JP3124302B2 - 成膜方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は成膜方法に係り、特に複
雑な構造の石英治具類を用いることなく膜厚の面内均一
性の良好な薄膜を形成することができる成膜方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスの製造工程にお
いては、微細な素子を多数作る必要から半導体ウエハ等
の被処理体上にαーＳｉやＰｏｉｙ−Ｓｉ、ドープドＳ
ｉなどのシリコン系の薄膜を多数回成膜することは、す
でに知られている。この場合、ある程度以上の量産効率
を必要とすることは勿論のこと、最終製品としての半導
体デバイスの特性の安定化、すなわち所望の電気的特性
を得るために、成膜処理において膜厚の面内均一性を向
上させなければならない。

【０００３】この成膜処理は、例えば減圧ＣＶＤ装置の
ような熱処理装置により行われ、処理ガスとしては、例
えばシランよりは気相反応が激しいが成膜速度の大きい
ジシランを用いる場合が多くなっている。例えばジシラ
ン（Ｓｉ₂Ｈ₆ ）を用いてα−Ｓｉ膜を成膜する場合に
は、通常、処理ガスであるジシランの分解温度である約
５００℃に熱処理装置内を均一に加熱した状態で成膜を
行う。このジシランは、高温の反応容器内で下記に示す
ように熱分解される。 Ｓｉ₂ Ｈ₆ →ＳｉＨ₂ ＋ＳｉＨ₄ ＳｉＨ₄ →ＳｉＨ₂ ＋Ｈ₂ ＳｉＨ₂ →Ｓｉ＋Ｈ₂ ここで、モノシラン（ＳｉＨ₄ ）は、いわゆる反応律速
の反応状態となり、この成分からはウエハ面内に膜厚の
均一性の良好な成膜が得られる。しかしながら、シリレ
ン（ＳｉＨ₂ ）は、反応の活発な反応状態である所謂、
供給律速の反応状態となり、この結果、ウエハボートと
して通常のボートを使用したり、ウエハとインナーチュ
ーブの間隔を狭くしたインナーチューブ構造になされた
装置を使用した場合には、処理ガスが多く供給されるこ
とになるウエハ周縁の膜厚がその中心部に比較して厚く
なってしまい、面内の膜厚均一性を充分に達成すること
ができない場合が生じた。

【０００４】そこで、この問題点を解決するために例え
ばケージボート、リングボートなどの特殊な石英治具を
使用した実開平１−１７３９３６号公報に示す如き縦型
ＣＶＤボートが用いられていた。上記ケージボートは、
このボートを囲む様になした石英よりなる筒体状のカバ
ーを有しており、このカバーはその内部へのウエハの挿
脱を可能とするために縦方向に２分割可能になされてい
る。このカバー内に、この内壁に設けた載置部に水平方
向に支持されたウエハがカバーの上下方向に沿って適宜
の間隔づつ隔てて複数枚配設されている。そして、カバ
ーの側部及び上部には、処理ガスを通過させるためのス
リット或は孔の如き多数のガス通路が形成されている。
成膜形成時には、反応の活発な所謂、供給律速の反応状
態にあるシリレンはカバーの外壁と接触した時に反応
し、この外壁にシリコンを付着させることになる。従っ
て、ガス通路を通過してウエハと接触するシリレンは非
常に少なくなり、ウエハへの成膜は供給律速の反応状態
にあるモノシランが主に関与することになる。この結
果、膜厚が比較的均一な良好なウエハを得ることができ
た。また、半導体ウエハの径よりも僅かに大きな径にな
された環状の石英リング上に半導体ウエハの周縁部を載
置するようになしたリングボートを用いた場合にも、前
記したと同様に面内均一性を低下せしめる要因である反
応活発なシリレンが石英リングに付着することとなり、
結果的に、ウエハ上に膜厚が比較的均一な成膜を得るこ
とができた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たようなケージボートやリングボートを用いた場合に
は、これら装置の構造が複雑なために取り扱いに注意を
払わなければならないばかりか、ウエハボートの洗浄等
にも多くの時間を要していた。更には、余分な治具類を
使用することから、これらに形成された被膜が剥離し、
半導体デバイス製造工程において最も排除すべきパーテ
ィクルの発生する可能性も増大し、半導体デバイスの歩
留りが低下してしまった。本発明は、以上のような問題
点に着目して、これを有効に解決すべく創案されたもの
である。本発明の目的は、構造複雑な石英治具類を用い
ることなく、成膜の所定の面内均一性および所定の量産
効率を達成することができる成膜方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、通常のボート
を使用した場合、成膜操作時の圧力を従来よりも低下さ
せることにより成膜速度は低下するが、膜厚の面内均一
性は向上し、この成膜速度の低下分は処理ガスの流量を
増加させることによって補償することができる、という
知見を得ることによってなされたものである。本発明
は、以上のような問題点を解決するために、真空引き可
能になされた縦型の反応容器内に、ボートに所定の間隔
で多段に支持された被処理体を収容し、前記反応容器の
外周に配置された加熱用ヒータにより前記被処理体を加
熱しつつ前記処理容器内にシラン系の処理ガスを、ガス
導入管を介して直接的に供給して、該被処理体の表面に
薄膜を形成する成膜方法において、前記反応容器内の成
膜処理時の圧力を０．０１−０．１Ｔｏｒｒの範囲に設
定し、且つ前記被処理体の加熱温度を５２０℃以下に設
定するようにしたものである。

【０００７】

【作用】本発明は、以上のように成膜方法を構成したの
で、成膜処理時の圧力は、従来よりも低い０．０１−
０．１Ｔｏｒｒの範囲とし、反応の活発なシリレンの分
圧を低下させることによりシリレンの反応確率が小さく
なり、ウエハ周辺とウエハ中心の反応確率がほぼ等しく
なり、成膜のウエハ面内均一性は、従来の複雑な石英治
具類を使用した場合の面内均一性とほぼ同程度の値を得
ることができる。また、処理ガスとしてのジシランの分
圧は低下させるがジシランの供給量は多量に供給すれ
ば、成膜速度は従来の場合と同じ程度に高く維持するこ
とができる。

【０００８】

【実施例】以下に、本発明方法の実施例を添付図面を基
に説明する。まず、本発明方法を実施するための縦型熱
処理装置を説明する。図１及び図２に示す如く、この熱
処理装置は、長手方向がほぼ垂直に配設された円筒状の
反応容器１を有しており、この反応容器１は、耐熱性材
料、例えば石英よりなる外筒２と、この外筒２内に同心
的に収容された例えば石英からなる内筒３とにより主に
構成され、２重管構造になっている。上記外筒２および
内筒３は、ステンレス等からなるマニホールド４によっ
てその下端部が保持されており、このマニホールド４は
ベースプレート５に固定されている。そして、上記反応
容器１を囲むように、例えば抵抗発熱体よりなる円筒状
の加熱用ヒータ６が設置されて熱処理部が構成されてい
る。この加熱用ヒータ６の外側には、上記熱処理部を保
温するための、例えばシリカブロックよりなる断熱層７
が形成されると共に、この断熱層７の外側には、これを
囲むように装置全体を保護するための、例えばステンレ
ススチールよりなる円筒状の外側ケース８が設けられて
いる。

【０００９】また、上記マニホールド４の下端部の開口
部には、例えばステンレススチール等からなる円盤状の
キャップ部９が、弾性部材のＯリング１０を介して気密
封止可能に取り付けられている。上記キャップ部９のほ
ぼ中心部には、例えば磁性流体シールにより気密な状態
で回転可能な回転軸１１が挿通されている。この回転軸
１１の下端は、回転機構１２に接続されており、その上
端は例えばステンレススチールよりなるターンテーブル
１３が固定されている。また、上記ターンテーブル３の
上には、反応容器１の内筒３と所定の間隙を保持して石
英からなる保温筒１４が設置されており、この保温筒１
４上には、多数枚例えば１００枚の半導体ウエハ１５が
所定の間隔、例えば４．７６ｍｍ間隔て積層収容され
た、例えば石英からなるウエハボート１６が搭載されて
いる。このウエハボート１６、保温筒１４、ターンテー
ブル１３及びキャップ部９は、昇降機構、例えばボート
エレベータ１７により反応容器１内に一体となってロー
ド、アンロードされるように構成されている。このボー
トエレベータ１７は、上記回転機構１２を保持する保持
台１７ａと、この保持台１７ａを支持する昇降ロッド１
７ｂとにより構成されている。尚、図２は、アンロード
状態を示し、ウエハボートは処理容器外へ出されている
状態を示す。マニホールド４の下部には、上方すなわち
ウエハボート１６方向に向けて折り曲げられたＬ字状の
例えば石英からなる処理ガス導入管１８が、シール部材
１８ａによりマニホールド４に気密に配設されている。
上記シール部材１８ａには、例えばステンレススチール
からなるガス配管１９が接続されて、これは図示しない
ガス供給源に接続されている。この処理ガス導入管１８
に設けられたガス流出口１８ｂは、ウエハボート１６に
収容された半導体ウエハ１５の近傍に達するように垂設
されており。半導体ウエハ１５の配列方向に向けて開口
されている。上記処理ガス導入管１８には、成膜用の処
理ガス、例えばジシランが、必要な場合には窒素ガスと
混合されて上記ガス供給源から供給しうるように構成さ
れている。

【００１０】また、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素
（Ａｓ）等のドーパントを含むドープ用ガス、例えばホ
スフィン（ＰＨ₃ ）を導入するドープ用ガス導入管２０
は、Ｌ字状に形成されて、マニホールド４の下部にシー
ル部材２０ａによりマニホールド４に気密に配設されて
おり、処理容器１内にドープ用ガスを供給しうるように
なっている。上記ドープ用ガス導入管２０は、ウエハボ
ート１６に収容された各半導体ウエハ１５の面方向にむ
けて所定の間隔で開口された複数のガス流出口２０ｂを
有しており、各半導体ウエハ１５に対して均一にＰＨ₃
ガスを供給することができるように配置されている。そ
して、上記ドープ用ガス導入管２０は、例えばステンレ
ススチール等よりなる配管２１を介してＰＨ₃ ガスが収
容されたガス供給源２２に接続されている。この配管２
１には、ガス流量調節器であるＭＦＣ２３と、ＰＨ₃ ガ
スを所定の温度に加熱して励起状態にするガス加熱部２
４とが介設されている。そして、上記マニホールド４の
下部側面には、真空ポンプ２５に接続された、例えばス
テンレススチールよりなる排気管２６が接続されてい
る。特に、本発明方法においては、処理ガスを多量に供
給しつつ容器内圧力を０．０１ー０．１Ｔｏｒｒの範囲
の高真空を得る必要から上記真空ポンプ２５としては、
大量の気体を排気して高真空を得るポンプ、例えばター
ボ分子ポンプやハイブリッドターボポンプ等を使用す
る。そして、上記排気管２６の途中には、開閉弁として
のゲートバルブ２７とモータにより弁体を自動的に駆動
して圧力を調節する自動圧力調整装置２８とが順次介設
されている。

【００１１】そして、上記真空ポンプ２５の排気口に
は、排気管２９を介して、例えばオイルフリーのドライ
ポンプよりなる真空ポンプ３０が接続されており、上記
した如き高真空の実現を可能ならしめている。上記真空
ポンプ３０全体は、例えばステンレススチール等よりな
るケーシング３１により被われている。上記ターボポン
プ２５としては、例えば約２８０リットル／ｓｅｃの大
排気容量のポンプを使用し、ドライポンプ３０として
は、例えば約１５００リットル／ｍｉｎの排気量のポン
プを使用する。

【００１２】以上のように構成された熱処理装置を用い
て実施される本発明方法の一実施例を説明する。この実
施例においては、シリコン膜の成膜処理が行われる。ま
ず、ヒータ６により反応管１内の処理領域を加熱し、こ
の領域を、例えば５００℃前後の均熱加熱状態にする。
ここで、加熱温度が約５２０℃以上になると、ジシラン
は極度の活性状態になって使用できなくなることから、
この加熱温度は、好ましくは５２０℃以下とする。この
ように均熱状態にされた反応容器１内に、その下方に開
口部より、複数枚例えば１００枚の半導体ウエハ１５が
すでに搭載されたウエハボート１６をロードし、キャッ
プ部９により上記開口部に蓋をし、反応容器１内を密閉
状態にする。次に、２台の真空ポンプ２５、３０を駆動
することにより、反応容器１内の雰囲気を排気して、こ
の中を所定の圧力の真空状態例えば０．００１Ｔｏｒｒ
にした後、処理ガス導入管１８から処理ガス、例えばジ
シラン（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）ガスを３０ＳＣＣＭ以上、例えば
５０ＳＣＣＭのみを希釈ガスなしで反応容器１内に導入
する。ここで、窒素等の希釈ガスを導入しない理由は、
通常、窒素ガスは膜厚の面間均一性の改善のみを目的と
して導入されるが、本発明方法が実施されるような高真
空状態においては、希釈ガスなしでも処理ガスが反応容
器１内において充分に拡散されることから必然的に面間
均一性が良好となるからである。尚、一層の面間均一性
を図るために必要に応じて適当量の希釈ガス例えば窒素
を導入してもよいことは勿論である。

【００１３】また、ノンドープのα−Ｓｉ膜またはＰｏ
ｌｙ−Ｓｉ膜を成膜する場合には、ドープ用ガスを反応
容器１内には何ら導入しない。従って、ドープ用ガス導
入管２０に接続される配管２１の図示しない開閉弁を閉
状態としておく。尚、ドープドシリコン膜、例えばリン
添加シリコン膜の成膜を行う場合には、このドープ用ガ
ス導入管２０の開閉弁を開状態にして、反応容器１内に
例えばＰＨ₃ ガスの如きドープ用ガスを導入することは
勿論である。また、ドーパントとしてボロン等を使用す
ることも勿論可能である。そして、上述の如く処理ガス
を供給しつつ、或は必要な場合には希釈用ガスおよびド
ープ用ガスも供給しつつ反応容器１内の圧力が０．０１
−０．１Ｔｏｒｒの範囲内が望ましい。反応容器内の圧
力が、０．２Ｔｏｒｒでは面内均一性が１５−２０％と
劣化し、０．１Ｔｏｒｒでは面内均一性が１０％以内と
改善され、０．０５Ｔｏｒｒでは面内均一性が３％に改
善された。尚、０．０１Ｔｏｒｒ以下の圧力例えば０．
００５Ｔｏｒｒにするためには処理ガスの流量を例えば
１０ＳＣＣＭと減らさなけらばならず、この状態では成
膜速度が低下して実用的ではない。この実施例では、例
えば０．０５Ｔｏｒｒになるように自動圧力調整装置２
８でもって圧力制御を行いながら反応容器内雰囲気を排
気する。このような状態で所定時間、例えば１２０分間
の成膜処理を行い、半導体ウエハ１５上にシリコン膜を
成膜する。このようにして得られた半導体ウエハ１５上
のシリコン成膜の面内均一性は、従来のケージボートや
リングボートの如き構造複雑な石英治具類を使用して成
膜処理を行った場合とほぼ同じ±３％以下の値となり、
良好な結果が得られた。

【００１４】また、上記処理条件によって半導体ウエハ
１５上に形成される被膜の成膜速度は約２０オングスト
ローム／ｍｉｎであり、上述した従来の成膜方法によっ
て行った場合とほぼ同じ成膜速度が得られた。以上の如
く圧力を０．０５Ｔｏｒｒと低下させたことによりジシ
ランの分圧を低下させるがジシランの供給量は多量に供
給したことにより、良好な成膜均一性と所望の成膜速度
を得ることができる。上記実施例において、希釈ガス或
はドープ用ガスを供給する場合には、処理ガスの分圧を
維持すべくこの処理ガスの流量を対応させて増加する。
この場合にも、処理容器１内の圧力を上記圧力範囲０．
０１−０．１Ｔｏｒｒを維持する必要から、２台の真空
ポンプ２５、３０としては、気体を大量に排気できて、
高真空を維持できるポンプを使用する。尚、上記実施例
にあっては処理ガスとしてジシランを用いたが、これに
限定されず、例えばモノシラン等を用いてもよいことは
勿論である。また、本発明方法は、減圧ＣＶＤ装置のみ
ならずプラズマＣＶＤ装置等にも適用できることは勿論
である。

【００１５】

【発明の効果】以上要するに本発明方法によれば、被処
理体にシラン系の膜を成膜する際に、処理圧力を０．０
１−０．１Ｔｏｒｒの範囲に設定し、且つ被処理体の加
熱温度を５２０℃以下に設定するようにしたので、従来
使用されていた複雑な石英治具類を使用することなく、
従来方法によって得られた値とほぼ同じ成膜速度および
面内均一性を得ることができる。従って、構造複雑な石
英治具類が不要になるので、取り扱いが容易となり、操
作性を向上させることができ、大幅なコストダウンを図
ることができるのみならず、余分な治具類をなくすこと
ができるので、パーティクルの発生を抑制することがで
き、被処理体の歩留りを改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための熱処理装置を示す
概略縦断面図である。

【図２】本発明方法を実施するための実際の熱処理装置
を示す斜視透視図である。 １ 反応容器 ２ 外筒 ３ 内筒 ６ 加熱用ヒータ １５ 半導体ウエハ（被処理体） １６ ウエハボート １８ 処理ガス導入管 ２０ ドープ用ガス導入管 ２５、３０ 真空ポンプ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31 C23C 16/00 C30B 25/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 真空引き可能になされた縦型の反応容器
   内に、ボートに所定の間隔で多段に支持された被処理体
   を収容し、前記反応容器の外周に配置された加熱用ヒー
   タにより前記被処理体を加熱しつつ前記処理容器内にシ
   ラン系の処理ガスを、ガス導入管を介して直接的に供給
   して、該被処理体の表面に薄膜を形成する成膜方法にお
   いて、前記反応容器内の成膜処理時の圧力を０．０１−
   ０．１Ｔｏｒｒの範囲に設定し、且つ前記被処理体の加
   熱温度を５２０℃以下に設定するようにしたことを特徴
   とする成膜方法。
2. 【請求項２】 前記処理ガスは、希釈ガスと共に前記反
   応容器内に導入されることを特徴とする請求項１記載の
   成膜方法。
3. 【請求項３】 前記処理ガスは、希釈ガスなしで前記反
   応容器内に導入されることを特徴とする請求項１記載の
   成膜方法。
4. 【請求項４】 前記シラン系の処理ガスは、ジシランと
   モノシランの内のいずれか１つであることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれかに記載の成膜方法。
5. 【請求項５】 前記処理容器の大きさが、１００枚程度
   の被処理体を収容できる大きさであって、前記シラン系
   ガスがジシランの場合には、前記ジシランの供給量は３
   ０ＳＣＣＭ以上に設定されることを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれかに記載の成膜方法。