成膜设备和用于制造半导体器件的方法

1.在此公开的技术涉及一种成膜设备和一种用于制造半导体器件的方法。


背景技术：

2.例如，jp 2020-120034 a公开了一种配置成在衬底的表面上生长膜的成膜设备。成膜设备将包含溶剂和溶解在溶剂中的膜材料的溶液的雾和加热气体供给到衬底的表面。因此，膜在衬底的表面上生长。在这样的结构中，能够在抑制溶剂从雾中蒸发的同时，通过加热气体来加热雾。由于将加热的雾供给到衬底的表面，所以能够抑制衬底的温度下降。因此，膜能够在衬底的表面上以稳定的品质外延生长。


技术实现要素：

3.然而，在jp 2020-120034 a的技术中，被加热的气体对雾的加热效率可能不那么高。本公开提供一种能够更高效地加热雾的技术。
4.根据本公开的一个方面，一种成膜设备包括：工作台，其配置成允许将衬底安装在其上；加热器，其配置成加热所述衬底；雾供给源，其配置成供给溶液的雾，所述溶液含有溶剂和溶解在溶剂中的膜材料；过热蒸气供给源，其配置成供给与所述溶剂相同材料的过热蒸气；和输送装置，其配置成将所述雾和所述过热蒸气朝向所述衬底的表面输送，以在所述衬底的表面上生长含有所述膜材料的膜。
5.所述过热蒸气是指温度高于沸点的气体。
6.在这样的成膜设备中，所述雾和所述过热蒸气朝向所述衬底的表面输送。当所述雾和所述过热蒸气朝向所述衬底的表面输送时，雾被过热蒸气加热。过热蒸气的分子能远高于饱和蒸气(即具有等于沸点的温度的气体)的分子能，因为需要潜热(latent heat)的能量才能将蒸气的温度升高到高于沸点的温度。因此，雾利用过热蒸气比利用饱和蒸气能够更高效地被加热。即，雾能够通过过热蒸气高效地加热，同时抑制溶剂从雾中蒸发。因此，上述成膜设备使得膜能在衬底的表面上以更稳定的品质生长。
7.根据本公开的一个方面，一种制造半导体器件的方法是使用成膜设备制造半导体器件。上述成膜设备包括：工作台，其配置成允许将衬底安装在其上；加热器，其配置成加热所述衬底；雾供给源，其配置成供给含有溶剂和溶解在所述溶剂中的膜材料的溶液的雾；过热蒸气供给源，其配置成供给与所述溶剂相同材料的过热蒸气；以及输送装置，其配置成将所述雾和所述过热蒸气朝向所述衬底的表面输送。该方法包括将所述雾和所述过热蒸气朝向所述衬底的表面输送以在所述衬底的表面上生长含有所述膜材料的膜。
8.根据上述制造方法，所述膜能够在所述衬底的表面以更稳定的品质生长。
附图说明
9.本公开的目的、特征和优点将从以下参照附图进行的详细描述中变得更加明显，在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示，并且在附图中：
10.图1是根据第一实施例的成膜设备的配置图；
11.图2是示出气体的温度t、气体的质量速度(mass velocity)g、水的蒸发速率s的关系的曲线图；
12.图3是根据修改例的成膜设备的配置图；
13.图4是根据第二实施例的成膜设备的配置图；和
14.图5是根据第三实施例的成膜设备的配置图。
具体实施方式
15.在本公开的一个实施例中，一种成膜设备可以包括：工作台，其配置成允许将衬底安装在其上；加热器，其配置成加热所述衬底；雾供给源，其配置成供给含有溶剂和溶解在所述溶剂中的膜材料的溶液的雾；过热蒸气(superheated vapor)供给源，其配置成供给与溶剂相同材料的过热蒸气；和输送装置，其配置成将雾和过热蒸气朝向衬底的表面输送，以在衬底的表面上生长含有膜材料的膜。
16.在本公开的一个实施例中，成膜设备可以配置成在衬底的表面上外延生长所述膜。
17.在本公开的一个实施例中，在成膜设备中，所述溶剂可以为h2o，并且所述过热蒸气可以为过热水蒸气。
18.在本公开的一个实施例中，在成膜设备中，过热水蒸气可以具有在过热水蒸气与雾汇合的汇合位置处满足t＜530g-0.15
的关系的质量速度g和温度t。
19.根据这样的结构，能够进一步提高通过过热水蒸气对雾的加热效率。
20.在本公开的一个实施例中，在成膜设备中，过热水蒸气的温度可以低于175摄氏度(℃)。
21.在本公开的一个实施例中，在成膜设备中，过热水蒸气的温度可以低于150℃。
22.在本公开的一个实施例式中，在成膜设备中，过热水蒸气流过的流路中的压力可以低于大气压，并且过热水蒸气的温度可以低于100℃。
23.如上所述，当流路中的压力低于大气压时，水的沸点低于100℃，因此过热水蒸气的温度能够低于100℃。
24.在本公开的一个实施例中，输送装置可以具有允许雾和过热蒸气的混合物流动的混合流动路径。混合物可以通过混合流动路径输送到衬底的表面。
25.在本公开的一个实施例中，输送装置可以具有第一流动路径和与第一流动路径分开设置的第二流动路径。雾可以通过第一流动路径输送到衬底的表面。过热蒸气可通过第二流动路径输送到衬底的表面。
26.在本公开的一个实施例中，在成膜设备中，过热蒸气源可以配置成通过将由与溶剂相同的材料制成的液体材料加热到低于溶剂的沸点的第一温度，然后通过降低液体材料的压力将液体材料的沸点降低到低于第一温度的温度来产生过热蒸气。
27.根据这样的配置，能够在短时间内产生大量的过热蒸气。
28.将参照附图更详细地描述本公开的实施例。
29.(第一实施例)
30.如图1所示，第一实施例的成膜设备配置成在衬底12的表面上外延生长膜。第一实
施例的成膜设备用于制造具有外延生长的膜的半导体器件。第一实施例的成膜设备包括成膜炉15、雾生成容器20和过热水蒸气生成器80。
31.基座(susceptor)16布置在成膜炉15中。基座16具有水平布置的平坦顶面。基座16配置成允许衬底12安装在其上。基座16中包含加热器14。加热器14加热衬底12。基座16能围绕其中心轴旋转。当基座16旋转时，基座16上的衬底12在平面内旋转。
32.雾生成容器20是封闭容器。雾生成容器20配置成储存溶液21，在溶液21中，要在衬底12的表面上外延生长的膜的原材料溶解在水(h2o)中。例如，在外延生长氧化镓(ga2o3)的膜的情况下，镓溶解在水中的溶液能够用作溶液21。例如，用于对氧化镓膜添加n型或p型掺杂剂的原材料(例如氟化铵(ammonium fluoride)等)可以进一步溶解在溶液21中。例如，盐酸可以包含在溶液21中。在雾生成容器20中，在溶液21的表面21a与雾生成容器20的上表面之间具有空间26。超声波振动器28安装在雾生成容器20的底表面处。超声波振动器28配置成对储存在雾生成容器20中的溶液21施加超声波。当对溶液21施加超声波时，溶液21的表面21a振动，并且在溶液21上方的空间26中产生溶液21的雾(以下称为溶液雾72)。溶液雾供给路径24的上游端连接到雾生成容器20的上表面。载气供给路径22的下游端连接到雾生成容器20的外周壁的上部。载气供给路径22的上游端连接到载气供给源(未图示)。载气供给路径22配置成将来自载气供给源的载气23导入到雾生成容器20中的空间26内。载气(carrier gas)23例如是惰性气体，例如氮气。从载气供给路径22已经导入空间26中的载气23从空间26流向溶液雾供给路径24。此时，空间26中的溶液雾(solution mist)72与载气23一起流向溶液雾供给路径24。
33.溶液雾供给通路24延伸到成膜炉15的内部。溶液雾供给路径24的下游端形成有朝向基座16的上表面延伸的喷嘴34。已经流到溶液雾供给路径24的下游端的溶液雾72从喷嘴34朝向基座16上的衬底12的上表面排出。
34.过热水蒸气生成器80具有储水容器60和加热炉40。
35.储水容器60是封闭容器。储水容器60储存水，更具体地，纯水(h2o)61。在水61的表面61a与储水容器60的上表面之间具有空间66。超声波振动器68安装在储水容器60的底表面处。超声波振动器68配置成向储存在储水容器60中的水61施加超声波。当向水61施加超声波时，水61的表面61a振动，并且在水61上方的空间66中产生水61的雾(以下称为水雾70)。水雾供给路径64的上游端连接到储水容器60的上表面。载气供给路径62的下游端连接到储水容器60的外周壁的上部。载气供给路径62的上游端连接到载气供给源(未图示)。载气供给路径62配置成将来自载气供给源的载气63导入到储水容器60中的空间66内。载气63例如是惰性气体，例如氮气。从载气供给路径62已经导入到空间66中的载气63从空间66流入到水雾供给路径64中。此时，空间66中的水雾70与载气63一起流向水雾供给路径64。
36.加热炉40是从上游端40a延伸到下游端40b的管状炉。加热器44布置在加热炉40的外部。加热器44是电热丝式的加热器，并且沿着加热炉40的外周壁布置。加热器44对加热炉40的外周壁进行加热，从而对加热炉40的内部进行加热。水雾供给路径64的下游端连接到加热炉40的上游端40a。过热水蒸气供给路径42的上游端连接到加热炉40的下游端40b。水雾70和载气63被从水雾供给路径64导入到加热炉40中。水雾70和载气63从上游端40a流过加热炉40流到下游端40b。水雾70和载气63在加热炉40内部被加热。在流过加热炉40时，水雾70蒸发而变成水蒸气。加热炉40中产生的水蒸气所流过的流动路径内部的压力、即加热
炉40、过热水蒸气供给路径42以及成膜炉15内部的压力，大致为大气压。在加热炉40中，水蒸气被加热到高于100℃(即大气压下水的沸点)的温度。因此，在加热炉40中产生过热水蒸气43。过热水蒸气43从加热炉40流入过热水蒸气供给路径42。过热水蒸气43是与作为溶液21的溶剂的水(h2o)相同的材料制成的过热蒸气。
37.过热水蒸气供给路径42延伸到成膜炉15的内部。过热水蒸气供给路径42的下游端形成有朝向基座16的上表面延伸的喷嘴32。已经流到过热水蒸气供给路径42的下游端的过热水蒸气43从喷嘴32朝向基座16上的衬底12的上表面排出。
38.接着，将对使用第一实施例的成膜设备的成膜方法进行说明。在此，使用由β型氧化镓(β-ga2o3)的单晶构成的半导体衬底作为衬底12。另外，使用含有水和溶解在水中的氯化镓(gacl3、ga2cl6)的含水溶液作为溶液21。另外，使用氮气作为载气23和63。
39.首先，将衬底12安装在基座16上。接着，通过加热器14加热衬底12，同时旋转基座16。当衬底12的温度稳定时，启动超声波振动器68以便在在储水容器60的空间66中产生水雾70。此外，载气63从载气供给路径62导入到储水容器60中。因此，水雾70通过水雾供给路径64流入加热炉40，并且在加热炉40内产生过热水蒸气43。过热水蒸气43通过过热水蒸气供给路径42流入喷嘴32。这样，过热水蒸气43从喷嘴32朝向衬底12的上表面排出。另外，超声波振动器28在与启动超声波振动器68的时间大致相同的时间启动。结果，在雾生成容器20的空间26中生成溶液雾72。另外，载气23从载气供给路径22导入到雾生成容器20内。溶液雾72因而通过溶液雾供给路径24流入喷嘴34。这样，溶液雾72从喷嘴34朝向衬底12的上表面排出。
40.从喷嘴32排出的过热水蒸气43和从喷嘴34排出的溶液雾72在衬底12的上方汇合在一起。喷嘴32和喷嘴34配置成喷嘴32的排出方向与喷嘴34的排出方向之间的角度小于90
°
。因此，过热水蒸气43和溶液雾72在汇合位置的相对速度vr低于从喷嘴32排出的过热水蒸气43的流速v
43
。过热水蒸气43和溶液雾72在衬底12上方的位置混合。因而，过热水蒸气43和溶液雾72的混合物被供给到衬底12的上表面。
41.当过热水蒸气43和溶液雾72混合时，溶液雾72被过热水蒸气43加热。由于过热水蒸气43具有高的能量，因此溶液雾72能够被高效地加热。
42.当过热水蒸气43和溶液雾72的混合物朝向衬底12的上表面排出时，溶液雾72附着在衬底12的上表面。由于衬底12的温度高于溶液雾72的温度，溶液雾72(即溶液21)在衬底12上引起化学反应。结果，在衬底12上生成β型氧化镓(β-ga2o3)。因为溶液雾72被连续地供给到衬底12的表面，因此氧化镓膜在衬底12的上表面上生长。单晶氧化镓膜在衬底12的表面上外延生长。半导体器件能够通过使用如此形成的氧化镓膜来制造。在溶液21含有用于掺杂剂的原材料的情况下，掺杂剂被掺入(incorporate)到氧化镓膜中。例如，在溶液21含有氟化铵(nh4f)的情况下，形成掺杂有氟化物的氧化镓膜。
43.当溶液雾72附着于衬底12的上表面时，溶液雾72从衬底12去除热量。此时，如果衬底12的温度降低，则氧化镓膜的膜品质可能劣化。在第一实施例中，另一方面，由于溶液雾72已经被过热水蒸气43加热，所以当溶液雾72附着于衬底12的上表面时，溶液雾72不太可能从衬底12去除热量。因此，衬底12能够稳定地保持在适当的温度。结果，氧化镓膜能够在衬底12的上表面上适当地外延生长。
44.当水，即溶剂，在溶液雾72的加热期间从溶液雾72蒸发时，构成溶液雾72的每个液
滴的溶液21的浓度增加。如果构成每个液滴的溶液21的浓度如上所述地变化，则难以控制要生长的膜的特性。此外，如果水从构成每个液滴的溶液21中过度蒸发，则溶液21变成固体微粒。如果产生这样的固体微粒，则固体微粒附着在要生长的膜上并且膜品质可能劣化。然而，在本实施例的成膜设备中，由于溶液雾72被过热水蒸气43加热，所以溶液雾72周围的水蒸气的分压(partialpressure)高，因而水从溶液雾72蒸发的可能较小。因此，具有适当浓度的溶液21能够作为溶液雾72供给到衬底12的上表面。结果，在衬底12的上表面上能够生长高品质的膜。
45.当水被气体加热时，水的蒸发速率s(kg/(m2·
hr))根据气体的类型、气体的质量速度g(kg/(m2·
hr))和气体的温度t(℃)而不同。质量速度g是当朝向水施加气体时每单位时间流动的气体的质量。图2显示了当静止状态的水被气体(空气或过热水蒸气)加热时水的蒸发速率s。如图2所示，空气的蒸发速率s和过热水蒸气的蒸发速率s随着质量速度g的增加而增加。另外，每个质量速度g的蒸发速率s随着温度t的增加而增加。每个质量速度g的蒸发速率s关于温度t的增加速率(即曲线的斜率)在过热水蒸气中比在空气中大。因此，在每个质量速度g中，存在蒸发速率s的大小在过热水蒸气与空气之间逆转的逆转点温度(reversal point temperature)tr。即对于每个质量速度g，当温度t低于逆转点温度tr时，过热水蒸气的蒸发速率s小于空气的蒸发速率，而当温度t高于逆转点温度tr时，过热水蒸气的蒸发速率s高于空气。因此，在通过过热水蒸气加热水的情况下，如果过热水蒸气的温度t比逆转点温度tr低，则水能够被更高效地加热。从图2的实验结果来看，逆转点温度tr能够被认为是质量速度g的函数。逆转点温度tr满足tr＝530g-0.15
的关系。因此，如果过热水蒸气在满足t《530g-0.15
的温度范围内，则能够在加热水的同时有效地抑制水的蒸发。
46.在第一实施例的成膜设备中，从喷嘴32排出的过热水蒸气43的质量速度g
43
和温度t
43
满足t
43
＜530g
43-0.15
的关系。如上所述，在过热水蒸气43与溶液雾72的汇合位置处的过热水蒸气43与溶液雾72的相对速度vr比从喷嘴32排出的过热水蒸气43的流速v
43
低。因此，在汇合位置处过热水蒸气43相对于溶液雾72的质量速度gr比从喷嘴32排出的过热水蒸气43的质量速度g43低。这样，如果满足t
43
《530g
43-0.15
的关系，则满足t
43
《530gr-0.15
的关系。因此，在第一实施例的成膜设备中，汇合位置的过热水蒸气43的温度t43能够设定为低于逆转点温度tr的温度。因此，在第一实施例的成膜设备中，溶液雾72能够被过热水蒸气43加热，同时有效地抑制水从溶液雾72蒸发。温度t
43
可以低于175℃。通过将温度t
43
设定为低于175℃，温度t
43
能够设定为在实际质量速度gr的范围内等于或低于逆转点温度。特别地，温度t
43
可以低于150℃。
47.在第一实施例中，过热水蒸气供给路径42和溶液雾供给路径24是分开的。然而，如图3所示，过热水蒸气供给路径42和溶液雾供给路径24可以在它们的下游位置汇合而形成混合流动路径45。混合流动路径45的下游端形成有朝向衬底12的上表面延伸的喷嘴30。在该结构中，过热水蒸气43和溶液雾72在混合流动路径45的上游端汇合。过热水蒸气43和溶液雾72在混合流动路径45中混合以形成混合物73。混合物73从喷嘴30朝向衬底12的上表面排出。即使在该结构中，溶液雾72能够被过热水蒸气43加热，同时抑制水从溶液雾72蒸发。在这种情况下，过热水蒸气43的温度t
43
和质量速度g
43
设定为使得在过热水蒸气43和溶液雾72的汇合位置处，即混合流动路径45的上游端处，满足t
43
＜530g
43-0.15
。结果，能够更有效地抑制水从溶液雾72的蒸发。
48.(第二实施例)
49.将参照图4描述第二实施例。在图4所示的第二实施例的成膜设备中，过热水蒸气生成器80包括液体材料蒸发系统90和再填充系统92。第二实施例的成膜设备的其他结构与图3的成膜设备的相同。再填充系统92向液体材料蒸发系统90供给水。液体材料蒸发系统90对从再填充系统92供给的水依次执行热处理和减压处理。在热处理中，液体材料蒸发系统90在高于大气压的压力p1下加热水。在这种情况下，液体材料蒸发系统90将水加热到低于沸点的温度。在减压处理中，液体材料蒸发系统90将施加于水的压力从压力p1降低到压力p2。这样，水的沸点下降到比水的温度的低的温度。即，使水处于水的温度高于沸点的状态。结果，水迅速蒸发并产生过热水蒸气43。
50.例如，在热处理中，在水施加有压力p1而水的沸点在压力p1下为130℃左右的状态下，水能够被加热到120℃，其高于100℃但低于沸点(即约130℃)。之后，当水在大致等于大气压的压力p2下传输时，水的沸点下降到约100℃。因此，水的温度(约120℃)高于沸点(约100℃)，从而水迅速蒸发。结果，产生温度高于沸点(约100℃)的过热水蒸气43。
51.如上所述，根据通过减压来降低水的沸点的方法，过热水蒸气43能够比简单地加热水的方法更快地产生。
52.由液体材料蒸发系统90产生的过热水蒸气43经由过热水蒸气供给路径42发送到混合流动路径45。另外，在雾生成容器20中生成的溶液雾72经由溶液雾供给路径24发送到混合流动路径45。在混合流动路径45中，过热水蒸气43和溶液雾72混合。过热水蒸气43和溶液雾72的混合物73从喷嘴30朝向衬底12的上表面排出。因此，与图3的成膜设备类似，膜能够在衬底12的上表面上高效地生长。
53.在如图4所示的过热水蒸气43和溶液雾72在混合流动路径45中混合的结构中，由于过热水蒸气43对溶液雾72的加热时间长，因此溶液雾72能够被均匀地加热。另一方面，如果加热时间长，则水从溶液雾72蒸发，并且构成溶液雾72的溶液21的浓度可能变化。在第二实施例中，当使用具有低于150℃的温度的过热水蒸气43时，在溶液雾72中聚集的水分子的数量和从溶液雾72蒸发的水分子的数量容易平衡。因此，能够抑制构成溶液雾72的溶液21的浓度中的变化。
54.在第二实施例中，过热水蒸气供给路径42和溶液雾供给路径24可以如图1中那样分开。
55.(第三实施例)
56.将参照图5描述本公开的第三实施例。如图5所示，在第三实施例的成膜设备中，过热水蒸气43和溶液雾72的混合物73被供给到喷嘴30。喷嘴30具有在一个方向上细长的长方体形状。喷嘴30在下表面上具有多个排出口30a。排出口30a排列成一列。喷嘴30从每个排出口30a朝向基座16排出混合物73。另外，在第三实施例中，能够在基座16上放置多个衬底12。衬底12围绕基座16的中心轴线16a布置。如箭头81所示，从喷嘴30向下方排出的混合物73能够与基座16的整个直径撞击。基座16围绕中心轴线16a旋转。另外，在第三实施例中，在成膜炉15的排气口处安装排气泵98。通过激活排气泵98，成膜炉15内部的压力降低。即，在第三实施例中，成膜炉15内部的压力低于大气压。
57.当基座16旋转同时从喷嘴30排出混合物73时，混合物73沿衬底12的上表面层流流动。因此，氧化镓膜能够在每个衬底12的上表面上均匀地生长。
58.另外，在第三实施例中，由于成膜炉15内的压力低于大气压，因此成膜炉15内的水的沸点低于100℃。例如，成膜炉15内的压力能够控制为，使得成膜炉15内的水的沸点为80℃左右。另外，在第三实施例中，从喷嘴30供给到成膜炉15内的过热水蒸气43的温度高于成膜炉15内的水的沸点但低于100℃。例如，供给到成膜炉15中的过热水蒸气43的温度能够为90℃左右。如上所述，即使具有低于100℃的温度的水蒸气也能够在减压环境中变成过热水蒸气。即使在该结构中，溶液雾72也能够被过热水蒸气43加热同时抑制水从溶液雾72蒸发。因此，膜能够有利地外延生长。
59.还在第一实施例和第二实施例中，与第三实施例类似地，过热水蒸气43流过的流动路径中的压力可以低于大气压。在这种情况下，能够使过热水蒸气43的温度低于100℃。
60.在上述各实施例中，溶液21的溶剂为水。作为另一示例，除了水之外的液体可以用作溶剂。在这种情况下，溶液雾能够被由与溶剂相同的材料制成的过热蒸气加热。
61.在上述每个实施例中，氧化镓膜在衬底的上表面上外延生长。作为另一示例，其他膜可以外延生长。另外，膜也可以通过外延生长以外的生长方法来生长。
62.每个实施例的基座16是工作台的示例。每个实施例的雾生成容器20是雾供给源的示例。每个实施例的过热水蒸气生成器80是过热水蒸气供给源的示例。每个实施例的过热水蒸气供给路径42、溶液雾供给路径24、混合流动路径45是输送装置的示例。每个实施例的溶液雾供给路径24是第一流动路径的示例。每个实施例的过热水蒸气供给路径42是第二流动路径的示例。
63.尽管上面已经详细描述了实施例，但是这些实施例仅仅是示例并且不限制本公开的范围。本公开中描述的技术包括对上述具体示例的各种修改和变型。本公开或附图中描述的技术要素单独或以各种组合展示技术有用性，并且不限于在提交申请时在本公开中描述的组合。此外，本说明书或附图中所例示的技术同时实现多个目标，并且实现其中一个目标本身具有技术实用性。