口232便被密封，同時通過包括如步進馬達的升降組件236，加熱器240進一步向更高的方向(即向上)向面板230運動。升降板238和升降栓252保持在該高度，而加熱器240被抬高以接觸放在栓252上的基片202。在加熱器240向上運動的過程中，基片202被抬起離開栓252，并被放在基座250上。當晶片202離面板230(見圖2)的距離很短(例如400-700密耳)時，向上運動停止。在晶片加工位置(圖2)，加工腔室210被有效地分成兩個區域，第一個區域在基座250的上表面之上，第二區域在基座250的下表面之下。一般需要將成膜限制在第一區域。
再參見圖2，通過氣體控制板控制的工藝氣體經過氣體分配口224，經過阻擋板228和多孔面板230，流進加工腔室210。工藝氣體熱分解以在晶片上形成膜。同時，一種惰性底部洗滌氣體，例如氮氣，被引進加工腔室的第二區域以阻止在該區域形成膜。在一壓力控制系統中，加工腔室210內的壓力建立并通過一壓力調節儀或與加工腔室210相連接的多個調節儀(圖中未顯示)保持該壓力。在一個實施例中，例如，壓力建立并用與加工腔室主體220相連接的一個或多個如本領域所熟知的壓力調節儀保持壓力。
當基座處于加工位置時，吸盤(pumping plate)212環繞基座250，見圖2所示。殘余工藝氣體經過吸盤212被抽出加工腔室210，并被收集到位于加工腔室主體220(抽真空口(vacuum pumpout)214)的側面的收集容器中。被置于該裝置的外部的泵204將抽真空通道216抽真空，并通過抽真空口214將工藝氣體和洗滌氣體抽出加工腔室210。這些氣體沿排氣管206被排出加工腔室210。經過通道216排出的氣體的流速優選由節流閥(throttle valve)208控制，并沿導氣管206排出。在加工腔室210中的壓力由傳感器(未顯示)監測，并通過改變在節流閥208中的導氣管206的橫截面積來控制。
優選地，控制器和處理器從傳感器接收信號，該信號指示加工腔室的壓力情況并相應地調節節流閥208以在加工腔室210內保持需要的壓力。適合本發明使用的節流閥在美國專利5,000,225中進行了描述，該專利授予默多克(Murdoch)并轉讓給位于美國加利福尼亞州的Santa Clara的應用材料有限公司。
在一種實施例中，LPCVD反應器200包括一個控制系統280。在一種實施例中，控制系統280包括處理器/控制器282和存儲器284，例如一硬盤驅動器。處理器/控制器282包括一單板(SBC)模擬和數字輸入/輸出板，接口板和步進馬達控制器板。處理器/控制器282控制LPCVD加工腔室的所有操作工序。系統控制器執行系統控制軟件，該軟件是存儲在計算機可讀介質，例如存儲器282中的計算機程序。該計算機程序包括一系列的指令，這些指令分別指示計時、氣體的混合、腔室的壓力、加熱器溫度、電源、基座的位置及本發明的多晶硅沉積工藝等。該計算機程序代碼可以用任何傳統的計算機可讀編程語言，例如68000匯編語言、C、C++、Pascal、Fortran或其它語言編寫。實現工藝氣體混合、壓力控制和加熱器控制的子程序存在存儲器284內。工藝參數，例如工藝氣體流速和成分、溫度及形成多晶或非晶態硅膜所必需的壓力值也存在存儲器284中。所以，在一個示例性實施例中，LPCVD反應器200包括存在存儲器284中的指令和工藝參數以提供一種硅源氣體和稀釋氣體混合物到加工腔室210中，其中稀釋氣體混合物包括氫氣和氮氣；以將基座250加熱到所選擇的溫度；以在加工腔室210內產生壓力以使摻雜的硅膜可以在晶片上通過熱化學氣相沉積形成。
一旦晶片加工完成，加工腔室210可以被洗滌，例如，利用一種惰性氣體，例如氮氣。加工和洗滌后，加熱器240被用升降機組件236沿向下的方向(例如，降低)推向如圖4所示的位置。隨著加熱器被移動，升降栓252一端穿過基座250的一個表面的開口或通孔，而另一端以懸臂方式從基座250的低(下)表面伸出接觸位于腔室210底座的升降板238。如圖4所描繪的，在一個實施例中，在該點，升降板238保持在晶片工藝位置(即和板在圖2中所示的相同的位置)。隨著加熱器240通過組件236的作用繼續沿向下方向移動，升降栓252保持不動并最終伸出高于基座或基座250的頂部表面，以將一片已加工過的晶片從基座250表面分開。基座250的表面被移到低于入口232的位置。
一旦已加工過的晶片被從基座250的表面分離開，機械手機構的傳送葉片234通過位于升降栓252的頭部下面的入口232插入，且晶片由升降栓支撐。然后，升降機組件236向下移動(例如，降低)加熱器240和升降板238移到晶片加載位置。通過沿向下方向移動升降板238，升降栓252也沿向下方向移動，直到已加工的晶片表面接觸傳送葉片，如圖3所示。接著，已加工過的晶片通過，例如，一個機械手傳動裝置被從入口232移出，并將該晶片轉到下一步加工工序。第二片晶片即可以被加載進加工腔室210中。上面描述的步驟一般和將晶片送進加工位置的步驟相反。一種適用的升降機組件的詳細描述見美國專利5,772,773號，該專利被轉讓給位于美國加利福尼亞州，Santa Clara的應用材料有限公司。
在高溫操作中，例如LPCVD加工以形成硅膜，加工腔室210內的加熱器溫度可能高達740℃或更高。相應地，在腔室210中暴露的元件必須能與如此高溫的加工工藝相適應。這類材料也應和這樣的高溫加工相適應。這類材料也應該與工藝氣體和其它化學物質相適應，諸如可能被引進到腔室210中的化學清潔劑(例如NF3)。加熱器240被暴露的表面可能由多種材料組成，只要這些材料能與工藝相適應。例如，基座250和加熱器240的軸242可以由類似氮化鋁的材料制造。或者，基座250的表面可以由高熱導氮化鋁材料(純度量級為95％的熱導率為140W/mK)制造，而軸242包含低熱導氮化鋁。加熱器240的基座250一般通過擴散焊接(diffusion bonding)或銅焊(brazing)的方法與軸242連接起來，因為這樣的接頭能經受腔室210中的環境。
圖2還顯示加熱器240的部分剖視圖，包括基座250的主體的剖視圖和軸242的一個剖視圖。在該圖中，圖2顯示基座主體有兩個加熱元件形成于其上，第一加熱元件244和第二加熱元件246。每個加熱元件(例如，加熱元件244和加熱元件246)都是由熱膨脹性能與基座材料相近的材料制造。適合的材料包括鉬(Mo)。每個加熱元件都包括線圈狀的金屬鉬薄層。
在圖2中，第二加熱元件246在基座主體250的平面內形成，并位于第一加熱元件244的下面(相對于圖中基座的表面)。第一加熱元件244和第二加熱元件246分別連到功率終端(power terminals)。隨著導線穿過通過軸242的縱向延伸的開口，功率終端向下延伸至電源，該電源提供必要的能量以加熱基座250的表面。圖2所示的加熱器240的剖視圖中，同樣指出的是熱電偶248的存在。熱電偶248穿過縱向延伸通過軸242的開口，而達到恰好在低于基座250的上表面或頂表面的點。
一種沉積摻雜的硅膜的方法將對照圖5的流程圖500說明，同時對照如圖2-4所描繪的低壓化學氣相沉積(LPCVD)腔室進行描述。
按照本發明，如流程圖500的方框502所述的，一片晶片或基片被放在沉積腔室中的基座上。基座包括其中具有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器物理接觸的一對熱電偶。基座位于工藝腔室內，以使該工藝腔室有高于基座的頂部，和低于基座的底部。
在一個實施舉例中，其中，沉積的摻雜的硅膜將被用作半導體集成電路中的晶體管的門極，基片是一個具有門結構絕緣層的摻雜的硅晶片，例如氧化硅或在其上形成的氮氧化硅。如果摻雜的硅膜將作互連件或電容電極，那么摻雜的硅膜將在摻雜的硅晶片上的間層介電層上形成。晶片被如圖3中所示的傳送葉片傳送到腔室。接著，加熱器從晶片加載位置抬高到晶片加工位置，如圖2所示。
然后，如方框504所述，基座被加熱到所需要的沉積溫度。獲得并穩定所需要的工藝壓力和溫度。當壓力和溫度達到穩定后，一種穩定氣體諸如N2、He、Ar、H2或其混合氣體被送進腔室。在一個實施例中，用在隨后的多晶硅沉積過程的稀釋氣體的濃度和流量被用來獲得穩定的溫度和壓力。用稀釋氣體進行穩定使稀釋氣體的流量和濃度在硅沉積前得到穩定。
如方框506所述，該方法還包括經過位于高于基座位置的噴頭提供工藝氣體混合物進入腔室，其中工藝氣體混合物包括一種硅源氣體和一種包括氮氣(N2)的載氣。模塊508闡述了從硅源氣體形成摻雜的硅膜的操作。
在一個實施例中，腔室被抽取達到壓力在100-350乇之間，加熱溫度升到580-740℃，載體氣體或稀釋氣體以5-15slm的流速被送入腔室。按照本發明，稀釋氣體由H2和一種惰性氣體組成，惰性氣體可包括，但不限于氮氣(N2)、氬氣(Ar)及氦氣(He)，及其混合氣體。為了實現本發明的目的，惰性氣體是一種不被腔室組件消耗的，或者不與用于沉積硅膜的反應發生相互作用，在硅膜沉積過程中，也不與加工腔室組件發生相互作用的氣體。在本發明的一個實施例中，氫氣占總稀釋氣體混合物體積的約20％以上，但優選氫氣占總體積10-15％的稀釋氣體混合物。
在一個實施例中，稀釋氣體混合物以兩個不同的部分被輸送進腔室中。稀釋氣體混合物的第一種組分是通過在腔室蓋子內的分配口被輸入到腔室。該第一組分包括所有用在稀釋氣體混合物中所用的氫氣和稀釋氣體混合物所用的部分(一般是2/3)惰性氣體。稀釋氣體混合物的第二組分被輸送進低于加熱器的腔室的底部，并由稀釋氣體混合物所用的惰性氣體的剩余部分(一般是1/3)組成。經過腔室底部提供惰性氣體有助于阻止硅膜在腔室的較低的部分組件上沉積形成。在本發明的一個實施例中，優選惰性氣體(優選氮氣)流速在5-18slm之間(優選為9slm)的氣體通過頂部的分配板注入，而在3-10slm之間，優選約5slm或4-6slm之間的惰性氣體(優選氮氣)被輸送到腔室的底部或較低的部分。稀釋氣體混合物所希望比例的氫氣在被輸送進分配口前，與惰性氣體進行混合。
一旦溫度、壓力和氣體流量已經達到穩定，包含一種硅源氣體、摻雜的源氣體及包含氫氣和一種惰性氣體的稀釋氣體混合物的氣體被輸送進腔室，以便在基片上形成一層摻雜的硅膜。摻雜的劑的例子包括磷化氫、三氫化砷或乙硼烷。硅源氣體優選硅烷SiH4，但也可以是其它硅源氣體，例如乙硅烷Si2H6。
在一個實施例中，摻雜的氣體混合物是在腔室的頂部提供的。在一個示例性實施例中，摻雜的氣體混合物是在氫氣中或另一種氣體中稀釋的磷化氫(PH3)并被提供，以便提供純磷化氫的流速約為3sccm。在另一個實施例中，摻雜的氣體混合物是在氫氣中或另一種氣體稀釋的乙硼烷(B2H6)，其中純乙硼烷流速約為3sccm。在另一個實施例中，摻雜的氣體混合物是在氫氣中稀釋的或另一種氣體稀釋的三氫化砷(AsH3)，其中純三氫化砷流速約為3sccm。上面所描述的條件可以制造一種摻雜的多晶或非晶硅膜，該膜的雜質濃度約為每立方厘米1021個原子。一般的雜質濃度約為每立方厘米2×1019到5×1020個原子。
來自基座和晶片的熱能量引起硅源氣體熱分解，并在硅晶片的門極介電層或間層介電層上沉積多晶或非晶硅膜。在一個實施例中，只有熱能量被用來分解硅源氣體，而不借助于另外的能量源，諸如，等離子體或光子能源。電阻加熱式腔室允許溫度更精確地控制在更小的范圍內。因此，摻雜的硅沉積可由于更穩定的工藝溫度而能被更好的重復進行。
隨著工藝氣體混合物被輸送進腔室200，硅源氣體分解以提供硅原子，接下來，在晶片的絕緣層上形成多晶或非晶硅膜。顯然SiH4的分解的反應產物是氫氣。通過在工藝氣體混合物中加入適當比例的氫氣，SiH4的分解反應速度降低，這使硅膜可以以較小的和隨機的粒度形成。通過使氫氣的含量占稀釋氣體混合物的8-20％之間，可以形成平均粒度尺寸在50-500之間的隨機粒度。
摻雜的多晶硅沉積在一個實施例中，為了摻雜的多晶硅膜沉積，硅烷(SiH4)以流速為50-300sccm，優選約為80-200sccm，被加到已經流動的稀釋氣體混合物中，并在溫度和壓力穩定過程中被穩定。如果使用的是乙硅烷(Si2H6)，流量可在50-300sccm，優選范圍在50-150sccm。在多晶硅沉積過程中，一種工藝氣體混合物包括流量在50-300sccm的硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，及5-15slm之間的包含氫氣和一種惰性氣體的稀釋氣體混合物被輸送到加工腔室中，氮氣作為優選的惰性氣體在加工腔室的上端流量約為9slm，而在加工腔室的底部的流量約為5slm。氫氣流量優選最多為20％。工藝氣體包括一種稀釋雜質的氣體流，以提供約為3sccm的純雜質的流量。加工腔室中的壓力保持在約100-350乇，優選在200-300乇。基座的溫度保持在約710-740℃。(在LPCVD反應器中，基片或晶片的溫度最好一般比基座測量的溫度稍低約20-30℃)在本發明的一個優選實施例中，硅源氣體被加進稀釋氣體混合物的第一部分(較上面的部分)，并經過輸入口流入加工腔室。
選擇合適的沉積壓力、溫度和工藝氣體流速和濃度以使一種摻雜的多晶硅膜以每分鐘1000-3000的速度沉積，沉積速度優選每分鐘1500。工藝氣體混合物連續地被輸入進加工腔室，直到一種所需要厚度的摻雜的多晶硅膜形成。對于門結構和互連件應用，多晶硅膜合適的厚度是在500-2000之間。
摻雜的非晶態硅沉積在一個實施例中，對于非晶態硅膜的沉積來說，加熱器溫度在約580℃到約620℃。加工腔室中的壓力保持在約100乇到約350乇，優選壓力范圍是約200乇到約300乇。硅烷流量可以在約50sccm到約300sccm，優選硅烷流量約80sccm到約200sccm。如果使用乙硅烷作為硅源氣體，其流量可以在約50sccm到約300sccm，優選約50sccm到約150sccm。工藝氣體包括一種稀釋摻雜的氣體流，以便提供最大約為3sccm的純摻雜的氣流。稀釋氣體混合物中的氫氣最大含量占20％，而一種惰性氣體(優選氮氣N2)以約5-15slm之間的流速提供，其中在加工腔室的頂部的氮氣流速約為9slm，而加工腔室底部的氮氣流速約為5slm。
選擇上面的工藝參數，以使一種摻雜的非晶態硅膜以每分鐘約300-1000之間的速度沉積，其中優選速度為每分鐘400-700。在需要厚非晶態硅膜(厚度大于約2000)的應用中，可以進行第二個沉積周期，其中利用更高的工藝氣體流量，例如約200sccm到500sccm的硅烷，將獲得更高的沉積速度(約為2000/min)。如果使用乙硅烷，流速可以在約100sccm到300sccm之間。
完成了多晶或非晶態硅膜的沉積后，加熱器便從工藝位置降到加載位置，晶片被移出加工腔室。
權利要求
1.一種形成摻雜的硅膜的方法包括將一片基片放在基座上，基座包括其上帶有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器物理接觸的一對熱電偶，基座被安放在工藝腔室內，以使該工藝腔室有一高于該基座的頂部和一低于該基座的底部；加熱該基座；通過位于基座上面的噴頭，向工藝腔室提供工藝氣體混合物，其中該工藝氣體包括一種硅源氣體、一種雜質氣體及一種載氣，該載氣包括氮氣；以及從該工藝氣體形成摻雜的硅膜。
2.如權利要求1所述的方法，其中加熱該基座包括將該基座加熱到約580℃到約740℃溫度之間。
3.如權利要求2所述的方法，其中溫度保持在約710℃到約740℃之間，其中形成摻雜的硅膜包括形成多晶硅膜。
4.如權利要求2所述的方法，其中溫度保持在約580℃到約620℃之間，且其中形成摻雜的硅膜包括形成非晶硅膜。
5.如權利要求1所述的方法，還包括保持工藝腔室中的壓力約為100乇到約350乇。
6.如權利要求1所述的方法，其中硅源氣體是硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，其流速在約50sccm到約300sccm之間。
7.如權利要求1所述的方法，其中在工藝腔室的頂部載氣中氮氣(N2)的流速約為9slm。
8.如權利要求7所述的方法，還包括在工藝腔室的底部提供洗滌氣體，其中該洗滌氣體的流速約為5slm。
9.如權利要求1所述的方法，其中雜質氣體包括磷化氫(PH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
10.如權利要求1所述的方法，其中雜質氣體包括乙硼烷(B2H6)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
11.如權利要求1所述的方法，其中雜質氣體包括三氫化砷(AsH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
12.一種形成摻雜的多晶硅膜的方法包括將一片基片放在基座上，基座包括其上帶有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器物理接觸的一對熱電偶，基座被安放在工藝腔室內，以使該工藝腔室有一高于該基座的頂部和一低于該基座的底部；將基座加熱到710-740℃之間；工藝腔室中的壓力保持在100-350乇之間；通過位于基座上面的噴頭向工藝腔室內提供工藝氣體混合物，其中該工藝氣體混合物包括硅源氣體、雜質氣體及載氣，載氣包括氮氣(N2)，該載氣在工藝腔室頂部的流速約為9slm；且從該硅源氣體形成所述的摻雜的多晶硅膜。
13.如權利要求12所述的方法，其中該硅源氣體是硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，其流速約在50sccm至約300sccm之間。
14.如權利要求12所述的方法，還包括通過工藝腔室底部通入氮氣(N2)洗滌氣流，其中洗滌氣體的流速約為5slm。
15.如權利要求12所述的方法，其中雜質氣體包括磷化氫(PH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
16.如權利要求12所述的方法，其中雜質氣體包括乙硼烷(B2H6)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
17.如權利要求12所述的方法，其中雜質氣體包括三氫化砷(AsH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
18.一種形成摻雜的非晶硅膜的方法包括將一片基片放在基座上，基座包括其上帶有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器直接接觸的一對熱電偶，基座被安放在工藝腔室內，以使該工藝腔室有一高于該基座的頂部和一低于該基座的底部；將基座加熱到580-620℃之間的溫度；工藝腔室中的壓力保持在100-350乇之間；通過位于基座上面的噴頭向工藝腔室內提供工藝氣體混合物，其中該工藝氣體混合物包括硅源氣體、雜質氣體及載氣，載氣包括氮氣(N2)，該載氣在工藝腔室頂部的流速約為9slm；且從該硅源氣體形成所述的摻雜的非晶硅膜。
19.如權利要求18所述的方法，其中該硅源氣體是硅烷(SiH4)或乙硅烷(Si2H6)，在第一工藝氣體周期，其流速在約50sccm到約300sccm之間。
20.如權利要求18所述的方法，還包括從腔室底部流入的氮氣(N2)洗滌氣流，其中該洗滌氣體的流速約為5slm。
21.如權利要求18所述的方法，其中雜質氣體包括磷化氫(PH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
22.如權利要求18所述的方法，其中雜質氣體包括乙硼烷(B2H6)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
23.如權利要求18所述的方法，其中雜質氣體包括三氫化砷(AsH3)及稀釋劑，以使純雜質氣體的流速最大約為3sccm。
24.如權利要求19所述的方法，還包括提供硅源氣體的第二工藝氣體周期，該硅源氣體包括硅烷，其流速在約200sccm到約500sccm之間。
25.如權利要求19所述的方法，還包括提供硅源氣體的第二工藝氣體周期，該硅源氣體包括乙硅烷，其流速在約100sccm到約300sccm之間。
26.一種基片加工系統包括位于工藝腔室內的基座，該基座在基片加工過程中支撐該基片；向工藝腔室中引入工藝氣體混合物的氣體輸送系統，以在所述的基片上形成沉積層；與氣體出口相連接的泵，用以控制工藝腔室內壓力；用以控制所述氣體輸送系統及所述的泵的控制器；及連到所述的控制器的存儲器，該存儲器包括一計算機可讀介質，該介質包含有計算機可讀程序，其用于指示所述加工系統的操作，所述的計算機可讀程序包括控制所述的氣體輸送系統的指令，以引入包括硅源氣體、雜質氣體及稀釋劑氣體的工藝氣體混合物，其中稀釋氣體混合物包括氮氣(N2)。
全文摘要
一種用于沉積摻雜的多晶或非晶態硅膜的方法。該方法包括將基片放在基座上。基座包括帶有電阻加熱器的主體和與電阻加熱器物理接觸的一對熱電偶，基座被放在工藝腔室內，以使該工藝腔室有高于基座的頂部和低于基座的底部。該方法還包括加熱基座。該方法還包括通過位于基座上方的噴頭向工藝腔室中提供工藝氣體混合物。該工藝氣體混合物包括硅源氣體、雜質氣體及載氣，載氣包括氮氣(N
文檔編號H01L21/768GK1516891SQ02810080
公開日2004年7月28日 申請日期2002年5月9日 優先權日2001年5月15日
發明者S·王, L·羅, S·A·陳, E·桑謝斯, X·陶, Z·德拉戈伊洛維奇, L·付, S 王, 凰, 暌諒邐 , 陳 申請人:應用材料有限公司