JPH04348031A - 化学気相成長装置 - Google Patents

化学気相成長装置

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JPH04348031A
JPH04348031A JP3160349A JP16034991A JPH04348031A JP H04348031 A JPH04348031 A JP H04348031A JP 3160349 A JP3160349 A JP 3160349A JP 16034991 A JP16034991 A JP 16034991A JP H04348031 A JPH04348031 A JP H04348031A
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gas
reaction
semiconductor wafer
head
chemical vapor
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Akimasa Yuki
昭正 結城
Takaaki Kawahara
孝昭 川原
Toru Yamaguchi
徹 山口
Kouichirou Tsutahara
晃一郎 蔦原
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Mitsubishi Electric Corp
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、被処理物としての半
導体ウエハに薄膜を形成する場合に使用して好適な化学
気相成長装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の化学気相成長装置として
は、例えば特開平２−２８３６９６号公報に示すものが
ある。図１３はこのような従来の化学気相成長装置を示
す断面構成図であり、図において、２は反応生成膜（図
示せず）が形成される半導体ウエハ１を保持する加熱用
のステージ、３はこのステージ２を加熱するためのヒー
タ、４は反応ガスによって薄膜が形成される半導体ウエ
ハ１を枚葉で処理する反応室、５はステージ２と間隔を
もって設けられ、反応ガスＢを供給するための多数のガ
ス吹出口６を有するガスヘッド、７は反応室４を囲む反
応室側壁、８は排気リング、９は排気室、１０は反応室
側壁７に設けられ排気Ａを導出するための排気口、１１
は排気排出口、１２は排気フランジ、１３は排気抵抗板
、１４はステージ２の熱が伝導により外部に逃げるのを
防ぐためと、ステージを回転させるためのステージすき
まである。また、１５はＮ２　吹出口、１６はＮ２　吹
出リングである。
【０００３】このように構成された従来の化学気相成長
装置においては、予めステージ２上で加熱された半導体
ウエハ１に対して、ガス吹出口６から吹き出された反応
ガスＢを供給することにより、半導体ウエハ１上に反応
生成膜を形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来の化学気相成長装
置は以上のように構成されているので、反応生成膜の成
長速度がガスヘッド５より半導体ウエハ１に供給される
ガス濃度に依存することから、反応生成膜の膜厚を均一
にする場合に、半導体ウエハ１上の任意の部位で反応ガ
スＢの濃度を安定かつ均一にするために反応ガスＢの流
れを安定かつ均一にする必要があった。
【０００５】また、反応ガスＢは気相反応により反応生
成物Ｄを生じ、これが反応室内壁各部に付着し、そのの
ち内壁部よりはがれ落ちて、半導体ウエハ１上に付着す
るので、製品の歩留り低下の原因となっていた。あるい
は、歩留まり低下を避けるために、反応生成物Ｄを除去
するための反応室の掃除を頻繁に行なわなければならず
、生産性が低下するという問題点があった。このため反
応生成物Ｄの発生を減らし、かつ排気Ａとともに反応室
４から外へ出す必要があった。
【０００６】この発明は、上記のような問題点を解消す
るためになされたもので、反応室内の反応ガスの流れと
組成を制御することができ、もって均一の膜厚をもつ反
応生成膜を得ることができ、更に反応室内部への異物の
付着を減少させることのできる化学気相成長装置を提供
することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この発明に係る化学気相
成長装置は、反応ガスを供給するガスヘッドを多分割し
、中央部から反応ガスを供給し、端部から不活性ガスを
等しい吹き出し速度で供給するものである。
【０００８】
【作用】この発明における化学気相成長装置は、ガスヘ
ッドの端部の反応ガスを不活性ガスに置きかえることが
できるため、反応室内の流れを乱すことがなく、均一な
膜が成膜できる。しかも、ウエハ表面から遠く離れた地
点での無駄な反応が抑制されるため、反応室内壁に付着
する異物の発生を減らすことができる。
【０００９】
【実施例】
実施例１．以下、この発明を図に示す実施例によって詳
細に説明する。
【００１０】図１はこの発明の一実施例による化学気相
成長装置を示す構成図、図２はこの発明の一実施例によ
る化学気相成長装置の反応室内の流れを示す説明図であ
る。図中、図１３と同一の部材については同一の符号を
付し、説明は省略する。図１、図２において、６ａと６
ｂは仕切り１７を設け、それぞれＮ２　ガス（不活性ガ
ス）Ｃと、反応ガスであるＴＥＯＳとＯ３　を含むＮ２
　ガスＢを噴出するガス吹出口である。それぞれ均一で
、しかも、等しい速度でガスが吹き出されているため、
反応室内の流速分布は、図２に示すように、単一吹出口
をもつ従来のガスヘッドを用いた反応室と同様であり、
均一な厚さの速度境界層と温度境界層が形成される。図
中、Ｅは反応ガス濃度の境界線、Ｆは温度分布の境界線
、Ｈは無駄な反応の発生領域を示している。ＴＥＯＳ−
Ｏ３　混合気の反応が活発になるために必要な温度の境
界を示す温度境界線Ｆは、ステージ表面にほぼ平行して
存在している。
【００１１】一方、ウエハ表面近傍のＴＥＯＳ−Ｏ３　
濃度は、仕切り１７の半径が調節されており、周囲Ｎ２
　の影響を受けず、単一吹き出しの場合と同様である。 ただし、ウエハ表面から離れた地点においては周囲Ｎ２
　により希釈されるため、ＴＥＯＳーＯ３　濃度は低下
している。
【００１２】この時、周辺部での温度は、ＴＥＯＳーＯ
３　が反応するのに充分高いが、ＴＥＯＳーＯ３　濃度
が低いため反応生成物が発生しない領域Ｈが生じる。従
来の単一吹き出しの場合は、この領域はウエハ１への成
膜に寄与しない無駄な反応の起きる領域であるので、こ
の発明より反応室内壁に付着する反応生成物Ｄの生成量
を低減することができる。
【００１３】ここで、ガスヘッド５中央部の反応ガスＢ
を供給する部分と、外周部のＮ２　ガスＣを供給する部
分の大きさと、半導体ウエハ１上に形成される膜厚の分
布について実際のデータをもとに説明を行なう。
【００１４】図３は中央部の反応ガス供給部の径が１１
０ｍｍ、全体の外径が１５０ｍｍの円形のガスヘッド５
と、それに７ｍｍの間隔をもって対向する半導体ウエハ
１とステージ２を示す説明図であり、図４は図３の状態
で成膜を行なった時に半導体ウエハ１上に形成された反
応生成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図である。同じく図５は
中央部の反応ガス供給部の径が９０ｍｍ、全体の外径が
１５０ｍｍの円形のガスヘッド５と、それに７ｍｍの間
隔をもって対向する半導体ウエハ１とステージ２を示す
説明図であり、図６は図５の状態で成膜を行なった時に
半導体ウエハ１上に形成された反応生成膜の膜厚分布を
示す鳥瞰図である。
【００１５】図４は図３において、反応ガスＢのガスヘ
ッド５上の平均流速と、Ｎ２　ガスＣのガスヘッド５上
の平均流速を同じ（約２６ｍｍ／ｓｅｃ）にして成膜を
行なったときの、半導体ウエハ１上に形成された反応生
成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図で、これによると半導体ウ
エハ１上の中央部と外周部の膜厚が等しく、ガスヘッド
５の中央部より供給された反応ガスＢが半導体ウエハ１
の全面に達したのがわかる。
【００１６】図６は図５において、反応ガスＢのガスヘ
ッド５上の平均流速と、Ｎ２　ガスＣのガスヘッド５上
の平均流速を同じ（約２６ｍｍ／ｓｅｃ）にして成膜を
行なったときの、半導体ウエハ１上に形成された反応生
成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図で、これによると半導体ウ
エハ１上の中央部に比べて外周部では膜厚が低下してお
り、ガスヘッド５の中央部より供給された反応ガスＢが
半導体ウエハ１の全面には達せず、半導体ウエハ１の外
周部にはガスヘッド外周部からのＮ２　ガスＣが拡散に
より達しているために、膜厚が薄くなっているのがわか
る。
【００１７】以上の結果より、このガスヘッド５と半導
体ウエハ１の間隔が７ｍｍで、ガスヘッド５の外径が１
５０ｍｍの場合、ガスヘッド５中央部の反応ガス供給部
の大きさが１１０ｍｍ径までは供給された反応ガスｂが
半導体ウエハ１上の全面に達し、均一な厚さの反応生成
膜が形成されるが、それ以下の大きさではガスヘッド５
中央部の反応ガス供給部から供給される反応ガスｂが半
導体ウエハ１の全面に達しなくなるために、半導体ウエ
ハ１の周辺部で膜厚が低下する。
【００１８】よって、上述のガスヘッド５と半導体ウエ
ハ１の間隔、及びガスヘッドの外径の時では、ガスヘッ
ド５中央部の反応ガス供給部の大きさは１１０ｍｍ径ま
で小さくでき、その面積に応じた分だけ半導体ウエハ１
上に達せずに排気されていた、成膜に寄与しない反応ガ
スＢを減少させることができる。
【００１９】ただし、ガスヘッド５中央部の反応ガス供
給部の、半導体ウエハ１上に均一に成膜できる最小の大
きさは、ガスヘッド５と半導体ウエハ１の間隔、ガスヘ
ッドの外径、及びガスの供給量によって決まるもので、
上記の値に限定されるものではない。
【００２０】次に、ガスヘッド５中央部の反応ガス供給
部からの反応ガスＢのガスヘッド５上の平均流速と、ガ
スヘッド５外周部からのＮ２　ガスＣのガスヘッド５上
の平均流速の比と、半導体ウエハ１上に形成される反応
生成膜の膜厚の分布について実際のデータをもとに説明
を行なう。
【００２１】図４、図７、図８は各々前記図３の構成で
、ガス流速を変えて成膜を行なったときに、半導体ウエ
ハ１上に形成された反応生成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図
である。
【００２２】図４は上述したように、反応ガスＢのガス
ヘッド５上の平均流速と、Ｎ２　ガスＣのガスヘッド５
上の平均流速の比を１：１にして成膜を行なった時の膜
厚分布で、これによると半導体ウエハ１上の中央部の膜
厚と外周部の膜厚は等しくなっている。
【００２３】図７は図３において、反応ガスＢのガスヘ
ッド５上の平均流速と、Ｎ２　ガスＣのガスヘッド５上
の平均流速の比を１：０．７７にして成膜を行なった時
の膜厚分布で、これによると半導体ウエハ１上の中央部
の膜厚に対して外周部の膜厚は薄くなっている。これは
、ガスヘッド５の外周部より供給されるＮ２　ガスＣの
流速が、ガスヘッド５中央部より供給される反応ガスＢ
の流速に比べて小さいため、反応ガスＢとＮ２　ガスＣ
の境界がＮ２　ガスＣの流れによって半導体ウエハ１へ
押し上げられるのが弱くなるので、半導体ウエハ１上の
外周部で反応ガスＢの濃度が薄くなるためである。
【００２４】図８は図３において、反応ガスＢのガスヘ
ッド５上の平均流速と、Ｎ２　ガスＣのガスヘッド５上
の平均流速の比を１：１．１９にして成膜を行なった時
の膜厚分布で、これによると半導体ウエハ１上の中央部
の膜厚に対して外周部の膜厚は厚くなっている。これは
、ガスヘッド５の外周部より供給されるＮ２　ガスＣの
流速が、ガスヘッド５中央部より供給される反応ガスＢ
の流速に比べて大きいため、反応ガスＢとＮ２　ガスＣ
の境界がＮ２　ガスＣの流れによって半導体ウエハ１へ
押し上げられるのが強くなるので、半導体ウエハ１上の
外周部で反応ガスＢの濃度が濃くなるためである。
【００２５】以上の結果より、ガスヘッド５中央部の反
応ガス供給部から供給される反応ガスＢのガスヘッド５
上の平均流速に対し、ガスヘッド５外周のＮ２　ガス供
給部から供給されるＮ２　ガスＣのガスヘッド５上の平
均流速を変化させることによって、半導体ウエハ１上に
形成される反応生成膜の外周部の膜厚を、中央部の膜厚
に対して変化させることができる。
【００２６】よって、なんらかの要因で半導体ウエハ１
上に形成される反応生成膜の膜厚に円周方向の不均一が
生じた場合、ガスヘッド５外周部のＮ２　ガス供給部か
ら供給されるＮ２　ガスＣの流速を変化させて、膜厚の
不均一を打ち消す方向に膜厚を変化させることによって
、半導体ウエハ１上に形成される反応生成膜の膜厚分布
を均一にすることができる。
【００２７】実施例２．図９はこの発明の第２の実施例
による化学気相成長装置を示す断面構成図であり、図中
、図１と同一の部材については同一の符号を付し、説明
は省略する。図において、６ａと６ｃはＮ２　ガスを噴
出するＮ２　ガス吹出口、６ｂは反応ガスであるＴＥＯ
ＳとＯ３　を含むＮ２　ガスを噴出する反応ガス吹出口
である。吹出口６ａと６ｂ、吹出口６ａと６ｃは仕切り
１７ａ、１７ｂで仕切られ、Ｎ２　ガス吹出口６ａと反
応ガス吹出口６ｂは均一で、しかも等しい速度でガスが
吹き出され、Ｎ２　ガス吹出口６ｃからは他の吹出口に
比べ速い速度でＮ２　ガスが吹き出される。
【００２８】例えば、外径１５０ｍｍのガスヘッドにお
いて、仕切り１７ａを９０ｍｍ径、仕切り１７ｂを１２
０ｍｍ径とし、さらにガスの吹き出し流速を６ａ：６ｂ
：６ｃ＝１：１：１．２と設定する。この場合、もし、
吹き出し流速比が６ａ：６ｂ：６ｃ＝１：１：１であっ
たなら、図６に示すように半導体ウエハ１の周辺部の膜
厚が低下するが、吹出口６ｃの流速が高いために、図８
に示されている速い吹き出し流速による膜厚の上昇の効
果により相殺され、均一な膜厚分布が実現できる。
【００２９】これにより、反応ガスの必要な供給量はさ
らに減少し、また不必要な気相での反応も抑制できる。
【００３０】実施例３．図１０はこの発明の第３の実施
例による化学気相成長装置を示す概略構成図であり、図
中、図１と同一の部材については同一の符号を付し、説
明は省略する。図において、６ａはＮ２　ガスを噴出す
るＮ２　ガス吹出口、６ｂと６ｄは反応ガスであるＴＥ
ＯＳとＯ３　を含むＮ２　ガスを噴出する反応ガス吹出
口である。吹出口６ａと６ｂ、吹出口６ａと６ｄは仕切
り１７ａ、１７ｃで仕切られ、反応ガス吹出口６ｂと６
ｄから吹き出される反応ガスはマスフローコントローラ
１９ａ、１９ｂ、１９ｃにより組成が調整され、それぞ
れの吹き出し速度の大小はバルブ１８ａ、１８ｂにより
調整される。Ｎ２　ガス吹出口６ａから吹き出されるＮ
２ガスの吹き出し速度はマスフローコントローラ１９ｄ
により制御される。
【００３１】このように構成されているので、半導体ウ
エハ１中央部の膜厚分布は図７、図８に示した吹き出し
流速による膜厚の変化の効果により、任意に制御するこ
とが可能になり、より均一性の優れた膜厚分布の実現が
可能になる。
【００３２】なお、ここでは反応ガス吹出口６ｂと６ｄ
の流速比を変化させるために、バルブ１８ａと１８ｂを
用いたが、これに限るものではなく、例えば流路抵抗の
大きな細管を設け、長さを調節することによっても流速
比を変化させることができる。あるいは、マスフローコ
ントローラをそれぞれ２組用いて流量比のコントロール
を行なっても全く同様の効果が期待できる。
【００３３】実施例４．図１１はこの発明の第４の実施
例による化学気相成長装置を示す概略構成図であり、図
中、図１と同一の部材については同一の符号を付し、説
明は省略する。図において、１９ｅは外周部のＮ２　ガ
ス流Ｃに、反応抑制ガスであるイソブテン（Ｃ４Ｈ８）
を定量的に添加するためのマスフローコントローラであ
る。
【００３４】イソブテン（Ｃ４Ｈ８）はＯ３　の熱分解
により生じたＯ原子との反応性が高いため、Ｏ原子のＴ
ＥＯＳとの反応を防ぐことができる。周辺部のＮ２　ガ
ス流Ｃに含まれたイソブテン（Ｃ４Ｈ８）は、基板から
離れた所で発生し、ＴＥＯＳと反応することにより粉の
前駆物質を発生させるＯ原子を捕獲するため、粉の発生
は減少する。
【００３５】なおここでは、反応抑制ガスとしてイソブ
テン（Ｃ４Ｈ８）を用いて説明したが、Ｏ原子を効果的
に捕獲できる化学種であれば、全く同じ効果が期待でき
る。例としては、Ｃ２Ｈ４、Ｃ３Ｈ６等の炭化水素、メ
タノール、エタノール等のアルコールがある。
【００３６】実施例５．これまでは同心円状の成膜装置
を用いて説明したが、次に連続型の化学気相成長装置に
、この発明を実施した場合について説明する。
【００３７】図１４は従来の連続型の化学気相成長装置
を示す構成図であり、図１５は同装置の成膜反応部を示
す断面構成図である。図において、１は反応生成膜（図
示せず）が形成される半導体ウエハ、２は半導体ウエハ
１を保持、搬送するステージ、３はこのステージ２とそ
れに載置されている半導体ウエハ１を所定の温度に加熱
するためのヒータ、５は反応ガスＢを半導体ウエハ１に
均一に供給するために、半導体ウエハ１に対向する面の
全面に複数のスリットを設けて構成されるガスヘッド、
２０は複数個のガスヘッド５を覆うように設置され、排
気Ａを取るための排気カバーである。
【００３８】従来の連続型の化学気相成長装置は以上の
ように構成されているので、ガスヘッド５の端の部分よ
り半導体ウエハ１に向けて供給された反応ガスＢは半導
体ウエハ１に達することなく排気Ａとして流れる。ここ
で反応ガスＢは気相反応により反応生成物Ｄを生じ、こ
の反応生成物Ｄがガスヘッド５や排気カバー２０等に付
着し、そののちはがれ落ちて半導体ウエハ１上に付着す
るので、製品の歩留り低下の原因となっていた。また、
定期的に装置を止めて反応生成物Ｄの除去を行なうため
、装置の稼働率の低下の原因となっていた。
【００３９】図１２（ａ）（ｂ）は各々この発明の第５
の実施例による連続型の化学気相成長装置を示す断面構
成図及び平面図である。ガスヘッド５は従来と同様に半
導体ウエハ１に対向する面の全面にスリットを有してい
るが、スリットの中央部からのみ、反応ガスＢが供給さ
れ、排気Ａに近いガスヘッドの両端部のスリットからは
Ｎ２　ガスＣが、反応ガスＢと同じ流速で供給される。
【００４０】この場合、ガスヘッド５の中央部から供給
された反応ガスＢは半導体ウエハ１のみに達し、成膜反
応を行なう。ガスヘッド５の両端部から供給されたＮ２
　ガスＣは、反応ガスＢと同じ流速なので、反応ガスＢ
の流れを乱すことなく、半導体ウエハ１に達しないで排
気される。
【００４１】このように、この発明によれば、従来、ガ
スヘッド５から供給されて半導体ウエハ１に達しないで
排気される反応ガスＢを不活性なＮ２　ガスＣに置き換
えているので、反応ガスＢの気相反応により発生する反
応生成物Ｄが、ガスヘッド５や排気カバー２０に付着す
ることがなく、製品の歩留まり、装置の稼働率を上げる
ことができる。
【００４２】さらに、必要な反応ガスの供給量が、反応
ガスが供給されるスリットの面積に応じて減少するため
、使用する反応ガスを節約することができる。
【００４３】なお、以上説明に用いた連続型の化学気相
成長装置の、ステージ、ヒータ、ガスヘッド、排気カバ
ー等の形状、配置はこれに限るものでなく、またガスヘ
ッド両端から供給するガスもＮ２　ガスに代わって成膜
に関与しない不活性なガスを用いてもよい。
【００４４】なお、今回は一部でＴＥＯＳーＯ３　を例
に説明を行ったが、これに限るものではなく、気相反応
を行い発塵する反応ガスを用いる場合に適用できること
は言うまでもない。また、外周部にＮ２　の代りに他の
不活性ガスを流しても、同様の効果は期待できる。
【００４５】
【発明の効果】以上のように、この発明によればガスヘ
ッドを中央部の反応ガス吹出口と端部の不活性ガス吹出
口に分離し、かつ上記反応ガス吹出口とこのガス吹出口
に隣接する上記不活性ガス吹出口から吹き出される各ガ
スの流速が同じになるようにしたので、均一の膜厚を維
持しながら、少ない反応ガスで成膜できる効果がある。 さらに、反応室内部への異物の付着を減少させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１による化学気相成長装置を
示す断面構成図である。
【図２】この発明の実施例１による化学気相成長装置の
反応室内における流れの様子を示す説明図である。
【図３】この発明の実施例１に係るガスヘッドを示す説
明図である。
【図４】図３のガスヘッドにより形成された反応生成膜
の膜厚分布を示す鳥瞰図である。
【図５】この発明の実施例１に係る他のガスヘッドを示
す説明図である。
【図６】図５のガスヘッドにより形成された反応生成膜
の膜厚分布を示す鳥瞰図である。
【図７】図３のガスヘッドにより形成された他の反応生
成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図である。
【図８】図３のガスヘッドにより形成された他の反応生
成膜の膜厚分布を示す鳥瞰図である。
【図９】この発明の実施例２による化学気相成長装置を
示す断面構成図である。
【図１０】この発明の実施例３による化学気相成長装置
を示す概略構成図である。
【図１１】この発明の実施例４による化学気相成長装置
を示す概略構成図である。
【図１２】この発明の実施例５による化学気相成長装置
を示す断面構成図及び平面図である。
【図１３】従来の化学気相成長装置を示す断面構成図で
ある。
【図１４】従来の連続型の化学気相成長装置を示す構成
図である。
【図１５】従来の連続型の化学気相成長装置の成膜反応
部を示す断面構成図である。
【符号の説明】
１　　半導体ウエハ ２　　ステージ ３　　ヒータ ４　　反応室 ５　　ガスヘッド １７　　仕切り １７ａ　　仕切り １７ｂ　　仕切り ６ａ　　Ｎ２　ガス吹出口 ６ｂ　　反応ガス吹出口 ６ｃ　　Ｎ２　ガス吹出口 Ｂ　　反応ガス Ｃ　　Ｎ２　ガス

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　反応ガスによって薄膜が形成される半
    導体ウエハを枚葉で処理する反応室、上記反応室内にお
    かれる上記半導体ウエハの主面に対向して設けられ、上
    記半導体ウエハに上記反応ガスを供給するガスヘッド、
    及び上記半導体ウエハを加熱するステージから成る化学
    気相成長装置において、上記ガスヘッドが中央部の反応
    ガス吹出口と端部の不活性ガス吹出口に分離され、かつ
    上記反応ガス吹出口とこのガス吹出口に隣接する上記不
    活性ガス吹出口から吹き出される各ガスの流速が同じに
    なるようにしたことを特徴とする化学気相成長装置。
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