CN101521146B - 衬底加热设备、半导体装置制造方法以及半导体装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种衬底加热设备，在该衬底加热设备中，使由真空加热容器(103)中的丝极(132)产生的热电子加速以碰撞形成所述真空加热容器(103)一个表面的传导加热器(131)，由此产生热。传导加热器(131)用碳制成。传导加热器(131)的内表面和外表面中至少之一用碳化钽(TaC)涂覆。
Description
技术领域
本发明涉及一种衬底加热设备、半导体装置制造方法以及半导体装置。
背景技术
一般而言，半导体装置制造技术经常要求快速加热半导体衬底的处理。
尤其，如非专利参考文献1(T.Kimoto，N.Inoue和H.Matsunami：Phys.Start.Sol.(a)Vol.162(1997)，p.263)中公开的由碳化硅(SiC)所代表的宽带隙半导体的活化退火通常要求1600℃或更高的高温。
在这种退火中，当形成注入铝的p型井时，在半导体装置的可靠性方面非常重要的是100％地电活化所注入的杂质，由此恢复完全的晶体。
为了将这种活化退火工艺提升到工业水平，必须快速地完成加热处理并提高衬底加热设备的处理能力。
也就是，在等于或高于传统可行温度的超高温度(2000℃或更高)下的处理是必要的。
如上所述的传统衬底加热设备作为在加速的电子碰撞时就被加热的碳传导加热器采用一种碳经过热解碳涂覆处理的处理。该传导加热器利用众所周知的不透气性和涂覆的热解碳不容易分离的特性。
然而，通常使用稳定可用的热解碳执行涂覆处理的温度大约是1800℃，如在日本专利特开号10-45474中公开。涂覆处理之后，传导加热器在卤气气氛中在2000℃下加热3小时，由此使碳涂覆膜密实。
当以上述制造方法制造的传导加热器在大约2000℃加热的情况下使用时，热解碳主动从热解碳涂覆膜升华。这能够急剧地、不期望地增加该传导加热器的内部压力。
这种急剧温度增加在传导加热器中引起异常放电，由此破坏丝极(filament)。涂覆热解碳的碳传导加热器不能在2000℃或更高的高温下在工业中稳定地使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种衬底加热设备、半导体装置制造方法以及半导体装置，在所述衬底加热设备中，传导加热器的内部压力甚至在超出2000℃的高温下也可以长时间维持1.0×10-2Pa或更小的限制值。
因此，本发明的另一目的是提供一种衬底加热设备、半导体装置制造方法以及半导体装置，所述衬底加热设备能够100％电活化注入碳化硅(SiC)中的杂质，由此在实用时间段中消除晶体缺陷。
根据本发明的一个方面，提供一种衬底加热设备，其包括丝极和加速电源，所述丝极布置在真空加热容器中并连接至丝极电源以产生热电子，所述加速电源用于使所述热电子在所述丝极与形成所述真空加热容器一个表面的传导加热器之间加速，以便使由所述丝极产生的热电子碰撞所述传导加热器并加热所述传导加热器，所述衬底加热设备包括：覆盖所述传导加热器的内表面和外表面中至少之一的涂覆部分，其中所述涂覆部分用碳化钽(TaC)涂覆。根据本发明的另一方面，提供一种半导体装置制造方法，其包括使用根据本发明一个方面的衬底加热设备在真空中加热离子注入碳化硅(SiC)衬底的步骤。根据本发明的另一方面，提供一种通过根据本发明另一方面的制造方法制造的半导体装置。根据本发明，甚至在2000℃或更高的超高温度下通过抑制来自碳加热器的气体发射来消除异常放电，由此实现丝极的长期稳定性。
此外，在离子注入碳化硅(SiC)的活化退火中，在超高温度下，可以较长时间地稳定执行快速处理。
因而，在碳化硅(SiC)半导体装置的制造中，可以在工业水平下实现100％电活化离子注入杂质和消除晶体缺陷。结果，可以以较高生产力制造高度可靠的半导体装置。
本发明的其他特征将从以下参照附图的典型实施例说明变得清楚。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备的剖视图；
图2是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备中的传导加热器131的剖视图；
图3是示出在本发明的实施例中采用的丝极的示例的透视图；
图4是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备中采用的每个碳传导加热器的透视图；
图5是示出根据本发明的实施例中采用的试样中的活化比与处理温度之间的关系的图。
具体实施方式
以下将参照附图说明实行本发明的最好实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备的剖视图。
如图1所示，该实施例的衬底加热设备101包括真空室102、真空加热容器103、丝极电源104、高压电源105、衬底106、衬底台107和衬底支持台108。衬底加热设备101还包括碳传导加热器131、水冷却通道109、水冷却挡板110、运动机构111和提升销112。衬底加热设备101还包括双波长式辐射温度计115、波长探测元件a116、波长探测元件b 117、运算电路118、温度信号119、冷凝部分114和透射窗口113。衬底加热设备101还包括丝极132、热反射板135、绝缘玻璃构件137和中间基板136。
在真空室102(真空容器)中，传导加热器131稳固地布置在真空加热容器103的下部。
由丝极132产生的热电子被加速以碰撞构成真空加热容器103一个表面的传导加热器131，由此产生热。
衬底支持台108与运动机构111一起布置在与传导加热器131相对的位置处而可竖直运动。
涡轮分子泵(未示出)(具有450升/秒的冲程体积)能够抽空真空室102到10-5Pa的量级。
传导加热器131包括由钨、钨-铼、或难熔金属制成的丝极132。丝极132用热解碳涂覆。
真空加热容器103中的丝极132通过电流引入端子(未示出)连接至高压电源105和用于加热该丝极132的丝极电源104。高压电源105在丝极132和传导加热器131之间形成电位差以使热电子加速。电流输入端子还能够使真空与大气隔离。
例如，用作温度测量装置的双波长式辐射温度计115安装在衬底支持台108的下方。作为温度测量装置，除了辐射温度计115以外，可以使用双波长式温度记录器。在测量由衬底支持台108支撑的衬底台107的下表面的温度时，通过运算电路118控制待由丝极132供给的电流值，使得衬底台107达到期望的温度。
当将待处理的衬底106运输至衬底台107时，衬底支持台108向下运动，作为隔热板的水冷却挡板110插入到传导加热器131和衬底支持台108之间。结果，传导加热器131和衬底支持台108彼此隔热。
臂(未示出)从运输室(未示出)延伸，所述运输室通过狭缝阀与真空室102分离并抽成真空。衬底106布置在该臂上。臂然后缩回，并且狭缝阀关闭。
然后，衬底支持台108向上运动，并从提升销112捕获衬底106。衬底106转移到衬底台107。衬底支持台108进一步向上运动直到衬底106和传导加热器131之间的距离是例如5mm为止，继而停止。
然后，到真空加热容器103中的丝极132的AC电流以几A/秒的速度从0A增加到期望值，并且保持期望值达期望的时间段，由此预热丝极132。
然后，高压电源105将丝极132与传导加热器131之间施加的电压以期望的V/秒的速度从0V增加到期望值，使得丝极132发射热电子。
然后，发射电流逐渐地发射。在电压增加到期望值之后，AC电流值增加到期望值，并且同时高压电源105的电压进一步增加到期望值。
在通过双波长式辐射温度计115监测衬底台107的温度的同时，运算电路118控制丝极电源104的AC电流值以在几分钟内将其增加到期望值。该加热保持期望的时间段。然后，丝极电源104和高压电源105关闭。
传导加热器131的温度通过辐射快速地下降。当衬底台107的温度在大约1分钟内下降到预定值时，衬底台107向下运动。在离开传导加热器131的距离为50mm处，用作隔热板的水冷却挡板110插入传导加热器131和衬底台107之间，以快速冷却衬底。
几分钟之后，当衬底台107的温度降至期望值或更低时，衬底支持台108进一步向下运动。衬底106布置在提升销112上，并且狭缝阀打开。
臂(未示出)从运输室(未示出)延伸，所述运输室通过狭缝阀与真空室102分离并抽成真空。该臂从提升销112收回所处理的衬底106，并将其运输到装载锁定室(未示出)。
当衬底106的温度降至期望值或更低时，装载锁定室(未示出)通到大气，并且衬底106从所述装载锁定室取出。
这时，通常传导加热器131被与抽空布置衬底106的真空室102的涡轮分子泵独立的另一个TMP(涡轮分子泵)抽空。或者，传导加热器131可以同时被抽空真空室102的TMP抽空。
通常，形成衬底的碳化硅(SiC)可具有多种晶体类型，例如3C、4H以及6H。为了使均相外延生长具有均匀结晶度，使用晶体相对于C轴平面倾斜4°或8°的碳化硅(SiC)衬底。
图2是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备101中的传导加热器131的放大剖视图。
如图2所示，传导加热器131包括丝极132、中间基板136和绝缘玻璃构件137。传导加热器131还包括丝极支撑柱141、热接收板142、基板143、热接收板144、反射板145、水冷却凸缘146和支撑柱147。
根据该实施例，丝极支撑柱141由钼制成。热接收板142、基板143和热接收板144由碳制成。反射板145、中间基板136和支撑柱147由钼制成。
传导加热器131制造成具有大约200mm的直径。
丝极支撑柱141立在基板143上并固定丝极132。
热接收板142和144将基板143夹在中间。热接收板142和144抑制基板143的上表面和下表面之间的温差。
此外，多个具有被处理以降低发射率的表面的反射板145布置在热接收板144和中间基板136之间，所述中间基板136支撑包括丝极132的支撑构件。该布置增加加热效率。
基板143通过钼支撑柱稳固地固定到中间基板136。
丝极132设有用于加热该丝极的丝极电源和在丝极132与传导加热器131之间形成电位差的高压电源。
基板143、热接收板142和144、以及反射板145设置成具有与丝极132的电位相同的电位。这是为了使热电子有效地反射，以便使热电子有效地碰撞传导加热器131。
图3是示出在本发明的实施例中采用的丝极的示例的透视图。
在该实施例中，采用如图3所示的单环丝极。除此之外，也可以采用多线圈丝极。
丝极132通过与真空隔离的电流输入端子平行地与AC丝极电源和DC高压电源连接。由此，产生热电子并使其加速。
用热解碳涂覆的传导加热器布置在丝极132的外部，以便由丝极132产生且被加速的热电子碰撞该传导加热器131，并加热所述传导加热器131。
待加热的碳化硅(SiC)衬底布置在衬底支持器上以与传导加热器相对。衬底支持器使碳化硅衬底运动至接近传导加热器但不与其接触的位置。碳化硅衬底在真空气氛中加热。
这时，通常传导加热器被与抽空布置衬底的真空室的涡轮分子泵(TMP)独立的另一个TMP抽空。或者，传导加热器可以同时被抽空真空室的TMP抽空。
在衬底加热设备中，离子压力计监测加热器的内部压力，以便防止由传导加热器的内部压力引起的异常放电。当加热器的内部压力变成1.0×10-2Pa或更大时，来自高压电源的电力自动地中断，由此保护设备。
图4是示出根据本发明的实施例的衬底加热设备中采用的每个碳传导加热器(401，402)的透视图。
采用各向同性石墨作为传导加热器(401，402)的基础材料，使得加热器的线性热膨胀系数变成几乎等于碳化钽(TaC)的线性热膨胀系数(7.1×10-6/K)。
碳传导加热器(401，402)按以下方式制造。
首先，基础材料被车床机械加工成圆筒。对该圆筒进行在卤气气氛中采用高温处理的高度净化处理。
然后，使用钽有机源，在2100℃或更高的高温下，通过热气相反应(热CVD)用碳化钽(TaC)涂覆圆筒，使得钽比碳化物的容量比变成几乎1∶1。
执行该涂覆以用碳化钽涂覆传导加热器(401，402)的内表面和外表面中至少之一。
图4中的附图标记401指示在与加热部分相对的一侧上具有密封表面以便传导加热器的内部可以被独立的抽空系统抽空的圆筒形真空容器结构。图4中的附图标记402指示设有抽空窗以便处理箱式泵能够同时抽空传导加热器的内部的结构。
表1示出该实施例的传导加热器和传统的传导加热器在使用之前(它们是全新的)和它们被加热50小时加热时间且保持静止10分钟之后所得到的压力的测试结果。
(1)全新的传导加热器
| 1,900℃ | 2,000℃ | 2,050℃ | 2,100℃ | |
| 现有技术(Pa) | 7.0×10-4 | 3.2×10-3 | 9.8×10-3 | 不能被加热 |
| 实施例(Pa) | 3.1×10-4 | 3.9×10-4 | 4.2×10-4 | 4.3×10-4 |
(2)加热50小时之后的传导加热器
| 1,900℃ | 2,000℃ | 2,050℃ | 2,100℃ | |
| 现有技术(Pa) | 4.5×10-4 | 9.5×10-3 | 不能被加热 | 不能被加热 |
| 实施例(Pa) | 3.1×10-4 | 3.9×10-4 | 4.3×10-4 | 4.5×10-4 |
通过用碳化钽(TaC)涂覆传统的传导加热器得到根据该实施例的传导加热器，并且使用用热解碳涂覆的基础材料得到传统的传导加热器。
如表1所示，用碳化钽(TaC)涂覆的传导加热器的内部压力在2100℃保持加热50小时之前和之后二者都是在10-4Pa的量级。该值大大小于1.0×10-2的互锁压力，在所述1.0×10-2的互锁压力下中断电力以防止异常放电。因此，可以实现稳定的高温加热。
下文将说明借助退火使用根据该实施例的传导加热器以活化通过将离子注入到碳化硅(SiC)衬底中而得到的半导体衬底的半导体装置制造方法。
采用一种具有厚度10μm的n+型碳化硅(SiC)外延层的衬底，所述外延层通过化学气相沉积(CVD方法)在n型4H-SiC(0001)衬底上以4°斜角生长。氮作为掺杂剂注入n+型碳化硅(SiC)外延层中。
首先，执行RCA清洁、牺牲氧化以及氢氟酸处理。
然后，其上沉积有10nm厚用于离子注入的保护氧化膜的试样通过离子注入机加热到500℃，使得能够升高衬底温度。
在40keV至700keV的能量下并且在2.0×1018/cm3的注入浓度下以多级方式将铝注入到试样中达到0.8μm的深度以形成盒型面。
随后，保护氧化膜由氢氟酸处理去除。该试样继而被根据该实施例的加热设备活化。评价通过用由CV测量测得的载流子浓度除以注入量得到的活化比的温度/时间依赖性。
同时，在活化处理之后在敲击模式(tapping mode)下由原子力显微镜(AFM)测量4μm×4μm范围内的表面光洁度。
图5是示出根据该实施例中采用的试样中的活化比与处理温度之间的关系的图。
如图5所示，对于采用传统的传导加热器的衬底加热设备，当活化退火温度是2000℃时，活化比到达100％需要10分钟。
借助采用根据该实施例的传导加热器的衬底加热设备而执行处理方法。当活化退火温度是2050℃时，活化比在3分钟内到达100％；当活化退火温度是2100℃时，活化比在1分钟内到达100％。
这时，代表表面光洁度的RMS值(均方根值)对于2050℃和2100℃二者的活化退火温度是1.0nm或更小，由此指示非常高的光洁度。
当在活化退火过程中添加0.1sccm的硅烷(SiH4)气体时，RMS值甚至在处理温度是2100℃的情况下显示为0.89nm。更容易保证表面光洁度。
在传统的传导加热器中，硅烷气体腐蚀加热器表面。在该实施例的传导加热器中，没有观察到表面腐蚀。因而，该实施例的传导加热器将能够被稳定地使用。
根据借助退火使用该实施例的衬底加热设备的半导体装置制造方法，在超出2000℃的超高温度下快速地完成处理。而且，注入碳化硅(SiC)衬底中的杂质100％电活化，由此消除残留的晶体缺陷。
结果，能够使用碳化硅(SiC)制造高度可靠的半导体装置。
本发明可以由用于退火的衬底加热设备使用，所述退火的目的是活化例如在诸如碳化硅衬底的衬底上形成的元件。
虽然已经参照典型实施例说明本发明，但应理解本发明不限于所公开的典型实施例。下述权利要求的范围将与最广泛解释一致，从而包含所有这些修改和等同结构以及功能。
Claims (4)
1.一种衬底加热设备，其包括丝极和加速电源，所述丝极布置在真空加热容器中并连接至丝极电源以产生热电子，所述加速电源用于使所述热电子在所述丝极与形成所述真空加热容器的一个表面的传导加热器之间加速，以便使由所述丝极产生的热电子碰撞所述传导加热器并加热所述传导加热器，
其中所述传导加热器用热解碳涂覆，并且
其中所述传导加热器的内表面和外表面中至少之一用碳化钽(TaC)涂覆。
2.一种半导体装置制造方法，包括使用根据权利要求1所述的衬底加热设备在真空中加热离子注入碳化硅(SiC)衬底的步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括在真空中的加热过程中添加包含硅(Si)和氢(H)中至少之一的气体的步骤。
4.一种通过根据权利要求2所述的制造方法制造的半导体装置。
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