JP3980840B2 - 気相成長装置および気相成長膜形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体ウエハなどの平板状または面状の基板の表面に、複数の原料ガスを用いて気相成長膜を形成するための気相成長装置および気相成長膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造においては、例えば半導体ウエハなどよりなる基板に対して種々の処理が行われるが、例えばＣＶＤなどの気相成長膜形成方法においては、複数の原料ガスが用いられる場合がある。
特に、例えばストロンチウム（Ｓｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含有する有機金属含有ガスと酸素（Ｏ2)ガスとを用いるＣＶＤによれば、シリコンウエハの表面にＳｒＴｉＯ3 よりなる気相成長膜を形成することができ、この気相成長膜は、その特性から、例えばキャパシタ容量絶縁膜などとして有用である。
【０００３】
一般に、複数の原料ガスによる気相成長膜の形成は、通常、内部に複数のガス導入管を配設してなる反応容器を用い、この反応容器内にウエハを配置した状態で、ガス導入管の各々より原料ガスを噴出させながら加熱することにより、行われている。
【０００４】
そして、従来の気相成長装置においては、ガス導入管として、通常、直管状の石英製管体の周壁に、円形貫通孔によるガス噴出口が形成されたものが広く用いられており、また、管体の周方向に伸びるスリット状貫通孔によるガス噴出口が形成されたものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の気相成長装置においては、原料ガスとして有機金属含有ガスを用いる場合には、ガス導入管におけるガス噴出口の正面方向が、原料ガスがウエハの表面に沿って当該ウエハの中心に向かう方向に噴出されるよう、当該中心方向に設定されているにもかかわらず、実際には、当該ウエハの表面に形成される気相成長膜が面方向において不均一性が相当に大きいものとなり、結局、高い均一性で所期の特性の気相成長膜を形成することができない、という問題点がある。
例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）やチタン（Ｔｉ）を含有する有機金属含有ガスと酸素ガスとを用いる場合には、基板の面内において高い均一性で所期の結晶成長を生じさせることができないために、目的とする気相成長膜を形成することができない。
【０００６】
以上の問題点について研究を重ねた結果、その原因は、ウエハの面内における有機金属含有ガスの分布における不均一性がきわめて大きいからであることが判明した。
具体的には、有機金属含有ガスは密度の高いガスであるため、ガス導入管のガス噴出口が円形口である場合には、形成される気相成長膜において、当該ガス噴出口の正面方向（ウエハの直径Ｒの方向とする。）では、狭い領域に或る程度の均一性が得られる場合であっても、当該直径Ｒから直角に離間する横方向では、離間距離が大きくなるに従って膜厚が大幅に減少するようになり、不均一性が大きい状態となることが判明した。
【０００７】
そこで、ガス噴出口がウエハの面方向に伸びるスリット状貫通孔により形成されたガス導入管を用いたところ、形成される気相成長膜は、当該ガス噴出口よりの距離が小さい範囲では、ガスが横方向に拡がるために、直径Ｒに直角な横方向では膜厚の均一性が或る程度改善されたが、一方、直径Ｒの正面方向においては、ガス噴出口からの距離が大きくなるに従って膜厚が減少する程度が甚だしく、結局、不均一性が大きい状態となることが判明した。
【０００８】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされものであって、その目的は、ウエハなどの平板状の基板の表面に、有機金属含有ガスを含む複数の原料ガスによる気相成長膜を高い均一性で形成することのできる気相成長装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、平板状の基板の表面に、有機金属含有ガスを含む複数の原料ガスによる気相成長膜を高い均一性で形成することのできる気相成長膜形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の気相成長装置は、平板状の基板が配置される反応容器内に、有機金属含有ガスよりなる第１のガスを供給するための第１のガス導入管と、当該有機金属含有ガスと反応し、当該有機金属含有ガスより密度の小さい第２のガスを供給するための第２のガス導入管とが配設されてなり、
第１のガス導入管において、ガス噴出口が、基板の面に沿って伸びるスリット状貫通孔により形成されており、第２のガス導入管のガス噴出口が、円形貫通孔により形成されており、
第１のガス導入管のガス噴出口と、第２のガス導入管のガス噴出口とは、反応容器内の基板の外周方向に沿って並んで配置され、
第１のガス導入管のガス噴出口よりの第１のガスが、第２のガス導入管のガス噴出口よりの第２のガスの流れにより、基板の面に沿って延展拡散されることを特徴とする。
【００１０】
以上の第１のガス導入管のガス噴出口を形成するスリット状貫通孔は、その開き角が３０〜１６０度であることが好ましい。
第１のガス導入管のガス噴出口は、当該第１のガス導入管の周方向に並ぶ複数のスリット孔部分により形成されていてもよい。
【００１１】
以上において、第１のガス導入管のガス噴出口および第２のガス導入管のガス噴出口は、各々の正面方向が、基板の中心における角度４５度の範囲内にあることが好ましい。
【００１２】
本発明の気相成長膜形成方法は、上記の気相成長装置を用いて、平板状の基板の表面に気相成長膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明において、第１のガスおよび第２のガスが、下記の組合せから選ばれたものとすることができる。
（１）Ｓｒ〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（２）Ｔｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（３）ＴｉＣl4ガスとＮＨ3 ガスとの組合せ
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ3)3 〕4 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（５）Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5)5 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
【００１４】
【作用】
本発明の気相成長装置によれば、原料ガスの一部として密度の高い有機金属含有ガスを用いる場合であっても、当該有機金属含有ガスよりなる第１のガスが、密度の低い第２のガスのガス噴出口と基板の外周方向に並んで配置されているガス噴出口から噴出されるため、当該第１のガスは、第２のガスの流れによって基板の面に沿って延展拡散されることとなり、その結果、当該有機金属含有ガスをウエハの表面に十分に高い均一性で供給することができ、従って、当該基板の表面に、その全体にわたって、高い均一性で所望の気相成長膜を形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の気相成長装置の構成の一例を概略的に示す説明図である。
この気相成長装置１０は、バッチ式縦型気相成長装置であって、上下方向に伸びる円筒状であって上部が閉塞された、例えば石英よりなる反応容器１２を備えている。
【００１６】
反応容器１２の下方には、円筒状のステンレス鋼からなるマニホールド１３が当該反応容器１２の下端に接続されている。このマニホールド１３の下方には蓋体１４が配置されており、この蓋体１４は、ボートエレベータ（図示せず）により上下方向に移動可能とされている。
そして、蓋体１４が上昇してマニホールド１３の下端の開口が閉塞されることにより、反応容器１２の内部に密閉された反応処理室が形成される。
【００１７】
蓋体１４上には、保温筒１５を介して、例えば石英からなるウエハボートＷＢが載置される。気相成長膜を形成すべき例えばシリコンよりなる半導体ウエハＷは、その複数枚が、このウエハボートＷＢに上下方向に所定の間隔をおいて保持される。そして、ボートエレベータによって蓋体１４が上昇されてウエハボートＷＢが反応容器１２内に挿入されることにより、当該ウエハボートＷＢに保持されたウエハＷは、反応容器１２内における処理領域に配置される。
【００１８】
反応容器１２は、内部にウエハボートＷＢが挿入された状態で、反応容器１２の内側面とウエハボートＷＢまたはウエハＷの外周縁との間に円筒状空隙が形成される大きさとされており、この円筒状空隙内に、後述するガス導入管が配設される。
【００１９】
反応容器１２の周囲には、例えば抵抗発熱体からなる筒状ヒータ１６が設けられており、この筒状ヒータ１６により、反応容器１２の内部温度または配置されたウエハＷの温度が所定の設定温度となるよう加熱される。
そして、筒状ヒータ１６の外側には断熱材層１８が配設されており、更に、マニホールド１３以外の全体を包囲するアウターシェル２０が設けられている。また、必要に応じて、反応容器１２の上方にもヒータが配設される。
【００２０】
反応容器１２内に原料ガスを供給するための複数のガス供給管が設けられている。具体的には、有機金属含有ガスを供給するための第１のガス供給管３０と、酸素ガスを供給するための第２のガス供給管４０とが、各々、マニホールド１３の周壁を互いに隣接した位置において貫通して伸びるよう設けられている。
【００２１】
第１のガス供給管３０は、当該気相成長装置１０の外部に設けられた、有機金属含有ガスよりなる原料ガス源（図示せず）に接続されると共に、マニホールド１３の内部における先端部には、反応容器１２の内周面とウエハＷの外周縁との間における円筒状空隙内に配置された、例えば石英管よりなる第１のガス導入管３２の下端部が連通して接続されている。
【００２２】
図２は、第１のガス導入管をウエハの中心から見た状態で示す説明用正面図であり、図３（イ）は、図２の第１のガス導入管の一部の拡大正面図、図３（ロ）は、図２の第１のガス導入管のガス噴出口を通る拡大横断面図である。
また、図４は、反応容器内に配置されたウエハに対する、第１のガス導入管の噴出管部分のスリット状噴出口、並びに、第２のガス導入管の噴出管部分の円形噴出口の位置関係を示す説明図である。
【００２３】
図２に示されているように、第１のガス導入管３２は、反応容器１２内の円筒状空隙内を上方に伸びる導入管部分３２Ａと、この導入管部分３２Ａの上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分３２Ｂとを有してなり、互いに並行して伸びる噴出管部分３２Ｂと導入管部分３２Ａとの間には、適宜の個所において補強用ブリッジ部材３３が連結されている。
【００２４】
噴出管部分３２Ｂにおいては、各々管体の周方向（すなわち、ウエハＷの面方向）に伸びるスリット状貫通孔によって形成されたガス噴出口（以下、「スリット状噴出口」という。）３５の多数が、当該噴出管部分３２Ｂの長さ方向において適宜の間隔で形成されている。
そして、図４に示すように、ウエハＷの面に沿って伸びる各スリット状噴出口３５は、矢印Ｘで示すその正面方向が、ウエハＷの中心Ｃを向いた状態とされている。なお、図４においては、導入管部分３２Ａは省略され、噴出管部分３２Ｂが簡略に示されている。
【００２５】
第１のガス導入管３２の寸法は特に限定されるものではなく、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、一例を示すと、第１のガス導入管３２の噴出管部分３２Ｂの外径は１６．８〜１７．２ｍｍ、内径は１６．５〜１６．６ｍｍ、肉厚は０．２〜０．７ｍｍとされる。また、スリット状噴出口３５の長さ（噴出管部分３２Ｂの管体における周方向の長さ）は、その開き角α（図２（ロ）参照）の大きさが例えば３０〜１６０度となる大きさとされ、また、開口幅（噴出管部分３２Ｂの管体の長さ方向の幅）ｄは０．５〜２．０ｍｍの範囲の大きさとされる。
【００２６】
図５は、スリット状噴出口３５の変形例を示し、（イ）および（ロ）は、それぞれ、図３の（イ）および（ロ）と同様の図である。この図５からも明らかなように、スリット状噴出口３５の各々は、単一のスリット孔のみよりなるものである必要はなく、管体の周方向において複数（図５の例では３つ）のスリット孔部分Ｓに分割され、隣接するスリット孔部分Ｓ間に中間壁部分Ｍが残存している状態のスリット状噴出口３５であってもよい。この場合には、中間壁部分Ｍが残存していることにより、大きな機械的強度が得られる点で、好ましい。
【００２７】
第２のガス供給管４０は、第１のガス供給管３０と同様にマニホールド１３の周壁を貫通して配設されており、当該気相成長装置１０の外部に設けられた酸素ガス源（図示せず）に接続されると共に、マニホールド１３の内部における先端部には、反応容器１２の内周面とウエハＷの外周縁との間における円筒状空隙内に配置された、例えば石英管よりなる第２のガス導入管（図１では示されていない。）の下端部が連通して接続されている。
【００２８】
図６は、第２のガス導入管を示す説明図であって、（イ）はウエハの中心から見た正面図、（ロ）はガス噴出口を示す拡大正面図、（ハ）はガス噴出口を通る拡大横断面図である。
図６に示されているように、第２のガス導入管４２は、円筒状空隙内を上方に伸びる導入管部分４２Ａと、この導入管部分４２Ａの上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分４２Ｂとを有してなり、互いに並行して伸びる噴出管部分４２Ｂと導入管部分４２Ａとの間には、適宜の個所において、補強用ブリッジ部材４３が連結されている。
【００２９】
噴出管部分４２Ｂにおいては、円形貫通孔によって形成されたガス噴出口（以下、「円形噴出口」という。）４５の多数が、当該噴出管部分４２Ｂの長さ方向において適宜の間隔で形成されている。
そして、図４に示されているように、噴出管部分４２Ｂにおける各円形噴出口４５は、矢印Ｙで示すその正面方向が、ウエハＷの中心Ｃを向いた状態とされている。なお、図４においては、導入管部分４２Ａは省略され、噴出管部分４２Ｂが簡略に示されている。
【００３０】
ここに、第２のガス導入管４２の管体としては、既述の第１のガス導入管３２と同様のものが用いられる。円形噴出口４５の大きさは、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、例えば直径が０．５〜５．０ｍｍとされる。円形噴出口４５は、例えば管体の周方向に並ぶ複数の円形貫通孔によって形成することもできる。
【００３１】
以上において、第１のガス導入管３２の噴出管部分３２Ｂと、第２のガス導入管４２の噴出管部分４２Ｂとは、図４に示されているように、ウエハＷの外周の方向に沿って接近した位置に並んで配置されており、既述のように、それらのガス噴出口すなわちスリット状噴出口３５と円形噴出口４５とはいずれもその正面方向がウエハＷの中心Ｃを向いた状態に設定されている。
【００３２】
そして、スリット状噴出口３５と円形噴出口４５とは、各々の正面方向のなす角度、すなわち矢印Ｘと矢印Ｙとのなす角度（以下「噴出口間角度」という。）θが小さい状態で並んで配置されていることが必要である。実際上、この噴出口間角度θの大きさは４５度以下であることが重要であって、特に１０度以下であることが好ましく、この場合には、形成される気相成長膜を均一性のきわめて高いものとすることができる。
なお、噴出口間角度θの大きさの下限は特に定める必要はないが、噴出管部分３２Ｂおよび噴出管部分４２Ｂを完全に同一の位置に配置することは物理的に不可能であって自ずと限度がある。
【００３３】
また、マニホールド１３における、第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０が貫通する位置とは反対側の位置には排気口１９が設けられており、この排気口１９には、調節バルブが介挿された排気管を介して真空ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００３４】
そして、上記の第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０によるガスの供給、筒状ヒータ１６の動作、並びに排気口１９に接続された調節バルブおよび真空ポンプの動作状態を制御するための制御機構（図示せず）が設けられている。この制御機構は、具体的には、マイクロプロセッサやプロセスコントローラなどにより構成され、予定のプログラムに基づいて制御信号を各部に供給して制御する機能を有する。
【００３５】
本発明においては、例えば上記のような構成を有する気相成長装置１０を用いて、以下のようにして、ウエハの表面に気相成長膜を形成する。
先ず、気相成長膜を形成するべきウエハＷを保持させた状態のウエハボートＷＢを、降下されている蓋体１４上に載置した後、図示されていないボートエレベータにより蓋体１４を上昇させ、ウエハボートＷＢを反応容器１２内に挿入することによりウエハＷを反応容器１２内に配置すると共に、蓋体１４によりマニホールド１３の下端の開口を閉塞することにより、反応容器１２内を密閉された状態とする。
【００３６】
一方、反応容器１２内は、排気口１９を介して設定された減圧状態とされると共に、筒状ヒータ１６によって加熱されることにより、設定された温度状態に維持される。
この減圧状態および温度状態は、目的とする気相成長膜の種類や用いられる原料ガスの種類およびそれらの流量、その他の条件によって適宜選定される。
反応容器１２内の雰囲気についての条件の一例では、圧力が例えば６７〜６７０Ｐａ（０．５〜５．０Ｔｏｒｒ）であり、温度は３００〜６００℃である。
【００３７】
そして、第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０からそれぞれ所要の原料ガスが供給され、設定された減圧条件および温度条件が維持されている状態において、気相成長膜の形成が行われる。
【００３８】
第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０に供給される原料ガスは、目的とする気相成長膜の種類によって異なるが、第１のガス供給管３０による第１のガスとしては有機金属含有ガスが用いられる。一方、第２のガス供給管４０による第２のガスとしては、当該第１のガス供給管３０に供給される有機金属含有ガスと反応し、しかも当該有機金属含有ガスより密度の小さい反応用ガスが用いられる。
各原料ガスの供給割合は、経験的に目的とする状態の気相成長膜が形成される条件に従って設定することができる。
【００３９】
気相成長膜を形成するために用いられる有機金属含有ガス、およびこれと共に用いられる反応用ガスの具体的な組合せとしては、下記のものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
（１）Ｓｒ〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガス（以下「Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガス」という。）とＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＳｒＯよりなる気相成長膜が形成される。
（２）Ｔｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＴｉＯ2 よりなる気相成長膜が形成される。
（３）ＴｉＣl4ガスとＮＨ3 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＴｉＮよりなる気相成長膜が形成される。
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ3)3 〕4 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＺｒＯ2 よりなる気相成長膜が形成される。
（５）Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5)5 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、Ｔａ2 Ｏ5 よりなる気相成長膜が形成される。
以上の組合せの各々は、それが単独で用いられることは必須でない。例えば、上記（１）と（２）の組合せを併用して、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスおよびＴｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスの混合ガスと、酸素ガスとの組合せを用いることにより、ＳｒＴｉＯ3 よりなる気相成長膜を形成することができる。
【００４０】
例えば、上記（１）の組合せのガスによって気相成長膜を形成する場合には、第１のガス供給管３０には、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスを例えば０．３〜１．０ｓｌｍの割合で供給すると共に、第２のガス供給管４０には酸素ガスを例えば１．０〜１０．０ｓｌｍの割合で供給し、反応容器１２内は、６７〜６７０Ｐａ（０．５〜５．０Ｔｏｒｒ）の減圧状態および３００〜６００℃の温度状態に維持される。
成膜に要する時間は、目的とする膜厚の大きさによっても異なるが、例えば、１０〜４０分間とされ、これにより、膜厚が例えば５〜２０ｎｍの気相成長膜が形成される。
【００４１】
以上の気相成長膜の形成においては、第１のガス供給管３０より供給された有機金属含有ガスは、反応容器１２内の第１のガス導入管３２を介して噴出管部分３２Ｂに至り、この噴出管部分３２Ｂに形成されたスリット状噴出口３５の各々から、ウエハＷの面に沿ってその中心Ｃに向かって噴出される。
これと同時に、第２のガス供給管４０より供給された酸素ガスは、反応容器１２内の第２のガス導入管４２を介して噴出管部分４２Ｂに至り、この噴出管部分４２Ｂに形成された円形噴出口４５の各々から、ウエハＷの面に沿ってその中心Ｃに向かって噴出される。
【００４２】
噴出管部分３２Ｂより噴出される有機金属含有ガスは、スリット状噴出口３５が、ウエハＷの面に沿って水平方向に伸びるスリット状貫通孔により形成されているため、噴出された後にウエハＷの面に沿って、矢印方向Ｘの正面方向と直角な方向（横方向）にも大きく拡散するようになる。
しかし、この有機金属含有ガスは、その組成において金属元素を含有するために密度が高くて重いものであり、従って、当該スリット状噴出口３５からＸ方向において遠くにまで拡散することが困難であり、そのために、従来においてはＸ方向における膜厚の不均一性が大きくなることを抑制することがほとんど不可能であった。
【００４３】
然るに、噴出管部分３２Ｂよりの有機金属含有ガスの噴出と同時に、第２のガス導入管４２に連続する噴出管部分４２Ｂの円形噴出口４５からは、酸素ガスが噴出される。この酸素ガスは、その密度の低くて軽いものであるために、それ自体が噴出口の形状によらずに、従って当該噴出口が円形であってもウエハＷの表面に沿って大きく拡がって高い均一性で拡散するようになる。
【００４４】
然るに、この酸素ガスの噴出口である円形噴出口４５は、有機金属含有ガスを噴出させる噴出管部分３２Ｂのスリット状噴出口３５と、ウエハＷの外周方向に沿って互いに接近して並んで配置されているため、スリット状噴出口３５からの有機金属含有ガスは、酸素ガスの流れの作用を受け、酸素ガスの拡散作用によって延展拡散されることとなり、その結果、Ｘ方向においても、大きな距離の範囲において高い均一性を得ることができる。
以上の結果、ウエハＷの表面においては、有機金属含有ガスおよび酸素ガスが両方共に高い均一性で拡散することとなり、従って、その膜厚においても、また膜質においても、高い均一性の気相成長膜を形成することができる。
【００４５】
以上の気相成長装置１０においては、ガス導入管（第１のガス導入管３２および第２のガス導入管４２）が、いずれも、反応容器１２内において、上方に伸びる導入管部分（３２Ａおよび４２Ａ）と、この導入管部分の上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分（３２Ｂおよび４２Ｂ）とにより構成されたものが用いられている。これは、反応容器１２がいわゆる単管構造のものであって、当該反応容器１２内を減圧化するための排気が下部の排気口１９により行われることから、噴出管部分（３２Ｂおよび４２Ｂ）が下方に伸びるものであることにより、その長さ方向に並んだ状態に形成された各噴出口のレベルの差による噴出圧力の差を小さくすることができ、全体として均一性の高い噴出状態を得ることができるからである。
【００４６】
図７は、本発明の気相成長装置の構成の他の一例を概略的に示す説明図、図８は、この気相成長装置における第１のガス導入管および第２のガス導入管の説明図である。
この例の気相成長装置５０は、基本的には、図１の気相成長装置１０と同様の構成を有するが、次の点で異なっている。すなわち、この気相成長装置５０は、反応容器１２の内周壁に沿って上部が開放された内管５２が設けられている二重管型のものであって、当該内管５２と反応容器１２との間に環状空間５４が形成されており、この環状空間５４の下部に排気口１９が接続されている。
【００４７】
そして、図８（イ）に示すように、第１のガス供給管３０に接続された第１のガス導入管５６は、単に上方に伸びる直管状の管体からなり、これにスリット状噴出口３５が形成されて構成されている。また、図８（ロ）に示すように、第２のガス供給管４０に接続された第２のガス導入管５８も同様に、単に上方に伸びる直管状の管体からなるものとされ、これに円形噴出口４５が形成されて構成されている。
【００４８】
このような二重管型の構成では、反応容器１２内においては、環状空間５４を介して上方から反応容器１２内の排気が行われるため、上記のような直管状のガス導入管５６および５８により、既述の例におけると同様に、長さ方向に並んだ状態に形成された各噴出口のレベルの差による噴出圧力の差を小さくすることができ、全体として均一性の高い噴出状態を得ることができる。
【００４９】
以上、本発明の気相成長装置および気相成長膜形成方法について具体的に説明したが、本発明においては、種々変更を加えることができる。
例えば、上記の気相成長装置はバッチ式のものであるが、枚葉式の気相成長装置として構成することができる。
【００５０】
有機金属含有ガスを導入するための第１のガス導入管においては、得られるガスの拡散状態が横方向において十分に大きく拡がるものとなることから、ガス噴出口は、スリット状貫通孔によって形成されていることが好ましいが、円形貫通孔によって形成されたものであってもよい。
一方、有機金属含有ガスでない原料ガスを導入するための第２のガス導入管においては、ガス噴出口は、円形貫通孔によって形成されたものであっても、十分に拡がる拡散状態が得られ、スリット状貫通孔によるものとする必要はないが、そのようなものとすることが禁止されるものではない。
従って、本発明では、第１のガス導入管のガス噴出口がスリット状で、第２のガス導入管のガス噴出口が円形噴出口であることが好適であるが、他の組合せが排除されるものではない。
【００５１】
実験例１
基本的に図１に示されている構成を有する気相成長装置を用い、下記の表１に示す条件に従って、直径８インチのシリコンウエハの表面に気相成長膜を形成する実験を行った。
【００５２】
【表１】
【００５３】
図９は、上記の実験において測定された、ウエハの表面上におけるＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。この図において、円形が輪郭はウエハの外周に対応する。ａ〜ｄの数字は当該Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の程度を規格化して段階的に示す指標であり、その具体的な内容は次のとおりである。
ａ：２．４０〜２．００（ｋｇ／ｍ2 ）
ｂ：２．００〜１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｃ：１．６０〜１．２０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｄ：１．２０〜０．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
従って、図９の状態では、４段階の分布であって、最高密度のａ段階と最低密度のｄ段階との間の差は、最大でも１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）以下であることが理解される。
【００５４】
図１０は、同じく酸素ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。この図におけるａ〜ｅの内容は次のとおりである。
ａ：２．９０〜２．８５（ｋｇ／ｍ2 ）
ｂ：２．８５〜２．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｃ：２．８０〜２．７５（ｋｇ／ｍ2 ）
ｄ：２．７５〜２．７０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｅ：２．７０〜２．６５（ｋｇ／ｍ2 ）
【００５５】
実験例２
上記実験例１における噴出口間角度θを４０度に変更したこと以外は全く同様にして気相成長膜の形成実験を行ったところ、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの等密度曲線図における分布の状況は次の６段階であり、実験例１の場合よりも均一性が低いが、実用上十分に高い均一性の気相成長膜が形成された。
（１）３．２０〜２．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
（２）２．８０〜２．４０（ｋｇ／ｍ2 ）
（３）２．４０〜２．００（ｋｇ／ｍ2 ）
（４）２．００〜１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）
（５）１．６０〜１．２０（ｋｇ／ｍ2 ）
（６）１．２０〜０．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
【００５６】
この実験例２から理解されるように、噴出口間角度θの大きさが４０度であっても、所期の比較的均一な気相成長膜を形成することができる。
そして、この実験例２と対比するとき、実験例１のように、噴出口間角度θが例えば１０度以下のように小さい場合に、より高い均一性の良好な結果が得られることが明らかである。
【００５７】
比較実験例
一方、比較のために酸素ガスの供給を停止してＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスのみを供給したこと以外は上記と同様の実験を行い、そのときのＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状態を同様にして求めたところ、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの等密度曲線図における分布の状況は、最高密度の段階は４．００〜３．６０（ｋｇ／ｍ2 ）、最低密度の段階は０．４０〜０．００（ｋｇ／ｍ2 ）の合計１０段階であって、最高密度の段階と最低密度の段階との間の差は最大３．６０（ｋｇ／ｍ2 ）ときわめて広範であり、不均一性が大きいものであった。
【００５８】
以上のことから、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスが、スリット状噴出口と並んで配置された円形噴出口から酸素ガスが噴出されることにより、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスがウエハＷの表面に沿って大きく拡散され、その結果、十分に高い均一性で気相成長膜が形成されることが明らかである。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、原料ガスの一部として密度の高い有機金属含有ガスを用いる場合であっても、当該有機金属含有ガスよりなる第１のガスが、密度の低い第２のガスのガス噴出口と基板の外周方向に並んで配置されているガス噴出口から噴出されるため、当該第１のガスは、第２のガスの流れによって基板の面に沿って延展拡散されることとなり、その結果、当該有機金属含有ガスをウエハの表面に十分に高い均一性で供給することができ、従って、当該基板の表面に、その全体にわたって、高い均一性で所期の気相成長膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の構成の一例を概略的に示す説明図である。
【図２】第１のガス導入管をウエハの中心から見た状態で示す説明用正面図である。
【図３】（イ）は、図２の第１のガス導入管の一部の拡大正面図、図３（ロ）は、図２の第１のガス導入管のガス噴出口を通る拡大横断面図である。
【図４】配置されたウエハに対する、第１のガス導入管の噴出管部分のスリット状噴出口、並びに、第２のガス導入管の噴出管部分の円形噴出口の位置関係を示す説明図である。
【図５】スリット状噴出口の変形例を示し、（イ）および（ロ）は、それぞれ、図３の（イ）および（ロ）と同様の図である。
【図６】第２のガス導入管を示す説明図であって、（イ）はウエハの中心から見た正面図、（ロ）はガス噴出口を示す拡大正面図、（ハ）はガス噴出口を通る拡大横断面図である。
【図７】図７は、本発明の気相成長装置の構成の他の一例を概略的に示す説明図である。
【図８】図７の気相成長装置における第１のガス導入管および第２のガス導入管の説明図である。
【図９】実験例１において得られた、ウエハの表面上におけるＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。
【図１０】実験例１において得られた、ウエハの表面上における酸素ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。
【符号の説明】
１０ 気相成長装置
１２ 反応容器
１３ マニホールド
１４ 蓋体
１５ 保温筒
ＷＢ ウエハボート
Ｗ ウエハ
１６ 筒状ヒータ
１８ 断熱材層
２０ アウターシェル
３０ 第１のガス供給管
３２ 第１のガス導入管
３２Ａ 導入管部分
３２Ｂ 噴出管部分
３３ 補強用ブリッジ部材
３５ スリット状噴出口
Ｃ ウエハＷの中心
Ｓ スリット孔部分
Ｍ 中間壁部分
４０ 第２のガス供給管
４２ 第２のガス導入管
４２Ａ 導入管部分
４２Ｂ 噴出管部分
４３ 補強用ブリッジ部材
４５ 円形噴出口
１９ 排気口
５０ 気相成長装置
５２ 内管
５４ 環状空間
５６ 第１のガス導入管
５８ 第２のガス導入管
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、半導体ウエハなどの平板状または面状の基板の表面に、複数の原料ガスを用いて気相成長膜を形成するための気相成長装置および気相成長膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造においては、例えば半導体ウエハなどよりなる基板に対して種々の処理が行われるが、例えばＣＶＤなどの気相成長膜形成方法においては、複数の原料ガスが用いられる場合がある。
特に、例えばストロンチウム（Ｓｒ）およびチタン（Ｔｉ）を含有する有機金属含有ガスと酸素（Ｏ2)ガスとを用いるＣＶＤによれば、シリコンウエハの表面にＳｒＴｉＯ3 よりなる気相成長膜を形成することができ、この気相成長膜は、その特性から、例えばキャパシタ容量絶縁膜などとして有用である。
【０００３】
一般に、複数の原料ガスによる気相成長膜の形成は、通常、内部に複数のガス導入管を配設してなる反応容器を用い、この反応容器内にウエハを配置した状態で、ガス導入管の各々より原料ガスを噴出させながら加熱することにより、行われている。
【０００４】
そして、従来の気相成長装置においては、ガス導入管として、通常、直管状の石英製管体の周壁に、円形貫通孔によるガス噴出口が形成されたものが広く用いられており、また、管体の周方向に伸びるスリット状貫通孔によるガス噴出口が形成されたものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の気相成長装置においては、原料ガスとして有機金属含有ガスを用いる場合には、ガス導入管におけるガス噴出口の正面方向が、原料ガスがウエハの表面に沿って当該ウエハの中心に向かう方向に噴出されるよう、当該中心方向に設定されているにもかかわらず、実際には、当該ウエハの表面に形成される気相成長膜が面方向において不均一性が相当に大きいものとなり、結局、高い均一性で所期の特性の気相成長膜を形成することができない、という問題点がある。
例えば、ストロンチウム（Ｓｒ）やチタン（Ｔｉ）を含有する有機金属含有ガスと酸素ガスとを用いる場合には、基板の面内において高い均一性で所期の結晶成長を生じさせることができないために、目的とする気相成長膜を形成することができない。
【０００６】
以上の問題点について研究を重ねた結果、その原因は、ウエハの面内における有機金属含有ガスの分布における不均一性がきわめて大きいからであることが判明した。
具体的には、有機金属含有ガスは密度の高いガスであるため、ガス導入管のガス噴出口が円形口である場合には、形成される気相成長膜において、当該ガス噴出口の正面方向（ウエハの直径Ｒの方向とする。）では、狭い領域に或る程度の均一性が得られる場合であっても、当該直径Ｒから直角に離間する横方向では、離間距離が大きくなるに従って膜厚が大幅に減少するようになり、不均一性が大きい状態となることが判明した。
【０００７】
そこで、ガス噴出口がウエハの面方向に伸びるスリット状貫通孔により形成されたガス導入管を用いたところ、形成される気相成長膜は、当該ガス噴出口よりの距離が小さい範囲では、ガスが横方向に拡がるために、直径Ｒに直角な横方向では膜厚の均一性が或る程度改善されたが、一方、直径Ｒの正面方向においては、ガス噴出口からの距離が大きくなるに従って膜厚が減少する程度が甚だしく、結局、不均一性が大きい状態となることが判明した。
【０００８】
本発明は、以上のような知見に基づいてなされものであって、その目的は、ウエハなどの平板状の基板の表面に、有機金属含有ガスを含む複数の原料ガスによる気相成長膜を高い均一性で形成することのできる気相成長装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、平板状の基板の表面に、有機金属含有ガスを含む複数の原料ガスによる気相成長膜を高い均一性で形成することのできる気相成長膜形成方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の気相成長装置は、平板状の基板が配置される反応容器内に、有機金属含有ガスよりなる第１のガスを供給するための第１のガス導入管と、当該有機金属含有ガスと反応し、当該有機金属含有ガスより密度の小さい第２のガスを供給するための第２のガス導入管とが配設されてなり、
第１のガス導入管において、ガス噴出口が、基板の面に沿って伸びるスリット状貫通孔により形成されており、第２のガス導入管のガス噴出口が、円形貫通孔により形成されており、
第１のガス導入管のガス噴出口と、第２のガス導入管のガス噴出口とは、反応容器内の基板の外周方向に沿って並んで配置され、
第１のガス導入管のガス噴出口よりの第１のガスが、第２のガス導入管のガス噴出口よりの第２のガスの流れにより、基板の面に沿って延展拡散されることを特徴とする。
【００１０】
以上の第１のガス導入管のガス噴出口を形成するスリット状貫通孔は、その開き角が３０〜１６０度であることが好ましい。
第１のガス導入管のガス噴出口は、当該第１のガス導入管の周方向に並ぶ複数のスリット孔部分により形成されていてもよい。
【００１１】
以上において、第１のガス導入管のガス噴出口および第２のガス導入管のガス噴出口は、各々の正面方向が、基板の中心における角度４５度の範囲内にあることが好ましい。
【００１２】
本発明の気相成長膜形成方法は、上記の気相成長装置を用いて、平板状の基板の表面に気相成長膜を形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明において、第１のガスおよび第２のガスが、下記の組合せから選ばれたものとすることができる。
（１）Ｓｒ〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（２）Ｔｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（３）ＴｉＣl4ガスとＮＨ3 ガスとの組合せ
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ3)3 〕4 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
（５）Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5)5 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
【００１４】
【作用】
本発明の気相成長装置によれば、原料ガスの一部として密度の高い有機金属含有ガスを用いる場合であっても、当該有機金属含有ガスよりなる第１のガスが、密度の低い第２のガスのガス噴出口と基板の外周方向に並んで配置されているガス噴出口から噴出されるため、当該第１のガスは、第２のガスの流れによって基板の面に沿って延展拡散されることとなり、その結果、当該有機金属含有ガスをウエハの表面に十分に高い均一性で供給することができ、従って、当該基板の表面に、その全体にわたって、高い均一性で所望の気相成長膜を形成することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明について詳細に説明する。
図１は、本発明の気相成長装置の構成の一例を概略的に示す説明図である。
この気相成長装置１０は、バッチ式縦型気相成長装置であって、上下方向に伸びる円筒状であって上部が閉塞された、例えば石英よりなる反応容器１２を備えている。
【００１６】
反応容器１２の下方には、円筒状のステンレス鋼からなるマニホールド１３が当該反応容器１２の下端に接続されている。このマニホールド１３の下方には蓋体１４が配置されており、この蓋体１４は、ボートエレベータ（図示せず）により上下方向に移動可能とされている。
そして、蓋体１４が上昇してマニホールド１３の下端の開口が閉塞されることにより、反応容器１２の内部に密閉された反応処理室が形成される。
【００１７】
蓋体１４上には、保温筒１５を介して、例えば石英からなるウエハボートＷＢが載置される。気相成長膜を形成すべき例えばシリコンよりなる半導体ウエハＷは、その複数枚が、このウエハボートＷＢに上下方向に所定の間隔をおいて保持される。そして、ボートエレベータによって蓋体１４が上昇されてウエハボートＷＢが反応容器１２内に挿入されることにより、当該ウエハボートＷＢに保持されたウエハＷは、反応容器１２内における処理領域に配置される。
【００１８】
反応容器１２は、内部にウエハボートＷＢが挿入された状態で、反応容器１２の内側面とウエハボートＷＢまたはウエハＷの外周縁との間に円筒状空隙が形成される大きさとされており、この円筒状空隙内に、後述するガス導入管が配設される。
【００１９】
反応容器１２の周囲には、例えば抵抗発熱体からなる筒状ヒータ１６が設けられており、この筒状ヒータ１６により、反応容器１２の内部温度または配置されたウエハＷの温度が所定の設定温度となるよう加熱される。
そして、筒状ヒータ１６の外側には断熱材層１８が配設されており、更に、マニホールド１３以外の全体を包囲するアウターシェル２０が設けられている。また、必要に応じて、反応容器１２の上方にもヒータが配設される。
【００２０】
反応容器１２内に原料ガスを供給するための複数のガス供給管が設けられている。具体的には、有機金属含有ガスを供給するための第１のガス供給管３０と、酸素ガスを供給するための第２のガス供給管４０とが、各々、マニホールド１３の周壁を互いに隣接した位置において貫通して伸びるよう設けられている。
【００２１】
第１のガス供給管３０は、当該気相成長装置１０の外部に設けられた、有機金属含有ガスよりなる原料ガス源（図示せず）に接続されると共に、マニホールド１３の内部における先端部には、反応容器１２の内周面とウエハＷの外周縁との間における円筒状空隙内に配置された、例えば石英管よりなる第１のガス導入管３２の下端部が連通して接続されている。
【００２２】
図２は、第１のガス導入管をウエハの中心から見た状態で示す説明用正面図であり、図３（イ）は、図２の第１のガス導入管の一部の拡大正面図、図３（ロ）は、図２の第１のガス導入管のガス噴出口を通る拡大横断面図である。
また、図４は、反応容器内に配置されたウエハに対する、第１のガス導入管の噴出管部分のスリット状噴出口、並びに、第２のガス導入管の噴出管部分の円形噴出口の位置関係を示す説明図である。
【００２３】
図２に示されているように、第１のガス導入管３２は、反応容器１２内の円筒状空隙内を上方に伸びる導入管部分３２Ａと、この導入管部分３２Ａの上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分３２Ｂとを有してなり、互いに並行して伸びる噴出管部分３２Ｂと導入管部分３２Ａとの間には、適宜の個所において補強用ブリッジ部材３３が連結されている。
【００２４】
噴出管部分３２Ｂにおいては、各々管体の周方向（すなわち、ウエハＷの面方向）に伸びるスリット状貫通孔によって形成されたガス噴出口（以下、「スリット状噴出口」という。）３５の多数が、当該噴出管部分３２Ｂの長さ方向において適宜の間隔で形成されている。
そして、図４に示すように、ウエハＷの面に沿って伸びる各スリット状噴出口３５は、矢印Ｘで示すその正面方向が、ウエハＷの中心Ｃを向いた状態とされている。なお、図４においては、導入管部分３２Ａは省略され、噴出管部分３２Ｂが簡略に示されている。
【００２５】
第１のガス導入管３２の寸法は特に限定されるものではなく、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、一例を示すと、第１のガス導入管３２の噴出管部分３２Ｂの外径は１６．８〜１７．２ｍｍ、内径は１６．５〜１６．６ｍｍ、肉厚は０．２〜０．７ｍｍとされる。また、スリット状噴出口３５の長さ（噴出管部分３２Ｂの管体における周方向の長さ）は、その開き角α（図２（ロ）参照）の大きさが例えば３０〜１６０度となる大きさとされ、また、開口幅（噴出管部分３２Ｂの管体の長さ方向の幅）ｄは０．５〜２．０ｍｍの範囲の大きさとされる。
【００２６】
図５は、スリット状噴出口３５の変形例を示し、（イ）および（ロ）は、それぞれ、図３の（イ）および（ロ）と同様の図である。この図５からも明らかなように、スリット状噴出口３５の各々は、単一のスリット孔のみよりなるものである必要はなく、管体の周方向において複数（図５の例では３つ）のスリット孔部分Ｓに分割され、隣接するスリット孔部分Ｓ間に中間壁部分Ｍが残存している状態のスリット状噴出口３５であってもよい。この場合には、中間壁部分Ｍが残存していることにより、大きな機械的強度が得られる点で、好ましい。
【００２７】
第２のガス供給管４０は、第１のガス供給管３０と同様にマニホールド１３の周壁を貫通して配設されており、当該気相成長装置１０の外部に設けられた酸素ガス源（図示せず）に接続されると共に、マニホールド１３の内部における先端部には、反応容器１２の内周面とウエハＷの外周縁との間における円筒状空隙内に配置された、例えば石英管よりなる第２のガス導入管（図１では示されていない。）の下端部が連通して接続されている。
【００２８】
図６は、第２のガス導入管を示す説明図であって、（イ）はウエハの中心から見た正面図、（ロ）はガス噴出口を示す拡大正面図、（ハ）はガス噴出口を通る拡大横断面図である。
図６に示されているように、第２のガス導入管４２は、円筒状空隙内を上方に伸びる導入管部分４２Ａと、この導入管部分４２Ａの上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分４２Ｂとを有してなり、互いに並行して伸びる噴出管部分４２Ｂと導入管部分４２Ａとの間には、適宜の個所において、補強用ブリッジ部材４３が連結されている。
【００２９】
噴出管部分４２Ｂにおいては、円形貫通孔によって形成されたガス噴出口（以下、「円形噴出口」という。）４５の多数が、当該噴出管部分４２Ｂの長さ方向において適宜の間隔で形成されている。
そして、図４に示されているように、噴出管部分４２Ｂにおける各円形噴出口４５は、矢印Ｙで示すその正面方向が、ウエハＷの中心Ｃを向いた状態とされている。なお、図４においては、導入管部分４２Ａは省略され、噴出管部分４２Ｂが簡略に示されている。
【００３０】
ここに、第２のガス導入管４２の管体としては、既述の第１のガス導入管３２と同様のものが用いられる。円形噴出口４５の大きさは、種々の条件に応じて適宜設定することができるが、例えば直径が０．５〜５．０ｍｍとされる。円形噴出口４５は、例えば管体の周方向に並ぶ複数の円形貫通孔によって形成することもできる。
【００３１】
以上において、第１のガス導入管３２の噴出管部分３２Ｂと、第２のガス導入管４２の噴出管部分４２Ｂとは、図４に示されているように、ウエハＷの外周の方向に沿って接近した位置に並んで配置されており、既述のように、それらのガス噴出口すなわちスリット状噴出口３５と円形噴出口４５とはいずれもその正面方向がウエハＷの中心Ｃを向いた状態に設定されている。
【００３２】
そして、スリット状噴出口３５と円形噴出口４５とは、各々の正面方向のなす角度、すなわち矢印Ｘと矢印Ｙとのなす角度（以下「噴出口間角度」という。）θが小さい状態で並んで配置されていることが必要である。実際上、この噴出口間角度θの大きさは４５度以下であることが重要であって、特に１０度以下であることが好ましく、この場合には、形成される気相成長膜を均一性のきわめて高いものとすることができる。
なお、噴出口間角度θの大きさの下限は特に定める必要はないが、噴出管部分３２Ｂおよび噴出管部分４２Ｂを完全に同一の位置に配置することは物理的に不可能であって自ずと限度がある。
【００３３】
また、マニホールド１３における、第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０が貫通する位置とは反対側の位置には排気口１９が設けられており、この排気口１９には、調節バルブが介挿された排気管を介して真空ポンプ（図示せず）が接続されている。
【００３４】
そして、上記の第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０によるガスの供給、筒状ヒータ１６の動作、並びに排気口１９に接続された調節バルブおよび真空ポンプの動作状態を制御するための制御機構（図示せず）が設けられている。この制御機構は、具体的には、マイクロプロセッサやプロセスコントローラなどにより構成され、予定のプログラムに基づいて制御信号を各部に供給して制御する機能を有する。
【００３５】
本発明においては、例えば上記のような構成を有する気相成長装置１０を用いて、以下のようにして、ウエハの表面に気相成長膜を形成する。
先ず、気相成長膜を形成するべきウエハＷを保持させた状態のウエハボートＷＢを、降下されている蓋体１４上に載置した後、図示されていないボートエレベータにより蓋体１４を上昇させ、ウエハボートＷＢを反応容器１２内に挿入することによりウエハＷを反応容器１２内に配置すると共に、蓋体１４によりマニホールド１３の下端の開口を閉塞することにより、反応容器１２内を密閉された状態とする。
【００３６】
一方、反応容器１２内は、排気口１９を介して設定された減圧状態とされると共に、筒状ヒータ１６によって加熱されることにより、設定された温度状態に維持される。
この減圧状態および温度状態は、目的とする気相成長膜の種類や用いられる原料ガスの種類およびそれらの流量、その他の条件によって適宜選定される。
反応容器１２内の雰囲気についての条件の一例では、圧力が例えば６７〜６７０Ｐａ（０．５〜５．０Ｔｏｒｒ）であり、温度は３００〜６００℃である。
【００３７】
そして、第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０からそれぞれ所要の原料ガスが供給され、設定された減圧条件および温度条件が維持されている状態において、気相成長膜の形成が行われる。
【００３８】
第１のガス供給管３０および第２のガス供給管４０に供給される原料ガスは、目的とする気相成長膜の種類によって異なるが、第１のガス供給管３０による第１のガスとしては有機金属含有ガスが用いられる。一方、第２のガス供給管４０による第２のガスとしては、当該第１のガス供給管３０に供給される有機金属含有ガスと反応し、しかも当該有機金属含有ガスより密度の小さい反応用ガスが用いられる。
各原料ガスの供給割合は、経験的に目的とする状態の気相成長膜が形成される条件に従って設定することができる。
【００３９】
気相成長膜を形成するために用いられる有機金属含有ガス、およびこれと共に用いられる反応用ガスの具体的な組合せとしては、下記のものを挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
（１）Ｓｒ〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガス（以下「Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガス」という。）とＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＳｒＯよりなる気相成長膜が形成される。
（２）Ｔｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＴｉＯ2 よりなる気相成長膜が形成される。
（３）ＴｉＣl4ガスとＮＨ3 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＴｉＮよりなる気相成長膜が形成される。
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ3)3 〕4 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、ＺｒＯ2 よりなる気相成長膜が形成される。
（５）Ｔａ（ＯＣ2 Ｈ5)5 ガスとＯ2 ガスとの組合せ
この組合せによれば、Ｔａ2 Ｏ5 よりなる気相成長膜が形成される。
以上の組合せの各々は、それが単独で用いられることは必須でない。例えば、上記（１）と（２）の組合せを併用して、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスおよびＴｉ (ＯＣ3 Ｈ7 −ｉ)2〔[(ＣＨ3)3 ＣＣＯ]2ＣＨ〕2 ガスの混合ガスと、酸素ガスとの組合せを用いることにより、ＳｒＴｉＯ3 よりなる気相成長膜を形成することができる。
【００４０】
例えば、上記（１）の組合せのガスによって気相成長膜を形成する場合には、第１のガス供給管３０には、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスを例えば０．３〜１．０ｓｌｍの割合で供給すると共に、第２のガス供給管４０には酸素ガスを例えば１．０〜１０．０ｓｌｍの割合で供給し、反応容器１２内は、６７〜６７０Ｐａ（０．５〜５．０Ｔｏｒｒ）の減圧状態および３００〜６００℃の温度状態に維持される。
成膜に要する時間は、目的とする膜厚の大きさによっても異なるが、例えば、１０〜４０分間とされ、これにより、膜厚が例えば５〜２０ｎｍの気相成長膜が形成される。
【００４１】
以上の気相成長膜の形成においては、第１のガス供給管３０より供給された有機金属含有ガスは、反応容器１２内の第１のガス導入管３２を介して噴出管部分３２Ｂに至り、この噴出管部分３２Ｂに形成されたスリット状噴出口３５の各々から、ウエハＷの面に沿ってその中心Ｃに向かって噴出される。
これと同時に、第２のガス供給管４０より供給された酸素ガスは、反応容器１２内の第２のガス導入管４２を介して噴出管部分４２Ｂに至り、この噴出管部分４２Ｂに形成された円形噴出口４５の各々から、ウエハＷの面に沿ってその中心Ｃに向かって噴出される。
【００４２】
噴出管部分３２Ｂより噴出される有機金属含有ガスは、スリット状噴出口３５が、ウエハＷの面に沿って水平方向に伸びるスリット状貫通孔により形成されているため、噴出された後にウエハＷの面に沿って、矢印方向Ｘの正面方向と直角な方向（横方向）にも大きく拡散するようになる。
しかし、この有機金属含有ガスは、その組成において金属元素を含有するために密度が高くて重いものであり、従って、当該スリット状噴出口３５からＸ方向において遠くにまで拡散することが困難であり、そのために、従来においてはＸ方向における膜厚の不均一性が大きくなることを抑制することがほとんど不可能であった。
【００４３】
然るに、噴出管部分３２Ｂよりの有機金属含有ガスの噴出と同時に、第２のガス導入管４２に連続する噴出管部分４２Ｂの円形噴出口４５からは、酸素ガスが噴出される。この酸素ガスは、その密度の低くて軽いものであるために、それ自体が噴出口の形状によらずに、従って当該噴出口が円形であってもウエハＷの表面に沿って大きく拡がって高い均一性で拡散するようになる。
【００４４】
然るに、この酸素ガスの噴出口である円形噴出口４５は、有機金属含有ガスを噴出させる噴出管部分３２Ｂのスリット状噴出口３５と、ウエハＷの外周方向に沿って互いに接近して並んで配置されているため、スリット状噴出口３５からの有機金属含有ガスは、酸素ガスの流れの作用を受け、酸素ガスの拡散作用によって延展拡散されることとなり、その結果、Ｘ方向においても、大きな距離の範囲において高い均一性を得ることができる。
以上の結果、ウエハＷの表面においては、有機金属含有ガスおよび酸素ガスが両方共に高い均一性で拡散することとなり、従って、その膜厚においても、また膜質においても、高い均一性の気相成長膜を形成することができる。
【００４５】
以上の気相成長装置１０においては、ガス導入管（第１のガス導入管３２および第２のガス導入管４２）が、いずれも、反応容器１２内において、上方に伸びる導入管部分（３２Ａおよび４２Ａ）と、この導入管部分の上端からＵ字状に湾曲して下方に伸びる噴出管部分（３２Ｂおよび４２Ｂ）とにより構成されたものが用いられている。これは、反応容器１２がいわゆる単管構造のものであって、当該反応容器１２内を減圧化するための排気が下部の排気口１９により行われることから、噴出管部分（３２Ｂおよび４２Ｂ）が下方に伸びるものであることにより、その長さ方向に並んだ状態に形成された各噴出口のレベルの差による噴出圧力の差を小さくすることができ、全体として均一性の高い噴出状態を得ることができるからである。
【００４６】
図７は、本発明の気相成長装置の構成の他の一例を概略的に示す説明図、図８は、この気相成長装置における第１のガス導入管および第２のガス導入管の説明図である。
この例の気相成長装置５０は、基本的には、図１の気相成長装置１０と同様の構成を有するが、次の点で異なっている。すなわち、この気相成長装置５０は、反応容器１２の内周壁に沿って上部が開放された内管５２が設けられている二重管型のものであって、当該内管５２と反応容器１２との間に環状空間５４が形成されており、この環状空間５４の下部に排気口１９が接続されている。
【００４７】
そして、図８（イ）に示すように、第１のガス供給管３０に接続された第１のガス導入管５６は、単に上方に伸びる直管状の管体からなり、これにスリット状噴出口３５が形成されて構成されている。また、図８（ロ）に示すように、第２のガス供給管４０に接続された第２のガス導入管５８も同様に、単に上方に伸びる直管状の管体からなるものとされ、これに円形噴出口４５が形成されて構成されている。
【００４８】
このような二重管型の構成では、反応容器１２内においては、環状空間５４を介して上方から反応容器１２内の排気が行われるため、上記のような直管状のガス導入管５６および５８により、既述の例におけると同様に、長さ方向に並んだ状態に形成された各噴出口のレベルの差による噴出圧力の差を小さくすることができ、全体として均一性の高い噴出状態を得ることができる。
【００４９】
以上、本発明の気相成長装置および気相成長膜形成方法について具体的に説明したが、本発明においては、種々変更を加えることができる。
例えば、上記の気相成長装置はバッチ式のものであるが、枚葉式の気相成長装置として構成することができる。
【００５０】
有機金属含有ガスを導入するための第１のガス導入管においては、得られるガスの拡散状態が横方向において十分に大きく拡がるものとなることから、ガス噴出口は、スリット状貫通孔によって形成されていることが好ましいが、円形貫通孔によって形成されたものであってもよい。
一方、有機金属含有ガスでない原料ガスを導入するための第２のガス導入管においては、ガス噴出口は、円形貫通孔によって形成されたものであっても、十分に拡がる拡散状態が得られ、スリット状貫通孔によるものとする必要はないが、そのようなものとすることが禁止されるものではない。
従って、本発明では、第１のガス導入管のガス噴出口がスリット状で、第２のガス導入管のガス噴出口が円形噴出口であることが好適であるが、他の組合せが排除されるものではない。
【００５１】
実験例１
基本的に図１に示されている構成を有する気相成長装置を用い、下記の表１に示す条件に従って、直径８インチのシリコンウエハの表面に気相成長膜を形成する実験を行った。
【００５２】
【表１】
図９は、上記の実験において測定された、ウエハの表面上におけるＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。この図において、円形が輪郭はウエハの外周に対応する。ａ〜ｄの数字は当該Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の程度を規格化して段階的に示す指標であり、その具体的な内容は次のとおりである。
ａ：２．４０〜２．００（ｋｇ／ｍ2 ）
ｂ：２．００〜１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｃ：１．６０〜１．２０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｄ：１．２０〜０．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
従って、図９の状態では、４段階の分布であって、最高密度のａ段階と最低密度のｄ段階との間の差は、最大でも１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）以下であることが理解される。
【００５４】
図１０は、同じく酸素ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。この図におけるａ〜ｅの内容は次のとおりである。
ａ：２．９０〜２．８５（ｋｇ／ｍ2 ）
ｂ：２．８５〜２．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｃ：２．８０〜２．７５（ｋｇ／ｍ2 ）
ｄ：２．７５〜２．７０（ｋｇ／ｍ2 ）
ｅ：２．７０〜２．６５（ｋｇ／ｍ2 ）
【００５５】
実験例２
上記実験例１における噴出口間角度θを４０度に変更したこと以外は全く同様にして気相成長膜の形成実験を行ったところ、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの等密度曲線図における分布の状況は次の６段階であり、実験例１の場合よりも均一性が低いが、実用上十分に高い均一性の気相成長膜が形成された。
（１）３．２０〜２．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
（２）２．８０〜２．４０（ｋｇ／ｍ2 ）
（３）２．４０〜２．００（ｋｇ／ｍ2 ）
（４）２．００〜１．６０（ｋｇ／ｍ2 ）
（５）１．６０〜１．２０（ｋｇ／ｍ2 ）
（６）１．２０〜０．８０（ｋｇ／ｍ2 ）
【００５６】
この実験例２から理解されるように、噴出口間角度θの大きさが４０度であっても、所期の比較的均一な気相成長膜を形成することができる。
そして、この実験例２と対比するとき、実験例１のように、噴出口間角度θが例えば１０度以下のように小さい場合に、より高い均一性の良好な結果が得られることが明らかである。
【００５７】
比較実験例
一方、比較のために酸素ガスの供給を停止してＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスのみを供給したこと以外は上記と同様の実験を行い、そのときのＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状態を同様にして求めたところ、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスの等密度曲線図における分布の状況は、最高密度の段階は４．００〜３．６０（ｋｇ／ｍ2 ）、最低密度の段階は０．４０〜０．００（ｋｇ／ｍ2 ）の合計１０段階であって、最高密度の段階と最低密度の段階との間の差は最大３．６０（ｋｇ／ｍ2 ）ときわめて広範であり、不均一性が大きいものであった。
【００５８】
以上のことから、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスが、スリット状噴出口と並んで配置された円形噴出口から酸素ガスが噴出されることにより、Ｓｒ（ＤＰＭ）2 ガスがウエハＷの表面に沿って大きく拡散され、その結果、十分に高い均一性で気相成長膜が形成されることが明らかである。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、原料ガスの一部として密度の高い有機金属含有ガスを用いる場合であっても、当該有機金属含有ガスよりなる第１のガスが、密度の低い第２のガスのガス噴出口と基板の外周方向に並んで配置されているガス噴出口から噴出されるため、当該第１のガスは、第２のガスの流れによって基板の面に沿って延展拡散されることとなり、その結果、当該有機金属含有ガスをウエハの表面に十分に高い均一性で供給することができ、従って、当該基板の表面に、その全体にわたって、高い均一性で所期の気相成長膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気相成長装置の構成の一例を概略的に示す説明図である。
【図２】第１のガス導入管をウエハの中心から見た状態で示す説明用正面図である。
【図３】（イ）は、図２の第１のガス導入管の一部の拡大正面図、図３（ロ）は、図２の第１のガス導入管のガス噴出口を通る拡大横断面図である。
【図４】配置されたウエハに対する、第１のガス導入管の噴出管部分のスリット状噴出口、並びに、第２のガス導入管の噴出管部分の円形噴出口の位置関係を示す説明図である。
【図５】スリット状噴出口の変形例を示し、（イ）および（ロ）は、それぞれ、図３の（イ）および（ロ）と同様の図である。
【図６】第２のガス導入管を示す説明図であって、（イ）はウエハの中心から見た正面図、（ロ）はガス噴出口を示す拡大正面図、（ハ）はガス噴出口を通る拡大横断面図である。
【図７】図７は、本発明の気相成長装置の構成の他の一例を概略的に示す説明図である。
【図８】図７の気相成長装置における第１のガス導入管および第２のガス導入管の説明図である。
【図９】実験例１において得られた、ウエハの表面上におけるＳｒ（ＤＰＭ）2 ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。
【図１０】実験例１において得られた、ウエハの表面上における酸素ガスの分布の状況を示す等密度曲線図である。
【符号の説明】
１０ 気相成長装置
１２ 反応容器
１３ マニホールド
１４ 蓋体
１５ 保温筒
ＷＢ ウエハボート
Ｗ ウエハ
１６ 筒状ヒータ
１８ 断熱材層
２０ アウターシェル
３０ 第１のガス供給管
３２ 第１のガス導入管
３２Ａ 導入管部分
３２Ｂ 噴出管部分
３３ 補強用ブリッジ部材
３５ スリット状噴出口
Ｃ ウエハＷの中心
Ｓ スリット孔部分
Ｍ 中間壁部分
４０ 第２のガス供給管
４２ 第２のガス導入管
４２Ａ 導入管部分
４２Ｂ 噴出管部分
４３ 補強用ブリッジ部材
４５ 円形噴出口
１９ 排気口
５０ 気相成長装置
５２ 内管
５４ 環状空間
５６ 第１のガス導入管
５８ 第２のガス導入管
Claims (7)
- 平板状の基板が配置される反応容器内に、有機金属含有ガスよりなる第１のガスを供給するための第１のガス導入管と、当該有機金属含有ガスと反応し、当該有機金属含有ガスより密度の小さい第２のガスを供給するための第２のガス導入管とが配設されてなり、
第１のガス導入管において、ガス噴出口が、基板の面に沿って伸びるスリット状貫通孔により形成されており、第２のガス導入管のガス噴出口が、円形貫通孔により形成されており、
第１のガス導入管のガス噴出口と、第２のガス導入管のガス噴出口とは、反応容器内の基板の外周方向に沿って並んで配置され、
第１のガス導入管のガス噴出口よりの第１のガスが、第２のガス導入管のガス噴出口よりの第２のガスの流れにより、基板の面に沿って延展拡散されることを特徴とする気相成長装置。 - 第１のガス導入管のガス噴出口を形成するスリット状貫通孔は、その開き角が３０〜１６０度であることを特徴とする請求項１に記載の気相成長装置。
- 第１のガス導入管のガス噴出口は、当該第１のガス導入管の周方向に並ぶ複数のスリット孔部分により形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の気相成長装置。
- 第１のガス導入管のガス噴出口および第２のガス導入管のガス噴出口は、各々の正面方向が、基板の中心における角度４５度の範囲内にあることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の気相成長装置。
- 第１のガスおよび第２のガスが、下記の組合せから選ばれたものであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の気相成長装置。
（１）Ｓｒ〔 [( ＣＨ 3 ) 3 ＣＣＯ ] 2 ＣＨ〕 2 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（２）Ｔｉ ( ＯＣ 3 Ｈ 7 −ｉ ) 2 〔 [( ＣＨ 3 ) 3 ＣＣＯ ] 2 ＣＨ〕 2 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（３）ＴｉＣ l 4 ガスとＮＨ 3 ガスとの組合せ
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ 3 ) 3 〕 4 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（５）Ｔａ（ＯＣ 2 Ｈ 5 ) 5 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ - 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の気相成長装置を用いて、平板状の基板の表面に気相成長膜を形成することを特徴とする気相成長膜形成方法。
- 第１のガスおよび第２のガスが、下記の組合せから選ばれたものであることを特徴とする請求項６に記載の気相成長膜形成方法。
（１）Ｓｒ〔 [( ＣＨ 3 ) 3 ＣＣＯ ] 2 ＣＨ〕 2 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（２）Ｔｉ ( ＯＣ 3 Ｈ 7 −ｉ ) 2 〔 [( ＣＨ 3 ) 3 ＣＣＯ ] 2 ＣＨ〕 2 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（３）ＴｉＣ l 4 ガスとＮＨ 3 ガスとの組合せ
（４）Ｚｒ〔ＯＣ（ＣＨ 3 ) 3 〕 4 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
（５）Ｔａ（ＯＣ 2 Ｈ 5 ) 5 ガスとＯ 2 ガスとの組合せ
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