JP2004128503A - プロセスガスの主流方向を変更して半導体基板上に成分を気相成長させる方法および炉 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板上に成分を気相成長させる方法を提供する。
【解決手段】主流方向に沿って流れるプロセスガス中に含まれる成分を、プロセス空間３内に位置する１つ以上の半導体基板６上に気相成長させる方法であって、主流方向は、方法の間に少なくとも１回変更される。これにより、バッチサイズが比較的大きい場合であっても、２つのウェハ間の層特性において、わずかなゆらぎのみが観察されるか、または、この方法を用いて、半導体基板６上に堆積される層の層厚さにおけるゆらぎが低減され得る。
【選択図】図１

Description

　本発明は、半導体基板上に成分を気相成長させる方法および炉に関する。

　コンピュータの処理能力およびマイクロチップの記憶容量が継続的に大きくなるにつれ、トランジスタまたはキャパシタといった電子部品の集積密度が継続的に高くなった。ムーアの法則と呼ばれるのは、集積密度が１８ヶ月の周期で倍増することを記載し、これまで、３０年もの間通用してきた。将来についても、ムーアの法則との関連で、マイクロチップ、および、例えば、ビデオチップ等の特殊なコンポーネントでさえ、その性能をさらに向上させる努力がなされ、従って、電子部品がさらに微細化されなければならない。

　より高い集積度は、実質的に、機能素子のサイズをさらに縮小することによって達成される。これは、同時に、マイクロチップの動作速度を高めることにもつながる。集積密度を高くすることと並行して、平均ウェハ直径、従って、ウェハ表面またはその上に堆積された層の均質性が益々要求される。従って、サブミクロン構造の実現は、現時点において、マイクロエレクトロニクスのさらなる発展のための最重要なタスクの１つである。これは、電子コンポーネントを製作するための技術全体に対してより厳しい要求を誘発する。個々の技術工程は、部分的に、まさにその基本的限界まで的確に利用されなければならず、新しい方法が開発され、かつ製品に導入されなければならない。

　マイクロチップを製作する際の１つの典型的な製造工程は、特定の層材料からウェハ上に層を堆積させることである。この層は、さらなる製造工程において、その化学的および／または物理的特性に関して、適宜改変され得る。堆積され、適宜、改変された層は、層の特定の部分を選択的に再び除去することによって、実質的にパターニングされ得る。層は、例えば、シリコン酸化物またはシリコン窒化物からできた層を取得するために、ウェハを適切な雰囲気中で酸化または窒化することによって製造され得る。これらの材料および他の材料の層は、好適には、比較的低温を扱う方法によって製造される。このような方法の１つの例は、気相（化学気相成長、ＣＶＤ）による化学的堆積である。これは、通常、数百度（Ｃｅｌｓｉｕｓ）の温度で、および幅広い圧力範囲にて行われる。ＣＶＤ法において、ＣＶＤプロセス空間における基板は、１つ以上のガス成分を含む流れに曝される。このプロセスガスは、例示的に、層材料のガスの化学的前駆体化合物、または、前駆体化合物を固体および液体の形態にて輸送する不活性キャリアガスである。層材料は、前駆体化合物から光分解的に（ｐｈｏｔｏｌｙｔｉｃａｌｌｙ）、熱的に、および／またはプラズマ強化された態様で、ＣＶＤプロセス空間中、および／または基板表面上に生成され、この層材料が基板表面上に堆積されて、層を形成する。

　特に、プロセッサおよび半導体メモリデバイスといった電子コンポーネントの場合に要求されるような高い集積密度は、層内の構造に関して、非常に小さい層厚さおよび小さい構造寸法を前提とする。数ナノメートルの層厚さおよび数十ナノメートルの構造寸法は、これまでに慣例化している。

　継続的な微小化は、層の欠陥密度、粗さおよび均質性によって決定される層の品質についての需要を増加させる。この場合、粗さは、理想的な平面からの層表面のずれを示す。欠陥密度は、層における不純物または構造的欠陥の数およびサイズの測定値である。この場合、不純物は、層材料とは異なった材料からできた介在物である。

　構造的欠陥は、例示的に、ボイド（Ｖｏｉｄ）、または層材料の結晶化の場合、格子欠陥であり得る。均質性は、層の物理的および化学的均一性に関する。基板上に１μｍより小さい層厚さを有する層を製作するための従来の方法は、エピタキシャル法、物理気相成長（ｐｈｉｓｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＰＶＤ法）および化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ法）である。

　層は、単一のウェハ用設備（ｓｉｎｇｌｅ−ｗａｆｅｒ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ）または複数ウェハ用設備（ｍｕｌｔｉｗａｆｅｒ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｓ）にて堆積される。複数ウェハ用設備においては、複数のウェハが適切なラックに短い間隔で積み重ねられる。複数のウェハが装入（ｃｈａｒｇｅ）された「ボート」と呼ばれるラックは、その後、炉のプロセス空間に導入される。堆積されるべき成分を含むプロセスガスは、例えば、プロセス空間の下側に導入され、その後、ウェハのスタックの側方を通り、この流れの方向に沿って上に向かって上昇する。対流する主原材料の輸送が行われるこの流れの方向は、主流方向と呼ばれる。プロセスガスは、プロセス空間の最上部にて再び吐出される。この目的で、プロセスガスは、炉の上側の吐出ラインを通って排出され（ｐａｓｓ　ｏｕｔ）得るか、または炉の下側にて噴出される（ｐｕｍｐｅｄ　ａｗａｙ）ように、プロセス空間の外側にて下方に偏向および通過させられ得る。プロセスガス内に含まれる成分は、ウェハの側方を上方に通過し、積み重ねて配置された２つのウェハ間の空間に流れ込む主流から拡散して、ウェハ表面に到達し、次にそこに堆積される。物質移動は、基本的に、拡散によって行われ、対流および熱拡散（ソーレー効果）といった他の現象が含まれる。この場合、主流から出て、ウェハ間の空間に流れ込む成分の拡散流は、プロセスガスの主流中の成分の濃度勾配によって決定される。プロセスガスは底部から上方に上昇し、従って、成分を連続的に減損する一方で、その結果として生じた生成物がウェハの表面上に堆積され、濃度勾配が主流の方向に沿って確立されるという結果になる。ガス主流からウェハ間に輸送される成分の分量は、ガス主流中の成分の設定された濃度勾配に依存するので、主流のガス流が依然として高い濃度の成分を有するプロセス空間の下部領域においては、ガス主流が成分を大幅に減損したプロセス空間の上部領域におけるよりも大量の成分が、積み重ねて配置されたウェハ間の空間の中に流入することが可能である。その結果、堆積された層の厚さは、プロセス空間の上部領域に配置されたウェハの場合よりもプロセス空間の下部領域に配置されたウェハにおいてより大きくなる。このような不均質性は、窒化物の堆積においては稀でない。シリコンウェハにドーピングする場合に、類似の効果が観察される。高濃度のドーピングが、新しいドーパントが連続的に供給されるプロセス空間の下部領域において行われるが、著しく低濃度のドーピングが上部領域にて行われる。

　プロセス空間内で、このようにして生成された不均質性は、１つのバッチ内で処理された半導体基板の材料パラメータの不均一な分布をもたらし、かつこれと関連して、異なったバッチのウェハ上の同じ成分の異なった電子物性をもたらす。しかしながら、マイクロエレクトロニクスにおいて、特に、電子コンポーネントの製作工程の安定性および再現性について極めて厳しい要求がなされる。

　従って、１つのバッチのウェハ上への成分の堆積を異なった比率で行う努力がなされてきた。

　従って、主流方向に沿うプロセス空間にインジェクタを提供することが提案される。このインジェクタは、ウェハ上に堆積されるべきドーパントまたは他の成分が、プロセス空間に供給されることを可能にする。このようにして、プロセスガスから除去され、かつウェハ上に堆積された成分の分量を補充することが可能である。これは、プロセスガス中の成分の減損が妨げられ、主流方向に沿うプロセスガスにおける濃度勾配の出現が抑制され得ることを意味する。しかしながら、この解決策は、技術的に非常に複雑である。なぜなら、一方で、インジェクタをプロセス空間に組み込む必要があり、他方、インジェクタによってプロセス空間に供給される成分の量は、各場合について、消費される量の成分のみが補充されるようにレギュレートされる必要があるからである。しかしながら、インジェクタは、例えば、機械的破損が原因で故障が生じると、機能的に非常に故障し易い。

　提供されるさらなる可能性は、１つのバッチの最初のウェハと最後のウェハとの間の差を最小化するために、より小さいバッチサイズを用いることである。しかしながら、製造サイクルごとの出来高（ｔｕｒｎｏｖｅｒ）の低さは、コストに関して、より高い経費を費やす必要があることを意味し、その結果、この方法の経済性が低下する。

　さらに、得られた層厚さを平衡させるために、プロセス空間中に温度勾配を提供することが可能である。温度が高いほど増加される堆積率は、ガス主流中で堆積されるべき成分の減損を妨げることを可能にする。特に、窒化物の堆積中のように、数度の温度差は稀ではない。この方法を用いて、１つのバッチ内で均一な層厚さを達成することは可能であるが、それでもなお、１つのバッチのウェハは、異なった熱収支を示す。その結果、後のプロセス工程において、ウェハを処理する際、または完成品において差が生じ、差は、異なったウェハからのチップ間の電気的パラメータにおいて生じ得る。

　単一ウェハ用設備において、温度プロファイルおよび濃度プロファイルの不均一性は、ウェハをその軸を中心として回転させることによって補償され得る。この方法は、今日のほとんどの製造業者によって提供される。この方法は、複数ウェハ用設備にとっては不利である。なぜなら、ウェハまたはボートの回転は、困難をともなってのみ技術的に実現され得るからであり、複数ウェハ設備において、プロセスガスの主流方向は、通常、ウェハ領域に対する法線と平行に伸び、ウェハ表面とは平行ではない（単一ウェハ用設備においては平行である）。従って、主流方向に沿う濃度勾配は、ボートをその長軸方向を中心として回転させることによって補償され得ない。これは、ボートの回転が、実質的に、１つのウェハ内の均一性にはプラスの影響を及ぼすが、個々のウェハ間の均質性は、ほとんど影響を受けないことを意味する。

　この場合、フィーチャサイズが小さくなるほど、ウェハ間の均一性の側面がいよいよ臨界状態になる。臨界状態のフィーチャサイズがさらに縮小されることになる場合、層が１つのバッチ内に堆積される規則性がさらに向上されなければならない。

　従って、本発明の目的は、半導体基板上に成分を気相成長させる方法を提供することであり、この方法を用いて、バッチサイズが比較的大きい場合であっても、２つのウェハ間の層特性において、わずかなゆらぎのみが観察されるか、または、この方法を用いて、半導体基板上に堆積される層の層厚さにおけるゆらぎが低減され得る。

　この目的は、主流方向に沿うプロセスガスの流れに含まれる成分を、プロセス空間内に配置された１つ以上の半導体基板上に気相成長させる方法によって達成される。主流方向は、この方法の間に少なくとも１回変更される。

　本発明による方法において、半導体基板は、最初、従来の態様にてプロセス空間に配置される。複数の半導体基板がプロセス空間内に配置される場合、これらの基板は、通常、短い間隔で積み重ねて配置（スタック）される。次に、半導体基板上に堆積されるべき成分を含むプロセスガスがプロセス空間に導入される。この目的で、プロセス空間は、例えば、供給バルブにより開閉され得、プロセスガスがプロセス空間に供給される際に用いられる少なくとも１つの供給ライン、および、例えば、噴出されることによってプロセスガスがプロセス空間から排出される際に用いられる少なくとも１つの吐出ラインを備える。プロセス空間を通ってプロセスガスが流れる主流方向は、供給ラインと対応する吐出ラインとの間に確立される。上述のように、供給される成分に関する第１の濃度勾配がプロセス空間内に確立され、この濃度勾配は、バッチの個々の半導体基板間、または、単一ウェハ用設備において、半導体基板の表面上の層厚さにゆらぎをもたらす。従って、主流方向が偏向された場合、第１の濃度勾配とは異なった第２の濃度勾配が確立される。１つのバッチ内の個々の半導体基板間、または単一ウェハ用設備において、ウェハの表面上に観察されるゆらぎも、結果としてさらに変化する。主流方向の切換えは、可能であれば、複数のウェハ用設備における１つのバッチの個々の半導体基板間、または単一ウェハ設備における半導体基板の表面にて確立される堆積層の特性のゆらぎが大幅に補償されるように行われる。

　従って、主流方向が１回または複数回変更されることによって、プロセス空間内の成分に関して確立される濃度勾配を補償することが可能である。その結果、１つのバッチの半導体基板上に異なった層厚さが生じることを回避することもまた可能であり、従って、処理された半導体基板のはるかに均一な質を達成することが可能である。

　本発明による方法は、例えば、堆積層の厚さまたはドーピングに関して、処理された半導体基板の均一性を向上させる。プロセス空間に温度勾配を提供することは必要とされない。温度は、プロセス空間全体において一定に保たれ得るか、または均一になるように変更され得る。従って、バッチの半導体基板は、すべて、同じ熱収支を経験し、すなわち、これらの基板は、同じ期間の間、同じ温度になるように加熱される。その結果、製造される電子コンポーネントの電子物性の再現性が向上し、かつ機能回路の歩留まりが向上する。

　本方法の本質的な利点は、バッチサイズをさらに大きくするという可能性である。可変の主流方向は、局所的濃度勾配に関し、かつ、特に、バッチサイズが比較的大きい場合に生じる問題をかなり低減する。従って、かなり大きいバッチサイズを用い、および、従って、製造サイクル内でこれまでよりも多くのコンポーネントを製作することが可能である。この方法の経済性は、結果として、かなり改善される。

　本発明による方法は、処理される半導体基板のサイズに、本質的に依存しない。従って、比較的大きい直径、例えば、３００ｍｍ以上のサイズを有するウェハもまた、なんら問題なく処理され得る。しかしながら、この方法が、より小さいウェハを処理するためにも用いられ得ることはいうまでもない。

　プロセス空間における濃度勾配が、本方法の途上にて大幅に補償されるので、半導体基板の電子物性を制御するためのドーパントが、プロセスガスとしてプロセス空間内の１箇所にのみ導入されたならば十分である。従って、プロセス空間内のドーパントの減損を補償するために、プロセス空間において主流方向に沿って横方向噴射ノズル（インジェクタ）を提供する必要がない。従って、本方法を実行するために適切な装置は、構造的に単純な態様で実施され得、従って、技術的障害の影響を受けない。

　当然、インジェクタが備えられた設備は、同様に、本発明による方法を用いて操作され得、インジェクタの使用が均質性をさらに向上させる。

　従って、本発明による方法は、１つのウェハバッチ内の均一性を向上させる。これは、層厚さならびにドーピングおよび熱収支の両方に関する。その結果、半導体基板から製作された電子部品の電子物性の再現性が改善され、かつ、その結果、これにより製作される回路の歩留まりが向上する。その結果、機能素子の歩留まりが向上し、かつこれに対応してこの方法の生産性が向上する。

　本発明による方法の好適な実施形態において、主流方向が反転される。主流方向の反転は、主流方向の最大変化に対応する。炉内の流れの最大変化、従って、濃度勾配および温度勾配の大幅な補償がこの場合に起こる。上述のように、多層設備において、半導体基板は、プロセス空間内に短い間隔で積み重ねて配置され、プロセスガスがスタックの側方を通って流れ、主流方向が形成される。この目的で、プロセスガスは、プロセス空間に、例えば、下側にて導入され得る。特定の期間の後、主流方向が反転され、すなわち、プロセスガスが、その後、プロセス空間の最上部側にて導入される（下側の反対側）。従って、主流方向は、１８０°変更される。単一ウェハ用設備において、プロセスガスは、ウェハ表面と平行に流れる。この場合も、濃度勾配および温度勾配を補償するために、特定の期間の後、主流方向が反転され、すなわち、１８０°回転される。単一ウェハ用設備において、温度勾配および濃度勾配の最適な補償を達成するために、比較的小さい工程にて、例えば、９０°ずつ主流方向を変更することが有利であり得る。

　従って、主流方向が半導体基板の対称軸と平行に配向されるならば有利である。主流方向が変更される場合、濃度勾配が基板の対称軸に沿って対称的に補償される。その後、被膜された半導体基板の均質性がかなり改善され得る。

　対称軸は、好適には、回転軸または回転ミラー軸である。これらの対称軸は、他の対称軸と比較して、特に高い程度の対称性を有し、従って、主流方向が、このような対称軸と平行に配向される場合、特に有効な濃度勾配の補償が達成される。複数ウェハ用の設備では、回転軸は、スタックの中心において半導体基板の表面に対して直角に伸びる。従っては、上述のように、プロセスガスは、主流方向に沿って半導体スタックの側方を通過して流れる。単一ウェハ用設備では、回転ミラー軸は、半導体基板の表面の中心点を通ってウェハ表面に沿って伸びる。従って、プロセスガスは、半導体基板を横断して主流方向に沿って、ウェハ表面と平行に流れる。

　本発明による方法の好適な実施形態において、プロセスガスは、主流方向が変更される前に、プロセス空間から少なくとも部分的に除去される。主流方向が変更される直前にプロセス空間に導入されたプロセスガスは、プロセス空間を通る経路全体をもはや横切らず（ｔｒａｖｅｒｓｅ）、むしろ、流れが反転される。流れが反転される直前にプロセス空間に導入されたプロセスガス流を特定のボリュームに決めると、このボリュームは、流れが反転されるまで、スタックの下部の半導体基板の１つにまで通過するにすぎず、その後、プロセス空間から逆方向に再び吐出される。従って、スタックの外側の端部における半導体基板は、さらなる集中的な層厚さの成長を示す。この効果は、主流方向が繰返し変更されると特に明らかになり得る。この方法の巧みな具体化により、この効果は、プロセスガス中の成分が従来の堆積の間に再びプロセス空間を去る前に、プロセスガス中の低濃度の成分によって引き起こされた、ウェハスタックの端部における層厚さの成長の低減を補償するために利用され得る。しかしながら、さらなる不均質性を回避するために、主流方向が変更される前に、プロセス空間になお存在するプロセスガスが除去されることがより好ましい。その結果、新しいプロセスガスがプロセス空間に導入され得、その後、プロセス空間の広がり全体を通って流れる。所望の濃度勾配または温度勾配が、その後、すぐに形成される。

　プロセス空間からのプロセスガスの除去は、プロセス空間へのプロセスガスの供給を低減することによって、および／またはプロセス空間からプロセスガスを抽出することによって、および／またはプロセス空間を不活性ガス（例えば、希ガスまたは窒素）でフラッシュすることによって行われ得る。最後に述べられた実施形態の場合、反応チャンバにおける圧力の急激な上昇が回避される。

　供給されたプロセスガスの組成は、通常、層の堆積中またはドーピングの導入中は不変の状態である。しかしながら、主流方向が変更された後、成分が異なった組成および／または濃度を有するならば、特定の要求に対して有利であり得る。これにより本発明による方法の柔軟性が向上し、かつ、例えば、異なったドーパント濃度により半導体基板において特定のドーピングプロファイルを生成し、これにより、電子物性を的確に適合させることが可能である。

　さらに、プロセスガスの組成を変更することによって、例示的に、複数の異なった層または特定の欠陥構造を含む層を、例えば、ドーパントを変更することによって実現することもまた可能である。

　本方法の１実施形態により、層が製作され、プロセスガス内に含まれる成分は、半導体基板の材料と化学的に反応する。堆積されるべき成分と半導体基板との間の化学反応は、物理的吸着よりもかなり多い量のエネルギーを放出する。従って、これによって生成された堆積層にて達成される安定性がかなり高く、その結果、耐用寿命、ならびに機械的および熱的負荷といった外部からの影響に対する耐性、または水分および化学物質に対する挙動が最適化され得る。このような層の例は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素からできた層である。しかしながら、この方法は、プロセスガス全体内に含まれる成分が層の出発材料を形成する層を製作するためにも適切である。この場合、この成分は、層の材料として直接的に堆積され得る（ＰＶＤ；「Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）または層の材料が化学反応にて形成され得る（ＣＶＤ；Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ」）。

　気相成長は、大気圧、準大気圧および真空に近い範囲にて起こり得るが、準大気圧が望ましい。

　本発明による方法の好適な実施形態において、主流方向の変更は、種々の時間パターンにより行われる。その結果、半導体基板上全体が可能な限り均一であるスタータ層を最初に取得するために、例示的に、気相堆積の開始時点にてより高い頻度で主流方向を変更することが可能である。本発明の後の工程において、個々の半導体基板に対して一定の堆積比率が確立された場合、より長い間隔の範囲を有する主流方向のより低い頻度の変更でも十分であり得る。堆積比率が全堆積工程の間、実質的に一定の状態である堆積の場合、方向の変更は１回で十分である。

　本発明による方法のさらなる実施形態において、半導体基板上に堆積される成分の質および／または分布のオンライン検出がこの方法の間に行われる。その結果、特に、層厚さおよび量に関する瞬時の堆積結果が直接的に取得される。障害が生じるか、または堆積が不完全な場合、対応する測定および収集が即時開始され得、従って、高い質の再現性で層を製作することが可能である。

　本発明による方法の重要な特徴は、プロセス空間内の主流方向を変更することである。従って、本発明による方法を実施するために、特別に構成された炉が必要とされる。従って、本発明は、さらに、１つ以上の半導体基板上にプロセスガスに含まれる成分を気相堆積させるための炉に関する。この炉は、少なくとも
　半導体基板を収容するためのプロセス空間と、
　プロセス空間に接続される第１の供給／吐出ラインと、
　プロセス空間に接続される第２の供給／吐出ラインと、
　プロセスガス流を生成する手段であって、第１の供給ライン／吐出ラインおよび／または第２の供給ライン／吐出ラインと接続される、手段と、
　加熱デバイスと、
　プロセスガス流の大きさおよび流れの方向をレギュレートする手段と
を備える。

　本発明によるこの炉は、半導体基板上への成分の均質な堆積を達成することを可能にし、従って、層厚さおよび層の質に関して、バッチサイズが大きい場合であっても半導体基板の均一な被膜が取得される。本発明による炉は、単一ウェハ用の設備および複数ウェハ用の設備の両方として構成され得る。電子物性は、材料特性にかなり依存するので、これらの半導体基板から生成された超小型回路の電子的質はかなり改善される。従って、本発明による炉は、低減された寸法を有する電子コンポーネントを製作することを可能にする。

　本発明による炉は、炉のプロセス空間における流れが変更または反転され得る装置が提供されるという点で、これまで用いられてきた炉とは実質的に異なる。本発明による方法との関連で既に述べられたように、堆積されるべき成分を含むプロセスガスはプロセス空間を通って流れる。プロセスガスは、成分の堆積により減損するので、主流方向に沿う成分に関してプロセス空間において濃度勾配が確立される。流れの方向を変更することによって流れの状態が変更された場合、濃度勾配もまた変更される。濃度勾配の重ね合わせの結果、全体で、より均一な層の堆積、特に、１つのバッチ内の均一な層厚さを達成することが可能である。

　第１の供給および吐出ラインならびに第２の供給および吐出ラインは、任意の所望の態様にて固有に構成され得る。従って、第１の供給および吐出ラインならびに第２の供給および吐出ラインは、各場合について、プロセス空間に通じる２つのラインとして構成され得、各場合について、ラインの一方は、供給ラインとして機能し、他方は吐出ラインとして機能する。この場合、その後、少なくとも４つのラインがプロセス空間に通じる。しかしながら、供給および吐出ラインは、さらに、共通アクセスを介してプロセス空間に接続され得、従って、２つのラインのみがプロセス空間に通じる。しかしながら、供給および吐出ラインが、さらに、インジェクタの形態で、複数の供給ラインおよび吐出ラインとして設けられることもまた可能であり、従って、例示的に、プロセス空間内のプロセスガスの均一な流れが取得される。プロセス空間内に流れを生成するために、第１の供給／吐出ラインおよび／または第２の供給／吐出ラインに接続されるプロセスガス流を生成する手段の提供が対応してなされる。これまで用いられた炉においても通例であるように、このために、通常、ポンプが用いられる。流れは、例えば、プロセスガスがプロセス空間に押し込まれることによって、またはプロセスガスがプロセス空間からポンピングして出されることによって生成され得る。

　プロセスガスの流れの反転を達成するために、プロセスガス流の大きさおよび流れの方向をレギュレートする手段が提供される。これらは、例えば、第１の供給／吐出ラインおよび第２の供給／吐出ラインが開閉されるバルブであり得る。しかしながら、プロセスガス流を生成する手段を用いて、例えば、ポンプの輸送量を対応してレギュレートすることによって主流方向に影響を及ぼすこともまた可能である。大きさおよび流れ方向をレギュレートする手段は、例えば、コンピュータ支援された態様で制御され得る。

　好適には、第１の供給／吐出ラインおよび第２の供給／吐出ラインがプロセス空間の両側に設けられる。次いで、１８０°の反転が、流れが変更される場合に行われる。これは、複数ウェハ用設備において、特に有利である。なぜなら、濃度勾配がここで特に際立つからである。第１の供給／吐出ラインおよび第２の供給／吐出ラインは、プロセス空間の下側および最上部側にて有利に、すなわち、プロセス空間に配置され、かつウェハが装入されたボートが延長されるという点で有利に提供される。

　さらなる実施形態によると、種々の時間パターンにより時間間隔を置いてプロセスガス流の方向を変更するために、間隔レギュレートユニットが提供される。その結果、本方法の経過に従って、個々の堆積間隔のために適切な時間窓を実現することが可能である。本発明による方法に関してすでに説明されたように、最初に、すべての半導体基板上に薄いスタータ層を均一に生成するために、堆積サイクルの開始時点にて、高い頻度で主流方向の変更を提供することが有利であり得る。このスタータ層は、その後、次の層の堆積のための種層（ｓｅｅｄ　ｌａｙｅｒ）として機能する。一旦個々の半導体基板の表面全体において均一な層成長が開始されると、低い頻度で主流方向を変更することも可能である。このようにして、バッチ内の層厚さにおいてわずかなゆらぎのみが観察される、数マイクロメートルまでの厚を有する比較的厚い層を生成することも可能である。

　層の成長を正確に制御することができるように、本発明による炉のさらなる実施形態により、半導体基板上に堆積される成分の量および／または分布を検出する測定ユニットが提供される。この測定ユニットは、プロセスガスまたは供給される成分の濃度を制御するために、プロセスガス流を生成する手段に接続され得る。

　本発明による炉の好適な実施形態によると、測定ユニットに接続される制御ユニットが提供され、プロセスガス流を生成する手段のオンライン制御のために利用される。測定ユニットにより決定されるデータに基づいて、堆積プロセスの自動的調整、従って、層の成長に影響を及ぼすことが可能である。

　本発明は、主流方向に沿って流れるプロセスガス中に含まれる成分を、プロセス空間内に位置する１つ以上の半導体基板上に気相成長させる方法であって、該主流方向は、該方法の間に少なくとも１回変更されるものである。

　上記本発明の方法において、前記主流方向は反転されることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記主流方向は、前記半導体基板の対称軸と平行に配向されることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記対称軸は、回転軸または回転ミラー軸であることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記プロセスガスは、前記主流方向の変更前に、前記プロセス空間から少なくとも部分的に除去されることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記プロセス空間からの前記プロセスガスの除去は、該プロセス空間へのプロセスガスの供給を低減することによって、および／または該プロセス空間からプロセスガスを抽出することによって、および／または該プロセス空間を不活性ガスでフラッシュすることによって行われることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記成分は、前記主流方向の変更後に、異なった組成および／または異なった濃度を有することが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記成分は、前記半導体基板と化学的に反応することが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記気相成長は、大気圧より低い圧で進行することが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記主流方向の変更は、種々の時間パターンにより行われることが好ましい。

　上記本発明の方法において、前記半導体基板上に堆積された成分の量および／または分布のオンライン検出が、前記方法の間に行われることが好ましい。

　また、本発明は、プロセスガス中に含まれる成分を１つ以上の半導体基板（６）上に気相成長させる炉（１）であって、少なくとも、該半導体基板（６）を収容するプロセス空間（３）と、該プロセス空間に接続される第１の供給／吐出ライン（７）と、該プロセス空間に接続される第２の供給／吐出ライン（１２）と、プロセスガス流を生成する手段（１１、１４）であって、該第１の供給／吐出ライン（７）および該第２の供給／吐出ライン（１２）に接続される、手段と、加熱デバイスと、該プロセスガス流の大きさおよび流れ方向をレギュレートする手段（９）とを備えるものである。

　上記本発明の炉において、前記第１の供給／吐出ライン（７）および前記第２の供給／吐出ライン（１２）は、前記プロセス空間（３）の両側に配置されることが好ましい。

　上記本発明の炉において、前記プロセスガス流の前記主流方向（１５）を種々の時間パターンにより時間間隔を置いて変更するために、時間間隔レギュレートユニット（９）が提供されることが好ましい。

　上記本発明の炉において、前記半導体基板（６）上に堆積される前記成分の量および／または分布を検出するための測定ユニットが提供されることが好ましい。

　上記本発明の炉において、前記測定ユニットに接続される制御ユニットが提供され、該制御ユニットは、前記プロセスガス流を生成する手段のオンライン制御のために利用されることが好ましい。

　本発明は、添付の図を参照して、より詳細に説明される。

　本発明は、主流方向に沿って流れるプロセスガス中に含まれる成分を、プロセス空間内に位置する１つ以上の半導体基板上に気相成長させる方法であって、該主流方向は、該方法の間に少なくとも１回変更されるものであり、これにより、バッチサイズが比較的大きい場合であっても、２つのウェハ間の層特性において、わずかなゆらぎのみが観察されるか、または、この方法を用いて、半導体基板上に堆積される層の層厚さにおけるゆらぎが低減され得る。

　図１は、本発明による炉１の長手方向を貫通する断面図を示す。隔壁２によって区切られたプロセス空間３が炉１内に設けられる。例示的に、隔壁２の後にヒータが設けられ得る。プロセス空間３内にボート４が配置され、このボート４はラックを備え、このラックの中に、ウェハが短い間隔で積み重ねて配置される。明瞭にするために、ラックおよびウェハは、詳細には図示されない。ダミーウェハ５がボートの外側部分、すなわち、ボートの最上部側および下側にて配置される。この両側のダミーウェハは、処理されるべきウェハ６を区切る。ダミーウェハ５は、処理されるべきウェハ６のスタック領域において均一の流れの状態を生成するために利用される。第１の供給／吐出ライン７がプロセス空間３の下側に提供され、このラインを通ってプロセスガスがプロセス空間３に供給され得、かつプロセスガスはプロセス空間３の外へ導かれ得る。プロセスガスの流れに影響を及ぼすことができるように、バルブ８が提供される。バルブ８の開閉はレギュレートユニット９により制御される。この手段は、制御ライン１０を介してバルブ８に接続される。最後に、ポンプ１１が提供され、このポンプによりガス流が生成され得る。ポンプ１１は、第１の供給／吐出線７を介して、プロセスガスをプロセス空間３に輸送するか、またはプロセスガスをプロセス空間から抽出し得る。ポンプ１１の動作状態は、レギュレートユニット９により同様に制御され、レギュレートユニット９は、対応する制御ライン１０によりポンプ１１に接続される。第２の供給／吐出ライン１２は、第１の供給／吐出ライン７の反対側のプロセス空間３の側に設けられる。第２の供給／吐出ライン１２を通るガス流は、バルブ１３によりレギュレートされ得る。このバルブ１３は、レギュレートユニット９により制御される。レギュレートユニット９は、制御ライン１０を介してバルブ１３に接続される。ポンプ１４により、プロセスガスは、第２の供給／吐出ライン１２を介してプロセス空間３に供給され得るか、またはプロセス空間から吐出され得る。

　本発明による方法が実施される場合、最初に、レギュレートユニット９によりバルブ８が開かれ、プロセスガスがポンプ１１によりプロセス空間３に輸送される。さらに、バルブ１３が開かれ、ポンプ１４によりプロセス空間３からプロセスガスが抽出される。プロセスガスは、第１の供給／吐出ライン７を通ってプロセス空間３に流れ込む。プロセスガスは、ボート４の横を上方に上昇し、主流方向１５が形成される。主流方向１５に沿って上昇するプロセスガス流から、部分が側方に拡散してボート４の積み重ねて配置されたウェハ間の空間に流入する。この場合、プロセスガス流は、ウェハの表面上に堆積される成分が連続的に減損され、従って、濃度勾配が主流方向１５に沿って形成される。最後に、プロセスガス流は、第２の供給／吐出ライン１２を通ってプロセス空間３を去り、ポンプ１４の支援により抽出される。特定の期間が経過した後、レギュレートユニット９のレギュレート下でバルブ８、１３が閉じられ、ポンプ１１、１４が停止される。ポンプ１１、１４は、その後、切換えられ、ポンプ１４は、プロセスガスをプロセス空間３に輸送する一方で、ポンプ１１は、プロセス空間３からプロセスガスを抽出する。バルブ８、１３が開かれた後、プロセスガスは、上からプロセス空間３に流れ込み、従って、主流方向１５が反転される。その結果、反対方向に伸びる濃度勾配が形成される。すなわち、ここで、最初、最も薄い層厚さの成長が生じたボート４の上端部にて最も厚い層厚さの成長が観察される。その結果、ボート４の個々のウェハ間の層厚さの成長における差を補償することが可能であり、従って、１つのバッチ内の層厚さのゆらぎがかなり低減され得る。

　図２は、本発明による方法の１実施形態において実行される種々の工程を図示する。図２に示される炉１は、第１の供給／吐出ライン７および第２の供給／吐出ライン１２の構成の点で図１に示される炉１とは異なる。図２に示される炉１において、プロセスガス流は、隔壁２の上端部にて偏向され、その後、隔壁２の側面に沿って下方に誘導される。その結果、第１の供給／吐出ライン７および第２の供給／吐出ライン１２の接続がすべて、炉１の下側にて設けられ得る。プロセスガス流を制御するためのバルブ、およびレギュレートユニットは、明瞭にするために図示されない。第１の方法工程において、図２Ａに示されるように、プロセスガスは第１の供給／吐出ライン７を介してプロセス空間３に導入され、ボート４を通過して上方に上昇し、隔壁２の上端部にて偏向されて、その後、下方に誘導され、最後に、第２の供給／吐出ライン１２を介して導き出される。特定の期間が経過した後、プロセスガスは、図２Ｂに示されるように、第２の供給／吐出ライン１２を介してプロセス空間３からの排出が続行される間、プロセスガスの供給が中断される。従って、プロセス空間３になお存在するプロセスガスは、実質的に除去される。代替策として、プロセス空間３はまた、不活性ガスでフラッシュされ得る。最後に、図２Ｃに示されるように、プロセスガスは、第２の供給／吐出ライン１２を通ってプロセス空間３に導入され、第１の供給／吐出ライン７を通ってプロセス空間３から吐出され、従って、主流方向は、プロセス空間３内で反転される。特定の期間が経過した後、プロセスガスが、図２Ｄに示されるように、第１の供給／吐出ライン７を介するプロセス空間３からの抽出が続行される間、プロセスガスの供給が再び中断される。図２Ｄに示すように使用済みプロセスガスが再び抽出された後、図２Ａ〜図２Ｄに示されるサイクルが、適宜、再び実行され得る。

　図３は、本発明による方法の個々のプロセス工程の間に生成される層厚さの分布を図示する。この場合、スタック内のウェハ６のもとの数が、Ｘ軸上に明示される。ウェハ１は、図１の下端部に配置される一方で、より大きい数のウェハは、対応して、ボート４内でずっと上に配置される。層厚さの成長は、Ｙ軸上に明示される。プロセスガスが、第１の供給／吐出ライン７を通ってプロセス空間３に導入され、再び、第２の供給／吐出ライン１２を通ってプロセス空間から出される場合、小さい順序数のウェハ上で、大きい順序数のウェハよりも大きい層厚さの成長が生じる。なぜなら、小さい序数のウェハは、第１の供給／吐出ライン７のより近くに配置され、プロセスガス流は、堆積されるべき成分が高濃度だからである。層厚さの成長が測定される場合、図３に示される曲線「Ａ」が得られる。流れ方向が反転された後、プロセスガスは、第２の供給／吐出ライン１２を通ってプロセス空間に流れ込み、第１の供給／吐出ライン７を介して再び排出される。大きい順序数のウェハは、その後、対応して、小さい順序数のウェハよりも目立つ層厚さの成長を示す。層厚さの成長が測定された場合、図３に示される曲線「Ｂ」が、対応して得られる。２つの曲線「Ａ」および「Ｂ」は、最終的に加算されるので、本発明による方法が実行された後に曲線「Ｃ」が取得される。

　図４は、従来技術から公知であるようなウェハ上に層を堆積させる方法を実行した場合の層厚さの分布を示す。図１に示されるものと同じ装置が用いられるが、主流方向は変更されない。従って、全堆積工程の間、プロセスガスは、供給ライン７にてプロセス空間３に導入され、プロセスガスが主流方向１５に沿ってプロセス空間３を通って流れた後、吐出ライン１２にて再びプロセス空間３から吐出される。上述のように、濃度勾配が主流方向１５に沿って確立され、プロセス空間３にて配置されたウェハ６上に異なった層厚さの成長をもたらす。供給ライン７のより近くに配置されたウェハ６は、吐出ライン１２のより近くに配置されたウェハ６よりも大きい層厚さの成長を示す。層厚さの分布は、図４に示される。この場合、図３におけるように、ウェハの数は横座標上にプロットされ、層厚さは縦座標上にプロットされる。図３からの曲線Ａに実質的に対応する曲線「Ｄ」が取得される。層の堆積が終了した後、ウェハ６の層厚さが比較された場合、図３からの曲線「Ｃ」は、図４に示される曲線「Ｄ」よりも、層厚さのよりもかなり小さいずれを示す。

　以上説明したように、本発明は、半導体基板上に成分を気相成長させる方法および炉に関する。プロセスガスの主流方向が、方法の途上にて変更または反転され得、これにより、炉内のプロセスガスの温度および濃度の不均質性を防止し、半導体基板上への成分の均一な堆積を達成する。

　本発明は、半導体基板上に成分を気相成長させる方法および炉に関する分野において、その目的は、半導体基板上に成分を気相成長させる方法を提供することであり、この方法を用いて、バッチサイズが比較的大きい場合であっても、２つのウェハ間の層特性において、わずかなゆらぎのみが観察されるか、または、この方法を用いて、半導体基板上に堆積される層の層厚さにおけるゆらぎが低減され得る。　

図１は、本発明による炉の図を示す。 図２は、本発明による方法の図を示す。 図３は、本発明による方法を実施する場合に取得されるバッチ内の層厚さの分布の図を示す。 図４は、従来技術による方法を実施する場合に取得されるバッチ内の層厚さの分布の図を示す。

符号の説明

　１　　　炉
　２　　　隔壁
　３　　　プロセス空間
　４　　　ボート
　５　　　ダミーウェハ
　６　　　ウェハ
　７　　　第１の供給／吐出ライン
　８　　　バルブ
　９　　　レギュレートユニット
　１０　　制御ライン
　１１　　ポンプ
　１２　　第２の供給／吐出ライン
　１３　　バルブ
　１４　　ポンプ

Claims (16)

1. 　主流方向に沿って流れるプロセスガス中に含まれる成分を、プロセス空間内に位置する１つ以上の半導体基板上に気相成長させる方法であって、該主流方向は、該方法の間に少なくとも１回変更される、方法。
2. 　前記主流方向は反転される、請求項１に記載の方法。
3. 　前記主流方向は、前記半導体基板の対称軸と平行に配向される、請求項１または２に記載の方法。
4. 　前記対称軸は、回転軸または回転ミラー軸である、請求項３に記載の方法。
5. 　前記プロセスガスは、前記主流方向の変更前に、前記プロセス空間から少なくとも部分的に除去される、請求項１〜４の１つに記載の方法。
6. 　前記プロセス空間からの前記プロセスガスの除去は、該プロセス空間へのプロセスガスの供給を低減することによって、および／または該プロセス空間からプロセスガスを抽出することによって、および／または該プロセス空間を不活性ガスでフラッシュすることによって行われる、請求項５に記載の方法。
7. 　前記成分は、前記主流方向の変更後に、異なった組成および／または異なった濃度を有する、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
8. 　前記成分は、前記半導体基板と化学的に反応する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 　前記気相成長は、大気圧より低い圧で進行する、請求項１〜８のいずれか１つに記載の方法。
10. 　前記主流方向の変更は、種々の時間パターンにより行われる、請求項１〜９のいずれか１つに記載の方法。
11. 　前記半導体基板上に堆積された成分の量および／または分布のオンライン検出が、前記方法の間に行われる、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
12. 　プロセスガス中に含まれる成分を１つ以上の半導体基板（６）上に気相成長させる炉（１）であって、少なくとも、
    　該半導体基板（６）を収容するプロセス空間（３）と、
    　該プロセス空間に接続される第１の供給／吐出ライン（７）と、
    　該プロセス空間に接続される第２の供給／吐出ライン（１２）と、
    　プロセスガス流を生成する手段（１１、１４）であって、該第１の供給／吐出ライン（７）および該第２の供給／吐出ライン（１２）に接続される、手段と、
    　加熱デバイスと、
    　該プロセスガス流の大きさおよび流れ方向をレギュレートする手段（９）と
    　を備える、炉。
13. 　前記第１の供給／吐出ライン（７）および前記第２の供給／吐出ライン（１２）は、前記プロセス空間（３）の両側に配置される、請求項１２に記載の炉（１）。
14. 　前記プロセスガス流の前記主流方向（１５）を種々の時間パターンにより時間間隔を置いて変更するために、時間間隔レギュレートユニット（９）が提供される、請求項１２または１３に記載の炉（１）。
15. 　前記半導体基板（６）上に堆積される前記成分の量および／または分布を検出するための測定ユニットが提供される、請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の炉（１）。
16. 　前記測定ユニットに接続される制御ユニットが提供され、該制御ユニットは、前記プロセスガス流を生成する手段のオンライン制御のために利用される、請求項１５に記載の炉（１）。

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