JP4234839B2 - Deposition method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に凹部が形成された基板例えば半導体ウエハ等に対してシリコン膜を形成する成膜方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体ウエハ(以下「ウエハ」という)の製造プロセスの1つとして、ウエハ表面に形成された凹部内にシリコン(Si)を成膜し、電極を形成するというプロセスがある。このプロセスは、例えばウエハを載置するための載置台と、この載置台と対向するように、例えばウエハから10mm上方に設けられたシャワ−ヘッド等と呼ばれるガス供給部と、ウエハを加熱する加熱手段とを備えた、枚葉式の成膜装置において、ウエハを加熱しながら、シャワ−ヘッドから成膜ガス例えばSiH4 ガスをウエハに向けて供給することにより、CVD(化学気相成長)法によってウエハ表面にシリコン膜を形成することにより行われる。
【0003】
【発明が解決しようとしている課題】
ところで上述の装置にてシリコン膜の成膜を行う場合、凹部のアスペクト比が大きくなった場合にステップカバレッジが悪くなり、例えば埋め込みの場合ボイドが発生する傾向がある。この際成膜速度が遅ければ良好なステップカバレッジが得られ、埋め込みの場合はボイドなく埋め込みを行うことができるが、スル−プット向上の観点から成膜速度を300オングストロ−ム/分以上にすることが望ましく、このような速い成膜速度では凹部内への埋め込み特性が悪化してしまう。
【0004】
この理由については後述するようにSiH4 ガスの気相中での分解生成物であるSiH2 を主とした反応活性種が原因であると推察されるが、今後パタ−ンの微細化が進み、凹部のアスペクト比が1.5を越える傾向にあることから、早期の解決が要求されている。
【0005】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、凹部を備えた基板にポリシリコン膜を成膜する場合に、凹部内へシリコンを良好に埋め込むことができる成膜方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため本発明の成膜装置は、基板の上に当該基板と対向して反応空間を区画する面状部に前記反応空間内にガスを供給するための多数のガス噴射口が形成されたガス供給部備えた処理室内にて、前記ガス供給部からモノシランガスを成膜ガスとして基板表面に供給して、表面に凹部が形成された基板に300オングストローム/分以上の成膜速度でポリシリコン膜を熱CVDにより形成するための成膜方法において、
基板と面状部の前記基板表面と対向する面との間の距離5mm以上18mm以下に設定し、前記ガス供給部から供給されるガスの総流量を500sccm以上5000sccm以下に設定し、全圧を1.33×10 4 Pa(100Torr)以下に設定して成膜を行うことを特徴とする。
【0009】
ここで前記ガス供給部から供給されるガスは、モノシランガスの分圧を低くするための希釈ガスが含まれていることが好ましい。希釈ガスとしては水素ガスを含むガスを用いることが望ましく、この場合モノシランガスの分圧は、1.33×10 Pa(10Torr)以下とすればステップカバレッジが向上する。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る成膜装置の一実施の形態を示す側面断面図であり、図中11は被処理基板であるウエハWを一枚ずつ収納する処理室をなすチャンバであり、このチャンバ11は床部中央にウエハWより大きい開口部10が形成されていると共に、側壁部にウエハ挿入口12が形成されている。このウエハ挿入口12はゲ−トバルブ13により塞がれており、ゲ−トバルブ13が開くと図示しないロ−ドロック室の内部に連通接続されるようになっている。
【0011】
チャンバ11内には、ウエハWをほぼ水平に載置するための載置台21が前記開口部10を塞ぐように設けられている。またチャンバ11内の載置台21の外側には、ウエハWを保持し、載置台21に載置するための保持ア−ム22およびそれを昇降させるリフタ23が設けられている。前記載置台21には保持ア−ム22に対応する溝部(図示せず)が形成されていて、ウエハWを保持する保持ア−ム22が下降した時に当該溝部に入り込み、これにより載置台21上にウエハWを受け渡すようになっている。またロ−ドロック室内にはウエハWを搬送するための図示しない搬送ア−ムが設けられており、ゲ−トバルブ13が開いたときにその搬送ア−ムと保持ア−ム22との間でウエハWの受け渡しが行われる。
【0012】
またチャンバ11の天井部の、載置台21に載置されているウエハWの例えば5mm〜18mm上方側には、載置台21と対向するように、シャワ−ヘッド等と呼ばれるガス供給部31が設けられている。このガス供給部31は、この装置がCVD(化学気相成長)法による成膜処理に使用される場合には成膜ガス等を供給し、例えばこの装置を用いて不活性ガス雰囲気下でアニ−ル処理を行う場合には不活性ガスを供給に供されるものである。
【0013】
前記ガス供給部31は、例えばガス供給管32、33から供給されたガスを、ガス拡散部34の多数のガス噴射口35からチャンバ11内に供給するように構成されており、前記ガス拡散部34の下面がウエハWの上に反応空間を区画する面状部をなしている。このガス供給部31は、ガス噴射口35の形成領域であるガス吹き出し領域(ガス供給領域)の外縁とウエハWの大きさがほぼ揃うように、つまりガス吹き出し領域とウエハWの大きさの比が、(ガス吹き出し領域の外縁の径)/(ウエハWの径)=0.8〜1.2になるように設定されている。またガス供給部31の側壁部およびガス拡散部34には、温調用の流体を通流させるための流体通路36が形成されている。このようなガス供給部31により供給されたガスは、チャンバ11に設けられた図示しない排気手段を介して排気される。
【0014】
さらにチャンバ11の開口部10の載置台13の下方側には、例えばチャンバ11の底壁に亘って開口部10を下側から塞ぐように、後述する加熱手段からの熱線を透過するための透過窓41が形成されている。そして載置台13と透過窓41とにより囲まれた空間には、不活性ガス供給口42を介して図示しない不活性ガス供給手段により不活性ガス、例えば窒素ガスが供給され得るように構成されており、例えばこの装置がCVD装置として使用される場合に、窒素ガスをバッファプレ−ト43のガス孔43aを介して、ウエハWの下面近傍に均一に供給することによって、チャンバ11内から成膜ガス等が透過窓41側に流入するのを防ぎ、透過窓41の表面で成膜が起こらないようにしている。
【0015】
このようなチャンバ11の透過窓41の下方側には、例えばランプ群51等よりなる加熱手段5が配置されている。このランプ群51は、例えばモ−タ52により回転駆動される回転テ−ブル53上に配列されており、例えばウエハWの中心点に相当する点を中心とし、互いに半径の異なる例えば3つの同心円の夫々の周に沿って配置されている。この際最も内側の円周に沿って例えば2個のランプ51Aが設けられ、真中の円周に沿って例えば6個のランプ51Bが設けられ、最も外側の円周に沿っては、例えば15個のランプ51Cが設けられている。なお同心円の数及び各円周上のランプ51A,51B,51Cの数は、上記説明の数に限定されない。
【0016】
またランプ群51は、各円周毎に独立して、あるいは1つずつ独立して単位面積当たりの加熱量を制御することができるようになっており、3つの円周上のランプ群51によって例えば3つの輪状加熱領域が形成される。そして図示しない制御装置により、最も外側の輪状加熱領域に向かうに連れて単位面積当たりの加熱量が大きくなるように制御することによって、ウエハWの中心から外周に向かって徐々に単位面積当たりの加熱量が大きくなり、ウエハWの面内温度分布が均一になるように制御されている。
【0017】
次に上述実施の形態の作用について述べる。まず図示しない搬送ア−ムによりチャンバ11内に前工程にて表面に凹部が形成された例えば200φの大きさのウエハWを搬入し、リフタ23の保持ア−ム22上に受け渡す。そして図示しない排気手段によりチャンバ11内の排気し、ランプ群51によりウエハWを、例えば600℃程度に加熱しながら、ガス供給管32,33により成膜ガスであるシランを含むガス例えばSiH4 ガス及び希釈ガス例えばH2 ガスとN2 ガスとを夫々ガス供給部31を介してチャンバ11内に導入して、常圧下例えば300オングストロ−ム/分以上の成膜速度で前記ウエハWの表面にポリシリコン膜を形成する。
【0018】
この際導入ガスのト−タルの流量は500sccm〜5000sccmであることが望ましく、また導入ガスの全圧は100Torr以下であって、SiH4 ガスの分圧が低いことが望ましい。一例を挙げると導入ガスの全圧は100Torr、SiH4 ガスの分圧は25Torr、またSiH4 ガス及びH2 ガスの流量比は例えば1:1に設定される。
【0019】
本発明の成膜装置は、シランを含むガスを成膜ガスとして用いて凹部が形成されたウエハWの表面に300オングストロ−ム/分以上の成膜速度でシリコン膜を成膜する場合に、ガス供給部31のガス吹き出し領域とウエハWの大きさの比を、(ガス吹き出し領域の外縁の径)/(ウエハWの径)=0.8〜1.2になるように設定すると共に、ガス供給部31の下面とウエハW表面との距離を例えば5mm〜18mmに設定することに特徴があり、このように設定することにより凹部へシリコン膜を良好に埋め込みながらウエハW表面にシリコン膜を形成することができる。
【0020】
ここで本発明に到達するに至った経緯について説明する。先ず成膜ガスとしてSiH4 ガスを用いてポリシリコン膜を成膜する場合の成膜反応は、以下の▲1▼式に示す、SiH4 ガスが直接基板上で分解する反応と、以下の▲2▼式及び▲3▼式に示す、中間体SiH2 *を伴う反応とにより行われると推察される。ここで中間体SiH2 *はSiH4 ガスの分解生成物であり、また基板反応▲1▼,▲3▼は基板の表面で起こる反応であって、気相反応▲2▼はガス供給部31のガス吹き出し領域とウエハWとの間の領域で起こる反応である。
【0021】
SiH4 →Si(s)+2H2 ・・・ 基板反応▲1▼
SiH4 →SiH2 *+H2 ・・・ 気相反応▲2▼
SiH2 *→Si(s)+H2 ・・・ 基板反応▲3▼
ところでステップカバレッジとは凹部内への成膜速度分布をいい、凹部のアスペクト比と成膜種の付着確率とにより決定される。つまり成膜種に関わらず、凹部のアスペクト比が小さければ、ある程度良好な埋め込みを行うことができる。また成膜種の付着確率との関係では、成膜種の付着確率が高いと、例えば図2 (a)に示すように、成膜種が基板の壁面に接触すると同時に付着してしまう上、もともと凹部61の内部には成膜種が入り込みにくいので凹部61の肩部が内側に迫り出すように成膜種が付着して行き、このためますます凹部61の入り口が狭められて、凹部61内で成膜種の濃度差が大きくなり凹部61内に大きなボイドが形成される状態で成膜が行われる。
【0022】
一方付着確率の低い成膜種による成膜では、例えば図2(b)に示すように、成膜種は基板の壁面に接触しても、そのまま付着せずに拡散していく。このため凹部61の内部にも成膜種が入り込みやすく、凹部61内での成膜種の濃度勾配が少ないので、凹部61内でのボイドの形成を抑えた状態で成膜が行われる。
【0023】
ここでSiH4 とSiH2 のポリシリコン膜の成膜への寄与率を計算したところ、SiH2 の付着確率はSiH4 の100,000倍であるという結果が得られ、ポリシリコン膜の成膜における、ステップカバレッジを悪化させる因子はSiH2 であるとの知見が得られた。
【0024】
このためSiH2 の特徴を調べたところ、気相反応空間の体積が大きいほど発生量が増加することが認められたことから、気相反応空間を減少させて、気相反応を抑制すべく、成膜装置の気相反応空間である、ガス供給部31のガス吹き出し領域とウエハWとの間の領域を減少させることを検討した。そしてガス供給部31の下面とウエハW表面との距離を減少させて、気相反応空間の体積をより小さくすることに着目して種々の実験を行ったところ、当該距離は例えば5mm〜18mmに設定することが望ましいという結果を得た。
【0025】
またウエハ上のガス滞留時間を短くしてSiH2 への分解反応の促進を抑制し、かつウエハ外周部で生成したSiH2 のウエハ上への逆拡散を抑制するため、ガス供給部31のガス吹き出し領域を減少させる共に、これに合わせてガス流量を調整することを検討したところ、(ガス吹き出し領域の外縁の径)/(ウエハWの径)=0.8〜1.2になるように設定し、ガス流量を500sccm〜5000sccmに設定することにより、ウエハ上の気相反応濃度を抑制できることが認められた。
【0026】
ここで本発明者らが行った実験例について説明する。図3に示す装置を用い、SiH4 ガスを1000sccmの流量で導入して、ウエハWを620℃に加熱しながら、アスペクト比が1.25,1.67,2.5の凹部を備えたウエハWに対してポリシリコン膜の成膜を行った。ここで載置台21の鍔部21aの下面に介在物21bを入れて、載置台21に載置したウエハWとガス供給部31の間の距離Lを5〜40mmの範囲で変えてポリシリコン膜の成膜を行い、凹部内へのポリシリコン膜の埋め込み状態を走査型電子顕微鏡により観察した。なお図3に示す装置は、前記介在物21bが設けられている他は、図1に示す装置と同様に構成されている。
【0027】
この結果を図4(a)に示す。この際埋め込み特性は○,△,×の3段階で評価し、ステップカバレッジが0.95以上の場合を○、0.9以上であって0.95より小さい場合を△、0.9以下の場合を×とした。ここでステップカバレッジとは、図4(b)に示すように、凹部の上部側の膜厚をXとし、凹部の底部の膜厚をYとした場合に、Y/Xにより表されるものであって、ステップカバレッジが1のときが最も理想的な状態であり、ステップカバレッジが大きい程埋め込み状態が良好であることを示している。
【0028】
これにより凹部のアスペクト比が1.25の場合には距離Lが5〜30mmの範囲で、凹部のアスペクト比が1.67の場合には距離Lが5〜18mmの範囲で、凹部のアスペクト比が2.5の場合には距離Lが5〜14mmの範囲で、夫々ステップカバレッジが0.9以上であって埋め込み特性が良好であることが認められ、アスペクト比が大きくなるにつれて埋め込み状態はシビアになるものの、距離Lの最適化を図ることにより埋め込み特性が向上することが確認された。この結果より、近年のデバイスの微細化に伴いアスペクト比が1.5を越える傾向があるが、距離Lを5〜18mmの範囲に設定することにより、このような凹部に対してもボイドの形成を抑えた良好な埋め込みを行うことができることが理解される。
【0029】
また本発明では、導入ガスのト−タルの流量を500sccm〜5000sccmとすると共に、全圧を100Torr以下とすることにより、凹部へのシリコン膜の埋め込みをより良好に行うことができるが、この理由は、導入ガスのト−タルの流量が500sccmより少ないと、ウエハ上のガス滞留時間が長くなり、SiH2 への分解反応が促進されることとなって好ましくなく、またト−タルの流量が5000sccmより多いと気相反応の抑制には好ましいが、高ランニングコストおよび除害設備負荷が大きくなり好ましくないからである。また導入ガスの全圧が100Torrを越えると、ウエハ上のガス滞留時間が長くなることに加え、SiH2 への分解速度が速くなり好ましくないからである。
【0030】
以上において本発明は、例えば図5に示す構成の成膜装置にも適用できる。この成膜装置が上述の成膜装置と異なる点は、加熱手段としてランプの代わりにヒ−タを用いた点である。この装置においては、チャンバ11には開口部10を設けておらず、チャンバ11内の底部ほぼ中央に、内部に例えば抵抗発熱体よりなるヒ−タ71を備えた載置台7が配置され、この上面にウエハWが載置されるようになっている。ここで載置台7には、昇降自在に構成され、上昇したときには載置台の上面から突出する例えば3本の突出ピン(図示せず)が内蔵されており、この突出ピンと搬送ア−ム(図示せず)の協動作用によりウエハWが載置台7上に載置されるようになっている。その他の構成は上述の成膜装置と同様である。 続いてシミュレ−ション実験について説明するが、本発明はこの実験により得られた知見に基づいて検討した結果成し得たものである。ここで気相反応の計算にはChemKinパッケ−ジのSENKINを利用し、ベ−スとなる反応速度デ−タセットはP.Hoらの文献[1]に記載されているものを利用した。また表面反応については、上記SENKINの計算において、完全混合槽を仮定してS/V比を用いて気相反応と同等に取り扱って評価した。
【0031】
具体的には、Siを含む分子種がHeと衝突した場合に失活して消失するとして取り扱い、例えばSiH2 の場合には、
SiH2 +He→SiH2 (B)+He
と記述し(SiH2 (B)はこれ以上反応しない不活性物質である)、基板表面などでの表面反応により消失する影響を評価するため、この気相反応速度を次のように定義した。
【0032】
−d[SiH2 ]/dt=ks S/V[SiH2 ]=kg [SiH2 ][He]
このような関係から気相反応速度定数kg を算出してシミュレ−ションに用いているが、SiH2 などの場合表面反応速度が速すぎるため、実際にはks ではなく、kd (物質移動係数)を用いてkg を評価した。またSiH4 及びSi2 H6 の場合には表面反応速度が低く、表面反応律速となるので、ks を用いてkg を評価した。
【0033】
シミュレ−ションは成膜速度とステップカバレッジについて行ったが、成膜速度(分子種が成膜に寄与する速度)は、気相反応の計算結果から予測される各分子種の濃度に表面反応速度または物質移動係数を掛けて算出し、この際シリコンの密度は結晶の値を用いた。またステップカバレッジは各分子種のステップカバレッジの和で表し、この際SiH4 及びSi2 H6 からの成膜は100%のカバレッジ、それ以外の分子種については1%のカバレッジとした。
【0034】
先ず表面反応(S/V比)の影響を確認するために、反応温度を873K、成膜ガスとしてSiH4 ガス、希釈ガスとしてHeガス及びN2 ガスを夫々用い、導入ガスの全圧を76Torr,SiH4 ガスの分圧を1.0Torrとし、Heガスの分圧を0.0Torr,0.1Torr,1.0Torr,10.0Torrとした場合についてシミュレ−ションを行った。
【0035】
ここで前記S/V比とは、Sがウエハ面積に相当する反応面積、Vは(ウエハ面積)×(ウエハとガス供給部との間の距離)により得られる反応容積であるので、S/V比は1/(ウエハとガス供給部との間の距離)のことである。このシミュレ−ションでは、Heガスを希釈ガスとして導入するとSiH4 ガスの濃度が変化し、結果としてS/V比を変化させたことに相当するので、Heガスの分圧を変化させることによりS/V比の影響を考察することとした。
【0036】
この結果をHeガスの分圧が0.0Torr,0.1Torr,1.0Torr,10.0Torrの場合について図6〜9に夫々示す。図は時間0のときに上述の条件でガスを流し始め、時間と共に気相中でSiH2 等の分子種が生成、増加していく様子を表しており、図中横軸が時間、左縦軸が気相中で生成する膜に寄与する各分子種の成膜速度、右縦軸がステップカバレッジを夫々示し、ステップカバレッジは既述のように、1に近い程、埋め込み状態が良好であることを示している。
【0037】
またこのシミュレ−ション結果では、ステップカバレッジは時間0の時に1であり、時間の経過と共に低下しているが、これは時間0の時にSiH4 が導入され、このときに存在する分子種はSiH4 のみであって、SiH4 はステップカバレッジを悪化させないのでステップカバレッジは1という理想状態にあり、時間が経過すると、SiH4 が気相中で反応してSiH3 ,SiH2 などの分子種が生成され、これがステップカバレッジを悪化させる原因となるからである。
【0038】
このシミュレ−ション結果により、Heガスの分圧を大きくしてS/V比を増大させると成膜速度は減少し、ステップカバレッジは向上することという知見が得られた。これによりウエハとガス供給部との間の距離を小さくすると、ステップカバレッジが向上することが推察される。
【0039】
続いてSiH4 ガスの分圧の影響を確認するために、反応温度を873K、成膜ガスとしてSiH4 ガス、希釈ガスとしてH2 ガス,Heガス及びN2 ガスを夫々用い、導入ガスの全圧を76Torrとし、SiH4 ガスとH2 ガスとHeガスとN2 ガスの分圧を変えてシミュレ−ションを行った。
【0040】
この結果を希釈ガスとしてHeガス及びN2 ガスを用いる場合、つまりSiH4 ガスの分圧が1.0Torr,H2 ガスの分圧が0.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が74.0Torrの場合を図8に、SiH4 ガスの分圧が0.1Torr,H2 ガスの分圧が0.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が74.9Torrの場合を図10に、SiH4 ガスの分圧が10.0Torr,H2 ガスの分圧が0.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が65.0Torrの場合を図11に、SiH4 ガスの分圧が25.0Torr,H2 ガスの分圧が0.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が50.0Torrの場合を図12に夫々示す。
【0041】
また希釈ガスとしてHeガス及びH2 ガスを用いる場合、つまりSiH4 ガスの分圧が10.0Torr,H2 ガスの分圧が65.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が0.0Torrの場合を図13に、SiH4 ガスの分圧が1.0Torr,H2 ガスの分圧が74.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が0.0Torrの場合を図14に、SiH4 ガスの分圧が25.0Torr,H2 ガスの分圧が50.0Torr,Heガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が0.0Torrの場合を図15に夫々示す。
【0042】
このシミュレ−ション結果により、希釈ガスとしてHeガス(分圧1Torr)とN2 ガス(分圧はSiH4 ガスの分圧に応じて決定)を用い、SiH4 ガスの分圧を0.1Torr〜25.0Torrの範囲で変えた場合(図8、10〜12)には、SiH4 ガスの分圧を増大させると成膜速度、ステップカバレッジ共に向上するという知見が得られた。
【0043】
また希釈ガスとしてHeガス(分圧1Torr)とH2 ガス(分圧はSiH4 ガスの分圧に応じて決定)を用い、SiH4 ガスの分圧を1.0Torr〜25.0Torrの範囲で変えた場合(図13〜15)には、SiH4 ガスの分圧を低減させると成膜速度が小さくなるが、ステップカバレッジは向上するという知見が得られ、特にSiH4 ガスの分圧が10Torr以下の場合にはステップカバレッジが0.9以上であって埋め込みが良好に行われるという知見が得られた。 これは次の理由に因ると推察される。つまりシリコン膜の気相反応では、上述の▲2▼式のH2 脱離反応が起こっており、この反応により生成されるSiH2 が多くなるとステップカバレッジが悪化するが、希釈ガスとしてH2 ガスを用いると、気相がH2 リッチの雰囲気となるので、▲2▼式の反応の逆反応(SiH2 +H2 →SiH4 )が起こる。このためH2 ガスの分圧を高くしてSiH4 の分圧を低下させると、SiH2 濃度が低下するのでステップカバレッジが向上すると考えられる。
【0044】
一方希釈ガスとしてN2 ガスを用いた場合には、上述の逆反応が起こらずに、N2 ガスの分圧を低くしてSiH4 の分圧を高めると、SiH2 がSiH4 と再結合を起こしてSi2 H6 を生成するという反応(SiH2 +SiH4 →Si2 H6 )が起こる。ここでSi2 H6 はステップカバレッジを悪化させないので、N2 ガスの分圧を低くしてSiH4 の分圧を高めた方がステップカバレッジが向上し、N2 ガスの分圧を高くしてSiH4 の分圧を低下させるとステップカバレッジが悪化すると考えられる。
【0045】
続いてH2 の分圧の影響を確認するために、反応温度を873K、成膜ガスとしてSiH4 ガス、希釈ガスとしてH2 ガス,Heガス及びN2 ガスを夫々用い、導入ガスの全圧を76.0Torr、SiH4 ガスの分圧を10.0Torr、Heガスの分圧を1.0Torrとして、H2 ガスとN2 ガスの分圧を変えてシミュレ−ションを行った。
【0046】
この結果をH2 ガスの分圧が65.0Torr,N2 ガスの分圧が0.0Torrの場合を図13に、H2 ガスの分圧が1.0Torr,N2 ガスの分圧が64.0Torrの場合を図16に、H2 ガスの分圧が10.0Torr,N2 ガスの分圧が55.0Torrの場合を図17に夫々示す。
【0047】
このシミュレ−ション結果により、希釈ガスであるH2 ガスの分圧を増大させると、成膜速度は減少し、ステップカバレッジは向上するという知見が得られた。このようなことから希釈ガスとしてH2 ガスを用いてSiH4 ガスの分圧を10Torr以下に設定することによりステップカバレッジが向上することが推察される。
【0048】
また温度依存性を確認するために、成膜ガスとしてSiH4 ガス(流量250sccm)を用い、反応温度を600℃〜680℃の範囲で変えてシミュレ−ションを行った。この結果を図18に示すが、図中横軸が時間、左縦軸が気相中で生成する膜に寄与する各分子種の成膜速度、右縦軸がステップガバレッジを夫々示し、図中●が1秒後の成膜速度、○が10秒後の成膜速度、□が1秒後のステップカバレッジ、■が10秒後のステップカバレッジを夫々示している。このシミュレ−ション結果により、反応温度が高くなる程成膜速度が早くなるが、ステップカバレッジはほとんど変化がないことから、反応温度はステップカバレッジにはあまり影響を与えないという知見が得られた。
【0049】
さらに濃度依存性を確認するために、成膜ガスとしてSiH4 ガスを用い、反応温度を680℃として、SiH4 ガスの分圧を1Torr〜10Torrの範囲で変えてシミュレ−ションを行った。この結果を図19に示すが、図中横軸が時間、左縦軸が気相中で生成する膜に寄与する各分子種の成膜速度、右縦軸がステップカバレッジを夫々示し、図中●が1秒後の成膜速度、○が10秒後の成膜速度、□が1秒後のステップカバレッジ、■が10秒後のステップカバレッジを夫々示している。このシミュレ−ション結果により、SiH4 ガスの分圧が高くなってシランが高濃度になると成膜速度が早くなるが、ステップカバレッジが悪化するという知見が得られた。
【0050】
以上において本発明でいうシリコン膜は、ド−プトシリコン膜及びノンド−プトシリコン膜が含まれる。またシランを含む成膜ガスとしてはSiH4 ガス以外に、Si2 H6 ガスやSi3 H8 ガスなどを用いることができる。また希釈ガスとしてはH2 ガス以外に、N2 ガスやArガス,Heガスなどを用いることができる。さらにド−プトシリコン膜を形成する場合には、ド−パントガスとしてAsH3 ガスやPH3 ガス,B2 H6 ガスなどを用いることができる。
【0051】
また本発明の成膜装置では、例えば図20に示すように基板の上に反応空間を区画する面状部をチャンバ8の天井部の内壁81により構成し、チャンバ8の側壁部にガス供給ノズル82を設け、このガス供給ノズル82から前記反応空間にガスを供給するようにしてもよく、この場合には前記ガス供給ノズル82がガス供給部に相当する。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、凹部を備えた基板にシリコンを成膜する場合に、凹部内へシリコンを良好に埋め込むことができる。
【0053】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の成膜装置の一実施の形態の一例を示す断面図である。
【図2】ステップカバレッジを説明するための断面図である。
【図3】実験例で用いた成膜装置を示す断面図である。
【図4】距離Lと埋め込み特性との関係を示す特性図と、ステップカバレッジを説明するめの断面図である。
【図5】本発明の成膜装置の他の例を示す断面図である。
【図6】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図7】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図8】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図9】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図10】本発明の成膜装置の他の例を示す断面図である。
【図11】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図12】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図13】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図14】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図15】本発明の成膜装置の他の例を示す断面図である。
【図16】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図17】成膜速度とステップカバレッジのシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図18】温度特性のシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図19】濃度特性のシミュレ−ション結果を示す特性図である。
【図20】本発明の成膜装置のさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
11,8 チャンバ
21,7 載置台
31 ガス供給部
35 ガス噴出口
5 加熱手段
51 ランプ
71 ヒ−タ
82 ガス供給ノズル
W 半導体ウエハ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention forms a silicon film on a substrate having a recess formed on the surface, such as a semiconductor wafer.Deposition methodAbout.
[0002]
[Prior art]
As one of the manufacturing processes of a semiconductor wafer (hereinafter referred to as “wafer”), there is a process of forming an electrode by forming silicon (Si) in a recess formed on the wafer surface. This process includes, for example, a mounting table for mounting a wafer, a gas supply unit called a shower head provided 10 mm above the wafer so as to face the mounting table, and heating for heating the wafer. In a single wafer type film forming apparatus, a film deposition gas, for example, SiH4 gas is supplied from a shower head toward the wafer while heating the wafer, and a CVD (chemical vapor deposition) method is used. This is done by forming a silicon film on the wafer surface.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, when the silicon film is formed by the above-described apparatus, the step coverage is deteriorated when the aspect ratio of the concave portion is increased, and for example, a void tends to be generated in the case of embedding. At this time, if the film formation rate is low, good step coverage can be obtained, and in the case of embedding, it is possible to embed without voids, but from the viewpoint of improving throughput, the film formation rate is set to 300 Å / min or more. Desirably, such a high film formation rate deteriorates the embedding property in the recess.
[0004]
The reason for this is assumed to be caused by reactive species mainly composed of SiH2, which is a decomposition product of SiH4 gas in the gas phase, as will be described later. Therefore, an early solution is required.
[0005]
  The present invention has been made under such circumstances, and its object is to provide a substrate having a recess.Polysilicon filmWhen film is formed, silicon can be satisfactorily embedded in the recess.Deposition methodIs to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
  For this reason, the film forming apparatus of the present invention is formed on the substrate.Opposite the substrateGas is supplied into the reaction space to the planar portion that defines the reaction space.Numerous gas injection holes for formedGas supply unitTheIn the processing chamber provided, from the gas supply unitMonosilane gas as a film forming gasSupplied to the surface of the substrate, with a film forming speed of 300 angstroms / minute or more on the substrate having a recess formed on the surfacePolysilicon film by thermal CVDFilm formation to formMethodIn
  The distance between the substrate and the surface of the planar portion facing the substrate surfaceThe5mm to 18mmThe total flow rate of the gas supplied from the gas supply unit is set to 500 sccm or more and 5000 sccm or less, and the total pressure is 1.33 × 10 6. Four Film formation is performed at a Pa (100 Torr) or lowerIt is characterized by that.
[0009]
  hereThe gas supplied from the gas supply unit preferably contains a dilution gas for reducing the partial pressure of the monosilane gas.It is desirable to use a gas containing hydrogen gas as the dilution gas,In this case, the partial pressure of the monosilane gas is 1.33 × 10 3 If it is set to Pa (10 Torr) or less, step coverage is improved.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a side cross-sectional view showing an embodiment of a film forming apparatus according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a chamber forming a processing chamber for storing wafers W to be processed one by one. 11, an opening 10 larger than the wafer W is formed in the center of the floor, and a wafer insertion opening 12 is formed in the side wall. The wafer insertion port 12 is closed by a gate valve 13, and when the gate valve 13 is opened, it is connected to the inside of a load lock chamber (not shown).
[0011]
In the chamber 11, a mounting table 21 for mounting the wafer W almost horizontally is provided so as to close the opening 10. A holding arm 22 for holding the wafer W and mounting it on the mounting table 21 and a lifter 23 for moving it up and down are provided outside the mounting table 21 in the chamber 11. A groove portion (not shown) corresponding to the holding arm 22 is formed in the mounting table 21 and enters the groove portion when the holding arm 22 holding the wafer W is lowered. The wafer W is delivered to the top. A load arm (not shown) for transferring the wafer W is provided in the load lock chamber. Between the transfer arm and the holding arm 22 when the gate valve 13 is opened. The wafer W is transferred.
[0012]
A gas supply unit 31 called a shower head or the like is provided on the ceiling of the chamber 11 above the wafer W placed on the mounting table 21, for example, 5 mm to 18 mm so as to face the mounting table 21. It has been. The gas supply unit 31 supplies a film forming gas or the like when the apparatus is used for a film forming process by a CVD (chemical vapor deposition) method. For example, the apparatus is used to animate the film in an inert gas atmosphere. In the case of carrying out the gas treatment, an inert gas is supplied.
[0013]
The gas supply unit 31 is configured to supply, for example, the gas supplied from the gas supply pipes 32 and 33 into the chamber 11 from a number of gas injection ports 35 of the gas diffusion unit 34, and the gas diffusion unit The lower surface of 34 forms a planar portion that partitions the reaction space on the wafer W. The gas supply unit 31 is configured such that the outer edge of the gas blowing region (gas supply region), which is the formation region of the gas injection port 35, and the size of the wafer W are substantially aligned, that is, the ratio of the size of the gas blowing region to the wafer W. Is set so that (the diameter of the outer edge of the gas blowing region) / (the diameter of the wafer W) = 0.8 to 1.2. Further, a fluid passage 36 is formed in the side wall portion of the gas supply unit 31 and the gas diffusion unit 34 for allowing a temperature adjusting fluid to flow therethrough. The gas supplied by such a gas supply unit 31 is exhausted through an exhaust means (not shown) provided in the chamber 11.
[0014]
Further, on the lower side of the mounting table 13 of the opening portion 10 of the chamber 11, for example, a transmission for transmitting heat rays from a heating means to be described later so as to close the opening portion 10 from the lower side across the bottom wall of the chamber 11. A window 41 is formed. The space surrounded by the mounting table 13 and the transmission window 41 is configured such that an inert gas, for example, nitrogen gas, can be supplied by an inert gas supply means (not shown) through an inert gas supply port 42. For example, when this apparatus is used as a CVD apparatus, a film is formed from the inside of the chamber 11 by supplying nitrogen gas uniformly to the vicinity of the lower surface of the wafer W through the gas holes 43a of the buffer plate 43. Gas or the like is prevented from flowing into the transmission window 41 side, and film formation does not occur on the surface of the transmission window 41.
[0015]
On the lower side of the transmission window 41 of the chamber 11, for example, a heating unit 5 including a lamp group 51 is disposed. The lamp group 51 is arranged on, for example, a rotating table 53 that is rotationally driven by a motor 52, and has, for example, three concentric circles centered on a point corresponding to the center point of the wafer W and having different radii. It is arranged along the circumference of each. At this time, for example, two lamps 51A are provided along the innermost circumference, for example, six lamps 51B are provided along the middle circumference, and for example, 15 lamps are provided along the outermost circumference. The lamp 51C is provided. The number of concentric circles and the number of lamps 51A, 51B, 51C on each circumference are not limited to the numbers described above.
[0016]
In addition, the lamp group 51 can control the heating amount per unit area independently for each circumference or one by one. For example, three annular heating regions are formed. Then, the heating per unit area is gradually performed from the center of the wafer W toward the outer periphery by controlling the heating amount per unit area to increase toward the outermost annular heating region by a control device (not shown). The amount is increased and the in-plane temperature distribution of the wafer W is controlled to be uniform.
[0017]
Next, the operation of the above embodiment will be described. First, a wafer W having a size of, for example, 200φ having a recess formed on the surface in the previous process is loaded into the chamber 11 by a transfer arm (not shown) and transferred onto the holding arm 22 of the lifter 23. Then, the chamber 11 is evacuated by an evacuation unit (not shown), and the wafer W is heated to, for example, about 600 ° C. by the lamp group 51, and a gas containing silane as a film forming gas, such as SiH 4 gas, is heated by the gas supply pipes 32 and 33. Diluting gas such as H2 gas and N2 gas are introduced into the chamber 11 through the gas supply unit 31, respectively, and a polysilicon film is formed on the surface of the wafer W at a film forming speed of, for example, 300 angstroms / minute or more under normal pressure. Form.
[0018]
At this time, the total flow rate of the introduced gas is preferably 500 sccm to 5000 sccm, the total pressure of the introduced gas is preferably 100 Torr or less, and the partial pressure of the SiH4 gas is preferably low. For example, the total pressure of the introduced gas is set to 100 Torr, the partial pressure of SiH4 gas is set to 25 Torr, and the flow rate ratio of SiH4 gas and H2 gas is set to 1: 1, for example.
[0019]
The film forming apparatus of the present invention, when forming a silicon film at a film forming speed of 300 angstroms / minute or more on the surface of the wafer W formed with a recess using a gas containing silane as a film forming gas, The ratio of the gas blowing area of the gas supply unit 31 to the size of the wafer W is set so that (the diameter of the outer edge of the gas blowing area) / (the diameter of the wafer W) = 0.8 to 1.2, The distance between the lower surface of the gas supply unit 31 and the surface of the wafer W is set to, for example, 5 mm to 18 mm. By setting in this way, the silicon film is embedded on the surface of the wafer W while the silicon film is satisfactorily embedded in the recess. Can be formed.
[0020]
Here, the background that led to the present invention will be described. First, when a polysilicon film is formed by using SiH4 gas as a film forming gas, the film forming reaction shown in the following formula (1) is the reaction in which SiH4 gas is directly decomposed on the substrate, and the following (2). It is presumed that the reaction is carried out by the reaction accompanied by the intermediate SiH2 * shown in the formula and the formula (3). Here, the intermediate SiH2 * is a decomposition product of SiH4 gas, and the substrate reactions (1) and (3) are reactions occurring on the surface of the substrate, and the gas phase reaction (2) is the gas in the gas supply unit 31. This is a reaction that occurs in the area between the blowing area and the wafer W.
[0021]
SiH4 → Si (s) + 2H2 ... Substrate reaction (1)
SiH4 → SiH2 * + H2 ... Gas phase reaction (2)
SiH2 * → Si (s) + H2 ... Substrate reaction (3)
By the way, step coverage refers to the film formation rate distribution in the recess, and is determined by the aspect ratio of the recess and the adhesion probability of the film forming species. In other words, regardless of the type of film formation, if the aspect ratio of the recesses is small, a certain degree of satisfactory embedding can be performed. Further, in relation to the adhesion probability of the film formation species, if the adhesion probability of the film formation species is high, for example, as shown in FIG. Originally, it is difficult for the seeds to enter the inside of the recess 61, so that the seeds are deposited so that the shoulder of the recess 61 protrudes inward, and the entrance of the recess 61 is further narrowed. The film formation is performed in such a state that the concentration difference between the film formation species increases and a large void is formed in the recess 61.
[0022]
On the other hand, in film formation with a film formation species with a low adhesion probability, as shown in FIG. 2B, for example, the film formation seed diffuses without adhering as it is even if it contacts the wall surface of the substrate. For this reason, the film forming species easily enter the concave portion 61 and the concentration gradient of the film forming species in the concave portion 61 is small. Therefore, the film formation is performed in a state where the formation of voids in the concave portion 61 is suppressed.
[0023]
Here, when the contribution ratio of SiH4 and SiH2 to the deposition of the polysilicon film was calculated, the result was that the SiH2 adhesion probability was 100,000 times that of SiH4, and step coverage in the deposition of the polysilicon film was obtained. It was found that SiH2 is a factor that worsens the temperature.
[0024]
Therefore, when the characteristics of SiH2 were examined, it was found that the generation amount increased as the volume of the gas phase reaction space increased. Therefore, in order to reduce the gas phase reaction space and suppress the gas phase reaction, It was studied to reduce the area between the gas blowing area of the gas supply unit 31 and the wafer W, which is the gas phase reaction space of the film apparatus. When various experiments were conducted focusing on reducing the volume of the gas phase reaction space by reducing the distance between the lower surface of the gas supply unit 31 and the surface of the wafer W, the distance was, for example, 5 mm to 18 mm. The result is desirable to set.
[0025]
Further, in order to shorten the gas residence time on the wafer to suppress the decomposition reaction to SiH2, and to suppress the reverse diffusion of SiH2 generated on the outer periphery of the wafer onto the wafer, the gas blowing region of the gas supply unit 31 is used. And adjusting the gas flow rate accordingly, (outer edge diameter of gas blowing area) / (wafer W diameter) = 0.8 to 1.2 is set. It was confirmed that the gas phase reaction concentration on the wafer can be suppressed by setting the gas flow rate to 500 sccm to 5000 sccm.
[0026]
Here, an experimental example performed by the present inventors will be described. Using the apparatus shown in FIG. 3, while introducing SiH4 gas at a flow rate of 1000 sccm and heating the wafer W to 620 [deg.] C., the wafer W having recesses with aspect ratios of 1.25, 1.67, and 2.5 On the other hand, a polysilicon film was formed. Here, the inclusion 21b is put on the lower surface of the flange portion 21a of the mounting table 21, and the distance L between the wafer W mounted on the mounting table 21 and the gas supply unit 31 is changed within a range of 5 to 40 mm, thereby forming the polysilicon film. Then, the embedded state of the polysilicon film in the recess was observed with a scanning electron microscope. The apparatus shown in FIG. 3 is configured in the same manner as the apparatus shown in FIG. 1 except that the inclusion 21b is provided.
[0027]
The result is shown in FIG. In this case, the embedding characteristics are evaluated in three stages, ◯, △, and ×. If the step coverage is 0.95 or more, ◯, 0.9 or less and less than 0.95, △ or 0.9 or less. The case was marked with x. Here, the step coverage is represented by Y / X, where X is the film thickness on the upper side of the recess and Y is the film thickness on the bottom of the recess, as shown in FIG. When the step coverage is 1, it is the most ideal state, and the larger the step coverage, the better the embedded state.
[0028]
Thus, when the aspect ratio of the recess is 1.25, the distance L is in the range of 5 to 30 mm, and when the aspect ratio of the recess is 1.67, the distance L is in the range of 5 to 18 mm. Is 2.5, the distance L is in the range of 5 to 14 mm, the step coverage is 0.9 or more and the embedding characteristics are good, and the embedding state becomes severe as the aspect ratio increases. However, it was confirmed that the embedding characteristic is improved by optimizing the distance L. From these results, the aspect ratio tends to exceed 1.5 with the recent miniaturization of devices, but by forming the distance L in the range of 5 to 18 mm, voids are formed even in such recesses. It can be understood that good embedding can be performed while suppressing the above.
[0029]
In the present invention, the total flow rate of the introduced gas is set to 500 sccm to 5000 sccm and the total pressure is set to 100 Torr or less, so that the silicon film can be embedded in the recess more favorably. If the total flow rate of the introduced gas is less than 500 sccm, the gas residence time on the wafer becomes long and the decomposition reaction to SiH2 is promoted, and the total flow rate is 5000 sccm. A larger amount is preferable for suppressing a gas phase reaction, but is not preferable because of high running cost and a large load of abatement equipment. On the other hand, if the total pressure of the introduced gas exceeds 100 Torr, the gas residence time on the wafer is increased, and the decomposition rate into SiH2 is increased, which is not preferable.
[0030]
In the above, the present invention can also be applied to a film forming apparatus having the configuration shown in FIG. This film forming apparatus is different from the above-described film forming apparatus in that a heater is used instead of a lamp as a heating means. In this apparatus, the opening portion 10 is not provided in the chamber 11, and a mounting table 7 provided with a heater 71 made of, for example, a resistance heating element is disposed in the center of the bottom of the chamber 11. A wafer W is placed on the upper surface. Here, the mounting table 7 is configured to be movable up and down, and incorporates, for example, three protruding pins (not shown) that protrude from the upper surface of the mounting table when the mounting table 7 is raised. The wafer W is mounted on the mounting table 7 for cooperative operation (not shown). Other configurations are the same as those of the above-described film forming apparatus. Next, a simulation experiment will be described. The present invention can be achieved as a result of examination based on the knowledge obtained by this experiment. Here, the calculation of the gas phase reaction uses Chemkin's SENKIN, and the base reaction rate data set is P.I. Those described in Ho et al. [1] were used. The surface reaction was evaluated in the above SENKIN calculation using the S / V ratio equivalent to the gas phase reaction assuming a complete mixing tank.
[0031]
Specifically, when a molecular species containing Si collides with He, it is treated as being deactivated and disappears. For example, in the case of SiH2,
SiH2 + He → SiH2 (B) + He
(SiH2 (B) is an inert substance that does not react any more), and this gas phase reaction rate was defined as follows in order to evaluate the effect of disappearance due to surface reaction on the substrate surface or the like.
[0032]
-D [SiH2] / dt = ks S / V [SiH2] = kg [SiH2] [He]
From this relationship, the gas phase reaction rate constant kg is calculated and used in the simulation. However, in the case of SiH2, etc., the surface reaction rate is too fast, so actually kd (mass transfer coefficient) is not ks. KG was used to evaluate. In the case of SiH4 and Si2 H6, the surface reaction rate is low and the surface reaction rate is limited. Therefore, ks was evaluated using ks.
[0033]
The simulation was performed for film formation speed and step coverage. The film formation speed (speed at which molecular species contribute to film formation) depends on the surface reaction speed to the concentration of each molecular species predicted from the calculation result of the gas phase reaction. Alternatively, it was calculated by multiplying by the mass transfer coefficient, and at this time, the value of crystal was used as the density of silicon. The step coverage is represented by the sum of the step coverage of each molecular species. At this time, the film formation from SiH4 and Si2 H6 is 100% coverage, and the other molecular species is 1% coverage.
[0034]
First, in order to confirm the influence of the surface reaction (S / V ratio), the reaction temperature was 873 K, the deposition gas was SiH4 gas, the dilution gas was He gas and N2 gas, respectively, and the total pressure of the introduced gas was 76 Torr, SiH4. The simulation was performed for the case where the gas partial pressure was 1.0 Torr and the He gas partial pressure was 0.0 Torr, 0.1 Torr, 1.0 Torr, and 10.0 Torr.
[0035]
Here, the S / V ratio means that S is a reaction area corresponding to the wafer area, and V is a reaction volume obtained by (wafer area) × (distance between the wafer and the gas supply unit). The V ratio is 1 / (distance between the wafer and the gas supply unit). In this simulation, when He gas is introduced as a diluent gas, the concentration of SiH4 gas changes, which corresponds to changing the S / V ratio, so that the S / V ratio is changed by changing the partial pressure of He gas. The influence of the V ratio was considered.
[0036]
The results are shown in FIGS. 6 to 9 when the partial pressure of He gas is 0.0 Torr, 0.1 Torr, 1.0 Torr, and 10.0 Torr, respectively. The figure shows the flow of gas under the above conditions at time 0, and the generation and increase of molecular species such as SiH2 in the gas phase with time, with the horizontal axis representing time and the left vertical axis Shows the deposition rate of each molecular species that contributes to the film generated in the gas phase, the right vertical axis shows the step coverage, and the step coverage is closer to 1, as described above, the better the embedded state is Is shown.
[0037]
Also, in this simulation result, the step coverage is 1 at time 0 and decreases with the passage of time. This is because SiH4 is introduced at time 0, and the only molecular species present at this time is SiH4. Since SiH4 does not deteriorate the step coverage, the step coverage is in an ideal state of 1, and when time passes, SiH4 reacts in the gas phase to generate molecular species such as SiH3 and SiH2, and this is the step coverage. It is because it becomes a cause to worsen.
[0038]
From this simulation result, it has been found that when the partial pressure of He gas is increased to increase the S / V ratio, the deposition rate is reduced and the step coverage is improved. Accordingly, it is presumed that the step coverage is improved when the distance between the wafer and the gas supply unit is reduced.
[0039]
Subsequently, in order to confirm the influence of the partial pressure of SiH4 gas, the reaction temperature was 873 K, SiH4 gas was used as the film forming gas, H2 gas, He gas and N2 gas were used as the dilution gas, respectively, and the total pressure of the introduced gas was 76 Torr. The simulation was performed by changing the partial pressures of SiH4 gas, H2 gas, He gas, and N2 gas.
[0040]
When this result is used as a dilution gas, He gas and N2 gas are used, that is, the partial pressure of SiH4 gas is 1.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 0.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas. FIG. 8 shows a case where the pressure is 74.0 Torr. The partial pressure of SiH4 gas is 0.1 Torr, the partial pressure of H2 gas is 0.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is 74. In the case of 9 Torr, FIG. 10 shows the case where the partial pressure of SiH4 gas is 10.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 0.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is 65.0 Torr. FIG. 11 shows the case where the partial pressure of SiH4 gas is 25.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 0.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is 50.0 Torr. Show.
[0041]
When He gas and H2 gas are used as the dilution gas, that is, the partial pressure of SiH4 gas is 10.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 65.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is The case of 0.0 Torr is shown in FIG. 13. The partial pressure of SiH4 gas is 1.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 74.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is 0.0 Torr. FIG. 14 shows a case where the partial pressure of SiH4 gas is 25.0 Torr, the partial pressure of H2 gas is 50.0 Torr, the partial pressure of He gas is 1.0 Torr, and the partial pressure of N2 gas is 0.0 Torr. Respectively.
[0042]
As a result of this simulation, He gas (partial pressure 1 Torr) and N2 gas (partial pressure determined according to the partial pressure of SiH4 gas) are used as the dilution gas, and the partial pressure of SiH4 gas is 0.1 Torr to 25.0 Torr. In the case of changing within the above range (FIGS. 8 and 10 to 12), it was found that increasing the partial pressure of the SiH4 gas improves both the deposition rate and step coverage.
[0043]
When He gas (partial pressure 1 Torr) and H2 gas (partial pressure is determined according to the partial pressure of SiH4 gas) are used as the dilution gas, and the partial pressure of SiH4 gas is changed within the range of 1.0 Torr to 25.0 Torr. (FIGS. 13 to 15) show that when the partial pressure of the SiH4 gas is reduced, the film forming speed is reduced, but the step coverage is improved. In particular, when the partial pressure of the SiH4 gas is 10 Torr or less. The knowledge that step coverage is 0.9 or more and embedding is performed well was obtained. This is presumably due to the following reasons. That is, in the gas phase reaction of the silicon film, the H2 desorption reaction of the above formula (2) occurs, and the step coverage deteriorates when the amount of SiH2 produced by this reaction increases, but if H2 gas is used as the dilution gas, Since the gas phase becomes an atmosphere rich in H2, the reverse reaction (SiH2 + H2-> SiH4) of the formula (2) occurs. Therefore, if the partial pressure of H2 gas is increased and the partial pressure of SiH4 is lowered, the SiH2 concentration is lowered, so that step coverage is considered to be improved.
[0044]
On the other hand, when N2 gas is used as the dilution gas, if the partial pressure of N2 gas is lowered and the partial pressure of SiH4 is increased without causing the reverse reaction, SiH2 recombines with SiH4 and Si2 H6. (SiH 2 + SiH 4 → Si 2 H 6) occurs. Here, Si2 H6 does not deteriorate the step coverage. Therefore, lowering the partial pressure of N2 gas to increase the partial pressure of SiH4 improves the step coverage, and increasing the partial pressure of N2 gas to increase the partial pressure of SiH4. It is thought that step coverage deteriorates if it is lowered.
[0045]
Subsequently, in order to confirm the influence of the partial pressure of H2, the reaction temperature is 873 K, the deposition gas is SiH4 gas, the dilution gas is H2 gas, He gas, and N2 gas, respectively, and the total pressure of the introduced gas is 76.0 Torr. The simulation was performed by changing the partial pressure of the H2 gas and the N2 gas while setting the partial pressure of the SiH4 gas to 10.0 Torr and the partial pressure of the He gas to 1.0 Torr.
[0046]
The results are shown in FIG. 13, where the partial pressure of H2 gas is 65.0 Torr, the partial pressure of N2 gas is 0.0 Torr, and the partial pressure of H2 gas is 1.0 Torr and the partial pressure of N2 gas is 64.0 Torr. FIG. 16 shows the case where the partial pressure of H2 gas is 10.0 Torr and the partial pressure of N2 gas is 55.0 Torr, respectively.
[0047]
From this simulation result, it has been found that increasing the partial pressure of H2 gas, which is a dilution gas, decreases the deposition rate and improves the step coverage. For this reason, it is presumed that step coverage is improved by setting the partial pressure of SiH4 gas to 10 Torr or less by using H2 gas as a dilution gas.
[0048]
In order to confirm the temperature dependence, simulation was performed using SiH4 gas (flow rate 250 sccm) as a film forming gas and changing the reaction temperature in the range of 600 ° C to 680 ° C. The results are shown in FIG. 18. In the figure, the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the deposition rate of each molecular species that contributes to the film formed in the gas phase, and the right vertical axis represents step coverage. ● indicates the deposition rate after 1 second, ○ indicates the deposition rate after 10 seconds, □ indicates the step coverage after 1 second, and ■ indicates the step coverage after 10 seconds. From this simulation result, it was found that although the deposition rate increases as the reaction temperature increases, the step coverage hardly changes, and therefore the reaction temperature does not significantly affect the step coverage.
[0049]
Further, in order to confirm the concentration dependency, a simulation was performed using SiH4 gas as a film forming gas, a reaction temperature of 680 ° C., and changing the partial pressure of SiH4 gas in the range of 1 Torr to 10 Torr. The results are shown in FIG. 19, where the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the deposition rate of each molecular species contributing to the film formed in the gas phase, and the right vertical axis represents step coverage. ● indicates the deposition rate after 1 second, ○ indicates the deposition rate after 10 seconds, □ indicates the step coverage after 1 second, and ■ indicates the step coverage after 10 seconds. From this simulation result, it was found that when the partial pressure of SiH4 gas is increased and the concentration of silane is increased, the deposition rate is increased, but the step coverage is deteriorated.
[0050]
In the above, the silicon film referred to in the present invention includes a doped silicon film and a non-doped silicon film. In addition to SiH4 gas, Si2 H6 gas, Si3 H8 gas, or the like can be used as a film forming gas containing silane. In addition to H2 gas, N2 gas, Ar gas, He gas, etc. can be used as the dilution gas. Further, when forming a doped silicon film, AsH3 gas, PH3 gas, B2 H6 gas or the like can be used as a dopant gas.
[0051]
Further, in the film forming apparatus of the present invention, for example, as shown in FIG. 20, the planar portion that partitions the reaction space on the substrate is constituted by the inner wall 81 of the ceiling portion of the chamber 8, and the gas supply nozzle is formed on the side wall portion of the chamber 8. 82 may be provided so that gas is supplied from the gas supply nozzle 82 to the reaction space. In this case, the gas supply nozzle 82 corresponds to a gas supply unit.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, when silicon is deposited on a substrate having a recess, the silicon can be satisfactorily embedded in the recess.
[0053]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a film forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining step coverage.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a film forming apparatus used in an experimental example.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a distance L and an embedding characteristic, and a sectional view for explaining step coverage.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing another example of the film forming apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a simulation result of film forming speed and step coverage.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing simulation results of film formation speed and step coverage.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a simulation result of film formation speed and step coverage.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a simulation result of film formation speed and step coverage.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another example of the film forming apparatus of the present invention.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing simulation results of film formation speed and step coverage.
FIG. 12 is a characteristic diagram showing a simulation result of film formation speed and step coverage.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing a simulation result of film forming speed and step coverage.
FIG. 14 is a characteristic diagram showing a simulation result of film forming speed and step coverage.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing another example of the film forming apparatus of the present invention.
FIG. 16 is a characteristic diagram showing simulation results of film formation speed and step coverage.
FIG. 17 is a characteristic diagram showing simulation results of film formation speed and step coverage.
FIG. 18 is a characteristic diagram showing a simulation result of temperature characteristics.
FIG. 19 is a characteristic diagram showing a simulation result of density characteristics.
FIG. 20 is a cross-sectional view showing still another example of the film forming apparatus of the present invention.
[Explanation of symbols]
11,8 chamber
21,7 mounting table
31 Gas supply unit
35 Gas outlet
5 Heating means
51 lamp
71 heater
82 Gas supply nozzle
W Semiconductor wafer

Claims (5)

基板の上に当該基板と対向して反応空間を区画する面状部に前記反応空間内にガスを供給するための多数のガス噴射口が形成されたガス供給部備えた処理室内にて、前記ガス供給部からモノシランガスを成膜ガスとして基板表面に供給して、表面に凹部が形成された基板に300オングストローム/分以上の成膜速度でポリシリコン膜を熱CVDにより形成するための成膜方法において、
基板と面状部の前記基板表面と対向する面との間の距離5mm以上18mm以下に設定し、前記ガス供給部から供給されるガスの総流量を500sccm以上5000sccm以下に設定し、全圧を1.33×10 4 Pa(100Torr)以下に設定して成膜を行うことを特徴とする成膜方法
In the processing chamber provided with a gas supply unit for a large number of gas injection ports are formed for supplying gas to the planar portion and the reaction space for partitioning the substrate opposed to the reaction space on the substrate, Film formation for forming a polysilicon film by thermal CVD at a film formation rate of 300 Å / min or more on a substrate having a recess formed on the surface by supplying monosilane gas as a film formation gas from the gas supply unit In the method
Set the distance to 5mm or 18mm or less between the substrate and the planar portion and the substrate surface and the opposing surfaces of the total flow rate of the gas supplied from the gas supply portion is set lower than 5000sccm than 500 sccm, the total pressure film forming method, wherein a forming a film by setting the 1.33 × 10 4 Pa (100Torr) or less.
前記ガス供給部から供給されるガスは、モノシランガスの分圧を低くするための希釈ガスが含まれていることを特徴とする請求項1記載の成膜方法。The film forming method according to claim 1, wherein the gas supplied from the gas supply unit includes a dilution gas for reducing a partial pressure of the monosilane gas. 前記希釈ガスは水素ガスを含むことを特徴とする請求項記載の成膜方法。The film forming method according to claim 2, wherein the dilution gas contains hydrogen gas. モノシランガスの分圧は、1.33×10The partial pressure of monosilane gas is 1.33 × 10 3 Pa(10Torr)以下であることを特徴とする請求項3記載の成膜方法。  The film forming method according to claim 3, wherein the film thickness is Pa (10 Torr) or less. 基板は半導体ウエハであり、ガス供給部のガス吹き出し領域と半導体ウエハの大きさの比である、(ガス吹き出し領域の外縁の径)/(半導体ウエハの径)が0.8〜1.2であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか一つに記載の成膜方法。The substrate is a semiconductor wafer, and the ratio of the gas blowing area of the gas supply unit to the size of the semiconductor wafer (the diameter of the outer edge of the gas blowing area) / (the diameter of the semiconductor wafer) is 0.8 to 1.2. The film forming method according to claim 1, wherein the film forming method is provided.
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