JP4223132B2

JP4223132B2 - Chemical vapor deposition equipment

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Publication number: JP4223132B2
Application number: JP10842599A
Authority: JP
Inventors: 秀二野村
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 1999-04-15
Filing date: 1999-04-15
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2019-04-15
Also published as: JP2000299314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、所定の高温に維持された発熱体の表面に供給されることで分解及び又は活性化した原料ガスを利用して所定の薄膜を作成する化学蒸着装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ（大規模集積回路）を始めとする各種半導体デバイスやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の製作においては、基板上に所定の薄膜を作成するプロセスが存在する。このうち、所定の組成の薄膜を比較的容易に作成できることから、従来から化学蒸着（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、ＣＶＤ）法による成膜が多く用いられている。
【０００３】
ＣＶＤ法には、プラズマを形成してプラズマのエネルギーにより気相反応を生じさせて成膜を行うプラズマＣＶＤ法や基板を加熱して基板の熱により気相反応を生じさせて成膜を行う熱ＣＶＤ法等の他に、所定の高温に維持した発熱体を経由して原料ガスを供給するタイプのＣＶＤ法（以下、発熱体ＣＶＤ法）がある。このようなタイプの従来の化学蒸着装置について、図７を使用して説明する。図７は、従来の化学蒸着装置の概略構成を示す正面断面概略図である。
【０００４】
図７に示す化学蒸着装置は、内部で基板９に対して所定の処理がなされる処理容器１と、処理容器１内を所定の圧力に排気する排気系２と、処理容器１内に所定の原料ガスを供給するガス供給系３と、供給された原料ガスが表面を通過するように処理容器１内に設けられた発熱体４と、発熱体４が所定の高温に維持されるよう発熱体４にエネルギーを与えるエネルギー供給機構６と、原料ガスの反応により所定の薄膜が作成される処理容器１内の所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー５とを備えている。
【０００５】
図８は、図７の装置に使用された発熱体４の構成を説明する平面概略図である。図８に示すように、発熱体４は、タングステン等の金属で形成されたワイヤー状の部材である。ワイヤー状の部材からなる発熱体４は、基板９に平行な面に沿って鋸波状に折り曲げられ、枠体４１に保持されている。
図７に示す化学蒸着装置では、発熱体４にエネルギーを与えて所定の高温に維持した状態で、処理容器１内に所定の原料ガスを供給する。供給された原料ガスが発熱体４の表面を経由して基板９の表面に到達し、基板９の表面に所定の薄膜が作成される。発熱体４の作用は、成膜の種類等によって異なる。典型的な作用としては、発熱体の表面において原料ガスに分解や活性化等の変化が生じ、この変化による生成物が基板９に到達することにより最終的な目的物である材料の薄膜が基板９の表面に堆積する。
【０００６】
このような発熱体４を経由して原料ガスを基板９に到達させると、基板９の熱のみによって反応を生じさせる熱ＣＶＤ法に比べて基板９の温度を低くできる長所がある。また、プラズマＣＶＤ法のようにプラズマを形成することがないので、プラズマによる基板９のダメージといった問題からも無縁である。このようなことから、上記発熱体ＣＶＤ法は、高集積度化や高機能化が益々進む次世代の半導体デバイスの製作に有力視されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発熱体ＣＶＤ法では、発熱体４がかなり高温に維持され、この発熱体４が基板９の付近に設けられるため、発熱体４から基板９に与えられる熱の問題がある。発熱体４は基板９から離して配置され、また、処理容器１内は１〜数十Ｐａ程度の真空に維持されるため、伝導伝達や対流による発熱体４から基板９への熱の伝達は殆ど無い。問題となるのは、発熱体４からの輻射による基板９への熱伝達である。
具体的には、図７に示す装置において、基板９と発熱体４との距離を５０ｍｍとし、発熱体４の温度を１７００℃とすると、基板９の表面の温度は３１０℃程度まで上昇する。また、発熱体４の温度を１８００℃とすると、基板９の表面の温度は３５０℃程度まで上昇する。
【０００８】
上述したような発熱体ＣＶＤ法は、緻密な膜を作成することが出来るため、シリコン窒化膜等の保護膜を作成するのに好適に利用できるが、上述したように基板の温度が３５０℃程度まで上昇すると、下地層を破壊してしまう等の問題が生ずる恐れがある。例えば、下地層が金／ゲルマニウム合金を使用して形成されたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の電極である場合、基板の温度が３５０℃程度まで上昇することにより、この金／ゲルマニウム合金が下地チャンネル層中に拡散してしまう。この結果、電極は破壊され、デバイスは動作不能となる。
【０００９】
本願の発明は、発熱体からの熱輻射を低減させることでプロセス温度をさらに低下させ、発熱体ＣＶＤ法の長所をさらに伸ばすことを第一の解決課題としている。
一方、高い歩留まりでデバイスを作製するには、基板の表面に特性や厚さの点で均一な薄膜を作成することが求められている。本願の第二の課題は、発熱体ＣＶＤ法において基板の表面に均一な薄膜を作成することである。
【００１０】
上記第一の課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、内部で基板に対して所定の処理がなされる処理容器と、処理容器内を所定の圧力に排気する排気系と、処理容器内に所定の原料ガスを供給するガス供給系と、供給された原料ガスが表面を通過するように処理容器内に設けられた発熱体と、発熱体が所定の高温に維持されるよう発熱体にエネルギーを与えるエネルギー供給機構と、所定の高温に維持された発熱体の表面に供給されることで分解及び又は活性化した原料ガスが到達して所定の薄膜が作成される処理容器内の所定の位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えた化学蒸着装置であって、前記発熱体は、基板の中心軸に対して対称であるとともに基板に対して非平行になっており、前記発熱体の各部位は、前記基板の中心軸に対して対称であるとともに前記基板の中心軸と軸を同じにする仮想の錐面の上に位置し、前記発熱体の各部位が位置する仮想の錐面は、基板に向かって徐々に断面積が小さくなる円錐面又は正多角錐面であるという構成を有する。また、上記第一の課題を解決するため、本願の請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、前記発熱体の各部位が位置する前記仮想の錐面の外側には、前記発熱体からの熱輻射を遮蔽する遮蔽板が設けられているという構成を有する。上記第二の課題を解決するため、本願の請求項３記載の発明は、内部で基板に対して所定の処理がなされる処理容器と、処理容器内を所定の圧力に排気する排気系と、処理容器内に所定の原料ガスを供給するガス供給系と、供給された原料ガスが表面を通過するように処理容器内に設けられた発熱体と、発熱体が所定の高温に維持されるよう発熱体にエネルギーを与えるエネルギー供給機構と、所定の高温に維持された発熱体の表面に供給されることで分解及び又は活性化した原料ガスが到達して所定の薄膜が作成される処理容器内の所定の位置に基板を保持する基板ホルダーとを備えた化学蒸着装置であって、前記ガス供給系は、前記処理容器内に設けられたガス分配器を経由して原料ガスを供給するものであるとともに、前記発熱体は、ガス分配器と前記基板ホルダーとの間の空間に設けられており、前記基板ホルダーはガス分配器と対向する表面を有してこの表面が基板を保持する基板保持面であって、前記処理容器は前記排気系とつながる排気口を有し、この排気口は前記基板ホルダーの前記基板保持面を挟んで前記発熱体とは反対側の器壁部分に設けられており、さらに、前記ガス分配器と、前記発熱体と、前記排気口は、前記基板ホルダーの前記基板保持面に保持された基板の中心軸に対してすべて対称になっているという構成を有する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本願の発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願の発明の第一の実施形態の化学蒸着装置の構成を説明する正面断面概略図である。図１に示す化学蒸着装置は、内部で基板９に対して所定の処理がなされる処理容器１と、処理容器１内を所定の圧力に排気する排気系２と、処理容器１内に所定の原料ガスを供給するガス供給系３と、供給された原料ガスが表面を通過するように処理容器１内に設けられた発熱体４と、発熱体４が所定の高温に維持されるよう発熱体４にエネルギーを与えるエネルギー供給機構６と、所定の高温に維持された発熱体４の表面に供給されることで分解及び又は活性化した原料ガスが到達して所定の薄膜が作成される処理容器１内の所定の位置に基板９を保持する基板ホルダー５とを備えている。
【００１２】
処理容器１は、気密な真空容器であり、基板９の出し入れを行うための不図示のゲートバルブを備えている。処理容器１は、ステンレス又はアルミニウム等の材質で形成されている。処理容器１は、排気口１１を有しており、この排気口１１を通じて内部が排気されるようになっている。
排気系２は、ターボ分子ポンプや油回転ポンプ等の真空ポンプを備えている。排気系２は、処理容器１の排気口１１とつながっており、処理容器１内を１×１０^−６Ｐａ程度に排気可能に構成されている。尚、排気系２は、不図示の排気速度調整器を備えている。
【００１３】
ガス供給系３は、所定の原料ガスを溜めたガスボンベ３１と、処理容器１内に設けられたガス分配器３２と、ガスボンベ３１とガス分配器３２とを繋ぐ配管３３と、配管３３上に設けられたバルブ３４や流量調整器３５とから主に構成されている。
ガス分配器３２は、円盤状を成す中空の部材である。ガス分配器３２は、その中心軸が、基板ホルダー５に保持された基板９の中心軸と同じになるよう設けられている。ガス分配器３２は、基板ホルダー５に対向した前面を有している。この前面には、小さなガス吹き出し孔３２０が基板９の中心軸と対称に多数形成されている。ガスボンベ３１から配管３３を通してガス分配器３２に原料ガスが導入され、この原料ガスがガス吹き出し孔３２０から吹き出して処理容器１内に供給されるようになっている。
【００１４】
発熱体４は、本実施形態の装置の大きな特徴点を成している。発熱体４の構成について図１及び図２を用いて説明する。図２は、図１の装置に使用された発熱体の構成を説明する図であり、（１）は正面断面概略図、（２）は平面概略図である。
図１に示すように、発熱体４はガス分配器３２と基板ホルダー５との間の空間に設けられている。本実施形態の大きな特徴点は、発熱体４が、基板９の中心軸に対して対称であるとともに基板９に対して非平行になっている点である。具体的には、発熱体４は、その各部位が、基板９に対して同軸でかつ軸対称な仮想の錐面４０の上に位置した構成となっている。
【００１５】
図１及び図２から分かるように、仮想の錐面４０は、基板９と同軸である円錐面であり、基板９側が頂点になるよう、即ち、基板９に向かって徐々に断面積が小さくなる仮想の面である。尚、仮想の錐面４０は、完全な円錐面ではなく、円錐面を中心軸に垂直な面で切断してできる底面側の形状に相当するもの（以下、半円錐状と呼ぶ）となっている。
【００１６】
発熱体４は、直径０．１〜１．０ｍｍ程度のワイヤー状の部材であり、上記仮想の錐面４０に沿って屈曲させた形状になっている。屈曲の形状は、鋸波状である。発熱体４の全体の長さは、１０００〜２０００ｍｍ程度である。尚、発熱体４は、タングステン製である。
発熱体４の形状寸法についてより詳しく説明するため、仮想の錐面４０の寸法例について説明する。図２に示すように、仮想の錐面４０の最も基板９側の位置での円周の直径ｄ_１は、基板９の直径よりも５〜１０ｍｍ程度大きくなっている。例えば、基板９の直径を４インチとした場合、ｄ_１は１０５〜１１０ｍｍ程度である。また、仮想の錐面４０の長さＬは１００ｍｍ程度、最もガス分配器３２側の位置での円周の直径ｄ_２は、２００〜３７０ｍｍ程度である。尚、中心軸に対する仮想の錐面４０の成す角度θ_４は３０〜６０度程度である。
【００１７】
尚、図１に示すように、発熱体４は、上下二つのリング４２によって保持されている。下側の（基板ホルダー５よりの）リング４２は小さく、上側の（ガス分配器３２よりの）リング４２は大きい。発熱体４は、この二つのリング４２の間に張り巡らされるようして鋸波状の形状を保持している。尚、リング４２と発熱体４とは、溶接等によって固定されている。
【００１８】
また、二つのリング４２は、Ｃｕ、Ｍｏ等で導電性の材料で形成されている。そして、リング４２には、エネルギー供給機構６が接続されている。エネルギー供給機構６は、リング４２を介して発熱体４を通電し、発熱体４にジュール熱を発生させるよう構成される。具体的には、エネルギー供給機構６には例えば３ｋＷ程度の商用周波数の交流電源が用いられ、発熱体４を１６００〜２０００℃程度の高温に維持できるよう構成されている。また、発熱体６の温度を検出する温度センサが必要に応じて設けられ、エネルギー供給機構６による発熱体４の通電電流がフィードバック制御される。温度センサが設けられない場合、エネルギー供給機構６の電力制御等によって発熱体４は所定の高温に維持制御される。
【００１９】
上述した発熱体４が基板９に対して非平行で軸対称である構成は、以下の理由によるものである。
まず、基板９が発熱体４から受ける熱輻射について図３を用いて具体的に説明する。図３は、基板９の受ける熱輻射について説明する模式図である。説明を簡単にするために、発熱体４が単純な直線状のワイヤーである場合を想定する。図３中（１）が発熱体４を基板９に対して平行に設ける場合であり、（２）が発熱体４を基板９に対して非平行に設ける場合である。尚、熱輻射に関して配置姿勢以外の点では両者は同じ条件である必要があり、図３に示す例ではどちらの発熱体４も同じ表面積即ち同じ長さ及び太さになっている。
【００２０】
図３の（１）と（２）とを比べると分かるように、非平行に設けられた発熱体４を基板９上の各点から見込む角度θ_１'，θ_２'，θ_３'は、平行に設けられた発熱体４を同じ点から見込む角度θ_１，θ_２，θ_３に比べて常に小さい。従って、発熱体４が同一温度である場合、発熱体４から基板９に到達する輻射線の量は、非平行に設けられた場合の方が平行に設けられた場合に比べて常に小さくなる。このため、本実施形態では、発熱体４を基板９に対して非平行に設けている。
また、発熱体４を基板９に対して非平行にしただけでは、発熱体４の作用が基板９に対して不均一になる恐れがある。このため、本実施形態では、基板９の中心軸に対して対称なものにしている。この結果、発熱体４の作用が基板９の表面に対して均一に働き、基板９の表面に均一に薄膜が作成されるようになっている。
【００２１】
基板９に対して軸対称となる発熱体４の構成としては、上記の構成の他、前述した仮想の錐面４０を逆にした錐面即ち基板９に向かって徐々に断面積が大きくなる仮想の錐面に沿ってワイヤー状の発熱体４を折り曲げる構成が挙げられる。この場合も、基板９の表面に対して非平行となるので、従来の比べて基板９に与える熱輻射が少なくなる。但し、前述した基板９に向かって徐々に断面積が小さくなる形状の仮想の錐面の場合に比べると、基板９の面内の殆どの点で見込み角が大きい。従って、基板９に与える熱輻射をより少なくするという意味では、前述した方の仮想の錐面４０に沿う構成の方が好ましい。
【００２２】
また、基板９に対して軸対称となる発熱体４の構成としては、基板９と同軸上の仮想の円筒面又は角筒面に沿ってワイヤー状の発熱体４を折り曲げる構成が挙げられる。この場合も、基板９に対して非平行であるので、従来に比べて基板９に与える熱輻射を少なくすることができる。但し、ガス分配器３２から基板９へのガスの供給経路に平行な面内に発熱体４が延びることになるので、発熱体４の表面への原料ガスの分子の到達確率が低下するものと思われる。この例と比較すると、前述した仮想の錐面４０の場合は、原料ガスの分子の発熱体４の表面への到達確率をそれほど低下させることなく基板９への熱輻射を低減下させることができる長所がある。
いずれにしても、本実施形態の装置は、発熱体４から基板９への熱輻射が低減されるので、基板９の温度をさらに低くして成膜を行うことができる。この点は、より低温のプロセスが要求されているガリウム砒素系半導体デバイスの製作に大きな威力を発揮する。
【００２３】
また、図１に示すように、基板ホルダー５は、上面の水平な基板保持面５２に基板９を載置して保持する台状の部材である。基板９は、基板保持面５２の中央に載置される。この位置に基板９が保持されると、その中心軸が、ガス分配器３２の中心軸及び発熱体４の各部位が位置する仮想の錐面４０の中心軸と一致するようになっている。
基板ホルダー５は、基板９の表面で最終的な反応を生じさせて成膜を行うために、基板９を加熱する基板エネルギー供給機構としても機能している。即ち、基板ホルダー５内には、基板９を所定温度に加熱するヒータ５１が設けられている。ヒータ５１は、ジュール熱を発生させるカートリッジヒータ又は輻射加熱ランプ等である。基板９はヒータ５１により２００〜４００℃程度に加熱されるようになっている。
【００２４】
また、基板ホルダー５は基板９の温度を測定する熱電対等の不図示の温度センサを備えており、基板９の温度がフィードバック制御される。しかしながら、基板９は発熱体４からの熱輻射によっても加熱され、この熱輻射による加熱分が多いと、基板９の温度制御の制御性が低下する問題がある。逆に言えば、基板９への熱輻射が低減された本実施形態の構成は、基板９の温度制御の制御性が向上し、基板９の温度を安定して一定に保つことができる。
【００２５】
次に、本実施形態の別の特徴点について説明する。この特徴点は、請求項５の発明に対応している。即ち、本実施形態の装置は、請求項５の発明の実施形態でもある。
まず、前述した通り、ガス分配器３２は基板９の中心軸に対して対称に設けられている。そして、ガス分配器３２のガス吹き出し孔３２０も、前述したように基板９の中心軸に対して対称に形成されている。従って、ガス吹き出し孔３２０からは、基板９に対して均一にガスが吹き出すようになっている。発熱体４は、前述したように基板９の中心軸に対して対称に設けられている。
【００２６】
図１及び図４を用いて、排気口１１の構成について説明する。図４は、図１に示す装置の一点鎖線Ｘ−Ｘにおける平面断面概略図である。図１に示すように、排気口１１は、基板ホルダー５の基板保持面５２を挟んで発熱体４とは反対側の器壁部分即ち底壁部に設けられている。そして、図４に示すように、排気口１１は、基板保持面５２に保持された基板９の中心軸に対して対称に、例えば４つ設けられている。排気口１１の大きさは、例えば排気口１１の形状を円形とした場合、直径２０〜１５０ｍｍ程度である。
【００２７】
ガス分配器３２、発熱体４、排気口１１を基板９の中心軸に対して対称に設ける構成は、基板の表面に作成される薄膜を均一に堆積させる意義がある。即ち、原料ガスは、ガス分配器３２から基板９の表面に対して均一に吹き出て発熱体４の表面に到達する。発熱体４の表面では、後述する原料ガスの分解及び又は活性化が均一に生じ、これらの変化による生成物が均一に基板９の表面に到達する。この結果、基板９の表面方向に均一な薄膜が作成される。尚、排気口１１が、基板９の中心軸に対して対称に設けられていない場合は、生成物の基板９の表面への到達が均一でなく、基板９の表面に作成される薄膜の均一性が低下する。
【００２８】
また、排気口１１が、基板ホルダー５の基板保持面５２よりも発熱体４の側の器壁部分に設けられると、ガス分配器３２から発熱体４を経由して基板９の達する原料ガスの流れが少なくなる。つまり、排気口１１が、基板ホルダー５の基板保持面５２を挟んで発熱体４とは反対側に位置している構成は、基板９への原料ガスの到達を効率良くし、成膜速度を上げる効果がある。
【００２９】
次に、本実施形態の装置の動作について説明する。
まず、処理容器１に隣接した不図示のロードロック室に基板９を配置するとともにロードロック室及び処理容器１内を所定の圧力まで排気し、その後、不図示のゲートバルブを開けて基板９を処理容器１内に搬入する。基板９は、基板ホルダー５の基板保持面５２に載置され保持される。基板ホルダー５内のヒータ５１が予め動作しており、基板ホルダー５に保持された基板９は、ヒータ５１からの熱によって所定温度に加熱される。並行してエネルギー供給機構６が動作し、発熱体４にエネルギーが与えられる。エネルギー供給機構６に設けられた不図示の温度センサーにより、発熱体４は所定の高温に維持される。
【００３０】
この状態で、ガス供給系３が動作する。即ち、バルブ３４が開きガス分配器３２を通して原料ガスが処理容器１内に供給される。原料ガスが供給されると、発熱体４の表面で原料ガスの分解及び又は活性化が生じ、基板９の表面に所定の薄膜が堆積する。
薄膜が所定の厚さに達したら、ガス供給系３のバルブ３４を閉じて原料ガスの供給を停止して、処理容器１内を再度排気する。そして、エネルギー供給機構６によるエネルギー供給を停止した後、基板９を処理容器１から取り出す。
【００３１】
本実施形態の動作において、発熱体４が基板９の中心軸に対して対称であるとともに基板９に非平行に設けられているので、基板９の受ける熱輻射の量が小さくなる。また、本実施形態では、ガス分配器３２、発熱体４、排気口１１を基板９の中心軸に対して対称に設けている。このため、基板９の表面に対して吹き出した原料ガスが発熱体４の表面で反応することにより、基板９の表面に均一に薄膜が堆積する。
【００３２】
成膜の具体例について、シリコン窒化膜を作成する場合を例にして説明する。原料ガスとして、モノシランを流量０．１〜２０．０ｃｃ／分、アンモニアを流量１０．０〜２０００．０ｃｃ／分の割合で混合して導入する。発熱体４の温度を１６００〜２０００℃、基板９の温度を２００〜３５０℃、処理容器１内の圧力を０．１〜１００Ｐａに維持して成膜を行うと、１〜１０ｎｍ／分程度の成膜速度でシリコン窒化膜の作成が行える。尚、このようなシリコン窒化膜は、保護膜として効果的に利用できる。
【００３３】
次に、上述したような発熱体４を利用した成膜のメカニズムについて以下に説明する。発熱体４を利用することは、前述したように成膜時の基板９の温度を低くするためであるが、何故基板９の温度を低くしても成膜が行えるかについては、必ずしも明らかではない。一つのモデルとして、以下のような表面反応が生じていることが考えられる。
【００３４】
図５は、本実施形態の装置における成膜の一つの考えられるモデルについて説明する概略図である。上記シリコン窒化膜を作成する場合を例にとると、導入されたモノシランガスが、所定の高温に維持された発熱体４の表面を通過する際、水素分子の吸着解離反応に類似したシランの接触分解反応が生じ、ＳｉＨ_３ ^＊及びＨ^＊という分解活性種が生成される。詳細なメカニズムは明かではないが、モノシランを構成する一つの水素がタングステン表面に吸着することで、その水素とシリコンの結合が弱まってモノシランが分解し、タングステン表面への吸着が熱によって解かれてＳｉＨ_３ ^＊及びＨ^＊という分解活性種が生成されると考えられる。アンモニアガスにも同様な接触分解反応が生じ、ＮＨ_２ ^＊及びＨ^＊という分解活性種が生成される。そして、これらの分解活性種が基板９に到達してシリコン窒化膜の堆積に寄与する。即ち、反応式で示すと、
ＳｉＨ_４ _(g)→ＳｉＨ_３ ^＊ _(g)＋Ｈ^＊ _(g)
ＮＨ_３ _(g)→ＮＨ_２ ^＊ _(g)＋Ｈ^＊ _(g)
ａＳｉＨ_３ ^＊ _(g)＋ｂＮＨ_２ ^＊ _(g)→ｃＳｉＮ_x(s)
となる。尚、ｇの添え字はガス状態、ｓの添え字は固体状態であることを意味する。
【００３５】
また、発熱体４の作用について、Jan. J. Appl. Pys. Vol.37(1998)pp.3175-3187 の論文で詳細な議論がされている。この論文では、発熱体の温度をパラメータにした成膜速度の傾きが発熱体の材料によって異なることから、発熱体の表面で生じているのは単なる熱分解ではなく触媒作用であるとしている（同 Fig.7参照）。このことから、この種のＣＶＤ法を触媒化学蒸着（ｃａｔａｌｙｔｉｃＣＶＤ、ｃａｔ−ＣＶＤ）法と呼んでいる。
【００３６】
さらに、本実施形態の装置におけるような成膜方法は、発熱体４の表面での熱電子の作用によるものとの考え方もできる。つまり、高温に維持された発熱体４の表面からは、トンネル効果により熱電子がエネルギー障壁を越えて原料ガスに作用したり、仕事関数以上のエネルギーを持った熱電子が原料ガスに作用したりした結果、原料ガスが分解したり活性化したりするとの考え方を採ることができる。
【００３７】
本実施形態の装置における成膜のメカニズムについては、上記いずれの考え方も採り得る。また、これらの現象が同時に生じているとの考え方を採ることもできる。いずれの考え方を採るにしても、発熱体４の表面では、原料ガスの分解、活性化、又は、分解及び活性化の双方が生じており、これらいずれかの原料ガスの変化に起因して成膜がされている。そして、このような発熱体４を経由して原料ガスを基板９に到達させることにより、基板９の温度を比較的低くして成膜を行うことができる。
【００３８】
次に、本願の第二の実施形態について説明する。以下に説明する第二の実施形態は、請求項４の発明に対応した実施形態である。第二の実施形態では、発熱体４からの熱輻射をさらに低減させるため、発熱体４の外側に遮蔽板７を設けている。
遮蔽板７について、図６を用いて説明する。図６は、本願の発明の第二の実施形態の装置における遮蔽板の構成を説明する図であり、（１）は正面断面概略図、（２）は平面概略図である。
【００３９】
遮蔽板７は、ガス分配器３２と基板ホルダー５の基板保持面５２に保持された基板９との間の空間に設けられた発熱体４及びリング４２の外側を覆うように設けられている。遮蔽板７は、図６から分かるように、半円錐状の形状を有している。本実施形態の装置においても、発熱体４の各部位は半円錐状の仮想の錐面上に位置しており、この仮想の錐面の中心軸と遮蔽板７の中心軸とは一致している。
遮蔽板７は、厚さ０．１〜２ｍｍ程度であり、発熱体４からの熱により変形したりすることがないようモリブデン等の高融点金属や、セラミック等の耐熱性を有する材料で形成されている。発熱体４の各部位が位置する仮想の錐面と遮蔽板７とは、１〜１０ｍｍ離間して設けられている。遮蔽板７の表面は、鏡面加工処理等が施されており、放出される熱輻射の量を低減させている。
【００４０】
また、遮蔽板７の基板９側の縁から中心軸に向けて延びるようにしてフランジ部７１が設けられている。フランジ部７１の幅は１〜１０ｍｍ程度である。フランジ部７１は、上側の発熱体４を基板９に対して遮蔽して発熱体４から直接基板９に達する熱輻射を低減させるためのものである。フランジ部７１の幅を大きくすると、熱輻射の遮蔽には有効であるが、フランジ部７１の開口面積が小さくなり、発熱体４からの原料ガスの流路を小さくしてしまう問題がある。
【００４１】
第一の実施形態と同様に、発熱体４はリング４２に溶接等により固定されている。そして、遮蔽板７は、リング４２を内側に保持した構成となっている。遮蔽板７とリング４２との間には保持具７２が設けられており、遮蔽板７は保持具７２を介してリング４２を保持している。第二の実施形態でもリング４２にはエネルギー供給機構６が設けられていてリング４２を介して発熱体４が通電加熱されるが、保持具７２は絶縁体で形成されており、リング４２から交流電流が遮蔽板７に流れないようになっている。尚、遮蔽板７は、不図示の取付部材によって処理容器１の器壁に対して取り付けられている。
【００４２】
上述したように、発熱体４及びリング４２の外側を覆うように遮蔽板７が設けられているため、外側に向けて放出される熱輻射の量を少なくすることができる。このため、発熱体４の周囲の部材や発熱体４の周囲の処理容器１の器壁部分等の温度上昇が抑制される。この結果、これらの部材等から放出される熱輻射も少なくなり、間接的ではあるが基板９への熱輻射をさらに少なくすることができる。また、遮蔽板７は、発熱体４から基板９に直接到達する熱輻射を遮蔽する分も多少あり、この分でも基板９への熱輻射をさらに少なくすることができる。
【００４３】
遮蔽板７は、効率よく原料ガスを発熱体４に接触させて成膜速度を高くする効果も有する。つまり、ガス分配器３２から吹き出した原料ガスが発熱体４に到達することなく通過してしまっても、遮蔽板７によって跳ね返されて発熱体４の方に戻ってくる。このため、最終的に発熱体４に接触する確率が高くなる。
また、遮蔽板７は、基板９に向かって徐々に断面積が小さくなる半円錐状であるので、基板９に原料ガスを導く作用も有する。このため、発熱体４の表面で分解及び又は活性化した原料ガスが効率良く基板９に到達し、成膜速度が高くなる。
【００４４】
上述した各実施形態において、仮想の錐面４０や遮蔽板６は半円錐状であるとして説明されたが、円錐に限られるものではなく、角錐等でも良い。この場合、正多角錐状であると、成膜の均一性の点で好適である。
発熱体４の形状は、鋸波状には限られず、仮想の錐面４０に沿うように設けた螺旋状等でも良い。また、ワイヤー状以外の形状の発熱体４を用いる場合もある。尚、発熱体４の材料は、タングステンだけでなくタンタルやモリブデン等の他の材料でもよく、維持すべき所定の高温より高い融点を有する材料であれば、発熱体４の材料とし得る。
上述した各実施形態の装置で作成される薄膜は、シリコン窒化膜に限られるものではなく、シリコン酸化膜、シリコン酸窒化膜などの他の絶縁膜でもよい。また、アルミや銅等の導電膜についても、各実施形態の装置を用いて作成できる可能性がある。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の発明によれば、発熱体が基板に対して非平行であって対称なので、発熱体から基板への熱輻射が低減され、かつ、基板の表面に均一に成膜できる。従って、成膜温度の低下が要求される次世代の半導体デバイスの製作に極めて適したものとなる。
また、請求項３の発明によれば、上記効果に加え、発熱体の各部位が位置する仮想の錐面が、基板に向かって徐々に断面積が小さくなる円錐面又は正多角錐面であるので、基板への熱輻射がさらに低減される。
また、請求項４の発明によれば、上記効果に加え、発熱体の外側に遮蔽板が設けられているので、発熱体の外側への熱輻射が低減し、間接的又は直接的に基板への熱輻射をさらに低減できる。
また、請求項５の発明によれば、ガス分配器と発熱体と排気口とが、基板ホルダーに保持された基板の中心軸に対してすべて対称になっているとともに、排気口が基板ホルダーの基板保持面を挟んで発熱体とは反対側に位置しているため、供給された原料ガスの流れが基板の表面方向で均一になり、基板の表面に均一に成膜できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の発明の第一の実施形態の化学蒸着装置の構成を説明する正面断面概略図である。
【図２】図１の装置に使用された発熱体の構成を説明する図である。
【図３】基板９の受ける熱輻射について説明する模式図である。
【図４】図１に示す装置の一点鎖線Ｘ−Ｘにおける平面断面概略図である。
【図５】本実施形態の装置における成膜の一つの考えられるモデルについて説明する概略図である。
【図６】本願の発明の第二の実施形態の装置における遮蔽板の構成を説明する図であり、（１）は正面断面概略図、（２）は平面概略図である。
【図７】従来の化学蒸着装置の概略構成を示す正面断面概略図である。
【図８】図７の装置に使用された発熱体４の構成を説明する平面概略図である。
【符号の説明】
１処理容器
１１排気口
２排気系
３ガス供給系
３２ガス分配器
４発熱体
４０仮想の錐面
４２リング
５基板ホルダー
６エネルギー供給機構
７遮蔽板
９基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a chemical vapor deposition apparatus that creates a predetermined thin film using a source gas decomposed and / or activated by being supplied to the surface of a heating element maintained at a predetermined high temperature.
[0002]
[Prior art]
In the manufacture of various semiconductor devices such as LSI (Large Scale Integrated Circuit) and LCD (Liquid Crystal Display), there is a process of creating a predetermined thin film on a substrate. Among these, since a thin film having a predetermined composition can be formed relatively easily, film formation by a chemical vapor deposition (CVD) method has been often used.
[0003]
The CVD method is a plasma CVD method in which plasma is generated and a gas phase reaction is caused by plasma energy to form a film, or a substrate is heated and a gas phase reaction is caused by the heat of the substrate to form a film. In addition to the CVD method and the like, there is a type of CVD method (hereinafter referred to as a heating element CVD method) in which a source gas is supplied via a heating element maintained at a predetermined high temperature. A conventional chemical vapor deposition apparatus of this type will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic front sectional view showing a schematic configuration of a conventional chemical vapor deposition apparatus.
[0004]
The chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 7 includes a processing container 1 that performs a predetermined process on the substrate 9 inside, an exhaust system 2 that exhausts the inside of the processing container 1 to a predetermined pressure, and a predetermined amount in the processing container 1. A gas supply system 3 for supplying a source gas; a heating element 4 provided in the processing vessel 1 so that the supplied source gas passes through the surface; and a heating element for maintaining the heating element 4 at a predetermined high temperature. 4 is provided with an energy supply mechanism 6 for supplying energy to the substrate 4, and a substrate holder 5 for holding the substrate 9 at a predetermined position in the processing container 1 where a predetermined thin film is formed by the reaction of the raw material gas.
[0005]
FIG. 8 is a schematic plan view illustrating the configuration of the heating element 4 used in the apparatus of FIG. As shown in FIG. 8, the heating element 4 is a wire-like member made of a metal such as tungsten. The heating element 4 made of a wire-like member is bent in a sawtooth shape along a plane parallel to the substrate 9 and is held by a frame body 41.
In the chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 7, a predetermined raw material gas is supplied into the processing container 1 in a state where energy is supplied to the heating element 4 and maintained at a predetermined high temperature. The supplied source gas reaches the surface of the substrate 9 via the surface of the heating element 4, and a predetermined thin film is created on the surface of the substrate 9. The action of the heating element 4 varies depending on the type of film formation. As a typical action, a change such as decomposition or activation occurs in the raw material gas on the surface of the heating element, and when a product resulting from this change reaches the substrate 9, the thin film of the material which is the final target is formed on the substrate. 9 is deposited on the surface.
[0006]
When the source gas reaches the substrate 9 through such a heating element 4, there is an advantage that the temperature of the substrate 9 can be lowered as compared with the thermal CVD method in which a reaction is caused only by the heat of the substrate 9. Further, since plasma is not formed unlike the plasma CVD method, there is no concern from the problem of damage to the substrate 9 due to plasma. For this reason, the above-mentioned heating element CVD method is regarded as promising for the production of next-generation semiconductor devices that are becoming increasingly highly integrated and highly functional.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the heating element CVD method, since the heating element 4 is maintained at a considerably high temperature and the heating element 4 is provided in the vicinity of the substrate 9, there is a problem of heat given from the heating element 4 to the substrate 9. Since the heating element 4 is arranged away from the substrate 9 and the inside of the processing container 1 is maintained at a vacuum of about 1 to several tens of Pa, heat transfer from the heating element 4 to the substrate 9 by conduction transmission or convection is not performed. Almost no. The problem is heat transfer to the substrate 9 by radiation from the heating element 4.
Specifically, in the apparatus shown in FIG. 7, when the distance between the substrate 9 and the heating element 4 is 50 mm and the temperature of the heating element 4 is 1700 ° C., the surface temperature of the substrate 9 rises to about 310 ° C. If the temperature of the heating element 4 is 1800 ° C., the temperature of the surface of the substrate 9 rises to about 350 ° C.
[0008]
Since the heating element CVD method as described above can form a dense film, it can be suitably used for forming a protective film such as a silicon nitride film. However, as described above, the substrate temperature is about 350 ° C. If it rises to the upper limit, problems such as destruction of the underlying layer may occur. For example, when the underlayer is an electrode of a FET (field effect transistor) formed using a gold / germanium alloy, the gold / germanium alloy becomes an underlayer channel layer by raising the substrate temperature to about 350 ° C. It spreads inside. As a result, the electrode is destroyed and the device becomes inoperable.
[0009]
In the invention of the present application, the first solution is to further reduce the process temperature by reducing the heat radiation from the heating element and further extend the advantages of the heating element CVD method.
On the other hand, in order to produce devices with a high yield, it is required to produce a uniform thin film on the surface of the substrate in terms of characteristics and thickness. The second problem of the present application is to create a uniform thin film on the surface of the substrate in the heating element CVD method.
[0010]
In order to solve the first problem, an invention according to claim 1 of the present application includes a processing container in which a predetermined process is performed on a substrate, an exhaust system that exhausts the inside of the processing container to a predetermined pressure, A gas supply system for supplying a predetermined source gas into the processing container, a heating element provided in the processing container so that the supplied source gas passes through the surface, and the heating element being maintained at a predetermined high temperature An energy supply mechanism for supplying energy to the heating element, and a processing container in which a predetermined thin film is created by the arrival of the decomposed and activated source gas by being supplied to the surface of the heating element maintained at a predetermined high temperature A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder for holding the substrate at a predetermined position, wherein the heating element is symmetric with respect to the central axis of the substrate and non-parallel to the substrate.And each part of the heating element is located on a virtual conical surface that is symmetrical with respect to the central axis of the substrate and has the same axis as the central axis of the substrate. The virtual conical surface that is positioned has a configuration in which it is a conical surface or a regular polygonal conical surface whose sectional area gradually decreases toward the substrate.Moreover, in order to solve said 1st subject, the claim of this application2The described invention is claimed.1In the configuration described,A shield plate that shields heat radiation from the heating element is provided outside the virtual conical surface where each part of the heating element is located.In order to solve the second problem, the claims of the present application3The invention described isA processing container in which a predetermined process is performed on the substrate inside, an exhaust system that exhausts the inside of the processing container to a predetermined pressure, a gas supply system that supplies a predetermined raw material gas into the processing container, and a supplied raw material A heating element provided in the processing container so that the gas passes through the surface, an energy supply mechanism for supplying energy to the heating element so that the heating element is maintained at a predetermined high temperature, and a heating element maintained at a predetermined high temperature A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder that holds a substrate at a predetermined position in a processing vessel in which a raw material gas decomposed and / or activated by being supplied to the surface of the substrate reaches a predetermined thin film. The gas supply system supplies a source gas via a gas distributor provided in the processing container, and the heating element is a space between the gas distributor and the substrate holder. It is provided in The substrate holder has a surface facing the gas distributor, and this surface is a substrate holding surface for holding the substrate, and the processing vessel has an exhaust port connected to the exhaust system, and the exhaust port is the substrate. It is provided in a wall portion on the opposite side of the heating element across the substrate holding surface of the holder, and the gas distributor, the heating element, and the exhaust port are provided on the substrate of the substrate holder. It has a configuration in which it is all symmetrical with respect to the central axis of the substrate held on the holding surface.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic front sectional view for explaining the configuration of the chemical vapor deposition apparatus according to the first embodiment of the present invention. A chemical vapor deposition apparatus shown in FIG. 1 includes a processing container 1 in which a predetermined process is performed on a substrate 9 inside, an exhaust system 2 that exhausts the inside of the processing container 1 to a predetermined pressure, and a predetermined amount in the processing container 1. A gas supply system 3 for supplying a source gas; a heating element 4 provided in the processing vessel 1 so that the supplied source gas passes through the surface; and a heating element for maintaining the heating element 4 at a predetermined high temperature. Energy supply mechanism 6 for supplying energy to 4, and a processing container in which a predetermined thin film is formed by arrival of decomposed and activated source gas by being supplied to the surface of heating element 4 maintained at a predetermined high temperature 1 is provided with a substrate holder 5 for holding the substrate 9 at a predetermined position in the apparatus 1.
[0012]
The processing container 1 is an airtight vacuum container, and includes a gate valve (not shown) for taking in and out the substrate 9. The processing container 1 is formed of a material such as stainless steel or aluminum. The processing container 1 has an exhaust port 11, and the inside is exhausted through the exhaust port 11.
The exhaust system 2 includes a vacuum pump such as a turbo molecular pump or an oil rotary pump. The exhaust system 2 is connected to the exhaust port 11 of the processing container 1, and the inside of the processing container 1 is 1 × 10.^-6It is configured to be able to exhaust to about Pa. The exhaust system 2 includes an exhaust speed regulator (not shown).
[0013]
The gas supply system 3 is provided on the pipe 33, a gas cylinder 31 in which a predetermined raw material gas is stored, a gas distributor 32 provided in the processing container 1, a pipe 33 connecting the gas cylinder 31 and the gas distributor 32, and The valve 34 and the flow rate regulator 35 are mainly configured.
The gas distributor 32 is a hollow member having a disk shape. The gas distributor 32 is provided such that its central axis is the same as the central axis of the substrate 9 held by the substrate holder 5. The gas distributor 32 has a front surface facing the substrate holder 5. A large number of small gas blowing holes 320 are formed on the front surface symmetrically with the central axis of the substrate 9. A raw material gas is introduced into the gas distributor 32 from the gas cylinder 31 through the pipe 33, and this raw material gas is blown out from the gas blowing hole 320 and supplied into the processing container 1.
[0014]
The heating element 4 is a major feature of the apparatus of this embodiment. The configuration of the heating element 4 will be described with reference to FIGS. 1 and 2. 2A and 2B are diagrams for explaining the configuration of the heating element used in the apparatus of FIG. 1, wherein FIG. 2A is a schematic front sectional view, and FIG. 2B is a schematic plan view.
As shown in FIG. 1, the heating element 4 is provided in a space between the gas distributor 32 and the substrate holder 5. A major feature of this embodiment is that the heating element 4 is symmetric with respect to the central axis of the substrate 9 and is not parallel to the substrate 9. Specifically, the heating element 4 is configured such that each part thereof is positioned on a virtual conical surface 40 that is coaxial with the substrate 9 and is axially symmetric.
[0015]
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the virtual conical surface 40 is a conical surface that is coaxial with the substrate 9, and the cross-sectional area gradually decreases toward the substrate 9, that is, toward the substrate 9. It is a virtual surface. Note that the virtual conical surface 40 is not a complete conical surface, but corresponds to a shape on the bottom side obtained by cutting the conical surface with a surface perpendicular to the central axis (hereinafter referred to as a semiconical shape). Yes.
[0016]
The heating element 4 is a wire-like member having a diameter of about 0.1 to 1.0 mm, and has a shape bent along the virtual conical surface 40. The shape of the bend is a sawtooth shape. The total length of the heating element 4 is about 1000 to 2000 mm. The heating element 4 is made of tungsten.
In order to describe the shape and size of the heating element 4 in more detail, an example of the size of the virtual conical surface 40 will be described. As shown in FIG. 2, the diameter d of the circumference of the virtual conical surface 40 at the position closest to the substrate 9.₁Is larger than the diameter of the substrate 9 by about 5 to 10 mm. For example, when the diameter of the substrate 9 is 4 inches, d₁Is about 105 to 110 mm. The length L of the virtual conical surface 40 is about 100 mm, and the diameter d of the circumference at the position closest to the gas distributor 32.₂Is about 200 to 370 mm. The angle θ formed by the virtual conical surface 40 with respect to the central axis₄ Is about 30 to 60 degrees.
[0017]
As shown in FIG. 1, the heating element 4 is held by two upper and lower rings 42. The lower ring 42 (from the substrate holder 5) is small and the upper ring 42 (from the gas distributor 32) is large. The heating element 4 maintains a sawtooth shape so as to be stretched between the two rings 42. The ring 42 and the heating element 4 are fixed by welding or the like.
[0018]
The two rings 42 are made of a conductive material such as Cu or Mo. The energy supply mechanism 6 is connected to the ring 42. The energy supply mechanism 6 is configured to energize the heating element 4 through the ring 42 and generate Joule heat in the heating element 4. Specifically, for example, an AC power supply having a commercial frequency of about 3 kW is used for the energy supply mechanism 6, and the heating element 4 can be maintained at a high temperature of about 1600 to 2000 ° C. A temperature sensor for detecting the temperature of the heating element 6 is provided as necessary, and the energization current of the heating element 4 by the energy supply mechanism 6 is feedback-controlled. When the temperature sensor is not provided, the heating element 4 is maintained and controlled at a predetermined high temperature by power control of the energy supply mechanism 6 or the like.
[0019]
The above-described configuration in which the heating element 4 is non-parallel to the substrate 9 and is axisymmetric is due to the following reason.
First, the thermal radiation received by the substrate 9 from the heating element 4 will be specifically described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the thermal radiation received by the substrate 9. In order to simplify the explanation, it is assumed that the heating element 4 is a simple linear wire. In FIG. 3, (1) is a case where the heating element 4 is provided parallel to the substrate 9, and (2) is a case where the heating element 4 is provided non-parallel to the substrate 9. It should be noted that both of the heating elements 4 have the same surface area, that is, the same length and thickness in the example shown in FIG.
[0020]
As can be seen by comparing (1) and (2) in FIG. 3, the angle θ at which the heating element 4 provided non-parallel is viewed from each point on the substrate 9.₁', Θ₂', Θ₃'Is the angle θ at which the parallel heating elements 4 are viewed from the same point₁ , Θ₂ , Θ₃Always smaller than Therefore, when the heating element 4 is at the same temperature, the amount of radiation reaching the substrate 9 from the heating element 4 is always smaller when it is provided non-parallel than when it is provided parallel. For this reason, in this embodiment, the heating element 4 is provided non-parallel to the substrate 9.
Further, if the heating element 4 is merely non-parallel to the substrate 9, the action of the heating element 4 may be nonuniform with respect to the substrate 9. For this reason, in this embodiment, it is symmetrical with respect to the central axis of the substrate 9. As a result, the action of the heating element 4 acts uniformly on the surface of the substrate 9 so that a thin film is uniformly formed on the surface of the substrate 9.
[0021]
As the configuration of the heating element 4 that is axially symmetric with respect to the substrate 9, in addition to the above configuration, a virtual area in which the cross-sectional area gradually increases toward the conical surface obtained by inverting the virtual conical surface 40 described above, that is, the substrate 9. The structure which bends the wire-shaped heat generating body 4 along the cone surface of this is mentioned. Also in this case, since it is not parallel to the surface of the substrate 9, the heat radiation applied to the substrate 9 is reduced as compared with the conventional case. However, compared with the case of the virtual conical surface having a shape in which the cross-sectional area gradually decreases toward the substrate 9 described above, the prospective angle is large at almost all points in the surface of the substrate 9. Therefore, the configuration along the virtual conical surface 40 as described above is preferable in terms of reducing the heat radiation applied to the substrate 9.
[0022]
The configuration of the heating element 4 that is axially symmetric with respect to the substrate 9 includes a configuration in which the wire-shaped heating element 4 is bent along a virtual cylindrical surface or rectangular tube surface that is coaxial with the substrate 9. Also in this case, since it is non-parallel to the substrate 9, it is possible to reduce the heat radiation applied to the substrate 9 as compared with the conventional case. However, since the heating element 4 extends in a plane parallel to the gas supply path from the gas distributor 32 to the substrate 9, the arrival probability of the molecules of the source gas on the surface of the heating element 4 decreases. Seem. Compared to this example, in the case of the virtual conical surface 40 described above, the thermal radiation to the substrate 9 can be reduced without significantly reducing the probability of the source gas molecules reaching the surface of the heating element 4. There are advantages.
In any case, the apparatus of this embodiment can reduce the heat radiation from the heating element 4 to the substrate 9, so that the temperature of the substrate 9 can be further lowered to form a film. This point demonstrates great power in the manufacture of gallium arsenide-based semiconductor devices that require lower temperature processes.
[0023]
As shown in FIG. 1, the substrate holder 5 is a table-like member that places and holds the substrate 9 on a horizontal substrate holding surface 52 on the upper surface. The substrate 9 is placed at the center of the substrate holding surface 52. When the substrate 9 is held at this position, the central axis thereof coincides with the central axis of the gas distributor 32 and the central axis of the virtual conical surface 40 where each part of the heating element 4 is located.
The substrate holder 5 also functions as a substrate energy supply mechanism for heating the substrate 9 in order to cause a final reaction on the surface of the substrate 9 to form a film. That is, a heater 51 for heating the substrate 9 to a predetermined temperature is provided in the substrate holder 5. The heater 51 is a cartridge heater or a radiant heating lamp that generates Joule heat. The substrate 9 is heated to about 200 to 400 ° C. by the heater 51.
[0024]
The substrate holder 5 is provided with a temperature sensor (not shown) such as a thermocouple for measuring the temperature of the substrate 9, and the temperature of the substrate 9 is feedback-controlled. However, the substrate 9 is also heated by heat radiation from the heating element 4, and if there is a large amount of heating by this heat radiation, there is a problem that the controllability of the temperature control of the substrate 9 is lowered. In other words, the configuration of the present embodiment in which the thermal radiation to the substrate 9 is reduced improves the controllability of the temperature control of the substrate 9 and can keep the temperature of the substrate 9 stable and constant.
[0025]
Next, another feature point of the present embodiment will be described. This characteristic point corresponds to the invention of claim 5. That is, the apparatus of this embodiment is also an embodiment of the invention of claim 5.
First, as described above, the gas distributor 32 is provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9. The gas blowing holes 320 of the gas distributor 32 are also formed symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9 as described above. Therefore, gas is blown out uniformly from the gas blowing holes 320 to the substrate 9. The heating element 4 is provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9 as described above.
[0026]
The configuration of the exhaust port 11 will be described with reference to FIGS. 1 and 4. FIG. 4 is a schematic plan sectional view taken along one-dot chain line XX of the apparatus shown in FIG. As shown in FIG. 1, the exhaust port 11 is provided in a container wall portion, that is, a bottom wall portion on the opposite side of the heating element 4 with the substrate holding surface 52 of the substrate holder 5 interposed therebetween. As shown in FIG. 4, for example, four exhaust ports 11 are provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9 held on the substrate holding surface 52. The size of the exhaust port 11 is, for example, about 20 to 150 mm in diameter when the shape of the exhaust port 11 is circular.
[0027]
The configuration in which the gas distributor 32, the heating element 4, and the exhaust port 11 are provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9 has the significance of uniformly depositing a thin film formed on the surface of the substrate. That is, the source gas blows uniformly from the gas distributor 32 to the surface of the substrate 9 and reaches the surface of the heating element 4. On the surface of the heating element 4, the decomposition and / or activation of the raw material gas described later occurs uniformly, and the product resulting from these changes reaches the surface of the substrate 9 uniformly. As a result, a uniform thin film is formed in the surface direction of the substrate 9. In addition, when the exhaust port 11 is not provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9, the product does not reach the surface of the substrate 9 uniformly, and the thin film formed on the surface of the substrate 9 is uniform. Sexuality decreases.
[0028]
Further, when the exhaust port 11 is provided in the wall portion of the substrate holder 5 closer to the heating element 4 than the substrate holding surface 52, the source gas reaching the substrate 9 from the gas distributor 32 via the heating element 4 is provided. The flow is reduced. That is, the structure in which the exhaust port 11 is located on the opposite side of the heating element 4 with the substrate holding surface 52 of the substrate holder 5 interposed therebetween makes it possible to efficiently reach the source gas to the substrate 9 and increase the film formation speed. Has the effect of raising.
[0029]
Next, the operation of the apparatus of this embodiment will be described.
First, the substrate 9 is placed in a load lock chamber (not shown) adjacent to the processing container 1 and the inside of the load lock chamber and the processing container 1 is exhausted to a predetermined pressure. Thereafter, a gate valve (not shown) is opened to remove the substrate 9. It is carried into the processing container 1. The substrate 9 is placed and held on the substrate holding surface 52 of the substrate holder 5. The heater 51 in the substrate holder 5 is operated in advance, and the substrate 9 held by the substrate holder 5 is heated to a predetermined temperature by the heat from the heater 51. In parallel, the energy supply mechanism 6 operates and energy is given to the heating element 4. The heating element 4 is maintained at a predetermined high temperature by a temperature sensor (not shown) provided in the energy supply mechanism 6.
[0030]
In this state, the gas supply system 3 operates. That is, the valve 34 is opened and the source gas is supplied into the processing container 1 through the gas distributor 32. When the source gas is supplied, the source gas is decomposed and / or activated on the surface of the heating element 4, and a predetermined thin film is deposited on the surface of the substrate 9.
When the thin film reaches a predetermined thickness, the valve 34 of the gas supply system 3 is closed to stop the supply of the source gas, and the inside of the processing container 1 is exhausted again. Then, after stopping the energy supply by the energy supply mechanism 6, the substrate 9 is taken out from the processing container 1.
[0031]
In the operation of the present embodiment, since the heating element 4 is symmetrical with respect to the central axis of the substrate 9 and is provided non-parallel to the substrate 9, the amount of heat radiation received by the substrate 9 is reduced. In this embodiment, the gas distributor 32, the heating element 4, and the exhaust port 11 are provided symmetrically with respect to the central axis of the substrate 9. For this reason, the raw material gas blown to the surface of the substrate 9 reacts on the surface of the heating element 4, whereby a thin film is uniformly deposited on the surface of the substrate 9.
[0032]
A specific example of film formation will be described using a case of forming a silicon nitride film as an example. As source gases, monosilane is mixed and introduced at a rate of 0.1 to 20.0 cc / min and ammonia is mixed at a rate of 10.0 to 2000.0 cc / min. When film formation is performed while maintaining the temperature of the heating element 4 at 1600 to 2000 ° C., the temperature of the substrate 9 at 200 to 350 ° C., and the pressure in the processing container 1 at 0.1 to 100 Pa, the film thickness is about 1 to 10 nm / min. A silicon nitride film can be formed at a deposition rate. Such a silicon nitride film can be effectively used as a protective film.
[0033]
Next, the film forming mechanism using the heating element 4 as described above will be described below. The use of the heating element 4 is to lower the temperature of the substrate 9 during film formation as described above, but it is not always clear why film formation can be performed even if the temperature of the substrate 9 is lowered. Absent. As one model, the following surface reaction may occur.
[0034]
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining one possible model of film formation in the apparatus of this embodiment. Taking the case of forming the silicon nitride film as an example, when the introduced monosilane gas passes through the surface of the heating element 4 maintained at a predetermined high temperature, the catalytic decomposition of silane similar to the adsorption dissociation reaction of hydrogen molecules. Reaction occurs and SiH₃ ^*And H^* Is generated. Although the detailed mechanism is not clear, when one hydrogen constituting monosilane is adsorbed on the tungsten surface, the bond between the hydrogen and silicon weakens and monosilane decomposes, and the adsorption on the tungsten surface is dissolved by heat. SiH₃ ^*And H^* It is thought that the decomposition active species is generated. A similar catalytic cracking reaction occurs in ammonia gas, and NH₂ ^*And H^* Is generated. These decomposition active species reach the substrate 9 and contribute to the deposition of the silicon nitride film. In other words, the reaction formula shows
SiH₄ _(g)→ SiH₃ ^* _(g)+ H^* _(g)
NH₃ _(g)→ NH₂ ^* _(g)+ H^* _(g)
aSiH₃ ^* _(g)+ BNH₂ ^* _(g)→ cSiN_{x (s)}
It becomes. The subscript “g” means a gas state, and the subscript “s” means a solid state.
[0035]
The action of the heating element 4 is discussed in detail in a paper by Jan. J. Appl. Pys. Vol. 37 (1998) pp. 3175-3187. In this paper, since the slope of the film formation rate with the temperature of the heating element as a parameter varies depending on the material of the heating element, it is assumed that what occurs on the surface of the heating element is not mere thermal decomposition but catalytic action (same as above). (See Fig. 7). For this reason, this type of CVD method is called catalytic chemical vapor deposition (catalytic CVD, cat-CVD).
[0036]
Further, it can be considered that the film forming method as in the apparatus of the present embodiment is based on the action of thermoelectrons on the surface of the heating element 4. That is, from the surface of the heating element 4 maintained at a high temperature, thermoelectrons act on the source gas over the energy barrier due to the tunnel effect, or thermoelectrons having energy higher than the work function act on the source gas. As a result, the idea that the source gas is decomposed or activated can be taken.
[0037]
Any of the above-described ideas can be adopted as the film forming mechanism in the apparatus of the present embodiment. It is also possible to take the idea that these phenomena occur simultaneously. Whichever way of thinking is adopted, the surface of the heating element 4 is decomposed and activated, or both decomposed and activated, and this is caused by a change in any one of these source gases. The membrane has been. Then, by causing the source gas to reach the substrate 9 through such a heating element 4, it is possible to perform film formation with a relatively low temperature of the substrate 9.
[0038]
Next, a second embodiment of the present application will be described. The second embodiment described below is an embodiment corresponding to the invention of claim 4. In the second embodiment, a shielding plate 7 is provided outside the heating element 4 in order to further reduce heat radiation from the heating element 4.
The shielding plate 7 will be described with reference to FIG. FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining the configuration of the shielding plate in the apparatus according to the second embodiment of the present invention. FIG. 6A is a schematic front sectional view, and FIG. 6B is a schematic plan view.
[0039]
The shielding plate 7 is provided so as to cover the outside of the heating element 4 and the ring 42 provided in the space between the gas distributor 32 and the substrate 9 held on the substrate holding surface 52 of the substrate holder 5. As can be seen from FIG. 6, the shielding plate 7 has a semiconical shape. Also in the apparatus of this embodiment, each part of the heating element 4 is located on a semi-conical virtual cone surface, and the central axis of this virtual cone surface coincides with the central axis of the shielding plate 7. Yes.
The shielding plate 7 has a thickness of about 0.1 to 2 mm, and is formed of a high-melting point metal such as molybdenum or a heat-resistant material such as ceramic so as not to be deformed by heat from the heating element 4. ing. The virtual conical surface where each part of the heating element 4 is located and the shielding plate 7 are provided 1 to 10 mm apart. The surface of the shielding plate 7 is subjected to a mirror finishing process or the like to reduce the amount of emitted heat radiation.
[0040]
A flange portion 71 is provided so as to extend from the edge of the shielding plate 7 on the substrate 9 side toward the central axis. The width of the flange portion 71 is about 1 to 10 mm. The flange portion 71 is for shielding the upper heating element 4 from the substrate 9 and reducing heat radiation directly reaching the substrate 9 from the heating element 4. Increasing the width of the flange portion 71 is effective for shielding heat radiation, but there is a problem that the opening area of the flange portion 71 is reduced and the flow path of the source gas from the heating element 4 is reduced.
[0041]
As in the first embodiment, the heating element 4 is fixed to the ring 42 by welding or the like. And the shielding board 7 becomes a structure which hold | maintained the ring 42 inside. A holding tool 72 is provided between the shielding plate 7 and the ring 42, and the shielding plate 7 holds the ring 42 via the holding tool 72. Even in the second embodiment, the energy supply mechanism 6 is provided in the ring 42, and the heating element 4 is energized and heated through the ring 42, but the holder 72 is formed of an insulator, and the ring 42 generates an alternating current. The current is prevented from flowing through the shielding plate 7. In addition, the shielding board 7 is attached with respect to the container wall of the processing container 1 by the attachment member not shown.
[0042]
As described above, since the shielding plate 7 is provided so as to cover the outside of the heating element 4 and the ring 42, the amount of heat radiation emitted toward the outside can be reduced. For this reason, the temperature rise of the member surrounding the heat generating body 4 or the wall of the processing container 1 around the heat generating body 4 is suppressed. As a result, the heat radiation emitted from these members and the like is reduced, and the heat radiation to the substrate 9 can be further reduced although indirectly. Further, the shielding plate 7 has a part for shielding the heat radiation directly reaching the substrate 9 from the heating element 4, and this amount can further reduce the heat radiation to the substrate 9.
[0043]
The shielding plate 7 also has an effect of increasing the deposition rate by efficiently bringing the source gas into contact with the heating element 4. That is, even if the source gas blown out from the gas distributor 32 passes through without reaching the heating element 4, it is bounced back by the shielding plate 7 and returns toward the heating element 4. For this reason, the probability of finally contacting the heating element 4 is increased.
Further, since the shielding plate 7 has a semi-conical shape whose sectional area gradually decreases toward the substrate 9, the shielding plate 7 also has an effect of introducing the raw material gas to the substrate 9. For this reason, the source gas decomposed and / or activated on the surface of the heating element 4 efficiently reaches the substrate 9 and the film forming rate is increased.
[0044]
In each of the embodiments described above, the virtual conical surface 40 and the shielding plate 6 have been described as having a semi-conical shape, but are not limited to a conical shape, and may be a pyramid or the like. In this case, a regular polygonal pyramid shape is preferable in terms of film formation uniformity.
The shape of the heating element 4 is not limited to a sawtooth shape, and may be a spiral shape or the like provided along the virtual conical surface 40. Moreover, the heat generating body 4 of shapes other than a wire shape may be used. The material of the heating element 4 may be not only tungsten but also other materials such as tantalum and molybdenum, and any material having a melting point higher than a predetermined high temperature to be maintained can be used as the material of the heating element 4.
The thin film produced by the apparatus of each embodiment described above is not limited to a silicon nitride film, but may be another insulating film such as a silicon oxide film or a silicon oxynitride film. In addition, there is a possibility that a conductive film such as aluminum or copper can be formed using the apparatus of each embodiment.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the heating element is non-parallel to the substrate and symmetrical, thermal radiation from the heating element to the substrate is reduced, and the film can be uniformly formed on the surface of the substrate. . Accordingly, it is extremely suitable for the production of next-generation semiconductor devices that require a reduction in film formation temperature.
According to the invention of claim 3, in addition to the above effect, the virtual conical surface on which each part of the heating element is located is a conical surface or a regular polygonal conical surface whose sectional area gradually decreases toward the substrate. Therefore, the heat radiation to the substrate is further reduced.
According to the invention of claim 4, in addition to the above effect, since the shielding plate is provided outside the heating element, the heat radiation to the outside of the heating element is reduced, and indirectly or directly to the substrate. The heat radiation can be further reduced.
According to the invention of claim 5, the gas distributor, the heating element, and the exhaust port are all symmetrical with respect to the central axis of the substrate held by the substrate holder, and the exhaust port is provided on the substrate holder. Since it is located on the opposite side of the heating element across the substrate holding surface, the flow of the supplied source gas becomes uniform in the surface direction of the substrate, and the film can be uniformly formed on the surface of the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic front cross-sectional view illustrating the configuration of a chemical vapor deposition apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a heating element used in the apparatus of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining thermal radiation received by a substrate 9;
4 is a schematic plan sectional view taken along one-dot chain line XX of the apparatus shown in FIG. 1;
FIG. 5 is a schematic diagram for explaining one possible model of film formation in the apparatus of the present embodiment.
6A and 6B are diagrams for explaining a configuration of a shielding plate in the apparatus according to the second embodiment of the present invention, wherein FIG. 6A is a schematic front sectional view, and FIG. 6B is a schematic plan view.
FIG. 7 is a schematic front sectional view showing a schematic configuration of a conventional chemical vapor deposition apparatus.
8 is a schematic plan view illustrating the configuration of a heating element 4 used in the apparatus of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Processing container
11 Exhaust port
2 Exhaust system
3 Gas supply system
32 Gas distributor
4 Heating elements
40 Virtual frustum
42 rings
5 Board holder
6 Energy supply mechanism
7 Shield plate
9 Board

Claims

A processing container in which a predetermined process is performed on the substrate inside, an exhaust system that exhausts the inside of the processing container to a predetermined pressure, a gas supply system that supplies a predetermined raw material gas into the processing container, and a supplied raw material A heating element provided in the processing container so that the gas passes through the surface, an energy supply mechanism for supplying energy to the heating element so that the heating element is maintained at a predetermined high temperature, and a heating element maintained at a predetermined high temperature A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder that holds a substrate at a predetermined position in a processing vessel in which a raw material gas decomposed and / or activated by being supplied to the surface of the substrate reaches a predetermined thin film. And
The heating element is symmetric with respect to the central axis of the substrate and non-parallel to the substrate, and each part of the heating element is symmetric with respect to the central axis of the substrate and A virtual conical surface located on a virtual conical surface having the same axis as the central axis and on which each part of the heating element is positioned is a conical surface or a regular polygonal pyramid whose sectional area gradually decreases toward the substrate. A chemical vapor deposition apparatus characterized by being a surface .

The chemical vapor deposition apparatus according to claim 1, wherein a shielding plate that shields heat radiation from the heating element is provided outside a virtual conical surface on which each part of the heating element is located.

A processing container in which a predetermined process is performed on the substrate inside, an exhaust system that exhausts the inside of the processing container to a predetermined pressure, a gas supply system that supplies a predetermined raw material gas into the processing container, and a supplied raw material A heating element provided in the processing container so that the gas passes through the surface, an energy supply mechanism for supplying energy to the heating element so that the heating element is maintained at a predetermined high temperature, and a heating element maintained at a predetermined high temperature A chemical vapor deposition apparatus comprising a substrate holder that holds a substrate at a predetermined position in a processing vessel in which a raw material gas decomposed and / or activated by being supplied to the surface of the substrate reaches a predetermined thin film. And
The gas supply system supplies a source gas via a gas distributor provided in the processing container, and the heating element is provided in a space between the gas distributor and the substrate holder. And
The substrate holder has a surface facing the gas distributor, and the surface is a substrate holding surface for holding the substrate, and the processing container has an exhaust port connected to the exhaust system, and the exhaust port is the substrate. It is provided on the vessel wall portion on the opposite side of the heating element across the substrate holding surface of the holder,
Furthermore, the gas distributor, the heating element, and the exhaust port are all symmetrical with respect to the central axis of the substrate held on the substrate holding surface of the substrate holder. apparatus.