JPH03500064A - 反応室ならびに化学蒸着法の改良 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 反応室ならびに化学蒸着法の改良 本発明は化学蒸着（ＣＶＤ）装置内に使用される改良形反応室、殊に、ウェハを 一度に一枚づつ処理するためのエピタキシャル付着装置内に使用される反応室に 関する。

従来技術の解説 化学蒸着法（ＣＶＤ）は一定のガス化合物の熱反応もしくは分解により加熱基板 もしくはウェハ上に安定的な化合物を形成する方法である。エピタキシャル成長 法は特殊な種類のＣＶＤ法でウェハの結晶構造を蒸着層内に継続すべきことを要 する。

何れのＣＶＤ装置の基本的化合物も処理されるべきウェハと、ガス制御部分と、 タイミングおよび順序の制御部分と、熱源と、廃棄物取扱部品とを格納する反応 室を備えている。反応室は安定的な化合物を安全に付着させるために制御された 環境を提供する。反応室境界は水晶、ステンレス鋼、アルミ、もしくは非反応性 ガス（例えば窒素）のブランケットであってもよい。市販のエピタキシャル付着 反応室は主としてガス流に応じて３つの種類のうちの一つであればよい。

水平形装置内ではガス流は反応室の一端内を水平に流れ、ウェハを横切って他端 から流出する。直立形装置の場合、ガスは頂部からウェハ方向に垂直に流れ、サ セプタは正規に回転してより均一な温度とガスの分布を提供する。円筒形もしく は筒形反応装置の場合、ガスは頂部から反応室内へ垂直に流れ回転サセプタ上の ウェハ上を通過する。

冷却熱ＣＶＤ装置内での加熱は無線周波（ＲＦ）エネルギー、紫外線（ＵＶ）も しくは赤外線（ＩＲ）帯域内の輻射エネルギー、もしくは抵抗加熱法によって行 われる。ＲＦ加熱されるサセプタではＲＦコイル内のエネルギーはシリコンカー バイドをコーチングしたカーボンサセプタ内に連結されウニノ１は熱伝導により 加熱される。輻射ＵＶもしくはＩＲによる加熱は高照度ランプを使用してウェハ とそのホルダを加熱することによって行なわれる。室壁は反応室の温度が大きく 上昇しないように冷却する必要がある。エピタキシャル蒸着装置ではエピタキシ ャル蒸着が行なわれるように周到に制御された環境が必要とされる。

エピタキシャル反応室内に使用される種々のガスは反応室がすべての運転後に雰 囲気に開放される場合各蒸着の開始時と終りに使用される非反応性パージガスを 包含する。

上記の非反応性のパージガスは通常窒素であるが、反応室から不都合なガスを流 出させる。キャリアガスは実際の成長サイクル前後について使用される。同ガス はウエノ１のエツチング、成長、もしくはドーピングに使用されるガスと混合さ れる。

キャリアガスとしてはヘリウムが時々使用されることがあるが、水素が最もしば しば使用される。シリコンの薄い層を存在する異物もしくは結晶による損傷と共 にウェア１表面から除去するためには実際のエピタキシャル付着に先立ってエツ チングガスを使用することが可能である。エツチングはエピタキシャル薄石工程 を核化もしくは開始するための原子部位を準備する。

エピタキシャル蒸着用のソースガスはシラン（Ｓ　ｔ　Ｈ４）　、ジクロロシラ ン（Ｓ　Ｉ　Ｈ２Ｃ１’　２　）、トリクロロシラン（ＳｉＨＣｌｌ　ｓ　）、 シリコンテトラクロライド（ＳｔＣｆｆ４）を含む。エピタキシャル蒸着に通常 使用されるドーパントガスはアルシン（Ａ　ｓ　Ｈ３）　、ホスフィン（ＰＨ３ ）、ジボレン（Ｂ２　Ｈｅ　）を含む。エツチングガスは普通ＨＣρである。

従来の全てのＣＶＤ装置、殊にエピタキシャル蒸着法における固有の問題点は処 理すべきウエノλ面上に不均一に付着したり、処理前に反応室内に汚染物質が存 在したり、反応室の内壁上に壁付着物が形成されたり、加熱されたサセプタおよ びその支持構造上に反応性薬品が付着したりガス速度分布やガス密度分布が制御 できないためにガス流特性が効率的でなく処理時間が遅く不均一に蒸着すること 等である。

これらの問題点はバッチ処理装置から一枚つエノ１もしくは一層重要になってい る。一枚のウェハ処理装置の場合、多くの被処理ウェハと共に反応室内を正規に 流れる同じガス容量は一枚のウェハについて余りに多くの反応ガスが消費される ため使用することができない。バッチを処理するサイクルタイムは一枚のウェハ を処理するには余りに長すぎる。一枚のウェハ処理はサイクルタイムを最小にす るためにずっと高速の蒸着速度を必要とする。一枚のつ二ハの処理の場合、反応 副産物からの付着物はバッチ処理における場合よりもウエノ１一枚単位でずつと 急速に増大する。それ故、需要者は粒子汚染の低下を増々要望し反応室は頂板、 同頂板に平行な底板、全体として矩形の断面により中空の内部を形成するために 頂板と底板とを接続する側部、反応室の一端における反応ガス入口、およびガス をそこから排気するための反応室の反対端に設けられたガス圧口とを有している 。キャビティを形成するウェルは底板から垂下して底板の面より若干上部か同面 もしくはそれより若干下部にサセプタを位置決めするためのサセプタ支持体を格 納する。サセプタを位置決めするためにウェルを使用すると頂板と底板間の間隔 を小さな断面積を提供するのに正規の距離のほぼ２分の１に短縮することができ る。

小さな断面積は均一な流速で供給される反応ガスの速度を著しく大きくしてエピ タキシャル蒸着作業に必要な処理時間を著しく少なくすることができる。

反応室の代替例では拡大室をサセプタ下流に設はサセプタと同サセプタを支持す る手段を格納しサセプタとその支持構造に何時でも接近することができるように なっている。

内側方向にカーブした辺縁を有する水晶光てもしくはプレートを使用することに よってサセプタの円周の一部を部分的に包囲してその間に狭いギャップを提供す るようにすることができる。

内側にカーブした辺縁は反応室の長手方向軸に沿った中心のギャップを著しく狭 めガスの速度分布を所定分布に成形するために室の側部方向に向かう両方向にギ ャップを広げウェハ上の蒸着の均一度を最適にするように形成もしくは寸法取り することができる。

本発明の第一次的な目的は一枚のウェハの化学蒸着処理において改良形の反応室 を提供することである。

本発明のもう一つの目的は反応ガスの速度分布を制御してウェハ上に均一な蒸着 を確保することである。

本発明の更にもう一つの目的は処理時間が速く反応ガスを浪費しない一枚のウェ ハのＣＶＤ反応室を提供することである。

更にもう一つの本発明の目的はサセプタ下部の付着物を少なくするウェハ一枚の ＣＶＤ反応室を提供することである。

本発明め目的はウェハ一枚毎に消費されるキ＋リアガスの流れを少なくする装置 を提供することである。

本発明のこれらおよびその他の目的はその説明が進むにつれて当業者にとって明 らかになろう。

図面の簡単な説明 以下、本発明を以下の図面に関してより特殊かつ明瞭に説明する。

第１図はエピタキシャル蒸着反応室の部分断面図である。

第２図は第１図に示す反応室の斜視図である。

第３図はエピタキシャル蒸着反応室の代替例の断面図を示す。

第４図は第３図に示す反応室の斜視図である。

第５図は第１図に示す反応室の底板上に配置された水晶板を示す部分断面図であ る。

第６図は第５図に示す円で囲んだ部分の拡大図である。

第７図は第５図に示す別の円で囲んだ部分の拡大図である。

第８図は第５図に示すサセプタ、ウェハおよび水晶板の上面図である。

第９図は第３図に示す反応室の底板上に配置した水晶板を示す断面図である。

第１０図は第９図に示す水晶板とサセプタの部分上面図である。

実施例の詳説 第１図は本文中で小面積で深いウェルの反応室１１と称されるエピタキシャル蒸 着反応室の断面図を示す。

上記反応室は頂板１３ど底板１５を備え、その各々は長尺の、全体として矩形で 実質上平面状の水晶板で可視的で短い波長輻射に対して実質上透過性であって一 部、冷却壁反応器を形成するようになっている。

反応室１１は反応ガス人口２１を有する前端１９と消費ガスの出口２５を有する 後端２３を備える。ガスの流れは矢印２７で示しである。

円形アパーチャ８１は底板１５の側部方向中心内に配置される。円筒壁３５とそ の内部に形成された、中心アパーチャ３９を有する底部８７を含む円筒ウェル８ ８はアパーチャ３１から垂下してキャビティ３６を形成する。アパーチャ３９の 中心上、キャビテイ３６０頂部内、およびアパーチャ３１の少なくとも一部内に はサセプタ組成体が位置決めされている。サセプタ組成体はウェハ４５、台４７ およびアパーチャ３９内を台から駆動手段（図示せず）に垂下するシャフト４９ を取り外し可能に位置決めするために平面状の頂面５１を有するサセプタ４３を 備えている。密封するためにアパーチャ３９内のシャフト４９の周囲にガスケッ トもしくはシールを配置してもよい。即ち、従来のベアリングを使用してもよい 。サセプタの円周５９とアパーチャ３１を形成するリップ５５間には環状の隙間 ５３が形成される。

反応ガスは反応室１１の中間部２９内を流れ、ガスの流れの大きな部分はウェハ ４５の上面上を通り、若干の部分（図示せず）は隙間５３内を下部方向に流れキ ャビティ３６内に入りそこから流出する。キャビティ３６内の何れの反応ガスも サセプタ組成体４１とウェル３３の加熱された下側上に不都合な化学的コーチン グもしくは付着物を形成する虞れがある。これらの付着物は汚染問題や、掃除の ための時間損失や、装置等の効率の低下をひきおこす虞れがある。

頂板１３の内側面６３と底板１５の内側面６５間で計測した垂直方向の距離すな わち高さ“ｄｌ”は従来技術の蒸着装置において使用される距離のほぼ半分であ る。反応室１１の少なくとも入口部分の高さを小さくするとガスが流れる断面積 は小さくなる。高さが小さくなると普通反応室がサセプタ組成体４１を格納する 危険を防止することができよう。ウェル３３はキャビティ３６内にサセプタ組成 体を格納しウェハ４５を底板１７と実質上同一面となるか、もしくは底板１７の 若干垂直方向に上部に配置されたウェハ４５を配置するために必要とされる追加 的なスペースを提供することによってウェハ上に最適の蒸着量を得ることができ る。深さは高さ“ｄｌｏと等しいかそれよりも若干大きくしてもよい。

小さな入口２１の目的は所与の蒸着量に対して必要とされるガスの流れをほぼ半 分もしくはそれ以上少なくすることである。

ウェル３３の深さがｄｌより若干大きいと仮定すると、更に太きな効率を実現す ることができる。

第２図には一対の側部７１が、頂板１３と底板１５の辺縁部を相互接続して矩形 の断面と全体として中空の内部を有する長尺で箱状の構造を形成する様子が描か れている。

反応室１１の前端１９は組合せゲートと反応ガス射出ポート７５に隣接して配置 されたフランジ７７を備える。

後端２３は反応室内から消費ガスを排気するための出口２５を包囲するフランジ ７３を備えている。長尺のチューブ７９は円筒壁８０と、内側８４およびパージ ガス８０８６を有し底部３７内のアパーチャ３９から垂下している。

第３図は本文中に述べたエピタキシャル蒸着反応室８１の第２例を示す。反応室 は全体として２倍高さ反応室と称することにする。それは水晶製の、長尺で全体 として矩形、実質上平面状の底板８３を備えている。同底板は高周波輻射エネル ギーを透過し、内部のサセプタとウェハの如きエネルギー吸収材料が加熱される 間冷却状聾に留まっている。前２１９と中間部分２９間には前底板８５が配置さ れる。前庭板の端からは直立壁８７が下部方向に垂下し長尺の全体として矩形の 実質上平面状の水晶後底板で終了する。第２の底板の中間部分２９内には円形の アパーチャ４１が形成される。チューブ９１はアパーチャから垂直下部方向に垂 下している。シャフト４９は台４７、サセプタ４３およびウェハ４５を支持する チューブ内を垂直下部方向に垂下する。

パージガスはチューブ９１の壁９９により形成された入口へ供給されパージガス はチューブ内の内側９３へ搬送された後反応室８１の内側へ入る。パージガスの 流れは矢印９７で示す。反応室の前端１９はフランジ１０１と反応ガス射８ポー トを備える。ゲート組成体１０３は反応ガスを入口２１を通って射出するために フランジ１０１に対して衝合する関係に取付けられる。同様にして、反応室の後 端２３はフランジ１０５と消費ガスの８口２５を存す６ゲ一ト組成体１０７を備 える。前底壁８５との接合部における直立壁８７の上端はリップ１０９と称する 。リップとサセプタ４５の円周５９間の領域はその間にギャップ１１０を形成す る。同ギャップのため前端１９の内部からサセプタ４８下部の内部１１１ヘガス が流れることが可能になる。

頂板８３と後部底板８９間の垂直方向の高さは頂板８３の内側面内側と前部底板 ８５の内側表面１１７内側との間で垂直方向距離として測った前端の高さの２倍 にほぼ等しいか若干大きい（第３図参照）。

反応室８１の前端１９はゲート組成体１０３と共働関係に配置されたフランジｌ ｏｔ内で終了する。反応室の後端２３はガス圧口２５を包囲するフランジ１０５ を備える。前部底板と前端１９とはカーブした直立壁３５により下流で終了して いる。頂板の内側面１１９と後部底板８９の内側面１２０間で測った反応室の後 部の高さは前端１９の高さの２倍に等しいかそれよりも若干大きい。

第５図は蒸着プロセスを改良すると共にサセプタ４３下部の不都合な化学付着物 を除去するか少なくとも著しく少なくするための反応室の更にもう一つの例を示 す。ウェル３３の水平面積は底板１５の面に沿い前端１９からサセプタ４３方向 へ延びる水晶板１２１により小さくなっている。水晶板はウェルのリップ６１を 過ぎた延長部１２２を備えギャップ５３をサセプタの辺縁１２７と円周５９間の 比較的狭いギャップ１２５にまで小さくするようになっている。

ギャップ１２５は反応ガスがギャップ内を通りサセプタ下部を通過してその上部 に不都合な付着物を形成する可能性を制限する。

第６図はウェハ４５上を通る反応ガス（矢印２７）を示し、矢印２８はギャップ １２５を通りキャビティ８６内へ入る反応ガスの小部分を示す。（矢印２８で示 した）反応ガスはサセプタ下部と支持体部品上に不都合な付着物を生じさせてウ ェハ４５を汚染する虞れがある。

水晶板の代替例が第７図に示されている。個々の水晶板はリップ６１を張出した 底板１５の延長部１２９と交換できる。延長部は後端１４５の辺縁部１３１で終 了し、水晶板１２１の辺縁部１２７のそれと識別される構造を備えている。

第７図に示す実施例により得られる結果は第６図に示す実施例の場合に得られる ものと実質上同一である。

辺縁部１３１は中心部１４３におけるサセプタ４３の円周５９により最も狭幅の ギャップを形成するような形をしている。サセプタ４３の後端１４５と円周５９ ０間のギャップは非線形である。ギャップ１４５は狭く長芋方向軸１５１から反 応室側部方向へ番号１４７で示した最大幅に側部方向外側方向へ広がっている。

後端１４５はサセプタの円周５９の一部を少なくとも一部包囲し、同円周の殆ん ど１８０°を事実上包囲している。ギャップは中心゛部分１４３から側部方向に 各方向に延びるにつれて連続的に広がっている。中心部分におけるギャップ狭さ は反応ガスがその内部を通過しサセプタ４３下部に不都合な付着物を形成する可 能性を少なくする。

更に、小さなギャップはその上部の反応ガスの流れに対して積極的な影響をつ（ りだし、その上部を通過する反応ガスの速度分布を一部形成しなおしてウェハ４ ５の表面上により均一な付着物が形成されるようにする働きを行う。

第９図は第３図に示したものと類似した２倍高さ反応室８１を示す。水晶板１２ １はその下面１１８を前端１９とサセプタ４３間の前部底板８５の上面１１７上 においた形に配置される。水晶板の延長で平行に張出させ水晶板の辺縁１２７と サセプタ４３の円周間のギャップ１２５を小さくする。反応室の後端２３の高さ は反応室の前端の高さの２倍とほぼ等しくなっている。サセプタ、ウェハ、台、 およびシャフトを取付けるに必要なスペースを提供する他に、後端部における反 応室の高さはサセプタ組成体と水晶板１２１を取付けるために十分な接近空間を 提供する。

第１０図は第９図に示す反応室の一部の一部上面図であって、サセプタ４３の延 長部の辺縁１２７とサセプタ４３の円周５９間のギャップを示す。水晶板は前端 と一対の平行側部１３７　、１３９を有する様子が描かれている。後者は前端１ ４１に対して全体として垂直で反応室の側部に対して全体として隣接している。

後端１４５は円周５９により狭いギャップ１２５を形成している。ギャップは長 手軸１５１と符合する中心部分１４３を備え、中心部分から側部方向にギャップ の反対端１４３の最大ギャップへと広がっている。辺縁１２７はギャップを非線 形に形成するような形をしている。サセプタの周囲の１８０度未満の弧は辺縁１ ２７により包囲されている。

第９図には水晶板１２１の変形が示されており、それはリップ６１を超え内部１ １１へ至る前部底板８５の点線形の水平延長部により示されている。この延長部 は水晶板１２１と同様の働きを行う。

望ましい実施例では、反応室の頂板、底板および側部は反応室の内側を加熱する ために使用される種類の輻射を透過する水晶その他の適当な材料から成っている が、普通、その材料は水晶である。台、垂下シャフト、チューブ材、および水晶 板の材質は溶融水晶でもよいのが普通である。

サセプタは普通、その外側面上にシリコン力−ノ（イドの薄いコーチングを有す るグラファイト（カーボン）本体を備えるのが普通である。グラファイトは加熱 に脆い。はとんど全てのエピタキシャルシリコン蒸着法に使用される反応ガスは 塩素もしくは水素もしくはその両者の組合せの何れかである１個のシリコン原子 と４個の他の原子を含む化合物である。上記の４個の最も一般的に使用されるシ リコン源はシラン（Ｓ　ｉ　Ｈａ　）、ジクロロシラン（Ｓ　ｉＨ２Ｃｌ３）、 トリクロロシラン（Ｓ　ｉ　ＨＣｆｌ　３　）　、およびシリコンテトラクロラ イド　（Ｓ　ｉ　Ｃｌ４）から成る。同様にして、エピタキシャル層の導通性と 抵抗性の種類を制御するため最も普通に使用されるガスは既に反応室内に存在す るガスと互換性を有する必要がある。

これらはドーパントガスと称され、最も一般的に使用されるものはアルシン（Ａ ｓＦ３）、フォスファイン（ＰＨ３）およびシボレン（Ｂ２　Ｈ６）を含む。

サセプタの高さと隣接しあう底板の高さとの間の垂直方向スペースを最適にする ためにサセプタを支持するシャフトと台は上下して最適な装置動作を行わせるこ とができる。

更に、シャフトを回転してす七ブタとその上部に分解自在に取付けられたウェハ を回転させ蒸着プロセス中の欠陥をならし、ウェハ表面上に真に均一な蒸着を提 供するようにすることが可能である。進入する反応ガスの速度分布を形成する重 要性は上流から下流に線形の厚さ分布かウェハ表面上に真に均一なコーチングを つくりだすことである。もしウェハが回転すると、線形蒸着はならされ真に均一 な蒸着効果が得られることになろう。

水晶板や最も狭いギャップの如き種々の特徴は蒸着の均一度を最適にするだけの 速度分布をつくりだしたり成形する傾向を有する。

従来技術に対してサセプタ上流の反応室の断面積が小さいことはガスの流れの速 度を著しく大きくし処理時間を小さくし浪費されるガスを少なくし蒸着プロセス を行うために必要なガス量を少なくする働きをする。かくして、特に一度に一回 一枚のウェハを処理するプロセスの効率は向上する。

ＦｒＧ、２ Ｆｘｇ、４ ＦＩＧ。３ ＦＩＧ。１０ 国際調査報告　。、、、、／＋ＩＧＧＩｎ！／。５，１１−

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．ウエハを処理する化学蒸着装置において、ａ）反応ガスをそれぞれ受取り排 気する入口と出口と、上記入口の下流を延びる庭坂を有し、同底版が末端辺縁を 備えるようになった反応室と、 ｂ）同反応室内での処理中ウエハを支持するサセプタで上記底板の上記末端辺縁 の下流に配置されたものと、ｃ）上記サセプタを受取るための上記底板の末端辺 縁に近接して配置されたウェルと、 ｄ）上記サセプタを上記底板に対して垂直に配置するための手段と、 ｅ）上記反応室を周期的に清掃する手段と、の組合せよりなる前記装置。
2. ２．上記底版の末端辺縁と上記サセプタの円周間に水平方向ギャップが存在し、 上記末端辺縁が周ギャップの輪郭を形成してウエハを横切る反応ガスの流れの速 度分布を制御するような形をした請求範囲第１項記載の化学蒸着装置。
3. ３．上記末端辺縁が上記サセプタの円周上の最上流点から各側部方向へ至るギャ ップの拡大を形成する請求範囲第２項記載の化学蒸着装置。
4. ４．上記末端辺縁が反対方向に非線形にギャップを拡大するような形をした請求 範囲第３項記載の化学蒸着装置。
5. ５．上記底版から上記サセプタの円周付近で終了する後端へ下流方向に延び上記 サセプタの上記後端と円周間に水平方向ギャップを形成する水晶板を備え、ウエ ハを横切る反応ガスの流れの速度分布を制御する請求範囲第１項記載の化学蒸着 装置。
6. ６．上記配置手段が上記サセプタを上記反応室内の一定の高さに配置しウエハを 実質上上記底板により形成された面内に配毒する請求範囲第１項記載の化学蒸着 装置。
7. ７．上記ウェルが上記出口へ下流方向に延びる請求範囲第１項記載の化学蒸着装 置。
8. ８．上記ウェルの上流の反応室の内側高さが上記ウェル下流の反応室の内側高さ の２分の１オーダである請求範囲第７項記載の化学蒸着装置。
9. ９．上記底板の末端辺縁と上記サセプタの円周との間に水平方向ギャップが存在 し、上記末端辺縁がギャップを輪郭づけるような形をしギャップを上記サセプタ 円周上の最上流点から各側部方向へギャップを大きくすることによってウエハを 横切る反応ガスの流れの速度分布を制御する請求範囲第８項記載の化学蒸着装置 。
10. １０．上記底板から上記サセプタの周囲付近で終結する後端へ下流方向に延び上 記後端と上記サセプタの円周間に水平方向ギャップを形成する水晶板を備え、上 記ギャップの幅が上記サセプタの円周上の最上流点から反対方向に側部方向に延 びウエハを横切る反応ガスの流れの速度分布を制御する請求範囲第８項記載の化 学蒸着装置。
11. １１．反応室内でウエハを処理する方法において、ａ）入口の下流を延び末端辺 縁で終結する底板を備えた反応室のそれぞれ入口と出口を通って反応ガスを受取 り排出し、ｂ）底板の末端辺縁下流のサセプタ組成体上にウェハを支持し、 ｃ）サセプタ組成体を底板の末端辺縁に近接配置されたウェル内に配置しサセプ タが入口と出口間の反応ガスの流れの主流内にないようにし、 ｄ）ウエハを横切る反応ガスの流れの速度分布を制御する、段階より成る前記処 理方法。
12. １２．サセプタ組成体の下流の反応室の断面積を２倍だけ大きくする段階を含む 請求範囲第１１項記載の反応室内でウエハを処理する方法。
13. １３．サセプタ組成体の下流位置からウエハに接近する段階を含む請求範囲第１ ２項記載の反応室内でウエハを処理する方法。
14. １４．底板の末端辺縁とサセプタ組成体のサセプタの円周との間に水平方向ギャ ップが存在し、上記制御方法がギャップをサセプタ円周上の最上流点から各方向 に側部方向に拡大する段階を含む請求範囲第１１項記載の反応室内でウエハを処 理する方法。
15. １５．底板から下流方向に延び円周から変位した末端で終結する水晶板を備えそ の間にギャップを形成し上記制御段階がギャップをサセプタの円周上の最上流点 から側部方向に各方向に拡大する段階を含む請求範囲第１１項記載の反応室内で ウエハを処理する方法。