JP3281467B2

JP3281467B2 - 成膜方法

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Publication number: JP3281467B2
Application number: JP28754293A
Authority: JP
Inventors: 研治多胡
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 2002-05-13
Anticipated expiration: 2017-05-13
Also published as: JPH07122504A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造工程で形成される
薄膜は、化学成分が同じでありながら、その製法によっ
て膜質が異なり、このため用途に応じた最適な膜質が得
られるように、またスループットや歩留まりなどにおい
て有利な条件となるように、種々の製法が検討されてい
る。例えばシリコン酸化膜については、シリコン膜を酸
化する方法やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition)法に
より成膜する法などがあり、後者の中にも例えばモノシ
ラン（ＳｉＨ4 ）及び一酸化二窒素（Ｎ2 Ｏ）ガスを反
応させるＨＯＴ法などと呼ばれる方法や有機シリコンソ
ース例えばＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケー
ト）と酸素ガスとを反応させる方法などが知られてい
る。

【０００３】ここでＨＯＴ法により得られるシリコン酸
化膜（ＳｉＯ2 膜）は、ＴＥＯＳを用いる方法により得
られるシリコン酸化膜と比較して、ａ．アニール後の熱
収縮率が小さいので膜剥れが起こりにくい、ｂ．エッチ
ングレートが近い、つまり膜が緻密で絶縁性が良い、
ｃ．ステップカバレッジが良好でボイドレス化を図れ
る、などの点で優れており、ＤＲＡＭのＬＤＤ構造用の
スペーサや層間絶縁膜などに用いられている。

【０００４】このＨＯＴ法により縦型熱処理装置を用い
てシリコン酸化膜を成膜する従来の方法について述べる
と、多数枚のウエハをウエハボートに間隔をおいて重ね
た状態で保持して縦型の反応管内にロードし、反応管内
を８００℃の温度に加熱して、ヘリウム（Ｈｅ）ガスで
２０％に希釈したモノシランガスを毎分２４０ＣＣの流
量で、また一酸化二窒素ガスを毎分２４００ＣＣの流量
で反応管内に供給すると共に０．８Ｔｏｒｒの減圧雰囲
気にしてシリコン酸化膜を成膜している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のＨ
ＴＯ法によりシリコン酸化膜を得る方法は、成膜速度が
遅く、このためスループットが低いという問題があっ
た。

【０００６】本発明は、このような事情の下になされた
ものであり、その目的は成膜速度を速め、その結果スル
ープットを向上させることができる成膜方法を提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る成膜方法
は、多数の被処理体を間隔をおいて重ねた状態で保持具
に保持させて縦型の反応管内に搬入し、反応管内を加熱
雰囲気かつ減圧雰囲気にして、モノシランガス及び一酸
化二窒素ガスを前記加熱雰囲気の下方側から上方側に流
すことにより被処理体にシリコン酸化膜を形成する成膜
方法において、前記保持具は、円周に沿って複数配置さ
れ、各々鉛直方向に伸びる支柱と、これら支柱にその外
周縁部が保持されて各々水平に設けられると共に上下に
間隔をおいて配置された多数の環状の載置台と、を備
え、前記載置台において、被処理体の搬入側である、支
柱が設けられていない側のリング幅は、支柱が設けられ
ている側のリング幅よりも大きく、また支柱が設けられ
ていない側のリング幅は、下部側の載置台よりも上部側
の載置台の方が大きく構成され、モノシランガスの流量
を毎分５０ＣＣ〜毎分１００ＣＣに設定し、モノシラン
ガスと一酸化二窒素ガスとの流量比を１：４０〜１：６
０に夫々設定し、反応管内の圧力を０．９Ｔｏｒｒ〜
１．５Ｔｏｒｒに設定して成膜を行うことを特徴とす
る。更にまた載置台の複数個所に被処理体が載置され
る支持部材を設け、この支持部材を介して被処理体を載
置台に載置するようにしてもよい。

【０００８】

【実施例】図１は本発明方法を実施するために用いられ
る成膜装置の一例を示す縦断側面図である。加熱炉２は
ベースプレート２０上に載置されており、断熱層２１の
内周面に、後述の反応管を囲統するようにヒータ２２を
設けて構成される。

【０００９】前記加熱炉２内には、例えば石英からな
る、上端が閉じている外管３１と、この外管３１内に同
心状に設置された例えば石英からなる、例えば内径２５
ｃｍ、長さ１５０ｃｍの内管３２とを備えた、被処理雰
囲気を形成する２重管構造の反応管３が設けられてい
る。

【００１０】前記外管３１及び内管３２は、各々その下
端にてステンレス等からなる管状のマニホールド４に保
持されており、このマニホールド４の下端開口部には、
当該開口を気密に封止するためのキャップ部４１が開閉
自在に設けられている。

【００１１】前記キャップ部４１の中心部には、例えば
磁気シールにより気密な状態で回転可能な回転軸４２が
挿通されており、回転軸４２の下端は昇降台４３の回転
機構４４に接続されると共に、上端はターンテーブル４
５に固定されている。前記ターンテーブル４５の上方側
には、保温管５０を介して被処理体保持具である例えば
石英製のウエハボート５が搭載されており、このウエハ
ボート５は、図２に示すように、上下にそれぞれ対向し
て配置された円形の天板５１及びリング形状の底板５２
を備えると共に、これらの間に例えば４本の支柱５３〜
５６を設けて構成され、天板５１と底板５２との間には
例えば１５０枚の環状の載置台６１が所定の間隔をおい
て平行に配置されている。これら環状の載置台６１は、
図３に示すように、その外周縁部が各支柱５３〜５６に
形成された４つの溝部５７に挿入されて保持されてい
る。

【００１２】また環状の載置台６１は、ウエハボート５
の位置に応じて形状を変えて形成されている。即ちウエ
ハボート５の下部側（底板５２側）では、図４（ａ）に
示すように、ほぼ真円の形状に形成されているが、ウエ
ハボート５の中央部では、図４（ｂ）に点線で示すよう
に、支柱５３〜５６が設けられていない側は環状の載置
台６１の内周縁部が内側に入りこんでおり、この側のリ
ング幅ａは支柱５３〜５６が設けられた側のリング幅よ
り大きくなるように形成されている。さらにウエハボー
ト５の上部側（天板５１側）では図４（ｃ）に示すよう
に、中央部に設けられた環状の載置台６１よりも、支柱
５３〜５６が設けられていない側のリング幅ａが大きく
形成されている。またこのように形成された環状の載置
台６１の上面における例えば周方向に３等分した３ヶ所
には、逆Ｌ字状の支持部材６２が設けられており、この
支持部材６２上にウエハＷが載置される。

【００１３】前記マニホールド４の下部側面には、成膜
用ガスであるモノシランガス及び一酸化二窒素ガスを内
管３２内に導入するための第１のガス導入管７１及び第
２のガス導入管７３が水平に挿設されており、この第１
のガス導入管７１はマスフロ−コントロ−ラ７２を介し
て図示しないモノシランガス供給源に接続されており、
第２のガス導入管７３はマスフローコントローラ７４を
介して図示しない一酸化二窒素ガス供給源に接続されて
いる。

【００１４】また前記マニホールド４の上部側面には、
外管３１と内管３２との間隙から処理ガスを排出して反
応管３内を所定の減圧雰囲気に設定するために、真空ポ
ンプ８１に連結された排気管８が接続されている。

【００１５】次に上述の成膜装置を用いて行われる本発
明の実施例について説明する。先ずウエハボート５のセ
ンター部（上下方向の中央部）の温度が８００℃となる
ように反応管３内の被処理雰囲気を加熱しておいて、例
えば１５０枚のウエハＷを保持したウエハボート５を反
応管３内に下方開口部から昇降台４３により搬入する。

【００１６】続いて反応管３内を例えば１．１Ｔｏｒｒ
程度の真空度まで真空引きした後に第１のガス導入管７
１から、ヘリウムガスで希釈した２０％のモノシランガ
スを例えば４００ＳＣＣＭ（毎分４００ＣＣ）の流量
（１００％モノシランガスで８０ＳＣＣＭの流量）で内
管３２内に導入すると共に、第２のガス導入管７３から
一酸化二窒素ガスを例えば４０００ＳＣＣＭの流量で内
管３２内に導入し、反応管３内を例えば１．１Ｔｏｒｒ
の圧力となるように排気を行い、ウエハボート５を例え
ば０．５ｒｐｍの回転数で回転させながら５０分間成膜
を行う。

【００１７】このようなプロセス条件で成膜処理を行う
ことにより、後述の実験例からも明らかなように大きな
成膜速度でシリコン酸化膜が得られる。

【００１８】なおモノシランガス及び一酸化二窒素ガス
を反応管３内に大流量で供給すると、膜厚に対するガス
の流速の影響が大きくなり、ガスの流速に対してウエハ
の外周縁部が最も影響を受けやすくなると考えられる
が、本実施例ではウエハＷは環状の載置台６１上に例え
ば支持部材６２を介して載置されているため、環状の載
置台６１が障害となってウエハＷの外方側近傍領域のガ
スの流れを妨げ、これによりウエハＷ周縁部のガスの流
れが弱められて中心側領域との流速の差が小さくなるの
で、成膜に対するガスの流速の影響が少なくなり、膜厚
について高い面内均一性を確保することができる。

【００１９】またウエハボート５には、構造上支柱５３
〜５６が設けられた側と、設けられていない側がある
が、この支柱５３〜５６もガスの流れを妨げる障害とな
り、支柱が設けられた側と設けられない側とのガスの流
速が異なって膜厚の面内均一性が低下することが考えら
れるが、この問題には上述のように環状の載置台６１を
構成することで対応できる。

【００２０】即ち、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、
環状の載置台６１のリング幅を全ての箇所で同一にする
のではなく、支柱が設けられていない側のリング幅を反
対側のリング幅より大きくし、支柱が設けられた側より
も、環状の載置台６１のガスの流れを妨げる障害物とし
ての割合を大きくすることにより、支柱５３〜５６によ
り妨げられるガスの流れと、リング幅が大きく形成され
た環状の載置台６１により妨げられるガスの流れとのバ
ランスを取ることができ、膜厚の面内均一性を高めるこ
とができる。

【００２１】なお処理ガスは反応管３の下部から導入さ
れるので、処理ガスの温度は下部側では低く、上部側で
は高くなるが、温度の高い程反応が促進されるので、反
応管３の上部側程膜厚がガスの流速の影響を受けやす
い。このためウエハボート５の上部側に設けられた環状
の載置台６１程、支柱が設けられていない側のリング幅
を大きくすることが好ましい。一方ウエハボート５の下
部側は温度が低く膜厚に対するガスの流速の影響は小さ
いため、このようなリング幅の調整を特に行わなくても
よい。

【００２２】次に本実施例の効果を確認するために行っ
た実験の結果について説明する。図５は、上述の装置を
用いて、成膜温度を８００℃、装置内圧力を１．１Ｔｏ
ｒｒに設定すると共に、ヘリウムガスで２０％に希釈し
たモノシランガスの流量を４００ＳＣＣＭ、一酸化二窒
素ガスの流量を４０００ＳＣＣＭに設定して得られたシ
リコン酸化膜のウエハボート上のウエハ位置に対する成
膜速度と膜厚の面内均一性の測定結果である。また図６
は従来の方法、即ち成膜温度を８００℃、装置内圧力を
０．８Ｔｏｒｒに設定すると共に、ヘリウムガスで２０
％に希釈したモノシランガスの流量を２４０ＳＣＣＭ、
一酸化二窒素ガスの流量を２４００ＳＣＣＭに設定して
得られたシリコン酸化膜のウエハボート上のウエハ位置
に対する成膜速度と膜厚の面内均一性（ウエハの外周縁
部から５ｍｍの位置と中心位置との均一性）の測定結果
である。

【００２３】両図共、縦軸は成膜速度及び膜厚の面内均
一性であり、横軸はウエハボート上のウエハ位置であっ
て、ウエハボートの上部側から数えたウエハの位置を示
している。また図中白色で描かれた記号で示すプロット
は成膜速度、黒色で描かれた記号で示すプロットは膜厚
の面内均一性を夫々表し、丸、四角、三角で示すプロッ
トは夫々成膜処理の第１回目、第２回目、第３回目を示
している。

【００２４】図５より本実施例の方法では、平均成膜速
度３２オングストローム／ｍｉｎ、面内均一性±４％以
下、面間均一性±２％以下、バッチ間均一性±１％以下
であって、図６との比較により、従来の面内均一性や面
間均一性、バッチ間均一性を維持したまま、従来の方法
では約２２．５オングストローム／ｍｉｎ程度であった
成膜速度を約１．５倍の速度に速めることが確認され
た。

【００２５】図７は、標準シーケンスを用いて４０００
オングストロームのシリコン酸化膜を成膜するのに要す
るトータルのシーケンス時間を、従来方法と本実施例の
方法とで比較した結果を示している。図中左側が従来方
法で要する時間を表し、右側が本実施例の方法で要する
時間を表している。また図中Ａは成膜処理の前工程、Ｂ
は成膜処理工程、Ｃは成膜処理の後工程を示している。

【００２６】この結果により、従来方法と本実施例の方
法とは成膜処理の前後の工程に要する時間は同じである
が（前工程８０分、後工程６０分）、成膜処理に要する
時間は、本実施例の方法では、１３３．３分であり、２
００分を要する従来の方法に比較して約６７分少なく、
結果としてトータルのシーケンス時間（従来方法３４０
分、本実施例の方法２７３．３分）もその分だけ短縮す
ることができることが確認された。従って本実施例の方
法では、成膜速度を速くすることができ、その結果スル
ープットを向上させることがてきることが認められた。
なお成膜する膜厚が厚い程スループットの向上が期待で
きる。

【００２７】また上述の実験に伴い、２５００オングス
トロームのシリコン酸化膜を成膜したウエハについて
０．２μｍ以上のパーティクルの増加量をサーフスキャ
ン６２００を使用して測定したところ、最も多い所で３
４個／ウエハであり、パーティクルの発生は少なく、こ
の面においても良い結果であった。

【００２８】ここで本発明では、反応管内の圧力を０．
９Ｔｏｒｒ〜１．５Ｔｏｒｒ、モノシランガス（１００
％換算）の流量を毎分５０ｃｃ〜毎分１００ｃｃ、モノ
シランガスと一酸化二窒素ガスとの流量比を１：４０〜
１：６０とすることが必要である。反応管内の圧力及び
モノシランガスの流量が上述の下限値よりも低くなると
大きな成膜速度が得られないし、また上限値よりも高く
なるか、あるいはモノシランガスと一酸化二窒素ガスと
の流量比が上述の範囲から外れるとＳｉＯ2 膜内に異物
が混入してしまう。

【００２９】なおこのプロセス条件の範囲で次のような
条件下で成膜速度及び膜厚の面内均一性を調べたところ
以下のような結果であった。［プロセス条件］（１）１００％モノシランガス流量：７０ＳＣＣＭ、
一酸化二窒素ガス流量：３５００ＳＣＣＭ、装置内圧
力：１．５Ｔｏｒｒ、成膜中心温度：７５０℃、成膜時
間：５０分（２）１００％モノシランガス流量：８０ＳＣＣＭ、
一酸化二窒素ガス流量：４０００ＳＣＣＭ、装置内圧
力：１．５Ｔｏｒｒ、成膜中心温度：７５０℃、成膜時
間：５０分（３）ヘリウムガスで２０％に希釈したモノシランガ
ス流量：４００ＳＣＣＭ、一酸化二窒素ガス流量：４０
００ＳＣＣＭ、装置内圧力：１．０Ｔｏｒｒ、成膜中心
温度：８００℃、成膜時間：７０分（４）ヘリウムガスで２０％に希釈したモノシランガ
ス流量：４００ＳＣＣＭ、一酸化二窒素ガス流量：４０
００ＳＣＣＭ、装置内圧力：１．２Ｔｏｒｒ、成膜中心
温度：８００℃、成膜時間：７０分（５）ヘリウムガスで２０％に希釈したモノシランガ
ス流量：４００ＳＣＣＭ、一酸化二窒素ガス流量：４０
００ＳＣＣＭ、装置内圧力：１．１Ｔｏｒｒ、成膜中心
温度：８００℃、成膜時間：７０分［結果］プロセス条件（１）、（２）、（３）、（４）、（５）
の結果を夫々図８〜１２に示す。図において、縦軸は成
膜速度及び膜厚の面内均一性であり、横軸はウエハボー
ト上のウエハ位置であって、ウエハボートの上部側から
数えたウエハの位置を示している。また図中白色で描か
れた記号で示すプロットは成膜速度、黒色で描かれた記
号で示すプロットは膜厚の面内均一性を夫々表してい
る。

【００３０】以上の結果により、上述のプロセス条件で
は、平均成膜速度が３０〜４０オングストロ−ム／ｍｉ
ｎ、平均面内均一性が２．３〜５．２％であって、従来
の面内均一性を維持しながら、成膜速度を早めることが
できることが確認された。

【００３１】

【発明の効果】このように本発明の成膜方法によれば、
良質なシリコン酸化膜を成膜することができる。また反
応管内の圧力を高くすると共に、モノシランガス及び一
酸化二窒素ガスを大流量で反応管内に供給することによ
り、大きな成膜速度でシリコン酸化膜を得ることがで
き、この結果スループットの向上が図られる。また環状
の載置台を備えた被処理体保持具を用いているため、例
えばモノシランガス及び一酸化二窒素ガスを大流量で供
給しても成膜されたシリコン酸化膜の膜厚の面内均一性
を高めることができる。

【００３２】更に保持具における環状の載置台におい
て、被処理体の搬入側である、支柱が設けられていない
側のリング幅は、支柱が設けられている側のリング幅よ
りも大きいため、被処理体に対して膜厚の面内均一性の
高い薄膜を成膜することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するために用いられる成膜装
置の一例を示す縦断面図である。

【図２】本発明方法の実施例で用いたウエハボートを示
す外観斜視図である。

【図３】本発明方法の実施例で用いたウエハボートの一
部分を示す断面図である。

【図４】本発明方法の実施例で用いた環状の載置台を示
す説明図である。

【図５】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び面
内均一性との関係を示す特性図である。

【図６】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び面
内均一性との関係を示す特性図である。

【図７】従来方法と本発明方法とのシーケンスに要する
時間の比較説明図である。

【図８】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び面
内均一性との関係を示す特性図である。

【図９】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び面
内均一性との関係を示す特性図である。

【図１０】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び
面内均一性との関係を示す特性図である。

【図１１】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び
面内均一性との関係を示す特性図である。

【図１２】ウエハボート上のウエハ位置と成膜速度及び
面内均一性との関係を示す特性図である。

【符号の説明】

２加熱炉３反応管４マニホールド５ウエハボート６１環状の載置台６２支持部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−94414（ＪＰ，Ａ) 特開平２−102524（ＪＰ，Ａ) 特開平５−166742（ＪＰ，Ａ) 特開平４−157715（ＪＰ，Ａ) 特開平４−133417（ＪＰ，Ａ) 実開平３−50324（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−47029（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 511 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多数の被処理体を間隔をおいて重ねた状
態で保持具に保持させて縦型の反応管内に搬入し、反応
管内を加熱雰囲気かつ減圧雰囲気にして、モノシランガ
ス及び一酸化二窒素ガスを前記加熱雰囲気の下方側から
上方側に流すことにより被処理体にシリコン酸化膜を形
成する成膜方法において、前記保持具は、円周に沿って複数配置され、各々鉛直方
向に伸びる支柱と、これら支柱にその外周縁部が保持さ
れて各々水平に設けられると共に上下に間隔をおいて配
置された多数の環状の載置台と、を備え、前記載置台において、被処理体の搬入側である、支柱が
設けられていない側のリング幅は、支柱が設けられてい
る側のリング幅よりも大きく、また支柱が設けられてい
ない側のリング幅は、下部側の載置台よりも上部側の載
置台の方が大きく構成され、モノシランガスの流量を毎分５０ＣＣ〜毎分１００ＣＣ
に設定し、モノシランガスと一酸化二窒素ガスとの流量
比を１：４０〜１：６０に夫々設定し、反応管内の圧力
を０．９Ｔｏｒｒ〜１．５Ｔｏｒｒに設定して成膜を行
うことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】載置台は、支柱が設けられていない側の
内周縁部が内側に入り込んでいることを特徴とする請求
項１記載の成膜方法。
【請求項３】載置台の複数個所に被処理体が載置され
る支持部材が設けられたことを特徴とする請求項１また
は２記載の成膜方法。