专利名称：一种多晶硅薄膜的制备方法及其制备系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及真空镀膜领域，尤其涉及一种多晶硅薄膜的制备方法及其 制备系统。
背景技术：
自从1964年多晶硅薄膜开始在集成电路中被用作隔离介质，以及1966 年出现第l只多晶硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)以来，多晶硅 薄膜以其所具有的各种良好电学特性，目前已被广泛应用于大规模集成电 路和各种半导体分立器件的制作中。例如利用重掺杂低阻多晶硅薄膜可 作为MOS晶体管的栅极，而在此基础上发展起来的Si栅N沟道技术极大地促 进了集成电路的迅速发展。尤其是以重掺杂多晶硅薄膜替代原来的铝(Al) 膜作为MOS晶体管的栅极后，由于实现了自对准栅，从而减小了器件的寄生 电容，使电路的动作速度大大提高；与此同时，由于多晶硅栅与Si的功函 数差较小，因而降低了MOS晶体管的开启电压，使得充放电.幅度降低，提高 了器件的频率特性，并降低了集成电路的功耗。此外，在MOS集成电路中， 重掺杂多晶硅薄膜还常用作电容器的极板、MOS随机存储器电荷存储元件的 极板、浮栅器件的浮栅和电荷耦合器件的电极等。轻掺杂多晶硅薄膜则常 用于集成电路中MOS随机存储器的负载电阻及其他电阻器。
上述多晶硅薄膜在制作时，为了促进多晶硅晶核的形成，需对其衬底 进行温度控制，现有技术中温度控制装置通常由加热元件及温度计构成， 然而，利用此种温度控制装置对衬底的温度进行控制时，需经常人为地留意温度计的温度，使用时，当衬底加热到预定温度时，人为地调整加热元 件的工作功率，这样给操作带来很多不便，而且人为的控制精度也不够准 确，影响了多晶硅薄膜的成膜质量。 发明内容本发明的目的在于解决现有技术中的难题，提供一种操作方便、且控 制精准的多晶硅薄膜的制备系统，另外本发明还提供了一种多晶硅薄膜的 制备方法。为实现上述目的，本发明的技术方案为 一种多晶硅薄膜的制备方法， 该制备方法所使用的系统包括真空室、与真空室连接的抽真空系统、蒸发 装置、发热元件与发热元件连接的温度探测装置及分别与发热元件、温度 探测装置连接的温度控制器，其包括以下步骤a、 将镀膜材料及衬底置于真空室内，并利用抽真空系统对真空室抽真空，b、 利用发热元件对衬底进行升温加热；c、 利用膜厚监控装置监控薄膜的膜厚；d、 当温度探测装置探测到衬底到达一设定温度时，温度探测装置反馈 一信号至温度控制器，温度控制器控制发热元件保持在一设定功率，使村 底保持温度稳定；e、 利用蒸发装置蒸发镀膜材料，并在衬底上沉积成膜，完成镀制多晶 硅薄膜过程。步骤c中设定温度为60(TC。在步骤c中，温度控制器通过控制流过发热元件的电流大小来控制发热量。
另外，本发明还公开一种多晶硅薄膜的制备系统，包括用于放置镀膜 材料及衬底的真空室、与真空室连接的抽真空系统、蒸发镀膜材料的蒸发 装置、及对薄膜厚度进行监控的膜厚监控装置，该制备系统还包括用于加 热衬底的发热元件、探测衬底温度的温度探测装置及用于控制发热元件工 作功率的温度控制器。
该温度探测装置包括与村底连接的温度测量探头及与温度测量探头连 接的温度显示器。
发热元件为鴒发热丝或钼发热丝；该蒸发装置为电子枪。
该抽真空系统主要由初级机械泵、二级扩散泵、用于测量真空室的高 低真空度的电离规管、用于测量扩散泵的前级真空度热偶规管组成。
该抽真空系统还包括用于对真空室充气的磁力充气阀，及与磁力充气 阀互锁的高真空蝶阀。
本发明通过用于加热衬底的发热元件、探测衬底温度的温度探测装置 及用于控制发热器工作功率的温度控制器来实现对衬底温度的实时控制， 使得对衬底温度的控制实现自动化，且对村底温度的监控与发热元件的功 率设定由温度控制器完成，较人为控制相比，大大提高了控制的精准度。 且由通过控制电子枪的束流与相关参数，可以有效控制镀膜材料的蒸发速 率，并在一定程度上影响材料在衬底上的沉积速率，通过温度显示器，可 以知道衬底的温度变化，通过对膜厚监控装置的操控，可以实时在线监控 薄膜厚度。
图1为本发明多晶硅薄膜的制备系统的结构示意图； 图2为本发明制备系统中的抽真空系统的结构示意图； 图3为本发明多晶硅薄膜的制备方法的工作流程图。
具体实施方式
下面简单说明多晶硅薄膜的制备系统及其制备方法的基本原理。 在一定的过冷度下，固相或液相的自由能比气相的自由能低，气相中形 成半径为r的球状固相或液相核时引起体系的自由能的改变^为W = -(4;zT3/3Q)A// + 4;rr2a (1) 这里Q是原子体积，A/z是一个原子由气相转变为固相或液相引起的自由能 的降低值，"是比界面能。上式第一项是形成体积为4wV3的晶核引起的自 由能的降低，第二项是形成面积为4;r,的界面引起的自由能的升高。由于自由能降低的第 一项随 一 而变化，自由能增加的第二项随一 而变 化，^一开始随r而增大，在临界半径r。处达到极大，此时的自由能为^。， 它被称为成核功。r小于临界半径^;时体自由能的降低还赶不上界面引起的 自由能的升高，r大于临界半径/;后情形相反，随r的增大，^迅速下降。 很容易从^/办=0计算出临界晶核的半径为7;=2Qor/A// (2) 由此式可见，临界晶核半径和A/z成反比。相应地成核功dA为^ =(16;r/3)Q2a3/A//2 (3) 由此式可见，成核功和A/z的平方成反比。成核率(单位时间单位气相体积 内成核数)和获得成核功的扭克率成正比、即和exp(-J么/A:r)成正比。要使成 核率增大，必须使^。减小，也就是使过冷度增大(使A/z增大)。如果晶态核是多面体，例如核的外形是尺寸为L的立方体，则 -(iL3/Q)A// + 6I2a (4) 由此计算得到临界核尺寸A为Lc=4Q r/A// (5)而成核功dA为#c=32QV/A//2 (6) 即立方体晶核的成核功却￡的系数比球形晶核增大大约一倍，这是因为立方 晶核的表面积/体积比大于球形核的表面积/体积比，对自由能的变化不利。 如果晶态核釆取接近球形的多面体，并且这些外形由低表面能的界面组成， 则多面体的成核功可以比J求形核j氐。在已有衬底上成核和上述均匀成核显著不同，它被称为非均匀成核。 设衬底上的核呈球冠状，设球面的曲率半径为r,球面和4十底的润湿角为 6 ,则球冠底的半径r sin 6> 、球冠高为Kl - cos 6)。 表面张力和界面张力平衡时有下列关系"cos^ = ( 7 )这里"为球冠晶核球面的张力，a'是衬底的表面张力，a〃是晶核和衬底的 界面张力。晶核和4于底间的界面面积A = 2訂2 sin2 6 , J求冠面积 A' = 2;zT2(l-cose) = 2;n^ ,球冠体积V等于半张角为6的部分球体减去半张角为e的圆锥体，即V = (4;zr3 / 3)[2;r(1 - cos《)/ 4;r〗-;zr2 sin2 <9(r cos绍) =;r,(2_2cos6>_cos6>sin20)/3 (8) =7zr3(2-3cos6>-cos3 P)/3如以球冠高度h= r(l - cos 代入，此体积可以表示为V =- /j / 3)。在给定球冠晶核体积下，润湿角6决定球冠的曲率半径r和球冠高度/ 半径之比h/r， e愈小，h/r愈小，球冠愈平坦。 ^t冠核的形成功
= -(;zr3 / 3Q)(1 - cos (9)2 (2 + cos 6>) △〃 -冗0 sin P) V' - "") + 2;rr2 (1 - cos争(9) 第一项是成核获得的自由能的降低，第二项是球冠底面由村底原来的 表面能转化为晶核/衬底界面能引起的自由能变化，第三项是球冠表面(球 面)能引起的自由能增大。
一般地^开始随r而增大，它会在临界半径处达在极大。利用(9)式 可以得到
t^ = -[(;zr3/3Q)A// + ;zr2"](2-3cose + cos36>) (10)
它在临界半径^ =20"/么//处达到极大值
械=(16;zQV/3A//2)[(l-cosP)2(2 + cos^)/4] (")
=(16;zQV/3A〃2)/(<9)
/(。为形状因子，当润湿角为0时，二维生长，球冠变为覆盖衬底的单原
子层，此时的成核功等于零，但这是宏观理论的结果，从微观考虑二维成
核时，这仍需要一定的成核功；润湿角不为0时，岛状生长。
由于在衬底上不均匀成核时一般总有一定的润湿角，由图可见它的成
核功比气相中球核均匀成核的成核功小，所以膜^牛更偏向于在衬底上成核，
并且其减小的程度随润湿角的减小而增大。
总之，在一般的薄膜生长条件下，从气相沉积到衬底上的原子会相互聚
集在一起成核长大。其驱动力来自于固相的自由能比气相的自由能低，且
在衬底上的成核功比气相中球核均匀成核的成核功小。
也就是说，在薄膜生长的过程中，当P。是沉积物的饱和蒸气压，主要取决于温度，温度越高，饱和蒸气压越大。P是沉积物的实际气压。P/P。 比率越大，气相沉积的成核能量势垒越低，临界核半径越小。如果基片温 度很低，使沉积材料在该处的饱和蒸气压P。为零，这时即使沉积材料的实 际气压P不大，成核势垒也将很小甚至接近于零，临界核半径也接近于零， 可能只由一两个原子组成，即使单个原子吸附在基片上也会成核，而不会 被解离回气态，从而以非晶态核形式沉积形成非晶态膜。如果衬底温度较 高，使沉积材料在该处的饱和蒸气压较大，同时通过蒸发或者输运气相沉 积材料形成适当小的过饱和蒸气压，使P/P。比率接近于1,这时的成核势垒 和临界核半径都很大，如果以晶体作衬底，在籽晶表面沉积形成的二维核 只要比二维临界核小就会被解离回气态，因此成核趋势很小，主要以晶体
生长形式沉积，从而形成多晶膜。
本发明通过在真空镀膜机的真空室内搭建一个温度探测与控制系统， 使用电子束热蒸发法与加热衬底相结合制备多晶硅薄膜。
把镀膜材料和衬底放置入真空室后，开动抽真空系统工作，对真空室 抽真空。当真空室内的真空度达到一定要求后，温度探测与控制系统开始
对衬底进行升温。当衬底温度升到所需温度的时候，保持衬底温度稳定。 此时，开膜厚监控装置，开始对衬底上沉积的薄膜膜厚进行监控，并使用 电子枪轰击硅靶材，以电子枪的能量蒸发镀膜材料。当监控膜厚到达所设 计厚度时，则停止镀制，完成镀制多晶硅薄膜过程。在镀制过程中，当制 备条件满足多晶硅薄膜生长条件，被蒸发的硅材料沉积在衬底上后，即得 到多晶硅薄膜。
通过控制电子枪的束流与相关参数，可以控制硅靶材的蒸发速率，并在一定程度上影响材料在衬底上的沉积速率。通过控制温度探测与控制系 统，可以控制加热衬底的温度。通过温度探测器的显示，可以知道衬底的 温度变化。通过对膜厚监控装置的操控，可以实时在线监控薄膜厚度。 下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图l所示， 一种多晶硅薄膜的制备系统，包括用于放置镀膜材料及
衬底13的真空室U、与真空室11连接的抽真空系统16、及蒸发镀膜材料 的蒸发装置20,该制备系统还包括用于加热衬底13的发热元件14、探测 衬底13温度的温度探测装置17及用于控制发热元件14工作功率的温度控 制器18。
该温度探测装置17包括与衬底13连接的温度测量探头及与温度测量 探头连接的温度显示器。上述发热元件14可为鴒丝灯；该制备系统还包括 对薄膜厚度进行监控的膜厚监控装置19。
上述抽真空系统主要是由初级机械泵5和二级扩散泵4组成，如图2 所示。电离规管1及热偶规管10用于测量真空室11的高低真空度及扩散 泵4的前级真空度。并通过真空计来读取真空度。磁力充气阀9用于对真 空室ll充气，其与高真空蝶阀2互锁。当三通阀8抽出时，机械泵5对真 空室11抽气，高阀关闭(处于图中的水平位置)，扩散泵4处于预热状态， 气体经由相应的管道到机械泵5被排出。当三通阀8推进时，机械泵5对 系统抽气。高阀打开(处于图中的竖直位置)，气体从扩散泵4抽到储气桶 7,再经过三通阀8到机械泵5，再排出室外。
上述蒸发装置可为电子枪，电子枪是将高速运动的电子流在磁场 中聚集成细束轰击到被镀材料的表面，电子束的动能转换成热能，使材料迅速升温而蒸发，达到的温度高达3000 ~ 6000摄氏度。阴极在接 通直流电压后，发热产生电子，电子在有孔阳极的加速电压下加速，经 过小孔进入磁场，高速运动的电子束在磁场中受到洛伦兹力的作用而 改变运动方向，通过调整^f兹场的大小可以控制电子束打在阳极上的落 点位置，阳极在真空室中是由装有膜料的坩埚组成。
另外，本发明还提供了一种多晶硅薄膜的制备方法，其包括以下步骤
a、 将镀膜材料及衬底置于真空室内，并利用抽真空系统对真空室进行 抽真空，利用真空计检查真空室是否到达目标真空度，是则执行下一步骤， 否则继续对真空室抽真空，直到满足要求；
b、 利用温度控制器Ajl热元件对衬底进行升温加热，并一直加热直到 一设定温度，本发明设定温度为60(TC,利用温度测量探头测量衬底的温度， 当达到设定温度时，则执行步骤c,当低于设定温度时，发热元件保持原有 功率，继续对衬底进4于加热；
c、 当温度探测装置探测到衬底达到60(TC时，温度控制器控制发热元 件保持在一i殳定功率，使衬底保持温度稳定；
d、 开启膜厚监控装置对膜厚进行实时在线监控；
e、 利用蒸发装置蒸发镀膜材料，并在衬底上沉积成膜，本发明的蒸发 装置为电子枪，利用电子枪轰击I4M材料，本发明为硅靶材，以电子枪的 能量蒸发镀膜材料。当监控膜厚系统监控到薄膜到达所设计厚度时，则停 止镀制，从而完成镀制多晶硅薄膜过程。在镀制过程中，当制备条件满足 多晶硅薄膜生长条件，被蒸发的硅材料沉积在衬底上后，即得到多晶硅薄 膜。
权利要求
1、一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法所使用的系统包括真空室(11)、与真空室连接的抽真空系统(16)、蒸发装置(20)、膜厚监控装置(19)、发热元件(14)与发热元件(14)连接的温度探测装置(17)及分别与发热元件(14)、温度探测装置(17)连接的温度控制器(18)，其包括以下步骤a、将镀膜材料及衬底置于真空室内，并利用抽真空系统对真空室抽真空；b、利用发热元件对衬底进行升温加热；c、当温度探测装置探测到衬底到达一设定温度时，温度探测装置反馈一信号至温度控制器，温度控制器控制发热元件保持在一设定功率，使衬底保持温度稳定；d、开启膜厚监控装置监控薄膜的膜厚；e、利用蒸发装置蒸发镀膜材料，并在衬底上沉积成膜，完成镀制多晶硅薄膜过程。
2、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤 c中it定温度为60(TC。
3、 根据权利要求l所述的多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于在步 骤c中，温度控制器通过控制流过发热元件的电流大小来控制发热量。
4、 一种多晶硅薄膜的制备系统，包括用于放置镀膜材料及衬底(13 ) 的真空室(11)、与真空室(11)连接的抽真空系统(16)、蒸发| 材料 的蒸发装置(20)、及对薄膜厚度进行监控的膜厚监控装置(19)，其特征在于该制备系统还包括用于加热衬底(13)的发热元件(14 )、探测衬底(13) 温度的温度探测装置(17)及用于控制发热元件(14)工作功率的温度控 制器(18X
5、 根据权利要求4所述的多晶硅薄膜的制备系统，其特征在于该温 度探测装置(17)包括与衬底(13)连接的温度测量探头及与温度测量探 头连接的温度显示器。
6、 根据权利要求4所述的多晶硅薄膜的制备系统，其特征在于发热 元件(14)为鴒发热丝或钼发热丝。
7、 根据权利要求4所述的多晶硅薄膜的制备系统，其特征在于该蒸 发装置(20)为电子枪。
8、 根据权利要求4至7任一项所述的多晶硅薄膜的制备系统，其特征在于该抽真空系统(16)主要由初级机械泵(5)、 二级扩散泵(4)、用于测量真空室(11)的高低真空度的电离规管(1)、用于测量扩散泵(4) 的前级真空度热偶规管(10)组成。
9、 根据权利要求8所述的多晶硅薄膜的制备系统，其特征在于该抽 真空系统(16)还包括用于对真空室(11)充气的磁力充气阀(9),及与 磁力充气阀(9)互锁的高真空蝶阀(2)。
全文摘要
本发明涉及一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法所使用的系统包括真空室、抽真空系统、蒸发装置、发热元件、膜厚监控装置、温度探测装置及温度控制器，其包括以下步骤将镀膜材料及衬底置于真空室内，并利用抽真空系统对真空室抽真空；利用发热元件对衬底进行升温加热；当温度探测装置探测到衬底到达一设定温度时，温度探测装置反馈一信号至温度控制器，温度控制器控制发热元件保持在一设定功率，使衬底保持温度稳定；开启膜厚监控装置监控薄膜的膜厚；利用蒸发装置蒸发镀膜材料，并在衬底上沉积成膜，完成镀制多晶硅薄膜过程。另外，本发明还涉及一种多晶硅薄膜的制备系统。本发明操作方便且对衬底温度控制的精准度大大提高。
文档编号C30B29/06GK101319362SQ20081002815
公开日2008年12月10日 申请日期2008年5月16日 优先权日2008年5月16日
发明者张豪杰, 林龙智, 江绍基, 汪河洲 申请人:中山大学