JP2005256137A - 化学的気相成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板に堆積する薄膜の膜厚均一性を改善する化学的気相成長装置を提供する。
【解決手段】 複数の基板１を列状に配置する支持治具２を具備し、基板１上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
支持治具２に基板１より面積の大きい表面を備えたガス供給容器３を列状に複数取り付け、ガス供給容器３の表面上に基板１を配置する基板配置部１６を備え、裏面にガス供給口１７を備えた構成とする。
【選択図】 図２

Description

この発明は、基板の表面に薄膜を形成する化学的気相成長装置に関する。

半導体デバイスは、半導体基板に多結晶シリコン膜、金属膜および絶縁膜など各種薄膜を積層して形成されるが、その成膜方法として化学的気相成長法が多用されている。
図６は、バッチ式の化学的気相成長装置の要部構成図であり、同図（ａ）は全体図、同図（ｂ）はウェハをセットした支持治具（ボート）の斜視図である。
化学的気相成長装置（ＣＶＤ装置：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ装置）は、一端（上部）が閉じている外部容器管５と、この外部容器管５内に設置される、内部が反応室９となる内部容器管４と、この内部容器管４に収納されるボートと称せられる支持治具２と、外部容器管５を収納し、支持治具２にセットされたウェハ１（基板）を加熱するヒータ６を有する電気炉７などから構成されている。また、支持治具２は、支持台３１と、この支持台３１にウェハ１を矢印Ｈの方向からセットできるように配置された複数本の支柱３１とこれらの支柱３１を途中で支える支え板３３で構成される。

支持治具２にウェハ１多数枚を列状に配置し、この支持治具２を内部容器管４内に挿入し、外部容器管５の開口部（下部）に蓋８をして、密封し、外部容器管５内を減圧雰囲気にして、反応性ガスとキャリアガスを、下部に設置されているガス流入口１０から内部容器管４（反応室）に導入し、上部に流れて来たこれらのガス流１２を内部容器管４の壁面と外部容器管５の壁面で挟まれた隙間を通して、ガス排気口１１から、図示しない真空ポンプで吸引して排気する。
図６においては、下方から上方にガス流１２が流れるので、下方が上流領域２１となり、上方が下流領域２３となり、中間が中流領域２２となる。
この成膜方法は、ナノメートルオーダーの薄膜を比較的低温で制御性よく成長させることができる優れた方法である。例えば、ＭＯＳ型トランジスタのゲート電極の材料として適用される多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）は、炉内温度５５０℃、真空度１００Ｐａの雰囲気中に、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）ガスを１０００ｓｃｃｍ、キャリアガスとして窒素（Ｎ₂ ）ガス２００ｓｃｃｍとともに注入すると約３０Å／分の成膜速度でウェハ１に堆積する。

ただ上記の成膜速度下では、１枚ずつ処理する図示しない枚葉式の装置（特許文献１、特許文献２など）ではウェハ１上の膜厚の均一性は優れるが生産性を上げられないので、通常は５０枚から２００枚程度のウェハ１を同時に１回で処理するバッチ処理ができるバッチ式の装置が用いられる。このバッチ処理では、ウェハ１を順次平行に並べ、その周辺部に反応性ガスをキャリアガスとともに流すという構成をとる。
特開平９−２１９３６９号公報 特開平９−１２５２５１号公報

しかし、このような構成では、反応性ガスは上流領域２１から下流領域２３へと高温雰囲気に触れながら流れるので、その間に熱エネルギーを受けて化学変化を起こし、当初の反応性ガス以外のガス種もわずかながらも混ざってくる。このガス種は極めて反応性に富むガス種（ラジカルなガス種）であり、ウェハ１に触れるとともにポリシリコン薄膜として堆積してしまうために、ウェハ１上の膜厚の均一性が充分とれないという問題が生じる。
図７は、図６の化学的気相成長装置の内部容器管内の様子を示すモデル図である。このモデル図を用いて膜厚が不均一になるメカニズムを説明する。
ポリシリコン成膜の場合、反応性ガスは１００％ＳｉＨ₄ ガスで、キャリアガスであるＮ₂ ガスとともに反応室である内部容器管４の下部から注入される。反応室内ではウェハ設置領域にわたって５５０℃の均一温度に保たれており、その均一温度領域は１５０枚のバッチ装置では約７００ｍｍの長さがある。反応室の下部から注入されたＳｉＨ₄ ガス１３はこの長い高温領域で熱輻射やガス分子同士の衝突を受けて、以下の反応式に従って、一部はＳｉＨ₂ ガス１４に変化する。

ＳｉＨ₄ → ＳｉＨ₂ ＋Ｈ₂
ここで、ＳｉＨ₂ がス１４は、ラジカルなガスと呼ばれ、極めて反応性に富み、ウェハ１の表面にぶつかるだけで分解してシリコン膜として堆積する。つまり、ＳｉＨ₂ はラジカルなガス種である。
すなわち、ＳｉＨ₂ ガス１４のＳｉＨ₄ ガス１３に対する相対濃度が高くなればなるほど、ウェハ１の外周部でＳｉＨ₂ ガス１４からのポリシリコンの堆積が盛んになり、その部分での膜厚が増加し、結果としてウェハ１面内の膜厚が不均一になる。
実際、ＳｉＨ₂ のＳｉＨ₄ に対する相対濃度（濃度割合）を求めると、上流領域２１にあるウェハでは１×１０^-7程度以下であるのに対し、中流領域２２にあるウェハでは３×１０^-7程度、下流領域２３にあるウェハでは７×１０^-7程度と増加する。そのために、下流領域２３の方が源流領域２１より膜厚のばらつきが大きくなる。つまり、ウェハ面内の膜厚の不均一性は、熱エネルギーによる生成されるＳｉＨ₂ ガス１４量に依存する。

図８は、ウェハ位置と膜厚の関係を示す図である。全体で１５０枚のウェハ１を支持治具２にセットし、反応性ガスが流入する側を源流領域２１、中間を中流領域２２、反応性ガスが流出する側を下流領域２３の３領域に分割し、各領域に５０枚のウェハをセットしてウェハ１上にポリシリコン膜を成膜する。成膜したポリシリコン膜の膜厚を、ウェハ１の中心を含む直線上の２０点（−４０ｍｍから＋４０ｍｍの間は１０ｍｍ間隔、その外側では５ｍｍ間隔である）で、図９のＸ方向で測定する。この膜厚の測定は、上流領域２１、中流領域２２、下流領域２３の３領域にセットされた各５０枚のウェハで行う。つぎに、各領域のウェハ１の同一測定点での膜厚の平均値（５０枚の平均値）を出し、この平均値を、ウェハ１の中心での膜厚の平均値（５０枚の平均値）で割った値を、各測定点で、各領域での規格化した膜厚の平均値（以下、規格化平均膜厚値という）として示した。図中のＤは源流領域、Ｅは中流領域、Ｆは上流領域の各測定点での規格化平均膜厚値である。

前記したように、下流領域２３の方が、反応性に富んだガス種の割合が多くなるために、下流領域２３で形成されるポリシリコン膜の規格化平均膜厚値のばらつきが１．５％と最大になり、源流領域でも０．８％と大きなばらつきとなる。
このように、ウェハ面内での薄膜の膜厚のばらつきが大きくなる場合の不都合について、薄膜としてポリシリコン膜を例に説明する。
図１０は、トレンチ溝の場合の不都合を説明する図である。トレンチゲートのＭＯＳＦＥＴなどのゲート電極を、このポリシリコン膜５１によりゲート絶縁膜５２で被覆されたトレンチ溝５３を、充填して形成する場合、ラジカルなガス種（ＳｉＨ₂ ）あると、トレンチ溝５３が上部で塞がれて、トレンチ溝５３内部に空洞５４ができて、ゲート抵抗が増大する不具合を生じる。尚、図中の５５はウェル領域で、５６はソース領域である。

図１１は、プレーナの場合の不都合を説明する図である。プレーナ型の縦型のＭＯＳＦＥＴ（ＤＭＯＳ）などで、ゲート電極となるポリシリコン膜６１の膜厚にばらつきがあると、ポリシリコン膜６１をマスクとして、ウェル領域６２の表面層にソース領域６３を形成する場合に、薄い箇所（図では左側）では、ポリシリコン膜６１をイオン注入不純物６４が貫通して、チャネル部をドーピングして、しきい値電圧を変化させるという不都合が生じる。
このように、ウェハ１上に形成されるポリシリコン膜などの薄膜の膜厚がばらつくと半導体装置を製作する上で、前記したような不都合が生じる。
この発明の目的は、前記の課題を解決して、ウェハ面上に形成する薄膜の膜厚を均一にできる化学的気相成長装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、複数の基板を列状に配置する支持治具を具備し、前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
前記支持治具に該基板より面積の大きい表面を備えたガス供給容器を前記列状に複数取り付け、当該ガス供給容器は、前記表面上に前記基板を配置する基板配置部を備え、裏面にガス供給口を備えた構成とする。
また、前記支持治具は、前記ガス供給容器にガスを供給するガス供給管を備えたものとする
また、前記ガス供給容器が前記支持治具と同一材料からなるものとする。
また、ガス供給容器は、前記基板と相似な形状であるものとする。
また、前記基板配置部は、前記ガス供給容器の表面の一部に前記基板をはめ込む前記基板と概略同一形状の凹部を備えたものとする。

このように、バッチ式の化学的気相成長装置において、熱エネルギーで生成されるＳｉＨ₂のような反応性ガスが前記基板上で概略同一濃度になるような構成とすることで、基板上の薄膜の膜厚均一性を向上させることができる。

この発明により、熱エネルギーによって生成するラジカルなＳｉＨ₂ ガス１４が前記基板上で概略同一濃度になるようにすることにより基板に堆積する薄膜の膜厚均一性を改善することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１〜３は、この発明の第１実施の形態の化学的気相成長装置の要部構成図で、図１（ａ）は全体図、（ｂ）はウェハをセットした支持治具の斜視図であり、図２（ａ）は、ガス供給容器の表面の斜視図であり、図２（ｂ）は、ガス供給容器の裏面の斜視図であり図３は、内部容器管内の様子を示すモデル図である。図６と同一箇所には同一符号を記した。
化学的気相成長装置は、一端（上部）が閉じている外部容器管５と、この外部容器管５内に設置される反応室９と壁面から反応性ガスの一部を排気することが可能なように開口を有する内部容器管４と、この内部容器管４に収納されるボートと称せられる支持治具２と、外部容器管５を収納し、支持治具２にセットされたウェハ１（基板）を加熱するヒータ６を有する電気炉７などから構成される。

支持治具２には、前記基板と相似な形状で該基板より面積の大きい表面を備えたガス供給容器３を取り付ける。
ガス供給容器３の内部は、図３に示すように中空部１８を備え、図２（ａ）に示すように、ガス供給容器３の表面である基板配置部１６に前記基板１を互いの中心が合致するように配置するとともに、図２（ｂ）に示すように、基板１に対向するガス供給容器３の裏面には、反応性ガスを供給するガス供給口１７を備える。
なお、ガス供給容器３へのＳｉＨ₄ ガスとＮ₂ ガスの供給は、ガス供給容器３を支えている支柱３２の内部にガス供給管１９を設け、ガス供給管１９を介して行うことができる。
ガス供給容器３は、装置を小さくする目的から扁平な形状でできるだけ薄いものが望ましい。

ガス供給容器３は、支持治具２と同一材料からなり、石英で形成されている。
支柱３２には一端が閉口された石英管を用い、ガス供給容器３は、凹部を形成した石英板と開口部を複数形成した石英板を張り合わせて形成する。このガス供給容器３を加熱加工法により支柱３２と接続する。材料は特に限定されるものでなく、炭化シリコン、セラミックスであってもよい。
この支持治具２を蓋８に設置されたステンレスからなるガス導入管１５と図示しないコバール管を介して支持治具２の支柱３２と接続する。これを内部容器管４内に挿入し、外部容器管５の開口部（下部）に蓋８をして、密封し、外部容器管５内を減圧雰囲気にして、反応性ガスであるＳｉＨ₄ ガス１３とキャリアガスであるＮ₂ ガスを、ガス流入口１０から支持治具２を通してガス供給容器３のガス供給口１７からウェハ１上に吹き付ける。また、ＳｉＨ_４１３の前記キャリアガスとは別に装置の底部より図示しない不活性ガス（Ｎ_２）を供給し、ガス流１２を形成する。ガス供給容器３のガス供給口１７から供給された反応性ガスは、ガス流１２の流れに沿って内部容器管４の壁面と外部容器管５の壁面で挟まれた隙間を通して、ガス排気口１１から図示しない真空ポンプで吸引して排気される。なお、反応性ガスが均一にウェハ１に供給されるため、支持治具２は回転させる必要はない。

前記のように、支持治具２にウェハ１と相似な形状を有するガス供給容器３を取り付け、その表面上の基板配置部１６にガス供給容器３とウェハ１とを互いの中心が合致するように積載し、さらに対向するガス供給容器３の裏面に形成されたガス供給口１７から、反応性ガスを供給することにより、熱エネルギーで生成されるＳｉＨ₂１４のような反応性ガスがウェハ１上で概略同一濃度になるような構成とすることで、図４で説明するように、ウェハ１に堆積するポリシリコン膜の膜厚の面内ばらつきを従来の１／２程度に改善することができる。
なお、ここでは薄膜として、ポリシリコン膜を挙げたが、窒化膜や酸化膜の場合もこの発明のように、対向するガス供給容器３の裏面に形成されたガス供給口１７から、反応性ガスを供給させることによりラジカルなガス種の濃度が基板１上で均一になるため、ガス供給容器３を設け、複数の基板１それぞれに対応して反応性ガスを供給するようにした化学的気相成長装置は有効であると推測される。

支持治具２にウェハ１と相似な形状を有するガス供給容器３を取り付け、その上にウェハ１を互いの中心が合致するように積載し、さらに対向するガス供給容器３の裏面に形成されたガス供給口１７から、反応性ガスを供給することにより、熱エネルギーによって生成する、前記した（作用の項で説明した）ラジカルなＳｉＨ₂ ガス１４が前記基板上で概略同一濃度になるようにすることができる。ＳｉＨ₂ ガス１４の濃度を均一化することで、ＳｉＨ₄ ガス１３とＳｉＨ₂ ガス１４の分解により生成するウェハ１内でのポリシリコン膜の膜厚を均一化できる。
図４は、図１の化学的気相成長装置を用いてウェハにポリシリコン膜を成膜したときの、膜厚分布である。
図１に示すように、全体で１５０枚のウェハ１を支持治具２にセットし、内部容器管４の下側を上流領域２１、中間を中流領域２２、未反応の反応性ガスが流出する側を下流領域２３の３領域に分割し、各領域に５０枚のウェハ１をセットしてウェハ１上に薄膜としてポリシリコン膜を成膜する。成膜したポリシリコン膜の膜厚を、図８に示すようにウェハ１の中心を含む直線上の２０点で測定する。

この膜厚の測定は、上流領域２１、中流領域２２、下流領域２３の３領域にセットされた各５０枚のウェハで行う。つぎに、各領域の同一測定点での膜厚を平均値を出し、この平均値を、ウェハ１の中心の膜厚の平均値で割った値を、各測定点での各領域での規格化した膜厚の平均値（規格化平均膜厚値）として示した。図中のＡは上流領域、Ｂは中流領域、Ｃは下流領域の各測定点での規格化平均膜厚値である。
ラジカルなＳｉＨ₂ ガスが基板領域に侵入しにくくなるために、下流領域Ｃで形成されるポリシリコン膜の規格化平均膜厚値のばらつきは０．７％と小さくなる。しかも、図示しないが下流領域Ｃでの規格化した膜厚の最大値（規格化最大膜厚値）のばらつきも、この規格化平均膜厚値のばらつきの約１．４倍程度で、１％と小さなばらつきになる。
このように、内部容器管の壁面から反応性ガスの一部を排気することで、薄膜の膜厚を１％以下の面内ばらつきに抑え込むことができるようになり、デバイス特性の均一性を大きく伸ばすことができるようになる。

図５は、この発明の第２の実施の形態のガス供給容器の要部構成図であり（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。
このガス供給容器３は、オリエンテーションフラットが形成されたウェハを配置する場合のものであり、凹部が形成されており、この凹部が基板配置部１６になる。凹部の深さは基板の厚さと同程度が望ましい。基板配置部１６の底部は、密着性を考慮して鏡面とすることが望ましい。このようなガス供給容器３では、ウェハ面とガス供給容器表面とが概略同一平面に位置することになるため、反応性ガス流の乱れが抑えられ凹部がない場合に比べより平滑が薄膜を形成することができる。

この発明の第１の実施の形態の化学的気相成長装置の要部構成図 この発明のガス供給容器の要部構成図であり、（ａ）表面の斜視図、（ｂ）は、裏面の斜視図 内部容器管内の様子を示すモデル図 図１の化学的気相成長装置を用いてウェハにポリシリコン膜を成膜したときの膜厚分布図 この発明の第２の実施の形態のガス供給容器の要部構成図であり、（ａ）は、平面図、（ｂ）は、断面図 従来のバッチ式の化学的気相成長装置の要部構成図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）はウェハをセットした支持治具の斜視図 図４の縦型ポリシリコン化学的気相成長装置の内部容器管内の様子を示すモデル図 ウェハ位置と膜厚の関係を示す図 ウェハ上のポリシリコン膜の膜厚を測定する箇所を示す図 トレンチ溝の場合の不都合を示す図 プレーナの場合の不都合を示す図

符号の説明

１ ウェハ
２ 支持治具
３ ガス供給容器
４ 内部容器管
５ 外部容器管
６ ヒータ
７ 加熱炉
８ 蓋
９ 反応室
１１ ガス排出口
１２ ガス流
１３ ＳｉＨ₄ ガス
１４ ＳｉＨ₂ ガス
１５ ガス導入管
１６ 基板配置部
１７ ガス供給口
１８ 中空部
１９ ガス供給管
２１ 上流領域
２２ 中流領域
２３ 下流領域
３１ 支持台
３２ 支柱
３３ 支え板

Claims (5)

1. 複数の基板を列状に配置する支持治具を具備し、前記基板上に薄膜を形成する化学的気相成長装置において、
   前記支持治具に該基板より面積の大きい表面を備えたガス供給容器を前記列状に複数取り付け、当該ガス供給容器は、前記表面上に前記基板を配置する基板配置部を備え、裏面にガス供給口を備えたことを特徴とする化学的気相成長装置。
2. 前記支持治具は、前記ガス供給容器にガスを供給するガス供給管を備えたことを特徴とする請求項１に記載の化学的気相成長装置。
3. 前記ガス供給容器が前記支持治具と同一材料からなることを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の化学的気相成長装置。
4. 前記ガス供給容器は、前記基板と相似な形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の化学的気相成長装置。
5. 前記基板配置部は、前記ガス供給容器の表面の一部に前記基板をはめ込む前記基板と概略同一形状の凹部を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の化学的気相成長装置。
   

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