JP2564538B2 - 半導体処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）発明の利用分野 本発明は産業分野、特にセラミックスコートを行う分
野及び半導体装置作製技術分野において利用可能な紫外
光ランプを用いた半導体処理装置を提供するものであ
る。

（ロ）従来の技術 産業分野特にセラミックスコートまたは半導体装置作
製技術分野において使用されている従来の紫外光源用ラ
ンプとしては主として高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ
がある。本発明は、特にこの低圧水銀ランプを用いた光
処理装置、例えば光CVD装置、光クリーニング（UVクリ
ーニング）装置光プラズマCVD装置用光源の改良および
その使用方法に関するものである。

従来の低圧水銀ランプは光源用バルブ内にアルゴンガ
スを数Torrの圧力で封入し、同時に水銀を封入したもの
であった。

そしてバルブ内に一対のアーク放電を発生させる電極
と、この電極よりガラスバルブを貫通して導出した外部
電極端子より一般に商用周波数（50〜60Hz）の交流電力
を印加しアーク放電をさせている。この外部より投入さ
れた電力により水銀原子は励起され、様々なエネルギー
準位を持つ励起状態の水銀原子となる。さらにこの励起
状態の原子が石英バルブの内壁または原子同志の衝突に
より、もとの準位に戻る。その際、代表的に第２図の示
すような発光強度分布を有しており、254nmの波長の発
光強度が一番強く、その次に185nm付近の波長の発光強
度となっている。

しかしながら最近、半導体装置作製技術分野におい
て、光処理装置、特に光CVD法（紫外光により反応性気
体を分解、反応せしめて被膜形成を行う）、UVクリーニ
ング（基板表面を紫外光で照射し、汚物を除去する）が
注目されている。例えば光CVD法で半導体膜を作製する
方法において、SinH_2n+2（ｎ＝1,2,3…）のシラン類を
紫外光にて分解反応させて半導体膜を形成する。その
時、短波長光、特に185nm付近の紫外光が特に前記反応
に有効であるため、従来の紫外光源を用いた反応速度が
遅い光CVD法においては、この185nm付近の紫外光強度を
より強くすることが求められていた。

（ハ）発明の目的 本発明はこれらの要求を満たすものであり、短波長
光、特に185nm付近の紫外光強度を著しく高めた紫外光
源を持つ半導体処理装置を提供するものである。

（ニ）発明の構成 上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲
に記載されているように、『光源用バルブ内に水銀が封
入された紫外光源用ランプを半導体処理装置の反応室に
光を照射できるように設け前記バルブの少なくとも１ケ
所に温度制御部を設け前記温度制御部の温度を40℃〜80
℃の範囲に制御することにより前記光源用バルブ内の水
銀蒸気圧を制御する機能を持ち、前記ランプに高周波電
力を印加して紫外光を発光させ、該紫外光源からの光を
反応室内に導入された反応性気体に照射して該反応性気
体を活性化または励起せしめることを特徴とする半導体
処理装置』を特徴とするものであります。

一般の低圧水銀ランプは第３図に示した発光強度分布
図に示すように254nm付近の光が最も強い。この254nmの
光は6³P₁のエネルギ準位より基底状態である6¹S₀の準位
に遷移する際に、この波長に相当するエネルギが放出さ
れる。

一般の低圧水銀灯はこの6³P₁,6³P₀,6³P₂等のエネルギ
準位を有する励起確率が、185nm付近の光を出す6¹P₁の
準位を有する励起確率より相当高いため、254nm付近の
光の強度が強くなっている。

本発明はこの従来の低圧水銀灯に較べて短波長光であ
る185nm付近の光の強度を数倍に高めるため、供給電源
として高周波を加えており、同時にプラズマ処理用電源
を兼ねることが可能となった。供給電源として高周波電
力を用いた為に水銀原子の励起確率が増し、6¹P₁のエネ
ルギ準位の励起確率が高くなり185nm付近の光の発光が
強くなる。さらに紫外光源用ランプの少なくとも１ケ所
に温度制御部を設け、185nm付近の紫外光強度が強くな
るように温度制御を行い、ランプバルブ内の水銀蒸気圧
を185nm付近の発光が強くなる圧力に調整し、ランプに
高周波電力、例えば13.56MHzの周波数の電力を供給し発
光せしめるものであります。

この時温度制御には最適値が存在し、温度制御が低す
ぎるとランプ内の水銀の圧力が減り、発光に寄与する水
銀の数が減り発光強度が弱まる。

また温度制御が高すぎると、水銀の圧力が増し電子エ
ネルギーが減り、185nm付近の発光強度が弱くなること
が判明した。

以下に実施例により本発明を説明する。

〔実施例〕

第２図に本発明の装置に使用したランプの概略を示
す。

光源用バルブ（９）として合成石英を用い、バルブ内
に水銀と、不活性ガス例えばArを封入したバルブの少な
くとも１部分に温度制御部（29）を設けておりこの温度
制御部（29）は外部より（30）、（31）の出入口より冷
却水を（32）の熱交換器に流し、バルブ（９）内の水銀
蒸気圧を制御する。

該水蒸気の制御は、例えば熱交換器（32）へ送る冷却
水の温度を調節することで行われ、このためには、40〜
80℃のように温度保持された冷却水を熱交換器（32）へ
流せばよい。そして、温度制御部（29）に測温装置を設
けて、温度制御部（29）が40〜80℃の範囲内に保たれて
いることを確認する。もし、前記温度範囲から逸脱しそ
うな場合には、冷却水の流量や温度を変えて、前記温度
範囲を維持する。このような温度制御を自動的に行うこ
とが好ましい。

この温度制御部（29）の温度制御は冷却水の温度を調
節して制御したが本実施例に示す方法のみではなく、ラ
ンプバルブ（９′）内の温度制御ができれば他の方法で
もよい。

このランプ（９）の電極（33）、（34）を通して13.5
6MHzの高周波電力を200W投入し、発光させた、この時温
度制御部（29）の温度を変化させた時の185nmの光の発
光強度を第４図曲線（35）示す。

同図において、横軸は温度制御部の温度を示し縦軸は
任意スケールで185nmの波長の光の発光強度を示してい
る。

同曲線（35）より明らかなように40〜80℃付近におい
て、185nmの光の強度は強くなり、その温度範囲より低
い場合や、高い場合は強度が弱っていた。これと比較す
るために本実施例と全く同じランプ（９）を用い、50Hz
の周波数の電力を同様に電極（33），（34）を通して20
0W投入して、同様に温度制御部の温度を変化させた。

その結果を第４図曲線（36）に示す。

又スケールは同じであり、曲線（35）と（36）とは比
較することができる。

曲線（36）より明らかなように、この比較例の場合も
最適温度が存在するが、その温度は20℃付近と本発明の
場合と異なっていた。さらに、その強度も最適温度付近
においてすら、本発明の場合の約半分以下であった。

本発明はこのような185nmの光強度の強いランプを用
いる為オイル等を窓にコートしなくても185nmの短波長
の紫外光を基板の被形成面に多量に到達させ得るため、
形成される被膜の限界膜厚（窒化珪素膜の場合）を従来
の1000Åより3000Åにまで向上させることができた。こ
のためInP等の化合物半導体の反射防止膜、さらに薄膜
型シリコン半導体素子のゲイト絶縁膜、GaAs等の化合物
半導体のパッシベイション膜として必要かつ十分な膜厚
を光CVD法のみで作ることができ得る。

また本発明方法においては、フォンブリンオイル等を
窓にまったく用いないオイルフリーの反応系であるた
め、バックグラウンドレベルの真空度を10^-7torr以下と
することができた。

そして珪素等の半導体被膜、酸化珪素、窒化珪素、窒
化アルミニューム、リンガラス、ホウ素ガラス等の絶縁
膜、金属アルミニューム、チタン、タングステン等の金
属またはその珪化物の導体被膜の光励起による光CVD被
膜形成をさせ得る。

以下、第１図に示した本発明装置により、本発明の詳
細を記す。

第１図において、被形成面を有する基板（１）はホル
ダ（１′）に保持され、反応室（２）に保持される。こ
の基板の上方にはハロゲンヒータ（３）（上面を水冷
（11））が近接して設けられ、加熱室（３′）を有す
る。また反応室（２）の下方には電源（13）より電気エ
ネルギが供給される強制冷却方式の低圧水銀灯よりなる
紫外光源（９）が多数配設された光源室（５）を有す
る。光源室（５）および加熱室（３′）は、反応室
（２）とそれぞれの圧力差を10torr以下の概略同一の真
空度に保持した。このため、反応に支障のない反応にあ
ずからない非生成物気体（窒素、水素、ヘリューム又は
アルゴン）を（14）又は（15）より流量計（21）、バル
ブ（16）をへて光源室（５）および加熱室（３′）に供
給した。

この紫外光ランプの電極は電子放出のためにはその電
極がBaO等の仕事函数の小さい材料を電極（33）（34）
上にコートされている。またこのランプに設けられた温
度制御部（29）と熱交換器（32）との十分熱伝導を向上
させるため熱伝導性ペーストを封入している。

かくすることにより、管内の温度上昇を温度制御部
（29）において任意にコントロール可能となり40〜80℃
に制御することが可能となった。勿論第１図の気相反応
装置において、基板からのヒータ熱により紫外光源
（９）それ自体が加熱される場合はこの管の下側に線状
に密接して水冷管を設けることは有効である。

この第１図の装置を用いた実施例においては反応生成
物として珪素の如き半導体を作る場合生成物気体として
珪化物気体であるシラン（SinH_2n+2n≧２），ハロゲン
化珪素（HxSi₂F_6-X（Ｘ＝０〜５）,HxSi₂Cl_6-X（Ｘ＝０
〜５）,HxSi₃F_8-X（Ｘ＝０〜８）,HxSi₃Cl_8-X（Ｘ＝０
〜８）を用いた。さらに非生成物気体のキャリアガスと
して水素、窒素、アルゴンまたはヘリュームを用いた。

反応生成物として窒化物（窒化珪素、窒化アルミニュ
ーム、窒化ガリューム、窒化インジューム、窒化アンチ
モン）を作る場合には、生成物気体としてそれぞれSi₂H
₆,Al（H₃）₃,Ga（CH₃）₃,In（CH₃）₃,Sn（CH₃）₄,Sb（C
H₃）_３を用い（23）より供給した。また反応にあずかる
非生成物気体としてアンモニアまたはヒドラジンを（2
6）より供給した。また反応にあずからない非生成物気
体（水素またはヘリューム）をキャリアガスとして（2
4）および（14）より供給した。

反応生成物として酸化物（酸化珪素、リンガラス、ボ
ロンガラス、酸化アルミニューム、酸化インジューム、
酸化スズ、酸化アンチモン、またはこれらの混合物）を
作る場合、反応にあずかる非生成物気体として酸化物
（N₂O,O₂,NOまたはNO₂）を用い（26）より供給した。こ
の場合、生成物気体としてそれぞれ、珪化物（Si₂H₆,Si
₂F₆,Si₂Cl₆），アルミニューム化物（Al（CH₃）₃,Al（C
₂H₅）_３），インジューム化物（In（CH₃）₃,In（C₂H₅）
_３），スズ化物（Sn（CH₃）₄,Sn（C₂H₅）_４），アンチ
モン化物（Sb（CH₃）₃,Sb（C₂H₅）_５）を用い、（23）
より供給した。そして反応にあずからない非生成物気体
としての水素またはヘリュームを（24）よりキャリアガ
スとして供給した。又フォスヒン（PH₃），ジボラン（B
₂H₆）を（25）より供給した。

導体（アルミニューム、タングステン、モリブデン、
チタンまたはその珪化物）を作る場合は非生成気体とし
て水素、アルゴンまたはヘリュームを用いた。生成物気
体としてそれぞれAl（CH₃）₃,WF₆,W（C₂H₅）₅,MoCl₅,Mo
（CH₃）₅,TiCl₄,Ti（CH₃）_４又はそれらとSiH₄,Si₂F₆,S
iH₂Cl₂,SiF₄との混合物を（23）および（24）より供給
した。反応にあずからない非生成物気体である水素を
（27）および（25）よりキャリアガスとして供給した。

反応室の圧力制御は、コントロールバルブ（17），コ
ック（20）を経てターボ分子ポンプ（大阪真空製PG550
を使用）（18），ロータリーポンプ（19）を経て排気さ
せることにより成就した。

排気系（８）はコック（20）により予備室（４）を真
空引きをする際はそちら側を開とし、反応室（２）側を
閉とする。また反応室を真空引きまたは光化学反応をさ
せる際は、反応室側を開とし、予備室側を閉とした。

被膜の形成プロセスは、基板の予備室より反応室への
移動に関し、圧力差が生じないようにしたロード・ロッ
ク方式を用いた。まず、予備室（４）にて基板（１）お
よびホルダ（１′）を挿入・配設し、真空引きをした
後、予め10^-7torrまたはそれ以下に真空引きがされてい
る反応室（２）との間のゲート弁（６）を開とし、基板
（１），ホルダ（１′）を反応室（２）に移し、またゲ
ート弁（６）を閉として、反応室（２）と予備室（４）
とを互いに仕切った。

その後、光源室に対し逆流による反応性気体の光源室
内への混入防止のため、まず非生成物気体を100〜1500c
c/分の流量で光源室、加熱室に導入し、同時に反応にあ
ずかる非生成物気体例えばNH₃を反応室に同様に供給し
た。この状態で約30分放置し、気体の光分解により活性
の水素、弗素を発生させ、基板の被形成面の光エッチン
グを行った。すると被形成面上の酸化物を除去し、光照
射によるエッチングが可能となり、表面を清浄に保つこ
とができた。その後反応性気体のうちの生成物気体をノ
ズル（30）より供給した。

反応用光源は合成石英管の低圧アーク放電水銀灯
（９）とし、この水銀灯の少なくとも一部分には温度制
御部（29）を設けた。この紫外光源は、合成石英製の低
圧水銀灯（185nm,254nmの波長を発光する発光長40cm、
照射強度60〜100mW/cm²,ランプ電力150〜500W）ランプ
数16本である。

このランプは発光による自己発熱と其板よりの輻射熱
によりランプ管壁の温度は上昇するが、温度制御部（2
9）において40〜80℃に制御されているためランプ管壁
の温度が上昇してもランプ内の水銀蒸気圧は185nmの光
の発光が最も強くなる圧力にコントロールされている。

この紫外光は、合成石英製の透光性遮蔽板（10）を経
て反応室の反応空間（２）中の反応性気体（31）及び基
板（１）の被形成面（１′）上を照射する。ヒータ
（３）は反応室（２）の上側に位置した「ディポジッシ
ョン・アップ」方式とし、フレークが被形成面に付着し
ピンホールの原因を作ることを避け、かつ基板（１）を
裏面側より所定の温度（室温〜700℃）にハロゲンヒー
タにより加熱した。反応室はステンレスであり、紫外光
源も真空下に保持された光源室と反応室とを囲んだステ
ンレス容器内に減圧雰囲気に保持された。このため、5c
m×5cmの小さい被膜形成面積ではなく30cm×30cmの大き
さの基板上にも何等の工業的な問題もなく被膜形成させ
ることができ得る。

さらに、本発明による具体例を以下の実験例に示す。

実験例・・・・・シリコン窒化膜の形成例 第１図において、反応性気体としてアンモニアを（2
5）より200cc/分，ジシランを（23）より20cc/分で供給
し、基板温度350℃とし、窒化珪素被膜を作製した。基
板は直径５インチのウエハ４枚とした。反応室内圧力は
10.0torrとした。

反応にあずからない非生成物気体として、窒素を200c
c/分（15）より導入した。

この時得られた膜厚と時間の関係を第５図に示す。

同図には本発明の温度制御方式の水銀灯を用いること
なく従来より公知の水銀灯を用いた場合の結果も示して
いる。この場合、紫外光強度は基板面上で10mW/cm²以上
にはできないため、その場合は第５図曲線（38）を得、
最大膜厚は1000Åまでであった。

一方本発明は曲線（37）を得、成膜速度が速くかつ最
大膜厚も3000Åと従来の３倍の値を得ることができた。

（ホ）効果 本発明は第４図に示すように明らかに従来のランプに
比べ、２倍以上の短波長の紫外光強度が得られることが
でき、その強度が強い最適温度範囲も40℃〜80℃と範囲
が広く、かつ温度制御が非常に楽な温度範囲であるとい
う、すばらしい効果を有する。

本発明の構成により、従来では十分な強度が得られな
かった短波長紫外光が相当強い強度で得られ、産業分
野、特に半導体製造分野で幅広く利用することが可能と
なった。

この方法により結果として、被膜を作製する際の膜厚
限界を従来の1000Åより3000Å以上とすることが可能と
なった。さらにこの水銀灯に対し100Hzないし1KHzの高
い周波数とし、かつ力率を調整することにより185nmの
発光強度をより強くし得る。本発明において形成された
窒化珪素膜は、３×10¹¹cm^-2以下の界面準位密度を有す
るきわめて優れた膜とすることができる。

なお本発明は、実施例として窒化珪素の形成を示し
た。しかしアモルファスシリコン膜、酸化珪素、さらに
それらを含む不純物を添加したリンガラスおよびさらに
ホウ素ガラスまたはアルミニューム等の多くの種類の半
導体、絶縁物、導体を同じ技術思想を用いて形成するこ
とができる。またこれ等に示されていない鉄、ニッケ
ル、コバルトのカルボニル化物を反応性気体として用
い、鉄、ニッケル、コバルトまたはその化合物の磁性体
上のパッシベイション用被膜として形成することは有効
である。

前記した実験例において、珪素半導体の形成に際し、
ドーパントを同時に添加できる。

本発明において、公害問題を無視するならば、水銀バ
ブラを通すことにより被膜成長速度を向上させてもよ
い。

第１図は光源を下方向に反応空間を上側に設定した。
しかしフレイクの発生除去が可能であるならば、この逆
に反応空間を下側に配設すると基板の配設が容易であり
可能である。また光源を横方向に配設してもよい。

第２図の水銀ランプの形状は棒状のみならず、円環
状、渦巻き状、櫛状その他の形状が可能である。その配
設も水平ではなく、垂直方向に一方の電極を上に他方を
下に配設してもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体処理装置の概略図 第２図は本発明の水銀灯の概略図を示す。 第３図は従来の低圧水銀灯の発光強度分布図を示す。 第４図は本発明のランプの特性を示す。 第５図は本発明装置で作製した被膜の膜厚と時間の関係
を示す。 １……其板 ２……反応室 ３……其板加熱用ヒータ ５……光源室 ９……低圧水銀灯 29……温度制御部 32……熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 茂則 厚木市長谷398番地 株式会社半導体エ ネルギー研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−215732（ＪＰ，Ａ) 特開 昭47−44978（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−61721（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源用バルブ内に水銀が封入された10Torr
   未満の圧力に保持された紫外光源用ランプを半導体処理
   装置の反応室に光を照射できるように設け、前記ランプ
   に13.56MHzの周波数の高周波電力を印加して紫外光を発
   光させ、185nm付近の光強度を高めるように光源用バル
   ブ内の温度が制御されるようになっており、該温度の制
   御が、前記光源用バルブから突出し且つ該バルブの内部
   に通じる温度制御部と、該温度制御部を冷却する冷却媒
   体を流す熱交換器と、該温度制御部内の温度が40〜80℃
   の範囲内に入るように冷却媒体を制御する測温および制
   御装置とを有する半導体処理装置。