JP2006108712A - 基板処理方法及び基板処理装置。 - Google Patents

Abstract

【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

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。

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。

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４ａ，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。

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２２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。

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。

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。

本発明者らは、上記ＣＶＤ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１に示すように、反応管２は仕切り板６１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８ａ，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。

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３ａ，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。

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。

それでは、成膜手順を説明する。ウエハ３ａ，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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

以上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３ａ，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。

図３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。

このうにすれば、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。

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。

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１の中央部の拡大図。 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。 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。 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。 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。 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７の中央部を拡大した図。 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、４ａ，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、１０ａ，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、８３…テーパ面、８４…開口。

Claims (2)

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且つ平行に保持すると共に、コーティングにより各々の基板の上部に互いにほぼ同一の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、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基板処理方法。
   
2. 高温炉内部で大気雰囲気から隔離された反応室と、該反応室内に複数の基板をほぼ水平且つ平行に保持する支持板と、コーティングにより各々の基板の上部に互いにほぼ同一の表面粗さを有する平らな壁面と、を備えた基板処理装置であって、
   前記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基板処理装置。

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