专利名称：：电容耦合等离子体装置及在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法
技术领域：
：本发明涉及一种半导体硅片加工装置及加工工艺，尤其涉及一种电容耦合等离子体装置及在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法。
背景技术：
：SiC(碳化硅)具有独特的物理性质和电学性质，是实现高温与高功率、高频、抗辐射相结合的理想器件。目前，碳化硅半导体工业发展的主要瓶颈在于原料价格昂贵，而单晶硅的价格低廉。目前，大多利用低压CVD(化学气相沉积)技术生长碳化硅薄膜，在单晶硅上淀积所需要的碳化硅薄膜。这样可以用单晶硅等价格低廉的材料代替碳化硅，既可以发挥碳化硅材料本身的优势，又可以降低材料的成本。现有技术中，CVD技术生长的碳化硅薄膜均匀性差，不利于大面积生长碳化硅薄膜。
发明内容本发明的目的是提供一种电容耦合等离子体装置及在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，该装置及方法生长的碳化硅薄膜均匀性好，有利于大面积生长碳化硅薄膜。本发明的目的是通过以下技术方案实现的:.本发明的电容耦合等离子体装置，包括反应腔室，所述的反应腔室内设有上电极、下电极，所述的上电极和下电极之间设有热丝加热装置。本发明在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，在上述的电容耦合等离子体装置的反应腔室内，通过上电极和下电极之间的射频电离工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积，并通过热丝加热装置对工艺气体进行辅助分解及对硅衬底进行加热。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的电容耦合等离子体装置及在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，由于上电极和下电极之间设有热丝加热装置，可通过热丝加热装置对工艺气体进行辅助分解及对硅衬底进行加热，使得硅衬底表面附近被分解的碳原子能有效的进入sp3状态，从而形成6-SiC结构，生长的碳化硅薄膜均匀性好，有利于大面积生长碳化硅薄膜。图l为本发明电容耦合等离子体装置结构示意图2为本发明在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法生长的碳化硅薄膜的谱图。具体实施例方式本发明的电容耦合等离子体装置，其较佳的具体实施方式是，如图1所示，包括反应腔室，反应腔室内设有射频(RF)的上电极、下电极，所述的上电极和下电极之间设有热丝加热装置。所述的热丝加热装置包括钨丝，可以将鸽丝绕在多根氮化硼棒上，并排布置成钨丝阵列。一个具体实施例将用于淀积Si3N4的电容耦合等离子体装置的气体反应腔底座和上盖用不锈钢制成，直径为4)280腿，高为50mm左右；圆形的上、下极板也用不锈钢制成，直径为4)240mm，厚5咖左右；上、下极板间距约为20mm，其间加入热丝阵列，将鸭丝(4>0.31mm)加工成弹簧状(类似于电炉丝)并绕在氮化硼(BN)棒上，再将氮化硼棒固定于支架上，支架为不锈钢材料，固定于反应腔室底座上。应用时，钨丝可以采用低压大电流加热，可以增加钨丝的寿命、避免与RF上下极板间的放电问题。RF的频率为13.56MHz，采用热丝辐射加热对硅衬底进行加热，或者采用热丝辐射加热和RF腔外部底座电炉共同对硅衬底进行加热。本发明的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其较佳的具体实施方式是，在上述的电容耦合等离子体装置的反应腔室内，通过上电极和下电极之间的射频电离工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积，并通过热丝加热装置对工艺气体进行辅助分解及对硅衬底进行加热。包括正常生长阶段首先，将所述热丝加热装置中绕有钨丝的氮化硼棒在真空状态下加热至2000—2400。C，可以是2000、2200、2400°C，并保持1一2小时；然后，通入工艺气体，工艺气体包括CH4。通过射频与热丝共同电离所述工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积。在正常生长阶段之前还可以包括热丝成核阶段将所述钨丝在真空状态下加热至1800一210(TC，可以是1800、2000、2100°C，然后，通入工艺气体，通过热丝或热丝与射频共同电离所述工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行成核生长，保持25—35分钟，可以是25、30、35分钟。在硅衬底上生长碳化硅薄膜之前，首先通过氢等离子体轰击硅衬底25—35分钟，可以是25、30、35分钟。氢等离子体可以通过射频和热丝共同对H2气体作用产生。在生长碳化硅薄膜的过程中，所述反应腔室内工艺气体的压力为1300—6500Pa。在生长碳化硅薄膜的过程中，所述硅衬底的温度为650—75(TC。通常CVD碳化硅膜的生长过程表现为几个不同的阶段(i)潜伏期或孵化期；(ii)在衬底表面三维晶体的成核；(iii)表面成核停止，单个晶体开始三维生长；(iv)单个晶体晶面取向的形成和聚集，以及连续膜的形成；(V)连续膜的生长，在成核开始之前，孵化期可能需要几分钟到数小时，这取决于衬底材料、表面预处理和沉积参数。在成核过程中形成的分离的晶核或微晶呈现出球状，随着时间的增加，成核密度增加到一定值时，表面成核便停止，分离的晶体同相生长，当这些分离的晶体聚结在一起时，便形成了连续膜。一个具体实施例-首先，通入H2气体，加热钨丝至1800-200(TC，用RF和热丝共同作用，产生的氢等离子体轰击衬底30分钟左右。然后，通入CH4气体，钨丝温度保持1800210(TC，可以用光学高温测温仪监控鸨丝温度。用RF和热丝共同作用，或用热丝单独作用，电离CH4气体，成核生长30分钟左右。在这个过程中，反应腔木底真空度《3:Pa，工艺气体也可以包括CH4气体以外的H2气体或其它的气体，其中CH4浓度在().5---3Vol.%(体积百分比)范围内变化，气体的总流量为30sccm(立方厘米/分钟);生长气压在1300—-6500Pa范围内变化.①76mra硅(111)/(100)衬底采用热丝辐射和腔外部底座电炉共同加热，温度为650750。C，可以用钼-铑钼(10%)热电偶监测，钨丝与硅衬底相距(高温时)为13毫米。之后，进入正常生长阶段(RF+HF+CVD)，通过射频(RF)与热丝(HF)共同电离工艺气体产生等离子体，热丝(HF)温度为2000—240(TC，在硅衬底上进行化学气相沉积(CVD)。RF+HF+CVD生长系统中污染物的污染比较严重，污染物主要是W、WC、-W2C、-冊、Si2W或BF3、N2H4或来自于B、N、C、H、0、W等元素的复杂化合物，这些污染物大大消耗了被分解的碳原子，从而使表面碳浓度很难达到饱和值，也就不能形成成核所需的碳团簇，影响了碳化硅薄膜生长的质量。为此，在正常生长阶段，首先将绕有W丝的BN棒放在真空下(1.3Pa)加热至220(TC并维持l-2小时，然后再通入工艺气体，进行RF+HF+CVD生长，可以减少来自W丝和BN棒的污染物(主要是W、WC、-W2C、-WB、以及SiJ或BF3、N孔等)或来自于B、N、C、H、0、W等元素的复杂化合物。利于提高表面碳浓度，使碳化硅有效成核。为了进一步抑制W、BN或C的污染，在正常生长阶段其间，首先将绕有W丝的BN棒应尽可能靠近上极板即RF中的负电极或远离硅衬底，但需避免W丝与上极板之间的放电；同时，在能产生等离子体的条件下，RF功率尽可能降低。另外，在以上抑制污染物措施的基础上，于开始生长的一段时间内，有意识地通过提高CH4的浓度，来增加生长时硅衬底表面碳原子的浓度，增加碳化硅薄膜生长时的成核几率。如图2所示，通过以上方法，生长的碳化硅薄膜，其XRD(X射线粉末衍射仪)谱图中可以看出，除了Si成分外，碳化硅的峰值明显，其它污染成分仍然存在，但已得到有效的抑制，碳化硅薄膜表面大部分是碳化硅晶粒，且大小均匀，晶面完整。在显微镜下观察，整个①76mm硅片表面的淀积薄膜均匀性一致。本发明在266Pa或小于266Pa的低气压下，用RF+HF+CVD方法能有效的进行碳化硅薄膜的生长，生长刚开始,RF+HF产生的氢等离子体轰击衬底表面,从而有效的去除了Si表面生成的自然氧化层Si02，为碳化硅在干净的Si表面成核和进一步生长奠定了基础；在低气压下RF产生的等离子体强度大，加之热丝对碳氢分子的分解，使得衬底表面附近被分解的碳原子能有效的进入sp3状态，从而形成e-sic结构；低气压下系统漏气率低，从空气中进入的氧量减少，相对而言C/0比高，对碳化硅的成长是有利的。在较高气压(》1300Pa)下在刚开始生长时，提高CH4的浓度，满足了碳化硅成长的要求；在用RF产生的氢等离子体轰击衬底(未除Si表面生成的自然氧化层Si02)30分钟后，关闭RF源，通入3.0vol%CH4和H2气体仅用热丝进行成核生长30分钟左右，之后进入正常生长阶段(RF+HF+CVD)，减少了来自热丝的污染(主要是W、WC、-W2C、-冊)。RF+HF+CVD生长阶段，将绕有W丝的BN棒必须放在真空下(102Torr)加热至2200。C并维持1-2小时，尽可能多的除去来自BN棒的挥发物(除BN外)；并将绕有W丝的BN棒应尽可能靠近上极板即RF中的负电极或远离衬底，但需避免W丝与上极板之间的放电，减少由于射向衬底的高能电子束对W丝和BN棒的频繁碰撞而引起的W和BN或B或N的污染；开始生长时提高CH4的浓度；在RF能产生等离子体的条件下，其功率应尽可能低，减少射向衬底的电子束能量，从而减少了W和BN或B或N的污染。从而有效的减少了来自W丝和BN棒的污染物(主要是W、WC、-W2C、-WB、以及Si2W或BF3、N2H4)和来自于B、N、C、H、0、W等元素的复杂化合物，提高了表面碳浓度，使碳化硅有效成核。采用热丝辐射和RF腔外部底座电炉加热实现硅衬底加热问题，硅衬底在腔内采用低压大电流方式直接电加热，这样既省电又有效。将产品放在显微镜下观察，整个3英吋表面的淀积薄膜均匀、一致。对薄膜的应力进行检测在不同退火温度下测量薄膜的应力，检测结果如表l所示，表中负号表示压应力，正号表示张应力。表l.在不同退火温度下薄膜的应力<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>从表l中的测量结果可以看出，薄膜的应力通过一定温度下的退火可以减小甚至消失；同时整个样品的应力随退火温度的升高会由压应力向张应力方向转化，从另一方面反映出淀积的薄膜与衬底的粘附性上是比较好的。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。权利要求1、一种电容耦合等离子体装置，包括反应腔室，所述的反应腔室内设有上电极、下电极，其特征在于，所述的上电极和下电极之间设有热丝加热装置。2、根据权利要求l所述的电容耦合等离子体装置，其特征在于，所述的热丝加热装置包括鸨丝。3、根据权利要求2所述的电容耦合等离子体装置，其特征在于，所述的钩丝绕在氮化硼棒上，所述氮化硼棒有多根。4、一种在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，在权利要求l、2或3所述的电容耦合等离子体装置的反应腔室内，通过上电极和下电极之间的射频电离工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积，并通过热丝加热装置对工艺气体进行辅助分解及对硅衬底进行加热。5、根据权利要求4所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，包括步骤正常生长阶段首先，将所述热丝加热装置中绕有鸨丝的氮化硼棒在真空状态下加热至2000—240(TC，并保持1一2小时；然后，通入工艺气体，通过射频与热丝共同电离所述工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积。6、根据权利要求5所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，所述正常生长阶段之前还包括步骤热丝成核阶段将所述钨丝在真空状态下加热至1800—210(TC，然后，通入工艺气体，通过热丝电离所述工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行成核生长，保持25—35分钟。7、根据权利要求5或6所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，所述的工艺气体包括CH4。'8、根据权利要求4至6任一项所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，在硅衬底上生长碳化硅薄膜之前，首先通过氢等离子体轰击硅衬底25—35分钟。9、根据权利要求4至6任一项所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，在生长碳化硅薄膜的过程中，所述反应腔室内工艺气体的压力为1300—6500Pa。10、根据权利要求4至6任一项所述的在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，其特征在于，在生长碳化硅薄膜的过程中，所述硅衬底的温度为650—750'C。全文摘要本发明公开了一种电容耦合等离子体装置及在硅衬底上生长碳化硅薄膜的方法，在反应腔室内的上电极和下电极之间设有热丝加热装置。首先，通入H<sub>2</sub>气体，用射频和热丝共同作用，产生的氢等离子体轰击衬底30分钟左右；然后，通入CH<sub>4</sub>气体，进行热丝成核生长30分钟左右；之后，通过射频与热丝共同电离工艺气体产生等离子体，在硅衬底上进行化学气相沉积。可通过热丝加热装置对工艺气体进行辅助分解及对硅衬底进行加热，使得硅衬底表面附近被分解的碳原子能有效的进入sp3状态，从而形成β-SiC结构，生长的碳化硅薄膜均匀性好，有利于大面积生长碳化硅薄膜。文档编号C23C16/50GK101363118SQ20071012017公开日2009年2月11日申请日期2007年8月10日优先权日2007年8月10日发明者姜岩峰申请人:北方工业大学