CN1035704C - 薄膜的形成方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

将多个晶片31装进舟皿32，用加热器21加热反应炉22，使晶片31升温。接着，用送风装置20将空气由送风喷管20a输送到加热器21和反应炉22之间，快速冷却加热器21使晶片31以17℃/分的速度降温，只在晶片31的周边部温度比中央部温度变成低30℃期间由第一、第二气体喷管27、28向反应炉22内供应PH3、SiH4。随后在晶片31周边部和中央部的温差不再是30℃时，停止向反应炉22内供应SiH4、PH3，而在晶片31的表面上形成图中未示出的多晶硅膜。

Description

薄膜的形成方法及其装置
本发明涉及薄膜的形成方法及其装置，特别适用于均匀性良好的薄膜。
图8是表示以往的薄膜形成方法所用的纵型LPCVD(低压化学汽相淀积)炉的截面图。上述纵型LPCVD炉在半导体装置制造工艺中用以将氧化硅膜或多晶硅膜形成在多个半导体基板上。
反应炉2设置在园筒形加热器1的内侧，此反应炉2由第一和第二石英管3，4构成。
也就是说第一石英管3设置在上述加热器1的内侧，该石英管的一端是密封的。岐管5的一端设置在上述石英管3的另一端，此岐管5的另一端用封闭部6封闭。第一、第二气体喷管7，8和排气口9设置在上述岐管5的侧面。上述第二石英管4的一端设置在上述岐管5的内侧，此石英管4的另一端位于第一石英管3的一端附近。即第二石英管4位于第一石英管3的内侧。
上述第一气体喷管7的顶端位于第二石英管4另一端附近的内侧。多个气体导入口7a设置在上述气体喷管7上，这些气体导入口7a对着第二石英管4的中心轴侧。上述第二气体喷管8的顶端位于第二石英管4的一端附近的内侧。
保温筒10设置在上述封闭部6的上面，并位于第二石英管4的内侧。置放晶片11的舟皿12设置在上述保温筒10的上面。
在上述结构中舟皿12里置放有多个晶片11，并放入反应炉2中。然后，用加热器1加热上述反应炉2，使上述晶片11升至规定的温度。接着将图中未示出的原料气体从第一和第二气体喷管7，8导入反应炉2内，供给晶片11的表面。这时，上述原料气体沿箭头13的方向流动。因此，在上述晶片11上的上述原料气体被分解，在晶片11上形成图中未示出的薄膜。这时，为使所形成的薄膜厚度均匀，上述晶片11的表面温度要保持恒定。具有地说，上述晶片11表面的温差要在1℃以内。
在上述以往的薄膜形成方法中，为使形成的薄膜厚度均匀，就要使晶片11的表面温度保持恒定。然而，即使将晶片11的表面温度保持恒定，在晶片11上所形成的薄膜厚度仍存在不均匀的情况。
例如在原料气体为TEOS，PH3，反应炉2内的温度是600℃，压力为0.5的条件下，用图8所示的纵型LPCVD炉，在晶片11上形成掺杂磷的SiO2膜时，此SiO2膜的膜厚分布如图9所示，即在晶片的周边部上述SiO2膜的厚度较厚。
在原料气体为SiH4，PH3，反应炉2内的温度是600℃，压力为0.5的条件下，用图8所示的LPCVD炉，在晶片11上形成掺杂磷的多晶硅膜时，此多晶硅膜的厚度分布如图10所示，即与上述SiO2模一样，在晶片的周边部，上述多晶硅膜的厚度厚。
如上所述，在晶片上形成的薄膜厚度的均匀性一旦恶化，就存在在膜厚度的部分布线间不能接触、不能顺利进行加工等问题。因此，也存在半导体装置不能正常工作的问题。
图11是表示以往的薄膜形成装置的主要部分的截面图。为防止像上述那样在晶片上面形成的薄膜厚度不均匀，即为使上述薄膜厚度的均匀性好，此薄膜形成装置是在图8所示的以往的纵型LPCVD炉上安装环形挡板15。
也就是说，在置放在上述舟皿12中的晶片11的端部之间插入环状挡板15。由于能用此环形挡板15遮挡上述原料气体在上述晶11的相互之间流动，所以能在晶片11的表面上形成厚度均匀的薄膜。
图12是表示以往的另一种薄膜形成装置的主要部分的截面图。为防止在晶片上上述那样形成的薄膜厚度不均匀，此薄膜形成装置是在图8所示的以往的纵型LPCVD炉上安装园盘形的挡板16。
即，将比晶片11大的园盘状挡板16安装在上述舟皿12内，晶片11装载在此园盘形挡板16的上面。由于厚的膜形成在上述园盘形挡板16的周边部分，因此，在晶片11的表面上能形成厚度均匀的薄膜。
然而，使用上述以往的薄膜形成装置，尽管也能在晶片11的表面上形成厚度均匀的薄膜，但由于存在上述挡板15，16，使可放入薄膜形成装置中的晶片个数减少，因而使制造成本增加，同时还产生使薄膜形成装置的结构变复杂使装置成本增加、装置维修困难等问题。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种既能在晶片表面上形成厚度均匀的薄膜还能使制造成本和装置成本降低，容易进行装置维修的薄膜形成方法及其装置。
为解决上述课题，本发明使用用CVD法在半导体基片上形成薄膜的方法，为使在上述半导体基板上形成的薄膜厚度均匀，本发明的特征是在形成上述薄膜时，在上述半导体基片上建立温度差。
另外，作为用CVD法在半导体基片上形成薄膜的装置，其特征是它配备有：置放上述半导体基片的反应炉；和为了在上述半导体基片上形成厚度均匀的薄膜，设置在上述反应炉的外侧，通过升温或降温在上述半导体基片上的中央部和周边部建立温度差的加热器。
另外，作为用CVD法在多个半导体基片上形成薄膜的装置，其特征在于它配备有：保持上述各半导体基片有规定的相互间隔的保持装置；和为了在上述半导基片上形成厚度均匀的薄膜，在上述半导体基片上的中央部和周边部建立温度差的装置。
另外，作为用CVD法在多个半导体基片上形成薄膜的装置，其特征在于它配备有：能使上述半导体基片保持规定的相互间隔的保持卡具；安放上述保持卡具的反应炉；设置在上述反应炉的外侧，为了在上述半导体基片上形成厚度均匀的薄膜，用来通过升温或降温在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差的加热器。
另外，作为用CVD法在多个半导体基片上形成薄膜的装置，其特征在于它配备有：使上述半导体基片保持规定相互间隔的保持卡具；收纳上述保持卡具的反应炉；设置在上述反应炉的外侧使上述半导体基片升温的加热器；和将空气送入上述加热器和上述反应炉之间的送风装置。
本发明由于在半导体基片上建立温度差，也就是使成膜速度慢的区域温度高，使该区域的成膜速度加快，从而使上述半导体基片上的成膜速度几乎相同。结果，能在上述半导体基片上形成膜厚原均匀的薄膜。
而且，用保持卡具使半导体基片保持规定的相互间隔，将上述保持卡其安放在反应炉中，通过用设置在此反应炉外侧的加热器，从半导体基片的周边部侧升温或降温，在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差，在上述半导体基片上形成薄膜。即由于使成膜速度低的区域温度升高，而使该区域的成膜速度加快。从而，能在上述半导体基片上形成厚度均匀的薄膜。
下面将参照附图，用实施例对本发明进行说明。
图1是本发明第一、第二实施例所用的薄膜形成装置，即纵型LPCVD炉的截面图。
图2是分别表示在本发明图1所示的纵型LPCVD炉中晶片中央部的温度、晶片周边部的温度和所供给的原料气体的流量与时间的关系。
图3是表示在本发明的第一实施例中，在晶片上的周边部和中央部所形成的多晶硅膜的膜厚。
图4是表示在用本发明图1所示的纵型LPCLD炉使晶片升降温时的升降温速度与在上述晶片的中央部和周边部的温度差的关系。
图5是表示使用本发明图1所示的纵型LPCVD炉，按照第一实施例的条件，在晶片上形成多晶硅膜时的成膜速度特性。
图6是表示在本发明第二实施例中，在晶片上的周边部直到中央部形成的多晶硅膜的膜厚。
图7是表示使用本发明图1所示的纵型PLCVD炉，按照第二实施例的条件，在晶片上形成SiO2膜时的成膜速度特性。
图8是以往的薄膜形成方法中所用的纵型LPCVD炉的截面图。
图9是表示用图8所示的纵型LPCVD炉，在晶片上的周边部直到中央部形成SiO2膜的厚度。
图10是表示用图8所示的纵型LPCVD炉在晶片上的周边部直到中央部形成多晶硅膜的厚度。
图11是以往的薄膜形成装置的主要部分的截面图。
图12是以往的另一种薄膜形成装置的主要部分的截面图。
图1是根据本发明第一实施例的薄膜形成装置，即纵型LPVCD炉的截面图。反应炉22设置在能快速加热的园筒形成加热器21的内侧，用以使此加热器21快速冷却的送风装置20设置在上述加热器21的近旁。送风喷管20a安装在此送风装置20上，此送风喷管20a的顶端位于加热器21和反应炉22之间。上述反应炉22由第一和第二石项管23、24构成。
也说是说，第一石英管23设置在上述加热器21的内侧，此石管23的一端是封闭的。岐管25的一端设置在上述石英管23的另一端上，此岐管25的另一端用封闭部26封闭。第一、第二气体喷管27，28和排气口29设置在上述岐管25的侧部。上述第二石英管24的一端设置在上述岐管25的内侧部，此石英管24的另一端设置在第一石英管23一端的近旁。即第二石英管24位于第一石英管23的内侧。
上述第一气体喷管27的顶端位于第二石英管24另一端的内侧附近。多个气体导入口27a设置在上述气体喷管27上，并朝向第二石英管24的中心轴侧。上述第二气体喷管28的顶端位于第二石英管24的一端的内侧附近。
保温筒30设置在上述封闭部26的上面，并位于第二石英管24的内侧。安放多个晶片31的舟皿32设置在上述保温筒30的上面。
在上述结构中，多个直径8英寸的晶片31以4mm的间距相互平行地装放在舟皿32中，上述舟皿32安放在反应炉22的内部。接着像图2所示那样控制晶片31的温度和原料气体的流量。
也就是说，由于用加热器21加热上述反应炉22，使晶片31温度升温到650℃。然后，用送风装置20将空气从送风喷管20a送进上述加热器21和反应炉22之间，使上述加热器21和反应炉22快速冷却。因此，晶片31以17℃/分的速度降温到550℃。这时，只在晶片31的周边部的温度比晶片31中央部的温度低30℃的情况下才将原料气体PH3和SiH4从第一和第二气体喷管27，28送时反应炉22内。也就是使上述原料气体沿箭头的方向流动，在晶片31上，使SiH4和PH3分解。这时，上述SiH4的流量可以是100sccm，上述PH3的流量可以是1sccm，反应炉22内的压力可以是0.5。
随后，当上述晶片31周边部和中央部的温度差不是30℃时，就停止向反应炉22内供给上述原料气体。然后，再次以100℃/分的速度使晶片31温度升温到650℃。就这样，晶片31的升降温和向反应炉22内供给上述原料气体的操作反复进行，就在晶片31的表示上形成图中未示出的掺杂磷的多晶硅膜。
图3示出用上述方法在上述晶片31上形成多晶硅膜的厚度。由此图可见，上述多晶硅膜的厚度均匀了，即在晶片31的周边部和其中央部之间已无膜厚差。
图4示出在图1所示的纵型LPCVD炉中的加热器的升降温速度与晶片的中央部和周边部的温度差的关系。加热器21升温时晶片31周边部的温度比中央部的温度变高，而在它降温时晶片31周边部的温度比中央部的温度变低。
图5示出使用图1所示的纵型LPCVD炉在上述第一实施例的条件下，在晶片上形成多晶硅膜时的成膜速度特性。
根据上述第一实施例，使晶片31温度升温至650℃后，再将上述晶片31以17℃/分的速度将温度降到550℃。这时晶片31周边部的温度如图4所示比晶片31中央部的温度变成低30℃，只在温差为30℃期间向反应炉22内供给原料气体。结果如图5所示，由于晶片31的温度低处成膜速度慢，能使晶片31周边部的成膜速度得到抑制。总之，由于像以以往的薄膜形成方法所进行的说明那样，晶片31周边部的成膜速度比中央部快，所以通过使晶片31周边部的温度比中央部为低，就能使周边部和中央部的成膜速度达到一致。从而，在上述晶片31上能形成膜厚均匀的多晶硅膜。即如图3所示，能使晶片31周边部和中央部之间的多晶硅膜的膜厚差消失，从而大大地提高了膜厚的均匀性。
而且无须像以往的薄膜形成方法那样使用设置挡板等复杂结构的装置就能达到提高膜厚的均匀性。因而也不存在因上述挡板等而使能装入薄膜形成装置中的晶片个数减少的问题，能防止制造成本增加，同时因为不必设置挡板等能降低装置成本，也便于进行装置维修。
还有，尽管在上述第一实施例中是使用PH3和SiH4作为原料气体在晶片31上形成产晶硅膜，但使用其它的原料气体也能在晶片上形成其它的膜。
而且，在晶片31降温时由于在晶片31的中央部和周边部建立温度差，使在晶片31上形成的薄膜厚度变均匀，而在晶片升温时由于也在上述晶片中央部和周边部建立温度差，也可能使在晶片上形成的薄膜厚度变均匀。
图1是本发明第二实施例所用的薄膜成形装置，即纵型LPCVD炉的截面图，只对与第一实施例不同的的部分进行说明。
将装放晶片31的舟皿32放入反应炉22内，接着像图2所示那样控制晶片31的温度和原料气体的流量。
也就是说，只在晶片31的周边部温度比中央部的温度变成低30℃期间，才由第一气体喷管27向反应炉22内供应作为原料气体的10％Hc基的PH3，由第二气体喷管28向应炉22内供应TEOS。这时上述TEOS的流量可为100sccm，上述PH3的流量可为100sccm。由此在晶片31的表面上形成图中未示出的SiO2膜。
图6示出用上述方法在上述晶片31上形成的SiO2膜的膜厚分布。由此图可见，上述SiO2膜的厚度已变成均匀了。
图7示出使用图1所示的纵型LPCVD炉，按上述第二实施例的条件，在晶片上形成SiO2膜时的成膜速度特性。
在上述第二实施例中也能获得与第一实施例相同的效果。在本申请请求保护范围的各构成要素中所用的附图参考符号是为了使本发明容易理解，本发明的技术范围不限于附图所示的实施例。
综上所述，根据本明，通过在半导体基片上建立温度差，既能在上述半导体基片上形成厚度均匀的薄膜。也能降低制造成本和装置成本，还能使装置容易维修。

Claims (5)

1.一种用CVD法在半导体基片上形成薄膜的方法，其特征在于，为使在上述半导体基片上形成的薄膜厚度均匀，形成上述薄膜时，在上述半导体基片上建立温度差。
2.一种用CVD法在半导体基片上形成薄膜的薄膜形成装置，其特征在于它配备有：安放上述半导体基片的反应炉；设置在上述反应炉外侧，为在上述半导体基片上形成膜厚均匀的薄膜，用以通过升温或降温在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差的加热器。
3.一种用CVD法在半导体基片上形成薄膜的薄膜形成装置，其特征是它配备有：使上述半导体基片相互间保持规定间隔的保持装置；为在上述半导体基片上形成膜厚均匀的薄膜，在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差的加热器。
4.一种用CVD法在半导体基片上形成薄膜的薄膜形成装置，其特征在于它配备有：使上述半导体基片相互间保持规定间隔的保持卡具；安放上述保持卡具的反应炉；设置在上述反应炉的外侧，为在上述半导体基片上形成膜厚均匀的薄膜，用以通过升温或降温在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差的加热器。
5.一种用CVD法在半导体基片上形成薄膜的薄膜形成装置，其特征在于它配备有：使上述半导体基片相互间保持规定间隔的保持卡具；安放上述保持卡具的反应炉；设置在上述反应炉外侧，使上述半导体基片升温以在上述半导体基片的中央部和周边部建立温度差的加热器；将空气送入上述加热器和上述反应炉之间的送风装置。
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