JP2000195799A - 半導体処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、複数のウエハをほぼ水平かつ平行に
保持して成膜処理する際に、壁の材質とその表面粗さに
よって成膜速度が変化する場合でもウエハ間、製造過程
で生ずる素子不良の抑制を可能にすることにある。 【解決手段】複数の基板をほぼ水平かつ平行に保持する
と共に、各々の基板の上部に互いに同一の材質からな
り、ほぼ同一な表面粗さを有する平らな壁面を基板と平
行で下向きに配置して成膜することにより、均一性を向
上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造方法に関
わり、特に半導体基板表面に各種の膜を形成する気相成
長，Ｅｐｉ成長，不純物ドーピングなどの処理方法に関
わる。

【０００２】

【従来の技術】以下、従来技術を図を用いて説明する。
図６は本発明者らが開発したＣＶＤ装置の反応室を上方
から見た平面断面図、図７は同じ反応室を側方から見た
断面図、図８は図７の中央部を拡大した図である。

【０００３】この反応室は、軸線をほぼ水平にして配置
され両端が開放された扁平な反応管２と、該反応管２の
内の中央部にほぼ水平に上下二段に配置された矩形の支
持板８ａ，８ｂと、該反応管２の上下に反応管２を挟ん
で対向して配置された平板状のヒータ１と、前記反応管
２の両端に結合されたフランジ９ａ，９ｂと、該フラン
ジ９ａ，９ｂの肉厚内に前記反応管２の軸線と垂直方向
にかつ中心から上方に向かって形成されたガス供給口４
ａ，４ｂと、同じくフランジ９ａ，９ｂの中心から下方
に向かって形成された排気口５ａ，５ｂと、前記ヒータ
１の外側に設けられた断熱材７と、前記フランジ９ａ，
９ｂの外側に結合され該フランジ９ａ，９ｂの中心開口
に当面するゲートバルブ１０ａ，１０ｂとを含んで構成
されている。

【０００４】反応管２内に設けた支持板台２１には支持
板保持ピン２２が支持板８ａ，８ｂの四隅の位置に設け
られており、支持板８ａ，８ｂはこの支持板保持ピン２
２によって所定の間隔を保つように保持されている。支
持板８ａ，８ｂの中心にはウエハ３とほぼ同形状，同寸
法の開口８４を設けてあり、この開口８４に沿って設け
た支持ピン８２ａ，８２ｂの上に（ウエハ３の表面と支
持板８の表面が同一平面に位置するように）ウエハ３を
保持する。このように支持板８ａ，８ｂに各々一枚のウ
エハ３を載置し、二枚のウエハ３を同時に処理する。

【０００５】ウエハ３は以下のような手順で処理する。
最初に、ウエハ３を反応管２内部の所定の位置に搬送す
る。具体的には、ウエハ３を一方のゲートバルブ１０ａ
を開けてフォーク１１に載せて反応管２の内部に挿入
し、フォーク１１から支持板８ａ，８ｂにウエハ３を移
し換え（このため、支持板８ａ，８ｂはフォーク１１の
動作範囲を切り欠いてある。）、フォーク１１を反応室
２の外に取り出し、ゲートバルブ１０ａを閉じるという
手順で行われる。

【０００６】次に、所定時間ウエハ３を加熱し温度を安
定させた後（ヒータ１は常に通電され高温状態を保って
おり、ウエハ３は搬送中もヒータ１で加熱される。）、
ガス供給口４ａ，４ｂのいずれかからガスを供給しなが
ら、且つ排気口５ａ，５ｂのいずれか（ガスが供給され
る側とウエハ３を挟んで反対側）から排気して、ウエハ
３の表面に膜を堆積させたり、不純物をドーピングさせ
たりといった処理を行う。この際、ガスはウエハ３の表
面にほぼ平行に流れるが、ウエハ３への成膜中にガスの
流れを切替えることにより、常に片側からガスを流すよ
りも、さらに均一な処理が可能になる。図中の黒ならび
に白い矢印は、このようなガスの切替えを模式的に示し
たものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記Ｃ
ＶＤ装置を用いて種々の膜の成膜を試みた。その結果、
上段，下段ウエハの成膜速度に違いが生ずる原因は大き
く分けて二つあることを見出した。

【０００８】第一の原因は、図８に示すように上下の支
持板８ａ，８ｂならびにウエハ３ａ，３ｂの上面から対
面する壁までの距離（以下、空間距離と言う。）が異な
ることである。一般にＣＶＤでは、原料ガスが気相で反
応し、生成された中間体が成膜に大きな寄与をするた
め、気相反応が起こる空間体積が大きければ成膜速度は
速く、逆に空間体積が小さければ成膜速度は遅い。この
ため、図８に示した下段ウエハ３ｂの成膜速度は、中心
で速く周辺で遅い凸状分布となる。本発明者らは、この
原因に関する詳細な説明と、その解決手段として上段と
下段の空間距離を同一にする方法を特開平9−162130 号
公報で開示した。

【０００９】これに続いてさらに検討を進めた結果、上
記の改善を行っても十分な効果が得られない場合がある
ことがわかった。図９に、このような場合の典型的な成
膜速度分布を示す。横軸にウエハ中心からの距離を、縦
軸に成膜速度（平均成膜速度で無次元化）をとり、各々
ウエハ中心を通りガスの流れに平行な方向Ｂ−Ｆおよび
直角な方向Ｌ−Ｒの分布をプロットしたグラフである。
成膜の途中でガスの流れる方向を切替えており、Ｌ−Ｒ
方向だけでなくＢ−Ｆ方向にも成膜速度はほぼ対称にな
っている。特開平9−162130 号公報に示した改良を加
え、空間距離の違いは全ての位置で少なくとも１〜２％
以下に抑えてある。そのような改善にも関わらず、上段
に比べて下段ウエハ３ｂの成膜速度が早く、下段ウエハ
３ｂも凸状の成膜速度分布になっている。

【００１０】この結果から、上段と下段のウエハ３ａ，
３ｂに対面する壁（上段ウエハ３ａ：反応管２上側内
壁、下段ウエハ３ｂ：上段ウエハ３ａ裏面）が異なって
いる点に着目してさらに検討を加えたところ、ウエハ３
に対面する壁の材質とその表面粗さによってウエハ３へ
の成膜速度が変化することが確認された。

【００１１】すなわち、壁の材質とその表面粗さによっ
てガス消費量が異なるため、その結果として気相中のガ
ス濃度ひいてはウエハへの成膜速度が変化するというメ
カニズムである。特に壁の材質によって成膜速度が変化
する膜では、この第二の原因による上段と下段のウエハ
３ａ，３ｂの膜厚バラツキやウエハ３ａ，３ｂ面内の膜
厚バラツキが顕著に現れ、ウエハ３に対面する壁との間
隔を上下で同一にするだけではバラツキを抑えることは
困難であった。

【００１２】本発明の目的は、このように壁の材質とそ
の表面粗さによって成膜速度が変化する膜においても
（材質によって成膜速度が変化する膜は通常選択成長性
を有するなどと呼ばれる。）、上下段のウエハ間ならび
にウエハ面内の成膜速度のバラツキを低減し、製造過程
で生ずる素子不良の抑制が可能な処理方法を提供するこ
とにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するに
は、各々のウエハの上部に互いに同一の材質からなり、
ほぼ同一な表面粗さを有する平らな壁面をウエハと平行
で下向きに配置し、ウエハと前記壁面の間にガスを流し
ながらウエハを処理すれば良い。ウエハの上部に平らな
壁面をウエハと平行で下向きに配置するという点では、
本発明者らが特開平10−173023号公報に開示した仕切り
板で反応管を上下に二分割する構造がある。ただし、こ
れはウエハ搬送の際に発生した塵挨が下段のウエハに付
着するのを防止するためのもので、各壁面を同一材質で
構成する点、表面粗さをほぼ同一にする点について考慮
していなかった。なお、ここで言う材質とは必ずしも壁
そのものの材質を意味するものではない。壁面になんら
かの膜をコーティングすることによって、実質的に同一
材質、ほぼ同一の表面粗さと見なせるならば膜厚バラツ
キの低減に関して同様の効果が得られることは言うまで
もない。また、壁面は同一の材質にすることが望ましい
が、実質的に膜の堆積速度がほぼ同一であれば同様の効
果が得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図を用い
て説明する。図１は第一の実施例のＣＶＤ装置の反応室
を側方から見た断面図である。また、図２は図１の中央
部の拡大図である。なお、図６，図７で説明した従来技
術と同一構造，同一作用を持つ部材についての説明は割
愛する。

【００１５】図１に示すように、反応管２は仕切り板６
１によって上下の空間６２ならびに６３の高さがほぼ同
一になるように垂直方向に二分割されている。反応管２
の上側内壁が上段ウエハ３ａの上面に向かい合った位置
に、仕切り板６１の下面が下段ウエハ３ｂの上面と平行
に向かい合った位置に配置されている。仕切り板６１は
各辺が少なくともウエハ３の直径より大きい矩形が望ま
しく、反応管２の内面側壁への溶接、あるいは支持板８
ａ，８ｂと同様の方法で保持される。ただし、本発明の
主旨は仕切り板６１の形状，保持方法を特定することに
あるのでないことは言うまでもない。

【００１６】図２に示すように、上段支持板８ａは仕切
り板６１の上に、下段の支持板８ｂは反応管２の下側内
壁に、上段支持板８ａと下段支持板８ｂ上部の空間距離
ｈａ，ｈｂがほぼ等しくなるように設置する。ウエハ３
ａ，３ｂは支持板８ａ，８ｂの上にウエハ３ａ，３ｂの
上面と支持板８ａ，８ｂの上面がほぼ同一平面内に位置
するように保持する。仕切り板６１の上下の空間６２な
らびに６３の高さがほぼ同一であるので、供給したガス
は両空間６２，６３にほぼ等分に分配される。

【００１７】そして、上段ウエハ３ａと反応管２の上側
内壁の間、下段ウエハ３ｂと仕切り板６１の下面の間を
流れる間に反応して膜を堆積させた後、排気口５ａある
いは５ｂから排気される。仕切り板６１の材質は必ずし
も反応管２と同一である必要はないが、同じ材質（例え
ば石英など）とすれば製作や取り扱いが容易であるし、
さらに以下の（手順１）に説明するような利点がある。

【００１８】それでは、成膜手順を説明する。ウエハ３
ａ，３ｂを反応管２内に搬入，搬出する手順は従来技術
のところで述べたとおりである。

【００１９】（手順１）反応管２内に原料ガスを流し、
反応管２の内壁，仕切り板６１，支持板８の表面に所定
の厚さの膜を堆積（コーティング）する。コーティング
膜の厚さは通常１０ｎｍ程度から数μｍ程度が良い。コ
ーティングすることによって、反応管２の内壁，仕切り
板６１，支持板８の表面の材質ならびに粗さをほぼ同一
にすることができる。

【００２０】上述のように反応管２と仕切り板６１を同
じ材質とした場合にはコーティングを行わなくても上段
ウエハ３ａと下段ウエハ３ｂに対面する壁の材質は同じ
であり、また、表面粗さも同一であるから、上段ウエハ
３ａと下段ウエハ３ｂの成膜速度を容易に同一とするこ
とができる。

【００２１】しかし、反応管２，仕切り板６１，支持板
８への膜の堆積に伴って成膜速度が徐々に変化するとい
う問題は残る。反応管２，仕切り板６１，支持板８を石
英製とした場合に、この傾向が比較的顕著に見られた膜
種があるが、コーティングを施すことにより成膜速度の
経時変化を抑え、安定した成膜が可能になる。また、コ
ーティングの際には支持板８ａ，８ｂの上にダミーウエ
ハ３′を載せて処理することが望ましい。

【００２２】それによって、反応管２の中央部へのコー
ティング膜が部分的に厚くなることを防止できる。ダミ
ーウエハ３′は、ウエハ３とほぼ同じ円板状で、シリコ
ン，石英，ＳｉＣなどの耐熱性を有し、反応管２内を汚
染しない材質を選べば良い。ただし、反応管２，仕切り
板６１，支持板８，ダミーウエハ３′を全て同一の材質
にすれば、より均一な厚さのコーティングが可能にな
る。

【００２３】（手順２）処理対象のウエハ３を反応管２
の中に導入し、所定の条件で膜を堆積させる。通常この
成膜工程は一回〜数十回あるいは数百回繰り返す。

【００２４】（手順３）反応管２，仕切り板６１，支持
板８に堆積した膜が所定の厚さに達した時点で、堆積膜
を除去する。膜の除去を行う累積膜厚は膜の剥がれが発
生する臨界膜厚から決定するが、通常、数百ｎｍ〜数十
μｍ程度である。膜の除去には、反応性ガスを用いる方
法や酸溶液中で洗浄する方法を用いる。しかる後に、
（手順１）に戻り、これを順次繰り返してウエハ３に成
膜を行う。

【００２５】以上説明した装置構造と処理手順を用いれ
ば、上段ウエハ３ａと下段ウエハ３ｂの成膜速度を概略
一致させることができるが、ウエハ３ａ，３ｂ面内の成
膜速度分布にはさらに改善の余地がある。上記（手順
１）により支持板８ａ，８ｂには成膜前に膜が堆積して
いるのに対し、当然のことながらウエハ３ａ，３ｂには
成膜前には膜は堆積してない。したがって、ウエハ３
ａ，３ｂの周辺部と中央部で支持板８ａ，８ｂへの堆積
によるガス消費量が異なり成膜速度が変化する。

【００２６】図３は本発明の第二の実施例を示すＣＶＤ
装置の反応室を側方から見た断面中央部の拡大図である
が（第一の実施例の図２に対応）、上記の問題を解決す
る方法をこの図を用いて説明する。第一の実施例との相
違点は、ウエハ３ａ，３ｂの上面が支持板８ａ，８ｂの
上面より少し上に位置するようにウエハ３ａ，３ｂを支
持板８ａ，８ｂ上に保持する点である。

【００２７】このようにすれば、ウエハ３ａ，３ｂ周辺
部での成膜速度低下を補うことができ、結果的に均一な
成膜速度分布が得られる。また、図４，図５に示すよう
に支持板８ａ，８ｂの上面を開口８４の少し外側から開
口８４に向けて徐々に持ち上がるようなテーパ面８３が
形成さた支持板８ａ，８ｂを用いても良い。

【００２８】以上、ウエハ３ａ，３ｂに膜を堆積させる
場合について説明したが、ウエハ表面に不純物を拡散す
る工程、あるいは、ＳｉＨ₄ やＳｉＨ₂Ｃｌ₂などの成膜
ガスとＰＨ３やＢ₂Ｈ₆などのドーピングガスを用いて成
膜と同時に不純物ドーピングを行うＣＶＤ，Ｅｐｉなど
の工程においても、同様の処理方法を用いることにより
均一な処理が可能になる。

【００２９】

【発明の効果】本発明に示した処理方法を用いれば、壁
の材質とその表面粗さによって成膜速度が変化する場合
でもウエハ間ならびに各ウエハ面内の成膜速度のバラツ
キを低減し、製造過程で生ずる素子不良の抑制が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す枚葉ＣＶＤ装置の
反応室を側方から見た断面図。

【図２】図１の中央部の拡大図。

【図３】本発明の第二の実施例のＣＶＤ装置の反応室を
側方から見た断面中央部の拡大図。

【図４】本発明の第三の実施例のＣＶＤ装置の反応室を
側方から見た断面中央部の拡大図。

【図５】本発明の第三の実施例のＣＶＤ装置の支持板を
上方から見た図。

【図６】本発明者らが開発した従来のＣＶＤ装置の反応
室を上方から見た平面断面図。

【図７】本発明者らが開発した従来のＣＶＤ装置の反応
室を側方から見た平面断面図。

【図８】図７の中央部を拡大した図。

【図９】従来方法で成膜した場合の典型的な成膜速度分
布を示す特性図。

【符号の説明】

１…ヒータ、２…反応管、３，３ａ，３ｂ…ウエハ、４
ａ，４ｂ…ガス供給口、５ａ，５ｂ…排気口、７…断熱
材、８ａ，８ｂ…支持板、９ａ，９ｂ…フランジ、１０
ａ，１０ｂ…ゲートバルブ、１１…フォーク、２１…支
持板台、２２…支持板保持ピン、６１…仕切り板、６２
…上空間、６３…下空間、８２ａ，82ｂ…支持ピン、８
３…テーパ面、８４…開口。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 智 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 (72)発明者 境 正憲 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 (72)発明者 田上 悟 東京都中野区東中野三丁目14番20号 国際 電気株式会社内 Ｆターム(参考） 4M104 DD44 HH20 5F045 BB03 DP11 DP13 EB02 EB03

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温炉内部で大気雰囲気から隔離された反
   応室内に複数の基板をほぼ水平かつ平行に保持すると共
   に、各々の基板の上部に互いに同一の材質からなる平ら
   な壁面を基板と平行で下向きに配置し、基板と前記壁面
   の間にガスを流しながら基板の処理を行う半導体処理方
   法。