(57)【要約】基体上へセラミック膜、特に炭化ケイ素膜を堆積する方法が開示され、その方法において、残存応力、残存応力勾配、および抵抗率が制御される。これらの制御された特性を備えた堆積された膜を有する基体、およびこれらの特性を備えた膜を有するデバイス、特にＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスもまた開示される。この堆積された炭化ケイ素膜中の残存応力は、約７００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間にあり、その電気抵抗率は、約１０Ω・ｃｍ未満である。
2007516355.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学気相成長により、基体上に炭化ケイ素を堆積する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバに、所定の固定流速でケイ素前駆体を供給する工程；
（ｃ）該反応チャンバに、所定の固定流速で炭素前駆体を供給する工程；および
（ｄ）該反応チャンバ中の圧力を制御することにより、該堆積された炭化ケイ素膜中の応力を制御する工程、
を包含する、方法。
【請求項２】
前記基体が、ケイ素である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基体が、二酸化ケイ素または炭化ケイ素である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記炭化ケイ素が、多結晶炭化ケイ素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ケイ素前駆体の所定の流速が、毎分約５４立方センチメートル（標準状態換算）である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ケイ素前駆体が、シラン、ハロシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジメチルジメトキシシラン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ビストリメチルシリルメタン、メチルトリクロロシラン、シラン、テトラエチルシラン、およびシラシクロブタンからなる群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ハロシランが、ジクロロシラン、トリクロロシラン、およびテトラクロロシランからなる群より選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ケイ素前駆体が、ジクロロシランである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記反応チャンバ中の圧力が、約０．４２ｔｏｒｒと約５ｔｏｒｒとの間に制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記反応チャンバ中の圧力が、約２．６５ｔｏｒｒに制御される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記反応チャンバ中の圧力が、前記堆積された炭化ケイ素膜中の残存応力を最小にするように制御される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記堆積された炭化ケイ素膜中の残存応力が、約７００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間にある、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記反応チャンバ中の圧力が、約２．６５ｔｏｒｒに制御される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記反応チャンバを、固定された温度に維持する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記固定された温度が、約９００℃である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記炭素前駆体の所定の流速が、毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記炭素前駆体を供給する工程が、水素中のアセチレンを毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）の流速で前記反応チャンバに供給する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記炭化ケイ素の電気抵抗率を制御する工程をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記堆積された炭化ケイ素の電気抵抗率が、約１０Ω・ｃｍ未満である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記電気抵抗率を制御する工程が、前記反応チャンバ中の圧力を制御する工程を包含する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
化学気相成長により、基体上に炭化ケイ素膜を堆積する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバを所定の圧力に維持する工程；
（ｃ）該反応チャンバに、所定の固定流速で炭素前駆体を供給する工程；
（ｄ）該反応チャンバに、ある流速でケイ素前駆体を供給する工程；および
（ｅ）該ケイ素前駆体の流速を制御して、該堆積された炭化ケイ素膜中の応力を制御する工程、
を包含する、方法。
【請求項２２】
前記基体が、ケイ素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記基体が、二酸化ケイ素または炭化ケイ素である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記炭化ケイ素が、多結晶炭化ケイ素を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記所定の圧力が、約２．０ｔｏｒｒである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ケイ素前駆体が、シラン、ハロシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジメチルジメトキシシラン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ビストリメチルシリルメタン、メチルトリクロロシラン、シラン、テトラエチルシラン、およびシラシクロブタンからなる群より選択される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ハロシランが、ジクロロシラン、トリクロロシラン、およびテトラクロロシランからなる群より選択される、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ケイ素前駆体が、ジクロロシランである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ケイ素前駆体の流速が、毎分約１８立方センチメートル（標準状態換算）と毎分約５４立方センチメートル（標準状態換算）との間で制御される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記ケイ素前駆体の流速が、毎分約３６立方センチメートル（標準状態換算）に制御される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ケイ素前駆体の流速が、前記堆積された炭化ケイ素膜中の残存応力を最小にするように制御される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
前記堆積された炭化ケイ素膜中の残存応力が、約７００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間にある、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記ケイ素前駆体の流速が、毎分約３６立方センチメートル（標準状態換算）に制御される、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
前記反応チャンバを、固定された温度に維持する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３５】
前記固定された温度が、約９００℃である、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記炭素前駆体の所定の流速が、毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）である、請求項２１に記載の方法。
【請求項３７】
前記炭素前駆体を供給する工程が、水素中のアセチレンを毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）の流速で前記反応チャンバに供給する工程を包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３８】
前記炭化ケイ素の電気抵抗率を制御する工程をさらに包含する、請求項２１に記載の方法。
【請求項３９】
前記堆積された炭化ケイ素の電気抵抗率が、約１０Ω・ｃｍ未満である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記電気抵抗率を制御する工程が、前記ケイ素前駆体の流速を制御する工程を包含する、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
基体上への炭化ケイ素膜の堆積の間の該炭化ケイ素膜の応力を制御して、所望の応力値を達成する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバに、所定の固定流速でケイ素前駆体を供給する工程；
（ｃ）該反応チャンバに、所定の固定流速で炭素前駆体を供給する工程；および
（ｄ）該反応チャンバ中の圧力を制御して、該所望の応力値を達成する工程、
を包含する、方法。
【請求項４２】
基体上への炭化ケイ素膜の堆積の間の該炭化ケイ素膜の応力を制御して、所望の応力値を達成する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバを、所定の圧力に維持する工程；
（ｃ）該反応チャンバに、所定の固定流速で炭素前駆体を供給する工程；および
（ｄ）該チャンバに提供されるケイ素前駆体の流速を制御して、該所望の応力値を達成する工程、
を包含する、方法。
【請求項４３】
基体であって、該基体はその上に堆積された炭化ケイ素膜を有し、ここで該炭化ケイ素膜は、約１００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間の残存応力を有する、基体。
【請求項４４】
前記炭化ケイ素膜の電気抵抗率が、約５Ω・ｃｍ未満である、請求項４３に記載の基体。
【請求項４５】
前記残存応力が、約０ＭＰａである、請求項４３に記載の基体。
【請求項４６】
前記基体が、シリコンウェーハまたはシリコンチップである、請求項４３に記載の基体。
【請求項４７】
ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイスであって、該ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイスは、その上に堆積された炭化ケイ素膜を有する基体を含み、該炭化ケイ素膜は、約１００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間の残存応力、および約５Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有する、ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイス。
【請求項４８】
ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイスであって、請求項１に記載の方法によりその上に堆積された炭化ケイ素膜を有する基体を含む、ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイス。
【請求項４９】
ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイスであって、請求項２１に記載の方法によりその上に堆積された炭化ケイ素膜を有する基体を含む、ミクロ機械デバイス、ミクロ電気機械デバイス、ナノ機械デバイスまたはナノ電気機械デバイス。
【請求項５０】
セラミック膜中の所望の応力値を達成するように、基体上へ該セラミック膜を堆積する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバを、所定の固定温度に維持する工程；
（ｃ）該反応チャンバに、所定の固定流速で金属元素前駆体を供給する工程；
（ｄ）該反応チャンバに、所定の固定流速で非金属元素前駆体を供給する工程；および
（ｅ）該反応チャンバ中の圧力を制御することにより、該堆積された炭化ケイ素膜中の応力を制御する工程、
を包含する、方法。
【請求項５１】
前記膜が、化合物半導体膜である、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
セラミック膜中の所望の応力値を達成するように、基体上へ該セラミック膜を堆積する方法であって、
（ａ）反応チャンバ中に少なくとも１つの基体を配置する工程；
（ｂ）該反応チャンバを、所定の固定温度に維持する工程；
（ｃ）該反応チャンバを、所定の固定圧力に維持する工程；
（ｄ）該反応チャンバに、所定の固定流速で非金属元素前駆体を供給する工程；
（ｅ）該反応チャンバに、ある流速で金属元素前駆体を供給する工程；および
（ｆ）該金属元素前駆体の流速を制御して、該堆積された炭化ケイ素膜中の所望の残存応力を達成する工程、
を包含する、方法。
【請求項５３】
前記膜が、化合物半導体膜である、請求項５２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（連邦政府の後援による開発または研究に関する声明）
本発明の一部は、ＮＡＳＡによって授与された契約書番号第ＮＣＡ３−２０１およびＤＡＲＰＡによって授与されたＤＡＢＴ６３−１−００１０の下での政府の支援によりなされた。政府は、本発明に特定の権利を有する。
【０００２】
（背景）
本発明は、炭化ケイ素および他の膜、そしてより具体的には基体上へのこれらの膜の制御された堆積に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体、ミクロ電子機械システムおよびナノ電子機械システムは（ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳ）は、光学デバイス、機械デバイス、電気化学デバイス、およびバイオセンサーデバイスを製作するための集積回路製作技術に適用される。ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスを作製する際の重要な工程のうちの１つは、基体上への材料の薄膜の堆積である。いったん、その膜が堆積されると、種々のエッチング技術が採用されてこの堆積された膜を形作り得る。
【０００４】
代表的なＭＥＭＳ／ＮＥＭＳデバイスにおいては、ケイ素が主要材料である。炭化ケイ素は、非常に良好な物理的特性および化学的特性を有する材料であり、約３００℃より高い温度でのこれらの特性のために注目される。炭化ケイ素は、特に、通常の作動環境および苛酷な作動環境において、ケイ素と比べて例外的な電気的特性、機械的特性、および化学的特性に起因して、ＭＥＭＳおよびＮＥＭＳのための膜における使用のために有利な材料である。
【０００５】
ＭＥＭＳ製造における炭化ケイ素の開発を制限する障壁のうちの１つは、ＭＥＭＳおよびＮＥＭＳにとって有利でありＭＥＭＳおよびＮＥＭＳのために必要とされる特性を有する広い面積の基体上に炭化ケイ素の均質な膜を堆積することが不可能なことであった。炭化ケイ素の堆積は、従来は、残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率における変動を受けやすい。これらの特性は、ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスの適正な作動にとって重要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ケイ素に関しては、残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率は、その膜が堆積された後に、その膜を高温でアニーリングすることにより制御され得る。ケイ素におけるアニーリングは、これらの特性の改変を生じる結晶学的な変化を誘起する。単結晶炭化ケイ素および多結晶炭化ケイ素に関しては、このようなアプローチは実行可能ではない。なぜなら、炭化ケイ素は、従来のアニーリング温度において、化学的にも結晶学的にも安定だからである。ケイ素基体上に堆積された炭化ケイ素膜については、アニーリングはまったく有効ではない。なぜなら、非炭化ケイ素の基体が、有効なアニーリングにとっては低すぎる温度にアニーリング温度を制限するからである。本発明は、膜形成（堆積）プロセスの間の炭化ケイ素膜中の残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率の制御を実施することにより、一緒にアニーリングするための必要性を回避する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（発明の要旨）
本発明は、基体上に膜を堆積する方法を提供し、この方法は、堆積された膜の残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率の制御を可能にする。本発明は、金属成分および非金属成分を有するセラミック化合物を有するセラミック膜のような、種々の組成の膜を包含する。好ましくは、この膜は、炭化ケイ素膜である。この炭化ケイ素膜は、反応チャンバ中に基体を配置して約１０ｍｔｏｒｒ未満の圧力までこのチャンバを排気することにより、化学気相成長によってケイ素基体のような基体上に堆積される。このチャンバの温度は、約９００℃に維持される。アセチレン（水素中の５％）のような炭素前駆体は、毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）（ｓｃｃｍ）の流速でそのチャンバに供給される。ジクロロシラン（ＤＣＳ）のようなケイ素前駆体は、約５４ｓｃｃｍの流速でそのチャンバに供給される。これらの前駆体が供給されるにつれて、この反応チャンバの圧力は高まり、そして固定された圧力に維持され得る。
【０００８】
これらの条件下で、相当の応力勾配を有する伸張性膜は、２．６５ｔｏｒｒ未満の圧力で堆積され、そして相当の応力勾配を有する圧縮性膜は、２．６５ｔｏｒｒよりも高い圧力で堆積される。２．６５ｔｏｒｒにおいて、その膜は、非常に低い残存引張り応力（＜２０ＭＰａ）、無視し得る応力勾配、および意図的なドーピングなしに１０Ω・ｃｍ未満の抵抗率を有する。他のパラメータを固定しながら圧力をそう制御することにより、残存引張り応力、応力勾配、および電気抵抗率の制御がもたらされた。
【０００９】
別の実施形態において、上記チャンバは、約２．０ｔｏｒｒの圧力に維持される。アセチレン（水素中の５％）のような炭素前駆体は、毎分約１８０立方センチメートル（標準状態換算）（ｓｃｃｍ）の流速でそのチャンバに供給される。ＤＣＳのようなケイ素前駆体は、毎分約１８ｓｃｃｍと７２ｓｃｃｍとの間の流速でそのチャンバに供給される。これらの条件下で、相当の応力勾配を有する伸張性膜は、３５ｓｃｃｍ未満のＤＣＳ流速で堆積され、そして相当の応力勾配を有する圧縮性膜は、３５ｓｃｃｍよりも高いＤＣＳ流速で堆積される。３５ｓｃｃｍのＤＣＳ流速で、上記膜は、非常に低い残存引張り応力（＜２０ＭＰａ）、無視し得る応力勾配、および意図的なドーピングなしに１０Ω・ｃｍ未満の抵抗率を有する。他のパラメータを固定しながら、金属元素前駆体（この場合、ケイ素前駆体ＤＣＳ）の流速をそう制御することにより、残存引張り応力、応力勾配、および電気抵抗率の制御がもたらされた。
【００１０】
本発明はまた、その上に堆積された炭化ケイ素膜を有する基体に関し、その膜においては、残存応力は、０±１００ＭＰａであり、そして達成された電気抵抗率は、約１０Ω・ｃｍ未満であり、そしてこのような基体を有する半導体、ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（詳細な説明）
本発明は、残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率のような種々の特性の制御を伴う、基体上への膜、好ましくは炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜の堆積に関する。本発明は、本発明が、特にＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスを伴う使用のための、ケイ素基体上へのＳｉＣの堆積に関するとして記載される。しかし、本発明は、このような記載によって例示されるに過ぎず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００１２】
炭化ケイ素膜、特に多結晶ＳｉＣ膜は、上記のように、ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスにおける使用のために望ましい。残存引張り応力、残存引張り応力勾配、および電気抵抗率のような重要な特性の制御は、ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスにおいて効果的に使用され得るＳｉＣ膜を提供する。約１００ＭＰａ未満、そして好ましくは約５０ＭＰａ未満の低残存応力を有する炭化ケイ素膜は、ＭＥＭＳおよびＮＥＭＳ用途に非常に望ましい。従来の堆積技術は、これまで、多結晶炭化ケイ素膜においてこのような低い応力値を達成することはできなかった。
【００１３】
これらの用途および他の用途において、残存応力、残存応力勾配のような応力特性および電気抵抗特性の制御はまた、低い応力値ではないかも知れない他の予備選択された値を達成するために所望され得る。
【００１４】
これらの膜は、ＳｉＣの顕著な機械的特性、電気的特性、および化学的特性に起因して、過酷な環境で作動するデバイスにおける使用のために特に適している。このような用途の例としては、内燃エンジンおよびジェットエンジンのための圧力センサ、風洞センサおよび風洞機器、ならびに原子力システムの機器および制御システムが挙げられる。加えて、炭化ケイ素は、加速センサ、生物医学用センサ、およびアクチュエータならびに代表的には過酷な環境を特徴としない他の用途のような、通常はケイ素から作製されるデバイス構造体において使用され得る。炭化ケイ素は、より優れた機械的特性および化学的特性、ならびにＳｉＣとケイ素との間の同等な電気的特性を利用して、ケイ素の代替材料として使用され得る。
【００１５】
出願人らは、制御された特性を有する多結晶ＳｉＣ薄膜をケイ素基体および二酸化ケイ素基体上に成功裏に生成し、この薄膜では、残存引張り応力がゼロかまたはゼロに近く、電気抵抗率が非常に低く、そして残存引張り応力勾配がゼロに近い。これらの膜は、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）をケイ素（Ｓｉ）のための前駆体として、水素（Ｈ２）中の５％アセチレン（Ｃ２Ｈ２）混合物を炭素のための前駆体として使用して、低圧化学気相成長プロセスにより生成された。出願人らは、この堆積が起こるこのケイ素前駆体の流速および／または圧力の制御が、上記の特性を有するＳｉＣ膜の生成を可能にすることを決定した。片持ち梁、橋、膜、および側方共振構造体（ｌａｔｅｒａｌ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の成功裏の生成が完了され、これはミクロ機械加工用途において本発明に従って作製される材料の実行可能性を実証する。
【００１６】
他のパラメータを固定しつつ、反応チャンバのケイ素前駆体の流速および／または堆積圧力を制御することによって、任意のケイ素前駆体および炭素前駆体に対して気相成長により堆積される炭化ケイ素膜の残存圧力、残存圧力勾配、および電気抵抗率の制御が可能になると考えられる。当業者は、最小の残存応力、残存圧力勾配、および電気抵抗率を達成するための適切な圧力およびケイ素前駆体の流速を、過度の実験なしに決定し得、そして代替のケイ素前駆体および炭素前駆体の使用は、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない。
【００１７】
可能な代替のケイ素前駆体の例としては、とりわけ、シラン、トリクロロシラン、およびテトラクロロシランが挙げられる。可能な代替の炭素前駆体としては、炭素含有ガス、メタン、プロパン、エチレン、キシレン、ブタン、四臭化炭素および他の炭化水素が挙げられる。
【００１８】
可能な代替のケイ素前駆体および／または炭素前駆体は、ケイ素および炭素の両方ための単一供給源の前駆体を含み得る。ケイ素および炭素の両方ための単一供給源の前駆体の例としては、当業者により決定され得るように、ハロシラン、トリメチルシラン、テトラメチルシラン、ジメチルジメトキシシラン、テトラメチルシクロテトラシロキサン、ビストリメチルシリルメタン、メチルトリクロロシラン、テトラエチルシラン、シラシクロブタン、ジシラブタンおよび単一供給源の前駆体としての使用のために適した任意の他の材料が挙げられる。
【００１９】
単一供給源の前駆体が使用される場合、そのときは、反応器中の炭素／ケイ素比を正しく制御するために、別個の炭素前駆体またはケイ素前駆体が、上記チャンバ中に提供され得る。この事象において、ケイ素の単一供給源または炭素の単一供給源の流速は、上記チャンバ内で適正な炭素ガス／ケイ素ガス比を達成するように変更され得、その結果、適切な反応が、適切な速度で起こり、上記の特性を有する炭化ケイ素膜が堆積される。
【００２０】
窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸窒化ケイ素（ＳｉＯｘＮｙ）および炭窒化ケイ素（ＳｉＣｘＮｙ）のような他のケイ素ベースの膜はまた、適切な前駆体を使用して、本発明の方法を用いて堆積され得る。窒化ケイ素の場合、適切な前駆体としては、ケイ素前駆体のためのシラン（ＳｉＨ４）またはＤＣＳ、および窒素前駆体のためのアンモニア（ＮＨ３）が挙げられる。ケイ素前駆体の流速または堆積圧力は、上記の特性を有する堆積された膜を達成するように変更され得る。堆積圧力およびケイ素前駆体の流速の最適範囲は、過度の実験なしに本発明に従って決定され得る。
【００２１】
非ケイ素セラミックに基づく他のセラミック膜はまた、上記の特性を達成するための本発明の方法を用いて堆積され得る。本明細書中における用語「セラミック」の使用は、代表的には性質が結晶性である（しかし、非晶質であり得る）無機の非金属材料として定義され、そして一般的には、アルミニウムと酸素（アルミナ−Ａｌ２Ｏ３）、カルシウムと酸素（カルシア−ＣａＯ）、ケイ素と酸素（シリカ−ＳｉＯ２）、および他の類似の酸化物、窒化物、ホウ化物、硫化物および炭化物のような、金属元素と非金属元素との間で形成される化合物である。非金属前駆体の流速は、固定されて維持され、そして堆積圧力または金属前駆体の流速が変更されて上記の特性が達成される。堆積圧力および金属前駆体の流速の最適範囲は、過度の実験なしに本明細書中に提供される手順を使用して決定され得る。
【００２２】
ケイ素以外の材料に基づく他の化合物半導体膜はまた、上記の特性を達成するための本発明の方法を用いて堆積され得る。これらの材料としては、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、および化学気相成長により堆積される他の類似の半導体材料が挙げられるが、これらに限定されない。
【００２３】
本明細書中に記載される実施例は、基体材料としてケイ素を使用する。本明細書中に記載されるほうほうは、ケイ素基体およびケイ素誘導体基体（例えば、炭化ケイ素および二酸化ケイ素）の使用に限定されず、むしろ得られる膜が残存応力を持ちやすい任意の基体材料上への堆積に適用され得る。
【実施例】
【００２４】
（試験手順）
図１および２は、以下の手順を実施するために使用される装置を図示する。チップ状のケイ素基体、ウェーハ、を低圧気相成長装置１２、１１２の反応チャンバ１０、１１０の中にローディングする前に、そのウェーハ１４、１１４を、標準的なＲＣＡ洗浄手順を使用して洗浄した。直径１００ｍｍのシリコンウェーハ１４、１１４を、従来の熱壁水平円筒型水晶炉（ｈｏｔ−ｗａｌｌ  ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ  ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ  ｑｕａｒｔｚ  ｆｕｒｎａｃｅ）１６、１１６中に配置した。反応チャンバまたは堆積チャンバ１０、１１０は、長さ２００７ｍｍおよび直径２２５ｍｍであった。このウェーハを、可動式の前フランジ２２、１２２に取付けられたパドル２０、１２０上に静止したＳｉＣボート１８、１１８に保持し、反応チャンバ１０、１１０の中央付近に配置した。
【００２５】
図１に図示する構成において、２つの小さい注入管２４（１つはジクロロシランのためであり、１つはアセチレンのためである）を使用して、これらの前駆体ガスを、ボート１８の下でチャンバ１０の中に直接導入した。これらの注入管２４を収容するために、炉の管は、従来の設計のものであり、金属製フランジ２２、２６で各々の端部がキャップされた長い水晶の円筒１７からなっていた。注入管２４を、これらのフランジ２２、２６の各々の上の小さいポートに取り付けた。前フランジ２２は、チャンバのドアとして働く大きい円盤から構成されていた。このドアを、自動ローディングおよび自動アンローディングのための片持ち梁アセンブリに取付けた。ＳｉＣボート１８を保持するパドル２０を、前フランジのドアアセンブリ２２の内面にのみ取付けた。後フランジ２６は、可動式ではなく、真空システム２８に取り付けられた出口ポートを備えていた。前駆体ガスを、ガス注入管２４を介してガス入口２５ならびに前フランジ２２および後フランジ２６のポートを通って同時に導入した。
【００２６】
図２に図示する第２の構成では、注入管２４を省略している。この構成では、炉の管は、前面端部１３０での断面が円形であり後部１３２の形状が円錐形である長い水晶の円筒１１７から構成されていた。前フランジアセンブリ１２２は、上で記載したとおりであり、そしてこれをこの円筒の前面端部１３０に取付けた。この円筒の後部１３２は、フランジを必要としなかったが、その代わりに、真空システム２８に直接取り付けられた水晶のニップル１３４を収容していた。ガスを、ガス入口１２５および前フランジ１２２のポートを通して上記チャンバに導入した。ウェーハボート１１８の下に直接ガスを注入するためのツーリング（ｔｏｏｌｉｎｇ）は、備えなかった。
【００２７】
真空システム２８、１２８は、構成にかかわらず、十分にローディングしたシステムにおいて１ｍｔｏｒｒ未満のベース圧力に到達し得る、ルーツ送風機と機械式ポンプとの組合せ（示さず）から構成されていた。圧力を、圧力制御システム３６，１３６を通して制御した。バタフライバルブ３７、１３７を提供して、圧力制御を支援した。ガス流速および圧力制御システム３６、１３６を、従来の炉制御コンピュータシステム（示さず）により制御した。反応チャンバ１０、１１０中の温度を、抵抗加熱コイル３８、１３８を介して制御した。
【００２８】
各々のローディングを、単一の、５０スロットのＳｉＣボートに均一に分布した２５個のＳｉウェーハから構成した。第１の５個のウェーハおよび最後の５個のウェーハを、ガスの流れを安定化するための調節ウェーハとして指定した。ローディング端部からのスロット６、１０、１３、１６、および２０中のウェーハを、検討のために指定した。
【００２９】
（実施例１）
図１は、これらの試験のために使用される低圧化学気相成長装置１２を図示する。堆積を、約０．４２ｔｏｒｒ〜約５ｔｏｒｒの圧力設定で２時間実施した。いくつかの場合には、より長い時間を使用してより厚い膜を堆積させた。ＤＣＳおよびアセチレン（水素中の５％）の流速を、それぞれ、毎分約５４立方センチメートル（標準状態換算）（ｓｃｃｍ）および毎分１８０ｓｃｃｍで一定に保持した。温度を、約９００℃に固定して保持した。その炉を、上記アセチレンガスおよびＤＣＳガスを上記反応チャンバ中に導入するための注入管を備えて構成した。
【００３０】
各堆積の後で、その膜の厚みを、Ｎａｎｏｓｐｅｃ  ４０００  ＡＦＴ分光光度計を使用して光学的に測定した。この膜の残存応力を、レーザーベースの湾曲測定システム（Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ＦＳＭ  １２０）を使用して、膜堆積前後のそのシリコンウェーハの湾曲を測定することにより定量した。炭化ケイ素膜を、上記ウェーハの両側に堆積し、そしてＣＨＦ３／Ｏ２混合物中での反応性エッチングを使用して、上記ウェーハの背面に堆積した膜を除去した。
【００３１】
図３は、この一連の試験から得られた、堆積圧力と９００℃のＳｉＣの残存引張り応力との間の関係を図示する。残存応力は、大体、４５６ｍｔｏｒｒでの約７００ＭＰａ（引張り）〜５ｔｏｒｒでの約−１００ＭＰａ（圧縮）に変化し、約２．６５ｔｏｒｒで堆積した膜はほぼゼロの残存応力を有した。約２．５ｔｏｒｒ〜約５ｔｏｒｒの圧力で堆積した膜は、約１００ＭＰａと約−１００ＭＰａとの間の応力値を有した。図３に示すように、応力値は、同じ試験においてはウェーハ毎にはほとんど変動しなかった。
【００３２】
種々の堆積圧力での応力勾配を特徴付けるために、単層の片持ち梁を、この実施例に従って作製した約５００ｎｍ厚の多結晶ＳｉＣ膜から製作した。この応力勾配は、膜厚みの関数としての残存応力の大きさの変化である。応力勾配は、片持ち梁を曲げさせ得、他方、応力勾配がほとんどないかまたはまったくない膜から作製した梁は、平坦のままである。ＭＥＭＳデバイスおよびＮＥＭＳデバイスについて、複数のデバイス構造体が必要とされる場合には、ゼロに近い応力勾配が望ましい。ＭＥＭＳ／ＮＥＭＳデバイスの構造層における残存応力勾配は、湾曲したかまたは歪んだ構造体が必要とされる用途において望ましい。このような構造体において、残存応力勾配の正確な制御が必要とされる。応力勾配の制御は、残存応力の正確な制御を必要とする。
【００３３】
図４（ａ）は、本発明に従って２．６５ｔｏｒｒで作製した片持ち梁２１０を図示する。梁２１０は、ほぼ平坦であり、あるとしてもわずかの曲がりを呈する。図４（ｂ）は、本発明に従って約３．７５ｔｏｒｒで作製した、応力のかかった片持ち梁２１２を図示する。この梁２１２は、わずかに上向きに曲がる。
【００３４】
図５は、本発明に従って種々の圧力で作製した膜の電気抵抗率を図示する。これらのデータは、堆積圧力と電気抵抗率との間の関係を示す。最小の電気抵抗率は、残存応力および残存応力勾配がほとんどゼロである堆積圧力の近く、つまり約２．６５ｔｏｒｒで起こる。電気抵抗率は、約２．０ｔｏｒｒよりもわずかに大きい圧力〜約４．５ｔｏｒｒの堆積圧力で１０Ω・ｃｍ未満である。これらの値は、他の半導体（ＳｉＣを含む）に比べて高いように見えるかも知れないが、これらの測定は、堆積の前後でドープしていない多結晶膜から行った。半導体材料（特に、ＳｉＣ）の電気抵抗率を低下させるためにドーピング手順を使用することは、一般的に行われることである。これらの知見は、低応力および低応力勾配に有利である条件を使用すると、堆積プロセスの間のドーピングが、非常に効果的であることを強く示唆する。
【００３５】
（実施例２）
図２に図示する低圧化学気相成長装置１１２を使用した（インジェクタなし、単一の前フランジ）ことを除いて、上記と同じ手順を使用した。この一連の試験について、堆積圧力を、本質的に約２．０ｔｏｒｒに一定に維持し、そして上記ケイ素前駆体（この場合は、ＤＣＳ）の流速を約１８ｓｃｃｍと約５４ｓｃｃｍとの間で変化させた。アセチレン（水素中の５％）の流速を、約１８０ｓｃｃｍに固定し、そして上記反応チャンバの温度を、約９００℃に維持した。
【００３６】
上記のように、この膜を、残存応力、残存応力勾配、および電気抵抗率について特徴付けた。図６は、実測した残存応力対ＤＣＳの流速を図示する。実測した残存応力は、３６ｓｃｃｍの流速まで、ＤＣＳの流速の関数として減少した。残存応力は、５４ｓｃｃｍの流速では、３６ｓｃｃｍの流速におけるのと実質的に同じであった。図６に図示するように、流速の関数としての残存応力は、図３に図示するように堆積圧力の関数としての残存応力と類似であるようである。
【００３７】
図７は、本発明の本実施例に従って約３５ｓｃｃｍのジクロロシラン流速で作製した、ミクロ機械加工した第２の片持ち梁２１４のＳＥＭ顕微鏡写真である。図６からわかるように、約３５ｓｃｃｍのジクロロシラン流速は、５０ＭＰａ未満の残存応力に対応する。図７における第２の片持ち梁２１４のような、低残存応力の膜は、非常に低い残存応力勾配を呈する。図７に図示される第２の片持ち梁２１４は、実質的に曲がりを呈しない。
【００３８】
図８は、電気抵抗率対ＤＣＳ流速のグラフであり、この電気抵抗率が、ＤＣＳ流速に対する強い関係を呈することを示す。３Ω・ｃｍよりもわずかに大きい電気抵抗率の最小値は、３５ｓｃｃｍおよび３６ｓｃｃｍＤＣＳで生じる。実施例１の場合のように、この膜を、堆積プロセスの間にもそのプロセスの後にも意図的にドーピングしていない。この実施例において、ゼロに非常に近い電気抵抗率の値および残存応力は、約３５ｓｃｃｍのＤＣＳ流速で生じた。
【００３９】
本発明は、実施形態の上記の記載により図示され、そしてそれらの実施形態はいくらか詳細に記載されてきたが、本発明の範囲をそのような詳細に制限するすることまたはいかなる方法でも限定することは出願人の意図ではない。代替の前駆体の使用、または代替の膜の堆積のような、さらなる利点および改変は、当業者に容易に浮かぶ。それゆえに、その幅広い局面における本発明は、特定の詳細、代表的な装置および方法、ならびに示されかつ記載された例示の実施例に限定されない。従って、出願人らの一般的な概念または発明の概念の趣旨または範囲から逸脱することなく、このような詳細からの逸脱がなされ得る。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明において使用される装置の概略図である。
【図２】図２は、本発明において使用される装置の別の実施形態の概略図である。
【図３】図３は、本発明の１つの実施形態についての残存応力対圧力のグラフである。
【図４】図４（ａ）は、本発明の１つの実施形態に従って作製された膜からの炭化ケイ素片持ち梁のＳＥＭ顕微鏡写真である。図４（ｂ）は、本発明の１つの実施形態に従って作製された膜からの炭化ケイ素片持ち梁の別のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図５】図５は、本発明の１つの実施形態についての電気抵抗率対堆積圧力のグラフである。
【図６】図６は、本発明の１つの実施形態についての残存応力対ジクロロシラン流速のグラフである。
【図７】図７は、本発明の１つの実施形態に従って作製された膜からの炭化ケイ素片持ち梁のＳＥＭ顕微鏡写真である。
【図８】図８は、本発明の１つの実施形態についての電気抵抗率対ジクロロシラン流速のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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