CN1453833A - 氮化硅膜制作方法及氮化硅膜制作装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种能以很好的再现性堆积成所需膜质的氮化硅膜的薄膜制作装置及其制作方法。它是在连接有排气系统和气体供给系统的真空容器内，配置发热体和基板，维持该发热体在预定温度，分解或活化由上述气体供给系统供给的原料气体，使氮化硅薄膜堆积在基板表面的化学蒸镀装置和蒸镀方法，其特征是：在上述真空容器内部，配置用以包围上述发热体和基板的内壁，形成成膜空间，设置将原料气体输入上述成膜空间的气体输入手段，同时，设置上述内壁的加热手段和/或冷却手段，形成将该内壁的温度控制在预定值的结构。

Description

氮化硅膜制作方法及氮化硅膜制作装置
技术领域
本发明涉及一种膜厚和膜质的再现性良好的氮化硅膜制作装置及氮化硅膜制作方法，特别是用于HEMT、HBT等化合物半导体元件的氮化硅膜的制作装置及制作方法。
背景技术
在半导体元件的制作上，热CVD法、等离子体CVD法等化学蒸镀法被广泛使用，如果要求元件的进一步高性能化、高集成化，因等离子体造成的损伤、处理温度就成为大问题，而可形成不存在这些问题的质量良好的薄膜的Cat-CVD法因此引人注目，并进行了用于各种薄膜和实用化的讨论(特开平10-83988号公报等)。
此方法，例如，如图3所示，在安装有排气口2和气体输入手段8的真空容器1中，采用了面向保持基板7的基板座3地配有钨等高熔点金属的发热体4的装置。首先，进行真空容器内部排气，通过连接端子5，由外部的电源向发热体4通电，加热维持在1000～2000℃左右。然后，通过气体输入手段8将原料气体输入真空容器内，在发热体表面或其附近，原料气体分解或活化，在基板上开始薄膜的堆积。
通过将该方法用于例如GaAs系HEMT的氮化硅保护膜的堆积，可确认能够得到对基板的表面损伤少，动态特性优异的元件(R.Hattoriet al.，Technical Digest of 19th Annual GaAs IC Symp.，Anaheim，1997，p.78.)。
但是，已知，另一方面，如果在若干基板上连续形成氮化硅膜，就会出现在基板间膜质和膜厚产生误差，不能得到稳定的元件特性的问题。
于是，为了研究清楚其原因，在进行装置内部的部材的配置和构造、成膜条件及脱气处理等预处理条件、容器内部的附着膜的清洗等的讨论中发现，随着用于防止膜附着在真空容器内壁上、并易于维修而设置的防膜附着防护板的温度及其形状的不同，膜质和膜厚的再现性将出现很大变动。通常，在这样的装置中，防膜附着保护板直接或间接地连接着真空容器，其温度随发热体温度变动而变动。即，因成膜导致的温度上升或因成膜停止导致的温度下降与真空容器一起反复发生。这里，在讨论防附着保护板温度与膜质、膜厚的关系时得知，通过这样的发热体和基板的周边温度的变动，膜质等的再现性有很大的变动。
发明内容
本发明是基于这些认识重新加以讨论完成的，本发明的目的在于提供一种膜质和膜厚的再现性优异的氮化硅膜的制作装置及氮化硅膜的制作方法。
本发明的氮化硅膜的制作装置，是在连接有排气系统和气体供给系统的真空容器内，配置发热体和基板，维持该发热体在预定温度，然后分解或活化由上述气体供给系统供给的原料气体，使氮化硅膜堆积在基板表面的氮化硅膜制作装置，其特征为：在上述真空容器内部，配置用以包围上述发热体和基板的内壁，形成成膜空间，设置将原料气体输入上述成膜空间的气体输入手段，同时，设置上述内壁的加热手段和/或冷却手段，形成将上述内壁温度控制在预定值的结构。
通过形成这样的结构，能将发热体和基板的周边温度总是控制在预定的温度，目前，尽管其详细的理由还未明了，但即使反复地进行膜堆积，也能稳定地得到所需的膜质和膜厚。
上述内壁，例如，优选为连接着第1内壁和第2内壁的结构，并优选为由两者的连接部支持。这样，能实质性地达到内壁和真空容器的隔热。两者能独立地控制温度，另外，由于上述内壁与真空容器相比热容量较小，所以可更均匀地控制·维持内壁内表面的温度，进一步提高膜质等的稳定性。另外，因为在上述内壁上，热量与距离发热体的距离相关，所以当发热体是矩形时，距发热体近的内壁部分(与发热体相对的上述内壁部分和距发热体框架部分近的内壁部)温度特别高。因此，优选为将上述内壁的内面形状做成至少具有夹着上述发热体地使与基板相对侧(上部)的内壁朝向上述发热体的方向弯曲的曲面，使来自上述发热体的辐射热量在各部分大致相同。而且，优选为配置在基板侧的内壁部外周部具有同样弯曲的曲面形状。这样，内壁温度易于控制且均匀分布。
上述内壁的冷却手段其特征为，是安装在上述连接部的环状的冷却机构，这样，形成了防止内壁过热的结构。反复连续地进行膜形成时，通过发热体的辐射热量，使内壁温度渐渐上升，通过设置这样的冷却机构，就能有效防止内壁的过热，能总是控制在所需的温度，并能稳定地进行膜堆积。
另外，上述气体输入手段，其特征为，具有向与上述基板相对的内壁方向喷出的结构。这样，提高了薄膜的膜厚均匀性。
本发明的氮化硅膜制作方法，是在连接有排气系统和气体供给系统的真空容器内，配置发热体和基板，维持该发热体在预定温度下，分解或活化由上述气体供给系统供给的原料气体，使氮化硅膜堆积在基板表面的氮化硅膜制作方法，其特征为，在上述真空容器内部，配置用以包围上述发热体和基板的内壁，形成成膜空间，控制上述内壁在预定的温度的同时，将原料气体输入上述成膜空间，进行氮化硅薄膜的堆积。另外，内壁的加热，如上所述，优选为通过安装在内壁的加热手段进行，也可以利用发热体的辐射热量加热。
本发明，优选为形成向与上述基板相对的内壁方向喷出原料气体的结构，将上述成膜空间的压力控制在0.1～10Pa。这样，就提高了薄膜的膜厚均匀性。
附图说明
图1表示本发明的氮化硅膜制作装置的一例的概略剖面图。
图2为生产装置的一例示意图。
图3为现有的氮化硅膜制作装置的概略剖面图。
符号说明
1真空容器；2排气口；3基板座；4发热体；5连接端子；6挡板；7基板；8气体输入管；9内壁；10法兰部；11加热手段；12冷媒流路；13冷却管；20成膜空间；100氮化硅膜制作装置；200搬送室；300载荷闸室；400、400闸阀
具体实施方式
下面，根据实施例，对本发明进行更具体的说明。
图1表示本发明的氮化硅膜制作装置100的一个结构例的概略剖面图，图2为生产装置的结构例的示意图。
在图1中，在真空容器1的内部，配置有保持基板7的基板座3和在其上方的发热体4，并安装有包围着它们的内壁9。真空容器1和内壁9形成可上下分离的结构以便于维修。
内壁9，由具有法兰部10的第1内壁9a和第2内壁9b构成，分别通过法兰部10连接。在第1和第2内壁外侧，安装有内壁加热手段(例如吸热器)11，这样就能将内壁加热到预定温度。另外，在图1例中，为了防止因发热体的辐射热量导致内壁过热，设有环状的冷媒流路12(内壁冷却手段)，在其上面安装内壁的法兰部10。在冷媒流路12中，通过冷却管13从外部供给及喷出冷媒。这样，因为内壁通过法兰部10支持，所以能在包围发热体和基板的内壁部与真空容器之间产生隔热效果，能有效控制这些部分的温度。由于这样将内壁部和真空容器通过内壁冷却装置连接，所以具有易于控制与热容量大的真空容器隔热的热容量小的内壁部的温度，同时，降低通过来自内壁部的热传导导致的真空容器温度的上升，并减少来自真空容器壁面的输出气体的效果。
在第1内壁9a的中心部附近安装了热电偶(未图示)，能够通过监控内壁的温度，调整加热手段11的通电量及冷媒流量(或温度)，并保证内壁温度为所需的温度。即，即使连续地进行反复成膜，也能将各成膜时的发热体及基板的周围温度总是维持在预定温度。另外，也可以用辐射热测量计代替热电偶，而不需如热电偶那样，每逢维修就要从内壁拆下。另外，第1和第2内壁的温度测定可分别进行，能更均匀地且再现性很好地进行内壁整体的温度控制。另外，内壁部测定部位，优选为至少在发热体的水平方向的中心轴附近或在垂直方向的中心轴附近。
内壁9的形状，优选为形成使来自发热体的辐射热大致均匀地分布在各部分的曲面结构。另外，内壁加热手段11优选为配置成能对内壁均匀加热的形态。另外，在本发明的实施方式中，将分割成上下两部分的内壁支持在冷却机构的部位，既可以采用内壁独立并能控制温度的结构，也可采用热接点比较小的结构或用非传性材料部件连接。
此外，在内壁内部侧的成膜空间20安装有用于供给原料气体的气体输入管8，并与外部的气体供给系统(未图示)连接。
发热体，钨、钼、钽等的高熔点金属，例如安装成锯齿状或平面状，通过接续端子5连接外部的电源(未图示)。另外，在基板座3处内置有用于将基板7加热到预定温度的加热器。在基板座3和发热体4之间配置了挡板6，形成膜堆积时，从基板上退避的结构。
接着，对在GaAs基板上堆积氮化硅膜的情形说明连续堆积方法。在若干基板上连续堆积薄膜的装置，如图2所示，形成分别通过闸阀400，400将图1的氮化硅膜制作装置100、设有基板自动搬送装置的搬送室200和放置基板收容箱的载荷闸室300相连接的结构。
通过连接在真空容器1的排气口2处的排气装置(未图示)，排气至内部压力为10-5～10-6Pa左右后，对基板座内置加热器通电，在打开挡板6的状态下，对内壁加热手段11及发热体4通电，分别加热至预定的温度，例如使内壁温度为170℃。该预热通常通过用内壁加热手段11等调节，使发热体达到堆积温度(氮化硅时为1600～1900℃左右)或比堆积温度高50～100℃的高温，并使内壁温度达到170℃。这里，例如，当内壁的材质使用SUS时，因为若温度过高则Cr析出，会出现污染GaAs降低元件性能的情况，所以优选为使内壁温度在300℃以下，更优选为在200℃以下。另外，在预热时，也可以定量输入例如氢气等。
之后，停止对发热体通电，在关闭挡板的状态下，通过自动搬送装置将基板7从载荷闸室300的箱中取出放置在基板座3上。当基板7达到预定温度后，通过气体输入管8，将由SiH4，NH3及H2构成的原料气输入预定流量成膜空间，通过安装在排气口2的自动压力控制器(APC)(未图示)控制在预定的压力(例如0.1～10Pa)下，对发热体通电。接着打开挡板6。原料气体由气体输入管8向第1内壁9a喷出，碰撞到壁面向四处扩散。原料气体在发热体4的表面及其附近被分解或活化，生成的活性因子在基板表面上扩散，开始膜的堆积。
经过预定时间后，在关闭挡板6的同时，停止对发热体的通电和气体输入，终止膜堆积。处理基板通过自动搬送装置取出，返回箱中。另一方面，由箱中取出未处理基板，放置在基板座上，同上所述，开始膜堆积。
反复进行以上的操作后，由于内壁温度因发热体4的辐射热量而渐渐上升，可通过调节冷却机构12的冷媒流量(或温度)和/或加热装置11而总是维持在预定的温度范围(优选为，例如170～180℃或180～190℃)。另外，在上述实施方式中，只在成膜时对发热体通电，也可在处理过程中，经常向发热体通电。
如上所述地在基板上反复堆积氮化硅膜，进行如下所述的研究膜厚和膜质的再现性实验。在这个实验中，在每批3枚的基板上反复进行膜堆积，进行5批实验。第1批前进行预热，在各批之间，设置在基板座内置加热炉保持加热的状态下，停止向发热体及内壁加热器的通电的60分钟或30分钟(第4批和第5批之间)的间隔。所得氮化硅膜的膜厚及折射率如表1所示。另外，氮化硅膜的膜厚及折射率用椭圆偏振光测定器测定。
在本实验中，将直径为0.5mm的钨丝弯曲成Z字形(5往复)后安装在方形的框体(215×208mm)内作为发热体。第1内壁下部和第2内壁中央部的内径分别为350mm和310mm，发热体平面与第1内壁和基板的距离分别为126mm、75mm，上部内壁弯曲部的曲率半径R为350mm。另外，膜堆积开始时及堆积中的内壁温度维持在170～180℃的范围内。
表1
    批号No.   基板号No. 成膜开始时内壁温度(℃)    膜厚(nm)    折射率
    1     1     170     54.47     2.0278
    2     170     54.20     2.0284
    3     170     54.34     2.0277
    2     1     170     54.31     2.0274
    2     170     54.09     2.0273
    3     170     54.41     2.0251
    3     1     170     54.18     2.0253
    2     170     54.22     2.0240
    3     170     54.77     2.0215
    4     1     170     54.32     2.0263
    2     170     54.24     2.0257
    3     170     54.42     2.0245
    5     1     170     54.02     2.0232
    2     170     53.94     2.0232
    3     170     54.02     2.0240
另外，成膜条件及预热条件如下所述。
(成膜条件)
·压力：5Pa
·SiH4流量：1sccm
·NH3流量：100sccm
·发热体加热功率(温度)：579.6W(1800℃)
·基板座温度：275℃
·成膜时间：7分钟
(预热条件)
·压力：5Pa
·H2流量：80sccm
·发热体加热电力(温度)：579.6W(1800℃)
·基板座温度：275℃
·预热处理时间：30分钟
另外，为了比较，在不进行内壁的预热，不用内壁加热手段和冷却手段，即不进行内壁温度的温度控制的情况下，同样反复进行膜堆积。其结果和成膜开始时的内壁温度一起列于表2。
表2
  基板号No. 成膜开始时内壁温度(℃)    膜厚(nm)     折射率
    1     20     58.38     2.055
    2     67     58.41     2.076
    3     91     57.69     2.067
    4     111     57.17     2.057
    5     127     55.52     2.056
    6     138     56.10     2.042
    7     145     54.64     2.044
    8     154     53.87     2.044
    9     155     53.93     2.039
    10     158     53.98     2.033
    11     161     54.19     2.029
    12     163     54.26     2.029
如表2所示，可知如果不进行内壁的温度控制，在基板间的内壁温度将有很大变化，与此相关的各基板的折射率(膜质)及膜厚也将有很大变化。即，可知，当成膜开始温度在170℃以下时，难于得到12枚试料的膜厚平均值为55.68mm、标准偏差1.73nm；以及与折射率平均值2.048相应的标准偏差为0.014的膜厚和膜质均匀的氮化硅膜。
另一方面，如表1明确表明的那样，当进行内壁的温度控制达到170℃时，开始成膜，在维持170～180℃的温度范围时，以1批3枚试料间隔60分钟进行的5批的试料，能得到膜厚平均值54.26nm，相应的同一批内标准偏差为0.03～0.27nm，不同批间0.20nm；以及折射率平均值2.025，相应的同一批内0.0003～0.001，不同批间0.002的非常稳定的膜厚和折射率。即，可知，通过控制成膜的内壁温度(即，发热体和基板表面的周边温度)，能得到预期的膜质和膜厚，并且，通过维持一定的内壁温度，能得到再现性优异的膜质和膜厚。并且，在上述实验条件下制成的氮化硅膜，由于优异的绝缘性和膜应力，而可用作GaAs基板的保护膜。
在本发明中，发热体可使用线状、棒状、板状、筒状、箔状等各种形状，而且也可以，例如，使线状的发热体配置成卷材状、锯齿状等。在此，例如，配置成锯齿状时，优选为安装·固定在矩形状、环状的框体上。
发明的效果
通过本发明，即，通过设置包围着发热体和基板的内壁，并控制此内壁的温度，能形成膜质和膜厚的再现性优异的薄膜，并能提供可稳定地形成薄膜的氮化硅膜制作装置和氮化硅膜制作方法。即，本发明有益于高性能元件的稳定生产。

Claims (9)

1.一种氮化硅膜制作装置，
通过在连接有排气系统和气体供给系统的真空容器内，配置发热体和基板；
维持所述发热体在预定温度，分解或活化由所述气体供给系统供给的原料气体；
使氮化硅膜堆积在基板表面，其特征是：
在所述真空容器内部，配置用以包围所述发热体和基板的内壁，形成成膜空间；
设置将原料气体输入所述成膜空间的气体输入手段；同时
设置所述内壁的加热手段和/或冷却手段，形成将所述内壁温度控制在预定值的结构。
2.如权利要求1所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述内壁和所述真空容器通过内壁支持部相连，两者可以独立地控制温度。
3.如权利要求1所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述内壁连接着第1内壁和第2内壁，形成通过所述连接部支持的结构。
4.如权利要求2所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述内壁连接着第1内壁和第2内壁，形成通过所述连接部支持的结构。
5.如权利要求1～4中任一项所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述内壁的内面形状形成为，使来自所述发热体的辐射热量在各部分大致相同的形状。
6.如权利要求1～4中任一项所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述内壁的冷却手段是安装在所述连接部的环状的冷却机构。
7.如权利要求1～4中任一项所述的氮化硅膜制作装置，其特征是：所述气体输入手段具有向与所述基板相对的内壁方向喷出的结构。
8.一种氮化硅膜制作方法，
通过在连接有排气系统和气体供给系统的真空容器内，配置发热体和基板；
维持所述发热体在预定温度，然后分解或活化从所述气体供给系统供给的原料气体；
使氮化硅膜堆积在基板表面，其特征是：
在所述真空容器内部，配置用以包围所述发热体和基板的内壁，形成成膜空间，控制所述内壁在预定的温度的同时，将原料气体输入所述成膜空间，进行氮化硅薄膜的堆积。
9.如权利要求8所述的氮化硅膜制作方法，其特征是：具有向与所述基板相对的内壁方向喷出原料气体的结构，所述成膜空间的压力控制在0.1～10Pa。
CNB031218377A 2002-04-22 2003-04-21 氮化硅膜制作方法及氮化硅膜制作装置 Expired - Lifetime CN100413036C (zh)

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