JP2007051335A - Ｃｖｄ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハエッジ部の成膜制御性を高めたＣＶＤ装置を提供する。
【解決手段】ＣＶＤ装置は、チャンバー２１を備えている。チャンバー２１内には、半導体基板２２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ２４と、半導体基板２２の側方から原料ガスを供給するガス導入口２３と、原料ガスをチャンバー２１の外部に排出する排出口２５とがそれぞれ設けられている。ウェハステージ２４の寸法は半導体基板２２よりも小さくなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、化学的気相成長（以下、ＣＶＤと記す）法を用いて成膜を行うＣＶＤ装置に関するものである。

半導体装置の製造に用いられる成膜方法の一つとして、ＣＶＤ法が知られている。

図５（ａ）は、一般的なＣＶＤ装置を示す断面図であり、図５（ｂ）は、（ａ）に示すＣＶＤ装置により形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。

図５（ａ）に示すように、一般的なＣＶＤ装置は、チャンバー１１１を備えている。チャンバー１１１内には、半導体基板１１２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ１１４と、半導体基板１１２の膜成長面の上方に設けられ、原料ガスを吐出するガス導入口１１３と、原料ガスをチャンバー１１１の外部に排出する排出口１１５とがそれぞれ設けられている。このようなＣＶＤ装置は、例えば特許文献１に開示されている。

従来のＣＶＤ装置では、原料ガスがガス導入口１１３から半導体基板１１２の上面（膜成長面）に向かって供給される。また、ヒータブロックが内部に埋め込まれたウェハステージ１１４の寸法は半導体基板１１２よりも大きい。膜成長面への原料ガスの供給量を均一にするとともに、成膜温度を均一にすることにより、均一な厚みのＣＶＤ膜１１０を形成することが可能となる。
特開２００３−２５３４４６号公報

しかしながら、上記従来の構造を持つＣＶＤ装置を用いて成膜を行った場合、図５（ｂ）に示すように、形成されたＣＶＤ膜１１０のうち、半導体基板１１２のウェハエッジ部（周辺部）上に形成された部分の膜厚とチップ形成領域（半導体基板１１２におけるウェハエッジ部を除く領域）上に形成された部分の膜厚とは異なる。また、ウェハエッジ部の成膜状態はチップ形成領域ほど制御されておらず、特にウェハエッジの裏面上に形成されたＣＶＤ膜の膜厚ならびに成膜領域の再現性は乏しい。

ウェハエッジ部での成膜再現性が乏しい原因の一つとして、ウェハエッジ部における成膜が、従来型のＣＶＤ装置では制御されていないことが挙げられる。成膜ガスを半導体基板の上方から供給する従来のＣＶＤ装置では、チップ形成領域とウェハエッジ部とで成膜ガスの供給量が異なる。

半導体素子の微細化の進行に伴い、配線層の多層化も進められている。電界効果型トランジスタを用いた大規模集積回路では、最小加工寸法が９０ｎｍの世代では６〜１０層程度の配線層が、６５ｎｍの世代では８〜１２層程度の配線層が用いられる。このような多層配線構造を採用する場合、ウェハエッジ部での成膜状態が不安定であると、ウェハエッジ部からの膜剥がれが発生し、歩留まり低下の要因となる。従って、配線層の多層化を進めるに当たっては、ウェハエッジ部の成膜制御性を高めることも重要であると言える。

本発明の目的は、ウェハエッジ部の成膜制御性を高めたＣＶＤ装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明に係る第１のＣＶＤ装置は、基板上に膜を成長させるためのチャンバーと、前記チャンバー内に設けられ、ヒータを有し、上面上に前記基板を設置するためのウェハステージと、前記チャンバー内に原料ガスを供給する第１のガス導入口と、前記原料ガスを前記チャンバーの外部に排出する排出口とを備え、前記ウェハステージの平面寸法は、前記基板の平面寸法よりも小さい。

この構成により、回路形成面のチップ形成領域上からウェハエッジ部の裏面上まで薄膜を形成することが可能となる。このため、本発明のＣＶＤ装置を用いることにより、ウェハエッジ部付近からの膜剥がれを低減させることができる。

前記第１のガス導入口が、前記基板を設置するための領域の側方に設けられていることにより、ウェハエッジ部の露出面上に回路形成面と同様の厚みの膜を形成することができる。

また、基板の上方にガス導入口がさらに設けられていれば、回路形成面上に形成される膜の膜質を向上させることができ、好ましい。

本発明の第２のＣＶＤ装置は、基板上に膜を成長させるためのチャンバーと、前記チャンバー内に設けられ、ヒータと前記基板を支持する少なくとも３本の昇降可能なリフトピンとを有し、上面上に前記基板を設置するためのウェハステージと、前記チャンバー内に原料ガスを供給する第１のガス導入口と、前記原料ガスを前記チャンバーの外部に排出する排出口とを備えている。

この構成により、基板の加熱時にはウェハステージ上で基板を加熱し、成膜時にはリフトピンで基板を上に上げることで、基板のウェハエッジ部の表面にも均一な膜厚の膜を形成することが可能となる。さらに、基板の裏面の広い領域上に膜を形成することが可能となる。

本発明のＣＶＤ装置によれば、ウェハエッジ部において成膜制御性を高めたＣＶＤ法を実現できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、図１（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。また、図１（ｃ）は、本実施形態の変形例に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、チャンバー２１を備えている。チャンバー２１内には、半導体基板２２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ２４と、半導体基板２２の側方から原料ガスを供給するガス導入口２３と、原料ガスをチャンバー２１の外部に排出する排出口２５とがそれぞれ設けられている。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置においては、ウェハステージ２４の寸法は半導体基板２２よりも小さくなっており、半導体基板２２は、そのエッジ部全体がウェハステージ２４からはみ出すように設置される。そして、例えばシリコン酸化膜からなるＣＶＤ膜２０を半導体基板２２上に形成する場合には、原料ガスとしてシランガスと酸素ガスの混合ガスを用い、減圧雰囲気下で成膜を行う。ウェハステージ２４上に設置された半導体基板２２は、ヒータによってＣＶＤ膜の成長温度に達するまで加熱される。そして、原料ガス等のガスがガス導入口２３から供給されることにより、半導体基板２２の上面およびウェハエッジ部上にＣＶＤ膜２０が形成される。

図１（ｂ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置によれば、半導体基板２２における回路形成面のチップ形成領域上からウェハエッジ部の裏面上までほぼ均一な厚さのＣＶＤ膜２０が形成される。これは、ウェハステージ２４から半導体基板２２のウェハエッジ部がはみ出た状態で成膜されるためである。また、原料ガスが半導体基板２２の側方から供給されていることにより、ウェハエッジ部に原料ガスが行き渡るので、ウェハエッジ部に形成される膜の厚さをより厚くすることができる。このように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置を用いることにより、半導体基板のウェハエッジ部への成膜制御性を高めることができる。このため、本実施形態の熱ＣＶＤ装置を用いれば、配線形成工程後にウェハエッジ部からの膜剥がれを生じにくくすることができる。

なお、本実施形態では、熱ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を堆積させる例について述べたが、本実施形態の熱ＣＶＤ装置と同様の構造を有するプラズマＣＶＤ装置であっても膜剥がれの発生を抑えることができる。また、形成されるＣＶＤ膜もシリコン酸化膜に限らずシリコン窒化膜等の他の膜であってもよい。

なお、図１（ａ）では、ガス導入口２３が半導体基板２２の側方のみに設けられた例を示したが、図１（ｃ）に示すように、半導体基板２２の上方から回路形成面に向かって原料ガスを供給する第２のガス導入口１３がさらに設けられていてもよい。これにより、さらに効率良く均一な厚さのＣＶＤ膜を形成することができる。

（第２の実施形態）
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、図２（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、ウェハステージの形状が第１の実施形態のＣＶＤ装置と異なっている。

図２（ａ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、チャンバー３１を備えている。チャンバー３１内には、半導体基板３２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ３４と、半導体基板３２の側方から原料ガスを供給するガス導入口３３と、原料ガスをチャンバー３１の外部に排出する排出口３５とがそれぞれ設けられている。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置においては、ウェハステージ３４の寸法は半導体基板３２よりも小さくなっており、半導体基板３２は、そのエッジ部全体がウェハステージ３４からはみ出すように設置される。また、ウェハステージ３４の上面は、チャンバー３１内の原料ガスが半導体基板３２の裏面に回り込むことができるように格子状あるいは線状の溝を有している。ただし、この溝の底部および側面（端部を除く）はウェハステージ３４の内部に通じる開口を持たない。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置において、例えばシリコン酸化膜からなるＣＶＤ膜３０を半導体基板３２上に形成する場合には、原料ガスとしてシランガスと酸素ガスの混合ガスを用い、減圧雰囲気下で成膜を行う。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置によれば、半導体基板３２における回路形成面のチップ形成領域上からウェハエッジ部の裏面上までほぼ均一な厚さのＣＶＤ膜３０が形成される。さらに、半導体基板３２の裏面上には、ウェハステージ３４上面の溝形状が反転された形状で膜が形成される。このように、ウェハステージ３４の上面に溝を形成することにより、半導体基板３２の裏面にもＣＶＤ膜３０を形成することができるようになる。本実施形態の熱ＣＶＤ装置を用いても、第１の実施形態のＣＶＤ装置と同様に、半導体基板のウェハエッジ部への成膜制御性を高めることができる。このため、配線形成工程後にウェハエッジ部からの膜剥がれを生じにくくすることができる。

なお、本実施形態では、熱ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を堆積させる例について述べたが、本実施形態の熱ＣＶＤ装置と同様の構造を有するプラズマＣＶＤ装置であっても膜剥がれの発生を抑えることができる。また、形成される膜もシリコン酸化膜に限らずシリコン窒化膜等の他の膜であってもよい。

また、以上では、ガス導入口３３が半導体基板３２の側方に配置される場合について述べたが、図１（ｃ）と同様に半導体基板３２の上方から回路形成面に向かって原料ガスを供給するガス導入口をさらに設けてもよい。これにより、さらに効率良く均一な厚さの膜を形成することができる。

（第３の実施形態）
図３（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、図３（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、ヒータブロック付きウェハステージの形状とガス導入口の構造とが第２の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置と異なっている。

図３（ａ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、チャンバー４１を備えている。チャンバー４１内には、半導体基板４２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ４４と、半導体基板４２の側方から原料ガスを供給する第１のガス導入口４３と、第１のガス導入口４３とは独立して原料ガスの供給量を制御することが可能な第２のガス導入口４６と、原料ガスをチャンバー４１の外部に排出する排出口４５とがそれぞれ設けられている。本実施形態の熱ＣＶＤ装置においては、ウェハステージ４４の寸法は半導体基板４２よりも小さくなっており、半導体基板４２は、そのエッジ部全体がウェハステージ４４からはみ出すように設置される。また、ウェハステージ４４の上面は、チャンバー４１内の原料ガスが半導体基板４２の裏面に回り込むことができるように格子状あるいは線状の溝を有している。この溝の底面または側面には穴などが開口している。

その上、本実施形態の熱ＣＶＤ装置では、半導体基板４２の設置領域の側底部に第２のガス導入口４６が設けられている。第２のガス導入口４６から供給された原料ガスは、ウェハステージ４４の内部を通ってウェハステージ４４上面の溝に形成された穴から半導体基板４２の裏面に供給される。ここで、二種類以上のガスが原料ガスとして用いられる場合には、ヒータの熱でウェハステージ４４内にＣＶＤ膜が形成されるのを防ぐために原料ガスを溝に供給する穴をガスごとに分けておくことが好ましい。例えば、シリコン酸化膜を形成する場合には、シランガスを供給する穴と酸素ガスを供給する穴とを分けておく。なお、成膜は減圧雰囲気下で行う。

図３（ｂ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置によれば、半導体基板４２における回路形成面のチップ形成領域上からウェハエッジ部の裏面上までほぼ均一な厚さのＣＶＤ膜４０が形成される。さらに、半導体基板４２の裏面上には、ウェハステージ４４上面の溝形状が反転された形状で膜が形成されている。特に、本実施形態の熱ＣＶＤ装置によれば、第２のガス導入口４６から半導体基板４２の裏面に原料ガスが供給されるので、半導体基板４２の裏面上に、上面上とほぼ同等の厚みを有する膜を形成することが可能となる。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置を用いても、第１の実施形態のＣＶＤ装置と同様に、半導体基板のウェハエッジ部への成膜制御性を高めることができる。このため、配線形成工程後にウェハエッジ部からの膜剥がれを生じにくくすることができる。さらに、半導体基板４２裏面への成膜においては、ウェハエッジ部とは独立して制御が可能となるため、半導体基板４２の裏面への成膜制御性も高めることができる。

なお、本実施形態ではシリコン酸化膜を堆積させる例について述べたが、本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、シリコン酸化膜に限らずシリコン窒化膜等の他の成膜に用いることができる。また、第２のガス導入口４６は溝の側底部以外に設けられていてもよく、例えば溝の側方に設置されていてもよい。

また、以上では、第１のガス導入口４３が半導体基板４２の側方に配置される場合について述べたが、図１（ｃ）と同様に半導体基板４２の上方から回路形成面に向かって原料ガスを供給するガス導入口をさらに設けてもよい。これにより、さらに効率良く均一な厚さの膜を形成することができる。

（第４の実施形態）
図４（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、図４（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、後述するように、基板裏面の温度制御を行いながら成膜することが可能となっている。

図４（ａ）に示すように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置は、チャンバー６１を備えている。チャンバー６１内には、半導体基板６２を設置するためのヒータブロック付きウェハステージ６４と、半導体基板６２の側方から原料ガスを供給するガス導入口６３と、原料ガスをチャンバー６１の外部に排出する排出口６５とがそれぞれ設けられている。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置において、ウェハステージ６４は、半導体基板６２を支え、昇降可能な真空チャックを有する少なくとも３本のリフトピン６６を有している。なお、「真空チャック」とは、リフトピンの内部を真空状態にすることにより半導体基板６２を固定する固定具のことである。さらに、リフトピン６６の内部には半導体基板６２の裏面の温度を検知する温度センサー６７が設けられている。また、本実施形態の熱ＣＶＤ装置では、ウェハステージ６４の平面寸法は半導体基板６２よりも大きくなっている。

本実施形態の熱ＣＶＤ装置において、例えばシリコン酸化膜からなるＣＶＤ膜６０を半導体基板６２上に形成する場合には、原料ガスとしてシランガスと酸素ガスの混合ガスを用い、減圧雰囲気下で成膜を行う。また、ウェハ（半導体基板６２）の加熱時にはリフトピン６６をウェハステージ６４内に収納した状態にしておき、半導体基板６２をウェハステージ６４と接触させておく。そして、成膜時にはリフトピン６６を用いて半導体基板６２をウェハステージ６４上からリフトアップさせる。成膜時の基板温度は放射温度計を備えた温度センサー６７でモニターし、規定の温度よりウェハ温度が低下したら原料ガスの供給を止め、ヒータを内蔵したウェハステージ６４上で再度加熱する。この加熱後に再度半導体基板６２をリフトアップして成膜を行う。

これにより、 図４（ｂ）に示すように、半導体基板６２における回路形成面のチップ形成領域上からウェハエッジ部の裏面上までほぼ均一な厚さのＣＶＤ膜６０が形成される。さらに、半導体基板６２の裏面のうちリフトピン６６と接触していた領域を除く領域上にも膜が形成される。

このように、本実施形態の熱ＣＶＤ装置を用いてもこれまでに説明した実施形態の熱ＣＶＤ装置と同様に半導体基板のウェハエッジ部への成膜制御性を高めることができる。また、成膜中の基板温度をモニターすることができるため、温度センサー６７を設けない場合に比べ、堆積膜厚や膜質制御性の向上、および処理時間の短縮を図ることができる。

このため、配線形成工程後にウェハエッジ部からの膜剥がれをより生じにくくすることができる。また、本実施形態の熱ＣＶＤ装置によれば、第２、第３の実施形態の熱ＣＶＤ装置に比べてウェハ裏面の広い範囲に渡って成膜することが可能となる。

なお、本実施形態では、熱ＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を堆積させる例について述べたが、本実施形態の熱ＣＶＤ装置と同様の構造を有するプラズマＣＶＤ装置であっても膜剥がれの発生を抑えることができる。また、形成されるＣＶＤ膜もシリコン酸化膜に限らずシリコン窒化膜等の他の膜であってもよい。

また、本実施形態の熱ＣＶＤ装置では、チャック機構として真空チャックが用いられたが、半導体基板のずれを防ぐ機構であれば他の機構が用いられてもよく、例えば静電気を用いたチャック機構が用いられてもよい。また、本実施形態の熱ＣＶＤ装置では、温度センサーとして放射温度計が用いられたが、成膜中のウェハ温度を測定できる機構であれば他の機構が用いられてもよく、例えば、熱電対式の温度センサーが用いられていてもよい。

また、以上では、ガス導入口６３が半導体基板６２の側方に配置される場合について述べたが、図１（ｃ）と同様に半導体基板６２の上方から回路形成面に向かって原料ガスを供給するガス導入口をさらに設けてもよい。

また、本実施形態のＣＶＤ装置では、リフトピン６６内に温度センサー６７が設けられていたが、温度センサー６７を設けずに基板温度が所定の温度よりも低くならないように成膜時間をあらかじめ設定するようにしてもよい。

なお、本実施形態のＣＶＤ装置では、リフトピン６６は昇降可能であるが、半導体基板６２の加熱をランプで行う場合には、リフトピン６６を下げずに成膜を行うことが可能となる。

以上説明したように、本発明のＣＶＤ装置はウェハエッジ部からの膜剥がれが抑制された半導体ウェハの製造に利用することができる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る熱ＣＶＤ装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す熱ＣＶＤ装置によって形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。 （ａ）は、一般的なＣＶＤ装置を示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＣＶＤ装置により形成されたＣＶＤ膜を有する半導体基板を示す断面図である。

符号の説明

１３、４６ 第２のガス導入口
２０、３０、４０、６０ ＣＶＤ膜
２１、３１、４１、６１ チャンバー
２２、３２、４２、６２ 半導体基板
２３、３３、６３ ガス導入口
２４、３４、４４、６４ ウェハステージ
２５、３５、４５、６５ 排出口
４３ 第１のガス導入口
６６ リフトピン
６７ 温度センサー

Claims (9)

1. 基板上に膜を成長させるためのチャンバーと、
   前記チャンバー内に設けられ、ヒータを有し、上面上に前記基板を設置するためのウェハステージと、
   前記チャンバー内に原料ガスを供給する第１のガス導入口と、
   前記原料ガスを前記チャンバーの外部に排出する排出口とを備え、
   前記ウェハステージの平面寸法は、前記基板の平面寸法よりも小さいことを特徴とするＣＶＤ装置。
2. 前記第１のガス導入口は、前記基板を設置するための領域の側方に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のＣＶＤ装置。
3. 前記基板の上方から前記膜の成長面に前記原料ガスを供給する第２のガス導入口をさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＶＤ装置。
4. 前記基板を設置するための前記ウェハステージの上面に溝が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のＣＶＤ装置。
5. 前記溝には開口部が形成されており、
   前記ウェハステージの内部を通って前記開口部に前記原料ガスを供給する第３のガス導入口をさらに備えていることを特徴とする請求項４に記載のＣＶＤ装置。
6. 基板上に膜を成長させるためのチャンバーと、
   前記チャンバー内に設けられ、ヒータと前記基板を支持する少なくとも３本の昇降可能なリフトピンとを有し、上面上に前記基板を設置するためのウェハステージと、
   前記チャンバー内に原料ガスを供給する第１のガス導入口と、
   前記原料ガスを前記チャンバーの外部に排出する排出口とを備えていることを特徴とするＣＶＤ装置。
7. 前記第１のガス導入口は、前記基板を設置するための領域の側方に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のＣＶＤ装置。
8. 前記ウェハステージは、前記リフトピンの内部に設けられた温度センサをさらに有していることを特徴とする請求項６または７に記載のＣＶＤ装置。
9. 前記基板の上方から前記膜の成長面に前記原料ガスを供給する第２のガス導入口をさらに備えていることを特徴とする請求項６〜８のうちいずれか１つに記載のＣＶＤ装置。

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