JP2002525841A - 低圧における高速シリコン堆積法 - Google Patents
低圧における高速シリコン堆積法Info
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Abstract
(57)【要約】
低圧における高速シリコン堆積方法であって、高度の温度およびガス流の均一性を有するＣＶＤリアクタ（５６）を運転する方法を含み、ウェーハ温度、ガス流および室圧の組み合わせを提供する運転方法である。この方法に従うと、基板（６０）を真空室に置き、反応物ガスを、温度制御している複数のガス注入器（６４）によって基板と並行に高速で供給し、堆積速度が未反応ガスの基板表面への配送速度と反応副生物の除去速度のみによって制限される条件を提供する。プロセス条件の組み合わせによって、ウェーハ表面における反応を堆積速度が結晶化速度を上回る状況に移し、非常に小さい結晶成長、したがって、表面粗さが２５００Å厚のフィルムに対して概略５ｎｍ〜７ｎｍの非常に平滑なポリシリコン・フィルムをもたらす。
Description
【０００１】 （発明の背景） （発明の分野） 本発明は、一般的には、ドープしてないシリコンとドープしてあるシリコンの
気相成長（ＣＶＤ）の方法に関し、より詳細には、低圧における高速の堆積でフ
ィルム特性の改良を達成する、流速、温度、圧力の新規な組み合わせを採用する
ドープしてないシリコンとドープしてあるシリコンのＣＶＤの方法に関する。
気相成長（ＣＶＤ）の方法に関し、より詳細には、低圧における高速の堆積でフ
ィルム特性の改良を達成する、流速、温度、圧力の新規な組み合わせを採用する
ドープしてないシリコンとドープしてあるシリコンのＣＶＤの方法に関する。
【０００２】 （従来技術の簡単な説明） 無定形シリコン、多結晶質シリコンおよびエピタキシ・シリコンは半導体装置
の製造において使用され、気相成長法によって基板（すなわちウェーハ）に堆積
する。そのような作業は様々な市販のホット・ウォール・リアクタおよびコール
ド・ウォール・リアクタ内で行われる。堆積は、基板を真空室に置き、その基板
を加熱し、そしてシランまたはジシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素その他
類似の前駆物質のいずれかをその他のガスと共にまたはその他のガス無しで導入
して達成される。低圧法（１Ｔｏｒｒ未満）では、分当たり約３０オングストロ
ーム〜２００オングストロームの堆積速度が達成されることが、「Ｐｏｌｙｃｒ
ｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒ
ｃｕｉｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（２９頁、Ｔ．Ｋａｍｉｎｓ著、Ｋｌｕ
ｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、１９８８年版）に記載され
ている。また、高圧（２５〜３５０Ｔｏｒｒ）の方法で利用可能なものがいくつ
かあり、米国特許第５５７６０５９号、米国特許第５６０７７２４号、米国特許
第５６１４２５７号に詳細に記載されているように、分当たり約３，０００オン
グストロームまでの堆積速度を達成できる。
の製造において使用され、気相成長法によって基板（すなわちウェーハ）に堆積
する。そのような作業は様々な市販のホット・ウォール・リアクタおよびコール
ド・ウォール・リアクタ内で行われる。堆積は、基板を真空室に置き、その基板
を加熱し、そしてシランまたはジシラン、ジクロロシラン、四塩化ケイ素その他
類似の前駆物質のいずれかをその他のガスと共にまたはその他のガス無しで導入
して達成される。低圧法（１Ｔｏｒｒ未満）では、分当たり約３０オングストロ
ーム〜２００オングストロームの堆積速度が達成されることが、「Ｐｏｌｙｃｒ
ｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒ
ｃｕｉｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（２９頁、Ｔ．Ｋａｍｉｎｓ著、Ｋｌｕ
ｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、１９８８年版）に記載され
ている。また、高圧（２５〜３５０Ｔｏｒｒ）の方法で利用可能なものがいくつ
かあり、米国特許第５５７６０５９号、米国特許第５６０７７２４号、米国特許
第５６１４２５７号に詳細に記載されているように、分当たり約３，０００オン
グストロームまでの堆積速度を達成できる。
【０００３】 標準的従来技術である垂直炉低圧気相成長法（ＬＰＣＶＤ）システムは、図１
に描いてあるが、複数の基板１６を運ぶためのボート１４を中に差し込んである
石英管１０と室シール板１２を備えた室を有する。シランまたはその他類似の前
駆物質および水素等キャリヤ・ガスおよびホスフィン等ドーパント・ガスは室シ
ール板１２を通ってガス引き入れ管（複数の管のこともある）２０からガス注入
管（複数の管のこともある）１８に入る。ガスは作業室からシール板１２を通っ
て排気口２４の外に出る。ガスがガス注入管１８から室の排気口２４まで流れる
とき、よく知られたフィード・ガス濃度の減少を補償するために、複数の熱源２
６が別々に制御し調節することができる。このタイプの堆積システムでは一般に
２００ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒの範囲（２００×１０-3Ｔｏｒｒ〜５００
×１０-3Ｔｏｒｒ）で運転する。シランまたはその他類似の前駆物質のこの低い
分圧での運転では、一般に純粋のシリコンで分当たり３０オングストローム〜２
００オングストローム、ドーパント・ガスを導入する場合は５オングストローム
〜３０オングストロームという低い堆積速度となる。反応物ガス濃度をもっと高
くした運転では、基板を横切る不均一な堆積と基板間の堆積速度に大きな違いを
もたらす。流速を増加すると高圧における堆積均一性を改良することができるが
、ガス流量の増加によって注入管の穴のところで反応性ガスが圧力を増加しガス
相の核生成をひき起こし、その結果粒子が基板上に堆積する。このリアクタと関
連するその他の問題として、石英管１０の内側とガス注入管１８の内側へのフィ
ルムの堆積が挙げられる。この好ましくない堆積は基板１６の表面近くで反応性
フィード・ガス濃度の分圧を低下させて堆積速度を減少させ、管１０および注入
管１８の壁に堆積したフィルムがフレークになって剥がれ基板１６に付着して起
こる汚染の可能性をもたらす。最後に、この型のリアクタの入り口から出口に行
く反応性化学種の浪費を埋め合わせるため、基板のロード・ゾーン間の温度勾配
を定め、均一な堆積速度の形を与える。しかしながら、これは別の問題を生み出
す。なぜなら、ポリシリコン堆積の場合、粒子の大きさは温度に依存するので、
この温度勾配によりポリシリコン粒子の大きさがロード・ゾーン中で変化するか
らである。複数の基板の中で粒子の大きさが基板によってこのように変化するこ
とは、ポリシリコンのその後のパタニングで問題を起こしたり、集積回路の電気
性能を変化させることになり得る。
に描いてあるが、複数の基板１６を運ぶためのボート１４を中に差し込んである
石英管１０と室シール板１２を備えた室を有する。シランまたはその他類似の前
駆物質および水素等キャリヤ・ガスおよびホスフィン等ドーパント・ガスは室シ
ール板１２を通ってガス引き入れ管（複数の管のこともある）２０からガス注入
管（複数の管のこともある）１８に入る。ガスは作業室からシール板１２を通っ
て排気口２４の外に出る。ガスがガス注入管１８から室の排気口２４まで流れる
とき、よく知られたフィード・ガス濃度の減少を補償するために、複数の熱源２
６が別々に制御し調節することができる。このタイプの堆積システムでは一般に
２００ｍＴｏｒｒ〜５００ｍＴｏｒｒの範囲（２００×１０-3Ｔｏｒｒ〜５００
×１０-3Ｔｏｒｒ）で運転する。シランまたはその他類似の前駆物質のこの低い
分圧での運転では、一般に純粋のシリコンで分当たり３０オングストローム〜２
００オングストローム、ドーパント・ガスを導入する場合は５オングストローム
〜３０オングストロームという低い堆積速度となる。反応物ガス濃度をもっと高
くした運転では、基板を横切る不均一な堆積と基板間の堆積速度に大きな違いを
もたらす。流速を増加すると高圧における堆積均一性を改良することができるが
、ガス流量の増加によって注入管の穴のところで反応性ガスが圧力を増加しガス
相の核生成をひき起こし、その結果粒子が基板上に堆積する。このリアクタと関
連するその他の問題として、石英管１０の内側とガス注入管１８の内側へのフィ
ルムの堆積が挙げられる。この好ましくない堆積は基板１６の表面近くで反応性
フィード・ガス濃度の分圧を低下させて堆積速度を減少させ、管１０および注入
管１８の壁に堆積したフィルムがフレークになって剥がれ基板１６に付着して起
こる汚染の可能性をもたらす。最後に、この型のリアクタの入り口から出口に行
く反応性化学種の浪費を埋め合わせるため、基板のロード・ゾーン間の温度勾配
を定め、均一な堆積速度の形を与える。しかしながら、これは別の問題を生み出
す。なぜなら、ポリシリコン堆積の場合、粒子の大きさは温度に依存するので、
この温度勾配によりポリシリコン粒子の大きさがロード・ゾーン中で変化するか
らである。複数の基板の中で粒子の大きさが基板によってこのように変化するこ
とは、ポリシリコンのその後のパタニングで問題を起こしたり、集積回路の電気
性能を変化させることになり得る。
【０００４】 もう１つの従来技術によるリアクタが図２に示されており、米国特許第５１０
８７９２号に詳細が記載されている。回転する基板の担体３０の上に基板２８を
置き、上の石英ドーム３２と下の石英ドーム３４および付随する室の壁３６を有
するしっかり真空にできる室に閉じ込める。基板２８を上のランプ３８と下のラ
ンプ４０によって加熱する。反応物ガスをガス導入管４２から注入し、排気管４
４から排気する。このリアクタは図１の垂直炉リアクタにおける限界のいくつか
に打ち勝つ。このリアクタは垂直のＬＰＣＶＤより高圧で操作することができ、
注入管およびそれと関連する問題を持たない。このリアクタの構造並びに高圧（
一般に１０Ｔｏｒｒより高い）における高速の堆積については、米国特許第５５
７６０５９号、米国特許第５６０７７２４号、米国特許第５６１４２５７号に説
明されている。
８７９２号に詳細が記載されている。回転する基板の担体３０の上に基板２８を
置き、上の石英ドーム３２と下の石英ドーム３４および付随する室の壁３６を有
するしっかり真空にできる室に閉じ込める。基板２８を上のランプ３８と下のラ
ンプ４０によって加熱する。反応物ガスをガス導入管４２から注入し、排気管４
４から排気する。このリアクタは図１の垂直炉リアクタにおける限界のいくつか
に打ち勝つ。このリアクタは垂直のＬＰＣＶＤより高圧で操作することができ、
注入管およびそれと関連する問題を持たない。このリアクタの構造並びに高圧（
一般に１０Ｔｏｒｒより高い）における高速の堆積については、米国特許第５５
７６０５９号、米国特許第５６０７７２４号、米国特許第５６１４２５７号に説
明されている。
【０００５】 堆積速度の増加は、機械の生産性を高め、さらに重要なことには、基板が高温
、すなわち、＞６００℃、に曝される時間を減少させる。高温時間の減少は、半
導体装置の組み立てで装置の大きさが小さくなるにしたがって重要となる。高め
られた温度、すなわち、＞６００℃、は、多少でも時間が引き延ばされると、半
導体装置構造の好ましくない変化の原因となる。従来技術の高圧法の不利な点は
、高圧での運転がウェーハ上の粒子汚染をもたらすガス相反応の原因となり得る
ことである。
、すなわち、＞６００℃、に曝される時間を減少させる。高温時間の減少は、半
導体装置の組み立てで装置の大きさが小さくなるにしたがって重要となる。高め
られた温度、すなわち、＞６００℃、は、多少でも時間が引き延ばされると、半
導体装置構造の好ましくない変化の原因となる。従来技術の高圧法の不利な点は
、高圧での運転がウェーハ上の粒子汚染をもたらすガス相反応の原因となり得る
ことである。
【０００６】 Ｂｒｏｒｓ他による米国特許第５５５１９８５号には、ウェーハの加熱におけ
る改良された均一性およびウェーハ表面全体の高度に均一なガス流を提供するＣ
ＶＤリアクタが記載されている。米国特許出願一連番号０８／９０９，４６１（
１９９７年８月１１日出願）、米国特許出願一連番号０９／２２８，８３５（１
９９９年１月１２日出願）、米国特許出願一連番号０９／２２８，８４０（１９
９９年１月１２日出願）は、その開示を本明細書に組み込むが、ウェーハ室につ
いて記載しており、関係ある方法がそこでも使用される。
る改良された均一性およびウェーハ表面全体の高度に均一なガス流を提供するＣ
ＶＤリアクタが記載されている。米国特許出願一連番号０８／９０９，４６１（
１９９７年８月１１日出願）、米国特許出願一連番号０９／２２８，８３５（１
９９９年１月１２日出願）、米国特許出願一連番号０９／２２８，８４０（１９
９９年１月１２日出願）は、その開示を本明細書に組み込むが、ウェーハ室につ
いて記載しており、関係ある方法がそこでも使用される。
【０００７】 （発明の概要） シリコンの均一な堆積におけるさらなる改良を提供するＣＶＤリアクタの運転
方法を提供することが本発明の１つの目的である。
方法を提供することが本発明の１つの目的である。
【０００８】 シリコン堆積の速度と均一性を最適化するＣＶＤリアクタの運転方法を提供す
ることが本発明のさらなる目的である。
ることが本発明のさらなる目的である。
【０００９】 作業間で高い度合いの堆積均一性をもたらすＣＶＤリアクタの運転方法を提供
することが本発明のなおさらなる目的である。
することが本発明のなおさらなる目的である。
【００１０】 簡潔にいえば、本発明の好ましい実施形態としては、高度の温度とガス流の均
一性を有するＣＶＤリアクタを運転する方法、つまり、ウェーハ温度、ガス流、
室圧の新規な組み合わせを提供する運転の方法が挙げられる。その方法に従えば
、ウェーハを真空室に置き、その中で、反応物ガス流を、堆積速度が未反応ガス
のウェーハ表面への放出速度および反応副生物の除去の速さによってのみ制限さ
れるようにする速度を選択して、複数の温度制御しているガス注入器によって、
ウェーハと並行の方向に向ける。このプロセス条件の新規な組み合わせは、ウェ
ーハ表面における反応を堆積速度が結晶化速度を超える状況のところに移して、
非常に小さい結晶成長、したがって、２５００オングストローム厚のフィルムに
対しておよそ５ｎｍ〜７ｎｍの表面粗さを有する非常に滑らかなポリシリコン・
フィルムをもたらす。この方法は「遷移」温度として知られる温度以下で運転す
るように設定し、その水準では、各フィルム層は無定形状態で堆積し、次いで堆
積が進行するにつれて、多結晶質構造のエネルギーが低いために、結晶化がおこ
る。その結果、シリコン・フィルムは堆積物質とウェーハ表面間の界面近くが結
晶性となり、堆積物質の表面上部付近は無定形となって、従来技術の市販の装置
で達成できるものよりはるかに平滑な表面をもたらす。
一性を有するＣＶＤリアクタを運転する方法、つまり、ウェーハ温度、ガス流、
室圧の新規な組み合わせを提供する運転の方法が挙げられる。その方法に従えば
、ウェーハを真空室に置き、その中で、反応物ガス流を、堆積速度が未反応ガス
のウェーハ表面への放出速度および反応副生物の除去の速さによってのみ制限さ
れるようにする速度を選択して、複数の温度制御しているガス注入器によって、
ウェーハと並行の方向に向ける。このプロセス条件の新規な組み合わせは、ウェ
ーハ表面における反応を堆積速度が結晶化速度を超える状況のところに移して、
非常に小さい結晶成長、したがって、２５００オングストローム厚のフィルムに
対しておよそ５ｎｍ〜７ｎｍの表面粗さを有する非常に滑らかなポリシリコン・
フィルムをもたらす。この方法は「遷移」温度として知られる温度以下で運転す
るように設定し、その水準では、各フィルム層は無定形状態で堆積し、次いで堆
積が進行するにつれて、多結晶質構造のエネルギーが低いために、結晶化がおこ
る。その結果、シリコン・フィルムは堆積物質とウェーハ表面間の界面近くが結
晶性となり、堆積物質の表面上部付近は無定形となって、従来技術の市販の装置
で達成できるものよりはるかに平滑な表面をもたらす。
【００１１】 本発明の１つの利点は、より平滑な堆積フィルム表面をもたらすことである。
【００１２】 本発明のさらなる利点は、フィルム堆積のバッチ間均一性の改良をもたらす方
法を提供することである。
法を提供することである。
【００１３】 本発明のなおさらなる利点は、改良されたフィルム平滑性と改良されたバッチ
間再現性を有する高速のシリコン堆積をもたらす方法を提供することである。
間再現性を有する高速のシリコン堆積をもたらす方法を提供することである。
【００１４】 （好ましい実施形態の詳細な説明） 本発明の方法をここで図３のフロー・チャートと関連しながら説明する。工程
は、ポリシリコンおよび／または無定形シリコンの堆積のために、ウェーハを堆
積室内の担体上に置く（４６）ことから始まる。担体を回転させ（４８）、加熱
する（５０）。４８と５０の段階の順序は重要ではなく、その中で回転について
はシリコン堆積の均一性を促進することを目的とするものであって、反応物ガス
の注入前の何時開始してもよく、そのまま堆積中は持続する。ウェーハは、好ま
しくは、上、下、およびウェーハの縁の周りの熱源で、できるだけ均一に加熱す
る。ウェーハを加熱する温度は、好ましくは、「遷移」温度として知られる温度
より下で、シリコン堆積の好ましい温度範囲は５００℃〜７００℃である。遷移
温度については本明細書の以下の本文中でより十分に述べる。
は、ポリシリコンおよび／または無定形シリコンの堆積のために、ウェーハを堆
積室内の担体上に置く（４６）ことから始まる。担体を回転させ（４８）、加熱
する（５０）。４８と５０の段階の順序は重要ではなく、その中で回転について
はシリコン堆積の均一性を促進することを目的とするものであって、反応物ガス
の注入前の何時開始してもよく、そのまま堆積中は持続する。ウェーハは、好ま
しくは、上、下、およびウェーハの縁の周りの熱源で、できるだけ均一に加熱す
る。ウェーハを加熱する温度は、好ましくは、「遷移」温度として知られる温度
より下で、シリコン堆積の好ましい温度範囲は５００℃〜７００℃である。遷移
温度については本明細書の以下の本文中でより十分に述べる。
【００１５】 ウェーハが所望の温度になったら、シリコン堆積のためのプロセス・ガスの注
入を開始する（５２）。室内のガス圧は３Ｔｏｒｒ未満の、いや好ましくは、１
Ｔｏｒｒ未満の圧力を選んで維持し、このガスを、好ましくは、注入口がウェー
ハの縁にきわめて接近してつけてある複数の冷却した注入ノズルを通して、流れ
がウェーハ表面と並行に接近して向くようにノズルを方向づけ、注入する。ガス
は１０ｃｍ／秒を超える、好ましくは、少なくとも５０ｃｍ／秒〜１００ｃｍ／
秒の速度で、ウェーハ表面から最大でウェーハの上０．５インチ（約１．２７ｃ
ｍ）〜１．５インチ（約３．８１ｃｍ）までの空間領域に閉じ込めた狭い空間内
でウェーハ表面を横切って流れるように制御する。この利点と理由については以
下十分に説明する。ガスの速度は、ガスの滞留時間を５００ミリ秒未満、好まし
くは、２００ミリ秒未満に減少させるのに十分でなければならない。堆積の後、
ガスを切って室から排出し、回転を止め、ウェーハを取り除く（５４）。
入を開始する（５２）。室内のガス圧は３Ｔｏｒｒ未満の、いや好ましくは、１
Ｔｏｒｒ未満の圧力を選んで維持し、このガスを、好ましくは、注入口がウェー
ハの縁にきわめて接近してつけてある複数の冷却した注入ノズルを通して、流れ
がウェーハ表面と並行に接近して向くようにノズルを方向づけ、注入する。ガス
は１０ｃｍ／秒を超える、好ましくは、少なくとも５０ｃｍ／秒〜１００ｃｍ／
秒の速度で、ウェーハ表面から最大でウェーハの上０．５インチ（約１．２７ｃ
ｍ）〜１．５インチ（約３．８１ｃｍ）までの空間領域に閉じ込めた狭い空間内
でウェーハ表面を横切って流れるように制御する。この利点と理由については以
下十分に説明する。ガスの速度は、ガスの滞留時間を５００ミリ秒未満、好まし
くは、２００ミリ秒未満に減少させるのに十分でなければならない。堆積の後、
ガスを切って室から排出し、回転を止め、ウェーハを取り除く（５４）。
【００１６】 本発明の方法で達成可能な結果は、図３と関連づけて上で説明したように、シ
リコンの堆積における主要な改良をしたことを示す。シリコン堆積またはシリコ
ン等の用語は、この開示においてはポリシリコン、無定形シリコン、およびドー
ピング物質を有するシリコンを含む一般的用語として使用している。従来技術の
項で述べたように、先行のシステムは、一般に１０Ｔｏｒｒを超える比較的高い
圧力で室を運転して高速のシリコン堆積（１，０００Å／分〜３，０００Å／分
）を達成している。そのような高い圧力において起こるシリコン堆積には、不利
な点があり、ウェーハ上に粒子の汚染を生成するガス相の反応の原因となり得る
。本発明の主要な利点は、この方法が非常に低い室圧において非常に高い堆積速
度を与え、非常に平滑で均一且つ一貫した表面をもたらすことである。本発明の
方法で、室圧が３００ｍＴｏｒｒ〜７００ｍＴｏｒｒの範囲において、３，００
０Å／分の堆積速度が達成される。フィルムの均一性は、直径２００ｍｍのシリ
コン・ウェーハの中央とそのウェーハの縁から３ｍｍの点の間で測定して、標準
的には１％である。このように性能が改良された理由を、重要なパラメータであ
る圧力、温度、ガスの流速の各々と関連づけて、ここで詳細に説明する。
リコンの堆積における主要な改良をしたことを示す。シリコン堆積またはシリコ
ン等の用語は、この開示においてはポリシリコン、無定形シリコン、およびドー
ピング物質を有するシリコンを含む一般的用語として使用している。従来技術の
項で述べたように、先行のシステムは、一般に１０Ｔｏｒｒを超える比較的高い
圧力で室を運転して高速のシリコン堆積（１，０００Å／分〜３，０００Å／分
）を達成している。そのような高い圧力において起こるシリコン堆積には、不利
な点があり、ウェーハ上に粒子の汚染を生成するガス相の反応の原因となり得る
。本発明の主要な利点は、この方法が非常に低い室圧において非常に高い堆積速
度を与え、非常に平滑で均一且つ一貫した表面をもたらすことである。本発明の
方法で、室圧が３００ｍＴｏｒｒ〜７００ｍＴｏｒｒの範囲において、３，００
０Å／分の堆積速度が達成される。フィルムの均一性は、直径２００ｍｍのシリ
コン・ウェーハの中央とそのウェーハの縁から３ｍｍの点の間で測定して、標準
的には１％である。このように性能が改良された理由を、重要なパラメータであ
る圧力、温度、ガスの流速の各々と関連づけて、ここで詳細に説明する。
【００１７】 本発明によれば、ウェーハ／基板を、真空室内の回転できる担体の上に置く。
そこで、シランおよび必要があればドーパント・ガス等、シリコン堆積用の高速
反応物ガスを、回転している加熱ウェーハに比較的密着接近して、リアクタ／室
に入れる。このガスを１０ｃｍ／秒を超える、好ましくは、５０ｃｍ／秒〜１０
０ｃｍ／秒またはそれ以上の速度でウェーハ全体に注入し、ウェーハ表面でガス
濃度を最大にするように、ウェーハ上の非常に狭い領域に閉じ込める。本方法に
従えば、反応物ガスは、好ましくは、ウェーハ表面から０．５インチ（約１．２
７ｃｍ）まで、または、ウェーハ上１．５インチ（約３．８１ｃｍ）未満まで広
がる領域に閉じ込める。ウェーハ表面を通過する高速ガス流は、ウェーハ真上の
「境界層」として知られるものを希釈する効果を有する。境界層は好ましくない
反応副生物が集まる領域である。この層は普通反応物ガスの作用速度を低下させ
、それによって堆積速度を低下させる。本発明の高速ガス流は、好ましくない副
生物を払いのけ、境界層を希釈して、所望の反応物ガスが高い割合でウェーハ表
面に到達することを可能にする。すなわち、好ましい反応物種の相対濃度のさら
なる増加と堆積フィルム中の好ましくない反応副生物の合体の減少をもたらす。
そこで、シランおよび必要があればドーパント・ガス等、シリコン堆積用の高速
反応物ガスを、回転している加熱ウェーハに比較的密着接近して、リアクタ／室
に入れる。このガスを１０ｃｍ／秒を超える、好ましくは、５０ｃｍ／秒〜１０
０ｃｍ／秒またはそれ以上の速度でウェーハ全体に注入し、ウェーハ表面でガス
濃度を最大にするように、ウェーハ上の非常に狭い領域に閉じ込める。本方法に
従えば、反応物ガスは、好ましくは、ウェーハ表面から０．５インチ（約１．２
７ｃｍ）まで、または、ウェーハ上１．５インチ（約３．８１ｃｍ）未満まで広
がる領域に閉じ込める。ウェーハ表面を通過する高速ガス流は、ウェーハ真上の
「境界層」として知られるものを希釈する効果を有する。境界層は好ましくない
反応副生物が集まる領域である。この層は普通反応物ガスの作用速度を低下させ
、それによって堆積速度を低下させる。本発明の高速ガス流は、好ましくない副
生物を払いのけ、境界層を希釈して、所望の反応物ガスが高い割合でウェーハ表
面に到達することを可能にする。すなわち、好ましい反応物種の相対濃度のさら
なる増加と堆積フィルム中の好ましくない反応副生物の合体の減少をもたらす。
【００１８】 さらに均一で平滑なフィルムを達成するには、本発明の方法に関わる要素の組
み合わせを選択する。例えば、上記の早いガス流は、約２６０ｍＴｏｒｒの室圧
および約６５０℃のプロセス温度と組み合わせると、堆積の性格が従来技術の性
格から変化する。すなわち、堆積速度が結晶化速度を上回る「遷移」温度として
知られる温度以下で反応が起きている状況に堆積を移し、著しく小さい結晶成長
の利点を提供する。その結果は、２，５００Å厚のフィルムに対して概略５ｎｍ
〜７ｎｍの表面粗さを持つ非常に平滑なポリシリコン・フィルムとなる。対照的
に、通常の従来技術の方法を用いた公称表面粗さは、Ｔ．Ｋａｍｉｎｓ著、「Ｐ
ｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ
ｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の書籍の５４頁に記されてい
るようにおよそ７０ｎｍである。
み合わせを選択する。例えば、上記の早いガス流は、約２６０ｍＴｏｒｒの室圧
および約６５０℃のプロセス温度と組み合わせると、堆積の性格が従来技術の性
格から変化する。すなわち、堆積速度が結晶化速度を上回る「遷移」温度として
知られる温度以下で反応が起きている状況に堆積を移し、著しく小さい結晶成長
の利点を提供する。その結果は、２，５００Å厚のフィルムに対して概略５ｎｍ
〜７ｎｍの表面粗さを持つ非常に平滑なポリシリコン・フィルムとなる。対照的
に、通常の従来技術の方法を用いた公称表面粗さは、Ｔ．Ｋａｍｉｎｓ著、「Ｐ
ｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ
ｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」の書籍の５４頁に記されてい
るようにおよそ７０ｎｍである。
【００１９】 「遷移」温度として知られる現象の本質と背景、および本発明の方法がどのよ
うにこの分野の仕事に寄与するかをここでさらに詳細に説明する。
うにこの分野の仕事に寄与するかをここでさらに詳細に説明する。
【００２０】 シリコン気相成長法（ＣＶＤ）の従来技術による方法においては、一定の圧力
でシリコンをＣＶＤ堆積している間に、遷移温度が存在し、その温度を超えると
、堆積が進行するにつれて多結晶質構造物を堆積する。そのような場合、下にあ
るシリコン原子は堆積したシリコン原子のさらなる層によって覆われた後は再配
列することはない。これは粗いフィルム表面の原因となり、好ましくない結果で
ある。しかしながら、遷移温度より少し低いところで堆積したフィルムにおいて
は、フィルムの各層は無定形状態で堆積し、多結晶質構造のエネルギーが低いた
めに、堆積が進行するにしたがって結晶化がおこる。微結晶の核生成は低めのシ
リコン−シリコン・ジオキシド界面における不均一核生成によって最も起こり易
い。無定形シリコンの結晶化は、固相のエピタキシャル成長によって結晶領域が
フィルムまで広がりながら、このような最初の核から進行する。結晶化速度が堆
積速度より低いときは、結晶化の進行はシランの流れを止めて堆積を終えた後に
起こるその後の加熱の間も続くとしても、堆積中にはフィルムの低い部分のみが
（シリコン−シリコン・ジオキシド界面から始まって）結晶化する。したがって
、シリコンフィルムは、界面付近は結晶質であり、表面上部付近は無定形であっ
て非常に平滑な表面のきめをもたらす。これは現在入手可能な市販の装置で行う
通常のポリシリコン堆積フィルムから得られる標準的な値よりは５倍から１０倍
平滑である。遷移温度以下で運転すれば平滑なフィルム表面をもたらすことは知
られているけれども、従来技術の装置と方法では堆積速度が非常に遅いので実用
的な応用でのそのような運転が可能にはなっていない。従来技術に従えば、３，
０００Å／分の高い堆積速度は、１０Ｔｏｒｒより上の室圧でのみ可能である。
対照的に、本発明の方法は、反応物ガスの迅速な適用と好ましくない副生物の除
去、境界層の減少、５００℃〜７００℃の間および３Ｔｏｒｒ未満の圧力におけ
る運転を組み合わせたものとなっており、３，０００Å／分を含む範囲の非常に
高い堆積速度での遷移温度以下の運転をもたらす。堆積シリコン層の不均一度は
、直径２００ｍｍのウェーハの中央とウェーハの縁から３ｍｍの点の間で測定し
て、１．５％より少ない。表面粗さは、１Ｔｏｒｒ以下の室圧で堆積して、２，
５００Å厚のフィルムに対して概略５ｎｍ〜７ｎｍである。
でシリコンをＣＶＤ堆積している間に、遷移温度が存在し、その温度を超えると
、堆積が進行するにつれて多結晶質構造物を堆積する。そのような場合、下にあ
るシリコン原子は堆積したシリコン原子のさらなる層によって覆われた後は再配
列することはない。これは粗いフィルム表面の原因となり、好ましくない結果で
ある。しかしながら、遷移温度より少し低いところで堆積したフィルムにおいて
は、フィルムの各層は無定形状態で堆積し、多結晶質構造のエネルギーが低いた
めに、堆積が進行するにしたがって結晶化がおこる。微結晶の核生成は低めのシ
リコン−シリコン・ジオキシド界面における不均一核生成によって最も起こり易
い。無定形シリコンの結晶化は、固相のエピタキシャル成長によって結晶領域が
フィルムまで広がりながら、このような最初の核から進行する。結晶化速度が堆
積速度より低いときは、結晶化の進行はシランの流れを止めて堆積を終えた後に
起こるその後の加熱の間も続くとしても、堆積中にはフィルムの低い部分のみが
（シリコン−シリコン・ジオキシド界面から始まって）結晶化する。したがって
、シリコンフィルムは、界面付近は結晶質であり、表面上部付近は無定形であっ
て非常に平滑な表面のきめをもたらす。これは現在入手可能な市販の装置で行う
通常のポリシリコン堆積フィルムから得られる標準的な値よりは５倍から１０倍
平滑である。遷移温度以下で運転すれば平滑なフィルム表面をもたらすことは知
られているけれども、従来技術の装置と方法では堆積速度が非常に遅いので実用
的な応用でのそのような運転が可能にはなっていない。従来技術に従えば、３，
０００Å／分の高い堆積速度は、１０Ｔｏｒｒより上の室圧でのみ可能である。
対照的に、本発明の方法は、反応物ガスの迅速な適用と好ましくない副生物の除
去、境界層の減少、５００℃〜７００℃の間および３Ｔｏｒｒ未満の圧力におけ
る運転を組み合わせたものとなっており、３，０００Å／分を含む範囲の非常に
高い堆積速度での遷移温度以下の運転をもたらす。堆積シリコン層の不均一度は
、直径２００ｍｍのウェーハの中央とウェーハの縁から３ｍｍの点の間で測定し
て、１．５％より少ない。表面粗さは、１Ｔｏｒｒ以下の室圧で堆積して、２，
５００Å厚のフィルムに対して概略５ｎｍ〜７ｎｍである。
【００２１】 本発明の方法の開発は、図４の断面図で示すものと似たリアクタの使用を通じ
て達成された。この装置の構造は、米国特許第５５５１９８５号に詳細に記載さ
れている。この方法に従えば、反応物ガスは、ウェーハの縁に密着接近して注入
され、高速でウェーハ表面を横切って並行に向けられ、ウェーハ上の狭い領域に
閉じ込められる。図４は、ウェーハ６０を乗せ回転できるサセプタ５８を有する
リアクタ５６を示す。複数の噴射口／開口部６４がついているガス注入装置６２
は、ウェーハの縁６６に密着接近した位置にあり、反応物ガスがウェーハ６０を
横切って並行に向かうように方向づけてある。ガスはさらにウェーハ表面上の幅
Ｄの狭い領域にウェーハの上に位置する熱版６８によって閉じ込められる。板６
８の位置取りの実験により、最適の間隙Ｄは、０．５インチ（約１．２７ｃｍ）
と１．５インチ（約３．８１ｃｍ）の間にあることを決定した。同様に実験によ
って、ウェーハを横切る注入器６２からのガス流のスピードは、上記の方法に従
うウェーハ表面への最適な反応物ガスの供給と反応副生物の除去を目的とすると
き、矢印７０が指す方向に５０ｃｍ／分〜１００ｃｍ／分を超えるのが最適であ
ることが見出された。
て達成された。この装置の構造は、米国特許第５５５１９８５号に詳細に記載さ
れている。この方法に従えば、反応物ガスは、ウェーハの縁に密着接近して注入
され、高速でウェーハ表面を横切って並行に向けられ、ウェーハ上の狭い領域に
閉じ込められる。図４は、ウェーハ６０を乗せ回転できるサセプタ５８を有する
リアクタ５６を示す。複数の噴射口／開口部６４がついているガス注入装置６２
は、ウェーハの縁６６に密着接近した位置にあり、反応物ガスがウェーハ６０を
横切って並行に向かうように方向づけてある。ガスはさらにウェーハ表面上の幅
Ｄの狭い領域にウェーハの上に位置する熱版６８によって閉じ込められる。板６
８の位置取りの実験により、最適の間隙Ｄは、０．５インチ（約１．２７ｃｍ）
と１．５インチ（約３．８１ｃｍ）の間にあることを決定した。同様に実験によ
って、ウェーハを横切る注入器６２からのガス流のスピードは、上記の方法に従
うウェーハ表面への最適な反応物ガスの供給と反応副生物の除去を目的とすると
き、矢印７０が指す方向に５０ｃｍ／分〜１００ｃｍ／分を超えるのが最適であ
ることが見出された。
【００２２】 図１に関連して説明した操作の順序に従えば、基板／ウェーハは、まず担体５
８上に置き、次いで５００℃と７００℃の間の操作温度に持っていく。一般に、
図１の装置は、その温度に約２０秒で到達することができる。図４に示すような
装置は、ヒータ７２が上に、ヒータ７４が下に、加熱ブロック７６が担体の周り
に付属している。この組み合わせがウェーハ６０の均一な加熱を与える。続いて
担体を約５ＲＰＭのスピードで回転させ、反応物ガスを注入する。本発明の方法
は、反応物ガスを基板上部の狭い領域に閉じ込めるということをして、室の表面
上への堆積を最小限にしている。図４の装置はさらに、反応物ガスが基板の下を
通過するのをさえぎることが、この目的に加わっている。これは非反応性ガス（
アルゴン）を低圧で、基板下の熱板７８と下の石英窓８０の間に注入することに
よって達成される。この装置の構造の詳細は、米国特許第５５５１９８５号に全
部が記載されている。
８上に置き、次いで５００℃と７００℃の間の操作温度に持っていく。一般に、
図１の装置は、その温度に約２０秒で到達することができる。図４に示すような
装置は、ヒータ７２が上に、ヒータ７４が下に、加熱ブロック７６が担体の周り
に付属している。この組み合わせがウェーハ６０の均一な加熱を与える。続いて
担体を約５ＲＰＭのスピードで回転させ、反応物ガスを注入する。本発明の方法
は、反応物ガスを基板上部の狭い領域に閉じ込めるということをして、室の表面
上への堆積を最小限にしている。図４の装置はさらに、反応物ガスが基板の下を
通過するのをさえぎることが、この目的に加わっている。これは非反応性ガス（
アルゴン）を低圧で、基板下の熱板７８と下の石英窓８０の間に注入することに
よって達成される。この装置の構造の詳細は、米国特許第５５５１９８５号に全
部が記載されている。
【００２３】 本発明に従う方法の好ましい仕様を図５にまとめた。すなわち、シランの流速
は、２５０ｓｃｃｍ〜７００ｓｃｃｍの範囲、室圧は、２００ｍＴｏｒｒ〜７５
０ｍＴｏｒｒの範囲、ガス速度は、ウェーハ上０．５インチ（約１．２７ｃｍ）
に閉じ込めてガス滞留時間が２００ｍｓｅｃ未満となるように１００ｃｍ／秒を
超えること、ウェーハは、５５０℃〜７００℃の範囲の温度に均一に加熱するこ
と、ウェーハの回転は５ＲＰＭの速度が好ましいことが挙げられる。その他の回
転速度もまた本発明の精神に含まれる。
は、２５０ｓｃｃｍ〜７００ｓｃｃｍの範囲、室圧は、２００ｍＴｏｒｒ〜７５
０ｍＴｏｒｒの範囲、ガス速度は、ウェーハ上０．５インチ（約１．２７ｃｍ）
に閉じ込めてガス滞留時間が２００ｍｓｅｃ未満となるように１００ｃｍ／秒を
超えること、ウェーハは、５５０℃〜７００℃の範囲の温度に均一に加熱するこ
と、ウェーハの回転は５ＲＰＭの速度が好ましいことが挙げられる。その他の回
転速度もまた本発明の精神に含まれる。
【００２４】 図４の装置を適用する方法が性能に寄与するその他の要因としては、複数の水
冷却型注入器ノズル、反応物ガスのウェーハ下への流れ防止、ウェーハの末端ま
で横切るように向け、ウェーハの末端に接近して位置取りしたガス・ノズル／噴
出口、上下およびウェーハの縁周りのヒータを用いる均一なウェーハ加熱が挙げ
られる。
冷却型注入器ノズル、反応物ガスのウェーハ下への流れ防止、ウェーハの末端ま
で横切るように向け、ウェーハの末端に接近して位置取りしたガス・ノズル／噴
出口、上下およびウェーハの縁周りのヒータを用いる均一なウェーハ加熱が挙げ
られる。
【００２５】 図６〜図１０のグラフに様々な性能の要因を示してある。図６は、室圧が２５
０ｍＴｏｒｒにおけるシリコン堆積速度対ウェーハ温度の関係を示す。堆積速度
は、２５０ｍＴｏｒｒにおいて温度に敏感に作用し、したがってかなり重要であ
ることがわかる。図７は、温度６５０℃における堆積速度対室圧の関係を示す。
０ｍＴｏｒｒにおけるシリコン堆積速度対ウェーハ温度の関係を示す。堆積速度
は、２５０ｍＴｏｒｒにおいて温度に敏感に作用し、したがってかなり重要であ
ることがわかる。図７は、温度６５０℃における堆積速度対室圧の関係を示す。
【００２６】 図８は、シランの流速を要因とする堆積速度を示す。これはウェーハ上のガス
速度に比例する。
速度に比例する。
【００２７】 図９は、２５個のウェーハに対して各ウェーハごとの堆積の厚さの違いをプロ
ットしたものである。最大のフィルム厚さの違いは、平均の違いが１．５％近辺
なのにたいし、約２．９％である。
ットしたものである。最大のフィルム厚さの違いは、平均の違いが１．５％近辺
なのにたいし、約２．９％である。
【００２８】 図１０は、２５個のウェーハを対象にしたウェーハ間の堆積フィルムの平均値
の違いを示す。バッチの平均値からの最大偏差は約２％である。
の違いを示す。バッチの平均値からの最大偏差は約２％である。
【００２９】 以上本発明を特定の実施形態に関して述べたが、それらの変更および修正が当
業者にとって当然明白となることが予想される。したがって、そのような変更お
よび修正すべてが本発明の真の精神と範囲に入り、以下の請求項はそれらすべて
を含むものと解釈されるよう意図したものである。
業者にとって当然明白となることが予想される。したがって、そのような変更お
よび修正すべてが本発明の真の精神と範囲に入り、以下の請求項はそれらすべて
を含むものと解釈されるよう意図したものである。
【図１】 図１は、多重ウェーハ積み重ね用従来技術のリアクタを示す。
【図２】 図２は、単一ウェーハ用従来技術のリアクタを示す。
【図３】 図３は、本発明の好ましい実施形態の段階を示すフロー・チャートである。
【図４】 図４は、本発明の方法を実施するために使用することができるリアクタを示す
。
。
【図５】 図５は、本発明に従って行う操作のパラメータをまとめたものである。
【図６】 図６は、堆積速度対温度のグラフである。
【図７】 図７は、堆積速度対圧力のグラフである。
【図８】 図８は、堆積速度対シランの流速のグラフである。
【図９】 図９は、多数のウェーハを対象にしたフィルムの厚さの違いを示すプロットで
ある。
ある。
【図１０】 図１０は、多数のウェーハを対象にした各々のフィルムの厚さの違いを示すプ
ロットである。
ロットである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブロアズ，ダニエル・エル アメリカ合衆国・94550・カリフォルニア 州・リバーモア・アローヨ ヴィスタ・ 4771・スイート エイチ・トーレックス・ イクイップメント・コーポレーション内 Ｆターム(参考） 4K030 AA06 BA29 CA04 EA03 EA04 FA10 GA06 JA03 JA09 JA10 JA11 JA12 5F045 AA06 AB03 AB04 AC01 AD09 AD10 AD11 AE02 AE03 AE05 AE07 AE09 AE11 AE13 AE15 AE17 AE19 AE21 BB09 DP04 EF13 EK01 EM10
Claims (16)
- 【請求項１】 （ａ）堆積室内の担体上にウェーハを置くことと、 （ｂ）前記担体を回転させることと、 （ｃ）前記ウェーハを５００℃以上で、それ以下ではシリコンが無定形状態で
堆積する温度として定義される遷移温度より低い温度まで加熱することと、 （ｄ）シリコン堆積用のプロセス・ガスを前記ウェーハの表面と並行に１０ｃ
ｍ／秒以上の速度で注入することと、 （ｅ）室圧を３Ｔｏｒｒ未満の値に維持すること とを含むシリコンを堆積させる方法。 - 【請求項２】 前記ウェーハを、５００℃と７００℃の間の温度まで加熱す
る請求項１に記載の方法。 - 【請求項３】 前記速度を、平均ガス滞留時間が５００ミリ秒未満となるよ
うに調節する請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記プロセス・ガスを、前記室中に２５０ｓｃｃｍ〜７００
ｓｃｃｍの範囲の流速で導入する請求項１に記載の方法。 - 【請求項５】 前記ウェーハを、６５０℃〜７００℃の範囲にある温度まで
加熱する請求項１に記載の方法。 - 【請求項６】 前記室圧を、前記プロセス・ガスを前記室内に導入している
間、２００ｍＴｏｒｒから７５０ｍＴｏｒｒまでの範囲内に維持する請求項１に
記載の方法。 - 【請求項７】 前記プロセス・ガスを、ウェーハの縁に密着接近している複
数のガス・ノズルに導入する請求項１に記載の方法。 - 【請求項８】 ドーパント・ガスを、ウェーハの縁に密着接近しているガス
・ノズルに導入する請求項１に記載の方法。 - 【請求項９】 前記ガス・ノズルを温度制御する請求項７に記載の方法。
- 【請求項１０】 前記ガス・ノズルを水冷する請求項７に記載の方法。
- 【請求項１１】 前記ガス・ノズルをウェーハ表面に向ける請求項７に記載
の方法。 - 【請求項１２】 複数の反応物ガスが複数の各反応物ガス用の別々のノズル
から入る請求項７に記載の装置。 - 【請求項１３】 前記反応物ガスをウェーハ上の狭い空間に閉じ込める請求
項１に記載の方法。 - 【請求項１４】 ウェーハと上部熱シールドの間隔が１．５インチ（約３．
８１ｃｍ）未満である請求項１１に記載の方法。 - 【請求項１５】 ウェーハと上部熱シールドの間隔が０．６インチ（約１．
５２ｃｍ）未満である請求項１２に記載の方法。 - 【請求項１６】 前記プロセス・ガスが、ウェーハの下を通過するのを防ぐ
請求項１に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10059498P | 1998-09-16 | 1998-09-16 | |
| US60/100,594 | 1998-09-16 | ||
| PCT/US1999/021200 WO2000015868A1 (en) | 1998-09-16 | 1999-09-15 | High rate silicon deposition method at low pressures |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002525841A true JP2002525841A (ja) | 2002-08-13 |
Family
ID=22280545
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000570390A Pending JP2002525841A (ja) | 1998-09-16 | 1999-09-15 | 低圧における高速シリコン堆積法 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP1123423B1 (ja) |
| JP (1) | JP2002525841A (ja) |
| AT (1) | ATE368756T1 (ja) |
| DE (1) | DE69936727D1 (ja) |
| WO (1) | WO2000015868A1 (ja) |
Cited By (3)
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