JP2551753B2

JP2551753B2 - 光ｃｖｄ装置

Info

Publication number: JP2551753B2
Application number: JP61028588A
Authority: JP
Inventors: 浩洋熊谷; 詩麻夫米山; 庄司加藤; 球夫鈴木
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1986-02-12
Filing date: 1986-02-12
Publication date: 1996-11-06
Anticipated expiration: 2011-11-06
Also published as: JPS62186537A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、CVD（薄膜形成）装置に関し、特に、均一
で高速な成膜ができる光CVD装置に関する。

［従来の技術］薄膜の形成方法として、半導体工業において一般に広
く用いられているものの一つに、気相成長法（CVD:Chem
ical Vapour Deposition）がある。CVDとは、ガス状
物質を化学反応で固体物質にし、基板上に堆積するもの
である。

CVDの特徴は、成長しようとする薄膜の融点よりかな
り低い堆積温度で種々の薄膜が得られること、そして成
長した薄膜の純度が高く、SiやSi上の熱酸化膜上に成長
した場合も電気的特性が安定であることで、広く半導体
表面のパッシベーション膜、さらには、ゲート等の絶縁
膜の形成等に利用されている。

CVDによる薄膜形成は、例えば、加熱したウエハに反
応ガス（例えば、SiH₄＋O₂、またはSiH₄＋PH₃＋O₂）を
供給して行われ、ウエハの加熱温度としては、常圧CVD
装置では500℃程度であり、プラズマCVD装置では、これ
よりやや低く300℃〜400℃程度となる。そして光CVD装
置にあっては、さらに低いものとすることができ、200
℃〜400℃前後又は200℃以下の温度で反応処理をさせる
ことが可能である。

反応ガスは、反応室（チャンバ）内のウエハに吹きつ
けられ、ウエハの表面にSiO₂あるいはフォスフォシリケ
ートガラス（PSG）等の薄膜を形成する。またSiO₂とPSG
等との多相成膜が行われることもある。

このようなCVDによる薄膜形成操作を行うために従来
から用いられている常圧CVD装置では、成膜速度が低
く、薄い膜の形成及び膜厚の均一性が劣り、温度管理が
問題となる。また、プラズマCVD装置では、光エネルギ
ーの荷電粒子と電界が関与するために、下地及び堆積膜
への損傷が問題となり、下地材料とパターンの多様性に
起因するデポジション膜の不安定性などの問題も生じ
る。

ところで、近年、半導体集積回路にあっては、一層高
密度化が進み、256kビット、1Mビット、4Mビット等の超
LSI又は超々LSIメモリの開発、製造が行われている。ま
た、このような半導体チップが切出されるウエハも、
６″乃至は８″、そして10″とその径が大きくなる方向
にある。

したがって、超LSI又は超々LSIにあっては、より薄く
均一な膜の形成が必要不可欠であり、かつ大きな面積に
亘って均一な成膜が要求される。

そこで、これらの問題を解決し、かつより薄く均一な
膜形成に有効な装置として光励起プロセス装置（光CVD
装置）が近年注目されている。

光CVD装置は、光によりガスを励起してウエハ上に成
膜するものであって、その光源としてレーザ光源と紫外
線ランプを使用するものの２つに分類することができ
る。

［解決しようとする問題点］エキシマレーザ等のレーザを使用する光CVD装置にあ
っては、ビームをウエハ面積まで拡大したときに、十分
な強度が得られないという欠点があり、成膜速度を高速
にできない。しかもその光源効率は悪い。

レーザ光源を使用するものとしては、ウエハ表面に対
してほぼ平行な方向から原料ガスにレーザ光を照射する
ものを挙げることができるが、ウエハ全面に亘って均一
な密度のレーザ光を得ることは難しい。しかも、レーザ
光の密度が成膜速度に与える影響は、リニアなものでは
なく、均一な成膜を行うために広い範囲に亘って成膜条
件に適するような密度のレーザ光を発生させることは非
常に困難なことである。

一方、低圧水銀ランプ等の紫外線照射ランプを使用す
る光CVD装置にあっても、その照射強度は十分でなく、
高強度の低圧水銀ランプの開発が望まれており、大きな
面積に亘って均一な成膜を行う点では、必ずしも十分な
ものではない。

［発明の目的］この発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてな
されたものであって、このような問題点を解決するとと
もに、大きな面積に亘って均一な成膜を高速に行うこと
ができる光CVD装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］本発明は、反応室内に導入された原料ガスに光を照射
して原料ガスを励起しこれによりウエハ上に成膜する光
CVD装置において、前記ウエハを加熱するための加熱手段と、前記ウエハの直径に対応する長さに亘って伸び、前記ウ
エハの表面にほぼ平行になるように原料ガスの流れを形
成するスリットの設けられたガス供給手段と、前記ウエハの表面に対向するように配置され、ウエハ
の表面近傍に存在する原料ガスに紫外線を照射するため
の紫外線光源と、前記ウエハの直径方向に沿ってウエハの表面に平行あ
るいはほぼ平行に進行するレーザ光をウエハの表面近傍
に存在する原料ガスに照射するためのレーザ光源と、を
備え、前記レーザ光の収束点が前記レーザ光源に対して遠い
側の前記ウエハの外周近傍に位置することを特徴とする
するものである。

［作用］レーザ光が進行するに従って徐々に光の強度が減衰し
ていくが、レーザ光の収束点が前記レーザ光源に対して
遠い側のウエハの外周近傍に位置しているので、先に行
く程光の密度が大きくなり、原料ガスの励起をレーザ光
の進行方向に沿って均一に行うことができる。そしてウ
エハの直径に対応する長さに亘ってガス供給手段にスリ
ットを設けているため、ウエハの表面に原料ガスが均一
に流れるため、この結果ウエハに均一な成膜を施すこと
ができる。

［実施例］以下、この発明の一実施例について図面を用いて詳細
に説明する。

第１図は、この発明の光CVD装置を適用した一実施例
の原理を示す概念図であり、第２図は、その光CVD装置
の断面説明図、第３図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、そ
れぞれレーザ光の照射状態とウエハとの関係を示す説明
図、第４図は、第３図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）におけ
るレーザ光照射状態とウエハの膜厚との関係を示すグラ
フである。

第１図においては、１は、サセプタ又はウエハ載置台
等に載置された、ウエハであって、その表面側（デポジ
ション側）となる下面下方には紫外線ランプ２が設けら
れていて、ウエハ１に成膜するためのガスを励起し、ウ
エハ表面を活性化する光源としての役割を果たす。この
紫外線ランプ２とウエハ１との間のウエハ下面の空間
に、例えばモノシラン（SiH₄）ガス等の原料ガスの流れ
空間を形成する。

このようなガスの流れ空間を形成するために、ガス供
給手段であるガスノズル３が同様にウエハ１の下側で、
紫外線ランプ２より上であって、その照射紫外線光を遮
らない、ウエハ１の側面位置に配置されていて、ウエハ
の直径に対応する長さに亘って伸びるスリット3a、3a、
・・・からウエハ１の表面にほぼ平行になるような形態
で原料ガスが噴射される構成を採る。

なお、この実施例では、ウエハ１は、フレーク等が付
着しないように、その表面側か下側となる、いわゆるフ
ェイスダウン（デポジション・アップ）の配置となって
いる。

一方、ウエハ１の裏面側となる上部には、ウエハ載置
台（第２図のサセプタ16参照）を介してウエハ１を加熱
する赤外線ランプ４（ウエハ加熱のためのヒータとし
て）が設けられていて、これによりウエハ１が例えば20
0℃〜400℃程度の範囲の所定の反応温度に均一に加熱さ
れる。

また、ウエハ１の表面に噴射される原料ガスを励起す
るために、ウエハ１の表面と平行でかつ原料ガスの流出
方向と直角となる方向に、その断面が矩形のレーザ光５
がエキシマレーザ６から収束レンズ８、７を介して照射
される。

ここで、レーザ光５と紫外線ランプ２とは、そのレー
ザ光又は紫外線ランプ２自体を原料ガスの流出する方向
に対応して振ってウイエハ１の表面に平行な方向に走査
される。このような走査により一様なガス励起空間を実
現し、以て、均一な成膜を大きな面積に対して行う。そ
してレーザ光５の走査範囲は、ウエハ１の外形の幅にほ
ぼ対応する範囲に亘るようにする。

なお、紫外線ランプ２にあっては、比較的大きな面積
の照射を行うことができるので、光源による照射面積と
その強度によっては、必ずしもそれを振る必要はない。
また、レーザ光自体が矩形でウエハの１の外形に対応す
るような幅の光線とすることができれば、同様にこれも
必ずしも振る必要はない。

このような関係でレーザ光を発生して成膜を行う光CV
D装置の具体的構成を次に第２図に基づいて説明する。

第２図において、10は、光CVD装置であって、エキシ
マレーザ６と、このエキシマレーザ６からのレーザ光５
（第１図参照）を受ける真空チャンバ14（反応室）とを
備えていて、これらエキシマレーザ６と真空チャンバ14
との間には、レンズ７、８（第１図参照）を含む光学系
12とこの光学系12に対向して真空チャンバ14に設けられ
た合成石英又は石英で構成されるレーザ光導入窓13がそ
れぞれ直線状に配置されている。

真空チャンバ14の内側には、図面に対して真空チャン
バ14の後ろ側の側壁面側にあって、ウエハ１の側面近傍
の位置に、ノズル群15が配置されている。そしてこのノ
ズル群15は、第１図に見るノズル３を含む、それぞれの
原料ガスに対応した複数のノズルからなり、SiH₄、N
₂（NO₂）、Ar等がこれらノズルからそれぞれウエハ１の
表面に噴射される。

真空チャンバ14の内部中央上側には、ウエハ１を載置
するサセプタ16が設置され、その上にウエハ１が載置さ
れている。

ここで、ウエハ１は、真空チャンバ14の図面に対して
手前側の側壁に位置してゲートバルブ（図面では現れな
い）が設けられている。そしてこのゲートバルブを介し
て接続された図面手前側にある予備室（図示せず）に設
置されたローダ／アンローダ（ウエハ搬送機構、図示せ
ず）から真空チャンバ14内部に搬入される。搬入された
ウエハ１は、次に、サセプタ16上に負圧吸着又は静電吸
着される。一方、反応済みのウエハ１は、同様に前記ロ
ーダ／アンローダにより図面手前の予備室へと搬出され
る。

ところで、ローダ／アンローダにおけるウエハの搬送
機構としては、ベルト搬送をはじめとして、エアーシリ
ンダによるもの、フロッグレッグアームによるもの、回
転アームを使用するもの、移動トレイ搬送によるもの等
各種のものが使用できる。

さて、真空チャンバ14の上部には、赤外線ランプ群ユ
ニット18が配置されていて、その赤外線ランプ４、４、
・・からの照射光が真空チャンバ14の上部に設けられた
赤外線透過窓19を介してサセプタ16を加熱する。

また、真空チャンバ14の下部には、紫外線ランプ２が
配置されていて、紫外線ランプ２からの照射光が真空チ
ャンバ14の下部に設けられた紫外線透過窓25を介してサ
セプタ16に保持されたウエハ１の表面に照射される。

一方、20は、レーザ光放出窓であり、レーザ光導入窓
13の反対側の対向位置に設けられている。また、21a、2
1b、21cは、それぞれガス供給配管であって、ガスノズ
ル群15のそれぞれのノズルに接続されていて、各種の原
料ガス等を供給する。

なお、図示されていないが、レーザ光導入窓13に成膜
反応が起こらないように、また、フレーク等の異物が付
着しないように、真空チャンバ14の内部においてN₂又は
Arガス等の不活性ガスによりレーザ光導入窓13の内面を
パージするものである。

また、真空チャンバ14には、その底部の排気口にガス
排気配管24が接続されていて、このガス排気配管24を介
してロータリーポンプ22により反応生成物、残留原料ガ
ス、パージガス等が排気される。なお、23は、ガス排気
配管24に設けられたメインバルブである。

さて、このような構成において真空チャンバ14の圧力
を２〜10Torr程度として、ウエハの温度を200〜400℃程
度の所定値とし、レーザ光５を少なくともウエハ１の表
面近傍に存在する原料ガス全域に亘って走査させる。こ
のことにより、紫外線による原料ガスの励起及びウエハ
表面の活性化と相まって、レーザ光により原料ガスを励
起させ、ウエハ１の表面に全域に亘ってほぼ一様により
多くのシリコンラジカル等を発生させるものである。

その結果、高速で均一な成膜を行うことができる。

ここで、ウエハ１にレーザ光を照射する範囲は、ウエ
ハ１の外形より外側に亘るような範囲となるように走査
することが好ましいが、ウエハ１には、その外周部にお
いて使用に供されない領域もある。そこで、使用に供さ
れる範囲を含む形でほぼ全域に亘ってレーザ光の照射が
行われればよいものである。

次に、より均一な成膜を行うためのウエハとレーザ光
との関係について説明する。

第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ウエハの表面にほ
ぼ平行な方向に出射した場合のそれぞれレーザ光の走査
の中央位置（ウエハの直径方向）での断面における、ウ
エハと断面矩形状レーザビームとの関係を示すものであ
って、第４図は、その場合のウエハ表面における成膜の
厚さの関係を示している。

ここで、第３図（ａ）は、レーザ光の進行方向先方
（レーザ光源から遠い側）においてほぼウエハの外周近
傍にレーザ光の収束点を設定したものであり、第３図
（ｂ）は、ウエハの中央部前後にレーザ光の収束点を設
定し、第３図（ｃ）は、レーザ光の進行方向先方におい
てウエハの外周遠方にレーザ光の収束点を設定したもの
である。

第３図（ａ）に見るように、レーザ光源から遠い側の
ウエハの外周近傍に設定した場合には、第４図の４イン
チウエハの直径方向の距離に対する膜厚のグラフの特性
曲線Ａから分かるようにウエハ表面にほぼ均一な成膜を
行うことができた。

一方、第３図（ｂ）に見るように、ウエハの中央部前
後に設定した場合には、第４図のグラフの特性曲線Ｂか
ら分かるように、ウエハの光源側外周において成膜の膜
厚が厚くなり、レーザ光の進行方向先方のウエハの外周
部において、膜厚が薄くなる現象が現れる。

また、第３図（ｃ）に見るように、ウエハの外周遠方
に設定した場合には、第４図のグラフの特性曲線Ｃから
分かるように、ウエハの光源側外周において成膜の膜厚
が薄くなり、レーザ光の進行方向先方のウエハの外周部
において、膜厚が厚くなる現象が現れる。

なお、これら第４図のグラフの場合は、チャンバ（反
応室）の内圧は5Torr程度であり、SiH₄＋NH₃の原料ガス
を流し、SiH₄の流量が100cc/min、NH₃の流量が500cc/mi
n、キャリアガスとしてArを用いた場合で、ウエハの加
熱温度をその表面温度で400℃として、レーザ光のビー
ムの幅は、約20mmで厚さがウエハ光源に近い外周側で３
〜5mm前後であって、特に、第３図（ａ）にあっては、
ウエハの光源側外周においてその厚さが3mm、レーザ進
行方向先方側外周部において2mmとした場合である。そ
してウエハ全面に亘って平行にレーザビームを振って走
査したデータである。なお、ウエハの表面温度は、250
〜400℃においてその成膜速度はあまり大きく変化しな
い。

以上のような結果から理解できるように、第３図
（ａ）に見るように、レーザ光の収束点をレーザ光の進
行方向先方においてほぼウエハの外周近傍に設定し、レ
ーザ光５をスキャンさせることにより、ウエハの全領域
においてシリコンラジカル（Siラジカル）数をほぼ一様
に発生させることができる。

すなわち、レーザ光の光源側外周部（光源に近い手前
側）は、光が比較的強いので、その面積を広くして単位
面積当たりのシリコンラジカル数を一定数となるように
発生させ、レーザ光が進行するに従って徐々に光の強度
が減衰して行くので、これに対応して光の密度を大きく
して行き、単位面積当たりのシリコンラジカル数を先の
光源側外周部と同様になるような一定数を発生させるこ
とができる。なお、成膜速度と入射光強度とは、ノンリ
ニアー曲線的な関係で増加するような関係にある。

さて、ここで、ウエハの表面に近い位置でシリコンラ
ジカルをより多く発生させたほうが成膜反応は、速くな
る。しかし余り近づけると、光の密度の増加分布との整
合がとれず、ウエハの全面に亘ってより均一な成膜がし
難くなる。

また、原料ガスの流れについては、ウエハ表面に接し
た位置では、ほぼゼロとなるが、ウエハ表面を離れるに
つれてその流量が可及的に増加する。しかも原料ガスに
対するレーザ光の励起を効率よく行うためには、ある程
度の流速があることが必要となる。そこで、通常では、
最大流速の位置からウエハ表面までのギャップ（間の距
離）において、ウエハ表面側から1/5〜1/10程度の位置
に設定するとよい。

このようなことを考慮すると、レーザ光の傾斜を0.2
〜0.3mm/インチ程度として、光源側のウエハ外周部にお
いてウエハ表面から3mm〜6mm程度の範囲にレーザ光の下
限が位置し、そのビーム径は、成膜するウエハの径にも
よるが、ほぼ１〜5mm程度の範囲とするとよい。

さらに、成膜を均一化する手段について次に説明す
る。

先に述べたように、成膜速度と入射光強度とは、ノン
リニアー曲線的な関係で増加するような関係にある。し
たがって、レーザ光の強度の相違は、成膜厚に大きく作
用する。しかも、レーザ光は、その進行方向に沿って強
度が減衰してしまい、一定とすることは難しい。そこ
で、密度を変化させて成膜を均一化するようにしている
が、ウエハの面積とその均一性の要求度によっては追従
できない場合もあり、また、成膜する膜厚も種々雑多な
ものがある。その結果、前記のような収束点を光源の外
周近傍に設定するだけでは、要求された均一性を満足し
難いことも生じる。

このような場合にあっては、レーザビームの収束点を
光の進行方向で前後に移動させることにより、解決する
ことが可能である。すなわち、密度の高いビーム点を前
後方向に走査させる。

すなわち、レーザビームは、ウエハ表面上において、
平行に原料ガスを走査するとともに、同時にその収束点
が光の進行方向に対して前後に移動走査されるものであ
る。このことによりウエハ表面近傍のシリコンラジカル
の発生数をウエハ全域に亘って均一にし、より均一性の
高い成膜を行うものである。

ここで、レーザビームの収束点の前後移動は、レンズ
７とレンズ８との距離を変更すること又はこれらの焦点
を変えることにより容易にできる。

ところで、第３図（ａ）に示すものにあっては、レー
ザ光の進行方向先方（レーザ光源から遠い側）において
ほぼウエハの外周近傍にレーザ光の収束点を設定してい
る。

先に説明したように、これは、ウエハの表面にほぼ平
行な方向に出射した場合のそれぞれレーザ光の走査の中
央位置（ウエハの直径方向）での断面における、ウエハ
と断面矩形状レーザビームとの関係である。

そこで、レーザ光をウエハ表面と平行に移動させる
と、前記収束点は、レーザビームに垂直な方向で直線移
動することになる。その結果、レーザ光の走査範囲の中
央位置から外れるに従って収束点はウエハの外周から遠
ざかる。

このようなことをなくすために、前記のように収束点
を移動させ、この収束点が常時外形近傍に位置付けるよ
うに収束点の位置を補正することが可能である。

以上説明してきたが、実施例においては、レーザ光の
収束点をウエハ面上で平行移動することで、ウエハの全
面近傍に存在する原料ガスについてシリコンラジカルを
効率よく発生させ、高速でより均一な成膜を行う例を示
しているが、ウエハの面積に対応する幅のレーザ光を発
生させれば、レーザ光は必ずしも走査する必要はない。

また、レーザ光は、その光軸がウエハの表面と十分に
平行な状態でなくてもよく、ウエハの光源側の外周とウ
エハの光源に遠い側の外周とにおいて、ビームがウエハ
面に接触しないか、ある程度の間隔（この間隔は、原料
ガスにある程度の流れを生じているような位置）をもっ
て傾斜していてもよく、いわゆるほぼ平行な状態となっ
ていればよい。

また、実施例におけるより均一な成膜を得るための各
条件は、一例であって、基本的には、この発明は、ウエ
ハにほぼ平行なレーザ光線により、できるだけ多くのシ
リコンラジカルを流動ガス空間に発生させ、この発生す
るシリコンラジカルによりウエハの表面全域に亘って一
様に成膜するというものである。したがって、レーザ光
の進行方向に向かってウエハ表面に対して漸次接近させ
ることにより、レーザ光の減衰による補正をして一様な
シリコンラジカルを発生させることも可能である。

実施例においては、赤外線でウエハを間接点に加熱す
る方法を採っているが、その加熱の仕方は、サセプタに
ヒータを内蔵してもよく、種々のものを採用できる。

［発明の効果］以上本発明によれば、均一な膜を高速に形成すること
のできる光CVD装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光CVD装置を適用した一実施例の
原理を示す概念図、第２図は、その光CVD装置の断面説
明図、第３図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれレ
ーザ光の照射状態とウエハとの関係を示す説明図、第４
図は、第３図（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）におけるレーザ
光照射状態とウエハの膜厚との関係を示すグラフであ
る。１……ウエハ、２……紫外線ランプ、３……ガスノズル、４……赤外線ランプ、５……レーザ光、６……エキシマレーザ７、８……レンズ、９……スキャニング機構、 10……光CVD装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤庄司東京都新宿区西新宿１丁目26番２号東京エレクトロン株式会社内 (72)発明者鈴木球夫東京都新宿区西新宿１丁目26番２号東京エレクトロン株式会社内 (56)参考文献特開昭59−182530（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−108130（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−255014（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−244020（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−211846（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−150632（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−149064（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】反応室内に導入された原料ガスに光を照射
して原料ガスを励起しこれによりウエハ上に成膜する光
CVD装置において、前記ウエハを加熱するための加熱手段と、前記ウエハの直径に対応する長さに亘って伸び、前記ウ
エハの表面にほぼ平行になるように原料ガスの流れを形
成するスリットの設けられたガス供給手段と、前記ウエハの表面に対向するように配置され、ウエハの
表面近傍に存在する原料ガスに紫外線を照射するための
紫外線光源と、前記ウエハの直径方向に沿ってウエハの表面に平行ある
いはほぼ平行に進行するレーザ光をウエハの表面近傍に
存在する原料ガスに照射するためのレーザ光源と、を備
え、前記レーザ光の収束点が前記レーザ光源に対して遠い側
の前記ウエハの外周近傍に位置することを特徴とする光
CVD装置。