半导体薄膜结构的制作方法

本实用新型涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种半导体薄膜结构。

背景技术：

扩散工艺是半导体芯片制造中最主要的掺杂工艺，它是在高温条件下，将磷、硼等原子扩散到晶圆内，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。

现有技术中常用的扩散设备如图1所示，装载有上百片乃至数百片晶圆11的晶舟12被放置在一反应腔室12内，通过位于反应腔室12外围的加热器给晶圆11进行加热，加热到预设的反应温度后往反应腔室12内通入反应气体以进行扩散沉积，在预定的时间后停止反应气体的供应，之后开始降温直至降到初始温度，整个扩散过程就结束，图2示意了一般的扩散过程。即在现有的扩散工艺中，扩散沉积过程仅在晶圆11升温到反应温度后才真正开始，反应气体仅在沉积阶段通入，在晶圆11的升温过程中以及在完成扩散沉积后的降温过程中是不向反应腔室12内通入反应气体的。这样的扩散过程容易导致沉积出的薄膜20出现如图3中所示的厚度不均匀现象。这是因为现有的加热器一般是电阻型加热器，即利用布置在反应腔室12外围的加热线圈14进行加热，因而晶圆11自边缘向中心距加热线圈14的距离逐渐增加，受到的热辐射也逐渐减小，尤其是升温过程中(如图2中虚线圈所标示的阶段)，晶圆11边缘最先开始受热，导致扩散的初始过程中晶圆11表面的温度出现不均衡现象，图4示意了晶圆11表面的受热情况，图4中的箭头示意热辐射的方向，可以看到，晶圆11边缘与加热线圈14距离最近，受热最多，因而温度最高，随着与加热线圈14距离的增加，受热逐渐减少，晶圆11表面的温度逐渐降低，最终晶圆11表面的温度自边缘向中心逐渐减小，图5模拟示意了升温过程中以及沉积初始阶段晶圆11表面的温度情况，颜色越深处代表温度越高，而中心颜色最浅，代表温度最低。如图6所示，通常在反应气体浓度等其他反应条件一定的情况下，薄膜的沉积速率与扩散温度成正比，因而晶圆11表面的温度不均匀导致最终沉积形成的薄膜20出现了如图3所示的凹陷，即薄膜厚度自晶圆11边缘向晶圆11中心逐渐减小。此外，现有的沉积过程都是持续在极高温情况下进行，薄膜生长速度非常快，因而极有可能在薄膜生长过程中出现孔洞(void)，导致生成的薄膜品质下降。随着半导体器件尺寸日益缩小，对薄膜的平坦化和品质要求越来越高，因为不均匀的薄膜极易引发生产不良，且给后续工艺造成诸多不便，因而对这种扩散过程中导致的薄膜厚度不均匀及品质不良的现象，急需提出改善对策。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种半导体薄膜结构，用于解决现有技术中在扩散工艺中，因晶圆表面受热不均，使得沉积出的薄膜厚度不均匀，导致生产良率下降等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种半导体薄膜结构，所述半导体薄膜结构包括第一膜层、第二膜层、第三膜层及第四膜层，所述第一膜层、所述第二膜层、所述第三膜层及所述第四膜层的材质相同，其中，所述第一膜层位于一晶圆表面，所述第一膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；所述第二膜层位于所述第一膜层表面，且所述第二膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小；所述第三膜层位于所述第二膜层表面，且所述第三膜的层厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；所述第四膜层位于所述第三膜层表面，且所述第四膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小。

在一可选方案中，所述第一膜层和所述第二膜层在所述晶圆中心的厚度总和与在所述晶圆边缘的厚度总和相同；所述第三膜层和所述第四膜层在所述晶圆中心的厚度总和与在所述晶圆边缘的厚度总和相同。

在另一可选方案中，所述第一膜层、所述第二膜层、所述第三膜层及所述第四膜层在所述晶圆中心的厚度总和与在所述晶圆边缘的厚度总和相同。

可选地，所述第一膜层、第二膜层、第三膜层及第四膜层的厚度之和大于等于1000埃。

可选地，所述第一膜层、第二膜层、第三膜层及第四膜层的厚度之和大于等于300nm。

更可选地，所述第一膜层的厚度大于所述半导体薄膜结构的总厚度的二分之一。

如上所述，本实用新型的半导体薄膜结构，具有以下有益效果：本实用新型的半导体薄膜结构充分利用扩散沉积工艺的升温过程和降温过程中晶圆表面的温度不一致的现象制备形成，通过在升温过程和降温过程中也导入反应气体进行薄膜的扩散沉积，从而使整个扩散沉积中形成一个良好的温差互补，使得最终制备出的半导体薄膜结构的各个膜层之间紧密贴合且在各个径向上的厚度形成良好的互补，使得整个半导体薄膜结构非常稳定，有利于后续器件的形成，有助于生产良率的提高。

附图说明

图1显示为现有技术中及制备本实用新型的半导体薄膜结构的扩散设备示意图。

图2显示为现有技术中的扩散过程示意图。

图3显示为现有技术中的扩散沉积形成的薄膜结构示意图。

图4显示为晶圆的导热过程示意图。

图5显示为升温过程中以及扩散初始过程中晶圆表面的温差示意图。

图6显示为薄膜的沉积速率与温度的关系示意图。

图7显示为本实用新型的半导体薄膜结构的制备流程图。

图8显示为图7的步骤S02中呈现出的半导体薄膜结构的示意图。

图9显示为本实用新型的半导体薄膜结构制备过程的降温过程中晶圆表面的温差示意图。

图10显示为图7的步骤S03中呈现出的半导体薄膜结构的示意图。

图11显示为本实用新型的半导体薄膜结构的制备过程示意图。

图12及13分别显示为执行图10中的第三沉积阶段和第四沉积阶段后呈现出的半导体薄膜结构的示意图，图13同时显示为本实用新型的半导体薄膜结构的一例示图。

元件标号说明

11 晶圆

12 晶舟

13 反应腔室

14 加热线圈

20 薄膜

21 第一膜层

22 第二膜层

23 第三膜层

24 第四膜层

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，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实用新型的其他优点与功效。本实用新型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，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图13。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实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型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型态、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。

请参考图1至图13，本实用新型提供一种半导体薄膜结构，其制备过程包括以下步骤：

1)提供反应腔室，所述反应腔室内放置有若干待处理晶圆；

2)以第一升温速率对所述反应腔室进行升温，使所述反应腔室自初始温度升温至第一温度，在升温至所述第一温度后通入反应气体，以在所述晶圆表面沉积第一膜层，其中，所述第一膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；

3)以第一降温速率对所述反应腔室进行降温，使所述反应腔室自所述第一温度降温至第二温度，同时在降温过程中继续通入所述反应气体，以在所述第一膜层表面沉积第二膜层，其中，所述第二膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小；

4)以第二升温速率对所述反应腔室进行升温，使所述反应腔室自所述第二温度升温至第三温度，同时在升温过程中持续通入所述反应气体，以在所述第二膜层表面沉积第三膜层，其中，所述第三膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；

5)以第二降温速率对所述反应腔室进行降温，使所述反应腔室自所述第三温度降温至第四温度，同时在降温过程中继续通入所述反应气体，以在所述第三膜层表面沉积第四膜层，其中，所述第四膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小；

所述第一温度、第二温度、第三温度及第四温度均大于所述初始温度且均介于薄膜的生长温度范围内。

本实用新型的半导体薄膜结构充分利用扩散沉积工艺的升温过程和降温过程中晶圆表面的温度不一致的现象制备形成，通过在升温过程和降温过程中也导入反应气体进行薄膜的扩散沉积，从而使整个扩散沉积中形成一个良好的温差互补，使得最终制备出的半导体薄膜结构的各个膜层之间紧密贴合且在各个径向上的厚度形成良好的互补，使得整个半导体薄膜结构非常稳定，有利于后续器件的形成，有助于生产良率的提高。

作为示例，本实施例也是在如图1所示的反应腔室13中进行半导体薄膜结构的扩散沉积，即图7中的步骤S01为进行扩散沉积的前序步骤，将上百片乃至数百片待处理晶圆11放置在晶舟12上，之后将装载有所述晶圆11的晶舟12放置于所述反应腔室13中，考虑到所述反应腔室13最下部及/或最上端的受热情况可能不够理想，因而可以在所述晶舟12的最下端及/或最上端放入数片伪片(dummy wafer)。

接下来请参考图7中的步骤S02，在将所述晶圆11放置在所述反应腔室13内后，以第一升温速率对所述反应腔室13进行升温，使所述反应腔室13自初始温度升温至第一温度，在升温至所述第一温度后通入反应气体，以在所述晶圆11表面沉积第一膜层21，其中，所述第一膜层21的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐增大。本实施例中的加热方式与现有技术中完全一样，即利用位于所述反应腔室13外围的加热线圈14给所述晶圆11加热。由于这个升温过程是自初始温度，比如自室温开始升温，因而所述反应腔室13内的温度很不稳定，此时如果通入反应气体，容易导致生成的薄膜的杂质太多，生成的薄膜品质太差，因而在升温至所述第一温度前不通入反应气体。所述晶圆11表面的受热过程亦如图4所示，即所述晶圆11的边缘最先开始受热，热能逐渐辐射到所述晶圆11的中心，在升温过程中乃至达到预设的所述第一温度后的一段时间内，所述晶圆11表面的温度情况都如图5所示，即所述晶圆11表面的温度自所述晶圆11边缘向所述晶圆11中心逐渐降低，由于在其他条件一定的情况下，薄膜的沉积速率与所述晶圆11表面的温度成正比，因而在这个过程中沉积的所述第一膜层21的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐增大，具体如图8所示。

作为示例，所述初始温度通常是室内温度，半导体制造厂通常在无尘室环境下作业，因而这个初始温度一般介于22℃～28℃之间(包括端点值，后同)。所述第一温度即常规的沉积温度，依工艺的不同可以有不同的设置，本实施例中，所述第一温度介于600℃～1200℃之间，优选介于800℃～1000℃之间。通常在升温到所述第一温度并稳定一段时间后，所述晶圆11表面的温度将趋于一致。在需形成的薄膜很厚时，可以适当延长所述步骤S02的工艺时间，以使所述第一膜层21形成地厚一些，比如，通过延长所述步骤S02的工艺时间，以充分利用所述第一温度的高温使薄膜尽快生长，使形成的所述第一膜层21的厚度大于整个薄膜厚度的二分之一，更优选地，大于整个薄膜厚度的三分之二，以缩短工艺时间。如果需形成的薄膜比较薄，比如小于100nm，则步骤S02的工艺时间可以适当缩短，以使所述第一膜层的厚度小于整个薄膜厚度的二分之一，以便于其他膜层的生长，各膜层之间良好贴合。

接下来请参考图7中的步骤S03，经过所需的工艺时间后，以第一降温速率对所述反应腔室13进行降温，使所述反应腔室13自所述第一温度降温到第二温度，同时在降温过程中继续通入所述反应气体，以在所述第一膜层21表面沉积第二膜层22，其中，所述第二膜层22的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐减小。需要说明的是，所述工艺时间根据工艺的不同，比如根据待沉积薄膜的厚度不同或薄膜材质不同而不同，可以从数十分钟到数小时，本实施例中不做具体限制。

作为示例，降温过程是由位于所述反应腔室13外围的降温装置来实现的，因而降温过程是从所述晶圆11的边缘最先开始，自所述晶圆11的边缘向中心降温逐渐放缓，故在降温过程中，所述晶圆11表面的温度自边缘向中心逐渐增大，具体如图9的模拟图所示，颜色越深处代表所述晶圆11表面的温度越高，即在降温过程中，所述晶圆11表面的温度自中心向边缘逐渐减小，因而这个过程中沉积出的所述第二膜层22的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐减小，具体请参考图10，所述第一膜层21和所述第二膜层22在各个径向上的厚度形成了良好的互补，且两者很好地贴合，不会在相接处出现断层现象，可以极大改善沉积薄膜的厚度均匀性，可以有效避免孔洞的产生，有利于提高薄膜品质和提高生产良率。

之后进行步骤S04，以第二升温速率对所述反应腔室13进行升温，使所述反应腔室13自所述第二温度升温至第三温度，同时在升温过程中持续通入所述反应气体，以在所述第二膜层22表面沉积第三膜层23，其中，所述第三膜层23的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐增大，及进行步骤S05，以第二降温速率对所述反应腔室13进行降温，使所述反应腔室13自所述第三温度降温到第四温度，同时在降温过程中继续通入所述反应气体，以在所述第三膜层23表面沉积第四膜层24，其中，所述第四膜层24的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐减小。本实施例的完整的沉积过程示意图如图11所示，即整个过程包括两个升温阶段和两个降温阶段，这个过程中仅进行温度的调整，而其他如气体流量等参数并未调整，且需要再次强调，在降温至所述第四温度后停止所述反应气体的供应，即在图11的虚线圈所示的降温过程中并不进行薄膜的扩散沉积，以避免因温度太低导致生成的薄膜杂质太多，品质太差。本实施例中的工艺设置有利于升温过程和降温过程的平滑和工艺操作的简化，避免过于急促的升降温操作给设备和已形成的薄膜带来损伤，同时避免急促的升降温过程中沉积在所述反应腔体13的内壁上及所述晶舟12上的不稳定薄膜脱落掉至所述晶圆11上，造成所述晶圆11的颗粒污染。本实用新型的半导体薄膜结构尤其适用于膜厚比较厚，且对厚度均匀性要求较高的薄膜，比如厚度在1000埃及1000埃以上，尤其是大于300nm厚度以上的用于电容孔制备的膜层，包括硼磷硅玻璃(BPSG)、磷硅玻璃(PSG)或硼硅玻璃(BSG)等。在膜厚非常厚的情况下，根据需要，还可以继续升降温操作，比如重复所述步骤2)和步骤3)或重复所述步骤4)和步骤5)一次或多次，以使得各个阶段沉积的膜层形成良好的互补，保证最终形成的薄膜有良好的品质和厚度均匀性。当然，需要特别说明的是，虽然本实施例中为示意整个沉积过程而将各个膜层分别进行了示意，但实际上因为整个扩散沉积过程是连续进行且各膜层材质相同，因而各膜层之间并无明显的实质性分界，实际上各个膜层之间贴合地非常完好紧密。

所述第一温度、第二温度、第三温度及第四温度均大于所述初始温度，更进一步地，这四个温度都在薄膜生长温度内，即在这四个温度范围内，薄膜都能正常生长，只是在不同的温度下，薄膜的生产速率呈现出差异而已。根据需生成的薄膜的材质不同，薄膜的生长温度不同，故上述参数可以有不同的选择。本实施例中，作为示例，所述第一温度介于600℃～1200℃之间，所述第二温度与所述第一温度的温度差值介于150℃～400℃之间，所述第四温度与所述初始温度之间的温度差值介于100℃～300℃之间，当然各温度区间依需要还可以有其他设置，本实施例中不做严格限制。

作为示例，所述第一升温速率与所述第二升温速率相同，且更进一步地，所述第一升温速率与所述第二升温速率均介于8℃/分钟～12℃/分钟之间，这样的参数设置有利于工艺操作的简化，且尽量减少对设备的损伤。经所述步骤S04后沉积的薄膜结构如图12所示，所述第三膜层23也是在升温过程中沉积形成，因而其厚度自中心向边缘逐渐增大。

作为示例，所述第一降温速率与所述第二降温速率相同，且作为示例，所述第一降温速率和所述第二降温速率设为介于8℃/分钟～12℃/分钟之间。将降温速率调至一致有利于工艺操作的简化，且避免频繁地调整降温速率可能给降温装置带来的损伤。当然各温度区间依需要还可以有其他设置，本实施例中不做限制。

作为示例，所述第二温度大于所述初始温度，在增加了所述步骤S04和所述步骤S05的情况下，无需把所述第二温度降到初始温度，避免降温太急促给设备造成损伤，且避免温差太悬殊可能导致反应副产物裂解造成颗粒污染。

作为示例，所述第三温度与所述第一温度相同，同样的，将两者温度设置为一致有利于工艺操作的简化，且有利于使沉积形成的薄膜的性质保持一致。

作为示例，所述步骤S05之后还包括停止供应反应气体，并继续以所述第二降温速率将所述反应腔室的温度自所述第四温度降温至所述初始温度，以对沉积形成的薄膜进行退火的步骤，以修复薄膜内的晶格缺陷，减少薄膜内的杂质，提升薄膜品质。

如图13所示，本实用新型提供一种半导体薄膜结构，所述半导体薄膜结构通过前述制备方法制备得到，其包括第一膜层21、第二膜层22、第三膜层23及第四膜层24，所述第一膜层21、所述第二膜层22、所述第三膜层23及所述第四膜层24的材质相同，其中，所述第一膜层21位于一晶圆11表面，所述第一膜层21的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐增大；所述第二膜层22位于所述第一膜层21表面，且所述第二膜层22的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐减小；所述第三膜层23位于所述第二膜层22表面，且所述第三膜的层厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐增大；所述第四膜层24位于所述第三膜层23表面，且所述第四膜层24的厚度自所述晶圆11中心向所述晶圆11边缘逐渐减小。各个膜层之间紧密贴合，使得整个半导体薄膜结构非常稳定。

在一示例中，所述第一膜层21、所述第二膜层22、所述第三膜层23及所述第四膜层24在所述晶圆11中心的厚度总和与在所述晶圆11边缘的厚度总和相同，且更近一步地，所述第一膜层21和所述第二膜层22在所述晶圆11中心的厚度总和与在所述晶圆11边缘的厚度总和相同；所述第三膜层23和所述第四膜层24在所述晶圆11中心的厚度总和与在所述晶圆11边缘的厚度总和相同，即所述半导体薄膜结构在各个径向上的厚度一致，真正实现薄膜的全面均匀性，有利于后续工艺的进行，有助于提高生产良率。

作为示例，所述第一膜层21、第二膜层22、第三膜层23及第四膜层24的厚度之和大于等于1000埃。即本实用新型的半导体薄膜结构适合用于厚度大于1000埃，尤其是大于300nm以上的电容层。在所述半导体薄膜结构厚度大于300nm以上时，可以通过调整工艺时间以使得所述第一膜层21的厚度大于所述半导体薄膜结构的总厚度的二分之一，这样可以使所述第一膜层21和所述晶圆11贴合地更加紧密，有利于整个半导体薄膜结构的进一步稳定。

综上所述，本实用新型提供一种半导体薄膜结构，所述半导体薄膜结构包括第一膜层、第二膜层、第三膜层及第四膜层，所述第一膜层、所述第二膜层、所述第三膜层及所述第四膜层的材质相同，其中，所述第一膜层位于一晶圆表面，所述第一膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；所述第二膜层位于所述第一膜层表面，且所述第二膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小；所述第三膜层位于所述第二膜层表面，且所述第三膜的层厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐增大；所述第四膜层位于所述第三膜层表面，且所述第四膜层的厚度自所述晶圆中心向所述晶圆边缘逐渐减小。本实用新型的半导体薄膜结构充分利用扩散沉积工艺的升温过程和降温过程中晶圆表面的温度不一致的现象制备形成，通过在升温过程和降温过程中也导入反应气体进行薄膜的扩散沉积，从而使整个扩散沉积中形成一个良好的温差互补，使得最终制备出的半导体薄膜结构的各个膜层之间紧密贴合且在各个径向上的厚度形成良好的互补，使得整个半导体薄膜结构非常稳定，有利于后续器件的形成，有助于生产良率的提高。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，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实用新型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，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。