JP3403194B2 - Ｃｖｄ装置及びｃｖｄ法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置又は光磁
気ディスク等の記憶装置或いはフラットパネルディスプ
レイ等に用いられる金属膜、半導体膜或いは絶縁膜等の
各種堆積膜を形成する為の方法及び装置に関し、特に液
体状の原料を用いる化学気相堆積法（ＣＶＤ法）及び装
置（ＣＶＤ装置）に関する。

【０００２】

【背景技術の説明】化学気相堆積法やその為の装置を用
いて形成する堆積膜には、大きく分類すると金属膜、半
導体膜及び絶縁膜の３つがある。

【０００３】この中で、まず半導体膜の場合には欠陥が
少なく均一な膜が得られる成膜法が望まれている。一
方、絶縁膜においては均一な膜が望まれるのは勿論であ
るが、加えて段差被覆性に優れた成膜方法が望まれる。
なぜなら多くの絶縁膜は、集積回路（ＩＣ）における配
線間の絶縁や凹凸のある表面の保護に用いられるからで
ある。

【０００４】更に、金属膜の場合も上述した絶縁膜同様
に均一性と段差被覆性に優れた成膜方法が望まれる。金
属膜はＩＣの配線材料に多く採用されるが、この場合
は、絶縁膜に形成されたコンタクトホールやスリーホー
ルと呼ばれる開孔を介して上下の配線を接続する為に開
孔における段差被覆性が要求されるからである。

【０００５】こうしたＣＶＤ法に用いられるＣＶＤ装置
の従来例を図１に模式的に示す。

【０００６】図１において、４０３は石英管等で形成さ
れた反応室であり、内部には成膜すべき基板４０９を複
数配置し支持する基板ホルダー４１０が複数設けられて
いる。

【０００７】又、４０８は排気管であり、メカニカルブ
ースターポンプ等からなる主ポンプ４０４と、ロータリ
ーポンプ等からなる補助ポンプ４０５に接続されてお
り、ここから反応室４０３内を排気する。

【０００８】一方、ガスの供給系としては、液体原料を
バブリングする為のバブリング機構付のボンベ（バブラ
ー）４０２、バブリング用のキャリアガスを導入する為
のガス管４０６、弁４０１、反応室４０３内に気化した
原料を導入する為のガス管４０７が設けられている。

【０００９】このような従来のＣＶＤ装置では、最も一
般的な成膜を行う限りは充分な性能を発揮するものの、
最近要求される微細加工や大面積化に優れたＣＶＤ法に
は適さないことがある。

【００１０】即ち、いかなるＣＶＤ法にも適用できると
いうはん用性にとぼしい一面があった。

【００１１】この問題につき一例を挙げて説明する。

【００１２】最近、ＶＬＳＩやＵＬＳＩと呼ばれる高い
集積度の半導体装置の配線材料にスパッタリング法では
なくＣＶＤ法を用いたアルミニウムが注目されている。
特に有機化合物として有機アルミニウムを使用したＣＶ
Ｄ法では、絶縁物と導電体の間で、堆積条件が大きく異
なり、導電体又は半導体上のみにアルミニウムを堆積さ
せる選択堆積が可能ということが報告されるようになっ
た。この、アルミニウムの選択堆積は、微細な集積回路
を作製する場合、極めて有用なもので、特に、開孔の深
さ−穴径比（アスペクト比）が１を越えるような場合
は、代替技術のスパッタリング法では実現できないよう
な、アルミニウムの配線を可能にしている。スパッタリ
ング法で、開孔のアスペクト比が大きくなった場合、何
故断線するかについて図２を用いて説明する。図２で、
２０１は単結晶シリコン基体、２０２は二酸化硅素等の
絶縁膜、２０３はアルミニウム等の配線材料である。

【００１３】（ａ）はアスペクト比が小さい場合の配線
の様子を示しており、（ｂ）はアスペクト比が１を越え
る大きい場合の配線の様子を示している。

【００１４】上記スパッタリング法では凹部２０４や空
隙２０５が形成されるのに対して、図２の（Ｃ）に示さ
れているようにＣＶＤ法による選択堆積では、開孔中に
完全にアルミニウム３０３が充填され、断線する確立は
極めて低くなる。

【００１５】ここで、３０１はシリコン基板、３０２は
二酸化硅素等絶縁膜、３０３はＣＶＤ法によって堆積さ
せたアルミニウム等の金属材料、３０４はスパッタ法も
しくはＣＶＤ法によって堆積させたアルミニウムの配線
である。

【００１６】このように、微細な半導体装置の配線の作
製方法を図１のＣＶＤ装置で行う場合には水素等のキャ
リアガスＣＧＳを減圧弁４０１で減圧し、（バブラー４
０２に輸送する。アルミニウムの選択堆積が可能な材料
ガスとしては、ジメチルアルミニウムハイドライド（Ｄ
ＭＡＨ）やトリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡ）な
ど常温で液体状態になっているものが多い。そのためバ
ブラ４０２内で発砲を生じさせる工程即ちバブリングが
行なわれ、キャリアガスとＤＭＡＨ等有機アルミニウム
の飽和蒸気とからなる混合ガスが反応室４０３内に導入
されることになる。混合ガスは、加熱された半導体基体
４０９上で、熱分解し、該基体との表面反応によりアル
ミニウムが基体上に堆積される。

【００１７】そして反応室４０３の未反応ガスは、主ポ
ンプ４０４及び補助ポンプ４０５を用いて外部に排気さ
れる。

【００１８】しかしながら、安定して選択堆積が行なわ
れていた実験用のＣＶＤ装置を量産用のＣＶＤ装置に移
行するなどといった装置環境の変更があると、今まで得
られていた選択性が失われる等の問題が生じることがあ
った。

【００１９】このことは金属膜のみならず、半導体膜に
おいては欠陥の増加、絶縁膜では段差被覆性の低下等が
生じるという事態になる。

【００２０】本発明者らの知見によれば詳しい理由は後
述するが従来のＣＶＤ装置の構成では次のような点には
ん用性を乏しくする原因があることが判明した。

【００２１】１つは、原料となる液状の化合物とその他
のガスとの混合比の制御性が極めて悪いということであ
る。

【００２２】２つ目は、バブラー近傍の温度変化によっ
て化合物の混合比が変わってしまうということである。

【００２３】３つ目は、バブラー中の残量によって、化
合物の混合比が変わってしまうということである。

【００２４】（発明の目的）本発明の目的は、環境条件
の変化や操作パラメータの変化が存在しても、安定して
良質の堆積膜を形成することのできるＣＶＤ法及びＣＶ
Ｄ装置を提供することにある。

【００２５】本発明の別の目的は操作性、量産性に優
れ、製造する各種デバイスの製造コストを低くできるＣ
ＶＤ法及びＣＶＤ装置を提供することにある。

【００２６】本発明の更に別の目的は、大面積に亘って
均一で且つ望ましくない欠陥が少なく、段差被覆性に優
れた堆積膜を形成することのできるＣＶＤ法及びＣＶＤ
装置を提供することにある。

【００２７】更に本発明の別の目的は、原料ガス導入手
段により反応室内に原料ガスを導入し、該反応室内に載
置された基体上に薄膜を堆積させるＣＶＤ装置におい
て、前記該原料ガス導入手段は、原料ガスの通過する複
数の貫通孔を有する加熱部材と該加熱部材の温度を制御
する為の温度制御手段と、が付設され、該加熱部材の該
複数の貫通孔近傍に該温度制御手段により制御される発
熱体が配設されている加熱装置を有しており、原料ガス
が該貫通孔を介して該反応室内に導入されることを特徴
とするＣＶＤ装置およびそのＣＶＤ装置を用いたＣＶＤ
法を提供することにある。

【００２８】（作用）以下、本発明の実施例について述
べる前に、本発明をなすにあたり、見い出された技術事
項について説明する。

【００２９】例えば、ＤＭＡＨと水素とを用いたＣＶＤ
法により選択堆積を行なう場合に、開孔の形成された絶
縁膜を有する半導体基体表面上では次の２の反応が進行
し得る。

【００３０】 ２Ａｌ（ＣＨ₃ ）₂ Ｈ＋Ｈ₂ →２Ａｌ＋４ＣＨ₄・・・（１） ２Ａｌ（ＣＨ₃ ）₂ Ｈ→２Ａｌ＋２ＣＨ₄ Ｃ₂ Ｈ₆・・・（２） この場合、反応が（１）のように進行すれば、半導体表
面と絶縁体表面との間における選択性が確保される。し
かしながら（２）のような単純な熱分解反応が進行する
と、半導体と絶縁体間で選択性が完全には得られないこ
とがある。この原因は、混合ガス中のＤＭＡＨと水素の
モル比率が堆積状態に対して重大な影響を与えていると
いうことである。

【００３１】この問題を避けるためには、水素を過剰に
混入すれば良いかと思われたが、水素をある量を越えて
過剰に供給すると、反応室での反応が供給律速状態に陥
入り、「開孔の口径によって堆積速度が異なる。」「ア
ルミニウムの埋込み形状が図３に示すようにファセット
面を持つような形になり、平坦な埋込みをそ外する。」
などの問題点が出てくる。結局、ＤＭＡＨと水素との混
合比を最適に制御しないと、半導体製造業者としての商
業的成功に結び付くＣＶＤ法にはならない。以下、最適
な混合比について検討してみる。

【００３２】ＤＭＡＨと水素の場合におけるモル混合比
はバブラーの出口におけるＤＭＡＨの飽和蒸気圧と水素
の分圧との比で決定される。即ち、

【外１】

【００３３】Ｐ_DMAHは温度で一意的に決ってしまい、室
温では高々１〜２ｔｏｒｒ程度である。

【外２】

【００３４】は減圧弁で制御できるが、制御精度は減圧
弁の精度によってほぼ決る。Ｐ_DMAHと

【外３】

【００３５】の比を数倍に制御したい場合に、

【外４】

【００３６】は〜１０ｔｏｒｒ程度となり、減圧弁は数
ｔｏｒｒ単位の圧力を制御する必要がある。しかしなが
ら現在の減圧弁の技術では、これは非常に困難である。

【００３７】上記（３）のように、モル混合比はＰ_DMAH
によって変わるが、Ｐ_DMAHは単に飽和蒸気圧なので温度
によって変わってしまう。ＤＭＡＨの飽和蒸気圧の温度
依存性を図４に示す。

【００３８】このように、Ｐ_DMAHは温度に対して指数的
に変化する。一方、水素は室温で気体なので温度変化で

【外５】

【００３９】は指数的には変化しない。つまり、バブラ
ー近傍の温度変化で、モル混合比が大きく変化すること
になる。

【００４０】又、バブラー出口での水素分圧

【外６】

【００４１】は、バブラー入口の水素圧力と一致せず、

【外７】

【００４２】なる関係がある。ここで、

【外８】

【００４３】 ｐ：有機金属の比重 ｈ：バブリングノズルの口からボンベ液面までの距離 ｃ：圧力換算定数 この場合レギュレータで制御できる変数は

【外９】

【００４４】のみだが、装置使用に従い、ｈの値は小さ
くなるので、

【外１０】

【００４５】は変化していく。この結果

【外１１】

【００４６】を一定に保つには、

【外１２】

【００４７】をバブラー内の液残留によって補正してや
る必要がある。しかしながら、これは装置構成上大きな
困難を伴う技術である。以上詳述したように、従来のＣ
ＶＤ装置では広いはん用性と最適の堆積条件を得るため
には、原料ガスの制御性が充分なものとはいい難かった
のである。

【００４８】本発明によれば、液体状の原料物質を沸騰
させて原料ガスを供給する為に、実質的に原料物質のみ
からなる大量のガスを供給することができる。従って、
他のガスとの混合比の制御も精密に行える。

【００４９】又、本発明によれば、原料ガスの供給時の
温度をより一層精密に制御することができるので、大量
のガス輸送を行っても混合比が均一に保てる。

【００５０】本発明によれば、これにより、あらゆるＣ
ＶＤ法が適切に行われるようになる。

【００５１】金属膜以外では、例えば化合物半導体の場
合には元素の組成比を良好にコントロールでき均一な半
導体膜や、バンドギャップの制御された半導体膜の形成
が容易になる。又、絶縁膜の場合には、ＳｉｘＯｙやＳ
ｉｘＮｙにおけるｘやｙの制御が容易になり誘電率が均
一な大面積の膜が容易に形成できるようになる。

【００５２】しかも、大量の原料輸送が可能となり、大
面積の基板や多数の基板上への均一な膜の形成が高堆積
速度で容易に行われるようになる。

【００５３】（好適な実施態様の説明）本発明に用いら
れるＣＶＤ用の原料物質としては、ＣＶＤ装置の使用環
境において液体のものが用いられる。より好ましくは、
常圧、常温（例えば１０〜３０℃）において液体のもの
である。

【００５４】具体的には、トリメチルアルミニウム（Ｔ
ＭＡ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡ）、トリイソ
ブチルアルミニウム（ＴｉＢＡ）、ジメチルアルミニウ
ムハイドライド（ＤＭＡＨ）、ジエチルアルミニウムハ
イドライド（ＤＥＡＨ）、モノメチルアルミニウムハイ
ドライド（ＭＭＡＨ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩ
ｎ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチル
ガリウム（ＴＥＧａ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ
ａ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、トリクロールシラン
（ＳｉＨＣｌ₃ ）、シリコンテトラクロライド（ＳｉＣ
ｌ₄ ）、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、
フルオロトリエトキララン（ＦＯＴＥＳ）、ＰＯＣｌ
₃ 、ＢＢｒ₃ 、Ｓｎ（ＣＨ₃ ）₄ 等が挙げられる。とり
わけ、有機金属化合物は、常温、常圧下における蒸気圧
が比較的低く大量輸送が難しいので、本発明によるＣＶ
Ｄ法に好適に用いられる。

【００５５】そして上記原料物質と混合される反応ガス
としては、Ｈ₂ 、Ｏ₃ 、ＮＨ₃ 、ＮＯ、Ｎ₂ 等があり、
必要に応じてＡｒ等の不活性ガスが用いられる。

【００５６】勿論、化合物膜の形成や導電型の制御を行
う場合には周知のドーピング用ガス例えばＰＨ₃ 、Ａｓ
Ｈ₃ 、ＢＦ₃ 、Ｂ₂ Ｈ₆ 、ＳｉＨ₄ 、Ｓｉ₂ Ｈ₆ が併せ
て用いられる。

【００５７】本発明により形成される堆積膜は、金属膜
としてのＡｌ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｓｎ等、化合物半導
体膜としてのＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ、ＩｎＰ、ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＳｅＴｅ等、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、又、酸化膜とし
てのＳｉＯ、ＳｉＯＮ、ＳｎＯ、ＩｎＳｎＯ、ＺｎＯ、
ＺｎＡｌＯ、窒化膜としてのＩｎＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ、
ＢＮ等である。

【００５８】本発明に用いられる反応室は、石英等の絶
縁性反応管或は金属製の反応管により形成でき、反応管
は内部に１つ以上の被成膜基体を収容できるものが用い
られる。

【００５９】又、排気手段としては、メカニカルブース
ターポンプ、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ
分子ポンプ等が単独或は適宜組み合わせられて用いられ
る。

【００６０】又、基体は反応室内に基板保持手段によ
り、被成膜面を上向き、下向き、横向き又は斜め上方或
は斜め下方に向けて保持される。

【００６１】

【発明の実施の形態】（実施例１）図５は、本発明の特
徴を最も良く表わしている。同図に於いて１０１はＤＭ
ＡＨ等の液体状の原料物質、１０２は内壁が絶縁物で形
成され十分な強度をもつ原料物質収容容器、１０３、１
０４はマスフローコントローラー等の気体流量制御器、
１０５、１１３は圧力ゲージ、１０６、１０９はそれぞ
れロータリーポンプとメカニカル・ブースターポンプ等
の組み合わせで構成される排気手段、１１０はオートプ
レッシャーコントローラー等の圧力制御手段、１０８は
全隔壁に発熱体が設けられた加熱機構を有する恒温室、
１１１はシリコンウエハ等の処理用の半導体基板、１１
２は基板支持体に設けられた半導体基板の加熱のための
ヒーター、１１４は原料ガスをプラズマ励起するための
放電用対向電極、１１５はＣＶＤ反応室、１１６は高周
波電源、１０７、１１７はバルブ、１１８は液体原料物
質収容用のボンベである。

【００６２】容器１０２内部は最初は原料物質が注入さ
れておらず、かつ、バルブ１１７が閉じた状態にある。
先ず、排気ポンプ１０６を用いて容器１０２の内部を１
×１０^-5ｔｏｒｒ以下に十分に排気し、バブル１０７を
閉じる。しかる後にバルブ１１７を開くと液体原料はバ
ブル１１７を介して容器１１８から容器１０２へと供給
される。容器１０２及びマスフローコントローラ１０３
を含む系は恒温室１０８中に存在するので、任意の温度
に保たれ減圧された内部圧力に応じて所定の温度で沸騰
する。例えばＤＭＡＨを原料に用いる場合、恒温室内の
温度は７５℃〜８０℃に設定することが望ましい。とり
わけ温度設定を８０℃にした原料物質してＤＭＡＨを用
いた場合には、容器１０２内部のほぼ１００％がＤＭＡ
Ｈ蒸気となりガス圧は４２ｔｏｒｒ程度になる（図４参
照）。

【００６３】一方、反応室１１５内の圧力は、排気ポン
プ１０９を用いて排気を行い、圧力制御バルブ１１０に
よって調整され適正堆積圧力である１〜３ｔｏｒｒに保
たれる。マスフローコントローラー１０３は周知のもの
を使用し、最大制御流量は２００ｓｃｃｍ程度のものを
選択することが望ましい。図５で示すようにＤＭＡＨは
マスフローコントローラー１０３を介し２００ｓｃｃｍ
以下の流量で、また水素ガスはマスフローコントローラ
ー１０４を介し２０ＳＬＭ以下の流量で反応室１１５に
導入される。例えば、原料ガスの混合ガスとしてのＤＭ
ＡＨガスと水素ガスを用いその分圧比をマスフローコン
トローラーを用いて流量制御する場合には、ＤＭＡＨ／
Ｈ₂ は１／１０〜１／１００の範囲で任意に定めること
が出来る。混合ガスの総流量は２〜２０ＳＬＭ程度とす
ることが好ましい。

【００６４】こうして、適正な混合比で反応室内へ送ら
れた原料ガスはヒーター１１２によって２００〜３００
℃に加熱された半導体基板１１１上に達し、そこで熱分
解を起し、目的とする反応生成物が半導体基板上に堆積
する。この反応は主に前述した（１）式の反応であり、
導体と被導体間で十分な選択性を持ち、図１の（ｃ）に
示す埋込み状態を作ることができる。

【００６５】またＤＭＡＨと水素とのＣＶＤ法において
は高周波（１１６）励起によって半導体基板１１１と電
極１１４間にプラズマを発生させること（即ちプラズマ
ＣＶＤ法）により、非選択成長も可能である。このプラ
ズマＣＶＤ法により図１の（ｃ）に示す金属堆積膜を同
一反応室内で連続的に形成できる。

【００６６】更に、各部品には安全性の向上及び良好な
堆積を行う為の安定装置としてインターロックシステム
が設けられている。

【００６７】具体的には容器１１８の液面高さを検知す
るモニターであり、ある液面以下に少なくなると堆積を
中断するものが容器１１８に付設されている。これは更
に堆積中の時間をメモリーに入れておくこともできる。

【００６８】又、恒温室１０８には温度センサーにより
過加熱を防止する装置が設けられている。

【００６９】更に容器１０２中の温度と圧力とを検知し
て原料の蒸気圧が所定値以下になった場合に反応室への
原料ガスの供給を停止し、別の所定値を大きく上回った
場合にはバルブ１０７を開けるシステムが設けられてい
る。

【００７０】同様に、反応室内のプラズマの異常放電を
検知し動作を停止させるシステム、反応室内の異常圧力
を検知し動作を停止させるシステム等が設けられてい
る。

【００７１】また、本発明においては図５の如く、枚葉
処理の反応室ばかりではなく、図１のようなホットウォ
ール式の多数枚処理の反応室をもつＣＶＤ装置にも適用
できる。

【００７２】また本発明において図５では排気装置１０
６と１０９が別個のものになっているが、バルブ１０７
の先をバルブ１１０と排気装置１０９の間にもっていく
ことにより、排気装置１０６を省略することもできる。

【００７３】また図５では、２系統のガスラインが容器
１０２にもうけてあるが排気装置を有するライン１０
６、１０７を省略して、排気装置１０９１により反応室
１１５を介して容器１０２内部を真空状態にすることも
可能である。

【００７４】以上説明したように、ＣＶＤ装置の液体原
料の供給方法として減圧状態の容器からほぼ１００％が
原料物質である原料物質の蒸気を、反応室へ供給するこ
とにより他の反応ガスと別個に計量して反応室へ送り込
み混合比を適正な値で、しかも高精度に保つことがで
き、しかも反応室へ安定して供給することができる。こ
うして目的とする反応生成堆積物の良好な膜質及び膜形
状を得ることが可能になる。

【００７５】ところで、液体原料の飽和蒸気圧が低く原
料の輸送量により堆積速度が律速される様な場合には原
料の輸送効率を高める方法として、次の様な装置が知ら
れている。

【００７６】図６は特開平２−３８５６９号公報に開示
されているアルミニウム薄膜を形成する為のＣＶＤ装置
の模式図である。

【００７７】キャリアガス２００２はバルブ２２０１及
びマスフローコントローラー２２０２を経て、液体原料
２１０１中へ吹き出しキャリアガスと原料ガスとの混合
ガスが反応室２００６へ導入される。混合ガスの導入口
にはガスを基板表面に均一に供給するための整流装置２
００３が装着されている。この整流装置により液体原料
２１０１の蒸気圧が小さい場合には原料タンク２００１
を加熱機構２１０３によって加熱して原料ガスの蒸気圧
を高めることが可能となる。また、整流装置２００３は
ガスを均一化するための数枚の整流板２３０２と整流板
の取付けられた円筒２３０１とで構成されて居り、円筒
２３０１の内部にはヒータ２３０３が組込まれている。
原料タンクの加熱機構２１０３は蒸気圧を高めかつ、原
料ガスの分解しない温度、例えば原料として有機金属の
トリイソブチルアルミニウム（ＴＩＢＡ）を用いた場合
には約５０℃に設定される。また、整流装置２００３に
付属する加熱機構ではＴＩＢＡを用いた場合アルミニウ
ム薄膜が最も適切に形成される２３０℃前後に設定され
る。

【００７８】そして、基板ホルダ４に設置されたＳｉウ
ェハ等の基板２００５は加熱機構２４０３により４００
℃前後に加熱され導入された混合ガスの熱分解反応によ
りアルミニウム薄膜が基板上に形成される。

【００７９】なお２６０１、２６０２、２６０３はそれ
ぞれ混合ガスを導入するためのバブル２６０１及び基板
を搬入、搬出するためのゲートバルブ２６０３或いは真
空排気のためのバルブ２６０２である。

【００８０】しかしながら、安定して選択堆積が行われ
ていた実験用のＣＶＤ装置を量産用のＣＶＤ装置に移行
するなど、といった装置環境の変更があると、今まで得
られた選択性が失なわれる等の問題が生じることがあっ
た。

【００８１】このことは金属膜のみならず、半導体膜に
おいては欠陥の増加、絶縁膜では段差被覆性の低下等が
生じることがあった。

【００８２】本発明者の知見によれば、これらの原因は
加熱装置による原料ガスの温度制御が不充分である為に
生じているものであることが判明した。

【００８３】（実施例２）本実施例は図６に示した整流
装置２００３を改良したものであり、均一な温度分布を
もつガス流を形成することのできる構成である。

【００８４】前述した実施例では、整流装置部を例えば
８０℃に保持する為に、外に付設されたヒータ２３０３
を用いていた。

【００８５】図７は整流装置２００３内の温度と気化さ
れた原料ガスの輸送効率との相関を示すグラフである。
液体状の原料物質として、ＤＭＡＨを用いる場合整流装
置内の温度が１００℃以下４０℃以上であれば、液体状
の原料物質がほぼ１００％気化し反応室内に輸送され
る。

【００８６】温度が４０℃未満であると完全に気化せず
に液滴として整流装置内に残留し易くなり、温度が１０
０℃より高くなると、約０．１％程度の原料ガスがエバ
ポレータ部内で分解しＡｌが析出してくる。析出してき
たＡｌは石英板の開孔を塞ぎ原料ガスの流れを妨げるの
で０．１％という分解率以上に輸送効率を下げる結果と
なる。

【００８７】このことが成膜にどのような影響を与える
かを示すのが図８である。図８は整流装置内の温度と得
られるＡｌ膜の堆積速度の相関を示すものである。

【００８８】図６に示すＣＶＤ装置において液体状のＤ
ＭＡＨの流量とＨ₂ ガスの流量とを計量してモル比で
１：１になるように調整し単結晶Ｓ：ウエハー上へのＡ
ｌの堆積速度を測定した結果を整流装置の温度に対して
プロットしたものである。

【００８９】図８では、整流装置内の温度を８０℃とし
た時のＡｌの堆積速度を１とした相対値で示してある。
図より明らかなように温度が６０℃未満であるとＤＭＡ
Ｈの蒸気圧が低くなり過ぎて反応が律速されて堆積速度
は極端に低くなってしまう。一方、温度が１００℃を越
えると輸送効率の低下が原因で堆積速度が高くならな
い。つまり、整流装置内の温度を精密に制御することが
液体状の原料を気化させた後にＣＶＤを行う方法におい
て重要となる。

【００９０】しかも、この温度制御はガスを流している
状態で精密に制御しなければならないことが判明した。

【００９１】図９は、整流装置２００３内に配された整
流板２３０２の面内温度分布を示すグラフである。

【００９２】図９の白丸印はガスを流さない状態（初期
状態）での整流板の温度分布を示し、黒丸印はガスを流
した状態（動作状態）での温度分布を示している。図９
より明らかなように整流板２３０２の開孔付近ではガス
が滞留せずに流れる為温度が初期の設定温度よりかなり
低くなっている。これは、新しいガスが順次供給される
為に開孔１２０付近で熱をうばい温度を低下させている
からである。このような面内温度分布は整流板の開孔の
大きさによって変化する。一般的に開孔が大きく、整流
板に対して開孔の占める割合が大きい程、面内温度分布
も大きくなる。しかしながら、ガス供給量を考慮すると
開孔を単に小さくすればよいという問題ではない。

【００９３】整流板は、主に、発熱体への取付端部から
の熱伝導により加熱されるため、各整流板の面内で温度
分布を生じており、これが形成される膜質の分布に悪影
響を及ぼしている。更には、特にガス導入前後で整流板
に大きな温度変化が生じる。また、この時整流板間の温
度分布もより一層不均一になる。ヒータ材を内蔵した円
筒部は整流板より高温となりガスの熱分解やＡｌの付着
を生じ易い。そして、ガス種によってはガスの熱分解を
防ぐため整流板の最適温度は比較的低温、例えば８０℃
前後が望ましい場合もあるが、この様な低温においては
温度制御性がより一層困難になる。

【００９４】特に、複数枚の整流板が設けられていて
も、加熱制御は複数枚を一体で行われているため、基板
ホルダに近い側の整流板は基板加熱の輻射の影響を受
け、温度制御性を更に困難なものにする。

【００９５】図１０に本発明の第２の実施例を示す。図
６に示した従来例と大きく異なるのは原料の混合ガスを
反応室３００６に供給するに当たり混合ガスを加熱しつ
つ整流する整流装置３００３の構成である。

【００９６】整流装置は発熱体としてのヒータ３３０７
と温度センサーとが埋込まれた加熱部材としての加熱整
流板３３０６と、その取付部３３０８とからなり、ガス
は加熱整流板３３０６に配置された小孔を通過する際に
加熱され反応室３００６側へ導入される。加熱整流板は
望ましくは図１０の様に複数枚で構成される。取付部３
３０８は加熱整流板３３０６を機械的に支持すると共に
取付部を通じてのガスの回り込みを遮断し、かつ、図示
されていないが加熱整流板のヒータ３３０７への給電を
行う端子を有する構成である。

【００９７】図１０の４０００が温度制御装置であり、
後述するように整流板にヒータ３３０７と共に設けられ
た温度センサからの出力信号を基にしてヒーターに供給
する電流の量を変えるものである。

【００９８】各ヒーター及び温度センサは各整流板毎に
独立して設けられ微調整が独立して行えることが望まし
い。

【００９９】この加熱整流板３３０６は詳しくは図１１
に示す如く構成されている。すなわち、ボロンナイトラ
イド、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、コージェラ
イト等のセラミック基体３３６１にＣ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ａ
ｇ，Ｐｄ等或いはＭｏ，Ｔａ，Ｗ等高融点金属の厚膜が
ヒータ３３０７として形成されており、ヒータ両端には
給電用の端子３３６３が設けられ、図１０の取付部３３
０８内にて接続される。３９９９は基体面の任意の位置
に設けられた温度センサである。セラミック基体３３６
１としては熱伝導率が大きいボロンナイトライトが望ま
しく、また形成されたヒータ３３０７の上層も保護のた
め絶縁性セラミックで覆われている。さらにガス整流の
ための貫通孔３３６２が配置されている。本例では流速
の遅くなる周辺のコンダクタンスを高めるため貫通孔の
寸法に分布をもたせてある。

【０１００】この加熱整流板を複数枚用いればガス整流
作用を高めるために貫通孔の分布をそれぞれ異なるもの
を使用できる。

【０１０１】また図では角形状のものを示したが、円板
状基体でシンメトリな貫通孔配置にすることも可能であ
る。もちろん、貫通孔近傍を加熱できるものであれば種
々のヒータパターンが考えられる。

【０１０２】４００１は温度センサーの外部端子、４０
０２はヒーターの外部端子であり、これらが温度制御装
置４０００に接続される。

【０１０３】別の実施例として図１２の様に別のセラミ
ック基体３３６４を重ねヒータ部を完全に内部に埋め込
み上下対称な構成とすることも可能である。

【０１０４】このような、本実施例によれば、前出の図
９のＸ印に示されるように均一な面内温度分布を得るこ
とができる。

【０１０５】そして整流板の温度均一性が向上し、堆積
される膜質及び膜厚分布が改善される。

【０１０６】又ガスの加熱温度、流量等最適な条件範囲
が拡大するとともに、再現性が向上し、カバレージの良
い膜ができる。

【０１０７】加えて加熱整流板を多段構成とし、個別に
温度制御することにより使用する液体原料ガス種や気化
状態等の適応範囲が拡大する。更に液体原料の輸送効率
が増大し膜の堆積速度を向上できる。

【０１０８】これらは特に有機金属等の飽和蒸気圧の低
い液体原料を用いる時に効果大である。

【０１０９】（実施例３）図１３は本実施例３によるＣ
ＶＤ装置のガス供給装置を示す模式図である。

【０１１０】３００６は反応室であり、前出の実施例同
様に基板ホルダーや基板加熱用のヒータ等が設けられる
ものである。

【０１１１】この反応室３００６には連結管を介して混
合室３１００が設けられており、その下には前述した実
施例同様の整流装置３００３が設けられている。更にそ
の下は加熱ヒーター３１０３が付設された液体状の原料
物質３１０１の収容用の原料タンク３００１になってい
る。原料タンクは石英やフッ素加工された絶縁体からな
る。混合室３１００の反応室側と反対側は連結管を通し
てキャリアガス供給手段に接続されている。このキャリ
アガス供給手段はマスフローコントローラ３２０２、バ
ルブ３２０１及びガスボンベ３２０３を含み、更にヒー
タ３２０４が設けられている。

【０１１２】次にこの装置の動作について説明する。

【０１１３】原料タンク３００１内の液体状の原料物質
３１０１はヒーター３１０３により加熱され蒸気を発生
する。この時の加熱温度としては、原料物質３１０１が
ほとんど分解せずにできる限り大きな蒸気圧が得られる
ような温度を選択する。ＤＭＡＨの場合は４０℃〜１０
０℃が好ましい。混合室３１００内の圧力は、連結管の
コンダクタンスにより０．５〜２００Ｔｏｒｒ程度にな
るように調整する。一方、原料タンク３００１内は整流
装置３００３の整流板の開孔の大きさと密度を調整して
０．５〜５００Ｔｏｒｒになるようにする。具体的には
タンク３００１内の圧力と原料物質の飽和蒸気圧と同じ
にする。

【０１１４】そして、キャリアガスとしてのＡｒやＮ₂
はボンベ３２０３から、ヒーター３２０４にて３０℃゜
〜１５０℃好ましくは４０℃〜１００℃に調整して、混
合室内に供給する。

【０１１５】そして、気化した原料ガスは前述した実施
例のように整流装置３００３でその温度が精密にコント
ロールされる。整流装置におけるガスの温度は４０℃〜
１００℃より好ましくは６０℃〜１００℃とする。

【０１１６】このような各ヒーターの温度調整を温度制
御装置４０００で行う。とりわけ整流装置３００３とヒ
ータ３１０３の温度をコントロールすることにより、状
態方程式（ＰＶ＝ｎＲＴ）を参照して原料ガスの供給量
を高精度に調整することができる。

【０１１７】原料ガスにＤＭＡＨを用いて選択堆積を行
う場合にはキャリアガスとして不活性ガスではなくＨ₂
を用いる。

【０１１８】（実施例４）本実施例は原料ガス又は原料
ガスを含む混合ガスを反応室内に供給する部分（ヘッ
ド）を改良したものである。

【０１１９】実施例１や実施例３では反応室の側面から
原料ガスを導入しており、実施例２では反応室内の基板
に向けて整流装置から原料ガスを導入していた。

【０１２０】そこで、本実施例では図１４に示すヘッド
アセンブリを用いて基板表面に垂直にガスを放出するこ
とにより、原料ガスから堆積膜が得られる収率をより一
層高めるものである。

【０１２１】図１４に示す通りヘッドアセンブリ３５０
１内には前述した実施例２，３と同様に石英製の整流板
３３０６が３枚設けられている。この板の開孔はそれぞ
れ重ならないようになっており、導入されたガスが矢印
ＡＡで示すように、だ行するような連通路を構成してい
る。

【０１２２】本実施例によれば、原料ガスは整流板３３
０６によって温度が一定の保持されしかもヘッドのガス
分散手段としての板３５０３により均一に分散されてヒ
ーター付基板ホルダー３００４上の基板３００５表面に
矢印ＡＢのように到達する。

【０１２３】従って、排気装置３６０５により排気回収
される原料物質の割合が減少するので排気系におけるガ
スの反応を防止する安全装置の構成を小規模なものに簡
略化できる。

【０１２４】又、ヘッドの吹き出し面３５０５と基板ホ
ルダー３００４とが近接する為に堆積用の熱の輻射をヘ
ッド３５０５が受けてヘッドの吹き出し面３５０５が堆
積温度に達して堆積膜が形成されることがその下方には
分散ヘッド３５０２が着脱可能に設けられている。

【０１２５】分散ヘッド３５０２は、ヘッドアセンブリ
３５０１と着脱するためのホルダー３５０４と多数の板
部材３５０３とを含む構成である。

【０１２６】このヘッドでは反応室３００６内に供給さ
れてきた原料ガスを効率よく基板３００５上への堆積膜
とするためにヘッド３５０２のガス吹き出し面３５０５
と基板３００５の堆積面との距離を１０ｍｍ以下、好ま
しくは１〜１０ｍｍより好ましくは２〜５ｍｍとする。
又、ホルダー３５０４の厚みＴｈを１〜２０ｍｍより好
ましくは３〜１７ｍｍ程度とする。

【０１２７】そして、ヘッド３５０２の板３５０３やホ
ルダー３５０４はステンレススチールやシリコンカーバ
イド製で作製されている。起こるが、ヘッド３５０２が
周知の機械的構成により着脱可能となっている為に、メ
インテナンスが容易になっている。一例を挙げるに、Ｄ
ＭＡＨを原料物質として用いる場合には、ヘッドとして
シリコンカーバイド製のものを用いる。すると堆積工程
をくり返すうちにガス吹き出し面に１０〜１００Å程の
Ａｌが堆積することがある。この場合にヘッド３５０２
を取りはずして、付着したＡｌをエッチング除去すれば
よい。

【０１２８】（実施例５）図１６乃至図１８は本発明の
実施例５によるＣＶＤ装置を示す模式図である。

【０１２９】図１６のＸＸ’線による断面が図１７であ
る。図１７において反応室３００６内には、基板３００
５Ａを矢印ＤＤ方向に往復移動可能な基板ホルダー５０
０１と同様に基板３００５Ｂを矢印ＤＤ方向に移動可能
に保持するホルダー５００２とが中継用の回転体５００
４を間に介して対向配置されている。

【０１３０】それぞれのホルダー５００１、５００２上
には原料ガスを吹き出すヘッド５００５、５１０５が設
けられており、それぞれ第１ガスヘッド部５００７、５
１０７と第２ガスヘッド部５００６、５１０６とを含ん
でいる。

【０１３１】例えばＤＭＡＨのような原料ガスは第１ガ
スヘッド部５００７、５１０７にパイプ５０１７を介し
て供給され、水素のような反応ガスはパイプ５０１６を
介して第２ガスヘッド部５００６、５１０６に供給され
る。しかし混合ガスとして反応室内に導入する場合には
ヘッド部及びパイプは単一であってもよい。

【０１３２】次に本ＣＶＤ装置の動作について説明す
る。まず、ホルダー５００１上でヘッド５００５の下を
往復動しながら成膜された基板は、続いて回転体５００
４上に移動される。回転体はモータ５００３により１８
０°回転される。もちろん３６０°や０°でなければ何
度でもよいが好ましくは３０°〜３３０°より好ましく
は３０°〜２１０°である。

【０１３３】次にホルダー５００２上に移動された後、
再び往復移動しながら成膜が行われる。これらは同一反
応室３００６中において行われる。従って、図１６を参
照するに初期の成膜時の基板の右領域Ａ（５００５Ａ）
は、次の成膜時には左領域（５００５Ｂ）となってい
る。

【０１３４】蒸気圧の低いＤＭＡＨやＴｉＢＡの場合成
膜速度は材料ガスの流量で律速されてしまうので、本実
施例のように２つ又は３つ以上の成膜領域で独立して成
膜されることが望ましい。

【０１３５】そして基板を移動させる場合にその移動方
向とほぼ平行な膜厚むらが生じる恐れがある。そこで、
本実施例では回転体を有する中継手段により基板を堆積
面内で０°及び３６０°以外の範囲内で回転させて続く
次の成膜を行う為に、安定して均一な膜を得ることがで
きる。

【０１３６】図１８は本実施例の変形例であり、６つの
ヘッド（５００５、５１０５、５２０５、５３０５、５
４０５、５５０５）と３つのホルダ（５００１、５００
２、５００３）と２つの回転体（５００４、５０１４）
とからなるものである。

【０１３７】まず、第１の成膜チャンバＤＣＡ内におい
てヘッド５００５とヘッド５１０５との下をホルダー５
００１によって往復動させながら基板上に成膜を行う。
次に第１の中継チャンバＲＣＡに移動された基板は回転
体５００４により６０°回転させてから次の第２の成膜
チャンバＤＣＢに移動される。ここでも第１成膜チャン
バ内同様に成膜が行われる。その後第２の中継チャンバ
５０１４で更に６０°回転させてから第３の成膜チャン
バＤＣＣに移動させて再度成膜を行う。

【０１３８】各チャンバは排気装置３６０５により独立
して排気され大気としゃ断可能となっている。又、各チ
ャンバ間にはゲートバルブ（不図示）が設けられてい
て、成膜中の雰囲気をチャンバ毎に独立に保てる。

【０１３９】勿論、回転体を含めて、図１６のように共
通のチャンバ内にヘッド及び基板ホルダーを全て配置し
てもよい。

【０１４０】しかしながら、量産効果を高める為には図
１８のようなマルチチャンバ方式とし各成膜チャンバ内
に常に少なくとも１つの基板が配置されるようにして成
膜を行うことが望ましい。

【０１４１】又、ヘッド５００５他には実施例４のヘッ
ドを採用できるし、又ガス供給装置としては実施例１の
ものが採用できることは言うまでもない。

【０１４２】本実施例では成膜期間中に基板を回転させ
ることにより規則性のある凹凸のない均一な堆積膜を得
ることができる。

【０１４３】（実験例１）実施例１の上記装置を用いて
代表的な堆積条件として水素の流量を５００ｓｃｃｍ、
ＤＭＡＨの流量を５０ｓｃｃｍ反応室圧力を１．２ｔｏ
ｒｒ、基板加熱温度を２７０℃となるように設定し、Ａ
ｌの堆積を行った。その結果、得られた金属膜は平坦
性、膜質に優れたアルミニウム薄膜であった。

【０１４４】（実験例２）実験例１によって得られたＡ
ｌ膜を有する基体上に実施例１と同じ構成のＣＶＤ装置
により酸化シリコン膜を形成した。

【０１４５】原料物質としてＴＥＯＳを、反応ガスとし
てオゾン（Ｏ₃ ）を用いて厚さ１μｍ程度の酸化シリコ
ン膜を形成した。得られた酸化シリコン膜は段差被覆性
に優れ平坦なものであった。

【０１４６】（実験例３）以上説明した実施例２による
装置を使用して原料にＴＩＢＡ、キャリアガスにＡｒを
用いアルミニウム薄膜を形成したところ、原料ガスの流
量及びガス導入装置の温度とも膜形成に好適な条件の範
囲が拡がり、再現性も良く原料ガスの良好な供給ができ
た。

【０１４７】また基板上の膜質（表明粗さ、比抵抗等）
の分布も改善された。特に、膜の成長初期における、す
なわちガス導入直後の温度制御が良好に行われるため段
差のある下地上へのＡｌ膜の埋込みが良好になる。

【０１４８】また従来のガス整流装置では温度分布のた
めに整流装置上への局所的なＡｌ膜の堆積や、生成物の
異常成長等を生じていたが、本例によればガス導入装置
へのそれらの付着は改善されメンテナンス周期を延ばす
ことが可能となった。

【０１４９】（実験例４）また、実施例２の装置を用い
て、原料にジメチルアルミニウムハイドライド（ＤＭＡ
Ｈ）、キャリアガスとしてＨ₂ を使用しアルミニウム薄
膜を形成した。この時ガス導入装置の温度制御は８０℃
に設定し複数の加熱整流板（本例では３枚）各々個別に
行った。すなわち、前述した様に基板ホルダからの輻射
熱の影響を除くためとＤＭＡＨの分解を防止するに充分
な低温制御のためである。この時基板加熱温度は２５０
℃〜３００℃とした。個別制御により比較的低温の１６
０℃前後で分解するＤＭＡＨに対しても１００℃以下で
整流板の温度を制御できる様になり、膜の堆積速度、膜
質の再現性が良好になった。

【０１５０】（実験例５）さらに、実験例４と同じ装置
において３枚の整流板の中、ガス供給側から基板側へ向
かって１０〜４０℃の温度勾配をもたせる（例えば供給
側６０℃、真中７５℃、基板側９０℃に設定した。）こ
とにより、Ａｌの選択堆積を行った。本例では原料の飽
和蒸気が流れる時に局所的な過冷却状態を生じて、液体
に凝縮する不都合が生ずるのを防止でき、より高効率な
原料の輸送が可能となった。こうして得られた膜の堆積
速度は約１μｍ／分であった。或いはまた、ガス導入装
置の整流板の枚数を増し（５〜６枚）多段構成とし、各
々、個別に温度制御を行うことによりガス導入装置に供
給される原料ガスが過飽和状態であったり、液滴を含む
状態であっても、最終段の加熱整流板を経て反応炉へ供
給されるガスを良好な気化状態にすることも可能とな
る。

【０１５１】これによりさらに原料の輸送効率が高めら
れ、膜の堆積速度を向上できる。

【０１５２】なお、以上の実施例においては熱ＣＶＤ装
置における原料ガスの導入を説明したが、プラズマＣＶ
Ｄ等他のＣＶＤ装置においても、有機金属原料の供給方
法として非常に有用なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＣＶＤ装置の一例を示す模式図。

【図２】形成された堆積膜の状態を示す模式図。

【図３】形成された堆積膜の状態を示す模式図。

【図４】原体状の原料物質の一例の温度と蒸気圧の関係
を示すグラフ。

【図５】本発明の実施例１によるＣＶＤ装置を示す模式
図。

【図６】従来のＣＶＤ装置を示す模式図。

【図７】原料ガスの温度と輸送効率との関係を示すグラ
フ。

【図８】原料ガスの温度と堆積速度の関係を示すグラ
フ。

【図９】整流板の面内位置における原料ガスの温度分布
を示すグラフ。

【図１０】本発明の実施例２によるＣＶＤ装置を示す模
式図。

【図１１】本発明に用いられる整流板の構成を示す模式
図。

【図１２】本発明に用いられる整流板の構成を示す模式
図。

【図１３】本発明の実施例３によるＣＶＤ装置を示す模
式図。

【図１４】本発明の実施例４によるＣＶＤ装置を示す模
式図。

【図１５】本発明に用いられる着脱式ヘッドを示す模式
図であり、切欠部は説明を容易にする為のものである。

【図１６】本発明の実施例５によるＣＶＤ装置の模式的
上面図。

【図１７】図１６のＸＸ’線による断面図。

【図１８】実施例５の変形例を説明する為の模式図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 21/31 21/31 Ｂ (72)発明者 川角 保志 東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤ ノン株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−119674（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−298725（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−104667（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−163379（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−120366（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−214867（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/00 - 16/56 H01L 21/205 H01L 21/31

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料ガス導入手段により反応室内に原料
   ガスを導入し、該反応室内に載置された基体上に薄膜を
   堆積させるＣＶＤ装置において、 前記該原料ガス導入手段は、原料ガスの通過する複数の
   貫通孔を有する加熱部材と該加熱部材の温度を制御する
   為の温度制御手段と、が付設され、該加熱部材の該複数
   の貫通孔近傍に該温度制御手段により制御される発熱体
   が配設されている加熱装置を有しており、原料ガスが該
   貫通孔を介して該反応室内に導入されることを特徴とす
   るＣＶＤ装置。
2. 【請求項２】 前記原料ガスは有機金属化合物である請
   求項１に記載のＣＶＤ装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のＣＶＤ装置を用いて、
   前記基体上に堆積膜を形成するＣＶＤ法。
4. 【請求項４】 前記原料ガスとしてアルキルアルミニウ
   ムハイドライドを用い、水素と反応させることにより前
   記基体の導電性或は半導体表面上にアルミを主成分とす
   る金属膜を形成する請求項３に記載のＣＶＤ法。
5. 【請求項５】 原料ガスを反応室内に配置された基板に
   向けて放出するヘッドを有し、該ヘツドのガス放出面が
   該基板表面から１０ｍｍ以下の範囲内にあり、該ガス放
   出面が着脱可能に保持されていることを特徴とする請求
   項１に記載のＣＶＤ装置。