CN1419268A - 发热体cvd装置及采用该装置的发热体cvd方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供在采用发热体CVD装置制作硅膜时，能够在元件上形成高质量的多晶硅膜(聚硅膜)的发热体CVD装置及发热体CVD方法。所述发热体CVD装置及使用该装置的发热体CVD方法是在基板上形成硅膜的过程中，将围住基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上。
Description
技术领域
本发明涉及在真空室(处理容器)内设置维持在规定温度的发热体，通过前述发热体使原料气体分解及/或使之活化，并在配置于真空室(处理容器)内的基板上使薄膜淀积的、发热体CVD装置以及发热体CVD方法。
背景技术
在制作以LSI(大规模集成电路)为主的各种半导体元件或LCD(液晶显示器)以及太阳电池等过程中，在基板上形成规定薄膜作为一道工序广泛采用化学气相淀积(CVD：Chemical Vapor Deposition)法。
CVD方法中，除了使原料气体在放电等离子中分解以及/或使之活化从而进行成膜的等离子CVD方法，或者通过加热基板产生的热量发生化学反应，从而进行成膜的热CVD方法等之外，还有通过用以维持规定高温的发热体使原料气体分解以及/或者使之活化从而进行成膜方式的CVD方法(以下称发热体CVD方法)。进行发热体CVD方法成膜处理的装置(发热体CVD装置)，是将由设置在可以进行真空排气的处理室内的钨等高融点金属构成的发热体维持在1000～2000℃程度的高温，同时导入原料气体的结构。被导入的原料气体在通过发热体的表面时被分解或活化，通过将这些送到基板，从而作为最终目标物的材料薄膜(例如：硅膜等)淀积在基板的表面。
而且，在这样的发热体CVD方法中，对于采用线状发热体的被称为热线沉积(Hot Wire)CVD方法，对于利用通过发热体使原料气体分解或活化中发热体的催化反应的被称为催化CVD(或者Cat-CVD：Catalytic-CVD)法。
在发热体CVD方法中原料气体的分解或活化在通过发热体时发生，因此与只通过基板的热量使之反应的热CVD方法相比，其优点在于基板的温度能够降低。而且，由于不象等离子CVD方法那样形成等离子，所以也不会产生等离子损害基板的问题。从这些来看，发热体CVD方法有望成为高集成化、高功能化逐渐发展的下一代元件等的成膜法。
然而，即使是象这样高有效性的发热体CVD方法，也不能再现性很好地稳定地形成高质量的多晶硅膜。这里，高质量的多晶硅膜是指作为电子元件例如：其电子迁移率要改善到20cm2/Vs。一般地，采用发热体CVD装置形成硅膜时，实现多晶状态的成膜后的状态结晶度不好，莫如呈现接近非晶体的膜质。也就是说，采用发热体CVD方法成膜后的多晶硅膜在工业上尚未达到作为电子元件所被要求的质量。
因此，本发明者锐意研究的目标是通过突出在处理容器中形成硅膜时的成膜环境的重要性，尤其强调保持并稳定原子状氢的重要性，从而确立现有技术中没有的保持成膜环境的装置结构及成膜方法。
也就是，在硅膜的形成阶段，通过抑制在硅烷(SiH4)或氢(H2)的分解以及/或者活化过程中生成的原子状氢的失活化，从而创造原子状氢在处理容器内能够稳定存在的环境，这是形成高质量的多晶硅膜不可缺少的，作为本发明的发热体CVD装置、发热体CVD方法其目标是实现实用化。
另一方面，硅膜是发热体使原料气体即硅烷(SiH4)或氢(H2)分解以及/或者活化而形成于基板上的，所以在硅烷(SiH4)或氢(H2)的分解以及/或者活化过程中生成的原子状氢与也同时淀积在处理容器内壁上的附着膜发生反应，产生二次生成物，因此，这会影响到处于基板上的形成过程的硅膜的膜质，很难作成质量好的硅膜。
此种情况，在例如第48次应用物理学联合讲演会的征求意见稿集200129a-ZQ-3、p.949中，由增田淳等进行过说明。
发明内容
本发明是借鉴了前述现有技术而提出的，目的是提供在采用发热体CVD装置制作硅膜时，能够在元件上形成高质量的多晶硅膜(聚硅膜)的发热体CVD装置以及发热体CVD方法。
本发明提出的发热体CVD装置具备：与现有的众所周知的发热体CVD装置一样，对保持在设置于内部的基板托架上的基板进行规定的处理的处理容器(真空容器)；与该处理容器连接，将处理容器内部排成真空的排气系统以及向处理容器内提供规定的原料气体的原料气体供给系统；和配置在该处理容器内通过电力供给机构提供的电力达到高温的发热体。并且，从原料气体供给系统导入处理容器内的原料气体，通过保持高温的发热体被分解以及/或者活化，在保持于基板托架上的基板上形成薄膜。
在这样结构的发热体CVD装置中，本发明提出的发热体CVD装置的特征在于：在前述基板上形成薄膜的过程中，将围住前述基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面进行加热。
应用本发明的发热体CVD装置，在基板上形成薄膜、例如形成硅膜的过程中，通过将围住基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面加热，可以将原子状氢稳定地控制在前述空间，并且，能够创造使硅膜在成膜过程中同时产生的二次生成物降低的环境。从而，能够形成高质量的多晶硅膜。
在前述本发明的发热体CVD装置中，规定的处理是指例如：将配置在处理容器内的基板上形成的薄膜或处理容器内的附着物除去而进行的清洗等。规定的原料气体可由形成的薄膜而定，种类很多，例如：在制作硅膜时，规定的原料气体是硅烷(SiH4)和氢(H2)的混合气体。另外，制作碳化硅(シリコンカ一バイド)膜时，规定的原料气体是甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)及乙烷(C2H6)中的至少一种以上，与硅烷(SiH4)及氢(H2)的混合气体。制作锗硅合金(シリコンゲルマニウム)膜时，规定的原料气体是硅烷(SiH4)与锗烷(GeH4)和氢(H2)的混合气体。还有，被加热的发热体保持的高温是指例如：在成膜时为1600～2000℃的程度，清洗时(除去处理容器内部的附着物时)为2000～2500℃的程度。
在前述本发明的发热体CVD装置中，考虑到电力方面效率的优越性，围住基板托架与发热体之间的空间的结构体，只要是在其自身上配置加热机构的结构体，例如：是某些夹具，只要将基板托架与发热体之间的空间围住，那么，任何结构体都可采用。
因此，在处理容器的内侧壁的内侧设置围住基板托架与发热体之间的空间，前述结构体的内面的加热，可以采用通过内置的加热机构进行的加热夹具作为围住基板托架与发热体之间的空间的结构体。
将围住基板托架与发热体之间的空间的结构体作为处理容器的内侧壁，前述结构体的内面的加热也可以通过内置在该内侧壁上的加热机构进行。
再者，加热机构可以由例如：加热器、温度传感器、以及根据来自温度传感器的信号对接通加热器的电力进行调整的加热调温器等构成。
另外，在前述本发明的发热体CVD装置中，可以将前述结构体的内面加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上。
优选地在发热体CVD装置通常使用的压力范围，例如：在几十Pa的范围内，将该结构体内面加热保持在至少350℃以上。在这样几十Pa的压力范围内，由至少被加热保持在350℃以上的结构体的内面，将基板托架与发热体之间的空间围住，从而能够在基板上形成薄膜的过程中，将原子状氢稳定地控制在该空间上，并且，能够创造使在硅膜成膜的过程中同时产生的二次生成物降低的环境。
另外，将发热体CVD装置在稍低的压力范围，例如：在几Pa的范围内使用时，如果将前述结构体的内面加热保持在至少200℃以上时，可以在基板上形成薄膜的过程中，将原子状氢稳定地控制在基板托架与发热体之间的空间上，并且能够创造使在硅膜成膜的过程中同时产生的二次生成物降低的环境。因此，当发热体CVD装置在几Pa的稍低的压力范围内使用时，将前述结构体的内面加热保持在至少200℃以上就足够了。
而且，将围住基板托架与发热体之间的空间的前述结构体的内面加热保持的温度，如果在不给形成薄膜的基板造成热损伤的温度范围内，则对其上限没有特别的限制。
为了达成上述目的，本发明提出的发热体CVD方法的特征是采用前述本发明的发热体CVD装置，在基板上形成的薄膜是硅膜(碳化硅膜、锗硅合金膜等)，基于前述理由，在这些硅膜成膜的过程中，将围住前述基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上。
下面，将参照附图来介绍本发明适合的实施方式，但是对于各个构成、形状以及配置关系，只不过概略地表示出能简单了解本发明的程度，而且，对于数值以及各构成的组成(材质)也只是举例说明。因此，本发明不限定在以下介绍的实施例中，在本发明的技术范围内可以变更为各种形态。
附图说明
图1是说明本发明的发热体CVD装置的结构的正剖面概略图。
图2是原料气体供给器的剖视概略图。
图3的(a)是省略了俯视本发明的发热体CVD装置中处理容器内部的一部分的图，(b)是透视加热夹具的侧面的图。
具体实施方式
图1是说明本发明的发热体CVD装置的结构的正剖面概略图。
图1所示的发热体CVD装置具备在内部进行规定的处理(例如：对于基板9薄膜的形成或清洗等)的处理容器1。处理容器1设有将其内部进行排气到规定的压力的排气系统2。而且，处理容器1与向处理容器1内提供规定的原料气体(例如：制作硅膜时的硅烷(SiH4)气体与氢气(H2))的气体供给系统3。在处理容器1的内部设置发热体4，以使提供的原料气体通过表面。为了保持发热体4规定的高温(例如：1600～2500℃)，将提供能源的电力供给机构6与之连接。通过基板托架5将基板9保持在处理容器1内规定的位置上，如前所述，供给到处理容器1内的原料气体，通过保持高温的发热体4被分解以及/或被活化，从而在基板9上进行规定薄膜的制作。而且，基板托架5通过无图示的驱动系统，可以在上下方向上移动。
另外，基板9与基板托架5通过无图示的静电吸附装置贴紧，硅膜成膜时，以300～350℃的温度对基板9进行加热。
如图1所示，发热体4成为被保持在原料气体供给器32中的形态。原料供给器32与气体供给系统3连接，原料气体通过原料气体供给器32，被导入处理容器1内，通过保持规定高温的发热体4。
处理容器1是气密的真空容器，为了基板9的进出，设置了未图示的闸阀。
处理容器1设有排气口11，通过该排气口11，对处理容器1的内部进行排气。
排气系统2设置涡轮分子泵等真空泵21。排气系统2的结构中与处理容器1的排气口11相连，可以将处理容器1内进行排气到10-6～10-7Pa的程度。另外，排气系统2设置了可变节流孔等排气速度调节器22。
气体供给系统3主要由以下构成：存储原料气体硅烷(SiH4)的储气瓶31a；存储与硅烷(SiH4)混合的氢气(H2)的储气瓶31b；将储气瓶31a、31b与原料气体供给器32连接的配管33；设置于配管33上的阀34或流量调节器35。
就是说，来自储气瓶31a、31b的硅烷(SiH4)或氢(H2)在配管33中进行混合，成为原料气体，被导入原料气体供给器32中，该原料气体从原料气体供给器32的气体喷出口320，喷向发热体4，供给到处理容器1内。
发热体4由例如：钨、钼或钽等高熔点金属构成。再有，电力供给机构6给发热体4通电，使发热体4产生焦耳热。也就是，电力供给机构6提供电力，将发热体4能够保持在规定的高温，例如：1600～2500℃程度的高温。
图1中，8表示的部件，成为本发明的实施方式的发热体CVD装置中有特色的将基板托架5与发热体4之间的空间围住且其自身设有加热机构的结构体(加热夹具)。
如图1所示，加热夹具8设置在处理容器1的内侧壁的内侧，将基板托架5与发热体4之间的空间围住。并且，加热夹具8的内侧壁通过内置于加热夹具8中的加热机构，被加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上。
图2表示保持发热体4的原料气体供给器32的剖视概略图。原料气体供给器32由以下构成：保持发热体4，与连结电力供给机构6的配线61连接并向发热体4提供电力的连接端子321；将连接端子321之间连接的连结板323；使因与原料气体供给系统3连接被供给的原料气体从气体喷出口320通过发热体4，而将原料气体供给到处理容器1内的原料气体供给室322。
由于连接端子321及连结板323采取不与原料气体接触的构造，所以不必担心腐蚀、老化。
由于采用压簧(无图示)等将发热体4固定在定位于原料气体供给器32的内部的连接端子321上，所以容易装卸。而且，为了适应保持于基板托架5上的基板9的大小或加工工序等，可以调节基板9与发热体4的距离，以及/或者也能够调节安装在原料气体供给器32上的发热体4相互间的距离。
图3(a)是从上(从原料气体供给器32侧)向基板托架5侧所视本发明的实施例中有特色的发热体CVD装置的处理容器1的内部的省略了一部分的图。为了说明围住基板托架5与发热体4之间的空间的加热夹具8的设置位置，显示出加热夹具8相对被保持在基板托架5上的基板9的位置关系。图3(b)是透视加热夹具8的侧面的图。
图3(a)中，将保持于基板托架(无图示)上的基板9设置在处理容器1的中央，内置加热器13的加热夹具8围住其外圆周。
这样的形态对于有效地达成加热基板托架5与发热体4之间的空间的目的是有利的。
而且，处理容器1与加热夹具8的固定方法不限于固定在处理容器1的上面的形态(图1)，象采用固定金属件将其固定于处理容器1的下面(排气口11的连接面)的形态等，或不妨碍将基板9向基板托架5搬运的结构都不受限制。
图3(b)中，7表示将加热夹具8的内侧壁加热保持在规定的温度的加热机构7。加热机构7由以下构成：内置于加热夹具8中的加热器13；根据检测加热夹具8的温度的传感器14和根据来自传感器14的信号来调节向加热器13接通的电力的加热调温器15；将加热器13和传感器14以及加热调温器15连接的配线16；加热夹具8侧的配线16的连接部12。
另外，图3(b)中，为了使加热·调温均匀地进行，将加热器13绕成螺旋状，因而，加热夹具8中加热器13的配置不限定于此，而且，为了防止与原料气体(硅烷·氢气)接触而导致腐蚀、老化，将加热器13作成内置于加热夹具8中的形态，而且，只要可以将加热夹具8的内侧壁加热·调温在至少200℃以上，或至少350℃以上，并且采取了防止加热器13腐蚀、老化的措施，则加热器13的配置同样是任意的。
而且，本发明的发热体CVD装置的实施方式，也不只限定于此。
例如：虽然无图示，但也可以采取这样的实施方式：将围住基板托架5与发热体4之间的空间的结构体作为处理容器1的内侧壁，该结构体的内面的加热通过内置于处理容器1的内侧壁中的加热机构进行，从而能够将处理容器1的内侧壁加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上。
下面，兼带介绍本发明的CVD方法，对图1～图3(b)的实施方式的装置的动作进行以下说明。
在未图示的备用真空室内配置基板9，将备用真空室以及处理容器1内进行排气至规定的压力，切断闸阀(未图示)，无图示的搬运装置将基板9搬送到处理容器1内。通过无图示的驱动系统使基板托架5上下移动，将基板9载置并保持在基板托架5上。
此时，将基板托架5保持在规定的温度(例如：300～350℃)，借助静电吸附将基板9与基板托架5贴紧。
接着，电力供给机构6开始对发热体4通电，将发热体4保持在规定的高温。而且，通过对内置于加热夹具8中的加热器13通电，使加热调温器15动作，以达到例如规定的350℃的温度。将发热体4保持在规定的高温，当经传感器14确认加热夹具8的内侧面的温度达到350℃时，气体供给系统3开始动作，经流量调节器35对流量进行调节的同时，将原料气体，即混合了氢气的硅烷气体导入处理容器1内。然后，通过排气系统2将处理容器1内保持在规定的压力。
对加热器13的通电量进行调节，以使当本发明的发热体CVD装置在几十Pa的压力范围内使用时，将加热夹具8的内侧面加热保持在至少350℃以上，当本发明的发热体CVD装置在稍低的压力范围内，例如几Pa的压力范围内使用时，将加热夹具8的内侧面加热保持在至少200℃以上。
而且，由于加热到350℃以上要花费时间，即使不进行成膜工序也能将温度调至200℃以上，如果将达到350℃以上的加热时间缩短就可提高生产效率，是有利的。
结果，在发热体4的表面上分解以及/或者活化的原料气体高效地到达基板9的表面，在基板9的表面淀积多晶的硅膜。
经必要的时间达到薄膜规定的厚度后，气体供给系统3的阀34切断，同时电力供给机构6的动作停止。必要时可以切断向发热体4以及加热器13的通电。
而且，通过排气系统2的动作，将处理容器1进行排气再次到达规定的压力，然后，将未图示的闸阀切断，未图示的搬运装置将基板9从处理容器1取出。这样，一系列的成膜处理进行完了。
采用了如图1的实施例所示，围住基板托架5与发热体4之间的空间的结构体为在处理容器1的内侧以围住基板托架5与发热体4之间的空间的方式设置的加热夹具8的本发明的发热体CVD装置的、本发明的CVD方法，其形成硅膜(膜厚：1000nm)的成膜条件的一个例子如下所示：
基板 Φ8Si基板
处理容器1内的压力 2Pa
SiH4流量 3ml/min
H2流量 100m1/min
发热体4的温度 1800℃
加热夹具8的内侧面的温度 350℃
发热体4-基板9之间的距离 45mm
另一方面，采用同一发热体CVD装置，以除了不通过加热夹具8进行加热之外的相同条件进行硅膜(膜厚：1000nm)的成膜，以此作为比较例。
对于这二者的硅膜(膜厚：1000nm)测量其电子迁移率。
其结果，比较例的硅膜的电子迁移率只有1cm2/Vs，与非晶体膜同等程度，而采用本发明的装置及方法，将处理容器1的内壁加热到350℃进行成膜的硅膜中，其电子迁移率有改善。
以上的实施例，对形成多晶硅膜的适用方式进行了说明，本发明中公开的发热体CVD装置的结构及发热体CVD方法在本质上是通过发热体CVD方法稳定地进行高质量的成膜。因此，本发明的发热体CVD装置以及采用该装置的发热体CVD方法还可适用于在成膜中伴随着原子状氢的生成的膜种，例如：原料气体中采用甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)以及乙烷(C2H6)中的至少一种以上、与硅烷(SiH4)以及氢(H2)而得到的碳化硅膜，或原料气体中采用硅烷(SiH4)与锗(GeH4)以及氢(H2)而得到的硅-锗膜等。
应用本发明的发热体CVD装置以及发热体CVD方法，将围住基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面加热保持在至少200℃以上，最好至少在350℃以上，进行硅膜的成膜，从而能够形成元件特性良好的高质量的多晶硅膜。
Claims (12)
1.一种发热体CVD装置，所述发热体CVD装置具备：对保持在设置于内部的基板托架上的基板进行规定的处理的处理容器；与该处理容器连接、将处理容器内部排成真空的排气系统，以及向处理容器内供给规定的原料气体的原料气体供给系统；和配置在该处理容器内、通过电力供给机构提供的电力达到高温的发热体；从所述原料气体供给系统导入处理容器内的原料气体，通过保持高温的发热体被分解及/或活化，在保持于所述基板托架上的基板上形成薄膜；
其特征在于：在所述基板上形成薄膜的过程中，将围住所述基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面加热。
2.如权利要求1记载的发热体CVD装置，其特征在于：围住基板托架与发热体之间的空间的结构体是在处理容器的内侧壁的内侧上设置的、用以围住基板托架与发热体之间的空间的加热夹具，所述结构体的内面的加热通过内置于该加热夹具中的加热机构进行。
3.如权利要求1记载的发热体CVD装置，其特征在于：围住基板托架与发热体之间的空间的结构体是处理容器的内侧壁，所述结构体的内面的加热通过内置于该内侧壁中的加热机构进行。
4.如权利要求1至3中的任一项记载的发热体CVD装置，其特征在于：加热，以将所述结构体的内面至少加热保持在200℃以上的方式进行。
5.如权利要求1至3中的任一项记载的发热体CVD装置，其特征在于：加热，以将所述结构体的内面至少加热保持在350℃以上的方式进行。
6.如权利要求1至5中的任一项记载的发热体CVD装置，其特征在于：在基板上形成的薄膜是硅膜。
7.如权利要求1至5中的任一项记载的发热体CVD装置，其特征在于：在基板上形成的薄膜是碳化硅膜。
8.如权利要求1至5中的任一项记载的发热体CVD装置，其特征在于：在基板上形成的薄膜是锗硅合金膜。
9.一种发热体CVD方法，采用具备：对保持在设置于内部的基板托架上的基板进行规定的处理的处理容器；与该处理容器连接、将处理容器内部排成真空的排气系统，以及向处理容器内供给规定的原料气体的原料气体供给系统；和配置在该处理容器内、通过电力供给机构提供的电力达到高温的发热体；从所述原料气体供给系统导入处理容器内的原料气体，通过保持高温的发热体被分解及/或活化，在保持于所述基板托架上的基板上形成薄膜的发热体CVD装置；其特征在于：在基板上形成的膜是硅膜，在该硅膜的成膜过程中，将围住所述基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面至少加热保持在200℃以上。
10.如权利要求9记载的发热体CVD方法，其特征在于：在基板上形成硅膜的过程中，将围住所述基板托架与发热体之间的空间的结构体的内面至少加热保持在350℃以上。
11.如权利要求9或10记载的发热体CVD方法，其特征在于：在基板上形成的薄膜是碳化硅膜。
12.如权利要求9或10记载的发热体CVD方法，其特征在于：在基板上形成的薄膜是锗硅合金膜。
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