JP2723053B2

JP2723053B2 - 薄膜の形成方法およびその装置

Info

Publication number: JP2723053B2
Application number: JP23671894A
Authority: JP
Inventors: 政幸廣井; 徹辰巳
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1998-03-09
Anticipated expiration: 2013-03-09
Also published as: JPH08100264A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置等における薄
膜の形成方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガス原料を用いて、非晶質シリコン、ポ
リシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等の薄膜
を形成する場合に、従来では化学気相成長法が最も多く
用いられてきた。これは、反応室となる石英炉の外側か
らヒーターによって加熱を行い、反応室内に原料ガスを
直接導入する手法である。すなわち、高温となる基板表
面、反応室内壁、および気相中でガス原料が反応して生
成した活性種が基板表面に供給されることによって薄膜
の堆積が行われるものである。別の手法としては、プラ
ズマを用いて原料ガスから生成した活性種を、基板表面
に供給することによって薄膜の形成を行うプラズマ化学
気相成長法がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た第１の方法である化学気相成長法においては、活性種
を生成する温度と基板の温度が等しいために、成膜時に
基板の温度を高く設定しなければならなかった。このた
め、半導体デバイスを製造する工程でアルミニウムの上
に成膜しようとした場合にアルミニウムが溶融してしま
う等、適用できる温度範囲が限られてしまう欠点があっ
た。さらに気相中や反応室内壁等の基板表面以外でも高
温で反応が進行するために、成膜に必要でないパーティ
クルの発生が起き易く、微細な半導体デバイスの製造に
おいて歩留まりを悪化させる要因となっていた。

【０００４】また、上述した第２の方法であるプラズマ
化学気相成長法においては、プラズマを発生するための
電極やマイクロ波発生装置等を必要とするために装置の
構造が複雑になり、装置が高価でメンテナンスが困難
で、かつ成膜室内に電極等が存在することが重金属の汚
染やパーティクル発生の要因となっていた。また、広い
空間領域にわたって均一にプラズマを発生させることは
非常に困難であるために、近年の半導体デバイス製造工
程において必要とされる大きな面積を持つ基板上に対し
て均一に成膜するのが難しいという課題があった。さら
に、プラズマ中では非常に多くの分解反応が同時に進行
して様々な活性種が生成される。このため、成膜に必要
な活性種だけを取り出すことが困難である上に、プラズ
マ中でパーティクルが発生することによって半導体デバ
イス製造時の歩留まりが悪化してしまうという欠点があ
った。

【０００５】したがって、本発明は上記した従来の問題
あるいは欠点に鑑みてなされたものであり、その目的と
するところは、パーティクルの発生を抑制しつつ、低い
基板温度で段差の含んだ表面に対して広い面積にわたっ
て均一に制御性良く薄膜を形成する薄膜の形成方法と簡
易な構造でかつメンテナンスが容易な薄膜形成装置を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係る薄膜の形成方法は、加熱した装置の一
部分に原料ガスの一部または全部を通して活性反応種を
発生させ、次に別の温度に加熱した装置の一部分を通す
ことによって、反応性の高すぎる活性種を除去し、しか
る後成膜されるべき基板表面に照射して薄膜を形成する
ものである。また、本発明に係る薄膜の形成方法は、１
０^-2Torr以下の減圧下で成長を行うようにしたものであ
る。また、本発明に係る薄膜形成装置は、原料ガスから
活性反応種を発生させる活性種発生部と、この活性種発
生部から活性反応種が導入されて成膜されるべき基板が
配設された成膜室とを備え、前記活性種発生部に原料ガ
スから活性反応種を発生させる高温加熱部と、反応性の
高すぎる活性種を除去する低温加熱部とを連続して設け
たものである。また、本発明に係る薄膜形成装置は、活
性種発生部および成膜室の内壁に付着した堆積物を除去
するエッチングガスの供給機構を備えたものである。ま
た、本発明に係る薄膜形成装置は、高温加熱部および低
温加熱部に独立に加熱温度を制御する制御手段を設けた
ものである。

【０００７】

【作用】本発明によれば、反応性の高い活性種は低温加
熱部で反応するので、低温加熱部の温度を変化させるこ
とにより、基板に供給する活性種の反応性を制限され、
反応性を押さえた活性種のみが供給される。また、本発
明によれば、成膜室内を減圧することにより、気相中で
の反応種同士の衝突確率が減少する。また、本発明によ
れば、プラズマ発生源等を必要とせず、かつ成膜室内に
電極等を必要としないため、エッチングガスの導入が可
能となる。また、本発明によれば、エッチングガスの導
入により成膜に寄与せずに装置内に付着した堆積物を、
蒸気圧の高い生成物として除去することが可能となる。
また、本発明よれば、高温加熱部と低温加熱部とを独立
に温度制御することにより、活性種の反応を制御する最
適加熱温度が選択可能である。

【０００８】

【実施例】図１は本発明に係る薄膜形成装置の構成図で
ある。本実施例は、原料ガスとしてシラン（ＳｉＨ₄）
およびオゾン（Ｏ₃）を含む酸素ガスを用いた枚葉型成
長装置の例であり、非晶質シリコンの成膜にはシランの
みを用い、シリコン酸化膜の成膜はオゾン（Ｏ₃）を含
む酸素ガスを添加して行う。同図において、符号１０１
で示すものは、成膜室で、内部に成膜される基板１０２
と、基板１０２を後方から加熱して温度を制御する基板
加熱ヒーター１０３が配設されている。この成膜室１０
１は、図示を省略したターボ分子ポンプによって到達真
空度１０⁹ Torrまで排気可能で、超高真空までの排気に
より、大気成分の影響を受けずに成膜反応だけを調べる
ことができる。１０４は活性種発生管であって、周りに
高温加熱部ヒーター１０５および低温加熱部ヒーター１
０６が連続して配置されており、それぞれのヒーターに
よって加熱される高温加熱部１０４ａと低温加熱部１０
４ｂは、独立に温度制御が可能である。

【０００９】活性種発生管１０４の内部は、通過する分
子種が必ず内壁に衝突するように、内壁がジグザグ状に
配置されている。１０７，１０９はシランガスを活性種
発生管１０４に導入するバルブとマスフローコントロー
ラである。１０８，１１０は塩素ガスを活性種発生管１
０４に導入するバルブとマスフローコントローラであ
る。活性種発生管１０４から得られる活性種は成膜室１
０１に導入され、基板１０２の表面に供給される。シリ
コン酸化膜成膜時には、マスフローコントローラ１１３
によって流量制御された酸素ガスが、オゾン発生器１１
２に通して5ー50％のオゾン（Ｏ₃）を含み、バルブ１１
１を通して成膜室１０１に導入される。

【００１０】このような構成において、成膜室１０１の
真空度を１０^-2Torr以下に保った場合、気相中での反応
がほぼ無視できるほど少なくなるため、気相反応による
パーティクルの発生はなく、成膜は表面反応のみによっ
て進行する。これは、成膜室１０１内を減圧することに
よって、気相中での反応種同士の衝突確率が減少し、成
膜室１０１内の真空度を１０^-2Torr以下にした場合、活
性種を供給するノズルから堆積が起きるまでの活性種の
経路が数十ｃｍ以下ならば、途中の気相中での反応はほ
ぼ無視することができ、このため、成膜室１０１内を減
圧することによって気相中での反応から生成するパーテ
ィクルの発生を抑制することができるからである。シリ
コン表面とシランとの反応では、成長速度が表面からの
水素の脱離によって限定されてしまうため、表面から水
素が脱離する基板温度以下では成膜が進行しない。高温
の表面でシラン分子が分解して生成した活性種を用いる
ことによって、低温でも成膜が可能である。

【００１１】活性種発生管の効果は、直径１μｍ、深さ
２μｍの穴を備える基板を用いて、高温加熱部ヒーター
１０５および低温加熱部ヒーター１０６の温度を変化さ
せて非晶シリコンの成膜を行い、成膜速度と被覆性を調
べることによって確認した。すなわち、高温加熱部ヒー
ター１０５および低温加熱部ヒーター１０６を加熱しな
い状態で、基板温度４００℃においてシランをマスフロ
ーコントローラ１０９で５０sccmの流量に設定して３０
分間供給したところ、成膜時の成膜室１０１内の真空度
は約１０Torrで、シリコンの堆積膜厚は１nm以下とほと
んど堆積が見られなかった。したがって、シラン分子を
直接供給するだけでは、成膜が進行しないことが確認さ
れた。

【００１２】同じ条件でも高温加熱部ヒーター１０５お
よび低温加熱部ヒーター１０６をともに９００℃に設定
して成膜を行うと、基板中央の平坦な表面部分に２００
nmの非晶質シリコンが堆積したが、穴の奥まった部分の
膜厚は平坦な部分に比べて半分以下であった。また、表
面部分においても活性種発生管からの距離によって膜厚
が大きくことなり、最も膜厚の厚い部分と最も薄い部分
の差は、最も薄い部分の約６０％であった。したがっ
て、高温の活性種発生管によって活性種が生成して成膜
が進行するが、反応性の高すぎる活性種が多く存在する
ために均一な被覆性を得られないことが確認された。こ
れは、原料ガスが高温加熱部に供給されることによっ
て、活性種が発生する。このとき生成される活性種は、
反応性の高いものを多く含む。反応性の高い活性種は基
板表面に供給された場合即座に反応するために、活性種
の供給源から直接飛来する部分にのみ堆積を起こす。し
たがって、高温加熱部で生成した活性種を直接基板に照
射した場合、表面上に段差を有する基板や窪んだ表面を
有する基板上では活性種の供給源から見込まれる位置に
多くの堆積が生じ、均一に成膜を行うことができないか
らである。

【００１３】同じ条件で高温加熱部ヒーター１０５およ
び低温加熱部ヒーター１０６を６００℃に設定して成膜
を行うと、基板表面の全域に対して、穴の奥まった部分
と平坦な表面部分の両方にたいして５nmの非晶質シリコ
ンが堆積した。さらに、同じ条件で、高温加熱部ヒータ
ー１０５を９００℃、低温加熱部ヒーター１０６を５５
０℃に設定して成膜を行ったところ、基板表面の全域に
対して、穴の奥まった部分と平坦な表面部分ともに５０
nmの非晶質シリコンが堆積した。したがって、低温の活
性種発生管１０４ｂのみでは活性種の発生が少ないため
に高い成膜速度を得られないが、高温の発生種発生管１
０４ａによって多くの活性種を発生させた後に低温の活
性種発生管１０４ｂを通すことによって、均一な被覆性
と高い成膜速度を得られることが確認された。これは、
高温加熱部で発生した活性種を低温加熱部に通すと、反
応性の高い活性種は低温加熱部で反応してしまう。この
低温加熱部の温度を変化させることによって、基板に供
給する活性種の反応性を制限することができる。反応性
を抑えた活性種のみを供給することによって、窪んだ部
分にも散乱によって活性種が入り込むために、均一な成
膜が可能となるからである。

【００１４】また、基板への成膜と同時に、反応種発生
管１０４内壁および成膜室１０１内壁にも活性種が供給
されるためにシリコンの堆積が起きる。堆積物が厚くな
ると、反応種発生管が詰まる、パーティクルが発生す
る、等の問題が生じる。本実施例では塩素ガスをエッチ
ングガスとして堆積物の除去を行った。高温加熱部ヒー
ター１０５、低温加熱部ヒーター１０６および基板加熱
部ヒーター１０３を９００℃に設定して、マスフローコ
ントローラ１０９によって０．５sccmに流量制御された
塩素ガス（Ｃｌ₂）を成膜時にシランガスが通る経路に
導入したところ、堆積物が除去されることが確認され
た。

【００１５】オゾンを含む酸素ガスを添加してシリコン
酸化膜の成膜を行った場合にも、上記非晶質シリコンの
成膜と同様の結果が得られたことから、単体だけでなく
複数の原子種を持つ組成の薄膜の成膜に対しても有効手
段であることが確認された。本実施例ではシランを原料
ガスとしたシリコンおよびシリコン酸化膜の成膜に関し
て述べたが、熱分解によって活性種を生じる他の原料ガ
スに対しても有効である。また、酸化膜の酸素源として
オゾンを含む酸素を用いたが、これ以外の二酸化窒素
（ＮＯ₂）等の酸素源を用いた酸化膜成膜は勿論、アン
モニア（ＮＨ₃）を用いた窒化膜成膜等の他の成分を持
つ薄膜の成膜に関しても有効である。さらに、本実施例
ではエッチングガスとして塩素ガスを用いたが、フッ素
（Ｆ₂）、塩化水素（ＨＣｌ）等、堆積物と反応して蒸
気圧の高い生成物を発生するものを使用することが可能
である。

【００１６】このように、活性種の発生および選択を熱
反応のみを用いるため、プラズマ発生源等を必要とせ
ず、装置が単純化される。また、熱電対の出力をフィー
ドバックする等の手法によって、温度を一定に保持する
こと、および同じ温度を再現することはきわめて容易で
あるため、熱反応のみを用いることによって良好な制御
性と再現性を簡単に実現することができる。また、熱反
応のみを用いることから成膜室内に電極等を必要としな
いため、金属汚染を抑制できるだけでなく、エッチング
ガスを導入することができる。そして、このエッチング
ガスを導入することによって、成膜に寄与せずに装置内
に付着した堆積物を、蒸気圧の高い生成物として除去す
ることが可能であり、従来必要であった装置内部品の清
掃、洗浄等のメンテナンスを大幅に軽減することが可能
となる。

【００１７】図２は本発明の第２の実施例を示す構成図
である。この第２の実施例は、上記の第１の実施例を複
数枚同時成長用バッチ型に応用したものである。２０１
は内部に複数枚の基板２０２が配設された成膜室、２０
３は成膜室２０１の外側に配設された基板加熱ヒータ
ー、２０４は高温加熱部２０４ａと低温加熱部２０４ｂ
からなる活性種発生管、２０５および２０６はそれぞれ
高温加熱部ヒーターおよび低温部加熱部ヒーターであ
る。２０７，２０９はシランガスを活性種発生管２０４
に導入するバルブとマスフローコントローラである。２
０８，２１０は塩素ガスを活性種発生管２０４に導入す
るバルブとマスフローコントローラである。シリコン酸
化膜成膜時には、マスフローコントローラ２１３によっ
て流量制御された酸素ガスが、オゾン発生器２１２に通
して5ー50％のオゾン（Ｏ₃）を含み、バルブ２１１を通
して成膜室２０１に導入される。

【００１８】このような構成において、直径１μｍ、深
さ２μｍの穴を表面上に備える基板を温度４００℃に設
定し、シランをマスフローコントローラ２０９で５０sc
cmの流量に制御して３０分間供給して、高温加熱部ヒー
ター２０５および低温加熱部ヒーター２０６の温度を変
化させたときの非晶質シリコンの成膜速度と皮膜性を調
べることによって確認した。すなわち、成膜時の成膜室
２０１内の真空度は約１０^-3Torrである。高温加熱部ヒ
ーター２０５および低温加熱部ヒーター２０６を加熱し
ない状態ではほとんど堆積が認められなかった。したが
って、ガス分子をそのまま供給する従来の減圧化学気相
成長法では、気相反応が無視できるほどの減圧にすると
低温では成膜が進行しないことがわかる。

【００１９】次に、高温加熱部ヒーター２０５および低
温加熱部ヒーター２０６をともに９００℃に設定して成
膜を行うと、反応性の高い活性種のほとんどが、活性種
反応管に近い部分で堆積を起こしてしまうために、活性
種発生管に近い基板と遠い基板とで膜厚が大きく異なる
結果となった。高温加熱部ヒーター２０５を９００℃
に、低温加熱部ヒーター２０６を５５０℃に設定して成
膜を行ったところ、全ての基板に対して、穴の奥および
平坦な表面部分に均一に５０nmの非晶質シリコンが堆積
した。また、成膜室２０１内壁および反応種発生管２０
４内壁に付着した堆積物は、上述した第１の実施例と同
様に、高温加熱部ヒーター２０５、低温加熱部ヒーター
２０６および基板加熱ヒーター２０３をそれぞれ９００
℃に設定して、塩素ガス０．５sccmをエッチングガスと
して導入することによって除去することができた。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、加
熱した装置の一部分に原料ガスの一部または全部を通し
て活性反応種を発生させ、次に別の温度に加熱した装置
の一部分を通すことによって、反応性の高すぎる活性種
を除去し、しかる後成膜されるべき基板表面に照射して
薄膜を形成することにより、低温加熱部の温度を変化さ
せることにより、基板に供給する活性種の反応性を制限
され、反応性を押さえた活性種のみが供給されるので、
均一な成膜が可能となる。

【００２１】また、本発明によれば、１０^-2Torr以下の
減圧下で成長を行うようにしたことにより、気相中での
反応種同士の衝突確率が減少し、このため、気相中での
反応から生成するパーティクルの発生を抑制することが
できる。

【００２２】また、本発明によれば、原料ガスから活性
反応種を発生させる活性種発生部と、この活性種発生部
から活性反応種が導入されて成膜されるべき基板が配設
された成膜室とを備え、前記活性種発生部に原料ガスか
ら活性反応種を発生させる高温加熱部と、反応性の高す
ぎる活性種を除去する低温加熱部とを連続して設けたこ
とにより、活性種の発生および選択を熱反応のみを用い
るため、プラズマ発生源等を必要とせず、装置が単純化
される。また、熱電対の出力をフィードバックする等の
手法によって、温度を一定に保持すること、および同じ
温度を再現することはきわめて容易であるため、熱反応
のみを用いることによって良好な制御性と再現性を簡単
に実現することができる。

【００２３】また、本発明によれば、活性種発生部およ
び成膜室の内壁に付着した堆積物を除去するエッチング
ガスの供給機構を備えたことにより、成膜に寄与せずに
装置内に付着した堆積物を、蒸気圧の高い生成物として
除去することが可能であり、従来必要であった装置内部
品の清掃、洗浄等のメンテナンスを大幅に軽減すること
が可能となる。

【００２４】また、本発明によれば、高温加熱部および
低温加熱部に独立に加熱温度を制御する制御手段を設け
たことにより、活性種の反応を制御する最適加熱温度が
選択可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る薄膜形成装置の構成図である。

【図２】本発明に係る薄膜形成装置の第２の実施例の
構成図である。

【符号の説明】

１０１，２０１…成膜室、１０２，２０２…基板、１０
３，２０３…基板加熱ヒーター、１０４，２０４…活性
種発生管、１０４ａ，２０４ａ…高温加熱部、１０４
ｂ，２０４ｂ…低温加熱部、１０５，２０５…高温加熱
部ヒーター、１０６，２０６…低温加熱部ヒーター。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱した装置の一部分に原料ガスの一部
または全部を通して活性反応種を発生させ、次に別の温
度に加熱した装置の一部分を通すことによって、反応性
の高すぎる活性種を除去し、しかる後成膜されるべき基
板表面に照射して薄膜を形成することを特徴とする薄膜
の形成方法。
【請求項２】請求項１記載の薄膜の形成方法におい
て、１０^-2Torr以下の減圧下で成長を行うようにしたこ
とを特徴とする薄膜の形成方法。
【請求項３】原料ガスから活性反応種を発生させる活
性種発生部と、この活性種発生部から活性反応種が導入
されて成膜されるべき基板が配設された成膜室とを備
え、前記活性種発生部に原料ガスから活性反応種を発生
させる高温加熱部と、反応性の高すぎる活性種を除去す
る低温加熱部とを連続して設けたことを特徴とする薄膜
形成装置。
【請求項４】請求項３記載の薄膜形成装置において、
前記活性種発生部および成膜室の内壁に付着した堆積物
を除去するエッチングガスの供給機構を備えたことを特
徴とする薄膜形成装置。
【請求項５】請求項３記載の薄膜形成装置において、
前記高温加熱部および前記低温加熱部に独立に加熱温度
を制御する制御手段を設けたことを特徴とする薄膜形成
装置。