JPH04504442A - 化学気相成長反応装置とその使用方法 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 化学気相成長 反応装置とその使用方法 発明の分野 この発明は、化学気相成長（ＣＶＤ）と、結晶ウェー７１のような固体サブスト レート上でＣＶＤによって物質を生成する方法とに関する。

発明の背景 化学気相成長は、集積および個別半導体装置の製造のために半導体業界において 近年発達してきたプロセスである。

典型的な製造プロセスにおいて、きわめて純粋な結晶形状におけるシリコン、ゲ ルマニウムまたは類似の物質からなる大型（２−８ｉｎ、；５０−５０−２Ｏ０ ウエーハは、導体、半導体または絶縁体として機能する多数の物質層で連続して オーバレイされる。各々の後続層は順序付けられ、かつパターン化（普通は写真 平板技術によって）されるので、層のシーケンスが複雑な電子回路構成アレイを 形成する。ウェーハ上の各々の装置は、ウェーハよりずっと小さい（一般に１ｃ ｍ２の台で）。結果として、製造進行の終わりに近い１つのステップは、ウェー ッ１を予め定められたけい線に沿って多数の個々の装置に切り分けることで、こ れは普通ｒチップＪと呼ばれる。装置はテストされ（普通はウェーハからの分離 前に）、その後電子装置に配線される。かかる装置は、玩具から兵器システム、 さらにはスーパーコンピュータにおよぶ電子装置における主要構成要素である。

上述のことはすべて既知であり、かつもちろん大幅に単純化されている。シリコ ン、二酸化珪素、添加ガラスおよび他の層物質のような物質からなる個々の層を 適用する製造ステップは、非常に複雑である。チップは非常に小さく、かつその 回路構成は非常に複雑なので、層にほんのわずかな傷または不規則性があっても 、回路パターンを中断させ、　。

かつチップを役に立たなくさせることがある。実際、ウェーハ上のかなりのパー セントのチップが、テストをするとまさにかかる理由のために欠陥があると発見 されることはよくあることである。

ＣＶＤプロセスは、２つの表面反応ステップに基づいて動作する。まず、生成さ れる化合物または要素が得られる１つ以上の反応性気体は、ウェーハ表面が生成 物質の遊離を触媒する反応条件下で、ウェーハの表面上を通過する。

（反応性気体は、反応装置に直接導入される場合もあれば、反応装置の気相にお ける所定位置で、反応によって他の導入された気体から形成される場合もある。

）ウェーハ表面での遊離反応は、２つの気体が反応して生成物質および普通は少 なくとも１つの副生物気体を産する結合反応かもしれないし、または単一の反応 性気体が分解されて、生成物質および１つ以上の副生物気体を産する分解反応か もじれない。遊離反応に続いて、第２の表面反応があり、生成物質はウェーハの 表面と化学的に結合して、一体結合を形成し、生成物質の層（または「膜」）を 構築する。気体は絶え間なくウェーハ表面を流れているので、２つの反応型式は 普通は同時に起こり、その結果、以前に遊離された生成物質はウェーハのいくつ かの領域で表面に結合している一方で、他の領域で遊離反応が起こっている。従 来のチ・ノブ製造において、このプロセスは層パターン化ステップを散在させて 、何度も繰返され、最終装置の一部である回路構成と絶縁体の多重層を構築する 。ＣＶＤ反応条件および反応装置パラメータは、もし必要な表面反応反応速度（ ｋｉＨｅｔｉｃｓ）が維持され、かつ均質でうま（結合された生成物質の層の満 足な歩留りが得られるとすれば、ある狭い制限内でなければならない。

ＣＶＤプロセス中に、多数の問題が一般に起こることが発見されてきた。多くの ＣＶＤ反応装置において、反応装置全体で均質な気体の流れを得ることは、困難 または不可能であり、反応装置内で異なった位置にあるウェーッ１は程度の差の ある生成物を受入れる。結果として、単一の反応装置動作からの１バツチのウェ ーッ１は、ウェー７１全体に渡って均質な厚さの生成層を有しないであろう。単 一のウェーハの領域上でさえ、流れの不規則はウェーッ１上の生成層が非均質で あるほどになり得る。最終装置の特性は、典型的に、層の厚さおよび組成に大き な依存を示すので、１枚のウェーハにわたる均質性や各ウェーハ間の均質性は本 質的である。

さらに、多数の反応装置において、気体の流れに実質的な乱れかあり、この乱れ により反応性気体はウェーハの表面以外で反応し、気体の流れに生成物質を形成 させ、その後ウェーハ表面上に不規則な粒子として生成させる。かかる乱流は、 以前に生成物によって覆われていたウェーハ上で気体の流れの再循環を伴うこと があり、再び膜の非均質性やウェーハ表面の汚染のような問題を生じさせる。

気体の流れが本質的に層流（レイノルズ（Ｒｅｙｎｏｌｄｓ）数によって規定さ れる）である多数の反応装置においてさえ、気相における再循環セルの形成を妨 げるために何の設備も施されてこなかった。かかるセルの存在は気体を、制御で きないほどの時間の間反応チャンバにとどまらせる。多くの反応性気体は、適当 な反応性種を形成するための予備反応を経験した後ウェーハ表面に接触するので 、かつ気体は加熱されたチャンバにいる限り、これらのおよび他の反応を経験し 続けるので、気体の流れをウェーハとの接触前後双方に制御することは、もし層 の均質性や汚染のない状懸を維持しようとするのなら、重要である。再循環はこ の制御を非常に困難にする。

ＣＶＤプロセスの動作問題に加えて、ＣＶＤ上には多くの電流制限があり、かか るプロセスがある種の膜生成のためにいつでも使用されることを妨げる。たとえ ば、ウエーハサブストレート上にＣＶＤによって金属合金を生成させることはと きとして可能であるが、これは混成の金属含有気体が同じ反応条件下で金属元素 を遊離させるために同時に反応する例においてのみ起こり得る。

ＣＶＤはまた、物質移動の考えによっても制限されることが認識されてきた。も し十分な反応性気体をウェーハの表面に当てることができれば、制限因子は、反 応速度つまり表面触媒反応の速度である。反応速度は温度とともに増加するので 、反応の１１Ｊａ１は温度制御によって得られ、かつ生成速度は温度を上昇させ ることによって上げることが可能である。しかしながら、先行技術の反応装置に おいては、過渡期温度があり、それより上がると表面触媒生成反応が非常に急速 に進行するので、反応物は十分な速さで表面と接触させられないようになり、反 応物の物質移動（つまり反応物の表面への送り出し）は、生成速度における制限 因子になる。しかしながら、物質移動は表面反応が依存しているほどは温度に依 存していないので、したがって過渡期温度を越える温度の上昇は、生成速度にお いてそれよりずっと少ない上昇になる。高い生成速度はもちろん、より速いチッ プの生産を意味するので、現存の製造プロセスは先行技術の反応装置の物質移動 制限によって生産高を激しく制限される。

また、従来の先行技術の反応装置ｔ（限定用途の大気圧コンベアベルト型以外） は、単一の反応装置動作中に１つより多い型の層を適用することを許容しない。

異なる物質の層は、反応装置から以前の反応性気体を完全に取り除いた後に、第 ２の反応性気体を導入することによってのみ適用できる。本質的に先行技術の反 応装置は、２つの層を形成するためには２回動作させなければならない。

現存の反応装置は、それらが実行できる動作の型において、またそれらか動作で きるパラメータの範囲において典型的に制限される。たとえば多くのものは狭い 圧力範囲に制限され、大気圧のみで動作できるものもあれば、低い圧力　（１０ ｔｏｒｒ以下の場合もある）でのみ動作できるものもある。反応装置の中にはプ ラズマ増強生成に制限されるものもあり、ウェーハの熱エネルギを利用するより はむしろウェーハ上の局所化プラズマに依存して化学生成反応にエネルギを供給 する。これらの後者の反応装置の典型的な例が米国特許第３．７５７．７３３号 に開示されている。かかる反応装置において、気体は加熱されたウェーハ支持プ レートの底に接触した後、ウェーハに接触するためにプレートの周りを流れる。

結果として、プラズマ援助（つまりプラズマアシストＣＶＤよりはむしろ従来の 熱ＣＶ　Ｄ）に関するより少ない熱量というよりはむしろただ熱のみが生成反応 に使用されれば、ウェーハ上よりはむしろプレート上に生成物質の広範囲にわた る生成が起こり、したがって生成反応の多くは気体がウェーハに到達さえしない うちに起こることになる。その上、プラズマ環境において半導体装置の電気的損 傷がしばしば起こり、かつ水素または他の種の膜への望ましくない取込みがしば しばあることは周知である。

さらに多くの反応装置（上述の米国特許第３．７５７．７３３号に説明されるも のを含む）はそれらが使用できる源化学製品に非常な制限があり、かつしばしば 反応性の高い気体混合物を使用できない、なぜなら反応装置条件とパラメータは 気体がウェーハに到達する前に反応したり、またはウェーハの各部分で反応の程 度が異なるようになるからである。これらの型の反応装置の他の典型的な例は米 国特許第４．４３０．１４９号に説明され、その反応装置においては、ウェーハ の均質性はウェーハを均質な環境を通経路に沿って均質でなければ、非均質な膜 生成があるであろう。２つ以上の成分が反応混合物における２つ以上の気体から 生じる状況においては、気体の濃度だけでなくその組成は、反応装置内の位置の 関数で変化するであろうし、ウェーハは膜層の深さの関数で非均質膜組成を受入 れるであろう。

しかしながら、他の制限が反応装置が一度に処理するニ一度に１つのウェーハし か処理できない。

これらのｆＩｌｌｗＩの結果は個々の先行技術の反応装置は、広範囲のいろいろ な型のＣＶＤ動作に使用することができないので、使用者は異なった型の膜の製 造を可能にするためにはいくつかの異なる型の反応装置を所有しなければならず 、コストの実質的な増加になることである。使用者はまた特定の膜特性のための 許される動作条件の範囲内で化学的性質や処理条件を最適化できない場合もある 。

したがって、ウェーハサブストレート上に純度の高い層を迅速にかつ均質に生成 させることができるＣＶＤ反応装置を所有することは、有利なことであろう。も しかかる反応装置が単一の動作においてウェーハ上に複数個の物質を生成させる ことかできれば、特にウェーハ上ではそれ以外ではかかる個々の物質をＣＶＤ処 理において結合できない場合には、また有利であろう。最後に、もし反応装置が １つの動作型式から他の動作型式へほとんどまたは何の修正もなく広範囲の動作 状態にわたって多数の異なる模型式を生成させることができれば、有利であろう 。

発明の短い概要 １つの局面においてこの発明は少なくとも１つの層の物質をウェーハサブストレ ート上に生成させるためのＣＤＶ反応装置であり、それは、 ａ、チャンバに出入りする気体通路をその周辺および中心に有する一般に環状の 反応チャンバと、ｂ、所望の温度に保つことができ、かつ水平ウェーハ支持プレ ートに関して、ウェーハ生成領域を頂上表面の下に規定する、チャンバを実質上 横切って延びるチャンバ内の水平頂上表面とを含み、 Ｃ１所望の温度に保つことができ、かつ頂上表面に関して、ウェーハ生成領域を ウェーハ支持プレートの上に規定する、チャンバ内で頂上表面の下で、かつ距離 をおいて配置されたウェーハサブストレートのための前記水平つ工−ハ支持プレ ートと、 ｄ、ウェーハ生成領域に、それから物質層かウェーハサブストレート上に生成さ れる少なくとも１つの反応性気体を供給するとともに、ウェーハ生成領域から余 剰気体や気体反応生成物を排気するための手段と、ｅ、ウェーハ生成領域を通っ て、かつウェーハサブストレート上で予め定めれた滞留時間の間に１回反応性気 体を放射状に通過させるとともに、任意のウェーハサブストレートの上で、また は反応チャンバの任意の部分を通って、ウェーハサブストレートに影響を及ぼす かもしれない任意の反応性気体、または気体反応生成物の再循環を妨げるための 流れ制御手段と、 ｆ、ウェーハ支持プレート上に位置決めされたウェーハサブストレートを加熱す るための加熱手段とを含む。

好ましい実施例において、ウェーハ支持プレートはチャンバと同軸方向に回転で きるように取付けられ、かつ反応装置は支持プレートをチャンバの中心軸につい て回転させるための手段をも含む。

しかしながら、他の好ましい実施例において頂上表面の上および／またはウェー ハ支持プレートの下に付加的な領域があり、それを通して不活性ガスが通り、か つウェーハの加熱を調整することを助ける。

他の局面において、この発明は少なくとも１つの層の物質を気体からウェーハサ ブストレート上に生成させるための方法であり、その方法は、 ａ、　一般に環状のウェーハ生成領域内に少なくとも１つのウェーハサブストレ ートを水平に位置づけることと、ｂ、　単一の通過で領域を通って、かつウェー ハサブストレートの表面を横切って放射状に反応性気体を通過させて、任意のウ ェーハサブストレートの上で、または反応チャンバの任意の部分を通って、ウェ ーハサブストレートに影響を及ぼすかもしれない任意の反応性気体、または気体 反応生成物の再循環を妨げることと、 Ｃ６所望の生成物質が加熱されたウェーハサブストレートの表面上の反応によっ て反応性気体から形成され、その後表面と結合する点までウェーハサブストレー トを加熱することと、 ｄ、　表面上の物質の生成を放射状の気体の流れを流速に維持することによって 、実質的に均質にして、各々のかかるサブストレートの上に、ウェーハサブスト レートを横切る気体の著しい横方向の拡散または減少を妨げるには著しく短い予 め定められた気体の滞留時間を生じさせることとを含む。

方法の実施例において、ウェーハサブストレートは生成方法の間、連続的にまた は断続的に反応装置の中心軸について回転し、反応装置からサブストレートを除 去することなくウェーハサブストレート上に複数個の物質または層の生成を許容 する。

方法の他の実施例において、放射状に流れる反応性気体はその周辺部で一般に環 状のチャンバに入った後その中心で出ていき、またその逆もある。

詳細な説明と好ましい実施例 この発明のＣＶＤ反応装置の基本構造は、図１および図２に示される。反応装置 ２はその垂直軸４について円筒状であり、かつ普通はその高さより実質上幅が広 い。大きさは重要ではないが、一般に全体の大きさは幅が２−６ｆｔ。

（６０−２００ｃｍ）で、高さは０．５−２ｆｔ、（１５−６０ｃｍ）である。

反応装置は上部ハウジング６と下部ハウジング８とを有し、それらは反応装置が 動作中のとき、ハウジング６および８の周辺部で距離をおいて間隔を設けられた ボルトまたはクランプの外部リングによって、一般に一緒にボルトで固定される 、またはクランプで締められている。これを達成するための多くの従来の方法が あり、典型的な例としてハウジング６上のフランジ１０およびハウジング８上の 対応するフランジ１０’を使用することができ、対応するフランジにおいて一直 線に並んだ穴を突き通すボルト１２によってともに固定されるとともに、ナツト １４によって固定される。

ハウジング６および８によって形成される反応装置の中空の内部は、好ましい実 施例において３つの領域に分けて示される反応チャンバであり、その領域は上部 領域１６、中間またはウェーハ生成領域１８および下部領域２０であり、その各 々はそれ自体の気体供給ライン２２．２４および２６をそれぞれ有している。反 応チャンバにおいて中央に配置されているのは、混合部分２８と排気ライン３０ である。反応装置は排気できるように気密になっているので、ＣＶＤ反応は１０ −’　ｔｏｒｒから３００ｔｏｒｒ　（０゜５ａｔｍ）の範囲の広範囲の圧力で 行なわれる。

反応チャンバ内に取付けられているのは環状ウェーハ支持プレート３２であり、 それは上にウェーハサブストレート３４が置かれるか、またはひっこんだところ にそれらが置かれる支持プレートであるので、ウェーハの頂上表面はウェーハ支 持プレート３２の表面と同じ平面である。ウェーハ支持プレート３２は中実軸３ ６からハウジング８によって形成される反応チャンバの内部壁３８へ外方向に放 射状に延びる。以下に説明されるように、ウェーハ支持プレート３２は反応装置 の好ましい実施例において回転するように意図されているので、壁３８とウェー ハ支持プレート３２との間にわずかなりリアランス４０が存在するであろう。望 まれればスペース４０に充填材を挿入することができるが、典型的な動作条件の 下でほんの微量の気体しか領域１８と２０との間のスペース４０を介して拡散し ないので、標準的には必要ではない。さらに、かかる拡散が実際におこっても、 プロセスに有害ではないので、領域２０からの不活性ガス（たとえばアルゴン） は、反応性気体に対してわずかに弱い効果のみをもって、中間領域１８に拡散す るであろう。領域Ｉ８から出て下部領域２０に拡散する任意の反応性気体は、反 応装置から単純に排気されるであろう。拡散する反応性気体の量は、中間領域１ ８で起こっている反応に実質的に影響を与えるほどではないであろう。

よび４４′に固定された０−リングによって例証されるように、ジヨイントにお ける気密シールは、必要なところではどこにおいてでも使用されることは理解さ れるであろう。

ここでは簡潔のために様々な種類のシールがすべて示されているわけではない。

しかしながら、当業者はかかるシールかどこに必要でありまたはどこに望ましい かよくわかるであろう。動作温度、圧力および気体と化学反応をしない従来のシ ーリング材料ならなんでもここで使ってよい。）ウェーハ生成領域１８の頂上は 頂上プレート４Ｇの下表面によって規定される。この頂上プレートはハウジング ６の下側面に直接隣接し、絶縁体層によってのみ分離されることが可能である。

しかしながら、好ましくは上部領域１６が存在し、かつ環状の頂上プレート４６ はその外側の周辺部で壁３８に突き当たり、その内部の周辺部で排気ダクト４８ に突き当たる。

ウェーハ支持プレート３２の内部および外部周辺部に配置されるのは、それぞれ 気体流動安定羽根５０と５２である。これらの羽根５０および５２は、気体がウ ェーハ生成領域１８を通って流れるとき、気体の流れを層にさせる複数個の水平 環状案内である。２組の羽根５０および５２のうちどちらが気体流動のための領 域１８の出口にあってもそれは任意の余剰反応性気体、気体反応生成物および不 活性キャリアガスの再循環（逆流）を防ぐために機能する。

図１において気体の流れは矢印によって内側に放射状に示される。もし適当な修 正か装置の中央で構造に対して行なわれ、個々の領域１６．１８および２０に適 当な気体を通せば、気体の流れはまた外側に放射状になることも可能であること が認識されるであろう。これは外部周辺部に置かれた排気管とともに、中央に配 置された気体供給ラインを有するであろう。

加熱手段をウェーハ支持プレート３２に組み入れる、またはウェーハ生成領域１ ８から離れて配置させることは可能である。しかしながら、好ましい下部領域２ ０が存在し、かつ反応装置のまわりで同心円をなして配列される放射状の加熱コ イル５４を含む。何本でも都合のよい数のコイルを使用してよい。（加熱コイル は、好ましい位置である下部領域２０に示される。もし望まれれば、上部領域１ ６に別々にまたは同時に動作するコイルも可能である。）ウェーハ支持プレート ３２と頂上プレート４６を所望の温度に維持する能力は、ウェーハと気体の適切 な加熱のために、またチャンバにおける再循環セルの形成を防ぐために重要であ る。典型的な例として、頂上プレート４６はウェーハ支持プレート３２の温度よ り約１００°−２００°Ｃ（２１２°−４２４°Ｆ）低い温度であろう。この差 は、大きいので頂上プレート４６上の熱によって誘導された生成を、ウェーハ３ ４上の生成と比較して取るに足らない量に保つことはできるが、気体内における 再婚環セルの熱形成のための推進力となるほどは小さくないであろう。

すべてのコイルを単一体として動作することが可能である。しかしながら、コイ ルは放射状に３つのグループつまり指定された５４ａ、５４ｂおよび５４ｃに分 けられ、各々は個々に制御できることが望ましい。大量の熱損失が領域２０の内 側および外側部分で起こるので、もしすべてのコイルがｌ単一体として動作され れば、領域２０の中心近くで最大温度となり、それによりウェーハ支持プレート ３２の隣接した部分の非均質加熱となり、結果的にウェーハ３４の非均質加熱と なることが発見された。加熱コイルを３つの別々のグループに分けることによっ て、コイル５４ａおよび５４ｃの内部および外部グループは、余分の熱損失の原 因となるより高い温度で動作できるので、ウェーハ支持プレート３２とウェーハ ３４に分は与えられた結果として生じる温度はこれら３つのグループのコイルで 本質的に一定である。動作温度は１００°−９００’Ｃ（２１２゜−１６５２° Ｆの範囲であり、任意の特定の走行のために選ばれた特定の温度は、存在する特 定の反応物の容易に定められた関数である。

単一体の基本動作は容易に説明される。外部ソースからの反応性および不活性気 体は、ダクト２２．２４および２６を通ってそれぞれ領域１６．１８および２０ へ通過する。

加熱コイル５４は、ウェーハ支持プレート２０およびウェーハ３４を表面触媒反 応か生成物質を反応性気体から遊離させ、その後反応物質をウェーハ表面に結合 させるのに最適の温度に維持する。まっすぐ羽根５０および５２は、領域Ｉ８全 体を通る反応気体の層流を作り出して維持し、出口羽根５０もまた任意の気体反 応物または反応生成物が、生成物を分裂させたり層を汚染させることを妨げる。

すべての気体は領域１８を通る単一の通過において流れる、つまり実質上小型チ ャンバの高さく典型的には５−２０ｍｍ、０．２−０．８ｉｎ、）に関する羽根 ５０および５２の存在と、ウェーハ支持プレート３２と頂上プレート４６との間 の温度差（典型的には２００°Ｃ１４２４°Ｆ以下）は、いかなる種類の再循環 、渦巻または逆流もないことを保証する。したがって、各々のウェーハは反応性 気体がただ１回だけ通り過ぎて行くのを見るので、気体からの物質の放射状の生 成は均質である。気体流速はウェーハ上の反応性気体の最適の滞留時間が確立さ れるように維持される。典型的な直線状の気体流速は、約０．１から約ｔｏｍ／ 秒（０，３−３２ｆｔ、／秒）の範囲である。したがって、各々のウェーハは他 のそれぞれのウェーハと本質的に等しい反応性気体の量を持ち、かつ等しい滞留 時間の間、生成のための表面反応にさらされるので、すべてのウェーハにとって の生成層を均質にすることにつながる。これは先行技術のトンネル型反応装置と 著しい対照をなし、トンネル型反応装置においては気体入口に最も近いウェーハ は下流のウェーハより実質的に多い反応性物質を受入れた。

これは、接近して距離をおいたアレイにウェーハを垂直に立てておくという先行 技術の実務と比べて、重大な改善であり、先行技術は反応性気体にウェーハの間 で拡散することを要求したので、中心近くより各々のウェーハの外部周辺部で著 しく程度の多い生成となった。また、気体に反応装置自体の中でコーナーのあた りで流れの向きを変えることを要求し、それが非均質的な滞留時間および再循環 へとつながった反応装置と比べて著しい改善である。

本件の発明の反応装置の生成速度は、先行技術の反応装置のように、発生してい る特定の反応および生成されている物質に依存するであろう。例としてＳ　ｉ　 Ｏｔの生成を考えると、従来の先行技術の生成速度は１５０−２００人／分で、 平均の厚さに関する膜の厚さの範囲によって測定された存在する非均質性は、生 成物の約５％である。この発明の反応装置は１％以下の非均質性の存在で５００ ０人／分以上の５ｉｎｓの生成速度を容易に達成することができる同様の程度の 改善が、他の物質の生成において見られるであろう。

前述の米国特許第３．７５７．７３３号および第４．４３０．１４９号に例証さ れたようなある種の先行技術の反応装置は、半径流または層流のどちらか、また は双方を有すると言われる。しかしながら、層流および半径流の双方はこの発明 の要素である一方で、それらはこの発明の概念の一部でしかない。気体圧力、気 体の化学的性質、気体の速度およびウェーハ温度の最も広い範囲の反応状態にわ たって、最大の膿胸質性や汚染のない膜のためには、ウェーハの上、および反応 装置チャンバの中でうまく制御された滞留時間と、うまく制御された気体加熱を 存する一通過の気体の流れを維持することは必要である。様々な先行技術の反応 装置は、様々な構造上または動作上の特徴を示し、そのためにこれらの基準に合 わなくなる一方で、米国特許第３．７５７．７３３号の反応装置に関する短い説 明は、この発明の反応装置の進歩を例証するであろう。たとえば、一旦先行技術 の反応装置における圧力が、ｔｏ−ｔｏｏｔｏｒｒの範囲になり、ウェーハ温度 が４００’　Ｃ（７５００Ｆ）を越えると、熱再循環セルが特にコーナーや気体 の流れが鋭く曲がるところで、形成されるであろう、ハウトマン他（Ｈｏｕｔｍ ａｎ　ｅｔ　ａｌ、）、ｒ停滞点フローにおけるＣＶＤＪ　（ＣＶＤ　ｉｎ　Ｓ ｔａｇｎａｔ　ｉｏｎ　Ｐｏ１ｎｔ　Ｆｌｏｗ）、ジャーナル　エレクトロケム 　ソサエティー（Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓ。

ｃ　、）、１３３．５，９６１　（１９８６年５月）参照。

圧力がさらに増加すると、再循環はウェーハ自体に起こる、バーン　デ　ベン　 他（Ｖａｎ　ｄｅ　Ｖｅｎ　ｅｔ　ａ【、）、水平ＭＯＣＶＤ反応装置における 気相デプレションとフローダイナミクスＪ　（Ｇａｓ　Ｐｈａｓｅ　ｄｅｐｌｅ ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｆｌｏｗ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ　ｉｎ　Ｈｏｒｉｚｏｎａｌ　 ＭＯＣＶＤ　ＲｅａｃｔｏｒＳ）、ジャーナル　クリスタル　グロース（Ｊ、Ｃ ｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ）、７６．３５２　（１９８６）参照。

しかしながら、この発明の反応装置において、かかる反応状態は容易に得られる 、なぜなら接近して含まれがっ時同制御されたー通過の層気体流が、反応チャン バの任意の点において再循環セルの形成を妨げるからである。その上、先行技術 の反応装置は、最大１．０％の非均質性を生成したと開示されているが、同等の 条件下でのこの発明の反応装置においては、非均質性率は１％以下である。この 特許の開示は、以下のことが以前は認識されていなかったという事実の典型で、 高度の物質生成の均質性と生成された層の高度の汚染の防止が達成されるのは、 ウェーハの上を単一に通過する気体を、規定された滞留時間およびウェーハの任 意の部分の上での、または反応チャンバの任意の部分の中への再循環の防止とと もに維持することによってであり、これはウェーハに影響を及ぼす可能性がある （たとえば、ウェーハ表面上に落ちる粒子を形成する気相反応が起こり得る頂上 プレート４６のちょうど下の領域への再循環のように）ということである。単一 の反応装置動作において多層構造を形成しながらこれらの最適の状態が得られる ことは、先行技術によって同様に認識されていなかった。

領域１６．１８および２０から出ていく気体は通路５５．５６および５８をそれ ぞれ介して混合領域２８へと通過していき、導管３０を介して単一体から排気さ れる。

この発明の反応装置を非常に効果的に動作することによる効果は図４に例証され 、これは反応装置温度（’　Ｋによる）の逆数が生成される物質の生成速度の対 数で表わされる反対数グラフである。反応速度がグラフ上の線Ａによって示され る最初の反応を考えられたい。温度が上がるにつれて反応は表面反応が速度制御 する限りにおいてより迅速に進行する。上述の背景に述べられているように、先 行技術の反応装置については過渡期温度点Ｐは反応物の表面への物質移動か制限 関数になるところでは迅速に到達される。

したがって、生成速度は反応速度がそれほと温度によって影響を受けない曲線Ｂ に沿って発散する。この発明の反応装置は典型的に非常に効率的に動作するので 、過渡期点Ｐは著しく上げられ（Ｐ’まで）、その結果表面への物質移動は高め られた温度において急激であり、かつ表面反応はさらに広範囲の温度に対する速 度制御関数のままである。

このことからいくつかの有益な効果が得られる。最も直接の効果は、プロセスオ ペレータは最初の反応（線Ａ）のために広範囲の温度で反応装置を動作させるこ とができ、したがって、生成速度や望ましい生成物の総量に基づいて、反応と反 応条件にとって最適の温度Ｔ、と反応速度Ｒ１を選択することかできることであ る。その上、もし第２の生成反応（その反応速度は線Ｃによって表示される）を 反応装置において行ないたければ、同じ反応温度Ｔ１を維持し、第２の反応に対 してより速い反応速度Ｒ２を得ることが可能であり、またはオペレータはたとえ ば新しい化学的性質を育するように、より低い温度Ｔ、で同等の反応速度Ｒ９を 得ることができる。

上に説明された動作は、反応装置を使用できる最も単純な型の動作である。しか しながら、反応装置は著しくもつと多様性があり、かつＣＶＤ反応の基本型だけ に制限されることはない。

上述のように、好ましくはウェーハ支持プレートプレート３２は中心中空軸３６ の上で回転できるように設計される。特定の型式の回転ドライブは重要ではなく 、単一体の気密の完全性を維持する任意の従来のドライブ手段を使用することが できる。たとえば、車軸３６の下部端は外部環状ギヤ６０を有することかでき、 このギヤはモータシャフト６４上に取付けられるドライブピニオン６２とかみ合 う。

シャフト６４は、電動駆動機（図示されていない）によって駆動される。ウェー ハ支持プレート３２の回転速度は、領域Ｉ８における気体流速の関数になるであ ろう。ウェーハ領域における回転速度は、ウェーハ支持プレート３２とウェーハ ３４の上部表面の付近における反応性気体にせん断を与えられた乱流を発生させ ることを回避するためには、少なくとも約１桁小さく（つまり僅か０．１ｍ／秒 、０゜３ｆｔ、／秒の台で）なければならない。速度におけるこの大きな差もま たもちろん利用できる。

回転の有利な効果は、図３に概略的に例証される。反応性気体力ｑ回の通過で反 応領域１８を介して放射状に流れるので、また渦巻または逆流を伴わない層流が 維持されるので、気体の流れの横方向の拡散は非常に小さく、通常は１ｍ／秒（ ３，３ｆｔ、／秒）の気体の流れてわずか約４ｃｍ　（１，５ｉｎ、）の台であ る。それゆえに反応装置のある部分内でのみ第１の反応性気体を導入することが 可能であり、ウェーハはその部分を介してゆっくり回転するのて、第１の物質は 人気体から生成される。ウェーハは反応装置の様々な部分へ回転するので、第２ の反応性気体はウェーハ上に第２の化学物質を生成させる。部分ＡおよびＢは不 活性パージ気体からなる中間領域によって分離されるので、部分の境界でＡおよ びＢの気体か混合することはない。これを達成するための手段は図２に示され、 フローチャネル２４はバリ７６６によって、３つの部分２４Ａ、２４Ｂおよび２ ４Ｐに分けられる。人気体は領域Ａで流れ、Ｂ気体は領域Ｂで、そしてパージ気 体は領域Ｐで流れる。

図３の図において各部分は、各々回転の輪の４０％を含むＡおよびＢ部分と、各 々１０％である２つのパージ領域で分けられて示される。任意の特定のシステム における実際の分割は、気体流速、回転速度、人気体とＢ気体の横方向の拡散の 程度および人気体とＢ気体が次の反応性気体領域に到達する前にウェーハ支持プ レート３２とウェーッλ３４の上のＰ領域においてパージされる際の容易さとに 依存するであろう。パージ領域によって分離された３つの（またはおそらくはさ らに多い）気体領域で動作させることも可能である。

他の利益もまた単一体の回転のために発生する。たとえば、もしウェーハが単一 体の１つの部分にすべて集中すれば、所望の第１の層が構築されるまでその部分 におけるウェーハ上に第１の気体を流すことが可能である。したがって、単一体 ウエーハ支持プレートとウェーハは、まったく異なる部分（たとえば、１０００ 反対）へ回転することが可能で、そこで以前の部分が不活性気体で一掃されてい る間に第２の反応性気体にさらされる。パージが完了して、第２の層か適切に構 築されたとき、ウェーハ支持プレート３２とウェーハ３４は元の部分に回転して 戻り、第２の部分がパージされている間にさらに第３の気体と接触して第３の層 を構築することができる。これはもちろん多数の所望される回数を繰返すことが できる。

その上、回転は今まで可能でなかった添加金属層のような層の形成がＣＶＤによ って行なわれることを許容する。

たとえば、チップ上に二種の金属を用いた層（銅を添加されたアルミニウムのよ うな）を置くことが望ましいことがある。現在は、これは普通は各々の金属を固 体ソースからスパッタさせるような物理技術によって行なわれる。ＣｖＤは、二 種の金属を用いたソースは気体の形で存在できないので、めったに役立たない。

それゆえに、個々の金属元素のソースとして別々の気体を使用しなければならず 、ＣＶＤは気体がすべて同じ反応条件の下で反応して、別々の金属か同時に生成 するようなまれな状況においてのみ実行可能である。図３に例証された２つの領 域技術を使用するこの発明の反応装置を用いて、第１の金属を第１の反応性気体 またはＡ領域の気体からその反応のための最適の反応条件下で生成させてから、 第２の１つの反応性気体または複数の反応性気体から、その反応のための最適の 反応条件下での第２の生成のためにウェーハをＢ領域に回転させることは極めて 実行可能である。代替的に、第２の金属はスパッタ、蒸発またはプラズマのよう な非ＣＶＤ生成技術によって生成できる。非ＣＶＤ生成技術は、適切な蒸気圧を 持つソース物質が、第２の金属に利用できないときに特に重要である。回転速度 を２つの金属の別々の生成条件を得るための正しい速度に設定することによって 、薄い第１の金属（たとえばアルミニウム）層を作り、その上に第２の金属（た とえば鋼）層を生成させ混成の二種の金属を用いた層を形成することが可能であ る。これは完全に所望される二種の金属を用いた層の厚さが構築されて、層が均 質の組成を有するまで何回も繰返すことができる。いくつかの例において、周期 的に回転を停止させて層のより厚い部分を構築することを許容する、または金属 拡散または焼きなましを許容することは望ましい。さらに、上の論点が二種の金 属を用いた層によって例証されてきた一方で、同じ技術が２つ、３つまたはそれ 以上の要素を結合させる任意のポリメタリック層を作るために使用できることは 明らかである。

同じ技術を、お互いに相客れない反応性ソース物質からの順序立った物質の生成 を許容するために使用できる。たとえば、ガラス膜を添加されたホウ素と燐を形 成する際に、要素は普通、テトラエチルオルトシリケイト（ＴＥ０１）、トリメ チル亜燐酸塩およびトリメチルホウ酸塩から生成される。しかしながら、多くの 反応条件下で、ホウ酸塩と亜燐酸塩は相客れない。この発明の反応装置を用いて 、ホウ酸塩と亜燐酸塩は反応装置の異なった部分で反応することが可能である。

ウェーハ生成領域は、内部を従来のプラズマ表面クリーニング技術にかけること によって周期的に清掃できる。

典型的なウェーハ支持プレート直径は、２−４ｆｔ、（０，６−１，２ｍ）の台 である。業界で通常見られる２゜３、４．　５およびＢｉｎ、（５，７，５，１ ０，１２，５および１５ｃｍ）の直径を持つ反応装置は、直径で２−１２　ｉ　 ｎ、（５−３０ｃｍ）の大きさのウェーハを収容できる。

ウェーハは適切な周囲環境条件下で単一体を開けることによって手でロードする ことができる、つまり従来の「ロートとロック」ウェーハロードおよびアンロー ドシステムを利用することが好まれる。かかる単一体は本質的に一方の端部で反 応領域１８の中に開けられるとともに、他方の端部で外へ開けられるチャンバか らなる。膜で覆う対象のウェーハは、ローディングチャンバに置かれ、外部開口 部は閉じられてから封止される。したがって、ローディングチャンバは、不活性 気体で一掃されるか、または排気される（そして望まれれば、予め定められた温 度に加熱される）。パージまたは排気と任意の加熱が完了したとき、内部通路は 開けられ、ウェーハは反応領域の中にロードされてから、適当な場所でウェーハ 支持プレート３２上に置かれる。標準的にこれは自動機械ローディング装置に内 部にローディングチャンバを含ませて行なわれる。ウェーハ３４がすべて反応領 域１８の中にロードされると、ローディング器具への開口部は再び閉じられてか ら封止され、生成プロセスが実行される。ウェーハ上のすべての物質の生成が完 了したとき、アンローディング動作はローディング動作を逆に２倍にする。これ によって主要反応装置と反応領域１８は決して周囲環境と接触させられることは ない。その上、もし望まれれば、反応装置は、ローディングチャンバの内部の開 口部がウェーハローディングまたはアンローディングのために開けられるときは いつでも、同じ温度や大気状態でローディングチャンバを有することによって、 一定の温度と大気で維持され得る。

上に特定的に説明されていないが、明らかにこの発明の範囲や精神以内であるこ の発明の多数の実施例があることは明らかであろう。したがって、上の説明は典 型としてのみ見なされ、この発明は添付の請求の範囲によってのみ制限されるも のとする。

図面の簡単な説明 図１は、この発明の反応装置の概略の半断面平面図である。

図２は、この発明の反応装置の中間領域と底部領域の概略の部分断面平面図であ る。

図３は、この発明の反応装置を使用する２つの別の物質の生成を例証する概略図 である。

図４は、この発明の反応装置を使用する改善された反応を含む、ＣＶＤ反応の反 応速度を例証する半対数グラフである。

国際調査報告

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １． ウエーハサブストレート上に少なくとも１つの物質層を生成させるＣＶＤ 反応装置で、 ａ．その周辺部と中心に一般に環状の反応チャンバへ出入りする気体通路を有す る、そのような一般に環状な反応チャンバと、 ｂ．所望の温度に保つことができ、かつ水平ウエーハ支持プレートに関して、ウ エーハ生成領域を水平頂上表面の下に規定する、前記チャンバ内で前記チャンバ を実質上横切って延びる、そのような水平頂上表面と、ｃ．所望の温度に保つこ とができ、かつ前記頂上表面に関して、前記ウエーハ生成領域を前記ウエーハ支 持プレートの上に規定する、前記チャンバ内で前記頂上表面の下で、かつ距離を おいて配置された前記ウエーハサブストレートのための前記水平ウエーハ支持プ レートと、ｄ．前記ウエーハ生成領域に、それから前記物質層が前記ウエーハサ ブストレート上に生成される少なくとも１つの反応性気体を供給するとともに、 前記ウエーハ生成領域から余剰気体や気体反応生成物を排気するための手段と、 ｅ．前記ウエーハ生成領域を通って、かつ前記ウエーハサブストレート上で予め 定めれた滞留時間の間に１回前記反応性気体を放射状に通過させるとともに、任 意のウエーハサブストレートの上で、または前記反応チャンバの任意の部分を通 って、前記ウエーハサブストレートに影響を及ぼすかもしれない任意の反応性気 体、または気体反応生成物の再循環を妨げるための流れ制御手段と、ｆ．前記ウ エーハ支持プレート上に位置づけられた前記ウエーハサブストレートを加熱する ための加熱手段とを含む、ＣＶＤ反応装置。
2. ２．前記ウエーハ支持プレートは前記チャンバと同軸に回転できるように取付け られ、かつ前記反応装置はまた前記支持プレートを前記チャンバの中心軸につい て回転させる手段を含む、請求項１にあるような反応装置。
3. ３．前記流れ制御手段は、前記反応性気体と前記気体生成物に、前記支持プレー トを放射状に横切る層流を維持させる、請求項１にあるような反応装置。
4. ４．流れ制御手段は、前記中部領域の気体の入口および出口に位置づけされたま っすぐ羽根を含む、請求項３にあるような反応装置。
5. ５．前記入口に位置づけされた前記まっすぐばねは前記層流を作る、請求項４に あるような反応装置。
6. ６．前記出口に位置づけされた前記まっすぐ羽根は、気体が前記中部領域に、お よび任意のウエーハサブストレートを横切って後ろへ流れるのを妨げる、請求項 ４にあるような反応装置。
7. ７．頂上表面の温度および頂上表面プレートのウエーハ支持プレートからの距離 は、再循環セルが反応装置に形成されないほどである、請求項３にあるような反 応装置。
8. ８．前記加熱手段は、前記ウエーハ支持プレートの下に配置された加熱コイルを 含む、請求項１にあるような反応装置。
9. ９．前記加熱手段は、前記ウエーハ支持プレート内に配置された加熱コイルを含 む、請求項１にあるような反応装置。
10. １０．前記頂上表面の上、または前記ウエーハ支持プレートの下に別々の領域が あって、それを介して不活性気体が通過できる、請求項１にあるような反応装置 。
11. １１．前記加熱手段は、前記ウエーハ支持プレートの下の前記領域に配置される 、請求項１０にあるような反応装置。
12. １２．前記加熱手段は加熱コイルを含む、請求項１１にあるような反応装置。
13. １３．別々の気体の流れを、前記ウエーハ生成領域の様々な放射状の部分に供給 するための気体流れ制御手段をさらに含む、請求項２にあるような反応装置。
14. １４．前記流れ制御手段は、前記別々の気体の流れが前記ウエーハ生成領域を通 過する間にお互いの任意の著しい混合を妨げる、請求項１３にあるような反応装 置。
15. １５．前記流れ制御手段は２つの別々の反応性気体を各々前記ウエーハ生成領域 の異なる放射状の部分で供給し、前記回転手段は前記ウエーハ支持プレートとウ エーハサブストレートを前記部分の間で回転させるので、２つの別々の物質が前 記ウエーハサブストレート上に連続して生成される、請求項１４にあるような反 応装置。
16. １６．前記流れ制御手段は、分離を維持するために前記気体の各々を層流で維持 する、請求項１４にあるような反応装置。
17. １７．前記ウエーハ生成領域の１つ以上の前記部分は、非化学気相成長方法を行 なうように構成され、かつ１つ以上の部分は化学気相成長を行なうように構成さ れる、請求項１３にあるような反応装置。
18. １８．前記反応性気体を前記ウエーハ生成領域を通ってその周辺部から内側に放 射状に流れさせ、かつ余剰気体および気体反応生成物をその中心で前記領域から 排気させるための手段を有する、請求項１にあるような反応装置。
19. １９．前記反応性気体を前記ウエーハ生成領域を通ってその中心から外側に放射 状に流れさせ、かつ余剰気体および気体反応生成物をその周辺部で前記領域から 排気させるための手段を有する、請求項１にあるような反応装置。
20. ２０．ウエーハサブストレート上に気体から少なくとも１つの物質層を生成させ るための方法であって、ａ．一般に環状のウエーハ生成領域内に少なくとも１つ のウエーハサブストレートを水平に位置づけることと、ｂ．単一の通過で前記領 域を通って、かつ前記ウエーハサブストレートの表面を横切って放射状に反応性 気体を通過させて、任意のウエーハサブストレートの上で、または前記反応チャ ンバの任意の部分を通って、前記ウエーハサブストレートに影響を及ぼすかもし れない任意の反応性気体、または気体反応生成物の再循環を妨げることと、ｃ． 所望の生成物質が加熱されたウエーハサブストレートの前記表面上の反応によっ て前記反応性気体から形成され、その後前記表面と結合する点まで前記ウエーハ サブストレートを加熱することと、 ｄ．前記表面上の前記物質の生成を前記放射状の気体の流れを流速に維持するこ とによって、実質的に均質にして、各々のかかるサブストレートの上に、前記ウ エーハサブストレートを横切る前記気体の著しい横方向の拡散または減少を妨げ るには著しく短い予め定められた気体の滞留時間を生じさせることとを含むプロ セス。
21. ２１．前記反応性気体および気体反応生成物は前記領域を放射状に横切る層流に おいて維持される、請求項２０にあるような方法。
22. ２２．複数個の反応性気体は各々の気体が前記領域の異なる放射状の部分に通過 させられ、かつ気体は前記領域の中で混ざらないで、前記反応領域へ通過してい き、前記ウエーハサブストレートは１つの部分から次の部分へ連続して移動する ので、異なる物質が各々の前記部分において前記ウエーハサブストレート上に生 成される、請求項２０にあるような方法。
23. ２３．生成された異なる物質はポリメタリッタ層の金属元素である、請求項２２ にあるような方法。
24. ２４．非化学気相成長方法は前記部分の少なくとも１つにおいて行なわれる、請 求項２２にあるような方法。
25. ２５．前記非化学気相成長方法は、スパッタ生成、蒸発生成またはプラズマ生成 である、請求項２４にあるような方法。
26. ２６．ある時間期間は１つの部分から次の部分への前記ウエーハサブストレート の移動の間に与えられる、請求項２１にあるような方法。
27. ２７．前記時間期間の間に、拡散、焼きなましまたは層構築が起こる、請求項２ ６にあるような方法。
28. ２８．前記ウエーハ生成領域は周期的にプラズマ表面反応技術によって清掃され る、請求項２０にあるような方法。
29. ２９．前記反応性気体の前記ウエーハ生成領域を介するその周辺部からの放射状 に内方向の放射状の流れと余剰気体と気体反応生成物とは、前記ウエーハ生成領 域からその中心で排気する、請求項２１にあるような方法。
30. ３０．前記反応性気体の前記ウエーハ生成領域を介するその中心からの放射状に 外方向の放射状の流れと余剰気体と気体反応生成物とは、前記ウエーハ生成領域 からその周辺部で排気する、請求項２１にあるような方法。